JP2013546295A - 電気エネルギーをdc発電機から2本の電力線を有するacグリッドに供給する電力インバータ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
2 入力端子
3 入力端子
4 出力端子
5 出力端子
6 接地端子
7 ハーフブリッジ
8 ハーフブリッジ
9 半導体電力スイッチ
10 半導体電力スイッチ
11 半導体電力スイッチ
12 半導体電力スイッチ
13 逆並列ダイオード
14 中央
15 中央
16 一次巻線
17 高周波トランス
18 二次巻線
19 共振直列回路
20 コンデンサ
21 コンデンサ
22 高周波整流器
23 整流器フルブリッジ
24 ダイオード
25 コンデンサ
26 出力線
27 出力線
28 V(t)プロット
29 V(t)プロット
30 V(t)プロット
31 出力コンバータ
32 EMCフィルタ
33 ヒューズ
34 V(t)プロット
35 V(t)プロット
36 抵抗
37 抵抗
38 抵抗
39 コンデンサ
40 バッファコンデンサ
41 コントローラ
42 信号線
43 信号線
44 抵抗
45 抵抗
46 コンデンサ
47 制御線
48 制御線
49 制御線
50 絶縁バリア
51 共振変換器
52 ドライバ
53 ドライバ
54 抵抗
55 基準電圧点
56 コンビモードチョーク
57 リング磁心
58 ウェブ
59 空気ギャップ
60 バリスタ
61 タップ
62 過電圧
63 パルス
64 電流
65 電圧
66 オンタイム
67 電圧降下
68 ディップ
69 パルス
70 太陽光電池モジュール
71 発電機
72 リング
73 中継器
74 電力線
75 電力線
76 接地線
77 ACグリッド
78 ボックス
Claims (36)
- 電気エネルギーをDC発電機から2本の電力線を有するACグリッドに供給する電力インバータ(1)であって、
−前記発電機に接続する2つの入力端子(2、3)と、
−前記ACグリッドの前記2本の電力線に接続する2つの出力端子(4、5)と、
−共振コンバータ(51)と、
を備え、前記共振コンバータ(51)は、
−一次巻線(16)及び二次巻線(18)を備える高周波トランス(17)と、
−前記高周波トランス(17)の前記一次巻線(16)の一端部を前記入力端子(2、3)のうちの一方に接続して、前記一次巻線(16)を通る前記入力端子(3、2)のうちの他方への電流路を提供する少なくとも1つの高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9〜12)と、
−インダクタンス及び静電容量を備える共振直列回路(19)と、
−前記高周波トランス(17)の前記二次巻線(18)を通る電流を整流する高周波整流器(22)であって、2本の出力線(26、27)を有する高周波整流器(22)と、
−前記高周波整流器(22)の前記出力線(26、27)と前記2つの出力端子(4、5)との間に接続される出力コンバータ(31)と、
を含み、
前記共振コンバータ(51)は、前記出力端子(4、5)に接続され、電圧信号を受信するコントローラ(41)をさらに備え、前記コントローラ(41)は、高周波制御信号(R、L)を提供して、前記共振コンバータ(51)のすべての半導体電力スイッチ(9〜12)を制御して、AC電流を正弦波変調し、前記正弦波変調されたAC電流は前記ACグリッドに供給され、前記電圧信号と同相である、電力インバータ(1)。 - 前記コントローラ(41)は、前記高周波制御信号(R、L)のパルスの繰り返し数を変更して、前記ACグリッドに供給される前記AC電流を正弦波変調する、請求項1に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、前記高周波制御信号(R、L)の前記パルスの平均繰り返し数をさらに変更して、前記発電機から前記ACグリッドに供給される電力を制御する、請求項2に記載の電力インバータ(1)。
- 前記共振コンバータ(51)は、前記入力端子(2、3)間に接続される2つのハーフブリッジ(7、8)をさらに備え、各ハーフブリッジ(7、8)は、2つの高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9、10;11、12)と、中央部(14、15)とを有し、前記高周波トランス(17)の前記一次巻線(16)は、前記2つのハーフブリッジ(7、8)の前記中央部(14、15)間に接続される、請求項1、2、又は3に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、前記高周波制御信号(R、L)を提供して、前記高周波トランス(17)の前記一次巻線(16)の一端部を前記入力端子(2、3)のうちの一方に接続し、前記一次巻線(16)の他端部を前記入力端子(3、2)のうちの他方に接続するか、又は前記2つのハーフブリッジ(7、8)のそれぞれ1つの高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9、10;11、12)を介して前記一次巻線(16)の両端部を短絡させるように、前記2つのハーフブリッジ(7、8)の前記高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9、10;11、12)を制御する、請求項4に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、パルスが部分的に重なった時間差で前記2つの制御信号(R、L)を提供し、両制御信号(R、L)の前記部分的に重なったパルスの長さは等しく、少なくとも前記共振コンバータ(51)の前記共振直列回路(19)の共振周期と同じ長さであり、前記コントローラ(41)は、前記2つの高周波信号(R、L)間の前記時間差を変更して、オンタイムの長さを変更する、請求項4又は5に記載の電力インバータ(1)。
- 両制御信号(R、L)は、前記パルスの前記繰り返し数から独立して約50%のデューティサイクルを示す、請求項6に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、前記高周波制御信号(R、L)を提供して、常に同じ前記2つの高周波スイッチング半導体電力スイッチ(10及び12)を介して前記一次巻線(16)の前記両端部を短絡させるように、前記2つのハーフブリッジ(7、8)の前記高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9、10;11、12)を制御する、請求項5に記載の電力インバータ(1)。
- 前記常に同じ2つの高周波スイッチング半導体電力スイッチ(10及び12)を通る前記一次巻線(16)の前記両端部間の電流路は、前記2つのハーフブリッジ(7、8)の前記2つの他方の高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9及び11)を通る前記一次巻線(16)の前記両端部間の電流路よりも電気損失が本質的に少ないように設計される、請求項8に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、ハーフブリッジ(7、8)毎に1つの高周波制御信号(R、L)を提供し、前記高周波制御信号(R、L)は、前記ハーフブリッジ(7、8)のそれぞれの前記2つの半導体電力スイッチ(9、10;11、12)のうちの一方をそのまま制御するとともに、反転して、前記ハーフブリッジ(7、8)のそれぞれの前記2つの半導体電力スイッチ(9、10;11、12)のうちの他方を制御する、請求項4〜9のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、前記高周波制御信号(R、L)を提供して、前記ハーフブリッジ(7、8)の前記半導体電力スイッチ(9〜12)のゼロ電流スイッチング(ZCS)を行う、請求項10に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は前記高周波制御信号(R、L)を提供して、前記ハーフブリッジ(7、8)の前記半導体電力スイッチ(9〜12)の全波モード(FWM)ゼロ電流スイッチング(ZCS)を行い、前記コントローラ(41)は、最大電圧信号での共振周期の約50%からゼロ電圧信号での共振周期の約100%の範囲で、前記一次巻線(16)のオンタイムの長さを変更し、前記オンタイムの間、前記入力端子(2、3)のうちの一方に接続された前記ハーフブリッジ(7、8)のうちの一方の前記半導体電力スイッチ(9〜12)のうちの1つ及び前記入力端子(2、3)のうちの他方に接続された前記ハーフブリッジ(7、8)のうちの他方の前記半導体電力スイッチ(9〜12)のうちの1つは閉じられ、その一方で、前記ハーフブリッジ(7、8)の前記2つの他の半導体電力スイッチ(9〜12)は開かれる、請求項11に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、前記高周波制御信号(R、L)の前記パルスの前記繰り返し数を変調し、且つ/又は前記電圧信号に応じて、ルックアップテーブルに記憶された制御データに従って前記オンタイムの長さを変更する、請求項10〜12のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 