DE112009001793T5

DE112009001793T5 - Leistungsumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112009001793T5
Application number: DE112009001793T
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Tokyo Kawakami; Akihiko Tokyo Iwata; Tatsuya Tokyo Okuda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: US20110121661A1; JPWO2010010710A1; CN103038990A; WO2010010710A1; US8754549B2; JP5028525B2; CN103038990B; DE112009001793B4

Abstract

Leistungsumwandlungsvorrichtung, welche enthält: eine Inverter-Schaltung, welche einen oder mehrere Einzelphasen-Inverter enthält, welche jeweils zumindest eine Halbleiter-Umschaltvorrichtung und eine Gleichspannungsquelle enthalten, und welche an ihren AC-Seiten seriell verbunden sind, und welche eine AC-Seite hat, welche in Serie mit einem Ausgang von einer Gleichstrom-Leistungsversorgung verbunden ist, wodurch eine gesamte Summe von Ausgaben von den Einzelphasen-Invertern auf eine Ausgabe von der Gleichstrom-Leistungsversorgung überlagert wird; einen Glättungskondensator, welcher eine Ausgabe von der Inverter-Schaltung glättet, welcher mit der Inverter-Schaltung an ihrer nachfolgenden Stufe über ein Element zum Umschalten zwischen einem leitfähigen Zustand und einem nicht-leitfähigen Zustand verbunden ist; und einen Kurzschluss-Umschalter, welcher ein Ende hat, welches mit der Inverter-Schaltung verbunden ist, und wobei das weitere Ende mit einem negativen Anschluss des Glättungskondensators verbunden ist, wobei eine DC/DC-Umwandlung durch Anwenden von einer Aufladung/Entladung von einer Gleichstromleistung in der Inverter-Schaltung durchgeführt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, welche eine Gleichstromleistung einer Gleichstromleistungsversorgung in eine Gleichstromleistung umwandelt, welche eine unterschiedliche Spannung hat.
STAND DER TECHNIK
Verstärkungsschaltungen, welche als eine herkömmliche Leistungsumwandlungsvorrichtung wirken, sind durch eine Umschaltvorrichtung, eine Spule, eine Diode und einen Glättungs-Elektrolytkondensator, welcher an der Ausgangsseite bereitgestellt ist, aufgebaut. Eine Eingangsspannung von einer Solarbatterie, welche durch einen Glättungs-Elektrolytkondensator geglättet ist, welche der Eingangsseite bereitgestellt ist, wird einer Inverterschaltung in der nachfolgenden Stufe zugeführt, nachdem sie durch ein Ein- und Ausschalten von der Umschaltvorrichtung von einer Verstärkerschaltung verstärkt wurde, oder nachdem sie ohne Verstärkung dadurch durchlaufen ist (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).

[Patenliteratur 1] Japanisches Patent No. 3941346

BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
PROBLEME, WELCHE DURCH DIE VORLIEGENDE ERFINDUNG ZU LOSEN SIND
Bei einer solchen Leistungsumwandlungsvorrichtung ist ein Reaktor, welcher eine höhere Kapazität hat, erforderlich, wodurch die Größe der Ausgangsleistung zunimmt, welches ein Problem der Zunahme der Größe oder des Gewichts von der Vorrichtung zur Folge hat. Zusätzlich verursacht eine hochfrequente Umschaltung durch eine Umschaltvorrichtung, um das zuvor beschriebene Problem zu vermeiden, einen hohen Verlust oder Rauschen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leistungsverlust und Rauschen in Leistungsumwandlungsvorrichtungen, welche eine DC/DC-Umwandlung durchführen, zu reduzieren, und die Reduktion in der Größe und eine Gewichtseinsparung von den Vorrichtungen zu erzielen.
LÖSUNG DER PROBLEME
Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: eine Inverterschaltung, welche einen oder mehrere Einzelphasen-Inverter enthält, welche jeweils eine Halbleiter-Umschaltvorrichtung und eine Gleichspannungsquelle enthalten, und welche an ihren Wechselspannungsseiten in Serie verbunden sind, und welche eine Gleichspannungsseite hat, welche in Serie mit einem Ausgang von einer Gleichspannungsleistungsversorgung verbunden ist, wodurch eine Gesamtsumme von Ausgaben von den Einzelphasen-Invertern auf eine Ausgabe von der Gleichspannungsleistungsversorgung überlagert wird; einen Glättungskondensator, welcher eine Ausgabe von der Inverterschaltung glättet, welche über ein Element zum Umschalten zwischen einem leitfähigen Zustand und einem nicht-leitfähigen Zustand mit der Inverterschaltung in seiner nachfolgenden Stufe verbunden ist; und einen Kurzschluss-Umschalter, welcher ein Ende hat, welches mit der Inverterschaltung verbunden ist, und ein anderes Ende hat, welches mit einem negativen Anschluss von dem Glättungskondensator verbunden ist. Eine DC/DC-Umwandlung wird unter Verwendung von einer Aufladung/Entladung von einer Gleichstromleistung in der Inverterschaltung durchgeführt.
WIRKUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine DC/DC-Umwandlung unter Verwendung von einer Aufladung/Entladung von einer Gleichstromleistung in der Inverterschaltung durchgeführt, und ist daher kein Reaktor mit einer hohen Kapazität erforderlich. Zusätzlich, da der Kurzschluss-Umschalter und die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen in der Inverterschaltung keine Hochfrequenz-Umschaltung durchführen müssen, kann eine relativ niedrige Spannung als eine Spannung zum Umschalten in der Inverterschaltung verwendet werden. Daher ist es möglich, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zu realisieren, welche eine Reduktion im Leistungsverlust und des Rauschens ermöglicht, und welche ebenso eine Größenreduktion und eine Gewichtseinsparung von der Vorrichtung ermöglicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist ein Schaltplan, welcher einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
10 ist ein Schaubild, welches eine Liste von Betrieben von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
16 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
17 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
18 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
19 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einem modifizierten Beispiel von Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
20 ist ein Schaubild von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
21 ist ein Ablaufdiagramm; welches einen Betrieb von einer Steuersektion gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
22 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
23 ist ein Wellenformdiagramm, welches einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Steuermodus A gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung darstellt.
24 ist ein Wellenformdiagramm, welches einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Steuermodus B gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung darstellt.
25 ist ein Wellenformdiagramm, welches einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Steuermodus C gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung darstellt.
26 ist ein Wellenformdiagramm, welches einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Steuermodus D gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung darstellt.
27 ist ein Schaubild, welches eine Liste von Betrieben von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt.
28 ist ein Schaubild, welches eine Relation von Kondensator-Spannungen in Relation zu der Gleichstromleistungs-Versorgungsspannung in der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt.
29 ist ein Schaubild, welches Ausgabe-Charakteristiken von einer Solarbatterie zeigt.
30 ist ein Wellenformdiagramm, welches einen Betrieb von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Steuermodus E gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung darstellt.
31 ist ein Wellenformdiagramm, welches einen Betrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Steuermodus D gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung darstellt.
32 ist ein Schaubild, welches eine Liste von Betrieben von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
33 ist ein Schaubild, welches eine Relation von Kondensator-Spannungen in Relation zu der Gleichstromleistungs-Versorgungsspannung in der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
34 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung.
35 ist ein Schaubild, welches mögliche Spannungspegel von der gesamten Ausgangsspannung von einer Inverterschaltung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung zeigt.
36 ist ein Schaubild, welches mögliche Spannungspegel von der gesamten Ausgabespannung von der Inverterschaltung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung zeigt.
37 ist ein Schaubild, welches eine Relation von Kondensator-Spannungen in Relation zu der Gleichstromleistungs-Versorgungsspannung in der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung zeigt.
38 ist ein Schaubild, welches eine Relation von Kondensator-Spannungen in Relation zu der Gleichstromspannungs-Versorgungsspannung in der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß eines modifizierten Beispiels von Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung zeigt.
39 ist ein Schaubild von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung.
40 ist ein Schaubild, welches einen Steuermodus-Umschaltbetrieb gemäß Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung darstellt.
41 ist ein Schaubild, welches einen Steuermodus-Umschaltbetrieb gemäß Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung darstellt.
42 ist ein Schaubild, welches ein Vergleichsbeispiel des Beispiels in 41 darstellt.
43 ist ein Schaubild von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß eines modifizierten Beispiels von Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung.
BESTER MODUS ZUR DURCHFÜHRUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Ausführungsform 1
Im Folgenden wird eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Schaubild von einer Hauptschaltung der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 dargestellt, ist am Ausgang von einer Gleichstrom-Leistungsversorgung 1, welche beispielsweise als eine Solarbatterie oder dergleichen ausgebildet ist, eine Wechselstrom-Seite von einer Inverterschaltung 20 in Serie verbunden. Die Inverterschaltung 20 enthält einen ersten Einzelphase-Inverter 20a und einen zweiten Einzelphase-Inverter 20b, wobei ihre Wechselstromseiten miteinander in Serie verbunden sind, und welche, als eine Ausgabe von der Inverterschaltung 20, eine Gesamtsumme von Ausgaben von den Einzelphase-Invertern 20a und 20b auf eine Gleichspannung von der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 überlagert. Der erste Einzelphasen-Inverter 20a von der Inverterschaltung 20 enthält Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 21 bis 24 und einen ersten Kondensator 25, welcher als eine Gleichspannungsquelle wirkt, wobei der zweite Einzelphasen-Inverter 20b von der Inverterschaltung 20 Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 31 bis 34 und einen zweiten Kondensator 35 enthält, welcher als eine Gleichspannungsquelle wirkt. Hierbei wird als Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 21 bis 24 und 31 bis 34 ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), welcher Invers-Parallel-Diode hat, oder ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), welcher eine eingebaute Körper-Diode hat, welche zwischen Source und Drain angeordnet ist, verwendet.
Zusätzlich sind ein Kurzschluss-Umschalter 4 und eine Gleichrichterdiode 5, welche ein Element zum Umschalten zwischen einem leitfähigen Zustand und einem nicht-leitfähigen Zustand ist, mit jener Stufe verbunden, welche der Inverterschaltung 20 nachfolgt. Die Kathodenseite von der Gleichrichterdiode 5 ist mit dem positiven Anschluss von dem Glättungskondensator 6 in der Ausgangsstufe verbunden. Hier ist ein Verbindungspunkt zwischen einem Ende von dem Kurzschluss-Umschalter 4 und der Anode von der Gleichrichterdiode 5 mit einer Wechselstrom-Ausgangsleitung in jener Stufe, welche der Inverterschaltung 20 nachfolgt, verbunden, und wird das weitere Ende von dem Kurzschluss-Umschalter 4 mit dem negativen Anschluss von dem Glättungskondensator 6 verbunden. Zusätzlich kann der Kurzschluss-Umschalter 4 eine Halbleiter-Umschaltvorrichtung, wie beispielsweise ein IGBT und ein MOSFET, oder ein mechanischer Umschalter, und dergleichen sein.
