KR102354540B1 - 쌍방향 전력 변환기, 전기 자동차, 및, 쌍방향 전력 변환기의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

쌍방향 전력 변환기는, 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 와, 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 와, 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 와, 복수의 서브 회로 (5, 6) 와, 컨트롤러를 구비하고 있다. 각 서브 회로는, 직렬로 접속되어 있는 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 하 스위칭 소자 (31, 33) 와, 2 개의 다이오드 (42, 41) 와, 서브 리액터 (24) 를 구비하고 있다. 컨트롤러는, 복수의 서브 회로를 순차적으로 제어한다. 컨트롤러는, 제 1 단자로부터 제 2 단자로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 서브 회로 (5, 6) 의 하 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 상 스위칭 소자를 온하고 오프한다. 컨트롤러는, 제 2 단자로부터 제 1 단자로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 서브 회로의 상 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 하 스위칭 소자를 온하고 오프한다.

Description

쌍방향 전력 변환기, 전기 자동차, 및, 쌍방향 전력 변환기의 제어 방법{BIDIRECTIONAL POWER CONVERTER, ELECTRIC VEHICLE, AND CONTROL METHOD FOR BIDIRECTIONAL POWER CONVERTER}
본 명세서가 개시하는 기술은, 전력을 입출력하는 것이 가능한 제 1 디바이스와 제 2 디바이스 사이에서 전력을 변환하는 쌍방향 전력 변환기와, 그 쌍방향 전력 변환기를 이용한 전기 자동차와, 쌍방향 전력 변환기의 제어 방법에 관한 것이다.
전력 변환기에서는, 전력을 변환하는 주요한 소자로서 스위칭 소자가 사용된다. 스위칭 소자에 가해지는 부하를 경감시키기 위해, 스위칭 소자를 포함하는 복수의 서브 회로가 병렬로 접속되어 있는 전력 변환기가 알려져 있다. 예를 들어 일본 공개특허공보 2001-186768 에, 그러한 전력 변환기가 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 2001-186768 의 전력 변환기는, 교류 전원이 출력하는 교류를 직류로 정류하는 정류기와, 정류 후의 전압을 승압하는 승압 컨버터를 포함하고 있다. 그 전력 변환기는, 승압 컨버터에 2 조 (組) 의 서브 회로를 포함하고 있다. 각각의 서브 회로는, 다이오드와 스위칭 소자와 서브 리액터로 구성되어 있다. 다이오드와 스위칭 소자는 직렬로 접속되어 있다. 서브 리액터는, 전압 컨버터의 메인 리액터와, 다이오드와 스위칭 소자의 직렬 접속의 중점 (中點) 사이에 접속되어 있다. 이 전력 변환기에서는, 2 조의 서브 회로의 스위칭 소자가 교대로 온되고 오프된다. 서브 리액터는, 다이오드의 역회복 전류에서 기인되는 손실을 저감시킨다.
스위칭 소자와 다이오드와 서브 리액터를 구비한 복수의 서브 회로를 쌍방향 전력 변환기에 적용하는 경우, 다음의 과제가 발견되었다. 쌍방향 전력 변환기에 적용하는 서브 회로는, 2 개의 스위칭 소자의 직렬 접속과, 각각의 스위칭 소자에 역병렬로 접속되어 있는 다이오드를 구비하고 있다. 서브 리액터의 일단은, 2 개의 스위칭 소자의 직렬 접속의 중점에 접속되어 있다. 스위칭 소자를 항상 동일한 순서로 순차적으로 온하고 오프하면, 전류가 일방향으로 흐르고 있는 동안에는 하나의 서브 회로에만 전류가 흐르지만, 역방향의 전류가 흐르면, 서브 회로의 사이에 환류 전류가 발생해 버린다. 서브 회로의 사이에 흐르는 환류 전류는 손실의 한 요인이 된다. 본 명세서가 개시하는 기술은, 복수의 서브 회로가 병렬로 접속된 쌍방향 전력 변환기에 있어서 서브 회로 사이를 흐르는 환류 전류를 억제하는 기술을 제공한다.
본 명세서가 개시하는 쌍방향 전력 변환기는, 전력을 입출력하는 것이 가능한 제 1 디바이스와 제 2 디바이스 사이에서, 쌍방향에서 전력을 변환할 수 있다. 쌍방향 전력 변환기는, 전형적으로는 전기 자동차에 적용된다. 전기 자동차에서는, 액셀이 밟히면 배터리로부터 주행용 모터로 전력이 흐른다. 브레이크 페달이 밟히면 주행용 모터가 발전되고, 주행용 모터로부터 배터리로 전력이 흐른다. 배터리와 주행용 모터 사이에 접속되어 있는 전력 변환기가, 쌍방향 전력 변환기이다.
본 발명의 제 1 양태는, 쌍방향 전력 변환기에 관련된 것이다. 쌍방향 전력 변환기는, 제 1 단자, 제 2 단자, 부극 단자, 메인 리액터, 복수의 서브 회로, 컨트롤러를 구비하고 있다. 제 1 단자는, 전력을 입출력하는 것이 가능한 제 1 디바이스의 전력의 입출력단 (端) 에 접속되고, 제 2 단자는, 전력을 입출력하는 것이 가능한 제 2 디바이스의 전력의 입출력단에 접속된다. 부극 단자는 제 2 디바이스의 부극에 접속된다. 메인 리액터의 일단이 제 1 단자에 접속되어 있다. 복수의 서브 회로는, 메인 리액터의 타단과 제 2 단자 사이에 병렬로 접속되어 있다.
각각의 서브 회로는, 상 (上) 스위칭 소자, 하 (下) 스위칭 소자, 상 다이오드, 하 다이오드, 서브 리액터를 구비하고 있다. 상 스위칭 소자는 제 2 단자에 접속되어 있다. 하 스위칭 소자는 상 스위칭 소자와 부극 단자 사이에 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, 상 스위칭 소자와 하 스위칭 소자는, 제 2 단자와 부극 단자 사이에 직렬로 접속되어 있다. 상 스위칭 소자가 제 2 단자의 측에 배치되어 있고, 하 스위칭 소자는 부극 단자의 측에 접속되어 있다. 상 스위칭 소자에는 상 다이오드가 역병렬로 접속되어 있고, 하 스위칭 소자에는 하 다이오드가 역병렬로 접속되어 있다. 설명의 편의상, 상 스위칭 소자와 하 스위칭 소자의 직렬 접속을 스위칭 직렬 접속이라고 칭한다. 서브 리액터의 일단은 메인 리액터의 타단에 접속되어 있고, 서브 리액터의 타단은 스위칭 직렬 접속의 중점에 접속되어 있다.
컨트롤러는, 복수의 서브 회로를 순차적으로 제어한다. 컨트롤러는, 제 1 단자로부터 제 2 단자로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 서브 회로의 하 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 상 스위칭 소자를 온하고 오프하도록 구성되어 있다. 컨트롤러는, 제 2 단자로부터 제 1 단자로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 서브 회로의 상 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 하 스위칭 소자를 온하고 오프하도록 구성되어 있다. 즉, 컨트롤러는, 전류가 흐르는 방향에 따라, 각각의 서브 회로에 포함되는 상 스위칭 소자와 하 스위칭 소자 중, 먼저 온하고 오프하는 스위칭 소자를 변경한다. 그렇게 함으로써, 어느 쪽으로 전류가 흐르는 경우에도 서브 회로의 사이에서 환류 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 그 메커니즘은 실시예에서 설명한다.
상기 양태에 있어서, 서브 리액터는, 도체와 제 1 자성 링 코어와 제 2 자성 링 코어를 포함하고 있어도 된다. 도체는, 스위칭 직렬 접속의 중점과 메인 리액터를 접속하고 있어도 된다. 제 1 자성 링 코어와 제 2 자성 링 코어는, 도체를 둘러싸고 있어도 된다. 제 2 자성 링 코어가 자기 포화에 이르는 제 2 자기 포화 전류값이, 제 1 자성 링 코어가 자기 포화에 이르는 제 1 자기 포화 전류값보다 작아도 된다.
자기 포화 전류값이 상이한 2 개의 자성 링 코어를 구비함으로써, 도체에 큰 전류가 흐르고 있을 때의 인덕턴스를, 균일한 코어를 갖는 리액터의 인덕턴스보다 작게 할 수 있다. 한편, 다이오드의 역회복 전류가 흐를 때의 인덕턴스를, 균일한 코어를 갖는 리액터의 인덕턴스보다 크게 할 수 있다. 즉, 자기 포화 전류값이 상이한 2 개의 코어를 갖는 서브 리액터는, 전력 변환의 주요한 전류가 흐를 때에는 상대적으로 작은 인덕턴스를 갖고, 작은 전류 (다이오드의 역회복 전류나 상기한 환류 전류) 가 흐를 때에는 상대적으로 큰 인덕턴스를 가질 수 있다. 그러한 서브 리액터는, 전력 변환에 큰 영향을 주지 않고, 다이오드의 역회복 전류나 상기한 서브 회로 사이의 환류 전류를 억제할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태는, 전기 자동차에 관련된 것이다. 전기 자동차는, 제 1 양태의 쌍방향 전력 변환기와 ; 상기 제 1 디바이스로서의 배터리와 ; 상기 제 2 디바이스로서의 인버터를 구비한다. 상기 인버터는 교류단이 주행용 모터에 접속되어 있다. 상기 제 1 단자가 상기 배터리의 정극 단자에 접속되어 있고, 상기 제 2 단자가 상기 인버터의 직류 정극 단자에 접속되어 있음과 함께 상기 부극 단자가 상기 배터리의 부극 단자와 상기 인버터의 직류 부극 단자에 접속되어 있다.
본 발명의 제 3 양태는, 전기 자동차에 관련된 것이다. 전기 자동차는, 제 1 양태의 쌍방향 전력 변환기가 장착되어 있는 인버터와 ; 상기 제 2 디바이스로서의 배터리와 ; 상기 제 1 디바이스로서의 주행용 모터를 구비한다. 상기 주행용 모터는 코일을 구비하고 있다. 상기 제 2 단자가 상기 배터리의 정극 단자에 접속되어 있음과 함께 상기 부극 단자가 상기 배터리의 부극 단자에 접속되어 있다. 상기 코일이 상기 메인 리액터를 겸하고 있다. 상기 서브 회로의 상기 상 스위칭 소자가 상기 인버터의 상 아암 스위칭 소자로서 상기 제 2 단자에 접속되어 있음과 함께 상기 하 스위칭 소자가 상기 인버터의 하 아암 스위칭 소자로서 상기 제 2 단자와 상기 부극 단자 사이에 접속되어 있다. 상기 상 스위칭 소자와 상기 하 스위칭 소자의 상기 직렬 접속의 상기 중점과 상기 코일 사이에 상기 서브 리액터가 접속되어 있다.
