(57)【要約】パワーコンバータは、プログラム可能な素子と、インターフェースとを備える。プログラム可能な素子は、出力電力を提供する駆動手段を制御する。インターフェースは、電力変換のトポロジーを受け取り、そのトポロジーの情報に基づいて、上記プログラム可能な素子にプログラミングを行う。これにより、電力変換の最適なトポロジーが実装され、設計の簡易化及び高効率化の要求に従いそのトポロジーが更新される。
2005519352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を受け取る入力と、
出力電力を供給する駆動手段と、
前記駆動手段を制御するプログラム可能な素子と、
電力変換のトポロジーに関する情報を受け取り、受け取った前記情報に基づき、前記プログラム可能な素子にプログラムを行うインターフェース手段と
を具備する
パワーコンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーコンバータにおいて、
前記プログラム可能な素子は、
制御手段と、
演算処理部と
を備え、
前記制御手段は、前記駆動手段に対する主要な制御を実行することに使用される
パワーコンバータ。
【請求項３】
請求項２に記載のパワーコンバータにおいて、
前記演算処理部は、前記制御手段を制御することに使用される
パワーコンバータ。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のパワーコンバータにおいて、
前記演算処理部は、電力変換のトポロジーを前記制御手段にプログラムすることに使用される
パワーコンバータ。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載のパワーコンバータにおいて、
前記制御手段は、前記駆動手段を駆動するために、制御アルゴリズム及びゲート信号を実行するプログラム可能な論理を備える
パワーコンバータ。
【請求項６】
請求項５に記載のパワーコンバータにおいて、
前記制御手段は、前記制御アルゴリズム及びゲート信号を前記駆動手段に伝達可能なインターフェース手段を備える
パワーコンバータ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のパワーコンバータにおいて、
メモリ素子を更に具備し、
オペレーティングシステムが、前記メモリ素子にプログラムされる
パワーコンバータ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のパワーコンバータにおいて、
前記駆動手段は、パワーアクチュエータ素子を備え、
前記パワーアクチュエータ素子の特性は、印加される電気信号により変更可能である
パワーコンバータ。
【請求項９】
請求項８に記載のパワーコンバータにおいて、
前記パワーアクチュエータ素子は、半導体素子を含む
パワーコンバータ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のパワーコンバータにおいて、
前記パワーコンバータは、電源に接続される
パワーコンバータ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載のパワーコンバータにおいて、
前記パワーコンバータは、データネットワークに接続される
パワーコンバータ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のパワーコンバータにおいて、
前記演算処理部は、トポロジーに関する情報を前記データネットワークから受け取ることに使用される
パワーコンバータ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載のパワーコンバータにおいて、
前記駆動手段は、交換可能である
パワーコンバータ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のパワーコンバータにおいて、
前記プログラム可能な素子は、一回プログラムされ、その後は再構成できないように使用される
パワーコンバータ。
【請求項１５】
電力変換のトポロジーに関する情報を受け取るインターフェースと、
電力を受け取る入力と、
前記トポロジーに関する情報を実行し、パワーデバイスを駆動する制御信号を出力するようにプログラムされる論理と
を具備する
パワーコンバータのコア。
【請求項１６】
パワーコンバータの動作方法であって、
前記パワーコンバータのインターフェースを介して、電力変換のトポロジーに関する情報を受け取るステップと、
受け取った前記情報に基づいて、プログラム可能な素子を構成するステップと、
受け取った前記情報に基づいて、電源入力から出力電力を供給する駆動手段を制御するステップと
を具備する
動作方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の動作方法において、
前記プログラム可能な素子における制御部を用いて、前記駆動手段を制御することを含む
動作方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の動作方法において、
前記プログラム可能な素子における演算処理部を用いて、前記制御部を制御することを含む
動作方法。
【請求項１９】
請求項１７又は１８に記載の動作方法において、
前記制御部にプログラムを行うことに前記演算処理部を利用することを含む
動作方法。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれかに記載の動作方法において、
