JP3146934U - パワーコンバータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】損耗その他のダメージを回避して信頼性や故障の平均発生間隔を向上させ、システムの平均耐用期間が長くなるようにした電力装置を提供する。
【解決手段】電力装置ケーシング内にＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、マルチコンバータシステムコントローラおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータが配置されており、少なくとも１つの第１の制御信号がマルチコンバータシステムコントローラからＡＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給され、少なくとも１つの第２の制御信号がマルチコンバータシステムコントローラからＤＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給される。
【選択図】図１

Description

本考案は電力装置に関する。より詳細に云えば、本考案はＤＣ／ＡＣパワーコンバータおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータを共通に制御するのに適した電力装置の構造に関する。

交流電流電動機は双方向動作可能なＡＣ／ＤＣパワーコンバータを介して直流電流系（ＤＣ系）に結合される。交流電動機がモータとして駆動される場合、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータは直流電源からの直流電力を交流電力へ変換して交流電動機へ供給する。

これに対して、交流電動機はその機械軸にトルクを印加することによりジェネレータとして駆動させることもできる。例えば、電動機が慣性走行したり電気自動車の電動機が降坂走行で利用されたりして制動されると、当該の電動機は交流電力を発生する。このときＡＣ／ＤＣパワーコンバータは交流電動機によって形成された交流電力を直流電力へ整流する。直流電力は典型的には電力蓄積器、例えば化学的なバッテリセルおよび／または超大容量キャパシタに蓄積される。こうした電動機の動作モードは回生モードと称される。

双方向に動作可能なＡＣ／ＤＣパワーコンバータのＤＣ側は典型的には高電圧直流バスすなわちＨＶＤＣバスに結合されている。したがって、電動機およびＡＣ／ＤＣパワーコンバータと電力装置内の他の部分との電力のやりとりは、ＨＶＤＣバスを介して行われる。

典型的には、双方向で動作可能なＡＣ／ＤＣパワーコンバータを制御するためにＡＣ／ＤＣシステムコントローラが用いられ、ＨＶＤＣバスを介して送信される電力、電圧および／または電流が制御される。例えば、ＡＣ／ＤＣシステムコントローラには交流電動機がジェネレータモードで動作するときＨＶＤＣバスの過電圧を防ぐという機能がある。また、ＡＣ／ＤＣシステムコントローラは、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータを制御して交流電動機の速度および／またはトルクなどの動作特性を調整する機能も有する。

電力装置では種々の負荷および直流電源を含む他の部品も用いられている。例えば種々の内部部品（ハウスキーピング部）の負荷、外部部品（ライト、小さいモータ、電子デバイスなど）または電力調整デバイス（キャパシタ、リアクトルなど）からの負荷などが挙げられる。直流電源は燃料電池システム、直流機（例えば内燃機関によって駆動される直流機）、キャパシタおよびバッテリなどを含む。直流電源のなかには電力の形成および蓄積の双方が可能なように構成されているものがある。また、再生不能な燃料エネルギを電力へ変換するタイプのものもある。

所定のケースでは、負荷および／または直流電源の動作電圧はＨＶＤＣバスの動作電圧より小さくなる。したがって、低電圧側の部品とＨＶＤＣバス側の部品との結合には電圧変換器すなわちＤＣ／ＤＣパワーコンバータが必要となる。これらの負荷および／または直流電源とＨＶＤＣバスとのあいだの電力はＤＣ／ＤＣパワーコンバータを介して伝送される。

電力が上述したＡＣ／ＤＣパワーコンバータを介して電動機へ供給される場合、低電圧直流電源から受け取られる電力は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータによって直流電源の低い動作電圧からＨＶＤＣバスの高い動作電圧へ昇圧またはブーストされる。逆に、上述したＡＣ／ＤＣパワーコンバータを介して電動機から電力が供給される場合、ＨＶＤＣバスから受け取られる電力は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータによってＨＶＤＣバスの高い動作電圧から直流電源の低い動作電圧へ降圧される。したがって、受け取った電力を蓄積することのできる直流電源は後の利用のために直流低電圧を蓄積する。

直流電源とＨＶＤＣバスとのあいだの電力の伝送に加えて、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータはＨＶＤＣバスおよび／または直流電源の端子での電圧を制御する。典型的には、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータを制御するためにＤＣ／ＤＣシステムコントローラが用いられ、ＨＶＤＣバスと直流電源とのあいだで伝送される電圧および／または電流が制御される。

上述した部品を使用する装置、例えば電気自動車などの製造において、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、ＡＣ／ＤＣシステムコントローラ、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータおよびＤＣ／ＤＣシステムコントローラは典型的には個別のモジュラー部品として製造され、アセンブリとなるように組み立てられる。個別のモジュラー部品は種々のタイプの電気的コネクタを用いて相互に結合される。こうしたコネクタはインタロックピン、ソケット、ワイヤハーネス、導電ナットおよび／または導電ボルトなどの固定装置であってよい。溶接、はんだ付けなどのプロセスが上述した部品のコネクタの結合に用いられることもある。当分野の技術者には、上述した部品のコネクタの結合を製造プロセス中に行うことが困難であり費用がかかることが理解されるはずである。また、こうしたコネクタ接続は損耗その他のダメージを受けやすく、信頼性や故障の平均発生間隔が低下し、システムの平均耐用期間が短くなってしまうことも周知である。

