(57)【要約】【課題】電力変換効率を向上させる。【解決手段】電力変換システムのスイッチングユニットは、チャネルとチャネルに一体化されたボディダイオードとを含むスイッチングデバイスを含む。スイッチングデバイスは、第１の端子と第２の端子と第３の端子とを含む。チャネルは、第１の端子に与えられた第１のターンオンスイッチング制御信号に応答して、正の方向の電流が流れることを可能にする正の方向の電流フロー経路を提供する。ボディダイオードは、第１のターンオフスイッチング制御信号に応答して、負の方向の電流が流れることを可能にする第１の負の方向の電流フロー経路を提供する。チャネルは、第２のターンオンスイッチング制御信号に応答して、負の方向の電流が流れることを可能にする第２の負の方向の電流フロー経路を提供する。この電力変換システムを動作させる方法もまた提供される。【選択図】図１
2014110762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換システムであって、
スイッチング制御信号を提供するように構成された制御モジュールと、
電力変換デバイスであって、
第１のポートと、
第２のポートと、
前記第１のポートと前記第２のポートとの間に電気的に結合され、チャネルと、前記チャネルと一体化されたボディダイオードと、前記制御モジュールから提供されたスイッチング制御信号を受け取るように構成された第１の端子と、第２の端子と、電流フロー経路を提供するように構成された第３の端子とを備えるスイッチングデバイスを備える、少なくとも１つのスイッチングユニットであって、
前記スイッチングデバイスの前記チャネルは、前記第１の端子に印加された第１のターンオンスイッチング制御信号に応答して正の方向の電流が前記第２の端子から前記第３の端子に流れることを可能にするように、正の方向の電流フロー経路を提供するように構成されており、
前記スイッチングデバイスの前記ボディダイオードは、前記第１の端子に印加された第１のターンオフスイッチング制御信号に応答して負の方向の電流が前記第３の端子から前記第２の端子に流れることを可能にするように、第１の負の方向の電流フロー経路を提供するように構成されており、
前記スイッチングデバイスの前記チャネルは、前記第１の端子に印加された第２のターンオンスイッチング制御信号に応答して負の方向の電流が前記第３の端子から前記第２の端子に流れることを可能にするように、第２の負の方向の電流フロー経路を提供するように構成されている、
スイッチングユニットを備える、電力変換デバイスと、
を備える、電力変換システム。
【請求項２】
前記スイッチングデバイスが、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）トランジスタと窒化ガリウム（ＧａＮ）との少なくとも一方を備える、請求項１記載の電力変換システム。
【請求項３】
前記第１のターンオンスイッチング制御信号と前記第１のターンオフスイッチング制御信号とが変調方式を実装することによって生成される、請求項１記載の電力変換システム。
【請求項４】
前記変調方式が、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）方式と正弦パルス幅変調（ＳＰＷＭ）方式との少なくとも一方を備える、請求項３記載の電力変換システム。
【請求項５】
前記第１のターンオフスイッチング制御信号の一部が前記第２のターンオンスイッチング制御信号によって置き換えられる、請求項３記載の電力変換システム。
【請求項６】
前記スイッチングデバイスの前記第１の端子が、前記第２のターンオンスイッチング制御信号の立ち上がりエッジにおいてデッドタイム遅延を伴う第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号を、前記第２のターンオンスイッチング制御信号の立ち下がりエッジにおいてデッドタイムアドバンスメントを伴う第２のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号を受け取る、請求項１記載の電力変換システム。
【請求項７】
前記第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号が前記第２のターンオンスイッチング制御信号に変化するとき、前記スイッチングデバイスが実質的にゼロ電圧でターンオンされる、請求項６記載の電力変換システム。
【請求項８】
前記スイッチングユニットが、前記スイッチングデバイスと逆並列に電気的に結合された逆並列ダイオードを備え、前記逆並列ダイオードは、前記第１の端子に印加された第１のターンオフスイッチング制御信号に応答して負の方向の電流が前記第３の端子から前記第２の端子に流れることを可能にするように、第３の負の方向の電流フロー経路を提供するように構成されている、請求項３記載の電力変換システム。
【請求項９】
前記逆並列ダイオードが、ＳｉＣダイオードとＧａＮダイオードとの少なくとも一方を備える、請求項８記載の電力変換システム。
【請求項１０】
前記第１のターンオフスイッチング制御信号の一部が前記第２のターンオンスイッチング制御信号によって置き換えられる、請求項８記載の電力変換システム。
【請求項１１】
負荷を充電するために前記制御モジュールから提供されたスイッチング制御信号に応答して、入力交流（ＡＣ）電力を出力直流（ＤＣ）電力に整流するように構成された整流器を備える、請求項１記載の電力変換システム。
【請求項１２】
スイッチング制御信号を受け取り、入力ＤＣ電力を出力ＡＣ電力に反転させるように構成されたインバータと、
スイッチング制御信号を受け取り、入力ＤＣ電力を出力ＤＣ電力に変換するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
スイッチング制御信号を受け取り、入力ＡＣ電力を出力ＡＣ電力に変換するように構成されたＡＣ／ＡＣコンバータと、
のうちの少なくとも１つを備える、請求項１記載の電力変換システム。
【請求項１３】
電力変換システムを動作させる方法であって、
前記電力変換システムのスイッチングデバイスの第１の端子に第１のターンオンスイッチング制御信号を提供し、正の方向の電流が前記スイッチングデバイスのチャネルによって提供された正の方向の電流フロー経路を経由して第２の端子から第３の端子に流れることを可能にするステップと、
