JP2018508172A - フライングキャパシタを有するｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

第１の低圧接続点（２）と、第２の低圧接続点（３）と、第３の低圧接続点（４）と、第１の高圧接続点（７）と、第２の高圧接続点（８）とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が開示され、第１の低圧接続点（２）および第１の高圧接続点（７）が互いに直接接続されており、能動的に制御可能なスイッチ素子（９）、キャパシタ（１０）およびさらなるスイッチ素子（１１）が第１の高圧接続点（７）と第２の高圧接続点（８）との間に直列に接続されており、キャパシタ（１０）が第２の低圧接続点（３）と第３の低圧接続点（４）との間に接続されており、およびさらなるキャパシタンス（１６）が第２の低圧接続点（３）と第３の低圧接続点（４）との間に直接接続されており、さらなるキャパシタンス（１６）が２つのインダクタ（１７、１８）によって両極でキャパシタ（１０）から減結合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高いＤＣ電圧に対する高圧端子を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記高圧端子が第１の高圧端子点および第２の高圧端子点によって形成されており、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子が第１の高圧端子点と第２の高圧端子点との間に直列に接続され、２つの異なるＤＣ入力電圧が存在する２つの低圧端子点間にキャパシタが接続されている、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。さらに、本発明は、このようなＤＣ／ＤＣコンバータを備えるインバータおよび他の電気回路に関する。

いわゆるフライングキャパシタを備えるＤＣ／ＤＣコンバータが知られている。例えば、米国特許出願公開第２０１３／０１１９９６１Ａ１号明細書により開示されているような、このようなＤＣ／ＤＣコンバータでは、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子が、ＤＣ出力電圧に対する出力を形成する２つの出力端子点間に直列に接続されている。この場合、能動的に駆動可能なハーフブリッジスイッチング素子およびさらなるハーフブリッジスイッチング素子を備えるハーフブリッジがキャパシタと並列に接続されている。ハーフブリッジの中心点は、入力インダクタを介して、ＤＣ入力電圧に対する入力に接続されている。能動的に駆動可能なスイッチング素子および能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子が連続的に駆動され、最初にキャパシタが入力インダクタを介してＤＣ入力電圧に充電され、次に、充電されたキャパシタが入力インダクタと直列に接続されるようになっている。この場合、キャパシタの電位、すなわちキャパシタの電極の電位がジャンプし、フライングキャパシタという名称はこれに由来する。記載されている既知の、フライングキャパシタを備えるＤＣ／ＤＣコンバータでは、さらに、入力インダクタを昇圧コンバータのインダクタとして用いて、能動的に駆動可能なスイッチング素子および能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を同期して駆動することにより、ＤＣ入力電圧を昇圧することができる。

キャパシタの電位がジャンプするため、フライングキャパシタを備えるＤＣ／ＤＣコンバータの使用可能性が制限される。

独国特許出願公開第１０２０１１０８５５５９Ａ１号明細書は、少なくとも１つのチョッパを有するキャパシタによって形成された並列回路を備えるＤＣ／ＤＣコンバータを開示している。チョッパはそれぞれ、２つの能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を備えるハーフブリッジであって、キャパシタと並列に接続されているハーフブリッジを備える。入力インダクタは、ハーフブリッジの中心点に接続されている。さらに、２つの能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を備える追加のハーフブリッジがキャパシタと並列に接続され、出力インダクタが前記追加のハーフブリッジの中心点に接続されている。さらに、キャパシタは、安定化用キャパシタと直列に接続されている。ＤＣ電圧源は、既知のＤＣ／ＤＣコンバータの各入力インダクタに接続することができ、入力インダクタが異なれば、存在するＤＣ入力電圧が互いに異なっていてもよい。ＤＣ出力電圧が出力インダクタにおいて出力される。この場合、ＤＣ入力電圧およびＤＣ出力電圧は、安定化用キャパシタが接続されている接続線に対して存在している。さらなるハーフブリッジを補足追加することにより、さらなるＤＣ電圧源をさらなる入力インダクタと接続することができる。キャパシタがさらなるキャパシタと直列に接続されていることにより、ＤＣ入力電圧の異なる部分のみをそれぞれ変換すればよくなり、ＤＣ入力電圧の変換された部分に対してのみ、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を設計すればよいことになる。しかしながら、安定化用キャパシタにおける電圧を一定に保つために、既知のＤＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力電圧は常にＤＣ入力電圧の加重平均でなければならない。したがって、相対的に高電圧のリンク回路電圧を有するリンク回路に既知のＤＣ／ＤＣコンバータを接続するには、追加の昇圧コンバータを設けることが必要であり、全リンク回路電圧およびＤＣ／ＤＣコンバータを介して流れる電力全体に対してこの追加の昇圧コンバータの構成要素を設計しなければならない。