본 발명의 제 4 양태는, 쌍방향 전력 변환기의 제어 방법에 관련된 것이다. 상기 쌍방향 전력 변환기는, 전력을 입출력하는 것이 가능한 제 1 디바이스의 입출력단에 접속되는 제 1 단자와, 전력을 입출력하는 것이 가능한 제 2 디바이스의 입출력단에 접속되는 제 2 단자와, 상기 제 2 디바이스의 부극에 접속되는 부극 단자와, 일단이 상기 제 1 단자에 접속되어 있는 메인 리액터와, 상기 메인 리액터의 타단과 상기 제 2 단자 사이에 병렬로 접속되어 있는 복수의 서브 회로를 구비한다. 상기 복수의 상기 서브 회로의 각각은, 상기 제 2 단자에 접속되어 있는 상 스위칭 소자와, 상기 상 스위칭 소자와 상기 부극 단자 사이에 접속되어 있는 하 스위칭 소자와, 상기 상 스위칭 소자에 역병렬로 접속되어 있는 상 다이오드와, 상기 하 스위칭 소자에 역병렬로 접속되어 있는 하 다이오드와, 일단이 상기 메인 리액터의 타단에 접속되어 있고, 타단이 상기 상 스위칭 소자와 상기 하 스위칭 소자의 직렬 접속의 중점에 접속되어 있는 서브 리액터를 구비한다. 상기 제어 방법은, 상기 제 1 단자로부터 상기 제 2 단자로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로의 상기 하 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 상기 상 스위칭 소자를 온하고 오프함으로써, 상기 복수의 상기 서브 회로를, 컨트롤러에 의해, 순차적으로 제어하는 것 ; 상기 제 2 단자로부터 상기 제 1 단자로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로의 상기 상 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 상기 하 스위칭 소자를 온하고 오프함으로써, 상기 복수의 상기 서브 회로를, 상기 컨트롤러에 의해, 순차적으로 제어하는 것을 포함한다.
앞서 서술한 바와 같이, 쌍방향 전력 변환기는, 전형적으로는, 전기 자동차에서 사용된다. 본 명세서가 개시하는 쌍방향 전력 변환기는, 배터리와 인버터 사이에서 전압을 변환하는 쌍방향 전압 변환기에 적용되어도 된다. 혹은, 본 명세서가 개시하는 쌍방향 전력 변환기는, 배터리와 주행용 모터 사이에 접속되는 인버터에 적용되어도 된다. 쌍방향 전압 변환기에 대한 적용예, 또, 인버터에 대한 적용예는, 실시예에서 설명한다.
본 명세서가 개시하는 기술의 상세와 추가적인 개량은 이하의 「발명을 실시하기 위한 구체적인 내용」에서 설명한다.
본 발명의 예시적인 실시형태들의 특징들, 장점들, 그리고 기술적 및 산업적 중요성은 첨부되는 도면들을 참조하여 이하에서 설명될 것이고, 동일한 도면 부호들은 동일한 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1 은 제 1 실시예의 쌍방향 전력 변환기를 포함하는 전기 자동차의 회로도이다.
도 2 는 역행일 때의 타이밍 차트이다 (실시예).
도 3a 는 역행일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (실시예).
도 3b 는 역행일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (실시예).
도 4 는 회생일 때의 타이밍 차트이다 (비교예).
도 5a 는 회생일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (비교예).
도 5b 는 회생일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (비교예).
도 6 은 회생일 때의 타이밍 차트이다 (실시예).
도 7a 는 회생일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (실시예).
도 7b 는 회생일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (실시예).
도 8 은 역행일 때의 타이밍 차트이다 (비교예).
도 9a 는 역행일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (비교예).
도 9b 는 역행일 때의 전류의 흐름을 나타내는 회로도이다 (비교예).
도 10 은 쌍방향 전력 변환기를 인버터에 적용했을 때의 전기 자동차의 블록도이다 (제 2 실시예).
도 11 은 전력 변환기의 회로도이다.
도 12 는 서브 리액터의 자성 코어의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13 은 변형예의 전력 변환기의 회로도이다.
도 14 는 일례의 전압 센서의 회로도이다.
제 1 실시예
도면을 참조하여 제 1 실시예의 쌍방향 전력 변환기를 설명한다. 제 1 실시예의 쌍방향 전력 변환기는, 전기 자동차 (1) 에 적용되고 있다. 도 1 에, 제 1 실시예의 쌍방향 전력 변환기를 포함하는 전기 자동차 (1) 의 구동계의 회로도를 나타낸다. 제 1 실시예의 쌍방향 전력 변환기는, 쌍방향 전압 컨버터 (10) 이다. 전기 자동차 (1) 는, 배터리 (90) 의 전력으로 주행용 모터 (80) 를 구동하여, 주행한다. 주행용 모터 (80) 는, 차량의 관성력을 이용하여 발전하는 경우가 있다. 주행용 모터 (80) 가 발전한 전력에 의해 배터리 (90) 가 충전된다.
이하에서는, 설명을 간략화하기 위해, 주행용 모터 (80) 를 단순하게 모터 (80) 라고 칭하고, 쌍방향 전압 컨버터 (10) 를 단순하게 전압 컨버터 (10) 라고 칭한다. 또, 배터리 (90) 로부터 모터 (80) 로 전류가 흐르는 경우를 역행이라고 칭하고, 모터 (80) 로부터 배터리 (90) 로 전류가 흐르는 경우를 회생이라고 칭한다.
배터리 (90) 와 모터 (80) 사이에 전압 컨버터 (10) 와 인버터 (50) 가 접속되어 있다. 전압 컨버터 (10) 의 저압측 정극 단자 (11) 가 배터리 (90) 의 정극 단자 (90a) 에 접속되어 있고, 저압측 부극 단자 (12) 가 배터리 (90) 의 부극 단자 (90b) 에 접속되어 있다. 전압 컨버터 (10) 의 고압측 정극 단자 (13) 가 인버터 (50) 의 직류 정극 단자 (51) 에 접속되어 있고, 고압측 부극 단자 (14) 가 인버터 (50) 의 직류 부극 단자 (52) 에 접속되어 있다. 인버터 (50) 의 교류단이 모터 (80) 에 접속되어 있다.
전압 컨버터 (10) 는, 배터리 (90) 의 출력 전압을 승압하여 인버터 (50) 에 공급하는 기능과, 인버터 (50) 가 출력하는 회생 전력을 강압하여 배터리 (90) 에 공급하는 기능을 가지고 있다. 즉, 전압 컨버터 (10) 는, 저압측 정극 단자 (11) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 를 향하여 전류가 흐르는 경우와, 고압측 정극 단자 (13) 로부터 저압측 정극 단자 (11) 를 향하여 전류가 흐르는 경우가 있다.
인버터 (50) 는, 전압 컨버터 (10) 에 의해 승압된 배터리 (90) 의 전력을 교류로 변환하여 모터 (80) 에 공급하는 기능과, 모터 (80) 가 발생시킨 회생 전력을 직류로 변환하여 전압 컨버터 (10) 에 공급하는 기능을 가지고 있다.
전압 컨버터 (10) 에 대해 설명한다. 전압 컨버터 (10) 는, 메인 리액터 (22) 와, 2 개의 서브 회로 (5, 6) 와, 전류 센서 (23) 와, 컨트롤러 (15) 를 구비하고 있다. 메인 리액터 (22) 의 일단 (22a) 이 저압측 정극 단자 (11) 에 접속되어 있다. 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b) 과 고압측 정극 단자 (13) 사이에 2 개의 서브 회로 (5, 6) 가 병렬로 접속되어 있다. 저압측 부극 단자 (12) 와 고압측 부극 단자 (14) 는 직접적으로 접속되어 있다. 전류 센서 (23) 는, 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b) 에 접속되어 있고, 메인 리액터 (22) 를 흐르는 전류를 계측한다. 전류 센서 (23) 의 계측값에 의해, 전류가 흐르는 방향을 알 수 있다.
저압측 정극 단자 (11) 와 저압측 부극 단자 (12) 사이에 필터 콘덴서 (20) 가 접속되어 있고, 고압측 정극 단자 (13) 와 고압측 부극 단자 (14) 사이에 평활 콘덴서 (21) 가 접속되어 있다.
제 1 서브 회로 (5) 는, 2 개의 스위칭 소자 (상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31)), 2 개의 다이오드 (상 다이오드 (42) 와 하 다이오드 (41)), 및, 서브 리액터 (24) 를 구비하고 있다. 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 는, 고압측 정극 단자 (13) 와 고압측 부극 단자 (14) 사이에 직렬로 접속되어 있다. 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 는, 고압측 정극 단자 (13) 로부터 고압측 부극 단자 (14) 를 향하는 방향이 순방향이 되도록 접속되어 있다. 상 스위칭 소자 (32) 가 고압측 정극 단자 (13) 에 가까운 측에 위치하고 있고, 하 스위칭 소자 (31) 가 고압측 부극 단자 (14) 에 가까운 측에 위치하고 있다. 바꾸어 말하면, 상 스위칭 소자 (32) 는 고압측 정극 단자 (13) 에 접속되어 있고, 하 스위칭 소자 (31) 는, 상 스위칭 소자 (32) 와 고압측 부극 단자 (14) 사이에 접속되어 있다.
상 다이오드 (42) 는, 상 스위칭 소자 (32) 에 역병렬로 접속되어 있고, 하 다이오드 (41) 는 하 스위칭 소자 (31) 에 역병렬로 접속되어 있다. 바꾸어 말하면, 상 다이오드 (42) 와 하 다이오드 (41) 는, 고압측 부극 단자 (14) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 를 향하는 방향이 순방향이 되도록 접속되어 있다.
상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 는 모두 n 채널형의 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 이다. 상 스위칭 소자 (32) 의 드레인이 고압측 정극 단자 (13) 에 접속되어 있다. 상 스위칭 소자 (32) 의 소스가 하 스위칭 소자 (31) 의 드레인에 접속되어 있다. 하 스위칭 소자 (31) 의 소스가 고압측 부극 단자 (14) 에 접속되어 있다. 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 는, 다른 타입의 파워 소자 (예를 들어, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)) 여도 된다.
