特開 2024-65936 ３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ

(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】P2024065936

(43)【公開日】2024-05-15

(54)【発明の名称】３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240508BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 H

H02M3/155 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022175064

(22)【出願日】2022-10-31

(71)【出願人】

【識別番号】521342739

【氏名又は名称】ブイシーテック カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アン ウォン ヨン

(72)【発明者】

【氏名】ジン ヨン シン

(72)【発明者】

【氏名】イ スン テ

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS04

5H730AS05

5H730AS08

5H730BB13

5H730BB14

5H730BB82

5H730BB88

5H730BB89

5H730DD03

5H730DD16

5H730EE13

5H730FG05

(57)【要約】      （修正有）

【課題】脈動電流を低減する３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、並列に連結されて動作する第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールを備える。該コンバータモジュールのそれぞれは、ブーストモードで第１電源部４７１から供給される電気エネルギを第２電源部４７２に伝達し、バックモードで第２電源部から供給される電気エネルギを第１電源部に伝達するために一時貯蔵するエネルギ貯蔵部４１０と、一端が第１電源部の正極端子に連結される上端インダクタ４２０と、一端が第１電源部の負極端子に連結される下端インダクタ４３０と、上端インダクタの他端に連結されてエネルギ貯蔵部の上端点及び中性点にそれぞれ連結される上端レッグ４４０と、下端インダクタの他端に連結されて中性点及びエネルギ貯蔵部の下端点にそれぞれ連結される下端レッグ４５０と、を含む。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

並列に連結されて動作する第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールを備え、
前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールのそれぞれは、
ブーストモードで第１電源部から供給される電気エネルギを第２電源部に伝達し、バックモードで前記第２電源部から供給される電気エネルギを前記第１電源部に伝達するために一時貯蔵するエネルギ貯蔵部と、
一端が前記第１電源部の正極端子に連結される上端インダクタと、
一端が前記第１電源部の負極端子に連結される下端インダクタと、
前記上端インダクタの他端に連結されて前記エネルギ貯蔵部の上端点及び中性点にそれぞれ連結される上端レッグと、
前記下端インダクタの他端に連結されて前記中性点及び前記エネルギ貯蔵部の下端点にそれぞれ連結される下端レッグと、を含むことを特徴とする３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項2】

前記エネルギ貯蔵部は、前記第２電源部の正極端子と負極端子との間に直列連結される上端キャパシタ及び下端キャパシタを含むことを特徴とする請求項１に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項3】

前記上端レッグは、
前記上端インダクタの他端と前記中性点との間に連結される第１上端スィッチと、
前記上端インダクタの他端と前記上端点との間に連結される第２上端スィッチと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項4】

前記下端レッグは、
前記中性点と前記下端インダクタの他端との間に連結される第１下端スィッチと、
前記下端インダクタの他端と前記下端点との間に連結される第２下端スィッチと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項5】

前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、インターリービング動作の時、各コンバータモジュールの上端と下端との間に９０度の位相差が発生してコンバータモジュール間に１８０度の位相差が発生し、単一周期に対して前記コンバータモジュールの個数だけの位相差が発生することを特徴とする請求項１に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項6】

前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、インターリービング動作の時、前記第１コンバータモジュールの上端インダクタと前記第２コンバータモジュールの下端インダクタとに前記第１電源部から供給される入力電圧が均等に分配され、前記上端キャパシタ及び下端キャパシタの電圧が均等に分圧された結果、前記第２電源部に供給される出力電圧が形成されることを特徴とする請求項２に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項7】

前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、前記並列に連結されるために、前記上端インダクタの一端、前記下端インダクタの一端、前記上端点、前記中性点、及び前記下端点がそれぞれ連結されることを特徴とする請求項１に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項8】

前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、前記並列に連結された状態で、前記中性点間の連結が解除されることを特徴とする請求項７に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【請求項9】

