(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024110397
(43)【公開日】2024-08-15
(54)【発明の名称】多相ＡＣ－ＤＣコンバータ
(51)【国際特許分類】
H02M 7/12 20060101AFI20240807BHJP
【ＦＩ】
H02M7/12 M
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024007619
(22)【出願日】2024-01-22
(31)【優先権主張番号】18/163,393
(32)【優先日】2023-02-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】504162361
【氏名又は名称】台達電子工業股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＤＥＬＴＡ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】１８６ Ｒｕｅｙ Ｋｕａｎｇ Ｒｏａｄ， Ｎｅｉｈｕ， Ｔａｉｐｅｉ １１４， Ｔａｉｗａｎ
(74)【代理人】
【識別番号】110001139
【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100130328
【弁理士】
【氏名又は名称】奥野 彰彦
(74)【代理人】
【識別番号】100130672
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】張弛
(72)【発明者】
【氏名】ワン、ルシ
(72)【発明者】
【氏名】沈志宇
(72)【発明者】
【氏名】ピーター マントヴァネッリ バルボサ
(72)【発明者】
【氏名】李聖華
【テーマコード（参考）】
5H006
【Ｆターム（参考）】
5H006AA01
5H006AA02
5H006CA02
5H006CA07
5H006CB01
5H006CC01
5H006DB01
5H006DC02
5H006DC05
(57)【要約】 （修正有）
【課題】力率補正（ＰＦＣ）を備えた三相ＡＣ－ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】アクティブスイッチのソフトスイッチング機能により、入力電流の低い全高調波歪み（ＴＨＤ）と良好な力率を実現できる三相ＡＣ－ＤＣコンバータ８００を提供する。一態様では、三相ＡＣ－ＤＣコンバータ８００の複数の一次側アクティブスイッチＳ１，Ｓ２のうちの１つの一次側アクティブスイッチのゲート信号と、三相ＡＣ－ＤＣコンバータの複数の二次側アクティブスイッチのうちの対応する二次側アクティブスイッチＳｏ１－Ｓｏ４のゲート信号に、位相シフトが導入される。
【選択図】図８Ｂ
【解決手段】アクティブスイッチのソフトスイッチング機能により、入力電流の低い全高調波歪み（ＴＨＤ）と良好な力率を実現できる三相ＡＣ－ＤＣコンバータ８００を提供する。一態様では、三相ＡＣ－ＤＣコンバータ８００の複数の一次側アクティブスイッチＳ１，Ｓ２のうちの１つの一次側アクティブスイッチのゲート信号と、三相ＡＣ－ＤＣコンバータの複数の二次側アクティブスイッチのうちの対応する二次側アクティブスイッチＳｏ１－Ｓｏ４のゲート信号に、位相シフトが導入される。
【選択図】図８Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
正端子、負端子、および中性端子を含む複数の内部端子と、
前記正端子、負端子、および中性端子に電気的に結合され、三相ＡＣ電源に接続可能な少なくとも３つの入力端子を含む入力段と、
前記正端子と前記負端子との間に電気的に結合された複数の一次側スイッチを含むスイッチングコンバータ段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記中性端子に電気的に結合された出力段であって、負荷に接続可能な複数の出力端子を含むことで、前記負荷にＤＣ電圧を供給し、変圧器と複数の二次側スイッチを含むアクティブブリッジとを備える、出力段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記出力段に電気的に結合されて、前記複数の一次側スイッチおよび前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成するコントローラであって、前記複数の一次側スイッチのうちの１つの一次側スイッチのゲート信号と、前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、コントローラと、
を備えることを特徴とするＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記正端子、負端子、および中性端子に電気的に結合され、三相ＡＣ電源に接続可能な少なくとも３つの入力端子を含む入力段と、
前記正端子と前記負端子との間に電気的に結合された複数の一次側スイッチを含むスイッチングコンバータ段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記中性端子に電気的に結合された出力段であって、負荷に接続可能な複数の出力端子を含むことで、前記負荷にＤＣ電圧を供給し、変圧器と複数の二次側スイッチを含むアクティブブリッジとを備える、出力段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記出力段に電気的に結合されて、前記複数の一次側スイッチおよび前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成するコントローラであって、前記複数の一次側スイッチのうちの１つの一次側スイッチのゲート信号と、前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、コントローラと、
を備えることを特徴とするＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項2】
前記スイッチングコンバータ段の複数の一次側スイッチは、２つのアクティブスイッチを備え、前記２つのアクティブスイッチの中間点は、前記中性端子に電気的に結合される、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項3】
前記入力段は三相ダイオードブリッジを備え、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、
複数のブーストインダクタであって、各ブーストインダクタは、ＥＭＩフィルタを介して前記三相ＡＣ電源の対応する入力端子と前記三相ダイオードブリッジの対応するレグとの間に電気的に結合される、複数のブーストインダクタと、
複数のコンデンサであって、各コンデンサは、ＥＭＩフィルタを介して前記三相ＡＣ電源の対応する入力端子と前記中性端子との間に接続される、複数のコンデンサと、
をさらに備える、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、
複数のブーストインダクタであって、各ブーストインダクタは、ＥＭＩフィルタを介して前記三相ＡＣ電源の対応する入力端子と前記三相ダイオードブリッジの対応するレグとの間に電気的に結合される、複数のブーストインダクタと、
複数のコンデンサであって、各コンデンサは、ＥＭＩフィルタを介して前記三相ＡＣ電源の対応する入力端子と前記中性端子との間に接続される、複数のコンデンサと、
をさらに備える、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項4】
前記スイッチングコンバータ段は、直列に接続されかつ前記入力段に並列に結合された複数のＤＣリンクコンデンサをさらに備える、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項5】
前記複数のＤＣリンクコンデンサの中間点は、前記変圧器の１つの一次側端子に電気的に結合され、前記複数の一次側スイッチの中間点は、前記変圧器の別の一次側端子に電気的に結合される、請求項４に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項6】
前記出力段は、
第１の変圧器と、
前記第１の変圧器の二次側に接続された第１のアクティブブリッジと、
第２の変圧器と、
前記第２の変圧器の二次側に接続された第２のアクティブブリッジと、
を備え、
前記第１の変圧器の第１の一次側端子は、前記複数のＤＣリンクコンデンサの中間点に接続され、
前記第１の変圧器の第２の一次側端子は、前記第２の変圧器の第１の一次側端子に接続され、
前記第２の変圧器の第２の一次側端子は、前記中性端子に接続される、
請求項４に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
第１の変圧器と、
前記第１の変圧器の二次側に接続された第１のアクティブブリッジと、
第２の変圧器と、
前記第２の変圧器の二次側に接続された第２のアクティブブリッジと、
を備え、
前記第１の変圧器の第１の一次側端子は、前記複数のＤＣリンクコンデンサの中間点に接続され、
前記第１の変圧器の第２の一次側端子は、前記第２の変圧器の第１の一次側端子に接続され、
前記第２の変圧器の第２の一次側端子は、前記中性端子に接続される、
請求項４に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項7】
前記アクティブブリッジは、４つのアクティブスイッチを含むフルアクティブブリッジまたは２つのアクティブスイッチを含むハーフブリッジを備える、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項8】
前記スイッチングコンバータ段は、
直列に電気的に結合された第１、第２、第３、および第４のアクティブスイッチと、
前記第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点と前記第３および第４のアクティブスイッチの間の中間点との間に電気的に結合されたフライングコンデンサと、
を備え、
前記第２および第３のアクティブスイッチの中間点は、前記中性端子に電気的に結合される、
請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
直列に電気的に結合された第１、第２、第３、および第４のアクティブスイッチと、
前記第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点と前記第３および第４のアクティブスイッチの間の中間点との間に電気的に結合されたフライングコンデンサと、
を備え、
前記第２および第３のアクティブスイッチの中間点は、前記中性端子に電気的に結合される、
請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項9】
前記スイッチングコンバータ段は、前記正端子と前記負端子の間に直列に電気的に結合された第１および第２のアクティブスイッチと、前記正端子と前記負端子の間に直列に電気的に結合された第３および第４のアクティブスイッチとを含むアクティブフルブリッジ回路を備え、
前記第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記中性端子に電気的に結合され、前記第３および第４のアクティブスイッチの間の中間点は、前記変圧器の１つの一次側端子に電気的に結合される、
請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記中性端子に電気的に結合され、前記第３および第４のアクティブスイッチの間の中間点は、前記変圧器の１つの一次側端子に電気的に結合される、
請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項10】
