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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wechselrichtervorrichtung, die eine 3-Level-Schaltung mit einem fliegenden Kondensator umfasst.
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Technischer Hintergrund
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Patentschrift 1 beschreibt eine Wechselrichtervorrichtung, die eine 3-Level-Schaltung zum Ausgeben einer 3-Level-Spannung unter Verwenden von vier Schaltelementen und eines fliegenden Kondensators umfasst und eine Wechselspannung durch PWM-Steuerung an den Schaltelementen ausgibt.
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Liste zitierter Schriften
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Patentschrift
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- Patentschrift 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 6-67204
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Schaltungen, die einen fliegenden Kondensator nutzen, weisen verglichen mit Schaltungen, die mithilfe von zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren eine 1/2 einer Eingangsspannung erzeugen, den Vorteil einer Miniaturisierung aufgrund einer reduzierten Größe des Kondensators und einer reduzierten Anzahl an Komponenten auf.
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Bei 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung zum Ausgeben einer 3-Level-Spannung unter Verwenden eines fliegenden Kondensators werden Schaltelemente so gesteuert, dass eine Ladezeit des fliegenden Kondensators pro Zeiteinheit gleich einer Entladezeit desselben ist. Demgemäß ist eine Spannung über dem fliegenden Kondensator gleich der 1/2 einer Eingangsspannung. Die vorstehend beschriebene 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung ist eine Schaltung, die diese Eigenschaften nutzt.
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Bei den Eigenschaften der Schaltelemente und den Eigenschaften einer Antriebsschaltung zum Antreiben der Schaltelemente treten aber Schwankungen auf, und somit kann aufgrund eines Fehlers bei den Einschalt- und Abschaltzeitpunkten der Schaltelemente zwischen der Ladezeit und der Entladezeit des fliegenden Kondensators pro Zeiteinheit eine Differenz (Lade- und Entladezeitdifferenz) vorliegen. Daher kommt es zu einem Phänomen (Spannungsfehler), bei dem die Spannung über dem fliegenden Kondensator von der 1/2 der Eingangsspannung abweicht. Dieser Spannungsfehler nimmt mit Zunahme eines Stromwerts zu.
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Je größer der vorstehende Spannungsfehler ist, desto höher steigt eine angelegte maximale Spannung an den Schaltelementen, was das Problem von Stehspannung hervorruft. Die Schaltelemente weisen mit anderen Worten das Risiko eines Ausfalls auf. Zum Zweck des Verhinderns des Ausfalls ist es erforderlich, Schaltelemente hoher Stehspannung zu verwenden, was zu einem Steigen von Verlust und Kosten führt.
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Bei einer Wechselrichtervorrichtung für Stromsystemanschluss führt der vorstehende Spannungsfehler zu einer Verschlechterung der Qualität eines Ausgangsstroms der Wechselrichtervorrichtung.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wechselrichtervorrichtung vorzusehen, die das Problem einer Stehspannung sowie das Problem einer Verschlechterung der Qualität eines Ausgangsstroms, die durch den Spannungsfehler in dem fliegenden Kondensator hervorgerufen werden, löst.
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Lösung des Problems
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- (1) Eine erfindungsgemäße Wechselrichtervorrichtung umfasst:
eine 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung mit ersten bis vierten Schaltelementen, die zwischen einer ersten Eingangsklemme und einer zweiten Eingangsklemme einer Gleichstromversorgung in Reihe geschaltet sind, und einem Kondensator mit einer ersten Klemme, die mit einem Knoten zwischen dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schaltelement verbunden ist, und einer zweiten Klemme, die mit einem Knoten zwischen dem dritten Schaltelement und dem vierten Schaltelement verbunden ist, wobei ein Knoten zwischen dem zweiten Schaltelement und dem dritten Schaltelement als Ausgangsklemme der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung verwendet wird;
einen Pulsweitenmodulator, der durch Schalten der ersten bis vierten Schaltelemente gemäß dem Vergleich zwischen einem Dreiweckwellensignal und einem Modulationssignal an einer Eingangsspannung zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten Eingangsklemme eine Pulsweitenmodulation (zu einer Sinuswellenform) ausführt und die modulierte Spannung von der Ausgangsklemme ausgibt;
einen Kondensatorspannungsdetektor, der die Spannung des Kondensators detektiert;
einen Detektor, der einen Fehler der Spannung des Kondensators von der 1/2 der Eingangsspannung detektiert;
eine Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassvorrichtung, die zum Reduzieren des Fehlers eine Ladezeit und eine Entladezeit des Kondensators anpasst; und
einen Modulationssignalkorrektor, der ein erstes Modulationssignal erzeugt, wobei das Modulationssignal durch einen Korrekturbetrag zum Anheben korrigiert ist, und ein zweites Modulationssignal erzeugt, wobei das Modulationssignal durch den Korrekturbetrag zum Senken korrigiert ist, wobei
der Pulsweitenmodulator einen ersten Pulsweitenmodulator, der gemäß dem Vergleich zwischen dem ersten Modulationssignal und einem Dreieckwellensignal ein Steuersignal für das erste Schaltelement und das vierte Schaltelement erzeugt, und einen zweiten Pulsweitenmodulator, der gemäß dem Vergleich zwischen dem zweiten Modulationssignal und einem zweiten Dreieckwellensignal, das von dem ersten Dreieckwellensignal um 180° phasenverschoben ist, ein Steuersignal für das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement erzeugt, umfasst, und
die Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassvorrichtung den Korrekturbetrag gemäß dem Fehler vergrößert oder verkleinert.
