JP4185342B2 - 可変ｄｃ電圧を整合させるための方法と同様の変換回路設備 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関し、変換回路設備に基づき、独立請求項の予め特徴付けられた節にクレームされた可変ＤＣ電圧を整合するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力側に可変ＤＣ電圧を有する２極ＤＣ電源は、例えば、燃料電池の適用により公知であり、燃料電池は可変ＤＣ電圧を有するそのようなＤＣ電源を代表している。通常、異なるＤＣ電圧レベルのために、そのようなＤＣ電源は三点ＤＣ電圧中間回路を供給し、第１コンデンサ及びそれと直列に接続された第２コンデンサにより形成される。第１コンデンサの一接続部は、さらに、三点ＤＣ電圧中間回路の上部接続部を形成し、第２コンデンサの一接続部は三点ＤＣ電圧中間回路の下部接続部を形成する。さらにその上、三点ＤＣ電圧中間回路の中心点接続部は第１コンデンサと第２コンデンサの接合点に形成される。三点変換回路は、駆動信号を作るための駆動回路を有し、通常、三点ＤＣ電圧中間回路の上部接続部、中心接続部及び下部接続部に接続され、三点変換回路の電力開閉器は駆動信号に基いて駆動される。三点変換回路はＤＣ電源からの電力を、例えば、電気ＡＣ電圧供給網に供給させる。
【０００３】
このような三点変換回路の一つの問題は、三点変換回路の電力開閉器が、特に電力によって、ＤＣ電源からこの範囲に広範なＤＣ電圧を切換えるように設計されなければならない。しかし、これはかなりの費用を発生させ、その場合、設計において十分な電圧の余裕を供給する考慮もなされなければならない。しかし、そのような電圧の余裕は非常に高価な部品によってのみ与えられるものであり、及び又はこれは高レベルの回路の複雑さでのみ可能である。ＤＣ電源は三点ＤＣ電圧中間回路に直接接続されているので、中間回路電圧は可変ＤＣ電圧と相関され、電気ＡＣ電圧供給網への制御電力の伝達が三点変換回路の電力開閉器を駆動するための高価で複雑な駆動回路を介してのみ可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、本発明の一つの目的は、本質的に一定の中間回路電圧が三点ＤＣ電圧中間回路で作成可能であることにより、可変ＤＣ電圧を整合するための変換回路設備を明記することである。さらなる目的は、本質的に一定の中間回路電圧が特に簡単な方法で発生されることにより、可変ＤＣ電圧を整合するための方法を明記することである。これらの目的は請求項１及び９の特徴により達成される。本発明のさらなる発展は従属項に明記されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
可変ＤＣ電圧を整合するための本発明による変換回路設備は、駆動信号を作るための駆動回路と、三点ＤＣ電圧中間回路とを有している。三点ＤＣ電圧中間回路は、第１コンデンサとそれと直列に接続される第２コンデンサとにより形成され、第１コンデンサの一接続部は三点ＤＣ電圧中間回路の上部接続部を形成し、第１コンデンサは第２コンデンサとの接合点で中心点接続部を形成する。その上さらに、第２コンデンサの一接続部は三点ＤＣ電圧中間回路の下部接続部を形成する。本発明により、第１の部分変換システム及び第２の部分変換システムが供給され、第１の部分変換システムの入力側はＤＣ電圧を作るＤＣ電源の第１極に接続され、第２の部分変換システムの入力側はＤＣ電源の第２極に接続される。