JP6496475B2

JP6496475B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP6496475B2
Application number: JP2013191274A
Authority: JP
Inventors: サイジュン・マオ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: CN103684002A; US9537423B2; JP2014068525A; BR102013024325A2; CN103684002B; US20140085953A1; EP2712073A1; BR102013024325B1

Description

本発明の実施形態は、全体として電力変換システムに関し、具体的には電気自動車等で用いられる電力変換システムに関する。

近年、環境汚染及び化石燃料の枯渇に対する対策に焦点を当てた多くの研究があった。具体的には、自動車産業は、主要なエネルギー源としてバッテリを使用する電気自動車（ＥＶ）の研究に努力を集中してきた。一般的に、ＥＶシステムは、バッテリからのエネルギーを、電気自動車を駆動するための駆動用モータに転送するために使用される電力変換システムを必要とする。

例えば、図１は、電気自動車の従来の電力変換システム１０を示す。電力変換システム１０は、バッテリ１１、駆動用モータ１２、直流／直流変換器１３、三相インバータ１４、キャパシタＣ１を含む直流リンク１５、フィルタユニット１６、及び制御ユニット１７を含んでよい。直流／直流変換器１３は、バッテリ１１の直流電圧を昇圧するために使用され、フィルタユニット１６を介してバッテリ１１に電気的に結合される。インバータ１４は、変換器１３からの昇圧された直流電圧を、直流リンク１５を介して三相交流電圧に変換するために使用される。駆動用モータ１２は、電気自動車を駆動するために、インバータ１４からの変換された三相交流電圧を受ける。制御ユニット１７は、直流電圧を三相交流電圧に適宜に変換するために、変換器１３及びインバータ１４にパルス幅変調（ＰＷＭ）コマンドを供給するために使用される。

電圧変換を実現するために、変換器１３及びインバータ１４は、各々、制御ユニット１７のＰＷＭコマンドによって制御される１２のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１２のような、複数のスイッチ素子を含んでよい。従来の電力変換システム１０では、これらのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１２は、シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のようなトランジスタを含んでよい。しかしながら、従来のシリコンＩＧＢＴＳ１〜Ｓ１２は、エネルギー伝達過程中に多くのエネルギーを消費する可能性があり、これは効率を低下させる。他方では、多くの熱を発生するシリコンＩＧＢＴＳ１〜Ｓ１２のため、ヒートシンク（図示せず）をシリコンＩＧＢＴＳ１〜Ｓ１２上に配置する必要がある。これは、追加の空間を必要とし、電気自動車の重量を増加させ、これは、今度はその電力密度及び性能を低下させる。

さらに、電圧の複数の相を達成するために、フィルタユニット１６は、３つの交互配置されたインダクタＬ１、Ｌ２及びＬ３のような複数のインダクタを含んでよい。しかしながら、これらのインダクタＬ１、Ｌ２及びＬ３は、同様に、電気自動車の追加の空間を必要とする可能性がある。

加えて、これらのスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ１２を制御するために、制御ユニット１７は、適切なＰＷＭコマンドを提供すべきである。例えば、図２は、直流／直流変換器１３を制御するための制御ユニット１７の制御概略図を示す。制御ユニット１７は、差分素子１７１及びＰＷＭコマンド生成ブロック１７２を含んでよい。差分素子１７１は、キャパシタＣ１上の帰還直流電圧信号Ｖ_DC#Fbk及び予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ_DC#cmd間の差から計算される直流電圧誤差信号Ｖ_DC#Errを得るために使用される。ＰＷＭコマンド生成ブロック１７２は、直流電圧誤差信号Ｖ_DC#Errにしたがって適切なＰＷＭコマンド（ＰＷＭ＿ｃｍｄ）を生成するために使用される。帰還直流電圧信号Ｖ_DC#Fbkは、キャパシタＣ１上の実際の測定電圧を表し、予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ_DC#cmdは、予め決められた直流電圧を表す。

