(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の２端子インバータであって、この複数は整数ｎに相当し、直列配列または並列配列のいずれか１つにおいて相互に接続されている複数の２端子インバータと、
複数ｎ個の２端子整流器であって、直列配列または並列配列のいずれか１つにおいて相互に接続されている複数の２端子整流器と、
複数の変圧器であって、各変圧器は、前記複数の２端子インバータのうちのそれぞれ１つと接続している一次側と、前記複数の２端子整流器のうちのそれぞれ１つと接続している二次側とを有する複数の変圧器と、
前記複数の２端子インバータのうち少なくとも１つと並列接続された、少なくとも１つのコンデンサと、
前記複数の２端子インバータを１８０°／ｎ位相シフトして周波数同期動作させる制御信号を提供するように構成された制御部であって、前記複数の変圧器の漏洩インダクタンスが、少なくとも１つの前記コンデンサと共に、共振周波数が前記制御信号のクロック周波数の実質的に２倍である共振回路を形成する制御部と、
を備えるＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項２】
第１の複数のコンデンサであって、各コンデンサは、前記複数の２端子インバータのうちのそれぞれ１つと並列接続されている第１の複数のコンデンサ、をさらに備える請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項３】
第２の複数のコンデンサであって、各コンデンサは、前記複数の２端子整流器のうちのそれぞれ１つと並列接続されている第２の複数のコンデンサ、をさらに備える請求項２に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項４】
前記複数の２端子整流器のうちの少なくとも１つと並列接続されている少なくとも１つのコンデンサを、さらに備える請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項５】
請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器であって、
前記複数のインバータであって、各インバータは、１つのインバータスイッチング素子と、前記インバータスイッチング素子と逆並列接続されている１つのインバータ整流素子と、を有する前記複数のインバータと、
前記複数の整流器であって、各整流器は、１つの整流器整流素子と、前記整流器整流素子と逆並列接続されている１つの整流器スイッチング素子と、を有する前記複数の整流器と、
をさらに有する、ＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項６】
複数の２端子インバータであって、この複数は整数ｎに相当し、直列配列または並列配列のいずれか１つにおいて相互に接続されている複数の２端子インバータと、
複数ｎ個の２端子整流器であって、直列配列または並列配列のいずれか１つにおいて相互に接続されている複数の２端子整流器と、
複数の変圧器であって、各変圧器は、前記複数の２端子インバータのうちのそれぞれ１つと接続している一次側と、前記複数の２端子整流器のうちのそれぞれ１つと接続している二次側とを有する複数の変圧器と、
前記複数の２端子整流器のうち少なくとも１つと並列接続された、少なくとも１つのコンデンサと、
前記複数の２端子インバータを１８０°／ｎ位相シフトして周波数同期動作させる制御信号を提供するように構成された制御部であって、前記複数の変圧器の漏洩インダクタンスが、少なくとも１つの前記コンデンサと共に、共振周波数が前記制御信号のクロック周波数の実質的に２倍である共振回路を形成する制御部と、
を備えるＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項７】
第１の複数のコンデンサであって、各コンデンサは、前記複数の２端子整流器のうちのそれぞれ１つと並列接続されている第１の複数のコンデンサ、をさらに備える請求項６に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項８】
第２の複数のコンデンサであって、各コンデンサは、前記複数の２端子インバータのうちのそれぞれ１つと並列接続されている第２の複数のコンデンサ、をさらに備える請求項７に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項９】
前記複数の２端子インバータのうちの少なくとも１つと並列接続されている少なくとも１つのコンデンサを、さらに備える請求項６に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１０】
第１の２端子インバータと、
