(57)【要約】  本発明のある例示的な態様によると、並列に接続された複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）と、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）に接続された制御回路構成（４５０）とを有する、直流（ＤＣ）‐ＤＣコンバータモジュール（４００）が提供され、上記制御回路構成は、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）のデューティサイクルに基づいて、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）の動作を別個に制御するよう構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
‐並列に接続された複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）；
‐前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）に接続されて、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するよう構成された、制御回路構成（４５０）
を備える、直流（ＤＣ）‐ＤＣコンバータモジュール（４００）であって、
‐前記制御回路構成（４５０）は、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作の回数、又は異なる上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作間の時間が、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータのデューティサイクルに少なくとも部分的に基づいて調整されるように、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するよう構成されることを特徴とする、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項２】
各前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）は同一のデューティサイクルを有する、請求項１に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項３】
切り替え時点の個数は、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの個数の前記デューティサイクルの逆数で除算した結果が２以上でない場合に、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの個数と等しく、前記切り替え時点において、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータはグループとして始動するよう構成される、請求項１又は２に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項４】
前記制御回路構成（４５０）は、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）がオン状態へと切り替えられる時点が少なくとも２回、分離して存在するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項５】
少なくとも４個の前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）が存在する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項６】
前記制御回路構成は、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの前記切り替え動作が、多数の別個の前記切り替え時点の間に均等に分布するように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項７】
前記切り替え時点の個数は、前記デューティサイクルの逆数と等しく、前記逆数は、前記逆数が整数でない場合は小数点以下を切り上げて整数にされる、請求項６に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項８】
前記制御回路構成（４５０）は、どの２つの前記ＤＣ‐ＤＣコンバータも同時にオフ状態へと切り替えられることがないように、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）の非同期動作を発生させるよう構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項９】
前記制御回路構成（４５０）は、個々の前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）が切り替えられる時点が、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータのうちの１つの動作サイクル全体にわたって均等に離間するように、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）の非同期動作を発生させるよう構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項１０】
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（４４１〜４４４）は、前記制御回路構成と共に、入力電圧をより高い出力電圧に変換するよう構成される、請求項１〜９のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（４００）。
【請求項１１】
並列に接続された複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの動作を制御するための方法であって、
異なる前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作間の時間が、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータのデューティサイクルに少なくとも部分的に基づいて調整されるように、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御することを特徴とする、方法。
【請求項１２】
各前記ＤＣ‐ＤＣコンバータは同一のデューティサイクルを有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
