特開 2024-114635 共振コンバータ及び共振変換回路システム

(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】P2024114635

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】共振コンバータ及び共振変換回路システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240816BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 Q

【審査請求】有

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024014110

(22)【出願日】2024-02-01

(31)【優先権主張番号】202310107246.8

(32)【優先日】2023-02-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】596039187

【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．

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】フアン チャオ－ジュイ

(72)【発明者】

【氏名】イェ ウェイ－シャン

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730BB27

5H730BB62

5H730DD03

5H730EE04

5H730EE07

5H730FF09

(57)【要約】

【課題】共振コンバータを提供する。
【解決手段】第１変換回路と、第１変換回路の複数の第１ブリッジアームユニットに結合され、第１電圧を第２電圧に変換するための共振変圧回路と、共振変圧回路に結合され且つ複数の第２ブリッジアームユニット及び複数のマルチレベルスイッチング素子を含む第２変換回路と、第２変換回路に結合されるスイッチング回路と、を備え、前記スイッチング回路は、前記第２変換回路が前記マルチレベルスイッチング素子を経由せずに前記第２ブリッジアームユニットのみを経由して第２電圧を第１直流出力電圧に変換されるように、又は、前記第２変換回路が前記第２ブリッジアームユニット及び前記マルチレベルスイッチング素子の両方を経由して第２電圧を第２直流出力電圧に変換されるように、前記第２ブリッジアームユニットの接続位置を選択的に切り替える共振コンバータである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の第１ブリッジアームユニットを含み、且つ第１電圧を出力するための第１変換回路と、
前記第１ブリッジアームユニットに結合され、前記第１電圧を第２電圧に変換するための共振変圧回路と、
前記共振変圧回路に結合され且つ複数の第２ブリッジアームユニット及び複数のマルチレベルスイッチング素子を含む第２変換回路と、
前記第２変換回路に結合されるスイッチング回路と、
を備え、
前記スイッチング回路は、前記第２変換回路が前記マルチレベルスイッチング素子を経由せずに前記第２ブリッジアームユニットのみを経由して前記第２電圧を第１直流出力電圧に変換されるように、又は、前記第２変換回路が前記第２ブリッジアームユニット及び前記マルチレベルスイッチング素子の両方を経由して前記第２電圧を第２直流出力電圧に変換されるように、前記第２ブリッジアームユニットの接続位置を選択的に切り替える共振コンバータ。

【請求項2】

前記スイッチング回路は、
前記第２ブリッジアームユニットの両端に結合される複数の第１短絡スイッチング素子と、
前記第２ブリッジアームユニットの少なくとも一方の複数のブリッジアームスイッチング素子の間に結合される第２短絡スイッチング素子と、
を含む請求項１に記載の共振コンバータ。

【請求項3】

前記第２変換回路に結合され且つ複数の分圧コンデンサを含む分圧回路を更に備え、
前記第１短絡スイッチング素子がそれぞれ前記分圧回路の両端に結合され、且つ前記第２短絡スイッチング素子が前記分圧コンデンサに結合される請求項２に記載の共振コンバータ。

【請求項4】

前記スイッチング回路は、前記第２ブリッジアームユニットの両端が前記スイッチング回路による短絡経路を介して前記共振コンバータの出力端に結合されるように、又は、前記第２ブリッジアームユニットの両端が前記マルチレベルスイッチング素子によって前記共振コンバータの前記出力端に結合されるように、前記第２ブリッジアームユニットの接続位置を選択的に切り替える請求項１に記載の共振コンバータ。

【請求項5】

前記第２ブリッジアームユニットの両端が前記マルチレベルスイッチング素子によって前記共振コンバータの前記出力端に結合される場合、前記第２ブリッジアームユニット及び前記マルチレベルスイッチング素子は、三相３レベル変換回路として用いられる請求項４に記載の共振コンバータ。

【請求項6】

前記第２ブリッジアームユニットの両端が前記スイッチング回路による前記短絡経路によって前記共振コンバータの前記出力端に結合される場合、前記第２ブリッジアームユニットは、フルブリッジ回路として用いられる請求項５に記載の共振コンバータ。

【請求項7】

前記スイッチング回路に結合され、且つ負荷の電極電圧を検出して、検出信号を発生させることに用いられ、また前記検出信号に基づいて前記スイッチング回路を制御して、前記第２ブリッジアームユニットの接続位置を切り替えることに用いられるプロセッサを更に備える請求項１に記載の共振コンバータ。

【請求項8】

複数の第１プレ制御信号に基づいて第１電圧を発生させる第１プレ変換回路と、前記第１プレ変換回路に結合され、前記第１電圧を第２電圧に変換するための第１共振変圧回路と、を含む第１共振コンバータと、
複数の第２プレ制御信号に基づいて第３電圧を発生させる第２プレ変換回路と、前記第２プレ変換回路に結合され、前記第３電圧を第４電圧に変換することに用いられ、且つ更に、前記第１共振変圧回路に結合される第２共振変圧回路と、を含む第２共振コンバータと、
を備え、
前記第１プレ制御信号と前記第２プレ制御信号とは、交互にオン・オフする共振変換回路システム。

