JP2013021907A - インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率が向上し、製造コストが低減され、漏れ電流が抑制されたインバーターを提供する。
【解決手段】ＤＣ電力を変換して第１出力端子Ａと第２出力端子Ｂの間にＡＣ電圧を出力するスイッチ回路３１を含むインバーター３が提供される。このスイッチ回路３１は、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２及び第３スイッチ素子Ｓ３を有する第１スイッチブランチ３１２と、第４スイッチ素子Ｓ４、第５スイッチ素子Ｓ５及び第６スイッチ素子Ｓ６を有する第２スイッチブランチ３１３と、第２出力端子Ｂに接続され、第１スイッチ素子Ｓ１と第２スイッチ素子Ｓ２の間にフリーホイーリングパスを提供する第１フリーホイーリングユニット３１０と、第１出力端子Ａに接続され、第１出力端子Ａと第４スイッチ素子Ｓ４と第５スイッチ素子Ｓ５の間にフリーホイーリングパスを提供する第２フリーホイーリングユニット３１１を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバーターに関し、さらに詳しくは変換効率が向上し、製造コストが低減され、漏れ電流が抑制されたインバーターに関する。

近年、人類の主要なエネルギー源は、石油から来ている。車を動かしたり、火力発電所を動かすのに必要な電力又は電気は、石油を燃やすことによって得られる。しかしながら、石油の燃焼によって生成される熱及び排ガスは、大気汚染を引き起こすだけでなく、地球温暖化効果を悪化させ得る。さらに、石油の産出量は、１０年以内にピークに達し、その後は年々減少する。このことは、石油の価格（電気料金を含む）がもはや安価なものではないことを意味する。従って、結局は、エネルギー危機が訪れ、世界経済に打撃を与える。

上記の世界経済への打撃を鑑みて、再生可能エネルギーによって、効率的かつ経済的に、家庭又は事業所に、電気又は動力を供給することが探求されてきた。これまでに、再生可能エネルギーの発展は、先進国では、発電と環境保護を両立させるwin-win政策として重要なエネルギー政策となった。種々の再生可能エネルギー（太陽光エネルギー、風力エネルギー、潮力エネルギー、地熱エネルギー、生物廃棄物エネルギー）のうち、太陽光エネルギーが主流となった。なぜなら、太陽光エネルギー発電器は、環境への優しさ、設置の容易さ、商業化の成熟さ、及び国家による圧倒的な後押しという利点があるからである。従って、太陽光エネルギーは、先進国では、分散型電力供給システムを構築するに当たって主な選択肢となった。

図1は、従来技術によるインバーターの回路を示す。図1に示すように、インバーター1は、ソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムで使用され、従って、インバーター1は、太陽光発電インバーター又はPVインバーターとしても知られている。インバーター1は、非絶縁及びフルブリッジトポロジーで構成され、入力フィルター10、フルブリッジスイッチ回路11、及び出力フィルター12を含む。入力フィルター10は、第１コンデンサC₁で構成され、太陽電池によって生成されたDC入力電圧V_DCを受け取り、DC入力電圧V_DCをフィルタリングする。フルブリッジスイッチ回路11は、出力フィルター12に接続され、スイッチ素子S₁-S₄で構成される、第１スイッチ素子S₁は、第２スイッチ素子S₂と直列接続され、第３スイッチ素子S₃は、第４スイッチ素子S₄と直列接続され、２つのブリッジアームを有するフルブリッジ回路を形成する。スイッチ素子S₁-S₄は、制御ユニット(図示せず)によってオン・オフ制御され、これによってフルブリッジスイッチ回路11がフィルタリングされたDC入力電圧V_DCをAC変調電圧V_Tへ変換することを可能にする。出力フィルター12は、フルブリッジスイッチ回路11に接続され、第１インダクタL₁、第２インダクタL₂、及び第２フィルタリングコンデンサC₂で構成される。出力フィルター12は、AC変調電圧V_Tの高周波成分を除去し、グリッドGへAC出力電圧V_oを出力するために使用される。