“Ｖｅｅｒａｃｈａｒｙ，Ｍ．：Ｔｗｏ−Ｌｏｏｐ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｕｃｋ−ＳＥＰＩＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｐｕｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｉｎ：Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ（Ｖｏｌｕｍｅ：５９，Ｉｓｓｕｅ：１１），０４ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１１，４０７５−４０８７”は、相対的に高い電圧を有する電圧源のためのバックコンバータを、この電圧源から分離された相対的に低い電圧を有する電圧源のためのＳＥＰＩＣコンバータと組み合わせるコンバータのトポロジを開示している。バックコンバータの出力およびＳＥＰＩＣコンバータの出力は、互いに接続されており、バックコンバータのチョッパインダクタは、ＳＥＰＩＣコンバータの出力側ダイオードの入力側に接続されている。

“Ｇｕｌｅｓ，Ｒ．ｅｔ ａｌ．：Ａ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＳＥＰＩＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔａｔｉｃ ｇａｉｎ ｆｏｒ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎ：Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＣＯＢＥＰ），２０１１ Ｂｒａｚｉｌ，１１−１５ Ｓｅｐｔ．２０１１，１６２−１６７”は、従来のＳＥＰＩＣコンバータと比較して、追加のダイオードおよびキャパシタを備える改変されたＳＥＰＩＣコンバータを開示している。この場合、キャパシタは、ＳＥＰＩＣコンバータの第２のインダクタと直列に接続されており、ダイオードは、第１のインダクタと、第２のインダクタとＳＥＰＩＣコンバータの追加のキャパシタとの間のノードへのスイッチとの間のノードを接続している。

独国特許出願公開第１０２００９０５２４６１Ａ１号明細書は、光起電力発電機から分離されたＤＣ電圧リンクを充電するためのバックコンバータを開示している。この場合、バックコンバータは、１つのバックコンバータスイッチと、２つのバックコンバータダイオードと、結合された２つのバックコンバータインダクタとを備える。バックコンバータダイオードのうちの１つおよびバックコンバータインダクタのうちの１つは、分離されたＤＣ電圧リンクの２つの直列に接続されたキャパシタのうちの１つと並列にそれぞれ接続されている。

本発明は、複数のＤＣ電圧源からの複数のＤＣ入力電圧に適したＤＣ／ＤＣコンバータでありながら、そのスイッチング素子がその全ＤＣ出力電圧で負荷されないＤＣ／ＤＣコンバータを提示するという課題に対処するものである。

本発明が対処する課題は、独立特許請求項１の特徴を有するＤＣ／ＤＣコンバータによって解決される。本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの好適な実施形態は、従属特許請求項２〜７に定義されている。さらなる従属特許請求項は、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータを備えるインバータおよび他の電気回路に関する。

第１の低圧端子点と、第２の低圧端子点と、第３の低圧端子点と、第１の高圧端子点と、第２の高圧端子点とを備える、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータでは、第１の低圧端子点および第２の低圧端子点が第１の低いＤＣ電圧のための第１の低圧端子を形成し、第１の低圧端子点および第３の低圧端子点が第２の低いＤＣ電圧のための第２の低圧端子を形成しており、第１の高圧端子点および第２の高圧端子点が高いＤＣ電圧のための高圧端子を形成しており、第１の低圧端子点および第１の高圧端子点が互いに直接接続されており、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子が第１の高圧端子点と第２の高圧端子点との間に直列に接続されており、キャパシタが第２の低圧端子点と第３の低圧端子点との間に接続され、さらなるキャパシタンス、具体的にはさらなるキャパシタが第２の低圧端子点と第３の低圧端子点との間に直接接続されている。また、さらなるキャパシタンスは、２つのインダクタによって両極でキャパシタから減結合されている。すなわち、インダクタは、一方では第２の低圧端子点と第３の低圧端子点との間に、かつ他方ではキャパシタの２つの電極のうちの１つにそれぞれ位置している。したがって、能動的に駆動可能なスイッチング素子が能動的に駆動されると、キャパシタの電位のジャンプは、さらなるキャパシタンスと、第２の低圧端子点および第３の低圧端子点とに直接伝達されず、したがって、第１の低圧端子および第２の低圧端子にも伝達されない。この点に関して、前記電位のジャンプは、これらの入力に接続されたＤＣ電圧源にも影響を及ぼさない。これにより、さらに詳述するように、特に低圧端子に対する多数のＤＣ電圧源の並列接続が単純化される。キャパシタと直列に接続された能動的に駆動可能なスイッチング素子を駆動することにより、新規なＤＣ／ＤＣコンバータでは、低いＤＣ電圧に関して高いＤＣ電圧が設定され、この高いＤＣ電圧は平均的な低いＤＣ電圧よりも高く設定してもよい。

