(57)【要約】  本発明は、磁性コア（１１４ａ〜１１４ｄ）を介して相互に磁気結合された１次コイル（１１２ａ〜１１２ｄ）と２次コイル（１１３ａ〜１１３ｄ）とを有する相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）のための飽和制御ユニットを開示する。前記飽和制御ユニットは、前記相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）の励磁電流（７０６）の最小値（７０２）を検出するための最小値検出ユニット（６０２）と、該励磁電流（７０６）の最大値（７０４）を検出するための最大値検出ユニット（６０４）と、該励磁電流（７０６）のオフセット値を推定するための飽和推定ユニット（６０６）と、該最小値検出ユニットによって検出された最小値（７０２）と、該最大値検出ユニットによって検出された最大値（７０４）と、該飽和推定ユニットによって推定されたオフセット値とに基づいて、該相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）に対して飽和制御信号を生成するための飽和制御信号生成ユニット（６０８）とを有する。
2012526511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性コア（１１４ａ〜１１４ｄ）を介して相互に磁気結合された１次コイル（１１２ａ〜１１２ｄ）と２次コイル（１１３ａ〜１１３ｄ）とを有する相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）のための飽和制御ユニットであって、
前記飽和制御ユニットは、
前記相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）の励磁電流（７０６）の最小値（７０２）を検出するための最小値検出ユニット（６０２）と、
該励磁電流（７０６）の最大値（７０４）を検出するための最大値検出ユニット（６０４）と、
該励磁電流（８０２）のオフセット値を推定するための飽和推定ユニット（６０６）と、
該最小値検出ユニットによって検出された最小値（７０２）と、該最大値検出ユニットによって検出された最大値（７０４）と、該飽和推定ユニットによって推定されたオフセット値とに基づいて、該相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）に対して飽和制御信号を生成するための飽和制御信号生成ユニット（６０８）と
を有することを特徴とする、飽和制御ユニット。
【請求項２】
前記飽和推定ユニット（６０６）は、前記励磁電流（７０６）の積分値を出力するための積分ユニット（６１０）を有する、請求項１記載の飽和制御ユニット。
【請求項３】
前記飽和推定ユニット（６０６）は、１周期期間の時間に対して前記積分値を正規化するための正規化ユニット（６１２）を有する、請求項２記載の飽和制御ユニット。
【請求項４】
前記飽和推定ユニット（６０６）は、正規化された積分値の利得を調整するための利得ユニット（６１４）を有する、請求項３記載の飽和制御ユニット。
【請求項５】
前記飽和制御ユニットはさらに、前記飽和制御信号をサンプリングし、該サンプリングされた飽和制御信号を出力するためのサンプリングユニット（６１６）を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の飽和制御ユニット。
【請求項６】
前記最小値検出ユニット（６０２）は最小リセット値（８０８）にリセットされるように構成されており、
前記最大値検出ユニット（６０４）は最大リセット値（８１０）にリセットされるように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の飽和制御ユニット。
【請求項７】
相互に電気的に並列接続された複数の電圧変換ユニット（１０２ａ〜１０２ｄ）と複数の相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）とを含む電圧変換装置（１００）のための、ＰＷＭ制御装置であって、
各相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）は、磁性コア部材（１１４ａ〜１１４ｄ）を介して相互に磁気結合された１次コイル（１１２ａ〜１１２ｄ）と２次コイル（１１３ａ〜１１３ｄ）とを有し、
各相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）の１次コイル（１１２ａ〜１１２ｄ）は別の１つの相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）の２次コイル（１１３ａ〜１１３ｄ）に電気的に接続されており、
前記ＰＷＭ制御装置（４００，５００）は、少なくとも１つの励磁電流決定ユニット（４０４ａ〜４０４ｄ）と、請求項１から５までのいずれか１項記載の少なくとも１つの飽和制御ユニット（４１０ａ〜４１０ｄ）とを有し、
前記少なくとも１つの各励磁電流決定ユニット（４０４ａ〜４０４ｄ）はそれぞれ、前記相関変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）のうち異なる１つの相間変成ユニットの励磁電流を求めるように構成されており、
前記少なくとも１つの各飽和制御ユニット（４１０ａ〜４１０ｄ）はそれぞれ、前記励磁電流のうち異なる１つの励磁電流に基づいて動作し、１つの相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）に対して飽和制御信号を出力するように構成されている
ことを特徴とする、ＰＷＭ制御装置。
【請求項８】
前記励磁電流決定ユニット（４０４ａ〜４０４ｄ）はそれぞれ、前記相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）のうち１つに対して設けられている、請求項７記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項９】
前記各励磁電流決定ユニット（４０４ａ〜４０４ｄ）はそれぞれ、前記電圧変換ユニット（１０２ａ〜１０２ｄ）のうち１つの電圧変換ユニットの電流と別の１つの電圧変換ユニットの電流との差電流を求めるように構成されており、
前記各飽和制御ユニット（４１０ａ〜４１０ｄ）はそれぞれ、前記１つの電圧変換ユニット（１０２ａ〜１０２ｄ）と前記別の１つの電圧変換ユニット（１０２ａ〜１０２ｄ）とに対して前記飽和制御信号を出力するように構成されている、請求項７または８記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項１０】
前記ＰＷＭ制御装置はさらに信号結合ユニット（４１２ａ〜４１２ｄ）を有し、
前記信号結合ユニット（４１２ａ〜４１２ｄ）はそれぞれ、前記飽和制御ユニット（４１０ａ〜４１０ｄ）のうち１つの飽和制御ユニットの飽和制御信号と別の１つの飽和制御ユニット（４１０ａ〜４１０ｄ）の飽和制御信号とを結合し、前記相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）のうち１つに対して結合信号を出力するように構成されている、請求項７から９までのいずれか１項記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項１１】
前記１つの飽和制御ユニット（４１０ａ〜４１０ｄ）の飽和制御信号と前記別の１つの飽和制御ユニット（４１０ａ〜４１０ｄ）の飽和制御信号との信号結合は、信号減算を含む、請求項１０記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項１２】
前記ＰＷＭ制御装置はさらに比較ユニット（４１８ａ〜４１８ｄ）を有し、
前記比較ユニット（４１８ａ〜４１８ｄ）はそれぞれ、前記結合信号のうち異なる１つの結合信号と基準信号とを比較し、前記相間変成ユニット（１１０ａ〜１１０ｄ）のうち１つに対して比較信号を出力するように構成されている、請求項７から１１までのいずれか１項記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項１３】
前記ＰＷＭ制御装置はさらに、全負荷電流の大きさ電流制御ユニット（４０８）を有し、
前記全負荷電流の大きさ制御ユニット（４０８）は、全負荷電流の大きさに基づいて動作し、前記各結合ユニット（４１２ａ〜４１２ｄ）に対して全負荷電流の大きさ制御信号を出力するように構成されている、請求項７から１２までのいずれか１項記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項１４】
