(57)【要約】  本発明は、共振コンバータの共振電流の複数の周期の各半周期の間、対角対が導通している初期状態（５００）から開始して、電圧制御信号に基づいて対角対の第１のスイッチ部材をターンオフし（５１０）、第１のスイッチ部材のターンオフの後、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、共振電流のゼロ交差Ｅ５より前にターンオンし（５２０）、第１のスイッチ部材のターンオフの後、対角対の第２のスイッチ部材を、ゼロ交差Ｅ５より前にターンオフし（５３０）、第２のスイッチ部材のターンオフの後、第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、共振電流のゼロ交差事象より前にターンオンする（５４０）ように、フルブリッジ構成を備える共振コンバータを制御する制御回路及び方法を提案する。
2019503160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フルブリッジ構成を備える共振コンバータを制御するための制御回路であって、前記フルブリッジ構成が２つの並列スイッチングブランチを備え、前記２つのスイッチングブランチの各々が２つの直列接続されたスイッチ部材を備え、一方のスイッチングブランチのスイッチ部材と他方のスイッチングブランチのスイッチ部材とのそれぞれが対角対を形成し、前記制御回路は、
前記共振コンバータの出力電圧を制御するための電圧制御信号を供給するための出力電圧コントローラと、
前記スイッチ部材のスイッチング事象を制御するためのスイッチエンコーダと
を備え、
前記スイッチエンコーダが、前記共振コンバータの共振電流の複数の周期の各半周期の間、対角対が導通している初期状態から開始して、
前記電圧制御信号に基づいて前記対角対の第１のスイッチ部材をターンオフし、
前記第１のスイッチ部材の前記ターンオフの後、前記第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、前記共振電流のゼロ交差より前にゼロ交差事象に基づいて、ターンオンし、
前記第１のスイッチ部材の前記ターンオフの後、前記対角対の第２のスイッチ部材を、前記ゼロ交差より前に前記ゼロ交差事象に基づいて、ターンオフし、
前記第２のスイッチ部材の前記ターンオフの後、前記第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、前記共振電流の前記ゼロ交差事象より前に前記ゼロ交差事象に基づいて、ターンオンする、制御回路。
【請求項２】
前記共振電流のゼロ交差予測事象を示すゼロ交差予測信号を供給するためのゼロ交差予測器であって、各ゼロ交差予測事象が、前記共振電流のそれぞれのゼロ交差より所定の前進時間間隔だけ進んでいる、ゼロ交差予測器をさらに備え、
前記スイッチエンコーダは、前記ゼロ交差予測信号に基づいてゼロ交差予測事象において前記第２のスイッチ部材をターンオフする、請求項１に記載の制御回路。
【請求項３】
前記スイッチエンコーダが、さらに、前記ゼロ交差予測信号に基づいて、前記第１のスイッチ部材に直列接続された前記スイッチ部材をターンオンする、請求項２に記載の制御回路。
【請求項４】
遅延ゼロ交差予測事象を示す第１の遅延信号を供給するための第１の遅延ユニットであって、各遅延ゼロ交差予測事象が、対応するゼロ交差予測事象より第１の所定の遅延時間だけ遅れ、前記共振電流の対応するゼロ交差より前にある、第１の遅延ユニットをさらに備え、
前記スイッチエンコーダが、さらに、前記第１の遅延信号に基づいて、前記第２のスイッチ部材に直列接続された前記スイッチ部材を遅延ゼロ交差予測事象においてターンオフする、請求項２に記載の制御回路。
【請求項５】
前記第１の遅延ユニットが、前記ゼロ交差予測信号を遅延させることによって前記第１の遅延信号を供給する、請求項４に記載の制御回路。
【請求項６】
前記スイッチエンコーダが、さらに、前記第１の遅延信号に基づいて、遅延ゼロ交差予測事象において前記第１のスイッチ部材に直列接続された前記スイッチ部材をターンオンする、請求項４に記載の制御回路。
【請求項７】
前記第１のスイッチ部材の前記ターンオフを第２の所定の遅延時間だけ遅らせかつ前記ゼロ交差事象より前にある事象を示す第２の遅延信号を供給するための第２の遅延ユニットをさらに備え、
前記スイッチエンコーダが、さらに、前記第２の遅延信号に基づいて、前記第１のスイッチ部材に直列接続された前記スイッチ部材をターンオンする、請求項１に記載の制御回路。
【請求項８】
前記第２の遅延ユニットが、前記電圧制御信号を遅延させることによって前記第２の遅延信号を供給する、請求項７に記載の制御回路。
【請求項９】
前記共振電流の第１の周期において前記電圧制御信号に基づいて最初にターンオフされる前記スイッチ部材が、前記第１の周期と異なる前記共振電流の第２の周期において前記電圧制御信号に基づいて最初にターンオフされる前記スイッチ部材と異なる、請求項１に記載の制御回路。
【請求項１０】
前記スイッチエンコーダが、
前記ゼロ交差予測信号に基づいて鋸波信号を供給するための同期鋸波発生器と、
前記電圧制御信号及び前記鋸波信号に基づいて位相信号を供給するための比較器と、
前記位相信号に基づいて駆動信号を各スイッチ部材に供給するためのデジタルエンコーダとを備える、請求項２に記載の制御回路。
【請求項１１】
前記スイッチエンコーダが、
前記ゼロ交差予測信号及び前記共振電流の前記ゼロ交差に基づいて同期信号を供給するためのゼロ交差予測器と、
前記電圧制御信号及び前記同期信号に基づいて位相信号を供給するためのカウンタと、
前記位相信号に基づいて駆動信号を各スイッチ部材に供給するためのデジタルエンコーダとを備える、請求項２に記載の制御回路。
【請求項１２】
フルブリッジ構成を備える共振コンバータを制御する方法であって、前記フルブリッジ構成が２つの並列スイッチングブランチを備え、前記２つのスイッチングブランチの各々が２つの直列接続されたスイッチ部材を備え、一方のスイッチングブランチのスイッチ部材と他方のスイッチングブランチのスイッチ部材とのそれぞれが対角対を形成し、前記方法が、前記共振コンバータの共振電流の複数の周期の各半周期の間、対角対が導通している初期状態から開始し、
電圧制御信号に基づいて前記対角対の第１のスイッチ部材をターンオフするステップと、
前記第１のスイッチ部材の前記ターンオフの後、前記第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、前記共振電流のゼロ交差より前にターンオンするステップと、
前記第１のスイッチ部材の前記ターンオフの後、前記対角対の第２のスイッチ部材を、前記ゼロ交差より前にターンオフするステップと、
前記第２のスイッチ部材の前記ターンオフの後、前記第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、前記共振電流のゼロ交差事象より前にターンオンするステップと
を有する、方法。
【請求項１３】
共振コンバータと、前記共振コンバータを制御するための請求項１に記載の制御回路とを備える電力インバータであって、
前記共振コンバータがフルブリッジ構成と共振回路とを備え、
前記フルブリッジ構成が２つの並列スイッチングブランチを備え、前記２つのスイッチングブランチの各々が２つの直列接続されたスイッチ部材を備え、一方のスイッチングブランチのスイッチ部材と他方のスイッチングブランチのスイッチ部材とのそれぞれが対角対を形成し、
前記共振回路が前記２つのスイッチングブランチの各々に属する前記２つの直列接続されたスイッチ部材の接続点間に接続された、電力インバータ。
【請求項１４】
前記スイッチ部材のうちの１つ又は複数が、スナバキャパシタに並列に接続される、請求項１３に記載の電力インバータ。
【請求項１５】
請求項１３に記載の電力インバータと、前記電力インバータの入力部に接続されたＤＣ電圧源と、前記電力インバータの出力部に接続されたＸ線管とを備える、Ｘ線発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振コンバータに関し、特に、共振コンバータを制御するための制御回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線発生器の高電圧源では、フルブリッジ（すなわち、Ｈブリッジ）構成の共振コンバータが有用なトポロジであることが分かっている。より一般的には、フルブリッジ構成の共振コンバータは、ＤＣ電流をＡＣ電流に又はその逆に変換することができ、それにより、電力インバータ又は制御可能な整流器として使用される。
【０００３】
