JP2018533354A - マルチチャネル・インバータ・システム - Google Patents

Abstract

システムは、直流電源へ接続される第１Ｔ型インバータと、直流電源へ接続され、第１Ｔ型インバータから第１位相シフトを有して作動するよう構成される第２Ｔ型インバータと、直流電源へ接続され、第２Ｔ型インバータから第２位相シフトを有して作動するよう構成される第３Ｔ型インバータと、第１Ｔ型インバータ、第２Ｔ型インバータ及び第３Ｔ型インバータへ夫々接続される第１入力部、第２入力部及び第３入力部を有する結合インダクタと、結合インダクタの出力部へ結合される出力フィルタとを有する。

Description

本願は、“Multi-Channel Inverter Systems”と題されて２０１５年１１月５日付けで出願された、あたかも再現されるように全体として本願に参照によりこれをもって援用される米国特許出願第１４／９３３７２３号に基づく優先権を主張する。

本発明は、並列に接続された複数のインバータ・ユニットの間の負荷平衡のための装置、システム及び方法に、特定の実施形態では、並列な作動するインバータ・ユニット間に置かれた結合インダクタと出力フィルタとによる負荷平衡のための装置、システム及び方法に関する。

再生可能なエネルギ源としては、太陽エネルギ、風力、潮力エネルギ、及び同様のものがある。ソーラー・パワー変換システムは、直列又は並列に接続された複数のソーラー・パネルを含むことがある。ソーラー・パネルの出力は、時刻、場所、及び太陽追尾能力のような様々な要因に応じて、可変直流電圧を生成し得る。ソーラー・パネルの出力を調整するために、ソーラー・パネルの出力は、調整された出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータの出力部で達成するようにＤＣ／ＤＣコンバータへ結合され得る。加えて、ソーラー・パネルは、バッテリ充電制御装置を通じてバックアップ・バッテリ・システムと接続され得る。日中、バックアップ・バッテリは、ソーラー・パネルの出力により充電される。電力設備が機能しなくなるか、又はソーラー・パネルがオフグリッド電力システムである場合に、バックアップ・バッテリは、ソーラー・パネルへ結合された負荷へ電気を供給する。

用途の大部分は、１２０ボルト交流電力で作動するよう設計され得るので、ソーラー・インバータは、太陽光電池モジュールの可変直流出力を１２０ボルト交流電源へ変換するために用いられる。好ましくない高調波を減衰させるために、複数の磁気デバイスがソーラー・インバータと交流電源との間に結合され得る。

磁気デバイスは、フェライト、鉄粉及び／又は同様のもののような適切な磁性材料から形成された磁気コアを通常は含む。磁気デバイスは、導電性巻線又は複数の導電性巻線を更に含んでよい。巻線及び巻線を流れる電流は、磁場を発生させ得る。これは磁束としても知られている。通常の設計では、磁気コアは、周囲媒体（例えば、空気）と比較して、相対的に高い透磁率をたいていは有している。結果として、磁束は磁気コアにより封じ込められて、閉じられた磁束通路を形成する。磁束は、電磁エネルギを保持、移動又は解放する手段を提供する。

結合インダクタは、パワー・エレクトロニクス産業で広く使用されている。結合インダクタは、お互いに磁気的に結合された２つの巻線を有してよい。２つの結合された巻線は、同じ磁気コア（例えば、トロイダル・コア）に巻き付けられてよい。第１巻線は第１磁力を生成して、第１磁場又は磁束を駆動する。第１巻線によって生成された磁束は、磁気コアにより封じ込められて、閉じられた磁束通路を形成する。同様に、第２巻線は第２磁力を生成して、第２磁場を駆動し、第２磁場は磁気コアにより封じ込められる。結合インダクタの磁気コアの磁性材料は、周囲媒体（例えば、空気）のそれよりも大きい透磁率を有し得る。しかし、結合インダクタの２つの巻線の間の結合は完ぺきではない。巻線と、より低い透磁率を有している周囲媒体との間には、漏れ経路が存在し得る。

マルチチャネル・インバータを提供する本発明の好適な実施形態によって、それら及び他の問題は概して解消又は回避され、技術的な利点が概して達成される。

実施形態に従って、システムは、入力直流電源と第１結合インダクタとの間に結合される複数の電力処理チャネルを有し、Ｎが奇数の整数であるとして、各チャネルが、３６０度／Ｎに等しい位相シフトで直流波形を交流波形に変換するよう構成され、第１結合インダクタが複数の巻線を有し、各巻線が、対応する電力処理チャネルへ接続される第１端子を有し、複数の巻線の第２端子はつなぎ合わされる第１インバータと、複数の巻線の第２端子へ接続される入力部を有する出力フィルタとを有する。