Die Betriebe der somit aufgebauten Leistungsumwandlungsvorrichtung werden im Folgenden mit Bezug auf 2 bis 5 beschrieben. Hier wird der Betrieb der Verstärkung von der Spannung des Glättungskondensators 6 an der Ausgangsseite von der Vorrichtung auf 240 V beschrieben. 2 bis 4 stellen einen Fall dar, bei welchem die Spannung von der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 gleich 60 V beträgt, 5 und 6 stellen einen Fall dar, bei welchem die Spannung von der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 gleich 120 V beträgt, und stellen 7 bis 9 einen Fall dar, bei welchem die Spannung von der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 gleich 180 V beträgt. Zusätzlich zeigt 10 eine Liste von den zuvor beschriebenen Betrieben. Es ist zu erwähnen, dass S den Kurzschluss-Umschalter 4 darstellt; PV die Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 darstellt; C1 und C2 jeweils den ersten Kondensator 25 und den zweiten Kondensator 35 darstellen; und Co den Glättungskondensator 6 darstellt. Die von C1 und C2 entladene Spannung wird als eine positive Spannung dargestellt, und jene Spannung, welche in C1 und C2 geladen wird, wird durch eine negative Spannung dargestellt. Zusätzlich beträgt die Einstellspannung, welche auf den ersten Kondensator 25 des ersten Einzelphase-Inverters 20a eingestellt wird, gleich 60 V, wobei die Einstellspannung, welche auf den zweiten Kondensator 35 des zweiten Einzelphase-Inverters 20b eingestellt wird, gleich 120 V beträgt.
Zunächst wird ein Betrieb jenes Falls, bei welchem die Spannung der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 gleich 60 V beträgt, beschrieben.
Zunächst, wie als Fall A1 in 2 dargestellt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 21, 24, 32 und 34 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet werden, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem EIN-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 entlang des im Folgenden beschriebenen Pfades, und wird der erste Kondensator 25 auf bis zu 60 V aufgeladen.
Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 21 → erster Kondensator 25 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 24 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 32 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 34 → Kurzschluss-Umschalter 4 → Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1.
Als Nächstes, wie als Fall A2 in 3 dargestellt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 22, 23, 31 und 34 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet werden, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem EIN-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 entlang des im Folgenden beschriebenen Pfades, und wird der zweite Kondensator 35 auf bis zu 120 V aufgeladen, und zwar mit der Summe der Spannung der Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des ersten Kondensators 25.
Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 22 → erster Kondensator 25 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 23 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 31 → zweiter Kondensator 35 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 34 → Kurzschluss-Umschalter 4 → Gleichspannungs-Leistungsversorgung 1.
Als Nächstes, wie als ein Fall A3 in 4 dargestellt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 22, 23, 32 und 33 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet werden, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 entlang des im Folgenden beschriebenen Pfades, und wird der Glättungskondensator 6 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe aus der Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1, der Spannung des ersten Kondensators 25 und der Spannung des zweiten Kondensators 35 ist, wodurch der Verstärkungsbetrieb damit vollendet ist.
Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 22 → erster Kondensator 25 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 23 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 32 → zweiter Kondensator 35 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 33 → Gleichrichterdiode 5 → Glättungskondensator 6.
Auf diese Art und Weise wird in Fällen A1 und A2, wenn die Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 60 V beträgt, die Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 aufgeladen, während der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet wird, und der Glättungskondensator 6 umgangen wird. Im Fall A1 wird der erste Einzelphasen-Inverter 20a dazu gesteuert, den ersten Kondensator 25 aufzuladen, und gibt der zweite Einzelphasen-Inverter 20b Null aus. Im Fall A2 wird der zweite Einzelphasen-Inverter 20b dazu gesteuert, den zweiten Kondensator 35 aufzuladen. In diesem Fall entlädt der erste Einzelphasen-Inverter 20a den ersten Kondensator 25, jedoch wird in der Inverterschaltung 20 insgesamt eine Gleichstromleistung aufgeladen. Dann, wie abermals im Fall A1, wird der erste Kondensator 25 aufgeladen. Demgemäß können sowohl der erste Kondensator 25 als auch der zweite Kondensator 35 aufgeladen werden.
Im Fall A3 wird danach die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 entladen, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist. In diesem Fall, wenn der erste Einzelphasen-Inverter 20a und der zweite Einzelphasen-Inverter 20b derart gesteuert sind, dass sie jeweils den ersten Kondensator 25 und den zweiten Kondensator 35 entladen, beträgt die Summe der Spannungen von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und dem ersten und zweiten Kondensator 25 und 35 gleich 240 V, und wird somit die Spannung des Glättungskondensators 6 über die Gleichrichterdiode 5 auf bis zu 240 V verstärkt.
Zweitens wird ein Betrieb in jenem Fall, bei welchem die Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 120 V beträgt, beschrieben.
Zunächst, wie als Fall B1 in 5 dargestellt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 22, 24, 31 und 34 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet werden, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem EIN-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 entlang des im Folgenden beschriebenen Pfades und wird der zweite Kondensator 35 auf bis zu 120 V aufgeladen.
Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 22 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 24 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 31 → zweiter Kondensator 35 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 34 → Kurzschluss-Umschalter 4 → Gleichstrom-Leistungsversorgung 1.
Als Nächstes, wie als ein Fall B2 in 6 dargestellt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 22, 24, 32 und 33 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet werden, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 entlang des im Folgenden beschriebenen Pfades, und wird der Glättungskondensator 6 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe der Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des zweiten Kondensators 35 ist, woraufhin dann der Verstärkungsbetrieb vollendet ist.
Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 22 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 24 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 32 → zweiter Kondensator 35 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 33 → Gleichrichterdiode 5 → Glättungskondensator 6.
Auf diese Art und Weise, wenn die Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 120 V beträgt, und zwar im Fall B1, wird die Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 geladen, während der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet ist, und wird der Glättungskondensator 6 umgangen. Im Fall B1 wird der zweite Einzelphasen-Inverter 20b derart gesteuert, dass er den zweiten Kondensator 35 auflädt, und gibt der erste Einzelphasen-Inverter 20a Null aus. Im Fall B2 wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 entladen, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist. In diesem Fall, wenn der zweite Einzelphasen-Inverter 20b derart gesteuert ist, dass er den zweiten Kondensator 35 entlädt, wird die Summe der Spannungen von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und des zweiten Kondensators 35 gleich 240 V, und wird somit die Spannung des Glättungskondensators 6 über die Gleichrichterdiode 5 auf bis zu 240 V verstärkt.
Drittens wird ein Betrieb jenes Falles beschrieben, bei welchem die Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 14 gleich 180 V beträgt.
Zunächst, wie als Fall C1 in 7 dargestellt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 21, 24, 31 und 34 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet werden, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem EIN-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 entlang eines im Folgenden beschriebenen Pfades, und wird der erste Kondensator 25 auf bis zu 60 V aufgeladen, und wird der zweite Kondensator 35 auf bis zu 120 V aufgeladen.
Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 21 → erster Kondensator 25 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 24 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 31 → zweiter Kondensator 35 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 34 → Kurzschluss-Umschalter 4 → Gleichstrom-Leistungsversorgung 1.
Als Nächstes, wie als ein Fall C2 in 8 dargestellt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 22, 23, 32 und 34 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet sind, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 entlang des im Folgenden beschriebenen Pfads, und wird der Glättungskondensator 6 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe der Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des ersten Kondensators 25 ist, woraufhin dann der Verstärkungsbetrieb vollendet ist.
Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 22 → erster Kondensator 25 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 23 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 32 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 34 → Gleichrichterdiode 5 → Glättungskondensator 6.
Ferner kann Fall C3 in 9 anstelle des zuvor beschriebenen Falles C2 verwendet werden. Das heißt, wenn die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 21, 24, 32 und 33 in der Inverterschaltung 20 eingeschaltet werden, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist, fließt der Strom von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 entlang des im Folgenden beschriebenen Pfades, und wird der Glättungskondensator 6 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches jene Spannung ist, welche durch ein Subtrahieren der Spannung des ersten Kondensators 25 von der Summe der Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des zweiten Kondensators 35 erlangt wird, woraufhin dann der Verstärkungsbetrieb vollendet ist.
Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 21 → erster Kondensator 25 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 24 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 32 → zweiter Kondensator 35 → Halbleiter-Umschaltvorrichtung 33 → Gleichrichterdiode 5 → Glättungskondensator 6.
Auf diese Art und Weise, wenn die Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 180 V beträgt, und zwar im Fall C1, wird die Gleichstromleistung in die Inverterschaltung 20 geladen, während der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet ist und der Glättungskondensator 6 umgangen ist. Auf diese Art und Weise werden der erste Einzelphasen-Inverter 20a und der zweite Einzelphasen-Inverter 20b derart gesteuert, dass sie jeweils den ersten Kondensator 25 und den zweiten Kondensator 35 aufladen.
Dann wird in Fällen C2 und C3 die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 entladen, während der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist. Im Fall C2 wird der erste Einzelphasen-Inverter 20a derart gesteuert, dass er den ersten Kondensator 25 entlädt, und gibt der zweite Einzelphasen-Inverter 20b Null aus. Im Fall C3 wird der zweite Einzelphasen-Inverter 20b derart gesteuert, dass er den zweiten Kondensator 35 entlädt. In diesem Fall lädt der erste Einzelphasen-Inverter 20a den ersten Kondensator 25 auf, jedoch wird die Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 insgesamt entladen.
In dieser Ausführungsform wird eine DC/DC-Umwandlung unter Verwendung einer Aufladung/Entladung einer Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 wie oben beschrieben durchgeführt, und ist somit kein Reaktor einer hohen Kapazität erforderlich. Gemäß der Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 wird zusätzlich die Ausgabe von der Inverterschaltung 20 gesteuert, so dass die Ausgangsspannungen des ersten Einzelphasen-Inverters 20a und des zweiten Einzelphasen-Inverters 20b auf die Spannung der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 überlagert wird, und wobei eine gewünschte Spannung an den Glättungskondensator 6 ausgegeben wird.
Nach der EIN/AUS-Umschaltung des Kurzschluss-Umschalters 4 wird zusätzlich die Inverterschaltung 20 derart gesteuert, dass sie einen Betrieb des Aufladens/Entladens der Gleichspannung steuert. Das heißt, dass, wenn der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem EIN-Zustand ist, die Gleichspannung von der Inverterschaltung 20 geladen werden kann, während der Glättungskondensator 6 umgangen wird, und dass die aufgeladene Energie an den Glättungskondensator 6 entladen werden kann, wenn der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem AUS-Zustand ist. Demgemäß brauchen der Kurzschluss-Umschalter 4 und die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen in der Inverterschaltung 20 keine hochfrequente Umschaltung durchzuführen, und kann die Spannung, welche zum Umschalten in der Inverterschaltung 20 verwendet wird, niedriger als die Einstellspannung des Glättungskondensators 6 eingestellt werden. Auf diese Art und Weise ist es unter Verwendung der Umschaltung bei niedriger Frequenz, während die Spannungen von den Kondensatoren 25 und 35 im Vergleich zu der Einstellspannung des Glättungskondensators 6 verringert werden, möglich, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zu realisieren, welche eine Reduktion in einem Leistungsverlust und im Rauschen ermöglicht, und welche ebenso eine Verkleinerung und eine Gewichtseinsparung der Vorrichtung ermöglicht.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Inverterschaltung 20 zusätzlich mit zwei Einzelphasen-Invertern 20a und 20b konfiguriert. Wie in 11 dargestellt, kann die Inverterschaltung 20 jedoch mit lediglich einem Einzelphasen-Inverter 20a konfiguriert werden. Zusätzlich, wie in 12 dargestellt, kann die Inverterschaltung 20 mit drei oder mehreren Einzelphasen-Invertern 20a bis 20c konfiguriert werden, wobei ihre Wechselstrom-Seiten miteinander in Serie verbunden sind. In 12 stellt 20c einen dritten Einzelphasen-Inverter dar, welcher Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 41 bis 44 und einen dritten Kondensator 45 enthält, welcher als eine Gleichspannungsquelle dient. Auf diese Art und Weise, unabhängig von der Anzahl von Einzelphasen-Invertern in der Inverterschaltung 20, können Wirkungen erzielt werden, welche ähnlich zu jenen wie zuvor beschrieben sind. Wenn eine Mehrzahl von Einzelphasen-Invertern verwendet wird, wird die Ausgangsspannung von der Inverterschaltung 20 durch sie gemeinsam verwendet. Das heißt, dass die Spannung, welche durch jeden Einzelphasen-Inverter zur Umschaltung verwendet wird, reduziert werden kann, und dass der Umschaltverlust ferner reduziert werden kann.
