JP7185711B2 - 絶縁型多相ｄｃ／ｄｃコンバータ、電気回路及び多相トランス - Google Patents

絶縁型多相ｄｃ／ｄｃコンバータ、電気回路及び多相トランス Download PDF

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Description

本開示は、多相ＤＣ／ＤＣコンバータ等に関する。より具体的には、本開示は、阻止コンデンサの数を削減した絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ等に関する。
一般に、電源業界では、消費エネルギーの低減、設置スペースの縮小、費用対効果の向上のために、高効率、高電力密度、低コストのコンバータが継続的に求められている。また、電気自動車（ＥＶ）やデータセンターなど、新たに開発される多くのアプリケーションでは、より高い処理能力が求められている。より高出力の定格コンバータを使用することで、ＥＶの充電時間やデータセンターのパワーラックのサイズを大幅に削減できる。
処理能力を高めるために多相コンバータのトポロジーが一般的に使用されている。多相コンバータでは、各位相が総電力の一部を供給している。各位相の電流応力は全電流のほんの一部であるため、伝導損失と部品の温度を容易に制限できる。さらに、多相コンバータの各位相の動作をインターリーブできるため、位相のスイッチングリップルが互いに打ち消し合い、フィルタサイズを大幅に縮小できる。さらに、多相トランスを備えた多相コンバータは、追加の制御なしで本質的に電流共有を実現できる。これらの理由から、多相ＤＣ／ＤＣコンバータは大電力アプリケーションの魅力的な候補となっている。例えば、非特許文献１を参照されたい。
T. Jin and K. Smedley, "Multiphase LLC Series Resonant Converter for Microprocessor Voltage Regulation," Conference Record of the 2006 Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, vol. 5, pp. 2136-2143, Oct. 2006; and J. Jacobs, A. Averberg and R. De. Doncker, "A Novel Three-Phase DC/DC Converter for High-Power Applications," 2004 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, vol. 3, pp. 1861-1867, Jun. 2004.
絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータは、大電力アプリケーションでは優位性を示しているが、効率性、電力密度、コスト効率をさらに向上させることが重要である。
本開示は、トランスの飽和を防ぐ阻止コンデンサの数を削減した絶縁型多相ＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバータを提供する。位相の電流がトランスの他の位相の電流の合計に等しいという事実を利用することで、他の位相のＤＣ成分はそれ自身の阻止コンデンサによって削除できるので、位相の阻止コンデンサを削除することができる。本開示のＤＣ／ＤＣコンバータは、多相トランスにおいて１次側の阻止コンデンサバンクと２次側の阻止コンデンサバンクを１つずつ削除できるため、費用対効果と電力密度の向上の両方を実現できる。
本発明の一態様によれば、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータであって、１次回路及び前記１次回路に磁気的に結合される２次回路を有する多相トランスと、前記１次回路は、第１数量の端子を有し、且つ、前記２次回路は、第２数量の端子を有し、それぞれが前記１次回路の前記端子のそれぞれの１つに電気的に直列に接続される第３数量の阻止コンデンサと、それぞれが前記２次回路の前記端子のそれぞれの１つに電気的に直列に接続される第４数量の阻止コンデンサと、を備え、前記第３数量は、前記第１数量より１つ少なく、且つ、前記第４数量は、前記第２数量より１つ少ない、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
