JP6809769B2 - 電力変換器制御システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般的に云えば、電力変換器のような電子装置に関するものである。他の実施形態は、電力変換器制御システムに関するものである。

鉱業の分野では、露天掘り鉱山から採掘した重量のあるペイロードを運ぶために大形のオフ・ハイウェー車両（ＯＨＶ）が使用されている。ＯＨＶは、通常、エネルギ効率の良い態様で車両を推進し又は減速するために電動車輪を用いている。詳しく述べると、ＯＨＶは、典型的には、大馬力のディーゼル・エンジンと共に、交流発電機、主牽引インバータ、及び車両の後部タイヤ内に収容された一対の車輪駆動装置を利用している。ディーゼル・エンジンには交流発電機が直接付設されて、ディーゼル・エンジンにより交流発電機を駆動する。交流発電機は主牽引電力変換器に電力供給し、該電力変換器内では、複数の電力半導体素子が交流発電機出力電流を転流して、２つの車輪駆動装置の電動機のための制御された電圧及び周波数を持つ電力を供給する。

ＯＨＶに使用するのに適した電力変換器は、例えば、電力変圧器を介して接続された２つの全半導体ブリッジを有することを特徴とする絶縁分離型双方向Ｈブリッジ変換器を含む。このような変換器は双方向に電力を転送することができ、一次側及び二次側の電圧は或る範囲内で変化する。

絶縁分離型Ｈブリッジ変換器、又は他の電力用電子装置は、複数の電力素子、例えば、ＡＣ出力波形を生成するために交互に駆動回路によってオン及びオフにスイッチングされる絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）のようなスイッチング可能な半導体素子を含むことができる。Ｈブリッジ回路には、他の種類の電力素子、例えば、電力用ＢＪＴトランジスタ、電力用ＭＯＳＦＥＴ、集積ゲート転流式サイリスタ（ＩＧＣＴ）、ゲートターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）、又は低電力信号（ゲート信号）によってスイッチングされる任意の他の制御可能な半導体素子なども使用することができる。

典型的には、電力変換器内の各電力素子は、ゲート駆動ユニットから供給されるゲート電圧によってオン及びオフにスイッチングされる。ゲート駆動ユニットは、典型的には、制御ユニットから有線接続を介して制御される。しかしながら、制御ユニットは、ゲート駆動ユニットから物理的に除去することができる。更に、ＯＨＶは、典型的には、制御ユニットからゲート駆動ユニットへ信号を送るために使用することのできる光ファイバー又は電気ケーブルのような有線接続に対して物理的損傷の危険を及ぼす厳しい環境条件の下で使用される。例えば工業用ロボットのような、電力変換器を含む他の種類の装置もまた、厳しい環境条件に曝されることがある。

従って、現在利用できるシステムとは異なる電力変換器制御システムを提供することは望ましいと思われる。

米国特許第５０２７２６４号明細書

様々な実施形態において、電力変換器の両側に別々の制御装置が設けられ、それらの制御装置の間の相互接続を最少量にする。例えば、電力変換器制御システムに、一次ブリッジ制御装置と、該一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置とを設けることができる。一次ブリッジ制御装置は、電力変換器の一次ブリッジ内の第１の複数の電力素子をスイッチングする第１の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。二次ブリッジ制御装置は、電力変換器の二次ブリッジ内の第２の複数の電力素子をスイッチングする第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。

別の実施形態は、変圧器、一次ブリッジ及び二次ブリッジを有する電力変換器に関する。変圧器は一次コイル及び二次コイルを持つ。一次ブリッジは、一次端子と変圧器の一次コイルとの間に接続された第１の複数の電力素子を有する。二次ブリッジは、二次端子と変圧器の二次コイルとの間に接続された第２の複数の電力素子を有する。電力変換器は更に、第１の複数の電力制御素子及び一次ブリッジ制御装置にそれぞれ動作可能に結合された第１の複数のゲート駆動ユニットを有する。第１の複数のゲート駆動ユニットは、一次ブリッジ制御装置によって作動されて、第１の複数の電力素子をスイッチングするように構成される。電力変換器は更に、第２の複数の電力素子に動作可能に結合され且つ一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置に動作可能に結合された第２の複数のゲート駆動ユニットを有する。第２の複数のゲート駆動ユニットは、二次ブリッジ制御装置によって作動されて、第２の複数の電力素子をスイッチングするように構成される。

