(57)【要約】【課題】  入力端子の第１電圧レベルから第１・第２出力端子の間の第２電圧レベルへと変換する電力コンバータを提供する。【解決手段】  入力端子に繋がる一端と切替電圧レベルのノードに繋がる他端を持つ第１インダクタと、ノードに繋がる第１端子とグランドに繋がる第２端子を持つ第１スイッチ素子と、第１端子でキャパシタと直列に繋がり第２端子でノードと繋がりキャパシタがグランドへ繋がる第２スイッチ素子と、切替電圧レベルを一次インダクタを経て二次インダクタへと変圧する磁気的結合回路と、コモンポイントで直列接続し第１・第２の出力端子の間に繋がる出力キャパシタと、を備える。第１・第２スイッチ素子は第１・第２デューティサイクル（Ｄ、１−Ｄ）で動き、導通期間は相補的となる。切替電圧レベルは第１・第２スイッチ素子が導通するときの第１・第２パルスを含む。二次インダクタの第１端は逆極性の第１・第２のダイオードに接続され、第１・第２ダイオードは第１・第２パルスを整流し、かつ、第１・第２出力端子と接続し、二次インダクタの第２端はコモンポイントと繋がる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子における第１の電圧レベルから、第１および第２の出力端子の間の第２の電圧レベルへと、電力を変換するための電力コンバータであって、
−  前記入力端子に接続された一端と、切替電圧レベルにあるノードに接続された他端と、を有する第１のインダクタと、
−  前記ノードに接続された第１の端子と、グランドに接続された第２の端子と、を有する第１のスイッチ素子と、
−  第１の端子と第２の端子とを有する第２のスイッチ素子であって、前記第２のスイッチ素子は前記第１の端子を通してキャパシタと直列に接続され、前記第２のスイッチ要素の前記第２の端子は前記ノードと接続され、前記キャパシタはグランドへ接続されている、第２のスイッチ素子と、
を備え、
前記第１のスイッチ素子は、第１のデューティサイクル（Ｄ）で動作されるように構成されており、前記第２のスイッチ素子は、第２のデューティサイクル（１−Ｄ）で動作されるように構成されており、前記第１および第２のスイッチ素子は、導通期間が相補的となる動作をするように構成されており、前記ノードにおける前記切替電圧レベルは、前記第１のスイッチ素子が導通するときの第１のパルスと、前記第２のスイッチ素子が導通するときの第２のパルスと、を含み、さらに、
−  前記ノードにおける前記切替電圧レベルを、一次インダクタを通して、二次インダクタへと変圧するように構成された磁気的に結合した回路であって、前記二次インダクタの第１端は第１および第２のダイオードに接続され、前記第１および第２のダイオードは逆の極性を有し、前記第１のダイオードは前記第１のパルスを整流するように構成されており、前記第２のダイオードは前記第２のパルスを整流するように構成されている、磁気的に結合した回路と、
−  コモンポイントにおいて直列接続し、前記第１および第２の出力端子の間に接続された出力キャパシタであって、前記第１のダイオードの出力は前記第１の出力端子と接続され、前記第２のダイオードの出力は前記第２の出力端子と接続され、前記二次インダクタの前記第２端は前記コモンポイントと接続している、出力キャパシタと、
を備える、電力コンバータ。
【請求項２】
前記第１デューティサイクル（Ｄ）および前記第２のデューティサイクル（１−Ｄ）を調節することにより、前記第１の出力端子および第２の出力端子の間の前記電圧レベルが調整される、請求項１に記載の電力コンバータ。
【請求項３】
前記第１および第２のデューティサイクルは、前記入力端子における前記第１の電圧レベルによって調節され、それによって前記第１の出力端子および前記第２の出力端子の間の前記第２の電圧レベルが一定に保たれる、請求項１に記載の電力コンバータ。
【請求項４】
前記入力端子に接続された、交流−直流整流器および平滑化キャパシタをさらに備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力コンバータ。
【請求項５】
前記第１のスイッチ素子は、さらに、並列に接続された第１のダイオードを備え、前記第２のスイッチ素子は、さらに、並列に接続された第２のダイオードを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力コンバータ。
【請求項６】
前記第１のインダクタと前記一次インダクタは、１つの共通の部品として実装されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力コンバータ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の電力コンバータを備えた、アクチュエータシステム。