前記ＰＷＭ制御装置はさらに、全負荷電流決定ユニット（４０２）と、全負荷電流の大きさ決定ユニット（４０６）とを有し、
前記全負荷電流決定ユニット（４０２）は、前記複数の電圧変換ユニット（１０８ａ〜１０８ｄ）の負荷電流に基づいて全負荷電流を求めて全負荷電流を出力するように構成されており、
前記全負荷電流の大きさ決定ユニット（４０６）は前記全負荷電流と基準全負荷電流との差を求め、その大きさの全負荷電流を出力するように構成されている、請求項１３記載のＰＷＭ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相間変成ユニットのための飽和制御ユニットに関する。
【０００２】
さらに本発明は、電圧変換装置用のＰＷＭ制御装置にも関する。
【０００３】
グリッドまたは送電網へ出力電圧を供給するための発電において電圧変換装置が使用されることは一般的に知られている。この電圧変換装置は、たとえば相互に電気的に並列接続された複数の電圧変換ユニットを有する。これらの電圧変換ユニットは、複数の相間変成ユニットに電気的に接続されている。これらの各相間変成ユニットは１次コイルと２次コイルを有することができ、この１次コイルと２次コイルとは、磁性コア部材を介して相互に磁気結合されている。
【０００４】
電圧変換ユニットのスイッチング周波数を制御したり相互に整合するために、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御装置を使用することがあり、このパルス幅変調制御装置は、各電圧変換ユニットごとに制御信号を出力する。さらに、前記電圧変換装置の動作を改善するために、ＰＷＭ制御装置を使用して相間変成ユニットの励磁電流を平衡化させることもできる。
【０００５】
ＷＯ２００８／０３０９１９Ａ２に、相互に電気的に並列接続された３つの電圧変換ユニットを含む電圧変換装置が記載されている。これらの各電圧変換ユニットはそれぞれ異なる相間変成ユニットに電気的に接続されており、各相間変成ユニットは１次コイルと２次コイルを有することができ、この１次コイルと２次コイルとは、磁性コア部材を介して相互に磁気結合されている。電圧変換ユニットによって出力される電圧の位相シフトと、相間変成ユニットの励磁電流の平衡化とを実現するために、負荷電流に関して前記電圧変換ユニットのうち１つを、他の２つの電圧変換ユニットに対するマスタとして動作させるためのＰＷＭ制御装置が設けられる。２つの「スレーブ」電圧変換ユニットに対するフィードバック制御信号は、「マスタ」電圧変換ユニットの電流と前記２つの「スレーブ」電圧変換ユニットの各電流との差によって得られる差電流に基づく。このようにして、マスタ電圧変換ユニットの電流に対してスレーブ電圧変換ユニットの電流の平衡化が行われる。
【０００６】
ＵＳ４８０２０７９に、電圧変換装置用のＰＷＭ制御装置が開示されている。電圧変換装置は、相互に電気的に並列接続された２つの電圧変換ユニットと、それぞれ１つのコイルを含む２つの相間変成ユニットとを有する。前記２つの電圧変換ユニットによって出力された電流の和が求められ、全体基準電流と比較される。さらに、前記２つの電圧変換ユニットから出力された電流の減算が行われ、この減算によって差電流が得られる。和電流および差電流の結合は、信号加算および信号減算で行われ、電圧変換ユニットへ信号がフィードバックされる前に、これら２つの結合電流はそれぞれ基準信号と比較される。
【０００７】
それゆえ本発明の課題は、前記相間変成ユニットのうち少なくとも１つの相間変成ユニットの励磁電流の波形変化を考慮する、相間変成ユニット用の飽和制御ユニットと電圧変換装置用のパルス幅変調（ＰＷＭ）制御装置とを提供することである。
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明では相間変成ユニット用の飽和制御ユニットと電圧変換装置用のＰＷＭ制御装置とを提供する。
【０００９】
本発明の１つの実施例では、磁性コア部材を介して相互に磁気結合された１次コイルと２次コイルとを有する相間変成ユニットのための次のような飽和制御ユニット、すなわち、該飽和制御ユニットは、該相間変成ユニットの励磁電流の最小値を検出するための最小値検出ユニットと、該励磁電流の最大値を検出するための最大値検出ユニットと、該励磁電流のオフセット値を推定するための飽和推定ユニットと、該検出された最小値と該検出された最大値と該推定されたオフセット値とに基づいて該相間変成ユニットに対して飽和制御信号を生成するための飽和制御信号生成ユニットとを有する飽和制御ユニットを開示する。
【００１０】
本発明の別の実施例では、相互に電気的に並列接続された複数の電圧変換ユニットと複数の相間変成ユニットとを含む電圧変換装置のための次のようなＰＷＭ制御装置、すなわち、各相間変成ユニットは、磁性コア部材を介して相互に磁気結合された１次コイルと２次コイルとを有し、各相間変成ユニットの１次コイルは別の１つの相間変成ユニットの２次コイルに電気的に接続されており、該ＰＷＭ制御装置は少なくとも１つの励磁電流決定ユニットと少なくとも１つの飽和制御ユニットとを有し、該少なくとも１つの各励磁電流決定ユニットはそれぞれ異なる相間変成ユニットの励磁電流を決定するように構成されており、該少なくとも１つの各飽和制御ユニットはそれぞれ異なる励磁電流に基づいて動作し、各１つの相間変成ユニットに対して飽和制御信号を出力するように構成されているＰＷＭ制御装置を開示する。相間変成ユニットの「励磁電流」という用語は、該相間変成ユニットの１次コイルへ供給された電流と該相間変成ユニットの２次コイルに誘導された電流との差に等しい電流を指すことができ、その際には、これらの電流が流れる方向を考慮することもできる。
【００１１】
励磁電流の「波形」という用語はとりわけ、相間変成ユニットの励磁電流の曲線の形状または線の形状を指す。とりわけ、励磁電流の「波形変化」という用語は特に、該励磁電流の理想的な曲線形状と実際の励磁電流曲線の形状との偏差を指し、この用語には、励磁電流の直流オフセット値のシフトおよび／または励磁電流の大きさまたは振幅の大きなスパイクまたは大きな電流スパイクまたは大きな周波数スパイクが含まれる。波形変化にはまた、任意の中心線に対して生じる、波形の正の部分と負の部分との非対称性も含まれる。この任意の中心線は、電流振幅が０電流になる位置に存在する場合もあるが、そうでない場合もある。
【００１２】
励磁電流の「オフセット値」という用語は、該励磁電流の直流オフセットに起因する該励磁電流のオフセットを指すことがある。この直流オフセットは、相間変成ユニットの励磁電流と磁化とによって求められる、システム全体のヒステリシス曲線のシフトから推定することができる。励磁電流のオフセットはとりわけ、相間変成ユニットの磁性コア部材の飽和に起因して、相間変成の１次コイルを通る磁束および２次コイルを通る磁束が等しくならないことによって生じる。磁性コア部材の飽和によってとりわけ、相間変成ユニットの１次コイルの電流と２次コイルの電流との平衡状態が失われ、励磁電流の大きさに高いスパイクが発生することがある。「相間変成ユニット」という用語はとりわけ、たとえば、電圧または電流を第１のレベルから第２のレベルに変成するように構成されたすべての変成ユニットを指す。とりわけ、第１のレベルを高い電圧レベルまたは高い電流レベルとし、第２のレベルを低い電圧レベルまたは低い電流レベルとすることができ、「第１」および「第２」の記述を相互に逆にすることができる。とりわけ「相間変成ユニット」という用語を、「相間リアクトル」、「インターブリッジ変成ユニット」および／または「インターブリッジリアクトル」という用語と同一に使用することもでき、「相間」は「ＩＰＴ」と省略され、「インターブリッジ」は「ＩＢＴ」と省略されることがある。とりわけ、相間変成ユニットは変成器を含むことができる。
【００１３】
以下で述べる本発明の実施例では、電圧変換装置用のＰＷＭ制御装置は、該電圧変換装置の相間変成ユニットの励磁電流の不所望の波形変化を考慮することができる飽和制御ユニットを有する。各相間変成ユニットは、磁性コア部材を介して相互に磁気結合された１次コイルと２次コイルとを含むことができる。前記磁性コア部材はとりわけ矩形の鉄部材であり、該相間変成ユニットの１次コイルと２次コイルとは、該矩形の鉄部材の相互に反対側の各辺に配置される。電圧変換装置は、相間変成ユニットのための環状配置またはサイクリックカスケード構成を含むことができ、各相間変成ユニットの１次コイルはそれぞれ、別の１つの相間変成ユニットの２次コイルに電気的に接続することができる。
【００１４】