Zusätzlich können der erste Einzelphasen-Inverter und der zweite Einzelphasen-Inverter, welche in der Inverterschaltung 20 enthalten sind, jeweils ein erster Einzelphasen-Inverter 30a und ein zweiter Einzelphasen-Inverter 30b sein, wie in 13 dargestellt, welche jeweils mit Vollbrücken-Invertern konfiguriert sind, welche enthalten: die Halbleiter-Umschalter 22 und 23, Dioden 26 und 27 und den ersten Kondensator 25; die Halbleiter-Umschalter 32 und 33, Dioden 36 und 37 und den zweiten Kondensator 35. Durch diesen Aufbau können ähnliche Wirkungen erzielt werden.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Kathodenseite der Gleichrichterdiode 5 zusätzlich mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 in der Ausgangsstufe verbunden. Die Gleichrichterdiode 5 kann jedoch an der negativen Anschlussseite des Glättungskondensators 6 angeordnet sein, so dass der negative Anschluss des Glättungskondensators 6 mit der Anodenseite von der Gleichrichterdiode 5 verbunden ist, und kann ein Betrieb erreicht werden, welcher ähnlich dessen in der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die Inverterschaltung 20 zusätzlich mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 der Ausgangsstufe verbunden. Wie in 14 dargestellt, kann die Inverterschaltung 20 jedoch derart angeordnet sein, dass sie mit dem negativen Anschluss des Glättungskondensators 6 verbunden ist. Ferner, wie in 15 dargestellt, können Inverterschaltungen 20X und 20Y derart angeordnet sein, dass die Inverterschaltung 20X mit der positiven Anschlussseite des Glättungskondensators 6 in der Ausgangsstufe verbunden ist, und dass die Inverterschaltung 20Y mit der negativen Anschlussseite des Glättungskondensators 6 in der Ausgangsstufe verbunden ist. Im Falle des Anlegens einer speziellen Leistungsquelle, wie beispielsweise eine Solarbatterie, welche eine Streukapazität enthält, führen die zwei Inverterschaltungen, welche jeweils an der positiven Anschlussseite und an der negativen Anschlussseite von der speziellen Leistungsversorgung auf eine Art und Weise angeordnet sind, dass sie die spezielle Leistungsversorgung zwischenlegen, einen gemeinsamen Betrieb durch, und ist es daher möglich, jene Wirkung zu erzielen, dass zu einem bestimmten Punkt keine Schwankung im Potenzial auftritt.
Zusätzlich, wie in 16 dargestellt, kann ein Umschalter 9 anstelle der Gleichrichterdiode 5 als ein Element zum Umschalten zwischen einem leitfähigen und einem nicht-leitfähigen Zustand verwendet werden. Der Umschalter 9 wird derart gesteuert, dass sein EIN/AUS-Zustand umgekehrt ist zu jenem des Kurzschluss-Umschalters 4. Das heißt, wenn der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem EIN-Zustand ist, der. Umschalter 9 in einem AUS-Zustand ist, und die Gleichspannung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen wird, während der Glättungskondensator 6 umgangen wird. Wenn der Kurzschluss-Umschalter 4 dann in einem AUS-Zustand ist, wird die aufgeladene Energie dazu verwendet, durch ein Umschalten des Umschalters 9 in einem EIN-Zustand an den Glättungskondensator 6 entladen zu werden. Hier kann der Umschalter 9 eine Halbleiter-Umschaltvorrichtung, wie beispielsweise ein IGBT und ein MOSFET, oder ein mechanischer Umschalter oder dergleichen sein.
Ausführungsform 2
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform 1 ist ein Ende des Kurzschluss-Umschalters 4 mit der Wechselstrom-Ausgangsleitung verbunden, welche der Inverterschaltung 20 nachfolgt. Währenddessen ist in Ausführungsform 2, wie in 17 dargestellt, ein Ende von einem Kurzschluss-Umschalter 4a mit dem negativen Anschluss von einem zweiten Kondensator 35 eines Halbbrücken-Einzelphasen-Inverters 30 verbunden, welcher ein Einzelphasen-Inverter ist (in diesem Fall ein zweiter Einzelphasen-Inverter), welcher als letzte Stufe in der Inverterschaltung 20 enthalten ist. Das weitere Ende des Kurzschluss-Umschalters 4a ist mit dem negativen Anschluss von einem Glättungskondensator 6 verbunden, ähnlich wie in Ausführungsform 1. Zusätzlich ist die Anode von einer Gleichrichterdiode 5 mit dem positiven Anschluss des zweiten Kondensators 35 verbunden, und ist die Kathode davon mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 verbunden.
In dieser Ausführungsform werden die Inverterschaltung 20 und der Kurzschluss-Umschalter 4a auf die gleiche Art und Weise wie in Ausführungsform 1 gesteuert. Zusätzlich, unabhängig davon, ob der Kurzschluss-Umschalter 4a ein- oder ausgeschaltet wird, kann die Anzahl von Elementen, durch welche ein Strom durchläuft, reduziert werden, und kann der Verbindungsverlust reduziert werden, und kann die Umwandlungswirksamkeit der gesamten Leistungsumwandlungsvorrichtung verbessert werden. Zusätzlich ist der Einzelphasen-Inverter in der letzten Stufe mit einem Halbbrücken-Einzelphasen-Inverter 30 konfiguriert, wodurch die Vereinfachung des Schaltungsaufbaus erhöht wird.
Es ist zu erwähnen, dass, wie in 18 dargestellt, der Einzelphasen-Inverter in der letzten Stufe mit einem Halbbrücken-Einzelphasen-Inverter 40 konfiguriert werden kann, welcher aus dem Halbleiter-Umschalter 32, der Diode 36 und dem zweiten Kondensator 35 ausgebildet ist, und dass ähnliche Wirkungen durch diesen Aufbau erlangt werden können. In diesem Fall ist der erste Einzelphasen-Inverter 30a mit einem Vollbrücken-Inverter aufgebaut, weicher die Halbleiter-Umschalter 22 und 23, die Dioden 26 und 27 und den ersten Kondensator 25 enthält.
Es ist zu erwähnen, dass der Einzelphasen-Inverter in der letzten Stufe in dieser Ausführungsform mit dem Halbbrücken-Einzelphasen-Inverter 30 oder 40 aufgebaut ist, dieser jedoch mit einem Vollbrücken-Einzelphasen-Inverter 30b aufgebaut sein kann, wie in 19 dargestellt. In diesem Fall ist es durch ein Verbinden von einem Ende von dem Kurzschluss-Umschalter 4a mit dem negativen Anschluss des zweiten Kondensators 35 möglich, die Wirkungen einer Reduktion der Anzahl von Elementen, durch welche der Strom durchläuft, und die Reduktion im Verbindungsverlust, wenn der Kurzschluss-Umschalter 4a in einem EIN-Zustand ist, zu erzielen.
Ausführungsform 3
Als Nächstes wird eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 20 beschrieben. Es ist zu erwähnen, dass die Hauptschaltung der Leistungsumwandlungsvorrichtung den gleichen Aufbau wie in 1 der Ausführungsform 1 dargestellt hat.
Wie in 20 dargestellt, enthält die Leistungsumwandlungsvorrichtung: einen Eingangsspannungserfasser 10, welcher eine Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erfasst, einen ersten Kondensator-Spannungserfasser 11 und einen zweiten Kondensator-Spannungserfasser 12, welche jeweils Spannungen des ersten Kondensators 25 und des zweiten Kondensators 35 in der Inverterschaltung 20 erfassen, einen Ausgangsspannungserfasser 13, welcher eine Spannung Vo des Glättungskondensators 6 an der Ausgangsseite von der Vorrichtung erfasst, und eine Steuersektion 14. Die Steuersektion 14 empfängt Ausgangssignale von den Spannungserfassern 10 bis 13 als Eingaben und steuert die Umschaltvorrichtungen in der Inverterschaltung 20 und des Kurzschluss-Umschalters 4. Die Steuersektion 14 ist hier beispielsweise aufgebaut durch einen Mikrocomputer, einen digitalen Signalverarbeiter oder dergleichen.
Im Folgenden wird ein Betrieb der Steuersektion 14 mit Bezug auf ein in 21 gezeigtes Ablaufdiagramm beschrieben.
Die Steuersektion 14 überwacht eine Eingangsspannung Vin, welche von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erlangt wird (S1), um zu bestimmen, ob die Eingangsspannung Vin einen vorbestimmten Eingangsspannungs-Einstellwert V1 übersteigt (S2). Wenn die Eingangsspannung Vin die Spannung V1 übersteigt, aktiviert die Steuersektion 14 die Hauptschaltung.
Als Nächstes überwacht die Steuersektion 14 eine Kondensatorspannung Vc in der Inverterschaltung 20 (S3), um zu bestimmen, ob die Kondensatorspannung Vc einen Kondensatorspannungs-Einstellwert V2 übersteigt (S4). Hier stellt die Kondensatorspannung Vc die Spannung Vc1 des ersten Kondensators 25 und die Spannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 dar, wobei der Kondensatorspannungs-Einstellwert V2 zusätzlich zwei Spannungswerte V21 und V22 darstellt, welche jeweils für den ersten Kondensator 25 und den zweiten Kondensator 35 eingestellt sind.
Die Steuersektion 14 vergleicht die Spannung Vc1 des ersten Kondensators 25 und die Spannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 mit den jeweiligen Spannungseinstellwerten V21 und V22, und bestimmt, dass ein Auflademodus vorliegt, bis beide Spannungen Vc1 und Vc2 die jeweiligen Spannungseinstellwerte V21 und V22 übersteigen (S5), und gibt ein Antriebssignal zum Umschalten des Kurzschluss-Umschalters 4 in einen EIN-Zustand aus, und gibt zusätzlich ein Antriebssignal an jede Umschaltvorrichtung in der Inverterschaltung 20 gemäß der Eingangsspannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 aus, um somit eine Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 aufzuladen (S6).