その上さらに、第１の部分変換システムの第１出力は上部接続部に接続され、第２の部分変換システムの第１出力は下部接続部に接続される。さらに、第１の部分変換システムの第２出力は中心点接続部を介して第２の部分変換システムの第２出力と直列に接続される。本発明による変換回路設備は、好都合にも、ＤＣ電圧中間回路の本質的に一定の中間回路電圧の発生を可能にさせ、第１の部分変換システムは、本質的に、第１コンデンサを横切る一定の第１中間回路電圧を作り、第２の部分変換システムは、本質的に、第２コンデンサを横切る一定の中間回路電圧を作る。したがって、三点ＤＣ電圧中間回路から供給される三点変換回路のパワーコンデンサは、本質的に一定の中間回路電圧のために設計されなければならず、大きな電圧の余裕を供給するように定格出力を下げる必要はなく、したがって、かなりの費用を節約することができる。さらにその上、電気ＡＣ電圧供給網への制御電力の伝達を可能にするため、三点変換回路の電力開閉器を駆動するための高価で複雑な駆動回路の必要性はない。さらに、変換回路設備は最小数の構成部品でよく、低レベルの回路の複雑さで作成可能である。その上さらに、本発明による変換回路設備は、単純な構造及び少数の構成部品のために、メンテナンス及び修理に好都合であるとみなされる。
【０００６】
上述したような本発明による変換回路設備による可変ＤＣ電圧を整合するための発明による方法において、第１の部分変換システムは第１の中間回路電圧が予め決定可能な中間回路電圧の公称値に設定されるように駆動される。さらにその上、第２の部分変換システムは第２中間回路電圧が予め決定可能な中間回路電圧の公称値に設定されるように駆動される。部分変換システムを駆動するこの方法は、好都合にも、本質的に一定の中間回路電圧、特に第１及び第２中間回路電圧を非常に簡単な方法で作り出す。三点ＤＣ電圧中間回路に普通に接続された三点変換回路は、結果的に好都合にも、複雑な駆動手順を必要とせず、三点変換回路の電力開閉器のため、可変ＤＣ電圧のため設計される。その上さらに、三点ＤＣ電圧中間回路は本発明による方法を使用して首尾よく安定されることができる。
【０００７】
本発明のこれらの及びさらなる目的、利点及び特徴は、図面に関連させて、本発明の好適な実施例の以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面及びそれらの意味で使用されている参照符号は参照符号のリストに要約形式で列挙されている。原則として、同一部品は同一の参照符号及び数字が付されている。説明した実施例は本発明の主題の例を示しており、限定する効果を有するものではない。
【０００９】
図１は可変ＤＣ電圧を整合するための本発明による変換回路設備１の第１の実施例を示している。変換回路設備１は駆動回路２８を備え、駆動信号Ｓ₁₁，．．．Ｓ_1n；Ｓ₂₁，．．．Ｓ_2nを作り出し、そのような駆動回路２８の一実施例は図３に示されており、後述されるだろう。さらにその上、変換回路設備１は三点ＤＣ電圧中間回路２を有し、それは第１コンデンサ３及びそれと直列に接続された第２コンデンサ４により形成され、第１コンデンサ３の一接続部は三点ＤＣ電圧中間回路２の上部接続部５を形成する。さらにその上、第１コンデンサ３は第２コンデンサ４との接続点に中心点接続部６を形成する。さらに、第２コンデンサ４の一接続部は三点ＤＣ電圧中間回路２の下部接続部７を形成する。
【００１０】
