JP2014501484A - インバータを動作させるための方法、および制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電力供給システムブリッジ（４０）およびアップストリーム・ステップアップ・コンバータ（２０）を有するインバータ（１０）のゲインを低減するための方法に関し、この方法においては、ブリッジの温度を表す第１の測定変数、および、インバータ（１０）用に供給されるコンバータの電力を表す第２の測定変数が取り込まれる。電力供給システム（１００）に供給されるコンバータの電力は、インバータ（１０）の発電器接続部（６０）における発電器電圧を表す第３の測定変数、または、インバータ（１０）の電力供給システム出力部（１１０）における電力供給システム電圧を表す第４の測定変数の付加的な取り込み、ならびに、第１の測定変数と、第２の測定変数と、第３の測定変数および第４の測定変数の少なくとも一方とに基づく低減電力値の決定によって、ゲインの低減中に低減電力値に低減される。制御装置は、測定変数を取り込み、測定変数から決定されたコンバータの電力に対する制限値を用いてゲインを低減するように構成されており、インバータ（１０）の一部でもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータ、特に発電システムの一部としてのインバータを動作させるための方法、および、この方法を実行するための、特にインバータの一部としての制御装置に関する。

インバータは、光起電力発電器などの発電器によって発生させられた、ＤＣ電圧の電力としての電力を、電力供給グリッドに準拠したＡＣ電圧の電力に変換するために用いられている。
この場合、インバータ内部の損失は、インバータの加熱、特に、スイッチング素子としてのパワー半導体の加熱の原因となり、これらのパワー半導体は、過度の加熱の結果、ダメージを受けることがある。
したがって、これらのスイッチング素子の温度を監視し、必要がある場合、スイッチの温度の限界値が超えられる場合には、そのインバータにおけるコンバータの電力を低減する必要がある。
このため、パワー半導体を含むインバータ内部のモジュールは、サーモダイオードまたはＮＴＣ（負の温度係数の）抵抗器などの温度用の監視素子を有している。
インバータの一部としてのロードリミッタは、このような方法で測定された温度を監視し、監視されているスイッチの温度が、インバータの連続動作の際に瞬間的なコンバータの電力によって超過すると予想される場合には、コンバータの電力の低減を開始する。
したがって、過度の加熱、特に、耐用年数を縮めるか、またはスイッチング素子を破壊することになる加熱からモジュールが保護されることが確実なものとなり得る。

公知である従来技術の欠点は、温度に関連する監視素子を有していないスイッチング素子は上記の方法で監視することができないという点である。
その代わりに、インバータの熱モデリングを用いて、インバータの出力ブリッジにおけるスイッチの温度等の記録された測定変数を介してインバータの温度と瞬間的なコンバータの電力とを間接的に計算し、その瞬間的なコンバータの電力をコンバータの電力の低減に必要な限界値に変換することが必要である。
このような間接的に監視されるスイッチング素子は、接続されている発電器によって供給されるＤＣ電圧をインバータにおける中間回路の両端の高い値の電圧に変換するブーストコンバータの一部でもよい。
これは、インバータが制限される状況、すなわち、低減されていないコンバータの電力でインバータの動作が継続している場合に臨界温度が未だ達せられてないにもかかわらず、瞬間的なコンバータの電力が、計算された限界値以下の値に低減されるという状況をもたらす。
この理由は、ブーストコンバータのスイッチング素子における負荷に著しく影響を及ぼす測定変数が考慮されてないため、瞬間的なコンバータの電力とブリッジの温度との測定変数からブーストコンバータにおけるスイッチング素子の温度を精度良く推測するのが不可能であることである。
この場合には、最も好ましくない動作状態に対応する変数が、決定されていない測定変数に対して想定される、いわゆる最悪のシナリオがしばしば用いられる。
したがってこの場合には、実際の動作状態がこの最も好ましくない動作状態に相当しないと、コンバータの電力はあまりに早く低減される。

