(57)【要約】  パルス幅変調（PWM）コントローラを含む再構成可能な電力変換器が提供される。PWMコントローラは、電流レベル特性が遷移閾値を超えると、第１変調方式と第２変調方式との間を切り替えるように構成される。
2021522772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流レベル特性が遷移閾値を横切ると、第１変調方式と第２変調方式との間で切り替えるように構成されたパルス幅変調（PWM）コントローラ、を含む再構成可能な電力変換器。
【請求項２】
前記PWMコントローラは、最初に前記第１変調方式を実行し、前記電流レベル特性を検出し、前記電流レベル特性が前記遷移閾値を横切ると前記第２変調方式を実行するようにさらに構成される、請求項１に記載の再構成可能な電力変換器。
【請求項３】
前記遷移閾値は第１遷移閾値及び第２遷移閾値を含み、前記PWMコントローラは、（i）前記電流レベル特性が前記第１遷移閾値を超える場合に、前記第２変調方式を実行し、（ii）前記電流レベル特性が前記第２遷移閾値を下回る場合に、前記第１変調方式を再実行するように、さらに構成される、請求項２に記載の再構成可能な電力変換器。
【請求項４】
前記遷移閾値は第１遷移閾値及び第２遷移閾値を含み、前記PWMコントローラは、（i）前記電流レベル特性が前記第１遷移閾値を下回る場合に、前記第２変調方式を実行し、（ii）前記電流レベル特性が前記第２遷移閾値を超える場合に、前記第１変調方式を再実行するように、さらに構成される、請求項２に記載の再構成可能な電力変換器。
【請求項５】
請求項１に記載の再構成可能な電力変換器であって、さらに：
第１対の制御信号に基づき線形・レグとして機能し、かつ第２対の制御信号に基づき共振・レグとして機能するように構成されたインダクタ・レグ；並びに
前記第１対の制御信号に基づき線形・レグとして、かつ前記第２対の制御信号に基づき共振・レグとして機能するように構成された変圧器・レグ；
を含み、
前記PWMコントローラは、前記第１対の制御信号を前記インダクタ・レグに送り、前記第２対の制御信号を前記変圧器・レグに送ることによって前記第１変調方式を実行し、前記第１対の制御信号を前記変圧器・レグに送り、前記第２対の制御信号を前記インダクタ・レグに送ることによって前記第２変調方式を実行するようにさらに構成される、
ことを特徴とする再構成可能な電力変換器。
【請求項６】
請求項５に記載の再構成可能な電力変換器であって、前記インダクタ・レグは第１スイッチと第２スイッチとを含み、前記変圧器・レグは第１スイッチと第２スイッチとを含み、前記インダクタ・レグの前記第１スイッチと前記第２スイッチ、及び前記変圧器・レグの前記第１スイッチと前記第２スイッチは、それぞれ、５０%のデューティ・サイクルの方形波でゲート制御される、再構成可能な電力変換器。
【請求項７】
再構成可能電力変換器であって：
第１対の制御信号に基づき線形・レグとして機能し、かつ第２対の制御信号に基づき共振・レグとして機能するように構成されたインダクタ・レグ；
前記第１対の制御信号に基づき線形・レグとして機能し、かつ前記第２対の制御信号に基づき共振・レグとして機能するように構成された変圧器・レグ；並びに
第１変調方式のために、前記第１対の制御信号を前記インダクタ・レグに送り、前記第２対の制御信号を前記変圧器・レグに送り、第２変調方式のために、前記第１対の制御信号を前記変圧器・レグに送り、前記第２対の制御信号を前記インダクタ・レグに送る構成されたパルス幅変調（PWM）コントローラ；
を含む再構成可能電力変換器。
【請求項８】
前記第１対の制御信号は第１ゲート信号と第２ゲート信号とを含み、前記第２対の制御信号は第３ゲート信号と第４ゲート信号とを含む、請求項７に記載の再構成可能電力変換器。
【請求項９】
前記インダクタ・レグは第１スイッチと第２スイッチとを含み、前記変圧器・レグは第１スイッチと第２スイッチとを含む、請求項８に記載の再構成可能電力変換器。
【請求項１０】
前記第１変調方式のために、前記PWMコントローラは、前記第１ゲート信号を前記インダクタ・レグの前記第１スイッチに供給すること、前記第２ゲート信号を前記インダクタ・レグの前記第２スイッチに供給すること、前記第３ゲート信号を前記変圧器・レグの前記第１スイッチに供給すること、及び前記第４ゲート信号を前記変圧器・レグの前記第２スイッチに供給することによって、前記第１対の制御信号を前記インダクタ・レグに送り、かつ前記第２対の制御信号を前記変圧器・レグに送るように構成されることを特徴とする請求項９に記載の再構成可能電力変換器。
【請求項１１】
前記第２変調方式のために、前記PWMコントローラは、前記第１ゲート信号を前記変圧器・レグの前記第１スイッチに供給すること、前記第２ゲート信号を前記変圧器・レグの前記第２スイッチに供給すること、前記第３ゲート信号を前記インダクタ・レグの前記第１スイッチに供給すること、及び前記第４ゲート信号を前記インダクタ・レグの前記第２スイッチに供給することによって、前記第１対の制御信号を前記変圧器・レグに送り、かつ前記第２対の制御信号を前記インダクタ・レグに送るように構成されることを特徴とする請求項９に記載の再構成可能電力変換器。
【請求項１２】
前記PWMコントローラは、電流レベル特性を検出し、前記電流レベル特性に基づいて前記第１変調方式又は前記第２変調方式を実行するようにさらに構成される、請求項７に記載の再構成可能電力変換器。
【請求項１３】
前記PWMコントローラは、前記電流レベル特性が遷移閾値を超えると、前記第１変調方式から前記第２変調方式へと遷移するようにさらに構成される、請求項１２に記載の再構成可能電力変換器。
【請求項１４】
前記遷移閾値は第１遷移閾値を含み、前記PWMコントローラは、前記電流レベル特性が第２遷移閾値を下回ると、前記第２変調方式から前記第１変調方式に遷移するようにさらに構成される、請求項１３に記載の再構成可能電力変換器。
【請求項１５】
インダクタ・レグ及び変圧器・レグを備える再構成可能な電力変換器を適応的に制御する方法であって：
第１変調方式に従って、前記インダクタ・レグ及び前記変圧器・レグのための複数のゲート信号として複数の制御信号を提供することにより、前記第１変調方式を実行するステップ；
電流レベル特性を検出するステップ；