【請求項9】

前記第１共振コンバータは、前記第１共振変圧回路に結合され且つ複数の第１ポスト制御信号に基づいて前記第２電圧を変換する第１ポスト変換回路を更に含み、
前記第２共振コンバータは、前記第２共振変圧回路に結合され且つ複数の第２ポスト制御信号に基づいて前記第４電圧を変換する第２ポスト変換回路を更に含み、
前記第１ポスト制御信号と前記第２ポスト制御信号とは、交互にオン・オフする請求項８に記載の共振変換回路システム。

【請求項10】

前記第１共振変圧回路は複数の第１一次巻線及び複数の第１二次巻線を含み、
前記第２共振変圧回路は複数の第２一次巻線及び複数の第２二次巻線を含み、
前記第１二次巻線の一方は、第１サブ巻線を更に含み、
前記第１サブ巻線は、一端が前記第１ポスト変換回路に結合され、且つ他端が前記第２二次巻線の一方に結合される請求項９に記載の共振変換回路システム。

【請求項11】

前記第１二次巻線の前記一方は、複数の第２サブ巻線を更に含み、
前記第２サブ巻線は、一端が相互に結合し且つ他端が前記第２二次巻線の他方に結合される請求項１０に記載の共振変換回路システム。

【請求項12】

前記第１一次巻線の一端は相互に結合する請求項１０に記載の共振変換回路システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示内容は、電源を変換する技術に関し、特に共振コンバータ及び共振変換回路システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境保護意識の高まりに伴い、電気エネルギーを動力源とする電気自動車が益々普及するようになっている。それに応じて、電源変換回路の重要性及び適用のニーズも益々高まっている。従って、現在の電源変換回路を如何に改善するかは、当分野の重要な課題の１つである。

【発明の概要】

【0003】

本開示内容は、複数の第１ブリッジアームユニットを含み、且つ第１電圧を出力するための第１変換回路と、前記第１ブリッジアームユニットに結合され、第１電圧を第２電圧に変換するための共振変圧回路と、共振変圧回路に結合され且つ複数の第２ブリッジアームユニット及び複数のマルチレベルスイッチング素子を含む第２変換回路と、第２変換回路に結合されるスイッチング回路と、を備え、前記スイッチング回路は、前記第２変換回路が前記マルチレベルスイッチング素子を経由せずに前記第２ブリッジアームユニットのみを経由して第２電圧を第１直流出力電圧に変換されるように、又は、前記第２変換回路が前記第２ブリッジアームユニット及び前記マルチレベルスイッチング素子の両方を経由して第２電圧を第２直流出力電圧に変換れるように、前記第２ブリッジアームユニットの接続位置を選択的に切り替える共振コンバータに関する。

【0004】

本開示内容は、更に、複数の第１プレ制御信号に基づいて第１電圧を発生させる第１プレ変換回路と、第１プレ変換回路に結合され、第１電圧を第２電圧に変換するための第１共振変圧回路と、を含む第１共振コンバータと、複数の第２プレ制御信号に基づいて第３電圧を発生させる第２プレ変換回路と、第２プレ変換回路に結合され、第３電圧を第４電圧に変換することに用いられ、且つ更に、第１共振変圧回路に結合される第２共振変圧回路と、を含む第２共振コンバータと、を備え、前記第１プレ制御信号と前記第２プレ制御信号とは、交互にオン・オフする共振変換回路システムに関する。

【0005】

本開示内容は、更に、複数の第１プレブリッジアームユニットを含み、且つ第１電圧を出力するための第１プレ変換回路と、前記第１プレブリッジアームユニットに結合され、第１電圧を第２電圧に変換するための第１共振変圧回路と、第１共振変圧回路に結合され且つ複数の第１ポストブリッジアームユニットを含む第１ポスト変換回路と、を含む第１共振コンバータと、複数の第２プレブリッジアームユニットを含み、且つ第３電圧を出力するための第２プレ変換回路と、前記第２プレブリッジアームユニットに結合され、第３電圧を第４電圧に変換するための第２共振変圧回路と、第２共振変圧回路に結合され且つ複数の第２ポストブリッジアームユニットを含む第２ポスト変換回路と、を含む第２共振コンバータと、第１共振コンバータ及び第２共振コンバータに結合され、選択的に第１共振コンバータと第２共振コンバータを直列接続するか、又は第１共振コンバータ及び第２共振コンバータを並列接続するための状態選択回路と、を備える共振変換回路システムに関する。

【0006】

本開示内容の共振コンバータは、スイッチング回路によってブリッジアームユニットの接続位置を選択的に切り替えることで、異なる充放電要件に対応するように、変換回路が異なる回路構造を持たせることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示内容の幾つかの実施例による共振コンバータの模式図である。

