JP2016525870A - 昇圧コンバータ、対応するインバータおよび動作方法 - Google Patents

Abstract

昇圧コンバータ（１）であって、昇圧コンバータ（１）の第１のＤＣ電圧入力部（２）を、第１の接合点（２２）に電気的に接続している第１のインダクタンス（７）と、第１の接合点（２２）を、昇圧コンバータ（１）の第２のＤＣ電圧入力部（３）および第２のＤＣ電圧出力部（５）に接続している昇圧コンバータスイッチ（８）と、第１の接合点（２２）を、昇圧コンバータ（１）の第１のＤＣ電圧出力部（４）に接続している第１のダイオード（９）と、を有する昇圧コンバータ（１）が開示されている。昇圧コンバータ（１）は、充電経路および放電経路を有するスナバ回路（２３）もまた有し、放電経路が、キャパシタ（１０）および第２のダイオード（１１）を備える直列回路として、第１の接合点（２２）から第１のＤＣ電圧出力部（４）まで延在し、キャパシタ（１０）と第２のダイオード（１１）との間の接合点からの充電経路が、昇圧コンバータスイッチ（８）がオンに切り換わると、キャパシタ（１０）が充電されるように設定されている。そのような昇圧コンバータに対する動作方法もまた開示され、そのような昇圧コンバータを有するインバータ、特に光起電力インバータもまた開示されている。【選択図】図４

Description

本発明は、昇圧コンバータおよび昇圧コンバータに対する動作方法に関する。さらに、本発明は、インバータに関し、特に、そのような昇圧コンバータを備える光起電力インバータに関する。

昇圧コンバータは、特に光起電力設備において、個々のストリングのＤＣ電圧を共通の中間回路のＤＣ電圧に適合させるために使用される。この場合、可能な限り最良な効率を有する昇圧コンバータの動作は、昇圧コンバータの構成部品、特に、昇圧コンバータの半導体スイッチを冷却するためのエネルギー損失を回避し、かつ、出費を低減することが望ましい。スイッチに電流がなくなった時点、または電圧がなくなった時点でスイッチが切り換えられることにより、半導体スイッチの低損失スイッチングが実現可能であることが、例えば、共振コンバータから知られている。これはソフトスイッチングと呼ばれる。

独国特許出願公開第２６３９５８９Ａ１号明細書は、昇圧コンバータに通常見られるような、インダクタンスと、昇圧コンバータスイッチと、ＤＣ電圧入力部およびＤＣ電圧出力部間の昇圧コンバータダイオードと、からなる構成を有する昇圧コンバータであって、充電経路および放電経路を有するスナバ回路を備えるとともに、放電経路が、キャパシタと、昇圧コンバータダイオードと並列なダイオードとの直列接続として延在している昇圧コンバータを開示している。さらなるダイオードと、さらなるインダクタンスとの直列接続を備える充電経路であって、一方の端部がキャパシタとダイオードとの間の接合点に接続されている充電経路を経由して、昇圧コンバータスイッチがオンに切り換わるとキャパシタが充電され、その目的のために、昇圧コンバータの出力電圧の半分の量で充電経路のもう一方の端部に電圧が印加される。これに関して、独国特許出願公開第２６３９５８９Ａ１号明細書は、充電経路を、ＤＣ電圧出力部間の分割出力キャパシタンスの中心点に接続することが可能であることを開示しており、これについてさらに同特許文献は、充電回路によって引き起こされる分割出力キャパシタンスの２つのキャパシタンスの不均等な放電を補償するために使用可能な補償回路を開示している。

米国特許第７３８５８３３Ｂ２号明細書は、同様に、昇圧コンバータに通常みられるような、インダクタンスと、昇圧コンバータスイッチと、ＤＣ電圧入力部およびＤＣ電圧出力部間の昇圧コンバータダイオードと、からなる構成を有する昇圧コンバータであって、充電経路および放電経路を有するスナバ回路を備えるとともに、放電経路が、キャパシタと、昇圧コンバータダイオードと並列なダイオードとの直列接続として延在し、かつ、一方の端部が、キャパシタとダイオードとの間の接合点に接続されている充電経路が、さらなるダイオードと、さらなるインダクタンスとの直列接続を備える昇圧コンバータを開示している。充電経路のもう一方の端部は、ＤＣ電圧入力部のうちの１つを、ＤＣ電圧出力部のうちの１つに接続している昇圧コンバータのラインに接続されている。昇圧コンバータスイッチがオンに切り換わると、キャパシタを充電するために、充電経路のさらなるインダクタンスが、昇圧コンバータのインダクタンスに磁気的に結合されている。キャパシタを充電するためのエネルギーが、このようにＤＣ電圧入力部に接続されたエネルギー源から引き出される。

米国特許出願公開第２００８００９４８６６Ａ１号明細書は、昇圧コンバータに通常みられるような、インダクタンスと、昇圧コンバータスイッチと、ＤＣ電圧入力部およびＤＣ電圧出力部間の昇圧コンバータダイオードと、からなる構成を有する昇圧コンバータであって、光電発電機と連携して能動的に切り換えられるスナバ回路を備える昇圧コンバータを使用することを開示している。

したがって、本発明は、効率が向上した、特に、昇圧コンバータの半導体スイッチのソフトスイッチングを可能にする昇圧コンバータを提供することを目的とする。

この目的は、本発明に従って、独立請求項１および１０の昇圧コンバータによって実現され、また、択一的な独立方法請求項８および２３に記載の昇圧コンバータの動作方法によってもまた実現され、さらに、択一的な独立装置請求項９、２４および２５に記載のインバータによってもまた実現される。本発明の有利な実施形態が、従属請求項で叙述されている。