一般に、フルブリッジスイッチ回路11のスイッチ素子S₁-S₄は、パルス幅変調(PWM)で動作するように構成されている。より正確には、フルブリッジスイッチ回路11のスイッチ素子S₁-S₄は、バイポーラースイッチングモード又はユニポーラースイッチングモード下で動作可能である。フルブリッジスイッチ回路11がユニポーラースイッチングモード下で動作しているとき、２つのスイッチ素子で構成される一つだけのブリッジアームが高周波スイッチング動作を行うように構成されている。AC変調電圧V_Tは、0と正のDC入力電圧V_DCの間で変動するか又は0と負のDC入力電圧-V_DCの間で変動する。
逆に、フルブリッジスイッチ回路11がバイポーラースイッチングモード下で動作しているとき、スイッチ素子S₁-S₄は、高周波スイッチング動作を行うように構成され、AC変調電圧V_Tは、正のDC入力電圧V_DCと負のDC入力電圧-V_DCの間で変動する。従って、ユニポーラースイッチングモード下で動作しているフルブリッジスイッチ回路11のスイッチング損失は、バイポーラースイッチングモード下で動作しているフルブリッジスイッチ回路11のスイッチング損失より小さい。言い換えると、フルブリッジスイッチ回路11は、ユニポーラースイッチングモード下では、より良い変換効率を有する。
しかしながら、図1に示すように、DC入力電圧V_DCを生成する太陽電池と接地端子の間に寄生容量C_pが存在しているので、フルブリッジスイッチ回路11がユニポーラースイッチングモード下で動作するとき、変調電圧V_Tは、高周波成分を有する。従って、スイッチ回路11の正出力端子とインバーター1内の特定ノードの間の相対電圧及びスイッチ回路11の負出力端子とインバーター1内の特定ノードの間に相対電圧は、スイッチングの何れの時点においても、その相加平均値(total average)が一定値に維持されるように設定することはできない。これによって、寄生容量C_pを横切って大きな電圧変化が発生し、ユーザー及び装置を危険にさらす。

図2を参照すると、図2は、従来技術によるインバーターの異なる回路を示す。図2では、インバーター2は、中性点クランプ式インバーター(NPCインバーター)として構成される。インバーター2は、入力フィルター20、スイッチ回路21、及び出力フィルター22を含む。入力フィルター20と出力フィルター22の間の接続関係は、図1の入力フィルター10と出力フィルター12の間の接続関係に類似する。従って、入力フィルター20及び出力フィルター22に関連する詳細は、ここでは説明しない。スイッチ回路21は、スイッチ素子S₁-S₁₂で構成され、スイッチ素子S₁-S₆は、第１スイッチブランチを形成し、スイッチ素子S₇-S₁₂は、第２スイッチブランチを形成する。

インバーター2がソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムへ適用されると、太陽電池内の寄生容量C_pは、スイッチ素子S₁-S₁₂のスイッチング動作によって大きな電圧降下を生じさせない。従って、漏れ電流が回避可能である。しかしながら、インバーター2は、１２個のスイッチ素子を含み、インバーター2の製造コストは、非常に高い。さらに不利なことに、インバーター2が１２個のスイッチ素子を使用してスイッチング動作を行うと、インバーター2のスイッチング損失は、悪化するであろう。これは、インバーター2の変換効率を低下させる。

従って、出願人は、変換効率が向上し且つ漏れ電流が低減されたインバーターの開発を試みた。

本発明の目的は、従来のインバーターがソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムに適用されるときの、低変換効率及び大きい漏れ電流という問題に対処するインバーターを提供することである。

この目的のために、本発明は、DC電力を受け取り、このDC電力をAC変調電圧へ変換して第１出力端子と第２出力端子の間に出力するように構成されているスイッチ回路を含むインバーターを提供する。このスイッチ回路は、互いに直列に接続された第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、及び第３スイッチ素子を含む第１スイッチブランチと、第１スイッチブランチと並列に接続され、且つ互いに直列に接続された第４スイッチ素子、第５スイッチ素子、及び第６スイッチ素子を含む第２スイッチブランチを含み、第２スイッチ素子及び第３スイッチ素子は、第１出力端子に接続され、第５スイッチ素子及び第６スイッチ素子は、第２出力端子に接続される。また、このスイッチ回路は、第１スイッチ素子と第２スイッチ素子の間に接続された一端と、第２出力端子に接続された他端を有する第１フリーホイーリング(freewheeling)ユニットと、第４スイッチ素子と第５スイッチ素子の間に接続された一端と、及び第１出力端子に接続された他端を有する第２フリーホイーリングユニットも含む。第１スイッチ素子及び第６スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第２スイッチ素子は、正の半サイクルの間にオンになり、第３スイッチ素子及び第４スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第５スイッチ素子は、負の半サイクルの間にオンになる。