부호 36 은, 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 의 직렬 접속의 중점 (제 1 중점 (36)) 을 나타내고 있다. 서브 리액터 (24) 는, 일단이 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b) 에 접속되어 있고, 타단이 제 1 중점 (36) 에 접속되어 있다. 서브 리액터 (24) 는, 메인 리액터 (22) 의 인덕턴스보다 작은 인덕턴스를 가지고 있다. 메인 리액터 (22) 는, 전기 에너지를 저장하고, 전자 유도 효과에 의해 전류를 밀어내는 역할을 갖고 있기 때문에, 큰 인덕턴스가 필요하게 된다. 이에 대해 서브 리액터 (24) 는, 상 다이오드 (42), 하 다이오드 (41) 의 역회복 전류에 의한 손실을 억제하는 것이 목적이며, 소전류가 흐를 때에 전류 변화율을 억제하는 역할을 가지고 있다. 그러므로, 서브 리액터 (24) 는, 소전류일 때에 인덕턴스가 변화되면 되고, 메인 리액터 (22) 에 비해 작은 인덕턴스를 가지고 있으면 된다. 단, 서브 리액터 (24) 도, 전자 유도 효과에 의해 유도 기전력을 발한다.
제 2 서브 회로 (6) 는 제 1 서브 회로 (5) 와 동일한 구조를 가지고 있다. 제 2 서브 회로 (6) 는, 2 개의 스위칭 소자 (상 스위칭 소자 (34) 와 하 스위칭 소자 (33)) 와, 2 개의 다이오드 (상 다이오드 (44) 와 하 다이오드 (43)) 와 서브 리액터 (26) 를 구비하고 있다. 상 스위칭 소자 (34), 하 스위칭 소자 (33), 상 다이오드 (44), 하 다이오드 (43), 서브 리액터 (26) 는, 각각, 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32), 하 스위칭 소자 (31), 상 다이오드 (42), 하 다이오드 (41), 서브 리액터 (24) 의 각각에 대응한다.
도 1 의 부호 37 은, 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34) 와 하 스위칭 소자 (33) 의 직렬 접속의 중점 (제 2 중점 (37)) 을 나타내고 있다. 또, 부호 38 은, 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b) 으로부터 제 1 서브 회로 (5) 와 제 2 서브 회로 (6) 로의 분기점 (분기점 (38)) 을 나타내고 있다. 제 1 서브 회로 (5) 의 제 1 중점 (36), 제 2 서브 회로 (6) 의 제 2 중점 (37), 분기점 (38) 은, 도 2 이후의 설명에 의해 참조된다.
도 1 의 부호 3 이 나타내는 파선은, 반도체 모듈을 의미하고 있다. 즉, 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32), 하 스위칭 소자 (31), 상 다이오드 (42), 하 다이오드 (41) 는, 하나의 패키지 (반도체 모듈 (3)) 에 수용되어 있다. 동일하게, 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34), 하 스위칭 소자 (33), 상 다이오드 (44), 하 다이오드 (43) 는, 하나의 패키지 (반도체 모듈 (4)) 에 수용되어 있다. 반도체 모듈 (3, 4) 에 대해서는 후술한다.
제 1 서브 회로 (5) 와 메인 리액터 (22) 로 쌍방향 전압 컨버터가 구축된다. 제 2 서브 회로 (6) 는, 제 1 서브 회로 (5) 와 병렬로 접속되어 있다. 제 2 서브 회로 (6) 와 메인 리액터 (22) 의 조합도, 쌍방향 전압 컨버터를 구성한다. 따라서, 전압 컨버터 (10) 는, 메인 리액터 (22) 를 공통으로 갖는 2 개의 쌍방향 전압 컨버터 (서브 회로 (5, 6)) 의 병렬 회로이다. 2 개의 쌍방향 전압 컨버터 (서브 회로 (5, 6)) 를 병렬로 접속함으로써, 각각의 스위칭 소자의 부하를 경감시킬 수 있다. 2 개의 쌍방향 전압 컨버터 (서브 회로 (5, 6)) 의 병렬 회로는, 마치 하나의 쌍방향 전압 컨버터로서 기능한다. 그 결과, 전압 컨버터 (10) 는, 스위칭 소자의 1 개당 부하를 억제하면서, 컨버터 전체의 허용 전력을 증대시킬 수 있다.
제 1 서브 회로 (5) 의 스위칭 소자 (31, 32) 와, 제 2 서브 회로 (6) 의 스위칭 소자 (33, 34) 는, 컨트롤러 (15) 에 의해 제어된다. 컨트롤러 (15) 는, 제 1 서브 회로 (5) 의 스위칭 소자 (31, 32) 를 제어한 후, 제 2 서브 회로 (6) 의 스위칭 소자 (33, 34) 를 제어한다. 그 후, 컨트롤러 (15) 는, 다시 제 1 서브 회로 (5) 의 스위칭 소자 (31, 32) 를 제어한다. 바꾸어 말하면, 컨트롤러 (15) 는, 복수의 서브 회로 (5, 6) 를 순차적으로 제어한다.
컨트롤러 (15) 는, 도시 생략된 상위 컨트롤러로부터 저압측 정극 단자 (11) 와 고압측 정극 단자 (13) 사이의 목표 전압비를 수신하고, 그 목표 전압비가 실현되도록, 스위칭 소자 (31-34) 의 듀티비를 결정한다. 또한, 상 스위칭 소자 (32) 의 듀티비는 상 스위칭 소자 (34) 의 듀티비와 동일하고, 하 스위칭 소자 (31) 의 듀티비는 하 스위칭 소자 (33) 의 듀티비와 동일하다.
하 스위칭 소자 (31, 33) 와 상 다이오드 (42, 44) 가 승압 동작에 관여하고, 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 하 다이오드 (41, 43) 가 강압 동작에 관여한다.
전기 자동차 (1) 에서는, 드라이버의 페달 워크에 의해, 역행과 회생이 빈번히 교체된다. 즉, 전압 컨버터 (10) 에서는, 저압측 정극 단자 (11) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 로 전류가 흐르는 경우 (역행) 와, 고압측 정극 단자 (13) 로부터 저압측 정극 단자 (11) 로 전류가 흐르는 경우 (회생) 가 빈번히 교체된다. 전압 컨버터 (10) 에서는, 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 하 스위칭 소자 (31, 33) 를 교대로 온 오프함으로써, 저압측과 고압측의 전압의 밸런스에 따라 승압과 강압이 수동적으로 전환된다. 즉, 고압측의 전압이 목표 전압보다 높아지면 고압측 정극 단자 (13) 로부터 저압측 정극 단자 (11) 로 전류가 흐르고, 고압측의 전압이 목표 전압보다 낮아지면 저압측 정극 단자 (11) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 로 전류가 흐른다. 다음으로, 역행과 회생의 각각의 경우에서 스위칭 소자의 온 오프 타이밍과 전류의 흐름에 대해 설명한다.
도 2, 도 6 에, 스위칭 소자의 동작과 전압 컨버터 (10) 에 흐르는 전류의 타임 차트를 나타낸다. 도 2 는, 역행일 때의 타임 차트이고, 도 6 은 회생일 때의 타임 차트이다. 후술하지만, 도 4, 도 8 에는, 비교예인 경우의 타임 차트를 나타내고 있다.
도 2 에 있어서, 기호 Sn1 은 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) 를 의미하고 있고, Sp1 은 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32) 를 의미하고 있다. 기호 Sn2 는 제 2 서브 회로 (6) 의 하 스위칭 소자 (33) 를 의미하고 있고, Sp2 는 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34) 를 의미하고 있다. 기호 Isn1 은, 제 1 중점 (36) 과 저압측 부극 단자 (12) 사이를 흐르는 전류를 의미하고 있다. 바꾸어 말하면, Isn1 은, 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) 및/또는 하 다이오드 (41) 를 흐르는 전류를 의미하고 있다. 기호 Isp1 은, 제 1 중점 (36) 과 고압측 정극 단자 (13) 사이를 흐르는 전류를 의미하고 있다. 바꾸어 말하면, Isp1 은, 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32) 및/또는 상 다이오드 (42) 를 흐르는 전류를 의미하고 있다. 기호 Isn2 는, 제 2 중점 (37) 과 저압측 부극 단자 (12) 사이를 흐르는 전류를 의미하고 있고, 기호 Isp2 는, 제 2 중점 (37) 과 고압측 정극 단자 (13) 사이를 흐르는 전류를 의미하고 있다. 또, 전류 (Isn1, Isp1, Isn2, Isp2) 의 그래프는, 스위칭 소자의 순방향 (즉 컬렉터로부터 이미터를 향하는 방향) 으로 흐르는 전류를 정 (正) 으로 취하고 있다. 설명의 형편상, 전류 (Isn1, Isp1) 를 각각, 제 1 하 전류 (Isn1), 제 1 상 전류 (Isp1) 라고 칭하고, 전류 (Isn2, Isp2) 를 각각, 제 2 하 전류 (Isn2), 제 2 상 전류 (Isp2) 라고 칭한다.
컨트롤러 (15) 는, 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 온하고 오프한 후에 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 온하고 오프한다. 컨트롤러 (15) 는, 제 1 서브 회로 (5) 의 스위칭 소자를 제어한 후, 제 2 서브 회로 (6) 의 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 를 온하고 오프하고, 그 후, 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 를 온하고 오프한다. 하나의 스위칭 소자의 온 오프와 다른 스위칭 소자의 온 오프 사이에는, 약간의 인터벌이 형성되어 있다.
보다 구체적으로, 도 2 의 타임 차트를 따라 스위칭 소자의 동작과 전류의 흐름을 설명한다. 컨트롤러 (15) 는, 시각 T1 에 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 온하고, 시각 T2 에 오프한다. 시각 T1 에서 T2 사이에, 다른 스위칭 소자는 오프로 유지되어 있다. 역행인 경우, 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 온하면, 메인 리액터 (22) 로부터 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 로 전류 (제 1 하 전류 (Isn1)) 가 흐른다. 이 때의 전류의 흐름을, 도 3a 에 나타낸다. 도 3a 에서는, 하 스위칭 소자 (31) 의 근방에 「ON」이라고 부여되어 있다. 도 3a 에서는, 「ON」이라고 부여되어 있지 않은 스위칭 소자는 오프로 유지되어 있다. 이후의 도 5a 및 도 5b, 도 7a 및 도 7b, 도 9a 및 도 9b 에 있어서도, 근방에 「ON」이라고 부여되어 있지 않은 스위칭 소자는 오프로 유지되어 있다.
