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JP2008514181A - 電力コンバータ - Google Patents

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JP2008514181A
JP2008514181A JP2007532604A JP2007532604A JP2008514181A JP 2008514181 A JP2008514181 A JP 2008514181A JP 2007532604 A JP2007532604 A JP 2007532604A JP 2007532604 A JP2007532604 A JP 2007532604A JP 2008514181 A JP2008514181 A JP 2008514181A
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ロドリゲス，パブロ
チェン，カングア
ジメネズ，ジェラルド
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Abstract

正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数の相端子と電気的に接続しているDC/ACブリッジ回路と、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続しているDC/DCブリッジ回路を含む電力コンバータ。電力コンバータはDCブリッジ端子への及び/またはDCブリッジ端子からの給電を制御するとともに、AC相端子への及び/またはAC相端子からの給電を制御するように構成することができる。

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は広くは電力システムに、より具体的には電力コンバータ用として好適な構造に係わる。
公知技術の説明
電力モジュールは典型的には１つまたは２つ以上の負荷に給電するために１つまたは２つ以上の電源からの電力を変換及び/または調整する自蔵型ユニットである。「インバータ」と通称される電力モジュールはAC負荷への給電に使用するため、直流（DC）を交流（AC）に変換する。「整流器」と通称される電力モジュールはACをDCに変換する。「DC/DCコンバータ」と通称される電力モジュールはDC電圧を上昇または下降させる。「コンバータ」という用語はインバータか、整流器か、DC/DCコンバータかに関係なく、電力を変換するか、さもなければ調整するすべての電力モジュールに広く適用される。
電力の変換及び/または調整を必要とする用途は極めて広い。例えば、燃料電池システム、バッテリ及び/または超コンデンサのようなDC電源はDC電力を供給するものであるが、電気自動車やハイブリッド・カーの三相ACモータのようなAC負荷に給電するには変換が必要である。太陽電池アレイもDC電力を発生させるものであるが、公共配電網にAC電力を提供または輸出するには変換しなければならない。配電網またはマイクロタービンのようなAC電源が工具、マシーン、電気器具などのようなDC負荷に給電するには整流が必要である。高圧DC電源を低圧負荷への給電に利用するには電圧を下げる必要があり、低圧DC電源を高圧負荷への給電に利用するには電圧をあげる必要がある。その他の用途は当業者ならば本願明細書の開示内容から推測できるであろう。
発明の概要
1つの観点からすれば、本発明は内部及び外部を含むハウジングと；ハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数の相端子；ハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数のDC/DCブリッジ端子；ハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な正DC母線端子；及びハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な負DC母線端子を含む1組の入/出力端子と；ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数の相端子と電気的に接続しているDC/ACブリッジ回路と；ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続しているDC/DCブリッジ回路を含む電力コンバータと；選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段から成る電力システムを提供する。選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が制御サブシステムを含む。
他の観点からすれば、本発明は外部を含むハウジングと；ハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数の相端子；ハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数のDC/DCブリッジ端子；ハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な正ＤＣ母線端子；及びハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な負DC母線端子を含む1組の入/出力端子と；ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数の相端子と電気的に接続しているDC/ACブリッジ回路と；ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続しているDC/DCブリッジ回路を含む電力コンバータと；DC/DCブリッジ端子から正及び負DC母線端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第1動作モードと；正及び負DC母線端子から相端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第2動作モードを含む複数の動作モードで動作する制御サブシステムから成るシステムを提供する。
