(57)【要約】      （修正有）【課題】高電力の動作を許容する電力システムの動作方法を提供する。【解決手段】第１の一次電源から第１の一次電源と電気的に接続されている第１のローサイドＤＣ電力バスに電力を供給するステップと、第２の一次電源から第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに電力を供給するステップと、第１の一次電源からの電圧を、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける正の高電圧に引き上げるステップと、第２の一次電源からの電圧を、ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける負の高電圧に引き下げるステップとを有し、さらに、第１の一次電源および第２の一次電源の内の１つを選択するステップと、選択された第１の一次電源または第２の一次電源から供給される電力を低減し、選択された第１の一次電源または第２の一次電源をアイドルモードで動作させるステップとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力システムの動作方法において、
電力を第１の周期の間に第１の一次電源から該第１の一次電源と電気的に接続されている第１のローサイドＤＣ電力バスに供給するステップと、
電力を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給するステップと、
ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位を前記第１の周期の間に前記第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げるステップと、
前記ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける電位を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２のローサイドＤＣ電力バスの低電位以下に引き下げるステップと、
前記第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている前記第２のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給を第２の周期の間に中止するステップと、
前記第２の周期の間の前記第１の一次電源から前記第１のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給を継続するステップと、
前記ハイサイドＤＣ電力バスの前記第１の電圧レールにおける電位を前記第２の周期の間に前記第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げるステップとを有することを特徴とする、電力システムの動作方法。
【請求項２】
前記第２の周期の間の前記第１の一次電源から前記第１のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給を継続する前記ステップは、前記第２の周期の間に前記第１のローサイドＤＣ電力バスを介して、前記第１の周期の間に供給される電圧と同じ電圧を供給するステップを包含する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
電力を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給する前記ステップは、第１の燃料電池システムの第１の燃料電池スタックから前記第１のローサイドＤＣ電力バスを介して電圧を供給するステップを有し、電力を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給する前記ステップは、第２の燃料電池システムの第２の燃料電池スタックから前記第２のローサイドＤＣ電力バスを介して電圧を供給するステップを有する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
電力を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給する前記ステップは、燃料電池システムの第１の燃料電池スタックから前記第１のローサイドＤＣ電力バスを介して電圧を供給するステップを有し、電力を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給する前記ステップは、前記燃料電池システムの第２の燃料電池スタックから前記第２のローサイドＤＣ電力バスを介して電圧を供給するステップを有する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
電力を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給する前記ステップは、燃料電池スタックの第１の部分から前記第１のローサイドＤＣ電力バスを介して電圧を供給するステップを有し、電力を前記第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給する前記ステップは、前記燃料電池スタックの第２の部分から前記第２のローサイドＤＣ電力バスを介して電圧を供給するステップを有する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている前記第２のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給を第２の周期の間に中止する前記ステップを、前記第２の一次電源に関する動作障害の発生の検出に応じて実施する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている前記第２のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給を第２の周期の間に中止する前記ステップを、要求される出力電力が出力電力閾値以下であることの検出に応じて実施する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
さらに、
前記第１の一次電源または前記第２の一次電源の少なくとも１つを介する短絡経路を時折提供するステップを有する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
さらに、
前記第１の一次電源または前記第２の一次電源の少なくとも１つで始動する場合に、スタートアップ時間における周囲温度を求めるステップと、
前記周囲温度が閾値温度以下であるか否かを求めるステップと、
前記周囲温度が前記スタートアップ時間において前記閾値温度以下であることに応じて、前記第１の一次電源または前記第２の一次電源の少なくとも１つを介する短絡経路を提供するステップとを有する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
電力システムの動作方法において、
第１の一次電源から該第１の一次電源と電気的に接続されている第１のローサイドＤＣ電力バスに電力を供給するステップと、
第２の一次電源から該第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに電力を供給するステップと、
前記第１の一次電源からの電圧を、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける正の高電圧に引き上げるステップと、
前記第２の一次電源からの電圧を、ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける負の高電圧に引き下げるステップとを有し、
さらに、
前記第１の一次電源および前記第２の一次電源の内の１つを選択するステップと、
選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源から供給される電力を低減し、選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源をアイドルモードで動作させるステップとを有することを特徴とする、電力システムの動作方法。
【請求項１１】
さらに、
前記第１の一次電源および前記第２の一次電源の内の１つを選択するステップと、
選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源からの電力の供給を終了し、選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源をスリープモードで動作させるステップと、
選択されなかった前記第１の一次電源または前記第２の一次電源をより高い電圧レベルで動作させるステップとを有する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
選択されなかった前記第１の一次電源または前記第２の一次電源をより高い電圧レベルで動作させる前記ステップはさらに、選択されなかった前記第１の一次電源または前記第２の一次電源を最大電圧レベルで動作させるステップを有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
さらに、
前記第１の一次電源または前記第２の一次電源の内の少なくとも１つを低減された電圧で動作させ、コールドスタートに関して廃熱を発生させるステップを有する、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
第１の一次電源および第２の一次電源の動作方法において、
前記第１の一次電源および前記第２の一次電源は直列に接続されており、
最初に前記第１の一次電源および前記第２の一次電源から電力を形成するステップと、
最初に前記第１の一次電源の正のＤＣ電圧を第１のより高い正のＤＣ電圧にステップアップするステップと、
最初に前記第２の一次電源の負のＤＣ電圧をより低い負のＤＣ電圧にステップダウンするステップと、
前記第２の一次電源によって形成された電力を低減するステップと、
前記第１の一次電源の正のＤＣ電圧を第２のより高い正のＤＣ電圧にさらにステップアップするステップとを有し、
さらに、
前記第１の一次電源および前記第２の一次電源の内の１つを選択するステップと、
選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源から供給される電力を低減し、選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源をアイドルモードで動作させるステップとを有することを特徴とする、第１の一次電源および第２の一次電源の動作方法。
【請求項１５】
さらに、
前記第１の一次電源および前記第２の一次電源の内の１つを選択するステップと、
選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源による電力の形成を終了し、選択された前記第１の一次電源または前記第２の一次電源をスリープモードで動作させるステップと、
選択されなかった前記第１の一次電源または前記第２の一次電源を第２のより高い電圧レベルで動作させるステップとを有する、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
選択されなかった前記第１の一次電源または前記第２の一次電源をより高い電圧レベルで動作させる前記ステップはさらに、選択されなかった前記第１の一次電源または前記第２の一次電源を最大電圧レベルで動作させるステップを有する、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
さらに、
前記第２の一次電源の前記負のＤＣ電圧を低減するステップと、
コールドスタートに関して前記第２の一次電源から廃熱を発生させるステップとを有する、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力システムの動作方法並びに第１の一次電源および第２の一次電源の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換システムは、１つまたは複数の負荷に電力を供給するための１つまたは複数の電源からの電力を変換および／または調節する。一般的に「インバータ」と称される電力変換システムの構成要素は、交流負荷への電力の供給に使用するために直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換する。「整流器」と称される電力変換システムの構成要素はＡＣをＤＣに変換する。一般的に「ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ」と称される電力変換システムの構成要素はＤＣ電圧をステップアップまたはステップダウンする。幾つかの実施形態においては、２つまたはそれ以上の機能を実施するためにこれらの構成要素は双方向に動作することもできる。これらの機能は幾つかのケースにおいては反転機能である。例えば、スイッチモードインバータは一方の方向においてＤＣをＡＣに変換するよう動作することができ、他方の方向においてＡＣをＤＣに整流するよう動作することができる。適切なコンフィギュレートにより動作する電力変換システムは、これらの機能の内のいずれか１つまたは複数の機能を実施するためにこれらの構成要素の内のいずれか１つまたは複数を有することができる。
【０００３】
慣用的に術語「コンバータ」はおよび／またはインバータ、整流器および／またはＤＣ／ＤＣ電力コンバータであれ、一般的に全ての電力変換の構成要素に当てはまり、また明細書および請求項においてはその包括的な意味において使用されている。１つまたは複数の電力変換システムの構成要素を、一般的に電力モジュールと称される、自己完結型ユニットとして提供することができ、この電力モジュールは電力変換システムの構成要素の少なくとも一部をハウジングする電気的に絶縁されたハウジングと、端子またはバスバーのような適切なコネクタとを有する。
【０００４】
多くの用途は電源から負荷への高電力および／または高電流および／または高電圧の供給を使用する。例えば交通の用途においては、電気自動車またはハイブリッド電気自動車を推進させるための主電動機のような負荷を駆動させるために、ＡＣ電力を供給するインバータに比較的高いＤＣ電圧を供給することが望ましい。またそれと同時に、補助的な負荷または周辺の負荷の駆動に関しては比較的低い電圧を提供することが望ましい。
【０００５】
そのような用途は１つまたは複数の種々の電源を使用することができる。例えばそれらの用途は、内燃機関または燃料電池のアレイおよび／または光電池のアレイのようなエネルギを形成する電源を使用することができる。付加的または択一的にそれらの用途は、例えば蓄電池のアレイ、スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイおよび／またはフライホイールのようなエネルギ蓄積装置を使用することができる。
【０００６】
電源の容量を負荷の要求に適合させるための要求は、電源のタイプ、電力コンバータの大きさなどの多くのデザイン決定を決めることになる種々のコストと利益のバランスを慎重に取ることを必要とする。デザインプロセスの一部として、電力コンバータは典型的にパワー半導体デバイス、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）および／または金属酸化層半導体型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を使用し、これらは全て高電力動作の間に相当量の熱を発するということが認識されなければならない。このことはより高速な半導体の使用を要求するが、そのような半導体は高価である。このことはまた熱管理問題も生じさせる可能性があり、このような熱管理は動作範囲を制限し、コストを上昇させ、大きさおよび／または重量を増加させ、効率に不利に作用し、および／または、電力コンバータの信頼性を低下させる虞がある。これらの問題を解決する高電力の動作を許容する電力変換システムにおける方法または電力変換システムのためのアーキテクチャが非常に所望される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、上記の問題を解決する高電力の動作を許容する電力システムの動作方法並びに第１の一次電源および第２の一次電源の動作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
電力システムの動作方法に関する課題は、方法が、電力を第１の周期の間に第１の一次電源から第１の一次電源と電気的に接続されている第１のローサイドＤＣ電力バスに供給するステップと、電力を第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源から第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給するステップと、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位を第１の周期の間に第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げるステップと、ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける電位を第１の周期の少なくとも一部の間に第２のローサイドＤＣ電力バスの低電位以下に引き下げるステップと、第２の一次電源から第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給を第２の周期の間に中止するステップと、第２の周期の間の第１の一次電源から第１のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給を継続するステップと、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位を第２の周期の間に第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げるステップとを有することにより解決される。
【０００９】
さらにこの課題は、方法が、第１の一次電源から第１の一次電源と電気的に接続されている第１のローサイドＤＣ電力バスに電力を供給するステップと、第２の一次電源から第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに電力を供給するステップと、第１の一次電源からの電圧を、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける正の高電圧に引き上げるステップと、第２の一次電源からの電圧を、ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける負の高電圧に引き下げるステップとを有し、さらに、第１の一次電源および第２の一次電源の内の１つを選択するステップと、選択された第１の一次電源または第２の一次電源から供給される電力を低減し、選択された第１の一次電源または第２の一次電源をアイドルモードで動作させるステップとを有することにより解決される。
【００１０】
第１の一次電源および第２の一次電源の動作方法に関する課題は、この方法が、第１の一次電源および第２の一次電源は直列に接続されており、最初に第１の一次電源および第２の一次電源から電力を形成するステップと、最初に第１の一次電源の正のＤＣ電圧を第１のより高い正のＤＣ電圧にステップアップするステップと、最初に第２の一次電源の負のＤＣ電圧をより低い負のＤＣ電圧にステップダウンするステップと、第２の一次電源によって形成された電力を低減するステップと、第１の一次電源の正のＤＣ電圧を第２のより高い正のＤＣ電圧にさらにステップアップするステップとを有し、さらに、第１の一次電源および第２の一次電源の内の１つを選択するステップと、選択された第１の一次電源または第２の一次電源から供給される電力を低減し、選択された第１の一次電源または第２の一次電源をアイドルモードで動作させるステップとを有することにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
１つの実施形態においては、電力システムが第１の電圧レールおよび第２の電圧レールを包含するハイサイドＤＣ電力バスと、第１のローサイドＤＣ電力バスと、第２のローサイドＤＣ電力バスと、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位を第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げる第１の手段と、ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける電位を第２のローサイドＤＣ電力バスの低電位以下に引き下げる第２の手段とを有する。
【００１２】
別の実施形態においては、電力システムがハイサイドＤＣ電力バスと、第１のローサイドＤＣ電力バスと、第２のローサイドＤＣ電力バスと、第１のローサイドＤＣ電力バスと電気的に接続されており、且つ第１のローサイドＤＣ電力バスとハイサイドＤＣ電力バスとの間において電力を変換するよう動作する第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータと、第２のローサイドＤＣ電力バスと電気的に接続されており、且つ第２のローサイドＤＣ電力バスとハイサイドＤＣ電力バスとの間において電力を変換するよう動作する第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータとを有し、第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータと第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータは少なくとも１つの期間の間、ハイサイドＤＣ電力バスを介して相互に電気的に直列に接続される。
【００１３】
また別の実施形態においては、電力システムを動作させる方法がハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位を引き上げるステップと、またハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける電位を引き下げるステップとを包含する。
【００１４】
さらに別の実施形態においては、電力システムを動作させる方法が、第１のモードにおいてハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位を第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げるよう第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ回路を動作させるステップと、第１のモードにおいてハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける電位を第２のローサイドＤＣ電力バスの低電位以下に引き下げるよう第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ回路を動作させるステップとを包含し、第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ回路と第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ回路はハイサイドＤＣ電力バスを介して相互に電気的に直列に接続されている。
【００１５】
別の態様においては、種々の実施形態が燃料電池スタックを用いる使用に適している複数の電力システムトポロジにおいて使用される。幾つかのトポロジは、ハイサイド電圧レールとローサイド電圧レールとの間において電気的に直列に接続されている、双方向の第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび双方向の第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを使用し、他方別の実施形態は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣバックコンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣバックコンバータを使用する。幾つかのトポロジは高電圧電力蓄積装置、例えば蓄電池の高電圧アレイを包含する。幾つかのトポロジは、高電圧電力蓄積装置に伝達される電圧および高電圧電力蓄積装置から伝達される電圧をステップアップおよび／またはステップダウンするために電気的に直列に接続されている双方向の第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含する。幾つかのトポロジは、燃料電池スタックから伝達される電力をステップアップするために電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含する。
【００１６】
