JP6970299B2 - ３ポート電圧変換器のための変圧器、３ポート電圧変換器、および電気エネルギーの伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器、このような変圧器を備えた３ポート電圧変換器、およびこのような変圧器を用いた電気エネルギーの伝送方法に関する。

文献ＤＥ１０２０１４２２０４３４Ａ１は、多数の並列接続された共振変換器を備えたＤＣ／ＤＣ変換器を開示している。この場合、エネルギーを一次側から二次側へ伝送する共振変換器の数は、二次側の負荷の電力消費に依存する。

電気自動車およびハイブリッド車は、一般的に２つの異なるオンボードネットワークを有する。蓄電池によってバッファリングされる低電圧ネットワーク内では、一般的に、すべての低電圧消費機器、例えばオンボードコンピュータ、ライトユニット、および娯楽用電子機器が供給を受ける。さらに、高ボルト蓄電池によって供給される高電圧ネットワークが、駆動装置のための電気エネルギーを供給する。とりわけ、低電圧ネットワークのための電気エネルギーは高電圧側から供給され得る。このために直流電圧変換器を用いることができ、この直流電圧変換器は、安全技術的な理由から、高電圧ネットワークと低電圧ネットワークの間のガルバニック絶縁を有さなければならない。

それだけでなく、電気自動車またはハイブリッド車の蓄電池は、外部の電圧供給を介して充電され得る。これについても安全技術的な理由からガルバニック絶縁が規定されなければならず、したがって合計で３つの互いからそれぞれガルバニック絶縁された電圧系統が存在する。

本発明は、特許請求項１の特徴を有する変圧器、特許請求項３の特徴を有する３ポート電圧変換器、ならびに特許請求項９および１０の特徴を有する電気エネルギーの伝送方法を開示する。

これに応じて特徴とされるのは：
第１のリング状の変圧器鉄心と、第２のリング状の変圧器鉄心と、第１の一次コイルと、第２の一次コイルと、第１の二次コイルと、第２の二次コイルと、三次コイルとを備えた、３ポート電圧変換器のための変圧器である。第１の一次コイルは第１の変圧器鉄心に配置されている。第２の一次コイルは第２の変圧器鉄心に配置されている。第１の二次コイルは第１の変圧器鉄心に配置されている。第２の二次コイルは第２の変圧器鉄心に配置されている。最後に三次コイルは、第１の変圧器鉄心にも第２の変圧器鉄心にも配置されている。概念「配置されている」とは、とりわけ、それぞれのコイルがそれぞれの変圧器鉄心の周りに巻き付けられているということである。リング状の変圧器鉄心としては、例えば閉じた変圧器鉄心構造、とりわけトロイド形または長方形の変圧器鉄心構造があり得る。

さらに特徴とされるのは：
本発明による変圧器と、第１の制御回路と、第２の制御回路と、整流回路とを備えた３ポート電圧変換器である。第１の制御回路は、第１の一次コイルにおいて第１の交流電圧を提供するために、および第２の一次コイルにおいて第２の交流電圧を提供するために設計されている。第２の制御回路は、第１の二次コイルに印加される交流電圧を整流するために、および第２の二次コイルに印加される交流電圧を整流するためにも設計されている。第２の制御回路はとりわけ、整流された電圧を出力端子において直流電圧として提供し得る。第２の制御回路はさらに、第１の一次コイルにおいて第１の交流電圧を提供するために、および第２の一次コイルにおいて第２の交流電圧を提供するために設計され得る。整流回路は、三次コイルに印加される交流電圧を整流するために設計され得る。整流された交流電圧は、整流回路の出力端子において提供され得る。

そのうえ特徴とされるのは：
第１の一次コイルにおいて第１の交流電圧を提供するステップと、第１の交流電圧の提供に対してタイムラグをつけて第２の一次コイルにおいて第２の交流電圧を提供するステップとを有する、本発明による変圧器を用いた電気エネルギーの伝送方法である。タイムラグは、とりわけ三次コイルにおける目標電圧に依存して調整され得る。

最後に特徴とされるのは：
第１の二次コイルにおいて第１の交流電圧を提供するステップと、第２の二次コイルにおいて第２の交流電圧を提供するステップとを有する、本発明による変圧器を用いた電気エネルギーの伝送方法である。その際、第１の交流電圧により第１の変圧器鉄心内で呼び起こされる磁束と、第２の交流電圧により第２の変圧器鉄心内で呼び起こされる磁束とは、第２の変圧器鉄心のうち三次コイルに取り囲まれた領域では同じ方向に走り得る。