- (2) Der Pulsweitenmodulator umfasst bevorzugt den ersten Pulsweitenmodulator, der gemäß dem Vergleich zwischen dem Modulationssignal und dem ersten Dreieckwellensignal das Steuersignal für das erste Schaltelement und das vierte Schaltelement erzeugt, und den zweiten Pulsweitenmodulator, der gemäß dem Vergleich zwischen dem Modulationssignal und dem zweiten Dreieckwellensignal, das von dem ersten Dreieckwellensignal um 180° phasenverschoben ist, das Steuersignal für das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement erzeugt,
die Wechselrichtervorrichtung umfasst weiterhin bevorzugt einen Totzeitkorrektor, der eine Totzeit eines von dem ersten Pulsweitenmodulator erzeugten PWM-Signals durch einen Korrekturbetrag zum Anheben korrigiert und eine Totzeit eines von dem zweiten Pulsweitenmodulator erzeugten PWM-Signals durch einen Korrekturbetrag zum Senken korrigiert, und
die Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassvorrichtung vergrößert oder verkleinert bevorzugt den Korrekturbetrag gemäß dem Fehler.
- (3) Bei vorstehend (1) oder (2) ist der Korrekturbetrag bevorzugt das Produkt des Fehlers multipliziert mit einem Koeffizienten, der mit der Kapazität des Kondensators in Verbindung steht, und einem Koeffizienten, der mit einem durch den Kondensator fließenden elektrischen Strom in Verbindung steht.
- (4) Bei vorstehend (1) bis (3)
umfasst die Wechselrichtervorrichtung bevorzugt weiterhin eine Differentialverstärkerschaltung mit einem symmetrischen Eingang und einem asymmetrischen Ausgang, deren Eingangsabschnitt über dem Kondensator angeschlossen ist, und
detektiert der Kondensatorspannungsdetektor bevorzugt die Spannung des Kondensators durch Berechnen des Mittels einer Ausgangsspannung der Differentialverstärkerschaltung in einem Ladestrom-Abschaltzeitraum nach Laden des Kondensators und einer Ausgangsspannung der Differentialverstärkerschaltung in einem Entladestrom-Abschaltzeitraum nach Entladen des Kondensators.
- (5) Bei vorstehend (1) bis (3) detektiert der Kondensatorspannungsdetektor bevorzugt die Spannung der Ausgangsklemme bei einem mittleren Zeitpunkt in einem Zeitraum, in dem das zweite Schaltelement und das vierte Schaltelement eingeschaltet sind.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist die Wechselrichtervorrichtung so ausgelegt, dass das Problem der Stehspannung des fliegenden Kondensators und der Schaltelemente und das Problem der Qualität des elektrischen Stroms, die durch den Spannungsfehler in dem fliegenden Kondensator hervorgerufen werden, gelöst werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaltbild einer Wechselrichtervorrichtung 201 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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2 ist eine Tabelle, die die Beziehung zwischen den Zuständen von vier Schaltelementen S1 bis S4 einer 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 und einer Ausgangsspannung (Potential) Vo zeigt.
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3 ist ein äquivalentes Schaltbild der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 in vier Zuständen.
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4 ist eine Wellenformdarstellung, die Pulsweitenmodulation (PWM) der vier Schaltelemente S1 bis S4 zeigt.
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5 ist eine Wellenformdarstellung eines Laststroms (eines durch einen Induktor L1 fließenden Stroms) Io, einer Spannung Vcf über einem Kondensator Cf und der Ausgangsspannung Vu der in 1 gezeigten Wechselrichtervorrichtung 201.
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6 ist eine Wellenformdarstellung, die die Spannung und den Zustand jedes Teils der Wechselrichtervorrichtung 201 zeigt, wenn ein Zielsignal Fp ein Sinussignal ist.
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7 ist eine Darstellung, die den Zeitpunkt der Detektion der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf zeigt.
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8A ist eine Wellenformdarstellung, die PWM-Steuerung zum Ändern des Mittels der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf zeigt und die Wellenform jedes Teils zeigt, wenn das Zielsignal Fp kleiner als ein Wert ist, der äquivalent zu Vdc/2 ist.
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8B ist eine Wellenformdarstellung, die die PWM-Steuerung zum Ändern des Mittels der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf zeigt, und veranschaulicht die Wellenform jedes Teils, wenn das Zielsignal Fp den Wert, der äquivalent zu Vdc/2 ist, übersteigt.
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9 ist ein Schaltbild einer in 1 gezeigten Schaltsteuerschaltung 100.
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10 ist eine Wahrheitstabelle einer Schaltelement-Antriebsschaltung 90.
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11 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Laststrom Io und einem Koeffizienten k(Io), der mit dem Laststrom Io in Verbindung steht, zeigt.
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12(A) ist eine Wellenformdarstellung der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf der Wechselrichtervorrichtung 201 gemäß der ersten Ausführungsform. 12(B) ist eine Wellenformdarstellung der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf im Fall einer fehlenden Korrektur einer Lade- und Entladezeit des Kondensators.
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13 ist eine Wellenformdarstellung, die Zeitpunkte zum Messen der Spannung eines fliegenden Kondensators in einer Wechselrichtervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
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14 ist ein Blockschaltbild, das eine Lade- und Entladezeit-Anpassschaltung für einen fliegenden Kondensator in einer Wechselrichtervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
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15 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer Wechselrichtervorrichtung 204A gemäß einer vierten Ausführungsform.
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16 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer anderen Wechselrichtervorrichtung 204B gemäß der vierten Ausführungsform.
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17 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer Wechselrichtervorrichtung 205A gemäß einer fünften Ausführungsform.
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18 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer anderen Wechselrichtervorrichtung 205B gemäß der fünften Ausführungsform.