本考案の基礎とする課題は、前述した欠点を克服することである。

本考案は電動機に結合された電力装置においてパワーコンバータを制御する装置に関する。本考案の第１の特徴は、パワーコンバータの制御装置において、電力装置ケーシング内にＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、マルチコンバータシステムコントローラおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータが配置されており、少なくとも１つの第１の制御信号がマルチコンバータシステムコントローラからＡＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給され、少なくとも１つの第２の制御信号がマルチコンバータシステムコントローラからＤＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給されることである。

本考案の第２の特徴は、電動機へ供給される電力を制御する電力装置において、当該の電力装置が、電動機がジェネレータとして駆動される場合に電動機から受け取った交流電力を直流電力へ変換し、電動機がモータとして駆動される場合に少なくとも１つのＤＣ電源から受け取った直流電力を交流電力へ変換するＡＣ／ＤＣパワーコンバータと、直流低電圧を直流高電圧へ変換する少なくとも１つのＤＣ／ＤＣパワーコンバータと、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータを制御するマルチコンバータシステムコントローラとを含むことである。

本考案の第３の特徴は、電動機と少なくとも１つの直流電源とのあいだでの電力供給を制御するモジュラー電力装置において、当該のモジュラー電力装置が、電力装置ケーシングと、電動機がジェネレータとして駆動される場合に電動機から受け取った交流電力を直流電力へ変換し、電動機がモータとして駆動される場合に少なくとも１つのＤＣ電源から受け取った直流電力を交流電力へ変換するＡＣ／ＤＣパワーコンバータと、直流電源からの直流低電圧を直流高電圧へ変換する少なくとも１つのＤＣ／ＤＣパワーコンバータと、少なくとも１つの第１の制御信号を前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給することによって前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータを制御し、少なくとも１つの第２の制御信号を前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給することによって前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータを制御するマルチコンバータシステムコントローラとを含み、前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータおよび前記マルチコンバータシステムコントローラは電力装置ケーシング内に配置されていることである。

図では同様の機能を有する素子には同様の参照番号を付してある。図における素子の寸法および位置については縮尺通りに描かれていないことに注意されたい。例えば、素子の形状ないし角度も縮尺通りに描かれておらず、見取りやすくするために意図的に拡大されて示されているものもある。また、図示された素子の特定の形状は単に理解を容易にするために選択されたものであり、実際にその素子がそのような形状を有することを必ずしも意味しない。

図１には電動機１０２および電力装置１０４の第１の実施例のブロック図が示されている。電力装置１０４は、マルチコンバータシステムコントローラ１０６，双方向動作可能なＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８，双方向動作可能なＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０，ならびに，ＡＣ／ＤＣパワーコンバータおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータに電気的に結合されるＨＶＤＣバス１１２を含む。これらの部品は電力装置ケーシング１１４内に配置される。電力装置１０４には図示されていない他の部品も含まれる。

マルチコンバータシステムコントローラ１０６は２つ以上のパワーコンバータを制御することができる。図１の実施例では、マルチコンバータシステムコントローラ１０６は接続線路１１６，１１８を介してＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８およびＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０へ制御信号を供給する。別の実施例として、マルチコンバータシステムコントローラ１０６は接続線路１２２を介して１つまたは複数の他の装置１２０へ制御信号を供給することもできる。こうした他の装置１２０は電力装置ケーシング１１４の外に配置されることもあるし、内部に配置されることもある。

マルチコンバータシステムコントローラ１０６によって実現される利点は、上述した部品またはその他の図示されていない電子部品が単一のモジュラーユニットとして電力装置ケーシング１１４内で組み立てられるということである。種々のパワーコンバータに対して個別のシステムコントローラを用いる従来技術の装置は、典型的には、個別のコントローラモジュールまたはコンバータモジュールとなるように組み立てられる。このため、最終組み立て段階においてそれぞれの個別のモジュールを結合するのに著しく多くの結合用部品が必要となる。

上述したように、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８の直流側はＨＶＤＣバス１１２に結合され、交流側はＡＣバス１２４へ結合される。ＡＣバス１２４は適用分野に応じて種々の形状を採ることができる。ＡＶバスのアーキテクチャには制限がなく、単相、３相、３相グラウンドまたは３相ニュートラルなどが含まれる。したがって、電力装置１０４と電動機１０２とのあいだでの電力の伝送は、ＨＶＤＣバス１１２，ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８およびＡＣバス１２４を介して行われる。

ＡＣバス１２４は２つ以上の部分から成り、第１の部分は電力装置ケーシング１１４内に配置されている。当該のＡＣバス１２４の第１の部分は第２の部分に結合可能であり、電力装置ケーシング１１４でのモジュラー構造を可能にしている。