相間変成ユニットの励磁電流の波形変化を考慮し、とりわけ、相間変成ユニットの励磁電流のオフセットを検出するために、飽和制御ユニットを設けることができる。この各飽和制御ユニットは、相間変成ユニットの励磁電流の検出された最小値と検出された最大値と推定されたオフセット値とに基づいて飽和制御信号を生成する。飽和制御ユニットは、相間変成ユニットに対して飽和制御信号を出力するように構成することができる。とりわけ、各相間変成ユニットによってそれぞれ１つの励磁電流が生成され、各１つの励磁電流がそれぞれ１つの飽和制御ユニットへ供給されるように構成することができる。各１つの飽和制御ユニットによって出力された飽和制御信号は、飽和制御ユニットが動作する基礎となる励磁電流が発生する相間変成ユニットへのフィードバックとして使用することができる。
【００１５】
とりわけ、電圧変換装置が２つの電圧変換ユニットと１つの相間変成ユニットとを有する場合、ＰＷＭ制御装置は１つの励磁電流決定ユニットと１つの飽和制御ユニットとを含むことができる。
【００１６】
とりわけ、電圧変換装置が２つより多くの電圧変換ユニットを有する場合、該電圧変換ユニットの数と相間変成ユニットの数と励磁電流決定ユニットの数と飽和制御ユニットの数とを等しくすることができる。
【００１７】
とりわけ、飽和制御信号生成ユニットが励磁電流の正または負の符号付き最小値と正または負の符号付き最大値とを加算し、前記最大値と最小値との加算値から該励磁電流の推定オフセット値を減算するように、該飽和制御信号生成ユニットを構成することができる。このようにして、励磁電流の波形変化の尺度を突き止めることができる。
【００１８】
とりわけ最小値検出ユニットおよび最大値検出ユニットは、各ＰＷＭ周期期間の励磁電流の最小値または谷の値と最大値またはピークとを検出するように構成することができる。
【００１９】
飽和制御ユニットを物理的な装置とするか、または、コンピュータによって実現される機能とすることができる。とりわけ、ＰＷＭ制御装置のすべての飽和制御ユニットの機能を具現化するコンピュータを１つ設けることができる。とりわけ、少なくとも１つの飽和制御ユニットの機能を具現化するコンピュータを少なくとも１つ設けることができ、この少なくとも１つのコンピュータの数を、ＰＷＭ制御装置の飽和制御ユニットの数より少なくするか、または同数とすることができる。
【００２０】
このようにして、相間変成ユニットの飽和作用を考慮し、とりわけ相間変成ユニットの磁性コア部材の飽和作用を考慮し、これによって電圧変換装置の動作を改善することができる。さらに、そのことと並行して複数の電圧変換装置の共働動作により、特性を改善することもできる。
【００２１】
以下、相間変成ユニット用の飽和制御ユニットの別の実施例を説明するが、これらの実施例を電圧変換装置用のＰＷＭ制御装置に適用することもできる。
【００２２】
飽和推定ユニットは、励磁電流の積分値を出力するための積分ユニットを含むことができる。とりわけ前記積分ユニットは、ある期間にわたって励磁電流を積分するように構成することができる。とりわけ、励磁電流の波形が繰り返される周期時間によって、上記積分の期間を決定することができる。このことにより、励磁電流の（直流）オフセット値の推定値を得ることができる。というのも、（直流）オフセット値を含まない励磁電流の波形は、励磁電流の最小振幅値と最大振幅値とが等しくなる時点に対して対称的になり、とりわけ、最小振幅値の正負符号と最大振幅値の正負符号とは異なるが振幅の絶対値が等しくなる時点に対して対称的になるからである。
【００２３】
飽和推定ユニットは、周期期間の時間の長さに関して積分値を正規化するための正規化ユニットを含むことができる。とりわけ、積分値に一定の正規化係数が適用されるように、とりわけ時間に依存しない正規化係数が適用されるように、正規化ユニットの値を固定することができる。このようにして、直流オフセット値の平均値を得ることができる。
【００２４】
飽和推定ユニットは、この正規化された積分値を調整するための利得ユニットを含むことができる。正規化された積分値の調整にはとりわけ、該正規化された積分値に別の利得値または利得係数を乗算すること、利得値を使用して該正規化された積分値を増幅または減衰させること、または、該正規化された積分値に対する利得値を求めて該値に該利得値を適用することが含まれる。とりわけ利得ユニットは、前記正規化された積分値に係数Ｎを乗算するように構成することができ、とりわけ０〜１の係数Ｎを乗算するように構成することができる。より限定的には、係数Ｎを１／２にすることもできる。とりわけ、前記正規化された積分値に一定の係数Ｎが適用されるように、とりわけ時間に依存しない係数Ｎが適用されるように、利得ユニットの値を固定することができる。この利得ユニットは、飽和制御信号生成ユニットに前置することができる。利得ユニットは、励磁電流の（直流）オフセット値の倍数である積分値を補正することができる。
【００２５】
飽和制御ユニットはさらに、飽和制御信号をサンプリングして出力するためのサンプリングユニットを含むことができる。励磁電流の検出された最小値と検出された最大値と推定オフセット値とを結合した後、前記少なくとも１つの相間変成ユニットに時間情報が供給されるように、得られた飽和制御信号をサンプリングすることができる。とりわけ、飽和制御ユニットの出力（得られた飽和制御信号）を使用して、前記少なくとも１つの電圧変換ユニットの出力電圧を変化させることができ、とりわけ、前記少なくとも１つの相間変成ユニットの動作状態を変化させるために該少なくとも１つの電圧変換ユニットの出力電圧を変化させることができる。
【００２６】
とりわけ、励磁電流の局所最小値を検出するかまたは励磁電流全体の最小値を検出するように最小値検出ユニットを構成し、励磁電流の局所最大値または励磁電流全体の最大値を検出するように最大値検出ユニットを構成することができる。とりわけ、励磁電流の最小値または最大値が検出された場合、最小値検出ユニットおよび最大値検出ユニットをこの検出された最小値または最大値に設定することができる。
【００２７】
最小値検出ユニットは、最小リセット値にリセットされるように構成することができ、最大値検出ユニットは、最大リセット値にリセットされるように構成することができる。とりわけ、最小リセット値と最大リセット値とを等しくすることができる。とりわけ、励磁電流の波形変化に依存して、最小リセット値と最大リセット値とが異なるようにすることができる。とりわけ、最小リセット値の正負と最大リセット値の正負は異なるが絶対値が等しくなるように、最小リセット値の大きさと最大リセット値の大きさとを等しくすることができる。とりわけ、最小リセット値および最大リセット値を０に近い値にすることができるが、最小リセット値および最大リセット値は０と異なる値になるようにする。とりわけ、検出された励磁電流の波形変化を補償するように、とりわけ検出された励磁電流の（直流）オフセット値を補償するように、前記（複数の）リセット値を選択することができる。とりわけ、最小リセット値および／または最大リセット値を、検出された励磁電流の波形変化に依存して正または負にすることができ、とりわけ励磁電流の（直流）オフセット値に依存して正または負にすることができる。とりわけ、最小値検出ユニットおよび最大値検出ユニットのリセットを同時に行うか、または連続して行う。とりわけ、サンプリングされた飽和制御信号が出力されたときに最小値検出ユニットおよび／または最大値検出ユニットのリセットを行うことができる。とりわけ、飽和制御信号が生成されたときに最小値検出ユニットおよび／または最大値検出ユニットのリセットを行うことができる。とりわけ、励磁電流が最大値を有する場合、とりわけ最大値検出ユニットがその最大値を検出した場合に、最小値検出ユニットのリセットを行うことができる。そして、とりわけ、励磁電流が最小値を有する場合、とりわけ最小値検出ユニットがその最小値を検出した場合に、該最大値検出ユニットのリセットを行うことができる。とりわけ、最小値検出ユニットおよび／または最大値検出ユニットのリセット時点を、電圧変換ユニットのスイッチング周波数に一致させることができる。最小値検出ユニットおよび／または最大値検出ユニットのこのリセット方法により、最小値検出ユニットおよび／または最大値検出ユニットの検出性能を改善することができ、この検出性能の改善により、励磁電流の（直流）オフセット値に関して飽和制御信号の正確さを改善することができる。
【００２８】
とりわけ、予測される励磁電流の正の最大値より格段に大きい正の値にリセットされるように最小値検出ユニットを構成し、予測される励磁電流の負の最大値より格段に低い負の値に最大値検出ユニットがリセットされるように該最大値検出ユニットを構成することができる。
【００２９】
