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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Chopperschaltung bzw. einen Wechselrichter (chopper circuit), die/der einen weichen Schaltvorgang (soft switching) nutzt, sowie eine Technologie, die mit dem Wechselrichter verbunden ist.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
JP 2009-165245 A ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem Schaltverluste in einem Spannungshochsetzer, wie etwa einem Gleichspannungswandler, so weit wie möglich unterdrückt werden, um die Ausgangsspannung von einer Gleichstromversorgungseinheit, wie beispielsweise einer Brennstoffzelle, zu erhöhen. Dazu weist das Brennstoffzellensystem einen Hauptspannungs-Aufwärtstransformationsabschnitt auf, um zu bewirken, dass ein Hauptschaltmittel einen Schaltvorgang für eine Hauptspule durchführt, die mit einem Anschluss einer Hochpotentialseite der Brennstoffzelle verbunden ist, so dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht werden kann; und einen Hilfsspannungs-Aufwärtstransformationsabschnitt mit einem Dämpfungskondensator, der parallel zu dem Hauptschaltmittel geschaltet ist und in der Lage ist, eine an das Hauptschaltmittel angelegte Spannung einzustellen und eine angelegte Spannung des Dämpfungskondensators als Reaktion auf den Hochspannungs-Hochsetzbetrieb des Hauptspannungs-Hochsetzabschnittes. Wenn die Ausgangsspannung durch den Spannungserhöhungsabschnitt über einen Schaltvorgang der Hauptschaltereinrichtung erhöht wird, entfernt die Hauptschalteinrichtung Ladungen, die auf dem Dämpfungskondensator akkumuliert sind, bevor eine vorbestimmte Schaltoperation durchgeführt wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 102 36 377 A1 ist ein Verfahren zur Fehlererkennung bei einer Antriebseinrichtung mit einem Mehrphasen-Elektromotor und einem dem Elektromotor nachgeschalteten Stromrichter, bei der der Stromrichter die Spannung an den einzelnen Phasen des Elektromotors steuert und die Phasenströme in den Phasen des Elektromotors jeweils periodisch verlaufen, wobei zur Fehlererkennung mehrere Phasenströme des Elektromotors gemessen werden, bekannt. Zur Fehlererkennung werden die Phasenströme an einem vorgegebenen Punkt der jeweiligen Periode bei gleichzeitiger Variation der zugehörigen Spannungen an den entsprechenden Phasen des Elektromotors gemessen.
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Aus der Druckschrift
US 5 737 199 A ist bekannt: eine Fehlerprüfvorrichtung und ein Verfahren zum Schalten von Signalleitungen, wobei PWM-Signale durch eine PWM-Signalausgabe/Vermessungsschaltung an PWM-Signalleitungen gesendet werden. Basierend auf dem Pegel der auszusendenden PWM-Signale und dem Pegel der tatsächlich ausgesendeten PWM-Signale wird ein PWM-Fehlanpassungssignal (logisch) erzeugt. Das erzeugte PWM-Fehlanpassungssignal (logisch) weist einen Wert auf, der einen Fehler anzeigt, wenn die PWM-Signalleitungen in einem Bruchzustand oder Kurzschluss zu einer Masse sind, oder die PWM-Signalleitungen in einer Vorlaufschaltung sind mit der positiven Verdrahtung von eine Stromquelle. Daher kann unter Verwendung des PWM-Fehlanpassungssignals (logisch) ein Bruch in den PWM-Signalleitungen oder ein Fehler in der Vorlaufschaltung durch eine Steuer-CPU erkannt werden.
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Aus der Druckschrift
EP 1 990 901 A2 ist eine Resonanztyp-Stromumwandlungsvorrichtung bekannt, die eine Hauptschaltung mit einer Hauptdrossel, einer Hauptschaltvorrichtung, einer invers-parallelen Diode und einer Ausgangsleistungsdiode und einer Hilfsschaltung einschließlich einer Hilfsdrossel, eines Hilfsschalters und eines Hilfskondensators, die parallel zu der Hauptschaltvorrichtung geschaltet sind, um eine Rückgewinnungsstrombeseitigungsschaltung und eine Teilresonanzschaltung zu bilden, Berechnungsmittel zum Berechnen einer Wiederherstellungsstrombeseitigungsperiode nach dem gegenwärtigen Zeitpunkt, bis der Strom, der durch die Ausgangsleistungsdiode fließt, Null wird und die Ladung der Ausgangsleistungsdiode verschwindet basierend auf einem Spannungswert über dem Hilfsreaktor, einem Stromwert des Hauptreaktors und einem Induktivitätswert der Hilfsdrossel, und ein Steuermittel zum Steuern der Hilfsschaltvorrichtung aufweist, um basierend auf der Erholungsstrombelichtungsperiode einzuschalten.
