JP2007282485A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】高DC電圧での使用が設定可能で、比較的低い定格電圧を持つコンデンサを用いて使用され得る、パラメータ変動の影響を受け難いDC-DCコンバータを提供する。
【解決手段】第一コンデンサ（102）と、第二コンデンサ（104）と、第一ノード（120）を形成すべく第一端子を持つインダクター（106）と、第二ノード（122）を形成すべく第一コンデンサ（102）の第一端子に連結された第一端子を持ち、第一端子と第二端子とを電気的に連結するように構成された第一スイッチング装置（108）と、第二スイッチング装置（110）とを備え、第三ノード（124）を形成すべく、第二スイッチング装置（110）の第一端子が、第一スイッチング装置（108）の第二端子及びインダクター（106）の第二端子とに連結され、第四ノード（126）を形成すべく、第二スイッチング装置（110）の第二端子が、第二コンデンサ（104）の第二端子に連結された、DC-DCコンバータ。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電動機駆動システムに使用され得る、DC-DCコンバータに関連する。
DC-DCコンバータは該して、第一の電圧レベルから第二の電圧レベルに直流電流（Direct Current: DC）電圧を変圧する（即ち、変換する）。低い入力電圧を高い出力電圧に変圧する（即ち、電圧を上げる）DC-DCコンバータが、ブースト・コンバータ（boost converter）と呼ばれることがある。同様に、高い入力電圧と低い出力電圧に変圧する（即ち、電圧を下げる）DC-DCコンバータが、バック・コンバータ（buck converter）と呼ばれることがある。
図1(a)を参照すると、従来の双方向性DC-DCコンバータ10の概略図が示される。Va、Vb及びVcが、生じ得る三つの端子電圧を概略表わし、ここにおいてVbはVa以上であり（即ち、Vb≧Va）、そしてVcはVbとVaとの間の偏差に等しい（即ち、Vc=Vb-Va）。従来のDC-DCコンバータ10は、電圧Va、Vb及びVcのいずれか一つが入力して実行される一方で、残りの電圧の一つ或いは両方が出力として実行されるという意味の、双方向性を持つ。例えば、Vaが入力として実行され、そしてVbが出力として実行されるとき、コンバータ10は該してブースト・コンバータとして機能する。同様に、Vbが入力として実行され、そしてVaが出力として実行されるとき、コンバータ10は該してバック・コンバータとして機能する。同じく、Vaが入力として実行されそして、Vcが出力として実行されるとき、コンバータ10は該してブースト・バック・コンバータ（boost-buck converter）として機能する。同様に、Vcが入力として実行されそして、Vaが出力として実行されるとき、コンバータ10は該してバック・ブースト・コンバータ（buck-boost converter）として機能する。従来のコンバータ10のコンデンサCa及びCbは、フィルタ・コンデンサ（Filter capacitor）であり、インダクターLaがDCチョークである。
ここで図1(b）を参照すると、別の従来の双方向性DC-DCコンバータ20の概略図が示される。概してコンバータ20は、Cb及びCcのような複数のコンデンサ（或いはキャパシタ）22が電圧Vbの間に直列に備えられているのを除き、コンバータ10と同様に使用され得る。複数のコンデンサ22の使用は該して、端子電圧Vbに関して高い定格電圧を提供する。したがって、図1(b)のコンバータ20は、コンバータ10を使用するシステムと比較して、高DC電圧或いは、低い定格電圧のコンバータを備えたシステム内で使用され得る。
しかしながら、複数のコンデンサ22の間のキャパシタンスの不一致、漏れ抵抗及び、それらに類するもののようなパラメータ変動が、コンデンサ22間に不均等な電圧分配をもたらし得ることが知られている。不均等な電圧分配は、一つ以上のコンデンサ22を過電圧状態に晒し得る。過電圧状態の発生を抑制するための従来の試みが概して、厳密に均等な複数のコンデンサ或いは、高定格電圧を備えたコンデンサの使用を必要とする。そのような、厳密に均等な複数のコンデンサ或いは、高定格電圧を備えたコンデンサの使用は、コンバータ20の製造コストの増加をもたらす場合がある。
