特表 2023-501305 フライングコンデンサをプリチャージするための分圧器を備えたマルチレベルコンバータ

(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】2023-01-18

(54)【発明の名称】フライングコンデンサをプリチャージするための分圧器を備えたマルチレベルコンバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/483 20070101AFI20230111BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

H02M7/483

H02M3/155 G

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022525860

(86)(22)【出願日】2020-10-29

(85)【翻訳文提出日】2022-07-01

(86)【国際出願番号】 US2020057956

(87)【国際公開番号】W WO2021091765

(87)【国際公開日】2021-05-14

(31)【優先権主張番号】62/931,406

(32)【優先日】2019-11-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521085021

【氏名又は名称】エフィシェント・パワー・コンバージョン・コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ユアンジェ・ジャン

(72)【発明者】

【氏名】マイケル・エー・デ・ローイ

(72)【発明者】

【氏名】ジアンジン・ワン

【テーマコード（参考）】

5H730

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H730AA15

5H730BB11

5H730DD04

5H770DA01

5H770DA31

5H770FA03

(57)【要約】

マルチレベルコンバータは、フライングコンデンサおよび抵抗分圧器を含む。マルチレベルコンバータは、入力電圧を出力電圧へ変換するように構成される。抵抗分圧器は、初期充電動作モード中にマルチレベルコンバータにおけるフライングコンデンサを充電するように構成される。一部の実装例において、マルチレベルコンバータは、複数のフライングコンデンサおよび複数のフライングコンデンサにおける各フライングコンデンサのための抵抗分圧器を含む複数の抵抗分圧器を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力電圧を出力電圧へ変換するように構成されるフライングコンデンサマルチレベルコンバータと、
初期充電動作モード中に前記フライングコンデンサマルチレベルコンバータにおけるフライングコンデンサを充電するように構成される抵抗分圧器と
を備えるマルチレベルコンバータ。

【請求項2】

前記フライングコンデンサマルチレベルコンバータが複数のフライングコンデンサを備え、かつ前記マルチレベルコンバータが、各フライングコンデンサに接続される抵抗分圧器を更に備える、請求項1に記載のマルチレベルコンバータ。

【請求項3】

前記抵抗分圧器が、電気直列に接続される第1の抵抗器および第2の抵抗器を備える、請求項1に記載のマルチレベルコンバータ。

【請求項4】

前記第1の抵抗器の抵抗と前記第2の抵抗器の抵抗の比率が、前記フライングコンデンサの正端子上の所望の電圧に基づいて選ばれる、請求項3に記載のマルチレベルコンバータ。

【請求項5】

前記第1の抵抗器の抵抗および前記第2の抵抗器の抵抗が、前記フライングコンデンサの充電速度を制御するように選ばれる、請求項3に記載のマルチレベルコンバータ。

【請求項6】

前記フライングコンデンサマルチレベルコンバータが、前記フライングコンデンサマルチレベルコンバータを制御するための前記フライングコンデンサの正端子上の電圧を感知するために前記第2の抵抗器を備える、請求項3に記載のマルチレベルコンバータ。

【請求項7】

コントローラを更に備え、前記初期充電動作モード中に、前記コントローラが、前記抵抗分圧器から前記フライングコンデンサを経て接地ノードまでの充電経路を可能にするように構成される、請求項1に記載のマルチレベルコンバータ。

【請求項8】

前記コントローラが、前記フライングコンデンサにわたる電圧が電圧基準を満たすと前記フライングコンデンサマルチレベルコンバータを前記初期充電動作モードから通常動作モードに移行させるように更に構成される、請求項7に記載のマルチレベルコンバータ。

【請求項9】

直列に接続されるN-1の上位トランジスタと、
直列に接続されるN-1の下位トランジスタであって、前記N-1の上位トランジスタと直列に接続される、N-1の下位トランジスタと、
各フライングコンデンサが前記上位トランジスタの1つまたは複数および前記下位トランジスタの1つまたは複数にわたって接続される、N-2のフライングコンデンサと、
各抵抗分圧器が前記フライングコンデンサの1つに接続される、N-2の抵抗分圧器と
を備える、Nレベルフライングコンデンサマルチレベルコンバータ。

【請求項10】

前記抵抗分圧器が、初期充電動作段階中に前記フライングコンデンサを充電するように構成される、請求項9に記載のフライングコンデンサマルチレベルコンバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般にマルチレベルコンバータのためのフライングコンデンサをプリチャージするシステムおよび方法に関し、より詳細には始動時にフライングコンデンサをプリチャージするためのマルチレベルコンバータに関する。