【請求項８】
電力コンバータにおいて、入力端子における第１の電圧レベルから、第１の出力端子および第２の出力端子の間の第２の電圧レベルへと、電力を変換する方法であって、
−  第１のスイッチ素子を、第１のデューティサイクル（Ｄ）で動作させるステップと、
−  第２のスイッチ素子を、第２のデューティサイクル（１−Ｄ）で動作させ、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子の導通期間が相補的になるように動作させるステップと、
−  前記第１のスイッチ素子が導通するときに第１のパルスを発生するステップと、前記第２のスイッチが導通するときに第２のパルスを発生するステップとを含む、第１のインダクタを電流が流れるときに切替電圧を発生するステップと、
−  前記切替電圧を、一次インダクタに磁気的に結合した回路を通して、二次インダクタへ変圧するステップと、
−  前記第１のパルスを、第１のダイオードを通して整流し、前記第２のパルスを、第２のダイオードを通して整流するステップと、
を含む、方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチモード電源および電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な用途に使用されるリニアアクチュエータシステムは、典型的には、ＤＣモータで駆動される１つ以上の電気機械的アクチュエータと、コントローラと、電源とを備えている。この電源は、トランスと、整流器ブリッジの形態をとる整流器と、電圧を滑らかにするためのキャパシタとを基礎とする従来の電源であり、そのような電源はとても丈夫で信頼性がある。しかしながら、そのような電源にも欠点がある。すなわち、重くて、かさばり、比較的大量の材料を必要とする点と、全負荷状態で効率がおよそ５０〜６０％しかない点である。
【０００３】
他方、スイッチモード電源は、典型的には、全負荷状態でおよそ８０〜９０％に及ぶほど効率が高いものであり、上述した従来の電源に比べて、必要とする材料の量は少ない。材料の量を減らせる理由の一つは、磁気回路を使用することにある。伝統的な電源に搭載されるステップダウントランスが５０Ｈｚの周波数で動作するのに対し、スイッチモード電源に搭載される磁気回路は３０〜５０ｋＨｚあたりで動作するので、磁気回路は小型化できる。
【０００４】
スイッチモード電源はよく知られているので、フライバック（Fly Back）、ブースト（Boost）、バック(Buck)、SEPIC、フォワード(Forward)、といった公知の技術に言及する人もいるかもしれない。もっともありふれているのがフライバックである。これらの従来技術のスイッチモード電源は、いずれも、長所も短所も有している。しかし、高効率のような長所があるにもかかわらず、スイッチモード電源は、丈夫で信頼性のある高出力電源を必要とするリニアアクチュエータシステムには、様々な理由により搭載されるには至っていない。
【０００５】
ここでいうアクチュエータシステムは様々な目的のために使用されるものであり、その分野は、少し例を挙げるだけでも、工場（機械および処理工場、農業および建設用設備）、家具（調整可能なベッド、リクライナーなど）、病院用および介護用家具（病院用および介護用ベッド、処置用カウチおよび椅子、患者用リフト、車椅子など）、オフィス家具（ハンド／スタンドアップ・デスク）、エネルギー（太陽追尾など）などにまで及ぶことを、注記しておく。
【０００６】
数あるその他の直流電源の応用分野については、地域によって実電圧レベルが１１０ＶＡＣや２３０ＶＡＣなどと変動しても、部品や機械スイッチを変更する必要に迫られずに世界中で動作できるシステムが求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的となりうるのは、リニアアクチュエータシステムの中でも用いることが可能な、改良された電力コンバータを提供することである。好ましくは、本発明は、上述した短所あるいは他の短所を、単独であるいは何らかの組合せで、軽減し、緩和し、または取り除いてしまうものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この「発明の概要」では、下記の「発明を実施するための形態」でさらに説明される選び抜かれたいくつかのアイデアを、単純な形式で紹介する。この「発明の概要」は、特許請求の範囲で示された主題の重要要素や本質要素を特定することを意図したものではないし、特許請求の範囲で示された主題の範囲を決定することを狙ったものでもない。
