(57)【要約】パワーコンバータのアーキテクチャは、フルブリッジコンバータをインターリーブすることで、高電流印加時の熱管理問題を緩和でき、例えば、パーツ数およびコストを削減しながら、出力能力を倍にし得る。例えば、３位相インバータの１位相は、２つの変圧器間で分かち合われる。これら２つの変圧器は、２つの整流手段を有する整流器のような整流器に出力を提供し、４つの高電圧インバータレグよりも、むしろ、３つの高電圧インバータレグを有する２つのフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。
2008502292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第一のサイドと、少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第二のサイドとを備える第一の変圧器と、
少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第一のサイドと、少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第二のサイドとを備える第二の変圧器と、
該第一の変圧器の該第一のサイドの該第一のポールに第一の交流位相を、該第一の変圧器の該第一のサイドの該第二のポールおよび該第二の変圧器の該第一のサイドの該第一のポールに第二の交流位相を、該第二の変圧器の該第一のサイドの該第二のポールに第三の交流位相を供給する手段と
を備える、パワーコンバータ。
【請求項２】
前記第一および前記第二の変圧器の前記第二のサイドから供給される交流を整流する２つの手段をさらに備える、請求項１に記載のパワーコンバータ。
【請求項３】
前記整流する２つの手段は、第一の電位ノードと第二の電位ノードとにわたって第一の電圧を生成し、該第二の電位ノードと第三の電位ノードとにわたって第二の電圧を生成する、請求項２に記載のパワーコンバータ。
【請求項４】
前記第一および前記第二の電位ノードにわたる出力は、前記第三および該第二の電位ノードにわたる出力と並列に電気的に結合される、請求項３に記載のパワーコンバータ。
【請求項５】
前記第一および前記第二の電位ノードにわたる出力は、前記第三および該第二の電位ノードにわたる出力と独立に制御可能である、請求項３に記載のパワーコンバータ。
【請求項６】
多数のインダクタをさらに備え、該インダクタのそれぞれは、前記第一および前記第二の変圧器の前記第二のサイドの前記ポールのそれぞれの１つと直列に電気的に結合される、請求項２に記載のパワーコンバータ。
【請求項７】
前記第一と前記第二の電位ノードとにわたって電気的に並列に結合された第一のコンデンサと、
該第二と前記第三の電位ノードにわたって電気的に並列に結合された第二のコンデンサと
をさらに備える、請求項２に記載のパワーコンバータ。
【請求項８】
前記供給手段は、第一のノードを備える第一の位相レグと、第二のノードを備える第二の位相レグと、第三のノードを備える第三の位相レグとを備えるインバータ回路を備え、
前記第一の変圧器の前記第一のサイドは、該インバータ回路の該第一の位相レグの該第一のノードと該第二の位相レグの該第二のノードとの間で電気的に結合され、
前記第二の変圧器の前記第一のサイドは、該インバータ回路の該第一の位相レグの該第一のノードと該第三の位相レグの該第三のノードとの間で電気的に結合される、請求項１に記載のパワーコンバータ。
【請求項９】
前記第一、前記第二および前記第三の位相レグは、それぞれ一対のパワースイッチング素子を備え、
該一対のパワースイッチング素子の一方は、パワーバスの第一のレールと、前記第一、前記第二または前記第三のノードのそれぞれの１つとの間で電気的に結合され、
該一対のパワースイッチング素子の他方は、該パワーバスの第二のレールと、前記第一、前記第二または前記第三のノードのそれぞれの１つとの間で電気的に結合される、請求項８に記載のパワーコンバータ。
【請求項１０】
前記第一および前記第二の変圧器の前記第二のサイドに電気的に結合された２つの整流器をさらに備える、請求項９に記載のパワーコンバータ。
【請求項１１】
前記２つの整流器は、
前記第一の変圧器の前記第二のサイドの第一のポールと、前記第二の変圧器の前記第二のサイドの第一のポールとの間を電気的に直列に結合された第一の一対のスイッチであって、第一の整流器ノードは、該第一の一対のスイッチの該スイッチ間に形成される、第一の一対のスイッチと、
該第一の変圧器の該第二のサイドの第二のポールと、該第二の変圧器の該第二のサイドの第二のポールとの間を電気的に直列に結合された第二の一対のスイッチであって、第二の整流器ノードは、該第二の一対のスイッチの該スイッチ間に形成され、該第二の整流器ノードは、該第一の整流器ノードに電気的に結合される、第二の一対のスイッチと
をさらに備える、請求項１０に記載のパワーコンバータ。
【請求項１２】
前記インバータ回路の前記第一、前記第二および前記第三の位相レグの前記パワースイッチ素子の動作を制御し、前記２つの整流器の前記第一および前記第二の一対のスイッチの動作を制御するために、通信するように結合されたコントローラをさらに備える、請求項１１に記載のパワーコンバータ。
【請求項１３】
前記第一の変圧器の前記第二のサイドの前記第一のポールと電気的に直列に結合された第一のインダクタと、
該第一の変圧器の該第二のサイドの前記第二のポールと電気的に直列に結合された第二のインダクタと、
前記第二の変圧器の前記第二のサイドの前記第一のポールと電気的に直列に結合された第三のインダクタと、
該第二の変圧器の該第二のサイドの前記第二のポールと電気的に直列に結合された第四のインダクタと
をさらに備える、請求項１０に記載のパワーコンバータ。
【請求項１４】
第一のポールと第二のポールとを備える第一の静電容量であって、該第一の静電容量の該第一のポールは、第一の電位ノードで前記第一および前記第二のインダクタと電気的に結合される、第一の静電容量と、
第一のポールと第二のポールとを備える第二の静電容量であって、該第二の静電容量の該第一のポールは、第三の電位ノードで前記第三および前記第四のインダクタと電気的に結合され、該第二の静電容量の該第一のポールは、第二の電位ノードで該第一の該第二のポールに電気的に結合される、第二の静電容量と
をさらに備える、請求項１３に記載のパワーコンバータ。
【請求項１５】
前記第一および前記第二の電位ノードにわたって、該第二および前記第三の電位ノードと電気的に並列に結合された単一の負荷をさらに備える、請求項１４に記載のパワーコンバータ。
【請求項１６】
前記第一および前記第二の電位ノードにわたって電気的に結合された第一の負荷と、
該第二および前記第三の電位ノードにわたって電気的に結合された第二の負荷と
をさらに備える、請求項１４に記載のパワーコンバータ。
【請求項１７】
前記パワースイッチング素子のそれぞれは、少なくとも１つのハイパワートランジスタおよび該少なくとも１つのハイパワートランジスタにわたって電気的に結合された少なくとも１つの逆並列ダイオードを備える、請求項９に記載のパワーコンバータ。
【請求項１８】
前記パワースイッチング素子のそれぞれは、少なくとも１つの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを備える、請求項９に記載のパワーコンバータ。
【請求項１９】
前記パワースイッチング素子のそれぞれは、少なくとも１つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタを備える、請求項９に記載のパワーコンバータ。
【請求項２０】
前記第一および前記第二の変圧器は、平面変圧器であり、該第一および該第二の変圧器の前記第一のサイドの巻き数は、該第一および該第二の変圧器の前記第二のサイドの巻き数より多い、請求項８に記載のパワーコンバータ。
【請求項２１】
