(57)【要約】  本発明は、交流信号を、異なる適用要件の観測における異なる信号特性を有する複数の信号に変換する問題に対して効率的な解決策を提供するものである。これは、少なくとも1つの交流入力信号を、整流された交流入力信号と、交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧を平均化することによって導出されるさらなる信号とに変換するための誘導性電力伝達システムの2次側において動作する多入力多出力コンバータによって達成される。この多入力多出力コンバータは、交流入力信号を整流するように適合された少なくとも1つの整流回路(18-1、...、18-N)と、少なくとも1つの交流入力信号の整流動作中に生成されるスイッチング電圧を平均化するように適合された少なくとも1つの平均回路(24-1、24-2、...、24-N)とを備える。
2019511193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの負荷および/または電圧源特性を有する少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスに電力を供給するための誘導性電力供給システムの2次側であって、
(a)前記誘導性電力供給システムの伝送コイル(74)から電磁結合によって伝送されたエネルギーを受信して、電流源特性を有する2次側高周波電流を生成するように適合され、前記誘導性電力供給システムの1次側から分離されている、2次側受信コイル(76)と2次側補償キャパシタ(78)の直列接続と、
(b)前記2次側高周波電流を、第1の整流された信号特性を有する少なくとも1つの信号と、前記第1の整流された信号特性とは異なる第2の平均化された信号特性を有する少なくとも1つの信号とに変換するように適合され、前記2次側受信コイル(76)と前記2次側補償キャパシタ(78)の前記直列接続に接続された多入力多出力コンバータ(10)であって、
(b1)前記多入力多出力コンバータ(10)に前記2次側高周波電流を入力するための複数のコンバータ入力端子(12-1、...、12-M)と、
(b2)前記第1の整流された信号特性を有する信号を出力するための第1のコンバータ出力端子グループ(14)と前記第2の平均化された信号特性を有する信号を出力するための第2のコンバータ出力端子グループ(16)とに分離された複数のコンバータ出力端子と、
(b3)前記2次側高周波電流を整流するように適合された少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)であって、関連するコンバータ入力端子に接続された整流器入力端子(20-1、20-2、...、20-N)と、整流された2次側高周波電流を前記第1の整流された信号特性を有する信号として出力するための前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の関連するコンバータ出力端子に接続された整流器出力端子(22-1、22-2、...、22-N)とを有する少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)と、
(b4)整流動作中に前記少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)の内部回路ノード(26-1、26-2、...、26-N)において整流中に生成されるスイッチング矩形波電圧を平均化するように適合された少なくとも1つの平均回路(24-1、24-21、24-22、...、24-N)であって、前記少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)の前記内部回路ノード(26-1、26-2、...、26-N)に接続された第1の入力端子と、平均化されたスイッチング電圧を前記第2の信号特性を有する信号として出力するための前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子に接続された第2の出力端子(28-1、28-21、28-22、...、28-N)とを有する少なくとも1つの平均回路(24-1、24-21、24-22、...、24-N)と
を有する多入力多出力コンバータ(10)と、
(c)電圧源特性を有し、前記第1のコンバータ出力端子グループ(14-1、14-2)に接続された少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイス(35-1)と、
(d)前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)に接続された、負荷または少なくとも1つのさらなるエネルギー貯蔵デバイス(35-2)と
を備える誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項２】
前記多入力多出力コンバータ(10)において、
前記少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)が、
互いに直列に接続された上部の整流回路素子(30-1)と下部の整流回路素子(32-1)の対から構成された少なくとも1つのハーフブリッジ(18-1)を備え、
前記上部の整流回路素子(30-1)と前記下部の整流回路素子(32-1)の間に内部回路ノード(26-1)を形成し、
整流された交流入力信号を前記第1の信号特性を有する信号として出力するために、前記上部の整流回路素子(30-1)において、上部のハーフブリッジ出力端子を、前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の関連するコンバータ出力端子(14-1)に接続された整流器出力端子(22-1)として形成し、
前記下部の整流回路素子(32-1)において、第2のハーフブリッジ出力端子を、前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の基準コンバータ出力端子(14-2)に接続されたさらなる整流器出力端子として形成する、請求項1に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項３】
前記多入力多出力コンバータ(10)において、
前記少なくとも1つの平均回路(24-1)が、関連する整流回路(18-1)の前記内部回路ノード(26-1)に接続された第1の接続端子と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子(16-1)に接続された第2の接続端子(28-1)とを有し、
前記少なくとも１つの平均回路(24-1)が、整流動作中に前記関連する整流回路(18-1)の前記内部回路ノード(26-1)において整流中に生成されるスイッチング矩形波電圧を平均化して、前記上部の整流回路素子(30-1)が導通しているときの前記内部回路ノード(26-1)における電圧と前記下部の回路素子(32-1)が導通しているときの前記内部回路ノード(26-1)における電圧の間の平均である平均化されたスイッチング矩形波電圧を、前記第2の信号特性を有する信号として、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の前記関連するコンバータ出力端子(16-1)において出力するように適合されている、請求項2に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項４】
前記多入力多出力コンバータ(10)が、平均回路(24-1)によって生成される平均化されたスイッチング電圧の電圧レベルを変化させるように適合された少なくとも1つの電圧コンバータ(34-1)を備え、前記少なくとも1つの電圧コンバータ(34-1)が、前記平均化されたスイッチング電圧を生成する前記平均回路(24-1)の第2の接続端子(28-1)と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子(16-1)とに接続されている、請求項3に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項５】
前記少なくとも1つの電圧コンバータ(34-1)が、アナログ電圧コンバータまたはスイッチング電圧コンバータである、請求項4に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項６】
前記多入力多出力コンバータ(10)において、
前記少なくとも1つの平均回路(24-1、24-2、...、24-N)が、インダクタ、キャパシタと負荷の並列接続とインダクタとの直列接続、またはインダクタとキャパシタの並列接続である、請求項1から5のいずれか一項に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項７】
前記多入力多出力コンバータ(10)が、
互いに直列に接続された第1の整流回路素子(42-1)と第2の整流回路素子(44-1)の対から構成された第1のハーフブリッジを有する第1の整流回路であって、
前記第1の整流回路素子(42-1)と前記第2の整流回路素子(44-1)の間に第1の内部回路ノード(46-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の第1のコンバータ出力端子(14-1)に接続された前記第1の整流回路素子(44-1)において第1のハーフブリッジ出力端子(48-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記基準コンバータ出力端子(14-2)に接続された前記第2の整流回路素子(44-1)において第2のハーフブリッジ出力端子(50-1)を形成する第1の整流回路を備える、請求項2から6のいずれか一項に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項８】
前記多入力多出力コンバータ(10)が、
前記第1の整流回路の前記内部回路ノード(46-1)に接続された第1の接続端子と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子(16-1)に接続された第2の接続端子とを有する少なくとも1つの平均回路(62-1)を備え、
前記平均回路(62-1)が、整流動作中に前記第1の整流回路の前記第1の内部回路ノード(46-1)において生成されるスイッチング矩形波電圧を平均化して、前記第1の整流回路が前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記第1のコンバータ出力端子(14-1)への交流入力信号の出力を阻止している期間中に、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の前記関連するコンバータ出力端子(16-1)において、前記平均化されたスイッチング矩形波電圧を出力するように適合されている、請求項7に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項９】
前記多入力多出力コンバータ(10)が、
互いに直列に接続された第3の整流回路素子(52-1)と第4の整流回路素子(54-1)の対から構成された第2のハーフブリッジを有する第2の整流回路であって、
前記第3の整流回路素子(52-1)と前記第4の整流回路素子(54-1)の間に第2の内部回路ノード(56-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の第2のコンバータ出力端子(14-3)であって、前記第1のハーフブリッジ出力端子(48-1)に接続された前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記第1のコンバータ出力端子(14-1)と同一または異なるものである第2のコンバータ出力端子(14-3)に接続された前記第3の整流回路素子(52-1)において第3のハーフブリッジ出力端子(58-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記基準コンバータ出力端子(14-2)に接続された前記第4の整流回路素子(54-1)において第4のハーフブリッジ出力端子(60-1)を形成する第2の整流回路を備える、請求項7または8に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項１０】
前記多入力多出力コンバータ(10)が、
前記第2の整流回路の前記第2の内部回路ノード(56-1)に接続された第1の接続端子と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の第2のコンバータ出力端子(16-2)に接続された第2の接続端子とを有する少なくとも1つのさらなる平均回路(62-2、...、62-n)を備え、
前記少なくとも1つのさらなる平均回路(62-2、...、62-n)が、整流動作中に前記第2の整流回路の前記第2の内部回路ノード(56-1)において生成されるスイッチング電圧を平均化して、前記第2の整流回路(80-1)が前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記第1のコンバータ出力端子(14-1)への交流入力信号の出力を阻止している期間中に、前記平均化されたスイッチング電圧を、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の前記第2のコンバータ出力端子(56-1)において出力するように適合されている、請求項9に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項１１】
前記負荷(35-2)の電圧に対する前記エネルギー貯蔵デバイス(35-1)の電圧のバランスをとるために、前記電圧源特性を有する前記少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイス(35-1)が、前記第1のコンバータ出力端子グループ(14-1、14-2)に接続されており、前記負荷(35-2)が、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)に接続されている、請求項1から10のいずれか一項に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項１２】
