(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
調整された電圧を負荷に提供するように構成されるスリークォータブリッジ電力コンバータであって、
スイッチノードを一層高い電圧に選択的に結合するように構成される第１のスイッチと、
前記スイッチノードを一層低い電圧に選択的に結合するように構成される第２のスイッチと、
前記一層高い及び一層低い電圧の中間のクランプ電圧を蓄積するように構成されるクランプ電圧要素と、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチが前記スイッチノードを前記一層高い電圧及び一層低い電圧に結合していないとき、前記スイッチノードを前記電圧要素に選択的に結合するように構成される２方向性クランピングスイッチであって、それにより前記スイッチノードを前記クランプ電圧にクランプする、前記２方向性クランピングスイッチと、
協同して前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記２方向性クランピングスイッチとをそれぞれ切り換える制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を発生するように構成される制御回路であって、前記制御信号Ｇ１、Ｇ２が、スイッチング周波数に関連する基準位相の値と前記スイッチング周波数とデューティーサイクルとの双方に関連する可変位相の値とに変換される、スイッチング周波数とデューティーサイクルとに関係する値に基づいて発生され、前記基準位相の値と前記可変位相の値とが所定の分解能を有し、前記基準位相の値と前記可変位相の値との差が前記制御信号Ｇ１、Ｇ２を発生するために用いられ、前記制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３が所定のデューティーファクタ分解能を提供するように前記制御信号Ｇ１と制御信号Ｇ２とが共にアサートされないときに前記スイッチノードを前記クランプ電圧にクランプするために前記制御信号Ｇ３がアサートされる、前記制御回路と、
を含む、電力コンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電力コンバータであって、
前記電圧要素がキャパシタを含む、電力コンバータ。
【請求項３】
請求項１に記載の電力コンバータであって、
前記スイッチノードと前記負荷との間に結合される反応要素を更に含む、電力コンバータ。
【請求項４】
請求項３に記載の電力コンバータであって、
前記反応要素が少なくとも１つのコイル又は変圧器巻線を含む、電力コンバータ。
【請求項５】
請求項４に記載の電力コンバータであって、
前記コイル又は変圧器巻線の電圧を測定するように構成されるシングルエンド電圧センサー、及び
前記コイル又は変圧器巻線を通る電流を測定するように構成されるシングルエンド電流センサー、
の少なくとも１つを更に含む、電力コンバータ。
【請求項６】
請求項３に記載の電力コンバータであって、
前記反応要素が、前記スイッチノードと前記負荷に結合された出力ノードとの間に結合されるキャパシタであり、
前記キャパシタが前記電圧要素を含むように、前記２方向性クランピングスイッチが前記出力ノードと接地との間に結合される、電力コンバータ。
【請求項７】
請求項１に記載の電力コンバータであって、
前記制御回路が、ダイレクトデジタル合成に基づいて構成され、
スイッチング周波数の値を受け取るように構成される位相アキュムレータと、
前記位相アキュムレータの出力とデューティーサイクルの値とを加算するように構成される加算器と、
それぞれ前記基準位相の値と前記可変位相の値とに対応する、前記位相アキュムレータの出力の最上位ビットと前記加算器の出力の最上位ビットとを識別するように構成される、少なくとも１つの抽出ユニットと、
前記最上位ビットを用いて前記制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を生成するように構成される組合せロジックと、
を含む、電力コンバータ。
【請求項８】
請求項１に記載の電力コンバータであって、
前記一層高い電圧が供給電圧を含み、
前記一層低い電圧が接地を含み、更に、
前記クランプ電圧が前記供給電圧のほぼ２分の１である、
電力コンバータ。
【請求項９】
システムであって、
負荷と、
前記負荷に電力を供給するように構成されるスリークォータブリッジ電力コンバータと、
を含み、
前記電力コンバータが、
スイッチノードを一層高い電圧に選択的に結合するよう構成される第１のスイッチと、
前記スイッチノードを一層低い電圧に選択的に結合するように構成される第２のスイッチと、
前記一層高い及び一層低い電圧の中間のクランプ電圧を蓄積するように構成されるクランプ電圧要素と、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチが前記スイッチノードを前記一層高い電圧及び一層低い電圧に結合していないとき、前記スイッチノードを前記電圧要素に選択的に結合するように構成される２方向性クランピングスイッチであって、それにより前記スイッチノードを前記クランプ電圧にクランプする、前記２方向性クランピングスイッチと、