前記第一および前記第二の変圧器の前記第一のサイドの巻き数は、該第一および該第二の変圧器の前記第二のサイドの巻き数より少ない、請求項８に記載のパワーコンバータ。
【請求項２２】
直流を変換して、少なくとも３つの交流位相を生成するステップと、
該３つの交流位相のうちの第一および第二の交流位相を第一の変圧器の第一のサイドに供給し、該第一の変圧器の第二のサイドに交流を誘導するステップと、
該３つの交流位相のうちの該第二および第三の交流位相を第二の変圧器の第一のサイドに供給し、該第二の変圧器の第二のサイドに交流を誘導するステップと、
該第一の変圧器の該第二のサイドからの該交流を整流器に供給するステップと、
該第二の変圧器の該第二のサイドからの該交流を該整流器に供給するステップと、
該第一および該第二の変圧器の該第二のサイドから該整流器に供給された該第一および該第二の交流をそれぞれ整流して、第一の電位ノードおよび第二の電位ノードにわたって第一の電圧を生成し、該第二の電位ノードおよび第三の電位ノードにわたって第二の電圧を生成するステップと
を包含する、電力を変換する方法。
【請求項２３】
前記第二の電位ノードおよび前記第三の電位ノードにわたる前記第二の電圧は、前記第一の電位ノードおよび該第二の電位ノードにわたる前記第一の電圧とほぼ等しい、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第一の変圧器の前記第二のサイドから前記第一および前記第二の電位ノードへの前記交流を誘導結合するステップと、
前記第二の変圧器の前記第二のサイドから該第二および前記第三の電位ノードへの前記交流を誘導結合するステップと
をさらに包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第一の変圧器の前記第一のサイドに供給された前記交流位相を、前記第二の変圧器の前記第一のサイドに供給された前記交流位相で、位相ロックするステップをさらに包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記３つの交流位相のうちの第一および第二の交流位相を第一の変圧器の第一のサイドに供給することは、３レベルの方形波形を該第一の変圧器の前記一次巻き線に生成することを包含し、
該３つの交流位相のうちの該第二および第三の交流位相を第二の変圧器の第一のサイドに供給することは、３レベルの方形波形を該第二の変圧器の前記一次巻き線に生成することを包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記３レベルの方形波形を生成することは、インバータ回路の第一および第二のレグそれぞれの高いサイドおよび低いサイドのスイッチを位相シフト制御することを包含する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
並列の前記第一および前記第二の電圧を負荷に電気的結合するステップをさらに包含する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（背景技術）
（発明の分野）
本開示は、一般に、電力システムに関し、より特定的には、電源と負荷との間で、電力を整流、変換（ｉｎｖｅｒｔ）および／または変換（ｃｏｎｖｅｒｔ）するのに適したパワーモジュールアーキテクチャに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の記述）
パワーモジュールは、典型的には、１つ以上の電力供給用電源から１つ以上の負荷への電力を変換および／または条件付けする内蔵ユニットである。「インバータ」と一般に称されるパワーモジュールは、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換し、これはＡＣ負荷への電力供給で使用される。「整流器」と一般に称されるパワーモジュールは、ＡＣをＤＣに変換する。「ＤＣ／ＤＣコンバータ」として一般に称されるパワーモジュールは、ＤＣ電圧をステップアップまたはステップダウンする。適切に構成され、動作されるパワーモジュールは、これら機能の任意の１つ以上を実行し得る。「コンバータ」という用語は、一般に、インバータ、整流器および／またはＤＣ／ＤＣコンバータのいずれであれ、パワーモジュールの全てに、総称的に適用され、本明細書においては、その総称的な意味で使用される。
【０００３】
多くのアプリケーションにおいて、電源から負荷に、高出力、高電流および／または高電圧を配送（ｄｅｌｉｖｅｒｙ）して使用する。例えば、輸送向けアプリケーションでは、電気自動車またはハイブリッド電気自動車の推進用走行モータのような負荷を駆動するために、高出力を使用し得る。このようなアプリケーションでは、１つ以上の様々な電源を使用し得る。例えば、燃料電池または光電池のアレイのようなエネルギ生産電源、および／または、バッテリセルおよび／またはスーパコンデンサのアレイのようなエネルギ蓄積電源である。このようなアプリケーションでは、電力を変換および／または条件付けするために、パワーコンバータを用いることが多い。例えば、それは、電力が負荷に供給される電圧をステップダウンして行われる。
【０００４】
パワーコンバータは、典型的には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）および／または半導体ダイオードのようなパワー半導体デバイスを用いる。これらのパワー半導体デバイスは、高出力で動作中に、多量の熱を散逸し、熱管理の問題が生じ、このため、パワーコンバータの動作範囲の制限、コストアップ、サイズおよび／または重量の増加、効率の劣化、および／または、信頼性低下をもたらし得る。
【０００５】
熱管理問題を緩和し、高出力動作が可能なパワーコンバータに対する方法および／またはアーキテクチャが、非常に望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の概要）
一局面において、パワーコンバータは、第一のノードを備える第一の位相レグと、第二のノードを備える第二の位相レグと、第三のノードを備える第三の位相レグとを備えるインバータ回路と；第一のサイドおよび第二のサイドを備える第一の変圧器であって、この第一の変圧器の第一のサイドは、インバータ回路の第一の位相レグの第一のノードと第二の位相レグの第二のノードとの間で電気的に結合される、第一の変圧器と；第一のサイドおよび第二のサイドを備える第二の変圧器であって、この第二の変圧器の第一のサイドは、インバータ回路の第一の位相レグの第一のノードと第三の位相レグの第三のノードとの間で電気的に結合される、第二の変圧器とを備える。
【０００７】
別の局面において、電力を変換する方法は、直流を変換して、少なくとも３つの交流位相を生成するステップと、この３つの交流位相のうちの第一および第二の交流位相を第一の変圧器の第一のサイドに供給し、第一の変圧器の第二のサイドに交流を誘導するステップと、この３つの交流位相のうちの第二および第三の交流位相を第二の変圧器の第一のサイドに供給し、第二の変圧器の第二のサイドに交流を誘導するステップと、第一の変圧器の第二のサイドからの交流を整流器に供給するステップと、第二の変圧器の第二のサイドからの交流を整流器に供給するステップと、第一および第二の変圧器の第二のサイドから整流器に供給された第一および第二の交流をそれぞれ整流して、第一の電位ノードおよび第二の電位ノードにわたって第一の電圧を生成し、第二の電位ノードおよび第三の電位ノードにわたって第二の電圧を生成するステップとを包含する。
【０００８】
