JP6114601B2 - インバータおよびその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、供給電源内に電気エネルギーを供給するためのインバータに関するものである。さらに、本発明は、このようなインバータの作動方法に関するものである。インバータは、直流電圧を交流電圧に変換するために使用される。この場合、特に太陽光発電の分野においては、できるだけ高い効率が要求される。

太陽光を電気エネルギーに変換するソーラー・モジュールは、はじめに直流を提供し、直流はエネルギー供給電源内に供給する前に交流に変換されなければならない。このために、例えば米国特許第６３９２９０７Ｂ１号に記載されているようなインバータが使用される。中間回路のコンデンサ内に蓄積された電気エネルギーは複数の半導体スイッチからなる直列回路を介して電源に供給される。この場合、いわゆる３レベル・インバータにおいて、電源の正の半波の間に有効電力を供給するために、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）により実際に必要とされる電圧に近づけるべく、中間回路の中央電圧レベルとより高い正の電圧レベルとの間で往復して切換が行われる。電源の負の半波の間においては、この切換は中間回路の中央電圧レベルと負の電圧レベルとの間で行われる。電源内への供給は電源チョークを介して行われ、電源チョークを用いて、３つの電圧レベル間の急速切換により発生された交流電圧が平滑化される。このようにして、電源の各相に対して別々に、供給に適した交流電圧が発生される。

上で引用された米国特許第６３９２９０７Ｂ１号は、このようなインバータ内における急速切換過程によって発生する問題点を既に記載している。インバータは種々のダイオードおよび半導体スイッチを必要とし、これらのダイオードおよび半導体スイッチは、ある作動状態において、即ちダイオード内を流れる電流がダイオードの極性の反転により阻止方向に急速に遮断されたとき、破損の危険性が存在する。即ち、極性の反転直後の短い瞬間の間は、電荷担体がまだ阻止ゾーン内に存在しているので、ダイオードは阻止方向に導通している。リバース・リカバリ（Ｒｅｖｅｒｓｅ−Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）とも呼ばれるこの効果のために、電流の時間的変化、つまりダイオードを介して存在する電圧の変化を制限することが必要である。このために、米国特許第６３９２９０７Ｂ１号においては、この課題を受け取る受動回路が提案される。

しかしながら、このような受動回路は、あらゆる作動状態に対して最適ではない。即ち、今日では、供給電源内に供給するために使用されるインバータにより、分散形供給エネルギー源の大部分においても供給電源の安定性を保証可能にするために、インバータが必要に応じて無効電力のある部分もまた供給可能であることが要求される。無効電力を供給するためのインバータの操作は有効電力を供給するための操作とは明らかに異なるので、リバース・リカバリ効果を回避するための受動的方法は、インバータの効率に関してもまた最適ではない。

米国特許第６３９２９０７Ｂ１号

本発明の課題は、各作動状態においてリバース・リカバリ効果を回避する可能性が存在する、供給電源内に有効電力および無効電力を選択的に供給するためのインバータを提供することである。

本発明の他の課題は、このようなインバータが有効電力の供給においてのみならず無効電力の供給においてもまた電気部品の破損が回避可能なように作動可能な方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する装置によって解決される。有利な実施形態が、請求項１に対する従属請求項に記載されている特徴から得られる。
他の課題は、請求項７に記載の方法によって解決される。方法の有利な詳細は、請求項７に対する従属請求項から得られる。

供給電源内に有効電力および無効電力を選択的に供給するためのインバータは、直列に接続された２つの中間回路コンデンサを有し、２つの中間回路コンデンサの共通接続点が正の電圧レベルと負の電圧レベルとの間の中央電圧レベルを形成する。インバータは、さらに、それぞれ並列に接続された自由輪（フリーホイール）ダイオードを有する第１、第２、第３および第４の半導体スイッチを有し、第１、第２、第３および第４の半導体スイッチは直列にこの順序で正および負の電圧レベルの間に配置され、第２および第３の半導体スイッチの共通接続点はチョークを介して供給電源と結合されている。インバータは、さらに、直列に接続された第１および第２のダイオードを有し、第１および第２のダイオードの共通接続点は中央電圧レベルになり、および第１および第２のダイオードのそれぞれ第２の接続点は第１および第２の半導体スイッチの共通接続点ないしは第３および第４の半導体スイッチの共通接続点と結合されている。第１ないし第４の半導体スイッチの２つによって形成される共通接続点に追加のチョークが結合され、追加のチョークは追加の半導体スイッチによって切換可能な、自由輪電流を受け取るための通路を形成する。