別の実施形態は、方法に関し、例えば、電力変換器を制御するための方法に関する。該方法は、一次ブリッジ制御装置の制御の下で、電力変換器内の一次ブリッジの複数の電力素子をスイッチングして、電力変換器の一次端子から一次コイルへ電流を転流する段階を有し、該一次コイルは二次コイルを励振する。一次端子には第１の電圧が存在する。本方法は更に、一次コイルの第２の電圧を観察する（例えば、第２の電圧を検知又は計算する）段階、並びに、二次コイルから電力変換器の二次端子へ電流を転流するために、一次コイルの第２の電圧に従って、且つ二次制御装置の制御の下に、電力変換器内の二次ブリッジの複数の電力素子をスイッチングする段階を有する。

本書で用いられる用語「一次」は、電力を「二次」側へ送る変換器の側の構成要素を表す。また、用語「二次」は、電力を「一次」側から受け取って負荷へ伝送する変換器の側の構成要素を表す。従って、電力が逆に流れるとき、用語「一次」及び「二次」はそれに応じて変化する。

本発明のこれらの及び他の特徴及び側面は、添付図面を参照した以下の詳しい説明を読むことによってより良く理解されよう。図面では、全図を通じて同様な部品を同様な参照符号で表している。

図１は、本発明の様々な実施形態に従った、絶縁分離型Ｈブリッジ電力変換器の概略図である。 図２は、本発明の一実施形態に従った、図１の電力変換器に使用することのできる一次及び二次制御装置の組合せの概略図である。 図３は、本発明の一側面による図１の変換器の一次及び二次変圧器巻線における電圧及び電流波形を示す。 図４は、本発明の別の実施形態に従った、図１に示した電力変換器に使用することのできる一次及び二次制御装置の組合せの概略図である。 図５は、本発明の様々な側面による一次巻線電圧観察器によって発生される鋸歯状波タイミング信号を示す。 図６は、二次ＤＣ電圧に基づいて変圧器一次ＡＣ電圧を推定するためのアルゴリズムを示すブロック図である。 図７は、本発明の更に別の実施形態に従った、図１に示した電力変換器に使用することのできる一次及び二次制御装置の組合せの概略図である。

本発明の模範的な様々な実施形態は、二重（双方向）Ｈブリッジ電力変換器の分散制御に関する。この電力変換器は一次側及び二次側を持ち、それらの各々は、１つの波形から別の波形へ電力を変換するように指令される一組の被制御半導体素子を持つ。電力変換器は、２つの側の間で双方向に電力を変換することができるが、状況によっては、一方向にのみ動作するように要求されることがある。

典型的には、この種類の電力変換器の制御は集中制御方法で行われ、この場合、単一の制御装置が一次及び二次側の両方の半導体素子に指令を行う。これは、制御装置への及び該装置からの検知及び作動信号について、変換器の各々の側への及びその側からの経路を選択することが必要である。場合によっては、この経路選択は所要の品質レベルで達成するのが困難であり、また距離及び／又は環境条件に起因して望ましくないことがある。従って、或る態様において、双方向電力変換器の両側に２つの別々の制御装置を持ち、それらの制御装置の間の相互接続を最少量にした制御システムを使用することが提案されている。

この提案された分散化を達成するため、或る実施形態では、エネルギ受取り側の制御装置が、送り側の変圧器巻線電圧の変化を測定又は推定する。反対側の変圧器巻線電圧信号が利用できない実施形態では、制御装置は該信号をそれ自身の側の測定値から計算又は推定する。或る実施形態では、反対側の変圧器巻線電圧は、観測器（オブザーバー）、モデル反転、又は所望の電圧を得ることのできる他のアルゴリズムに基づいて、推定される。双方向電力変換を提供する実施形態では、反対側の電圧の観測は電力変換器の両側で生じる。変換器が一方向にのみ電力を変換する実施形態では、反対側の電圧の観測は電力の送り側では随意選択による。それにも拘わらず、その観測は、より効率のよい動作を達成するのに有用であると考えられる。或る側面ではレギュレーションの目的では必要としないが、様々な実施形態は、（始動／停止）信号伝達及び故障トリップ(trip)保護を可能にするために２つの側の間での通信を含むことができる。

本発明は、環境条件が（通常、光ファイバ又は電気ケーブルを使用して行われる）制御装置から電力用電子装置ゲート駆動ユニットへの信号の経路選択を困難にするような状況において、特に有用である。このような条件の一例が、採鉱装置及び他のオフ・ハイウェー車両（ＯＨＶ）において存在する。

そこで、図１は本発明の模範的な一実施形態を例示し、該実施形態では、単相絶縁分離型双方向Ｈブリッジ電力変換器１００がＤＣ電源電圧「Ｖｄｃ１」を受け取って、ＤＣ負荷電圧「Ｖｄｃ２」を供給する。電力変換器１００は、複数の半導体電力素子又は他のスイッチ１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８を含む。各電力素子は、コレクタＣ、ゲートＧ、及びエミッタＥを持つ。各電力素子はまた、コレクタＣとエミッタＥとの間に逆並列（コレクタからダイオード陰極、またエミッタからダイオード陽極）に接続された対応するフライバック・ダイオード１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８を持つ。

