JP2014524730A

JP2014524730A - 電力変換器の共振を抑制するためのシステムおよび方法

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Publication number: JP2014524730A
Application number: JP2014526353A
Authority: JP
Inventors: リンドホルム，ブライアン・エリック; ハーボウト，サイラス・デイヴィッド; ツァン，リチャード・エス; ツァン，インジ; ツァン，ファン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2014-09-22
Also published as: EP2748920A1; WO2013026179A1; US20140177294A1; EP2748920A4

Abstract

電力変換器（１００）は、交流（ＡＣ）を受け取るように構成された入力段（１０１）と、交流（ＡＣ）を出力するように構成された出力段（１０２）と、入力段（１０１）を出力段（１０２）に結合する第１の直流（ＤＣ）バス（１０６）と、入力段（１０１）を出力段（１０２）に結合する第２のＤＣバス（１０８）と、第１のＤＣバス（１０６）を第２のＤＣバス（１０８）に結合する第１のコンデンサレグ（１１０）と、第１のＤＣバス（１０６）を第２のＤＣバス（１０８）に結合する第２のコンデンサレグ（１１２）とを含む。第１及び第２のＤＣバス（１０６、１０８）、第１及び第２のコンデンサレグ（１１０、１１２）は、実効インダクタンスを有する電流ループ（１３０）を形成し、また、抵抗器（１４０、１４２）は、電力変換器（１００）の共振であって、電流ループの実効インダクタンスに基づく共振を抑制する。
【選択図】図１

Description

本明細書において開示される主題は、一般に、容量性ＤＣリンクに一体結合された２つの変換器セクションを含んだ電力変換器に関し、より詳細にはこのような電力変換器の共振の抑制に使用するためのシステムおよび方法に関する。

固定周波数交流（ＡＣ）を可変周波数ＡＣに変換するために、あるいはその逆に可変周波数ＡＣを固定周波数交流（ＡＣ）に変換するために、少なくともいくつかの知られている電力変換器が使用されている。寸法を最小化し、かつ、損失を小さくするために、少なくともいくつかの知られている電力変換器は、堅固に結合されたＤＣリンクを含み、第２の電力変換器段の入力は、第１の電力変換器段の出力の比較的近くに配置されている。したがって入力を出力に接続しているＤＣバスは、比較的短い距離を延在している。

しかしながら、少なくともいくつかの知られている分散ＤＣリンク電力変換器では、電力変換器入力段は、電力変換器出力段からかなりの距離を隔てている。入力段と出力段の間の距離のため、これらの２つの段を接続しているＤＣバスは、無視できないインダクタンスをもたらすことがある。このようなインダクタンスは、電力変換器内のコンデンサと相俟って、動作中に励起され得る共振周波数を生成することになる。電力変換器が共振周波数またはその近傍で動作するか、あるいは共振周波数またはそれに近い高調波を有していると、大きなリプル電流が生成され、そのために様々な変換器構成要素が過熱し、および／または機能不全に陥る原因になることがある。

日本特許第２００３−３１９６６４号

一態様では、電力変換器が提供される。電力変換器は、交流（ＡＣ）を受け取るように構成された入力段と、ＡＣを出力するように構成された出力段と、入力段を出力段に結合する第１の直流（ＤＣ）バスと、入力段を出力段に結合する第２のＤＣバスと、第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第１のコンデンサレグと、第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第２のコンデンサレグであって、第１のＤＣバス、第２のＤＣバス、第１のコンデンサレグおよび第２のコンデンサレグが、実効インダクタンスを有する電流ループを形成する第２のコンデンサレグと、電力変換器の共振であって、少なくとも部分的に電流ループの実効インダクタンスに基づく共振を抑制するように構成された少なくとも１つの抵抗器とを含む。

他の態様では、電力変換器の共振を抑制するためのシステムが提供される。システムは、交流（ＡＣ）源と、ＡＣ負荷と、電力変換器とを含む。電力変換器は、ＡＣを受け取るように構成された入力段と、交流ＡＣを出力するように構成された出力段と、入力段を出力段に結合する第１の直流（ＤＣ）バスと、入力段を出力段に結合する第２のＤＣバスと、第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第１のコンデンサレグと、第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第２のコンデンサレグであって、第１のＤＣバス、第２のＤＣバス、第１のコンデンサレグおよび第２のコンデンサレグが、実効インダクタンスを有する電流ループを形成する第２のコンデンサレグとを含む。電力変換器は、電力変換器の共振であって、少なくとも部分的に電流ループの実効インダクタンスに基づく共振を抑制するように構成された少なくとも１つの抵抗器をさらに含む。

さらに他の態様では、電力変換器の共振を抑制する方法が提供される。方法は、電力変換器を提供するステップであって、電力変換器が、交流（ＡＣ）を受け取るように構成された入力段と、ＡＣを出力するように構成された出力段と、入力段を出力段に結合する第１の直流（ＤＣ）バスと、入力段を出力段に結合する第２のＤＣバスと、第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第１のコンデンサレグと、第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第２のコンデンサレグを備え、第１のＤＣバス、第２のＤＣバス、第１のコンデンサレグおよび第２のコンデンサレグが、実効インダクタンスを有する電流ループを形成するステップを含む。方法は、少なくとも１つの抵抗器を電力変換器内に結合するステップと、電力変換器の共振であって、少なくとも部分的に電流ループの実効インダクタンスに基づく共振を、少なくとも１つの抵抗器を使用して抑制するステップとをさらに含む。