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Aus der Druckschrift
CH 682 611 A5 ist ein Schaltentlastungsnetzwerk bekannt, das zum Entlasten eines Schalters eines schaltgeregelten Energiewandlers vom Typ „Boost Converter” dient. Es umfasst einen zweiten Schalter und eine Entlastungsdrossel, die seriell und gemeinsam zum ersten Schalter parallel geschaltet sind. Die zugeordnete Schaltsteuerung besitzt zwei getrennte Ausgänge, über die gestaffelte und sich zeitlich überlappend jeweils zwei Steuersignale an die Schalter abgegeben werden. Weiter sind wenigstens eine Entlastungsdiode und ein Entlastungskondensator vorgesehen, die seriell und gemeinsam parallel zur Entlastungsdrossel angeordnet sind, sowie eine zweite Entlastungsdiode. Das Netzwerk arbeitet so, dass die Energie des jeweiligen Rückstroms durch die Ladediode aufgefangen und weitgehend in den Speicherkondensator überführt wird.
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Um den Bereich einer Eingangs-Ausgangs-Spannung und einen Lastbereich einer schaltenden Stromquelle, die in der Lage ist, weich zu schalten, zu erhöhen offenbart die japanische Offenlegungsschrift
JP 2001 309646 A ein erstes Schaltelement, das eingeschaltet wird, um zu erfassen, dass eine Spannung zwischen beiden Klemmen des ersten Schaltelements in einer Schaltzelle mit Null-Spannung annähernd Null erreicht hat, eine dritte Wicklung um einen Transformator gewunden ist, und dann ein zweites Schaltelement ausgeschaltet wird, wenn bestimmt wird, dass die Ausgabe annähernd Null erreicht hat.
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Im Stand der Technik wird im Gebiet der Halbleiter-Leistungswandler ein weich schaltender Wechselrichter verwendet, um den Leistungsverlust zu verringern (siehe hierzu die japanische Offenlegungsschrift
JP 2009-112182 A ).
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Das Ein-/Ausschalten eines Hauptschaltelements und eines Hilfsschaltelements des Wechselrichters werden derart ausgeführt, dass Gatesignale, welche die Einschalt-/Ausschaltsignale darstellen, jeweils von einer Steuereinheit an beide Schaltelemente übertragen werden. Die Gatesignale von der Steuereinheit werden über einen zur Signalübertragung geeigneten Kabelstrang oder ein Kabelnetz bzw. einen Leitungssatz (WH) oder dergleichen übertragen. Jedoch kommt es vor, dass das Gatesignal aufgrund eines Bruchs im Leitungssatz, einem externen Rauschen bzw. einer Störung oder dergleichen nicht in das Hilfsschaltelement eingegeben wird, und das Hilfsschaltelement dann nicht arbeitet. In diesem Fall besteht, da das Hauptschaltelement arbeitet, die Möglichkeit, dass eine an das Hauptschaltelement angelegte Spannung ansteigt und dadurch die Schaltoperation bzw. der Schaltvorgang des Hauptschaltelements ein harter Schaltvorgang wird, wodurch es zu einem Ausfall kommen kann.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung sieht einen Wechselrichter nach Anspruch 1, sowie einen Gleichstromwandler nach Anspruch 3 und ein Brennstoffzellensystem nach 4 jeweils mit diesem Wechselrichter vor.