電力素子１０１，１０２，１０３，１０４及びそれらの関連したフライバック・ダイオード１１１，１１２，１１３，１１４は、一次ブリッジ１２０を形成するように配列され、また電力素子１０５，１０６，１０７，１０８及びそれらの関連したフライバック・ダイオードは、二次ブリッジ１２２を形成するように配列される。一次ブリッジ１２０は、ＤＣ電源電圧Ｖｄｃ１を転流して、変圧器１４０の一次コイル１４１にＡＣ電流「Ｉｐｈ」を供給するように接続される。二次ブリッジ１２２は、変圧器１４０の二次コイル１４２のＡＣ電流を転流することによって、ＤＣ負荷電圧Ｖｄｃ２を供給するように接続される。

電力変換器１００内で、電力素子１０５は電力素子１０１と「相同」である。その理由は、電力素子１０１が一次コイル１４１（一次変圧器巻線）の高端子に接続され、且つ電力素子１０５が二次コイル１４２（二次変圧器巻線）の高端子に接続されていて、それらの電力素子の各々がそれ自身のブリッジ内で、その対応するブリッジ内の相同電力素子と同様に機能するからである。同様に。電力素子１０２及び１０６、１０３及び１０７、並びに１０４及び１０８もまた、相同対である。

一次ブリッジ１２０の電力素子１０１，１０２等は、以下に詳しく説明するように、ゲート電圧信号「Ｖｇ１」，「Ｖｇ２」等によってオン又はオフにスイッチングされて、ＡＣ電流Ｉｐｈを一次変圧器コイル１４１へ供給するために一次ＤＣ電圧Ｖｄｃ１を転流することができる。二次ブリッジ１２２の電力素子１０５，１０６等は、ゲート電圧信号「Ｖｇ５」，「Ｖｇ６」等によってオン又はオフにスイッチングされて、逓降ＤＣ電圧Ｖｄｃ２を供給するために二次コイルのＡＣ電圧を転流する。

このように、図１は、電力変圧器１４０を介して接続された一次及び二次半導体ブリッジ１２０及び１２２を含む絶縁分離型Ｈブリッジ変換器１００を示している。一次及び二次ブリッジ１２０及び１２２の転流を適切に調整することによって、変換器１００は、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１及びＶｄｃ２を所定の範囲内に維持しながら、変圧器１４０を横切って双方向に電力を転送することができる。いずれの方向の場合でも、他方又は二次側へ電力を送るために一次ブリッジによってスイッチングされる一次又は電源側があり、二次側は電力を受け取って、二次ブリッジを介して負荷へ電力を転送する。

図１には、電力素子として使用される半導体素子が絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である模範的な一実施形態を具体的に例示しているが、本発明はまた、他の固体半導体素子、例えば、限定するものではないが、バイモード絶縁ゲート型トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、及び／又はＪＦＥＴに適用することができる。本発明の選択実施形態において、各電力素子及びその対応するフライバック・ダイオードは一緒になって、２０１２年４月２４日出願の米国特許出願第１３／４５４２９２号に記載されているようなスイッチング・モジュールを形成する。該米国特許出願は引用によってその全体を援用する。

様々な実施形態において、電力変換器１００は、設定値又は時間関数に従って出力電圧を維持するように制御される。出力電圧Ｖｄｃ２は、一次及び二次ブリッジ１２０及び１２２をの間にブリッジ間位相シフト「ｄｓｈ」を導入することによって制御される。この位相シフト（移相）は、一次及び二次変圧器コイル１４１及び１４２におけるＡＣ電圧の一部である。変換器を通しての電力転送は、位相シフトｄｓｈと、一次及び二次電圧と、変圧器インピーダンスとの関数である。一般に、ブリッジ間位相シフトが大きくなると、電圧が一定である場合、電力転送は大きくなる。電力転送が所与の値である場合、位相シフトは受取り側の電圧を変化させる。従って、位相シフトｄｓｈは、電圧を調整するために使用することができる。