前記入力段に並列に電気的に結合されたＤＣリンクコンデンサをさらに備える、請求項９に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項11】
前記変圧器の１つの二次側端子と前記アクティブブリッジの中間点との間に電気的に結合され、または前記第３および第４のアクティブスイッチの間の前記中間点と前記変圧器の前記１つの一次側端子との間に電気的に結合されたブロッキングコンデンサをさらに備える、請求項１または９に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項12】
前記出力段は２つの変圧器を備え、前記２つの変圧器は、前記２つの変圧器の一次側で直列に接続され、前記２つの変圧器の二次側で並列に接続される、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項13】
前記スイッチングコンバータ段は、複数のハーフブリッジモジュールを含み、各ハーフブリッジモジュールは、ループを形成するために直列に接続されたコンデンサと第１および第２のアクティブスイッチを含み、
前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの第１のハーフブリッジモジュールは、前記正端子に電気的に結合され、前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの第２のハーフブリッジモジュールは、前記負端子に電気的に結合され、前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの少なくとも２つは、前記中性端子に電気的に結合され、
前記コントローラは、前記複数のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチと前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成し、
前記複数のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチのうちの１つのアクティブスイッチのゲート信号と前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、
請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの第１のハーフブリッジモジュールは、前記正端子に電気的に結合され、前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの第２のハーフブリッジモジュールは、前記負端子に電気的に結合され、前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの少なくとも２つは、前記中性端子に電気的に結合され、
前記コントローラは、前記複数のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチと前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成し、
前記複数のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチのうちの１つのアクティブスイッチのゲート信号と前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、
請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項14】
前記スイッチングコンバータ段は、直列に接続されかつ前記入力段に並列に結合された複数のＤＣリンクコンデンサをさらに備え、前記複数のＤＣリンクコンデンサの中間点は、前記変圧器の１つの一次側端子に電気的に結合され、前記入力段は三相ダイオードブリッジを備える、請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項15】
前記スイッチングコンバータ段の複数のハーフブリッジモジュールは、第１および第２のハーフブリッジモジュールを備え、
前記第１のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの中間点は、前記正端子に接続され、
前記第１のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の接続点は、前記第２のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの中間点および前記中性端子に接続され、
前記第２のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の接続点は、前記負端子に接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記第１のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの中間点は、前記正端子に接続され、
前記第１のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の接続点は、前記第２のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの中間点および前記中性端子に接続され、
前記第２のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の接続点は、前記負端子に接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項16】
前記スイッチングコンバータ段の複数のハーフブリッジモジュールは、合計２ｎ個のハーフブリッジモジュールを含み、ｎは正の整数であり、
前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのそれぞれの第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの前のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子に接続され、ただし、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの第１のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記正端子に接続され、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの最後のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子は、前記負端子に接続され、
前記中性端子は、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのそれぞれの第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの前のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子に接続され、ただし、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの第１のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記正端子に接続され、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの最後のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子は、前記負端子に接続され、
前記中性端子は、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項17】
前記入力段は、合計６ｍ個のダイオードを備え、前記スイッチングコンバータ段の複数のハーフブリッジモジュールは、２ｎ個のハーフブリッジモジュールを２組含み、ｍおよびｎは正の整数であり、
第１組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、前記中性端子が前記第１組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールの間の中間点に電気的に結合された状態で、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続され、
第２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、前記変圧器の１つの一次側端子が前記第２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールの間の中間点に接続された状態で、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
第１組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、前記中性端子が前記第１組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールの間の中間点に電気的に結合された状態で、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続され、
第２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、前記変圧器の１つの一次側端子が前記第２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールの間の中間点に接続された状態で、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項18】
前記入力段は、合計６ｍ個のダイオードを備え、前記スイッチングコンバータ段は、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続された合計４ｎ個のハーフブリッジモジュールと、フライングコンデンサとを備え、ｍおよびｎは正の整数であり、
前記中性端子は、前記４ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に電気的に結合され、
前記フライングコンデンサは、前記上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第１中間点と、前記下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第２中間点との間に接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記中性端子は、前記４ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に電気的に結合され、
前記フライングコンデンサは、前記上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第１中間点と、前記下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第２中間点との間に接続される、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項19】
前記出力段は、合計Ｎ個の変圧器を備え、前記Ｎ個の変圧器の一次側は互いに並列に接続され、
前記Ｎ個の変圧器のそれぞれの二次側は、独立してフルアクティブブリッジに接続され、Ｎは２以上の正の整数である、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
前記Ｎ個の変圧器のそれぞれの二次側は、独立してフルアクティブブリッジに接続され、Ｎは２以上の正の整数である、