一実施形態では、コンバータは、前記多相トランスの前記１次回路に電気的に接続された第１インバータ又は第１整流器と、前記多相トランスの前記２次回路に電気的に接続された第２インバータ又は第２整流器とを更に備える、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータである。
一実施形態では、コンバータは、前記第１インバータ又は前記第１整流器に電気的に結合された１次電圧源と、前記第２インバータ又は前記第２整流器に電気的に結合された２次電圧源とを更に備える、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータである。
一実施形態では、前記第１数量は、少なくとも２つであり、且つ、前記第３数量は、前記第１数量より１つ少ない。
一実施形態では、前記第２数量は、少なくとも２つであり、且つ、前記第４数量は、前記第２数量より１つ少ない。
一実施形態では、前記１次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された前記第１数量の巻線を含み、前記２次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された前記第２数量の巻線を含む。
一実施形態では、前記１次及び前記２次回路は、Ｙ－Ｙ巻線の組、Ｙ－Δ巻線の組、Δ－Ｙ巻線の組、及びΔ－Δ巻線の組のいずれかを備える。
一実施形態では、前記１次回路の巻線の前記第１数量及び前記２次回路の巻線の前記第２数量は、単一磁気コア又は複数の独立磁気コアを介して磁気的に結合される。
別の観点では、本開示は、電力を変換するための電気回路を提供する。前記電気回路は、１次回路及び前記１次回路に磁気的に結合される２次回路を備え、前記１次回路は、複数の端子を含み、前記１次回路の前記端子の多くとも１つが１次阻止コンデンサなしで前記１次回路に直接電気的に結合されることを除いて、それぞれが前記１次阻止コンデンサを介して前記１次回路に電気的に結合される、電気回路である。
一実施形態では、前記２次回路は、複数の端子を含み、前記２次回路の前記端子の多くとも１つが２次阻止コンデンサなしで前記２次回路に直接電気的に結合されることを除いて、それぞれが前記２次阻止コンデンサを介して前記２次回路に電気的に結合される。
一実施形態では、前記１次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された複数の巻線を備える。
一実施形態では、前記２次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された複数の巻線を備える。
一実施形態では、前記１次回路及び前記２次回路は、単一磁気コア又は複数の独立磁気コアを介して磁気的に結合される。
一実施形態では、前記１次回路は、少なくとも２つの端子を含み、前記１次回路の少なくとも２つの端子の多くとも１つが前記１次阻止コンデンサなしで前記１次回路に直接電気的に結合され、前記１次回路の残りの各端子が前記１次阻止コンデンサを介して前記１次回路に電気的に結合される。
一実施形態では、前記２次回路は、少なくとも２つの端子を含み、前記２次回路の少なくとも２つの端子の多くとも１つが前記２次阻止コンデンサなしで前記２次回路に直接電気的に結合され、前記２次回路の残りの各端子が前記２次阻止コンデンサを介して前記２次回路に電気的に結合される。
更に別の観点では、本開示は、多相トランスを提供する。トランスは、少なくとも２つの１次巻線と、少なくとも２つの１次端子と、少なくとも１つの１次阻止コンデンサとを備え、前記少なくとも２つの１次巻線は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に電気的に接続され、前記少なくとも２つの１次端子は、前記少なくとも２つの１次巻線と電気的にそれぞれ接続され、前記少なくとも１つの１次阻止コンデンサは、前記少なくとも２つの１次端子のそれぞれの１つと、前記少なくとも２つの１次巻線のそれぞれの１つとの間で、直列に電気的に結合され、前記少なくとも２つの１次端子のうちの多くとも１つは、前記１次阻止コンデンサなしで前記少なくとも２つの１次巻線のそれぞれの１つに直接電気的に結合される、多相トランスである。
一実施形態では、多相トランスは、少なくとも２つの２次巻線と、少なくとも２つの２次端子と、少なくとも１つの２次阻止コンデンサとを更に備え、前記少なくとも２つの２次巻線は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に電気的に接続され、前記少なくとも２つの２次端子は、前記少なくとも２つの２次巻線と電気的にそれぞれ接続され、前記少なくとも１つの２次阻止コンデンサは、前記少なくとも２つの２次端子のそれぞれの１つと、前記少なくとも２つの２次巻線のそれぞれの１つとの間で、直列に電気的に結合され、前記少なくとも２つの２次端子のうちの多くとも１つは、前記２次阻止コンデンサなしで前記少なくとも２つの２次巻線のそれぞれの１つに直接電気的に結合される、多相トランスである。
