(57)【要約】  本発明は、ブースト段においてＤＣ電源からの電圧が増幅され、インバータ段においてこの増幅された電圧がＡＣ電圧へ変換される、多段スイッチング電源に関する。本発明の多段スイッチング電源は、ブースト段およびインバータ段をカウンタ同期信号を用いて同時に制御するコントローラを有する。
2011511609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低電圧ＤＣ電源と、
該低電圧ＤＣ電源に接続された過電圧保護回路と、
該過電圧保護回路に接続されたブースト段を含む第１のスイッチング段と、
インバータ段を含む第２のスイッチング段と、
前記ブースト段および前記インバータ段を制御するために、複数のカウンタ同期制御信号を出力するコントローラと
を備えた多段スイッチング電源であって、
前記ブースト段は前記コントローラからの制御信号および前記過電圧保護回路からの電力信号を受け取って該電力信号の電圧を増幅して増幅電力信号を出力し、
前記インバータ段は前記コントローラからの少なくとも１つの制御信号と前記増幅電力信号とを受け取って前記少なくとも１つの制御信号に基づく特性を有する波形電力信号を出力する
ことを特徴とする多段スイッチング電源。
【請求項２】
前記インバータ段は第１のハーフブリッジインバータと第２のハーフブリッジインバータとを含む、請求項１記載の多段スイッチング電源。
【請求項３】
前記コントローラは前記インバータ段を制御する第１の制御信号と第２の制御信号とを出力する、請求項１記載の多段スイッチング電源。
【請求項４】
前記インバータ段を制御する前記第１の制御信号と前記第２の制御信号との位相ずれ量は１８０°である、請求項３記載の多段スイッチング電源。
【請求項５】
前記ブースト段を制御する制御信号と前記インバータ段を制御する前記第１の制御信号および前記第２の制御信号との位相ずれ量は９０°である、請求項４記載の多段スイッチング電源。
【請求項６】
前記コントローラは所定の周波数範囲において前記制御信号のそれぞれの周波数をランダムに変化させるディザ発振器を含む、請求項１記載の多段スイッチング電源。
【請求項７】
前記周波数範囲は、所望の周波数に等しい平均周波数を中心として所望の許容差を超えない量の偏差を有する範囲である、請求項６記載の多段スイッチング電源。
【請求項８】
前記所望の周波数は２００ｋＨｚである、請求項７記載の多段スイッチング電源。
【請求項９】
前記周波数範囲は１８０ｋＨｚ〜２２０ｋＨｚの範囲である、請求項８記載の多段スイッチング電源。
【請求項１０】
ＤＣブースト段において電源からのＤＣ電圧を増幅するステップ、
インバータ段において増幅されたＤＣ電圧をＡＣ電力信号へ変換するステップ、ならびに、
前記ブースト段および前記インバータ段を単独のコントローラによって形成された複数のカウンタ同期制御信号を用いて制御するステップ
を有する
ことを特徴とするインバータ内でＤＣ電力をＡＣ電力へ変換する方法。
【請求項１１】
前記ブースト段を制御する制御信号の位相が一貫して前記インバータ段を制御する制御信号の位相からずれるように保証することによって電磁雑音を低減するステップをさらに有する、請求項１０記載のインバータ内でＤＣ電力をＡＣ電力へ変換する方法。
【請求項１２】
前記ブースト段を制御する前記制御信号の前記位相は前記インバータ段を制御する前記制御信号の前記位相から９０°ずれている、請求項１１記載のインバータにおいてＤＣ電力をＡＣ電力へ変換する方法。
【請求項１３】
前記カウンタ同期制御信号の周波数を変化させ、電磁雑音を所定の周波数帯域にわたって分散させるステップをさらに有する、請求項１０記載のインバータにおいてＤＣ電力をＡＣ電力へ変換する方法。
【請求項１４】
前記周波数をランダムに変化させる、請求項１３記載の多段スイッチング電源。
【請求項１５】
ＤＣブースト段において電源からのＤＣ電圧を増幅するステップ、インバータ段において増幅されたＤＣ電圧をＡＣ電力信号へ変換するステップ、ならびに、前記ブースト段および前記インバータ段を単独のコントローラによって形成された複数のカウンタ同期制御信号を用いて制御するステップ
を実行する命令を記憶している
ことを特徴とするコンピュータで読み出し可能な記録媒体。
【請求項１６】
前記ブースト段を制御する制御信号の位相が一貫して前記インバータ段を制御する制御信号の位相からずれるように保証することによって電磁雑音を低減するステップを実行する命令を記憶している、請求項１５記載のコンピュータで読み出し可能な記録媒体。
【請求項１７】
前記カウンタ同期制御信号の周波数を変化させ、電磁雑音を所定の周波数帯域にわたって分散させるステップを実行する命令を記憶している、請求項１５記載のコンピュータで読み出し可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本願は、２００８年１月２４日付の米国出願第６１／０６２２５２号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明はＤＣ電力をＡＣ電力へ変換する電源の分野に関連しており、特に、インバータ段を含む多段スイッチング電源に関する。