図中、同じ参照符号は類似の素子または作用を同定する。図中における素子のサイズ及び相対位置は必ずしも正確な縮尺比に基づいてはいない。例えば、種々の素子の形状や角度は縮尺比通りではなく、素子によっては図面のわかり易さを優先して随意に拡大したり、位置決めしたりしている。また、図示されている素子の特定の形状には特定素子の実際の形状に関する情報を伝えたいという意図はなく、図面をわかり易くするために選択したに過ぎない。
発明の詳細な説明
本発明のシステムに種々の実施態様が可能であることを明らかにするため、具体的な細部を以下に説明する。但し、当業者なら推測できるように、これらの細部を欠いても本発明のシステムを実施することができる。また、本発明のシステム実施態様の説明を徒に複雑化するのを避けるため、マイクロプロセッサ及び駆動回路を含む制御システムのような公知の構造は図示も説明もしなかった。
特に断らない限り、以下の明細書及び特許請求の範囲においてしようする語“成る”及びその変形は確定的でない、包含的な、即ち、“〜を含むが、〜に制限されるものではない”と解釈されたい。
表題は便宜上のものであり、本発明の範囲または意味を限定するものではない。
図１は電力コンバータを採用するシステム100の機能ブロックダイヤグラムである。システム100は回転子104と、第1、第2及び第3巻線108、110、112から構成される固定子106とを含む交流機102を有する。交流機102は、例えば、モータまたは発電機の形態を呈するか、または時によってはモータとして動作し、時によっては発電機として動作することがある。例えば、交流機102は電気自動車またはハイブリッド・カーにおけるトラクション・モータとして動作することにより、時には車輪を駆動し、このタイプの自動車の回生制動時には発電機として作用することができる。
システム100は電力システム113をも含む。電力システム113は給電サブシステム114及び制御サブシステム128を含む。給電サブシステム114は電源サブシステム116と電力コンバータ118を含む。実施態様によっては、電源サブシステムが図1に示すように、電力コネクタ120をも含む。電力コネクタ120は電力システム113の外側からアクセス可能であり、電力システム113と外部電源または負荷との接続を容易にする。例えば、電力システム113を、電力コネクタ120を介して外部ACまたはDC電源または（図示しない）負荷と接続することができる。電源または負荷は変圧器を含む場合と含まない場合とがある。
図示のように、電源サブシステム116は燃料電池システム122、主蓄電装置124、例えば、1つまたは2つ以上の電池及び/またはウルトラまたはスーパー・コンデンサ、及び補助蓄電装置126、例えば、1つまたは2つ以上の電池及び/またはウルトラまたはスーパー・コンデンサを含む。但し、電源サブシステム116には発電装置及び/または蓄電装置のような適当な電源を採用することもできる。例えば、電源サブシステム116はバッテリだけ、または燃料電池システムのみを含む場合もある。燃料電池システム122はその典型例として、燃料電池スタック及びこれと連携する燃料電池スタック運用ハードウェア、いわゆるバランス・オブ・プラント(BOP)を含む。特定の条件下で、燃料電池システム122が電力システム113に負荷をかけることができる。例えば、システム100を始動させる時、燃料電池システム122が電力を引き出してBOPを作動させる。
制御サブシステム128は給電サブシステム114及び電力コンバータ118を含む電力システム113の動作を制御するための制御信号を出力する。制御サブシステム128は種々の態様に、例えば、別々のサブシステムとして実施することができる。制御サブシステム128はディジタル信号プロセッサ(DSP)、アプリケーション特有の集積回路(ASIC)など、または（図示しない）メモリに記憶されている一連の指令として実施することができる。即ち、既存のハードウェアに対するソフトウェア変更によって制御サブシステム128を実施することができる。制御サブシステム128や給電サブシステム114のような種々のサブシステムは詳しくは後述するような特殊な機能を果すから、図1の機能ブロックダイヤグラムでは別々のブロックとして示してある。これらのサブシステムは個別的なユニットではなく、ソフトウェア・ルーチンの機能または個別的なユニット及びソフトウェア・ルーチンの機能の組み合わせであってもよい。別々のコンポーネントとして図示したが、システム100の種々のコンポーネントを組み合わせた形態として実施することも可能である。例えば、制御サブシステム128を給電サブシステム114または電力コンバータ118に組み込んだ実施態様も可能である。
システム100は補助負荷130をも含む。補助負荷130としては、DC負荷またはAC負荷が考えられる。例えば、補助負荷は制御サブシステム128及び/または燃料電池システム122のBOPへ給電する回路を含む場合がある。
交流機102、電力システム113、及び補助負荷130はデータ母線のほか、電力母線、制御母線、及び状態信号母線をも含むことができる母線システム132を介して互いに接続している。但し、わかり易くするため、図1では種々の母線を母線システム130として示した。交流機102、電力システム113、及び補助負荷130内における母線システムの結線及びコンポーネントは煩雑さを避けるために省いた。
図2は1実施態様としての電力コンバータ200の回路図である。電力コンバータ200は3相、4象限DC/ACブリッジ回路202、双方向DC/DCブリッジ回路204、ゲート駆動回路206、正母線端子210と接続する正DC母線208、及び負DC母線端子214と接続する負DC母線212を含む。1つの実施態様として、正DC母線端子210が正DC母線バー208に組み込まれ、負DC母線端子214が負DC母線212に組み込まれている。
制御サブシステム128はゲート駆動回路206と交信関係に接続し、DC/ACブリッジ回路202及びDC/DCブリッジ回路204の動作を制御するための制御信号を選択的に出力する。ゲート駆動回路206は制御サブシステム128からの制御信号に応答してゲート駆動信号を出力する。制御サブシステム128及びゲート駆動回路206は電力コンバータ200に組み込んでもよく、別々のコンポーネントとして実施してもよい。図示のように、制御サブシステム128は別のコンポーネントであり、ゲート駆動回路206は電力コンバータ200に組み込まれている。