In Schritt S4, resultierend aus einem Vergleich der Spannung Vc1 des ersten Kondensators 25 und der Spannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 mit den jeweiligen Spannungseinstellwerten V21 und V22, wenn beide Spannungen Vc1 und Vc2 die jeweiligen Spannungseinstellwerte V21 und V22 übersteigen, das heißt, wenn die Aufladung des ersten Kondensators 25 und des zweiten Kondensators 35 vollendet ist, überwacht die Steuersektion 14 die Spannung Vo des Glättungskondensators 6 (S7) an der Ausgangsseite der Leistungsumwandlungsvorrichtung. Dann bestimmt die Steuersektion 14, ob die Spannung Vo des Glättungskondensators einen Ausgangsspannungs-Einstellwert V3 übersteigt, welcher ein Ziel-Spannungswert ist (S8). Wenn die Glättungskondensator-Spannung Vo niedriger oder gleich dem Ausgangsspannungs-Einstellwert V3 ist, bestimmt die Steuersektion 14, dass sie in einem Entlademodus ist (S9) und gibt ein Antriebssignal zum Umschalten des Kurzschluss-Umschalters 4 in einen AUS-Zustand aus, und gibt zusätzlich ein Antriebssignal an jede Umschaltvorrichtung in der Inverterschaltung 20 gemäß der Eingangsspannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 aus, wodurch die Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 entladen wird (S10), und um ebenso den Glättungskondensator 6 aufzuladen, bis die Spannung Vo den Ausgangsspannungs-Einstellwert V3 erreicht.
In dieser Ausführungsform werden die Kondensatoren 25 und 35 in der Inverterschaltung 20 derart gesteuert, dass sie bei einer Vollendung ihrer vollständigen Aufladung entladen werden. Sogar wenn die Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 eine hohe Spannungsschwankung hat, wie beispielsweise eine Solarbatterie, ist es somit möglich, die Spannung des Glättungskondensators 6 einfach und zuverlässig zu steuern.
Es ist zu erwähnen, dass in dieser Ausführungsform jener Hauptschaltungs-Aufbau verwendet wird, wie mit Bezug auf 1 der Ausführungsform 1 beschrieben. Jedoch können eine ähnliche Steuerung und Wirkungen sogar mit der Verwendung von jeglichen der verschiedenen Hauptschaltungs-Aufbauten in Ausführungsformen 1 und 2 erzielt werden.
Ausführungsform 4
In der oben beschriebenen Ausführungsform 3 wird nach der Vollendung der Aufladung der Kondensatoren 25 und 35 in der Inverterschaltung 20 der Kurzschluss-Umschalter 4 von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand umgeschaltet, und wird dadurch die Aufladung/Entladung der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 umgeschaltet. In dieser Ausführungsform wird jedoch die Aufladung/Entladung, basierend auf der im Folgenden beschriebenen Zeitgebung umgeschaltet.
Wenn die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und die Ausgangsspannung (die gesamte Summe der Ausgangsspannung von dem Einzelphasen-Inverter 20a und der Ausgangsspannung von dem Einzelphasen-Inverter 20b) von der Inverterschaltung 20 in ihrer Polarität entgegengesetzt sind und in ihrer Größe zueinander im Wesentlichen gleich sind, wird der Kurzschluss-Umschalter 4 von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand umgeschaltet, und wird dadurch die Aufladung/Entladung der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 umgeschaltet.
Das heißt, dass, wenn die Ladespannung von der Inverterschaltung 20 während ihrer Aufladung insgesamt im Wesentlichen gleich der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 ist, und die Spannung, welche durch ein Überlagern der gesamten Summe von den Ausgangsspannungen von den Einzelphasen-Invertern 20a und 20b auf die Spannung Vin erlangt wird, welche die Ausgangsspannung von der Inverterschaltung 20 ist, ungefähr gleich Null beträgt, der Kurzschluss-Umschalter 4 von einem EIN-Zustand in einen AUS-Zustand umgeschaltet wird. Da bei dieser Umschaltung kaum Strom fließt, kann eine Null-Strom-Umschaltung realisiert werden, und ist es möglich, einen Umschaltverlust und Rauschen zu reduzieren. Dadurch kann eine sehr wirksame und zuverlässige Steuerung realisiert werden.
Ausführungsform 5
Als Nächstes wird eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 22 ist ein Aufbaudiagramm von einer Hauptschaltung von der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung. Es ist zu erwähnen, dass, da der Hauptschaltungsaufbau ähnlich dem Hauptschaltungsaufbau gemäß Ausführungsform 5 ist, eine Erläuterung davon ausgelassen wird.
Im Folgenden werden Betriebe von der Leistungsumwandlungsvorrichtung, so wie aufgebaut, mit Bezug auf 23 bis 27 beschrieben. Es werden hier Betriebe einer Verstärkung der Spannung Vo des Glättungskondensators 6 an der Ausgangsseite von der Vorrichtung in einem Bereich von 160 V < Vo ≤ 240 V beschrieben. 23 zeigt einen Fall, bei welchem die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 40 V < Vin ≤ 60 V beträgt, 24 zeigt einen Fall, bei welchem die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 60 V < Vin ≤ 80 V beträgt, 25 zeigt einen Fall, bei welchem die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 80 V < Vin ≤ 120 V beträgt, und 26 zeigt einen Fall, bei welchem die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 120 V < Vin ≤ 180 V beträgt. 27 zeigt zusätzlich eine Liste der obigen Betriebe. Es ist zu erwähnen, dass 27 aus Gründen der Vereinfachung Fälle zeigt, bei welchen die Spannung Vin gleich 50 V, 60 V, 70 V, 80 V, 90 V, 105 V, 120 V, 135 V, 150 V, 165 V und 180 V beträgt.
In 23 bis 26 stellt Vbit1 eine Ausgangsspannung des Einzelphasen-Inverters 20a dar; stellt Vbit2 eine Ausgangsspannung des zweiten Einzelphasen-Inverters 20b dar; und stellt Va eine Spannung dar, welche durch ein Überlagern von den Ausgangsspannungen Vbit1 und Vbit2 von dem ersten und zweiten Einzelphasen-Inverter 20a und 20b, das heißt Vin + Vbit1 + Vbit2, auf die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erlangt wird. Zusätzlich stellt S (EIN/AUS) ein Signal dar, welches einen EIN/AUS-Zustand des Kurzschluss-Umschalters 4 anzeigt.
Hier wird das Verhältnis von der Einstellspannung Vc1 des ersten Kondensators 25 im ersten Einzelphasen-Inverter 20a auf die Einstellspannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 im zweiten Einzelphasen-Inverter 20b eingestellt zu (Vc1:Vc2) = (1:2).
Für die Leistungsumwandlungsvorrichtung werden zuvor eine Mehrzahl von Steuermodi eingestellt, welche auf den Kombinationen von einer Ausgangssteuerung von dem ersten und zweiten Einzelphasen-Inverter 20a und 20b und einer EIN/AUS-Steuerung von dem Kurzschluss-Umschalter 4 basieren. Gemäß der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 wird einer der Steuermodi ausgewählt und wird eine Umschaltung hierauf durchgeführt. In diesem Fall sind die Steuermodi A bis D zu verwenden. Bei jedem Steuermodus wird ein Aufladen/Entladen der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20, basierend auf einem vorbestimmten Steuerbetrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung, in einem konstanten Zyklus wiederholt. Wie später beschrieben, enthält der Zyklus eine Mehrzahl von Steuerbetriebsperioden (im Folgenden als Intervalle bezeichnet), in welchen unterschiedliche Steuerbetriebe durchgeführt werden.
In dem Fall von 40 V < Vin ≤ 60 V, wie in 23 gezeigt, arbeitet die Leistungsumwandlungsvorrichtung im Steuermodus A. In diesem Steuermodus A wird ein Zyklus des Betriebes des Aufladens/Entladens der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 in vier Intervalle, das heißt ein erster bis vierter Intervall, unterteilt. Im ersten bis dritten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet, wird der Glättungskondensator 6 umgangen und wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen. Im vierten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet, wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 entladen, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit der Summe von Spannungen aufgeladen, welche durch ein Überlagern von der Spannung von der entladenen Gleichstromleistung auf die Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erlangt wird. Die Spannung Vo des Glättungskondensators 6 ist eine Ausgangsspannung und das Verstärkungsverhältnis in diesem Steuermodus A beträgt 4.
Wenn beispielsweise die Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung gleich 60 V beträgt, wird der erste Kondensator 25 im ersten Intervall auf bis zu 60 V aufgeladen, und wird der zweite Kondensator 35 im zweiten Intervall auf bis zu 120 V aufgeladen, und zwar mit der Summe der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des ersten Kondensators 25. Im dritten Intervall wird der erste Kondensator 25 abermals auf bis zu 60 V aufgeladen. Dann wird der Kurzschluss-Umschalter 4 im vierten Intervall ausgeschaltet, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe von der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1, der Spannung des ersten Kondensators 25 und der Spannung des zweiten Kondensators 35 ist.
In dem in 24 gezeigten Fall von 60 V < Vin ≤ 80 V, arbeitet die Leistungsumwandlungsvorrichtung im Steuermodus B. In diesem Steuermodus B wird ein Zyklus des Betriebes des Aufladens/Entladens der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 in drei Intervalle, das heißt ein erstes bis drittes Intervall, unterteilt. Im ersten und zweiten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet, wird der Glättungskondensator 6 umgangen, und wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen. Im dritten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet, wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 entladen, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit der Summe von den Spannungen aufgeladen, welche durch ein Überlagern von der Spannung von der entladenen Gleichstromleistung auf die Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erlangt wird. Das Verstärkungsverhältnis in diesem Steuermodus B beträgt 3.
Wenn beispielsweise die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 80 V beträgt, wird der erste Kondensator 25 im ersten Intervall auf bis zu 80 V aufgeladen, und wird der zweite Kondensator 35 im zweiten Intervall auf bis zu 160 V aufgeladen, und zwar mit der Summe von der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des ersten Kondensators 25. Dann wird der Kurzschluss-Umschalter 4 im dritten Intervall ausgeschaltet, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe von der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des zweiten Kondensators 35 ist.
Im Falle von 80 V < Vin ≤ 120 V, wie in 25 gezeigt, arbeitet die Leistungsumwandlungsvorrichtung im Steuermodus C. In diesem Steuermodus C wird ein Zyklus des Betriebes des Aufladens/Entladens der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 in zwei Intervalle, das heißt ein erstes bis zweites Intervall, unterteilt. Im ersten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet, wird der Glättungskondensator 6 umgangen, und wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen. Im zweiten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet, wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit der Summe von den Spannungen aufgeladen, welche durch ein Überlagern von der Spannung von der entladenen Gleichstromleistung auf die Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erlangt wird. Das Verstärkungsverhältnis in diesem Steuermodus C beträgt 2.
Wenn beispielsweise die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 120 V beträgt, wird der erste Kondensator 25 im ersten Intervall auf bis zu 40 V aufgeladen, und wird der zweite Kondensator 35 auf bis zu 80 V aufgeladen. Im zweiten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe von der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1, der Spannung des ersten Kondensators 25 und der Spannung des zweiten Kondensators 35 ist.