【０００３】
多くの分野、例えば水素燃料電池の分野で、複数の低電圧電源が用いられている。水素燃料電池車両であれば電源は燃料電池であるが、他の分野ではバッテリなどの低電圧ＤＣ電源が任意の個数で用いられている。これらの電源は初期の最大充電レベルを保持できる期間が限られていることが多く、この期間が過ぎると時間の経過につれて保持できる最大充電レベルが徐々に低下していく。
【０００４】
電流スイッチングインバータ技術は、単独の位相スイッチングインバータを用いて、ＤＣ電力を直接にＡＣ電力へ変換し、このＡＣ電力を車両その他のシステムで利用できるようにしている。こうしたシステムにおける直接変換は、ＡＣ出力の振幅がいずれの場合にもＤＣ入力の振幅に直接に比例するように行われる。ＤＣ電源を利用するために、以前から、ＤＣ電源の出力電位が低下しても、位相スイッチングインバータの出力電圧が一定のピークツーピーク値を有することを保証する必要があった。
【０００５】
電流変換電源は電源電圧を増幅する手段を含まず、最大充電レベルが時間その他の要因によって低下するので、インバータ電源とともに利用されるこうした電源は頻繁に置換される必要がある。
【０００６】
電流スイッチングインバータ技術の付加的な副次効果は、多量の電磁雑音がスイッチングされたＡＣ信号に混入することである。出力信号を一定の周波数に維持することにより、当該の周波数で大きな雑音スパイクが生じる。ＡＣ信号の出力に電磁雑音が発生すると車両のシステムその他の機能への干渉が生じてしまう。
【０００７】
発明の概要
本発明は多段スイッチング電源に関する。本発明の多段スイッチング電源は、過電圧保護回路と、２つのスイッチング段と、コントローラとを有する。第１のスイッチング段は過電圧保護回路からのＤＣ電圧を増幅するブースト段であり、第２のスイッチング段はブースト段の出力を入力として受け取って所望の特性を満たす波形電力信号を出力するインバータ段である。また、多段スイッチング電源の一部には、複数のカウンタ同期制御信号を用いて２つのスイッチング段を同時に制御するコントローラが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】インバータ段を含む多段スイッチング電源のブロック図である。
【０００９】
本発明の特徴を図示の実施例に則して以下に詳細に説明する。
【００１０】
有利な実施例の詳細な説明
図１には、電源に対する２段のインバータ回路１５が示されている。当該の２段のインバータ回路は図示されていないＤＣ電源の端子１０，１２の組を有しており、これらの端子に過電圧保護回路２０が接続されている。過電圧保護回路２０は電力信号２２をブースト段３０へ出力する。さらにブースト段３０は制御信号８４に対する入力側および増幅電圧信号７０に対する電力線路を有する。電力線路はインバータ段５２に接続されている。図１のインバータ段５２は２つのハーフブリッジ整流器５０，６０を有する。ハーフブリッジ整流器５０，６０は制御信号８０，８２に対する入力側とＡＣ電力出力端子１４，１６とを有する。ＡＣ電力出力端子１４，１６はＡＣバスに接続されており、このＡＣバスは複数の負荷へＡＣ電力を供給する複数の負荷リードへ接続されている。
【００１１】
過電圧保護回路２０はＤＣ電圧バスの＋端子１０と−端子１２とに接続されている。過電圧保護回路２０は既知のどのようなコンフィグレーションを有していてもよい。端子１０，１２はＤＣ電力を過電圧保護回路２０へ供給する。過電圧保護回路２０は入力端子１０，１２からのＤＣ電圧を検出し、このＤＣ電圧が所定の閾値を超えている場合、インバータ回路１５の残りの部分へ電力を供給しない。この電力の遮断はトランジスタなどの電気的スイッチあるいは機械的スイッチを用いて行われる。端子１０，１２での電圧が所定の閾値を下回っているかぎり、過電圧保護回路２０は端子１０，１２にかかるＤＣ電圧に等しいＤＣ電力信号２２をブースト段３０へ出力する。
【００１２】
ブースト段３０はＤＣ電力信号２２および制御信号８４を入力として受け取る。ブースト段３０はＤＣ電力信号２２の電圧を増幅させ、信号のＤＣ特性を維持する。得られる出力は入力されるＤＣ電力信号２２よりも高い電圧を有する増幅電圧信号７０である。
【００１３】
効率を改善するために、低い増幅度が用いられる。例えば、１２ＶのＤＣ電力信号２２は１５ＶのＤＣ増幅電圧信号７０へ増幅される。増幅電圧信号７０の大きさは、コントローラ４０から出力される、ブースト段３０を制御するための制御信号８４によって定められる。増幅電圧信号７０の大きさがブースト段３０に入力されるＤＣ電力信号２２の大きさから独立に制御されるので、端子１０，１２に接続される電源の充電レベルを、ブースト段３０の出力への影響なしに、変化させることができる。これによりどのようなタイプのＤＣ電源も利用可能となる。すなわち、燃料電池や、時間の経過につれて最大ＤＣ出力電圧の低下する他の類似のＤＣ電源を利用することができる。