【０００９】
第１の側面では、本発明は、電力コンバータに関する。当該電力コンバータは、入力端子における第１の電圧レベルから、第１および第２の出力端子の間の第２の電圧レベルへと、電力を変換するためのものであり、
−  前記入力端子に接続された一端と、切替電圧レベルにあるノードに接続された他端と、を有する第１のインダクタと、
−  前記ノードに接続された第１の端子と、グランドに接続された第２の端子と、を有する第１のスイッチ素子と、
−  第１の端子と第２の端子とを有する第２のスイッチ素子であって、前記第２のスイッチ素子は前記第１の端子を通してキャパシタと直列に接続され、前記第２のスイッチ要素の前記第２の端子は前記ノードと接続され、前記キャパシタはグランドへ接続されている、第２のスイッチ素子と、
を備え、
前記第１のスイッチ素子は、第１のデューティサイクル（Ｄ）で動作されるように構成されており、前記第２のスイッチ素子は、第２のデューティサイクル（１−Ｄ）で動作されるように構成されており、前記第１および第２のスイッチ素子は、導通期間が相補的となる動作をするように構成されており、前記ノードにおける前記切替電圧レベルは、前記第１のスイッチ素子が導通するときの第１のパルスと、前記第２のスイッチ素子が導通するときの第２のパルスと、を含み、さらに、
−  前記ノードにおける前記切替電圧レベルを、一次インダクタを通して、二次インダクタへと変圧するように構成された磁気的に結合した回路であって、前記二次インダクタの第１端は第１および第２のダイオードに接続され、前記第１および第２のダイオードは逆の極性を有し、前記第１のダイオードは前記第１のパルスを整流するように構成されており、前記第２のダイオードは前記第２のパルスを整流するように構成されている、磁気的に結合した回路と、
−  コモンポイントにおいて直列接続し、前記第１および第２の出力端子の間に接続された出力キャパシタであって、前記第１のダイオードの出力は前記第１の出力端子と接続され、前記第２のダイオードの出力は前記第２の出力端子と接続され、前記二次インダクタの前記第２端は前記コモンポイントと接続している、出力キャパシタと、
を備える。
【００１０】
このようにして、改良された電力コンバータが提供される。本実施形態では、電力コンバータの長所として考えられうるのは、両方のスイッチがゼロ電圧スイッチングで動作するのに、共振状態になくともよい点である。さらなる長所となりうるのは、キャパシタＣ２が電圧をクランプしてシステムを高電圧スパイクノイズから守るので、二次回路のダイオードＤ１，Ｄ２が低い電圧にしかさらされない点である。
【００１１】
別の長所として考えられるのは、トランスがエネルギー貯蔵所として機能しないので、前方トポロジーが磁性材料の必要性を減らすのだが、それでもエネルギーは到達するや否や放出される点である。これにより、一次側のリップル電流が減少し、とりわけＥＭＣ性能が向上する。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、出力端子の電圧レベル調整は、第１および第２のデューティサイクルを調節することによって行われる。
【００１３】
この実施形態の長所は、出力電圧の制御が簡単な点である。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、第１および第２のデューティサイクルは、入力端子における第１の電圧レベルによって調節され、それによって出力端子の間の第２の電圧が一定に保たれる。
【００１５】
この実施形態の長所としては、入力電圧レベルが異なっても一定の出力を維持できる制御システムを、電力コンバータにより簡単に構築できる点が考えられる。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、電力コンバータは、入力端子に接続された、交流−直流整流器および平滑化キャパシタをさらに備える。
【００１７】
この実施形態の長所としては、電力コンバータが交流配電網に直接接続できる点が考えられる。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、第１のスイッチ素子は、並列に接続された第１のダイオードを備え、前記第２のスイッチ素子は、並列に接続された第２のダイオードを備える。
【００１９】
この実施形態の長所としては、２つのスイッチ素子Ｍ１およびＭ２の間のデッドタイム期間の間じゅう、電流経路が提供される点が考えられる。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、第１のインダクタと一次インダクタは、１つの共通の部品として実装されている。