前記電力変換システムの前記スイッチングデバイスの前記第１の端子に第２のターンオンスイッチング制御信号を提供し、負の方向の電流が前記スイッチングデバイスの前記チャネルによって提供された負の方向のフロー経路を経由して前記第３の端子から前記第２の端子に流れることを可能にするステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
前記第１のターンオフスイッチング制御信号の一部を前記第２のターンオンスイッチング制御信号によって置き換えるステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
変調方式によって、前記第１のターンオンスイッチング制御信号と前記第１のターンオフスイッチング制御信号とを生成するステップを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記変調方式が、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）方式と正弦パルス幅変調（ＳＰＷＭ）方式との少なくとも一方を含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号に、前記第２のターンオンスイッチング制御信号の立ち上がりエッジにおいてデッドタイム遅延を提供するステップと、
第２のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号に、前記第２のターンオンスイッチング制御信号の立ち下がりエッジにおいてデッドタイムアドバンスメントを提供するステップと、
を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
実質的にゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）方式を用いて前記スイッチングデバイスをターンオンするステップを含む、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、給電の際の電力変換効率を向上させるシステムおよび方法であって、電気車両（ＥＶ）システムで用いられる整流器などの広範な応用例において有用なシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス技術の進歩に伴い、ある形式の入力電力を負荷によって要求される別の形式の出力電力に変換するためのブリッジとして、電力変換システムが広く用いられるようになっている。通常、電力変換システムは、少なくとも１つの半導体スイッチングデバイスを用いて構成される。スイッチング制御信号をスイッチングデバイスに提供することにより、出力電力を、より柔軟な態様で制御することが可能である。しかし、電力変換システムの効率をいかにして向上させるかは、依然として、電力変換システムを動作させる際の大きな問題である。
【０００３】
最近では、３レベル方式トポロジなどの複数のトポロジに加えて、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）方式、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）方式、および最適化されたパルス幅変調（ＰＷＭ）方式などの多数の制御方式が、電力変換システムの効率向上のために提案されてきているが、効率向上の余地は依然として存在している。
【０００４】
従って、電力変換効率を向上させるための新規または改良型のシステムおよび方法を提供することが望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示されているある実施形態により、電力変換システムが提供される。この電力変換システムは、制御モジュールと電力変換デバイスとを含む。制御モジュールは、スイッチング制御信号を電力変換デバイスに提供するように構成されている。電力変換デバイスは、第１のポートと、第２のポートと、第１のポートと第２のポートとの間に電気的に結合された少なくとも１つのスイッチングユニットとを含む。スイッチングユニットは、スイッチングデバイスを含む。スイッチングデバイスは、チャネルと、そのチャネルと一体化されたボディダイオードとを含む。スイッチングデバイスは、制御モジュールから提供されたスイッチング制御信号を受け取るように構成された第１の端子と、電流フロー経路を提供するように構成された第２の端子および第３の端子とを含む。チャネルは、第１の端子に印加された第１のターンオンスイッチング制御信号に応答して、正の方向の電流が第２の端子から第３の端子に流れることを可能にするように、正の方向の電流フロー経路を提供するように構成されている。スイッチングデバイスのボディダイオードは、第１の端子に印加された第１のターンオフスイッチング制御信号に応答して、負の方向の電流が第３の端子から第２の端子に流れることを可能にするように、第１の負の方向の電流フロー経路を提供するように構成されている。スイッチングデバイスのチャネルは、第１の端子に印加された第２のターンオンスイッチング制御信号に応答して、負の方向の電流が第３の端子から第２の端子に流れることを可能にするように、第２の負の方向の電流フロー経路を提供するように構成されている。
【０００６】
本明細書で開示されている別の実施形態により、電力変換システムを動作させるための方法が提供される。この方法は、電力変換システムのスイッチングデバイスの第１の端子に第１のターンオンスイッチング制御信号を提供して、正の方向の電流が、スイッチングデバイスのチャネルによって提供された正の方向の電流フロー経路を経由してスイッチングデバイスの第２の端子から第３の端子に流れることを可能にするステップを含む。またこの方法は、電力変換システムのスイッチングデバイスの第１の端子に第２のターンオンスイッチング制御信号を提供して、負の方向の電流が、スイッチングデバイスのチャネルによって提供された負の方向のフロー経路を経由して第３の端子から第２の端子に流れることを可能にするステップを含む。
【０００７】
本開示のこれらのおよびそれ以外の特徴、態様、および効果は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことにより、更によく理解されるはずである。なお、図面においては、同じ符号は、複数の図にわたる場合であっても同じ部材を表すものとする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の例示的な実施形態による電力変換システムの回路図である。