本発明の上記及び他の特徴及び利点は、次の詳細な説明及び添付図面を通じて、よりよく理解されるであろう。

図1は、従来技術によるインバーターの回路を示す。

図2は、従来技術によるインバーターの異なる回路を示す。

図3は、本発明の一実施形態によるインバーターの回路を示す。

図4Aは、図3の回路内で使用される制御信号の波形図を示す。

図4Bは、図3の回路内で使用されるAC変調電圧の波形図を示す。

図5Aは、図3の制御ユニットの回路を示す。

図5Bは、図5Aの回路内で使用される制御信号の波形図を示す。

図6Aは、図3の制御ユニットの変更された回路を示す。

図6Bは、図6Aの回路内で使用される制御信号の波形図を示す。

図7は、図3のインバーターの変更後の回路である。

図8Aは、図7に示す制御ユニットの回路を示す。

図8Bは、図8Aの制御ユニット内で使用される制御信号の波形図を示す。

本発明の特徴及び利点を具現化するいくつかの例示的実施形態を次の説明のパラグラフで説明する。本発明は、種々の点で種々の変更を許容するものであり、それらは全て本発明の範囲から逸脱するものではない。ここでの説明及び図面は、例示的なものであり、本発明の限定するものと解釈すべきではない。

図3に、本発明の一実施形態によるインバーターの回路を示す。図3に示すように、インバーター3は、ソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムへ適用してもよく、非絶縁回路である。インバーター3は、DCデバイス8（例：太陽電池）からDC入力電圧V_DCを受け取り、DC入力電圧V_DCをAC出力電圧V_oへ変換するために使用される。AC出力電圧V_oは、AC負荷9（例：AC電気器具又はACネットワークシステム）へ供給される。

インバーター3は、入力フィルター30、スイッチ回路31、出力フィルター32、及び制御ユニット33を含む。入力フィルター30は、DCデバイス8の正極及び負極のそれぞれに接続され、DC入力電圧V_DCを受け取り、DC入力電圧V_DCをフィルタリングする。この実施形態では、入力フィルター30は、第１コンデンサC₁を含んでもよい。

スイッチ回路31は、入力フィルター30に接続され、スイッチ素子S₁-S₆、第１フリーホイーリングユニット310、及び第２フリーホイーリングユニット311を含む。スイッチ回路31は、フィルタリングされたDC入力電圧V_DCをスイッチ素子S₁-S₆、第１フリーホイーリングユニット310、及び第２フリーホイーリングユニット311のスイッチング動作によって変換し、これによって第１出力端子Aと第２出力端子Bの間にAC変調電圧V_Tを出力するために使用される。

この実施形態では、第１スイッチ素子S₁、第２スイッチ素子S₂、及び第３スイッチ素子S₃は、互いに直列に接続され、第１スイッチブランチ312を形成する。第１スイッチ素子S₁の一端は、DCデバイス8の正極及び入力フィルター30の正極に接続されている。第３スイッチ素子S₃の一端は、DCデバイス8の負極及び入力フィルター30の負極に接続されている。また、第２スイッチ素子S₂及び第３スイッチ素子S₃は、第１出力端子Aに接続されている。第４スイッチ素子S₄、第５スイッチ素子S₅、及び第６スイッチ素子S₆は、互いに直列に接続され、第１スイッチブランチ312と並列に接続される第２スイッチブランチ313を形成する。第４スイッチ素子S₄の一端は、DCデバイス8の正極及び入力フィルター30の正極に接続されている。第６スイッチ素子S₆の一端は、DCデバイス8の負極及び入力フィルター30の負極に接続されている。また、第５スイッチ素子S₅及び第６スイッチ素子S₆は、第２出力端子Bに接続される。

第１フリーホイーリングユニット310の一端は、第１スイッチ素子S₁と第２スイッチ素子S₂の間に接続される。第１フリーホイーリングユニット310の他端は、第２出力端子Bに接続される。第１フリーホイーリングユニット310は、第２出力端子Bと第１スイッチ素子S₁と第２スイッチ素子S₂の間にフリーホイーリングパスを提供するために使用される。第２フリーホイーリングユニット311の一端は、第４スイッチ素子S₄と第５スイッチ素子S₅の間に接続される。第２フリーホイーリングユニット311の他端は、第１出力端子Aに接続されている。第２フリーホイーリングユニット311は、第１出力端子Aと第４スイッチ素子S₄と第５スイッチ素子S₅の間に別のフリーホイーリングパスを提供するために使用される。

この実施形態では、第１フリーホイーリングユニット310は、第１フリーホイーリングダイオードD₁で構成され、第２フリーホイーリングユニット311は、第２フリーホイーリングダイオードD₂で構成される。第１フリーホイーリングダイオードD₁のカソードは、第１スイッチ素子S₁と第２スイッチ素子S₂の間に接続される。第１フリーホイーリングダイオードD₁のアノードは、第２出力端子Bに接続される。第２フリーホイーリングダイオードD₂のカソードは、第４スイッチ素子S₄と第５スイッチ素子S₅の間に接続される。第２フリーホイーリングダイオードD₂のアノードは、第１出力端子Aに接続されている。