この不利な影響は、特に、温度センサを用いて熱によって直接的に監視されるスイッチと、間接的に監視されるスイッチとが、インバータにおいて互いから非常に離れて配置され、それによって信頼性の低い温度相関を有する場合に生じる。
そのため、最悪のシナリオに対するセーフティマージンが特に大きく、インバータは、しばしば不必要に制限される。
この状況は高い周波数のコンバータなどで顕著であるが、これは、入力段としてのブーストコンバータと、出力段としての出力ブリッジとの間のＤＣ絶縁が空間的な分離も通常必要とするためである。
さらに、スイッチを監視するためにＤＣ絶縁領域からの電気信号が必要となる場合には、設計面の追加費用が生じる。

パワー半導体を有するモジュールが温度センサを有する場合でも、モジュールの個々のスイッチにおける負荷が異なる場合には特に、このような方法で決定された測定変数は個々のスイッチにおける負荷の不正確な測定を行なうに過ぎず、従来技術に従った公知の方法によってインバータを制限するために負荷のしきい値を決定する際には、十分に大きいセーフティマージンに対する依存がある。

したがって、本発明の目的は、インバータのスイッチング素子が熱によって過度に負荷をかけられることなく、減少されていないコンバータの電力、特に、可能な最大のコンバータの電力で可能な限り長時間の間、インバータを信頼できる方法で動作させるために用いることができる方法を提供することである。
さらに、本発明の目的は、スイッチング素子が過負荷をかけられることなくこのような動作を確実なものとする、インバータのための制御装置を示すことである。

本発明によれば、上記の目的は、メインクレーム１の特徴を備える方法によって達成される。
本発明による方法の有利な実施形態は、従属クレーム２〜５に記載されている。
本発明による制御装置はクレーム６に記載されており、有利な実施形態は従属クレーム７〜８に示されている。

本発明による方法は、出力ブリッジのモジュールに組み込まれた温度センサにおける温度などの、瞬間的なブリッジの温度を表す第１の測定変数と、インバータにおける瞬間的なコンバータの電力を表す第２の測定変数とを決定するステップを含む。
これらの２つの測定変数は、基本的には、コンバータの電力に対する限界値を求めるために用いることができ、この限界値によって出力ブリッジにおける過負荷が排除される。
また本方法は、発電器接続部における瞬間的な発電器電圧を表す付加的な第３の測定変数を決定すること、または、代替的にもしくは組み合わせにおいて、インバータの電力出力部における瞬間的な出力電圧を表す第４の測定変数を決定することを含む。
この第３および第４の測定変数によって、第１および第２の測定変数を単独で用いて可能となる方法に比べて、インバータにおけるブーストコンバータに対する負荷の度合いを実質的にさらに確実な方法で求めることが可能となる。
特に、第３および第４の測定変数により、ブーストコンバータが発電器接続部における入力電圧をブーストコンバータの出力部における中間回路の電圧に上げる必要のある度合いが決定される。
これらの第３および第４の測定変数の少なくとも一方は、第１および第２の測定変数と組み合わせて用いられて低減電力値をあらかじめ定義しており、コンバータの電力は、インバータを制限することによって低減電力値まで低減される。

並列方式で動作する２つのスイッチを備えるブーストコンバータは、電流インバータの形態で用いられる。
この場合には、いわゆるＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が、しばしばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）と共に用いられる。
ＩＧＢＴの切り替えフェーズより短いＭＯＳＦＥＴの切り替えフェーズを考慮すると、ＭＯＳＦＥＴは比較的低いスイッチング損失を有しており、一方でＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴより低い内部抵抗を有している。
したがって、コンバータにおける低負荷の場合にはＭＯＳＦＥＴをスイッチングすることのみによってブーストコンバータを動作させることが有利であるとわかっている。
一方、並列方式における両方のスイッチの動作は、ブーストコンバータにおける高負荷の場合に有利である。
したがって、本発明における有利な一変形形態では、第１のスイッチと第２のスイッチとを同時にクロック制御することによってブーストコンバータを第１の動作モードで動作させるか、または、第１のスイッチをクロック制御することのみによってブーストコンバータを第２の動作モードで動作させるかを決定するための根拠として、第１の測定変数および第２の測定変数と、第３の測定変数および第４の測定変数の少なくとも一方とが用いられる。
このことにより、十分に低いコンバータの電力でブーストコンバータのスイッチング損失を最少にし、またブーストコンバータの２つのスイッチを備える並列回路における電力リザーブを最適に利用することが可能となる。
必要以上に頻繁な動作モードの切り替えを行なわずにインバータの安定動作を確実なものとするために、動作モードの切り替えはヒステリシス特性を用いて行なわれてもよい。
第２の動作モード（クロック制御される１つのスイッチのみ）から第１の動作モード（クロック制御される並列のスイッチ）への切り替えは、発電器の電流、または、コンバータの電力、または、ブーストコンバータにおける負荷に相当する変数に対する第１のしきい値で行なわれるが、第２の動作モードへの復帰は、第１のしきい値より低い第２のしきい値で行なわれる。