【００１４】
ＤＣ電力信号２２がブースト段３０での所望のレベルまで増幅された後、ＤＣ増幅電圧信号７０がインバータ段５２へ入力される。インバータ段５２は、図１に示されているように、２つのハーフブリッジ整流器５０，６０を有する。各ハーフブリッジ整流器５０，６０は、入力として、ＤＣ増幅電圧信号７０とコントローラ４０からの制御信号８０，８２とを受け取る。
【００１５】
図１に示されている制御信号８０，８２は矩形波状のカウンタ同期信号である。これらのカウンタ同期信号は、同じ波形で相互に一定の位相ずれを有する波形信号である。図１の実施例では、各制御信号８０，８２は同じ波形であるが相互に１８０°の位相ずれを有する。
【００１６】
制御信号８０，８２が相互に１８０°の位相ずれを有するので、第２のハーフブリッジ整流器６０がゼロ電圧信号を出力する場合、第１のハーフブリッジ整流器５０は正の電圧信号を出力する。相応に、第２のハーフブリッジ整流器６０が負の電圧信号を出力する場合、第１のハーフブリッジ整流器５０はゼロ電圧信号を出力する。これにより、出力端子１４，１６に、波形電力信号すなわちＡＣ電力が出力される。制御信号８０，８２が入力されることにより、出力端子１４，１６での出力が所望の周波数を有することが保証される。出力端子１４，１６からの出力はＡＣバスに接続されており、ＡＣバスへ接続された任意の個数の負荷リードに所望の波形が供給される。
【００１７】
コントローラ４０はブースト段３０およびインバータ段５２の制御に用いられる既知のものであり、定義された範囲内でランダムに変化する周波数を有する複数の制御信号を出力する。図１で用いられているコントローラ４０は、ディザ発振器によって形成された信号に基づく複数のカウンタ同期ＡＣ信号を出力する。
【００１８】
付加的な利点は、カウンタ同期制御信号８０，８２，８４を用いることによって、制御信号から生じる電磁干渉および電磁雑音が低減され、カウンタ同期特性に基づいて電源の電磁特性が最適化されることである。この利点は、相互に９０°の位相ずれを有する信号によって電磁雑音を低減することにより実現される。制御信号に由来する電磁雑音は、この制御信号がハイからローへ（またはその逆に）切り替わることが大きなソースとなっている。この関係は信号が矩形波である場合に特に顕著である。ブースト段３０の制御信号８４とインバータ段５２の制御信号８０，８２との位相ずれを９０°にすることにより、ブースト段３０の制御信号８４がつねにインバータ段の制御信号８０，８２とは異なる時点で切り替わることが保証される。これにより、所定の時点でシステムに生じる雑音の総量が低減され、全体雑音のレベルが許容範囲内におさまる。
【００１９】
カウンタ同期制御信号のほか、雑音低減特性は、波形出力信号の周波数が最適な周波数を中心とした許容範囲内で変化することによっても実現される。所定の許容範囲内で出力信号の周波数を変化させることにより、単独の周波数に集中していた電磁雑音が大きな周波数帯域の全体へ分散される。こうして所定の周波数での電磁雑音の量は小さくなり、パフォーマンスが向上する。例を挙げると、ユーザが周波数２００ｋＨｚ，許容差２０ｋＨｚのＡＣ電源を所望している場合、コントローラは平均周波数２００ｋＨｚを中心とした１８０ｋＨｚ〜２２０ｋＨｚの周波数範囲において制御信号の周波数を変化させる。
【００２０】
制御信号８０，８２，８４の周波数範囲は、これらの制御信号の周波数をランダムに変化させつつ所望の平均周波数を維持する既知のコントローラを用いて形成される。出力信号のディザリングおよび同期を行う多相発振器回路を備えたコントローラであれば、いずれのタイプのものも利用可能である。ディザリング特性を有する発振器は出力信号の周波数を所望の範囲内でランダムに変化させる乱数素子を含む。多相ディザ発振器が複数の制御信号を出力し、インバータ段５０，６０およびブースト段３０を単独の回路で制御できるので、必要な部品数およびコストが低減される。なお、ディザ発振器を利用したコントローラは周知である。
【００２１】
前述した装置ではどのような波形信号も利用できるが、特に有利には矩形波信号が用いられる。矩形波信号を用いることにより、他の波形信号に比べて、インバータトポロジが単純化され、整流器の出力側キャパシタの必要寸法を低減できるという利点が得られる。なお、矩形波信号を用いたインバータトポロジは周知である。
【００２２】
本発明の有利な実施例を説明したが、当分野の技術者であれば本発明の範囲内でこの実施例に或る程度の修正を加えることができることは明らかであろう。このため、特許請求の範囲の特徴は、本発明全体の内容において理解されるべきである。
【図１】
2011511609.tif 000003
【国際調査報告】
2011511609.tif 000004
2011511609.tif 000005