ＰＷＭコマンド生成ブロック１７２は、ＰＷＭコマンド（ＰＷＭ＿ｃｍｄ）を計算するために、比例積分レギュレータ、リミッタ、差分素子、比較器等のような、いくつかの計算素子を含んでよいことを理解されたい。従来の制御ユニット１７では、予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ_DC#cmdは一定の電圧値である（図２参照）。しかしながら、予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ_DC#cmdは一定の電圧値であり、直流／直流変換器１３は、インバータ１４が交流電力を出力する間に直流電力を出力するため、キャパシタＣ１は、脈動電力を処理するために、十分な静電容量を有するべきである。

これら及び他の理由のため、本発明の実施形態の必要性が存在する。

本明細書に開示される一実施形態によれば、電力変換システムが提供される。電力変換システムは、フィルタユニットと、直流／直流変換器と、直流リンクと、インバータと、制御ユニットと、駆動用モータとを含む。直流／直流変換器は、直流電源の直流電圧を昇圧するために使用され、フィルタユニットを介して直流電源に電気的に結合される。直流／直流変換器は、チャネル逆導通制御により同期整流モードで構成された複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴを含む。インバータは、変換器からの昇圧された直流電圧を、直流リンクを介して多相交流電圧に変換するために使用される。制御ユニットは、直流電圧を、交流駆動型装置を駆動するように構成された交流電圧に変換するために、ＰＷＭコマンドを変換器及びインバータに供給するために使用される。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明が、同じ符号が図面を通じて同じ部分を示す添付図面を参照して読まれるときに、より良く理解されるであろう。

電気自動車の従来の電力変換システムの概略図である。直流／直流変換器を制御するための、図１の従来の電力変換システムの制御ユニットの制御概略図である。一実施形態による電気自動車の電力変換システムの概略図である。他の実施形態による電気自動車の電力変換システムの概略図である。一実施形態による図４の電力変換システムの３つの磁気的に結合されたインダクタの概略図である。他の実施形態による図４の電力変換システムの３つの磁気的に結合されたインダクタの概略図である。一実施形態による直流／直流変換器を制御するための、図３の電力変換システムの制御ユニットの制御概略図である。

本発明の実施形態は電力変換システムに関する。電力変換システムは、フィルタユニットと、直流／直流変換器と、直流リンクと、インバータと、制御ユニットと、駆動用モータとを含む。直流／直流変換器は、直流電源の直流電圧を昇圧するために使用され、フィルタユニットを介して直流電源に電気的に結合される。直流／直流変換器は、チャネル逆導通制御により同期整流モードで構成された複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴを含む。インバータは、変換器からの昇圧された直流電圧を、直流リンクを介して多相交流電圧に変換するために使用される。制御ユニットは、直流電圧を、交流駆動型装置を駆動するように構成された交流電圧に変換するために、ＰＷＭコマンドを変換器及びインバータに供給するために使用される。

別途定義しない限り、本明細書で使用される技術的及び科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されているのと同じ意味を有する。本明細書で使用される用語「第１の」、「第２の」等は、どのような順序、数量、又は重要度を示すものでもなく、ある要素を他の要素と区別するために使用される。また、用語「１つの」は、数量の限定を示さず、少なくとも１つの当該項目の存在を示し、「前面」、「背面」、「底部」、及び／又は「上部」のような用語は、特に断らない限り、単に説明の便宜上使用され、どのような１つの位置又は空間的方向にも限定されない。さらに、用語「結合され」及び「接続され」は、２つの構成要素間の直接的又は間接的な結合／接続間を区別することを意図するものではない。むしろ、そのような構成要素は、特に明記しない限り、直接的又は間接的に結合／接続されてよい。