低減したコンバータの電力の決定、および、第１の動作モードと第２の動作モードの選択の両方は、最大電流値、特に発電器の最大電流値をあらかじめ定義することによって代替的に行なわれてもよい。
この事前の定義は、それぞれの測定変数からの計算によって行なわれてもよく、または、隣り合う参照値どうしの間の任意選択で可能な補間を用いた参照値のテーブルを参照することによって行なわれてもよい。
これらの参照値は、実際のインバータにおける実験によってあらかじめ求められてもよく、または、例えばインバータ内部の熱輸送をシミュレーションすることによる熱モデリングの結果でもよく、または、これら２つの決定方法を組み合わせることによるものでもよい。

有利な一変形形態では、ブーストコンバータの全体的な効率は、２つのスイッチのスイッチオフプロセスが、ブーストコンバータにおける両方のスイッチの並列動作の間に完全に同期して行なわれるより、時間遅れをもって行なわれることによってさらに最適化することができ、特に、ＩＧＢＴはＭＯＳＦＥＴより早い時間にスイッチオフされ得る。
代替または組み合わせにおいて、さらにＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴより後にスイッチオンされてもよい。
このことは、ＩＧＢＴの比較的長い切り替えフェーズが、ＭＯＳＦＥＴがＩＧＢＴの両端にほんのわずかな電圧を生み出す期間と部分的に重なることから、スイッチング損失をさらに低減することを可能にする。

ブーストコンバータの効率を最適化するための任意選択である付加的なステップは、ブーストコンバータの（１つまたは複数の）スイッチにおけるクロック周波数を変化させることである。
このため、例えば低いコンバータの電力の場合には、例えば１６ｋＨｚの低下したクロック周波数でブーストコンバータを動作させ、一方、高いコンバータの電力の場合には、例えば４８ｋＨｚのクロック周波数への変更がなされることが考えられる。
この場合、クロック周波数の変更は、２つの並列のスイッチのうちの、現在クロック制御されているスイッチの変更と組み合わせて行なわれてもよい。

本発明における有利な展開は、特許クレーム、明細書、および図面より明らかとなる。
本明細書で言及されている特徴、および、複数の特徴の組み合わせにおける利点は、例示に過ぎず、本発明による実施形態の利点を達成することを必ずしも必要とせずに代替的または累積的にもたらされてもよい。
さらなる特徴が、図面から推察され得る。
しかし、特許クレームにおける選択された従属関係にかかわらず、本発明の様々な実施形態における特徴、または、様々な特許クレームの特徴を組み合わせることも同様に可能であり、このことは本明細書によって示唆されている。
このことは、個々の図面に例示されている特徴、または、図面の説明において言及されている特徴にも関係する。
これらの特徴は、様々な特許クレームの特徴と組み合わされてもよい。