［発明の利点］
本発明の基礎となる知見は、電気自動車およびハイブリッド車が、一般的に３つの互いから分離された電圧系統を有することである。車両の低電圧オンボードネットワークおよび高電圧オンボードネットワークと共に、車両内の蓄電池を充電するために電気エネルギーを送るための端子がさらに存在する。この場合、これら３つすべてのオンボードネットワークが互いからガルバニック絶縁されなければならない。これに関し、３つの電圧系統のガルバニック絶縁された結合には、安価で効率的な結合が望ましい。

それゆえ本発明の基礎となるアイデアは、この知見を顧慮し、３つの電圧系統を、ガルバニック絶縁型電圧コンバータを使って相互に結合することである。これはとりわけ、５つの別々のコイルを備えた１つの共通の変圧器の使用によって実現され得る。その際、５つのコイルは、２つのリング状の変圧器鉄心上に配置されており、つまり巻き付けられている。これに関し、リング状の変圧器鉄心と見なされ得るのは、例えばトロイド形の変圧器鉄心である。ただしこれに関し、リング状は、円形またはオーバル形を意味する必要はなく、むしろ長方形または正方形の閉じた変圧器鉄心構造も含み得る。そのような閉じた変圧器鉄心構造は、とりわけ、例えばＵ字形の変圧器鉄心とその上に配置されたヨーク部によって実現され得る（ＵＩ形鉄心）。しかしまた任意のそのほかの、それだけで閉じた変圧器鉄心構造が可能である。両方の個々の変圧器鉄心が、２つのそれだけで閉じた変圧器鉄心構造を有する共通の変圧器鉄心として実現されてもよい。これは、例えばＥ字形の変圧器鉄心構造とその上に配置されたヨーク部によって実現され得る（Ｅ形鉄心）。

リング状または閉じたと呼ばれるこれらの変圧器鉄心は、例えば漏れインダクタンスを上昇させるため、１つまたは複数の不連続のエアギャップを有し得る。例えば、変圧器鉄心の脚部とヨーク部の間にエアギャップが設けられ得る。それだけでなく、変圧器鉄心は強磁性粉末粒子も含み得る。強磁性粉末粒子を有する変圧器鉄心は、「圧粉鉄心」または分散エアギャップを有する鉄心とも呼ばれる。

両方の高電圧側の端子、例えば外部の電圧源に割り当てられた端子と、電気自動車またはハイブリッド車の高電圧端子とのために、それぞれ２つのコイルが設けられており、これに関し、両方のコイルの一方がそれぞれ第１の変圧器鉄心の周りに、および両方のコイルの一方がそれぞれ第２の変圧器鉄心の周りに配置されている。例えば電気自動車またはハイブリッド車の低ボルトオンボードネットワークに割り当てられ得る第３のコイルは、両方の変圧器鉄心の周りに巻き付けられ得る。とりわけ、第１の変圧器鉄心と第２の変圧器鉄心を組み合わせた変圧器鉄心構成の場合には、この三次コイルを、両方の変圧器鉄心に割り当てられた１つの脚部の周りに巻き付けることもできる。

個々の変圧器コイルの適切な制御により、個々のコイルの間のエネルギー伝送を的確に制御することができる。とりわけ、例えば電気自動車またはハイブリッド車の外部からの電圧供給に割り当てられ得る一次コイルから、例えば電気自動車またはハイブリッド車の高ボルトオンボードネットワークに割り当てられ得る二次コイルへのエネルギー伝送の際に、同時に三次コイルへ伝送されるエネルギー割合を制御することができ、これに関し三次コイルは、例えば電気自動車またはハイブリッド車の低ボルトオンボードネットワークに割り当てられ得る。

このようにして、１つだけの効率的でコンパクトな変圧器構成を使って、電気エネルギーを３つの電圧系統の間で的確に伝送することができ、その際、３つすべての電圧系統の間でガルバニック絶縁が実現され得る。

可能な一実施形態では、第１の変圧器鉄心および第２の変圧器鉄心が共通の脚部を含んでいる。とりわけ、三次コイルがこの共通の脚部の周りに配置され得る。上で既に述べたように、両方の変圧器鉄心が共通の変圧器鉄心構造として実現される変圧器鉄心構成により、特に効率的でコンパクトな変圧器構成が実現され得る。