図１は、フルブリッジ構成の共振コンバータを含む例示的な高電圧源を示す。フルブリッジ構成は、２つの並列なスイッチングブランチ（ハーフブリッジ又はスイッチングレグとも呼ばれる）を含み、一方は２つの直列接続されたスイッチ部材Ｓ１及びＳ２を含み、他方は２つの直列接続スイッチ部材Ｓ３及びＳ４を含む。各スイッチは、任意の好適なタイプの電力半導体デバイスとすることができ、図１には逆導通ダイオードをもつＩＧＢＴトランジスタとして例示的に示されている。電流は、概して、ＤＣ電圧源Ｖｄｃ＿ｉｎとフルブリッジとの間で伝導される。ＤＣリンクキャパシタＣ＿ｉｎ又は１組のそれらのキャパシタは、スイッチングレグの両端のＤＣ電圧を平滑化するためにインバータ入力電流のＡＣ成分を伝導するのに使用される。共振回路は、スイッチングブランチの各々におけるスイッチ部材の接続点Ａと接続点Ｂとの間に、変圧器Ｔの移送前部の（ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｏｒｍｅｒ）一次（低電圧）巻線と直列に接続される。共振タンクとも呼ばれる共振負荷回路は、フルブリッジインバータによって駆動される。例えば、それは、直列共振回路（すなわち、ＬＣ回路）又はＬＣＣ回路である。共振要素の他の組合せが可能である。例えば、キャパシタＣ＿ｒｅｓと、インダクタＬ＿ｒｅｓと、変圧器Ｔの二次（高電圧）巻線から生じる固有寄生キャパシタンスＣ＿ｐとが、ＬＣＣ回路を形成する。フルブリッジのスイッチング事象は、共振回路を駆動するＡＣ電圧Ｖ＿ｔａｎｋにＤＣリンク電圧を変換するように、制御回路（図示せず）の１１０、１１２、１１４、１１６によって制御される。次いで、生じたＡＣ電流は、変圧器Ｔによって高電圧レベルに変換され、次いで、整流され、出力キャパシタＣ＿ｏｕｔによって平滑化される。固有寄生変圧器キャパシタンスＣ＿ｐは、電流整流の間好ましい条件を作り出し、出力電圧を上げるために使用される。出力電圧は、Ｘ線管などの任意の種類の負荷Ｌに供給される。
【０００４】
フルブリッジのスイッチング事象を制御するためのいくつかの制御方式が存在する。主な目的は、出力電圧のリップルを低減し、構成要素のコスト及びサイズを最小にするために、高い動作周波数を可能にする方式を規定することである。これは、電力半導体損失がゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）及びゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）によって最小にされる場合にのみ達成される。ＺＶＳは、図１で分かるように、それぞれ、スイッチングデバイスに並列に接続されているスナバキャパシタＣｓ１…Ｃｓ４を使用することによってサポートされる。さらに、スナバキャパシタＣｓ１…Ｃｓ４は、電磁干渉を軽減し、接地漏洩電流を低減するのに役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よく知られている制御方式はパルス周波数変調（ＰＦＭ）である。これは、移送される出力電力がインバータの制御された動作周波数によって決まることを意味する。最も頻繁に使用される制御方法は、図１の回路による主リアクタンス要素Ｌ＿ｒｅｓ及びＣ＿ｒｅｓの直列共振周波数より上に設けられた範囲内の可変周波数を用いた動作である。この制御は、一般に、無負荷から全負荷までの動作の範囲をカバーするには広い周波数変化を必要とする。さらに、共振リアクタンスからＤＣ入力キャパシタＣ＿ｉｎに電力がフィードバックされる動作状態が存在する。この電力フィードバックは、対角対のダイオード、すなわち、Ｄ１及びＤ４、又はＤ２及びＤ３のいずれかが電流を伝導するときにアクティブとなる。その結果、既存のＰＦＭ制御技法の欠点は、大きいサイズ及び低い効率である。
【０００６】
パルス幅変調（ＰＷＭ、米国特許第５７１９７５９号を参照）などの他の制御方式は、両方の種類のハードスイッチング事象（ターンオフ及びターンオン）をいかなる半導体スイッチにも適用しており、それは、スナバキャパシタなどの簡単なスナバ回路の使用を困難にしている。ハードスイッチング事象により、高レベルのスイッチング損失が引き起こされ、したがって、半導体デバイスの熱放散能力に応じて動作周波数が制限される。
【０００７】
位相シフト制御と呼ばれる別の制御方式（米国特許出願公開第２０１１２２２６５１号、米国特許第６１７８０９９号を参照）は、異なる電力範囲で異なるモードを使用する。進みレッグハーフブリッジ（ｌｅａｄｉｎｇ  ｌｅｇ  ｈａｌｆ−ｂｒｉｄｇｅ）及び遅れレグは、異なるスイッチング作用で動作する。軽負荷又は無負荷条件の下では、ＺＶＳ状態はもはや存在しない。高電力では、ＺＣＳ条件は保持することが困難である。したがって、位相シフトスイッチング方法がソフトスイッチングで働かない動作点が存在する。スイッチング損失は、その箇所でかなり大きくなり、望ましくない冷却の努力又はさらにデバイスの過熱に至る。
【０００８】
それゆえに、共振コンバータのための新規の制御方式を提供することは有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様の一実施形態によれば、フルブリッジ構成を備える共振コンバータを制御するための制御回路が提案される。フルブリッジ構成は、２つの並列スイッチングブランチを備える。２つのスイッチングブランチの各々は、２つの直列接続されたスイッチ部材を備える。一方のスイッチングブランチのスイッチ部材と他方のスイッチングブランチのスイッチ部材とのそれぞれは、対角対を形成する。制御回路は、共振コンバータの出力電圧を制御するために電圧制御信号を供給するための出力電圧コントローラと、スイッチ部材のスイッチング事象を制御するためのスイッチエンコーダとを備え、スイッチエンコーダは、共振コンバータの共振電流の複数の周期の各半周期の間、対角対が導通している初期状態から開始して、電圧制御信号に基づいて対角対の第１のスイッチ部材をターンオフし、第１のスイッチ部材のターンオフの後、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、共振電流のゼロ交差より前にゼロ交差事象に基づいて、ターンオンし、第１のスイッチ部材のターンオフの後、対角対の第２のスイッチ部材を、ゼロ交差より前にゼロ交差事象に基づいて、ターンオフし、第２のスイッチ部材のターンオフの後、第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、共振電流のゼロ交差事象より前にゼロ交差事象に基づいて、ターンオンするように構成される。
【００１０】
既存の制御方式とまったく異なり、提案する制御回路は、共振電流の半周期の１サイクル内でスイッチング事象を制御することができる。共振電流の周期は共振周期とも呼ばれる。特に、スイッチ部材の対角対が導通している初期状態から開始して、共振周期の二分の一周期の間に、２つの当初導電性のスイッチ部材がターンオフされ、他の２つの当初非導電性のスイッチ部材がターンオンされることが提案される。既存の制御方式のどれもこの新規のスイッチングシーケンスを使用していない。
【００１１】
提案する制御方式により、すべてのターンオンスイッチング事象は無損失となる。特に、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材は、第１のスイッチ部材のターンオフの後ターンオンされる。簡単のために、２つの直列接続されたスイッチ部材（すなわち、同じブランチの２つのスイッチ部材）の一方のスイッチ部材は、以下、他方のスイッチ部材の相補的スイッチ部材とも呼ばれる。第１のスイッチ部材がターンオフされた後、第１のスイッチ部材の相補的スイッチ部材のダイオードが導通となり、共振電流が、ブリッジレグの両端の駆動ＤＣリンク電圧と反対の方向に相補的スイッチ部材を通って流れる。その結果、相補的スイッチ部材は、負の電流で、又は言い換えればそのダイオードが導通しているとき、ターンオンされ、それにより、そのようなターンオン事象は、ＺＣＳ事象であり、無損失である。同様に、第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材はやはり第２のスイッチ部材のターンオフの後ターンオンされ、そのようなターンオン事象はやはり無損失である。
【００１２】
一実施形態によれば、制御回路は、共振電流のゼロ交差予測事象を示すゼロ交差予測信号を供給するためのゼロ交差予測器をさらに備え、各ゼロ交差予測事象は、共振電流のそれぞれのゼロ交差より所定の前進時間間隔（ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ａｄｖａｎｃｉｎｇ  ｔｉｍｅ  ｉｎｔｅｒｖａｌ）だけ進んでおり、スイッチエンコーダは、さらに、ゼロ交差予測信号に基づいてゼロ交差予測事象において第２のスイッチ部材をターンオフするように構成される。
【００１３】