とりわけ、積分値が出力された後に続いて、積分リセット値にリセットされるように積分ユニットを構成することができる。前記積分リセット値はとりわけ０である。とりわけ、積分ユニットのリセットを適切な期間に行うことができ、とりわけ、電圧変換ユニットのスイッチング周波数に関連づけて行うことができる。このことにより、更なる積分値が生成される前に出力積分値が相殺されるかまたは削除されるかまたは積分リセット値にリセットされ、このことにより、次の積分値が誤差を含む不所望の積分になるのを回避することができる。
【００３０】
飽和制御ユニットは、入力される入力信号の利得を調整するための別の利得ユニットを含むことができる。入力値の利得の調整にはとりわけ、該入力値に別の利得値または利得係数を乗算すること、利得値を使用して該入力値を増幅または減衰させること、または、該入力値に対する利得値を求めて該入力値に該利得値を適用することが含まれる。前記別の利得ユニットは、サンプリングユニットに前置または後置することができる。このことにより、飽和制御信号の利得またはサンプリングされた飽和制御信号の利得が調整される。利得ユニットは、固定された利得値を使用して、該利得ユニットに入力された信号の利得を調整するように構成することができる。前記固定された利得値はとりわけ、時間に依存しない利得値である。利得ユニットは、可変の利得値を使用して、該利得ユニットに入力された信号の利得を調整するように構成することもできる。前記可変の利得値はとりわけ、時間に依存する利得値であり、相応に調整することができる。
【００３１】
励磁電流に重畳されたバックグラウンドノイズを考慮するために、該励磁電流を平滑化するための平滑化ユニットを設けることができる。とりわけ、バックグラウンドノイズによって、時間に依存する励磁電流の励磁電流値がシフトし、その結果、この時間に依存する励磁電流の波形が、該励磁電流の「平滑な」波形または理想的な波形からずれてしまう。とりわけ平滑化ユニットを、最小値検出ユニット、最大値検出ユニットおよび／または積分ユニットの一部として含めることができる。または、平滑化ユニットを１つの独立した装置とすることができ、最小値検出ユニットおよび／または最大値検出ユニットおよび／または積分ユニットに前置することができる。とりわけ励磁電流の平滑化は、Ｎ個のサンプルの移動窓で行われる移動窓平均化を含むことができ、とりわけ、時間窓内の励磁電流の平均化を含むことができる。サンプリング対象を励磁電流値とすることができ、窓長は、平滑化操作が適用される時間の長さを含むことができる。励磁電流の波形に依存して、窓長を変化させながら、異なる平滑化操作を行うことができる。とりわけ励磁電流の平均化は、前記窓の時間内にサンプリングされた複数の励磁電流値を加算し、この加算された励磁電流値を、該加算された励磁電流値のサンプル数で正規化することを含むことができる。とりわけ励磁電流の平滑化は、所定の期間にわたって励磁電流を積分し、この積分された励磁電流を、該所定の時間内のサンプル値または励磁電流値の数と該所定の期間の長さとに関して正規化することを含むことができ、その際には積分区間は、０と、前記所定の期間内の励磁電流値のサンプル数に前記所定の期間の長さを乗算して得られた値との間の区間にすることができる。
【００３２】
以下、電圧変換装置用のＰＷＭ制御装置に関する別の実施例を説明する。しかしこの実施例は、相間変成ユニットのための飽和制御ユニットに適用することもできる。
【００３３】
各１つの相間変成ユニットごとに１つの励磁電流決定ユニットを設けることができる。このことにより、電圧変換装置の各１つの相間変成ユニットの飽和作用を補償することができる。
【００３４】
各励磁電流決定ユニットがそれぞれ、前記電圧変換ユニットのうち１つの電圧変換ユニットの電流と別の１つの電圧変換ユニットの電流との差電流を求めるように各励磁電流決定ユニットを構成することができる。その際には、各飽和制御ユニットが前記１つの電圧変換ユニットと前記別の１つの電圧変換ユニットとに対して飽和制御信号を出力するように各飽和制御ユニットを構成することができる。とりわけ、相間変成ユニットを相互に同一に構成することができ、その際には、相間変成ユニットの１次コイルおよび２次コイルの特性、とりわけ相間変成ユニットの１次コイルおよび２次コイルの巻数および巻線材料を、相互間で同一にすることができる。このようにすると、１次コイルおよび２次コイルに誘導される電流の大きさを相互に同一にすることができる。というのも、１次コイルおよび２次コイルにおける誘導損失が相互に同じになるからである。このことにより、相間変成ユニットの励磁電流は、１つの電圧変換ユニットによって出力された電流と別の１つの電圧変換ユニットによって出力された電流との差として得られた差電流に相応するようになる。さらに、相間変成ユニットに対する飽和制御信号を電圧変換ユニットの制御に使用することにより、該電圧変換ユニットによって該相間変換ユニットの飽和制御が影響されることによって該相間変成ユニットの飽和制御が行われるようにすることができる。とりわけ、各１つの飽和制御ユニットによって出力された飽和制御信号は、飽和制御ユニットが動作する基礎となる励磁電流が発生する１つの相間変成ユニットを駆動する２つの電圧変換ユニットへのフィードバックとして使用することができる。
【００３５】
ＰＷＭ制御装置はさらに、信号結合ユニットを有することができる。各信号結合ユニットは、前記飽和制御ユニットのうち１つの飽和制御ユニットの飽和制御信号と別の１つの飽和制御ユニットの飽和制御信号とを結合し、相間変成ユニットに対して（たとえば、相間変成ユニットを駆動するための１つの電圧変換ユニットに対して）結合信号を（たとえばフィードバックとして）出力するように、各信号結合ユニットを構成することができる。前記相間変成ユニットの環状構成またはサイクリックカスケード構成により、２つの相間変成ユニットの各１次コイルがそれぞれ異なる１つの電圧変換装置に電気的に接続されている構成において、これら２つの相間変成ユニットの電流の相関関係を実現することができる。
【００３６】
１つの飽和制御ユニットの飽和制御信号と別の飽和制御ユニットの飽和制御信号との信号結合では、信号減算を行うことができる。２つの異なる飽和制御ユニットの２つの飽和制御信号を信号減算によって結合することにより、２つの相間変成ユニット間の電流または負荷のバランスをとることができ、相間変成ユニットの励磁電流は、飽和制御ユニットの動作の基礎として使用される。とりわけ、２つの相間変成ユニットの励磁電流の差に関して、該２つの相間変成ユニットの負荷を再調整することができる。とりわけ、前記信号結合ユニットを環状に配置することができる。というのも、各信号結合ユニットは１つの飽和制御ユニットの飽和制御信号と別の飽和制御ユニットの飽和制御信号とに基づいて動作するように構成できるからである。
【００３７】
ＰＷＭ制御装置はさらに、比較ユニットを含むことができる。この比較ユニットはそれぞれ、異なる１つの結合信号と基準信号とを比較して１つの相間変成ユニットに対して比較信号を出力するように各比較ユニットを構成することができ、とりわけ各比較ユニットは、１つの電圧変換ユニットと別の１つの電圧変換ユニットとへ比較信号を出力するように構成することができる。この構成により、電圧変換装置のＰＷＭ制御または適合または再調整が実現され、相間変成ユニットの飽和に対する補償または阻止作用をＰＷＭ制御の一部とすることができる。基準信号は、少なくとも１つのキャリア生成ユニットによって出力することができる。とりわけ、各１つの比較ユニットごとに１つのキャリア生成ユニットを設けることができる。１つの電圧変換ユニットと別の電圧変換ユニットとに供給される比較信号を供給するためには、比較信号を、相互に位相シフトされた２つの部分に分割供給することができる。とりわけ位相シフト要素を、２つの分割された信号の信号経路のうち１つに設けることができる。
【００３８】
とりわけ、電圧変換ユニットの数と相間変成ユニットの数と励磁電流決定ユニットの数と飽和制御ユニットの数と信号結合ユニットの数と比較ユニットの数とキャリア生成ユニットの数と位相シフト要素の数とを同数とすることができる。
【００３９】
ＰＷＭ制御装置はさらに、全負荷電流の大きさ制御ユニットを含むことができる。この全負荷電流の大きさ制御ユニットは、全負荷電流の大きさに基づいて動作するように構成することができ、また、全負荷電流の大きさ制御信号（たとえば、直流リンク電圧または出力電圧に対する百分率で、変化レベルに関して表示された信号）を各信号結合ユニットへ出力するように該全負荷電流の大きさ制御ユニットを構成することができる。とりわけ、信号結合ユニットによって行われる信号結合では、全負荷電流の大きさ制御信号（とりわけ電圧信号）を、１つの飽和制御ユニットの飽和制御信号と別の１つの飽和制御ユニットの飽和制御信号との差に加算することができる。このことにより、各相間変成ユニットの全負荷電流の絶対値または大きさを再調整することができ、全負荷電流と相間変成ユニットの励磁電流との相関関係、とりわけバランス化を実現することができる。