制御ユニット33は、スイッチ素子S₁-S₆の制御端子に接続される。制御ユニット33は、PWMベースの制御信号V_c1-V_c6を生成し、スイッチ素子S₁-S₆をオン・オフ制御するために使用される。

出力フィルター32は、スイッチ回路31の第１出力端子A及び第２出力端子Bに接続されている。また、出力フィルター32は、負荷9に接続されており、AC変調電圧V_Tを受け取り、AC変調電圧V_Tの高周波成分を除去し、これによってAC出力電圧V_oをAC負荷9へ出力する。この実施形態では、出力フィルター32は、第１インダクタL₁、第２インダクタL₂、及び第２キャパシタC₂を含む。第１インダクタL₁の一端は、第１出力端子Aに接続される。第２インダクタL₂の一端は、第２出力端子Bに接続される。第２キャパシタC₂は、第１インダクタL₁、第２インダクタL₂、及びAC負荷9に接続される。

次に、本発明のインバーター3の動作を説明する。図4A及び4B及び図3を参照すると、図4Aは、図3の回路内で使用される制御信号の波形図を示し、図4Bは、図3の回路内で使用されるAC変調電圧の波形図を示す。図3、4A及び4Bに示すように、正の半サイクルの間に（例：点0と第１点T₁の間に）、第１制御信号V_c1及び第６制御信号V_c6は、PWMで変動する。つまり、第１制御信号V_c1及び第６制御信号V_c6は、無効状態(disabled state)と有効状態(enabled state)が交互に入れ替わる。従って、第１スイッチ素子S₁及び第６スイッチ素子S₆は、同時かつ連続的にオン・オフされる。さらに、第３制御信号V_c3、第４制御信号V_c4、及び第５制御信号V_c5は、無効状態のままである。従って、第３スイッチ素子S₃、第４スイッチ素子S₄、及び第５スイッチ素子S₅は、オフになっている。さらに、第２制御信号V_c2は、有効状態のままであり、従って第２スイッチ素子S₂がオンになる。

従って、第１スイッチ素子S₁及び第６スイッチ素子S₆の両方が正の半サイクルの間にオンになると、DCデバイス8によって出力された電流は、第１スイッチ素子S₁、第２スイッチ素子S₂、第１インダクタL₁、第２キャパシタC₂、第２インダクタL₂、及び第６スイッチ素子S₆を通じてこの順で流れる。従って、DCデバイス8によって出力されたDC電力は、フィルタリングされてAC電力へ変換され、AC負荷9へ供給される。一方、第１インダクタL₁及び第２インダクタL₂は、エネルギーを蓄積する。第１スイッチ素子S₁及び第６スイッチ素子S₆の両方が正の半サイクルの間にオフになると、第１インダクタL₁及び第２インダクタL₂に蓄積されたネルギーは、第１フリーホイーリングユニット310及びオンになっている第２スイッチ素子S₂を通じて流れる。従って、AC負荷9は、DCデバイス8によって出力されたエネルギーを連続的に受け取ることができる。

負の半サイクルの間に（例：第１点T₁と第２点T₂の間に）、第３制御信号V_c3及び第４制御信号V_c4は、PWMで変動する。つまり、第３制御信号V_c3及び第４制御信号V_c4は、無効状態と有効状態が交互に入れ替わる。従って、第３スイッチ素子S₃及び第４スイッチ素子S₄は、同時かつ連続的にオン・オフされる。さらに、第１制御信号V_c1、第２制御信号V_c2、及び第６制御信号V_c6は、無効状態へ遷移する。従って、第１スイッチ素子S₁、第２スイッチ素子S₂、及び第６スイッチ素子S₆は、オフになる。さらに、第５制御信号V_c5は、有効状態へ遷移する。従って、第５スイッチ素子S₅がオンになる。

従って、第３スイッチ素子S₃及び第４スイッチ素子S₄の両方が負の半サイクルの間にオンになると、DCデバイス8によって出力された電流は、第４スイッチ素子S₄、第５スイッチ素子S₅、第２インダクタL₂、第２キャパシタC₂、第１インダクタL₁、及び第３スイッチ素子S₃を通じてこの順に流れる。従って、DCデバイス8によって出力されたDC電力は、フィルタリングされてAC電力へ変換され、AC負荷9へ供給される。一方、第１インダクタL₁及び第２インダクタL₂は、エネルギーを蓄積する。第３スイッチ素子S₃及び第４スイッチ素子S₄の両方が負の半サイクルの間にオフになると、第１インダクタL₁及び第２インダクタL₂に蓄積されたネルギーは、第２フリーホイーリングユニット311及びオンになっている第５スイッチ素子S₅を通じて流れる。従って、AC負荷9は、DCデバイス8によって出力されたエネルギーを連続的に受け取る。

