JP2018508172A - フライングキャパシタを有するdc/dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
第1の低圧接続点(2)と、第2の低圧接続点(3)と、第3の低圧接続点(4)と、第1の高圧接続点(7)と、第2の高圧接続点(8)とを備えるDC/DCコンバータ(1)が開示され、第1の低圧接続点(2)および第1の高圧接続点(7)が互いに直接接続されており、能動的に制御可能なスイッチ素子(9)、キャパシタ(10)およびさらなるスイッチ素子(11)が第1の高圧接続点(7)と第2の高圧接続点(8)との間に直列に接続されており、キャパシタ(10)が第2の低圧接続点(3)と第3の低圧接続点(4)との間に接続されており、およびさらなるキャパシタンス(16)が第2の低圧接続点(3)と第3の低圧接続点(4)との間に直接接続されており、さらなるキャパシタンス(16)が2つのインダクタ(17、18)によって両極でキャパシタ(10)から減結合されている。【選択図】図1
Description
本発明は、高いDC電圧に対する高圧端子を備えるDC/DCコンバータであって、前記高圧端子が第1の高圧端子点および第2の高圧端子点によって形成されており、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子が第1の高圧端子点と第2の高圧端子点との間に直列に接続され、2つの異なるDC入力電圧が存在する2つの低圧端子点間にキャパシタが接続されている、DC/DCコンバータに関する。さらに、本発明は、このようなDC/DCコンバータを備えるインバータおよび他の電気回路に関する。
いわゆるフライングキャパシタを備えるDC/DCコンバータが知られている。例えば、米国特許出願公開第2013/0119961A1号明細書により開示されているような、このようなDC/DCコンバータでは、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子が、DC出力電圧に対する出力を形成する2つの出力端子点間に直列に接続されている。この場合、能動的に駆動可能なハーフブリッジスイッチング素子およびさらなるハーフブリッジスイッチング素子を備えるハーフブリッジがキャパシタと並列に接続されている。ハーフブリッジの中心点は、入力インダクタを介して、DC入力電圧に対する入力に接続されている。能動的に駆動可能なスイッチング素子および能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子が連続的に駆動され、最初にキャパシタが入力インダクタを介してDC入力電圧に充電され、次に、充電されたキャパシタが入力インダクタと直列に接続されるようになっている。この場合、キャパシタの電位、すなわちキャパシタの電極の電位がジャンプし、フライングキャパシタという名称はこれに由来する。記載されている既知の、フライングキャパシタを備えるDC/DCコンバータでは、さらに、入力インダクタを昇圧コンバータのインダクタとして用いて、能動的に駆動可能なスイッチング素子および能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を同期して駆動することにより、DC入力電圧を昇圧することができる。
キャパシタの電位がジャンプするため、フライングキャパシタを備えるDC/DCコンバータの使用可能性が制限される。
独国特許出願公開第102011085559A1号明細書は、少なくとも1つのチョッパを有するキャパシタによって形成された並列回路を備えるDC/DCコンバータを開示している。チョッパはそれぞれ、2つの能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を備えるハーフブリッジであって、キャパシタと並列に接続されているハーフブリッジを備える。入力インダクタは、ハーフブリッジの中心点に接続されている。さらに、2つの能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を備える追加のハーフブリッジがキャパシタと並列に接続され、出力インダクタが前記追加のハーフブリッジの中心点に接続されている。さらに、キャパシタは、安定化用キャパシタと直列に接続されている。DC電圧源は、既知のDC/DCコンバータの各入力インダクタに接続することができ、入力インダクタが異なれば、存在するDC入力電圧が互いに異なっていてもよい。DC出力電圧が出力インダクタにおいて出力される。この場合、DC入力電圧およびDC出力電圧は、安定化用キャパシタが接続されている接続線に対して存在している。さらなるハーフブリッジを補足追加することにより、さらなるDC電圧源をさらなる入力インダクタと接続することができる。キャパシタがさらなるキャパシタと直列に接続されていることにより、DC入力電圧の異なる部分のみをそれぞれ変換すればよくなり、DC入力電圧の変換された部分に対してのみ、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を設計すればよいことになる。しかしながら、安定化用キャパシタにおける電圧を一定に保つために、既知のDC/DCコンバータのDC出力電圧は常にDC入力電圧の加重平均でなければならない。したがって、相対的に高電圧のリンク回路電圧を有するリンク回路に既知のDC/DCコンバータを接続するには、追加の昇圧コンバータを設けることが必要であり、全リンク回路電圧およびDC/DCコンバータを介して流れる電力全体に対してこの追加の昇圧コンバータの構成要素を設計しなければならない。