このようなインバータの作動方法に従って、第２および第３の半導体スイッチの共通接続点が、供給電源内の電圧に対応する第１ないし第４の半導体スイッチの切換動作によって、中央電圧レベルと正の電圧レベルとの間でまたは中央電圧レベルと負の電圧レベルとの間で往復して切り換えられることにより、インバータが３点インバータとして作動され、この場合、第１ないし第４の半導体スイッチが追加の半導体スイッチの切換動作に伴って切り換えられ、これにより、共通接続点と結合された追加のチョークは一時的に発生した自由輪電流を受け取る。

このようにして、いわゆる自由輪電流が追加のチョークの１つによって受け取られ且つこのとき破損の危険性があるダイオードにおいてより緩慢な電位変化が行われることにより、第１ないし第４の半導体スイッチの危険な切換動作の前の適切な時間に、破損の危険性があるダイオードを介して印加された電圧の緩慢な変化の発生が保証可能である。即ち、有効電力または無効電力が供給されるかどうかとは無関係に、リバース・リカバリ効果が有効に阻止可能であり、且つ使用されるそれぞれの回路がそれぞれの作動状態に対して最適化可能であるので、インバータは概して良好な効率で作動可能である。

本発明のその他の利点並びに詳細は好ましい実施形態の図面による説明から得られる。

図１ａは、有効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図１ｂは、有効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図１ｃは、有効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図１ｄは、有効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図２ａは、無効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図２ｂは、無効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図２ｃは、無効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図２ｄは、無効電力を供給するためのインバータの部分回路を、このために必要な方法ステップと共に示す。 図３は、双方向半導体スイッチに対する代替形態を示す。 図４は、無効電力を供給するためのインバータの部分回路に対する第２の実施例を示す。 図５は、無効電力を供給するためのインバータの部分回路に対する第３の実施例を示す。 図６は、有効電力および無効電力の説明図を示す。

図１ａにおいて（図１ｂ−ｄにおいても同様に）、はじめに、３レベル・インバータの基本形態が理解される。直列に接続された２つの中間回路コンデンサＣ１、Ｃ２は、共通接続点が正の電圧レベル＋Ｕｚおよび負の電圧レベル−Ｕｚの間の中央電圧レベル０Ｖを形成する。２つの該中間回路コンデンサＣ１、Ｃ２は中間回路を形成し、中間回路内に、接続されたソーラー・モジュールからの電気エネルギーを蓄積可能である。この場合、中央電圧レベル０Ｖは必ずしもグラウンド電位と等しくされなくてもよい。

正の電圧レベル＋Ｕｚと負の電圧レベル−Ｕｚとの間に、それぞれ並列に接続された自由輪ダイオードを有する第１、第２、第３および第４の半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が直列に接続されている。

第２および第３の半導体スイッチＳ２、Ｓ３の共通接続点ＳＷＰはチョークＬ１を介して供給電源Ｕａｃと結合されている。
直列に接続された２つの第１および第２のダイオードＤ１、Ｄ２の共通接続点は中央電圧レベル０Ｖと結合され、第１のダイオードＤ１の第２の接続点は第１および第２の半導体スイッチＳ１、Ｓ２の共通接続点と結合され、第２のダイオードＤ２の第２の接続点は第３および第４の半導体スイッチＳ３、Ｓ４の共通接続点と結合されている。

電源Ｕａｃ内の正の半波の間に、スイッチＳ３およびＳ４の開放およびスイッチＳ２の閉鎖により並びにスイッチＳ１のサイクル作動により、第２および第３の半導体スイッチＳ２、Ｓ３の共通接続点ＳＷＰにおいて、中央電圧レベル０Ｖと上部電圧レベル＋Ｕｚとの間で往復して切換が可能である。第１の半導体スイッチＳ１が閉鎖されているとき、第１のダイオードＤ１は阻止し且つ共通接続点ＳＷＰは正の電圧レベル＋Ｕｚになる。第１の半導体スイッチＳ１が開放されているとき、共通接続点ＳＷＰは第１のダイオードＤ１を介して中央電圧レベル０Ｖになる。この場合、第１の半導体スイッチＳ１の操作は例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）により行われ、これにより、時間平均において、チョークＬ１にほぼ正弦波の交流が設定され且つ電源に供給されるように電源電圧に追従する電圧が設定可能である。言い換えると、チョークＬ１は、第１の半導体スイッチＳ１がそれによりサイクル作動される高い切換周波数（ＰＷＭ周波数、通常数ｋＨｚ）をフィルタリングし且つ電源側で両方の電圧レベル０Ｖおよび＋Ｕｚの間の高速切換を正弦波電流経過に平滑化する。
それと全く同様に、電源電圧の負の半波の間に、開放されたスイッチＳ１、Ｓ２および閉鎖されたスイッチＳ３においてスイッチＳ４がＰＷＭパターンに従ってサイクル作動されることにより、正弦波の電流経過が設定可能である。

