知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】
(24)【登録日】2023-05-22
(45)【発行日】2023-05-30
(54)【発明の名称】電力変換システムのＤＣ－ＤＣコンバータ
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20230523BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 A
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2022502604
(86)(22)【出願日】2020-03-16
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-10-07
(86)【国際出願番号】 KR2020003602
(87)【国際公開番号】W WO2021010570
(87)【国際公開日】2021-01-21
【審査請求日】2022-01-14
(31)【優先権主張番号】10-2019-0087131
(32)【優先日】2019-07-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】593121379
【氏名又は名称】エルエス、エレクトリック、カンパニー、リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＬＳ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯ．， ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】１２７，ＬＳ－ｒｏ，Ｄｏｎｇａｎ－ｇｕ，Ａｎｙａｎｇ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100140822
【弁理士】
【氏名又は名称】今村 光広
(72)【発明者】
【氏名】ベ、ソンホ
(72)【発明者】
【氏名】リー、ジェホ
【審査官】麻生 哲朗
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０３８２４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００７／１１０９５４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０９０６６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１９０２５９（ＵＳ，Ａ１）
(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】
直列で連結された第１～第４スイッチ直列で連結された第５～第８スイッチ；
前記第１および第２スイッチの直列連結と並列で連結された第１キャパシタ；
前記第５および第６スイッチの直列連結と並列で連結された第２キャパシタ；
前記第３および第４スイッチの直列連結と並列で連結された第３キャパシタ；
前記第７および第８スイッチの直列連結と並列で連結された第４キャパシタ；
前記第１および第２スイッチ間の第１ノードと、前記第５および第６スイッチ間の第２ノードに電気的に連結される第１インダクタ；および
前記第３および第４スイッチ間の第３ノードと、前記第７および第８スイッチ間の第４ノードに電気的に連結される第２インダクタを含み、
前記第１および第２インダクタは第１カップルドインダクタを構成する、ＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項2】
前記第２および第３スイッチ間の第５ノードと前記第６および第７スイッチ間の第６ノードは電気的に等価である、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項3】
前記第１および第２スイッチ、第３および第４スイッチ、第５および第６スイッチ、第７および第８スイッチはそれぞれ相補的に動作する、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項4】
前記第５および第８スイッチがオンであり、前記第６および第７スイッチがオフであり、前記第１および第４スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が小さくなる、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項5】
前記第１および第４スイッチがオンであり、前記第２および第３スイッチがオフであり、前記第６および第７スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が大きくなる、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項6】
直列で連結された第９～第１２スイッチ；直列で連結された第１３～第１６スイッチ；
直列で連結された第１７～第２０スイッチ；