【００２１】
この実施形態の長所としては、インダクタとトランスの一次インダクタ／巻き線が一つの共通した部品であるような電力コンバータを用いて、電流において直流成分が存在せず、そのために磁気結合回路がトランスのコアの中に空隙を必要としない点が考えられる。一方、インダクタとトランスが分離した設計については、インダクタは、コアを飽和することなく直流成分を扱うための空隙を有するコアを必要とする。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、電力コンバータを備えた、アクチュエータシステムが提供される。
【００２３】
この実施形態の長所としては、高効率の電源と広範な電圧入力手段を備えたアクチュエータシステムを提供することができ、すなわち、アクチュエータを世界中の配電網に接続することができる。
【００２４】
第２の側面では、本発明は、電力を変換する方法に関する。当該方法は、電力コンバータにおいて、入力端子における第１の電圧レベルから、第１の出力端子および第２の出力端子の間の第２の電圧レベルへと、電力を変換する方法であって、
−  第１のスイッチ素子を、第１のデューティサイクル（Ｄ）で動作させるステップと、
−  第２のスイッチ素子を、第２のデューティサイクル（１−Ｄ）で動作させ、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子の導通期間が相補的になるように動作させるステップと、
−  前記第１のスイッチ素子が導通するときに第１のパルスを発生するステップと、前記第２のスイッチが導通するときに第２のパルスを発生するステップとを含む、第１のインダクタを電流が流れるときに切替電圧を発生するステップと、
−  前記切替電圧を、一次インダクタに磁気的に結合した回路を通して、二次インダクタへ変圧するステップと、
−  前記第１のパルスを、第１のダイオードを通して整流し、前記第２のパルスを、第２のダイオードを通して整流するステップと、
を含む。
【００２５】
この第２の側面およびその実施形態の長所としては、本発明の第１の側面の長所と等価なものが考えられる。
【００２６】
本発明の個別の側面は、それぞれ、他のどの側面と組み合わせることができる。本発明の様々な側面は、添付図面を参照しつつ、以下の発明の詳細な説明の中で明らかとなろう。
【００２７】
付随的な要素はどれも、発明の詳細な説明と添付図面を参照することでより深く理解されよう。好ましい要素は、当業者にとって明らかであれば適切に組み合わせることができるかもしれないし、本発明のどの側面とも組み合わせることができるかもしれない。
【００２８】
本発明の実施形態を、添付図面を参照しつつ、これより詳述する。
【００２９】
本発明による電力コンバータと、電力コンバータを備えたアクチュエータについて、添付図面を参照してさらに詳細に述べていく。図面は本発明の実現方法の一つを示したものであり、特許請求の範囲の範囲内に該当する他の可能な実施形態に限定されるべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態のアクチュエータシステムを備えた病院用又は介護用ベッドの概略図である。
【図２】第２実施形態のアクチュエータシステムを備えた病院用又は介護用ベッドの概略図である。
【図３】図１および図２に示されたベッドの中のアクチュエータシステムのブロック図である。
【図４】リニアアクチュエータを示す図である。
【図５】図４のリニアアクチュエータについて、モータハウジングと外管を部分的に取り除いた図である。
【図６】本発明の一実施形態を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態を示す図である。
【図８】スイッチシーケンスの一期間を示す図である。
【図９】スイッチシーケンスの一期間を示す図である。
【図１０】スイッチシーケンスの一期間を示す図である。
【図１１】スイッチシーケンスの一期間を示す図である。
【図１２】スイッチシーケンスの一期間を示す図である。
【図１３】スイッチシーケンスの一期間を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態を示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態の電圧および電流の変動を示す図である。
【図１６】入力電圧とデューティサイクルの関係を示す図である。
