(57)【要約】装置および関連システムおよび方法は、一方向電流を負荷に供給し、逆起電力(REMF)を制御し、負荷から誘導性エネルギーを捕獲し、かつ捕獲した誘導性エネルギーを負荷に供給する工程に関しうる。具体例においては、作動サイクルは一連の動作を含みうる。第一に、先行するサイクルで負荷から捕獲された誘導性エネルギーを負荷に供給することができる。第二に、エネルギーを外部電源から負荷に供給することができる。第三に、電源を負荷から切り離すと、REMF電圧を実質的に制御することができる。第四に、後続のサイクルで使用するための誘導性エネルギーを捕獲することにより、負荷電流をゼロにすることができる。いくつかの態様では、一つのパワーステージによってDC誘導性負荷を供給してもよく、または双方向電流をAC負荷に供給するよう一対のパワーステージを作動させてもよい。2009522998.tif 000003
2009522998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ノードに接続された供給源から、出力ノードから負荷に流れる出力電流に伴う磁場へとエネルギーを移すために、作動サイクルの一部分の間に入力ノードを出力ノードに接続する段階、
残りの作動サイクルの間に該入力ノードを該出力ノードから切り離す段階、
作動サイクルの間に該磁場に貯蔵されたエネルギーの一部をエネルギー貯蔵素子に収集する段階、および
収集されたエネルギーを後続の作動サイクル中に該負荷に供給する段階
を含む、エネルギー供給源から負荷へのエネルギー移行を制御する方法。
【請求項２】
出力ノードが入力ノードから切り離されたときに出力電流が流れるための経路を提供することにより、磁場に伴う逆起電力(REMF)電圧を制御する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項３】
REMF電圧を制御する段階が、出力電流が電圧制限回路を通過するための経路を提供する段階を含む、請求項2記載の方法。
【請求項４】
磁場に貯蔵されたエネルギーの一部を収集する段階が、出力電流がキャパシタンスを通過するための経路を提供する段階を含む、請求項1記載の方法。
【請求項５】
収集されたエネルギーを後続の作動サイクル中に負荷に供給する段階が、該収集されたエネルギーを、キャパシタンスから、出力ノードから該負荷に流れる出力電流に伴う磁場へと移す段階を含む、請求項4記載の方法。
【請求項６】
作動サイクルの間に出力電流を実質的にゼロまで低下させるようキャパシタンスを調節する段階をさらに含む、請求項4記載の方法。
【請求項７】
磁場に貯蔵されたエネルギーの一部を収集する段階が、作動サイクルの間に出力電流を実質的にゼロまで低下させる段階を含む、請求項1記載の方法。
【請求項８】
出力電流が出力ノードに対して一方向だけに流れる、請求項1記載の方法。
【請求項９】
エネルギーを供給源に供給するよう交流信号を整流する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１０】
供給源が単極電圧源を含む、請求項1記載の方法。
【請求項１１】
各作動サイクルの期間が約10〜約20ミリ秒の間である、請求項1記載の方法。
【請求項１２】
各作動サイクルの期間が約1〜約30ミリ秒の間である、請求項1記載の方法。
【請求項１３】
各作動サイクルの期間が約50〜約1000マイクロ秒の間である、請求項1記載の方法。
【請求項１４】
各作動サイクルの期間が60マイクロ秒未満である、請求項1記載の方法。
【請求項１５】
各パワーステージが、
単極電圧を有する供給源に接続可能な入力、
インダクタンスを含む負荷に接続可能な出力、
期間の第一の部分および第二の部分の間に該入力を該出力に接続し、該期間の他の部分の間に該入力を該出力から実質的に切り離すように作動可能である入力スイッチを含む、少なくとも一つのパワーステージと、
該期間の第三の部分の間に、該期間の該第二の部分の終了時に該負荷中に存在する誘導性エネルギーを貯蔵するように作動可能であるエネルギー捕獲回路と、
該期間の該第一の部分の間に貯蔵エネルギーを該エネルギー捕獲回路から該入力に供給するように作動可能であるエネルギー回収回路とを含み、
該期間の該第一の部分が該期間の該第二の部分に先行し、該期間の該第二の部分が該期間の該第三の部分に先行する、
エネルギー供給源と抵抗性または誘導性負荷との間でエネルギーを移すためのシステム。
【請求項１６】
期間の第四の部分の間に、負荷インダクタンスに伴う電圧を制限するように作動可能である電圧制限回路をさらに含み、該期間の該第四の部分が、該期間の該第二の部分の終了時から該期間の該第三の部分まで及ぶ、請求項15記載のシステム。
【請求項１７】
制御信号を発するための制御器をさらに含み、入力スイッチが該制御信号に応答して作動する、請求項15記載のシステム。
【請求項１８】
第一の方向で電流を負荷に供給するように結合された第一のパワーステージと、該第一の方向とは反対の方向で電流を負荷に供給するように結合された第二のパワーステージとを含む、請求項15記載のシステム。
【請求項１９】
多相系に配設された複数の対応する負荷を駆動するように結合された複数のパワーステージ対を含み、各パワーステージ対が、
対応する位相負荷に第一の方向で電流を供給するように結合された第一のパワーステージ、および
対応する位相負荷に該第一の方向とは反対の方向で電流を供給するように結合された第二のパワーステージ
を含む、請求項15記載のシステム。
【請求項２０】
制御信号に応答して入力ノードを出力ノードに接続し、切り離す第一のスイッチデバイスと、
貯蔵デバイスと、
該第一のスイッチデバイスが該入力ノードを該出力ノードから切り離したときに、該出力ノードに接続された誘導性負荷から該貯蔵デバイスへとエネルギーを移すことを可能にするよう該出力ノードを該貯蔵デバイスに接続する第二のスイッチデバイスと、
該第一のスイッチデバイスが該入力ノードを該出力ノードに再接続したときにエネルギーを該貯蔵デバイスから該負荷へと移すための回路とを含む、
エネルギー供給源と抵抗性または誘導性負荷との間でエネルギーを移すためのシステム。
【請求項２１】
第一のスイッチデバイスが入力ノードを出力ノードから切り離したときに負荷によって発生する電圧を制限するための電圧制限器をさらに含む、請求項20記載のシステム。
【請求項２２】
制御信号のタイミングを制御するための制御器をさらに含む、請求項20記載のシステム。
【請求項２３】
負荷によって発生する逆起電力を実質的に制御し、該負荷からの貯蔵誘導性エネルギーを各作動サイクル内に捕獲し、戻して後続の作動サイクルで一方向電流を該負荷に供給するように、一方向電流を負荷に供給するための手段、および
各作動サイクルの間に該供給手段に一連の動作を遂行させるための信号を発するための制御器
を含む、装置。
【請求項２４】
制御器が命令を含むメモリを含み、該命令は、プロセッサによって実行されると、各作動サイクル内で発せられる信号のタイミングを調節することによる、入力信号に対する該制御器の応答をもたらす、請求項23記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
様々な態様が誘導性および／または抵抗性負荷の作動に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
多くの電動システムおよびデバイスはインダクタンスを有する。いくつかの誘導性デバイス、たとえばDC(直流)モーター、自動車点火システムおよびいくつかの電磁石は、一方向電流を供給された場合に作動することができる。いくつかの誘導性デバイス、たとえばトランス、AC(交流)モーターおよび蛍光灯は、双方向性電流を供給された場合に作動する。
【０００３】
一般に、誘導性素子は、エネルギーを磁場に貯蔵することができる。典型的には、磁場は、誘導性素子を通過する電流によって支持される。インダクタンスは、磁束経路の特性の関数であることができる。たとえば、いくつかの素子におけるインダクタンスは、磁束経路中のコア(たとえば空気、鋼およびフェライト)の材料性質および／または磁束密度飽和レベルに依存することができる。
【０００４】
誘導性素子の磁場に貯蔵されるエネルギーの量は、インダクタンスおよび電流の関数であることができる。一般に、磁場に貯蔵されるエネルギーの量は、電流の増大とともに増大し、電流の減少とともに減少する。したがって、誘導性素子を通過する電流がゼロである場合、貯蔵される誘導性エネルギーもまたゼロである。
【０００５】
理想的なインダクタの一つの特性は、インダクタにかかる電圧がそのインダクタンスおよび時間的電流変化率に比例するということである。この概念は、式により、V＝L di/dtとして表すことができる。
【０００６】
特定の条件の下、インダクタに貯蔵されたエネルギーは、潜在的に制御しえない大きな電圧を発生させることがある。この効果は、逆起電力(REMF)、フライバック電圧または「誘導性キック」などと称されることがある。具体例として、インダクタがスイッチを介して電流を供給され、そのスイッチが高速で開かれるならば、インダクタは、比較的短い期間(小さなdt)中に比較的大きな電流変化(大きなdi)を有することができる。結果として、インダクタは、相応に大きな電圧(大きなV)を発生させることができる。