【図２】本開示の別の例示的な実施形態による電力変換システムの回路図である。
【図３】本開示の例示的な実施形態による変調方式を実装した場合の、図１または２に示されたスイッチングユニットの様々な波形を示すグラフである。
【図４】本開示の例示的な実施形態による別の変調方式を実装した場合の、図１または２に示されたスイッチングユニットの様々な波形を示すグラフである。
【図５】本開示の例示的な実施形態による更に別の変調方式を実装した場合の、図１または２に示されたスイッチングユニットの様々な波形を示すグラフである。
【図６】本開示の例示的な実施形態による電気車両（ＥＶ）システムにおいて用いられる整流器の回路図である。
【図７】本開示の例示的な実施形態による空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）方式を実装した場合の、図６に示された整流器の様々な波形を示すグラフである。
【図８】本開示の例示的な実施形態によるＳＶＰＷＭ方式と逆チャネル導通方式との組み合わせを実装した場合の、図６に示された整流器の様々な波形を示すグラフである。
【図９】本開示の例示的な実施形態によるＳＶＰＷＭ方式の特に図７に示されたモード１を用いた場合の、図６に示された整流器の電流フロー経路に関する回路図である。
【図１０】本開示の例示的な実施形態によるＳＶＰＷＭ方式と逆チャネル導通方式との組み合わせにおいて特に図８に示されたモード１を用いた場合の、図６に示された整流器の電流フロー経路に関する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
これらの実施形態に関する簡潔な説明を提供することを試みるため、現実の実装例のすべての特徴を、１つまたは複数の特定の実施形態において論じることはしない。任意のそのような現実の実装例の開発においては、任意の工学的または設計プロジェクトにおけるのと同じように、システムに関係するおよび事業に関係する制約とのコンプライアンスなど、ある実装例と別の実装例との間で変動しうる、開発者が有する特定の目標を達成するために、多くの実装例に特有の決定がなされなければならないことを理解すべきである。更に、そのような開発上の努力は複雑であり時間を要する可能性があるが、それでも本開示の恩恵を有する当業者にとっては、設計、製作、および製造に関する日常的な業務でありうることを理解すべきである。
【００１０】
特に別の定義がなされない場合には、本明細書で用いられる技術および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で用いられる「第１」、「第２」、「第３」などの語は、どのような順序、数量、または重要性などを意味するものではなく、ある要素と別の要素とを区別するために用いられる。また、「ひとつの（ａ、ａｎ）」という語は、数量の制限を意味するものではなく、参照されているものが少なくとも１つ存在していることを意味する。「または」という語によっては、包括的であるということが意図されており、リスト化されているもののうちで、任意のもの、複数のもの、またはすべてを意味しうる。「含む」、「備える」、または「有する」、およびその変形例などの用法は、追加的なものに加えて、それらの後にリスト化されているものや、その均等物を包含することを意図している。
【００１１】
本明細書では、「しうる（ｍａｙ）」、「できる（ｃａｎ）」、「ありうる（ｍａｙ  ｂｅ）」、および「可能性がある（ｃａｎ  ｂｅ）」などの用語は、複数の状況における発生の可能性や、特定の資産や特性や機能の所持を示す、および／または修飾される動詞と関連する能力、性能、または可能性のうちの１つまたは複数を表現することにより別の動詞を修飾する。従って、「しうる」、「できる」、「ありうる」、および「可能性がある」などが用いられると、場合によっては、修正された用語が適切、能力がある、または適切ではない可能性があることを考慮に入れながら、修正された用語が外見上適切である、能力がある、または示されている能力、機能、または使用に関して適切であることを示している。例えば、ある状況では、ある事象または能力が予想されうるが、それ以外の状況では、その事象または能力が生じえない場合がある。このような区別は、「しうる」、「できる」、「ありうる」、および「可能性がある」などの用語によって把握される。
【００１２】
図１は、本開示の例示的な実施形態による電力変換システム１０の回路図を図解している。図１に示されているように、電力変換システム１０は、電力変換デバイス１３と制御モジュール１７とを含む。いくつかの実施形態では、電力変換デバイス１３は、第１の電力デバイス１１と結合された第１のポート１９と、第２の電力デバイス１５と結合された第２のポート２１とを含む。制御モジュール１７は、電力変換デバイス１３と電気的に通信する状態にあり、電力変換デバイス１３にスイッチング制御信号１８を提供することにより、電力変換デバイス１３は、スイッチング制御信号１８に従い一方向的または双方向的に電力変換を実行することができる。
【００１３】
電力変換システム１０は、第１の電力デバイス１１と第２の電力デバイス１５との様々な形態に応じて異なる複数の電力変換機能を実行するように構成されうる。いくつかの実施形態では、ＡＣ／ＤＣ電力を提供するまたは受け取ることができるＡＣ／ＤＣ電力デバイスを、第１の電力デバイス１１および第２の電力デバイス１５として用いることができる。
【００１４】
例えば、いくつかの実施形態では、ＡＣ電力グリッドや発電デバイス（例えば、風力タービン発電機）など、ＡＣ電力を提供することができるＡＣ電力デバイスを、第１の電力デバイス１１として用いることができる。いくつかの実施形態では、ＤＣモータ、バッテリ、およびウルトラキャパシタなど、ＤＣ電力で動作させることができるＤＣ電力デバイスを、第２の電力デバイス１５として用いることができる。電力変換システム１０は、ＡＣ電力デバイス１１から提供された入力ＡＣ電力を整流してＤＣ電力デバイス１５に出力ＤＣ電力を提供する整流器として、作用しうる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、ソーラーパネル、バッテリ、およびウルトラキャパシタなど、ＤＣ電力を提供することができるＤＣ電力デバイスを、第１の電力デバイス１１として用いることができる。いくつかの実施形態では、ＡＣモータやＡＣ電力グリッドなど、ＡＣ電力で動作させることができるＡＣ電力デバイスを、第２の電力デバイス１５として用いることができる。電力変換システム１０は、ＤＣ電力デバイス１１から提供された入力ＤＣ電力を、ＡＣモータ１５を駆動するまたはグリッド送電および配電のための出力ＡＣ電力に変換するインバータとして、作用しうる。