“Veerachary,M.:Two−Loop Controlled Buck−SEPIC Converter for Input Source Power Management.In:Industrial Electronics,IEEE Transactions on(Volume:59,Issue:11),04 November 2011,4075−4087”は、相対的に高い電圧を有する電圧源のためのバックコンバータを、この電圧源から分離された相対的に低い電圧を有する電圧源のためのSEPICコンバータと組み合わせるコンバータのトポロジを開示している。バックコンバータの出力およびSEPICコンバータの出力は、互いに接続されており、バックコンバータのチョッパインダクタは、SEPICコンバータの出力側ダイオードの入力側に接続されている。
“Gules,R.et al.:A modified SEPIC converter with high static gain for renewable applications.In:Power Electronics Conference(COBEP),2011 Brazil,11−15 Sept.2011,162−167”は、従来のSEPICコンバータと比較して、追加のダイオードおよびキャパシタを備える改変されたSEPICコンバータを開示している。この場合、キャパシタは、SEPICコンバータの第2のインダクタと直列に接続されており、ダイオードは、第1のインダクタと、第2のインダクタとSEPICコンバータの追加のキャパシタとの間のノードへのスイッチとの間のノードを接続している。
独国特許出願公開第102009052461A1号明細書は、光起電力発電機から分離されたDC電圧リンクを充電するためのバックコンバータを開示している。この場合、バックコンバータは、1つのバックコンバータスイッチと、2つのバックコンバータダイオードと、結合された2つのバックコンバータインダクタとを備える。バックコンバータダイオードのうちの1つおよびバックコンバータインダクタのうちの1つは、分離されたDC電圧リンクの2つの直列に接続されたキャパシタのうちの1つと並列にそれぞれ接続されている。
本発明は、複数のDC電圧源からの複数のDC入力電圧に適したDC/DCコンバータでありながら、そのスイッチング素子がその全DC出力電圧で負荷されないDC/DCコンバータを提示するという課題に対処するものである。
本発明が対処する課題は、独立特許請求項1の特徴を有するDC/DCコンバータによって解決される。本発明によるDC/DCコンバータの好適な実施形態は、従属特許請求項2〜7に定義されている。さらなる従属特許請求項は、本発明によるDC/DCコンバータを備えるインバータおよび他の電気回路に関する。
第1の低圧端子点と、第2の低圧端子点と、第3の低圧端子点と、第1の高圧端子点と、第2の高圧端子点とを備える、本発明によるDC/DCコンバータでは、第1の低圧端子点および第2の低圧端子点が第1の低いDC電圧のための第1の低圧端子を形成し、第1の低圧端子点および第3の低圧端子点が第2の低いDC電圧のための第2の低圧端子を形成しており、第1の高圧端子点および第2の高圧端子点が高いDC電圧のための高圧端子を形成しており、第1の低圧端子点および第1の高圧端子点が互いに直接接続されており、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子が第1の高圧端子点と第2の高圧端子点との間に直列に接続されており、キャパシタが第2の低圧端子点と第3の低圧端子点との間に接続され、さらなるキャパシタンス、具体的にはさらなるキャパシタが第2の低圧端子点と第3の低圧端子点との間に直接接続されている。また、さらなるキャパシタンスは、2つのインダクタによって両極でキャパシタから減結合されている。すなわち、インダクタは、一方では第2の低圧端子点と第3の低圧端子点との間に、かつ他方ではキャパシタの2つの電極のうちの1つにそれぞれ位置している。したがって、能動的に駆動可能なスイッチング素子が能動的に駆動されると、キャパシタの電位のジャンプは、さらなるキャパシタンスと、第2の低圧端子点および第3の低圧端子点とに直接伝達されず、したがって、第1の低圧端子および第2の低圧端子にも伝達されない。この点に関して、前記電位のジャンプは、これらの入力に接続されたDC電圧源にも影響を及ぼさない。これにより、さらに詳述するように、特に低圧端子に対する多数のDC電圧源の並列接続が単純化される。キャパシタと直列に接続された能動的に駆動可能なスイッチング素子を駆動することにより、新規なDC/DCコンバータでは、低いDC電圧に関して高いDC電圧が設定され、この高いDC電圧は平均的な低いDC電圧よりも高く設定してもよい。
第1の低圧端子点および第1の高圧端子点が互いに直接接続されているという事実、およびさらなるキャパシタンスが第2の低圧端子点と第3の低圧端子点との間に直接接続されているという事実について本明細書で言及する限りに、かつ対応する文脈においても、「直接」とは、接続を介した電流の流れに著しい影響を及ぼす電気部品または電子部品が配置されていない、1つまたは複数の導電性の直流電気的な接続を意味する。しかしながら、これは、接続におけるわずかな抵抗、インダクタンスまたはキャパシタンスの存在を除外するものではない。