複数の第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2、...、35-n)が、前記複数の第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2、...、35-n)の定格電圧レベルに対して前記複数の第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2、...、35-n)の電圧レベルのバランスをとるように、前記第2の出力端子グループ(16)の出力端子に接続されている、請求項11に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項１３】
前記エネルギー貯蔵デバイス(35-1)が、前記負荷または少なくとも1つのさらなるエネルギー貯蔵デバイス(35-2)と直列に接続されており、前記エネルギー貯蔵デバイス(35-1)と前記負荷または少なくとも1つのさらなるエネルギー貯蔵デバイス(35-2)との前記直列接続が、前記第1の端子グループ(14)の出力端子に接続されており、前記エネルギー貯蔵デバイス(35-1)と前記負荷または少なくとも1つのさらなるエネルギー貯蔵デバイス(35-2)の間の中間ノードが、前記第2の端子グループ(16)の出力端子に接続されている、請求項1から10のいずれか一項に記載の誘導性電力供給システムの2次側。
【請求項１４】
請求項1から13のいずれか一項に記載の誘導性電力供給システムの2次側を動作させる方法であって、
整流された交流入力信号を、前記第1の整流された信号特性を有する信号として出力するために、電流源特性を有する交流高周波入力信号を整流するステップと、
平均化されたスイッチング電圧を、前記第2の平均化された信号特性を有する信号として出力するために、前記交流高周波入力信号の整流中に生成されるスイッチング矩形波電圧を平均化するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
少なくとも1つの交流入力信号を、第1の信号特性を有する少なくとも1つの信号と、前記第1の信号特性とは異なる第2の信号特性を有する少なくとも1つの信号とに変換するための多入力多出力コンバータであって、
前記多入力多出力コンバータに前記少なくとも1つの交流入力信号を入力するための複数のコンバータ入力端子(12-1、...、12-M)と、
前記第1の信号特性を有する前記少なくとも1つの信号を出力するための第1のコンバータ出力端子グループ(14)と前記第2の信号特性を有する前記少なくとも1つの信号を出力するための第2のコンバータ出力端子グループ(16)とに分離された複数のコンバータ出力端子と、
交流入力信号を整流するように適合された少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)であって、関連するコンバータ入力端子に接続された整流器入力端子(20-1、20-2、...、20-N)と、整流された交流入力信号を前記第1の信号特性を有する信号として出力するための第1のコンバータ出力端子グループ(14)の関連するコンバータ出力端子に接続された整流器出力端子(22-1、22-2、...、22-N)とを有する少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)と、
前記少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)の内部回路ノード(26-1、26-2、...、26-N)において整流動作中に生成されるスイッチング電圧を平均化するように適合された少なくとも1つの平均回路(24-1、24-21、24-22、...、24-N)であって、前記少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)の前記内部回路ノード(26-1、26-2、...、26-N)に接続された第1の入力端子と、平均化されたスイッチング電圧を前記第2の信号特性を有する信号として出力するための前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子に接続された第2の出力端子(28-1、28-21、28-22、...、28-N)とを有する少なくとも1つの平均回路(24-1、24-21、24-22、...、24-N)と
を備える多入力多出力コンバータ。
【請求項１６】
前記少なくとも1つの整流回路(18-1、18-2、...、18-N)が、
互いに直列に接続された上部の整流回路素子(30-1)と下部の整流回路素子(32-1)の対から構成された少なくとも1つのハーフブリッジ(18-1)を備え、
前記上部の整流回路素子(30-1)と前記下部の整流回路素子(32-1)の間に内部回路ノード(26-1)を形成し、
整流された交流入力信号を前記第1の信号特性を有する信号として出力するために、前記上部の整流回路素子(30-1)において、上部のハーフブリッジ出力端子を、前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の関連するコンバータ出力端子(14-1)に接続された整流器出力端子(22-1)として形成し、
前記下部の整流回路素子(32-1)において、第2のハーフブリッジ出力端子を、前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の基準コンバータ出力端子(14-2)に接続されたさらなる整流器出力端子として形成する、請求項15に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項１７】
前記少なくとも1つの平均回路(24-1)が、関連する整流回路(18-1)の前記内部回路ノード(26-1)に接続された第1の接続端子と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子(16-1)に接続された第2の接続端子(28-1)と有し、
前記少なくとも1つの平均回路(24-1)が、前記関連する整流回路(18-1)の前記内部回路ノード(26-1)において整流動作中に生成されるスイッチング電圧を平均化して、前記上部の整流回路素子(30-1)が導通しているときの前記内部回路ノード(26-1)における電圧と前記下部の回路素子(32-1)が導通しているときの前記内部回路ノード(26-1)における電圧の間の平均である平均化されたスイッチング電圧を、前記第2の信号特性を有する信号として、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の前記関連するコンバータ出力端子(16-1)において出力するように適合されている、請求項16に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項１８】
平均回路(24-1)によって生成される平均化されたスイッチング電圧の電圧レベルを変化させるように適合された少なくとも1つの電圧コンバータ(34-1)を備え、前記少なくとも1つの電圧コンバータ(34-1)が、前記平均化されたスイッチング電圧を生成する前記平均回路(24-1)の第2の接続端子(28-1)と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子(16-1)とに接続されている、請求項17に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項１９】
前記少なくとも1つの電圧コンバータ(34-1)が、アナログ電圧コンバータまたはスイッチング電圧コンバータである、請求項18に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項２０】
前記少なくとも1つの平均回路(24-1、24-2、...、24-N)が、インダクタ、キャパシタと負荷の並列接続とインダクタとの直列接続、またはインダクタとキャパシタの並列接続である、請求項15から19のいずれか一項に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項２１】
互いに直列に接続された第1の整流回路素子(42-1)と第2の整流回路素子(44-1)の対から構成された第1のハーフブリッジを有する第1の整流回路であって、
前記第1の整流回路素子(42-1)と前記第2の整流回路素子(44-1)の間に第1の内部回路ノード(46-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の第1のコンバータ出力端子(14-1)に接続された前記第1の整流回路素子(44-1)において第1のハーフブリッジ出力端子(48-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記基準コンバータ出力端子(14-2)に接続された前記第2の整流回路素子(44-1)において第2のハーフブリッジ出力端子(50-1)を形成する第1の整流回路を備える、請求項16から20のいずれか一項に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項２２】
前記第1の整流回路の前記内部回路ノード(46-1)に接続された第1の接続端子と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の関連するコンバータ出力端子(16-1)に接続された第2の接続端子とを有する少なくとも1つの平均回路(62-1)を備え、
前記平均回路(62-1)が、整流動作中に前記第1の整流回路の前記第1の内部回路ノード(46-1)において生成されるスイッチング電圧を平均化して、前記第1の整流回路が前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記第1のコンバータ出力端子(14-1)への交流入力信号の出力を阻止している期間中に、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の前記関連するコンバータ出力端子(16-1)において、前記平均化されたスイッチング電圧を出力するように適合されている、請求項21に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項２３】
互いに直列に接続された第3の整流回路素子(52-1)と第4の整流回路素子(54-1)の対から構成された第2のハーフブリッジを有する第2の整流回路であって、
前記第3の整流回路素子(52-1)と前記第4の整流回路素子(54-1)の間に第2の内部回路ノード(56-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の第2のコンバータ出力端子(14-2)であって、前記第1のハーフブリッジ出力端子(48-1)に接続された前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記第1のコンバータ出力端子(14-1)と同一または異なるものである第2のコンバータ出力端子(14-2)に接続された前記第3の整流回路素子(52-1)において第3のハーフブリッジ出力端子(58-1)を形成し、
前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記基準コンバータ出力端子(14-2)に接続された前記第4の整流回路素子(54-1)において第4のハーフブリッジ出力端子(60-1)を形成する第2の整流回路を備える、請求項21または22に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項２４】
前記第2の整流回路の前記第2の内部回路ノード(56-1)に接続された第1の接続端子と、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の第2のコンバータ出力端子(16-2)に接続された第2の接続端子とを有する少なくとも1つのさらなる平均回路(62-2、...、62-n)を備え、
前記少なくとも1つのさらなる平均回路(62-2、...、62-n)が、前記第2の整流回路の前記第2の内部回路ノード(56-1)において整流動作中に生成されるスイッチング電圧を平均化して、前記第2の整流回路(80-1)が前記第1のコンバータ出力端子グループ(14)の前記第1のコンバータ出力端子(14-1)への交流入力信号の出力を阻止している期間中に、前記平均化されたスイッチング電圧を、前記第2のコンバータ出力端子グループ(16)の前記第2のコンバータ出力端子(56-1)において出力するように適合されている、請求項23に記載の多入力多出力コンバータ。
【請求項２５】
複数の負荷および/またはエネルギー貯蔵デバイスに電力を供給するための電力供給システムであって、
少なくとも1つの交流入力信号を、
第1の出力端子グループ(14)に出力するための少なくとも1つの整流された信号と、
第2の出力端子グループ(16)に出力するための、前記少なくとも1つの交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧から導出した少なくとも1つの平均化された電圧信号とに変換するための多入力多出力コンバータ(10-1、...、10-17)であって、
少なくとも1つの第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2)の電圧に対して少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷(35-1)の電圧のバランスをとるために、前記少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷(35-1)が、前記第1の出力端子グループ(14)の少なくとも1つの出力端子(14-1)に接続されており、前記少なくとも1つの第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2)が、前記第2の出力端子グループ(16)の少なくとも1つの出力端子(16-1)に接続されている、請求項15から24のいずれか一項に記載の多入力多出力コンバータ(10-1、...、10-17)を備える、電力供給システム。
【請求項２６】
複数の第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2、...、35-n)が、前記複数の第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2、...、35-n)の定格電圧レベルに対して前記複数の第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2、...、35-n)の電圧レベルのバランスをとるために、前記第2の出力端子グループ(16)の出力端子に接続されている、請求項25に記載の電力供給システム。