協同して前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記２方向性クランピングスイッチとをそれぞれ切り換える制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を発生するように構成される制御回路であって、前記制御信号Ｇ１、Ｇ２が、スイッチング周波数に関連する基準位相の値と前記スイッチング周波数とデューティーサイクルとの双方に関連する可変位相の値とに変換される、スイッチング周波数とデューティーサイクルとに関係する値に基づいて発生され、前記基準位相の値と前記可変位相の値とが所定の分解能を有し、前記基準位相の値と前記可変位相の値との差が前記制御信号Ｇ１、Ｇ２を発生するために用いられ、前記制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３が所定のデューティーファクタ分解能を提供するように前記制御信号Ｇ１と制御信号Ｇ２とが共にアサートされないときに前記スイッチノードを前記クランプ電圧にクランプするために前記制御信号Ｇ３がアサートされる、前記制御回路と、
を含む、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、
前記電圧要素がキャパシタを含む、システム。
【請求項１１】
請求項９に記載のシステムであって、
前記スイッチノードと前記負荷との間に結合される反応要素を更に含む、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記反応回路が少なくとも１つのコイル又は変圧器巻線を含む、システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記電力コンバータが、
前記コイル又は変圧器巻線の電圧を測定するように構成されるシングルエンド電圧センサー、及び、
前記コイル又は変圧器巻線を通る電流を測定するように構成されるシングルエンド電流センサー、
の少なくとも１つを更に含む、システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記反応要素が、前記スイッチノードと前記負荷に結合された出力ノードとの間に結合されるキャパシタであり、
前記キャパシタが前記電圧要素を含むように、前記２方向性クランピングスイッチが前記出力ノードと接地との間に結合される、システム。
【請求項１５】
請求項９に記載のシステムであって、
前記制御回路が、ダイレクトデジタル合成に基づいて構成され、
スイッチング周波数の値を受け取るように構成される位相アキュムレータと、
前記位相アキュムレータの出力とデューティーサイクルの値とを加算するように構成される加算器と、
それぞれ前記基準位相の値と前記可変位相の値とに対応する、前記位相アキュムレータの出力の最上位ビットと前記加算器の出力の最上位ビットとを識別するように構成される、少なくとも１つの抽出ユニットと、
前記最上位ビットを用いて前記制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を生成するように構成される組合せロジックと、
を含む、システム。
【請求項１６】
請求項９に記載のシステムであって、
前記スリークォータブリッジ電力コンバータが、多数の送信コイル又は変圧器巻線を含むマトリックスを含むワイヤレス電力トランスミッタの一部分を含み、
前記負荷がワイヤレス電力レシーバを含む、
システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムであって、
前記一層高い電圧が供給電圧を含み、
前記一層低い電圧が接地を含み、更に、
前記クランプ電圧が前記供給電圧のほぼ２分の１である、
システム。
【請求項１８】
ハーフブリッジ電力コンバージョンの方法であって、
それぞれ第１のスイッチ及び第２のスイッチを用いて、スイッチノードを、一層高い電圧及び一層低い電圧に繰り返し結合することと、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチが前記スイッチノードを前記一層高い電圧及び一層低い電圧に結合していないとき、前記スイッチノードを前記一層高い及び一層低い電圧の中間のクランプ電圧に選択的に結合することであって、それにより前記スイッチノードを前記クランプ電圧にクランプする、前記選択的に結合することと、
協同して前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記２方向性クランピングスイッチとをそれぞれ切り換える制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を発生することであって、スイッチング周波数に関連する基準位相の値と前記スイッチング周波数とデューティーサイクルとの双方に関連する可変位相の値とに変換される、スイッチング周波数とデューティーサイクルとに関係する値に基づいて前記制御信号Ｇ１、Ｇ２を発生することを含み、前記基準位相の値と前記可変位相の値とが所定の分解能を有し、前記基準位相の値と前記可変位相の値との差が前記制御信号Ｇ１、Ｇ２を発生するために用いられ、前記制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３が所定のデューティーファクタ分解能を提供するように前記制御信号Ｇ１と制御信号Ｇ２とが共にアサートされないときに前記スイッチノードを前記クランプ電圧にクランプするために前記制御信号Ｇ３がアサートされる、前記発生することと、