一実施形態では、前記少なくとも２つの１次端子のうちの多くとも１つ、及び前記少なくとも２つの２次端子のうちの多くとも１つは、同じ位相である。
一実施形態では、前記少なくとも２つの１次端子のうちの多くとも１つ、及び前記少なくとも２つの２次端子のうちの多くとも１つは、異なる位相である。
一実施形態では、前記少なくとも２つの２次巻線は、単一磁気コア又は少なくとも２つの独立磁気コアを介して前記少なくとも２つの１次巻線に磁気的に結合される。
多相トランスのＹ接続巻線を示している。 多相トランスのΔ接続巻線を示している。 ３相コンバータで使用できるマルチコア３相トランスを示している。 ３相コンバータで使用できるシングルコア３相トランスを示している。 阻止コンデンサを備えた単相トランスを示している。 ６つのコンデンサバンクを使用する３相トランスを示している。 ３相トランス及び阻止コンデンサを備えた双方向の絶縁型３相ＤＣ／ＤＣコンバータを示している。 阻止コンデンサの無い多相トランスの模式図を示している。 阻止コンデンサを備えた多相トランスの模式図を示している。 本開示の一実施形態による、阻止コンデンサの数を削減した多相トランスの模式図を示す。 本開示の一実施形態による、多相トランスを含む絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータの模式図を示す。 本開示の一実施形態による、Ｎ相、３ポートトランスの模式図を示す。 １次側の各端子は阻止コンデンサに接続される、Ｙ－Ｙ接続３相トランスの１次側を示している。 本発明の一実施形態による、１次側の３端子のうちの２つだけが阻止コンデンサに接続される、Ｙ－Ｙ接続３相トランスの１次側を示している。 本開示の一実施形態による、阻止コンデンサの数を削減した多相トランスを示している。 本開示の一実施形態による、阻止コンデンサの数を削減した多相トランスを示している。
次に、本開示を以下の実施形態を参照してより具体的に説明する。本開示の好ましい実施形態の以下の説明は、例示及び説明のみを目的として本明細書に提示されていることに留意されたい。網羅的であること、又は開示された正確な形式に限定されることを意図するものではない。
図１Ａ及び図１Ｂは、ぞれぞれ、多相トランスのＹ接続巻線１１０及びΔ接続巻線１２０を示している。図１Ａに示すように、Ｙ接続の場合、全ての巻線１１０＿１から１１０＿Ｎの右端は、同じノード１１１、すなわち中性点で一緒に接続され、一方、巻線１１０＿１から１１０＿Ｎの左端は、電流入力／出力のための自由端である。図１Ｂに示すように，Δ接続の場合、巻線の一端は、ノード１２１＿１から１２１＿Ｎで順番に隣接する巻線のもう一方の端に接続される。例えば、第１巻線１２０＿１の右端は、ノード１２１＿２で第２巻線１２０＿２の左端に接続され、第１巻線１２０＿１の左端は、ノード１２１＿１で最後の巻線１２０＿Ｎの右端に接続される。このようにして、全ての巻線１２０＿１から１２０＿Ｎは、ノード１２１＿１から１２１＿Ｎが電流入力／出力の点として機能する閉ループを形成するように、電気的に直列に結合される。ほとんど全ての多相トランスは、１次側と２次側にこれらの２つの巻線構成のうち少なくとも１つを使用している。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、３相コンバータで使用できるマルチコア３相トランス２１０及びシングルコア３相トランス２２０を示している。トランス２１０及び２２０の１次側（左）及び２次側（右）の両方が、図１Ａに示すようなＹ接続構成の巻線を使用していることに留意すべきである。
図２Ａに示すように、巻線２１１、２１４、及び２１７は、端子Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３を備えるＹ接続構成に接続されることにより、トランス２１０の１次側を形成し、一方で、巻線２１２、２１５、及び２１８は、端子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を備えるＹ接続構成に接続されることにより、トランス２１０の２次側を形成する。図２Ａの破線で示されるように、３組の巻線（つまり、巻線２１１と２１２の巻線の組、巻線２１４と２１５の巻線の組、及び巻線２１７と２１８の巻線の組）は、絶縁型３相コンバータに使用できる３相トランスとして機能するように、磁気的に結合される。