上記のように、電源Ｕａｃの正の半波の間において第１の半導体スイッチＳ１がサイクル作動され、一方、第２の半導体スイッチＳ２は継続的に閉鎖されたままである。図１ａにおいて、このとき、閉鎖された第１の半導体スイッチＳ１において、電流が正の電圧レベル＋ＵｚからチョークＬ１を介して電源内に流れることがわかる。正の電源電圧において、電流が正の電圧レベルから電源内に流れたとき、電流および電圧は同じ正負の符号を有し、電源内に有効電力が供給される。

図１ｂに、第１の半導体スイッチＳ１の開放後の状況が示されている。第１のチョークＬ１を通過する電流は、第１の半導体スイッチＳ１の開放の瞬間から自由輪電流として中央電圧レベル０Ｖから引き出され且つ第１のダイオードＤ１および第２の半導体スイッチＳ２を介して流れる。ここで次のステップにおいて単に第１の半導体スイッチＳ１を再び閉鎖したとき、第１のダイオードＤ１は直ちに阻止することなく、リバース・リカバリ効果のために、短い瞬間の間導通しているであろう。中央電圧レベル０Ｖと正の電圧レベル＋Ｕｚとの間の高い電圧差（典型的な太陽光発電装置においては数百Ｖ）により、ダイオードＤ１に過大な負荷が与えられるであろう。

ここで、さらに、図１ａに（図１ｂ−ｄにも同様に）、有効電力を供給する場合にリバース・リカバリ効果によるダイオードの過負荷を回避可能にする回路拡張が示されている。

このために、第１および第２の半導体スイッチＳ１、Ｓ２の共通接続点Ａ１２が第２のチョークＬ２と結合され、第２のチョークＬ２の第２の接続点は第３のダイオードＤ３を介して中央電圧レベル０Ｖと結合され、かつ第５の半導体スイッチＳ５を介して正の電圧レベル＋Ｕｚと結合されている。同様に、第３および第４の半導体スイッチＳ３、Ｓ４の共通接続点Ａ３４は第３のチョークＬ３と結合され、第３のチョークＬ３の第２の接続点は第４のダイオードＤ４を介して中央電圧レベル０Ｖと結合され、かつ第６の半導体スイッチＳ６を介して負の電圧レベル−Ｕｚと結合されている。

図１ｂに示されているように、自由輪電流が中央電圧レベル０Ｖから第１のダイオードＤ１、第２の半導体スイッチＳ２および第１のチョークＬ１を介して電源Ｕａｃ内に流れたとき、次のステップにおいて、スイッチＳ１は閉じられずに、はじめにそれまで開放されていた第５の半導体スイッチＳ５が閉鎖される。これにより、この瞬間に流れる自由輪電流は、図１ｃに示されているように、第２のチョークＬ２によって、第５の半導体スイッチＳ５を介して正の電圧レベル＋Ｕｚまで連続的に上昇する。したがって、第１および第２の半導体スイッチＳ１、Ｓ２の共通接続点Ａ１２は、次に第１の半導体スイッチＳ１が新たに閉鎖され且つ第５の半導体スイッチＳ５が再び開放される前に、既に再び正の電圧レベル＋Ｕｚにまたはその付近になる。

図１ｄに示されているように、次に、第３のダイオードＤ３を介して中央電圧レベル０Ｖから供給された次第に弱まる自由輪電流が第２のチョークＬ２を流れる。さらに、再び、電流が正の電圧レベル＋Ｕｚから電源内に流れたとき、サイクルが新たに開始される。

即ち、第１の半導体スイッチＳ１の新たな投入の前に、短時間の間追加の第５の半導体スイッチＳ５が閉鎖され、これにより、はじめに第１のダイオードＤ１を介して流れた自由輪電流が追加のチョークＬ２によって受け取られるであろうことが重要である。このチョークにより緩慢に上昇する電流は、共通接続点Ａ１２における電位の緩慢な上昇を形成し、したがって、第１の半導体スイッチＳ１の新たな閉鎖においてダイオードＤ１内のリバース・リカバリ効果を回避する。

電源Ｕａｃの負の半波の間のインバータの作動における条件および方法ステップは全く同様である。
はじめに、閉鎖された第４の半導体スイッチＳ４において電流は電源から負の電圧レベル−Ｕｚに流れるが、有効電力は再び電源に供給される。第４の半導体スイッチＳ４の開放後に、自由輪電流は第２のダイオードＤ２を介して中央電圧レベル０Ｖに流れる。第４の半導体スイッチＳ４の新たな急速閉鎖はリバース・リカバリ効果により第２のダイオードＤ２に過大な負荷を与え得るので、はじめに第６の半導体スイッチＳ６が閉鎖され且つ自由輪電流は第３のチョークＬ３によって受け取られる。したがって、第４の半導体スイッチＳ４が閉鎖され且つ同時に第６の半導体スイッチＳ６が再び開放される前に、共通接続点Ａ３４は再び緩慢に負の電位−Ｕｚに充電される。このとき、次第に弱まる自由輪電流を第４のダイオードＤ４を介して流すことが可能である。