前記第１の２端子インバータに接続された第２の２端子インバータと、
第１変圧器であって、前記第１の２端子インバータに接続された第１変圧器一次側と、第１変圧器二次側とを有する第１変圧器と、
第２変圧器であって、前記第２の２端子インバータに接続された第２変圧器一次側と、第２変圧器二次側とを有する第２変圧器と、
前記第２変圧器一次側に接続された第１の２端子整流器と、
前記第２変圧器二次側に接続され、前記第１の２端子整流器に接続された第２の２端子整流器と、
前記第１の２端子インバータと並列接続された第１コンデンサと、
前記第２の２端子インバータと並列接続された第２コンデンサと、
前記第１の整流器と並列接続された第３コンデンサと、
前記第１の２端子インバータおよび第２の２端子インバータを９０°／ｎ位相シフトして周波数同期動作させる制御信号を提供するように構成された制御部であって、前記第１変圧器および第２変圧器の漏洩インダクタンスが、前記第１、第２、第３のコンデンサと共に、共振周波数が前記制御信号のクロック周波数の実質的に２倍である共振回路を形成する制御部と、
を備えるＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１１】
前記第２の２端子インバータが、前記第１の２端子インバータに直列接続されている、請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１２】
前記第２の２端子整流器が、前記第１の整流器に並列接続されている、請求項１１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１３】
前記第２の整流器に並列接続された第４コンデンサをさらに備える、請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１４】
前記第１変圧器の中間タップに接続されている前記第３コンデンサと、
前記第２変圧器の中間タップに接続されている前記第４コンデンサと、をさらに備える、請求項１３に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１５】
前記制御信号は、方形波信号である、請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１６】
分離されたコアを有する前記第１変圧器と前記第２変圧器とをさらに有する、請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１７】
請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣ変換器であって、
前記第１の２端子インバータの第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に逆並列接続された第１整流素子と、
前記第２の２端子インバータの第２スイッチング素子と、
前記第２スイッチング素子に逆並列接続された第２整流素子と、
前記第１の２端子整流器の第３整流素子と、
前記第３整流素子に逆並列接続された第３のスイッチング素子と、
前記第２の２端子整流器の第４整流素子と、
前記第４の整流素子に逆接続された第４のスイッチング素子と、をさらに備える、ＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１８】
前記第３コンデンサは、前記第２の整流器にも並列接続されている、請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項１９】
請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣ変換器であって、
前記第１の２端子インバータと前記第２の２端子インバータとを、直列配列または並列配列のいずれかで選択的に接続するように構成された切換スイッチと、
第１のコイルと、
第２のコイルと、をさらに備え、
前記切換スイッチが並列配列で接続している場合、前記第１のコイルと前記第２のコイルとが、前記第１の２端子インバータと前記第２の２端子インバータとの間を接続している、ＤＣ／ＤＣ変換器。
【請求項２０】
前記第１のコイルと前記第２のコイルとが結合されている、請求項１９に記載のＤＣ／ＤＣ変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、並列または直列に接続された複数の２端子インバータと、同じ数の変圧器と、並列または直列に接続された同じ数の２端子整流器とを有するＤＣ／ＤＣ変換器に関する。各変圧器の一次側にそれぞれ１つのインバータが接続され、各変圧器の二次側にそれぞれ１つの整流器が接続される。さらにインバータは制御部に接続され、制御部は、制御信号を用いて、インバータを周波数同期させ１８０°／ｎ位相シフトさせて制御するために設けられ、ｎは変圧器の数を表す。さらに本発明は、ＡＣ／ＤＣ変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ／ＤＣ変換器（また「直流チョッパ」）は、周期的スイッチングによって一定の入力電圧を変換して、出力端に異なる算術平均電圧値が生成されるようにする。基本的なタイプは、降圧変換器（出力電圧が入力電圧より低い）、昇圧変換器（出力電圧が入力電圧より高い）、およびインバータ（出力電圧が入力電圧に比べて負の符号を有する）である。