３ポート電圧変換器の可能な一実施形態では、第１の制御回路が、第１の一次コイルにおける第１の交流電圧の提供と第２の一次コイルにおける第２の交流電圧の提供との間にタイムラグを調整するために設計されている。タイムラグは、とりわけ三次コイルにおける目標電圧に依存して調整され得る。

第１の交流電圧および第２の交流電圧は、一般的に同じ周波数を有する。第１の一次コイルにおける第１の交流電圧の提供および第２の一次コイルにおける第２の交流電圧の提供は、それぞれ０Ｖから上昇していく交流電圧で始まり得る。このようにして、第１の交流電圧および第２の交流電圧の時間的にずれた提供により、とりわけ両方の交流電圧が同じ周波数の場合、両方の交流電圧の間に位相差が生じる。

一次コイルにおける第１の交流電圧の提供と第２の交流電圧の提供の間のこのタイムラグの変更により、変圧器鉄心のうち周りに三次コイルが巻き付けられた脚部を通る磁束が制御され得る。このようにして三次コイルにおける電圧が、一次コイルにおける両方の交流電圧の間のタイムラグによって適合され得る。とりわけ、このようにして一次コイルから三次コイルへの電力伝送が制御され得る。

可能な一実施形態では、第１の制御回路が、第１の一次コイルと電気的に結合された第１の一次共振回路を含んでいる。第１の制御回路はさらに、第２の一次コイルと電気的に結合された第２の一次共振回路を含み得る。これにより、３ポート電圧変換器の一次側での共振回路が、直流電圧共振コンバータの構築を可能にする。とりわけ、共振回路は例えばインダクタンスおよびキャパシタンスの直列接続によって実現され得る。これに関し部品の寸法決定は、とりわけ共振コンバータ内の所望の周波数に適合され得る。

可能な一実施形態では、第１の制御回路が、第１の一次共振回路および第２の一次共振回路においてそれぞれ矩形波電圧を提供するために設計されている。矩形波電圧のデューティー比は、とりわけ伝送すべき電力に依存して適合され得る。このようにして、３ポート電圧変換器内で伝送される電力が、調整されるデューティー比に基づいて適合および調整され得る。これは、３ポート電圧変換器内へ伝送される電力の特に簡単な調節を可能にする。

可能な一実施形態では、第２の制御回路が二次共振回路を含んでいる。第２の制御回路の二次共振回路は、とりわけ結節点において第１の二次コイルおよび第２の二次コイルと電気的に結合され得る。この共振回路は、とりわけ直列接続されたインダクタンスおよびキャパシタンスを含み得る。部品の寸法決定は、調整すべき共振周波数に適合され得る。このような二次共振回路は、二次コイルを介しても電気エネルギーが送られ得る共振電圧変換器を可能にする。

可能な一実施形態では、第２の制御回路が、第１の二次コイルと電気的に結合された第１の二次共振回路および第２の二次コイルと電気的に結合された第２の二次共振回路を含んでいる。さらに整流回路が、三次コイルと電気的に結合された三次共振回路を含み得る。このようにして、一次側で共振回路を必要とせずに、共振電圧コンバータが実現され得る。

上記の形態および変形形態は、有意義であれば、任意に相互に組み合わされ得る。本発明のさらなる形態、変形形態、および実装は、上でまたは以下で例示的実施形態に関連して述べられている本発明の特徴の、明確には挙げられていない組合せも含む。これに関してはとりわけ、当業者は本発明のそれぞれの基本形に対する改善または補充としての個々の態様も付け加えるであろう。

以下に、図面の概略図に示した実施形態に基づいて本発明をより詳しく解説する。

一実施形態に基づく３ポート電圧変換器のための変圧器の概略図である。 さらなる一実施形態に基づく３ポート電圧変換器のための変圧器の概略図である。 一実施形態に基づく３ポート電圧変換器に関する概略的な原理回路図である。 一実施形態に基づく３ポート電圧変換器の制御の基礎となる概略的なタイミング図である。 さらなる一実施形態に基づく３ポート電圧変換器の概略的な原理回路図である。 さらなる一実施形態に基づく３ポート電圧変換器の概略的な原理回路図である。 一実施形態に基づく電気エネルギーの伝送方法の基礎となるフロー図である。 さらなる一実施形態に基づく電気エネルギーの伝送方法の基礎となるフロー図である。