前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、前記上端インダクタ及び前記下端インダクタのそれぞれの一端に共振キャパシタが並列に連結されることを特徴とする請求項１に記載の３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３－レベルＤＣ－ＤＣコンバータの具現技術に関し、より詳しくは、コンバータモジュールの並列連結にもインターリービング運転が可能で、脈動電流の低減効果を提供することができる３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータに関する。

【背景技術】

【0002】

ＤＣ－ＤＣコンバータは、直流（ＤＣ）電圧源を一つの電圧レベルから他の電圧レベルに変換する装置である。ＤＣ－ＤＣコンバータは、高い入力電圧に対して低い出力電圧を生成するバック（Ｂｕｃｋ）ＤＣ－ＤＣコンバータだけではなく、入力電圧に比べて高い出力電圧を生成するブースト（ｂｏｏｓｔ）ＤＣ－ＤＣコンバータ、及び入力電圧に対して高いか又は低い出力電圧を生成するバック－ブースト（ｂｕｃｋ－ｂｏｏｓｔ）ＤＣ－ＤＣコンバータを含む。

【0003】

通常のＤＣ－ＤＣコンバータは、入力電圧に対して出力電圧比が高い場合、パワー効率が低くなるという短所がある。そこで、３－レベルＤＣ－ＤＣコンバータが提案された。３－レベルＤＣ－ＤＣコンバータは、複数のパワースィッチ、フライング（ｆｌｙｉｎｇ）キャパシタ、及びインダクタを含むフェーズ（ｐｈａｓｅ）で構成される。

【0004】

３－レベルブーストコンバータ（ＴＬＢ：３－Ｌｅｖｅｌ Ｂｏｏｓｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）は、高い電圧が要求される場合に用いられる。また、大きい出力電流が必要な場合、ＴＬＢを並列に連結して用いることができる。一方、バッテリやキャパシタに対する応用の場合、入出力電流の脈動を低減するために、スィッチの位相角調整を通じたモジュール間インタリーブ技法を適用して、入力電流のリップル及びスイチング損失を減らすことができる。

【0005】

しかし、従来のＴＬＢを並列に連結してインターリービング技法を適用すると、一方のキャパシタが短絡されて、出力電圧が上端と下端とに分圧されない現象が発生する。

【0006】

また、コンバータを並列連結する時、モジュール間の上端キャパシタと下端キャパシタとの間の中性点に対する連結がキャパシタの寿命の観点及び制御においてどのような差が存在するかに対する研究が必要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開第２０２０／０９０４７２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、インターリービング運転が可能で、脈動電流を低減することができる３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様における３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、並列に連結されて動作する第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールを備え、前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールのそれぞれは、ブースト（ｂｏｏｓｔ）モードで第１電源部から供給される電気エネルギを第２電源部に伝達し、バック（ｂｕｃｋ）モードで前記第２電源部から供給される電気エネルギを前記第１電源部に伝達するために一時貯蔵するエネルギ貯蔵部と、一端が前記第１電源部の正極端子に連結される上端インダクタと、一端が前記第１電源部の負極端子に連結される下端インダクタと、前記上端インダクタの他端に連結されて前記エネルギ貯蔵部の上端点及び中性点にそれぞれ連結される上端レッグと、前記下端インダクタの他端に連結されて前記中性点及び前記エネルギ貯蔵部の下端点にそれぞれ連結される下端レッグと、を含む。