【図2A】本開示内容の幾つかの実施例による共振コンバータの作動模式図である。

【図2B】本開示内容の幾つかの実施例による共振コンバータの作動模式図である。

【図3】本開示内容の幾つかの実施例による共振変換回路システムの模式図である。

【図4】本開示内容の幾つかの実施例による共振変換回路システムの部分模式図である。

【図5】本開示内容の幾つかの実施例による共振変換回路システムの電圧信号図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面で本発明の複数の実施形態を開示し、明確に説明するために、多くの実際的な細部を下記叙述で合わせて説明する。しかしながら、これらの実際的な細部は、本発明を制限するためのものではないことを理解すべきである。即ち、本発明の一部の実施形態において、これらの実際的な細部は必要なものではない。また、図面を簡略化するために、一部の従来慣用の構造及び素子は、図面において簡単で模式的に示される。

【0009】

本明細書において、素子が「接続」又は「結合」されると称される場合、「電気的接続」又は「電気的結合」を指すことができる。「接続」又は「結合」は、２つ以上の素子間の組み合わせ操作又は相互作用を表すために用いられてもよい。また、本明細書では、「第１」、「第２」、…などの用語を用いて異なる素子を説明するが、この用語は、単に同じ技術用語で説明される素子又は操作を区別するために用いられる。文脈において明確に示されていない限り、この用語は、順序又は順位を特に指すか又は示唆するものではなく、本発明を限定するものでもない。

【0010】

電気自動車が益々普及しているにつれて、電気自動車に配置されたエネルギー貯蔵ユニット（例えば、取り外し可能な電池）の容量及び性能も絶えず向上している。電気自動車のエネルギー貯蔵ユニットが電気自動車に取り付けられていない場合、これらのアイドル状態のエネルギー貯蔵ユニットは、他の面に用いられてもよく、例えば、給電ユニットとして、家庭用電力を提供する。同様に、充電パイル（Ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ、即ち、電気自動車に充電するための充電ステーションであり、ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｕｐｐｌｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ、ＥＶＳＥとも呼ばれる）は、様々な電子装置に給電することに適用可能である。

【0011】

電気自動車のエネルギー貯蔵ユニットであっても充電パイルであっても、その内部にいずれも双方向充放電機能を有する電源コンバータが配置されている。電力システムの発展傾向から見ると、電源コンバータの適用要件は、高電力、高出力電圧である。そのため、電源コンバータ内の半導体スイッチは、より高い電圧応力（耐圧）を必要とするが、コストの増加につながる。

【0012】

図１は、本開示内容の幾つかの実施例による共振コンバータ１００の模式図である。共振コンバータ１００は、第１変換回路１１０、共振変圧回路１２０、第２変換回路１３０及びスイッチング回路１４０を備える。一実施例において、共振コンバータ１００は、電気自動車のエネルギー貯蔵ユニット又は充電パイルに適用可能であるが、本開示内容は、これに限定されず、如何なる用途の電源コンバータに適用されてもよい。

【0013】

第１変換回路１１０は、複数の第１ブリッジアームユニットＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ３を含む。各第１ブリッジアームユニットＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ３は、それぞれ少なくとも２つのトランジスタスイッチ（図示されるＴＸ１～ＴＸ６）を含み、同一の第１ブリッジアームユニットＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ３における２つのトランジスタスイッチ（例えば、ＴＸ１及びＴＸ２、ＴＸ３及びＴＸ４、ＴＸ５及びＴＸ６）の間にそれぞれ１つの出力ノードを有する。幾つかの実施例において、第１変換回路１１０は、力率改善回路（ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ、図示せず）及び入力コンデンサＣ１１によって入力電圧を受信することができる。

【0014】

幾つかの実施例において、共振コンバータ１００は、プロセッサ１６０を更に含む。プロセッサ１６０は、トランジスタスイッチＴＸ１～ＴＸ６が対応する制御信号に基づいてオン又はオフにされ、更にこれらの出力ノードを介して第１電圧を出力するように、第１ブリッジアームユニットＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ３内のトランジスタスイッチＴＸ１～ＴＸ６に対してそれぞれ複数の制御信号を提供するために用いられる。

【0015】

図１に示すように、第１変換回路１１０は、共振コンバータ１００の入力コンデンサＣ１１を介して直流の入力電圧を受信し、更にブリッジアームユニットＢＦ１、ＢＦ２、ＢＦ３を介して入力電圧を交流の第１電圧に変換する。幾つかの実施例において、第１変換回路１１０は、フルブリッジ式変換回路であってもよい。当業者がフルブリッジ回路の作動方法を理解しているため、ここでその説明を省略する。

【0016】

共振変圧回路１２０は、第１共振溝１２１、三相変圧器１２２及び第２共振溝１２３を含む。第１共振溝１２１は、それぞれ第１変換回路１１０の３つの出力ノードに結合され且つ受信した第１電圧を共振させるための、直列接続された複数組のコンデンサとインダクタンス素子により形成された共振回路を有する。三相変圧器１２２は、第１電圧を第２電圧に変換（例えば、昇圧又は降圧）するために、第１共振溝１２１に結合される。第２共振溝１２３は、三相変圧器１２２に結合され、且つ受信した第２電圧を共振させるために、直列接続された複数組のコンデンサとインダクタンス素子により形成された共振回路を有する。