前記電流レベル特性が第１遷移閾値を横切ると、第２変調方式に従って、前記インダクタ・レグ及び前記変圧器・レグのための前記ゲート信号として前記制御信号を提供することにより、前記第１変調方式から前記第２変調方式へと遷移するステップ；並びに
前記電流レベル特性が第２遷移閾値を横切ると、前記第１変調方式に従って、前記インダクタ・レグ及び前記変圧器・レグの前記ゲート信号として前記制御信号を供給することにより、前記第２変調方式から前記第１変調方式へと遷移して戻るステップ；
を含む方法。
【請求項１６】
前記インダクタ・レグは第１スイッチと第２スイッチとを含み、前記変圧器・レグは第１スイッチと第２スイッチとを含み、前記制御信号は第１制御信号と第２制御信号と第３制御信号と第４制御信号とを含み、前記ゲート信号は前記インダクタ・レグの前記第１スイッチのための第１ゲート信号と、前記インダクタ・レグの前記第２スイッチのための第２ゲート信号と、前記変圧器・レグの前記第１スイッチのための第３ゲート信号と、前記変圧器・レグの前記第２スイッチのための第４ゲート信号とを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１変調方式に従って、前記インダクタ・レグ及び前記変圧器・レグのための前記ゲート信号として前記制御信号を提供するステップは、前記第１ゲート信号として前記第１制御信号を供給するステップと、前記第２ゲート信号として前記第２制御信号を供給するステップと、前記第３ゲート信号として前記第３制御信号を供給するステップと、前記第４ゲート信号として前記第４制御信号を供給するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２変調方式に従って、前記インダクタ・レグ及び前記変圧器・レグのための前記ゲート信号として前記制御信号を提供するステップは、前記第３ゲート信号として前記第１制御信号を供給するステップと、前記第４ゲート信号として前記第２制御信号を供給するステップと、前記第１ゲート信号として前記第３制御信号を供給するステップと、前記第２ゲート信号として前記第４制御信号を供給するステップとを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ゲート信号を用いて、前記インダクタ・レグの前記第１スイッチ及び前記第２スイッチ、並びに前記変圧器・レグの前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのそれぞれを、５０％のデューティ・サイクルの方形波でゲート制御するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記電流レベル特性は、出力電流及び電力のうちの１つを含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、電力変換器に向けられ、より詳細には、再構成可能な電力変換器を適応的に制御するためのシステム及び方法に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換器は、典型的には、電力変換器の動作領域の一端又は動作領域の反対端のいずれかで効率を改善するような方法で、電力変換器のスイッチのためのパルス幅変調ゲート信号を生成する。かくして、第１の従来のアルゴリズムが電力変換器によって実装される場合、パルス幅変調ゲート信号は、電力変換器におけるスイッチング損失を最小化するが、伝導損失は最小化しないように生成される。或いは、第２の従来のアルゴリズムが電力変換器によって実装される場合、パルス幅変調ゲート信号は、電力変換器における伝導損失を最小化するが、スイッチング損失は最小化しないように生成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示は、再構成可能な電力変換器を適応的に制御するためのシステム及び方法を提供する。
【０００４】
第１の実施形態では、パルス幅変調（PWM）コントローラを含む再構成可能な電力変換器が提供される。PWMコントローラは、電流レベル特性が遷移閾値を横切ると、第１変調方式と第２変調方式との間で切り替えるように構成される。
【０００５】
第２の実施形態では、インダクタ・レグ、変圧器・レグ及びPWMコントローラを含む再構成可能な電力変換器が提供される。インダクタ・レグは、第１対の制御信号に基づき線形・レグとして機能し、かつ第２対の制御信号に基づき共振・レグとして機能するように構成される。変圧器・レグは、第１対の制御信号に基づき線形・レグとして機能し、かつ第２対の制御信号に基づき共振・レグとして機能するように構成される。PWMコントローラは、第１対の制御信号をインダクタ・レグに送り、第２対の制御信号を変圧器・レグに送って、第１変調方式をとるように構成されている。また、PWMコントローラは、第１対の制御信号を変圧器・レグに送り、第２対の制御信号をインダクタ・レグに送って、第２変調方式を得るように構成されている。
【０００６】
第３の実施形態では、インダクタ・レグ及び変圧器・レグを備える再構成可能な電力変換器を適応的に制御するための方法が提供される。この方法は、第１変調方式に従って、インダクタ・レグ及び変圧器・レグのための複数のゲート信号として複数の制御信号を提供することによって、第１変調方式を実行するステップを含む。電流レベル特性を検出するステップを含む。電流レベル特性が第１遷移しきい値を横切ると、第２変調方式に従って、インダクタ・レグ及び変圧器・レグのためのゲート信号として制御信号を供給することによって、再構成可能な電力変換器が第１変調方式から第２変調方式へと遷移する。電流レベル特性が第２遷移閾値を横切ると、第１変調方式に従って、インダクタ・レグ及び変圧器・レグのゲート信号として制御信号を供給することによって、再構成可能な電力変換器が第２変調方式から第１変調方式へと遷移して戻る。
【０００７】
他の技術的特徴は、以下の図面、説明、及び特許請求の範囲から当業者には容易に明らかとなり得る。
【０００８】
本開示及びその特徴をより完全に理解するために、添付の図面と併せて以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施形態に従った再構成可能な電力変換器を示す。