請求項１３に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項20】
２つのＡＣ／ＤＣコンバータを備えるインターリーブ型または並列型のＡＣ／ＤＣコンバータであって、前記２つのＡＣ／ＤＣコンバータのそれぞれは、
正端子、負端子、および中性端子を含む複数の内部端子と、
前記正端子、負端子、および中性端子に電気的に結合され、三相ＡＣ電源に接続可能な少なくとも３つの入力端子を含む入力段と、
前記正端子と前記負端子との間に電気的に結合された複数の一次側スイッチを含むスイッチングコンバータ段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記中性端子に電気的に結合された出力段であって、負荷に接続可能な複数の出力端子を含むことで、前記負荷にＤＣ電圧を供給し、変圧器と複数の二次側スイッチを含むアクティブブリッジとを備える、出力段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記出力段に電気的に結合されて、前記複数の一次側スイッチおよび前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成するコントローラであって、前記複数の一次側スイッチのうちの１つの一次側スイッチのゲート信号と、前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、コントローラと、
を備え、
直接並列動作では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータのうちの第１のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータのうちの第２のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号と同じであり、
インターリーブ動作では、前記第１のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号は、前記第２のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号に対して１８０度インターリーブされることを特徴とする、インターリーブ型または並列型のＡＣ／ＤＣコンバータ。
正端子、負端子、および中性端子を含む複数の内部端子と、
前記正端子、負端子、および中性端子に電気的に結合され、三相ＡＣ電源に接続可能な少なくとも３つの入力端子を含む入力段と、
前記正端子と前記負端子との間に電気的に結合された複数の一次側スイッチを含むスイッチングコンバータ段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記中性端子に電気的に結合された出力段であって、負荷に接続可能な複数の出力端子を含むことで、前記負荷にＤＣ電圧を供給し、変圧器と複数の二次側スイッチを含むアクティブブリッジとを備える、出力段と、
前記スイッチングコンバータ段および前記出力段に電気的に結合されて、前記複数の一次側スイッチおよび前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成するコントローラであって、前記複数の一次側スイッチのうちの１つの一次側スイッチのゲート信号と、前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、コントローラと、
を備え、
直接並列動作では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータのうちの第１のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータのうちの第２のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号と同じであり、
インターリーブ動作では、前記第１のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号は、前記第２のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号に対して１８０度インターリーブされることを特徴とする、インターリーブ型または並列型のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、多相ＡＣ－ＤＣコンバータに関する。より詳細には、本開示は、力率補正（ＰＦＣ）を備えた三相ＡＣ－ＤＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、三相ＡＣ－ＤＣ用途では、フロントエンド力率補正（ＰＦＣ）整流器が必要である。ＰＦＣ整流器は通常、入力三相電流の低い全高調波歪み（ＴＨＤ）と高い力率を実現する。
【0003】
図１は、スイッチを１つだけ備えた従来の三相整流器を示す。この三相整流器はＰＦＣを実行し、ブーストインダクタをスイッチングサイクルごとに完全に放電する不連続導通モード（ＤＣＭ）でブーストインダクタを動作させることによって低ＴＨＤを実現する。ＤＣＭ動作では、線電流は線電圧に自然に追従するため、ＴＨＤと力率（ＰＦ）が向上する。インダクタ電流は直接制御されないため、通常は低帯域幅の一定スイッチング周波数制御が実装される。関連文献で報告されているように、三相整流器は１０％～２０％のＴＨＤを達成でき、これは一部の用途では許容可能である。
【0004】
高電力用途における電流歪みをさらに最小化するために、図２に示されるウィーン整流器は参考文献［１］で提案されている。ウィーン整流器は、高効率のＡＣ－ＤＣ変換、入力電流の低ＴＨＤ、および高い力率を提供するが、ウィーン整流器にはコンポーネントが多すぎるため、低コストの用途には魅力的ではない。
【0005】
図３は、双方向電力フローの機能を備えた６スイッチブーストコンバータを示す。ＳｉＣデバイスなどの広帯域ギャップデバイスを使用することにより、参考文献［２］で報告されているように、高効率と高電力密度の両方を提供することができる。広帯域ギャップデバイスの高コストは、このコンバータが広く受け入れられるための潜在的な障害となる。
【0006】
図４は、参考文献［３］で提案された２スイッチ三相整流器を示す。コンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３を「Ｙ」接続で接続することにより、仮想中性点が得られる。仮想中性点は、２つのスイッチの中間点と出力コンデンサＣＯ１およびＣＯ２の中間点にさらに接続される。この接続は、三相ＰＦＣ整流器を３つの独立した単相ＰＦＣ整流器として動作させることにより、線期間のほとんどで相電流を部分的にデカップリングする。この構造は、参考文献［４］で提案されている、図５に示すようにさらに改良されたものである。図５の整流器は、誘導デカップリング段を追加することにより、より良い電磁干渉（ＥＭＩ）性能を提供し、高速高電圧変化アプリケーションに適している。
【0007】
最近、高入力電圧三相電源は、同じ量の入力電流でより多くの電力を供給できるため、固体段変圧器（ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｇｅ－ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）などの高電力用途でますます魅力的になっている。図１～５のコンバータを高入力電圧条件で動作させるために、可能なアプローチの１つは、参考文献［５］で報告されているように、低電圧デバイスを超高電圧デバイスに直接置き換えることである。しかし、超高電圧デバイスは現在市場で入手できず、近い将来非常に高価になる。もう１つの可能なアプローチは、参考文献［６］で報告されているように、フロントエンドブリッジをカスケード接続して高入力電圧をブロックすることである。このアプローチは通常、フロントエンドＰＦＣに大量のアクティブスイッチが必要であり、ガルバニック絶縁を提供するために複数のＤＣ－ＤＣコンバータも必要となるため、システムのスイッチ数がさらに増加する。
【0008】
多くの電力変換用途（例えば、電気自動車（ＥＶ）のバッテリ充電）は、広い電圧範囲にわたって調整された出力電圧を必要とする。例えば、一般的なＥＶバッテリ充電器回路の電圧範囲は２４０～４６０ボルトである。したがって、異なるバッテリ電圧レベルでの充電要件に対応するには、非常に広い出力電圧範囲にわたってＰＦＣと調整された出力電圧の両方を提供できるコンバータが望まれる。図６に示すデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）絶縁型双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの概要については、参考文献［７］で説明されており、ＤＡＢは広い電圧利得範囲のＤＣ－ＤＣ変換に使用される。参考文献［８］では、従来のＤＡＢをさらに改良して、図７に示すトリプルアクティブブリッジ（ＴＡＢ）ＤＣ－ＤＣ絶縁コンバータなどのマルチポート機能を特徴とする。しかし、ＰＦＣ機能を提供するには、ＤＡＢ段の前に別個ＡＣ－ＤＣコンバータが必要である。よりシンプルな構造が望まれる。
【0009】
参考文献
【0010】
参考文献［１］：Ｊ．Ｗ．Ｋｏｌａｒ ａｎｄ Ｆ．Ｃ．Ｚａｃｈ，"Ａ ｎｏｖｅｌ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｕｔｉｌｉｔｙ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｌｉｎｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｒｅｔｉｆｉｅｒ ｍｏｄｕｌｅｓ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．４４，ｎｏ．４，ｐｐ．４５６－４６７，Ａｕｇ．１９９７。
【0011】
参考文献［２］：Ｊ．Ｗ．Ｋｏｌａｒ ａｎｄ Ｔ．Ｆｒｉｅｄｌｉ，"Ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ＰＦＣ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，ｖｏｌ．２８，ｎｏ．１，ｐｐ．１７６－１９８，Ｊａｎ．２０１３。
【0012】
参考文献［３］：Ｊｉａｎｐｉｎｇ Ｙｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，"Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ"，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ． Ｎｏ．７，００５，７５９，ｉｓｓｕｅｄ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２８，２００６。
【0013】
参考文献［４］：Ｙｕｎｇｔａｅｋ Ｊａｎｇ ｅｔ ａｌ．，"Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ Ｓｏｆｔ－Ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＰＦＣ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ"，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ． Ｎｏ．８，６８７，３８８，ｉｓｓｕｅｄ Ａｐｒｉｌ １，２０１４。
【0014】
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【0015】
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【0016】