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Bei dem Wechselrichter gemäß der Erfindung, der den weichen Schaltvorgang nutzt, wird der Schaltzeitpunkt des Hilfsschaltelements gesteuert, um eine an das Hauptschaltelement angelegte Spannung zu senken, wenn das Hauptschaltelement eingeschaltet wird. Wenn bei dem Wechselrichter gemäß der Erfindung ein Schaltvorgang ausgeführt wird, kann, wenn ein Fehler oder dergleichen (ein Kabelbruch, ein Rauschen bzw. eine Störung oder dergleichen) in der Übertragungsleitung, die das Hilfs-Einschaltsignal zum Hilfsschaltelement überträgt, auftritt, und das Hilfs-Einschaltsignal daher nicht normal in das Hilfsschaltelement eingegeben wird, das Hilfsschaltelement keine Steuerung zum Absenken der an das Hauptschaltelement angelegten Spannung durchführen, so dass das Hauptschaltelement bei einer hohen Spannung schalten muss (hart schaltender Vorgang, hard switching). Wenn das Hauptschaltelement hart schalten muss, kann es zu einem Ausfall kommen. Bei dem Wechselrichter gemäß der Erfind verhindert jedoch der Logikschaltkreis ein Einschalten des Hauptschaltelements, wenn das Hilfs-Einschaltsignal aufgrund eines Fehlers oder dergleichen der Übertragungsleitung nicht normal in das Hilfsschaltelement eingegeben wird. Das Hauptschaltelement führt daher keinen harten Schaltvorgang aus, so dass ein Ausfall des Hauptschaltelements verhindert werden kann.
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Wenn eine Störung bzw. ein Rauschen oder dergleichen in dem Signal der Übertragungsleitung der Schaltsignale enthalten ist, und daher das Hilfs-Einschaltsignal und das Haupt-Einschaltsignal in kurzem Abstand in den Wechselrichter eingegeben werden, kann bei einem herkömmlichen Wechselrichter der Schaltzeitpunkt des Hilfsschaltelements und des Hauptschaltelements aus einem normalen Bereich fallen, so dass das Hauptschaltelement einen harten Schaltvorgang durchführen muss. Bei dem Wechselrichter gemäß der Erfindung wird jedoch, da der Wechselrichter die Verzögerungsschaltung umfasst, selbst wenn das Hilfs-Einschaltsignal und das Haupt-Einschaltsignal in kurzem Abstand zwischen dem Hilfs-Einschaltsignal und dem Haupt-Einschaltsignal eingegeben werden, das Zeitintervall auf ein normales Zeitintervall korrigiert. Es ist daher möglich zu verhindern, dass das Hauptschaltelement hart schaltet.
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Aufgrund des Logikschaltkreises ist es möglich, das Schalten des Hauptschaltelements mit einer schnelleren Erfassung zu steuern als möglich wäre, wenn das Einschalten des Hauptschaltelements durch eine von einer CPU ausgeführte Verarbeitung erfasst werden würde.
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Mit dem Gleichstromwandler gemäß der Erfindung ist es, wenn das Hilfs-Einschaltsignal des Wechselrichters nicht in das Hilfsschaltelement eingegeben wird, möglich, einen harten Schaltvorgang des Hauptschaltelements zu vermeiden.
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Mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist es, wenn das Hilfs-Einschaltsignal des Wechselrichters nicht in das Hilfsschaltelement eingegeben wird, möglich, einen harten Schaltvorgang des Hauptschaltelements zu vermeiden.
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Es sei angemerkt, dass die vorstehend genannten Aspekte der Erfindung auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden können. Beispielsweise können die Aspekte der Erfindung in Form eines weich schaltenden Verfahrens, einer weichschaltenden Vorrichtung, eines Wandlersystems für elektrische Leistung, einer integrierten Schaltung und eines Computerprogramms zum Ausführen der Funktionen des Verfahrens oder der Vorrichtung, sowie in Form eines Speichermediums, das das Computerprogramm speichert, ausgeführt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung dieser Anmeldung wird nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
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1 den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 zeigt;
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2 den Aufbau einer Schaltung eines weich schaltenden Wandlers 60 zeigt;
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3 den Aufbau einer Schaltsteuereinheit 50 zeigt;
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4A und 4B Zeitschaubilder darstellen, die den Effekt des Logikschaltkreises gemäß einer Ausführungsform zeigen;
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5 den Aufbau einer Schaltsteuereinheit 50 gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform zeigt;
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6A und 6B Zeitschaubilder des Schaltvorgangs der Schaltelemente S1 und S2 gemäß der ersten alternativen Ausführungsform darstellen; und
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7A und 7B Anwendungsbeispiele des weich schaltenden Wandlers zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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A. Erste Ausführungsform
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(A1) Aufbau des Brennstoffzellensystems
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Ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (BZHF) wird als Beispiel eines Fahrzeugs für die vorliegende Ausführungsform angenommen; wobei die vorliegende Ausführungsform auch auf ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug angewandt werden kann.