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19 ist ein Blockschaltbild einer Dreiphasen-Wechselrichtervorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachstehend werden Ausführungsformen zum Verkörpern der vorliegenden Erfindung unter Verwenden einiger spezifischer Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder Zeichnung bezeichnen die gleichen Bezugszeichen identische Komponenten. Jede Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel, und die Konfigurationen der unterschiedlichen Ausführungsformen können selbstverständlich teils ersetzt oder kombiniert werden.
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<<Erste Ausführungsform>>
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1 ist ein Schaltbild einer Wechselrichtervorrichtung 201 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Wechselrichtervorrichtung 201 umfasst eine erste Eingangsklemme IN1 und eine zweite Eingangsklemme IN2, zu denen eine Gleichspannung eingespeist wird, eine erste Ausgangsklemme OUT1 und eine zweite Ausgangsklemme OUT2, von denen eine Wechselspannung ausgegeben wird. In diesem Beispiel sind die zweite Eingangsklemme IN2 und die zweite Ausgangsklemme OUT2 beide mit einem Referenzpotential (Masse) verbunden. An der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 wird die von zum Beispiel einem Solarenergieerzeugungspaneel erzeugte Gleichspannung angelegt.
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Zwischen der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 ist eine 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 angeschlossen. Die 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 besteht aus ersten bis vierten Schaltelementen (S1 bis S4), die zwischen der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 in Reihe geschaltet sind, und aus einem fliegenden Kondensator (nachstehend einfach als ”Kondensator” bezeichnet) Cf, dessen erste Klemme mit einem Knoten zwischen dem ersten Schaltelement S1 und dem zweiten Schaltelement S2 verbunden ist und dessen zweite Klemme mit einem Knoten zwischen dem dritten Schaltelemente S3 und dem vierten Schaltelement S4 verbunden ist.
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Alle Schaltelemente S1 bis S4 sind MOS-FETs, und in 1 sind auch Body-Dioden gezeigt. Zu beachten ist, dass das Schaltelement nicht auf den MOS-FET beschränkt ist, sondern eine andere Art von Transistor oder dergleichen sein kann.
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Ein Knoten zwischen dem zweiten Schaltelement S2 und dem dritten Schaltelement S3 entspricht einer Ausgangsklemme der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20, und zwischen der Ausgangsklemme der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 und der ersten Ausgangsklemme OUT1 ist ein Induktor L1 in Reihe geschaltet. Zwischen der Ausgangsklemme der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 und der ersten Ausgangsklemme OUT1 ist auch eine Ausgangsstromdetektionsschaltung 2 angeschlossen.
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Zwischen der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 ist eine Eingangsspannungsdetektionsschaltung 1 angeschlossen. Über dem Kondensator Cf ist eine Kondensatorspannungsdetektionsschaltung 3 angeschlossen. Diese Kondensatorspannungsdetektionsschaltung 3 besteht aus einer Differentialverstärkerschaltung.
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Eine Schaltsteuerschaltung 100 führt an den Schaltelementen S1 bis S4 PWM-Steuerung aus, um zu den Ausgangsklemmen OUT1 und OUT2 vorbestimmte Spannungen auszugeben. Da das Referenzpotential 0 V an der zweiten Eingangsklemme IN2 angelegt wird und Vdc an der ersten Eingangsklemme IN1 angelegt wird, gibt die Wechselrichtervorrichtung 201 eine Spannung in einem Bereich von 0 bis Vdc aus.
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Wie später beschrieben wird, detektiert die Schaltsteuerschaltung 100 ferner als Spannung des Kondensators Cf das Mittel zwischen der Ausgangsspannung der Kondensatorspannungsdetektionsschaltung 3 in einem Ladestromabschaltzeitraum nach Laden des Kondensators Cf und der Ausgangsspannung der Kondensatorspannungsdetektionsschaltung 3 in einem Entladestromabschaltzeitraum nach Entladen des Kondensators Cf. Die Kondensatorspannungsdetektionsschaltung 3 und der vorstehende Mittelverarbeitungsabschnitt der Schaltsteuerschaltung 100 entsprechen dem ”Kondensatorspannungsdetektor” gemäß den beigefügten Ansprüchen dieser Anmeldung.
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Weiterhin führt die Schaltsteuerschaltung 100 eine Anpassung bei der PWM-Steuerung gemäß Detektionsergebnissen der Eingangsspannungsdetektionsschaltung 1, der Ausgangsstromdetektionsschaltung 2 und der Kondensatorspannungsdetektionsschaltung 3 aus. Diese Anpassung wird später näher beschrieben.
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2 ist eine Tabelle, die die Beziehung zwischen den Zuständen der vier Schaltelemente S1 bis S4 der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 und einer Ausgangsspannung (Potential) Vo zeigt. Die vier Schaltelemente S1 bis S4 nehmen hier vier Zustände H, Mc, Md und L ein.