本発明により、変換回路設備１は第１の部分変換システム８と第２の部分変換システム９を備え、第１の部分変換システム８の入力側はＤＣ電圧を作るＤＣ電源１１の第１極１０に接続されている。図１により、第２の部分変換システム９の入力側はＤＣ電源１１の第２極１２に接続されている。さらにその上、第１の部分変換システム８の第１出力１３は上部接続部５に接続され、第２の部分変換システム９の第１出力１４は下部接続部７に接続されている。さらに、本発明により、第１の部分変換システム８の第２出力１５は中心点接続部６を介して第２の部分変換システム９の第２出力１６と直列に接続されている。第１の部分変換システム８は、好都合にも、第１コンデンサ３に作られる第１中間回路電圧Ｕ_DC1を設定することを可能にし、第２の部分変換システム９は、好都合にも、第２コンデンサ４に作られる中間回路電圧Ｕ_DC1を本質的に一定値に設定することを可能にし、明瞭のため図１には示されていないが、２個のコンデンサ３，４を横切る本質的に一定の中間回路電圧を作ることを可能にするようになっている。したがって、例として、三点ＤＣ電圧中間回路２に接続される変換回路、特に三点変換回路は、問題なくＤＣ電源１１から整合したＤＣ電圧をさらに処理することができ、三点変換回路の特定の設計の必要性もそのような三点変換回路のための高価で複雑な駆動回路の必要性もないようになっている。
【００１１】
本発明により、変換回路設備１は容量性エネルギ貯蔵装置１７を有し、それはＤＣ電源１１と並列の第１極１０及び第２極に接続されている。この容量性エネルギ貯蔵装置１７は、好都合にも、ＤＣ電源１１からの電気エネルギの一時的な貯蔵装置のために使用される。容量性エネルギ貯蔵装置１７のさらなる利点は調和的な反応を減少させることである。
【００１２】
さらにその上、図１に示されているように、各部分の変換システム８，９はｎ＝３，４，５．．．であるｎ個の並列接続された分岐対１８から形成され、本発明による変換回路設備１の第１実施例により、図１に示されているように、ｎ＝４である。本発明により、各分岐対１８は駆動可能な２個の直列接続された電力半導体開閉器１９から形成され、各電力半導体開閉器１９は、好都合にも、集積された駆動電極整流サイリスタ又は絶縁手段に配置された駆動電極を有するバイポーラトランジスタを備えている。２個の部分変換システム８，９は、上述した方法で中心点接続部６を介して直列に接続され、好都合にも、各分岐対１８の電力半導体開閉器１９の切換え周波数ｆ_Sに関して第１極１０及び第２極１２を介して電流に作られる偶数の高調波振動のみを発生する。したがって、高調波振動の次数は、
ｒ＝２・ｎ・ｉ
により与えられ、ｒは次数、ｎは各部分の変換システム８，９の分岐対１８の数、ｉ＝１，２，３，．．．である。それから、対応する高調波振動の関連周波数ｆ_H,iは、
ｆ_H,i＝ｒ・ｆ_S
により与えられる。
【００１３】
したがって、各部分の変換システム８，９の分岐対１８の数ｎの増加は対応する高調波振動の周波数ｆ_H,iの増加に有利に導き、それはＤＣ電源からの電流基準値のための特定値に基づいて望ましい。
【００１４】
本発明により、図１に示されているように、第１の部分変換システム８の各分岐対１８は直列接続の電力半導体開閉器１９の接合点に接続された平滑インダクタンス２０を介して第１極１０に接続されている。さらにその上、第２の部分変換システム９の各分岐対１８は平滑インダクタンス２０を介して第２極１２に接続され、それは直列接続の電力半導体開閉器１９の接合点に接続されている。平滑インダクタンス２０は、図１に示されているように、ｎ＝４である各部分の変換システム８，９に流れるｎ電流を発生させ、上述した高調波の振幅が有利に減少することができるようになっている。
【００１５】