図4Bを参照すると、スイッチ素子S₁-S₆、第１フリーホイーリングユニット310、及び第２フリーホイーリングユニット311を配置すると、スイッチ回路31によって出力されたAC変調電圧V_Tは、正の半サイクルの間に0と正の所定の値V_rの間で変動し、負の半サイクルの間に0と負の所定の値-V_rの間で変動する。従って、スイッチ回路31の実際の動作は、図1のユニポーラースイッチングモード下で動作しているフルブリッジスイッチ回路11の動作に類似している。従って、本発明のインバーター3は、内部スイッチ素子S₁-S₆のスイッチング損失を低減可能であり、これによって変換効率を高めることができる。また、第１出力端子Aとインバーター内の所定のノードの間の相対電圧と、第１出力端子Bとインバーター内の所定のノードの間の相対電圧（例：図3に示す第１出力端子AとノードN（寄生容量C_pに繋がるノード）の間の第１相対電圧V_ANと、第２出力端子BとノードNの間の第２相対電圧V_BN）は、スイッチングの何れの時点においても、その相加平均値(total average)が一定値に維持されるように設定される。従って、寄生容量C_pは、大きな電圧変化を誘起しない。このように、漏れ電流の発生は、抑制され、ユーザー及び装置が受けるリスクが低減されるであろう。さらに有利なことに、図2の従来のインバーターと比較すると、本発明のインバーター3は、６つのスイッチ素子及び２つのフリーホイーリングユニットのみを使用してスイッチング動作を行う。従って、インバーター3の製造コストが低減され、インバーター3のスイッチング損失が低減される。従って、インバーター3の変換効率が向上する。

この実施形態では、スイッチ素子S₁-S₆は、MOSFETで構成可能である。上記の実施形態では、第１制御信号V_c1、第３制御信号V_c3、第４制御信号V_c4、及び第６制御信号V_c6は、高周波PWM信号であり、第２制御信号V_c2及び第５制御信号V_c5は、低周波PWM信号である。

次に、図3の制御ユニット33の回路を説明する。図3及び図5A及び5Bを参照すると、図5Aは、図3の制御ユニットの回路を示し、図5Bは、図5Aの回路内で使用される制御信号の波形図を示す。制御ユニット33は、第１コンパレータ330、第２コンパレータ331、第３コンパレータ332、及びNOTゲート333を含む。第１コンパレータ330の正入力端子は、第１正弦波信号V₁を受け取るために使用され、第１コンパレータ330の負入力端子は、接地される。第１コンパレータ330の出力端子は、第２スイッチ素子S₂の制御端子に接続され、第２制御信号V_c2を出力する。第２コンパレータ331の正入力端子は、第１正弦波信号V₁を受け取るために使用され、第２コンパレータ331の負入力端子は、三角信号V_TRIを受け取るために使用される。第２コンパレータ331の出力端子は、第１スイッチ素子S₁の制御端子及び第６スイッチ素子S₆の制御端子に接続され、第１制御信号V_c1及び第６制御信号V_c6を出力するために使用される。第３コンパレータ332の正入力端子は、第１正弦波信号V₁とは位相差が180度である第２正弦波信号V₂を受け取るために使用される。第３コンパレータ332の負入力端子は、三角信号V_TRIを受け取るために使用される。第３コンパレータ332の出力端子は、第３スイッチ素子S₃の制御端子及び第４スイッチ素子S₄の制御端子に接続され、第３制御信号V_c3及び第４制御信号V_c4を出力するために使用される。NOTゲート333の入力端子は、第１コンパレータ330の出力端子に接続され、NOTゲート333の出力端子は、第５スイッチ素子S₅の制御端子に接続される。NOTゲート333は、第２制御信号V_c2を反転させ、これによって第５制御信号V_c5を出力するために使用される。

制御ユニット33の回路は、ここで説明したそのままの形に限定されないのはいうまでもない。図6A及び図6Bを参照すると、図6Aは、制御ユニット33の変更後の回路を示し、図6Bは、図6Aの回路内で使用される制御信号の波形図を示す。図6Aでは、制御ユニット33は、第１コンパレータ630、第２コンパレータ631、第３コンパレータ632、第１NOTゲート633、第１ANDゲート634、第２ANDゲート635、及び整流器636を含む。整流器636は、正弦波信号V₃を受け取り、正弦波信号V₃を整流して整流された正弦波信号V₄にするために使用される。

