(57)【要約】  電源から引き出される無効電力を調整するために、正弦波電源電圧波形の隣接する象限同士の電圧を実質的に等しくするようにスイッチ位相調整およびパルス幅を制御するように適応された制御可能電源を含む装置ならびに関連する方法である。一説明的実施例では、電源は、実施形態によっては、コマンド入力信号に応じたレベルで負荷に電力を供給することが可能である。実施例によっては、負荷に供給される電力を、コマンド入力信号に従って、動作範囲内の選択された値に調節することが可能である。実施例によっては、動作範囲は、定格負荷の０〜１００％の一部またはすべてを含んでよい。各種実施形態を、単極性負荷または双極性負荷の励起に給電するように適応させることが可能である。実施形態によっては、コマンドで要求された、負荷への電力のかなりの範囲にわたって高力率を維持することが可能である。実施形態によっては、誘導性負荷のエネルギを捕獲して再利用することにより、電源の効率を高めることが可能である。【選択図】図８
2013516156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無効電力を管理する方法において、
電源からの、実質的に正弦波である電源電圧波形を整流して整流済み電圧ノードに出力するステップと、
前記整流済み電圧ノードを選択的に負荷と結合するように構成されたスイッチを設けるステップと、
前記スイッチをターンオンさせて所望の平均電力を前記負荷に供給させるためのパルス幅値を決定するステップと、
前記電源電圧波形の隣接する象限同士において前記電源から引き出される相対電力の情報を受信するステップと、
同じ極性の隣接する象限同士の電力を実質的に等しくするためのスイッチターンオン遅延時間を決定するステップと、
前記決定されたスイッチターンオン遅延時間に従って、前記電源電圧波形の少なくとも２つの連続する半サイクルの間に前記スイッチを制御するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記スイッチの急速ターンオフに関連付けられた逆起電力を制御するステップと、前記スイッチが前記負荷を前記整流済み電圧ノードから切り離した場合に、前記負荷に蓄積されている誘導性エネルギを捕獲するステップと、をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記電源電圧波形の次の半サイクルにおいて、前記捕獲されたエネルギを前記負荷に戻すステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記電源から引き出される電流に進み位相シフトを与えるために前記整流済み電圧ノードにキャパシタを設けるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、同じ極性の隣接する象限同士の電力を実質的に等しくするためのスイッチターンオン遅延時間を決定するステップは、前記電源電圧波形上の周期的基準点に対する遅延時間を決定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記周期的基準点はゼロ交差点を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記周期的基準点は、前記電源電圧波形が大きくなりつつある点をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、前記周期的基準点は、前記電源電圧波形が小さくなりつつある点をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、電力コマンド入力信号を受信するステップをさらに含み、前記スイッチをターンオンさせて前記所望の平均電力を前記負荷に供給させるための前記パルス幅値を決定する前記ステップは、前記受信された電力コマンド入力信号に従ってパルス幅値を決定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、前記決定されたスイッチターンオン遅延時間に従って、前記電源電圧波形の少なくとも２つの連続する半サイクルの間に前記スイッチを制御するステップは、前記決定されたパルス幅値に従って前記スイッチを制御するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２００９年１２月２８日にＢａｂｃｏｃｋらによって出願された米国出願第６１／２９０，２５３号明細書（件名「Ｓｕｐｐｌｙ  ｆｏｒ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」）、ならびに２００９年１２月２８日にＢａｂｃｏｃｋらによって出願された米国出願第６１／２９０，２５７号（件名「Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」）の利益を主張するものである。
【０００２】
各種実施形態は、ＡＣ電源から給電される負荷の可変制御を動作させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
電動式のシステムやデバイスには、インダクタンスを有するものが多い。ＤＣ（直流）モータ、自動車用イグニッションシステム、ある種の電磁石など、一部の誘導性デバイスは、一方向電流が供給された場合に動作可能になる。変圧器、ＡＣ（交流）モータ、蛍光灯など、一部の誘導性デバイスは、双方向電流が供給された場合に動作する。
【０００４】
一般に、誘導性素子は、磁界にエネルギを蓄積することが可能である。典型的には、この磁界は、誘導性素子を流れる電流によって維持される。インダクタンスは、磁束経路の特性に依存する場合がある。たとえば、素子によっては、インダクタンスは、磁束経路にあるコア（たとえば、空気、鋼、フェライトなど）の材料特性、および／または磁束密度飽和レベルに依存する場合がある。
【０００５】
誘導性素子の磁界に蓄積されるエネルギの量は、インダクタンスおよび電流に依存する可能性がある。一般に、磁界に蓄積されるエネルギの量は、電流の増加に伴って増加し、電流の減少に伴って減少する。したがって、誘導性素子を流れる電流がゼロになると、蓄積されている誘導性エネルギもゼロになる。
【０００６】
理想的なインダクタの一特性は、インダクタの両端の電圧が、インダクタのインダクタンス、ならびに電流の時間変化率に比例することである。この概念は、Ｖ＝Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）という式で表すことができる。
【０００７】
状況によっては、インダクタに蓄積されたエネルギは、潜在的に制御不可能な大電圧を発生させる可能性がある。この作用は、逆起電力（ＲＥＭＦ）、フライバック電圧、または「誘導性キック」などの用語で呼ばれることがある。説明的事例として、スイッチを通してインダクタに電流が供給されているときに、そのスイッチを急速に開くと、インダクタには、比較的短時間（小ｄｔ）で比較的大きな電流変化（大ｄｉ）が起こるであろう。結果として、インダクタは、それ相応に大きな電圧（大Ｖ）を発生させることになる。
【０００８】
用途によっては、インダクタに蓄積されたエネルギは、たとえば、保護されていないスイッチを損傷または破損させるのに十分な大電圧を発生させることが可能である。システムによっては、蓄積された誘導性エネルギは、熱として消散される場合がある。
【発明の概要】
【０００９】
電源から引き出される無効電力を調整するために、正弦波電源電圧波形の隣接する象限同士の電圧を実質的に等しくするようにスイッチ位相調整およびパルス幅を制御するように適応された制御可能電源を含む装置ならびに関連する方法である。一説明的実施例では、電源は、実施形態によっては、コマンド入力信号に応じて負荷に電力を供給することが可能である。実施例によっては、負荷に供給される電力を、コマンド入力信号に従って、動作範囲内の選択された値に調節することが可能である。実施例によっては、動作範囲は、定格負荷の０〜１００％の一部またはすべてを含んでよい。各種実施形態を、単極性負荷または双極性負荷の励起に給電するように適応させることが可能である。実施形態によっては、コマンドで要求された、負荷への電力のかなりの範囲にわたって高力率を維持することが可能である。実施形態によっては、誘導性負荷のエネルギを捕獲して再利用することにより、電源の効率を高めることが可能である。
【００１０】
一例示的態様は、無効電力を管理する方法であり、本方法は、電源からの、実質的に正弦波である電源電圧波形を整流して整流済み電圧ノードに出力するステップと、整流済み電圧ノードを選択的に負荷と結合するように構成されたスイッチを設けるステップと、スイッチをターンオンさせて所望の平均電力を負荷に供給させるためのパルス幅値を決定するステップと、を含む。本方法はさらに、電源電圧波形の隣接する象限同士において電源から引き出される相対電力の情報を受信するステップと、同じ極性の隣接する象限同士の電力を実質的に等しくするためのスイッチターンオン遅延時間を決定するステップと、決定されたスイッチターンオン遅延時間に従って、電源電圧波形の少なくとも２つの連続する半サイクルの間にスイッチを制御するステップと、を含む。
【００１１】
各種実施例においては、本方法はさらに、スイッチの急速ターンオフに関連付けられた逆起電力を制御するステップと、スイッチが負荷を整流済み電圧ノードから切り離した場合に、負荷に蓄積されている誘導性エネルギを捕獲するステップと、を含む。本方法はさらに、電源電圧波形の次の半サイクルにおいて、捕獲されたエネルギを負荷に戻すステップを含む。実施例によっては、本方法は、電源から引き出される電流に進み位相シフトを与えるために整流済み電圧ノードにキャパシタを設けるステップを含む。同じ極性の隣接する象限同士の電力を実質的に等しくするためのスイッチターンオン遅延時間を決定する上記ステップは、電源電圧波形上の周期的基準点に対する遅延時間を決定するステップを含む。周期的基準点は、ゼロ交差点であってよく、電源電圧波形が大きくなりつつある点または小さくなりつつある点であってもよい。実装によっては、電力コマンド入力信号を受信するステップをさらに含む。スイッチをターンオンさせて所望の平均電力を負荷に供給させるためのパルス幅値を決定する上記ステップはさらに、受信された電力コマンド入力信号に従ってパルス幅値を決定するステップを含む。決定されたスイッチターンオン遅延時間に従って、電源電圧波形の少なくとも２つの連続する半サイクルの間にスイッチを制御する上記ステップはさらに、決定されたパルス幅値に従ってスイッチを制御するステップを含む。
【００１２】
実施形態によっては、１つ以上の有利点を提供することが可能である。たとえば、実施形態によっては、負荷と商用送電線との間の既存インタフェースを交換することにより、効率を高めることが可能である。たとえば、各種実装では、以下のいずれかまたはすべてを用いて、追加されたスイッチの損失を上回る補償を行うことが可能である。（ｉ）  負荷に蓄積された誘導性エネルギの再捕獲および再利用（たとえば、フライバック捕獲プロセス）。（ｉｉ）高周波スイッチングシステムにおいて減衰をもたらす高周波フィルタ部品をなくすことによるフィルタ挿入損失の低減。（ｉｉｉ）無効電力消費を管理して使用料金を減らすこと。（ｉｖ）必要に応じて広い制御範囲での負荷電力の円滑な制御（たとえば、照明の減光機能、または機械の速度調整機能）により、エネルギを保存すること。
【００１３】
実装によっては、高効率、（たとえば、０．９超の）高力率、ならびに多様な負荷に対する、広い制御範囲での電力調整を達成することが可能である。各種実施形態による給電が可能な例示的負荷としては、限定ではなく、たとえば、（様々な種類の機械のなかでもとりわけ）単相誘導機、電力調整安定器を有するＨＩＤ照明、電気通信用途向けバッテリ充電器などが挙げられる。実施例によっては、多様な種類のＡＣ負荷およびＤＣ負荷に調整済み電力を供給することが可能な、高度に制御可能であり、高力率であり、低損失であり、電磁的に静かであり、ロバストである汎用電源モジュールを提供することが可能である。
