JP7045859B2 - ソフトスイッチングｄｃ－ｄｃコンバータのためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Description

本明細書に記載の主題の実施形態は、双方向直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータのソフトスイッチングトポロジに関する。
近年、地球環境保全への関心が高まっていることから、ハイブリッド車や電気自動車（ＨＥＶ）が普及している。ハイブリッド電気自動車は、車両を動かすために、内燃エンジンおよび走行用バッテリなどのエネルギー蓄積装置によって電力を供給される電気モータを結合することができる。このような組み合わせは、燃焼エンジンおよび電気モータがそれぞれの効率の良い範囲でそれぞれが動作することができるので、全体の燃費効率を高めることができる。例えば、スタンディングスタートからの加速では、電気モータが効率的であり得るが、一方、ハイウェイでの運転のように一定のエンジン動作が持続する期間では燃焼エンジンが効率的であり得る。初期加速を高めるための電気モータを備えることによって、ハイブリッド車の燃焼エンジンをより小型にし、燃料効率をより高めることができる。
電気自動車は、蓄積された電気エネルギーを用いて電気モータに電力を供給し、電気モータは車両を動かし、また補助駆動装置を動作させることもできる。純粋な電気自動車は、蓄積された電気エネルギーの１つまたは複数の供給源を用いることができる。例えば、蓄積された電気エネルギーの第１の供給源は、より持続性のエネルギーを提供するために用いることができ、一方、蓄積された電気エネルギーの第２の供給源は、例えば加速などのより高出力のエネルギーを提供するために用いることができる。
ＨＥＶは、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを含む。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、エネルギー蓄積装置とインバータとの間で電圧を遷移させる。インバータは、電気モータに電力を供給し、かつ／または回生制動などのＨＥＶの１つまたは複数の構成要素から電力を受け取る。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、エネルギー蓄積装置からインバータへの電圧を調整して、電気モータに電力を供給する。さらに、ＤＣ－ＤＣコンバータは、インバータからの電圧を調整して、蓄電装置を充電する。
しかし、インバータへの入力ＤＣ電圧は、高速で高出力のモータを駆動し、インバータの全体的な効率と電力密度を向上させるために調整され、かつ可変でなければならない。したがって、高電圧利得を有する高出力、高効率の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータが好ましい。ＨＥＶの従来の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータでは、簡素にするためにハードスイッチングが一般的に使用される。しかし、ターンオン時およびターンオフ時のスイッチングに伴う大きなエネルギー損失のために効率が低い。加えて、高い電力密度を達成し、動的性能を向上させ、音響ノイズを低減するためには、高周波動作が要求される。ハードスイッチングコンバータのスイッチング周波数は、高いエネルギー損失とＥＭＩ問題のために制限される。したがって、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータのためのソフトスイッチングトポロジが必要とされている。
米国特許第９４１９５２２号明細書
一実施形態では、システム（例えば、直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ用のソフトスイッチングシステム）が提供される。本システムは、上側の第１の半導体スイッチと下側の第１の半導体スイッチとを有する第１のスイッチング回路を含む。本システムは、上側の第２の半導体スイッチと下側の第２の半導体スイッチとを有する第２のスイッチング回路を含む。第１および第２のスイッチング回路は、ＤＣバスに導電結合される。本システムは、第１および第２のノードに導電結合された結合回路を含む。第１のノードは上側の第１の半導体スイッチと下側の第１の半導体スイッチとの間に介在し、第２のノードは上側の第２の半導体スイッチと下側の第２の半導体スイッチとの間に介在する。本システムは、第１のノードに導電結合された電源回路をさらに含む。
一実施形態では、方法（例えば、直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータをソフトスイッチングするための）が提供される。本方法は、電気モータの動作状態を判定し、電気モータの動作に基づいて、上側または下側の第１または第２の半導体スイッチのうちの少なくとも１つを活性化させるステップを含む。第１および第２のスイッチング回路は、電力インバータ回路に導電結合される。本方法は、電気モータの動作状態に基づいて、電力インバータ回路または電源回路のうちの一方に調整された電圧を供給するステップを含む。
一実施形態では、方法が提供される。本方法は、ソフトスイッチングトポロジを有する直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータを提供するステップを含む。ＤＣ－ＤＣコンバータは、上側の第１の半導体スイッチと下側の第１の半導体スイッチとを有する第１のスイッチング回路を含む。ソフトスイッチングトポロジは、上側の第２の半導体スイッチと下側の第２の半導体スイッチとを有する第２のスイッチング回路を有する。第１および第２のスイッチング回路は、電力インバータ回路に導電結合される。ソフトスイッチングトポロジは、第１および第２のノードに導電結合された結合回路を含む。第１のノードは上側の第１の半導体スイッチと下側の第１の半導体スイッチとの間に介在し、第２のノードは上側の第２の半導体スイッチと下側の第２の半導体スイッチとの間に介在する。ＤＣ－ＤＣコンバータは、第１のノードに導電結合された電源回路を含む。本方法は、電気モータの動作状態を測定するステップと、電気モータの動作状態に基づいて、上側もしくは下側の第１の半導体スイッチまたは上側もしくは下側の第２の半導体スイッチのうちの少なくとも１つを活性化させるステップと、電気モータの動作状態に基づいて、電力インバータ回路または電源回路のうちの一方に調整された電圧を供給するステップと、を含む。
牽引システムの一実施形態の概略ブロック図である。 不連続導通モードで動作するように構成された双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ用のソフトスイッチングトポロジの一実施形態の回路図である。 図２に示す双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの電気波形の一実施形態のタイミング図である。 連続または不連続導通モードで動作するように構成された双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ用のソフトスイッチングトポロジの一実施形態の回路図である。 図４に示す双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの電気波形の一実施形態のタイミング図である。 インターリーブ型ＤＣ－ＤＣコンバータ用のソフトスイッチングトポロジの一実施形態の回路図である。 図６に示すインターリーブ型ＤＣ－ＤＣコンバータの電気波形のタイミング図である。 図６に示すインターリーブ型ＤＣ－ＤＣコンバータの電気波形のタイミング図である。 ＤＣ－ＤＣコンバータをソフトスイッチングするための方法の一実施形態のフローチャートである。
様々な実施形態は、添付の図面と併せて読むと、より良く理解されるであろう。図面は、様々な実施形態の機能ブロックの図を示しているが、機能ブロックは、必ずしもハードウェア回路間の分割を示すものではない。したがって、例えば、１つまたは複数の機能ブロック（例えば、プロセッサ、コントローラ、またはメモリ）が、１つのハードウェア（例えば、汎用信号プロセッサもしくはランダムアクセスメモリ、またはハードディスク）、あるいは複数のハードウェアに実装されてもよい。同様に、任意のプログラムが、例えば、独立プログラムであってもよく、オペレーティングシステムのサブルーチンとして組み込まれてもよく、インストール済みのソフトウェアパッケージの機能であってもよい。様々な実施形態は、図面に示す配置および手段に限定されないことを理解されたい。
本明細書で用いられる「システム」、「ユニット」、または「モジュール」という用語は、１つまたは複数の機能を実行するように動作する、ハードウェアおよび／またはソフトウェアシステムを含んでもよい。例えば、モジュール、ユニット、またはシステムは、コンピュータメモリ等の、有形かつ非一時的なコンピュータ可読記憶媒体に記憶された命令に基づいて動作を行う、コンピュータプロセッサ、コントローラその他の論理型の装置を含んでもよい。あるいは、モジュール、ユニット、またはシステムは、装置の配線論理に基づいて動作を行う、配線で接続された装置を含んでもよい。添付の図面に示すモジュールまたはユニットは、ソフトウェアまたは配線命令に基づいて動作するハードウェア、ハードウェアに動作を行うことを指示するソフトウェア、あるいはこれらの組み合わせを表してもよい。ハードウェアは、マイクロプロセッサ、プロセッサ、コントローラなどの１つまたは複数の論理型の装置を含む、かつ／またはこれに接続される、電子回路を含んでもよい。これらの装置は、前述の命令から本明細書で述べた動作を行うように、適切にプログラムまたは命令された、既製の装置であってもよい。これに加えて、またはこれに代えて、これらの装置の１つまたは複数が、このような動作を行うように、論理回路に配線で接続されてもよい。