【００１６】
いくつかの実施形態では、ソーラーパネル、バッテリ、およびウルトラキャパシタなど、ＤＣ電力を提供することができるＤＣ電力デバイスを、第１の電力デバイス１１として用いることができる。いくつかの実施形態では、ＤＣモータなど、ＤＣ電力で動作させることができるＤＣ電力デバイスを、第２の電力デバイス１５として用いることができる。電力変換システム１０は、ＤＣ電力デバイス１１から提供された入力ＤＣ電力を、他のＤＣ電力デバイス１５に提供する出力ＤＣ電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとして、作用しうる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、ＡＣ電力グリッドや発電デバイス（例えば、風力タービン発電機）など、ＡＣ電力を提供することができるＡＣ電力デバイスを、第１の電力デバイス１１として用いることができる。いくつかの実施形態では、ＡＣ電力で動作させることができるＡＣ電力デバイスを、第２の電力デバイス１５として用いることができる。電力変換システム１０は、ＡＣ電源１１から提供された入力ＡＣ電力を他のＡＣ電力デバイス１５に提供する出力ＡＣ電力に変換するＡＣ／ＡＣコンバータとして、作用しうる。
【００１８】
電力変換デバイス１３は、少なくとも１つのスイッチングユニット２３を含む。いくつかの実施形態では、スイッチングユニット２３は、スイッチングデバイス２５を含む。スイッチングデバイス２５は、チャネル２０と、チャネル２０と一体化されたボディダイオード２２とを含む。特に、スイッチングデバイス２５のチャネル２０は、順チャネル導通特性と逆チャネル導通特性とを有するように設計されている。より詳しくは、いくつかの実施形態では、スイッチングデバイス２５は、順電流が、チャネル２０によって画定された経路を流れることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、スイッチングデバイス２５は、逆電流が、ボディダイオード２２とチャネル２０とによって画定された少なくとも２つの経路を流れることを可能にすることができる。逆チャネル導通特性を有するように設計されうるスイッチングデバイス２５の非制限的な例には、ＳｉＣトランジスタ（例えば、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ）やＧａＮトランジスタなどのワイドバンドギャップトランジスタが含まれうる。
【００１９】
図解されている実施形態では、スイッチングデバイス２５は、第１の端子２４と、第２の端子２６と、第３の端子２８とを含む。いくつかの実施形態では、第１の端子２４は、制御モジュール１７から提供されたスイッチング制御信号１８を受け取るように構成されているゲート端子でありうる。第２の端子２６と第３の端子２８とは、それぞれが、第１の端子２４に印加されたスイッチング制御信号１８に応答して電流フロー経路を提供するように構成されているソースおよびドレイン端子でありうる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、スイッチングユニット２３において、複数の異なる電流フロー経路が形成されうるが、その際に、複数の異なるスイッチング制御信号に応答して電流の複数の異なる方向が生じる。電流は、第２の端子２６と第３の端子２８との間を流れる電流の方向に従い、正の方向の電流と負の方向の電流とを含みうる。正の方向の電流は第２の端子２６から第３の端子２８へ流れ、負の方向の電流は第３の端子２８から第２の端子２６へ流れうる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、正の方向の電流が、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加されたターンオンスイッチング制御信号に応答してスイッチングデバイス２５のチャネル２０によって提供された正の方向のフロー経路を、流れうる。いくつかの実施形態では、負の方向の電流が、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加された第１のターンオフスイッチング制御信号に応答してスイッチングデバイス２５のボディダイオード２２によって提供された第１の負の方向の電流フロー経路を、流れうる。いくつかの実施形態では、負の方向の電流が、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加された別のターンオンスイッチング制御信号に応答してスイッチングデバイス２５のチャネル２０によって提供された第２の負の方向の電流フロー経路を、流れうる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、電力変換デバイス１３は、逆チャネル導通特性を有するように設計された単一のスイッチングユニットを含む。いくつかの実施形態では、電力変換デバイス１３は、複数のスイッチングユニットを含む。例えば、電力変換デバイス１３は、４つのスイッチングユニットのＨブリッジ構成またはトポロジを有することがあり、これら４つのスイッチングユニットのすべてまたは一部を、逆チャネル導通特性を有するように設計することができる。いくつかの実施形態では、電力変換デバイス１３は、６つのスイッチングユニットの３相ブリッジ構成またはトポロジを有することがあり、これら６つのスイッチングユニットのすべてまたは一部を、逆チャネル導通特性を有するように設計することができる。いくつかの実施形態では、電力変換デバイス１３は、任意の数のスイッチングユニットを備えた他の構成を含むこともありうる。
【００２３】
電力変換システム１０を安全な態様で動作させ続けるために、電力変換デバイス１３または電力変換システム１０は、スイッチングデバイス２３を安全な態様で動作させ続けるためのスナバ回路（図示せず）など他の回路を含むことがある。