電力装置１０４は１つまたは複数の低電圧負荷１２７および／または高電圧直流電源１２８を含む。低電圧負荷１２７はＬＶＤＣバス１３０へ結合される。低電圧負荷１２７として、例えば種々の内部部品（ハウスキーピング部）の負荷、外部部品（ライト、小さいモータ、電子デバイスなど）または電力調整デバイス（キャパシタ、リアクトルなど）からの負荷などが挙げられる。

ＬＶＤＣバス１３０はさらにＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０の低電圧側に結合される。ＬＶＤＣバス１３０は２つ以上の部分から成り、その第１の部分は電力装置ケーシング１１４内に配置されている。当該のＬＶＤＣバス１３０の第１の部分は第２の部分に結合可能であり、電力装置ケーシング１１４でのモジュラー構造を可能にしている。

高電圧直流電源１２８は燃料電池システム、直流機（例えば内燃機関によって駆動される直流機）、キャパシタおよびバッテリなどを含む。ただしこれらに限定されるものではない。高電圧直流電源１２８からの直流電力は接続線路１３２を介してＨＶＤＣバス１１２へ伝送される。同様に、電動機１０２からの電力はＨＶＤＣバス１１２を介して高電圧直流電源１２８へ伝送される。

図２にはＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０およびこれらを制御するマルチコンバータシステムコントローラ１０６の詳細なブロック図が示されている。ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８はブリッジ回路２０２を介して直流電力を交流電力へ変換し、さらに、図示されていない複数のトランジスタ装置を用いて交流電力を直流電力へ整流する。ブリッジ回路２０２はトランジスタを周知のトポロジで配置した装置をベースとした既知のいずれのタイプの双方向コンバータから成っていてもよい。こうしたトランジスタ装置の例として、電界効果トランジスタＦＥＴ，金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、またこれらに接続された反平行のダイオードなどが挙げられる。ただしこれらに限定されるものではない。こうしたトランジスタ装置は"パワー半導体デバイス"と称されることもある。

ブリッジ回路２０２のＤＣ側はＨＶＤＣバス１１２に結合されている。ブリッジ回路２０２のＡＣ側はＡＣバス１２４に結合されている。

ブリッジ回路２０２を通る電力および／または電圧はゲート駆動回路２０８によって制御される。ゲート駆動回路２０８はマルチコンバータシステムコントローラ１０６からの制御信号に応じてゲート制御信号を形成し、接続線路２１０を介してブリッジ回路２０２をなすトランジスタへこれを供給する。

ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０は、ＨＶＤＣバス１１２の高い動作電圧をＬＶＤＣバス１３０の低い動作電圧へ変換するブリッジ回路２１２を有する。ブリッジ回路２１２はトランジスタを周知のトポロジで配置した装置をベースとした既知のタイプのいずれの双方向コンバータから成っていてもよい。こうしたトランジスタ装置の例として、電界効果トランジスタＦＥＴ，金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、またこれらに接続された反平行のダイオードなどが挙げられる。ただしこれらに限定されるものではない。

ブリッジ回路２１２の高電圧側はＨＶＤＣバス１１２に結合されている。ブリッジ回路２１２の低電圧側は接続線路２１４を介して変換器２１６に結合されている。変換器２１６は接続線路２２４を介して整流器２２２へ結合されている。整流器２２２は接続線路２２８を介してフィルタ２２６へ結合されており、このフィルタはさらにＬＶＤＣバス１３０へ結合されている。

ブリッジ回路２１２を通る電力および／または電圧はゲート駆動回路２１８によって制御される。ゲート駆動回路２１８はマルチコンバータシステムコントローラ１０６からの制御信号に応じてゲート制御信号を形成し、接続線路２２０を介してブリッジ回路２１２内のトランジスタ装置へ供給する。

マルチコンバータシステムコントローラ１０６によって制御されるＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８，ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０およびその内部の部品の構造および動作は良く知られている。したがって、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８およびＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０内の部品の動作についてはここではこれ以上立ち入らず、後に種々の参考文献を挙げるにとどめる。

複数の高電圧直流電源１２８が同じ動作電圧を利用している場合、当該の電源は共通のＬＶＤＣバス１３０およびＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０を用いることができる。ここで、共通のＬＶＤＣバス１３０およびＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０は種々の高電圧直流電源１２８から伝送される電力を調整するのに充分な定格電力容量を有している。複数のＨＶＤＣ電源１２８が異なる動作電圧を利用している場合、異なるＬＶＤＣバス１３０およびＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０が用いられる。図３には１つのＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８および複数のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０，３０２を制御するマルチコンバータシステムコントローラ１０６のブロック図が示されている。

ここでは、図１の実施例と同様に、マルチコンバータシステムコントローラ１０６はＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８および第１のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０を制御している。また、マルチコンバータシステムコントローラ１０６は接続線路３０４を介して第２のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ３０２を制御する。第２のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ３０２は第２のＬＶＤＣバス３０８を介して複数の直流電源３０６ａ〜３０６ｉへ結合されている。こうした構造は第１のＬＶＤＣバス１３０の動作電圧と第２のＬＶＤＣバス３０６の動作電圧とが異なる場合に所望される。これに代えて、第１のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０の容量および／または第１のＬＶＤＣバス１３０の容量を制限して第２のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ３０２および第２のＬＶＤＣバス３０６を使用できるようにしてもよい。