本発明による昇圧コンバータは、昇圧コンバータの第１のＤＣ電圧入力部を、第１の接合点に電気的に接続している第１のインダクタンスと、第１の接合点を、昇圧コンバータに接続された昇圧コンバータの第２のＤＣ電圧入力部および第２のＤＣ電圧出力部に接続している昇圧コンバータスイッチと、を備える。加えて、昇圧コンバータは、第１の接合点を昇圧コンバータの第１のＤＣ電圧出力部に接続している第１のダイオードを備える。昇圧コンバータは、充電経路および放電経路を備えるスナバ回路をさらに備え、放電経路は、キャパシタおよび第２のダイオードの直列接続として、第１の接合点から第１のＤＣ電圧出力部まで延在し、キャパシタと第２のダイオードとの間の接合点から出ている充電経路は、昇圧コンバータスイッチがオンに切り換わると、キャパシタが充電されるように配置されている。この充電は、さらなるスイッチを使用せずに行われる。

キャパシタおよび第２のダイオードの直列接続として具体化された放電経路によって、第１のインダクタンスを通る電流が、昇圧コンバータスイッチがオフに切り換わった時点で、従来の昇圧コンバータにおける場合のように、最初に第１のダイオードの方に方向を変えるのではなく、むしろ放電経路の方に方向を変えることによりキャパシタの放電が実現される。キャパシタが完全に放電された後で初めて、電流は第１のダイオードの方に方向を変える。放電経路を経由して第１のダイオードを一時的にブリッジすることにより、昇圧コンバータスイッチの、電圧なしのスイッチングオフ、つまりソフトスイッチングオフが生じ、これによりスイッチング損失が大幅に低減される。

キャパシタの充電の再開は、昇圧コンバータスイッチのスイッチオン位相の初めに充電経路を経由して行なわれる。スイッチオン位相の期間によっては、この間に部分的に充電したり、または有利なことにＤＣ電圧出力部の電圧値まで完全に充電したりすることができる。したがって、１つの実施形態では、キャパシタが、第１のＤＣ電圧出力部と第２のＤＣ電圧出力部との間に配置された出力キャパシタンスのエネルギーによって充電される。

しかしながら、キャパシタを充電するためのエネルギーをＤＣ電圧入力部から引き出すことも同様に可能である。この目的のために、充電経路は、その一方の端部でキャパシタと第２のダイオードとの間の接合点に接続され、そのもう一方の端部で第１のＤＣ電圧入力部に接続されている。特に有利なことに、この場合には入力キャパシタンスが、第１のＤＣ電圧入力部と第２のＤＣ電圧入力部との間に配置され、また充電経路が、入力キャパシタンスからキャパシタを充電するために配置されている。

放電経路を第１のダイオードと並列に配置することができる。しかしながら、もう１つの選択肢として、第２のダイオードを、第１のＤＣ電圧出力部と第１のダイオードとの間の放電経路の一部として配置することにより、第１のダイオードが、キャパシタと第２のダイオードとの間の接合点に接続されるように、したがって、第２のダイオードを経由して第１のＤＣ電圧出力部に接続されるようにすることもまた可能である。

本発明による昇圧コンバータの１つの実施形態では、充電経路が、抵抗および第２のスイッチの直列接続を備えるとともに、キャパシタと第２のダイオードとの間の接合点を、第１のＤＣ電圧出力部に、または、もう１つの選択肢として第１のＤＣ電圧入力部に接続している。この場合、抵抗は、充電電流を制限する機能を果たしている。この実施形態では、第２のスイッチは、昇圧コンバータスイッチと一緒にオンに切り換わるように配置されている。この場合、用語「一緒にオンに切り換わる」とは、第２のスイッチが、昇圧コンバータスイッチのスイッチオン位相の間に、少なくとも一時的にオンに切り換えられていることを含んでいる。これはまた、第２のスイッチのオンへの切り換えが、昇圧コンバータスイッチのオンへの切り換えよりも所定時間前に起こる状況を明確に除外するものではない。第２のスイッチのオンへの切り換えが、昇圧コンバータスイッチのオンへの切り換えと同期して起こることが好ましい。

本発明の１つの実施形態では、充電経路が、第２のインダクタンスおよび第３のダイオードの直列接続を備えることが可能である。

さらなる実施形態では、出力キャパシタンスが、第１の出力キャパシタおよび第２の出力キャパシタの直列接続を備え、それらは、中間点を経由して互いに接続されている。この場合、充電経路は、キャパシタと第２のダイオードとの間の接合点を、分割出力キャパシタンスの中間点に接続している。第２のインダクタンスは、分割出力キャパシタンスの中間点にも、また、キャパシタと第２のダイオードとの間の接合点にも、両方に接続することができる。キャパシタは、出力キャパシタのエネルギーによって充電され、この出力キャパシタは、昇圧コンバータの第２のＤＣ電圧出力部に接続されている。以後、この出力キャパシタを、スナバ回路に割り当てられた出力キャパシタンスと呼ぶことにする。

第１の出力キャパシタと第２の出力キャパシタとの間で不均等な電圧の分配が、このエネルギーの引き出しによって引き起こされるので、本発明による昇圧コンバータを、制御可能な補償回路によって補うことが可能である。そのような補償回路は、第１のＤＣ電圧出力部を、第２のインダクタンスを経由して分割出力キャパシタンスの中間点に制御可能に接続する、少なくとも１つの補償スイッチを備えることが可能である。加えて、フリーホイールダイオードまたはさらなるスイッチを、第２のインダクタンスを補償スイッチに接続している接合点と、第２のＤＣ電圧出力部との間に配置することができる。