引き続き図１について説明すると、本発明の様々な側面において、電力変換器１００の制御を一次ブリッジ制御装置１３０と二次ブリッジ制御装置１３２とに分割して、各制御装置１３０又は１３２がそれぞれの一次又は二次ブリッジ１２０又は１２２の複数の電力素子１０１等を制御するようにする。一次制御装置１３０は一次ブリッジ・ゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４の発生を制御する。二次制御装置１３２は二次ブリッジ・ゲート電圧Ｖｇ５〜Ｖｇ８の発生を制御する。より具体的に述べると、第１の複数のゲート駆動ユニット１４３が一次制御装置１３０に結合され、また第２の複数のゲート駆動ユニット１４４が二次制御装置１３２に結合される。これらのゲート駆動ユニットの入力は制御装置の制御信号出力によって駆動され、またこれらのゲート駆動ユニットの出力は複数の電力素子のゲートにそれぞれ電気的に結合される。適当なゲート駆動ユニットの例が、前掲の米国特許出願に記載されている。ゲート駆動ユニットは一部又は全部を制御装置と集積化することができ、或いは別々にパッケージ化するか又はその他のやり方で制御装置とは別個にすることができる。一次及び二次制御装置１３０及び１３２は、ＤＣ電源からＤＣ負荷への電力の転送を制御するように、所定のスケジュールに従って、ゲート電圧信号Ｖｇ１〜Ｖｇ８を半導体電力素子１０１〜１０８へ送るために協調させる。

電力変換器１００は、双方向に電力を変換するために使用することができる。従って、様々な実施形態において、制御装置１３０及び１３２の各々は、所望のブリッジ間位相シフトｄｓｈを達成するようにゲート電圧のスケジュールを定めるように構成される。用途によっては、いずれかの制御装置１３０又は１３２、或いは両方が、反対側のブリッジの変圧器端子におけるＡＣ電圧を検知することが可能である。これには、電力変換器の両側の間に「高サンプル速度」（変圧器１４０の動作周波数の約１０倍よりも高い）の有線信号接続を必要とすることがある。

他の実施形態において、高サンプル速度の波形測定は行われない。代わりに、一次及び二次制御装置１３０及び１３２は、通信リンク１３４を介して一方から他方へ伝送される「低データ転送速度」（変圧器１４０の動作周波数の約１０倍よりも低い）の信号によって協調させることができる。選択実施形態において、通信リンク１３４は無線とすることができる。選択実施形態において、一方の装置（典型的には、一次装置１３０）が「マスター」であり、他方の装置（典型的には、二次装置１３２）が「スレーブ」である。スレーブ装置は、通信リンク１３４を介してマスター装置から受け取ったタイミング信号に従って、その関連したブリッジを循環動作させる。

他の実施形態において、高サンプル速度の波形測定は行われず、且つタイミング信号は伝送されない。代わりに、各制御装置１３０，１３２は反対側の変圧器巻線電圧を推定し、そして同じ側の変圧器端子におけるＡＣ電圧の時間変化又は波形に基づいて、適切なブリッジ間位相シフトを独立に決定する。適当な推定方法は、所定の関係に基づくものである。このような所定の関係は、ＤＣ電圧及びゲート・タイミングのような局部的に測定可能な変数を、遠隔の（他方の側の）ＡＣ電圧及び／又は電流に結びつける数学的関係式を含む。このように実施形態は、単一の中央制御装置と比較して、又は反対側の電圧の直接波形測定に依存する分散制御装置と比較して、物理的損傷に対してかなり強くなる。

一方、ブリッジが一方向にのみ電力を転送する特別な実施形態では、片側のみの測定／推定を用いることができる。また、電力の送り側での電圧の測定又は推定に依存する代わりに、受取り側のブリッジ制御装置が、送り側の電圧に関連させた局部的測定から発生されるタイミング信号に基づいて、適切なブリッジ間位相シフトを決定することが可能である。

従って、幾つかの異なる分離度又は独立度を、様々な側面及び実施形態で具現化することができる。最高の分離度は、送り側及び受取り側が独立に動作することに対応する。他方の側における必要な信号が推定され、また唯一の相互接続は、始動／停止（動作許可）し及び保護トリップを伝送するために用いられる電気状態である。次の分離度は、タイミング信号を受取り側へ送ることを含む。別の分離度は、２つの側の間でタイミング信号を交換することを含む。更に別の分離度は、少なくとも一方の制御装置において反対側の電圧を直接測定することを含む。最低の分離度は、一方の制御装置が他方の制御装置を駆動するマスター・スレーブ関係を含む。

図２は、一次及び二次ブリッジ制御装置１３０及び１３２の各々が、（反対側のブリッジ制御装置を介して得られた）反対の変換器側の電圧の測定値を利用できる実施形態を示す概略図である。一次制御サブシステム２０１（制御装置及びゲート駆動ユニットの組合せ）において、一次ブリッジ制御装置１３０（「一次制御装置」）が、二次変圧器巻線又はコイル１４２の両端間のＡＣ電圧Ｖ＿Ｓの測定値を、ＤＣ電源電流Ｉ１及び電圧Ｖｄｃ１の測定値と共に受け取る。制御装置１３０は一次側変調器２０３（少なくとも第１の複数のゲート駆動ユニット１４３（この図には示していない）を有する）と連絡し、一次側変調器２０３はゲート電圧Ｖｇ１〜Ｖｇ４をそれぞれの一次電力素子１０１〜１０４へ送る。様々な実施形態において、一次制御システム２０１はまた保護／動作許可モジュール２０５を含み、これは、二次ブリッジ制御装置１３２内の同様なモジュール２０６と連絡し、また一次制御装置１３０の一部とすることができる。これらの保護／動作許可モジュールは、（イ）指定された信号の受信時にシステム動作を停止させること、又は（ロ）故障状態に起因して信号がもはや存在しない場合に、システムの動作が自動的に停止するように、信号が存在しているときのみ動作を許可すること、の内の少なくとも１つを行うように構成することができる。