【０００７】
いくつかの応用では、インダクタに貯蔵されたエネルギーは、たとえば非保護スイッチを損傷または破壊するのに十分な大きさの電圧を発生させることができる。システムによっては、貯蔵された誘導性エネルギーが熱として放散されることもある。
【発明の開示】
【０００８】
概要
装置および関連システムおよび方法は、一方向電流を負荷に供給し、逆起電力(REMF)を制御し、負荷から誘導性エネルギーを捕獲し、かつ捕獲した誘導性エネルギーを負荷に供給する方法に関しうる。具体例では、作動サイクルは一連の動作を含みうる。第一に、先行するサイクルで負荷から捕獲された誘導性エネルギーを負荷に供給することができる。第二に、エネルギーを外部電源から負荷に供給することができる。第三に、電源を負荷から切り離すと、REMF電圧を実質的に制御することができる。第四に、後続のサイクルで使用するための誘導性エネルギーを捕獲することにより、負荷電流をゼロにすることができる。いくつかの態様では、一つのパワーステージがDC誘導性負荷を供給してもよく、または双方向電流をAC負荷に供給するよう一対のパワーステージを作動させてもよい。
【０００９】
特定の態様は一つまたは複数の利点を提供することができる。たとえば、いくつかの態様は、各作動状態の間に実質的に一方向の電流を維持するように作動することができ、それが、共振およびそれに伴う電磁ノイズを実質的に減少および／または除去することができる。たとえば、様々な態様が、伝導および／または放射電磁干渉(EMI)に寄与するおそれのある、実質的に減少した、または無視しうるエネルギーを発生させることができる。いくつかの態様は、広い範囲のACおよび／またはDC電圧および周波数から作動し、一方向性および／または双方向性電流のいずれかを誘導性および／または抵抗性負荷に供給することができる。エネルギー回収および再使用は、低いノイズレベルで高い効率を提供することができる。いくつかのAC入力態様では、位相およびデューティサイクルの制御が高い入力力率および高調波含有率を提供することができる。いくつかの態様は出力パワー制御性を提供することができ、それが、たとえば蛍光照明のような応用においてエネルギー節約を生むことができる。さらには、いくつかのDC入力態様は、ACまたはDC出力を誘導性および／または抵抗性負荷に供給しながらも、実質的な入力ライン安定化を低い入力ラインノイズとともに提供することができる。様々な態様を、多様な独立型またはシステム統合応用において製造費の減少、信頼性の増大および／または使用の簡単さを提供することができる広い範囲の形状因子および／または統合モジュールで実現することができる。
【００１０】
様々な態様の詳細を添付図面および以下の詳細な説明で述べる。他の特徴および利点が詳細な説明および図面ならびに特許請求の範囲から明らかになると考えられる。
【００１１】
異なる図面において、同種の符号が同種の要素を示す。
【００１２】
具体例の詳細な説明
図1は、エネルギーを制御可能な速度で高い効率および低い電磁ノイズで誘導性および／または抵抗性負荷に供給することができる例示的なシステム100を示す。この例のシステム100は、入力でエネルギーを受け、該エネルギーを処理し、一方向電流を印加して、出力で接続された負荷にエネルギーを供給するエネルギー処理モジュール105を含む。モジュール105は、制御器115からの制御信号に応答して作動するパワーステージ110を含む。作動中、制御器115は、パワーステージ110のスイッチの作動状態を、たとえば周期的パターンで反復することができる一連の作動状態に応じて制御する。例示的な作動サイクルでは、制御器115は、パワーステージ110をして電源120からのエネルギーを誘導性負荷125中に貯蔵させ、誘導性負荷125が電源120から切り離された場合に発生するおそれのある逆起電力(REMF)を制御し、誘導性エネルギーを負荷からキャパシタンス中に放電したのち、後続のサイクルでキャパシタンスを放電させてエネルギーを負荷125に戻し貯蔵する、一連の作動状態を生成する。様々な態様で、パワーステージ110は、実質的に一方向の電流を負荷125に印加することができる。いくつかの態様は、貯蔵された誘導性エネルギーを各サイクルの間に負荷125から完全に放電することができる。
【００１３】
パワーステージ110の一つの例示的な作動サイクルは、矢印A、B、C、Dによって示される一連の作動状態を含む。たとえば、処理モジュール105は、サイクルの状態Bの間に電源120から電流を引き出すことができ、一方で、パワーステージ110は、サイクルの状態A、B、CおよびDの間に一方向電流を負荷125 (たとえばDC (直流)モーター)に通過させることができる。いくつかの応用では、電源120からパワーが引き出されない状態A、CおよびDの間にさらなる作業を遂行することもできる。パワーステージ110のいくつかの態様に関連する電圧および電流波形の例は、図3および図8を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００１４】
図示の例では、パワーステージ110は、いくつかの態様では二極単投スイッチとして作動させることができる一対の入力スイッチ130a、130bを含む。いくつかの他の態様(図示せず)は、入力スイッチ130a、130bの一方とだけで作動するように構成することもできる。入力スイッチ130aは入力ノード135と出力ノード140との間に接続する。本明細書では、ノード135、140の電圧をそれぞれV入力、V出力と呼ぶことができる。入力スイッチ130a、130bがオンにされたのち、電源120から供給される入力電流(I入力)が入力ノード135に流れ、入力スイッチ130aを通過して出力ノード140に達する。出力電流(I出力)が出力ノード140から出て負荷125を通過し、リターンノード145および入力スイッチ130bを通過して電源120に戻る。以下に説明するように、電源120からの電流I入力は、入力スイッチ130a、130bがオンにされたのちしばらくしてから流れ始めることができる。
【００１５】
パワーステージ110は遷移回路150をさらに含み、入力スイッチ130a、130bが開き出力電流I出力が入力電流I入力から急速に切り離されたときに発生しうるREMFの振幅を制御するように、電流I出力のための電流経路を提供するよう遷移回路150を作動させることができる。したがって、遷移回路150は、入力スイッチ130a、130bを潜在的に破壊的なREMF電圧への暴露から実質的に保護することができる。図示の例では、遷移回路150は、電圧制限素子160および遷移スイッチ165とで直列に接続された一方向電流素子(たとえばダイオード)155を含む。遷移回路150の例示的な態様は、たとえば図2および図8〜9を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００１６】
パワーステージ110はまた、負荷125および遷移回路150とで実質的に電気的に並列に接続されたエネルギー捕獲回路170を含む。図示の例では、エネルギー捕獲回路170は、キャパシタ180および一方向電流素子(たとえばダイオード) 185とで直列に接続されたエネルギー捕獲スイッチ175を含む。エネルギー捕獲スイッチ175がオンにされると、出力電流I出力はリターンノード145からキャパシタ180を通過して出力ノードに流れることができる。したがって、負荷125中の誘導性エネルギーは、キャパシタ180に貯蔵された電荷に移される。出力電流I出力が低下する速度は、実質的にキャパシタ180のキャパシタンス値に依存する。当業者が理解するように、キャパシタンス値の増大は、I出力がゼロに「リセット」するのにより長い時間をもたらすことがある。様々な態様で、キャパシタ180のキャパシタンス値は、次の作動サイクルの前に出力電流I出力をゼロにリセットするように選択するかまたは動的に調節することができる。出力電流I出力がゼロにリセットしたのち、一方向電流素子185は、I出力電流が反対方向に流れることを実質的に防ぐ。したがって、パワーステージ110の出力ノード140に関して共振または振動電流を実質的に防ぐことができる。
【００１７】
最後に、図示のパワーステージ110は、捕獲されたエネルギーをキャパシタ180から入力ノード135に戻すためのダイオード190a、190bを含む。たとえば、定常状態作動中、入力スイッチ130a、130bがオンにされると、キャパシタ180は、捕獲されたエネルギーをダイオード190a、190bを介して負荷125に戻す。この例では、ブロッキングダイオード195が、捕獲されたエネルギーが電源120に戻ることを実質的に防ぐ。このエネルギー回収は、たとえば、実質的な誘導性エネルギーを負荷から回収し、後続の作動サイクルで負荷に再供給することができる応用において効率を有利に改善することができる。
【００１８】