ある例示的電力変換器の略図である。ある代替電力変換器の略図である。ある代替電力変換器の略図である。ある代替電力変換器の略図である。ある代替電力変換器の略図である。ある代替電力変換器の略図である。図１〜６に示されている電力変換器のうちの任意の電力変換器と共に使用することができる、共振を抑制するためのある例示的方法の流れ図である。周波数対例示的電力変換器内に生成されるリプル電流を示すグラフである。周波数対例示的電力変換器内に生成されるリプル電流を示すグラフである。周波数対例示的電力変換器内に生成されるリプル電流を示すグラフである。

本明細書において説明されている方法およびシステムによれば、電力変換器の共振を容易に抑制することができる。分散直流（ＤＣ）リンクを含んだ電力変換器は、無視できないインダクタンスをもたらすことがあり、また、事実上、対応する共振周波数を有するインダクタ−コンデンサ（ＬＣ）回路として作用することがある。実効ＬＣ回路によって生成される共振の抑制を容易にするために、電力変換器内の様々な位置に減衰抵抗が含まれている。本明細書において説明されているシステムおよび方法を使用して共振を抑制することにより、電力変換器の動作を容易に安定させることができ、また、電力変換器に対する損傷および／または電力変換器の機能不全の可能性を容易に小さくすることができる。

図１は、ある例示的電力変換器１００の略図である。この例示的実施形態では、電力変換器１００は、交流（ＡＣ）を受け取る入力段１０１およびＡＣを出力する出力段１０２を含んだ、非可逆性、すなわち一方向性の電力変換器である。より詳細には、この例示的実施形態では、入力１０１は三相整流器構造（詳細は図示せず）を含み、また、出力段１０２は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）、および／またはパルス幅変調（ＰＷＭ）に使用するのに適した任意の他の電力デバイスを含んだ６つの相レグ（詳細は図示せず）を含む。別法としては、入力段１０１および出力段１０２は、電力変換器１００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の電力デバイスを含む。この例示的実施形態では、入力１０１はＡＣ源１０３に結合されており、また、出力１０２はＡＣ負荷１０４に結合されている。ＡＣ源１０３は、それらのみに限定されないが、変圧器、発電機、電力格子および／またはＡＣ電力を供給するように構成された任意の他のデバイスを含むことができる。ＡＣ負荷１０４は、それらのみに限定されないが、電力格子、電動機、電気器具および／またはＡＣ電力を使用して動作するように構成された任意の他の電気デバイスを含むことができる。

この例示的実施形態では、変換器１００は、第１の直流（ＤＣ）バス１０６および第２のＤＣバス１０８を含んだ２レベル変換器である。第１のＤＣバス１０６および第２のＤＣバス１０８の各々は、入力段１０１から出力段１０２へ延在している。また、変換器１００は、第１のコンデンサレグ１１０および第２のコンデンサレグ１１２を同じく含む。第１のコンデンサレグ１１０および第２のコンデンサレグ１１２の各々は、第１のＤＣバス１０６から第２のＤＣバス１０８へ延在している。第１のコンデンサレグ１１０は第１のコンデンサバンク１１４を含み、また、第２のコンデンサレグ１１２は第２のコンデンサバンク１１６を含む。第１のコンデンサバンク１１４および第２のコンデンサバンク１１６は、それぞれ少なくとも１つのコンデンサ１２０を含む。この例示的実施形態では、コンデンサ１２０は分極コンデンサである。別法としては、コンデンサ１２０は非分極コンデンサであってもよい。

第１のコンデンサレグ１１０、第１のＤＣバス１０６、第２のコンデンサレグ１１２および第２のＤＣバス１０８は、実効インダクタンスＬを有する電流ループ１３０を形成している。ループ実効インダクタンスＬは、少なくとも部分的に、第１のコンデンサレグ１１０、第１のＤＣバス１０６、第２のコンデンサレグ１１２および第２のＤＣバス１０８内のバスの全長に基づいている。分かり易くするために、図１では、実効インダクタンスＬは、第１の実効インダクタ１３２および第２の実効インダクタ１３４によって示されている。この例示的実施形態では、実効インダクタ１３２および１３４は平衡化されており、それぞれインダクタンス１／２Ｌを有している。別法としては、第１の実効インダクタ１３２および第２の実効インダクタ１３４は、電力変換器１００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意のインダクタンスを有することも可能であり、それには互いに異なるインダクタンスを有することを含む。

この例示的実施形態では、第１のコンデンサバンク１１４および第２のコンデンサバンク１１６は、それぞれキャパシタンス１／２Ｃを有している。別法としては、第１のコンデンサバンク１１４および第２のコンデンサバンク１１６は、電力変換器１００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意のキャパシタンスを有することも可能であり、それには互いに異なるキャパシタンスを有することを含む。電流ループ１３０は、インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣを有する直列ＬＣ回路を形成している。平衡化電力変換器の場合、電力変換器１００内に形成されるＬＣ回路の共振周波数ｆは、式１によって与えられる。

したがって電力変換器１００が共振周波数ｆまたはその近傍で動作し、および／または共振周波数ｆまたはそれに近い高調波を有している場合、電力変換器１００内に大きなリプル電流が生成され、電力変換器１００の１つまたは複数の構成要素が損傷することになる。

電力変換器１００が共振周波数で共振するのを禁止するために、第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２が電力変換器１００に組み込まれている。この例示的実施形態では、第１のＤＣバス１０６は第１の抵抗器１４０を含み、また、第２のＤＣバス１０８は第２の抵抗器１４２を含む。別法としては、第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２は、電力変換器１００を本明細書において説明されているように機能させることができる電力変換器１００内の任意の位置に組み込むことも可能である。さらに、電力変換器１００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の数の抵抗器を電力変換器１００内に組み込むことができる。