切り替え時点の個数は、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの個数の前記デューティサイクルの逆数で除算した結果が２以上でない場合に、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの個数と等しく、前記切り替え時点において、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータはグループとして始動するよう構成される、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータの前記切り替え動作は、多数の別個の前記切り替え時点の間に均等に分布する、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記切り替え時点の個数は、前記デューティサイクルの逆数と等しく、前記逆数は、前記逆数が整数でない場合は小数点以下を切り上げて整数にされる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
個々の前記ＤＣ‐ＤＣコンバータが切り替えられる時点は、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータのうちの１つの動作サイクル全体にわたって均等に離間する、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、入力電圧をより高い出力電圧に変換するよう構成される、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
どの２つの前記ＤＣ‐ＤＣコンバータも同時にオン状態へと切り替えられることがない、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
どの２つの前記ＤＣ‐ＤＣコンバータも同時にオフ状態へと切り替えられることがない、請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
個々の前記ＤＣ‐ＤＣコンバータが切り替えられる時点は、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータのうちの１つの動作サイクル全体にわたって均等に離間する、請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
フィンランド特許出願第２０１７５４２２号に記載されているように、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、電気モータへの供給のために必要に応じてＤＣ電圧を上昇させるために使用できる。典型的には、このようなモジュールのためのソース電圧は非常に小さく、多くの場合１０ボルト未満であり、また５ボルト未満であることもある。このような低い電圧で、車両及び他の用途に使用される電気モータの駆動に十分な電力を提供するためには、高い電流が必要となる。
【０００２】
このような高い電流は、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール、及びモータドライブといったモータを駆動するために使用される他のいずれの中間回路構成の両方の中に存在する。モータドライブ及び電気モータはいずれも、それ自体が入力電流の急速な変化に敏感である。例えば電気モータの誘導特性により、入力電流が変動すると損失が大幅に増大する。更に、強い電磁界により、モータ内、又は実際にはモータに接続されたドライブ及びコンバータ内に損傷が生じる場合がある。更に、電流の変動により、接続された電子機器全体にわたって損失が増大し、また電磁干渉が生じる場合がある。これらの問題は、特定の車両の認証プロセス中に問題を発生させることさえあり得る。
【０００３】
ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作時、即ち単一のバック又はブーストサイクル内において、電流を平滑化するために使用されるいずれの反応要素、例えばコンデンサを用いなければ、入力電流の変動は０〜１００％である。例えばコンバータが５Ｖの入力電圧を１０Ｖの出力に変換すると、デューティサイクルは以下のようになる。サイクルの２／３にわたってインダクタにエネルギが充電され、残りの１／３の時間でそれが放出される。インダクタに貯蔵された電流の放出中、バッテリからの電流の流れはおおよそ０である。多くの用途において、このギャップはコンデンサを用いて低減される。
【０００４】
従来のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールでは、モジュールを通る入力及び出力電流は、上で概説した理由に加えて様々な理由によって変動する。モジュール内の構成部品のランプオン（ｒａｍｐ  ｏｎ）及びランプオフ（ｒａｍｐ  ｏｆｆ）時間もまた、電流に変化を導入し得る。例えば、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール内に使用されているスイッチは、完全に開放及び閉鎖するために時間がかかる場合があり、従って電流の変化を引き起こし得る。従って従来のコンバータモジュールでは、大きな静電容量をモジュールの入力及び出力に並列に提供することによって、入力及び出力電流を平滑化する。しかしながら、多くの用途において発生する高い電流及び大きな電力の流れを想定すると、必要な静電容量は極めて大きくなるため、多数の大型で高価なコンデンサが必要となる。これらのコンデンサは、標準的なＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの採用に関連するコストを上昇させるだけでなく、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールのサイズ及び重量も増大させる。更に、コンデンサは損失を導入するため、モジュールの効率を低下させる。標準的なモジュールに対する試験によって、電流の平滑化に必要なコンデンサは、標準的なＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの最大の損失源であることが分かっている。
【０００５】