上述したマルチコンバータシステムコントローラ１０６の実施例は電力装置１０４内で利用可能な１つの例にすぎず、本考案を限定するものではない。種々の代替手段が可能である。

したがって図３に簡単に示されているように、１次高電圧直流電源３１０は接続線路３１２を介してＨＶＤＣバス１１２に結合されている。別の実施例では、１次高電圧直流電源３１０は電動機１０２に対する直流高電圧を形成する。１次高電圧直流電源３１０は燃料電池システムおよび／または直流機（例えば内燃機関によって駆動される直流機）などを含む。例えば、１次高電圧直流電源３１０は電気自動車またはハイブリッド自動車において用いられている。

図４にはマルチコンバータシステムコントローラ１０６のプロセッサ４００をベースとしたブロック図が示されている。このマルチコンバータシステムコントローラの実施例はプロセッサベースの装置４００として実現されている。この装置は少なくともプロセッサ４０２，メモリ４０４，他の適切なコンピュータ読み取り可能な媒体またはプロセッサ読み取り可能な媒体を有している。マルチコンバータシステムコントローラ１０６の上述の機能を実行する論理回路４０６はメモリ４０４内に配置されている。論理回路４０６はプログラムとして実現してもよい。ここでは、論理回路４０６はプロセッサ４０２によって駆動され、図１に示されているように、マルチコンバータシステムコントローラ１０６がＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８およびＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０を制御する制御信号を形成する。付加的なゲートインタフェース４０８は形成された制御信号をＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８および／またはＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０に対する適切なフォーマットへ変換する。

図５には、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータのゲート駆動回路５０２（図２のゲート駆動回路２１８に相応するモジュール）と高電圧ブリッジ回路２１２を備えたＤＣ／ＤＣパワーコンバータモジュール５０４（図１〜図３のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０に相応するモジュール）を制御するマルチコンバータシステムコントローラ１０６の実施例のブロック図が示されている。電力装置ケーシング１１４の周縁５０６によって、内部の部品と外部の部品とが図示されている。３相端子５０８は図１〜図３のＡＣバス１２４に通じるパワーコンバータモジュール５１０の相Ａ，Ｂ，Ｃに結合されている。電動機のセンサコネクタ５１２，拡張コネクタ５１４，信号コネクタ５１６およびＬＶスタッドアセンブリ５１８は図示されていない他の部品に結合するために設けられている。高電圧ＨＶ＋，ＨＶ−の結合部５２０，５２２は、電力装置ケーシングの周縁５０６の物理的境界を越えて、それぞれ図１〜図３と同様のＨＶＤＣバス１１２へ結合されている。図示の実施例によれば、電力装置ケーシング１１４内に配置された部品が低減された数のカプラおよび／またはコネクタを用いて図１の電力装置１０４の他の素子へ結合されるので有利である。

図５の実施例では電力装置ケーシング１１４内に種々のセンサが配置されている。図示のセンサはＨＶＤＣ電流センサ５２４，１つまたは複数のモータ電流センサ５２６，低電圧電流センサ５２８，高電圧回路のブリッジ電流センサおよび／または温度センサ５３０ならびに低電圧ゲート温度センサ５３２を含む。他のパラメータを測定する他のセンサを設けることもできる。これらのセンサからの情報はマルチコンバータシステムコントローラ１０６へ供給される。センサから受信された情報に基づいて、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８および／またはＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０に対する制御信号が調整される。

図６にはパワーコンバータを制御するプロセスのフローチャート６００が示されている。図６のフローチャート６００は図１〜図５のマルチコンバータシステムコントローラ１０６が複数のパワーコンバータを制御する際の図４の論理回路４０６のアーキテクチャ、機能または動作を表している。ハードウェアによってフローチャート６００を実行する別の手段としてステータスマシンが挙げられる。この観点から、フローチャートの各ブロックは特定の論理機能を実行する１つまたは複数の命令を含むモジュールまたはコードの一部であってもよい。別の実施例では、ブロックとして表されている動作の順序を入れ替えたり、付加的な動作を加えたりすることができる。例えば、図６の２つの動作は同時にも逆順でも行うことができるし、その機能に応じて一方の動作を行わないこともできる。これらについては後述する。こうした変更ないし修正も本考案の範囲に含まれる。

プロセスはブロック６０２で開始される。ブロック６０４で少なくとも１つの第１の制御信号がマルチコンバータシステムコントローラ１０６から図１〜図３のＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８へ供給される。ここでＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８およびマルチコンバータシステムコントローラ１０６は電力装置ケーシング１１４内に配置されている。ブロック６０６で少なくとも１つの第２の制御信号がマルチコンバータシステムコントローラ１０６からＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０へ供給される。ここでＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０も電力装置ケーシング１１４内に配置されている。プロセスはブロック６０８で終了される。

