JP2016514942A - ５レベルインバータ - Google Patents

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Abstract

５レベルインバータは、６つのスイッチチューブ（ＱＨ１、ＱＨ２、ＱＬ１、ＱＬ２、ＱＬ３、ＱＬ４）と、２つのインダクタ（Ｌ１、Ｌ２）と、４つのコンデンサーユニット（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）と、２つの逆流防止デバイス（Ｄ１、Ｄ２）とを含む。第３のコンデンサーユニット（Ｃ３）と第４のコンデンサーユニット（Ｃ４）の共通端子は、第１のコンデンサーユニット（Ｃ１）と第２のコンデンサーユニット（Ｃ２）の共通端子に接続される。第３のコンデンサーユニット（Ｃ３）及び第４のコンデンサーユニット（Ｃ４）は、インバータの出力フィルタ回路として使用され、第３のコンデンサーユニット（Ｃ３）と第４のコンデンサーユニット（Ｃ４）の共通端子は、ＤＣバスの中点として使用される。このインバータでは、出力フィルタ回路の中点に対するＤＣバスの中点又はＤＣ電源（ＤＣ）の正極又は負極の電位は比較的安定しており、電力周波数又は高周波数を有する接地に対するサージ電圧は、ＤＣバスの正極又は負極で発生しないことになり、従って、漏れ電流問題は出現しないことになる。これに加えて、５レベルインバータの出力効率は、５レベルインバータが太陽光発電などの応用分野に適応されるように比較的高い。【選択図】図２

Description

本発明の開示は、電力電子機器の技術分野、特に５レベルインバータに関する。
直流電源から出力された直流電圧を交流電圧に変換し、かつ交流電圧を負荷回路に出力するようになったインバータは、太陽光発電及び風力発電の分野に幅広く使用されている。しかし、直流電源（例えば、ソーラーパネル）と接地の間の寄生キャパシタンスは、インバータの作動中に漏れ電流を生成する場合があり、これは、この漏れ電流が出力電力の品質を劣化させ、インバータの効率を低下させ、かつ人体に害を及ぼし、それによってインバータの信頼性を低下させると考えられるので問題である可能性がある。
現在、Ｈ５、Ｈ６、及びＨＥＲＩＣのような様々なトポロジーを有するインバータが電流漏れ問題に対処するために開発されている。しかし、これらのインバータは、より低い効率を有する３レベルインバータである。それとは対照的に、５レベルインバータは、より高い効率を有する。現在、５レベルインバータにおいて漏れ電流を低減することに益々関心が高まっている。例えば、既存の５レベルインバータを図１に示している。５レベルインバータの作動中に、その出力の負極、すなわち、点Ｃに対して直流電源ＤＣの正極の電位において電力周波数ジャンプが発生する場合がある。電力周波数ジャンプ電圧は、直流電源ＤＣの正極（又は負極）と接地の間で寄生コンデンサーにわたって印加されると、漏れ電流スパイクを生成する場合がある。
この技術的問題を解決するために、漏れ電流を低減してインバータの効率及び信頼性を高める５レベルインバータを本発明の開示に従って提供する。
以下の技術的ソリューションを本発明の開示に従って提供する。
第１のスイッチと、第２のスイッチと、第３のスイッチと、第４のスイッチと、第５のスイッチと、第６のスイッチと、第１のコンデンサーユニットと、第２のコンデンサーユニットと、第３のコンデンサーユニットと、第４のコンデンサーユニットと、第１のインダクタと、第２のインダクタと、第１の逆流防止要素と、第２の逆流防止要素とを含む５レベルインバータを本発明の開示に従って提供し、直流電源の正極は、第１のスイッチの第１の端子及び第１のコンデンサーユニットの第１の端子に接続され、直流電源の負極は、第２のスイッチの第１の端子及び第２のコンデンサーユニットの第２の端子に接続され、第１のスイッチの第２の端子は、第１の逆流防止要素の第１の端子、第３のスイッチの第１の端子、及び第５のスイッチの第１の端子に接続され、第１の逆流防止要素の第２の端子は、第１のコンデンサーユニットの第２の端子、第２のコンデンサーユニットの第１の端子、及び第２の逆流防止要素の第１の端子に接続され、第２の逆流防止要素の第２の端子は、第２のスイッチの第２の端子、第４のスイッチの第１の端子、及び第６のスイッチの第１の端子に接続され、第３のスイッチの第２の端子は、第１のインダクタの第１の端子及び第４のスイッチの第２の端子に接続され、第５のスイッチの第２の端子は、第２のインダクタの第１の端子及び第６のスイッチの第２の端子に接続され、第１のインダクタの第２の端子は、第３のコンデンサーユニットの第１の端子に接続され、第２のインダクタの第２の端子は、第４のコンデンサーユニットの第２の端子に接続され、第３のコンデンサーユニットの第２の端子及び第４のコンデンサーユニットの第１の端子は、第１のコンデンサーユニットの第２の端子に接続され、第１の逆流防止要素は、第１のスイッチがオンにされた場合に電流が第１の逆流防止要素の第１の端子から第１の逆流防止要素の第２の端子に流れることを防止するように構成され、第２の逆流防止要素は、第２のスイッチがオンにされた場合に電流が第２の逆流防止要素の第１の端子から第２の逆流防止要素第２の端子に流れることを防止するように構成され、第１のインダクタの第２の端子及び第２のインダクタの第２の端子は、インバータの交流出力端子である。
好ましくは、電流は、第１のスイッチがオンにされた場合に第１のスイッチの第１の端子から第１のスイッチの第２の端子に流れ、電流は、第３のスイッチがオンにされた場合に第３のスイッチの第１の端子から第３のスイッチの第２の端子に流れ、電流は、第５のスイッチがオンにされた場合に第５のスイッチの第１の端子から第５のスイッチの第２の端子に流れ、かつ電流は、第２のスイッチがオンにされた場合に第２のスイッチの第２の端子から第２のスイッチの第１の端子に流れ、電流は、第４のスイッチがオンにされた場合に第４のスイッチの第２の端子から第４のスイッチの第１の端子に流れ、電流は、第６のスイッチがオンにされた場合に第６のスイッチの第２の端子から第６のスイッチの第１の端子に流れる。
好ましくは、インバータは、第１の作動モード、第２の作動モード、第３の作動モード、第４の作動モード、第５の作動モード、及び第６の作動モードを含む６つの能動作動モードで作動するように構成され、インバータが第１の作動モードにある場合に、第１のスイッチ、第２のスイッチ、第３のスイッチ、及び第６のスイッチがオンにされ、第４のスイッチ及び第５のスイッチがオフにされ、インバータは、インバータが第２の作動モードにある場合に第１の作動サブモード又は第２の作動サブモードで作動するように構成され、インバータが第１の作動サブモードにある場合に、第１のスイッチ、第３のスイッチ、及び第６のスイッチがオンにされ、第２のスイッチ、第４のスイッチ、及び第５のスイッチがオフにされ、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は充電状態にあり、インバータが第２の作動サブモードにある場合に、第２のスイッチ、第３のスイッチ、及び第６のスイッチがオンにされ、第１のスイッチ、第４のスイッチ、及び第５のスイッチがオフにされ、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は放電状態にあり、インバータが第３の作動モードにある場合に、第３のスイッチ及び第６のスイッチがオンにされ、第１のスイッチ、第２のスイッチ、第４のスイッチ、及び第５のスイッチがオフにされ、インバータが第４の作動モードにある場合に、第１のスイッチ、第２のスイッチ、第４のスイッチ、及び第５のスイッチがオンにされ、第３のスイッチ及び第６のスイッチはオフにされ、インバータは、インバータが第５の作動モードにある場合に第３の作動サブモード又は第４の作動サブモードで作動するように構成され、インバータが第３の作動サブモードにある場合に、第１のスイッチ、第４のスイッチ、及び第５のスイッチがオンにされ、第２のスイッチ、第３のスイッチ、及び第６のスイッチがオフにされ、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は充電状態にあり、インバータが第４の作動サブモードにある場合に、第２のスイッチ、第４のスイッチ、及び第５のスイッチがオンにされ、第１のスイッチ、第３のスイッチ、及び第６のスイッチがオフにされ、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は放電状態にあり、インバータが第６の作動モードにある場合に、第４のスイッチ及び第５のスイッチがオンにされ、第１のスイッチ、第２のスイッチ、第３のスイッチ、及び第６のスイッチがオフにされる。
好ましくは、インバータによって出力される周期的信号の周期は、第１の時間間隔、第２の時間間隔、第３の時間間隔、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔を含み、インバータは、第１の時間間隔及び第３の時間間隔の各時間間隔中に交替して第２の作動モードと第３の作動モードで作動するように構成され、インバータは、第２の時間間隔中に交替して第１の作動モードと第２の作動モードで作動するように構成され、インバータは、第４の時間間隔及び第６の時間間隔の各時間間隔中に交替して第５の作動モードと第６の作動モードで作動するように構成され、インバータは、第５の時間間隔中に交替して第４の作動モードと第５の作動モードで作動するように構成される。