【図２】本開示の実施形態に従った、図１の再構成可能電力変換器の回路図を示す。
【図３Ａ】本開示の実施形態に従った、図１の再構成可能電力変換器のための第１変調方式を示す。
【図３Ｂ】本開示の実施形態に従った、図１の再構成可能電力変換器のための第２変調方式を示す。
【図４Ａ】本開示の実施形態に従った、図１の再構成可能電力変換器における第１変調方式から第２変調方式への移行を示す。
【図４Ｂ】本開示の実施形態に従った、図１の再構成可能電力変換器における第２変調方式から第１変調方式への移行を示す。
【図５】本開示の実施形態に従った、図１の再構成可能電力変換器を適応的に制御するための方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に説明される図１から図５、及び本特許文献において本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、例示のためのものに過ぎず、決して本発明の範囲を制限するために解釈されるべきではない。当業者であれば、本発明の原理は、任意のタイプの適切に配置された装置又はシステムで実施することができることを理解するであろう。
【００１１】
図１は、本開示の実施形態に従った再構成可能な電力変換器１００を示す。図１に示される再構成可能電力変換器１００の実施形態は、例示のみを目的としている。再構成可能電力変換器１００の他の実施形態が、本開示の範囲から逸脱することなく使用することができる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、再構成可能電力変換器１００は、位相シフトフルブリッジゼロ電圧スイッチング絶縁DC/DC変換器（phase-shifted, full-bridge,
zero-voltage switching, isolated DC/DC）を含む。しかしながら、再構成可能な電力変換器１００は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の他の適切なタイプの電力変換器を含んでもよいことが理解されるであろう。再構成可能電力変換器１００は、特定のレベルの入力電圧を異なるレベルの出力電圧に変換するように構成される。
【００１３】
図１に示す実施形態では、再構成可能電力変換器１００は、パルス幅変調（PWM）コントローラ１０２、インダクタ・レグ（inductor leg）１０４、共振インダクタ１０６、変圧器・レグ（transformer
leg）１０８、主変圧器１１０、クランプダイオード・レグ（clamp diode leg）１１２、及び出力回路１１４を含む。以下により詳細に説明するように、PWMコントローラ１０２は、再構成可能電力変換器１００のための２つの異なる変調方式の間で適応的にスイッチングすることによって、再構成可能電力変換器１００を適応的に制御するように構成される。
【００１４】
インダクタ・レグ１０４は、複数のスイッチを含むスイッチマトリクスを含む。インダクタ・レグ１０４は、少なくとも１つのインダクタを含む共振インダクタ１０６内に電流を生成するように構成される。変圧器・レグ１０８も、複数のスイッチを含むスイッチマトリクスを含む。変圧器・レグ１０８は、主変圧器１１０のための変圧器電流を生成するように構成される。主変圧器１１０は、少なくとも１つの変圧器を含む。
【００１５】
クランプダイオード・レグ１１２は、複数のダイオードを含み、以下に説明するように、指定された状況に応じて、インダクタ電流とトランス電流との差のための経路を提供するように構成される。出力回路１１４は、出力電圧ノードと、再構成可能電力変換器１００の出力電圧を生成するための任意の他の適切な回路とを含む。
【００１６】
インダクタ・レグ１０４及び変圧器・レグ１０８内のスイッチは、再構成可能電力変換器１００の出力回路１１４において出力電圧を生成するように、ターンオン及びターンオフされるように構成される。スイッチがターンオン又はターンオフになるたびに、スイッチはスイッチング損失と呼ばれる電力損失を被る。電源が比較的低い電流を供給する場合、これらのスイッチング損失は全体的な電力損失を支配する。しかしながら、電源が比較的高い電流を供給する場合、伝導損失としても知られる抵抗損失が、再構成可能な電力変換器１００の全体的な電力損失を支配する。かくして、再構成可能電力変換器１００は、電流が低い場合にスイッチング損失を最小化するように構成され、電流が高い場合には伝導損失を最小化するように構成され、逆も同様である。
【００１７】
動作において、いくつかの実施形態に従えば、PWMコントローラ１０２は、インダクタ・レグ１０４及び変圧器・レグ１０８の機能性を、線形・レグ（linear leg）及び共振・レグ（resonant leg）として、適応的に交換するように動作する。特定の実施形態では、PWMコントローラ１０２は、出力回路１１４で生成された出力電流に基づいて、インダクタ・レグ１０４及び変圧器・レグ１０８の機能を、線形・レグ及び共振・レグとして、適応的に交換する。例えば、より低い出力電流で実装される第１変調方式では、PWMコントローラ１０２は、インダクタ・レグ１０４が共振・レグとして動作し、変圧器・レグ１０８が線形・レグとして動作するように、ゲート信号としてPWM制御信号を提供することができる。より高い出力電流で実装される第２変調方式では、PWMコントローラ１０２は、インダクタ・レグ１０４が線形・レグとして動作し、変圧器・レグ１０８が共振・レグとして動作するように、ゲート信号としてPWM制御信号を提供することができる。他の実施形態では、PWMコントローラ１０２は、別の電流レベル特性（すなわち、電流レベル特性の増加が再構成可能電力変換器１００の電流レベルの増加に対応するような、再構成可能電力変換器１００の電流レベルに関連する特性）に基づいて、インダクタ・レグ１０４及びトランス・レグ１０８の機能性を、線形・レグ及び共振・レグとして、適応的に交換する。例えば、出力電流の代わりに、電流レベル特性を電力としても良い。
【００１８】