【0017】

第２変換回路１３０は、共振変圧回路１２０に結合され、且つ複数の第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３、複数のマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢ及び変換コンデンサＣ１２を含む。第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３は、複数のブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６を含む。マルチレベルスイッチング素子ＴＡ／ＴＢ及びブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６は、例えばＰ型金属酸化物半導体電界効果トランジスタなどのトランジスタスイッチング素子によって実現されてもよい。他の一部の実施例において、マルチレベルスイッチング素子ＴＡ／ＴＢ及びブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６は、Ｎ型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ（ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＢＪＴ）、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）又は他の異なるタイプのスイッチング素子によって実現されてもよい。

【0018】

幾つかの実施例において、プロセッサ１６０は、ブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６及びマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢが対応する制御信号に基づいてオン又はオフにされるように、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３内のブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６及びマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢに対してそれぞれ複数の制御信号を提供する。

【0019】

スイッチング回路１４０は、（例えば、複数のスイッチング素子のオン又はオフを制御することにより）第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の接続位置を選択的に切り替えるために、第２変換回路１３０に結合される。図１に示すように、スイッチング回路１４０により、これらの第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端がマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢに結合することができ、又はスイッチング回路１４０は、これらの第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端と共振コンバータ１００の出力端の間に短絡経路を形成することができる。これにより、第２変換回路１３０は、異なる回路アーキテクチャに切り替えられて作動することができる。

【0020】

以上に基づき、スイッチング回路１４０によってこれらの第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端がマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢに結合される場合、第２変換回路１３０が、マルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢを経由せずに第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３のみをによって第２電圧を第１直流出力電圧に変換することができる。換言すれば、この場合、マルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢは、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３と協働して作動することがない。

【0021】

一方、スイッチング回路１４０が第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端と共振コンバータ１００の出力端の間に短絡経路を形成する場合、第２変換回路１３０が、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３及びマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢの両方をによって第２電圧を第１直流出力電圧よりも大きい第２直流出力電圧に変換する。

【0022】

一実施例において、共振コンバータ１００は、分圧回路１５０を更に含む。分圧回路１５０は、第２変換回路１３０に結合され、且つ第２変換回路１３０により発生した第１直流出力電圧又は第２直流出力電圧を負荷ＬＤに提供するための複数の分圧コンデンサＣ１３、Ｃ１４を含む。また、変換コンデンサＣ１２は、分圧コンデンサＣ１３、Ｃ１４の電圧を平衡化するために、フライングキャパシタ（ｆｌｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）であってよい。

【0023】

図２Ａ及び図２Ｂは、本開示内容の幾つかの実施例による共振コンバータ１００の作動モードを示す模式図である。一実施例において、スイッチング回路１４０は、第１短絡スイッチング素子Ｗ１１、Ｗ１２を含む。第１短絡スイッチング素子Ｗ１１、Ｗ１２は、プロセッサ１６０により提供された制御信号に基づいて選択的にオン又はオフにされる。第１短絡スイッチング素子Ｗ１１の一端は、共振コンバータ１００の正極出力端（又は分圧回路１５０の一端）に結合される。第１短絡スイッチング素子Ｗ１１の他端は、これらの第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の一端に結合される。第１短絡スイッチング素子Ｗ１２の一端は、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の他端に結合される。第１短絡スイッチング素子Ｗ１２の他端は、共振コンバータ１００の負極出力端（又は分圧回路１５０の他端）に結合される。第１短絡スイッチング素子Ｗ１１、Ｗ１２がオンにされる場合、短絡経路を形成するため、電圧又は電流がマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢを流れることはない。

【0024】

図２Ａに示すように、一実施例において、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端がスイッチング回路１４０による短絡経路を介して共振コンバータの出力端に結合される（第１短絡スイッチング素子Ｗ１１、Ｗ１２がオンにされるが、第２短絡スイッチング素子Ｗ１３がオフにされる）場合、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３は、第２電圧を第１直流出力電圧に変換するためのフルブリッジ回路２１０として用いられる。この場合、第２変換回路１３０における各ブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６の受けた電圧ストレスは、第２変換回路１３０により出力した電圧（第１直流出力電圧）に等しい。

【0025】

一実施例において、スイッチング回路１４０は、第２短絡スイッチング素子Ｗ１３を更に含む。第２短絡スイッチング素子Ｗ１３は、プロセッサ１６０により提供された制御信号に基づいて選択的にオン又はオフにされる。第２短絡スイッチング素子Ｗ１３の一端は、これらの第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３のうちの１つのブリッジアームスイッチング素子（例えば、ブリッジアームスイッチング素子Ｔ５、Ｔ６）の間に結合される。第２短絡スイッチング素子Ｗ１３の他端は、分圧コンデンサＣ１３、Ｃ１４の間のノードに結合される。

【0026】

図２Ｂに示すように、幾つかの実施例において、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端がマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢを介して共振コンバータの出力端に結合される（即ち、第１短絡スイッチング素子Ｗ１１、Ｗ１２がオフにされるが、第２短絡スイッチング素子Ｗ１３がオンにされる）場合、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３及びマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢは、三相３レベル変換回路２２０（ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）として、第２電圧を第２直流出力電圧に変換するために用いられる。