を含む方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、
前記スイッチノードをクランプ電圧に選択的に結合することが、負荷に結合される出力ノードを接地に選択的に結合することにより達成され、前記スイッチノードと前記出力ノードとの間に結合されるキャパシタの電圧が前記クランプ電圧を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、
多数の送信コイル又は変圧器巻線を含むマトリックスを含む無線電力送信機での使用に適合され、無線電力が無線電力受信機を含む負荷に供給される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は全般的に電力コンバータに関する。更に詳細には、本開示はワイヤレス電力伝送用途及び他の用途のためのスリークォータブリッジ電力コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
幅広い用途において、様々な電力変換アーキテクチャが開発され使用されてきた。２つの一般的な電力変換アーキテクチャは、ハーフブリッジアーキテクチャとフルブリッジアーキテクチャである。
【０００３】
対称駆動を用いるハーフブリッジアーキテクチャの不利な点は、最大駆動デューティーファクタ未満である場合、ハーフブリッジのスイッチがアクティブ（導電中）ではないデッドタイム」が存在することである。そのため、スイッチのボティダイオードを通って電流が流れ、その結果、著しい損失（しばしば、Ｉ２Ｒ規模以上の損失）となりうる。スイッチと並列にショットキーダイオードを配置することが助けになりうるが、それでもなお動作条件によっては著しいショットキー損失となりうる。非対称駆動によってデッドタイム問題を解決できるが、その結果、典型的に波形品質が劣悪になり、整合ネットワークにおいて更に低いインピーダンスを必要とし得る点が不利である。これがハーフブリッジ循環ＲＭＳ電流を増大させ、それが更に損失を増大させる。
【０００４】
位相変調を用いるフルブリッジアーキテクチャは、常に電流が２つの作動されたスイッチを通って流れるので、デッドタイム問題を解決することができる。しかしながら、フルブリッジアーキテクチャでは、負荷を高コモンモード電圧で差動的に駆動させ、これが或る用途では著しい欠陥となりうる。
【０００５】
本開示及びその特徴を更に完全に理解するために、添付の図面に関連して、以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示に従った例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部を示す。
【図２】本開示に従った例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部を示す。
【図３】本開示に従った例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部を示す。
【図４】本開示に従った例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部を示す。
【図５】本開示に従った例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部を示す。
【図６】本開示に従った例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部を示す。
【０００７】
【図７】本開示に従ったスリークォータブリッジ電力コンバータのための例示の制御回路を示す。
【０００８】
【図８】本開示に従った多数の送信コイルを備える例示のスリークォータブリッジ電力コンバータを示す。
【０００９】
【図９】本開示に従った電流及び電圧検知機器を備える例示のスリークォータブリッジ電力コンバータを示す。
【００１０】
【図１０】本開示に従ったスリークォータブリッジ電力コンバータを用いる電力変換のための例示の方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に説明する図１〜図１０、及び本明細書中で本発明の原理を説明するために用いられる種々の実施形態は、単に説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するためのものとして解釈すべきではない。当業者は、適切に配置された任意の種類の装置又はシステムにおいても本発明の原理を実現することが可能であることを理解するであろう。
【００１２】
図１〜図６は、本開示に従った例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部を示す。これらの新規のスリークォータブリッジ電力コンバータトポロジーは、幅広い用途で用いることができる。スリークォータブリッジ電力コンバータは、基本的なハーフブリッジアーキテクチャの多くの利点を維持したままで、対称性パルス幅変調（ＰＷＭ）ハーフブリッジ電力コンバータに関連する整流ダイオード伝導損失を著しく低減するか、実質的に除去することができる。
【００１３】