以下では、図面を参照しながら本発明の種々の実施例を説明する。図面において同一の参照番号は同様の構成要素または同様に作用する構成要素を表す。図面における構成要素の大きさおよび相対的な位置は必ずしも縮尺通りに描かれたものではない。例えば、種々の構成要素の形状および角度は縮尺通りに描かれておらず、またそれらの構成要素のうちの幾つかは分かり易くするために任意に拡大して配置されている。さらに、図示されている構成要素の特定の形状は特定の構成要素の実際の形状に関する何らかの情報を提供することを意図したものではなく、図面における認識を容易にするために選択されたものにすぎない。
【実施例】
【００１７】
以下では、本発明のシステムおよび方法の種々の実施形態の包括的な理解を提供するために、所定の特定の詳細を説明する。しかしながら当業者であれば、それらの特定の詳細の内の１つまたは複数がなくても、または他の方法、構成要素、材料などを用いても本発明のシステムおよび方法を実施できることが分かる。他の例では、コンバータシステムおよび電源に関連する公知の構造、また関連する方法および装置は、本発明のシステムおよび方法の実施形態についての不必要に不明瞭な記載を回避するため詳細には述べていない。
【００１８】
コンテキストが特に要求していない限り、明細書および請求項全般において使用される用語「包含する」およびその変化形、例えば「包含し」また「包含している」などは広く解されるべきであり、「〜が、これらに制限されるものでもない」などの意味も含まれるべきである。
【００１９】
明細書全般において使用される「１つの実施形態」または「実施形態」で表される参照は、その実施形態と関連させて説明される特定の機能、構造または特性が本発明のシステムおよび方法の少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味している。したがって、明細書の種々の個所において使用される「１つの実施形態において」または「実施形態において」という句は、同一の実施形態を全て参照している必要はない。さらには、特定の機能、構造または特性を１つまたは複数の実施形態においてあらゆる適切なやり方で組み合わせることができる。明細書における見出しは便宜的なものに過ぎず、また請求項に記載されている発明の範囲または意味を説明するものではない。
【００２０】
電力源から通常得られるＤＣ電圧よりも高いＤＣ電圧を使用することは多くの用途において有利である。例えば、順番に電力をＡＣ電気モータに供給するＤＣ／ＡＣ電力コンバータに高ＤＣ電圧を供給すると、電気モータの効率を高めることができ、また電気モータの大きさおよび重量を実質的に低減することができる。しかしながら、高ＤＣ電圧を供給する高電圧電源の使用は不利になる可能性もある。例えば一次電源が燃料電池のスタックであれば、スタックを形成する燃料電池の数の増加によりシーリングおよび機械的な公差に関連する課題が生じ、同様に大きさ、重量およびコストが著しく増加し、また信頼性の問題ももたらす可能性がある。
【００２１】
逆に言えば、負荷によって所望される電圧よりも低い電圧を提供する電源を使用することは有利となる。例えば一次電源が燃料電池スタックであれば、より低電圧のスタックは上記の問題の多くを回避する。さらには燃料電池スタックを最大定格電圧で動作させることは低電圧で動作させることよりも効率的である（分極曲線を参照されたい）。したがって、所望される典型的な出力電圧が比較的低いより小型の燃料電池スタックを使用することは有益である。燃料電池から給電される構成要素にとって理想的とされる電圧範囲より大きい電圧範囲にわたり燃料電池スタックが動作することは有利である。セット電圧または（未修正の燃料電池スタックによって低減することとは対照的に）電力によって上昇する電圧においてそれらの構成要素に電力を供給することも有利である。
【００２２】
ＤＣ／ＡＣインバータに電力を供給するために一次電源からの電圧を高める一次ＤＣ／ＤＣブーストコンバータを使用することにより、電圧の所望の上昇をある程度は達成することができる。
【００２３】
しかしながらこのアプローチは実質的な制限または欠点を多数有している。例えば、一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータに要求されるブースト比が高まり、効率は下がるのに対し、コスト、熱管理問題、パッケージング問題および信頼性の問題は全て増すことになる。例えば、８０Ｖの全負荷電圧において動作する１２０ｋＷの燃料電池スタックの出力電流は１５００Ａに達する可能性がある。このことは非常に高速で、したがって非常に高価な半導体デバイスを要求する。またこのことは構成要素の大きさおよび効率に関して著しい損失をもたらし、さらに例外的な熱管理についての解決策を要求する。
【００２４】
本明細書において説明する多重供給型のアプローチは、別個に動作する一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータによって供給される出力電圧よりも高い出力電圧を供給するためにこれらの一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータが電気的に直列に接続されている、複数（すなわち２つまたはそれ以上）の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータトポロジを提供することにより、上述の幾つかの制限および欠点に取り組んでいる。これにより例えば、比較的低いブースト比を有する２つまたはそれ以上の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを使用することができ、したがって半導体デバイスの定格ＲＭＳ電圧および／または定格ＲＭＳ電流が低減され、また付随するパッケージングの問題、熱管理の問題および信頼性の問題が解消される。例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関するオン抵抗（ＲＤＳ）は、降伏電圧が２．７の電力に上昇されるように近似される。３００Ｖの降伏電圧を有するＦＥＴによりそれぞれ動作する２つのＤＣ／ＤＣ電力コンバータを使用することによって、６００Ｖの定格降伏電圧を有するＦＥＴを使用する単一供給型のコンバータの場合よりもＦＥＴのオン抵抗は６．５倍小さくなる。
【００２５】
さらに多重供給型のアプローチは、それぞれの一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータに給電するために、複数（すなわち２つまたはそれ以上）の一次電源を使用することができる。これにより例えば、単一の比較的高電圧の燃料電池スタック（例えば２００Ｖ〜４５０Ｖ、比較的低い電流で動作する）の代わりに、２つまたはそれ以上の比較的低電圧の燃料電池スタック（例えばそれぞれ４０〜８０Ｖ、高い電流で動作する）を使用することができ、他方では電気自動車またはハイブリッド車の主電動機を駆動させるために使用されるＤＣ／ＡＣインバータには依然として高電圧ＤＣ電力が供給され、これにより大きさ、重量および／または信頼性に関してＤＣ／ＡＣインバータおよび電気モータを効率的に設計することができる。またこれにより、一次電源を異なる要求レベル（例えば異なる電圧および／または電流および／または電力）において動作させることができる。例えば第１の燃料電池スタックは最大電圧レベルで動作するが、「スリープモード」にある第２の燃料電池スタックは動作または機能しない。さらにこれにより、別の一次電源が作動不能、異常または誤動作の状態である場合に、１つまたは複数の一次電源を介して動作を制限または縮小することができる。そのような動作は例えば「リムホーム（limp home）」機能を提供することができ、これによりドライバは低速または低出力で安全に目的地に到達することができる。そのような動作は例えばシステムをスムーズにシャットダウンすることができる。さもなければそのようなシステムには、規則的にシャットダウンルーチンを実行するために十分な電力は供給されない。
【００２６】
本発明の実施形態は、単一の電力モジュールにおいて電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができる。直列に接続されているＤＣ／ＤＣ電力コンバータセクションはそれぞれ、燃料電池およびハイブリッド車における主電動機の用途また他の用途におけるＡＣインバータの正のＤＣバス電圧と負のＤＣバス電圧のいずれも変調する。選択された実施形態においては、ブーストコンバータにおける半導体スイッチに関する定格電圧を低減するために、２つのブーストコンバータが直列に、ＤＣバスの一方の側に配置されている。幾つかの実施形態のトポロジは６つのインダクタ、つまり各ブーストコンバータに対して３つのインダクタを使用し、入力電流が共有され、パッケージングおよび熱管理がより良好になる。より高いＤＣバス電圧により大きさ、重量およびコストに関して主電動機およびモータを効率的に設計することができる。
【００２７】
種々の実施形態により燃料電池システムのコストおよび体積を著しく低減することができる。直列に接続されているＤＣ／ＤＣ電力コンバータが一度適切に設けられれば、新たなフリーズスタート性能および燃料電池の経年変化の緩和も含めて、性能および動作に関するさらなる利点がシステムにもたらされる。廃熱は高電流密度、低電圧動作の間に高まるということは明らかである。過度に高い電流密度において電圧崩壊が始まり、また燃料電池はそのピーク電力供給点を超えて動作する。電圧出力は高電圧負荷によって使用不能にならない程度の低さなので、通常の場合この動作領域は回避される。しかしながら直列に接続されているＤＣ／ＤＣ電力コンバータを用いれば、この直列に接続されたＤＣ／ＤＣ電力コンバータから高電圧を供給し、またスタック内に生じる廃熱を最大にすることにより、非常に冷たい状態での動作中であろうとも分極曲線の領域に到達することができ、これによりウォームアップ時間が著しく短縮される。
【００２８】
燃料電池は経年変化するので、分極曲線全体は内部の性能低下メカニズムに起因して下方にシフトし、場合によっては最小許容電圧（通常の場合、スタックに関して約２３０Ｖｄｃ）を上回る電力を供給できなくなる可能性がある。直列に接続されているＤＣ／ＤＣ電力コンバータの実施形態を用いれば、たとえ出力電力が低減する可能性があろうとも、これはもはや制限ではなく、また燃料電池の寿命を延ばせることは明らかである。
【００２９】
幾つかの実施形態においては、直列に接続されているＤＣ／ＤＣ電力コンバータトポロジは並列／直列構造の種々のパワーデバイス（スイッチ、インダクタ、ダイオードなど）をアレンジする。並列のアプローチは電流ストレスを低減する。直列のアレンジは受動的な構成要素およびパワーデバイスにおける電圧ストレスを低減する。
【００３０】
図１は、本発明の実施形態による、第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2からの電力を電気機械１４の形の負荷に供給するために接続されている、電力変換システム１２ａを包含している電力システム１０ａを示す。第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2は相互に電気的に直列に接続されており、また以下において詳述する種々の形態をとることができる。
【００３１】
電力変換システム１２ａは、二重供給型の電力コンバータを形成するために電気的に接続されている、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａを包含する。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａは電圧をステップアップおよび／またはステップダウンするよう動作することができる。例えば、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａは第１のローサイドＤＣ電力バスの上位電圧レール２０ａおよび下位電圧レール２０ｂを介して第１の一次電源Ｖ1から受け取った電圧をステップアップすることができる。以下では、これらの第１のローサイドＤＣ電力バスの上位電圧レール２０ａおよび下位電圧レール２０ｂを総称して２０で表す。同様に、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａは第２のローサイドＤＣ電力バスの上位電圧レール２２ａおよび下位電圧レール２２ｂを介して第２の一次電源Ｖ2から受け取った電圧をステップアップすることができる。以下では、これらの第２のローサイドＤＣ電力バスの上部電圧レール２２ａおよび下部電圧レール２２ｂを総称して２２で表す。第１のローサイドＤＣ電力バス２０の下位電圧レール２０ｂと第２のローサイドＤＣ電力バス２２の上位電圧レール２２ａは中性点Ｎｕに共通して接続されている。
【００３２】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａから供給される引き上げられた出力電圧は、相互に直列に接続されているハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レール２６ａおよび第２の電圧レール２６ｂに印加される。以下ではハイサイドＤＣ電力バスのこれらの第１の電圧レール２６ａおよび第２の電圧レール２６ｂを総称して２６で表す。これにより第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａは、その他の場合にハイサイドＤＣ電力バス２６全体にわたり所望される電圧を達成するために必要とされるブースト比よりも低いブースト比（例えば半分）を有することができる。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａと第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａによって電流を共有することにより、この第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａにおいては、その他の場合に考えられるものよりも低速度（すなわちより低い動作閾値）のデバイス（例えばパワー半導体スイッチおよびダイオード）を使用することもできる。以下説明するように、種々の実施形態の一方または両方の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ（以下ではこれらを総称して１６，１８で表す）は、例えば一方の方向においては電圧をステップアップし、他方の方向においては電圧をステップダウンする双方向のものであってもよい。
【００３３】
一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａ，１８ａはダイオードＤを包含することもでき、これらのダイオードＤは第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａと高電圧バス２６との間に電気的に接続されている。ダイオードＤは有利にはシリコンカーバイドダイオードであるが、他のダイオードも適している。シリコンカーバイドダイオードは他のタイプのダイオードよりも低いスイッチング損失を有し、したがって以下において説明する付随的な利点と共により高いスイッチング周波数で動作することができる。さらには、より高いスイッチング周波数での動作により幾つかの実施形態においてはインダクタの大きさを低減することもできる。
【００３４】
電力変換システム１２ａは選択的にＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４を包含することもできる。ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４を電気機械１４へのＡＣ電力の供給のために接続することができる。例えば電気機械１４は電気自動車またはハイブリッド車、または他の電気モータの主電動機でよい。ハイサイドＤＣ電力バス２６の第１の電圧レール２６ａおよび第２の電圧レール２６ｂは、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４を第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａにそれぞれ電気的に接続することができる。ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４は一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａ，１８ａを介して供給されるＤＣ電力をＡＣ電力、例えば三相ＡＣ電力に変換するためのインバータとして動作することができる。幾つかの実施形態においては、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４は双方向のものであってもよい。例えばＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４は、電気機械１４が回生制動モードの間にジェネレータ（すなわち負荷というよりかは電源）として動作する場合には、電気機械１４から供給されるＡＣ電力を整流するための整流器として動作することができる。
【００３５】
電力変換システム１２ａは、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４と電気的に並列に接続されているキャパシタＣ1，Ｃ2を包含することもできる。キャパシタＣ1，Ｃ2はＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４とＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａ，１８ａによって共有されており、これにより例えばコスト低減のような付随的な利点も得られる。
【００３６】
さらに電力変換システム１２ａは制御信号２８ａを介して一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａ，１８ａおよび／またはＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４を制御するコントローラ２８を包含することもできる。コントローラ２８は、動作を制御するための命令を記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、電気的に消去可能なリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）または他の記憶装置のような付属のあらゆるメモリを有する、マイクロプロセッサおよび／またはディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）および／または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）および／または駆動ボードまたは駆動回路でよい。コントローラ２８を電力変換システム１２ａの他の構成要素と共にハウジングすることができるか、それらの構成要素とは別個にハウジングすることができるか、それらの構成要素と共に部分的にハウジングすることができる。
【００３７】
図２は付加的に補助的な電源ＶAを包含する、図１の電力システム１０ａに類似する電力システム１０ｂを示す。さらに電力システム１０ｂの電力変換システム１２ｂは、補助的な電源ＶAに、また補助的な電源ＶAから電力を供給するための補助的な電力コンバータ３０を包含する
図２に示されているように、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４は例えば三相ＡＣ電力を形成するために動作することができるスイッチモード電力インバータでよい。ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４は、例えば、上位パワー半導体スイッチＳ1および下位パワー半導体スイッチＳ2によって形成される第１の位相レッグ２４ａと、上位パワー半導体スイッチＳ3および下位パワー半導体スイッチＳ4によって形成される第２の位相レッグ２４ｂと、上位パワー半導体スイッチＳ5および下位パワー半導体スイッチ6によって形成される第３の位相レッグ２４ｃとを包含することができる。各位相レッグ２４ａ〜２４ｃは、ハイサイドＤＣ電力バス２６の第１の電圧レール２６ａと第２の電圧レール２６ｂとの間に電気的に接続されている。各位相レッグ２４ａ、２４ｂ、２４ｃをそれぞれ形成しているパワー半導体スイッチＳ1とＳ2，Ｓ3とＳ4，Ｓ5とＳ6の各ペアの間には位相ノードＡ，Ｂ，Ｃがあり、これらの位相ノードＡ，Ｂ，Ｃには動作中にＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の三相出力のそれぞれの位相が現われる。さらにＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４は、パワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6１つずつに電気的に逆並列に接続されている、パワー半導体ダイオード（パワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6の一部として表され、また分かり易くするために図面においては別個に示していない）を包含する。パワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6はコントローラ２８を介して受信した制御信号２８ａによって制御される。
【００３８】
ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6はＩＧＢＴでよい。択一的に、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6はより高価なＭＯＳＦＥＴでもよい。ＩＧＢＴを使用することにより、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のスイッチング周波数は約１０ｋＨｚに達することができ、これは電気自動車またはハイブリッド車における使用のような所定の用途にとっては十分速いものである。
【００３９】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａは、第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｂのような多相（すなわちマルチチャネル）のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第１の一次三相インタリーブスイッチモードコンバータ１６ｂはブーストインダクタＬ1〜Ｌ3と、ダイオードＤ1〜Ｄ3と、総称してＳ7〜Ｓ9で表されているパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。パワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ9をコントローラ２８から供給される制御信号２８ａ（図１を参照されたい）を介して制御することができる。同様に、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａは、第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｂのような多相（すなわちマルチチャネル）のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｂはブーストインダクタＬ4〜Ｌ6と、ダイオードＤ4〜Ｄ6と、総称してＳ10〜Ｓ12で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｂは第１の一次電源Ｖ1からの電圧をステップアップするよう動作し、他方では第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｂは第２の一次電源Ｖ2から供給される電圧をステップアップする（すなわち負の電圧レールにおいて電圧を低める、戻すまたはステップダウンする）よう動作することができる。
【００４０】
多相のインタリーブＤＣ／ＤＣ電力コンバータを使用することにより有利にはキャパシタＣ1，Ｃ2におけるリプル電流が低減される。６つのブーストインダクタＬ1〜Ｌ6は入力電流を共有し、これにより効率が高まり、質量および体積が低減され、またパッケージング、電力密度および熱管理がより良好になる。
【００４１】
補助的な電力コンバータ３０は種々の形態をとることができ、それらは補助的な電源ＶAのタイプに部分的に依存する。例えば、補助的な電源ＶAが電気的なエネルギを蓄積および解放するエネルギ蓄積装置であれば、補助的な電力コンバータ３０は補助的な電源ＶAから供給される電圧をステップアップするか、補助的な電源ＶAに供給される電圧をステップダウンすることができるバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータでよい。図２は、ブーストインダクタＬ9〜Ｌ11またパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードＳ13〜Ｓ18を包含する三相（すなわち３チャネル）のバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータの形態に適している補助的な電力コンバータ３０の１つの実施形態を示す。特定の用途によっては他のタイプの電力コンバータトポロジも適している。
【００４２】