【００２４】
図２は、本開示の別の例示的な実施形態による電力変換システム１００の回路図である。電力変換システム１００は、図１に記載されているものと実質的に同じである。同様に、電力変換システム１００は、電力変換デバイス１０３と制御モジュール１７とを含む。また、電力変換デバイス１０３は、少なくとも１つのスイッチングユニット１２３を含む。
【００２５】
いくつかの実施形態では、図２に示されているスイッチングユニット１２３は、スイッチングデバイス２５と逆並列に電気的に結合された逆並列ダイオード１０１を更に含む。より詳しくは、逆配列ダイオード１０１のアノードは第３の端子２８に電気的に結合され、逆配列ダイオード１０１のカソードは第２の端子２６に電気的に結合されている。いくつかの実施形態では、スイッチングユニット１２３は、スイッチングデバイス２５と直列または並列に電気的に結合された他のデバイス（例えば、キャパシタ）を含みうる。
【００２６】
図１を参照して既に述べたように、ボディダイオード２２とチャネル２０とは、負の方向の電流がそれぞれを流れる第１および第２の負の方向の電流フロー経路を提供するように構成されうる。図２の図解されている実施形態では、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加された第１のターンオフスイッチング制御信号に応答して、負の方向の電流が、逆並列ダイオード１０１によって提供された第３の負の方向の電流フロー経路を流れることにより、スイッチングデバイス２５のボディダイオード２２の電流負担を減少させることが可能になる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、逆並列ダイオード１０１は、Ｓｉダイオードか、または、ＳｉＣダイオードやＧａＮダイオードなどのワイドバンドギャップダイオードを含むことがある。ＳｉＣダイオードやＧａＮダイオードなどのワイドバンドギャップダイオードを用いることの利点または効果は、電力変換デバイス１３の全体的な電力消費を削減できることである。
【００２８】
一般には、電力変換デバイス１０３の第１のポート１９において入力電力を受け取った後で入力電力を出力電力に変換するための変調方式が、電力変換デバイス１０３で実装される。説明を簡単にするために、以下では、従来型の変調方式に加えて、本開示に従ってその従来型の変調方式と逆チャネル導通方式とを組み合わせたスイッチング制御方式に関して述べる。いくつかの実施形態では、変調方式と逆チャネル導通方式とを組み合わせたスイッチング制御方式は、少なくとも１つのスイッチングユニット（例えば、図１に示されているスイッチングユニット２３または図２に示されているスイッチングユニット１２３）の動作を制御するように実装される。
【００２９】
図３には、本開示の例示的な実施形態によって従来型の変調方式の実装に応答するスイッチングユニット（図１または２に示されている）における様々な波形のグラフが示されている。いくつかの実施形態では、第１のターンオンスイッチング制御信号２０１と第１のターンオフスイッチング制御信号２０３とが、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式（例えば、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）方式や、正弦パルス幅変調（ＳＰＷＭ）方式）などの従来型の変調方式によって生成される。
【００３０】
いくつかの実施形態では、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加された第１のターンオン制御信号２０１に応答して、正の方向の電流が、スイッチングデバイス２５のチャネル２０によって提供された正の方向の電流フロー経路を流れうる。しかし、スイッチングデバイス２５のチャネル２０と同じようには、ダイオード（例えば、図１に示されているボディダイオード２２や、図２に示されている逆並列ダイオード１０１）を流れる電流は存在しない。
【００３１】
いくつかの実施形態では、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加された第１のターンオフスイッチング制御信号２０３に応答して、負の方向の電流２０５が、スイッチングデバイス２５のボディダイオード２２（図１に示されている）によって提供された第１の負の方向の電流フロー経路を流れうる。いくつかの実施形態では、負の方向の電流２０５は、逆並列ダイオード１０１（図２に示されている）によって提供された第３の負の方向の電流フロー経路を流れうる。いくつかの実施形態では、負の方向の電流は、第１と第３との両方の負の方向の電流フロー経路を流れうる。
【００３２】
図３に示されているように、第１のターンオフスイッチング制御信号２０３がスイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加される時間期間の間は、スイッチングデバイス２５のチャネル２０（図１および図２に示されている）を流れる電流は存在しない。従って、ボディダイオード２２および／または逆並列ダイオード１０１は、従来型の変調方式が実装されている間、導通損失に寄与する。
【００３３】
図４には、本開示の例示的な実施形態によって従来型の変調方式と逆チャネル導通方式とを組み合わせたスイッチング制御方式を実装することに応答する、スイッチングユニット（図１または２に示されている）における様々な波形のグラフが示されている。いくつかの実施形態では、第１のターンオンスイッチング制御信号２０１が、従来型の変調方式によって生成される。第２のターンオンスイッチング制御信号３０３は、逆チャネル導通特性を最大限に利用し、逆チャネル導通方式によって生成される。
【００３４】
図４に示されているように、いくつかの実施形態では、第１のターンオンスイッチング制御信号２０１には、第２のターンオンスイッチング制御信号３０３が続く。いくつかの実施形態では、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加されたターンオンスイッチング制御信号３０３に応答して、スイッチングデバイス２５のチャネル２０がターンオンされ電流を導通させる。すなわち、更に詳しくは、負の方向の電流が、スイッチングデバイス２５のチャネルを経由して第３の端子２８から第２の端子２６に流れる。スイッチングデバイス２５の導通しているチャネル２０は、スイッチングデバイス２５のボディダイオード２２や逆並列ダイオード１０１よりも低い抵抗値を有する。従って、負の方向の電流をスイッチングデバイス２５のチャネル２０を経由して流れる状態に維持することにより、導通損失を縮小することが可能であり、電力変換システム１０、１００の効率を向上させることができる。