前記駆動手段を駆動するための制御アルゴリズム及びゲート信号を、前記プログラム可能な素子において実行することを含む
動作方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の動作方法において、
前記制御アルゴリズム及びゲート信号を前記プログラム可能な素子から前記駆動手段に伝達するために、インターフェースを用いることを含む
動作方法。
【請求項２２】
請求項１６乃至２１のいずれかに記載の動作方法において、
データネットワークから情報を受け取ることを含む
動作方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の動作方法において、
前記データネットワークから電力変換のトポロジーを受け取ることを含む
動作方法。
【請求項２４】
パワーコンバータを生成する生成方法であって、
パワードライブ回路と、前記パワードライブ回路を駆動するのに必要な制御信号を生成するプログラム可能な素子とを有するパワーコンバータのハードウェアを用意するステップと、
次に、パワーコンバータのトポロジーに関する情報を用いて前記プログラム可能な素子に対してプログラミングを行うステップと
を具備する
生成方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の生成方法において、
インターフェースを介して、前記プログラム可能な素子にプログラムを行うことを含む
生成方法。
【請求項２６】
プログラム可能な素子を有するパワーコンバータに対してプログラムされる電力変換トポロジーを形成するパラメータ群を具備する
データ構造。
【請求項２７】
インターフェースを介してダウンロードされるようにパッケージ化された
請求項２６に記載のデータ構造。
【請求項２８】
添付された図１乃至８に関連して実質的に記載された
パワーコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換技術に関し、特に、線形方式及びスイッチ方式のパワーコンバータ（電力変換器）の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を処理したり調整したりする回路やシステムにおいて、エネルギー輸送を調節・制御するために、何年もの間、線形方式（アナログ方式）の技術が用いられてきた。典型的には、異なる電力供給のトポロジー（構成形態）においては、異なる制御及び駆動方式が必要とされ、又、個々の電力供給トポロジーにおいては、新しい制御装置の開発が求められている。さらに、新しいパワーコンバータを開発・維持するために、あるいは既存のパワーコンバータの設計を適応させるために必要なコスト、時間、及び資源は、相当なものである。これに関して技術分野からの応答は、既存の設計を改良することによってコストを低減するというものであった。これは多くの場合、理想のものには程遠い解決方法であり、又、新しく興りつつあるマーケットとの適合性を低減させる結果にもなり得る。
【０００３】
近年、工業装置や通信機器や家電製品の大きさや重量を低減するために、スイッチ方式の電力変換方式が利用されてきた。産業製品や家電製品におけるデジタル技術は、電子機器の更なる小型化を促進し、又、より複雑な電力制御を必要とする新しい応用機器を生み出してきた。しかしながら、これら新しい応用機器市場の変化により、既存のパワーコンバータ技術において多くの問題が生じてきている。例えば、パワーコンバータのサイズ（または、"設置面積"）や重量は依然として大きく、これは効率を低減し、更なる小型化を妨げる要因となる。
【０００４】
更に、既存のデジタル制御電力変換方式は、性能、コスト、汎用性、製品出荷までの時間といった相対立する要求にほとんど応えることができない。ＤＳＰｓ、ＡＳＩＣｓやＦＰＧＡｓを使用する従来の手法においては全て、システム設計者はこれらの重要な要素の少なくとも１つは失わざるを得なかった。
【０００５】
更に、経済問題または環境問題を背景として、その多くが生成と伝送の際に失われている既存のエネルギー資源を、有効に利用することが要求されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記の問題に焦点をあて、より効率的でより汎用性に優れた電力変換方式を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これに従い、本発明の１つの観点において、パワーコンバータは、電力を受け取る入力と、出力電力を供給する駆動手段と、その駆動手段を制御するプログラム可能な素子（要素）と、電力変換トポロジーに関する情報を受け取り、その受け取った情報に基づいてそのプログラム可能な素子にプログラムするためのインターフェースとを備える。
【０００８】
よって、本発明により、電力供給における「ビルディングブロック」が提供され、これにより、電力供給の多様なトポロジーに対して利用され得るハードウェア機能のソフトウェア的な定義を実行することが可能となる。このような汎用性により、この構成を、多様な電力供給方式だけでなく、異なる電力変換トポロジーを要する電力供給方式においても用いることが可能となり、代替パワーコンバータの必要が無くなる。このように、その構成は、従来の方式より効率的であり、より適応性に優れ、より簡易である。
【０００９】