本明細書で用いられるように、単数形で列挙され、「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」という語で始まる要素またはステップは、特に明記しない限り、この要素またはステップの複数形を除外しないものとして理解されるべきである。さらに、「一実施形態」に対する参照は、記載した特徴も組み込んだ追加の実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図してはいない。また、特に断りのない限り、特別な特性を有する要素または複数の要素を「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その特性を有さない別のこのような要素を含んでいてもよい。
一般に、様々な実施形態は、双方向直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ用のソフトスイッチングトポロジのための方法およびシステムを提供する。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、電源（例えば、エネルギー蓄積装置）および負荷（例えば、インバータ）に導電（例えば、電気的に）結合される。一実施形態では、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、上側および下側半導体スイッチを有するスイッチング回路と、上側および下側の第２の半導体スイッチを有する補助スイッチング回路と、を含む。スイッチング回路は、電源と直列に導電結合されたインダクタなどの電源回路を介して電源に導電結合されている。スイッチング回路および補助スイッチング回路は、スイッチング回路のターンオン時にゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を達成するように構成されたスナバ回路（例えば、キャパシタを含む）として構成することができる結合回路に導電（例えば、電気的に）結合される。補助スイッチング回路の上側および下側のスイッチは、電力潮流に基づいて、スイッチング回路の上側または下側の半導体スイッチに並列に結合回路を接続するように構成される。結合回路に蓄積された電気エネルギーは、電源回路の負電流によって電源に回収され、不連続導通モード（ＤＣＭ）動作に対応する電源回路の電気エネルギーを枯渇させる。
それに加えて、またはその代わりに、第２の補助スイッチング回路を補助スイッチング回路に導電結合して、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータをＤＣＭまたは連続導通モード（ＣＣＭ）のいずれかで動作させてもよい。第２の補助スイッチング回路は、上側および下側の半導体スイッチを含む。補助スイッチング回路は、インダクタなどの共振部品を介して第２の補助スイッチング回路に導電結合される。共振回路および第２の補助スイッチング回路は、ＣＣＭ動作の下でソフトスイッチングを達成するように構成される。例えば、結合回路（例えば、結合回路のキャパシタ）に蓄積された電気エネルギーは、共振インダクタに伝達され、電源回路の電気エネルギーを枯渇させることなく負荷に供給される。
様々な実施形態の少なくとも１つの技術的効果は、従来の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータと比較して、調整可能なＤＣバス電圧、高い電力密度、低い電磁干渉、および／または容易な並列化のためのモジュール性により高いシステム効率を提供する。様々な実施形態の少なくとも１つの技術的効果は、低コスト、容易な設置と保守、および／または高出力定格のためのモジュール性を提供する。
図１は、牽引システム１００の一実施形態の概略ブロック図を示す。例えば、牽引システム１００は、ハイブリッド車両、電気車両、プラグイン電気および／またはハイブリッド車両などの車両（例えば、自動車、機関車、飛行機、船舶など）で用いることができる。牽引システム１００は、電源（例えば、エネルギー蓄積装置）１０２および電力インバータ回路１０６（例えば、負荷）を含む。電源１０２は、バッテリ、燃料電池、ウルトラキャパシタなどであってもよい。電力インバータ回路１０６は、ＤＣバス１１６および電気モータ１１２（例えば、電気機械装置または機械）を介してＤＣ－ＤＣコンバータ１０４に電気的に結合された双方向ＤＣ／ＡＣ（例えば、交流）インバータを表すことができる。例えば、電力インバータ回路１０６は、電気モータ１１２の位相トラクションの数に基づいて１つまたは複数の位相モジュールを含むことができる。電気モータ１１２は、車両（図示せず）の１つまたは複数の駆動ホイールまたは車軸１１４に機械的に結合することができる。車両以外の推進システムなどの実施形態では、駆動ホイール１１４は、ポンプ、ファン、ウインチ、クレーン、プロペラ、および／または他のモータ駆動負荷（図示せず）を含むパルス負荷であってもよいことに留意されたい。
ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４および電力インバータ回路１０６は、コントローラ回路１０８によって制御することができる。コントローラ回路１０８は、１つまたは複数の命令セット（例えば、ソフトウェア）に基づいて機能または動作を実行する、１つまたは複数のプロセッサ、コントローラ、または他のロジックベースのデバイスなどのハードウェアで具体化することができる。それに加えてまたはその代わりに、コントローラ回路１０８は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４および電力インバータ回路１０６を制御するように構成された特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイなどであってもよい。ハードウェアが動作する命令は、メモリなどの有形かつ非一時的な（例えば過渡信号ではない）コンピュータ可読記憶媒体に格納されてもよい。メモリは、１つまたは複数のコンピュータハードドライブ、フラッシュドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどを含むことができる。あるいは、ハードウェアの動作を指示する命令セットのうちの１つまたは複数を、ハードウェアのロジックにハードワイヤ接続してもよい。
コントローラ回路１０８は、電力インバータ回路１０６を制御して、ＤＣバス１１６に沿って受け取ったＤＣ電圧および／または電流を、電気モータ１１２のためのＡＣ電圧および／または電流に変換するように構成される。例えば、コントローラ回路１０８は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータに、電源１０２からのＤＣ電圧および／または電流を、ＤＣバス１１６に沿ってより高いＤＣ電圧および／または電流に昇圧する（例えば、ＤＣ電圧を高くする）ように指示することができる。ＤＣバス１１６に沿った昇圧されたＤＣ電圧は、電力インバータ回路１０６によって受け取られ、ＡＣ電圧および／または電流に変換され、それが電気モータ１１２および駆動ホイール１１４に供給される。
これに加えてまたはこれに代えて、車両ブレーキが活性化されるとき（例えば、回生制動時）などの発電モードにあるときには電気モータ１１２がエネルギーを生成することができ、電気モータ１１２のロータ速度は、電力インバータ回路１０６などによって供給される同期速度を超える。例えば、電気モータ１１２は、駆動ホイール１１４のブレーキが活性化されたときに発電機として動作することができ、ＤＣバス１１６に沿ってＤＣ電圧および／または電流に変換するためにＡＣ電圧および／または電流を電力インバータ回路１０６に供給する。コントローラ回路１０８は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータに、ＤＣ電圧および／または電流を、電源１０２を再充電および／または充電するように構成された別のＤＣ電圧および／または電流に降圧させる（例えば、ＤＣ電圧を低くする）ように指示することができる。
図２は、不連続導通モードで動作するように構成された双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４用のソフトスイッチングトポロジ２０３の一実施形態の回路図２００を示す。ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４は、スイッチング回路２５０と、電源回路２０２と、ＤＣバス１１６と、出力キャパシタ２０１と、を含むことができる。ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４は、ソフトスイッチングトポロジ２０３に導電結合されている。ソフトスイッチングトポロジ２０３は、補助スイッチング回路２５２および結合回路２２４を含む。
スイッチング回路２５０、２５２は、ＤＣバス１１６を介して電力インバータ回路１０６に導電結合される。スイッチング回路２５０、２５２は、上側半導体スイッチ２０８、２１２と、下側半導体スイッチ２０６、２１０と、を含む。上側および下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として示されている。しかし、上側および下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、金属酸化物半導体コントローラサイリスタ（ＭＣＴ）などであってもよい。半導体スイッチ製造は、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などを含むことができることに留意されたい。上側および下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２はそれぞれ、対応する上側および下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２に対して逆平行のダイオード２２８～２３０を含むことができる。これに加えて、またはこれに代えて、ダイオード２２８～２３０は、上側および下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２に一体化されてもよい。