好ましくは、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第１の時間間隔、第２の時間間隔、及び第３の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、かつ第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態は、第１の時間間隔、第２の時間間隔、及び第３の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態と反対であり、又は第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第４の時間間隔、第５の時間間隔の後半中に同じ充電−放電状態にあり、かつ第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第５の時間間隔の前半、第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第５の時間間隔の前半、第６の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第４の時間間隔、第５の時間間隔の後半中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態と反対であり、又は第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第５の時間間隔の前半、第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、かつ第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第４の時間間隔、第５の時間間隔の後半中に同じ充電−放電状態にあり、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第４の時間間隔、第５の時間間隔の後半中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第５の時間間隔の前半、第６の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態と反対である。
好ましくは、インバータは、第７の作動モード、第８の作動モード、及び第９の作動モードを含む３つの受動作動モードで作動するように構成され、インバータが第７の作動モードにある場合に、第１のスイッチ、第２のスイッチ、第３のスイッチ、及び第６のスイッチがオンにされ、第４のスイッチ及び第５のスイッチがオフにされ、インバータが第８の作動モードにある場合に、第３のスイッチ、第４のスイッチ、第５のスイッチ、及び第６のスイッチがオンにされ、第１のスイッチ及び第２のスイッチがオフにされ、インバータが第９の作動モードにある場合に、第１のスイッチ、第２のスイッチ、第４のスイッチ、及び第５のスイッチがオンにされ、第３のスイッチ及び第６のスイッチがオフにされる。
好ましくは、第１の逆流防止要素は、第１のダイオードであり、第２の逆流防止要素は、第２のダイオードであり、第１の逆流防止要素の第１の端子は、第１のダイオードのカソードであり、第１の逆流防止要素の第２の端子は、第１のダイオードのアノードであり、第２の逆流防止要素の第１の端子は、第２のダイオードのカソードであり、第２の逆流防止要素の第２の端子は、第２のダイオードのアノードである。
好ましくは、第１の逆流防止要素は、第７のスイッチであり、第２の逆流防止要素は、第８のスイッチであり、第７のスイッチは、第１のスイッチがオンにされた場合にオフにされ、第８のスイッチは、第２のスイッチがオンにされた場合にオフにされる。
好ましくは、第１のインダクタの第２の端子は、交流グリッドの正極に第３のインダクタを通じて更に接続され、第２のインダクタの第２の端子は、交流グリッドの負極に第４のインダクタを通じて更に接続される。
好ましくは、直流電源は、太陽光発電電源である。
本発明の開示による５レベルインバータでは、第３のコンデンサーユニット及び第４のコンデンサーユニットは、インバータの出力フィルタ回路として機能し、第１のコンデンサーの第２の端子は、直流バスの中点であり、第３のコンデンサーユニットと第４のコンデンサーユニットの共通端子は、第１のコンデンサーユニットの第２の端子に接続され、それによって出力フィルタ回路の中点に対する直流バスの中点（又は直流電源の正極又は負極）の電位は比較的安定とすることができ、かつ電圧ジャンプは発生しないと考えられることを以上の技術的ソリューションから見ることができる。すなわち、電流漏れの問題を回避することができ、インバータの効率及び信頼性を高めることができる。
既存の５レベルインバータの回路図である。 本発明の実施形態による５レベルインバータの回路図である。 第１の作動モードにある図２に示すインバータの回路図である。 第１の作動サブモードにある図２に示すインバータの回路図である。 第２の作動サブモードにある図２に示すインバータの回路図である。 第３の作動モードにある図２に示すインバータの回路図である。 第４の作動モードにある図２に示すインバータの回路図である。 第３の作動サブモードにある図２に示すインバータの回路図である。 第４の作動サブモードにある図２に示すインバータの回路図である。 第６の作動モードにある図２に示すインバータの回路図である。 直流バスの中点の対応する充電−放電状態に関する第１の割り当てスキームのモード切換制御様式の概略図である。 直流バスの中点の対応する充電−放電状態に関する第２の割り当てスキームのモード切換制御様式の概略図である。 直流バスの中点の対応する充電−放電状態に関する第３の割り当てスキームのモード切換制御様式の概略図である。 第７の作動モードにある図２に示すインバータの回路図である。 第８の作動モードにある図２に示すインバータの回路図である。 第９の作動モードにある図２に示すインバータの回路図である。 本発明の開示の好ましい実施形態による図２に示すインバータの回路図である。
インバータの作動中に、出力負極（同時に接地としての電位）に対する直流電源の電位の電力周波数電圧ジャンプ又は高周波数電圧ジャンプが発生する可能性がある。電圧ジャンプは、直流電源（例えば、ソーラーパネル）と接地の間の寄生コンデンサーにわたって印加された場合に漏れ電流を生成する可能性がある。漏れ電流は、出力電力の品質を劣化させ、インバータの効率を低下させ、人体に害を与えることになり、それによってインバータの信頼性を低下させることで問題である可能性がある。例えば、既存の５レベルインバータを図１に示している。５レベルインバータの作動中に、出力負極、すなわち、点Ｃに対する直流電源ＤＣの電位の電力周波数ジャンプが発生する可能性がある。すなわち、電力周波数ジャンプは、コンデンサーＣ１とコンデンサーＣ２との共通端子であるバスの中点の電位、又は直流電源ＤＣの負極の電位において出力負極に対して発生する。一般的に、出力負極は、接地とほぼ同じ電位を有するグリッドのＮ線と接続状態にある。電力周波数ジャンプ電圧は、直流電源ＤＣの正極（又は負極）と接地の間の寄生コンデンサーにわたって印加された場合に、漏れ電流スパイクを生成する可能性がある。
本発明の開示に従って電流漏れの問題に対処し、インバータの効率及び信頼性を高める５レベルインバータを提供する。
上述の目的を達成するために、明確で理解しやすい本発明の開示の特徴及び利点を以下に続く本発明の開示の特定の実施形態において図面に関連付けながら詳細に説明する。
図２を参照すると、本発明の開示の実施形態による５レベルインバータが示されている。この実施形態において、５レベルインバータは、第１のスイッチＱH1と、第２のスイッチＱH2と、第３のスイッチＱL1と、第４のスイッチＱL2と、第５のスイッチＱL3と、第６のスイッチＱL4と、第１のコンデンサーユニットＣ1と、第２のコンデンサーユニットＣ2と、第３のコンデンサーユニットＣ3と、第４のコンデンサーユニットＣ4と、第１のインダクタＬ1と、第２のインダクタＬ2と、第１の逆流防止要素と、第２の逆流防止要素とを含む。
直流電源ＤＣの正極は、第１のスイッチＱH1の第１の端子及び第１のコンデンサーユニットＣ1の第１の端子に接続され、直流電源ＤＣの負極は、第２のスイッチＱH2の第１の端子及び第２のコンデンサーユニットＣ2の第２の端子に接続される。
第１のスイッチＱH1の第２の端子は、第１の逆流防止要素の第１の端子、第３のスイッチＱL1の第１の端子、及び第５のスイッチＱL3の第１の端子に接続される。
第１の逆流防止要素の第２の端子は、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子、第２のコンデンサーユニットＣ2の第１の端子、及び第２の逆流防止要素の第１の端子に接続される。
第２の逆流防止要素の第２の端子は、第２のスイッチＱH2の第２の端子、第４のスイッチＱL2の第１の端子、及び第６のスイッチＱL4の第１の端子に接続される。
第３のスイッチＱL1の第２の端子は、第１のインダクタＬ1の第１の端子及び第４のスイッチＱL2の第２の端子に接続され、第５のスイッチＱL3の第２の端子は、第２のインダクタＬ2の第１の端子及び第６のスイッチＱL4の第２の端子に接続される。
第１のインダクタＬ1の第２の端子は、第３のコンデンサーユニットＣ3の第１の端子に接続され、第２のインダクタＬ2の第２の端子は、第４のコンデンサーユニットＣ4の第２の端子に接続される。
第３のコンデンサーユニットＣ3の第２の端子及び第４のコンデンサーユニットＣ4の第１の端子は、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子に接続される。
第１の逆流防止要素は、第１のスイッチＱH1がオンにされた場合に、電流が第１の逆流防止要素の第１の端子から第１の逆流防止要素の第２の端子に流れることを防止するように構成され、第２の逆流防止要素は、第２のスイッチＱH2がオンにされた場合に、電流が第２の逆流防止要素の第１の端子から第２の逆流防止要素第２の端子に流れることを防止するように構成される。