図１ａ−１ｄには、有効電力の供給の間における状況が示されてきた。ここで、図２ａ−２ｄに、無効電力を供給するときの状況が示されている。無効電力の供給では、正の電源電圧において電流は電源Ｕａｃからインバータに流れ、負の電源電圧において電流はインバータから電源内に流れる。

無効電力の供給の間にインバータの他のダイオードにおいて破損の危険性があるので、この場合に対してもまた、他の回路拡張が必要である。「有効電力」および「無効電力」の両方の作動状態に対する３レベル・インバータの基本回路の拡張が、図をわかりやすくするために、図１ａ−ｄないしは２ａ−ｄに別々に示されているが、これらは１つの回路内に形成されるものであり、必要に応じて、回路拡張内に含まれている追加の半導体スイッチにより作動される。

無効電力の供給の間において自由輪電流を受け取るための特に簡単な回路拡張により、第２および第３の半導体スイッチＳ２、Ｓ３の共通接続点ＳＷＰは第４のチョークＬ４と結合される。第４のチョークＬ４の第２の接続点は第７の半導体スイッチＳ７を介して中央電圧レベル０Ｖと結合され、かつ第５ないしは第６のダイオードＤ５、Ｄ６を介して正の電圧レベル＋Ｕｚないしは負の電圧レベル−Ｕｚと結合される。ここで、第５および第６のダイオードは直列に且つ正および負の電圧レベル＋Ｕｚ、−Ｕｚの間で阻止方向（電流阻止方向）に接続されるように結合されている。

図１ａ−ｄと同様に、図２ａ−ｄ内にインバータの操作が示され、この場合は電源Ｕａｃの負の半波の間における無効電力の供給の場合である。
電源Ｕａｃの負の半波の間に無効電力を供給するために、第１、第３および第４の半導体スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ４が開放され、第２の半導体スイッチＳ２がサイクル作動される。

図２ａに示された第１のステップにおいて、電流はチョークＬ１を介して電源Ｕａｃ内に流れ、一方このとき負の電位が支配している。この電流は中間回路の中央電位０Ｖから引き出され且つ第１のダイオードＤ１および閉鎖された第２の半導体スイッチＳ２を介して流れる。図２ｂに示す次のステップにおいて、第２の半導体スイッチＳ２が開放され、このとき自由輪電流が負の電位−Ｕｚから第３ないしは第４の半導体スイッチＳ３、Ｓ４に並列に接続された自由輪ダイオードを介して引き出される。

この第２の過程の終わりに、共通接続点ＳＷＰは負の電圧レベル−Ｕｚになる。ここで、他の手段なしに、第２の半導体スイッチＳ２が再び閉鎖され、したがって共通接続点ＳＷＰが確実に中央電圧レベル０Ｖに切り換えられたとき、第３および第４の半導体スイッチＳ３、Ｓ４の両方の自由輪ダイオードはリバース・リカバリ効果のために直ちに阻止可能ではなく、中央電圧レベル０Ｖと負の電圧レベル−Ｕｚとの間の導通結合が存在するであろう。自由輪ダイオードは破損されるであろう。

したがって、図２ｃに示された第３のステップにおいて、はじめに、これまで開放されていた第７の半導体スイッチＳ７が閉鎖される。このとき、第１のチョークＬ１を通過する自由輪電流は緩慢に上昇するように第４のチョークＬ４により受け取られ且つ共通接続点ＳＷＰの電位は緩慢に中央電圧レベル０Ｖに上昇される。

このときにはじめて第２の半導体スイッチＳ２が再び閉鎖され且つ同時に第７の半導体スイッチＳ７が開放され、これにより、新たに電流が中央電位０Ｖから第１のダイオードＤ１および第２の半導体スイッチＳ２を介して流れる。さらに、負の電圧レベル−Ｕｚから第６のダイオードＤ６を介して第４のチョークＬ４内を流れる電流は次第に弱まり且つ図２ａに示された過程が新たに開始される。