【0010】

前記エネルギ貯蔵部は、前記第２電源部の正極端子と負極端子との間に直列連結される上端キャパシタ及び下端キャパシタを含み得る。
前記上端レッグは、前記上端インダクタの他端と前記中性点との間に連結される第１上端スィッチと、前記上端インダクタの他端と前記上端点との間に連結される第２上端スィッチと、を含み得る。
前記下端レッグは、前記中性点と前記下端インダクタの他端との間に連結される第１下端スィッチと、前記下端インダクタの他端と前記下端点との間に連結される第２下端スィッチと、を含み得る。
前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、インターリービング動作の時、各コンバータモジュールの上端と下端との間に９０度の位相差が発生してコンバータモジュールの間に１８０度の位相差が発生し、単一周期に対して前記コンバータモジュールの個数だけの位相差が発生し得る。
前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、インターリービング動作の時、前記第１コンバータモジュールの上端インダクタと前記第２コンバータモジュールの下端インダクタとに前記第１電源部から供給される入力電圧が均等に分配され、前記上端キャパシタ及び下端キャパシタの電圧が均等に分圧された結果、前記第２電源部に供給される出力電圧が形成され得る。
前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、前記並列に連結されるために、前記上端インダクタの一端、前記下端インダクタの一端、前記上端点、前記中性点、及び前記下端点がそれぞれ連結され得る。
前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、前記並列に連結された状態で、前記中性点間の連結が解除され得る。
前記第１コンバータモジュール及び前記第２コンバータモジュールは、前記上端インダクタ及び前記下端インダクタのそれぞれの一端に共振キャパシタが並列に連結され得る。

【発明の効果】

【0011】

本発明による３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、コンバータモジュールの下端に新たなインダクタを追加することで、コンバータモジュールの並列連結でもインターリービング技法が適用可能になる。また、コンバータモジュール間の並列連結時に、中性点の連結を通じて電流実効値をより小さくすることにより、キャパシタの寿命を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】コンバータモジュールの並列運転回路状態を説明する図である。

【図2】コンバータモジュールの並列運転中のインターリービング動作の回路状態及び等価回路を説明する図である。

【図3】コンバータモジュールの並列運転中のインターリービング動作を説明する波形図である。

【図4】本発明の一実施形態による単一コンバータモジュールの構成を説明する図である。

【図5a】本発明の一実施形態によるコンバータモジュールの並列連結構成の回路状態を説明する図である。

【図5b】本発明の一実施形態によるコンバータモジュールの並列連結構成の等価回路を説明する図である。

【図6】本発明の一実施形態によるコンバータモジュールの並列運転中のインターリービング動作を説明する波形図である。

【図7a】コンバータモジュール間の中性点の連結と分離とによる比較を説明する図である。

【図7b】コンバータモジュール間の中性点の連結と分離とによる比較を説明する図である。

【図8】図７の比較によるキャパシタ電流を説明する図である。

【図9】図７の比較によるキャパシタ電流のＦＦＴ分析を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0014】

本発明に関する説明は、構造的又は機能的説明のための実施形態に過ぎないため、本発明の権利範囲は本明細書に記載された実施形態によって制限されるものと解釈してはならない。即ち、実施形態は、多様な変更が可能であり、様々な形態を有し得るため、本発明の権利範囲は、技術的思想を実現することができる均等物を含むことを理解すべきである。また、本発明の効果は、特定の実施形態がこれを全部含むか、又はそのような効果のみを含むべきであるという意味ではないため、本発明の権利範囲はこれによって制限されるものと理解してはならない。

【0015】

一方、本明細書に記載される用語の意味は、次のように理解すべきである。

【0016】

「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するためのものであり、これらの用語によって権利範囲が限定されてはならない。例えば、第１構成要素は第２構成要素に命名され、同様に第２構成要素も第１構成要素に命名され得る。

【0017】

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いると言及する場合には、その他の構成要素に直接連結されても良いが、中間に他の構成要素が存在しても良いことを理解すべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いると言及する場合には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解すべきである。また、構成要素間の関係を説明する他の表現、即ち「～間に」と「直～間に」、又は「～に隣接する」と「～に直接隣接する」なども同様に解釈すべきである。

【0018】

単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含むものと理解すべきであり、「含む」又は「有する」などの用語は、実施する特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部分品、又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、１つ又はそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部分品、又はこれらを組み合わせたものなどの存在又は付加可能性を予め排除しないと理解すべきである。