図２は本発明による変換回路設備１の第２実施例を示している。この場合には、分岐対１８の数はｎ＝８となるように選択される。好ましくは、中心的接続部６は、本質的に一定の基準電位、すなわち、接地電位が中心点接続部６に作られることができるように、接地されている。そのような接地は、直接、すなわち、固定して、又は、図２に示されているように接地抵抗を介して、供給される。図２により、第１の部分変換システム８の分岐対のインダクタンス２１は第１の部分変換システム８の各分岐対１８の直列接続の電力半導体開閉器１９に接続され、少なくとも２個の分岐対のインダクタンス２１がお互いに接続される。さらにその上、第２の部分変換システム９の分岐対のインダクタンス２１は第２の部分変換システム９の分岐対１８の直列接続された電力半導体開閉器１９の接合点に接続され、少なくとも２個の分岐対のインダクタンス２１はお互いに接続される。分岐対のインダクタンス２１は、各部分変換システム８，９の分岐対１８の間で、ｎ＝８の、均等化電流Ｉ₁₁，．．．Ｉ_1n；Ｉ₂₁，．．．Ｉ_2nを平滑にすることができ、それは分岐対のインダクタンス２１を介してお互いに接続されている。さらにその上、分岐対のインダクタンス２１は、電力半導体開閉器１９、したがって、分岐対１８が理想的な回数で切り換わらない場合に発生するｎ＝８の、均等化電流Ｉ₁₁，．．．Ｉ_1n；Ｉ₂₁，．．．Ｉ_2nを制限するために使用される。さらにその上、第１極１０に接続される平滑インダクタンス２０は、第１の部分変換システム８の相互に接続された分岐対のインダクタンス２１の接合点に接続されている。第２極１２に接続される平滑インダクタンス２０は、同様に、第２の部分変換システム９の相互に接続された分岐対のインダクタンス２１の接合点に同様に接続されている。本発明による変換回路設備１の第２の実施例の平滑インダクタンス２０は、図２に示されているように、本発明による変換回路設備１の（上述した）第１の実施例と同一タイプの平滑インダクタンス２０であり、図１に示されているように、図２に示されている平滑インダクタンス２０が各部分変換システム８，９に流れる電流を同様に平滑にするようになっている。
【００１６】
したがって、本発明による変換回路設備１の両実施例の平滑インダクタンス２０は、図１及び図２に示されているように、電力半導体開閉器１９が処理する必要がある電流を減少させるために有利に使用される。さらにその上、平滑インダクタンス２０はＤＣ電源１１に高調波反応の減少を生じる。
【００１７】
上述したような本発明による変換回路設備１によって可変ＤＣ電圧を整合するための本発明による方法において、第１の部分変換システム８は図３に示されたような駆動回路２８の実施例により駆動され、第１の中間回路電圧Ｕ_DC1が予め決定可能な中間回路電圧の公称値Ｕ_DCに設定されるようになっている。さらにその上、本発明により、第２の部分変換システム９は第２中間回路電圧Ｕ_DC2が予め決定可能な中間回路電圧の公称値Ｕ_DC,nomに設定されるようになっている。この方法で部分変換システム８，９を駆動することにより、非常に簡単な方法で本質的に一定の第１及び第２中間回路電圧Ｕ_DC1，Ｕ_DC2を発生させ、明瞭のために図１又は図２には示されていないが、２個のコンデンサ３，４を横切って作られる本質的に一定の中間回路電圧が特に簡単な方法で発生可能なようになっている。さらにその上、そのため、三点ＤＣ電圧空間回路２に普通に接続されている三点変換回路は、好都合にも、いかなる複雑で高価な駆動手順をも必要としない。
【００１８】
本発明により、図３にしめされた駆動回路２８は、第１中間回路電圧Ｕ_DC1及び第２中間回路電圧Ｕ_DC2から、式、