以下の説明では、同じ符号は同じまたは同種の要素を示している。
図１は、例えば３ポート電圧変換器に用い得るような変圧器１の概略図を示している。変圧器１は、第１の変圧器鉄心４１および第２の変圧器鉄心４２を含んでいる。両方の変圧器鉄心４１および４２は、リング状の変圧器鉄心である。これに関し、リング状の変圧器鉄心と見なされ得るのは、例えばトロイド形の変圧器鉄心構造である。ただしリング状は、円形または場合によってはオーバル形には限定されない。むしろ、例えば長方形または正方形の構造を形成する複数の真っ直ぐ延びている変圧器鉄心要素から成るとりわけ閉じた構造も、リング状の変圧器鉄心構造と見なされ得る。例えば、そのような閉じた変圧器鉄心構造は、Ｕ字形の変圧器鉄心およびその上に配置されたヨーク部から構成され得る。リング状の変圧器鉄心としてはそれだけでなく、閉じた変圧器鉄心を構成する任意のそのほかの変圧器鉄心構造ももちろん可能である。

リング状の変圧器鉄心４１、４２は、場合によっては１つまたは複数の不連続のエアギャップを有し得る。例えば、変圧器鉄心４１、４２の脚部とヨーク部の間に１つのエアギャップまたは複数のエアギャップも設けられ得る。それだけでなく、変圧器鉄心４１、４２は強磁性粉末粒子も含み得る。強磁性粉末粒子を有する変圧器鉄心は、いわゆる圧粉鉄心または分散エアギャップを有する鉄心とも呼ばれる。これにより、例えばそれぞれの変圧器鉄心４１、４２内の磁束に影響を及ぼすことができる。

変圧器１は、５つのコイル１１、１２、２１、２２、３１をさらに含んでいる。これら５つのコイル１１、１２、２１、２２、３１は、３つの電圧系統に割り当てられている。第１の一次コイル１１および第２の一次コイル１２は、第１の電圧系統に割り当てられている。第１の二次コイル２１および第２の二次コイル２２は、第２の電圧系統に割り当てられている。三次コイル３１は、第３の電圧系統に割り当てられている。第１の一次コイル１１は第１の変圧器鉄心４１に配置されており、つまり第１の一次コイル１１は第１の変圧器鉄心４１の設定領域の周りに巻き付けられている。第２の一次コイル１２は第２の変圧器鉄心４２に配置されている。これに関し、第１の一次コイル１１および第２の一次コイル１２は、同じまたは少なくともほぼ同じように形成され得る。とりわけ、第１の一次コイル１１および第２の一次コイル１２は同じ巻き数を有し得る。第１の二次コイル２１は第１の変圧器鉄心４１に配置されており、第２の二次コイル２２は第２の変圧器鉄心４２に配置されている。第１の二次コイル２１および第２の二次コイル２２は、とりわけ同じように形成することができ、例えば同じ巻き数を有し得る。第１の二次コイル２１および第２の二次コイル２２は、結節点Ｋにおいて相互に電気的に接続され得る。上述の配置により、第１の一次コイル１１は第１の変圧器鉄心４１内で磁束を呼び起こすことができ、この磁束が他方でまた第１の二次コイル２１内で電圧を誘導する。これに倣って第２の一次コイル１２により、第２の変圧器鉄心４２内で磁束を呼び起こすことができ、この磁束が第２の二次コイル２２内で電圧を誘導する。

変圧器１はそれだけでなく、第１の変圧器鉄心４１にも第２の変圧器鉄心４２にも配置された三次コイル３１を含んでいる。言い換えれば、三次コイル３１の巻線は、第１の変圧器鉄心４１も第２の変圧器鉄心４２もそれぞれ設定領域において包囲している。このようにして三次コイル３１内では、両方の変圧器鉄心４１および４２内の磁束の合計に対応する電圧が誘導され得る。ただしこの場合、磁束の方向も考慮しなければならない。第１の変圧器鉄心４１内の三次コイル３１を通る磁束が、第２の変圧器鉄心４２内の三次コイル３１を通る磁束に対向している場合、両方の磁束は少なくともほぼ打ち消し合うことができ、したがって合計すると、三次コイル３１内では電圧がまったく誘導されないかまたは場合によっては少しだけ誘導される。

図２は、さらなる一実施形態に基づく変圧器１の概略図を示している。この実施形態での変圧器１は、図１からの変圧器１に広範囲で一致している。よって図１との関連でなされた記述が図２にも当てはまる。図２での変圧器１は、図１での変圧器とは、第１の変圧器鉄心４１および第２の変圧器鉄心４２が共通の変圧器鉄心によって構成されている点でのみ異なっている。とりわけ、第１の変圧器鉄心４１および第２の変圧器鉄心４２のうち三次コイル３１に巻き付かれた両方の脚部が１本の脚部４０に統合されている。このような変圧器鉄心は、例えばＥ字形の構造とその上に配置された真っ直ぐ延びているヨーク部によって構成され得る。ただし、図２に基づく組み合わされた変圧器鉄心を構成するためのそのほかの可能性もあり得る。