【請求項２７】
少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷(35-11、35-12、...)が、前記少なくとも1つの第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷(35-2、35-n)の電圧レベルに対して前記少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷(35-11、35-12、...)の電圧レベルのバランスをとるために、前記第1の出力端子グループ(14)の出力端子(14-1)と前記第2の出力端子グループ(16)の出力端子の間に接続されている、請求項25または26に記載の電力供給システム。
【請求項２８】
少なくとも1つの交流入力信号を、第1の整流された信号特性を有する少なくとも1つの信号と、前記第1の整流された信号特性とは異なる第2の平均化された信号特性を有する少なくとも1つの信号とに変換するように適合された多入力多出力コンバータを動作させる方法であって、
整流された交流入力信号を、前記第1の整流された信号特性を有する信号として出力するために、交流入力信号を整流するステップと、
平均化されたスイッチング電圧を、前記第2の平均化された信号特性を有する信号として出力するために、前記交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧を平均化するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも1つの交流入力信号を、整流された出力信号と、交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧信号を平均化することによって導出される信号とに変換するための多入力多出力コンバータと、複数の負荷および/または本発明による多入力多出力コンバータを使用するエネルギー貯蔵デバイスに電力を供給するための電力供給システムと、本発明による多入力多出力コンバータを動作させる方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
整流器の主用途はワイヤレス誘導送電の分野である。一般に、ワイヤレス誘導送電は、ケーブルで接続されたシステムに対していくつかの利点を有する。技術的な進歩のために、モバイル電池に対するワイヤレス誘導送電の注目度が増しており、この傾向は、自動車用途、民生用途、および工業用途によって駆り立てられている。
【０００３】
一般に、ワイヤレス誘導送電は、1次の固定側と2次のモバイル側とに分かれる。1次の固定側は、スイッチング電子回路と、キャパシタおよび伝送コイルから成る共振回路とを有する。
【０００４】
図23は、当技術で既知の、誘導性電力伝達システムの2次側の概略図を示す。
【０００５】
図23に示されるように、2次のモバイル側において、共振回路の受信コイル形成部分に電圧および電流が誘起される。受動整流器または能動整流器は、バッテリー、二次電池、あるいは、たとえばDC/DCコンバータ、およびバッテリー、二次電池、キャパシタ、コンデンサ、スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタなどのエネルギー貯蔵デバイスから成る可動性のエネルギーシステムといったいくつかの負荷に対して電力を直接供給する。
【０００６】
図23に示されるように、ワイヤレスの誘導性電力伝達システムの2次の受信側は、エネルギー貯蔵デバイスE1、E2または負荷を備える。通常、受信側ではいくつかの電圧レベルが使用される。しかしながら、2つのエネルギー貯蔵デバイスE1、E2または負荷が並列で電力を供給される場合、第2のエネルギー貯蔵デバイスE2または負荷から第1のエネルギー貯蔵デバイスE1または負荷を分離するために、少なくとも1つのDC/DCコンバータが必要とされる。
【０００７】
しかしながら、これは、2次の受信側の費用、重さ、および回路の複雑さをより大きくする追加の回路を意味する。加えて、DC/DC変換における損失によってシステム効率が低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の点からみて、本発明の目的は、異なる適用要件の観測において、交流信号を、異なる信号特性を有する複数の信号に変換する問題に対する、より効率的な解決策を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第1の態様によれば、少なくとも1つの交流入力信号を、整流された出力信号と、交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧信号を平均化することによって導出されるさらなる出力信号とに変換するための多入力多出力コンバータが提供される。
【００１０】
本発明の第1の態様よる多入力多出力コンバータは、多入力多出力コンバータに少なくとも1つの交流入力信号を入力するための複数のコンバータ入力端子と、少なくとも1つの整流された信号を出力するための第1のコンバータ出力端子グループおよび少なくとも1つの平均化したスイッチング電圧信号を出力するための第2のコンバータ出力端子グループに分割された複数のコンバータ出力端子とを備える。
【００１１】
より詳細には、本発明の第1の態様による多入力多出力コンバータは、交流入力信号を整流するように適合された少なくとも1つの整流回路を備える。本発明の第1の態様によれば、少なくとも1つの整流回路は、関連するコンバータ入力端子に接続された整流器入力端子と、整流された交流入力信号を出力するための第1のコンバータ出力端子グループの関連するコンバータ出力端子に接続された整流器出力端子とを有する。
【００１２】
さらにその上に、本発明の第1の態様による多入力多出力コンバータは、整流動作中に生成されるスイッチング電圧信号を平均化するように適合された少なくとも1つの平均回路を備える。本発明の第1の態様によれば、少なくとも1つの平均回路は、少なくとも1つの整流回路の内部回路ノードに接続された第1の入力端子と、平均化されたスイッチング電圧信号を出力するための第2のコンバータ出力端子グループの関連するコンバータ出力端子に接続された第2の出力端子とを有する。
【００１３】
本発明の第2の態様によれば、複数の負荷および/または本発明の第1の態様による多入力多出力コンバータを使用するエネルギー貯蔵デバイスに電力を供給するための電力供給システムが提供される。
【００１４】
本発明の第2の態様によれば、本発明の第1の態様による多入力多出力コンバータは、少なくとも1つの交流入力信号を、第1の出力端子グループに出力するための少なくとも1つの整流された信号と、少なくとも1つの交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧信号から導出される、第2の出力端子グループに出力するための、少なくとも1つの平均化されたさらなる電圧信号とに変換するために使用される。
【００１５】
さらに、本発明の第2の態様によれば、少なくとも1つの第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷の電圧に対して少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷の電圧のバランスをとるために、少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷が、第1の出力端子グループのうち少なくとも1つの出力端子に接続され、少なくとも1つの第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷が、第2の出力端子グループのうち少なくとも1つの出力端子に接続される。
【００１６】
本発明の第3の態様によれば、本発明の第1の態様による多入力多出力コンバータを動作させる方法が提供される。
【００１７】
本発明の第3の態様によれば、多入力多出力コンバータを動作させる方法は、整流された交流入力信号を、第1の信号特性を有する信号として出力するために、交流入力信号を整流するステップを含む。
【００１８】
さらに、本発明の第3の態様によれば、多入力多出力コンバータを動作させる方法は、平均化されたスイッチング電圧信号を、第2の信号特性を有する信号として出力するために、交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧信号を平均化するステップを含む。
【００１９】
本発明の第4の態様によれば、少なくとも1つの負荷および/または電圧源特性を有する少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスに電力を供給するための誘導性電力供給システムの2次側が提供される。誘導性電力供給システムの2次側は、誘導性電力供給システムの伝送コイルから電磁結合によって伝送されたエネルギーを受信して、電流源特性を有する2次側高周波電流を生成するように適合された、2次側受信コイルと2次側補償キャパシタの直列接続を備え、これらは1次側から分離されている。
【００２０】
さらに、誘導性電力供給システムの2次側が有する本発明の第1の態様による多入力多出力コンバータは、受信コイルと補償キャパシタの直列接続に対して接続されており、2次側高周波電流を、第1の整流された信号特性を有する少なくとも1つの信号と、第1の整流された信号特性とは異なる第2の平均化された信号特性を有する少なくとも1つの信号とに変換するように適合されている。
【００２１】
さらに、誘導性電力供給システムの2次側は、電圧源特性を有して、第1のコンバータ出力端子グループに接続されている少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスと、第2のコンバータ出力端子グループに接続されている負荷または少なくとも1つのさらなるエネルギー貯蔵デバイスとを有する。
【００２２】
以下では、図面を参照しながら、本発明の様々な例示的実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第1の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図２】本発明の第2の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図３】本発明の第3の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図４】複数の機能性を実現する一方でハードウェア資源の使用を最適化するために本発明による多入力多出力コンバータの回路部品を再利用することを図解する概略図である。
【図５】入力信号が電流源特性を有する場合の本発明による多入力多出力コンバータの回路挙動の解析を示す図である。
【図６】入力信号が電圧源特性を有する場合の本発明による多入力多出力コンバータの回路挙動の解析と、電圧コントローラの一例とを示す図である。
【図７】本発明の第4の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図８】本発明の第5の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図９】本発明による多入力多出力コンバータを誘導性電力伝達システムの2次側に使用している誘導性電力伝達システムの概略図である。
【図１０】本発明の第6の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１１】本発明の第7の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１２】本発明の第8の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１２ａ】図12に示された多入力多出力コンバータの2次側高周波電流の正の半波中に誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されている動作状態における電流フローを示す図である。
【図１２ｂ】図12に示された多入力多出力コンバータの2次側高周波電流の負の半波中に誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されている動作状態における電流フローを示す図である。
【図１２ｃ】図12に示されたコイルを通って流れる電流ILの平均を示す図である。
【図１２ｄ】図12に示された多入力多出力コンバータの、誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されず、図12に示されたフルブリッジ回路の左側の分岐における上部の能動スイッチQ1が活性化した動作状態における電流フローを示す図である。
【図１２ｅ】図12に示された多入力多出力コンバータの、誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されず、図12に示されたフルブリッジ回路の左側の分岐における下部の能動スイッチQ2が活性化した動作状態における電流フローを示す図である。
【図１２ｆ】図12に示されたコイルを通って流れる電流ILの平均を示す図である。
【図１３】本発明の第9の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１４】本発明の第10の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１５】図14に示された第10の例示的実施形態による多入力多出力コンバータにおける信号の信号特性を示す図である。
【図１６】本発明の第11の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１７】本発明の第12の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１８】本発明の第13の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図１９】本発明の第14の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図２０】本発明の第15の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図２１】本発明の第16の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図２２】本発明の第17の例示的実施形態による多入力多出力コンバータの概略図である。
