特許 6580010 電力用電子デバイスおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6580010

(24)【登録日】2019年9月6日

(45)【発行日】2019年9月25日

(54)【発明の名称】電力用電子デバイスおよび方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20190912BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 H

   H02M3/155 C

【請求項の数】16

【外国語出願】

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-175112(P2016-175112)

(22)【出願日】2016年9月8日

(65)【公開番号】特開2017-60393(P2017-60393A)

(43)【公開日】2017年3月23日

【審査請求日】2016年11月1日

(31)【優先権主張番号】14/856,286

(32)【優先日】2015年9月16日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100133503

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 一哉

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】ピエールイジ・テンカ

(72)【発明者】

【氏名】パオロ・ソルディ

(72)【発明者】

【氏名】ファビオ・カラストロ

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０８６７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１４４２４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／００４１２０（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２８５０１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１６−５１３９４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のキャパシタが直列に接続された入力側の第１のキャパシタの第１の中点に一端が、複数のキャパシタが直列に接続された出力側の第２のキャパシタの第２の中点に他端が結合するように構成された少なくとも１つのインダクタと、
前記インダクタを流れる第１の電流と、前記インダクタを流れる第２の電流と、を制御するように構成されたコントローラと、
を含み、
前記第１の電流および前記第２の電流は、互いに逆方向に流れ、
前記コントローラは、前記インダクタを流れる電流の平均値がほぼ０で、主として奇数次高調波を含むように、前記第１の電流および前記第２の電流を制御する、
ＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項2】

前記少なくとも１つのインダクタは、単一のインダクタである、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項3】

少なくとも２つのスイッチング期間の時間間隔において整流するように構成された第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの一端が、それぞれ第１のキャパシタの一端および他端に、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの他端が第１の中点に結合された、
請求項１または２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項4】

前記コントローラは、前記第１の電流が存在する場合には、第１の期間に前記インダクタを充電させ、前記第２の電流が存在する場合には、第２の期間に前記インダクタを充電させるように構成され、
前記第１の期間および前記第２の期間は、互いにほぼ等しい時間である、
請求項１から３のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項5】

前記コントローラは、前記第１の電流および前記第２の電流を制御することにより、インダクタを流れる電流の高調波成分を制御するように構成される、請求項１から４のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項6】

前記第１の電流および前記第２の電流は、半波対称性を含む、請求項１から５のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項7】

前記第１のキャパシタの第３の中点と前記第２のキャパシタが第４の中点とが互いに結合されている、請求項１から６のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項8】

前記コントローラは、前記第１の電流が、前記第２の電流と振幅の時間的変化がほぼ等しく位相が異なるように制御する、請求項１から７のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項9】

一端が前記第１の中点に、他端が前記第２の中点に結合するように構成された、第１のインダクタとは異なる第２のインダクタをさらに含み、
前記コントローラは、前記第２のインダクタを流れる第３の電流と、前記第２のインダクタを流れる第４の電流と、を制御するように構成され、
前記第３の電流および前記第４の電流は、互いに逆方向に流れ、
前記コントローラは、前記第２のインダクタを流れる電流の平均値がほぼ０で、主として奇数次高調波を含むように、前記第３の電流および前記第４の電流を制御する、
請求項１から８のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項10】

前記コントローラは、前記第１の電流の位相と前記第３の電流の位相とをずらすように制御する、請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項11】

前記コントローラは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチを対称に開閉することにより、加熱を低減するように構成される、請求項１から１０のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項12】

前記第１のキャパシタは、ＤＣ電源に結合するように構成され、
前記第２のキャパシタは、ＤＣ負荷に結合するように構成される、
請求項１から１１のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。

【請求項13】

複数のキャパシタが直列に接続された入力側の第１のキャパシタの第１の中点に一端が、複数のキャパシタが直列に接続された出力側の第２のキャパシタの第２の中点に他端が結合するように構成された少なくとも１つのインダクタを備えるＤＣ−ＤＣコンバータを制御する方法であって、
前記インダクタを流れる電流の平均値がほぼ０で、主として奇数次高調波を含むように、前記インダクタを逆方向に流れる第１の電流および第２の電流を制御するステップを含む、
方法。