図３は、一実施形態に基づく３ポート電圧変換器２の概略的な原理回路図を示している。第１の一次コイル１１および第２の一次コイル１２は、第１の制御回路１０によって個々に制御され得る。ここに示した例示的実施形態では、第１の制御回路１０は、直流電圧Ｕ１が提供され得る直流電圧端子１９を含んでいる。第１の制御回路１０はさらに、それぞれ２つのスイッチング素子、例えば２つの半導体スイッチング素子を備えた３つのハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、およびＨＡ３を含んでいる。３つのハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、およびＨＡ３は、共通の結節点において直流電圧端子１９の正端子と電気的に結合されており、直流電圧端子１９の負端子は、反対側の結節点においてハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、ＨＡ３と電気的に結合されている。第１のハーフブリッジＨＡ１の中間の結節点と第１の一次コイル１１の端子との間に、第１の一次共振回路１３、例えば第１のインダクタンスＬ１および第１のキャパシタンスＣ１から成る直列共振回路が設けられ得る。これに倣って第２のハーフブリッジＨＡ２の中間の結節点と第２の一次コイル１２の端子との間に第２の一次共振回路１４が設けられ得る。この第２の一次共振回路１４も、例えば第２のインダクタンスＬ２および第２のキャパシタンスＣ２から成る直列共振回路によって構成され得る。第１の一次コイル１１および第２の一次コイル１２の両方のもう一方の端子は、第３のハーフブリッジＨＡ３の中間の結節点と電気的に接続されている。

第１および第２の二次コイル２１、２２は、第２の制御回路２０と接続され得る。第２の制御回路２０は、第１の二次コイル２１および第２の二次コイル２２内で誘導された電圧を整流でき、第２の制御回路２０の端子２９において提供できる。第２の制御回路２０はさらに、端子２９において提供される直流電圧Ｕ２を、第１の二次コイル２１および第２の二次コイル２２を励起するために変換することもできる。第２の制御回路２０は、例えば３つのハーフブリッジＨＢ１、ＨＢ２、ＨＢ３を含んでいる。各ハーフブリッジＨＢ１、ＨＢ２、ＨＢ３は、例えば２つの半導体スイッチング素子を含み得る。第２の制御回路の３つのハーフブリッジＨＢ１、ＨＢ２、ＨＢ３は、一方の側では端子２９の正端子点と、およびもう一方の側では端子１９の負端子素子と接続され得る。第１の二次コイル２１の一方の端子および第２の二次コイル２２の一方の端子は、結節点Ｋにおいて電気的に相互に接続され得る。この結節点Ｋは、例えば二次共振回路２５、とりわけインダクタンスおよびキャパシタンスから成る直列共振回路を介して第３のハーフブリッジＨＢ３の中間の結節点と接続され得る。第１のハーフブリッジＨＢ１および第２のハーフブリッジＨＢ２の中間の結節点はそれぞれ、第１の二次コイル２１または第２の二次コイル２２のもう一方の端子と接続され得る。

三次コイル３１の端子は、整流回路３０と接続され得る。このようにして、三次コイル３１内で誘導された電圧を整流でき、整流された電圧Ｕ３は、整流回路３０の端子３９において提供され得る。