他の実施形態に従って、システムは、直流電源へ接続される第１Ｔ型インバータと、直流電源へ接続され、第１Ｔ型インバータから第１位相シフトを有して作動するよう構成される第２Ｔ型インバータと、直流電源へ接続され、第２Ｔ型インバータから第２位相シフトを有して作動するよう構成される第３Ｔ型インバータと、第１Ｔ型インバータ、第２Ｔ型インバータ及び第３Ｔ型インバータへ夫々接続される第１入力部、第２入力部及び第３入力部を有する結合インダクタであって、第１レッグ、第２レッグ及び第３レッグを有する磁気コアと、第１レッグの周りに巻かれた第１巻線と、第２レッグの周りに巻かれた第２巻線と、第３レッグの周りに巻かれた第３巻線とを有し、第１巻線、第２巻線及び第３巻線の出力端子が結合インダクタの出力部を形成するようつなぎ合わされる結合インダクタと、結合インダクタの出力部へ結合される出力フィルタとを有する。

更なる他の実施形態に従って、三相インバータ・システムは、第１結合インダクタを通じてつなぎ合わされる複数の第１インバータを有し、第１結合インダクタがお互いに負結合される複数の第１巻線を有し、複数の第１インバータがお互いから位相シフトを有して作動するよう構成される第１相と、第２結合インダクタを通じてつなぎ合わされる複数の第２インバータを有する第２相と、第３結合インダクタを通じてつなぎ合わされる複数の第３インバータを有する第３相と、第１結合インダクタと第１出力フィルタとの間に接続される第１巻線、第２結合インダクタと第２出力フィルタとの間に接続される第２巻線、及び第３結合インダクタと第３出力フィルタとの間に接続される第３巻線を有する第４結合インダクタとを有する。

本発明の実施形態の利点は、より低い全高調波ひずみ（total harmonic distortion）（ＴＨＤ）とともに、より高い効率を提供するマルチチャネル・インバータである。

上記は、続く本発明の詳細な説明がより良く理解され得るために、本発明の特徴及び技術的利点をむしろ広く概説してきた。本発明の更なる特徴及び利点は以降で記載され、これらは本発明の特許請求の範囲の主題を形成する。当業者には当然のことながら、開示される概念及び具体的な実施形態は、本発明の同じ目的を達成するための他の構造又はプロセスを変更又は設計する基礎として容易に利用され得る。また、そのような同等の構成は、添付の特許請求の範囲で示される本発明の精神及び適用範囲から逸脱しないことが当業者によって認識されるべきである。

本発明及びその利点のより完全な理解のために、これより、添付の図面に関連して説明される以下の記載が参照される。

本開示の様々な実施形態に従って、結合インダクタを有するマルチチャネル・インバータ・システムのブロック図を表す。

本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第１の実施の概略図を表す。

本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第２の実施の概略図を表す。

本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第３の実施の概略図を表す。

本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第４の実施の概略図を表す。

本開示の様々な実施形態に従って、図１で示された結合インダクタの実施を表す。

本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムを有する三相システムの概略図を表す。

本開示の様々な実施形態に従って、図２で示されたマルチチャネル・インバータ・システムのマルチレベル波形を表す。

異なる図中の対応する数字及び符号は、別なふうに示されない限り、一般的に、対応する部分を参照する。図は、様々な実施形態の関連する態様を明りょうに表すために描かれており、必ずしも実寸通りでない。

目下好ましい実施形態の形成及び使用は、以下で詳細に論じられる。なお、当然のことながら、本発明は、多種多様な特定の状況において具現化され得る多くの適用可能な発明概念を提供する。論じられる具体的な実施形態は、本発明を構成し使用するための特定の方法を単に説明し、本発明の適用範囲を制限しない。

本発明は、特定の状況における好適な実施形態、すなわち、直流／交流電力システムの相の複数のインバータ・ユニットを接続する結合インダクタ構造に関して記載される。更に、結合インダクタ構造は、直流／交流電力システムの３つの相を接続するために用いられてよい。本発明は、なお、様々な直流／交流電力システムにも適用されてよい。以降、様々な実施形態が、添付の図面を参照して詳細に説明される。

図１は、本開示の様々な実施形態に従って、結合インダクタを有するマルチチャネル・インバータ・システムのブロック図を表す。マルチチャネル・インバータ・システム１００は、入力直流電源１０１、マルチチャネル・インバータ１０２、結合インダクタ１０４、出力フィルタ１０６及び交流電源１０７を有する。いくつかの実施形態で、マルチチャネル・インバータ１０２は、複数の電力処理チャネルを有してよい。各チャネルは直流／交流インバータとして実装されてよい。マルチチャネル・インバータ１０２におけるチャネルは、結合インダクタ１０４を介して並列に接続される。より具体的に、各チャネルの入力は入力直流電源１０１へ接続され、各チャネルの出力は、結合インダクタ１０４の巻線を介して出力フィルタ１０６へ接続される。等しい電流共有が結合インダクタ１０４を通じて達成され得る。本明細書の全体を通して、マルチチャネル・インバータ１０２のチャネルは、マルチチャネル・インバータ１０２のインバータ・ユニットと代わりに呼ばれることがある。