上記において説明したトポロジ、また下記において説明するトポロジは有利には、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６および第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８のパワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ12およびダイオードＤ1〜Ｄ6および／またはＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6を電気的に絶縁されている共通のハウジング３２内にハウジングし、電力モジュール３２ａを形成することができる。さらに電力モジュール３２ａはハウジング３２の外部からアクセスすることができる一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃ、補助的なＤＣバスバーＰ，ＮおよびＡＣ位相端子３６ａ〜３６ｃのような適切な端子を包含することができ、外部に配置されている一次電圧源Ｖ1，Ｖ2、補助電源ＶAおよび電気機械１４が電気的に接続される。図２，３，５および６ではインダクタＬ1〜Ｌ6およびキャパシタＣ1，Ｃ2がハウジング３２の外部に示されているが、幾つかの実施形態においてはこれらの構成要素の内の１つまたは複数をハウジング３２内にハウジングすることができる。
【００４３】
図３は、付加的に補助的な電源ＶAを包含している、図１の電力システム１０ａに類似する電力システム１０ｃを示す。電力システム１０ｃの電力変換システム１２ｃは、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６および第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８を包含し、これらの一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｃおよび第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｃのような多相（すなわちマルチチャネル）のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｃはブーストインダクタＬ1〜Ｌ3と、ダイオードＤ2，Ｄ3と、総称してＳ7〜Ｓ9，Ｓ19で表されているパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｃはブーストインダクタＬ4〜Ｌ6と、ダイオードＤ5，Ｄ6と、総称してＳ10〜Ｓ12，Ｓ20で表されているパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｃにおいては、位相間が相互に１８０°に固定されている２つの位相がＶ1をＤＣ／ＡＣコンバータ２４の正のバスに接続させる。第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｃにおいては、位相間がやはり相互に１８０°に固定されている２つの位相がＶ2をＤＣ／ＡＣコンバータ２４の負のバスに接続させる。
【００４４】
さらに電力システム１０ｃの電力変換システム１２ｃは、補助的な電源ＶAを高電圧バス２６に接続するための補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含する。補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータは二相（すなわち２チャネル）ＤＣ／ＤＣ電力コンバータでよく、第１の位相レッグはブーストインダクタＬ1と、第１のパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードＳ19，Ｓ7とによって形成され、第２の位相レッグはブーストインダクタＬ6と、第２のパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードＳ20，Ｓ10とによって形成される。第１の位相レッグと第２の位相レッグ間の位相は相互に１８０°に固定されている。補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、補助的な電源ＶAから供給される電圧をステップアップすることができるか、補助的な電源ＶAに供給される電圧をステップダウンすることができるバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータとして動作することができる。
【００４５】
図４は、本発明の別の実施形態による、第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2からの電力を電気機械１４に供給するために接続されている、電力変換システム１２ｄを包含する電力システム１０ｄを示す。図１から３の実施形態とは異なり、図４は第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2が第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｄおよび第２の一次ＤＣ/ＤＣ電力コンバータ１８ｄを介して相互に並列に接続されている実施形態を示す。殊に、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｄは第１のローサイドＤＣ電力バス２０の上位電圧レール２０ａおよび下位電圧レール２０ｂを介して第１の電源Ｖ1と電気的に接続されている。第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｄは第２のローサイドＤＣ電力バス２２の上位電圧レール２２ａおよび下位電圧レール２２ｂを介して第２の電源Ｖ2と電気的に接続されている。第１のローサイド電圧バス２０の下位電圧レール２０ｂは第２のローサイド電圧バス２２の下位電圧レール２２ｂと電気的に接続されている。第１の一次ＤＣ/ＤＣ電力コンバータ１６ｄも第２の一次ＤＣ/ＤＣ電力コンバータ１８ｄもそれぞれハイサイドＤＣ電力バス２６の第１の電圧レール２６ａと第２の電圧レール２６ｂとの間に電気的に接続されている。
【００４６】
図１から３の実施形態とは異なり、図４に示されている電力変換システム１２ｄはＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の入力側を介して電気的に接続されている単一のキャパシタＣIを使用する。
【００４７】
図５は付加的に補助的な電源ＶAを包含する、図４の電力システム１０ｄに類似する電力システム１０ｅを示す。
【００４８】
電力システム１０ｅの電力変換システム１２ｅは、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｅおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｅを包含し、これらの一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｅおよび第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｅのような多相（すなわちマルチチャネル）のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｅはブーストインダクタＬ1〜Ｌ3と、ダイオードＤ1，Ｄ2と、総称してＳ7〜Ｓ9で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｅはブーストインダクタＬ4〜Ｌ6と、ダイオードＤ4，Ｄ5と、総称してＳ10〜Ｓ12で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。
【００４９】
前述のように、多相のインタリーブＤＣ／ＤＣ電力コンバータを使用することにより有利にはキャパシタＣIにおけるリプル電流が低減される。６つのブーストインダクタＬ1〜Ｌ6は入力電流を共有し、これによりパッケージングおよび熱管理がより良好になる。
【００５０】
第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｅにおいては、位相間が相互に１８０°に固定されている２つの位相レッグがＶ1をＤＣ／ＡＣコンバータ２４の正のバスに接続する。第２の一次三相ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｅにおいては、位相間が相互に１８０°に固定されている２つの位相レッグがＶ2をＤＣ／ＡＣコンバータ２４の負のバスに接続する。
【００５１】
さらに電力システム１０ｅの電力変換システム１２ｅは、補助的な電源ＶAを高電圧バス２６に接続するための補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含する（図４を参照されたい）。補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータは二相（すなわち２チャネル）ＤＣ／ＤＣ電力コンバータでよく、第１の位相レッグはブーストインダクタＬ1と、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードＳ19とによって形成され、第２の位相レッグはブーストインダクタＬ4と、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードＳ20とによって形成される。第１の位相と第２の位相の間は相互に１８０°に固定されている。
【００５２】
図６は図４の電力システム１０ｄに類似する電力システム１０ｆを示し、この電力システム１０ｆでは第１の一次電源Ｖ1は電力形成装置であり、これに対し第２の一次電源Ｖ2は電力蓄積装置である。
【００５３】
電力システム１０ｆの電力変換システム１２ｆは、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｆおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆを包含し、これらの一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは、第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｆおよび第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆのような多相（すなわちマルチチャネル）のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｆはブーストインダクタＬ1〜Ｌ3と、ダイオードＤ1〜Ｄ3と、総称してＳ7〜Ｓ9で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含しているブーストコンバータを包含する。第２の一次電源Ｖ2は電力蓄積装置であるので、第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆはブーストインダクタＬ4〜Ｌ6と、総称してＳ10〜Ｓ12，Ｓ20〜Ｓ23で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含しているバックブーストトポロジを有する。第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆは第２の一次電源Ｖ2から供給される電圧をステップアップし、また第２の一次電源Ｖ2に供給される電圧をステップダウンするよう動作する。
【００５４】
図７は、例えば駆動モードにおいて電気機械１４に電力を供給するために、図２の第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｂおよび第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｂの動作を制御するゲート制御信号２８ａのタイミング図４０である。コントローラ２８は適切な制御信号２８ａをタイミング図４０に基づいて第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｂａおよび第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｂのパワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ12に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図４０は、第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｂおよび第２の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｂのブーストインダクタＬ1〜Ｌ6を介する電流ＩL1〜ＩL6の変化をそれぞれ時間に関して示している。
【００５５】
２つの一次電源を有する実施形態（例えば、少なくともず４２を参照されたい）に関しては、ノードＰおよびＮを介する高電圧バス電圧（ＵPN）を以下のように表すことができる：
【数１】
2007295797.tif 000003
【００５６】
ここで、ＶFC1，ＶFC2はそれぞれ第１の一次電源および第２の一次電源の電圧に相当し、Ｄはブーストスイッチのデューティサイクルであり、ＵPNは二重供給型のブーストコンバータの出力電圧である。ＶFC1，ＶFC2は燃料電池スタックの出力電圧に相当するものでよいが、これらに制限されるものでもない。
【００５７】
上記において、デューティサイクルＤはコンバータの上位セクションおよび下位セクションの両方に関して同一である。しかしながら、スタックのどちらか一方の半分から他方の半分とは異なる電力を取り出す理由がある場合、または２つの電圧ＶFC1とＶFC2が異なる場合には、Ｄをスタックの半分についてそれぞれ別個に制御することができる。しかしながらそのような動作モードにおいては、設計者はこの不平衡な動作において流れる可能性のある最悪なケースの電流に関して中性線の大きさを考慮しなければならない。
【００５８】
図８は、例えば駆動モードにおいて電気機械１４に電力を供給するために、図２の補助的な電力コンバータ３０の動作を制御するゲート制御信号２８ａのタイミング図５０である。コントローラ２８はタイミング図５０に基づいて適切な制御信号２８ａを補助的な電力コンバータ３０のパワー半導体スイッチＳ13〜Ｓ18に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図５０は、補助的な電力コンバータ３０のブーストインダクタＬ9〜Ｌ11を介する電流ＩL9〜ＩL10の変化をそれぞれ時間に関して示している。
【００５９】
図９は、例えば回生制動モードにおいて電力蓄積装置の形の補助的な電源ＶAに電力を供給するために、図２の補助的な電力コンバータ３０の動作を制御するゲート制御信号２８ａのタイミング図６０である。コントローラ２８は適切な制御信号２８ａをタイミング図６０に基づいて補助的な電力コンバータ３０のパワー半導体スイッチＳ13〜Ｓ18に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図６０は、補助的な電力コンバータ３０のブーストインダクタＬ9〜Ｌ11を介する電流ＩL9〜ＩL11の変化をそれぞれ時間に関して示している。
【００６０】
図１０は、例えば駆動モードにおいて電気機械１４に電力を供給するために、図６の第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｆの動作を制御するゲート制御信号２８ａのタイミング図７０である。コントローラ２８は適切な制御信号２８ａをタイミング図７０に基づいて第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｆのパワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ9に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図７０は、第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｆのブーストインダクタＬ1〜Ｌ3を介する電流ＩL1〜ＩL3の変化をそれぞれ時間に関して示している。
【００６１】
図１１は、例えば駆動モードにおいて電気機械１４に電力を供給するために、図６の第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆの動作を制御するゲート制御信号２８ａのタイミング図８０である。コントローラ２８は適切な制御信号２８ａをタイミング図８０に基づいて第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆのパワー半導体スイッチＳ10〜Ｓ12，Ｓ21〜Ｓ23に供給するための命令を実行することができる。
またタイミング図８０は、第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆのブーストインダクタＬ4〜Ｌ6を介する電流ＩL4〜ＩL6の変化をそれぞれ時間に関して示している。
【００６２】
図１２は、例えば回生制動モードにおいて電力蓄積装置の形の補助的な電源ＶAに電力を供給するために、図６の第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆの動作を制御するゲート制御信号２８ａのタイミング図９０である。コントローラ２８は適切な制御信号２８ａをタイミング図９０に基づいて第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆのパワー半導体スイッチＳ10〜Ｓ12，Ｓ21〜Ｓ23に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図９０は、第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｆのブーストインダクタＬ4〜Ｌ6を介する電流ＩL4〜ＩL6の変化をそれぞれ時間に関して示している。
【００６３】
幾つかの実施形態においては、第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2は燃料電池または光電池のアレイのような１つまたは複数のエネルギ形成型の電源でよい。
【００６４】
例えば、図１３は燃料電池システム１００ａ，１００ｂの形の第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2を示し、これらの燃料電池システムはそれぞれ燃料電池スタック１０２ａ，１０２ｂおよび付属の動作用構成要素（総称して周辺機器（balance of plant）またはＢＯＰと表す）１０４ａ，１０４ｂを有する。ＢＯＰ１０４ａ，１０４ｂはコントローラ１０６ａ，１０６ｂ、１つまたは複数のセンサ１０８ａ，１０８ｂ、１つまたは複数のアクチュエータおよび／またはバルブ１１０ａ，１１０ｂ、燃料または空気を燃料電池スタック１０２ａ，１０２ｂに供給するための反応物供給系１１２ａ，１１２ｂ、および燃料電池スタック１０２ａ、１０２ｂの温度を制御するための冷却系１１４ａ，１１４ｂを包含することができる。
【００６５】
コントローラ１０６ａ，１０６ｂ（以下では総称して１０６で表す）は、燃料電池システム１００ａ，１００ｂ（以下では総称して１００で表す）を制御するための物理的に組み込まれた回路および／または付属のメモリを有する、または有していない１つまたは複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣＳでよい。センサ１０８ａ，１０８ｂ（以下では総称して１０８で表す）は酸素センサ、水素センサ、流量センサ、圧力センサ、湿度センサ、バルブ位置センサおよび／または温度センサなどの種々の形をとることができるが、これらに制限されるものでもない。アクチュエータおよび／またはバルブは種々のタイプのアクチュエータ、例えばソレノイドまたは接触器、また燃料電池スタック１０２ａ，１０２ｂ（以下では総称して１０２で表す）、また１つまたは複数の燃料源および／または他の反応物源との間の流体伝達を制御するための種々のタイプのバルブを包含することができる。反応物供給系１１２ａ，１１２ｂ（以下では総称して１１２で表す）は、例えば空気を燃料電池スタック１０２に供給するため、および／または、水素のような燃料を燃料電池スタック１０２に供給するための１つまたは複数のコンプレッサおよび／またはファン、並びに付属のバルブおよびアクチュエータ１１０ａ，１１０ｂ（以下では総称して１１０で表す）を包含することができる。冷却系１１４ａ，１１４ｂ（以下では総称して１１４で表す）は、燃料電池スタック１０２の温度を許容動作温度範囲内に維持するために空気のような冷媒または冷却液を循環させるための１つまたは複数のファンまたはコンプレッサを包含することができる。
【００６６】
また例えば図１４は、本発明の実施形態による、それぞれが燃料電池スタック１０２ａ，１０２ｂの形の第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2を示し、これらの一次電源は幾つかのＢＯＰ１０４、例えばコントローラ１０６および／またはセンサ１０８および／またはアクチュエータ／バルブ１１０を共有することができる。
【００６７】
別の例として図１５は、本発明の別の実施形態による、実質的に全てのＢＯＰ１０４を共有する単一の燃料電池スタック１０２の形の第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2を示す。図１５の実施形態は単一の燃料電池スタック１０２の端部の間に電気的に接続されている中央タップ１１６を包含する。中央タップ１１６は典型的に燃料電池スタック１０２の中点に接続されるので、それにより燃料電池スタックの各部分１０２ｃ，１０２ｄは近似的に等しい電圧を供給するが、幾つかの実施形態においては中央タップ１１６を燃料電池スタック１０２の別の点に接続することもできる。便宜上、図１５の実施形態を電圧分割型および／または中央タップ型の燃料電池スタックと称し、正のＤＣバスおよび負のＤＣバスまたはＡＣ電力インバータには別個に給電が行われる。
【００６８】
択一的に、上記において図６を参照して説明したように、１つまたは複数の一次電源Ｖ1，Ｖ2は蓄電池のアレイおよび／またはスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイのような１つまたは複数のエネルギ蓄積装置でよい。
【００６９】
補助的な電源ＶAは典型的に蓄電池のアレイおよび／またはスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイのような１つまたは複数のエネルギ蓄積装置である。択一的に幾つかの実施形態において、補助的な電源ＶAは１つまたは複数の電力形成装置、例えば燃料電池または光電池でよい。
【００７０】
一次電源Ｖ1，Ｖ2が１つまたは複数の燃料電池スタック１０２であれば、非動作電力損（non-operating power loss ; NOPL）を除去するための１つまたは複数の燃料電池スタック１０２を介する短絡経路が一時的に形成されるようコントローラ２８をコンフィギュレートすることができる。そのような動作は、２００３年５月６日に出願された米国特許出願第10/430,903号、発明の名称「METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF A FUEL CELL ELECTRIC POWER SYSTEM」に詳細に記載されている。別個の燃料電池スタック１０２ａ，１０２ｂ、または別個の部分１０２ｃ，１０２ｄを有する燃料電池スタック１０２を使用することにより、一方の電源から電力を取り出している間は他方の燃料電池スタックまたは部分を短絡させることができ、これによりシステムの全体の性能に著しい影響が及ぼされることなく、性能およびスタートアップについての利点が得られる。
【００７１】
燃料電池スタック１０２を短絡することにより、寒い気候条件、例えば水の凝固点０℃に近いかそれ以下の条件においてより高速なスタートアップ、すなわち始動が実現される。燃料電池スタック１０２を短絡することにより、その他の場合ではスタートアップが不可能であるほどの非常に寒い気候条件、例えば−３０℃でのスタートアップが実現される。この点に関して、燃料電池はより低い電池電圧において高速に暖められ、これにより水素単位当たりより多くの熱を発生させることができ、またより高い電流を取り出せるということを言及しておく。このことは、上述のトポロジの内の少なくとも幾つかのトポロジによって燃料電池スタック１０２が非常に低い電圧において動作するということにより実現される。したがって、凍結条件またはほぼ凍結条件におけるスタートアップの間に「余剰の」ブーストが行われることにより燃料電池スタック１０２の内部加熱が最大になり、他方ではヒータ（図示せず）のような抵抗性の構成要素に余剰な電流を「ダンプする」必要性は低減される。これによりヒータを省略することができる。ヒータは多量の熱をシステムに加え、またスタートアップ時間はヒータから燃料電池スタック１０２に熱を伝達するのに要する時間よりも短い可能性があるので、ヒータは凍結条件またはほぼ凍結条件において殊に有用というものではない。
【００７２】