所定の前進時間間隔は比較的小さい時間間隔である。好ましくは、所定の前進時間は共振周期の５％から１５％である。このようにして、共振電流のゼロ交差に近い時点で第２のスイッチ部材をターンオフすることが提案される。第２のスイッチ部材はゼロ交差予測事象においてターンオフされるので、第２のスイッチ部材は小さい共振電流でターンオフされ、それにより、ターンオフスイッチング損失も低い。一般に、所定の前進時間が小さいほど、ゼロ交差予測事象における共振電流は小さくなり、スイッチング損失は低くなる。
【００１４】
一実施形態によれば、スイッチエンコーダは、ゼロ交差予測信号に基づいて、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材をターンオンするようにさらに構成される。一例では、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材、すなわち、第１のスイッチ部材の相補的スイッチ部材は、ゼロ交差予測事象においてターンオンされる。別の例では、第１のスイッチ部材の相補的スイッチ部材は、ゼロ交差予測事象に隣接して、ゼロ交差予測事象より一定の所定の時間間隔だけ進んで又は遅れて、ターンオンされる。
【００１５】
一実施形態によれば、制御回路は、ゼロ交差予測事象を示す第１の遅延信号を供給するための第１の遅延ユニットであって、各遅延ゼロ交差予測事象が、対応するゼロ交差予測事象より第１の所定の遅延時間だけ遅れ、共振電流の対応するゼロ交差より前にある、第１の遅延ユニットをさらに備え、スイッチエンコーダは、第１の遅延信号に基づいて、第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を遅延ゼロ交差予測事象においてターンオフするようにさらに構成される。
【００１６】
このようにして、第２のスイッチ部材はゼロ交差予測事象においてターンオフされ、第２のスイッチ部材の相補的スイッチ部材は、ゼロ交差予測事象まで遅延された時点で、しかしながら、ゼロ交差事象の前にターンオンされる。好ましくは、第１の所定の遅延時間は、スイッチ部材の不感時間以上となるように設定される。このようにして、ハーフブリッジの制御信号は、少なくとも、ハーフブリッジの１つのスイッチ部材のターンオフトリガと、相補的スイッチ部材のターンオントリガとの間に不感時間を含む。不感時間は、相補的スイッチ部材が導通となる前に、一方のスイッチ部材が完全にターンオフされていることを保証する。言い換えれば、不感時間は、ＤＣリンク電圧の一時的短絡を意味する半導体電力スイッチの両方の同時ターンオン状態を防止する。
【００１７】
一実施形態によれば、第１の遅延ユニットは、ゼロ交差予測信号を遅延させることによって第１の遅延信号を供給するように構成される。
【００１８】
一実施形態によれば、スイッチエンコーダは、第１の遅延信号に基づいて、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を遅延ゼロ交差予測事象においてターンオンするようにさらに構成される。このようにして、第１のスイッチ部材の相補的スイッチ部材及び第２のスイッチ部材の相補的スイッチ部材の両方は、遅延ゼロ交差予測事象において、しかしなおも共振電流のゼロ交差より前にターンオンされる。
【００１９】
一実施形態によれば、制御回路は、第１のスイッチ部材のターンオフを第２の所定の遅延時間だけ遅らせかつゼロ交差事象より前にある事象を示す第２の遅延信号を供給するための第２の遅延ユニットをさらに備え、スイッチエンコーダは、第２の遅延信号に基づいて、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材をターンオンするようにさらに構成される。このようにして、第１のスイッチ部材の相補的スイッチ部材のターンオンは、第１のスイッチ部材のターンオフから第２の所定の遅延時間だけ遅れる。好ましくは、第２の所定の遅延時間は、スイッチ部材の不感時間以上となるように設定される。
【００２０】
一実施形態によれば、第２の遅延ユニットは、電圧制御信号を遅延させることによって第２の遅延信号を供給するように構成される。
【００２１】
一実施形態によれば、共振電流の第１の周期の電圧制御信号に基づいて最初にターンオフされるスイッチ部材は、第１の周期と異なる共振電流の第２の周期において電圧制御信号に基づいて最初にターンオフされるスイッチ部材と異なる。提案するスイッチングシーケンスによれば、２つの当初導電性の対角対が、半共振周期の間に順次ターンオフされ、次いで、前述の導電性のスイッチに対する相補的スイッチが、次の半共振周期の間にターンオンされる。早い時間にターンオフされたスイッチ部材（進みスイッチ部材（ｌｅａｄｉｎｇ  ｓｗｉｔｃｈ  ｍｅｍｂｅｒ）と呼ばれる）、すなわち、電圧制御信号に基づいてターンオフされるスイッチ部材は、後の時間にターンオフされるスイッチ部材（遅れスイッチ部材（ｌａｇｇｉｎｇ  ｓｗｉｔｃｈ  ｍｅｍｂｅｒ）と呼ばれる）と比べて高いスイッチング損失を被る。対角対の一方のスイッチ部材を１つの共振周期における進みスイッチ部材とし、他方のスイッチ部材を別の共振周期における進みスイッチ部材とすることによって、スイッチング損失は、すべての４つのスイッチ部材に均一に分配される。
【００２２】
各対角対の進みスイッチ部材の交替は、様々なやりかたで実施される。一例では、進みスイッチ部材の変更又は交替は一つおきの共振周期とすることができる。すなわち、複数の連続する共振周期の間、所与の対角対の２つのスイッチ部材は、交互に、進みスイッチ部材（すなわち、電圧制御信号に基づいて最初にターンオフされるスイッチ部材）として働く。例えば、対角対の一方のスイッチ部材は、第１及び第３の連続する共振周期において進みスイッチ部材として働き、対角対の他方のスイッチ部材は、第２及び第４の連続する共振周期において進みスイッチ部材として働く。別の例では、進みスイッチ部材の変更又は交替は、例えば、２つ、３つなどの所定の数の共振周期ごととすることができる。さらに、１つの対角対の進みスイッチの変更又は交替は、他の対角対のものと同じでも異なっていてもよい。
【００２３】
スイッチエンコーダは、個別のアナログ回路、個別のデジタル回路、例えば、デジタル信号処理若しくはプログラマブルロジック又はそれらの組合せなどで実施される。
【００２４】
一実施形態によれば、スイッチエンコーダは、ゼロ交差予測信号に基づいて鋸波信号を供給するための同期鋸波発生器と、電圧制御信号及び鋸波信号に基づいて位相信号を供給するための比較器と、位相信号に基づいて駆動信号を各スイッチ部材に供給するためのデジタルエンコーダとを備える。
【００２５】
一実施形態によれば、ゼロ交差予測信号及び共振電流のゼロ交差に基づいて同期信号を供給するための同期信号発生器、電圧制御信号及び同期信号に基づいて位相信号を供給するためのカウンタ、及び位相信号に基づいて駆動信号を各スイッチ部材に供給するためのデジタルエンコーダが提供される。
【００２６】
本発明の第２の態様の一実施形態によれば、フルブリッジ構成を備える共振コンバータを制御する方法が提案される。フルブリッジ構成は、２つの並列スイッチングブランチを備える。２つのスイッチングブランチの各々は、２つの直列接続されたスイッチ部材を備える。一方のスイッチングブランチのスイッチ部材と他方のスイッチングブランチのスイッチ部材とのそれぞれは、対角対を形成する。この方法は、共振コンバータの共振電流の複数の周期の各半周期の間、対角対が導通している初期状態から開始して、電圧制御信号に基づいて対角対の第１のスイッチ部材をターンオフするステップと、第１のスイッチ部材のターンオフの後、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、共振電流のゼロ交差より前にターンオンするステップと、第１のスイッチ部材のターンオフの後、対角対の第２のスイッチ部材を、ゼロ交差より前にターンオフするステップと、第２のスイッチ部材のターンオフの後、第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材を、共振電流のゼロ交差事象より前にターンオンするステップとを有する。
【００２７】
本発明の第３の態様の一実施形態によれば、電力インバータが提案される。電力インバータは、共振コンバータと、共振コンバータを制御するための制御回路とを備え、共振コンバータはフルブリッジ構成と共振回路とを備える。フルブリッジ構成は、２つの並列スイッチングブランチを備え、２つのスイッチングブランチの各々は２つの直列接続されたスイッチ部材を備え、一方のスイッチングブランチのスイッチ部材と他方のスイッチングブランチのスイッチ部材とのそれぞれは、対角対を形成する。共振回路は、２つのスイッチングブランチの各々に属する２つの直列接続されたスイッチ部材の接続点間に接続される。
【００２８】