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1 zeigt eine Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10, das für das Fahrzeug ausgestaltet ist, gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Steuereinheit 20, ein Netz- bzw. Stromversorgungsgerät 30 und eine Last 40. Das Stromversorgungsgerät 30 speist Gleichstrom in die Last 40. Die Last umfasst beispielsweise eine Last, die mit Gleichstrom arbeitet, oder eine Last, die über einen Inverter mit Wechselstrom arbeitet. Das Stromversorgungsgerät 30 ist mit der Steuereinheit 20 über einen Leitungssatz WH verbunden. Während das Fahrzeug führt berechnet die Steuereinheit 20 beispielsweise eine von der Last 40 benötigte elektrische Leistung auf Basis der Beschleunigung des Fahrzeugs, eine Last von Zusatzgeräten (Beleuchtung, Audio, oder dergleichen) und dergleichen, und steuert dann die Ausgabe elektrischer Leistung vom Stromversorgungsgerät 30 in Reaktion auf das berechnete Ergebnis. Darüber hinaus umfasst das Stromversorgungsgerät 30 eine Schaltsteuereinheit 50, einen weich schaltenden Wandler 60 sowie eine Brennstoffzelle FC. Die Schaltsteuereinheit 50 ist im Stromversorgungsgerät 30 zwischen der Steuereinheit 20 und dem weich schaltenden Wandler 60 angeschlossen. Die Schaltsteuereinheit 50 wird später detailliert beschrieben.
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Die Brennstoffzelle FC hat einen Leistungserzeugungsmodus, der anhand zugeführtem Brenngas (beispielsweise Wasserstoffgas) und Oxidationsgas elektrische Leistung erzeugt. Die Brennstoffzelle FC hat eine Stapelstruktur, bei welcher eine Mehrzahl einzelner Zellen, die jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) und dergleichen haben, in Reihe nacheinander gestapelt sind. Insbesondere können unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen, beispielsweise eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle und eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle verwendet werden.
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Der weich schaltende Wandler 60 ist ein Gleichstromwandler bzw. DC-DC-Wandler (Aufwärtswandler) der die Spannung des von der Brennstoffzelle FC gelieferten Gleichstroms erhöht. Der weich schaltende Wandler 60 umfasst ein Schaltelement S1, das später beschrieben wird, und besteht aus einem Wechselrichter, der die Spannung der der Last 40 zugeführten elektrischen Leistung mittels einer Schaltoperation bzw. eines Schaltvorgangs des Schaltelements S1 steuert. Der weich schaltende Wandler 60 umfasst weiter ein Schaltelement S2, das später beschrieben wird, und steuert den Schaltzeitpunkt des Schaltelements S2, um eine Spannung, die an das Schaltelement S1 zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs des Schaltelements S1 angelegt wird, zu senken. Ein weicher Schaltvorgang bzw. ein weiches Schalten des Schaltelements S1 wird durch den vorgenannten Schaltvorgang des Schaltelements S2 erreicht.
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Die Steuereinheit 20 besteht aus einer Mikrocomputer, der eine CPU, ein RAM und ein ROM enthält. Die Steuereinheit 20 gibt Gatesignale in Richtung zum weich schaltenden Wandler 60 entsprechend der vorstehend beschriebenen Verarbeitung basierend auf der Beschleunigung oder dergleichen aus. Die Gatesignale steuern jeweils die Schaltzeitpunkt des Schaltelements S1 und des Schaltelements S2 des weich schaltenden Wandlers 60. Insbesondere gibt die Steuereinheit 20 das S1-Gatesignal und das S2-Gatesignal über den Leitungssatz WH zum weich schaltenden Wandler 60 aus. Das S1-Gatesignal wird dazu verwendet, um den Schaltzeitpunkt des Schaltelements S1 zu steuern. Das S2-Gatesignal wird dazu verwendet, um den Schaltzeitpunkt des Schaltelements S2 zu steuern.
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(A2) Aufbau des weich schaltenden Wandlers
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Nachfolgend wird der Aufbau des weich schaltenden Wandlers
60 beschrieben.
2 zeigt den Aufbau der Schaltung des weich schaltenden Wandlers
60. Das Funktionsprinzip des weich schaltenden Wandlers ist übrigens detailliert in der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2009-165245 A beschrieben, so dass auf eine Beschreibung hiervon verzichtet wird.