図１６は、本明細書において説明するアプローチ、また上記において図１３〜１５を参照して説明した実施形態の内の少なくとも幾つかを用いる用途に適した燃料電池システムに関するトポロジを示す。第１の燃料電池スタック１０２ｅは第２の燃料電池スタック１２０ｆと電気的に並列に接続されている。第３の燃料電池スタック１０２ｇは第４の燃料電池スタック１２０ｈと電気的に並列に接続されている。燃料電池スタック１０２ｅ，１０２ｆからなる第１の組は燃料電池スタック１０２ｇ，１０２ｈからなる第２の組と電気的に直列に接続されている。各燃料電池スタック１０２ｅ〜１０２ｈが１３０Ｖの電圧を形成する場合、燃料電池スタックの組み合わせは全体で２６０Ｖ（すなわち１３０Ｖの並列回路＋１３０Ｖの並列回路）のオープン回路電圧（ＯＣＶ）を有することができる。したがって、多重供給型のアプローチは単一供給型のアプローチを介してＯＣＶをほぼ半分にする。
【００７３】
図１７は、電気自動車またはハイブリッド車の実施形態における、図１の電力変換システム１２ａに類似する電力変換システム１２ｇの概略図であり、電力変換システム１２ｇの種々の電力形成用構成素子、電力蓄積用構成素子および電力変換用構成素子を協働して制御する種々のコントローラが示されている。
【００７４】
図１７に示されているように、幾つかの実施形態においては制御を種々の制御システム間で調整することができる。例えば、電力変換システムコントローラ２８は、制御信号２８ａを一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８に供給するために接続されているデュアルフィードバックおよびインバータ／モータコントローラ２８ｃ、並びに補助的な電力コンバータ、例えば補助的な電力コンバータ３０に制御信号２８ａを供給するために接続されている高電圧（ＨＶ）エネルギコントローラ２８ｄを包含することができる。付加的に、燃料電池システム１００はこの燃料電池システム１００を動作させるための１つまたは複数の燃料電池システムコントローラ１０６を包含することができる。デュアルフィードバックおよびインバータ／モータコントローラ２８ｃ、ＨＶエネルギコントローラ２８ｄおよび燃料電池システムコントローラ１０６は、電気機械１４および／または一次電源Ｖ1，Ｖ2および／または補助的な電源ＶAの種々の動作条件に基づき、種々の電源および／または一次電力コンバータ１６，１８，２４および／または補助的な電力コンバータ３０を制御するために、１つまたは複数の相手先商標製品製造会社（ＯＥＭ）自動車およびエネルギ管理コントローラ１５０と協働することができる。種々のコントローラ２８ｃ，２８ｄ，１５０および１０６間の通信をコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バス１５２のような通信バスを介して行うことができる。
【００７５】
例えば、電気機械１４が電気自動車またはハイブリッド車の主電動機である場合、ＯＥＭ自動車およびエネルギ管理コントローラ１５０は、アクセルペダルのようなスロットルの位置および／またはブレーキペダルのようなブレーキアクチュエータの位置を含む種々の要素に基づき、所定のトルク電流Ｉqおよび／または磁束電流Ｉdを要求する命令としての電流を形成することができる。その命令に応答して、デュアルフィードバックおよびインバータ／モータコントローラ２８ｃは一次電力コンバータ１６，１８，２４のゲートに適切なゲート信号を印加することにより電気機械１４に要求された電流Ｉq，Ｉdを供給する、および／または、補助的な電力コンバータ３０に電気機械１４への電力の増加または低減を実施させる。
【００７６】
またその命令に応答してＨＶエネルギコントローラ２８ｄは、要求される電力または余剰電力における変化を必要に応じて迅速に適合させるために、ハイサイドＤＣ電力バス２６（図１および図４を参照されたい）に付加的な電力を供給するか、余剰電力を低減することができる。またその命令に応答して燃料電池システムコントローラ１０６は、例えば、要求される電力または余剰電力における変化をＨＶエネルギコントローラ２８ｄ、補助的な電源ＶAおよび補助的な電力コンバータ３０の応答よりも緩慢に適合させるために、燃料電池スタック１０２への燃料および／または空気または酸素の流れを加速または減速することができる。
【００７７】
付加的または択一的に燃料電池システムコントローラ１０６は、燃料電池スタック１０２が僅かな電力しか形成しない、または電力を形成しない場合、１つまたは複数の燃料電池スタック１０２をスタンバイモードまたはオフモードにすることができる。例えば電気自動車またはハイブリッド車が比較的長い期間にわたり高速且つ低トルクで動作している場合、または比較的長い期間にわたり惰性走行または制動している場合でのそのような動作は全体の効率を高めることができる。
【００７８】
図１８および図１９は、電気的に絶縁性の材料から形成されているハウジング３２を包含している電力モジュール３２ａを示す。ハウジング３２は上述の電力変換システム１２の全てまたは一部のための筐体を提供することができる。
【００７９】
ハウジング３２は、一次電力コンバータ１６，１８，２４および／または補助的な電力コンバータ、例えば補助的な電力コンバータ３０の種々のパワー半導体デバイスを支持するコールドプレート２０２に液冷システムを提供する筐体または流路２００を提供することができる。コールドプレート２０２はピンフィン型のアルミニウムシリコンカーバイド（ＡＬＳＩＣ）プレートでよい。
【００８０】
ＡＬＳＩＣプレートの使用はパワー半導体デバイスが実装されている基板２０４の熱膨張特性に極めて適しており、したがって熱循環に関連する亀裂および空隙の変形が低減される。図示されている実施形態は注入口２０６および排出口２０８を介してコールドプレート２０２の液冷システムを使用する。
【００８１】
図１８および図１９に示されているようにハウジング３２はゲートドライバボード２１０をハウジングすることもでき、このゲートドライバボード２１０はコントローラ２８の一部を形成することができるか、コントローラ２８と種々の能動的なパワー半導体デバイス、例えばパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ12，Ｓ19〜Ｓ23との間の媒介物として使用することができる。
【００８２】
やはり図１８および図１９に示されているように、少なくとも１つの実施形態においては、キャパシタＣ1，Ｃ2またはＣIは１つまたは複数の高周波キャパシタ２１２およびバルクキャパシタ２１４でよく、これらは種々の高電力用途、例えば電気自動車またはハイブリッド車の主電動機への電力の供給に適している。高周波キャパシタ２１２およびバルクキャパシタ２１４は有利には、比較的廉価で小型のフットプリントのオプションを既存の電力コンバータに提供する。
【００８３】
高周波キャパシタ２１２は電解キャパシタではなくフィルムキャパシタでもよい。高周波キャパシタ２１２を種々のクリップおよび／またはクランプおよび／または締結具を介してゲートドライバボード２１０に隣接させて物理的に結合させることができる。これにより電流の低周波成分に対する密結合の低インピーダンス経路が提供される。高周波キャパシタ２１２をハウジング３２の一部と重ならせることができ、またゲートドライバボード２１０を介して延ばすことができるバスバーの端子部を介して、一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃおよび／または補助的なバスバーＰ，Ｎと電気的に接続することができる。
【００８４】
バルクキャパシタ２１４は電解キャパシタまたはフィルムキャパシタ、例えばポリマーフィルムキャパシタでよく、またこのバルクキャパシタ２１４を種々のクリップおよび／またはクランプおよび／または締結具を介してゲートドライバボード２１０に隣接させて物理的に結合させることができる。バルクキャパシタ２１４を端子部を介して一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃと電気的に接続させることができる。択一的に、ＤＣ相互接続により、バルクキャパシタ２１４のアノードを高周波キャパシタ２１２のアノードと電気的に接続することができ、またバルクキャパシタ２１４のカソードを高周波キャパシタ２１２のカソードと電気的に接続することができる。
【００８５】
バルクキャパシタ２１４および高周波キャパシタ２１２を一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃ（図２を参照されたい）と密結合することにより、典型的には一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃに関連するバスバーの問題を回避することができ、また過電圧（すなわちスナバ）キャパシタを除去することができる。高周波キャパシタ２１２はスイッチト電流の高周波成分に対する超低インピーダンス経路を提供する。このことは、電力モジュール３２ａのハウジング３２の外部にある１つまたは複数の個別パッケージ内に配置されている個別高周波経路（頻繁に「減結合」または「スナバ」経路と称される）の提供と比較することができる。そのような外部に存在する経路は顕著な浮遊インダクタンスを含んでいたので、個別パッケージは大きいものであった。例えば１つの実施形態において個別キャパシタは１μＦである。しかしながら、高周波キャパシタ２１２を包含させることはより良好な効果を提供するが、それは５０ｎＦ（キャパシタンスの５％）に過ぎない。さらにこれによりキャパシタを小さくすることができ、そのような小さいキャパシタは電力モジュール３２ａの大きさに著しい影響を与えることはないので、外部のハードウェアおよび体積の要求についての必要性を除去することができる。高周波キャパシタおよびバルクキャパシタの使用に関する詳細は、２００３年９月１７日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許願第10/664,808号に記載されている。
【００８６】
ＢＯＰおよび燃料電池システムの動作に関するさらなる詳細は以下の一連の米国特許出願に記載されている：出願番号第09/916,241号、発明の名称「Fuel Cell Ambient Environment Monitoring and Control Apparatus and Method」、出願番号第09/916,117号、発明の名称「Fuel Cell Controller Self-Inspection」、出願番号第10/817,052号、発明の名称「Fuel Cell System Method, Apparatus and Scheduling」、出願番号第09/916,115号、発明の名称「Fuel Cell Anomaly Detection Method and Apparatus」、出願番号第09/916,211号、発明の名称「Fuel Cell Purging Method and Apparatus」、出願番号第09/916,213号、発明の名称「Fuel Cell Resuscitation Method and Apparatus」、出願番号第09/916,240号、発明の名称「Fuel Cell System Method, Apparatus and Scheduling」、出願番号第09/916,239号、発明の名称「Fuel Cell System Automatic Power Switching Method and Apparatus」、出願番号第09/916,118号、発明の名称「Product Water Pump for Fuel Cell System」、出願番号第09/916,212号、発明の名称「Fuel Cell System Having a Hydrogen Sensor」、出願番号第10/017,470号、発明の名称「Method and Apparatus for Controlling Voltage from a Fuel Cell System」、出願番号第10/017,462号、発明の名称「Method and Apparatus for Multiple Mode Control of Voltage from a Fuel Cell System」、出願番号第10/017,461号、発明の名称「Fuel Cell System Multiple Stage Voltage Control Method and Apparatus」、出願番号第10/440,034号、発明の名称「Adjustable Array of Fuel Cell Systems」、出願番号第10/430,903号、発明の名称「Method and Apparatus for Improving the Performance of a Fuel Cell Electric Power System」、出願番号第10/440,025号、発明の名称「Electric Power Plant With Adjustable Array of Fuel Cell Systems」、出願番号第10/440,512号、発明の名称「Power Supplies and Ultracapacitor Based Battery Simulator」および出願番号第60/569,218号、発明の名称「Apparatus and Method for Hybrid Power Module Systems」、並びに２００４年６月２３日に出願された出願番号第10/875,797号。
【００８７】
図２０は、少なくとも１つの実施形態による、図２に類似する電力モジュール３２ａの一部を示す。
【００８８】
電力モジュール３２ａは一次正ＤＣバスバー３４ａ、一次負ＤＣバスバー３４ｂおよび一次中性ＤＣバスバー３４ｃを包含する。一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール３２ａのハウジング３２（図２，３，５および６を参照されたい）の外部からアクセス可能であり、例えばブーストインダクタＬ1〜Ｌ6（図２，３，５および６を参照されたい）を介して一次電源Ｖ1，Ｖ2と電気的に接続される。幾つかの実施形態においては、ブーストインダクタＬ1〜Ｌ6をハウジング３２内にハウジングすることができるので、一次正ＤＣバスバー３４ａおよび一次負ＤＣバスバー３４ｂにハウジング３２の外部からアクセス可能である必要はない。幾つかの実施形態においては、例えばブーストインダクタＬ1〜Ｌ6が基板内に集積されている場合、一次正ＤＣバスバー３４ａおよび一次負ＤＣバスバー３４ｂの端子部を一次電源Ｖ1，Ｖ2とインダクタＬ1〜Ｌ6との間に配置することができる。
【００８９】
一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃはＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８のパワー半導体ダイオードＤ1〜Ｄ6（以下では総称してＤで表す）およびパワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ12（以下では総称してＳP1，ＳP2で表す）と、基板、例えばダイまたはＤＢＣ（direct bonded copper）または類似する基板のワイヤボンディングおよび／または導電部を介して接続される。そのような基板を、例えばそれぞれの部分に表面実装することができるそれぞれのデバイスに電流を供給するための電気的に絶縁された部分を有するように成形（エッチングまたはデポジット）することができる。ハウジング３２は、例えばコントローラのゲートドライバボードからＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８のパワー半導体スイッチＳP1，ＳP2にゲート制御信号２８ａを供給するコントローラ２８（図１および図４を参照されたい）との電気的な接続を可能にするゲート端子の第１のセット２５０を有することができる。
【００９０】
電力モジュール３２ａは正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮも包含する。正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール３２ａのハウジング３２（図２，３，５および６を参照されたい）の外部からアクセス可能であり、例えば補助的な電力コンバータ３０（図２を参照されたい）を介して補助的な電源ＶAと電気的に接続される。例えば補助的な電源ＶAが省略されている幾つかの実施形態では、正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮを省略することができる。正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮはＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８のパワー半導体ダイオードＤおよびパワー半導体スイッチＳP1，ＳP2と、基板、例えばＤＢＣまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび／または導電部を介して接続される。
【００９１】
さらに電力モジュール３２ａはＡＣ相端子３６ａ〜３６ｃを包含し、これらのＡＣ相端子３６ａ〜３６ｃはハウジング３２（図２，３，５および６を参照されたい）の外部からアクセス可能であり、電気機械１４（図１から図６を参照されたい）と電気的に接続される。図２０の電力モジュール３２ａの図示されている部分には単に２つのＡＣ相端子３６ａ，３６ｂしか描かれていないが、幾つかの実施形態は電力モジュール３２ａと電気機械１４との間において多相のＡＣ電力を電気的に結合するための３つまたはそれ以上のＡＣ相端子を包含することができる。例えば、多くの用途は三相ＡＣ電力を使用することができる。ＡＣ相端子３６ａ、３６ｂはＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6（分かり易くするために図１９では省略されている）と基板、例えばＤＢＣまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび／または導電部を介して接続される。例えばパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6を位置２５２ａ〜２５２ｄにおいて基板に表面実装することができる。ハウジング３２は、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6にゲート制御信号２８ａを供給するコントローラ２８との電気的な接続を可能にするゲート端子の第２のセット２５４を有することができる。
【００９２】
図２１Ａは、電力モジュール３２において使用されるワイヤボンディングの数を制限するために３次元配置の３つの基板を使用する、本発明の１つの実施形態による電力モジュール３２ａの単相に関するトポロジを示す。
【００９３】
第１の基板２６０と、この第１の基板２６０に平行な第２の基板２６１はそれぞれＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の構成要素を支持する。例えば、第１の基板２６０および第２の基板２６１はＩＧＢＴの形のパワー半導体スイッチＳ1，Ｓ2および付属の個別逆並列ダイオードＤAPを支持することができる。図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチＳ1，Ｓ2が電気的に並列に接続されている４つのＩＧＢＴとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。また図示されている実施形態においては、各ＩＧＢＴに対して２つの逆並列ダイオードＤAPが設けられていることを言及しておく。
【００９４】
図２１Ｄに最も良く示されているように、第１の基板２６０および第２の基板２６１は、それぞれが例えば銅層を包含することができる上部導電層２６０ｂと下部導電層２６０ｃによって挟み込まれているセラミック層２６０ａを包含する多層基板、例えばＤＢＣ基板でよい。図２１Ｂに最も良く示されているように、第１の基板２６０および第２の基板２６１の導電層２６０ｂ，２６０ｃは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に上部導電層２６０ｂを、ＩＧＢＴおよび逆並列ダイオードＤAPが表面実装される種々の導電性領域を形成するためにパターニングすることができる。再び図２１Ａを参照すると、第３の基板２６２は第１の基板２６０および第２の基板２６１と重なっていることが分かる。第３の基板２６２はＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８の構成要素、例えば半導体スイッチＳ7，Ｓ10および付属の逆並列ダイオードＤ1，Ｄ4（分かり易くするために図面においては殊に２つのみ参照符号が付与されている）を支持する。図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチＳ1，Ｓ2が電気的に並列に接続されている４つのＭＯＳＦＥＴと付属のボディダイオードとしてそれぞれ実施されており、またダイオードＤ1，Ｄ4が電気的に並列に接続されている６つの半導体ダイオードとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。また図２１Ａは複数のワイヤボンディング、例えばＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃ，Ｎ，ＰおよびＡＣ相端子３６ａを基板２６０，２６１，２６２と電気的に接続するワイヤボンディング、並びに種々の構成要素を相互に接続する、または種々の領域と電気的に接続するワイヤボンディングを示している。したがって、ワイヤボンディングは除去されていないが、このトポロジにおいては有利にはワイヤボンディングの数が低減されている。
【００９５】
図２１Ｄに最も良く示されているように、第３の基板２６２は、例えば銅層を包含することができる上部導電層２６２ｂと下部導電層２６２ｃによって挟み込まれているセラミック層２６２ａを包含する多層基板、例えばＤＢＣ基板でよい。第３の基板２６２の上部導電層２６２ｂおよび下部導電層２６２ｃは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に図２１Ｃに最もよく示されているように、第３の基板２６２の上部導電層２６２ｂは、ＭＯＳＦＥＴおよびダイオードＤAPが表面実装される種々の導電性領域を形成するためにパターニングされている。第３の基板２６２の下部導電層２６２ｃは第１の基板２６０および第２の基板２６１の上部導電層２６０ｂとはんだ付けされている。したがって図２１Ｅに最も良く示されているように、第３の基板２６２の下部導電層２６２ｃは種々の導電性領域間に短絡経路が偶発的に生じることを回避するために、第３の基板２６２が載置される第１の基板２６０および第２の基板２６１の導電性の上部層２６０ｂのパターニングされた部分とほぼ整合するようにパターニングされるべきである。絶縁層２６２ａを貫通して延びており第３の基板２６２に形成されるバイア２６４（白抜きの円で示されているが、分かり易くするために図面においてはその内の幾つかのみを別個に示している）は、第３の基板２６２の下部導電層２６２ｃを介する第１の基板２６０および第２の基板２６１の上部導電層２６０ｂと第３の基板２６２の上部導電層２６２ｂとの間の電気的な結合部（中黒の円で示されているが、分かり易くするために図面においてはその内の幾つかのみを別個に示している）を提供する。
【００９６】
上記のトポロジはその他の場合に使用される多数のワイヤボンディングを除去するためにパターン、トレースまたは接続部および／またはバイアを使用する。必要とされるワイヤボンディングの数を減らすことによって電力モジュール３２ａのフットプリントが低減され、また個別の要素（ワイヤボンディング）の数およびそれらのワイヤボンディングの取付けに関連するステップの数を減らすことによってコストおよび／または複雑性を低減することができる。電力モジュール３２ａの他の位相も同様のトポロジを使用することができる。
【００９７】
図２２は別の実施形態による電力モジュール３２ｂを示す。
【００９８】
電力モジュール３２ｂは３つの一次正ＤＣバスバー３４ａ1〜３４ａ3のセット、一次負ＤＣバスバー３４ｂ1〜３４ｂ3のセットおよび一次中性ＤＣバスバー３４ｃを包含する。一次正ＤＣバスバー３４ａ、一次負ＤＣバスバー３４ｂおよび一次中性ＤＣバスバー３４ｃまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール３２ｂのハウジング３２（図２，３，５および６を参照されたい）の外部からアクセス可能であり、例えばブーストインダクタＬ1〜Ｌ6（図２，３，５および６を参照されたい）を介して一次電源Ｖ1，Ｖ2と電気的に接続される。幾つかの実施形態においては、ブーストインダクタＬ1〜Ｌ6をハウジング３２内にハウジングすることができるので、一次正ＤＣバスバー３４ａおよび一次負ＤＣバスバー３４ｂにハウジング３２の外部からアクセス可能である必要はない。幾つかの実施形態においては、例えばブーストインダクタＬ1〜Ｌ6が基板内に集積されている場合、一次正ＤＣバスバー３４ａおよび一次負ＤＣバスバー３４ｂを一次電源Ｖ1，Ｖ2とインダクタＬ1〜Ｌ6との間に配置することができる。
【００９９】