様々な応用において、制御器115は、例示的な作動サイクルの間に一つまたは複数の制御信号を発してスイッチ130a、130b、165および175を制御することができる。パワーステージ110の例示的な動作の理解を支援するため、典型的な作動サイクル内の連続期間における電流を示すための期間インジケータA、B、C、Dが図1に示されている。指示された期間それぞれの間の例示的な電圧および電流波形は、図3を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００１９】
図1に示す例では、例示的な作動サイクルは期間Aで開始する。期間Aの開始時に、キャパシタ180は、先行する作動サイクルから捕獲されたエネルギーで充電されうる。期間A中、入力スイッチ130a、130bがオンにされ、キャパシタ180がその貯蔵エネルギーをダイオード190a、190b、スイッチ130a、130bおよび負荷125を介して放電することができる。期間A中、負荷125に印加されるエネルギーは実質的にキャパシタ180から引き出される。期間Aは、たとえば、ダイオード195がもはや逆バイアスを受けないポイントまでキャパシタ180が放電したときに終了することができる。
【００２０】
期間Bの開始時に、入力スイッチ130a、130bはオンのままであり、電源120は、電流を駆動してダイオード195、スイッチ130a、130bおよび負荷125に通過させる。期間B中、負荷125に印加されるエネルギーは実質的に電源120から引き出される。期間Bは、たとえば、入力スイッチ130、130bのオン時間が制御器115によってセットされたデューティサイクルに一致したとき、または出力電流I出力が閾値に達したときに終了することができる。期間Bの終了時に、制御器115は、入力スイッチ130a、130bに命令してオフ(たとえば非導通)状態に遷移させることができる。
【００２１】
期間Bの終了前に、制御器115は、遷移スイッチ165をオンにするコマンドを発して、出力電流I出力が遷移回路150を通過する際の遅延を最小限にすることができる。期間Cの開始時に、負荷は、入力スイッチ130a、130bの開放に応答してREMF電圧を発生させる。REMF電圧は、一方向電流素子155に順方向バイアスを加えて、出力電流I出力が実質的に遷移回路150を通過するようにすることができる。電圧制限器160は、REMF電圧を、たとえばREMF電圧に暴露されるおそれのあるデバイスの電圧定格の範囲内に実質的にある値に実質的に制御する(たとえば制限する、クランプする等)ように作動することができる。期間C中、いくらかの誘導性エネルギーが負荷125から電圧制限器160に移されうる。様々な態様で、期間Cは、電圧制限器に移されるエネルギーの量が比較的小さく、全体効率を有意に下げることなく、たとえば熱として(たとえば抵抗器中に)放散されうるのに十分に短い期間であることができる。いくつかの態様では、制御器115は、期間Cの前または期間中にエネルギー捕獲スイッチ175をオンにするための信号を発することができる。エネルギー捕獲スイッチ175がオンになり、出力電流I出力を導通させることができるようになると、期間Cは終了することができ、制御器115は、遷移スイッチ165をオフにするための信号を発することができる。
【００２２】
期間Dの開始時に、出力電流I出力は、エネルギー捕獲スイッチ175、キャパシタ180および一方向電流素子185を実質的に通過する。したがって、出力電流I出力によって支持される貯蔵された誘導性負荷エネルギーは、期間D中にキャパシタ180に移される。期間Dは、たとえば、出力電流I出力がゼロまで低下したのち、終了することができる。制御器115は、出力電流I出力がゼロにリセットしたことを検出すると、または出力電流I出力が実質的にリセットされることを保証するのに十分な期間を許したのち、エネルギー捕獲スイッチ175をオフにするための信号を発することができる。
【００２３】
期間Dののち、いくつかの態様では、期間Dの終了から作動サイクルの終了までにさらなる期間があってもよい。いくつかの応用では、たとえば、電圧制限器160は、このさらなる期間中にキャパシタを放電させて抵抗器に入れるか、またはスイッチ(図示せず)に通してもよい。種々の応用では、たとえばこの期間中にモーターを惰力運転させてもよい。
【００２４】
様々な態様で、制御器115は、例示的な作動サイクルの間にスイッチ130a、130b、165および175のいくつかまたは全部の動作を次のように計時してもよい。入力スイッチ130a、130bをオフにする前に遷移スイッチ165をオンにしてもよい。ダイオード155は、出力電流I出力が低下し始め、REMF電圧が負荷125によって発生するまで、遷移回路150を通過する電流を実質的にブロックすることができる。遷移回路165は、出力電流I出力が遷移回路150を通過し始めるための遅延時間を実質的に最小限にするのに十分に早くオンにすることができる。エネルギー捕獲スイッチ175は、遷移スイッチ165がオンにされる前、それと同時またはその後のいずれの時点でオンにしてもよい。エネルギー捕獲スイッチ175が電流I出力の実質的部分を導通させ始めると、遷移スイッチ165をオフにすることができる。
【００２５】
もう一つの態様(図示せず)で、パワーステージ110は、実質的に、アクティブ制御される遷移回路、たとえば遷移回路150なしで作動することもできる。そのような態様では、入力スイッチ130a、130bが出力電流I出力を導通させる間にエネルギー捕獲スイッチ175をオンにすることができる。一方向電流素子185は、出力電流I出力が低下し始めるまで、逆バイアスを加えられてもよく、出力電流I出力が低下し始めた時点で、REMF電圧は一方向電流素子185に順方向バイアスを加えることができ、出力電流I出力がエネルギー捕獲回路170を通過し始めるようにする。様々な例で、場合によっては、図2および図8〜9を参照しながら例を説明するパッシブ電圧クランプ回路を使用して、たとえば電圧制限器160中のREMF電圧振幅を制御することもできる。いくつかの態様では、遷移スイッチ165は、正常動作の間に絶えずオンにしてもよいか、またはたとえば短絡に代えてもよい。いくつかの態様では、遷移スイッチ165は、たとえば期間Aおよび／またはBの一部または全部の間にオンにしてもよい。
【００２６】
入力スイッチ130a、130bが開くと、負荷125中のインダクタンスが逆起電力(REMF)を発生させることができ、その逆起電力は、一般に、負荷電流の時間的変化率(たとえばdI出力/dt)に対応する振幅を有する電圧を表すものとみなすことができる。たとえば、非常に急速にI出力をゼロまで減らすと、誘導性負荷125中に実質的なREMF電圧を発生させることができる。
【００２７】
大きなREMFに伴う高速過渡電圧は、たとえば、実質的な放射および／または伝導電磁放射線(たとえば無線周波数ノイズ)を発生させることができる。一般に、そのようなノイズエネルギーを発生させるシステムは、シールディングおよび／またはフィルタリングを使用することができるが、それは、効率を下げ、システムのコスト、体積および／または重量を増すおそれがある。
【００２８】
そのうえ、大きなREMF電圧は、スイッチ、ダイオード、キャパシタおよびトランジスタのような構成部品に対して実質的な電圧ストレスを与えることができる。いくつかの例では、大きなREMF電圧の一つのパルスは、半導体デバイスの電圧定格を超えることにより、その半導体デバイスを実質的に損傷または破壊しうる。
【００２９】
パワーステージ110は、誘導性負荷に供給される電流を急速に切り替える能力を提供する。一つの局面で、パワーステージ110は、負荷125と並列に設けられた遷移回路150を含む。いくつかの態様では、遷移回路150は、入力スイッチ130が開いた後の短い遷移期間中にdI出力/dtが制御されるように負荷電流I出力が流れるための経路を提供することができる。誘導性負荷125のためのdI出力/dtを制御すると、REMF電圧を実質的に下げることができる。十分に小さなREMF電圧値では、たとえば、関連する過渡エネルギーは、実質的な伝導または放射ノイズを励起するには不十分でありうる。したがって、いくつかのシステムでは、シールディングおよび／またはフィルタリングを実質的に減らすまたは除くことがある。
【００３０】
もう一つの局面で、パワーステージ110のいくつかの態様は、高いピーク逆電圧能力を有する一つまたは複数の半導体スイッチ素子を含むことができる。いくつかの態様は、誘導性負荷を切り替えるシステムにおける信頼性を改善するために高電圧デバイスを使用することができる。いくつかの態様では、一つまたは複数のスイッチ素子が高ピーク逆電圧能力を非常に短いターンオンおよび／またはターンオフ時間と組み合わせることができる。パワーステージ110で使用することができる種々のスイッチ素子の例は、図2を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００３１】
