JPH10234186A - 鉄道車両用駆動システム及びその制御方法 - Google Patents

鉄道車両用駆動システム及びその制御方法

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JPH10234186A
JPH10234186A JP9200393A JP20039397A JPH10234186A JP H10234186 A JPH10234186 A JP H10234186A JP 9200393 A JP9200393 A JP 9200393A JP 20039397 A JP20039397 A JP 20039397A JP H10234186 A JPH10234186 A JP H10234186A
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JP
Japan
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converter
primary
drive system
intermediate circuit
transformer
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JP9200393A
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Michael Steiner
マイケル・シュタイナー
Harry Reinold
ハリー・ラインホルト
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DaimlerChrysler Rail Systems Schweiz AG
Bombardier Transportation GmbH
Original Assignee
ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG
ABB Daimler Benz Transportation Technology GmbH
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Filing date
Publication date
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    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/24Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from ac supply lines
    • B60L9/28Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from ac supply lines polyphase motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/72Electric energy management in electromobility

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一般的な耐ブロッキング電圧の半導体スイッ
チにより電力コンバータが動作可能な鉄道車両用駆動シ
ステムを特定する。 【解決手段】 鉄道車両用駆動システムが提供され、こ
のシステムは、複数のコンバータシステム要素(40.
1〜40.n)が、接触ワイヤー/電流コレクタシステ
ム(36)及びホイール軌道システム(37)の間で少
なくとも1つのインダクタ(38)を介して直列に接続
される。各コンバータシステム要素は、少なくとも1つ
のトランス(6、16/17、22/23、35)、一
次側の少なくとも1つの4象限コンバータ、一次側の少
なくとも1つの中間回路コンデンサ、及び一次側の少な
くとも1つのコンバータを有する。コンバータシステム
要素は二次側で並列に接続され、二次側の共通AC中間
回路を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は鉄道車両(rail vehi
cle)の駆動システムならびにその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ステファンオストランド(Stefan Ostlun