第１のインダクタＬ1の第２の端子及び第２のインダクタＬ2の第２の端子は、交流グリッドに接続することができるインバータの交流出力端子である。
５レベルインバータでは、第３のコンデンサーユニットＣ3の第２の端子及び第４のコンデンサーユニットＣ4の第１の端子が、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子に接続されることをこの実施形態から見ることができる。言い換えれば、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4との共通端子が、直流バスの中点（すなわち、第１のコンデンサーＣ1の第２の端子）に接続される。従って、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4との共通端子に対する直流バスの中点の電位は、比較的安定している。すなわち、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4との共通端子に対する直流電源ＤＣの正極又は負極の電位は、比較的安定している。電力周波数又は高周波数の電圧ジャンプは発生しないことになる。第３のコンデンサーユニットＣ3及び第４のコンデンサーユニットＣ4は、接地とほぼ同じ電位を有するグリッドのＮ線と一般的に接続状態にあるインバータの出力フィルタリング回路として機能する。従って、直流電源ＤＣの正極（又は負極）では、接地に対する電圧ジャンプが発生しないことになり、それによって電流漏れの問題が回避され、インバータの効率及び信頼性を高めることができる。更に、この実施形態による５レベルインバータは二重降圧回路であり、６つのスイッチしか使用されない。従って、５レベルインバータは、簡単な構成及び低いコストを提供する。
この実施形態によれば、インバータの２つの出力端子の間に交流グリッドｕgを接続することができる。この実施形態によるインバータは、太陽光発電の分野に適用可能であり、直流電源ＤＣは、ＰＶ（太陽光発電）電源とすることができる。
この実施形態によれば、第１のスイッチＱH1及び第２のスイッチＱH2は、高周波数スイッチとすることができ、インバータの作動中に高周波数で切換アクションを実行することができる。第３のスイッチＱL1、第４のスイッチＱL2、第５のスイッチＱL3、及び第６のスイッチＱL4は、低周波数スイッチとすることができ、インバータの作動中に低周波数で切換アクションを実行することができる。本発明の開示に使用する「高周波数」という用語は、一般的に１ｋＨｚよりも高い周波数を指し、「低周波数」という用語は、一般的に１ｋＨｚよりも低い周波数を指す（一般的に、例えば、５０Ｈｚの電力周波数である）。
この実施形態によれば、第１のスイッチＱH1、第２のスイッチＱH2、第３のスイッチＱL1、第４のスイッチＱL2、第５のスイッチＱL3、及び第６のスイッチＱL4の各々は、ＩＧＢＴ及びＭＯＳのようないずれかのタイプのスイッチとすることができ、逆方向ダイオードと並列接続することができる。スイッチの各々が逆方向ダイオードと並列に接続される場合に、第１のスイッチＱH1がオンにされた場合に、第１のスイッチＱH1の第１の端子から第１のスイッチＱH1の第２の端子に電流が流れ、すなわち、第１のスイッチＱH1と並列に接続した逆方向ダイオードのアノードは、第１のスイッチＱH1の第２の端子に接続され、逆方向ダイオードのカソードは、第１のスイッチＱH1の第１の端子に接続される。第３のスイッチＱL1がオンにされた場合に、電流は、第３のスイッチＱL1の第１の端子から第３のスイッチＱL1の第２の端子に流れ、第５のスイッチＱL3がオンにされた場合に、電流は、第５のスイッチＱL3の第１の端子から第５のスイッチＱL3の第２の端子に流れる。第２のスイッチＱH2がオンにされた場合に、電流は、第２のスイッチＱH2の第２の端子から第２のスイッチＱH2の第１の端子に流れ、すなわち、第２のスイッチＱH2と並列に接続した逆方向ダイオードのアノードは、第２のスイッチＱH2の第１の端子に接続され、第２のスイッチＱH2と並列に接続した逆方向ダイオードのカソードは、第１のスイッチＱH2の第２の端子に接続され、第４のスイッチＱL2がオンにされた場合に、電流は、第４のスイッチＱL2の第２の端子から第４のスイッチＱL2の第１の端子に流れ、第６のスイッチＱL4がオンにされた場合に、電流は、第６のスイッチＱL4の第２の端子から第６のスイッチＱL4の第１の端子に流れる。
この実施形態において、第１のコンデンサーユニット、第２のコンデンサーユニット、第３のコンデンサーユニット、及び第４のコンデンサーユニットの各々は、コンデンサーを含む要素とすることができ、各コンデンサーユニット内に含まれるコンデンサーの個数は無制限である。回路を可能な限り均衡させるために、第１のコンデンサーユニットの容量は、第２のコンデンサーユニットの容量に等しくすることができ、又は第１のコンデンサーユニットの容量と第２のコンデンサーユニットの容量の間の差は、第１の予め決められた閾値よりも小さくすることができ、第３のコンデンサーユニットの容量は、第４のコンデンサーユニットの容量に等しくすることができ、又は第３のコンデンサーユニットの容量と第４のコンデンサーユニットの容量の間の差は、第２の予め決められた閾値よりも小さくすることができる。第１の予め決められた閾値と第２の予め決められた閾値は、要件に従って設定することができ、等しくても等しくなくてもよい。可能な限り回路を均衡させるために、第１のインダクタのインダクタンスは、第２のインダクタのインダクタンスと等しくすることができ、又は第１のインダクタのインダクタンスと第２のインダクタのインダクタンスの間の差は、閾値範囲に置くことができる。
この実施形態において、第１の逆流防止要素は、第１のスイッチＱH1がオンにされた時に、電流が第１の逆流防止要素の第１の端子から第１の逆流防止要素の第２の端子に流れることを防止するように構成されることに注意しなければならない。第２の逆流防止要素は、第２のスイッチＱH2がオンにされた時に、電流が第２の逆流防止要素の第１の端子から第２の逆流防止要素の第２の端子に流れることを防止するように構成される。図２に示すように、第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素の各々は、ダイオードとすることができ、すなわち、第１の逆流防止要素は、ダイオードＤ1であり、第２の逆流防止要素は、ダイオードＤ2である。すなわち、第１の逆流防止要素の第１の端子は、第１のダイオードＤ1のカソードであり、第１の逆流防止要素の第２の端子は、第１のダイオードＤ1のアノードであり、第２の逆流防止要素の第１の端子は、第２のダイオードＤ2のカソードであり、第２の逆流防止要素の第２の端子は、第２のダイオードＤ2のアノードである。ダイオードＤ1及びダイオードＤ2の各々は、シリコンカーバイド又は高速回復ダイオード等とすることができる。
これに代えて、第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素は、ダイオード以外に他のデバイスとすることができ、これは、本発明の開示では限定されない。例えば、第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素は、スイッチとすることができる。一例として、第１の逆流防止要素は、第７のスイッチであり、第２の逆流防止要素は、第８のスイッチである。電流が第１の逆流防止要素の第１の端子から第１の逆流防止要素の第２の端子に流れることを防止するために、第１のスイッチＱH1がオンにされた場合に第７のスイッチはオフにされ、第１のスイッチＱH1がオフにされた場合にオンにされる。電流が第２の逆流防止要素の第１の端子から第２の逆流防止要素の第２の端子に流れることを防止するために、第２のスイッチＱH2がオンにされた場合に第８のスイッチはオフにされ、第２のスイッチＱH2がオフにされた場合にオンにされる。第７のスイッチ及び第８のスイッチの各々は、オン状態損失を低減することができるＭＯＳトランジスタとすることができる。
本発明の開示の実施形態によるインバータは、有効電力を必要とする用途、及び無効電力と有効電力の両方を必要とする用途に適用可能であることに注意しなければならない。以下では、インバータの様々な作動モードを図面に関連付けて説明する。
図３ａから図３ｈを参照して、第１の作動モード、第２の作動モード、第３の作動モード、第４の作動モード、第５の作動モード、及び第６の作動モードを含むこの実施形態によるインバータの６つの能動電力作動モードを説明する。
図３ａに示すように、この実施形態によるインバータが第１の作動モードにある場合は、正のレベル２がインバータによって出力される。この場合に、第１のスイッチＱH1、第２のスイッチＱH2、第３のスイッチＱL1、及び第６のスイッチＱL4がオンにされ、第４のスイッチＱL2及び第５のスイッチＱL3がオフにされる。第１の逆流防止要素は、電流が第１のスイッチＱH1と第３のスイッチＱL1との共通端子から第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子に流れることを防止することができ、第２の逆流防止要素は、電流が第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子から第２のスイッチＱH2と第４のスイッチＱL2との共通端子に流れることを防止することができる。第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、これらのスイッチの両方がオフにされる。電流は、順番に第１のスイッチＱH1、第３のスイッチＱL1、第１のインダクタＬ1、交流グリッドｕg、第２のインダクタＬ2、第６のスイッチＱL4、第２のスイッチＱH2、第２のコンデンサーユニットＣ2、及び第１のコンデンサーユニットＣ1を通って流れる。
