JP5951029B2 - 第１並列回路を有する電圧変換器 - Google Patents

Description

本発明は、第１コンデンサと、Ｎ（Ｎ≧１）個の入力電圧及びＮ個の入力電流を有するＮ個の並列接続された設定器との第１並列回路を含む電圧変換器に関する。この第１並列回路と直列に第２コンデンサが接続される。第２コンデンサのコンデンサ電圧はこれらの設定器の入力電圧の最小値以下である。

ソース側とシンク側で電圧が異なる場合、電圧を変換する必要が生じることが多い。

そのため、様々な電圧変換器を投入して、異なる電圧ソースを共通の電位に合わせている。

例えば太陽光発電の場合など、入力電圧は同一ではないものの同様に高いことが多い。しかしながら従来使用されている設定器は、それぞれ独立に動作可能とすることで全範囲の入力電圧に対応するよう設計されている。ソースの電圧及び電流範囲を整合するため各ソースに固有の設定器が必要であるため、これらの設定器に構造的な手間がかかり、その結果として総コスト及び機器の損失電力が相応して高くなる。

発明の開示
本発明に係る電圧変換器は、第１コンデンサと、Ｎ（Ｎ≧１）個の入力電圧及びＮ個の入力電流を有するＮ個の並列接続された設定器との第１並列回路を含む。この第１並列回路と直列に、第２コンデンサが接続される。そのコンデンサ電圧はこれらの設定器の入力電圧の最小値以下である。

本発明に係る電圧変換器は、並列回路構成としたことによって、全ての素子に同じ電位差がかかるという利点を有する。さらに、並列回路とすることで、有利には他の素子の動作を妨げることなく個々の素子を追加したり取り外したりすることができる。さらに直列回路としたことで、有利にはソース間で種々に異なる入力電圧の部分だけを変換すればよくなる。なぜなら全てのソースで同一となった電圧部分は、変換の必要がなくなるからである。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、この電圧変換器は一つの調整器を有する。この調整器は、設定器の入力電流合計値と電圧変換器の出力電流合計値とが平均して等しくなるように調整し、また同時に電圧変換器の入力電力の平均値と電圧変換器の出力電力の平均値とが等しくなるように調整する。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、この電圧変換器は、２つのコンデンサ内のエネルギーが平均して一定に維持されるように調整する調整器を有する。

これらの２つの実施形態により、電圧変換器の入力側の回路構成を有利に改善することができる。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、第１コンデンサのコンデンサ電圧は、第２コンデンサのコンデンサ電圧を除く入力電圧の最大値以上であるように構成する。

この実施形態により本発明の電圧変換器では、非常に有利には全ての設定器を全中間回路電圧Ｕ_ＺＫ１＝Ｕ_Ｃ１＋Ｕ_Ｃ２ではなく、電圧Ｕ_Ｃ１のための部品だけで構成すればよくなる。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、この１つの出力段を有する電圧変換器は、別の設定器を介して第２コンデンサと第１並列回路との直列回路に接続することができる。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、別の１つの設定器が、第２コンデンサと第１並列回路とからなる直列回路に接続されている。その際この設定器の電圧は、第１構成においては第２コンデンサにかかる電圧に相当し、第２構成においてはこの直列回路にかかる電圧に相当する。

本発明の電圧変換器は、これらの設定器の構成により、設定器にかかる構造的な手間を減らし、それにより機器や装置の総コストを低減させるという利点を有する。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、入力電流はそれぞれインダクタンス並びにダイオード及び／又はこれに並列接続されたスイッチを介して電圧変換器に供給される。

これにより有利には、この並列回路を通して全ての素子に、総電位ではなく電位差のみが印加される。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、これらの設定器は、昇圧器及び／又は降圧器として構成されている。

これにより有利には、より高い出力電圧を生成するか、若しくはこの出力電圧を入力側で定電圧源よりも低くする。これによりスイッチは周期的に開閉する。これらの設定器は、電力を両方向又は逆方向のみに変換できるよう構成することもできる。この場合の利点は、入力側設定器を出力側設定器に、また出力側設定器を入力側設定器に転用できることである。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、少なくとも１つの設定器を第２象限設定器として構成する。これにより電流を反転可能とし、少なくとも１つの入力側設定器が出力側設定器として動作する。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、この出力電圧は上記の入力量に依存している。

