JP6938374B2 - 交流電圧生成装置を過電圧制限する方法およびデバイス - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧生成装置のための過電圧制限デバイス、このような過電圧制限デバイスを有する交流電圧生成装置、ならびに、交流電圧生成装置の出力側の出力電圧を過電圧制限する過電圧制限デバイスおよび方法に関する。

交流電圧生成装置は多方面で必要とされている。例は、プラズマの励起、誘導加熱または系統給電である。このような負荷を、以下で「動的な負荷インピーダンスを有する負荷」とも称する。動的な負荷インピーダンスとは、生成された交流電圧の１つまたは複数の周期内で変化する特性を有しているインピーダンスのことである。１０ｋＷを超える高い電力において、１０Ｈｚを超える周波数、特に１ｋＨｚを超える周波数、特に１０ｋＨｚを超える周波数を生成し、このように生成された電力で、上述した、動的な負荷インピーダンスを有する負荷に給電することができる交流電圧生成装置が公知である。直流電圧から交流電圧を生成するために、しばしば、ブリッジ回路として知られている回路が使用される。このようなブリッジ回路には、電圧源、電流源、または、電力が閉ループ制御される電源によって、整流された電流および電圧が供給され得る。特に、直流電流源によって駆動されるブリッジ回路、すなわち、所定の電流が供給されるブリッジ回路の場合には、このブリッジ回路の出力側に過電圧が生じることがある。このような過電圧は、ブリッジ回路の入力側にも転じることがあり、これは、交流電圧生成装置に損傷を与える場合がある。交流電圧生成装置を過電圧から保護することは、特に、動的な負荷の場合に、しばしば課題となる。これに対しては、種々の解決策が見出されてきている。

独国特許出願公開第１０２００８０２５９８６号明細書（DE102008025986A1）は、放電回路を介して放電されなければならないコンデンサを備えた過電圧保護デバイスを開示している。放電回路は、エネルギーを熱に変換する。これは、電流負荷容量に関して監視されなれければならない。なぜなら、そうでないと、これは、過度に加熱されてしまうからである。さらに、この回路は、制限されたエネルギーしか受容することができない。過電圧が頻繁に生じると、この回路は、過負荷状態になってしまう。本発明の課題は、改善された過電圧制限を実現する方法および装置を提供することである。これは、過度に加熱されること無く、比較的頻繁に生じる、または、比較的長く続く過電圧状態を制限することもできる。

独国特許出願公開第１０２００８０２５９８６号明細書

上述の課題は、請求項１および他の独立請求項の特徴部分に記載された構成によって解決される。本発明の有利な構成は、明細書および従属請求項に記載されている。

本発明のある態様では、インバータ回路ユニットを有する交流電圧生成装置のための過電圧制限デバイスが提示されており、この交流電圧生成装置は、動的な負荷インピーダンスを有する負荷に電力を供給するように設計されており、ここで、この過電圧制限デバイスは、
・インバータ回路ユニット、特に、インバータ回路ユニットの出力側または負荷に接続するための２つの入力端子と、
・交流電圧生成装置の中間回路電圧ユニットに接続するための２つの出力端子と、
・交流電流端子と、出力端子に接続されている直流電流端子とを有している整流器デバイスと、
・入力端子と接続されている一次側と、整流器デバイスの交流電流端子に接続されている二次側とを有している交流電圧変換器デバイスと、
を備えている。入力端子で、所定の絶対値を超えて正の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、所定の絶対値を超えて負の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、電力が、入力端子から交流電圧変換器デバイスと整流器デバイスとを介して出力端子に搬送されるようにこの過電圧制限デバイスは設計されている。このようにして、入力端子での交流電圧が別の設定可能な絶対値に制限される。このようにして、電圧制限時に、負荷側で除去されたエネルギーを、交流電圧生成装置に、負荷の給電のために、戻すことができる。従来の過電圧制限デバイスは、除去されたエネルギーを完全に熱に変換していた。従って、本発明に係る過電圧制限デバイスは、過電圧の格段に効率の良い制限を可能にする。さらに、これは、比較的長い時間間隔の間、過電圧を制限することができる。従来の過電圧制限デバイスは、過度の加熱を回避するために、上方の温度を超えた場合には、非アクティブにされなければならない。過電圧は、この場合、保護されるべき構成部分に損傷を与えてしまうことがある。従って、本発明に係る過電圧制限デバイスは、より確実な動作を実現する。

本発明の別の態様では、過電圧制限デバイスによって、インバータ回路ユニットを有する交流電圧生成装置の出力側の出力電圧を過電圧制限する方法が提示されており、過電圧制限デバイスは、
・インバータ回路ユニット、特に、インバータ回路ユニットの出力側または負荷に接続するための２つの入力端子と、
・交流電圧生成装置の中間回路電圧ユニットに接続するための２つの出力端子と、
・交流電流端子と、出力端子に接続されている直流電流端子とを有している整流器デバイスと、
・入力端子に接続されている一次側と、整流器デバイスの交流電流端子に接続されている二次側とを有している交流電圧変換器デバイスと、
を有している。この方法は、入力端子で、所定の絶対値を超えて正の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、所定の絶対値を超えて負の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、電力が、入力端子から交流電圧変換器デバイスと整流器デバイスとを介して出力端子に搬送され、従って、入力端子での交流電圧が別の設定可能な絶対値に制限されるという特徴を有している。