【0019】

各段階において、識別符号（例えば、ａ、ｂ、ｃなど）は、説明の便宜のために用いられるものであり、識別符号は各段階の順序を説明するものではなく、各段階は、文脈上明白に特定の順序を記載しない限り、明記した順序と異なるように発生し得る。即ち、各段階は、明記された順序と同一に実施されてもよく、実質的に同時に実施されてもよく、逆順に実施されてもよい。

【0020】

ここで用いられる全ての用語は、異なるように定義されない限り、本発明が属する分野において通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。通常用いられる辞典に定義されている用語は、関連技術の文脈で有する意味に一致するものと解釈すべきであり、本明細書で明白に定義しない限り、理想的又は過度に形式的な意味を有するものと解釈してはならない。

【0021】

図１は、コンバータモジュールの並列運転回路状態を説明する図である。

【0022】

図１を参照すると、３－レベルブーストコンバータ（以下、ＴＬＢ）の並列運転のための回路状態が確認される。２つのＴＬＢ（モジュール１及びモジュール２）は、互いに並列に連結され、並列連結によってパワー素子が同時にオン－オフ（ｏｎ－ｏｆｆ）されるため、図１（ａ）又は（ｂ）のように正常に動作する。一方、コンバータモジュールの回路状態は、各ＴＬＢのスィッチに対する制御を通じて運転状態が変更される。ＴＬＢの並列運転において、キャパシタの脈動を低減するためのインターリービング動作を実行する場合、並列連結された２つのＴＬＢが短絡される現象が発生する。

【0023】

図１において、各ＴＬＢは、モジュール１及びモジュール２に対応し、第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールに対応する。第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールは、同じ単一コンバータモジュールで具現され、並列連結のために電源部の正極端子に互いに連結される。また、第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールは、電気エネルギを一時的に貯蔵するキャパシタの両端で互いに連結され、２つ以上のキャパシタが直列連結された場合、キャパシタ間の中性点でも互いに連結される。

【0024】

図２は、コンバータモジュールの並列運転中のインターリービング動作の回路状態及び等価回路を説明する図であり、図３は、コンバータモジュールの並列運転中のインターリービング動作を説明する波形図である。

【0025】

図２及び図３を参照すると、２つのＴＬＢは、並列連結されてインターリービング動作を実行する。並列連結された２つのＴＢＬに対するインターリービング動作の時、各コンバータモジュールの上端と下端との間に９０度の位相差が発生し、コンバータモジュール間に１８０度の位相差が発生する。また、単一周期に対してコンバータモジュールの個数だけの位相差を有する状態でインターリービング動作が実行される。

【0026】

図２で、コンバータモジュールを並列連結してインターリービング動作を実行する場合、等価回路（ｂ）のように、インピーダンスが中性点を基準として上端側のみに存在する。従って、下端キャパシタＣ_Ｌはキルヒホフ（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ）電圧法則によって０Ｖになり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは上端キャパシタ（ＣＨ）のみにかかる現象が発生する。

【0027】

それにより、図３に示したように、従来の３レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、モジュール１（Ｍ１）の上端スィッチＳ３及びモジュール２（Ｍ２）の下端スイッチＳ４が「ターンオン（Ｔｕｒｎ－Ｏｎ）」されて導通するインターリービング区間で、また反対にモジュール１（Ｍ１）の下端スィッチＳ４及びモジュール２（Ｍ２）の上端スィッチＳ３が「ターンオン（Ｔｕｒｎ－Ｏｎ）」されて導通するインターリービング区間で、インダクタＬの電流がスィッチに注入されながら同じスィッチ動作に２つの電流状態が発生して上端キャパシタと下端キャパシタとの間の電圧に不平衡が発生する。

【0028】

図４は、本発明の一実施形態による単一コンバータモジュールの構成を説明する図である。

【0029】

図４は、単一コンバータモジュールを示し、本発明による３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、２つの単一コンバータモジュールが並列に連結されて動作する。２つの単一コンバータモジュールは、それぞれ第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールに対応する。第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールのそれぞれは、エネルギ貯蔵部４１０、上端インダクタ４２０、下端インダクタ４３０、上端レッグ４４０、及び下端レッグ４５０を含む。