図１Ａ、１Ｂに見られるように、コンデンサは標準的なエネルギ源と、この例ではモータドライブとの間に使用される。モータドライブの動作中、駆動のための入力電流の要件は変化する。図１Ｂでは、コンデンサを横断する例示的な誇張された電圧（ＶS）が図示されており、その分散が増大している。多くの場合、特にエネルギ源としてバッテリを使用すると、電圧は比較的安定したままとなるが、説明を目的として、図１Ｂの一番上の波形は、周期的に変動する出力電圧ＶSを示す。モータドライブからの電流の流れが、バッテリが供給できるものを超えて増大すると、出力電圧はコンデンサの電圧未満に降下し、コンデンサは放電を開始して、図１Ｂの２番目の波形の赤色の線が示すように、変動する出力電圧より高い電圧を維持し始める。以下に記載するように、このようなエネルギ源に接続された負荷、図１Ａの例ではモータドライブは、図１Ｂの一番下の波形が示すように、変動する入力電流を受ける。コンデンサは、上述のように損失を回避するためだけでなく、電流の流れの大きな変動によって損傷を受ける可能性があるバッテリ等のエネルギ源への損傷を回避するために、図１Ａに示すように使用される。モータドライブの出力側でも同じ概念が採用され、供給される電流の更に大きな変動が、容量性素子によって平衡化される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図示されているように、標準的なＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、電気モータ用途には理想的でない、変動性の電流を出力する。この変動性の電流は典型的にはコンデンサの使用によって平滑化されるが、これにはコストがかかり、また標準的なコンバータモジュールのサイズ及び重量の両方が増大する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
動作及び製造両方の効率を改善するために、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール内の複数のＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を制御して、入力及び出力電流の変動を最小化する。これは、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの個々のＤＣ‐ＤＣコンバータを、その出力が互い違いになるように別個に制御することにより、可能となる。
【０００８】
本発明は、独立請求項の特徴によって定義される。いくつかの具体的実施形態は、従属請求項において定義される。
【０００９】
本発明の第１の態様によると、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータと、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータに接続されて、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するよう構成された、制御回路構成とを備える、直流電流（ＤＣ）‐ＤＣコンバータモジュールが提供される。上記制御回路構成は、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作が非同期状態となるように、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するよう構成される。
【００１０】
本発明の第２の態様によると、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの動作を制御するための方法が提供され、上記方法は、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作が非同期状態となるように、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ−１Ｂ】図１Ａ、１Ｂは、エネルギ源とモータドライブ又はＤＣ‐ＤＣコンバータとの間のフィルタコンデンサの標準的な実装を示す。
【図２Ａ−２Ｂ】図２Ａ、２Ｂは、単一のＤＣ‐ＤＣコンバータ（２Ａ）、及び同期状態で動作する４個のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（２Ｂ）に関する、入力電流の波形を示す。
【図３】図３は、本発明の少なくともいくつかの実施形態による、個々のＤＣ‐ＤＣコンバータに関する入力電流と、上記コンバータを内包するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールに関する合計入力電流とを示す。
【図４】図４は、本発明の少なくとも１つの実施形態による例示的なＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを示す。
【図５Ａ−５Ｂ】図５Ａ、５Ｂは、ＤＣ‐ＤＣコンバータが同期状態で動作する場合（５Ａ）及び非同期状態で動作する場合（５Ｂ）の、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの４個のＤＣ‐ＤＣコンバータ（Ａ〜Ｄ）に関する出力電流波形と、上記モジュールの合計出力電圧とを示す。
【図６】図６は、本発明の少なくとも１つの実施形態による例示的なＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
定義
本発明の文脈では、動作又は切り替えサイクルという用語は、１回の周期的サイクル中に、ＤＣ‐ＤＣコンバータがオフ状態で費やす時間と、上記コンバータがオン状態で費やす時間との和を指す。例えば、バックブーストコンバータでは、オン状態の時間はデューティサイクル×切り替えサイクル、即ちＴON＝Ｄ×ＴSである。
【００１３】
図２Ａに見られるように、この例では８０％のデューティサイクルで動作するバックブーストコンバータであるＤＣ‐ＤＣコンバータを１つしか使用しない場合、入力電流は、いずれの平滑化用コンデンサを用いなければ、大幅に変動する。図２Ｂに見られるように、この効果は、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールでは増幅される。４個のコンバータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが受ける入力電流、及び全ての入力電流の合計、即ちＳＵＭが、図２Ｂに示されている。図示されているように、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータが使用され、これらが１つのグループとして同期状態で制御される場合、電流の変動は、ＤＣ‐ＤＣコンバータの個数に応じて倍増する。図２Ａ、２Ｂは、説明のために、インダクタンス又は静電容量の影響を図示していない。
【００１４】
しかしながら、本発明による、複数のコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールでは、コンバータの切り替えを別個に制御できるため、より安定した入力及び出力電流に到達できる。
【００１５】