第１の低圧端子点および第１の高圧端子点が互いに直接接続されているという事実、およびさらなるキャパシタンスが第２の低圧端子点と第３の低圧端子点との間に直接接続されているという事実について本明細書で言及する限りに、かつ対応する文脈においても、「直接」とは、接続を介した電流の流れに著しい影響を及ぼす電気部品または電子部品が配置されていない、１つまたは複数の導電性の直流電気的な接続を意味する。しかしながら、これは、接続におけるわずかな抵抗、インダクタンスまたはキャパシタンスの存在を除外するものではない。

さらなるキャパシタンスをキャパシタから減結合する２つのインダクタは、電流補償インダクタの方式で電磁結合することができ、これは、コモンモードインダクタまたはコモンモードチョークとも呼ばれる。このとき、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータに結合されたインダクタは、コモンモード電流に対する高インダクタンス、および差動モード電流に対する低インダクタンスを有する。コモンモード信号に対する高インダクタンスでは、電磁結合されたインダクタは、さらなるキャパシタを、したがって第２の低圧端子点および第３の低圧端子点も、特にスイッチング素子と直列に接続されたキャパシタの電位のジャンプから減結合する。対照的に、差動モード信号に対する低インダクタンスにより、確実にキャパシタがさらなるキャパシタンスから迅速に充電されるようにする。２つの電磁結合されたインダクタのエネルギー蓄積能力は、従来の電流補償インダクタと比較して著しく大きくなるために好ましい。構造の点では、これらは、このようにさらなるキャパシタンスとキャパシタとの間に結合された正弦波フィルタのインダクタに対応する。ただし、２つのインダクタのうちの１つは「極性を反転させて」接続されている。

本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの説明において低圧端子点または高圧端子点と言う場合、これは必ずしも、ＤＣ／ＤＣコンバータが前記低圧端子点または高圧端子点において終了していること、および例えば、ＤＣ電圧源が、これらの端子点に直接接続されなければならないことを意味するわけではない。むしろ、ＤＣ／ＤＣコンバータは、低圧端子点の上流および高圧端子点の下流に位置する構成部品を有してもよい。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作中、低圧端子点と高圧端子点との間に低いＤＣ電圧および高いＤＣ電圧がそれぞれ存在している。この場合、低いＤＣ電圧は、１つまたは複数のＤＣ電圧源によって直接、または間接的に、すなわちコントローラを介在させて供給することができる。同様に、高いＤＣ電圧は、直接、または間接的に、すなわちさらなるコントローラを介在させて用いることができる。

本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータでは、第１の低圧端子点と、第２の低圧端子点および／または第３の低圧端子点との間に安定化用キャパシタを接続することができる。したがって、安定化用キャパシタは、第１の低圧端子点と第３の低圧端子点との間にさらなるキャパシタンスと直接直列に接続されている。

安定化用キャパシタおよびさらなるキャパシタンスの直列接続が、インダクタとともに、キャパシタの電位のジャンプをろ過して取り除くＬＣフィルタを形成することにより、低圧端子点における低いＤＣ電圧を安定に保つようになっている。代替的または追加的に、安定化用キャパシタを第１の低圧端子点と第３の低圧端子点との間に接続してもよい。

本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータでは、能動的に駆動可能なスイッチング素子、キャパシタおよびさらなるスイッチング素子の直列接続と並列に、第１の高圧端子点と第２の高圧端子点との間にリンク回路キャパシタを接続してもよい。高いＤＣ電圧は、次に、前記リンクキャパシタにわたって降下し、高いＤＣ電圧を制御するために、リンクキャパシタが、キャパシタと直列に接続された能動的に駆動可能なスイッチング素子が駆動されるパルスの電圧を安定化させる。

本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータを備える電気回路では、それぞれの場合に、ＤＣ電圧源が第１の低圧端子および／または第２の低圧端子に直接接続されてもよい。前記ＤＣ電圧源は、第１の低いＤＣ電圧および／または第２の低いＤＣ電圧を供給する。前記ＤＣ電圧源は、例えば、ＰＶ発電機またはバッテリもしくはキャパシタのような電気エネルギーの蓄積装置とすることができる。さらなるキャパシタおよびキャパシタの充電に用いられる２つの低いＤＣ電圧間の差は、このとき、２つのＤＣ電圧源によって直接既定される。