【０００３】
ＡＣ／ＤＣ変換器は、入力ＡＣ電圧を出力ＤＣ電圧に変換し、ＤＣ電圧は一般に、ＡＣ電圧の実効値とは異なる。たとえばＡＣ電圧ネットワーク上の電子デバイスへの供給を可能にする、パワーユニットの形のＡＣ／ＤＣ変換器が広く用いられている。さらに、整流器の形のＡＣ／ＤＣ変換器も見られる。
【０００４】
一次側および二次側でパワーエレクトロニクス整流器に接続された変圧器を用いた、中間周波数変圧エネルギー伝送用の変換器回路を記載しているドイツ特許出願公開第１００５１１５６（Ａ１）号が変換器の別の例として挙げられる。互いに独立に制御可能であり、それぞれ単一コア変圧器の部分巻線に接続された少なくとも２つの整流器が、交互に同期され、それによって、たとえば変圧器の電力密度を増加するために、連続した両極性電圧パルスまたは交互に反対の極性の単極性電圧パルスを生成する。
【０００５】
さらに欧州特許出願公開第１２２７５７１（Ａ２）号は、変換器部分、変圧器、および整流器部分を有するＤＣ／ＤＣ変換器を開示している。２組の変換器部分は、フルブリッジ構成で接続された、２対の第１のスイッチング素子および別の２対の第２のスイッチング素子を備える。変換器部分と変圧器の間に、直列コンデンサが配置される。第１のスイッチング素子の切換点は、第２のスイッチング素子の切換点に対して１／３ｎ周期だけ位相シフトされる。他方の変換器部分のスイッチング素子の切換点は、互いに１／２ｎ周期だけ位相シフトされる。
【０００６】
最後に欧州特許出願公開第１３９１９８２（Ａ２）号は、ＤＣ電圧源の供給電圧をＡＣ電圧に変換するための１対の変換器回路部分を備える回路を開示している。これは、フルブリッジ構成の２対のスイッチング素子によって行われ、これらのスイッチング素子はＤＣ電圧源および整流器部分と並列に配置され、変圧器を介して各変換器回路部分の出力端に導かれる。変換器回路部分と変圧器の間に平滑化ユニットとして直列コンデンサが配置される。これらの平滑化ユニットそれぞれの整流器部分の変圧器の二次側は、平滑化ユニットのＮ個のグループとして直列に接続される。さらに、他方の整流器部分の二次側も、平滑化ユニットのＮ個のグループとして直列に接続される。
【０００７】
ＤＣ／ＤＣ変換器は、産業のほぼすべての領域に見られ、たとえば自動車産業において、通常は１２ボルトの車載電圧を異なるＤＣ電圧に変換すべき場合に見られ、電池駆動型デバイスにおいて、電池電圧または蓄電池電圧が電子回路が必要とする電圧と同じでない場合に見られまたは電気的駆動技術において見られる。
【０００８】
特に、ＤＣ／ＤＣ変換器はまたＡＣ／ＤＣ段と組み合わせて用いられ、ＡＣ電圧（欧州では通常２３０ＶＡＣ）が中間回路電圧（ＤＣ電圧）に変換され、この中間回路電圧は、しばしば所望通りに高くまたは低く生成することができないので、次いでＤＣ／ＤＣ変換器によって所望のレベルにされる。
【０００９】
ＡＣ／ＤＣ変換器の使用の重要な分野はまた、とりわけ、電源部における電池または蓄電池の充電であり、これは、人々の移動性が絶えず増大し、それに伴ってモバイル電気・電子デバイスの操作も絶えず増大しているため、ますます重要になりつつある。特に、電気駆動型自動車両はまた、電池充電器に全く新しい要件を課している。なぜなら一方では、より大きな電力密度したがってより高速な充電のために単相電源（通例、家庭での）で、他方では３相電源でも、充電が可能であるべきだからである。それに関連するのは幹線電圧の違い（欧州では単相電源では２３０ＶＡＣ、３相電源では４００ＶＡＣ）であり、実際に電池電圧は一定なので、このことは回路技術において考慮に入れなければならない。さらに、できるだけ短い時間で電源から電池に比較的大きなエネルギー含量（これによって結局は、自動車の一充電走行距離が決まる）を移動すべきである。
【００１０】