スイッチング回路２５０は、下側半導体スイッチ２０６と上側半導体スイッチ２０８との間に介在するノード２３４において、電源回路２０２に導電（例えば、電気的に）結合される。電源回路２０２は、電源１０２に導電結合されている。電源回路２０２は、ノード２３４と電源１０２との間に直列に構成されたインダクタ２０４および／またはコイルを有するように示されている。例えば、電源回路２０２は、直列に電源１０２に導電結合されたインダクタ２０４を含む。電源回路２０２は、電気エネルギーを蓄積し、結合回路２２４の電気エネルギーを放電するように構成される。
結合回路２２４は、ノード２３４およびノード２３６に導電結合される。ノード２３６は、下側半導体スイッチ２１０と上側半導体スイッチ２１２との間に介在する。例えば、ノード２３４、２３６に基づいて、結合回路２２４は、スイッチング回路２５０と補助スイッチング回路２５２との間で並列に導電結合される。任意選択的に、結合回路２２４は、スイッチング回路２５０、２５２間の電圧スパイクを防止することによってスナッビング回路であるように構成される。例えば、結合回路２２４は、キャパシタ２３２を含むことができる。
コントローラ回路１０８は、制御バス（図示せず）を介してスイッチング回路２５０、２５２に導電結合することができる。コントローラ回路１０８は、コントローラバスに沿って電気的特性（例えば、電圧、電流）を調整して、スイッチング回路２５０、２５２の活性化および／または非活性化を制御するように構成される。例えば、制御バスは、上側および下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のゲート端子２２０～２２３をコントローラ回路１０８に導電結合する複数の導電性配線を含むことができる。コントローラ回路１０８は、制御バスに沿ってゲート端子２２０～２２３のうちの１つまたは複数にかかる電圧を調整して、コントローラ回路１０８が、上側および／または下側の半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つを活性化する（例えば、しきい値を超えるゲートにおける電圧）ことを可能にする。コントローラ回路１０８は、電気モータ１１２の動作状態に基づいて、所定の期間に上側および／または下側の半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つを活性化および／または非活性化させることができる。電気モータ１１２の動作状態は、発電モードまたは牽引モードを表すことができる。
発電モードの間、電気モータ１１２は、例えば車両のブレーキが活性化されるとき（例えば、回生制動時）には発電機として構成され、電気モータ１１２のロータ速度は、電力インバータ回路１０６（例えば誘導発電機）などによって供給される同期速度を上回る。牽引モードの間、電気モータ１１２は、車両の駆動ホイール１１４に牽引力を提供するように構成される。例えば、電気モータ１１２は、牽引モード中に駆動ホイール１１４に回転力を提供している。コントローラ回路１０８は、ＤＣバス１１６の電圧および／または電流を測定するセンサ（図示せず）に基づいて、電気モータ１１２の動作状態を判定することができる。これに加えてまたはこれに代えて、コントローラ回路１０８は、車両のペダルの活性化などによる車両の操作に基づいて電気モータ１１２の動作状態を判定することができる。例えば、ガスおよび／またはアクセルペダルの活性化は、電気モータ１１２が牽引モードで動作していることをコントローラ回路１０８に示すことができる。あるいは、ブレーキペダルの活性化は、電気モータ１１２が発電モードで動作していることをコントローラ回路１０８に示すことができる。
図３に関連して、電気モータ１１２の動作モードに基づいて、コントローラ回路１０８は、所定の間隔で上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つを活性化および／または非活性化することができる。例えば、タイミング図３００は、電気モータ１１２の牽引モードに基づいて、電源回路２０２が電源１０２から電力インバータ回路１０６へ受け取ったＤＣ電圧および／または電流を昇圧するための、上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つの活性化および／または非活性化を示す。
図３は、図２に示す双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４の電気波形の一実施形態のタイミング図３００を示す。電気波形３０６は、電源回路２０２の電流を表す。電気波形３０６で示す電流は、ゼロと交差して示されており、ソフトスイッチングトポロジ２０３を有する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４が不連続導通モードで動作していることを示していることに留意されたい。電気波形３０８は、ノード２３４における電圧を表す。電気波形３１０は、下側半導体スイッチ２０６を流れる電流を表す。電気波形３１２はキャパシタ２３２にかかる電圧を表し、電気波形３１４は結合回路２２４を流れる電流を表す。電気波形３１６は下側半導体スイッチ２１０にかかる電圧を表し、電気波形３１８は下側半導体スイッチ２１０を流れる電流を表す。タイミング図３００の電気波形３１６はゼロ電圧を有するように示されていることに留意されたい。
電気波形３０２～３０４は、スイッチング回路２５０、２５２によって受け取られる制御バスに沿った電圧を表す。電気波形３０２はゲート端子２２１の電圧を表し、電気波形３０３はゲート端子２２０の電圧を表し、電気波形３０３はゲート端子２２２の電圧を表す。電気波形３０２～３０４は、対応する半導体スイッチ２０６、２０８、２１０の活性化を表す電圧ピーク３２０～３２５を含む。例えば、電圧ピーク３２０～３２５は、対応する半導体スイッチ２０６、２０８、２１０を活性化する半導体スイッチ２０６、２０８、２１０のしきい値電圧より上の電圧値を表すことができる。半導体スイッチ２０６、２０８、２１０の活性化などの電圧ピーク３２０～３２５のタイミングは、電源１０２から受け取ったＤＣ電圧をＤＣバス１１６に昇圧するように構成され、これは電力インバータ回路１０６によって受け取られる。
タイミング図３００は、ソフトスイッチングトポロジ２０３を有するＤＣ－ＤＣコンバータ１０４のブースト動作を表す電圧ピーク３２０～３２５に基づいて、設定された期間および／または区間（例えば、ｔ０～ｔ７）に細分される。ｔ０において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２１に導電結合された制御バスに沿った電圧を上側半導体スイッチ２０８の電圧しきい値より低く調整することによって、上側半導体スイッチ２０８を非活性化させる。電気波形３１２のｔ０とｔ１の間に示すように、結合回路２２４の電圧が放電される。例えば、電流は、結合回路２２４および電源回路２０２（例えば、電気波形３０６によって負の電流として示される）を通ってダイオード２２９に沿って流れる。
ｔ１において、結合回路２２４にかかる電圧が放電され（例えば、０）、電流はダイオード２２７および電源回路２０２を流れる。例えば、電源回路２０２を流れる負の電流は、ｔ１とｔ２の間の電気波形３０６に示すように一定である。電源１０２を充電するために負の電流を利用することができることに留意されたい。
ｔ２において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２０に導電結合された制御バスに沿った、電圧ピーク３２１として示す電圧を電圧しきい値より上に調整することにより、下側半導体スイッチ２０６を活性化させる。下側半導体スイッチ２０６の活性化はゼロ電圧スイッチングを表すことに留意されたい。例えば、電源回路２０２を通る負の電流は、ｔ２で電気波形３０８で示すように、下側半導体スイッチ２０６にかかる電圧をゼロに保持する。下側半導体スイッチ２０６の活性化により、電流が電源回路２０２から下側半導体スイッチ２０６を流れ、電源回路２０２を通って直線的に増加する（例えば、電源回路２０２のインダクタ２０４を充電する）。
ｔ３において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２２に導電結合された制御バスに沿った、電圧ピーク３２２として示す電圧を電圧しきい値より上に調整することにより、下側半導体スイッチ２１０を活性化させる。下側半導体スイッチ２１０の活性化はゼロ電圧スイッチングを表すことに留意されたい。例えば、下側半導体スイッチ２０６の活性化により、電気波形３１６に示すように、下側半導体スイッチ２１０が活性化されると、ノード２３４、２３６における電圧はゼロになる。さらに、電気波形３１８に示すように、下側半導体スイッチ２１０を流れる電流はゼロになる。電源回路２０２を流れる電流は、電気波形３０６に示すように、直線的に増加し続けることに留意されたい。
ｔ４において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２０に導電結合された制御バスに沿った電圧を下側半導体スイッチ２０６の電圧しきい値より低く調整することによって、下側半導体スイッチ２０６を非活性化させる。下側半導体スイッチ２０６の非活性化に基づいて、電流が電源回路２０２に沿って結合回路２２４に、そして下側半導体スイッチ２１０を流れて、それにより電気波形３１２、３１４に示すように結合回路２２４を充電し、ノード２３４に電圧を生成する（電気波形３０８で示される）。ノード２３４の電圧が直線的に増加し、結合回路２２４によって規定された制御された上昇率およびＤＣバス１１６を通る負荷電流でダイオード２２８を流れてＤＣバス１１６で受け取られる。例えば、コントローラ速度は、結合回路２２４のキャパシタ２３２の電気的特性（例えば、キャパシタンス）に基づくことができる。