設定可能な絶対値と、別の設定可能な絶対値とは、相互に依存していてよく、特に、同じ大きさであってよい。

過電圧制限デバイスは、次のように設計されている。すなわち、電力が、自身の入力端子から自身の出力端子へと向かう方向においてのみ搬送され、過電圧制限デバイスにおいて、出力端子から入力端子への電力搬送が阻止されるように設計されている。これによって、交流電圧を負荷に供給する際に、特に確実な動作が可能になる。

入力端子から交流電圧変換器デバイスと整流器デバイスとを介して出力端子に搬送された電力は、ここで、交流電圧生成装置内に配置されている交流電圧生成デバイスに少なくとも部分的に供給され得る。従って、過電圧時にも、負荷への交流電圧の供給が格段に効率的になる。さらに、熱の発生が理由で、相対的に低い、時間あたりの最大出力に制限されていた従来のシステムよりも、多くの電力を除去することができる。すなわち、より多くの過電圧状態を制限することができる。

入力端子で測定される過電圧制限デバイスのインダクタンスは、６００ｎＨ、特に、４５０ｎＨ未満であってよい。従って、過電圧制限デバイスは、通常動作において、交流電圧ピーク値が所定の絶対値よりも低い場合には、交流電圧生成装置に僅かにしか影響を与えず、これと同時に、所定の絶対値を超えている場合には、極めて効率が良く、かつ、迅速である。

設定可能な絶対値および／または別の設定可能な絶対値が、出力端子での電圧によって調整可能である、または、調整されるように、過電圧制限デバイスが設計されていてよい。従って、設定可能な絶対値および／または別の設定可能な絶対値を特に容易かつ確実に調整することができる。

交流電流のピーク値が設定可能な絶対値未満である場合には、電流が整流器デバイスを通って流れないように、過電圧制限デバイスを設計することができる。これは、過電圧制限デバイス、ひいては、交流電圧生成装置の動作を特に確実にする。

直流電流端子に、耐インパルスコンデンサが接続可能である。これによって、入力端子で測定される過電圧制限デバイスのインダクタンスが特に低くなる。さらに、このようにして、過電圧制限デバイスは特に迅速に過電圧に反応する。付加的に、このようにして、過電圧制限デバイスの寿命が長くなる。耐インパルスコンデンサとは、以下の特性のうちの１つまたは複数の特徴を有するコンデンサのことである。
・１０Ａを超えるピーク電流を有する電流パルスに対して設計されている
・１００Ｖを超えるピーク電圧を有する電圧パルスに対して設計されている
・５００Ｖ／μｓを超える電圧上昇速度に対して設計されている
・５００Ａ／μｓを超える電流上昇速度に対して設計されている
・１００ｎＨ未満の端子インダクタンスを有している
耐インパルスコンデンサは、１つまたは複数のコンデンサユニットから構成されていてよい。これらのコンデンサユニットは、総計で、２０μＦを超える容量を有している。

交流電圧変換器デバイスは、電流が流れることによって磁化可能な要素を有することができる。これは有利には、鉄含有材料、特に有利には、フェライト材料から成る。これによって、一次側から二次側への結合が改善され、過電圧制限デバイスはより迅速に反応する。

交流電圧のピーク値が設定可能な絶対値未満である場合には、磁化可能な要素を磁化する電流だけが流れるように過電圧制限デバイスを設計することができる。これによって、通常動作時の交流電圧生成装置の影響がさらに低減される。

交流電圧変換器デバイスが直接、特に、ダイオード、スイッチまたは整流要素の中間回路を介さずに、インバータ回路ユニットと接続可能である、特に接続されるように、過電圧制限デバイスを設計することができる。これによって、過電圧制限デバイスはさらに迅速に反応する。

一次側が二次側から直流電気的に分離されているように、交流電圧変換器デバイスを設計することができる。これによって、過電圧制限デバイスは、さらに迅速に動作可能になる。

交流電圧変換器デバイスは、変圧器を有し得る。従って、過電圧制限デバイスは、特に低コストに、かつ、効率が良く構成可能である。

交流電圧変換器デバイス、特に変圧器は３００ｎＨ未満の漏れインダクタンスを有し得る。従って、過電圧制限デバイスは、通常動作において、交流電圧ピーク値が所定の絶対値よりも低い場合には、交流電圧生成装置に僅かにしか影響を与えず、これと同時に、所定の絶対値を超えている場合には、極めて効率がよく、かつ、迅速である。

交流電圧変換器デバイス、特に変圧器を、３０Ａを超えるピーク電流を通すように設計することができる。これによって、過電圧制限デバイスは、極めて多くの電力を極めて短い時間内で搬送することができ、このようにして、より多くのエネルギーが入力端子から出力端子へと搬送されなければならない場合でも、交流電圧をより良好に制限することができる。

自身の漏れインダクタンスと、設計の対象であるピーク電流との積が１ｍＨＡ（ミリヘンリー・アンペア）未満となるように、交流電圧変換器デバイス、特に変圧器を設計することができる。従って、過電圧制限デバイスはより迅速かつより効率良く動作し得る。

交流電圧変換器デバイス、特に、全体的な過電圧制限デバイスは、０．０５Ω未満の値の直流電流抵抗を有し得る。従って、過電圧制限デバイスは、一方ではより効率が良くなり、また、格段に迅速になり、かつ、損失が少なく、ひいてはより確実になる。