このアプローチが有用な一例は、磁気的に結合されたワイヤレス電力伝送環境における例である。これらの種類の環境では、電力「トランスミッタ」（変圧器の一次側）が電力「レシーバ」（変圧器の二次側）から物理的に離れている。電力トランスミッタは、電力を送るための任意の適切な構造に相当し、電力レシーバは、電力を受け取るための任意の適切な構造に相当する。事実上は、変圧器の一次側は１つの物理デバイス内に存在し、変圧器の二次側は完全に別のデバイス内に存在する。更に、レシーバ（二次）コイルは各種の形状及びサイズであってよく、トランスミッタ及びレシーバが別々の会社で製造されてもよい。概して、この環境は他の分離された電力コンバータスキームと比べ特異である次のような幾つかの課題を提起する。
・正確な結合係数ｋが未知であり、分離された電力コンバータの典型的なものより低いため、変圧比が容易に予測できないこと、
・電磁干渉（ＥＭＩ）を最小化し、反応インピーダンス整合の利用を可能にするために、波形ができるだけ正弦波でなければならないこと、
・一次側と二次側が同一コア上ではなく、トランスミッタコイルがレシーバコイルよりもはるかに大きい可能性があるため、コア内に収容されない磁束線が存在しうること、
・機器を単純化し、多数の送信コイルのマトリックス間のスイッチングを容易にするために、送信（一次）コイルの片側を接地に結合することが好ましいこと。
これらの環境又は他の環境において、動作中の電力損失を低減するために、以下で説明するスリークォータブリッジ電力コンバータを用いることができる。
【００１４】
図１は第１の例のスリークォータブリッジ電力コンバータ１００を示す。図１に示すように、電力コンバータ１００は、ハーフブリッジ電力コンバータアーキテクチャで用いられる典型的なスイッチに相当するスイッチ１０２〜１０４を含む。スイッチ１０２は供給電圧Ｖ＋を受け取るように結合され、スイッチ１０４は接地に結合される。Ｖ＋及び接地電圧はレール電圧に相当する。スイッチ１０２は、制御信号Ｇｌの制御下で、供給電圧Ｖ＋をスイッチノード１０６に選択的に結合することができる。スイッチ１０４は、制御信号Ｇ２の制御下で、スイッチノード１０６を接地に選択的に結合することができる。スイッチ１０２〜１０４の各々は、ＭＯＳＦＥＴ又は他のトランジスタデバイス等の任意の適切なスイッチ構造を含む。
【００１５】
スイッチノード１０６は、この例では出力キャパシタ１１０と直流（ＤＣ）ブロックキャパシタ１１２に結合されているインダクタ１０８に結合される。インダクタ１０８は、任意の適切なインダクタンスを有する任意の適切な誘導性構造に相当する。キャパシタ１１０〜１１２の各々は、任意の適切なキャパシタンスを有する任意の適切な容量性構造に相当する。
【００１６】
また、キャパシタ１１２は、この例では変圧器１１４の一次側に相当するコイルに結合される。変圧器１１４の二次側は負荷１１６に結合される。変圧器１１４は、分離された方式で電力を転送するための任意の適切な構造を含む。変圧器１１４の各側は、任意の巻数のコイル等の任意の適切な構造を有してもよい。上述のように、変圧器１１４の一次側は、電力コンバータ１００の中及び電力コンバータ１００の外に切り替え可能な異なる送信コイルのマトリックスを含んでもよい。
【００１７】
スリークォータブリッジアーキテクチャを形成するために、第３のスイッチ１１８が電力コンバータ１００に付加される。第３のスイッチ１１８は、スイッチノード１０６をエネルギーストレージ又はエネルギー源に選択的に結合する。この場合、エネルギーストレージ又はエネルギー源は、キャパシタ１２０によって形成される電力ストレージ構成要素であるが、任意の他の適切なエネルギー源又はエネルギーストレージ構成要素を用いることもできる。キャパシタ１２０は、任意の適切なキャパシタンスを有する任意の適切な容量性構造を含む。幾つかの実施形態では、リップルがスイッチ１１８のオン時間中の電流フローの厳密な関数となりうる。実際には、キャパシタ１２０内の誘電性損失を減らす又は最小限にするために、キャパシタ１２０のリップルを数百ミリボルトに制限することが有益でありうる。これは、キャパシタ１２０のサイズを大きくすることで達成可能である。
【００１８】
スイッチ１１８は、制御信号Ｇ３の制御下で、スイッチノード１０６をエネルギーストレージ又はエネルギー源に選択的に結合することができる。スイッチ１１８は、エネルギーストレージ又はエネルギー源を特定のノードに結合するための任意の適切な構造を含む。例えば、スイッチ１１８は双方向ブロック機能を提供する構造に相当しうる。幾つかの実施形態では、直列に結合されたＭＯＳＦＥＴトランジスタ（又は他の種類のトランジスタ）を用いて、スイッチ１１８が実装できる。例えば、それらのソース端子が共に結合され、それらのゲート端子が制御信号Ｇ３を受け取るように構成される、２つのＭＯＳＦＥＴを用いてスイッチ１１８が形成されてもよい。ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子は、エネルギーストレージ又はエネルギー源及びスイッチノード１０６に結合されてもよい。特定の実施形態では、電力コンバータ１００は、合計４個のＭＯＳＦＥＴ又は他のスイッチを用いうる。
【００１９】