【００１４】
添付図面および以下の説明において、各種実施形態を詳細に示す。他の特徴および有利点は、以下の説明および図面、ならびに特許請求項から明らかになるであろう。
【００１５】
各図面において、類似の参照符号は類似の要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、ＤＣ入力からＤＣ誘導性負荷にエネルギを供給する電力段を有する一例示的エネルギ処理モジュールの概略図である。
【図２】図２は、ＤＣ入力からＤＣ誘導性負荷にエネルギを供給する一例示的電力段の概略図である。
【図３】図３は、図１〜２の電力段の動作を表す、電圧および電流の例示的波形のプロットを示す図である。
【図４】図４は、ＤＣ入力からＤＣ誘導性負荷にエネルギを供給する一例示的電力段の概略図である。
【図５】図５は、ＤＣ入力からＡＣ誘導性負荷にエネルギを供給する一例示的電力段ペアの概略図である。
【図６】図６は、図５の電力段を用いてＡＣ入力からＡＣ誘導性負荷にエネルギを供給する一例示的エネルギ処理システムのブロック図である。
【図７】図７は、図６のエネルギ処理システムを制御して、負荷に対する調整済み電力の範囲でＡＣ電源から引き出される無効電力を低くする一例示的プロセスのフローチャートである。
【図８】図８は、ＡＣ商用電源から引き出される無効電力を管理するように構成された一例示的制御可能汎用電源を示す図である。
【図９】図９は、図８の電源から電力を受け取るように構成された、（ａ）高輝度放電（ＨＩＤ）照明用途、および（ｂ）誘導機用途のための例示的負荷を示す図である。
【図１０】図１０は、図８の電源から電力を受け取り、工業用バッテリ充電器に電力を供給するように接続されるよう構成された一例示的整流器負荷を示す図である。
【図１１】図１１は、図９（ａ）を参照して説明された実験的ＨＩＤ照明負荷の、図８の電源によって、ある電力レベル範囲にわたって、図７のプロセスを用いて給電された場合の動作を示す、一連の例示的電気波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、一例示的システム１００を示す。システム１００では、誘導性負荷および／または抵抗性負荷にエネルギを、高効率かつ低電磁ノイズで、制御可能な速度で供給することが可能である。この実施例のシステム１００は、エネルギ処理モジュール１０５を含んでおり、エネルギ処理モジュール１０５は、入力においてエネルギを受け取り、このエネルギを処理し、一方向電流を送出することにより、出力に接続された負荷にエネルギを供給する。モジュール１０５は、電力段１１０を含んでおり、電力段１１０は、制御装置１１５からの制御信号に対する応答として動作する。動作時には、制御装置１１５は、（たとえば、循環パターンで反復される）動作状態のシーケンスに従って、電力段１１０内のスイッチの動作状態を制御する。一例示的動作サイクルでは、制御装置１１５は、一連の動作を電力段１１０に行わせる動作状態シーケンスを生成する。この一連の動作は、電源１２０からのエネルギを誘導性負荷１２５に蓄積させ、誘導性負荷１２５が電源１２０から切り離された場合に発生する逆起電力（ＲＥＭＦ）を制御し、誘導性エネルギを負荷からキャパシタンスに放電させ、次のサイクルでキャパシタンスを放電させてエネルギを負荷１２５に再蓄積させる動作である。各種実施形態では、電力段１１０は、実質的に一方向の電流を負荷１２５に流すことが可能である。実施形態によっては、各サイクルの間に、負荷１２５に蓄積されている誘導性エネルギを負荷１２５から完全に放電させることが可能である。
【００１８】
電力段１１０の一例示的動作サイクルは、矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示した動作状態のシーケンスを含んでいる。たとえば、処理モジュール１０５は、サイクルの状態Ｂの間に電源１２０から電流を引き出し、一方、電力段１１０は、サイクルの状態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの間に、負荷１２５（たとえば、ＤＣ（直流）モータ）に流す一方向電流を供給する。用途によっては、電源１２０から電力を引き出していないときに、状態Ａ、Ｃ、およびＤの間に追加作業を行うことが可能である。電力段１１０の一部の実施形態における電圧および電流の波形例を、後で図３および図８を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図示した例では、電力段１１０は、入力スイッチのペア１３０ａ、１３０ｂを含んでおり、これらは、実施形態によっては、二極単投スイッチとして動作可能である。また、実施形態（図示せず）によっては、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂのうちの１つだけを用いて動作するように構成することも可能である。入力スイッチ１３０ａは、入力ノード１３５と出力ノード１４０との間を接続する。ノード１３５、１４０の電圧を、ここでは、それぞれ、Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔと称する。入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂをターンオンさせると、電源１２０から供給される入力電流（Ｉｉｎ）が、入力ノード１３５に流れ、入力スイッチ１３０ａを通って出力ノード１４０に流れる。出力電流（Ｉｏｕｔ）が、出力ノード１４０から負荷１２５を通って流れ、リターンノード１４５および入力スイッチ１３０ｂを通って電源１２０に戻る。後述するように、電源１２０からの電流Ｉｉｎは、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂがターンオンして、しばらくしてから、流れ始める。
【００２０】
電力段１１０はさらに、遷移回路１５０を含んでおり、遷移回路１５０は、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂが開いて出力電流Ｉｏｕｔが入力電流Ｉｉｎから急速に切り離された場合に発生するＲＥＭＦの振幅を制御するための、電流Ｉｏｕｔの電流経路を与えるように動作可能である。したがって、遷移回路１５０は、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂを、潜在的に破壊的なＲＥＭＦ電圧にさらされることから実質的に保護することが可能である。図示した例の遷移回路１５０では、一方向電流素子（たとえば、ダイオード）１５５が、電圧リミッタ素子１６０および遷移スイッチ１６５と直列接続されている。遷移回路１５０の例示的実施形態を、後で、たとえば、図２および図８〜９を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
電力段１１０はさらに、負荷１２５および遷移回路１５０と実質的に電気的に並列に接続されたエネルギ捕獲回路１７０を含んでいる。図示した例のエネルギ捕獲回路１７０では、エネルギ捕獲スイッチ１７５が、キャパシタ１８０および一方向電流素子（たとえば、ダイオード）１８５と直列に接続されている。エネルギ捕獲スイッチ１７５をターンオンさせると、出力電力Ｉｏｕｔが、リターンノード１４５からキャパシタ１８０を通って出力ノードに流れることが可能になる。したがって、負荷１２５内の誘導性エネルギがキャパシタ１８０に転送されて蓄積電荷になる。出力電流Ｉｏｕｔが低下する速度は、実質的にキャパシタ１８０のキャパシタンス値に依存する。当業者であれば理解されるように、このキャパシタンス値を増やすと、Ｉｏｕｔがゼロに「リセット」されるまでの時間が長くなる。各種実施形態では、キャパシタ１８０のキャパシタンス値を、選択するか動的に調節することにより、出力電力Ｉｏｕｔを、次の動作サイクルが始まる前にゼロにリセットすることが可能である。出力電力Ｉｏｕｔがゼロにリセットされた後、一方向電流素子１８５は、Ｉｏｕｔ電流が逆方向に流れることを実質的に阻止する。したがって、電力段１１０の出力ノード１４０に対する共振または振動電流が実質的に阻止される。
【００２２】
最後に、図示した電力段１１０は、捕獲されたエネルギをキャパシタ１８０から入力ノード１３５に戻すダイオード１９０ａ、１９０ｂを含んでいる。たとえば、定常状態での動作時に、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂをターンオンさせると、キャパシタ１８０が、捕獲されたエネルギを、ダイオード１９０ａ、１９０ｂを通して負荷１２５に戻す。この例では、捕獲されたエネルギが電源１２０に戻ることは、ブロッキングダイオード１９５によって実質的に阻止される。このエネルギ回収は、たとえば、実質的な誘導性エネルギを負荷から回収して、次の動作サイクルで負荷に再供給することが可能な用途において、効率を有利に向上させることが可能である。
【００２３】
各種用途では、制御装置１１５は、一例示的動作サイクルの間に、スイッチ１３０ａ、１３０ｂ、１６５、および１７５を制御する１つ以上の制御信号を発生させることが可能である。電力段１１０の一例示的動作の理解を助けるために、図１上に時間帯表示Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを表示して、典型的な一動作サイクル内の連続する各時間帯における電流の流れを示した。表示された各時間帯のそれぞれにおける電圧および電流の波形例を、後で図３を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図１に示した例では、一例示的動作サイクルが時間帯Ａから始まる。時間帯Ａの開始時には、キャパシタ１８０に、直前の動作サイクルで捕獲されたエネルギが蓄積されている。時間帯Ａにおいては、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂはターンオンしており、キャパシタ１８０は、蓄積されていたエネルギを、ダイオード１９０ａ、１９０ｂ、スイッチ１３０ａ、１３０ｂ、および負荷１２５を通して放電する。時間帯Ａにおいては、負荷１２５に出力されるエネルギは、実質的にキャパシタ１８０から引き出される。時間帯Ａが終了するのは、たとえば、ダイオード１９５が逆バイアスされなくなるまでキャパシタ１８０が放電した時点である。
【００２５】
時間帯Ｂの開始時には、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂはターンオンしたままであり、電源１２０は、ダイオード１９５、スイッチ１３０ａ、１３０ｂ、および負荷１２５に電流を流す。各種実施形態を、図面を参照しながら説明しているが、他の実施形態も可能である。たとえば、本文書は、電気的励起を供給および／または発生する新しい電気的機械ならびに関連する装置および方法の例示的システムを、この新しい電気的機械システムの実施形態を用いて説明している。各種の例示的システムは、スイッチングモジュールを含む。たとえば、図１〜４を参照して説明される例示的スイッチングモジュールの開示を含め、本文書は、あらゆる目的のために、Ｂａｂｃｏｃｋらの米国特許第７，６０２，１５７号明細書（件名「Ｓｕｐｐｌｙ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｌｏａｄｓ」）の全内容を参照により組み込んでいる。
【００２６】