前記コントローラ(41)は、それぞれが前記ハーフブリッジ(7、8)の1つに提供される2つのドライバ(52、53)を介して前記2つの高周波制御信号(R、L)を前記半導体電力スイッチ(9〜12)に提供し、提供される前記高周波制御信号(R、L)がハイの場合、前記ハーフブリッジ(7、8)のそれぞれの前記半導体電力スイッチ(10、12)の一方を閉じ、提供される前記高周波制御信号(R、L)がローの場合、前記ハーフブリッジ(7、8)のうちの一方の前記半導体電力スイッチ(9、11)の他方を閉じ、前記2つの高周波制御信号(R、L)の両方がハイの場合、前記2つのドライバ(52、53)により閉じられる前記2つのハーフブリッジ(7、8)の前記半導体電力スイッチ(10、12)は同じ入力端子(3)に接続される、請求項4〜13のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 前記共振直列回路(19)は、前記インダクタンスを提供する前記高周波トランス(17)及び前記静電容量を提供する2つのコンデンサ(20、21)を備え、前記高周波トランス(17)の前記二次巻線(18)は前記2つのコンデンサ(20、21)間に接続され、前記高周波整流器(22)は前記コンデンサ(20、21)に接続される、請求項1〜14のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 前記共振直列回路(19)は、静電容量が等しい前記2つのコンデンサ(20、21)及び前記高周波トランス(17)からなる、請求項15に記載の電力インバータ(1)。
- 前記高周波整流器(22)は整流器フルブリッジ(23)を備える、請求項1〜16のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 前記高周波整流器(22)はローパスフィルタコンデンサ(25)を備える、請求項1〜17のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 前記出力コンバータ(31)は、前記出力端子(4、5)に印加される電圧を介して転流する他励式コンバータ(31)である、請求項1〜18のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 電力網接地線に接続する接地端子(6)をさらに備え、前記入力端子のうちの1つ(3)は、一方では、抵抗(36、37)を介して前記高周波整流器(22)の前記出力線(26、27)のうちの一方に接続され、他方では、コンデンサ(39)を介して前記接地端子(6)に接続される、請求項19に記載の電力インバータ(1)。
- 抵抗(38)が、前記入力端子のうちの一方(3)に接続する前記コンデンサ(39)に並列接続される、請求項20に記載の電力インバータ(1)。
- 前記入力端子のうちの前記一方(3)に接続される前記高周波整流器(22)の前記出力線(26、27)のうちの一方は、電気接地よりも低い電位を示す前記高周波整流器(22)の前記出力線(26)である、請求項20又は21に記載の電力インバータ(1)。
- 前記入力端子(2、3)と前記出力端子(4、5)の間に絶縁バリア(50)をさらに備え、前記高周波トランス(17)のすべての高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9〜12)及び前記一次巻線(16)は、前記バリア(50)の前記入力端子(2、3)と同じ側にあり、前記共振直列回路(19)は前記周波数トランス(17)の前記二次巻線(18)を含み、前記高周波整流器(22)及び前記出力コンバータ(31)は、前記バリア(50)の前記出力端子(4、5)と同じ側にある、請求項1〜22のうちいずれか一項に記載の電力インバータ(1)。
- 前記絶縁バリア(50)を交差するすべての線は、前記絶縁バリア(50)に以下のうちの少なくとも1つを備える:高オーム抵抗(36、37、44、45)又はコンデンサ(46)、請求項22に記載の電力インバータ(1)。
- 請求項1〜24のうちいずれか一項に記載の前記電力変換器(1)の動作方法であって、共振コンバータ(51)が、入力端子(2、3)間に接続された2つのハーフブリッジ(78)を備え、各ハーフブリッジ(7、8)は、2つの高周波スイッチング半導体電力スイッチ(9、10;11、12)及び中央部(14、15)を有し、高周波トランス(17)の一次巻線(6)が前記2つのハーフブリッジ(7、8)の前記中央部(14、15)間に接続され、前記方法は、
−時間差で2つの高周波制御信号(R、L)を生成し、前記2つの高周波制御信号(R、L)を、前記2つの入力端子のうちの1つ(3)に接続された前記2つのハーフブリッジ(7、8)の2つの前記半導体電力スイッチ(10、12)に適用するステップであって、それにより、オンタイム(66)を提供し、前記オンタイム(66)中、これらの2つの半導体電力スイッチ(10、12)のうちの一方のみが閉じられる、生成し適用するステップと、