【図２３】当技術で既知の誘導性電力伝達システムの2次側の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。ここで、そのような説明は本発明の例示的実施形態のみに関するものであり、特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲を束縛するものではないことを理解されたい。特定の回路部品が参照されている限り、これは、基礎をなす機能性に関する例と考えられるべきであり、これらの回路部品は、同一の機能性が達成される限り、明らかに交換可能である。
【００２５】
本発明による多入力多出力コンバータの機能性は多種多様である。この多入力多出力コンバータは、たとえば、多入力多出力整流器の出力側において送出する電力量を制御する一方で、信号の整流と平均化を並行して行うための手法といった、交流入力信号を複数のタイプの信号特性を有する複数の出力信号に変換する手法を、最小限のハードウェア負担でサポートする。
【００２６】
さらに、本発明による多入力多出力コンバータは、この多入力多出力コンバータに接続され得るエネルギー貯蔵デバイス間のエネルギーの交換もサポートする。一般に、本発明は、対応する定格電圧レベルに関して、複数のそのようなエネルギー貯蔵デバイスの電圧レベルのバランスを達成するものである。
【００２７】
さらに、本発明によって示唆される多入力多出力コンバータは、さらなるDC/DCコンバータまたはさらなる能動部品を義務的に使用することなく、出力端子に接続された様々な負荷または貯蔵デバイスの減結合を可能にするものである。
【００２８】
本発明の枠組みの範囲内で、多入力多出力コンバータは、少なくとも1つの負荷および/または電圧源特性を有する少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスに電力を供給するための誘導性電力供給システムの2次側の一部を形成する。この2次側は、誘導性電力供給システムの伝送コイルから電磁結合によって伝送されたエネルギーを受信して、電流源特性を有する2次側高周波電流を生成するように適合された、2次側受信コイルと2次側補償キャパシタの直列接続を備え、これらは1次側から分離されている。
【００２９】
誘導性電力供給システムの2次側において、多入力多出力コンバータは、受信コイルと補償キャパシタの直列接続に対して接続されており、2次側高周波電流を、第1の整流された信号特性を有する少なくとも1つの信号と、第1の整流された信号特性とは異なる第2の平均化された信号特性を有する少なくとも1つの信号とに変換するように適合されている。また、誘導性電力供給システムの2次側において、電圧源特性を有する少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスが第1のコンバータ出力端子グループに接続されており、負荷または少なくとも1つのさらなるエネルギー貯蔵デバイスが第2のコンバータ出力端子グループに接続されている。
【００３０】
全体として、本発明は、低コストで軽量かつ小型の多入力多出力コンバータを提供するものである。これは、多入力多出力コンバータが誘導性電力伝達システムの2次側で使用されるとき、誘導性電力伝達システムのシステム効率を向上するために特に有利であり得る。
【００３１】
図1は、本発明の第1の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-1の概略図を示す。
【００３２】
図1に示されるように、多入力多出力コンバータ10-1は、少なくとも1つの交流入力信号を多入力多出力コンバータ10-1に入力するための複数のコンバータ入力端子12-1、12-2、...、12-Mを備える。一般に、交流入力信号は、たとえば正弦波の信号、台形波信号、矩形波信号などの任意のタイプでよい。さらに、第1の信号特性は整流の結果でよく、第2の信号特性は平均化処理の結果でよい。
【００３３】
図1に示されるように、多入力多出力コンバータ10-1が備える複数のコンバータ出力端子は、第1の信号特性を有する少なくとも1つの信号を出力するための第1のコンバータ出力端子グループ14と、第2の信号特性を有する少なくとも1つの信号を出力するための第2のコンバータ出力端子グループ16とに分割されている。
【００３４】
図1に示されるように、多入力多出力コンバータ10-1は、交流入力信号を整流するように適合された少なくとも1つの整流回路18-1、18-2、...、18-Nを備える。少なくとも1つの整流回路18-1、18-2、...、18-Nは、少なくとも1つの関連するコンバータ入力端子12-1、12-2、...、12-Mに接続された整流器入力端子20-1、20-2、...、20-Nと、整流された交流入力信号を、第1の信号特性を有する信号として出力するための第1のコンバータ出力端子グループ14の関連するコンバータ出力端子に接続された整流器出力端子22-1、22-2、...、22-Nとを有する。
【００３５】
図1に示されるように、多入力多出力コンバータ10-1は、整流動作中に少なくとも1つの整流回路18-1、18-2、...、18-Nの内部回路ノード26-1、26-2、...、26-Nにおいて生成されるスイッチング電圧信号を平均化するように適合された少なくとも1つの平均回路24-1、24-21、24-22、...、24-Nを備える。
【００３６】
本発明によれば、整流回路18-1、18-2、...、18-Nごとに設けられる平均回路の数は1つに制限されず、第1の平均回路24-21および第2の平均回路24-22を有する第2の整流回路18-2に関して図1に示されるように、たとえば2つといった、より大きい値であってもよいことに留意されたい。あるいは、本発明によれば、多入力多出力コンバータ10-1が少なくとも1つの平均回路を備える限り、平均回路が接続されていない整流回路も提供され得る。
【００３７】
図1に示されるように、少なくとも1つの平均回路24-1、24-21、24-22、...、24-Nは、少なくとも1つの整流回路18-1、18-2、...、18-Nの内部回路ノード26-1、26-2、...、26-Nに接続された第1の入力端子と、平均化されたスイッチング電圧信号を第2の信号特性を有する信号として出力するための第2のコンバータ出力端子グループ16の関連するコンバータ出力端子に接続された第2の出力端子28-1、28-21、28-22、...、28-Nとを有する。
【００３８】
上記で概説されたように、本発明の第1の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-1は、少なくとも1つの交流入力信号を、第1の整流された信号特性を有する少なくとも1つの信号と、第1の整流された信号特性とは異なる第2の平均化された信号特性を有する少なくとも1つの信号とに変換するように、動作可能に適合されている。
【００３９】
さらに、本発明の第1の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-1は、整流された交流入力信号を、第1の整流された信号特性を有する信号として出力するために、交流入力信号を動作可能に整流する。
【００４０】
さらに、本発明の第1の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-1は、平均化されたスイッチング電圧信号を、第2の平均化された信号特性を有する信号として出力するために、交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧信号を動作可能に平均化する。
【００４１】
以下では、図2〜図22を参照しながら、本発明のさらなる好ましい例示的実施形態を説明する。これらの例示的実施形態のコンバータ部品が、図1を参照しながら説明されたコンバータ部品と類似した機能性を有する限り、説明の容易さのために同一の参照数字が使用される。さらに、以下では、本発明の特定の実施形態が、半波整流、フルブリッジ整流、および多相整流に関して、整流動作中に生成されるスイッチング電圧の平均化と組み合わせて説明される。
【００４２】
図2は、本発明の第2の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-2の概略図を示す。
【００４３】
図2に示されるように、多入力多出力コンバータ10-2は1つの整流回路18-1を備える。さらに、整流回路18-1は、互いに直列に接続された、上部の整流回路素子30-1と下部の整流回路素子32-1の対から構成されたハーフブリッジを備える。より詳細には、上部の整流回路素子30-1と下部の整流回路素子32-1は、整流回路18-1の内部回路ノード26-1において互いに接続されている。
【００４４】
図2に示されるように、上部の整流回路素子30-1の他の接続端子は、整流された交流入力信号を、第1の整流された信号特性を有する信号として出力するために、上部のハーフブリッジ出力端子を、第1のコンバータ出力端子グループ14の関連するコンバータ出力端子14-1に接続された整流器出力端子22-2として形成する。
【００４５】
図2に示されるように、下部の整流回路素子32-1の他の接続端子は、第1のコンバータ出力端子グループ14の基準コンバータ出力端子14-2に接続されたさらなる整流器出力端子を形成する。
【００４６】
図2に示されるように、多入力多出力コンバータ10-2は1つの平均回路24-1を備える。平均回路24-1の第1の接続端子は、関連する整流回路18-1の内部回路ノード26-1に接続されており、第2の接続端子28-1は、第2のコンバータ出力端子グループ16-1の関連するコンバータ出力端子16-1に接続されている。
【００４７】
交流入力信号を、第1の整流された信号特性を有する第1のコンバータ出力信号として第1のコンバータ出力端子グループ14の関連するコンバータ出力端子14-1へ転送するために、交流入力信号が正の振幅を伴う第1の期間中に上部の整流回路素子30-1が導通して下部の整流回路素子32-1が導通しないように、交流入力信号は、上部の整流回路素子30-1および下部の整流回路素子32-1によって動作可能に整流される。
【００４８】
上部の整流回路素子30-1が導通して下部の整流回路素子32-1が導通しない状態のために、コンバータ出力端子14-1、14-2における電圧は、整流動作中に整流回路18-1の内部回路ノード26-1にマッピングされることに留意されたい。
【００４９】
一般性を失うことなく、コンバータ出力端子14-1に接続された負荷がエネルギー貯蔵特性を有すると想定すると、そこで、コンバータ出力端子14-1、14-2における電圧はDC電圧またはほぼDC電圧になり、内部回路ノード26-1における電圧は、上部の整流回路素子30-1の導電状態/非導電状態によるスイッチング矩形波電圧である。
【００５０】
さらに、交流入力信号の負の振幅を伴う第2の期間中に、第1のコンバータ出力端子グループ14のコンバータ出力端子14-1への交流入力信号の転送を動作可能に阻止するために、上部の整流回路素子30-1は非導通状態になり、下部の整流回路素子32-1は導通状態になる。
【００５１】
さらに、平均回路24-1は、整流動作中に整流回路18-1の内部回路ノード26-1において生成されるスイッチング矩形波電圧の平均を動作可能に生成する。あるいは、平均回路24-1は、整流動作のために、多入力多出力コンバータ10-2に接続されている負荷のタイプに依拠して内部回路ノード26-1において生成され得る任意の他の信号タイプに対して、平均化する機能を適用する。
【００５２】
より詳細には、交流入力信号の正の振幅を伴う第1の期間中に、整流回路18-1の内部回路ノード26-1においてスイッチング矩形波電圧が利用可能なとき、平均回路24-1は、関連するエネルギーを、たとえばコイル、直列共振回路、並列共振回路といったエネルギーバッファに蓄積することになる。
【００５３】
図3は、本発明の第3の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-3の概略図を示す。
【００５４】
図3に示されるように、第3の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-3は、第2の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-2と同一の構造を有するが、電圧コンバータ34-1を付加的に備える。電圧コンバータ34-1は、平均化されたスイッチング矩形波電圧を生成する平均回路24-1の第2の接続端子28-1と、第2のコンバータ出力端子グループ16の関連するコンバータ出力端子16-1とに接続されている。電圧コンバータ34-1は、アナログ電圧コンバータまたはスイッチング電圧コンバータでよい。
【００５５】
第3の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-3は、第2の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-2と同一の機能性を動作可能に有する。そのため、図2に関して上記で概説された関連する説明は、ここでは繰り返さないことにする。
【００５６】
第3の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-3と第2の例示的実施形態の間の相違は、電圧コンバータ34-1の動作にある。ここで、電圧コンバータ34-1は、平均回路24-1によって生成される平均化されたスイッチング矩形波電圧の電圧レベルを変化させるように、動作可能に適合されている。
【００５７】
第3の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-3は、第2の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-2と比較して、平均化する機能性に関して向上した融通性を達成するものである。
【００５８】
図4は、複数の機能性を実現する一方でハードウェア資源の使用を最適化するために、本発明による多入力多出力コンバータの回路部品を再利用することを図解するための概略図である。
【００５９】
より詳細には、バックコンバータの概略図である図4(a)は、以下ではステップダウンコンバータとも称される。
【００６０】