d)による論文(Primary Switched Converter System for
Traction Applications, Trita-EMK-9201, Royal Inst
ituteof Technology, Department of Electrical Machi
nes and Power Electronics)の第7ページ、図2.2.
1ではその一次側は直流変換器を介してAC電圧システ
ムに接続され、その二次側は鉄道車両用ドライブモータ
に直列共振回路、中間回路コンデンサ及びインバータを
有する4象限コンバータ(four-quadrant converter) を
介して電力を供給するトランスが提供されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記のトランスは数百
ヘルツの周波数で動作し、直接コンバータは見かけ上対
称の半導体バルブを必要とした。
【0004】本発明の目的は、電力コンバータが一般的
な耐ブロッキング電圧の半導体スイッチにより動作可能
な鉄道車両用駆動システムを特定する事である。又、本
発明の目的はその制御方法を特定することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的は接触ワイヤー
/電流コレクタシステムと車輪/軌道システム(railsys
tem) の間に少なくとも1つのインダクタ(inductor)を
介して直列に接続された複数のコンバータシステム要素
を有する鉄道車両用駆動システムを具備するシステムに
より達成され、各コンバータシステム要素は少なくとも
1つのトランス、一次側の少なくとも1つの4象限コン
バータ、少なくとも1つの一次側中間回路コンデンサ、
及び一次側の少なくとも1つのインバータを有し、二次
側で並列に接続され、二次側は共通AC中間回路を形成
する。
【0006】このシステムに関して、上記目的は複数の
コンバータシステム要素を有する他の実施例による鉄道
車両用駆動システムにより達成され、これら要素は接触
ワイヤー/電流コレクタシステムとホイール/軌道シス
テムの間に少なくとも1つのインダクタを介して直列に
接続され、各コンバータシステム要素は少なくとも1つ
のトランス、一次側の少なくとも4象限コンバータ、少
なくとも1つの一次側中間回路コンデンサ、一次側の少
なくとも1つのインバータ、及び二次側の少なくとも1
つの4象限コンバータを有し、コンバータシステム要素
は二次側で並列に接続され、二次側は共通DC中間回路
を形成する。
【0007】本発明の方法に関して、上記目的は駆動シ
ステムのトランス側に設けられた電力コンバータの半導
体スイッチを制御する方法により達成され、これらの半
導体スイッチは次の条件を概略満足する周波数fS のス
イッチング速度で動作する。
【0008】
【数4】 ここで、LS はトランスの漏れインダクタンスの合計、
CE は一次側及び二次側サブシステムでの等価容量を示
し、次のように求まる。
【0009】
【数5】 ここで、CDC1 は一次側サブシステムのDC容量を示
し、CDC2 は二次側サブシステムのDC容量を示す。
【0010】本発明による効果は特に、接触ワイヤー/
電流コレクタシステムとホイール軌道システムの間の比
較的高いAC電圧がコンバータシステム要素40.1〜
40.nの数により分割され、その結果、コンバータシ
ステム要素の各4象限コンバータ又はインバータが、一
般的なブロッキング耐圧の半導体スイッチにより動作可
能となることである。二次側の並列接続されたコンバー
タシステム要素の数は、必要となる駆動モータの数に対
応する。
【0011】比較的高い周波数で動作するトランスは、
供給されるAC電圧システムと駆動モータの間の絶縁を
行い、このトランスの重量及び占有空間は小さい。鉄道
車両の入力回路に一般に使用されるトランスと比べて、
上記重量及び占有空間が小さいことの他に、このトラン
スは、電力損失が実質的に少なく、比較的高い周波数で
動作する。2つのサブシステムの強いカップリングによ
り以下のことが可能となる。
【0012】1.直列共振回路を第1又は第2又は両コ
ンバータシステムに接続、又は 2.総合的な容量を増大することにより、前記直列共振
回路を全く用いずに駆動回路を構成する。
【0013】後者の回路の場合、制限された最大の中間
回路短絡電流のために、現在のところ一般に得ることは
難しい。しかし本発明に基づく駆動システムは、各コン
