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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-12-15
(54)【発明の名称】多出力型マルチブリッジ電力変換器
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20221208BHJP
H02M 3/28 20060101ALI20221208BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 F
H02M3/28 P
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022522637
(86)(22)【出願日】2020-10-16
(85)【翻訳文提出日】2022-06-09
(86)【国際出願番号】 US2020055933
(87)【国際公開番号】W WO2021076859
(87)【国際公開日】2021-04-22
(31)【優先権主張番号】PCT/IB2019/001318
(32)【優先日】2019-10-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522149290
【氏名又は名称】ジュー フイビン
(71)【出願人】
【識別番号】522149304
【氏名又は名称】ジュー カレン ミン
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【識別番号】100109335
【弁理士】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(72)【発明者】
【氏名】ジュー フイビン
(72)【発明者】
【氏名】ジュー カレン ミン
【テーマコード（参考）】
5H730
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H730AS17
5H730BB27
5H730BB57
5H730BB83
5H730BB88
5H730FG05
5H770BA02
5H770CA02
5H770DA01
5H770DA03
5H770DA22
5H770DA26
5H770DA30
5H770DA33
5H770DA37
5H770DA41
5H770EA01
(57)【要約】
本開示の一実施例により、直流（ＤＣ）バスに接続され、両方が非絶縁出力にパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を生成する少なくとも２つのスイッチングブリッジと、前記２つのスイッチングブリッジの出力間に接続される一次巻線と、及び絶縁出力に接続される二次巻線とを有する絶縁変圧器とを含む、電力変換器を提供する。非絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作するように構成され、前記ＤＣバスと前記非絶縁出力の間で電力が伝送される。絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作するように構成され、前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で電力が伝送される。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力変換器であって、電源に接続されるように構成された直流（ＤＣ）バスと、
両方とも前記ＤＣバスに接続され、非絶縁出力にパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を生成する、第１のスイッチングブリッジ及び第２のスイッチングブリッジと、
前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジの前記出力の間に接続された一次巻線を有し、及び絶縁出力に接続された二次巻線を有する、変圧器と、
を備え、
非絶縁モードでは、前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジは、並列モードで動作するように構成され、電力は前記ＤＣバスと前記非絶縁出力の間で伝送され、
絶縁モードでは、前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジは、フルブリッジモードで動作するように構成され、電力は前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で伝送される、
電力変換器。
【請求項2】
少なくとも２つの異なる動作モードに従って、ＰＷＭ同期及び位相シフトを用いて、前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジを動作させる制御部を備え、前記非絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作し、前記ＰＷＭスイッチング信号は前記２つのブリッジ間で位相が同期され、従って、電力は前記ＤＣバスと前記非絶縁出力の間で伝送され、
前記絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作し、前記ＰＷＭスイッチング信号は前記２つのブリッジ間で位相がずれており、従って、電力は前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で伝送される、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項3】
１つ以上の追加の断路スイッチが、前記一次側又は前記二次側で、前記絶縁変圧器の巻線と直列に接続され、少なくとも２つの異なる動作モードに従って動作し、前記非絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチは開いたままで、前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作し、前記ＰＷＭスイッチング信号は前記２つのブリッジ間の位相シフト角と同期してインターリーブされ、前記非絶縁出力の間で有効な前記ＰＷＭスイッチング周波数を増加させ、
前記絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチは閉じたままで、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作し、前記ＰＷＭスイッチング信号は前記２つのブリッジ間で位相がずれており、電力は前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で伝送される、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項4】
前記変換器スイッチングブリッジは、２レベル、３レベル、５レベル、又はダイオード中性点クランプ（ＮＰＣ）マルチレベル変換器、アクティブＮＰＣ（ＡＮＰＣ）マルチレベル変換器、フライングコンデンサマルチレベル変換器、又は前記ブリッジ間の任意の異なるマルチレベルトポロジの組み合わせといった任意のマルチレベル変換器トポロジを使用する、請求項１記載の電力変換器。
【請求項5】
前記電力変換器は、３つ、４つ、又はそれ以上の数のスイッチングブリッジを含み、複数の別個の絶縁変圧器に接続されるか、複数の巻線が一緒に結合された同一の絶縁変圧器に接続されるか、又は異なる変圧器構成の混合に接続される、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項6】
絶縁型バッテリ充電システムと統合された非絶縁型ＰＷＭインバータとして更に構成され、主接触器又はスイッチを通じて前記ＤＣバスに接続された多数のバッテリセルを含むバッテリと、
ＤＣ－ＡＣインバータを形成し、非絶縁出力にＰＷＭ電圧を生成するための、２つ以上の対の変換器ブリッジと、
１つ以上の絶縁変圧器であって、各対の変換器ブリッジの前記出力の間に接続された一次巻線を有し、及び前記バッテリを充電するためのＤＣ電圧を生成する任意の種類の電力変換器に接続された二次巻線を有する、１つ以上の絶縁変圧器と、
を含み、
前記非絶縁モードでのインバータ動作中、前記バッテリ主接触器は閉じられており、変換器ブリッジの各対の内で、前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作し、
前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、前記バッテリ主接触器は開かれており、変換器ブリッジの各対の内で、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作する、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項7】
前記ＰＷＭインバータ非絶縁出力は、互いに分離された２組以上のモータ巻線を有するＡＣモータを駆動するための電力を供給し、前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、モータ巻線の同じ組に接続されたスイッチングブリッジ間で追加のＰＷＭゲートスイッチング同期が行われ、従って、モータ巻線の各組は、意図しないモータ循環電流を低減するために、前記モータ端子間の差動電圧がほぼゼロで励起される、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項8】
ＡＣ電源が、ＡＣ－ＤＣ整流器を通じて間接的に前記ＤＣバスに接続され、前記ＡＣ－ＤＣ整流器のハードウェアは、前記整流器が必要とするインダクタとして前記モータ巻線を使用するか否かに関わらず、前記ＡＣ電源から電力を引き出すために、前記インバータスイッチングブリッジの一部又は全部の組を逆電力方向で動作させることによって統合されて、その力率補正機能が実現されている、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項9】
絶縁バッテリ充電システムと統合された非絶縁ＤＣ昇圧変換器として更に構成され、ＤＣ－ＤＣ昇圧変換器として形成された１対以上の変換器ブリッジであって、入力は主接触器スイッチ及び１以上のインダクタを通じてバッテリに接続され、出力は前記ＤＣバスに接続されている、１対以上の変換器ブリッジと、
１以上の絶縁変圧器であって、各対の変換器ブリッジの前記出力の間に接続された一次巻線と、任意の種類の電力変換器に接続された二次巻線とを有し、前記バッテリを充電するためにＤＣ電圧を生成する、１以上の絶縁変圧器と、
を含み、
前記非絶縁モードでのＤＣ昇圧動作中、前記バッテリ主接触器は閉じられており、各対の変換器ブリッジ内で前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作し、
前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、前記バッテリ主接触器は開かれており、各対の変換器ブリッジ内で前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作する、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項10】
前記昇圧インダクタは、一部又は全部が前記絶縁変圧器の設計に組み込まれており、前記バッテリ入力は、前記主接触器を通じて、前記絶縁変圧器の一次巻線の中点に接続され、従って、前記変圧器巻線は、追加の別の（単複の）インダクタの有無に関わらず、結合昇圧インダクタとして使用される、請求項９に記載の電力変換器。
【請求項11】
ＡＣモータを駆動する前記ＤＣバスに接続されたＰＷＭインバータを更に備え、前記ＰＷＭインバータは、ＰＦＣ整流器として逆電力潮流で動作し、ＡＣ電源から電力を引き込み、前記ＡＣモータ巻線を前記整流器に必要なインダクタとして使用するか否かを決定する、請求項９に記載の電力変換器。
【請求項12】
電力変換器を設計する方法であって、直流（ＤＣ）バスに電源を供給するステップと
２つのスイッチングブリッジの対を形成するステップであって、前記ＤＣバスに両方とも接続され、非絶縁出力にパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を生成する、２つのスイッチングブリッジの対を形成するステップと、
前記２つのスイッチングブリッジの前記出力の間に接続される一次巻線と、絶縁出力に接続される二次巻線とを有する変圧器を配置するステップと、
を含み、
非絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジを並列モードで動作させ、前記ＤＣバスと前記非絶縁出力の間で電力が伝送されるステップと、
絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジをフルブリッジモードで動作させ、前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で電力が伝送されるステップと、
を含む、
電力変換器を設計する方法。
【請求項13】
制御部を設計し、少なくとも２つの異なる動作モードに従って前記２つのスイッチングブリッジを動作させるステップを更に含み、前記非絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジを並列モードで動作させ、前記２つのブリッジ間で前記ＰＷＭスイッチング信号を位相で同期させ、前記ＤＣバスと前記非絶縁出力の間で電力が伝送されるステップと、
前記絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジをフルブリッジモードで動作させ、前記２つのブリッジ間の前記ＰＷＭスイッチング信号の位相をずれるようにシフトさせ、前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で電力が伝送されるステップと、
を含む、請求項１２に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項14】
前記一次側又は前記二次側のいずれかにおいて、前記絶縁変圧器の巻線と直列に１以上の追加の断路スイッチを接続するステップを更に含み、前記非絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチを開いたままにし、前記２つのスイッチングブリッジを並列モードで動作させ、前記２つのブリッジ間で前記ＰＷＭスイッチング信号を位相で同期させ、前記非絶縁出力全体で有効な前記ＰＷＭスイッチング周波数が増加するように、前記ＰＷＭ信号を位相シフト角度でインターリーブさせるステップと、