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Der weich schaltende Wandler 60 besteht aus einem Wechselrichter bzw. einer Chopperschaltung, der einen Hauptschaltkreis und einen Hilfsschaltkreis umfasst. Der Hauptschaltkreis besteht aus einer Drosselspule L1, eine Diode D1, dem Schaltelement S1, eine Diode D2, einem Filterkondensator C1 und einen Glättungskondensator C2. Ein erstes Ende der Drosselspule L1 ist mit der positiven Elektrode einer Gleichstromquelle E, welche die Brennstoffzelle FC (siehe 1) ist, verbunden. Die Anode der Diode D1 ist mit einem zweiten Ende der Drosselspule L1 verbunden, und die Katode der Diode D1 ist mit dem ersten Ende der Last 40 verbunden. Ein erstes Ende des Schaltelements S1 ist mit dem zweiten Ende der Drosselspule L1 verbunden, und ein zweites Ende des Schaltelements S1 ist mit der negativen Elektrode der Gleichstromquelle E und einem zweiten Ende der Last 40 verbunden. Das Schaltelement S1 schaltet in Reaktion auf das S1-Gatesignal, das von der Steuereinheit 20 übertragen wird, ein oder aus. Das Schaltelement S1 kann beispielsweise ein Halbleiterelement wie ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, ein Thyristor oder eine Diode sein. Die Diode 2 ist parallel mit dem Schaltelement S1 verbunden, um das Schaltelement S1 zu schützen. Das Schaltelement S1 fungiert als Hauptschaltelement gemäß dem Aspekt der Erfindung. Der Filterkondensator C1 ist zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der Gleichstromquelle E angeschlossen. Der Glättungskondensator C2 ist parallel zur Last 40 angeschlossen. Der Filterkondensator C1 und der Glättungskondensator C2 werden jeweils dazu verwendet, um die Eingaben und Ausgaben des weich schaltenden Wandlers 60 zu stabilisieren.
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Der Hilfsschaltkreis umfasst, auf der anderen Seite, eine Drosselspule L2, eine Diode D4, das Schaltelement S2, eine Dämpfungsdiode D3, einen Dämpfungskondensator C3 und eine Diode D5. Ein erstes Ende der Drosselspule L2 ist mit der Hochpotenzialsseite der Drosselspule L1 verbunden. Die Diode D4 ist zwischen dem Schaltelement S2 und der Dämpfungsdiode D3 angeschlossen. Ein erstes Ende des Schaltelements S2 ist mit der Katode der Diode D4 verbunden, und schaltet in Reaktion auf das von der Steuereinheit 20 übertragene S2-Gatesignal ein oder aus. Die Anode der Dämpfungsdiode D3 ist mit dem ersten Ende des Schaltelements S1 verbunden, und die Katode der Dämpfungsdiode D3 ist mit der Anode der Diode D4 verbunden. Ein erstes Ende des Dämpfungskondensators C3 ist mit der Katode der Dämpfungsdiode D3 verbunden, und ein zweites Ende des Dämpfungskondensators C3 ist mit dem Schaltelement S1 verbunden. Die Diode D5 ist parallel zum Schaltelement S2 angeschlossen, um das Schaltelement S2 zu schützen. Das Schaltelement S2 fungiert als Hilfsschaltelement gemäß dem Aspekt der Erfindung. Die Dämpfungsdiode D3 und der Dämpfungskondensator C3 absorbieren eine vorübergehende elektromotorische Gegenkraft, die auftritt, wenn das Schaltelement S1 ausschaltet.
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Im weich schaltenden Wandler 60 werden der Betrieb des Schaltelements S1 in Hauptschaltkreis und der Betrieb des Schaltelements S2 im Hilfsschaltkreis durch Ein- oder Ausschalten der Eingabe der S1- und S2-Gatesignale gesteuert. Wenn das Schaltelement S2 eingeschaltet wird, wird ein Resonanzstrom I, der vom Dämpfungskondensator C3 zur Drosselspule L2 strömt, verwendet, um die dem Schaltelement S1 zum Schaltzeitpunkt des Schaltelements S1 zugeführte Spannung zu senken. Hierdurch ist es möglich, einen Schaltverlust, der aufgrund des Schaltens auftritt, zu unterdrücken. Darüber hinaus umfasst der Hilfsschaltkreis des weich schaltenden Wandlers 60 bei der vorliegenden Ausführungsform eine Diode D6. Die Katode der Diode D6 ist mit der anderen Elektrode der Drosselspule L2 verbunden, und die Anode der Diode D6 ist mit der negativen Elektrode der Gleichstromquelle E und dem zweiten Ende der Last 40 verbunden. Die Diode D6 dient dazu, das Schaltelement S2 bei einem Fehler des weich schaltenden Wandlers 60 zu schützen. Wenn das Schaltelement S2 beispielsweise aus irgend einem Grund zu einem ungewöhnlichen Zeitpunkt stoppt, absorbiert eine Leitungsschleife bestehend aus der Diode D6 und dem Filterkondensator C1 eine Stoßspannung, die zwischen der Drosselspule L2 und dem Schaltelement S2 aufgrund der steilen bzw. jähen Änderung des durch die Drosselspule L2 fließenden Resonanzstroms I auftritt. Durch unterdrücken der Stoßspannung ist es möglich, einen Zusammenbruch bzw. Ausfalls des Schaltelements S2 aufgrund einer Spitzensperrspannung zu unterdrücken.