【図１７】本発明による方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の電源を用いれば、病院用ベッドあるいは介護用ベッドを調節するのに使用できるタイプのアクチュエータシステムを作ることができる。このタイプのベッドでは、調整可能な背もたれ部と脚のせ部を有する支持面によってマットレスが移動させられる。当該支持面は、アクチュエータシステムのリニアアクチュエータを用いて昇降されるベッドフレームに取り付けられる。さらに、ベッドの背もたれ部と脚のせ部も、リニアアクチュエータを用いて調節してよい。通常、このタイプのリニアアクチュエータ、例えばＷＯ０２／２９２８４Ａ１に記載されているＬｉｎａｋ  Ａ／Ｓ社のものは、押し出しロッドを備えている。
【００３２】
このタイプのリニアアクチュエータは、スピンドルおよびスピンドルナットを備える。スピンドルは、動力が伝動される間、可逆モータによって駆動される。スピンドルが駆動される時、スピンドルナットは、電気モータの回転方向に応じて、内側方向又は外側方向へ移動する。リニアアクチュエータは、ハウジングの中に収納したスピンドル、伝動機構、電気モータを備えた、個別の製品である。ハウジングは典型的にはモータハウジングと外管からなる。内管はスピンドルナットに固定されている。スピンドルナットがスピンドルの中へあるいは外へ動くにつれて、内管は、外管の中へあるいは外へ変位する。内管は、スピンドルナットとは反対の端部に、前部マウントを備えている。前部マウントと後部マウントは、調節が必要な構造物の中に、リニアアクチュエータを固定するのに用いられる。
【００３３】
図１が示す病院用ベッド１は、駆動車輪２が付いた下部フレーム３と、上部フレーム４とを備えている。上部フレーム４には、マットレス（図示せず）のための調整可能な支持面５が取り付けられている。支持面５は、背もたれ部６と、関節で繋がっている脚のせ部７と、それらの間に固定された中央部８とを有する。背もたれ部６と脚のせ部７の調整は、それぞれアクチュエータ９、１０を用いて、支持面の外形を異ならせるように行うことができる。上部フレーム４は、両端のリンク機構１１、１２によって下部フレーム２と接続されている。上部フレーム４の昇降は、リンク機構１１、１２に接続された一対のアクチュエータ１３、１４を用いて行われる。すべてのアクチュエータ９、１０、１３、１４と接続されているコントロールボックス１５は、制御部、および、コンセントと接続された電源を備えている。コントロールボックスはさらに、再充電可能なバッテリーパックを備えていてもよい。
【００３４】
天板や足板やおそらくはその他の周辺設備と組み合わさった、ハンドコントロール１７やコントロールパネル１８のような、１つ以上の制御ユニットを接続するための連結ボックス１６が、コントロールボックス１５に接続されている。アクチュエータ９、１０、１３、１４、コントロールボックス１５、制御ユニット１７、１８を備えたシステム全体のことは、アクチュエータシステムと呼ばれる。
【００３５】
一実施形態では、図６、図７、または図１４の電源回路はコントロールボックス１５の中に実装されている。
【００３６】
図２は、図１に示されたベッドとは別の実施形態における、病院用又は介護用ベッド２０の概略図である。ここで、下部フレーム３と上部フレーム４を接続しているものはリンク機構ではなく、昇降支柱２１、２２として設計された２つのリニアアクチュエータである。
【００３７】
図３は、図１に示されたベッドの中のアクチュエータシステムのブロック図である。
【００３８】
図４はが示すリニアアクチュエータ３３は、押し出しロッドを備えるタイプであり、したがって、リニアアクチュエータ９、１９、１３、１４と同じタイプである。押し出しロッドとは、すなわち内管３４である。リニアアクチュエータは、外管３５とモータハウジング３６とを備える。さらに、リニアアクチュエータ３３は、内管３４の外側の端部にある前部マウント３７と、モータハウジング３６にある後部マウント３８を備える。
【００３９】
図５は、図４のリニアアクチュエータを示しているが、モータハウジング３６と外管３５の一部は取り除かれている。リニアアクチュエータ３３の主要部品はスピンドルユニットであり、これに含まれるスピンドル３９の上には、スピンドルナット４０が設置されている。スピンドルナット４０は回転しないように固定されていてもよい。内管３４はスピンドルナット４０に固定されており、それによって、スピンドル３９の回転方向に応じて外管３５の内側または外側へ移動できてもよい。スピンドル３９は、可逆電気モータ４１により、伝動機構を通して駆動される。この伝動機構は、電気モータの駆動シャフト（図示せず）の延長上に位置するウォーム４２と、スピンドル３９に固定されたウォーム歯車４３とを備える。さらに、スピンドル３９にはベアリング４４が固定されている。ベアリング４４は、例えばボールベアリングやローラーベアリングであってよい。