図示の例では、制御器115は制御入力を受ける。様々な例で、制御入力は、制御器115を、一つまたは複数の位置、トルク、速度、電圧、光度または電流センサからのフィードバック信号もしくはこれらおよび／または他のセンサからの信号の組み合わせに結合することができる。いくつかの他の例では、制御入力は、制御器115を、アナログ(たとえばポテンシオメータ、リレー接点等)および／またはデジタル(たとえば直列、並列)入力信号の形態にありうる一つまたは複数のコマンド入力に結合することができる。
【００３２】
制御器115は、そのようなフィードバックおよび／またはコマンド入力信号に応答して、たとえばパワーステージ110の動作を調節することができる。様々な例では、制御入力信号に対する応答として、たとえば、出力のオンまたはオフ切り替え、平均出力電圧の増減、出力電流の所定限界内の維持、作動デューティサイクルおよび／または周波数の調節を挙げることができるが、これらに限定されない。いくつかの実現(implementation)においては、そのような制御動作は、たとえば、出力電流または負荷温度を所定の限界内に維持するため、モーターシャフト位置および／もしくは速度を調整するため、またはランプ出力輝度を制御するために使用することができる。
【００３３】
制御器115の例示的な態様および特徴は、たとえば図6を参照しながら説明する。
【００３４】
様々な例では、負荷に貯蔵されるエネルギー(たとえば反応エネルギー)は、パワーステージ110によって供給される一方向電流によって支持されうる。一方向電流負荷としては、DCモーター、インダクタ(たとえば空気コア、鉄コア、積層鋼コア、高透磁性コア)、電磁石、照明(たとえば直流高輝度放電素子)、DC伝送ラインまたはこれらおよび／もしくは他の一方向電流負荷の組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。いくつかの態様は、機械的リレーまたは接点として、またはそれらの代替として使用することができる。たとえば、パワーステージ110は、たとえばプロセッサ、タイマ、制御回路または他の素子(たとえばバイメタル板、レベルセンサ、湿度センサなど)によって発せられうるスイッチ、光学信号、磁気信号または電気信号によって制御することができるDC負荷への電子制御式スイッチとして働くことができる。
【００３５】
いくつかの他の態様は、実質的に誘導性、実質的に抵抗性または部分的に抵抗性かつ部分的に誘導性である一方向電流および／または双方向電流負荷にエネルギーを供給するように作動することができる。双方高電流負荷としては、ACモーター(たとえば同期、ブラシレスDC、誘導性)、DCモーター(たとえば順方向および逆トルク)、抵抗器(たとえば加熱素子)、インダクタ(たとえば空気コア、鉄コア、積層鋼コア、高透磁性コア)、電磁石、照明(たとえば蛍光、高輝度放電)、AC伝送線、トランスもしくはこれらおよび／または他の双方向電流負荷の組み合わせを挙げることができるが、これらに限定されない。一方向および／または双方向電流負荷を供給することができるエネルギー処理モジュールの例は、たとえば図5〜7を参照しながらさらに説明する。
【００３６】
図2は、エネルギーをDC入力からDC誘導性負荷に供給するための例示的なパワーステージの略図を示す。図示の態様では、一方向電流素子185が、期間D中に電流を導通させるように制御することができるSCRで実現されている。
【００３７】
図示の例では、スイッチ130a、130b、175は、制御される半導体スイッチと直列に接続されたゲート制御一方向電流素子で実現されている。いくつかの態様では、各スイッチは、制御される半導体スイッチ(たとえばIGBT)のためのゼロ電流ターンオンおよび／またはゲート制御一方向電流素子(たとえばSCR)のための制御されたターンオフを提供するように制御することができる。限定的であることを意図しない具体例では、制御される半導体スイッチの制御端子(たとえばゲート、ベース)に許可信号を供給することにより、スイッチ130a、130b、175のいずれかをオンにすることができる。制御される半導体スイッチが実質的に高いコンダクタンス状態まで実質的に遷移するのに十分な時間を得たのち、高速ターンオン時間ゲート制御一方向電流素子を制御してオンにすることができる。制御される半導体スイッチおよびゲート制御一方向電流素子への許可信号の相対的タイミングは、少なくとも部分的に、デバイスのターンオン遷移時間に依存することができる。様々な態様で、制御される半導体スイッチおよびゲート制御一方向電流素子への許可信号は、一つの信号(実質的に同期)に応答して発せられてもよく、または制御された遅延(たとえば、ハードウェアまたはソフトウェアタイマに基づく、命令を実行するプロセッサおよび／またはアナログ遅延回路によって決定される事象に基づく等)によって時間的に離されてもよい。いくつかの態様では、制御器115からの許可信号は、たとえば、光学、磁気(たとえばパルストランス)回路をはじめとし、これらに限定されない適当なゲート供給回路を介して一つまたは複数のデバイスに結合することができる。様々な態様で、ゲート制御一方向電流スイッチとしては、SCR (シリコン制御整流器)、DIAC、TRIAC、電子閃光管等を挙げることができるが、これらに限定されない。様々な態様で、半導体スイッチは、IGBT (絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、MOSFET (金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)、BJT (バイポーラ接合トランジスタ)、ダーリントンペア(Darlington pairs)、JFET (接合電界効果トランジスタ)、真空管などの一つまたは複数の直列および／または並列の組み合わせを含むことができる。
【００３８】
典型的な切り替え遷移時間は、たとえば約2〜約10マイクロ秒の間であってもよいが、実質的に速いまたは遅い切り替え時間で態様を使用してもよい。具体例では、スイッチ130a、130bが完全にオフになり、スイッチ175が完全にオンになるための時間は一般に約5マイクロ秒を要しうる。いくつかの例では、遷移スイッチ165は、少なくともこの5マイクロ秒の間に電流を導通させることができる。いくつかの態様では、電圧制限器160は、REMF電圧に応答して、たとえば10〜40ナノ秒の間、実質的に負荷電流を導通させることができる。
【００３９】
同じく図2に示すものは、抵抗器およびキャパシタの並列ネットワークを含む電圧制限器160の例示的な態様である。様々な実現において、キャパシタは、直列および／または並列に組み合わせた一つまたは複数のキャパシタとして実現することができる。たとえば、一定範囲の周波数応答特性を有するキャパシタを使用して、広い周波数範囲でREMF電圧に応答することができる。より高速の切り替え周波数応用において使用することができるいくつかの態様では、電圧制限器160は、期間C中にキャパシタに貯蔵された電荷を「捨てる」ための制御されたスイッチを含むことができる。この態様では、キャパシタ180は、モジュール110の入力端子の間に実現される。他の態様では、キャパシタ180は、全部または一部がモジュール180の中に実現されてもよく、たとえば広く多様な応用条件に適合するためにさらなる外部並列キャパシタンスで補充されうる。
【００４０】
この態様では、遷移スイッチ165は、半導体スイッチで実現されるように示されている。様々な実現において、遷移スイッチ165は、たとえば、一つまたは複数のIGBT、MOSFET、BJT、ダーリントンペア、JFET、真空管などで実現することができる。加えて、この態様のパワーステージ110は、遷移スイッチ165と出力ノード140との間に接続されたダイオード210を含む。いくつかの態様では、ダイオード210は、たとえば、遷移スイッチ165のためのさらなる保護を提供することができる。いくつかの例では、ダイオード210がダイオード155に代わることもできる。
【００４１】
図3は、図1〜2のパワーステージの動作を説明するための例示的な電圧および電流波形のプロットを示す。
【００４２】
この例では、プロット300は、電源120が単極性の入力電圧を提供することを示す。この場合、電圧は、バッテリーによって供給される電圧であってもよい。他の例では、電源120は、他の適当な単極性またはDC電源、たとえば半波または全波整流AC信号であってもよい。いくつかの応用では、電源120は、たとえば実質的に大きなホールドアップキャパシタによって提供されうる電圧形特性を示すことができる。いくつかの他の応用では、電源は、実質的なホールドアップキャパシタンスなしで整流AC信号を提供することができる。そのような応用では、単極性電源120の電圧は、たとえば出力電流I出力が実質的に電源120によって供給される期間B中、AC電源の一つまたは二つのダイオード電圧降下の範囲内に低下することができる。
【００４３】
プロット305は、電源120が、期間B中には入力電流I入力を負荷に供給するが(たとえばI入力＝I出力)、例示的な作動サイクルの他の期間中には供給しないことを示す。
【００４４】
プロット310は、入力ノード135のV入力が期間Aの開始時に上昇しており、キャパシタ180における電荷を反映していることを示す。出力電流I出力のプロット315は、期間A中のキャパシタ180の放電が実エネルギーを負荷に供給し、それが、作動サイクル中に電源120から引き出されるパワーを有利に減らすことができることを示す。