引き続き図２について説明すると、二次制御サブシステム２０２が二次ブリッジ制御装置１３２（「二次制御装置」）及び二次側変調器２０４を含み、二次側変調器２０４は少なくとも第２の複数のゲート駆動ユニット１４４（この図には示していない）を含む。二次制御装置１３２は、一次変圧器巻線又はコイル１４１の両端間のＡＣ電圧Ｖ＿Ｐの測定値を、ＤＣ負荷電流Ｉ２及び電圧Ｖｄｃ２の測定値と共に受け取る。二次制御装置１３２は二次側変調器２０４と連絡し、二次側変調器２０４はゲート電圧Ｖｇ５〜Ｖｇ８をそれぞれの二次電力素子１０５〜１０８へ送る。

反対側のＡＣ電圧測定値Ｖ＿Ｐ，Ｖ＿Ｓは、保護／動作許可信号と共に、図１に関して前に述べたように通信リンク１３４を介して伝送することができる。

図３は、図２による実施形態のシミュレーションを示し、この場合、二重Ｈブリッジ電力変換器１００が、反対側の電圧を完全に検知して、提案された一次及び二次側又はブリッジ制御装置１３０及び１３２によって作動される。例示した実施形態では、一次ブリッジ１２０は電力の送り側であり、また二次ブリッジ１２２は、遅れ位相シフトで、電力を受け取る。詳しく述べると、図３は、一次側電流Ｉｐｈと、一次及び二次ＤＣ電圧Ｖ＿Ｐ及びＶ＿Ｓ１の典型的な波形をそれぞれ示す。ブリッジ間位相シフトが、電圧及び電流の測定値に基づいて、二次ブリッジ制御装置１３２において具現化される。

図４は、一実施形態を示す概略図であり、該実施形態では、一次制御サブシステム４０１が、一次ブリッジ制御装置４３０と共に、反対側の二次ブリッジ１２２における電圧を推定するための観測器モジュール４５０を含み、他方、二次制御サブシステム４０２が、二次ブリッジ制御装置４３２と共に、反対側の一次ブリッジ１２０における電圧を推定するための別の観測器モジュール４５２を含む。例えば、観測器４５２は、ＤＣ負荷電圧及び電流Ｖｄｃ２及びＩ２と、二次側変調器４０４によって発生された二次ブリッジ・ゲート信号とを受け取る。従って、図示の実施形態では、観測器４５２は、局部的ゲート信号と同時に検知された局部的ＤＣ電圧に基づいて、瞬時一次側ＡＣ電圧Ｖ＿Ｐの推定値Ｖ１ａｃを発生することができる。特定の側面では、一次電圧観測器４５２は、推定値Ｖ１ａｃに基づいて、図５に示されているような鋸歯状波タイミング信号ＩＮＴＧを発生することができる。更に、特定の側面では、観測器４５２は変圧器特性を考慮することができる。例えば、観測器４５２は、図６に示されているように、Ｖ２ｄｃ、変圧器１４０の巻線比Ｎ、推定漏洩電流Ｌ１ｋ、及びゲート電圧Ｖｇ５〜Ｖｇ８に基づいて、Ｖ１ａｃを推定することができる。

図７は、図４に示した実施形態の特別な場合の概略図であり、この場合、電力伝送が一方向のみであり、また一次側の電圧を推定するために、観測器が二次制御サブシステム４０２においてのみ使用される。二次側電圧Ｖ＿Ｓの測定値を一次制御装置１３２に供給することができるが、このような測定値は、厳密には、この実施形態にとって不可欠ではない。