電源Ｕａｃ内の正の電位において無効電力を供給するためには、次のことが適用される。即ち、ここで電流は第１のチョークＬ１を通過してインバータ内に流れる。例えばＰＷＭ方法を介して必要な電圧を設定するために、第１、第２および第４の半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４は開放され、第３の半導体スイッチＳ３がサイクル作動される。第３の半導体スイッチＳ３を開放したのちの自由輪電流は第１および第２の半導体スイッチＳ１、Ｓ２の自由輪ダイオードを介して流れるので、共通接続点ＳＷＰは正の電圧レベル＋Ｕｚに充電される。第４のチョークＬ４を介して共通接続点ＳＷＰにおける電位の中央電圧レベル０Ｖへの緩慢な低下を達成させるために、第３の半導体スイッチＳ３の新たな閉鎖の前に第７の半導体スイッチＳ７が閉鎖される。このときにはじめて、第３の半導体スイッチＳ３が閉鎖され且つ同時に第７の半導体スイッチＳ７が開放され、第５のダイオードＤ５を介して正の電圧レベル＋Ｕｚから来る自由輪電流は第４のチョークＬ４内において次第に弱められ、サイクルが新たに開始される。

即ち、図１ａないしは２ａの回路拡張を備えた３レベル・インバータの基本回路が設けられた場合、この回路拡張の能動操作によってリバース・リカバリ効果によるダイオードの過負荷が回避可能であることにより、有効電力のみならず無効電力もまた電源内に供給可能なインバータが得られる。必要とされない、したがって操作されないそれぞれの拡張部分は作動しないので、これらがインバータの効率を不必要に悪化させることはない。

第７の半導体スイッチＳ７によって図２ａ−ｄの回路拡張が制御され、該第７の半導体スイッチＳ７は双方向スイッチとして形成されている。このために、図３に２つの異なる変更態様が与えられている。一方（上側の回路）においては、２つのＭＯＳＦＥＴｓ Ｓ７′およびＳ７′′が反対方向に直列に接続されている。１つのスイッチのみが導通しているとき、全体スイッチはダイオードとして機能する。ダイオード特性をさらに改善するために、他方（下側の回路）においては、２つのＭＯＳＦＥＴｓ Ｓ７′、Ｓ７′′の逆並列回路が使用され、ＭＯＳＦＥＴｓ Ｓ７′、Ｓ７′′はさらにそれぞれのＭＯＳＦＥＴｓの内部ボディー・ダイオードとは逆向きの１つのダイオードを直列に有している。

図４に、図２ａ−ｄに示した回路拡張に対する第１の代替態様が示されている。第２および第３の半導体スイッチＳ２、Ｓ３の共通接続点ＳＷＰは第４のチョークＬ４と結合される。第４のチョークＬ４の第２の接続点は第８の半導体スイッチＳ８および第２のダイオードＤ２を介して中央電圧レベル０Ｖと結合され、かつ第９の半導体スイッチＳ９および第１のダイオードＤ１を介して中央電圧レベル０Ｖと結合されている。第４のチョークのこの第２の接続点はさらに第５のダイオードＤ５を介して正の電圧レベル＋Ｕｚと結合され、かつ第６のダイオードＤ６を介して負の電圧レベル−Ｕｚと結合される。この場合、第５および第６のダイオードは正および負の電圧レベル＋Ｕｚ、−Ｕｚの間で直列に且つ阻止方向に接続されている。

無効電力の供給のためのこの代替回路拡張の操作は図２ａ−ｄの場合の操作と同様に行われる。ここで、第７の半導体スイッチＳ７の閉鎖後に第４のチョークＬ４内を通過する自由輪電流が中央電位０Ｖから直接引き出される間に、自由輪電流は、（電源Ｕａｃの負の半波の間においては）第１のダイオードＤ１、第９の半導体スイッチＳ９および第４のチョークＬ４を介して電源内に流れ、ないしは（電源Ｕａｃの正の半波の間においては）、第４のチョークＬ４、第８の半導体スイッチＳ８および第２のダイオードＤ２を介して電源から中央電位０Ｖに流れる。即ち、それに対応して、負の半波の間においては第９の半導体スイッチＳ９がサイクル作動され、正の半波の間においては第８の半導体スイッチＳ８がサイクル作動される。

図２ａ−ｄないしは図４に示した回路拡張に対する他の代替態様が図５に示されている。ここで、第２および第３の半導体スイッチＳ２、Ｓ３の共通接続点ＳＷＰは第５のチョークＬ５および第６のチョークＬ６と結合される。この場合、第５のチョークＬ５の第２の接続点は第８の半導体スイッチＳ８および第２のダイオードＤ２を介して中央電圧レベル０Ｖと結合され、かつ第８のダイオードＤ８を介して正の電圧レベル＋Ｕｚと結合される。また、この場合、第６のチョークＬ６の第２の接続点は第９の半導体スイッチＳ９および第１のダイオードＤ１を介して中央電圧レベル０Ｖと結合され、かつ第９のダイオードＤ９を介して負の電圧レベル−Ｕｚと結合されている。

