JP2010508798A - バイポーラ双方向エネルギー平衡化電力変換エンジン - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、連邦政府資金を使用して開発されたのではなく、発明者らにより独自に開発された。
1.「ポート」とは、本発明に外部的に取り付けられる回路の一部を含むように配置される、電気的に関連した端子の対またはグループを意味する。ほとんどのポートは、エネルギー移動ポートである。本電力変換エンジンの動作を制御する目的で、外部回路に対する1つ以上の接続の対を備える制御ポートが存在し得る。
図12は、1つのスイッチ(図1のS5に対応する)および1つのダイオード(図1のS6に対応する)を備える、単純なフライバック変換器形態を使用した増幅器を表す。この同期追加フライバックユニポーラ増幅器は、本発明によるCCM安定性および適応性自己補正の両方を得る方法を具現化している。
図16は、本発明による誘導器電流を循環させたフライバック変換器(図11の状態6)を示す。
(IL>VI*IId*0.45+VO/VP*1.4+(VI−VO)*15+(1−FB)*0.15)である時、BALは真。
不連続モード(DCM)コンバータと比較して、連続伝導モード(CCM)電力変換器に対しエネルギー平衡制御を行う際には、追加の考慮事項を守らなければならない。本実施例、図20Aおよび20Bは、CCMおよびDCMエネルギー平衡が良好に制御された双方向フライバック増幅器を示す。この実施形態は、負荷でのいかなる過剰のエネルギーも源に返されるため、優れた効率を提供する。このデバイスはそれ自身のステップアップ電源として機能するため、従来の調整電源の非効率性は実質的に回避される。示されたシミュレーションの負荷電流は、バイポーラであり、ゼロの周りで対称である。これらの状況下では、エネルギーが交互に、出力リアクタンスへ伝達、またはそこから回収されるため、1回の負荷周期にわたり、正味電力消費はゼロに近い。また、この接続形態および制御方法は、DC基準がAC基準信号の代わりに提供されると、電源として極めて良好に機能する。
過渡応答が最も重要である状況では、負荷への供給に即時に利用可能となるように、スイッチ誘導器に余分なエネルギーを貯蔵することができる。本発明のエネルギー平衡化技術は、誘導器に余分なエネルギーを維持する変換器の制御に有益であることが示された(図10参照)。再循環技術、図18は、余分なエネルギーを誘導的に貯蔵する別の手段である。ここで図22から24に示す5スイッチの実施例は、同じ問題に対応するための別の新規な手法である。ここでも、単純化のために、本実施例はエネルギー平衡のない変換器における新たな技術を示す。改善された効率のために、エネルギー平衡を追加することができる。この場合、調整はほぼ理想的となるが、エネルギー平衡化から得ることができる過渡性能は非常に低い。
状態I=M&F
状態II=M&/F&/X
状態III=/M)&R&/FN
状態IV=/M)&/R)&/FN|/M&/R&FN&/XN
状態V=M&/F&X
状態VI=なし、図16および17においてのみ使用
状態VII=/M&/R&FN&XN
状態VIII=/M&R&FN
式中、引用された信号は、図22および23に示されるもの、および図11の同様の名前の状態に対応し、
「&」は論理AND関数を表し、
「|」は、論理OR関数を表し、
プレフィックス「/」は、そのサフィックスに対して論理NOTを実行する。
SWB2=(I&IS<Ith)|II|IV
SWB3=((III|VII)&IS<Ith)|V
SWB4=V&IS<Ith
SWB5=I|(IV&IS<Ith)
SWB6=(II&IS<Ith)|III|VII
状態V=M&/F&X
フライバック変換器の不連続伝導モード(DCM)と連続伝導モード(CCM)の動作の間に、基本的な差が存在する。
Claims (40)
- 双方向バイポーラエネルギー移動のためのスイッチモード電力変換器であって、
電力入力ポートと、
電力出力ポートと、
一時的なエネルギー貯蔵のための誘導反応器と、
前記電力入力ポート、前記出力ポート、および前記誘導反応器を接続するための複数のスイッチデバイスと、
前記出力ポートでの電圧または電流に応答してフィードバック信号を生成するセンサと、
基準信号と、
前記入力および出力ポートの電圧極性が反転型と非反転型との間で切り替えられ得るように、および
いかなる極性に対しても、エネルギーが、前記入力ポートから前記出力ポートへの流れと、前記出力ポートから前記入力ポートへの流れとの間で切り替えられ得るように、前記基準信号およびフィードバック信号に応答してスイッチをオンおよびオフにするための制御回路と、