従って、様々な実施形態において、電力変換器制御システムは、一次ブリッジ制御装置と、該一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置とを含む。一次ブリッジ制御装置は、電力変換器の一次ブリッジ内の第１の複数の電力素子をスイッチングする第１の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。二次ブリッジ制御装置は、電力変換器の二次ブリッジ内の第２の複数の電力素子をスイッチングする第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。選択実施形態において、二次ブリッジ制御装置は、一次ブリッジにおけるＡＣ電圧の波形の直接測定に基づいて第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。他の実施形態において、二次ブリッジ制御装置は、一次ブリッジ制御装置から伝送された信号に応答して第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。例えば、伝送された信号は鋸歯状波形とすることができる。他の実施形態において、二次ブリッジ制御装置は、一次ブリッジにおけるＡＣ電圧の局部的推定(local estimation)に基づいて第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。選択実施形態において、局部的推定は、推定された波形である。特定の側面では、局部的推定は、一次ブリッジにおけるＡＣ電圧に対する局部的ＤＣ電圧及び局部的ゲート信号の所定の関係に基づくものである。このような側面では、局部的電流及び変圧器のパラメータもまた、局部的推定のより正確な結果を得るために入力することができる。一次電圧の推定は、局部的同期化信号を発生するために用いることができる。

他の実施形態において、電力変換器は、変圧器、一次ブリッジ及び二次ブリッジを含む。変圧器は一次コイル及び二次コイルを含む。一次ブリッジは、一次端子間に接続された第１の複数の電力素子を有する。二次ブリッジは、二次端子間に接続された第２の複数の電力素子を有する。第１の複数の電力素子の各々は、それらの電力素子にそれぞれ動作可能に結合された第１の複数のゲート駆動ユニットの内の対応する１つによってスイッチングされるように構成される。第１の複数のゲート駆動ユニットの各々は、一次ブリッジ制御装置によって作動されるように構成される。第２の複数の電力素子の各々は、それらの電力素子にそれぞれ動作可能に結合された第２の複数のゲート駆動ユニットの内の対応する１つによってスイッチングされるように構成される。第２の複数のゲート駆動ユニットの各々は、一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置にによって作動されるように構成される。選択実施形態において、二次ブリッジ制御装置は、一次ブリッジにおけるＡＣ電圧の波形の直接測定に基づいて第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。他の実施形態において、二次ブリッジ制御装置は、一次ブリッジ制御装置から伝送された信号に応答して第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。例えば、伝送された信号は鋸歯状波形である。他の実施形態において、二次ブリッジ制御装置は、一次ブリッジにおけるＡＣ電圧の局部的推定に基づいて第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される。選択実施形態において、局部的推定は、推定された波形である。特定の側面では、局部的推定は、一次ブリッジにおけるＡＣ電圧に対する局部的ＤＣ電圧の所定の関係に基づくものである。他の実施形態において、局部的推定は、局部的に発生されたタイミング信号である。例えば、タイミング信号は、局部的ゲート信号と同時に検知された局部的ＤＣ電圧に基づくものである。

或る側面では、電力変換器の一次端子に電圧が供給される。電力変換器内の一次ブリッジの複数の電力素子が、一次ブリッジ制御装置により、スイッチングされて、一次端子から一次コイルへ電流を転流する。一次コイルは二次コイルを励振する。一次コイル上の電圧が観測され、該一次コイルの観測された電圧に従って、二次制御装置が、電力変換器の二次端子へ電流を転流するために電力変換器内の二次ブリッジの複数の電力素子をスイッチングするように動作する。特定の側面では、一次コイルの観測された電圧は、二次制御装置における局部的推定によって観測される。

このように、本発明の様々な実施形態及び側面は、電力変換器内の一次及び二次ブリッジに関連した一次及び二次制御装置による電力変換器の分散制御に関するものである。結果として、一次及び二次ブリッジの間の制御に関連した有線接続を最少にし又は省略することができる。従って、電力変換器に対する物理的損傷の危険性が、配線の損傷の可能性を低減することによって減少する。従って、特定の側面では、本発明は、損傷を生じさせるような環境状態の下での電力変換器の信頼性を高めることができる。

本書で述べたように、様々な実施形態において、電力変換器は、一次ブリッジ、二次ブリッジ、一次ブリッジ制御装置、及び該一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置を含む。一側面によれば、「別個」は、いずれかの制御装置が他の制御装置から完全に電気的に絶縁分離されていた場合でも、それがそのブリッジの複数ゲート駆動ユニットを依然として制御することができるように、各制御装置が、個別に、そのブリッジに関連した複数のゲート駆動ユニットを制御できることを意味する。「別個」はまた、ハウジング又はサブハウジングが異なること、２つの制御装置の間で共用されない異なるマイクロプロセッサ又は他の集積回路又は他の電子回路を持つこと、及び／又は変圧器接続又は共通のアースへの接続を除いて電気的に絶縁分離されることを含むことができる。

ここで、上記の記載が説明のためのものであって、制限するためのものではないことを理解されたい。例えば、上述の様々な実施形態（及び／又はその様々な側面）は互いに組み合わせて用いることができる。その上、特定の状況又は構成要素を本発明の範囲から逸脱せずに本発明の教示に適合させるように多くの修正を為すことができる。本書で述べた構成要素の寸法及び種類は本発明の実施形態を例示しようとするものである、それらは制限ではなく、事実上典型的なものである。上記の説明を検討するとき、当業者には多くの他の実施形態が明らかであろう。従って、発明の範囲は、「特許請求の範囲」の記載と共に、該記載と等価な全ての範囲を参照して決定すべきである。