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3 ist ein äquivalentes Schaltbild der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 in den vier vorstehenden Zuständen. In dem Zustand H sind die Schaltelemente S1 und S2 eingeschaltet, während die Schaltelemente S3 und S4 abgeschaltet sind, so dass die Ausgangsspannung Vo gleich Vdc ist. In dem Zustand L sind die Schaltelemente S3 und S4 eingeschaltet, während die Schaltelemente S1 und S2 abgeschaltet sind, so dass die Ausgangsspannung Vo 0 ist. In dem Zustand Mc sind die Schaltelemente S1 und S3 eingeschaltet, während die Schaltelemente S2 und S4 abgeschaltet sind, so dass die Ausgangsspannung Vo gleich Vdc – Vc ist. Vc ist hier eine Ladespannung des Kondensators Cf. Wenn Vc = Vdc/2 ist, ist die Ausgangsspannung Vo = Vdc/2. In dem Zustand Md sind die Schaltelemente S2 und S4 eingeschaltet, während die Schaltelemente S1 und S3 abgeschaltet sind, so dass die Ausgangsspannung Vo gleich Vc ist. Wenn Vc = Vdc/2 ist, ist die Ausgangsspannung Vo = Vdc/2. Da der Betrag der in dem Kondensator Cf geladenen elektrischen Ladung gleich dem Betrag elektrischer Ladung angenommen wird, der daraus entladen wird, ist die Ausgangsspannung Vo in dem Zustand Mc gleich der Ausgangsspannung Vo in dem Zustand Md. Die Ladespannung Vc des Kondensators Cf wird mit anderen Worten zentriert bei Vdc/2, d. h. der 1/2 von Vdc, geladen und entladen. Wenn die Lade- und Entladezeitkonstante des Kondensators Cf ausreichend größer als eine Schaltfrequenz ist, weist die vorstehende Ladespannung Vc einen niedrigen Schwankungsbereich auf und es kann Vc ≈ Vdc/2 angenommen werden. Schwankungen der Ausgangsspannung Vo aufgrund des Ladens und Entladens des Kondensators Cf werden später beschrieben.
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4 ist eine Wellenformdarstellung, die Pulsweitenmodulation (PWM) der vier Schaltelemente S1 bis S4 zeigt. In 4 sind ein erstes Dreieckwellensignal Vcr1 und ein zweites Dreieckwellensignal Vcr2 zueinander um 180° phasenverschoben (von entgegengesetzter Polarität). Ein erstes PWM-Signal AQ1 liegt auf einem hohen Level (nachstehend ”H-Level”), wenn das Zielsignal Fp höher als das erste Dreieckwellensignal Vcr1 ist. Ein zweites PWM-Signal AQ2 liegt auf dem H-Level, wenn das Zielsignal Fp höher als das zweite Dreieckwellensignal Vcr2 ist.
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Ein Gate-Signal für das erste Schaltelement S1 steigt mit einer Verzögerung einer Totzeit td ab Anstieg des AQ1 und fällt gleichzeitig mit dem Abfall des AQ1. Ein Gate-Signal für das vierte Schaltelement S4 fällt gleichzeitig mit dem Anstieg des AQ1 und steigt mit einer Verzögerung der Totzeit td ab Abfall des AQ1.
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Ein Gate-Signal für das zweite Schaltelement S2 steigt mit einer Verzögerung der Totzeit td ab Anstieg des AQ2 und fällt gleichzeitig mit dem Abfall des AQ2. Ein Gate-Signal für das dritte Schaltelement S3 fällt gleichzeitig mit dem Anstieg des AQ2 und steigt mit einer Verzögerung der Totzeit td ab Abfall des AQ2.
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In 4 entspricht ZUSTAND den in 3 gezeigten Zuständen. Wenn das Zielsignal Fp kleiner als Vdc/2 ist, wird somit der Zustandsübergang Mc → L → Md → L → ... wiederholt. Wenn analog das Zielsignal Fp Vdc/2 oder mehr beträgt, wird der Zustandsübergang Mc → H → Md → H → ... wiederholt.
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5 ist eine durch Simulation erhaltene Wellenformdarstellung eines Laststroms (eines durch einen Induktor L1 fließenden Stroms) Io, einer Spannung Vcf über dem Kondensator Cf und der Ausgangsspannung Vu der in 1 gezeigten Wechselrichtervorrichtung 201. Diese Ergebnisse werden unter den folgenden Bedingungen erhalten.
Vdc = 100 V
Kapazität des Cf = 75 μF
Induktivität des Induktors L1 = 500 μH
Parallele RC-Last: R = 20 Ω, C = 1,1 μF
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Wenn hier eine Differenz zwischen einer Ladezeit des Kondensators Cf in dem vorstehenden Zustand Mc und einer Entladezeit des Kondensators Cf in dem Zustand Md vorliegt, weicht das Mittel der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf von der 1/2 der Eingangsspannung Vdc ab. Wenn zum Beispiel die Lade- und Entladezeitdifferenz des Kondensators Cf 10 ns pro Lade- und Entladezeitraum beträgt, beträgt das Mittel der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf 53,6 V, wenn ein Tastverhältnis 80% beträgt. Daher beläuft sich das Ungleichgewicht (nachstehend als ”Spannungsfehler” bezeichnet) ΔV zwischen einer Ladespannung und einer Entladespannung auf 3,6 V. Wenn die Lade- und Entladezeitdifferenz 100 ns beträgt, beläuft sich das Mittel der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf auf 89 V (Spannungsfehler ΔV = 39 V).
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Die Schaltsteuerschaltung 100 in der in 1 gezeigten Wechselrichtervorrichtung 201 führt die PWM-Steuerung an den Schaltelementen S1 bis S4 durch, um den vorstehenden Spannungsfehler ΔV auf null zu bringen. Die Steuerung wird nachstehend beschrieben.
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6 ist eine Wellenformdarstellung, die die Spannung und den Zustand jedes Teils der Wechselrichtervorrichtung 201 zeigt, wenn das Zielsignal Fp ein Sinussignal ist. Die Schaltelemente S1 und S4 werden von dem Signal gesteuert, bei dem die Totzeit zu dem Zeitpunkt des ersten PWM-Signals AQ1 addiert wird, und die Schaltelemente S2 und S3 werden von dem Signal gesteuert, bei dem die Totzeit zu dem Zeitpunkt des zweiten PWM-Signals AQ2 addiert wird (siehe 4). Die Totzeit wird in 6 jedoch zum Zweck des Vermeidens einer komplizierten Zeichnung als 0 dargestellt. In 6 ist eine Spannung Vo' die Ausgangsspannung der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20, wenn die Spannung über dem Kondensator Cf immer als Vdc/2 angenommen wird. Tatsächlich schwanken die Spannung Vcf über dem Kondensator Cf und die Ausgangsspannung Vo der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 wie in 6 gezeigt, da der Kondensator Cf während eines Zeitraums des vorstehenden Zustands Mc geladen und während eines Zeitraums des vorstehenden Zustands Md entladen wird.