したがって、高DC電圧での使用が設定可能で、従来のコンバータ10及び20に比較して、低い定格電圧を持つコンデンサを用いて使用され得る及び/又は、パラメータ変動の影響を受け難いDC-DCコンバータが必要とされている。そのようなコンバータは、厳密に均等な複数のコンデンサの必要性及び/又は、高定格電圧を備えたコンデンサの必要性を低減することにより、製造コストを低減し得る。
本発明の実施形態に従って、下記のようなDC-DCコンバータが提供される。このDC-DCコンバータは、第一端子及び第二端子をそれぞれ備える第一コンデンサ及び第二コンデンサと、第一端子及び第二端子をそれぞれ備える第一スイッチング装置及び第二スイッチング装置を持つインダクターを含む。インダクターの第一端子は、第一ノードを形成するため、第二コンデンサの第一端子と第一コンデンサの第二端子との両方に連結される。第一スイッチング装置の第一端子は、第二ノードを形成するため、第一コンデンサの第一端子に連結される。第二スイッチング装置の第一端子は、第三ノードを形成するため、第一スイッチング装置の第二端子及び、インダクターの第二端子に連結される。第二スイッチング装置の第二端子は、第四ノードを形成するため、第二コンデンサの第二端子に連結される。第一スイッチング装置は、第一制御信号に応じて第一スイッチング装置の第一端子と第二端子とを電気的に連結するように構成される。同様に、第二スイッチング装置は、第二制御信号に応じて第二スイッチング装置の第一端子と第二端子とを電気的に連結するように構成される。
本発明の別の実施形態に従って、下記の電動機駆動システムが提供される。このシステムは、正端子及び負端子を持つエネルギー蓄積装置、第一端子及び第二端子を持つ駆動ユニット、駆動ユニットと電気的に通信する電動機及び、DC-DCコンバータを有する。DC-DCコンバータは、第一端子及び第二端子をそれぞれ備える第一コンデンサ及び第二コンデンサと、第一端子及び第二端子をそれぞれ備える第一スイッチング装置及び第二スイッチング装置を持つインダクターを含む。インダクターの第一端子は、第一ノードを形成するため、第二コンデンサの第一端子と第一コンデンサの第二端子との両方に連結される。第一スイッチング装置の第一端子は、第二ノードを形成するため、第一コンデンサの第一端子に連結される。第二スイッチング装置の第一端子は、第三ノードを形成するため、第一スイッチング装置の第二端子及び、インダクターの第二端子に連結される。第二スイッチング装置の第二端子は、第四ノードを形成するため、第二コンデンサの第二端子に連結される。エネルギー蓄積装置の正端子は第一ノードに連結され、そしてエネルギー蓄積装置の負端子は第四ノードに連結される。駆動ユニットの第一端子及び第二端子は、第二ノードと第四ノードにそれぞれ連結される。第一スイッチング装置は、第一制御信号に応じて第一スイッチング装置の第一端子と第二端子とを電気的に連結するように構成される。同様に、第二スイッチング装置は、第二制御信号に応じて第二スイッチング装置の第一端子と第二端子とを電気的に連結するように構成される。
本発明の更に別の実施形態にしたがって、別の電動機駆動システムが提供される。このシステムは、正端子及び負端子を持つエネルギー蓄積装置、第一端子及び第二端子を持つ駆動ユニット、駆動ユニットと電気的に通信する電動機及び、DC-DCコンバータを有する。DC-DCコンバータは、第一端子及び第二端子をそれぞれ備える第一コンデンサ及び第二コンデンサと、第一端子及び第二端子をそれぞれ備える第一スイッチング装置及び第二スイッチング装置を持つインダクターを含む。インダクターの第一端子は、第一ノードを形成するため、第二コンデンサの第一端子と第一コンデンサの第二端子との両方に連結される。第一スイッチング装置の第一端子は、第二ノードを形成するため、第一コンデンサの第一端子に連結される。第二スイッチング装置の第一端子は、第三ノードを形成するため、第一スイッチング装置の第二端子及び、インダクターの第二端子に連結される。第二スイッチング装置の第二端子は、第四ノードを形成するため、第二コンデンサの第二端子に連結される。エネルギー蓄積装置の正端子は第二ノードに連結され、そしてエネルギー蓄積装置の負端子は第一ノードに連結される。駆動ユニットの第一端子及び第二端子は、第二ノードと第四ノードにそれぞれ連結される。第一スイッチング装置は、第一制御信号に応じて第一スイッチング装置の第一端子と第二端子とを電気的に連結するように構成される。同様に、第二スイッチング装置は、第二制御信号に応じて第二スイッチング装置の第一端子と第二端子とを電気的に連結するように構成される。