「特許請求の範囲」の記載では、「含む」及び「その場合において」と云うような用語は「有する」及び「その場合」と云うような用語とそれぞれ等価なものとして用いられている。更に、特許請求の範囲の記載において、「第１」、「第２」、「第３」、「上側」、「下側」、「底部」、「頂部」、「上」、「下」などの用語は単にラベルとして用いられていて、それらの対象について数又は位置に関する要件を課しているものではない。更に、特許請求の範囲が「手段＋機能」形式で記載されていず、また特許請求の範囲は、構造についての記載のない機能の記述の後に用語「手段」を用いて表現していないなら、米国特許法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．ξ１１２、第６項に基づいて解釈されるべきではない。

本書に用いられるような、単数形で表され且つ数を特記していない要素及び段階は、特に明記していない限り、複数の該要素及び段階を排除するものではないことを理解されたい。更に、「一実施形態」と云う場合、これは、そこに記載した特徴を同様に取り入れている更に別の実施形態の存在を排除するものとして解釈すべきであることを意図してはいない。また更に、特定の特性を持つ１つ又は複数の要素を「有する」、「含む」又は「持っている」実施形態は、特に否定しない限り、その特性を持たない追加の同様な要素を含むことができる。

上述の様々な実施形態において、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに或る特定の変更を行うことができるので、上記の記載の又は添付図面に示されている内容は全て、単に発明の概念を説明する例として解釈されるべきであって、本発明を制限するものとして解釈されるべきではない。

１００ 単相絶縁分離型双方向Ｈブリッジ電力変換器
１０１，１０２，１０３，１０４ 半導体電力素子
１０５，１０６，１０７，１０８ 半導体電力素子
１１１，１１２，１１３，１１４ フライバック・ダイオード
１１５，１１６，１１７，１１８ フライバック・ダイオード
１２０ 一次ブリッジ
１２２ 二次ブリッジ
１３０ 一次ブリッジ制御装置
１３２ 二次ブリッジ制御装置
１３４ 通信リンク
１４０ 変圧器
１４１ 一次コイル
１４２ 二次コイル
２０１ 一次制御サブシステム
２０２ 二次制御サブシステム
２０３ 一次側変調器
２０４ 二次側変調器
２０５，２０６ 保護／動作許可モジュール
４０１ 一次制御サブシステム
４０２ 二次制御サブシステム

Claims (17)