マルチチャネル・インバータ１０２の各インバータ・ユニットは、入力直流電源１０１から受け取られた直流波形を交流波形へ変換する。いくつかの実施形態で、各インバータ・ユニットは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（insulated gate bipolar transistor）（ＩＧＢＴ）デバイスのような複数のスイッチング素子を有してよい。代替的に、各インバータ・ユニットは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（metal oxide semiconductor field effect transistor）（ＭＯＳＦＥＴ）デバイス、バイポーラ接合トランジスタ（bipolar junction transistor）（ＢＪＴ）デバイス、スーパー接合トランジスタ（super junction transistor）（ＳＪＴ）デバイス、バイポーラ・トランジスタ及び／又は同様のもののような他のタイプの制御可能なデバイスを含んでよい。マルチチャネル・インバータ１０２のインバータ・ユニットの詳細な動作及び構造は、図２に関連して以下で記載される。

いくつかの実施形態で、各チャネルは、位相シフトを有して直流波形を交流波形へ変換するよう構成される。各電力処理チャネルの位相シフトは、３６０度／Ｎに等しい。このとき、Ｎは、マルチチャネル・インバータ・システム１００の最も重要な高調波の次数である。いくつかの実施形態で、Ｎは、５、７などのような奇数の整数である。

結合インダクタ１０４は、お互いに磁気的に結合された複数の巻線を有してよい。いくつかの実施形態で、複数の巻線は、お互いに負結合されてよい。複数の結合された巻線は、同じ磁気コア（例えば、トロイダル・コア）に巻かれてよい。複数の結合された巻線の第１端子はそれらの各々のチャネルへ接続され、複数の結合された巻線の第２端子はつなぎ合わされ、更には、出力フィルタ１０６の入力部へ接続される。更に、複数の巻線の間の結合は、漏れ磁束を発生させることがある。結合インダクタの等価回路で、漏れ磁束は漏れインダクタンスによって置き換えられる。そのような漏れインダクタンスは、出力フィルタ１０６のいくつかの誘導素子を置き換えるために用いられ得る。結合インダクタ１０４の構造は、図２〜５に関連して以下で詳細に記載される。

出力フィルタ１０６は、複数の誘導及び容量素子を有してよい。いくつかの実施形態で、誘導及び容量素子はＬ−Ｃフィルタ、又はカスケード接続された複数のＬ−Ｃフィルタを形成してよい。誘導素子（例えば、インダクタ）は、高周波ノイズがマルチチャネル・インバータ・システム１００の出力に流れることを防ぐよう高インピーダンスを提供する。同時に、容量素子（例えば、キャパシタ）は、交流電源１０７の入力部を短絡し、インバータ・ユニットから生成される高周波ノイズのための低インピーダンスチャネルを提供する。出力フィルタ１０６の詳細な構造は、図２〜５に関連して以下で記載される。

図２は、本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第１の実施の概略図を表す。入力直流電圧源ＰＶ１は、マルチチャネル・インバータ１０２の入力部へ結合されている。入力ノイズにフィルタをかけるために、入力キャパシタ（例えば、Ｃ１及びＣ２）が、入力直流電圧源ＰＶ１の２つの出力端子の間に接続されている。より具体的に、入力キャパシタは、第１入力キャパシタＣ１及び第２入力キャパシタＣ２を有してよい。第１入力キャパシタＣ１及び第２入力キャパシタＣ２は直列に接続され、更には、入力直流電圧源ＰＶ１の２つの端子の間に結合される。第１入力キャパシタＣ１及び第２入力キャパシタＣ２の共通ノードは、図２で示されているように中性点へ接続される。いくつかの実施形態で、中性点は、マルチチャネル・インバータ・システム２００の接地である。

マルチチャネル・インバータ１０２は、第１インバータ・ユニット２０２、第２インバータ・ユニット２０４及び第３インバータ・ユニット２０６を有する。インバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６の入力部は、入力直流電圧源ＰＶ１へ接続されている。インバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６の出力部は、結合インダクタ１０４の３つの入力端子へ夫々接続されている。

図２で示されているインバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６は、Ｔ型３レベル・インバータとして一般的に知られている。図２は、Ｔ型３レベル電力インバータであるインバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６を示すが、マルチチャネル・インバータ・システム２００が２レベル・インバータ、３レベル・インバータ、共振インバータ、それらのあらゆる組み合わせ及び／又は同様のもののような、しかしそれらに限られない他のインバータを有することは、本発明の適用範囲及び精神の範囲内にある点が留意されるべきである。