図2を参照すると、本発明の少なくとも一つの実施形態に従ったDC-DCコンバータ100の概略図が示される。コンバータ100は該して、第一コンデンサ或いはキャパシタ（即ち、C1）102、第二コンデンサあるいはキャパシタ（即ち、C2）104、インダクター（即ち、L1）106、第一スイッチング装置（即ち、S1）108、第二スイッチング装置（即ち、S2）110及び、第一ノード120、第二ノード122、第三ノード124及び第四ノード126のような、複数のノードを有する。
第一コンデンサ102（即ち、容量性要素）、第二コンデンサ104及び、インダクター106（即ち、誘導性要素）が夫々、対応する構成要素（即ち、第一コンデンサ102、第二コンデンサ104及び/又はインダクター106）を隣接する構成要素に連結するための（即ち、電気的に連結する及び/又は直接的に結合するための）、第一端子及び第二端子（即ち、電気的接続点）を含み得る。同様に、第一スイッチング装置108及び/又は第二スイッチング装置110（即ち、スイッチ）は夫々、対応するスイッチ（即ち、第一スイッチング装置108及び/又は第二スイッチング装置110）を隣接する構成要素に連結するための第一端子及び第二端子を含み得る。
本発明の実施形態の少なくとも一つに従えば、インダクター106の第一端子が、第一ノード120を形成するため、第二コンデンサ104の第一端子と第一コンデンサ102の第二端子との両方に連結され得る。同様に、第二ノード122を形成するために第一スイッチング装置108の第一端子が第一コンデンサ102の第一端子に連結され得、第三ノード124を形成するために第二スイッチング装置110の第一端子が第一スイッチング装置108の第二端子とインダクター106の第二端子とに連結され得、そして、第四ノード126を形成するため、第二スイッチング装置110の第二端子が第二コンデンサ104の第二端子に連結され得る。
概してDC-DCコンバータ100は、電圧V1、V2或いはV3のいずれか一つが入力として使用され得る一方で、残りの電圧の一つ或いは両方が出力として使用され得るという意味の、双方向性を持ち得る。例としての実施形態の一つにおいて、V1或いはV3のような入力電圧が、ノード120及び126或いの間は、ノード122及び120の間に夫々置かれ（即ち、加えられ）、そして出力電圧V2がノード122及び126の間から取り出される（即ち、負荷に対して出力される）とき、コンバータ100はブースト・コンバータ（即ち昇圧コンバータ）として使用され得る。別の例示としての実施形態において、入力電圧V2がノード122及び126の間に置かれ、V1或いはV3のような出力電圧がノード120と126との間或いは、ノード122及び120の間から夫々取り出されるとき、コンバータ100はバック（即ち、電圧低減コンバータ）として使用され得る。更に別の例示としての実施形態において、入力電圧V1がノード120と126との間に置かれ、そして出力電圧V3がノード122及び120の間から取り出されるとき、コンバータ100はブースト・バック・コンバータ（boost-buck converter）として使用される。更にまた別の例示としての実施形態において、入力電圧V3がノード122及び120の間に置かれ、そして出力電圧V1がノード120及び126の間に加えられるとき、コンバータ100はバック・ブースト・コンバータ（buck-boost converter）として使用され得る。しかしながら、特定の適用例の設計基準を満たすべく、適切なものであれば如何なる電圧（例えば、V1、V2またはV3）もコンバータ100に対する入力として使用され得、そして、適切なものであれば如何なる対応する端子電圧もコンバータ100からの出力として使用され得る。