直列で連結された第２１～第２４スイッチ；
前記第９および第１０スイッチ間の第７ノードと、前記第１３および第１４スイッチ間の第８ノードに電気的に連結される第３インダクタ；
前記第１１および第１２スイッチ間の第９ノードと、前記第１５および第１６スイッチ間の第１０ノードに電気的に連結される第４インダクタ；
前記第１７および第１８スイッチ間の第１１ノードと、前記第２１および第２２スイッチ間の第１２ノードに電気的に連結される第５インダクタ；および
前記第１９および第２０スイッチ間の第１３ノードと、前記第２３および第２４スイッチ間の第１４ノードに電気的に連結される第６インダクタをさらに含み、
前記第３および第４インダクタは第２カップルドインダクタを構成し、前記第５および第６インダクタは第３カップルドインダクタを構成する、請求項２に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項7】
前記第５ノードと、前記第６ノードと、前記第１０および第１１スイッチ間の第１５ノードと、前記第１４および第１５スイッチ間の第１６ノードと、第１８および第１９スイッチ間の第１７ノードと、第２２および第２３スイッチ間の第１８ノードは電気的に等価である、請求項６に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項8】
前記ＤＣ－ＤＣコンバータはモジュール化されて構成され、少なくとも二つ以上の前記ＤＣ－ＤＣコンバータが並列で連結されて構成されることを特徴とする、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項9】
上部コンバータ；および前記上部コンバータに直列で連結される下部コンバータを含み、
前記上部コンバータは、
直列で連結される第１および第２スイッチ；
直列で連結される第３および第４スイッチ；
前記第１および第２スイッチ間の第１ノードと前記第３および第４スイッチ間の第２ノードに電気的に連結される第１インダクタ；
前記第１および第２スイッチの直列連結に並列で連結される第１貯蔵部；および
前記第３および第４スイッチの直列連結に並列で連結される第２貯蔵部を含み、
前記下部コンバータは、
直列で連結される第５および第６スイッチ；
直列で連結される第７および第８スイッチ；
前記第５および第６スイッチ間の第３ノードと前記第７および第８スイッチ間の第４ノードに電気的に連結される第２インダクタ；
前記第５および第６スイッチの直列連結に並列で連結される第３貯蔵部；および
前記第７および第８スイッチの直列連結に並列で連結される第４貯蔵部を含み、
前記第１および第２インダクタはカップルドインダクタを構成し、前記第２スイッチと前記第５スイッチは直列で連結され、前記第４スイッチと前記第７スイッチは直列で連結される、ＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項10】
前記第１および第２スイッチ、第３および第４スイッチ、第５および第６スイッチ、第７および第８スイッチはそれぞれ相補的に動作する、請求項９に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項11】
前記第３および第８スイッチがオンであり、前記第４および第７スイッチがオフであり、前記第１および第６スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が小さくなる、請求項９に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項12】
前記第１および第６スイッチがオンであり、前記第２および第５スイッチがオフであり、前記第４および第７スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が大きくなる、請求項９に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電力変換システムのＤＣ－ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【0002】
電力変換システムは、直流（ＤＣ）電力を他のロード（ｌｏａｄ）への適用に適合した電力に変換するものである。例えば、電気自動車はエネルギー貯蔵装置（バッテリー）に貯蔵された電気エネルギーを利用して電気モータに電力を供給することができる。
【0003】
このような電力変換システムは両方向ＤＣ－ＤＣコンバータを含むことができる。両方向ＤＣ－ＤＣコンバータはエネルギー貯蔵装置とインバータの間で電圧を変換することができる。インバータは電気モータに電力を供給し、または電気モータから回生制動によって電力の供給を受けたりもする。この時、両方向ＤＣ－ＤＣコンバータはエネルギー貯蔵装置からインバータへの電圧を調整して電気モータに電力を供給したり、またはインバータから電圧を調整してエネルギー貯蔵装置を充電したりもする。
【0004】
最近太陽光発電やエネルギー貯蔵装置などに使われるＤＣ電圧がますます上昇されており、事故時にエネルギー貯蔵装置をはじめとするシステムを保護するための対策が要求されている趨勢である。