を備える、スイッチモード電力変換器。 - 前記入力ポートから前記出力ポートへ流れるエネルギーは、ある期間誘導器に貯蔵される、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記入力ポートから前記出力ポートにエネルギーが直接流れる、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記出力ポートから前記入力ポートへ流れるエネルギーは、ある期間誘導器に貯蔵される、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記出力ポートから前記入力ポートにエネルギーが直接流れる、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記制御回路はさらに、前記誘導器に電流を再循環させることができる、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記制御回路はさらに、誘導反応器の充電中に前記誘導反応器内に与えられるエネルギーの量が、前記出力ポートでのチョッピング周期ごとの負荷のエネルギー必要量に近似的に基づくように、前記誘導反応器の充電を制御することができる、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記変換器は、DC/DC電力変換器、AC/AC電力変換器、AC/DC電力変換器、またはDC/AC電力変換器である、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記変換器は、同期または非同期である、請求項1に記載のスイッチモード電力変換器。
- 前記誘導器内の電流が異なる方向に流れる、請求項1に記載の電力変換器。
- 誘導器電流を推定するための回路をさらに備え、前記制御回路は、前記誘導器電流の符号および大きさに基づきスイッチをさらに制御する、請求項1に記載の電力変換器。
- 統合双方向直結型スイッチモード電力変換器であって、
ユニポーラ電力移動ポートと、
バイポーラ電力移動ポートと、
基準信号と、
一時的なエネルギー貯蔵のための誘導器と、
前記ユニポーラポート、前記バイポーラポート、および誘導反応器を直結するための複数のスイッチと、
出力ポートでの電圧または電流に応答してフィードバック信号を生成するセンサと、
前記電力移動ポートの1つでの電圧または電流と、前記基準信号との間の所望の関係を維持するために、前記フィードバック信号に応答して前記スイッチをオンおよびオフにするための制御回路と、
を備え、前記入力および出力ポートの電圧極性が反転型と非反転型との間で切り替えられ得る、統合双方向直結型スイッチモード電力変換器。 - 前記誘導反応器内の電流が異なる方向に流れる、請求項12に記載の電力変換器。
- 誘導器電流を推定するための回路をさらに備え、前記制御回路は、前記誘導器電流の符号および大きさに基づき前記スイッチをさらに制御する、請求項12に記載の電力変換器。
- スイッチモード電力変換器であって、
電力入力ポートと、
電力出力ポートと、
基準信号と、
エネルギー貯蔵のための誘導反応器と、
前記電力入力ポートからの電力で前記誘導反応器を活性化するための第1のスイッチと、
前記電力出力ポートでの電圧または電流に応答してフィードバック信号を生成するためのセンサと、
前記電力出力ポートでの電圧または電流が前記基準信号との所望の関係に維持されるように前記第1のスイッチを作動するための、前記フィードバック信号に応答する制御回路と、
前記誘導反応器に電流を再循環させるために、前記誘導反応器の端子にわたり低インピーダンス経路を提供するための第2のスイッチと、
誘導器内のエネルギーを推定するための回路と、
前記電力出力ポートの電力必要量に応答して適応する誘導電流のペデスタルを維持するために、誘導エネルギーに応答する制御回路と、
を備える、スイッチモード電力変換器。 - スイッチモード電力変換器であって、
電力入力ポートと、
電力出力ポートと、
基準信号と、
エネルギー貯蔵のための誘導反応器と、
前記電力入力ポートからの電力で前記誘導反応器を活性化するための第1のスイッチと、
前記電力出力ポートでの電圧または電流に応答してフィードバック信号を生成する第1のセンサと、
前記電力出力ポートでの電圧または電流が前記基準信号または入力信号との所望の関係に維持されるように前記第1のスイッチを作動するための、前記フィードバック信号に応答する制御回路と、
前記誘導反応器に電流を再循環させるために、前記誘導反応器の端子にわたり低インピーダンス経路を提供するための第2のスイッチと、
を備え、前記電力変換器は、フライバック、バイポーラ、双方向、または反転型モードで動作する、スイッチモード電力変換器。 - チョッピング周期を有するスイッチモード電力変換器を制御する方法であって、前記変換器は、
誘導反応器と、
少なくとも2つの電力移動ポートと、
基準信号と、
前記電力移動ポートを前記誘導反応器に接続するための複数のスイッチと、
を備え、前記方法は、電力移動ポートでの電圧または電流を前記基準信号との所望の数学的関係に維持するために、誘導反応器電流の符号および大きさに応答して前記スイッチを設定するステップを含む、方法。 - 前記スイッチを設定するステップは、
前記基準信号の大きさおよび符号、
電力移動ポート電圧の大きさおよび符号、および
誘導反応器電流の大きさおよび符号
に基づきモードを選択するステップと、
前記選択されたモードを有効化するように前記スイッチを設定するステップと、
をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - スイッチ設定モードが、前記誘導反応器と、前記電力移動ポートから実質的に切断された低インピーダンス経路に、誘導反応器電流を再循環させる、請求項18に記載の方法。