上述の実施例では、図１〜図５のマルチコンバータシステムコントローラ１０６はマイクロプロセッサ、ディジタル信号プロセッサＤＳＰ，ＡＳＩＣおよび／またはドライブボードであり、これらの回路は関連するメモリ、例えばＲＡＭ，ＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭまたは種々の制御命令ないし演算命令を記憶したその他のメモリデバイスとともに用いられる。マルチコンバータシステムコントローラ１０６は電力装置１０４の他の部分とともにケーシング内に配置することもできるし、これらの一部とともに、またはこれらとは別個にケーシング内に配置することもできる。

上述したトポロジは多数のワイヤボンディングを節約することのできるパターン、トラックおよび／またはビアなどを用いている。ワイヤボンディングの数を低減できることにより、図１の電力装置ケーシング１１４のフットプリントも簡単化され、ワイヤボンディングの数に関連して個々の素子の数ひいてはそれぞれのステップの数が低減されることにより、回路のコストおよび／または複雑性も低減される。これにより同様に熱サイクルに関連して発生する損耗および疲労も低減され、信頼性および耐用期間が向上する。

ワイヤボンディングの実施例として種々のものが挙げられるが、図５には切り換え可能な放電抵抗５３４が高電圧ブリッジ回路２１２内に配置されることが示されている。放電抵抗５３４はマルチコンバータシステムコントローラ１０６によって制御され、ＨＶＤＣバス１１２へ結合される。例えば、電力装置がシャットダウンされると、ＨＶＤＣバス１１２にかかっていた電圧は０Ｖまたは他の定格値まで低減される。これに応じて、マルチコンバータシステムコントローラ１０６は図７のＡ，Ｂの切換装置７００へ信号を供給し、放電抵抗５３４をＨＶＤＣバス１１２へ結合させる制御を行う。

放電抵抗５３４はＨＶＤＣバス１１２にかかる電圧を適切な時間内で放電する。所定のタイプのＤＣ／ＤＣパワーコンバータおよび／またはＡＣ／ＤＣパワーコンバータの動作にはＨＶＤＣバス１１２の大きなキャパシタンスが必要とされるので、放電抵抗５３４には数１００Ｗまでの放電能力が要求される。

有利な実施例では、放電時間は約１ｍｉｎであり、これは技術者が電力装置ケーシング１１４の開放に要する時間であるとされる。放電抵抗５３４の値はＨＶＤＣバス１１２での所望の放電時間およびＨＶＤＣバス１１２に関連するキャパシタンスに基づいて定められる。所望の放電時間とは、電力装置ケーシング１１４の開放に必要な時間などの所定の時間に相当する。

放電抵抗５３４をＨＶＤＣバス１１２へ接続するワイヤボンディングを追加して密にすれば、放電抵抗の信頼性は向上する。ワイヤボンディングを密にすればボンディングエラー（接続エラー）が生じるおそれが低減され、ボンディングエラーが起こったときの冗長性を確保することができる。

図７のＡ，Ｂには少なくとも１つの放電抵抗５３４およびこれに接続された切換装置７００を有する実施例が示されている。ここで図１〜図３，図５のＨＶＤＣバス１１２に相当する＋ＨＶＤＣバス７０４または−ＨＶＤＣバス７０６のワイヤボンディング７０２はかなり密になっている。図７のＡでは放電抵抗５３４はワイヤを介して複数の活性のパワーデバイス７０８に直列に接続されている。図７のＢでは放電抵抗５３４はワイヤを介して複数の活性のパワーデバイス７０８に並列に接続されている。複数の活性のパワーデバイス７０８はほかよりも小さなワイヤボンディング７１０によりボンディングされている。放電抵抗５３４および他の活性のパワーデバイス７０８はともに単一の電力装置ケーシング１１４内に配置される。なぜなら複数の実施例において複数の活性のパワーデバイス７０８が電力装置ケーシング１１４内に配置されたマルチコンバータシステムコントローラ１０６に結合されるからである。別の実施例では、複数の切り換え可能な放電抵抗５３４およびこれに接続される切換装置７００は電子部品、ソリッドステート素子またはファームウェアのいずれのタイプのスイッチングデバイスまたは切換手段として実現してもよい。この種の制御可能な切換装置７００は電気的スイッチングデバイスで通常用いられている素子および手法を利用したソフトウェアおよびファームウェアの組み合わせによって実現することができる。切換装置７００およびマルチコンバータシステムコントローラ１０６によって制御される制御手段の構成は全て本考案の範囲に含まれる。

上述した実施例は、要約書に記載されている内容も含めて、本考案を限定する意図から出たものではない。上述した実施例は例示に過ぎず、当分野の技術者は本考案の範囲から外れることなく種々の修正を行うことができる。本考案は必ずしもＡＣ／ＤＣパワーコンバータおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータにおいて使用しなければならないというわけではなく、他の電力変換器にも適用可能である。例えば、電力変換器として、特定の分野に適した異なるトポロジを有するＡＣ／ＤＣパワーコンバータまたはＤＣ／ＤＣパワーコンバータを付加的に用いることができる。これに代えてまたはこれに加えて、上述した実施例ではＡＣ／ＤＣパワーコンバータの相トポロジは３相であるが、それより多いまたはそれより少ない数の相のトポロジも可能である。また、電力装置１０４からＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８を省き、図示されているのとは異なるＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８のトポロジを採用してもよい。