前記絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチを閉じたままにし、前記２つのスイッチングブリッジをフルブリッジモードで動作させ、前記２つのブリッジ間で位相がずれるように前記ＰＷＭゲート信号を位相シフトし、前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で電力が伝送されるステップと、
を含む、請求項１２～１３のいずれか１項に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項15】
２レベル、３レベル、５レベル、又はダイオード中性点クランプ（ＮＰＣ）マルチレベル変換器、アクティブＮＰＣ（ＡＮＰＣ）マルチレベル変換器、フライングキャパシタ・マルチレベル変換器、又は前記ブリッジ間の任意の異なるマルチレベルトポロジの組み合わせといった任意のマルチレベル変換器トポロジを用いて、前記変換器スイッチングブリッジを設計するステップを含む、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項16】
前記電力変換器を３、４、又はそれ以上の数のスイッチングブリッジで構成し、複数の別個の絶縁変圧器に接続するか、複数の巻線が結合された同じ絶縁変圧器に接続するか、異なる変圧器構成の混合に接続する、ステップを含む、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項17】
電気自動車であって、主接触器又はスイッチを通じてＤＣバスに接続されたバッテリと、
ＤＣ－ＡＣインバータを形成し、非絶縁出力にＰＷＭ電圧を生成する２以上の変換器ブリッジの対と、
１以上の絶縁変圧器であって、前記変換器ブリッジの各対の前記出力の間に接続される一次巻線と、前記バッテリを充電するためのＤＣ電圧を生成するための任意の種類の電力変換器に接続される二次巻線とを有する、１以上の絶縁変圧器と、
を備え、
非絶縁モードでのインバータ動作中、前記バッテリ主接触器は閉じており、変換器ブリッジの各対の内で、前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作するように構成され、
絶縁モードでのバッテリ充電動作中、前記バッテリ主接触器は開いており、変換器ブリッジの各対の内で、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作するように構成される、
電気自動車。
【請求項18】
前記ＰＷＭインバータ非絶縁出力は、互いに分離している２以上のモータ巻線の組を有するＡＣモータを駆動するための電力を供給し、前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、モータ巻線の同じ組の間に接続されているスイッチングブリッジ間で追加のＰＷＭゲートスイッチング同期が適用され、従って、モータ巻線の各組は、任意の意図しないモータ循環電流を低減するために、前記モータの端子間の差動電圧がほぼゼロで励起される、請求項１７に記載の電気自動車。
【請求項19】
ＤＣ－ＤＣ昇圧変換器を形成するための１以上の変換器ブリッジの対であって、入力は主接触器スイッチ及び１以上のインダクタを通じてバッテリに接続され、出力はＤＣバスに接続される、１以上の変換器ブリッジの対と、１以上の絶縁変圧器であって、各対の変換器ブリッジの前記出力の間に接続される一次巻線と、前記バッテリを充電するためのＤＣ電圧を生成するための任意の種類の電力変換器に接続される二次巻線とを有する、１以上の絶縁変圧器と、
を備え、
非絶縁モードでのＤＣ昇圧動作中、前記バッテリ主接触器は閉じており、変換器ブリッジの各対内で、前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作するように構成され、
絶縁モードでのバッテリ充電動作中、前記バッテリ主接触器は開いており、変換器ブリッジの各対内で、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作するように構成される、
電気自動車。
【請求項20】
前記昇圧インダクタは、一部又は全部が前記絶縁変圧器の設計に組み込まれており、前記バッテリ入力は、前記主接触器を通じて前記絶縁変圧器一次巻線の中点に接続され、従って、前記変圧器巻線は、追加の別の（単複の）インダクタの有無に関わらず、結合昇圧インダクタとして用いられる、請求項１９に記載の電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、電気自動車で使用される電力変換器などの電力回路の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
再生可能エネルギー産業は近年急速な成長を遂げており、それに伴いパワーエレクトロニクス技術の更なる改良が求められている。例えば、電気自動車（ＥＶ）の普及に伴い、モータ駆動用インバータやバッテリ充電器がＥＶの主要な部品となっている。コスト、効率、寸法、及び重量の継続的な改良に対する要求は、ＥＶのモータ駆動用インバータ及びバッテリ充電器の設計における課題を提起している。
【0003】
ＥＶに搭載されるバッテリパックは、様々な異なる定格の電圧及び容量のものを含む。従って、ＥＶは、広範囲のバッテリ電圧及び電流値で充電するための適切な充電器を必要とし、これは特に、バッテリ充電器製品サプライヤ及び商用急速充電器ステーションにとって大きな課題となっている。
【0004】
バッテリ充電器の電力変換器は、高電圧及び大電流のために潜在的に危険である。ガルバニック絶縁は、電気安全上の危険性を低減し、電力変換器内の部品が故障した場合に、故障の伝播を止めることができる可能性がある。従って、ガルバニック絶縁は、ＩＥＣ、ＩＥＥＥ、ＵＬ、ＳＡＥ等のいくつかの安全規格で要求される場合があり、この必須要件は、オンボードバッテリ充電器（ＯＢＣｓ）と同様に、オフボード充電器にも当てはまる。
【0005】
ＥＶバッテリ充電器は、交流（ＡＣ）電力を直流（ＤＣ）電力に変換するための電気回路を備え、通常２つの段階、即ち、ＡＣ－ＤＣ段階及びＤＣ－ＤＣ段階で設計されている。ＡＣ－ＤＣ段階は、ＡＣ入力電圧（典型的には、ＡＣ商用電源から）をＤＣバス電圧に変換し、ＤＣバス電圧を負荷としてのＤＣ－ＤＣ段階に適した望ましい範囲内になるように調整することである。ＡＣ－ＤＣ段階は、様々な電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタと、複数のダイオード及びアクティブスイッチング装置を採用した力率補正（ＰＦＣ）変換器回路（又は即ち、ＰＦＣ整流器）とを備えることができる。
【0006】
ＥＭＩフィルタは、各種ＥＭＩ規制を満たすために、ＥＶに搭載された他の装置との干渉を引き起こす可能性のある高周波ノイズを低減するために採用される。ＰＦＣ変換器回路は、入力線電流を正弦波かつＡＣ電源の正弦波入力電圧と同位相になるように整形し、回路動作を力率１に保つことができる昇圧ＰＦＣ変換器として実装することができる。一方、ＰＦＣ変換器回路は、その出力を調節してＤＣバス電圧を所定の目標の範囲内に維持し、安定した電力潮流と安全な動作を実現する。
【0007】
ＥＶバッテリ充電器におけるＡＣ－ＤＣ段階に続く段階として、ＤＣ－ＤＣ段階がＤＣバスの出力と複数のバッテリの間に接続される。ＤＣ－ＤＣ段階は通常、１つの一次巻線と二次巻線を有する絶縁変圧器に給電する、高周波スイッチングＤＣ－ＤＣ変換器を備えることができる。二次側には、絶縁変圧器の二次巻線の出力を、ＥＶバッテリを充電するためのＤＣ電圧に調整するための別の整流回路が設けられている。また、ＤＣ－ＤＣ変換器は、バッテリ充電電流を調整し、バッテリの充電状態を維持することができる。
【0008】
バッテリの電力でＥＶ走行用モータを駆動するために、インバータ方式のモータ制御部（ＭＣＵ）が使用されている。インバータは、バッテリのＤＣ電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）ＡＣ出力電圧波形に変換して、モータ巻線電流を必要に応じて調整するものである。その目的は、モータの低速領域で高トルクを生成させ、モータの高速領域でＭＣＵの命令に従って高出力を供給することであり、これは通常、モータとインバータシステムの設計のトレードオフにおいて難題を生じさせる。
【0009】
通常、モータの高トルク出力には、ロータの永久磁石材料をより多く必要とし、これにより最大モータ巻線電流が減少し、従って、モータフレームの寸法が縮小する。しかし、ロータの永久磁石材料が多いということは、誘導逆起電力（ＥＭＦ）がより高くなることを意味する。逆起電力がＤＣバス電圧値に達すると、ＭＣＵはモータに電力供給できなくなり、又はモータを更に高速回転域で駆動することができなくなる。この設計上の問題は、通常、ＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の採用の有無に関わらず、弱め界磁制御によって解決される。
【0010】
弱め界磁制御と呼ばれる技術は、永久磁石の磁束の一部を打ち消し、モータ高速回転域において、逆起電力がＤＣバス電圧値を下回るように下げるために使用される。弱め界磁制御の欠点は、モータ効率が劇的に低下することで、特に深い弱め界磁の場合では数パーセントも低下し、これはＥＶの燃費のために明らかに大きな代償である。更に、インバータは、弱め界磁制御時に大きな無効電流を許容しなければならず、機器の定格やコストが高くなり、更にインバータ効率も低下することになる。
【0011】
ＤＣ－ＤＣ昇圧変換器は、バッテリとインバータに電力を供給するＤＣバスとの間に挿入するために使用することができる。モータが高速で動作する場合、昇圧変換器はＤＣバス電圧を上昇させることができる。その結果、インバータはモータ巻線に高い出力電圧を生成させて逆起電力を克服し、弱め界磁無しで高いモータ速度領域で連続的な電力供給を達成することができる。この昇圧変換器による解決策には追加コストがかかるが、インバータ効率やモータ効率の向上により、インバータ側でそのコストをある程度は相殺することができる。
【0012】
モータ、インバータ、及び車載バッテリ充電器等のパワートレイン部品は、ＥＶの総材料コストのかなりの部分を占めている。一般的なＥＶ用インバータは、モータ駆動によるピーク電力需要があるため、通常６０ｋＷ～２００ｋＷの定格である。車載バッテリ充電器は、コストやスペースの制限のため、６ｋＷ～２２ｋＷ程度の定格である。インバータは絶縁を必要としないが、ＯＢＣ電力段階は変圧器の絶縁を必要とする。従って、絶縁の必要性と定格電力の違いにより、インバータとＯＢＣは、通常それぞれ別々のハードウェアと異なるサブシステムによって具現化されている。
【0013】
更なるコスト削減と小型・軽量化のためには、インバータとＯＢＣシステムを統合し、ＥＶモータ駆動用とバッテリ充電用の間で共通の電力変換器ハードウェアを再利用する可能性を検討することが真に必要である。実際、インバータとＯＢＣの統合については多くの論文が発表されている。しかし、電力変換器トポロジの重要な領域において、インバータとＯＢＣシステムの必要な絶縁とコンパクトな統合を実現するための、適切で実用的な解決策はまだ見つかっていない。
【発明の概要】
【0014】
これら及び他の問題は、複数の出力を有する複数のブリッジ変換器（即ち、マルチブリッジ変換器）の新しい概念を提案する本開示の好ましい実施形態によって、一般に解決又は回避されると考えられ、技術的利点が一般に達成される。マルチブリッジ変換器は典型的には、直流（ＤＣ）バスに接続された２つのスイッチングブリッジを含み、各ブリッジは、非絶縁出力にパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を生成させる。絶縁変圧器は、２つのブリッジ出力の間に接続された一次巻線と、絶縁出力に接続された二次巻線とを備える。同じ変換器ハードウェアを使用して、異なるＰＷＭ電圧波形を生成させ、非絶縁出力又は絶縁出力にＤＣバス電力を供給するために、異なるゲートタイミング制御が行われるが、両方を同時に供給することはできない。非絶縁モードでは、２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作し、電力はＤＣバスと非絶縁出力の間で伝送される。絶縁モードでは、２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作し、電力は変圧器を通じてＤＣバスと絶縁出力の間で伝送される。
【0015】
非絶縁モードでは、マルチブリッジ変換器ブリッジは、それらのゲートスイッチング信号が位相同期して（即ち、位相シフト無しで）並列モードで動作し、変圧器全体で同じＰＷＭ電圧波形を生成させる。このため、変圧器巻線は意図した有意な差動電圧で励起されず、変圧器全体に有意な電力が供給されることはない。従って、電力は主にＤＣバスから非絶縁出力に伝送され、双方向の電力潮流が可能である。
【0016】
絶縁モードでは、マルチブリッジ変換器ブリッジは、フルブリッジモードで動作するように制御され、それらのゲートスイッチング信号は、位相シフトされて位相がずれているため、変圧器巻線は意図した有意な差動電圧で励起され、電力は主にＤＣバスから変圧器を通じて絶縁出力に伝送され、双方向の電力潮流が可能である。この際、非絶縁負荷への電力潮流を最小化又は停止するよう注意する必要があり、そのためには負荷セグメントの構成に特別な配置が必要になる場合がある。いずれにせよ、同じハードウェアを使用することで、マルチブリッジ変換器は異なるゲートタイミング制御下で、非絶縁出力と絶縁出力に電力を伝送することができる。
【0017】
一般に、複数のスイッチングブリッジを並列に動作させる場合、同期したＰＷＭゲートスイッチング信号において、ブリッジ間の位相シフトを伴うインターリーブ動作が行われることは周知である。その利点は、実効ＰＷＭスイッチング周波数が高くなること、出力電圧及び電流のスイッチングリップルが小さくなること、ＥＭＩノイズスペクトルが潜在的に小さくなること等である。提案するマルチブリッジ変換器でインターリーブＰＷＭ動作を実現するために、一次側又は二次側の変圧器巻線に直列に断路スイッチを追加接続する。ＤＣバスと非絶縁出力間で電力が伝送される非絶縁動作モードでは、変圧器の断路スイッチが開かれ、ブリッジのＰＷＭスイッチングは、位相シフト角で同期してインターリーブされる。絶縁動作モードでは、変圧器の断路スイッチが閉じられ、２つのブリッジはフルブリッジモードで動作するように制御され、ＰＷＭスイッチング信号は、２つのブリッジ間で位相シフトされて位相がずれており、電力は変圧器を通じてＤＣバスと絶縁出力の間で伝送される。