変圧器は、一次巻線と二次巻線とを有し得る。一次巻線と二次巻線は、特に、２本巻きの線路を有し得る。特に、２本巻きの線路から成る。これによって、過電圧制限デバイスの寄生インダクタンスがさらに低減される。

一次巻線と二次巻線は特に、それぞれ帯状の線路を有していてよく、特にこのような線路から成っていてよい。帯状の線路は特に、少なくとも１０ｍｍの幅であってよく、少なくとも０．０５ｍｍの厚さを有していてよい。複数の帯状の線路が、特に、相互に重ねて巻かれていてよい。これらはここで、０．２ｍｍよりも薄い絶縁フィルムによって絶縁されていてよい。これによって、過電圧制限デバイスの寄生インダクタンスがさらに低減される。

整流器デバイスと交流電圧変換器デバイスとの間の複数の接続線路は帯状であり、特に２本巻きであり、特に有利には相互に重なっており、０．２ｍｍよりも薄い絶縁体によってのみ分離された導体路を有していてよく、特に、このような導体路から成っていてよい。これらは特に少なくとも部分的に、少なくとも１０ｍｍの幅を有しており、少なくとも０．０５ｍｍの厚さを有していてよい。これらは特にそれぞれ１０ｃｍより短くてよい。これによって、過電圧制限デバイスの寄生インダクタンスがさらに低減される。

一次巻線の巻数と二次巻線の巻数との差が、最大で１巻きぶんであるように、変圧器を構成することができる。これによって、過電圧制限デバイスの寄生インダクタンスがさらに低減される。

過電圧制限デバイスは、付加的に、少なくとも１つの、電流の流れを整える機構、特にダイオードを有し得る。

このような、電流の流れを整える機構を、直流電流端子と出力端子との間に直列接続することができる。

別の、電流の流れを整える機構を、直流電流端子と別の出力端子との間に直列接続することができる。従って、複数の中間回路電圧ユニットを備えた交流電圧生成装置を伴う過電圧制限デバイスを使用することができる。

過電圧制限デバイスは、耐インパルスコンデンサを事前充電するためのコンデンサ事前充電要素を有し得る。このようなコンデンサ事前充電要素は、特に、抵抗要素であってよい。このようなコンデンサ事前充電要素が、特に、電流の流れを整える機構に対して並列接続されていてよい。このような場合には、耐インパルスコンデンサが事前充電され得る。これは、インバータ回路ユニットの出力側が、耐インパルスコンデンサの充電によって負荷されるべきでない場合に、有利である。

整流器デバイスは、ブリッジ整流器を有し得る。３０Ａを超える電流を通すように、このブリッジ整流器を設計することができる。ブリッジ整流器は、４つのダイオードをブリッジ回路で有し得る。これらはそれぞれ、３０Ａを超える電流を通すように設計されている。これによって、過電圧制限デバイスは、極めて多くの電力を、極めて短い時間内で搬送することができ、かつ、このようにして、多くのエネルギーが入力端子から出力端子へと搬送されなければならない場合でも、交流電圧をより良好に制限することができる。

耐インパルスコンデンサと整流器デバイスとの間の複数の接続線路はそれぞれ２ｃｍよりも短い長さを有し得る。これによって、過電圧制限デバイスの寄生インダクタンスがさらに低減される。

１００Ｗを超える平均電力と、５０ｋＷを超えるピーク電力を伝送するように交流電圧変換器デバイスを設計することができる。これによって、過電圧制限デバイスは極めて多くの電力を、極めて短い時間内で搬送することができ、このようにして、多くのエネルギーが入力端子から出力端子へと搬送されなければならない場合でも、交流電圧をより良好に制限することができる。

本発明の別の態様では、動的な負荷インピーダンスを有する負荷に、電力、特に交流電圧電力を供給するように設計されている交流電圧生成装置が提示されている。ここで、この交流電圧生成装置は、１つの、上述した過電圧制限デバイスを有している。

過電圧制限デバイスの入力端子が、交流電圧生成装置の出力側に接続されていてよい。

過電圧制限デバイスの出力端子が、交流電圧生成装置の中間回路電圧ユニットに接続されていてよい。

過電圧制限デバイスの出力端子が、交流電圧生成装置の複数の中間回路電圧ユニットに、特にそれぞれ１つの、電流の流れを整える機構を介して接続されていてよい。

交流電圧生成装置は、有利には、電力、特に交流電圧電力を生成する、ブリッジ回路として構成されているインバータ回路ユニットを有し得る。

交流電圧生成装置は、ブリッジ回路に給電するための直流電流源を有し得る。閉ループ制御された、または、開ループ制御された電流をブリッジ回路に供給するように、この直流電流源を設計することができる。

直流電流源は、ステップアップコンバータを有し得る。

直流電流源は、ステップダウンコンバータを有し得る。

直流電流源は、ステップアップコンバータとステップダウンコンバータとの組み合わせを有し得る。

直流電流源は、電流変化を１０Ａ／μｓより小さい値に制限するインダクタンスを有し得る。

直流電流源は、中間回路電圧ユニットの接続点に接続されていてよい。中間回路電圧ユニットのこの接続点に印加された直流電圧は、ブリッジ回路に、閉ループ制御された、または、開ループ制御された直流電流を供給することができる。