インバータが第１の作動モードにある場合に、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4の間の共通端子との間の接続回路を通って小電流が流れ、この電流は、第３のコンデンサーユニットＣ3が第４のコンデンサーユニットＣ4のものに近い容量を有し、第１のコンデンサーユニットＣ1が第２のコンデンサーユニットＣ2のものに近い容量を有し、かつ第１のインダクタＬ1が第２のインダクタＬ2のものに近いインダクタンスを有する場合に比較的低くすることができる。
この実施形態によるインバータが第２の作動モードにある場合に、正のレベル１がインバータによって出力される。この場合に、インバータは、以下でそれぞれ詳細に説明する第１の作動サブモードと第２の作動サブモードで作動させることができる。
図３ｂに示すように、この実施形態によるインバータが第１の作動サブモードにある場合に、第１のスイッチＱH1、第３のスイッチＱL1、及び第６のスイッチＱL4がオンにされ、第２のスイッチＱH2、第４のスイッチＱL2、及び第５のスイッチＱL3がオフにされる。この場合に、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子（すなわち、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子）は充電状態にある。第１の逆流防止要素は、電流が第１のスイッチＱH1と第３のスイッチＱL1との共通端子から第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子に流れることを防止することができる。第１の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオフにされ、第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオンにされる。電流は、順番に第１のスイッチＱH1、第３のスイッチＱL1、第１のインダクタＬ1、交流グリッドｕg、第２のインダクタＬ2、第６のスイッチＱL4、第２の逆流防止要素、及び第１のコンデンサーユニットＣ1を通って流れる。
図３ｃに示すように、この実施形態によるインバータが第２の作動サブモードにある場合に、第２のスイッチＱH2、第３のスイッチＱL1、及び第６のスイッチＱL4がオンにされ、第１のスイッチＱH1、第４のスイッチＱL2、及び第５のスイッチＱL3がオフにされ、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子（すなわち、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子）は放電状態にある。第２の逆流防止要素は、電流が第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子から第２のスイッチＱH2と第４のスイッチＱL2との共通端子に流れることを防止することができる。第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオフにされ、第１の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオンにされる。電流は、順番に第１の逆流防止要素、第３のスイッチＱL1、第１のインダクタＬ1、交流グリッドｕg、第２のインダクタＬ2、第６のスイッチＱL4、第２のスイッチＱH2、及び第２のコンデンサーユニットＣ2を通って流れる。
インバータが第１の作動サブモード又は第２の作動サブモードにある場合に、電流は、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4との共通端子との間の接続回路を通って流れる。
上述の２つの作動サブモードの各々において正のレベル１がインバータによって出力されることを見ることができる。しかし、インバータが第１の作動サブモードにある場合は、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子が充電状態にあり、インバータが第２の作動サブモードにある場合は、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子が放電状態にあることに違いがある。
図３ｄに示すように、この実施形態によるインバータが第３の作動モードにある場合に、正のレベル０がインバータによって出力される。この場合に、第３のスイッチＱL1及び第６のスイッチＱL4がオンにされ、第１のスイッチＱH1、第２のスイッチＱH2、第４のスイッチＱL2、及び第５のスイッチＱL3がオフにされる。第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、これらのスイッチの両方がオンにされる。電流は、順番に第１の逆流防止要素、第３のスイッチＱL1、第１のインダクタＬ1、交流グリッドｕg、第２のインダクタＬ2、第６のスイッチＱL4、及び第２の逆流防止要素を通って流れる。
インバータが第３の作動モードにある場合にも、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4の間の共通端子との間の接続回路を通って小電流が流れ、この小電流は、第３のコンデンサーユニットＣ3が第４のコンデンサーユニットＣ4のものに近い容量を有し、第１のコンデンサーユニットＣ1が第２のコンデンサーユニットＣ2のものに近い容量を有し、かつ第１のインダクタＬ1が第２のインダクタＬ2のものに近いインダクタンスを有する場合に比較的低くすることができる。
図３ｅに示すように、この実施形態によるインバータが第４の作動モードにある場合に、負のレベル２がインバータによって出力される。この場合に、第１のスイッチＱH1、第２のスイッチＱH2、第４のスイッチＱL2、及び第５のスイッチＱL3がオンにされ、第３のスイッチＱL1及び第６のスイッチＱL4がオフにされる。第１の逆流防止要素は、電流が第１のスイッチＱH1と第３のスイッチＱL1との共通端子から第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子に流れることを防止することができ、第２の逆流防止要素は、電流が第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子から第２のスイッチＱH2と第４のスイッチＱL2との共通端子に流れることを防止することができる。第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、これらのスイッチの両方がオフにされる。電流は、順番に第１のスイッチＱH1、第５のスイッチＱL3、第２のインダクタＬ2、交流グリッドｕg、第１のインダクタＬ1、第４のスイッチＱL2、第２のスイッチＱH2、第２のコンデンサーＣ2、及び第１のコンデンサーＣ1を通って流れる。
インバータが第４の作動モードにある場合に、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4の間の共通端子との間の接続回路を通って小電流が流れ、この小電流は、第３のコンデンサーユニットＣ3が第４のコンデンサーユニットＣ4のものに近い容量を有し、第１のコンデンサーユニットＣ1が第２のコンデンサーユニットＣ2のものに近い容量を有し、かつ第１のインダクタＬ1が第２のインダクタＬ2のものに近いインダクタンスを有する場合に比較的低くすることができる。
この実施形態によるインバータが第５の作動モードにある場合に、負のレベル１がインバータによって出力される。この場合に、インバータは、以下でそれぞれ詳細に説明する第３の作動サブモードと第４の作動サブモードで作動させることができる。
図３ｆに示すように、この実施形態によるインバータが第３の作動サブモードにある場合に、第１のスイッチＱH1、第４のスイッチＱL2、及び第５のスイッチＱL3がオンにされ、第２のスイッチＱH2、第３のスイッチＱL1、及び第６のスイッチＱL4がオフにされる。この場合に、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子（すなわち、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子）は充電状態にある。第１の逆流防止要素は、電流が第１のスイッチＱH1と第３のスイッチＱL1との共通端子から第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子に流れることを防止することができる。第１の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオフにされ、第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオンにされる。電流は、順番に第１のスイッチＱH1、第５のスイッチＱL3、第２のインダクタＬ2、交流グリッドｕg、第１のインダクタＬ1、第４のスイッチＱL2、第２の逆流防止要素、及び第１のコンデンサーユニットＣ1を通って流れる。