【0018】
本開示の同じ考えの下、マルチブリッジ変換器のスイッチングブリッジは、２レベル、３レベル、５レベル、又はダイオード中性点クランプ（ＮＰＣ）マルチレベル変換器、アクティブ中性点クランプ（ＡＮＰＣ）マルチレベル変換器、フライングキャパシタ・マルチレベル変換器、又はブリッジ間の任意の異なるマルチレベルトポロジの組み合わせといった任意のマルチレベル変換器トポロジを使用することが可能である。
【0019】
同様に、マルチブリッジ変換器は、複数の別個の絶縁変圧器に接続されるか、複数の巻線が結合された同じ絶縁変圧器に接続されるか、又は異なる変圧器設計の混合物に接続される、３、４、又は任意のより多くのスイッチングブリッジを含むことができるという例が本開示において示される。
【0020】
本開示の様々な実施形態による例示的な回路として、マルチブリッジ変換器は、統合ＥＶモータ駆動用及び車載充電システム用の三相ＰＷＭインバータとして構成され、ＤＣ主接触器又はスイッチを通じてＤＣバスに接続された、多数のバッテリセルから成るバッテリパックと、ＡＣモータを駆動する非絶縁出力のためのＤＣ－ＡＣインバータ動作を形成する３つのマルチブリッジ変換器と、変換器ブリッジ出力に接続された一次コイル及びバッテリパックを充電するためのＤＣ電源を出力する、任意の種類の整流器に接続された二次コイルを有する絶縁変圧器とを備える。電源は、ＤＣバスに直接接続された外部ＤＣ電源、又はＡＣ－ＤＣ整流器を通じて間接的に接続された外部ＡＣ電源のいずれかからＤＣバスに接続される。
【0021】
制御部は、三相マルチブリッジ変換器をＰＷＭ同期と位相シフトを行いながら動作させる。非絶縁モードでのインバータ駆動動作中、バッテリ接触器が閉じられ、外部電源が差し込まれていないとき、各マルチブリッジ変換器内で、２つのスイッチングブリッジが並列モードで動作し、電力はＤＣバスと非絶縁出力の間で伝送される。絶縁動作モードでのバッテリ充電動作中、外部電源が接続され、バッテリ接触器が開いている間、各マルチブリッジ変換器内で２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作し、主に変圧器を通じてＤＣバスと絶縁出力の間で電力が伝送される。
【0022】
ここでＥＶモータは、２組のモータ巻線が互いに分離されている二重巻線モータ、又は二分割巻線ＡＣモータである必要がある。モータ巻線の各組は、Ｙ字型構成として見られることが最も多い。絶縁動作モードでのバッテリ充電動作中、同じ組のモータ位相巻線に接続されたそれらのスイッチングブリッジの間で、追加のゲートスイッチング同期が適用され、従って、モータ巻線の各組は、意図しないモータ循環電流を低減するために、モータ端子間の差動電圧がほぼゼロで励起される。
【0023】
本開示の様々な実施形態による例示的な回路として、マルチブリッジ変換器は、統合ＥＶ駆動用及び車載充電システム用のＤＣ－ＤＣ昇圧変換器として構成される。この装置は、ＥＶ駆動インバータとＡＣモータに給電するＤＣバスに出力するＤＣ－ＤＣ昇圧変換器として形成された２つのスイッチングブリッジと、変換器ブリッジ出力の間に接続された一次巻線、及びバッテリパックを充電するＤＣ電力を出力するための整流器に接続された二次巻線を有する絶縁変圧器と、同じバッテリパックがＤＣ接触器、次に昇圧インダクタ、そして変換器ブリッジの中点出力に接続されており、更に電力変換器を通じて直接的又は間接的にＤＣバスに接続される電源とを備える。
【0024】
制御部は、ＰＷＭ同期と位相シフトを行いながら、マルチブリッジ変換器を動作させる。非絶縁動作モードでのＥＶ駆動昇圧動作中、バッテリ接触器は閉じられ、外部電源は差し込まれておらず、各マルチブリッジ変換器内では、２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作し、バッテリからＤＣバスへ双方向に電力が伝送される。絶縁動作モードでのバッテリ充電動作中、バッテリ接触器は開かれ、外部ＡＣ電源は接続されている。各マルチブリッジ変換器内では、２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作し、変圧器を通じてＤＣバスと絶縁出力の間で電力が伝送される。
【0025】
更にコストを削減するために、昇圧インダクタの一部又は全部を、絶縁変圧器の磁気設計に組み込むことができ、主接触器を通じて、バッテリ入力は絶縁変圧器の一次巻線の中点に接続されるため、追加の別個のインダクタの有無に関わらず、変圧器巻線は結合昇圧インダクタとして使用される。
【0026】
本開示の様々な実施形態によれば、ＡＣ－ＤＣ変換器（即ち、ＰＦＣ整流器）は、完全に追加のハードウェア一式ではなく、むしろ整流器ハードウェア及び力率補正機能は、ＰＦＣ整流器が必要とするインダクタとしてモータ巻線を使用するかどうかに関わらず、ＡＣ電源から電力を引き出すために、インバータブリッジの一部又は全部を逆電力方向で動作させて統合し、実現することができる。
【0027】
任意で、前述の形態のいずれかにおいて、マルチブリッジ変換器にわたる複数の絶縁変圧器は、別個の変圧器であってもよく、又は同じコア構成上に結合された複数の一次巻線と共通の二次巻線を有する統合変圧器であってもよい。
【0028】
任意で、前述の形態のいずれかにおいて、ＡＣモータは、別個の電機子巻線の複数の組を有してもよく、各巻線の組は、マルチブリッジ変換器の別個のインバータ位相出力によって供給される。この別個の巻線構成は、コモンモード電圧に起因するモータ巻線における潜在的な循環電流を回避する。
【0029】
任意で、前述の形態のいずれかにおいて、マルチブリッジ変換器は、複数の別個のＡＣモータを駆動させてもよく、各モータは、マルチブリッジ変換器の別々のインバータ位相出力によって供給される。
【0030】
簡略化された形態において、上記は、以下に続く本開示の詳細な説明がより良く理解されるように、本開示の特徴及び技術的利点をむしろ大まかに概説した。以下、本開示の特許請求の範囲の主題を形成する本開示の追加の特徴及び利点が説明される。開示された着想及び特定の実施形態は、本開示の同じ目的を遂行するための他の構成又は工程を、修正又は設計するための基礎として容易に利用され得ることが、当業者によって理解されるべきである。また、そのような等価な構成は、添付の特許請求の範囲に規定される本開示の精神及び範囲から逸脱しないことも、当業者によって理解されるべきである。
【0031】
例えば本開示では、非絶縁動作モードにおいて、マルチブリッジ変換器はＤＣ－ＡＣインバータ及びＤＣ－ＤＣ昇圧回路として構成されることが示されている。一方、非絶縁動作モードにおいて、マルチブリッジ変換器はＤＣ－ＤＣ降圧回路を形成するように構成されていることは、ここでは示されていない。実際、マルチブリッジ変換器をＤＣ－ＤＣ降圧回路で構成する方が遥かに容易であり、それは本開示で教示するのと同じ概念及び正確な着想の下にあるものである。
【0032】
別の例として、より多くの機能とより良い性能を可能にするために、一次側又は二次側の絶縁変圧器巻線と直列に断路スイッチを示している。同様に、断路スイッチをマルチブリッジ変換器の非絶縁出力と直列に接続することができ、これにより意図しない電力損失を低減することができ、又は単に制御を容易にすることができる。しかし、回路の任意の場所に断路スイッチを追加するような変更は、添付の特許請求の範囲に規定される本開示の精神及び範囲から逸脱するものではない。
【0033】
別の例として、本開示で例示した絶縁型ＤＣ－ＤＣ充電回路は、主にフルブリッジ位相シフト変換器、ＬＬＣ変換器、又はデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）変換器である。他の絶縁型ＤＣ－ＤＣトポロジ又は異なるトポロジの組み合わせも、マルチブリッジ変換器回路の実装に適用可能であり、十分に適していることを理解されたい。そして、他の異なるＤＣ－ＤＣトポロジを使用するそのような修正は、添付の特許請求の範囲に規定される本開示の精神及び範囲から逸脱することはない。
【図面の簡単な説明】
【0034】
本開示の実施形態は、例として説明され、添付の図によって限定されることはない。
【0035】
【図1A】本開示の様々な実施形態による、マルチブリッジ変換器の回路例とその動作波形を示す図である。
【図1B】本開示の様々な実施形態による、マルチブリッジ変換器の回路例とその動作波形を示す図である。
【図1C】本開示の様々な実施形態による、マルチブリッジ変換器の回路例とその動作波形を示す図である。
【図1D】本開示の様々な実施形態による、マルチブリッジ変換器の回路例とその動作波形を示す図である。
【図2A】本開示の様々な実施形態による、追加の変圧器断路スイッチを有するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図2B】本開示の様々な実施形態による、追加の変圧器断路スイッチを有するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図2C】本開示の様々な実施形態による、追加の変圧器断路スイッチを有するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図2D】本開示の様々な実施形態による、追加の変圧器断路スイッチを有するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図3A】本開示の様々な実施形態による、３レベルブリッジトポロジを使用するマルチブリッジ変換器の回路例とその動作波形を示す図である。
【図3B】本開示の様々な実施形態による、３レベルブリッジトポロジを使用するマルチブリッジ変換器の回路例とその動作波形を示す図である。
【図3C】本開示の様々な実施形態による、３レベルブリッジトポロジを使用するマルチブリッジ変換器の回路例とその動作波形を示す図である。
【図4A】本開示の様々な実施形態による、３つのスイッチングブリッジを使用するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図4B】本開示の様々な実施形態による、３つのスイッチングブリッジを使用するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図4C】本開示の様々な実施形態による、３つのスイッチングブリッジを使用するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図4D】本開示の様々な実施形態による、３つのスイッチングブリッジを使用するマルチブリッジ変換器の２つの回路例とその動作波形を示す図である。
【図5A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの単相インバータの回路例を示す図である。
【図6A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの回路例を示す図である。
【図6D】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図6E】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図7A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図7B】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図8A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図8B】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図8C】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図8D】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図9A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合された２つのモータを駆動するマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図9B】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合された２つのモータを駆動するマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータの別の回路例を示す図である。
【図10A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の回路例を示す図である。
【図11A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の回路例を示す図である。
【図12】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の回路例を示す図である。
【図13】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の回路例を示す図である。
【図14】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の回路例を示す図である。
【図15A】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の回路例を示す図である。
【図15B】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の回路例を示す図である。
【図15C】本開示の様々な実施形態による、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の回路例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0036】
次に、本開示を、一般に、例えば電気自動車で使用され得る電力回路に関する図を参照して説明する。例えば、ここで説明する回路は、外部電源からバッテリを充電するため、及びバッテリを使用して電気モータを駆動するための電力を制御するため、使用され得る。
【0037】