このようにして、スイッチング損失は、より低い電流レベルで低減され、一方、伝導損失は、より高い電流レベルで低減され得る。その結果、出力電流の全負荷範囲にわたって、再構成可能な電力変換器１００の効率を最適化することができる。このことは、PWMコントローラ１０２によるインダクタ・レグ１０４及び変圧器・レグ１０８のスイッチへのゲート信号としてのPWM制御信号がどのように供給されるかを変更することによって達成され、従って、追加のハードウェアを必要としない。さらに、二次側スイッチングデバイスの変調には変化がない。
【００１９】
図１は、再構成可能な電力変換器１００の一例を示しているが、図１の実施形態には、様々な変更を加えることができる。例えば、再構成可能電力変換器１００の種々の構成要素を組み合わせたり、さらに分割したり、移動させたり、又は省略したりすることができ、特定のニーズに応じて追加の構成要素を追加することができる。
【００２０】
図２は、本開示の一実施形態に従った、再構成可能電力変換器１００の回路図を示す。図２に示される再構成可能電力変換器１００の実施形態は、例示のみを目的としている。再構成可能電力変換器１００の他の実施形態が、本開示の範囲から逸脱することなく使用することができる。再構成可能電力変換器１００のためのPWMコントローラは、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイその他の適切なデバイスで実装することができる。
【００２１】
図２の実施形態に例示されている例では、再構成可能な電力変換器１００は、インダクタ・レグ１０４、変圧器・レグ１０８及びクランプダイオード・レグ１１２に結合された入力電圧ノードVin ２０２a〜２０２bを含む。インダクタ・レグ１０４は、第１スイッチ２０４a（SA）と、第２スイッチ２０４b（SB）と、スイッチノード２０６とを含む。同様に、変圧器・レグ１０８は、第１スイッチ２０４c（SC）と、第２スイッチ２０４d（SD）と、スイッチノード２０８とを含む。スイッチ２０４a〜２０４dの各々は、MOSFET、IGBT、又は３つの端子を含む任意の他の適切なスイッチングデバイスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、スイッチ２０４a〜２０４dは、５０%デューティ・サイクルの方形波でゲート制御することができる。しかしながら、スイッチ２０４a〜２０４dは、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の適切な方法でゲート制御され得ることが理解されるであろう。
【００２２】
主変圧器１１０は、一次巻線２１０と、上側二次巻線２１２aと、下側二次巻線２１２bとを含む。クランプダイオード・レグ１１２は、第１ダイオード２１４a及び第２ダイオード２１４bを含む。クランプダイオード・レグ１１２は、共振インダクタ１０６及び変圧器一次巻線２１０に結合される。出力回路１１４は、出力電圧ノードVout ２２６a-bに加えて、第１スイッチ２２０a、第２スイッチ２２０b、出力インダクタ２２２及び出力キャパシタ２２４を含むことができる。スイッチ２２０a〜２２０bの各々は、MOSFET、IGBTその他の任意の適切なスイッチングデバイスを含んでもよい。
【００２３】
インダクタ・レグ１０４は、スイッチノード２０６において共振インダクタ１０６に結合され、そしてクランプダイオード・レグ１１２に結合される。変圧器・レグ１０８は、スイッチノード２０８において主変圧器１１０に結合され、そしてクランプダイオード・レグ１１２に結合されている。インダクタ・レグ１０４と変圧器・レグ１０８も互いに結合されている。PWMコントローラ１０２は、出力回路１１４の出力電圧ノード２２６a-bに結合され、そしてインダクタ・レグ１０４及び変圧器・レグ１０８のスイッチ２０４a-dに結合される。この実施形態では、再構成可能電力変換器１００は、一次側にフルブリッジを有する孤立DC/DC変換器を提供するが、二次側は、複数の構成を使用して実施することができる。
【００２４】
PWMコントローラ１０２は、再構成可能電力変換器１００のための２つの異なるPWM変調方式のうちの１つを実装するように構成される。かくして、PWMコントローラ１０２は、第１のPWM変調方式又は第２のPWM変調方式のいずれかに従って、ゲート信号２３０a〜２３０dとしてスイッチ２０４a〜２０４dに提供される制御信号を内部的に生成するように構成することができる。特定の実施形態では、PWMコントローラ１０２は、出力電流２２８（出力電圧ノード２２６a〜２２６b又は他の適切な位置におけるような電流）を検知又は検出し、その出力電流２２８に基づいて、２つの異なるPWM変調方式のうちの１つを実装するように構成される。別の特定の実施形態では、PWMコントローラ１０２は、再構成可能電力変換器１００のための電力レベルを検知し、その電力レベルに基づいて、２つの異なるPWM変調方式のうちの１つを実施するように構成される。
【００２５】
動作において、いくつかの実施形態に従えば、PWMコントローラ１０２は、最初に、第１の変調方式又は変調スキーム（first modulation scheme）に対応するある特定の順序で、ゲート信号２３０a〜２３０dとして制御信号を提供する。PWMコントローラ１０２が、第１遷移閾値を超える電流レベル特性（出力電流２２８又は電力レベルなど）を検知又は検出すると、PWMコントローラ１０２は、第２の変調方式又は変調スキーム（second
modulation scheme）に対応する別の特定の順序で、ゲート信号２３０a〜dとして制御信号を供給することによって、再構成可能な電力変換器１００を再構成する。同様に、PWMコントローラ１０２が電流レベル特性が第２の遷移閾値を下回って降下することを検知又は検出すると、PWMコントローラ１０２は、第１変調方式に対応する、元の特定の順序で、ゲート信号２３０a〜dとして制御信号を供給することによって、再構成可能な電力変換器１００を、再び、再構成する。かくして、再構成可能電力変換器１００の電流レベルが上昇したり下降するに連れて、PWMコントローラ１０２は、その動作を第１変調方式及び第２変調方式の間で切り替えることによって、再構成可能電力変換器１００を適応的に制御する。いくつかの実施形態では、PWMコントローラ１０２は、最初に、第２変調方式に対応する特定の順序でゲート信号２３０a〜２３０dとして、制御信号を提供することができることが理解されよう。
【００２６】