本発明の特定の実施形態では、別個に制御される複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールが提供される。各ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え用部品は、全体としての入力及び出力電流が可能な限り平滑になるように制御される。例えば、本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール内で使用される４個のＤＣ‐ＤＣコンバータが図３に示されている。図示されているように、コンバータＡ〜Ｄの切り替えは、どの２つのコンバータも同時に切り替えられることがないように制御される。これにより、コンバータＡ〜Ｄの入力電流のＳＵＭによって示されているように、全体としてより平滑な合計入力電流が得られる。図示されているように、入力電流はある一定の最小レベル未満に降下することは決してなく、図２Ａに示した単一のコンバータモジュールの入力電流において示されているより大きな変動に比べて、わずか２回のピークしか示さない。
【００１６】
図４は、本発明の少なくともいくつかの実施形態による、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００を示す。図示されているＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００は、電源４８０と電気モータ４９０との間に配置されるが、このコンバータモジュールは様々な用途を見出すことができる。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００は：複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ４４１〜４４４；入力端子４１１、４１２；出力端子４２１、４２２；及び所望の電気モータ性能又は所望の出力電圧を示す信号を受信するための入力４３１を有する制御回路構成４５０を備える。本発明の特定の実施形態では、固定変換比が望ましい場合にこの入力信号は除去される。あるいは、特定の実施形態は、所望のＤＣ‐ＤＣ変換を直接示す信号を使用する。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの制御回路構成４５０は、全体としての入力及び出力の変化が最小化されるように、例えば出力電流の変動が最小化されるように、ＤＣ‐ＤＣコンバータ４４１〜４４４を別個に制御するよう構成される。
【００１７】
本発明の少なくともいくつかの実施形態によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータと、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータに接続されて、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するよう構成された、制御回路構成とを備える。制御回路構成は、ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作が非同期状態となるように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するよう構成される。特定の実施形態では、制御回路構成は、ＤＣ‐ＤＣコンバータがオン状態へと切り替えられる時点が２回、分離して存在するように、構成される。
【００１８】
本発明による特定のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、少なくとも４個のＤＣ‐ＤＣコンバータ、好ましくは８個のＤＣ‐ＤＣコンバータ、より好ましくは１６個のＤＣ‐ＤＣコンバータを備える。これは、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの設計パラメータに基づく。１６個の別個のＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期制御により、極めて平滑な電流の流れが可能となり、大きなフィルタ静電容量の必要が排除される。同様に、８個のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するモジュールは、４個の場合よりも平滑な電流を提供する。しかしながら、４個のモジュールは、少なくともいくつかの用途において、フィルタコンデンサの最小化又は排除において効果的であることが分かっている。
【００１９】
本発明の特定の実施形態では、制御回路構成は、複数のコンバータが異なる時点においてランプアップされるように、個々のＤＣ‐ＤＣコンバータの始動を別個に制御するよう構成される。例えば、個々のＤＣ‐ＤＣコンバータのデューティサイクルの開始時点を互い違いにすることにより、第１のコンバータの動作又は切り替えサイクル全体にわたってこれらの開始時点が発生するようにする。即ち、第１のコンバータに関する切り替えサイクルをＴとし、モジュール内に全部で４個のコンバータがあるとすると、これらのコンバータに関する開始時点は、０Ｔ、１／４Ｔ、２／４Ｔ、及び３／４Ｔとなる。このような制御スキーム又は始動シーケンスの出力が、本出願の図３に示されており、ここでコンバータＡは時点０Ｔにおいて始動し、コンバータＢは時点１／４Ｔにおいて始動し、コンバータＣは時点２／４Ｔにおいて始動し、コンバータＤは時点３／４Ｔにおいて始動する。確認できるように、点４／４Ｔでは、始動シーケンスが再びコンバータＡによって開始される。コンバータの個数が更に多い本発明の実施形態では、始動シーケンスは同様の方法で決定される。例えば６個のコンバータを備えるコンバータモジュールでは、コンバータの始動の間の時間はＴ／６であり、２０個のコンバータを備えるモジュールでは、始動の間の時間は、Ｔ／２０であるか、コンバータをペアで始動させる場合にはＴ／１０である。
【００２０】
上述のように、本発明による特定のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、制御回路構成を備え、これは、個々のＤＣ‐ＤＣコンバータが切り替えられる時点が、ＤＣ‐ＤＣコンバータのうちの１つの動作又は切り替えサイクル全体にわたって均等に離間するように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させるよう構成される。
【００２１】
本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールのＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させるための制御回路構成の構成は多様である。いくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、どの２つのＤＣ‐ＤＣコンバータも同時に切り替えられることがないように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させるよう構成された、制御回路構成を有する。特定のモジュールは、どの２つのＤＣ‐ＤＣコンバータも同時にオン状態へと切り替えられることがないように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させるよう構成された、制御回路構成を有する。少なくともいくつかのモジュールは、どの２つのＤＣ‐ＤＣコンバータも同時にオフ状態へと切り替えられることがないように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させるよう構成された、制御回路構成を有する。