【請求項14】

前記第１の電流により前記インダクタを充電するステップと、
前記第１の電流により前記インダクタを放電するステップと、
前記第２の電流により前記インダクタを充放電するステップと、
を含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記インダクタに直列に結合された電流調整キャパシタの電圧信号に基づいて、第１の方向に前記インダクタを通る電流の存在を検出するステップと、
前記第１の方向に前記インダクタを通る電流を、逆方向に前記インダクタを通る電流と相殺するステップと、
を含む、請求項１３または１４に記載の方法。

【請求項16】

車両であって、
直流バスに結合されたエネルギー源、および前記直流バスに結合されたＤＣ−ＤＣコンバータを有する電気推進システムであって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、複数のキャパシタが直列に接続された入力側の第１のキャパシタの第１の中点に一端が、複数のキャパシタが直列に接続された出力側の第２のキャパシタの第２の中点に他端が結合された少なくとも１つのインダクタを含む、電気推進システムと、
前記少なくとも１つのインダクタを流れる第１の電流と、前記少なくとも１つのインダクタを流れる第２の電流とを制御するように動作可能なコントローラと、
を含み、
前記第１の電流および前記第２の電流は、互いに逆方向に流れ、
前記コントローラは、前記インダクタを流れる電流の平均値がほぼ０で、主として奇数次高調波を含むように、前記第１の電流および前記第２の電流を生じさせる、
車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される主題は、電力変換に関し、より具体的には、２つ以上の直流（ＤＣ）電圧の間でエネルギーを変換するための電力用電子デバイスおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

いくつかの回路は、様々な動作特性に耐えるように設計することができる。電力変換は、運輸業界を含む様々な産業において役割を担っている。電力を変換する１つの方法は、ＤＣ−ＤＣコンバータである。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータは、複数のインダクタを含む場合があり、このインダクタは、ＤＣ−ＤＣコンバータ内に特定量の持続するＤＣ電流を生じさせるおそれがある。このような構成は、非効率的であり、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチの過熱を引き起こす。

【0003】

以上に鑑みて、電力変換のための現在の解決策および技術に関連する重大な問題および欠点があり得ることが理解されよう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１５／００４１２０号明細書

【発明の概要】

【0005】

第１の実施形態では、電力用電子デバイスは、第１のキャパシタおよび第２のキャパシタに結合するように構成された少なくとも１つのインダクタと、インダクタを流れる第１の電流と、インダクタを流れる第２の電流と、を制御するように構成されたコントローラと、を含み、第１の電流および第２の電流は、互いに逆方向に流れ、第１の電流および第２の電流は、インダクタを通る正味の直流（ＤＣ）成分がほぼ０になるように、インダクタを通して互いに相互作用する。

【0006】

第２の実施形態では、方法は、インダクタを逆方向に流れる第１の電流の第１の流れおよび第２の電流の第２の流れを、インダクタを通る正味の電流が主に奇数次高調波を含むように制御するステップを含む。

【0007】

第３の実施形態では、車両は、直流（ＤＣ）バスに結合されたエネルギー源、およびＤＣバスに結合された電力用電子デバイスを有する電気推進システムであって、電力用電子デバイスは、第１のキャパシタおよび第２のキャパシタに結合された少なくとも１つのインダクタを含む、電気推進システムと、前記少なくとも１つのインダクタを流れる第１の電流と、前記少なくとも１つのインダクタを流れる第２の電流と、を生じさせるように動作可能なコントローラと、を含み、第１の電流および第２の電流は、互いに逆方向に流れ、第１の電流および第２の電流は、少なくとも１つのインダクタを通る正味のＤＣ成分がほぼ０になるように、少なくとも１つのインダクタを通して互いに相互作用する。