に従って中間回路電圧の平均値

のために使用される。これをするため、測定された変数の形の第１中間回路電圧Ｕ_DC1と第２中間回路電圧Ｕ_DC2への駆動回路２８及び第１平均装置２２が入力側に供給される。さらにその上、中間回路電圧の平均値

は第１平均装置２２の出力で作られる。中間回路電圧の平均値

及び中間回路電圧の公称値Ｕ_DC,nomは、その後、特に比例積分特性を有する、第１調整器２３に供給される中間回路電圧差信号を形成するために使用される。したがって、第１調整器２３は中間回路電圧の公称値Ｕ_DC,nomで中間回路電圧の平均値

を安定にするために使用され、したがって、電流公称値Ｉ_nomを形成させることとなり、図３に示されているように、第１調整器２３の出力で作られる
さらにその上、電流平均値

は一つの部分変換システム８，９に流れるｎの電流Ｉ₁₁，．．．Ｉ_1n；Ｉ₂₁，．．．Ｉ_2nにより形成され、ｎ＝３，４，５、．．．であり、ｎは対応する部分変換システム８，９の並列接続の分岐対１８の数に対応する。上述したように、図１ではｎ＝４であり、図２ではｎ＝８である。第２平均装置２５は図３に示されているように、電流平均値

を形成するために供給され、測定された変数の形の電流Ｉ₁₁，．．．Ｉ_1n又はＩ₂₁，．．．Ｉ_2nは入力側に供給される。さらにその上、電流平均値

及び電流公称値Ｉ_nomは、図３に示されているように、特に比例積分特性を有する、第２調整器２４に供給される電流差信号を形成するために使用される。したがって、第２調整器２４は電流公称値Ｉ_nomで電流平均値

を安定させるために使用され、したがって、図３に示されているように、第２調整器２４の出力で、作られる駆動レベルλを形成させることとなる。
【００１９】
図３に示されているように、本発明により、駆動レベルλは、第１パルス幅変調器２６の第１パルス幅変調によって、第１の部分変換システム８の分岐対１８の数に対応するｎ個の駆動信号Ｓ₁₁，．．．Ｓ_1nを作るために使用される。この方法で作られる駆動信号Ｓ₁₁，．．．Ｓ_1nは第１パルス幅変調器２６の出力で作られ、対応する電力半導体開閉器１９を駆動するため、第１の部分変換システム８、特に、第１の部分変換システム８の分岐対１８に供給される。さらにその上、駆動レベルλは、第２パルス幅変調器２７の第２パルス幅変調によって、第２の部分変換システム９の分岐対１８の数に対応するｎ個の駆動信号Ｓ₂₁，．．．Ｓ_2nを作るために使用される。図３に示されているように、作られる駆動信号Ｓ₂₁，．．．Ｓ_2nは第２パルス幅変調器２７の出力で作られ、対応する電力半導体開閉器１９を駆動するため、第２の部分変換システム９、特に、第２の部分変化システム９の分岐対１８に供給される。
【００２０】
本発明による可変ＤＣ電圧を整合するための上述した方法は、好都合にも、部分変換システム８，９の駆動により非常に簡単な方法で作られる本質的に一定の第１及び第２中間回路電圧Ｕ_DC1，Ｕ_DC2を発生させ、その場合、中間回路電圧の公称値Ｕ_DC,nomでの中間回路電圧の平均値

の安定化及び電流公称値Ｉ_nomの電流平均値

の安定化がさらに三点ＤＣ電圧中間回路２、特に２つの中間回路電圧Ｕ_DC1，Ｕ_DC2を安定させることができる。さらに、出力側に直列に接続された２つの部分変換システム８，９及び平滑インダクタンス２０に関連したそれらの駆動は、好都合にも、出力１３，１４，１５，１６で作られる非常に小さい出力リップル電流だけとなり、したがって、実質的には、三点ＤＣ電圧中間回路２に負荷を作らない。
【００２１】
全体的に、本発明による変換回路システム１は、最小数の構成部品を要し、したがって、容易に作成でき、高価なメンテナンス及び修理を減少させることができるので、著しい費用効率のよい解決法を示している。さらにその上、可変ＤＣ電圧を整合するための本発明による方法は、非常に簡単で有効な方法でＤＣ電圧中間回路２に本質的に一定の中間回路電圧を作る能力を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による変換回路設備の第１実施例を示している。
【図２】本発明による変換回路設備の第２実施例を示している。
【図３】本発明による変換回路設備の駆動回路の実施例を示している。
【符号の説明】
１ 変換回路設備
２ 三点ＤＣ電圧中間回路
３ 第１コンデンサ
４ 第２コンデンサ
５ 上部接続部
６ 中心点接続部
７ 下部接続部
８ 第１の部分変換システム
９ 第２の部分変換システム
１０ 第１極
１１ ＤＣ電源
１２ 第２極
１３ 第１の部分変換システムの第１出力
１４ 第２の部分変換システムの第１出力
１５ 第１の部分変換システムの第２出力
１６ 第２の部分変換システムの第２出力
１７ エネルギ貯蔵装置
１８ 分岐対
１９ 電力半導体開閉器
２０ 平滑インダクタンス
２１ 分岐対のインダクタンス
２２ 第１平均装置
２３ 第１調整器
２４ 第２調整器
２５ 第２平均装置
２６ 第１パルス幅変調器
２７ 第２パルス幅変調器
２８ 駆動回路