充電経路がもう一方の端部で第１のＤＣ電圧入力部に接続された前述した昇圧コンバータの変形例は、分割出力または入力キャパシタンスがなくて済み、したがって、補償回路がなくて済む。これは、この変形例特有の利点であると考えるべきである。ＤＣ電圧入力部間の電圧が、ＤＣ電圧出力部間の電圧の半分よりも大きい場合には、キャパシタは、ＤＣ電圧出力部の電圧値に充電される。電圧値が小さい場合にも、回路の機能は、依然として提供される。ただし、そのときのスイッチング負荷の減少は、最善ではない。すなわち、そのときのスイッチング損失の減少は、やや不十分である。

分割出力キャパシタンスからの不均等なエネルギーの引き出しを補償するために、さらなるコンバータであって、好ましくはもう一方のキャパシタに対するよりも高い電圧を有するキャパシタからエネルギーを引き出すように制御されているさらなるコンバータを、昇圧コンバータの下流で接続することが可能である。本発明の１つの可能な実施形態では、例として、いわゆる３レベルブリッジ、例えばＮＰＣブリッジが、昇圧コンバータのＤＣ電圧出力部に接続されており、前記ブリッジは、エネルギーの引き出しを補償することができるように、したがって２つの出力キャパシタ間の電圧の均衡を保つことができるように、駆動されている。言うまでもなく、分割中間回路からのエネルギーの引き出しを補償することができる他の回路、例えば、昇圧コンバータの制御装置または昇圧コンバータがその一部である電子装置の制御装置用の電源回路もまた可能である。

２つの出力キャパシタにおいて電圧の平衡を保つさらなる可能性は、昇圧コンバータを、第１のサブユニットおよび第２のサブユニットを備える対称的な昇圧コンバータとして提供することにある。本発明によれば、２つのサブユニットがそれぞれスナバ回路を備え、サブユニットからなるスナバ回路は、例えば、２つの出力キャパシタのうちの１つにそれぞれ割り当てられ、すなわち、２つの出力キャパシタから充電されている。対称的な昇圧コンバータの場合、第１のサブユニットおよび第２のサブユニットはそれぞれ、別個の第１のＤＣ電圧入力部および第２のＤＣ電圧入力部を備えることもまた可能である。キャパシタの寸法決めおよび両方のサブユニットの第２のインダクタンスの寸法決めが同一であると仮定すると、これにより、２つのサブユニットで入力電圧が異なっていたとしても電圧の平衡が保たれることになる。別の方法では、２つのサブユニットの駆動周波数間の差異を適切に選択することによって平衡を保つことができる。この場合、電圧が低い方の出力キャパシタンスに割り当てられるサブユニットを、もう一方のサブユニットと比べて、駆動周波数を低くして動作させる。原則として、対称的な実施形態のそのような昇圧コンバータを、第１の出力キャパシタンスと第２の出力キャパシタンスとの間に依存して決定される第２のサブユニットの駆動周波数に対する、第１のサブユニットの駆動周波数によって動作させることができる。このように、出力電圧の平衡を保つ代わりに、出力電圧を計画的に非対称に設定、維持することもまた同様に可能である。

対称的な昇圧コンバータの場合には、２つのサブユニットの２つの第１のインダクタンスを磁気的に結合させることもまた可能である。言うまでもなく、対称的な昇圧コンバータの場合には、昇圧コンバータ用のスナバ回路の基本的な説明に関連して上述したような制御可能な補償回路が、２つのサブユニットのそれぞれに対して存在することもまた可能である。まさに同様に、対称的な昇圧コンバータに関しては、充電経路のもう一方の端部で、充電経路を、各場合におけるそれぞれの第１のＤＣ電圧入力部に接続することもまた可能である。

さらに本発明の１つの態様は、スナバ回路によって引き起こされる、エネルギーの不均等な引き出しを、適切な措置によって、特に上述した措置によって補償するように、昇圧コンバータに対する動作方法を補完することである。理想的には、適合した動作方法の範囲内で、直列接続された出力キャパシタ間の電圧を均一に分配することを目的とする。

充電経路が、充電経路のもう一方の端部で第１のＤＣ電圧入力部に接続されている昇圧コンバータに対する動作方法の場合には、第１のＤＣ電圧出力部と第２のＤＣ電圧出力部との間の出力電圧が、第１のＤＣ電圧入力部と第２のＤＣ電圧入力部との間の入力電圧の２倍未満の大きさであるように、昇圧コンバータが駆動されることが好ましい。これにより、上述したように、キャパシタが確実にＤＣ電圧出力部の電圧値に充電され、これによりスイッチング損失を可能な限り最良に低減することができる。

１つの特に有利な実施形態では、インバータが、本発明による昇圧コンバータを備えている。この場合、インバータは、特に、昇圧コンバータの１つの入力部での、または複数の入力部でのＤＣ電圧として存在する、１つまたは複数の光電発電機からの電力を、エネルギー供給グリッドに送電するための、グリッドに準拠しているＡＣ電圧に変換する光起電力インバータとすることができる。この場合、第１のサブユニットおよび第２のサブユニットに対して別個のＤＣ電圧入力部を備える対称的な昇圧コンバータとしての昇圧コンバータの実施形態では、第１のサブユニットのＤＣ電圧入力部を、第１の発電機に接続し、第２のサブユニットのＤＣ電圧入力部を、第１の発電機とは異なる第２の発電機に接続することが可能である。２つのサブユニットが厳密に１つの共通のＤＣ電圧入力部を備える場合には、別個のＤＣ電圧入力部もまた、本願の意味する範囲において存在する。