DC/ACブリッジ回路202は第1パワー・トランジスタ218、第1逆並列ダイオード220、第2パワー・トランジスタ222及び第2逆並列ダイオード224からなる第1脚216を含む。第1パワー・トランジスタ218のコレクタ226は正DC母線208と電気的に接続している。第1パワー・トランジスタ218のエミッタ228は第1ノード230と電気的に接続している。第1逆並列ダイオード220は第1パワー・トランジスタ218のコレクタ226及びエミッタ228間に電気的に接続されている。第1パワー・トランジスタ218はゲート駆動信号線GU1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している制御端子232を含む。第1脚216は第1ノード230と電気的に接続する第1相端子234を含む。第1ノード230はゲート駆動信号線EKU1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
第2パワー・トランジスタ222のコレクタ236は第1ノード230と電気的に接続している。第2パワー・トランジスタ222のエミッタ238は負DC母線212と電気的に接続している。第2逆並列ダイオード224は第2パワー・トランジスタ222のコレクタ236及びエミッタ238間に電気的に接続されている。第2パワー・トランジスタ222はゲート駆動信号線GU2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。第2パワー・トランジスタ222のエミッタ238はゲート駆動信号線EKU2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
DC/ACブリッジ回路202は第3パワー・トランジスタ244、第3逆並列ダイオード246、第4パワー・トランジスタ248及び第4逆並列ダイオード250から成る第2脚242を含む。第3パワー・トランジスタ244のコレクタ252は正DC母線208と電気的に接続している。第3パワー・トランジスタ244のエミッタ254は第2ノード256と電気的に接続している。第3逆並列ダイオード246は第3パワー・トランジスタ244のコレクタ244及びエミッタ254間に電気的に接続されている。第3パワー・トランジスタ244はゲート駆動信号線GV1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。第2脚242は第2ノード256と電気的に接続する第2相端子260を有する。第2ノード256はゲート駆動信号線EKV1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
第4パワー・トランジスタ248のコレクタ262は第2ノード256と電気的に接続している。第4パワー・トランジスタ248のエミッタ264は負DC母線212と電気的に接続している。第4逆並列ダイオード250は第4パワー・トランジスタ248のコレクタ262及びエミッタ264間に電気的に接続されている。第4パワー・トランジスタ248はゲート駆動信号線GV2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している制御端子266を含む。第4パワー・トランジスタ248のエミッタ264はゲート駆動信号線EKV2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
DC/ACブリッジ回路202は第5パワー・トランジスタ270、第5逆並列ダイオード272、第6パワー・トランジスタ274及び第6逆並列ダイオード276から成る第3脚268を含む。第5パワー・トランジスタ270のコレクタ278は正DC母線208と電気的に接続している。第5パワー・トランジスタ270のエミッタ280は第3ノード282と電気的に接続している。第5逆並列ダイオード272は第5パワー・トランジスタ270のコレクタ278及びエミッタ280間に電気的に接続している。第5パワー・トランジスタ270はゲート駆動信号線GW1を介してゲート駆動信号線GW1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している制御端子284を含む。第3脚268は第3ノード282と電気的に接続している第3相端子286を有する。第3ノード282はゲート駆動信号線EKW1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
第6パワー・トランジスタ274のコレクタ288は第3ノード282と電気的に接続している。第6パワー・トランジスタ274のエミッタ290は負DC母線212と電気的に接続している。第6逆並列ダイオード276は第6パワー・トランジスタ274のコレクタ288及びエミッタ290間に電気的に接続されている。第6パワー・トランジスタ274はゲート駆動信号線GW2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している制御端子292を含む。第6パワー・トランジスタ274のエミッタ290はゲート駆動信号線EKW2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
図示のDC/ACブリッジ回路202におけるパワー・トランジスタは1つまたは2つ以上の集積ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)の形態を呈するが、他のタイプのパワー・トランジスタ、例えば、MOS電界効果トランジスタ(MOSFET)を使用し、それぞれのダイオードがスイッチを挟んで電気的に並列接続するように構成してもよい。ダイオードがトランジスタのボディー・ダイオードである実施態様も考えられる。DC/ACブリッジ回路202を、例えば、スイッチ-モード三相インバータ、スイッチ-モード単相インバータ、及び/またはスイッチ-モード整流器として作用させることができる。詳しくは後述するように、DC/ACブリッジ回路202が、例えば、正及び負DC母線208、212から第1、第2及び第3相端子234、260、286へ給電するように構成することができる。DC/ACブリッジ回路202が第1、第2及び第3相端子234、260、286の1つまたは2つ以上から正及び負DC母線208、212へ給電するように構成することもできる。
電力コンバータ200は双方向DC/DCブリッジ回路204をも含む。図示のDC/DCブリッジ回路204は第7パワー・トランジスタ294を含む。