ＤＣ／ＤＣ変換器および／またはＡＣ／ＤＣ変換器の電力は、場合によってはかなりのものとなり、従来設計の場合には残念ながらしばしば負荷（たとえば電池）上で比較的大きな電力リップルをもたらす。しかし供給側、すなわち、たとえば供給電力ネットワーク内へのフィードバックも問題となり得る。このようなフィードバックはたとえば、たとえばスイッチングプロセスまたは非線形な消費側による、特にたとえばトランジスタやサイリスタなどパワーエレクトロニクスの構成部品による、過渡プロセスの場合に生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１００５１１５６号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１２２７５７１号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１３９１９８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の一目的は、変換器に接続された負荷上の電力リップルおよび／または供給側へのフィードバックが低減された、ＤＣ／ＤＣ変換器および／またはＡＣ／ＤＣ変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、この目的は、特許請求項１の特徴を有するＤＣ／ＤＣ変換器、および特許請求項８の特徴を有するＡＣ／ＤＣ変換器によって達成される。
【００１４】
したがって本発明による、最初に述べたタイプのＤＣ／ＤＣ変換器は、変圧器の漏洩インダクタンスが、インバータのコンデンサおよび／または整流器のコンデンサと共に、共振周波数が制御信号のクロック周波数のほぼ２倍である共振回路を形成するという特徴を備える。
【００１５】
したがって本発明によるＡＣ／ＤＣ変換器は、供給側にＡＣ／ＤＣ段を有する、本発明によるＤＣ／ＤＣ変換器を備える。
【００１６】
この回路により、後に示すように、負荷上での電力リップルおよび／または供給側へのフィードバック（たとえば幹線フィードバック）が有効に低減される。したがって本発明による変換器は、最初に述べた目的に特に適しているが、その使用は決してこれらの領域に限定されるものではない。低減された幹線フィードバックのおかげで、特に、非常に強力な電池充電器（たとえば電気車両用）を実現することができ、負荷上の電力リップルは、避けられないにしても少なくとも低減され、最大幹線フィードバックに関する電力供給会社の仕様が満たされる。
【００１７】
本発明によれば、ＤＣ電圧に重畳され、１８０°位相シフトされた正弦波ＡＣ電圧がコンデンサに生じる。これは、整流器またはインバータのスイッチングが電流のクロスオーバにて生じ、それによってスイッチング損失が実質的になくなり、電磁妨害が最小まで低減されるという利点を有する。インバータまたは整流器を直列接続した場合、位相シフトされたＡＣ電圧が互いに補償し合い、その結果、実質的にリップルのないＤＣ電圧が生じる。これに関連して「実質的に」という用語は、ＤＣ電圧に重畳されたＡＣ電圧のレベルが工学的に許容できるものであることであると定義される。変圧器の漏洩インダクタンスが小さ過ぎる場合は、もちろん一次および二次巻線と直列の追加のコイルによって所望の値に増加させることができる。
【００１８】
ここで、共振のためには、変圧器の漏洩インダクタンスと主インダクタンスの並列接続が決定的に重要であることを指摘しておきたい。ただし、ほとんどの用途において、主インダクタンスは漏洩インダクタンスの約１００倍の大きさなので、漏洩インダクタンスと並列に作用する主インダクタンスは、一般に実用上無視できる程度に小さい。しかし実際の比率が上述したものと決定的に異なる場合は、主インダクタンスを考慮に入れることが適切なこともある。
【００１９】
さらに、本開示において「変換器」とは、整流器、インバータ、または双方向変換器を意味すると理解できることを指摘しておきたい。「整流素子」とは、たとえばダイオード、トランジスタ（たとえばＭＯＳＦＥＴ、またはＩＧＢＴ）、サイリスタ、または他の整流素子を意味すると理解することができる。さらに「スイッチング素子」は、たとえばトランジスタ（たとえば、ここでもＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ）、サイリスタ、または他のスイッチング素子を意味すると理解することができる。したがってパッシブ整流器、アクティブ整流器、またはアクティブインバータがある。最後に「電池」は、充電式電池、蓄電池、または他の電力貯蔵媒体を意味すると理解すべきである。
【００２０】
本発明の有利な構成および他の発展形態は、従属請求項から、および図面の図と組み合わせた説明から明らかとなる。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣ変換器が、２つのインバータと、２つの変圧器と、２つの整流器とを有するならば、比較的簡単な設計をもたらすので有利である。
【００２２】
また変圧器が別々のコアを有するならば、それによりそれらの相互の影響を多少とも排除することができるので有利である。
【００２３】
各インバータにそれぞれ１つのコンデンサが並列に接続され、かつ／または各整流器にそれぞれ１つのコンデンサが並列に接続されるならば有利である。すでに比較的平滑なＤＣ電圧がさらに平滑化されるので、このようにして電力リップルおよび／または供給側へのフィードバックを特に容易に低減することができる。