開示した、いくつかの実施形態では、スイッチモジュールと変圧器とを組み合わせている。たとえば、図３Ａを参照して説明されるＡＣ動作の開示を含め、本文書は、あらゆる目的のために、Ｂａｂｃｏｃｋらの米国特許出願公開第２００９／００７３７２６号明細書（件名「Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｗａｖｅ  ｆｏｒｍ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｇｅｎｅｒａｔｅ  ＡＣ  Ｐｏｗｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ」）の全内容を参照により組み込んでいる。
【００２７】
時間帯Ｂにおいては、負荷１２５に出力されるエネルギは、実質的に電源１２０から引き出される。時間帯Ｂが終了するのは、たとえば、入力スイッチ１３０、１３０ｂのオン時間が、制御装置１１５によって設定されているデューティ比と一致した時点、または出力電流Ｉｏｕｔが閾値に達した時点である。時間帯Ｂの終了時には、制御装置１１５は、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂに対し、オフ状態（たとえば、非導通状態）に遷移するよう命令する。
【００２８】
時間帯Ｂの終了前に、制御装置１１５は、出力電流Ｉｏｕｔが遷移回路１５０を流れることを可能にすることの遅延を最小限にするように、遷移スイッチ１６５をターンオンさせる命令を出す。時間帯Ｃの開始時には、負荷は、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂが開くことに対する応答として、ＲＥＭＦ電圧を発生させる。ＲＥＭＦ電圧は、出力電流Ｉｏｕｔが実質的に遷移回路１５０を流れるように、一方向電流素子１５５を順バイアスする。電圧リミッタ１６０は、たとえば、ＲＥＭＦ電圧にさらされる可能性がある、いかなるデバイスの電圧定格の範囲にも実質的に収まるような値になるように、ＲＥＭＦ電圧を実質的に制御（たとえば、制限、クランプなど）するように動作する。時間帯Ｃにおいては、いくらかの誘導性エネルギが負荷１２５から電圧リミッタ１６０に転送される。各種実施形態では、時間帯Ｃは、継続時間が十分短いため、電圧リミッタに転送されるエネルギは、量が比較的少なく、たとえば、全体効率を有意に低下させることなく（たとえば、抵抗内で）熱として消散させることが可能である。実施形態によっては、制御装置１１５は、時間帯Ｃの前、または時間帯Ｃにおいて、エネルギ捕獲スイッチ１７５をターンオンさせる信号を発生させる。エネルギ捕獲スイッチ１７５がターンオンし、出力電流Ｉｏｕｔを流すことが可能になると、時間帯Ｃが終了になり、制御装置１１５は、遷移スイッチ１６５をターンオフさせる信号を発生させる。
【００２９】
時間帯Ｄの開始時には、出力電流Ｉｏｕｔは、実質的に、エネルギ捕獲スイッチ１７５、キャパシタ１８０、および一方向電流素子１８５を流れる。したがって、出力電流Ｉｏｕｔによって維持されている、蓄積された誘導性負荷エネルギが、時間帯Ｄの間にキャパシタ１８０に転送される。時間帯Ｄが終了するのは、たとえば、出力電流Ｉｏｕｔがゼロまで低下した後である。制御装置１１５は、出力電流Ｉｏｕｔがゼロにリセットされたことが検出された直後、または、出力電流Ｉｏｕｔが実質的にリセットされたものとして間違いないほどの時間が経過した後に、エネルギ捕獲スイッチ１７５をターンオフさせる信号を発生させる。
【００３０】
時間帯Ｄの後、実施形態によっては、時間帯Ｄの終了時から動作サイクルの終了時までの時間帯が追加される場合がある。たとえば、用途によっては、この追加時間帯の間に、電圧リミッタ１６０がキャパシタから抵抗へ、またはスイッチ（図示せず）を通って放電させている場合がある。各種用途では、モータが、たとえば、この時間帯に、惰性で回転している場合がある。
【００３１】
各種の例では、制御装置１１５は、次のように、一例示的動作サイクルの間に、スイッチ１３０ａ、１３０ｂ、１６５、および１７５のうちの一部またはすべての動作の時間を計測する。入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂをターンオフさせる前に、遷移スイッチ１６５をターンオンさせる。ダイオード１５５は、出力電流Ｉｏｕｔが減り始め、ＲＥＭＦ電圧が負荷１２５で発生するまで、遷移回路１５０に電流が流れることを実質的に阻止する。遷移回路１６５は、出力電流Ｉｏｕｔが遷移回路１５０を流れ始めることの遅延時間が実質的に最小限になるように、十分早くターンオンする。エネルギ捕獲スイッチ１７５は、遷移スイッチ１６５がターンオンする前、ターンオンするのと同時、またはターンオンした後など、いくつかの時点のうちのいずれかの時点でターンオンさせることが可能である。エネルギ捕獲スイッチ１７５が電流Ｉｏｕｔのかなりの部分を流し始めると、遷移スイッチ１６５をターンオフさせる。
【００３２】
別の実施形態（図示せず）では、電力段１１０は、実質的に、遷移回路（たとえば、遷移回路１５０）を能動制御することなく、動作させることが可能である。このような実施形態では、入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂが出力電流Ｉｏｕｔを流している間、エネルギ捕獲スイッチ１７５をターンオンさせる。出力電流Ｉｏｕｔが減り始めるまで、一方向電流素子１８５は逆バイアスされており、出力電流Ｉｏｕｔが減り始めると、ＲＥＭＦ電圧は、出力電流Ｉｏｕｔがエネルギ捕獲スイッチ１７０を流れ始めるように、一方向電流素子１８５を順バイアスする。各種実施例では、（たとえば、電圧リミッタ１６０における）ＲＥＭＦ電圧の振幅を制御するために、受動電圧クランプ回路をオプションで用いることが可能である。受動電圧クランプ回路については、その例を、図２および図８〜９を参照しながら説明している。実施形態によっては、遷移スイッチ１６５を、通常動作の間はターンオンさせたままにする。すなわち、たとえば、短絡に置き換える。実施形態によっては、たとえば、時間帯Ａおよび／またはＢの一部またはすべての間、遷移スイッチ１６５をターンオンさせたままにする。
【００３３】
入力スイッチ１３０ａ、１３０ｂを開くと、負荷１２５内のインダクタンスが逆起電力（ＲＥＭＦ）を発生させる。このＲＥＭＦは、一般に、負荷電流の時間変化率（たとえば、ｄＩｏｕｔ／ｄｔ）に対応する振幅の電圧を表すとみなされる。たとえば、Ｉｏｕｔを非常に急速にゼロまで減らすと、誘導性負荷１２５にかなりのＲＥＭＦ電圧が発生する。
【００３４】
大きなＲＥＭＦが発生するように電圧が高速で遷移すると、たとえば、かなりの放射電磁放射および／または伝導電磁放射（たとえば、高周波ノイズ）が発生する可能性がある。一般に、そのようなノイズエネルギを発生させるシステムではシールドおよび／またはフィルタリングを行う場合があるが、これによって、システムの効率が低下し、コスト、体積、および／または重さが増える可能性がある。
【００３５】
さらに、ＲＥＭＦ電圧が大きいと、スイッチ、ダイオード、キャパシタ、トランジスタなどの部品にかなりの電圧ストレスがかかる可能性がある。実施例によっては、大きなＲＥＭＦ電圧の単一パルスが、（たとえば、デバイスの電圧定格を超えることによって）半導体デバイスを実質的に損傷または破損させる可能性がある。
【００３６】
電力段１１０は、誘導性負荷に供給される電流を急速にスイッチングすることが可能である。一態様では、電力段１１０は、負荷１２５と並列に、遷移回路１５０を含んでいる。実施形態によっては、遷移回路１５０は、入力スイッチ１３０が開いてからわずかの遷移期間の間にｄＩｏｕｔ／ｄｔが制御されるように、負荷電流Ｉｏｕｔが流れる経路を与える。誘導性負荷１２５に対してｄＩｏｕｔ／ｄｔを制御することにより、ＲＥＭＦ電圧をかなり減らすことが可能である。たとえば、ＲＥＭＦ電圧の値が十分小さければ、これに対応する遷移エネルギは、実質的な伝導ノイズまたは放射ノイズを励起するほどではなくなる。したがって、システムによっては、シールドおよび／またはフィルタリングを実質的に減らしたり、なくしたりできる。
【００３７】
別の態様では、電力段１１０は、実施形態によっては、ピーク逆電圧特性が高い半導体スイッチ素子を１つ以上含む。実施形態によっては、高電圧デバイスを用いることにより、誘導性負荷のスイッチングを行うシステムの信頼性を高めることが可能である。実施形態によっては、これらのスイッチ素子の１つ以上を用いて、ピーク逆電圧特性が高いことと、ターンオン時間および／またはターンオフ時間が非常に短いこととを組み合わせることが可能である。電力段１１０に使用可能な各種スイッチ素子の例を、後で図２を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
図示した例では、制御装置１１５は、制御入力を受信する。各種実施例では、制御入力によって、制御装置１１５は、１つ以上の位置センサ、トルクセンサ、速度センサ、電圧センサ、光強度センサ、または電流センサからの帰還信号、あるいは、これらのセンサおよび／または他のセンサからの信号の組み合わせと結合される。また、別の実施例によっては、制御入力によって、制御装置１１５は、１つ以上のコマンド入力と結合され、コマンド入力は、アナログ（たとえば、ポテンショメータ、リレー接点などからの）入力信号および／またはデジタル（たとえば、シリアル、パラレル）入力信号の形式であってよい。
【００３９】
このような帰還入力信号および／またはコマンド入力信号に対する応答として、制御装置１１５は、たとえば、電力段１１０の動作を調節することが可能である。各種実施例では、制御入力信号に対する応答としては、限定ではなく、たとえば、出力をオンまたはオフにすること、平均出力電圧を増減すること、出力電流を所定範囲内に維持すること、動作デューティサイクルおよび／または周波数を調節することなどが挙げられる。実装によっては、そのような制御動作の目的は、たとえば、出力電流または負荷温度を所定範囲内に維持すること、モータシャフトの位置および／または速度を調整すること、ランプ出力強度を制御することなどである。
【００４０】
制御装置１１５の例示的実施形態および特徴を、後で、たとえば、図６を参照しながら説明する。
【００４１】
各種実施例では、負荷に蓄積されたエネルギ（たとえば、無効エネルギ）は、電力段１１０から供給される一方向電流によって維持可能である。一方向電流負荷としては、限定ではなく、ＤＣモータ、インダクタ（たとえば、空気コア、鉄コア、積層鋼コア、高透磁率コア）、電磁石、照明（たとえば、直流高輝度放電素子）、ＤＣ送電線、またはこれらおよび／または他の一方向電流負荷の組み合わせが挙げられる。実施形態によっては、機械式リレーまたは接触器として、あるいは、機械式リレーまたは接触器の代わりに使用される。たとえば、電力段１１０は、たとえば、プロセッサ、タイマ、制御回路、または他の素子（たとえば、バイメタルストリップ、レベルセンサ、湿度センサなど）によって発生可能な、たとえば、スイッチ、光信号、磁気信号、または電気信号によって制御可能なＤＣ負荷に対して、電子制御可能なスイッチとして動作することが可能である。
【００４２】
また、実施形態によっては、実質的に誘導性であるか、実質的に抵抗性であるか、または部分的に抵抗性であり部分的に誘導性である一方向電流負荷および／または双方向電流負荷にエネルギを供給するように動作可能である。双方向電流負荷としては、限定ではなく、ＡＣモータ（たとえば、同期モータ、ブラシレスＤＣモータ、誘導モータ）、ＤＣモータ（たとえば、順トルクモータ、逆トルクモータ）、抵抗（たとえば、加熱素子）、インダクタ（たとえば、空気コア、鉄コア、積層鋼コア、高透磁率コア）、電磁石、照明（たとえば、蛍光灯、高輝度放電照明）、ＡＣ送電線、変圧器、またはこれらおよび／または他の双方向電流負荷の組み合わせが挙げられる。一方向電流負荷および／または双方向電流負荷に給電可能なエネルギ処理モジュールの例を、後で、たとえば、図５〜７を参照して詳細に説明する。