【００４５】
また、プロット310、315は、期間D中のキャパシタ180の充電および出力電流I出力の制御された減少を示す。I出力の制御された減少は、REMFの振幅を有利に制御することができる。
【００４６】
プロット320は、プロット315の期間Cの前後の出力電流I出力波形の一部を拡大図で示す。いくつかの例では、期間Cは、期間A、BおよびDに対して短い。この例における期間C中、プロット315の傾き(たとえばdI出力/dt)は、実質的に、電圧制限器160の動作によって制御される。いくつかの態様では、傾きは、REMF電圧信号に伴う振幅およびノイズエネルギーを実質的に減らすことができるように十分に良好に制御することができる。
【００４７】
いくつかの応用では、連続作動サイクルは、エネルギーを負荷に供給することができる不定期間、中断なしに起こることができる。たとえば、作動サイクルは、たとえば、約10〜約20ミリ秒または約1〜約30ミリ秒または約50〜約1000マイクロ秒または60マイクロ秒未満の期間をはじめとし、これらに限定されない実質的に固定された期間を有することができる。いくつかの応用では、一つまたは複数の有限数の連続期間が、パワーを負荷に供給しない可変期間によって中断されうる。いくつかの態様では、作動サイクルの期間は、負荷要件、入力コマンドまたは他の要件にしたがって変化することができる(たとえば、可聴共振周波数、フィルタリング要件、公共供給電圧への同期化を避けるため)。
【００４８】
図4は、エネルギーをDC入力からDC誘導性負荷に供給するための例示的なパワーステージ110の略図を示す。
【００４９】
図示の態様では、パワーステージ110はダイオード405のアレイを有し、各ダイオードが、スイッチ175から、キャパシタンス410を形成する並列接続されたキャパシタのアレイのキャパシタへと接続されている。様々な実現において、モジュールまたはシステムは、キャパシタ180を実現するために並列キャパシタのアレイを含むことができるキャパシタンス410の一部または全部を組み込むことができる。いくつかの態様では、一つまたは複数の個々のキャパシタそれぞれは、キャパシタ410のアレイが、たとえばREMF電圧信号中の広い範囲の周波数成分にわたって誘導性負荷からエネルギーを効果的に捕獲することができるよう、異なる周波数応答特性(たとえばインダクタンス)を有することができる。
【００５０】
同じくこの態様で示されているものは、エネルギー捕獲スイッチ175とキャパシタ180のアレイのキャパシタの一つとの間に接続されたダイオードアレイ405である。該並列ダイオード405は、いくつかの態様では、有利には、キャパシタンス410中のキャパシタの間でのリンギングおよび／または発振を減らすことができる。キャパシタ410は、より広い応答バンド幅(たとえば低インダクタンス経路)および／または増大したキャパシタンスを提供することができる二つまたはそれ以上の並列キャパシタンスを使用して実現することができる。場合によっては、ダイオードのアレイは、一つのダイオードとして実現することもできる(たとえば図1のダイオード190b)。いくつかの実現(図示せず)においては、場合によっては、制御可能なデバイス、たとえばSCRを、期間D中に電流を運ぶ経路に含めてもよく、そのようなデバイスの一例が、図2の素子185を参照して説明される。そのようなSCRは、有利には、たとえば、ピーク電圧耐久能力を増大させることができ、および／または望まれない(たとえば電極間、寄生)キャパシタンスを減らすことができる。
【００５１】
図5は、エネルギーをDC入力からAC誘導性負荷に供給するためのパワーステージ110a、110bの例示的な対の略図を示す。この態様では、パワーステージ110a、110bは、実質的に同じ回路を有し、同じ電源からパワーを引き出す(たとえばダイオード195を介して)という点で実質的に似ている。主に出力信号のタイミングが異なる。様々な態様では、パワーステージ110a、110bは、出力電流を交互に負荷に供給することができる。特に、パワーステージ110aは、一方向出力電流A、B、C、Dを第一の方向で負荷に供給することができ、パワーステージ110bは、一方向出力電流A'、B'、C'、D'を第二の方向で負荷に供給することができる。いくつかの実現において、キャパシタ410は、たとえば図4を参照しながら態様において説明するように、より広い応答バンド幅(たとえば低インダクタンス経路)および／または増大したキャパシタンスを提供することができる二つまたはそれ以上の並列キャパシタンスを使用して実現することができる。
【００５２】
具体的な態様では、制御器(図示せず)が、パワーステージ110aを使用して作動サイクルを遂行するための制御信号を発することができる。パワーステージ110aの作動サイクル中、制御器は、パワーステージ110b中のスイッチのすべてをオフにし、それによって出力電流がステージ110aからステージ110bに流れることを防ぐことができる。同様に、制御器は、パワーステージ110bがその作動サイクルを遂行するときにステージ110aを不能にすることができる。
【００５３】
図6は、図5のパワーステージを使用してエネルギーをAC入力からAC誘導性負荷に供給することができる例示的なエネルギー処理システムのブロック図を示す。システム600は、AC電源605からACパワー入力を受け、ACパワー出力を供給してAC負荷610を作動させる。
【００５４】
図示の例では、エネルギー処理モジュール105は、二つのパワーステージ110a、110bおよび制御器615を含む。制御器615を使用して、エネルギー処理モジュール105は、自動的で知的な制御をパワーステージ110a、110bに提供して、効率を改善する、および／またはACパワー入力の力率を制御することができる。たとえば、エネルギー処理モジュール105は、負荷のREMFを制御し、誘導性負荷エネルギーを捕獲し、再使用して高いエネルギー効率を提供することができる。さらには、エネルギー処理モジュール105は、デジタル制御することもできる。いくつかの例では、制御器615は、種々の入力(たとえばユーザー入力、アナログ入力および／または通信ネットワーク入力)にしたがってパワーステージ110a、110bを制御するようにプログラムされてもよい。たとえば、制御器615は、ユーザー入力に基づいて、および／または指定の事象(たとえばAC灯火管制条件、負荷故障条件、時刻事象等)に応答して、パワーステージ110a、110b中のスイッチを制御するためのソフトウェアおよびハードウェアを含むこともできる。
【００５５】
システム600はまた、入力ステージ620を含む。エネルギー処理モジュール105は、AC電源605から入力ステージ620を介してACパワー入力を受け、該ACパワー出力を負荷に供給する。いくつかの実現においては、AC電源605は配電ネットワーク(たとえば約50〜60Hzの公共電力または約400Hzの海洋／航空電力)からパワーを供給することもできる。入力ステージ620は、たとえば、エネルギー処理モジュール105のための入力パワーを平滑化および／または整流することにより、入力電圧をプレコンディショニングすることができる。
【００５６】
図示のように、入力ステージ620は、DCパワー出力をフィルタリングするために、ダイオードブリッジ整流器625およびキャパシタ630を含む。いくつかの実現においては、キャパシタ630がブリッジからのDC出力電圧波形の変動を減らすことができる。いくつかの例では、キャパシタ630は、エネルギー処理モジュール105のパワー効率を改善するための波形整形のためにチューニングすることができる。様々な態様では、キャパシタ630は、電流ピークおよびそれに伴うAC高調波を減らすことによって高波率を実質的に減らす入力電流波形整形を効果的に提供するようなサイズでありうる。
【００５７】
いくつかの実現においては、キャパシタ630は、DC平均電圧を高めてエネルギー処理モジュール105に供給することができる。いくつかの例では、より高いDC電圧を使用して負荷610を始動し、様々なタイプの誘導性デバイス性能を改善することができる。また、いくつかの例では、DC電圧レベルの上昇を使用して、線路損をオーバードライブして誘導性デバイス性能を維持することもできる。
【００５８】
エネルギー処理モジュール105を使用して、AC電源605は、一方向および／または双方向電流を負荷、たとえば負荷610に供給することができる。負荷610は、一つのデバイス(たとえばモーター)または多数のデバイス(たとえばライトの列)を含むことができる。
【００５９】
図示の例では、負荷610は、エネルギー処理モジュール105から双方向(たとえばAC)パワー出力を受けるトランス635を含む。一つの実現においては、トランス635は、エネルギー処理モジュール105からのACパワー出力電圧を、負荷610によって使用される負荷電圧(たとえば200V〜500V)に変換することができる。たとえば、トランス 635は、低出力電圧(たとえば100V〜220V)を、負荷610のためのより高い電圧(たとえば480V)にステップアップすることができる。