実用新案登録請求の範囲に記載されているトランジスタ装置または"パワー半導体デバイス"は標準的な半導体デバイスに比べて大電流、大電圧および／または大量の電力を処理できるように構成された適切な半導体デバイスを含む。例として半導体スイッチングデバイス、電力半導体ダイオードその他の電力分配、例えば送電に用いられるデバイスなどが挙げられる。上述したように、トランジスタ装置としてはＭＯＳＦＥＴの形状もＩＧＢＴなどの他の形状も採用可能である。ＭＯＳＦＥＴを用いることにより、図１，図３のＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０，３０２はＩＧＢＴを用いたときよりも高い切換周波数で動作することができる。ただし、特にＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０，３０２の所望の動作周波数が充分に低いときには、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０，３０２のトランジスタ装置はＩＧＢＴの形態または他のスイッチングデバイスの形態を有してもよい。また、ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ１０８のトランジスタ装置はコストが許すのであればＭＯＳＦＥＴの形態を有することもできる。

本考案の装置および／または方法の実施例をブロック図、スキーマ図、フローチャートなどを用いて説明した。ただし、当分野の技術者であれば、これらのブロック図、スキーマ図およびフローチャートのそれぞれの機能および／または動作が、それぞれ独立におよび／または任意に組み合わせて、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらを組み合わせた装置によって実現されることを理解できるはずである。有利な実施例では、本考案の方法はＡＳＩＣによって実現される。また、当分野の技術者であれば、上述した実施例が全体としてまたは個々に標準の集積回路において実行されうることが理解されるはずである。１つまたは複数のコンピュータ（例えばコンピュータシステム）上で動作する１つまたは複数のコンピュータプログラム、１つまたは複数のコントローラ（例えばマイクロコントローラ）上で動作する１つまたは複数のプログラム、１つまたは複数のプロセッサ（例えばマイクロプロセッサ）上でファームウェアとして動作する１つまたは複数のプログラムおよびこれらの組み合わせなどが可能であり、回路および／またはソフトウェアまたはファームウェア用に記述されるコードは当分野の技術者が本明細書から読み取れる範囲において作成可能である。少なくとも１つの実施例では、マルチコンバータシステムコントローラ１０６は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１１０；３０２のトランジスタ装置のデューティ比を変化させることにより、要求されたキャパシタへの出力電圧を維持する。別の有利な実施例として、マルチコンバータシステムコントローラ１０６，図示されていない燃料電池システムコントローラおよび／または図示されていないパワートレインコントローラのあいだで全体の制御を調整することもできる。

さらに、当分野の技術者には、上述した制御機構の実施例が信号の分配に用いられる媒体のタイプに関係なく種々の形態のプログラム製品として実現されることが理解されるであろう。信号を担持する媒体の例として、フロッピーディスク、ハードディスク、ＣＤＲＯＭ、ディジタルテープ、コンピュータメモリなどの記録媒体が含まれる。ＴＤＭベースまたはＩＰベースの通信リンク（パケットリンクなど）を用いたディジタルまたはアナログの通信リンクも可能である。

特にことわりのないかぎり、本明細書および実用新案登録請求の範囲を通して、"〜を含む"とは、それを含むがそれのみに限定されない意を表している。

本明細書を通して、"実施例"とは個々の特徴、構造または特性を意味し、本考案の装置および方法の少なくとも１つの態様に含まれる。したがって、種々の個所で言及されている実施例どうしは必ずしも同一のものではない。また、個々の特徴、構造または特性は適切な形態で組み合わせることもできる。