ＥＶ電源システムは、部品の寸法、重量、及び変換器効率に敏感である。従来の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いた主流の電力変換器設計は、その性能限界に達し、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴトランジスタ等の新世代の電力デバイスが効率、寸法、及び重量上の利点から採用されてきている。また、モータ駆動とバッテリ充電のような異なる機能を実行するために、共有ハードウェア回路を使用することは効率的であり、コストを節約することができる。モータ駆動とバッテリ充電システムを統合することは、コストと寸法においてさらなる利点を提供することができる。
【0038】
一般に、ＥＶは、少なくとも２つの異なる電力源、例えば、充電ステーションからのＤＣ電力と、商用ＡＣ電力網からのＡＣ電力とからバッテリを充電できることが望ましい。従って、ＥＶ車載電源システムは、駆動モード又は牽引モード中に、ＥＶモータを動作させるインバータ回路に加えて、ＤＣ及びＡＣの両方の充電回路を含むことができる。
【0039】
ＥＶのバッテリの充電は、車載充電回路の使用を含むことができる。バッテリからの電力を、電気自動車を推進するために、インバータを通じて１つ以上の電気モータに電力を供給するために使用することができる。場合によっては、特定の部品をこれらの回路で共有し、コストを削減し、効率を促進することができる。高度な高周波回路トポロジを用いて、車載充電回路とインバータ回路を統合し、車載充電器とインバータの間で共通の電力変換段（例えば、電力ブリッジ）を使用すると、ＥＶ電力システム全体的なコスト、寸法、及び重量を削減することができる。しかし、統合による解決策は、異なる電力定格、絶縁要件、及び広い電圧範囲によってもたらされる技術的な課題に対処する必要がある。
【0040】
本開示の本実施形態は、多くの異なる形態で実施され得ること、及び特許請求の範囲は、本明細書に示される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではないことが理解される。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全なものとなり、当業者に発明的実施形態の概念を完全に伝えるように提供される。実際、本開示は、これらの実施形態の代替物、修正物、及び等価物を網羅することを意図しており、これらは、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の範囲及び精神の範囲内に含まれるものである。更に、本開示の実施形態の以下の詳細な説明では、徹底的な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載されている。しかし、当業者にとって、本開示の実施形態はそのような具体的な詳細なしに実施され得ることは明らかであろう。
【0041】
図１Ａは、ＤＣバス１３０に接続され、Ａ相ブリッジ１１１の出力（即ち、ポートＡ）とＢ相ブリッジ１１２の出力（即ち、ポートＢ）との間に接続された一次巻線を有する絶縁変圧器１２０と結合されたマルチブリッジ１１０（２つのスイッチングブリッジ、即ち、Ａ相ブリッジ１１１及びＢ相ブリッジ１１２から構成されるが、種々の実施形態において所望のように２つ以上のスイッチングブリッジから構成され得る）を含む、マルチブリッジ変換器１００の概念図である。制御部１４０が異なるＰＷＭゲート制御信号を生成してマルチブリッジ変換器１００に供給することで、マルチブリッジ変換器１００は、（ｉ）２つのスイッチングブリッジが並列モードで動作し、ＤＣバス１３０から非絶縁ポートＡ及びＢに電力が供給される非絶縁動作モード、及び（ｉｉ）２つのスイッチングブリッジがフルブリッジモードで動作し、ＤＣバス１３０から絶縁変圧器１２０を通じて絶縁ポートＥ及びＦに電力が供給される絶縁動作モード、という少なくとも２つの異なるモードで動作させることができる。一般に、マルチブリッジ変換器１００は、ＤＣ－ＤＣ又はＤＣ－ＡＣインバータシステムで使用することができる。
【0042】
図１Ｂは、マルチブリッジ変換器１００の非絶縁動作モードに対するスイッチング波形の一例を示す図である。簡略化のため、各ブリッジのＰＷＭ信号におけるすべてのデッドタイムは無視されており、それは本開示全体における他のすべての例示的な波形についても同様である。２つのスイッチングブリッジ１１１、１１２は、変圧器１２０の一次巻線の間で位相シフトの無い同じＰＷＭ電圧波形を生成するために、ゲートオンオフ信号において同期され、従って、変圧器１２０の一次巻線は、いかなる有意な差動電圧（即ち、ポートＡとポートＢとの間の電圧を表す電圧ＶAB）でも励起されず、電力は主にＤＣバスから、双方向電力潮流の能力を有する非絶縁ポートＡ及びＢに伝送される。非絶縁動作モードにおけるスイッチングの規則は、Ａ相ブリッジ１１１とＢ相ブリッジ１１２の位相が完全に同期し、Ａ相ブリッジ１１１のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２（ＩＧＢＴ、シリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴ等）が、Ｂ相ブリッジ１１２のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４（ＩＧＢＴ、シリコンＭＯＳＦＥＴ、シリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴ等）と同じゲート信号でオン・オフされることである。つまり、Ａ相ブリッジ１１１とＢ相ブリッジ１１２は、同一のＰＷＭゲート信号によって制御されているため、通常は完全に同期して動作する。そして、共通のＰＷＭゲート信号は、通常、変換器１００のデューティサイクル制御又はスペースベクトル変調の観点から、多変数の入出力閉ループ規則によって生成される。その結果、変圧器１２０の一次巻線は、Ａ相ブリッジ１１１からの電圧ＶAとＢ相ブリッジ１１２からの電圧ＶBとの同一の電圧波形によって励起され、従って、変圧器１２０の二次巻線にかかる電圧ＶEFは平坦になり、理想的には「０」電圧に位置することになる。そのため、電力はＤＣバス１３０から非絶縁ポートＡ及びＢに供給されるが、絶縁ポートＥ及びＦには供給されない。完全でないゲート信号同期を伴うこの非絶縁動作モードでは、Ａ相ブリッジ１１１及びＢ相ブリッジ１１２のスイッチングデバイスが同じタイミングでオン及びオフにならない場合があり、短い電圧パルス又はグリッチが変圧器１２０の二次ポートＥ及びＦに見られる場合があるが、それらの短いパルスは全電力潮流の重要な部分を供給しないという事実のために許容し得ることに注意されたい。
【0043】
図１Ｃは、マルチブリッジ変換器１００の絶縁動作モードに対するスイッチング波形の一例を示す図である。このモードでは、２つのスイッチングブリッジ１１１及び１１２は、フルブリッジモードで動作し、ＰＷＭスイッチング信号は、１８０°で位相シフトされ、２つのブリッジ間で正確に逆位相であり、従って、変圧器１２０の巻線は、意図した有意な差動電圧で励起され、電力は主にＤＣバス１３０から変圧器１２０を通じて絶縁出力（即ち、絶縁ポートＥ及びＦ）へ、双方向電力潮流の能力を有して供給される。Ａ相ブリッジ１１１及びＢ相ブリッジ１１２は位相がずれており、同じゲートタイミング信号でオン・オフされることはない。実際には、２つのブリッジ１１１、１１２は逆位相で動作させることができ、Ａ相ブリッジ１１１のスイッチングデバイスＳ１とＢ相ブリッジ１１２のスイッチングデバイスＳ４は、典型的には同時にオンされて、Ａ相ブリッジ１１１のスイッチングデバイスＳ２とＢ相ブリッジ１１２のスイッチングデバイスＳ３は、典型的には同時にオンされ、意図した位相シフトが行われないようになっている。その結果、変圧器１２０の絶縁ポートＥ及びＦは、方形波又は同様の波形を生成し、従って、電力は主にＤＣバス１３０から絶縁ポートＥ及びＦに伝送される。この絶縁動作モードでは、非絶縁ポートＡ及びＢへの電力潮流を最小限にすることが目的であり、その目的を達成するために、非絶縁ポートＡ及びＢに接続される負荷配線、又は負荷構成について何らかの注意、又は特別な手配が必要となる場合があることは注目すべきことである。
【0044】
図１Ｄは、マルチブリッジ変換器１００の絶縁動作モードに対するスイッチング波形の他の例を示す図である。ここでは、２つのスイッチングブリッジは、２つの位相ブリッジ間のＰＷＭスイッチング信号（即ち、Ｓ１／Ｓ２対Ｓ３／Ｓ４）の意図された位相シフトを有するフルブリッジモードで動作する。簡略化のため、各ブリッジのＰＷＭ信号におけるデッドタイムは無視されている。その結果、変圧器一次巻線ＶABにかかるＰＷＭ電圧出力は、バイポーラ波形、即ち、正と負のＤＣバス電圧を交互に持ち、中間にはゼロ電圧の遷移を持つ波形となる。そして、同じバイポーラ波形が、寄生効果をすべて無視した変圧器二次巻線電圧ＶEFに現れる。実際、正負の電圧波形のアクティブデューティサイクルやパルス幅は位相シフト角に依存する。従って、２つのブリッジのＰＷＭゲート信号間のこの位相シフト角を調整することで、変圧器を通じて絶縁負荷に流れる電力を調整することができる。詳細なゲートタイミングは、通常、ＰＷＭ、周波数変調、位相シフト制御等、変換器１００の閉ループ調整方法に依存する。実際には、従来のフルブリッジ型位相シフト、又はＬＬＣ変換器のように同じように動作する。
【0045】
図２Ａ乃至図２Ｂは、本開示の様々な実施形態によるマルチブリッジ変換器とその動作波形の一例を示す図である。図２Ａ及び２Ｂの回路は、図１Ａの回路とほぼ同じであるが、マルチブリッジ２１０の出力ポートＡ又はＢと、変圧器２２０を挟んだ絶縁ポートＥ又はＦとの間に、追加の断路スイッチ２５０、即ち、Ｋｃが接続され、この断路スイッチＫｃは図２Ａに示すように一次巻線側、又は図２Ｂの二次巻線側のどちらかで、変圧器と直列になり得る点だけが図１のそれと異なっている。この断路スイッチＫｃの助けを借りて、同期したＰＷＭ信号に位相シフト角を導入し、並列モードの非絶縁動作中にマルチブリッジ変換器２００の２つのブリッジ２１１及び２１２の間でＰＷＭインターリーブ動作を実現することが目的である。この断路スイッチＫｃは、接触器、リレー、半導体デバイススイッチのようなものであれば何でもよい。並列ブリッジＰＷＭインターリーブは、出力端子の実効ＰＷＭ周波数を増加させ、その結果、出力電圧及び電流リップルを低減し、電磁放射（ＥＭＩ）及び可聴ノイズを緩和する可能性があるという利点で周知である。
【0046】
図２Ｃは、マルチブリッジ変換器２００の非絶縁動作モードにおけるＰＷＭインターリーブスイッチング波形の一例を示す図である。このモードでは、断路スイッチＫｃは開いたままであり、従って、絶縁変圧器は回路機能においてアクティブではない。２つのスイッチングブリッジ２１１及び２１２の間に、それらの同期したＰＷＭゲート信号の間に１８０°の位相シフト角がある。このように、負荷出力電圧ＶABにより、実効ＰＷＭスイッチング周波数は２倍となり、ＰＷＭスイッチングリップルは小さくなり、及び負荷等にかかるＥＭＩノイズは小さくなる。
【0047】
図２Ｄは、断路スイッチＫｃが閉じたままのマルチブリッジ変換器２００の絶縁動作モードにおいて、マルチブリッジ変換器２００の回路動作は、フルブリッジモードと同じであり、出力波形は断路スイッチＫｃ無しの図１Ａ乃至図１Ｃの場合と同じであることを示している。要するに、図２Ａ乃至図２Ｄは、図１Ａ乃至図１Ｃと同じ回路概念の下に、ＰＷＭ位相シフトインターリーブに関する追加機能を備え、性能を向上させたものである。
【0048】
図３Ａは、一例としての３レベルマルチブリッジ変換器３００の概念回路図である。ＤＣバス３３０に接続されたマルチブリッジ３１０は、ダイオードＮＰＣ３レベルトポロジを用いた２つのスイッチングブリッジ（即ち、Ａ相ブリッジ３１１及びＢ相ブリッジ３１２）から構成されている。同様に、ＡＮＰＣ、フライングキャパシタ、又はハイブリッドマルチレベル変換器等の他のマルチレベルトポロジにも同じ概念を適用することができる。絶縁変圧器３２０の一次巻線は、Ａ相ブリッジ３１１の出力及びＢ相ブリッジ３１２の出力、即ち、ポートＡ及びＢの間に接続される。変圧器３２０の二次巻線は、ポートＥ及びＦに絶縁出力を供給する。制御部３４０が異なるＰＷＭゲート信号を生成することによって、３レベルマルチブリッジ変換器３００は、（ｉ）２つのスイッチングブリッジが並列モードで動作し、ＰＷＭスイッチング信号が２つのブリッジ間で位相同期し、電力がＤＣバス３３０から非絶縁ポートＡ及びＢに供給される非絶縁動作モード、及び（ｉｉ）２つのスイッチングブリッジがフルブリッジモードで動作し、ＰＷＭスイッチング信号が２つのブリッジ間で位相シフトして位相がずれ、従って、電力が絶縁変圧器３２０を通じてＤＣバス３３０から絶縁ポートＥ及びＦに供給される絶縁動作モード、を含む少なくとも２つの異なるモードで動作させることができる。３レベルマルチブリッジ変換器３００は、ＤＣ－ＤＣ又はＤＣ－ＡＣインバータシステムで使用することができる。
【0049】
図３Ｂは、マルチブリッジ変換器３００の非絶縁動作モードにおけるスイッチング波形の一例を示す図である。非絶縁動作モードにおけるスイッチングの規則は、Ａ相ブリッジ３１１及びＢ相ブリッジ３１２が位相的に完全に同期し、同じＰＷＭゲート信号で完全に並列に動作することである。その結果、変圧器３２０の一次巻線は、ポートＡ及びポートＢからの同じ電圧波形によって励起されるため、変圧器３２０の二次巻線は、「０」電圧に留まることになる。そのため、電力は主にＤＣバス３３０から非絶縁ポートＡ及びＢに供給されるが、絶縁ポートＥ及びＦには供給されない。なお、このゲート信号同期が完全でない非絶縁動作モードでは、Ａ相ブリッジ３１１のスイッチングデバイスＳ１乃至Ｓ４及びＢ相ブリッジ３１２のスイッチングデバイスＳ５乃至Ｓ８が、全く同じタイミングでオン・オフしない場合があり、変圧器３２０の二次ポートＥ及びＦに短い電圧パルス又はグリッジが見られることがある。しかし、そのような短い電圧パルスは全電力潮流の重要な部分を供給しないという事実のために許容し得る。
【0050】
図３Ｃは、マルチブリッジ変換器３００の絶縁動作モードにおけるスイッチング波形の一例を示す図である。このモードでは、Ａ相ブリッジ３１１及びＢ相ブリッジ３１２は位相がずれており、同じゲートタイミング信号でオン・オフされない。その結果、変圧器３２０の絶縁ポートＥ及びＦは、多段階の矩形形状の波形又は同様の波形を生成し、従って、電力は主にＤＣバス３３０から絶縁ポートＥ及びＦに供給される。実際、２つのブリッジ３１１及び３１２は、従来の３レベルフルブリッジ位相シフト又はＬＬＣ変換器のように動作される。詳細なゲートタイミングは、通常、ＰＷＭ、周波数変調、位相シフト制御等の変換器３００の閉ループ調整方法に依存する。この絶縁動作モードでは、非絶縁ポートＡ及びＢに流れる電力を最小限にすることが目的であり、その目的を達成するために、非絶縁ポートＡ及びＢに接続される負荷構成に何らかの特別な取り決めが必要となる場合があることに注目されたい。