【００６０】
エネルギー処理モジュール105は、入力力率に対する改善されたパワー効率および／または制御を提供することができる。たとえば、エネルギー処理モジュール105は、AC電源605から引き出される力率を改善するための線路周波数力率補正を提供することができる。いくつかの実現においては、システム600は、周波数範囲のいずれででも線周波数切り替え(LFS)動作を提供することができる。いくつかの例では、LFS処理を計時し、AC電源605の位相と同期化させて、広い範囲の誘導性負荷(たとえば負荷610)に関して、たとえば50Hzまたは60Hzの切り替え電圧および電流波形を生成することができる。
【００６１】
いくつかの例では、制御器615は、LFSプロセスを使用して標準的な50Hzおよび60Hz誘導性デバイス、たとえばトランス635、ランプ安定器、AC誘導モーター、DCモーターおよび電源の電気効率および制御性を高めることができる。いくつかの例では、LFSプロセスを高パワー応用および高パワー制御において使用することもできる。たとえば、高いパワーレベルで作動する非常に大きなインダクタを、改善された安定性およびエネルギー効率で作動させることができる。いくつかの例では、制御器615は、LFSプロセスを使用して、力率(PF)補正、パワーレベル制御、高速運転停止保護、ソフトスタートおよび／またはハードスタートならびにユニバーサル入力(たとえばACおよび／またはDC)をはじめとし、これらに限定されない能力を提供することができる。例示的な応用としては、たとえば、線路周波数誘導性デバイス、たとえば金属ハロゲン化物および蛍光照明、AC誘導モーターならびに溶接機を挙げることができるが、これらに限定されない。
【００６２】
一つの典型的な応用では、少量のフィルタキャパシタンス(たとえば、AC電流波形整形および改善された高波率を提供するため)をLFSタイミングと組み合わせて、入力パワーを四つのカドラント(quadrant)すべての間で実質的に均等化してもよい。そのような例では、エネルギー処理モジュール105は、高いPFでACパワー出力を発生させることができる。
【００６３】
いくつかの態様では、制御器615は、位相およびデューティサイクルを調節して、任意の出力パワーレベルを誘導性デバイスに供給する場合に達成可能な力率を最大化するように作動することができる。たとえば、いくつかの応用では、約50％出力パワーレベルまでで0.9よりも優れたPFを達成することができる。50％出力パワーレベル未満でより高いPFが求められるならば、いくつかの態様は、PFを許容可能レベルまで高めるために、ACラインリアクタをAC電源605に含むことができる。
【００６４】
エネルギー処理モジュール105中の制御器615は、システム600中でPFを調節するため、およびたとえばREMFを減らすため、エネルギー効率を改善するため、ならびに／またはソフトウェア命令を実行するための特定の制御機能を提供することができる。制御器615は、種々のデジタル制御機能を提供するためのプロセッサ640 (たとえばCPU)およびランダムアクセスメモリ(RAM)645を含む。制御器615はまた、ソフトウェアおよびデータを記憶するための不揮発性メモリ(NVM) 645を含む。図示の例では、NVM645はコード655を記憶する。プロセッサ640は、コード655を実行して、エネルギー処理モジュール105中で種々のデジタル制御機能を遂行することができる。
【００６５】
図示の例では、制御器615は、ユーザーインターフェース660、アナログインターフェース665および／または通信ポート670を介して外部入力を受けることができる。
【００６６】
制御器615は、ユーザーインターフェース660からユーザー入力を受けることができる。ユーザーインターフェース660は、たとえば、エネルギー処理モジュール105の作動モードをセットするためのディップスイッチのセットであってもよい。たとえば、ユーザーは、ユーザーインターフェース660を使用して、エネルギー処理モジュール105の出力電圧を、米国での動作の場合には110Vまたはヨーロッパでの動作の場合には220Vになるようセットすることができる。もう一つの例では、ユーザーインターフェース660は、商業施設ビルにおける蛍光灯列の輝度を加減するためにユーザー入力を受けることができる。
【００６７】
制御器615は、アナログインターフェース665を介してアナログ入力を受けることができる。アナログ入力は、センサから発せられる信号を含むことができる。たとえば、システム600は、外部環境パラメータを検出するためにホール効果センサ、電圧センサ、電流センサ、位置センサ、速度センサ、温度センサ、光センサ、ACライン(たとえば50〜60Hz)位相センサおよび／または他のセンサを含むことができる。いくつかの実現においては、制御器615は、近接切り替え、位置決め、速度検出および電流感知応用のために、ホール効果センサから計測信号を受けることができる。いくつかの実現においては、制御器615は、温度センサから周囲温度の計測値を受けてパワー出力を制御することができる。たとえば、プロセッサ640は、周囲温度が設定点よりも高い場合に最大出力パワーを空調負荷に供給するように調節することができる。いくつかの実現においては、制御器615は、外部光度の計測値を受けることができる。たとえば、プロセッサ635は、低下したパワー出力を供給して光を弱めるようにパワーステージ110a、100bを制御することができる(たとえば、日が照っている場合、休憩時間中等)。
【００６８】
制御器615は、通信ポート670を介して通信ネットワーク675と通信する。たとえば、通信ポート670は、プロセッサ640と通信ネットワーク675との間でデータを送受信することができる。通信ネットワーク675は、コンピュータデバイスで通信するために、インターネット、ローカルエリアネットワーク(LAN)および／または通信ケーブル(たとえばユニバーサルシリアルバス(USB)ケーブル、ファイアワイア、他の並列または直列データバス)を含むことができる。また、制御器615と通信ネットワーク675との間の接続はワイヤレスであってもよい。たとえば、通信ネットワーク675は、ワイヤレスLAN、赤外線、ブルートゥース、モバイル通信ネットワークまたは他のワイヤレスネットワーク接続を使用して制御器615に接続することもできる。
【００６９】
いくつかの実現においては、制御器615は、通信ネットワーク675から遠隔データまたは命令を受けることができる。いくつかの例では、制御器615は、遠隔地で生成され、通信ポート670を介して制御器615に伝送されるメッセージを受けることができる。たとえば、オペレータは、命令を遠隔端子から通信ネットワーク、たとえばインターネットを介して制御器615に伝送することにより、パワー出力を遠隔調節することができる。
【００７０】
いくつかの実現においては、制御器615は、状態および／または他のデータを通信ネットワーク675に伝送することができる。いくつかの例では、システム600の作動状態をモニタリングするために通信ネットワーク675に接続されている管理プロセッサがあってもよい。たとえば、制御器615は、通信ポート670を介して、システム600の作動状態を示す状態情報を伝送することができる。
【００７１】
いくつかの実現においては、制御器615は、通信ネットワーク675からソフトウェア更新を受けることができる。たとえば、NVM650に記憶されたコード655または動作設定を、通信ネットワーク675から通信ポート670を介して受信されるデータによって更新することができる。
【００７２】
コード655は、一般にプロセッサ640によって遂行されうる処理を含むことができる。処理は、制御器615の制御、管理および／またはモニタリングの下で遂行することができる。処理はまた、インターフェース660、665、670によって組み込まれてもよい他の処理および／または制御素子によって補足または増強することもできる。処理の一部または全部は、信号に具現化された命令を実行する一つまたは複数のプロセッサによって遂行することができる。処理は、アナログおよび／またはデジタルハードウェアまたは技術を、単独で、または命令を実行する一つもしくは複数のプロセッサとともにのいずれかで使用して実現することができる。
【００７３】
いくつかの実現においては、プロセッサ640は、AC電源605および負荷610における状態に基づいて入力パワーを経路指定するためのコード655を実行することができる。たとえば、AC電源605は風力発電機であってもよい。負荷610がオフにされ、風力発電機がパワーを発生させている場合、コード650は、発生したエネルギーを貯蔵素子(たとえばバッテリー)に保存するための動作を含むことができる。
【００７４】