一実施形態によれば、スイッチ部材のうちの１つ又は複数は、スナバキャパシタに並列接続される。スナバキャパシタは、ターンオフスイッチング事象の損失を低減するのに有用であるが、ターンオンスイッチング事象の損失を増加させることが知られている。すべてのターンオンスイッチング事象が負電流で生じ、それにより、無損失であることのおかげで、簡単なスナバキャパシタが、ターンオフスイッチング損失を低減するために極めて適切に使用される。
【００２９】
本発明の第４の態様の一実施形態によれば、Ｘ線発生器が提案される。Ｘ線発生器は、電力インバータと、電力インバータの入力部に接続されたＤＣ電圧源と、電力インバータの出力部に接続されたＸ線管とを備える。
【００３０】
前記Ｘ線発生器に加えて、提案する電力インバータは、溶接、工業用誘導加熱、又は排ガス洗浄用静電集塵器を備える様々な分野にも適用可能である。
【００３１】
本発明の他の目的及び利点は、添付図面と組み合わせてなされる説明を参照して一層明らかになり、容易に理解されるであろう。
【００３２】
本発明が、実施形態と組み合わせて及び図面を参照して以下でより詳細に記載及び説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】先行技術によるフルブリッジ構成の共振コンバータを含む例示的な高電圧源を示す図である。
【図２Ａ】例示的なスイッチ部材を示す図である。
【図２Ｂ】例示的なスイッチ部材を示す図である。
【図２Ｃ】例示的なスイッチ部材を示す図である。
【図３】例示的なハーフブリッジを示す図である。
【図４】フルブリッジ構成を含む例示的な共振コンバータを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるフルブリッジ構成を含む共振コンバータを制御する方法を示す図である。
【図６】図５の方法による半共振周期におけるターンオフスイッチング事象のシーケンス、ターンオンスイッチング事象の時間間隔、及び電流ゼロ交差事象を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態によるタンク電圧及び共振電流の曲線と一緒に複数の共振周期におけるスイッチング事象のシーケンスを示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態によるフルブリッジ構成を含む共振コンバータを制御するための制御回路を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態によるフルブリッジ構成を含む共振コンバータを制御するための制御回路を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態によるフルブリッジ構成を含む共振コンバータを制御するための制御回路を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるゼロ交差予測器によって発生される信号を示す図である。
【図１２】図１１の信号を発生するための例示的なゼロ交差予測器を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態による図８、図９、又は図１０のスイッチエンコーダ及び第１の遅延ユニットを実施する第１の例示的な回路を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態による同期鋸波発生器によって発生される鋸波信号を示す図である。
【図１５】図１４の鋸波信号を発生するための例示的な鋸波発生器を示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態によるデジタルエンコーダによって発生される駆動信号を示す図である。
【図１７】図１６の駆動信号を発生するための例示的なデジタルエンコーダを示す図である。
【図１８】本発明の別の実施形態によるデジタルエンコーダによって発生される駆動信号を示す図である。
【図１９】図１８の駆動信号を発生するための例示的なデジタルエンコーダを示す図である。
【図２０】本発明の一実施形態による図８、図９、又は図１０のスイッチエンコーダ及び第１の遅延ユニットを実施する第２の例示的な回路を示す図である。
【図２１】図２０の第２の例示的な回路の例示的なシーケンシング及びタイミング動作を示す図である。
【図２２】図２１と比べて代替のシーケンシング及びタイミング動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図中の同じ参照符号は、同様の又は対応する特徴及び／又は機能を示す。
【００３５】
本発明は、特定の実施形態に関して及び特定の図面を参照して説明されるが、本発明は、それに限定されるのではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載された図面は概略に過ぎず、限定ではない。図面において、要素のうちのいくつかに関するサイズは、例示目的のために誇張されており、原寸に比例して描かれていない。
【００３６】
最初に、いくつかのよく知られている用語を、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３、及び図４を参照して簡単に説明する。
【００３７】
スイッチ部材は、１つ又は複数の並列接続及び／又は直列接続されたスイッチ（例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳトランジスタ、又は別の半導体スイッチ）と、１つ又は複数のスイッチに並列に接続されるか、又はＭＯＳＦＥＴのボディダイオードとして固有の機能を実行することが分かっている逆ダイオード（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｄｉｏｄｅ）とを含む組合せを示す。一般に、スイッチ部材は、互いに並列に接続された２つの基本構成要素、すなわち、電力スイッチ及び逆ダイオードによって機能的に表され、電力スイッチは、１つ又は複数の並列接続及び／又は直列接続されたスイッチを含み、外部信号によってターンオン及びターンオフされ、ターンオフ状態で電圧を遮断し、ターンオン状態で順電流を伝導することができ、逆ダイオードは、スイッチング機能の順電圧を遮断することができ、前述の並列の電力スイッチと逆である導電方向に電流が注入されている場合に導通となる。
【００３８】
図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、例示的なスイッチ部材を示す。図２Ｂは、逆導電性電力スイッチの機能表現を示す。図２Ｂを参照すると、逆導電性電力スイッチは、２つの基本要素、すなわち、制御電力スイッチ及び並列逆ダイオードによって表される。電力スイッチは、任意の種類の好適な半導体電力スイッチである。図２Ｃは、逆ダイオードと組み合わせた一方向ＩＧＢＴを示す。図２Ａは、ボディダイオードによって逆導通を可能にするパワーＭＯＳＦＥＴを示す。
【００３９】
図３は、例示的なハーフブリッジを示す。ハーフブリッジ又はスイッチレグは、直列に接続された２つのスイッチ部材を含み、それは以下の３つの端子をもたらす。
ＤＣ電圧の正電位Ｖｐに接続されるべきハイサイドスイッチ部材、
ＤＣ電圧の負電位Ｖｎに接続されるべきローサイドスイッチ部材、
スイッチの出力ポールＶａｃ、すなわち、共振負荷回路に接続されるべき、２つのスイッチ部材の接続点。
【００４０】
したがって、ハーフブリッジ、又はいわゆるスイッチングレグ若しくはスイッチングブランチは、ＤＣ電流をＡＣ電流に又はその逆に変換することができ、電力インバータ又は制御可能整流器として使用される。
【００４１】
図４は、フルブリッジ構成を含む例示的な共振コンバータを示す。共振コンバータは、ＤＣ電圧源Ｖｄｃと共振回路４００とに接続される。フルブリッジ構成は、２つの並列スイッチングブランチを含む。一方のスイッチングブランチは２つの直列接続されたスイッチ部材Ｓ１及びＳ２を含み、他方のスイッチングブランチは２つの直列接続されたスイッチ部材Ｓ３及びＳ４を含む。各スイッチ部材は、同じスイッチングブランチの他方のスイッチ部材の相補的スイッチ部材である。例えば、Ｓ１はＳ２の相補的スイッチ部材であり、逆もまた同様である。ハイサイドスイッチ部材Ｓ１及びＳ３はＤＣ電圧源の正電位Ｖｐに接続され、ローサイドスイッチ部材Ｓ２及びＳ４はＤＣ電圧源の負電位Ｖｎに接続される。対角対は、異なるスイッチングブランチに配置されている２つのスイッチ部材によって形成され、対角対を介して、負荷はＤＣ電圧源の低電位端子及び高電位端子に接続される。図４を参照すると、Ｓ１及びＳ４は対角対を形成し、Ｓ２及びＳ３は同様に対角対を形成する。共振回路４００は、２つのスイッチングブランチの２つの連結部Ｖａｃ１、Ｖａｃ２間に接続される。
【００４２】