バータシステム要素に分散された容量により、この制限
を有していない。この直列共振回路の誘導性成分の除去
により更なる重量の軽減を実現できる。
【0014】トランスに接続された半導体スイッチのス
イッチング損失は、本発明の制御方法により大幅に減少
される。
【0015】本発明による効果的実施例の構成は従属請
求項に特徴づけられている。
【0016】本発明を図面に示される実施例を参照して
以下に説明する。
【0017】
【発明の実施の形態】この駆動回路の単一段基本形式を
図1に示す。この図は、直列共振回路2及び中間回路コ
ンデンサ(DC中間回路)を有する4象限コンバータ1
(整流器)を示している。AC側で、4象限コンバータ
1が入力インダクタシステム4を介してAC電圧システ
ムに接続されている。中間回路には、AC側でトランス
6の一次巻線に接続されるインバータ5が設けられてい
る。トランス6の二次側には4象限コンバータ7(整流
器)が接続され、コンバータ7はインバータ9(マシン
コンバータ)のDC側に中間回路コンデンサ8(DC中
間回路)を介して接続されている。鉄道車両の駆動モー
タ10はインバータ9の負荷として接続されている。極
めて低い漏れインダクタンスのトランスが好適に用いら
れる。
【0018】この駆動システムの基本的特徴は、電力コ
ンバータの半導体スイッチ11の高いクロック周波数、
即ちインバータ5及び4象限コンバータ7の8〜20k
Hz領域の高いクロック周波数であり、これらはトラン
スに接続されDC変換を行う。この構成はトランスの高
さ及び占有空間を減少し、ならびに人間の耳に聞こえる
ノイズを減少するので好適に用いられている。4象限コ
ンバータ1及びインバータ9の半導体スイッチ11は、
500Hz程度の比較的低いスイッチング周波数で動作
する。
【0019】この周波数の上限は、現在入手できる半導
体スイッチの特性により調整される。対応する要素が高
い周波数に用いることができるようになると、高いクロ
ック周波数も又選択できる。
【0020】この駆動システムの更に重要な特徴は、ト
ランスを介して接続される2つのサブシステムの非常に
強いカップリングである。この強いカップリングによ
り、1サブシステムの容量性要素は他のシステムに直接
及び強力に作用する。この結果、中間電圧回路の容量
は、2つのサブシステム間で所望の比で好適に分割でき
る。中間回路コンデンサ3、8は、並列接続コンデンサ
のように作用する。これは、中間回路にショートが生じ
た場合でも、一対の電力コンバータアーム(power conve
rter arms)に生じた短絡電流を減少できるという効果を
有する。これは重要である。なぜなら、なんらの電流制
限インダクタも半導体スイッチに直列に接続されていな
いからである。つまりこれは、動作中に生じる電力損失
を減少するのである。更に、直列共振回路2の強力な結
合が、4象限コンバータ1、7について効果的だからで
ある。従って、直列共振回路2は、駆動回路の代替えと
して図2に示されるように第2サブシステムの中間回路
内に配置可能であり、又は中間回路の全容量が大きい場
合に完全に削除できる。
【0021】この駆動回路の2段基本形式を図3に示
す。この2段基本形式において、入力インダクタシステ
ム4、4象限インバータ1、直列共振回路2及びインバ
ータ9は、図1による基本形式と比較して変更はない。
しかし、第1サブシステム内の2つの直列接続された中
間回路コンデンサ12、13には対策が施されている。
図3に2つの磁気的に結合されたトランス16、17と
して示されている4巻線トランスの2つのAC側の巻線
に各々接続されている2つのインバータ14、15が中
間回路コンデンサ12、13に接続されている。。専用
の4象限コンバータ18、19は、このトランス16、
17の2つの二次巻線に接続されている。第2サブシス
テムのこれら4象限コンバータ18、19は、2つの直
列接続された中間回路コンデンサ20、21を介して、
第2サブシステムの共通中間回路に電力を供給する。分
割された中間回路電圧のバランスは、4巻線トランスを
用いる事により保たれる。
【0022】1段基本形式とは対象的に、2段基本形式
は、低い耐電圧の半導体スイッチ11を用いることがで
き、従って高いクロック周波数が達成されるという効果
を有する。
【0023】図4は駆動回路の他の実施形態を示し、2
つの磁気的に結合されたトランス22、23が提供さ
れ、直列接続されたその一次巻線はインバータ5に接続
されている。しかしトランス22、23の二次巻線は、
