JP6503417B2 - 電子システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の、複数のスイッチング素子及び複数のエネルギ蓄積素子を有する電子システムに関する。

エネルギ蓄積素子から出力される直流電流から、電圧振幅が周期的に変化する電流を生成する為に、変換器が使用される。先行技術による変換器では、スイッチング周期が特に短い場合には、スイッチング素子として半導体素子が使用される。

更に、先行技術においては多値変換器とも呼ばれる技術が知られており、この技術では、それぞれがエネルギ蓄積素子を有する複数の個別モジュールを、変換器の動作中に様々な状態の間で動的に相互接続することが可能である。これらのモジュールは、互いに直列に、又は互いに並列に接続可能である。更に、これらのモジュールをバイパスすることも可能である。従って、エネルギ蓄積素子を直列又は並列に動的に接続することにより、変換器の出力電圧が生成される。

既知の多値変換器の製造コストは、特に、スイッチング素子を多数使用することによってかかる。更に、比較的多数のスイッチング素子を使用することで、エネルギ損失も比較的大きくなる。

（特許文献１）及び（特許文献２）に多値変換器が開示されており、そこでは、バイポーラ変換器セルが４つのスイッチング素子に接続されており、ユニポーラ変換器セルが２つのスイッチング素子に接続されている。これらの変換器セルは、スイッチング素子のスイッチングにより、直列に接続されたりバイパスされたりすることが可能である。

欧州特許出願公開第２４０８０８１Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２５９５３０２Ａ１号明細書

これに対し、本発明は、スイッチングを柔軟に行うことが可能であり、製造コストが安く、エネルギ損失が小さい電子システムを提供することを目的とする。

電子システムは、複数のスイッチング素子と複数のエネルギ蓄積素子とを含む。エネルギ蓄積素子は、スイッチング素子によって相互接続されている。エネルギ蓄積素子は、第１、第２、又は第３の状態に切り替えられることが可能である。第１の状態では、エネルギ蓄積素子は直列に接続される。第２の状態では、エネルギ蓄積素子は相互に並列に接続される。第３の状態では、エネルギ蓄積素子はバイパスされる。２つのエネルギ蓄積素子は、それぞれたった３つのスイッチング素子によって接続される。

エネルギ蓄積素子の相互接続に使用されるスイッチング素子の数が比較的少ないことにより、電子システムの製造コストは安く抑えられる。エネルギ蓄積素子を異なる３つの状態に切り替えることが可能であるという事実により、比較的高いレベルの柔軟性が達成される。

本発明の一実施形態によれば、電子システムは変換器として具現されてよい。変換器は、特に、単一極性と周期的に変化する電圧振幅とを有する電圧を出力電圧として出力するように具現されてよい。エネルギ蓄積素子は、ＤＣ電圧を出力するように具現されてよい。スイッチング素子を第１の状態及び第２の状態に切り替えることにより、ＤＣ電圧が出力電圧に変換される。

本発明の一実施形態によれば、スイッチング素子及びエネルギ蓄積素子はモジュール式で相互接続されることが可能であってよい。このことは、具体的には、エネルギ蓄積素子の１つが複数のスイッチング素子とともにモジュールを形成するという意味に理解される。前記モジュールはハウジングを含んでよく、例えば、ハウジング内ではモジュールのスイッチング素子及びエネルギ蓄積素子が配列されている。モジュール単位の接続が可能なことにより、電子システムの高レベルの柔軟性が達成される。

例えば、いずれの場合にも、エネルギ蓄積素子の１つとスイッチング素子の３つとを、モジュールのハウジング内に配列することが可能である。この種類のモジュールを使用すると、複数のモジュールを相互接続するだけで電子システムを構築することが可能である。そして、特に、更なるモジュールを追加したり、モジュールを除去したりすることによって、システムを変更することが容易且つ簡便になる。

本発明の一実施形態によれば、本システムは、スイッチング素子のスイッチングを行う為に具現される制御素子を含んでよい。このことは、特に、電子システムから出力される出力電圧を要求に対して非常に正確に適応させる上で有利である。

本発明の一実施形態によれば、エネルギ蓄積素子は、コンデンサ、バッテリセル、ソーラーセル、及び／又は電磁エネルギ蓄積装置として具現されてよい。電磁エネルギ蓄積装置は、例えば、コイルを含んでよく、コイルは電磁エネルギを蓄積することが可能である。

本発明の一実施形態によれば、スイッチング素子は、機械式スイッチ、トランジスタ、及び／又はサイリスタとして具現されてよい。特に、トランジスタ及び／又はサイリスタの使用は、特に短いスイッチング時間を達成可能にする上で有利である。