【0030】

エネルギ貯蔵部４１０は、コンバータの動作過程で、出力として伝達される電気エネルギを一時的に貯蔵する役割をする。例えば、３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、ブースト（ｂｏｏｓｔ）モード又はバック（ｂｕｃｋ）モードによって双方向に動作する。エネルギ貯蔵部４１０は、ブースト（ｂｏｏｓｔ）モードで第１電源部４７１から供給される電気エネルギを第２電源部４７２に伝達し、バック（ｂｕｃｋ）モードで第２電源部４７２から供給される電気エネルギを第１電源部４７１に伝達する。このために、少なくとも一つのキャパシタを通じて電気エネルギを貯蔵する。

【0031】

一方、３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、ブーストモードを通じて第１電源部４７１の電源を昇圧して第２電源部４７２に伝達し、バックモードを通じて第２電源部４７２の電源を減圧して第１電源部４７１に伝達する。また、第２電源部４７２は、必要に応じて抵抗素子で置き換えられて具現される。

【0032】

一実施形態において、エネルギ貯蔵部４１０は、第２電源部４７２の正極端子と負極端子との間に直列連結される上端キャパシタＣ_Ｈ及び下端キャパシタＣ_Ｌを含んで構成される。この場合、上端キャパシタＣ_Ｈと下端キャパシタＣ_Ｌとの間に中性点４６２が形成され、当該中性点４６２を通じて上端レッグ４４０及び下端レッグ４５０に連結される。また、上端キャパシタＣ_Ｈは第２電源部４７２の正極端子に連結され、下端キャパシタＣ_Ｌは第２電源部４７２の負極端子に連結される。

【0033】

上端インダクタ４２０は、一端が第１電源部４７１の正極端子に連結され、第１電源部４７１から供給される電気エネルギを反対方向に伝達する役割をする。上端インダクタ４２０は、動作モードによって方向のみを変えて同じ役割をする。上端インダクタ４２０の他端は上端レッグ４４０に連結される。具体的に、上端レッグ４４０が２つのスィッチで構成される場合、上端インダクタ４２０は２つのスィッチの間に連結される。

【0034】

下端インダクタ４３０は、一端が第１電源部４７１の負極端子に連結され、電気エネルギを第１電源部４７１に伝達する役割をする。下端インダクタ４３０は、動作モードによって方向のみを変えて同じ役割をする。下端インダクタ４３０の他端は下端レッグ４５０に連結される。具体的に、下端レッグ４５０が２つのスィッチで構成される場合、下端インダクタ４３０は２つのスィッチの間に連結される。

【0035】

上端レッグ４４０は、上端インダクタ４２０の他端に連結されてエネルギ貯蔵部４１０の上端点４６１及び中性点４６２にそれぞれ連結される。一実施形態において、上端レッグ４４０は、第１上端スィッチＳ_Ｈ１及び第２上端スィッチＳ_Ｈ２を含む。第１上端スィッチＳ_Ｈ１は上端インダクタ４２０の他端と中性点４６２との間に連結され、第２上端スィッチＳ_Ｈ２は上端インダクタ４２０の他端と上端点４６１との間に連結される。

【0036】

下端レッグ４５０は、下端インダクタ４３０の他端に連結されてエネルギ貯蔵部４１０の中性点４６２及び下端点４６３にそれぞれ連結される。一実施形態において、下端レッグ４５０は、第１下端スィッチＳ_Ｌ１及び第２下端スィッチＳ_Ｌ２を含む。第１下端スィッチＳ_Ｌ１は中性点４６２と下端インダクタ４３０の他端との間に連結され、第２下端スィッチＳ_Ｌ２は下端インダクタ４３０の他端と下端点４６３との間に連結される。