【００２２】
本発明の少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作が、多数の別個の切り替え時点の間に均等に分布するように構成された、制御回路構成を内包する。特定のモジュールは、切り替え時点の数がＤＣ‐ＤＣコンバータのうちの１つのデューティサイクルの逆数に等しい制御回路構成を有し、上記逆数が整数でない場合は小数点以下を切り上げて整数とする。
【００２３】
本発明による特定のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールでは、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの２つのバンクを用いて、２相の電圧変換を採用する。まず、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの第１のバンクが入力電圧を中間電圧まで上昇させ、次にＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの第２のバンクが、この中間電圧を、所望の出力電圧に到達するように上昇させる。このようなＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの複数のバンクのスキームは、入力電圧が８倍を超えて上昇することになる場合に、特に有用であることが分かっている。８倍を超える上昇時、コンバータモジュールの効率は大幅に低下する。効率の向上及び生産コストの削減のために本発明の態様を採用できる、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールのバンク及びＤＣ‐ＤＣコンバータの構成は、フィンランド特許出願第２０１７５４２２号に更に詳細に記載されている。
【００２４】
本発明の実施形態によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、制御回路構成と共に入力電圧をより高い出力電圧に変換するよう構成されたＤＣ‐ＤＣコンバータを有する。
【００２５】
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、制御回路構成は、ＤＣ‐ＤＣコンバータをより良好に別個に制御するために、各ＤＣ‐ＤＣコンバータの状態を測定して出力を提示するよう構成される。これにより、多様な制御スキームが可能となる。
【００２６】
本発明による特定のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、それぞれ別個のコントローラを有するＤＣ‐ＤＣコンバータを採用する。このコントローラは、関連付けられたＤＣ‐ＤＣコンバータを、システムレベル制御又は処理ユニットとしても知られる中央コントローラと共に操作する。これにより、ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作時に更なる柔軟性を実現でき、あるコンバータが過熱状態となった、又は故障した場合、該コンバータに関連付けられたコントローラはこのコンバータを非起動状態として、中央コントローラに報告できる。続いて中央コントローラは、他の全てのコントローラが、故障したコントローラによって電流パターンに残されたギャップをカバーするように、他の全てのコントローラのデューティサイクルを変更できる。これと同じスキームは、各コンバータを別個に監視及び制御するよう構成された中央コントローラを用いて達成することもできる。
【００２７】
図５Ａ、５Ｂは、同期状態（図５Ａ）で、及び本発明に従って非同期状態（図５Ｂ）で動作する、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールに関する出力電流を示す。図５Ａ、５Ｂの出力電流の波形によって示されているように、本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、入力電流側及び出力電流側の両方において利益をもたらす。エネルギ源の負担が低減されるだけでなく、接続される負荷が受け取る入力電流がより一貫したものとなる。図５Ａに見られるように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの出力電流は、図２Ｂに示されている入力電流に対して反転されており、これは、ＤＣ‐ＤＣコンバータの二次側、即ち出力側において、容量のフィルタリングがはるかに重要となることが多いことを意味している。更に、同期状態で動作する複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するモジュールの出力電流は、入力電流よりはるかに変動性が高い。しかしながら、図５Ｂに示されているような本発明による制御スキームを採用すると、全体としての出力電流はより一貫したものとなる。従って、標準的なＤＣ‐ＤＣコンバータを通る電流の流れを平滑化するために典型的に採用される容量に関するサポートは、除去されはしないとしても低減される。
【００２８】
本発明による少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、双方向性コンバータを採用する。即ち、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、エネルギ源からの電流又はエネルギ源への電流の平滑化に使用できる。例えば、特定のバッテリは、変動電流での使用に良好に適合されていないが、本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールにより、このようなバッテリのための充電電流の安定が保証される。
【００２９】
本発明による少なくともいくつかの実施形態、例えば複数のバックブーストコンバータを使用したＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールでは、平滑な出力電流を保証するためには、最低４個のコンバータが好ましいと判断されている。少なくとも４個のコンバータを備える実施形態では、フィルタリングに必要な静電容量は、完全には排除されないとしても、最高８０％まで低減できる。
【００３０】
特定の実施形態では、各ＤＣ‐ＤＣコンバータが固有の制御デバイスを有することが必要である。他の実施形態は複数の制御デバイスを内包し、各制御デバイスが複数のコンバータを別個に制御する。上記制御デバイスは、コンバータを通る流れを追跡し、潜在的な過負荷が検出されると、コンバータの制御を調整することにより、コンバータが損傷されないことを保証する。各制御デバイスは、組立体全体の動作を制御するＬ７  Ｄｒｉｖｅ等の中央コントローラによって制御される。