図４の変更態様から出発して本質的に追加のチョークＬ４の二重形態から構成されているこの変更により、第８および第９の半導体スイッチＳ８、Ｓ９がＭＯＳＦＥＴｓとして形成されているとき、図４に示す回路拡張において与えられることがあるリバース・リカバリ効果による問題点が回避される。それに対応して、無効電力の供給における自由輪電流は、電源内の負の半波の間においては第１のダイオードＤ１、第９の半導体スイッチＳ９および第６のチョークＬ６を介して中央電位０Ｖから電源内に流れ、および正の半波の間においては第５のチョークＬ５、第８の半導体スイッチＳ８および第２のダイオードＤ２を介して電源から中央レベルに流れる。

図１ａ−ｄにおいて説明された、有効電力を供給するための回路拡張は、図２ａ−ｄ、４または５において説明された、無効電力の供給のための回路拡張に対する代替態様と組み合わせられなければならないことを再度付記しておく。

図６は有効電力および無効電力の供給の関係を簡単に説明している。電源内の電流Ｉおよび電圧Ｕが同位相であるとき、有効電力のみが搬送される。しかしながら、電源内にインダクタンスないしはキャパシタンスが作用しているとき、電流Ｉおよび電圧Ｕは図６に示されているようにもはや同位相ではなく、特定の位相角だけ相互にシフトされている。通常相互のシフトのこの位相角は数度の大きさであるにすぎないので、比較的大きな範囲Ｗ内において電流および電圧は同じ正負符号を有している。しかしながら、範囲Ｂ内においては正負符号は異なり、即ちここではエネルギーの搬送方向が反転している。即ち、有効電力および無効電力が搬送される。即ち、図６の時間線図においては４つの異なる状態が検出され、これらの状態はそれぞれインバータの異なる作動方式を必要とする。はじめに、電源電圧Ｕの正の半波においては正の方向の電流が電源内に供給され（正の電力成分、ここでは有効電力と呼ばれる）、次に正の電源電圧において電流方向が反転され（負の電力成分、ここでは無効電力と呼ばれる）、その次に負の電源電圧において電流はさらに負の方向に電源から取り出され（正の電力成分）および最後に負の電源電圧において電流方向は再び反転される（負の電力成分）。各作動方式に対するインバータの全ての半導体スイッチのそれぞれの操作が上で説明されてきた。即ち、電源の１周期の間に、４つの全ての作動方式が前後して行われる。

半導体スイッチＳ１−Ｓ９として、例えば、ＭＯＳＦＥＴｓ、ＩＧＢＴｓ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴｓまたはＳｉＣ−ＪＦＥＴｓが使用可能であり、これらは場合により別の自由輪ダイオードと対にされなければならない。

図１ａ−ｄ、２ａ−ｄ、４および５に示された全ての回路は、１つの電源位相内での供給に関するものである。多相電源に対しては、中間回路コンデンサ後の回路はそれに対応して複数に形成される。

Ａ１２ 第１および第２の半導体スイッチＳ１、Ｓ２の共通接続点
Ａ３４ 第３および第４の半導体スイッチＳ３、Ｓ４の共通接続点
Ｂ 電流および電圧の正負符号が異なる範囲
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１−Ｄ６、Ｄ８、Ｄ９ ダイオード
Ｉ 電流
Ｌ１−Ｌ６ チョーク
Ｓ１−Ｓ９ 半導体スイッチ
Ｓ７′、Ｓ７′′ ＭＯＳＦＥＴｓ
ＳＷＰ 第２および第３の半導体スイッチＳ２、Ｓ３の共通接続点
ｔ 時間
Ｕ 電圧
Ｕａｃ 電源
＋Ｕｚ 正の電圧レベル
−Ｕｚ 負の電圧レベル
Ｗ 電流および電圧の正負符号が同じ範囲
０Ｖ 中央電圧レベル

Claims (9)