上述した種々の実施例は他の技術と組み合わせることができる。本考案を制限するものではないが、本考案の内容に関連する米国特許文献ないし米国出願文献を以下に挙げる。すなわち、２００４年１０月２０日付米国出願第６０／６２１０１２号明細書"POWER SYSTEM METHOD AND APPARATUS"，２０００年９月２０日付米国出願第６０／２３３９９２号明細書"PRESS (NON-SOLDERED) CONTACTS FOR HIGH CURRENT ELECTRICAL CONNECTIONS IN POWER MODULES"，２０００年９月２０日付米国出願第６０／２３３９９３号明細書"LEADFRAME-BASED MODULE DC BUS DESIGN TO REDUCE MODULE INDUCTANCE"，２０００年９月２０日付米国出願第６０／２３３９９４号明細書"EMI REDUCTION IN POWER MODULES THROUGH THE USE OF INTEGRATED CAPACITORS ON THE SUBSTRATE LEVEL"，２０００年９月２０日付米国出願第６０／２３３９９５号明細書"PRESS (NON-SOLDERED) CONTACTS FOR HIGH CURRENT ELECTRICAL CONNECTIONS IN POWER MODULES"，２０００年９月２０日付米国出願第６０／２３３９９６号明細書"SUBSTRATE-LEVEL DC BUS DESIGN TO REDUCE MODULE INDUCTANCE"，２００３年８月５日付米国特許第６６０３６７２号明細書"POWER CONVERTER SYSTEM"，２００３年６月１５日付米国出願第０９／８８２７０８号明細書"LEADFRAME-BASED MODULE DC BUS DESIGN TO REDUCE MODULE INDUCTANCE"，２００４年９月２１日付米国特許第６７９３５０２号明細書"PRESS (NON-SOLDERED) CONTACTS FOR HIGH CURRENT ELECTRICAL CONNECTIONS IN POWER MODULES"，２００５年１月１８日付米国特許第６８４５０１７号明細書"SUBSTRATE-LEVEL DC BUS DESIGN TO REDUCE MODULE INDUCTANCE"，２００３年１０月２１日付米国特許第６６３６４２９号明細書"EMI REDUCTION IN POWER MODULES THROUGH THE USE OF INTEGRATED CAPACITORS ON THE SUBSTRATE LEVEL"，２００２年３月２７日付米国出願第１０／１０９５５５号明細書"LEADFRAME-BASED MODULE DC BUS DESIGN TO REDUCE MODULE INDUCTANCE"，２００３年８月１４日付米国出願第１０／６４２４２４号明細書"DUAL POWER MODULE POWER SYSTEM"，２００４年１０月１２日付米国出願第１０／９６４０００号明細書"INTEGRATION OF PLANAR TRANSFORMER AND/OR PLANAR INDUCTOR WITH POWER SWITCHES IN POWER CONVERTER"，２００４年６月４日付米国出願第１０／８６１３１９号明細書"INTERLEAVED POWER CONVERTER"，２００３年５月１６日付米国出願第６０／４７１３８７号明細書"POWER MODULE ARCHITECTURE"，２００５年１０月６日付米国出願第１１／２４５７２３号明細書"LEADFRAME-BASED MODULE DC BUS DESIGN TO REDUCE MODULE INDUCTANCE"，２００５年１０月２０日付米国出願第１１／２５５１６２号明細書 "POWER SYSTEM METHOD AND APPARATUS"，２００３年９月１７日付米国出願第１０／６６４８０８号明細書"POWER CONVERTER ARCHITECTURE EMPLOYING AT LEAST ONE CAPACITOR ACROSS A DC BUS"，２００５年６月１４日付米国特許第６９０６４０４号明細書"POWER MODULE WITH VOLTAGE OVERSHOOT LIMITING"，２００３年９月９日付米国出願第１０／６５８８０４号明細書"TRI-LEVEL INVERTER"，２００５年１月１８日付米国特許第６８４５０２０号明細書"POWER CONVERTER SYSTEM"などである。これらの文献の内容は個々にも全体としても本考案に関連する。本考案は、本考案の実施例を実施するのに適した種々の先行文献の技術の回路、装置またはコンセプトなどを必要に応じて利用することができる。

上述した実施例は説明のための例示に過ぎず、本考案の範囲内で種々の修正が可能である。したがって、本考案は実用新案登録請求の範囲に規定された特徴以外によっては制限されない。

電動機および電力装置の実施例のブロック図である。 ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータおよびこれらを制御するマルチコンバータシステムコントローラの詳細なブロック図である。 １つのＡＣ／ＤＣパワーコンバータおよび複数のＤＣ／ＤＣパワーコンバータを制御するマルチコンバータシステムコントローラのブロック図である。 プロセッサベースのマルチコンバータシステムコントローラのブロック図である。 １つのＡＣ／ＤＣパワーコンバータのゲート駆動回路および複数のＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを制御するマルチコンバータシステムコントローラのブロック図である。 ＡＣ／ＤＣパワーコンバータおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータをマルチコンバータシステムコントローラによって制御する制御方法のフローチャートである。 各装置をワイヤボンディングで接続する実施例のブロック図である。

Claims (16)