いくつかの実施形態で、インバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６は、図２で示されているＴ型３レベル・インバータ構造のような同じ構造を有してよい。簡単のために、第１インバータ・ユニット２０２の詳細な構造のみが以下で記載される。

第１インバータ・ユニット２０２は、直列に接続された一対のスイッチング素子Ｓ１１及びＳ１２を有する。スイッチング素子Ｓ１１及びＳ１２の共通ノードは、バック・ツー・バック接続されたスイッチング素子Ｓ１３及びＳ１４によって形成される絶縁デバイスを通じて接地へ結合される。バック・ツー・バック接続されたスイッチング素子Ｓ１３及びＳ１４は、スイッチング素子Ｓ１１及びＳ１２の共通ノードを接地から完全に分離させることができる。いくつかの実施形態に従って、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３及びＳ１４はＩＧＢＴ又は、並列、直列及びそれらのあらゆる組み合わせにおいて接続された複数のＩＧＢＴである。

スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３及びＳ１４は、第１インバータ・ユニット２０２の出力部が３レベル波形を生成するように制御される。特に、スイッチング素子Ｓ１１がオンされ、スイッチング素子Ｓ１２がオフされるとき、第１インバータ・ユニット２０２の出力部は、入力直流電圧源ＰＶ１の電圧の２分の１に等しい正電圧を生成する。同様に、スイッチング素子Ｓ１２がオンされ、スイッチング素子Ｓ１１がオフされるとき、第１インバータ・ユニット２０２の出力部は、入力直流電圧源ＰＶ１の電圧の２分の１に等しい負電圧を生成する。スイッチング素子Ｓ１１及びＳ１２の両方がオフされ、スイッチング素子Ｓ１３及びＳ１４がオンされるとき、第１インバータ・ユニット２０２の出力部は接地へ結合される。そのようなものとして、第１インバータ・ユニット２０２の出力部は、３レベル電圧波形を生成する。３レベル電圧波形の周波数は、実施形態に従って、約６０Ｈｚである。

更に、図２で示されている各インバータ・ユニットのスイッチング素子（例えば、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３及びＳ１４）は、２つの出力波形の間に位相シフトが存在するように制御される。例えば、スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４のタイミング及びスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４のタイミングを制御することによって、第１の位相シフトが第１インバータ・ユニット２０２及び第２インバータ・ユニット２０４の出力部の間に置かれ得る。同様に、スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４のタイミング及びスイッチング素子Ｓ３１〜Ｓ３４のタイミングを制御することによって、第２の位相シフトが第２インバータ・ユニット２０４及び第３インバータ・ユニット２０６の出力部の間に置かれ得る。第１の位相シフト及び第２の位相シフトにより、結合インダクタ１０４の出力部での電圧波形は３レベル波形ではない。代わりに、結合インダクタ１０４の出力部での電圧波形はマルチレベル波形である。マルチレベル波形のレベルの数は、位相シフトの程度に応じて変化し得る。いくつかの実施形態で、マルチレベル波形のレベルの数は７に等しい。７レベル波形の例は図８で示されている。

結合インダクタ１０４の出力部のマルチレベル波形（例えば、図８における波形Ｄ）を有することの１つの有利な特徴は、図８で示されているマルチレベル波形が正弦波形をたどる点である。結果として、高調波成分はより少ない。例えば、位相シフトを選択することによって、５次高調波のような支配高調波が除去され得る。マルチレベル波形（例えば、図８における波形Ｄ）を有することの他の有利な特徴は、マルチレベル波形が出力フィルタ１０６の設計を簡単にするのを助ける点である。簡略化された出力フィルタの詳細な構造は、図４〜５に関連して以下で記載される。

図２で示されているインバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６並びに結合インダクタ１０４は例にすぎない点が留意されるべきであり、当業者であれば、インバータ（例えば、インバータ・ユニット２０２〜２０６）及びその対応する結合インダクタ１０４が多種多様な方法で実施され得ると認識するだろう。例えば、マルチチャネル・インバータ・システム２００は、３つよりも多いインバータ・ユニットに適応してよい。然るに、結合インダクタ１１０は多数の巻線を有してよく、それらの巻線の夫々は、対応するインバータ・ユニットの１つの出力部へ接続される。

結合インダクタ１０４は３つの巻線を有する。第１巻線２１２は、図２で示されているように、ノードＡとノードＤとの間に接続されている。第２巻線２１４は、ノードＢとノードＤとの間に接続されている。第３巻線２１６は、ノードＣとノードＤとの間に接続されている。図２で示されているように、各巻線の点は巻線の極性を表す。図２で示されているように、第１巻線２１２は、Ｍの結合係数により第２巻線２１４へ負結合される。同様に、第２巻線２１４は、Ｍの結合係数により第３巻線２１６へ負結合される。第３巻線２１６は、Ｍの結合係数により第１巻線２１２へ負結合される。Ｍは所定の数である。それは、種々の設計ニーズに応じて変化し得る。それら３つの負結合されたインダクタの詳細な実施は、図６に関連して以下で記載される。