この例示的実施形態では、第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２は、電流ループ１３０がこの第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２を使用して、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣおよび抵抗Ｒを有する直列ＲＬＣ回路を形成するよう、それぞれ抵抗１／２Ｒを有している。別法としては、第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２は、それぞれ、電力変換器１００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の抵抗を有することも可能であり、それには互いに異なる抵抗を有することを含む。電流ループ１３０によって形成される平衡化回路の減衰比ζは、式２によって与えられる。

この例示的実施形態では、抵抗Ｒは、減衰比

が提供されるように選択されている。より詳細には、抵抗Ｒは、式３によってインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの形で与えられる。

別法としては、抵抗Ｒは、電力変換器１００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の適切な抵抗として選択することも可能である。例えば抵抗Ｒは、抵抗Ｒに起因する電力損失を小さくするために、

未満の減衰比が得られるように選択することができる。第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２を電力変換器１００内に含むことにより、電力変換器１００が共振周波数ｆまたはその近傍で動作し、および／または共振周波数ｆまたはそれに近い高調波を有していても、電流ループ１３０の共振周波数の結果として生成されるあらゆる電流発振をこの第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２によって減衰させることができる。

図２は、ある例示的非可逆性電力変換器２００の略図である。特に明記されていない限り、電力変換器２００は、電力変換器１００（図１に示されている）と実質的に同様であり、また、同様の構成要素には、図１に使用されている参照数表示と同じ参照数表示のラベルが図２にも振られている。電力変換器２００は、第１の抵抗器１４０および第２の抵抗器１４２がそれぞれ第１のコンデンサバンク１１４および第２のコンデンサバンク１１６と直列に結合されている点を除き、電力変換器１００（図１に示されている）と実質的に同様である。より詳細には、第１のコンデンサレグ１１０は第１の抵抗器１４０を含み、また、第２のコンデンサレグ１１２は第２の抵抗器１４２を含む。電力変換器１００（図１に示されている）と同様、第１のコンデンサレグ１１０、第１のＤＣバス１０６、第２のコンデンサレグ１１２および第２のＤＣバス１０８によって画定される電流ループ２３０は、式１によって与えられる共振周波数ｆを有している。式２および３も適用可能であり、同じく電力変換器２００にも使用することができる。さらに、電力変換器１００（図１に示されている）に関連して説明した方法およびシステムは、電力変換器２００にも同じく適用可能である。

図３は、２つの３レベル段から構成されるある例示的電力変換器３００の略図である。この例示的実施形態では、電力変換器３００は、ＡＣを受け取る（または反転されると出力する）３レベル入力段３０２、およびＡＣを出力する（または反転されると受け取る）３レベル出力段３０４を含んだ可逆性、すなわち二方向性の電力変換器である。より詳細には、この例示的実施形態では、入力段３０２および出力段３０４は、それぞれ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）、ダイオードおよび／またはパルス幅変調（ＰＷＭ）に使用するのに適した任意の他の電力デバイスを含んだ中性クランピングダイオード（詳細は図示せず）を備えた６つの相レグを含む。別法としては、入力段３０２および出力段３０４は、電力変換器３００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の電力デバイスを含むことも可能である。

変換器３００は、それぞれ入力段３０２を出力段３０４に結合する第１のＤＣバス３０６、第２のＤＣバス３０８および第３のＤＣバス３１０を含んだ３レベル変換器である。また、変換器３００は、第１のコンデンサレグ３２０、第２のコンデンサレグ３２２、第３のコンデンサレグ３２４および第４のコンデンサレグ３２６を同じく含む。第１のコンデンサレグ３２０および第２のコンデンサレグ３２２は、それぞれ第１のＤＣバス３０６から第２のＤＣバス３０８へ延在し、また、第３のコンデンサレグ３２４および第４のコンデンサレグ３２６は、それぞれ第２のＤＣバス３０８から第３のＤＣバス３１０へ延在している。第１のコンデンサレグ３２０は第１のコンデンサバンク３２８を含み、第２のコンデンサレグ３２２は第２のコンデンサバンク３３０を含み、第３のコンデンサレグ３２４は第３のコンデンサバンク３３２を含み、また、第４のコンデンサレグ３２６は第４のコンデンサバンク３３４を含む。第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク３２８、３３０、３３２および３３４は、それぞれ少なくとも１つのコンデンサ３４０を含む。この例示的実施形態では、コンデンサ３４０は分極コンデンサである。別法としては、コンデンサ３４０は非分極コンデンサであってもよい。

この例示的実施形態では、第１のコンデンサレグ３２０、第１のＤＣバス３０６、第２のコンデンサレグ３２２および第２のＤＣバス３０８は、実効インダクタンスＬを有する第１の電流ループ３５０を形成している。同様に、第３のコンデンサレグ３２４、第２のＤＣバス３０８、第４のコンデンサレグ３２６および第３のＤＣバス３１０は、実効インダクタンスＬを有する第２の電流ループ３６０を形成している。第１の電流ループ３５０の実効インダクタンスＬは、少なくとも部分的に、第１のコンデンサレグ３２０、第１のＤＣバス３０６、第２のコンデンサレグ３２２および第２のＤＣバス３０８内のバスの全長に基づいており、また、第２の電流ループ３６０の実効インダクタンスＬは、少なくとも部分的に、第３のコンデンサレグ３２４、第２のＤＣバス３０８、第４のコンデンサレグ３２６および第３のＤＣバス３１０内のバスの全長に基づいている。