【００４３】
図２は、ＤＣ入力からＤＣ誘導性負荷にエネルギを供給する一例示的電力段の概略図である。図示した実施形態では、一方向電流素子１８５は、時間帯Ｄの間に電流を流すように制御可能なＳＣＲを用いて実装されている。
【００４４】
図示した例では、スイッチ１３０ａ、１３０ｂ、１７５は、直列接続された被制御半導体スイッチおよびゲート付き一方向電流素子を用いて実装されている。実施形態によっては、各スイッチは、被制御半導体スイッチ（たとえば、ＩＧＢＴ）をゼロ電流ターンオンさせ、かつ／または、ゲート付き一方向電流素子（たとえば、ＳＣＲ）を制御ターンオフさせるように制御可能である。限定ではない一説明的実施例では、被制御半導体スイッチの制御端子（たとえば、ゲート、ベース）に可能化信号を供給することにより、スイッチ１３０ａ、１３０ｂ、１７５のいずれかをターンオンさせることが可能であり、被制御半導体スイッチが実質的高コンダクタンス状態に実質的に遷移するだけの十分な時間が経過した後であれば、高速ターンオン時間のゲート付き一方向電流素子を制御してターンオンさせることが可能である。可能化信号の、被制御半導体スイッチに対する相対的なタイミング、ならびにゲート付き一方向電流素子に対する相対的なタイミングは、少なくとも部分的には、これらのデバイスのターンオン遷移時間に依存する。各種実施形態では、被制御半導体スイッチに対する可能化信号、およびゲート付き一方向電流素子に対する可能化信号は、１つの信号に対する応答として（たとえば、実質的に同時に）発生させることが可能であり、あるいは、これらの信号は、（たとえば、ハードウェアタイマまたはソフトウェアタイマ、あるいはプロセッサ実行命令および／またはアナログ遅延回路によって決定されるイベント、あるいは同様のものに基づく）遅延制御により、時間的に分離することが可能である。実施形態によっては、制御装置１１５からの可能化信号を、それらのデバイスの１つ以上に、たとえば、適切なゲート供給回路を介して供給することが可能であり、そのようなゲート供給回路としては、限定ではなく、光学式回路や磁気式（たとえば、パルス変圧器）回路が挙げられる。各種実施形態では、ゲート付き一方向電流スイッチとしては、限定ではなく、ＳＣＲ（シリコン制御整流器）、ＤＩＡＣ、ＴＲＩＡＣ、フラッシュチューブなどが挙げられる。各種実施形態では、半導体スイッチは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化半導体電界効果トランジスタ）、ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）、ダーリントンペア、ＪＦＥＴ（接合電界効果トランジスタ）、真空管などの直列および／または並列の結合を１つ以上含むことが可能である。
【００４５】
典型的なスイッチング遷移時間は、たとえば、約２マイクロ秒から約１０マイクロ秒であるが、これよりかなり高速または低速のスイッチング時間の実施形態も使用可能である。一説明的実施例では、スイッチ１３０ａ、１３０ｂが完全にターンオフし、スイッチ１７５がターンオンする時間は、典型的には、約５マイクロ秒である。実施例によっては、遷移スイッチ１６５は、少なくともその５マイクロ秒の間、電流を流すことが可能である。実施形態によっては、電圧リミッタ１６０は、ＲＥＭＦ電圧に（たとえば、１０〜４０ナノ秒で）応答して負荷電流を実質的に流すことが可能である。
【００４６】
図２にはまた、抵抗およびキャパシタの並列ネットワークを含む電圧リミッタ１６０の一例示的実施形態を示している。各種実装では、キャパシタは、直列および／または並列に結合された１つ以上のキャパシタとして実装可能である。たとえば、広い周波数範囲にわたってＲＥＭＦ電圧に応答するためには、広い周波数応答特性を有するキャパシタを用いる。より高いスイッチング周波数の用途に使用可能な実施形態では、電圧リミッタ１６０は、キャパシタに蓄積された電荷を時間帯Ｃの間に「ダンプ」する被制御スイッチを含む。この実施形態では、キャパシタ１８０は、モジュール１１０の両入力端子にまたがって実装される。他の実施形態では、キャパシタ１８０の全体または一部をモジュール１８０内に実装することが可能であり、また、たとえば、多様な利用状況に対応するための補助として、キャパシタ１８０に外部キャパシタンスを並列に追加することが可能である。
【００４７】
この実施形態では、遷移スイッチ１６５を、半導体スイッチを用いて実装されているように示している。各種実装では、遷移スイッチ１６５は、たとえば、１つ以上のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ダーリントンペア、ＪＦＥＴ、真空管などを用いて実装可能である。さらに、この実施形態の電力段１１０では、遷移スイッチ１６５と出力ノード１４０との間にダイオード２１０が接続されている。実施形態によっては、ダイオード２１０は、たとえば、遷移スイッチ１６５の保護を強化する。実施例によっては、ダイオード２１０は、ダイオード１５５の代わりになる。
【００４８】
図３は、図１〜２の電力段の動作を表す、電圧および電流の例示的波形のプロットを示す。
【００４９】
この例では、プロット３００は、電源１２０が単極性入力電圧を与えることを示している。この場合、電圧は、電池により供給される電圧であってよい。他の実施例では、電源１２０は、他の任意の好適な単極性電源またはＤＣ電源であってよく、たとえば、半波整流または全波整流されたＡＣ信号であってよい。用途によっては、電源１２０は、電圧形特性を示す場合があり、これは、たとえば、かなり大きなホールドアップキャパシタにより与えることが可能である。また、用途によっては、電源は、大きなホールドアップキャパシタンスを用いずに、整流されたＡＣ信号を与えることが可能である。そのような用途では、単極性電源１２０の電圧は、ＡＣ供給電圧のうちのダイオード１つ分または２つ分の電圧降下の範囲まで下がる場合があり、たとえば、出力電流Ｉｏｕｔが実質的に電源１２０から供給されている場合の時間帯Ｂの間に、そのようになる場合がある。
【００５０】
プロット３０５は、電源１２０が、例示的動作サイクルの、時間帯Ｂの間に入力電流Ｉｉｎを負荷に供給し（たとえば、Ｉｉｎ＝Ｉｏｕｔ）、他の時間帯では供給しないことを示している。
【００５１】
プロット３１０は、入力ノード１３５のＶｉｎが時間帯Ａの開始時に持ち上げられていることを示しており、これは、キャパシタ１８０にある電荷を反映している。出力電流Ｉｏｕｔのプロット３１５は、時間帯Ａの間のキャパシタ１８０の放電によって負荷に実エネルギが供給されることを示しており、これによって、動作サイクル中に電源１２０から引き出される電力を有利に減らすことが可能である。
【００５２】
プロット３１０、３１５はさらに、時間帯Ｄにおける、キャパシタ１８０の変化と、出力電流Ｉｏｕｔの制御された減少とを示している。Ｉｏｕｔの制御された減少によって、ＲＥＭＦの振幅が有利に制御される。
【００５３】
プロット３２０は、プロット３１５の時間帯Ｃ前後の、出力電流Ｉｏｕｔの波形の一部分を拡大して示している。実施例によっては、時間帯Ｃは、時間帯Ａ、Ｂ、およびＤに比べて短い。この実施例の時間帯Ｃにおいては、プロット３１５の勾配（たとえば、ｄＩｏｕｔ／ｄｔ）は、実質的に電力リミッタ１６０の動作によって制御される。実施形態によっては、この勾配は、ＲＥＭＦ電圧信号の振幅およびノイズエネルギを実質的に減らすように、十分に制御可能である。
【００５４】
用途によっては、動作サイクルを中断なく連続させることにより、エネルギを負荷に供給できる期間を無限にすることが可能である。たとえば、動作サイクルは、実質的に固定の周期を有してよく、この周期は、限定ではなく、たとえば、約１０ミリ秒から約２０ミリ秒、あるいは約１ミリ秒から約３０ミリ秒、あるいは約５０マイクロ秒から約１０００マイクロ秒、あるいは、６０マイクロ秒未満であってよい。用途によっては、１つ以上の有限個の連続する周期が、負荷に電力を供給しない不定の時間によって中断される場合がある。実施形態によっては、動作サイクルの継続時間は、負荷要件、入力コマンド、または他の要件に応じて変化させてよい（これは、たとえば、可聴共振周波数、フィルタリング要件、電力会社の供給電圧との同期などを避けるためである）。
【００５５】
図４は、ＤＣ入力からＤＣ誘導性負荷にエネルギを供給する一例示的電力段１１０の概略図である。
【００５６】
図示した実施形態では、電力段１１０は、ダイオードのアレイ４０５を有しており、その各ダイオードは、スイッチ１７５から、キャパシタンス４１０を形成する並列接続されたキャパシタのアレイのキャパシタに向かって接続されている。各種実装では、このモジュールまたはシステムは、キャパシタンス４１０の一部またはすべてを組み込むことが可能であり、これらは、キャパシタ１８０を実装する並列キャパシタのアレイを含むことが可能である。実施形態によっては、個々のキャパシタの１つ以上のそれぞれが、異なる周波数応答特性（たとえば、インダクタンス）を有し、これによって、キャパシタアレイ４１０が、（たとえば、ＲＥＭＦ電圧信号における）広い範囲の周波数成分にわたって誘導性負荷からエネルギを効果的に捕獲するようにしている。
【００５７】
この実施形態にはさらに、エネルギ捕獲スイッチ１７５と、キャパシタ１８０のアレイのいずれかのキャパシタとの間に接続されたダイオードアレイ４０５を示している。並列ダイオード４０５は、実施形態によっては、キャパシタンス４１０のキャパシタ間のリンギングおよび／または発振を有利に減らすことが可能である。キャパシタ４１０は、応答帯域幅を広げる（たとえば、低インダクタンス経路を与える）、かつ／またはキャパシタンスを増やす２つ以上の並列キャパシタンスを用いて実装可能である。オプションで、ダイオードアレイを単一ダイオード（たとえば、図１のダイオード１９０ｂ）として実装することも可能である。（図示していないが）実装によっては、時間帯Ｄの間に電流を流す経路に、ＳＣＲのような制御可能デバイスをオプションで含めることも可能であり、その一例を、図２の素子１８５を参照して説明している。このようなＳＣＲは、たとえば、ピーク電圧耐性を有利に高めること、および／または、望ましくないキャパシタンス（たとえば、電極間キャパシタンス、寄生キャパシタンス）を有利に減らすことが可能である。
【００５８】
図５は、ＤＣ入力からＡＣ誘導性負荷にエネルギを供給する一例示的電力段ペア１１０ａ、１１０ｂの概略図である。この実施形態では、電力段１１０ａ、１１０ｂは、それぞれが実質的に同じ回路であり、かつ、同じ電源から（たとえば、ダイオード１９５を介して）電力を引き出す点で、実質的にほぼ同等である。電力段１１０ａ、１１０ｂの違いは、主に、それぞれの出力信号のタイミングである。各種実施形態では、電力段１１０ａ、１１０ｂは、出力電流を交互に負荷に供給する。具体的には、電力段１１０ａは、一方向出力電流Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを第１の方向で負荷に供給し、電力段１１０ｂは、一方向出力電流Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’を第２の方向で負荷に供給する。実装によっては、キャパシタ４１０は、応答帯域幅を広げる（たとえば、低インダクタンス経路を与える）、かつ／またはキャパシタンスを増やす、２つ以上の並列キャパシタンスを用いて実装可能であり、これは、たとえば、図４を参照して説明した実施形態のとおりである。
【００５９】