本発明は、添付図面に関する好ましい例示的実施形態を用いることによって、以下において、より詳細に説明および記述がなされている。

インバータの概略図である。 本発明による制御装置の構成を示す図である。

図１は、発電器接続部６０において供給された発電器６５におけるＤＣ電圧の電力を、電力供給グリッドに準拠したＡＣ電圧に変換し、その電圧を、電力出力部１１０を介して電力供給グリッド１００に供給するインバータ１０の構成を示す。
このため、入力キャパシタ６１における発電器電圧は、始めにブーストコンバータ２０によって第１の中間回路５０における第１の中間回路電圧にブーストされる。
そこから、その中間回路電圧は、ＨＦブリッジ３０を介して、ＨＦトランス３５の一次巻線に印加される高い周波数のＡＣ電圧に変換される。
ＨＦトランス３５の二次巻線は、変換された高い周波数のＡＣ電圧を再度ＤＣ電圧に変換して第２の中間回路５１に印加する整流器８０に接続されている。
そこから、そのＤＣ電圧は、出力フィルタ９０が出力側において続いている出力ブリッジ４０によって、接続されている電力供給グリッド１００に電力出力部１１０を介して、電力供給グリッドに準拠したＡＣ電圧として供給される。

ブーストコンバータ２０は、第２のスイッチ７１と並列に配置された第１のスイッチ７０を備えている。
このため、両方のスイッチが一緒にクロック制御される場合には、電流が第１のスイッチと第２のスイッチに分けられ、それによってスイッチ７０、７１におけるそれぞれの個別のスイッチが低い負荷をかけられるため、ブーストコンバータ全体としては高い負荷をかけられてもよい。
好ましい一実施形態では、２つのスイッチは別の種類のものでもよく、特にこの場合には、第１のスイッチ７０はＭＯＳＦＥＴでもよく、第２のスイッチ７１は、ＩＧＢＴでもよい。

ＨＦブリッジ３０は、図１ではＨブリッジであるが、ハーフブリッジでもよい。
この場合、中間回路５０は、２つの中間回路キャパシタを有する分割中間回路であることが好ましい。
ＨＦブリッジ３０におけるスイッチのスイッチング損失を低減するためには、ＨＦブリッジ３０と整流器８０との間の結合を共振結合として構成することが推奨され、このうち、ＨＦトランス３５の巻線における漏れインダクタ（図示せず）と共振キャパシタ３１とによって共振周波数が決定される。
この場合、共振キャパシタ３１および漏れインダクタは、ＨＦトランス３５に対して一次側または二次側のどちらに配置されてもよい。

また、図１では出力ブリッジ４０もＨブリッジとして示されているが、第２の中間回路５１におけるＤＣ電圧を、電力供給グリッド１００に供給するためのＡＣ電圧に変換するために、多数のさらなる形態が同様に好適であることが当業者には理解されよう。
同様に、当業者にとっては、単相の供給用の出力ブリッジ４０の代わりに、三相または多相の電力供給グリッドに供給するための出力ブリッジが用いられてもよいことを導き出すことは容易である。

この点においては、図１に示されているブーストコンバータ２０、整流器８０、および出力フィルタ９０である他の機能領域に対しては、図示されている回路は例示的な重要性のみを与えられており、当業者によく知られている他の実施形態が用いられてもよいことにも留意されたい。

図２は、インバータ１０を駆動するための制御装置を示す。
この制御装置は、この例では複数のモジュール２１１、２１２、２１３に分けられているロードリミッタ２１０を備える。
各モジュール２１１、２１２、２１３は、さらなる処理のためにインバータ１０の測定変数を決定して定量化し、それらを対応するロードリミッタのモジュールに送信する処理のために用いられる、各モジュールの検出部２００に割り当てられている。
出力ブリッジ４０の温度に関係する情報を含む、または、出力ブリッジ４０の温度を表す第１の測定変数は、第１の信号線２５０を介して第１のモジュール２１１における検出部２００に提供される。
同様に、瞬間的なコンバータの電力に関係する情報を含む第２の測定変数は、第２の信号線２４０を介して第１のモジュール２１１における検出部２００に送られる。
ロードリミッタ２１０における第１のモジュール２１１は、上記の変数を用いて、信号線３１０を介して駆動回路２２０に送信される第１の限界値を生成する。
この場合、第１の限界値は、コンバータの電力の限界値に対応していてもよく、上記の限界値が超えられると制限が行なわれる。