本発明の他の観点において、上記プログラム可能な素子は、制御手段と演算処理部とを備える。その制御手段は、上記駆動手段の主たる制御に適用される。また、その演算処理部は、上記制御手段を制御することに適用されると好ましい。また更に、その演算処理部は、上記制御手段にパワーコンバータのトポロジーをプログラムすることに適用されると好適である。
【００１０】
このように、処理部は、電力変換システムの主要な経路から取り除かれる。従って、従来のコンバータと対照的に、本発明に係る演算処理部は、駆動手段の直接制御は行わず、単に電力供給の実行を監督するにとどまる。よって、その演算処理部は、システムの監視やトラブルシューティング、外部との通信といった他の処理に利用可能となる。これにより、効率性はまた大きく向上し、又、マイクロプロセッサに直接制御されていた従来のコンバータでは実行できなかったような多くの処理が可能となる（電力変換処理と通信等の他の機能との両方に対して、専用ではない１つのマイクロプロセッサが用いられた場合、通信中は電力変換性能が低下する）。
【００１１】
上記制御手段は、プログラム可能な論理手段とインターフェース手段を備えると好ましい。このプログラム可能な論理手段は、制御アルゴリズムと、上記駆動手段を駆動するためのゲート信号を実施するためのものである。また、このインターフェース手段は、制御アルゴリズムとゲート信号を伝達するためのものである。
【００１２】
このように、本発明に係るコンバータは、従来のコンバータによる電力変換機能を、より汎用性に優れたシステムで効率よく再現する。そして、上記駆動手段に対して、特定の電力変換トポロジーに従って指示が行われる。
【００１３】
コンバータは、メモリ素子にプログラムされたＯＳ（オペレーティングシステム）を備えることが好適である。このＯＳにより、装置に対してトポロジーを簡易に柔軟にプログラムすることが可能となる。駆動手段は、パワーアクチュエータ素子を備えると好ましい。この素子の特性は、印加される電気信号により変更される。この素子は、半導体素子であると好適である。
【００１４】
更に、本発明に係るコンバータは、電源に接続されると好ましい。これにより、この装置が、異なる電力供給形態の間の媒介物として使用される、あるいは、既存の方式に実装される。このように、より優れた汎用性が得られる。本発明に係るコンバータは、多様な駆動装置と共に使用され得る。その多様な駆動装置のいくつかは、電力管理のいくつかの形態を組み込む。
【００１５】
本発明に係るコンバータは、データネットワークに接続されるのが好ましい。また、演算処理部は、トポロジーに関する情報を、そのデータネットワークから受け取ることに適用されることが好ましい。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、上記駆動手段は、交換可能である。これにより、本発明に係るコンバータを、数多くの異なる駆動装置のいずれかと共に利用することが可能となる。従って、コア・コンバータは、非常に異なる電力が要求される複数のシステムに実装されてもよい。それは、このような環境において主に要求されることは、「異なる制御方式」であるからであり、この異なる制御方式は、本発明の実施の形態に係るコンバータにより提供されるからである。また、このような環境において、必要とされるパワーアクチュエータもまた典型的には大きく異なる。実施の形態において、コンバータは、再構成可能なパワードライバーを備える。他の実施の形態において、コンバータは、追加のジャンパや物理配線によって補われてもよい。これにより、制御方式の変更は、使用されるパワーアクチュエータによって良好に実施される。
【００１７】
上記プログラム可能な素子は、一回プログラムされ、その後は再構成できないように使用されるのが好ましい。
【００１８】
本発明の更なる観点において、電力変換のトポロジーに関する情報を受け取るインターフェースと、電力を受け取る入力と、そのトポロジーを実施しパワーデバイスを駆動する制御信号を出力するようにプログラムされる論理とを備えるパワーコンバータのコアが提供される。
【００１９】
本発明の他の観点において、パワーコンバータの動作方法は、そのパワーコンバータのインターフェースを介して電力変換のトポロジーに関する情報を受け取るステップと、その受け取った情報に基づいて、プログラム可能な素子を構成するステップと、その受け取った情報に基づいて、電源入力から出力電力を供給する駆動手段を制御するステップとを備える。
【００２０】
本発明の動作方法は、上記プログラム可能な素子における制御部を用いて上記駆動手段を制御するステップを備えることが好ましい。その制御部は、上記プログラム可能な素子における演算処理部によって制御されることが好ましい。演算処理部は、制御部にプログラムを行うことに利用される。
【００２１】
本発明の動作方法は、上記駆動手段を駆動するための制御アルゴリズム及びゲート信号を、上記プログラム可能な素子において実行するステップを備えることが好ましい。その制御アルゴリズムとゲート信号をプログラム可能な素子から駆動手段に伝達するために、インターフェースが用いられることが好適である。
【００２２】
本発明の動作方法は、データネットワークから情報を受け取るステップを有すると更に好適である。好ましい応用において、そのネットワークとはインターネットである。
【００２３】
本発明の更に他の観点において、パワーコンバータを生成する方法が提供される。その生成方法は、パワードライブ回路と、そのパワードライブ回路を駆動するのに必要な制御信号を生成するプログラム可能な素子とを有するパワーコンバータのハードウェアを用意するステップを含む。また、その生成方法は、上記ステップに続いて、パワーコンバータのトポロジーに関する情報を用いて上記プログラム可能な素子に対してプログラミングを行うステップを含む。そのプログラム可能な素子に対して、インターフェースを介してプログラミングが行われることが好ましい。