一説明的実施形態では、制御装置（図示せず）が、電力段１１０ａを用いて動作サイクルを実行するための制御信号を発生させる。制御装置は、電力段１１０ａの動作サイクルの間に、電力段１１０ｂ内のすべてのスイッチをターンオフさせることにより、電力段１１０ａからの出力電流が電力段１１０ｂにまったく流れないようにする。同様に、制御装置は、電力段１１０ｂがその動作サイクルを実行しているときには、電力段１１０ａの動作をオフにする。
【００６０】
図６は、図５の電力段を用いてＡＣ入力からＡＣ誘導性負荷にエネルギを供給することが可能な一例示的エネルギ処理システムのブロック図である。システム６００は、ＡＣ電源６０５からＡＣ電力入力を受け取り、ＡＣ負荷６１０を動作させるためのＡＣ電力出力を供給する。
【００６１】
図示した例では、エネルギ処理モジュール１０５は、２つの電力段１１０ａ、１１０ｂと、制御装置６１５とを含んでいる。エネルギ処理モジュール１０５は、制御装置６１５を用いて、電力段１１０ａ、１１０ｂを自動的かつインテリジェントに制御することにより、ＡＣ電力入力の効率を向上させ、かつ／または力率を制御することが可能である。たとえば、エネルギ処理モジュール１０５は、負荷のＲＥＭＦを制御し、誘導性負荷エネルギを捕獲して再利用することにより、エネルギ効率を高めることが可能である。さらに、エネルギ処理モジュール１０５は、デジタル制御可能である。実施例によっては、様々な入力（たとえば、ユーザ入力、アナログ入力、および／または通信ネットワーク入力）に応じて電力段１１０ａ、１１０ｂを制御するように、制御装置６１５をプログラムすることが可能である。たとえば、制御装置６１５は、ユーザ入力に基づいて、かつ／または特定イベント（たとえば、ＡＣ電源電圧が低下した状態、負荷が故障した状態、時刻イベントなど）に対する応答として、電力段１１０ａ、１１０ｂ内のスイッチを制御するソフトウェアおよびハードウェアを含むことも可能である。
【００６２】
システム６００はさらに、入力段６２０を含んでいる。エネルギ処理モジュール１０５は、ＡＣ電源６０５からＡＣ電力入力を入力段６２０を介して受け取り、ＡＣ電力出力を負荷に供給する。実装によっては、ＡＣ電源６０５は、電力配電網（たとえば、約５０〜６０Ｈｚの商用電力、または約４００Ｈｚの船舶／航空機用電力）からの電力を供給することが可能である。入力段６２０は、入力電圧の事前調整を、たとえば、エネルギ処理モジュール１０５の入力電力を平滑化および／または整流することにより、行うことが可能である。
【００６３】
図示したように、入力段６２０は、ダイオードブリッジ整流器６２５と、ＤＣ電力出力をフィルタリングするキャパシタ６３０とを含んでいる。実装によっては、キャパシタ６３０は、ブリッジからのＤＣ出力電圧波形の変動を低減することが可能である。実施例によっては、エネルギ処理モジュール１０５の電力効率を高めるために、キャパシタ６３０に対し、波形整形のためのチューニングを施すことが可能である。各種実施形態では、電流ピークおよび関連するＡＣ電流高調波を低減することにより波高率を実質的に低減する入力電流波形整形が効果的に行われるように、キャパシタ６３０のサイズを決めることが可能である。
【００６４】
実装によっては、キャパシタ６３０は、エネルギ処理モジュール１０５に供給するＤＣ平均電圧を持ち上げることが可能である。実施例によっては、負荷６１０を起動し、各種の誘導性デバイス性能を高めるために、ＤＣ電圧をより高くすることが可能である。実施例によっては、ＤＣ電圧レベルを上げることにより、送電線損失を過励振して誘導性デバイス性能を維持することも可能である。
【００６５】
エネルギ処理モジュール１０５を用いることにより、ＡＣ電源６０５は、一方向電流および／または双方向電流を負荷（たとえば、負荷６１０）に供給することが可能である。負荷６１０は、単体デバイス（たとえば、モータ）でも、複数デバイス（たとえば、照明群）でも含むことが可能である。
【００６６】
図示した例では、負荷６１０は、エネルギ処理モジュール１０５からの双方向（たとえば、ＡＣ）電力出力を受け取る変圧器６３５を含んでいる。一実装では、変圧器６３５は、エネルギ処理モジュール１０５からのＡＣ電力出力電圧を、負荷６１０で使用される負荷電圧（たとえば、２００〜５００Ｖ）に変圧することが可能である。たとえば、変圧器６３５は、低い出力電圧（たとえば、１００〜２２０Ｖ）を、負荷６１０用の高い電圧（たとえば、４８０Ｖ）にステップアップすることが可能である。
【００６７】
エネルギ処理モジュール１０５は、電力効率の改善、および／または入力力率の制御の改善を行うことが可能である。たとえば、エネルギ処理モジュール１０５は、ＡＣ電源６０５から引き出される力率を改善するために、送電線周波数力率補正を行うことが可能である。実装によっては、システム６００は、ある周波数範囲における任意の周波数で送電線周波数スイッチング（ＬＦＳ）動作を行うことが可能である。実施例によっては、ＬＦＳプロセスの時間を計測し、ＡＣ電源６０５の位相と同期させることにより、たとえば、広範囲の誘導性負荷（たとえば、負荷６１０）に対して５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのスイッチングされた電圧および電流波形を生成することが可能である。
【００６８】
実施例によっては、制御装置６１５は、ＬＦＳプロセスを用いて、標準的な５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの誘導性デバイス（たとえば、変圧器６３５、ランプ安定器、ＡＣ誘導モータ、ＤＣモータ、電源など）の電気的効率および制御性を向上させることが可能である。実施例によっては、ＬＦＳプロセスを、大電力用途および大電力制御に用いることが可能である。たとえば、大電力レベルで動作する非常に大きなインダクタを、安定性およびエネルギ効率を向上させて動作させることが可能である。実施例によっては、制御装置６１５は、ＬＦＳプロセスを用いて、限定ではなく、力率（ＰＦ）補正、電力レベル制御、高速シャットダウン保護、ソフト起動および／またはハード起動、汎用入力（たとえば、ＡＣおよび／またはＤＣ）などの機能を提供することが可能である。例示的な用途としては、限定ではなく、送電線周波数誘導性デバイス（たとえば、メタルハライド照明および蛍光照明、ＡＣ誘導モータ、溶接機など）が挙げられる。
【００６９】
用途の一例では、（たとえば、ＡＣ電流波形整形および波高率改善のための）少量のフィルタキャパシタンスを、ＬＦＳ時間計測と組み合わせて、４つの象限のすべてにおいて入力電力を実質的に等しくすることが可能である。そのような実施例では、エネルギ処理モジュール１０５は、高ＰＦのＡＣ電力出力を発生させることが可能である。
【００７０】
実施形態によっては、制御装置６１５は、いかなる出力電力レベルを誘導性デバイスに供給する場合でも、位相およびデューティサイクルを調節することによって、達成可能な力率を最大化するように動作可能である。たとえば、用途によっては、出力電力レベルが約５０％に下がっても、０．９を上回るＰＦを達成することが可能である。５０％を下回る出力電力レベルでＰＦを高くすることが必要であれば、実施形態によっては、ＡＣ電源６０５にＡＣラインリアクタを含めることによって、ＰＦを許容レベルまで持ち上げて戻すことが可能である。
【００７１】
エネルギ処理モジュール１０５内の制御装置６１５は、システム６００内のＰＦを調節する制御機能と、たとえば、ＲＥＭＦを減らしたり、エネルギ効率を高めたり、かつ／または、ソフトウェア命令を実行したりする制御機能とを備える。制御装置６１５は、様々なデジタル制御機能を提供するために、プロセッサ６４０（たとえば、ＣＰＵ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６４５を含んでいる。制御装置６１５はさらに、ソフトウェアおよびデータを記憶するために、不揮発性メモリ（ＮＶＭ）６４５を含んでいる。図示した例では、ＮＶＭ６４５はコード６５５を含む。プロセッサ６４０は、コード６５５を実行することにより、エネルギ処理モジュール１０５において様々なデジタル制御機能を実施することが可能である。
【００７２】
図示した例では、制御装置６１５は、ユーザインタフェース６６０、アナログインタフェース６６５、および／または通信ポート６７０を介して外部入力を受け取ることが可能である。
【００７３】
制御装置６１５は、ユーザインタフェース６６０からは、ユーザ入力を受け取る。ユーザインタフェース６６０は、たとえば、エネルギ処理モジュール１０５の動作モードを設定するための一連のディップスイッチである。たとえば、ユーザがユーザインタフェース６６０を用いて、エネルギ処理モジュール１０５の出力電圧を、米国で動作させるために１１０Ｖに設定したり、欧州で動作させるために２２０Ｖに設定したりすることが可能である。別の例では、ユーザインタフェース６６０は、商業ビルの蛍光灯群の輝度を弱めたり強めたりするユーザ入力を受け取ることが可能である。
【００７４】
制御装置６１５は、アナログインタフェース６６５からはアナログ入力を受け取る。アナログ入力は、たとえば、センサから発生する信号である。たとえば、システム６００は、ホール効果センサ、電圧センサ、電流センサ、位置センサ、速度センサ、温度センサ、光センサ、ＡＣライン（たとえば、５０〜６０Ｈｚ）位相センサ、および／または他の、外部環境パラメータを検出するセンサを含んでよい。実装によっては、制御装置６１５は、近接スイッチング、位置決め、速度検出、電流検出などの用途に用いるホール効果センサから測定信号を受け取ることが可能である。実装によっては、制御装置６１５は、温度センサから周囲温度の測定値を受け取って電力出力を制御することが可能である。たとえば、プロセッサ６４０は、周囲温度が設定点より高い場合に空調負荷に最大出力電力を供給する調節を行うことが可能である。実装によっては、制御装置６１５は、外部光強度の測定値を受け取ることが可能である。たとえば、プロセッサ６３５は、（たとえば、太陽が照っている場合や停止時などに）供給する電力出力を減らして照明を暗くするように電力段１１０ａ、１１０ｂを制御することが可能である。
【００７５】
制御装置６１５は、通信ポート６７０を介して通信ネットワーク６７５と通信する。たとえば、通信ポート６７０は、プロセッサ６４０と通信ネットワーク６７５との間のデータの送受信を行うことが可能である。通信ネットワーク６７５は、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、および／またはコンピュータ装置と通信するための通信ケーブル（たとえば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ケーブル、ファイヤワイヤ、他のパラレルバスまたはシリアルバス）を含んでよい。
制御装置６１５と通信ネットワーク６７５との間の接続は、無線であってもよい。たとえば、通信ネットワーク６７５と制御装置６１５との接続には、無線ＬＡＮ、赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、移動通信ネットワーク、または他の無線ネットワーク接続を用いてよい。
【００７６】
実装によっては、制御装置６１５は、通信ネットワーク６７５からリモートデータまたはリモート命令を受信することが可能である。実施例によっては、制御装置６１５は、リモートで生成され、制御装置６１５に向けて送信されたメッセージを通信ポート６７０経由で受信することが可能である。たとえば、操作者が、インターネットのような通信ネットワークを介してリモート端末から制御装置６１５に命令を送信することにより、電力出力をリモート調節することが可能である。
【００７７】
実装によっては、制御装置６１５は、通信ネットワーク６７５にステータスおよび／または他のデータを送信することが可能である。実施例によっては、システム６００の動作状態を監視するために、通信ネットワーク６７５に管理プロセッサを接続してよい。たとえば、制御装置６１５は、システム６００の動作状態を表すステータス情報を、通信ポート６７０から送信することが可能である。