【0008】

本開示のこれらのおよび他の特徴ならびに態様について添付の図面を参照して説明するが、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】１つの電圧から別の電圧へＤＣ電力を変換する中点コンバータの一実施形態の回路図である。

【図2】図１の中点コンバータの一実施形態におけるインダクタの電力特性を示す一組のグラフである。

【図3】中点コンバータの別の実施形態の回路図である。

【図4】多相モジュールを有する中点コンバータの一実施形態の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書で開示される主題は、電力変換に関し、より具体的には、２つ以上の直流（ＤＣ）電圧の間でエネルギーを変換するための電力用電子デバイスおよび方法に関する。

【0011】

本明細書で説明するシステムおよび方法は、より小型で、信頼性が高く、および／または手頃なＤＣ−ＤＣ電力コンバータを提供する電力コンバータを目的とする。本開示の実施形態は、中点単一出力コンバータを目的とする。一実施形態では、中点コンバータの単一インダクタは、対称スイッチング動作モードを有することにより、ほぼ０またはその近傍の電流のＤＣ成分で動作し、それによって、他のコンバータのインダクタと比較してより小さな空間を占める単一インダクタを使用することを可能にする。さらに、本開示のいくつかの実施形態は、単一ＡＣインダクタを用いることにより、改良された保護を提供することができる。さらに、本コンバータはより少数のスイッチ対を利用することができ、他のコンバータよりも炭化ケイ素（ＳｉＣ）技術により適している可能性がある。

【0012】

以上を念頭に置いて、一実施形態では、電力用電子デバイスは、中点単一出力コンバータを含むことができる。これは、他のタイプのコンバータと比較して、空間、重量、電気的損失、部品数を節約することができる。この実施形態は、非チェーンリンクコンバータなど、使用する部品をより少なくすることができる低電圧および中電圧設定で有用であり得る。本明細書で使用する低電圧は、たとえば、約１０Ｖから約２，０００Ｖとすることができ、中間電圧は、たとえば、約２，０００Ｖから約１０，０００Ｖとすることができる。図１を参照すると、中点コンバータ４０の一実施形態の回路図が示され、それは１つの電圧のＤＣ電源４２からの電力をＤＣ負荷４４へ別の電圧に変換する。すなわち、Ｖ_in４６は、Ｖ_out４８に増加または減少することができる。

【0013】

図１に示すように、コンバータ４０は、入力電圧Ｖ_in４６を出力電圧Ｖ_out４８に変換する降圧型コンバータであってもよい。コンバータ４０は、１つまたは複数のキャパシタ（たとえば、Ｃ_IN５０、５２、Ｃ_OUT５４、５６）によりＤＣ電源４２およびＤＣ負荷４４に結合することができる。入力側５８では、第１のＤＣ電圧（たとえば、Ｃ_IN５０の両端の電圧）および第２のＤＣ電圧（たとえば、Ｃ_IN５２の両端の電圧）は、第１の共通基準点６２に対して反対の極性を有することができる。すなわち、中点コンバータ４０は、中心点（たとえば、共通基準点６２）に対して、正電圧（たとえば、Ｃ_IN５０の両端）および負電圧（たとえば、Ｃ_IN５２の両端）を有することができる。同様に、出力側６０では、第３のＤＣ電圧（たとえば、Ｃ_OUT５４の両端の電圧）および第４のＤＣ電圧（たとえば、Ｃ_OUT５６の両端の電圧）は、第２の共通基準点６４に対して反対の極性を有することができる。入力側５８と同様に、中点コンバータ４０の出力側６０もまた、中心点（たとえば、共通基準点６２）に対して正電圧（たとえば、Ｃ_OUT５４の両端）および負電圧（たとえば、Ｃ_OUT５６の両端）を有することができる。さらに、第１および第２の共通基準点６２、６４は、グランド６６に結合することができる。場合によっては、正電圧および負電圧が互いに異なっていてもよいし、あるいは電圧が互いに等しくてもよい。中点コンバータ４０は、入力電圧レベルＶ_in４６を出力電圧レベルＶ_out４８に変換するための１つまたは複数の位相モジュール６８を含むことができる。