並列に4象限コンバータ7に接続されている。この駆動
回路において、トランスの変圧比は1:1、中間回路コ
ンデンサ8を介したDC電圧Udc2 は、中間回路コンデ
ンサ3を介したDC電圧Udc1 の高々1/2にすぎな
い。
【0024】図5は3相トランス35が提供された駆動
回路の他の実施形態を示す。この3相トランス35の一
次側は3相インバータ34に接続され、二次側は3相パ
ルス整流器33に接続されている。3相トランス35
は、図示したように2重スター結線として設計できる
が、スター・デルタ結線又はデルタ・スター結線、又は
一般に知られた他のトランス回路のように結線すること
ができる。電圧比Udc1 :Udc2 は、使用されるトラン
ス回路に応じて設定される。
【0025】一般に、図4及び図5の回路構成は、電圧
Udc1 に対して電圧Udc2 を減少できるという利点があ
る。供給システムに低いAC電圧が要求される場合、駆
動モータに供給することができる3相電圧にプラスの影
響を有している。
【0026】図6はライン上の直列接続された複数のコ
ンバータシステム要素鉄道車両の駆動概念を示す。複数
のコンバータシステム要素40.1〜40.n(n=
1、2、3…)は、接触ワイヤー/電流コレクタシステ
ム36と鉄道車両のホイール/軌道システム37の間で
直列に接続できる。各コンバータシステム要素は分割ス
イッチ39.1、〜39.nを介して迂回できる。接触
ワイヤー/電流コレクタシステム36と第1コンバータ
システム要素40.1の間にはメイン入力インダクタ3
8が設けられ、これはインターアライア(inter alia)と
して過電圧を制限するよう機能する。コンバータシステ
ム要素40.1〜40.nの出力は並列に接続されてい
る。コンバータシステム要素41.1〜41.m(m=
1,2,3…)は、スイッチ43.1〜43.mを介し
てこれら出力に接続することができ、各コンバータシス
テム要素41.1〜41.nは駆動モータ42.1〜4
2.mに接続される。
【0027】接触ワイヤー/電流コレクタシステム36
とホイール/軌道システム37間の比較的高いAC電圧
は、コンバータシステム要素40.1〜40.nの数n
に応じて、図6に示す概念により分圧され、その結果、
コンバータシステム要素の第1サブシステムの各4象限
コンバータは、通常のブロッキング耐圧の半導体スイッ
チ11により動作できる。コンバータシステム要素4
1.1〜41.mに提供されるmの数は、駆動モータ4
2.1〜42.mの必要数により決定される。
【0028】この場合コンバータシステム要素40.1
〜40.nは、入力インダクタシステム4、4象限コン
バータ1、中間回路コンデンサ3、適当であれば直列共
振回路2、インバータ5及びトランス6を具備する。勿
論、図2〜図5を参照して説明された他の構成も用いる
ことができる。
【0029】この実施例の代わりとして、各コンバータ
システム要素40.1〜40.nは、追加的に4象限コ
ンバータ7及び中間回路コンデンサ8を二次側に含むこ
とができる。この場合、コンバータシステム要素41.
1〜41.mは二次側インバータ9のみを含む。
【0030】システム全体が、直列接続されたコンバー
タシステム要素40.1〜40.nに分割された場合、
AC電圧システム上に存在する半導体スイッチは好適に
オフセット形式でクロック入力される。更に、コンバー
タシステム要素の各入力インダクタシステムは電流補償
インダクタとして設計され、その結果、各コンバータシ
ステム要素間の寄生補償電流は減衰される。
【0031】図7は半導体スイッチ11の構成を示し、
これは前述した全ての4象限コンバータに用いることが
できる。半導体スイッチ11は反並列反転ダイオード(a
ntiparallel inverse diode)45を有するIGBT電力
半導体44を含む。例えば直接コンバータの場合に必ず
用いられる対称ブロッキング半導体ではなく、安価な非
対称半導体を使用できるの効果である。
【0032】図8はACコンデンサCAC1 がトランスの
一次巻線と直列に配置され、ACコンデンサCAC2 が二
次側巻繊維と直列に配置された構成を示す。この代わり
として1つのACコンデンサCAC1 又はCAC2 が提供さ
れた変形を用いることも可能である。
【0033】提案された駆動システムは異なるシステム
から各要素を再編成することにより動作するシステム、
例えば異なるDC電圧のDC電圧システムと異なるAC
電圧及び周波数のAC電圧システムのようなマルチシス