【0027】

図２Ｂに示すように、第２変換回路１３０が三相３レベル変換回路として作動する場合、それにより出力した第２直流出力電圧は、第１直流出力電圧よりも高い（例えば、第１直流出力電圧の２倍である）。また、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端は、協働して作動するようにマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢに結合され、且つ少なくとも１つの第２ブリッジアームユニット（例えば、ＢＲ３）の中間ノードは、分圧コンデンサＣ１３、Ｃ１４の間に結合されるため、第２変換回路１３０が電圧を変換する時に、各ブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６及びマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢの受けた電圧ストレスが小さい（例えば、電圧ストレスはフルブリッジ回路時の半分である）。

【0028】

前述した短絡スイッチＷ１１／Ｗ１２／Ｗ１３は、例えばＰ型金属酸化物半導体電界効果トランジスタなどのトランジスタスイッチによって実現されてもよい。他の一部の実施例において、短絡スイッチＷ１１／Ｗ１２／Ｗ１３は、Ｎ型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ（ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＢＪＴ）、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）又は他の異なるタイプのスイッチング素子によって実現されてもよい。

【0029】

前述した実施例において、共振コンバータ１００は、第１変換回路１１０を介して入力電圧を受信し、且つ第２変換回路１３０を介して出力電圧を発生させる。しかし、他の実施例において、共振コンバータ１００は、第２変換回路１３０を介して入力電圧を受信し、且つ第１変換回路１１０を介して出力電圧を発生させてもよい。換言すれば、共振コンバータ１００は、入力／出力端が必要に応じて交換可能である双方向共振回路である。

【0030】

本開示内容は、第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端がスイッチング回路１４０による短絡経路を介して共振コンバータ１００の出力端に結合されるか、又は第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端がマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢを介して共振コンバータ１００の出力端に結合されるようにするために、スイッチング回路１４０により第２ブリッジアームユニットＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３の両端の接続位置を選択的に切り替える。これにより、異なる充放電要件に柔軟に対応することができる。例えば、第２変換回路１３０が作動電圧の大きい負荷に適用される場合、スイッチング回路１４０は、大きい電圧を受信／出力するように第２変換回路１３０を三相３レベル変換回路２２０に調整することができ、且つ第２変換回路１３０における各トランジスタ素子が受ける電圧ストレスを低減することができる。これに対して、第２変換回路１３０が通常の作動電圧の負荷に適用される場合、スイッチング回路１４０は、通常の程度の電圧を受信／出力するように第２変換回路１３０をフルブリッジ回路２１０に調整することができ、且つ消費電力を節約することができる。

【0031】

一般的には、三相３レベル変換回路は、「パワー素子の数が多い」、「体積が大きい」という欠点があるため、高密度の回路として設計することが難しい。本開示内容は、スイッチング回路１４０により、フルブリッジ回路のアーキテクチャに複数のマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢを組み合わせる。これにより、回路構造を簡略化することができるだけでなく、第２変換回路１３０が異なる回路構造を持たせ、使用上のニーズに応じて随時切り替え、例えば、広い電圧出力範囲と広い負荷範囲を実現することができる。

【0032】

図１に示される実施例において、各スイッチング素子（例えば、第１ブリッジアームユニットＢＦ１～ＢＦ３のトランジスタスイッチング素子ＴＸ１～ＴＸ６、第２ブリッジアームユニットＢＲ１～ＢＲ３の各ブリッジアームスイッチング素子Ｔ１～Ｔ６、マルチレベルスイッチング素子ＴＡ～ＴＢ、短絡スイッチング素子Ｗ１１～Ｗ１３）は、いずれもプロセッサ１６０によって制御される。換言すれば、プロセッサ１６０は、第１変換回路１１０、第２変換回路１３０及びスイッチング回路１４０に結合される。当業者に理解されるように、第１変換回路１１０と第２変換回路１３０の間が共振変圧回路１２０によって電気的に絶縁されているため、プロセッサ１６０により第１変換回路１１０、第２変換回路１３０及びスイッチング回路１４０に提供した異なる制御信号に対して、対応する絶縁処理を行う必要があり、ここでその説明を省略する。

【0033】

また、一実施例において、プロセッサ１６０は、負荷ＬＤの電極電圧を検出するために、負荷ＬＤに接続されてもよい。負荷ＬＤの電極電圧は、負荷ＬＤの給電能力又は充電要件を反映するため、プロセッサ１６０は、負荷ＬＤを検出することによって検出信号を生成し、且つ検出信号に応じて、スイッチング回路１４０を制御し、第２ブリッジアームユニットＢＲ１～ＢＲ３の両端の接続位置を切り替えることができる。

【0034】

図３は、本開示内容の幾つかの実施例により開示される共振変換回路システム３００を示す模式図である。共振変換回路システム３００は、第１共振コンバータ３１０及び第２共振コンバータ３２０を含む。