1. 直列に接続された２つの中間回路コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）であって、共通接続点が正の電圧レベル（＋Ｕｚ）と負の電圧レベル（−Ｕｚ）との間の中央電圧レベル（０Ｖ）を形成する、２つの中間回路コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と、
   それぞれ並列に接続された自由輪（フリーホイール）ダイオードを有する第１、第２、第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）であって、第１、第２、第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）は直列にこの順序で正および負の電圧レベルの間に配置され、第２および第３の半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点（ＳＷＰ）はチョーク（Ｌ１）を介して供給電源（Ｕａｃ）と結合されている、第１、第２、第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）と、
   直列に接続された第１および第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）であって、第１および第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の共通接続点は中央電圧レベル（０Ｖ）になり、第１および第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）のそれぞれ第２の接続点は第１および第２の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）の共通接続点ないしは第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ３、Ｓ４）の共通接続点と結合されている、該第１および第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、
   を有する、供給電源内に有効電力および無効電力を選択的に供給するためのインバータにおいて、
   第１ないし第４の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）の２つによって形成される共通接続点（Ａ１２、ＳＷＰ、Ａ３４）に追加のチョーク（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６）が結合され、追加のチョーク（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６）が追加の半導体スイッチ（Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）によって切換可能な、自由輪電流を受け取るための通路を形成することを特徴とするインバータ。
2. 有効電力の供給の間に自由輪電流を受け取るために、第１および第２の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）の共通接続点（Ａ１２）に第２のチョーク（Ｌ２）が結合され、第２のチョーク（Ｌ２）の第２の接続点は第３のダイオード（Ｄ３）を介して中央電圧レベル（０Ｖ）と結合され、かつ第５の半導体スイッチ（Ｓ５）を介して正の電圧レベル（＋Ｕｚ）と結合されており、
   第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ３、Ｓ４）の共通接続点（Ａ３４）に第３のチョーク（Ｌ３）が結合され、第３のチョーク（Ｌ３）の第２の接続点は第４のダイオード（Ｄ４）を介して中央電圧レベル（０Ｖ）と結合され、かつ第６の半導体スイッチ（Ｓ６）を介して負の電圧レベル（−Ｕｚ）と結合されていること、を特徴とする請求項１に記載のインバータ。
3. 無効電力の供給の間に自由輪電流を受け取るために、第２および第３の半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点（ＳＷＰ）に第４のチョーク（Ｌ４）が結合され、第４のチョーク（Ｌ４）の第２の接続点は第７の半導体スイッチ（Ｓ７）を介して中央電圧レベル（０Ｖ）と結合され、かつ第５および第６のダイオード（Ｄ５、Ｄ６）を介して正の電圧レベル（＋Ｕｚ）ないしは負の電圧レベル（−Ｕｚ）と結合され、第５および第６のダイオードは正および負の電圧レベル（＋Ｕｚ、−Ｕｚ）の間で直列に且つ阻止方向に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ。
4. 第２および第３の半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点（ＳＷＰ）に第４のチョーク（Ｌ４）が結合され、第４のチョーク（Ｌ４）の第２の接続点は第８の半導体スイッチ（Ｓ８）および第２のダイオード（Ｄ２）を介して中央電圧レベル（０Ｖ）と結合され、かつ第９の半導体スイッチ（Ｓ９）および第１のダイオード（Ｄ１）を介して中央電圧レベル（０Ｖ）と結合され、さらに、第５ないしは第６のダイオード（Ｄ５、Ｄ６）を介して正の電圧レベル（＋Ｕｚ）ないしは負の電圧レベル（−Ｕｚ）と結合され、第５および第６のダイオードは正および負の電圧レベル（＋Ｕｚ、−Ｕｚ）の間で直列に且つ阻止方向に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ。
5. 第２および第３の半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点（ＳＷＰ）が第５のチョーク（Ｌ５）および第６のチョーク（Ｌ６）と結合され、第５のチョーク（Ｌ５）の第２の接続点は第８の半導体スイッチ（Ｓ８）および第２のダイオード（Ｄ２）を介して中央電圧レベル（０Ｖ）と結合され、かつ第８のダイオード（Ｄ８）を介して正の電圧レベル（＋Ｕｚ）と結合され、第６のチョーク（Ｌ６）の第２の接続点は第９の半導体スイッチ（Ｓ９）および第１のダイオード（Ｄ１）を介して中央電圧レベル（０Ｖ）と結合され、かつ第９のダイオード（Ｄ９）を介して負の電圧レベル（−Ｕｚ）と結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ。
6. 中間回路コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）に太陽光発電装置から給電されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のインバータ。