【００２４】
本発明の他の観点において、プログラム可能な素子を有するパワーコンバータに対してプログラムされる電力変換トポロジーを形成するパラメータ群を有するデータ構造が提供される。そのデータ構造は、インターフェースを介して、好ましくはインターネットのようなデータネットワークを介してダウンロードされるようにパッケージ化されると好適である。
【００２５】
本発明はまた、ここで説明される手法のいずれかを実行するコンピュータプログラムあるいはコンピュータプログラム製品にまでひろがる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
パワーコンバータは、外部からは見えないが、携帯機器から国内の電力網に用いられる巨大な発電プラントにいたるまで、ほぼ全ての電気・電子システムにとって必要不可欠な構成要素である。電気・電子応用技術の需要の増大に対応するように、電力変換の数多くのトポロジー（構成形態）や制御方式が開発されてきた。これは、異なる応用分野（たとえば、工業用レーザや、コンピューター及び基幹システムに汎く用いられる無停電電源（ＵＰＳ）などの異分野）の各々において、効率的な運転のために、異なる電気制御方式が必要とされているからである。
【００２７】
そのような数多くのトポロジーあるいは制御方式の例として、高出力レーザシステムで用いられるフルブリッジ・コンバータやハーフブリッジ・コンバータ、ＵＰＳシステムで用いられるブースト・コンバータやバック・コンバータ等が挙げられる。近年の応用機器において、効率的な駆動を実現するために、３つ、４つ又はそれ以上のコンバータ形態の組み合わせを、電力変換制御方式において用いることがしばしば求められる。異なる電力変換制御方式を使用することが求められるのは、異なる応用分野に限られない。それは、異なる出力レベルに対応するために電力変換制御方式を変更する必要がある、同一の応用分野においても求められる。例えば、１ｋＷの工業レーザシステムを制御するために開発された制御方式を、２０ｋＷのレーザシステムを制御するために変更する必要があるかもしれない。
【００２８】
異なる構成だけでなく様々な制御回路が要求されるため、つまり異なるＰＣＢ（電力回路遮断器）の製造工程、検証工程、組み立て工程が要求されるため、各々の制御方式は大きく異なる。更に、最終的なパワーコンバータのサイズと共に使用される構成要素の数が増大するにつれ、制御方式はより複雑になり、又、その制御方式はより高コストとなる。電力変換トポロジーに特有の、全てではないにしろほとんどの相違は、各々の電力変換制御方式を駆動するのに使われる制御機構によるものである。本発明の実施例に係るパワーコンバータは、所望のトポロジーを提供するために、一連の制御機構をエミュレートするように構成可能である。
【００２９】
図１及び図２は、異なる応用分野で用いられる多数のトポロジーを有する制御方式の２つの典型例を示す。図１に示される制御方式は、無停電電源（ＵＰＳ）に典型的に用いられる。この制御方式は、ＡＣ／ＤＣコンバータ、アップダウン・コンバータ、およびＤＣ／ＡＣインバータから構成される。図2に示される制御方式は、典型的なＤＣ／ＤＣシステムに用いられ、ソリッドステートスイッチ、ブースト・コンバータ、プッシュプル・コンバータ、及びバック・コンバータから構成される。ＤＣ/ＤＣシステムは、太陽光発電や電機通信、電動式機器などの応用分野において広く用いられる。
【００３０】
パワーコンバータはパワー半導体と接続し、ある特定のトポロジーあるいはそれらの組み合わせにおいて必要な制御を提供する。このように、多数のトポロジーは、１つのパワーコンバータによって対応され得る。図１及び図２に例示されるように、正しい数の制御方式が与えられれば、パワーコンバータは、ある特定の構造体に必要な如何なるトポロジーをも生み出し得る。
【００３１】
図３は、単一の出力用電源スイッチチャンネルを用いたブースト・コンバータ電源に適用されるコンバータのビルディングブロック、あるいは、統合電力設計構造体（Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ＵＰＤＡ）を示す。入力参照信号（１００）は、ＡＤコンバータ（１０２）に供給され、変換されたデジタル信号は、ＵＰＤＡのハブ（１０４）に達する。これが、主要な経路である。これは、デジタル信号を駆動信号に変換する構成可能な論理（１０６）とインターフェース（１０８）とを備える。ハブ（１０４）におけるプロセスは、演算処理部（１１０）により監督され、またプログラムされる。そして、ＵＰＤＡからの信号により、ブースト・コンバータ（１１２）は駆動され、要求された出力電力が発生する。また、分離された電圧・電流のフィードバック（１１４）も、第二のＡＤコンバータ（１１６）（典型的には多入力）を介して、ＵＰＤＡのハブ（１０４）に供給される。典型的には、図１から図３に示された、ＵＰＤＡと駆動手段との間の接続は、光アイソレートされたゲート駆動インターフェース回路を経由する。電圧・電流のフィードバックは、従来の電圧・電流監視手段を用いることでなされる。
【００３２】