いくつかの実施形態で、結合インダクタ１０４は、マルチチャネル・インバータ・システム２００が第１インバータ・ユニット２０２、第２インバータ・ユニット２０４及び第３インバータ・ユニット２０６の間で平等にエネルギを分配するのを助ける。特に、それらのインバータ・ユニットの間の平衡は、結合インダクタ１０４の磁化インダクタンスによって決定される。３つのインバータ・ユニットの間で平衡のとれたエネルギ分配を達成するために、磁化インダクタンスは、大きい値を有するよう設計される。結果として、磁化インダクタンスの変化は比較的小さい。そのような小さい変化は、マルチチャネル・インバータ・システム２００が静的な電流共有及び動的な電流共有の両方を達成するのを助ける。

出力フィルタ１０６は、直列に接続されており、更には、結合インダクタ１０４と出力交流電源との間に結合されている第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２を有してよい。出力フィルタ１０６は、第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２の共通ノードと接地との間に結合された複数の出力キャパシタを更に有してよい。複数の出力キャパシタは、図１ではキャパシタＣ３として集合的に示されている。

第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２は、高周波ノイズがマルチチャネル・インバータ・システム２００の出力に流れようとするときに高インピーダンスを提供する。同時に、キャパシタＣ３は、交流電源の入力部を短絡し、マルチチャネル・インバータ・システム２００から生成される高周波ノイズのための低インピーダンスチャネルを提供する。結果として。インバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６の高周波ノイズは、出力フィルタ１０６を流れることができない。

図２で示されているインバータ・トポロジ、出力フィルタ１０６、入力直流電源ＰＶ１及び出力交流電源は、単に例示を目的として提供され、様々な実施形態の例としてのみ提供される点が留意されるべきである。そのような例は、特許請求の範囲の適用範囲を必要以上に制限すべきでない。当業者ならば、多数の変形、変更、及び改良を認識するだろう。

図３は、本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第２の実施の概略図を表す。図３で示されているマルチチャネル・インバータ・システム３００は、第１インダクタＬ１が結合インダクタ１０４の漏れインダクタンスで置換されている点を除いて、図２で示されたものと同様である。結合インダクタ１０４の出力部での電圧は、正弦波形をたどるマルチレベル波形であるから、高調波含有量は然るべく低減される。そのような低い高調波含有量は、出力フィルタ１０６の設計を簡単にするのを助ける。いくつかの実施形態で、第１インダクタＬ１のインダクタンスは９０％だけ小さくされ得る。いくつかの実施形態で、第１インダクタＬ１のインダクタンスは約１０μＨに等しい。そのような小さいインダクタンスは、結合インダクタ１０４の漏れインダクタンスによって置き換えられ得る。すなわち、第１インダクタＬ１は結合インダクタ１０４に組み入れられ得る。

磁気コアの磁性材料は、周囲媒体（例えば、空気）のそれよりも大きい透磁率を有し得る。しかし、結合インダクタ１０４の２つのインダクタの間の結合は完ぺきでないことがある。巻線と周囲媒体との間の結合は漏れ磁束を発生させうる。結合インダクタ１０４の３つ全てのインダクタは、空気のような周囲媒体との結合により漏れインダクタンスを生成しうる。図３で示されているように、第１インダクタ巻線によって生成される漏れはＬ_ｌｋ１として定義され、第２インダクタ巻線によって生成される漏れはＬ_ｌｋ２として定義され、第３インダクタ巻線によって生成される漏れはＬ_ｌｋ３として定義される。それら３つの漏れインダクタンスは、図２で示された第１インダクタＬ１を置換するために用いられ得る。

図４は、本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第３の実施の概略図を表す。図４で示されているマルチチャネル・インバータ・システム４００は、出力キャパシタＣ３が除去されている点を除いて、図２で示されたものと同様である。図２で示されたインダクタ−キャパシタ−インダクタ（ＬＣＬ）フィルタを有することの１つの欠点は、ＬＣＬフィルタがマルチチャネル・インバータ・システム２００において発振を引き起こしうる点である。出力フィルタのインダクタンスを増大させること（例えば、３０μＨに等しいＬ１及び／又はＬ２のインダクタンス）によって、キャパシタＣ３は除去され得、マルチチャネル・インバータ・システム４００は、図２で示されたマルチチャネル・インバータ・システム２００と同じ高調波除去結果を達成し得る（現在のＴＨＤは１．８％に等しい。）。