能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子およびさらなるブリッジスイッチング素子を備える少なくとも１つのハーフブリッジが第２の低圧端子点と第３の低圧端子点との間に接続され、ハーフブリッジの中心点が入力インダクタを介してさらなる低圧端子点に接続され、さらなる低圧端子点が第１の低圧端子点とともに、さらなるＤＣ電圧源を接続するためのさらなる低圧端子を形成している場合には柔軟性が向上する。しかしながら、この場合、ＤＣ電圧源を「さらなる」ＤＣ電圧源として指定することは、単にＤＣ電圧源が上記のハーフブリッジを介して接続されていることを意味するにすぎない。さらなるＤＣ電圧源または複数のこのようなさらなるＤＣ電圧源に加えて、第１の低圧端子または第２の低圧端子に直接接続されたＤＣ電圧源を必ずしも設ける必要はない。その反面、ハーフブリッジを介して第２の低圧端子点および第３の低圧端子点にそれぞれ接続され、かつこの点で第１の低いＤＣ電圧および第２の低いＤＣ電圧の両方を供給するために用いることが可能な１つまたは複数のさらなるＤＣ電圧源に加えて、低圧端子の何れかに直接接続されたＤＣ電圧源を設けることができる。

ハーフブリッジを備える実施形態では、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータは、フライングキャパシタを備えるＤＣ／ＤＣコンバータに相当し、フライングキャパシタは、出力側のキャパシタおよび入力側のさらなるキャパシタンスに分かれており、それらはインダクタによって互いに減結合されている。

さらなるＤＣ電圧源が光起電力発電機または他の何らかの純粋な発電機である場合、それぞれのハーフブリッジのさらなるブリッジスイッチング素子はダイオードとすることができる。しかしながら、さらなるＤＣ電圧源が、放電も充電もされることを意図したバッテリまたは他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置である場合、それぞれのハーフブリッジは二方向で具体化しなければならない。そのために、さらなるブリッジスイッチング素子は、能動的に駆動可能でなければならず、その結果、ハーフブリッジにより、さらなる低圧端子点と第１の低圧端子点との間に電圧差を生じさせることが可能になることで、電気エネルギーの蓄積装置の充電方向および／または放電方向に所望の電流が得られるようになっている。

キャパシタと直列に接続されたさらなるスイッチング素子が能動的に駆動可能である場合、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータは、一方ではその第１の低圧端子点、第２の低圧端子点および第３の低圧端子点の間、かつ他方ではその第１の高圧端子点と第２の高圧端子点との間の二方向に動作することができる。このとき、ＤＣ電圧源またはさらなるＤＣ電圧源として接続された電気エネルギーの蓄積装置を、ＤＣ／ＤＣコンバータの高圧端子においてリンクからキャパシタを介して充電することができる。一般的に言っても、エネルギーは、低圧端子点から高圧端子点に流れなくてもよい。むしろ、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータは、逆のエネルギーの流れに対して、さらには交番する（二方向の）エネルギーの流れに対して適切なスイッチング素子を選択することによって高度化することができる。

特に、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータでは、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子およびさらなるブリッジスイッチング素子をそれぞれが備える少なくとも２つのハーフブリッジが、第２の低圧端子点と第３の低圧端子点との間に並列に接続され、それぞれのハーフブリッジの中心点が入力インダクタを介してさらなる低圧端子点にそれぞれ接続され、さらなる低圧端子点が第１の低圧端子点とともに、それぞれのさらなるＤＣ電圧源を接続するためのそれぞれのさらなる低圧端子を形成している。２つのさらなるＤＣ電圧源が異なる光起電力発電機である場合（ここで、異なるとは、それぞれの光起電力モジュールの配列の違いまたは光起電力発電機間のごくわずかな変形を包含する）、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子を相応に駆動することにより、光起電力発電機のそれぞれに対して別個のＭＰＰ追従を行うことができる。すなわち、光起電力発電機の電圧を異なるように昇圧することにより、光起電力発電機の異なる動作点を設定し、この動作点において、それぞれの光起電力発電機は最大出力で発電する。

さらなるＤＣ電圧源は、１つまたは複数の光起電力発電機に加えて、バッテリを備えてもよい。前記バッテリは、このとき、光起電力発電機から直接充電することができる。バッテリのこの充電は、バッテリのハーフブリッジの能動的に駆動可能なスイッチング素子を駆動することにより、個々の光起電力発電機のＭＰＰ追従と無関係に行うことができる。なぜなら、バッテリの充電を駆動する電圧が調整可能であるからである。

言うまでもなく、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータのキャパシタ、さらなるキャパシタンス、各安定化用キャパシタ、および各リンク回路キャパシタは、互いに独立して、複数の個々のキャパシタの直列および／または並列接続を含むことができる。

バッテリまたは他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置を用いて、さらなるキャパシタンスを、具体的には、さらなるキャパシタと並列に、またはさらなるキャパシタの代わりに形成することがさらに可能である。

本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの追加の低圧端子点は、第２の高圧端子点に直接接続することができる。前記追加の低圧端子点は、第２の低圧端子点、第３の低圧端子点またはさらなる低圧端子点とともに、第３の低圧端子、第４の低圧端子またはさらなる低圧端子を形成し、これらの低圧端子にＤＣ電圧源を同様に接続することができる。このとき、前記ＤＣ電圧源は、第１の低圧端子点に接続されている各ＤＣ電圧源と異なる基準電位を有する。