図３ｇに示すように、この実施形態によるインバータが第４の作動サブモードにある場合に、第２のスイッチＱH2、第４のスイッチＱL2、及び第５のスイッチＱL3がオンにされ、第１のスイッチＱH1、第３のスイッチＱL1、及び第６のスイッチＱL4がオフにされ、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子（すなわち、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子）は放電状態にある。第２の逆流防止要素は、電流が第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子から第２のスイッチＱH2と第４のスイッチＱL2との共通端子に流れることを防止することができる。第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオフにされ、第１の逆流防止要素がスイッチである場合に、このスイッチはオンにされる。電流は、順番に第１の逆流防止要素、第５のスイッチＱL3、第２のインダクタＬ2、交流グリッドｕg、第１のインダクタＬ1、第４のスイッチＱL2、第２のスイッチＱH2、及び第２のコンデンサーユニットＣ2を通って流れる。
インバータが第３の作動サブモード又は第４の作動サブモードにある場合に、電流は、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4との共通端子との間の接続回路を通って流れる。
上述の２つの作動サブモードの各々において負のレベル１がインバータによって出力されることを見ることができる。しかし、インバータが第３の作動サブモードにある場合は、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子が充電状態にあり、インバータが第４の作動サブモードにある場合は、第１のコンデンサーユニットＣ1の第２の端子が放電状態にあることに違いがある。
図３ｈに示すように、この実施形態によるインバータが第６の作動モードにある場合に、負のレベル０がインバータによって出力される。この場合に、第４のスイッチＱL2及び第５のスイッチＱL3がオンにされ、第１のスイッチＱH1、第２のスイッチＱH2、第３のスイッチＱL1、及び第６のスイッチＱL4がオフにされる。第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、これらのスイッチの両方がオンにされる。電流は、順番に第１の逆流防止要素、第５のスイッチＱL3、第２のインダクタＬ2、交流グリッドｕg、第１のインダクタＬ1、第４のスイッチＱL2、及び第２の逆流防止要素を通って流れる。
インバータが第６の作動モードにある場合にも、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4の間の共通端子との間の接続回路を通って小電流が流れ、この小電流は、第３のコンデンサーユニットＣ3が第４のコンデンサーユニットＣ4のものに近い容量を有し、第１のコンデンサーユニットＣ1が第２のコンデンサーユニットＣ2のものに近い容量を有し、かつ第１のインダクタＬ1が第２のインダクタＬ2のものに近いインダクタンスを有する場合に比較的低くすることができる。
インバータは、上述の６つの能動作動モードの各々において周期的信号を出力することができる。インバータによって出力される周期的信号の周期は、第１の時間間隔、第２の時間間隔、第３の時間間隔、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔を含み、この場合に、インバータは、第１の時間間隔、第２の時間間隔、及び第３の時間間隔中に正の電圧を出力し、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔中に負の電圧を出力する。
インバータは、第１の時間間隔及び第３の時間間隔の各時間間隔中に交替して第２の作動モードと第３の作動モードで作動し、交替して正のレベル１と正のレベル０を出力するように構成される。
インバータは、第２の時間間隔中に交替して第１の作動モードと第２の作動モードで作動し、交替して正のレベル１と正のレベル２を出力するように構成される。
インバータは、第４の時間間隔及び第６の時間間隔の各時間間隔中に交替して第５の作動モードと第６の作動モードで作動し、交替して負のレベル１と負のレベル０を出力するように構成される。
インバータは、第５の時間間隔中に交替して第４の作動モードと第５の作動モードで作動し、交替して負のレベル１と負のレベル２を出力するように構成される。
インバータは、第２の作動モードにある場合に、特異的に第１の作動サブモード又は第２の作動サブモードで作動させることができ、第５の作動モードにある場合に、特異的に第３の作動サブモード又は第４の作動サブモードで作動させることができることに注意しなければならない。第１のコンデンサーＣ1の第２の端子は、インバータが第１の作動サブモード及び第３の作動サブモードにある場合に充電状態にあり、インバータが第２の作動サブモード及び第４の作動サブモードにある場合に放電状態にある。１つの周期において、コンデンサーＣ1の第２の端子（すなわち、直流バスの中点）が充電状態にある継続時間は、コンデンサーＣ1の第２の端子（すなわち、直流バスの中点）が放電状態にある継続時間と等しくすることができ、又はコンデンサーＣ1の第２の端子（すなわち、直流バスの中点）が充電状態にある継続時間とコンデンサーＣ1の第２の端子（すなわち、直流バスの中点）が放電状態にある継続時間との間の差は、第２の作動モード及び第５の作動モードの割り当てを調節することによって予め決められた閾値よりも小さくすることができ、それによって直流バスの中点での電圧を可能な限り安定化させることが望ましい。以下では、直流バスの中点での電圧を可能な限り安定化させるための３つの割り当てスキームを説明する。
第１の割り当てスキームでは、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第１の時間間隔、第２の時間間隔、第３の時間間隔中に充電状態又は放電状態とすることができる同じ状態にある。
第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第４の時間間隔、第５の時間間隔、第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、この場合に、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態は、第１の時間間隔、第２の時間間隔、及び第３の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の充電−放電状態と反対である。例えば、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔、第２の時間間隔、及び第３の時間間隔中に充電状態にある場合に、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔中に放電状態になければならず、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔、第２の時間間隔、及び第３の時間間隔中に放電状態にある場合に、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔中に充電状態になければならない。
特に、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔（又は第３の時間間隔）中に充電状態にある場合に、インバータは、第１の時間間隔（又は第３の時間間隔）中に交替して第１の作動サブモードと第３の作動モードで作動することが示され、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔（又は第３の時間間隔）中に放電状態にある場合に、インバータは、第１の時間間隔（又は第３の時間間隔）中に交替して第２の作動サブモードと第３の作動モードで作動することが示され、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第２の時間間隔中に充電状態にある場合に、インバータは、第２の時間間隔中に交替して第１の作動サブモードと第１の作動モードで作動することが示され、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第２の時間間隔中に放電状態にある場合に、インバータは、第２の時間間隔中に交替して第２の作動サブモードと第１の作動モードで作動することが示される。
第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第４の時間間隔（又は第６の時間間隔）中に充電状態にある場合に、インバータは、第４の時間間隔（又は第６の時間間隔）中に交替して第３の作動サブモードと第６の作動モードで作動することが示され、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第４の時間間隔（又は第６の時間間隔）中に放電状態にある場合に、インバータは、第４の時間間隔（又は第６の時間間隔）中に交替して第４の作動サブモードと第６の作動モードで作動することが示され、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第５の時間間隔中に充電状態にある場合に、インバータは、第５の時間間隔中に交替して第３の作動サブモードと第４の作動モードで作動することが示され、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第５の時間間隔中に放電状態にある場合に、インバータは、第５の時間間隔中に交替して第４の作動サブモードと第４の作動モードで作動することが示される。