これにより有利には、時間的に均一に流れる電流を生成したり、出力電流を変化させたりすることができる。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、直列回路が可変入力電圧を必要とする負荷を有する場合、その可変の入力電圧に相当するように出力電圧を変化させる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、この電圧変換器によって、
第１コンデンサと、Ｎ（Ｎ≧１）個の入力電圧及びＮ個の入力電流を有するＮ個の並列接続された設定器との第１並列回路を備えるステップと、
この第１並列回路と直列に第２コンデンサを接続し、その際第２コンデンサの電圧はこれらの設定器の入力電圧の最小値以下とするステップと、
Ｎ個の入力電圧の微分電圧差を変換するステップとを有する電圧変換方法が示されている。

本発明による電圧変換方法の別の有利な実施形態によれば、第１並列回路の構成部品を第１コンデンサ電圧のために設定するステップを有する。

さらに本発明の電圧変換方法では、上記２つの構成により非常に有利には、設定器の出力電圧が小さい場合は第２コンデンサのエネルギーを利用し、入力側設定器が第１コンデンサを充電する。そして次の時間区分において出力電圧が大きくなった場合は、第１コンデンサのエネルギーを追加して利用する。このような設定器の構成により、設定器にかかる構造的な手間を減らし、それにより総コスト及び機器の損失電力を低減させ、同時に効率を上げることができるという更なる利点が得られる。

本発明は、とりわけ光起電力インバータ、有利には、製造コストが問題となる一相及び三相のマルチストリング光起電力インバータの使用に適している。

本発明の更なる有利な実施形態は従属請求項に記載の通りであり、以下に説明する。

本発明の実施例を、図面に基づいて以下詳細に説明する。

２つの入力電流、２つの出力電流及び２つの出力電圧を有する原理回路図 １つの出力電圧と１つの出力電流とを有する原理回路図 ２つの異なる出力電圧から給電される、後置接続された１つの設定器を有する原理回路図

図１は、電圧変換器１の原理回路図である。図１は、本発明による電圧変換器１の入力側回路構成の実施形態を示している。この電圧変換器１は、第１インダクタンス１０を有する第１入力電流Ｉ_１を有し、この第１インダクタンス１０は、接続線１８によって２つのダイオード１４と２つのスイッチ１２とに接続されている。動作モードによっては、１つのスイッチ及び／又は１つのダイオードを省略することもできる。さらにこの電圧変換器１は、第２インダクタンス１０を有する第２入力電流Ｉ_２を有し、この第２インダクタンス１０は、同様に接続線１８によって２つのダイオード１４と２つのスイッチ１２とに接続されている。この電圧変換器１は、入力電流Ｉ_１及びＩ_２の他に、入力電圧Ｕ_１及びＵ_２を含む。この入力電圧は、外部源より電気回路の入力側に供給される電圧である。コンデンサＣ１は、接続点１６によりコンデンサＣ２と接続される。これらのコンデンサＣ１及びＣ２は、電荷及びそれに関連するエネルギーを蓄積する。これらのコンデンサは、その電荷蓄積能力に基づいて電圧変化に対応する。この電圧変換器１は少なくとも２つの入力電流Ｉ_１及びＩ_２を有し、これらの電流は、コンデンサＣ１に並列接続された複数の設定器からなる構成体とコンデンサＣ２との直列回路に流れる。その際コンデンサ電圧Ｕ_Ｃ２は、入力電圧Ｕ_１乃至Ｕ_ｎの最小値以下にすることができる。更に、コンデンサ電圧Ｕ_Ｃ１は、電圧Ｕ_Ｃ２を除いた入力電圧Ｕ_１乃至Ｕ_ｎの最大値以上でなくてはならない。このことから、全ての設定器を、全中間回路電圧Ｕ_ＺＫ１＝Ｕ_Ｃ１＋Ｕ_Ｃ２ではなく電圧Ｕ_Ｃ１＝Ｕ_ＺＫ１−Ｕ_ＺＫ２のための構成部品のみで構成すればよいことが分かる。これらの設定器は、全ての同極同士で並列に接続されている。並列回路においては、全ての素子が同じ電位差を有している。さらに、並列回路とすることで、他の素子の動作を妨げることなく個々の素子を追加したり取り外したりすることができる。上記直列回路は、分岐のない接続であるという点で優れている。この直列回路は更に、適正に極性付けをすることで全電圧をより高くすることができる。