一次ＤＣバスバー３４ａ〜３４ｃはＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８のパワー半導体ダイオードＤ1〜Ｄ6（図２，３，５および６を参照されたい）およびパワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ12，Ｓ19〜Ｓ23（分かり易くするために図２２においては別個には示していないが、以下では総称してＳP1，ＳP2で表す）と、基板、例えばＤＢＣまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび／または導電部を介して接続される。そのような基板を、例えばそれぞれの部分に表面実装することができるそれぞれのデバイスに電流を供給するための電気的に絶縁された部分を有するように成形することができる。ハウジング３２は、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８（図２，３，５および６を参照されたい）のパワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ12，Ｓ19〜Ｓ23にゲート制御信号２８ａを供給するコントローラ２８（図１および図４を参照されたい）との電気的な接続を可能にするゲート端子の第１のセット２５０を有することができる。
【０１００】
電力モジュール３２ａは正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮも包含する。正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール３２ａのハウジング３２（図２，３，５および６を参照されたい）の外部からアクセス可能であり、例えば補助的な電力コンバータ３０（図２を参照されたい）を介して補助的な電源ＶAと電気的に接続される。例えば補助的な電源ＶAが省略されている幾つかの実施形態では、正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮを省略することができる。正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮはＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８のパワー半導体ダイオードＤおよびパワー半導体スイッチＳP1，ＳP2と、基板、例えばＤＢＣまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび／または導電部を介して接続される。キャパシタＣ1，Ｃ2（図１から図３を参照されたい）を一次中性ＤＣバスバー３４ｃと正の補助的なＤＣバスバーＰおよび負の補助的なＤＣバスバーＮとの間にそれぞれ接続することができる。
【０１０１】
さらに電力モジュール３２ａはＡＣ相端子３６ａ〜３６ｃを包含する。ＡＣ相端子３６ａ〜３６ｃまたはそれらの端子部はハウジング３２（図２，３，５および６を参照されたい）の外部からアクセス可能であり、電気機械１４（図１から図６を参照されたい）と電気的に接続される。各ＡＣ相端子３６ａ、３６ｂは多相のＡＣ電力の各位相を電力モジュール３２と電気機械１４との間において電気的に結合させることができる。ＡＣ相端子３６ａ〜３６ｃはＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6（分かり易くするために図２２では別個に示していないが、総称してＳP1，ＳP2表されている）と、基板、例えばＤＢＣまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび／または導電部を介して接続される。ハウジング３２は、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４のパワー半導体スイッチＳ1〜Ｓ6（図２，３，５および６を参照されたい）にゲート制御信号２８ａを供給するコントローラ２８との電気的な接続を可能にするゲート端子の第２のセット２５４を有することができる。
【０１０２】
図２３Ａは、電力モジュール３２ａにおいて使用されるワイヤボンディングの数を制限するために３次元配置の５つの基板を使用する、本発明の１つの実施形態による電力モジュール３２ａの単相に関するトポロジを示す。
【０１０３】
第１の基板２７０および第２の基板２７１はそれぞれ第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６およびＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の構成要素を支持する。例えば、第１の基板２７０および第２の基板２７１は、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列のダイオードＳ7並びにダイオードＤ1、またＩＧＢＴの形のパワー半導体スイッチＳ1および付属の個別逆並列ダイオードＤAPを支持することができる。同様に、第３の基板２７２および第４の基板２７３はそれぞれ第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８およびＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の構成要素を支持する。例えば、第３の基板２７２および第４の基板２７３は、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列のダイオードＳ10並びにダイオードＤ4、またＩＧＢＴの形のパワー半導体スイッチＳ2および付属の個別逆並列ダイオードＤAPを支持することができる。図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチＳ1，Ｓ2が電気的に並列に接続されている４つのＩＧＢＴとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。また図示されている実施形態においては、各ＩＧＢＴに対して２つの逆並列ダイオードＤAPが設けられていることを言及しておく。また、図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチＳ1，Ｓ2が電気的に並列に接続されている４つのＭＯＳＦＥＴと付属のボディダイオードとしてそれぞれ実施されており、またダイオードＤ1，Ｄ4が電気的に並列に接続されている６つの半導体ダイオードとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。
【０１０４】
第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３は、図２１Ｄに図示されている基板に類似する多層基板、例えばＤＢＣ基板でよい。したがって第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３はそれぞれ、上部導電層２６０ｂと下部導電層２６０ｃによって挟み込まれているセラミック層２６０ａを包含することができる。図２３Ｂに最も良く示されているように、第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３の導電層２６０ｂ，２６０ｃは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に上部導電層２６０ａを、ＩＧＢＴ  Ｓ1、逆並列ダイオードＤAP、ＭＯＳＦＥＴおよび付属の逆並列ダイオードＳ7，Ｓ10並びにダイオードＤ1，Ｄ4が表面実装される種々の導電性領域を形成するためにパターニングすることができる。再び図２３Ａを参照すると、第５の基板２７４は第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３と重なっていることが分かる。第５の基板２７４はメインバスとして機能する。第５の基板２７４は、図２１Ｂに図示されている基板に類似する多層基板、例えばＤＢＣ基板でよい。したがって第５の基板２７４は上部導電層２６２ｂと下部導電層２６２ｃによって挟み込まれているセラミック層２６２ａを包含することができる。第５の基板２７４の上部導電層２６２ｂおよび下部導電層２６２ｃは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に、第５の基板２７４の下部導電層２６２ｃは第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３の上部導電層２６０ｂとはんだ付けされている。したがって、第５の基板２７４の下部導電層２６２ｃは種々の導電性領域間に短絡経路が偶発的に生じることを回避するために、第５の基板２７４が載置される第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３の上部導電層２６０ｂのパターニングされた部分とほぼ整合するようにパターニングされるべきである。絶縁層２６２ａを貫通して延びており第５の基板２７４に形成されるバイア２６４（白抜きの円で示されているが、分かり易くするために図面においてはその内の幾つかのみを別個に示している）は、第５の基板２７４の下部導電層２６２ｃを介する第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３の上部導電層２６２ｂと第５の基板２７４の上部導電層２６２ｂとの間の電気的な結合部を提供する。
【０１０５】
また図２３Ａは複数のワイヤボンディング、例えばＤＣバスバー３４ｃ，Ｎ，Ｐを基板２７０〜２７４と電気的に接続するワイヤボンディング、並びに種々の構成要素を相互に接続する、または種々の領域と電気的に接続するワイヤボンディングを示している。したがって、ワイヤボンディングは除去されていないが、このトポロジにおいては有利にはワイヤボンディングの数が低減されている。
【０１０６】
この実施形態においては、第１の基板２７０、第２の基板２７１、第３の基板２７２および第４の基板２７３のそれぞれの領域が一次ＤＣバスバー３４ａ，３４ｂおよびＡＣ相端子３６ａとして使用される。適切なコネクタまたは端子をこれらの領域に実装することができる。
【０１０７】
上記のトポロジはその他の場合に使用される多数のワイヤボンディングを除去するためにパターン、トレースまたは接続部および／またはバイアを使用する。必要とされるワイヤボンディングの数を減らすことによって電力モジュール３２ａのフットプリントが低減され、また個別の要素（ワイヤボンディング）の数およびそれらのワイヤボンディングの取付けに関連するステップの数を減らすことによってコストおよび／または複雑性を低減することができる。電力モジュール３２ａの他の位相も同様のトポロジを使用することができる。
【０１０８】
要約に記載されている内容も含む上記の実施形態の説明は余すところなく述べることを意図したものではない、または開示されている精確な形状に本発明を制限するものではない。本明細書においては特定の実施形態および実施例が例示を目的として記載されているとはいえ、当業者であれば本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の等価の修正を思いつくであろう。本明細書において開示されている教示を他の電力変換システムに適用することができるが、上記において一般的に説明した例示的な２つの一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータは必ずしも必要とはされない。例えば、特定の用途に適合できるように、電力変換システムは付加的な一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータまたは異なるトポロジを有する一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができる。付加的または択一的に、図示されている実施形態は一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８に関して三相インタリーブＤＣ／ＤＣ電力コンバータトポロジを一般的に示しているが、幾つかの実施形態は４つまたはそれ以上の位相レッグを有することができる。同様に、図示されている幾つかの実施形態は補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３０に関して二相インタリーブＤＣ／ＤＣ電力コンバータトポロジを一般的に示しているが、幾つかの実施形態は３つまたはそれ以上の位相レッグを有することができる。付加的または択一的に、電力変換システム１２はＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４を省略することができるか、ＤＣ／ＡＣコンバータ２４に関して図面に示されているものとは異なるトポロジを使用することができる。
【０１０９】
明細書および請求項において使用されているように、述語「パワー半導体デバイス」は、関連する用途の電力分配、例えば電力網または送電線に使用される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他の同種のデバイスに関して大電流および／または高電圧および／または大容量の電力を処理するよう設計されている半導体デバイスを含む。上述のように、本明細書において説明した幾つかのパワー半導体スイッチ、例えばＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８の半導体スイッチＳ7〜Ｓ12は例えばＭＯＳＦＥＴでよく、本明細書において説明した別の半導体スイッチ、例えばＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の半導体スイッチＳ1〜Ｓ6はＩＧＢＴでよい。上述のように、ＭＯＳＦＥＴを使用することにより一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８は、その他の場合にＩＧＢＴを用いることにより可能とされるスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で動作することができる。しかしながら幾つかの実施形態においては、殊にＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８の所望の動作周波数が非常に低い場合、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８の半導体スイッチＳ7〜Ｓ12はＩＧＢＴまたは他の適切な速度のスイッチングデバイスでよい。さらに幾つかの実施形態においては、殊にコスト係数が許容されるのであれば、ＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の半導体スイッチＳ1〜Ｓ6はＭＯＳＦＥＴでもよい。
【０１１０】
上述のように、シリコンカーバイドダイオードを使用することにより一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８は、その他の場合に可能とされるスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数を許容する。ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８においてシリコンカーバイドダイオードおよびＭＯＳＦＥＴを使用することにより約５０ｋＨｚ、またはそれ以上、例えば１００ｋＨｚのスイッチング周波数が許容される。このことは、ＩＧＢＴを使用するＤＣ／ＡＣ電力コンバータ２４の約１０ｋＨｚのスイッチング周波数と比較することができる。シリコンカーバイドダイオードおよびＭＯＳＦＥＴの使用により実現することができる比較的高いスイッチング周波数によって、その他の場合に使用されるものよりも小さいブーストインダクタＬ1〜Ｌ6を使用することができ、またより低いコスト、より小さいパッケージまたより軽い重量のような付随的な利点も得られる。
【０１１１】
電気的に直列に接続されている２つの三相インタリーブスイッチモードコンバータを使用する実施形態においては、図２に示した例示的な回路のように、各インダクタには燃料電池の出力電流の１／３が流れる。しかしながらインダクタンスは慣例の三相インタリーブブーストコンバータと比べて（同一のリプル電流において）１／２である。電気的に直列に接続されている２つの三相インタリーブスイッチモードコンバータを用いる実施形態によって使用される６つの比較的小さいインダクタでもって、慣例の三相インタリーブブーストコンバータによって使用される３つの比較的大きいインダクタンスよりも、種々の実施形態に関してパッケージングの効率は改善されている。部分的に、改善されたパッケージング効率はその他のコンバータ構成要素に比べてこの比較的小さいインダクタの形状係数がより好適であることによる。
【０１１２】
種々の実施形態においてブーストスイッチおよびダイオードは総ＤＣ／ＤＣ出力電圧の５０％で動作する。例えば、２５０Ｖ〜４３０Ｖの範囲の総ＤＣ出力電圧に関して、コンバータの半分はそれぞれ１２５Ｖ〜２１５Ｖで動作する。３００ＶのＶDSSを有するデバイスの使用が許容されるようになる。３００ＶのＭＯＳＦＥＴは典型的に、６００Ｖのデバイスの１／４のＲDS_ONを有する。同様に３００Ｖの超高速ダイオードは、６００Ｖの超高速ダイオードの１／１０の逆回復損失Ｑrrを有する。劇的に低減されたＱrr損失に基づき、１００ｋＷコンバータに関して１００ｋＨｚの動作が実現される。これらの改善点により効率が改善され、また熱ストレスが低減される。
【０１１３】
幾つかの実施形態において逆並列型のパワー半導体ダイオードはパワー半導体スイッチの一部、例えばボディダイオードを構成することができ、他方では別の実施形態においてパワー半導体ダイオードは個別半導体デバイスでよい。典型的には単一のスイッチおよびダイオードとして図示されているが、本明細書において説明するパワー半導体スイッチおよび／またはダイオードはそれぞれ、電気的に並列に接続されている１つまたは複数のパワー半導体デバイスでよい。
【０１１４】
以下では、システム全体の最適化および改善が大いに見込まれる、電源、電力変換システムおよび電気機械を単一のシステムとして扱うことができる装置および方法を詳細に説明する。このアプローチは、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８の過剰なブースト比を要求することなく電気機械に所望の電圧を提供する固有の電力変換システム１２のトポロジを使用して、電気機械の電圧に実質的に依存しない電源電圧を形成することによって実現される。これにより電力変換システム１２のコストを著しく低減することができる、および／または、電力変換システム１２の効率を著しく改善することができる。
【０１１５】
例えばこのアプローチにより新たな電源設計、例えば別個の燃料電池スタックまたは中央タップ型の燃料電池スタックのような新たな燃料スタック設計が可能になる。つまり比較的大きい燃料電池スタックに関連する問題、例えばシーリングおよび機械的な公差の問題を緩和または除去することができる。また電気的なターンダウンと流体的なターンダウンを良好に整合させることができ、例えば各燃料電池スタック１０２ａ，１０２ｂまたは燃料電池スタックの各部分１０２ｃ，１０２ｄがアイドル状態において過ごす時間はほぼ半分になる。各燃料電池スタック１０２ａ，１０２ｂまたは燃料電池スタックの各部分１０２ｃ，１０２ｄは半分のターンダウン比を有することができ、これによりアイドル電流密度が倍化される。つまり、殊に燃料電池スタックがＰＥＭ燃料電池である場合には、寿命の延長および信頼性の向上における有効な効果が得られる。また、システムが燃料電池スタックの内の１つのみから供給される電力を使用して動作し、他の燃料電池スタックまたはシステムが動作不能である場合には「リンプホーム」機能が提供される。また有利には、低温度、殊に水が凍る温度付近またはそれ以下の温度における燃料電池スタックのスタートアップについての問題を解決することができる。
【０１１６】
一般的に、燃料電池は負荷が増すに連れ低減する電圧を形成する。以下説明する実施例に関しては、重負荷条件時の設計は電圧が２００Ｖ（半分のスタックそれぞれに関して１００Ｖ）に向かって降下することを想定する。軽負荷時には、実施例の設計は燃料電池電圧が約４００Ｖに増加し、全ての構成要素を流れる電流は低減することを想定する。したがって、全負荷動作条件は二重供給型のコンバータについての最悪の設計点を決定する。この実施例に関して、設計の目標は以下の通りである：
ＰFC_out＝１００ｋＷ
ＶFC1＝ＶFC2＝１００Ｖ
ＶPN＝２５０Ｖ〜４３０Ｖ。
【０１１７】
２つの一次電源および一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ内に３つのインダクタを有する実施形態に関して（例えば、少なくとも図４２を参照されたい）、インダクタ平均電流を次式に従い計算することができる：
【数２】
2007295797.tif 000004
【０１１８】
目標出力電圧が設定されている場合、この実施形態に関するデューティサイクルは上記式（１）により求められる。ＶPNが高くなればなるほど、デューティサイクルＤは大きくなる。ここでインダクタのリプル電流を無視すれば、スイッチＳ7〜Ｓ12のＲＭＳ電流およびダイオードＤ1〜Ｄ6のＲＭＳ電流を次式に従い計算することができる：
【数３】
2007295797.tif 000005
【０１１９】
図２４は、一例としてのＭＯＳＦＥＴスイッチに関して、ＲＭＳ電流およびダイオード平均電流を実施例において使用される１００ｋＷの入力電力および２００Ｖの総スタック入力電圧での出力電圧について示したグラフ２４００である。所定のこれらの動作条件において、適切なＭＯＳＦＥＴおよびダイオードが選択される。ＭＯＳＦＥＴに関する「最悪」の電流は４３０Ｖの出力電圧における１２２Ａrmsであると想定し、他方でダイオードの「最悪」の条件は２５０Ｖの出力電圧における１３４Ａavgであると想定する。
【０１２０】
上記の条件において動作する上述の実施例に関して、市販のダイが選択された。これらの市販のダイは表１に示されている。
【表１】
2007295797.tif 000006
【０１２１】
この実施例に関して、ＭＯＳＦＥＴおよびダイオードの伝導損の計算は直接的なものである。その式は（５）および（６）に示されている。各スイッチおよびダイオードに関して図５に示されている損失はＰFC＝１００ｋＷでのＴj＝１２５℃におけるＲDS_ONおよびＶfの値を使用して計算される。
【数４】
2007295797.tif 000007
【０１２２】
ダイオードの逆回復損失は、所定のＱrr、スイッチング周波数ｆs、並列なダイオードの数Ｎおよび印加される電圧Ｕdにおいて式（７）に従い計算される：
【数５】
2007295797.tif 000008
【０１２３】
損失成分を合計することによって、あらゆる所定の動作点についての総シリコン損失を求めることができる。図２５は、６つのスイッチ／ダイオードペアそれぞれに関して、２００Ｖの入力電圧についての一例としてのＭＯＳＦＥＴおよびダイオードの伝導損、並びにダイオード逆回復損失を全ての出力電圧に対して表すグラフ２５００である。シリコン損失が所定のものであり、且つインダクタのオーム損失およびその他のオーム損失を想定すれば、総全負荷効率を求めることができる。
【０１２４】
図２６は、１００ｋＷの入力電力、２００Ｖの入力電圧および２５０Ｖ〜４３０Ｖの範囲の出力電圧を想定した、上述の実施例に関する効率マッピングを表すグラフ２６００である。この設計に関して全負荷効率は９８．１〜９８．５％で変化し、ブースト比の上昇と共に低下する。
【０１２５】
図２５においては、ダイオード逆回復損失がダイオード伝導損に関して、１００ｋＨｚのスイッチング周波数でさえも非常に小さいということを言及しておく。上述のように、３００Ｖのデバイスは６００Ｖのデバイスに比べて約１／１０のＱrrを有する。このことは種々の二重供給型の設計の実施形態の著しい利点を表す。６００Ｖダイオードを使用する慣例のデバイスでは、ダイオード伝導損を遥かに上回り、また全体の効率に対して著しい影響を有するほどの大きさの逆回復損失の上昇が生じる。実際には、慣例のデバイスへの６００Ｖダイオードの使用が強いられることにより遥かに低いスイッチング周波数を用いなければならず、またインダクタおよびキャパシタの設計に関して不利な結果が生じる。
【０１２６】
種々の実施形態はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）デバイスを使用することができる。ＳｉＣに関する利点には、シリコンよりも３倍高い熱伝導率、より高い温度での動作能力、またシリコンまたはヒ化ガリウムの１０倍の絶縁破壊電界が含まれる。エネルギバンドギャップの幅が広い半導体であれば、ＳｉＣの実施形態は高周波用途また電力密度が重要な用途により良好に適している。
【０１２７】
ＳｉＣショットキーデバイスを使用する実施形態は、３００Ｖ〜６００Ｖの電圧範囲で動作するこのＤＣ／ＤＣ電力コンバータのような用途においては優れた過渡特性を示し、また逆回復電流は最小値に低減される。より高い周波数での動作に付随する利点には、より小さいインダクタを使用できること、またＥＭＩの発生を最小にするために成分のフィルタリングを低減できることが含まれる。シリコンダイオードのコストとＳｉＣダイオードのコストの間における所定の現在の経済的なトレードオフでは、幾つかの実施形態は高い電流での動作を達成するために並列な複数のＳｉＣデバイスを使用することができる。ＳｉＣデバイスの正の温度係数は並列化にとって好適である。しかしながら並列化されたＳｉＣデバイスは動作温度の上昇と同じ電流値については大きいＶf伝導損を伴う。ｎ領域における再結合中心のライフタイム制御を改善するための超高速シリコンダイオードの処理における進歩により、超高速ＳｉダイオードはＳｉＣデバイスの主たる利点と比較しても殆ど遜色はなくなる。したがってＳｉＣデバイスを使用する実施形態は著しく低いＱrr逆回復エネルギおよびこの回復のｔｂ領域における制御されたターンオフを有する。またこれらはシリコンの負の温度効果によって高められるより低いＶf伝導損を特徴付ける。本明細書において２つのタイプのダイオードの比較はシステムレベルで実施された。２つの部品の特徴は表２にまとめられている。