テム回路の形成に拡張することも可能である。
【0034】8〜20kHzの領域で動作する半導体ス
イッチ11のスイッチング損失を最小に抑えるため、2
つのサブシステム内のトランスの漏れインダクタンス及
びコンデンサから構成された共振回路を使用し、これら
半導体スイッチを半導体スイッチを流れる電流が正確に
最小なときに同調する方式で接続するのが効果的であ
る。従ってこれらの半導体スイッチは次の条件を満足す
るスイッチング周波数fS でほぼ動作する。
【0035】
【数6】 LS はトランスの漏れインダクタンス、CE は2つのサ
ブシステム内の等価容量を示す。ここで、
【数7】 CDC1 は第1サブシステム内の容量を示し、CDC2 は第
2サブシステム内の容量を示す。この場合、比較的小さ
な容量CE を総合的に実現するために、容量CDC1 とC
DC2 を非対称に分割するのが効果的である。前述したよ
うに、この容量を分割する方法は、強いカップリングに
より可能となる。
【0036】図8に従って2つのAC容量CAC1 及びC
AC2 を用いるとき、等価容量CE は次のようになる。
【数8】
【0037】AC容量CAC1 を用いる場合、等価容量C
E は次のようになる。
【数9】
【0038】AC容量CAC2 を用いる場合、等価容量C
E は次のようになる。
【数10】
【図面の簡単な説明】
【図1】本駆動回路の単一段基本構成を示す。
【図2】図1による駆動回路に代わる他の駆動回路構成
を示す。
【図3】本駆動回路の2段基本構成を示す。
【図4】駆動回路の他の構成を示す。
【図5】駆動回路の更に他の構成を示す。
【図6】ライン上に直列接続されたインバータシステム
要素軌道牽引ユニットに適用される駆動概念を示す。
【図7】本発明に適用される半導体スイッチの設計例を
示す。
【図8】追加のAC容量に関する設計例を示す。
【符号の説明】
1、7、18、19…4象限コンバータ 3、8…中間回路コンデンサ 4…入力インダクタシステム 5、9、14、…インバータ 6…トランス 10…モータ 11…半導体スイッチ 36…接触ワイヤー/電流コレクタ 39.1〜39.n…分割スイッチ 40.1〜40.n…コンバータシステム要素 41.1〜41.m…コンバータシステム要素 42.1〜42.m…モータ 43.1〜43.m…スイッチ
フロントページの続き (72)発明者 マイケル・シュタイナー ドイツ連邦共和国、デー − 68723 シ ュベッツィンゲン、リュヒャルト − バ ーグナー − シュトラーセ 17 (72)発明者 ハリー・ラインホルト ドイツ連邦共和国、デー − 69115 ハ イデルベルク、ファンゲロウシュトラーセ 105

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数のコンバータシステム要素(40.1
    〜40.n)を有する鉄道車両用駆動システムであっ
    て、前記複数のコンバータシステム要素は少なくとも1
    つのインダクタ(38)を介して、接触ワイヤー/電流
    コレクタ(36)及びホイール/軌道システム(37)
    の間で直列に接続され、各コンバータシステム要素は少
    なくとも1つのトランス(6、16/17、22/2
    3、35)、少なくとも1つの一次側の4象限コンバー
    タ(1)、少なくとも1つの一次側中間回路コンデンサ
    (3、12/13)、及び少なくとも1つの一次側イン
    バータ(5、14/15、34)を具備し、これらコン
    バータシステム要素は二次側で並列に接続されて二次側
    に共通AC中間回路を形成することを特徴とする鉄道車
    両用駆動システム。
  2. 【請求項2】複数のコンバータシステム要素(40.1
    〜40.n)を有する鉄道車両用駆動システムであっ
    て、前記複数のコンバータシステム要素は少なくとも1
    つのインダクタ(38)を介して、接触ワイヤー/電流
    コレクタ(36)及びホイール/軌道システム(37)
    の間で直列に接続され、各コンバータシステム要素は少
    なくとも1つのトランス(6、16/17、22/2
    3、35)、少なくとも1つの一次側の4象限コンバー
    タ(1)、少なくとも1つの一次側中間回路コンデンサ
    (3、12/13)、少なくとも1つの一次側インバー
    タ(5、14/15、34)、及び少なくとも1つの二
    次側の4象限コンバータ (7、18/19、33)を