第7パワー・トランジスタ294のドレン296は正DC母線208と電気的に接続している。チャンネルまたは基板298は第4ノード302と電気的に接続しているソース300と電気的に接続している。第7逆並列ダイオード304は第7パワー・トランジスタ294のドレン296及びソース300間に電気的に接続されている。第1DC/DCブリッジ端子306は第4ノード302と電気的に接続している。第7パワー・トランジスタ294はゲート駆動信号線GA1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続されているゲート308を含む。第7パワー・トランジスタ294のソース300はゲート駆動シンゴウ線EKA1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続されている。
DC/DCブリッジ回路204は第8パワー・トランジスタ310を含む。第8パワー・トランジスタ310のドレン312は第4ノード302と電気的に接続している。チャンネルまたは基板314は負DC母線212と電気的に接続されたソース316と電気的に接続している。第8逆並列ダイオード318が第8パワー・トランジスタ310のドレン312及びソース316間に電気的に接続されている。第8パワー・トランジスタ310はゲート駆動信号線GA2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。第8パワー・トランジスタ310のソース316はゲート駆動信号線EKA2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
DC/DCブリッジ回路204は第9パワー・トランジスタ322を含む。第9パワー・トランジスタ322のドレン324は正DC母線208と電気的に接続している。チャンネルまたは基板326は第5ノード330と電気的に接続しているソース328と電気的に接続している。第9逆並列ダイオード332は第9パワー・トランジスタ322のドレン324及びソース328間に電気的に接続されている。第2DC/DCブリッジ端子334は第5ノード330と電気的に接続している。第9パワー・トランジスタ322はゲート駆動信号線GB1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続されたゲート336を含む。第9パワー・トランジスタ322のソース328はゲート駆動信号線EKB1を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続されている。
DC/DCブリッジ回路204は第10パワー・トランジスタ338を含む。第10パワー・トランジスタ338のドレン340は第5ノード330と電気的に接続している。チャンネルまたは基板342は負DC母線212と電気的に接続するソース344と電気的に接続している。第10逆並列ダイオード346は第10パワー・トランジスタ338のドレン340及びソース344間に電気的に接続されている。第10パワー・トランジスタ338はゲート駆動信号線GB2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。第10パワー・トランジスタ338のソース344はゲート駆動信号線EKB2を介してゲート駆動回路206と交信関係に接続している。
図示のDC/DCブリッジ回路204におけるパワー・トランジスタは1つまたは2つ以上のn-チャンネルMOS電界トランジスタ(MOSFET)の形態を呈するが、他のタイプのパワー・トランジスタ、例えば、p-チャンネルMOSFET及び/またはIGBTを使用し、それぞれのダイオードがスイッチを挟んで電気的に並列接続するように構成してもよい。ダイオードがトランジスタのボディー・ダイオードである実施態様も可能である。
電力コンバータ200は第1、第2及び第3熱センサ350、352、354を含み、それぞれの熱センサがDC/ACブリッジ回路202の第1、第2及び第3脚の、またはその近傍の熱条件及び/または温度を感知する。電力コンバータ200はDC/DCブリッジ回路204のまたはその近傍の熱条件及び/または温度を感知する第4熱センサ356をも含む。電力コンバータ200はさらに、DC/ACブリッジ回路202の第3脚268における第5トランジスタ270を流れる電流を感知する電流センサ358をも含む。さらに他の電流、例えば、DC/ACブリッジ回路202またはDC/DCブリッジ回路204における他のパワー・トランジスタを流れる電流を感知するため、追加の電流センサを採用する場合もある。電力コンバータ200はDC/ACブリッジ回路202の第1脚216を保護するための回路保護装置359、例えば、サーキット・ブレーカをも含む。電力コンバータ200のその他の回路及びコンポーネントを保護するため、さらに追加の回路保護装置を使用する場合もある。
正DC母線端子210、負DC母線端子214、相端子234、260、286、及びDC/DCブリッジ端子306、334は１組の入/出力端子を構成し、これらの端子には電力コンバータまたはモジュール200のハウジング（図3及び4に示すハウジング360）の外部からアクセスすることができる。
電力コンバータ200は適応性に優れ、そのまま多様な工業的用途に利用することができ、そのために用途に特有のコンバータをこれに関連する高電圧、高電流の配電ハードウェアと接続する必要はない。電力コンバータ200は広範囲の用途に使用できるように標準化することができるから、設計、加工、試験、認証及び在庫コストが著しく軽減される。図１及び２を参照して説明する種々の実施例は電力コンバータ200の高い適応性を立証するものである。
１つの実施例では、給電サブシステム114から交流機102の巻線108、110、112に給電することによって固定子106に対して回転子104を回転させるように電力システム113を構成する。正及び負DC母線208、212は電源サブシステム116と電気的に接続し、交流機102の巻線108、110、112は第1、第2及び第3相端子234、260、286と電気的に接続している。制御サブシステム128から出力される制御信号に応答してDC/ACブリッジ回路202が正DC母線端子210及び負DC母線端子214間に電気的に接続されている（例えば燃料電池システム122のような）DC電源から3つの相端子234、260、286と電気的に接続している（例えば巻線108、110、112のような）AC負荷へ給電することによって、給電サブシステム114から交流機102へ給電する。例えば、もし交流機102が自動車なら、モータ巻線108、110、112への給電によって固定子106に対する回転子104の運動及びトルクが発生し、これを利用して自動車の（図示しない）ホイールを駆動することができる。給電サブシステム114は、例えば、燃料電池システム122、1つまたは2つ以上のバッテリまたはウルトラまたはスーパー・コンデンサのような主蓄電装置124、及び/または（図示しない）外部DC電源から電力コネクタ120を介して給電するように構成することができる。