さらなるキャパシタンスをキャパシタから減結合する2つのインダクタは、電流補償インダクタの方式で電磁結合することができ、これは、コモンモードインダクタまたはコモンモードチョークとも呼ばれる。このとき、本発明によるDC/DCコンバータに結合されたインダクタは、コモンモード電流に対する高インダクタンス、および差動モード電流に対する低インダクタンスを有する。コモンモード信号に対する高インダクタンスでは、電磁結合されたインダクタは、さらなるキャパシタを、したがって第2の低圧端子点および第3の低圧端子点も、特にスイッチング素子と直列に接続されたキャパシタの電位のジャンプから減結合する。対照的に、差動モード信号に対する低インダクタンスにより、確実にキャパシタがさらなるキャパシタンスから迅速に充電されるようにする。2つの電磁結合されたインダクタのエネルギー蓄積能力は、従来の電流補償インダクタと比較して著しく大きくなるために好ましい。構造の点では、これらは、このようにさらなるキャパシタンスとキャパシタとの間に結合された正弦波フィルタのインダクタに対応する。ただし、2つのインダクタのうちの1つは「極性を反転させて」接続されている。
本発明によるDC/DCコンバータの説明において低圧端子点または高圧端子点と言う場合、これは必ずしも、DC/DCコンバータが前記低圧端子点または高圧端子点において終了していること、および例えば、DC電圧源が、これらの端子点に直接接続されなければならないことを意味するわけではない。むしろ、DC/DCコンバータは、低圧端子点の上流および高圧端子点の下流に位置する構成部品を有してもよい。しかしながら、DC/DCコンバータの動作中、低圧端子点と高圧端子点との間に低いDC電圧および高いDC電圧がそれぞれ存在している。この場合、低いDC電圧は、1つまたは複数のDC電圧源によって直接、または間接的に、すなわちコントローラを介在させて供給することができる。同様に、高いDC電圧は、直接、または間接的に、すなわちさらなるコントローラを介在させて用いることができる。
本発明によるDC/DCコンバータでは、第1の低圧端子点と、第2の低圧端子点および/または第3の低圧端子点との間に安定化用キャパシタを接続することができる。したがって、安定化用キャパシタは、第1の低圧端子点と第3の低圧端子点との間にさらなるキャパシタンスと直接直列に接続されている。
安定化用キャパシタおよびさらなるキャパシタンスの直列接続が、インダクタとともに、キャパシタの電位のジャンプをろ過して取り除くLCフィルタを形成することにより、低圧端子点における低いDC電圧を安定に保つようになっている。代替的または追加的に、安定化用キャパシタを第1の低圧端子点と第3の低圧端子点との間に接続してもよい。
本発明によるDC/DCコンバータでは、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子の直列接続と並列に、第1の高圧端子点と第2の高圧端子点との間にリンク回路キャパシタを接続してもよい。高いDC電圧は、次に、前記リンクキャパシタにわたって降下し、高いDC電圧を制御するために、リンクキャパシタが、キャパシタと直列に接続された能動的に駆動可能なスイッチング素子が駆動されるパルスの電圧を安定化させる。
本発明によるDC/DCコンバータを備える電気回路では、それぞれの場合に、DC電圧源が第1の低圧端子および/または第2の低圧端子に直接接続されてもよい。前記DC電圧源は、第1の低いDC電圧および/または第2の低いDC電圧を供給する。前記DC電圧源は、例えば、PV発電機またはバッテリもしくはキャパシタのような電気エネルギーの蓄積装置とすることができる。さらなるキャパシタおよびキャパシタの充電に用いられる2つの低いDC電圧間の差は、このとき、2つのDC電圧源によって直接既定される。
能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子およびさらなるブリッジスイッチング素子を備える少なくとも1つのハーフブリッジが第2の低圧端子点と第3の低圧端子点との間に接続され、ハーフブリッジの中心点が入力インダクタを介してさらなる低圧端子点に接続され、さらなる低圧端子点が第1の低圧端子点とともに、さらなるDC電圧源を接続するためのさらなる低圧端子を形成している場合には柔軟性が向上する。しかしながら、この場合、DC電圧源を「さらなる」DC電圧源として指定することは、単にDC電圧源が上記のハーフブリッジを介して接続されていることを意味するにすぎない。さらなるDC電圧源または複数のこのようなさらなるDC電圧源に加えて、第1の低圧端子または第2の低圧端子に直接接続されたDC電圧源を必ずしも設ける必要はない。その反面、ハーフブリッジを介して第2の低圧端子点および第3の低圧端子点にそれぞれ接続され、かつこの点で第1の低いDC電圧および第2の低いDC電圧の両方を供給するために用いることが可能な1つまたは複数のさらなるDC電圧源に加えて、低圧端子の何れかに直接接続されたDC電圧源を設けることができる。
ハーフブリッジを備える実施形態では、本発明によるDC/DCコンバータは、フライングキャパシタを備えるDC/DCコンバータに相当し、フライングキャパシタは、出力側のキャパシタおよび入力側のさらなるキャパシタンスに分かれており、それらはインダクタによって互いに減結合されている。