更に、入力電流合計値と出力電流合計値とを平均して等しくし、また同時に入力電力の平均値と出力電力の平均値とを等しくする、即ち、Ｉ_１＋Ｉ_２＋・・・＋Ｉ_ｎ＝Ｉ_ＺＫ１＋Ｉ_ＺＫ２ 及び Ｕ_１×Ｉ_１＋Ｕ_２×Ｉ_２＋・・・＋Ｕ_ｎ×Ｉ_ｎ＝Ｕ_ＺＫ１×Ｉ_ＺＫ１＋Ｕ_ＺＫ２×Ｉ_ＺＫ２とする調整器を設ける。

この電圧変換器１の回路の変形例を図２に示す。変更のない回路部品は、全て図１と同じ記号で表す。図２の図１と異なる点は、図２では出力電流Ｉ_Ａを介して、任意の１つの出力段をこの２レベル中間回路に接続することができる点である。その際、この２レベル中間回路はエネルギー蓄積器として用いられる。更に、図２は出力電圧Ｕ_Ａを有している。この出力電圧Ｕ_Ａは、電圧Ｕ_ＺＫ２とＵ_ＺＫ１の間で変更することができる。但し平均してＵ_１×Ｉ_１＋Ｕ_２×Ｉ_２＋・・・Ｕ_ｎ×Ｉ_ｎ＝Ｕ_Ａ×Ｉ_Ａである。

図３は、本発明の電圧変換器１の入力回路構成の別の実施形態を示している。本実施形態においては選択回路を２つしか用いていないが、このような選択回路をもっとたくさん簡単に直列接続することができる。ここでもまた、変更のない回路部品は図１と同じ記号で表す。この図３の変形例では、出力段を２つの異なる入力電圧Ｕ_ＺＫ１及びＵ_ＺＫ２から選択できる。出力電圧が時間的に変化する場合、設定器２０の出力電圧が小さい時はコンデンサＣ２のエネルギーを利用し、コンデンサＣ１の入力電流は充電することができる。そして次の時間区分において出力電圧が大きくなった場合は、コンデンサＣ１のエネルギーを追加して利用する。この図３の設定器２０の構成では、設定器２０は共通の部分ではなく、微分電圧差のみを変換する。これにより、設定器にかかる構造的な手間を減らし、その結果として機器や装置の総コストを低減できる。

本発明は、その実施形態において上記の有利な実施例に限定されるものではなく、本発明を実現可能とする他の構成に変更することができる。

１ 電圧変換器
１０ インダクタンス
１２ スイッチ
１４ ダイオード
１６ 接続点
１８ 接続線
２０ 設定器
Ｃ_１、Ｃ_２ コンデンサ
Ｉ 入力電流
Ｕ 入力電圧

Claims (14)