ｔ５において、電源回路２０２を流れる電流は、ダイオード２２８を流れてＤＣバス１１６に流れ続ける。
ｔ６において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２１に導電結合された制御バスに沿った、電圧ピーク３２３として示す電圧を電圧しきい値より上に調整することにより、上側半導体スイッチ２０８を活性化させる。さらに、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２２に導電結合された制御バスに沿った電圧を下側半導体スイッチ２１０の電圧しきい値より低く調整することによって、下側半導体スイッチ２１０を非活性化させる。上側半導体スイッチ２０８の活性化はゼロ電圧スイッチングを表すことに留意されたい。例えば、電源回路２０２は、ダイオード２２８を通ってＤＣバス１１６にエネルギー（例えば、電流、電圧）を連続的に放電し（ｔ５に示す）、上側半導体２０８にかかる電圧をゼロに保ち、ゼロ電圧スイッチングを可能にする。電源回路２０２は、電気波形３０６で示す電流の直線的減少によって表されるように、連続的に放電する。
コントローラ回路１０８は、ＤＣ電圧および／または電流を昇圧するために、電気モータ１１２の動作モードに基づいて期間ｔ０～ｔ７を連続的および／または断続的に繰り返すことができる。ソフトスイッチングトポロジ２０３は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４が、電源１０２と電力インバータ回路１０６との間で同様の動作および／または同じ動作（例えば、降圧、昇圧）をすることができるように構成される。
例えば、コントローラ回路１０８が、電気モータ１１２の動作モードが発電モードであると判定した場合には、コントローラ回路１０８は、ソフトスイッチングトポロジ２０３を有する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４に対して、電力インバータ回路１０６から受け取ったＤＣ電圧および／または電流を、電源１０２を再充電および／または充電するように構成された別のＤＣ電圧および／または電流に降圧する（例えば、ＤＣ電圧を下げる）ように指示することができる。一実施形態では、コントローラ回路１０８は、所定の間隔で上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つの活性化および／または不活性化に基づいて、電力インバータ回路１０６によって受け取られた電圧を低下させるように構成される。コントローラ回路１０８は、タイミング図３００に対して上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２の活性化および／または非活性化を切り替えて、ＤＣバス１１６に沿った電圧および／または電流を低減し、電源１０２に供給することができる。例えば、コントローラ回路１０８は、ｔ２からｔ４まで下側スイッチ２１０を活性化し、ｔ３からｔ６まで下側スイッチ２０６を活性化し、ｔ６からｔ７まで上側スイッチ２１２を活性化させることができる。
図２に示すソフトスイッチングトポロジ２０３を有するＤＣ－ＤＣコンバータ１０４は、不連続導通モードで動作するように示されている。図４に関連して、ソフトスイッチングトポロジ４０３を有するＤＣ－ＤＣコンバータ１０４は、不連続導通モードおよび／または連続導通モードで動作するように構成されてもよい。
図４は、連続導通モードまたは不連続導通モードで動作するように構成された双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４用のソフトスイッチングトポロジ４０３の一実施形態の回路図４００を示す。回路図４００は、上側半導体スイッチ４０４と下側半導体スイッチ４０６とを有する第２の補助スイッチング回路を含む。例えば、上側および下側半導体スイッチ４０４、４０６は、上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２と同様であってもよく、および／または同じであってもよい。上側および下側半導体スイッチ４０４、４０６のそれぞれは、対応する上側および下側半導体スイッチ４０４、４０６に対して逆平行のダイオード４１０、４１２を含むことができる。これに加えて、またはこれに代えて、ダイオード４１０、４１２は、上側および下側半導体スイッチ４０４、４０６に一体化されてもよい。
回路図４００は、ノード２３６およびノード４１８に導電結合された共振回路４１４を含む。ノード４１８は、上側半導体スイッチ４０４と下側半導体スイッチ４０６との間に介在する。共振回路４１４は、インダクタ４１６および／またはコイルを含むことができる。共振回路４１４は、結合回路２２４に蓄積されたエネルギーを受け取り、および／または伝達するように構成され、それは続いてＤＣバス１１６および電力インバータ回路１０６に供給される。
コントローラ回路１０８は、制御バスを介してスイッチング回路２５０、２５２、４０２に導電結合されている。例えば、コントローラ回路１０８は、コントローラバスに沿って電気的特性（例えば、電圧、電流）を調整して、スイッチング回路２５０、２５２、４０２の活性化および／または非活性化を制御するように構成される。制御バスは、上側および下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６のゲート端子２２０～２２３、４０８、４０９をコントローラ回路１０８に導電結合する複数の導電性配線を含むことができる。コントローラ回路１０８は、制御バスに沿ってゲート端子２２０～２２３、４０８、４０９のうちの１つまたは複数にかかる電圧を調整して、コントローラ回路１０８が、上側および／または下側の半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６のうちの少なくとも１つを活性化する（例えば、しきい値を超えるゲートにおける電圧）ことを可能にする。コントローラ回路１０８は、電気モータ１１２の動作状態に基づいて、所定の期間に上側および／または下側の半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６のうちの少なくとも１つを活性化および／または非活性化させることができる。電気モータ１１２の動作状態は、発電モードおよび／または牽引モードを表すことができる。
図５に関連して、電気モータ１１２の動作モードに基づいて、コントローラ回路１０８は、所定の間隔で上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６のうちの少なくとも１つを活性化および／または非活性化することができる。例えば、タイミング図５００は、電気モータ１１２の牽引モードに基づいて、電源回路２０２が電源１０２から電力インバータ回路１０６へ受け取ったＤＣ電圧および／または電流を昇圧するための、上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６のうちの少なくとも１つの活性化および／または非活性化を示す。
図５は、図４に示すソフトスイッチングトポロジ４０３を有する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４の電気波形の一実施形態のタイミング図５００を示す。電気波形５０６は、電源回路２０２の電流を表す。電気波形５０６で示す電流は、ゼロより上に示されており、ソフトスイッチングトポロジ４０３を有する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ１０４が連続導通モードで動作していることを示していることに留意されたい。電気波形５０８は、ノード２３４における電圧を表す。電気波形５１０は、下側半導体スイッチ２０６を流れる電流を表す。電気波形５１２はキャパシタ２３２にかかる電圧を表し、電気波形５１４は結合回路２２４を流れる電流を表す。電気波形５１６は、共振回路４１４を流れる電流を表す。電気波形５１８は下側半導体スイッチ２１０にかかる電圧を表し、電気波形５２０は下側半導体スイッチ２１０を流れる電流を表す。
電気波形５０２～５０５は、スイッチング回路２５０、２５２、４０２によって受け取られる制御バスに沿った電圧を表す。電気波形５０２はゲート端子２２１の電圧を表し、電気波形５０３はゲート端子２２０の電圧を表し、電気波形５０４はゲート端子４０８の電圧を表し、電気波形５０５はゲート端子２２２の電圧を表す。電気波形５０２～５０５は、対応する半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、４０８の活性化を表す電圧ピーク５２１～５２８を含む。例えば、電圧ピーク５２１～５２８は、図３に示す電圧ピーク３２０～３２５と同様であってもよく、および／または同じであってもよい。半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、４０８の活性化などの電圧ピーク５２１～５２８のタイミングは、電源１０２から受け取ったＤＣ電圧をＤＣバス１１６に昇圧するように構成され、これは電力インバータ回路１０６によって受け取られる。
タイミング図５００は、ソフトスイッチングトポロジ４０３を有するＤＣ－ＤＣコンバータ１０４のブースト動作を表す電圧ピーク５２１～５２８に基づいて、設定された期間および／または区間（例えば、ｔ０～ｔ８）に細分される。ｔ０において、上側半導体スイッチ２０８が活性化され、例えば、制御バスが、上側半導体スイッチ２０８の電圧しきい値を上回る電圧をゲート端子２２１に供給する。コントローラ回路１０８は、ゲート端子４０８に導電結合された制御バスに沿った、電圧ピーク５２１として示す電圧を電圧しきい値より上に調整することにより、上側半導体スイッチ４０４を活性化させる。電気波形５１２のｔ０とｔ１の間に示すように、結合回路２２４の電圧が放電される。例えば、結合回路２２４から電流が流れて、結合回路２２４から共振回路４１４へ電圧を放電する（例えば、電気波形５１６によって電流として示す）。