動作中、（スイッチ１０２〜１０４を制御するための）制御信号Ｇｌ及びＧ２は、ハーフブリッジアーキテクチャで用いられる信号と同じであってよい。両方の制御信号Ｇｌ及びＧ２がアサートされないとき（オフのとき）は常に、（スイッチ１１８を制御するための）制御信号Ｇ３がアサートされうる（オンになる）。その結果、スイッチ１０２〜１０４が両方ともオフにされる（導電していない）とき、スイッチ１１８がオンになる（導電する）。従ってスイッチノード１０６の電圧がハーフブリッジの電圧と同様でありうるが、スイッチ１１８のオン時間の間、電圧はキャパシタ１２０に蓄積された電圧Ｖ１２０（又は別のエネルギーストレージ又はエネルギー源からの電圧）にクランプされる点が異なる。実装例に応じて、電圧Ｖ１２０は供給電圧Ｖ＋の２分の１に平均しうる。
【００２０】
このように、スリークォータブリッジ電力コンバータ１００は、その動作中の「デッドタイム」を低減又は除去することができ、そのため、スイッチノード１０６が、電力レール、電力ストレージ構成要素、又は他のエネルギーストレージ又はエネルギー源に常時接続される。これによって整流ダイオード導電損失を実質的に除去できる。
【００２１】
負荷１１６は、電力コンバータ１００から電力を受け取るための任意の適切な構造に相当する。負荷１１６は、例えば、電力コンバータ１００からワイヤレスで電力を受け取るためのワイヤレス電力レシーバを含んでもよい。ワイヤレス電力レシーバは、携帯電話、携帯コンピュータ、又は他の電子デバイス等の、一層大きいデバイスの一部を形成してもよい。また、負荷１１６は、可逆のＤＣ又はＡＣモータ等のモータに相当しうる。ＲＬ負荷等の任意の他の適切な負荷１１６を用いることもできる。
【００２２】
図２は図１のスリークォータブリッジ電力コンバータ１００に関連してシミュレートされた波形の例を示す。図２に示すように、制御信号Ｇｌ及びＧ２は、スイッチ１０２〜１０４をオンにするためのパルスを含む。制御信号Ｇｌ及びＧ２が５０％デューティーファクタを定義する場合、スイッチ１０２〜１０４のいずれも導電していないときにデッドタイムがゼロになりうる。しかしながら、図２に示すように、一層低いデューティーファクタでは、制御信号Ｇｌ及びＧ２におけるパルス間に著しいデッドタイムが存在しうる。上述のように、制御信号Ｇｌ及びＧ２の両方が低いときに、制御信号Ｇ３が高にパルスし、それによって、スイッチ１１８がアクティブにされて、ノード１０６をキャパシタ１２０に結合する。これが電力コンバータ１００のデッドタイムを低減又は除去するのに役立つ。
【００２３】
また、図２は、スイッチノード１０６の電圧（Ｖ１０６）、インダクタ１０８を通る電流（ＩＬ）、及びキャパシタ１２０の電圧（Ｖ１２０）を示す。更に図２は、３つのスイッチ１０２、１０４、１１８を通る電流（Ｉ１０２、Ｉ１０４、及びＩ１１８）も示す。図２に示すように、スイッチ１０２〜１０４がスイッチノード１０６をソース電圧Ｖ＋と接地に交互に結合する際に、スイッチノード１０６の電圧Ｖ１０６が高レベルと低レベルとの間でスイングするだけではない。これら時間の間（デッドタイムともいう）は、スイッチノード１０６はキャパシタ１２０に結合され、この例では、ソース電圧Ｖ＋のほぼ２分の１の電圧を受ける。
【００２４】
ここでシミュレートされた波形は、特定の制御信号対インダクタ電流ＩＬの位相関係を示す。これは、シミュレーションのために選択された共振周波数と動作周波数の関数である。異なる選択は異なる位相関係を生じさせることができる。スリークォータブリッジ電力コンバータ１００の動作では、すべてのスイッチ電流（Ｉ１０２、Ｉ１０４、及びＩ１１８）での共振回路が、導電された電流ＩＬの３６０°を占める必要は特にない。そのため理論上、電流ＩＬは低抵抗のパスに常に流れうる。実際には、スイッチ動作の間のオーバーラップしていない時間を用いて電流のシュートスルーが無いことを確認するのが典型的である。
【００２５】
図３は第２の例のスリークォータブリッジ電力コンバータ３００を示す。図３に示すように、電力コンバータ３００はスイッチノード３０６に結合されたスイッチ３０２〜３０４、インダクタ３０８、及び出力キャパシタ３１０を含む。キャパシタ３１０は、この例では変圧器３１４の一次側に相当するコイルに結合される。負荷３１６が変圧器３１４の二次側に結合され、ワイヤレス電力レシーバに相当しうる。スイッチ３１８がキャパシタ３２０等のエネルギーストレージ又はエネルギー源をスイッチノード３０６に結合する。図３では、電力コンバータ３００は、インダクタ３０８、出力キャパシタ３１０、及び変圧器３１４の一次側によって形成される直列共振を用いて動作する。
【００２６】
図４は第３の例のスリークォータブリッジ電力コンバータ４００を示す。図４に示すように、電力コンバータ４００は、スイッチノード４０６に結合されたスイッチ４０２〜４０４を含む。出力キャパシタ４１０が、スイッチノード４０６と、この例では、変圧器４１４の一次側に相当するコイルとに結合される。負荷４１６が変圧器４１４の二次側に結合され、ワイヤレス電力レシーバに相当しうる。スイッチ４１８が、キャパシタ４２０等のエネルギーストレージ又はエネルギー源をスイッチノード４０６に結合する。図４では、電力コンバータ４００は、出力キャパシタ４１０、及び変圧器４１４の一次側の漏れインダクタンスによって形成される直列共振を用いて動作する。
【００２７】