交流電圧生成装置は、共振回路を、特に、ブリッジ回路の出力側に有することができる。

交流電圧生成装置の動作中に周波数が変更可能であり、かつ、特に、負荷のインピーダンスの変化時に変更されるように、交流電圧生成装置を設計することができる
電力、特に、１ｋＨｚ、特に１０ｋＨｚを超える周波数を有する交流電圧電力を生成するように、交流電圧生成装置を設計することができる。

電力、特に交流電圧電力を生成する、プラズマプロセスに給電する、または、誘導プロセスに給電するように、交流電圧生成装置を設計することができる。

図面には、本発明の実施例が示されており、以降の明細書で詳細に説明されている。

過電圧制限デバイスを有する電力供給システムの回路図。 本発明に係る過電圧制限デバイスの図。 別の過電圧制限デバイスを有する電力供給システムの回路図。

図１および図３には、それぞれ、電力供給システム１００、１００ａの回路図が示されている。この電力供給システム１００、１００ａは、動的な負荷インピーダンスを有する負荷１５を有している。この負荷１５を、プラズマプロセスとすることができる。この場合には、電力供給システム１００、１００ａはプラズマ電力供給システムである。この電力供給システム１００、１００ａは、交流電圧生成装置１３１、１３１ａを有している。この交流電圧生成装置は自身の側で、交流電圧生成デバイス１３、１３ａと、過電圧制限デバイス１、１ａとを有している。

図２には、過電圧制限デバイス１、１ａの図が示されている。図１、図２および図３において、同じ構成部分に対して、同じ参照符号が使用されている。

図１に示されている交流電圧生成デバイス１３は、中間回路電圧ユニット２０を有している。この中間回路電圧ユニット２０内には、中間回路コンデンサ１９が配置されている。交流電圧生成デバイス１３は、さらに、直流電流源１６を有している。この直流電流源１６は、トランジスタ１８とインダクタンス１７とを有している。直流電流源１６は、中間回路電圧ユニット２０に接続されており、中間回路電圧ユニット２０から供給される、直流電圧源の電力を電力に変換し、直流電流、すなわち、開ループ制御された、または、閉ループ制御された電流を、開ループ制御された、または、閉ループ制御された電圧の代わりに供給する。直流電流源１６は、この実施例では、ステップダウンコンバータである。これは、選択的な実施形態において、ステップアップコンバータとして、または、２つのコンバータの組み合わせとして構成されていてもよい。

交流電圧生成デバイス１３、１３ａは、さらに、インバータ回路ユニット１４を有している。インバータ回路ユニット１４は、この場合には、４つのトランジスタ１８ｃ−１８ｆを有するフルブリッジ回路として構成されている。任意的選択肢として、それぞれ１つのダイオードが、４つのトランジスタ１８ｃ−１８ｆに直列接続されていてよい。インバータ回路ユニット１４は、直流電流源１６に接続されている。従って、インバータ回路ユニット１４は、直流電流源によって、すなわち、その電流が開ループ制御または閉ループ制御される電力源によって給電される。インバータ回路ユニット１４は、有利には、パルス状の交流電流を自身の出力端子２３、２４で生成する。

交流電圧生成デバイス１３、１３ａは、この実施例では、さらに、任意的選択肢である共振回路２７を有している。この共振回路２７は、インバータ回路ユニット１４の出力端子２３、２４に接続されている。共振回路２７は、１つまたは複数の振動回路インダクタンスと、１つまたは複数の振動回路コンデンサとを有し得る。これらは、並列および／または直列に振動回路に接続されており、かつ、振動回路が、インバータ回路ユニット１４の調整可能な周波数において共振を有するように設計されている。従って、極めて効率良く、高い電圧および／または高い電流を生成することができる。インバータ回路ユニット１４の負荷１５へのインピーダンス整合が行われるように、共振回路２７を設計することもできる。交流電流信号をインバータ回路ユニット１４の出力側でフィルタリングして、負荷１５の不所望の周波数を遮断するように、共振回路２７を設計することもできる。共振回路２７は、伝達部を有し得る。共振回路２７に対して選択的または付加的に、この場所に、整流器を有する変圧器を設けることもできる。これは、公知の電源において、しばしばあることである。これは、中間回路電圧ユニット２０と負荷１５に対する端子との間の直流電気的な分離に適していてよい。

過電圧制限デバイス１、１ａは、インバータ回路ユニット１４に接続するための２つの入力端子１１、１２を有している。図１に示されている過電圧制限デバイス１は、さらに、交流電圧生成デバイス１３の中間回路電圧ユニット２０に接続するための２つの出力端子２１、２２を有している。

過電圧制限デバイス１、１ａは、さらに、整流器デバイス２を有している。この整流器デバイス２は、交流電流端子６、７と、直流電流端子４、５とを有している。図１に示されている過電圧制限デバイス１の直流電流端子４、５は、出力端子２１、２２と接続されている。

図２には、２つのハーフブリッジ整流器２ａ、２ｂを有している整流器デバイスが示されている。これらは、接続要素５ｄ、４ｄによって接続されている。

過電圧制限デバイス１、１ａは、さらに、一次側３２と二次側３１とを有している交流電圧変換器デバイス３を有している。一次側３２は、入力端子１１、１２と接続されている。二次側３１は、整流器デバイス２の交流電流端子６、７と接続されている。