【0005】
しかし、従来のＤＣ－ＤＣコンバータの場合、入出力電圧範囲が低いか、ＤＣ短絡事故発生時に遮断が不可能な問題点がある。したがって、両方向ＤＣ－ＤＣコンバータのための新しいトポロジーが要求される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明が解決しようとする技術的課題は、広い入出力電圧に対応しながらもＤＣ短絡事故発生時に効率的に遮断可能なＤＣ－ＤＣコンバータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータは、直列で連結された第１～第４スイッチ；直列で連結された第５～第８スイッチ；前記第１および第２スイッチの直列連結と並列で連結された第１キャパシタ；前記第５および第６スイッチの直列連結と並列で連結された第２キャパシタ；前記第３および第４スイッチの直列連結と並列で連結された第３キャパシタ；前記第７および第８スイッチの直列連結と並列で連結された第４キャパシタ；前記第１および第２スイッチ間の第１ノードと前記第５および第６スイッチ間の第２ノードに電気的に連結される第１インダクタ；および前記第３および第４スイッチ間の第３ノードと前記第７および第８スイッチ間の第４ノードに電気的に連結される第２インダクタを含み、前記第１および第２インダクタはカップルドインダクタを構成し、前記第２および第３スイッチ間の第５ノードと前記第６および第７スイッチ間の第６ノードは電気的に等価であり得る。
【0008】
本発明の一実施例において、前記第２および第３スイッチ間の第５ノードと前記第６および第７スイッチ間の第６ノードは電気的に等価であり得る。
【0009】
本発明の一実施例において、前記第１および第２スイッチ、第３および第４スイッチ、第５および第６スイッチ、第７および第８スイッチはそれぞれ相補的に動作することができる。
【0010】
本発明の一実施例において、前記第５および第８スイッチがオンであり、前記第６および第７スイッチがオフであり、前記第１および第４スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が小さくなり得る。
【0011】
本発明の一実施例において、前記第１および第４スイッチがオンであり、前記第２および第３スイッチがオフであり、前記第６および第７スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が大きくなり得る。
【0012】
本発明の一実施例において、直列で連結された第９～第１２スイッチ；直列で連結された第１３～第１６スイッチ；直列で連結された第１７～第２０スイッチ；直列で連結された第２１～第２４スイッチ；前記第９および第１０スイッチ間の第７ノードと、前記第１３および第１４スイッチ間の第８ノードに電気的に連結される第３インダクタ；前記第１１および第１２スイッチ間の第９ノードと、前記第１５および第１６スイッチ間の第１０ノードに電気的に連結される第４インダクタ；前記第１７および第１８スイッチ間の第１１ノードと、前記第２１および第２２スイッチ間の第１２ノードに電気的に連結される第５インダクタ；および前記第１９および第２０スイッチ間の第１３ノードと、前記第２３および第２４スイッチ間の第１４ノードに電気的に連結される第６インダクタをさらに含み、前記第３および第４インダクタは第２カップルドインダクタを構成し、前記第５および第６インダクタは第３カップルドインダクタを構成することができる。
【0013】
本発明の一実施例において、前記第５ノードと、前記第６ノードと、前記第１０および第１１スイッチ間の第１５ノードと、前記第１４および第１５スイッチ間の第１６ノードと、第１８および第１９スイッチ間の第１７ノードと、第２２および第２３スイッチ間の第１８ノードは電気的に等価であり得る。
【0014】
本発明の一実施例において、前記ＤＣ－ＤＣコンバータはモジュール化されて構成され、少なくとも二つ以上の前記ＤＣ－ＤＣコンバータが並列で連結されて構成され得る。
【0015】
また、前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータは、上部コンバータ；および前記上部コンバータに直列で連結される下部コンバータを含み、前記上部コンバータは、直列で連結される第１および第２スイッチ；直列で連結される第３および第４スイッチ；前記第１および第２スイッチ間の第１ノードと前記第３および第４スイッチ間の第２ノードに電気的に連結される第１インダクタ；前記第１および第２スイッチの直列連結に並列で連結される第１貯蔵部；および前記第３および第４スイッチの直列連結に並列で連結される第２貯蔵部を含み、前記下部コンバータは、直列で連結される第５および第６スイッチ；直列で連結される第７および第８スイッチ；前記第５および第６スイッチ間の第３ノードと前記第７および第８スイッチ間の第４ノードに電気的に連結される第２インダクタ；前記第５および第６スイッチの直列連結に並列で連結される第３貯蔵部；および前記第７および第８スイッチの直列連結に並列で連結される第４貯蔵部を含み、前記第１および第２インダクタはカップルドインダクタを構成し、前記第２スイッチと前記第５スイッチは直列で連結され、前記第４スイッチと前記第６スイッチは直列で連結され得る。