図５は、本発明の一実施形態によるフルブリッジ構成を含む共振コンバータを制御する方法を示す。図６は、図５の方法による半共振周期におけるターンオフスイッチング事象のシーケンス、ターンオンスイッチング事象の時間間隔、及びゼロ交差事象を示す。図６の曲線６００は、時間ｔに関して共振電流の絶対値を表す。図５を参照すると、図示の方法は、対角対のフルブリッジが導通している初期状態５００から開始して共振電流の半周期の間にスイッチング事象のシーケンスを引き起こす。図５及び図６を参照すると、５１０において、当初導電性の対角対の第１のスイッチ部材が、電圧制御信号に基づいてターンオフされる（スイッチング事象Ｅ１として表されている）。５２０において、第１のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材が、第１のスイッチ部材のターンオフの後であるが共振電流のゼロ交差（ゼロ交差事象Ｅ５として表される）より前にターンオンされる（スイッチング事象Ｅ２として表される）。５３０において、当初導電性の対角対の第２のスイッチ部材が、第１のスイッチ部材のターンオフの後であるが共振電流のゼロ交差より前にターンオフされる（スイッチング事象Ｅ３として表される）。５４０において、第２のスイッチ部材に直列接続されたスイッチ部材が、第２のスイッチ部材のターンオフの後であるが共振電流のゼロ交差より前にターンオンされる（スイッチング事象Ｅ４として表される）。この時点までに、当初導電性の対角対がターンオフされ、他方の対角対のスイッチ部材が、ターンオンされ、それにより、導通となる。その結果、２つの対角対は、交互に、連続する半共振周期において当初導電性の対角対になる。言い換えれば、図６を参照すると、
当初導電性の対角対の２つのスイッチ部材は、事象Ｅ１及びＥ３において続いてターンオフされ、
スイッチング事象Ｅ２（すなわち、第１のスイッチ部材の相補的スイッチ部材のターンオン）は、スイッチング事象Ｅ１（すなわち、第１のスイッチ部材のターンオフ）と事象Ｅ５（すなわち、共振電流のゼロ交差）との間の時間間隔Ｔ１のどの時点で生じてもよく、
スイッチング事象Ｅ４（すなわち、第２のスイッチ部材の相補的スイッチ部材のターンオン）は、スイッチング事象Ｅ３（すなわち、第２のスイッチ部材のターンオフ）と事象Ｅ５（すなわち、共振電流のゼロ交差）との間の時間間隔Ｔ２のどの時点で生じてもよい。
【００４３】
半共振周期において、当初導電性の対角対は、Ｓ１及びＳ４、又はＳ２及びＳ３である。当初導電性の対角対の第１のスイッチ部材は、当初導電性の対角対の２つのスイッチ部材のうちの任意のものとすることができる。したがって、どの対角対が当初導通しているか、及び当初導電性の対角対のどのスイッチ部材がスイッチング事象Ｅ１においてターンオフされる第１のスイッチ部材であるかに応じて４つの異なるシナリオがある、表１は、行ごとに、シナリオに応じて、スイッチング事象Ｅ１からＥ４の各々に対応するスイッチ部材を提示している。
表１:図５の方法による半共振周期における４つの例示的なスイッチングシーケンス
【表１】
2019503160.tif 000003
【００４４】
行１及び行２では、当初導電性の対角対は、Ｓ４及びＳ１によって形成される対角対を含む。行３及び行４では、当初導電性の対角対は、Ｓ２及びＳ３によって形成される対角対を含む。スイッチング事象Ｅ１においてターンオフされる第１のスイッチ部材は、行１ではＳ４及び行２ではＳ１である。スイッチング事象Ｅ１においてターンオフされる第１のスイッチ部材は、行３ではＳ２及び行４ではＳ３である。行１を例にとると、二分の一共振周期の間に、Ｓ１及びＳ４が導通していることから開始して、Ｓ４が、最初に、電圧制御信号に基づいてターンオフされ、Ｓ３が、Ｓ４のターンオフの後であるがゼロ交差より前にターンオンされ、Ｓ１が、Ｓ４のターンオフの後であるがゼロ交差より前にターンオフされ、次いで、Ｓ２が、Ｓ１のターンオフの後であるがゼロ交差より前にターンオンされる。
【００４５】
本発明の一実施形態によれば、スイッチング事象Ｅ３、すなわち、当初導電性の対角対の第２のスイッチ部材のターンオフが、ゼロ交差予測事象において生じ、ゼロ交差予測事象は、共振電流のそれぞれのゼロ交差より所定の前進時間間隔だけ進んでいる。特に、ゼロ交差予測器は、共振電流のゼロ交差予測事象を示すゼロ交差予測信号を供給するように構成され、スイッチング事象Ｅ３は、ゼロ交差予測信号に基づいてトリガされる。
【００４６】
所定の前進時間間隔は比較的小さい時間間隔である。好ましくは、所定の前進時間は共振周期の５％から１５％である。すなわち、共振電流のゼロ交差に近い時点で第２のスイッチ部材をターンオフすることが提案される。第２のスイッチ部材はゼロ交差予測事象においてターンオフされるので、第２のスイッチ部材は小さい共振電流でターンオフされ、したがって、スイッチング損失も低い。一般に、所定の前進時間が小さいほど、ゼロ交差予測事象における共振電流が小さくなり、スイッチング損失は低くなる。
【００４７】
図７は、本発明の一実施形態によるタンク電圧Ｖ＿ｔａｎｋ及び共振電流Ｉ＿ｒｅｓの曲線と一緒に複数の連続する共振周期Ｐ１、Ｐ２のスイッチング事象の例示的なシーケンスを示す。電圧制御信号ＣＴＲＬは、スイッチング事象Ｅ１、すなわち、当初導電性の対角対の第１のスイッチのターンオフをトリガすることによって共振コンバータの出力電圧を制御するために供給される。図７を参照すると、電圧制御信号は、スイッチング事象Ｅ１を、そのエッジで、より詳細には、正の共振電流の場合には立上りエッジで、負の共振電流の場合には立下りエッジでトリガする。他の実施形態では、電圧制御信号は、スイッチング事象Ｅ２を、異なるやりかたで、例えば、立上りエッジのみで又は立下りエッジのみでトリガする。ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤは、スイッチング事象Ｅ３、すなわち、当初導電性の対角対の第２のスイッチのターンオフをトリガするために供給される。図７を参照すると、ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤは、スイッチング事象Ｅ３を、そのエッジで、より詳細には、正の共振電流の場合には立下りエッジで、負の共振電流の場合には立上りエッジでトリガする。言い換えれば、ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤは、レベル変化によって共振電流のゼロ交差予測事象を示す。他の実施形態では、ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤは、異なるやりかたで、例えば、立下りエッジのみ又は立上りエッジのみによって共振電流のゼロ交差予測事象を示す。図７において、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４は、それぞれのスイッチ部材の状態を示し、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４は、スイッチ部材のそれぞれのダイオードの状態を示す。より詳細には、ハイレベルはターンオン又は導電状態を示し、ローレベルはターンオフ又は遮断状熊を示す。タンク電圧Ｖ＿ｔａｎｋは、共振コンバータのフルブリッジのスイッチの出力ポールＶａｃ１及びＶａｃ２を横切る電圧である。対角対が導通している初期状態では、電圧タンクＶ＿ｔａｎｋは、対角対の一方がスイッチング事象Ｅ１でターンオフされるまで増加し続ける。
【００４８】
Ｐ１の第１の半周期において、Ｓ１及びＳ４によって形成される対角対は当初導通しており、スイッチ部材Ｓ４は、電圧制御信号ＣＴＲＬによってトリガされたとき最初にターンオフされ、次いで、スイッチ部材Ｓ１は、ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤによってトリガされたときターンオフされ、スイッチ部材Ｓ２及びＳ３は、スイッチング事象Ｅ３と共振電流のゼロ交差との間にターンオンされる。スイッチ部材Ｓ３は、さらに、スイッチ部材Ｓ３が、Ｓ４のターンオフの後であるが共振電流のゼロ交差より前にターンオンされるならば、異なる時間にターンオンされてもよい。
【００４９】