図２Ａに示すように、３相トランス２１０は、３つの独立磁気コア２１３、２１６、及び２１９で実装することができる。図２Ｂに示すように、３相トランス２２０は、３相トランス２２０が単一磁気コア２３０で実装されることを除いて、図２Ａに示される３相トランス２１０と実質的に同じである。ここで、単一磁気コア２３０は、巻線２２１及び２２２の巻線の組、巻線２２４及び２２５の巻線の組、及び巻線２２７及び２２８の巻線の組の時期結合を統合している。単一磁気コア２３０及び独立磁気コア２１３、２１６、及び２１９は、磁場を閉じ込めて誘導するために、透磁率の高い任意の適切な磁性材料（例えば、鉄、コバルト、及びニッケル）でできていることが理解されるだろう。
絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、ガルバニック絶縁を提供するためにトランスを利用できる。ＤＣ／ＤＣコンバータの信頼性を確保するためには、トランスの磁気コアが過大な磁束密度によって飽和しないようにすることが非常に重要である。磁気コアの最大磁束密度を最小にするために、トランスの磁化電流のＤＣ成分をゼロにする必要がある。磁化電流は、特定の電圧で磁化又は通電されているが２次側には負荷がかかっていないトランスの１次側によって引き抜かれる電流であることに注意されたい。
磁化電流のＤＣ成分を排除する１つの方法は、阻止コンデンサをトランスと直列に接続することである。コンデンサの荷電平衡が満たされている定常状態、つまりコンデンサの充電電流がスイッチングサイクル中の放電電流に等しい場合、コンデンサは磁化電流のＤＣ成分を遮断する。結果として、トランスは過度の磁束なしで確実に動作する。
図３は、阻止コンデンサＣＰ及びＣＳを備えた単相トランス３００を示している。阻止コンデンサＣＰ及びＣＳは、それぞれ１次巻線３１０及び２次巻線３２０と直列に接続されている。一実施形態において、阻止コンデンサＣＰ及びＣＳは、並列及び直列に接続された複数のコンデンサを含むコンデンサバンク３０５である。例えば、図３に示すように、コンデンサバンク３０５は、直列に接続される、並列接続の３つのコンデンサの組からなる合計６つのコンデンサを含む。図３のようなトランス３００は、巻数比ＮＰ：ＮＳ＝ｎ：１をもつ理想的なトランスと、１次巻線３１０と並列接続された磁化インダクタＬＭとを含むことに留意されたい。下記数式１は、阻止コンデンサの荷電平衡が満たされているときの定常状態を表しており、磁化電流ｉＬＭのＤＣ成分はゼロとなる。
Figure 0007185711000001
ここで、ＴＳ，ｉＰ，ｉＳ，及び＜ｉＬＭ＞ＴＳはそれぞれ、コンバータのスイッチング周期、コンデンサＣＰに流れる電流、コンデンサＣＳに流れる電流、スイッチング周期ＴＳに渡る平均磁化電流に等しい磁化電流ｉＬＭのＤＣ成分を表す。一実施形態では、スイッチング周期ＴＳは、直列接続されたインダクタＬＭとコンデンサＣＰの共振周波数の逆数の０．５～１０倍になる。ここで、共振周波数は、下記数式２で表される。例えば、スイッチング周期ＴＳは、数百ｋＨｚに渡って１程度になる。
Figure 0007185711000002
この方法によれば、追加の制御を必要としないため、トランス３００の飽和を防止できる。ただし、高電力及び高電圧のアプリケーションでは、市販のコンデンサの定格電圧及び定格電流が制限されているため、必要な電圧及び電流ストレスを満たすように複数のコンデンサが直列及び並列に接続される。
図４は、図２Ｂに示すように、１次側及び２次側の両方においてＹ接続構成をもつ巻線を使用した３相トランス４００を示している。各巻線は、３相トランス４００における磁化電流のＤＣ成分を削除するようにコンデンサ又はコンデンサバンクと直列に結合されている。この例では、トランス４００の飽和を防止するために６つのコンデンサバンク４１２、４１４、４１６、４２２、４２４、及び４２６が必要であり、その結果、余分なコストがかかり、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力密度が低下する。
図５は、３相トランス５１０及び阻止コンデンサ５２０を備えた双方向絶縁型３相ＤＣ／ＤＣコンバータ５００を示している。コンバータ５００は、２つの電圧源Ｖ１及びＶ２との間でエネルギーを往復させる。１次側の３相全てが１次電圧源Ｖ１に結合され、２次側の３相全てが２次電圧源Ｖ２に結合されている。