参考文献［７］：Ｂ．Ｚｈａｏ，Ｑ．Ｓｏｎｇ，Ｗ．Ｌｉｕ，ａｎｄ Ｙ．Ｓｕｎ，"Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｄｕａｌ－Ａｃｔｉｖｅ－Ｂｒｉｄｇｅ Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－Ｌｉｎｋ Ｐｏｗｅｒ－Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ"，ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．２９，ｎｏ．８，ｐｐ．４０９１－４１０６，Ａｕｇ．２０１４。
【0017】
参考文献［８］：Ｃ．Ｚｈａｏ，Ｓ．Ｄ．Ｒｏｕｎｄ ａｎｄ Ｊ．Ｗ．Ｋｏｌａｒ，"Ａｎ Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｏｒｔ Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｗｉｔｈ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｆｌｏｗ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ"，ｉｎ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．２３，ｎｏ．５，ｐｐ．２４４３－２４５３，Ｓｅｐｔ．２００８。
【発明の概要】
【0018】
一態様では、本開示は、ＡＣ／ＤＣコンバータを提供する。前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、正端子、負端子、および中性端子を含む複数の内部端子と、前記正端子、負端子、および中性端子に電気的に結合され、三相ＡＣ電源に接続可能な少なくとも３つの入力端子を含む入力段と、前記正端子と前記負端子との間に電気的に結合された複数の一次側スイッチを含むスイッチングコンバータ段と、前記スイッチングコンバータ段および前記中性端子に電気的に結合された出力段であって、負荷に接続可能な複数の出力端子を含むことで、前記負荷にＤＣ電圧を供給し、変圧器と複数の二次側スイッチを含むアクティブブリッジとを備える、出力段と、前記スイッチングコンバータ段および前記出力段に電気的に結合されて、前記複数の一次側スイッチおよび前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成するコントローラであって、前記複数の一次側スイッチのうちの１つの一次側スイッチのゲート信号と、前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、コントローラとを備える。
【0019】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段の複数の一次側スイッチは、２つのアクティブスイッチを備え、前記２つのアクティブスイッチの中間点は、前記中性端子に電気的に結合される。
【0020】
一実施形態では、前記入力段は三相ダイオードブリッジを備える。
【0021】
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは複数のブーストインダクタをさらに備え、各ブーストインダクタは、ＥＭＩフィルタを介して前記三相ＡＣ電源の対応する入力端子と前記三相ダイオードブリッジの対応するレグとの間に電気的に結合される。
【0022】
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは複数のコンデンサをさらに備え、各コンデンサは、ＥＭＩフィルタを介して前記三相ＡＣ電源の対応する入力端子と前記中性端子との間に接続される。
【0023】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段は、直列に接続されかつ前記入力段に並列に結合された複数のＤＣリンクコンデンサをさらに備える。
【0024】
一実施形態では、前記複数のＤＣリンクコンデンサの中間点は、前記変圧器の１つの一次側端子に電気的に結合され、前記複数の一次側スイッチの中間点は、前記変圧器の別の一次側端子に電気的に結合される。
【0025】
一実施形態では、前記出力段は、第１の変圧器と、前記第１の変圧器の二次側に接続された第１のアクティブブリッジと、第２の変圧器と、前記第２の変圧器の二次側に接続された第２のアクティブブリッジとを備える。前記第１の変圧器の第１の一次側端子は、前記複数のＤＣリンクコンデンサの中間点に接続される。前記第１の変圧器の第２の一次側端子は、前記第２の変圧器の第１の一次側端子に接続される。前記第２の変圧器の第２の一次側端子は、前記中性端子に接続される。
【0026】
一実施形態では、前記一次側および二次側スイッチは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または逆並列ダイオードを備えた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。
【0027】
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、前記変圧器の１つの二次側端子と前記アクティブブリッジの中間点との間に電気的に結合されたブロッキングコンデンサをさらに備える。
【0028】
一実施形態では、前記アクティブブリッジは、４つのアクティブスイッチを含むフルアクティブブリッジまたは２つのアクティブスイッチを含むハーフブリッジを備える。
【0029】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段は、直列に電気的に結合された第１、第２、第３、および第４のアクティブスイッチと、前記第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点と前記第３および第４のアクティブスイッチの間の中間点との間に電気的に結合されたフライングコンデンサとを備える。前記第２および第３のアクティブスイッチの中間点は、前記中性端子に電気的に結合される。
【0030】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段は、前記正端子と前記負端子の間に直列に電気的に結合された第１および第２のアクティブスイッチと、前記正端子と前記負端子の間に直列に電気的に結合された第３および第４のアクティブスイッチとを含むアクティブフルブリッジ回路を備える。前記第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記中性端子に電気的に結合され、前記第３および第４のアクティブスイッチの間の中間点は、前記変圧器の１つの一次側端子に電気的に結合される。
【0031】
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、前記入力段に並列に電気的に結合されたＤＣリンクコンデンサをさらに備える。
【0032】
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、前記第３および第４のアクティブスイッチの間の前記中間点と前記変圧器の前記１つの一次側端子との間に電気的に結合されたブロッキングコンデンサをさらに備える。
【0033】
一実施形態では、前記出力段は２つの変圧器を備え、前記２つの変圧器は、前記２つの変圧器の一次側で直列に接続され、前記２つの変圧器の二次側で並列に接続される。
【0034】
一態様では、本開示は、２つの前記ＡＣ／ＤＣコンバータを備えるインターリーブ型または並列型のＡＣ／ＤＣコンバータを提供する。直接並列動作では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータのうちの第１のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号は、前記ＡＣ／ＤＣコンバータのうちの第２のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号と同じである。インターリーブ動作では、前記第１のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号は、前記第２のＡＣ／ＤＣコンバータのゲート信号に対して１８０度インターリーブされる。
【0035】
一態様では、本開示は、ＡＣ／ＤＣコンバータを提供する。前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、正端子、負端子、および中性端子を含む複数の内部端子と、前記正端子、負端子、および中性端子に電気的に結合され、三相ＡＣ電源に接続可能な少なくとも３つの入力端子を含む入力段と、複数のハーフブリッジモジュールを含むスイッチングコンバータ段であって、各ハーフブリッジモジュールは、ループを形成するために直列に接続されたコンデンサと第１および第２のアクティブスイッチを含み、前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの第１のハーフブリッジモジュールは前記正端子に電気的に結合され、前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの第２のハーフブリッジモジュールは、前記負端子に電気的に結合され、前記複数のハーフブリッジモジュールのうちの少なくとも２つは、前記中性端子に電気的に結合される、スイッチングコンバータ段と、前記スイッチングコンバータ段および前記中性端子に電気的に結合された出力段であって、負荷に接続可能な複数の出力端子を含むことで、前記負荷にＤＣ電圧を供給し、変圧器と複数の二次側スイッチを含むアクティブブリッジとを備える、出力段と、前記スイッチングコンバータ段および前記出力段に結合されて、前記複数のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチと前記複数の二次側スイッチのためのゲート信号を生成するコントローラであって、前記複数のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチのうちの１つのアクティブスイッチのゲート信号と前記複数の二次側スイッチのうちの対応する１つの二次側スイッチのゲート信号との間に、位相シフトが導入される、コントローラとを備える。
【0036】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段は、直列に接続されかつ前記入力段に並列に結合された複数のＤＣリンクコンデンサをさらに備える。
【0037】
一実施形態では、前記複数のＤＣリンクコンデンサの中間点は、前記変圧器の１つの一次側端子に電気的に結合される。
【0038】
一実施形態では、前記入力段は三相ダイオードブリッジを備える。
【0039】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段の複数のハーフブリッジモジュールは、第１および第２のハーフブリッジモジュールを備え、前記第１のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの中間点は、前記正端子に接続される。前記第１のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の接続点は、前記第２のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの中間点および前記中性端子に接続される。前記第２のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の接続点は、前記負端子に接続される。