図３を参照すると、一実施形態による電気自動車の電力変換システム２０が示されている。この図示した実施形態では、電力変換システム２０は、直流電源２１と、交流駆動型装置２２と、三相直流／直流変換器２３と、三相インバータ２４と、キャパシタＣ１を含む直流リンク２５と、フィルタユニット２６と、制御ユニット２７とを含む。フィルタユニット２６は、交互配置されて接続された３つのインダクタＬ１、Ｌ２及びＬ３を含む。直流／直流変換器２３は、直流電源２１の直流電圧を昇圧するために使用され、フィルタユニット２６を介して直流電源２１に電気的に結合される。一実施形態では、直流電源２１はバッテリを表す。インバータ２４は、変換器２３からの昇圧された直流電圧を、直流リンク２５を介して三相交流電圧に変換するために使用される。交流駆動型装置２２は、インバータ２４から変換された三相交流電圧を受ける。一実施形態では、交流駆動型装置２２は、電気自動車を駆動するためにインバータ２４から変換された三相交流電圧を受ける駆動用モータである。制御ユニット２７は、直流電圧を三相交流電圧に適宜に変換するために、変換器２３及びインバータ２４にＰＷＭコマンドを供給するために使用される。他の実施形態では、インバータ２４及び変換器２３の相数は、必要ならば変化してよい。電力変換システム２０は、本明細書では、電気自動車で使用されるものとして説明されているが、電力変換システム２０を、交流電力によって駆動される必要がある他の装置に用いることもできる。さらに、電力変換システム２０の図示の実施形態は、完全性のために直流電源２１及び交流駆動型装置２２を含むが、電力変換システム２０は、これらの要素を含むことを要求される必要はない。

電圧変換を実現するために、変換器２３及びインバータ２４は、各々、制御ユニット２７のＰＷＭコマンドによって制御される１２のスイッチ素子Ｓ１’〜Ｓ１２’のような、複数のスイッチ素子を含む。電力変換システム２０では、これらのスイッチ素子Ｓ１’〜Ｓ１２’は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のようなトランジスタを含む。ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’は、チャネル逆導通制御による同期整流（ＳＲ）モードを有するため、これらは、損失が少ないチャネルに沿って、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’を介して電流を操作することができる。すなわち、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’のゲート端子への正のゲート駆動信号によって、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’の各々を、ソース端子からドレイン端子への逆にされたチャネル伝導にすることができ、これは、損失が少ないチャネルを通る電流経路を作ることができる。したがって、図１の従来の電力変換システム１０と比較すると、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’は、エネルギー伝達過程中により少ないエネルギーを消費することになる。したがって、従来のＩＧＢＴＳ１〜Ｓ１２の代わりにＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’を使用することによって、電力変換システム２０のエネルギー伝達効率は増大する。

さらに、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’はより少ないエネルギーを消費するため、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’によって発生される熱は、従来のＩＧＢＴＳ１〜Ｓ１２によって発生される熱より少ない。したがって、ＳｉＣＭＯＳＦＥＴＳ１’〜Ｓ１２’上に配置されるヒートシンク（図示せず）の数又は体積は、図１のＩＧＢＴＳ１〜Ｓ１２上に配置されるヒートシンクの数又は体積より小さい。

図４を参照すると、他の実施形態による電気自動車の電力変換システム２０が示されている。図３の実施形態と比較すると、図４のこの実施形態は、３つの個別のインダクタＬ１、Ｌ２及びＬ３を、３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃに置き換える。個別のインダクタＬ１、Ｌ２及びＬ３は、各々、個々の磁気コア、及び磁気コアに巻かれたコイル（図示せず）を含み、したがって、個別のインダクタＬ１、Ｌ２及びＬ３の磁気コアの総数は３である。しかしながら、３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃは、共通の磁気コアを一緒に共有し、これは、回路内の物理的空間を節約することができる。さらに、コモンモード循環電流は、３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃの結合係数によって抑制され、磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃは、３つの個別のインダクタＬ１、Ｌ２及びＬ３と比較して、内部のループ循環電流を抑制することができ、これは損失をさらに減少させることができる。以下の段落では、３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃの２つの詳細な実施形態を説明する。