【0051】
図４Ａは、２つの別個の絶縁変圧器４２０及び４２１に接続された３ブリッジマルチブリッジ変換器４１０の概念回路図を示す。ＤＣバスに接続された３つのスイッチングブリッジ、即ち、出力ポートＡを有するＡ相ブリッジ４１１、出力ポートＢを有するＢ相ブリッジ４１２、及び出力ポートＣを有するＣ相ブリッジ４１３がある。絶縁変圧器４２０の一次巻線は、ポートＡ及びポートＢの間に接続され、絶縁変圧器４２１の一次巻線は、ポートＣ及びポートＢの間に接続されている。２つの変圧器４２０及び４２１の二次巻線は、ポートＥ及びＦと、ポートＧ及びＨにそれぞれ絶縁出力を供給する。複数の変圧器巻線の極性は、以下に図示するスイッチング波形と一致させるために、図示するように同じように配置される必要があることに留意されたい。
【0052】
図４Ｂは、１つの集積変圧器４２２に接続された３ブリッジマルチブリッジ変換器４１０の概念図を示す。図４Ａ及び図４Ｂの唯一の違いは絶縁変圧器にあるが、図４Ａ及び図４Ｂの絶縁変圧器はいずれも基本的に同じように動作する。注目すべきは、以下に図示するスイッチング波形を一致させるために、複数の変圧器巻線の極性を図示のように同じように配置する必要があることである。
【0053】
図４Ｃは、図４Ａの回路の非絶縁動作モードにおけるスイッチング波形の一例を示す図である。非絶縁動作モードにおけるスイッチングの規則は、Ａ相ブリッジ４１１、Ｂ相ブリッジ４１２、Ｃ相ブリッジ４１３が完全に同期して、同じＰＷＭゲート信号で完全に並列に動作することである。その結果、ポートＡ、Ｂの電圧ＶA、ＶB、及びポートＣ、Ｂの電圧ＶC、ＶBに接続された２つの変圧器４２０、４２１の一次巻線は、同じ電圧波形で励磁され、従って、変圧器４２０の二次巻線の絶縁ポートＥ、Ｆでの出力電圧ＶEF、及び変圧器４２１の二次巻線の絶縁ポートＧ、Ｈでの出力電圧ＶGHは、電圧「０」で静止する。そのため、電力は主にＤＣバスから非絶縁ポートＡ及びＢと、非絶縁ポートＣ及びＢに供給されるが、絶縁ポートＥ及びＦ、又はポートＧ及びＨには供給されない。このようにゲート信号の同期が完全でない非絶縁動作モードでは、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相ブリッジが同じタイミングでオン・オフせず、変圧器４２０、４２１のポートＥ、Ｆ、及びポートＧ、Ｈに短い電圧パルスやグリッチが見られる場合があることに注意されたい。しかし、それらの短い電圧パルスは全電力潮流の重要な部分を供給しないという事実のために許容し得る。
【0054】
図４Ｄは、図４Ａの回路の絶縁動作モードにおけるスイッチング波形の一例を示す図である。このモードでは、Ａ相ブリッジ４１１とＢ相ブリッジ４１２は位相がずれており、同じゲートタイミング信号でオン・オフされることはない。同時に、Ｃ相ブリッジ４１３及びＢ相ブリッジ４１２もまた、位相がずれている。その結果、変圧器４２０、４２１の絶縁ポートＥ、Ｆ、及び絶縁ポートＧ、Ｈに方形波等が生成し、従って、電力は主にＤＣバスから絶縁ポートＥ、Ｆ、及び絶縁ポートＧ、Ｈに伝送される。実際、３つのブリッジ４１１、４１２、４１３は、従来のフルブリッジ位相シフト、又はＬＬＣ変換器とほぼ同様に動作する。詳細なゲートタイミングは、通常、ＰＷＭ、周波数変調、位相シフト制御等の変換器の閉ループ調整方法に依存する。この絶縁動作モードでは、非絶縁ポートＡ、Ｂ、Ｃに流れる電力を最小限にすることが目的であり、その目的を達成するために、非絶縁ポートＡ、Ｂ、Ｃに接続される負荷配線や負荷構成に何らかの特別な配置が必要となる場合があることに注目されたい。
【0055】
図５Ａは、バッテリ充電システムと統合されたマルチブリッジ変換器ベースの単相インバータの実施形態を示す図である。ＤＣバスに接続された２つのマルチブリッジ５１０及び５２０があり、各マルチブリッジ５１０又は５２０は、２つのスイッチングブリッジを有する。マルチブリッジ５１０は、１Ａ相ブリッジ及び１Ｂ相ブリッジを含み、マルチブリッジ５２０は、２Ａ相ブリッジ及び２Ｂ相ブリッジを含む。２つのマルチブリッジ５１０及び５２０は、１Ａ相ブリッジのポート１Ａと２Ａ相ブリッジのポート２Ａとで非絶縁単相出力を形成し、１Ｂ相ブリッジのポート１Ｂと２Ｂ相ブリッジのポート２Ｂとで並列単相の非絶縁出力を形成する。マルチブリッジ５１０、５２０は、それぞれ絶縁変圧器５３０、５３１に接続されている。電力変換器５５０、５５１は、変圧器５３０、５３１の二次巻線に接続され、整流器として機能し、任意の接触器Ｋ２を通じてバッテリ５７０を充電するためのＤＣ電圧を生成する。また、同じバッテリ５７０は、主接触器Ｋ１を通じてＤＣバスに接続されている。通常、バッテリ５７０は、電気安全及び熱保護のためのバッテリ管理システム（ＢＭＳ）５７０を有する複数のセルの多数のモジュールで満たされている。更に、ＤＣバスと外部ＡＣ電源の間には、ＰＦＣ整流器５８０も接続されている。制御部５９０は、２つの異なる動作モードに従って、マルチブリッジ５１０及び５２０の位相ブリッジのゲートタイミングを制御する。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流機能によって特徴付けられることに留意されたい。
【0056】
図５Ｂは、非絶縁動作モードにおける図５Ａに示す回路の等価アクティブ回路部分を、例示的なスイッチング波形と共に示す図である。この非絶縁動作モードでは、バッテリ５７０はＫ１を閉じた状態でＤＣバスに電力を供給し、マルチブリッジ５１０及び５２０は、単相インバータ出力として並列に接続されたポート１Ａ及び２Ａならびにポート１Ｂ及び２Ｂに、一対の単相出力を供給する。スイッチング波形例に示すように、マルチブリッジ５１０の１Ａ相ブリッジ及び１Ｂ相ブリッジは同じゲートタイミング信号で完全に同期しており、また、マルチブリッジ５２０の２Ａ相ブリッジ及び２Ｂ相ブリッジも同じゲートタイミング信号で完全に同期している。従って、１Ａ相ブリッジ及び１Ｂ相ブリッジは、変圧器５３０の一次巻線の間で同じＰＷＭ電圧波形を生成し、従って、変圧器５３０の二次巻線は、理想的な条件では電力が流れない状態でポートＥ及びＦに「０」電圧ＶEFを有することになる。変圧器５３１についても同様で、その二次巻線は、ポートＧ及びＨにおいて「０」に留まる平坦な電圧ＶGHを生成することになる。なお、このゲート信号の同期が完全でない非絶縁動作モードでは、１Ａ相ブリッジ及び１Ｂ相ブリッジ、ならびに２Ａ相ブリッジ及び２Ｂ相ブリッジが同じタイミングでオン・オフせず、変圧器５３０の二次側ポートＥ、Ｆ、ならびに変圧器５３１の二次側ポートＧ、Ｈで短い電圧パルスやグリッチが見られる場合があることに注意されたい。しかし、それらの短い電圧パルスは全電力潮流の重要な部分を供給しないという事実のために、許容し得る。
【0057】
図５Ｃは、例示的なスイッチング波形を有する絶縁動作モードにおける図５Ａに示された回路の等価アクティブ回路部分を示す図である。このモードでは、ＰＦＣ整流器５８０は、外部ＡＣ電源から電力を引き出すことによってＤＣバスをサポートするために活発に動作している。マルチブリッジ５１０及び５２０は逆相で動作し、従って、絶縁変圧器５３０及び５３１は矩形状の電圧波形で励起され、電力を絶縁変圧器の間で供給され、バッテリ５７０を充電させる。しかし、単相マルチブリッジ５１０又は５２０の非絶縁出力ポート１Ａ及び２Ａ又はポート１Ｂ及び２Ｂは、例示的なスイッチング波形に示されるように、大きな電力潮流を有さない。マルチブリッジ５１０の１Ａ相ブリッジ及びマルチブリッジ５２０の２Ａ相ブリッジは、同じゲートタイミング信号で完全に同期しており、マルチブリッジ５１０の１Ｂ相ブリッジ及びマルチブリッジ５２０の２Ｂ相ブリッジも同様に、完全に同期している。従って、１Ａ相ブリッジ及び２Ａ相ブリッジは同じＰＷＭ電圧波形を生成し、非絶縁ポート１Ａ及び２Ａ間の差動電圧は「０」となる。１Ｂ相ブリッジ及び２Ｂ相ブリッジについても同様で、非絶縁ポート１Ｂ及び２Ｂ間の差動電圧は「０」となる。この絶縁動作モードでは、非絶縁ポート１Ａ、２Ａ、及びポート１Ｂ、２Ｂに流れる電力を最小限にすることが目的であり、その目的を達成するために、非絶縁ポート１Ａ、２Ａ、及びポート１Ｂ、２Ｂに接続される負荷構成にいくつかの特別な配置が必要となる場合があることに注目されたい。
【0058】
図６Ａは、本開示の様々な実施形態によるマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータシステムの例示的な回路図である。複巻ＡＣモータ６６０を駆動するために構成され、バッテリ６７０を充電するために３つの絶縁変圧器６２０、６２１、６２２、及びそれらの整流器６３０、６３１、６３２と結合されている３つのマルチブリッジ変換器６１０、６１１、６１２がある。ＤＣバスと外部ＡＣ電源の間には、ＰＦＣ整流器６４０とＥＭＩフィルタ６５０が接続されている。また、充電用の外部ＤＣ電源のプラグポートが設けられている。制御部６８０により、バッテリ充電とインバータモータ駆動の機能を効率的に実行できるＥＶ車載用集積回路の例を図６Ａに示す。主電源部品（即ち、同じマルチブリッジ６１０、６１１、６１２のハードウェア）を、バッテリ充電モードと駆動モードとの間で共有することにより、回路の部品コスト、寸法、及び重量が削減される。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が可能な、双方向の電力潮流機能によって特徴付けられる。また、断路器Ｋｃ１、Ｋｃ２、Ｋｃ３は、それぞれ変圧器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の一次巻線に直列に接続されている。そして、並列モードでの非絶縁動作時には、これらの断路スイッチにより、マルチブリッジ変換器はＰＷＭ位相インターリーブで動作し、モータ端子間のＰＷＭ電圧の実効スイッチング周波数を増加させることができる。利点は、モータのトルクリップルや可聴雑音等を低減することを含む。
【0059】
図６Ｂは、図６Ａに示すマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータシステムの、非絶縁動作モードにおけるスイッチング波形の一例を示す図である。この非絶縁動作モード、即ち、モータ駆動モードでは、バッテリ用主接触器スイッチＫ１が閉じられ、３つのマルチブリッジ変換器６１０、６１１、６１２が協働して３相インバータとして機能し、モータ速度及びトルク閉ループ調整に従って、ＰＷＭ又はＳＶＭ（スペースベクタ変調）によりリアルタイムで制御されている。各マルチブリッジ変換器内では、２つの位相ブリッジの対（例えば、１Ａと１Ｂ、２Ａと２Ｂ、３Ａと３Ｂ）は位相が同期しており、常に同じタイミングでゲートをオン・オフすることにより、ＰＷＭ出力電圧（即ち、Ｖ1A＝Ｖ1B、Ｖ2A＝Ｖ2B、Ｖ3A＝Ｖ3B）が同じ波形となるように構成されている。また、断路スイッチ（例えば、Ｋｃ１、Ｋｃ２、Ｋｃ３）が無い場合でも、３つの変圧器一次巻線にかかる差動電圧はほぼ「０」となる。従って、その結果、絶縁変圧器の二次巻線にかかる差動電圧（即ち、電圧ＶEF、ＶGH、ＶJK）も「０」のままとなる。従って、バッテリの電力は、主にその二重巻線を通してモータを駆動するために供給され、３つの絶縁変圧器の間に有意な電力潮流が供給されることはない。
【0060】
図６Ｃは、図６Ａに示すマルチブリッジ変換器ベースの三相インバータシステムの、絶縁動作モードに対するスイッチング波形の一例を示す図である。この絶縁動作モード、即ち、バッテリ充電モードでは、バッテリ用主接触器スイッチＫ１は開かれたままで、各マルチブリッジ変換器６１０、６１１、６１２の位相ブリッジは、同じタイミングでオン・オフされない。実際には、各マルチブリッジは、標準的なＬＬＣ又は位相シフトフルブリッジ変換器のように動作し、ＰＷＭ調整又は周波数変調が、一般的に、バッテリ充電ＤＣ電圧及び充電電流を調整するために使用される。バッテリの充電電力は、ＰＦＣ整流器によってＡＣ電源から供給することもでき、又は外部ＤＣ電源によって供給することもできる。
【0061】
更にここで、図６Ｃにおいて、バッテリ充電モードについて、もう一点重要なことがある。３つのマルチブリッジ変換器６１０、６１１、６１２のＡ相ブリッジ（即ち、１Ａ相ブリッジ、２Ａ相ブリッジ、３Ａ相ブリッジ）はすべて位相が同期しており、これらのＡ相ブリッジの出力電圧（即ち、Ｖ1A＝Ｖ2A＝Ｖ3A）はＰＷＭ波形において同じである。また、３つのマルチブリッジ変換器６１０、６１１、６１２のすべてのＢ相ブリッジの出力電圧（即ち、Ｖ1B＝Ｖ2B＝Ｖ3B）も同じ波形となるのは同様である。その結果、特に２組のモータ二重巻線が互いに分離されていることで、モータ巻線が循環電流を引き起こす可能性のある有意な差動電圧で励起されることはない。
【0062】
図６Ｄは、バッテリ充電システムのための２つの絶縁変圧器を有する三相マルチブリッジインバータの別の実施形態を示す図である。ここでは、３相マルチブリッジインバータの回路において、共振コンデンサＣｒ１及びＣｒ２を有するＬＬＣ変換器を明示的に示している。この回路は、図６Ａの３変圧器型と同様に動作し、バッテリ充電電力容量の定格を低下させた点が唯一の相違点である。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられる。
【0063】
図６Ｅは、バッテリ充電システムのための１つの絶縁変圧器を有する三相マルチブリッジインバータの別の実施形態を示す図である。ここでは、三相マルチブリッジインバータの回路において、共振コンデンサＣｒ１を有するＬＬＣ変換器を明示的に示している。この回路は、図６Ａの３変圧器型や図６Ｄの２変圧器型と同様に動作し、バッテリ充電電力容量の定格を更に下げた点が唯一の相違点である。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられる。
【0064】
先に述べたように、本開示で示したすべての例示的な回路は、共振コンデンサをすべての回路図に明示的に示されていない場合もあるが、ＬＬＣ共振変換器として構成することができる。実際、本開示の実施例を通じて、絶縁型ＤＣ－ＤＣ充電回路は、フルブリッジ位相シフト変換器、ＬＬＣ変換器、又はデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）変換器として図示されている。他の絶縁型ＤＣ－ＤＣトポロジ又は異なるトポロジの組み合わせも適用可能であり、マルチブリッジ変換器回路の実装に十分に適している可能性があることを理解されたい。そして、他の異なるトポロジを用いたそのような変更は、添付の特許請求の範囲に規定される本開示の精神及び範囲から逸脱するものではない。