図示の例では、制御器615は、パワーステージ110a、110bのスイッチを制御するためのパワーステージ制御器680を含む。プロセッサ640は、パワーステージ制御器680を制御することにより、パワーステージ110a、110bのスイッチを制御することができる。パワーステージ制御器680は、PWM (パルス幅変調器)685、スイッチタイミング制御690および位相検出器695を含む。一例では、位相検出器695は、入力AC電源に関する位相情報を提供することができ、PWM685は、電源を負荷に接続する入力スイッチのために必要なオン時間を決定するためにデューティサイクルコマンドを発することができる。スイッチタイミング制御690は、デューティサイクルおよび位相情報を使用して、入力スイッチのための制御信号を発することができる。制御信号は、AC電源電圧と実質的に同相にある基本周波数の電流波形を引き出すように計時することができる。パワーステージ制御器680の出力は、たとえば、少なくとも出力電流波形の基本周波数を制御することができる。
【００７５】
図7は、図5〜6のパワーステージの動作を説明するための例示的な電圧および電流波形のプロットを示す。図7のプロット700、705、710、715および720は、図3のプロット300、305、310および315に示すものにそれぞれ似ている作動サイクルの局面を示す。しかし、図7のプロットは、たとえば図5を参照しながら説明するように、負荷における双方向電流を示す。加えて、図示の例の負荷はACモーターである。したがって、図7のプロットの波形は、モーターによって発生する時変性逆起電力を反映する。
【００７６】
プロット720の出力電流I出力は双方向性であり、ACモーターに供給されるが、エネルギー処理モジュール105は、期間C、D、C'およびD'中に制御されたdI出力/dtを提供する。したがって、REMF電圧は良好に制御され、先に論じたような様々な利点を提供することができる。そのうえ、期間D、D'中に捕獲されたエネルギーは、それぞれ後続の期間A、A'中に再使用することができる。
【００７７】
図8〜9は、たとえば図1の電圧制限器160で使用することができる例示的な電圧制限回路を示す。
【００７８】
図8は、直列に接続された5個のガス放電管をそれぞれが含む5本の並列ストリングを含む電圧制限回路800を示す。回路800はまた、直列に接続された抵抗器および5本の並列ストリングと並列に設けられたキャパシタを含む。当業者は、並列および直列に接続された構成部品の数ならびに指定構成部品の選択を様々な電圧制限器応用に適合させることができることを理解すると考えられる。
【００７９】
図9は、回路にかかるいずれかの極性の電圧をダイオード電圧降下＋ツェナー降伏電圧に実質的に制限するために、ツェナーダイオードと直列に設けられた整流器をそれぞれが含み、互いに逆並列に接続されている一対のストリングを含む、例示的な電圧制限回路900を示す。回路900はまた、直列に接続された抵抗器およびストリングと並列に設けられたキャパシタを含む。当業者は、並列および直列に接続された構成部品の数ならびに指定構成部品の選択を様々な電圧制限器応用に適合させることができることを理解すると考えられる。たとえば、回路900は、AC負荷に直接配置することができる。
【００８０】
上記図面を参照しながら、ポータブルであってもよい様々な態様を説明したが、他のパワー処理応用、たとえば交直両用モータードライブ、DC送電線安定化、力率補正および数多くの他の応用において他の実現を展開することもできる。
【００８１】
一般に、過渡電圧制限器の構成部品は、応答時間を増すおそれがあるインダクタンスを最小限にするように実現し、配設することができる。
【００８２】
いくつかの態様では、双方向電流負荷を供給することができるエネルギー処理モジュールを、一方向電流負荷を供給するように作動させることもできる。たとえば、図5に示すエネルギー処理モジュール500では、パワーステージ505、510のいずれか一方を、連続作動サイクルで一方向電流を負荷に供給するように作動させ、その間、他方を非活動状態に保持することもできる。具体例として、負荷が、線形位置決めシステムを駆動するDCモーターを含むならば、パワーステージ505、510を位置制御器によって必要に応じて活動状態にして、モーターをそれぞれ前進または後退方向に駆動してアクチュエータを位置決めすることができる。このような位置決めシステムは、産業ロボット工学、HVAC (冷暖房空調)および／または数多くの他の応用において使用することができる。
【００８３】
いくつかの態様では、エネルギー回収ステージで提供されるキャパシタンスを作動中に調節することもできる。たとえば一つまたは複数のスイッチを設け、それぞれを個別に作動させて、さらなるキャパシタンスを、エネルギー捕獲回路中のキャパシタンスと並列および／または直列に接続することもできる。調節可能なキャパシタンスを使用して、たとえば、サイクルの終了までに負荷電流をゼロまで放電するのに要する時間を調節することもできる。キャパシタンス選択スイッチは、オンにされた場合にはキャパシタンスを避けて短絡するようにキャパシタンスと並列に配設し、および／またはオフにされた場合にはキャパシタンスを通過する電流を防ぐようにキャパシタンスと直列に配設することができる。負荷電流の下降時間を調節すると、有利には、より広い範囲の作動条件、たとえば負荷インダクタンスおよび／または負荷電流条件への適合を提供することができる。
【００８４】
負荷を駆動するために結合された一つより多いパワーステージを含む態様では、制御器は、制御信号が一度に一つより多いパワーステージ110でスイッチをオンにすることを防ぐため、一つまたは複数のインターロック(たとえばANDゲート)を提供することができる。いくつかの実現においては、各パワーステージからの出力電流をモニタリングし、電流が検出されるならば、対応するパワーステージ中のすべてのスイッチを不能にしてもよい。
【００８５】
様々な実現において、エネルギー処理モジュールは、一つまたは複数のパワーステージおよび少なくとも一つの制御器を含むモジュールにパッケージングすることができる。プリント回路板実現に加えて、いくつかの態様は、サブコンポーネントまたはシステムを含むことができるハイブリッドモジュールで提供することもできる。たとえば、いくつかの実現は、AC出力または二つの独立したDC出力を提供するように適合された二つのパワーステージ回路および適当な制御器をポット(potted)モジュール中に含むことができる。いくつかのモジュラー実現は、単極電源に接続するためのDC入力、AC電源に接続する(たとえば、図6の入力ステージ620のような集積整流器モジュールを介して)ためのAC入力または一つまたは複数のそのような入力の組み合わせを有することができる。
【００８６】
たとえば図6を参照しながら説明する双方向出力電流能力の態様を拡張すると、三つまたはそれ以上の位相をシステムに供給するようにさらなるパワーステージを構成することができる。たとえば、デルタ配置に配設された固定子巻線を有する三相誘導モーターに3対のパワーステージによって給電することができ、各対が、たとえば図5〜6を参照しながら説明するように構成され、各対が、デルタの一つの位相を供給するように結合されている。たとえば、制御信号をたとえば制御器615に供給する制御器により、トルク、電流、速度、位相、位置または他のパラメータを制御することができる。いくつかの態様では、たとえばエンコーダ、ホール効果、逆起電力感知またはセンサレス制御を使用して、ベクトル指向制御技術、たとえば可変周波数、ヘルツあたり一定のボルト、直接電界オリエンテーションまたは間接電界オリエンテーションを実現することもできる。もう一つの例では、三相系WYE接続トランスに給電するようにパワーステージを配設し、制御することができる。種々の多相系で、DC電源および／またはAC電源(たとえば単相、各相に半または全波整流を加えた多相)からパワーステージへの入力を提供することができる。
【００８７】
AC (たとえば単相、三相、四相、12相など)を提供する出力を有する態様では、少なくとも約100kHzまたはそれ以上、たとえば約5Hz、50Hz、60Hz、100Hz、400Hz、2kHz、5kHz、10kHz、20kHz、60kHz、90kHzまたは約100kHzまでの周波数を含む任意の基本周波数を負荷に出力するように作動させることができる。さらには、出力された基本周波数および／または少なくとも一つの高調波周波数の位相を制御して、たとえば公共線路電圧信号に同期化させることもできる。
【００８８】
双方向または多相能力を有するいくつかの実現においては、二つまたはそれ以上のパワーステージが同じエネルギー回収キャパシタンスを共有することもできる。図7を参照すると、期間D中にキャパシタンスに捕獲されたエネルギーを後続の期間A'中に負荷に印加することもでき、期間D'中にキャパシタンスに捕獲されたエネルギーを後続の期間A中に負荷に印加することもできる。
【００８９】
モジュールに通信し、かつ／またはモジュールから状態情報を受信するソフトウェア更新を制御コマンドに提供することができるネットワークに、一つまたは複数のパワー処理モジュールを結合することもできる。特定のモジュールにネットワークアドレス、たとえばIP (インターネットプロトコル)アドレスを割り当てることもできる。たとえば、施設中の各モジュールに固有のネットワークアドレスを割り当て、IPアドレスを用いてゲートウェイを介して制御することもできる。
