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(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】2025-03-12
(45)【発行日】2025-03-21
(54)【発明の名称】ソフトスイッチング電流型インバータ
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20250313BHJP
H02M 5/10 20060101ALI20250313BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 E
H02M7/48 R
H02M5/10
【請求項の数】
30
(21)【出願番号】P 2022512754
(86)(22)【出願日】2020-08-26
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-12-08
(86)【国際出願番号】 US2020047882
(87)【国際公開番号】W WO2021041465
(87)【国際公開日】2021-03-04
【審査請求日】2023-08-25
(31)【優先権主張番号】62/891,791
(32)【優先日】2019-08-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】504466834
【氏名又は名称】ジョージア テック リサーチ コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100115749
【弁理士】
【氏名又は名称】谷川 英和
(74)【代理人】
【識別番号】100121223
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 悟道
(72)【発明者】
【氏名】メイジャー，ミカエル ジェー．
(72)【発明者】
【氏名】カンデュラ，ラジェンドラ プラサド
(72)【発明者】
【氏名】ディバン，ディーパック エム．
【審査官】安池 一貴
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／２０１２０９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００９／００８５５１０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許第０４９４２５１１（ＵＳ，Ａ）
【文献】E.R. da Silva, Y. Murai, T.A. Lipo, L.P. de Oliveria, and C.B. Jacobina，Pulsed DC-Link Current Converters - a Review，IAS'97. Conference Record of the 1997 IEEE Indstry Applications Conference Thirty-Second IAS Annual Meeting，米国，IEEE，1997年10月，volume 2，p.146-148, Figs. 1(c),3(e)，ISBN:0-7803-4067-1
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４８
Ｈ０２Ｍ ５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電流型インバータ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ：ＣＳＩ）であって、第１のパワーバンクに動作可能に接続された第１のＣＳＩブリッジと、
第２のパワーバンクに動作可能に接続された第２のＣＳＩブリッジと、
前記第１および第２のＣＳＩブリッジの間に直列に接続されたＤＣリンクインダクタと、
共振タンクと、
前記共振タンクに直列に接続された漏れ管理ダイオードと、を備えたＣＳＩ。
【請求項2】
前記第１のパワーバンクは、電力を供給する、電力を受け取る、および電力を供給し、かつ受け取ることからなる群から選ばれるように構成されている、請求項１に記載のＣＳＩ。
【請求項3】
前記第２のパワーバンクは、電力を供給する、電力を受け取る、および電力を供給し、かつ受け取ることからなる群から選ばれるように構成されている、請求項１または請求項２に記載のＣＳＩ。
【請求項4】
前記共振タンクは、共振コンデンサを備え、
前記漏れ管理ダイオードは、前記ＤＣリンクインダクタと前記共振タンクの間に直列に接続されており、前記ＤＣリンクインダクタによって生成された電流が前記漏れ管理ダイオードを流れて前記共振コンデンサを放電するように構成されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項5】
前記共振タンクは、前記ＤＣリンクインダクタと並列に接続されている共振コンデンサと、
共振スイッチと、
前記共振スイッチと直列に接続されている共振インダクタとを備え、
前記直列に接続された共振インダクタと共振スイッチは、前記共振コンデンサと並列に接続されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項6】
前記共振スイッチは、逆阻止スイッチである、請求項５に記載のＣＳＩ。
【請求項7】
１つ以上のフィルタコンデンサをさらに備え、前記第１のＣＳＩブリッジは、２つ以上のレッグを備え、
当該２つ以上のレッグのそれぞれは、直列に接続された２つの逆阻止スイッチを備え、
前記１つ以上のフィルタコンデンサは前記第１のＣＳＩブリッジの前記２つ以上のレッグの間に接続されており、
前記２つの逆阻止スイッチのうち１つ以上は、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むダイオードに直列に接続された、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む制御可能スイッチを備える、請求項１から６のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項8】
前記制御可能スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである、請求項７に記載のＣＳＩ。
【請求項9】
１つ以上のフィルタコンデンサをさらに備え、前記第２のＣＳＩブリッジは、２つ以上のレッグを備え、
当該２つ以上のレッグのそれぞれは、２つの逆阻止スイッチを備え、
前記１つ以上のフィルタコンデンサは前記第２のＣＳＩブリッジの前記２つ以上のレッグの間に接続されており、
前記２つの逆阻止スイッチのうち１つ以上は、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むダイオードに直列に接続された、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む制御可能スイッチを備える、請求項１から請求項６のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項10】
前記ＣＳＩは、アクティブ・フェーズとフリーホイーリング・フェーズとを含むスイッチング・サイクルで動作するように構成されており、
前記アクティブ・フェーズの少なくとも一部の期間において、電力は、
前記第１のＣＳＩブリッジを介して、前記第１のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間、および
前記第２のＣＳＩブリッジを介して、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間
に、同時に転送され、
前記フリーホイーリング・フェーズにおいて、前記ＤＣリンクインダクタと前記第１および第２のパワーバンクとの間に電力が転送されない、請求項１から請求項９のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項11】
前記第１および第２のＣＳＩブリッジのそれぞれは、２つ以上のレッグを備え、当該２つ以上のレッグのそれぞれは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを備え、
前記フリーホイーリング・フェーズの間、前記第１のＣＳＩブリッジの第１のレッグの前記第１および第２のスイッチがゲートオンされ、前記第２のＣＳＩブリッジの第１のレッグの前記第１および第２のスイッチがゲートオンされる、請求項１０に記載のＣＳＩ。
【請求項12】
前記共振タンクは、
前記ＤＣリンクインダクタと並列に接続されている共振コンデンサと、
共振スイッチと、
前記共振スイッチと直列に接続されている共振インダクタとを備え、
前記直列に接続された共振インダクタと共振スイッチは、前記共振コンデンサと並列に接続されており、
前記ＣＳＩは、アクティブ・フェーズとフリーホイーリング・フェーズとを含むスイッチング・サイクルで動作するように構成されており、
前記アクティブ・フェーズの少なくとも一部の期間において、電力は、
前記第１のＣＳＩブリッジを介して、前記第１のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間、および
前記第２のＣＳＩブリッジを介して、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間
に、同時に転送され、
前記フリーホイーリング・フェーズにおいて、前記ＤＣリンクインダクタと前記第１および第２のパワーバンクとの間に電力が転送されず、
前記第１のＣＳＩブリッジは、前記第１のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備え、
前記第２のＣＳＩブリッジは、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備え、
前記スイッチング・サイクルは、前記複数の第１および第２のスイッチがゲートオフされ、前記共振スイッチがゲートオンされ、前記共振コンデンサと前記共振インダクタとの共振を開始する、共振フェーズをさらに含む、請求項１に記載のＣＳＩ。
【請求項13】
前記スイッチング・サイクルは、スイッチング周期をさらに含み、前記共振フェーズは、前記スイッチング周期の１０％未満を含む、請求項１２に記載のＣＳＩ。
【請求項14】
前記共振タンクは、
前記ＤＣリンクインダクタと並列に接続されている共振コンデンサと、
共振スイッチと、
前記共振スイッチと直列に接続されている共振インダクタとを備え、
前記直列に接続された共振インダクタと共振スイッチは、前記共振コンデンサと並列に接続されており、
前記ＣＳＩは、アクティブ・フェーズとフリーホイーリング・フェーズとを含むスイッチング・サイクルで動作するように構成されており、
前記アクティブ・フェーズの少なくとも一部の期間において、電力は、
前記第１のＣＳＩブリッジを介して、前記第１のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間、および
前記第２のＣＳＩブリッジを介して、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間
に、同時に転送され、
前記フリーホイーリング・フェーズにおいて、前記ＤＣリンクインダクタと前記第１および第２のパワーバンクとの間に電力が転送されず、