さらなる局面において、パワーコンバータは、少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第一のサイドと、少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第二のサイドとを備える第一の変圧器と；少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第一のサイドと、少なくとも第一のポールと第二のポールとを含む第二のサイドとを備える第二の変圧器と；第一の変圧器の第一のサイドの第一のポールに第一の交流位相を、第一の変圧器の第一のサイドの第二のポールおよび第二の変圧器の第一のサイドの第一のポールに第二の交流位相を、第二の変圧器の第一のサイドの第二のポールに第三の交流位相を供給する手段と；第一および第二の変圧器の第二のサイドから供給される交流を整流する２つの手段とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（発明の詳細な説明）
以下の記述において、様々な実施形態を十分に理解するために、ある特定の詳細が示される。しかしながら、本発明は、これら詳細がなくとも実施し得ることは、当業者は理解する。他の場合においても、パワーコンバータ、コントローラおよび／またはゲートドライブに関する周知の構造は、詳細に図示または記載されていない。これは、実施形態の説明を不必要に曖昧にしないためである。
【００１０】
文中に特記する必要がない限り、以下の本明細書および請求項を通して、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」およびその変化形「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、広義で解釈され、「含まれるが、限定されない」と、解釈されるべきである。
【００１１】
本明細書の全体にわたる「一つの実施形態」または「一実施形態」に関する言及は、その実施形態と関連する特定の特徴、構造または特性が、少なくとも一つの実施形態で含まれることを意味する。このように、本明細書の全体を通して様々な箇所にある「一実施形態において」または「一つの実施形態において」という文言が出現しても、必ずしも全てが、同じ実施形態について言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、任意の適切な方法で、１つ以上の実施形態と組み合わせられ得る。
【００１２】
本明細書で提供される見出しは、便宜上のためのみであり、請求項に係る発明の範囲または意味で解釈しない。
【００１３】
図１は、本発明の一つの例示的な実施形態に従うパワーコンバータ１０を示す。この実施形態において、このパワーコンバータ１０は、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータの形式をとる。パワーコンバータ１０は、１つ以上の負荷Ｒ１、Ｒ２の供給用電源ＶＩによって供給される電力を変換および／または条件付けすることで、動作可能となる。パワーコンバータ１０は、インバータ１２、整流器１４、および、インバータ１２を整流器１４と電気的に結合する一対の変圧器Ｔ１、Ｔ２を備え得る。パワーコンバータ１０は、また、一対の端子１６ａ、１６ｂも備え得る。これら端子は、電源ＶＩからの電力を受けるように電気的に結合され得る。電源ＶＩは、例えば、燃料電池または光電池のアレイのような１つ以上のエネルギ生産電源の形式をとり得、および／または、バッテリセルおよび／またはスーパーコンデンサのアレイのような１つ以上のエネルギ蓄積電源の形式をとり得る。パワーコンバータ１０は、また、一式の端子１８ａ、１８ｂ、１８ｃも備え、これら端子は、１つ以上の負荷Ｒ１、Ｒ２に電力供給するために電気的に結合され得る。
【００１４】
インバータ１２は、電圧レール２０ａ、２０ｂによって形成されるインバータサイドバス２０（集合的に）を備える。インバータ１２は、また、上部パワー半導体スイッチＳ１および下部パワー半導体スイッチＳ２によって形成される第一の位相レグ１２ａと、上部パワー半導体スイッチＳ３および下部パワー半導体スイッチＳ４によって形成される第二の位相レグ１２ｂと、上部パワー半導体スイッチＳ５および下部パワー半導体スイッチＳ６によって形成される第三の位相レグ１２ｃとを備え、各位相レグ１２ａ〜１２ｃのそれぞれは、電圧レール２０ａ、２０ｂの間で電気的に結合される。パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６は、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、および／または、高出力動作に適した他のスイッチの形式をとり得る。
【００１５】
インバータ１２は、パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６をさらに備え、これらは、パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６のそれぞれの１つに対して逆並列に電気的に結合される。本明細書および請求項の中で使用されるように、「パワー半導体デバイス」という用語は、標準的な半導体デバイスに対して、大電流、大電圧および／または大電力を扱うように設計された半導体デバイスを含み、パワー半導体スイッチデバイス、パワー半導体ダイオード、および、例えば、グリッドまたは輸送関連のアプリケーションで使用される配電で使用されるような他のデバイスである。一部の実施形態において、パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６は、例えば、ボディダイオードのように、パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６の一部として形成され得る。一方、他の実施形態において、パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６は、ディスクリート半導体デバイスの形式をとり得る。
【００１６】
対をなすパワー半導体スイッチＳ１およびＳ２、Ｓ３およびＳ４、Ｓ５およびＳ６は、各レグ１２ａ、１２ｂ、１２ｃをそれぞれ形成し、その対の間に、位相ノードＡ、Ｂ、Ｃがある。このノード上に、インバータ１２の３つの位相出力のそれぞれの位相が、動作中に現れる。単一のスイッチおよびダイオードとして描かれているが、パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および／またはダイオードＤ１〜Ｄ６のそれぞれは、並列で電気的に結合された１つ以上のパワー半導体スイッチおよび／またはダイオードの形式をとり得る。コントローラ２４は、制御信号２６を介して、パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６を制御する。
【００１７】
インバータ１２は、入力コンデンサＣＩをさらに備え得、このコンデンサは、インバータサイドバス２０の電圧レール２０ａ、２０ｂにわたって電気的に結合される。
【００１８】
整流器１４は、図１に示す２つの整流器のようなアクティブ整流器の形式をとり得る。整流器１４は、上部パワー半導体スイッチＳ７および下部パワー半導体スイッチＳ９によって形成される第一のレグ１４ａと、上部パワー半導体スイッチＳ８および下部パワー半導体スイッチＳ１０によって形成される第二のレグ１４ｂとを備える。整流器１４は、また、パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０も備え、パワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０のそれぞれの１つに対して逆並列に電気的に結合される。一部の実施形態において、パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０は、例えば、ボディダイオードのように、パワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０の一部として形成され得る。一方、他の実施形態において、パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０は、ディスクリート半導体デバイスの形式をとり得る。単一のスイッチおよびダイオードとして描かれているが、パワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および／またはダイオードＤ７〜Ｄ１０は、１つ以上のパワー半導体スイッチおよび／またはダイオードが並列に電気的に結合された形式をとり得る。