1. 電力変換器の一次ブリッジ内の第１の複数の電力素子をスイッチングする第１の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている一次ブリッジ制御装置と、
   前記一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置であって、前記電力変換器の二次ブリッジ内の第２の複数の電力素子をスイッチングする第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている二次ブリッジ制御装置と、
   を備え、
   前記二次ブリッジ制御装置は、二次ブリッジに結合される負荷のＤＣ負荷電圧およびＤＣ負荷電流の測定値と、前記二次ブリッジ制御装置による、前記一次ブリッジにおける一次変圧器巻線の両端間のＡＣ電圧の波形の直接測定とに基づいて、前記第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成される、
   電力変換器制御システム。
2. 前記二次ブリッジ制御装置は、前記一次ブリッジ制御装置から伝送された信号に応答して前記第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている、請求項１に記載の電力変換器制御システム。
3. 前記伝送された信号は鋸歯状波形である、請求項２に記載の電力変換器制御システム。
4. 電力変換器の一次ブリッジ内の第１の複数の電力素子をスイッチングする第１の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている一次ブリッジ制御装置と、
   前記一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置であって、前記電力変換器の二次ブリッジ内の第２の複数の電力素子をスイッチングする第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている二次ブリッジ制御装置と、
   を備え、
   前記二次ブリッジ制御装置は、前記二次ブリッジに結合される負荷のＤＣ負荷電圧ならびにＤＣ負荷電流の測定値、および二次ブリッジ・ゲート信号に基づいて発生させる前記一次ブリッジにおけるＡＣ電圧の局部的推定と、前記二次ブリッジに結合される負荷のＤＣ負荷電圧ならびにＤＣ負荷電流の測定値と、に基づいて前記第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている、
   電力変換器制御システム。
5. 前記推定は、推定された波形である、請求項４に記載の電力変換器制御システム。
6. 前記推定は、局部的ゲート信号に基づいた前記一次ブリッジにおけるＡＣ電圧に対する局部的ＤＣ電圧の所定の関係に基づくものである、請求項４に記載の電力変換器制御システム。
7. 前記推定は局部的に発生されたタイミング信号である、請求項４に記載の電力変換器制御システム。
8. 前記タイミング信号は、局部的ゲート信号と同時に検知された局部的ＤＣ電圧に基づくものである、請求項７に記載の電力変換器制御システム。
9. 一次コイル及び二次コイルを含む変圧器と、
   一次端子と前記変圧器の前記一次コイルとの間に接続された第１の複数の電力素子を有する一次ブリッジと、
   前記第１の複数の電力素子及び一次ブリッジ制御装置にそれぞれ動作可能に結合された第１の複数のゲート駆動ユニットであって、前記一次ブリッジ制御装置によって作動されて、前記第１の複数の電力素子をスイッチングするように構成されている第１の複数のゲート駆動ユニットと、
   二次端子と前記変圧器の前記二次コイルとの間に接続された第２の複数の電力素子を有する二次ブリッジと、
   前記第２の複数の電力素子に動作可能にそれぞれ結合され且つ前記一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置に動作可能に結合された第２の複数のゲート駆動ユニットであって、前記二次ブリッジ制御装置によって作動されて、前記第２の複数の電力素子をスイッチングするように構成されている第２の複数のゲート駆動ユニットと、
   を備え、
   前記二次ブリッジ制御装置は、前記二次ブリッジに結合される負荷のＤＣ負荷電圧およびＤＣ負荷電流の測定値と、前記一次ブリッジにおける前記一次コイルの両端子間のＡＣ電圧の波形の直接測定とに基づいて前記第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている、
   電力変換器。
10. 前記二次ブリッジ制御装置は、前記一次ブリッジ制御装置から伝送された信号に応答して前記第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている、請求項９に記載の電力変換器。
11. 前記伝送された信号は鋸歯状波形である、請求項１０に記載の電力変換器。
12. 一次コイル及び二次コイルを含む変圧器と、
    一次端子と前記変圧器の前記一次コイルとの間に接続された第１の複数の電力素子を有する一次ブリッジと、
    前記第１の複数の電力素子及び一次ブリッジ制御装置にそれぞれ動作可能に結合された第１の複数のゲート駆動ユニットであって、前記一次ブリッジ制御装置によって作動されて、前記第１の複数の電力素子をスイッチングするように構成されている第１の複数のゲート駆動ユニットと、
    二次端子と前記変圧器の前記二次コイルとの間に接続された第２の複数の電力素子を有する二次ブリッジと、
    前記第２の複数の電力素子に動作可能にそれぞれ結合され且つ前記一次ブリッジ制御装置とは別個の二次ブリッジ制御装置に動作可能に結合された第２の複数のゲート駆動ユニットであって、前記二次ブリッジ制御装置によって作動されて、前記第２の複数の電力素子をスイッチングするように構成されている第２の複数のゲート駆動ユニットと、
    を備え、
    前記二次ブリッジ制御装置は、前記二次ブリッジに結合される負荷のＤＣ負荷電圧ならびにＤＣ負荷電流の測定値、および二次ブリッジ・ゲート信号に基づいて発生させる前記一次ブリッジにおけるＡＣ電圧の局部的推定と、前記二次ブリッジに結合される負荷のＤＣ負荷電圧ならびにＤＣ負荷電流の測定値と、に基づいて前記第２の複数のゲート駆動ユニットを作動するように構成されている、
    電力変換器。
13. 前記局部的推定は、推定された波形である、請求項１２に記載の電力変換器。
14. 前記局部的推定は、前記一次ブリッジにおけるＡＣ電圧に対する局部的ＤＣ電圧の所定の関係に基づくものである、請求項１２に記載の電力変換器。
15. 前記局部的推定は、局部的に発生されたタイミング信号である、請求項１２に記載の電力変換器。
16. 前記タイミング信号は、局部的ゲート信号と同時に検知された局部的ＤＣ電圧に基づくものである、請求項１５に記載の電力変換器。
17. 一次ブリッジ制御装置の制御の下で、電力変換器内の一次ブリッジの複数の電力素子をスイッチングして、前記電力変換器の一次端子から一次コイルへ電流を転流する段階であって、前記一次端子には第１の電圧が存在し、また前記一次コイルが二次コイルを励振する、段階と、
    前記一次コイルのＡＣ電圧の波形を二次制御装置で観察する段階と、
    前記二次コイルから前記電力変換器の二次端子へ電流を転流するために、前記電力変換器内の二次ブリッジに結合される負荷のＤＣ負荷電圧およびＤＣ負荷電流の測定値と、前記一次コイルの前記ＡＣ電圧の波形とに従って、二次制御装置の制御の下に、前記電力変換器内の前記二次ブリッジの複数の電力素子をスイッチングする段階と、
    を含む、方法。