前記第１のＣＳＩブリッジは、前記第１のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備え、
前記第２のＣＳＩブリッジは、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備え、
前記スイッチング・サイクルは、前記複数の第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つがゲートオフされ、前記共振スイッチがゲートオフされ、前記ＤＣリンクインダクタによって生成された電流が前記共振コンデンサを流れる、１つ以上のゼロ電圧スイッチング遷移状態をさらに含む、請求項１に記載のＣＳＩ。
【請求項15】
前記ＣＳＩは、０．９～１．０のＤＣリンク電流使用率を有する、請求項１から請求項１４のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項16】
前記ＤＣリンクインダクタは、第１のＤＣリンクインダクタであり、前記共振タンクは、前記第１のＣＳＩブリッジと並列に接続された第１の共振タンクであり、
前記漏れ管理ダイオードは、第１の漏れ管理ダイオードであり、
前記ＣＳＩは、
前記第２のＣＳＩブリッジと並列に接続された第２の共振タンクと、
前記第２の共振タンクに直列に接続された第２の漏れ管理ダイオードと、をさらに備え、
前記ＣＳＩは、アクティブ・フェーズとフリーホイーリング・フェーズとを含むスイッチング・サイクルで動作するように構成されており、
前記アクティブ・フェーズの少なくとも一部の期間において、電力は、
前記第１のＣＳＩブリッジを介して、前記第１のパワーバンクと前記第１のＤＣリンクインダクタの間、および
前記第２のＣＳＩブリッジを介して、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間
に、同時に転送され、
前記フリーホイーリング・フェーズにおいて、前記第１のＤＣリンクインダクタと前記第１および第２のパワーバンクとの間に電力が転送されない、請求項１に記載のＣＳＩ。
【請求項17】
前記第１のパワーバンクは、電力源、電力負荷、および電力源かつ電力負荷から構成される群から選ばれ、前記第２のパワーバンクは、電力源、電力負荷、および電力源かつ電力負荷から構成される群から選ばれる、請求項１６に記載のＣＳＩ。
【請求項18】
前記第１の共振タンクは、第１の共振コンデンサ、第１の共振インダクタ、および第１の共振スイッチを備え、前記第２の共振タンクは、第２の共振コンデンサ、第２の共振インダクタ、および第２の共振スイッチを備え、
前記第１の共振コンデンサは、直列に接続された前記第１の漏れ管理ダイオードを介して前記第１のＣＳＩブリッジと並列に接続されており、
前記第２の共振コンデンサは、直列に接続された前記第２の漏れ管理ダイオードを介して前記第２のＣＳＩブリッジと並列に接続されており、
前記第１の共振インダクタは、前記第１の共振スイッチと直列に接続されており、
前記第２の共振インダクタは、前記第２の共振スイッチと直列に接続されている、請求項１６または請求項１７に記載のＣＳＩ。
【請求項19】
直列に接続された前記第１の共振スイッチと前記第１の共振インダクタは、前記第１の共振コンデンサと並列に接続されており、直列に接続された前記第２の共振スイッチと前記第２の共振インダクタは、前記第２の共振コンデンサと並列に接続されている、請求項１８に記載のＣＳＩ。
【請求項20】
前記第１の共振スイッチは、逆阻止スイッチであり、前記第２の共振スイッチは、逆阻止スイッチである、請求項１８に記載のＣＳＩ。
【請求項21】
１つ以上のフィルタコンデンサをさらに備え、前記第１のＣＳＩブリッジは、２つ以上のレッグを備え、
当該２つ以上のレッグのそれぞれは、直列に接続された２つの逆阻止スイッチを備え、
前記１つ以上のフィルタコンデンサは、前記第１のＣＳＩブリッジの前記２つ以上のレッグの間に接続されており、
前記２つの逆阻止スイッチのうち１つ以上は、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むダイオードに直列に接続された、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む制御可能スイッチを備える、請求項１６から請求項２０のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項22】
前記制御可能スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである、請求項２１に記載のＣＳＩ。
【請求項23】
１つ以上のフィルタコンデンサをさらに備え、前記第２のＣＳＩブリッジは、２つ以上のレッグを備え、
当該２つ以上のレッグのそれぞれは、直列に接続された２つの逆阻止スイッチを備え、
前記１つ以上のフィルタコンデンサは、前記第２のＣＳＩブリッジの前記２つ以上のレッグの間に接続されており、
前記２つの逆阻止スイッチのうち１つ以上は、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むダイオードに直列に接続された、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む制御可能スイッチを備える、請求項１６から請求項２０のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項24】
前記制御可能スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである、請求項２３に記載のＣＳＩ。
【請求項25】
前記第１および第２のＣＳＩブリッジの間に直列に接続された第２のＤＣリンクインダクタをさらに備え、
当該第２のＤＣリンクインダクタは、前記第１のＤＣリンクインダクタと直列に接続されていない、請求項１６から請求項２４のいずれかに記載のＣＳＩ。
【請求項26】
前記第１および第２のＣＳＩブリッジのそれぞれは、２つ以上のレッグを備え、当該２つ以上のレッグのそれぞれは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを備え、
前記フリーホイーリング・フェーズの間、前記第１のＣＳＩブリッジの第１のレッグの前記第１および第２のスイッチがゲートオンされ、前記第２のＣＳＩブリッジの第１のレッグの前記第１および第２のスイッチがゲートオンされる、請求項１６に記載のＣＳＩ。
【請求項27】
前記第１のＣＳＩブリッジは、前記第１のパワーバンクと前記第１のＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備え、前記第２のＣＳＩブリッジは、前記第２のパワーバンクと前記第１のＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備え、
前記スイッチング・サイクルは、前記複数の第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つがゲートオフされ、前記第１および第２の共振スイッチのうちの少なくとも１つがゲートオンされ、前記第１の共振コンデンサと前記第１の共振インダクタとの共振および前記第２の共振コンデンサと前記第２の共振インダクタとの共振のうちの少なくとも１つを開始する、共振フェーズをさらに含む、請求項１６に記載のＣＳＩ。
【請求項28】
前記スイッチング・サイクルは、スイッチング周期を有し、前記共振フェーズは、前記スイッチング周期の１０％未満を含む、および
前記ＣＳＩは、０．９～１．０のＤＣリンク電流使用率を有する
ことのうちの少なくとも１つである、請求項２７に記載のＣＳＩ。
【請求項29】
前記第１のＣＳＩブリッジは、前記第１のパワーバンクと前記第１のＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備え、前記第２のＣＳＩブリッジは、前記第２のパワーバンクと前記第１のＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備え、
前記スイッチング・サイクルは、前記複数の第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つがゲートオフされ、前記第１および第２の共振スイッチがゲートオフされ、前記第１のＤＣリンクインダクタによって生成された電流が前記第１の共振コンデンサおよび前記第２の共振コンデンサのうちの少なくとも１つを流れる、１つ以上のゼロ電圧スイッチング遷移状態をさらに含む、請求項１６に記載のＣＳＩ。
【請求項30】
前記ＣＳＩは、１つ以上のゼロ電圧スイッチング遷移状態、アクティブ・フェーズ、フリーホイーリング・フェーズ、共振フェーズ、およびスイッチング周期を含むスイッチング・サイクルで動作するように構成されており、
前記共振タンクは、共振スイッチと、前記共振スイッチと直列に接続されている共振インダクタとをさらに備え、
前記直列に接続された共振スイッチと共振インダクタは、前記共振コンデンサと並列に接続されており、
前記第１のＣＳＩブリッジは、前記第１のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備え、
前記第２のＣＳＩブリッジは、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備え、
１つ以上のゼロ電圧スイッチング遷移状態において、前記複数の第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つがゲートオフされ、前記共振スイッチがゲートオフされ、前記ＤＣリンクインダクタによって生成された電流が前記共振コンデンサを流れ、
前記アクティブ・フェーズの少なくとも一部の期間において、電力は、
前記第１のＣＳＩブリッジを介して、前記第１のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間、および
前記第２のＣＳＩブリッジを介して、前記第２のパワーバンクと前記ＤＣリンクインダクタの間
に、同時に転送され、
前記フリーホイーリング・フェーズにおいて、前記ＤＣリンクインダクタと前記第１および第２のパワーバンクとの間に電力が転送されず、
前記共振フェーズでは、前記複数の第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つがゲートオフされ、前記共振スイッチがゲートオンされ、前記共振コンデンサと前記共振インダクタとの共振を開始する、請求項４に記載のＣＳＩ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願への相互参照）
本願は、２０１９年８月２６日に出願された「ソフトスイッチング電流型インバータ」と題された米国仮出願第６２／８９１，７９１号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に援用される。
本願は、２０１９年８月２６日に出願された「ソフトスイッチング電流型インバータ」と題された米国仮出願第６２／８９１，７９１号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に援用される。
【0002】
（技術分野）
本開示は電力インバータに関し、より具体的には、ソフトスイッチング電流型インバータに関する。
本開示は電力インバータに関し、より具体的には、ソフトスイッチング電流型インバータに関する。
【背景技術】
【0003】