【００１９】
整流器１４の第一および第二のレグ１４ａ、１４ｂのそれぞれの間のノードは、互いに結合され、整流器１４に中立ノードＯを提供する。コントローラ２４は、制御信号２８を介して、パワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０を制御する。
【００２０】
変圧器Ｔ１、Ｔ２は、高周波変圧器であり得、電気的絶縁と、パワーコンバータ１０のインバータ側と整流器側との間の電圧ステップアップ／ステップダウンとを提供する。各変圧器Ｔ１、Ｔ２は、パワーコンバータ１０の電力の半分を分かち合う。
【００２１】
第一の変圧器Ｔ１は、第一のサイドＴ１ａおよび第二のサイドＴ１ｂを備える。電力は、電源ＶＩから負荷Ｒ１、Ｒ２に移送される場合、第一のサイドＴ１ａは、典型的には、一次巻き線と称され、第二のサイドＴ１ｂは、二次巻き線と称される。一部の実施形態において、電力は、逆方向に移送され得る。例えば、回生制動力が、「負荷」Ｒ１、Ｒ２（例えば、発電機）から、「電源」ＶＩ（例えば、バッテリおよび／またはスーパーコンデンサ）に移送し得る間である。その結果、第一および第二のサイドという用語は、本記述全体および請求項にわたって使用されるが、電力移送の方向に関わらず、一般的に、変圧器Ｔ１、Ｔ２の巻き線を一般的に称する。同じように、本記述全体および請求項で通じて使用される負荷Ｒ１、Ｒ２は、第二のモード（例えば、回生制動）で発電する間に、第一のモード（例えば、駆動）において電力を消費し得る。また、電源ＶＩは、第二のモードで電力を消費または蓄積中に、第一のモードで電力を提供し得る。他のモードおよび動作も可能である。
【００２２】
第一の変圧器Ｔ１の第一のサイドＴ１ａは、一対のポールＴ１ｃ、Ｔ１ｄを含み、第二のサイドＴ１ｂは、また、一対のポールＴ１ｅ、Ｔ１ｆを含む。同様に、第二の変圧器Ｔ２は、第一のサイドＴ２ａおよび第二のサイドＴ２ｂを含む。第二の変圧器Ｔ２の第一のサイドＴ２ａは、一対のポールＴ２ｃ、Ｔ２ｄを含み、第二のサイドＴ２ｂは、また、一対のポールＴ２ｅ、Ｔ２ｆを含む。第二の変圧器Ｔ２の第二のサイドＴ２ｂは、整流器サイドバスを形成するそれぞれの電流経路Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎに電気的に結合される。この整流器サイドバスは、また、整流器１４の中立ノードＯを含む。
【００２３】
インバータ１２の第一の位相レグ１２ａの位相ノードＡは、第一の変圧器Ｔ１の第一のサイドＴ１ａの第一のポールＴ１ｃに電気的に結合される。インバータ１２の第二の位相レグ１２ｂの位相ノードＢは、第一の変圧器Ｔ１の第一のサイドＴ１ａの第二のポールＴ１ｄに電気的に結合され、第二の変圧器Ｔ２の第一のサイドＴ２ａの第一のポールＴ２ｃに結合される。インバータ１２の第三の位相レグ１２ｃの位相ノードＣは、第二の変圧器Ｔ２の第一のサイドＴ２ａの第二のポールＴ２ｄに電気的に結合される。
【００２４】
整流器１４の第一のレグ１４ａは、電流経路Ｋを介する第一の変圧器Ｔ１の第二のサイドＴ１ｂの第一のポールＴ１ｅと、電流経路Ｎを介する第二の変圧器Ｔ２の第二のサイドＴ２ｂの第二のポールＴ２ｆとの間で電気的に結合される。整流器１４の第二のレグ１４ｂは、電流経路Ｌを介する第一の変圧器Ｔ１の第二のサイドＴ１ｂの第二のポールＴ１ｆと、電流経路Ｍを介する第二の変圧器Ｔ２の第二のサイドＴ２ｂの第一のポールＴ２ｅとの間で電気的に結合される。フィルタインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、電流経路Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎを介する変圧器Ｔ１、Ｔ２の二次サイドＴ１ｃ、Ｔ２ｃの各極Ｔ１ｅ、Ｔ１ｆ、Ｔ２ｅ、Ｔ２ｆと、端子１８ａ〜１８ｃとの間を電気的に結合する。フィルタインダクタＬ１〜Ｌ４は、負荷電流を分かち合う。出力コンデンサＣＯ１、ＣＯ２は、端子の各対１８ａ〜１８ｂ、１８ｂ〜１８ｃにわたって電気的に結合される。
【００２５】
コントローラ２４は、インバータ１２のパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６、および／または、整流器１４のパワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０をそれぞれ制御する制御信号２６、２８を提供する。コントローラ２４は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）および／または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のようなマイクロコントローラの形式をとり得る。コントローラ２４は、電源ＶＩからの入力に対する電圧または電流を感知する電圧センサ４０ａおよび／または電流センサ４０ｂから、電圧および電流測定のような入力信号を受信し得る。追加的または代替的に、コントローラ２４は、出力電圧および／または電流を測定する電圧センサ４２ａおよび／または電流センサ４２ｂから、電圧および／または電流信号を受信し得る。
【００２６】
図２Ａは、例示的な一実施形態に従うパワーモジュール５０を示す。パワーモジュール５０は、図１の破線の四角５２で示されるパワーコンバータ１０の一部を収納する。特に、パワーモジュール５０は、電気絶縁リードフレーム５４、組み込みベースプレートヒートシンク５６、および、電気絶縁カバー５８を備え、これらが共同で筐体を形成する。この図では、パワー半導体ダイオードＤ６〜Ｄ１０を別個のものとして示していない。パワー半導体ダイオードは、この図示された実施形態において、パワー半導体スイッチＳ６〜Ｓ１０の一部として形成される。図２Ａに示されるように、実際には、図１に示されるパワー半導体スイッチＳ６〜Ｓ１０のそれぞれは、互いに電気的に並列に結合された１つ以上（図では４つ）のパワー半導体スイッチＳ６〜Ｓ１０の形をとり得る。
【００２７】
リードフレーム５４は、リードフレーム５４、ヒートシンク５６およびカバー５８によって形成される筐体から外部と電気的結合をなす多数の外部端子またはコネクタをサポートする。例えば、パワーモジュール５０は、インバータ１２の位相ノードＡ、Ｂ、Ｃと変圧器Ｔ１、Ｔ２の第一のサイドＴ１ａ、Ｔ２ａのポールとの間で電気的結合をなすために、多数の端子６０ａ〜６０ｄを含み得る。特に、第一の端子６０ａは、インバータ１２の位相ノードＡを、ワイヤボンド６１を介して、変圧器Ｔ１の第一のポールＴ１ｃに電気的に結合する。第二の端子６０ｂおよび第三の端子６０ｃは、インバータ１２の位相ノードＢを、ワイヤボンド６１を介して、それぞれ第一の変圧器Ｔ１の第二のポールＴ１ｄおよび第二の変圧器Ｔ２の第一のポールＴ２ｃに電気的に結合する。第四の端子６０ｄは、インバータ１２の位相ノードＣを、ワイヤボンド６１を介して、第二の変圧器Ｔ２の第二のポールＴ２ｄに電気的に結合する。図２Ａは、１つの電気的結合に対し１つのワイヤボンド６１を示すのみであるが、多くの実際のアプリケーションにおいては、各電気的結合に対し複数のワイヤボンドを備える。
【００２８】
また、例えば、多数の端子またはコネクタは、整流器１４を、ワイヤボンド（図示せず）を介してフィルタインダクタＬ１〜Ｌ４に、および、端子１８ａ〜１８ｃに電気的に結合する。例えば、一対の端子６２ａ、６２ｂは、整流器１２の中立ノードＯを端子１８ｂに結合する。他の端子６４ａ〜６４ｄは、整流器１４および／または変圧器Ｔ１、Ｔ２の第二のサイドＴ１ｂ、Ｔ２ｂをフィルタインダクタＬ１〜Ｌ２に、電流経路Ｋ〜Ｎを介して電気的に結合する。
【００２９】