第１コンパレータ630の正入力端子は、整流器636に接続され、整流された正弦波信号V₄を受け取るために使用される。第１コンパレータ630の負極は、三角信号V_TRIを受け取るために使用される。第１コンパレータ630の出力端子は、第１ANDゲート634の第１入力端子に接続される。第２コンパレータ631の正入力端子は、正弦波信号V₃を受け取るために使用される。第２コンパレータ631の負入力端子は、接地される。第２コンパレータ631の出力端子は、第２スイッチ素子S₂の制御端子に接続され、第２制御信号V_c2を出力するために使用される。第３コンパレータ632の正入力端子は、整流器636に接続され、整流された正弦波信号V₄を受け取るために使用される。第３コンパレータ632の負極は、三角信号V_TRIを受け取るために使用される。第３コンパレータ632の出力端子は、第２ANDゲート635の第１入力端子に接続される。

第１NOTゲート633の入力端子は、第２コンパレータ631の出力端子に接続され、第２制御信号V_c2を受け取るために使用される。第１NOTゲート633の出力端子は、第５スイッチ素子S₅に接続される。第１NOTゲート633は、第２制御信号V_c2を反転させ、これによって第１NOTゲート633の出力端子に第５制御信号V_c5を出力するために使用される。第１ANDゲート634の第２入力端子は、第２コンパレータ631の出力端子に接続され、第２制御信号V_c2を受け取るために使用される。第１ANDゲート634の出力端子は、第１スイッチ素子S₁の制御端子及び第６スイッチ素子S₆の制御端子に接続され、第１制御信号V_c1及び第６制御信号V_c6を出力するために使用される。第２ANDゲート635の第２入力端子は、第１NOTゲート633の出力端子に接続され、第５制御信号V_c5を受け取るために使用される。第２ANDゲート635の出力端子は、第３スイッチ素子S₃の制御端子及び第４スイッチ素子S₄の制御端子に接続され、第３制御信号V_c3及び第４制御信号V_c4を出力するために使用される。

図7及び図8A及び8Bを参照すると、図7は、図3のインバーターの変更後の回路であり、図8Aは、図7に示す制御ユニットの回路を示し、図8Bは、図8Aの制御ユニット内で使用される制御信号の波形図を示す。この実施形態では、図3に示す第１フリーホイーリングユニット310及び第２フリーホイーリングユニット311は、それぞれ第７スイッチ素子S₇及び第８スイッチ素子S₈と置換される。さらに、第７スイッチ素子S₇及び第８スイッチ素子S₈は、MOSFETで構成されている。また、制御ユニット33は、第７スイッチ素子S₇の制御端子及び第８スイッチ素子S₈の制御端子に接続され、これによって第７制御信号V_c7及び第８制御信号V_c8を出力して、第７スイッチ素子S₇及び第８スイッチ素子S₈のスイッチング動作を制御する。

さらに、図6Aの制御ユニット33と比較すると、図8Aの制御ユニット33は、第２NOTゲート830、第３NOTゲート831、第３ANDゲート832、第４ANDゲート833を追加的に含む。第２NOTゲート830の入力端子は、第１コンパレータ630の出力端子に接続され、第２NOTゲート830の出力端子は、第３ANDゲート832の第１入力端子に接続される。第３NOTゲート831の入力端子は、第３コンパレータ632の出力端子に接続され、第３NOTゲート831の出力端子は、第４ANDゲート833の第１入力端子に接続される。第３ANDゲート832の第２入力端子は、第２コンパレータ631の出力端子に接続され、第２制御信号V_c2を受け取るために使用される。第３ANDゲート832の出力端子は、第７スイッチ素子S₇の制御端子に接続され、第７制御信号V_c7を出力するために使用される。第４ANDゲート833の第２入力端子は、第１NOTゲート633の出力端子に接続され、第５制御信号V_c5を受け取るために使用される。第４ANDゲート833の出力端子は、第８スイッチ素子S₈の制御端子に接続され、第８制御信号V_c8を出力するために使用される。

正の半サイクルの間に（例：点0と第１点T₁の間に）、第７制御信号V_c7は、高周波でPWMで変動する。また、第７制御信号V_c7のステータスは、第１制御信号V_c1のステータス及び第６制御信号V_c6のステータスと反対である。従って、第１スイッチ素子S₁及び第６スイッチ素子S₆がオンになると、第７スイッチ素子S₇は、オフになる。逆に、第１スイッチ素子S₁及び第６スイッチ素子S₆がオフになると、第７スイッチ素子S₇は、オンになる。このように、フリーホイーリングパスが提供され、第１インダクタL₁及び第２インダクタL₂に蓄積されたネルギーが解放される。第８制御信号V_c8は、無効状態のままである。