これらの手段によって、ＵＰＤＡは、共通の電力供給ビルディングブロックを提供する。この電力供給ビルディングブロックは、ハードウェア機能に対するマクロ／オブジェクト型ソフトウェア的な定義を有し、それらは全ての電力供給トポロジーにおいて使用可能である。このように、ＵＰＤＡは、電力供給のソフト回路モジュールのライブラリから新しいコンバータを製作することで、急速に発展しつつある電力供給という問題を克服する。ＵＰＤＡは、デジタルフィルターにおける係数群を使用し、制御ループにおけるパラメータの定義を利用し、又、更新する。そのフィルターの係数群は、デジタル信号処理理論から導き出され、メモリ内に格納される。そのメモリは、演算処理部に組み込まれてもよいし、付加的に提供されてもよい。ソフト回路モジュールの構成は、演算処理部を介してメモリから読み出され、プログラム可能な論理にロードされる。
【００３３】
以上の手法において、演算処理部は、アクチュエータの制御などの中心的な作業ではなく、付帯演算その他の周辺的な作業を主に担う。このような手法を用いることの主な利点は、演算処理部の処理能力のほとんどを、複雑な通信への備えとして利用できる点である。電力変換方式に関わらず、スイッチング素子の半自律制御を維持するこのような方法は反直感的に見えるかもしれない。デジタル制御コンバータを実装する従来の方法によれば、専用マイクロプロセッサが制御装置のハブとして用いられる；ここで、そのハブとは、ＩＤＲＬとＰＧＡオブジェクトである。このような本発明に係る手法により得られる利点は、ＵＰＤＡの性能を決定するのが、演算処理部ではなく、多くの部分で「構成可能な論理」であることである。これにより、マイクロプロセッサではそれまで実行不可能であったアプリケーションへ、このＵＰＤＡが適用され得ることになる。演算処理部により直接制御される電力供給を実行するのに必要な制御プロセスの比率が、非常に減少するので、以上のことが可能となる。
【００３４】
本発明は、性能、コスト、汎用性、市場に対する迅速性、膨大かつ多様な電力供給トポロジー、制御の透明性、実装の簡易性といった相対立する要求に焦点をあてている（通常、これらには異なる駆動制御方式が必要である）。そのため、本発明において、制御装置における主要な制御ステップから演算処理部が外され、その制御と管理がＩＤＲＬとＰＧＡオブジェクト（ＵＰＤＡのハブ）の直接的な影響下に移行される。その代わり、演算処理部は、アルゴリズム制御、パラメータ更新、ネットワーク通信・管理、ユーザーインターフェイスの提供、環境調査、報告、その他雑務に用いられる。このＩＤＲＬ及びＰＧＡオブジェクトは、プログラム可能な論理（コンピュータのデジタル回路によくみられる）により実現される。
【００３５】
電気の源を必要とする全ての機器において電源が必要なように、ＵＰＤＡをあらゆる設計に組み込むことは、全ての電子機器が共通の電力変換プラットフォームを有するという可能性を生み出すかもしれない。このことは、製造コストの効率化だけでなく、無数の機器における多大な効率化をもたらすであろう。
【００３６】
本発明の他の実施の形態において、電力供給のＯＳ（オペレーティング・システム）のカーネルが組み込まれる。このカーネルは、例えば、電力供給処理作業、状態報告作業、付帯演算作業を提供し、また状態診断を補助する。更なる汎用性と機能性をもたらすために、ネットワーク管理の補助（例えば、データパケットの経路指示）も提供され得る。通信特性（例えば、シリアル通信のボー速度、パケットのフィルター処理）、製造者特有のプロフィール（例えば、製造者のＩＤコード）、デバイスの機能特性（例えば、プログラムされた機器が行っている内容を正確に示す特性）、操作特性（例えば、操作における限界）というような情報もまた、簡便性と互換性のために提供され得る。
【００３７】
本発明は、アナログのＩ／Ｏコンバータ・チャンネルにより、また、デジタル的に生成されるパルス変調可能な出力を利用することによる線形方式及びスイッチ方式の電力供給制御に対して特に好適である。
【００３８】
なお、本発明に係るパワーコンバータは、図３に示されたような単一の機器を駆動することだけに限られない。ＵＰＤＡのハブは、様々な目的のため、多様な駆動機器に使用され得る。例えば、ＵＰＤＡは、２０ＫＷのレーザに電力を供給することにも使用され得るし、代わりに、６００Ｗの電子レンジに電力を供給することにも使用され得る。これらの用途に必要なパワーアクチュエータは、本来全く異なるものである。しかし、ＵＰＤＡの汎用性により、これら両方の（あるいは他を含めた一連の）システムに対する制御が可能となる。所望の出力を得るのに使用される機器を制御するために最適なトポロジーがプログラムされるが、本質的には同一のＵＰＤＡが使用される。典型的には、構成可能な論理にプログラムされる制御信号は、パワードライバによって大きく異なる。
【００３９】
実施の形態において、このパワーコンバータは、多出力を有するドライバや、多様なパワーアクチュエータ機器に適用され得る。これらは、同時に使用されるかもしれないし、又、ある特定の電力変換システムにおける要求が変更される時まで未使用のままであるかもしれない。パワーアクチュエータは、典型的には半導体により駆動される（例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＲＧＤＦＥＴ等 ）。しかし、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４０】