ピン６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄのような端子またはコネクタは、制御信号２８をコントローラ２４から整流器１４のパワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０に、ワイヤボンド（図示せず）を介して電気的に接続する。ピン６６ａ〜６６ｄは、中立ノードＯに接続された端子１８ｂの近くに位置される。
【００３０】
パワーモジュール５０内の電気的結合の多くは、ワイヤボンドを介して有利になされる。例えば、端子６０ａ〜６０ｄと変圧器Ｔ１、Ｔ２の第一のサイドＴ１ａ、Ｔ２ａとの間の電気的結合は、ワイヤボンド６１を介してなされる。また、例えば、変圧器Ｔ１、Ｔ２の第二のサイドＴ１ｂ、Ｔ２ｂと、パワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０およびパワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０との間の電気的結合は、ワイヤボンド（図示せず）を介してなされる。さらに、端子６２ａ、６２ｂ、６４ａ〜６４ｂとパワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０およびパワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０との電気的結合は、ワイヤボンド（図示せず）を介してなされる。
【００３１】
図２Ｂ〜図２Ｄは、多数の例示的な実施形態に従って、いかに整流器１４のパワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０およびパワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０が、１つ以上の多層スイッチ基板４４によって、物理的に実装され、組み込みベースプレートヒートシンク５６と熱的に結合されるかを示す。多層スイッチ基板４４は、導電性かつ熱伝導性である第一の層４４ａと、電気絶縁性かつ熱伝導性である第二の層４４ｂと、導電性かつ熱伝導性である第三の層４４ｃとを備える。一部の実施形態において、多層スイッチ基板４４は、より多い数の層を含み得る。
【００３２】
特に、図２Ｂは、数多くの多層スイッチ基板４４が提供される一実施形態を示す。その基板は、整流器１４を形成するパワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および関連パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０のそれぞれに対して１つずつ提供される。このように、この図２Ｂの実施形態は、整流器１４に対し、全部で４つの個別の多層スイッチ基板４４を含む。
【００３３】
図２Ｃは、数多くの多層スイッチ基板４４が提供される別の実施形態を示す。その基板は、整流器１４の各レグ１４ａ、１４ｂに対して１つずつ提供される。このような実施形態において、多層基板４４それぞれの導電熱伝導層４４ａは、整流器１４のレグ１４ａ、１４ｂそれぞれを形成するパワー半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０および関連パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０のそれぞれを実装する個別エリアを形成する。
【００３４】
図２Ｄは、単一の多層スイッチ基板４４が、整流器１４全体の形成に対して提供されるさらに別の実施形態を示す。多数の個別エリアが、第一の導電熱伝導層４４ａ内に形成され、このエリアは、互いに電気的に隔離される。この実施形態において、整流器１４を形成するパワー半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０および関連パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０のそれぞれに対し、１つのエリアがあり、こうして、全部で４つの個別エリアがある。
【００３５】
一般に、個々の多層基板４４、７０を含む数が少ないほど、パーツ数が減り、製造工程の数も減り得る。しかし、個別エリアを形成することで、製造工程での節約の一部が相殺され得る。しかしながら、このように数を減少させると、それに伴い、残っている多層基板４４、７０のサイズが大きくなる。サイズが大きくなると、多層基板４４、７０はストレスを受けやすくなり、こうして、例えば、ハンダのリフローから発達するクラックのような欠陥の生じる可能性が高くなる。
【００３６】
図３および図４は、変圧器Ｔ１の１つをより詳細に示す。第二の変圧器Ｔ２は、第一の変圧器Ｔ１の構成と同様の構成を有し得る。
【００３７】
変圧器Ｔ１は、多層変圧器基板７０および磁気コア７２を備える。多層変圧器基板７０は、導電性かつ熱伝導性である第一の層７０ａと、電気絶縁性かつ熱伝導性である第二の層７０ｂと、導電性かつ熱伝導性である第三の層７０ｃと、電気絶縁性かつ熱伝導性である第四の層７０ｄと、導電性かつ熱伝導性である第五の層７０ｅとを含む。多層変圧器基板７０は、変圧器Ｔ１の性能を変化させるために、より多くの数の層を含み得る。これは、例えば、層の数を変化させて、つまり、変圧器の一次巻き線と二次巻き線との「巻き数」の比率を変化させて、および／または、渦電流を減らすことによってである。
【００３８】
第一の層７０ａおよび第五の層７０ｅは、パターン化されて、第一の巻き線の一部を形成し、ビア７４ａ、７４ｂおよび接続パッド７４ｃ、７４ｄ、７４ｅを介して電気的に結合され、第一の巻き線を形成する。第三の層７０ｃも、またパターン化され、第二の巻き線を形成する。この図には、第一の巻き線は、第二の巻き線より多くの層を備えるように描かれているが、一部の実施形態において、第二の巻き線は、第一の巻き線より多くの層を備え得るし、あるいは、第一の巻き線と第二の巻き線とは、同数の層を備え得る。
【００３９】
第五の層７０ｅは、さらにパターン化され得る。これは、多層変圧器基板７０をヒートシンク５６に、例えば、ハンダによって取り付けるために、実装エリア７０ｆを形成するためである。こうして、多層基板７０と組み込みベースプレートヒートシンク５６との間の結合エリアが減り、関連する応力も減少し、例えば、ハンダのリフローから発達するクラックのような不完全度の生じる可能性が低くなる。
【００４０】
磁気コア７２は、多層変圧器基板７０の第一および第二の巻き線の周りを包む２つ以上の部分７２ａ、７２ｂを含み得る。磁気コア７２の部分７２ｃは、多層変圧器基板７０の層７０ａ〜７０ｅのそれぞれの中に形成された開口部７０ｇを介して受けられ得る。
【００４１】
多層変圧器基板７０は、様々な技術および材料を使用して形成され得る。例えば、多層基板７０は、例えば、Ｃｕｒａｍｉｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（テキサス州Ａｄｄｉｓｏｎ）から入手可能な直接接合銅（ｄｉｒｅｃｔ  ｂｏｎｄｅｄ  ｃｏｐｐｅｒ）（ＤＢＣ）基板の形式をとり得る。追加的または代替的に、多層基板７０は、Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ（ミネソタ州Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ）から入手可能な絶縁金属基板（ＩＭＳ）の形式をとり得る。
【００４２】