第１遷移閾値及び第２遷移閾値の値は、入力電流などの任意の適切な基準に基づいて決定することができる。具体的な例として、２０Aで５０Vを提供するシステムでは、第１遷移閾値を５Aに設定することができ、１００Aで１００Vを提供するシステムでは、第１遷移閾値を３５Aに設定することができる。しかしながら、任意の適切な閾値が、特定の用途の特定のニーズに基づいて選択され得ることが理解されるであろう。さらに、第２遷移閾値は、遷移境界にヒステリシスを提供するために、第１遷移閾値とは異なる遷移閾値であってもよい。特定の例では、第１遷移閾値が３０Aに設定される場合、第２遷移閾値が２０Aに設定され得る。しかしながら、これら２つの遷移閾値間の差は、特定の用途に基づいて任意の適切な量であり得ることが理解されるであろう。
【００２７】
PWMコントローラ１０２によって提供されるゲート信号２３０a-dに基づいて、インダクタ・レグ１０４及び変圧器・レグ１０８はそれぞれ、フルブリッジの位相・レグによって実行される機能に応じて、線形・レグ又は共振・レグのいずれかとして指定することができる。線形・レグ上の装置の切換え整流は、主変圧器１１０の一次側から二次側への電力の伝達を終了させ、一方、共振・レグ上の装置の切換えは、主変圧器１１０の一次側から二次側への電力の伝達を開始させる。故に、PWMコントローラ１０２が特定の時刻において実行しているPWM変調方式に応じて、インダクタ・レグ１０４又は変圧器・レグ１０８のいずれかが主変圧器１１０の一次巻線２１０に結合され、他方のレグ１０８又は１０４が共振インダクタ１０６に結合される。
【００２８】
PWMコントローラ１０２が第１変調方式を実行するとき、インダクタ・レグ１０４は共振インダクタ１０６に結合され、変圧器・レグ１０８は変圧器一次巻線２１０に結合される。この変調方式は、クランプダイオード２１４a〜２１４bにおける電流を増加させるが、変圧器・レグ１０８のゼロ電圧スイッチングを達成し、その結果、スイッチング損失を低下させる。PWMコントローラ１０２が第２変調方式を実行するとき、変圧器・レグ１０８は共振インダクタ１０６に結合され、一方、インダクタ・レグ１０４は変圧器一次巻線２１０に結合される。この変調方式は、クランプダイオード２１４a〜２１４bにおける電流を最小化し、伝導損失を低減する。かくして、PWMコントローラ１０２によって提供されるゲート信号２３０a-dを通じて変調方式を適応的に変更することによって、出力回路１１４内の二次側スイッチ２２０a-bの変調方式を変更することなく、再構成可能電力変換器１００の効率が最適化される。加えて、変調方式間の移行は、再構成可能電力変換器１００が端末の挙動に影響を与えることなく動作している間に、シームレス（seamlessly）に達成することができる。
【００２９】
図２は、再構成可能な電力変換器１００の一例を示しているが、図２の実施形態には、様々な変更を加えることができる。例えば、再構成可能電力変換器１００の種々の構成要素を組み合わせたり、さらに分割したり、移動させたり、又は省略したりすることができ、特定のニーズに応じて追加の構成要素を追加することができる。特定の例では、出力電流２２８は、出力電圧ノード２２６a〜２２６b以外の位置で検出することができる。別の例では、出力電流２２８の代わりに、電力レベルがPWMコントローラ１０２によって検出され得る。
【００３０】
図３Ａは、本開示の一実施形態に従った、再構成可能電力変換器１００のための第１変調方式３００を示す。この変調方式３００では、インダクタ・レグ１０４は共振・レグとして機能し、変圧器・レグ１０８は線形・レグとして機能する。
【００３１】
図３Ａに示すように、第１変調方式３００の信号は、マスタークロック信号Ｓ  ３０２、位相シフトされたクロック信号ＳＰＳ  ３０４、第１対の制御信号３１０及び３１２、並びに第２対の制御信号３１４及び３１６を含む。マスタークロック信号３０２は、スイッチング・サイクルＴＳＷの半分については高く、スイッチング・サイクルの残りの半分については低くなる。同様に、位相シフトクロック信号３０４は、スイッチング・サイクルの半分については高く、スイッチング・サイクルの残りの半分については低くなる。しかしながら、位相シフトクロック信号３０４は、指定された期間ＴＰＳだけマスタークロック信号３０２に対して位相シフトされている。期間ＴＰＳは、図示された実施形態におけるスイッチング・サイクルの約１/４に相当する。マスタークロック信号３０２と位相シフトクロック信号３０４との間の時間のシフトは、再構成可能電力変換器１００の出力電圧ノード２２６a-bにおける出力電圧を制御するデューティ・サイクルである。例えば、入力電圧が１００Vで位相シフトが２０%の場合、出力電圧は２０Vとなる。かくして、この位相シフトは、特定の用途に基づいて選択することができる。
【００３２】
第１対の制御信号３１０及び３１２は、マスタークロック信号３０２を追跡する。制御信号３１０は、マスタークロック信号３０２を正に追跡し、一方、制御信号３１２は、マスタークロック信号３０２を相補的に追跡する。すなわち、マスタークロック信号３０２がハイである場合、制御信号３１０はハイであり、制御信号３１２はローである。同様に、マスタークロック信号３０２がローである場合、制御信号３１０はローであり、制御信号３１２はハイである。
【００３３】
第２対の制御信号３１４及び３１６は、位相シフトクロック信号３０４を追跡する。制御信号３１４は、位相シフトクロック信号３０４を正に追跡し、一方、制御信号３１６は、位相シフトクロック信号３０４を相補的に追跡する。すなわち、位相シフトクロック信号３０４がハイである場合、制御信号３１４はハイであり、制御信号３１６はローとなる。同様に、位相シフトクロック信号３０４がローである場合、制御信号３１４はローとなり、制御信号３１６はハイとなる。
【００３４】
図３Ａに示すように、PWMコントローラ１０２が第１変調方式３００を実行しているとき、PWMコントローラ１０２は、第１対の制御信号３１０及び３１２を再構成可能電力変換器１００のインダクタ・レグ１０４へと送り、制御信号３１０は、第１スイッチ２０４aのゲート信号２３０aを提供し、制御信号３１２は、第２スイッチ２０４bのゲート信号２３０bを提供する。同様に、PWMコントローラ１０２は、第２対の制御信号３１４及び３１６を再構成可能電力変換器１００の変圧器・レグ１０８へと送り、制御信号３１４は、第１スイッチ２０４cのゲート信号２３０cを提供し、制御信号３１６は、第２スイッチ２０４dのゲート信号２３０dを提供する。