Ｓ２及びＳ３のターンオン事象は両方とも無損失である。Ｓ１のターンオフ事象のスイッチング損失はまた、Ｓ１が共振電流のゼロ交差に近い時点でターンオフされ、したがって、低い共振電流でターンオフされるので低い。Ｓ４のターンオフ事象のスイッチング損失は、Ｓ１のターンオフ事象と比べて高い。言い換えれば、第１の半周期における第１のスイッチ部材Ｓ４は、制御パターンが、ＺＶＳ条件を与えるスナバキャパシタによってスイッチング損失の低減を可能にするとしても、大きいスイッチング損失を被る。上述で説明したように、当初導電性の対角対のスイッチのうちの任意の１つを、電圧制御信号に基づいてターンオフされる最初のスイッチとすることができる。第２の期間Ｐ２の第１の半周期を参照すると、Ｓ１及びＳ４によって形成される対角対は第１の周期の第１の半周期と同様に当初は導通しているが、スイッチ部材Ｓ４ではなくスイッチ部材Ｓ１が、電圧制御信号ＣＴＲＬによってトリガされたとき最初にターンオフされる。言い換えれば、高いスイッチ損失をもつスイッチング事象Ｅ１は、第１の周期Ｐ１ではスイッチ部材Ｓ４で生じるが、第２の周期Ｐ２ではスイッチ部材Ｓ１で生じる。同様に、第１の周期Ｐ１及び第２の周期Ｐ２の第２の半周期を参照すると、高いスイッチ損失をもつスイッチング事象Ｅ１は、それぞれ、スイッチ部材Ｓ２及びＳ３で生じる。高いスイッチ損失をもつスイッチング事象Ｅ１が同じスイッチ部材で常に生じる場合と比較して、スイッチ損失は、４つのスイッチ部材にわたって均一に分配される。
【００５０】
図７において、スイッチング事象Ｅ１は、繰り返し可能な順序Ｓ４−Ｓ３−Ｓ１−Ｓ２でスイッチ部材において生じる。他の実施形態では、スイッチング事象Ｅ１は、異なる順序でスイッチ部材において生じる。例えば、スイッチング事象Ｅ１は、繰り返し可能な順序Ｓ４−Ｓ２−Ｓ１−Ｓ３でスイッチ部材で生じる。これらの２つの場合において、当初導電性の対角対の第１のスイッチは、共振周期ごとにＳ４とＳ１との間又はＳ２とＳ３と間で交互になる。代替として、当初導電性の対角対の第１のスイッチは、２つ、３つ、又は任意の数の連続する共振周期ごとに交互になってもよい。例えば、それが連続する２つの共振周期ごとに交互になる場合、スイッチング事象Ｅ１は、繰り返し可能な順序Ｓ４−Ｓ２−Ｓ４−Ｓ２−Ｓ１−Ｓ３−Ｓ１−Ｓ３でスイッチ部材で生じる。上述の場合において、２つの対角対の交替は同様である。代替として、一方の対角対Ｓ１及びＳ４の交替と、他方の対角対Ｓ２及びＳ３の交替とは、異なることも可能である。例えば、２つのスイッチ部材の間のスイッチング事象Ｅ１の交替は、一方の対角対では共振周期ごとであり、他方の対角対では２つの共振周期ごとである、すなわち、その結果、スイッチング事象Ｅ１は、繰り返し可能な順序Ｓ４−Ｓ２−Ｓ１−Ｓ２−Ｓ４−Ｓ３−Ｓ１−Ｓ３でスイッチ部材において生じる。
【００５１】
図８、図９、及び図１０は、それぞれ、フルブリッジ構成を含む共振コンバータを制御するためのいくつかの例示的な制御回路を示す。
【００５２】
図８は、共振コンバータの４つのスイッチ部材Ｓ１からＳ４を制御するための第１の例示的な制御回路８００を示す。制御回路８００は、４つのスイッチ部材Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をそれぞれ駆動する４つの駆動信号８１０、８１２、８１４、８１６を供給することによって４つのスイッチ部材Ｓ１からＳ４のスイッチング事象を制御する４つの駆動信号を供給するように構成される。制御回路８００は、共振コンバータからの電流フィードバック信号８２０を受け取るようにさらに構成される。電流フィードバック信号８２０は、共振コンバータの測定された共振電流Ｉ＿ｒｅｓを表す。例えば、電流フィードバック信号８２０は電流センサ８２２によって供給される。
【００５３】
制御回路８００は出力電圧コントローラ８３０を含む。出力電圧コントローラ８３０は、１つ又は複数の入力信号に基づいてスイッチング事象Ｅ１をトリガするために前述の電圧制御信号ＣＲＴＬを供給するように構成される。共振コンバータの負荷がＸ線管である一例では、１つ又は複数の入力信号は、管電圧の設定点８３４＿１と、管電流の設定点８３４＿２と、管電流の測定された実際の値８３４＿３と、共振コンバータからフィードバックされた共振キャパシタの測定された実際の電圧８３４＿４とを含み、それらは出力電圧コントローラ８３０にとって有用な入力である。
【００５４】
制御回路８００は、共振電流のゼロ交差予測事象を示すゼロ交差予測信号ＰＲＥＤを供給するためのゼロ交差予測器８５０をさらに含む。各ゼロ交差予測事象は、共振電流のそれぞれのゼロ交差より所定の前進時間間隔だけ進んでいる。ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤは、スイッチング事象Ｅ３をトリガするために使用される。
【００５５】
制御回路８００は、第２の遅延信号８４２を供給するための第２の遅延ユニット８４０をさらに含む。第２の遅延信号８４２は、第２の所定の遅延時間だけ第１のスイッチ部材のターンオフを遅らせる事象を示し、ゼロ交差事象より前にある。第２の遅延信号８４２は、スイッチング事象Ｅ２をトリガするために使用される。一実施形態では、第２の遅延ユニット８４０は、電圧制御信号ＣＴＲＬを第２の所定の遅延時間だけ遅延させることによって第２の遅延信号８４２を供給するように構成される。
【００５６】
制御回路８００は、遅延ゼロ交差予測事象を示す第１の遅延信号８６２を供給するための第１の遅延ユニット８６０をさらに含み、各遅延ゼロ交差予測事象は、対応するゼロ交差予測事象より第１の所定の遅延時間だけ遅れ、共振電流の対応するゼロ交差より前にある。第１の遅延信号８６２は、スイッチング事象Ｅ４をトリガするために使用される。一実施形態では、遅延ユニット８６０は、ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤを第１の所定の遅延時間だけ遅延させることによって第１の遅延信号を供給するように構成される。
【００５７】
制御回路８００は、４つの駆動信号８１０、８１２、８１４、８１６を供給するためのスイッチエンコーダ８７０をさらに含む。スイッチエンコーダ８７０は、電圧制御信号ＣＴＲＬ、ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤ、第１の遅延信号８６２、及び第２の遅延信号８４２に基づいて４つの駆動信号８１０、８１２、８１４、８１６を発生するように構成される。各駆動信号は、それぞれのスイッチ部材のターンオン、ターンオフを駆動するために使用される。一実施形態では、駆動信号はそれぞれのスイッチ部材のゲートに接続され、スイッチ部材は、駆動信号がロー信号レベルからハイ信号レベルに変わるときにターンオンされ、駆動信号がロー信号レベルに変わるときにターンオフされる。
【００５８】
図９は、共振コンバータの４つのスイッチ部材Ｓ１からＳ４を制御するための第２の例示的な制御回路９００を示す。図９の第２の例示的な制御回路９００は、図９の出力電圧コントローラ９３０、ゼロ交差予測器９５０、第１の遅延ユニット９６０が図８のものと同じであるという点で、図８の第１の例示的な制御回路８００と類似している。図９の第２の例示的な制御回路９００は図８の第２の遅延ユニット８４０のような遅延ユニットを含まないという点で相違がある。第１の遅延信号及びゼロ交差予測信号ＰＲＥＤが、それぞれ、スイッチング事象Ｅ２及びＥ３をトリガするために使用される図８と異なり、図９のゼロ交差予測信号ＰＲＥＤは、スイッチング事象Ｅ２とスイッチング事象Ｅ３の両方をトリガするために使用される。したがって、スイッチエンコーダ９７０は、電圧制御信号ＣＴＲＬ及びゼロ交差予測信号ＰＲＥＤに基づいて４つの駆動信号９１０、９１２、９１４、９１６を発生するように構成される。
【００５９】
図１０は、共振コンバータの４つのスイッチ部材Ｓ１からＳ４を制御するための第３の例示的な制御回路１０００を示す。図１０の第３の例示的な制御回路１０００は、図１０の出力電圧コントローラ１０３０、ゼロ交差予測器１０５０、第１の遅延ユニット１０６０が図９のものと同じであるという点で、図９の前述の例示的な制御回路９００と類似している。図９ではゼロ交差予測信号がスイッチング事象Ｅ２をトリガするために使用されているが、図１０では第１の遅延信号１０６２がスイッチング事象Ｅ２をトリガするために使用されるという点で相違がある。言い換えれば、第１の遅延信号１０６２は、図１０のスイッチング事象Ｅ２とスイッチング事象Ｅ４の両方をトリガするために使用される。この実施形態は、図７に示したようなスイッチング事象のシーケンスをトリガすることができる駆動信号１０１０、１０１２、１０１４、１０１６のシーケンスをもたらす。
【００６０】
上述で説明したように、スイッチング事象Ｅ２は、第１のスイッチ部材のターンオフと共振電流のゼロ交差との間のどの時点でトリガされてもよい。したがって、スイッチング事象Ｅ２のトリガリングは上述の実施形態に限定されない。すなわち、スイッチング事象Ｅ２は、図８の第２の遅延信号によって、図９のゼロ予測信号ＰＲＥＤによって、及び図１０の第１の遅延信号によってトリガされるが、スイッチング事象Ｅ２は、異なる実施形態では他のやりかたでトリガされてもよい。
【００６１】
図１１は、本発明の一実施形態によるゼロ交差予測器によって発生される信号を示す。図１２は、図１１の信号を発生するための例示的なゼロ交差予測器を示す。
【００６２】