도 3a 의 굵은 화살표선이 제 1 하 전류 (Isn1) 의 흐름을 나타내고 있다. 제 1 하 전류 (Isn1) 는, 메인 리액터 (22), 서브 리액터 (24), 제 1 중점 (36), 하 스위칭 소자 (31) 를 통과하고, 나아가 저압측 부극 단자 (12) 를 통과하여 배터리 (90) 의 부극 단자 (90b) 로 되돌아온다. 이 때, 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 에는 자기 (磁氣) 에너지가 축적된다.
도 2 의 시각 T2 에서 시각 T3 까지의 사이가 인터벌이고, 이 인터벌 사이에는 모든 스위칭 소자가 오프로 유지된다. 그러나, 시각 T2 에 하 스위칭 소자 (31) 가 오프되었을 때, 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 는 자기 에너지를 방출하고 (즉 유도 기전력을 발생시키고), 동일한 방향으로 전류를 계속 흘린다. 제 1 중점 (36) 으로부터 하 스위칭 소자 (31) 로 흐르고 있던 전류 (제 1 하 전류 (Isn1)) 가 시각 T2 에 차단된다. 그 후, 전류는 제 1 중점 (36) 으로부터 상 다이오드 (42) 를 통해서 고압측 정극 단자 (13) 를 향하여 흐른다. 즉, 시각 T2 에 제 1 하 전류 (Isn1) 가 제로가 되고, 시각 T2 이후에는, 제 1 상 전류 (Isp1) 가 발생한다. 제 1 상 전류 (Isp1) 는, 저압측 정극 단자 (11) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 를 향하여 흐른다.
시각 T3 에 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 가 온된다. 원래, 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 의 유도 기전력에 의한 전류는, 상 다이오드 (42) 를 통해서 흐르고 있었다 (제 1 상 전류 (Isp1)). 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 가 온되면, 제 1 상 전류 (Isp1) 의 일부가 상 다이오드 (42) 로부터 상 스위칭 소자 (32) 로 옮겨가지만, 제 1 중점 (36) 으로부터 고압측 정극 단자 (13) 로 흐르는 전류의 총량은 바뀌지 않는다. 이 때의 전류 (제 1 상 전류 (Isp1)) 의 흐름을 도 3b 에 나타낸다. 제 1 상 전류 (Isp1) 는, 메인 리액터 (22), 서브 리액터 (24), 제 1 중점 (36), 및, 상 다이오드 (42) (또는 상 스위칭 소자 (32)) 를 통해서, 저압측 정극 단자 (11) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 로 흐른다. 또한, 메인 리액터 (22) 의 유도 기전력에 의한 전류의 일부는, 서브 리액터 (26), 제 2 중점 (37), 상 다이오드 (44) 를 통해서 고압측 정극 단자 (13) 로 흐를 수 있지만, 고압측 정극 단자 (13) 로 흐르는 전류의 총량은 바뀌지 않는다. 도 3a, 도 3b 에서는, 제 2 중점 (37) 을 경유하는 전류의 도시는 생략하였다.
시각 T4 에 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 가 오프된다. 시각 T5 에 제 2 서브 회로 (6) 의 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 가 온된다. 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 가 온되면, 제 2 하 전류 (Isn2) 가 흐르기 시작함과 함께, 제 1 상 전류 (Isp1) 가 감소한다. 제 1 상 전류 (Isp1) 가 제로가 될 때, 상 다이오드 (42) 에는 캐소드로부터 애노드를 향하여 역회복 전류가 흐르지만, 서브 리액터 (24, 26) 의 인덕턴스에 의해, 상 다이오드 (42) 로부터 제 1 중점 (36), 분기점 (38), 제 2 중점 (37) 을 통해서 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 로 흘러드는 전류 (환류 전류) 가 억제된다. 이 환류 전류의 억제가, 서브 리액터 (24, 26) 의 효과이다.
제 2 하 전류 (Isn2) 는, 메인 리액터 (22), 서브 리액터 (26), 제 2 중점 (37), 하 스위칭 소자 (33) 를 통과하여 저압측 부극 단자 (12) 로 흐른다. 이 때, 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (26) 에 자기 에너지가 축적된다. 컨트롤러 (15) 는, 시각 T6 에 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 를 오프한다. 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 가 오프되면, 제 2 하 전류 (Isn2) 가 차단된다. 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (26) 의 자기 에너지에 의해 유도 기전력이 발생하고, 메인 리액터 (22) 의 일단 (22a) 으로부터 타단 (22b) 을 향하여 전류가 계속 흐른다. 제 2 중점 (37) 으로부터 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 로 흐르고 있던 전류 (제 2 하 전류 (Isn2)) 가 차단되고, 제 2 중점 (37) 으로부터 상 다이오드 (44) 를 통해서 고압측 정극 단자 (13) 로 흐른다. 이 전류가 제 2 상 전류 (Isp2) 에 상당한다.
계속해서 시각 T7 에 컨트롤러 (15) 는 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 를 온한다. 시각 T7 이후, 상 다이오드 (44) 를 흐르고 있던 전류의 일부가 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 로 옮겨가지만, 제 2 중점 (37) 으로부터 고압측 정극 단자 (13) 로 흐르는 전류의 총량은 바뀌지 않는다. 또, 메인 리액터 (22) 의 유도 기전력에 의한 전류의 일부는, 서브 리액터 (24), 제 1 중점 (36), 상 다이오드 (42) 를 통해서 고압측 정극 단자 (13) 로 흐를 수 있지만, 고압측 정극 단자 (13) 로 흐르는 전류의 총량은 바뀌지 않는다.
다음으로, 시각 T8 에 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 가 오프되고, 이어서 시각 T9 에 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 가 온됨으로써, 제 2 상 전류 (Isp2) 가 감소한다. 제 2 상 전류 (Isp2) 가 제로가 될 때, 상 다이오드 (44) 에 역회복 전류가 흐른다. 서브 리액터 (24, 26) 의 인덕턴스가, 상 다이오드 (44) 의 역회복 전류가 제 1 서브 회로 (5) 로 흐르는 것을 방지한다. 이것이, 서브 리액터 (24, 26) 의 효과이다.
도 2 의 경우, 컨트롤러 (15) 는, 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 온하고 오프한 후에 동일한 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 온하고 오프한다. 다음으로 컨트롤러 (15) 는, 제 2 서브 회로 (6) 의 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 를 온하고 오프하고, 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 를 온하고 오프한다. 이 순서로 스위칭 소자의 온 오프가 계속 반복되고 있는 동안에, 역행에서 회생으로 변화된 경우의 타임 차트를 도 4 에 나타낸다. 즉, 도 4 의 타임 차트에서는, 전류는 고압측 정극 단자 (13) 로부터 저압측 정극 단자 (11) 로 흐른다. 도 4 에 있어서의 스위칭 소자의 온 오프의 타이밍 (그래프 Sn1, Sp1, Sn2, Sp2) 은, 도 2 의 경우와 동일하다. 도 4 와 도 5a, 도 5b 는, 참고도 (비교예) 이며, 전압 컨버터 (10) 의 동작을 나타내는 도면이 아닌 것에 유의하길 바란다.
여기서는, 시각 T3 에서부터 설명을 개시한다. 컨트롤러 (15) 는, 시각 T3 에 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 온한다. 이 때의 전류의 흐름을 도 5a 에 나타낸다. 굵은 화살표선이 제 1 상 전류 (Isp1) 를 나타내고 있다. 제 1 상 전류 (Isp1) 는, 고압측 정극 단자 (13) 로부터 저압측 정극 단자 (11) 를 향하여 흐른다. 제 1 상 전류 (Isp1) 는, 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 와 제 1 중점 (36) 을 통과하여, 서브 리액터 (24) 와 메인 리액터 (22) 로 흐른다. 이 때 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 에 자기 에너지가 축적된다.
컨트롤러 (15) 는, 시각 T4 에 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 오프한다. 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 통해서 고압측 정극 단자 (13) 로부터 서브 리액터 (24) 와 메인 리액터 (22) 로 흐르고 있던 전류 (제 1 상 전류 (Isp1)) 는 차단된다. 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 는 자기 에너지를 방출하고, 유도 기전력이 발생한다. 유도 기전력은, 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b) 으로부터 일단 (22a) 을 향하는 방향으로 전류를 흘린다. 그러므로, 하 다이오드 (41) 와 제 1 중점 (36) 과 서브 리액터 (24) 를 통해서, 저압측 부극 단자 (12) 로부터 제 1 하 전류 (Isn1) 가 흐른다. 제 1 하 전류 (Isn1) 는, 메인 리액터 (22) 를 통해서 저압측 정극 단자 (11) 로 흐른다.
제 1 하 전류 (Isn1) 가 흐르고 있는 동안, 컨트롤러 (15) 는 시각 T5 에 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 를 온한다. 그러면, 제 2 중점 (37) 은, 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 를 개재하여 저압측 부극 단자 (12) 와 도통한다. 그러므로, 제 2 중점 (37) 의 전위는 저압측 부극 단자 (12) 와 동(同) 전위가 된다. 한편, 분기점 (38) 의 전위는, 서브 리액터 (24) 의 유도 기전력에 의해 저압측 부극 단자 (12) 의 전위보다 밀어 올려진다. 그러므로, 제 1 하 전류 (Isn1) 의 일부는, 분기점 (38) 으로부터 서브 리액터 (26), 제 2 중점 (37), 하 스위칭 소자 (33) 를 통과하여, 저압측 부극 단자 (12) 로 환류된다. 도 5b 에, 이 때의 전류의 흐름을 나타낸다. 굵은 실선의 화살표선이 제 1 하 전류 (Isn1) 를 나타내고 있다. 분기점 (38) 으로부터 제 2 중점 (37) 을 향하는 굵은 파선의 화살표선이 환류 전류 (제 2 하 전류 (Isn2)) 를 나타내고 있다. 또, 도 4 의 화살표 A1 의 지점이, 환류 전류를 나타내고 있다. 환류 전류의 분만큼 저압측 정극 단자 (11) 로 흐르는 전류가 적어진다. 환류 전류는 손실의 한 요인이 된다. 도 4 의 화살표 B1 은, 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 가 온되고 오프된 후에 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 가 온되었을 때의 환류 전류를 나타내고 있다.