図５を参照すると、一実施形態による図４の電力変換システム２０の３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃの概略図が示されている。この実施形態では、３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃは、共有磁気コア２６２、並びに、３つのコイル‘ａ’、‘ｂ’及び‘ｃ’を含む。共有磁気コア２６２は、電気的に互いに結合された３つの並列磁気柱２６２２、２６２４及び２６２６を含む。３つのコイル‘ａ’、‘ｂ’及び‘ｃ’は、それぞれ、３つの並列磁気柱２６２２、２６２４及び２６２６に巻回される。他の実施形態では、コイル及び磁気柱の数は、変換器２３及びインバータ２４の相数に基づいて変化してよい。

図６を参照すると、他の実施形態による図４の電力変換システム２０の３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃの概略図が示されている。この実施形態では、共有磁気コア２６４、並びに、３つのコイル‘ａ’、‘ｂ’及び‘ｃ’を含む。共有磁気コア２６４はリング状である。３つのコイル‘ａ’、‘ｂ’及び‘ｃ’は、それぞれ、均等にリング状磁気コア２６４の３つの異なる部分に巻回される。３つのコイル‘ａ’、‘ｂ’及び‘ｃ’の巻数比は１：１：１である。３つの磁気的に結合されたインダクタＬａ、Ｌｂ及びＬｃの２つの実施形態を示すが、共有磁気コアは、特許請求された発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、必要に応じて変化してよい。他の実施形態では、磁気的に結合されたインダクタの数を、出力電圧の相数に応じて変更することができる。例えば、５相出力電圧は、上述した同様の回路接続を使用することによって、５つの磁気的に結合されたインダクタを利用することができる。

図７を参照すると、一実施形態による直流／直流変換器２３を制御するための、図３の電力変換システム２０の制御ユニット２７の制御概略図が示されている。少なくともいくつかの実施形態では、制御ユニット２７は、差分素子２７１及びＰＷＭコマンド生成ブロック２７２を含む。差分素子２７１は、キャパシタＣ１上の帰還直流電圧信号Ｖ’_DC#Fbk及び予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ’_DC#cmd間の差から計算される直流電圧誤差信号Ｖ’_DC#Errを得るために使用される。ＰＷＭコマンド生成ブロック２７２は、直流電圧誤差信号Ｖ’_DC#Errにしたがって適切なＰＷＭコマンド（ＰＷＭ＿ｃｍｄ）を生成するために使用される。帰還直流電圧信号Ｖ’_DC#Fbkは、キャパシタＣ１上の実際の測定電圧を表し、予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ’_DC#cmdは、予め決められた直流電圧を表す。

ＰＷＭコマンド生成ブロック２７２は、ＰＷＭコマンド（ＰＷＭ＿ｃｍｄ）を計算するために、比例積分レギュレータ、リミッタ、差分素子、比較器等のような、いくつかの計算素子を含んでよいことを理解されたい。図２の従来の予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ_DC#cmdと比較すると、予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ’_DC#cmdは、能動的な脈動直流電圧信号（図７参照）であり、脈動直流電圧信号Ｖ’_DC#cmdの周波数は、インバータ２４によって変換すべき交流電圧信号の周波数と一致する。例えば、脈動直流電圧信号Ｖ’_DC#cmdは正弦波であってよい。予め決められた直流電圧コマンド信号Ｖ’_DC#cmdは、変換された交流電圧の同じ周波数による能動的な電圧脈動制御を提供するため、キャパシタＣ１は、従来の電力変換システム２０で利用されるキャパシタＣ１と比較して、直流から交流へのより少ないエネルギー変換機能を引き受けることになる。これは、今度は、電力変換システム２０のキャパシタＣ１の静電容量を減少させる。

本発明を、例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、等価物をその要素と置き換えることができることは、当業者によって理解されるであろう。加えて、その本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況又は材料を適合させるように、多くの変更を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために予期される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むことになる。

上述したすべてのこのような目的及び利点を任意の特定の実施形態によって達成することができるとは限らないことを理解すべきである。したがって、例えば、当業者は、本明細書に記載のシステム及び技術は、本明細書に教示又は示唆され得るような他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書に教示されるような１つの利点又は利点のグループを達成又は最適化する方法で実施又は実行されてよいことを理解するであろう。