Claims (4)

1. 駆動回路（２８）を有すると共に、第１コンデンサ（３）及びそれと直列に接続される第２コンデンサ（４）により形成される三点ＤＣ電圧中間回路（２）を有し、前記第１コンデンサ（３）の一接続部は三点ＤＣ電圧中間回路（２)の上部接続部（５）を形成し、前記第１コンデンサ（３）は前記第２コンデンサ（４）との接合点で中心点接続部（６）を形成し、前記第２コンデンサ（４）の一接続部は三点ＤＣ電圧中間回路（２）の下部接続部（７）を形成する、可変ＤＣ電圧と整合する変換回路設備であって、
   第１の部分変換システム（８）及び第２の部分変換システム（９）が供給され、前記第１の部分変換システム（８）の入力側は前記ＤＣ電圧を作り出すＤＣ電源（１１）の第１極（１０）に接続され、前記第２の部分変換システム（９）の入力側は前記ＤＣ電源（１１）の第２極（１２）に接続されていること、
   前記第１の部分変換システム（８）の第１出力（１３）は前記上部接続部（５）に接続され、前記第２の部分変換システム（９）の第１出力（１４）は前記下部接続部（７）に接続されていること、
   前記第１の部分変換システム（８）の第２出力（１５）は前記中心点接続部（６）を介して前記第２の部分変換システム（９）の第２出力（１６）と直列に接続されていること、
   各部分の変換システム（８，９）は、ｎ＝３，４，５，．．．であるｎ個の並列に接続された分岐対（１８）から形成されていること、及び、各分岐対（１８）は、駆動可能で直列に接続される二つの電力半導体開閉器（１９）から形成されていること、
   前記第１の部分変換システム（８）の分岐対のインダクタンス（２１）は前記第１の部分変換システム（８）の前記分岐対（１８）の直列接続の電力半導体開閉器（１９）の接合点に接続され、少なくとも２個の分岐対のインダクタンス（２１）がお互いに接続されていること、
   前記第２の部分変換システム（９）の分岐対のインダクタンス（２１）が前記第２の部分変換システム（９）の前記分岐対（１８）の直列接続の電力半導体開閉器（１９）の接合点に接続され、少なくとも２個の分岐対のインダクタンス（２１）がお互いに接続されていること、
   平滑インダクタンス（２０）は、前記第１極（１０）に接続され、前記第１の部分変換システム（８）の相互に接続された分岐対のインダクタンス（２１）の接合点に接続されていること、及び、
   平滑インダクタンス（２０）は、前記第２極（１２）に接続され、前記第２の部分変換システム（９）の相互に接続された分岐対のインダクタンス（２１）の接合点に接続されていること
   を特徴とする変換回路設備。
2. 容量性エネルギ貯蔵装置（１７）は前記第１極（１０）及び前記第２極（１２）に、前記ＤＣ電源（１１）と並列に接続されている請求項１に記載の変換回路設備。
3. 前記中心点接続部（６）は接地されていることを特徴とする請求項１に記載の変換回路設備。
4. 各電力半導体開閉器（１９）は集積された駆動電極整流サイリスタ又は絶縁手段に配置された駆動電極を有するバイポーラトランジスタを有していることを特徴とする請求項１に記載の変換回路設備。

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