【００７８】
実装によっては、制御装置６１５は、通信ネットワーク６７５からソフトウェア更新を受信することが可能である。たとえば、通信ネットワーク６７５から通信ポート６７０経由で受信したデータにより、ＮＶＭ６５０に記憶されているコード６５５または動作設定を更新することが可能である。
【００７９】
コード６５５は、主にプロセッサ６４０で実施可能な動作を含む。この動作は、制御装置６１５の制御下、監督下、かつ／または監視下で実施可能である。インタフェース６６０、６６５、６７０によって組み込み可能な他の処理要素および／または制御要素によって、動作を補助または強化することも可能である。これらの動作の一部またはすべてが、信号の形で実体化された命令を１つ以上のプロセッサが実行することにより、実施可能である。これらの処理は、アナログおよび／またはデジタルのハードウェアまたは技術を用いて実装可能であり、単独で、または、命令を実行する１つ以上のプロセッサと連係して、実装可能である。
【００８０】
実装によっては、プロセッサ６４０は、ＡＣ電源６０５および負荷６１０における状態に基づいて、コード６５５を実行して入力電力をルーティングすることが可能である。たとえば、ＡＣ電源６０５は、風力発電機である場合がある。負荷６１０がターンオフされていて風力発電機が発電中の場合、コード６５０は、発電されたエネルギを蓄積要素（たとえば、バッテリ）に保存する動作を含むことが可能である。
【００８１】
図示した例では、制御装置６１５は、電力段１１０ａ、１１０ｂ内のスイッチを制御する電力段制御装置６８０を含んでいる。プロセッサ６４０は、電力段制御装置６８０を制御することにより、電力段１１０ａ、１１０ｂ内のスイッチを制御することが可能である。電力段制御装置６８０は、ＰＷＭ（パルス幅変調器）６８５、スイッチタイミング制御装置６９０、および位相検出器６９５を含んでいる。一実施例では、位相検出器６９５は、入力ＡＣ電源の位相情報を提供し、ＰＷＭ６８５は、電源を負荷に接続する入力スイッチに必要なオン時間を調べるデューティサイクルコマンドを発生させる。スイッチタイミング制御装置６９０は、デューティサイクルおよび位相の情報を用いて、入力スイッチ用の制御信号を発生させる。この制御信号のタイミングで、ＡＣ電源電圧とほぼ同相の、基本周波数の電流波形を引き出す。電力段制御装置６８０の出力は、たとえば、出力電流波形の少なくとも基本周波数を制御することが可能である。
【００８２】
図７は、図６のエネルギ処理システムを制御して、負荷に対する調整済み電力の範囲でＡＣ電源から引き出される無効電力を低くする一例示的プロセスのフローチャートである。
【００８３】
限定ではなく例として、かつ、説明を目的として、図６のハードウェアを参照しながら、このプロセスを説明する。このプロセスの実装は、たとえば、制御装置６１５内のプロセッサ６４０が、データストア（たとえば、ＲＡＭ６４５および／またはＮＶＭ６５０）に記憶されている、複数の命令からなるプログラム（たとえば、コード６５５）を実行するステップを実施することにより、行われる。
【００８４】
図示した例では、たとえば、ステップ７０５において、負荷電力（Ｐ）の所定の出力レベル（たとえば、デフォルトはゼロパルス幅）で初期化がなされた時点で無効電力管理プロセス７００が開始される。説明のために図６を参照すると、ユーザインタフェース６６０において、所望の出力レベルを設定するユーザ入力を受け取る。これは、ステップ７１０において、電力入力コマンド信号Ｐ＊を受信することに相当する。
【００８５】
ステップ７１５において、電力誤差信号（｜Ｐ−Ｐ＊｜）が所定閾値より大きい場合、制御装置６１５は、ステップ７２０において、電力段１１０ａ、１１０ｂによって印加される出力信号Ｖｏｕｔのパルス幅（ＰＷ）を調節することが可能である。ステップ７１５において、電力誤差信号（｜Ｐ−Ｐ＊｜）が所定閾値より大きくない場合、制御装置６１５は、ステップ７２５において、力率（ＰＦ）が所定最小閾値（たとえば、０．９９、０．９８、０．９７、０．９６、０．９５、０．９４、０．９３、０．９２、０．９１、０．９０、０．８９、０．８８、０．８７、０．８６、０．８５、０．８４、０．８３、０．８２、０．８、０．７８、０．７６、０．７４、０．７）より大きいかどうかを判定する。ＰＦが所定最小閾値より大きくない場合、またはステップ７２０の実行後、ステップ７３０において、制御装置６１５は、同じ極性の隣接する象限同士の電力を等しくするためのパルス開始時刻Ｔ１を計算する。ＡＣ電源６０５に対して正弦波電圧励起を行う場合、０度から９０度にかけての象限１（Ｑ１）と、９０度から１８０度にかけての象限２（Ｑ２）は、隣接していて、正極性を有する。１８０度から２７０度にかけての象限３（Ｑ３）と、２７０度から３６０度にかけての象限４（Ｑ４）は、隣接していて、負極性を有する。Ｔ１は、たとえば、０度におけるＡＣ電源６０５の立ち上がり電圧のゼロ交差に対する位相遅延に相当する。
【００８６】
ステップ７２５において、ＰＦが所定最小閾値より大きい場合、制御装置６１５は、ステップ７３５において、１つ以上のサイクルのうちの少なくとも所定数のサイクルについての監視情報を収集して、測定窓内の電力（Ｐ）およびＰＦを算定する。
【００８７】
制御装置６１５は、ステップ７３０を実行した後、ステップ７４０において、たとえば、ステップ７２０、７３０で算定された値に基づいて、スイッチターンオフ時間の更新値Ｔ２＝Ｔ１＋ＰＷを計算する。次に、制御装置６１５は、位相検出器６９５およびスイッチタイミング制御装置６９０との相互作用により、ＡＣ電源の次の全サイクル（たとえば、０度または１８０度）を監視する。ステップ７４５において、ＥＰＭ１０５は、次の全サイクルが検出されない間は待機する。次の全サイクルが検出された場合、電力段制御装置６８０は、電力段１１０ａ、１１０ｂのそれぞれにある動作スイッチを適用して、ＶｉｎをＶｏｕｔに接続するＴ１前のゼロ交差からＴ１遅れてから始まり、直前のゼロ交差のＴ２後にターンオフするパルスを発生させる。実施例によっては、電力段制御装置６８０は、（Ｑ１、Ｑ２では）立ち上がりゼロ交差からＴ１遅れ、（Ｑ３、Ｑ４では）立ち下がりゼロ交差からＴ２遅れる制御パルス信号を適用することにより、電力段を動作させる。ある電力レベル範囲にわたる実験的ＨＩＤランプ負荷の場合のＴ１およびＴ２の例を、後で図１１を参照しながら詳細に説明する。各種実施例では、Ｔ１およびＴ２の選択を、Ｑ１、Ｑ２とＱ３、Ｑ４との間で電力がほぼ均衡していることを示す複合入力電流波形を形成するように、電源から引き出された負荷電流を配置する自動プロセスとして実装することが可能である。同時に、コマンドで要求されたレベルの電力が負荷に供給されるように、パルス幅を調節することが可能である。
【００８８】
ステップ７５０において、更新されたＴ１、Ｔ２の値をスイッチの制御に適用した後、プロセスは、前述のようにステップ７３５を実施する。プロセス７００はステップ７１０に戻り、システムは、ステップ７１０において受信されたコマンド信号（Ｐ＊）に対する応答として負荷電力を調整しながら、力率を維持するための調節を連続的に行うことが可能である。
【００８９】
この説明は、負荷における電力について述べているが、他の関連パラメータを制御対象としてもよい。たとえば、負荷６１０は、照明システムを含んでおり、ユーザインタフェース６６０への入力を行うユーザにとっての関心対象パラメータが光強度であってもよい。光強度は、エネルギ処理モジュール１０５から照明に与えられる電力の関数として関連付けられる。モータ負荷を用いた、別の例では、負荷に与えられる電力を調節することにより、速度および／またはトルク（またはリニアモータ用推力）を制御することが可能である。
【００９０】
図８は、ＡＣ商用電源から引き出される無効電力を管理するように構成された一例示的制御可能汎用電源を示す。図示した例では、無効エネルギ管理システム（ＲＥＭＳ）８００が商用電源８０５と結合されており、商用電源８０５は、ほぼ固定の周波数（たとえば、５０、６０、１００、４００Ｈｚ）で調整された正弦波電圧を有する電力網を表している。実装によっては、ＲＥＭＳ８００は、ＡＣタイプまたはＤＣタイプの負荷を含むいくつかの無効負荷のいずれに対しても電圧変動率を高度に制御可能とするとともに、商用電源８０５に対して高い力率を示すように電力を処理する、実質的に電力網によく適合するインタフェースを備える。
【００９１】
図に示したように、ＲＥＭＳ８００は、商用電源８０５に直結されたＡＣ入力モジュール８１０と、図６を参照して説明されたエネルギ処理モジュール１０５と同等であるエネルギ処理モジュール８１５と、負荷モジュール８２０とを含む。負荷モジュール８２０は、モータ負荷（ＡＣまたはＤＣ）、バッテリ負荷（たとえば、ＤＣ）、またはランプ負荷（ＡＣ）など、いくつかのタイプの負荷のいずれであってもよく、これらの負荷の例を、後で図９〜１１を参照しながら詳細に説明する。
【００９２】
負荷に供給される電力は、ある値の範囲で調節可能であり、この範囲は、定格負荷電力（またはその一部）の０〜１００％のうちの一部またはすべてを含んでよい。たとえば、自己調整安定器を有するＨＩＤランプは、場合によっては、供給されている電力が、アークを維持するための必要最低限の電力を下回ると消える。ＲＥＭＳ８００は、ポテンショメータとして図示されている可変入力制御装置８２５を含んでいる。他の実施形態も可能であり、たとえば、固定設定点、デジタルＰＩＤ制御システムなども可能である。
【００９３】
ＡＣ入力モジュール８１０は、ＡＣ波形を整流し、入力電流をキャパシタ８３０に供給することにより、位相を進める。これは、無効電力消費を減らすように入力電流を整形することに役立つ。電力経路は、キャパシタ８３０をフライバック捕獲キャパシタ８４０から隔離するブロッキングダイオードを通って延びる。整流および／または捕獲されたエネルギは、既述のように、相反する極性の電力段ペアにあるスイッチを通って制御可能にパルス化される。ＥＰＭ８１５からの出力電力は、負荷モジュール８２０に与えられる。さらに、同様の電力処理経路の例を、後で図６を参照しながら詳細に説明する。
【００９４】
制御装置８５０が、たとえば、図７を参照して説明された方法７００に基づいて、電力段が高力率を引き出し、コマンドで要求された負荷電流を供給するように、電力段を動作させることが可能である。図示した例では、制御装置８５０は、ＡＣ入力モジュール８１０と結合されたセンサ８５５から電力情報およびシステム情報を受信し、隔離障壁８７０を越えて信号カプラ８６５によって搬送される、負荷モジュール８２０と結合された負荷センサ８６０からの電力情報およびシステム情報を受信する。
【００９５】
図９は、図８の電源から電力を受け取るように構成された、（ａ）高輝度放電（ＨＩＤ）照明用途、および（ｂ）誘導機用途のための例示的負荷を示す。
【００９６】
図８のＲＥＭＳ８００は、高力率を維持しながら広い電力範囲でＨＩＤ安定器９００を動作させることが可能である。このようなランプの実験結果について、後で図１１を参照しながら詳細に説明する。
【００９７】
図９（ａ）の例では、負荷は、高インピーダンス変圧器９０５、ＥＰＭ８１５に接続するための端子９１０、ＨＩＤランプ９１５、および電力調整安定器９２０を含んでいる。
【００９８】
変圧器９０５は、たとえば、図１〜４を参照しながら説明したような、フライバック捕獲プロセス中に再捕獲可能な一次漏れインダクタンスを含む。フライバック捕獲プロセスは、効率を高め、出力段から出力される波形を整形するメカニズムを提供することに役立ち、フライバックキャパシタ８４０は、ランプ９１５のアーク放電の開始を、追加電圧ブーストを発生させることで支援することが可能である。
【００９９】