【００３５】
図５には、本開示の例示的な実施形態によって図４に示されているスイッチング制御方式とデッドタイムスイッチング制御方式とを組み合わせたスイッチング制御方式を実装することに応答する、スイッチングユニット（図１または２に示されている）における様々な波形の別のグラフが示されている。より詳しくは、スイッチング制御信号（例えば、第２のターンオンスイッチング制御信号）の一部が、ターンオフスイッチング制御信号のデッドタイム周期によって置き換えられる。そして、最終的なスイッチング制御信号が、スイッチングデバイス２５の第１の端子２４に印加される。そのようなデッドタイムスイッチング制御方式を実装する目的は、単一のブリッジ脚部において直列に構成された２つのスイッチングユニットが電流を同時に導通させると生じる可能性がある短絡故障を回避できるという点にある。
【００３６】
図５に示されているように、いくつかの実施形態では、第１のターンオンスイッチング制御信号２０１には、第２のターンオンスイッチング制御信号４０３が続く。第２のターンオンスイッチング制御信号４０３は、少なくとも１つの第２のターンオフスイッチング制御信号（例えば、デッドタイムターンオフスイッチング制御信号４０２や、デッドタイムターンオフスイッチング制御信号４０４）と共に生成される。第２のターンオンスイッチング制御信号３０３（図４に示されている）と比較すると、デッドタイムターンオフスイッチング制御信号４０２、４０４は、第２のターンオンスイッチング制御信号４０３の立ち上がりエッジにおけるデッドタイム遅延と、立ち下がりエッジにおけるデッドタイム進行とをもたらす。
【００３７】
更に、スイッチングデバイス２５が、第１のデッドタイムスイッチング制御信号４０２が供給されるオフ状態から第２のターンオンスイッチング制御信号４０３が供給されるオン状態にスイッチングされると、ゼロ電圧スイッチングを達成することができる。より詳しくは、第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号４０２に応答して、負の方向の電流４０６がダイオード（例えば、図１に示されているスイッチングデバイス２５のボディダイオード２２または図２に示されている逆並列ダイオード１０１）を流れる。第２の端子２６と第３の端子２８との間の電圧は、実質的にゼロに近いダイオードの導通電圧と等しい。第２のターンオンスイッチング制御信号４０３に応答して、負の方向の電流４０５は、フロー経路を、ダイオードからスイッチングデバイス２５のチャネル２０に変更する。すなわち、第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号４０２が第２のターンオンスイッチング制御信号４０３に変化すると、スイッチングデバイス２５がゼロ電圧でターンオンされる。結果的に、スイッチング損失を縮小することができる。第２のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号４０４に応答して、負の方向の電流４０８がダイオードを流れる。
【００３８】
図６は、電気車両（ＥＶ）システム（図示せず）において用いられ、このＥＶシステムにインストールされたバッテリなどのエネルギ蓄積デバイスを充電するための整流器５００の回路図を示している。ＥＶシステムには、純粋な電気車両システムと、ハイブリッドな電気車両（ＨＥＶ）システムと、燃料電池式の電気車両システムとが含まれうる。整流器５００は、３相電力変換デバイス５０３と制御モジュール５０７とを含む。説明を行う目的のため、この実施形態では整流器５００が３相構成を有するように示しているが、他の実施形態では、整流器５００を単一相または多相に構成することも可能である。図解されている実施形態では、３相電力変換デバイス５０３は、６つのスイッチングユニット５２１〜５２６を有しており、これらは、図２に記載されていたスイッチングユニット１２３と実質的に同一であって、それぞれのスイッチングユニット（例えば５２１〜５２６）はＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴと逆並列ダイオードとキャパシタとを含みうる。
【００３９】
第１および第２のスイッチングユニット５２１、５２２は直列に結合されて第１の相の脚部を形成し、第３および第４のスイッチングユニット５２３、５２４は直列に結合されて第２の相の脚部を形成し、第５および第６のスイッチングユニット５２５、５２６は直列に結合されて第３の相の脚部を形成している。これら３つの相の脚部は、入力ＡＣ電力デバイス５０１から３相それぞれの入力を受け取り、２つの出力端子５０８、５１０を経由して負荷５０５への出力ＤＣ電力を提供するように構成されている。
【００４０】
更に詳しくは、第１のスイッチングデバイスＳ1の第３の端子と第２のスイッチングデバイスＳ2の第２の端子とは、共通に第１の入力端子５０２に結合され、入力ＡＣ電力デバイス５０１から第１の相の電力を受け取る。第３のスイッチングデバイスＳ3の第３の端子と第４のスイッチングデバイスＳ4の第２の端子とは、共通に第２の入力端子５０４に結合され、入力ＡＣ電力デバイス５０１から第２の相の電力を受け取る。第５のスイッチングデバイスＳ5の第３の端子と第６のスイッチングデバイスＳ6の第２の端子とは、共通に第３の入力端子５０６に結合され、入力ＡＣ電力デバイス５０１から第３の相の電力を受け取る。スイッチングデバイスＳ1、Ｓ3、Ｓ5のそれぞれの第２の端子は、共通に負荷５０５（例えば、バッテリ）の正の端子５０８に結合され、スイッチングデバイスＳ2、Ｓ4、Ｓ6のそれぞれの第３の端子は、共通に負荷５０５の負の端子５１０に結合されている。
【００４１】