降圧コンバータ、双方向コンバータ、および昇降圧コンバータに基づいて、例として以下に示されるように、本発明の技術的な教示は、他の種類のコンバータに適用可能である。これらの種類のコンバータは、共通の特徴としてインダクタンスと、２つのスイッチと、を備え、スイッチの少なくとも１つは、能動的な半導体スイッチである。もう一方のスイッチは、もう１つの選択肢として、受動的なスイッチ、例えばダイオードとすることもまた可能である。インダクタンスおよび２つのスイッチは、ＤＣ電圧入力端子とＤＣ電圧出力部端子との間に公知のやり方で配置される。各場合におけるスナバ回路は、キャパシタおよびダイオードの直列接続と、キャパシタとダイオードとの間の接合点から出て、さらなるダイオードおよびインダクタンスを経由して、出力キャパシタンスまたは入力キャパシタンスの端子まで延在する充電経路と、を備える放電経路を備える。存在する２つのスイッチのうちの一方のスイッチ、特に受動的なスイッチが、放電経路によってブリッジされるように、すなわち、動作時にもう一方のスイッチが開くと、コンバータ電流が、最初に前記一方のスイッチを経由するのではなく、キャパシタを経由して伝導され、そしてキャパシタを放電するように、放電経路が配置される。キャパシタが完全に放電された後で初めて、前記一方のスイッチに電流が供給される。もう一方のスイッチ、すなわち能動的なスイッチが閉じると、キャパシタが、インダクタンスを経由して入力キャパシタンスまたは出力キャパシタンスのエネルギーから再び充電されるように、充電経路が配置される。この結果、電流プロファイルが正弦波の半サイクルを有する、共振に類似した充電プロセスが生じる。

図面を参照して、以下に、本発明をさらに詳細に説明する。この場合、図面は、本発明の実施形態を説明するための機能を果たすが、本発明を、示された特徴に限定するものではない。

図１は、本発明による昇圧コンバータの一実施形態を示す。 図２は、本発明による昇圧コンバータのさらなる実施形態を示す。 図３は、補償回路を有する本発明による昇圧コンバータのさらなる実施形態を示す。 図４は、充電経路がＤＣ電圧入力部に接続している本発明による昇圧コンバータのさらなる実施形態を示す。 図５は、抵抗性の充電経路を有する本発明による昇圧コンバータのさらなる実施形態を示す。 図６は、本発明による昇圧コンバータのさらなる実施形態を、対称的なレイアウトで示す。 図７は、インダクタンスが共同で使用されている本発明による昇圧コンバータのさらなる実施形態を、対称的なレイアウトで示す。 図８は、補償回路を有する本発明による昇圧コンバータのさらなる実施形態を、対称的なレイアウトで示す。 図９は、本願による教示が、降圧コンバータの場合に適用されている例を示す。 図１０は、本願による教示が、双方向コンバータに適用されている例を示す。 図１１は、２つのサブユニットを有する双方向コンバータの対称的なレイアウトを示す。 図１２は、本願による教示が、昇降圧コンバータの場合に適用されている例を示す。 図１３は、インダクタンスが磁気的に結合された昇降圧コンバータの一実施形態を示す。

図１は、第１のＤＣ電圧入力部２および第２のＤＣ電圧入力部３を有する昇圧コンバータ１であって、第１のＤＣ電圧入力部２と第２のＤＣ電圧入力部３との間に入力キャパシタンス６が配置されている昇圧コンバータ１の回路構成を示す。出力キャパシタンスが、第１の出力キャパシタ１４および第２の出力キャパシタ１５の直列接続の形態で、第１のＤＣ電圧出力部４と第２のＤＣ電圧出力部５との間に配置されている。第１のＤＣ電圧入力部２は、従来の昇圧コンバータから知られているように、第１のインダクタンス７および第１のダイオード９を経由して第１のＤＣ電圧出力部４に接続されている。第１のインダクタンス７と第１のダイオード９との間の接合点２２が、半導体スイッチ８を介して第２のＤＣ電圧入力部３および第２のＤＣ電圧出力部５の両方に接続されている。加えて、昇圧コンバータ１は、充電経路および放電経路を備えるスナバ回路２３を備えている。接合点２２から出ている放電経路は、キャパシタ１０および第２のダイオード１１の直列接続を経由して、第１のＤＣ電圧出力部４まで延在している。充電経路は、第３のダイオード１２および第２のインダクタンス１３の直列接続を経由して、キャパシタ１０と第２のダイオード１１との間の接合点を、第１の出力キャパシタ１４と第２の出力キャパシタ１５との間の中間点に接続している。第３のダイオード１２および第２のインダクタンス１３の直列接続の順序は、任意である。

昇圧コンバータ１の動作時に、半導体スイッチ８が開かれた時点で、キャパシタ１０は、出力キャパシタ１５の電圧のおよそ２倍に充電される。続いて、電流は、キャパシタ１０および第２のダイオード１１を経由して第１のインダクタンス７を通して、ＤＣ電圧出力部４へとさらに伝導され、キャパシタ１０を放電する。一旦キャパシタ１０が放電されれば、電流は、第１のダイオード９の方に方向を変える。半導体スイッチ８が閉じると、キャパシタ１０は、キャパシタ１５の電圧によって、第２のインダクタンス１３、第３のダイオード１２、および半導体スイッチ８を経由して第２の出力キャパシタ１５の電圧の２倍に再び充電される。これは共振充電プロセスとして生じ、共振充電プロセスでは、充電電流は、形状に関しては、正弦波の半サイクルにほぼ相当する。また、第３のダイオード１２は、共振プロセスの継続を防ぎ、したがって、キャパシタ１５の放電を防ぐ。このように、スナバ回路２３は、電圧なしの方式で、または少なくともスナバ回路２３のない従来の昇圧コンバータと比較して半導体スイッチ８の両端の電圧の降下を抑えて、半導体スイッチ８を開放することができるという効果を実現する。さらに、スイッチオンプロセスの間の、スイッチ８の電流増加を減速することが可能になる。したがって、半導体スイッチ８のスイッチング損失が低減され、昇圧コンバータ１の効率がそれに相応して向上する。