【００３１】
図６は、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール６００を示す。コンバータモジュール６００は、図示されているように、電源６８０と電気モータ６９０との間に使用できる。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール６００は：複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ６４１〜６４６；入力端子６１１、６１２；及びコンバータモジュール６００の外部の要素から信号を受信するための５つの入力６３１、６３２、６３３、６３４、６３６を有する制御回路構成６５０を備える。所望の電気モータ性能を示す信号は６３１において受信され、その一方で、モータ６９０のエンコーダ６３５によって提供される、現在のモータ性能を示す信号は、６３２において受信される。電気エネルギ源６８０の現在の状態、例えば電気エネルギ源６８０の温度を示す信号は、センサ６３７から入力６３６において受信される。スイッチ６６０は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ６４１〜６４６と出力端子６２１、６２２、６２３との間に設けられる。上述のように、本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータは、フィルタコンデンサの必要を低減するか、又は排除しさえする。しかしながら、図６では、ＤＣ‐ＤＣコンバータの入力及び出力の平滑化が必要となった場合にコンデンサ６７１、６７２が設置される場所を示すために、これらが図示されている。
【００３２】
図６には、充電端子６１５、６１６も図示されている。本発明の特定の実施形態は、壁コンセントに接続された充電器又はバッテリ等の外部電力源６８４からの充電を可能とし、上記外部電力源６８４は、充電端子に接続される。図示されているように、外部電力源６８４は、接続されているエネルギ源６８０又はバッテリを再充電する前に、外部電気エネルギをＤＣ‐ＤＣコンバータ６４１〜６４６によって変換できるように、接続されている。これにより、本発明に従って制御されるＤＣ‐ＤＣコンバータは、接続されているバッテリのための平滑な充電電流を保証する。
【００３３】
確認できるように、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータのこのような別個の制御は、多くの利点をもたらす。例えば、本発明の特定の実施形態により、コンバータモジュールの出力において、回転磁界、例えばＡＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、又はスイッチトリラクタンスモータで使用されるような３相回転磁界を生成できる。また、複数のモータのための多相回転磁界を生成することもできる。
【００３４】
本発明による特定のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、最大デューティサイクルに基づいてＤＣ‐ＤＣコンバータがグループ化されるように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を制御する。このようなモジュールは、コンバータの個数をデューティサイクルの逆数で除算した結果が２以上でない場合に、ＤＣ‐ＤＣコンバータの個数と等しい切り替え時点の個数を設定できる。このとき、ＤＣ‐ＤＣコンバータは、コンバータの個数をデューティサイクルの逆数で除算した結果の切り捨てによって得られる整数値に等しい個数ずつ、グループに分割される。例えば、１つのモジュール内で１６個のコンバータが使用され、デューティサイクルが１／８に設定されている場合、コンバータは複数のペアに分割されることになり、各ペアは同期状態で始動する。しかしながら、コンバータが１２個しか使用されず、所望のデューティサイクルが１／８である場合、上述の計算の結果（１２／８＝１．５）、コンバータはグループ化されない。ペアより大きなグループが採用される場合もあり、例えば所望のデューティサイクルが１／４であり、コンバータが１６個存在する場合、１６／４＝４から、コンバータは４個ずつのグループ４つに分割され、各グループは同期状態で始動する。
【００３５】
上述の様式又は別の様式で、特定のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、ＤＣ‐ＤＣコンバータの複数のグループの非同期状態での動作を達成する。ＤＣ‐ＤＣコンバータが同期状態で始動するようにグループ化され、かつこれらのグループが非同期状態で始動する場合であっても、ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作は本出願によると非同期状態とすることができることを理解されたい。
【００３６】
本発明の少なくともいくつかの実施形態は、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの動作を制御するための方法を提供し、上記方法は、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作が非同期状態となるように、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作を別個に制御するステップを含む。本発明による特定の方法では、ＤＣ‐ＤＣコンバータがオン状態へと切り替えられる時点は、少なくとも２回、分離して存在する。モジュール１つあたり４個のＤＣ‐ＤＣコンバータを使用する特定の方法は、ＤＣ‐ＤＣコンバータがオン状態へと切り替えられる時点が４回、分離して存在することを保証する。
【００３７】
本発明による少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールでは、個々のＤＣ‐ＤＣコンバータ間で負荷を平衡化する。例えばＤＣ‐ＤＣコンバータは、デューティサイクル、及び伝達される電力に関して、等しく動作する。
【００３８】
本発明によるいくつかの方法は、少なくとも４個のＤＣ‐ＤＣコンバータ、好ましくは８個のＤＣ‐ＤＣコンバータ、より好ましくは１６個のＤＣ‐ＤＣコンバータを備えるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの制御に適合される。
【００３９】
本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールのＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させるための方法は多様である。いくつかの方法は、どの２つのコンバータも同時に切り替えられることがないように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させる。特定の方法は、どの２つのＤＣ‐ＤＣコンバータも同時にオン状態へと切り替えられることがないように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させる。少なくともいくつかの方法は、どの２つのＤＣ‐ＤＣコンバータも同時にオフ状態へと切り替えられることがないように、Ｃ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させる。