制御モジュール５０７は、少なくとも、３相の電力変換デバイス５０３と電気的に通信可能な状態にあり、スイッチング制御信号を、３相整流器５０３におけるそれぞれのスイッチングデバイスＳ1からＳ6のそれぞれの第１の端子に提供する。いくつかの実施形態では、制御モジュール５０７には、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など、任意の適切なプログラマブル回路またはデバイスが含まれる。いくつかの実施形態では、制御モジュール５０７は、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせとして実装されうる。スイッチング制御信号が制御モジュール５０７によってどのように生成されるかに関する特定の詳細については、以下で説明する。
【００４２】
図７は、図６に示されており本開示の例示的な実施形態による空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）方式を実装する整流器５００の様々な波形のグラフを示している。いくつかの実施形態では、それぞれのフェーズレッグのスイッチング状態は、「０」と「１」とを含みうる。例えば、「０」は、それぞれのフェーズレッグにおけるトップスイッチングデバイス（例えば、Ｓ1）がターンオフされていること、そして、それぞれのフェーズレッグにおけるボトムスイッチングデバイス（例えば、Ｓ2）がターンオンされていることを表す。「１」は、それぞれのフェーズレッグにおけるトップスイッチングデバイス（例えば、Ｓ1）がターンオンされていること、そして、それぞれのフェーズレッグにおけるボトムスイッチングデバイス（例えば、Ｓ2）がターンオフされていることを表す。３つのフェーズレッグのスイッチング状態は、次の８つのスイッチングベクトルを用いてグループ化が可能である。
【００４３】
【数１】
2014110762.tif 000003
【００４４】
【数２】
2014110762.tif 000004
【００４５】
【数３】
2014110762.tif 000005
【００４６】
【数４】
2014110762.tif 000006
【００４７】
【数５】
2014110762.tif 000007
【００４８】
【数６】
2014110762.tif 000008
【００４９】
【数７】
2014110762.tif 000009
【００５０】
【数８】
2014110762.tif 000010
図解されている実施形態では、変調方式は７セグメントのＳＶＰＷＭに基づいている。図７に示されているように、グラフは、図６において７つのセグメントを用いて示されていた６つのスイッチングユニットの様々な波形を示している。それぞれのセグメントは、１つのスイッチングベクトルと、電力変換デバイス５０３の１つの動作モードとに対応している。図解されている実施形態では、４つのスイッチングベクトル
【００５１】
【数９】
2014110762.tif 000011
【００５２】
【数１０】
2014110762.tif 000012
【００５３】
【数１１】
2014110762.tif 000013
【００５４】
【数１２】
2014110762.tif 000014
の間の変換は、その結果として、電力変換プロセスのモードの変化を生じさせる。例えば、スイッチングベクトル
【００５５】
【数１３】
2014110762.tif 000015
が、スイッチングベクトル
【００５６】
【数１４】
2014110762.tif 000016
に変換されると、電力変換プロセスはモード１からモード２に変化し、スイッチングベクトル
【００５７】
【数１５】
2014110762.tif 000017
が、スイッチングベクトル
【００５８】
【数１６】
2014110762.tif 000018
に変換されると、電力変換プロセスはモード２からモード３に変化する。
【００５９】
負の方向の電流が第１のスイッチングユニット５２１に存在するときには、第１のスイッチングデバイスＳ1によって受け取られた第１のターンオフスイッチング制御信号６０１（モード１からモード７に示されている）に応答して、負の方向の電流６０３（モード２からモード６に示されている）が、第１の逆並列ダイオードＤ1を流れうる。正の方向の電流が第３のスイッチングユニット５２３に存在するときには、第３のスイッチングデバイスＳ3によって受け取られた第１のターンオンスイッチング制御信号６０５（モード３からモード５に示されている）に応答して、正の方向の電流が、第３のスイッチングデバイスＳ3を流れうる。図７に示されているように、他のスイッチングユニットは、第１および第３のスイッチングユニット５２１、５２３と実質的に同一の態様で動作されるので、これら他のスイッチングユニットに関する詳細な説明は本明細書では省略する。
【００６０】
図８は、図６に示されており本開示の例示的な実施形態によるＳＶＰＷＭ方式と逆チャネル導通方式との組み合わせを実装する整流器５００の様々な波形のグラフを示している。図７に示されているＳＶＰＷＭ方式と比較すると、第１のターンオンスイッチング制御信号（例えば、６０５）を受け取ると同様の作用がなされるが、他方で、第１のターンオフスイッチング制御信号（例えば、図７に示されている６０１）を受け取るといくつかの異なる作用がなされ、負の方向の電流が、図６に記載されているそれぞれのスイッチングユニットの中を流れる。
【００６１】
図８に示されているように、第１のスイッチングデバイスＳ1の第１の端子に印加された第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号７０２（モード１に示されている）と第２のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号７０４（モード６に示されている）とに応答して、負の方向の電流７０３、７０５（モード２とモード６とにそれぞれ示されている）が、第１の逆並列ダイオードＤ1を流れ続ける。スイッチングデバイスＳ1の第１の端子に印加された第２のターンオンスイッチング制御信号７０１（モード２からモード６に示されている）に応答して、負の方向の電流の電流フロー経路が、図７に示されている負の方向の電流６０３と比較すると、第１の逆並列ダイオードＤ1から、第１のスイッチングデバイスＳ1のチャネルに変更される。
【００６２】