【００３５】
これらの信号３０２、３０４、３１０、３１２、３１４及び３１６は、交番的な（alternating）電力伝達（power transfer）（ＰＴ）位相及びフリーホイール（freewheel）（ＦＷ）位相３１８及び３２０の４つのセクションに分割されて示されている。かくして、第１セクションは、ハイのマスタークロック信号３０２、ローの位相シフトクロック信号３０４、ハイの制御信号３１０及び３１６、並びにローの制御信号３１２及び３１４を含む電力伝達位相３１８を示す。これに続いて、ハイのマスタークロック信号３０２、ハイの位相シフトクロック信号３０４、ハイの制御信号３１０及び３１４、並びにローの制御信号３１２及び３１６を含むフリーホイール位相３２０を示す第２のセクションがある。これに続いて、ローのマスタークロック信号３０２、ハイの位相シフトクロック信号３０４、ハイの制御信号３１２及び３１４、並びにローの制御信号３１０及び３１６を含む電力伝達位相３１８を示す第３のセクションがある。これに続いて、ローのマスタークロック信号３０２、ローの位相シフトクロック信号３０４、ハイの制御信号３１２及び３１６、並びにローの制御信号３１０及び３１４を含むフリーホイール位相３２０を示す第４のセクションがある。この時点で、このサイクルは最初のセクションで繰り返され、同じように続く。
【００３６】
電力伝達位相３１８は、出力電流２２８が入力電流に直接関連するように、主変圧器を通して入力電圧ノード２０２a〜２０２bから出力電圧ノード２２６a〜２２６bへと電力が伝達される位相である。フリーホイール位相３２０は、出力インダクタ２２２に蓄積されたエネルギーが出力電圧ノード２２６a〜２２６bへと循環するが、入力と出力との間に電気的接続は存在しない位相である。加えて、線形・レグは、電力伝達位相３１８から、フリーホイール位相３２０への遷移（線形遷移である）を達成するためにスイッチするレグである。共振・レグは、フリーホイール位相３２０から、電力伝達位相３１８への遷移（共振遷移である）を達成するためにスイッチするレグである。かくして、図３Ａ（及び図３Ｂ）に示されるように、位相シフトクロック３０４のエッジは、線形遷移に対応し、マスタークロック信号３０２のエッジは、共振遷移に対応する。
【００３７】
図３Ａはまた、破線として示されたインダクタ電流３２２（すなわち、共振インダクタ１０６を通る電流）と、実線として示された一次電流３２４（すなわち、主変圧器１１０の一次巻線２１０を通る電流）との典型的な例を示す。インダクタ電流３２２と一次電流３２４との差から生じる如何なる電流も、再構成可能電力変換器１００のクランプダイオード・レッグ１１２内のダイオード２１４a〜２１４bのうちの１つを通って流れる。例えば、変圧器の一次巻線２１０を通過するよりも、共振インダクタ１０６を通過する電流の方が多い場合、オーバーフロー電流は、第１ダイオード２１４aを通って導かれる。同様に、変圧器一次巻線２１０を通過するよりも共振インダクタ１０６を通過する電流の方が少ない場合、第２のダイオード２１４bを通って追加の電流が流れる。かくして、第１変調方式３００では、この差（ダイオード電流）は、（図３Ｂに関連して後述する第２変調方式３５０と比較して）より高い伝導損失をもたらすが、スイッチング損失はより低い。その結果、この第１変調方式３００は、出力電流２２８が比較的低い場合に有用である。何故ならば、低電流においてスイッチング損失が支配的であり、第１変調方式３００がスイッチング損失を最小化するからである。
【００３８】
図３Bは、本開示の実施形態に従った、再構成可能電力変換器１００のための第２変調方式３５０を示す。この変調方式３５０では、インダクタ・レグ１０４は線形・レグ（linear leg）として機能し、変圧器・レグ１０８は共振・レグ（resonant
leg）として機能する。
【００３９】
図３Ｂに示すように、第２変調方式３５０の信号は、マスタークロック信号Ｓ ３０２、位相シフトされたクロック信号ＳＰＳ
３０４、第１対の制御信号３１０及び３１２、並びに第２対の制御信号３１４及び３１６を含む。図３Ａに示す第１変調方式３００と同様に、第１対の制御信号３１０及び３１２は、マスタークロック信号３０２を追跡し、第２の対の制御信号３１４及び３１６は、位相シフトクロック信号３０４を追跡する。かくして、これらの信号３０２、３０４、３１０、３１２、３１４又は３１６のいずれにも変化はない。
【００４０】
しかしながら、図３Ｂに示すように、PWMコントローラ１０２が第２変調方式３５０を実行している場合、PWMコントローラ１０２は、第１対の制御信号３１０及び３１２を再構成可能電力変換器１００の（インダクタ・レグ１０４の代わりに）変圧器・レグ１０８へと送り、制御信号３１０は、第１スイッチ２０４cのゲート信号２３０cを提供し、制御信号３１２は、第２のスイッチ２０４dのゲート信号２３０dを提供する。同様に、PWMコントローラ１０２は、第２の対の制御信号３１４及び３１６を再構成可能電力変換器１００の（変圧器・レグ１０８の代わりに）インダクタ・レグ１０４へと送り、制御信号３１４は第１スイッチ２０４aのゲート信号２３０aを、制御信号３１６は第２スイッチ２０４bのゲート信号２３０bを供給する。
【００４１】
図３Ａのように、図３Ｂに示された信号３０２、３０４、３１０、３１２、３１４及び３１６は、交番的な電力伝達（PT）位相及びフリーホイール（FW）位相３１８及び３２０の４つの部分に分割されている。信号３０２、３０４、３１０、３１２、３１４及び３１６は同じままであるため、電力伝達位相３１８及びフリーホイール位相３１８及び３２０は、第１変調方式３００における信号間の関係と同じ関係を有する。しかしながら、PWMコントローラ１０２は第２変調方式３５０を実行しているので、インダクタ電流３２２と一次電流３２４との間の関係は異なる。図３Ｂに示すように、これらの電流３２２と３２４との間の差、したがってクランプダイオード・レグ１１２を通るダイオード電流の量は、大幅に減少する。かくして、PWMコントローラ１０２がこの変調方式３５０を実行する場合、スイッチング損失は（図３Ａに関連して上述した第１変調方式３００と比較して）大きくなるが、伝導損失は減少する。その結果、この第２変調方式３５０は、高電流において伝導損失が支配的であるため、出力電流２２８が比較的高い場合に有用であり、第２変調方式３５０は、ダイオード２１４a-bを通る電流を最小化することによって伝導損失を最小化する。