【００４０】
ＰＷＭ制御装置はさらに全負荷電流決定ユニットを含むことができ、この全負荷電流決定ユニットは、前記複数の電圧変換ユニットの負荷電流に基づいて全負荷電流を求めて全負荷電流を出力するように構成することができ、この全負荷電流の大きさ決定ユニットはこの全負荷電流と基準全負荷電流との差を求め、当該の大きさの全負荷電流を出力するように構成することができる。基準全負荷電流は負荷電流の目標値とすることができ、とりわけ、時間に対して変化せずに一定である電流値とすることができる。このことにより、全負荷電流の絶対値または大きさを再調整することができる。とりわけ、電圧変換ユニットの電流を相互間で制御または適合または再調整することができる。
【００４１】
全負荷電流決定ユニットはとりわけ、個々の電圧変換ユニットの負荷電流に基づいて全負荷電流を求めるように構成することができる。とりわけ、全負荷電流を前記複数の電圧変換ユニットの負荷電流の和とすることができる。とりわけ、電圧変換ユニットの負荷電流を、該電圧変換ユニットによって出力された電流と同一とすることができる。全負荷電流の大きさ決定ユニットはとりわけ、基準全負荷電流に対する全負荷電流の誤差を求めて全負荷電流の大きさの誤差を出力することができる。とりわけ、全負荷電流の大きさの誤差と、全負荷電流の大きさとを同一とすることができる。
【００４２】
本発明の別の実施例では、インターブリッジ変成器（ＩＢＴ）を使用して、第１に、個々の電圧変換ユニットの実際のスイッチング周波数を上昇させることなく多並列インバータの実効スイッチング周波数を上昇させることができ、かつ第２に、多並列インバータ間の負荷分配が均一になるのを保証するために該多並列インバータの出力電流のバランスをとることができる。個別のインバータ相の高調波出力を適切に位相シフトすることにより、（負荷に接続された）共通ノードで見られる高調波周波数から、各インバータのスイッチング周波数の少なくとも１次高調波成分を無くすことができる。一例として、それぞれスイッチング周波数が約２．５ｋＨｚであるインバータモジュールが４つ設けられており、各インバータモジュールのＰＷＭ（位相幅変調）信号は相互に適切に位相シフトされており、これらのインバータモジュールが相互に接続されており、上記のようなＩＢＴを有するアレイが構成された場合、出力ノードでは約１０ｋＨｚに対する高調波が得られ、共通ノードにおいて約２．５ｋＨｚ、約５ｋＨｚおよび約７．５ｋＨｚに対する高調波が相殺される。
【００４３】
とりわけ、インターブリッジ変成器を介して４つのインバータハーフブリッジを結合することにより、１つまたは唯一の完全な系統相を形成することができる。
【００４４】
ＩＢＴ鉄心が硬飽和状態になるのを回避するように、ＩＢＴ鉄心の磁束から直流成分を除去するための方法／アルゴリズムを実現する。硬飽和状態によって、負荷分配が行われるにもかかわらず電流平衡状態が崩壊してしまうため、硬飽和状態は望ましくない。また、コアの飽和によって、共通ノードにおいてインバータ高調波に低次の高調波成分（約２．５ｋＨｚ、約５ｋＨｚ、約７．５ｋＨｚ）が発生することにもなる。
【００４５】
ここで記載した本発明の実施例は、ＩＢＴの鉄心が飽和する可能性を排除することを目的としている。たとえば磁束に大きな直流オフセットが顕れることによってＩＢＴコアにおける磁束密度が飽和限界を超えるとき、飽和状態が発生する。
【００４６】
実際のシステムでは、電流測定装置の公差が、このような飽和状態の発生過程を生じさせるのに十分な誤差となりうる。というのも、公差（オフセット）は制御システム自体を通じて伝わり、当初は小さかった飽和状態を増幅させることさえあるからである。それゆえ、測定された励磁電流から直流成分を除去することが重要になってくる。
【００４７】
飽和状態なしで動作する場合、励磁電流（ｉｍ）の勾配は完全なランプ波形になる（勾配が一定）。しかし、飽和が発生すると電流の勾配は増大し始め、このことにより、励磁電流に大きな振幅スパイクが発生する可能性が出てくる。
【００４８】
電気的な等価回路を用いて、ＩＢＴと、それに対応する電圧波形および励磁電流波形とを記述することができる。
【００４９】
本発明のこの実施例では、磁気飽和制御スキームを設けることができる。この磁気飽和制御スキーム自体は、負荷電流と励磁電流との双方をともに制御するように構成された全体的な電流制御システムの一部とすることができる。この全体的な電流制御システムは環状構成で構成することができ、２以上の任意の数の並列インバータに使用することができる。
【００５０】
以下で、基本的な動作を説明するために、２つの並列配置されたインバータに対する完全な制御システムを説明する。この説明は、４つの並列配置されたインバータにも同様に当てはまる。ここでは環状構成を示している。
【００５１】
負荷電流コントローラには、実際の負荷電流（すべてのインバータの出力電流の和）と全負荷電流基準値との差を供給することができる。この負荷電流コントローラからの出力信号は、同じ極性で各比較ブロックへ伝送することができる。
【００５２】
飽和制御ユニットに、２つの隣接するインバータのインバータ出力電流の差を供給することができる。というのも、これは励磁電流ｉｍに等しいからである。個々のコントローラからの出力信号を、より上位のインバータ負荷電流制御信号から減算し、より下位のインバータ負荷電流制御信号に個々のコントローラからの出力信号を加算する。このようにして、比較的上位のインバータが出力する負荷電流が、比較的下位のインバータによって出力される負荷電流より高い場合、正の制御信号が生成され、この正の制御信号が比較的上位のインバータのインバータ制御信号から減算されることにより、電流差が補償される。比較的下位のインバータでは、上述のことと逆のことが行われる。ピーク値に差が存在しない場合、補償は行われない。
【００５３】
本発明の上述の実施例では、各ＰＷＭサブ周期中に以下の４つのイベントが発生した時に、飽和制御ユニットによって飽和制御を行うことができる。これら４つのイベントとは、以下のものである：
第１．励磁電流のピーク値と谷の値との検出および加算
第２．励磁電流の直流成分の推定
第３．前記ピーク値と前記谷の値と前記直流成分とに基づいて行われる制御信号の計算
第４．第３．で得られた制御信号のサンプリングおよびホールド
電流直流成分は、各ＰＷＭ周期中の平均電流値に等しくすることができる。このことを実現するためには、１ＰＷＭ周期にわたって積分を行い、該１ＰＷＭ周期の周期時間でこれを除算することができる。
【００５４】
直流成分を除去すると、信号は、測定された信号の交流成分のみを含むことができる。飽和に起因する電流スパイクは、直流成分の除去で防止することができる。このことは、本発明のこの実施例による方法および／または装置に重要である。というのも、この制御は磁気飽和にのみ影響を受けやすいからである。
【００５５】
励磁電流信号から、各ＰＷＭ周期ごとのピークおよび谷を記録することができる。飽和が存在しない場合、ピークと谷とは等しい大きさを有する。というのも、直流成分が除去されて電流は平衡状態にあるからだ。それゆえ、ピーク値と谷の値とを加算すると、この加算結果は０になり、それに対して制御措置がとられることはない。それに対して、飽和が生じている場合、飽和状態にある半周期において勾配が上昇することにより、ピークおよび谷の絶対値は等しくならない。それゆえ、ピーク値と谷の値とを加算すると、この加算結果は０にならず、それに対して制御措置がとられることになる。
【００５６】
制御信号の極性は必ず、飽和状態の電流スパイクの極性に追従するので、励磁電流を制御および平衡化するための制御措置をどちら側に適用すべきかに関する情報を、常に一意かつ十分に供給することができる。
【００５７】
飽和状態に依存して制御を行うことの１つの重要な利点は、ＩＢＴが常に飽和状態のエッジで動作するように該ＩＢＴを構成でき、ひいてはＩＢＴコア材料を最大限に活用できることである。というのも、直流成分に対処するための大きな余裕スペースが不要になるからである。実際、大きな余裕スペースが設けられていると、状況を認識するものがこの制御システムに存在しなくなってしまってこの余裕スペースが使用されることになり、励磁電流ひいては磁束が定常状態になるのが、正または負の飽和状態になる寸前だけになってしまう。
【００５８】