【００４０】
さらに、本発明は、１つの共通のハウジングの中に収納された２つのスピンドルユニットとコントロールボックスとを備えるような、いわゆるデュアルアクチュエータに適用されてもよい。
【００４１】
図６は、Ｄ３−Ｄ６を含む交流から直流への整流器ブリッジを備えた、本発明の実施形態を示す。このブリッジは２３０ＶＡＣに接続されている。直流出力と並列に設けられている平滑化キャパシタＣの主な機能は、リップル電流を最小化することである。実際の電力コンバータは、インダクタＬ１，スイッチ素子Ｍ１およびＭ２、キャパシタＣ１およびＣ２、一次巻線Ｌ２と二次巻線Ｌ３を有するトランス、２つのダイオードＤ１およびＤ２を備える。各部品の機能と、コンバータ全体の機能を、以下でさらに詳しく説明する。
【００４２】
スイッチ素子Ｍ１およびＭ２はそれぞれ電子スイッチであり、例えば、還流ダイオードやボディダイオードと並列のＭＯＳＦＥＴトランジスタなどである。ＭＯＳＦＥＴトランジスタは本質的に内臓ダイオードを含むので、これがボディダイオードと呼ばれる。
【００４３】
２つのスイッチＭ１およびＭ２は互いに逆の動作をする。Ｍ１がオンの時にはＭ２がオフであり、Ｍ２がオンの時はＭ１がオフである。すなわち、これらは互いに相補的である。さらに、Ｍ１とＭ２の間の変調信号内にデッドバンドが盛り込まれることにより、Ｍ１とＭ２の双方がオンとなって電流が流れる事態が防止される。
【００４４】
デューティサイクルは、スイッチＭ１、Ｍ２の一方がアクティブ状態になる時間を、全体の時間を考慮して比率として表したものである。電気装置において、デューティサイクルが６０％であることは、時間周期全体の６０％において電力がオンであり、時間周期全体の４０％において電力がオフであることを意味する。このデューティサイクル６０％の「オン時間」は、１秒の何分の１ということもありうる。
【００４５】
図７は本発明のコンバータの簡単な具体例であり、ここではインダクタＬ１と一次巻線Ｌ２が同一の巻線となっている。
【００４６】
図８から図１３は、電力変換の様々なステップにおける電流の流れ方を示す。ここでいう様々なステップとは、図１５における局面１５２、１５３、１５４、１５５に相当する。
【００４７】
図８は、スイッチ素子Ｍ１がオンであり、期間１５３であり、導通モードである状況を示す。正の電流８７がインダクタＬ１を流れ始め、デューティサイクル調節回路（ここでは図示しない）によって制御されたＭ１が導通している限りその電流８７は増加する。電圧源Ｖ１はグランド８４に接続されている。同様に、電流８８もＬ２、Ｃ１、Ｍ１を流れる。Ｍ１はオンであり、Ｍ１を超える電圧は微小なので、シリコン層の電圧降下だけが存在する。したがって、点８１はグランド８４とほぼ等しい。電流８８がＬ２を流れるので、電流８９もＬ３を流れる。なぜなら、Ｌ２とＬ３は共通のコアを通じて磁気的に結合しているからである。期間１５３の間、キャパシタＣ３は充電されている。
【００４８】
回路の二次側には、Ｌ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｃ３、Ｃ４がある。キャパシタＣ３およびＣ４は、第１の出力端子９１と第２の出力端子９２の間に、直列に接続されており、２つのキャパシタＣ３およびＣ４の間のコモンポイント８６は、インダクタＬ３の一端に接続されている。
【００４９】
図９は、その次の期間であり、１５３と１５４の間の期間である。これは、Ｍ１がオフになってからＭ２がオンになるまでのデッドタイム、すなわち、どのスイッチもオンになっていない時間に過ぎない。Ｍ１がブロックされて、電流８７および８８はＭ２のダイオードを通って伝達せざるをえなくなり、それが電流９７および９８として図示されている。電流９８は電流８８と同じ方向であるので、電流９９、８９は流れ続ける。
【００５０】
図１０は、期間１５４を示す。この時、Ｍ２は導通を開始し、電流１０７、１０８は両方ともＭ２を通ってＣ２へと流れる。電流１０９の方向は、依然として変わらない。
【００５１】
図１１は、期間１５５を示す。この時には、インダクタＬ１を流れる電流１１７の極性が変わっており、かつ、インダクタＬ２の電流１１８も同様である。したがって、２次側でも電流１１９の方向が変わっており、これによってキャパシタＣ４が充電されている。
【００５２】
図１２は、２回目のデッドタイム遷移を示す。この時、スイッチ素子Ｍ１およびＭ２はいずれもオンにはなっておらず、電流１２７および１２８はＭ１のボディダイオードを通って伝わる。電流１２９は、まだＣ４を充電している。
【００５３】