【0037】

ここで、第１上端スィッチ及び第１下端スィッチ並びに第２上端スィッチ及び第２下端スィッチは、モストランジスタで具現され、別途のスィッチ制御部（図示していない）を通じて制御される。即ち、スィッチ制御部は、各スィッチのゲート電圧を制御して当該スィッチのオン－オフ（ｏｎ－ｏｆｆ）動作を制御する。一方、スィッチは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を例に挙げて説明したが、必ずしもこれに限定されず、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子で具現され得る。また、各スィッチは、コンバータの動作モードによって、スィッチ素子又はボディーダイオードとして用いられる。

【0038】

図５ａ及び図５ｂは、本発明の一実施形態によるコンバータモジュールの並列連結構成の回路状態及び等価回路を説明する図である。

【0039】

図５ａ及び図５ｂを参照すると、３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ５００は、下端に新たなインダクタが追加されたコンバータモジュールを並列に構成して具現される。インダクタＬ_１ａ及びＬ_２ｂ、上端キャパシタ及び下端キャパシタがそれぞれ同一であると仮定すると、次の数学式１～数学式３のように表される。

【0040】

【数1】

【数2】

【数3】

【0041】

ここで、ｖ_ｉ及びｖ_ｏは、それぞれ入力電圧及び出力電圧に対応し、ｖ_Ｌ１ａ及びｖ_Ｌ２ｂは、それぞれインダクタＬ_１ａ及びＬ_２ｂの電圧に対応する。

【0042】

また、数学式１及び数学式２によって、モジュール１（Ｍｏｄｕｌｅ１）の第１上端インダクタ及びモジュール２（Ｍｏｄｕｌｅ２）の第２下端インダクタの各々には入力電圧の半分が分配され、上端キャパシタ及び下端キャパシタの電圧は出力電圧が半分に分圧される。即ち、モジュール２の第２上端インダクタ及びモジュール２の第２下端インダクタは、数学式３のように表される。本発明による３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ５００は、ＴＬＢコンバータをインターリービング動作する時、下端にインダクタを追加することにより、回路インピーダンスが平衡になるようにすることができ、出力電圧が分圧されるように具現された点でインターリービング技法が適用される。

【0043】

図６は、本発明の一実施形態によるコンバータモジュールの並列運転中のインターリービング動作を説明する波形図である。

【0044】

図６を参照すると、本実施形態による３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ５００は、第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールが並列に連結されて、上端インダクタの一端、下端インダクタの一端、エネルギ貯蔵部の上端点、中性点、及び下端点でそれぞれ連結される。ここで、３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ５００は、それぞれの入力及び出力が並列に連結される第１コンバータモジュールＭ１及び第２コンバータモジュールＭ２の各スィッチの選択的スイチング動作で３レベルの電圧を生成する。

【0045】

モジュール１（Ｍ１）の第１上端スィッチＳ_１Ｈ及びモジュール２（Ｍ２）の第２下端スィッチＳ_２Ｌが「ターンオン（Ｔｕｒｎ－Ｏｎ）」されるインターリービング区間で、また反対にモジュール１の第１下端スィッチＳ_１Ｌ及びモジュール２の第２上端スィッチＳ_２Ｈが「ターンオン（Ｔｕｒｎ－Ｏｎ）」されるインターリービング区間で、上端キャパシタと下端キャパシタとの間の電圧が平衡に同じスィッチ動作で同じ状態が発生する。即ち、上端キャパシタ及び下端キャパシタの電圧は、それぞれ第２電源部の電圧の半分になる。

【0046】

図７ａ及び図７ｂは、コンバータモジュール間の中性点の連結と分離とによる比較を説明する図である。

【0047】

図７ａ及び図７ｂを参照すると、３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールが並列に連結されて、上端インダクタの一端、下端インダクタの一端、エネルギ貯蔵部の上端点、中性点、及び下端点でそれぞれ連結される。一実施形態において、第１コンバータモジュール及び第２コンバータモジュールは並列に連結された状態で、図７ｂのように、中性点の間の連結は解除され得る。