【0014】

位相モジュール６８は、入力側５８と出力側６０との間に単一インダクタ７０を含むことができる。さらに、位相モジュール６８は、入力側５８に１つまたは複数のスイッチを含むことができる。たとえば、位相モジュール６８は、正極側に第１のスイッチ７６および負極側に第２のスイッチ７８を含むことができる。単一インダクタ７０を通る電流Ｉ_LB７２は、スイッチ７６または７８が開いているか閉じているかに応じて変化する。図１に示すように、位相モジュール６８は、入力側５８にスイッチ７６、７８を有する２レベルモジュール７４を含むことができる。場合によっては、スイッチ７６、７８を有するモジュールは、差動電圧用の定格であってもよい。他の適切な電圧および用途は、ケイ素デバイスとは異なる電圧能力を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）デバイスの電圧特性を含むことができる。

【0015】

位相モジュール６８は、出力側６０に少なくとも２つのスイッチおよび／またはダイオードを含むことができる。たとえば、出力側６０は、正極側に第１のダイオード８０および負極側に第２のダイオード８２を含むことができる。適切なスイッチとしては、機械的スイッチ、電子的スイッチ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などを挙げることができる。本明細書で使用されるように、ダイオードは、スイッチと相互に交換可能に呼ぶことができる。すなわち、本明細書で使用されるスイッチという用語は、ダイオードまたは他の同様の部品を意味するが、それは、ダイオードが電流の流れ（たとえば、逆バイアスまたは順バイアス）に基づいて開閉することにより動作することができ、スイッチが開閉することができるからである。入力側５８が短絡した場合に、出力側６０のダイオードおよび／またはスイッチの存在によって、入力側５８が出力キャパシタＣ_OUT５４、５６のうちの１つまたは複数に蓄積されたエネルギーを受け取らないように保護することができる。すなわち、障害発生時には、出力側６０のスイッチおよび／またはダイオードの転流（たとえばダイオードが逆バイアスされ、開回路として機能する）によって、入力側５８を保護することができる。

【0016】

位相モジュール６８のインダクタ７０は、１つまたは複数の端子を含むことができる。図示する実施形態では、２つの端子７１、７３を示す。第１の端子７１は、入力側５８のスイッチに結合することができる。第１の端子７１は、第１のスイッチ７６と第２のスイッチ７８との間に結合することができる。同様に、第２の端子７３は、出力側７８のスイッチおよび／またはダイオード（たとえばダイオード８０、８２）に結合することができる。具体的には、第２の端子７３は、第１のダイオード８０と第２のダイオード８２との間に結合することができる。第１の端子７１および第２の端子７３は、スイッチ７６、７８および／またはダイオード８０、８２を介してキャパシタＣ_IN５０、５２および／またはＣ_OUT５４、５６に結合することができる（たとえば、スイッチおよび／またはダイオードを介してキャパシタに間接的に結合される）。

【0017】

スイッチ７６、７８は、開閉することができる。このような動作は、コントローラまたは制御回路７７によって制御されたデューティサイクルに基づくことができる。制御回路７７は、プロセッサ７９もしくは複数のプロセッサおよびメモリ８１を含むことができる。プロセッサ７９は、本明細書で説明する技術を実施するための命令を実行するために、メモリ８１に動作可能に結合することができる。これらの命令は、メモリ８１および／または他の記憶装置などの有形の非一時的コンピュータ可読媒体に格納されるプログラムまたはコードに符号化することができる。プロセッサ７９は、汎用プロセッサ、システムオンチップ（ＳｏＣ）デバイス、もしくは特定用途向け集積回路、または他の何らかのプロセッサ構成であってもよい。