In dem in 26 gezeigten Fall von 120 V < Vin ≤ 180 V arbeitet die Leistungsumwandlungsvorrichtung im Steuermodus D. In diesem Steuermodus D wird ein Zyklus des Betriebes des Aufladens/Entladens der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 in vier Intervalle, das heißt ein erstes bis viertes Intervall, unterteilt. Im ersten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet, wird der Glättungskondensator 6 umgangen, und wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen. Im zweiten bis vierten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet, wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 entladen, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit der Summe der Spannungen aufgeladen, welche durch ein Überlagern von der Spannung von der entladenen Gleichstromleistung auf die Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erlangt wird. Das Verstärkungsverhältnis in diesem Steuermodus D beträgt 1,3.
Wenn beispielsweise die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 180 V beträgt, wird der erste Kondensator 25 im ersten Intervall auf bis zu 60 V aufgeladen, und wird der zweite Kondensator 35 auf bis zu 120 V aufgeladen. Im zweiten bis vierten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet. Zu Beginn wird der Glättungskondensator 6 im zweiten Intervall über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe von der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung rund der Spannung des ersten Kondensators 25 ist. Im dritten Intervall, mit der Summe von der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des zweiten Kondensators 35, wird der erste Kondensator 25 abermals auf bis zu 60 V aufgeladen, und wird der Glättungskondensator 6 zusätzlich über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen. Im vierten Intervall wird der Glättungskondensator 6 dann über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V mit der Summe von der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des ersten Kondensators 25 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen.
Wie zuvor-beschrieben, wird der Steuermodus zwischen Steuermodi A bis D gemäß der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 umgeschaltet, und durch ein Aufladen oder Entladen der Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 wird der Verstärkungsbetrieb durchgeführt. Das Verstärkungsverhältnis wird in Abhängigkeit von den Steuermodi bestimmt, und der Steuermodus wird unter Steuermodi A bis D derart ausgewählt, dass, je geringer die Spannung Vin ist, desto höher ist das Verstärkungsverhältnis, und daher wird die Ausgangsspannung Vo auf einen Bereich von 160 V < Vo ≤ 240 V verstärkt. Zusätzlich wird der Steuermodus unter den Steuermodi A bis D derart ausgewählt, dass eine Schwankung in der Ausgangsspannung Vo sogar dann unterdrückt wird, wenn die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 schwankt.
Auf diese Art und Weise wird das Verstärkungsverhältnis durch ein Bestimmen und Auswählen von einem der Steuermodi A bis D gemäß der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 ausgewählt.
28 zeigt eine Relation der Spannung Vc1 des ersten Kondensators 25, der Spannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 und der Spannung Vo (Ausgangsspannung) des Glättungskondensators 6 an der Ausgangsseite von der Leistungsumwandlungsvorrichtung in Relation zu der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1. Wie in 28 gezeigt, verbleibt die Spannungsschwankungsrate von der Ausgangsspannung Vo innerhalb des Bereiches von ±20%.
Bei jedem der Steuermodi A bis D werden die Ausgaben des ersten Einzelphasen-Inverters 20a und des zweiten Einzelphasen-Inverters 20b ferner derart gesteuert, dass ein Empfang und eine Lieferung von elektrischer Leistung durch den ersten Kondensator 25 und den zweiten Kondensator 35 als Resultat des Auflade-/Entlade-Betriebes ausgeglichen sind.
Wie zuvor beschrieben, enthält ein Zyklus in jedem Steuermodus eine Mehrzahl von Intervallen, und enthält der eine Zyklus Intervalle, innerhalb derer die Einzelphasen-Inverter 20a und 20b eine positive Spannung ausgeben, und Intervalle, innerhalb derer die Inverter 20a und 20b eine negative Spannung ausgeben, mit Ausnahme jenes Falles, bei welchem die Einzelphasen-Inverter 20a und 20b innerhalb eines Zyklus keine Spannung erzeugen. Ferner, wie in 23 bis 26 gezeigt, beträgt die gesamte Summe der Intervalle, innerhalb derer jeder von den Einzelphasen-Invertern 20a und 20b eine positive Spannung ausgibt, in dem einen Zyklus die gleiche Länge wie die gesamte Summe von den Intervallen, innerhalb derer dieser eine negative Spannung ausgibt. Somit können der Empfang und die Lieferung der elektrischen Leistung durch jeden von dem ersten Kondensator 25 und dem zweiten Kondensator 35, resultierend aus dem Auflade-/Entlade-Betrieb innerhalb eines Zyklus zuverlässig ausgeglichen werden.
In dieser Ausführungsform ist die DC/DC-Umwandlung, wie zuvor beschrieben, unter Verwendung der Aufladung/Entladung einer Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 durchgeführt, und ist somit kein Reaktor einer hohen Kapazität erforderlich.
Zusätzlich wird die Inverterschaltung 20 zum Zeitpunkt der Ein- und Ausschaltung des Kurzschluss-Umschalters 4 derart gesteuert, dass sie die Gleichspannung auflädt/entlädt. Somit brauchen der Kurzschluss-Umschalter 4 und die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 21 bis 24 und 31 bis 34 in der Inverterschaltung 20 keine hochfrequente Umschaltung durchzuführen, und kann die Spannung, welche zur Umschaltung in der Inverterschaltung 20 verwendet wird, niedriger eingestellt werden als die Einstellspannung des Glättungskondensators 6. Somit ist es möglich, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zu realisieren, welche die Reduktion beim Leistungsverlust und Rauschen ermöglicht, und welche ebenso eine Verringerung der Größe und eine Gewichtseinsparung von der Vorrichtung ermöglicht.
Ferner werden eine Mehrzahl von Steuermodi A bis D zuvor eingestellt, welche auf Kombinationen von der Ausgabesteuerung des ersten und zweiten Einzelphasen-Inverters 20a und 20b und der EIN/AUS-Steuerung des Kurzschluss-Umschalters 4 basieren, und deren Verstärkungsverhältnisse zueinander unterschiedlich sind. Gemäß der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 wird dann einer der Steuermodi A bis D ausgewählt, und wird eine Umschaltung hierauf durchgeführt. Danach werden die Ausgangsspannungen des ersten Einzelphasen-Inverters 20a und des zweiten Einzelphasen-Inverters 20b auf die Spannung Vin der Gleichstrom Leistungsversorgung 1 überlagert, und wird dadurch eine gewünschte Spannung an den Glättungskondensator 6 ausgegeben.
Die Mehrzahl der Steuermodi A bis D werden basierend auf Kombinationen von der Ausgangssteuerung von der Mehrzahl von Einzelphasen-Invertern 20a und 20b und der EIN/AUS-Steuerung des Kurzschluss-Umschalters 4 eingestellt, und demgemäß kann das Verstärkungsverhältnis, welches in Abhängigkeit von den Steuermodi bestimmt wird, in einem breiten Bereich eingestellt werden. In diesem Fall werden vier Pegel eines Verstärkungsverhältnisses von 1,3 bis 4 eingestellt. Somit kann das Verstärkungsverhältnis aus einem breiten Bereich ausgewählt werden, und kann die Spannungsschwankung von der Ausgangsspannung Vo mit Bezug auf die Eingangsspannung (Spannung Vin) eines breiten Bereiches unterdrückt werden, wodurch eine gewünschte Ausgangsspannung Vo erlangt werden kann.
Ferner werden die Ausgaben des ersten Einzelphasen-Inverters 20a und des zweiten Einzelphasen-Inverters 20b derart gesteuert, dass der Empfang und die Lieferung der elektrischen Leistung durch jeden aus dem ersten Kondensator 25 und dem zweiten Kondensator 35, resultierend aus dem Auflade-/Entlade-Betrieb, ausgeglichen werden, und wodurch somit die Leistungsversorgung an den ersten und zweiten Kondensator 25 und 35 oder die Steuerung derer nicht von ihrer Außenseite her durchgeführt werden müssen. Demgemäß ist die Installation eines DC/DC-Umwandlers nicht erforderlich.
Ferner schwankt der Spannungsbereich von Solarbatterien nicht nur in Abhängigkeit von Zuständen hinsichtlich der Höhe der Solarbestrahlung und Temperatur, sondern ebenfalls in Abhängigkeit der Anzahl seriell verbundener Gleichstrom-Leistungsversorgungen, welche im Freien installiert werden können. Somit schwankt die Spannung Vin, welche der Leistungsumwandlungsvorrichtung einzugeben ist, in einem breiten Bereich. In dieser Ausführungsform kann eine gewünschte Ausgangsspannung Vo mit Bezug auf den breiten Bereich von Eingangsspannungen (Spannung Vin) erlangt werden, welche insbesondere für jenen Fall wirksam ist, bei welchem Solarbatterien als Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 verwendet werden.
29 ist ein Schaubild, welches Ausgabecharakteristiken von Solarbatterien zeigt. Als ein Verfahren zum Optimieren der Verwendung der elektrischen Leistung, welche von den Solarbatterien erlangt wird, wird im Allgemeinen eine MPPT-(Maximum Power Point Tracking)-Steuerung verwendet, und muss die Spannung in diesem Fall an dem maximalen Ausgabepunkt Vpmax beibehalten werden. Wie in 29 gezeigt, schwankt die Spannung zum Erzielen des maximalen Ausgabepunktes Vpmax. Wenn die MPPT-Steuerung von Solarbatterien ebenso in dieser Ausführungsform angewendet wird, bei welcher eine gewünschte Ausgangsspannung Vo mit Bezug auf die Eingangsspannung erlangt werden kann, welche in einem breiten Bereich schwankt, kann jedoch die wirksame Verwendung der elektrischen Leistung beschleunigt werden.
Es ist zu erwähnen, dass die relative Einschaltdauer der Positiv/Negativ-Spannungsausgaben des ersten und zweiten Einzelphasen-Inverters 20a und 20b einstellbar eingestellt werden kann, ohne die EIN/AUS-Steuerung des Kurzschluss-Umschalters 4 zu ändern, welche die Aufladung/Entladung von der gesamten Inverterschaltung 20 bestimmt. Da es möglich ist, das Verhältnis der Spannungen des ersten Kondensators 25 und des zweiten Kondensators 35, welche im ersten Einzelphasen-Inverter 20a und zweiten Einzelphasen-Inverter 20b enthalten sind, jeweils zu ändern, ist das Spannungsverhältnis sogar dann einstellbar, wenn das Verhältnis von den jeweiligen Spannungen des ersten Kondensators 25 und des zweiten Kondensators 35 von dem Einstellwert aufgrund von Einflüssen von verlorenen Elementen in den Schaltungen, einer Totzeit, und dergleichen, abweicht. Beispielsweise, in jenem Fall einer Steuerung im Steuermodus A, wie in 23 gezeigt, können in Aufladeintervallen zum Aufladen der Inverterschaltung 20, wenn die Positiv-Spannung-Ausgangsperioden für den ersten Einzelphasen-Inverter 20a und die Negativ-Spannung-Ausgangsperioden für den zweiten Einzelphasen-Inverter 20b derart eingestellt werden, dass sie länger (kürzer) sind, die Spannung des ersten Kondensators 25 niedriger (höher) eingestellt werden und die Spannung des zweiten Kondensators 35 höher (niedriger) eingestellt werden. Demgemäß kann das Spannungsverhältnis eingestellt werden.
Ausführungsform 6
Als Nächstes wird Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform 5 ist das Verhältnis der Einstellspannung Vc1 des ersten Kondensators 25 im ersten Einzelphasen-Inverter 20a zur Einstellspannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 im zweiten Einzelphasen-Inverter 20b auf 1:2 fixiert. In dieser Ausführungsform 6 ist das Verhältnis jedoch variabel. Es ist zu erwähnen, dass der Hauptschaltungsaufbau gleich jenem wie in Ausführungsform 5 ist.