本発明の一実施形態によれば、電子システムは、エネルギ蓄積素子の１つに関連付けられた少なくとも１つの不活性化素子を含んでよい。エネルギ蓄積素子は、不活性化素子によって不活性状態に切り替えられることが可能である。本明細書の文脈では、不活性状態は、特に、エネルギ蓄積素子がその他のエネルギ蓄積素子及びスイッチング素子とせいぜい電気的接続によって接続されていて、不活性エネルギ蓄積素子を通って流れることが可能な電流がないという意味に理解される。

不活性化素子は、例えば、スイッチング素子と同様又は同一の様式で具現されてよい。不活性化素子は、ヒューズとして具現されることも可能であり、この場合は、過大な電流が流れたときに、この不活性化素子に関連付けられたエネルギ蓄積素子を不活性化する。過大な電流が流れることは、エネルギ蓄積素子の故障の原因になる可能性があり、不活性化により、電子システムの他の構成要素へのダメージを防ぐことが可能になる。不活性化素子をスイッチング素子と同様又は同一の様式で具現することは、特に、故障が検出された場合に、不活性化素子に関連付けられたエネルギ蓄積素子を不活性化する上で有利である。

本発明の一実施形態によれば、エネルギ蓄積素子のうちの第１の複数のエネルギ蓄積素子が並列に接続されている場合に、エネルギ蓄積素子のうちの第２の複数のエネルギ蓄積素子がバイパスされることが可能である。結果として、電子システムの柔軟性が更に高まる。例えば、第１の複数のエネルギ蓄積素子が相互に並列に接続されている間、第２の複数のエネルギ蓄積素子を保護することが可能である。

本発明の一実施形態によれば、スイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子のスイッチングにより、第２の複数のエネルギ蓄積素子がバイパスされることが可能であってよい。特に、１つのスイッチング素子の正確なスイッチングにより、第２の複数のエネルギ蓄積素子がバイパスされることが可能であってよい。これにより、第２の複数のエネルギ蓄積素子のバイパスを特にシンプルに行うことが可能になる。

本発明の一実施形態によれば、第２の複数のエネルギ蓄積素子がバイパスされている場合に、エネルギ蓄積素子のうちの第３のエネルギ蓄積素子が第１の複数のエネルギ蓄積素子と並列に接続されることが可能であってよい。これにより、電子システムの柔軟性が更に高まる。

以下の、好ましい例示的実施形態の説明を、添付図面を参照しながら読むことにより、本発明の更なる特徴及び利点が明らかになるであろう。ここで、同一又は同様の構成要素、並びに、同一又は同様の機能を有する構成要素には、同じ参照符号が使用されている。

以下では、スイッチング素子を文字Ｔで表し、エネルギ蓄積素子を文字Ｌ又はＣで表す。これらの素子は、それぞれの文字の後の数字によって相互に区別されることが可能である。

本発明の一実施形態による、複数のエネルギ蓄積素子及びスイッチング素子を有する電子システムを示す。 図１の電子システムを示しており、ここでは、いずれの場合にもスイッチング素子の幾つかが、いずれの場合にもエネルギ蓄積素子の１つとともに、モジュールの構成部品である。 本発明の一実施形態による電子システムを示す。 本発明の一実施形態による電子システムを示す。 本発明の一実施形態による電子システムを示す。 本発明の一実施形態による電子システムを示す。 本発明の一実施形態による電子システムを示しており、これは、エネルギ蓄積素子の第１の複数のインスタンスを相互に並列に接続することと、エネルギ蓄積素子の第２の複数のインスタンスをバイパスすることとが可能な形態を示す。 更なるエネルギ蓄積素子を有する、図７の電子システムを示す。 本発明の一実施形態による電子システムを示しており、これは、更なるエネルギ蓄積素子により、エネルギ蓄積素子の第１の複数のインスタンスを相互に並列に接続することと、エネルギ蓄積素子の第２の複数のインスタンスをバイパスすることとが可能な形態を示す。

図１に示される電子システム１００は、複数のスイッチング素子Ｔ１からＴ１５と、複数のエネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５とを含む。電子システム１００では、スイッチング素子Ｔ１からＴ１５は、トランジスタの形態の半導体スイッチとして具現される。スイッチング素子Ｔ１からＴ１５は、オン状態にしたり、オフ状態にしたりできる。以下の文では、どのスイッチング素子がオン状態になっているか、だけを記述する。言及されないスイッチング素子は、オフ状態になっている。