図４を参照して割り当てスキームに関するモード切換制御様式を以下に説明する。図４に示すように、インバータは、第１の時間間隔Ｔ１及び第３の時間間隔Ｔ３の各時間間隔中に交替するＢモードとＤモードにあり、第２の時間間隔Ｔ２中に交替するＡモードとＤモードにあり、第４の時間間隔Ｔ４及び第６の時間間隔Ｔ６の各時間間隔中に交替するＣモードとＤモードにあり、第５の時間間隔Ｔ５中に交替するＡモードとＣモードにあるように構成される。図４は、インバータに対するモード切換制御の概略図であることに注意しなければならない。従って、図４では、インバータによって出力される負のレベルの信号は、正のレベルの信号に反転される。
特に、Ａモードは、正のレベル２が出力される第１の作動モード又は負のレベル２が出力される第４の作動モードであり、Ｂモードは、正のレベル０が出力される第３の作動モード又は負のレベル０が出力される第６の作動モードであり、Ｃモードは、正のレベル１が出力され、かつ直流バスの中点での電圧が充電状態にある第１の作動サブモード、又は負のレベル１が出力され、かつ直流バスの中点での電圧が充電状態にある第３の作動サブモードであり、Ｄモードは、正のレベル１が出力され、かつ直流バスの中点での電圧が放電状態にある第１の作動サブモード、又は負のレベル１が出力され、かつ直流バスの中点での電圧が放電状態にある第３の作動サブモードである。
図４から分るように、直流バスの中点での電圧は、周期的信号の前半周期である第１の時間間隔Ｔ１、第２の時間間隔Ｔ２、及び第３の時間間隔Ｔ３中に放電状態にあり、周期的信号の後半周期である第４の時間間隔Ｔ４、第５の時間間隔Ｔ５、及び第６の時間間隔Ｔ６中に充電状態にある。一般的に、第１の時間間隔の継続時間と、第３の時間間隔の継続時間と、第４の時間間隔の継続時間と、第６の時間間隔の継続時間とは全て互いに等しく、第２の時間間隔の継続時間は、第５の時間間隔の継続時間に等しい。従って、この割り当てスキームでは、直流バスの中点での電圧の充電継続時間は、直流バスの中点での電圧の放電継続時間に等しく、それによって直流バスの中点での電圧が安定化されることを確実にする。
第２の割り当てスキームでは、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第５の時間間隔の前半、第６の時間間隔中に充電状態又は放電状態とすることができる同じ状態にある。
第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第４の時間間隔、第５の時間間隔の後半中に同じ充電−放電状態にあり、この場合に、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第４の時間間隔、及び第５の時間間隔の後半中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第５の時間間隔の前半、及び第６の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態と反対である。例えば、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第５の時間間隔の前半、及び第６の時間間隔中に充電状態にある場合に、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第４の時間間隔、及び第５の時間間隔の後半中には放電状態になければならず、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第５の時間間隔の前半、及び第６の時間間隔中に放電状態にある場合に、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第４の時間間隔、及び第５の時間間隔の後半中には充電状態になければならない。
図５を参照して割り当てスキームに関するモード切換制御様式を以下に詳細に説明する。図５に示すように、インバータは、第１の時間間隔Ｔ１及び第６の時間間隔Ｔ６の各時間間隔中に交替するＢモードとＤモードにあり、第２の時間間隔Ｔ２の後半及び第５の時間間隔Ｔ５の前半の各時間間隔中に交替するＡモードとＤモードにあり、第３の時間間隔Ｔ３及び第４の時間間隔Ｔ４の各時間間隔中に交替するＢモードとＣモードにあり、第２の時間間隔Ｔ２の前半及び第５の時間間隔Ｔ５の後半の各時間間隔中に交替するＡモードとＣモードにあるように構成される。図５は、インバータに対するモード切換制御の概略図であることに注意しなければならない。従って、図４では、インバータによって出力される負のレベルの信号は、正のレベルの信号に反転される。
図５から分るように、直流バスの中点での電圧は、第１の時間間隔Ｔ１、第２の時間間隔Ｔ２の後半、第５の時間間隔Ｔ５の前半、及び第６の時間間隔Ｔ６中に放電状態にあり、第３の時間間隔Ｔ３、第４の時間間隔Ｔ４、第２の時間間隔Ｔ２の前半、及び第５の時間間隔Ｔ５の後半中に充電状態にある。従って、この割り当てスキームでは、直流バスの中点での電圧の充電継続時間は、直流バスの中点での電圧の放電継続時間に等しく、それによって直流バスの中点での電圧が安定化されることを確実にする。
第３の割り当てスキームでは、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第４の時間間隔、第５の時間間隔の後半中に充電状態又は放電状態とすることができる同じ状態にある。
第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第５の時間間隔の前半、第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、この場合に、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第５の時間間隔の前半、及び第６の時間間隔中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の同じ充電−放電状態は、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第４の時間間隔、及び第５の時間間隔の後半中の第１のコンデンサーユニットの第２の端子の充電−放電状態と反対である。例えば、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第４の時間間隔、及び第５の時間間隔の後半中に充電状態にある場合に、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第５の時間間隔の前半、及び第６の時間間隔中には放電状態になければならず、第１のコンデンサーユニットの第２の端子が、第１の時間間隔、第２の時間間隔の後半、第４の時間間隔、及び第５の時間間隔の後半中に放電状態にある場合に、第１のコンデンサーユニットの第２の端子は、第２の時間間隔の前半、第３の時間間隔、第５の時間間隔の前半、及び第６の時間間隔中には充電状態になければならない。
図６を参照して割り当てスキームに関するモード切換制御様式を以下に詳細に説明する。図６に示すように、インバータは、第１の時間間隔Ｔ１及び第４の時間間隔Ｔ４の各時間間隔中に交替するＢモードとＤモードにあり、第２の時間間隔Ｔ２の後半及び第５の時間間隔Ｔ５の後半の各時間間隔中に交替するＡモードとＤモードにあり、第３の時間間隔Ｔ３及び第６の時間間隔Ｔ６の各時間間隔中に交替するＢモードとＣモードにあり、第２の時間間隔Ｔ２の前半及び第５の時間間隔Ｔ５の前半の各時間間隔中に交替するＡモードとＣモードにあるように構成される。図６は、インバータに対するモード切換制御の概略図であることに注意しなければならない。従って、図６では、インバータによって出力される負のレベルの信号は、正のレベルの信号に反転される。
図６から分るように、直流バスの中点での電圧は、第１の時間間隔Ｔ１、第２の時間間隔Ｔ２の後半、第５の時間間隔Ｔ５の後半、及び第４の時間間隔Ｔ４中に放電状態にあり、第３の時間間隔Ｔ３、第６の時間間隔Ｔ６、第２の時間間隔Ｔ２の前半、第５の時間間隔Ｔ５の前半中に充電状態にある。従って、この割り当てスキームでは、直流バスの中点での電圧の充電継続時間は、直流バスの中点での電圧の放電継続時間に等しく、それによって直流バスの中点での電圧が安定化されることを確実にする。
上述の３つの割り当てスキームでは、直流バスの中点の充電及び放電の各々は、第１の割り当てスキームにおいて１つの周期中に一度実行され、それによって電力周波数（典型的に５０Ｈｚ）の高調波をもたらし、直流バスの中点の充電及び放電の各々は、第２の割り当てスキームにおける１つの周期中に３度実行され、それによって電力周波数の数倍の周波数の高調波をもたらし、直流バスの中点の充電及び放電の各々は、第３の割り当てスキームにおける１つの周期中に４度実行される。言うまでもなく、第３の割り当てスキームは、最も高い充電−放電周波数を有し、従って、最も低いバス電圧リップルを有し、それに対して第１の割り当てスキームは、最も低い充電−放電周波数を有し、従って、最も高いバス電圧リップルを有する。
図７ａから図７ｃに示すように、この実施形態によるインバータは、第７の作動モード、第８の作動モード、及び第９の作動モードを含む３つの受動作動モードで作動するように構成される。
図７ａに示すように、この実施形態によるインバータが第７の作動モードにある場合に、正のレベル１がインバータによって出力される。この場合に、第１のスイッチＱH1、第２のスイッチＱH2、第３のスイッチＱL1、及び第６のスイッチＱL4がオンにされ、第４のスイッチＱL2及び第５のスイッチＱL3がオフにされる。第１の逆流防止要素は、電流が第１のスイッチＱH1と第３のスイッチＱL1との共通端子から第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子に流れることを防止することができ、第２の逆流防止要素は、電流が第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子から第２のスイッチＱH2と第４のスイッチＱL2との共通端子に流れることを防止することができる。第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、これらのスイッチの両方がオフにされる。電流は、順番に第１のスイッチＱH1、第３のスイッチＱL1、第１のインダクタＬ1、交流グリッドｕg、第２のインダクタＬ2、第６のスイッチＱL4、第２のスイッチＱH2、第２のコンデンサーユニットＣ2、及び第１のコンデンサーユニットＣ1を通って流れる。電流はまた、上述の経路を逆向きに通って流れることができる。