出力キャパシタＣ３を除去することの１つの有利な特徴は、マルチチャネル・インバータ・システム４００の挙動が、正弦波形をたどる電流を生成する電流源と類似する点である。そのような電流源は、ＬＣＬフィルタを有するインバータ・システムで起きる発振問題を有さない。

図５は、本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムの第４の実施の概略図を表す。図５で示されているマルチチャネル・インバータ・システム５００は、第１インダクタＬ１が結合インダクタ１０４の漏れインダクタンスによって置換されている点を除いて、図４で示されたものと同様である。第１インダクタＬ１を結合インダクタ１０４に組み入れるメカニズムは、図３に関連して詳細に先に記載されており、従って、不必要な繰り返しを回避するよう再び論じられない。

図６は、本開示の様々な実施形態に従って、図１で示された結合インダクタの実施を表す。結合インダクタ１０４は、図６で示されているように、磁気コアの周りに巻かれてよい。実施形態に従って、磁気コアは、フェライト、鉄粉、他の適切な電力材料、それらのあらゆる組み合わせ及び／又は同様のもののような、高い透磁率を有している磁性材料から作られる。更に、磁気コアは、磁気損失を更に減らすようケイ素鋼のような適切な合金から作られてよい。

図６は、３つのレッグを備えている磁気コアの周りに巻かれた３つの巻線コイルＮ１、Ｎ２及びＮ３を有する。第１巻線コイルＮ１は第１レッグの周りに巻かれている。第２巻線コイルＮ２は第２レッグの周りに巻かれている。第３巻線コイルＮ３は第３レッグの周りに巻かれている。図６で示されているように、第２レッグは第１レッグと第３レッグとの間にある。コイルＮ１、Ｎ２及びＮ３の入力端子は、端子Ａ、Ｂ及びＣへ夫々接続されている。コイルＮ１、Ｎ２及びＮ３の出力端子はつなぎ合わされて、端子Ｄへ更に接続されている。コイルＮ１、Ｎ２及びＮ３は、同じ方向において巻かれている点が留意されるべきである。すなわち、巻線Ｎ１、Ｎ２及びＮ３によって生成される磁場は同じ方向にある。

図７は、本開示の様々な実施形態に従って、図１で示されたマルチチャネル・インバータ・システムを有する三相システムの概略図を表す。三相システム７００は、相Ａ、相Ｂ及び相Ｃを含む。相Ｂ及び相Ｃの構造は相Ａのそれと同様であり、従って、図７では詳細に示されない。いくつかの実施形態で、相Ａは、３つのインバータ・ユニットを有するマルチチャネル・インバータ７０２として実施されてよい。相Ａの３つのインバータ・ユニットは、第１結合インダクタ７１２を介してつなぎ合わされる。マルチチャネル・インバータ７０２の動作原理は、図２で示されたマルチチャネル・インバータ・システム２００のそれと同様であり、従って、不必要な繰り返しを回避するよう再び論じられない。

相Ａ、相Ｂ及び相Ｃは、第２結合インダクタ７１４を介してつなぎ合わされる。図７で示されているように、第２結合インダクタ７１４は、巻線７２２、７２４及び７２６を有する。巻線７２２、７２４及び７２６は、それらの対応する出力インダクタＬ１１、Ｌ１２及びＬ１３を介して負荷ＡＣ１、ＡＣ２及びＡＣ３へ夫々接続される。第２結合インダクタ７１４の構造は、第１結合インダクタ７１２のそれと同様であり、従って、ここで再び論じられない。

図８は、本開示の様々な実施形態に従って、図２で示されたマルチチャネル・インバータ・システムのマルチレベル波形を表す。図８は、４つの波形を示す。第１の波形は、第１インバータ・ユニット２０２の出力部で生成される。第２の波形は、第２インバータ・ユニット２０４の出力部で生成される。図８で示されているように、第１の波形と第２の波形との間には位相シフトが存在する。第３の波形は、第３インバータ・ユニット２０６の出力部で生成される。図８で示されているように、第２の波形と第３の波形との間には位相シフトが存在する。第４の波形は、結合インダクタ１０４の出力部で生成される。図８で示されているように、第４の波形は７つのレベルを有している。７レベル波形は正弦波形をたどる。結果として、高調波成分はより少ない。

本発明の実施形態及びその利点が詳細に記載されてきたが、様々な変更、置換及び改変が、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び適用範囲から逸脱することなくここで行われ得ることが理解されるべきである。

例えば、本開示の一実施形態で、入力直流電源と第１結合インダクタとの間に結合された複数の電力処理チャネルを有する第１インバータ手段を含み、Ｎが奇数の整数であるとして、各チャネルが、３６０度／Ｎに等しい位相シフトで直流波形を交流波形に変換するよう構成されるシステムが開示される。第１結合インダクタは複数の巻線を有し、各巻線は、対応する電力処理チャネルへ接続される第１端子を有し、複数の巻線の第２端子は、つなぎ合わされ、出力フィルタは、複数の巻線の第２端子へ接続される入力部を有する。