【0040】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段の複数のハーフブリッジモジュールは、合計２ｎ個のハーフブリッジモジュールを含み、ｎは正の整数である。前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのそれぞれの第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの前のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子に接続され、ただし、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの第１のハーフブリッジモジュールの第１および第２のアクティブスイッチの間の中間点は、前記正端子に接続され、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの最後のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子が前記負端子に接続される。前記中性端子は、前記２ｎ個のハーフブリッジモジュールのうちの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に接続される。
【0041】
一実施形態では、前記入力段は、合計６ｍ個のダイオードを備え、前記スイッチングコンバータ段の複数のハーフブリッジモジュールは、２ｎ個のハーフブリッジモジュールを２組含み、ｍおよびｎは正の整数である。第１組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、前記中性端子が前記第１組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールの間の中間点に電気的に結合された状態で、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続される。第２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、前記変圧器の１つの一次側端子が前記第２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールの間の中間点に接続された状態で、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続される。
【0042】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段は、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続された第１、第２、第３、および第４のハーフブリッジモジュールと、フライングコンデンサとを備え、前記フライングコンデンサの第１の端子は、前記第１のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子に接続され、前記フライングコンデンサの第２の端子は、前記第３のハーフブリッジモジュールのコンデンサと第２のアクティブスイッチとの間の底部端子に接続される。
【0043】
一実施形態では、前記入力段は、合計６ｍ個のダイオードを備え、前記スイッチングコンバータ段は、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続された合計４ｎ個のハーフブリッジモジュールと、フライングコンデンサとを備え、ｍおよびｎは正の整数である。前記中性端子は、前記４ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に電気的に結合される。前記フライングコンデンサは、前記上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第１中間点と、前記下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第２中間点との間に接続される。
【0044】
一実施形態では、前記出力段は、第１の変圧器と第２の変圧器を備え、前記第１の変圧器の一次側は、前記第２の変圧器の一次側と並列に接続され、前記第１および第２の変圧器のそれぞれは、二次側のフルアクティブブリッジに独立して接続される。
【0045】
一実施形態では、前記出力段は、合計Ｎ個の変圧器を備え、前記Ｎ個の変圧器の一次側は互いに並列に接続され、前記Ｎ個の変圧器のそれぞれの二次側は、独立してフルアクティブブリッジに接続される。
【0046】
一実施形態では、前記スイッチングコンバータ段は、前記正端子と前記負端子の間にカスケード接続された合計４ｎ個のハーフブリッジモジュールと、フライングコンデンサとを備え、ｎは正の整数である。前記中性端子は、前記４ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に電気的に結合される。前記フライングコンデンサは、前記上位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第１中間点と、前記下位２ｎ個のハーフブリッジモジュールの上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の第２中間点との間に接続される。前記出力段は、合計Ｎ個の変圧器を備え、前記Ｎ個の変圧器の一次側は互いに並列に接続され、前記Ｎ個の変圧器のそれぞれの二次側は、独立してフルアクティブブリッジに接続される。
【図面の簡単な説明】
【0047】
本開示は、以下の詳細な説明および添付の図面を考慮するとよりよく理解される。
【0048】
【図1】従来の三相シングルスイッチＰＦＣ ＤＣＭブースト整流器回路を示す。
【0049】
【図2】従来の三相ウィーンＰＦＣ整流器回路を示す。
【0050】
【図3】従来の三相６スイッチＰＦＣブースト整流器回路を示す。
【0051】
【図4】仮想中性点と分割出力コンデンサを備えた従来の三相２スイッチＰＦＣ ＤＣＭブースト整流器回路を示す。
【0052】
【図5】従来の三相２スイッチゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）ＰＦＣ ＤＣＭブースト整流器回路を示す。
【0053】
【図6】従来のデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）ＤＣ－ＤＣ絶縁コンバータを示す。
【0054】
【図7】２つの絶縁出力を備えた従来のトリプルアクティブブリッジ（ＴＡＢ）ＤＣ－ＤＣ絶縁コンバータを示す。
【0055】
【図8A】本開示の一実施形態による絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0056】
【0057】
【0058】
【図9】本開示の一実施形態による、二次側にブロッキングコンデンサを備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0059】
【図10】本開示の一実施形態による、変圧器の二次側にアクティブハーフブリッジ回路を備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0060】
【図11A】本開示の一実施形態による絶縁三相３レベルフライングコンデンサＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0061】
【0062】
【図12】本開示の一実施形態による、一次側にアクティブフルブリッジ回路を備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0063】
【図13A】本開示の一実施形態による、一次側にアクティブフルブリッジ回路およびブロッキングコンデンサを備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0064】
【0065】
【図14】本開示の一実施形態によるインターリーブ型または並列型の絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0066】
【図15】本開示の一実施形態による、一次側で直列に接続された２つの変圧器と２つの分離された出力を有する絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0067】
【図16】本開示の一実施形態による、一次側で直列に接続されかつ二次側で並列に接続された２つの変圧器を備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0068】
【図17A】本開示の一実施形態による、２つのハーフブリッジモジュールを備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0069】
【0070】
【図18A】本開示の一実施形態による、合計６ｍ（ｍ＝１、２、３、...）個のダイオードおよび２ｎ（ｎ＝１、２、３、...）個のハーフブリッジモジュールに基づく、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0071】
【0072】
【図19】本開示の一実施形態による、合計６ｍ（ｍ＝１、２、３、...）個のダイオード、および周波数コントローラと位相シフトコントローラの両方を備えた２組の４ｎ（ｎ＝１、２、３、...）個のハーフブリッジモジュールに基づく、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0073】
【図20A】本開示の一実施形態による、４つのハーフブリッジモジュールを備えた三相３レベルフライングコンデンサＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0074】
【0075】
【図21】本開示の一実施形態による、合計６ｍ（ｍ＝１、２、３、...）個のダイオードおよび合計４ｎ（ｎ＝１、２、３、...）個のハーフブリッジモジュールに基づく、一般化された絶縁三相フライングコンデンサＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭブースト整流器回路を示す。
【0076】
【図22A】本開示の一実施形態による、合計６ｍ（ｍ＝１、２、３、...）個のダイオード、および２つの絶縁出力を有する２ｎ（ｎ＝１、２、３、...）個のハーフブリッジモジュールに基づく、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0077】
【0078】
【図23】本開示の一実施形態による、合計６ｍ（ｍ＝１、２、３、...）個のダイオード、およびＮ個の絶縁出力を有する２ｎ（ｎ＝１、２、３、...）個のハーフブリッジモジュールに基づく、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【0079】
【図24】本開示の一実施形態による、合計６ｍ（ｍ＝１、２、３、...）個のダイオード、およびＮ個の絶縁出力を有する４ｎ（ｎ＝１、２、３、...）個のハーフブリッジモジュールに基づく、一般化された絶縁三相３レベルフライングコンデンサＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。
【発明を実施するための形態】
【0080】
本発明者らは、高入力電圧および高電力用途向けの高い拡張性を備えた、低コスト、低入力電流高調波、および高力率の三相絶縁ＡＣ－ＤＣコンバータの必要性を認識し、評価した。本開示は、アクティブスイッチのソフトスイッチング機能により、非常に低い入力電流のＴＨＤと良好な力率を提供する三相ＡＣ－ＤＣコンバータに関する。
【0081】
図８Ａは、本開示の一実施形態による、低入力電流高調波を有する絶縁三相ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）力率補正（ＰＦＣ）不連続導通モード（ＤＣＭ）ＡＣ－ＤＣコンバータ８００を示す。ＡＣ－ＤＣコンバータ８００は、ＥＭＩフィルタ８１０を介して三相入力電圧端子ＶＡ、ＶＢ、およびＶＣに結合された３つのブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３と、「Ｙ」またはスター構成に接続された３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３とを含む。コンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３のそれぞれは、ＥＭＩフィルタ８１０を介して三相入力電圧端子ＶＡ、ＶＢ、およびＶＣのうちの対応する端子に接続されている。