負の半サイクルの間に（例：第１点T₁と第２点T₂の間に）、第８制御信号V_c8が高周波でPWMで変動する。また、第８制御信号V_c8のステータスは、第３制御信号V_c3のステータス及び第４制御信号V_c4のステータスと反対である。従って、第３スイッチ素子S₃及び第４スイッチ素子S₄がオンになると、第８スイッチ素子S₈は、オフになる。逆に、第３スイッチ素子S₃及び第４スイッチ素子S₄がオフになると、第８スイッチ素子S₈は、オンになる。このように、フリーホイーリングパスが提供され、第１インダクタL₁及び第２インダクタL₂に蓄積されたネルギーが解放される。第７制御信号V_c7は、無効状態のままである。

まとめると、本発明のインバーターは、スイッチ素子S₁-S₆、第１フリーホイーリングユニット310、及び第２フリーホイーリングユニット311の配置によって、変換効率を高め、製造コストを低減し、漏れ電流の発生を防ぎ、ユーザー及び装置が受けるリスクを低減することができる。

Claims (15)

1. DC電力をAC電力へ変換するインバーターであって、
   前記DC電力を受け取り、このDC電力をAC変調電圧へ変換して第１出力端子と第２出力端子の間に出力するように構成されているスイッチ回路を備え、このスイッチ回路は、
   互いに直列に接続された第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、及び第３スイッチ素子を含む第１スイッチブランチと、
   第１スイッチブランチと並列に接続され、且つ互いに直列に接続された第４スイッチ素子、第５スイッチ素子、及び第６スイッチ素子を含む第２スイッチブランチと、
   一端が第１スイッチ素子と第２イッチ素子の間に接続され、他端が第２出力端子に接続された第１フリーホイーリングユニットと、
   一端が第４スイッチ素子と第５イッチ素子の間に接続され、他端が第１出力端子に接続された第２フリーホイーリングユニットと、
   第２スイッチ素子及び第３スイッチ素子は、第１出力端子に接続され、第５スイッチ素子及び第６スイッチ素子は、第２出力端子に接続され、
   第１スイッチ素子及び第６スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第２スイッチ素子は、正の半サイクルの間にオンになり、第３スイッチ素子及び第４スイッチ素子は、同時かつ連続的にオン・オフされ、第５スイッチ素子は、負の半サイクルの間にオンになる、インバーター。
2. 請求項１に記載のインバーターであって、第３スイッチ素子、第４スイッチ素子、及び第５スイッチ素子は、正の半サイクルの間にオフになり、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、及び第６スイッチ素子は、負の半サイクルの間にオフになる、インバーター。
3. 請求項１に記載のインバーターであって、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子、第４スイッチ素子、第５スイッチ素子、及び第６スイッチ素子に接続され、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子、第４スイッチ素子、第５スイッチ素子、及び第６スイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御ユニットをさらに備える、インバーター。
4. 請求項3に記載のインバーターであって、前記制御ユニットは、
   第１正弦波信号を受け取る正入力端子及び接地端子に接続された負入力端子、及び第２スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第１コンパレータと、
   第１正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子、及び第１スイッチ素子の制御端子及び第６スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第２コンパレータと、
   第２正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子、及び第３スイッチ素子の制御端子及び第４スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第３コンパレータと、
   第１コンパレータの出力端子に接続された入力端子及び第５スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有するNOTゲートを備え、
   第１正弦波信号は、第２正弦波信号と位相差が180度である、インバーター。
5. 請求項3に記載のインバーターであって、前記制御ユニットは、
   正弦波信号を受け取り、この正弦波信号を整流して整流された正弦波信号にする整流器と、
   前記整流器に接続され且つ整流された正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子を有する第１コンパレータと、
   正弦波信号を受け取る正入力端子及び接地端子に接続された負入力端子、及び第２スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第２コンパレータと、
   前記整流器に接続され且つ整流された正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子を有する第３コンパレータと、
   第２コンパレータの出力端子に接続された入力端子及び第５スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有するNOTゲートと、
   第１コンパレータの出力端子に接続された第１入力端子及び第２コンパレータの出力端子に接続された第２入力端子、及び第１スイッチ素子の制御端子及び第６スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第１ANDゲートと、