【0035】

第１共振コンバータ３１０は、第１プレ変換回路３１１、第１共振変圧回路３１２及び第１ポスト変換回路３１３を含む。本実施例において、第１共振コンバータ３１０の構造は、図１に示される共振コンバータ１００と同じであってもよい。即ち、第１プレ変換回路３１１は、図１に示される第１変換回路１１０であってよく、且つ図１に示される第１ブリッジアームユニットＢＦ１～ＢＦ３のような複数の第１プレブリッジアームユニットを含む。第１共振変圧回路３１２は、図１に示される共振変圧回路１２０である。第１ポスト変換回路３１３は、図１に示される第２変換回路１３０であってよく、且つ図１に示される第２ブリッジアームユニットＢＲ１～ＢＲ３のような複数の第１ポストブリッジアームユニットを含む。

【0036】

同様に、第２共振コンバータ３２０の構造は、図１に示される共振コンバータ１００と同じであってよい。即ち、第２プレ変換回路３２１は、図１に示される第１変換回路１１０であってよく、且つ図１に示される第１ブリッジアームユニットＢＦ１～ＢＦ３のような複数の第２プレブリッジアームユニットを含む。第２共振変圧回路３２２は、図１に示される共振変圧回路１２０である。第２ポスト変換回路３２３は、図１に示される第２変換回路１３０であってよく、且つ図１に示される第２ブリッジアームユニットＢＲ１～ＢＲ３のような複数の第２ポストブリッジアームユニットを含む。

【0037】

幾つかの実施例において、共振変換回路システム３００は、それぞれ第１共振コンバータ３１０及び第２共振コンバータ３２０内の複数のスイッチング素子を制御するために、制御信号を提供するためのプロセッサ（図３に図示せず）を更に含む。具体的には、第１プレ変換回路３１１は、複数の第１プレ制御信号に基づいて第１電圧を発生させるために用いられ、第１共振変圧回路３１２は、更に第１電圧を第２電圧に変換する。第２プレ変換回路３２１は、複数の第２プレ制御信号に基づいて第３電圧を発生させ、第２共振変圧回路３２２は、更に第３電圧を第４電圧に変換する。

【0038】

幾つかの実施例において、第１共振変圧回路３１２及び第２共振変圧回路３２２は互いに結合され、例えば、第１共振変圧回路３１２における複数の二次巻線の第１部分は互いに結合され、第２共振変圧回路３２２における複数の二次巻線の第１部分も互いに結合され、且つ第１共振変圧回路３１２における複数の二次巻線の第２部分は、第２共振変圧回路３２２における複数の二次巻線の第２部分に結合される。

【0039】

以上に基づき、第１共振変圧回路３１２と第２共振変圧回路３２２が互いに結合される実施例において、第１プレ制御信号と第２プレ制御信号とは、交互にオン・オフ（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅ）する。即ち、第１プレ変換回路３１１及び第２プレ変換回路３２１における対応する位置にある同一のトランジスタスイッチング素子（図１に示されるＴＸ１）は、逆の状態に制御される（即ち、一方がオンにされ、他方がオフにされる）。

【0040】

同様に、第１ポスト変換回路３１３は、複数の第１ポスト制御信号に基づいて第２電圧を直流出力電圧に変換する。第２ポスト変換回路３２３は、複数の第２ポスト制御信号に基づいて第４電圧を直流出力電圧に変換する。第１ポスト制御信号と第２ポスト制御信号とは、第１共振コンバータ３１０と第２共振コンバータ３２０が協働して作動可能になるように交互にオン・オフする。

【0041】

図４は、本開示内容の幾つかの実施例による第１共振変圧回路３１２及び第２共振変圧回路３２２を示す模式図である。第１共振変圧回路３１２は、複数の一次巻線ＷＰ１１、ＷＰ１２、ＷＰ１３及び複数の二次巻線を含み、各二次巻線は、また第１サブ巻線（図示されるＷＳ１１、ＷＳ１３、ＷＳ１５）及び第２サブ巻線（図示されるＷＳ１２、ＷＳ１４、ＷＳ１６）を含む。同様に、第２共振変圧回路３２２は、複数の一次巻線ＷＰ２１、ＷＰ２２、ＷＰ２３及び複数の二次巻線を含み、各二次巻線は、また第１サブ巻線（図示されるＷＳ２１、ＷＳ２３、ＷＳ２５）及び第２サブ巻線（図示されるＷＳ２２、ＷＳ２４、ＷＳ２６）を含む。

【0042】

第１共振変圧回路３１２における複数の二次巻線の第１部分は互いに結合され、第２共振変圧回路３２２における複数の二次巻線の第１部分も互いに結合され、且つ第１共振変圧回路３１２及び第２共振変圧回路３２２の複数の二次巻線の第２部分は互いに結合される。これにより、第１共振変圧回路３１２及び第２共振変圧回路３２２における電圧は、オン・オフ（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅ）によって互いに重畳し、第１共振変圧回路３１２及び第２共振変圧回路３２２により出力された電圧をより高くする。

【0043】

図４に示すように、具体的には、第１共振変圧回路３１２の一次巻線ＷＰ１１～ＷＰ１３の同じ対応端（例えば、負極、逆方向の巻線端部、逆相起磁力の巻線端部）は互いに結合される。同様に、第２共振変圧回路３２２の一次巻線ＷＰ２１～ＷＰ２３の同じ対応端（例えば、正極、同方向の巻線端部、正相起磁力の巻線端部）は互いに結合される。