【００２４】
さらに、インバータに共通コンデンサが並列に接続され、かつ／または整流器に共通コンデンサが並列に接続されるならば有利である。本発明のこの変形形態も、電力リップルおよび／または供給側へのフィードバックの特に良好な低減を保証するが、この変形形態ではコンデンサの数が少なくなる。したがって回路が、全体として技術的に簡単になる。
【００２５】
インバータの各スイッチング素子に、それぞれ１つの整流素子が逆並列に接続され、整流器の各整流素子に、それぞれ１つのスイッチング素子が逆並列に接続されるならば有利である。その場合、ＤＣ／ＤＣ変換器は、１つの方向のみでなく逆方向にも電気エネルギーを変換することができ、したがって原理的に双方向動作が可能となる。適したスイッチング素子は、たとえばパワーエレクトロニクスの構成部品、特にトランジスタまたはサイリスタである。したがって上述の変換器、すなわちパッシブ整流器、アクティブ整流器、またはアクティブインバータも、所望の組合せで、すなわち、たとえばパッシブ整流器をアクティブインバータと組み合わせて用いることができる。
【００２６】
また、制御信号が方形波信号であれば有利である。この信号は容易に生成でき、したがって本発明によるＤＣ／ＤＣ変換器に特に適している。対称な方形波信号、すなわちパルスのデューティファクタが５０％の方形波信号が特に有利である。しかしそれによって他の形状の信号、たとえばデルタ形または正弦波形の信号の使用が排除されるものではない。
【００２７】
さらに、インバータおよび／または整流器が並列に接続されており、または並列に接続でき、インバータおよび／または整流器の間にコイルが配置されるならば有利である。このようにすると、並列接続にもかかわらず上述の共振回路は、それらの共振周波数で逆位相にて振動することができ、それにより上述の動作モードを保ちながら、２つのコイルの共通接続部で直流は加算されるが、リップル電流は減算される。このようにしてインバータおよび／または整流器がそれぞれ、変圧器の両側で並列に接続されたときでも、電圧リップルの補償を達成することができる。
【００２８】
上述の並列接続の場合、コイル同士が結合されるならば有利である。それによりコイルのサイズを大幅に小さくすることができる。さらに、結合された２つのコイルは、変圧器またはその一部と見なすことができる。変圧器が設けられる場合は、有利なことに、電圧リップルを補償するために、２つの構成部品の代わりに１つの構成部品しか必要でなくなる。さらに、変圧器の使用により、別々のコイルに比べてエネルギー面での利点が生じる。本発明の他の有利な構成では、このために単巻変圧器が設けられる。
【００２９】
最後に、整流器を逆並列インバータと組み合わせる、およびその逆に（この場合はＡＣ／ＤＣ段においても）することによって、双方向動作のためにＡＣ／ＤＣ変換器が設けられれば有利である。これは、たとえば太陽光発電の部門で最適に用いることができる。なぜなら、太陽光にて余剰の直流がある場合、電力は第１に電池に蓄積することができるが、第２には交流幹線に供給することもできるからである。次いで暗くなるのと交流に対する要求が同時に起きる場合は、第１に交流を幹線から取ることができ（幹線が供給できる場合）、第２に電池からの電流を交流に変換することができ、したがって設備に対してＡＣ電圧源として働くことができる。したがってさらに、電池付きの（移動に用いられない）電気車両を、交流幹線用の電力バッファとして動作させることができる。
【００３０】
ここで本発明が、電池充電器用の変換器のみに関するのではなく、変換器一般に関することが明らかになるはずである。さらに、この電池充電器は、単に自動車両製造または太陽光技術の用途に関するのではなく、電池充電器一般に関する。当業者ならここで本発明は、他の使用分野にも適することが容易に認められよう。
【００３１】
上記の構成、および本発明の他の発展形態は、所望のいかなる形で組み合わせることもできる。
【００３２】
本発明について、図面の概略図に示される実際の例を参照して、以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明によるＤＣ／ＤＣ変換器を概略的に示す図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣ変換器の簡略図を、様々な電圧および電流の時間変化と共に示す図である。
【図３】本発明によるＤＣ／ＤＣ変換器の他の変形形態を概略的に示す図である。
【図４】整流器を並列に接続することができる、ＤＣ／ＤＣ変換器を示す図である。
【図５】コイル同士が結合された図４のＤＣ／ＤＣ変換器を示す図である。