【0018】

これら様々なコンピューティング要素、コンピュータ、および／または構成要素は、１つまたは複数のモジュールまたは追加の構成要素を含むことができることを理解されたい。本明細書中で使用される「モジュール」という用語は、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、クラウドベースの処理システム、および／またはこれらの様々な組み合わせを意味すると理解することができる。しかし、モジュールは、ハードウェア、ファームウェア上に実装されていない、またはプロセッサにより読み取り可能で記録可能な記憶媒体に記録されていないソフトウェアとして解釈すべきではない（すなわち、モジュールは、ソフトウェア自体ではない）。モジュールは例示的なものであることに留意されたい。モジュールは、様々な用途をサポートするために、組み合わされ、一体化され、分離され、および／または重複されてもよい。また、特定のモジュールで実行されるものとして本明細書で説明した機能は、特定のモジュールで実行される機能の代わりに、またはそれに加えて、１つもしくは複数の他のモジュールおよび／または１つもしくは複数の他のデバイスによって実行されてもよい。さらに、モジュールは、互いにローカルもしくはリモートの複数の装置および／または他の構成要素にわたって実装することができる。さらに、モジュールは、１つの装置から移動して、別の装置に付加することができ、および／または両方の装置に含めることができる。

【0019】

本実施形態では、メモリ８１はコンピュータ可読媒体を含み、それはたとえば、限定はしないが、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フロッピーディスク、フラッシュドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ならびに／または、プロセッサ７９が命令および／もしくはデータを記憶、検索、および／もしくは実行することを可能にする任意の適切な記憶装置などである。メモリ８１は、１つまたは複数のローカルおよび／またはリモートの記憶装置を含むことができる。制御回路７７は、スイッチ７６、７８を開閉するゲートに信号を送信することによりデューティサイクルを制御することができる。デューティサイクルは、スイッチのＯＮ期間と三角キャリア基本周期（１／周波数）との比とすることができ、それは０〜１の範囲であり得る。デューティサイクルは、制御回路７７への入力に基づいて、またはメモリ８１に記憶されているデータにより、変化することができる。

【0020】

コンバータ４０の制御回路７７は、いくつかの異なるスイッチングモードの間で循環することができる。図２は、中点コンバータ４０のインダクタ１２の一実施形態の、インダクタの両端の電圧（グラフ９２）、インダクタを通る電流（グラフ９４）、およびスイッチ７６、７８を開閉するためのスイッチングコマンド（グラフ９６）を示す一組のグラフである。たとえば、第１のモードは、スイッチ７６を閉じ、スイッチ７８を開き、ダイオード８２を逆バイアスに保持することを含むことができる。グラフ９４に示すように、第１のモードの間では、インダクタ７０を通る正電流（Ｉ_LB７２＞０）が増加する。第２のモードは、スイッチ７６、７８を開き、ダイオード８２を逆バイアスにして、インダクタ７０が負方向に放電するように保持することを含むことができる。グラフ９４に示すように、キャパシタ５０、５２がインダクタ７０を充電するように接続されないので、インダクタ７０を通る電流Ｉ_LB７２は減少する。第２のモードでは、インダクタ７０を通る正電流があり、インダクタ７０は電流Ｉ_LB７２を放電している。第３のモードは、スイッチ７６を開き、スイッチ７８を閉じ、ダイオード８０を逆バイアスにすることを含むことができる。グラフ９４に示すように、モード３の間では、インダクタ７０を通る電流Ｉ_LB７２は逆方向に増加する。すなわち、インダクタ７０が充電されており、インダクタ７０を通る負電流（すなわち、ｉ_LB７２＜０）がある。第４のモードは、スイッチ７６、７８を開き、ダイオード８０を逆バイアスにすることを含むことができる。グラフ９４に示すように、インダクタ７０は、逆方向に電流Ｉ_LB７２を放電している。第５のモードは、スイッチ７６、７８の両方を開くことを含むことができる。モード１および２では、ダイオード８２は逆バイアスであってもよい。モード３および４では、ダイオード８０は逆バイアスであってもよい。図２に示すように、非０のインダクタ電流を有するモードは、グランド５１に対して２×２の対称性を有する。すなわち、第１のモードおよび第２のモードは、第３のモードおよび第４のモードと対称である。たとえば、インダクタ７０は、同様の時間および／または振幅で反対方向に電流Ｉ_LB７２により充電するので、第１のモードは第３のモードと対称である。同様に、インダクタ７０は、同様の時間および／または振幅で反対方向に電流Ｉ_LB７２により放電するので、第２のモードは第４のモードと対称である。このように、第１、第２、第３、および第４のモードは、順方向および逆方向に対称的に動作する。これは、グランド５１に対する容量性および誘導性結合の対称的な挙動を生成する。