또한, 컨트롤러 (15) 는, 시각 T6 에 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 를 오프한다. 시각 T6 까지 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 를 통해서 흐르고 있던 환류 전류 (제 2 하 전류 (Isn2)) 는 차단된다. 제 2 하 전류 (Isn2) 가 차단되면, 서브 리액터 (26) 에 유도 기전력이 발생하고, 서브 리액터 (26) 는, 시각 T6 이후에도 분기점 (38) 으로부터 제 2 중점 (37) 을 향하여 전류를 흘리려고 한다. 이 전류는, 상 다이오드 (44) 를 통해서 흐른다. 즉, 시각 T6 이후, 환류 전류로서, 제 2 상 전류 (Isp2) 가 흐른다. 도 4 의 화살표 A2 의 지점이, 환류 전류 (제 2 상 전류 (Isp2)) 를 나타내고 있다. 도 4 의 화살표 B2 는, 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 가 온되고 오프된 직후에 상 다이오드 (42) 를 통해서 흐르는 환류 전류를 나타내고 있다.
상기한 환류 전류를 억제하기 위해, 실시예의 전압 컨버터 (10) 에서는, 회생인 경우, 즉, 전류가 고압측 정극 단자 (13) 로부터 저압측 정극 단자 (11) 로 흐르는 경우에는, 스위칭 소자의 구동 순서를 변경한다. 도 6 에, 회생일 때의 스위칭 소자 (31-34) 의 동작의 타임 차트를 나타낸다. 컨트롤러 (15) 는, 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 온하고 오프한 후에 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 온하고 오프한다. 그 후, 컨트롤러 (15) 는, 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 를 온하고 오프한다. 컨트롤러 (15) 는, 복수의 서브 회로 (5, 6) 를 순차적으로 제어하지만, 각 서브 회로에 있어서, 하 스위칭 소자보다 먼저 상 스위칭 소자를 온하고 오프한다.
도 6 에 나타내는 바와 같이, 컨트롤러 (15) 는, 시각 T1 에 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 온한다. 회생인 경우, 고압측 정극 단자 (13) 로부터 상 스위칭 소자 (32) (Sp1), 제 1 중점 (36), 서브 리액터 (24), 메인 리액터 (22) 를 통과하여, 저압측 정극 단자 (11) 로 전류가 흐른다 (제 1 상 전류 (Isp1)). 이 때의 전류의 흐름을 도 7a 에 나타낸다. 도 7a 는, 도 5a 와 동일하다.
컨트롤러 (15) 는, 시각 T22 에 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 를 오프한다. 고압측 정극 단자 (13) 로부터의 전류는 차단되지만, 앞서 서술한 바와 같이, 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 가 유도 기전력을 발생시키고, 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 에는 전류가 계속 흐른다. 이 전류는, 하 다이오드 (41) 를 통해서 저압측 부극 단자 (12) 로부터 공급된다 (Isn1).
계속해서 컨트롤러 (15) 는, 시각 T23 에 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 온한다. 이 때의 전류의 흐름을 도 7b 에 나타낸다. 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 가 온되면, 하 다이오드 (41) 를 흐르고 있던 전류의 일부가 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 로 옮겨간다. 그러나, 저압측 부극 단자 (12) 로부터 제 1 중점 (36) 으로 흐르는 전류의 총량 (즉, 제 1 하 전류 (Isn1)) 은 바뀌지 않는다. 또, 도 4, 도 5a, 도 5b 의 경우와 달리, 하 스위칭 소자 (33) 는 오프로 유지되어 있다. 따라서, 도 4, 도 5a, 도 5b 에서 설명한 환류 전류가 흐르지 않는다. 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 가 온되고 오프된 후에 제 2 서브 회로 (6) 의 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 가 온되고 오프된 경우도 마찬가지이며, 환류 전류는 흐르지 않는다.
다음으로 참고예로서, 역행일 때에 도 6 의 타이밍 차트와 동일한 타이밍에 스위칭 소자 (31-34) 를 온하고 오프했을 때의 전류의 흐름을 설명한다. 도 8 에 타이밍 차트를 나타낸다. 스위칭 소자 (31-34) (Sn1, Sp1, Sn2, Sp2) 의 타이밍 차트는, 도 6 과 동일하다.
여기서는, 시각 T23 에서부터 설명을 시작한다. 컨트롤러 (15) 는, 시각 T23 에, 제 1 서브 회로 (5) 의 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 온한다. 역행이기 때문에, 전류는 저압측 정극 단자 (11) 로부터 메인 리액터 (22), 서브 리액터 (24), 제 1 중점 (36), 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 통과하여, 저압측 부극 단자 (12) 로 전류가 흐른다 (Isn1). 이 때의 전류의 흐름을 도 9a 에 나타낸다. 도 9a 는, 도 3a 와 동일한 도면이다.
컨트롤러 (15) 는, 시각 T24 에 하 스위칭 소자 (31) (Sn1) 를 오프한다. 메인 리액터 (22) 와 서브 리액터 (24) 의 유도 기전력에 의해, 제 1 서브 회로 (5) 의 상 다이오드 (42) 를 통해서 저압측 정극 단자 (11) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 로 전류가 흐른다 (Isp1). 컨트롤러 (15) 는, 시각 T25 에 제 2 서브 회로 (6) 의 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 를 온한다. 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 의 컬렉터측은, 분기점 (38) 과 도통하여, 분기점 (38) 과 동 전위가 된다. 한편 서브 리액터 (24) 의 유도 기전력에 의해, 제 1 중점 (36) 의 전위는 분기점 (38) 의 전위보다 밀어 올려진다. 그 결과, 제 1 상 전류 (Isp1) 의 일부가 상 스위칭 소자 (34) (Sp2), 제 2 중점 (37), 서브 리액터 (26) 를 통과하여, 분기점 (38) 으로 환류된다. 이 때의 전류의 흐름을 도 9b 에 나타낸다. 굵은 실선의 화살표선이 제 1 상 전류 (Isp1) 를 나타내고 있다. 제 1 상 전류 (Isp1) 를 나타내는 실선으로부터 분기되고, 상 스위칭 소자 (34) 를 통과하여 분기점 (38) 을 향하는 굵은 파선의 화살표선이 환류 전류 (제 2 상 전류 (Isp2)) 를 나타내고 있다. 또, 도 8 의 화살표 A3 의 지점이, 환류 전류를 나타내고 있다. 환류 전류의 분만큼 고압측 정극 단자 (13) 로 흐르는 전류가 적어진다. 환류 전류는 손실의 한 요인이 된다. 도 8 의 화살표 B3 은, 제 2 서브 회로 (6) 의 하 스위칭 소자 (33) (Sn2) 가 온되고 오프된 후에 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 가 온되었을 때의 환류 전류를 나타내고 있다.
또한, 컨트롤러 (15) 는, 시각 T26 에 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 를 오프한다. 시각 T26 까지 상 스위칭 소자 (34) (Sp2) 를 통해서 흐르고 있던 환류 전류 (제 2 상 전류 (Isp2)) 는 차단된다. 제 2 상 전류 (Isp2) 가 차단되면, 서브 리액터 (26) 에 유도 기전력이 발생하고, 서브 리액터 (26) 는, 시각 T26 이후에도 제 2 중점 (37) 으로부터 분기점 (38) 을 향하여 전류를 흘리려고 한다. 이 전류는, 하 다이오드 (43) 를 통해서 흐른다. 즉, 시각 T26 이후, 환류 전류로서, 제 2 하 전류 (Isn2) 가 흐른다. 도 8 의 화살표 A4 의 지점이, 환류 전류 (제 2 하 전류 (Isn2)) 를 나타내고 있다. 도 8 의 화살표 B4 는, 제 1 서브 회로 (5) 의 상 스위칭 소자 (32) (Sp1) 가 온되고 오프된 직후에 하 다이오드 (41) 를 통해서 흐르는 환류 전류를 나타내고 있다.
도 2, 도 3a, 도 3b 를 참조하여 설명한 바와 같이, 컨트롤러 (15) 는, 역행일 때에는 회생일 때와는 달리, 하 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 동일한 서브 회로의 상 스위칭 소자를 온하고 오프한다. 컨트롤러 (15) 는, 다음으로 다른 서브 회로의 상 스위칭 소자를 온하고 오프한다. 그러한 순서로 스위칭 소자를 구동함으로써, 도 2, 도 3a, 도 3b 에서 나타낸 바와 같이, 환류 전류가 억제된다. 컨트롤러 (15) 는, 메인 리액터 (22) 를 흐르는 전류를 계측하는 전류 센서 (23) 에 의해, 전류의 방향 (즉, 역행 또는 회생) 을 특정하고, 전류의 흐름에 따라 스위칭 소자의 구동 순서를 변경한다. 스위칭 소자의 구동 순서를 변경함으로써, 어느 쪽의 방향으로 전류가 흘러도, 환류 전류를 억제할 수 있다.
제 2 실시예
본 명세서가 개시하는 쌍방향 전력 변환기는, 전기 자동차의 인버터에 적용할 수도 있다. 인버터는, 배터리의 직류 전력을, 주행용 모터의 구동 전력 (교류) 으로 변경하는 디바이스이다. 도 10 에, 실시예의 쌍방향 전력 변환기가 장착된 인버터 (150) 를 포함하는 전기 자동차 (101) 의 블록도를 나타낸다.
전기 자동차 (101) 는, 배터리 (90) 와, 인버터 (150) 와, 주행용 모터 (80) 를 구비하고 있다. 전기 자동차 (101) 는, 드라이버의 페달 워크에 따라 역행과 회생이 빈번히 교체된다.
인버터 (150) 는, 3 개의 전력 변환기 (110a, 110b, 110c) 를 구비하고 있다. 전력 변환기 (110a, 110b, 110c) 는, 배터리 (90) 와 모터 (80) 사이에 접속되어 있다. 모터 (80) 는, 3 상 교류 모터이다. 전력 변환기 (110a, 110b, 110c) 의 각각은, 배터리 (90) 의 직류 전력을 교류로 변환하여 모터 (80) 에 공급하는 기능과, 모터 (80) 가 발전시킨 회생 전력 (교류) 을 직류로 변환하여 배터리 (90) 에 공급하는 기능을 가지고 있다. 즉, 전력 변환기 (110a, 110b, 110c) 는, 쌍방향 전력 변환기이다. 전력 변환기 (110a, 110b, 110c) 는, 인버터 (150) 가 구비하는 컨트롤러 (115) 에 의해 제어된다.