図４は、３ポート電圧変換器２の制御に関するスイッチング状態の時間的推移の概略図を示している。ここでは、第１の制御回路１０のハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、ＨＡ３のスイッチング状態が示されている。−１の値はここではそれぞれ、それぞれのハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、ＨＡ３の下側のスイッチング素子が閉じており、相応のハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、ＨＡ３の上側のスイッチング素子が開いていることを意味する。これに倣って＋１の値は、それぞれのハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、ＨＡ３の上側のスイッチング素子が閉じており、下側のスイッチング素子が開いていることを意味する。ハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、ＨＡ３の制御、とりわけこれらハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２、ＨＡ３内のスイッチング素子の制御は、ここでは周期的に行われ得る。周期時間は、ここではＴで表わされている。第１の期間ｔ１内は、第１および第２のハーフブリッジＨＡ１、ＨＡ２の下側のスイッチング素子は閉じており、対応している上側のスイッチング素子は開いている。第３のハーフブリッジＨＡ３では、上側のスイッチング素子が閉じており、対応している下側のスイッチング素子が開いている。第２の期間ｔ２では、これに基づいて第１のハーフブリッジＨＡ１の下側のスイッチング素子が開かれ、第１のハーフブリッジＨＡ１の上側のスイッチング素子が閉じられる。第３の期間ｔ３には、第２のハーフブリッジＨＡ２内でも下側のスイッチング素子が開かれ、上側のスイッチング素子が閉じられる。これに関し３つの期間ｔ１、ｔ２、およびｔ３の合計は、それぞれ周期時間Ｔの半分である。３つのさらなる期間ｔ１’、ｔ２’、およびｔ３’が続いており、これらの期間ｔ１’、ｔ２’、およびｔ３’内は、スイッチング状態がそれぞれ、期間ｔ１、ｔ２、およびｔ３と正確に逆になっている。第１の期間ｔ１、ｔ１’中は、第１の変圧器鉄心４１内の第１の一次コイル１１が磁界を生成し、この磁界が、第１の二次コイル２１内で電圧を誘導する。同じように第２の変圧器鉄心４２内の第２の一次コイル１２が磁界を生成し、この磁界が、第２の二次コイル２２内で電圧を誘導する。その際、両方の変圧器鉄心４１、４２のうち三次コイル３１に巻き付かれた領域では、磁界が少なくともほぼ打ち消し合っており、したがって三次コイル３１内では有意な電圧は誘導されない。このようにして、電気エネルギーは一次コイル１１、１２から二次コイル２１、２２へ伝送され得る。第２の期間ｔ２、ｔ２’内は、第１の変圧器鉄心４１内で第１の一次コイル１１により磁界が呼び起こされなくなる。第２の一次コイル２１により第２の変圧器鉄心４２内で磁界が生成されるだけである。これに相応してこの電界は、第２の二次コイル２１内でも三次コイル３１内でも電圧を誘導する。このようにして、電気エネルギーは第２の一次コイル２１から第２の二次コイル２１へも三次コイル３１へも伝送され得る。

第３の期間ｔ３、ｔ３’内は、第１の一次コイル２１も第２の一次コイル２２も励起されず、したがって磁心４１、４２のいずれでも磁界は呼び起こされない。これに相応して、個々の巻線の間の電気エネルギーの伝送も行われない。

前出の説明から認識できるように、個々の期間ｔ１、ｔ２、ｔ３またはｔ１’、ｔ２’、ｔ３’の変更により、伝送されるエネルギーの量が調節され得る。例えば、電気エネルギーが一次コイル１１、１２から二次コイル２１、２２にしか伝送されない場合、第１の制御回路１０の第１のハーフブリッジＨＡ１および第２のハーフブリッジＨＡ２内のスイッチング素子がそれぞれ同じように制御される。言い換えれば、中間の期間ｔ２、ｔ２’は０である。その際、ｔ１対ｔ３の比（ｔ２＝０）が、伝送されるエネルギーの量を制御する。

それだけでなく電気エネルギーが三次コイル３１へも伝送される場合、これは、第２のハーフブリッジＨＡ２に対する第１のハーフブリッジＨＡ１のための制御信号のタイムラグによって達成され得る。これは、例えば期間ｔ２、ｔ２’＞０によって達成される。時間のずれｔ２、ｔ２’が、したがって第１のハーフブリッジＨＡ１および第２のハーフブリッジＨＡ２のための制御信号の間のラグが大きければそれだけ、三次コイル３１へ伝送される電気エネルギーの量が大きくなる。

第１のハーフブリッジＨＡ１および第２のハーフブリッジＨＡ２の制御により、それぞれ、第１の一次コイル１１および第２の一次コイル１２において電気的な交流電圧が提供される。この場合、電気的な交流電圧の提供はそれぞれ、０ボルトから始まって上昇していく交流電圧で始まる。したがって、一次コイル１１および二次コイル１２における交流電圧が同じ周波数の場合、第１の一次コイル１１における交流電圧と第２の一次コイル１２における交流電圧との間に、時間のずれｔ２、ｔ２’に対応する位相差が生じる。

二次コイル２１、２２の端子に印加される交流電圧は、そのあとで制御回路２０によって整流され得る。このために例えば、制御回路２０内に設けられたハーフブリッジＨＢ１、ＨＢ２、ＨＢ３を使った能動型整流回路が実現され得る。三次コイル３１の端子に印加される交流電圧は、整流回路３０、とりわけ能動型または受動型の整流回路を使って実現され得る。