【0021】

インダクタ中の電流の平均値は、０またはほぼ０であってもよい。これは、対称なインダクタ電流７２を生じる動作時のスイッチングモードの対称性によるものであり得る。さらに、グラフ９４に示すインダクタ７０を通る電流Ｉ_LB７２が半波対称性を有するので、電流７２は、偶数次および奇数次の両方の高調波とは対照的に、主として奇数次高調波を含むことができる。このように、入力側５８および出力側６０からの電流によって生じるインダクタ７０中の電流の平均値は、インダクタ７０内の構成的高調波のレベルを制御することができる。このように、インダクタ７０は、低減された高調波を含むことができ、中点コンバータ４０の半波対称性によって、より良好な電力品質、および複数のインダクタを用いたものと同一の電力を提供するために使用可能なより小型でおよび／またはより手頃なインダクタを得ることができる。このように、単一インダクタ７０を用いた位相モジュール６８を利用するコンバータ４０は、半波対称性およびその結果生じる比較的低減された高調波により、少なくとも部分的に、有用であり得る異なるインダクタを可能にすることができる。さらに、インダクタ電流の対称的な挙動は、電磁干渉（ＥＭＩ）を低減することができる。入力側スイッチ７６、７８の対称的な使用は、位相モジュール６８の熱応力が正極側および負極側のスイッチ７６、７８の間で均一に分配されることを可能にし、それによって、位相モジュール６８内の熱機械的歪みを低減することができる。他のタイプのコンバータと比較して、コンバータ４０の対称性は、制御可能なスイッチ７６、７８および逆並列ダイオード１１６の対を含むことができる標準的なパッケージにより、より少ないスイッチ対、ダイオード、または他の部品を可能にすることができる。

【0022】

図３は、電圧を増加または減少させるために使用することができる位相モジュール１０８を有する降圧昇圧型中点コンバータ１０６の回路図である。降圧昇圧型中点コンバータ１０６は、入力側５８にスイッチ１１０、１１２および出力側６０にスイッチ１１４、１１６を含むことができる。システムが降圧モードである（すなわち、入力側５８から出力側６０へ電圧を減少させる）場合には、入力側５８のスイッチ１１０、１１２を利用することができ、システムが昇圧モードである（すなわち、入力側５８から出力側６０へ電圧を増加させる）場合には、出力側６０のスイッチ１１４、１１６を利用することができる。いくつかの実施形態では、入力側スイッチが使用されるか、あるいは出力側スイッチが用いられる。

【0023】

特定の実施形態では、位相モジュール１０８は、１つまたは複数の閉じた経路１１８を含むことができる。適切な閉じた経路は、回路ループを含むことができる。たとえば、図３では、４つの閉じた経路１１８があり、閉じた経路１１８は、それぞれ１つのスイッチ１１０、１１２、１１４、もしくは１１６および１つのダイオード１２０（たとえば、環流ダイオード）を含む。同様に、図１では２つの閉じた経路があり、閉じた経路は、それぞれ１つのスイッチおよび１つのダイオードを含む。