本発明の有利な発展形態は、特許請求の範囲、本明細書および図面から明らかである。本明細書において言及されている特徴の利点および複数の特徴の組み合わせの利点は、例示に過ぎず、本発明による実施形態によって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。添付の特許請求の範囲の主題をこれにより変更することなく、以下のことが原出願の明細書および本特許の開示内容に当てはまる。さらなる特徴は、図面から−特に、図示された形状および複数の構成要素の互いに対する相対的寸法から、かつそれらの相対的配置および連動からも収集することができる。特許請求項の選択された従属的な参照から逸脱して、本発明の様々な実施形態の特徴または様々な特許請求項の特徴を組み合わることも同様に可能であり、本明細書によって示唆されている。これは、別個の図面に示されたまたは本明細書で言及されたそのような特徴にも関係する。これらの特徴を、様々な特許請求項の特徴と組み合わせることも可能である。本発明のさらなる実施形態に対する特許請求項において存在する特徴を省略することも同様に可能である。

特許請求の範囲および本明細書で言及された特徴は、それらの数に関して、正確にその数または言及された数よりも大きい数が存在するように理解されるものとし、副詞「少なくとも」を使用して明確に表現する必要はない。したがって、例えば、あるキャパシタについて言及される場合、これは正確に１つのキャパシタであるか、または２つもしくは３つ以上のキャパシタが存在していることを意味すると理解されるものとする。これらの特徴は、他の特徴によって補足されてもよく、またはそれぞれの産物が構成する唯一の特徴とすることができる。

特許請求の範囲に含まれる参照符号は、特許請求項によって保護される主題の範囲を限定するものではない。それらは、単に特許請求項を理解し易くする目的を果たすにすぎない。

本発明を、図に示される例示的な実施形態に基づいて以下に説明し、記述する。

図１は、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの第１の実施形態を示す。 図２は、本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの第２の実施形態を示す。 図３は、図２による実施形態と比較して拡張された本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態を示し、ここでは、複数の光起電力発電機およびバッテリが入力側で接続されており、ＡＣ電圧グリッドに給電するインバータが出力側で接続されている。

図１に示されているＤＣ／ＤＣコンバータ１は、第１の低圧端子点２と、第２の低圧端子点３と、第３の低圧端子点４とを備える。第２の低圧端子点３および第３の低圧端子点４は、第１の低いＤＣ電圧Ｕ_１のための第１の低圧端子５を形成している。第１の低圧端子点２および第３の低圧端子点４は、第２の低いＤＣ電圧Ｕ_２のための第２の低圧端子６を形成している。ＤＣ／ＤＣコンバータ１の第１の高圧端子点７および第２の高圧端子点８が高いＤＣ電圧Ｕ_Ａのための高圧端子５５を形成している。第１の低圧端子点２は、第１の高圧端子点７に直接接続されている。能動的に駆動可能なスイッチング素子９、キャパシタ１０およびさらなるスイッチング素子１１が高圧端子点７と第２の高圧端子点８との間に直列に接続されている。キャパシタ１０を一方の側で一時的に第１の高圧端子点７に接続させるために、能動的に駆動可能なスイッチング素子９は、コントローラ１３による駆動信号１２により駆動可能である。本明細書におけるさらなるスイッチング素子１１は、能動的に駆動可能なスイッチング素子９が閉じている場合には常に阻止しているダイオード１４である。キャパシタ１０は、第２の低圧端子点３と第３の低圧端子点４との間にさらに接続されているが、直接ではなく、むしろインダクタ１７、１８を介在させて電磁結合１５で接続されている。対照的に、さらなるキャパシタンス１６は、本明細書では、さらなるキャパシタ６０の形態で、第２の低圧端子点３と第３の低圧端子点４との間に直接接続されている。２つのキャパシタ１０および６０は、このように互いに並列に接続されているが、原則として、この場合、それらはインダクタ１７、１８によって減結合されている。インダクタ１７、１８の電磁結合１５のタイプは、電流補償インダクタのタイプに対応している。すなわち、結合されているインダクタ１７、１８は、キャパシタ１０と６０との間の差動モード電流に対する低インダクタンスおよびコモンモード電流に対する高インダクタンスを有する。このように、スイッチング素子９が駆動されるとキャパシタ１０において生じる電位のジャンプは、さらなるキャパシタ６０から遠ざけられるが、同時に２つのキャパシタ１０および６０間の電圧差は速やかに補償される。なぜなら、補償電流は、結合されたインダクタ１７、１８が事実上インピーダンスなしで対向する差動モード電流であるからである。言うまでもなく、この場合、キャパシタ１０および６０の実際に実施される電圧結合およびまた起こり得る減結合は、インダクタ１７、１８の設計およびこれらインダクタの電磁結合１５、特に、漏れインダクタンスによって決まる。さらに、それらは、低いＤＣ電圧Ｕ_１を供給するＤＣ電圧源の特性によって決まる。