第1及び第2DC/DCブリッジ端子306、334を電源サブシステム116と電気的に接続し、交流機102の巻線108、110、112を第1、第2及び第3相端子234、260、286と電気的に接続する態様も可能である。制御サブシステム128から出力される制御信号に応答して、DC/ACブリッジ回路202及びDC/DCブリッジ回路204が2つのDC/DCブリッジ端子306、334間に電気的に接続された（例えば電源サブシステム116のような）DC電源から3つの相端子234、260、286と電気的に接続されている（巻線108、110、112のような）AC負荷に給電するように構成する。
他の実施例では、電力システム113を、交流機102の巻線108、110、112から電源サブシステム116へ給電するように構成する。自動車では、これを回生制動と呼称する。給電サブシステム114は、例えば、主蓄電装置124及び/または補助蓄電装置126に電力を蓄えることができる。正及び負DC母線端子210、214は電源サブシステム116と電気的に接続し、交流機102の巻線108、110、112は第1、第2及び第3相端子234、260、286と電気的に接続している。制御サブシステム128から出力される制御信号に応答して、DC/ACブリッジ回路202はAC相端子234、260、286と電気的に接続している（例えば交流機102のような）AC電源から正及び負DC母線端子210、214間に電気的に接続されている（例えば、電源サブシステム116における補助蓄電装置126のような）負荷に給電する。あるいは、制御サブシステム128が制御信号を出力し、これに応答して、DC/ACブリッジ回路202及びDC/DCブリッジ回路204がAC相端子234、260、286と電気的に接続しているAC電源からDC/DCブリッジ端子306、334間に電気的に接続されているDC負荷へ給電するように構成することもできる。例えば、もし交流機102が回生制動モードで動作する自動車なら、固定子106に対する回転子104の運動によって巻線108、110、112に電流が発生し、この電流が電源サブシステム116に蓄積すべき電力を供給することができる。
他の実施例では、電力コネクタ120と接続している（図示しない）外部DC電源から電源サブシステム116へ、主蓄電装置124及び/または補助蓄電装置126に蓄えるための給電するように電力システム113を構成する。電力コネクタ120は正及び負DC母線208、212と電気的に接続されている。第1及び第2DC/DCブリッジ端子306、334は電源サブシステム116と電気的に接続している。制御サブシステム128が制御信号を出力し、この制御信号に応答してDC/DCブリッジ回路204が正及び負DC母線端子210、214から第1及び第2 DC/DCブリッジ端子306、334へ給電する。
他の実施例では、電力システム113は電力コネクタ120と接続している（図示しない）外部三相AC電源から電源サブシステム116へ、主蓄電装置124及び/または補助蓄電装置126に蓄えるための給電するように構成する。外部AC電源としては、例えば、ハイブリッド・カーの伝動機構と接続している（図示しない）発電機が考えられる。電力コネクタ120は第1、第2及び第3相端子234、260、286と電気的に接続している。第1及び第2 DC/DCブリッジ端子306、334は電源サブシステム116と電気的に接続している。制御サブシステム128が制御信号を出力し、この制御信号に応答して、DC/ACブリッジ回路202はAC相端子234、260、286から正及び負DC母線208、212へ給電し、DC/DCブリッジ回路204は正及び負DC母線208、212から第1及び第2 DC/DCブリッジ端子306、334へ給電する。あるいは同様の構成で、電力システムが（図示しない）単相AC電源から給電することも可能である。
他の実施例では、電力コネクタ120と接続している（図示しない）外部DC電源から交流機102の巻線108、110、112へ給電するように電力システム113を構成する。電力コネクタ120は正及び負DC母線端子210、214と電気的に接続している。交流機102の巻線108、110、112は第1、第2及び第3相端子234、260、286と電気的に接続している。制御サブシステム128が制御信号を出力し、これに応答して、DC/ACブリッジ回路202は電力コネクタ120と接続する外部電源から交流機102へ給電する。外部電源は（図示しない）変圧器を含む給電手段を含む場合と含まない場合がある。
他の実施例では、交流機102の巻線108、110、112から電力コネクタ120と接続している（図示しない）外部負荷へ給電するように電力システム113を構成する。電力コネクタ120は正及び負DC母線端子210、214と電気的に接続している。交流機102の巻線108、110、112はDC/ACブリッジ回路202の第1、第2及び第3相端子234、260、286と電気的に接続している。制御システム128が制御信号を出力し、これに応答してDC/ACブリッジ回路202が交流機102から電力コネクタ120と接続している負荷へ給電する。
DC補助付加130への給電に好適な他の実施例では、電力システム113が補助負荷130へ給電するように構成されている。電源サブシステム116は正及び負DC母線端子210、214と電気的に接続している。補助負荷130は第1及び第2 DC/DCブリッジ端子306、334と電気的に接続されている。制御サブシステム128が制御信号を出力し、これに応答してDC/DCブリッジ回路204は正及び負DC母線端子210、214から第1及び第2 DCブリッジ端子306、334へ給電する。
三相AC補助負荷130への給電に好適な他の実施例では、電源サブシステム116が正及び負DC母線端子210、214と電気的に接続している。補助負荷130は第1、第2及び第3相端子234、260、286と電気的に接続している。制御サブシステム128が制御信号を出力し、これに応答してDC/ACブリッジ回路202は正及び負DC母線端子210、214から第1、第2及び第3相端子234、260、286へ給電する。