【００４０】
本発明の少なくともいくつかの方法では、ＤＣ‐ＤＣコンバータの切り替え動作は、多数の別個の切り替え時点の間に均等に分布する。特定の方法では、切り替え時点の数は、ＤＣ‐ＤＣコンバータのうちの１つのデューティサイクルの逆数に等しく、上記逆数が整数でない場合は小数点以下を切り上げて整数とする。このような方法により、均一な入力及び出力電流が達成される。
【００４１】
上述のように、本発明による特定の方法は、個々のＤＣ‐ＤＣコンバータが切り替えられる時点が、ＤＣ‐ＤＣコンバータのうちの１つの動作又は切り替えサイクル全体にわたって均等に離間するように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの非同期動作を発生させる。
【００４２】
本発明による少なくともいくつかの方法では、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、入力電圧をより高い出力電圧に変換するように制御される。
【００４３】
本開示の発明の実施形態は、本明細書中で開示されている特定の構造、プロセスステップ、又は材料に限定されず、関連分野の当業者が把握するようなその均等物にまで拡張されることを理解されたい。また、本明細書中で採用されている用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、限定を意図したものではないことも理解されたい。
【００４４】
本明細書全体にわたる、「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「ある実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という言及は、該実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体にわたる様々な箇所での「一実施形態では（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「ある実施形態では（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という語句の出現は、これら全てが必ずしも同一の実施形態を指すものではない。
【００４５】
本明細書中で使用されているように、便宜上、複数の項目、構造要素、組成要素、及び／又は材料が、１つの共通のリストとして提示される場合がある。しかしながら、これらのリストは、該リストの各メンバーが別個かつ一意のメンバーであるかのように解釈されるものとする。従って、このようなリストのいずれの個々のメンバーも、これらが、該リストの他のいずれのメンバーの事実上の均等物ではないという指示なしに、１つの共通のグループとして提示されているということだけに基づいて、該リストの他のいずれのメンバーの事実上の均等物として解釈してはならない。更に、本発明の様々な実施形態及び例は、本明細書中では、その様々な構成部品に関する代替物と共に言及される場合がある。このような実施形態、例、代替物は、互いの事実上の均等物として解釈されるべきものではなく、本発明の別個かつ自律的な表現とみなされるべきものであることが理解される。
【００４６】
更に、本記載の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において、いずれの好適な様式で組み合わせてよい。以下の説明中では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、長さ、幅、形状等の例といった、多数の具体的な詳細が提供されている。しかしながら、当業者であれば、本発明を、上記具体的詳細のうちの１つ以上を用いずに、又は他の方法、構成部品、材料等を用いて、実施できることを認識するであろう。他の例では、公知の構造、材料、又は操作は、本発明の態様を不明瞭にしてしまうのを回避するために、詳細に図示又は説明されない。
【００４７】
以上の例は、１つ以上の特定の用途における本発明の原理の例示であるが、発明的能力を行使することなく、また本発明の原理及び概念から逸脱することなく、形態、用法、及び実装の詳細について多数の修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、以下に記載される特許請求の範囲による場合を除き、本発明を限定することは意図されていない。
【００４８】
動詞「…を備える（ｔｏ  ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「…を含む（ｔｏ  ｉｎｃｌｕｄｅ）」は、本文書中では、記載されていない特徴の存在を除外することも要求することもない、オープンな制限として使用されている。従属請求項に記載されている特徴は、特段の記載がない限り、相互に自由に組み合わせることができる。更に、本文書全体を通しての、「ある（ａ、ａｎ）」、即ち単数形の使用は、複数を除外するものではないことを理解されたい。
【符号の説明】
【００４９】
ＤＣ            直流電流
４００          ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール
４１１、４１２  入力端子
４２１、４２２  出力端子
４３１          入力
４４１〜４４４  ＤＣ‐ＤＣコンバータ
４５０          制御回路構成
４８０          電源
４９０          電気モータ
６００          ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール
６１１、６１２  入力端子
６１５、６１６  充電端子
６２１〜６２３  出力端子
６３１〜６３６  入力
６３５          エンコーダ
６３７          センサ
６４１〜６４６  ＤＣ‐ＤＣコンバータ
６５０          制御回路構成
６７１、６７２  コンデンサ
６８０          電源
６９０          電気モータ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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６】
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【国際調査報告】
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