図９（ｂ）の例では、負荷は、単層誘導モータ９５０を含んでいる。モータ９５０は、ＥＰＭ８１５に直接接続するための端子９５５と、分割巻線９６０と、回転子ケージ９６５と、キャパシタ開始モジュール９７０とを含んでいる。ここで、ＲＥＭＳ８００は、商用電源８０５に対して高力率を実現しながら、可変電力レベルでモータに給電することが可能である。センサ８６０は、ＥＰＭ８１５から端子９５５に出力されるパルス幅の負帰還調節によって制御可能な速度帰還または位置帰還を含んでよい。フライバック捕獲プロセスをサポートするために、モータ巻線の漏れインダクタンスに直接アクセスすることが可能である。
【０１００】
図１０は、図８の電源から電力を受け取り、工業用バッテリ充電器に電力を供給するように接続されるよう構成された一例示的整流器負荷を示す。
【０１０１】
図１０（ａ）に示した一例示的整流器１０００は、図８のＡＣ入力モジュール８１０およびＥＰＭ８１５に加えて、調整済みＤＣ電圧を出力端子１０１０に出力する負荷モジュール１００５を含んでいる。出力端子１０１０の両端と並列に、キャパシタ１０１５が接続されている。整流器出力回路は、オプションで、直列ローパスフィルタ（図示せず）を含んでよい。負荷モジュール１００５においては、高インピーダンス変圧器１０２０が、図示された整流を可能にするために、中間タップ付き二次巻線を含んでいる。
【０１０２】
動作中の整流器１０００は、電源から引き出される電力が同極性の隣接象限間で実質的に均衡するようにスイッチング時刻を配置するよう制御可能である。出力電圧を、コマンドで要求された値に維持するために、出力電圧を隔離障壁越しに監視してパルス幅を調整することが可能である。
【０１０３】
図１０（ｂ）は、ＥＰＭ８１５とともに動作するように構成された一例示的ｄｃ−ｄｃコンバータ（たとえば、バッテリ充電器）１０５０を示している。用途によっては、動作周波数のクロックは、整流器１０００の送電線周波数動作（たとえば、６０Ｈｚ）と実質的に異なるように選択された周波数（たとえば、２５０Ｈｚ、４００Ｈｚ、６００Ｈｚ）で駆動されてよい。実施例によっては、周波数を分離することにより、制御性向上が可能になり、たとえば、キャパシタ１０１５に関して、リップル除去比を高め、かつ／または、フィルタリング要件を低くすることが可能である。
【０１０４】
ｄｃ−ｄｃコンバータ１０５０においては、負荷モジュール１０５５が、出力端子１０６０およびバッテリ１０６５を含んでおり、バッテリ１０６５は、負荷端子１０６０の両端と並列に接続されている。負荷モジュール１０５５はさらに、低インピーダンスのトロイダルコア変圧器１０７０を含んでいる。フォームファクタおよび低漂遊漏れは、低高外形であることが必要な用途（たとえば、ラックマウント機器）や、漂遊磁束がシステム動作に干渉する可能性のある用途（たとえば、通信機器、データセンタなど）において有利である。変圧器駆動信号の波形整形、したがって高調波歪みの低減のために、漏れインダクタンスを促進してフライバック捕獲をサポートするために、負荷モジュール１０５５は、一次巻線と直列に一次側インダクタを含んでいる。
【０１０５】
図１０（ｃ）は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）のサブシステムを結合させたシステムを示している。ＡＣ商用電力は整流器１０００に給電され、整流器１０００は、たとえば、力率およびフライバック捕獲を維持することにより、効率を維持し、半導体スイッチの平均故障間隔が長くなるようにスイッチを保護するように、送電線周波数スイッチング整流器の無効電力管理を行う。整流器１０００の出力端子は、ＤＣバスによって、ｄｃ−ｄｃコンバータ１０５０の入力端子と接続される。ｄｃ−ｄｃコンバータ１０５０は、制御された電力パルスによりバッテリ１０６５を充電するように動作可能であり、これは、たとえば、整流器１０００のものと実質的に同じであるＥＰＭ８１５と、本明細書を通して記載されているスイッチング制御メカニズムとを用いて、可能である。
【０１０６】
実施例によっては、ｄｃ−ｄｃコンバータ１０５０は、変圧器１０７０およびインダクタ１０７５の代わりに高インピーダンス変圧器を含んでよい。フライバック捕獲動作をサポートするためのコスト、フォームファクタ、および適切な漏れインダクタンスから、適切な部品選択を決定することが可能である。
【０１０７】
図１１は、図９（ａ）を参照して説明された実験的ＨＩＤ照明負荷の、図８の電源によって、ある電力レベル範囲にわたって、図７のプロセスを用いて給電された場合の動作を示す、一連の例示的電気波形を示す。図１１（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、（ｉ）電力レベルが１１００、９００、８００、７００、および５２５ワットであって、（ｉｉ）力率が０．９８７、０．９４５、０．９３１、０．９、および０．８５であって、パルス幅が８２％、７０％、６０％、４５％、および３５％であって、（ｉｖ）スイッチターンオン位相角度が１８、５４、５８、６８、および７２電気角度である場合を示している。
【０１０８】
図１１（ａ）〜（ｅ）のそれぞれの例示的波形は、上から下に、入力電源電圧（Ｖａｃ）、電源から引き出された入力電流（Ｉｉｎ）、キャパシタ８３０に流れ込む電流（Ｉｃａｐ）、負荷に供給される電流（Ｉｌｏａｄ）の順に並んでいる。各波形プロットは、オシロスコープからキャプチャした全サイクル３つ分を示している。各プロット群の２つ目の全サイクルに、「１」および「２」のラベルを付けた一組のマーカ線を引いている。これらのマーカ線は、それぞれ、象限Ｑ１におけるスイッチターンオン時間Ｔ１、および象限Ｑ２におけるスイッチターンオフ時間Ｔ２を示している。これらのプロットは、図７を参照して説明した制御プロセスに従って、制御可能な電力を負荷に与えるように負荷電力を変調した実験結果であり、この場合、各パルス幅ごとに位相角度を調節することにより、負荷から引き出される無効電力を、実質的に減らしたレベルに維持することが可能である。
【０１０９】
各種実施形態（これらは可搬であってよい）を上述の各図面を参照して説明してきたが、他の電力処理用途（たとえば、汎用モータ駆動、ＤＣ送電線安定化、力率補正、および他の様々な用途）において他の実装を配備することも可能である。
【０１１０】
一般には、遷移電圧リミッタを構成要素として実装および配置することにより、応答時間を長くする可能性のあるインダクタンスを最小化することが可能である。
【０１１１】
実施形態によっては、双方向電流負荷に給電可能なエネルギ処理モジュールを、一方向電流負荷に給電するように動作させることも可能である。たとえば、図５に示したエネルギ処理モジュール５００において、電力段５０５、５１０のいずれか一方を、連続する動作サイクルで負荷に一方向電流を供給するように動作させ、他方の電力段を不活性状態にしておくことが可能である。一説明的実施例として、線形位置決めシステムを駆動するＤＣモータが負荷に含まれる場合は、電力段５０５、５１０を、それぞれ、モータを順方向または逆方向に駆動してアクチュエータを位置決めするように、必要に応じて、位置制御装置によって活性化することが可能である。このような位置決めシステムは、工業用ロボット、ＨＶＡＣ（暖房、換気および空調）、および／または他の様々な用途に用いることが可能である。
【０１１２】
実施形態によっては、エネルギ回収段に設けられているキャパシタンスを、動作中の調節が可能であるようにしてよい。たとえば、１つ以上のスイッチを設け、各スイッチを個別に、追加キャパシタンスをエネルギ捕獲回路のキャパシタンスと並列および／または直列に接続するように動作させることが可能である。調節可能なキャパシタンスを用いて、たとえば、サイクルが終わる前に負荷電流を放電してゼロにするために必要な時間を調節することが可能である。キャパシタンス選択スイッチを、ターンオン時にキャパシタンスの両端が短絡されるように、キャパシタンスと並列に配置したり、ターンオフ時にキャパシタンスに電流が流れないように、キャパシタンスと直列に配置したりすることが可能である。負荷電流の立ち下がり時間を調節することにより、より広範な動作条件（たとえば、負荷インダクタンスおよび／または負荷電流条件）に有利に適応することが可能である。
【０１１３】
負荷を駆動するために複数の電力段が結合されている実施形態では、制御信号によって複数の電力段１１０でスイッチが同時にターンオンすることを阻止するために、制御装置が１つ以上のインタロック（たとえば、ＡＮＤゲート）を提供することが可能である。実装によっては、各電力段からの出力電流を監視し、電流が検出された場合には、対応する電力段にあるすべてのスイッチをオフにすることが可能である。
【０１１４】
各種実装では、エネルギ処理モジュールを、１つ以上の電力段と少なくとも１つの制御装置とを収容するモジュールにパッケージングすることが可能である。実施形態によっては、プリント回路基板実装に加えて、サブコンポーネントまたはシステムを収容できるハイブリッドモジュールの形で提供することも可能である。たとえば、実装によっては、ＡＣ出力または２つの独立したＤＣ出力を提供するように適応された２つの電力段回路と、適切な制御装置とを、絶縁材と一緒にはめ込んだモジュールであってよい。モジュール式の実装によっては、単極性電源と接続されるＤＣ入力、または（たとえば、図６の入力段６２０のような一体型整流器モジュールを通して）ＡＣ電源と接続されるＡＣ入力、または１つ以上のこれらのような入力の組み合わせを有してよい。
【０１１５】
たとえば、図６を参照して説明した、双方向出力電流機能を有する実施形態を拡張すると、３つ以上の位相をシステムに供給するように追加の電力段を構成することが可能である。たとえば、固定子巻線がデルタ構成で配置された３相誘導モータに対して、３ペアの電力段で給電を行うことが可能である。この場合、各ペアは、たとえば、図５〜６を参照して説明したように構成され、各ペアは、デルタの１つの位相に給電するように結合される。たとえば、トルク、電流、速度、位相、位置、または他のパラメータが制御可能であり、たとえば、制御装置が制御信号を制御装置６１５に供給することによって可能である。実施形態によっては、たとえば、エンコーダ、ホール効果、逆起電力センシング、またはセンサレス制御を用いて、ベクトル指向制御技術（たとえば、可変周波数制御、電圧／周波数一定制御、直接磁場指向制御、または間接磁場指向制御など）を実装することが可能である。別の実施例では、たとえば、３相システムのＷＹＥ接続変圧器に給電するように、電力段を配置して制御することが可能である。各種の多相システムでは、電力段への入力を、ＤＣ電源および／またはＡＣ電源（たとえば、単相、位相ごとに半波整流または全波整流を行う多相）から与えることが可能である。
【０１１６】
ＡＣ（たとえば、単相、３相、４相、１２相など）を与える出力を有する実施形態は、最大で少なくとも約１００ｋＨｚ以上の周波数（たとえば、約５Ｈｚ、５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、１００Ｈｚ、４００Ｈｚ、２ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、９０ｋＨｚ、または約１００ｋＨｚ）を含む、任意の基本周波数を負荷に出力するように動作させることが可能である。さらに、出力の基本周波数および／または少なくとも１つの高調波周波数の位相を、たとえば、商用電線電圧信号に同期するように制御することが可能である。
【０１１７】
双方向機能または多相機能を有する実装によっては、２つ以上の電力段が、同じエネルギ回収キャパシタンスを共有することが可能である。図７を参照すると、時間帯Ｄの間にキャパシタンス内で捕獲されたエネルギを、続く時間帯Ａ’において負荷に与えることが可能であり、時間帯Ｄ’の間にキャパシタンス内で捕獲されたエネルギを、続く時間帯Ａにおいて負荷に与えることが可能である。
【０１１８】