図２による本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータ１の実施形態は、図１による実施形態に対してさらなる構成要素が補足されており、以下にその詳細を明記する。安定化用キャパシタ１９が第１の低圧端子点２と第２の低圧端子点３との間に接続されており、この安定化用キャパシタは、第１の低いＤＣ電圧Ｕ_１によって充電され、前記低いＤＣ電圧Ｕ_１を安定化させることで、入力端子点３の電位に関して、さらなるキャパシタンス１６が前記安定化用キャパシタにおいて支持されるようになっている。電磁結合されたインダクタ１７、１８による、さらなるキャパシタンス１６のキャパシタ１０からの減結合は、このように支持される。リンクキャパシタ２０が高圧端子点７および８間に接続されており、このリンクキャパシタは、高いＤＣ電圧Ｕ_Ａを安定化させるとともに、電圧リンク回路２１を形成している。能動的に駆動可能なスイッチング素子９は、本明細書では半導体スイッチとして、具体的には、逆ダイオード２３を有するトランジスタ２２として具体化されている。さらなるスイッチング素子１１も、本明細書ではトランジスタ２４の形態をした能動的に駆動可能なスイッチング素子２４であり、その逆ダイオードはダイオード１４を形成している。能動的に駆動可能なスイッチング素子２４は、コントローラ１３によるさらなる駆動信号２５によって駆動可能である。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、二方向に動作可能であり、さらなるキャパシタンス１６は、電圧リンク２１からキャパシタ１０を介して充電することができる。

本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータ１では、能動的に駆動可能なスイッチング素子９およびさらなるスイッチング素子１１は、最高ＤＣ電圧Ｕ_Ａ用に設計する必要はなく、むしろ高いＤＣ電圧Ｕ_Ａとキャパシタ１０にわたって降下した電圧との間の差についてのみ設計すればよい。低いＤＣ電圧Ｕ_１およびＵ_２は、例えば２つの異なる光起電力発電機によって供給することができる。便宜上、低いＤＣ電圧Ｕ_２は、低いＤＣ電圧Ｕ_１よりも常に大きい。

図２は、任意選択的な追加の低圧端子点５８を破線で示しており、追加の低圧端子点は、第２の高圧端子点８に直接接続されており、また、追加の安定化用キャパシタ５９を介して第３の低圧端子点４に接続されている。このようにして、異なる基準電位をそれぞれ有する第３の低圧端子６１および第４の低圧端子６２が設けられ、これらの端子に代替のＤＣ電圧源または追加のＤＣ電圧源を接続させることができる。

図３によるＤＣ／ＤＣコンバータ１の実施形態は、複数のハーフブリッジ２６〜２９が低圧端子点３と４との間でさらなるキャパシタンス１６と並列に接続されている点で、図２による実施形態と異なっており、複数のハーフブリッジは、それぞれ能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子３０およびさらなるブリッジスイッチング素子３１で構成されている。ハーフブリッジ２６〜２８の場合、さらなるブリッジスイッチング素子３１は、ダイオード３２である。ハーフブリッジ２９の場合、さらなるブリッジスイッチング素子３１は、さらなる能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子５３である。能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子３０および５３は、コントローラ１３による制御信号３３〜３７で駆動される。入力インダクタ４２〜４５がハーフブリッジ２６〜２９の中心点３８〜４１に接続されており、さらなる低圧端子点４６〜４９に通じている。ＤＣ電圧源５０が第１の低圧端子点２とさらなる低圧端子点４６〜４９のそれぞれとの間に接続されている。ＤＣ電圧源５０は、さらなる低圧端子点４６〜４８の場合、それぞれの光起電力発電機５１を含み、さらなる低圧端子点４９の場合、バッテリ５２を含んでいる。これは、バッテリ５２が、２つの能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子３０および５３を備えるハーフブリッジ２９を介して第２の低圧端子点３および第３の低圧端子点４に接続されている一方で、光起電力発電機５１が、それぞれ能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子３０およびダイオード３２を備えるハーフブリッジ２６〜２８のうちの１つを介して前記低圧端子点３および４に接続されていることを意味する。ハーフブリッジ２６〜２８のブリッジスイッチング素子３０を駆動することにより、適切な低いＤＣ電圧Ｕ_１およびＵ_２で、例えばＭＰＰ追従目的で、個々の光起電力発電機５１の動作電圧を設定することが可能である。この場合、それぞれのハーフブリッジ２６〜２８は、関連付けされた入力インダクタ４２〜４４と協働して昇圧コンバータとして運転される。ハーフブリッジ２９のブリッジスイッチング素子３０および５３の駆動は、バッテリ５２が充電されているか、または放電されているかを判定するが、この判定は、さらなる低圧端子点４９において設定された電圧がバッテリ５２に対して充電電圧を構成しているか、または放電電圧を構成しているかによって決まる。キャパシタ１０と直列に接続された能動的に駆動可能なスイッチング素子２４を用いて、高いＤＣ電圧リンク回路２１からバッテリ５２を充電してもよい。破線で図示された追加の光起電力発電機５４は、低圧端子点２および３間に直接接続することができる。同様に、追加の光起電力発電機（ここでは図示されない）を低圧端子点２および４間に直接接続することができる。入力インダクタ４２〜４５のインダクタンスをごくわずかとすることができ、これにより、入力インダクタ４２〜４５は、ハーフブリッジ２６〜２９と協働する昇圧コンバータのインダクタとして低いＤＣ電圧の部分のみで負荷されるため、プリント回路基板に実装可能になっている。前記部分は、ＤＣ電圧源５０間に小さい電圧差のみがある場合に小さく保たれる。本明細書では、ＤＣ／ＡＣコンバータ５６がＤＣ／ＤＣコンバータ１の高圧端子５５に接続され、電圧リンク２１からＡＣ電圧グリッド５７に電気エネルギーを供給するために、高いＤＣ電圧Ｕ_Ａを反転させる。図３に全体として図示された電気回路は、ＤＣ／ＡＣコンバータ５６を備えるインバータの電気回路であって、上流に本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータが接続されている電気回路である。