交流機の種々の運転トポロジー及びモードの詳細は2000年7月18日付同時係属米国特許出願第10/622、845号「APPARATUS AND METHOD EMPLOYING BI-DIRECTIONAL CONVERTER FOR CHARGING AND/OR SUPPLYING POWER（充電及び/または給電のために双方向コンバータを使用する装置及び方法）」に記述されており、参考のため、その内容を本願明細書中に引用する。システム100は上記したすべてのトポロジー及びモードで給電するように構成する必要はなく、種々の運転トポロジー及び/またはモードを組み合わせることによって追加の運転トポロジー及び/またはモードを作り出すことができる。例えば、電源サブシステム116から交流機102の巻線108、110、112へ給電しながら、制御サブシステム128へ給電するように電力システム113を構成することができる。実施態様によっては、電力システム113は追加のスイッチ、コンデンサ、抵抗器、インダクタ及び/または変圧器をも採用することができる。
もし交流機102が燃料電池システム電源を使用する自動車なら、多くの場合、正及び負DC母線208、212間の電圧は制御されず、必要に応じて正及び負DC母線208、212から電流を引き出すことができる。もし交流機102がハイブリッド電源（例えば、内燃機関及びバッテリ及び/またはスーパー・コンデンサ）を採用する自動車なら、パワー・トランジスタの電圧定格をフルに利用できるように正及び負DC母線208、212間電圧が制御されるのが典型例である。但し、燃料電池システム電源を採用する自動車は正及び負DC母線208、212間電圧を制御するように構成することができ、ハイブリッド電源を採用する自動車は正及び負DC母線208、212間電圧を制御するように構成することはできない。
図3は図1に示すシステム100に使用するのに適した電力コンバータ200の実施例を示す部分斜視図である。図4は図3に示す電力コンバータ200の実施例を示す部分分解側面図である。図3及び4における類似の参照番号は図2におけるこれらと炊事のコンポーネントに対応する。電力コンバータ200はハウジング360内に収容されているDC/ACブリッジ回路202及びDC/DCブリッジ回路204を含む。
図3に示すように、DC/ACブリッジ回路202は3つの脚216、242、268から成る。それぞれの脚はハウジング360内に収容された2つの導電性領域362を含む。第1脚216は第1相端子234と電気的に接続している。第2脚242は第2相端子260と電気的に接続し、第3脚268は第3相端子286と電気的に接続している。第1、第2及び第3相端子234、260、286はハウジング360の外部361からアクセス可能であり、電力コンバータ200をAC電源及び負荷、例えば、図1に示す交流機102と接続する。
DC/ACブリッジ回路202は正DC母線端子210を含む正DC母線210と電気的に接続し、負DC母線端子214を含む負DC母線212とも接続している。図示のように、正DC母線端子210は正DC母線208に組み込まれており、負DC母線端子214は負DC母線212に組み込まれている。正及び負DC母線208、212は絶縁層209（図4参照）によって分離されている。これに代わる実施態様として、正DC母線端子210を正DC母線208と電気的に接続する別のコンポーネントとして実施し、負DC母線端子214を負DC母線212と電気的に接続する別のコンポーネントとして実施することも可能である。
正及び負DC母線端子210、214はハウジング360の外部361からアクセス可能であり、電力コンバータ200をDC電源及び負荷、例えば、電源サブシステム116及び図1に示す補助負荷130と接続する。
DC/DCブリッジ回路204はハウジング360内に収容された2つの導電領域364を含む。DC/DCブリッジ回路204は正DC母線208を介して正DC母線端子210と電気的に接続し、負DC母線210を介して負DC母線端子214と電気的に接続する。DC/DCブリッジ回路204は第1及び第2 DC/DCブリッジ端子306、334とも電気的に接続している。第1及び第2 DC/DCブリッジ端子306、334はハウジング360の外部361からアクセス可能であり、電力コンバータ200を種々のDC電源及び負荷、例えば、図1に示す補助蓄電装置126と接続する。
DC/ACブリッジ回路202及びDC/DCブリッジ回路204に共通の正及び負DC母線端子210、214を使用すれば、外部母線及び相互接続の必要がなくなり、コストが軽減されるだけでなく、信頼性が高まる。１つの実施態様として、正及び負母線208、212をハウジング360内に組み込み、ラミネートすることができる。
電力コンバータ200はゲート駆動回路206からの制御信号を受信するための制御信号端子366を有する。図4に示すように、制御信号端子366は電力コンバータ200へのゲート駆動回路206の組み込みを容易にする。ゲート駆動回路206はそれぞれの制御信号端子366と接続するための対応の制御信号ポート368を有する。ゲート駆動回路206は制御サブシステム128と接続するためのコネクタ370をも有する。
以上に本発明のシステム及び方法の特定の実施例を説明したが、当業者には明らかなように、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく上記実施例と等価の多様な変更実施態様が可能である。本願明細書の開示内容は上述したシステムに限らず、電力モジュール、電力コンバータ、整流器及び/またはインバータにも適用できる。
本願明細書及び特許請求の範囲において種々のエレメントを「正の」または「負の」と記述しているが、このような表現は相対的なものであって絶対的なものではない。即ち、「正の」と記述されているエレメントは、電力コンバータ118、200が電源に接続している時、「負の」と記述されたエレメントよりも高い電位となるように整形、配置及び/または電気的に接続されていることを意味する。「正の」エレメントは多くの場合、電源の正の端子に接続されるものであり、「負の」のエレメントは電源の負の端子またはアースに接続されるものである。一般に、「正の」エレメントは電力コンバータ118、200の高い側に配置または接続され、「負の」エレメントは電力コンバータ118、200の低い側に配置または接続される。同様に、エレメントが電力コンバータ118、200に給電中であれば、そのエレメントは電源及び/または給電と記述することができ、エレメントが電力コンバータ118、200から電力を引き出し中であれば、負荷と記述することができる。