コンバータ５００の各位相は、トランス５１０の１次側に結合された２つのスイッチと、トランス５１０の対応する２次側に結合された２つのスイッチとを含む。具体的には、図５に示すように、スイッチＱ１及びＱ２は、外部インダクタＬＰＡを介してトランス５１０の１次側の位相Ａに接続され、スイッチＱ３及びＱ４は、外部インダクタＬＰＢを介してトランス５１０の１次側の位相Ｂに接続され、スイッチＱ５及びＱ６は、外部インダクタＬＰＣを介してトランス５１０の１次側の位相Ｃに接続されている。同様に、図５に示すように、スイッチＱＡ及びＱＢは、トランス５１０の２次側の位相Ａに接続され、スイッチＱＣ及びＱＤは、トランス５１０の２次側の位相Ｂに接続され、スイッチＱＥ及びＱＦは、トランス５１０の２次側の位相Ｃに接続されている。
外部インダクタＬＰＡ，ＬＰＢ，及びＬＰＣは、トランス５１０を流れる電流の傾きを制御するように、コンデンサ５２０の各コンデンサを介して、３相トランス５１０の各巻線と直列に接続される。トランス５１０の各巻線の漏れインダクタンスが電流の傾きを制御するのに十分な大きさである場合、外部インダクタＬＰＡ、ＬＰＢ、及びＬＰＣは選択できるものになり、削除可能となる。
動作スイッチング周波数が直列接続されたインダクタとコンデンサの共振周波数よりもはるかに高くなるように選択されている場合（例えば、少なくとも１桁大きい場合）、図５のコンバータ５００は、絶縁型３相デュアルアクティブブリッジコンバータと呼ばれる。一方で、動作スイッチング周波数が共振周波数に近くなるように設計されている場合、コンバータ５００は、絶縁型３相共振コンバータとも呼ばれる。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの位相の数が２より大きい場合、一般にコンバータは、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれる。また、トランス５１０の磁化電流のＤＣ成分を防止するために、阻止コンデンサ５２０を実装する必要があることに注意されたい。
図６Ａは、阻止コンデンサのない多相トランス６００の模式図を示している。多相トランス６００の１次側巻線６１０及び２次側巻線６２０は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成である。トランス６００の磁気コア６３０は、シングルコア又はマルチコアが含まれる。１次側はＮ相を有し、１次側巻線６１０の各端はＰ１、Ｐ２、...ＰＮ－Ｋ，...及びＰＮと呼ばれる。ここで、０≦Ｋ＜Ｎ－１である。２次側はＭ相を有し、２次側巻線６２０の各端はＳ１、Ｓ２、...ＳＭ－Ｉ、...ＳＭと呼ばれる。ここで、０≦Ｉ＜Ｍ－１である。図６Ｂは、阻止コンデンサ６４０及び６５０を備えた多相トランス６００の模式図を示している。トランス６００の磁化電流のＤＣ成分を回避するために、１次側巻線６１０の各端は、阻止コンデンサ６４０と直列に接続され、２次側巻線６２０の各端は、阻止コンデンサ６５０と直列に接続される。
図７は、本開示の一実施形態による、阻止コンデンサ７４０及び７５０の数を削減した多相トランス７００の模式図を示している。図７の多相トランス７００は、図６Ｂの多相トランス６００の端子ＰＮ－Ｋ及びＳＭ－Ｉに初めから結合されている２つの阻止コンデンサが、図７の多相トランス７００を得るために除去されていることを除いて、図６Ｂの多相トランス６００と実質的に同じである。多相トランス７００の１次側巻線７１０及び２次側巻線７２０は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成である。１次側巻線７１０及び２次側巻線７２０は、必ずしも同じ接続構成である必要がないことが理解されるだろう。例えば、１次側巻線７１０はＹ接続構成を有しても良く、２次側巻線７２０はΔ接続構成を有しても良く、逆もまた同様である。１次側巻線７１０の１つ及び２次側巻線７２０の１つは、磁気コア７３０を介して巻線の組を形成してもよい。従って、１次側巻線７１０及び２次側巻線７２０（磁気コア７３０の有無にかかわらず）は、Ｙ－Ｙ巻線の組、Ｙ－Δ巻線の組、Δ－Ｙ巻線の組、及びΔ－Δ巻線の組の１つを形成できる。
図７に示すように、２つのコンデンサは除かれているが、端子ＰＮ－Ｋの巻線を流れる平均電流は、トランス７００の１次側における他の全ての巻線を流れる平均電流の合計であり、端子ＳＭ－Ｉの巻線を流れる平均電流は、トランス７００の２次側における他の全ての巻線を流れる平均電流の合計であるため、トランス７００の磁化電流のＤＣ成分をブロックすることが可能である。端子ＰＮ－Ｋ及びＳＭ－Ｉの巻線を除く全ての巻線は、電流のＤＣ成分を排除する阻止コンデンサ７４０及び７５０に直列に結合されていることに注意されたい。結果として、ＤＣ／ＤＣコンバータで必要な電子部品が少なくて済み、より少ない総コストとより小さな物理的サイズで製造できる。１次側又は２次側のいずれかの位相から阻止コンデンサが１つだけ取り除かれるが、特定の条件下では、１次側及び２次側の各々から複数の阻止コンデンサが削除されることが理解されるだろう。