ｔ１において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２１、４０８に導電結合された制御バスに沿った電圧を上側半導体スイッチ２０８、４０４の電圧しきい値より低く調整することによって、上側半導体スイッチ２０８、４０４を非活性化させる。結合回路２２４は、ダイオード２３０を介して（例えば、電気波形５１２に示すように）ＤＣバス１１６に放電される。（例えば、ｔ１とｔ２との間に、キャパシタ２３２に蓄積されたエネルギーがインダクタ４１６に伝達されて、後でｔ２とｔ３の間に電力インバータ回路１０６に伝達される）。
ｔ２において、共振回路４１４に蓄積された電気エネルギーが放電される。さらに、電源回路２０２は、上側半導体スイッチ２０８のダイオード２２８を介してＤＣバス１１６に電圧および／または電流を連続的に供給している。
ｔ３において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２０に導電結合された制御バスに沿った、電圧ピーク５２２として示す電圧を電圧しきい値より上に調整することにより、下側半導体スイッチ２０６を活性化させる。波形５０６に示すように、電源回路２０２を流れる電流は直線的に増加し始めることに留意されたい。
ｔ４において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２２に導電結合された制御バスに沿った電圧を、電圧ピーク５２４として表される電圧しきい値より上に調整することによって、下側半導体スイッチ２１０を活性化する。下側半導体スイッチ２０６の活性化に基づいて、電流が、電源１０２および電源回路２０２から下側半導体スイッチ２０６を通って連続的に流れ、（例えば、電気波形５１０に示すように）電源回路２０２を流れる電流を直線的に増加させる。
ｔ５において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２０に導電結合された制御バスに沿った電圧を下側半導体スイッチ２０６の電圧しきい値より低く調整することによって、下側半導体スイッチ２０６を非活性化させる。電流が、電源１０２から下側半導体スイッチ２１０を通って電源回路２０２および結合回路２２４に流れ、それにより（例えば、電気波形５１２、５１４に示すように）結合回路２２４を充電する。結合回路２２４の電圧は、ノード２３４にかかる電圧と同様であるか、および／または同じであることに留意されたい。例えば、結合回路２２４およびノード２３４の電圧は、コントローラ速度でＤＣバス１１６の電圧および／または電流を直線的に増加させる。結合回路２２４およびノード２３４の電圧の上昇率は、結合回路２２４および電力インバータ回路１０６に基づく。例えば、制御された上昇は、結合回路２２４のキャパシタ２３２および／または電力インバータ回路１０６の電気的特性に基づく。
ｔ６において、電源回路２０２を流れる電流は、ダイオード２２８を流れてＤＣバス１１６に流れ続ける。
ｔ７において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２１に導電結合された制御バスに沿った、電圧ピーク５２３として示す電圧を電圧しきい値より上に調整することにより、上側半導体スイッチ２０８を活性化させる。コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２２に導電結合された制御バスに沿った電圧を下側半導体スイッチ２１０の電圧しきい値より低く調整することによって、下側半導体スイッチ２１０を非活性化させる。上側半導体スイッチ２０８の活性化はゼロ電圧スイッチングを表すことに留意されたい。例えば、電源回路２０２は、ダイオード２２８を通ってＤＣバス１１６にエネルギー（例えば、電流、電圧）を連続的に放電し（ｔ６に示す）、上側半導体２０８にかかる電圧をゼロに保ち、ゼロ電圧スイッチングを可能にする。電源回路２０２は、電気波形３０６で示す電流の直線的減少によって表されるように放電を継続する。
コントローラ回路１０８は、ＤＣ電圧および／または電流を昇圧するために、電気モータ１１２の動作モードに基づいて期間ｔ０～ｔ８を連続的および／または断続的に繰り返すことができる。コントローラ回路１０８が、電気モータ１１２の動作モードが発電モードであると判定した場合には、コントローラ回路１０８は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータに対して、電力インバータ回路１０６から受け取ったＤＣ電圧および／または電流を、電源１０２を再充電および／または充電するように構成された別のＤＣ電圧および／または電流に降圧する（例えば、ＤＣ電圧を下げる）ように指示することができることに留意されたい。
一実施形態では、コントローラ回路１０８は、所定の間隔で上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６のうちの少なくとも１つの活性化および／または不活性化に基づいて、電力インバータ回路１０６によって受け取られた電圧を低下させるように構成される。例えば、コントローラ回路１０８は、タイミング図５００に対して上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６の活性化および／または非活性化を切り替えて、ＤＣバス１１６に沿った電圧および／または電流を低減し、電源１０２に供給することができる。
これに加えてまたはこれに代えて、図６に関連して、ソフトスイッチングトポロジ６６０（例えば、スイッチング回路２５２、結合回路２２４）は、インターリーブ昇圧ＤＣ－ＤＣコンバータ６６２を形成するように構成されてもよい。例えば、インターリーブ昇圧ＤＣ－ＤＣコンバータ６６２は、電源１０２の電圧および／または電流を、複数の位相を利用してＤＣバス１１６に沿ってより高いＤＣ電圧および／または電流に昇圧するように構成される。
図６は、インターリーブ昇圧ＤＣ－ＤＣコンバータ６６２のソフトスイッチングトポロジ６６０の一実施形態の回路図６５０を示す。電源回路２０２は、互いに並列に配置された２つのインダクタ６５１、６５２を含む。例えば、ソフトスイッチングトポロジ６６０は、結合回路２２４に基づいてスイッチング回路２５０、２５２をインターリーブするように構成することができる。結合回路２２４は、キャパシタ６５８と直列に接続されたインダクタ６５６を含むことができる。結合回路２２４は、スイッチング回路２５０、２５２が互いに異なる位相で動作することによって、スイッチング回路２５０、２５２がＤＣバス１１６への電力を昇圧するために利用されるように構成される。例えば、結合回路２２４は、インターリーブ昇圧ＤＣ－ＤＣコンバータ６６２を画定するために、電気波形７０２～７１３で示すように、スイッチング回路２５２の位相をスイッチング回路２５０に対して１８０°だけ調整するように構成される。
図７Ａ～図７Ｂは、図６に示すインターリーブＤＣ－ＤＣコンバータ６６２の電気波形７０２～７１３のタイミング図７００、７２０を示す。電気波形７０２は下側半導体スイッチ２０６にかかる電圧を表し、電気波形７０３は下側半導体スイッチ２０６を流れる電流を表す。電気波形７０４は、ゲート端子２２０における電圧を表す。電気波形７０５は下側半導体スイッチ２１０にかかる電圧を示し、電気波形７０６は下側半導体スイッチ２１０を流れる電流を表す。電気波形７０７は、ゲート端子２２２における電圧を表す。電気波形７０８は上側半導体スイッチ２０８にかかる電圧を表し、電気波形７０９は上側半導体スイッチ２０８を流れる電流を表す。電気波形７１０は、ゲート端子２２１における電圧を表す。電気波形７１１は上側半導体スイッチ２１２にかかる電圧を表し、電気波形７１２は上側半導体スイッチ２１２を流れる電流を表す。電気波形７１３は、ゲート端子２２３における電圧を表す。
タイミング図７００、７２０は、ソフトスイッチングトポロジ６６０を有するインターリーブＤＣ－ＤＣコンバータ６６２の上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２の活性化に対応する、設定された期間および／または分割（例えば、ｔ０～ｔ１）に細分される。スイッチング回路２５０、２５２のうちの１つのタイミング図７００、７２０の期間中に電源回路２０２（例えば、インダクタ６５１、６５２）に蓄積されたエネルギーの少なくとも一部は、関連する上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２の活性化の前に、他のスイッチング回路２５２、２５０内の結合回路２２４のエネルギーを放電するのに利用されることに留意されたい。結合回路２２４は、インダクタ６５６およびキャパシタ６５８に基づく共振回路として動作し、負の電流を生成するために利用される。負の電流は、コントローラ回路１０８が制御バスに沿って上側および／または下側スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２を活性化させる前に、代替的な半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のキャパシタンスを放電するために使用される。この放電に基づいて、下側半導体スイッチ２０６、２１０はゼロ電圧スイッチング動作で活性化され、上側半導体スイッチ２０８、２１２はゼロ電流動作で活性化される。