図２の実施形態による昇圧コンバータ１は、第２のダイオード１１の代わりに、第１のダイオード９と第１のＤＣ電圧出力部４との間に配置された第２のダイオード１６が使用されている点で、図１による昇圧コンバータとは異なっている。この回路の動作方式は、図１からの回路の動作方式と実質的に同一である。

図３の実施形態による昇圧コンバータ１は、図１による昇圧コンバータに加えて、第１の補償スイッチ１８および第２の補償スイッチ１９を有する補償回路１７を含み、この第１の補償スイッチ１８および第２の補償スイッチ１９は、直列回路として第１のＤＣ電圧出力部４と第２のＤＣ電圧出力部５との間に配置され、かつ、それらの中心点で第３のダイオード１２および第２のインダクタンス１３の接合点への接続部に接続されている。補償スイッチ１９は、任意で、単にダイオードとして具体化することができる。補償回路は、第１の出力キャパシタ１４と第２の出力キャパシタ１５との間の電圧の分配を所望の値に設定し、スナバ回路の動作を原因とする、電圧の分配の非対称性を特に補償する機能を果たす。図８の例示的な実施形態におけるように、インダクタンス１３の代わりに、補償回路が別個のインダクタンスを使用することもまた可能であり、この別個のインダクタンスは、インダクタンス１３に追加して、そしてインダクタンス１３とは独立して補償回路のためにだけ使用され、かつ、出力キャパシタ１４、１５の中間点に、補償スイッチ１８、１９を介して制御可能に接続されている。示されている回路のもう１つの選択肢として、補償スイッチ１８を第１のＤＣ電圧入力部２に接続することもまた可能であり、したがってキャパシタ１５を入力側で再充電することもまた可能である。

ここでは示されていないが、出力キャパシタ間の電圧の分配の均衡を保つさらなる典型例は、昇圧コンバータ１の出力部に、出力キャパシタから不均等にエネルギーを引き出す負荷を設置することにある。本発明の１つの実施形態では、３レベルブリッジのインバータ、例えばいわゆるＮＰＣインバータが、２つの出力キャパシタ１４、１５の間に接合点を含む昇圧コンバータ１の出力部に接続されている。２つの出力キャパシタからエネルギーを引き出すことにより、昇圧コンバータの動作の結果生じたキャパシタ間の不均等なエネルギーの分配を補償するように、前記ブリッジを駆動することができる。

図４は、出力キャパシタンスが単一の出力キャパシタ１４だけによって形成されている、本発明による昇圧コンバータ１の一実施形態を示す。充電経路は、この場合には、キャパシタ１０と第２のダイオード１１との間の接合点から、第３のダイオード１２および第２のインダクタンス１３を経由して第１のＤＣ電圧入力部２まで延在している。この実施形態では、キャパシタ１０は、半導体スイッチ８のスイッチオン位相の間に昇圧コンバータ１の入力側のエネルギーによって充電される。

図５による本発明による昇圧コンバータ１の回路は、共振スナバ回路２３の代わりに、スイッチ２１および抵抗２０の直列接続によって形成された充電経路を備えている。この実施形態では、キャパシタ１０は、半導体スイッチ８が閉じた時点で閉じられるスイッチ２１によって充電される。この場合、抵抗２０は、スイッチ２１の過負荷、または半導体スイッチ８の過負荷を回避するために、キャパシタ１０の充電電流が適切に制限されるように、大きさが設定されている。抵抗２０を省略することもまた可能であり、かつ／または、スイッチ２１をクロック方式または線形モードで動作させることも可能である。

図６は、第１のサブユニット２４および第２のサブユニット２５を備える対称的な昇圧コンバータとしての昇圧コンバータ１の一実施形態を示す。この場合には、第１のサブユニット２４は、図１による実施形態に対応する。第２のサブユニット２５は、第１のＤＣ電圧入力部および第２のＤＣ電圧入力部に関して第１のサブユニット２４に対してミラー状になっている。したがって、第１のサブユニット２４のスナバ回路、および第２のサブユニット２５のスナバ回路は、２つの出力キャパシタ１４、１５のうちの１つにそれぞれ割り当てられている。このため、対応して割り当てられた出力キャパシタからの２つのサブユニットに対するエネルギーの選択的な引き出しが、上述したように、部分的に、または完全に補償される。第１のサブユニット２４のＤＣ電圧入力部２、３で、および／または第２のサブユニット２５のＤＣ電圧入力部２’、３’で、異なる入力電圧が存在する場合であっても、この補償が結果として生じる。なぜなら、２つの出力キャパシタ１４および１５を介する電圧の不平衡は、サブ回路２４および２５の電力変換が異なることによって引き起こされるのではなく、むしろ共振プロセスによって、したがって構成部品１０、１０’、１３および１３’の部品公差ならびに共振プロセスの繰り返しレートによって引き起こされるからである。補償の程度は、２つのサブユニット２４、２５が動作するクロック周波数を選択することにより相応に設定することが可能で、この場合、電圧が高い方のキャパシタに割り当てられているサブ回路を、クロック周波数を高くして動作させなければならない。出力キャパシタ間で所望の電圧の分配を実現するために、自己のスナバ回路が望ましくない高電圧を有する出力キャパシタに割り当てられているサブユニットのクロック周波数を、増大させることができる。例えば、特にキャパシタ１０、１０’および第２のインダクタンス１３、１３’の部品公差が原因で、２つの出力キャパシタ１４、１５からのエネルギーの引き出しが不均等であることが動作中に発生する場合があるので、これが必要になる場合がある。