実施形態の少なくとも一つにおいて、第一コンデンサ102及び第二コンデンサ104は、第一コンデンサ102及び第二コンデンサ104の夫々の第一/第二端子が夫々、正リード及び負リードに対応するような、分極コンデンサ（polarized capacitor）であり得る。そのような実施形態は、純粋な電気自動車及び/燃料電池型電気自動車のような、高電圧を用いる適用例において特に有益になり得る。
概して、第一スイッチング装置108及び第二スイッチング装置110は、対応する制御信号に応じて対応する第一端子と第二端子を電気的に連結するために適切なものであれば如何なる装置でもあり得る。つまり、第一スイッチング装置108は、第一制御信号に応じて第一スイッチング装置108の第一端子と第二端子とを電気的に連結するために適切なものであれば如何なる装置でもよく、一方、第二スイッチング装置110は、第二の制御信号に応じて第二スイッチング装置110の第一端子を第二端子とを電気的に連結するのに適切なものであれば、如何なる装置でも良い。実施形態の少なくとも一つにおいて、第一スイッチング装置108及び/又は第二スイッチング装置110は、電気機械リレー装置及び/又は固体素子を含み得る。他の実施形態の少なくとも一つにおいて、第一スイッチング装置108及び/又は第二スイッチング装置110は、モス電界効果トランジスタ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor: MOSFET）、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（Gate Bipolar Transistor : IGBT）、バイポーラ接合トランジスタ（Bipolar Junction Transistors: BJT）及び/又は、それらに類似するようなトランジスタを含み得る。具体的には、図2乃至5に示されているように、本発明の実施形態の少なくとも一つは、第一スイッチング装置108及び/又は第二スイッチング装置110としてIGBTを使用し得る。そのようなIGBTは、対応するスイッチング装置（例えば、スイッチング装置108或いは110）の第一端子に連結されるコレクタ領域、対応するスイッチング装置の第二端子に連結されるエミッタ領域及び、制御器112に連結されたゲート領域を含み得る。また、その中において動力の流れが単一の方向に維持される実施形態においては、第一スイッチング装置及び第二スイッチング装置の一方が削除される場合がある。
概して、第一制御信号及び第二制御信号は、適切なものであれば如何なる形式の信号でも良く（例えば、電圧信号、電流信号及び/又は、それらと類似したもの）、そして、特定の適用例の設計基準を満たすべく適切なものであれば如何なる形式の如何なる数の制御器112によっても生成され得る。
コンバータ100は任意に、一つ以上のダイオードを含み得る。例えば、実施形態の一つ以上が、ノード124に連結される正端子（即ち、陽極）と、ノード122に連結される負端子（即ち、陰極）とを持つ第一ダイオード130（図中、D1で示す）及び/又は、ノード126に連結される正端子とノード124に連結される負端子とを持つ第二ダイオード132（図中、D2で表す）を含み得る。一つ以上のダイオードを使用することは、その中において第一スイッチング装置108及び/又は第二スイッチング装置110が誘導負荷を駆動する実施形態において特に有益であり得る。
従来のコンデンサ10及び20と比較したとき、本発明の実施形態に従うコンバータ100は、低い定格電圧のコンデンサーを使用し、そして/又は、コンデンサのパラメータ変動に影響を受けやすいことに起因する過剰電圧の発生を抑制しながら、より高い定格出力端子電圧（例えば、V2）を供給可能である。概して、第一コンデンサ102の定格電圧は、ノード122とノード120との間の電圧V3に対応するもののみが必要となり得る。同様に、第二コンデンサ104の定格電圧は、ノード120とノード126との間の電圧V1に対応するもののみが必要となり得る。