分かり易くするために、図３では、第１の電流ループ３５０の実効インダクタンスＬは、第１の実効インダクタ３６２および第２の実効インダクタ３６４によって示されており、また、第２の電流ループ３６０の実効インダクタンスＬは、第２の実効インダクタ３６４および第３の実効インダクタ３６６によって示されている。この例示的実施形態では、実効インダクタ３６２、３６４および３６６は、それぞれインダクタンス１／２Ｌを有している。別法としては、第１、第２および第３の実効インダクタ３６２、３６４および３６６は、電力変換器３００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意のインダクタンスを有することも可能であり、それには互いに異なるインダクタンスを有することを含む。

さらに、第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク３２８、３３０、３３２および３３４は、それぞれ実効キャパシタンス１／２Ｃを有している。別法としては、第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク３２８、３３０、３３２および３３４は、電力変換器３００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意のキャパシタンスを有することも可能であり、それには互いに異なるキャパシタンスを有することを含む。第１の電流ループ３５０および第２の電流ループ３６０は、それぞれ、インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣを有する直列ＬＣ回路を形成している。個々のＬＣ回路の共振周波数は、式１によって与えられる（上記）。したがって電力変換器３００が共振周波数ｆまたはその近傍で動作し、および／または共振周波数ｆまたはそれに近い高調波を有していると、大きなリプル電流が電力変換器３００内に生成され、そのために場合によっては電力変換器３００の１つまたは複数の構成要素が損傷することになる。

電力変換器３００が共振周波数で共振するのを禁止するために、第１の抵抗器３７０および第２の抵抗器３７２が電力変換器３００に組み込まれている。この例示的実施形態では、第１のＤＣバス３０６は第１の抵抗器３７０を含み、また、第３のＤＣバス３１０は第２の抵抗器３７２を含む。別法としては、第１の抵抗器３７０および第２の抵抗器３７２は、電力変換器３００を本明細書において説明されているように機能させることができる電力変換器３００内の任意の位置に組み込むことも可能である。さらに、電力変換器３００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の数の抵抗器を電力変換器３００内に組み込むことができる。

この例示的実施形態では、第１の抵抗器３７０および第２の抵抗器３７２は、第１の電流ループ３５０および第２の電流ループ３６０がこの第１の抵抗器３７０および第２の抵抗器３７２を使用して、それぞれ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣおよび抵抗Ｒを有する直列ＲＬＣ回路を形成するよう、それぞれ抵抗Ｒを有している。別法としては、第１の抵抗器３７０および第２の抵抗器３７２は、それぞれ、電力変換器３００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の抵抗を有することも可能であり、それには互いに異なる抵抗を有することを含む。この例示的実施形態では、電流ループ３５０および電流ループ３６０によって形成される回路の減衰比ζは、いずれも式２によって与えられる（上記）。

この例示的実施形態では、抵抗Ｒは、減衰比

が提供されるように選択されている。より詳細には、抵抗Ｒは、式３（上記）によってインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの形で与えられる。別法としては、抵抗Ｒは、電力変換器３００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の適切な抵抗として選択することも可能である。例えば抵抗Ｒは、抵抗Ｒに起因する電力損失を小さくするために、

未満の減衰比が得られるように選択することができる。第１の抵抗器３７０および第２の抵抗器３７２を電力変換器３００内に含むことにより、電力変換器３００が共振周波数ｆまたはその近傍で動作し、および／または共振周波数ｆまたはそれに近い高調波を有していても、第１の電流ループ３５０および第２の電流ループ３６０の共振周波数の結果として生成されるあらゆる電流発振をこの第１の抵抗器３７０および第２の抵抗器３７２によって減衰させることができる。

図４は、ある例示的可逆性電力変換器４００の略図である。特に明記されていない限り、電力変換器４００は、電力変換器３００（図３に示されている）と実質的に同様であり、また、同様の構成要素には、図３に使用されている参照数表示と同じ参照数表示のラベルが図４にも振られている。電力変換器４００は、抵抗器が個々の第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク３２８、３３０、３３２および３３４と直列に結合されている点を除き、電力変換器３００（図３に示されている）と実質的に同様である。より詳細には、第１のコンデンサレグ３２０は第１の抵抗器４０２を含み、第２のコンデンサレグ３２２は第２の抵抗器４０４を含み、第３のコンデンサレグ３２４は第３の抵抗器４０６を含み、また、第４のコンデンサレグ３２６は第４の抵抗器４０８を含む。この例示的実施形態では、第１、第２、第３および第４の抵抗器４０２、４０４、４０６および４０８は、第１の電流ループ４５０および第２の電流ループ４６０が、それぞれ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣおよび抵抗Ｒを有する直列ＲＬＣ回路を形成するよう、それぞれ抵抗１／２Ｒを有している。別法としては、第１、第２、第３および第４の抵抗器４０２、４０４、４０６および４０８は、それぞれ、電力変換器４００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の抵抗を有することも可能であり、それには互いに異なる抵抗を有することを含む。

電力変換器３００（図３に示されている）と同様、第１の電流ループ４５０および第２の電流ループ４６０は、式１によって与えられる共振周波数ｆを有している。式２および３も適用可能であり、同じく電力変換器４００にも使用することができる。さらに、電力変換器３００（図３に示されている）に関連して説明した方法およびシステムは、電力変換器４００にも同じく適用可能である。