他の実施形態で、直流電源手段へ接続される第１Ｔ型インバータと、直流電源手段へ接続され、第１Ｔ型インバータから第１の位相シフトを有して作動するよう構成される第２Ｔ型インバータと、直流電源手段へ接続され、第２Ｔ型インバータから第２の位相シフトを有して作動するよう構成される第３Ｔ型インバータと、第１Ｔ型インバータ、第２Ｔ型インバータ及び第３Ｔ型インバータへ夫々接続される第１入力部、第２入力部及び第３入力部を有する結合インダクタとを含むシステムが開示される。結合インダクタは、第１レッグ、第２レッグ及び第３レッグを有する磁気コアと、第１レッグの周りに巻かれた第１巻線と、第２レッグの周りに巻かれた第２巻線と、第３レッグの周りに巻かれた第３巻線とを有し、第１巻線、第２巻線及び第３巻線の出力端子は、結合インダクタの出力部を形成するようつなぎ合わされ、出力フィルタは、結合インダクタの出力部へ結合される。

更に、本願の適用範囲は、本明細書で記載されているプロセス、機械、製品、組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に制限されるよう意図されない。当業者ならば、ここで記載されている対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行するか又は実質的に同じ結果を達成する、現在存在しているか又は後に開発されるプロセス、機械、製品、組成物、手段、方法、又はステップが本発明に従って利用されてよいことを、本発明の開示から容易に認識するだろう。然るに、添付の特許請求の範囲は、それらの適用範囲内にそのようなプロセス、機械、製品、組成物、手段、方法、又はステップを含めるよう意図される。

図２で示されているインバータ・ユニット２０２、２０４及び２０６並びに結合インダクタ１０４は例にすぎない点が留意されるべきであり、当業者であれば、インバータ（例えば、インバータ・ユニット２０２〜２０６）及びその対応する結合インダクタ１０４が多種多様な方法で実施され得ると認識するだろう。例えば、マルチチャネル・インバータ・システム２００は、３つよりも多いインバータ・ユニットに適応してよい。然るに、結合インダクタ１０４は多数の巻線を有してよく、それらの巻線の夫々は、対応するインバータ・ユニットの１つの出力部へ接続される。

出力フィルタ１０６は、直列に接続されており、更には、結合インダクタ１０４と出力交流電源との間に結合されている第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２を有してよい。出力フィルタ１０６は、第１インダクタＬ１及び第２インダクタＬ２の共通ノードと接地との間に結合された複数の出力キャパシタを更に有してよい。複数の出力キャパシタは、図２ではキャパシタＣ３として集合的に示されている。

Claims (20)