【0016】
本発明の一実施例において、前記第１および第２スイッチ、第３および第４スイッチ、第５および第６スイッチ、第７および第８スイッチはそれぞれ相補的に動作することができる。
【0017】
本発明の一実施例において、前記第３および第８スイッチがオンであり、前記第４および第７スイッチがオフであり、前記第１および第６スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が小さくなり得る。
【0018】
本発明の一実施例において、前記第１および第６スイッチがオンであり、前記第２および第５スイッチがオフであり、前記第４および第７スイッチのオン／オフ動作によって入力電圧より出力電圧が大きくなり得る。
【発明の効果】
【0019】
前記のような本発明は、スイッチが直列連結されて構成されるため、低い電圧のスイッチング素子を基盤として高い入出力電圧の利用が可能となる効果がある。
【0020】
また、本発明はカップルドインダクタによってインダクタの体積の節減が可能となり、損失が減少する効果がある。
【0021】
また、本発明はＤＣ短絡事故に効率的に対応するようにする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の一実施例が適用される電力変換システムの一例を説明するための構成図である。
【0023】
【図2】本発明の一実施例が適用される電力変換システムの他の一例を説明するための構成図である。
【0024】
【図3a】従来のＤＣ－ＤＣコンバータのトポロジーを説明するための回路構成図である。
【0025】
【図3b】従来のＤＣ－ＤＣコンバータのトポロジーを説明するための回路構成図である。
【0026】
【図3c】従来のＤＣ－ＤＣコンバータのトポロジーを説明するための回路構成図である。
【0027】
【図4】本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータのトポロジーを説明するための回路構成図である。
【0028】
【図5】本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータの動作を説明するための一例示図である。
【0029】
【0030】
【図7】本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータが３相で構成される場合を説明するための一例示図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
本発明の構成および効果を十分に理解するために、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、多様な形態で具現され得、多様な変更を加えることができる。ただし、本実施例に対する説明は本発明の開示を完全なものとし、本発明が属する技術分野の通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。添付された図面で構成要素は説明の便宜のためにその大きさを実際より拡大して図示したものであり、各構成要素の比率は誇張または縮小され得る。
【0032】
「第１」、「第２」等の用語は多様な構成要素の説明に使われ得るが、前記構成要素は前記用語によって限定されてはならない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われ得る。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく「第１構成要素」は「第２構成要素」と命名され得、同様に「第２構成要素」も「第１構成要素」と命名され得る。また、単数の表現は文脈上明白に異なるように表現しない限り、複数の表現を含む。本発明の実施例で使われる用語は異なって定義されない限り、該当技術分野で通常の知識を有する者に通常的に知られている意味で解釈され得る。
【0033】
以下では、図面を参照して本発明の一実施例の電力変換システムのＤＣ－ＤＣコンバータを説明することにする。
【0034】
図１は、本発明の一実施例が適用される電力変換システムの一例を説明するための構成図である。
【0035】
図面に図示された通り、本発明の一実施例が適用されるシステムは、エネルギー貯蔵部１００、ＤＣ－ＤＣコンバータ１、ＤＣリンク部１１０およびインバータ１２０を含むことができる。
【0036】
図１のシステムで、エネルギー貯蔵部１００に貯蔵されたＤＣ電圧は本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１により昇圧または強圧されてＤＣリンク部１１０に提供され、ＤＣリンク部１１０に貯蔵されたＤＣ電圧はインバータ１２０により交流（ＡＣ）電圧に変換されて負荷（ｌｏａｄ）に伝達され得る。
【0037】
このように、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１はエネルギー貯蔵部１００に貯蔵されたＤＣ電圧の大きさを変換してＤＣリンク部１１０に提供することができる。