可変速モータ駆動（ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ：ＶＳＤ）は、年間２００億ドル以上の産業であり、産業プロセスの大部分から輸送用電化に至るまで、数多くの用途がある。可変速モータ駆動により、モータは特定の用途に必要な速度、および／または、トルクで動作できる。ＶＳＤは、入力において３相ＡＣシステム、単相ＡＣシステム、またはＤＣ電源（電気自動車）に接続することができ、出力において３相ＡＣシステムを生成して、モータに電力を供給し制御できる。一般的なＶＳＤ構成では、共通電圧ＤＣリンクで接続された２つのバックツーバックの電圧型コンバータ（ＶＳＣ）を用いる。従来の３相から３相へのＶＳＣベースの実装が図１に示されている。
【0004】
ＶＳＣを適切に制御し、達成可能な電力密度を制限するには、多くの場合、大型のＤＣリンクコンデンサが必要であり、これは輸送用電化の用途において特に重要である。さらに、電圧型というコンバータの性質により、ＤＣバスの短絡やモータ巻線の障害が発生した場合に大きな短絡電流が発生することになり、半導体の短絡保護が困難になり、ＶＳＤの信頼性を損なう。
【0005】
ＶＳＣベースのＶＳＤは、入力／出力で高周波スイッチング電圧を生成し、繊細な電子機器やプロセスを妨害する可能性のある多くの電磁干渉（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓ：ＥＭＩ）を引き起こす。また、通常、出力側にはラインインダクタフィルタがなく、スイッチング電圧を、利用可能なライン電流へとフィルタリングするのにモータインダクタンスを用いるため、追加のモータ損失が発生し、またモータ設計が複雑になる。
【0006】
また、ＶＳＣベースのＶＳＤは高レベルのコモンモード電圧を生成し、モータのベアリングと巻線の絶縁を早期に劣化させ、嵩張る高価なコモンモード緩和フィルタを追加で必要とすることが多いことが、よく知られている。
【0007】
さらには、近年、業界において、既存のＶＳＣトポロジの単なる「差し込み式」の代替品として炭化ケイ素（ＳｉＣ）デバイスなどの新しいワイドバンドギャップ技術を用いて推進している高性能化が、これらの新しいデバイスの非常に高いスイッチング速度によって妨げられている。従来のシリコンデバイスよりも１桁大きいスイッチングｄｖ／ｄｔが一般的に報告されており、さらなる電磁干渉（ＥＭＩ）、さらなるモータ損失、および電圧反射という形の一連の問題を引き起こしたり悪化させたりする。これらは、複雑で高価で高損失で嵩張る緩和技術を、典型的には、コンバータの容積の最大３０％を占めるＥＭＩフィルタという形で必要とし、これらの新しい電源スイッチ技術によって提供される、より低いスイッチング損失とより高い動作温度から得られる可能性のあるシステムレベルの利益を大幅に制限する。
【0008】
電流型インバータ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ：ＣＳＩ）は、かつての好ましい変換構造であり、モータ駆動の用途では、例えば、生成されるコモンモード電圧が低く、ラインインダクタを必要としない正弦波フィルタ出力電圧波形により機械損失が低くなり、本質的に短絡故障に対して耐性があるなど、ＶＳＩに比べて多くの利点がある。これらの固有の品質にもかかわらず、当該トポロジは、これに対応するＶＳＩよりも大きな導通損失があり、同じ処理電力に対して低効率であることが定期的に観測される。また、ＣＳＩは、通常、低スイッチング周波数で動作し、大きな受動素子を必要とし、かつ動的性能が低い。その結果、ＶＳＩが今日の駆動系の用途に適したトポロジであるが、前述の欠点を伴う。
【発明の概要】
【0009】
本開示は、電流型インバータ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ：ＣＳＩ）に関し、より具体的には、ソフトスイッチング電流型インバータ（ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ：ＳＳＣＳＩ）に関する。本開示の例示的な実施形態は、第１のＣＳＩブリッジ、第２のＣＳＩブリッジ、ＤＣリンクインダクタ、および共振タンクを備えるＣＳＩを提供する。第１のＣＳＩブリッジは、第１のパワーバンクに動作可能に接続することができる。第２のＣＳＩブリッジは、第２のパワーバンクに動作可能に接続することができる。ＤＣリンクインダクタは、第１および第２のＣＳＩブリッジの間に直列に接続することができる。共振タンクは、ＤＣリンクインダクタと並列に接続することができる。
【0010】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のパワーバンクは、電力を供給するように構成することができる。
【0011】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のパワーバンクは、電力を受け取るように構成することができる。
【0012】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のパワーバンクは、電力を供給し、かつ受け取るように構成することができる。
【0013】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第２のパワーバンクは、電力を供給するように構成することができる。
【0014】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第２のパワーバンクは、電力を受け取るように構成することができる。
【0015】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第２のパワーバンクは、電力を供給し、かつ受け取るように構成することができる。
【0016】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、共振タンクとＤＣリンクインダクタの間に直列に接続される漏れ管理ダイオードをさらに備えることができる。
【0017】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、共振タンクは、共振コンデンサ、共振インダクタ、および共振スイッチを備えることができる。
【0018】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、共振コンデンサは、ＤＣリンクインダクタと並列に接続することができる。
【0019】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、共振コンデンサは、共振スイッチと直列に接続することができる。
【0020】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、直列に接続された共振スイッチと共振インダクタは、共振コンデンサと並列に接続することができる。
【0021】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、共振スイッチは、逆阻止スイッチであり得る。
【0022】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のＣＳＩブリッジは、２つ以上のレッグを備えることができ、当該２つ以上のレッグのそれぞれは、直列に接続された２つの逆阻止スイッチを備えるができる。
【0023】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第２のＣＳＩブリッジは、２つ以上のレッグを備えることができ、当該２つ以上のレッグのそれぞれは、直列に接続された２つの逆阻止スイッチを備えるができる。
【0024】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、第１のＣＳＩブリッジの上記２つ以上のレッグの間に接続された１つ以上のフィルタコンデンサをさらに備えることができる。
【0025】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、第２のＣＳＩブリッジの上記２つ以上のレッグの間に接続された１つ以上のフィルタコンデンサをさらに備えることができる。
【0026】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、第１のパワーバンクと第１のＣＳＩブリッジの上記２つ以上のレッグの間に直列に接続された１つ以上のインダクタをさらに備えることができる。
【0027】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、第２のパワーバンクと第２のＣＳＩブリッジの上記２つ以上のレッグの間に直列に接続された１つ以上のインダクタをさらに備えることができる。
【0028】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、上記逆阻止スイッチのうち１つ以上は、ダイオードに直列に接続された制御可能スイッチを備えることができる。
【0029】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、上記制御可能スイッチのうちの１つ以上は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、およびサイリスタのうちの１つであり得る。
【0030】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、上記制御可能スイッチのうちの１つ以上は、炭化ケイ素または窒化ガリウムを含むことができる。
【0031】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、上記ダイオードのうちの１つ以上は、炭化ケイ素または窒化ガリウムを含むことができる。
【0032】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、スイッチング・サイクルで動作するように構成することができる。
【0033】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、スイッチング・サイクルは、アクティブ・フェーズを含むことができ、当該アクティブ・フェーズの少なくとも一部の期間において、電力は、（ａ）第１のＣＳＩブリッジを介して、第１のパワーバンクとＤＣリンクインダクタの間、および（ｂ）第２のＣＳＩブリッジを介して、第２のパワーバンクとＤＣリンクインダクタの間に、同時に転送される。
【0034】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、スイッチング・サイクルは、ＤＣリンクインダクタと第１および第２のパワーバンクとの間に電力が転送されないフリーホイーリング・フェーズを含むことができる。
【0035】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のＣＳＩブリッジは、第１のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備えることができ、第２のＣＳＩブリッジは、第２のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備えることができ、スイッチング・サイクルは、当該複数の第１および第２のスイッチがゲートオフされ、共振スイッチがゲートオフされ、ＤＣリンクインダクタによって生成された電流が共振コンデンサを流れる、１つ以上のゼロ電圧スイッチング遷移状態を含むことができる。