上記電力コンバータ118、200は多様な方法及びモードで動作するとともに、多様な方法及びモードでトランジスタ及びスイッチ（例えば、IGBT)を操作する。具体的な方法またはモードは特定の用途及び/または構成に応じて異なる。基本的な方法及びモードは当業者が周知するところであり、煩雑さを避けるため詳細な説明は省く。
上述した種々の実施態様を組み合わせることによってさらに多様な実施態様を案出することができる。本願明細書作成に当たって参照した米国特許明細書、米国特許出願明細書及び米国特許公報、例えば、2000年9月20日付出願第60/233、992号；第60/233、994号；第60/233、995号及び第60/233、996号；2000年11月10日付第09/710、145号；2001年6月15日付第09/882、708号及び第09/957、047号；2001年9月20日付第09/957、568号及び第09/957、001号；2002年3月27日付第10/109、555号、2003年2月7日付第10/360、832号「INTEGRATED TRACTION INVERTER MODULE AND DC/DC CONVERTER（一体化された車両用インバータ・モジュール及びDC/DCコンバータ）」；及び2003年5月16日付第60/471、387号「POWER MODULE ARCHITECTURE（速達便第EV347013359US）」はいずれもその内容を参考のため本願明細書中に引用した。必要とあれば、これら種々の特許、出願及び公告のシステム、回路及びコンセプトを採用することによって本発明の更なる実施態様を案出し、本発明の構成を変更することができる。
このような変更は上記詳細な説明に基づいて行うことができる。原則として、後記の特許請求項における用語は本発明を明細書及び請求項に開示されている特定の実施態様に限定するものと解釈されるべきではなく、請求項の制限事項に従って動作し、またはこれらの制限事項を具現するすべての電力モジュール、整流器、インバータ及び/またはコンバータを含むものと解釈されるべきである。従って、本発明は開示内容によって制限されるものではなく、後記の特許請求の範囲の記述によってその範囲を決定される。
電力コンバータの１実施例を利用するシステムの機能ブロックダイヤグラムである。 電力コンバータの１実施例の回路図である。 電力コンバータの１実施例を示す斜視図である。 電力コンバータの１実施例を示す別の斜視図である。

Claims (26)

  1. 電力システムであって、
    内部及び外部を含むハウジングと；
    ハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数の相端子；
    ハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数のDC/DCブリッジ端子；
    ハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な正DC母線端子；及び
    ハウジングに固定され、ハウジングの外側からアクセス可能な負DC母線端子を含む1組の入/出力端子と；
    ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数の相端子と電気的に接続しているDC/ACブリッジ回路と；
    ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続しているDC/DCブリッジ回路を含む電力コンバータと；
    選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段から成る前記電力システム。
  2. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段がハウジングによって支持されるゲート駆動回路を含む請求項1に記載の電力システム。
  3. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が制御サブシステムを含む請求項1に記載の電力システム。
  4. 正DC母線端子及び負DC母線端子間に電気的に接続されているDC電源から2つの相端子間に電気的に接続されているAC負荷へ給電させるようにDC/ACブリッジ回路を制御する信号を選択的に出力するように制御サブシステムが構成されている請求項3に記載の電力システム。
  5. 複数の相端子が3つの相端子から成り、正DC母線端子及び負DC母線端子間に電気的に接続されているDC電源から3つの相端子に電気的に接続されているAC負荷へ給電させるようにDC/ACブリッジ回路を制御する信号を選択的に出力するように制御サブシステムが構成されている請求項3に記載の電力システム。
  6. 複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続しているDC電源から2つの相端子間に電気的に接続されているAC負荷へ給電させるようにDC/ACブリッジ回路およびDC/DCブリッジ回路を制御する信号を選択的に出力するように制御サブシステムが構成されている請求項3に記載の電力システム。
  7. 複数の相端子に電気的に接続されているAC電源から正DC母線端子と負DC母線端子間に電気的に接続されているDC負荷へ給電させるようにDC/ACブリッジ回路を制御する信号を選択的に出力するように制御サブシステムが構成されている請求項3に記載の電力システム。
  8. 2つの相端子間に電気的に接続されているAC電源から2つのDC/DCブリッジ端子間に電気的に接続されているDC負荷へ給電させるようにDC/ACブリッジ回路およびDC/DCブリッジ回路を制御する信号を選択的に出力するように制御サブシステムが構成されている請求項3に記載の電力システム。
  9. 複数のDC/DCブリッジ端子から正DC母線端子及び負DC母線端子間に接続されているDC負荷へ給電させるようにDC/DCブリッジ回路ヲ制御する信号を選択的に出力するように制御サブシステムが構成されている請求項3に記載の電力システム。