例えば、ｔ０において、下側半導体スイッチ２０６および上側半導体スイッチ２１２が活性化される。ｔ０において、電気波形７０２が、下側半導体スイッチ２０６には電圧がかかっていないことを示し、電気波形７１２が、活性化時に上側半導体スイッチ２１２には電流が流れていないことを示していることに留意されたい。例えば、下側半導体スイッチ２０６はゼロ電圧スイッチング動作で活性化され、上側半導体スイッチ２１２はゼロ電流スイッチング動作で活性化される。制御バスは、下側および上側半導体スイッチ２０６、２０８の電圧しきい値を超える電圧をゲート端子２２０、２２３に供給する。電気波形７０３、７１２のｔ０とｔ１との間に示すように、電流は下側および上側半導体スイッチ２０６、２１２を流れる。例えば、電気エネルギーは、電気波形７０３において正の電流として示されるように、スイッチング回路２５０によって電源回路２０２において（例えば、インダクタ６５１、６５２によって）放電される。別の例では、キャパシタ６５８などによって結合回路２２４に蓄積された電気エネルギーは、スイッチング回路２５２によって放電され、電気波形７１２に示すように上側半導体スイッチ２１２を流れる電流の減少として示されている。
ｔ１において、コントローラ回路１０８は、ゲート端子２２０、２２３に導電結合された制御バスに沿った電圧を電圧しきい値より低く調整することによって、下側および上側半導体スイッチ２０６、２１２を非活性化させる。コントローラ回路１０８は、下側および上側半導体スイッチ２１０、２０８を活性化させる。電気エネルギーは、スイッチング回路２５０によって電源回路２０２に（例えば、インダクタ６５１、６５２によって）蓄積され、それは電気波形７０６に負の電流として示されている。別の例では、電気エネルギーは、スイッチング回路２５２によってキャパシタ６５８などの結合回路２２４に蓄積され、それは電気波形７１２に示す下側半導体スイッチ２１０を流れる電流の増加として示されている。
図８は、ＤＣ－ＤＣコンバータをソフトスイッチングするための方法の一実施形態のフローチャートである。方法６００は、例えば、本明細書で説明した様々な実施形態の構造または態様を用いることができ、あるいはそれらによって実行することができる。様々な実施形態では、特定の動作を省略または追加することができ、特定の動作を組み合わせることができ、特定の動作を同時に実行することができ、特定の動作を並行して実行することができ、特定の動作を複数の動作に分割することができ、特定の動作を異なる順序で実行することができ、あるいは特定の動作または一連の動作を反復的な形式で再実行することができる。様々な実施形態において、方法６００の部分、態様、および／または変形例は、本明細書に記載した１つまたは複数の動作を行うようにハードウェアに指示するための、１つまたは複数のアルゴリズムとして使用できる場合がある。
ステップ６０２で始まり、電気モータ１１２の動作状態を判定する。電気モータ１１２の動作状態は、発電モードおよび／または牽引モードを表すことができる。コントローラ回路１０８は、ＤＣバス１１６の電圧および／または電流を測定するセンサ（図示せず）に基づいて、電気モータ１１２の動作状態を判定することができる。これに加えてまたはこれに代えて、コントローラ回路１０８は、車両のペダルの活性化などによる車両の操作に基づいて電気モータ１１２の動作状態を判定することができる。例えば、ガスおよび／またはアクセルペダルの活性化は、電気モータ１１２が牽引モードで動作していることをコントローラ回路１０８に示すことができる。あるいは、ブレーキペダルの活性化は、電気モータ１１２が発電モードで動作していることをコントローラ回路１０８に示すことができる。
ステップ６０３において、コントローラ回路１０８は、電気モータ１１２が牽引モードであるか否かを判定する。例えば、ガスおよび／またはアクセルペダルの活性化に基づいて、コントローラ回路１０８は、電気モータ１１２が牽引モードであると判定することができる。
電気モータ１１２が牽引モードである場合には、ステップ６０４において、コントローラ回路１０８は、ソフトスイッチングトポロジ２０３を有するＤＣ－ＤＣコンバータ１０４の昇圧モードに対応する上側または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つを活性化させるように構成される。例えば、コントローラ回路１０８は、電気波形３０２～３０４に対応する制御バスに沿った電圧を調整することによって、上側または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つを活性化させることができる。別の例では、コントローラ回路１０８は、電気波形５０２～５０５に対応する制御バスに沿った電圧を調整することによって、上側または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２、４０４、４０６のうちの少なくとも１つを活性化させることができる。
ステップ６０６において、コントローラ回路１０８は、調整された電圧を電力インバータ回路１０６に供給するように構成される。例えば、コントローラ回路１０８は、上側または下側の半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つの活性化に基づいて、電力インバータ回路１０６に導電結合されたＤＣバス１１６に沿って、電源１０２の昇圧された電圧を供給することができる。
電気モータ１１２が牽引モードでない場合には（例えば、発電モード）、ステップ６０８において、コントローラ回路１０８は、ソフトスイッチングトポロジ２０３を有するＤＣ－ＤＣコンバータ１０４の降圧モードに対応する上側または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つを活性化させるように構成される。例えば、コントローラ回路１０８は、タイミング図３００に対して上側および／または下側半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２の活性化および／または非活性化を切り替えて、ＤＣバス１１６に沿った電圧および／または電流を低減し、電源１０２に供給することができる。
ステップ６１０において、コントローラ回路１０８は、調整された電圧を電源１０２に供給するように構成される。例えば、コントローラ回路１０８は、上側または下側の半導体スイッチ２０６、２０８、２１０、２１２のうちの少なくとも１つの活性化に基づいて、電力インバータ回路１０６から受け取ったＤＣバス１１６の低下または降圧した電圧を、電源１０２に導電結合された電源回路２０２に供給することができる。
なお、図示されている実施形態の、構成要素の特定の配置（例えば、数、種類、および／または位置など）は、様々な代替的な実施形態では変更されてもよい。例えば、様々な実施形態において、異なる数の所与のモジュールまたはユニットが使用されてもよく、異なる（複数の）種類の所与のモジュールまたはユニットが使用されてもよく、いくつかのモジュールまたはユニット（もしくはその態様）が組み合わされてもよく、所与のモジュールまたはユニットが、複数のモジュール（もしくはサブモジュール）またはユニット（もしくはサブユニット）に分割されてもよく、１つまたは複数のモジュールの１つまたは複数の態様が、複数のモジュール同士の間で共有されてもよく、所与のモジュールまたはユニットが追加されてもよく、あるいは所与のモジュールまたはユニットが省略されてもよい。
本明細書で使用される、タスクまたは動作を実行するように「構成された」構造、制限、または要素は、タスクまたは操作に対応するように特に構造的に形成され、構築され、または適合される。明確にする目的で、かつ誤解を避けるために記すと、作業または動作を行うために、単に変更できるだけの物体は、本明細書で用いられる、作業または動作を行う「ように構成される」ものではない。その代わりに、本明細書で用いられる「～ように構成される」は、構造的な適合または特徴を示し、作業または動作を行う「ように構成される」と記載される任意の構造、制約、または要素の構造的な要件を示す。例えば、作業または動作を行う「ように構成される」処理ユニット、プロセッサ、またはコンピュータは、その作業または動作を行うように特に構成されるものと理解されてもよい（例えば、その作業または動作を行うように調整または意図されて、これに記憶されるか、あるいはこれに関連して用いられる、１つまたは複数のプログラムまたは命令を有し、かつ／もしくはその作業または動作を行うように調整または意図された、処理回路の配置を有する）。明確にする目的で、かつ誤解を避けるために記すと、（適切にプログラムされると作業または動作を行う「ように構成される」ようになり得る）汎用コンピュータは、作業または動作を行うように特にプログラムされるか、または構造的に変更されない限り、あるいはそれまでは、作業または動作を行う「ように構成され」ない。
なお、様々な実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせで実施されてもよい。様々な実施形態および／または部品、例えば、モジュール、またはその部品およびコントローラもまた、１つまたは複数のコンピュータまたはプロセッサの一部として実施されてもよい。コンピュータまたはプロセッサは、例えば、インターネットにアクセスするための計算装置、入力装置、表示ユニット、およびインターフェースを備えてもよい。コンピュータまたはプロセッサは、マイクロプロセッサを含んでもよい。マイクロプロセッサは、通信バスに接続されてもよい。コンピュータまたはプロセッサは、メモリをさらに含んでもよい。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含んでもよい。コンピュータまたはプロセッサは、記憶装置をさらに含んでもよく、これは、ハードディスクドライブ、またはソリッドステートドライブ、光学ドライブ等の、取り外し可能な記憶ドライブであってもよい。また、記憶装置は、コンピュータプログラムその他の命令をコンピュータまたはプロセッサに読み込む、他の類似の手段であってもよい。