   NOTゲートの出力端子に接続された第１入力端子及び第３コンパレータの出力端子に接続された第２入力端子、及び第３スイッチ素子の制御端子及び第４スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第２ANDゲートを備える、インバーター。
6. 請求項3に記載のインバーターであって、第１フリーホイーリングユニットは、第７スイッチ素子を備え、第２フリーホイーリングユニットは、第８スイッチ素子を備え、前記制御ユニットは、第７スイッチ素子及び第８スイッチ素子に接続され、第７スイッチ素子及び第８スイッチ素子のスイッチング動作を制御する、インバーター。
7. 請求項6に記載のインバーターであって、前記制御ユニットは、第１スイッチ素子及び第６スイッチ素子がオンになるときに第７スイッチ素子をオフにし、第１スイッチ素子及び第６スイッチ素子がオフになるときに第７スイッチ素子をオンにし、正の半サイクルの間に第８スイッチ素子をオフにするように構成され、前記制御ユニットは、第３スイッチ素子及び第４スイッチ素子がオンになるときに第８スイッチ素子をオフにし、第３スイッチ素子及び第４スイッチ素子がオフになるときに第８スイッチ素子をオンにし、負の半サイクルの間に第７スイッチ素子をオフにするように構成されている、インバーター。
8. 請求項6に記載のインバーターであって、第７スイッチ素子及び第８スイッチ素子は、パルス幅変調で高周波で動作するように構成されている、インバーター。
9. 請求項6に記載のインバーターであって、前記制御ユニットは、
   正弦波信号を受け取り、この正弦波信号を整流して整流された正弦波信号にする整流器と、
   前記整流器に接続され且つ整流された正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子を有する第１コンパレータと、
   正弦波信号を受け取る正入力端子及び接地端子に接続された負入力端子、及び第２スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第２コンパレータと、
   前記整流器に接続され且つ整流された正弦波信号を受け取る正入力端子及び三角信号を受け取る負入力端子を有する第３コンパレータと、
   第２コンパレータの出力端子に接続された入力端子及び第５スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第１NOTゲートと、
   第１コンパレータの出力端子に接続された第１入力端子及び第２コンパレータの出力端子に接続された第２入力端子、及び第１スイッチ素子の制御端子及び第６スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第１ANDゲートと、
   第１NOTゲートの出力端子に接続された第１入力端子及び第３コンパレータの出力端子に接続された第２入力端子、及び第３スイッチ素子の制御端子及び第４スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第２ANDゲートと、
   第１コンパレータの出力端子に接続された入力端子を有する第２NOTゲートと、
   第３コンパレータの出力端子に接続された入力端子を有する第３NOTゲートと、
   第２NOTゲートの出力端子に接続された第１入力端子及び第２コンパレータの出力端子に接続された第２入力端子、及び第７スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第３ANDゲートと、
   第３NOTゲートの出力端子に接続された第１入力端子及び第１NOTゲートの出力端子に接続された第２入力端子、及び第８スイッチ素子の制御端子に接続された出力端子を有する第４ANDゲートを備える、インバーター。
10. 請求項１に記載のインバーターであって、第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子、第４スイッチ素子、第５スイッチ素子、及び第６スイッチ素子は、パルス幅変調で動作するように構成されており、第１スイッチ素子、第３スイッチ素子、第４スイッチ素子、及び第６スイッチ素子は、高周波でオン・オフするように構成されており、第２スイッチ素子及び第５スイッチ素子は、低周波でオン・オフするように構成されている、インバーター。
11. 請求項１に記載のインバーターであって、前記インバーターは、非絶縁インバーターであり、前記インバーターは、ソーラーグリッドに接続された太陽光発電システムに適用可能である、インバーター。
12. 請求項１に記載のインバーターであって、前記スイッチ回路の第１出力端子とインバーター内の特定ノード(N)の間の第１相対電圧及び前記スイッチ回路の第２出力端子と前記特定ノード(N)の間の第２相対電圧は、その相加平均値が一定値に維持されるように設定されている、インバーター。
13. 請求項１に記載のインバーターであって、第１フリーホイーリングユニットは、第１スイッチ素子と第２スイッチ素子の間に接続されたカソード及び第２出力端子に接続されたアノードを有する第１フリーホイーリングダイオードを備え、第２フリーホイーリングユニットは、第４スイッチ素子と第５スイッチ素子の間に接続されたカソード及び第１出力端子に接続されたアノードを有する第２フリーホイーリングダイオードを備える、インバーター。
14. 請求項１に記載のインバーターであって、:
    前記スイッチ回路に接続され、DC入力電圧を受け取ってフィルタリングし、整流されたDC電圧を前記スイッチ回路へ出力する入力フィルターと、
    前記スイッチ回路に接続され、AC変調電圧の高周波成分を除去し、これによってAC出力電圧を出力する出力フィルターをさらに備える、インバーター。
15. 請求項１に記載のインバーターであって、第１フリーホイーリングユニットは、第２出力端子と第１スイッチ素子と第２スイッチ素子の間にフリーホイーリングパスを提供するように構成され、第２フリーホイーリングユニットは、第１出力端子と第４スイッチ素子と第５スイッチ素子の間の別のフリーホイーリングパスを提供するように構成されている。インバーター。