図８は、本開示の一実施形態による、多相トランス８１０を含む絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ８００の模式図を示している。コンバータ８００は、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するために、その１次側及び２次側で１つ又は複数のインバータ又は整流回路である８２０及び８３０を使用できる。阻止コンデンサの数量を減らすという概念は、任意の適切な多相多出力コンバータ用の任意の適切な多相多ポートトランスに適用できることが理解されるだろう。例えば、図９は、１次側、２次側、及び３次側のそれぞれで阻止コンデンサの１つが除去されているＮ相３ポートトランスの模式図を示している。
図１０Ａは、Ｙ－Ｙ接続された３相トランス１０１０の１次側を示しており、図４と同様に、１次側で３端子ＰＡ、ＰＢ、ＰＣのそれぞれが、阻止コンデンサ１０１２、１０１４、１０１６のそれぞれの１つに接続されている。阻止コンデンサ１０１２、１０１４、１０１６の荷電平衡により、各位相巻線の電流のＤＣ成分がゼロになることに留意されたい。対照的に、本発明の一実施形態によれば、図１０Ｂは、Ｙ－Ｙ接続された３相トランス１０２０の１次側を示しており、１次側で２端子ＰＡ、ＰＢのみが、それぞれ阻止コンデンサ１０２２、１０２４に接続されている。図１０Ａのトランス１０１０に初めから存在していた阻止コンデンサ１０１６は、図１０Ｂのトランス１０２０には存在しないことに注意されたい。
キルヒホッフの電流法則を、図１０Ｂに示すようにＹ接続巻線の中性点１０２１に適用すると、ｉＰＡ＋ｉＰＢ＋ｉＰＣ＝０が得られる。
ここで、ｉＰＡ，ｉＰＢ，及びｉＰＣはそれぞれ、端子ＰＡ，ＰＢ，及びＰＣでの電流を表す。スイッチング周期ＴＳに渡る上記ｉＰＡ＋ｉＰＢ＋ｉＰＣ＝０の電流ｉＰＡ、ｉＰＢ、及びｉＰＣの平均を取ると、＜ｉＰＡ＞＋＜ｉＰＢ＞＋＜ｉＰＣ＞＝０，＜ｉＰＡ＞＝－＜ｉＰＢ＞－＜ｉＰＣ＞になる。
ここで、＜ｉＰＡ＞，＜ｉＰＢ＞，及び＜ｉＰＣ＞はそれぞれ、スイッチング周期ＴＳに渡る電流ｉＰＡ、ｉＰＢ、ｉＰＣの平均値を表す。コンデンサＣＰＡとＣＰＢの電荷平衡により、電流ｉＰＡとｉＰＢの平均値はともにゼロである。すなわち、＜ｉＰＡ＞＝０及び＜ｉＰＢ＞＝０である。
＜ｉＰＡ＞＝－＜ｉＰＢ＞－＜ｉＰＣ＞に、＜ｉＰＡ＞＝０及び＜ｉＰＢ＞＝０を代入することで、電流ｉＰＣの平均値は、＜ｉＰＣ＞＝０になる。
従って、特にコンデンサの荷電平衡が満たされている場合には、端子ＰＣに阻止コンデンサが存在するかどうかはトランス１０２０にとって差を生じない。本開示では、Ｙ接続構成を有するトランス１０１０のキャパシタＣＰＣの除去について説明しているが、同じ結果を得るために、キャパシタＣＰＡ、ＣＰＢ、及びＣＰＣの任意の１つをトランス１０１０から除去できることが理解されるだろう。また、コンデンサＣＰＡ、ＣＰＢ、ＣＰＣのうちの１つを除去するによって、Δ接続構成を有するトランスに対しても同様に作用されることが理解されるだろう。
図１１Ａ及び図１１Ｂはそれぞれ、本開示の一実施形態によれば、阻止コンデンサの数が削減された多相トランス１１００示している。図１１Ａに示されるように、１次側の端子ＰＡＰＢ及び２次側の端子ＳＡ、ＳＢのそれぞれは、直列接続された阻止コンデンサが含まれているが、一方で、１次側の端子ＰＣ及び２次側の端子ＳＣ（いずれも位相Ｃ）には、阻止コンデンサが接続されていない。これは、デュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）ＤＣ／ＤＣコンバータの場合で、ＤＡＢコンバータの共振周波数はスイッチング周波数よりもはるかに小さいため、１次側及び２次側の除去された阻止コンデンサは同位相でなければならない。代替的な実施形態では、１次側及び２次側の両方における位相Ａ又は位相Ｂのいずれかの阻止コンデンサを除去できることが理解されるだろう。
スイッチング周波数に同期した静電容量を持つ阻止コンデンサの場合（つまり、共振周波数はスイッチング周波数に釣り合っている）、１次側及び２次側で削除された阻止コンデンサは、異なる位相でなければならない。例えば、図１１Ｂに示すように、１次側の端子ＰＣ（位相Ｃ）の阻止コンデンサが除去されるが、２次側の端子ＳＢ（位相Ｃとは異なる位相Ｂ）の阻止コンデンサが除去される。代替的な実施形態では、１次側の位相Ａにおける阻止コンデンサが除去される場合、２次側の位相Ｂ又は位相Ｃにおけるいずれかの阻止コンデンサを除去できることが理解されるだろう。