【0044】

図４において、同じノードＮ１～Ｎ６が付された位置は、互いに結合されることを表す。幾つかの実施例において、第１共振変圧回路３１２の第１サブ巻線ＷＳ１１／ＷＳ１３／ＷＳ１５の一端（例えば、正極）は、共振溝を介して第１ポスト変換回路３１３に結合される。第１共振変圧回路３１２の第１サブ巻線ＷＳ１１／ＷＳ１３／ＷＳ１５の他端（例えば、負極）は、それぞれ第２共振変圧回路３２２の１つの二次巻線に結合され、且つ結合位置は交互に交差する（即ち、正極が負極に結合される）。例えば、第１サブ巻線ＷＳ１１は、ノードＮ１を介して第１サブ巻線ＷＳ２１に結合され、第１サブ巻線ＷＳ１３は、ノードＮ３を介して第１サブ巻線ＷＳ２３に結合され、第１サブ巻線ＷＳ１５は、ノードＮ５を介して第１サブ巻線ＷＳ２５に結合される。

【0045】

幾つかの実施例において、第１共振変圧回路３１２の第２サブ巻線ＷＳ１２／ＷＳ１４／ＷＳ１６の一端（例えば、正極）は互いに結合される。第１共振変圧回路３１２の第２サブ巻線ＷＳ１２／ＷＳ１４／ＷＳ１６の他端（例えば、負極）は、第２共振変圧回路３２２の他の１つの二次巻線に結合され、且つ結合位置は交互に交差する（即ち、正極が負極に結合される）。例えば、第２サブ巻線ＷＳ１２は、ノードＮ２を介して第２サブ巻線ＷＳ２２に結合され、第２サブ巻線ＷＳ１４は、ノードＮ４を介して第２サブ巻線ＷＳ２４に結合され、第２サブ巻線ＷＳ１６は、ノードＮ６を介して第２サブ巻線ＷＳ２６に結合される。

【0046】

図５は、本開示内容の幾つかの実施例による共振変換回路システムの電圧信号を示す模式図であり、図５において、第１共振変圧回路３１２及び第２共振変圧回路３２２における一次巻線と二次巻線のコイル比が１：１であると仮定している。図５の電圧波形は、一次巻線ＷＰ１１における誘導電圧ＶＰ１、一次巻線ＷＰ２１における誘導電圧ＶＰ２を含み、電圧ＶＴＡは、ノードＮ１及びノードＮ２における誘導電圧である。また、第１共振変圧回路３１２と第２共振変圧回路３２２とが交互にオン・オフ（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅ）するため、第１共振変圧回路３１２における二次巻線の出力電圧Ｖｏｕｔは、ノードＮａとＮｂの間の電圧差に等しくてよい。誘導電圧ＶＰ１、ＶＰ２が交互にオン・オフし、且つ第１共振変圧回路３１２と第２共振変圧回路３２２の二次巻線がノードＮ１、Ｎ２を介して互いに結合されるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、「第１共振変圧回路３１２と第２共振変圧回路３２２のノードＮ１における誘導電圧の合計」となる。

【0047】

図３を参照されたく、一部の実施例において、共振変換回路システム３００は、状態選択回路３３０を更に含む。状態選択回路３３０は、（例えば、複数のスイッチング素子のオン又はオフを制御することにより）選択的に第１共振コンバータ３１０と第２共振コンバータ３２０を直列接続するか、又は第１共振コンバータ３１０と第２共振コンバータ３２０を並列接続するために、それぞれ第１共振コンバータ３１０及び第２共振コンバータ３２０に結合される。

【0048】

幾つかの実施例において、状態選択回路３３０は、直列スイッチング素子Ｗ３１を含む。直列スイッチング素子Ｗ３１は、第１共振コンバータ３１０と第２共振コンバータ３２０の間に結合される。第１ポスト変換回路３１３は、共振変換回路システム３００の正極出力端Ｎｐ及び直列スイッチング素子Ｗ３１の第１端に結合される。第２ポスト変換回路３２３は、共振変換回路システム３００の負極出力端Ｎｎ及び直列スイッチング素子Ｗ３１の第２端に結合される。

【0049】

幾つかの実施例において、状態選択回路３３０は、第１並列スイッチング素子Ｗ３２及び第２並列スイッチング素子Ｗ３３を含む。第１並列スイッチング素子Ｗ３２は、直列スイッチング素子Ｗ３１の第１端と負極出力端Ｎｎの間に結合される。第２並列スイッチング素子Ｗ３３は、直列スイッチング素子Ｗ３１の第２端と正極出力端Ｎｐの間に結合される。

【0050】

これにより、直列スイッチング素子Ｗ３１がオンにされるが、並列スイッチング素子Ｗ３２、Ｗ３３がオフにされる場合、第１共振コンバータ３１０及び第２共振コンバータ３２０は、互いに直列接続される（「直列モード」と略称される）。これに対して、直列スイッチング素子Ｗ３１がオフにされるが、並列スイッチング素子Ｗ３２、Ｗ３３がオンにされる場合、第１共振コンバータ３１０及び第２共振コンバータ３２０は、互いに並列接続される（「並列モード」と略称される）。直列モードで、共振変換回路システム３００は、大きい電圧を提供することができ、並列モードで、共振変換回路システム３００は、大きい電流を提供することができる。状態選択回路３３０の制御により、共振変換回路システム３００は、適用時のニーズ及び負荷状況に応じて、異なるモードで充放電を行うことができる。