図９は、図６に示されており本開示の例示的な実施形態によるＳＶＰＷＭ方式を実装している整流器５００の電流フロー経路のグラフを示している。より詳しくは、電流フロー経路は、図７に示されているように整流器５００をモード１で動作させることによって形成される。モード１では、第１のターンオンスイッチング制御信号６０７が第２のスイッチングデバイスＳ2に与えられ、第１のターンオフスイッチング制御信号６０９が第４のスイッチングデバイスＳ4に与えられ、そして、第１のターンオフスイッチング制御信号６１１が第６のスイッチングデバイスＳ6に与えられる。図９に示されているように、電流は、ｉaの形式で、第１の入力端子５０２において、入力ＡＣ電力デバイス５０１から流れ出て、ｉbとｉcとの形式で、第２の入力端子５０４と第３の入力端子５０６とのそれぞれにおいて、入力ＡＣ電力デバイス５０１に流れて戻る。
【００６３】
いくつかの実施形態では、ｉaは、第２のスイッチングデバイスＳ2のチャネルを流れる正の方向の電流と称されうる。更に、ｉbとｉcとは、第４の逆配列ダイオードＤ4と第６の逆並列ダイオードＤ6とのそれぞれを流れる負の方向の電流と称されうる。
【００６４】
図１０は、図６に示されており本開示の例示的な実施形態によるＳＶＰＷＭ方式と逆チャネル導通方式との組み合わせを実装する整流器５００の電流フロー経路のグラフを示している。図７に示されているモード１と類似する図８のモード１に示されているように、第１のターンオンスイッチング制御信号６０７は、やはり第２のスイッチングデバイスＳ2に提供される。更に、第２のターンオンスイッチング制御信号７０９と第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号７０８とが、第４のスイッチングデバイスＳ4に与えられる。第２のターンオンスイッチング制御信号７１１と第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号７１０とは、第６のスイッチングデバイスＳ6に与えられる。別の実施形態では、ターンオフスイッチング制御信号７０８、７１１を、デッドタイムなしで生成することも可能である。
【００６５】
図９の実施形態と比較すると、正の方向の電流ｉaは、やはり第２のスイッチングデバイスＳ2のチャネルを流れる。しかし、負の方向の電流ｉbは、第４の逆並列ダイオードＤ4ではなく、第４のスイッチングデバイスＳ4のチャネルを流れる。負の方向の電流ｉcは、第６の逆並列ダイオードＤ6ではなく、第６のスイッチングデバイスＳ6のチャネルを流れる。既に説明したように、負の方向の電流をボディダイオードや逆並列ダイオードではなくチャネルを導通させることは、電力変換システムの動作と関連する導通損失を減少させるのに役立ちうる。結果的に、電力変換システムの効率を向上させることが可能になる。
【００６６】
当業者によって理解されるように、本発明は、その精神や本質的な特性から逸脱することなく、他の特定の形式で実施することが可能である。従って、本明細書における開示および記載は、後述の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に関する説明を目的としており、制限的であることを意図していない。
【符号の説明】
【００６７】
１０  電力変換システム
１１  第１の電力デバイス
１３  電力変換デバイス
１５  第２の電力デバイス
１７  制御モジュール
１８  スイッチング制御信号
１９  第１のポート
２０  チャネル
２１  第２のポート
２２  ボディダイオード
２３  スイッチングユニット
２４  第１の端子
２５  スイッチングデバイス
２６  第２の端子
２８  第３の端子
１００  電力変換システム
１０１  逆並列ダイオード
１０３  電力変換デバイス
１２３  スイッチングユニット
２０１  第１のターンオンスイッチング制御信号
２０３  第１のターンオフスイッチング制御信号
２０５  負の方向の電流
３０３  第２のターンオンスイッチング制御信号
４０２  デッドタイムターンオフスイッチング制御信号
４０３  第２のターンオンスイッチング制御信号
４０４  デッドタイムターンオフスイッチング制御信号
４０５  負の方向の電流
４０６  負の方向の電流
４０８  負の方向の電流
５００  整流器
５０１  入力ＡＣ電力デバイス
５０２  第１の入力端子
５０３  ３相電力変換デバイス
５０４  第２の入力端子
５０５  負荷
５０６  第３の入力端子
５０７  制御モジュール
５０８  出力端子
５１０  出力端子
５２１  第１のスイッチングユニット
５２２  第２のスイッチングユニット
５２３  第３のスイッチングユニット
５２４  第４のスイッチングユニット
５２５  第５のスイッチングユニット
５２６  第６のスイッチングユニット
Ｓ1  第１のスイッチングデバイス
Ｓ2  第２のスイッチングデバイス
Ｓ3  第３のスイッチングデバイス
Ｓ4  第４のスイッチングデバイス
Ｓ5  第５のスイッチングデバイス
Ｓ6  第６のスイッチングデバイス
６０１  第１のターンオフスイッチング制御信号
６０３  負の方向の電流
６０５  第１のターンオンスイッチング制御信号
６０７  第１のターンオンスイッチング制御信号
６０９  第１のターンオフスイッチング制御信号
６１１  第１のターンオフスイッチング制御信号
Ｄ1  第１の逆並列ダイオード
Ｄ4  第４の逆並列ダイオード
Ｄ6  第６の逆並列ダイオード
７０１  第２のターンオンスイッチング制御信号
７０２  第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号
７０３  負の方向の電流
７０４  第２のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号
７０５  負の方向の電流
ｉa  正の方向の電流
ｉb  負の方向の電流
ｉc  負の方向の電流
７０８  第１のデットタイムターンオフスイッチング制御信号
７０９  第２のターンオンスイッチング制御信号
７１０  第１のデッドタイムターンオフスイッチング制御信号
７１１  第２のターンオンスイッチング制御信号
【図１】
2014110762.tif 000019
【図２】
2014110762.tif 000020
【図３】
2014110762.tif 000021
【図４】
2014110762.tif 000022
【図５】
2014110762.tif 000023
【図６】
2014110762.tif 000024
【図７】
2014110762.tif 000025
【図８】
2014110762.tif 000026
【図９】
2014110762.tif 000027
【図１０】
2014110762.tif 000028