【0065】
図７Ａは、バッテリ充電システムのための３つの結合された一次巻線を有する１つの絶縁変圧器７２０を使用する三相マルチブリッジインバータの別の実施形態を示す図である。三相マルチブリッジインバータのこの回路は、図６Ａに示される３変圧器型と同様に動作し、その間の唯一の違いは、磁気変圧器の設計に関するものである。あるいは、絶縁変圧器７２０の二次巻線に、バッテリ充電のためにパッシブ整流器７３０を用いることができることが示されており、主な利点は、アクティブスイッチング整流器６３０と比較して低コストであることであろう。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0066】
図７Ｂは、バッテリ充電システムのための２つの結合された一次巻線を有する１つの絶縁変圧器７２１を使用する三相マルチブリッジインバータの別の実施形態を示す図である。三相マルチブリッジインバータのこの回路は、図６Ｄに示される２変圧器型と同様に動作し、その間の唯一の違いは、磁気変圧器の設計に関するものである。あるいは、昇圧ＰＦＣ変換器にウィーン整流器７４１を用いて、外部ＡＣ電源から電力を引き込み、アクティブスイッチングデバイスに対する電圧ストレスと電流を低減することによって、低コスト化という利点を得ることが示されている。
【0067】
図８Ａは、追加のＰＦＣ整流器ハードウェアを有しない三相マルチブリッジインバータの実施形態を示す図である。その代わりに、位相ブリッジ８１２が逆電力潮流で動作する昇圧ＰＦＣ整流器として使用され、モータ８６０の巻線インダクタンスが昇圧インダクタとして使用される。これにより、充電用ハードウェアのコストを更に削減することができる。図８Ａは、バッテリ充電のための２つの絶縁変圧器８２０、８２１、及び２つの整流器８３０、８３１を示している。ＥＶモータ８６０の二重巻線の中性点には、ＥＭＩフィルタ８５０を通じて単相ＡＣ電源が接続されている。ＥＶ駆動モードでは、図８Ａに示す回路は、先の説明と同様に動作し、各マルチブリッジ内では、２つの位相ブリッジが並列モードで動作する。ＰＦＣ整流器を追加していないために、バッテリ充電モード上での違いがある。絶縁動作モードでのバッテリ充電中、各マルチブリッジ内では、２つの位相ブリッジがフルブリッジモードで動作する。更に、フルブリッジモードの各マルチブリッジのＰＷＭデューティサイクルは、力率補正機能のためにＡＣ電圧基準波形によって変調される必要がある。これは基本的に、先天的に単段のＰＦＣ対応絶縁型ＤＣ－ＤＣ変換器の仕組みと同じである。また、ＰＷＭスイッチングリップル上にＡＣ電流の包絡線が乗るため、絶縁変圧器の磁気コアの寸法が大きくなることが欠点である。位相ブリッジ８１０、８１１、８１２がＰＦＣ整流器として動作して、モータ巻線を通して電流を引き出す場合、モータ巻線の循環電流を最小にするために、ＰＷＭゲートタイミングの同期の観点から、一緒に調整する必要がある。また、モータの脈動トルクを抑え、充電中にロータを動かさないようにするための制御部の設計に注意が必要である。なお、インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0068】
図８Ｂは、追加のＰＦＣ整流器ハードウェアを有しない三相マルチブリッジインバータの別の実施形態を示す図である。同様に、位相ブリッジ８１０、８１１、８１２は、逆電力潮流で動作する昇圧ＰＦＣ整流器として使用され、モータ８６０の巻線インダクタンスは、昇圧インダクタとして使用される。ＡＣ電源は、ＥＭＩフィルタ８５０を通じて、モータ８６０の二重巻線の２つの中性点に接続される。図８Ｂは、バッテリ充電システムのための１つの絶縁変圧器８２０を示す図である。絶縁モードでのバッテリ充電中、位相ブリッジ８１０、８１１、８１２は、図８Ａと同様に、単段のＰＦＣ対応ＤＣ－ＤＣ変換器として動作する。また、位相ブリッジ８１０、８１１、８１２のゲートタイミング制御は、モータ巻線の循環電流を最小にするために、位相を同期させる必要がある。モータの脈動トルクを抑え、充電中にロータが動かないようにするための制御部の設計に注意が必要である。なお、その他、この三相マルチブリッジインバータの回路は、基本的に図８Ａの回路と同じように動作する。なお、インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0069】
図８Ｃは、充電に使用される２つの絶縁変圧器８２０及び８２１を有する三相マルチブリッジインバータの実施形態を示す図である。ここでも、追加のＰＦＣ整流器ハードウェアは使用されていない。その代わりに、位相ブリッジ８１２が逆電力潮流で動作する昇圧ＰＦＣ整流器として使用され、２つのインダクタＬａ及びＬｂが昇圧インダクタとして使用される。位相ブリッジ８１０、８１１、８１２によって形成される３つのマルチブリッジ変換器は、複巻モータ８６０の駆動に使用され、２つの絶縁変圧器８２０、８２１、及び２つの整流器８３０、８３１は、バッテリ８７０の充電に使用される。ＥＶモータ８６０の複巻端子３Ａ、３Ｂには、ＥＭＩフィルタ８５０を通じて、単相ＡＣ電源がインダクタＬａ、Ｌｂを通じて接続されている。ＥＶ駆動モードでは、図８Ｃに示す回路は、前述と同様に動作する。絶縁動作モードでのバッテリ充電時には、位相ブリッジ８１２がＰＦＣ整流器として動作して外部ＡＣ電源から電流を引き込み、他の位相ブリッジ８１０、８１１は、モータ８６０の巻線循環電流を最小にするために、ＰＷＭゲートタイミングにおいて位相ブリッジ８１２と合わせる必要がある。理想的には、３つのマルチブリッジ間でゲートタイミングを同期させると、ポート１Ａ、２Ａ、３ＡにおけるＰＷＭ出力電圧は同じになり、モータ８６０のＡ相巻線には循環電流が流れない。同様に、１Ｂ、２Ｂ、３ＢのＰＷＭ出力電圧は同じになるため、モータ８６０のＢ相巻線には循環電流が流れない。従って、バッテリ充電中にモータ８６０のロータが動くことはない。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0070】
図８Ｄは、充電に使用される１つの絶縁変圧器８２０を有する三相マルチブリッジインバータの別の実施形態を示す図である。同様に、ここでは、追加のＰＦＣ整流器ハードウェアは使用されていない。その代わりに、位相ブリッジ８１２が逆電力潮流で動作する昇圧ＰＦＣ整流器として使用され、２つのインダクタＬａ及びＬｂは昇圧インダクタとして使用される。同じ理由で、３つのマルチブリッジのＰＷＭゲートタイミングは同期され、同じＰＷＭ出力電圧が、モータ８６０のＡ相巻線（即ち、ポート１Ａ、２Ａ、３Ａ）、及びＢ相巻線（即ち、ポート１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ）全体に生成される。モータ８６０の巻線端子３Ａ、３Ｂの間にＡＣ電圧が印加されるが、モータ８６０の巻線を通る循環電流は励起されず、従って、バッテリ充電中にモータ８６０のロータは動くことはない。絶縁モードでのバッテリ充電中、位相ブリッジ８１２はＰＦＣ整流器として動作するが、位相ブリッジ８１０、８１１、８１２のＰＷＭゲートタイミングは、充電中にモータが動かないように、モータ巻線の循環電流を最小にするために位相同期させる必要がある。なお、インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0071】
図９Ａは、２つのＡＣモータ９６０、９６１を駆動する３相マルチブリッジインバータの実施形態を示す図である。ここでは、追加のＰＦＣ整流器ハードウェアが使用されていない。その代わりに、位相ブリッジ９１２が、逆電力潮流で動作する昇圧ＰＦＣ整流器として使用され、２つのインダクタＬａ、Ｌｂが、昇圧インダクタとして使用されている。バッテリ９７０を充電するために、２つの絶縁変圧器９２０、９２１、及び２つの整流器９３０、９３１がある。単相ＡＣ電源は、ＥＭＩフィルタ９５０を通じて、インダクタＬａ、Ｌｂを通じてモータ９６０、９６１の巻線端子３Ａ、３Ｂに接続されている。別のインダクタＬｃがＤＣバスの中点に接続され、三相ＡＣ又は分割単相ＡＣとしてＡＣ入力の３線目を形成する。ＥＶ駆動モードでは、図９Ａに示す回路は、前述と同様に動作する。絶縁動作モードでのバッテリ充電中、位相ブリッジ９１２は主にＰＦＣ整流器として動作して外部ＡＣ電源から電流を引き出し、他の位相ブリッジ９１０、９１１は、モータ９６０、９６１の巻線を通る循環電流を最小化するために、ＰＷＭゲートタイミング同期の観点から位相ブリッジ９１２と合わせる必要がある。ここで、再びＡＣ電圧がモータ９６０、９６１の巻線端子３Ａ、３Ｂの間に印加されるが、モータ９６０、９６１の巻線を通る循環電流は励起されず、従って、バッテリ充電中にモータ９６０、９６１のロータが動くことはない。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0072】
図９Ｂは、２つのＡＣモータ９６０、９６１を駆動する三相マルチブリッジインバータの別の実施形態を示す図であり、バッテリ充電のために１つの絶縁変圧器９２０が使用されている。同様に、ここでは、追加のＰＦＣ整流器ハードウェアは使用されていない。その代わりに、位相ブリッジ９１２が、逆電力潮流で動作する昇圧ＰＦＣ整流器として使用され、２つのインダクタＬａ、Ｌｂが、昇圧インダクタとして使用されている。別のインダクタＬｃがＤＣバスの中点に接続され、三相ＡＣ又は分割単相ＡＣとしてＡＣ入力の３線目を形成する。同じ理由で、モータ９６０、９６１の巻線端子３Ａ、３ＢにＡＣ電圧が印加されるが、モータ９６０、９６１の巻線を通る循環電流は励起されず、従って、バッテリ充電中にモータ９６０、９６１が動くことはない。モータ９６０、９６１の巻線を通る循環電流のいかなる高周波部分も最小にするために、位相ブリッジ９１０、９１１、９１２のゲートタイミング制御を調整するために、設計上注意が必要である。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0073】
図１０Ａは、本開示の様々な実施形態によるマルチブリッジベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器及びバッテリ充電システムの回路例を示す図である。２つの位相ブリッジ１０１１、１０１２を有するマルチブリッジ１０１０は、ＡＣ負荷（例えば、ＥＶ走行用のＡＣモータ負荷）をサポートするために、インバータ１０４０を駆動するＤＣバスに対して、バッテリ１０７０のＤＣ電圧をより高い電圧に変換する昇圧変換器として示されている。バッテリ１０７０用の主接触器Ｋ１と、位相ブリッジ１０１１、１０１２の非絶縁出力ポートＡ、Ｂとの間には、２つの昇圧インダクタ１０６０、即ちＬ１、Ｌ２がそれぞれ接続されている。なお、インダクタ１０６０は、結合型インダクタであってもよい。双方向ＰＦＣ整流器１０３０は、充電中に外部ＡＣ電源から電流を引き出してＤＣバスに供給するために設けられている。絶縁変圧器１０２０の一次巻線は、マルチブリッジ１０１０の出力ポートＡ及びＢの間に接続されている。変圧器１０２０の二次巻線のポートＥ及びＦによって形成される出力では、双方向電力変換器１０５０が、変圧器１０２０からのＡＣ電圧をＤＣ電圧に調整し、バッテリ１０７０を充電するために使用されている。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。
【0074】
図１０Ｂは、非絶縁動作モードにおける図１０Ａに示す回路の等価アクティブスイッチング回路を、例示的なスイッチング波形で示す図である。非絶縁モードでのインバータ動作中、バッテリ接触器Ｋ１は閉じられ、外部電源は切り離され、マルチブリッジ１０１０はＤＣ－ＤＣ昇圧変換器として動作する。マルチブリッジ１０１０の位相ブリッジ１０１１、１０１２は、それらのＰＷＭゲートスイッチング信号が同位相に同期して並列モードで動作する。従って、絶縁変圧器１０２０の一次巻線の間で同じＰＷＭ電圧波形が生成され、変圧器巻線は有意な差動電圧で励起されない。そのため、電力潮流は主にインバータ１０４０に供給され、更にＡＣ負荷に供給されるが、一部の変圧器コア損失を除いて、絶縁変圧器１０２０にはあまり電力が流れない。また、短いパルス又は電圧グリッチが、変圧器の二次ポートＥ及びＦで見られる場合があるが、それらの短いパルスは、全電力潮流の重要な部分を供給しないという事実のために許容できる。
【0075】
図１０Ｃは、絶縁動作モードにおける図１０Ａの等価アクティブスイッチング回路を、例示的なスイッチング波形で示す図である。絶縁モードでのバッテリ充電動作中、バッテリ接触器Ｋ１は開いており、外部ＡＣ又はＤＣ電源が接続され、マルチブリッジ１０１０の２つの位相ブリッジ１０１１及び１０１２はフルブリッジモードで動作する。ＰＷＭゲートスイッチング信号は、２つのブリッジ間で位相シフトし、位相がずれている。実際には、２つのブリッジ１０１１及び１０１２は、ＰＷＭ調整、周波数変調、又は位相シフト制御を備えた通常のＬＬＣ又はＤＡＢ変換器として調整することができるため、ＡＣ電源からの電力は主に変圧器１０２０を通じて絶縁出力（即ち、絶縁ポートＥ及びＦ）に供給されることになる。
【0076】
図１０Ｄは、図１０Ａに示す回路に追加された追加スイッチを有する回路の変形例を示す図である。特に、図１０Ｄは、非絶縁動作モードにおける修正された等価アクティブスイッチング回路を、例示的なスイッチング波形と共に示している。図１０Ｄの回路は、マルチブリッジ１０１０の出力と変圧器１０２０の巻線端子の間に変圧器断路スイッチ、即ち、Ｋｃが接続されている点で、図１０Ａの回路とは単に異なる。この断路スイッチＫｃにより、同期したＰＷＭ信号に位相シフト角を導入し、非絶縁動作モード中にスイッチングブリッジ１０１１と１０１２の間でインターリーブ動作を実現することが目的である。この断路スイッチＫｃは、接触器、リレー、又は半導体デバイススイッチ等であれば何でもよい。また、この断路スイッチＫｃは、図１０Ｄに示すように一次巻線側でも、二次巻線側（図示せず）でも、変圧器と直列に配置することができる。並列ブリッジインターリーブは、負荷全体の実効ＰＷＭ周波数を増加させ、従って、負荷電圧及び電流リップルを低減し、潜在的に電磁放射（ＥＭＩ）及び可聴雑音を軽減し得るという利点があることで周知である。
【0077】
図１１Ａは、本開示の様々な実施形態によるマルチブリッジベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器及びバッテリ充電システムの別の例示的な回路を示す図である。図１０Ａに示される先の回路とは異なり、ここでは、バッテリ１１８０、主ＤＣ接触器Ｋ１、インダクタＬ１、及び絶縁変圧器１１２０の一次巻線の中点が直列に接続されている。非絶縁運転モードでのＥＶ駆動動作中、変圧器１１２０の一次巻線は、結合された昇圧インダクタとして使用される。変圧器１１２０のインダクタンスを適切に設計すると、インダクタＬ１が不要になったり、配線やケーブル等の寄生インダクタンスとして表示されたりすることがある。