1. 電動機がジェネレータとして駆動される場合に電動機から受け取った交流電力を直流電力へ変換し、電動機がモータとして駆動される場合に少なくとも１つのＤＣ電源から受け取った直流電力を交流電力へ変換するＡＣ／ＤＣパワーコンバータと、
   直流低電圧を直流高電圧へ変換する少なくとも１つのＤＣ／ＤＣパワーコンバータと、
   前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータおよび前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータを制御するマルチコンバータシステムコントローラと
   を含む
   ことを特徴とする電動機へ供給される電力を制御する電力装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータは直流低電圧を直流高電圧へ変換する複数のトランジスタ装置から成るブリッジ回路と、該ブリッジ回路および前記マルチコンバータシステムコントローラに結合され、前記マルチコンバータシステムコントローラから受け取られた少なくとも１つの制御信号に応じて複数のゲート信号を形成するゲート駆動回路とを含む、請求項１記載の電力装置。
3. 前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータはジェネレータモードで交流電力を直流電力へ、またモータモードで直流電力を交流電力へ変換する複数のトランジスタ装置から成るブリッジ回路と、該ブリッジ回路および前記マルチコンバータシステムコントローラに結合され、前記マルチコンバータシステムコントローラから受け取られた少なくとも１つの制御信号に応じて前記ブリッジ回路に対する複数のゲート信号を形成するゲート駆動回路とを含む、請求項１記載の電力装置。
4. さらに、前記マルチコンバータシステムコントローラによって制御される第２のＤＣ／ＤＣパワーコンバータが設けられている、請求項１記載の電力装置。
5. 直流高電圧バスすなわちＨＶＤＣバスが前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータと前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータとを結合しており、直流低電圧バスすなわちＬＶＤＣバスが前記ＤＣ電源と前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータとを結合しており、ここで、電動機から受け取られた交流電力は前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、前記ＨＶＤＣバス、前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータおよび前記ＬＶＤＣバスを介して前記ＤＣ電源に蓄積され、当該のＤＣ電源から受け取られた直流電力は前記ＬＶＤＣバス、前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ、前記ＨＶＤＣバスおよび前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータを介して電動機へ供給される、請求項１記載の電力装置。
6. さらに、前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータおよび前記マルチコンバータシステムコントローラの配置された電力装置ケーシングが設けられている、請求項１記載の電力装置。
7. 前記ＨＶＤＣバスは前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータと前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータとを結合しており、さらに当該のＨＶＤＣバスは前記マルチコンバータシステムコントローラによって作動される場合に放電を行う切り換え可能な放電抵抗に結合されている、請求項１記載の電力装置。
8. 電力装置ケーシング内にＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、マルチコンバータシステムコントローラおよびＤＣ／ＤＣパワーコンバータが配置されており、
   少なくとも１つの第１の制御信号を前記マルチコンバータシステムコントローラから前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給する手段と、
   前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータによって前記第１の制御信号に応じて交流電力を直流電力へ変換する手段と、
   少なくとも１つの第２の制御信号を前記マルチコンバータシステムコントローラから前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給する手段と、
   前記第２の制御信号に応じて受け取られた直流電力を高電圧から低電圧へ変換する手段と
   を有する
   ことを特徴とする電力装置を介した電力供給の制御装置。
9. さらに、前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータと前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータとのあいだで直流電力を伝送する手段が設けられている、請求項８記載の制御装置。
10. 前記高電圧から低電圧へ直流電力を変換する手段は当該の直流低電圧の電力を直流電源へ供給し、そこに蓄積させる手段を含む、請求項８記載の制御装置。
11. 電動機と少なくとも１つのＤＣ電源とのあいだでの電力供給を制御するモジュラー電力装置において、
    電力装置ケーシングと、
    電動機がジェネレータとして駆動される場合に電動機から受け取った交流電力を直流電力へ変換し、電動機がモータとして駆動される場合にＤＣ電源から受け取った直流電力を交流電力へ変換するＡＣ／ＤＣパワーコンバータと、
    直流低電圧を直流高電圧へ変換する少なくとも１つのＤＣ／ＤＣパワーコンバータと、
    少なくとも１つの第１の制御信号を前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給することにより前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータを制御し、少なくとも１つの第２の制御信号を前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータへ供給することにより前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータを制御するマルチコンバータシステムコントローラと
    を含み、
    前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータおよび前記マルチコンバータシステムコントローラは前記電力装置ケーシング内に配置されている
    ことを特徴とするモジュラー電力装置。
12. 前記電力装置ケーシングに直流高電圧バスすなわちＨＶＤＣバスおよび直流低電圧バスすなわちＬＶＤＣバスが配置されており、前記ＨＶＤＣバスは前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータと前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータとを結合しており、前記ＬＶＤＣバスは前記ＤＣ電源と前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータとを結合しており、ここで、電動機から受け取られた交流電力は前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータ、前記ＨＶＤＣバス、前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータおよび前記ＬＶＤＣバスを介して前記ＤＣ電源に蓄積され、該ＤＣ電源から受け取られた直流電力は前記ＬＶＤＣバス、前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ、前記ＨＶＤＣバスおよび前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータを介して電動機へ供給される、請求項１１記載のモジュラー電力装置。
13. 前記ＤＣ／ＤＣパワーコンバータは、直流低電圧を直流高電圧へ変換する複数のトランジスタ装置から成るブリッジ回路と、該ブリッジ回路および前記マルチコンバータシステムコントローラに結合され、前記マルチコンバータシステムコントローラから受け取られた第２の制御信号に応じて複数のゲート信号を形成するゲート駆動回路とを含む、請求項１１記載のモジュラー電力装置。
14. 前記ＡＣ／ＤＣパワーコンバータはジェネレータモードで交流電力を直流電力へ、またモータモードで直流電力を交流電力へ変換する複数のトランジスタ装置から成るブリッジ回路と、該ブリッジ回路および前記マルチコンバータシステムコントローラに結合され、前記マルチコンバータシステムコントローラから受け取られた第１の制御信号に応じて複数のゲート信号を形成して該ブリッジ回路へ供給するゲート駆動回路とを含む、請求項１１記載のモジュラー電力装置。
15. さらに、前記電力装置ケーシング内に第２の直流低電圧を直流高電圧へ変換する第２のＤＣ／ＤＣパワーコンバータが配置されている、請求項１１記載のモジュラー電力装置。
16. 前記電力装置ケーシングは電動機に結合されている、請求項１１記載のモジュラー電力装置。

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