【００９０】
アーキテクチャの特定の特徴を説明したが、他の特徴を組み込んで性能を改善してもよい。たとえば、キャッシュ(たとえばL1、L2等)技術を使用してもよい。たとえばスクラッチパッドメモリを提供するため、および／または実行時動作中での使用に備えて不揮発性メモリに記憶された実行可能コードもしくはパラメータ情報をロードするために、ランダムアクセスメモリが含まれてもよい。一つまたは複数のプロトコルを使用するネットワークまたは他の通信、ワイヤレス(たとえば赤外線)通信、貯蔵された動作エネルギーおよび電源(たとえばバッテリー)、切り替えおよび／または線形電源回路、ソフトウェアメンテナンス(たとえば自己試験、グレードアップなど)などの動作を遂行するために他のハードウェアおよびソフトウェアを設けてもよい。データ記憶および関連の動作の支援として一つまたは複数の通信インターフェースを設けてもよい。
【００９１】
いくつかのシステムは電子処理機能を遂行することができる。たとえば、様々な実現が、デジタルおよび／またはアナログ回路、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアまたはそれらの組み合わせを含むことができる。装置は、情報担体、たとえば機械読み取り可能な記憶デバイスまたは伝搬信号中に具現化された、プログラム可能なプロセッサによって実行するためのコンピュータプログラム製品において実現することができ、方法は、入力データに処理を加え、出力を生成することによって本発明の機能を遂行するための命令のプログラムを実行するプログラム可能なプロセッサによって遂行することができる。いくつかの態様は、有利には、一つまたは複数のコンピュータプログラムで実現することができ、該コンピュータプログラムは、データおよび命令をデータ記憶システムから受信し、かつデータおよび命令をデータ記憶システムに送信するために結合された少なくとも一つのプログラム可能なプロセッサ、少なくとも一つの入力デバイス、および／または少なくとも一つの出力デバイスを含むプログラム可能なシステム上で実行可能である。コンピュータプログラムは、特定の活動を遂行する、または特定の結果を生じさせるためにコンピュータ中で直接的または間接的に使用することができる命令のセットである。コンピュータプログラムは、コンパイルまたは解釈言語を含む任意の形態のプログラム言語で書かれていてもよく、独立型プログラムもしくはモジュール、コンポーネント、サブルーチンまたはコンピューティング環境における使用に適した他のユニットとしての形態を含む任意の形態で展開することができる。
【００９２】
命令のプログラムの実行に適したプロセッサとしては、例として一つのプロセッサまたは任意の種類のコンピュータの多数のプロセッサの一つを含むことができる汎用および専用の両方のマイクロプロセッサがある。一般に、プロセッサは、読み取り専用メモリまたはランダムアクセスメモリまたは両方から命令およびデータを受ける。コンピュータの要素としては、命令を実行するためのプロセッサならびに命令およびデータを記憶するための一つまたは複数のメモリを挙げることができる。一般に、コンピュータはまた、データファイルを記憶するための一つまたは複数の大容量記憶デバイスを含むか、それと通信するように動作的に結合されている。そのようなデバイスとしては、磁気ディスク、たとえば内部ハードディスクおよびリムーバブルディスク、磁気光学ディスクならびに光学ディスクを挙げることができるが、それらに限定されない。コンピュータプログラム命令およびデータを確実に具現化するのに適した記憶デバイスとしては、すべての形態の不揮発性メモリ、たとえば例として半導体メモリデバイス、たとえばEPROM、EEPROMおよびフラッシュメモリデバイス、磁気ディスク、たとえば内部ハードディスクおよびリムーバブルディスク、磁気光学ディスクならびにCD-ROMおよびDVD-ROMディスクがある。プロセッサおよびメモリは、ASIC (特定用途向け集積回路)によって補足されるか、ASICに組み込まれうる。
【００９３】
いくつかの実現は、同じまたは類似した情報でプログラムすることもでき、ならびに／または揮発性および／もしくは不揮発性メモリに記憶された実質的に同一の情報で初期化することもできる。たとえば、一つのデータインターフェースを、適切なホストデバイス、たとえばデスクトップコンピュータまたはサーバに結合された場合に、自動設定、自動ダウンロードおよび／または自動更新機能を遂行するように設定することもできる。
【００９４】
いくつかの実現においては、一つまたは複数のユーザーインターフェース機構をカスタム設定して特定の機能を遂行させることもできる。ユーザーとの対話を提供するために、いくつかの実現は、情報をユーザーに表示するための表示デバイス、たとえばCRT (陰極線管)またはLCD (液晶表示)モニタ、キーボードおよび／またはポインティングデバイス、たとえばマウスまたはトラックボールを提供することができ、これらにより、オペレータはコンピュータにアクセスし、および／またはコンピュータに入力を提供することができる。
【００９５】
様々な実現は、適当な通信方法、設備および技術を使用して通信することができる。たとえば、システムは、メッセージが専用の物理的リンク(たとえば光ファイバーリンク、二地点間配線、デージーチェーン)を介して直接ソースからレシーバに運ばれる二地点間通信を使用して互換性デバイス(たとえば、システム100におよび／またシステム100からデータを送受信することができるデバイス)と通信することができる。システムの構成部品は、通信ネットワーク上のパケットベースのメッセージをはじめとする任意の形態または媒体のアナログまたはデジタルデータ通信によって情報を交換することができる。通信ネットワークの例は、たとえば、LAN (ローカルエリアネットワーク)、WAN (ワイドエリアネットワーク)、MAN (メトロポリタンエリアネットワーク)、ワイヤレスおよび／または光学ネットワークならびにインターネットを形成するコンピュータおよびネットワークを含む。他の実現は、たとえば全方向性無線周波数(RF)信号を使用することにより、通信ネットワークによって結合されたすべてまたは実質的にすべてのデバイスに同報通信することによってメッセージを運ぶことができる。さらに他の実現は、高い指向性を特徴とするメッセージ、たとえば指向性(すなわち狭ビーム)アンテナを使用して送信されるRF信号または場合によっては集束光学部品とともに使用することができる赤外線信号を運ぶことができる。適切なインターフェースおよびプロトコル、例として非限定的に、USB 2.0、ファイアウォール、ATA/IDE、RS-232、RS-422、RS-485、802.11 a/b/g、Wi-Fi、イーサネット、TCP/IP、IrDA、FDDI (ファイバー分散データインターフェース)、トークンリングネットワークまたは周波数、時間および／またはコード分割に基づく多重化技術を使用して、さらに他の実現とすることが可能である。いくつかの実現は、場合によっては、データの完全性のためのエラー検査・訂正(ECC)のような機能または暗号化(たとえばWEP)およびパスワード保護のような機密保護手段を組み込むことができる。
【００９６】
本発明の実現を数多く記載した。しかし、様々な改変を加えることができることが理解されよう。たとえば、開示された技術のステップを異なる順序で遂行するならば、開示されたシステム中の構成部品を異なるやり方で組み合わせるならば、または構成部品を他の構成部品と交換または他の構成部品で補足するならば、有利な結果を達成することができる。したがって、他の実現が特許請求の範囲に入る。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】エネルギーをDC入力からDC誘導性負荷に供給するためのパワーステージを有する例示的なエネルギー処理モジュールの略図を示す。
【図２】エネルギーをDC入力からDC誘導性負荷に供給するための例示的なパワーステージの略図を示す。
【図３】図1〜2のパワーステージの動作を説明するための例示的な電圧および電流波形のプロットを示す。
【図４】エネルギーをDC入力からDC誘導性負荷に供給するための例示的なパワーステージの略図を示す。
【図５】エネルギーをDC入力からAC誘導性負荷に供給するための例示的なパワーステージ対の略図を示す。
【図６】エネルギーをAC入力からAC誘導性負荷に供給するための図5のパワーステージを使用する例示的なエネルギー処理システムのブロック図を示す。
【図７】図5〜6のパワーステージの動作を説明するための例示的な電圧および電流波形のプロットを示す。
【図８】例示的な電圧制限回路を示す。
【図９】例示的な電圧制限回路を示す。
【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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【国際調査報告】
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