【0036】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１および第２のＣＳＩブリッジのそれぞれは、２つ以上のレッグを備えることができ、当該２つ以上のレッグのそれぞれは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを備えることができ、フリーホイーリング・フェーズの間、第１のＣＳＩの第１のレッグの第１および第２のスイッチがゲートオンされ、第２のＣＳＩの第１のレッグの第１および第２のスイッチがゲートオンされる。
【0037】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のＣＳＩブリッジは、第１のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備えることができ、第２のＣＳＩブリッジは、第２のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備えることができ、スイッチング・サイクルは、当該複数の第１および第２のスイッチがゲートオフされ、共振スイッチがゲートオンされ、共振コンデンサと共振インダクタとの共振を開始する、共振フェーズを含むことができる。
【0038】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、スイッチング・サイクルは、スイッチング周期を有することができ、共振フェーズは、スイッチング周期の１０％未満を含むことができる。
【0039】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、０．９～１．０のＤＣリンク電流使用率を有することができる。
【0040】
本開示の別の例示的な実施形態は、第１のＣＳＩブリッジ、第２のＣＳＩブリッジ、ＤＣリンクインダクタ、第１の共振タンク、および第２の共振タンクを備えるＣＳＩを提供する。第１のＣＳＩブリッジは、第１のパワーバンクに動作可能に接続することができる。第２のＣＳＩブリッジは、第２のパワーバンクに動作可能に接続することができる。ＤＣリンクインダクタは、第１および第２のＣＳＩブリッジの間に直列に接続することができる。共振タンクは、第１のＣＳＩブリッジと並列に接続することができる。第２の共振タンクは、第２のＣＳＩブリッジと並列に接続することができる。
【0041】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、第１の共振タンクと直列に接続された第１の漏れ管理ダイオードをさらに備えることができる。
【0042】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、第２の共振タンクと直列に接続された第２の漏れ管理ダイオードをさらに備えることができる。
【0043】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１の共振タンクは、第１の共振コンデンサ、第１の共振インダクタ、および第１の共振スイッチを備えることができ、第２の共振タンクは、第２の共振コンデンサ、第２の共振インダクタ、および第２の共振スイッチを備えることができる。
【0044】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１の共振コンデンサは、第１のＣＳＩブリッジと並列に接続することができ、第２の共振コンデンサは、第２のＣＳＩブリッジと並列に接続することができる。
【0045】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１の共振インダクタは、第１の共振スイッチと直列に接続することができ、第２の共振インダクタは、第２の共振スイッチと直列に接続することができる。
【0046】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、直列に接続された第１の共振スイッチと第１の共振インダクタは、第１の共振コンデンサと並列に接続することができ、直列に接続された第２の共振スイッチと第２の共振インダクタは、第２の共振コンデンサと並列に接続することができる。
【0047】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１の共振スイッチは、逆阻止スイッチであり得、また、第２の共振スイッチは、逆阻止スイッチであり得る。
【0048】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のＣＳＩブリッジは、第１のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備えることができ、第２のＣＳＩブリッジは、第２のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備えることができ、スイッチング・サイクルは、当該複数の第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つがゲートオフされ、上記第１および第２の共振スイッチのうちの少なくとも１つがゲートオンされ、第１の共振コンデンサと第１の共振インダクタとの共振および第２の共振コンデンサと第２の共振インダクタとの共振のうち少なくとも１つを開始する、共振フェーズを含むことができる。
【0049】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、第１のＣＳＩブリッジは、第１のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第１のスイッチを備えることができ、第２のＣＳＩブリッジは、第２のパワーバンクとＤＣリンクインダクタとの間に電力を供給するための複数の第２のスイッチを備えることができ、スイッチング・サイクルは、当該複数の第１および第２のスイッチのうちの少なくとも１つがゲートオフされ、第１および第２の共振スイッチがゲートオフされ、第１のＤＣリンクインダクタによって生成された電流（または第１および第２のＤＣリンクインダクタの両方によって生成された電流）が第１の共振コンデンサおよび第２の共振コンデンサのうちの少なくとも１つを流れる、１つ以上のゼロ電圧スイッチング遷移状態を含むことができる。
【0050】
本明細書に開示される実施形態のいずれにおいても、ＣＳＩは、第１および第２のＣＳＩブリッジの間に直列に接続された第２のＤＣリンクインダクタをさらに備えることができ、第２のＤＣリンクインダクタは、第１のＤＣリンクインダクタと直列に接続されていない。
【0051】
本開示のこれらおよび他の態様が、以下の詳細な説明および添付の図面に記載されている。実施形態の他の態様および特徴は、特定の例示的な実施形態の以下の説明を図面と併せて検討することにより、当業者に明らかになるであろう。本開示の特徴は、特定の実施形態および図に関連して論じることができるが、本開示のすべての実施形態は、本明細書で論じられる特徴の１つまたは複数を含むことができる。さらには、１つまたは複数の実施形態が、特定の有利な特徴を有するものとして論じられ得るが、そのような特徴の１つまたは複数は、本明細書で論じる様々な実施形態とともに用いることもできる。同様に、例示的な実施形態は、デバイス、システム、または方法の実施形態として以下で説明され得るが、そのような例示的な実施形態は、本開示の様々なデバイス、システム、および方法で実施され得ることが理解されるべきである。
【0052】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むことにより、より理解されるであろう。本開示を説明する目的で、特定の実施形態が図面に示されている。しかしながら、本開示は、図面に示される実施形態の正確な配置および手段に限定されないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【発明を実施するための形態】
【0054】
本発明の原理および特徴の理解を容易にするために、様々な例示的な実施形態を以下に説明する。本明細書に開示される実施形態の様々な要素を構成するものとして以下に記載される構成要素、ステップ、および材料は、例示的であって限定的ではないことを意図している。本明細書に記載の構成要素、ステップ、および材料と同じまたは同様の機能を実行する多くの適切な構成要素、ステップ、および材料は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。本明細書に記載されていないそのような他の構成要素、ステップ、および材料は、本明細書に開示される実施形態の開発後に開発される同様の構成要素またはステップを含み得るが、これらに限定されない。
【0055】
本開示は、電流型インバータ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ：ＣＳＩ）に関する。図２に示すように、本開示の別の例示的な実施形態は、第１のＣＳＩブリッジ１０５、第２のＣＳＩブリッジ１１０、ＤＣリンクインダクタ１２５、および共振タンク１３０を備えるソフトスイッチングＣＳＩ（ＳＳＣＳＩ）を提供する。第１のＣＳＩブリッジ１０５は、第１のパワーバンク１１５に動作可能に接続され得る。第２のＣＳＩブリッジは、第２のパワーバンク１２０に動作可能に接続することができる。ＤＣリンクインダクタ１２５は、第１（１０５）および第２（１１０）のＣＳＩブリッジの間に直列に接続することができ、ある量のエネルギーを貯蔵することができる。共振タンク１３０は、ＤＣリンクインダクタ１２５と並列に接続することができる。共振タンク１３０は、第１および第２のＣＳＩブリッジの各スイッチにゼロ電圧スイッチング条件を提供することができる。
【0056】
第１および第２のパワーバンク１１５、１２０は、電力を供給（例えば、単相ＡＣグリッド、３相ＡＣグリッド、３相４線ＡＣグリッド、ＤＣ電源、バッテリなど）するように、または受け取る（電気負荷、電気モータ、ＡＣグリッド、バッテリなど）ように構成することができる。各パワーバンクは、ＡＣおよび／またはＤＣ電源を使用できる。例えば、いくつかの実施形態では、第１のパワーバンクはＤＣバッテリであり得、第２のパワーバンクは電気モータであり得る（図８参照）。図２～図７は、様々なパワーバンクとの仲介を行うように構成された本開示のＣＳＩを示している。いくつかの実施形態では、ＳＳＣＳＩは双方向性を有し、その結果、第１のパワーバンク１１５および第２のパワーバンク１２０は、異なる時間に、電源およびパワーシンクの両方として機能することができる。したがって、電力は、ある時間、ＤＣリンクインダクタ１２５を介して第１のパワーバンク１１５から第２のパワーバンク１２０に流れることができ、また、電力は、別の時間、ＤＣリンクインダクタを介して第２のパワーバンク１２０から第１のパワーバンク１１５に流れることができる。そのような実施形態は、パワーシンク（例えば、電気モータ）からの電源（例えば、ＤＣバッテリ）の回生充電が望まれる用途、または双方向の電力の流れが望まれる用途に特に有用であり得る。
【0057】