【表２】
2007295797.tif 000009
【０１２８】
表２におけるこれらの上記のデバイスの顕著な特性は順方向降下および逆回復電荷である。上述の実施形態においては、「最悪」の条件は最小入力電圧での全負荷である。２つのダイオードを使用する実施形態を比較するために、図２７には２つのダイオードに関する総伝導損および逆回復損失が全ブースト範囲にわたり示されている。図２７は、ＳｉＣダイオードに関する逆回復損失は超高速Ｓｉダイオードよりも遙かに良好であるが、導電損失に関してはＳｉダイオードが有利であることを示すグラフ２７００である。
【０１２９】
このコンバータのような高電力、高スイッチング周波数用途においては、効率損失が小さいという結果が生じる場合であってもＥＭＩ特性が低いことに基づきＳｉＣは非常に魅力的である。図２８は、ＳｉＣダイオードを用いるシステム効率と超高速Ｓｉダイオードを用いるシステム効率との比較を示すグラフ２８００である。ＳｉＣダイオードでの損失は全体で０．２％〜０．４％変化する。しかしながら、Ｖfを低減するというＳｉＣダイオード特性をさらに発展させることは、これらの高電力のコンバータの用途にとって有利である。
【０１３０】
図２９および３０はそれぞれ、ブーストインダクタおよび高電圧バスキャパシタに関する実施例の電流波形を、２００Ｖの入力電圧、また２５０Ｖおよび４３０Ｖの出力電圧での全負荷動作について示したグラフ２９００および３０００である。このグラフはキャパシタのリプル電流を低減するためのインタリービングの利点を示している。インダクタのピークツーピークリプル電流ΔＩLFは次式により表される：
【数６】
2007295797.tif 000010
この設計に関してＴSは１０μ秒であり、Ｌfは５μＨである。ピークツーピークリプル電流は、２５０Ｖ〜４３０Ｖの範囲の出力電圧に関して４０〜１０７Ａの範囲で変化する。
【０１３１】
図３１は、単一の電力モジュール３４９において電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含する実施形態を使用する自動車、例えば燃料電池自動車、電気自動車またはハイブリッド車（これらの自動車に制限されるものでもない）のための電力システム３１０を示す。
【０１３２】
電力システム３１０は、燃料電池スタック３１４および周辺機器３１６を備えた燃料電池システム３１２を包含する。周辺機器３１６は酸化体、例えば空気を燃料電池スタック３１４に供給する、酸化体供給サブシステム３１８を包含することができる。周辺機器３１６はまた燃料、例えば水素を燃料電池スタック３１４に供給する、燃料供給サブシステム３２０を包含することができる。殊に酸化体供給サブシステム３１８は、適切な速度の空気の流れを提供する例えばエアコンプレッサ、送風機またはファン３２２、および／または、空気の湿気レベルを所望のレベルに保つよう動作する加湿器モジュール３２４および適切な導管を包含することができる。燃料供給サブシステム３２０は燃料貯蔵部、例えば水素を貯蔵するための１つまたは複数の圧力タンク３２６を包含することができ、この燃料貯蔵部には燃料を導入口３２８および／または適切な導管を介して供給することができる。また燃料供給サブシステム３２０は、所望の速度および／または圧力の水素の流れを提供するよう動作する減圧弁３３０および／または水素ポンプ３３２を包含することができる。
【０１３３】
さらに周辺機器３１６は燃料電池スタック３１４の温度を許容範囲内に維持するための温度制御サブシステム３３４を包含することができる。温度制御サブシステム３３４は例えば、ラジエータ３３６、冷却ポンプ３３８および適切な導管を包含することができ、これにより燃料電池スタック３１４とラジエータ３３６との間で熱輸送媒体を運ぶことができる。また選択的に、温度制御サブシステム３３４はラジエータ３３６を通過する空気の流れを生じさせるよう動作するファン３４０を包含することもできる。
【０１３４】
また図３１の電力システム３１０は、余剰電力を蓄積し、この蓄積された電力を必要に応じて解放する二次蓄電池３４２を包含する。典型的に二次蓄電池３４２は鉛蓄電池のアレイである。
【０１３５】
また電力システム３１０は、燃料電池スタック３１４、二次蓄電池３４２および種々のモータおよび／または負荷の間に電力を供給するための１つまたは複数の電力コンバータを包含する。例えば、１つまたは複数のコンバータは燃料電池スタック３１４から駆動電動機または主電動機３４４および／または一つまたは複数の補助的なモータ３４６に電力を供給することができる。例えば、１つまたは複数の電力コンバータは二次蓄電池３４２から主電動機３４４および／または補助的なモータ３４６に電力を供給することができ、また主電動機３４４が回生モードで動作する場合にはこの主電動機３４４から二次蓄電池３４２に電力を供給することができる。
【０１３６】
図示されている実施形態においては、電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含する双方向のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３４８が主電力バス３５０を介して二次蓄電池３４２を燃料電池スタック３１４に電気的に接続する。トラクションドライブインバータ３５２は主電動機３４４を主電力バス３５０に電気的に接続し、また主電動機３４４を駆動させるために主電力バス３５０におけるＤＣ電力をＡＣ電力に変換するよう動作する。またトラクションドライブインバータ３５２は、例えば主電動機３４４が回生モードにおいて動作している場合には、主電動機３４４によって形成されたＡＣ電力を二次蓄電池３４２によって蓄積するためにＤＣ電力に整流するよう動作することもできる。補助的なインバータ３５４は補助的なモータ３４６を主電力バス３５０に電気的に接続し、また補助的なモータ３４６を駆動させるために主電力バス３５０におけるＤＣ電力をＡＣ電力に変換するよう動作する。
【０１３７】
アメリカ合衆国エネルギ省（U.S. Department of Energy）は輸送用燃料電池スタックについての所定の技術的な目標を定めた。それらは以下の表３に記載されている。
【表３】
2007295797.tif 000011
【０１３８】
これらの技術的な目標は燃料電池スタックの動作の等価性、経済性および環境に向けられている。この目標を達成することは、燃料電池によって給電される商業的に実用的な自動車のゴールに近づく所望のステップである。これらの目標を達成するために有用な種々の電力システムトポロジを以下では図３２〜３５を参照して説明する。
【０１３９】
図３２は、１つの種々の実施形態による、自動車のための「低品位の」電力システムトポロジの概略図である。
【０１４０】
図３２の電力システム３１００ａは例えば図３１に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック３１４は電力コンバータを介することなくトラクションドライブ３１０２および高電圧補機３１０４と接続されている。また電力システム３１００ａは双方向のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１０６を包含し、この双方向のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１０６は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含し、低電圧バッテリおよびシステム３１０８によって表される電力システム３１００ａの低電圧側を高電圧側３１１０に接続する。殊に、双方向のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１０６は、低電圧バッテリおよびシステム３１０８に印加される電圧を供給する燃料電池スタック３１４からの電圧をステップダウンすることができる。
【０１４１】
図３２の電力システム３１１０ａは、簡単且つ廉価に製造することができる非常に簡潔なシステムであるという利点を有する。しかしながらこの電力システム３１００ａは回生の処理に関して制限的な機能しか有していない。何故ならば、この電力システム３１００ａはいずれの高電圧電力蓄積装置も包含していないからである。また燃料電池スタック３１４も全ての過渡現象（すなわち電力を取り出す際の上方または下方の変化）を処理する必要がある。さらに、高電圧補機３１０４に印加される電圧は燃料電池スタック３１４に印加される電圧に等しい。
【０１４２】
図３３は、別の実施形態による、自動車のための「ハイブリッド追従型燃料電池の」電力システムトポロジの概略図である。
【０１４３】
図３３の電力システム３１００ｂは例えば図３１に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック３１４は電力コンバータを介することなくトラクションドライブ３１０２および高電圧補機３１０４と接続されている。さらに電力システム３１００ｂは高電圧電力蓄積装置３１１２と双方向の高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１４とを包含し、この双方向の高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１４は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができ、また高電圧電力蓄積装置３１１２を燃料電池スタック３１４およびトラクションドライブ３１０２に電気的に接続する。双方向の高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１４は、高電圧電力蓄積装置３１１２と燃料電池スタック３１４またはトラクションドライブ３１０２との間で高電力が伝達される場合に、電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作する。
【０１４４】
さらに図３３の電力システム３１００ｂはバックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６を包含し、このバックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができ、また低電圧バッテリおよびシステム３１０８として表される電力システム３１００ｂの低電圧側を高電圧側３１１０に接続する。バックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６は、電力システム３１００ｂの高電圧側３１１０から低電圧バッテリおよびシステム３１０８に供給される電圧をステップダウンするように動作することができる。
【０１４５】
図３３の電力システム３１００ｂは回生（すなわち回生モードでの動作中にトラクションドライブが電力を形成する）の処理に関して比較的高い能力を有する。高電圧電力蓄積装置３１１２はある程度の過渡現象を処理することができる。このことは、そのような電力蓄積装置３１１２が典型的に燃料電池システムよりも高速に要求の変化に応答することができるので殊に有利である。電力システム３１００ｂは比較的小さい高電圧電力蓄積装置３１１２、例えば蓄電池のアレイ、またはスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイを使用することができる。燃料電池スタック３１４は有利にはエネルギ源でもあり電源でもある。高電圧電力蓄積装置３１１２に印加される電圧は有利にはトラクションドライブ３１０２に印加される電圧から減結合されている。
【０１４６】
図３４は、別の実施形態による、自動車のための「ハイブリッド追従型蓄電池の」電力システムトポロジの概略図である。
【０１４７】
図３４の電力システム３１００ｃは例えば図３１に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック３１４は電力コンバータを介することなく高電圧補機３１０４と電気的に接続されている。また電力システム３１００ｃは高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１２０を包含し、この高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１２０は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができ、また高電圧電力蓄積装置３１１２を燃料電池スタック３１４およびトラクションドライブ３１０２に電気的に接続する。高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１２０は、燃料電池スタック３１４と高電圧電力蓄積装置３１１２またはトラクションドライブ３１０２との間で電力が伝達される場合に、電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作する。
【０１４８】
さらに電力システム３１００ｃはバックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６を包含し、このバックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができ、また低電圧バッテリおよびシステム３１０８として表される電力システム３１００ｃの低電圧側を高電圧側３１１０に接続する。バックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６は、電力システム３１００ｃの高電圧側３１１０から低電圧バッテリおよびシステム３１０８によって表される低電圧側に供給される電圧をステップダウンするように動作することができる。
【０１４９】
図３５は、１つの実施形態による、自動車のための「制御インバータバスハイブリッド型の」電力システムトポロジの概略図である。
【０１５０】
図３５の電力システム３１００ｄは例えば図３１に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック３１４は電力コンバータを介することなく高電圧補機３１０４と電気的に接続されている。また電力システム３１００ｄは高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１２０を包含し、この高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１２０は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができ、また燃料電池スタック３１４をトラクションドライブ３１０２に電気的に接続する。高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１２０は電力が伝達される際に電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作することができる。
【０１５１】
さらに電力システム３１００ｄは双方向の高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１４を包含し、この双方向の高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１４は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができ、また主電力バス３１２２を介して高電圧電力蓄積装置３１１２を高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１２０、トラクションドライブ３１０２および高電圧補機３１０４に電気的に接続する。双方向の高電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１４は、高電圧電力蓄積装置３１１２および主電力バス３１２２に電力が伝達される場合に、電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作することができる。
【０１５２】
さらに電力システム３１００ｄはバックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６を包含し、このバックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６は電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含することができ、また低電圧バッテリおよびシステム３１０８として表される電力システム３１００ｄの低電圧側を高電圧側３１１０に接続する。バックＤＣ／ＤＣ電力コンバータ３１１６は、電力システム３１００ｄの高電圧側３１１０から低電圧バッテリおよびシステム３１０８に供給される電圧をステップダウンするように動作することができる。
【０１５３】
図３６は、１つの実施形態による、例示的なＰＥＭ燃料電池構造に関する電池電圧と電流密度の関係を示す例示的な分極曲線のグラフ３２００である。またＰＥＭ燃料電池構造に関する最小システム電圧３２０３および最大電流密度３２０４も示されている。
【０１５４】
図３７は、１つの実施形態による、熱として消費される電力（曲線３２０２上のあらゆる所定の点において曲線３２０２の上側にある領域３２０６）と、供給される有効な電力（曲線３２０２上のあらゆる所定の点において曲線３２０２の下側にある領域３２０７）との関係ならびに理論的な最大電池電圧３２１０が示されている、図３６の例示的な分極曲線３２０２のグラフである。図面に示されているように、電流の上昇は廃熱の増加をもたらす。
【０１５５】
図３８は例えば図１に示されているような慣例の電力システムに関してコストを低減するために、表１に記載した種々の理論的な制約を示すグラフである。殊に、図３８は電池電圧に関する制約３２１０（ボルト）、コストに関する制約３２１２（燃料電池システムに関して＄４５／ｋＷ）、熱に関する制約３２１４（ＶCｍｉｎ）、電力密度に関する制約３２１６（平方メートル）、要求される総スタック活性領域に関する制約３２１８（平方メートル）を示す。楕円３２２０によって示されているように、共有の解空間は存在しない。
【０１５６】
図３９は、通常動作に関する分極曲線３２０２と共にコールドスタートアップまたはフリーズスタートアップに関する分極曲線３２２２を示すグラフである。図３９によって示されているように、コールドスタートアップまたはフリーズスタートアップ中に許容電池電圧が低くなればなるほど、水分子によって形成される廃熱はより多くなり、これを有利には設計の目標への取り組みに使用することができる。例えば図４０に示されているように、パワーエレクトロニクスに機能を追加することにより、コールドスタートアップの間の最小システム電圧要求を低減することができる。これにより例えば凍結温度における高速で確実なコールドスタートアップまたはフリーズスタートアップが可能となる。コールドスタートアップまたはフリーズスタートアップにおける低電圧動作は、効率的なコールドスタートアップまたはフリーズスタートアップを達成するための多数の可能な方式の内の１つである。
【０１５７】
慣用的に、術語「コンバータ」はそれがインバータ、整流器および／またはＤＣ／ＤＣ電力コンバータとして動作しようと、一般的に全ての電力変換構成要素に適用され、また明細書および請求項においてはその包括的な意味において使用される。より詳細には、電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータを包含するＤＣ／ＤＣ電力コンバータは明細書および請求項において包括的な意味において記載されている。電力変換サブシステムの１つまたは複数の構成要素を、一般的に電力モジュールと称される、自己完結型ユニットとして提供することができ、このユニットは電力変換システム構成要素の少なくとも一部をハウジングする電気的に絶縁されたハウジングと、端子またはバスバーのような適切なコネクタとを有する。電力モジュールは集積されたドライブトレーンまたはトラクションドライブの一部を形成することができるが、必ずしも必要とされるものではない。
【０１５８】
明細書および請求項において使用されているように、術語高電圧および低電圧は相対的な意味で使用されており、絶対的な意味で使用されているものではない。制限する必要はないが、自動車の用途において術語高電圧は典型的に主電動機の駆動に適した電圧範囲を含み（例えば約２００Ｖ〜５００Ｖ）、これに対し術語低電圧は典型的に電力制御システムおよび／または補助的なシステムに適した電圧範囲（例えば１２Ｖまたは４２Ｖもしくは両方）を含む。
【０１５９】
図３３〜３５の実施形態は、高電圧電力蓄積装置３１１２として鉛蓄電池のアレイを使用することができるが、別のタイプの電力蓄積装置も使用することができる。例えば、図３３〜３５の実施形態は高電圧電力蓄積装置３１１２として他の化学タイプの蓄電池を使用することができる。択一的、図３２〜３５の実施形態は高電圧電力蓄積装置３１１２としてスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイおよび／またはフライホイールを使用することができる。
【０１６０】
図３２〜３５には詳細に示していないが、トラクションドライブ３１０２は典型的に、トラクションドライブのＡＣ電気モータを駆動させるために直流電流を交流電流（例えば単相ＡＣ、三相ＡＣ）に変換するためのインバータとして動作することができる１つまたは複数のコンバータを包含する。そのようなコンバータはまた交流電流を直流電流に変換するための整流器として動作することもできる。択一的に、トラクションドライブ３１０２は交流電流を直流電流に変換するための個別整流器を任意に使用することができる。コンバータおよびＡＣ電気モータに付加的に、トラクションドライブ３１０２は典型的に、ＡＣ電気モータに関する出力をトラクションホイルまたは駆動輪に伝達するトランスミッションおよびギアメカニズムも包含し、また１つまたは複数のセンサ、アクチュエータおよびプロセッサまたは駆動回路を包含することができる制御システムも包含する。
【０１６１】
図４１は、電気的に直列に接続されている第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇを備えたシステム１０ｇの概略図であり、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇはそれぞれ単一のインダクタ（それぞれＬ1およびＬ2）、スイッチ（それぞれＳ1およびＳ2）およびダイオード（それぞれＤ1およびＤ2）を包含する。インダクタ、スイッチおよびダイオード（例えばＬ1，Ｓ1およびＤ1）を包含する前述の構成要素のグループを本明細書においては便宜上「レッグ」または「回路レッグ」と称する。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇは単相スイッチモードコンバータでよい。システム１０ｇの他の構成要素（図示せず）は図２に示した構成要素と類似するものでよい。
【０１６２】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇは単一のインダクタＬ1と、ダイオードＤ1と、総称してＳ1で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとからなる。パワー半導体スイッチＳ1をコントローラ２８から供給される制御信号２８ａを介して制御することができる（図１を参照されたい）。同様に、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇは単一のインダクタＬ2と、ダイオードＤ2と、総称してＳ2で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとからなる。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇは第１の一次電源Ｖ1から供給される電圧をステップアップするよう動作することができ、他方第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇは第２の一次電源Ｖ2から供給される電圧をステップアップするよう動作することができる。
【０１６３】
図４２は、電気的に直列に接続されている第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈを備えたシステム１０ｈの概略図であり、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈは単一のインダクタ、スイッチおよびダイオードからなるレッグをそれぞれ複数包含する。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈは多相のインタリーブスイッチモードコンバータでよい。システム１０ｈの他の構成要素（図示せず）は図２に示した構成要素と類似するものでよい。