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Nachfolgend werden die Steuereinheit 20 und die Schaltsteuereinheit 50 beschrieben. 3 zeigt den Aufbau der Schaltsteuereinheit 50. Die Steuereinheit 20 ist durch den Kabel- bzw. Leitungssatz WH mit der Schaltsteuereinheit 50 verbunden. Die Steuereinheit 20 gibt die S1- und S2-Gatesignale aus. Die S1- und S2-Gatesignale werden über den Leitungssatz WH in die Schaltsteuereinheit 50 eingegeben.
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Die Schaltsteuereinheit 50 ist elektronisch zwischen S1- und S2-Gates und der Steuereinheit 20 angeschlossen. Das S1-Gate ist der Gateabschnitt des Schaltelements S1. Das S2-Gate ist der Gateabschnitt des Schaltelements S2. Die Schaltsteuereinheit 50 besteht aus einem Logikschaltkreis bzw. einer Logikschaltung mit der Bedingung, dass das S1-Gatesignal nicht in das Schaltelement S2 eingegeben wird, wenn das S2-Gatesignal aus irgend einem Grund nicht von der Steuereinheit 20 in das S2-Gate eingegeben wurde und das Schaltelement S2 dann nicht eingeschalten wurde. Ein Grund dafür, dass das S2-Gatesignal von der Steuereinheit 20 nicht in das S2-Gate eingegeben wird ist beispielsweise ein Bruch im Leitungssatz WH zum Übertragen des S2-Gatesignals, eine äußere Störung oder dergleichen, wie in 3 gezeigt. Wie in 3 dargestellt, besteht die Schaltsteuereinheit 50 aus einem Logikschaltkreis, der ein AND-Schaltelement A1, ein AND-Schaltelement A2, einen Puffer bzw. Dämpfer N1 und ein OR-Schaltelement R1 umfasst. Es sei angemerkt, dass der Dämpfer N1 zur Rauschreduktion bzw. Verringerung der Störung dient, und dass der Dämpfer N1 auch weggelassen werden kann. Der Effekt des Logikschaltkreis es wird nachfolgend beschrieben.
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Wie in den 4A und 4B dargestellt, bezeichnet „S1in” dass S1 -Gatesignal, das in die als Logikschaltkreis ausgebildete Schaltsteuereinheit 50 eingegeben wird, und dann in das S1-Gate eingegeben wird, und „S1out” bezeichnet das S1-Gatesignal, dass von der Steuereinheit 20 zur Schaltsteuereinheit 50 ausgegeben wird. „S2out” bezeichnet das S2-Gatesignal, das von der Steuereinheit 20 zur Schaltsteuereinheit 50 ausgegeben wird, und „S2in” bezeichnet das S2-Gatesignal, das in die Schaltsteuereinheit 50 eingegeben wird, und dann in das S2-Gate eingegeben wird. 4A zeigt, dass, wenn das S2-Gatesignal normal von der Steuereinheit 20 ausgegeben (siehe „S2out”) und in die Schaltsteuereinheit 50 eingegeben wird (siehe „S2in”), das in den Logikschaltkreis (die Schaltsteuereinheit 50) eingegebene S1 -Gatesignal in das S1-Gate eingegeben wird (siehe „S1in”). Es sei angemerkt, dass die ortsbezogene Korrespondenzbeziehung zwischen „S2in”, „S2out”, „S1in” und „S1out” in 3 dargestellt ist.