ＤＣリンクインダクタは、当該技術分野で知られている高周波での動作に適した多くの異なるインダクタであり得、これには空芯インダクタ、ギャップコアインダクタなどが含まれるが、これらに限定されない。磁性コア材料は、高周波での動作に適した多くの異なる磁性材料であり得、これにはフェライトコア、アモルファスコア、ナノ結晶コア、粉末コア、軟磁性材料などが含まれるが、これらに限定されない。当業者が理解するように、ＤＣリンクインダクタのインダクタンスは、用途およびＳＳＣＳＩの動作サイクル中に求められるエネルギー貯蔵量に応じて選択／変化させることができる。
【0058】
共振タンク１３０は、共振コンデンサ１３３、共振インダクタ１３２、および共振スイッチ１３１を備えることができる。図２に示すように、共振コンデンサ１３３は、ＤＣリンクインダクタ１２５と並列に接続することができ、共振インダクタ１３２は、共振スイッチ１３１と直列に接続することができ、直列接続された共振スイッチ１３１と共振インダクタ１３２は、共振コンデンサ１３３と並列に接続することができる。共振タンクは、すべてのＣＳＩブリッジのすべてのスイッチにゼロ電圧スイッチング条件（ＺＶＳ）を提供するために使用できる。共振コンデンサ１３３は、ＺＶＳ遷移状態（後述）の間にＤＣリンク電流が流れるための追加の経路を提供することができる。結果として生じる共振コンデンサの放電率は、転流イベントを受けるスイッチのｄｖ／ｄｔスイッチング率を決定／制御できるため、すべてのＣＳＩブリッジのすべてのスイッチにＺＶＳ条件を提供できる。
【0059】
図２に示すように、ＳＳＣＳＩは、共振タンク１３０とＤＣリンクインダクタ１２５の間に直列に接続される漏れ管理ダイオード１３４をさらに備えることができる。漏れ管理ダイオードは、当該技術分野で知られている低逆回復の多くの異なるダイオードであり得、これには高速回復ダイオード、ショットキーダイオード（Ｓｉ、ＳｉＣなど）などが含まれるが、これらに限定されない。漏れ管理ダイオード１３４は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）遷移（後述）中の共振タンクの動作における望ましくない深刻な共振の問題を解消するのに用いることができる。この問題は共振コンデンサとＤＣリンクインダクタの相互接続によって生じる漏れ／寄生インダクタンスを十分に低く保つことができない場合に発生する。漏れ管理ダイオード１３４は、共振タンク１３０への逆極性の電流の流れを防ぐことができ、その結果、漏れ管理ダイオード１３４は、前述の望ましくない共振の問題を低減／防止するのに効果的であり得る。漏れ管理ダイオード１３４は、主インダクタ電流を流さず、ＺＶＳ遷移中および／または共振期間のみ漏れ管理ダイオード１３４を電流が流れるため、伝導損失の増加を最小限に抑えながら前述の望ましくない共振の問題を解消するのに用いることができる。
【0060】
共振インダクタ１３２は、当該技術分野で知られている多くの異なる高品質値インダクタであり得、これには空芯インダクタ、コアベースのインダクタなどが含まれるが、これらに限定されない。また、当技術分野で知られている多くの異なる高周波巻線構成を有することができ、これには磁石ワイヤ、撚り線、リッツ線、銅箔などが含まれるが、これらに限定されない。ＤＣリンクインダクタ１２５とは異なり、共振インダクタ１３２はエネルギー貯蔵を提供せず、そのサイズは定格において著しく小さくすることができる。共振コンデンサ１３３は、当該技術分野で知られている多くの異なる高品質値コンデンサであり得、これにはフィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどが含まれるが、これらに限定されない。共振コンデンサ１３３は、エネルギー貯蔵を提供せず、ＺＶＳ遷移および共振フェーズ中にのみ電流を伝導するので、そのサイズは、当該トポロジの他の反応性の構成要素よりも著しく小さくすることができる。共振スイッチ１３１は、逆阻止スイッチであり得る。本明細書で使用される場合、「逆阻止スイッチ」という用語は、一方向に電流を伝導し、両方向の電圧を阻止するスイッチまたはスイッチアセンブリを指す。本明細書に記載の実施形態のいずれにおいても、逆阻止スイッチは、一方向に電流を伝導し、両方向の電圧を阻止する、当該技術分野で知られている多くの異なるスイッチから選択された単一の制御可能スイッチであり得、これにはサイリスタ、集積ゲート転流サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＢ－ＩＧＢＴ）などが含まれるが、これらに限定されない。本明細書に記載の実施形態のいずれにおいても、逆阻止スイッチはまた、ダイオードと直列に接続された逆導通制御可能スイッチ（例えば、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ）を含むスイッチアセンブリであり得る。制御可能スイッチおよびダイオードは、多くの異なる半導体構造に依存することができ、多くの異なる材料を含むことができる。これには、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ワイドバンドギャップ半導体などが含まれるが、これらに限定されない。
【0061】
第１のＣＳＩブリッジ１０５は、２つ以上のレッグ１０６、１０７を備えることができる。様々な実施形態は、異なる数のレッグ（例えば、２個、３個、４個、またはそれ以上）を用いて、図２～図７に示すように、単端子または多端子ＤＣおよび単端子または多端子ＡＣパワーバンクおよびシステムとの仲介を行うことができる。レッグ１０６、１０７のそれぞれは、直列に接続された２つの逆阻止スイッチを備えることができる。例えば、第１のＣＳＩブリッジ１０５の第１のレッグ１０６は、第２のスイッチ１０６ｂと直列に接続された第１のスイッチ１０６ａを備えることができ、第１のＣＳＩブリッジ１０５の第２のレッグ１０７は、第２のスイッチ１０７ｂと直列に接続された第１のスイッチ１０７ａを備えることができる。
【0062】
同様に、図２～図７に示すように、第２のＣＳＩブリッジ１１０は、２つ以上のレッグ１１１、１１２、１１３を備えることができる。様々な実施形態は、異なる数のレッグ（例えば、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上）を用いて、単端子または多端子ＤＣおよび単端子または多端子ＡＣパワーバンクおよびシステムとの仲介を行うことができる。例えば、図２に示すように、第２のＣＳＩブリッジ１１０は、３つのレッグ１１１、１１２、１１３を備える。レッグ１１１、１１２、１１３のそれぞれは、直列に接続された２つの逆阻止スイッチを備えることができる。例えば、第２のＣＳＩブリッジ１１０の第１のレッグ１１１は、第２のスイッチ１１１ｂと直列に接続された第１のスイッチ１１１ａを備えることができ、第２のＣＳＩブリッジ１１０の第２のレッグ１１２は、第２のスイッチ１１２ｂと直列に接続された第１のスイッチ１１２ａを備えることができ、第２のＣＳＩブリッジ１１０の第３のレッグ１１３は、第２のスイッチ１１３ｂと直列に接続された第１のスイッチ１１３ａを備えることができる。
【0063】
図２に示すように、ＳＳＣＳＩは、第１のＣＳＩブリッジ１０５の２つ以上のレッグ１０６、１０７の間に接続された１つ以上のフィルタコンデンサ１１６をさらに備えることができる。フィルタコンデンサは、高周波スイッチング電流の経路を提供し、低高調波で、フィルタリングされた端子電圧を合成することができる。
【0064】
図２に示すように、ＳＳＣＳＩは、第２のＣＳＩブリッジの上記２つ以上のレッグの間に接続された１つ以上のフィルタコンデンサ１２１をさらに備えることができる。フィルタコンデンサは、高周波スイッチング電流の経路を提供し、低高調波で、フィルタリングされた端子電圧を合成することができる。
【0065】
図２に示すように、ＳＳＣＳＩは、第１のパワーバンクと第１のＣＳＩブリッジの上記２つ以上のレッグとの間に直列に接続された１つ以上のフィルタインダクタ１１７と、第２のパワーバンクと第２のＣＳＩブリッジの上記２つ以上のレッグとの間に直列に接続された１つ以上のフィルタインダクタ１２２とをさらに備えることができる。フィルタインダクタは、高調波をさらに抑制するのに役立つ。
【0066】
ＳＳＣＳＩは、スイッチング・サイクルで動作するように構成することができる。スイッチング・サイクル中のＳＳＣＳＩの動作は、ＣＳＩ内のさまざまなスイッチを制御するコントローラによって実現できる。コントローラは、当該技術分野で知られている多くのコントローラであり得る。コントローラは、メモリと、プロセッサによって実行されるとＣＳＩ内の様々なスイッチをコントローラに制御させることができる命令とを備えることができる。
【0067】
スイッチング・サイクルは、通常、３つのフェーズと１つ以上の遷移状態を含むことができる。例示的なスイッチング・サイクルが図９に示されている。スイッチング・サイクルは、アクティブ・フェーズ、フリーホイーリング・フェーズ、共振フェーズ、および１つ以上のＺＶＳ遷移状態を含むことができる。アクティブ・フェーズの少なくとも一部の期間において、電力は、（ａ）第１のＣＳＩブリッジを介して、第１のパワーバンクとＤＣリンクインダクタの間、および（ｂ）第２のＣＳＩブリッジを介して、第２のパワーバンクとＤＣリンクインダクタの間に、同時に転送される。
【0068】
フリーホイーリング・フェーズでは、ＤＣリンクインダクタと第１および第２のパワーバンク間に電力は転送されない。これは、第１のＣＳＩブリッジ１０５の第１のレッグ１０６の直列に接続されたスイッチ１０６ａ、１０６ｂの両方と、第２のＣＳＩブリッジ１１０の第１のレッグ１１１の直列に接続されたスイッチ１１１ａ、１１１ｂの両方とをゲートオンすることによって達成することができる。第１のＣＳＩブリッジ１０５のレッグ１０６、１０７のいずれにおいても、また第２のＣＳＩブリッジ１１０のレッグ１１１、１１２、１１３のいずれにおいても、その直列に接続されたスイッチは、フリーホイーリング・フェーズにおいてゲートオンすることができる。いくつかの実施形態では、第１のＣＳＩブリッジの単一のレッグおよび第２のＣＳＩブリッジの単一のレッグのみにおける直列に接続されたスイッチが、フリーホイーリング・フェーズ中にゲートオンすることができる。フリーホイーリング・フェーズを用いてスイッチング・サイクルを「パッド」し、一定のスイッチング周波数でＳＳＣＳＩを動作させることができる。
【0069】
共振フェーズ中は、第１のＣＳＩブリッジ１０５のレッグ１０６、１０７および第２のＣＳＩブリッジ１１０のレッグ１１１、１１２，１１３におけるスイッチをゲートオフし、共振スイッチ１３１をゲートオンすることができる。これにより共振コンデンサ１３３と共振インダクタ１３２との間の共振を開始することができる。いくつかの実施形態では、共振フェーズの持続時間を最小に保って、ＳＳＣＳＩの効率を高めることができる。例えば、いくつかの実施形態では、共振フェーズは、スイッチング・サイクルの周期の２５％未満を構成する。いくつかの実施形態では、共振フェーズは、スイッチング・サイクルの周期の２０％未満を構成する。いくつかの実施形態では、共振フェーズは、スイッチング・サイクルの周期の１５％未満を構成する。いくつかの実施形態では、共振フェーズは、スイッチング・サイクルの周期の１０％未満を構成する。いくつかの実施形態では、共振フェーズは、スイッチング・サイクルの周期の５％未満を構成する。共振フェーズを用いて共振コンデンサの電圧を負の値から正の値に「フリップ」させ、コンバータのソフトスイッチング動作を本質的に「リセット」することができる。
【0070】