【0038】
この時、制御部７はＤＣ－ＤＣコンバータ１の複数のスイッチをそれぞれ制御して、入力ＤＣ電圧を変換してＤＣ電圧を出力することができる。
【0039】
図２は、本発明の一実施例が適用される電力変換システムの他の一例を説明するための構成図である。
【0040】
図面に図示された通り、本発明の一実施例が適用されるシステムは、太陽光発電部（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ、ＰＶ）２００、ＤＣ－ＤＣコンバータ１およびエネルギー貯蔵部２１０を含むことができる。
【0041】
本発明の一実施例において、ＤＣ－ＤＣコンバータ１はＰＶ２００により生産されるＤＣ電圧を変換してエネルギー貯蔵部２１０が貯蔵するように提供することができる。
【0042】
この時、制御部７はＤＣ－ＤＣコンバータ１の複数のスイッチをそれぞれ制御して、入力ＤＣ電圧を変換してＤＣ電圧を出力することができる。
【0043】
ただし、本発明のＤＣ－ＤＣコンバータ１は、前述したシステムに限定的に提供されるものではなく、多様にＤＣ電圧の大きさを変換して提供するシステムで適用され得るであろう。
【0044】
以下では、従来のＤＣ－ＤＣコンバータのトポロジーを説明した後、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータを説明することにする。
【0045】
【0046】
図３ａは従来基本的に使われる２－レベルブーストトポロジーを示すものであって、入力電圧が６５０Ｖである場合、出力電圧が６５０Ｖ以下となり、１５００Ｖの電圧を出力するために２０００Ｖのスイッチング素子が要求される。また、ＤＣ短絡事故発生時には遮断が不可能な問題点がある。
【0047】
図３ｂはＮＰＣ（ｎｅｕｔｒａｌ－ｐｏｉｎｔ－ｃｌａｍｐｅｄ）トポロジーを示すものであって、入力電圧が６５０Ｖである場合、出力電圧が４００～１５００Ｖの範囲内であり、１５００Ｖの電圧を出力するために１２００Ｖのスイッチング素子が要求される。図３ｂのトポロジーによると、ＤＣ短絡事故発生時に遮断は可能であるが、キャパシタの電圧バランシングが不可能な問題点がある。
【0048】
図３ｃはフライングキャパシタ（ｆｌｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）トポロジーを示すものであって、入力電圧が６５０Ｖである場合、出力電圧が４００～１５００Ｖの範囲内であり、１５００Ｖの電圧を出力するために１２００Ｖのスイッチング素子が要求される。図３ｃのトポロジーによると、ＤＣ短絡事故発生時に遮断は可能であるが、インダクタ周波数が２倍であり、フライングキャパシタのサイズが大きくなるためコンバータ自体のサイズも大きくなり、キャパシタの初期充電回路が必要であり、電圧の維持のための制御が要求される問題点がある。
【0049】
図４は、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータを説明するための回路構成図である。
【0050】
図面に図示された通り、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１は、順次直列で連結された第１～第４スイッチ１１～１４と、順次直列で連結された第５～第８スイッチ１５～１８を含むことができる。第１～第８スイッチ１１～１８はそれぞれ、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）であり得るが、本発明はこれに限定されるものではなく、多様な種類の半導体スイッチング素子が使われ得る。
【0051】
第１スイッチ１１と第２スイッチ１２は制御部７の制御によって、相補的に（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）動作することができる。相補的に動作するとは、第１スイッチ１１がオンである場合、第２スイッチ１２はオフであり、第１スイッチ１１がオフである場合、第２スイッチ１２はオンであることを意味する。同様に、第３スイッチ１３と第４スイッチ１４は相補的に動作することができ、第５スイッチ１５と第６スイッチ１６は相補的に動作することができる。また、第７スイッチ１７と第８スイッチ１８は相補的に動作することができる。
【0052】
第１スイッチ～第４スイッチ１１～１４の直列連結と第１キャパシタ２１および第３キャパシタ２３の直列連結が並列で連結され得る。この時、第２スイッチ１２と第３スイッチ１３の間のノードＦと第１キャパシタ２１と第３キャパシタ２３の間のノードＥは電気的に等価であり得る。すなわち、第１および第２スイッチ１１、１２の直列連結と第１キャパシタ２１が並列で連結され得、第３および第４スイッチ１３、１４の直列連結と第３キャパシタ２３が並列で連結され得る。
【0053】
また、第５スイッチ～第８スイッチ１５～１８の直列連結と第２キャパシタ２２および第４キャパシタ２４の直列連結が並列で連結され得る。この時、第６スイッチ１６と第７スイッチ１７の間のノードＧと第２キャパシタ２２と第４キャパシタ２４の間のノードＨは電気的に等価であり得る。すなわち、第５および第６スイッチ１５、１６の直列連結と第２キャパシタ２２が並列で連結され得、第７および第８スイッチ１７、１８の直列連結と第４キャパシタ２４が並列で連結され得る。