さらなるDC電圧源が光起電力発電機または他の何らかの純粋な発電機である場合、それぞれのハーフブリッジのさらなるブリッジスイッチング素子はダイオードとすることができる。しかしながら、さらなるDC電圧源が、放電も充電もされることを意図したバッテリまたは他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置である場合、それぞれのハーフブリッジは二方向で具体化しなければならない。そのために、さらなるブリッジスイッチング素子は、能動的に駆動可能でなければならず、その結果、ハーフブリッジにより、さらなる低圧端子点と第1の低圧端子点との間に電圧差を生じさせることが可能になることで、電気エネルギーの蓄積装置の充電方向および/または放電方向に所望の電流が得られるようになっている。
キャパシタと直列に接続されたさらなるスイッチング素子が能動的に駆動可能である場合、本発明によるDC/DCコンバータは、一方ではその第1の低圧端子点、第2の低圧端子点および第3の低圧端子点の間、かつ他方ではその第1の高圧端子点と第2の高圧端子点との間の二方向に動作することができる。このとき、DC電圧源またはさらなるDC電圧源として接続された電気エネルギーの蓄積装置を、DC/DCコンバータの高圧端子においてリンクからキャパシタを介して充電することができる。一般的に言っても、エネルギーは、低圧端子点から高圧端子点に流れなくてもよい。むしろ、本発明によるDC/DCコンバータは、逆のエネルギーの流れに対して、さらには交番する(二方向の)エネルギーの流れに対して適切なスイッチング素子を選択することによって高度化することができる。
特に、本発明によるDC/DCコンバータでは、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子およびさらなるブリッジスイッチング素子をそれぞれが備える少なくとも2つのハーフブリッジが、第2の低圧端子点と第3の低圧端子点との間に並列に接続され、それぞれのハーフブリッジの中心点が入力インダクタを介してさらなる低圧端子点にそれぞれ接続され、さらなる低圧端子点が第1の低圧端子点とともに、それぞれのさらなるDC電圧源を接続するためのそれぞれのさらなる低圧端子を形成している。2つのさらなるDC電圧源が異なる光起電力発電機である場合(ここで、異なるとは、それぞれの光起電力モジュールの配列の違いまたは光起電力発電機間のごくわずかな変形を包含する)、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を相応に駆動することにより、光起電力発電機のそれぞれに対して別個のMPP追従を行うことができる。すなわち、光起電力発電機の電圧を異なるように昇圧することにより、光起電力発電機の異なる動作点を設定し、この動作点において、それぞれの光起電力発電機は最大出力で発電する。
さらなるDC電圧源は、1つまたは複数の光起電力発電機に加えて、バッテリを備えてもよい。前記バッテリは、このとき、光起電力発電機から直接充電することができる。バッテリのこの充電は、バッテリのハーフブリッジの能動的に駆動可能なスイッチング素子を駆動することにより、個々の光起電力発電機のMPP追従と無関係に行うことができる。なぜなら、バッテリの充電を駆動する電圧が調整可能であるからである。
言うまでもなく、本発明によるDC/DCコンバータのキャパシタ、さらなるキャパシタンス、各安定化用キャパシタ、および各リンク回路キャパシタは、互いに独立して、複数の個々のキャパシタの直列および/または並列接続を含むことができる。
バッテリまたは他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置を用いて、さらなるキャパシタンスを、具体的には、さらなるキャパシタと並列に、またはさらなるキャパシタの代わりに形成することがさらに可能である。
本発明によるDC/DCコンバータの追加の低圧端子点は、第2の高圧端子点に直接接続することができる。前記追加の低圧端子点は、第2の低圧端子点、第3の低圧端子点またはさらなる低圧端子点とともに、第3の低圧端子、第4の低圧端子またはさらなる低圧端子を形成し、これらの低圧端子にDC電圧源を同様に接続することができる。このとき、前記DC電圧源は、第1の低圧端子点に接続されている各DC電圧源と異なる基準電位を有する。
本発明の有利な発展形態は、特許請求の範囲、本明細書および図面から明らかである。本明細書において言及されている特徴の利点および複数の特徴の組み合わせの利点は、例示に過ぎず、本発明による実施形態によって利点を達成することを必ずしも必要とせずに代替的または累積的にもたらされてもよい。添付の特許請求の範囲の主題をこれにより変更することなく、以下のことが原出願の明細書および本特許の開示内容に当てはまる。さらなる特徴は、図面から−特に、図示された形状および複数の構成要素の互いに対する相対的寸法から、かつそれらの相対的配置および連動からも収集することができる。特許請求項の選択された従属的な参照から逸脱して、本発明の様々な実施形態の特徴または様々な特許請求項の特徴を組み合わることも同様に可能であり、本明細書によって示唆されている。これは、別個の図面に示されたまたは本明細書で言及されたそのような特徴にも関係する。これらの特徴を、様々な特許請求項の特徴と組み合わせることも可能である。本発明のさらなる実施形態に対する特許請求項において存在する特徴を省略することも同様に可能である。