【００４２】
図４Ａは、本開示の一実施形態に従った、再構成可能電力変換器１００における第１変調方式３００から第２変調方式３５０への遷移を示す。この実施形態では、マスタークロック信号３０２、位相シフトされたクロック信号３０４、第１対の制御信号３１０及び３１２、並びに第２対の制御信号３１４及び３１６は、それぞれ、図３Ａ及び３Ｂに示された信号３０２、３０４、３１０、３１２、３１４及び３１６に対応する。図４Ａは、単に、図３Ａの第１変調方式３００から図３Ｂの第２変調方式３５０への遷移を示す。
【００４３】
その結果、第１変調方式３００については、PWMコントローラ１０２は、第１対の制御信号３１０及び３１２をゲート信号２３０a及び２３０bとしてインダクタ・レグ１０４のスイッチ２０４a及び２０４bにそれぞれ送り（route）、第２対の制御信号３１４及び３１６をゲート信号２３０c及び２３０dとして変圧器・レグ１０８のスイッチ２０４c及び２０４dにそれぞれ送る。
【００４４】
しかしながら、PWMコントローラ１０２が、電流レベル特性が所定の第１遷移閾値を超えたこと（この例では、遷移時刻４００（垂直破線として示される）で起こる）を検知した場合、PWMコントローラ１０２は第２変調方式３５０へと遷移する。次に、PWMコントローラ１０２は、第１対の制御信号３１０及び３１２をゲート信号２３０ｃ及び２３０dとして変圧器・レグ１０８のスイッチ２０４c及び２０４dにそれぞれ供給し始め、かつ、第２対の制御信号３１４及び３１６をゲート信号２３０a及び２３０bとしてインダクタ・レグ１０４のスイッチ２０４a及び２０４bにそれぞれ供給し始める。
【００４５】
遷移時刻４００で生じる、第１変調方式３００から第２変調方式３５０へのこの遷移は、主変圧器１１０又は他の誘導性構成要素の磁束バランスに何ら影響を与えることなく、再構成可能電力変換器１００の動作中にシームレス（seamlessly）に行われる。さらに、効率を最大にするために、制御信号３１０、３１２、３１４、及び３１６の移行の間のデッドタイム（dead times）は、一方の変調方式から他方の変調方式へと容易に移行することもできる。
【００４６】
図４Ｂは、本開示の実施形態に従った、再構成可能電力変換器１００における第２変調方式３５０から第１変調方式３００への遷移を示す。この実施形態では、マスタークロック信号３０２、位相シフトされたクロック信号３０４、第１対の制御信号３１０及び３１２、並びに第２対の制御信号３１４及び３１６は、それぞれ、図３Ａ及び３Ｂに示された信号３０２、３０４、３１０、３１２、３１４及び３１６に対応する。図４Ｂは、単に、図３Ｂの第２変調方式３５０から図３Ａの第１変調方式３００への遷移を示す。
【００４７】
その結果、第２変調方式３５０では、PWMコントローラ１０２は、第１対の制御信号３１０及び３１２をゲート信号２３０c及び２３０dとして変圧器・レグ１０８のスイッチ２０４c及び２０４dにそれぞれ送り、第２対の制御信号３１４及び３１６をゲート信号２３０a及び２３０bとしてインダクタ・レグ１０４のスイッチ２０４a及び２０４bにそれぞれ送る。
【００４８】
しかしながら、PWMコントローラ１０２が、電流レベル特性が所定の第２遷移閾値を下回ること（この例では（垂直の破線として示されている）遷移時刻４０２で発生する）を検知すると、PWMコントローラ１０２は第１変調方式３００へと遷移する。次に、PWMコントローラ１０２は、第１対の制御信号３１０及び３１２をゲート信号２３０a及び２３０bとしてインダクタ・レグ１０４のスイッチ２０４a及び２０４bにそれぞれ供給し始め、かつ第２の対の制御信号３１４及び３１６をゲート信号２３０c及び２３０dとして変圧器・レグ１０８のスイッチ２０４c及び２０４dにそれぞれ供給し始める。第２遷移閾値は、遷移境界にヒステリシスを提供するように、第１遷移閾値とは異なっても良い場合があることが理解されよう。
【００４９】
図５は、本開示の実施形態に従った、再構成可能電力変換器１００を適応的に制御するための方法５００を示す。図５に示される方法５００は、例示のみを目的としている。再構成可能電力変換器１００は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の他の適切な方法で適応的に制御することができる。
【００５０】
最初に、第１変調方式（ステップ５０２）に従って、制御信号３１０、３１２、３１４及び３１６がゲート信号２３０a〜dとして提供される。例えば、特定の実施形態では、PWMコントローラ１０２は、制御信号３１０及び３１２をインダクタ・レグ１０４へと送り、制御信号３１４及び３１６を変圧器・レグ１０８へと送る。いくつかの実施形態では、第１変調方式３００に基づいて、PWMコントローラ１０２は、インダクタ・レグ１０４内の第１スイッチ２０４aに対する第１ゲート信号２３０aとして制御信号３１０を提供し、インダクタ・レグ１０４内の第２スイッチ２０４bに対する第２ゲート信号２３０bとして制御信号３１２を提供し、変圧器・レグ１０８内の第１スイッチ２０４cに対する第３ゲート信号２３０cとして制御信号３１４を提供し、変圧器・レグ１０８内の第２スイッチ２０４dに対する第４ゲート信号２３０dとして制御信号３１６を提供する。かくして、これらの制御信号３１０、３１２、３１４及び３１６は、ゲート信号２３０a、２３０b、２３０c及び２３０dにそれぞれ対応し、その結果、再構成可能な電力変換器１００が第１変調方式３００の下で動作することとなる。
【００５１】
再構成可能電力変換器１００の電流レベル特性が検知される（ステップ５０４）。例えば、特定の実施形態では、PWMコントローラ１０２は、出力電流２２８を（再構成可能電力変換器１００の出力回路１１４の出力電圧ノード２２６a〜bで又は他の適切な位置で）検知する。電流レベル特性が第１遷移閾値を横切らなかった場合（ステップ５０６）、電流レベル特性が第１遷移閾値を横切るまで（ステップ５０６）、電流レベル特性を検出し続ける（ステップ５０４）。例えば、特定の実施形態の場合、出力電流２２８が第１遷移閾値を超えるまで、出力電流２２８を検出し続けることができる。