【0054】
第１インダクタ３１は第１スイッチ１１と第２スイッチ１２の間のノードＡと第５スイッチ１５と第６スイッチ１６の間のノードＢに電気的に連結され得る。また、第２インダクタ３２は第３スイッチ１３と第４スイッチ１４の間のノードＣと第７スイッチ１７と第８スイッチ１８の間のノードＤに電気的に連結され得る。
【0055】
第１および第２インダクタ３１、３２は互いに結合されてカップルドインダクタ（ｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）を構成することができる。すなわち、第１および第２インダクタ３１、３２の巻線比は同一であり得、コアを通じて第１インダクタ３１の１次コイルと第２インダクタ３２の二次コイルが磁気的に結合され得る。
【0056】
また、本発明の一実施例において、第２スイッチ１２と第３スイッチ１３の間のノードＦと、第６スイッチ１６と第７スイッチ１７の間のノードＧは電気的に等価であり得る。したがって、ノードＥ、ノードＦ、ノードＧおよびノードＨは電気的に等価であり得る。
【0057】
このように、構成されるトポロジーによって、本発明のＤＣ－ＤＣコンバータ１は、非絶縁型で構成され得、両方向に昇圧および降圧が可能な構造である。
【0058】
本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１はスイッチが直列連結されて構成されるため、低い電圧のスイッチング素子を基盤として高い入出力電圧の利用が可能となり得る。また、カップルドインダクタによってインダクタの体積の節減が可能となり、損失が減少し得る。また、ＤＣ短絡事故に効率的に対応することができる。
【0059】
図４のようなトポロジーで、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１がバック（ｂｕｃｋ、降圧）コンバータとして動作する場合、第１および第４スイッチ１１、１４が制御部７の制御によってオンまたはオフに制御され、第２スイッチ１２は第１スイッチ１１に相補的に動作し、第３スイッチ１３は第４スイッチ１４に相補的に動作することができる。また、制御部７により第５スイッチ１５と第８スイッチ１８はオンに制御され、第６スイッチ１６と第７スイッチ１７はオフに制御され得る。
【0060】
また、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１がブースト（ｂｏｏｓｔ、昇圧）コンバータとして動作する場合、第６および第７スイッチ１６、１７が制御部７の制御によってオンまたはオフに制御され、第５スイッチ１５は第６スイッチ１６に相補的に動作し、第８スイッチ１８は第７スイッチ１７に相補的に動作することができる。また、制御部７により第１スイッチ１１と第４スイッチ１４はオンに制御され、第２スイッチ１２と第３スイッチ１３はオフに制御され得る。
【0061】
図４のような本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータ１はモジュール化されて構成され得る。このような構成によると、このようなＤＣ－ＤＣコンバータ１が並列でそれぞれ連結されてもよい。
【0062】
並列で連結されたモジュール化されたＤＣ－ＤＣコンバータ１により、望む大きさの出力電圧を得ることができる。
【0063】
図５は本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータの動作を説明するための一例示図であって、ＤＣ－ＤＣコンバータ１がバックコンバータとして使われる場合を例にして示したものである。ただし、本発明の一実施例では、制御部７が半周期（Ｔｓ／２）で一部（５Ａ）を第１スイッチ１１をオンにし、一部（５Ｂ）はオフ（この時、第４スイッチ１４はオフ）にし、残りの半周期（Ｔｓ／２）で一部（５Ｃ）を第４スイッチ１４をオンにし、一部（５Ｄ）はオフ（この時、第１スイッチ１１はオフ）にしたものを例として説明しているが、半周期の間すべてオンまたはオフ（すなわち、半周期の間第１スイッチ１１はオン、第４スイッチ１４はオフ、残りの半周期の間第１スイッチ１１はオフ、第４スイッチ１４はオン）に制御してもよく、５Ａと５Ｂの比率および５Ｃと５Ｄの比率も図５に示したものに限定されるものではない。
【0064】
図５の（ａ）を参照すると、制御部７は第１スイッチ１１と第４スイッチ１４のオン／オフを制御することができる。すなわち、半周期（Ｔｓ／２）の一部区間（５Ａ）で第１スイッチ１１をオンにし、残りの区間（５Ｂ）で第１スイッチ１１をオフに制御することができる。この時、該当半周期で第４スイッチ１４はオフに制御することができる。また、残りの半周期の一部区間（５Ｃ）で第４スイッチ１４をオンにし、残りの区間（５Ｄ）で第４スイッチ１４をオフに制御することができる。この時、該当残りの半周期で第１スイッチ１１はオフに制御することができる。バックコンバータの場合であるので、第２スイッチ１２と第３スイッチ１３はそれぞれ第１スイッチ１１と第４スイッチ１４と相補的に動作し、第５スイッチ１５および第８スイッチ１８はオンであり、第６スイッチ１６および第７スイッチ１７はオフである。