Ähnlich der Ausführungsform 5, werden für die Leistungsumwandlungsvorrichtung eine Mehrzahl von Steuermodi zuvor eingestellt, welche auf den Kombinationen von der Ausgabesteuerung von dem ersten und zweiten Einzelphasen-Inverter 20a und 20b und der EIN/AUS-Steuerung des Kurzschluss-Umschalters 4 basieren. Gemäß der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 wird einer der Steuermodi ausgewählt, und wird hierauf eine Umschaltung durchgeführt. In diesem Fall sind Steuermodi A bis D zu verwenden. Die Steuermodi A bis D, welche ähnlich zu jenen in Ausführungsform 5 sind, und der Steuermodus E, welcher später beschrieben wird, sind zu verwenden. Zusätzlich ist der Steuermodus E in jenem Fall zu verwenden, bei welchem die Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 120 V < Vin ≤ 160 V ist, und ist der Steuermodus D in jenem Fall zu verwenden, bei welchem die Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 160 V < Vin ≤ 180 V beträgt. Die Steuermodi A bis C sind auf die gleiche Art und Weise wie in Ausführungsform 5 zu verwenden.
Es wird ein Betrieb basierend auf Steuermodus E im Falle von 120 V < Vin ≤ 160 V mit Bezug auf 30 beschrieben. In diesem Steuermodus E wird ein Zyklus des Betriebes des Aufladens/Entladens der Gleichstromleistung in der Inverterschaltung 20 in drei Intervalle, das heißt ein erstes bis drittes Intervall, unterteilt. Im ersten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 eingeschaltet, wird der Glättungskondensator 6 umgangen, und wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen. In dem zweiten und dritten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet, wird die Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 entladen, und wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit der Summe von den Spannungen aufgeladen, welche durch ein Überlagern der Spannung von der entladenen Gleichstromleistung auf die Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erlangt wird. In diesem Steuermodus E beträgt das Verhältnis von der Einstellspannung Vc1 des ersten Kondensators 25 zur Einstellspannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 gleich 1:1, und beträgt das Verstärkungsverhältnis gleich 1,5.
Wenn beispielsweise die Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 gleich 160 V beträgt, werden der erste Kondensator 25 und der zweite Kondensator 35 im ersten Intervall jeweils auf bis zu 80 V aufgeladen. Im zweiten und dritten Intervall wird der Kurzschluss-Umschalter 4 ausgeschaltet. Im zweiten Intervall wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe aus der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des ersten Kondensators 25 ist. Im dritten Intervall wird der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5 mit einer Gleichspannung von 240 V aufgeladen, welches die Summe aus der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 und der Spannung des zweiten Kondensators 35 ist.
In diesem Fall werden die Ausgaben des ersten Einzelphasen-Inverters 20a und des zweiten Einzelphasen-Inverters 20b ebenso derart gesteuert, dass der Empfang und die Lieferung der elektrischen Leistung durch jeden aus dem ersten Kondensator 25 und dem zweiten Kondensator 35, resultierend aus dem Auflade-/Entlade-Betrieb, ausgeglichen werden.
31 ist ein Schaubild, welches einen Betrieb im Steuermodus D im Falle von 160 V < Vin ≤ 180 V zeigt. Jene Details, welche sich vom Spannungsbereich der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 unterscheiden, sind gleich jenen wie in Ausführungsform 5, und das Verhältnis der Einstellspannung Vc1 des ersten Kondensators 25 zur Einstellspannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 beträgt 1:2, und das Verstärkungsverhältnis beträgt 1,3.
Zusätzlich zeigt 32 eine Liste der zuvor beschriebenen Betriebe. Es ist zu erwähnen, dass 32 aus Gründen der Vereinfachung jene Fälle zeigt, bei welchem die Spannung Vin gleich 50 V, 60 V, 70 V, 80 V, 90 V, 105 V, 120 V, 130 V, 140 V, 150 V, 160 V, 165 V und 180 V beträgt.
33 zeigt eine Relation der Spannung Vc1 des ersten Kondensators 25, der Spannung Vc2 des zweiten Kondensators 35 und der Spannung Vo (Ausgangsspannung) des Glättungskondensators 6 an der Ausgabeseite der Leistungsumwandlungsvorrichtung in Relation zu der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1. Die Verhältnisse in dem Diagramm stellen das Verhältnis der Spannung des ersten Kondensators 25 zur Spannung des zweiten Kondensators 35 dar. Das Verhältnis beträgt im Falle von 120 V < Vin ≤ 160 V gleich 1:1 und beträgt in den weiteren Fällen gleich 1:2. Wie in 33 gezeigt, verbleibt die Spannungsschwankungsrate von der Ausgangsspannung Vo, verglichen mit dem Fall in Ausführungsform 5, in einem schmaleren Bereich.
Wie zuvor beschrieben, wird der Steuermodus unter den Steuermodi A bis E gemäß der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 umgeschaltet, und wird durch ein Aufladen oder Entladen der Gleichstromleistung von der Inverterschaltung 20 der Verstärkungsbetrieb durchgeführt. Der Verstärkungsbetrieb wird in Abhängigkeit von den Steuermodi bestimmt, und der Steuermodus wird unter den Steuermodi A bis E derart ausgewählt, dass, je niedriger die Spannung Vin ist, desto höher ist das Verstärkungsverhältnis, und dass die Schwankung in der Ausgangsspannung Vo sogar dann unterdrückt wird, wenn die Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 schwankt, und dass die Ausgangsspannung Vo dadurch auf einen Bereich von 160 V < Vo ≤ 240 V verstärkt wird. Das heißt, dass das Verstärkungsverhältnis gemäß der Spannung Vin ausgewählt wird, dass einer der Steuermodi A bis E basierend auf dem ausgewählten Verstärkungsverhältnis bestimmt wird, und dass dadurch die Leistungsumwandlungsvorrichtung gesteuert wird.
In dieser Ausführungsform können ähnliche Wirkungen hinsichtlich jener in Ausführungsform 5 erlangt werden. Da das Verhältnis der Spannung des ersten Kondensators 25 zu jener des zweiten Kondensators 35 variabel eingestellt wird, ist es zusätzlich möglich, die Anzahl von einstellbaren Steuermodi und die Anzahl von Pegeln von Verstärkungsverhältnissen zu erhöhen. In diesem Fall hat das Verhältnis der Spannung des ersten Kondensators 25 zu jener des zweiten Kondensators 35 zwei Typen, das heißt 1:1 und 1:2, und fünf Verstärkungsverhältnisse sind basierend auf den Steuermodi A bis E eingestellt. Demgemäß ist das Verstärkungsverhältnis aus einer höheren Anzahl von Pegeln von Verstärkungsverhältnissen auswählbar, und kann die Spannungsschwankung von der Ausgangsspannung Vo ferner unterdrückt werden.
Es ist zu erwähnen, dass die Gleichrichterdiode 5 in Ausführungsformen 5 und 6 als eine Halbleitervorrichtung, welche einen Leitfähigkeits-/Nicht-Leitfähigkeits-Zustand bestimmt, in jener Stufe verbunden ist, welche der Inverterschaltung 20 nachfolgt. Wie in 16 der Ausführungsform 1 dargestellt, kann der Halbleiter-Umschalter 9 jedoch anstelle der Gleichrichterdiode 5 verwendet werden. Der Halbleiter-Umschalter 9 ist derart gesteuert, so dass dessen EIN/AUS-Zustand umgekehrt ist zu jenem des Kurzschluss-Umschalters 4. Das heißt, dass, wenn der Kurzschluss-Umschalter 4 in einem EIN-Zustand ist, der Halbleiter-Umschalter 9 in einem AUS-Zustand ist, und die Gleichspannung von der Inverterschaltung 20 aufgeladen wird, während der Glättungskondensator 6 umgangen wird. Wenn der Kurzschluss-Umschalter 4 dann in einem AUS-Zustand ist, wird die aufgeladene Energie zur Entladung an den Glättungskondensator 6 durch ein Einschalten des Halbleiter-Umschalters 9 verwendet.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen 5 und 6 können der erste und zweite Einzelphasen-Inverter in der Inverterschaltung 20 zusätzlich Dioden anstelle der Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 21, 24, 31 und 34 enthalten, und können ähnliche Effekte durch einen solchen Aufbau erlangt werden. In den Ausführungsformen ist die Kathoden-Seite von der Gleichrichterdiode 5 zusätzlich mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 in der Ausgangsstufe verbunden. Die Gleichrichterdiode 5 kann jedoch an der Seite des negativen Anschlusses des Glättungskondensators 6 angeordnet werden, so dass der negative Anschluss des Glättungskondensators 6 mit der Anoden-Seite von der Gleichrichterdiode 5 verbunden ist.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen 5 und 6 ist ferner ein Ende des Kurzschluss-Umschalters 4 mit der Wechselstrom-Ausgangsleitung von der Inverterschaltung 20 verbunden. Wie in Ausführungsform 2 beschrieben, kann jedoch ein Ende des Kurzschluss-Umschalters 4a mit dem negativen Anschluss des zweiten Kondensators 35, das heißt der Einzelphasen-Inverter der letzten Stufe (in diesem Fall der zweite Einzelphasen-Inverter 30b) in der Inverterschaltung 20 verbunden werden. In diesem Fall kann der zweite Einzelphasen-Inverter 30b der letzten Stufe ein Halbbrücken-Einzelphasen-Inverter sein, und ist das weitere Ende des Kurzschluss-Umschalters 4a mit dem negativen Anschluss des Glättungskondensators 6 auf die gleiche Art und Weise wie in Ausführungsformen 5 und 6 verbunden. Zusätzlich ist die Anode der Gleichrichterdiode 5 mit dem positiven Anschluss des zweiten Kondensators 35 verbunden, und ist die Kathode davon mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 verbunden.
Demgemäß, unabhängig davon, ob der Kurzschluss-Umschalter 4a ein- oder ausgeschaltet ist, kann die Anzahl von Elementen, durch welche Strom durchläuft, reduziert werden, kann der Leitungsverlust reduziert werden, und kann die Umwandlungswirksamkeit von der gesamten Leistungsumwandlungsvorrichtung verbessert werden. Zusätzlich kann der Einzelphasen-Inverter 30b in der letzten Stufe mit einem Halbbrücken-Einzelphasen-Inverter konfiguriert werden, wodurch die Vereinfachung des Schaltungsaufbaus erhöht wird.
Ausführungsform 7
In den oben beschriebenen Ausführungsformen 5 und 6 ist die Inverterschaltung 20 aus zwei Einzelphasen-Invertern zusammengesetzt, jedoch kann sie aus drei oder mehreren Einzelphasen-Invertern zusammengesetzt sein, wobei ihre AC-Seiten miteinander in Serie verbunden sind.
34 ist ein Schaubild der Hauptschaltung von einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung.