−それぞれが前記2つの高周波制御信号(R、L)のうちの一方の反転である2つの反転高周波制御信号を生成し、各高周波制御信号(R、L)及びその制御信号の反転が前記同じハーフブリッジ(7、8)の前記2つの半導体電力スイッチ(9、10;11、12)に与えられるように、前記2つの反転高周波制御信号を、前記2つの入力端子のうちの他方(2)に接続された前記2つのハーフブリッジ(7、8)の2つの前記半導体電力スイッチ(9、11)に適用するステップと、
を含み、
前記方法は、
−すべての高周波制御信号(R、L)を同期して変調するステップであって、それにより、AC電流を正弦波変調し、前記正弦波変調されたAC電流はACグリッドの電圧と同相で前記ACグリッドに供給される、変調するステップと、
をさらに含む、方法。 - 前記高周波制御信号(R、L)のパルスの繰り返し数を変更して、前記ACグリッドに供給される前記AC電流を正弦波変調するステップをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記高周波制御信号(R、L)の前記パルスの平均繰り返し数を変更して、前記発電機から前記ACグリッドに供給される電力を制御するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
- 前記ハーフブリッジ(7、8)の前記半導体電力スイッチ(9〜12)の全波モードゼロ電流スイッチングで、前記共振コンバータ(51)の前記共振直列回路(19)の共振周期の約50%〜約100%の範囲で前記オンタイム(66)の長さを変更するステップをさらに含む、請求項25又は26に記載の方法。
- 前記オンタイム(66)の長さは、前記高周波整流器(2)の前記出力線(26、27)に印加される外部電圧と、前記オンタイム(66)中に前記高周波トランス(17)の前記一次巻線(16)に印加される電圧の現在値との現在の比率に基づいて変更される、請求項28に記載の方法。
- 両制御信号(R、L)は、前記パルスの前記繰り返し数から独立して約50%のデューティサイクルを用いて部分的にパルスを重ねることにより生成され、前記制御信号(R、L)の前記時間差が変更されて、前記オンタイムの長さが変更される、請求項25〜29のうちいずれか一項に記載の方法。
- 特に請求項1〜24のうちいずれか一項に記載の、電気エネルギーをDC発電機から2本の電力線を有するACグリッドに供給する電力インバータ(1)であって、
−前記発電機に接続する2つの入力端子(2、3)と、
−前記ACグリッドの前記2本の電力線に接続する2つの出力端子(4、5)と、
−前記2つの入力端子(2、3)と前記2つの出力端子(4、5)との間に接続される共振コンバータ(51)と、
−前記出力コンバータ(31)と前記2つの出力端子(4、5)との間に接続されるコモンモードチョーク及びコンビモードチョーク(56)から選択されるチョークを備えるEMCフィルタ(32)と、
を備え、バリスタ(60)が、互いに対応する前記チョークのタップ(61)間に接続される、電力インバータ(1)。 - 前記チョークは、導電材料が提供される空気ギャップ(59)を備える追加のウェブ(58)を有する共通リング磁心(54)上に配置されるコンビモードチョーク(56)である、請求項31に記載の電力インバータ(1)。
- 特に請求項1〜24、31、及び32のうちいずれか一項に記載の、電気エネルギーをDC発電機から2本の電力線を有するACグリッドに供給する電力インバータ(1)であって、
−前記発電機に接続する2つの入力端子(2、3)と、
−前記ACグリッドの前記2本の電力線に接続する2つの出力端子(4、5)と、
−前記2つの入力端子(2、3)と線(26、27)との間にガルバニック絶縁を提供する入力コンバータ(51)又はトランス(17)と、
−前記線(26、27)と前記2つの出力端子(4、5)との間に接続される出力コンバータ(31)であって、前記出力端子(4、5)に印加される電圧を介して転流する他励式コンバータ(31)である、出力コンバータ(31)と、
−電力網接地線に接続する接地端子(6)であって、前記入力端子のうちの一方(3)が、一方では、抵抗(36、37)を介して前記線のうちの一方(27)に接続され、他方では、コンデンサ(39)を介して前記接地端子(6)に接続される、接地端子(6)と、
を備える、電力インバータ(1)。 - 抵抗(38)が、前記入力端子のうちの一方(3)に接続する前記コンデンサ(39)に並列接続される、請求項33に記載の電力インバータ(1)。
- 前記入力端子のうちの前記一方(3)に接続される前記線(26、27)のうちの前記一方は、電気接地よりも低い電位を示す前記線(26)である、請求項33又は34に記載の電力インバータ(1)。
- 前記入力端子のうちの前記一方(3)に接続される前記線(26、27)のうちの前記一方は、電気接地よりも高い電位を示す前記線(27)である、請求項33又は34に記載の電力インバータ(1)。
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