【図６】整流器が並列に接続されたＤＣ／ＤＣ変換器の他の変形形態を、様々な電圧および電流の時間変化と共に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面の図において、同一および同様の部分は同一の参照番号で示し、同様な機能を有する要素および特徴は、別段の指定がない限り同一の参照番号であるが異なる添え字を付けて示す。
【００３５】
図１は、直列に接続された２つの２端子インバータ２ａ、２ｂを有し、それらと並列にそれぞれ１つのコンデンサＣ1、Ｃ2が接続された、ＤＣ／ＤＣ変換器１を示す。インバータ２ａ、２ｂは、２つの変圧器Ｔa、Ｔb（この場合は別々のコア）それぞれの１つの一次側に接続される。変圧器Ｔa、Ｔbそれぞれの１つの二次側は、それぞれ１つの２端子整流器３ａ、３ｂと、それらに並列に接続されたそれぞれ１つのコンデンサＣ3、Ｃ4とに接続される。整流器３ａ、３ｂは並列に接続され、フィルタ４を介して負荷を接続するために設けられる。
【００３６】
図１に示されるコンデンサＣ1〜Ｃ4は、有利であるが必ずしも必須ではない。さらに、コンデンサＣ3およびＣ4の代わりに、両方の整流器３ａ、３ｂ用に１つのコンデンサを設けることもできる。フィルタ４も任意選択であるにすぎない。
【００３７】
図面ではインバータ２ａ、２ｂは一次側で直列に接続されるが、整流器３ａ、３ｂは並列に接続される。しかし直列接続と並列接続の４つすべての組合せ、すなわち、たとえば２つの並列インバータ２ａ、２ｂと、２つの並列整流器３ａ、３ｂなどが考えられる。インバータ２ａ、２ｂが並列に接続される場合も、コンデンサＣ1およびＣ2の代わりに、両方のインバータ２ａ、２ｂ用に１つのコンデンサを設けることもできる。
【００３８】
ＤＣ／ＤＣ変換器１はさらに、双方向動作するように設けることができ、すなわち負荷側の出力電圧、または逆の動作の場合は中間回路電圧を所望のいかなるレベルにも設定することができる。このためにそれぞれの場合にインバータ２ａ、２ｂに逆並列の整流器段が設けられ、それぞれの場合に整流器３ａ、３ｂに逆並列のインバータ段が設けられる。これはＤＣ／ＤＣ変換器の動作にとって有利であるが、必ずしも必須ではない。
【００３９】
図１では、ＤＣ／ＤＣ変換器１は、供給側でＡＣ／ＤＣ段５に接続され、これと共にＡＣ／ＤＣ変換器６を形成する。ＡＣ／ＤＣ変換器６は、たとえば、幹線上の直流動作型デバイスの電源用に用いることができる。それには、あらゆるタイプの電子デバイスまたは直流機械が含まれる。最後に、ＡＣ／ＤＣ変換器６は、電池、特に電気自動車の電池を充電するために用いることができる。ＡＣ／ＤＣ段５は、本発明にとって任意選択であると見なすべきである。
【００４０】
ＡＣ／ＤＣ段５は、同じ向きに結合された３つのコイルが供給側または幹線側で変換器に接続され、コイルの１つは２つの部分コイルによって形成されるという点で特別な設計である。スイッチ（２極リレー）が部分コイルを、３相幹線接続の場合はそれらが並列に、単相動作の場合は直列に接続され、単相動作の場合の３相変換器の「残りの」接続は、直列に接続された部分コイルおよびコンデンサを介して変換器のベースに接続されるように接続する。この例では、コンデンサは５つの並列な部分コンデンサから形成される。
【００４１】
最後に、図１では、変換器が接続された、２つの変圧器ＴaおよびＴbのみが示されているが、本発明の概念は、変換器が接続された、複数の変圧器ＴaおよびＴbを含むように拡張できることに留意されたい。
【００４２】
次に、図１に示されるＤＣ／ＤＣ変換器の機能について、この回路の簡略図を示す図２を参照して説明する。図示のＤＣ／ＤＣ変換器を用いて可能となる双方向動作モードをも原理的に示すために、図２においてエネルギーは電池（フィルタ４に接続され、図１には示されない）から交流幹線へ流れる。
【００４３】
図２は、２つの変圧器ＴaおよびＴb、ならびに電池側のインバータ段（以下では、電池側の整流器と同様に３ａおよび３ｂで参照する）から変圧器ＴaおよびＴbに供給される電圧Ｕi1およびＵi2を示す。さらに、図２は、負荷側および幹線側のそれぞれの整流器段（以下では、幹線側のインバータと同様に２ａおよび２ｂとして参照する）を示し、これらは変圧器ＴaおよびＴbの二次側に接続され、ここでは平滑コンデンサＣ1およびＣ2を有する簡単なフルブリッジ整流器の形である。さらに、電池側のインバータ段３ａおよび３ｂからの電圧Ｕi1およびＵi2、変圧器ＴaおよびＴbの二次巻線を通る電流Ｉ1およびＩ2、変圧器ＴaおよびＴbの二次巻線の電圧ＵAC1およびＵAC2、整流された電圧ＵDC1およびＵDC2、ならびにそれらの合計電圧ＵDCの時間変化が示されている。
【００４４】
２つのインバータ段３ａ、３ｂは、周波数が同期しているが、９０°のオフセットを有する対称な方形波電圧によって動作する。変換器が接続された３つ以上の変圧器ＴaおよびＴbが用いられる場合は、位相シフトを適切に適合させるべきである。したがって、ｎ個の変圧器が、それぞれ互いに１８０°／ｎだけ位相シフトされた信号によって駆動されれば特に有利である。