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4B zeigt den Fall, bei welchem das S2-Gatesignal aufgrund eines Bruchs des Leitungssatzes WH oder eines Rauschens bzw. einer Störung zwischen der Steuereinheit 20 und der Schaltsteuereinheit 50 nicht normal in die Schaltsteuereinheit 50 eingegeben wird. Wie in 4B dargestellt, führt, wenn das S2-Gatesignal von der Steuereinheit 20 ausgegeben wird (siehe „S2out”), das S2-Gatesignal aber aufgrund eines Bruchs des Leitungssatzes WH oder eines Rauschens bzw. einer Störung oder dergleichen nicht in den Logikschaltkreis (die Schaltsteuereinheit 50) eingegeben wurde (siehe „S2in”), der Logikschaltkreis (die Schaltsteuereinheit 50) eine Steuerung aus, so dass das eingegebene S1 -Gatesignal nicht in das S1-Gate eingegeben wird, und das Schaltelement S1 nicht eingeschaltet wird (siehe „S1in”).
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Da das Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, die Schaltsteuereinheit 50 enthält, schaltet das Schaltelement S1 ein, wenn das S2-Gatesignal (Einschaltsignal) normal in das S2-Gate eingegeben wird. Hierdurch wird ein Ausfall des Schaltelements S1 unterdrückt. Wie insbesondere beschrieben ist, steuert der weich schaltende Wandler 60 den Zeitpunkt des Einschaltens-/Ausschaltens des Schaltelements S2, um dadurch einen weichen Schaltvorgang zum Absenken der an das Schaltelement S1 zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schaltelements S1 angelegten Spannung auszuführen. Es wird davon ausgegangen, dass das Stromversorgungsgerät 30 keine Schaltsteuereinheit 50 enthält. Wenn das S2-Gatesignal nicht normal in das S2-Gate eingegeben wird, da ein Bruch im Leitungssatz WH oder eine Störung zwischen der Steuereinheit 20 und der Schaltsteuereinheit 50 vorliegt, funktioniert die Steuerung der an das Schaltelement S1 angelegten Spannung durch das Schaltelement S2 nicht. Daher nimmt die an das Schaltelement S1 angelegte Spannung zum Schaltzeitpunkt des Schaltelements S1 nicht ab. Wenn das Schaltelement S1 in diesem Fall eingeschaltet, wird kein weicher Schaltvorgang erreicht, und das Schaltelement S1 schaltet bei einem Hochspannungsstrom (schaltet hart, hard switching), so dass es möglich ist, dass ein Ausfall des Schaltelements S1 auftritt.
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Im Fall der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Stromversorgungsgerät 30 jedoch die Schaltsteuereinheit 50. Wenn daher das S2-Gatesignal nicht normal in das S2-Gate eingegeben wird, da ein Bruch des Leitungssatzes WH oder eine Störung vorliegt, wird das Einschaltsignal des S1-Gatesignals durch die Schaltsteuereinheit 50 unterbrochen, bevor das S1-Gatesignal in das S1-Gate eingegeben wird. Daher kann verhindert werden, dass das Schaltelement S1 bei hoher Spannung arbeitet (hart schaltet), so dass es möglich ist, einen Ausfall zu vermeiden bzw. zu unterdrücken.
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Das S1-Gate und das S2-Gate fungieren als Eingabeeinheit entsprechend dem Aspekt der Erfindung. Das Schaltelement S1 und das Schaltelement S2 fungieren jeweils als Hauptschaltelement und Hilfsschaltelement gemäß dem Aspekt der Erfindung, und die Schaltsteuereinheit 50 fungiert als Verbotseinheit gemäß dem Aspekt der Erfindung.
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B. alternative Ausführungsformen zur vorliegenden Ausführungsform
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Es sei angemerkt, dass der Aspekt der Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist; er kann mannigfaltig modifiziert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise sind die folgenden alternativen Ausführungsformen möglich.
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(B1) Erste alternative Ausführungsform
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Bei der vorstehenden Ausführungsform gibt die Schaltsteuereinheit 50 das Einschaltsignal des Schaltelements S1 in das S1-Gate ein, falls das Einschaltsignal des S2-Gatesignals eingegeben ist; stattdessen kann bei einer ersten alternativen Ausführungsform die Schaltsteuereinheit 50 ferner eine Verzögerungsschaltung (Verz.-Sch.) enthalten, und dass S1-Gatesignal kann in das S1-Gate eingegeben werden, falls eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, nachdem das S2-Gatesignal in das S2-Gate eingegeben wurde. 5 zeigt den Aufbau der Schaltsteuereinheit 50 gemäß der ersten alternativen Ausführungsform. Eine Verzögerungsschaltung 70 ist zwischen dem Logikschaltkreis und den S1- und S2-Gates angeschlossen, die in der vorstehend genannten Ausführungsform beschrieben wurden. Die Verzögerungsschaltung 70 wird durch ein Relais oder einen IC gebildet. 6A zeigt den Fall, wo das S2-Gatesignal und das S1-Gatesignal in kurzen Abständen (Zeitintervallen) aufgrund einer Störung bzw. Rauschen oder dergleichen in die Schaltsteuereinheit 50 eingegeben werden. Ein derartiger Fehler schließt den Fall ein, wenn das S2-Gatesignal von der Steuereinheit 20 nach einer Verzögerung mit vorgegebener Zeitspanne wegen der Störung ausgegeben wird. Auf diese Weise kann, wenn das S2-Gatesignal und das S1-Gatesignal nicht in einem normalen Zeitintervall eingegeben werden, der weiche Schaltvorgang nicht normal funktionieren, und das Schaltelement S1 kann einen harten Schaltvorgang auszuführen. Dies führt zu einem Ausfall des Schaltelements S1.