ＺＶＳ遷移状態の間、コンバータのすべてのスイッチ（第１のＣＳＩブリッジ１０５のすべてのスイッチ、第２のＣＳＩブリッジ１１０のすべてのスイッチ、および共振スイッチ１３１を含む）をゲートオフすることができ、ＤＣリンク電流は、共振回路１３０の共振コンデンサ１３３を流れることができる。この電流の流れにより共振コンデンサ１３３を放電することができ、結果として生じる共振コンデンサの放電率を制御することができ、スイッチがオフにされた後、スイッチがオフになる前に、ＺＶＳ遷移状態の間のすべてのスイッチのｄｖ／ｄｔスイッチング速度を制限する。ＺＶＳ遷移状態を用いて、スイッチング・サイクル中の任意の時点で、すべてのコンバータの動作条件下で、すべてのスイッチがオフになり、すべてのスイッチがオンになるＺＶＳ条件を提供できる。
【0071】
例示的なスイッチング・サイクルのフェーズおよびＺＶＳ遷移状態のより詳細な説明は、以下の実施例に記載されている。
【0072】
当該技術分野の他の共振コンバータとは異なり、本明細書に開示されるソフトスイッチングＣＳＩは、ソフトスイッチング動作で、高いＤＣリンク電流利用率を提供することができる。ＤＣリンク電流利用率は、ブリッジによってパワーバンクに供給される最大瞬時電流のＤＣリンク電流の平均に対する比として定義できる。いくつかの実施形態では、ＣＳＩは、０．７～１．０のＤＣリンク電流利用率を提供することができる。いくつかの実施形態では、ＣＳＩは、０．８～１．０のＤＣリンク電流利用率を提供することができる。いくつかの実施形態では、ＣＳＩは、０．９～１．０のＤＣリンク電流利用率を提供することができる。いくつかの実施形態では、ＣＳＩは、０．９５～１．０のＤＣリンク電流利用率を提供することができる。
【0073】
図５に示すように、本開示の別の例示的な実施形態は、第１のＣＳＩブリッジ２０５、第２のＣＳＩブリッジ２１０、第１のＤＣリンクインダクタ２２５、第１の共振タンク２３０、および第２の共振タンク２３５を備えるＳＳＣＳＩを提供する。第１のＣＳＩブリッジ２０５は、第１のパワーバンク２１５に動作可能に接続することができる。第２のＣＳＩブリッジ２１０は、第２のパワーバンク２２０に動作可能に接続することができる。第１のＤＣリンクインダクタ２２５は、第１（２０５）および第２（２１０）のＣＳＩブリッジの間に直列に接続することができる。第１の共振コンデンサ２３０は、第１のＣＳＩブリッジ２０５と並列に接続することができる。第２の共振コンデンサ２３５は、第２のＣＳＩブリッジ２１０と並列に接続することができる。
【0074】
第１の共振タンク２３０は、第１の共振コンデンサ２３３、第１の共振インダクタ２３２、および第１の共振スイッチ２３１を備えることができ、第２の共振タンク２３５は、第２の共振コンデンサ２３８、第２の共振インダクタ２３７、および第２の共振スイッチ２３６を備えることができる。共振コンデンサ、インダクタ、およびスイッチは、上記の共振コンデンサ、インダクタ、およびスイッチと同様とすることができる。第１の共振コンデンサ２３３は、第１のＣＳＩブリッジ２０５と並列に接続することができ、第２の共振コンデンサ２３８は、第２のＣＳＩブリッジ２１０と並列に接続することができる。第１の共振インダクタ２３２は、第１の共振スイッチ２３１と直列に接続することができ、第２の共振インダクタ２３７は、第２の共振スイッチ２３６と直列に接続することができる。直列接続された第１の共振スイッチ２３１および第１の共振インダクタ２３２は、第１の共振コンデンサ２３３と並列に接続することができ、直列に接続された第２の共振スイッチ２３６および第２の共振インダクタ２３７は、第２の共振コンデンサ２３８と並列に接続することができる。
【0075】
図５に示すように、ＳＳＣＳＩは、第１の共振タンク２３０と直列に接続された第１の漏れ管理ダイオード２３４と、第２の共振タンク２３５と直列に接続された第２の漏れ管理ダイオード２３９とをさらに備えることができる。漏れ管理ダイオード２３４、２３９は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）遷移中の共振タンクの動作における望ましくない深刻な共振の問題を解消するのに用いることができる。この問題は共振コンデンサとＣＳＩブリッジの接続によって生じる漏れ／寄生インダクタンスを十分に低く保つことができない場合に発生する。２つの共振タンク間の望ましくない共振と振動も、特定の条件下で誘発される可能性がある。漏れ管理ダイオード２３４、２３９は、共振タンク２３０、２３５への逆極性の電流の流れを防ぐことができ、その結果、漏れ管理ダイオード２３４、２３９は、前述の望ましくない共振の問題を低減／防止するのに効果的であり得る。漏れ管理ダイオード２３４、２３９は、主インダクタ電流を流さず、ＺＶＳ遷移中および／または共振期間のみ漏れ管理ダイオード２３４、２３９を電流が流れるため、伝導損失の増加を最小限に抑えながら前述の望ましくない共振の問題を解消するのに用いることができる。
【0076】
図５に示すように、ＳＳＣＳＩは、第１のＤＣリンクインダクタ２２５の反対側に、第１（２０５）および第２（２１０）のＣＳＩブリッジの間に直列に接続された第２のＤＣリンクインダクタ２２６をさらに備えることができる。すなわち、第２のＤＣリンクインダクタ２２６は、第１のＤＣリンクインダクタ２２５と直列に接続されていない。ＤＣリンク電流経路に２つのＤＣリンクインダクタ２２５、２２６を有する「スプリット」ＤＣリンクインダクタ構成を用いて、コモンモード電流経路、および当該トポロジによって生成されるコモンモード電圧を、低下させ、対称化することができる。この構成を用いて、複数のＳＳＣＳＩコンバータの並列化して共通のパワーバンクとするのを容易にし、インターリーブを可能にすることもできる。
【0077】
上述の図２に示されるＳＳＣＳＩ同様、図５のＳＳＣＳＩは、スイッチング・サイクルで動作できる。スイッチング・サイクルは、アクティブ・フェーズ、フリーホイーリング・フェーズ、共振フェーズ、およびＺＶＳ遷移状態を含むことができる。図５に示されるＣＳＩのスイッチング・サイクルの共振フェーズの間、第１および第２のＣＳＩブリッジのレッグを構成するスイッチがゲートオフされ、第１の共振スイッチ２３１および第２の共振スイッチ２３６のうちの少なくとも１つがゲートオフされ、第１の共振コンデンサと第１の共振インダクタとの共振、および第２の共振コンデンサと第２の共振インダクタとの共振のうちの少なくとも１つを開始する。例えば、第１の共振スイッチ２３１がゲートオンされている場合、共振は、第１の共振コンデンサ２３３と第１の共振インダクタ２３２との間で開始される。第２の共振スイッチ２３６がゲートオンされている場合、共振は、第２の共振コンデンサ２３８と第２の共振インダクタ２３７との間で開始される。
【0078】
図２～図７に開示されたコンバータのトポロジは、以下を含む標準的なＣＳＩの利点を維持することができる：（１）双方向の電力流、（２）電圧のステップアップとステップダウン、（３）対応する電圧型インバータ（ＶＳＩ）よりも低いコモンモード電圧生成、（４）フィルタリングされた出力電圧波形、（５）突入電流の排除、（６）シュートスルー条件の排除、および（７）短絡電流に対する耐性。さらに、開示されたコンバータのトポロジは、従来のＣＳＩを改善し、次の追加機能を提供できる：（１）ＣＳＩブリッジのすべてのスイッチのＺＶＳソフトスイッチング動作、（２）より高い変換効率、（３）より高いスイッチング周波数、（４）ＤＣリンクインダクタンスの低減、（５）フィルタ容量の削減、（６）ｄｖ／ｄｔスイッチング速度の低減と制御、（７）より低いＥＭＩ生成とＥＭＩフィルタ要件、（８）コンバータの動的な高速化、（９）効率を最大化するためのコンバータ負荷レベルの関数としての高速動的ＤＣリンク電流レベル調整、（１０）意図的にオーバーラップ時間を追加しないことによるデバイスのスイッチングと遷移メカニズムの簡易化、および（１１）ＤＣリンク電流経路を開くときにデバイスが壊滅的な電圧ストレスを受けない。
【0079】
開示されたコンバータトポロジはまた、他の従来の共振コンバータとは異なり、以下の機能を提供することができる。（１）パルス幅変調（ＰＷＭ）と空間ベクトル変調（ＳＶＭ）が可能なシンプルでロバストな制御、（２）コンバータの電圧、電流、および電力範囲全体にわたるソフトスイッチング動作、（３）固定スイッチング周波数動作、（４）単一の共振タンクを用いて両方のＣＳＩブリッジのＺＶＳ動作を提供可能、（５）共振タンクは主電源経路の外側にあり、スイッチング・サイクルのごく一部で動作するため、共振要素は主コンバータの反応性の要素の一部で定格が定められ、共振タンクの損失が制限される、（６）０．８を超える高いＤＣリンク電流利用率でソフトスイッチング動作が可能。
【0080】
以下の実施例は、本開示の態様をさらに説明する。しかしながら、それらは本明細書に記載される本開示の教示または開示を制限するものではない。
【0081】
（実施例）
図８は、電気自動車の駆動系に用いるための例示的なソフトスイッチングＣＳＩ（ＳＳＣＳＩ）を提供する。図８に示すように、ＳＳＣＳＩは、直列ＤＣリンクインダクタを介して接続された２つの標準的なＣＳＩブリッジを備える。ブリッジのフェーズレッグ、あるいはレッグは、ＳｉＣダイオードと標準的なＳｉ ＩＧＢＴ、または高性能用途用のＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴの直列接続によって実現される、２つの逆阻止スイッチを備える。コンバータのソフトスイッチング動作は、ＤＣリンクインダクタの両端に接続された単一の共振タンクまたは共振回路によって可能になる。この最小共振回路は、すべて処理された電力の一部のみを処理するための定格である共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、および補助スイッチＳｒに依拠して、スイッチング・サイクル全体において、また電圧、電流、および電力範囲全体にわたって、ＣＳＩブリッジのすべてのパワーデバイスのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）条件を設定する。
図８は、電気自動車の駆動系に用いるための例示的なソフトスイッチングＣＳＩ（ＳＳＣＳＩ）を提供する。図８に示すように、ＳＳＣＳＩは、直列ＤＣリンクインダクタを介して接続された２つの標準的なＣＳＩブリッジを備える。ブリッジのフェーズレッグ、あるいはレッグは、ＳｉＣダイオードと標準的なＳｉ ＩＧＢＴ、または高性能用途用のＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴの直列接続によって実現される、２つの逆阻止スイッチを備える。コンバータのソフトスイッチング動作は、ＤＣリンクインダクタの両端に接続された単一の共振タンクまたは共振回路によって可能になる。この最小共振回路は、すべて処理された電力の一部のみを処理するための定格である共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、および補助スイッチＳｒに依拠して、スイッチング・サイクル全体において、また電圧、電流、および電力範囲全体にわたって、ＣＳＩブリッジのすべてのパワーデバイスのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）条件を設定する。
【0082】
ソフトスイッチング動作は、スイッチング損失を大幅に削減（および実質的に排除）することで、モータ駆動用途における前述のすべての利点を維持しながら、従来のＣＳＩが抱える高い変換損失に対処する。また、ＰＷＭ変調によるより高いスイッチング周波数動作が可能であり、ＤＣリンクインダクタとフィルタコンデンサのサイズを縮小し、優れたコンバータダイナミクスを実現する。最後に、ＳＳＣＳＩトポロジは、昇降圧電圧変換機能を備えた完全な双方向性を有し、ＥＭＩを低減し最新のＳｉＣデバイスを最大限に活用するための固有のｄｖ／ｄｔ制御を提供し、高い動作周波数で非常に高い効率を示す。次に、トポロジの基本的な動作原理について説明する。