前出の一次コイル１１、１２から二次コイル２１、２２へのおよび同時に三次コイル３１への電気エネルギーの伝送だけでなく、二次コイル２１、２２から三次コイル３１への電気エネルギーの伝送も可能であり、この場合には一次コイル１１、１２の制御を行う必要はない。このために、第２の制御回路２０により第１の二次コイル２１および第２の二次コイル２２が励起される。その際、第２の二次コイル２２の励起は、第１の二次コイル２１の励起と逆の極性で行われる。このようにして、両方の二次コイル２１、２２によって呼び起こされた磁界が、変圧器鉄心４１、４２のうち三次コイル３１に取り囲まれた領域では同じ方向に走る磁束を生成し、この磁束が、相応に三次コイル３１内の電圧を呼び起こす。この場合には、第１の一次コイル１１および第２の一次コイル１２内で呼び起こされる電圧は、第１の変圧器鉄心４１および第２の変圧器鉄心４１内の両方の磁束が対向しているので、相互に打ち消し合う。

図５は、さらなる一実施形態に基づく３ポート電圧変換器２に関する概略的な原理回路図を示している。この回路は、図３に基づく回路構成に広範囲で一致している。したがってこの実施形態には、有意義であれば、既に図３でなされた説明も当てはまる。図５に基づく回路構成は、図３の回路構成とは、一次共振回路１３、１４がなくなっている点でのみ異なっている。この実施形態では、３ポート電圧変換器２の共振励起のため、両方の一次共振回路１３、１４の代わりに２つの二次共振回路２３、２４および１つの三次共振回路３５が設けられている。このようにして、一次コイル１１、１２における共振回路なしでも、共振励起が達成され得る。

図６は、一実施形態に基づく３ポート電圧変換器２の概略図を示している。この３ポート電圧変換器２は、図４に基づく電圧変換器とは、第１の制御回路１０が２つのハーフブリッジＨＡ１およびＨＡ２しか含まない点で異なっている。したがって、第１の制御回路１０のための第３のハーフブリッジＨＡ３はなくすことができる。

図７は、前述の変圧器１の１つを用いた、例えば３ポート電圧変換器２を使った電気エネルギーの伝送方法の基礎となる概略的なフロー図を示している。ステップＳ１０では、第１の一次コイル１１において第１の交流電圧が提供され、ステップＳ１１では、第２の一次コイル１２において第２の交流電圧が提供される。第２の一次コイル１２における第２の交流電圧の提供は、第１の交流電圧の提供に対するタイムラグｔ２、ｔ２’をつけて行われ得る。タイムラグｔ２、ｔ２’は、とりわけ三次コイル３１における目標電圧に依存して調整され得る。

それだけでなく、この方法および以下の方法にも、既に上で３ポート電圧変換器との関連で説明したすべての説明が当てはまる。
図８は、前述の変圧器１内での、例えば３ポート電圧変換器を使った電気エネルギーのさらなる伝送方法に関する概略的なフロー図を示している。ステップＳ２０では、第１の二次コイル２１において第１の交流電圧が提供され、ステップＳ２１では、第２の二次コイル２２において第２の交流電圧が提供される。その際、両方の交流電圧の提供は、とりわけ、第１の交流電圧によって呼び起こされる磁束と第２の交流電圧によって呼び起こされる磁束とが、三次コイル３１内で同じ方向に走るように、したがって補い合うように行われる。したがって、とりわけ、第１の二次コイル２１では、第２の二次コイル２２における交流電圧に対して正反対の極性をもつ交流電圧を印加でき、これらの交流電圧は１８０°位相ずれしている。

まとめると、本発明は３つの電圧系統の間の電気エネルギーのガルバニック絶縁された伝送に関する。このために、全部で５つのコイルを含む変圧器が設けられている。その際、個々のコイルの的確な制御により、個々の電圧系統の間の伝送が制御され得る。

Claims (9)