図５は第４の例のスリークォータブリッジ電力コンバータ５００を示す。図５に示すように、電力コンバータ５００は、スイッチノード５０６に結合されたスイッチ５０２〜５０４を含む。ＤＣブロックキャパシタ５１２が、スイッチノード５０６と、ここでは変圧器５１４の一次側に相当するコイルに結合される。負荷５１６が、変圧器５１４の二次側に結合される。スイッチ５１８が、ＤＣブロックキャパシタ５１２と変圧器５１４との間のノード５２２に結合される。スイッチ５１８は、ノード５２２を接地に選択的に結合する。図５では、電力コンバータ５００は非共振方式で動作する。しかしながら、デッドタイムに関連する問題を避けるため、スイッチ５０２〜５０４の非導電時間の間スイッチ５１８がオンにされたままでもよい。この実施形態では、キャパシタ５１２は、スイッチノード５０６に結合されたエネルギーストレージ又はエネルギー源として効果的に動作し、またスイッチ５１８は、キャパシタ５１２の電圧がスイッチノード５０６に現れる。
【００２８】
図６は第５の例のスリークォータブリッジ電力コンバータ６００を示す。図６に示すように、電力コンバータ６００は、スイッチノード６０６に結合されたスイッチ６０２〜６０４を含む。ＤＣブロックキャパシタ６１２がスイッチノード６０６と、この例ではインダクタ６１４及びレジスタ６１５として示される負荷６１６に結合される。スイッチ６１８が、ＤＣブロックキャパシタ６１２と負荷６１６との間のノード６２２に結合される。スイッチ６１８はノード６２２を接地に選択的に結合する。図６では、電力コンバータ６００は、ワイヤレス電力伝送システムではなく、誘導性負荷を備えて、非共振、及び非分離方式で動作する。しかしながら、ここでも更に、デッドタイムに関連する問題を避けるため、スイッチ６０２〜６０４の非導電時間の間スイッチ６１８がオンにされたままでもよい。この実施形態では、キャパシタ６１２は、スイッチノード６０６に結合されたエネルギーストレージ又はエネルギー源として効果的に動作し、またスイッチ６１８は、キャパシタ６１２の電圧がスイッチノード６０６に現れる。
【００２９】
従来のハーフブリッジアーキテクチャと比べて、スリークォータブリッジ電力コンバータは、波形対称性を妥協することなく、改善された性能を有することができる。従来のフルブリッジアーキテクチャと比べて、スリークォータブリッジ電力コンバータは、接地に接続された一次側を備える変圧器を有することができる。それによって送信コイルのマトリックス間のスイッチングが容易に行えるようになり、変圧器の電圧及び電流の測定が容易に行えるようになる。
【００３０】
図１から図６は、スリークォータブリッジ電力コンバータ及び関連する細部の例を示すが、種々の変更を図１から図６に行うことができる。例えば、上述のスリークォータブリッジ電力コンバータの各構成要素は、任意の適切な方式で実装することができる。また、図２に示す波形は単に説明のためのものであり、スリークォータブリッジ電力コンバータが実装例に応じて、異なる波形を使用して動作することもできる。更に、電力コンバータの動作中エネルギーをソーシング／シンキングするためのメカニズムとしてキャパシタを用いることは単に例示のためである。他のエネルギーストレージ要素又はエネルギー源を用いることもできる。例えば、他の実施形態では、キャパシタを、ほぼＶ＋／２の電圧を出力する双方向コンバータに置き換えることもできる。双方向コンバータは、同期バックモードで動作することによって、第３のスイッチ１１８、３１８、４１８にエネルギーをソーシングすることができ、同期ブーストモードで動作することによって、スイッチ１１８、３１８、４１８からエネルギーをシンキングする（及びそれをＶ＋に戻す）ことができる。更に、図１から図６の種々の構成要素は、組み合わせ、省略、又は更なる細分化を行うこともでき、また、特定のニーズに合わせて付加的な構成要素を追加することもできる。更に、本明細書中の、任意の電力コンバータが、通常のハーフブリッジ動作中に、多数のスイッチを用いて、一層高い電圧Ｖ＋及び一層低い電圧（必ずしも接地である必要はない）等の異なる電圧レールにスイッチノードを選択的に結合することもできる。
【００３１】
図７は本開示に従ったスリークォータブリッジ電力コンバータのための例示の制御回路７００を示す。制御回路７００は、例えば、上述又は後述の任意のスリークォータブリッジ電力コンバータのための制御信号Ｇ１〜Ｇ３を生成するために用いられうる。この例では、制御回路７００はハイブリッドのアナログ及びデジタルアプローチを用いて制御信号を生成する。
【００３２】
図７に示すように、制御回路７００は周波数ワードユニット７０２及びデューティーワードユニット７０４を含む。これらのユニット７０２〜７０４は電力コンバータの駆動に用いられる制御信号の周波数及びデューティーサイクルを示す値を出力する。これらの値は、２４ビット値でありうる。位相アキュムレータ７０６が周波数ワードユニット７０２の出力を用いて動作する。位相アキュムレータ７０６の出力が加算器７０８に供給され、加算器７０８は位相アキュムレータ７０６の出力をデューティーワードユニット７０４の出力に加算する。
【００３３】
最上位ビット（ＭＳＢ）抽出ユニット７１０を用いて位相アキュムレータの出力の上位ビットが識別され、抽出される。位相アキュムレータの出力の上位ビットは、基準位相として用いられる。ＭＳＢ抽出ユニット７１２を用いて加算器の出力の上位ビットが識別され、抽出される。加算器の出力の上位ビットは可変位相として用いられる。
【００３４】