【0083】
動作原理
スイッチング・サイクル：ＤＣから３相ＡＣへの構成におけるＳＳＣＳＩの例示的なスイッチング・サイクルが図９に示されている。コンバータの動作は、サイクル全体で３つの主要なフェーズに分類できる。すなわちアクティブ、フリーホイーリング、および共振である。
スイッチング・サイクル：ＤＣから３相ＡＣへの構成におけるＳＳＣＳＩの例示的なスイッチング・サイクルが図９に示されている。コンバータの動作は、サイクル全体で３つの主要なフェーズに分類できる。すなわちアクティブ、フリーホイーリング、および共振である。
【0084】
アクティブ・フェーズ中、ＣＳＩブリッジは一連の電圧レベルをＤＣリンクに適用する。これは、以降、「アクティブ・ベクトル」と呼ばれ、使用可能なレッグツーレッグ電圧の１つまたはフリーホイーリング状態に対応する。図８で使用されている規則では、ブリッジ１、ｖＢｒ１、およびブリッジ２、ｖＢｒ２の可能なアクティブ・ベクトルは次のとおりである。
【数1】
【数2】
【0085】
ここで、ＶｄｃはバッテリのＤＣ電圧、Ｖａｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃａは三相モータのライン間ＡＣ電圧であり、０はブリッジのフルレッグをオンにしてＤＣリンク電流をフリーホイールすることによって適用されるゼロ電圧ベクトルである。結果として得られるＤＣリンクインダクタと共振コンデンサの間の電圧ｖＬｄｃは次のようになる。
【数3】
【0086】
シャント磁化インダクタンスがブリッジ間でエネルギーを順次転送するための貯蔵要素として用いられる既存のソフトスイッチング固体変圧器（Ｓ４Ｔ）とは異なり、ＳＳＣＳＩの両方のブリッジが同時に動作するため、ＤＣリンク電流と半導体の利用率が高くなる。（３）から、アクティブ・フェーズ中にＤＣリンクインダクタと共振コンデンサの両端で発生する可能性のある電圧レベルは、セット（１）と（２）の直積によって与えられるアクティブ・ベクトル対の電圧合計から得られる。１つのスイッチング・サイクルにわたって、各ブリッジからのアクティブ・ベクトルの選択、順序付け、および適用時間は、変調方式によって決定できる。したがって、ｖＬｄｃの電圧レベルの数とアクティブ・フェーズ中のそれらの極性は任意で、スイッチング・サイクルを通してコンバータのスイッチング状態に依存し得る。この用途の最も一般的なケースでは、３つの電圧レベルがｖＬｄｃで観測され、図９ではＶａｃｔ１、Ｖａｃｔ２、およびＶａｃｔ３として識別されている。しかしながら、以下に詳述するソフトスイッチングの原理の導出においては、特定のスイッチング・サイクル構造は想定されておらず、提示されたメカニズムはすべてのＳＳＣＳＩ実装の変形例に有効である。
【0087】
ＤＣリンク電流コントローラは、インダクタと共振コンデンサの両端にボルト秒バランスを強制するため、定常状態では次の制約が成り立つ。
【数4】
【0088】
ここで、＜ｖＬｄｃ＞Ｔｓｗは、１つのスイッチング期間にわたるｖＬｄｃの平均である。
【0089】
これまでに説明した形式では、アクティブ・フェーズ中のＳＳＣＳＩの動作原理は、標準的なパルス幅変調ＣＳＩの動作原理と類似している。しかしながら、以下に詳述するように、追加の考慮事項を用いてソフトスイッチング動作を有効にできる。
【0090】
一定のスイッチング周波数動作を保証するために、スイッチング・サイクルをフリーホイーリング・フェーズで埋めることができ、この場合、両方のブリッジにゼロ電圧ベクトルを選択することにより、ＤＣリンク電流がバイパスされる。これは、ブリッジごとに１つのレッグをオンにすることで実現される。フリーホイーリング・フェーズではエネルギー伝達が不可能であるため、コンバータの導通損失を減らし、ＤＣリンクの使用率を高めるために、その持続時間を最小限に抑える必要があることは明らかである。従来のＣＳＩでは、導通損失とスイッチング損失のバランスを取り、許容可能な効率レベルで動作するように、スイッチング周波数は通常低く保たれている。これには大きなＤＣリンクインダクタが必要であり、動的性能が低下する。その結果、負荷変動下で良好なコンバータ応答を維持するために、ＤＣリンク電流レベルは、通常一定に保たれるか、負荷要件よりも十分大きくなるよう制御される。しかしながら、ＳＳＣＳＩでは、ソフトスイッチング機能により、スイッチング損失が実質的に排除されるため、より高いスイッチング周波数動作が可能であり、ＤＣリンク電流レベルを数スイッチング・サイクル内で動的に変更して、コンバータの負荷レベルに調整し、フリーホイーリング時間を最小限に抑えることができる。これにより、以下に詳述するように、固有の効率プロファイルが得られる。
【0091】
最後のコンバータ動作モードは共振フェーズである。このモードでは、ＣＳＩブリッジのすべての電源スイッチがオフになっている間、補助スイッチＳｒはゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）状態でゲートオンされ、共振コンデンサＣｒと共振インダクタＬｒの間の共振を開始する。次のスイッチＳｒを流れる共振電流のゼロ交差で、直列ダイオードが自然にオフになり、スイッチのＺＣＳがオフになる。一次近似として、この瞬間はＬｒＣｒタンクの共振周期の半分に相当し、共振コンデンサの両端の電圧は、共振フェーズの開始時の初期電圧の逆である。このように、この動作モードは、本質的に、共振コンデンサ電圧を反転させるための単純なメカニズムを提供し、以下に詳述するように、スイッチング・サイクル全体で自由に開始してソフトスイッチング動作を可能にすることができる。フリーホイーリング・フェーズに関しては、共振フェーズ中にソースおよび負荷とのエネルギー交換がないため、合計共振期間を最小限に抑えることができる。これは、このフェーズ中の電圧および電流のストレスレベルを考慮しながら、共振要素ＬｒおよびＣｒを適切に選択することで可能になる。
【0092】
ソフトスイッチングメカニズム：図８に示すＳＳＣＳＩは、アクティブ・ベクトル間のスイッチング遷移中に単一の共振回路によってソフトスイッチング動作が可能になるという点で、共振遷移コンバータである。ＤＣリンク電流がブリッジを流れる経路を継続的に提供するためにゲートシーケンスに細心の注意を払う必要がある従来のＰＷＭＣＳＩとは異なり、図８のＳＳＣＳＩの共振コンデンサは追加の電流循環経路を提供する。この追加の経路は、「ＺＶＳ遷移状態」と呼ばれる固有のコンバータ状態で用いられ、図９に示すように、任意の２つの隣接するアクティブ・ベクトルの間に挿入される。
【0093】
一般性を失わないように、ブリッジ２がｖＢｒ２＝ＶａｃからｖＢｒ２＝Ｖａｂに転流しブリッジ１が任意のベクトルｖＢｒ１を適用する場合のＺＶＳ遷移状態の例を挙げる。ｖＢｒ１＝＋Ｖｄｃとした場合の対応するコンバータのスイッチング状態を図１０Ａ～図１０Ｃに示す。さらに、次のように仮定する。
【数5】
【0094】
図１０Ａに示す（ｖＢｒ１，ｖＢｒ２）＝（＋Ｖｄｃ，Ｖａｃ）の初期アクティブ・フェーズから、スイッチＳｃｐをゲートＯＦＦ、スイッチＳａｎをＯＮにしたままスイッチＳｂｐをゲートＯＮしてＺＶＳ移行状態を開始させる。スイッチング・ループにキルヒホッフの電圧法則を適用すると、対象の２つのスイッチ位置間の電圧は次のようになる。
【数6】
【0095】
ここでＶＳｃｐとＶＳｂｐはそれぞれスイッチ位置ＳｂｐとＳｃｐの間の電圧、ＶａｃとＶａｂはモータの線間電圧、ｖＢｒ１はブリッジ１によって印加されるアクティブ・ベクトルである。
【0096】
（５）と（６）から、前のスイッチング状態からの初期条件ＶＳｃｐ＝０のとき、ＺＶＳ遷移状態の開始時にＶＳｂｐ＜０である。これは、スイッチ位置Ｓｂｐの直列ダイオードが逆バイアスされており、ＳｂｐをゲートＯＮしてもスイッチ位置を効果的にオンにしないことを意味する。したがって、Ｓｃｐがオフになるとすぐに、ＤＣリンク電流ｉｄｃは、図１０Ｃに示されるように、共振コンデンサＣｒを通って流れるように強制され、それを次のように放電する：
【数7】
【0097】
（６）と（７）から、また、負荷電圧と電源電圧のダイナミクスはＺＶＳ遷移状態のタイムスケールでは無視できることを認識すると、対象の２つのスイッチ間の電圧の変化率は次のようになる：
【数8】
【0098】
このように，ＺＶＳ遷移状態では２つの整流スイッチ位置間のｄｖ／ｄｔが制御され，（８）に従ってＣｒを適切に選択することで任意の目標値に設定することができる。共振コンデンサが入力される結合されたアクティブ・ベクトル電圧レベル（この場合はＶｄｃ＋Ｖａｂ）に放電されると、スイッチＳｂｐの直列ダイオードが順方向にバイアスされ、スイッチの位置が導通し始め、図１０Ｂに示す（ｖＢｒ１，ｖＢｒ２）＝（＋Ｖｄｃ，Ｖａｂ）の後続のコンバータ・アクティブ・フェーズになる。これでＺＶＳ状態遷移が完了し、アクティブ・ベクトル間の転流は、この例ではＳｃｐである発信スイッチのＺＶＳがオフ、およびここではＳｂｐである受信スイッチのＺＶＳがオンで発生する。この例のＺＶＳ遷移状態中のスイッチング波形およびゲートシーケンスは、図１１にまとめられている。
【0099】
上記の導出は、仮定（５）が当てはまることに基づく。これは、次のようにＳＳＣＳＩのソフトスイッチングメカニズムを有効にするための必要十分条件に一般化できる。
【数9】
【0100】
ここで、ＶＢｒ ｉｎｃｏｍｉｎｇは、ブリッジによって適用される入力アクティブ・ベクトルの電圧レベルであり、ＶＢｒ ｏｕｔｇｏｉｎｇは、ブリッジが切り替わるアクティブ・ベクトルの電圧レベルである。
【0101】
条件（９）は、ＳＳＣＳＩに固有の制約であり、スイッチング・サイクル全体でアクティブ・ベクトルを適切にシーケンスすることにより、ブリッジベースで適用できる。これは、修正した空間ベクトル変調（ＳＶＭ）スキームを用いて実装できる。
【0102】
スイッチング・サイクルでは、ブリッジ用に選択されたすべてのアクティブ・ベクトルが適用されると、条件（９）を検証できず、共振フェーズは、共振コンデンサの電圧を反転させるのに用いることができ、よって、ＤＣリンク電圧ｖＬｄｃは、次に入力される結合されたアクティブ・ベクトル電圧レベルよりも高い電圧になる。これは、上述したように補助スイッチをオンにすることで実現され、その後、ｖＬｄｃが入力電圧レベルまで低下するＺＶＳ遷移状態が続く。共振フェーズ前の初期共振コンデンサ電圧が、共振終了時のＤＣリンク電圧が入力電圧レベルよりも大きくなることを保証するのに十分な大きさでない場合、図９に示すように、ゲートをオンにする前に追加のＺＶＳ遷移状態を挿入して、共振コンデンサをさらに放電させることができる。この柔軟性により、ＳＳＣＳＩのＺＶＳ動作が入力電圧と出力電圧から切り離され、電圧、電流、および電力範囲全体にわたるソフトスイッチング動作が可能になる。ＤＣリンクの使用率を最大化するために、両方のブリッジがそれぞれのアクティブ・ベクトル・シーケンスを同時に適用している。したがって、最も一般的なケースでは、ブリッジ１とブリッジ２に条件（９）を適用できない瞬間は同期せず、図９に示すように、各スイッチング・サイクルに２つ、各ブリッジに１つの共振フェーズが用いられる。
【0103】
本提案のトポロジの検証
ＳＳＣＳＩトポロジの基本的な動作原理を示すために、図８に示すＥＶ駆動系構成の２５ｋＶＡ ＳＳＣＳＩを、表Ｉに示すパラメータを用いてシミュレーションする。Ｖ／ｆ制御は、電圧の大きさが公称値の４８０Ｖｒｍｓまで上昇するときに、０～５００Ｈｚの周波数範囲でＡＣ出力電圧のセットを生成するために実装される。