전력 변환기 (110a) 의 직류 정극 단자 (113a) 는 배터리 (90) 의 정극 단자 (90a) 에 접속되어 있고, 직류 부극 단자 (114a) 는, 배터리 (90) 의 부극 단자 (90b) 에 접속되어 있다. 전력 변환기 (110a) 의 교류 단자 (111a) 는, 모터 (80) 의 스테이터 코일 (122a) 에 접속되어 있다. 모터 (80) 는, 3 개의 스테이터 코일 (122a, 122b, 122c) 을 구비하고 있고, 그들 코일은 스타 결선 (Y 결선) 되어 있다. 전력 변환기 (110a) 의 교류 출력선에는, 전류 센서 (123a) 가 구비되어 있다. 전류 센서 (123a) 는, 스테이터 코일 (122a) 을 흐르는 전류를 계측한다. 전류 센서 (123a) 의 계측값에 의해, 컨트롤러 (115) 는, 전류가 흐르는 방향을 알 수 있다. 전력 변환기 (110b, 110c) 는, 전력 변환기 (110a) 와 동일한 구조이기 때문에 설명은 생략한다.
컨트롤러 (115) 는, 상위 컨트롤러로부터의 지령에 기초하여, 3 개의 전력 변환기 (110a-110c) 를 제어하고, 각각의 전력 변환기로부터 소정의 주파수의 교류를 출력시킨다. 또한, 모터 (80) 가 출력축측으로부터 역구동되어, 상기 컨트롤러로부터 지령된 주파수보다 높은 주파수로 회전하면, 모터 (80) 는 발전하고, 모터 (80) 로부터 전력 변환기 (110a-110c) 로 전류가 흐르게 된다.
도 11 에, 전력 변환기 (110a) 의 회로도를 나타낸다. 전력 변환기 (110a) 는, 직류 정극 단자 (113a) 와 복수의 서브 회로 (5, 6) 를 구비하고 있다. 또한, 모터 (80) 의 스테이터 코일 (122a) 은, 모터 (80) 의 부품이지만, 서브 회로 (5, 6) 와 함께, 전력 변환기 (110a) 의 부품으로서도 기능한다. 모터 (80) 의 스테이터 코일 (122b, 122c) 에 접속되어 있는 전력 변환기 (110b, 110c) 에 대해서는, 도 11 에서는 도시를 생략하였다.
복수의 서브 회로 (5, 6) 는, 직류 정극 단자 (113a) 와 스테이터 코일 (122a) 사이에서 병렬로 접속되어 있다. 제 1 서브 회로 (5) 는, 하 스위칭 소자 (31), 상 스위칭 소자 (32), 하 다이오드 (41), 상 다이오드 (42), 서브 리액터 (24) 를 구비하고 있다. 제 2 서브 회로 (6) 는, 하 스위칭 소자 (33), 상 스위칭 소자 (34), 하 다이오드 (43), 상 다이오드 (44), 서브 리액터 (26) 를 구비하고 있다.
인버터의 구조는 잘 알려져 있으며, 상 스위칭 소자 (32, 34) 는, 이른바 상 아암 스위칭 소자에 대응하고, 하 스위칭 소자 (31, 33) 는, 이른바 하 아암 스위칭 소자에 대응한다.
도 11 과 도 1 및 도 3a, 도 3b 를 대비하면 분명한 바와 같이, 전력 변환기 (110a) 는, 제 1 실시예의 전압 컨버터 (10) 와 동일한 구조를 가지고 있다. 따라서, 인버터 (150) 의 컨트롤러 (115) 가, 전압 컨버터 (10) 의 컨트롤러 (15) 와 마찬가지로, 전류의 방향에 따라 스위칭 소자 (31-34) 의 구동 순서를 변경함으로써 환류 전류가 억제된다.
구체적으로는, 컨트롤러 (115) 는, 도시 생략된 상위 컨트롤러로부터의 지령에 기초하여, 소정의 듀티비의 PWM 신호를 생성한다. 컨트롤러 (115) 는, 상 스위칭 소자가 온일 때, 하 스위칭 소자가 오프가 되고, 하 스위칭 소자가 온일 때에는 상 스위칭 소자가 오프가 되는 2 종류의 PWM 신호 (상 스위칭 소자용 PWM 신호와 하 스위칭 소자용 PWM 신호) 를 생성한다. 2 종류의 PWM 신호를 제 1 서브 회로 (5) 와 제 2 서브 회로 (6) 로 교대로 송신한다. 컨트롤러 (115) 는, 직류 정극 단자 (113a) 로부터 교류 단자 (111a) 를 향하여 전류가 흐르고 있을 때에는, 서브 회로의 하 스위칭 소자를 온하고 오프하고 나서 상 스위칭 소자를 온하고 오프하는 PWM 신호를 복수의 서브 회로 (5, 6) 에 대해 순차적으로 공급한다. 또, 컨트롤러 (115) 는, 교류 단자 (111a) 로부터 직류 정극 단자 (113a) 를 향하여 전류가 흐르고 있을 때에는, 서브 회로의 상 스위칭 소자를 온하고 오프하고 나서 하 스위칭 소자를 온하고 오프하는 PWM 신호를 복수의 서브 회로 (5, 6) 에 대해 순차적으로 공급한다. 전력 변환기 (110a) 의 스위칭 소자 (31-34) 를 그와 같이 구동함으로써, 제 1 실시예의 전압 컨버터 (10) 와 마찬가지로, 서브 회로 (5, 6) 의 사이에 흐르는 환류 전류를 억제할 수 있다. 전력 변환기 (110b, 110c) 에 대해서도 동일하다.
서브 리액터의 하나의 실현예에 대해 서술한다. 도 1 을 참조하면서 설명한 바와 같이, 제 1 서브 회로 (5) 에 포함되어 있는 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 와 상 다이오드 (42) 와 하 다이오드 (41) 는, 하나의 반도체 모듈 (3) 에 수용되어 있다. 반도체 모듈 (3) 과 메인 리액터 (22) 의 하드웨어의 일례를 도 12 에 나타낸다. 반도체 모듈 (3) 의 본체는, 수지제의 패키지 (300) 이다. 패키지 (300) 에, 상 스위칭 소자 (32), 하 스위칭 소자 (31), 상 다이오드 (42), 하 다이오드 (41) 가 봉지되어 있다. 패키지 (300) 중에서, 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 는 직렬로 접속되어 있다. 또, 패키지 (300) 중에서, 상 스위칭 소자 (32) 에 상 다이오드 (42) 가 역병렬로 접속되어 있고, 하 스위칭 소자 (31) 에 하 다이오드 (41) 가 역병렬로 접속되어 있다. 패키지 (300) 로부터 3 개의 파워 단자 (301, 302, 303) 가 연장되어 있다. 파워 단자 (301) 는, 패키지 (300) 중에서, 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 의 직렬 접속의 고전위측에 접속되어 있고, 파워 단자 (302) 는, 직렬 접속의 저전위측에 접속되어 있다. 파워 단자 (303) 는, 패키지 (300) 중에서, 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 의 직렬 접속의 중점 (제 1 중점 (36)) 에 접속되어 있다.
메인 리액터 (22) 는, 자성 코어 (22d) 와, 자성 코어 (22d) 에 권회되어 있는 권선 (22c) 으로 구성되어 있다. 권선 (22c) 의 일단 (즉, 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b)) 과, 파워 단자 (303) (즉, 2 개의 스위칭 소자 (31, 32) 의 직렬 접속의 중점 (제 1 중점 (36)) 는, 도체 (29) 에 의해 접속되어 있다. 도체 (29) 는, 가늘고 긴 금속봉이다. 2 개의 자성 코어 (제 1 자성 링 코어 (24a) 와 제 2 자성 링 코어 (24b)) 가 도체 (29) 를 둘러싸고 있다. 제 1 자성 링 코어 (24a), 제 2 자성 링 코어 (24b) 와 그것들에 둘러싸여 있는 도체 (29) 가 서브 리액터 (24) 를 구성한다.
제 1 자성 링 코어 (24a) 가 자기 포화에 이르는 제 1 자기 포화 전류값은, 제 2 자성 링 코어 (24b) 가 자기 포화에 이르는 제 2 자기 포화 전류값과 상이하다. 보다 구체적으로는, 제 2 자성 링 코어 (24b) 는, 가포화 코어 (가포화 리액터) 로, 작은 전류에 의해 자기 포화에 이르고, 인덕턴스가 변화하지 않게 된다. 즉, 제 2 자성 링 코어 (24b) 의 제 2 자기 포화 전류값은, 제 1 자성 링 코어 (24a) 의 제 1 자기 포화 전류값보다 훨씬 작다.
서브 리액터 (24) 는, 서브 회로의 다이오드의 역회복 전류를 억제하기 위해 구비되어 있기 때문에, 작은 전류일 때에 인덕턴스가 크게 변화하는 것이 좋다. 또, 대전류에 대해서는 인덕턴스가 변화하지 않는 편이, 전력 변환의 주목적인 대전류를 수반하는 전력의 변환에 주는 영향이 적다. 가포화 코어 (제 2 자성 링 코어 (24b)) 와 통상적인 자성 코어 (제 1 자성 링 코어 (24a)) 를 조합한 서브 리액터 (24) 는, 전력 변환에 큰 영향을 주지 않고, 다이오드의 역회복 전류나 상기한 서브 회로 사이의 환류 전류를 억제할 수 있다.
또, 일반적으로, 아모르퍼스 재료 등으로 구성되는 가포화 코어는, 통상적인 코어보다 소형화가 가능하다. 또한, 반도체 모듈 (3) 과 메인 리액터 (22) 를 접속하는 도체 (29) 를 서브 리액터 (24) 의 권선으로서 활용함으로써, 소형의 서브 리액터를 실현할 수 있다. 제 2 서브 회로 (6) 의 서브 리액터 (26) 에 대해서도 동일하다.