【0082】
ブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３の後には、三相ダイオードブリッジ８２０とハーフブリッジ回路８３０が続く。ハーフブリッジ回路８３０は、三相ダイオードブリッジ８２０の正端子ＰＯＳと負端子ＮＥＧとの間に直列接続された２つのアクティブスイッチＳ１およびＳ２を含み、２つのアクティブスイッチＳ１およびＳ２の中間点は、コンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３の接続点（すなわち、中性点または中性端子）Ｙに接続される。
【0083】
２つの直列接続されたＤＣリンクコンデンサＣＤＣ１およびＣＤＣ２は、三相ダイオードブリッジ８２０に並列に結合され、すなわち、正端子ＰＯＳと負端子ＮＥＧとの間に結合される。２つのＤＣリンクコンデンサＣＤＣ１およびＣＤＣ２の中間点は、変圧器８４０の一方の一次側端子に接続され、アクティブスイッチＳ１およびＳ２の中間点は、変圧器８４０の他方の一次側端子に接続される。
【0084】
スイッチＳＯ１、ＳＯ２、ＳＯ３、およびＳＯ４を含むフルアクティブブリッジ８５０は、変圧器８４０の二次側に接続される。アクティブスイッチＳ１およびＳ２とスイッチＳＯ１、ＳＯ２、ＳＯ３、およびＳＯ４は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、逆並列ダイオードを備えた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの任意の適切なスイッチであってもよいことが理解される。
【0085】
図８Ｂは、本開示の一実施形態による、コントローラ８６０に結合された図８ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ８００を示す。コントローラ８６０は、三相ダイオードブリッジ８２０のＤＣリンク（例えば、ＤＣリンク電圧）から、及び／またはフルアクティブブリッジ８５０の出力（例えば、出力電流、出力電圧、および出力電力）から情報を取得する。この情報に基づいて、コントローラ８６０は、スイッチング周波数や、一次側のアクティブスイッチＳ１およびＳ２と二次側のスイッチＳＯ１、ＳＯ２、ＳＯ３、およびＳＯ４との間の位相シフトなどの制御変数を調整して、ＤＣリンク電圧、出力電圧、出力電流、および出力電力を調整する。
【0086】
図８Ｃは、本開示の一実施形態による、スイッチングサイクル中の図８ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ８００の主要な波形を示す。図８Ｃにおける電流および電圧の基準方向は、ＶＡ＞０、ＶＢ＜０、およびＶＣ＜０のときのラインサイクルの６０度セグメントに対応する（ＶＡ、ＶＢおよびＶＣは、それぞれ入力電圧端子ＶＡ、ＶＢおよびＶＣの電圧を表す）。図８Ｃに示すように、アクティブスイッチＳ１およびＳ２は、一方のアクティブスイッチのターンオンと他方のアクティブスイッチのターンオフの間に短いデッドタイムを設けて相補的に動作する。さらに、スイッチＳＯ２およびＳＯ３は同一のゲート信号を有し、スイッチＳＯ１およびＳＯ４は同一のゲート信号を有する。ブーストインダクタ電流ｉＬ１、ｉＬ２、およびｉＬ３は、スイッチングサイクルごとにゼロにリセットされるため、不連続導通モード（ＤＣＭ）になる。位相シフトＰＳは、アクティブスイッチＳ２のゲート信号とスイッチＳＯ１のゲート信号との間に導入される。その結果、変圧器８４０の一次側電圧ＶＰは、変圧器８４０の二次側電圧ＶＳと同じ位相シフト角を有する。変圧器電流ｉＬｒは、従来のＤＡＢコンバータと同様に典型的な台形波形となる。
【0087】
図９は、二次側にブロッキングコンデンサＣＢを備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ９００を示す。ブロッキングコンデンサＣＢは、変圧器９４０の１つの二次側端子と二次側のハーフブリッジ回路（スイッチＳＯ１およびＳＯ３を含む）の中間点との間に接続される。ブロッキングコンデンサＣＢは、変圧器９４０の二次側が飽和状態にならないように、二次側フルブリッジ（スイッチＳＯ１、ＳＯ２、ＳＯ３、およびＳＯ４を含む）からの潜在的なＤＣ成分をブロックする。
【0088】
代替実施形態では、図９のＡＣ－ＤＣコンバータ９００の二次側アクティブフルブリッジ回路を典型的なハーフブリッジ回路に置き換えて、アクティブ部品数をさらに減らすことができる。図１０は、本開示の一実施形態による、変圧器１０４０の二次側にアクティブハーフブリッジ回路を備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ１０００を示す。図１０のＡＣ－ＤＣコンバータ１０００の動作は、図８のＡＣ－ＤＣコンバータ８００と非常に類似している。変圧器１０４０の一次側電圧ＶＰは、二次側電圧ＶＳに対して制御可能な位相シフト角を有する。変圧器電流ｉＬｒは、従来のＤＡＢコンバータと同様に典型的な台形波形となる。
【0089】
図１１Ａは、本開示の一実施形態による絶縁三相３レベルＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ１１００を示す。ＡＣ－ＤＣコンバータ１１００は、ＥＭＩフィルタ１１１０を介して三相入力電圧端子ＶＡ、ＶＢ、およびＶＣに結合された３つのブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３と、Ｙまたはスター構成に接続された３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３とを含む。ブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３の後には、三相ダイオードブリッジ１１２０および３レベルフライングキャパシタ回路１１３０が続く。３レベルフライングキャパシタ回路１１３０は、三相ダイオードブリッジ１１２０の正端子ＰＯＳと負端子ＮＥＧとの間に直列に接続された４つのアクティブスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４を含み、４つのアクティブスイッチの中間点（すなわち、アクティブスイッチＳ２とＳ３の間の点Ｐ）は、３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３の接続点Ｙに接続される。フライングまたはフローティングコンデンサＣｆは、最初の２つのアクティブスイッチＳ１およびＳ２の中間点と最後の２つのアクティブスイッチＳ３およびＳ４の中間点との間に接続されている。２つのＤＣリンクコンデンサＣＤＣ１およびＣＤＣ２は直列に接続され、三相ダイオードブリッジ１１２０に結合される。ＤＣリンクコンデンサＣＤＣ１およびＣＤＣ２の中間点は、変圧器１１４０の一方の一次側端子に接続され、４つのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４の中間点（点Ｐ）は、変圧器１１４０の他方の一次側端子に接続される。スイッチＳＯ１、ＳＯ２、ＳＯ３、およびＳＯ４を含むフルアクティブブリッジは、変圧器１１４０の二次側に接続される。
【0090】
図１１Ｂは、本開示の一実施形態による、電力段のスイッチングサイクル中の図１１ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ１１００の主要な波形を示す。図１１Ｂにおける電流および電圧の基準方向は、ＶＡ＞０、ＶＢ＜０、およびＶＣ＜０のときのラインサイクルの６０度セグメントに対応する。図１１ＢのアクティブスイッチＳ１～Ｓ４およびスイッチＳＯ１～ＳＯ４のゲート駆動時間図からわかるように、アクティブスイッチＳ１およびＳ４は、一方のアクティブスイッチのターンオンと他方のアクティブスイッチのターンオフの間に短いデッドタイムを設けて相補的に動作する。アクティブスイッチＳ２およびＳ３も同様に相補的に動作する。アクティブスイッチＳ４およびＳ２のデューティサイクルは同一であり、５０％以下である。アクティブスイッチＳ２のゲート信号は、アクティブスイッチＳ４のゲート信号に対して１８０度の位相シフト角を持っている。一方、スイッチＳＯ２およびＳＯ３は同一のゲート信号を有し、スイッチＳＯ１およびＳＯ４は同一のゲート信号を有する。スイッチＳＯ１およびＳＯ２は相補的に動作する。ブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３の電流は、電流がスイッチングサイクルごとにリセットされるＤＣＭにある。アクティブスイッチＳ４のゲート信号とスイッチＳＯ１のゲート信号との間に、位相シフトＰＳが導入される。変圧器の一次側電圧ＶＰは典型的な３レベル電圧であり、デューティサイクルＤはアクティブスイッチＳ４のデューティサイクルによって決定される。変圧器電流ｉＬｒは典型的な台形波形である。
【0091】
図１２は、本開示の一実施形態による、一次側にアクティブフルブリッジ回路１２３０を備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ１２００を示す。アクティブフルブリッジ回路１２３０は、図８Ａに示すハーフブリッジ回路８３０を置き換えるアクティブスイッチＳ１～Ｓ４を含む。フルブリッジＡＣの点ＰおよびＱは、変圧器１２４０の一次側に接続される。ＤＣリンクコンデンサＣＤＣは、三相ダイオードブリッジの正端子と負端子の間に接続される。
【0092】
図１３Ａは、本開示の一実施形態による、一次側にアクティブフルブリッジ回路１３３０およびブロッキングコンデンサＣＢを備えた絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ１３００を示す。本実施形態では、ブロッキングコンデンサＣＢは、アクティブフルブリッジ回路１３３０と変圧器１３４０との間に挿入され、潜在的なＤＣ成分をブロックして飽和を防止する。
【0093】
図１３Ｂは、本開示の一実施形態による、電力段のスイッチングサイクル中の図１３ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ１３００の主要な波形を示す。図１３Ｂにおける電流および電圧の基準方向は、ＶＡ＞０、ＶＢ＜０、およびＶＣ＜０のときのラインサイクルの６０度セグメントに対応する。アクティブスイッチＳ１～Ｓ４およびスイッチＳＯ１～ＳＯ４のゲート駆動時間図からわかるように、アクティブスイッチＳ１およびＳ２は、一方のアクティブスイッチのターンオンと他方のアクティブスイッチのターンオフの間に短いデッドタイムを設けて相補的に動作する。アクティブスイッチＳ１およびＳ４は同一のゲート信号を有し、アクティブスイッチＳ２およびＳ３は同一のゲート信号を有する。スイッチＳＯ２およびＳＯ３は同一のゲート信号を有し、スイッチＳＯ１およびＳＯ４は同一のゲート信号を有する。ブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３の電流は、電流がスイッチングサイクルごとにリセットされるＤＣＭにある。アクティブスイッチＳ２のゲート信号とスイッチＳＯ１のゲート信号との間に、位相シフトが導入される。その結果、変圧器の一次側電圧ＶＰは、二次側電圧ＶＳに対して同じ位相シフト角を有する。変圧器電流ｉＬｒは典型的な台形波形である。
【0094】