特許請求の範囲および本明細書で言及された特徴は、それらの数に関して、正確にその数または言及された数よりも大きい数が存在するように理解されるものとし、副詞「少なくとも」を使用して明確に表現する必要はない。したがって、例えば、あるキャパシタについて言及される場合、これは正確に1つのキャパシタであるか、または2つもしくは3つ以上のキャパシタが存在していることを意味すると理解されるものとする。これらの特徴は、他の特徴によって補足されてもよく、またはそれぞれの産物が構成する唯一の特徴とすることができる。
特許請求の範囲に含まれる参照符号は、特許請求項によって保護される主題の範囲を限定するものではない。それらは、単に特許請求項を理解し易くする目的を果たすにすぎない。
本発明を、図に示される例示的な実施形態に基づいて以下に説明し、記述する。
図1に示されているDC/DCコンバータ1は、第1の低圧端子点2と、第2の低圧端子点3と、第3の低圧端子点4とを備える。第2の低圧端子点3および第3の低圧端子点4は、第1の低いDC電圧U1のための第1の低圧端子5を形成している。第1の低圧端子点2および第3の低圧端子点4は、第2の低いDC電圧U2のための第2の低圧端子6を形成している。DC/DCコンバータ1の第1の高圧端子点7および第2の高圧端子点8が高いDC電圧UAのための高圧端子55を形成している。第1の低圧端子点2は、第1の高圧端子点7に直接接続されている。能動的に駆動可能なスイッチング素子9、キャパシタ10およびさらなるスイッチング素子11が高圧端子点7と第2の高圧端子点8との間に直列に接続されている。キャパシタ10を一方の側で一時的に第1の高圧端子点7に接続させるために、能動的に駆動可能なスイッチング素子9は、コントローラ13による駆動信号12により駆動可能である。本明細書におけるさらなるスイッチング素子11は、能動的に駆動可能なスイッチング素子9が閉じている場合には常に阻止しているダイオード14である。キャパシタ10は、第2の低圧端子点3と第3の低圧端子点4との間にさらに接続されているが、直接ではなく、むしろインダクタ17、18を介在させて電磁結合15で接続されている。対照的に、さらなるキャパシタンス16は、本明細書では、さらなるキャパシタ60の形態で、第2の低圧端子点3と第3の低圧端子点4との間に直接接続されている。2つのキャパシタ10および60は、このように互いに並列に接続されているが、原則として、この場合、それらはインダクタ17、18によって減結合されている。インダクタ17、18の電磁結合15のタイプは、電流補償インダクタのタイプに対応している。すなわち、結合されているインダクタ17、18は、キャパシタ10と60との間の差動モード電流に対する低インダクタンスおよびコモンモード電流に対する高インダクタンスを有する。このように、スイッチング素子9が駆動されるとキャパシタ10において生じる電位のジャンプは、さらなるキャパシタ60から遠ざけられるが、同時に2つのキャパシタ10および60間の電圧差は速やかに補償される。なぜなら、補償電流は、結合されたインダクタ17、18が事実上インピーダンスなしで対向する差動モード電流であるからである。言うまでもなく、この場合、キャパシタ10および60の実際に実施される電圧結合およびまた起こり得る減結合は、インダクタ17、18の設計およびこれらインダクタの電磁結合15、特に、漏れインダクタンスによって決まる。さらに、それらは、低いDC電圧U1を供給するDC電圧源の特性によって決まる。
図2による本発明によるDC/DCコンバータ1の実施形態は、図1による実施形態に対してさらなる構成要素が補足されており、以下にその詳細を明記する。安定化用キャパシタ19が第1の低圧端子点2と第2の低圧端子点3との間に接続されており、この安定化用キャパシタは、第1の低いDC電圧U1によって充電され、前記低いDC電圧U1を安定化させることで、入力端子点3の電位に関して、さらなるキャパシタンス16が前記安定化用キャパシタにおいて支持されるようになっている。電磁結合されたインダクタ17、18による、さらなるキャパシタンス16のキャパシタ10からの減結合は、このように支持される。リンクキャパシタ20が高圧端子点7および8間に接続されており、このリンクキャパシタは、高いDC電圧UAを安定化させるとともに、電圧リンク回路21を形成している。能動的に駆動可能なスイッチング素子9は、本明細書では半導体スイッチとして、具体的には、逆ダイオード23を有するトランジスタ22として具体化されている。さらなるスイッチング素子11も、本明細書ではトランジスタ24の形態をした能動的に駆動可能なスイッチング素子24であり、その逆ダイオードはダイオード14を形成している。能動的に駆動可能なスイッチング素子24は、コントローラ13によるさらなる駆動信号25によって駆動可能である。このように、DC/DCコンバータ1は、二方向に動作可能であり、さらなるキャパシタンス16は、電圧リンク21からキャパシタ10を介して充電することができる。
本発明によるDC/DCコンバータ1では、能動的に駆動可能なスイッチング素子9およびさらなるスイッチング素子11は、最高DC電圧UA用に設計する必要はなく、むしろ高いDC電圧UAとキャパシタ10にわたって降下した電圧との間の差についてのみ設計すればよい。低いDC電圧U1およびU2は、例えば2つの異なる光起電力発電機によって供給することができる。便宜上、低いDC電圧U2は、低いDC電圧U1よりも常に大きい。