【0048】

図７ａ及び図７ｂのように、ＴＬＢコンバータを並列に連結する時、モジュール間の中性点の連結方式によるキャパシタ脈動電流の差を確認することができる。図７ａの場合、モジュール中性点の連結時に、各モジュールの上端キャパシタと下端キャパシタとが並列に連結される。即ち、各上端キャパシタ及び下端キャパシタが同一に制御される。但し、図７ｂのように、モジュール間の中性点を分離すると、各モジュールの上端キャパシタと下端キャパシタとが独立し、出力電圧は同一であるが、インターリービング動作の時、上端キャパシタと下端キャパシタとの各電圧は異なる。

【0049】

また、モジュール間の中性点の連結と分離とによってキャパシタに流れる電流が異なることになり、次の数学式４のように、キャパシタに流れる電流の実効値は、キャパシタの寿命に影響を及ぼす。

【0050】

【数4】

【0051】

以下、図８及び図９で、各キャパシタに流れる電流の実効値に対して、中性点の連結と分離とによる比較を、シミュレーションを通じて説明する。

【0052】

図８は、図７ａと図７ｂとの比較によるキャパシタ電流を説明する図であり、図９は、図７ａと図７ｂとの比較によるキャパシタ電流のＦＦＴ分析を説明する図である。

【0053】

図８及び図９において、先ず、シミュレーション条件は次の通りである。

【0054】

Ｖ_ｉｎ １０００［Ｖ］、Ｖ_ｏｕｔ １５００［Ｖ］、Ｌ_１ａ＝Ｌ_１ｂ＝Ｌ_２ａ＝Ｌ_２ｂ ０．２５［ｍＨ］、Ｃ_Ｈ＝Ｃ_Ｌ ９００［μＦ］、デューティー（Ｄｕｔｙ）０．３２、周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）１０［ｋＨｚ］である。

【0055】

図８は、モジュール間の中性点の連結と分離とによる一つのキャパシタに流れる電流を示す。計算値及びシミュレーション値を通じて、中性点の連結時の電流の実効値は約６６［Ａ］、分離時の実効値は約１００［Ａ］であり、中性点の連結時にキャパシタの寿命に有利であることを確認することができる。即ち、図８（ａ）は中性点の分離時にキャパシタに流れる電流波形に対応し、図８（ｂ）は中性点の連結時にキャパシタに流れる電流波形に対応する。

【0056】

図９は、中性点の連結と分離とによるＦＦＴ分析結果を示す。分析結果、中性点の連結時に、スイチング周波数に対応する１０ｋＨｚ成分が現われないことを確認することができる。即ち、図９（ａ）は中性点の分離時のキャパシタ電流のＦＦＴ分析波形に対応し、図９（ｂ）は中性点の連結時のキャパシタ電流のＦＦＴ分析波形に対応する。

【0057】

本発明による３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、並列に連結されたコンバータモジュール間のインターリービング動作のために、新たなインダクタを追加的に含めて具現される。また、コンバータモジュール間の中性点の連結の有無によって、キャパシタ脈動電流に差が発生し、本発明による３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、並列連結時に中性点が連結されるようにして脈動電流の低減効果を獲得することができる。即ち、本発明による３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、中性点の連結を通じて電流実効値をより小さくすることにより、キャパシタの寿命を延ばすことができる。

【0058】

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない範囲で多様に変更実施することが可能である。

【符号の説明】

【0059】

４１０ エネルギ貯蔵部
４２０ 上端インダクタ
４３０ 下端インダクタ
４４０ 上端レッグ
４５０ 下端レッグ
４６１ 上端点
４６２ 中性点
４６３ 下端点
４７１ 第１電源部
４７２ 第２電源部
５００ ３－レベル双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ
Ｃ_Ｈ 上端キャパシタ
Ｃ_Ｌ 下端キャパシタ
Ｓ_Ｈ１ 第１上端スィッチ
Ｓ_Ｈ２ 第２上端スィッチ
Ｓ_Ｌ１ 第１下端スィッチ
Ｓ_Ｌ２ 第２下端スィッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8】

【図9】