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7 ist ein Diagramm, das den Zeitpunkt der Detektion der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf zeigt. Die Spannung Vcf über dem Kondensator Cf steigt in dem Zeitraum des Zustands Mc und fällt in dem Zeitraum des Zustands Md. Die Spannung Vcf über dem Kondensator Cf wird in dem Zustand L oder dem Zustand H bei einem konstanten Wert gehalten. In einem in 7 gezeigten Beispiel wird die Spannung Vcf in den Zeiträumen des Zustands L (in 7 mit Kreisen gezeigte Zeiten) vor und nach dem Zustand Mc oder Md abgetastet, und das Mittel derselben wird als Spannung über dem Kondensator Cf behandelt. Der Zeitraum zwischen dem Zustand Mc und dem Zustand Md entspricht dem ”Ladestromabschaltzeitraum” gemäß den beigefügten Ansprüchen dieser Anmeldung, während der Zeitraum zwischen dem Zustand Md und dem Zustand Mc dem ”Entladestromabschaltzeitraum” gemäß den beigefügten Ansprüchen dieser Anmeldung entspricht.
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8A und 8B sind Wellenformdarstellungen, die die PWM-Steuerung zum Ändern des Mittels der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf zeigen. 8A ist eine Darstellung, bei der das Zielsignal Fp kleiner als ein Wert ist, der äquivalent zu Vdc/2 ist, während 8B die Darstellung ist, bei der das Zielsignal Fp den Wert, der äquivalent zu Vdc/2 ist, übersteigt. Wenn das Zielsignal Fp + α ist, damit eine PWM-Schaltung das erste PWM-Signal AQ1 erzeugt, rückt der Anstiegszeitpunkt des ersten PWM-Signals AQ1 um ΔT vor und der Abfallszeitpunkt desselben verzögert sich um ΔT Eine Pulsweite desselben verbreitert sich mit anderen Worten um 2ΔT. Wenn das Zielsignal Fp – α ist, damit die PWM-Schaltung das zweite PWM-Signal AQ2 erzeugt, verzögert sich der Anstiegszeitpunkt des zweiten PWM-Signals AQ2 um ΔT und der Abfallszeitpunkt desselben rückt um ΔT vor. Eine Pulsweite desselben verschmälert sich mit anderen Worten um 2ΔT. Das vorstehende Zielsignal Fp + α entspricht dem ”ersten Modulationssignal” in den beigefügten Ansprüchen dieser Erfindung, und das vorstehende Zielsignal Fp – α entspricht dem ”zweiten Modulationssignal” in den beigefügten Ansprüchen dieser Erfindung.
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4 zeigt eine Zustandsübertragung, wenn die vorstehende Anpassung unter Verwenden von ±α nicht ausgeführt wird. Wie aus einem Vergleich mit 4 hervorgeht, verlängert die vorstehende Anpassung unter Verwenden von ±α den Zustand Mc (einen Ladezeitraum zu dem Kondensator Cf) und verkürzt den Zustand Md (einen Entladezeitraum von dem Kondensator Cf). Dadurch nimmt das Mittel der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf zu.
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Die vorstehende Ausführungsform beschreibt einen Fall, bei dem ein elektrischer Strom in einer positiven Richtung fließt, mit anderen Worten der Laststrom Io in einer in 1 gezeigten Richtung fließt. In einem Fall, da der elektrische Strom in einer ”negativen” Richtung fließt, werden das Laden und das Entladen umgekehrt und die Zeiträume Mc und Md werden getauscht. Somit wird auch die Richtung der Korrektur umgekehrt und somit sollte das vorstehende α mit ”–1” multipliziert werden.
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9 ist ein Schaltbild der in 1 gezeigten Schaltsteuerschaltung 100. Die Schaltsteuerschaltung 100 besteht aus einer Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassschaltung 70, einer PWM-Schaltung 80 und einer Schaltelement-Antriebsschaltung 90. Die PWM-Schaltung 80 entspricht einem erfindungsgemäßen ”Pulsweitenmodulator”. Die Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassschaltung 70 umfasst eine Korrekturbetragerzeugungsschaltung 71 und eine Addiererschaltung 73 und eine Subtrahiererschaltung 74 zum Ausführen einer Addition oder Subtraktion an dem Zielsignal um den Korrekturbetrag α. Die Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassschaltung 70 entspricht der erfindungsgemäßen ”Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassvorrichtung”. Die Korrekturbetragerzeugungsschaltung 71 ermittelt den Korrekturbetrag α des Zielsignals gemäß der Eingangsspannung Vdc, der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf und dem Laststrom Io. Eine Zielsignalerzeugungsschaltung 72 ist eine in einem Steuergerät eines höheren Levels vorgesehene Schaltung (außerhalb der Schaltsteuerschaltung 100) und wird zum Beispiel durch eine arithmetische Verarbeitung für sequentielles Berechnen der Werte einer Sinuswelle verwirklicht.
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Die PWM-Schaltung 80 umfasst Dreieckwellenerzeugungsschaltungen 81 und 82 und Komparatoren 83 und 84. Die Dreieckwellenerzeugungsschaltung 81 erzeugt das erste Dreieckwellensignal Vcr1, und die zweite Dreieckwellenerzeugungsschaltung 82 erzeugt das zweite Dreieckwellensignal Vcr2.