図2は、任意選択的な追加の低圧端子点58を破線で示しており、追加の低圧端子点は、第2の高圧端子点8に直接接続されており、また、追加の安定化用キャパシタ59を介して第3の低圧端子点4に接続されている。このようにして、異なる基準電位をそれぞれ有する第3の低圧端子61および第4の低圧端子62が設けられ、これらの端子に代替のDC電圧源または追加のDC電圧源を接続させることができる。
図3によるDC/DCコンバータ1の実施形態は、複数のハーフブリッジ26〜29が低圧端子点3と4との間でさらなるキャパシタンス16と並列に接続されている点で、図2による実施形態と異なっており、複数のハーフブリッジは、それぞれ能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子30およびさらなるブリッジスイッチング素子31で構成されている。ハーフブリッジ26〜28の場合、さらなるブリッジスイッチング素子31は、ダイオード32である。ハーフブリッジ29の場合、さらなるブリッジスイッチング素子31は、さらなる能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子53である。能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子30および53は、コントローラ13による制御信号33〜37で駆動される。入力インダクタ42〜45がハーフブリッジ26〜29の中心点38〜41に接続されており、さらなる低圧端子点46〜49に通じている。DC電圧源50が第1の低圧端子点2とさらなる低圧端子点46〜49のそれぞれとの間に接続されている。DC電圧源50は、さらなる低圧端子点46〜48の場合、それぞれの光起電力発電機51を含み、さらなる低圧端子点49の場合、バッテリ52を含んでいる。これは、バッテリ52が、2つの能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子30および53を備えるハーフブリッジ29を介して第2の低圧端子点3および第3の低圧端子点4に接続されている一方で、光起電力発電機51が、それぞれ能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子30およびダイオード32を備えるハーフブリッジ26〜28のうちの1つを介して前記低圧端子点3および4に接続されていることを意味する。ハーフブリッジ26〜28のブリッジスイッチング素子30を駆動することにより、適切な低いDC電圧U1およびU2で、例えばMPP追従目的で、個々の光起電力発電機51の動作電圧を設定することが可能である。この場合、それぞれのハーフブリッジ26〜28は、関連付けされた入力インダクタ42〜44と協働して昇圧コンバータとして運転される。ハーフブリッジ29のブリッジスイッチング素子30および53の駆動は、バッテリ52が充電されているか、または放電されているかを判定するが、この判定は、さらなる低圧端子点49において設定された電圧がバッテリ52に対して充電電圧を構成しているか、または放電電圧を構成しているかによって決まる。キャパシタ10と直列に接続された能動的に駆動可能なスイッチング素子24を用いて、高いDC電圧リンク回路21からバッテリ52を充電してもよい。破線で図示された追加の光起電力発電機54は、低圧端子点2および3間に直接接続することができる。同様に、追加の光起電力発電機(ここでは図示されない)を低圧端子点2および4間に直接接続することができる。入力インダクタ42〜45のインダクタンスをごくわずかとすることができ、これにより、入力インダクタ42〜45は、ハーフブリッジ26〜29と協働する昇圧コンバータのインダクタとして低いDC電圧の部分のみで負荷されるため、プリント回路基板に実装可能になっている。前記部分は、DC電圧源50間に小さい電圧差のみがある場合に小さく保たれる。本明細書では、DC/ACコンバータ56がDC/DCコンバータ1の高圧端子55に接続され、電圧リンク21からAC電圧グリッド57に電気エネルギーを供給するために、高いDC電圧UAを反転させる。図3に全体として図示された電気回路は、DC/ACコンバータ56を備えるインバータの電気回路であって、上流に本発明によるDC/DCコンバータが接続されている電気回路である。
特許請求の範囲に包含されずに、図3に図示されたDC/DCコンバータ1の改変形態も独立した発明として本明細書において開示されている。この改変形態では、キャパシタ10とさらなるキャパシタンス16との間にインダクタ17および18が存在せず、また、キャパシタ10およびさらなるキャパシタンス16を組み合わせて単一のキャパシタを形成してもよい。このとき、DC/DCコンバータ1は、フライングキャパシタを備えるDC/DCコンバータであって、異なる低いDC電圧を有する複数のDC電圧源を接続可能にするために、複数のハーフブリッジがフライングキャパシタと並列に接続された、DC/DCコンバータに相当する。
この改変されたDC/DCコンバータ1および本発明によるDC/DCコンバータ1の場合、スイッチング素子9および24は、それぞれ必要に応じて複数のサブスイッチング素子に分けることができる。このとき、追加のフライングキャパシタを前記サブスイッチング素子間に接続してもよい。
1 DC/DCコンバータ
2 第1の低圧端子点
3 第2の低圧端子点
4 第3の低圧端子点
5 第1の低圧端子
6 第2の低圧端子
7 第1の高圧端子点
8 第2の高圧端子点
9 能動的に駆動可能なスイッチング素子