1. 第１のリング状の変圧器鉄心（４１）と、
   第２のリング状の変圧器鉄心（４２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）に配置された第１の一次コイル（１１）と、
   前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された第２の一次コイル（１２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）に配置された第１の二次コイル（２１）と、
   前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された第２の二次コイル（２２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）および前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された三次コイル（３１）とを備えた変圧器（１）と、
   前記第１の一次コイル（１１）において第１の交流電圧を提供するために、および前記第２の一次コイル（１２）において第２の交流電圧を提供するために設計された第１の制御回路（１０）と、
   前記第１の二次コイル（２１）に印加される交流電圧を整流するために、および前記第２の二次コイル（２２）に印加される交流電圧を整流するために、または前記第１の二次コイル（２１）において第１の交流電圧を提供するために、および前記第２の二次コイル（２２）において第２の交流電圧を提供するために設計された第２の制御回路（２０）と、
   前記三次コイル（３１）に印加される交流電圧を整流するために設計された整流回路（３０）とを備えた３ポート電圧変換器（２）。
2. 前記変圧器（１）において、前記第１の変圧器鉄心（４１）および前記第２の変圧器鉄心（４２）が共通の脚部（４０）を含んでおり、前記脚部（４０）に前記三次コイル（３１）が配置されている、請求項１に記載の３ポート電圧変換器（２）。
3. 前記第１の制御回路（１０）が、前記第１の一次コイル（１１）における前記第１の交流電圧の前記提供と前記第２の一次コイル（１２）における前記第２の交流電圧の前記提供との間にタイムラグ（ｔ２、ｔ２’）を設けるために設計されており、前記タイムラグ（ｔ２、ｔ２’）が、前記三次コイル（３１）における目標電圧に依存して調整可能である、請求項１または２に記載の３ポート電圧変換器（２）。
4. 前記第１の制御回路（１０）が、前記第１の一次コイル（１１）と電気的に結合された第１の一次共振回路（１３）および前記第２の一次コイル（１２）と電気的に結合された第２の一次共振回路（１４）を含んでいる、請求項１から３のいずれか一項に記載の３ポート電圧変換器（２）。
5. 前記第１の制御回路（１０）が、前記第１の一次共振回路（１３）および前記第２の一次共振回路（１４）においてそれぞれ矩形波電圧を提供するために設計されており、前記矩形波電圧のデューティー比が、伝送すべき電力に依存して適合可能である、請求項４に記載の３ポート電圧変換器（２）。
6. 前記第２の制御回路（２０）が二次共振回路（２５）を含み、前記二次共振回路（２５）が、結節点（Ｋ）において前記第１の二次コイル（２１）および前記第２の二次コイル（２２）と電気的に結合されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の３ポート電圧変換器（２）。
7. 前記第２の制御回路（２０）が、前記第１の二次コイル（２１）と電気的に結合された第１の二次共振回路（２３）および前記第２の二次コイル（２２）と電気的に結合された第２の二次共振回路（２４）を含んでおり、
   前記整流回路（３０）が、前記三次コイル（３１）と電気的に結合された三次共振回路（３５）を含んでいる、請求項１から５のいずれか一項に記載の３ポート電圧変換器（２）。
8. 第１のリング状の変圧器鉄心（４１）と、
   第２のリング状の変圧器鉄心（４２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）に配置された第１の一次コイル（１１）と、
   前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された第２の一次コイル（１２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）に配置された第１の二次コイル（２１）と、
   前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された第２の二次コイル（２２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）および前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された三次コイル（３１）とを備えた、３ポート電圧変換器（２）のための変圧器（１）を用いた電気エネルギーの伝送方法であって、
   前記第１の一次コイル（１１）において第１の交流電圧を提供するステップ（Ｓ１０）と、
   前記第１の交流電圧を提供するステップ（Ｓ１０）に対してタイムラグ（ｔ２、ｔ２’）をつけて前記第２の一次コイル（１２）において第２の交流電圧を提供するステップ（Ｓ１１）とを有し、
   前記タイムラグ（ｔ２、ｔ２’）が、前記三次コイル（３１）における目標電圧に依存して調整される、方法。
9. 第１のリング状の変圧器鉄心（４１）と、
   第２のリング状の変圧器鉄心（４２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）に配置された第１の一次コイル（１１）と、
   前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された第２の一次コイル（１２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）に配置された第１の二次コイル（２１）と、
   前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された第２の二次コイル（２２）と、
   前記第１の変圧器鉄心（４１）および前記第２の変圧器鉄心（４２）に配置された三次コイル（３１）とを備えた、３ポート電圧変換器（２）のための変圧器（１）を用いた電気エネルギーの伝送方法であって、
   前記第１の二次コイル（２１）において第１の交流電圧を提供するステップ（Ｓ２０）と、
   前記第２の二次コイル（２２）において第２の交流電圧を提供するステップ（Ｓ２１）とを有し、
   前記三次コイル（３１）に取り囲まれた領域では、前記第１の変圧器鉄心（４１）を通る磁束と前記第２の変圧器鉄心（４２）を通る磁束とが同じ方向に走る、方法。

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