図７は、第２のインダクタンス１３を両方のサブユニットによって共同で利用することが可能な、対称的な昇圧コンバータ１の一実施形態を示す。特に、２つのサブユニットを相互にずらせて、キャパシタ１０、１０’の充電位相が時間的に重ならないようにクロック制御されているのであれば、これが可能である。

図８は、第１のサブユニット２４および第２のサブユニット２５を備える対称的な昇圧コンバータ１を図示している。その構造はそれぞれ、図３の昇圧コンバータの構造に相当する。しかしながら、ここでは、図３の記述に関連して既に言及した変形例が、具現化されている。すなわち、補償スイッチ１９、１９’が、単にダイオードとして具体化されており、別個のインダクタンス２６、２６’が設けられ、この別個のインダクタンスは、インダクタンス１３、１３’に追加して、そしてインダクタンス１３、１３’とは独立して補償回路のためだけに使用され、かつ、出力キャパシタ１４、１５および１４’、１５’の中間点に、それぞれ、補償スイッチ１８、１９および１８’、１９’を介して、それぞれ制御可能に接続されている。ここでは、原則としてこの時点で、任意の他の降圧コンバータ回路を使用することもまた可能であるように、補償回路が降圧コンバータを形成していることが明らかである。加えて、図８の例示的な実施形態では、さらなるキャパシタンス２７、２７’が、ＤＣ電圧出力部４、５と４’、５’との間に設けられている。図８はさらに、例として、対称的な昇圧コンバータの場合に、第１のサブユニット２４のＤＣ電圧出力部４、５および第２のサブユニット２５のＤＣ電圧出力部４’、５’が、例えば図６および図７の実施形態の場合におけるように並列に相互接続されているのではなくて、直列に相互接続することもまた可能であることを示している。

図９では、進歩性のある教示が、降圧コンバータ８０の場合に適用されている。従来の降圧コンバータから知られているように、第１のＤＣ電圧入力部２が、第１のインダクタンス７および半導体スイッチ８５の直列接続を経由して、第１のＤＣ電圧出力部４に接続されている。第２のＤＣ電圧入力部３が、第２のＤＣ電圧出力部５に直接接続されている。第１のＤＣ電圧入力部３への接続部としての第１のダイオード８６が、第１のインダクタンス７と半導体スイッチ８５との間の接合点２２の間に接続されている。加えて、キャパシタ８１と、第２のダイオード８２と、第３のダイオード８３と、第２のインダクタンス８４と、を備えるスナバ回路８７が、接合点２２、第２のＤＣ電圧入力部３、および分割入力キャパシタ１４、１５の直列回路の中間点に、図１による昇圧コンバータの場合に比較可能なやり方で接続されている。キャパシタ８１および第２のダイオード８２を経由して、このスナバ回路８７もまた、第１のダイオード８６と並列に配置された放電経路を提供する。充電経路は、対応して第３のダイオード８３および第２のインダクタンス８４を経由して延在し、その結果、キャパシタ８１を充電するためのエネルギーが、スナバ回路８７に割り当てられたキャパシタ１４から引き出される。降圧コンバータ８０の動作は、同じように、昇圧コンバータ１の動作に対応する。半導体スイッチ８５が開くと、キャパシタ８１が放電され、半導体スイッチ８５が閉じると、キャパシタンス１４から充電される。

言うまでもなく、図２乃至図８の昇圧コンバータ１の例に基づいて説明された種々の変形例もまた、同じように、降圧コンバータの場合に適用することが可能である。

図１０では、昇圧コンバータ１の構成部品および降圧コンバータ８０の構成部品を組み合わせて、昇圧コンバータとしての動作も、降圧コンバータとしての動作も、両方とも可能な双方向コンバータ９０を形成している。昇圧コンバータの場合には、エネルギーが、ＤＣ電圧端子２、３からＤＣ電圧端子４、５へと流れ、降圧コンバータの場合には、その反対の方向へと流れる。半導体スイッチ８、８５のクロック制御を適合させることにより、２つの動作モードの間を変更することが可能である。半導体スイッチ８、８５のソフトスイッチングは、いずれの動作モードにおいても実現することが可能である。例えば、インバータまたは光電発電機の中間回路がＤＣ電圧端子４、５に接続され、その一方でバッテリが端子２、３に接続されている、光起電力設備内の高効率のバッテリコンバータとして双方向コンバータ９０を使用すると、特に有利である。動作モードを変更することによって、バッテリの充電と放電との間でスイッチを切り換えることが可能である。

図１１では、双方向コンバータの概念を、対称的なレイアウトにさらに発展させている。この場合、双方向コンバータ１００は、第１のサブユニット１０１および第２のサブユニット１０２を備え、第１のサブユニット１０１および第２のサブユニット１０２は、ＤＣ電圧端子に対して相互にミラー反転されて具体化されている。

図１２に示されているように、進歩性のある教示が、昇降圧コンバータ１１０の場合に同様に適用可能である。従来の昇降圧コンバータから知られているように、第１のＤＣ電圧入力部２が、半導体スイッチ１１１および第１のダイオード１１２の直列接続を経由して、第１のＤＣ電圧出力部４に接続されている。そして次に、第２のＤＣ電圧入力部３は、第２のＤＣ電圧出力部５に直接接続されている。第１のインダクタンス１１４が、第１のＤＣ電圧入力部３を、半導体スイッチ１１１と第１のダイオード１１２との間の接合点２２に接続している。加えて、２つの直列接続されているキャパシタンス１１５、１１６が、第１のＤＣ電圧入力部２と第１のＤＣ電圧出力部４との間に配置されている。キャパシタ１１３と、第２のダイオード１１８と、第３のダイオード１１７と、を備えるスナバ回路１２１が、接合点２２、第１のＤＣ電圧出力部４と、２つのキャパシタンス１１５、１１６の間の中間点と、の間に再び配置されている。ここでもまた、スナバ回路２３は、キャパシタ１１３および第２のダイオード１１８を経由して充電経路を提供し、第２のインダクタンス１１９および第３のダイオード１１７を経由して放電経路を提供している。半導体スイッチ１１１を開くことにより、キャパシタ１１３が放電され、半導体スイッチ１１１が閉じると、キャパシタンス１１５から再び充電される。