10 キャパシタ
11 さらなるスイッチング素子
12 駆動信号
13 コントローラ
14 ダイオード
15 電磁結合
16 さらなるキャパシタンス
17 インダクタ
18 インダクタ
19 安定化用キャパシタ
20 リンクキャパシタ
21 電圧リンク回路
22 トランジスタ
23 逆ダイオード
24 能動的に駆動可能なスイッチング素子
25 制御信号
26 ハーフブリッジ
27 ハーフブリッジ
28 ハーフブリッジ
29 ハーフブリッジ
30 能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子
31 さらなるブリッジスイッチング素子
32 ダイオード
34 駆動信号
35 駆動信号
36 駆動信号
37 駆動信号
38 中心点
39 中心点
40 中心点
41 中心点
42 入力インダクタ
43 入力インダクタ
44 入力インダクタ
45 入力インダクタ
46 さらなる低圧端子点
47 さらなる低圧端子点
48 さらなる低圧端子点
49 さらなる低圧端子点
50 DC電圧源
51 光起電力発電機
52 バッテリ
53 さらなる能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子
54 光起電力発電機
55 高圧端子
56 DC/ACコンバータ
57 AC電圧グリッド
58 低圧端子点
59 安定化用キャパシタ
60 さらなるキャパシタ
61 第3の低圧端子
62 第4の低圧端子
U1 第1の低いDC電圧
U2 第2の低いDC電圧
UA 高いDC電圧
2 第1の低圧端子点
3 第2の低圧端子点
4 第3の低圧端子点
5 第1の低圧端子
6 第2の低圧端子
7 第1の高圧端子点
8 第2の高圧端子点
9 能動的に駆動可能なスイッチング素子
10 キャパシタ
11 さらなるスイッチング素子
12 駆動信号
13 コントローラ
14 ダイオード
15 電磁結合
16 さらなるキャパシタンス
17 インダクタ
18 インダクタ
19 安定化用キャパシタ
20 リンクキャパシタ
21 電圧リンク回路
22 トランジスタ
23 逆ダイオード
24 能動的に駆動可能なスイッチング素子
25 制御信号
26 ハーフブリッジ
27 ハーフブリッジ
28 ハーフブリッジ
29 ハーフブリッジ
30 能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子
31 さらなるブリッジスイッチング素子
32 ダイオード
34 駆動信号
35 駆動信号
36 駆動信号
37 駆動信号
38 中心点
39 中心点
40 中心点
41 中心点
42 入力インダクタ
43 入力インダクタ
44 入力インダクタ
45 入力インダクタ
46 さらなる低圧端子点
47 さらなる低圧端子点
48 さらなる低圧端子点
49 さらなる低圧端子点
50 DC電圧源
51 光起電力発電機
52 バッテリ
53 さらなる能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子
54 光起電力発電機
55 高圧端子
56 DC/ACコンバータ
57 AC電圧グリッド
58 低圧端子点
59 安定化用キャパシタ
60 さらなるキャパシタ
61 第3の低圧端子
62 第4の低圧端子
U1 第1の低いDC電圧
U2 第2の低いDC電圧
UA 高いDC電圧
Claims (15)
- DC/DCコンバータ(1)であって、
第1の低圧端子点(2)、第2の低圧端子点(3)および第3の低圧端子点(4)と、
第1の高圧端子点(7)および第2の高圧端子点(8)と
を備え、
前記第1の低圧端子点(2)および前記第1の高圧端子点(7)が互いに直接接続されており、
能動的に駆動可能なスイッチング素子(9)、キャパシタ(10)およびさらなるスイッチング素子(11)が前記第1の高圧端子点(7)と前記第2の高圧端子点(8)との間に直列に接続されており、
前記キャパシタ(10)が前記第2の低圧端子点(3)と前記第3の低圧端子点(4)との間に接続されている、DC/DCコンバータ(1)において、
さらなるキャパシタンス(16)が前記第2の低圧端子点(3)と前記第3の低圧端子点(4)との間に直接接続されていることと、
前記さらなるキャパシタンス(16)が2つのインダクタ(17、18)によって両極で前記キャパシタ(10)から減結合されていることと
を特徴とする、DC/DCコンバータ(1)。 - 請求項1に記載のDC/DCコンバータ(1)において、前記2つのインダクタ(17、18)が電流補償インダクタの方式で電磁結合されていることを特徴とする、DC/DCコンバータ(1)。
- 請求項1または2に記載のDC/DCコンバータ(1)において、安定化用キャパシタ(19)が前記第1の低圧端子点(2)と前記第2の低圧端子点(3)または前記第3の低圧端子点(4)との間に接続されていることを特徴とする、DC/DCコンバータ(1)。