    具備し、これらコンバータシステム要素は二次側で並列
    に接続され、二次側に共通DC中間回路を形成すること
    を特徴とする鉄道車両用駆動システム。
  3. 【請求項3】各コンバータシステム要素(40.1〜4
    0.n)は、前記トランス(6、16/17、22/2
    3、35)の一次側又は二次側に少なくとも1つのAC
    容量(CA1、CA2)を前記トランスと直列に有すること
    を特徴とする請求項1又は2の1項に記載の鉄道車両用
    駆動システム。
  4. 【請求項4】各コンバータシステム要素(40.1〜4
    0.n)は、前記トランス(6、16/17、22/2
    3、35)の一次側及び二次側に少なくとも1つのAC
    容量(CA1、CA2)を前記トランスと直列に有すること
    を特徴とする請求項1又は2の1項に記載の鉄道車両用
    駆動システム。
  5. 【請求項5】各コンバータシステム要素(40.1〜4
    0.n)は、前記二次側に少なくとも1つの中間回路コ
    ンデンサ(8、20/21)を有することを特徴とする
    請求項2〜4の1項に記載の鉄道車両用駆動システム。
  6. 【請求項6】前記共通二次側DC中間回路は共通中間回
    路コンデンサを有することを特徴とする請求項2〜4の
    1項に記載の鉄道車両用駆動システム。
  7. 【請求項7】各コンバータシステム要素は、直列共振回
    路(2)を前記一次側又は二次側の中間回路コンデンサ
    (3、8、12/13、20/21)と並列に有するこ
    とを特徴とする請求項1〜6の1項に記載の鉄道車両用
    駆動システム。
  8. 【請求項8】前記共通二次側DC中間回路は共通直列共
    振回路を有することを特徴とする請求項2〜6の1項に
    記載の鉄道車両用駆動システム。
  9. 【請求項9】各コンバータシステム要素(40.1〜4
    0.n)は、2つの誘導的に結合したトランス(16、
    17)を有し、各一次側は1つの専用インバータ(1
    4、15)に接続され、及び各二次側は1つの専用4象
    限コンバータ(18、19)に接続され、これらインバ
    ータ及び4象限コンバータのDC端子は1つの専用中間
    回路コンデンサ(12、13;20、21)に各々接続
    され、これら中間回路コンデンサは各々直列に接続され
    ることを特徴とする請求項2〜8の1項に記載の駆動シ
    ステム。
  10. 【請求項10】各コンバータシステム要素(40.1〜
    40.n)は2つのトランスを有し、各一次巻線は前記
    インバータ(5)に直列に接続され、各二次巻線は4象
    限コンバータ(7)に並列に接続されていることを特徴
    とする請求項2〜8の1項に記載の駆動システム。
  11. 【請求項11】各コンバータシステム要素(40.1〜
    40.n)は3相トランス(35)を有し、各一次巻線
    は3相インバータ(34)に接続され、各二次巻線は3
    相パルス整流器(33)に接続されていることを特徴と
    する請求項2〜8の1項に記載の駆動システム。
  12. 【請求項12】前記4象限コンバータ及びインバータの
    各半導体スイッチ(11)が、並列反転ダイオード(4
    5)を有するIGBT半導体(44)として構成される
    ことを特徴とする請求項1〜11の1項に記載の駆動シ
    ステム。
  13. 【請求項13】請求項1〜12の1項に記載の駆動シス
    テムのトランス側コンバータの半導体スイッチを制御す
    る方法であって、 これらの半導体スイッチは次の条件のどちらかを実質的
    に満足するスイッチングレートfS により動作し、 【数1】 ここで、LS は前記トランスの漏れインダクタンスの合
    計値、CE は前記一次側及び二次側のサブシステム内の
    等価容量であって、 【数2】 ここで、CDC1 は前記一次側サブシステム内のDC容量
    を示し、及びCDC2 は二次側サブシステム内のDC容量
    を示すことを特徴とする制御方法。
  14. 【請求項14】前記等価容量は次のように決定され、 【数3】 ここで、CAC1 、CAC2 はACコンデンサの容量、であ
    ることを特徴とする請求項13記載の方法。
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