ＳＳＣＳＩトポロジの基本的な動作原理を示すために、図８に示すＥＶ駆動系構成の２５ｋＶＡ ＳＳＣＳＩを、表Ｉに示すパラメータを用いてシミュレーションする。Ｖ／ｆ制御は、電圧の大きさが公称値の４８０Ｖｒｍｓまで上昇するときに、０～５００Ｈｚの周波数範囲でＡＣ出力電圧のセットを生成するために実装される。
【表1】
【0104】
このシミュレーションでは、ＤＣリンク電流レベルは公称値６０Ａで一定に保たれている。入力電圧Ｖｄｃおよびバッテリ電流Ｉｂａｔとともに出力ブリッジのライン間電圧Ｖａｂ、Ｖｂｃ、Ｖｃａ、ライン電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、および結果として生じる見かけの電力Ｓｏｕｔを図１２に示す。ＤＣリンク電流ｉｄｃと電圧ｖＬｄｃも示されている。結果は、Ｖ／ｆ制御下でのＳＳＣＳＩの適切な動作を立証しており、安定し制御されたＤＣリンク電流を０Ａからソフトスタートし、出力電圧の大きさと周波数は１３０ｍｓで０ｐｕから１ｐｕに増加する。立ち上げ時間は、このシミュレーションにおいてはコンバータの動的機能を示すために任意に選択されており、モータおよび車両のダイナミクスに合わせて調整できる。なお、コンバータの立ち上げ時間を短縮することは可能であるが、システムには適さない場合がある。
【0105】
入力バッテリ電流は出力電力に比例して増加し、ＤＣリンク電流を公称値に調整し続け、起動時に突入電流は観測されない。図１２で特定されているように、このシミュレーションの調査では、降圧型電圧変換モードと昇圧型電圧変換モードの両方でのＳＳＣＳＩの動作も裏付けており、出力電圧の大きさがバッテリＤＣ電圧を超えてシームレスに増加する。また、ＳＳＣＳＩは、このシミュレーションとこの設計において、定格電力と周波数で、それぞれ５％と２％の出力電圧と電流ＴＨＤ、および５．５％の入力バッテリ電流ＴＨＤを有する高品質の波形を生成する。予想どおり、ＤＣリンク電流リップルは供給される出力電力が公称値に達すると増加するが、フルパワーでピークツーピークの６０％という設計目標は下回っている。これは、３５０μＨの小さなＤＣリンクインダクタで実現され、これは２５ｋＶＡの動作点で１Ｊを少し下回る蓄積エネルギーを表し、同等の定格のＶＳＩベースの駆動系のＤＣバスに蓄積されたエネルギーよりも１桁以上低いため、電力密度が高く費用効果の高い設計が約束される。同様の観測結果は、入力フィルタと出力フィルタにも当てはまり、合計フィルタエネルギーが１０Ｊを少し超える場合の合計静電容量は１１２μＦである。
【0106】
図１２に示すように、ＤＣリンク電圧ｖＬｄｃは、シミュレーション全体にわたって±８５０Ｖの範囲内に制御され、出力電圧は、初期値０Ｖから定格線間電圧４８０Ｖｒｍｓまで上昇する。したがって、この調査では、ＤＣリンクの電圧ストレスは、電圧と負荷の全範囲にわたって１．２５ｐｕと低く、一定に保たれる。また、異なるコンバータ動作条件下でのソフトスイッチング動作を確認するために、ＤＣリンク電流と電圧を、図１２で特定された３つの瞬間で１つのスイッチング・サイクルにわたって観測する。線間出力電圧Ｖｏｕｔ、出力見かけ電力Ｓｏｕｔ、および変換モードを３つの観測値について表ＩＩにまとめ、結果の波形を図１３に示す。
【表2】
【0107】
これら３つのケースでは、スイッチング・パターンは上記の概念的な導出と同様であり、アクティブ・フェーズ、２つの共振フェーズ、およびフリーホイーリング・フェーズが図で明確に識別されている。観測１、図１３Ａ、および観測２、図１３Ｂはともに降圧変換モードで行われ、スイッチング・サイクルのシーケンスは同一である。出力電力が１ｋＶＡから１０ｋＶＡの間で増加すると、一定のＤＣリンク電流を用いたこのシミュレーションの調査で予想されるように、アクティブ・フェーズの期間が増加し、フリーホイール・フェーズの期間が短くなる。重要なのは、出力電圧が９０Ｖｒｍｓから３００Ｖｒｍｓに３倍以上増加する一方で、共振フェーズ中のｖＬｄｃの電圧ストレスは一定のままであり、ソフトスイッチング動作は、ＺＶＳ遷移状態の間、０．６ｋＶ／μｓのｄｖ／ｄｔレートで維持されることである。
【0108】
定格出力電圧および電力、それぞれ４８０Ｖｒｍｓおよび２５ｋＶＡでの観測３のＤＣリンク波形を図１３Ｃに示す。この場合、ＳＳＣＳＩは昇圧変換モードで動作し、Ｖａｃｔ１、Ｖａｃｔ２、およびＶａｃｔ３のシーケンスは図１３Ａ～図１３Ｂとは異なる。これらの根本的に異なる動作条件にもかかわらず、共振フェーズ中のｖＬｄｃの電圧ストレスは変化せず、ソフトスイッチング動作が再び達成される。
【0109】
これらの３つの観測は一般化でき、共振フェーズの柔軟性と共振スイッチ制御を活用して、すべての負荷、電流、および電圧の条件下ですべてのパワーデバイスのＺＶＳ動作を保証するＳＳＣＳＩの固有の機能を示す。これは、広い出力電圧範囲と負荷範囲が予想されるＥＶ駆動系用途にとって非常に重要である。
【0110】
本提案のＳＳＣＳＩと従来のＶＳＩのプロファイルの効率の比較
ＳＳＣＳＩ駆動系の魅力的な属性の１つであり、有効な機能は、トポロジ固有の効率プロファイルである。図１４に示す双方向ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータに接続された従来のＶＳＩベースの駆動系は、商用電気自動車で広く使用されており、このセクションのベースラインケースとして取り上げられている。これらのＶＳＩベースのトポロジでは、スイッチング損失を調節し変換効率を向上させるために、ＤＣ－バス電圧をある程度制御することができる。しかしながら、最小ＤＣ－バス電圧は、バッテリと出力電圧の大きさによって制約されるため、さまざまな負荷条件でバス電圧を動的に制御する余地はほとんどない。さらには、効率の向上は、必要な出力電圧が定格値を大幅に下回るモータの低速領域に限定される。これとは非常に対照的に、トポロジの電流源の性質と結合したＳＳＣＳＩコンバータの高速なダイナミクスは、入力および出力電圧レベルに関係なく、システムの電流負荷の関数としてＤＣリンク電流レベルを正確に調整できる。これにより、次に示す固有のＳＳＣＳＩ効率プロファイルが実現する。
ＳＳＣＳＩ駆動系の魅力的な属性の１つであり、有効な機能は、トポロジ固有の効率プロファイルである。図１４に示す双方向ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータに接続された従来のＶＳＩベースの駆動系は、商用電気自動車で広く使用されており、このセクションのベースラインケースとして取り上げられている。これらのＶＳＩベースのトポロジでは、スイッチング損失を調節し変換効率を向上させるために、ＤＣ－バス電圧をある程度制御することができる。しかしながら、最小ＤＣ－バス電圧は、バッテリと出力電圧の大きさによって制約されるため、さまざまな負荷条件でバス電圧を動的に制御する余地はほとんどない。さらには、効率の向上は、必要な出力電圧が定格値を大幅に下回るモータの低速領域に限定される。これとは非常に対照的に、トポロジの電流源の性質と結合したＳＳＣＳＩコンバータの高速なダイナミクスは、入力および出力電圧レベルに関係なく、システムの電流負荷の関数としてＤＣリンク電流レベルを正確に調整できる。これにより、次に示す固有のＳＳＣＳＩ効率プロファイルが実現する。
【0111】
表ＩＩＩに指定されたパラメータを用いて、本提案のＳＳＣＳＩ駆動系と従来のＶＳＩベースの駆動について、公称出力電圧および可変負荷での効率プロファイルを算出し、図１５に示した。３つの市販のデバイスがモデル化され、パワー半導体損失の算出に用いられる。対象となるパラメータを表ＩＶに示す。この比較調査では、接合部温度は１２５℃で一定であると想定されている。図１５にラベル付けしたように、ＳＳＣＳＩでは２つの機器構成シナリオが考えられている。ＶＳＩ駆動系では、スイッチング損失と導通損失の両方が評価されるが、ソフトスイッチングＳＳＣＳＩの変形例ではスイッチング損失が排除されている。磁気のコア損失と巻線損失が考慮され、コンデンサ損失はどちらのケースでも無視されている。最後に、ＶＳＩ駆動系のＤＣリンク電圧は、公称出力電圧を生成するとき、定格値で一定に保たれるが、ＳＳＣＳＩのＤＣリンク電流は出力電力と電流に比例して動的に変化する。
【表3】
【表4】
【0112】
図１５に示すように、同じＳｉ ＩＧＢＴとＳｉＣダイオードを用いて、ＳＳＣＳＩの直列構成とＶＳＩの逆並列構成において、本提案のＳＳＣＳＩ電力系の効率は全体を通して従来のＶＳＩソリューションよりも高くなっている。したがって、逆阻止スイッチを実現するための２つのデバイスの直列接続によるＳＳＣＳＩトポロジの明らかな二重電圧降下ペナルティにもかかわらず、スイッチング損失を排除することで、考慮されるスイッチング周波数におけるより高い変換効率が得られる。また、標準的ではないが、この直列スイッチ構成は、ダイの相互接続を簡単に再構成することで既存の電源モジュール技術を用いて簡単に実現でき、コンバータの統合性を高める。
【0113】
固有のｄｖ／ｄｔ制御によるソフトスイッチング動作により、ＳＳＣＳＩトポロジではＳｉ ＩＧＢＴをＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴに置き換えるのが非常に容易になり、図１５に示すようにさらに高い効率が得られる。さらには、従来のＶＳＩモータ駆動は最大電力領域の近くでピーク効率で動作するが、動的ＤＣリンク電流調整により、ＳＳＣＳＩ駆動系の効率は出力電力の減少とともに増加する。この傾向は、通常は公称負荷の３０％で連続導通モードの限界に達するまで続くが、ＤＣリンク電流をそれ以上減らすことはできず、その時点で効率が低下し始める。また、ソフトスイッチング動作により、ＳＳＣＳＩの損失プロファイルは基本的に出力電圧に依存せず、モータ速度にも依存しないため、全体で同様の効率傾向が期待できることに留意することが重要である。したがって、ＳＳＣＳＩは、通常の駆動サイクルにおいて、既存のソリューションよりも優れたパフォーマンスを発揮することが期待できる。
【0114】
なお、本明細書に開示される実施形態および特許請求の範囲は、それらの適用に関して、明細書で説明され図面に示された構成要素の構造と配置の詳細に限定されない。むしろ、明細書および図面は、想定される実施形態の例を提供する。本明細書に開示される実施形態および特許請求の範囲は、他の実施形態がさらに可能であり、様々な方法で実施および実行することができる。また、本明細書で採用されている語句や用語は、説明のためのものであり、特許請求の範囲を限定するものと見なしてはならないことを理解されたい。
【0115】
したがって、当業者は、本願および特許請求の範囲の基礎となる構想が、本願で提示した実施形態および特許請求の範囲のいくつかの目的を遂行するための他の構造、方法およびシステムの設計のための基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲が、このような均等物を含むとみなされることが重要である。
【0116】
さらに、上述の要約書の目的は、米国特許商標庁および一般の人々、特に特許および法律用語や表現に精通していない当該技術分野の実務家を含む人々に対し、本願の技術的開示の性質と本質を大まかに調査して迅速に判断できるようにすることである。要約書は、本願の特許請求の範囲を定義することを意図しておらず、また、いかなる意味においても特許請求の範囲を限定することを意図していない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15】