Wie in 34 dargestellt, ist, an dem Ausgang von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1, welche aus einer Solarbatterie oder dergleichen ausgebildet ist, eine AC-Seite von der Inverterschaltung 20 in Serie verbunden. Die Inverterschaltung 20 ist aus einem ersten bis dritten Einzelphasen-Inverter 31a bis 31c zusammengesetzt, wobei ihre AC-Seiten miteinander seriell verbunden sind, und wobei sie als eine Ausgabe von der Inverterschaltung 20, eine gesamte Summe von Ausgaben von den Einzelphasen-Invertern 31a bis 31c auf eine Gleichspannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 überlagert. Der erste Einzelphasen-Inverter 31a in der Inverterschaltung 20 enthält die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 22 und 23, die Dioden 26 und 27, und den ersten Kondensator 25, welcher als eine Gleichspannungsquelle wirkt, wobei der zweite Einzelphasen-Inverter 31b die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen 32 und 33, die Dioden 36 und 37, und den zweiten Kondensator 35 enthält, welcher als eine Gleichspannungsquelle wirkt. Zusätzlich ist der dritte Einzelphasen-Inverter 31c, welcher in der letzten Stufe ist, als ein Halbbrücken-Einzelphasen-Inverter aufgebaut, welcher eine Halbleiter-Umschaltvorrichtung 42, eine Diode 46 und einen dritten Kondensator 45 enthält.
Zusätzlich ist der Glättungskondensator 6 über die Gleichrichterdiode 5, als eine der Inverterschaltung 20 nachfolgende Stufe, mit der Inverterschaltung 20 verbunden, und ist ein Kurzschluss-Umschalter 4a zwischen dem negativen Anschluss von dem dritten Kondensator 45 und dem negativen Anschluss von dem Glättungskondensator 6 verbunden.
Auf die gleiche Art und Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen 5 und 6 werden für die Leistungsumwandlungsvorrichtung mehrere Steuermodi zuvor eingestellt, welche auf Kombinationen von der Ausgabesteuerung von dem ersten bis dritten Einzelphasen-Inverter 31a bis 31c und der EIN/AUS-Steuerung des Kurzschluss-Umschalters 4a basieren. Gemäß der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1, wird einer der Steuermodi ausgewählt, und wird eine Umschaltung hierauf durchgeführt.
Dann werden hinsichtlich der Spannungswerte Vc (k) der Mehrzahl (in diesem Fall drei) von Kondensatoren 25, 35 und 45, eine Spannung Vc (N), welche die maximale Spannung ist, und eine Spannung Vc (1), welche die minimale Spannung ist, derart gesteuert, dass die folgende relationale Gleichung erfüllt wird. Vc (N) ≤ (ΣVc (k):k = 1 ~ N – 1) + Vc (1)
Es ist zu erwähnen, dass ebenso bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen 5 und 6 das Verhältnis der Spannungen von zwei Kondensatoren, das heißt der Kondensator 25 und der Kondensator 35, gleich 1:2 oder 1:1 beträgt, wobei beides die obige relationale Gleichung erfüllt.
In dem Fall, bei welchem die Spannungen Vc1, Vc2 und Vc3 des ersten bis dritten Kondensators 25, 35 und 45 die obige relationale Gleichung erfüllen, beispielsweise in jenem Fall, bei welchem das Spannungsverhältnis im Bereich von 1:1:1 bis 1:2:4 beträgt, sind mögliche Spannungspegel der gesamten Ausgangsspannung Vb (Vb = Va – Vin) von der Inverterschaltung 20 in 35 und 36 gezeigt. Auf diese Art und Weise werden die Spannungen des ersten bis dritten Kondensators 25, 35 und 45 derart gesteuert, dass sie die obige relationale Gleichung erfüllen, wobei kontinuierliche Werte als die gesamte Ausgangsspannung von der Inverterschaltung 20 ausgewählt werden können. Demgemäß können die Anzahl von einstellbaren Steuermodi und die Anzahl von Pegeln von Verstärkungsverhältnissen sichergestellt werden.
Es ist zu erwähnen, dass das Verhältnis der Spannungen der Kondensatoren 25, 35 und 45 gemäß den Steuermodi bestimmt wird, und somit kann durch ein Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung mit der Verwendung der Steuermodi das Verhältnis der Spannungen von den Kondensatoren 25, 35 und 45 ebenso gesteuert werden.
37 zeigt eine Relation der Spannungen Vc1, Vc2 und Vc3 der Kondensatoren 25, 35 und 45 und der Spannung Vo (Ausgangsspannung) des Glättungskondensators 6 an der Ausgabeseite von der Leistungsumwandlungsvorrichtung, in Relation zu der Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 in jenem Fall, bei welchem das Verhältnis der Spannungen des ersten bis dritten Kondensators 25, 35 und 45 auf 1:2:4 festgelegt ist. Wie in 37 gezeigt, wird einer von acht Pegeln von Verstärkungsverhältnissen gemäß der Spannung Vin ausgewählt, und wird die Steuerung, basierend auf den entsprechenden einen Modus von acht Steuermodi, durchgeführt. Demgemäß verbleibt die Spannungsschwankungsrate von der Ausgangsspannung Vo in einem Bereich von ±14%.
Auf diese Art und Weise kann durch ein Erhöhen der Anzahl der seriell verbundenen Einzelphasen-Inverter 31a bis 31c eine hohe Anzahl von Pegeln von Verstärkungsverhältnissen ausgewählt werden, und kann die Spannungsschwankungsrate reduziert werden.
Als Nächstes wird ein Fall beschrieben, bei welchem das Verhältnis der Spannungen des ersten bis dritten Kondensators 25, 35 und 45 variabel eingestellt wird, und die Leistungsumwandlungsvorrichtung basierend auf einem Steuermodus gesteuert wird, bei welchem das Spannungsverhältnis zwei Typen hat, das heißt 1:1:2 und 1:1:3. 38 zeigt eine Relation der Spannungen Vc1, Vc2 und Vc3 der Kondensatoren 25, 35 und 45 und der Spannung Vo (Ausgangsspannung) des Glättungskondensators 6 an der Ausgangsseite von der Vorrichtung in Relation zu der Spannung Vin der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1. Die Verhältnisse in dem Schaubild stellen das Verhältnis der Spannungen der Kondensatoren 25, 35 und 45 dar. Wie in 38 gezeigt, wird einer von sieben Pegeln von Verstärkungsverhältnissen gemäß der Spannung Vin ausgewählt, und wird eine Steuerung, basierend auf dem entsprechend einen Modus der sieben Steuermodi, durchgeführt. Demgemäß verbleibt die Spannungsschwankungsrate von der Ausgangsspannung Vo in einem Bereich von ±14%.
In diesem Fall kann ebenfalls durch ein Erhöhen der Anzahl von seriell verbundenen Einzelphasen-Invertern 31a bis 31c eine höhere Anzahl von Pegeln von Verstärkungsverhältnissen ausgewählt werden, und kann die Spannungsschwankungsrate reduziert werden. Da das Verhältnis der Spannungen des ersten bis dritten Kondensators 25, 35 und 45 variabel eingestellt wird, können zusätzlich die Anzahl von einstellbaren Steuermodi und die Anzahl von Pegeln von Verstärkungsverhältnissen erhöht werden. In diesem Fall, verglichen mit jenem Fall, bei welchem das Verhältnis auf entweder 1:1:2 oder 1:1:3 festgelegt ist, ist eine höhere Anzahl von Pegeln von Verstärkungsverhältnissen auswählbar, und kann die Spannungsschwankung von der Ausgangsspannung Vo ferner unterdrückt werden.
Ausführungsform 8
Als Nächstes wird eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 39 beschrieben. Die Hauptschaltung der Leistungsumwandlungsvorrichtung hat den gleichen Aufbau wie jener wie in 18 von Ausführungsform 2 dargestellt.
Wie in 39 dargestellt, enthält die Leistungsumwandlungsvorrichtung: den Eingangsspannungserfasser 10, welcher eine Spannung Vin von der Gleichstrom-Leistungsversorgung 1 erfasst, einen Hysterese-Vergleicher 16, welcher die Spannung Vin mit dem Spannungsschwellwert Vths (Vth1, Vth2) als Spannungsbestimmungswerte, welche zuvor eingestellt sind, vergleicht; eine Modus-Auswahlsektion 17 zum Umschalten von Steuermodi; und eine Steuersektion 18. Die Steuersektion 18 steuert die Halbleiter-Umschaltvorrichtungen der Einzelphasen-Inverter 30a und 30b in der Inverterschaltung 20 und den Kurzschluss-Umschalter 4a, basierend auf dem Steuermodus, welcher durch ein Ausgangssignal von der Modus-Auswahlsektion 17 ausgewählt ist. Die Modus-Auswahlsektion 17 und die Steuersektion 18 sind hier beispielsweise durch einen Mikrocomputer, einen digitalen Signalprozessor oder dergleichen konfiguriert.
Es werden Umschaltbetriebe der jeweiligen Steuermodi mit Bezug auf 40 beschrieben. Hier wird Vth1 < Vth2 angewendet.
Zu Beginn wird angenommen, dass die Leistungsumwandlungsvorrichtung in einem Steuermodus α zur Ausgabe einer Spannung gesteuert wird. Die Ausgangsspannung Vo nimmt mit Zunahme der eingegebenen Spannung Vin zu, und wenn die Spannung Vin den Spannungsschwellwert Vth2 erreicht, wird der Steuermodus auf einen Steuermodus β umgeschaltet, um das Verstärkungsverhältnis von der Leistungsumwandlungsvorrichtung zu verringern. Demgemäß verschiebt sich der Betriebspunkt in dem Schaubild von A2 auf B2. Danach, sogar wenn die Spannung Vin verringert ist, fährt die Steuerung mit dem Steuermodus β fort. Wenn die Spannung auf den Spannungsschwellwert Vth1 verringert ist, wird der Steuermodus auf den Steuermodus α umgeschaltet, um das Verstärkungsverhältnis von der Leistungsumwandlungsvorrichtung zu erhöhen. Demgemäß verschiebt sich der Betriebspunkt in dem Schaubild von B1 auf A1.
Die Spannung Vin, welche von der Gleichstromleistungs-Versorgung 1, wie beispielsweise eine Solarbatterie, eingegeben wird, schwankt stark. In dieser Ausführungsform, da eine Hysterese-Breite für die Spannungsschwellwerte (Vth1 und Vth2) für die Steuermodus-Umschaltung eingestellt ist, ist es jedoch möglich, eine häufige Umschaltung zwischen Steuermodi zu verhindern, wie in 41 gezeigt. Zusätzlich ist es möglich, eine instabile Ausgabe zu vermeiden. In dem in 41 gezeigten Fall wird die Steuermodus-Umschaltung zwei Mal durchgeführt. Andererseits, in dem in 42 gezeigten Fall, welche ein Vergleichsbeispiel ohne eine Einstellung von der Hysterese-Breite zeigt, wird die Steuermodus-Umschaltung vier Mal durchgeführt, während die Spannung Vin gleich jener wie in 41 ist.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform 6 wird die Umschaltung zwischen einem Steuermodus C und einem Steuermodus E beispielsweise dann durchgeführt, wenn die Eingangsspannung Vin gleich 120 V beträgt (siehe 33). In dieser Ausführungsform werden Vth1 und Vth2 eingestellt, indem die Hysterese-Breite von 5 bis 10 V verwendet wird, und kann somit eine stabile Ausgabe erzielt werden.