時間移動型の最小励磁電流検出器／最大励磁電流検出器を以下で説明する：時間移動型の最小励磁電流検出器／最大励磁電流検出器は、各ＰＷＭ周期中の励磁電流のピークおよび谷を検出するために使用することができる。２つの並列インバータの構成では、ピークおよび谷は常に固定的な時点で現れる。それゆえこの場合には、ピークおよび谷を検出するためには固定的なサンプル時間で十分であり、このことはインバータＰＷＭパターンから直接検出することができる。
【００５９】
しかし、キャリアの位相がずれた３つ以上の並列インバータが設けられている場合には、飽和に起因して、ピークおよび谷が現れる時点は固定的でなく、ピークおよび谷が現れる時点は飽和の深刻度に依存して移動する。それゆえ、固定的な時点でサンプリングを行う代わりに、時間移動型の検出器を使用する。
【００６０】
個々のピークおよび谷が現れると期待される期間が経過し、制御信号が生成されると、時間移動型の検出器を適切な値にリセットすることができる。０を挟んだ両側のうち一方の側にピークが現れ他方の側に谷が現れる通常の条件では、リセット値が十分に０になるように選択することができる。電流直流成分または低周波成分が大きいことに起因してピークおよび谷が共に正の値である状況では、０にリセットするだけでは十分でない場合がある。その場合には、リセットによる０値が全体的な最小値と見なされてしまい、実際の谷値が検出されなくなってしまうので、誤った制御信号が生成されてしまう。
【００６１】
適正な検出を保証するためには、予測されるすべての状況の中で最悪なケースでも十分である極性および値をリセット値に適用する。このリセット値は、通常状態のピーク値および谷値の逆極性であって、かつ大きな値に設定される。
【００６２】
ノイズを含む測定結果からのピーク値および谷値の抽出を以下で説明する：
励磁電流波形はすべて、バックグラウンドノイズを全く含まない理想的な波形とすることができる。しかし実際の電流測定結果の波形は、物理的構成と測定装置のノイズ耐性とに依存して、ある程度の量のノイズを含む。本発明の１つの実施例の制御スキームでは、最小励磁電流／最大励磁電流検出器によって１つのサンプル値のみが検出されるように構成することができるが、該最小励磁電流／最大励磁電流検出器はバックグラウンドノイズに対して脆弱になる。というのも、この特定のサンプルが実際の値から格段にずれている可能性があり、このことによって補正に誤りが生じる可能性が出てくるからである。バックグラウンドノイズに対する脆弱性に対処するために、測定装置から得られる測定信号に移動平均を適用することができる。
【００６３】
移動平均の関係式は、以下のように記述することができる。
【００６４】
【数１】
2012526511.tif 000003
上記式において、Ｎは窓内のサンプル数であり、Ｔｓはサンプル期間である。
【００６５】
公称スイッチング周波数（ＰＷＭ周波数）が約２．５ｋＨｚである１つの実施例のスキームでは、平均窓の期間を約１０〜約２０μｓに設定するのが適切な設定である。
【００６６】
本発明のこの実施例では、測定装置における公差とマイクロプロセッサ／ＦＰＧＡ等における量子化信号系統とに起因して直流オフセットまたは低周波（ＬＦ）オフセットが生じた場合、測定された励磁電流から直流オフセットを除去し、飽和に関する情報を有する励磁電流のピーク値および谷値のみを取り出すことにより、この直流オフセットまたは低周波オフセットの影響が低減されるように構成することができる。ピーク値の絶対値と谷値の絶対値との間に差が存在する場合に補償を行うだけで、本発明のこの実施例の方法および／または装置は飽和に対して高い応答性を有する。飽和が測定されない場合、補償が行われることはない。
【００６７】
その結果として、多並列インバータ構成に設けられたインターブリッジ変成器における励磁電流から直流成分を除去するための制御スキームを決定することができる。この制御スキームはモジュール化することができ、ＩＢＴによって相互に結合された任意の数の並列インバータに適用することができる。この制御スキームは、直流成分が除去された後、測定された励磁電流に現れたピーク値と谷値とを比較することによって機能することができる。この制御スキームは、飽和に対して高い応答性を有する‐すなわち、飽和が生じない場合には０制御信号を使用し、補償を行わない。ピーク値および谷値は、最小値検出器および最大値検出器によって検出することができる。これらの検出器をリセットすることにより、電流中に含まれる高い直流成分が及ぼす影響を考慮することができる。測定された電流に含まれるバックグラウンドノイズを考慮するための測定は、Ｎ個のサンプルの移動窓において移動窓平均を使用することによって行うことができる。
【００６８】
以下で説明する実施例に、本発明の上記の構成および別の構成を開示している。この実施例に基づいて、このような構成を説明する。以下では実施例を参照して本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】電圧変換装置を示す。
【図２】図１に示された電圧変換装置の相間変成ユニットの電気的な等価回路図である。
【図３Ａ】図１に示された相間変成ユニットの１次コイルに印加される電圧の時間依存特性を示す。
【図３Ｂ】図１に示された相間変成ユニットの２次コイルに発生する電圧の時間依存特性を示す。
【図３Ｃ】図１に示された相間変成ユニットの磁性コア部材が飽和状態にない場合と飽和状態にある場合の、該相間変成ユニットの励磁電流の時間依存特性を示す。
【図４】電圧変換装置用の本発明の１実施例のＰＷＭ制御装置を示す。
【図５】図１に示された電圧変換装置用の本発明の１実施例の別のＰＷＭ制御装置を示す。
【図６】図５に示されたＰＷＭ制御装置の飽和制御装置を示す。
【図７Ａ】図１に示された相間変成ユニットの高い電流スパイクを有する励磁電流の時間依存特性を示す。
【図７Ｂ】図６に示された飽和制御ユニットの積分ユニットの動作を示す。
【図７Ｃ】図６に示された飽和制御ユニットの飽和制御信号生成ユニットの出力信号の時間依存特性を示す。
【図７Ｄ】図１に示された相間変成ユニットに対する飽和制御信号の時間依存特性を示す。
【図８Ａ】励磁電流を０値にリセットするスキームを示す。
【図８Ｂ】０でない値に励磁電流をリセットするスキームを示す。
【図９】励磁電流の平滑化操作を示す。
【００７０】
各図は概略的に示されたものであり、複数の異なる図において同様または同一の構成要素には、同じ符号を付している。図１を参照すると、単相の電圧を出力するための発電において使用される電圧変換装置１００を示している。この電圧変換装置１００は４つの電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄを有し、これら４つの電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄは相互に電気的に並列接続されている。各電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄはそれぞれ、スイッチング素子１０４ａ〜１０４ｄ，１０６ａ〜１０６ｄを有する。各電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄの出力端１０８ａ〜１０８ｄはそれぞれ、４つの相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄのうち異なる１つの相間変成ユニットに電気的に接続されている。各相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄはそれぞれ１次コイル１１２ａ〜１１２ｄと２次コイル１１３ａ〜１１３ｄとを有し、１次コイル１１２ａ〜１１２ｄと２次コイル１１３ａ〜１１３ｄとは磁性コア部材１１４ａ〜１１４ｄによって磁気結合されている。相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄの１次コイル１１２ａ〜１１２ｄと２次コイル１１３ａ〜１１３ｄとは同一である。相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄはサイクリックなカスケード構成で配置されるか、または環状構成で配置され、変圧された電圧を出力するように構成されている。各相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄの各１次コイル１１２ａ〜１１２ｄは、別の１つの相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄの２次コイル１１３ａ〜１１３ｄに電気的に接続されている。各相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄの２次コイル１１３ａ〜１１３ｄは、共通の出力端１１５に電気的に接続されている。前記共通の出力端１１５によって出力された出力電圧は、インダクタンス１１８とスイッチ１２０とを介して負荷１１６へ送られる。