更に他の実施の形態において、様々な通信プラットフォームへの接続を提供するために、更に多くのアナログ・デジタルの入力・出力が供給される。特に有用なものは、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＴＭ、ＳＭＳ、ＩｒＤａ、ＧＰＲＳ等のプロトコルを使用する、シリアル入出力、パラレル入出力、光学入出力、電波入出力、赤外線入出力である。例えば、ＵＰＤＡは、ネットワークを介して配信されるソフトウェアパッケージという形式で、ある特定のトポロジーを受け取ることができるかもしれない。これは、特にインターネットに適用され、ある特定のＵＰＤＡは、更新されたトポロジーを周期的にインターネットから受け取る、あるいはその更新されたトポロジーがＵＰＤＡに送られる。
【００４１】
ある実施の形態においては、利用可能な多くの入出力は、コンバータを通じて伝達される信号の方向を変更することに利用される。これにより、コンバータは、例えばフィードバックに関連する経路と共に、トポロジーを変えることが可能となる。このように、コンバータは、パワーアクチュエーターの制御を単に変更するのではなく、ハードウェア的な経路を変化させてもよく、これにより更に汎用性が向上する。
【００４２】
図４は、ハードウェアの図を示し、統合電力設計構造体（ＵＰＤＡ）の区分されたハードウェア特徴を示す。図５は、ソフト回路の図を示し、区分されたソフトウェア要素を示す。図６は、ハードウェアとソフト回路を統合した図である。これらの図に示された要素について、以下詳細に説明する。
【００４３】
コンバータはデータサンプルをアナログ信号から取り出す手段を使用する。この場合、このコンバータは、サンプリングＡＤコンバータである。あるいは、振幅のスケーリング、フィルターにおける係数の指定及び更新をするために、また／あるいは、信号のデジタルフィルター処理を提供するために、サンプリング信号処理部が使用されてもよい。このＡＤコンバータのサンプリング周波数は、コンバータの（すなわち制御装置の）運転周波数から導き出されることが好適であり、コンバータの運転周波数の倍数あるいは約数に設定されてもよい。
【００４４】
ＡＤサンプリングをする間隔は、パワー機器がスイッチングの間の静かな状態（スイッチングの遷移期間以外）にある場合の間隔と一致するように設定されると好適である。このことは、モニターされているローレベルの信号（スイッチ中の電力レベルと比較して）が、スイッチ時のノイズに影響されていないことを確かにするために行われる。ＡＤコンバータのチャネルは、更にサンプルを含み、増幅器を有してもよい。ＡＤコンバータのサンプリング周波数は利用できる最大ビットレート（ｎビット同期カウンターの場合）の２倍に、そして中心が一致するように設定されてもよい。そうすることで、ＡＤコンバータは、パワーアクチュエータにより誘起されるいかなるノイズも遮断する。
【００４５】
実施の形態において、ＵＰＤＡのハブのプログラム可能／再プログラム可能な論理は、典型的にはパルス幅変調（ＰＷＭ）、パルス位相変調（ＰＰＭ）、パルスコード変調（ＰＣＭ）といった、デジタル的に変調された信号を提供できるように構成される。
【００４６】
適度な高サンプリングレート（たとえば、パワーコンバータのスイッチング周波数の２倍から１０００倍）を選択することによって、高精度のＰＷＭ／ＰＰＭ／ＰＣＭデジタル変調ゲート信号を達成することが可能である。これは、例えばＰＷＭ運転の場合、低分解能のＰＷＭ出力を停止させるために「比較器モード」のＡＤコンバータを使用し、ＰＷＭチャネルの制御をより高精度にすることによって達成される。このために、高速のアナログ比較器チャネルが用いられてもよい。
【００４７】
ＩＤＲＬ（インターフェ−ス・デコード・ルーティング論理）は、ＵＰＤＡ制御装置内の全てのデジタル信号に対して、その内部における経路指示論理、インターフェース論理、デコード論理を供給し、プログラム可能な論理配列を構成している。マイクロプロセッサの関与を受けること無くコンバータ出力の制御及び管理を維持するために、このＩＤＲＬは、データ及び制御情報に対し、アナログＩ／Ｏ、デジタルＩ/Ｏ、パワーアクチュエータドライバの間で直接的に経路指示を行う、すなわち、マイクロプロセッサをバイパスする。ＩＤＲＬは、特別にプログラムされ再プログラム可能なＭＡＣ（乗算と累算）レジスタを介して、要求された電力処理を実行する。ここで、演算処理部からアップロードされた乗算器の係数、また、ある環境においてはＩＤＲＬが演算処理部に要求した乗算器の係数が用いられる。乗算器における係数のデフォルト値は、メモリ内に格納され、マイクロプロセッサの関与を受けることなく読み出すことが可能である。乗算器における係数を更新するという特別な要求は、出力制御性能が予め定義された許容域から逸脱した場合、ＩＤＲＬによって演算処理部に対して生成される。
【００４８】
ＩＤＲＬはまた、コンバータの状態を監視し、ＣＡＬのマイクロプロセッサに報告する役割を果たす。また、ディスプレイ、キーパッド、通信用物理レイヤ（例えば、ＣＡＮ、ＲＳ−２３２、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、光ファイバ、電波通信インターフェース、その他通信用接続）といった外部接続された周辺機器へのデジタルインターフェースがある。
【００４９】