バックコンバータにおいて、スイッチScは、動作可能に、かつ周期的にオン/オフすることになる。これによって、スイッチScが閉じているとき、バックコンバータの入力側から出力側への電気エネルギーの伝達が可能になる。他方では、コイルLcはエネルギーバッファとして働き、スイッチScが開いているときには負荷Lcにエネルギーを供給することもできる。一般に、出力側の電圧は、入力側と比較して、スイッチScのスイッチングレートに依拠するステップダウン比でステップダウンされることになる。
【００６１】
さらに、図4(c)には、負荷Lrに対して整流された入力信号を供給するための、ダイオードDrを使用する半波整流器が示されている。
【００６２】
さらに、図4(b)は、同一の電気部品を用いて整流の機能性とステップダウン変換の機能性の両方を達成するための、回路素子の多重使用の概念を示す。
【００６３】
より詳細には、図4(b)は、整流器の機能性を実現するための2つのダイオードDr、Dcを示す。
【００６４】
図4(b)に示されるように、ハーフブリッジの上部のダイオードDrは、一方ではスイッチScの機能性を実施し、他方では整流の機能性を実施する。同様に、下部のダイオードは、図4(a)に示されたバックコンバータダイオードDcの機能性を実現し、同時に整流器の機能性を実現する。
【００６５】
本発明による回路部品のこの二重使用は、低減されたコストおよび空間要求においてハードウェア資源の最も効率的な使用を可能にし、同時に、本発明による多入力多出力コンバータの機能的順応性を向上するものである。
【００６６】
図5は、入力信号が電流源特性を有する場合の本発明による多入力多出力コンバータの例示的回路挙動の解析を示す。
【００６７】
より詳細には、図5は、本発明による多入力多出力コンバータの動作中に生じる電圧レベルを示す。束縛しないやり方で、第1のコンバータ出力端子グループ14にはエネルギー貯蔵デバイス35-11が接続されており、第2のコンバータ出力端子グループ16には負荷35-2が接続されている、と想定され得る。
【００６８】
一般に、本発明による平均回路24-1、24-2、...、24-Nによって出力される電圧は、関連する整流回路18-1、18-2、...、18-Nの内部回路ノード26-1、26-2、...、26-Nにおいて生成されたスイッチング電圧の平均値を反映することになる。
【００６９】
より具体的には、入力信号が電流源特性を有する場合には、入力電流IINは、たとえば正振幅の期間と負振幅の期間の長さが等しい周期信号になる。次いで、たとえばダイオードである上部の整流素子30-1が、動作時間の半分の間に導電性になり、たとえばダイオードである下部の整流素子30-2が、動作時間の他方の半分の間に導電性になる。
【００７０】
上記のことの結果として、整流器の内部回路ノード26-1におけるスイッチング電圧は、動作時間の前半はU1になり、動作時間の後半は0Vになる。したがって、電圧コントローラ34-1の用意なしで、U2=U1/2の関係が当てはまる。
【００７１】
さらに、入力信号は電流源特性を有し、直流オフセットが印加される場合、上部の整流素子30-1が導通する期間と下部整流素子30-2が導通する期間が異なり、その結果、U2もU1/2とは異なった値になる。
【００７２】
図5(b)に示されるように、U2=U1/2とU2≠U1/2のどちらの場合でも、ステップダウンコンバータ34-1は連続モードで動作することになり、たとえばコイル電流である電流ILの値がゼロに到達する前に、平均回路24-1へのエネルギー供給が常に再開される。しかしながら、本発明は連続モードの動作に限定されず、電流ILがゼロレベルに到達しても差し支えないことを理解されたい。
【００７３】
図6は、入力信号が電圧源特性を有する場合の本発明による多入力多出力コンバータの回路挙動の解析と、電圧コンバータの一例とを示す。
【００７４】
より詳細には、図6(b)は、第1のコンバータの出力端子グループ14に接続されている負荷35-1が、たとえば、エネルギー貯蔵デバイス、または並列に接続されたキャパシタを有する負荷であって、電圧源特性を有する群に対応する第1の特定の場合を図解するものである。
【００７５】
図6(b)に示されるように、第1の特定の場合によれば、入力電圧UINは、当初は電圧U1よりも小さく、特定の期間の後にU1よりも大きくなる可変電圧である。次いで、多入力多出力コンバータの、たとえばダイオードといった整流回路素子が導電性になって、U1=UINが当てはまる。より詳細には、そのような期間中は、U1=UIN=USWが当てはまり、出力電圧U2はUSW=U1=UINの平均であり、したがってU1よりも小さい任意の値をとり得る。
【００７６】
入力信号が電圧源特性を有するという、さらなる第2の特定の場合は、入力電圧UINが可変デューティサイクルの矩形波電圧であることに関係する。ここで、U2の値は、電圧UINのデューティサイクルに依拠する。
【００７７】
結論として、電圧コンバータ34-1の用意なしで、電圧U2はスイッチング電圧USWに依拠する制御された電圧になる。さらに、電圧USWは、入力信号が電流源特性を有するときには入力電流IINに依拠し、入力信号が電圧源特性を有するときには入力電圧UINに依拠する。
【００７８】
図6(c)に示されるように、一般に、電圧U2の値は、アナログ電圧コンバータまたは定電圧回路から選択された任意のタイプでよい電圧コンバータ34-1によって変化され得る。図6(c)は、たとえばBc547であるトランジスタ36、入力抵抗38、およびツェナーダイオード40を使用して電圧コンバータ34-1を実現する1つの選択肢を示す。電圧コンバータ34-1の特定の実装形態が様々なやり方で変化してよく、本発明の範囲を限定するものではないことに留意されたい。
【００７９】
さらに、本発明によれば、電圧コンバータは、たとえばバックコンバータ、ブーストコンバータ、またはバックブーストコンバータといったスイッチングDC/DCコンバータでよい。本発明によれば、DC/DCコンバータに、内部回路ノード26-1において、たとえば50:50のデューティ比を既に有するあらかじめ変換された信号であるスイッチング電圧USWが供給される。これから、DC/DCコンバータに直流入力信号が供給される、あらかじめ変換されていない信号から変換が始まる場合と比較して、スイッチング損失が大幅に低減され得る。
【００８０】
以下で、図7および図8を参照しながら本発明のさらなる実施形態が説明され、この場合、少なくとも1つの交流入力信号の多入力多出力変換はフルブリッジ整流に基づくものである。
【００８１】
図7は、本発明の第4の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-4の概略図を示す。
【００８２】
図7に示されるように、本発明の第4の実施形態による多入力多出力コンバータ10-4は、第1の整流器ハーフブリッジおよび第2の整流器ハーフブリッジから構成されたフルブリッジ整流器構成を備える。
【００８３】
図7に示されるように、第1の整流回路は、互いに直列に接続された第1の整流回路素子42-1と第2の整流回路素子44-1から構成された第1のハーフブリッジである。第1の整流回路素子42-1および第2の整流回路素子44-1は、第1のコンバータ入力端子12-1に接続された第1の整流回路の整流器入力端子として、第1の整流回路素子42-1と第2の整流回路素子42-1の間に第1の内部回路ノード46-1を形成する。
【００８４】
図7に示されるように、第1の内部回路ノード46-1から遠隔の第1の整流回路素子42-1の接続端子は、第1のコンバータ出力端子グループ14の第1のコンバータ出力端子14-1に接続された第1のハーフブリッジ出力端子48-1を形成する。
【００８５】
図7に示されるように、第1の内部回路ノード46-1から遠隔の第2の整流回路素子44-1の接続端子は、第1のコンバータ出力端子グループ14の基準コンバータ出力端子14-2に接続された第2のハーフブリッジ出力端子50-1を形成する。
【００８６】
図7に示されるように、第2の整流回路は、互いに直列に接続された第3の整流回路素子52-1と第4の整流回路素子54-1から構成された第2のハーフブリッジである。第3の整流回路素子52-1および第4の整流回路素子54-1は、第2のコンバータ入力端子12-2に接続された第2の整流回路の整流器入力端子として、第3の整流回路素子52-1と第4の整流回路素子54-1の間に第2の内部回路ノード56-1を形成する。
【００８７】
図7に示されるように、第2の内部回路ノード56-1から遠隔の第3の整流回路素子52-1の接続端子は、第1のコンバータ出力端子グループ14の第2のコンバータ出力端子14-1、14-2に接続された第3のハーフブリッジ出力端子58-1を形成する。一般に、第3のハーフブリッジ出力端子58-1に接続されている第1のコンバータ出力端子グループ14の第2のコンバータ出力端子14-1、14-2は、第1のハーフブリッジ出力端子48-1に接続されている第1のコンバータ出力端子グループ14の第1のコンバータ出力端子14-1と同一でよく、異なっていてもよい。
【００８８】
図7に示されるように、第2の内部回路ノード56-1から遠隔の第4の整流回路素子54-1の接続端子は、第1のコンバータ出力端子グループ14の基準コンバータ出力端子14-2に接続された第4のハーフブリッジ出力端子60-1を形成する。
【００８９】
図7に示されるように、本発明の第4の実施形態による多入力多出力コンバータ10-4が備える平均回路62-1は、第1の接続端子が第1の整流回路の第1の内部回路ノード46-1に接続されており、第2の接続端子が第2のコンバータ出力端子グループ16の関連するコンバータ出力端子16-1に接続されている。あるいは、平均回路62-1の第1の接続端子は、第2の整流回路の第2の内部回路ノード56-1に接続されてもよい。
【００９０】
図7に示されるフルブリッジ整流回路は、多入力多出力コンバータ入力端子12-1、12-2に供給された交流入力信号の全波整流を動作可能に達成することになる。
【００９１】
さらに、平均回路62-1は、整流動作中に、第1の整流回路の第1の内部回路ノード46-1において生成されるスイッチング電圧信号を平均化して、第1の整流回路が第1のコンバータ出力端子グループ14の第1のコンバータ出力端子14-1に対する交流入力信号の出力を阻止している期間中に、平均化されたスイッチング電圧信号を、第2のコンバータ出力端子グループ16の関連するコンバータ出力端子16-1において出力するように動作可能に適合されている。あるいは、スイッチング電圧は、第2の内部回路ノード56-1から平均回路62-1に供給されてよい。
【００９２】
図7に示されるように、本発明の第4の実施形態による多入力多出力コンバータ10-4が任意選択で備え得る電圧コントローラ64-1は、平均回路62-1による出力としての平均化されたスイッチング電圧の電圧レベルを変化させるように動作可能に適合されている。ここで、図5および図6に関して上記で示された同じ説明が、同様に当てはまる。
【００９３】
図8は、本発明の第5の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-5の概略図を示す。
【００９４】
本発明の第5の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-5は、平均回路62-1の構造において第4の例示的実施形態とは異なるものである。
【００９５】
第4の実施形態では、平均回路62-1は誘導素子(たとえばコイル)によって実現されているが、第5の例示的実施形態によれば、図8に示されるように、平均回路62-1は低域通過フィルタとして実現されている。一般に、本発明によれば、フルブリッジ整流回路トポロジと組み合わせて適用されるべき平均回路は、第1の内部回路ノード46-1または第2の内部回路ノード56-1のスイッチング電圧を平均化する機能が達成される限り、多少なりとも制限されるものではないことに留意されたい。
【００９６】
以下で、コンバータ出力端子に接続された少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスおよび/または1つの負荷に電力を供給するための、本発明による多入力多出力コンバータの適用を説明する。
【００９７】
一般に、本発明による多入力多出力コンバータは、複数の負荷および/またはエネルギー貯蔵デバイスに電力を供給するための電力供給システムにおいて使用され得る。
【００９８】
本発明によれば、そのような電力供給システムは、少なくとも1つの交流入力信号を、第1の出力端子グループ14において出力するための少なくとも1つの整流された信号と、少なくとも1つの交流入力信号の整流中に生成されるスイッチング電圧信号から導出された、第2の出力端子グループ16において出力するための少なくとも1つの平均化された電圧信号とに変換するように適合された、本発明による多入力多出力コンバータを備える。
【００９９】
さらに、本発明によれば、少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷35-1の電圧を、少なくとも1つの第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷35-2の電圧に対してバランスをとるように、少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷35-1が、第1の出力端子グループ14のうち少なくとも1つの出力端子14-1に接続され、少なくとも1つの第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷35-2が、第2の出力端子グループ16のうち少なくとも1つの出力端子16-1に接続される。本発明によれば、入力がないとき、すなわち整流回路素子がアクティブにスイッチングされているときにも、バランスがとられ得ることに留意されたい。
【０１００】
さらに、本発明によれば、複数の第2のエネルギー貯蔵デバイス35-2、...、35-nの定格電圧レベルに対して複数の第2のエネルギー貯蔵デバイス35-2、...、35-nの電圧レベルのバランスをとるために、複数の第2のエネルギー貯蔵デバイス35-2、...、35-nは第2の出力端子グループ16の出力端子に接続され得る。
【０１０１】
さらに、本発明によれば、少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは第1の負荷35-11、35-12、...は、少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは少なくとも1つの第1の負荷35-11、35-12、...の関連する定格電圧レベルに対して少なくとも1つの第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは少なくとも1つの第1の負荷35-11、35-12、...の電圧レベルのバランスをとるために、本発明による多入力多出力コンバータの第1の出力端子グループ14の出力端子14-1および第2の出力端子グループ16の出力端子16-1に接続され得る。