最後に、図１３は、第１のインダクタンス１１４と、第２のインダクタンス１２０との間に電磁結合を有する昇降圧コンバータ１１０の変形例を示している。昇降圧コンバータの場合に適用された本発明による技術的教示の実施形態を、昇圧コンバータの場合について開示したさらなる変形例を用いて、構成し、かつ、補うこともまた可能である。特に、望ましくないキャパシタ電圧の分配を補償するための上述の手順を、本願に有利に適用することができる。

本発明は明示的に示された実施形態に限定されるのではなく、むしろ多くの方法で改変することが可能であり、特に、示された他の実施形態、または当業者にとって公知の他の実施形態と組み合わせることが可能である。

１ 昇圧コンバータ
２、３、２’、３’ ＤＣ電圧入力部
４、５ ＤＣ電圧出力部
６、６’ 入力キャパシタンス
７、７’ インダクタンス
８、８’ 半導体スイッチ
９、９’ ダイオード
１０、１０’ キャパシタ
１１、１２、１１’、１２’ ダイオード
１３、１３’ インダクタンス
１４、１５ 出力キャパシタ
１６ ダイオード
１７ 補償回路
１８、１９ 補償スイッチ
２０ 抵抗
２１ スイッチ
２２、２２’ 接合点
２３ スナバ回路
２４、２５ サブユニット
２６、２６’ インダクタンス
８０ 降圧コンバータ
８１ キャパシタ
８２、８３、８６ ダイオード
８４ インダクタンス
８５ 半導体スイッチ
８７ スナバ回路
９０、１００ 双方向コンバータ
１０１、１０２ サブユニット
１１０ 昇降圧コンバータ
１１１ 半導体スイッチ
１１２、１１７、１１８ ダイオード
１１３ キャパシタ
１１４、１１９、１２０ インダクタンス
１１５、１１６ キャパシタンス
１２１ スナバ回路

Claims (25)