【0065】
これによって、（ｂ）のように、第１スイッチ１１がオンになる５Ａ区間では、第１インダクタ３１に電圧ｖ１が５Ｅのように印加され得る。この時、電圧ｖ１の大きさ５Ｅは第１キャパシタ２１の電圧Ｖｃ１から第２キャパシタ２２の電圧Ｖｃ２を差し引いた値であり得る。また、一周期内で第１スイッチ１１がオフになる区間（５Ａを除いた区間）では、第１インダクタ３１に電圧ｖ１が５Ｆのように印加され得る。電圧ｖ１の大きさ５Ｆは第２キャパシタ２２の電圧の逆電圧であり得る。
【0066】
また、第４スイッチ１４がオンになる区間５Ｃでは、第２インダクタ３２に電圧ｖ２が５Ｈのように印加され得る。この時、電圧ｖ２の大きさ５Ｈは第３キャパシタ２３の電圧Ｖｃ３から第４キャパシタ２４の電圧Ｖｃ４を差し引いた値の逆電圧であり得る。また、一周期内で第４スイッチ１４がオフになる区間（５Ｃを除いた区間）では、第２インダクタ３２に電圧ｖ２が５Ｇのように印加され得る。電圧ｖ２の大きさ５Ｇは第４キャパシタ２４の電圧Ｖｃ４であり得る。
【0067】
一方、カップルドインダクタ３０の相互インダクタンスによって電圧ｖＭが印加され得る。この時、電圧ｖＭは実際には測定不可の電圧であり、モデリングによって求められる値である。
【0068】
【0069】
図面に図示された通り、カップルドインダクタ３０は第１インダクタ３１のインダクタンスＬ１と、第２インダクタ３２のインダクタンスＬ２と相互インダクタンスＬＭで等価化され得る。
【0070】
すなわち、第１インダクタ３１に流れる電流ｉ１と第２インダクタ３２に流れる電流ｉ２に実際に影響を及ぼす電圧はｖ１－ｖＭ、およびｖ２－ｖＭである。
【0071】
図５の（ｂ）を参照すると、ｖＭは第１スイッチ１１と第４スイッチ１４のスイッチングによって印加される電圧であって、それぞれスイッチがオフの場合にはｖＭが０となり、第１スイッチ１１がオンである区間５Ａでは所定の大きさ５Ｉであり、第４スイッチ１４がオンである区間５Ｃでは５Ｉの逆電圧である５Ｊとなり得る。ｖＭの大きさはモデリングによって求められる値であり、本発明で説明したものに限定されるものではない。
【0072】
したがって、図５の（ｃ）のように、第１インダクタ３１に流れる電流ｉ１と第２インダクタ３２に流れる電流ｉ２に実際に影響を及ぼす電圧ｖ１－ｖＭおよびｖ２－ｖＭを求めることができ、これによって第１インダクタ３１に流れる電流ｉ１と第２インダクタ３２に流れる電流ｉ２を図５の（ｄ）のように決定することができる。
【0073】
図７は、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータが３相で構成される場合を説明するための一例示図である。
【0074】
図面に図示された通り、本発明の一実施例の３相ＤＣ－ＤＣコンバータ２は、一つの相ごとに直列で連結された４個のスイッチを含む二つのレッグ（ｌｅｇ）５１、６２から、上部の二つのスイッチ間のそれぞれのノードに第１インダクタ７１が連結され、下部の二つのスイッチ間のそれぞれのノードに第２インダクタ７２が連結され、第１および第２インダクタ７１、７２は巻線数が同一のカップルドインダクタであり得る。
【0075】
第１レッグ６１の上部の二つのスイッチの直列連結は第１キャパシタ８１と並列で連結され、下部の二つのスイッチの直列連結は第３キャパシタ８３と並列で連結され得る。また、第２レッグ６２の上部の二つのスイッチの直列連結は第２キャパシタ８２と並列で連結され、下部の二つのスイッチの直列連結は第４キャパシタ８４と並列で連結され得る。
【0076】
前記の説明は一つの相に対してその構成を説明したものであり、これは図５の説明と同一であり、それぞれ残りの二つの相に対してもその構成が同一である。
【0077】
ただし、これは例示的なものであり、本発明の一実施例のＤＣ－ＤＣコンバータが３相に拡張されることに限定されるものではなく、Ｎ相にそれぞれのレッグが構成され得る。この場合にも、各複数のレッグで上部の二つのスイッチと下部の二つのスイッチ間のノードは等価であり得、上部の二つのスイッチ間のノードに連結されるインダクタと下部の二つのスイッチ間のノードに連結されるインダクタはカップルドインダクタを構成することができるであろう。
【0078】
このような構成によると、広い入出力電圧に対応することができ、カップルドインダクタの適用でインダクタの体積の減少を誘導することができるであろう。
【0079】
【0080】
以上、本発明に係る実施例が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野で通常の知識を有する者であればこれから多様な変形および均等な範囲の実施例が可能であることが理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は次の特許請求の範囲によって定められるべきである。
【図1】
【図2】
【図3a】
【図3b】
【図3c】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】