【０１０２】
図9は、本発明による電力供給システムの実現の一例として、2次側において本発明による多入力多出力コンバータを使用している誘導性電力伝達システム66の概略図を示すものである。
【０１０３】
図9に示されるように、誘導性電力伝達システム66の1次側は、1次側DC/ACコンバータ68、1次側コントローラ70、1次側補償キャパシタ72、および1次側補償キャパシタ72と直列に接続された伝送コイル74を備える。1次側補償キャパシタ72と伝送コイル74の直列接続は、1次側DC/ACコンバータ68の出力に接続されている。
【０１０４】
1次側DC/ACコンバータ68は、1次側直流電圧および1次側直流電流を入力として受け取って1次側高周波電圧および1次側高周波電流に変換するように、動作可能に適合されている。次いで、1次側高周波電圧および1次側高周波電流は、振動磁界を生成するために、1次側補償キャパシタ72と伝送コイル74の直列接続に供給される。
【０１０５】
図9に示されるように、誘導性電力伝達システム66の2次側は、1次側から分離されており、2次側補償キャパシタ78に対して直列に接続された受信コイル76を備える。受信コイル76は、伝送コイル74によって生成された磁界に置かれたとき、伝送コイル74によって伝送されたエネルギーを、電磁結合によって動作可能に受け取る。電磁結合により、2次側高周波電圧および2次側高周波電流が生成される。
【０１０６】
図9に示されるように、2次側は、本発明による多入力多出力コンバータも備える。多入力多出力コンバータ10の入力側において、本発明によれば、本発明による多入力多出力コンバータ10に対して2次側高周波電圧および2次側高周波電流を供給するための、受信コイル76と2次側補償キャパシタ78の直列接続がある。誘導性電力伝達システムの直列-直列補償を想定すると、多入力多出力コンバータへの入力信号は、図5に関して上記で説明されたような電流源特性を有し得る。構成要素の駆動周波数/寸法取りに全般的に依拠して、直列-直列補償を伴う電圧源を生成することも可能であることに留意されたい。
【０１０７】
図9に示されるように、多入力多出力コンバータの出力側では、第1のコンバータ出力端子グループ14のコンバータ出力端子および第2のコンバータ出力端子グループ16のコンバータ出力端子において、少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスおよび/または少なくとも1つの負荷が接続され得る。
【０１０８】
本発明による多入力多出力コンバータは、多入力多出力コンバータの第1のコンバータ出力端子グループ14の出力端子と第2のコンバータ出力端子グループ16の出力端子とに接続された少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスおよび/または少なくとも1つの負荷に対して、上記で概説された意味で給電するために、受信コイル76と2次側補償キャパシタ78の直列接続によって供給される交流信号を、少なくとも1つの整流された出力信号および少なくとも1つの平均化された出力信号へ変換するように動作可能に適合されている。
【０１０９】
図9に関して示された説明から、本発明による多入力多出力コンバータは、一般に2つ以上の電圧レベルを必要とする移動ロボット、無人搬送車、および電気自動車、電気通信産業および/またはデータセンタの電源、電池電力貯蔵デバイス用のインバータおよび/またはコンバータ、携帯電話またはタブレットまたは何らかの他のモバイルデバイス、水素を使用する加水分解など化学製品の生産に使用されるコンバータ向けの導電性充電システムおよび誘導性充電システムにおいて有利に組み込まれ、かつ/または使用され得ることを理解されたい。ワイヤレス送電システムは、太陽電池、燃料電池、またはモータから給電されることもある。ここで示された用途のこのリストは、明らかに網羅的ではなく、本発明の範囲を束縛する効果はないことに留意されたい。
【０１１０】
以下で、図10から図22を参照しながら、本発明による多入力多出力コンバータの第1のコンバータ出力端子グループ14の出力端子および第2のコンバータ出力端子グループ16の出力端子に対する、少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスおよび少なくとも1つの負荷の接続トポロジの、より具体的な例を説明する。
【０１１１】
図10は、本発明の第6の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-6の概略図を示す。
【０１１２】
図10に示されるように、本発明の第6の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-6は、2つのコンバータ入力端子12-1、12-2および3つのコンバータ出力端子14-1、14-2、16-1を有する。多入力多出力コンバータ10-6は、整流回路素子としてD1〜D4の4つのダイオードを備える。第1のコンバータ出力端子グループの1つの出力端子14-2は、2つのエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1、35-2の共通の基準を構成し、第1のコンバータ出力端子グループの他の出力端子14-1は第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1に接続されている。
【０１１３】
加えて、たとえばコイルまたはインダクタLといった平均回路62-1が、2つのダイオードD1とD2の間の内部回路ノードと、第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは第2の負荷35-2が接続されるコンバータ出力端子16-1とに接続されている。
【０１１４】
図10に示されるように、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1はコンバータ出力端子14-1および14-2に接続されており、平均回路62-1は、コンバータ出力端子16-2を介して、ダイオードD1とD2の間の内部回路ノードと、第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2とに接続されている。平均回路62-1は、インダクタLでよく、あるいは代わりにインダクタおよびキャパシタと負荷の並列回路を直列に有するLC回路、ならびに/またはインダクタおよびキャパシタを並列に有するLC回路でもよい。
【０１１５】
上記で概説されたように、多入力多出力コンバータ10-6は整流機能を有し、加えて、平均回路62-1に給電するために使用され得るスイッチング矩形波電圧を生成する。スイッチング電圧を生成するために多入力多出力コンバータ10-6の生来のスイッチング動作が使用されるので、さらなる制御回路は不要である。
【０１１６】
より詳細には、交流電流IINは多入力多出力コンバータ10-6へ入力される。交流電流IINは、正弦波電流でよく、あるいは代わりに三角波もしくは矩形波または何らかの他の形状を有し得る。
【０１１７】
さらに、多入力多出力コンバータ10-6によって、整流中に、その内部回路ノードにスイッチング電圧USWが生成される。スイッチング矩形波電圧USWは、所定の正の電圧値とゼロの間で変化する。これは、スイッチング矩形波電圧USWを生成するために、多入力多出力コンバータ10-6の生来のスイッチング動作が使用されることを意味する。スイッチング矩形波電圧USWは、誘導性挙動を有する平均回路62-1と、第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2とに供給される。平均回路62-1の誘導性挙動のために、電流ILが生成されて(図5も参照されたい)、第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2に供給される。所定の正の電圧値は、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1において生成される電圧U1の値と等しくてよく、またはその値のまわりもしくは近くの値でもよい。
【０１１８】
上記で概説されるように、U2の電圧値は、U2=U1/2に従って電圧値U1の2分の1でよい。第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1に流れ込む電流は、多入力多出力コンバータ10-6のダイオードブリッジを通って流れる電流差IIN-ILに依拠するものであり、電流ILは誘導性素子Lに対して直列接続された負荷35-2によって決定される。
【０１１９】
上記のことから、多入力多出力コンバータ10-6の一部分、すなわち、2つの直列接続されたダイオードD1、D2または能動スイッチQ1、Q2から成る1つのハーフブリッジが整流器として働き、加えて、図4に関して上記でも説明されているように、第2のエネルギー貯蔵デバイスおよび/または負荷35-2に対して適切な電圧を供給するように使用されることを理解されたい。
【０１２０】
結論として、ダイオードD1およびD2または能動スイッチQ1およびQ2は2つの機能を全うし、言い換えれば、ダイオードまたは能動スイッチは二重機能を有する。
【０１２１】
図11は、本発明の第7の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-7の概略図を示す。
【０１２２】
図11に示されるように、多入力多出力コンバータ10-7は、図10に示された第2のエネルギー貯蔵デバイス35-2が、並列接続されたキャパシタを有する負荷で置換されている。あるいは、第1のエネルギー貯蔵デバイスは負荷で置換され得る。
【０１２３】
好ましくは、本発明によれば、負荷とエネルギー貯蔵デバイスは並列接続されている。負荷はキャパシタおよび抵抗も備え得る。また、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1に対して、さらなるエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷が接続されてよい。したがって、第1のコンバータ出力端子グループ14の2つの出力端子14-1および14-2に対して2つ以上のエネルギー貯蔵デバイスが接続されてよい。
【０１２４】
図12は、本発明の第8の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-8の概略図を示す。
【０１２５】
図12に示されるように、本発明の第8の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-8では、フルブリッジ整流器の整流回路素子は、整流器を同期整流器として駆動するための能動スイッチQ1〜Q4である。ここで、能動スイッチQ1〜Q4は、MOSFETもしくはGaNトランジスタ、または何らかの他のタイプのトランジスタでよい。
【０１２６】
能動スイッチを使用することの利点には、交流電流IINがゼロでも、1つのエネルギー貯蔵デバイスから蓄積されたエネルギーを別のエネルギー貯蔵デバイスに伝達するために能動スイッチQ1〜Q4が使用され得ることがある。たとえば、誘導性電力伝達システムに電力のワイヤレス誘導伝送がないとき、または誘導性電力伝達システムに入力交流電流が供給されていないとき、交流電流IINはゼロである。
【０１２７】
好ましくは、エネルギーは、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷から第2の貯蔵デバイスまたは負荷35-2へ伝達されてよく、あるいは第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2から第1の貯蔵デバイスまたは負荷35-1へ伝達されてよい。エネルギーは、平均回路62-1のエネルギーバッファリング機能を使用して、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1から第2の貯蔵デバイスまたは負荷35-2へ伝達され、あるいは第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2から第1の貯蔵デバイスまたは負荷35-1へ伝達される。
【０１２８】
図12aは、図12に示された多入力多出力コンバータの2次側高周波電流の正の半波中に、誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されている動作状態における電流フローを示す。
【０１２９】
図12aに示されるように、2次側高周波電流の正の半波中に、入力電流は第1の部分に分かれ、フルブリッジ整流器の左側の分岐、出力端子14-1、次いで第1の貯蔵デバイスまたは負荷35-1へと順に流れて、次いでフルブリッジ整流器の右下部分を通って戻る。入力電流の第2の部分は、コイルから出力端子16-1へ、次いで第2の負荷35-2へと流れ、次いでフルブリッジ整流器の右下部分を通って戻る。
【０１３０】
図12bは、図12に示された多入力多出力コンバータの、2次側高周波電流の負の半波中に、誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されている動作状態における電流フローを示す。
【０１３１】
図12bに示されるように、2次側高周波電流の負の半波中に、入力電流は、フルブリッジ整流器の右側の分岐を通り、出力端子14-1、第1の貯蔵デバイスまたは負荷35-1へと順に流れて、次いでフルブリッジ整流器の左下部分を通って戻る。フルブリッジ整流回路の左側分岐にコイルが接続されている回路ノードにおいて、逆電流は、入力端子12-1に流れる部分と、コイルから第2の負荷へ流れてフルブリッジ整流器の左下部分に戻る部分とに分かれる。第2の部分は、インダクタのサイズおよび他の回路素子の仕様に依拠して正または負であり得る。
【０１３２】
図12cに示される、コイルを流れる電流ILは、図12に示された平均回路の、図12aおよび図12bに示された動作状態を実現している。
【０１３３】
図12cに示されるように、電流ILの平均は、第1のエネルギー貯蔵デバイス35-1における電圧U1と第2の負荷またはエネルギー貯蔵デバイス35-2における電圧U2の間の関係に依拠して、ゼロよりも大きくなるかまたは小さくなり得る。
【０１３４】