電子システム１００は更に、２つの入力端子と２つの出力端子とを含み、２つの入力端子はエネルギ蓄積素子Ｃ１に接続されており、２つの出力端子のうちの一方はスイッチング素子Ｔ１３に接続されており、一方は２つのスイッチング素子Ｔ１４及びＴ１５に接続されている。しかしながら、一方の入力端子をスイッチング素子Ｔ１３に接続し、他方の入力端子を２つのスイッチング素子Ｔ１４及びＴ１５に接続する、というように、電子システム１００を逆の順序で相互接続することも可能である。この場合、出力端子はエネルギ蓄積素子Ｃ１に接続される。

エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５のそれぞれは、第１の接続と第２の接続とを有する。エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５のうちの２つずつが、スイッチング素子Ｔ１からＴ１２のうちの３つによって接続される。この場合、第１の接続は、それぞれ、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４、Ｔ７、及びＴ１０のうちの１つによって相互接続される。第２の接続は、それぞれ、スイッチング素子Ｔ３、Ｔ６、Ｔ９、及びＴ１２のうちの１つによって相互接続される。

エネルギ蓄積素子Ｃ２の第２の接続は、スイッチング素子Ｔ２によって、エネルギ蓄積素子Ｃ１の第１の接続と接続される。同様に、エネルギ蓄積素子Ｃ３からＣ５の第２の接続は、それぞれ、スイッチング素子Ｔ５、Ｔ８、及びＴ１１によって、先行するエネルギ蓄積素子Ｃ２からＣ４の第１の接続と接続される。

エネルギ蓄積素子Ｃ５は、スイッチング素子Ｔ１３からＴ１５によって、２つの出力端子及び／又は入力端子に接続される。

電子システム１００の相互接続により、エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５を、異なる３つの状態に切り替えることが可能になる。エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５は、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ５、Ｔ８、Ｔ１１、及びＴ１４がオンの場合には、直列に接続されることが可能である。エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５は、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ１２、Ｔ１３、及びＴ１５がオンの場合には、相互に並列に接続されることが可能である。エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５は、スイッチング素子Ｔ３、Ｔ６、Ｔ９、Ｔ１２、及びＴ１５がオンの場合には、バイパスされることが可能である。或いは、エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５は、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４、Ｔ７、Ｔ１０、及びＴ１３がオンの場合には、バイパスされることが可能である。スイッチング素子Ｔ１からＴ１５がいずれもオンでない場合には、電子システム１００は不活性状態である。エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５からは電流が放出されず、且つ、エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５には電流が蓄積されない。この状態では、電子システム１００は電流を通すことができない。

スイッチング素子Ｔ１からＴ１５を適切にスイッチングさせることにより、電子システム１００を変換器として動作させることが可能であり、この変換器は、エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５のＤＣ電圧から、周期的な電圧振幅特性を有する電圧を生成して出力端子に印加する。

図２は、例えば、電子システム１００のスイッチング素子Ｔ１からＴ１５及びエネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５の幾つかを組み合わせて、モジュール２００、２０１、及び２０２を形成することが可能である様子を示す。モジュール２００、２０１、及び２０２のそれぞれは、エネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５のうちの１つと、スイッチング素子Ｔ１からＴ１５のうちの３つと、を含む。モジュール２００は、エネルギ蓄積素子Ｃ１とスイッチング素子Ｔ１からＴ３とを含む。モジュール２０１は、エネルギ蓄積素子Ｃ３とスイッチング素子Ｔ４からＴ６とを含む。モジュール２０２は、エネルギ蓄積素子Ｃ５とスイッチング素子Ｔ１０、Ｔ１４、及びＴ１５とを含む。

電子システム１００は、それぞれが同一であるモジュール２００、２０１、又は２０２による、シンプルなモジュール式の設計が可能である。これにより、特に、モジュールの容易な追加又は除去が可能になり、高レベルの設計柔軟性が得られる。

図３の電子システム３００が図１及び図２の電子システム１００と異なるのは、特に、スイッチング素子Ｔ１３が存在しない点である。スイッチング素子Ｔ１３を省略してよいのは、電子システム３００に含まれる出力端子及び入力端子がそれぞれ１つだけである為である。そして、この出力端子及び／又は入力端子は、スイッチング素子Ｔ１４及びＴ１５によって、エネルギ蓄積素子Ｃ５に接続される。

図４に見られるように、出力端子及び入力端子が１つだけの場合は、スイッチング素子Ｔ１３だけでなく、スイッチング素子Ｔ１４及びＴ１５も存在しないことも可能である。このとき、エネルギ蓄積素子Ｃ５は、出力端子及び／又は入力端子に直接接続される。

図５に示される電子システム５００は、スイッチング素子Ｔ１からＴ１５及び電磁エネルギ蓄積素子Ｌ１からＬ５を含み、これらは、電子システム１００のスイッチング素子Ｔ１からＴ１５及びエネルギ蓄積素子Ｃ１からＣ５と同様に相互接続されている。電子システム５００では、スイッチング素子Ｔ１からＴ１５はサイリスタとして具現される。