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6B zeigt ein Zeitschaubild des Schaltens der Schaltelemente S1 und S2, bei dem, wenn das S2-Gatesignal und das S1-Gatesignal in kurzem Abstand in die Schaltsteuereinheit 50 eingegeben werden, das Zeitintervall durch die Verzögerungsschaltung auf ein normales Zeitintervall korrigiert wird, und das S2-Gatesignal und das S1-Gatesignal dann jeweils in das S2-Gate und das S1-Gate eingegeben werden. Mit einer derartigen Verzögerungsschaltung ist es möglich, die Schaltoperation der Schaltelemente S1 und S2 des weich schaltenden Wandlers 60 derart zu steuern, dass nicht nur die Bedingung, dass „das S2-Gatesignal ist eingegeben” sondern auch die Bedingung, dass „das S2-Gatesignal und das S1-Gatesignal wurden in einem vorgegebenen Zeitintervall eingegeben” in der Bedingung zum Einschalten des Schaltelements S1 enthalten ist.
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(B2) Zweite alternative Ausführungsform
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Bei der vorstehend genannten Ausführungsform wird die Schaltsteuereinheit 50 durch den Logikschaltkreis (siehe 3) gebildet; die Schaltsteuereinheit 50 ist jedoch nicht auf diese Konfiguration begrenzt. Stattdessen kann die Schaltsteuereinheit 50 auch durch einen Prozessor, der eine CPU enthält, gebildet werden. Hierdurch können ähnlich vorteilhafte Effekte wie jene der vorstehend genannten Ausführungsform erhalten werden.
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(B3) Dritte alternative Ausführungsform
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Bei der vorgenannten Ausführungsform hat der weich schaltende Wandler die in 2 gezeigte Schaltkonfiguration; der weich schaltende Wandler ist jedoch nicht auf diese Konfiguration begrenzt. Stattdessen kann der weich schaltende Wandler einen weich schaltenden Wandler mit einer anderen Schaltkonfiguration enthalten. Die in 7A gezeigten S1a, S2a, L1a, L2a, und die in 7B gezeigten S1b, S2b, L1b, L2b entsprechen jeweils dem Schaltelement S1, dem Schaltelement S2, der Drosselspule L1 und der Drosselspule L2 der ersten Ausführungsform (siehe 2). Wenn der vorstehend genannte Schaltwandler die Schaltsteuereinheit 50 umfasst, können ähnliche vorteilhafte Effekte wie jene der vorstehend genannten Ausführungsform erhalten werden.
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(B4) Vierte alternative Ausführungsform
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Bei der vorstehend genannten Ausführungsform ist der weich schaltende Wandler am Beispiel des Wechselrichters beschrieben, der einen weich schaltenden Vorgang nutzt; der Wechselrichter ist jedoch hierauf nicht begrenzt. Stattdessen können, solange der Wechselrichter, der den weich schaltenden Vorgang nutzt, die Schaltsteuereinheit 50 umfasst, ähnliche vorteilhafte Effekte wie jene der vorstehend genannten Ausführungsform erhalten werden. Das bedeutet, wenn das S2-Gatesignal nicht normal in das S2-Gate eingegeben wird, ist es möglich, einen Ausfall des Schaltelements S1 zu unterdrücken. Der Wechselrichter, der den weich schaltenden Vorgang nutzt, kann im vorstehend beschriebenen Gleichstromwandler, einem Wechselstromwandler, einer Blindstromkompensationsschaltung (PFC-Schaltung) einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), einem Inverter, einem Frequenzwandler oder dergleichen verwendet werden.