ＰＧＡ（Ｐｏｗｅｒ  Ｇａｔｅｗａｙ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）オブジェクトは、パワーアクチュエータへのハードウェアインターフェースを提供する。動的又は静的なｎビットデジタル値（シリアル形式、パラレル形式）を入力するプロセス、及び、パワーコンバータのオープンループの伝達関数が線形化されるように、その入力されたデジタル値を線形的に（あるいは非線形的に）変化するデジタル変調された出力に変換するプロセスが、全ての場合において、このＰＧＡオブジェクトに組み込まれる。メモリのある領域（揮発性または非揮発性）は、ループゲインの伝達関数を線形化するために使われる参照用テーブルデータの記憶・読み出しに割り当てられる。例えば、ブースト・コンバータの場合、スイッチング素子への入力におけるＰＷＭの線形変化は、結果として、コンバータの出力電圧の非線形変化となる。このゲインにおける変動によって、コンバータの動的な性能を最適化することは困難になる。特にそれが困難になるのは、これらのシステムのループゲインを変動させる１以上の要因を有するコンバータにおいてである（例えば、入力供給電圧、ＰＷＭゲインの非線形性、内部電圧降下、入力インピーダンスなどの要因）。図７は、ＰＷＭ制御された従来のブースト・コンバータの典型的な非線型性能を示す。
【００５０】
それと対照的に、図８は、ＵＰＤＡが実装されＰＷＭ制御されたブースト・コンバータの典型的な線形性能を示す。この場合、ＰＷＭ出力は、入力供給電圧（直接デジタルフィードフォワード制御における用語）のレベルによって、マイクロプロセッサの関与を受けることなく、直接変調される。この場合、ＰＷＭは、入力供給電圧と反比例している。
【００５１】
ＣＡＬ（Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ；制御抽出層）は、ＩＤＲＬやＰＧＡオブジェクトと連携して作用する、またＩＤＲＬやＰＧＡオブジェクトにプログラムを行う。例えば、第一段目のブースト・コンバータと第二段目のフルブリッジ・インバータを備える２段コンバータと比較すると、三相モータの駆動には、異なる数の異なる構成のスイッチチャンネルが必要である。これら両方において、ＩＤＲＬ側からＰＧＡオブジェクトへのゲート信号の経路は異なったものである必要がある。ＣＡＬは、新たな信号経路をプログラムすること、あるいはそのプログラミングを促進することに用いられる。同時に、ＣＡＬは、ＰＧＡオブジェクトの新たな伝達関数を、ＰＧＡオブジェクトの変換レジスタにプログラムする。例えば、ＰＧＡオブジェクトの場合、新たなデバイスあるいは空のデバイスにプログラムを行う際、ＣＡＬは、ＰＧＡオブジェクトの入力と選択されたトポロジーにおけるＰＷＭ／ＰＣＭ／ＰＰＭ出力との間の伝達関数を定義する情報をメモリから受け取る。ＰＧＡオブジェクトの伝達関数を線形化するために、ＣＡＬは、ＰＧＡオブジェクトにおける変換テーブルにプログラムされるべき数値をアルゴリズム的に計算する。そして、ＣＡＬは、それらの数値をＰＧＡオブジェクトにおける変換テーブルに書き込む。
【００５２】
また、ＣＡＬは、パワーコンバータの性能を監視すること、及び、ＩＤＲＬのＭＡＣ（乗算及び累算）デジタルフィルターにおける係数を動的に更新することによって、パワーコンバータの性能を維持することに用いられる。乗算器における係数のデフォルト値は、メモリに格納され、マイクロプロセッサの関与を受けることなく読み出すことが可能である。出力制御性能が予め定義された許容域から逸脱した場合、乗算器における係数を更新するという特別な要求がＩＤＲＬによって生成され、ＣＡＬにおける演算処理部に供給される。それから、ＣＡＬは、システム性能を監視し、乗算器の新たな係数を算出し、その新たな乗算器係数群の計算の完了と共に、それらをＩＤＲＬに送る。ＣＡＬはまた、操作者及びデジタルＩ／Ｏやネットワーク通信チャンネルを介して接続された他のシステムに、パワーコンバータの状態を報告する役割を果たす。
【００５３】
ＣＡＬには、上位層プロトコルが組み込まれる。その上位層プロトコルは、以下のことに使用される：プロセスに関連したデータ接続を確立すること（例えば、多数のコンバータによる構成の場合）、ネットワークの管理をすること、プロセスデータを交換すること、故障管理をすること、通信状態データ・製造者についての詳細（例えば、製造者名、デバイス名）・運転状態を記憶すること、モジュール間通信を提供すること、適応制御アルゴリズムのメカニズムを提供すること、データ交換プロトコル及び通信プロトコルを実装すること。また、ＣＡＬは、少なくとも１ビット以上の、論理デバイスおよび物理デバイスの識別子を組み込む。
【００５４】
ＣＡＬは、パワーコンバータの主要なユーティリティ動作を構成する（例えば、デジタルフィルター処理、ループ補償、ループゲイン、全体的な電力管理作業）。それに加え、ＣＡＬは、動作温度・出力負荷・入力供給状態等に基づき、ファジー理論による性能向上を実現する手段を提供する。
【００５５】
クロック発信器は、システム内に組み込まれるのが好適であり、これにより自励式のシステム基準クロックが提供される。例えば、デジタルＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ−Ｌｏｏｐ）クロック発信器が、外部の基準クロックと同期をとるために使用されてもよい。
【００５６】
本システムにおいて、ユーザーによる指令とＵＰＤＡハブに実行されるトポロジーとの間のインターフェースとして、プログラミング言語が用いられる。実施例において、様々なユーザーインターフェースを介してＵＰＤＡに入力される指令を解読するためのソフトウェアが、ＣＡＬ中のメモリ素子に格納される。回路のトポロジーを定義するために用いられる言語は、典型的にはハードウェア定義言語（ＨＤＬ）である。１つの実施例において、それらインターフェースとユーザーとの間に、ある通信プロトコルが確立される。これによって、ＵＰＤＡにただ直接プログラムするよりも高いレベルの相互作用が可能となる。例えば、ユーザとトポロジーとの間のインターフェースを管理し、又／あるいは引出すために、ＣＡＬはリナックス（のカーネル）のようなＯＳを用いてプログラムされてもよい。ＯＳは、入力される特有の形式を解読することができる。従って、ユーザは、様々な方法で利用されるトポロジーを登録することが可能となる。例えば、ユーザは一定のパラメータを規定し、システムはそれを解読しトポロジーを生成する。あるいは、ユーザはグラフィックインターフェース上にトポロジーを構築し、それが解読されシステムに実装される。