- 請求項1乃至3の何れか1項に記載のDC/DCコンバータ(1)において、前記能動的に駆動可能なスイッチング素子(9)、前記キャパシタ(10)および前記さらなるスイッチング素子(11)の前記直列接続と並列に、リンクキャパシタ(20)が前記第1の高圧端子点(7)と前記第2の高圧端子点(8)との間に接続されていることを特徴とする、DC/DCコンバータ(1)。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載のDC/DCコンバータ(1)において、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子(30)およびさらなるブリッジスイッチング素子(31)を備える少なくとも1つのハーフブリッジ(26〜29)が前記第2の低圧端子点(3)と前記第3の低圧端子点(4)との間に接続されており、前記ハーフブリッジ(26〜29)の中心点(38〜41)が入力インダクタ(42〜45)を介してさらなる低圧端子点(46〜49)に接続されていることを特徴とする、DC/DCコンバータ(1)。
- 請求項1乃至5の何れか1項に記載のDC/DCコンバータ(1)において、前記さらなるスイッチング素子(11)がさらなる能動的に駆動可能なスイッチング素子(24)であることを特徴とする、DC/DCコンバータ(1)。
- 請求項1乃至6の何れか1項に記載のDC/DCコンバータ(1)において、追加の低圧端子点(58)が前記第2の高圧端子点(8)に直接接続されていることを特徴とする、DC/DCコンバータ(1)。
- DC/ACコンバータ(56)と、請求項1乃至7の何れか1項に記載のDC/DCコンバータ(1)とを備えるインバータにおいて、前記DC/ACコンバータ(56)が前記DC/DCコンバータ(1)の高圧端子(55)に接続されており、高いDC電圧(UA)から給電され、かつAC電圧グリッド(57)に給電することを特徴とする、インバータ。
- 請求項1乃至7の何れか1項に記載のDC/DCコンバータ(1)を備える電気回路または請求項8に記載のインバータにおいて、それぞれの場合に、DC電圧源が、一方では前記第1の低圧端子点(2)に、かつ他方では前記第2の低圧端子点(3)に直接接続され、およびまた一方では前記第1の低圧端子点(2)に、かつ他方では前記第2の低圧端子点(3)にも直接接続されていることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
- 請求項5に記載のDC/DCコンバータ(1)を備える電気回路、または請求項5に記載のDC/DCコンバータ(1)を備える請求項8に記載のインバータにおいて、DC電圧源(50)が、一方では前記第1の低圧端子点(2)に、かつ他方では前記さらなる低圧端子点(46〜49)に接続されていることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
- 請求項10に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記DC電圧源(50)が光起電力発電機(51)であり、前記さらなるブリッジスイッチング素子(31)がダイオード(32)であることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
- 請求項10に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記DC電圧源(50)がバッテリ(52)および/または他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置であり、前記さらなるブリッジスイッチング素子(31)がさらなる能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子(53)であることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
- 請求項5に記載のDC/DCコンバータ(1)を備える電気回路、または請求項5に記載のDC/DCコンバータ(1)を備える請求項8に記載のインバータにおいて、それぞれの場合に、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子(30)と、さらなるブリッジスイッチング素子(31)とを備える少なくとも2つのハーフブリッジ(26〜29)が前記第2の入力端子点(3)と前記第3の入力端子点(4)との間に接続されており、前記それぞれのハーフブリッジ(26〜29)の中心点(38〜41)が入力インダクタ(42〜45)を介してさらなる入力端子点(46〜49)にそれぞれ接続されており、それぞれの場合に、DC電圧源(50)が、一方では前記第1の低圧端子点(2)に、かつ他方では前記さらなる低圧端子点(46〜49)に接続されていることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
- 請求項13に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記DC電圧源(50)のうちの少なくとも2つが異なる光起電力発電機(51)であることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
- 請求項13または14に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記DC電圧源(50)がバッテリ(52)および/または他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置を備えることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
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