【0078】
図１１Ｂは、非絶縁動作モードにおける図１１Ａに示す回路の等価アクティブスイッチング回路を、スイッチング波形例で示した図である。非絶縁動作モードでのインバータ動作中、接触器Ｋ１は閉じられ、外部電源は切断され、マルチブリッジ１１１０はＤＣ－ＤＣ昇圧変換器として動作する。図１０Ｂの場合と同様に、２つの位相ブリッジは並列モードで動作し、それらのゲートスイッチング信号は同位相で同期している。従って、同じＰＷＭ電圧波形が変圧器１１２０の一次巻線の間で生成され、変圧器巻線は有意な差動電圧で励起されることはない。そのため、電力潮流は主にインバータ１１５０に、更にＡＣ負荷（例えば、図示のようなＡＣモータ１１６０）に供給されるが、変圧器コア損失及び他の寄生損失を除いて、絶縁変圧器１１２０全体にはあまり供給されない。
【0079】
図１１Ｃは、絶縁動作モードにおける図１１Ａの等価アクティブスイッチング回路を、例示的なスイッチング波形で示す図である。絶縁モードでのバッテリ充電動作中、接触器Ｋ１は開いており、外部ＡＣ又はＤＣ電源が接続されている。図１０Ｃの場合と同様に、マルチブリッジ１１１０の２つの位相ブリッジはフルブリッジモードで動作し、ＰＷＭスイッチング信号は２つのブリッジ間で位相シフトされ位相がずれている。実際には２つの位相ブリッジは、ＰＷＭ調整、周波数変調、又は位相シフト制御を備えた、通常のＬＬＣ又はＤＡＢ変換器として動作させることができるため、変圧器１１２０を通じて、ＤＣバスと絶縁出力（即ち、絶縁ポートＥ及びＦ）の間で電力が伝送される。
【0080】
図１１Ｄは、図１１Ａに示す回路に追加された追加スイッチを有する回路の変形例を示す図である。特に、図１１Ｄは、非絶縁動作モードにおける修正された等価アクティブスイッチング回路を、例示的なスイッチング波形と共に示している。図１１Ｄの回路は、変圧器断路スイッチ、即ち、Ｋｃが変圧器１１２０の二次巻線の出力端子に接続されている点で、図１１Ａの回路とは単に異なる。この断路スイッチＫｃにより、同期したＰＷＭ信号に位相シフト角を導入し、非絶縁昇圧モード中に２つの位相ブリッジ間のインターリーブ動作を実現することが目的である。この断路スイッチＫｃは、接触器、リレー、又は半導体デバイススイッチ等であれば何でもよい。並列ブリッジインターリーブは、負荷上の実効ＰＷＭ周波数を増加させ、従って、負荷電流及び電圧リップルを低減し、潜在的に電磁放射（ＥＭＩ）及び可聴雑音を軽減し得るという利点で周知である。
【0081】
図１２は、本開示の様々な実施形態によるマルチブリッジベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器及びバッテリ充電システムの、別の例示的な回路を示す図である。ＰＷＭインバータ１２３０は、ＡＣ走行用モータ１２４０を駆動するために設けられ、モータ巻線中性点はＡＣ電源に接続され、ＤＣバス中点に基準回帰している。ここで、ＤＣバスの間で接続されているのは倍電圧回路１２６０であり、これは２つのダイオードＤ１及びＤ２、ならびに接触器スイッチＱ２と直列に接続された分割コンデンサＣ１及びＣ２を含む。制御部１２９０が接触器スイッチＱ２を選択的に閉じることにより、電圧倍増機能を有効にすることができる（即ち、スイッチＱ２を閉じているときには倍電圧は有効になり、スイッチＱ２が開いているときは倍電圧には無効になる）。これにより、広範囲のＡＣ電源電圧に対応する柔軟性が更に高まる。倍電圧器１２６０を使用する効果は、低ＡＣ入力の場合と高ＡＣ入力の場合の両方で、ＤＣバスに同じ安定した高電圧を供給することである。倍電圧器１２６０は、インバータ動作では無効にしておく必要がある。インバータ駆動動作とバッテリ充電動作の両方が、双方向電力潮流が可能なことにより特徴付けられることに留意されたい。或いはコスト削減のために、アクティブスイッチング整流器１２７０の代わりに、絶縁変圧器１２２０の二次巻線の出力で、パッシブ整流器を使用することができる。
【0082】
図１３は、本開示の様々な実施形態によるマルチブリッジベースのＤＣ－ＤＣ昇圧変換器及びバッテリ充電システムの別の例示的な回路を示す図である。２つのインバータ１３３０、１３３１によって駆動される、２つのＡＣ走行用モータ１３５０、１３５１が存在する。単相ＡＣ電源１３４０は、２つのモータ１３５０、１３５１の巻線中性点の間に接続され、２つのインバータ１３３０、１３３１は両方とも、双方向電力能力で充電するために使用される。三相モータ巻線間で平衡充電電流が流れるため、モータ１３５０、１３５１に大きな回転磁力は生成せず、モータ脈動トルクは無視できる程度になる。それ以外は、図１３に示すマルチブリッジ回路は、基本的に図１１と同様に動作する。
【0083】
図１４は、マルチブリッジＤＣ－ＤＣ昇圧変換器及び変圧器絶縁型バッテリ充電システムの別の実施形態を示す図である。図１４に示す回路は、２つのインバータ１４３０、１４３１が、従来のＹ字型構成で二重巻線を有するＡＣ走行用モータ１４５０を駆動する点が異なっている。単相のＡＣ電源は、双方向電力能力で充電するために、ＥＭＩフィルタ１４６０を通じてモータ１４５０の二重巻線の２つの中性点に接続されている。三相モータ巻線の各組の間で平衡充電電流が流れるため、モータ１４５０には大きな回転磁力は生成せず、モータ脈動トルクは無視できる程度になる。そして、この回路は、前述の他の回路と同様に動作する。
【0084】
図１５Ａは、本開示の様々な実施形態によるマルチブリッジベースのＤＣ昇圧変換器及び変圧器絶縁型バッテリ充電システムの別の例示的な回路を示す図である。図１５Ａに示す回路は、２つのインバータ１５３０、１５３１が、開放巻線構成を有するＡＣ走行用モータ１５５０を駆動する点で異なっている。三相ＡＣ電源は、ＥＭＩフィルタ１５６０及びＡＣ接触器スイッチＱ１を通じて、双方向電力能力を有する充電用モータ１５５０の巻線の３つの中間点に接続されている。バッテリ１５８０の充電中、インバータ１５３０、１５３１は共に、昇圧ＰＦＣ整流器として動作し、モータ１５５０のすべての三相巻線の間で均等に電流を流す。これらの平衡電流の結果、モータ巻線は大きな回転磁力を生成せず、モータ脈動トルクは無視できる程度になる。それ以外は、図１５Ａのマルチブリッジ回路は、図１１と同様に動作する。
【0085】
図１５Ｂは、マルチブリッジＤＣ昇圧変換器の別の実施形態を示し、三相又は分割相のＡＣ入力が、バッテリ充電用モータ１５５０の開放巻線中間点に接続されている。図１５Ｂに示す回路は、ＡＣ接触器スイッチＱ１が有効になると、モータ巻線を二重Ｙ構成に変更できる共通の中性点を有するように構成されている点で異なっている。共通の中性点が接続されているので、二重Ｙ構成は、六相モード対三相複巻モードでモータを動作させるという柔軟性を有する。この違いは、空間ベクトル制御の観点から、モータ巻線間の相対的な電流位相関係である。その利点は、モータ高速回転時にＤＣバスに反射する逆起電力電圧を低減し、モータ低速回転時にモータ電流能力を向上させることである。
【0086】
図１５Ｃは、マルチブリッジＤＣ－ＤＣ昇圧変換器の別の実施形態を示し、単相ＡＣ入力が、バッテリ充電のためにその開放巻線中間点で三相モータ１５５０に接続されている。中間点がＡＣ入力に接続されているモータ巻線は２つだけであることに注意し、これは単相ＡＣ電源で一般的なことである。この場合、モータは特別な種類で、一般的に見られる二重巻線モータである必要があり、各相巻線は基本的に２つの半巻線があり、２重巻線が同じ溝で同じ電流方向で重なる。巻線の中間点から両方の半巻線に等しい電流を流すことで、誘導される磁力は常に均衡し相殺される。従って、ＰＦＣ整流器の動作中に平衡したモータ巻線電流は、大きな脈動トルク又は振動の問題を引き起こさない。
【0087】
本技術の実施形態は、様々な配置（例えば、ＥＶ内の複数のモータ）の広範囲の電気モータに適用することができる。ここでは、いくつかの例が例示されているが、これらは限定的なものではなく、本技術は、より多くの構成におけるより多くの種類の電気モータに適用可能であることが理解されよう。
【0088】
本技術の実施形態は、いかなる単一の種類の電気モータにも限定されず、単巻線モータ、二重巻線モータ、及び開放巻線モータを含む、異なる電気モータ設計及び任意の数のモータ（同じ種類又は異なる種類のいずれか）と共に使用することができる。
【0089】
本明細書の目的のために、図に描かれた様々な特徴の寸法は、必ずしも縮尺通りに描かれていない可能性があることに留意されたい。
【0090】
本明細書の目的のために、本明細書における「ある実施形態」、「一実施形態」、「いくつかの実施形態」、又は「別の実施形態」への言及は、異なる実施形態又は同じ実施形態を説明するために使用されてもよい。
【0091】
本明細書の目的のために、接続は、直接接続又は間接接続（例えば、１つ又は複数の他の部品を通じて）であってもよい。場合によっては、ある要素が他の要素に接続又は結合されていると言及されるとき、その要素は他の要素に直接接続されてもよいし、介在する要素を通じて他の要素に間接的に接続されてもよい。ある要素が他の要素に直接接続されていると言及される場合、その要素と他の要素との間に介在要素は存在しない。２つのデバイスが直接又は間接的に接続され、それらのデバイス間で電子信号を通信可能であれば、「通信中」である。
【0092】
本明細書の目的のために、用語「基づいて（ｂａｓｅｄ ｏｎ）」は「少なくとも一部に基づいて（ｂａｓｅｄ ａｔ ｌｅａｓｔ ｉｎ ｐａｒｔ ｏｎ）」と読み替えてもよい。
【0093】
本明細書の目的のために、追加の文脈なしに、「第１の」オブジェクト、「第２の」オブジェクト、及び「第３の」オブジェクト等の数値用語の使用は、オブジェクトの順序付けを意味するものではなく、代わりに異なるオブジェクトを識別するために、識別目的で使用されてもよい。
【0094】
本開示は、その特定の特徴及び実施形態を参照して説明されたが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な修正及び組合せがそれになされ得ることは明らかである。従って、明細書及び図面は、添付の請求項によって定義される本開示の単なる例示とみなされ、本開示の範囲内に入る任意の及びすべての修正、変形、組み合わせ又は等価物にわたることが企図される。
【0095】
前述の詳細な説明は、例示及び説明の目的で提示されたものである。それは、網羅的であること、又は本明細書で請求される主題を開示された正確な形態（複数可）に限定することを意図していない。多くの修正及び変形が上記の教示に照らして可能である。説明された実施形態は、開示された技術の原理及びその実用化を最もよく説明するために選択され、それによって当業者が企図された特定の用途に適した様々な実施形態及び様々な修正を伴って、その技術を最もよく利用できるようにするために選択されたものである。その範囲は、本書に添付された特許請求の範囲によって定義されることが意図される。
【符号の説明】
【0096】
１１０， ２１０， ３１０， ４１０， ５１０， ５２０， ６１０， ６１１， ６１２， ７１０， ７１１， ７１２， ８１０， ８１１， ８１２， ９１０， ９１１， ９１２， １０１０， １１１０， １２１０， １３１０， １４１０， １５１０ マルチブリッジ
１１１、 １１２、 ２１１、 ２１２、 ３１１、 ３１２、 ４１１、 ４１２、 ４１３、 １０１１、 １０１２ 位相ブリッジ
１２０、 ２２０、 ３２０、 ４２０、 ４２１、 ４２２、 ５３０、 ５３１、 ６２０、 ６２１、 ６２２、 ７２０、 ７２１、 ８２０、 ８２１、 ９２０、 ９２１、 １０２０、 １１２０、 １２２０、 １３２０、 １４２０、 １５２０ 変圧器
１３０、 ２３０、 ３３０、 ４３０、 ５４０、 １０９０ ＤＣバス
１４０、 ２４０、 ３４０、 ４４０、 ５９０、 ６８０、 ７８０、 ８８０、 ９８０、 １０８０、 １１９０、 １２９０、 １３８０、 １４９０、 １５９０ 制御部
５８０、 ６４０、 ７４０、 ７４１、 １０３０、 １１３０ ＰＦＣ整流器
１０４０、 １１５０、 １２３０、 １３３０、 １３３１、 １４３０、 １４３１、 １５３０、 １５３１ インバータ
６６０、 ７６０、 ８６０、 ９６０、 ９６１、 １１６０、 １２４０、 １３５０、 １３５１、 １４５０、 １５５０ モータ
５５０、 ５５１、 ６３０、 ６３１、 ７３０、 ７３１、 ８３０、 ８３１、 ９３０、 ９３１、 １０５０、 １１７０、 １２７０、 １３６０、 １４７０、 １５７０ 変圧器の二次側の電力変換器
５７０、 ６７０、 ７７０、 ８７０、 ９７０、 １０７０、 １１８０、 １２８０、 １３７０、 １４８０、 １５８０ バッテリ、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）
６５０、 ７５０、 ８５０、 ９５０、 １１４０、 １２５０、 １３４０、 １４６０、 １５６０ ＥＭＩフィルタ
１１１、 １１２、 ２１１、 ２１２、 ３１１、 ３１２、 ４１１、 ４１２、 ４１３、 １０１１、 １０１２ 位相ブリッジ
１２０、 ２２０、 ３２０、 ４２０、 ４２１、 ４２２、 ５３０、 ５３１、 ６２０、 ６２１、 ６２２、 ７２０、 ７２１、 ８２０、 ８２１、 ９２０、 ９２１、 １０２０、 １１２０、 １２２０、 １３２０、 １４２０、 １５２０ 変圧器
１３０、 ２３０、 ３３０、 ４３０、 ５４０、 １０９０ ＤＣバス
１４０、 ２４０、 ３４０、 ４４０、 ５９０、 ６８０、 ７８０、 ８８０、 ９８０、 １０８０、 １１９０、 １２９０、 １３８０、 １４９０、 １５９０ 制御部
５８０、 ６４０、 ７４０、 ７４１、 １０３０、 １１３０ ＰＦＣ整流器
１０４０、 １１５０、 １２３０、 １３３０、 １３３１、 １４３０、 １４３１、 １５３０、 １５３１ インバータ
６６０、 ７６０、 ８６０、 ９６０、 ９６１、 １１６０、 １２４０、 １３５０、 １３５１、 １４５０、 １５５０ モータ
５５０、 ５５１、 ６３０、 ６３１、 ７３０、 ７３１、 ８３０、 ８３１、 ９３０、 ９３１、 １０５０、 １１７０、 １２７０、 １３６０、 １４７０、 １５７０ 変圧器の二次側の電力変換器
５７０、 ６７０、 ７７０、 ８７０、 ９７０、 １０７０、 １１８０、 １２８０、 １３７０、 １４８０、 １５８０ バッテリ、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）