図3を参照すると、本発明の他の実施形態の一つに従ったDC-DCコンバータ200の概略図が示される。コンバータ200は、コンバータ200が第三ダイオード134（図中、D3で表す）、第四ダイオード136（図中、D4で表す）、第三コンデンサ140（図中、C3で表す）或いは、それらの組み合わせを含むことを除いて、コンバータ100と同様に使用され得る。第三ダイオード134は該して、第三ダイオード134が第一コンデンサ102と並列に位置するようノード120に連結された正端子及び、ノード122に連結された負端子を含む。第三ダイオード134は、過渡状態の間、第一コンデンサ102の逆バイアスを防止する。
第四ダイオード136は該して、第四ダイオード136が第二コンデンサ104と並列に位置するようノード126に連結された正端子及び、ノード120に連結された負端子を含む。第四ダイオード136は、過渡状態の間、第二コンデンサ104の逆バイアスを防止する。
第三コンデンサ140は該して、ノード122に連結された第一端子及び、ノード126に連結された第二端子を含む。したがって、第三コンデンサ140はノード122及び126に亘る、スイッチング電圧ノイズを低減し得る。実施形態の少なくとも一つにおいて、第三コンデンサの静電容量は、第一コンデンサ102及び第二コンデンサ104の個々の静電容量に比べて小さい（即ち、C3＜C1及びC3＜C2）。
ここで図4を参照すると、本発明の実施形態の少なくとも一つに従った電動機駆動システム400の概略図が示される。システム400は該して、バッテリのようなエネルギー蓄積装置402、一つ以上の駆動ユニット404（即ち、インバータ、モーター制御器その他であり、図中、DRIVE 1、DRIVE 2、・・・DRIVE nで表す）、一つ以上の駆動ユニット404と電気的に通信する一つ以上の電動機406（図中、MOTOR 1、MOTOR 2・・・MOTOR nで表す）及び/又は、DC-DCコンバータ408を有する。図4に図示された実施形態において、コンバータ408は該して、図3に関連して前述したコンバータ200に対応する。しかしながら、システム400は、特定の適用例の設計基準を満たすために、図2に関連して前述したコンバータ100のように、適切なものであれば如何なるDC-DCコンバータ408も使用され得る。
エネルギー蓄積装置402は該して、エネルギー蓄積装置に対応する電圧（即ち、V1）が、実施形態の少なくとも一つにおいて、ノード120及び126に亘って加えられるように、ノード120に連結する正端子及び、ノード126に連結する負端子を有する。
更に、一つ以上の駆動ユニット404の夫々（例えば、404a乃至404n）が概して、ノード122に連結する第一端子及び、ノード126に連結する第二端子を含む。
実施形態の少なくとも一つにおいて、システム400は、例えば一つ以上の制御信号を生成する制御器112を介して、エネルギー蓄積装置に対応する入力電圧（例えば、V1）を昇圧し、そして、昇圧された電圧を一つ以上の駆動ユニット404に出力するように構成され得る。そのような実施形態は、純粋な電気自動車、ハイブリッド電気自動車及び/又は、燃料電池電気自動車の一つ以上の電動機を駆動するのに特に有用である。
他の実施形態の少なくとも一つにおいて、システム400は、例えば一つ以上の制御信号を生成する制御器112を介して、一つ以上の電動機406によって生成される再生電圧に対応する入力電圧（例えば、V2）を低下させ、そして、低下させられた電圧（例えば、V1）をエネルギー蓄積装置402に出力するように構成され得る。そのような実施形態は、純粋な電気自動車、ハイブリッド電気自動車及び/又は、燃料電池電気自動車のバッテリ或いは他のエネルギー蓄積装置402を、回生制動シーケンスの間に充電するときに、特に有用である。
図5を参照すると、本発明の他の実施形態に従った電動機駆動システム500の概略図が示される。概して、システム500は、エネルギー蓄積装置に対応する電圧（即ち、V3）が、実施例の少なくとも一つにおいて、ノード122及び120の間に加えられるように、エネルギー蓄積装置402の正端子がノード122に連結され得、そして負端子がノード120に連結され得る点を除いて、システム400と同様に使用され得る。
したがって、本発明の実施形態の一つ以上は、製造コストを低減しつつ、高DC電圧で使用すべく構成され得るDC-DCコンバータ及び/又は、電動機駆動システムを提供し得る。
本発明を実行するための最良の実施形態を詳細に説明してきたが、本発明が関連する技術分野の当業者は、特許請求の範囲に規定された本発明を実施するための種々の代替設計及び代替実施形態を認識するであろう。