【００７１】
図２に、図１に示された相間変成ユニット１１０ａの電気的な等価回路図を示す。
【００７２】
相間変成ユニット１１０ａの１次コイル１１２ａに入力電圧Ｖ１を印加すると、該相間変成ユニット１１０ａの１次コイル１１２ａに入力電流ｉ１が誘導される。図３Ａに示されているように、印加される電圧Ｖ１はＴＳＷのパルス長のデューティサイクルを有する。相間変成ユニット１１０ａの２次コイル１１３ａに電圧Ｖ２が発生する。ここで発生する電圧Ｖ２のデューティサイクルは、入力電圧Ｖ１のデューティサイクルに対する時間φだけ時間的にシフトされる（図３Ｂ）。このようにして、励磁インダクタンスＬｍに励磁電流ｉｍが誘導される。ここでは、正または負の電流ｉ１と正または負の電流ｉ２との和と等価である励磁電流ｉｍ、すなわちｉｍ＝ｉ１＋ｉ２が生成される。ただし、ｉ１とｉ２とでは正負の符号が逆である。
【００７３】
相間変成ユニット１１０ａの動作中、磁性コア部材１１４ａは励磁され、該磁性コア部材において磁束密度が発生する。この磁束密度はヒステリシスを示す。図３Ｃにおいて曲線３０６として示された励磁電流ｉｍは、半周期期間に対して対称的な波形になっている。励磁電流３０６の波形は周期期間内の相応の時点で繰り返され、完全にランプ波形の勾配を示す。
【００７４】
直流オフセット値３０８が励磁電流３１０の波形に入り込むことにより（図３Ｃ）、磁性コア部材１１４ａは飽和状態に達する。さらに、励磁電流３１０の大きさには高いスパイク３１２が含まれる。このスパイク３１２は鉄心のヒステリシスに起因する。
【００７５】
直流オフセット値３０８に起因して変化した励磁電流３１０の波形を補償するために、ＰＷＭ制御装置が設けられる。
【００７６】
図４に、電圧変換装置のためのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御装置４００を示している。この電圧変換装置の構成は、図１に示された電圧変換装置の構成と同一であるが、図４の電圧変換装置は２つの電圧変換ユニットと１つの相間変成ユニットとのみを有する。また、２つの相間変成ユニットを使用することも可能である。
【００７７】
ＰＷＭ制御装置４００は全負荷電流決定ユニット４０２を含む。すなわち、２つの電圧変換ユニットの出力端１０８ａ，１０８ｂによって出力された電流ｉａ，ｉｂを加算して全負荷電流ｉｔｏｔを出力するように構成された加算ユニットを含む。ＰＷＭ制御装置４００はさらに、出力端１０８ａ，１０８ｂによって出力された電流ｉａ，ｉｂの差電流ｉｄｉｆｆ（ａｂ）を求めるように構成された励磁電流決定ユニット４０４も含む。この差電流ｉｄｉｆｆ（ａｂ）は、相間変成ユニットの励磁電流と同一である。
【００７８】
前記全負荷電流決定ユニット４０２に全負荷電流の大きさ誤差検出ユニット４０６が電気的に接続されており、該全負荷電流の大きさ誤差決定ユニット４０６は、基準全負荷電流ｉｒｅｆから全負荷電流ｉｔｏｔを減算するように構成されている。前全負荷電流の大きさ誤差決定ユニット４０６に全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８が電気的に接続されており、該全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８は、全負荷電流の大きさ制御信号を出力するように構成されている。
【００７９】
前記励磁電流決定ユニット４０４に飽和制御ユニット４１０が電気的に接続されており、該飽和制御ユニット４１０は飽和制御信号を出力するように構成されている。
【００８０】
前記全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８と前記飽和制御ユニット４１０とに結合ユニット４１２ａ，４１２ｂが電気的に接続されており、これらの結合ユニット４１２ａ，４１２ｂは前記全負荷電流の大きさ制御信号と前記飽和制御信号とを結合して結合信号を出力するように構成されている。とりわけ、前記結合ユニット４１２ａは前記全負荷電流の大きさ制御信号から飽和制御信号を減算するように構成されている。結合ユニット４１２ｂは、前記飽和制御信号と前記全負荷電流の大きさ制御信号とを加算するように構成されている。これによって、励磁電流にアンバランスが発生している場合には励磁電流が平衡化される。
【００８１】
キャリア生成ユニット４１６ａ，４１６ｂが設けられており、該キャリア生成ユニット４１６ａ，４１６ｂは、比較ユニット４１８ａ，４１８ｂへ供給するためのキャリア信号または基準信号を出力するように構成されている。比較ユニット４１８ａ，４１８ｂも、結合ユニット４１２ａ，４１２ｂに電気的に接続されている。比較ユニット４１８ａ，４１８ｂは、キャリア信号と、結合ユニット４１２ａ，４１２ｂから出力された各結合信号とを比較し、比較信号を電圧変換ユニット１０２ａ，１０２ｂへ出力するように構成されている。さらに、各電圧変換ユニット１０２ａ，１０２ｂに対する各比較信号は２つに分割される。各電圧変換ユニット１０２ａ，１０２ｂそれぞれの各信号経路に位相シフト要素４２０ａ，４２０ｂが設けられ、これによって、スイッチ１０４ａ，１０４ｂの位相がスイッチ１０６ａ，１０６ｂの位相に対して相対的にシフトされる。
【００８２】
ＰＷＭ制御装置４００の動作中、励磁電流検出ユニット４０４によって励磁電流が生成される。この生成された励磁電流は飽和制御ユニット４１０へ供給され、該飽和制御ユニット４１０は飽和制御信号を生成し、該飽和制御信号は結合ユニット４１２ａ，４１２ｂへ供給される。
【００８３】
前記全負荷電流決定ユニット４０２によって、出力端１０８ａ，１０８ｂから出力された電流ｉａ，ｉｂの和が求められることにより、全負荷電流ｉｔｏｔが生成される。全負荷電流ｉｔｏｔは全負荷電流の大きさ誤差決定ユニット４０６へ供給され、負荷電流誤差が生成される。全負荷電流の大きさの誤差は全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８へ供給され、該全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８は全負荷電流の大きさ制御信号を生成する。全負荷電流の大きさ制御信号は結合ユニット４１２ａ，４１２ｂへ供給される。
【００８４】
結合ユニット４１２ａ，４１２ｂによって出力された結合信号は比較ユニット４１８ａ，４１８ｂへ供給され、キャリア生成ユニット４１６ａ，４１６ｂによって出力されたキャリア信号と比較される。比較ユニット４１８ａ，４１８ｂによって出力された比較信号は、電圧変換ユニット１０２ａ，１０２ｂのスイッチ１０４ａ，１０４ｂ，１０６ａ，１０６ｂへ供給される。
【００８５】
図５に、図１に示された電圧変換装置１００のためのＰＷＭ制御装置５００を示す。
【００８６】
ＰＷＭ制御装置５００は、ＰＷＭ制御装置４００を拡張したものである。ＰＷＭ制御装置５００は、励磁電流決定ユニット４０４ａ〜４０４ｂと、飽和制御ユニット４１０ａ〜４１０ｄと、結合ユニット４１２ａ〜４１２ｄと、比較ユニット４１８ａ〜４１８ｄと、キャリア生成ユニット４１６ａ〜４１６ｄと、位相シフト要素４２０ａ〜４２０ｄとを含み、該励磁電流決定ユニットの数、該飽和制御ユニットの数、該結合ユニットの数、該比較ユニットの数、該キャリア生成ユニットの数、および該位相シフト要素の数は、相間変成ユニット１１０ａ〜１１０ｄの数および電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄの数に等しい。
【００８７】
それゆえ、各励磁電流決定ユニット４０４ａ〜４０４ｄは、電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄの出力端１０８ａ〜１０８ｄの相互間の差電流ｉｄｉｆｆ（ａｄ），ｉｄｉｆｆ（ｂｃ），ｉｄｉｆｆ（ｃｄ），ｉｄｉｆｆ（ｄａ）に相当する励磁電流ｉｍを求めるように構成されている。全負荷電流決定ユニット４０２は、電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄの出力端１０８ａ〜１０８ｄから出力された電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃ，ｉｄを加算し、全負荷電流ｉｔｏｔを出力するように構成されている。
【００８８】