発電器接続部６０における瞬間的な発電器の電圧に関係する情報を含む第３の測定変数、および、電力出力部１１０における瞬間的な出力電圧に関係する情報を含む第４の測定変数は、第３の信号線２６０および第４の信号線２７０を用い、第２のモジュール２１２に割り当てられた検出部２００を介して決定されて定量化される。
第２のモジュール２１２は、上記変数を用いて、信号線２９０を介して駆動回路２２０に送信される第２の限界値を決定する。
さらに、第１の測定変数は、第１の信号線２５０の支線を介して、第２のモジュール２１２に割り当てられた検出部２００に送信され、第２の限界値を決定する際に考慮される。
この第２の限界値は、例えば発電器の電流に対する限界値に対応していてもよく、上記限界値が超えられるとコンバータの電力が低減される。

また、第３の限界値は、ブーストコンバータ２０の動作モードに対する選択モジュールとして構成された第３のモジュール２１３に信号線３００を介して転送される。
この場合、この第３の限界値は、第５の測定変数が比較されるしきい値をあらかじめ定義しており、この第５の測定変数は、第３のモジュール２１３に割り当てられた検出部２００に第５の信号線２８０を介して送信される。
例えば、第５の測定変数は、瞬間的な発電器の電流に対応しており、この発電器の電流が、しきい値によって定められた限界を超えると、動作モードの切り替えが行なわれる。
超えることは両方の方向で起こり得るため、第１の動作モードから第２の動作モードへの変更、または第２の動作モードから第１の動作モードへの変更がもたらされる。
駆動回路２２０は、用いられる動作モードを、信号線３２０を介する信号によって知らされる。
第３のモジュール２１３と、動作モードを選択する機能とは、ここでは任意選択である。

駆動回路２２０は、制御線２３０ａ上にスイッチング信号を生成し、これらのスイッチング信号は、対応する限界値が動作中に守られるように出力ブリッジ４０のスイッチを駆動するために用いられる。
コンバータの電力は、限界値を守るために必要に応じて低減される。
同様に、スイッチング信号は、制御線２３０ｂによってブーストコンバータ２０のスイッチ７０、７１に送信される。
これらのスイッチング信号は、一方では、選択モジュール２１３によって決定される動作モードに対応しており、他方では、上記のように、限界値が守られることを確実なものとする。
言うまでもなく、駆動回路２２０は、限界値を考慮して、インバータ１０におけるさらなるスイッチに対して、たとえば存在する場合にはＨＦブリッジ３０のスイッチに対してさらなるスイッチング信号を生成してもよい。

ロードリミッタにおけるモジュール構成の結果として、ブーストコンバータ２０および出力ブリッジ４０などの、インバータにおける個々の機能領域に対して、温度の過負荷状態を独立して監視することが可能となる。
この点では、決定される測定変数は、様々な方法でモジュールに割り当てられることが考えられ、また、監視の信頼性をさらに高めるために、または、機能領域における最大の負荷、特にスイッチにおける最大温度が達せられた場合のみにコンバータの電力の低減を開始するために、複数のモジュールによって共同で用いられることが考えられる。

制御装置の普遍化の際には、制御装置は、非モジュール方式で構成されてもよく、また、すべての測定変数を決定して定量化するために用いられる唯一の検出部２００と、それらの測定変数を送信するために検出部２００が接続されている１つのロードリミッタ２１０とを有していてもよい。
したがって、この場合、インバータ１０の出力電力は、駆動回路と連携するロードリミッタ２１０によって制限される。

１０ インバータ
２０ ブーストコンバータ
３０ ＨＦブリッジ
３１ 共振キャパシタ
３５ ＨＦトランス
４０ 出力ブリッジ
５０、５１ 中間回路
６０ 発電器接続部
６１ 入力キャパシタ
６５ 発電器
７０ 第１のスイッチ
７１ 第２のスイッチ
８０ 整流器
９０ 出力フィルタ
１００ 電力供給グリッド
１１０ 電力出力部
２００ 検出部
２１０ ロードリミッタ
２１１、２１２ ロードリミッタのモジュール
２１３ 動作モードに対する選択モジュール
２２０ 駆動回路
２３０ａ、２３０ｂ 制御線
２４０、２５０、２６０、２７０、２８０ 測定変数用の信号線
２８０、２９０、３００、３１０ 限界値用の信号線

Claims (10)