交流電圧変換器デバイス３は、この実施例では、変圧器３６である。変圧器３６は、一次側３２に一次巻線３４を有している。これはさらに、二次側３１に二次巻線３３を有している。一次巻線３４と二次巻線３３は、２本巻きの、帯状の線路である。これらの帯状の線路は、厚さの１０倍を超える幅を有しており、特に少なくとも１０ｍｍの幅を有しており、少なくとも０．０５ｍｍの厚さを有している。これらの帯状の線路は、相互に重なって巻かれている。

図２には、変圧器３６の実施例が示されている。ここでは、二次巻線３３は、一次巻線３４よりも、一回多く巻かれている。図２では、１０００Ｖ（我々の場合には）を超える電圧を絶縁するように設計されている、二次巻線３３と一次巻線３４との間の絶縁体は示されていない。

変圧器３６として構成されている交流電圧変換器デバイス３は、中央タップを備えた二次巻線３３も有し得る。整流器デバイス２として、この場合には、２つのダイオードの組み合わせが使用され得る。ここで一次巻線と二次巻線３３、３４は３本巻きでもよい。

交流電圧変換器デバイス３は、磁化可能な要素３５を有している。これは、図２の実施例では、鉄を含有した変圧器芯として構成されている。１ｋＨｚを超える周波数の場合には、フェライト材料から成る変圧器芯が使用され得る。

整流器デバイス２と交流電圧変換器デバイス３との間の接続線路が原因で、特に交流電圧変換器デバイス３が変圧器として設計されている場合には、寄生インダクタンスが生じる。これは、図１および図３には、インダクタンス９として示されている。この寄生インダクタンスはできるだけ低いほうがよい。変圧器内の高い磁気的な結合を有する、インダクタンスが低い構造によって、３００ｎＨ未満の漏れインダクタンスが保持される。これは機能にとって、有利である。

過電圧制限デバイス１、１ａは、さらに、オプションである、耐インパルスコンデンサ８を有している。これは、整流器デバイス２のすぐ近くで、直流電流端子４、５と接続されている。この耐インパルスコンデンサ８は、必ず設けられていなければならないものではない。交流電圧生成装置１３１、１３１ａの寸法がそれを許し、中間回路コンデンサ１９、１９ａ、１９ｂが相応に設計されている場合に、中間回路コンデンサ１９、１９ａ、１９ｂを、耐インパルスコンデンサ８の機能に対して利用することができる。しかし、整流器デバイス２から中間回路コンデンサ１９、１９ａ、１９ｂへの線路が長すぎる場合には、過電圧制限デバイス１、１ａの低い総インダクタンス９を実現するためには、整流器デバイス２のすぐ近くにある、このような耐インパルスコンデンサ８が有利である。耐インパルスコンデンサとは、以下の特性の１つまたは複数を有するコンデンサのことである。
・５００Ｖ／μｓを超える電圧上昇速度に対して設計されている
・５００Ａ／μｓを超える電流上昇速度に対して設計されている
・１００ｎＨ未満の端子インダクタンスを有している
図２に示されている接続要素５ｄ、４ｄは、一方では、ハーフブリッジ整流器２ａ、２ｂを、端子５ａ、５ｂ、４ａ、４ｂに接続して、これらのハーフブリッジ整流器２ａ、２ｂをまとめて、１つのフルブリッジ整流器にする。これらは、ハーフブリッジ整流器２ａ、２ｂの端子５ａ、５ｂ、４ａ、４ｂも、耐インパルスコンデンサ８の端子５ｃ、４ｃと接続する。

整流器デバイス２と交流電圧変換器デバイス３との間の接続線路は、図２において、二次巻線３３の、変圧器から直接的に導出された帯状の導体路３３ａ、３３ｂである。

過電圧制限デバイス１、１ａの第１の入力端子１１は、第１の接続線路２５を介して、インバータ回路ユニット１４の第１の出力端子２３に接続されており、このようにして、負荷１５に接続されている。第２の入力端子１２は、第２の接続線路２６を介して、インバータ回路ユニット１４の第２の出力端子２４に接続されており、このようにして、負荷１５に接続されている。オプションである共振回路２７は、この実施例では、インバータ回路ユニット１４の出力端子２３、２４と負荷１５との間に接続されている。選択的に、接続線路２５、２６が、負荷１５の近くに、すなわち、オプションである共振回路２７と負荷１５との間に接続されていてもよい、または、例えば、直接的に、共振回路２７内の振動回路コンデンサに接続されていてもよい。接続線路２５、２６のインダクタンスは、できるだけ低いほうがよい。接続線路２５、２６は有利には３０ｃｍよりも短く、特に２本巻きである。さらに、接続線路２５、２６の直流電流抵抗はできるだけ低いほうがよく、特に、できるだけ大きい横断面、特に２ｍｍ^２を超える横断面を有している。

図３には、電力供給システム１００ａに拡張された、図１に示された電力供給システム１００の回路図が示されている。

交流電圧生成装置１３１ａは、ここでは、拡張された過電圧制限デバイス１ａと、拡張された交流電圧生成デバイス１３ａとを有している。

拡張された交流電圧生成デバイス１３ａはここで、２つの、中間回路電圧ユニット２０ａ、２０ｂと、ステップダウンコンバータとして設計されている２つの直流電流源１６ａ、１６ｂとを有している。中間回路電圧ユニット２０ａ、２０ｂはそれぞれ１つの中間回路コンデンサ１９ａ、１９ｂを有している。直流電流源１６ａ、１６ｂはそれぞれ１つのトランジスタ１８ａ、１８ｂとそれぞれ１つのインダクタンス１７ａ、１７ｂとを有している。直流電流源１６ａ、１６ｂは、自身の出力側で接続されている。このようにして、交流電圧生成デバイス１３ａを、異なる高さの電力に対して、モジュール様式に構成することができる。中間回路コンデンサ１９ａ、１９ｂでの電圧は、必ずしも同じ大きさでなくてはならないものではない。従って、付加的な回路部分を有する、図１に示された過電圧制限デバイス１が使用可能である。中間回路電圧ユニット２０ａ、２０ｂは、この場合には、相互に無関係に閉ループ制御可能である。