1. 昇圧コンバータ（１）であって、
   − 前記昇圧コンバータ（１）の第１のＤＣ電圧入力部（２）を、第１の接合点（２２）に電気的に接続している第１のインダクタンス（７）と、
   − 前記第１の接合点（２２）を、前記昇圧コンバータ（１）の第２のＤＣ電圧入力部（３）および第２のＤＣ電圧出力部（５）に接続している昇圧コンバータスイッチ（８）と、
   − 前記第１の接合点（２２）を、前記昇圧コンバータ（１）の第１のＤＣ電圧出力部（４）に接続している第１のダイオード（９）と、
   − 充電経路および放電経路を備えるスナバ回路（２３）と、
   を備える昇圧コンバータ（１）において、
   前記放電経路が、キャパシタ（１０）および第２のダイオード（１１）の直列接続として、前記第１の接合点（２２）から前記第１のＤＣ電圧出力部（４）まで延在し、前記充電経路が、一方の端部で前記キャパシタ（１０）と前記第２のダイオード（１１）との間の接合点に接続されているとともに、 前記昇圧コンバータスイッチ（８）がオンに切り換わると、前記キャパシタ（１０）が充電されるように配置され、かつ、
   前記充電経路が、もう一方の端部で前記第１のＤＣ電圧入力部（２）に接続されていることを特徴とする昇圧コンバータ（１）。
2. 請求項１に記載の昇圧コンバータにおいて、前記第１のＤＣ電圧入力部（２）と、前記第２のＤＣ電圧入力部（３）との間に配置された入力キャパシタンス（６）から前記キャパシタ（１０）を充電するために、前記充電経路が配置されることを特徴とする昇圧コンバータ。
3. 請求項１または２に記載の昇圧コンバータにおいて、前記充電経路が、第２のインダクタンス（１３）および第３のダイオード（１２）の直列接続を備えることを特徴とする昇圧コンバータ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記第１のダイオード（９）が、前記第２のダイオード（１１）を経由して前記昇圧コンバータ（１）の前記第１のＤＣ電圧出力部（４）に接続されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記放電経路が、前記第１のダイオード（９）と並列に配置されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の昇圧コンバータとしてそれぞれが具体化される第１のサブユニット（２４）および第２のサブユニット（２５）を備えることを特徴とする対称的な昇圧コンバータ。
7. 請求項６に記載の対称的な昇圧コンバータにおいて、前記第１のサブユニット（２４）の前記第１のインダクタンス（７）が、前記第２のサブユニット（２５）の第１のインダクタンス（７’）に磁気的に結合されていることを特徴とする対称的な昇圧コンバータ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の昇圧コンバータに対する動作方法において、前記第１のＤＣ電圧出力部（４）と前記第２のＤＣ電圧出力部（５）との間の出力電圧が、前記第１のＤＣ電圧入力部（２）と前記第２のＤＣ電圧入力部（３）との間の入力電圧の２倍未満の大きさであるように、前記昇圧コンバータが駆動されることを特徴とする動作方法。
9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の昇圧コンバータ（１）を備えることを特徴とするインバータ、特に、光起電力インバータ。
10. 第１のサブユニット（２４）および第２のサブユニット（２５）を備える対称的な昇圧コンバータとして具体化された昇圧コンバータ（１）であって、
    前記第１のサブユニット（２４）および前記第２のサブユニット（２５）がそれぞれ、
    − 前記昇圧コンバータ（１）の第１のＤＣ電圧入力部（２、２’）を、第１の接合点（２２、２２’）に電気的に接続している第１のインダクタンス（７、７’）と、
    − 前記第１の接合点（２２、２２’）を、前記昇圧コンバータ（１）の第２のＤＣ電圧入力部（３、３’）および第２のＤＣ電圧出力部（５、５’）に接続している昇圧コンバータスイッチ（８、８’）と、
    − 前記第１の接合点（２２、２２’）を、前記昇圧コンバータ（１）の第１のＤＣ電圧出力部（４、４’）に接続している第１のダイオード（９、９’）と、
    − 充電経路および放電経路を備えるスナバ回路（２３）と、
    を備える昇圧コンバータ（１）において、
    前記放電経路が、キャパシタ（１０、１０’）および第２のダイオード（１１、１１’）の直列接続として前記第１の接合点（２２、２２’）から前記第１のＤＣ電圧出力部（４）まで延在し、かつ、前記キャパシタ（１０、１０’）と前記第２のダイオード（１１、１１’）との間の接合点から出ている前記充電経路が、前記昇圧コンバータスイッチ（８、８’）がオンに切り換わると、前記キャパシタ（１０、１０’）が充電されるように配置されていることを特徴とする昇圧コンバータ（１）。
11. 請求項１０に記載の昇圧コンバータにおいて、前記充電経路が、前記第１のＤＣ電圧入力部（２）と前記第２のＤＣ電圧入力部（３）との間に配置された入力キャパシタンス（６）から前記キャパシタ（１０）を充電するために配置されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
12. 請求項１０に記載の昇圧コンバータにおいて、前記充電経路が、前記第１のＤＣ電圧出力部（４）と前記第２のＤＣ電圧出力部（５）との間に配置された出力キャパシタンスから前記キャパシタ（１０）を充電するために配置されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
13. 請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記第１のダイオード（９）が、前記第２のダイオード（１１）を経由して前記昇圧コンバータ（１）の前記第１のＤＣ電圧出力部（４）に接続されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
14. 請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記放電経路が、前記第１のダイオード（９）と並列に配置されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
15. 請求項１０乃至１４の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記第１のサブユニット（２４）の前記第１のＤＣ電圧入力部（２、２’）または前記第２のＤＣ電圧入力部（３、３’）が、前記第２のサブユニット（２５）の前記ＤＣ電圧入力部のそれぞれとは別個であることを特徴とする昇圧コンバータ。
16. 請求項１０乃至１５の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記第１のサブユニット（２４）の前記第１のインダクタンス（７）が、前記第２のサブユニット（２５）の前記第１のインダクタンス（７’）に磁気的に結合されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
17. 請求項１０乃至１６の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記充電経路が、第２のインダクタンス（１３）および第３のダイオード（１２）の直列接続を備えることを特徴とする昇圧コンバータ。
18. 請求項１２乃至１７の何れか１項に記載の昇圧コンバータにおいて、前記出力キャパシタンスが、中間点を有する第１の出力キャパシタ（１４）および第２の出力キャパシタ（１５）の直列接続を備えるとともに、前記充電経路が、前記キャパシタ（１０）と前記第２のダイオード（１１）との間の前記接合点を、前記第１の出力キャパシタ（１４）および前記第２の出力キャパシタ（１５）の前記中間点に接続していることを特徴とする昇圧コンバータ。
19. 請求項１８に記載の昇圧コンバータにおいて、前記第２のインダクタンス（１３）と前記第３のダイオード（１２）との間の中間点が、制御可能な補償回路（１７）を経由して、前記第１のＤＣ電圧出力部（４）および前記第２のＤＣ電圧出力部（５）に接続されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
20. 請求項１８に記載の昇圧コンバータにおいて、前記第１の出力キャパシタ（１４）と前記第２の出力キャパシタ（１５）との間の前記中間点が、別個の第３のインダクタンスを備える制御可能な補償回路（１７）を経由して、前記第１のＤＣ電圧出力部（４）および前記第２のＤＣ電圧出力部（５）に接続されていることを特徴とする昇圧コンバータ。
21. 請求項１８に記載の昇圧コンバータにおいて、前記サブユニット（２４、２５）の前記スナバ回路（２３）が、前記２つの出力キャパシタ（１４、１５）のうちの１つにそれぞれ割り当てられていることを特徴とする昇圧コンバータ。
22. 請求項１８または２１に記載の昇圧コンバータにおいて、前記サブユニット（２４、２５）の前記スナバ回路（２３）が、共通の第２のインダクタンス（１３）を備えることを特徴とする昇圧コンバータ。
23. 請求項１８、２１および２２の何れか１項に記載の昇圧コンバータに対する動作方法において、前記第２のサブユニット（２５）の駆動周波数に対する前記第１のサブユニット（２４）の駆動周波数が、前記第１の出力キャパシタ（１４）と、前記第２の出力キャパシタ（１５）との間の電圧の分配に依存して決定されることを特徴とする動作方法。
24. 請求項１０乃至２２の何れか１項に記載の昇圧コンバータ（１）を備えることを特徴とするインバータ、特に、光起電力インバータ。
25. 請求項１５に戻って参照する限りにおいて、請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の昇圧コンバータ（１）を備えるインバータ、特に、光起電力インバータにおいて、第１のサブユニット（２４）のＤＣ電圧入力部（２、３）が、第１の発電機に接続するために配置され、第２のサブユニット（２５）のＤＣ電圧入力部（２’、３’）が、前記第１の発電機とは異なる第２の発電機に接続するために配置されていることを特徴とするインバータ、特に、光起電力インバータ。

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