【００５７】
図９は、上述の要素が組み込まれたＵＰＤＡ（統合電力設計構造体）を示す概略図である。
【００５８】
図１０は、本発明の実施例に係るＵＰＤＡ集積回路の一例を示す。この処理系は、最高６個のパワースイッチング素子を使用するパワーコンバータに適用され得る（つまり、デジタル的に変調される６個のスイッチチャンネルの各々に対して、１つのパワースイッチング素子が割り当てられる）。この集積回路は、アルゴリズム的な電力処理やＵＰＤＡのソフト回路的な定義を実行し、必要な通信を利用するための回路を備える。そして、この集積回路は、マイクロプロセッサあるいはデジタル信号処理部（６）と、ソフト回路の定義やパワー素子のシーケンスやパワーゲートを利用するための構成可能な論理（２２）とを使用して実現される。アナログインターフェース（５）（１３）は、監視と制御のためのものである。汎用インタフェース（１４）、デコード・制御データ経路指定用論理（２２）、ネットワーク・通信接続（４）、フィルタ係数（８）を格納するするメモリ（６）、ハードウェア機能のソフトウェア的な定義（７、９、１０）もまた集積されている。
【００５９】
図１１は、本発明の実施例に係る回路を示す。図１１において、図１０に示されたＵＰＤＡ集積回路が、図１に示されたパワー回路と共に実装されている。図示されるように、ＵＰＤＡを監視したりトポロジーに関する情報を供給するために、ネットワーク接続が適用されてもよい。また、図示されるように、ユーザーがインターフェースを介して、あるいは、演算処理部がＵＰＤＡの機能を監視することによって、ゲートの故障状態が監視されてもよい。
【００６０】
ＵＰＤＡは、インテリジェント・パワーコンバータの新しい世代を予兆し、電力変換の経済的・技術的展望を急激に変化させ得る。また、ＵＰＤＡは、電力エレクトロニクスをミクロ電子工学といった他の技術分野と融合させ得る。特に、ＵＰＤＡシステムによって、電力変換装置のサイズと重量が相当低減される。また、ＵＰＤＡシステムは、従来の設計よりもエネルギー効率に優れ、また高い汎用性を有する。このＵＰＤＡシステムの更なる長所は、単一の電力ファクター変換が可能である点である。そして、この構造体は、ワットからメガワットまで、広い範囲のシステムに適用することが可能である。
【００６１】
技術的には、ＵＰＤＡは、より優れたエネルギー効率と制御性を促進し得る。更に、多数のパワーコンバータトポロジーを管理する複雑さが、極めて簡単になる。この技術は、開発・製造コストの低減につながる迅速なアプリケーション開発及び最新の製造プロセスにより十分な経済的利益をもたらす潜在的な力を有する。そして、これらのことにより、市場投入までの期間（time-to-market）短縮の圧力、製品ライフサイクルの短期化という状況下、新たな電力供給アプリケーションの配備が成功する可能性が向上するかもしれない。
【００６２】
本発明は、実施例の形式でのみ説明されてきており、本発明の技術範囲を逸脱することなく、他の多様な手法が利用され得ることは、当業者によって理解されるところである。特に、ＵＰＤＡは、特定のコンバータを含む事例に適用されてきたが、どのような電力変換装置でも上述の構造体に対して利用され得ることは、当業者によって理解されるところである。また、設計の実施例中において、出力ドライバーのパワーアクチュエータのチャンネル数はより多くてもより少なくてもよく、これにより更なる汎用性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、多数のトポロジーを有する電力変換制御方式を示す図である。
【図２】図２は、多数のトポロジーを有する電力変換制御方式を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例に係るパワーコンバータを示す図である。
【図４】図４は、図３に示されたパワーコンバータのハードウェア的な面を詳細に示す図である。
【図５】図５は、図３に示されたパワーコンバータのソフトウェア的な面を詳細に示す図である。
【図６】図６は、図４および図５を結合した図である。
【図７】図７は、従来技術に係るパワーコンバータの性能を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施例に係るパワーコンバータの性能を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の実施例に係るパワーコンバータを系統的に示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例に係る電力変換ための集積回路を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の別の実施例に係る電力変換のための回路を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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