JP2022552374A - 多出力型マルチブリッジ電力変換器 - Google Patents
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Abstract
Description
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
Claims (20)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
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