1. 第１インバータと、
   出力フィルタと
   を有し、
   前記第１インバータは、入力直流電源と第１結合インダクタとの間に結合される複数の電力処理チャネルを有し、Ｎが奇数の整数であるとして、各チャネルが、３６０度／Ｎに等しい位相シフトで直流波形を交流波形に変換するよう構成され、
   前記第１結合インダクタは、複数の巻線を有し、各巻線が、対応する電力処理チャネルへ接続される第１端子を有し、前記複数の巻線の第２端子はつなぎ合わされ、
   前記出力フィルタは、前記複数の巻線の前記第２端子へ接続される入力部を有する、
   システム。
2. 前記第１結合インダクタは、
   第１レッグ、第２レッグ及び第３レッグを有する磁気コアと、
   前記第１レッグの周りに巻かれた前記第１結合インダクタの第１巻線と、
   前記第２レッグの周りに巻かれた前記第１結合インダクタの第２巻線と、
   前記第３レッグの周りに巻かれた前記第１結合インダクタの第３巻線と
   を有する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１結合インダクタの前記第１巻線及び前記第１結合インダクタの前記第２巻線は、同じ方向において巻かれ、
   前記第１結合インダクタの前記第２巻線及び前記第１結合インダクタの前記第３巻線は、同じ方向において巻かれる、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１結合インダクタの巻線は、お互いに負結合される、
   請求項１乃至３のうちいずれかに記載のシステム。
5. 各電力処理チャネルは、３レベルＴ型インバータである、
   請求項１乃至４のうちいずれかに記載のシステム。
6. 前記３レベルＴ型インバータは、
   前記入力直流電源の２つの端子の間に直列に接続される第１スイッチ及び第２スイッチと、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの共通ノードと中性点との間にバック・ツー・バック接続される第３スイッチ及び第４スイッチと
   を有する、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記出力フィルタは、前記第１結合インダクタの端子へ直接に接続される出力キャパシタを有する、
   請求項１乃至６のうちいずれかに記載のシステム。
8. 前記入力直流電源と第２結合インダクタとの間に結合される第２インバータと、
   前記入力直流電源と第３結合インダクタとの間に結合される第３インバータと、
   前記第１結合インダクタの出力端子へ接続される第１入力部、前記第２結合インダクタの出力端子へ接続される第２入力部、前記第３結合インダクタの出力端子へ接続される第３入力部を有する第４結合インダクタと
   を更に有する
   請求項１乃至７のうちいずれかに記載のシステム。
9. 前記第２結合インダクタ及び前記第３結合インダクタは、前記第１結合インダクタと同じ構造を有する、
   請求項８に記載のシステム。
10. 直流電源へ接続される第１Ｔ型インバータと、
    前記直流電源へ接続され、前記第１Ｔ型インバータから第１位相シフトを有して作動するよう構成される第２Ｔ型インバータと、
    前記直流電源へ接続され、前記第２Ｔ型インバータから第２位相シフトを有して作動するよう構成される第３Ｔ型インバータと、
    前記第１Ｔ型インバータ、前記第２Ｔ型インバータ及び前記第３Ｔ型インバータへ夫々接続される第１入力部、第２入力部及び第３入力部を有する結合インダクタと、
    前記結合インダクタの出力部へ結合される出力フィルタと
    を有し、
    前記結合インダクタは、
    第１レッグ、第２レッグ及び第３レッグを有する磁気コアと、
    前記第１レッグの周りに巻かれた第１巻線と、
    前記第２レッグの周りに巻かれた第２巻線と、
    前記第３レッグの周りに巻かれた第３巻線と
    を有し、
    前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線の出力端子は、前記結合インダクタの前記出力部を形成するようつなぎ合わされる、
    システム。
11. 前記第１巻線は、前記第２巻線へ負結合され、
    前記第２巻線は、前記第３巻線へ負結合され、
    前記第３巻線は、前記第１巻線へ負結合される、
    請求項１０に記載のシステム。
12. 前記出力フィルタは、前記結合インダクタと交流電源との間に接続される、
    請求項１０又は１１のいずれかに記載のシステム。
13. 前記出力フィルタは、出力キャパシタ及び出力インダクタを有し、
    前記出力インダクタは、前記結合インダクタと前記交流電源との間に接続され、
    前記出力キャパシタは、前記出力インダクタ及び前記結合インダクタの共通ノードへ接続される、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第１Ｔ型インバータは、
    第１スイッチング素子と、
    第２スイッチング素子と、
    ２つのバック・ツー・バック接続されたスイッチング素子を有する第１絶縁スイッチと
    を有し、
    前記第２スイッチング素子及び前記第１スイッチング素子は、直列に接続され、
    前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の共通ノードは、前記第１Ｔ型インバータの出力部であり、
    前記第１絶縁スイッチは、前記第１Ｔ型インバータの前記出力部と接地との間に結合される、
    請求項１０乃至１３のうちいずれかに記載のシステム。
15. 前記第１位相シフトは、Ｎが奇数の整数であるとして、３６０度／Ｎに等しい、
    請求項１０乃至１４のうちいずれかに記載のシステム。
16. 前記第２位相シフトは、前記第１位相シフトに等しい、
    請求項１０乃至１５のうちいずれかに記載のシステム。
17. 第１結合インダクタを通じてつなぎ合わされる複数の第１インバータを有する第１相と、
    第２結合インダクタを通じてつなぎ合わされる複数の第２インバータを有する第２相と、
    第３結合インダクタを通じてつなぎ合わされる複数の第３インバータを有する第３相と、
    前記第１結合インダクタと第１出力フィルタとの間に接続される第１巻線、前記第２結合インダクタと第２出力フィルタとの間に接続される第２巻線、及び前記第３結合インダクタと第３出力フィルタとの間に接続される第３巻線を有する第４結合インダクタと
    を有し、
    前記第１結合インダクタは、お互いに負結合される複数の第１巻線を有し、
    前記複数の第１インバータは、お互いから位相シフトを有して作動するよう構成される、
    三相インバータ・システム。
18. 前記第４結合インダクタの第１巻線は、前記第４結合インダクタの第２巻線へ負結合され、
    前記第４結合インダクタの第２巻線は、前記第４結合インダクタの第３巻線へ負結合され、
    前記第４結合インダクタの第３巻線は、前記第４結合インダクタの第１巻線へ負結合される、
    請求項１７に記載の三相インバータ・システム。
19. 前記第１インバータは、３レベルＴ型インバータである、
    請求項１７に記載の三相インバータ・システム。
20. 前記第４結合インダクタは、
    第１レッグ、第２レッグ及び第３レッグを有する磁気コアと、
    前記第１レッグの周りに巻かれた第１巻線と、
    前記第２レッグの周りに巻かれた第２巻線と、
    前記第３レッグの周りに巻かれた第３巻線と
    を有する、
    請求項１７に記載の三相インバータ・システム。

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