図１４は、本開示の一実施形態によるインターリーブ型または並列型の絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。図１４に示すように、本実施形態では、図８Ａに示すような２つのコンバータモジュール１４０１および１４０２は並列化またはインターリーブ化することができる。直接並列動作では、コンバータモジュール１４０１および１４０２のそれぞれにおけるスイッチング信号は、図８Ｃに示すスイッチング信号と同じである。インターリーブ動作では、第２のコンバータモジュール１４０２のスイッチング信号はすべて、第１のコンバータモジュール１４０１のスイッチング信号に対して１８０度インターリーブされる。
【0095】
図１５は、本開示の一実施形態による、一次側で直列に接続された２つの変圧器ＴＲ１およびＴＲ２と２つの分離された出力を有する絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。第１の変圧器ＴＲ１の第１の一次側端子は、２つのＤＣリンクコンデンサＣＤＣ１およびＣＤＣ２の中間点に接続され、第１の変圧器ＴＲ１の第２の一次側端子は、第２の変圧器ＴＲ２の第１の一次側端子に接続される。第２の変圧器ＴＲ２の第２の一次側端子は、２つのアクティブスイッチＳ１およびＳ２の中間点に接続される。第１の変圧器ＴＲ１の二次側は、第１の出力用のフルアクティブブリッジに結合され、第２の変圧器ＴＲ２の二次側は、第２の出力用の別のフルアクティブブリッジに結合される。
【0096】
図１６は、本開示の一実施形態による、一次側で直列に接続されかつ二次側で並列に接続された２つの変圧器ＴＲ１およびＴＲ２を有する絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータを示す。図１６に示すように、変圧器ＴＲ１およびＴＲ２の二次側は並列に接続されているため、フルアクティブブリッジは１つしか実装されていない。
【0097】
図１７Ａは、本開示の一実施形態による、２つのハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２を備えた、低入力電流高調波を有する絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ１７００を示す。図１７Ｂは、図１７ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ１７００のハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２の拡大図を示す。ＡＣ－ＤＣコンバータ１７００は、ＥＭＩフィルタ１７１０を介して三相入力電圧端子ＶＡ、ＶＢ、およびＶＣに結合された３つのブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３と、Ｙまたはスター構成に接続された３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３とを含む。ブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３の後には、三相ダイオードブリッジ１７２０およびスイッチングコンバータ段１７３０が続く。
【0098】
スイッチングコンバータ段１７３０は、２つのハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２を含む。図１７Ｂに示すように、ハーフブリッジモジュール１７３１は、直列に接続され、コンデンサＣＭ１に結合されてループを形成する２つのアクティブスイッチＳ１およびＳ２を含む。同様に、ハーフブリッジモジュール１７３２は、直列に接続され、コンデンサＣＭ２に結合されてループを形成する２つのアクティブスイッチＳ３およびＳ４を含む。図１７Ａおよび１７Ｂを参照する。ハーフブリッジモジュール１７３１の中間点は、三相ダイオードブリッジ１７２０の正端子ＰＯＳに接続され、ハーフブリッジモジュール１７３１の底部端子は、ハーフブリッジモジュール１７３２の中間点に接続される。ハーフブリッジモジュール１７３２の底部端子は、三相ダイオードブリッジ１７２０の負端子ＮＥＧに接続される。
【0099】
入力フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３の共通点Ｎは、ハーフブリッジモジュール１７３１の底部端子および変圧器１７４０の一方の一次側端子に接続される。２つのＤＣリンクコンデンサＣＤＣ１およびＣＤＣ２の中間点Ｍは、変圧器１７４０の他方の一次端子に接続される。フルアクティブブリッジ１７５０は、変圧器１７４０の二次側に接続される。
【0100】
Ｙ接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３は、仮想グランド、つまり入力電圧源の中性共通点（または中性端子）Ｎと同じ電位を持つノードを作成し、これは３線式システムでは物理的に利用できない。この共通点Ｎは、２つのハーフブリッジモジュール回路（すなわち、ハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２）の間の中間点に直接接続され、３つの入力電流は互いにデカップリングされる。このデカップリングにより、３つのブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３のそれぞれの電流は、対応する入力相電圧のみに依存し、その結果、ＴＨＤが低くなり、力率が高くなる。
【0101】
ＡＣ－ＤＣコンバータ１７００は、一次側のアクティブスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４（すなわち、一次側スイッチ）と、二次側のスイッチＳＯ１、ＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯ４（すなわち、二次側スイッチ）にスイッチング信号を供給するコントローラ１７６０をさらに含むことができる。アクティブスイッチＳ１およびＳ４のスイッチング信号は同一であり、アクティブスイッチＳ２およびＳ３のスイッチング信号は同一である。スイッチング信号は、実質的に５０％のデューティサイクルに固定することができ、ハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２のそれぞれにおける２つのアクティブスイッチのスイッチング信号は相補的である。スイッチング信号は、すべてのアクティブスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４がデッドタイム中に短時間オフになるように、アクティブスイッチの各ペアが反対側のペアがオンになる少し前にオフになる小さなデッドタイムを提供する場合がある。アクティブスイッチＳ１およびＳ４がオンになると、共通点Ｎが三相ダイオードブリッジ１７２０の負端子ＮＥＧに接続され、アクティブスイッチＳ３がコンデンサＣＭ２の電圧をブロックし、コンデンサＣＭ１がＤＣリンクコンデンサになることが分かる。同様に、アクティブスイッチＳ２およびＳ３がオンになると、共通点Ｎが三相ダイオードブリッジ１７２０の正端子ＰＯＳに接続され、アクティブスイッチＳ１がコンデンサＣＭ１の電圧をブロックし、コンデンサＣＭ２がＤＣリンクコンデンサになることが分かる。したがって、コンデンサＣＭ１またはコンデンサＣＭ２のコンデンサ電圧は、ＤＣリンク電圧に等しく、この構成ではアクティブスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のそれぞれがＤＣリンク電圧をブロックする必要がある。
【0102】
二次側では、スイッチＳＯ１およびＳＯ４のスイッチング信号は同一であり、スイッチＳＯ２およびＳＯ３のスイッチング信号は同一である。スイッチング信号は、実質的に５０％のデューティサイクルに固定することができ、スイッチＳＯ１およびＳＯ２のスイッチング信号は相補的である。すべてのスイッチのスイッチング周波数は同一である。アクティブスイッチＳ４のスイッチング信号とスイッチＳＯ１のスイッチング信号との間に、位相シフト角が導入され得る。
【0103】
一実施形態では、コントローラ１７６０は、入力三相電圧、入力三相電流、ＤＣリンクコンデンサ電圧、出力電圧、および出力電流のうちの少なくとも１つに基づいて、すべてのスイッチのスイッチング周波数および位相シフト角を変化させるように適合され得る。コントローラ１７６０が制御に使用する電圧または電流を測定するために、任意の適切なデバイス（例えば、アナログ／デジタル変換器、電流／電圧変換器など）を使用することができる。最小スイッチング周波数は、全負荷と最小入力電圧によって決定され、最大スイッチング周波数は、軽負荷と最大入力電圧によって決定される。非常に高い周波数の動作を避けるために、ＡＣ－ＤＣコンバータ１７００が非常に軽い負荷または無負荷でも動作する必要がある場合、制御されたバーストモードまたはパルススキップモードを実装することができる。このコンバータではパルス幅変調制御も可能な制御方式であるが、全負荷範囲でＺＶＳを実現することはできない。スイッチング周波数は、任意の適切な方法で感知された値からコントローラ１７６０によって決定され得る。例えば、参考文献［４］では、いくつかの実施形態で使用され得る可変周波数制御について説明している。
【0104】
図１７Ａに示す回路の動作の１つの課題は、ハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２のフライングコンデンサＣＭ１およびＣＭ２の電圧のバランスを取ることである。動作中、ハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２の両方のコンデンサＣＭ１およびＣＭ２の電圧が感知される。コントローラ１７６０は、不平衡電圧が検出されたときに、アクティブスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４のデューティサイクルを変更することができる。ＡＣ－ＤＣコンバータ１７００の信頼性を高めるには、動作中に電圧不均衡が生じにくくなるように、ハーフブリッジモジュール１７３１および１７３２のコンデンサＣＭ１およびＣＭ２の静電容量を比較的大きくすることが好ましい。
【0105】
ＡＣ－ＤＣコンバータ１７００は、ＤＣＭにおいてブーストインダクタを動作させ、可変周波数変調および位相シフト変調制御ストラテジーを実装することによって、スイッチのＺＶＳとともに、入力電流の低ＴＨＤと高い力率を提供する。
【0106】
図１７Ａの回路は、他の実施形態において異なる方法で実装することができる。例えば、図１８Ａは、高電圧用途における実装形態を示す。図１８Ａに示すように、本実施形態では、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ１８００は、合計６ｍ個のダイオード（ここで、ｍ＝１、２、３、...）および２ｎ個のハーフブリッジモジュール（ここで、ｎ＝１、２、３、...）を含む。図１７Ａの三相ダイオードブリッジ１７２０の各ダイオードは、高入力電圧をブロックするために直列に接続されたｍ個のダイオードに置き換えられる。各ダイオードのブロッキング電圧のバランスを取るために、パッシブスナバ回路が必要になる場合がある。
【0107】
スイッチングコンバータ段１８３０では、合計２ｎ個のハーフブリッジモジュールが実装される。各ハーフブリッジモジュールの中間点は、前のハーフブリッジモジュールの底部端子に接続される（「カスケード接続される」）。最初のハーフブリッジモジュールの中間点は、三相ダイオードブリッジの正端子ＰＯＳに接続され、最後のハーフブリッジモジュールの底部端子は、三相ダイオードブリッジの負端子ＮＥＧに接続される。入力フィルタコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３の共通点Ｎは、上位ｎ個のハーフブリッジモジュールと下位ｎ個のハーフブリッジモジュールとの間の中間点に接続されるとともに、変圧器ＴＲの１つの一次側端子に接続される。
【0108】