- 前記基準信号の大きさ、
1つ以上の電力移動ポート電圧の大きさおよび符号、および
誘導反応器電流の大きさおよび符号
に基づき、前記選択されたモードの効果を試験して信号を生成するステップと、
前記信号を優先させて次のモードを開始するステップと、をさらに含む、請求項18に記載の方法。 - 前記選択されたモードの効果の試験は、そのポートに接続され得る任意の反応器のエネルギー必要量を含む電力移動ポートのエネルギー必要量に適合するための、前記誘導反応器内のエネルギーの適正の周期ごとの決定および予測を含む、請求項20に記載の方法。
- 前記選択されたモードの効果の試験は、所与のチョッピング周期内で誘導反応器電流の増加に費やされる追加の時間が、電力移動ポートに送達され得るエネルギーの増加を発生しない条件の、周期ごとの決定および予測を含む、請求項20に記載の方法。
- チョッピング周期を有するスイッチモード電力変換器を操作する方法であって、
誘導反応器活性化モードと、
電力移動ポートへのエネルギー伝達モードと
の間を切り替えるステップを含み、
単一のチョッピング周期中に任意の所与のモードの2つ以上の発生がある、方法。 - 単一のチョッピング周期中に、任意の2つのモードの2つの発生が開始される、請求項23に記載の方法。
- 所与のチョッピング周期の最後のモードが、次のチョッピング周期の始まりのモードとして選択され得る、請求項23に記載の方法。
- スイッチモードフライバック変換器であって、
少なくとも2つの電力移動ポートと、
誘導反応器と、
前記ポートを前記誘導反応器に接続するための複数のスイッチと、
基準信号と、
ポートの電圧または電流に応答するフィードバック信号と、
誘導エネルギーに応答する誘導エネルギー信号と、
予測ペデスタル信号を生成するための、前記フィードバック信号および前記誘導エネルギー信号に応答する演算回路と、
前記スイッチを整流するための制御回路であって、前記フィードバック信号および前記予測ペデスタル信号に応答する制御回路と、
を備え、ポートでの電圧または電流が、前記基準信号との所望の数学的関係に維持される、スイッチモードフライバック変換器。 - 追加の過渡支持エネルギーを供給またはシンクするための、前記制御回路に応答する追加のスイッチ構成をさらに備える、請求項26に記載の変換器。
- 前記誘導エネルギー信号が、誘導器の巻線における電流から生じる、請求項26に記載の変換器。
- 前記誘導エネルギー信号が、磁場センサから生じる、請求項26に記載の変換器。
- 前記誘導エネルギー信号が、前記誘導反応器に印加されている電圧−時間の積の積分から演算される、請求項26に記載の変換器。
- 前記予測ペデスタル信号は電流チョッピング周期の終わりの予測電流に基づき、また周期ごとのペデスタル電流の変化が制限される、請求項26に記載の変換器。
- 前記予測ペデスタル信号は次のチョッピング周期の終わりの予測電流に基づく、請求項26に記載の方法。
- チョッピング周期を有するスイッチモード電力変換器におけるペデスタル電流を制御する方法であって、前記変換器は、
誘導反応器と、
第1および第2のスイッチと、
補助エネルギー源と、を備え、
前記方法は、
チョッピング周期内で、現在の周期の終わりの誘導ペデスタル電流を予測するステップと、
周期ごとのペデスタル電流変化が制限されるように、前記第1のスイッチを制御するステップと、
前記誘導反応器と前記補助エネルギー源との間でエネルギーを移動させるために、前記ペデスタル電流の予測に応答して前記第2のスイッチを制御するステップと、
を含む、方法。 - 前記補助エネルギー源は、反応器、コンデンサ、誘導器、電池、発電機または電源を備える、請求項33に記載の方法。
- 電力入力ポートと、スイッチと、誘導器と、電力出力ポートとを備えるスイッチモード電力変換器を制御する方法であって、
誘導器を活性化するために前記電力入力ポートからエネルギーを伝達するステップと、
前記誘導器から前記電力出力ポートにエネルギーを伝達するステップと、
前記電力出力ポートでの電力を制御するために、前記誘導器を前記出力ポートまたは代替経路に制御可能に接続するステップと、
を含み、前記変換器は、バイポーラ、双方向、反転型、またはフライバックモードで動作する、方法。 - 前記代替経路は、前記誘導器に電流を再循環させる、前記誘導器にわたる低インピーダンス経路または短絡経路である、請求項35に記載の方法。
- 前記電力変換器は、連続伝導モードで動作する、請求項35に記載の方法。
- 前記代替経路は、前記誘導器から再び前記電力入力ポートに電流を流れさせる、前記誘導器と前記電力入力ポートとの間の電気的経路である、請求項35に記載の方法。
- 前記変換器の基本チョッピング期間を分割するための高速クロックの適用をさらに含む、請求項35に記載の方法。
- 前記変換器はフライバック変換器であり、前記電力出力ポートでの電圧は、前記電力入力の電圧を下回るように制御され、前記方法は、前記フライバックモードの期間を短縮するステップをさらに含む、請求項35に記載の方法。
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