特許請求の範囲に包含されずに、図３に図示されたＤＣ／ＤＣコンバータ１の改変形態も独立した発明として本明細書において開示されている。この改変形態では、キャパシタ１０とさらなるキャパシタンス１６との間にインダクタ１７および１８が存在せず、また、キャパシタ１０およびさらなるキャパシタンス１６を組み合わせて単一のキャパシタを形成してもよい。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、フライングキャパシタを備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、異なる低いＤＣ電圧を有する複数のＤＣ電圧源を接続可能にするために、複数のハーフブリッジがフライングキャパシタと並列に接続された、ＤＣ／ＤＣコンバータに相当する。

この改変されたＤＣ／ＤＣコンバータ１および本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータ１の場合、スイッチング素子９および２４は、それぞれ必要に応じて複数のサブスイッチング素子に分けることができる。このとき、追加のフライングキャパシタを前記サブスイッチング素子間に接続してもよい。

１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ 第１の低圧端子点
３ 第２の低圧端子点
４ 第３の低圧端子点
５ 第１の低圧端子
６ 第２の低圧端子
７ 第１の高圧端子点
８ 第２の高圧端子点
９ 能動的に駆動可能なスイッチング素子
１０ キャパシタ
１１ さらなるスイッチング素子
１２ 駆動信号
１３ コントローラ
１４ ダイオード
１５ 電磁結合
１６ さらなるキャパシタンス
１７ インダクタ
１８ インダクタ
１９ 安定化用キャパシタ
２０ リンクキャパシタ
２１ 電圧リンク回路
２２ トランジスタ
２３ 逆ダイオード
２４ 能動的に駆動可能なスイッチング素子
２５ 制御信号
２６ ハーフブリッジ
２７ ハーフブリッジ
２８ ハーフブリッジ
２９ ハーフブリッジ
３０ 能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子
３１ さらなるブリッジスイッチング素子
３２ ダイオード
３４ 駆動信号
３５ 駆動信号
３６ 駆動信号
３７ 駆動信号
３８ 中心点
３９ 中心点
４０ 中心点
４１ 中心点
４２ 入力インダクタ
４３ 入力インダクタ
４４ 入力インダクタ
４５ 入力インダクタ
４６ さらなる低圧端子点
４７ さらなる低圧端子点
４８ さらなる低圧端子点
４９ さらなる低圧端子点
５０ ＤＣ電圧源
５１ 光起電力発電機
５２ バッテリ
５３ さらなる能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子
５４ 光起電力発電機
５５ 高圧端子
５６ ＤＣ／ＡＣコンバータ
５７ ＡＣ電圧グリッド
５８ 低圧端子点
５９ 安定化用キャパシタ
６０ さらなるキャパシタ
６１ 第３の低圧端子
６２ 第４の低圧端子
Ｕ_１ 第１の低いＤＣ電圧
Ｕ_２ 第２の低いＤＣ電圧
Ｕ_Ａ 高いＤＣ電圧

Claims (15)

1. ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）であって、
   第１の低圧端子点（２）、第２の低圧端子点（３）および第３の低圧端子点（４）と、
   第１の高圧端子点（７）および第２の高圧端子点（８）と
   を備え、
   前記第１の低圧端子点（２）および前記第１の高圧端子点（７）が互いに直接接続されており、
   能動的に駆動可能なスイッチング素子（９）、キャパシタ（１０）およびさらなるスイッチング素子（１１）が前記第１の高圧端子点（７）と前記第２の高圧端子点（８）との間に直列に接続されており、
   前記キャパシタ（１０）が前記第２の低圧端子点（３）と前記第３の低圧端子点（４）との間に接続されている、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）において、
   さらなるキャパシタンス（１６）が前記第２の低圧端子点（３）と前記第３の低圧端子点（４）との間に直接接続されていることと、
   前記さらなるキャパシタンス（１６）が２つのインダクタ（１７、１８）によって両極で前記キャパシタ（１０）から減結合されていることと
   を特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）。
2. 請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）において、前記２つのインダクタ（１７、１８）が電流補償インダクタの方式で電磁結合されていることを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）。
3. 請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）において、安定化用キャパシタ（１９）が前記第１の低圧端子点（２）と前記第２の低圧端子点（３）または前記第３の低圧端子点（４）との間に接続されていることを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）において、前記能動的に駆動可能なスイッチング素子（９）、前記キャパシタ（１０）および前記さらなるスイッチング素子（１１）の前記直列接続と並列に、リンクキャパシタ（２０）が前記第１の高圧端子点（７）と前記第２の高圧端子点（８）との間に接続されていることを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）において、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子（３０）およびさらなるブリッジスイッチング素子（３１）を備える少なくとも１つのハーフブリッジ（２６〜２９）が前記第２の低圧端子点（３）と前記第３の低圧端子点（４）との間に接続されており、前記ハーフブリッジ（２６〜２９）の中心点（３８〜４１）が入力インダクタ（４２〜４５）を介してさらなる低圧端子点（４６〜４９）に接続されていることを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）において、前記さらなるスイッチング素子（１１）がさらなる能動的に駆動可能なスイッチング素子（２４）であることを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）において、追加の低圧端子点（５８）が前記第２の高圧端子点（８）に直接接続されていることを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）。
8. ＤＣ／ＡＣコンバータ（５６）と、請求項１乃至７の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）とを備えるインバータにおいて、前記ＤＣ／ＡＣコンバータ（５６）が前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）の高圧端子（５５）に接続されており、高いＤＣ電圧（Ｕ_Ａ）から給電され、かつＡＣ電圧グリッド（５７）に給電することを特徴とする、インバータ。
9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）を備える電気回路または請求項８に記載のインバータにおいて、それぞれの場合に、ＤＣ電圧源が、一方では前記第１の低圧端子点（２）に、かつ他方では前記第２の低圧端子点（３）に直接接続され、およびまた一方では前記第１の低圧端子点（２）に、かつ他方では前記第２の低圧端子点（３）にも直接接続されていることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
10. 請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）を備える電気回路、または請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）を備える請求項８に記載のインバータにおいて、ＤＣ電圧源（５０）が、一方では前記第１の低圧端子点（２）に、かつ他方では前記さらなる低圧端子点（４６〜４９）に接続されていることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
11. 請求項１０に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記ＤＣ電圧源（５０）が光起電力発電機（５１）であり、前記さらなるブリッジスイッチング素子（３１）がダイオード（３２）であることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
12. 請求項１０に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記ＤＣ電圧源（５０）がバッテリ（５２）および／または他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置であり、前記さらなるブリッジスイッチング素子（３１）がさらなる能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子（５３）であることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
13. 請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）を備える電気回路、または請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１）を備える請求項８に記載のインバータにおいて、それぞれの場合に、能動的に駆動可能なブリッジスイッチング素子（３０）と、さらなるブリッジスイッチング素子（３１）とを備える少なくとも２つのハーフブリッジ（２６〜２９）が前記第２の入力端子点（３）と前記第３の入力端子点（４）との間に接続されており、前記それぞれのハーフブリッジ（２６〜２９）の中心点（３８〜４１）が入力インダクタ（４２〜４５）を介してさらなる入力端子点（４６〜４９）にそれぞれ接続されており、それぞれの場合に、ＤＣ電圧源（５０）が、一方では前記第１の低圧端子点（２）に、かつ他方では前記さらなる低圧端子点（４６〜４９）に接続されていることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
14. 請求項１３に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記ＤＣ電圧源（５０）のうちの少なくとも２つが異なる光起電力発電機（５１）であることを特徴とする、電気回路またはインバータ。
15. 請求項１３または１４に記載の電気回路またはインバータにおいて、前記ＤＣ電圧源（５０）がバッテリ（５２）および／または他の何らかの電気エネルギーの蓄積装置を備えることを特徴とする、電気回路またはインバータ。

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