7. 第２および第３の半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点（ＳＷＰ）が、供給電源（Ｕａｃ）の電圧に対応する第１ないし第４の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）の切換動作によって、中央電圧レベル（０Ｖ）と正の電圧レベル（＋Ｕｚ）との間でまたは中央電圧レベル（０Ｖ）と負の電圧レベル（−Ｕｚ）との間で往復して切り換えられることにより、インバータが３点インバータとして作動される、請求項１ないし６のいずれかに記載のインバータの作動方法において、
   第１ないし第４の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）が追加の半導体スイッチ（Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９）の切換動作に伴って切り換えられ、これにより、共通接続点（Ａ１２、ＳＷＰ、Ａ３４）と結合された追加のチョーク（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６）が一時的に発生した自由輪電流を受け取ることを特徴とするインバータの作動方法。
8. 電源（Ｕａｃ）内に有効電力を供給するために、
   電源（Ｕａｃ）の正の半波の間に、第２の半導体スイッチ（Ｓ２）が継続して閉鎖されたままの間において第１の半導体スイッチ（Ｓ１）がサイクル作動され、これにより、第１の半導体スイッチ（Ｓ１）の開放後に自由輪電流が中央電圧レベル（０Ｖ）から第１のダイオード（Ｄ１）および第２の半導体スイッチ（Ｓ２）を介して流れ、第１の半導体スイッチ（Ｓ１）の新たな閉鎖の前に第５の半導体スイッチ（Ｓ５）が閉鎖され、これにより、この瞬間に第５の半導体スイッチ（Ｓ５）を介して正の電圧レベル（＋Ｕｚ）から流れた自由輪電流が第２のチョーク（Ｌ２）によって連続的に上昇するように受け取られるので、第１の半導体スイッチ（Ｓ１）が新たに閉鎖され且つ第５の半導体スイッチ（Ｓ５）が再び開放されたときには、第１および第２の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）の共通接続点（Ａ１２）は既に再び正の電圧レベル（＋Ｕｚ）になり、
   電源（Ｕａｃ）の負の半波の間に、第３の半導体スイッチ（Ｓ３）が継続して閉鎖されたままの間において第４の半導体スイッチ（Ｓ４）がサイクル作動され、これにより、第４の半導体スイッチ（Ｓ４）の開放後に自由輪電流が中央電圧レベル（０Ｖ）から第２のダイオード（Ｄ２）および第３の半導体スイッチ（Ｓ３）を介して流れ、第４の半導体スイッチ（Ｓ４）の新たな閉鎖の前に第６の半導体スイッチ（Ｓ６）が閉鎖され、これにより、この瞬間に第６の半導体スイッチ（Ｓ６）を介して負の電圧レベル（−Ｕｚ）から流れた自由輪電流が第３のチョーク（Ｌ３）によって連続的に上昇するように受け取られるので、第４の半導体スイッチ（Ｓ４）が新たに閉鎖され且つ第６の半導体スイッチ（Ｓ６）が再び開放されたときには、第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ３、Ｓ４）の共通接続点（Ａ３４）は既に再び負の電圧レベル（−Ｕｚ）になること、を特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 電源（Ｕａｃ）内に無効電力を供給するために、
   電源（Ｕａｃ）の負の半波の間に、開放された第１の半導体スイッチ（Ｓ１）において第２の半導体スイッチ（Ｓ２）がサイクル作動され、これにより、閉鎖された第２の半導体スイッチ（Ｓ２）において電流が中央電圧レベル（０Ｖ）から第１のダイオード（Ｄ１）、第２の半導体スイッチ（Ｓ２）および第１のチョーク（Ｌ１）を介して電源（Ｕａｃ）内に流れ、第２の半導体スイッチ（Ｓ２）の開放後に自由輪電流が第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ３、Ｓ４）にそれぞれ並列に接続された自由輪ダイオードを介して流れ、第２の半導体スイッチ（Ｓ２）の新たな閉鎖の前に追加の半導体スイッチ（Ｓ７、Ｓ９）の１つが閉鎖され、これにより、この瞬間に流れた自由輪電流が第２および第３の半導体スイッチング素子（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点と結合された追加のチョーク（Ｌ４、Ｌ５）の１つによって連続的に上昇するように中央電圧レベル（０Ｖ）から受け取られるので、第２の半導体スイッチ（Ｓ２）が新たに閉鎖され且つ追加の半導体スイッチ（Ｓ７、Ｓ９）が再び開放されたときには、第２および第３の半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点（ＳＷＰ）は既に再び中央電圧レベル（０Ｖ）になり、
   電源（Ｕａｃ）の正の半波の間に、開放された第４の半導体スイッチ（Ｓ４）において第３の半導体スイッチ（Ｓ３）がサイクル作動され、これにより、閉鎖された第３の半導体スイッチ（Ｓ３）において電流が中央電圧レベル（０Ｖ）から第２のダイオード（Ｄ２）、第３の半導体スイッチ（Ｓ３）および第１のチョーク（Ｌ１）を介して電源（Ｕａｃ）内に流れ、第３の半導体スイッチ（Ｓ３）の開放後に自由輪電流が第１および第２の半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２）にそれぞれ並列に接続された自由輪ダイオードを介して流れ、第３の半導体スイッチ（Ｓ３）の新たな閉鎖の前に追加の半導体スイッチ（Ｓ７、Ｓ８）の１つが閉鎖され、これにより、この瞬間に流れた自由輪電流が第２および第３の半導体スイッチング素子（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点と結合された追加のチョーク（Ｌ４、Ｌ６）の１つによって連続的に上昇するように中央電圧レベル（０Ｖ）から受け取られるので、第３の半導体スイッチ（Ｓ３）が新たに閉鎖され且つ追加の半導体スイッチ（Ｓ７、Ｓ８）が再び開放されたときには、第２および第３の半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の共通接続点（ＳＷＰ）は既に再び中央電圧レベル（０Ｖ）になること、を特徴とする請求項７に記載の方法。

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