図１８Ｂは、本開示の一実施形態による、スイッチングサイクル中の図１８ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ１８００の主要な波形を示す。アクティブスイッチＳ１ａ、Ｓ２ａ、...、Ｓｎａの制御信号は、アクティブスイッチＳ（ｎ＋１）ｂ、Ｓ（ｎ＋２）ｂ、...、Ｓ２ｎｂの制御信号と同一であり、実質的に５０％のデューティサイクルに固定されている。アクティブスイッチＳ１ｂ、Ｓ２ｂ、...、Ｓｎｂの制御信号は、アクティブスイッチＳ（ｎ＋１）ａ、Ｓ（ｎ＋２）ａ、...、Ｓ２ｎａの制御信号と同一であり、これらも実質的に５０％のデューティサイクルに固定されている。各ハーフブリッジモジュールの２つのアクティブスイッチの制御信号は相補的である。言い換えると、上半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの上部アクティブスイッチと、下半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの下部アクティブスイッチが同時にオンおよびオフになる。上半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの下部アクティブスイッチと、下半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの上部アクティブスイッチが同時にオンおよびオフになる。上半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの上部アクティブスイッチと下半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの下部アクティブスイッチがオンになると、共通点Ｎは三相ダイオードブリッジの負端子ＮＥＧに接続されることが分かる。同様に、上半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの下部アクティブスイッチと下半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの上部アクティブスイッチがオンになると、共通点Ｎは三相ダイオードブリッジの正端子ＰＯＳに接続される。
【0109】
上半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの上部アクティブスイッチと下半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの下部アクティブスイッチがオンになると、上半分のレグの各ハーフブリッジモジュールのコンデンサは直列に接続されて、ＤＣリンクコンデンサになる。上半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの下部アクティブスイッチと下半分のレグの各ハーフブリッジモジュールの上部アクティブスイッチがオンになると、下半分のレグの各ハーフブリッジモジュールのコンデンサは直列に接続されて、ＤＣリンクコンデンサになる。ＤＣリンクコンデンサの合計電圧が正端子ＰＯＳと負端子ＮＥＧの間のＤＣバス電圧に等しいため、各ハーフブリッジモジュールの各コンデンサの電圧は、総ＤＣバス電圧のわずか１／ｎであり、各アクティブスイッチは総ＤＣバス電圧の１／ｎのみをブロックする必要があるため、非常に高い入力および出力電圧用途で低電圧アクティブスイッチを使用することが可能である。
【0110】
動作中、ハーフブリッジモジュール内のすべてのコンデンサの電圧が検出されることがある。電圧の不均衡が検出された場合、コントローラはアクティブスイッチのデューティサイクルを変更することができる。システムの信頼性を高めるには、動作中に電圧の不均衡が発生しにくくするために、ハーフブリッジモジュールの静電容量を比較的大きくすることが好ましい。
【0111】
二次側では、スイッチング信号を実質的に５０％のデューティサイクルに固定することができる。ＳＯ１およびＳＯ２のスイッチング信号は相補的であり、ＳＯ３およびＳＯ４のスイッチング信号も同様である。アクティブスイッチＳ１ａ～Ｓｎａのスイッチング信号とスイッチＳＯ１のスイッチング信号との間に、位相シフト角を導入することができる。
【0112】
図１９は、本開示の一実施形態による、合計６ｍ個のダイオード（ここで、ｍ＝１、２、３、...）および周波数コントローラと位相シフトコントローラの両方を備えた２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュール（ここで、ｎ＝１、２、３、...）に基づく、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ１９００を示す。追加の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、既存の２ｎ個のハーフブリッジモジュールと同じ方法で接続され、三相ダイオードブリッジの正端子と負端子の間に結合される。この回路には、変圧器とその後にフルアクティブブリッジが含まれている。２組の２ｎ個のハーフブリッジモジュールは、図１８Ａに示すスイッチングコンバータ段１８３０と同様に動作する。
【0113】
図２０Ａは、本開示の一実施形態による、４つのハーフブリッジモジュールを備えた、低入力電流高調波を有する三相３レベルフライングコンデンサＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ２０００を示す。ＡＣ－ＤＣコンバータ２０００は、ＥＭＩフィルタ２０１０を介して三相入力電圧端子ＶＡ、ＶＢ、およびＶＣに結合された３つのブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３と、Ｙまたはスター構成に接続された３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、およびＣ３とを含む。ブーストインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ３の後には、三相ダイオードブリッジ２０２０およびスイッチングコンバータ段２０３０が続く。スイッチングコンバータ段２０３０は、４つのハーフブリッジモジュールを含み、各ハーフブリッジモジュールは、直列に接続された２つのアクティブスイッチを含み、コンデンサに結合される。フライングまたはフローティングコンデンサＣｆの一方の端子は、第１のハーフブリッジモジュールの底部端子に接続され、フライングコンデンサＣｆの他方の端子は、第３のハーフブリッジモジュールの底部端子に接続される。
【0114】
図２０Ｂは、本開示の一実施形態による、電力段のスイッチングサイクル中の図２０ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ２０００の主要な波形を示す。図２０Ｂにおける電流および電圧の基準方向は、ＶＡ＞０、ＶＢ＜０、およびＶＣ＜０のときのラインサイクルの６０度セグメントに対応する。アクティブスイッチＳ１ａ～Ｓ４ｂおよびスイッチＳＯ１～ＳＯ４のゲート駆動時間図からわかるように、各ハーフブリッジモジュール内の２つのアクティブスイッチは、一方のスイッチのターンオンと他方のスイッチのターンオフの間に短いデッドタイムを設けて相補的に動作する。アクティブスイッチＳ４ｂおよびＳ２ｂのデューティサイクルは同一であり、５０％以下である。アクティブスイッチＳ２ｂのゲート信号は、アクティブスイッチＳ４ｂのゲート信号に対して１８０度の位相シフト角を持っている。一方、スイッチＳＯ２およびＳＯ３は同一のゲート信号を有し、スイッチＳＯ１およびＳＯ４は同一のゲート信号を有する。スイッチＳＯ１およびＳＯ２は相補的に動作する。ブーストインダクタの電流は、電流がスイッチングサイクルごとにリセットされるＤＣＭにある。アクティブスイッチＳ４ｂのゲート信号とスイッチＳＯ１のゲート信号との間に、位相シフトＰＳが導入される。変圧器の一次側電圧ＶＰは典型的な３レベル電圧であり、デューティサイクルＤは、アクティブスイッチＳ４ｂのデューティサイクルによって決定される。変圧器電流ｉＬｒは典型的な台形波形である。
【0115】
図２１は、本開示の一実施形態による、合計６ｍ個のダイオード（ここで、ｍ＝１、２、３、...）および合計４ｎ個のハーフブリッジモジュール（ここで、ｎ＝１、２、３、...）に基づく、一般化された絶縁三相フライングコンデンサＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭブースト整流器回路を示す。図２１に示すように、図２０Ａのスイッチングコンバータ段２０３０の各ハーフブリッジモジュールは、図１８ＡＢに示すような方法で接続されたｎ個のハーフブリッジモジュールに置き換えられて、高電圧をブロックする。
【0116】
図２２Ａは、本開示の一実施形態による、合計６ｍ個のダイオード（ここで、ｍ＝１、２、３、...）および２つの絶縁出力を有する２ｎ個のハーフブリッジモジュール（ここで、ｎ＝１、２、３、...）に基づく、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ２２００を示す。本実施形態では、２つの変圧器ＴＲ１およびＴＲ２は、図１８Ａの一次側回路に結合される。２つの変圧器の一次側と一次側回路は、図１８Ａに示すように同様に接続される。言い換えると、２つの変圧器の一次側は並列に接続されている。二次側では、各変圧器はフルアクティブブリッジと個別の負荷に結合される。両方の変圧器の一次側電圧は同一であり、一次側の動作によって決定される。ただし、各出力ポートの出力電力と電圧は、対応する二次側アクティブブリッジによって個別に制御できる。
【0117】
図２２Ｂは、本開示の一実施形態による、電力段のスイッチングサイクル中の図２２ＡのＡＣ－ＤＣコンバータ２２００の主要な波形を示す。一次側のアクティブスイッチ（すなわち、一次側スイッチ）は、図１８Ｂに示されるように同様に動作する。スイッチＳＯ２およびＳＯ３は同一のゲート信号を有し、スイッチＳＯ１およびＳＯ４は同一のゲート信号を有する。スイッチＳＯ１およびＳＯ２は、５０％のデューティサイクルで相補的に動作する。スイッチＳＯ６およびＳＯ７は同一のゲート信号を有し、スイッチＳＯ５およびＳＯ８は同一のゲート信号を有する。スイッチＳＯ５およびＳＯ６は、５０％のデューティサイクルで相補的に動作する。アクティブスイッチＳ１ａとスイッチＳＯ１の間の位相シフトはＰＳ１であり、Ｓ１ａおよびＳＯ５の間の位相シフトはＰＳ２である。位相シフト角と出力電圧が異なるため、２つの変圧器ＴＲ１とＴＲ２の電流は異なる。その結果、各出力ポートの電力を個別に制御できる。
【0118】
図２３は、本開示の一実施形態による、合計６ｍ個のダイオード（ここで、ｍ＝１、２、３、...）およびＮ個の絶縁出力を有する２ｎ個のハーフブリッジモジュール（ここで、ｎ＝１、２、３、...）に基づく、一般化された絶縁三相ＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ２３００を示す。本実施形態では、図２２に示すように、Ｎ個の変圧器は一次側スイッチングコンバータ段に結合される。各変圧器の後には、フルアクティブブリッジと負荷が続く。各出力電流、電圧、および電力は、変圧器の一次側電圧と変圧器の二次側電圧の間の位相シフト角によって個別に制御される。
【0119】
図２４は、本開示の一実施形態による、合計６ｍ個のダイオード（ここで、ｍ＝１、２、３、...）およびＮ個の絶縁出力を有する４ｎ個のハーフブリッジモジュール（ここで、ｎ＝１、２、３、...）に基づく、一般化された絶縁三相３レベルフライングコンデンサＺＶＳ ＰＦＣ ＤＣＭ ＡＣ－ＤＣコンバータ２４００を示す。本実施形態では、図２１に示すように、合計Ｎ個の変圧器は、一次側ススイッチングコンバータ段に結合される。各変圧器の後には、フルアクティブブリッジと負荷が続く。各出力電流、電圧、および電力は、変圧器の一次側電圧と変圧器の二次側電圧の間の位相シフト角によって個別に制御される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図18A】
【図18B】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図21】
【図22A】
【図22B】
【図23】
【図24】
【外国語明細書】