1. ブリッジの温度を表す第１の測定変数、および、インバータ（１０）の出力電力を表す第２の測定変数を決定するステップと、
   電力供給グリッド（１００）に供給される前記出力電力を低減電力値に低減するステップとを含む、
   出力ブリッジ（４０）およびアップストリーム・ブースト・コンバータ（２０）を備える前記インバータ（１０）の前記出力電力を制限するための方法において、
   前記インバータ（１０）の発電器接続部（６０）における発電器電圧を表す第３の測定変数、または、前記インバータ（１０）の電力出力部（１１０）における出力電圧を表す第４の測定変数が付加的に決定され、前記低減電力値が、前記第１の測定変数および前記第２の測定変数と、前記第３の測定変数および前記第４の測定変数の少なくとも一方とに基づいて決定されることを特徴とする方法。
2. 第１のスイッチ（７０）と、前記第１のスイッチと並列に配置された第２のスイッチ（７１）とを同時にクロック制御することによって前記ブーストコンバータ（２０）を第１の動作モードで動作させるか、または、前記第１のスイッチ（７０）をクロック制御することのみによって前記ブーストコンバータ（２０）を第２の動作モードで動作させるかを決定するために、前記第１の測定変数および前記第２の測定変数と、前記第３の測定変数および前記第４の測定変数の少なくとも一方とが用いられることを特徴とする
   請求項１に記載の方法。
3. 前記低減電力値が、最大電流値、特に発電器の最大電流値をあらかじめ定義することによって決定されることを特徴とする
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１のスイッチ（７０）が前記第２のスイッチ（７１）の後にスイッチオフされるように、クロック制御が前記第１の動作モードにおいて行なわれることを特徴とする
   請求項２または３に記載の方法。
5. 前記第１のスイッチ（７０）がＭＯＳＦＥＴであり、前記第２のスイッチ（７１）がＩＧＢＴであることを特徴とする
   請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ブリッジの温度を表す第１の測定変数、および、インバータ（１０）の出力電力を表す第２の測定変数を決定するための検出部（２００）と、
   前記インバータ（１０）の出力電力を制限するための限界値を決定するように構成され、前記第１および前記第２の測定変数を送信する前記検出部（２００）に接続されているロードリミッタ（２１０）と、
   少なくとも１つの限界値を受信するために前記ロードリミッタ（２１０）に接続され、前記少なくとも１つの限界値が前記インバータ（１０）の動作中に守られるように前記インバータ（１０）のスイッチを駆動するように構成された駆動回路（２２０）とを備える、
   前記インバータ（１０）のための制御装置において、
   前記ロードリミッタ（２１０）が、前記インバータ（１０）の発電器接続部（６０）における発電器電圧を表す少なくとも１つの第３の測定変数、または、前記インバータの電力出力部（１１０）における出力電圧を表す第４の測定変数を決定するための検出部（２００）にさらに接続されており、前記第１の測定変数および前記第２の測定変数と、前記第３の測定変数および前記第４の測定変数の少なくとも一方とに基づいて前記少なくとも１つの限界値を決定することを特徴とする
   制御装置。
7. 第１のスイッチ（７０）と、前記第１のスイッチ（７０）と並列に配置された第２のスイッチ（７１）との同時のクロック制御を用いて前記ブーストコンバータ（２０）を第１の動作モードで動作させるか、または、前記第１のスイッチ（７０）をクロック制御することのみによって前記ブーストコンバータ（２０）を第２の動作モードで動作させるかを決定するために、前記第１の測定変数および前記第２の測定変数と、前記第３の測定変数および前記第４の測定変数の少なくとも一方とが用いられるように、前記ロードリミッタ（２１０）が前記インバータ（１０）のブーストコンバータ（２０）に接続されていることを特徴とする
   請求項６に記載の制御装置。
8. 前記第１のスイッチ（７０）がＭＯＳＦＥＴであり、前記第２のスイッチ（７１）がＩＧＢＴであることを特徴とする
   請求項７に記載の制御装置。
9. 請求項６から８のいずれか一項に記載の制御装置を備えるインバータ（１０）。
10. 高い周波数のコンバータとして構成された
    請求項９に記載のインバータ（１０）。

Images