【0024】

再び図３を参照すると、位相モジュール１０８は、インダクタ１２４と直列に電流調整キャパシタ１２２（たとえば、大容量で低電圧のキャパシタ、またはスーパーキャパシタ）を含むことができる。さらに、バリスタおよび／またはトランゾーブ１２６をキャパシタに並列に接続して、過渡現象および／または故障に起因して過電圧状態が発生した場合に、キャパシタ電圧を制限し、バリスタおよび／またはトランゾーブ１２６に電流を転流することができる。電流調整キャパシタ１２２は、制御回路７７とともに使用される場合に、インダクタ１２４を通る電流Ｉ_LB１２８がほぼ０の平均値を有することを保証することができる。たとえば、キャパシタ１２２の両端の電圧を制御回路７７によってある期間にわたってモニタし、インダクタ１２４の特性（たとえば、インダクタの設計）および／またはインダクタ１２４の所望の動作に対応するしきい値と比較することができる。モニタされた電圧がこれらのしきい値を超えた場合には、得られた平均インダクタ電流Ｉ_LB１２８を相殺するように、制御回路７７により調整（たとえば、スイッチ１１０、１１２、１１４、および／または１１６のデューティサイクルの変化）を採用することができる。さらに、電流調整キャパシタ１２２は、位相モジュール１０８が共振モードで動作することを可能にし、共振モードでは、制御回路７７が相殺を採用すべきか否かを識別することを可能にするように、インダクタ１２４を通る電流Ｉ_LB１２８が調整（たとえば、平滑化）される。

【0025】

いくつかの実施形態では、入力側５８に接続されたスイッチまたは出力側６０に接続されたスイッチのいずれかが、２つのスイッチング期間から成る時間間隔にわたって転流され得る。すなわち、電力がいずれかの方向に転送され、受電側のスイッチは開いたままである。たとえば、スイッチ１１０および１１２は、少なくとも２つの期間（たとえば、電源から負荷に電力を転送する場合）の時間間隔にわたって開くことができ、一方、スイッチ１１４、１１６は、上述した動作モードに応じて開き、および／または閉じる。あるいは、スイッチ１１４および１１６は、少なくとも２つの期間（たとえば、負荷から電源に電力を転送する場合）の時間間隔にわたって開くことができ、一方、スイッチ１１０、１１２は、上述した動作モードに応じて開き、および／または閉じる。このように、コンバータ１０６は、降圧コンバータまたは昇圧コンバータのいずれかとして動作することができる。

【0026】

インダクタ１２４を通る電流Ｉ_LB１２８は、非０のインダクタ電流値の持続時間が１／周波数に達するまでは、不連続導通モードであってもよい。インダクタンス、周波数、Ｖ_in、Ｖ_outに基づいて、最大転送平均電力は、このような境界条件に対する限界に達するが、それは、各半周期において、電流が０から上昇して０に戻るための時間がないからである。すなわち、コンバータは、最大電力に達するまでは、単一の不連続モードで動作することができ、コンバータは、境界条件の下で電力を転送することができる。

【0027】

特定の実施形態では、２つ以上の位相モジュールが並列に接続されてもよい。図４に示すように、第１の位相モジュール１４８は、図１の位相モジュール６８または図３の位相モジュール１０８と同様の部品（たとえば、スイッチ１５０、１５２、インダクタ１５４、ダイオード１５６、１５８）を含むことができる。第１の位相モジュール１４８は、第１の位相モジュール１４８と同様の部品（たとえば、スイッチ１６２、１６４、インダクタ１６６、ダイオード１６８、１７０）を有する第２の位相モジュール１６０に並列に結合することができ、それは１つまたは複数の他の位相モジュールに（たとえば、並列に）結合することができる。複数の位相モジュール１４８、１６０を用いることにより、コンバータ１７１は、位相モジュール１４８、１６０のインダクタ１５４、１６６を通る電流Ｉ_LB１７２、１７４の間の位相シフトがある場合に対する時間インターリーブにより、キャパシタ５４、５６の電流のスペクトルを作成することができる。たとえば、３相モジュールの実施形態の１つまたは複数のインダクタの第３高調波の影響を、２／周波数の周期で２π／９ラジアン（４０度）だけ３つの位相を位相シフトすることによって緩和することができる。