Es ist zu erwähnen, dass in dieser Ausführungsform die Spannungsschwellwerte (Vth1 und Vth2) zum Umschalten zwischen zwei Steuermodi beschrieben sind. Jedoch hängt die Anzahl der Spannungsschwellwerte zur Steuermodus-Umschaltung von der Anzahl von Steuermodi ab.
Zusätzlich kann der Hysterese-Vergleicher wie in 43 dargestellt konfiguriert sein.
Wie in 43 dargestellt, enthält der Hysterese-Vergleicher 19 einen Vergleicher 19a, Spannungsteilerwiderstände 19b bis 19d und einen Transistor 19e. In diesem Fall wird der Transistor 19e, basierend auf einem Ausgangssignal des Vergleichers 19a, ein- und ausgeschaltet, und wird das Verhältnis der Spannungsteilerwiderstände 19b bis 19d, welche die eingegebene Spannung Vin erfassen, mittels des Transistors 19e geändert, wodurch die Hysterese-Charakteristik realisiert wird. Der Vergleicher 19a kann die Spannung Vin unter Verwendung des Spannungsschwellwertes Vth1, wenn die Spannung Vin geringer wird, und durch Verwenden des Spannungsschwellwertes Vth2 (> Vth1), wenn die Spannung Vin ansteigt, erfassen. Auch in diesem Fall kann durch ein Anwenden von der Hysterese-Breite (Vth2 – Vth1) die Ausgabe von der Leistungsumwandlungsvorrichtung stabilisiert werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Bei einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, welche eine DC/DC-Umwandlung durchführt, ist eine Inverterschaltung (20), welche aus einem oder mehreren Einzelphasen-Invertern (20a) und (20b), welche miteinander in Serie verbunden sind, ausgebildet ist, in ihrer nachfolgenden Stufe seriell mit einer Gleichstrom-Leistungsversorgung (1) verbunden. In einer weiteren nachfolgenden Stufe sind ein Glättungskondensator (6), welcher über eine Gleichrichterdiode (5) mit der Inverterschaltung (20) verbunden ist, und ein Kurzschluss-Umschalter (4), welcher den Glättungskondensator (6) umgibt, bereitgestellt. Der Kurzschluss-Umschalter (4) wird eingeschaltet, um Kondensatoren (25) und (35) aufzuladen, welche jeweils im Einzelphasen-Inverter (20a) und (20b) enthalten sind, wobei der Kurzschluss-Umschalter (4) ausgeschaltet wird, um die Kondensatoren (25) und (35) zu entladen, wobei die Spannung des Glättungskondensators (6) gesteuert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3941346 [0002]

Claims

Leistungsumwandlungsvorrichtung, welche enthält: eine Inverter-Schaltung, welche einen oder mehrere Einzelphasen-Inverter enthält, welche jeweils zumindest eine Halbleiter-Umschaltvorrichtung und eine Gleichspannungsquelle enthalten, und welche an ihren AC-Seiten seriell verbunden sind, und welche eine AC-Seite hat, welche in Serie mit einem Ausgang von einer Gleichstrom-Leistungsversorgung verbunden ist, wodurch eine gesamte Summe von Ausgaben von den Einzelphasen-Invertern auf eine Ausgabe von der Gleichstrom-Leistungsversorgung überlagert wird; einen Glättungskondensator, welcher eine Ausgabe von der Inverter-Schaltung glättet, welcher mit der Inverter-Schaltung an ihrer nachfolgenden Stufe über ein Element zum Umschalten zwischen einem leitfähigen Zustand und einem nicht-leitfähigen Zustand verbunden ist; und einen Kurzschluss-Umschalter, welcher ein Ende hat, welches mit der Inverter-Schaltung verbunden ist, und wobei das weitere Ende mit einem negativen Anschluss des Glättungskondensators verbunden ist, wobei eine DC/DC-Umwandlung durch Anwenden von einer Aufladung/Entladung von einer Gleichstromleistung in der Inverter-Schaltung durchgeführt wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Element zum Umschalten zwischen dem leitfähigen Zustand und dem nicht-leitfähigen Zustand eine Gleichrichterdiode ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher jeder Einzelphasen-Inverter mit einer Brückenschaltung, bei welcher die Halbleiter-Umschaltvorrichtung in Serie mit einer Diode verbunden ist, und mit der Gleichspannungsquelle konfiguriert ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das eine Ende des Kurzschluss-Umschalters mit einem negativen Anschluss von der Gleichspannungsquelle des Einzelphasen-Inverters verbunden ist, welcher in der letzten Stufe von dem einen oder den mehreren Einzelphasen-Invertern ist, welche in der Inverter-Schaltung enthalten sind.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher von dem einen oder den mehreren Einzelphasen-Invertern jener Einzelphasen-Inverter, welcher in der letzten Stufe verbunden ist, durch einen Halbbrücken-Inverter konfiguriert ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche ferner enthält: ein Element zum Erfassen von einer Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung, wobei die Inverter-Schaltung einer Ausgabensteuerung gemäß der Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung unterworfen ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, welche ferner enthält: ein Element zum Erfassen von einer Spannung von der Gleichspannungsquelle von jedem Einzelphasen-Inverter, wobei der Kurzschluss-Umschalter eingeschaltet ist, solange die Spannungen von den Gleichspannungsquellen nicht alle jeweilige Einstell-Spannungswerte übersteigen, und der Kurzschluss-Umschalter ausgeschaltet ist, sobald die Spannungen die Einstell-Spannungswerte übersteigen.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Inverter-Schaltung derart gesteuert ist, dass das Aufladen/Entladen von der Gleichstromleistung bei einem EIN/AUS-Umschalten des Kurzschluss-Umschalters umgeschaltet wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher eine Gleichspannung von jedem Einzelphasen-Inverter gleich oder niedriger als eine Einstell-Spannung des Glättungskondensators eingestellt wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Gleichstrom-Leistungsversorgung eine Solarbatterie ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Gleichspannungsquelle von jedem Einzelphasen-Inverter durch einen Kondensator konfiguriert ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Inverter-Schaltung eine Mehrzahl der Einzelphasen-Inverter enthält, und die DC/DC-Umwandlung basierend auf einer Mehrzahl von Steuermodi durchgeführt wird, wobei jeder basierend auf einer Kombination von einer Ausgabe-Steuerung von jedem Einzelphasen-Inverter und einer EIN/Aus-Steuerung von dem Kurzschluss-Umschalter ausgebildet ist, indem zwischen den Steuermodi gemäss der Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung umgeschaltet wird, während die Aufladung/Entladung von der Gleichstromleistung in der Inverter-Schaltung verwendet wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher jeder von der Mehrzahl von Steuermodi ein Verstärkungsverhältnis zur DC/DC-Umwandlung hat, und wobei das Verstärkungsverhältnis durch ein Bestimmen und ein Umschalten auf einen von den Steuermodi gemäß der Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung ausgewählt wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die Umschaltung zwischen den Steuermodi durch ein Auswählen von einem von den Steuermodi auf eine Art und Weise durchgeführt wird, dass die Schwankung von einer Ausgangsspannung von der Leistungsumwandlungsvorrichtung minimiert wird, wobei die Schwankung durch eine Spannungsschwankung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung hervorgerufen wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher das Verhältnis von den Spannungen von den Gleichspannungsquellen von den Einzelphasen-Invertern variabel eingestellt wird, und wobei die Mehrzahl von Steuermodi derart eingestellt wird, dass das Verhältnis von den Spannungen, welches basierend auf den Steuermodi bestimmt wird, mehrere Typen enthält.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welcher Spannungswerte Vc (k) von einer Mehrzahl (N) von den Gleichspannungsquellen derart eingestellt sind, dass das Verhältnis von den Spannungen durch die Zweierpotenz (1:2:4 ... :2^N-1) dargestellt ist.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welcher von den Spannungswerten Vc (k) von einer Mehrzahl (N) von den Gleichspannungsquellen, eine maximale Spannung Vc (N) und eine minimale Spannung Vc (1) eine folgende relationale Gleichung erfüllen: Vc (N) ≤ (ΣVc (k):k = 1 ~ N – 1) + Vc (1).
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welcher von der Mehrzahl von Einzelphasen-Invertern die Gleichspannungsquellen von zwei oder mehreren Einzelphasen-Invertern die gleiche Spannung haben.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welcher die Mehrzahl von Steuermodi derart eingestellt sind, dass der Empfang und die Zufuhr von elektrischer Leistung von jeder Gleichspannungsquelle, wobei der Empfang und die Zufuhr durch die Ausgabe von jedem Einzelphasen-Inverter bewirkt werden, ausgeglichen sind.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 19, bei welcher bei der Steuerung unter Verwendung von den Steuermodi das Verhältnis von den Spannungen von den Gleichspannungsquellen von den Einzelphasen-Invertern durch ein Einstellen von einer relativen Einschaltdauer von einer positiven und einer negativen Spannungsausgabe von jedem Einzelphasen-Inverterohne ein Ändern von der Steuerung des Kurzschluss-Umschalters eingestellt wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welcher die Umschaltung zwischen den Steuermodi durch ein Vergleichen eines Spannungsbestimmungswertes, welcher zuvor eingestellt ist, mit der Spannung von der Gleichstrom-Leistungsversorgung durchgeführt wird, und eine Hysterese-Breite für den Spannungsbestimmungswert eingestellt wird.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welcher das eine Ende von dem Kurzschluss-Umschalter mit einer Wechselspannungsseite-Ausgangsleitung in jener Stufe verbunden ist, welche der Inverter-Schaltung nachfolgt.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welcher ein vorbestimmter Steuerbetrieb von der Leistungsumwandlungsvorrichtung bei konstanten Zyklen wiederholt wird, wobei der vorbestimmte Steuerbetrieb auf den Steuermodi basiert, welche jeweils basierend auf der Kombination von der Ausgabensteuerung von jedem Einzelphasen-Inverter und der EIN/AUS-Steuerung des Kurzschluss-Umschalters ausgebildet sind.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 23, bei welcher in einem Zyklus des vorbestimmten Steuerbetriebes der Empfang und die Zufuhr von elektrischer Leistung von jeder Gleichspannungsquelle, wobei der Empfang und die Zufuhr durch die Ausgabe von jedem Einzelphasen-Inverter hervorgerufen werden, ausgeglichen sind.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 23, bei welcher der eine Zyklus des vorbestimmten Steuerbetriebes zumindest zwei unterschiedliche Steuerbetriebsperioden enthält.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 25, bei welcher, mit Ausnahme jenes Falles, bei welchem jeder Einzelphasen-Inverter innerhalb des einen Zyklus keine Spannung erzeugt, der eine Zyklus zumindest eine Steuerbetriebsperiode, innerhalb derer jeder Einzelphasen-Inverter eine positive Spannung ausgibt, und zumindest eine Steuerbetriebsperiode, innerhalb derer der Einzelphasen-Inverter eine negative Spannung ausgibt, enthält.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 26, bei welcher in dem einen Zyklus eine gesamte Summe von den Steuerbetriebsperioden, innerhalb derer jeder Einzelphasen-Inverter die positive Spannung ausgibt, eine gleiche Dauer hinsichtlich einer gesamten Summe von den Steuerbetriebsperioden hat, innerhalb derer der Einzelphasen-Inverter die negative Spannung ausgibt.