導電熱伝導層は、銅、アルミおよび／または他の良好な導電熱伝導体のような様々な形式をとり得る。導電熱伝導層は、典型的にはフィルムの形式で提供されるが、例えば、型打ちシートメタルなど他の形式もとり得る。電気絶縁熱伝導層は、例えば、Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（オハイオ州Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅ）から入手可能なＫａｐｔｏｎ（登録商標）フィルムのような熱強化ポリイミドフィルムの形式をとり得る。追加的または代替的に、電気絶縁熱伝導層は、例えば、アルミナ、窒化アルミおよび／または窒化シリコンセラミックのような適切なセラミックの形式をとり得る。一実施形態において、多層変圧器基板７０は、エポキシベースの接着剤のような接着剤を用いて、Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（オハイオ州Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅ）から入手可能なＭｙｌａｒ（登録商標）フィルムのような絶縁層と一緒に積層される型打ちシートメタルの層の形式をとる。
【００４３】
多層スイッチおよび変圧器基板４４、７０は、ハンダリフロー技術によって、組み込みベースプレートヒートシンク５６に取り付けられ得る。例えば、パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０およびパワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０は、それぞれの多層基板４４、７０の上にハンダ付けされ得る。これら多層基板は、次いで、組み込みベースプレートヒートシンク５６上に置かれる。多層基板４４、７０は、次いで、例えば、ハンダリフロー技術を用いて、炉内で加熱することによって、同時および／または一回の作業で、組み込みベースプレートヒートシンク５６にハンダ付けされる。
【００４４】
代替的に、多層基板４４、７０は、組み込みベースプレートヒートシンク５６上に位置され得、パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０およびパワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０は、多層基板４４、７０の上に位置され得る。パワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０とパワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０との間の接続、および、多層基板４４、７０と組み込みベースプレートヒートシンク５６との間の接続は、例えば、ハンダリフロー技術を用いて、炉内で加熱することによって、同時および／または一回の作業でなされ得る。
【００４５】
記載の記述は、パワーモジュール製造に関与する作業数を減らし得るので、製造コストを削減し、また、様々な素子が熱サイクルを受ける回数も少なくなり、信頼性向上および処理能力アップに有利に働く。
【００４６】
図５Ａは、別の例示的な実施形態に従うパワーモジュール５０を示し、コントローラ２４を除いて、図１のパワーコンバータ１０全体を収納する。特に、図５Ａのパワーモジュール５０は、インバータ１２、整流器１４および変圧器Ｔ１、Ｔ２を含む。一対の端子２０ａ、２０ｂによって、電源ＶＩとの電気的接続が可能になる。３つの端子１８ａ、１８ｂ、１８ｃによって、負荷Ｒ１、Ｒ２との電気的接続が可能になる。端子１８ａ、１８ｃは、バスバー８０ａ、８０ｂとして形成され得る。ピン８５ａ〜８５ｆのような端子またはコネクタは、インバータのパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６を動作するため、コントローラ２４からの制御信号２６を受信する。インバータ１２のパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６は、変圧器Ｔ１、Ｔ２の第一のサイドＴ１ａ、Ｔ２ａに、ワイヤボンド８１（そのうち少数のみしか図示せず）を介して、有利なように電気的に結合され得る。変圧器Ｔ１、Ｔ２の第一のサイドＴ１ａ、Ｔ２ａは、整流器１４のパワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および関連パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０に、ワイヤボンド８３（そのうち少数のみしか図示せず）を介して、有利なように電気的に結合され得る。
【００４７】
図５Ａの実施形態において、パワーモジュール５０は、インバータ１２を組み込みベースプレートヒートシンク５６に形成するパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０および関連パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０を実装するために、１つ以上の追加多層スイッチ基板４４を含み得る。
【００４８】
例えば、パワーモジュール５０は、整流器１４に対する図２Ｂのパワーモジュールと同様にして、個別の多層スイッチ基板４４をインバータ１２のパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６と関連パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６との対のそれぞれに対して備え得る。こうして、パワーモジュール５０は、インバータ１２に対して、６つの個別の多層スイッチ基板４４を含み得る。
【００４９】
また、例えば、パワーモジュール５０は、個別の多層スイッチ基板４４をインバータ１２の各位相レグ１２ａ〜１２ｃに対して備え得る。各多層スイッチ基板４４の導電層４４ａは、整流器１４に対する図２Ｄのパワーモジュールと同様に、それぞれの位相レグ１２ａ〜１２ｃのパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６のそれぞれに対し、１つずつのエリアがあり、２つの個別のエリア内に形成される。こうして、パワーモジュール５０は、インバータ１２に対して、３つの追加多層スイッチ基板４４を含み得る。
【００５０】
さらなる例において、パワーモジュール５０は、整流器１４に対する図２Ｄのパワーモジュールと同様に、インバータ１２のパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６の全てを実装する単一の多層スイッチ基板４４を備え得る。のそれぞれに対し、多層スイッチ基板４４は、導電熱伝導層４４ａ内に６つの個別エリアが形成され得る。各パワー半導体Ｓ１〜Ｓ６および関連ダイオードＤ１〜Ｄ６の対に対して、１つずつのエリアである。
【００５１】
上記で議論した実施形態に加えて、図５Ｂに示すさらなる実施形態は、インバータ１２を形成するパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６を、整流器１４を形成するパワー半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０および関連パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０と一緒に実装する単一の多層スイッチ基板４４を示す。こうして、このような実施形態は、第一の導電熱伝導層４４ａ内に形成される１０の個別のエリアを含み得、これらエリアは、互いに電気絶縁性となる。
【００５２】