１つ以上の電力処理モジュールをネットワークに結合することにより、制御コマンド、ソフトウェア更新をモジュールに伝達したり、かつ／または、モジュールからステータス情報を受信したりすることが可能である。個々のモジュールに、ネットワークアドレス（たとえば、ＩＰ（インターネットプロトコル）アドレス）を割り当てることが可能である。たとえば、設備内の各モジュールに一意のネットワークアドレスを割り当てたり、各モジュールを、ＩＰアドレス付きゲートウェイを通して制御したりすることが可能である。
【０１１９】
一アーキテクチャの具体的な機能について説明してきたが、他の機能を組み込んで性能を向上させることも可能である。たとえば、キャッシング（たとえば、Ｌ１、Ｌ２など…）技術を用いることが可能である。たとえば、ランダムアクセスメモリを組み込んで、スクラッチパッドメモリとして用いたり、かつ／または、不揮発性メモリに記憶されている実行可能コードやパラメータ情報を、ランタイム動作時に用いるためにロードしたりすることが可能である。他のハードウェアおよびソフトウェアを備えて様々な動作を実行することが可能であり、たとえば、１つ以上のプロトコルによるネットワーク通信または他の通信、無線（たとえば、赤外線）通信、蓄積された運転用エネルギおよび電力の供給（たとえば、バッテリ）、スイッチング電源回路および／またはリニア電源回路、ソフトウェア保守（たとえば、自己診断、アップグレードなど…）などを実行することが可能である。データ記憶および関連動作をサポートするために、１つ以上の通信インタフェースを備えることが可能である。
【０１２０】
システムによっては、電子処理機能を実行することが可能である。たとえば、各種実装として、デジタル回路および／またはアナログ回路、コンピュータのハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせがある。装置の実装は、プログラム可能なプロセッサによる実行のために（たとえば、機械可読記憶装置や伝搬信号などの）情報媒体の形で実体化されたコンピュータプログラム製品として可能であり、方法の実施は、入力データの操作および出力の生成によって本発明の機能を実行する、複数の命令からなるプログラムを実行する、プログラム可能なプロセッサによって可能である。実施形態によっては、プログラム可能なシステムにおいて実行可能な１つ以上のコンピュータプログラムの形で有利に実装することが可能であり、そのようなプログラム可能なシステムは、たとえば、データ記憶システムからデータおよび命令を受信し、かつ、データおよび命令をデータ記憶システムに送信するために結合された少なくとも１つのプログラム可能プロセッサ、少なくとも１つの入力装置、および／または少なくとも１つの出力装置を含む。コンピュータプログラムは、特定のアクティビティを実施したり、特定の結果をもたらしたりするために、コンピュータにおいて直接または間接的に使用可能な一連の命令群である。コンピュータプログラムは、コンパイラ型言語やインタプリタ型言語など、任意の形式のプログラミング言語で書くことが可能であり、また、任意の形式で配備可能であり、たとえば、スタンドアロンプログラムとして、または、モジュール、コンポーネント、サブルーチン、または他の、コンピューティング環境での使用に好適な単位で配備可能である。
【０１２１】
複数の命令からなるプログラムの実行に好適なプロセッサとしては、たとえば、汎用マイクロプロセッサおよび専用マイクロプロセッサの両方があり、これらは、単一プロセッサであってもよく、任意の種類のコンピュータの複数のプロセッサのうちの１つであってもよい。一般に、プロセッサは、読み出し専用メモリまたはランダムアクセスメモリまたはこの両方から、命令およびデータを受け取る。コンピュータの構成要素には、たとえば、命令を実行するプロセッサと、命令およびデータを記憶する１つ以上のメモリとがある。一般に、コンピュータはさらに、データファイルを記憶するための大容量記憶装置を１つ以上含み、あるいは、これらの装置と作用的に結合されて通信を行う。このような装置としては、限定ではなく、磁気ディスク（たとえば、内蔵ハードディスクやリムーバブルディスク）、光磁気ディスク、光ディスクなどが挙げられる。コンピュータプログラム命令およびデータの実体化に好適な記憶装置には、あらゆる形式の不揮発性メモリが含まれ、これらは、たとえば、半導体メモリ装置（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ装置など）、磁気ディスク（内蔵ハードディスクやリムーバブルディスクなど）、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭディスク、ＤＶＤ−ＲＯＭディスクを含む。プロセッサおよびメモリは、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）による補助や、ＡＳＩＣへの組み込みが可能である。
【０１２２】
いくつかの実装に対しては、同じまたは同様の情報を用いてプログラミングを行うこと、および／または、揮発性メモリおよび／または不揮発性メモリに記憶されているほぼ同一の情報を用いて初期化を行うことが可能である。たとえば、１つのデータインタフェースを、しかるべきホスト装置（デスクトップコンピュータやサーバなど）と結合した場合に、そのインタフェースが自動設定機能、自動ダウンロード機能、および／または自動更新機能を実施するように構成することが可能である。
【０１２３】
実装によっては、特定の機能を実施させるために、１つ以上のユーザインタフェース機能をカスタム設定することが可能である。ユーザとの対話を可能にするために、実装によっては、ディスプレイ装置（ユーザに対して情報を表示するためのＣＲＴ（ブラウン管）モニタやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）モニタなど）、キーボード、および／またはポインティング装置（マウスやトラックボールなど）を備える場合があり、操作者は、これらを用いてコンピュータにアクセスしたり、かつ／または、コンピュータに入力したりすることが可能である。
【０１２４】
各種実装では、適切な通信方法、通信機器、および通信技術を用いて通信を行うことが可能である。たとえば、本システムは、互換装置（たとえば、システム１００との間でデータのやりとりができる装置）との通信を、メッセージが専用物理リンク（たとえば、光ファイバリンク、ポイントツーポイント配線、デイジーチェーン）で送信側から受信側に直接搬送されるポイントツーポイント通信を用いて行うことが可能である。本システムの各コンポーネントは、通信ネットワーク上でのパケットベースのメッセージを含む、アナログまたはデジタルのデータ通信の任意の形式または媒体によって情報交換を行うことが可能である。通信ネットワークの例として、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）、ＷＡＮ（ワイドエリアネットワーク）、ＭＡＮ（メトロポリタンエリアネットワーク）、無線ネットワークおよび／または光ネットワーク、ならびに、インターネットを形成しているコンピュータおよびネットワークが挙げられる。別の実装では、通信ネットワークで結合されているすべてまたはほぼすべての装置に対して（たとえば、全方向無線周波数（ＲＦ）信号を用いて）ブロードキャストを行うことによって、メッセージを搬送することが可能である。さらに別の実装では、指向性アンテナ（すなわち、狭ビームアンテナ）を用いて送信されるＲＦ信号や、オプションで集光光学系とともに用いられる赤外線信号などの、高指向性として特徴付けられるメッセージを搬送することが可能である。さらに別の実装では、適切なインタフェースおよびプロトコルを用いて可能な場合もあり、そのようなインタフェースおよびプロトコルとしては、限定ではなく、ＵＳＢ２．０、ファイヤワイヤ、ＡＴＡ／ＩＤＥ、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４８５、８０２．１１ａ／ｂ／ｇ、Ｗｉ−Ｆｉ、イーサネット、ＴＣＰ／ＩＰ、ＩｒＤＡ、ＦＤＤＩ（光ファイバ分散データインタフェース）、トークンリングネットワーク、または周波数分割、時分割、および／または符号分割に基づく多重化技術が挙げられる。実装によっては、オプションで、データ保全性のための誤り検出訂正（ＥＣＣ）のような機能や、暗号化（たとえば、ＷＥＰ）やパスワード保護のようなセキュリティ対策を組み込んでよい。
【０１２５】
実施形態によっては、誘導性負荷エネルギを捕獲および再利用することは、一方向電流を負荷に供給し、逆起電力（ＲＥＭＦ）を制御し、負荷から誘導性エネルギを捕獲し、捕獲した誘導性エネルギを負荷に供給するプロセスを含んでよい。一説明的実施例では、動作サイクルは、動作のシーケンスを含んでよい。第１に、前のサイクルで負荷から捕獲した誘導性エネルギを、負荷に供給する。第２に、外部電源から負荷にエネルギを供給する。第３に、電源を負荷から切り離した時点で、ＲＥＭＦ電圧を実質的に制御する。第４に、次のサイクルで使用する誘導性エネルギを捕獲することにより、負荷電流をゼロに持っていく。実施形態によっては、単一電力段からＤＣ誘導性負荷に給電させたり、電力段のペアを、ＡＣ負荷に双方向電流を供給するように動作させたりすることが可能である。
【０１２６】
実施形態によっては、各動作状態において電流を実質的に一方向に保つように動作可能であり、これによって、共振および共振に伴う電磁ノイズを実質的に低減および／または解消することが可能である。たとえば、各種実施形態では、伝導および／または放射による電磁干渉（ＥＭＩ）に寄与する可能性のあるエネルギの発生量を実質的に低減するか、無視できるほどに小さくすることが可能である。実施形態によっては、広い範囲のＡＣおよび／またはＤＣ電圧および周波数に対して動作可能であり、一方向電流および／または双方向電流を誘導性負荷および／または抵抗性負荷に供給することが可能である。負荷としては、たとえば、照明安定器やモータ起動回路のようなキャパシタが挙げられる。エネルギを回収して再利用することにより、低ノイズレベルで高い効率が得られる。ＡＣ入力の実施形態によっては、位相およびデューティサイクルを制御することにより、入力力率および高調波率を高くすることが可能である。実施形態によっては、出力電力を制御可能とすることができ、これによって、たとえば、蛍光照明のような用途においてエネルギを節約することが可能である。さらに、ＤＣ入力の実施形態によっては、ＡＣ出力またはＤＣ出力を誘導性負荷および／または抵抗性負荷に供給する間、入力線のノイズを低くして入力線を実質的に安定化させることが可能である。各種実施形態を、広い範囲のフォームファクタおよび／または一体型モジュールの形で実装することが可能であり、これによって、多様なスタンドアロン用途またはシステムインテグレーション用途において、製造コストを減らし、信頼性を高め、かつ／または、使い方を簡単にすることが可能になる。
【０１２７】
いくつかの実装について説明してきた。しかしながら、様々な修正を施すことが可能であることを理解されたい。たとえば、本開示の手法の各ステップを別の順序で実施した場合でも、あるいは、本開示のシステムの各コンポーネントを別の様式で組み合わせた場合でも、あるいは、それらのコンポーネントを他のコンポーネントで補助した場合でも、有利な結果を達成することが可能である。したがって、他の実装は、以下の特許請求の範囲に含まれる。
【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（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【国際調査報告】
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