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10 ist eine Wahrheitstabelle der Schaltelement-Antriebsschaltung 90. Die Schaltelement-Antriebsschaltung 90 erzeugt die Gate-Signale der vier Schaltelemente S1 bis S4, wie in 8A und 8B gezeigt ist.
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Die vorstehende Beschreibung bezüglich der PWM beruht zwecks vereinfachter Darstellung auf der Prämisse, dass analoge Schaltungen die PWM durchführen. Die PWM kann aber durch digitale Schaltungen oder durch digitale arithmetische Verarbeitung durchgeführt werden. In dem Fall, da die Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassschaltung 70 und die PWM-Schaltung 80, die in 9 gezeigt ist, unter Verwenden der digitalen Schaltungen konfiguriert sind, werden die Dreieckwellenerzeugungsschaltungen 81 und 82 durch Zähler verwirklicht und die Komparatoren 83 und 84 werden durch digitale Komparatoren verwirklicht. Die Korrekturbetragerzeugungsschaltung 71 ermittelt den Wert des Zielsignals gemäß dem Korrekturbetrag oder den Korrekturbetrag bei den Zählwerten der Dreieckwellen. D. h. das ”Dreieckwellensignal” dieser Erfindung ist nicht auf ein analoges Signal beschränkt, sondern umfasst ”einen sich in Form einer Dreieckwelle ändernden Wert”.
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Ic stellt hier einen durch den Kondensator fließenden elektrischen Strom dar, Tc ist eine Ladezeit, C stellt die Kapazität des Kondensators dar, ΔVc stellt eine Spannungsänderung der Kondensatorspannung während des Ladens dar und ΔVd stellt eine Spannungsänderung der Kondensatorspannung während des Entladens dar, und diese haben die folgende Beziehung. ΔVc = Ic × Tc/C ΔVd = –Ic × Td/C
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Der Spannungsfehler ΔV weist somit die folgende Beziehung auf. ΔV = (Tc – Td) × Ic/C (1)
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Ein Fehler ΔT bei der Lade- und Entladezeit weist indessen die folgende Beziehung auf. ΔT = ΔV × C/Ic (2)
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D. h. der Fehler ΔT der Lade- und Entladezeit ist direkt proportional zu dem Spannungsfehler ΔV und der Kapazität C des Kondensators Cf. Ferner ist der Fehler ΔT der Lade- und Entladezeit umgekehrt proportional zu dem Kondensatorstrom Ic. Der Kondensatorstrom Ic ist äquivalent zu dem Laststrom Io.
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Der Spannungsfehler ΔV wird aus der Differenz zwischen der 1/2 der Eingangsspannung Vdc und der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf erhalten, und der Korrekturbetrag bezüglich ΔT ist das Produkt des Spannungsfehlers ΔV multipliziert mit einer Rückkopplungsverstärkung k. Die vorstehende Rückkopplungsverstärkung k ist das Produkt eines Koeffizienten, der mit dem Kehrwert des Laststroms Io in Verbindung steht, eines Koeffizienten, der mit der Kapazität C in Verbindung steht, und eines Koeffizienten zum Sichern der Stabilität in einem Rückkopplungssystem.
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11 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Laststrom Io und dem Koeffizienten k(Io), der mit dem Laststrom Io in Verbindung steht, zeigt. Der Koeffizient k(Io), der mit dem Laststrom Io in Verbindung steht, ist umgekehrt proportional zu dem Laststrom Io, wie in 11 durch eine Strichlinie gezeigt ist, ist aber nicht unbedingt mathematisch umgekehrt proportional, und der Koeffizient k(Io) kann sich stufenweise ändern, wie in 11 durch eine durchgehende Linie gezeigt ist.
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12(A) ist eine Wellenformdarstellung der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf der Wechselrichtervorrichtung 201 gemäß der ersten Ausführungsform. 12(B) ist eine Wellenformdarstellung der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf bei Nichtkorrektur der Lade- und Entladezeit des Kondensators. Beide Darstellungen zeigen einen Zeitraum des Zielsignals. Wenn zwischen der Ladezeit und der Entladezeit des Kondensators Cf die Differenz vorliegt, wie in 12(B) gezeigt ist, schwankt die mittlere Spannung über dem Kondensator Cf mit einer Spannungsänderung der Sinuswelle des Zielsignals. Da andererseits gemäß dieser Ausführungsform der von der Differenz zwischen der Ladezeit und der Entladezeit des Kondensators Cf hervorgerufene Spannungsfehler korrigiert wird, wird die mittlere Spannung des Kondensators Cf immer bei etwa Vdc/2 gehalten, wie in 12(A) gezeigt ist.
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Zu beachten ist, dass der Korrekturwert Grenzwerte aufweist. Hier müssen die in 8A und 8B gezeigten Zielsignale Fp + α und Fp – α zwei Anforderungen erfüllen, nämlich (1) die Zielsignale Fp + α und Fp – α liegen innerhalb eines Bereichs eines Höchstwerts (Dmax) und eines Mindestwerts (Dmin) der PWM-Steuerung und (2) das Mittel der Zielsignale, d. h. ((Fp + α) + (Fp – α))/2, ändert sich nicht. Demgemäß ist der absolute Wert von αα zwischen (Dmax – Fp) und (Fp – Dmin) begrenzt.