전류의 방향의 검지에 대해 보충한다. 실시예의 전압 컨버터 (10) 나 전력 변환기 (110a) 에서는, 전류 센서에 의해 전류의 방향을 검지한다. 전력 변환기의 전류 센서는, 대전류도 계측하기 때문에, 정부가 변화하는 제로 부근의 계측 정밀도가 작다. 그러므로, 스위칭 소자의 양단 전압을 계측하여 전류의 방향을 검지하도록 해도 된다. 도 13 에, 변형예의 전력 변환기 (210) 의 회로도를 나타낸다. 전력 변환기 (210) 의 구성은, 4 개의 전압 센서 (60) 를 구비하는 점을 제외하고, 제 1 실시예의 전압 컨버터 (10) 와 동일하다. 변형예의 전력 변환기 (210) 에서는, 스위칭 소자 (31-34) 의 각각에 전압 센서 (60) 가 구비되어 있다. 전압 센서 (60) 는, 각 스위칭 소자의 양단 전압을 계측한다. 컨트롤러 (15) 는, 각 전압 센서 (60) 의 계측값에 기초하여, 메인 리액터 (22) 를 흐르는 전류의 방향을 판단한다.
전압 센서 (60) 는, 스위칭 소자의 양단 전압을 직접적으로 계측하는 것이어도 되지만, 전류의 방향만을 검지할 수 있는 회로여도 된다. 도 14 에 스위칭 소자 (31) 의 전류의 방향을 검지하는 전압 센서 (60) 의 회로도를 나타낸다. 전압 센서 (60) 는, 출력 단자 (61), 비교기 (62), 기준 전압 단자 (63), 저항 (64), 다이오드 (65), 배터리 (66) 를 구비하고 있다.
스위칭 소자 (31) 의 컬렉터 단자 (31a) 와 비교기 (62) 의 부 (負) 입력단 (62a) 이 다이오드 (65) 를 개재하여 접속되어 있다. 컬렉터 단자 (31a) 는, 스위칭 소자 (31) 의 순방향의 상류측에 상당하고, 이미터 단자 (31b) 는 순방향의 하류측에 상당한다. 다이오드 (65) 의 캐소드가 컬렉터 단자 (31a) 에 접속되어 있고, 애노드가 비교기 (62) 에 접속되어 있다. 비교기 (62) 의 부 입력단 (62a) 은, 저항 (64) 을 개재하여 기준 전압 단자 (63) 에 접속되어 있다. 다이오드 (65) 는, 컬렉터 단자 (31a) 의 측으로부터 비교기 (62) 의 측으로 전류가 흐르는 것을 저지한다.
스위칭 소자 (31) 의 이미터 단자 (31b) 가 배터리 (66) 를 개재하여 비교기 (62) 의 정 (正) 입력단 (62b) 에 접속되어 있다. 배터리 (66) 의 부극이 이미터 단자 (31b) 에 접속되어 있고, 배터리 (66) 의 정극이 비교기 (62) 에 접속되어 있다. 기준 전압 단자 (63) 의 전압과 배터리 (66) 의 전압은, 컬렉터 단자 (31a) 와 이미터 단자 (31b) 가 동 전위일 때에 부 입력단 (62a) 과 정 입력단 (62b) 이 동 전위가 되도록 선정되어 있다.
도 14 의 회로에 의하면, 스위칭 소자 (31) 의 컬렉터 단자 (31a) 의 전위가 이미터 단자 (31b) 의 전위보다 높아지면, 비교기 (62) 의 출력단 (62c) 의 전위가 LOW 전위로 유지된다. 컬렉터 단자 (31a) 의 전위가 이미터 단자 (31b) 의 전위보다 높아지는 경우란, 스위칭 소자 (31) 를 통해서 컬렉터 단자 (31a) 로부터 이미터 단자 (31b) 로 전류가 흐르는 것을 의미한다. 또, 스위칭 소자 (31) 의 컬렉터 단자 (31a) 의 전위가 이미터 단자 (31b) 의 전위보다 낮아지면, 비교기 (62) 의 출력단 (62c) 의 전위가 HIGH 전위로 유지된다. 컬렉터 단자 (31a) 의 전위가 이미터 단자 (31b) 의 전위보다 낮아지는 경우란, 다이오드 (41) 를 통해서 이미터 단자 (31b) 로부터 컬렉터 단자 (31a) 로 전류가 흐르는 것을 의미한다. 도 14 의 회로는, 제로 전류 부근에서 전류의 방향을 고정밀도로 검지할 수 있다.
도 14 의 회로의 전압 센서 (60) 를 사용하는 경우, 전압 센서 (60) 가 접속되어 있는 스위칭 소자가 온에서 오프로 전환된 직후의 출력으로부터 전류의 방향을 특정하는 것이 바람직하다.
실시예에서 설명한 기술에 관한 유의점을 서술한다. 제 1 실시예의 전압 컨버터 (10) 의 특징은 이하와 같다. 전압 컨버터 (10) 는, 전력을 입출력하는 것이 가능한 배터리 (90) 와 인버터 (50) 사이에 접속된다. 전압 컨버터 (10) 는, 고압측 정극 단자 (13), 저압측 정극 단자 (11), 고압측 부극 단자 (14), 메인 리액터 (22), 복수의 서브 회로 (5, 6), 컨트롤러 (15) 를 구비하고 있다. 고압측 정극 단자 (13) 는, 인버터 (50) 의 입출력단에 상당하는 직류 정극 단자 (51) 에 접속된다. 저압측 정극 단자 (11) 는, 배터리 (90) 의 입출력단에 상당하는 정극 단자 (90a) 에 접속된다. 고압측 부극 단자 (14) 는, 인버터 (50) 의 직류 부극 단자 (52) 에 접속된다. 고압측 부극 단자 (14) 는, 저압측 부극 단자 (12) 와 직접적으로 접속되어 있다.
메인 리액터 (22) 의 일단 (22a) 은 저압측 정극 단자 (11) 에 접속된다. 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b) 과 고압측 정극 단자 (13) 사이에, 복수의 서브 회로 (5, 6) 가 병렬로 접속된다. 컨트롤러 (15) 는, 복수의 서브 회로 (5, 6) 를 순차적으로 제어한다. 복수의 서브 회로를 순차적으로 제어한다란, 하나의 서브 회로에 포함되는 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에, 다른 서브 회로에 포함되는 스위칭 소자를 온하고 오프하는 것을 의미한다.
제 1 서브 회로 (5) 는, 상 스위칭 소자 (32), 하 스위칭 소자 (31), 상 다이오드 (42), 하 다이오드 (41), 서브 리액터 (24) 를 구비하고 있다. 상 스위칭 소자 (32) 는 고압측 정극 단자 (13) 에 접속되어 있다. 하 스위칭 소자 (31) 는, 상 스위칭 소자 (32) 와 고압측 부극 단자 (14) (저압측 부극 단자 (12)) 사이에 접속되어 있다. 상 다이오드 (42) 는 상 스위칭 소자 (32) 에 역병렬로 접속되어 있고, 하 다이오드 (41) 는 하 스위칭 소자 (31) 에 역병렬로 접속되어 있다. 서브 리액터 (24) 는, 메인 리액터 (22) 의 타단 (22b) 과 제 1 중점 (36) 사이에 접속되어 있다. 제 1 중점 (36) 은, 상 스위칭 소자 (32) 와 하 스위칭 소자 (31) 의 직렬 접속의 중점이다. 제 2 서브 회로 (6) 는 제 1 서브 회로 (5) 와 동일한 회로 구조를 가지고 있다.
컨트롤러 (15) 는, 저압측 정극 단자 (11) 로부터 고압측 정극 단자 (13) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 복수의 서브 회로 (5, 6) 의 각각의 하 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 상 스위칭 소자를 온하고 오프한다. 컨트롤러 (15) 는, 고압측 정극 단자 (13) 로부터 저압측 정극 단자 (11) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 복수의 서브 회로 (5, 6) 의 각각의 상 스위칭 소자를 온하고 오프한 후에 하 스위칭 소자를 온하고 오프한다.
제 2 실시예의 인버터 (150) 의 복수의 전력 변환기 (110a, 110b, 110c) 도, 기본적으로 제 1 실시예의 전압 컨버터 (10) 와 동일한 구조와 제어 룰을 가지고 있다. 단, 전력 변환기 (110a) (110b, 110c) 에서는, 모터 (80) 의 스테이터 코일 (122a) (122b, 122c) 이 메인 리액터를 겸하고 있다.
제 1 실시예의 경우, 저압측 정극 단자 (11) 가 제 1 단자의 일례이고, 고압측 정극 단자 (13) 가 제 2 단자의 일례이다. 고압측 부극 단자 (14) 가 부극 단자의 일례이다. 배터리 (90) 가 제 1 디바이스의 일례이고, 인버터 (50) 가 제 2 디바이스의 일례이다.
제 2 실시예의 경우, 교류 단자 (111a) (111b, 111c) 가 제 1 단자의 일례이고, 직류 정극 단자 (113a) (113b, 113c) 가 제 2 단자의 일례이다. 직류 부극 단자 (114a) (114b, 114c) 가 부극 단자의 일례이다. 스테이터 코일 (122a) (122b, 122c) 은, 메인 리액터로 간주할 수 있다. 제 2 실시예에서는, 배터리 (90) 가 제 2 디바이스의 일례이고, 모터 (80) 가 제 1 디바이스의 일례이다. 제 2 실시예에서는, 배터리 (90) 와 인버터 (150) 사이에 전압 컨버터가 접속되어 있어도 된다.
실시예의 전력 변환기 (전압 컨버터 (10), 전력 변환기 (110a-110c)) 에서는, 2 개의 서브 회로 (5, 6) 가 병렬로 접속되어 있다. 본 명세서가 개시하는 기술은, 3 개 이상의 서브 회로가 병렬로 접속되어 있는 전력 변환기에 적용하는 것도 가능하다.
본 명세서에 있어서의 「전기 자동차」에는, 모터와 엔진의 쌍방을 구비하는 하이브리드차가 포함된다. 또, 본 명세서에 있어서의 「전기 자동차」는, 전원으로서 배터리와 연료 전지의 쌍방을 구비하고 있는 자동차여도 된다.
본 명세서가 개시하는 기술은, 전기 회로에 관한 것이다. 그러므로, 「디바이스 A 와 디바이스 B 가 접속되어 있다」란, 디바이스 A 와 디바이스 B 가 전기적으로 접속되어 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 「디바이스 A 와 디바이스 B 사이에 접속되어 있는 리액터」라는 표기는, 디바이스 A 와 디바이스 B 사이에 리액터 이외의 요소 (예를 들어 저항이나 콘덴서 등) 가 접속되어 있어도 된다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명했지만, 이것들은 예시에 불과하며, 특허 청구범위를 한정하는 것은 아니다. 특허 청구범위에 기재된 기술에는, 이상에 예시한 구체예를 여러 가지로 변형, 변경한 것이 포함된다. 본 명세서 또는 도면에 설명한 기술 요소는, 단독으로 혹은 각종 조합에 의해 기술적 유용성을 발휘하는 것으로, 출원시 청구항에 기재된 조합에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수 목적을 동시에 달성할 수 있는 것이며, 그 중의 하나의 목적을 달성하는 것 자체로 기술적 유용성을 가지는 것이다.