【０１６４】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈは複数のレッグから構成されており、各レッグは単一のインダクタＬ1〜Ｌnと、単一のダイオードＤ1〜Ｄnと、総称してＳ1〜Ｓnで表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとをそれぞれ有する。パワー半導体スイッチＳ1〜Ｓnをコントローラ２８から供給される制御信号２８ａを介して制御することができる（図１を参照されたい）。
【０１６５】
同様に、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈを複数のレッグから構成することができ、各レッグは単一のインダクタＬ2〜Ｌmと、単一のダイオードＤ2〜Ｄmと、総称してＳ2〜Ｓmで表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとをそれぞれ有する。
【０１６６】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈは第１の一次電源Ｖ1からの電圧をステップアップするよう動作することができる。同様に第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈは第２の一次電源Ｖ2からの電圧をステップアップするよう動作することができる。
【０１６７】
図２に示されている実施形態の電力システム１０ｂおよび上述の実施形態は特別なケースであり、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈには３つのレッグ（すなわちｎ＝３且つｍ＝３）があることが分かる。同様に、図４１に示されている実施形態の電力システム１０ｇおよび上述の実施形態は特別なケースであり、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇには１つのレッグ（すなわちｎ＝１且つｍ＝１）があることが分かる。上記のｎおよびｍの値はいかなる値でも良い。さらにｎおよびｍは同一の値でなくても良い。そのような実施形態は、第１の一次電源Ｖ1および第２の一次電源Ｖ2の電圧および／または電流が同一でない場合には望ましい。
【０１６８】
単一のスイッチおよびダイオードからなる複数のレッグにより、上述の半導体スイッチのスイッチングをより精密に制御することができる。また一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈおよび／または二次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈにそれぞれレッグを追加することにより、キャパシタＣ1，Ｃ2におけるリプル電流は更に低減される。さらには、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｈおよび／または第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｈにおいてそれぞれ使用される複数のレッグにより半導体デバイスのより低い定格ＲＭＳ電圧および／または定格ＲＭＳ電流が得られ、また付随するパッケージングの問題、熱管理の問題および信頼性の問題が解消される。付加的に、システム１０ｇにおける全損失が低減される。また上記の通り、パッケージング設計におけるより高いフレキシビリティも提供される。
【０１６９】
図４３は、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｉおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｉの並列セットを複数備えた電力システム１０ｉの概略図である。便宜上、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｉおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｉはそれぞれ単一のインダクタ、スイッチおよびダイオードからなるレッグを１つ包含している。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｉおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｉの並列セットを備えた別の実施形態は、上述のいかなる多相のインタリーブスイッチモードコンバータも使用することができる。システム１０ｉの他の構成要素（図４３には示されていない）は図２に示した構成要素と類似するものでよい。
【０１７０】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｉは第１の一次電源Ｖ1と接続されており、また第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｉは第２の一次電源Ｖ2と接続されている。図４３に示されている実施形態においては、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの第１のグループ１６ｉ−１が第１の一次電源Ｖ1と接続されており、また第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの第１のグループ１８ｉ−１が第２の一次電源Ｖ2と接続されている。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの第２のグループ１６ｉ−２が第１の一次電源Ｖ3と接続されており、また第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの第２のグループ１８ｉ−２が第２の一次電源Ｖ4と接続されている。
【０１７１】
別の実施形態は第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｉのグループおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｉのグループを２つ以上使用することもできる。例えば、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータのグループおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータのグループを３つ使用することもできる。別の実施形態においては、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの数１６ｉは、並列に接続されている第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの数１８ｉと異なっていても良い。
【０１７２】
幾つかの実施形態においては、キャパシタおよび／またはインダクタおよび／またはダイオードおよび／またはスイッチの相対的な大きさはグループ毎に異なっていても良い。すなわち、グループの個々の構成要素をそのグループ固有の特徴に基づき選択することができる。例えば、第１のグループが第２のグループの電源よりも比較的大きい第１の一次電源および第２の一次電源と接続されている場合には、第１のグループのキャパシタおよび／またはインダクタおよび／またはスイッチは第２のグループのそれらの対応する構成要素よりも大きい容量を有することができる。
【０１７３】
そのような実施形態は有利には、電力システム１０ｉにおいて異なるタイプ、数および一次電源の容量を使用することができる。さらにそのような実施形態は、（それぞれの第１の一次電源および第２の一次電源と共に）第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｉおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｉの付加的なグループが追加されることにより、電力システム１０ｉの電力容量の追加的な拡張を提供することができる。
【０１７４】
上述のように、直列に接続されている第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの種々の実施形態は電流の双方向の伝達を提供する。例えば、一次電源においてはエネルギを使用できるか、エネルギを受け取って蓄積しているので、双方向能力によりこの一次電源を再充電することができる。例えば、自動車に設置される場合には、惰性走行または制動時に余剰電力を利用することができるか、燃料電池システムが使用される場合には、燃料電池出力がシステム負荷要求を上回るときに余剰電力を利用することができる。
【０１７５】
前述の種々の実施形態においては、ＤＣ電力が一次電源（Ｖ1およびＶ2）からＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）に伝達される。幾つかの動作環境においては、ＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）からのＤＣ電力を一次電源（Ｖ1およびＶ2）に伝達することが所望される。そのような実施形態は、上述の図１〜４３の実施形態において一次電源（Ｖ1およびＶ2）の位置とＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）の位置を単純に入れ換えることによって構成することができる。簡略のため、図１〜４４に対応する新たな図面および関連する説明は本明細書において提供しない。当業者であれば、そのような実施形態の構成および動作のために必要とされる構成要素の直接的な交換は容易に分かる。そのような全ての択一的な実施形態は、明細書に記載されており、且つ請求項によって保護されるべき本発明の範囲に含まれることが意図されている。
【０１７６】
図４４は、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｊおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｊを備えた双方向の電力システム１０ｊの概略図である。便宜上、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｊおよび第２のＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｊはそれぞれ単一のインダクタ、２つのスイッチからなるレッグをそれぞれ包含している。別の実施形態は、上述のいかなる多相のインタリーブスイッチモードコンバータも使用することができる。システム１０ｊの他の構成要素（図示せず）は図２に示した構成要素と類似するものでよい。
【０１７７】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｊおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｊは図４１の第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇと類似するものであり、これら２つの実施形態は一次電源Ｖ1およびＶ2と、キャパシタＣ1およびＣ2と、インダクタＬ1およびＬ2と、またスイッチＳ1およびＳ2を包含する。しかしながら、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｊおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｊの実施形態においては、図４１の第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇのダイオードＤ1およびＤ2がスイッチＳ3およびＳ4に置換されている。したがって、スイッチＳ3およびＳ4をコントローラ２８から供給される制御信号２８ａを介して制御することができる（図１を参照されたい）。したがって、電流を高電圧ＤＣレール（＋ＶDC）および低電圧ＤＣレール（−ＶDC）から第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｇおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｇを介して伝達することができ、また一次電源Ｖ1およびＶ2に供給することができる。別の用途においては、電力を例えば図３２〜３５に示されている実施例のような他の構成要素に供給することができる。そのような構成要素は、再充電可能な蓄電池、ウルトラキャパシタまたは補助的な負荷を包含することができるが、これらに制限されるものではない。
【０１７８】
双方向のコンフィギュレーションを使用する別の実施形態においては、択一的な実施形態がそれぞれのダイオードを適切なパワー半導体スイッチに置換する。例えば、図４２に示されている多相のインタリーブスイッチモードコンバータを使用する実施形態を参照すると、ダイオードＤ1、Ｄ2、ＤnおよびＤmが適切なパワー半導体スイッチに置換される。
【０１７９】
幾つかの実施形態においては双方向能力、すなわちいずれの方向においても異なる能力を提供するために、選択された１つのダイオードをスイッチに置換することができる。例えば図４５は、一次エネルギ源から電圧レールへの方向における容量と、電圧レールから一次エネルギ源への方向における容量が異なる双方向のシステムの概略図である。この実施例においては、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｋおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｋは二相のインタリーブスイッチモードコンバータである。パワー半導体スイッチをコントローラ２８から供給される制御信号２８ａを介して制御することができる（図１を参照されたい）。さらにスイッチＳ5およびＳ6は負荷からの保護を提供することができる。
【０１８０】
第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｋは、一次電源Ｖ1からＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）への電流の流れを容易にするために、インダクタＬ1およびＬ2並びにパワー半導体スイッチＳ1およびＳ2を使用する。一次電源Ｖ1からＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）への方向における第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｋの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチＳ1およびＳ2の定格によって求められる。
【０１８１】
ＤＣ電圧レールから一次電源Ｖ1への双方向の電流の流れを支援するために、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｋはインダクタＬ1およびスイッチＳ5を使用する。ＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）から一次電源Ｖ1への方向における第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ｋの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチＳ5の定格によって求められる。
【０１８２】
同様に、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｋは、一次電源Ｖ2からＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）への電流の流れを容易にするために、インダクタＬ3およびＬ4並びにパワー半導体スイッチＳ3およびＳ4を使用する。一次電源Ｖ2からＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）への方向における第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｋの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチＳ3およびＳ4の定格によって求められる。
【０１８３】
ＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）から一次電源Ｖ2への双方向の電流の流れを支援するために、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｋはインダクタＬ3およびスイッチＳ6を使用する。ＤＣ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）から一次電源Ｖ2への方向における第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ｋの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチＳ6の定格によって求められる。
【０１８４】
上述のダイオードの内の１つが第２のスイッチに置換されている実施形態においては、双方向の容量を両方の方向において最適化することができる。例えば、上述の実施例において、一次電源Ｖ1およびＶ2が最大放電電流を５０％低減できる蓄電池である場合（すなわちこれらの一次電源Ｖ1およびＶ2は低減することができる瞬間電力の２倍の電力を供給することができる）、スイッチＳ5およびＳ6で十分である（つまりダイオードＤ1およびＤ2が使用される）。蓄電池が放電電流を１００％低減できる場合には、ダイオードＤ1およびＤ2を（スイッチＳ5およびＳ6に類似する）適切なスイッチに置換することができる。
【０１８５】
双方向の能力を提供する上述の実施形態は、１つのインダクタおよび２つのスイッチを包含する、あらゆる適切な数のレッグを使用できることは明らかである。さらに、各々の方向において異なる容量を提供するために、一次電源から電圧レールへの電力の伝達を制限するあらゆる数のレッグを使用することができる（そのようなレッグはインダクタ、スイッチおよびダイオードをそれぞれ１つ包含する）。そのような全ての変形形態は、明細書に記載されており、且つ請求項によって保護されるべき本発明の範囲に含まれることが意図されている。
【０１８６】
上述の種々の実施形態においては、一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータのレッグ内にあるダイオード（例えば図２に示されているＤ1〜Ｄ6）が一次電源Ｖ1および／またはＶ2を電力システムの負荷側に発生する電気的な問題から保護する。またダイオードはスイッチおよび／またはインダクタを保護することができる。例えば、負荷における変化は高電圧レール（＋ＶDC）および低電圧レール（−ＶDC）から取り出される電圧および／または電流における付加的な変化を惹起する可能性がある。したがって、負荷側における電圧変動がシステムを介して逆方向に伝播することはなく、またダイオードによって保護されている構成要素が損傷することもない。
【０１８７】
図４６は、一次電源Ｖ1およびＶ2から負荷を保護するために各レッグにおいて付加的なスイッチ（Ｓ3およびＳ6）が使用されている双方向のシステム１０ｌの概略図である。スイッチＳ3およびＳ6を開くことにより、ＣＤ電圧レール（＋ＶDCおよび−ＶDC）およびこのＣＤ電圧レールに接続されている負荷またはデバイスは一次電源Ｖ1および／またはＶ2において発生する電気的な問題から保護される。保護を上述のいずれの実施形態にも提供することができる。付加的なスイッチは全てのレッグにおいて要求される。
【０１８８】
電力モジュールを提供するために、図４１〜４６に示されている種々の実施形態のスイッチおよび／またはダイオードを、図２に示されているハウジング３２に類似する電気的に絶縁されている共通のハウジング（図示せず）内にハウジングすることができる。複数のレッグを備えた実施形態を、電気的に絶縁されている単一の共通のハウジング内に一緒にハウジングすることができるか、電気的に絶縁されている共通のハウジングにそれぞれ別個にハウジングすることができる。そのような電力モジュールは、あらゆる所望の大きさおよび／またはコンフィギュレーションの集積されたＤＣ電力システムにおけるシステム１０のモジュール形式の構成を容易にすることができる。
【０１８９】
上述の実施形態を種々の電力システムにおいて使用することができる。例えば上述の実施形態の多数の用途の例は、１つまたは複数の燃料電池システムおよび／または蓄電池システムによって給電される自動車において使用されるものとして説明した。上述のいずれの実施形態を、自動車とは異なるタイプの用途、例えばハイブリッド燃料車または電気的な乗り物、例えば自動車、電車または飛行機において使用することができるが、これらに制限されるものでもない。
【０１９０】
さらに上述の実施形態を他の電力システム、例えばバルクエネルギシステムおよび／または高電圧電力システムにおいて使用することができる。電力会社は電気、通常の場合には交流電流（ＡＣ）電力を種々の使用電圧で顧客に提供する。例えば、アメリカ合衆国内の居住者には典型的に電力会社から２４０Ｖおよび１２０Ｖの電圧、６０ヘルツ（Ｈｚ）の周波数で電気が供給される。他の国においては、電圧および／または周波数は異なる可能性がある。
【０１９１】
幾つのエンドユーザ用途においては、顧客が１つまたは複数の特定のＤＣ電圧およびＤＣ電流で提供される電力を所望する可能性もある。直列に接続されている一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを使用する実施形態を、特定の定格ＤＣ電圧および定格ＤＣ電流を有するＡＣ／ＤＣ変換システムと接続するようコンフィギュレートすることができる。したがって、異なる特定のＤＣ電圧およびＤＣ電流を顧客に提供するために、種々の実施形態をＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ側に接続することができる。
【０１９２】
電力供給用途においては、エネルギ源はＤＣ／ＡＣコンバータによってＡＣ電力に変換されるＤＣ電圧およびＤＣ電流を形成することができる。ＤＣ電源の例には太陽電池、蓄電池、燃料電池およびＤＣ発電機が含まれるが、これらに制限されるものではない。ＤＣ発電機は種々の供給源、例えば風、水、燃料燃焼、ゴミリサイクル、廃熱リカバリ、廃熱回収、地熱流または他のエネルギ源によって給電される。変換された電力はバルク伝達システムに供給されて、エンドユーザである顧客に提供される。１つまたは複数のＤＣエネルギ源がＤＣ／ＡＣコンバータのＤＣ電圧とは異なる電圧で動作する場合には、直列に接続されている一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの種々の実施形態をＤＣ／ＡＣコンバータのＤＣ側に接続することができる。
【０１９３】
電力供給用途の別の例においては、電力が第１のＡＣ／ＤＣコンバータを用いてＡＣ電力からＤＣ電力に変換され、続けて第２のＤＣ／ＡＣコンバータを使用して再びＡＣ電力に変換される。これらのデバイスは一般的に工業においてはバック・ツー・バックＤＣ変換所と称される。例えばＡＣ電力網を物理的（且つ電気的）に相互に分離することができる。ＡＣ電力網は同一の周波数で動作することができる。しかしながら、２つの電力網の周波数が相互に同期している必要はない。２つのＡＣ電力網の間で電力が伝達される間に、これらのＡＣ電力網の同期を維持するためには、伝達される電力が（伝達システムの周波数での）ＡＣ電力からＤＣ電力に変換され、再び（伝達システムの周波数での）ＡＣ電力に変換される。さらには、２つのＡＣ電力網の周波数が同一である必要はない。直列に接続されている一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの種々の実施形態を、ＤＣ電圧および／またはＤＣ電流を変調するために、または種々の補助的な負荷に供給するために、ＤＣ／ＡＣコンバータのＤＣ側に接続することができる。
【０１９４】
ＤＣ電力を特定の定格ＤＣ電圧およびＤＣ電流で補助的な負荷に供給するために、補助的な電力システムを使用することができる。そのような補助的な電力システムは典型的にＤＣ電源またはＡＣ電源から給電される。ＡＣ電源から給電される場合には、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するための適切なＡＣ／ＤＣコンバータが使用される。１つまたは複数の補助的な負荷がＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ電圧とは異なる電圧で動作する場合には、直列に接続されている一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの種々の実施形態を、補助的な負荷に給電するためのＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ側に接続することができる。
【０１９５】