図５は、ある例示的電力変換器５００の略図である。この例示的実施形態では、電力変換器５００は、それぞれＡＣを受け取る第１の入力段５０４および第２の入力段５０６を含んだ非可逆性二重出力電力変換器である。また、電力変換器５００は、ＡＣを出力する第１の３レベル出力段５０２および第２の３レベル出力段５０８を同じく含む。より詳細には、この例示的実施形態では、第１の出力段５０２および第２の出力段５０８は、それぞれ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）、および／またはパルス幅変調（ＰＷＭ）に使用するのに適した任意の他の電力デバイスを中性クランピングダイオードと共に含んだ６つの相レグ（詳細は図示せず）を含む。さらに、この例示的実施形態では、第１の入力段５０４および第２の入力段５０６は、それぞれ三相整流器構造を含む（詳細は図示せず）。別法としては、第１の出力段５０２、第１の入力段５０４、第２の入力段５０６および第２の出力段５０８は、電力変換器５００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の電力デバイスを含む。

変換器５００は、それぞれ第１の出力段５０２を第２の出力段５０８に結合する第１のＤＣバス５１０、第２のＤＣバス５１２および第３のＤＣバス５１４を含んだ３レベル変換器である。また、変換器５００は、第１のコンデンサレグ５２０、第２のコンデンサレグ５２２、第３のコンデンサレグ５２４および第４のコンデンサレグ５２６を同じく含む。第１のコンデンサレグ５２０および第２のコンデンサレグ５２２は、それぞれ第１のＤＣバス５１０から第２のＤＣバス５１２へ延在し、また、第３のコンデンサレグ５２４および第４のコンデンサレグ５２６は、それぞれ第２のＤＣバス５１２から第３のＤＣバス５１４へ延在している。第１のコンデンサレグ５２０は第１のコンデンサバンク５２８を含み、第２のコンデンサレグ５２２は第２のコンデンサバンク５３０を含み、第３のコンデンサレグ５２４は第３のコンデンサバンク５３２を含み、また、第４のコンデンサレグ５２６は第４のコンデンサバンク５３４を含む。第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク５２８、５３０、５３２および５３４は、それぞれ少なくとも１つのコンデンサ５４０を含む。この例示的実施形態では、コンデンサ５４０は分極コンデンサである。別法としては、コンデンサ５４０は非分極コンデンサであってもよい。

この例示的実施形態では、第１のコンデンサレグ５２０、第１のＤＣバス５１０、第２のコンデンサレグ５２２および第２のＤＣバス５１２は、実効インダクタンスＬを有する第１の電流ループ５５０を形成している。同様に、第３のコンデンサレグ５２４、第２のＤＣバス５１２、第４のコンデンサレグ５２６および第３のＤＣバス５１４は、実効インダクタンスＬを有する第２の電流ループ５６０を形成している。第１の電流ループ５５０の実効インダクタンスＬは、少なくとも部分的に、第１のコンデンサレグ５２０、第１のＤＣバス５１０、第２のコンデンサレグ５２２および第２のＤＣバス５１２内のバスの全長に基づいており、また、第２の電流ループ５６０の実効インダクタンスＬは、少なくとも部分的に、第３のコンデンサレグ５２４、第２のＤＣバス５１２、第４のコンデンサレグ５２６および第３のＤＣバス５１４内のバスの全長に基づいている。

分かり易くするために、図５では、第１の電流ループ５５０の実効インダクタンスＬは、第１の実効インダクタ５６２、第２の実効インダクタ５６４、第３の実効インダクタ５６６および第４の実効インダクタ５６８によって示されている。同様に、第２の電流ループ５６０の実効インダクタンスＬは、第３の実効インダクタ５６６、第４の実効インダクタ５６８、第５の実効インダクタ５７０および第６の実効インダクタ５７２によって示されている。この例示的実施形態では、実効インダクタ５６２、５６４、５６６、５６８、５７０および５７２は、それぞれインダクタンス１／４Ｌを有している。別法としては、第１、第２および第３、第４、第５および第６の実効インダクタタ５６２、５６４、５６６、５６８、５７０および５７２は、電力変換器５００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意のインダクタンスを有することも可能であり、それには互いに異なるインダクタンスを有することを含む。

さらに、第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク５２８、５３０、５３２および５３４は、それぞれ実効キャパシタンス１／２Ｃを有している。別法としては、第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク５２８、５３０、５３２および５３４は、電力変換器５００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意のキャパシタンスを有することも可能であり、それには互いに異なるキャパシタンスを有することを含む。第１の電流ループ５５０および第２の電流ループ５６０は、それぞれ、インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣを有する直列ＬＣ回路を形成している。個々のＬＣ回路の共振周波数は、式１によって与えられる（上記）。したがって電力変換器５００が共振周波数ｆまたはその近傍で動作し、および／または共振周波数ｆまたはそれに近い高調波を有していると、大きなリプル電流が電力変換器５００内に生成され、そのために場合によっては電力変換器５００の１つまたは複数の構成要素が損傷することになる。

電力変換器５００が共振周波数で共振するのを禁止するために、第１の抵抗器５８０、第２の抵抗器５８２、第３の抵抗器５８４および第４の抵抗器５８６が電力変換器５００に組み込まれている。この例示的実施形態では、第１のＤＣバス５１０は、第１の抵抗器５８０および第２の抵抗器５８２を含み、また、第３のＤＣバス５１４は、第３の抵抗器５８４および第４の抵抗器５８６を含む。別法としては、第１、第２、第３および第４の抵抗器５８０、５８２、５８４および５８６は、電力変換器５００を本明細書において説明されているように機能させることができる電力変換器５００内の任意の位置に組み込むことも可能である。さらに、電力変換器５００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の数の抵抗器を電力変換器５００内に組み込むことができる。