本明細書で用いられる「コンピュータ」、「コントローラ」、および「モジュール」という用語はそれぞれ、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ、ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、論理回路、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、その他任意の本明細書で説明される機能を実行可能な回路またはプロセッサを有する、任意のプロセッサに基づく、またはマイクロプロセッサに基づくシステムを含んでもよい。上記の例は例示のみであり、したがって、「モジュール」または「コンピュータ」という用語の定義および／または意味を限定することは決して意図されていない。
コンピュータ、モジュール、またはプロセッサは、入力データを処理するために、１つまたは複数の記憶素子に記憶された、１組の命令を実行する。記憶素子は、所望または必要に応じて、データその他の情報をさらに記憶してもよい。記憶素子は、処理機内で、情報源、または物理メモリ素子の形態であってもよい。
命令の組は、様々なコマンドを含んでもよく、これは、処理機としてのコンピュータ、モジュール、またはプロセッサに、本明細書で説明および／あるいは図示する様々な実施形態の方法、およびプロセス等の、特定の動作を行うように命令する。命令の組は、ソフトウェアプログラムの形態であってもよい。ソフトウェアは、システムソフトウェア、またはアプリケーションソフトウェア等の、様々な形態であってもよく、有形かつ非一時的なコンピュータ可読媒体として具体化されてもよい。また、ソフトウェアは、個別のプログラムまたはモジュールの集まりであっても、より大きいプログラム内のプログラムモジュールであっても、あるいはプログラムモジュールの一部であってもよい。また、ソフトウェアは、オブジェクト指向プログラミングの形態の、モジュラープログラミングを含んでもよい。処理機による入力データの処理は、オペレータコマンドに応答して、または前回の処理の結果に応答して、あるいは別の処理機の要求に応答して行われてもよい。
本明細書で用いられる「ソフトウェア」および「ファームウェア」という用語は交換可能であり、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、および不揮発性のＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを有するコンピュータによって実行するための、メモリに記憶された任意のコンピュータプログラムを含む。上記のメモリの種類は、例示のみであって、コンピュータプログラムの記憶に使用可能なメモリの種類を限定するものではない。様々な実施形態の個々の構成要素は、例えば、ユーザが、コンピュータシステムの位置、構成、および／または特定のハードウェアについて懸念する必要なく、計算能力の動的割り当てを行うことが可能になるように、仮想化されてクラウド型のコンピュータ環境にホストされてもよい。
上記の説明が制限ではなく例示を意図していることを理解されたい。例えば、上で説明した実施形態（および／またはそれらの態様）を互いに組み合わせて用いてもよい。加えて、本発明の範囲から逸脱せずに、それらの教示に特定の状況または材料を適応させる多くの修正を施してもよい。本明細書に記載した、寸法、材料の種類、様々な構成部品の配向、ならびに様々な構成部品の数および位置は、いくつかの実施形態のパラメータを規定するためのものであるが、それらは決して限定的なものではなく、単に例示的な実施形態にすぎない。請求項の精神および範囲内に、多くの他の実施形態および変形例が含まれることは、上記の説明を検討することにより当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項を参照して、そのような請求項が権利を与える十分な均等物の範囲と共に決定されるべきである。添付した特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語の平易な英語に相当するものとして用いられる。さらに、以下の請求項において、「第１」、「第２」および「第３」などの用語は単に符号として使用され、それらの目標物に数値的な要件を課すことを意図しない。また、以下の特許請求の範囲の制限は、このようなクレームの制限が、さらなる構造を欠いた機能の記述の後に、明示的に「～する手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」という語句を用いていない限り、ミーンズプラスファンクションの形式では書かれておらず、米国特許法１１２条（ｆ）に基づいて解釈されることを意図していない。
ここに記載された説明は、様々な実施形態を開示するため、また、任意の装置またはシステムを作成および使用すること、ならびに任意の組み合わせた方法を実行することを含んで、当業者が様々な実施形態を実施できるようにするために例を用いる。様々な実施形態の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の例は、これらの例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはこれらの例が特許請求の範囲の文言とわずかしか異ならない同等の構造要素を含む場合は、特許請求の範囲内であることが意図される。
１００ 牽引システム
１０２ 電源
１０４ ＤＣ－ＤＣコンバータ
１０６ 電力インバータ回路
１０８ コントローラ回路
１１２ 電気モータ
１１４ 駆動ホイールまたは車軸
１１６ ＤＣバス
２００ 回路図
２０１ 出力キャパシタ
２０２ 電源回路
２０３ ソフトスイッチングトポロジ
２０４ インダクタ
２０６ 下側半導体スイッチ
２０８ 上側半導体スイッチ
２１０ 下側半導体スイッチ
２１２ 上側半導体スイッチ
２２０ ゲート端子
２２１ ゲート端子
２２２ ゲート端子
２２３ ゲート端子
２２４ 結合回路
２２７ ダイオード
２２８ ダイオード
２２９ ダイオード
２３０ ダイオード
２３２ キャパシタ
２３４ ノード
２３６ ノード
２５０ スイッチング回路
２５２ 補助スイッチング回路
３００ タイミング図
３０２ 電気波形
３０３ 電気波形
３０４ 電気波形
３０６ 電気波形
３０８ 電気波形
３１０ 電気波形
３１２ 電気波形
３１４ 電気波形
３１６ 電気波形
３１８ 電気波形
３２０ 電圧ピーク
３２１ 電圧ピーク
３２２ 電圧ピーク
３２３ 電圧ピーク
３２４ 電圧ピーク
３２５ 電圧ピーク
４００ 回路図
４０２ スイッチング回路
４０３ ソフトスイッチングトポロジ
４０４ 上側半導体スイッチ
４０６ 下側半導体スイッチ
４０８ ゲート端子
４０９ ゲート端子
４１０ ダイオード
４１２ ダイオード
４１４ 共振回路
４１６ インダクタ
４１８ ノード
５００ タイミング図
５０２ 電気波形
５０３ 電気波形
５０４ 電気波形
５０５ 電気波形
５０６ 電気波形
５０８ 電気波形
５１０ 電気波形
５１２ 電気波形
５１４ 電気波形
５１６ 電気波形
５１８ 電気波形
５２０ 電気波形
５２１ 電圧ピーク
５２２ 電圧ピーク
５２３ 電圧ピーク
５２４ 電圧ピーク
５２５ 電圧ピーク
５２６ 電圧ピーク
５２７ 電圧ピーク
５２８ 電圧ピーク
６００ 方法
６０２ ステップ
６０３ ステップ
６０４ ステップ
６０６ ステップ
６０８ ステップ
６１０ ステップ
６５０ 回路図
６５１ インダクタ
６５２ インダクタ
６５６ インダクタ
６５８ キャパシタ
６６０ ソフトスイッチングトポロジ
６６２ インターリーブ昇圧ＤＣ－ＤＣコンバータ
７００ タイミング図
７０２ 電気波形
７０３ 電気波形
７０４ 電気波形
７０５ 電気波形
７０６ 電気波形
７０７ 電気波形
７０８ 電気波形
７０９ 電気波形
７１０ 電気波形
７１１ 電気波形
７１２ 電気波形
７１３ 電気波形
７２０ タイミング図

Claims (18)

  1. 直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ（１０４）用のソフトスイッチングシステムであって、
    上側の第１の半導体スイッチ（２０８）と下側の第１の半導体スイッチ（２０６）とを有する第１のスイッチング回路（２５０）と、
    上側の第２の半導体スイッチ（２１２）と下側の第２の半導体スイッチ（２１０）とを有する第２のスイッチング回路（２５２）であって、前記第１および第２のスイッチング回路（２５０，２５２）はＤＣバス（１１６）に導電結合される、第２のスイッチング回路（２５２）と、
    第１および第２のノード（２３４，２３６）に導電結合された結合回路（２２４）であって、前記第１のノード（２３４）は前記上側の第１の半導体スイッチ（２０８）と前記下側の第１の半導体スイッチ（２０６）との間に介在し、前記第２のノード（２３６）は前記上側の第２の半導体スイッチ（２１２）と前記下側の第２の半導体スイッチ（２１０）との間に介在する、結合回路（２２４）と、
    前記第１のノード（２３４）に導電結合された電源回路（２０２）と、
    制御バスを介して前記第１および第２のスイッチング回路（２５０，２５２）に導電結合されたコントローラ回路（１０８）とを含み、
    前記コントローラ回路（１０８）は、電気モータ（１１２）の動作に基づいて、前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つを活性化させ、
    前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つの一組の活性化に基づいて電力インバータ回路（１０６）によって受け取られた電圧を前記電源回路（２０２）に低下させるように構成される、ソフトスイッチングシステム。
  2. 直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ（１０４）用のソフトスイッチングシステムであって、
    上側の第１の半導体スイッチ（２０８）と下側の第１の半導体スイッチ（２０６）とを有する第１のスイッチング回路（２５０）と、