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<<ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM>>
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13 ist eine Wellenformdarstellung, die den Zeitpunkt der Messung der Spannung eines fliegenden Kondensators in einer Wechselrichtervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die Wechselrichtervorrichtung weist die gleiche Schaltungskonfiguration wie die der ersten Ausführungsform auf. Da ein Entladen bei Starten des Zeitraums des Zustands Md begonnen wird und bei dessen Enden beendet wird, zeigt die Spannung Vcf bei dem mittleren Zeitpunkt des Zustands Md die mittlere Spannung des fliegenden Kondensators an. Da unter Bezugnahme auf 1 und 3 die Schaltelemente S2 und S4 in dem vorstehenden Zustand Md eingeschaltet werden, erscheint die Spannung des fliegenden Kondensators Cf an der Ausgangsklemme der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 in dem Zustand Md. Durch Abtasten der Ausgangsspannung Vo der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 bei dem mittleren Zeitpunkt tc des Zustands Md, wie in 13 gezeigt wird, kann daher die mittlere Spannung des fliegenden Kondensators erhalten werden. Ein Verarbeitungsabschnitt, der die vorstehende Abtastung in der Schaltsteuerschaltung durchführt, entspricht dem ”Kondensatorspannungsdetektor” gemäß den beigefügten Ansprüchen dieser Anmeldung.
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Diese Ausführungsform weist einen längeren Abtastzeitraum als die erste Ausführungsform auf und macht den Betrieb zum Berechnen des Mittels unnötig, wodurch eine Betriebsbelastung reduziert wird. Da keine Notwendigkeit einer Differentialdetektion besteht, kann auch auf einen Sensor verzichtet werden, was zu Kostenreduktion führt.
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<<DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM>>
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14 ist ein Blockschaltbild, das eine Lade- und Entladezeit-Anpassschaltung für einen fliegenden Kondensator in einer Wechselrichtervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
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In der ersten Ausführungsform wird die Lade- und Entladezeit des fliegenden Kondensators durch Anpassen des Zielsignals der PWM-Steuerung um ±α geregelt. In der dritten Ausführungsform wird die Lade- und Entladezeit des fliegenden Kondensators durch Anpassen der Totzeit der PWM-Signale korrigiert.
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Die in 14 gezeigte Wechselrichtervorrichtung umfasst eine Totzeitanpassschaltung 50, eine PWM-Schaltung 60, Verzögerungsschaltungen 51 bis 54 und die Totzeit vergrößernde und verkleinernde Schaltungen 55 und 56. In 14 berechnet die Totzeitanpassschaltung 50 den Spannungsfehler ΔV aus der Spannung Vcf über dem Kondensator Cf und der Eingangsspannung Vdc und ermittelt den Korrekturbetrag ΔT der Totzeit (siehe td von 4) der Schaltelemente S1 bis S4 gemäß dem Koeffizienten, der mit dem Kehrwert des Laststroms Io in Verbindung steht. Die Totzeitanpassschaltung 50 entspricht dem erfindungsgemäßen ”Totzeitkorrektor”. Die PWM-Schaltung 60 erzeugt ein PWM-Signal für das erste Schaltelement S1 und das vierte Schaltelement S4 und ein PWM-Signal für das zweite Schaltelement S2 und das dritte Schaltelement S3. Ein Steuersignal (Gate-Signal) für das erste Schaltelement S1 ist eine Umkehrung eines Steuersignals (Gate-Signals) für das vierte Schaltelement S4. Ein Steuersignal (Gate-Signal) für das zweite Schaltelement S2 ist eine Umkehrung eines Steuersignals (Gate-Signals) für das dritte Schaltelement S3. Die Verzögerungsschaltungen S1 bis S4 geben die Steuersignale für die Schaltelemente S1 bis S4 mit einer Verzögerung größer oder kleiner werdender Zeit von ΔT relativ zu der konstanten Totzeit aus.
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Wie vorstehend in dieser Ausführungsform beschrieben kann die Lade- und Entladezeit des fliegenden Kondensators durch Anpassen der Totzeit der PWM-Signale korrigiert werden.
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<<VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM>>
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Eine vierte Ausführungsform beschreibt ein Beispiel, bei dem ein neutrales Potential der Gleichstrom-Eingangsspannung als Referenzpotential der Ausgangsspannung der Wechselrichtervorrichtung festgelegt ist.
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15 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer Wechselrichtervorrichtung 204A gemäß der vierten Ausführungsform. Zwischen der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 der Wechselrichtervorrichtung 204A wird Vdc angelegt, und die Zwischenspannung (neutrale Spannung) dazwischen ist ein Potential der zweiten Ausgangsklemme OUT2. Die anderen Konfigurationen sind die gleichen wie die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung.
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16 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer anderen Wechselrichtervorrichtung 204B gemäß der vierten Ausführungsform. Zwischen der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 der Wechselrichtervorrichtung 204B ist eine Reihenschaltung mit Kondensatoren Ci1 und Ci2 angeschlossen, und an der zweiten Ausgangsklemme OUT2 ist ein Potential an einem Knoten zwischen den Kondensatoren Ci1 und Ci2 angelegt. Die anderen Konfigurationen sind die gleichen wie die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung.
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<<FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM>>
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Eine fünfte Ausführungsform beschreibt eine Wechselrichtervorrichtung, die eine H-Brückenschaltung 30 nach der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 umfasst.
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17 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer Wechselrichtervorrichtung 205A gemäß der fünften Ausführungsform. Die H-Brückenschaltung 30 ist nach der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 angeschlossen. Die anderen Konfigurationen sind die gleichen wie die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung. Bei der H-Brückenschaltung 30 sind vier Schaltelemente S11, S12, S21 und S22 durch Brücke verbunden. Durch Schalten der vier Schaltelemente S11, S12, S21 und S22 wird die Ausgangsspannung der 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 zur Ausgabe abwechselnd umgekehrt.