図５Ｃは、単一の多層スイッチ基板７０を示す。この基板は、少なくとも３つの導電熱伝導層７０ａ、７０ｃ、７０ｅと、少なくとも２つの電気絶縁熱伝導層７０ｂ、７０ｄとを備え、この電気絶縁熱伝導層７０ｂ、７０ｄは、導電熱伝導層７０ａ〜７０ｃ、７０ｃ〜７０ｅのそれぞれの対を分離する。多層スイッチ基板７０の第二の導電熱伝導層７０ｃは、１０の個別のエリアを形成する。これらのエリアは、図５Ｂで示したのと同様に、インバータ１２を形成するパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連パワー半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６（図５Ｃでは図示せず）と、整流器１４を形成するパワー半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０および関連パワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０（図５Ｃでは図示せず）とを実装するために、互いに隔離される。少なくとも第一および第三の導電熱伝導層７０ａ、７０ｅは、パターン化され、互いに電気的に結合され、変圧器Ｔ１、Ｔ２の第一の巻き線を形成する。少なくとも第二の導電熱伝導層７０ｃは、パターン化され、変圧器Ｔ１、Ｔ２の第二の巻き線を形成する。
【００５３】
図５Ｃでは、３つの導電熱伝導層７０ａ、７０ｃ、７０ｅと、２つの電気絶縁熱伝導層７０ｂ、７０ｄとを示すが、多層基板７０は、より多くの数の層を含み得る。さらに、パワー半導体デバイスＳ１〜Ｓ１０、Ｄ１〜Ｄ１０は、第二の導電熱伝導層に実装されたものとして描かれているが、これらパワー半導体デバイスの一部または全ては、導電熱伝導層の他の層に実装され得る。
【００５４】
図５Ｄは、図５Ｃの組み込みベースプレートヒートシンクと同様な組み込みベースプレートヒートシンクの一部を示す。この図は、多層基板７０の第二の導電熱伝導層７０ｃの１つを使用し、変圧器Ｔ１、Ｔ２の第二のサイドＴ１ｂ、Ｔ２ｂを整流器１４のパワー半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および／またはパワー半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０のそれぞれの端子（例えば、ドレイン／コレクタ）に、多数のワイヤボンドを有利なように省いて、電気的に結合するのを示す。他の実施形態は、同じまたは他の導電熱伝導層７０ａ、７０ｃ、７０ｅを同様に使用し、例えば、ワイヤボンドを省き得る。
【００５５】
図６は、一実施形態に従う組み込みベースプレートヒートシンク５６を示す。組み込みベースプレートヒートシンク５６は、プレート部５６ａおよび導管部５６ｂを備え得る。プレート部５６ａは、一対の凹部８２ａ、８２ｂを有する上表面８２を含む。この一対の凹部は、多層変圧器基板７０が上表面８２と同一平面になるように、部分７２ｂのような磁気コア７２の部分を受けるようにサイズ合わせされ、寸法取りされている。導管部５６ｂは、入口８４ａ、出口８４ｂ、および、第一の通路部８６ａおよび第二の通路部８６ｂによって形成された通路を備える。これら通路部は、注入口８４ａおよび排出口８４ｂと流体連絡するように結合される。プレート８２は、上表面８２の反対側の表面上に、フィンまたはピン８７のような熱放射構造を含み得る。この構造は、プレート５６ａから導管部８６ａ、８６ｂを介して通る流体に熱を移動するための通路部８６ａ、８６ｂの中で受けられる。パワーコンバータ１０は、導管部８６ａ、８６ｂを介して流体を循環するために、例えば、ポンプ、コンプレッサおよび／またはファンを含む循環システム（図示せず）を含み、組み込みベースプレートヒートシンク５６からの熱の移動を補助し得る。組み込みベースプレートヒートシンク５６として示されているが、他の実施形態では、他の形式のヒートシンクも使用し得る。
【００５６】
図７は、インバータ１２の半導体スイッチＳ１〜Ｓ６に付与されるスイッチング信号と、変圧器Ｔ１の第一のサイドＴ１ａに印加される電圧ＵＡＢと、変圧器Ｔ２の第一のサイドＴ２ａに印加される電圧ＵＢＣとを、期間ＴＳにわたる様々な時間インターバルｔ０〜ｔ１２において示す。また、図７は、フィルタインダクタＬ１〜Ｌ４のそれぞれの電流出力ＩＬ１〜ＩＬ４も示す。
【００５７】
インバータ１２の各位相レグ１２ａ〜１２ｃのパワー半導体スイッチＳ１〜Ｓ６（図１）は、ほぼ５０％のデューティサイクル方形波をそれぞれ生成する。インバータ１２の第一および第二の位相レグ１２ａ、１２ｂは、位相シフト制御され、第一の変圧器Ｔ１の第一のサイドまたは巻き線Ｔ１ａに付与される３レベルの方形波形ＵＡＢを生成する。インバータ１２の第二のレグ１２ｂおよび第三のレグ１２ｃは、位相シフト制御され、第二の変圧器Ｔ２の第一のサイドまたは巻き線Ｔ２ａに付与される３レベルの方形波形ＵＢＣを生成する。こうして、位相Ｂは変圧器Ｔ１、Ｔ２によって分かち合われ、２つの従来型フルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータの均等物を形成し、その一方で、１つの電圧レグ（少なくとも２つのパワー半導体スイッチおよび関連パワー半導体ダイオード）およびゲート駆動回路を有利なように省く。
【００５８】
２つの出力ＵＡＢおよびＵＢＣは、互いに位相ロックされる。これは、第二の位相レグ１２ｂ（位相Ｂ）が、変圧器Ｔ１内の負荷電流によって、幅広いソフトスイッチング範囲を達成し得るようにするためである。ソフトスイッチングは、変圧器Ｔ１の漏れインダクタンス内に蓄積されたエネルギに依存することなく、フィルタインダクタＬ１〜Ｌ４内に蓄積されたエネルギによって達成される。出力電圧Ｖｏｕｔ１は、位相シフト角φＡＢによって調節され、出力電圧Ｖｏｕｔ２は、位相シフト角φＢＣによって調節される。
【００５９】
パワーコンバータ１０は、シングル出力またはデュアル出力のいずれかとして構成され得る。シングル出力の構成において、出力Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は、一緒に並列となり、出力電流／電力を倍にする。出力Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２が一緒に並列となる場合、位相シフト角φＡＢとφＢＣとは、等しい。デュアル出力の構成において、出力Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は独立に制御され得る。
【００６０】
上述のインターリーブフルブリッジＤＣ／ＤＣパワーコンバータ１０は、出力能力を倍にする。その一方で、高い冷却水温度（例えば、１０５℃）で動作し、電流と熱応力を許容可能なレベルに維持したまま、高い信頼性を提供する。変圧器Ｔ１、Ｔ２およびフィルタインダクタＬ１〜Ｌ４内の負荷電流によって、ソフトスイッチングは、負荷の幅広い範囲にわたって達成され得るので、スイッチング損失を減らし、高効率な動作を提供する。こうして、記載のパワーコンバータは、高い出力密度と高い冷却水温度で、高効率な変換を効率的に提供し得る。また、インターリーブすることによって、入力コンデンサＣＩおよび出力コンデンサＣＯ１、ＣＯ２への高周波リップル電流が低減される。インバータ１２の位相レグ１２ａ〜１２ｃの分かち合いによって、インバータ位相レグの使用を通常必要とされるより１つ少なくできるので、信頼性が向上する一方で、パーツ数が減り、複雑さを緩和し、コストを削減できる。パワーコンバータ１０は、シングル出力ユニットでもデュアル出力ユニットでも、さらに容易に構成可能である。
【００６１】
上述のパワーコンバータ１０内に平面変圧器を組み込むことで、従来の空冷の重たい銅の回路基板巻き線の使用が不要になる。平面変圧器を組み込むことで、上述のようにワイヤボンドの直接接続を用いて、高周波数で特に問題となるコンタクト関連の抵抗損およびインダクタンスの低減が可能となり得る。平面変圧器Ｔ１、Ｔ２の平らな巻き線構造を用いることで、漏れインダクタンスおよびＡＣ損失も低減され得る。上述のパワーコンバータ１０内で平面変圧器を使用すると、磁気コア窓利用比率の増加、磁気コア値の低減、および、出力密度の増加が可能となり得る。上述のパワーコンバータ１０は、ＥＭＩ性能の強化も提供し得る。
【００６２】
パワーコンバータおよび方法に対する特定の実施形態および例が、本明細書に例示目的で記載されてきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な同等の変更もなされ得る。これは、当業者には認識される通りである。本明細書で提供された教示は、パワーコンバータに適用され得るが、必ずしも、以上で概略された平面変圧器を備えるＤＣ／ＤＣインターリーブパワーコンバータである必要はない。