従来の双方向型DC-DCコンバータの概略図である。 本発明の実施形態の少なくとも一つに従ったDC-DCコンバータの概略図である。 本発明の他の実施形態の少なくとも一つに従ったDC-DCコンバータの概略図である。 本発明の実施形態の少なくとも一つに従った電動機駆動システムの概略図である。 本発明の別の実施形態の少なくとも一つに従った電動機駆動システムの概略図である。
符号の説明
100 DC-DCコンバータ
102 第一コンデンサ
104 第二コンデンサ
106 インダクター
108 第一スイッチング装置
110 第二スイッチング装置
112 制御器
120 第一ノード
122 第二ノード
124 第三ノード
126 第四ノード

Claims (9)

  1. 第一端子及び第二端子を持つ第一コンデンサと、
    第一端子及び第二端子を持つ第二コンデンサと、
    第一ノードを形成すべく上記第二コンデンサの第一端子と上記第一コンデンサの上記第二端子の両方に連結された第一端子及び、第二端子を持つインダクターと、
    第二ノードを形成すべく上記第一コンデンサの第一端子に連結された第一端子及び、第二端子を持ち、第一制御信号に応じて該第一端子と該第二端子とを電気的に連結するように構成された、第一スイッチング装置と、
    第一端子及び第二端子を持ち、第二制御信号に応じて該第一端子と該第二端子とを電気的に連結するように構成された、第二スイッチング装置とを備え、
    第三ノードを形成すべく、該第二スイッチング装置の第一端子が、上記第一スイッチング装置の第二端子及び上記インダクターの第二端子とに連結され、
    第四ノードを形成すべく、上記第二スイッチング装置の第二端子が、上記第二コンデンサの第二端子に連結された、DC-DCコンバータ。
  2. 請求項１において、
    上記第一コンデンサ及び上記第二コンデンサが分極コンデンサであり、上記第一コンデンサ及び上記第二コンデンサの夫々の第一端子が正リードで、上記第一コンデンサ及び上記第二コンデンサの夫々の第二端子が負リードである、DC-DCコンバータ。
  3. 請求項１又は２において、
    上記第一スイッチング装置及び上記第二スイッチング装置がトランジスタである、DC-DCコンバータ。
  4. 請求項３において、
    上記第一スイッチング装置及び上記第二スイッチング装置が絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタである、DC-DCコンバータ。
  5. 請求項４において、
    上記第一スイッチング装置及び上記第二スイッチング装置の夫々が絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタであり、上記各スイッチング装置の第一端子の夫々に連結するコレクタ領域、上記各スイッチング装置の第二端子の夫々に連結するエミッタ領域及び、制御器に連結するゲート領域とを備え、
    該制御器が第一制御信号及び第二制御信号の少なくとも一方を生成し、上記ゲート領域が第一制御信号及び第二制御信号の少なくとも一方を受ける、DC-DCコンバータ。
  6. 請求項１乃至５のうち何れか１項において、
    上記第三ノードに連結する正端子と、上記第二ノードに連結する負端子とを持つ第一ダイオード及び、上記第四ノードに連結する正端子と、上記第三ノードに連結する負端子とを持つ第二ダイオードを更に有する、DC-DCコンバータ。
  7. 請求項１乃至６のうち何れか１項において、
    上記第一ノードに連結する正端子と、上記第二ノードに連結する負端子とを更に有する、DC-DCコンバータ。
  8. 請求項１乃至７のうち何れか１項において、
    上記第四ノードに連結する正端子と、上記第一ノードに連結する負端子とを更に有する、DC-DCコンバータ。
  9. 請求項１乃至８のうち何れか１項において、
    上記第二ノードに連結する第一端子と、上記第四ノードに連結する第二端子とを持つ第三コンデンサを更に有する、DC-DCコンバータ。
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