図１３は、最後のステップを示す。この時、Ｍ１はオンになり、負の電流１３７、１３８がＭ１を通ってＬ１とＬ２に流れる。電流１３９は、Ｄ２を通って、依然としてＣ４を充電している。
【００５４】
図１４は、本発明の一実施形態を示す。ここでは、Ｃ１とＬ２がなくなっており、Ｌ１とＬ３が磁性部材１４０および１４１を通して磁気的に結合している。この実施形態のコンバータは、図８〜図１３で説明したものと同様の動作をする。
【００５５】
図１４の回路の実施形態の中で、Ｌ１とＬ３の変圧比は１２：１である。他の実施形態では、当該比は５〜３０の範囲内であり、好ましくは１０〜２０の範囲内とすることができよう。
【００５６】
図１５の上部は、点８１における電圧レベルを示す。Ｍ１がオンの時、電圧はゼロに近くなる。領域１５１のボルト秒は、デューティサイクルＤと周期とによって決まる。スイッチ周期は、フルサイクル１５２〜１５５と等しい。Ｍ２がオンのとき、電圧はＶＣ２のレベルと連通し、領域１５０のボルト秒はデューティサイクル１−Ｄによって決まる。領域１５０および１５１は等しいので、領域１５０と領域１５１の間の平衡が達成される。Ｍ１とＭ２の動作により、図８のノード８１における電圧が切り替わる。
【００５７】
図１５の下部は、先に説明したとおり、インダクタＬ１の電流を示す。
【００５８】
重要なことなので言及しておくが、ノード８１の電圧が図１５の上部に示した形状に追従うということは、ノード８５における二次側の出力電圧もまた同じ変化をするということを意味する。よって、Ｌ３を流れる電流は、ノード８５の電圧に追従する。
【００５９】
図１６は、デューティサイクルと入力電圧との関係を示す。本発明の主要な目的は、出力電圧レベルを一定にしつつ、異なる入力電圧レベルに対応することであり、これには２つの理由がある。第一は、世界の異なる地域では、その地域の標準的な電気コンセントのために異なる電圧を採用しており、ヨーロッパでは２３０Ｖが使われるのに対して、アメリカでは１１０Ｖが使われるからである。第二は、配電網の基準では、ある程度の電圧レベルの変動、たとえば標準電圧の＋１５％など、が許容されているからである。したがって、直線１６１は、固定電圧出力を、入力電圧とデューティサイクルの関数として示している。入力から出力への伝達関数は下記のように表現される。
【００６０】
【数１】
2014521285.tif 000003
【００６１】
ここで、ｎは変圧比であり、ｄｕｔｙは０〜１００％の間のデューティサイクルである。
【００６２】
この制御はフィードフォワードであるので、二次側からのフィードバックは必要ない。制御はとても簡単なフィードフォワード制御となる（ＰＷＭ）。
【００６３】
デューティサイクルが５０％である実施形態では、領域１５０と領域１５１の振幅と長さは等しいので、Ｃ３とＣ４にかかる電圧は等しい。
【００６４】
デューティサイクルが２５％である実施形態では、Ｃ３にかかる電圧はＣ４にかかる電圧の３分の１となるかもしれない。
【００６５】
デューティサイクルが７５％である実施形態では、Ｃ３にかかる電圧はＣ４にかかる電圧の３倍となるかもしれない。
【００６６】
一般に、ユニバーサル電源の設計基準では、ＡＣ入力電圧が８５ＶＡＣから２６５ＶＡＣの間である。
【００６７】
一実施形態では、電力コンバータはシステムへの電源として用いられ、本発明による電力コンバータは、４つの電子スイッチを持つＨブリッジに電力を供給し、そのＨブリッジの中間点に電気ＤＣモータが接続される。
【００６８】
ＤＣモータを備える一実施形態では、コンバータの端子の電圧は一定もしくはほぼ一定に保たれ、Ｈブリッジの中の４つのスイッチを動作させることによって、ＤＣモータの回転方向が制御される。ＤＣモータの回転速度は、ＨブリッジのＰＷＭ変調によって制御される。
【００６９】
本発明の電力コンバータは、多くの異なるサイズや電力レベルに製作できる。アクチュエータシステムを備える一実施形態の中で電力コンバータを使うための公知の範囲は、２００Ｗから５００Ｗとできるが、当該電力コンバータはこの範囲に限定されるものではない。
【００７０】
多くの応用においては、アクチュエータシステムに用いられる電源は、上述のように、伝統的なトランスに整流器やフィルタキャパシタを組み合わせたものであったり、スイッチモード電源であったりする。しかしながら、例えば、電源が再充電可能なバッテリとなる、車いすのような用途も存在する。
【００７１】
一実施形態では、電力コンバータは、図６、図７、または図１５の回路のような本発明のトポロジーを用いて、再充電可能なバッテリを充電する。
【００７２】
図１７は、本発明に係る、入力端子における第１の電圧レベルから、第１および第２出力端子の間の電圧レベルへ電力を変換する電力コンバータにおける、電力変換方法のフローチャートである。