Claims (5)

  1. 쌍방향 전력 변환기로서,
    전력을 입출력하는 것이 가능한 제 1 디바이스의 입출력단에 접속되는 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) ;
    전력을 입출력하는 것이 가능한 제 2 디바이스의 입출력단에 접속되는 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) ;
    상기 제 2 디바이스의 부극에 접속되는 부극 단자 (14 ; 114a, 114b, 114c) ;
    일단이 상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 에 접속되어 있는 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) ;
    상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 의 타단과 상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 사이에 병렬로 접속되어 있는 복수의 서브 회로 (5, 6) 로서, 상기 복수의 상기 서브 회로 (5, 6) 의 각각은,
    상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 에 접속되어 있는 상 스위칭 소자 (32, 34) 와, 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 부극 단자 (14 ; 114a, 114b, 114c) 사이에 접속되어 있는 하 스위칭 소자 (31, 33) 와,
    상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 에 역병렬로 접속되어 있는 상 다이오드 (42, 44) 와,
    상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 에 역병렬로 접속되어 있는 하 다이오드 (41, 43) 와,
    일단이 상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 의 타단에 접속되어 있고, 타단이 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 의 직렬 접속의 중점에 접속되어 있는 서브 리액터 (24) 로서,
    상기 직렬 접속의 상기 중점과 상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 를 접속하고 있는 도체 (29) 와, 상기 도체 (29) 를 둘러싸고 있는 제 1 자성 링 코어 (24a) 및 제 2 자성 링 코어 (24b) 를 구비하고 있고,
    상기 제 2 자성 링 코어 (24b) 가 자기 포화에 이르는 제 2 자기 포화 전류값이, 상기 제 1 자성 링 코어 (24a) 가 자기 포화에 이르는 제 1 자기 포화 전류값보다 작은 서브 리액터 (24)
    를 구비하는 복수의 서브 회로 (5, 6) ; 및
    상기 복수의 상기 서브 회로 (5, 6) 를 순차적으로 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 로부터 상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로 (5, 6) 의 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 를 온하고 오프한 후에 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 를 온하고 오프하고,
    상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 로부터 상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로 (5, 6) 의 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 를 온하고 오프한 후에 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 를 온하고 오프하도록 구성되는, 쌍방향 전력 변환기.
  2. 전기 자동차 (1) 로서,
    제 1 항에 기재된 쌍방향 전력 변환기 ;
    상기 제 1 디바이스로서의 배터리 (90) ; 및
    상기 제 2 디바이스로서의 인버터 (50) 를 구비하고,
    상기 인버터 (50) 는 교류단이 주행용 모터에 접속되어 있고,
    상기 제 1 단자 (11) 가 상기 배터리 (90) 의 정극 단자 (90a) 에 접속되어 있고, 상기 제 2 단자 (13) 가 상기 인버터 (50) 의 직류 정극 단자에 접속되어 있음과 함께 상기 부극 단자가 상기 배터리 (90) 의 부극 단자 (90b) 와 상기 인버터 (50) 의 직류 부극 단자에 접속되어 있는, 전기 자동차.
  3. 전기 자동차 (101) 로서,
    제 1 항에 기재된 쌍방향 전력 변환기가 장착되어 있는 인버터 (150) ;
    상기 제 2 디바이스로서의 배터리 (90) ; 및
    상기 제 1 디바이스로서의 주행용 모터 (80) 를 구비하고,
    상기 주행용 모터 (80) 는 코일 (122a, 122b, 122c) 을 구비하고 있고,
    상기 제 2 단자 (113a, 113b, 113c) 가 상기 배터리 (90) 의 정극 단자 (90a) 에 접속되어 있음과 함께 상기 부극 단자가 상기 배터리 (90) 의 부극 단자 (90b) 에 접속되어 있고,
    상기 코일 (122a, 122b, 122c) 이 상기 메인 리액터를 겸하고 있고,
    상기 서브 회로 (5) 의 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 가 상기 인버터 (150) 의 상 아암 스위칭 소자로서 상기 제 2 단자 (113a, 113b, 113c) 에 접속되어 있음과 함께 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 가 상기 인버터 (150) 의 하 아암 스위칭 소자로서 상기 제 2 단자 (113a, 113b, 113c) 와 상기 부극 단자 사이에 접속되어 있고,
    상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 의 상기 직렬 접속의 상기 중점과 상기 코일 (122a, 122b, 122c) 사이에 상기 서브 리액터 (24) 가 접속되어 있는, 전기 자동차.
  4. 쌍방향 전력 변환기의 제어 방법으로서,
    상기 쌍방향 전력 변환기는,
    전력을 입출력하는 것이 가능한 제 1 디바이스의 입출력단에 접속되는 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 와,
    전력을 입출력하는 것이 가능한 제 2 디바이스의 입출력단에 접속되는 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 와,
    상기 제 2 디바이스의 부극에 접속되는 부극 단자 (14 ; 114a, 114b, 114c) 와,
    일단이 상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 에 접속되어 있는 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 와,
    상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 의 타단과 상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 사이에 병렬로 접속되어 있는 복수의 서브 회로 (5, 6) 를 구비하고,
    상기 복수의 상기 서브 회로 (5, 6) 의 각각은,
    상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 에 접속되어 있는 상 스위칭 소자 (32, 34) 와, 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 부극 단자 (14 ; 114a, 114b, 114c) 사이에 접속되어 있는 하 스위칭 소자 (31, 33) 와,
    상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 에 역병렬로 접속되어 있는 상 다이오드 (42) 와,
    상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 에 역병렬로 접속되어 있는 하 다이오드 (41) 와,
    일단이 상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 의 타단에 접속되어 있고, 타단이 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 의 직렬 접속의 중점에 접속되어 있는 서브 리액터 (24) 로서,
    상기 직렬 접속의 상기 중점과 상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 를 접속하고 있는 도체 (29) 와, 상기 도체 (29) 를 둘러싸고 있는 제 1 자성 링 코어 (24a) 및 제 2 자성 링 코어 (24b) 를 구비하고 있고,
    상기 제 2 자성 링 코어 (24b) 가 자기 포화에 이르는 제 2 자기 포화 전류값이, 상기 제 1 자성 링 코어 (24a) 가 자기 포화에 이르는 제 1 자기 포화 전류값보다 작은 서브 리액터 (24)
    를 구비하고 있고,
    상기 제어 방법은,
    상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 로부터 상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로의 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 를 온하고 오프한 후에 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 를 온하고 오프하도록, 상기 복수의 상기 서브 회로 (5, 6) 를, 컨트롤러에 의해, 순차적으로 제어하는 것 ; 및
    상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 로부터 상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로의 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 를 온하고 오프한 후에 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 를 온하고 오프하도록, 상기 복수의 상기 서브 회로 (5, 6) 를, 상기 컨트롤러에 의해, 순차적으로 제어하는 것을 포함하는, 쌍방향 전력 변환기의 제어 방법.
  5. 쌍방향 전력 변환기가 장착되어 있는 인버터 (150);
    배터리 (90) ; 및
    코일을 구비하고 있는 주행용 모터 (80) 를 구비하는 전기 자동차 (101) 로서,
    상기 쌍방향 전력 변환기는,
    전력을 입출력하는 것이 가능한 상기 주행용 모터 (80) 의 입출력단에 접속되는 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) ;
    전력을 입출력하는 것이 가능한 상기 배터리 (90) 의 입출력단에 접속되는 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) ;
    상기 배터리 (90) 의 부극에 접속되는 부극 단자 (14 ; 114a, 114b, 114c) ;
    일단이 상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 에 접속되어 있는 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) ;
    상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 의 타단과 상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 사이에 병렬로 접속되어 있는 복수의 서브 회로 (5, 6); 및
    상기 복수의 상기 서브 회로 (5, 6) 를 순차적으로 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 복수의 상기 서브 회로 (5, 6) 의 각각은,
    상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 에 접속되어 있는 상 스위칭 소자 (32, 34) 와, 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 부극 단자 (14 ; 114a, 114b, 114c) 사이에 접속되어 있는 하 스위칭 소자 (31, 33) 와,
    상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 에 역병렬로 접속되어 있는 상 다이오드 (42, 44) 와,
    상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 에 역병렬로 접속되어 있는 하 다이오드 (41, 43) 와,
    일단이 상기 메인 리액터 (22 ; 122a, 122b, 122c) 의 타단에 접속되어 있고, 타단이 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 의 직렬 접속의 중점에 접속되어 있는 서브 리액터 (24) 를 구비하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 로부터 상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로 (5, 6) 의 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 를 온하고 오프한 후에 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 를 온하고 오프하고,
    상기 제 2 단자 (13 ; 113a, 113b, 113c) 로부터 상기 제 1 단자 (11 ; 111a, 111b, 111c) 로 전류가 흐르고 있는 동안에는, 각각의 상기 서브 회로 (5, 6) 의 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 를 온하고 오프한 후에 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 를 온하고 오프하도록 구성되고,
    상기 제 2 단자 (113a, 113b, 113c) 가 상기 배터리 (90) 의 정극 단자 (90a) 에 접속되어 있음과 함께 상기 부극 단자가 상기 배터리 (90) 의 부극 단자 (90b) 에 접속되어 있고,
    상기 코일 (122a, 122b, 122c) 이 상기 메인 리액터를 겸하고 있고,
    상기 서브 회로 (5) 의 상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 가 상기 인버터 (150) 의 상 아암 스위칭 소자로서 상기 제 2 단자 (113a, 113b, 113c) 에 접속되어 있음과 함께 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 가 상기 인버터 (150) 의 하 아암 스위칭 소자로서 상기 제 2 단자 (113a, 113b, 113c) 와 상기 부극 단자 사이에 접속되어 있고,
    상기 상 스위칭 소자 (32, 34) 와 상기 하 스위칭 소자 (31, 33) 의 상기 직렬 접속의 상기 중점과 상기 코일 (122a, 122b, 122c) 사이에 상기 서브 리액터 (24) 가 접속되어 있는, 전기 자동차.
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