種々の実施形態を、ＤＣ電力システムの低電圧側をＤＣ電力システムの高電圧側に電気的に接続する、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータとして表すことができる。実施形態は、高電圧側の第１の電圧バスＰと低電圧側の正の電圧バス（＋Ｖ1）との間に接続されている第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａ−ｉ（図１〜６および図４１〜４６）を包含し、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａ−ｉは第１の電圧バスＰと正の電圧バス（＋Ｖ1）との電圧差を制御する。実施形態はまた、第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６ａ−ｉと直列に接続されており、且つ高電圧側Ｎの第２の電圧バスと低電圧側の負の電圧バス（−Ｖ2）との間に接続されている第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａ−ｉを包含し、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１８ａ−ｉは第２の電圧バスＤと負の電圧バス（−Ｖ2）との電圧差を制御する。
【０１９６】
図４７〜５１はそれぞれ本明細書において説明した種々の実施形態を使用する電力システムを動作させる種々のプロセスを示すフローチャート４７００，４８００，４９００，５０００および５１００である。幾つかの択一的な実施形態においては、ブロック内に記述してある機能が図４７〜５１に記載されている順序とは異なる順序で生じる可能性があるか、付加的な機能を包含できることを言及しておく。例えば以下においてさらに説明するように、包含されている機能に依存して、図４７〜５１における連続する２つのブロックを実際には実質的に同時に実行することができる、または複数のブロックを逆の順序で実行するときがあってもよい、または幾つかのブロックを全ての実施例において実行しなくてもよい。そのような全ての修正形態および変形形態は、明細書の範囲内で本発明の範囲に含まれることが意図されている。
【０１９７】
図４７は電力システムを動作させるプロセスを説明するフローチャート４７００である。プロセスはブロック４７０２から始まる。ブロック４７０４では、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位が少なくとも１つの第１の周期の間に引き上げられる。ブロック４７０６では、ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける電位が第１の周期の少なくとも一部の間に引き下げられる。プロセスはブロック４７０８において終了する。
【０１９８】
図４８は電力システムの別のプロセスを説明するフローチャート４８００である。プロセスはブロック４８０２から始まる。ブロック４８０４では、電力が第１の一次電源からこの第１の一次電源と電気的に接続されている第１のローサイドＤＣ電力バスに供給される。ブロック４８０６では、電力が第２の一次電源からこの第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給される。ブロック４８０８では、第１の一次電源からの電圧がハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける正の高電圧に引き上げられる。ブロック４８１０では、第２の一次電源からの電圧がハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける負の高電圧に引き下げられる。プロセスはブロック４８１２において終了する。
【０１９９】
図４９は電力システムの別のプロセスを説明するフローチャート４９００である。プロセスはブロック４９０２から始まる。ブロック４９０４では、電力が第１の周期の間に第１の一次電源からこの第１の一次電源と電気的に接続されている第１のローサイドＤＣ電力バスに供給される。ブロック４９０６では、電力が第１の周期の少なくとも一部の間に第２の一次電源からこの第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスに供給される。ブロック４９０８では、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位が第１の周期の間に第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げられる。ブロック４９１０では、ハイサイドＤＣ電力バスの第２の電圧レールにおける電位が第１の周期の少なくとも一部の間に第２のローサイドＤＣ電力バスの低電位以下に引き下げられる。ブロック４９１２では、第２の一次電源からこの第２の一次電源と電気的に接続されている第２のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給が第２の周期の間に中止される。ブロック４９１４では、第２の周期の間の第１の一次電源から第１のローサイドＤＣ電力バスへの電力の供給が継続される。ブロック４９１６では、ハイサイドＤＣ電力バスの第１の電圧レールにおける電位が第２の周期の間に第１のローサイドＤＣ電力バスの高電位以上に引き上げられる。プロセスはブロック４９１８において終了する。
【０２００】
図５０は電力システムの別のプロセスを説明するフローチャート５０００である。プロセスはブロック５００２から始まる。ブロック５００４では、第１の一次電源の正のＤＣ電圧がより高い正のＤＣ電圧にステップアップされる。ブロック５００６では、第２の一次電源の負のＤＣ電圧がより低い負のＤＣ電圧にステップダウンされる。第１の一次電源および第２の一次電源は直列に接続されている。プロセスはブロック５００８において終了する。
【０２０１】
図５１は電力システムを動作させるさらに別のプロセスを説明するフローチャート５１００である。プロセスはブロック５１０２から始まる。ブロック５１０４では、電力が先ず第１の一次電源および第２の一次電源によって生成される。第１の一次電源および第２の一次電源は直列に接続されている。ブロック５１０６では、第１の一次電源の正のＤＣ電圧が先ずより高い正のＤＣ電圧にステップアップされる。ブロック５１０８では、第２の一次電源の負のＤＣ電圧が先ずより低い負のＤＣ電圧にステップダウンされる。ブロック５１１０では、第２の一次電源によって生成された電力が低減される。ブロック５１１２では、第１の一次電源の正のＤＣ電圧がさらにより高い第２の正のＤＣ電圧にステップアップされる。プロセスはブロック５１１４において終了する。
【０２０２】
明細書および請求項において使用されているように、術語「一次電源」は高電圧バス２６用の一次電源を意味する。幾つかの実施形態においては、この「一次電源」を電気機械１４用の一次電源として使用することもできる。別の実施形態においては、例えば電力変換システム１２が無停電電源（ＵＰＳ）または他のバックアップ用電源である場合には、「一次電源」を電気機械１４用の第２の電源または補助的な電源として使用することができる。
【０２０３】
前述の詳細な説明は、デバイスおよび／またはプロセスの種々の実施形態をブロック図、概略図および例を用いて記載している。そのようなブロック図、概略図および例が１つまたは複数の機能および／または動作を含む限り、当業者であれば広範な範囲のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの実際のあらゆる組み合わせによって、そのようなブロック図、フローチャートまたは例における各機能および／または動作を別個におよび／または一緒に実施できることが分かる。１つの実施形態においては、本発明の対象を特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）により実施することができる。しかしながら当業者であれば、本発明の実施形態の全てまたは一部を、１つまたは複数のコンピュータにおいて実行される１つまたは複数のコンピュータプログラム（例えば、１つまたは複数のコンピュータシステムにおいて実行される１つまたは複数のプログラム）として、または１つまたは複数のコントローラ（マイクロコントローラ）において実行される１つまたは複数のプログラムとして、または１つまたは複数のプロセッサ（例えばマイクロプロセッサ）において実行される１つまたは複数のプログラムとして、またはファームウェアとして、またはそれらの実際のあらゆる組み合わせとして、標準的な集積回路において同等に実施でき、また回路設計、および／または、ソフトウェアおよび／またはファームウェアのためのコード記述は本明細書の開示内容を考慮した当業者の能力の範囲内のものである。少なくとも１つの実施形態においてコントローラ２８は、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ１６，１８のパワー半導体スイッチＳ7〜Ｓ12のデューティサイクルを変更することにより、キャパシタＣ1，Ｃ2またはＣIにおける目標出力電圧を維持する。幾つかの実施形態においては、電力変換システムコントローラ２８と燃料電池システムコントローラ１０６と集積されたパワートレインコントローラ（図示せず）との間で制御を調整することができる。
【０２０４】
さらに当業者であれば、上記の制御メカニズムを種々の形態のプログラム製品として配布でき、また実際に配布するために使用される、信号が記憶されている媒体の特定のタイプを問わず、図示されている実施形態を同等に実施できることが分かる。情報が記憶されている媒体の例として以下のものが挙げられるが、これらに制限されるものでもない：フロッピーディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ  ＲＯＭ、ディジタルテープおよびコンピュータメモリのような記録可能なタイプの媒体、またＴＤＭまたＩＰベースの通信リング（例えばパケットリンク）を使用するディジタルおよびアナログの通信リンクのような伝送タイプの媒体。
【０２０５】
上述の種々の実施形態は別の実施形態を提供するために組み合わせることができる。本明細書において参照した、および／または、出願データシートに記載した以下の全ての米国特許、米国公開特許、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許文献（これらに制限されるものでもない）：
２００３年２月７日に出願された米国特許出願第10/360,832号、発明の名称「INTEGRATED TRACTION INVERTER MODULE AND DC/DC CONVERTER」；
２００３年６月３日に発行された米国特許第6,573,682号；
全て２００３年１月３０日に公開された米国特許公開第2003/0022038号、第2003/0022036号、第2003/0022040号、第2003/0022041号、第2003/0022042号、第2003/0022037号、第2003/0022031号、第2003/0022050号および第2003/0022045号；
両方とも２００３年６月１９日に公開された米国特許公開第2003/0113594号および第2003/0113599号；
２００４年１月１５日に公開された米国特許公開第2004/0009380号および２００４年７月１日に公開された米国特許公開第2004/0126635号；
２００４年４月２日に出願された米国特許出願第10/817,052号；２００３年５月６日に出願された米国特許出願第10/430,903号；２００３年５月１６日に出願された米国特許出願第10/440,512号；両方とも２００４年６月２３日に出願された米国特許出願第10/875,797号および米国特許出願第10/875,622号；２００３年１２月１６日に出願された米国特許出願第10/738,926号；２００３年９月１７日に出願された米国特許出願第10/664,808号；速達番号EV529821584USを使用して２００４年１０月１２日に出願された米国特許出願第10/964,000号、発明の名称「INTEGRATION OF PLANAR TRANSFORMER AND/OR PLANAR INDUCTOR WITH POWER SWITCHES IN POWER CONVERTER」および２００４年６月４日に出願された米国特許出願第10/861,319号、
２００４年５月７日に仮出願された米国仮出願特許第60/569,218号；２００４年６月４日に仮出願された米国仮出願特許第60/560,755号；および速達番号EV529821350USを使用して２００４年１０月２０日に仮出願された米国仮出願特許第60/621,012号、発明の名称「POWER SYSTEM METHOD AND APPARATUS」；は参照によりその全ての内容を本明細書の参考文献とする。本発明のさらに別の実施形態を提供するために、必要であれば種々の特許、特許出願、特許公開のシステム、回路およびコンセプトを使用して、本発明のシステムおよび方法の実施形態を変更することができる。
【０２０６】
それらの変更および他の変更を上記の詳細な説明を考慮して本発明のシステムおよび方法に対して行うことができる。一般的に、請求項においては、使用されている術語は本発明を明細書および請求項に記載されている特定の実施形態に制限するものと解するべきではなく、請求項に従って読み取れる全ての電力システムおよび方法を含むものと解するべきである。したがって、本発明は明細書によって制限されるのではなく、請求項によって完全に定められるべき本発明の範囲によって制限される。
【図面の簡単な説明】
【０２０７】
【図１】本発明の実施形態による、直列に接続されている一組の一次電源を負荷に接続する電力変換システムの電気接続図であり、電力変換システムは第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよびＤＣ／ＡＣインバータを包含する。
【図２】図１の電力変換システムに類似する、本発明の１つの実施形態による電力変換システムの電気接続図であり、この電力変換システムは補助的な電源に電力を供給するため、また補助的な電源から電力を供給するために接続されている補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータをさらに包含する。
【図３】図１の電力変換システムに類似する、本発明の別の実施形態による電力変換システムの電気接続図であり、この電力変換システムは補助的な電源に電力を供給するために接続されている補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータをさらに包含する。
【図４】本発明の１つの実施形態による、並列に接続されている一組の一次電源を負荷に接続する電力変換システムの電気接続図であり、電力変換システムは第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ、第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよびＤＣ／ＡＣインバータを包含する。
【図５】図４の電力変換システムに類似する、本発明の１つの実施形態による電力変換システムの電気接続図であり、この電力変換システムは補助的な電源に電力を供給するため、また補助的な電源から電力を供給するために接続されている補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータをさらに包含する。
【図６】図４の電力変換システムに類似する、本発明の１つの実施形態による電力変換システムの電気接続図であり、この電力変換システムは一次電源の内の１つに電力を供給するため、また一次電源の内の１つから電力を供給するために接続されている補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータをさらに包含する。
【図７】一方のモードにおいて電気機械に電力を供給するため、また他方のモードにおいて電気機械から電力を供給するために、図２の第１および第２の三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータの動作を制御するためのゲート制御信号のタイミング図である。
【図８】少なくとも１つのモードにおいて電気機械に電力を供給するために、図２の補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータの動作を制御するためのゲート制御信号のタイミング図である。
【図９】少なくとも別のモードにおいて補助的な蓄積装置に電力を供給するために、図２の補助的なＤＣ／ＤＣ電力コンバータの動作を制御するためのゲート制御信号のタイミング図である。
【図１０】１つのモードにおいて電気機械に電力を供給するために、図６の第１の一次三相インタリーブスイッチモードＤＣ／ＤＣ電力コンバータの動作を制御するためのゲート制御信号のタイミング図である。
【図１１】少なくとも１つのモードにおいて電気機械に電力を供給するために、図６の第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータの動作を制御するためのゲート制御信号のタイミング図である。
【図１２】少なくとも別のモードにおいて補助的な電源ＶAに電力を供給するために、図６の第２の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストＤＣ／ＤＣ電力コンバータの動作を制御するためのゲート制御信号のタイミング図である。補助的な電源は電力蓄積装置である。
【図１３】本発明の実施形態による、２つの燃料電池システムからなる一組の一次電源の概略図である。
【図１４】本発明の実施形態による、幾つかの動作用構成要素を共有している２つの燃料電池スタックを包含している燃料電池システムからなる一組の一次電源の概略図である。
【図１５】本発明の別の実施形態による、単一の燃料電池スタックと１セットの動作用構成要素とを備えた燃料電池システムからなる一組の一次電源の概略図である。
【図１６】本発明の別の実施形態による、直列に接続されている二組の並列型の燃料電池スタックを包含している一次電源トポロジの概略図である。
【図１７】図１の電力変換システムに類似する、電気自動車またはハイブリッド車における電力変換システムの概略図である。
【図１８】少なくとも１つの実施形態による電力モジュールの斜視図である。
【図１９】少なくとも１つの実施形態による、図１８の電力モジュールを分解した部分の斜視図である。
【図２０】接続部を形成する種々の端子が示されている、少なくとも１つの実施形態による電力モジュールの斜視図である。
【図２１Ａ】単層電力モジュールを示している、少なくとも１つの実施形態による電力モジュールの一部の俯瞰図である。ＤＣ／ＤＣ電力コンバータの構成素子がＤＣ／ＡＣ電力コンバータの構成素子の間に物理的に配置されている。
【図２１Ｂ】基板のペアの上部導電層に形成されている導電性領域をより良く示すために、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよびＤＣ／ＡＣ電力コンバータの種々の構成要素および第３の基板が除去されている、図２１Ａの電力モジュールの一部を包含する基板のペアの俯瞰図である。
【図２１Ｃ】第３の基板の上部導電層に形成されている導電性領域をより良く示すために、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよびＤＣ／ＡＣ電力コンバータの種々の構成要素が除去されている、図２１Ａの電力モジュールの一部を包含する第３の基板の俯瞰図である。
【図２１Ｄ】多層基板の配置構成および多層基板間の接続部を示している、図２１Ａの電力モジュールの部分断面図である。
【図２１Ｅ】第３の基板の下部導電層に形成されている導電性領域を示している、図２１Ａの電力モジュールの一部を包含する第３の基板の底面図である。
【図２２】別の実施形態による電力モジュールの斜視図である。
【図２３Ａ】単相電力モジュールを示している、少なくとも１つの実施形態による電力モジュールの一部の俯瞰図である。ＤＣ／ＡＣ電力コンバータの構成素子がＤＣ／ＤＣ電力コンバータの構成素子の間に物理的に配置されている。
【図２３Ｂ】４つの基板の上部導電層に形成されている導電性領域をより良く示すために、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよびＤＣ／ＡＣ電力コンバータの種々の構成要素および第５の基板が除去されている、図２３Ａの電力モジュールの一部を包含する４つの基板の俯瞰図である。
【図２４】一例としてのＭＯＳＦＥＴスイッチに関して、ＲＭＳ電流およびダイオード平均電流を実施例において使用される１００ｋＷの入力電力および２００Ｖの総スタック入力電圧での出力電圧について示したグラフである。
【図２５】６つのスイッチ／ダイオードペアそれぞれに関して、２００Ｖの入力電圧についての一例としてのＭＯＳＦＥＴおよびダイオードの伝導損、並びにダイオード逆回復損失を全ての出力電圧に対して表すグラフである。
【図２６】１００ｋＷの入力電力、２００Ｖの入力電圧および２５０Ｖ〜４３０Ｖの範囲の出力電圧を想定した、上述の実施例に関する効率マッピングを表すグラフである。
【図２７】ＳｉＣダイオードに関する逆回復損失は超高速Ｓｉダイオードよりも遙かに良好であるが、導電損失に関してはＳｉダイオードが有利であることを示すグラフである。
【図２８】ＳｉＣダイオードを用いたシステム効率と超高速Ｓｉダイオードを用いたシステム効率の比較を示すグラフである。
【図２９】ブーストインダクタおよび高電圧バスキャパシタに関する実施例の電流波形を、２００Ｖの入力電圧、また２５０Ｖの出力電圧での全負荷動作について示したグラフである。
【図３０】ブーストインダクタおよび高電圧バスキャパシタに関する実施例の電流波形を、２００Ｖの入力電圧、また４３０Ｖの出力電圧での全負荷動作について示したグラフである。
【図３１】自動車に適している、電気的に直列に接続されている第１のＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２の電力ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを備えたシステムの概略図である。
【図３２】種々の実施形態による、自動車に適した「低品位の」電力システムトポロジの概略図である。
【図３３】種々の実施形態による、自動車に適した「ハイブリッド追従型燃料電池の」電力システムトポロジの概略図である。
【図３４】種々の実施形態による、自動車に適した「ハイブリッド追従型蓄電池の」電力システムトポロジの概略図である。
【図３５】種々の実施形態による、自動車に適した「制御インバータバスハイブリッド型の」電力システムトポロジの概略図である。
【図３６】種々の実施形態による、ＰＥＭ燃料電池構造に関する電池電圧と電流密度の関係を示す分極曲線のグラフである。
【図３７】実施例の電流の増大と廃熱の増加との直接的な関係をさらに示す分極曲線のグラフである。
【図３８】種々の実施形態に関連する、コストの低減についての種々の制約を示すグラフである。
【図３９】実施例の通常動作に関する分極曲線と共にコールドスタートアップに関する分極曲線を示すグラフである。
【図４０】実施例の機能を提供するためにパワーエレクトロニクスを使用するコールドスタート関する分極曲線を示すグラフである。
【図４１】電気的に直列に接続されている第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを備えたシステムの概略図である。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータはそれぞれ単一のインダクタ、スイッチおよびダイオードからなるレッグを包含する。
【図４２】電気的に直列に接続されている第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを備えたシステムの概略図である。第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータはそれぞれ単一のインダクタ、スイッチおよびダイオードからなる複数のレッグをそれぞれ包含する。
【図４３】第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータと第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータが並列に接続されているセットを複数備えた電力システムの概略図である。
【図４４】第１の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータおよび第２の一次ＤＣ／ＤＣ電力コンバータを備えた双方向の電力システムの概略図である。
【図４５】一次エネルギ源から電圧レールへの方向における容量と、電圧レールから一次エネルギ源への方向における容量が異なる双方向のシステムの概略図である。
【図４６】一次電源から負荷を保護するために各レッグにおいて付加的なスイッチが使用されている双方向のシステムの概略図である。
【図４７】本明細書において説明する種々の実施形態を使用する電力システムを動作させる種々のプロセスを説明するフローチャートである。
【図４８】本明細書において説明する種々の実施形態を使用する電力システムを動作させる種々のプロセスを説明するフローチャートである。
【図４９】本明細書において説明する種々の実施形態を使用する電力システムを動作させる種々のプロセスを説明するフローチャートである。
【図５０】本明細書において説明する種々の実施形態を使用する電力システムを動作させる種々のプロセスを説明するフローチャートである。
【図５１】本明細書において説明する種々の実施形態を使用する電力システムを動作させる種々のプロセスを説明するフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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