【００７３】
ステップ９００は、第１のスイッチを第1のデューティサイクル（Ｄ）で動作させ、第２のスイッチを第２のデューティサイクル（１−Ｄ）で動作させるステップであり、第１および第２のスイッチ素子は、導通期間が相補的になるように動作される。
【００７４】
ステップ９０１は、第１のインダクタに電流が流れた時に切替電圧を発生させるステップであって、第１のスイッチ素子が導通したときに第１のパルスを発生させるステップと、第２のスイッチが導通したときに第２のパルスを発生させるステップとからなる。
【００７５】
ステップ９０２は、一次インダクタおよび二次インダクタと磁気的に結合した回路を通して切替電圧を変圧し、第１のダイオードを通して第１のパルスを整流し、第２のダイオードを通して第２のパルスを整流するステップである。
【００７６】
要約すると、本発明は、電力コンバータに関する。当該電力コンバータは、入力端子における第１の電圧レベルから、第１および第２の出力端子の間の第２の電圧レベルへと、電力を変換するためのものであり、
−  前記入力端子に接続された一端と、切替電圧レベルにあるノードに接続された他端と、を有する第１のインダクタと、
−  前記ノードに接続された第１の端子と、グランドに接続された第２の端子と、を有する第１のスイッチ素子と、
−  第１の端子と第２の端子とを有する第２のスイッチ素子であって、前記第２のスイッチ素子は前記第１の端子を通してキャパシタと直列に接続され、前記第２のスイッチ要素の前記第２の端子は前記ノードと接続され、前記キャパシタはグランドへ接続されている、第２のスイッチ素子と、
を備え、
前記第１のスイッチ素子は、第１のデューティサイクル（Ｄ）で動作されるように構成されており、前記第２のスイッチ素子は、第２のデューティサイクル（１−Ｄ）で動作されるように構成されており、前記第１および第２のスイッチ素子は、導通期間が相補的となる動作をするように構成されており、前記ノードにおける前記切替電圧レベルは、前記第１のスイッチ素子が導通するときの第１のパルスと、前記第２のスイッチ素子が導通するときの第２のパルスと、を含み、さらに、
−  前記ノードにおける前記切替電圧レベルを、一次インダクタを通して、二次インダクタへと変圧するように構成された磁気的に結合した回路であって、前記二次インダクタの第１端は第１および第２のダイオードに接続され、前記第１および第２のダイオードは逆の極性を有し、前記第１のダイオードは前記第１のパルスを整流するように構成されており、前記第２のダイオードは前記第２のパルスを整流するように構成されている、磁気的に結合した回路と、
−  コモンポイントにおいて直列接続し、前記第１および第２の出力端子の間に接続された出力キャパシタであって、前記第１のダイオードの出力は前記第１の出力端子と接続され、前記第２のダイオードの出力は前記第２の出力端子と接続され、前記二次インダクタの前記第２端は前記コモンポイントと接続している、出力キャパシタと、
を備える。
【００７７】
本発明は添付図面に関連して説明されてきたが、提示された例に限定されるわけではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載されている。請求項の文脈において、「備えている（comprising）」や「備える（comprises）」は他の可能な要素や工程を排除しない。また、「１つの（a, an）」などの記載は、要素が複数存在する場合を排除しない。図で示された要素に関連して請求項の中で使用される参照番号は、本発明の範囲を限定するものではない。さらに、異なる請求項で言及された個別の要素は、有利に組み合わされるかもしれないし、請求項の中でこれらの要素に言及することは、要素の組合せが不可能であり不利である場合を排除するものでもない。
【００７８】
好ましい実施例についてした前述の説明があくまで例示であり、あらゆる修正が当業者によってなされうることは理解されよう。上述の明細書、例、データ、例示的な実施形態
の使用は、構造の説明を完成させるためのものである。本発明の様々な実施形態は、ある程度の独自性をもって、あるいは１つ又はそれ以上の個別の実施形態について、これまで、説明してきたが、当業者はであれば、本発明の思想や範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に対しておびただしい改変を加えることができよう。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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