上記で説明されたように、図12aおよび図12bに示された電流は、接続されている種々のエネルギー貯蔵デバイスにおける電圧レベルの、定格電圧レベルに対するバランスを達成する。2つの出力端子14-1と16-1の電圧比が、インダクタ62-1にわたる電圧のデューティサイクルおよび大きさを決定し、したがって平均電流の方向を決定する。これは、2つの電圧U1とU2が、U1=U2*2という比のバランスのとれた定常状態に傾くという効果をもたらす。
【０１３５】
図12dは、図12に示された多入力多出力コンバータの、誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されず、図12に示されたフルブリッジ整流回路の左側の分岐における上部の能動スイッチQ1が活性化した動作状態における電流フローを示す。ここで、第2の負荷も、エネルギー貯蔵特性を、より詳細には電圧源特性を有すると想定され得る。
【０１３６】
図12dに示されるように、フルブリッジ整流回路の左側分岐の能動スイッチQ1を閉じることにより、電流が、第1のエネルギー貯蔵デバイス35-1から、端子14-1、能動スイッチ、コイルへと順に流れ、次いで、出力端子16-1、第2の負荷35-2を通って、第1のエネルギー貯蔵デバイス35-1へ戻り得る。この電流フローにより、第1のエネルギー貯蔵デバイス35-1から第2の負荷35-2へとエネルギーが伝達される。
【０１３７】
図12eは、図12に示された多入力多出力コンバータの、誘導性電力伝達システムの2次側に電力が供給されず、図12に示されたフルブリッジ整流回路の左側の分岐における下部の能動スイッチQ2が活性化した動作状態における電流フローを示す。
【０１３８】
図12eに示されるように、フルブリッジ整流回路の左側分岐の小さい能動スイッチQ2が閉じているとき、電流は、フルブリッジ整流回路の左側分岐のスイッチ、コイル、および第2の負荷35-2によって構成されたループの中を循環する。
【０１３９】
図12fは、図12に示された平均回路を通って流れる電流ILの、図12dおよび図12eに示された動作状態による平均を示す。
【０１４０】
説明された回路は、全体として2象限コンバータとして動作する。図12fに示されるように、平均化された電流は、ゼロよりも大きい値またはゼロよりも小さい値を有し得る。2つの電圧U1とU2の間の関係ならびに能動スイッチQ1およびQ2のオン時間のデューティサイクルに依拠して、第1の場合には、エネルギーは第1のエネルギー貯蔵デバイス35-1から第2の負荷またはエネルギー貯蔵デバイス35-2へ伝達され、そうでなければ、エネルギーは第2の負荷またはエネルギー貯蔵デバイス35-2から第1のエネルギー貯蔵デバイス35-1dへ伝達される。
【０１４１】
図13は、本発明の第9の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-9の概略図を示す。
【０１４２】
図13に示されるように、本発明の第9の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-9は、第1のエネルギー貯蔵デバイスが負荷とキャパシタの並列回路によって置換されており、平均回路62-1がLCの並列共振回路によって実現されている点で第8の実施形態とは異なる。
【０１４３】
図14は、本発明の第10の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-10の概略図を示す。
【０１４４】
図14に示されるように、本発明の第10の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-10は、第1の平均回路62-1に加えて第2の平均回路62-2を備える。
【０１４５】
図14に示されるように、第2の平均回路62-2の第1の接続端子には第2の整流回路の第2の内部回路ノード56-1が接続されており、第2の接続端子には第2のコンバータ出力端子グループ16の第2のコンバータ出力端子16-2が接続されている。
【０１４６】
第2の平均回路62-2は、整流動作中に第2の整流回路の第2の内部回路ノード56-1において生成されるスイッチング電圧を平均化するように動作可能に適合されている。
【０１４７】
さらに、第2の平均回路62-2は、第2の整流回路が第1のコンバータ出力端子グループ14の第1のコンバータ出力端子14-1への交流入力信号の出力を阻止している期間中に、第2のコンバータ出力端子グループ16の第2のコンバータ出力端子16-2において、平均化されたスイッチング電圧を出力するように動作可能に適合されている。
【０１４８】
図15は、図14に示された第10の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-10における信号の信号特性を示す。
【０１４９】
図15に示されるように、第10の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-10に対して、入力端子12-1および12-2に交流電流IINが入力される。好ましくは、交流電流IINは正弦波の電流であり、あるいは三角波もしくは矩形波または任意の交流波形である。
【０１５０】
図15に示されるように、整流器によって2つのスイッチング電圧USW1およびUSW2が生成され、2つのスイッチング電圧USW1とUSW2の各々が所定の正の電圧値とゼロの間で変化する。これは、2つのスイッチング電圧USW1およびUSW2を生成するために、多入力多出力コンバータ10-10の生来のスイッチング動作が使用されることを意味する。
【０１５１】
さらに、平均回路62-1にはスイッチング電圧USW1が供給され、第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2が直列に接続されている。加えて、さらなる平均回路62-2にはスイッチング電圧USW2が供給され、第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2も直列に接続されている。
【０１５２】
図15に示されるように、平均回路62-1およびさらなる平均回路62-2のインダクタのために、第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2に流れ込む2つの電流IL1およびIL2が生成される。所定の正の電圧値は、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1において生成される電圧U1の2分の1の値と等しくてよく、またはその値のまわりもしくは近くの値でもよい。U2の電圧値は、好ましくは電圧値U1の2分の1(つまりU2=U1/2)である。
【０１５３】
図15に示されるように、2つの電流IL1とIL2も180度シフトされるように、電圧値USW1とUSW2が180度シフトされる。
【０１５４】
図16は、本発明の第11の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-11の概略図を示す。
【０１５５】
図16に示されるように、本発明の第11の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-11は、複数のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1〜35-n(n>2)に接続されている。1つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷が、その組合せによって置換されてよいことに留意されたい。
【０１５６】
図16に示されるように、第11の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-11は、第2のコンバータ出力端子グループ16のコンバータ出力端子16-1、...、16-mに接続された複数のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2〜35-nの各々に与えられた少なくとも1つの平均回路を備える。また、第1のコンバータ出力端子グループ14のコンバータ出力端子14-1、14-2には、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1が接続されている。後者のコンバータ出力端子14-2は、残りのエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2、...、35-nに対する基準端子でもある。
【０１５７】
好ましくは、平均回路は、異なるインダクタンスを有するインダクタを備えてよく、または、平均回路のうち少なくとも2つが、異なるインダクタンスを有する異なるインダクタを備える。貯蔵されたエネルギーは、1つのエネルギー貯蔵デバイスから別のエネルギー貯蔵デバイスへ伝達され得ることに留意されたい。整流回路素子42-1、44-1、52-1、54-1が、多入力多出力コンバータ10-11において使用された能動スイッチQ1〜Q4であると、入力電流がゼロであるとき、エネルギー貯蔵デバイス間でエネルギーが伝達され得る。
【０１５８】
図16に示されるように、多入力多出力コンバータ10-11では、第1の中間の回路ノード46-1に接続された平均回路がエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2、...、35-mの第1のグループに給電し、第2の内部回路ノード56-1に接続された平均回路がエネルギー貯蔵デバイスのまたは負荷35-m+1、...、35-nの第2のグループに給電する。
【０１５９】
平均回路の出力端子において利用可能な電圧レベルは、エネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2、...、35-nの電圧レベルを、対応する定格電圧レベルに対してバランスをとるように動作可能に働く。
【０１６０】
図17は、本発明の第12の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-12の概略図を示す。
【０１６１】
図17に示されるように、第12の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-12は、複数の接続されたエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1、...、35-nに関するN相の整流シナリオを扱うように適合されている。エネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1、...、35-nのうち少なくとも1つは、その組合せによって置換され得ることに留意されたい。
【０１６２】
図17に示されるように、第12の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-12では相ごとにハーフブリッジ整流器が設けられており、すなわち、第1の相向けに第1のハーフブリッジ整流回路42-1、44-1、第2の相向けにハーフブリッジ整流回路52-1、54-1などがある。
【０１６３】
図17に示されるように、第1の平均回路62-1は、第1の内部回路ノード46-1および第2のコンバータ出力端子グループ16の第1の出力端子に接続されてよく、第2の平均回路62-2は、第2のコンバータ出力端子グループの第2の内部回路ノード46-2および第2のコンバータ出力端子16-2に接続されてよい、などである。
【０１６４】
図17に示されるように、第12の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-12では、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1は、第1のコンバータ出力端子グループ14の出力端子14-1、14-2に接続されており、さらなるエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2、...、35-nは、第2のコンバータ出力端子グループ16のコンバータ出力端子16-1、16-2に対して並列に接続されよい。
【０１６５】
平均回路の出力端子において利用可能な電圧レベルは、全システムの動作を安定させるために、エネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2、...、35-nの電圧レベルを、対応する定格電圧レベルに対してバランスをとるように、動作可能に働く。
【０１６６】
図18は、本発明の第13の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-13の概略図を示す。
【０１６７】
図18に示されるように、第13の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-13は、図10に示された第10の実施形態による多入力多出力コンバータ10-10に類似しているが、少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスおよび/または少なくとも1つの負荷の接続に関して、異なる接続トポロジを使用している。
【０１６８】
図18に示されるように、第13の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-13は、全波整流ブリッジD1〜D4の出力端子14-1、14-2に接続された、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1と第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2の直列接続を有し、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1と第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2の間の中間ノードに接続された平均回路62-1の出力端子16-1をさらに有する。少なくとも1つのエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷が、その組合せによって置換されてよいことに留意されたい。
【０１６９】
平均回路62-1の出力は、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1と第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2の接続ノードにある中間の電圧レベルを、たとえばスイッチング電圧USWが50%のデューティサイクルを有すると想定して第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1と第2エネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2の全部の直列接続にわたる電圧レベルの半分にするように、動作可能にバランスをとる。