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Die 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 erzeugt eine Spannung einer halben Welle der Sinuswelle, und die H-Brückenschaltung 30 kehrt die Spannung in einem Zeitraum der Sinuswelle um. Somit wird die Sinusspannung zu der Last ausgegeben.
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18 ist ein Schaltbild eines Hauptabschnitts einer anderen Wechselrichtervorrichtung 205B gemäß der fünften Ausführungsform. Die Wechselrichtervorrichtung 205B umfasst die erste Eingangsklemme IN1 und die zweite Eingangsklemme IN2, zu denen die Gleichspannung eingespeist wird, und die erste Ausgangsklemme OUT1 und die zweite Ausgangsklemme OUT2, von denen die Wechselspannung ausgegeben wird. An der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 wird die von zum Beispiel dem Solarenergieerzeugungspaneel erzeugte Gleichspannung angelegt. In 18 stellen Su und Sw ein einphasiges dreiadriges Stromsystem mit einer U-Phase und einer W-Phase dar.
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Bei dieser Wechselrichtervorrichtung 205B sind zwei 3-Level-Spannungserzeugungsschaltungen 20H und 20L zwischen der ersten Eingangsklemme IN1 und der zweiten Eingangsklemme IN2 angeschlossen. Die 3-Level-Spannungserzeugungsschaltungen 20H und 20L weisen jeweils die gleiche Konfiguration wie die in 1 gezeigte 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung 20 auf. Die Polaritäten der Zielsignale sind aber zwischen den 3-Level-Spannungserzeugungsschaltungen 20H und 20L einander entgegengesetzt. Ein Knoten zwischen den zwei 3-Level-Spannungserzeugungsschaltungen 20H und 20L liegt bei einem neutralen Potential der Wechselrichtervorrichtung. Die Ausgabe der H-Brückenschaltung 30 ist durch Induktoren L1 und L2 mit dem einphasigen dreiadrigen System verbunden. Eine Wechselspannung mit einer effektiven Spannung von 100 V wird zwischen der ersten Ausgangsklemme OUT1 und einem neutralen Punkt NP angelegt, und eine Wechselspannung mit einer effektiven Spannung von 100 V wird zwischen dem neutralen Punkt NP und der zweiten Ausgangsklemme OUT2 angelegt, so dass eine Wechselspannung mit einer effektiven Spannung von 200 V zwischen der ersten Ausgangsklemme OUT1 und der zweiten Ausgangsklemme OUT2 angelegt ist.
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<<SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM>>
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19 ist ein Blockschaltbild einer Dreiphasen-Wechselrichtervorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform. Wechselrichtervorrichtungen 206U, 206V und 206W sind die Wechselrichtervorrichtungen, wie sie zum Beispiel in 16 gezeigt sind, die das neutrale Potential der Eingangsgleichspannung als Referenzpotential der Wechselrichtervorrichtung nutzen. Die Spannungen an den Ausgangsklemmen U, V und W der Wechselrichtervorrichtungen 206U, 206V und 206W sind Sinuswellenspannungen und in dieser Reihenfolge um 120° voneinander phasenverschoben.
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Zu beachten ist, dass in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der MOS-FET als Schaltelement verwendet wird, aber stattdessen ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierten Gate) verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- AQ1, AQ2
- PWM-Signal
- Cf
- fliegender Kondensator
- Ci1, Ci
- Kondensator
- Fp
- Zielsignal
- H, Mc, Md, L
- Zustand
- IN1
- erste Eingangsklemme
- IN2
- zweite Eingangsklemme
- Io
- Laststrom
- K
- Rückkopplungsverstärkung
- L1, L2
- Induktor
- NP
- neutraler Punkt
- OUT1
- erste Ausgangsklemme
- OUT2
- zweite Ausgangsklemme
- S1
- erstes Schaltelement
- S2
- zweites Schaltelement
- S3
- drittes Schaltelement
- S4
- viertes Schaltelement
- Tc
- mittlerer Zeitpunkt
- Td
- Totzeit
- U, V, W
- Ausgangsklemme
- Vc
- Ladespannung
- Vcf
- Spannung des Kondensators
- Vcr1
- erstes Dreieckwellensignal
- Vcr2
- zweites Dreieckwellensignal
- Vdc
- Eingangsspannung
- Vo
- Ausgangsspannung
- Vu
- Ausgangsspannung
- 1
- Eingangsspannungsdetektionsschaltung
- 2
- Ausgangsstromdetektionsschaltung
- 3
- Kondensatorspannungsdetektionsschaltung
- 20, 20H, 20L
- 3-Level-Spannungserzeugungsschaltung
- 30
- Brückenschaltung
- 50
- Totzeitanpassschaltung
- 51–54
- Verzögerungsschaltung
- 55, 56
- die Totzeit vergrößernde oder verkleinernde Schaltung
- 60
- PWM-Schaltung
- 70
- Kondensatorlade- und Entladezeit-Anpassschaltung
- 71
- Korrekturbetragerzeugungsschaltung
- 72
- Zielsignalerzeugungsschaltung
- 73
- Addiererschaltung
- 74
- Subtrahiererschaltung
- 80
- PWM-Schaltung
- 81, 82
- Dreieckwellenerzeugungsschaltung
- 83, 84
- Komparator
- 90
- Schaltelement-Antriebsschaltung
- 100
- Schaltsteuerschaltung
- 201
- Wechselrichtervorrichtung
- 204A, 204B
- Wechselrichtervorrichtung
- 205A, 205B
- Wechselrichtervorrichtung
- 206U, 206V, 206W
- Wechselrichtervorrichtung