【００４５】
変圧器ＴaおよびＴbの漏洩インダクタンスＬS1、ＬS2は、コンデンサＣ1およびＣ2と共にそれぞれ共振回路を形成する。その共振周波数が正確にクロック周波数の２倍の大きさである場合は、ＤＣ電圧に重畳され、１８０°だけ位相シフトされた正弦波ＡＣ電圧が、Ｃ1およびＣ2に生じる。これらの位相シフトされたＡＣ電圧は、整流器２ａ、２ｂの直列接続を介して互いに補償し合い、その結果、負荷側に実質的にリップルのないＤＣ電圧が生じる。
【００４６】
さらに、共振動作は、インバータ段３ａおよび３ｂのトランジスタ（図示の実施例ではＭＯＳＦＥＴ）が事実上電流のない状態でスイッチオンおよびオフされることを保証し、それによって損失が低減し、ＨＦ干渉が事実上回避される。変圧器巻線内の電流の変化率が適度であるため、寄生損失効果（渦電流、表皮効果および近接効果など）も同様に低減される。
【００４７】
図示の例では、電池電圧は、幹線または中間回路電圧よりも低いものと仮定している。この前提条件の下では、図示の回路にいくつかの利点が存在する。共振コンデンサＣ1およびＣ2は、高電圧側（すなわち、この場合は幹線側）に配置されるので、より低い損失を示し、より高いエネルギー密度を有する。さらに、高電圧側での２つの変換器の直列接続により、より低い損失でスイッチ（この特定の場合にはダイオード）の使用が可能になる。
【００４８】
最後に、図１に示されるＡＣ／ＤＣ段５は有利であるが、本発明にとって必ずしも必須ではないことに留意されたい。もちろん、原理的にＤＣ電圧（任意選択としてリップルを含む）を供給することができる他のＡＣ／ＤＣ段も適している。さらに、図１に示されるようにＡＣ／ＤＣ変換器６が双方向動作用に設計される場合は、ＡＣ／ＤＣ変換器６は、もちろんこのグループのデバイスに適したすべての技術分野において、ＤＣ／ＡＣ変換器としても用いることができることに留意されたい。
【００４９】
図３は、ＤＣ／ＤＣ変換器１’を有する本発明の他の変形形態を示すが、このＤＣ／ＤＣ変換器１’は、直列に接続され、それぞれが並列に接続されたコンデンサＣ1、Ｃ2を有する、２つの２端子インバータ２ａ’、２ｂ’を備える。インバータ２ａ’、２ｂ’は、２つの変圧器Ｔa’、Ｔb’（ここでは、やはり別々のコアを有する）それぞれの１つの一次側に接続される。変圧器Ｔa’、Ｔb’の各二次側は、それぞれ１つの整流器３ａ’、３ｂ’に接続され、整流器３ａ’、３ｂ’はそれぞれ並列に接続された２つのスイッチと、それらに並列に接続された１つのコンデンサＣ3、Ｃ4とからなる。変圧器Ｔa’、Ｔb’の二次巻線は、この例では分割されて示されており、したがって整流器３ａ’、３ｂ’は中間タップ接続で動作する。これは、整流器３ａ’、３ｂ’のスイッチが二次巻線の端部に接続され、コンデンサＣ3、Ｃ4が変圧器Ｔa’、Ｔb’の中間タップに接続されることを意味する。整流器３ａ’、３ｂ’は並列に接続され、フィルタ４’（この実施例では低電圧フィルタ）を介して負荷を接続するように設けられる。
【００５０】
図３は、変圧器Ｔa’、Ｔb’の一次コイルと二次コイルの分割比を、その異なる長さによって概略的に示す。図示の例では、変圧器Ｔa’、Ｔb’の二次巻線の部分コイルと一次巻線の比は１：６であり、したがって二次巻線と一次巻線の比は２：６すなわち１：３である。これはもちろん例にすぎないと見なすべきである。当然、他の巻線比も可能である。
【００５１】
ＡＣ／ＤＣ段の代わりに、この例ではＤＣ／ＤＣ段７がさらに設けられ、この変形形態ではこのＤＣ／ＤＣ段は双方向昇圧／降圧変換器の形をとる。このようにすると、広い範囲のＤＣ入力電圧にわたって一定の出力電圧を発生することができる。もちろん他の設計も考えられる。最後に、フィルタ４”（この場合は高電圧フィルタ）が幹線側に配置される。したがって図３に示す回路は、ＤＣ／ＤＣ変換器構成８を形成する。
【００５２】
整流器２ａ、２ｂを直列接続する場合に、負荷ＲLにおいてＤＣ電圧に重畳されたＡＣ電圧をなくすことができる、すなわち負荷側で事実上リップルのないＤＣ電圧を得ることができるやり方は図２に示した。次に図４は、切換スイッチを用いて、整流器２ａ、２ｂを直列のみでなく並列にも接続できる解決策を示す。並列接続の場合は、発振可能な系が形成されるように、コイルＬ1およびＬ2が２つの整流器２ａおよび２ｂの間に接続される。直流成分は妨げられずにコイルＬ1およびＬ2を通過することができ、交流成分は互いに逆のタイミングで発振し、したがって全体として打ち消される。他の点では、図４に示される回路は、すでに図１に示されたＤＣ／ＤＣ変換器１に対応し、したがってここではより詳しくは述べない。
【００５３】