  10. 正DC母線端子及び負DC母線端子間に電気的に接続されているDC電源から複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続されているDC負荷へ給電させるようにDC/DCブリッジ回路を制御する信号を選択的に出力するように制御サブシステムが構成されている請求項3に記載の電力システム。
  11. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が、
    第1動作モードでは、正及び負DC母線端子間に電気的に接続されている電源から複数の相端子と電気的に接続されている負荷へ給電させるように電力コンバータを制御する信号を出力するように；且つ
    第2動作モードでは、複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続されている電源から複数の相端子と電気的に接続されている負荷へ給電するように構成されている請求項1に記載の電力システム。
  12. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が第3動作モードでは、複数の相端子と電気的に接続されている電源から正及び負DC母線端子と電気的に接続されている負荷へ給電するように構成されている請求項11に記載の電力システム。
  13. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が第3動作モードでは、複数の相端子と電気的に接続されている電源から複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続されている負荷へ給電するように構成されている請求項11に記載の電力システム。
  14. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が1つの動作モードでは、2つのDC/DCブリッジ端子間の電圧を制御するように構成されている請求項1に記載の電力システム。
  15. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が1つの動作モードでは、AC相端子における電流を制御するように構成されている請求項１に記載の電力システム。
  16. 選択的に複数のDC/DCブリッジ端子から複数の相端子へ給電し、選択的に複数の相端子から複数のDC/DCブリッジ端子へ給電する手段が1つの動作モードでは、正及び負DC母線端子間の電圧を制御するように構成されている請求項１に記載の電力システム。
  17. システムであって、
    外部を含むハウジングと；
    ハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数の相端子；
    ハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な複数のDC/DCブリッジ端子；
    ハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な正DC母線端子；及び
    ハウジングによって支持され、ハウジングの外側からアクセス可能な負DC母線端子を含む1組の入/出力端子と；
    ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数の相端子と電気的に接続しているDC/ACブリッジ回路と；
    ハウジングの内部に収納され、正DC母線端子、負DC母線端子、及び複数のDC/DCブリッジ端子と電気的に接続しているDC/DCブリッジ回路
    を含む電力コンバータと；
    DC/DCブリッジ端子から正及び負DC母線端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第1動作モードと；
    正及び負DC母線端子から相端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第2動作モードを含む複数の動作モードで動作する制御サブシステムから成る前記システム。
  18. 複数の動作モードが、DC/DCブリッジ端子から相端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第3動作モードをも含む請求項17に記載の電力システム。
  19. 複数の動作モードが、DC/DCブリッジ端子から相端子へ給電させるとともに、DC/DCブリッジ端子から正及び負DC母線端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第3動作モードをも含む請求項17に記載の電力システム。
  20. 複数の動作モードが、正及び負DC母線端子からDC/DCブリッジ端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第3動作モードをも含む請求項17に記載の電力システム。
  21. 複数の動作モードが、正及び負DC母線端子からDC/DCブリッジ端子へ給電させるとともに、正及び負DC母線端子から相端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第3動作モードをも含む請求項17に記載の電力システム。
  22. 複数の動作モードが、相端子から正及び負DC母線端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第3動作モードをも含む請求項17に記載の電力システム。
  23. 複数の動作モードが、相端子からDC/DCブリッジ端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第3動作モードをも含む請求項17に記載の電力システム。
  24. 複数の動作モードが、相端子から正及び負DC母線端子へ給電させるとともに、相端子からDC/DCブリッジ端子へ給電させるように制御サブシステムが制御信号を出力する第3動作モードをも含む請求項17に記載の電力システム。
  25. 電力コンバータと電気的に接続する電源サブシステムをも含む請求項17に記載の電力システム。
  26. 電力コンバータの相端子と電気的に接続する交流機をも含む請求項17に記載の電力システム。
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