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すような３相トランス１１００の場合、阻止コンデンサの総材料費は、３分の１（１／３）、又は３３％削減できる。例えば５相トランスの場合、阻止コンデンサの総材料費は、５分の１（１／５）、又は２０％削減できる。
本開示を説明及び定義する目的で、程度の用語（例えば、「実質的に」、「わずかに」、「約」、「同等」など）は、本明細書では、定量的な比較、値、寸法、又は他の表現に起因する可能性のある固有の不確実性の程度を表すために利用できることに注意されたい。このような程度の用語は、定量的表現が、問題となっている主題の基本的な機能に変化をもたらすことなく、記載された基準（例えば、約１０％以下）から変化し得る程度を表すために、本明細書で使用されることもある。本明細書に別段の記載がない限り、本開示に現れる任意の数値は、程度の用語（例えば、「約」）によって修正された値であるとみなされ、それによって固有の不確実性が反映されている。
本開示の様々な実施形態が本明細書に詳細に記載されているが、当技術分野の当業者であれば、添付の特許請求の範囲に記載されているように、本開示の趣旨を逸脱することなく、修正及び他の実施形態を容易に理解されるだろう。

Claims (19)

  1. 絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
    １次回路及び前記１次回路に磁気的に結合される２次回路を有する多相トランスと、
    前記１次回路は、第１数量の端子を有し、且つ、前記２次回路は、第２数量の端子を有し、
    それぞれが前記１次回路の前記端子のそれぞれの１つに電気的に直列に接続される第３数量の阻止コンデンサと、
    それぞれが前記２次回路の前記端子のそれぞれの１つに電気的に直列に接続される第４数量の阻止コンデンサと、を備え、
    前記第３数量は、前記第１数量より１つ少なく、且つ、前記第４数量は、前記第２数量より１つ少ない、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  2. 請求項１に記載のコンバータであって、
    前記多相トランスの前記１次回路に電気的に接続された第１インバータ又は第１整流器と、
    前記多相トランスの前記２次回路に電気的に接続された第２インバータ又は第２整流器とを更に備える、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  3. 請求項２に記載のコンバータであって、
    前記第１インバータ又は前記第１整流器に電気的に結合された１次電圧源と、
    前記第２インバータ又は前記第２整流器に電気的に結合された２次電圧源とを更に備える、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  4. 請求項１に記載のコンバータであって、
    前記第１数量は、少なくとも２つであり、且つ、前記第３数量は、前記第１数量より１つ少ない、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  5. 請求項１に記載のコンバータであって、
    前記第２数量は、少なくとも２つであり、且つ、前記第４数量は、前記第２数量より１つ少ない、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  6. 請求項１に記載のコンバータであって、
    前記１次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された前記第１数量の巻線を含み、
    前記２次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された前記第２数量の巻線を含む、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  7. 請求項６に記載のコンバータであって、
    前記１次及び前記２次回路は、Ｙ－Ｙ巻線の組、Ｙ－Δ巻線の組、Δ－Ｙ巻線の組、及びΔ－Δ巻線の組のいずれかを備える、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  8. 請求項６に記載のコンバータであって、
    前記１次回路の前記第１数量の巻線及び前記２次回路の前記第２数量の巻線は、単一磁気コア又は複数の独立磁気コアを介して磁気的に結合される、絶縁型多相ＤＣ／ＤＣコンバータ。