６５０、 ７５０、 ８５０、 ９５０、 １１４０、 １２５０、 １３４０、 １４６０、 １５６０ ＥＭＩフィルタ
【図1A】
【図】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【手続補正書】
【提出日】2022-06-14
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力変換器であって、電源に接続されるように構成された直流（ＤＣ）バスと、
両方とも前記ＤＣバスに接続され、第１のスイッチングブリッジ及び第２のスイッチングブリッジの非絶縁出力にパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を生成する、第１のスイッチングブリッジ及び第２のスイッチングブリッジと、
前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジの前記非絶縁出力の間に接続された一次巻線を有し、及び絶縁出力に接続された二次巻線を有する、変圧器と、
を備え、
非絶縁モードでは、前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジは、並列モードで動作するように制御され、電力は前記ＤＣバスと前記非絶縁出力に結合された負荷の間で伝送され、
絶縁モードでは、前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジは、フルブリッジモードで動作するように制御され、電力は前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力に結合された負荷の間で伝送される、
電力変換器。
【請求項2】
少なくとも２つの異なる動作モードに従って、ＰＷＭ同期及び位相シフトを用いて、前記第１のスイッチングブリッジ及び前記第２のスイッチングブリッジを動作させる制御部を備え、前記非絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジは、位相の同期したＰＷＭスイッチング信号で制御され、
前記絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジは、位相がずれたＰＷＭスイッチング信号で制御される、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項3】
少なくとも１つの変圧器断路スイッチが、前記一次側又は前記二次側で、前記絶縁変圧器の巻線と直列に接続され、少なくとも２つの異なる動作モードに従って動作し、前記非絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチは開いたままで、前記２つのスイッチングブリッジは、前記非絶縁出力の間で有効な前記ＰＷＭスイッチング周波数を増加させるために、位相シフト角でインターリーブされたＰＷＭスイッチング信号で制御され、
前記絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチは閉じたままで、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで制御される、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項4】
前記スイッチングブリッジは、２レベル、３レベル、５レベル、又はダイオード中性点クランプ（ＮＰＣ）マルチレベル変換器、アクティブＮＰＣ（ＡＮＰＣ）マルチレベル変換器、フライングコンデンサマルチレベル変換器、又は前記スイッチングブリッジ間の任意の異なるマルチレベルトポロジの組み合わせといった任意のマルチレベル変換器トポロジを使用する、請求項１記載の電力変換器。
【請求項5】
前記電力変換器は、３つ、４つ、又はそれ以上の数のスイッチングブリッジを含み、複数の別個の絶縁変圧器に接続されるか、複数の巻線が一緒に結合された同一の絶縁変圧器に接続されるか、又は異なる変圧器構成の混合に接続される、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項6】
絶縁型バッテリ充電システムと統合された非絶縁型ＰＷＭインバータとして更に構成され、主接触器又はスイッチを通じて前記ＤＣバスに接続された多数のバッテリセルを含むバッテリと、
ＤＣ－ＡＣインバータを形成し、非絶縁出力にＰＷＭ電圧を生成するための、２つ以上の対の変換器ブリッジと、
１つ以上の絶縁変圧器であって、各対の変換器ブリッジの前記出力の間に接続された一次巻線を有し、及び前記バッテリを充電するためのＤＣ電圧を生成する任意の種類の電力変換器に接続された二次巻線を有する、１つ以上の絶縁変圧器と、
を含み、
前記非絶縁モードでのインバータ動作中、前記バッテリ主接触器は閉じられており、変換器ブリッジの各対の内で、前記２つのスイッチングブリッジは並列モードで動作し、
前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、前記バッテリ主接触器は開かれており、変換器ブリッジの各対の内で、前記２つのスイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作する、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項7】
前記ＰＷＭインバータ非絶縁出力は、互いに分離された２組以上のモータ巻線を有するＡＣモータを駆動するための電力を供給し、前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、モータ巻線の同じ組に接続されたスイッチングブリッジ間で追加のＰＷＭゲートスイッチング同期が行われ、従って、モータ巻線の各組は、意図しないモータ循環電流を低減するために、前記モータ端子間の差動電圧がほぼゼロで励起される、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項8】
ＡＣ電源が、ＡＣ－ＤＣ整流器を通じて間接的に前記ＤＣバスに接続され、前記ＡＣ－ＤＣ整流器は、前記整流器が必要とするインダクタとして前記モータ巻線を使用するか否かに関わらず、前記ＡＣ電源から電力を引き出すために、前記インバータスイッチングブリッジの一部又は全部の組を逆電力方向で動作させることによって統合されて、その力率補正機能が実現されている、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項9】
絶縁バッテリ充電システムと統合された非絶縁ＤＣ昇圧変換器として更に構成され、ＤＣ－ＤＣ昇圧変換器として形成された１対以上のスイッチングブリッジであって、非絶縁出力は主接触器スイッチ及び１以上のインダクタを介してバッテリに接続され、入力は前記ＤＣバスに接続されている、１対以上のスイッチングブリッジと、
前記スイッチングブリッジの前記非絶縁出力の間に接続された一次巻線と、絶縁出力に接続された二次巻線とを有する絶縁変圧器であって、前記絶縁出力は電力変換器に結合されて、前記バッテリを充電するためにＤＣ電圧を生成する、絶縁変圧器と、
を含み、
前記非絶縁モードでのＤＣ昇圧動作中、前記バッテリ主接触器は閉じられており、前記スイッチングブリッジは並列モードで動作するように制御され、前記スイッチングブリッジの前記入力に結合されたインバータを通じて、電力は前記バッテリからＡＣ負荷に伝送され、
前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、前記バッテリ主接触器は開かれており、前記スイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作するように制御され、前記絶縁変圧器及び前記電力変換器を通じて、電力は前記ＤＣバスから前記バッテリに伝送される、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項10】
前記昇圧インダクタは、一部又は全部が前記絶縁変圧器の設計に組み込まれており、前記バッテリは、前記主接触器を通じて、前記絶縁変圧器の一次巻線の中点に接続されている、請求項９に記載の電力変換器。
【請求項11】
ＡＣモータを駆動する前記ＤＣバスに接続されたＰＷＭインバータを更に備え、前記ＰＷＭインバータは、ＰＦＣ整流器として逆電力潮流で動作し、ＡＣ電源から電力を引き込み、前記ＡＣモータ巻線を前記整流器に必要なインダクタとして使用するか否かを決定する、請求項９に記載の電力変換器。
【請求項12】
電力変換器を設計する方法であって、直流（ＤＣ）バスに電源を供給するステップと
２つのスイッチングブリッジの対を形成するステップであって、前記ＤＣバスに両方とも接続され、前記２つのスイッチングブリッジの非絶縁出力にパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧を生成する、２つのスイッチングブリッジの対を形成するステップと、
前記２つのスイッチングブリッジの前記非絶縁出力の間に接続される一次巻線と、絶縁出力に接続される二次巻線とを有する変圧器を配置するステップと、
を含み、
非絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジを並列モードで動作させ、前記ＤＣバスと前記非絶縁出力に結合された負荷の間で電力が伝送されるステップと、
絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジをフルブリッジモードで動作させ、前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で電力が伝送されるステップと、
を含む、
電力変換器を設計する方法。
【請求項13】
制御部を設計し、少なくとも２つの異なる動作モードに従って前記２つのスイッチングブリッジを動作させるステップを更に含み、前記非絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジを、位相が同期しているＰＷＭスイッチング信号で動作させるステップと、
前記絶縁モードでは、前記２つのスイッチングブリッジを、位相がずれたＰＷＭスイッチング信号で動作させるステップと、
を含む、請求項１２に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項14】
前記一次側又は前記二次側のいずれかにおいて、前記絶縁変圧器の巻線と直列に少なくとも１つの断路スイッチを接続するステップを更に含み、前記非絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチを開いたままにし、前記２つのスイッチングブリッジを並列モードで動作させ、前記２つのブリッジ間で前記ＰＷＭスイッチング信号を位相で同期させ、前記非絶縁出力全体で有効な前記ＰＷＭスイッチング周波数が増加するように、前記ＰＷＭ信号を位相シフト角度でインターリーブさせるステップと、
前記絶縁モードでは、前記変圧器断路スイッチを閉じたままにし、前記２つのスイッチングブリッジをフルブリッジモードで動作させ、前記２つのブリッジ間で位相がずれるように前記ＰＷＭスイッチング信号を位相シフトし、前記変圧器を通じて前記ＤＣバスと前記絶縁出力の間で電力が伝送されるステップと、
を含む、請求項１２～１３のいずれか１項に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項15】
２レベル、３レベル、５レベル、又はダイオード中性点クランプ（ＮＰＣ）マルチレベル変換器、アクティブＮＰＣ（ＡＮＰＣ）マルチレベル変換器、フライングキャパシタ・マルチレベル変換器、又は前記スイッチングブリッジ間の任意の異なるマルチレベルトポロジの組み合わせといった任意のマルチレベル変換器トポロジを用いて、前記スイッチングブリッジを設計するステップを含む、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項16】
前記電力変換器を３、４、又はそれ以上の数のスイッチングブリッジで構成し、複数の別個の絶縁変圧器に接続するか、複数の巻線が結合された同じ絶縁変圧器に接続するか、異なる変圧器構成の混合に接続する、ステップを含む、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の電力変換器を設計する方法。
【請求項17】
電気自動車であって、請求項１に記載の少なくとも２つの電力変換器と、
前記少なくとも２つの電力変換器の前記絶縁出力に結合されたバッテリであって、前記非絶縁モード中、主接触器を介して前記ＤＣバスに結合可能である、バッテリと、
を備える、電気自動車。
【請求項18】
前記非絶縁モードでのインバータ動作中、前記少なくとも２つの電力変換器の前記非絶縁出力は、互いに分離している２以上のモータ巻線の組を有するＡＣモータを駆動するための電力を供給し、前記絶縁モードでのバッテリ充電動作中、モータ巻線の同じ組の間に接続されている前記少なくとも２つの電力変換器の前記スイッチングブリッジ間で追加のＰＷＭゲートスイッチング同期が適用され、モータ巻線の各組は、任意の意図しないモータ循環電流を低減するために、前記モータの端子間の差動電圧がほぼゼロで励起される、請求項１７に記載の電気自動車。
【請求項19】
ＤＣ－ＤＣ昇圧変換器を形成するための１対のスイッチングブリッジであって、非絶縁出力は主接触器及び１以上のインダクタを通じてバッテリに接続され、入力はＤＣバスに接続される、１対のスイッチングブリッジと、１つの絶縁変圧器であって、前記スイッチングブリッジの前記非絶縁出力の間に接続される一次巻線と、絶縁出力に接続される二次巻線であって、前記絶縁出力は前記バッテリを充電するためのＤＣ電圧を生成するための電力変換器に接続可能である、二次巻線とを有する、１つの絶縁変圧器と、
を備え、
非絶縁モードでのＤＣ昇圧動作中、前記バッテリ主接触器は閉じており、前記スイッチングブリッジは並列モードで動作するように制御され、前記スイッチングブリッジの前記入力に結合された前記インバータを通じて、前記バッテリからＡＣ負荷に電力が伝送され、
絶縁モードでのバッテリ充電動作中、前記バッテリ主接触器は開いており、前記スイッチングブリッジはフルブリッジモードで動作するように制御され、前記絶縁変圧器及び前記電力変換器を通じて、前記ＤＣバスから前記バッテリに電力が伝送される、
電気自動車。
【請求項20】
前記昇圧インダクタは、一部又は全部が前記絶縁変圧器の設計に組み込まれており、前記バッテリは、前記主接触器を通じて前記絶縁変圧器一次巻線の中点に接続される、請求項１９に記載の電気自動車。
【国際調査報告】