過電圧制限デバイス１ａは、ここでは、１つの出力端子２２の代わりに、２つの出力端子２２ａ、２２ｂを有している。これらは、それぞれ１つの中間回路電圧ユニット２０ａ、２０ｂと接続されている。中間回路コンデンサ１９ａ、１９ｂでの、異なっている可能性のある２つの中間回路電圧を分離するために、ダイオードとして構成されている、電流の流れを整える機構２７ａ、２７ｂが過電圧制限デバイス１ａ内に、直流電流端子４と各出力端子２２ａ、２２ｂとの間に直列に設けられている。ここで、耐インパルスコンデンサ８を、中間回路コンデンサ１９ａ、１９ｂに印加されている電圧まで充電するために、付加的に、抵抗として構成されている２つのコンデンサ事前充電要素２８ａ、２８ｂが設けられている。電流の流れを整える機構２７ａ、２７ｂが過電圧制限デバイス１ａにおいて、１つの直流電流端子４とそれぞれ１つの出力端子２２ａ、２２ｂとの間に直列に設けられている場合でも、これらのコンデンサ事前充電要素２８ａ、２８ｂは、必ず設けられていなければならないものではない。耐インパルスコンデンサ８が、インバータ回路ユニット１４から、交流電圧変換器デバイス３と整流器デバイス２とを介して充電されてもよい。しかし、コンデンサ事前充電要素２８ａ、２８ｂが設けられている場合には、耐インパルスコンデンサ８が充電されなければならない場合に、インバータ回路ユニット１４は負荷を掛けられない。このようにして、インバータ回路ユニット１４の出力側で、正確かつ迅速に、負荷１５のインピーダンスが求められる。

各トランジスタ１８、１８ａ−１８ｆは、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴとして、または、別の構造様式で構成されていてよく、付加的に、図１および図３には示されていない逆並列ダイオードを１つずつ有していてよい。トランジスタ１８、１８ａ−１８ｆの代わりに、別のスイッチング構成要素を使用することもできる。これは例えば、サイリスタ、ＧＴＯまたは別の、電力をスイッチングする構成要素である。

過電圧制限デバイス１、１ａの機能様式は以下のようなものである。まずは、耐インパルスコンデンサ８が、中間回路電圧ユニット２０、２０ａ、２０ｂの中間回路コンデンサ１９、１９ａ、１９ｂに印加されている電圧まで充電される。

中間回路電圧ユニット２０ａ、２０ｂの中間回路コンデンサ１９ａ、１９ｂに異なる電圧が印加されている場合には、耐インパルスコンデンサ８は、２つの電圧の低い方の電圧まで充電される。

これによって整流器デバイス２の直流電流端子４、５に、所定の電圧が印加される。耐インパルスコンデンサ８が設けられていない場合には、１つの中間回路コンデンサ１９または複数の中間回路コンデンサ１９ａ、１９ｂの電圧が、整流器デバイス２の直流電流端子４、５に印加される。過電圧制限デバイス１、１ａの入力端子１１、１２には、制限されるべき交流電圧が接続される。これは例えば、共振回路２７の振動回路コンデンサの電圧、または、インバータ回路ユニット１４の出力側の電圧である。

ここで、交流電圧変換器デバイス３の一次側３２または変圧器３６の一次巻線３４を通って電流が流れる。これは、入力端子１１、１２に接続されている交流電圧によって生じる。

交流電圧変換器デバイス３の一次側３２での交流電圧によって、二次側３１で交流電圧が生成される。

二次側３１での電圧は、整流器デバイス２に、交流電流端子６、７で印加される。

交流電流端子６、７での電圧が、絶対値で見て、直流電流端子４、５での電圧よりも低い場合、整流器デバイス２は、整流器デバイス２に電流が流れるのを阻止する。このような電流の流れは、入力側に印加される、制限されるべき交流電圧に影響を与えてしまうだろう。しかし、これが阻止されるので、入力側に印加される、制限されるべき交流電圧は影響を受けない。

過電圧制限デバイス１、１ａの入力端子１１、１２での制限されるべき交流電圧が、所定の絶対値を超えると、整流器デバイス２は電流の流れを許可する。この所定の絶対値は、整流器デバイス２の直流電流端子４、５に印加される電圧によって調整可能である。

整流器デバイス２の出力側の電圧は、耐インパルスコンデンサ８または中間回路コンデンサ１９、１９ａ、１９ｂに印加される中間回路電圧に制限される。ここで電力が、２つの入力端子１１、１２から、交流電圧変換器デバイス３と整流器デバイス２とを介して、出力端子２１、２２に搬送される。これは図１、図２および図３において、矢印４０によって示されている。このようにして、入力端子１１、１２での交流電圧が、別の設定可能な絶対値に制限される。ここで、耐インパルスコンデンサ８または中間回路コンデンサ１９、１９ａ、１９ｂ内に導かれるエネルギーは、その後、インバータ回路ユニット１４の交流電圧生成デバイス１３、１３ａに再び導かれ得る。