原理的にコイルＬ1およびＬ2は、変換器２ａおよび２ｂならびに３ａおよび３ｂの両方が並列に接続されるときのみに必要となる。変換器２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂが変圧器ＴaおよびＴbの一方の側で直列に接続される場合は、コイルＬ1およびＬ2はなくすことができる。したがって結果として以下のようになり、すなわちコイルＬ1およびＬ2を用いずに、変換器２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、変圧器ＴaおよびＴbの両側で、直列／直列、直列／並列、または並列／直列に接続することができる。またコイルＬ1およびＬ2を用いて並列／並列接続を行うこともでき、その結果、この場合もリップル補償および電流クロスオーバでのスイッチングという利点が生じる。
【００５４】
次に図５は、図４に示される回路の他の変形形態を示す。コイルＬ1およびＬ2が、互いに結合される。このようにするとコイルＬ1およびＬ2のサイズを大幅に小さくすることができる。しかし他の点ではそれらの機能は、図４で用いられるコイルＬ1およびＬ2と同様である。結合された２つのコイルＬ1およびＬ2は、さらに変圧器Ｔcと見なすことができる（ただしこの場合は電気的絶縁のためには働かない）。変圧器Ｔcが設けられる場合、有利なことに、電圧リップルを補償するのに１つの構成部品しか必要でなくなる。さらに、変圧器Ｔcを用いることにより、一般に別々のコイルＬ1およびＬ2と比べて損失が少なくなる。
【００５５】
図６は、直列に接続された整流器２ａおよび２ｂの電圧曲線を示す図２と同様に、並列に接続された整流器２ａおよび２ｂの電圧曲線を示す。この変形形態では、単巻変圧器Ｔcが、負荷抵抗ＲLが接続された中間タップを介して、２つの整流器２ａおよび２ｂの間に接続される。単巻変圧器Ｔcの代わりに、等価物として２つのコイルを設けてもよい。
【００５６】
図示の原理はもちろんまた、並列に接続された３以上の整流器２ａおよび２ｂを含むように拡張することができる。このためには、適切な数のコイル、または適切な巻線数の変圧器を設けるべきである。したがって、たとえば並列に接続された３つの整流器の場合は、スター結線の３つのコイルを有する変圧器を図６に設けるべきであり、負荷ＲLは中性点に接続される。この原理はもちろん、並列に接続された所望の任意の数ｎの整流器を含むように拡張することができる。先に論じた変圧器は、この場合、スター結線のｎ個の巻線を有する。
【００５７】
最後に、ここに示した変形形態は、本発明によるＤＣ／ＤＣ変換器の多くの可能性の一部分を表すにすぎず、本発明の使用範囲を限定するために用いることはできないことに留意されたい。当業者なら、本発明の保護の範囲から逸脱せずに、本明細書に述べた考察に基づいて、本発明を自らの必要に適合させることは容易であろう。
【符号の説明】
【００５８】
１、１’  ＤＣ／ＤＣ変換器、  ２ａ、２ｂ、２ａ’、２ｂ’  インバータ、  ３ａ、３ｂ、３ａ’、３ｂ’  整流器、  ４、４’、４”  フィルタ、  ５  ＡＣ／ＤＣ段、  ６  ＡＣ／ＤＣ変換器、  ７  ＤＣ／ＤＣ段、  ８  ＤＣ／ＤＣ変換器構成、  Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、Ｃ4  コンデンサ、  ＬS1、ＬS2  漏洩インダクタンス、  Ｌ1、Ｌ2  コイル、  ＲL  負荷抵抗、  Ｔa、Ｔb、Ｔa’、Ｔb’、Ｔc  変圧器、  ＵAC1、ＵAC2  ＡＣ電圧、  ＵDC、ＵDC1、ＵDC2  ＤＣ電圧。
【要約】  本発明は、並列または直列に接続されたｎ個の２端子インバータ（２ａ、２ｂ）と、ｎ個の変圧器（Ｔa、Ｔb）と、並列または直列に接続されたｎ個の２端子整流器（３ａ、３ｂ）とを備えるＤＣ／ＤＣ変換器（１）に関する。各変圧器（Ｔa、Ｔb）にそれぞれ１つのインバータ（２ａ、２ｂ）、およびそれぞれ１つの整流器（３ａ、３ｂ）が接続される。インバータ（２ａ、２ｂ、２ａ’、２ｂ’）はコントローラに接続され、コントローラはインバータ（２ａ、２ｂ、２ａ’、２ｂ’）を１８０°／ｎ位相シフトさせ周波数同期させて制御するように設けられる。本発明によれば、変圧器（Ｔa、Ｔb、Ｔa’、Ｔb’）の漏洩インダクタンス（ＬS1、ＬS2）はそれぞれ、インバータ（２ａ、２ｂ、２ａ’、２ｂ’）の静電容量（Ｃ1、Ｃ2）および／または整流器（３ａ、３ｂ、３ａ’、３ｂ’）の静電容量（Ｃ3、Ｃ4）と共に発振回路を形成し、この発振回路の共振周波数は制御信号のクロック周波数のほぼ２倍である。本発明はさらに、入力側に接続されたＡＣ／ＤＣ段（５）を有する、本発明によるＤＣ／ＤＣ変換器（１）を備えるＡＣ／ＤＣ変換器（６）に関する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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