【背景技術】

【0002】

典型的なNレベルコンバータにおいて、定常状態動作中は、フライングコンデンサにわたる入力電圧の約1/(N-1)の電圧を維持することは比較的容易である。しかしながら、始動中は、フライングコンデンサは、マルチレベルコンバータが定常状態において動作できる前にプリチャージされなければならない。フライングコンデンサの正端子が所望の電圧に充電されるまで、マルチレベルコンバータは障害および他の種類の故障を経験し得る。多くのマルチレベルコンバータは、始動中にフライングコンデンサをプリチャージして所望の電圧を達成するために、独立した充電回路網を含む。追加の充電回路網は、集積回路におけるマルチレベルコンバータの回路複雑性および面積を増加させる。加えて、独立した充電回路網はマルチレベルコンバータの制御を複雑にする。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本発明は、フライングコンデンサをプリチャージするための抵抗分圧器を提供することによって、上記した従来のマルチレベルコンバータにおけるフライングコンデンサをプリチャージするための独立した充電回路と関連した回路および制御複雑性ならびに大面積の不利点に対処する。本発明は、本明細書に記載されるように、初期充電段階中にフライングコンデンサをプリチャージするように構成される抵抗分圧器を備えたマルチレベルコンバータを備える。一旦フライングコンデンサが適切な電圧に充電されると、マルチレベルコンバータは通常動作モードに移行する。抵抗分圧器は、独立した充電回路より少ない面積を占有する受動部品を備える。加えて、受動部品は、マルチレベルコンバータへの独立した充電回路の組込みと比較してマルチレベルコンバータの制御を簡単にする。

【0004】

マルチレベルコンバータはNレベルコンバータであり、N-1の上位トランジスタおよびN-1の下位トランジスタ、N-2のフライングコンデンサ、ならびにN-2の抵抗分圧器を備える。上位トランジスタは互いにおよび下位トランジスタと直列に接続されており、後者も互いに直列に接続される。各フライングコンデンサは上位トランジスタの1つまたは複数および下位トランジスタの1つまたは複数にわたって接続される。各抵抗分圧器はフライングコンデンサの1つに接続され、かつ初期充電動作段階中にそれぞれのフライングコンデンサを充電するように構成される。

【0005】

各抵抗分圧器は第1の抵抗器および第2の抵抗器を備える。第1の抵抗器の抵抗と第2の抵抗器の抵抗の比率は、フライングコンデンサの正端子上の所望の電圧に基づいて選ばれる。両抵抗器の抵抗は、フライングコンデンサの充電速度を調節するように選ばれる。コントローラが、初期充電動作段階中に抵抗分圧器からフライングコンデンサを経て接地ノードまでの充電経路を可能にし、かつフライングコンデンサの正端子上の電圧を監視する。フライングコンデンサの正端子上の電圧が電圧基準を満たしたことに応答して、コントローラは、マルチレベルコンバータを初期充電動作段階から定常状態動作段階に移行させてよい。

【0006】

本明細書に記載される以上および他の好ましい特徴は、要素の実装および組合せの様々な新規な詳細を含め、ここで添付図面を参照しつつより詳細に記載されかつ請求項に指摘されることになる。特定の方法および装置が単に例示として図示されており、請求項の限定としてではないことが理解されるべきである。当業者によって理解されるように、本明細書における教示の原理および特徴は、請求項の範囲から逸脱することなく様々なかつ多数の実施形態に利用され得る。

【0007】

本開示の特徴、目的および利点は、同様の参照文字が全体を通じて相当して認識される図面と併せられて以下に述べられる詳細な説明からより明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の例証的な実施形態に係るフライングコンデンサを備えた3レベルコンバータの概略図を例示する。

【図2】本発明の例証的な実施形態に係る2つのフライングコンデンサを備えた4レベルコンバータの概略図を例示する。

【図3】本発明の例証的な実施形態に係るフライングコンデンサを備えたハイブリッドコンバータの概略図を例示する。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の詳細な説明では、或る実施形態が参照される。これらの実施形態は、当業者がそれらを実施することを可能にするのに十分詳細に記載される。他の実施形態が利用され得ること、ならびに様々な構造的、論理的および電気的変更がなされ得ることが理解されるはずである。以下の詳細な説明に開示される特徴の組合せは、最も広い意味で教示を実施するのに必要でなくてもよく、代わりに単に本教示の特に代表例を記載するためだけに教示される。

【0010】

図1は、本発明の例証的な実施形態に係るフライングコンデンサC_FLYを備えた3レベルコンバータ100の概略図を例示する。3レベルコンバータ100は、2つの上位トランジスタQ1、Q2および2つの下位トランジスタQ3、Q4、コンデンサC_FLY、C_BUSおよびC_OUT、抵抗器R_C1およびR_C2、ならびにインダクタL_OUTを含む。トランジスタQ1～Q4はn型電界効果トランジスタ(FET)から成る。一部の実装例において、トランジスタQ1～Q4は、窒化ガリウム(GaN)FET、金属酸化膜半導体(MOS)FET、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、または任意の適切な種類もしくは組合せのトランジスタである。