これによって、もはや、制限されるべき交流電圧から得られる余剰エネルギーの僅かな部分しか、熱に変換されない。

ここで、過電圧制限デバイス１、１ａは、電力が、矢印４０と反対の方向に流れられないように設計されている。これは特に、整流器デバイス２の設計によって保証される。

過電圧制限デバイス１、１ａが具備された交流電圧生成装置１３１、１３１ａの機能様式は、以下のようなものであり得る。交流電圧生成装置１３１、１３１ａは、交流電圧生成デバイス１３、１３ａ内の１つまたは複数の中間回路電圧ユニット２０、２０ａ、２０ｂからの直流電圧電力を、まずは直流電流に変換して、このように生成された直流電流を、交流電圧と交流電流とを生成するインバータ回路ユニット１４に供給する。このようにして、直流電圧電力は、交流電流電力に変換される。

電力、特に交流電流電力は、負荷１５に供給される。エネルギーまたは電力の流れが、矢印４１の方向において、１つまたは複数の中間回路電圧ユニット２０、２０ａ、２０ｂから、インバータ回路ユニット１４へ、その後、特に負荷１５へと生じる。負荷１５の動的なインピーダンスに基づいて、ここで、電圧が過度に高くなることがある。これは例えば、インバータ回路ユニット１４に損傷を与え得る。このような過度の電圧上昇はここで、上述したように、過電圧制限デバイス１、１ａによって、許容される値に制限される。

矢印４１は、長い、貫通している矢印として示されている。これによって、通常時に、継続的な電力またはエネルギーの流れが、交流電圧生成デバイス１３、１３ａを通って、矢印４１の方向に流れることが暗示されている。これとは異なり、矢印４０は、中断されているまたは分断されている矢印として示されている。これによって、制限されるべき電圧を超えた場合にのみ、電力またはエネルギーの流れが、過電圧制限デバイス１、１ａを通って、矢印４０の方向で流れることが暗示されている。

記載されているのは、過電圧制限デバイス１によって、インバータ回路ユニット１４を有する交流電圧生成装置１３１の出力側の出力電圧を過電圧制限する方法および装置である。ここでこの過電圧制限デバイス１は、
・インバータ回路ユニットに接続するための２つの入力端子１１、１２
・交流電圧生成装置の中間回路電圧ユニット２０に接続するための２つの出力端子２１、２２
・出力端子と接続されている整流器デバイス２
・入力端子と整流器デバイスとに接続されている交流電圧変換器デバイス３
を有している。ここで、入力端子で、所定の絶対値を超えて正の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、所定の絶対値を超えて負の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、電力が、入力端子から交流電圧変換器デバイスと整流器デバイスとを介して出力端子に搬送され、このようにして、入力端子での交流電圧が、別の設定可能な絶対値に制限される。

Claims (16)