全負荷電流の大きさ誤差決定ユニット４０６に１つの全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８が後置されており、該全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８は、４つの結合ユニット４１２ａ〜４１２ｄへ全負荷電流の大きさ制御信号を出力するように構成されている。
【００８９】
４つの飽和制御ユニット４１０ａ〜４１０ｄが設けられており、これらの飽和制御ユニット４１０ａ〜４１０ｄはそれぞれ、励磁電流ｉｄｉｆｆ（ａｄ），ｉｄｉｆｆ（ｂｃ），ｉｄｉｆｆ（ｃｄ），ｉｄｉｆｆ（ｄａ）のうち異なる１つの励磁電流に基づいて動作し、各飽和制御ユニット４１０ａ〜４１０ｄは、２つの異なる結合ユニット４１２ａ〜４１２ｄへ飽和制御信号を出力するように構成されている。
【００９０】
各結合ユニット４１２ａ〜４１２ｄは、全負荷電流の大きさ制御ユニット４０８の出力信号と、前記飽和制御ユニット４１０ａ〜４１０ｄのうち２つの飽和制御ユニットの飽和制御信号とに基づいて動作するように構成されている。たとえば結合ユニット４１２ａは、全負荷電流の大きさ制御信号と、飽和制御ユニット４１０ｄから出力された飽和制御信号とを加算し、飽和制御ユニット４１０ａから出力された飽和制御信号を減算するように構成されている。さらに、たとえば結合ユニット４１２ｂは、全負荷電流の大きさ制御信号と、飽和制御ユニット４１０ａから出力された飽和制御信号とを加算し、飽和制御ユニット４１０ｂから出力された飽和制御信号を減算するように構成されている。
【００９１】
各比較ユニット４１８ａ〜４１８ｄはそれぞれ異なる１つの結合信号と、キャリア生成ユニット４１６ａ〜４１６ｄによって生成された異なる１つのキャリア信号とに基づいて動作するように構成されている。さらに、各比較ユニット４１８ａ〜４１８ｄはそれぞれ比較信号を出力するように構成されており、各比較信号は２つの信号に分割され、これらの信号が電圧変換ユニット１０２ａ〜１０２ｄのスイッチ１０４ａ〜１０４ｄ，１０６ａ〜１０６ｄへ供給される前に、該２つの信号のうち１つは位相シフト要素４２０ａ〜４２０ｄによって位相シフトされる。
【００９２】
図６に、図５に示した飽和制御ユニット４１０ａの詳細を示す。
【００９３】
飽和制御ユニット４１０ａは、電圧変換ユニット１０２ａ，１０２ｂの出力端１０８ａ，１０８ｂによって出力された電流ｉａ，ｉｂの差電流に等しい励磁電流ｉｍに基づいて動作するように構成されている。飽和制御ユニット４１０ａは最小値検出器６０２と最大値検出器６０４と、励磁電流の直流オフセット値（図３Ｃ）を求めるための飽和推定ユニット６０６と、飽和制御信号生成ユニット６０８とを有する。最小値検出器６０２と最大値検出器６０４と飽和推定ユニット６０６とは並列に配置されている。最小値検出ユニット６０２は、周期期間内の励磁電流の最小値を検出するように構成されている。さらに、最大値検出ユニット６０４は、周期期間内の励磁電流の最大値を検出するように構成されている。飽和制御信号生成ユニット６０８は、検出された最小値と検出された最大値とを加算し、サンプリングされた直流オフセット値を減算するように構成されている。
【００９４】
飽和推定ユニット６０６は、励磁電流の直流オフセット値を求めるための積分ユニット６１０と、求められた直流オフセット値を正規化するための正規化ユニット６１２と、利得ユニット６１４とを含む。積分ユニット６１０は、１周期期間にわたって励磁電流を積分するように構成されている。正規化ユニット６１２は、積分ユニット６１０の出力信号に基づいて動作し、該積分ユニット６１０から出力された積分値を周期期間ＴＳＷに関して正規化するように構成されている。利得ユニット６１４は２の値に固定されており、出力は、正規化された直流オフセット値が飽和制御信号生成ユニット６０８へ供給される前の、正規化された積分値である。
【００９５】
サンプリングユニット６１６は飽和制御信号生成ユニット６０８に後置されており、１期間について飽和制御信号をサンプリングするように構成されている。
【００９６】
図７Ａ〜７Ｄを参照して、飽和制御ユニット４１０ａの動作を説明する。最小値検出器６０２および最大値検出器６０４によって励磁電流７０６の波形から最小値７０２および最大値７０４が求められ、飽和制御信号生成ユニット６０８へ供給される。さらに、励磁電流７０６の波形が繰り返される周期の１周期期間にわたって励磁電流７０６を積分することにより、励磁電流の直流オフセット値７０８が求められる。積分動作の下限７１０は１周期期間の開始点７１０に相当し、積分動作の上限７１２は該１周期期間の終了点７１２に相当する（図７Ｂ）。このようにして得られた積分値は、前記１周期期間の長さＴＳＷによって積分値を除算することにより正規化される。さらに、前記正規化された積分値に２の係数が乗算される（図７Ｃ）。最小値７０２と最大値７０４とが加算され、該最小値７０２と該最大値７０４との和から、推定された直流オフセット値が減算され、これによって信号Δｉｍ（＋／−）が形成される（図７Ｃ）。さらに、直流オフセット値が得られた後、最小値検出ユニット６０２と最大値検出ユニット６０４と積分ユニット６１０とがリセットされる。得られた制御信号Δｉｍ（＋／−）はサンプリングされて（Δｉｍ（＋／− Ｓ／Ｈ））出力される（図７Ｄ）。
【００９７】
図８Ａ，８Ｂを参照して、最小値検出ユニット６０２および最大値検出ユニット６０４のリセット動作を説明する。サンプリングされた飽和制御信号の出力時、最小値検出ユニット６０２は最小リセット値にリセットされ、最大値検出ユニット６０４は最大リセット値にリセットされる。このリセット値の大きさおよび正負符号は、直流オフセット値にしたがって適合される。
【００９８】
図８Ａに、最小値検出ユニット６０２および最大値検出ユニット６０４のリセットが不十分である様子を示す。励磁電流８０２は正の直流オフセット値を示し、これによって励磁電流８０２は正の値にシフトされ、励磁電流の大きさは高いスパイクを有する。曲線８０４によって最小値検出ユニット６０２の値が示されており、曲線８０６によって最大値検出ユニット６０４の値が示されている。最小リセット値８０８および最大リセット値８１０は一致しており、０である。励磁電流８０２が最大値になると最小値検出ユニット６０２はリセットされ、励磁電流８０２が最小値になると最大値検出ユニット６０４はリセットされる。最小値検出ユニット６０２が０にリセットされる前は、該最小値検出ユニット６０２は、励磁電流８０２の最小値を適切に検出することができたが、リセット動作後には、最小値検出ユニット６０２は最小値を適切に検出することができなくなる。最大値検出ユニット６０４は、リセット動作の前後ともに、励磁電流８０２の最大値を適切に検出することができる。
【００９９】
図８Ｂに、最小値検出ユニット６０２および最大値検出ユニット６０４のリセットが十分である様子を示す。最小リセット値８０８および最大リセット値８１０は等しい大きさを有し、最小リセット値８０８は正であり、最大リセット値８１０は負である。ここでも、励磁電流８０２が最大値になると最小値検出ユニット６０２はリセットされ、励磁電流８０２が最小値になると最大値検出ユニット６０４はリセットされる。このリセット動作により、最小値検出ユニット６０２および最大値検出ユニット６０４はともに、励磁電流８０２の最小値や最大値を適切に検出することができる。
【０１００】
図９を参照すると、励磁電流９０２の最小値および最大値が検出される前に、測定された励磁電流９０２の平滑化を行うことができる。このことにより、時間窓９０４内の測定点の平均値を求め、平滑化された曲線９０６が得られる。このことにより、測定された励磁電流９０２のバックグラウンドノイズが及ぼす影響を小さくすることができる。
【０１０１】
所与の時間窓９０４内では、励磁電流９０２の複数のＮ個の値が測定され、該時間窓９０４内の測定点の個数Ｎとサンプル期間ＴＳすなわち該時間窓９０４の時間とに対して正規化された、時間依存性の励磁電流の積分として、測定された励磁電流９０２の平均値が計算される。したがって、励磁電流の平均値は以下のようになる。
【０１０２】
【数２】
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スイッチング周波数が２．５ｋＨｚであると仮定すると、時間窓９０４の時間は約１０μｓ〜２０μｓである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ−３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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