【0051】

図３に示される実施例において、第１共振コンバータ３１０及び／又は第２共振コンバータ３２０は、図１に示されるスイッチング回路１４０を有してもよい。即ち、第１共振コンバータ３１０のスイッチング回路は、第１ポストブリッジアームユニットの接続位置を選択的に切り替えるために、第１ポスト変換回路３１３に結合されてよい。これにより、第１ポスト変換回路３１３は、第１マルチレベルスイッチング素子（図１に示されるマルチレベルスイッチング素子ＴＡ、ＴＢ）を経由せずに第１ポストブリッジアームユニットのみを経由して第２電圧を第１直流出力電圧に変換することができる。又は、第１ポスト変換回路３１３は、第１ポストブリッジアームユニット及び第１マルチレベルスイッチング素子の両方を経由して第２電圧を第２直流出力電圧に変換することができる。

【0052】

前述した実施例において、共振変換回路システム３００は、第１プレ変換回路３１１及び第２プレ変換回路３２１を介して入力電圧を受信するが、他の実施例において、共振コンバータ１００は、第１ポスト変換回路３１３及び第２ポスト変換回路３２３を介して入力電圧を受信してもよい。換言すれば、共振変換回路システム３００は、入力／出力端が必要に応じて交換可能である双方向共振回路システムである。

【0053】

本開示内容の前述した実施例では、図１に示される共振コンバータ１００を基にスイッチング回路１４０と組み合わせるか、又は複数の共振コンバータ３１０、３２０の共振変圧回路を結合するか、又は複数の共振コンバータ３１０、３２０を状態選択回路３３０と組み合わせる。前述した３つの適用方法は、互いに組み合わせられるが、互いの特徴は、互いに独立して適用することができる。例えば、共振コンバータは、複数の共振コンバータの共振変圧回路を結合してもよいが、状態選択回路を配置しなくてもよい。同様に、複数の共振コンバータは、状態選択回路によって直列又は並列モードを切り替えてもよいが、複数の共振変圧回路を結合しなくてもよい。

【0054】

前述した各実施例における各素子、方法ステップ又は技術的特徴は、互いに組み合わせることができ、本開示内容における文字通りの説明順序又は図面の表示順序に限定されない。

【0055】

本開示内容は実施形態により前述の通りに開示されたが、これらの実施形態に限定されず、当業者であれば、本開示内容の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修飾を加えることができる。従って、本開示内容の保護範囲は、下記特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。

【符号の説明】

【0056】

１００ 共振コンバータ
１１０ 第１変換回路
１２０ 共振変圧回路
１２１ 第１共振溝
１２２ 三相変圧器
１２３ 第２共振溝
１３０ 第２変換回路
１４０ スイッチング回路
１５０ 分圧回路
１６０ プロセッサ
２１０ フルブリッジ回路
２２０ 三相３レベル変換回路
Ｃ１１ 入力コンデンサ
Ｃ１２ 変換コンデンサ
Ｃ１３ 分圧コンデンサ
Ｃ１４ 分圧コンデンサ
ＢＦ１～ＢＦ３ 第１ブリッジアームユニット
ＢＲ１～ＢＲ３ 第２ブリッジアームユニット
ＴＸ１～ＴＸ６ トランジスタスイッチング素子
Ｔ１～Ｔ６ ブリッジアームスイッチング素子
ＴＡ、ＴＢ マルチレベルスイッチング素子
Ｗ１１、Ｗ１２ 第１短絡スイッチング素子
Ｗ１３ 第２短絡スイッチング素子
ＬＤ 負荷
３００ 共振変換回路システム
３１０ 第１共振コンバータ
３１１ 第１プレ変換回路
３１２ 第１共振変圧回路
３１３ 第１ポスト変換回路
３２０ 第２共振コンバータ
３２１ 第２プレ変換回路
３２２ 第２共振変圧回路
３２３ 第２ポスト変換回路
３３０ 状態選択回路
Ｗ３１ 直列スイッチング素子
Ｗ３２ 第１並列スイッチング素子
Ｗ３３ 第２並列スイッチング素子
Ｎｐ 正極出力端
Ｎｎ 負極出力端
ＷＰ１１～ＷＰ１３、ＷＰ２１～ＷＰ２３ 一次巻線
ＷＳ１１、ＷＳ１３、ＷＳ１５、ＷＳ２１、ＷＳ２３、ＷＳ２５ 第１サブ巻線
ＷＳ１２、ＷＳ１４、ＷＳ１６、ＷＳ２２、ＷＳ２４、ＷＳ２６ 第２サブ巻線
Ｎ１～Ｎ６、Ｎａ、Ｎｂ ノード
ＶＰ１、ＶＰ２ 誘導電圧
ＶＴＡ 電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】