  9. 電力を変換するための電気回路であって、
    前記電気回路は、１次回路及び前記１次回路に磁気的に結合される２次回路を備え、
    前記１次回路は、複数の端子を含み、前記１次回路の前記端子の多くとも１つが１次阻止コンデンサなしで前記１次回路に直接電気的に結合されることを除いて、それぞれが前記１次阻止コンデンサを介して前記１次回路に電気的に結合され、
    前記１次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された複数の巻線を備える、電気回路。
  10. 請求項９に記載の電気回路であって、
    前記２次回路は、複数の端子を含み、前記２次回路の前記端子の多くとも１つが２次阻止コンデンサなしで前記２次回路に直接電気的に結合されることを除いて、それぞれが前記２次阻止コンデンサを介して前記２次回路に電気的に結合される、電気回路。
  11. 請求項９に記載の電気回路であって、
    前記２次回路は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に接続された複数の巻線を備える、電気回路。
  12. 請求項９に記載の電気回路であって、
    前記１次回路及び前記２次回路は、単一磁気コア又は複数の独立磁気コアを介して磁気的に結合される、電気回路。
  13. 請求項９に記載の電気回路であって、
    前記１次回路は、少なくとも２つの端子を含み、前記１次回路の少なくとも２つの端子の多くとも１つが前記１次阻止コンデンサなしで前記１次回路に直接電気的に結合され、前記１次回路の残りの各端子が前記１次阻止コンデンサを介して前記１次回路に電気的に結合される、電気回路。
  14. 請求項９に記載の電気回路であって、
    前記２次回路は、少なくとも２つの端子を含み、前記２次回路の少なくとも２つの端子の多くとも１つが２次阻止コンデンサなしで前記２次回路に直接電気的に結合され、前記２次回路の残りの各端子が前記２次阻止コンデンサを介して前記２次回路に電気的に結合される、電気回路。
  15. 多相トランスであって、
    少なくとも２つの１次巻線と、少なくとも２つの１次端子と、少なくとも１つの１次阻止コンデンサとを備え、
    前記少なくとも２つの１次巻線は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に電気的に接続され、
    前記少なくとも２つの１次端子は、前記少なくとも２つの１次巻線と電気的にそれぞれ接続され、
    前記少なくとも１つの１次阻止コンデンサは、前記少なくとも２つの１次端子のそれぞれの１つと、前記少なくとも２つの１次巻線のそれぞれの１つとの間で、直列に電気的に結合され、
    前記少なくとも２つの１次端子のうちの多くとも１つは、前記１次阻止コンデンサなしで前記少なくとも２つの１次巻線のそれぞれの１つに直接電気的に結合される、多相トランス。
  16. 請求項１５に記載の多相トランスであって、
    少なくとも２つの２次巻線と、少なくとも２つの２次端子と、少なくとも１つの２次阻止コンデンサとを更に備え、
    前記少なくとも２つの２次巻線は、Ｙ接続構成又はΔ接続構成で相互に電気的に接続され、
    前記少なくとも２つの２次端子は、前記少なくとも２つの２次巻線と電気的にそれぞれ接続され、
    前記少なくとも１つの２次阻止コンデンサは、前記少なくとも２つの２次端子のそれぞれの１つと、前記少なくとも２つの２次巻線のそれぞれの１つとの間で、直列に電気的に結合され、
    前記少なくとも２つの２次端子のうちの多くとも１つは、前記２次阻止コンデンサなしで前記少なくとも２つの２次巻線のそれぞれの１つに直接電気的に結合される、多相トランス。
  17. 請求項１６に記載の多相トランスであって、
    前記少なくとも２つの１次端子のうちの多くとも１つ、及び前記少なくとも２つの２次端子のうちの多くとも１つは、同じ位相である、多相トランス。
  18. 請求項１６に記載の多相トランスであって、
    前記少なくとも２つの１次端子のうちの多くとも１つ、及び前記少なくとも２つの２次端子のうちの多くとも１つは、異なる位相である、多相トランス。
  19. 請求項１６に記載の多相トランスであって、
    前記少なくとも２つの２次巻線は、単一磁気コア又は少なくとも２つの独立磁気コアを介して前記少なくとも２つの１次巻線に磁気的に結合される、多相トランス。
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