1. 第１コンデンサ（Ｃ１）と、Ｎ個の入力電圧（Ｕ_１・・・Ｕ_ｎ）及びＮ個の入力電流（Ｉ_１・・・Ｉ_ｎ）を有するＮ個の並列接続された設定器との第１並列回路を含む電圧変換器（１）であって、ただしＮ≧２であり、
   前記設定器は、ソースの電圧及び電流の範囲を整合するものであり、前記設定器はそれぞれ、インダクタンス（１０）と、該インダクタンス（１０）に直列に接続されたダイオード（１４）と、該ダイオード（１４）と並列に接続されたスイッチ（１２）とを含み、
   前記第１並列回路と直列に第２コンデンサ（Ｃ２）が接続され、該第２コンデンサ（Ｃ２）のコンデンサ電圧（Ｕ_Ｃ２）は前記設定器の入力電圧（Ｕ_１・・・Ｕ_ｎ）の最小値以下であることを特徴とする、電圧変換器（１）。
2. 前記設定器の入力電流（Ｉ_１・・・Ｉ_ｎ）の合計値と前記電圧変換器（１）の出力電流合計値とが平均して等しくなるように調整し、同時に前記電圧変換器（１）の入力電力の平均値と前記電圧変換器（１）の出力電力の平均値とが等しくなるように調整する調整器を有することを特徴とする、請求項１記載の電圧変換器（１）。
3. 前記２つのコンデンサ内のエネルギーが平均して一定になるように調整する調整器を有することを特徴とする、請求項１記載の電圧変換器（１）。
4. 前記第１コンデンサ（Ｃ１）のコンデンサ電圧（Ｕ_Ｃ１）は、前記第２コンデンサ（Ｃ２）のコンデンサ電圧（Ｕ_Ｃ２）を除く入力電圧（Ｕ_１・・・Ｕ_ｎ）の最大値以上であることを特徴とする、請求項１又は２記載の電圧変換器（１）。
5. １つの出力段を、別の設定器を介して第２コンデンサ（Ｃ２）と第１並列回路との直列回路に接続することができることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項記載の電圧変換器（１）。
6. 別の設定器が、第２コンデンサ（Ｃ２）と第１並列回路とからなる直列回路に接続され、前記設定器の電圧は、第１構成においては第２コンデンサ（Ｃ２）にかかる電圧に相当し、第２構成においては前記直列回路にかかる電圧に相当することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項記載の電圧変換器（１）。
7. 前記入力電流（Ｉ_１・・・Ｉ_ｎ）は、それぞれインダクタンス（１０）並びにダイオード（１４）及び／又は並列接続されたスイッチ（１２）を介して前記電圧変換器（１）に供給されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項記載の電圧変換器（１）。
8. 前記設定器は、昇圧器及び／又は降圧器として構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項記載の電圧変換器（１）。
9. 少なくとも１つの設定器を第２象限設定器として構成し、これにより電流を反転可能とし、少なくとも１つの入力側設定器が出力側設定器として動作することを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項記載の電圧変換器（１）。
10. 出力電圧（Ｕ_Ａ）は前記入力量に依存していることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項記載の電圧変換器（１）。
11. 直列回路が可変入力電圧を必要とする負荷を有する場合、その可変入力電圧に相当するように出力電圧（Ｕ_Ａ）を変化させることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項記載の電圧変換器（１）。
12. 第１コンデンサ（Ｃ１）と、Ｎ個の入力電圧（Ｕ_１，・・・，Ｕ_ｎ）及びＮ個の入力電流（Ｉ_１，・・・Ｉ_ｎ）を有するＮ個の並列接続された設定器との第１並列回路を準備するステップであって、ただしＮ≧２であり、前記設定器は、ソースの電圧及び電流の範囲を整合するものであり、前記設定器はそれぞれ、インダクタンス（１０）と、該インダクタンス（１０）に直列に接続されたダイオード（１４）と、該ダイオード（１４）と並列に接続されたスイッチ（１２）とを含む、ステップと、
    該第１並列回路と直列に第２コンデンサ（Ｃ２）を接続し、その際、該第２コンデンサ（Ｃ２）のコンデンサ電圧（Ｕ_Ｃ２）は前記設定器の入力電圧（Ｕ_１，・・・，Ｕ_ｎ）の最小値以下とするステップと、
    を有することを特徴とする、電圧変換方法。
13. 更に前記第１並列回路の構成部品を前記第１コンデンサ（Ｃ１）のコンデンサ電圧（Ｕ_Ｃ１＝Ｕ_ＺＫ１−Ｕ_ＺＫ２）のために構成するステップを有することを特徴とする、請求項１２記載の電圧変換方法。
14. 別の設定器（２０）を設け、該別の設定器（２０）により、Ｎ個の入力電圧（Ｕ_１，・・・，Ｕ_ｎ）の微分電圧差を変換するステップを有することを特徴とする、請求項１２または１３記載の電圧変換方法。

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