【０１７０】
図19は、本発明の第14の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-14の概略図を示す。
【０１７１】
第14の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-14は、ダイオードの代わりに能動スイッチQ1〜Q4が使用されており、平均回路62-1が並列共振のLC回路を用いて構築されているという点で、第13の実施形態の修正形態である。
【０１７２】
上記で概説されたように、能動スイッチQ1〜Q4は、交流電流IINがゼロであるときさえ、貯蔵されたエネルギーを、1つのエネルギー貯蔵デバイスから別のエネルギー貯蔵デバイスへ伝達するために使用され得るという利点を動作可能にもたらす。
【０１７３】
たとえば、図9を参照しながら説明されたワイヤレス電力伝達システムにおいて電力のワイヤレス誘導伝送がないとき、またはこのワイヤレス電力伝達システムに交流入力電流がない場合、交流電流IINはゼロである。
【０１７４】
好ましくは、エネルギーは、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1から第2の貯蔵デバイスまたは負荷35-2へ伝達されてよく、あるいは第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2から第1の貯蔵デバイスまたは負荷35-1へ伝達されてよい。エネルギーは、たとえば平均回路62-1を使用して、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1から第2のエネルギー貯蔵デバイス35-2へ伝達され、あるいは第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2から第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1へ伝達される。
【０１７５】
第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1ならびに/あるいは第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2は、その組合せで置換され得ることに留意されたい。あるいは、すべての負荷はエネルギー貯蔵デバイスを備えることができ、またはエネルギー貯蔵デバイスおよびさらなる負荷を備え得る。好ましくは、負荷とエネルギー貯蔵デバイスは並列接続されている。負荷はキャパシタおよび抵抗も備え得る。さらに、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1に対して、さらなるエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷が接続されてよい。したがって、2つの出力端子14-1および14-2のうち1つに、2つ以上のエネルギー貯蔵デバイスが並列または直列に接続され得る。
【０１７６】
図20は、本発明の第15の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-15の概略図を示す。
【０１７７】
図20に示されるように、第15の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-15は、第2の平均回路62-2が、ダイオードD3とダイオードD4の間の内部回路ノードと、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-1と第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-2の中間の接続ノードとに接続されている点で、第14の例示的実施形態の修正形態である。
【０１７８】
第15の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-15の第2の平均回路62-2を設けると、電圧レベルのバランスをとる能力を動作可能に拡張する。
【０１７９】
図21は、本発明の第16の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-16の概略図を示す。
【０１８０】
図21に示されるように、第16の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-16は、図16を参照しながら説明された第11の例示的実施形態の修正形態である。ここで、変更は、直列接続された第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-11、35-12、...、と第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-21、35-22、...、からそれぞれが構成されている複数の直列回路が、第1のコンバータ出力端子グループ14のコンバータ出力端子14-1、14-2に接続されていることである。
【０１８１】
図21に示されるように、電圧レベルのバランスを達成するために、第16の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-16には、それぞれの直列回路について、平均回路および関連するコンバータ出力端子16-1、...、16-mが備わっている。好ましくは、平均回路は、異なるインダクタンスを有するインダクタを有してよく、または、平均回路のうち少なくとも2つが、異なるインダクタンスを有する異なるインダクタを備える。
【０１８２】
さらに、第16の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-16は、能動スイッチQ1〜Q4が使用されるとき、交流電流IINがゼロであるときさえ、エネルギー貯蔵デバイスに貯蔵されたエネルギーが、1つのエネルギー貯蔵デバイスから別のエネルギー貯蔵デバイスに伝達され得ることに留意されたい。
【０１８３】
図22は、本発明の第17の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-17の概略図を示す。
【０１８４】
図22に示されるように、第17の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-17は、図17を参照しながら説明された第12の実施形態の修正形態である。
【０１８５】
図22に示されるように、第17の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-17は、1つの相につき1つのハーフブリッジ整流器を使用する多相動作に適合されている。
【０１８６】
図22に示されるように、多入力多出力コンバータ10-17は、それぞれの相について、たとえば、第1のハーフブリッジ整流器42-1、44-1、第2のハーフブリッジ整流器52-1、54-1、...、第nのハーフブリッジ整流器52-n、54-nまでの異なるハーフブリッジ整流器に接続された1つの入力端子12-1、12-2、12-3、12-4、...を備える。さらに、多相入力信号の異なる相は、一般に、互いに位相シフトされることになる。
【０１８７】
一般に、特定の例は、合計3つのハーフブリッジについて中性点のない3相を有することになる。本発明による代替形態として、別の選択肢は中性点を伴う3相である。後者の場合には、3つのフルブリッジを接続してもよい。
【０１８８】
図22に示されるように、第17の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-17は本発明の第12の実施形態に類似しているが、出力側における接続に相違がある。ここで、第1のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-11、35-12、...、と第2のエネルギー貯蔵デバイスまたは負荷35-21、35-22、...、のn個の直列接続が、第1のコンバータ出力端子グループのコンバータ出力端子14-1、14-2に接続されている。次いで、それぞれの直列接続に対して、第2のコンバータ出力端子グループ16の関連するコンバータ出力端子16-1、16-2、...、16-nを介してその直列接続の中間ノードに接続された専用の平均回路62-1、...、62-nが与えられる。
【０１８９】
多相を使用すると、第17の例示的実施形態による多入力多出力コンバータ10-17の2次側において、より高いレベルの電力で動作する能力を動作可能に拡張する。
【０１９０】
上記で、本発明が図面および図を参照しながら説明されているが、本発明は、当業者によって、本発明の範囲および精神から逸脱することなく容易に作製され得るその変形形態および修正形態を使用しても、明らかに実施され得ることに留意されたい。たとえば、前述の機能は、ソフトウェア、ハードウェア、またはその組合せにおいて実現され得る。
【０１９１】
それゆえに、ここに添付された特許請求の範囲の範囲が、本明細書で説明されたような記述に限定されることは意図されておらず、むしろ、特許請求の範囲は、本発明に関する当業者によって等価なものとして扱われるすべての特徴を含めて、本発明の中心的な位置を占める提示可能な斬新さのすべての特徴を包含するように解釈されるべきである。
【符号の説明】
【０１９２】
10-1，10-2，10-3，10-4，10-5，10-6，10-7，10-8，10-9，10-10，10-11，10-12，10-13，10-14，10-15，10-16，10-17  多入力多出力コンバータ
12-1，12-2，12-M，12-n  コンバータ入力端子
14  第1のコンバータ出力端子グループ
14-1，14-2  コンバータ出力端子
16  第2のコンバータ出力端子グループ
16-1，16-2，16-3，16-m，16-n-1，16-n  コンバータ出力端子
18-1，18-2，18-N  整流回路
20-1，20-2，20-N  整流器入力端子
22-1，22-2，22-N  整流器出力端子
24-1，24-21，24-22，24-N  平均回路
26-1，26-2，26-N  内部回路ノード
28-1，28-21，28-22，28-N  第2の出力端子
30-1  上部の整流回路素子
32-1  下部の整流回路素子
34-1  電圧コンバータ
35，35-1，35-2，35-3，35-11，35-12，35-21，35-22，35-m，35-m+1，35-n  エネルギー貯蔵デバイス
Sc  スイッチ
Lc  コイル
Dc  ダイオード
Dr  ダイオード
36  トランジスタ
38  入力抵抗
40  ツェナーダイオード
42-1  第1の整流回路素子(図7、図8、図16)/第1のハーフブリッジ整流器(図17)
44-1  第2の整流回路素子(図7、図8、図16)/第1のハーフブリッジ整流器(図17)
46-1  第1の内部回路ノード
46-n  第nの内部回路ノード
48-1  第1のハーフブリッジ出力端子
50-1  第2のハーフブリッジ出力端子
52-1  第3の整流回路素子(図7、図8、図16)/第2のハーフブリッジ整流器(図17)
52-n  第nのハーフブリッジ整流器
54-1  第4の整流回路素子(図7、図8、図16)/第2のハーフブリッジ整流器(図17)
54-n  第nのハーフブリッジ整流器
56-1  第2の内部回路ノード
58-1  第3のハーフブリッジ出力端子
60-1  第4のハーフブリッジ出力端子
62-1，62-2，62-n  平均回路
64-1  電圧コントローラ
66  誘導性電力伝達システム
68  1次側DC/ACコンバータ
70  1次側コントローラ
72  1次側補償キャパシタ
74  伝送コイル
76  受信コイル
78  2次側補償キャパシタ
D1，D2，D3，D4  ダイオード
Q1，Q2，Q3，Q4  能動スイッチ
【図１】
2019511193.tif 000003
【図２】
2019511193.tif 000004
【図３】
2019511193.tif 000005
【図４（ａ）】
2019511193.tif 000006
【図４（ｂ）】
2019511193.tif 000007
【図４（ｃ）】
2019511193.tif 000008
【図５（ａ）】
2019511193.tif 000009
【図５（ｂ）】
2019511193.tif 000010
【図６（ａ）】
2019511193.tif 000011
【図６（ｂ）】
2019511193.tif 000012
【図６（ｃ）】
2019511193.tif 000013
【図７】
2019511193.tif 000014
【図８】
2019511193.tif 000015
【図９】
2019511193.tif 000016
【図１０】
2019511193.tif 000017
【図１１】
2019511193.tif 000018
【図１２】
2019511193.tif 000019
【図１２ａ】
2019511193.tif 000020
【図１２ｂ】
2019511193.tif 000021
【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【図１２ｅ】
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【図１２ｆ】
2019511193.tif 000025
【図１３】
2019511193.tif 000026
【図１４】
2019511193.tif 000027
【図１５】
2019511193.tif 000028
【図１６】
2019511193.tif 000029
【図１７】
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【図１８】
2019511193.tif 000031
【図１９】
2019511193.tif 000032
【図２０】
2019511193.tif 000033
【図２１】
2019511193.tif 000034
【図２２】
2019511193.tif 000035
【図２３】
2019511193.tif 000036
【国際調査報告】
2019511193.tif 000037
2019511193.tif 000038
2019511193.tif 000039