１０電力変換システム
１１バッテリ
１２駆動用モータ
１３直流／直流変換器
１４三相インバータ
１５直流リンク
１６フィルタユニット
１７制御ユニット
２０電力変換システム
２１直流電源
２２交流駆動型装置
２３三相直流／直流変換器
２４三相インバータ
２５直流リンク
２６フィルタユニット
２７制御ユニット
１７１差分素子
１７２ＰＷＭコマンド生成ブロック
２６２共有磁気コア
２６４共有磁気コア
２７１差分素子
２７２ＰＷＭコマンド生成ブロック
２６２２並列磁気柱
２６２４並列磁気柱
２６２６並列磁気柱
ａ〜ｃコイル
Ｃ１キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ３インダクタ
Ｌａ〜Ｌｃインダクタ
Ｓ１〜Ｓ１２スイッチ素子
Ｓ１’〜Ｓ１２’ スイッチ素子

Claims

フィルタユニットと、
直流電源の直流電圧を昇圧するための多相直流／直流変換器であって、前記フィルタユニットを介して前記直流電源に電気的に結合され、チャネル逆導通制御によって同期整流モードで構成された複数の炭化ケイ素（ＳｉＣ）金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を備え、前記複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴのゲート端子へ供給される正のゲート駆動信号が、前記複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴの各々を、ソース端子からドレイン端子への逆にされたチャネル伝導にする、多相直流／直流変換器と、
直流リンクと、
前記直流／直流変換器からの前記昇圧された直流電圧を、前記直流リンクを介して、交流駆動型装置を駆動する多相交流電圧に変換するためのインバータと、
パルス幅変調（ＰＷＭ）コマンドを前記直流／直流変換器及び前記インバータに供給し、前記直流／直流変換器へのコマンド及び前記インバータへの前記ＰＷＭコマンドが、同じ周波数を有する、制御ユニットとを備える、電力変換システム。
前記インバータは、チャネル逆導通制御によって同期整流モードで構成された複数のＳｉＣＭＯＳＦＥＴを備える、請求項１記載の電力変換システム。
前記インバータは多相インバータである、請求項１または２に記載の電力変換システム。
前記フィルタユニットは、複数の磁気的に結合されたインダクタを備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換システム。
前記複数の磁気的に結合されたインダクタは、共有磁気コア、及び、前記共有磁気コアに巻回された複数の巻線を備える、請求項４記載の電力変換システム。
前記共有磁気コアは、互いに電気的に結合した複数の並列磁気柱と複数のコイルとを備え、前記複数のコイルは、それぞれ、前記複数の並列磁気柱に巻回されている、請求項５記載の電力変換システム。
前記共有磁気コアはリング状であり、前記複数のコイルは、それぞれ、均等にリング状の前記共有磁気コアの３つの異なる部分に巻回されている、請求項６記載の電力変換システム。
前記複数のコイルの巻数比は１である、請求項７記載の電力変換システム。
前記制御ユニットは、
前記直流リンク上の帰還直流電圧信号及び予め決められた直流電圧コマンド信号間の差から計算される直流電圧誤差信号を取得するための差分素子であって、前記予め決められた直流電圧コマンド信号は、能動的な脈動直流電圧信号を含み、前記脈動直流電圧信号の周波数は、前記インバータによって変換すべき前記交流電圧の周波数と一致する、差分素子と、
前記直流電圧誤差信号にしたがってＰＷＭコマンドを生成するためのＰＷＭコマンド生成ブロックとを備える、請求項１乃至８のいずれかに記載の電力変換システム。
前記予め決められた直流電圧コマンド信号は正弦波信号を含む、請求項９記載の電力変換システム。
前記直流リンクはキャパシタを備える、請求項９または１０に記載の電力変換システム。
前記フィルタユニットは、複数の磁気的に結合されたインダクタを備える、請求項９乃至１１のいずれかに記載の電力変換システム。
前記直流電源はバッテリを備え、前記交流駆動型装置は、電気自動車で用いられる駆動用モータを備える、請求項１乃至１２のいずれかに記載の電力変換システム。