図１１を参照すると、ゼロ交差予測器によって発生される信号ＳＩＧＮ、ＰＲＥＤ、及びＳＹＮＣが、共振電流Ｉ＿ｒｅｓに対して示されている。信号ＳＩＧＮは、そのエッジで共振電流のゼロ交差を示す。信号のＰＲＥＤは、そのエッジでゼロ交差予測事象を示す。各ゼロ交差予測事象は、対応するゼロ交差より所定の前進時間間隔１１１０だけ進んでいる。ＳＹＮＣは、共振電流のゼロ交差をその立下りエッジによって示し、ゼロ交差予測事象をその立上りエッジによって示す。
【００６３】
図１２を参照すると、ゼロ交差予測器は、測定された共振電流を受け取るための入力端子１２１０と、ＳＩＧＮ信号、ＰＲＥＤ信号、及びＳＹＮＣ信号を出力するための３つの出力端子とを有する回路として具現される。いくつかの実施形態では、ゼロ交差予測器はＳＹＮＣ信号を発生しない。いくつかの他の実施形態では、ゼロ交差予測器はＳＹＮＣ信号のみを出力する。
【００６４】
スイッチエンコーダ、第１の遅延ユニット、及び第２の遅延ユニットは、様々なやりかたで実施される。例示目的のために、図１０のスイッチエンコーダ及び第１の遅延ユニットのいくつかの例示的な実施態様を本明細書で説明する。しかしながら、本発明の保護範囲はこれらの詳細な実施態様に限定されない。
【００６５】
図１３及び図２０は、それぞれ、本発明のいくつかの実施形態による図８、図９、又は図１０のスイッチエンコーダ及び第１の遅延ユニットの２つの例示的な実施態様を示す。電圧コントローラに関しては、現在知られているか又は将来開発される任意の好適な実施態様が適用可能である。
【００６６】
図１３は、図８、図９、又は図１０のスイッチエンコーダ及び第１の遅延ユニットを実施する第１の例示的な回路を示す。例示的な回路１３００は、同期鋸波発生器１３１０と、比較器１３２０と、デジタルエンコーダ１３３０とを含む。同期鋸波発生器１３１０は、ゼロ交差予測信号ＰＲＥＤから鋸波信号Ｖｔｒｉを導き出すように構成される。代替として、同期鋸波発生器１３１０は、信号ＳＹＮＣから鋸波信号Ｖｔｒｉを導き出すように構成される。比較器１３２０は、電圧制御信号及び鋸波信号に基づいて位相信号１３２２を供給するように構成される。デジタルエンコーダ１３３０は、位相信号１３２２及びＳＹＮＣ信号に基づいて駆動信号１３１０、１３１２、１３１４、１３１６を各スイッチ部材に供給するように構成される。代替として、同期信号ＳＹＮＣは、いくつかの実施態様では、ゼロ交差信号ＳＩＧＮ及びゼロ交差予測信号ＰＲＥＤで置き換えることができる。いくつかの他の実施態様では、ゼロ交差信号ＳＩＧＮは、同期信号ＳＹＮＣに加えて供給される（図１２を参照）。
【００６７】
図１４は、本発明の一実施形態による同期鋸波発生器によって発生される鋸波信号を示す。図１４を参照すると、鋸波信号Ｖｔｒｉは、ＳＹＮＣ信号及び共振電流Ｉ＿ｒｅｓに対して示されている。
【００６８】
図１５は、図１４の鋸波信号を発生するための例示的な鋸波発生器を示す。理想的な鋸波発生器は、線形電圧傾斜を駆動するので電流源を含む。より容易な実施態様では、非線形上昇傾斜をもたらす電圧源で十分である。放電抵抗器Ｒｄｉｓは充電抵抗器Ｒｃｈａよりもはるかに小さくする必要があることに留意されたい。
【００６９】
図１６は、本発明の一実施形態によるデジタルエンコーダによって発生される駆動信号を示す。図１７は、図１６の駆動信号１６１０、１６２０、１６３０、１６４０を発生するための例示的なデジタルエンコーダを示す。この実施形態では、スイッチング事象Ｅ１のスイッチング損失は、４つのスイッチ部材間で等しく分配されず、駆動信号１６１０及び１６２０によって駆動されるスイッチ部材のみが、スイッチング事象Ｅ１のターンオフ損失を消費する。
【００７０】
図１６を参照すると、スイッチ部材Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をそれぞれ駆動するための駆動信号１６１０、１６２０、１６３０、１６４０は、鋸波信号Ｖｔｒｉ及び電圧制御信号ＣＴＲＬから導き出される。電圧制御信号ＣＴＲＬのレベルは、共振コンバータの最大出力電圧を表す。
【００７１】
共振電流のゼロ交差事象において、鋸波電圧Ｖｔｒｉは、ゼロから増加し始める。鋸波電圧Ｖｔｒｉが電圧制御信号ＣＴＲＬの電圧レベルを横切る点で、スイッチング事象Ｅ１はトリガされる。鋸波電圧は、ゼロ交差予測事象を示すＳＹＮＣ信号の立上りエッジまで増加し続ける。この事象は、Ｖｔｒｉ信号のゼロへのリセットをトリガし、それにより、スイッチング事象Ｅ３をトリガする。さらに、この事象は不感時間期間ｔｄだけ遅延され、それにより、スイッチング事象Ｅ２及びＥ４をトリガする。
【００７２】
図１６の駆動信号１６１０、１６２０、１６３０、及び１６４０は、図１０で示した実施形態に事実上対応し、スイッチング事象Ｅ２及びＥ４は両方とも遅延されたゼロ交差予測事象によってトリガされる。同様に、いくつかの他の実施形態では、デジタルエンコーダは、発生される駆動信号が図８又は図９で示した実施形態に対応するように実施される。
【００７３】
図１６を参照すると、スイッチング事象Ｅ１は、各対角対の同じスイッチ部材Ｓ３、Ｓ４で常に生じることが分かる。したがって、スイッチ損失は４つのスイッチ部材の間で均衡していない。
【００７４】
図１８は、本発明の別の実施形態によるデジタルエンコーダによって発生される駆動信号を示す。図１９は、図１８の駆動信号１８１０、１８２０、１８３０、１８４０を発生するための例示的なデジタルエンコーダを示す。図１８において、信号ｐｓ１、ｐｓ２、ｐｓ３、ｐｓ４は、図１７のものと同じであり、電圧制御信号ＣＴＲＬ及び鋸波信号Ｖｔｒｉ２０１６に基づいて発生される。
【００７５】
図１６の実施形態と異なり、４つのスイッチング部材Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をそれぞれ制御する駆動信号１８１０、１８２０、１８３０、及び１８４０によって、スイッチング事象Ｅ１が４つのスイッチ部材すべてで生じ、したがって、スイッチ損失が、４つのスイッチ部材間で等しく分配され、そのために、十分に均衡することが可能になる。
【００７６】
図２０は、本発明の一実施形態による図８、図９、又は図１０のスイッチエンコーダ及び第１の遅延ユニットを実施する第２の例示的な回路２０００を示す図である。そのような実施態様は、出力電圧コントローラ及びパルスパターン発生器の両方が単一のプログラマブルデバイスで動作され非常に経済的な解決策をもたらすので特に有利である
【００７７】
例示的な回路２０００は、カウンタ２０１０と、デジタルエンコーダ２０２０と、遅延ユニット２０３０とを含む。遅延ユニット２０３０は、短い時間間隔ｔｄだけ入力信号ＳＹＮＣを遅延させる。出力電圧コントローラ２３００は、電圧制御信号ＣＴＲＬをデータストリームＶｃとしてカウンタ２０１０に供給する。カウンタ２０１０は、４つの入力部２０１１、２０１２、２０１３、２０１４と、１つの出力部２０１５とを有する。入力部２０１１はクロック信号ＣＬＫを受け取る。入力部２０１２はデータストリームＶｃをデータ入力として受け取る。入力部２０１３は、カウントダウンをトリガするためにＳＹＮＣ信号を受け取る。入力部２０１４は、カウンタをロードするために遅延ＳＹＮＣ信号を受け取る。出力部２０１５は、位相信号２０１６をデジタルエンコーダ２０２０に送出する。デジタルエンコーダ２０２０は、デジタルエンコーダ１３３０と同様に、位相信号２０１６、ＳＹＮＣ信号、及び遅延ＳＹＮＣ信号に基づいてスイッチ部材Ｓ１からＳ４のための４つの駆動信号２１１０、２１１２、２１１４、２１１６を発生するように構成される。オプションとして、ゼロ交差信号ＳＩＧＮが、いくつかの実施態様では同期信号ＳＹＮＣ（図２０を参照）に加えて供給される。代替として、同期信号ＳＹＮＣは、いくつかの他の実施態様では、ゼロ交差信号ＳＩＧＮ及びゼロ交差予測信号ＰＲＥＤで置き換えることができる。
【００７８】
第２の例示的な回路２０００の例示的なシーケンシング及びタイミングが図２１に示される。図２２は、図２１と比べて代替のシーケンシング及びタイミングを示す。図２１において、スイッチング事象Ｅ２及びＥ４は、ゼロ交差予測事象とゼロ交差事象との間の時点で同時に生じる。図２２では、スイッチング事象Ｅ４は、依然として、ゼロ交差予測事象Ｅ３とゼロ交差事象Ｅ５との間の時点で生じるが、スイッチング事象Ｅ２は、並列逆ダイオードが導通となったわずかに後で及びゼロ交差予測事象Ｅ５より前に生じる。
【００７９】
図２１及び図２２において、参照符号Ａ１からＡ６は以下のものを表す。
Ａ１：並列逆ダイオードが導通している間にＺＣＳターンオンする（Ｅ４）、
Ａ２：スイッチが、共振電流ゼロ交差で電流を伝導し始める（Ｅ５）、
Ａ３：ＺＶＳターンオフする（Ｅ１）、ダイオードへの伝達、
Ａ４：並列逆ダイオードが導通している間にＺＣＳターンオンする（Ｅ２、Ｅ４）、
Ａ５：ＺＶＳターンオフする（Ｅ３）、ダイオードへの伝達、