基準位相と可変位相との間の差を使用して、制御信号Ｇｌ及びＧ２（ここではＰＷＭ信号）が生成される。具体的には、ＭＳＢ抽出ユニット７１０の出力がインバータ７１４及びＡＮＤゲート７２０に供給され、インバータ７１４の出力がＡＮＤゲート７１６に供給される。ＭＳＢ抽出ユニット７１２の出力が、インバータ７１８及びＡＮＤゲート７１６に供給され、インバータ７１８の出力がＡＮＤゲート７２０に供給される。ＡＮＤゲート７１６及び７２０は、それぞれ制御信号Ｇｌ及びＧ２を出力する。ＮＯＲゲート７２２を用いてＧｌ及びＧ２信号の論理ＮＯＲ演算を実行することによって、制御信号Ｇ３が生成される。従って、Ｇｌ又はＧ２のいずれもアサートされないときは常に信号Ｇ３がアサートされる。この例における、デューティーファクタ分解能は約１．２×ｌ０−７であり、これは必要とされるよりもはるかに良好であると思われる。
【００３５】
この例では、制御信号Ｇｌ、Ｇ２、及びＧ３は、１クロック周期の位相ジッタのような低い位相ジッタを有しうる。これは１００ＭＨｚクロックであれば、僅か１０ｎｓの位相ジッタとなる。数学的にはダイレクトデジタル合成（ＤＤＳ）に関連するこの方法論は、本質的にディザリング法を用いることができ、それによってデューティーファクタ平均は次式のとおりとなる（２４ビット値が用いられることを想定）。
デューティ＝（２×デューティーワード）／２２４
共振コンバータの場合は、共振ネットワークの高周波ロールオフによって、負荷におけるジッタを低減することができる。
【００３６】
図７はスリークォータブリッジ電力コンバータのための制御回路７００の一例を示すが、種々の変更を図７に行うことができる。例えば、任意の他の適切な組合せロジック又は他のメカニズムを用いて、適切な制御信号を生成してもよい。また、図７の種々の構成要素は、結合、省略、又は更なる細分化を行ってもよく、また、特定の必要性に応じて付加的な構成要素を追加してもよい。
【００３７】
上述の電力コンバータトポロジーは、様々な用途において用いることができる。例えば、スリークォータブリッジ電力コンバータは、ハーフブリッジコンバータを用いうる任意の用途において有用でありうる。スリークォータブリッジコンバータは、デッドタイムとなりうる任意のデューティーファクタに関して、ハーフブリッジコンバータ（５０％未満のデューティーファクタ）より優れた性能を有する。
【００３８】
スリークォータブリッジコンバータの別の用途は、負荷の片側、又は変圧器の片側を接地に接続することが好ましい状況におけるフルブリッジコンバータの代替としての用途である。これには例えば、多数の送信コイルが使用され、１つ又はそれ以上のコイルがブリッジに選択的に結合されうるような用途が含まれうる。この例は、本開示に従った多数の送信コイルを備える例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ８００を図示した図８に示されている。
【００３９】
図８に示すように、電力コンバータ８００は、ノード８０６をそれぞれソース電圧Ｖ＋及び接地に選択的に結合する、２つのスイッチ８０２〜８０４を含む。また、ノード８０６はスイッチ８１８に結合され、スイッチ８１８はノード８０６をエネルギーストレージ又はエネルギー源（キャパシタ８２０等）に選択的に結合する。この例では、ノード８０６が多数のストリングに結合され、各ストリングが、直列に結合されたコイル８１４ａ〜８１４ｎ（インダクタ等）及びトランジスタ８１５ａ〜８１５ｎ（ＭＯＳＦＥＴ等）を含む。コイル８１４ａ〜８１４ｎは、電力を負荷８１６に送るために用いられる多数のコイルに相当する。コイル８１４ａ〜８１４ｎが、例えば、マルチコイル電力送信パッドの一部を形成することができ、負荷８１６の受信コイル８２２をパッドに対し配置する際にかなりの自由度を許容する。
【００４０】
直列の、キャパシタ８１０ａ〜８１０ｎとトランジスタ８１５ａ〜８１５ｎのボティダイオードとの組合せによって、各ストリング内のＤＣレベルシフトが可能になり、図８の回路の残部からそのストリングを効果的に分離する。小さいバイアス電流（ＦＥＴ漏れ等）が流れて切断を維持する。これによって、単一のＭＯＳＦＥＴを、コイル８１４ａ〜８１４ｎ間の選択を行うためのトランジスタ８１５ａ〜８１５ｎとして用いることが可能となる。
【００４１】
図８は多数の送信コイルを備える例示のスリークォータブリッジ電力コンバータ８００を示すが、種々の変更を図８に行うことができる。例えば、電力コンバータ８００は、任意の数の送信コイルを含むことができる。
【００４２】
別のスリークォータブリッジ電力コンバータが、電流及び電圧検知機器の使用を伴うこともあり、その例が図９に示される。図９では、スリークォータブリッジ電力コンバータ９００が、ノード９０６に結合されたスイッチ９０２〜９０４を含む。ノード９０６はキャパシタ９１０にも結合される。キャパシタ９１０は、インダクタ又は又は変圧器の一部（ワイヤレス電力伝送コイル等）でありうるコイル９１４に結合される。スイッチ９１８が、エネルギーストレージ又はエネルギー源（キャパシタ９２０等）をノード９０６に結合する。
【００４３】
この例では、電圧検知ユニット９２４がコイル９１４を横切って結合され、電流検知ユニット９２６がコイル９１４と直列に結合される。電圧検知ユニット９２４は電圧測定のための任意の適切な構造を含み、電流検知ユニット９２６は電流測定のための任意の適切な構造を含む。この例では、スリークォータブリッジアーキテクチャにより検知ユニット９２４〜９２６をシングルエンド方式で使用することが容易になるため、これらのユニットが差動信号方式を使用する必要がなくなる。これは、これらのユニットでの高いコモンモード阻止の必要性を低減又は除去するのに役立つ。