1. インバータ回路ユニット（１４）を有する交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）のための過電圧制限デバイス（１，１ａ）であって、
   前記交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）は、動的な負荷インピーダンスを有する負荷（１５）に電力を供給するように、かつ、当該交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）の動作中に、生成する交流電圧電力の周波数が変更可能であるように、設計されており、
   前記過電圧制限デバイス（１，１ａ）は、
   ・前記インバータ回路ユニット（１４）の、前記負荷（１５）への２つの出力端子（２３，２４）に接続するための２つの入力端子（１１，１２）と、
   ・前記交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）の、前記インバータ回路ユニット（１４）の入力に直流電圧を供給する中間回路電圧ユニット（２０）に接続するための２つの出力端子（２１，２２）と、
   ・交流電流端子（６，７）と、前記出力端子（２１，２２）に接続されている直流電流端子（４，５）とを有している整流器デバイス（２）と、
   ・前記入力端子（１１，１２）に接続されている一次側（３２）と、前記整流器デバイス（２）の前記交流電流端子（６，７）に接続されている二次側（３１）とを有している交流電圧変換器デバイス（３）と、
   を備えており、
   前記入力端子（１１，１２）で、所定の絶対値を超えて正の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、所定の絶対値を超えて負の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、電力が、前記入力端子（１１，１２）から前記交流電圧変換器デバイス（３）と前記整流器デバイス（２）とを介して前記出力端子（２１，２２）に搬送されて、前記入力端子（１１，１２）での交流電圧が別の設定可能な絶対値に制限されるように、前記過電圧制限デバイス（１，１ａ）が設計されており、
   前記交流電圧のピーク値が前記設定可能な絶対値未満である場合には、電流が前記整流器デバイス（２）を通って流れないように、前記過電圧制限デバイス（１，１ａ）が設計されており、
   前記負荷（１５）の前記負荷インピーダンスの変化時に前記交流電圧電力の前記周波数が変更されるように、前記交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）は、設計されており、
   前記交流電圧変換器デバイス（３）は、変圧器を含んでおり、当該変圧器は、一次巻線（３４）と二次巻線（３３ａ，３３ｂ）とを有しており、前記一次巻線（３４）および前記二次巻線（３３ａ，３３ｂ）はそれぞれ帯状かつ２本巻きの線路を有している、
   ことを特徴とする過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
2. 前記入力端子で測定されるインダクタンス（９）は、４５０ｎＨ未満である、請求項１に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
3. 前記交流電圧変換器デバイス（３）は、３００ｎＨ未満の漏れインダクタンスを有しており、かつ、３０Ａを超えるピーク電流を通すように設計されている、請求項１又は２に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
4. 前記交流電圧変換器デバイス（３）は、０．０５Ω未満の値の直流電流抵抗を有している、請求項１から３までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
5. 付加的に、少なくとも１つの、電流の流れを整える機構（２７ａ，２７ｂ）が設けられており、当該電流の流れを整える機構（２７ａ，２７ｂ）は、直流電流端子（４，５）と出力端子（２２ａ，２２ｂ）との間に直列接続されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
6. 前記整流器デバイス（２）の前記直流電流端子（４，５）に、耐インパルスコンデンサ（８）が接続されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
7. 前記耐インパルスコンデンサ（８）は、１つまたは複数のコンデンサユニットから構成されており、前記コンデンサユニットは総計で、２０μＦを超える容量を有している、請求項６に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
8. 前記交流電圧変換器デバイス（３）は電流の流れによって磁化可能な要素を有しており、交流電圧のピーク値が前記設定可能な絶対値未満である場合には、前記磁化可能な要素を磁化する電流だけが流れるように、前記過電圧制限デバイス（１，１ａ）が設計されている、請求項１から７までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
9. 前記交流電圧変換器デバイス（３）が直接、前記インバータ回路ユニットと接続可能であるように、前記過電圧制限デバイス（１，１ａ）が設計されている、請求項１から８までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
10. 自身の漏れインダクタンスと、設計の対象であるピーク電流との積が１ｍＨＡ未満となるように、前記交流電圧変換器デバイス（３）が設計されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
11. 整流器デバイス（２）と交流電圧変換器デバイス（３）との間の複数の接続線路は帯状である、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
12. 前記一次巻線（３４）の巻数と前記二次巻線（３３ａ，３３ｂ）の巻数との差が、最大で１巻きぶんであるように、前記変圧器が構成されている、請求項１に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
13. 前記耐インパルスコンデンサ（８）と前記整流器デバイス（２）との間の複数の接続線路はそれぞれ２ｃｍよりも短い長さを有している、請求項６または７に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）。
14. 交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）であって、
    動的な負荷インピーダンスを有する負荷（１５）に給電するように、かつ、当該交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）の動作中に、生成する交流電圧電力の周波数が変更可能であるように、設計されており、
    さらに、前記負荷（１５）の前記負荷インピーダンスの変化時に前記交流電圧電力の前記周波数が変更されるように、設計されており、
    請求項１から１３までのいずれか１項に記載の過電圧制限デバイス（１，１ａ）を備えている、
    ことを特徴とする交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）。
15. 過電圧制限デバイス（１，１ａ）によって、インバータ回路ユニット（１４）を有する交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）の出力側の出力電圧を過電圧制限する方法であって、
    前記交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）は、動的な負荷インピーダンスを有する負荷（１５）に電力を供給するように、かつ、当該交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）の動作中に、生成する交流電圧電力の周波数が変更可能であるように、設計されており、
    前記過電圧制限デバイス（１，１ａ）は、
    ・前記インバータ回路ユニット（１４）の、前記負荷（１５）への２つの出力端子（２３，２４）に接続するための２つの入力端子（１１，１２）と、
    ・前記交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）の、前記インバータ回路ユニット（１４）の入力に直流電圧を供給する中間回路電圧ユニット（２０）に接続するための２つの出力端子（２１，２２）と、
    ・交流電流端子（６，７）と、前記出力端子（２１，２２）に接続されている直流電流端子（４，５）とを有している整流器デバイス（２）と、
    ・前記入力端子（１１，１２）に接続されている一次側（３２）と、前記整流器デバイス（２）の前記交流電流端子（６，７）に接続されている二次側（３１）とを有している交流電圧変換器デバイス（３）と、
    を備えており、
    前記交流電圧変換器デバイス（３）は、変圧器を含んでおり、当該変圧器は、一次巻線（３４）と二次巻線（３３ａ，３３ｂ）とを有しており、前記一次巻線（３４）および前記二次巻線（３３ａ，３３ｂ）はそれぞれ帯状かつ２本巻きの線路を有しており、
    前記入力端子（１１，１２）で、所定の絶対値を超えて正の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、所定の絶対値を超えて負の交流電圧ピーク値を超えた場合にも、電力が、前記入力端子（１１，１２）から前記交流電圧変換器デバイス（３）と前記整流器デバイス（２）とを介して前記出力端子に搬送されて、前記入力端子（１１，１２）での交流電圧が別の設定可能な絶対値に制限され、
    前記交流電圧のピーク値が前記設定可能な絶対値未満である場合には、電流が前記整流器デバイス（２）を通って流れないようにされ、
    前記負荷（１５）の前記負荷インピーダンスの変化時に、前記交流電圧電力の前記周波数が変更される、
    ことを特徴とする、過電圧制限する方法。
16. 前記入力端子（１１，１２）から前記交流電圧変換器デバイス（３）と前記整流器デバイス（２）とを介して前記出力端子に搬送された電力は、前記交流電圧生成装置（１３１，１３１ａ）内に配置されている交流電圧生成デバイス（１３，１３ａ）に少なくとも部分的に供給される、
    ことを特徴とする、請求項１５に記載の過電圧制限する方法。

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