インバータが第７の作動モードにある場合に、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4の間の共通端子との間の接続回路を通って小電流が流れ、この小電流は、第３のコンデンサーユニットＣ3が第４のコンデンサーユニットＣ4のものに近い容量を有し、第１のコンデンサーユニットＣ1が第２のコンデンサーユニットＣ2のものに近い容量を有し、かつ第１のインダクタＬ1が第２のインダクタＬ2のものに近いインダクタンスを有する場合に比較的低くすることができる。
図７ｂに示すように、この実施形態によるインバータが第８の作動モードにある場合に、レベル０がインバータによって出力される。この場合に、第３のスイッチＱL1、第４のスイッチＱL2、第５のスイッチＱL3、及び第６のスイッチＱL4がオンにされ、第１のスイッチＱH1及び第２のスイッチＱH2がオフにされる。第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、これらのスイッチの両方がオンにされる。電流は、順番に第１の逆流防止要素、第３のスイッチＱL1、第１のインダクタＬ1、交流グリッドｕg、第２のインダクタＬ2、第６のスイッチＱL4、及び第２の逆流防止要素を通って流れる。電流はまた、順番に第１の逆流防止要素、第５のスイッチＱL3、第２のインダクタＬ2、交流グリッドｕg、第１のインダクタＬ1、第４のスイッチＱL2、及び第２の逆流防止要素を通って流れることができる。
インバータが第８の作動モードにある場合に、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4の間の共通端子との間の接続回路を通って小電流が流れ、この小電流は、第３のコンデンサーユニットＣ3が第４のコンデンサーユニットＣ4のものに近い容量を有し、第１のコンデンサーユニットＣ1が第２のコンデンサーユニットＣ2のものに近い容量を有し、かつ第１のインダクタＬ1が第２のインダクタＬ2のものに近いインダクタンスを有する場合に比較的低くすることができる。
図７ｃに示すように、この実施形態によるインバータが第９の作動モードにある場合に、負のレベル１がインバータによって出力される。この場合に、第１のスイッチＱH1、第２のスイッチＱH2、第４のスイッチＱL2、及び第５のスイッチＱL3がオンにされ、第３のスイッチＱL1及び第６のスイッチＱL4がオフにされる。第１の逆流防止要素は、電流が第１のスイッチＱH1と第３のスイッチＱL1との共通端子から第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子に流れることを防止することができ、第２の逆流防止要素は、電流が第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子から第２のスイッチＱH2と第４のスイッチＱL2との共通端子に流れることを防止することができる。第１の逆流防止要素及び第２の逆流防止要素がスイッチである場合に、これらのスイッチの両方がオフにされる。電流は、順番に第１のスイッチＱH1、第５のスイッチＱL3、第２のインダクタＬ2、交流グリッドｕg、第１のインダクタＬ1、第４のスイッチＱL2、第２のスイッチＱH2、第２のコンデンサーユニットＣ2、及び第１のコンデンサーユニットＣ1を通って流れる。電流はまた、上述の経路を逆向きに通って流れることができる。
インバータが第９の作動モードにある場合に、第１のコンデンサーユニットＣ1と第２のコンデンサーユニットＣ2との共通端子と、第３のコンデンサーユニットＣ3と第４のコンデンサーユニットＣ4の間の共通端子との間の接続回路を通って小電流が流れ、この小電流は、第３のコンデンサーユニットＣ3が第４のコンデンサーユニットＣ4のものに近い容量を有し、第１のコンデンサーユニットＣ1が第２のコンデンサーユニットＣ2のものに近い容量を有し、かつ第１のインダクタＬ1が第２のインダクタＬ2のものに近いインダクタンスを有する場合に比較的低くすることができる。
交流グリッドのより良い電流品質を達成するために、この実施形態によるインバータの２つの出力端子の各々と交流グリッドの間にフィルタリングのためのインダクタを直列に接続することができる。図８に示すように、第１のインダクタＬ1の第２の端子は、交流グリッドｕgの正極に第３のインダクタＬ3を通じて接続することができ、第２のインダクタＬ2の第２の端子は、交流グリッドｕgの負極に第４のインダクタＬ4を通じて接続することができ、この場合に、第３のインダクタＬ3及び第４のインダクタＬ4のインダクタンス値は、第１のインダクタＬ1及び第２のインダクタＬ2と比較して相対的に小さい。
上述したものは、本発明の開示の好ましい実施形態に過ぎない。当業者においては、本発明の開示の原理から逸脱することなく改善及び修正を加えることもできることに注意しなければならない。これらの改善及び修正も本発明の開示の保護範囲に含まれるべきである。
ＱH1 第１のスイッチ
ＱH2 第２のスイッチ
ＱL1 第３のスイッチ
ＱL2 第４のスイッチ
ＱL3 第５のスイッチ
ＱL4 第６のスイッチ
Ｃ1 第１のコンデンサーユニット
Ｃ2 第２のコンデンサーユニット
Ｃ3 第３のコンデンサーユニット
Ｃ4 第４のコンデンサーユニット
Ｌ1 第１のインダクタ
Ｌ2 第２のインダクタ
Ｌ3 第３のインダクタ
Ｌ4 第４のインダクタ
Ｄ1 第１のダイオード
Ｄ2 第２のダイオード
ＤＣ 直流電源
ｕg 交流グリッド
Ｔ１ 第１の時間間隔
Ｔ２ 第２の時間間隔
Ｔ３ 第３の時間間隔
Ｔ４ 第４の時間間隔
Ｔ５ 第５の時間間隔
Ｔ６ 第６の時間間隔

Claims (10)

  1. ５レベルインバータであって、
    第１のスイッチと、第２のスイッチと、第３のスイッチと、第４のスイッチと、第５のスイッチと、第６のスイッチと、第１のコンデンサーユニットと、第２のコンデンサーユニットと、第３のコンデンサーユニットと、第４のコンデンサーユニットと、第１のインダクタと、第２のインダクタと、第１の逆流防止要素と、第２の逆流防止要素と、を含み、
    直流電源の正極が、前記第１のスイッチの第１の端子及び前記第１のコンデンサーユニットの第１の端子に接続され、該直流電源の負極が、前記第２のスイッチの第１の端子及び前記第２のコンデンサーユニットの第２の端子に接続され、
    前記第１のスイッチの第２の端子が、前記第１の逆流防止要素の第１の端子、前記第３のスイッチの第１の端子、及び前記第５のスイッチの第１の端子に接続され、
    前記第１の逆流防止要素の第２の端子が、前記第１のコンデンサーユニットの第２の端子、前記第２のコンデンサーユニットの第１の端子、及び前記第２の逆流防止要素の第１の端子に接続され、
    前記第２の逆流防止要素の第２の端子が、前記第２のスイッチの第２の端子、前記第４のスイッチの第１の端子、及び前記第６のスイッチの第１の端子に接続され、
    前記第３のスイッチの第２の端子が、前記第１のインダクタの第１の端子及び前記第４のスイッチの第２の端子に接続され、前記第５のスイッチの第２の端子が、前記第２のインダクタの第１の端子及び前記第６のスイッチの第２の端子に接続され、
    前記第１のインダクタの第２の端子が、前記第３のコンデンサーユニットの第１の端子に接続され、前記第２のインダクタの第２の端子が、前記第４のコンデンサーユニットの第２の端子に接続され、
    前記第３のコンデンサーユニットの第２の端子及び前記第４のコンデンサーユニットの第１の端子が、前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子に接続され、
    前記第１の逆流防止要素は、前記第１のスイッチがオンにされた場合に、電流が該第１の逆流防止要素の前記第１の端子から該第１の逆流防止要素の前記第２の端子に流れることを防止するように構成され、
    前記第２の逆流防止要素は、前記第２のスイッチがオンにされた場合に、電流が該第２の逆流防止要素の前記第１の端子から該第２の逆流防止要素の前記第２の端子に流れることを防止するように構成され、
    前記第１のインダクタの前記第２の端子及び前記第２のインダクタの前記第２の端子は、インバータの交流出力端子である、
    ことを特徴とするインバータ。
  2. 前記第１のスイッチがオンにされた場合に電流が該第１のスイッチの前記第１の端子から該第１のスイッチの前記第２の端子に流れ、前記第３のスイッチがオンにされた場合に電流が該第３のスイッチの前記第１の端子から該第３のスイッチの前記第２の端子に流れ、前記第５のスイッチがオンにされた場合に電流が該第５のスイッチの前記第１の端子から該第５のスイッチの前記第２の端子に流れ、
    前記第２のスイッチがオンにされた場合に電流が該第２のスイッチの前記第２の端子から該第２のスイッチの前記第１の端子に流れ、前記第４のスイッチがオンにされた場合に電流が該第４のスイッチの前記第２の端子から該第４のスイッチの前記第１の端子に流れ、前記第６のスイッチがオンにされた場合に電流が該第６のスイッチの前記第２の端子から該第６のスイッチの前記第１の端子に流れる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