この例示的実施形態では、第１、第２、第３および第４の抵抗器５８０、５８２、５８４および５８６は、第１の電流ループ５５０および第２の電流ループ５６０が、それぞれ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣおよび抵抗Ｒを有する直列ＲＬＣ回路を形成するよう、それぞれ抵抗１／２Ｒを有している。別法としては、第１、第２、第３および第４の抵抗器５８０、５８２、５８４および５８６は、それぞれ、電力変換器５００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の抵抗を有することも可能であり、それには互いに異なる抵抗を有することを含む。この例示的実施形態では、第１の電流ループ５５０および第２の電流ループ５６０によって形成される回路の減衰比ζは、いずれも式２によって与えられる（上記）。

この例示的実施形態では、抵抗Ｒは、減衰比

が提供されるように選択されている。より詳細には、抵抗Ｒは、式３（上記）によってインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの形で与えられる。別法としては、抵抗Ｒは、電力変換器５００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の適切な抵抗として選択することも可能である。例えば抵抗Ｒは、抵抗Ｒに起因する電力損失を小さくするために、

未満の減衰比が得られるように選択することができる。第１、第２、第３および第４の抵抗器５８０、５８２、５８４および５８６を電力変換器５００内に含むことにより、電力変換器５００が共振周波数ｆまたはその近傍で動作し、および／または共振周波数ｆまたはそれに近い高調波を有していても、第１の電流ループ５５０および第２の電流ループ５６０の共振周波数の結果として生成されるあらゆる電流発振をこの第１、第２、第３および第４の抵抗器５８０、５８２、５８４および５８６によって減衰させることができる。

図６は、ある例示的非可逆性二重出力電力変換器６００の略図である。特に明記されていない限り、電力変換器６００は、電力変換器５００（図５に示されている）と実質的に同様であり、また、同様の構成要素には、図５に使用されている参照数表示と同じ参照数表示のラベルが図６にも振られている。電力変換器６００は、抵抗器が第１、第２、第３および第４のコンデンサバンク５２８、５３０、５３２および５３４と直列に結合されている点を除き、電力変換器５００（図５に示されている）と実質的に同様である。より詳細には、第１のコンデンサレグ５２０は第１の抵抗器６０２を含み、第２のコンデンサレグ５２２は第２の抵抗器６０４を含み、第３のコンデンサレグ５２４は第３の抵抗器６０６を含み、また、第４のコンデンサレグ５２６は第４の抵抗器６０８を含む。この例示的実施形態では、第１、第２、第３および第４の抵抗器６０２、６０４、６０６および６０８は、第１の電流ループ６５０および第２の電流ループ６６０が、それぞれ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣおよび抵抗Ｒを有する直列ＲＬＣ回路を形成するよう、それぞれ抵抗１／２Ｒを有している。別法としては、第１、第２、第３および第４の抵抗器６０２、６０４、６０６および６０８は、それぞれ、電力変換器６００を本明細書において説明されているように機能させることができる任意の抵抗を有することも可能であり、それには互いに異なる抵抗を有することを含む。

電力変換器５００（図５に示されている）と同様、第１の電流ループ６５０および第２の電流ループ６６０は、式１によって与えられる共振周波数ｆを有している。式２および３も適用可能であり、同じく電力変換器６００にも使用することができる。さらに、電力変換器５００（図５に示されている）に関連して説明した方法およびシステムは、電力変換器６００にも同じく適用可能である。

図７は、電力変換器を使用した場合に生成される共振を抑制するために使用することができるある例示的方法７００の流れ図である。方法７００では、例えば電力変換器１００などの電力変換器が提供される７０２。電力変換器は、例えば入力段１０１および出力段１０２などの、交流（ＡＣ）を受け取るように構成された入力段、およびＡＣを出力するように構成された出力段を含む。また、電力変換器は、例えば第１のＤＣバス１０６および第２のＤＣバス１０８などの、入力段を出力段に結合する第１の直流（ＤＣ）バス、および入力段を出力段に結合する第２のＤＣバスを同じく含む。また、電力変換器は、例えば第１のコンデンサレグ１１０および第２のコンデンサレグ１１２などの、第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第１のコンデンサレグ、および第１のＤＣバスを第２のＤＣバスに結合する第２のコンデンサレグを同じく含む。第１のＤＣバス、第２のＤＣバス、第１のコンデンサレグおよび第２のコンデンサレグは、実効インダクタンスを有する、例えば電流ループ１３０などの電流ループを形成する。

例えば第１の抵抗器１４０および／または第２の抵抗器１４２などの少なくとも１つの抵抗器が電力変換器内に結合される７０４。少なくとも１つの抵抗器は、電力変換器の共振を抑制するように構成される。抑制される共振は、少なくとも部分的に電流ループの実効インダクタンスに基づいている。

図８〜１０は、例示的２レベル電力変換器、例えば電力変換器１００内に生成されるリプル電流に対する周波数を示すグラフである。図８では、グラフ８００は、共振を抑制するための抵抗器を含んでいない電力変換器の、ヘルツ（Ｈｚ）単位の周波数対アンペア（Ａ）単位のリプル電流を示している。グラフ８００に示されているように、特定の周波数では、リプル電流は電流閾値８０２を超えている。電流閾値８０２は、例えば電力変換器内のバスの動作能力を表すことができる。したがってリプル電流が電流閾値８０２を超えると、場合によっては電力変換器の１つまたは複数の構成要素が過熱し、および／または機能不全に陥ることがある。

図９では、グラフ９００は、共振を抑制するための抵抗器を含んだ電力変換器の周波数対生成されるリプル電流を示している。グラフ９００に示されているように、リプル電流は周波数に応じて変化しているが、リプル電流は、すべての周波数に対して電流閾値８０２未満を維持している。したがってこれらの抵抗器により、電力変換器の１つまたは複数の構成要素が過熱し、および／または機能不全に陥るのを容易に防止することができる。