【0011】

上位レベルトランジスタQ1、Q2は互いに直列に接続され、かつ下位レベルトランジスタQ3、Q4と直列に接続されており、後者も互いに直列に接続される。Q1のドレイン端子は、V_INを受けるように構成される入力ノード110に接続され、そしてQ4のソース端子はグランド105に接続される。コンデンサC_BUSは入力ノード110におよびグランド105に接続される。コンデンサC_FLYはノード120においてQ1とQ2との間におよびノード130においてQ3とQ4との間に接続される。

【0012】

抵抗器R_C1は入力ノード110にならびにノード120においてコンデンサC_FLYにならびにトランジスタQ1およびQ2間に接続される。抵抗器R_C2はノード120においてコンデンサC_FLYにならびにトランジスタQ1およびQ2間にかつグランド105に接続される。抵抗器R_C1は抵抗器R_C2と協力して働き、抵抗分圧器として作用する。抵抗器R_C1と抵抗器R_C2の比率は、ノード120およびコンデンサC_FLYの正端子における電圧を決定するために使用される。インダクタL_OUTは、ノード140においてトランジスタQ2およびQ3間にならびにV_OUTを提供するように構成される出力ノード150に接続される。コンデンサC_OUTは出力ノード150におよびグランド105に接続される。

【0013】

電源投入されることに応答して、3レベルコンバータ100は、コンデンサC_FLYが充電される初期充電動作モードにおいて動作する。初期充電モード中に、トランジスタQ4がオンにされて、入力ノード110から、トランジスタQ4を通ってグランド105に達する前に、R_C1およびR_C2の抵抗分圧器を経てコンデンサC_FLYまで、コンデンサC_FLYのための充電経路を提供する。R_C1の抵抗とR_C2の抵抗の比率は、ノード120およびコンデンサC_FLYの正端子における電圧が入力電圧V_INの約半分になるまたはトランジスタQ1～Q4からの漏れに対応して入力電圧V_INの半分より僅かに大きくなるまでコンデンサC_FLYが充電されるように期待入力電圧V_INに基づいて選ばれる。抵抗の値も、コンデンサC_FLYへの充電電流およびそれを充電するために必要とされる時間の長さを制御するように選ばれる。一旦コンデンサC_FLYが充電されると、3レベルコンバータ100は通常動作モードに移行し、そしてコンデンサC_FLYの正端子上の電圧は入力電圧V_INの約半分に維持される。

【0014】

定常状態動作の前にコンデンサC_FLYを充電するために独立した電力システムを使用する従来のマルチレベルコンバータとは対照的に、3レベルコンバータ100は、独立した充電システムより非常に小さな面積を占有する抵抗分圧器における受動部品を使用する。加えて、抵抗器R_C1およびR_C2は3レベルコンバータ100の制御に複雑性を加えない。一部の実施形態において、抵抗器R_C2は、コントローラに電圧情報を提供するために電圧感知抵抗器として従来の3レベルコンバータに既に含まれており、その結果フライングコンデンサを充電するための抵抗分圧器を製作するために含まれる唯一の追加部品が抵抗器R_C1である。

【0015】

フライングコンデンサを充電するために使用される抵抗分圧器は3レベルコンバータから他のマルチレベルコンバータにおよびマルチレベルインバータに拡張できる。Nレベルフライングコンデンサマルチレベルコンバータは、(N-1)の上位トランジスタおよび(N-1)の下位トランジスタ、(N-2)のフライングコンデンサ、ならびに(N-2)の抵抗分圧器を含む。図2は、本発明の例証的な実施形態に係る2つのフライングコンデンサC_F1およびC_F2を備えた4レベルコンバータ200の概略図を例示する。

【0016】

図2の4レベルコンバータ200は、図1に図示される3レベルコンバータ100と類似しているが、追加トランジスタQ5およびQ6、追加フライングコンデンサC_F2、ならびに抵抗器R_C21およびR_C22を含む追加抵抗分圧器を含む。3レベルコンバータ100と類似して、4レベルコンバータ200は、フライングコンデンサC_F1およびC_F2を充電しかつ独立した電力システムと比較して消費電力を削減するために第1の抵抗分圧器に受動部品R_C11およびR_C12ならびに第2の抵抗分圧器にR_C21およびR_C22を使用する。