  3. インバータは、第１の作動モード、第２の作動モード、第３の作動モード、第４の作動モード、第５の作動モード、及び第６の作動モードを含む６つの能動作動モードで作動するように構成され、
    インバータが前記第１の作動モードにある場合に、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオンにされ、前記第４のスイッチ及び前記第５のスイッチはオフにされ、
    インバータは、インバータが前記第２の作動モードにある場合に第１の作動サブモード又は第２の作動サブモードで作動するように構成され、
    インバータが該第１の作動サブモードにある場合に、前記第１のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオンにされ、前記第２のスイッチ、前記第４のスイッチ、及び前記第５のスイッチはオフにされ、前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子は充電状態にあり、
    インバータが該第２の作動サブモードにある場合に、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオンにされ、前記第１のスイッチ、前記第４のスイッチ、及び前記第５のスイッチはオフにされ、前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子は放電状態にあり、
    インバータが前記第３の作動モードにある場合に、前記第３のスイッチ及び前記第６のスイッチはオンにされ、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第４のスイッチ、及び前記第５のスイッチはオフにされ、
    インバータが前記第４の作動モードにある場合に、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第４のスイッチ、及び前記第５のスイッチはオンにされ、前記第３のスイッチ及び前記第６のスイッチはオフにされ、
    インバータは、インバータが前記第５の作動モードにある場合に第３の作動サブモード又は第４の作動サブモードで作動するように構成され、
    インバータが該第３の作動サブモードにある場合に、前記第１のスイッチ、前記第４のスイッチ、及び前記第５のスイッチはオンにされ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオフにされ、前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子は充電状態にあり、
    インバータが該第４の作動サブモードにある場合に、前記第２のスイッチ、前記第４のスイッチ、及び前記第５のスイッチはオンにされ、前記第１のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオフにされ、前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子は放電状態にあり、
    インバータが前記第６の作動モードにある場合に、前記第４のスイッチ及び前記第５のスイッチはオンにされ、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオフにされる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
  4. インバータによって出力される周期的信号の周期が、第１の時間間隔、第２の時間間隔、第３の時間間隔、第４の時間間隔、第５の時間間隔、及び第６の時間間隔を含み、
    インバータは、前記第１の時間間隔及び前記第３の時間間隔の各時間間隔中に交替して前記第２の作動モードと前記第３の作動モードで作動するように構成され、
    インバータは、前記第２の時間間隔中に交替して前記第１の作動モードと前記第２の作動モードで作動するように構成され、
    インバータは、前記第４の時間間隔及び前記第６の時間間隔の各時間間隔中に交替して前記第５の作動モードと前記第６の作動モードで作動するように構成され、
    インバータは、前記第５の時間間隔中に交替して前記第４の作動モードと前記第５の作動モードで作動するように構成される、
    ことを特徴とする請求項３に記載のインバータ。
  5. 前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子は、前記第１の時間間隔、前記第２の時間間隔、前記第３の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、かつ前記第４の時間間隔、前記第５の時間間隔、前記第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、該第４の時間間隔、該第５の時間間隔、及び該第６の時間間隔中の該第１のコンデンサーユニットの該第２の端子の該充電−放電状態は、該第１の時間間隔、該第２の時間間隔、及び該第３の時間間隔中の該第１のコンデンサーユニットの該第２の端子の該充電−放電状態と反対であり、又は
    前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子は、前記第１の時間間隔、前記第２の時間間隔の後半、前記第４の時間間隔、前記第５の時間間隔の後半中に同じ充電−放電状態にあり、かつ該第２の時間間隔の前半、前記第３の時間間隔、該第５の時間間隔の前半、前記第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、該第２の時間間隔の該前半、該第３の時間間隔、該第５の時間間隔の該前半、及び該第６の時間間隔中の該第１のコンデンサーユニットの該第２の端子の該充電−放電状態は、該第１の時間間隔、該第２の時間間隔の該後半、該第４の時間間隔、及び該第５の時間間隔の該後半中の該第１のコンデンサーユニットの該第２の端子の該充電−放電状態と反対であり、又は
    前記第１のコンデンサーユニットの前記第２の端子は、前記第１の時間間隔、前記第２の時間間隔の後半、前記第５の時間間隔の前半、前記第６の時間間隔中に同じ充電−放電状態にあり、かつ該第２の時間間隔の前半、前記第３の時間間隔、前記第４の時間間隔、該第５の時間間隔の後半中に同じ充電−放電状態にあり、該第２の時間間隔の該前半、該第３の時間間隔、該第４の時間間隔、及び該第５の時間間隔の該後半中の該第１のコンデンサーユニットの該第２の端子の該充電−放電状態は、該第１の時間間隔、該第２の時間間隔の該後半、該第５の時間間隔の該前半、及び該第６の時間間隔中の該第１のコンデンサーユニットの該第２の端子の該充電−放電状態と反対である、
    ことを特徴とする請求項４に記載のインバータ。
  6. インバータは、第７の作動モード、第８の作動モード、及び第９の作動モードを含む３つの受動作動モードで作動するように構成され、
    インバータが前記第７の作動モードにある場合に、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオンにされ、前記第４のスイッチ及び前記第５のスイッチはオフにされ、
    インバータが前記第８の作動モードにある場合に、前記第３のスイッチ、前記第４のスイッチ、前記第５のスイッチ、及び前記第６のスイッチはオンにされ、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチはオフにされ、
    インバータが前記第９の作動モードにある場合に、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第４のスイッチ、及び前記第５のスイッチはオンにされ、前記第３のスイッチ及び前記第６のスイッチはオフにされる、
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインバータ。
  7. 前記第１の逆流防止要素は、第１のダイオードであり、前記第２の逆流防止要素は、第２のダイオードであり、
    前記第１の逆流防止要素の前記第１の端子は、前記第１のダイオードのカソードであり、該第１の逆流防止要素の前記第２の端子は、該第１のダイオードのアノードであり、
    前記第２の逆流防止要素の前記第１の端子は、前記第２のダイオードのカソードであり、該第２の逆流防止要素の前記第２の端子は、該第２のダイオードのアノードである、
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインバータ。
  8. 前記第１の逆流防止要素は、第７のスイッチであり、前記第２の逆流防止要素は、第８のスイッチであり、
    前記第７のスイッチは、前記第１のスイッチがオンにされた場合にオフにされ、
    前記第８のスイッチは、前記第２のスイッチがオンにされた場合にオフにされる、
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインバータ。
  9. 前記第１のインダクタの前記第２の端子は、第３のインダクタを通じて交流グリッドの正極に更に接続され、前記第２のインダクタの前記第２の端子は、第４のインダクタを通じて該交流グリッドの負極に更に接続されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインバータ。
  10. 前記直流電源は、太陽光発電電源であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインバータ。
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