【００４４】
図９は、電流及び電圧検知機器を備える一例のスリークォータブリッジ電力コンバータ９００を示すが、種々の変更を図９に行うことができる。例えば、検知ユニット９２４〜９２６が上述のスリークォータブリッジの任意の実施形態と共に用いられてもよい。また、電力コンバータ９００が検知ユニット９２４〜９２６の１つを含み、他を省略いてもよい。
【００４５】
上述の回路に示す各構成要素は、任意の適切な構造を用いて実装されてもよい。また、これらの図は回路の実装例を示す。これらの回路では、特定のニーズに応じて、構成要素の、追加、省略、組合せ、更なる細分化、又は移動を行ってもよい。また、上述の波形は単に説明のためのものであり、回路の特定の実現例において可能な又はシミュレートされた挙動を示す。
【００４６】
図１０は本開示に従ったスリークォータブリッジ電力コンバータを用いる電力変換のための例示の方法１０００を示す。図１０に示すように、ステップ１００２において、スリークォータブリッジ電力コンバータのために少なくとも１つの駆動信号が受信される。これは、例えば、外部構成要素がスリークォータブリッジ電力コンバータを駆動するための、所望の周波数及びデューティーファクタを識別する１つ又はそれ以上の信号を供給することを含んでもよい。外部構成要素は、外部処理装置又はコントローラ等の、電力コンバータを制御するための任意の適切なソースを意味しうる。
【００４７】
ステップ１００４において、スリークォータブリッジ電力コンバータのスイッチのための制御信号が生成される。これは、例えば、制御回路が電力コンバータのためのＧ１〜Ｇ３制御信号を生成することを含んでもよい。特定な例として、これは、制御回路が、Ｇｌ及びＧ２制御信号を生成して所望のデューティーファクタで電力コンバータを駆動することを含んでもよい。また、これは、Ｇｌ及びＧ２制御信号がイナクティブである（低）ときには常にＧ３制御信号がアクティブ（高）になるように、制御回路がＧ３制御信号を生成することを含んでもよい。
【００４８】
ステップ１００６において、スリークォータブリッジ電力コンバータの第１及び第２のスイッチがオン及びオフにされる。これは、電力コンバータのスイッチノードを、Ｖ＋、及び接地のような、一層高いレール電圧及び一層低いレール電圧に結合するようになされる。スイッチノードが一層高いレール電圧に結合されている時間量対一層低いレール電圧に結合されている時間量がデューティーファクタを定め、第１及び第２のスイッチ両方がオフにされている際に幾らかのデッドタイムが存在しうる。第１及び第２のスイッチは、Ｇｌ及びＧ２制御信号によって制御されてもよい。
【００４９】
ステップ１００８において、第１及び第２のスイッチのオフ時間の間、スイッチノードを電圧に結合するために、第３のスイッチが用いられる。これは、例えば、第３のスイッチを閉じて、キャパシタの電圧をスイッチノードで受け取るようにすることが含まれうる。第１及び第２のスイッチのいずれかによってスイッチノードがレールに結合されているときは常に第３のスイッチが開けられうる。これは、スリークォータブリッジ電力コンバータにおけるデッドタイムを実質的に低減又は除去する。第３のスイッチはＧ３制御信号によって制御されてもよい。
【００５０】
図１０はスリークォータブリッジ電力コンバータを用いる電力変換のための例示の方法１０００を示すが、種々の変更を図１０に行うことができる。例えば、一連のステップとして示されているが、図１０の種々のステップが、重複して実行されてもよく、平行して実行されてもよく、多数回実行されてもよく、又は異なる順で実行されてもよい。
【００５１】
本明細書中に用いられているある種の用語及び語句の定義を記載することは有用であろう。「結合する」という用語及びその派生語は、構成要素間の任意の直接的又は間接的通信を意味するもので、これらの構成要素が互いに物理的に接触しているか否かに拘わらない。「含む（include）」及び「含む（comprise）」という用語及びそれらの派生語は、制限なく含むことを意味する。「又は」という用語は、包括的に「及び／又は」を意味する。「関連する」及び「に関連する」という語句及びそれらの派生語は、「を含む」、「に含まれる」、「と相互接続する」、「を含む」、「に含まれる」、「に接続する」、「と接続する」、「に結合する」、「と結合する」、「と伝達可能である」、「と協働する」、「と交互配置される」、「と並列する」、「に近接する」、「に結合される」、「と結合される」、「を有する」、「の特性を有する」、「に関係する」、「と関係する」等を意味しうる。
【００５２】
本開示は、ある種の実施形態及び全般的に関連する方法を説明してきたが、これらの実施形態及び方法の改変や置き換えが当業者には明らかであろう。従って、実施形態の上述の説明は本開示を限定又は制限するものではない。他の変更、置き換え、及び改変もまた、以下の特許請求の範囲によって定義される本開示の趣旨及び範囲を逸脱することなく可能である。
【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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