【0017】

トランジスタQ1～Q6はn型FETから成りかつ共に直列に接続される。Q1のドレイン端子は、V_INを受けるように構成される入力ノード210に接続され、そしてQ6のソース端子はグランド205に接続される。コンデンサC_BUSは入力ノード210におよびグランド205に接続される。コンデンサC_F1はノード220においてQ1とQ2との間におよびノード230においてQ5とQ6との間に接続される。抵抗器R_C11は入力ノード210にかつノード220においてコンデンサC_F1にならびにトランジスタQ1およびQ2間に接続される。抵抗器R_C12はノード220においてコンデンサC_F1にならびにトランジスタQ1およびQ2間にかつグランド205に接続される。抵抗器R_C11は、第1のフライングコンデンサC_F1を充電するために抵抗器R_C12と協力して抵抗分圧器として働く。

【0018】

コンデンサC_F2はノード240においてQ2とQ3との間におよびノード250においてQ4とQ5との間に接続される。抵抗器R_C21はノード220におよびノード240においてコンデンサC_F2に接続される。抵抗器R_C22はノード240においてコンデンサC_F2におよびグランド205に接続される。抵抗器R_C21は、第2のフライングコンデンサC_F2を充電するために抵抗器R_C22と協力して抵抗分圧器として働く。インダクタL_OUTは、ノード260においてトランジスタQ3およびQ4間にならびにV_OUTを提供するように構成される出力ノード270に接続される。コンデンサC_OUTは出力ノード270におよびグランド205に接続される。

【0019】

電源投入されることに応答して、4レベルコンバータ200は、フライングコンデンサC_F1およびC_F2が充電される初期充電動作モードにおいて動作する。初期充電モード中に、トランジスタQ6がオンにされて、入力ノード210から、グランド205に達する前に、R_C11およびR_C12の抵抗分圧器を経てコンデンサC_F1まで、コンデンサC_F1のための充電経路を提供する。コンデンサC_F1は、ノード220およびコンデンサC_F1の正端子における電圧が入力電圧V_INの約2/3になるまたはトランジスタQ1～Q6からの漏れに対応して入力電圧V_INの2/3より僅かに大きくなるまで充電される。

【0020】

一旦コンデンサC_F1が充電されるとまたはコンデンサC_F1が充電している間に、トランジスタQ5がオンにされて、入力ノード210から、トランジスタQ5およびQ6を通ってグランド205に達する前に、R_C11およびR_C12の第1の抵抗分圧器を経て、R_C21およびR_C22の第2の抵抗分圧器を経てコンデンサC_F2まで、コンデンサC_F2のための充電経路を提供する。コンデンサC_F2は、ノード240およびコンデンサC_F2の正端子における電圧がノード220における電圧の約1/3になるまたはトランジスタQ1～Q6からの漏れに対応してノード220における電圧の1/3より僅かに大きくなるまで充電される。一旦コンデンサC_F2が充電されると、4レベルコンバータ200は通常動作モードに移行し、そしてコンデンサC_F1の正端子上の電圧およびコンデンサC_F2の正端子上の電圧はそれらのそれぞれの値に維持される。

【0021】

3レベル以上を備えたマルチレベルコンバータに加えて、フライングコンデンサを充電するために使用される抵抗分圧器は、マルチレベルコンバータをバックブーストコンバータ、ブートストラップコンバータ等などの他の種類のコンバータと組み合わせたハイブリッドコンバータに拡張できる。図3は、本発明の例証的な実施形態に係るコンバータおよび同期バックを組み合わせたハイブリッドコンバータ300の概略図を例示する。ハイブリッドコンバータ300は、図1に図示される3レベルコンバータ100と類似しているが、ノード340においてトランジスタQ2およびQ3間に接続されるコンデンサC_MIDも含む。加えて、インダクタL_OUTは、ノード340においてよりもむしろ、ノード330においてトランジスタQ3およびQ4間に接続される。ハイブリッドコンバータ300は、初期充電段階中にトランジスタQ4を通ってコンデンサC_FLYを充電する抵抗器R_C1およびR_C2の抵抗分圧器を含む。

【0022】

以上の説明および図面は、単に本明細書に記載される特徴および利点を達成する具体的な実施形態を例示すると考えられるはずである。具体的なプロセス条件の変更および置換を行うことができる。したがって、本発明の実施形態は、上記の説明および図面によって限定されるとは考えられない。

【符号の説明】

【0023】

100 3レベルコンバータ
105 グランド
110 入力ノード
120、130、140 ノード
150 出力ノード
200 4レベルコンバータ
205 グランド
210 入力ノード
220、230、240、250、260 ノード
270 出力ノード
300 ハイブリッドコンバータ
330、340 ノード
C_BUS、C_OUT コンデンサ
C_FLY フライングコンデンサ
C_F1、C_F2 フライングコンデンサ
C_MID コンデンサ
L_OUT インダクタ
Q1、Q2 上位トランジスタ
Q3、Q4 下位トランジスタ
Q5、Q6 トランジスタ
R_C1、R_C2 抵抗器
R_C11、R_C12 抵抗器
R_C21、R_C22 抵抗器

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】