図１０では、グラフ１０００は、電力変換器の周波数対生成されるリプル電流を示したもので、抵抗器によってリプル電流が著しく減衰している。グラフ９００と比較すると、リプル電流は、グラフ１０００ではよりいっそう抑制されている。しかしながら、電力変換器の減衰が大きくなるにつれて、抵抗器の電力消費量が著しく増加し、変換器の総合効率が低下し、また、総合的な冷却要求事項が増加する。

知られている電力変換器と比較すると、本明細書において説明されている方法およびシステムによれば、より大型で、かつ、より柔軟性のある電力変換器を製造し、かつ、動作させることができる。本明細書において説明されている抵抗器は、電力変換器の共振を抑制するため、分散ＤＣリンク電力変換器によってもたらされる無視できないインダクタンスによって生成される、構成要素の損傷および／または機能不全の原因になる共振電流がより小さくなることが期待される。さらに、本明細書において説明されている方法およびシステムは、構成要素の損傷および／または機能不全の可能性を小さくするため、本明細書において説明されている方法およびシステムは、知られている電力変換器に関連する維持費および修理費を低減することができる。

本明細書において説明されている方法およびシステムによれば、電力変換器の共振を容易に抑制することができる。分散ＤＣリンクを含んだ電力変換器は、無視できないインダクタンスをもたらすことがあり、また、事実上、対応する共振周波数を有するＬＣ回路として作用することがある。減衰抵抗器は、実効ＬＣ回路によって生成される共振の抑制を容易にするために、電力変換器内の様々な位置に含まれている。本明細書において説明されているシステムおよび方法を使用して共振を抑制することにより、電力変換器の動作を容易に安定させることができ、また、電力変換器に対する損傷および／または電力変換器の機能不全の可能性を容易に小さくすることができる。

以上、電力変換器の共振を抑制するための方法およびシステムの例示的実施形態について詳細に説明した。本明細書において説明されている方法およびシステムは、本明細書において説明されている特定の実施形態に限定されず、それどころかシステムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書において説明されている他の構成要素および／またはステップとは独立して個々に利用することができる。例えば本明細書において説明されている方法およびシステムは、他の用途を有することができ、本明細書において説明されている電力変換器を使用した実践に限定されない。それどころか、本明細書において説明されている方法およびシステムは、様々な他の産業と関連して実施し、かつ、利用することができる。

本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、場合によってはいくつかの図面に示され、他の図面には示されていないが、それは便宜上の理由にすぎない。本発明の原理によれば、ある図面のすべての特徴は、すべての他の図面のすべての特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することができる。

本成文説明には、最良のモードを含む、本発明を開示するための例が使用されており、また、任意のデバイスまたはシステムの構築および使用、ならびに組み込まれている任意の方法の実施を含む、すべての当業者による本発明の実践を可能にするための例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者に思い浮ぶ他の例を含むことができる。このような他の例には、それらが特許請求の範囲の文字言語と同じ構造要素を有している場合であっても、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字言語とは非現実的に異なる等価構造要素を含んでいる場合であっても、特許請求の範囲に包含されることが意図されている。

１００、２００、３００、４００、５００、６００電力変換器
１０１、３０２入力段（３レベル入力段）
１０２、３０４出力段（３レベル出力段）
１０３ＡＣ源
１０４ＡＣ負荷
１０６、３０６、５１０第１の直流（ＤＣ）バス
１０８、３０８、５１２第２のＤＣバス
１１０、３２０、５２０第１のコンデンサレグ
１１２、３２２、５２２第２のコンデンサレグ
１１４、３２８、５２８第１のコンデンサバンク
１１６、３３０、５３０第２のコンデンサバンク
１２０、３４０、５４０コンデンサ
１３０、２３０電流ループ
１３２、３６２、５６２第１の実効インダクタ
１３４、３６４、５６４第２の実効インダクタ
１４０、３７０、４０２、５８０、６０２第１の抵抗器
１４２、３７２、４０４、５８２、６０４第２の抵抗器
３１０、５１４第３のＤＣバス
３２４、５２４第３のコンデンサレグ
３２６、５２６第４のコンデンサレグ
３３２、５３２第３のコンデンサバンク
３３４、５３４第４のコンデンサバンク
３５０、４５０、５５０、６５０第１の電流ループ
３６０、４６０、５６０、６６０第２の電流ループ
３６６、５６６第３の実効インダクタ
４０６、５８４、６０６第３の抵抗器
４０８、５８６、６０８第４の抵抗器
５０２第１の３レベル出力段
５０４第１の入力段
５０６第２の入力段
５０８第２の３レベル出力段
５６８第４の実効インダクタ
５７０第５の実効インダクタ
５７２第６の実効インダクタ
７００ある例示的方法の流れ図
８００共振を抑制するための抵抗器を含んでいない電力変換器の周波数対リプル電流を示すグラフ
８０２電流閾値
９００共振を抑制するための抵抗器を含んだ電力変換器の周波数対生成されるリプル電流を示すグラフ
１０００抵抗器によってリプル電流が著しく減衰する電力変換器の周波数対生成されるリプル電流を示すグラフ