図６に示される電子システム６００が電子システム５００と異なるのは、特に、スイッチング素子Ｔ１からＴ１５としてトランジスタ（例えば、電界効果トランジスタ又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が使用される点である。

図１の電子システム１００に対して、図７に示される電子システム７００では更なるスイッチング素子Ｔ１６からＴ１８が使用されており、これは、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ６、Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１５、及びＴ１６をオン状態にすることによって、エネルギ蓄積素子Ｃ２及びＣ３をバイパスし、同時にエネルギ蓄積素子Ｃ１、Ｃ４、及びＣ５を並列に接続することを可能にする為である。

スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ６、Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１５、Ｔ１６、及びＴ１７をオン状態にすることにより、エネルギ蓄積素子Ｃ１及びＣ５の並列接続を達成し、同時にエネルギ蓄積素子Ｃ２からＣ４をバイパスすることも可能である。

スイッチング素子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１５、及びＴ１６をオン状態にすることにより、エネルギ蓄積素子Ｃ１、Ｃ３、Ｃ４、及びＣ５の並列接続を達成し、同時にエネルギ蓄積素子Ｃ２をバイパスすることも可能である。

図８に示される電子システム８００が図７の電子システム７００と異なるのは、特に、エネルギ蓄積素子Ｃ６が追加されていることであり、エネルギ蓄積素子Ｃ６は、エネルギ蓄積素子Ｃ２と直列に接続されている。従って、この電子システムでは、エネルギ蓄積素子Ｃ２をバイパスすることができなくなっている。一方、エネルギ蓄積素子Ｃ３及びＣ４は、引き続き、上述のようにバイパス可能である。

図９に示される電子システム９００が図８の電子システム８００と異なるのは、特に、エネルギ蓄積素子Ｃ６の位置である。エネルギ蓄積素子Ｃ６は、エネルギ蓄積素子Ｃ２と直列には接続されておらず、スイッチング素子Ｔ１６及びＴ１９をオン状態にすることにより、独立に作動する。エネルギ蓄積素子Ｃ６は、エネルギ蓄積素子Ｃ２からＣ４がバイパスされている場合にエネルギ源として使用可能である。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００ 電子システム
Ｔ スイッチング素子
Ｌ、Ｃ エネルギ蓄積素子

Claims (8)

1. 複数のスイッチング素子（Ｔ）と複数のエネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）とを含み、前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）は、前記スイッチング素子（Ｔ）によって相互接続されており、前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）は、前記スイッチング素子（Ｔ）のスイッチングにより、第１、第２、又は第３の状態に選択的に切り替えられることが可能であり、前記第１の状態では、前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）は相互に直列に接続され、前記第２の状態では、前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）は相互に並列に接続され、前記第３の状態では、前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）はバイパスされ、
   ２つの前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）は、それぞれたった３つの前記スイッチング素子（Ｔ）によって接続され、
   前記複数のエネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）のうちの２つの第１の複数のエネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）が並列に接続され、前記第１の複数のエネルギー素子（Ｌ、Ｃ）の間に位置する前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）のうちの第２の複数のエネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）をバイパスすることを可能とする追加のスイッチング素子が設けられることを特徴とする電子システム。
2. 変換器として具現されることを特徴とする、請求項１に記載の電子システム。
3. 前記スイッチング素子（Ｔ）及び前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）はモジュール式で相互接続されることが可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電子システム。
4. 前記スイッチング素子（Ｔ）のスイッチングを行う為に具現される制御素子を含むことを特徴とする、請求項１から３の少なくともいずれか一項に記載の電子システム。
5. 前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）は、コンデンサ、バッテリセル、ソーラーセル、及び／又は電磁エネルギ蓄積装置として具現されることを特徴とする、請求項１から４の少なくともいずれか一項に記載の電子システム。
6. 前記スイッチング素子（Ｔ）は、機械式スイッチ、トランジスタ、及び／又はサイリスタとして具現されることを特徴とする、請求項１から５の少なくともいずれか一項に記載の電子システム。
7. 前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）の１つに関連付けられた少なくとも１つの不活性化素子を含み、前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）は前記不活性化素子によって不活性状態に切り替えられることが可能であることを特徴とする、請求項１から６の少なくともいずれか一項に記載の電子システム。
8. 前記第２の複数のエネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）がバイパスされている場合、前記エネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）の第３のエネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）が、前記第１の複数のエネルギ蓄積素子（Ｌ、Ｃ）と並列に接続されることが可能であることを特徴とする、請求項１から７の少なくともいずれか一項に記載の電子システム。

Images