Ａ６：スイッチが、共振電流ゼロ交差で電流を伝導し始める（Ｅ５）。
【００８０】
図２１には、同期信号ＳＹＮＣ、ゼロ交差信号ＳＩＧＮ、カウンタ２０１０の入力２０１４（すなわち、遅延ＳＹＮＣ信号）、カウンタ２０１０の出力２０１５、及び制御データＶｃのためのデータ有効信号２１１０が、４つのスイッチング部材のスイッチＳ１からＳ４及び並列ダイオードＤ１からＤ４の状態、並びに共振コンバータの出力電圧Ｖ＿ｔａｎｋ及び共振電流Ｉ＿ｒｅｓと一緒に示されている。スイッチ及びダイオードの状態を説明するために、網掛けバーは、それぞれのスイッチ又はダイオードがアクティブであり、電流を伝導しているときの状態を示し、白バーは、それぞれのスイッチがアクティブである（すなわち、ターンオンされている）が、アクティブスイッチの電流が、並列ダイオードによってアクティブスイッチと逆の方向に伝導されるので依然としてゼロである状態を示す。前述のように、スイッチ部材は、スイッチと、並列接続された逆ダイオードとによって表すことができる（図２Ｂ）。簡単のために、スイッチ部材とスイッチ部材のスイッチとは、図２１及び対応する説明では同じ参照符号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、又はＳ４）で示されている。
【００８１】
図２１を参照すると、「カウントダウン」位相は、対角対がどれくらいの時間導通するかを示す。それがゼロに達すると、すなわち、時点ｔ４において、所望の位相角が満たされる。位相角信号の負エッジは、移送される出力電力を制御するのに重要であるスイッチング事象Ｅ１をトリガする。スイッチング事象Ｅ１の後、ＳＹＮＣ信号の立上りエッジ、すなわち、時点ｔ７において、スイッチング事象Ｅ３、すなわち、残りの導電性のスイッチ（ここではＳ４）のターンオフ事象をトリガするまで、駆動タンク電圧Ｖ＿ｔａｎｋは（ほとんど）ゼロのままである。次いで、正の共振電流がダイオードＤ３に転流される。別の不感時間の後（すなわち、時点ｔ９において）、Ｓ２及びＳ３がターンオンされ（すなわち、スイッチング事象Ｅ４）、ゼロ交差の後、電流を伝導し始める。次のＶｃ制御データが、カウンタによって新しい設定点として採用される。カウントダウンが、再び、電流のゼロ交差事象によってトリガされる。
【００８２】
図２１のシーケンシング及びタイミングをより詳細に以下で説明する。
【００８３】
図２１を参照すると、送信された制御データＶｃは、時点ｔ０、すなわち、ＳＹＮＣ信号の立上りエッジにおいて安定にされ有効にされるべきである。この例では、同じ時点にスイッチング事象Ｅ３が生じる、すなわち、導電性の対角対の第２のスイッチ部材（ここではスイッチＳ２）がＳＹＮＣ信号の立上りエッジでターンオフされる。
【００８４】
いくつかの実施形態では、スナバキャパシタが、ターンオフ事象のためのＺＶＳ状態を作り出すために各スイッチ部材に並列に接続される。所与のスイッチ部材に関して、このスイッチ部材に並列接続されたスナバキャパシタは、スイッチング部材のスイッチの導電相と相補的スイッチング部材のダイオードとの間でギャップの間電流を伝導する。これは、ターンオフスイッチ部材の両端の電圧上昇の傾斜が低減され、それにより、ターンオフスイッチング損失が減少することを意味する。例えば、時点ｔ０とｔ１との間の期間の間、スイッチ部材Ｓ２のスナバキャパシタは電流を伝導する。言い換えれば、時点ｔ０とｔ１との間の期間は、スイッチ（ここではスイッチＳ２）が既にターンオフされた後で、電流が相補的ダイオード（この場合Ｄ１）に転流する前の期間を表す。
【００８５】
この例では、ｔ２において、すなわち、時点ｔ０からの短い不感時間（例えば、数百ナノ秒から数マイクロ秒までの）の後、したがって、入力２０１４における信号の立上りエッジにおいて、制御データＶｃは、値Ｖｃがカウンタの出力２０１５で有効になるようにカウンタによって引き継がれバッファされる（すなわち、ロードされる）。同じ時点に、スイッチング事象Ｅ２及びＥ４が生じる、すなわち、これまで導電性であった対角対の相補的スイッチＳ１、Ｓ４がターンオンされる（Ａ１を参照）。両方のスイッチＳ１、Ｓ４は、共振電流のゼロ交差Ｅ５が生じる時点ｔ４まで電流を伝導しない（Ａ２を参照）。
【００８６】
代替として、スイッチング事象Ｅ２及びＥ４は、異なる時間に生じ得る。例えば、図２２では、スイッチング事象Ｅ２及びＥ４は、それぞれ、時点ｔ６及びｔ９に生じる。
【００８７】
時点ｔ３において、すなわち、ＳＹＮＣ信号（共振電流のゼロ交差Ｅ５を表す）の立下りエッジにおいて、カウンタはカウントダウンし始める。
【００８８】
時点ｔ４において、カウンタの出力は０になり、それにより、スイッチング事象Ｅ１がトリガされる、すなわち、導電性の対角対（ここではＳ１、Ｓ４）の第１のスイッチ部材（ここではＳ１）がターンオフされる。時点ｔ４とｔ５との間の期間は、Ｓ１がターンオフされるときに始まり電流が相補的ダイオードＤ２に転流されるときに終わる期間を表す。言い換えれば、その期間は、Ｓ１及びＳ２に並列なスナバキャパシタが電流を伝導し、それらの両端の電圧が変化する期間である（Ａ３を参照）。
【００８９】
時点ｔ６において、スイッチング事象Ｅ２が生じる、すなわち、前にターンオフされたＳ１の相補的スイッチング部材Ｓ２がターンオンされる（Ａ４を参照）。時点ｔ６におけるスイッチ部材Ｓ２のターンオン事象Ｅ２は、時点ｔ４に開始され、それにより時点ｔ６に終了する固定した遅延期間によってトリガされる。スイッチＳ２は、時点ｔ１０における共振電流の次のゼロ交差Ｅ５まで電流を伝導し始めない。
【００９０】
時点ｔ０と同様に、時点ｔ７において（すなわち、ＳＹＮＣ信号の立上りエッジにおいて）、送信された制御データＶｃは、スイッチング事象Ｅ３が生じる、すなわち、導電性の対角対の第２のスイッチ部材（ここではスイッチＳ４）がターンオフされるとき、安定にされ有効にされる（Ａ５を参照）。
【００９１】
時点ｔ１と同様に、時点ｔ８において、スイッチＳ４のターンオフは、スナバキャパシタＣｓ３及びＣｓ４（図１を参照）が電流を伝導する時間ギャップ（ｔ７からｔ８）の後相補的スイッチング部材のダイオードＤ３に伝達される。
【００９２】
時点ｔ２と同様に、時点ｔ９において、制御データＶｃは、値Ｖｃがカウンタの出力２０１５で有効になり、スイッチング事象Ｅ２及びＥ４が生じる、すなわち、前にターンオフされたスイッチ部材Ｓ１及びＳ４の相補的スイッチ部材Ｓ２及びＳ３がターンオンされるように、カウンタによって引き継がれバッファされる（すなわち、ロードされる）（Ａ４を参照）。スイッチ部材Ｓ２及びＳ３は、時点ｔ１０における共振電流の次のゼロ交差Ｅ５まで電流を伝導し始めない。
【００９３】
ｔ３と同様に、時点ｔ１０において、カウンタは再びカウントダウンし始める。
【００９４】
図２２は、上述で説明したスイッチング事象Ｅ２及びＥ４の発生に関してしか図２１と異ならないので、図２２では、簡単のためにさらには説明しない。
【００９５】
共振電流のゼロ交差事象より前にスイッチ部材がターンオン／ターンオフされるのを確実にするために、スイッチ部材は、ゼロ交差事象に基づいて、すなわち、ゼロ交差事象の時間に関連する信号に基づいて、ターンオン／ターンオフされる。スイッチング部材のスイッチ動作のトリガは、ゼロ交差事象の時間に依存する。ＳＹＮＣ信号、ＰＲＥＤ信号、ＳＩＧＮ信号、駆動信号などのようなゼロ交差事象の時間に関連する信号の多数の実施形態を上述した。
【００９６】
上述した内容には、１つ又は複数の実施形態の例が含まれている。勿論、前述の実施形態を説明する目的で構成要素又は手法のすべての考え得る組合せを記載することは不可能であるが、当業者は、様々な実施形態の多くのさらなる組合せ及び置換が可能であることを認識されよう。したがって、説明した実施形態は、添付の特許請求範囲の趣旨及び範囲内にあるすべてのそのような改変、変形、及び変更を包含するように意図される。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語が詳細な説明又は特許請求の範囲のいずれかで使用される範囲内で、そのような用語は、「含むこと（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が請求項において移行語として利用されるときに解釈されるような「含むこと（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様に包括的であることが意図される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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2019503160.tif 000029
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