【００６３】
例えば、パワーコンバータ１０は、第二の位相レグ１２ｂより、むしろ第一の位相レグ１２ａまたは第三の位相レグ１２ｃを分かち合い得る。また、例えば、本教示は、３位相インバータ１２に限定されず、例えば、さらに高出力を提供するために、より多い数の位相レグを有するインバータにも適用され得る。例えば、パワーコンバータ１０は、インバータ１２に追加された第四の位相レグを備え得、第三の変圧器は、第三の位相レグ１２ｃと追加の位相レグとの間を電気的に結合し得る。また、パワーコンバータは、２つのフィルタインダクタを、整流器に追加したパワー半導体スイッチおよび関連ダイオードと一緒に備え得る。これらパワー半導体スイッチおよび関連ダイオードは、第三の変圧器の第二のサイドから供給され、出力増加の５０％を提供する。また、例えば、同期整流はオプションであり、例えば、ダイオード整流器によって置換されるような一部の実施形態においては省略され得る。さらなる例として、組み込み平面変圧器は、インバータおよび／または整流器のような他のパワーコンバータでも、有利に使用され得る。また、さらなる例として、インターリーブすることで、組み込み平面変圧器なしに、有利に使用され得る。
【００６４】
上述の様々な実施形態は、さらなる実施形態を提供するために、組み合わせられることもできる。本明細書で参照および／または出願データシートに列挙された全ての米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許出願および非特許刊行物（同一出願人による米国特許出願第１０／７３８，９２６号（２００３年１２月１６日出願、発明の名称「Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ  Ｗｉｔｈ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ」）および米国特許出願第１０／６８８，８３４号（２００３年１０月１６日出願、発明の名称「Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ａ  Ｐｌａｎａｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ」）、ならびに、米国特許出願第＿号（２００３年６月４日出願、発明の名称「Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ  ｉｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」、速達郵便第ＥＶ４４９５５８０５６ＵＳ号）を含むが、これらに限定されない）は、本明細書に参考として、その全体を援用する。本発明の局面は、必要に応じて、これら様々な特許、特許出願および刊行物のシステム、回路およびコンセプトを用いて変更され、さらなる実施形態を提供し得る。
【００６５】
これらなどの変更は、以上の詳細な記述を考慮して、本発明になされ得る。一般に、以下の請求項において、用語は、本明細書および請求項で開示された特定の実施形態に本発明を限定するものと解釈されるべきでなく、全てのパワー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、この開示によって限定されず、その代わりに、本発明の範囲は、以下の請求項によって、完全に規定される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
図面において、同一の参照番号は、同様の素子または動作を指定する。図面における素子のサイズおよび相対位置は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。例えば、様々な素子および角度の形状は、縮尺通りに描かれておらず、これら素子の一部は、図面を読みやすくするために、任意に拡大および配置されている。さらに、描かれたままの素子の特定の形状は、特定の素子の実際の形状に関する情報を何ら伝えることを意図しておらず、図面における認識を容易にするために、単に選択されただけである。
【図１】図１は、一つの例示的な実施形態に従うパワーコンバータの電気回路図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１のパワーコンバータの一部の上正面左の等角図で、モジュール筐体からカバーを外し、インバータ、２つの平面変圧器、フィルタインダクタ、および、組み込みベースプレートヒートシンクを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１の組み込みベースプレートヒートシンクの上正面左の等角図で、多数の多層スイッチ基板を示す。一つの例示的な実施形態に従い、この多数の多層基板は、整流器のそれぞれのスイッチを組み込みベースプレートヒートシンクに物理的かつ熱的に結合する。
【図２Ｃ】図２Ｃは、組み込みベースプレートヒートシンクの上正面左の等角図で、２つの多層スイッチ基板を示す。別の実施形態に従い、この２つの多層基板は、それぞれ２つの個別のエリアを備え、これらエリアは、電気的かつ熱的に結合された層内に形成され、整流器のそれぞれのスイッチを組み込みベースプレートヒートシンクに物理的かつ熱的に結合する。
【図２Ｄ】図２Ｄは、組み込みベースプレートヒートシンクの上正面左の等角図で、単一の多層スイッチ基板を示す。別の実施形態に従い、この単一の多層基板は、４つの個別のエリアを備え、これらエリアは、電気的かつ熱的に結合された層内に形成され、整流器のそれぞれのスイッチを組み込みベースプレートヒートシンクに物理的かつ熱的に結合する。
【図３】図３は、一つの例示的な実施形態に従う平面変圧器の１つの上正面左の等角図である。
【図４】図４は、図３の平面変圧器の上正面左の展開等角図である。
【図５Ａ】図５Ａは、一つの例示的な実施形態に従うパワーコンバータの上正面左の等角図であり、この実施形態において、インバータおよびフィルタインダクタは、モジュール筐体の中にある。
【図５Ｂ】図５Ｂは、別の例示的な実施形態に従い、組み込みベースプレートヒートシンクの上正面左の等角図であり、単一の多層スイッチ基板を示す。この基板は、１０の個別のエリアを備え、これらエリアは、電気的かつ熱的に結合された層内に形成され、整流器およびインバータのそれぞれのスイッチを、組み込みベースプレートヒートシンクに、物理的かつ熱的に結合する。
【図５Ｃ】図５Ｃは、別の例示的な実施形態に従い、組み込みベースプレートヒートシンクの上正面左の等角図であり、単一の多層スイッチ基板を示す。この基板は、１０の個別のエリアを備え、これらエリアは、電気的かつ熱的に結合された層内に形成され、整流器およびインバータのそれぞれのスイッチを、２つの変圧器の巻き線を形成するエリアにのみならず、組み込みベースプレートヒートシンクに結合する。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５Ｃの組み込みベースプレートヒートシンクと同様の組み込みベースプレートヒートシンクの一部の上正面左の等角図であり、変圧器の第二のサイドを整流器のパワー半導体スイッチのそれぞれの端子に電気的に結合する多層基板の導電熱伝導層の１つの使用を示す。
【図６】図６は、一つの例示的な実施形態に従う組み込みベースプレートヒートシンクの上正面左の等角図である。
【図７】図７は、一つの例示的な実施形態に従って、パワーコンバータの動作を制御するための制御信号、および、その結果生じる電圧および電流のプロットを示すグラフである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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