【００５２】
電流レベル特性が第１遷移閾値を横切る（ステップ５０６）と、第２変調方式に従って、制御信号３１０、３１２、３１４及び３１６は、ゲート信号２３０a〜dとして提供される（ステップ５０８）。例えば、特定の実施形態では、出力電流２２８が第１遷移閾値を超えると、PWMコントローラ１０２は、制御信号３１４及び３１６をインダクタ・レグ１０４に送り、制御信号３１０及び３１２を変圧器・レグ１０８に送る。いくつかの実施形態では、第２変調方式３５０に基づいて、PWMコントローラ１０２は、インダクタ・レグ１０４内の第１スイッチ２０４aに対する第１ゲート信号２３０aとして制御信号３１４を提供し、インダクタ・レグ１０４内の第２のスイッチ２０４bに対する第２ゲート信号２３０bとして制御信号３１６を提供し、変圧器・レグ１０８内の第１スイッチ２０４cに対する第３ゲート信号２３０cとして制御信号３１０を提供し、変圧器・レグ１０８内の第２スイッチ２０４dに対する第４ゲート信号２３０dとして制御信号３１２を提供する。かくして、これらの制御信号３１０、３１２、３１４及び３１６は、ゲート信号２３０c、２３０d、２３０a及び２３０bにそれぞれ対応し、その結果、再構成可能な電力変換器１００が第２変調方式３５０の下で動作することとなる。
【００５３】
再構成可能電力変換器１００の電流レベル特性が検知される（ステップ５１０）。例えば、特定の実施形態では、PWMコントローラ１０２は、出力電流２２８を（再構成可能電力変換器１００の出力回路１１４の出力電圧ノード２２６a〜bで又は他の適切な位置で）検知する。電流レベル特性が第２遷移閾値を横切らなかった場合（ステップ５１２）、電流レベル特性が第２遷移閾値を越えるまで（ステップ５１２）、電流レベル特性を検出し続ける（ステップ５１０）。例えば、特定の実施形態の場合、出力電流２２８が第２遷移閾値を下回るまで、出力電流２２８を検出し続けてもよい。
【００５４】
電流レベル特性が第２遷移閾値を越えると（ステップ５１２）、制御信号３１０、３１２、３１４及び３１６は、第１変調方式（ステップ５０２）に従って、ゲート信号２３０a〜dとして再度提供される。例えば、特定の実施形態では、出力電流２２８が第２遷移閾値を下回ると、PWMコントローラ１０２は、再び、制御信号３１０及び３１２をインダクタ・レグ１０４へと送り、制御信号３１４及び３１６を変圧器・レグ１０８へと送る。第２遷移閾値は、遷移境界にヒステリシスを提供するために、第１遷移閾値とは異なっても良い。
【００５５】
このようにして、PWM制御技術が提供され、再構成可能な電力変換器１００を、単一のPWM変調方式を実行する電力変換器と比較して、再構成可能な電力変換器１００の効率を最大化するために、２つの異なるPWM変調方式３００、３５０の間で再構成可能な電力変換器１００を再構成することを可能にする。
【００５６】
図５は、再構成可能電力変換器１００を適応的に制御するための方法５００の一例を示しているが、図５に示される実施形態に対して種々の変更を加えることができる。例えば、図５では一連のステップとして示されているが、図５の様々なステップは、重複するか、並列に発生するか、異なる順序で発生するか、又は複数回発生することができる。特定の例として、PWMコントローラ１０２は、ステップ５０４及び５１０に関連する離散的時刻にのみ電流レベル特性を検出する代わりに、電流レベル特性を連続的に検出することができる。別の例として、いくつかの実施形態では、再構成可能電力変換器１００は、最初に、第２変調方式３５０の下で動作してもよい。これらの実施形態では、ステップ５０２の第１変調方式は、図３Ｂの第２変調方式３５０に対応し、電流レベル特性が第１遷移閾値を下回るまで（ステップ５０６）、電流レベル特性が検出される（ステップ５０４）。同様に、ステップ５０８の第２変調方式は、図３Ａの第１変調方式３００に対応し、電流レベル特性が第２遷移閾値を超えるまで電流レベル特性が検出される（ステップ５１０）。
【００５７】
本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される装置及び方法に修正、追加又は省略を行うことができる。例えば、装置の構成要素は、一体化又は分離され得る。当該方法は、より多くのステップ、より少ないステップ又は他のステップを含んでも良い。さらに、上述のように、工程は、任意の適切な順序で実施しても良い。
【００５８】
この特許文献を通して使用されている特定の単語及び語句の定義を示すことは有利であろう。用語「含む」及び「構成される」並びにそれらの派生語は、限定のない包含を意味する。「又は」の語は、「及び／又は」を意味する。「関連する」の語及びその派生語は、「含む」、「含まれる」、「相互接続される」、「包含する」、「包含される」、「接続する」、「結合する」、「通信可能である」、「協働する」、「インターリーブする」、「併設する」、「近接する」、「拘束される」、「有する」、「所有する」、「関係を有する」その他の意味を含む。「少なくとも１つ」の語は、項目のリストとともに用いられる場合、リストされた項目のうちの１つまたは複数の異なる組み合わせが用いられ得ることを意味し、リスト内の１つの項目のみが必要であることも意味する。例えば、「A、B、Cの少なくとも１つ」は、以下の組み合わせのいずれをも含む:A、B、C、A及びB、A及びC、B及びC、並びにA及びB及びC。
【００５９】
本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法を記載したが、これらの実施形態及び方法の変更及び並び替えは、当業者には明らかであろう。従って、種々の実施形態の上述の説明は、本開示を定義したり、制約したりしない。以下の特許請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の変更、置換及び変更も可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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