【0028】

本明細書では、様々な実施形態について、添付の図面を参照して説明してきた。しかし、様々な修正および変更をそれに加えることができることは明らかであろうし、添付の特許請求の範囲に記載された本開示のより広い範囲から逸脱することなく、追加の実施形態を実施することができる。したがって、明細書および図面は、限定的ではなく、例示的な意味で考えられるべきである。

【0029】

この点で、本明細書に記載した発電装置および方法は、固定または移動用途で使用することができることに留意されたい。固定用途に関して、好適なシステムとしては発電を挙げることができる。好適な発電システムとしては、燃料エンジン駆動システム、風力発電システム、太陽光システム、および水力発電システムなどを挙げることができる。好適な移動用途としては、車両および携帯装置を挙げることができる。車両としては、乗用車、商用車、機関車、オフハイウェイおよび採鉱車両、農業用車両、船舶、ならびに航空機を挙げることができる。たとえば、車両は、ＤＣバスに接続されたエネルギー源を有する電気推進システムを含むことができる。車両は、電力コンバータ４０、１０６のうちの１つまたは複数などの電力用電子デバイスをさらに含むことができる。電力用電子デバイスは、電気推進システムのモータに電力を供給することができる。

【0030】

本明細書に記載した発電装置および方法は、入力データの処理および出力データの生成をある程度含む場合があることを理解されたい。この入力データの処理および出力データの生成は、ハードウェアまたはソフトウェアで実施することができる。たとえば、特定の電子部品は、上述したように改良された発電の提供に関連する類似または関連する回路に用いることができる。そのような場合に、そのような命令を、１つまたは複数のプロセッサ可読記憶媒体に格納することができ、あるいは１つまたは複数のプロセッサに送信することができるということは、本開示の範囲内である。

【0031】

本明細書は、当業者が、任意の装置もしくはシステムを作成し用いること、および任意の方法を実行することを含んで本開示を実施することができるように、実施例を用いている。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。

【符号の説明】

【0032】

１２ インダクタ
４０ 中点コンバータ、電力コンバータ
４２ ＤＣ電源
４４ ＤＣ負荷
４８ 出力電圧Ｖ_out
５０ キャパシタ
５１ グランド
５２ キャパシタ
５４ 出力キャパシタＣ_OUT
５６ 出力キャパシタＣ_OUT
５８ 入力側
６０ 出力側
６２ 第１の共通基準点
６４ 第２の共通基準点
６６ グランド
６８ 位相モジュール
７０ 単一インダクタ
７１ 第１の端子
７２ 電流Ｉ_LB
７３ 第２の端子
７４ ２レベルモジュール
７６ 第１のスイッチ、入力側スイッチ
７７ コントローラまたは制御回路
７８ 第２のスイッチ、入力側スイッチ、出力側
７９ プロセッサ
８０ 第１のダイオード
８１ メモリ
８２ 第２のダイオード
９２ グラフ
９４ グラフ
９６ グラフ
１０６ 降圧昇圧型中点コンバータ、電力コンバータ
１０８ 位相モジュール
１１０ スイッチ
１１２ スイッチ
１１４ スイッチ
１１６ スイッチ、逆並列ダイオード
１１８ 閉じた経路
１２０ ダイオード
１２２ 電流調整キャパシタ
１２４ インダクタ
１２６ バリスタおよび／またはトランゾーブ
１４８ 第１の位相モジュール
１５０ スイッチ
１５２ スイッチ
１５４ インダクタ
１５６ ダイオード
１５８ ダイオード
１６０ 第２の位相モジュール
１６２ スイッチ
１６４ スイッチ
１６６ インダクタ
１６８ ダイオード
１７０ ダイオード
１７１ コンバータ
１７４ 電流Ｉ_LB

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】