Claims

電力変換器であって、
交流（ＡＣ）を受け取るように構成された入力段と、
ＡＣを出力するように構成された出力段と、
前記入力段を前記出力段に結合する第１の直流（ＤＣ）バスと、
前記入力段を前記出力段に結合する第２のＤＣバスと、
前記第１のＤＣバスを前記第２のＤＣバスに結合する第１のコンデンサレグと、
前記第１のＤＣバスを前記第２のＤＣバスに結合する第２のコンデンサレグであって、前記第１のＤＣバス、前記第２のＤＣバス、前記第１のコンデンサレグおよび前記第２のコンデンサレグが、実効インダクタンスを有する電流ループを形成する第２のコンデンサレグと、
前記電力変換器の共振であって、少なくとも部分的に前記電流ループの前記実効インダクタンスに基づく共振を抑制するように構成された少なくとも１つの抵抗器と
を備える電力変換器。
前記少なくとも１つの抵抗器が前記第１のＤＣバスおよび前記第２のＤＣバスのうちの少なくとも１つに結合される、請求項１記載の電力変換器。
前記少なくとも１つの抵抗器が前記第１のコンデンサレグおよび前記第２のコンデンサレグのうちの少なくとも１つに結合される、請求項１記載の電力変換器。
前記電力変換器が２レベル変換器および３レベル変換器のうちの１つである、請求項１記載の電力変換器。
前記電力変換器が可逆性変換器であり、動作中、前記出力段および前記入力段が反転するように構成される、請求項１記載の電力変換器。
前記少なくとも１つの抵抗器が、約
の減衰比を前記電流ループに提供するように選択された抵抗を有する、請求項１記載の電力変換器。
前記少なくとも１つの抵抗器に起因する電力損失を容易に小さくすることができるよう、前記少なくとも１つの抵抗器が、約
未満の減衰比を前記電流ループに提供するように選択された抵抗を有する、請求項１記載の電力変換器。
電力変換器の共振を抑制するためのシステムであって、
交流（ＡＣ）源と、
ＡＣ負荷と、
電力変換器であって、
ＡＣを受け取るように構成された、前記ＡＣ源に結合された入力段と、
ＡＣを出力するように構成された、前記ＡＣ負荷に結合された出力段と、
前記入力段を前記出力段に結合する第１の直流（ＤＣ）バスと、
前記入力段を前記出力段に結合する第２のＤＣバスと、
前記第１のＤＣバスを前記第２のＤＣバスに結合する第１のコンデンサレグと、
前記第１のＤＣバスを前記第２のＤＣバスに結合する第２のコンデンサレグであって、前記第１のＤＣバス、前記第２のＤＣバス、前記第１のコンデンサレグおよび前記第２のコンデンサレグが、実効インダクタンスを有する電流ループを形成する第２のコンデンサレグと、
前記電力変換器の共振であって、少なくとも部分的に前記電流ループの前記実効インダクタンスに基づく共振を抑制するように構成された少なくとも１つの抵抗器と
を備える電力変換器と
を備えるシステム。
前記少なくとも１つの抵抗器が前記第１のＤＣバスおよび前記第２のＤＣバスのうちの少なくとも１つに結合される、請求項８記載のシステム。
前記少なくとも１つの抵抗器が前記第１のコンデンサレグおよび前記第２のコンデンサレグのうちの少なくとも１つに結合される、請求項８記載のシステム。
前記電力変換器が２レベル変換器および３レベル変換器のうちの１つである、請求項８記載のシステム。
前記電力変換器が可逆性変換器であり、動作中、前記出力段および前記入力段が反転するように構成される、請求項８記載のシステム。
前記少なくとも１つの抵抗器が、約
の減衰比を前記電流ループに提供するように選択された抵抗を有する、請求項８記載のシステム。
電力変換器の共振を抑制する方法であって、
電力変換器を提供するステップであって、前記電力変換器が、交流（ＡＣ）を受け取るように構成された入力段、ＡＣを出力するように構成された出力段、前記入力段を前記出力段に結合する第１の直流（ＤＣ）バス、前記入力段を前記出力段に結合する第２のＤＣバス、前記第１のＤＣバスを前記第２のＤＣバスに結合する第１のコンデンサレグ、および前記第１のＤＣバスを前記第２のＤＣバスに結合する第２のコンデンサレグを備え、前記第１のＤＣバス、前記第２のＤＣバス、前記第１のコンデンサレグおよび前記第２のコンデンサレグが、実効インダクタンスを有する電流ループを形成するステップと、
少なくとも１つの抵抗器を前記電力変換器内に結合するステップと、
前記電力変換器の共振であって、少なくとも部分的に前記電流ループの前記実効インダクタンスに基づく共振を、前記少なくとも１つの抵抗器を使用して抑制するステップと
を含む方法。
少なくとも１つの抵抗器を結合するステップが、少なくとも１つの抵抗器を前記第１のＤＣバスおよび前記第２のＤＣバスのうちの少なくとも１つに結合するステップを含む、請求項１４記載の方法。
少なくとも１つの抵抗器を結合するステップが、少なくとも１つの抵抗器を前記第１のコンデンサレグおよび前記第２のコンデンサレグのうちの少なくとも１つに結合するステップを含む、請求項１４記載の方法。
電力変換器を提供するステップが、２レベル電力変換器および３レベル電力変換器のうちの１つを提供するステップを含む、請求項１４記載の方法。
電力変換器を提供するステップが、動作中、前記出力段および前記入力段が反転するように構成される可逆性電力変換器を提供するステップを含む、請求項１４記載の方法。
少なくとも１つの抵抗器を結合するステップが、前記電流ループの減衰比が約
になるように少なくとも１つの抵抗器を前記電力変換器内に結合するステップを含む、請求項１４記載の方法。
少なくとも１つの抵抗器を結合するステップが、前記少なくとも１つの抵抗器に起因する電力損失を容易に小さくすることができるよう、前記電流ループの減衰比が約
未満になるように少なくとも１つの抵抗器を前記電力変換器内に結合するステップを含む、請求項１４記載の方法。