    上側の第２の半導体スイッチ（２１２）と下側の第２の半導体スイッチ（２１０）とを有する第２のスイッチング回路（２５２）であって、前記第１および第２のスイッチング回路（２５０，２５２）はＤＣバス（１１６）に導電結合される、第２のスイッチング回路（２５２）と、
    第１および第２のノード（２３４，２３６）に導電結合された結合回路（２２４）であって、前記第１のノード（２３４）は前記上側の第１の半導体スイッチ（２０８）と前記下側の第１の半導体スイッチ（２０６）との間に介在し、前記第２のノード（２３６）は前記上側の第２の半導体スイッチ（２１２）と前記下側の第２の半導体スイッチ（２１０）との間に介在する、結合回路（２２４）と、
    前記第１のノード（２３４）に導電結合された電源回路（２０２）と、
    上側の第３の半導体スイッチ（４０４）と下側の第３の半導体スイッチ（４０６）とを有する第３のスイッチング回路（４０２）と、
    前記第２のノード（２３６）および第３のノード（４１８）に導電結合された共振回路（４１４）と、を含み、前記第３のノード（４１８）は、前記上側の第３の半導体スイッチ（４０４）と前記下側の第３の半導体スイッチ（４０６）との間に介在する、ソフトスイッチングシステム。
  3. 制御バスを介して前記第１、第２および第３のスイッチング回路（２５０，２５２，４０２）に導電結合されたコントローラ回路（１０８）をさらに含み、前記コントローラ回路（１０８）は、電気モータ（１１２）の動作に基づいて、前記上側および下側の第１、第２および第３の半導体スイッチのうちの少なくとも１つを活性化させるように構成される、請求項２に記載のソフトスイッチングシステム。
  4. 前記コントローラ回路（１０８）は、不連続導通モードまたは連続導通モードで前記電源回路（２０２）を動作させるように構成される、請求項３に記載のソフトスイッチングシステム。
  5. 制御バスを介して前記第１および第２のスイッチング回路（２５０，２５２）に導電結合されたコントローラ回路（１０８）をさらに含み、前記コントローラ回路（１０８）は、電気モータ（１１２）の動作に基づいて、前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つを活性化させるように構成される、請求項２乃至４のいずれかに記載のソフトスイッチングシステム。
  6. 前記電源回路（２０２）は、コントローラ回路（１０８）が前記下側の第１または第２の半導体スイッチ（２０６，２１０）のうちの少なくとも一方をゼロ電圧スイッチングで活性化させるように、前記下側の第１または第２の半導体スイッチ（２０６，２１０）のうちの少なくとも一方にかかる電圧を保持するように構成される、請求項１または５に記載のソフトスイッチングシステム。
  7. 前記電源回路（２０２）は、前記コントローラ回路（１０８）が前記上側の第１または第２の半導体スイッチ（２０８，２１２）のうちの少なくとも一方をゼロ電圧スイッチングで活性化させるように、前記上側の第１または第２の半導体スイッチ（２０８，２１２）のうちの少なくとも一方にかかる電圧を保持するように構成される、請求項１、５または６に記載のソフトスイッチングシステム。
  8. 前記コントローラ回路（１０８）は、不連続導通モードで前記電源回路（２０２）を動作させるように構成される、請求項１、５、６または７に記載のソフトスイッチングシステム。
  9. 前記コントローラ回路（１０８）は、前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つの一組の活性化に基づいて前記電源回路（２０２）によって受け取られた電圧を電力インバータ回路（１０６）に昇圧するように構成される、請求項１、５、６、７または８に記載のソフトスイッチングシステム。
  10. 前記結合回路（２２４）は、前記第１および第２のノード（２３４，２３６）に導電結合されたキャパシタ（２３２）を備える、請求項１乃至９のいずれかに記載のソフトスイッチングシステム。
  11. 前記電源回路（２０２）は、電源（１０２）に直列に導電結合されたインダクタを含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載のソフトスイッチングシステム。
  12. 前記ＤＣバス（１１６）は、電力インバータ回路（１０６）に導電結合される、請求項１乃至１１のいずれかに記載のソフトスイッチングシステム。
  13. 前記結合回路（２２４）は、インターリーブ昇圧ＤＣ－ＤＣコンバータを形成するように構成される、請求項１乃至１２のいずれかに記載のソフトスイッチングシステム。
  14. 直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ（１０４）をソフトスイッチングするための方法（６００）であって、
    電気モータ（１１２）の動作状態を判定するステップ（６０２）と、
    前記電気モータ（１１２）の動作に基づいて上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つを活性化させるステップ（６０４）であって、前記第１および第２のスイッチング回路（２５０，２５２）は、電力インバータ回路（１０６）に導電結合される、ステップ（６０４，６０８）と、
    前記電気モータ（１１２）の前記動作状態に基づいて、前記電力インバータ回路（１０６）または電源回路（２０２）のうちの一方に調整された電圧を供給するステップ（６０６，６１０）と、
    前記電気モータ（１１２）の動作に基づいて、前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つを活性化させるステップと、
    前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つの一組の活性化に基づいて電力インバータ回路（１０６）によって受け取られた電圧を前記電源回路（２０２）に低下させるステップと、
    を含む方法（６００）。
  15. 請求項２乃至５のいずれかに記載のソフトスイッチングシステムの直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ（１０４）をソフトスイッチングするための方法（６００）であって、
    電気モータ（１１２）の動作状態を判定するステップ（６０２）と、
    前記電気モータ（１１２）の動作に基づいて上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つを活性化させるステップ（６０４）であって、前記第１および第２のスイッチング回路（２５０，２５２）は、電力インバータ回路（１０６）に導電結合される、ステップ（６０４，６０８）と、
    前記電気モータ（１１２）の前記動作状態に基づいて、前記電力インバータ回路（１０６）または電源回路（２０２）のうちの一方に調整された電圧を供給するステップ（６０６，６１０）と、
    前記活性化動作は、上側または下側の第３の半導体スイッチ（４０４，４０６）のうちの少なくとも一方を活性化するステップと、
    を含む方法（６００）。
  16. 前記供給動作は、不連続導通モードの間である、請求項１４または１５に記載の方法（６００）。
  17. ソフトスイッチングトポロジ（２０３）を有する直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ（１０４）を提供するステップであって、前記ＤＣ－ＤＣコンバータ（１０４）は、上側の第１の半導体スイッチ（２０８）と下側の第１の半導体スイッチ（２０６）とを有する第１のスイッチング回路（２５０）を含み、前記ソフトスイッチングトポロジ（２０３）は、上側の第２の半導体スイッチ（２１２）と下側の第２の半導体スイッチ（２１０）とを有する第２のスイッチング回路（２５２）を含み、前記第１および第２のスイッチング回路（２５０，２５２）は、電力インバータ回路（１０６）に導電結合され、前記ソフトスイッチングトポロジ（２０３は、第１および第２のノード（２３４，２３６）に導電結合された結合回路（２２４）を含み、前記第１のノード（２３４）は、前記上側の第１の半導体スイッチ（２０８）と前記下側の第１の半導体スイッチ（２０６）との間に介在し、前記第２のノード（２３６）は、前記上側の第２の半導体スイッチ（２１２）と前記下側の第２の半導体スイッチ（２１０）との間に介在し、前記ＤＣ－ＤＣコンバータ（１０４）は、前記第１のノード（２３４）に導電結合された電源回路（２０２）を含む、ステップと、
    電気モータ（１１２）の動作状態を測定するステップと、
    前記電気モータ（１１２）の動作状態に基づいて、前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つを活性化させるステップと、
    前記電気モータ（１１２）の前記動作状態に基づいて、前記電力インバータ回路（１０６）または前記電源回路（２０２）のうちの一方に調整された電圧を供給するステップと、
    前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つの一組の活性化に基づいて前記電力インバータ回路（１０６）によって受け取られた電圧を前記電源回路（２０２）に低下させるステップと、
    を含む方法（６００）。
  18. 前記活性化動作がゼロ電圧スイッチングを表すように、前記上側もしくは下側の第１の半導体スイッチ（２０６，２０８）または前記上側もしくは下側の第２の半導体スイッチ（２１０，２１２）のうちの少なくとも１つにかかる電圧を保持するステップをさらに含む、請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法（６００）。
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