(57)【要約】  開示された方法が、電力変換器を第１動作モードで動作させるステップを含み、電力変換器は、複数の第１レールに結合された複数の第１スイッチと複数のブーストダイオードとを含む。各第１レールはまた、複数のブーストインダクタの異なるものに結合され、電力変換器は複数の第２レールに結合される。第１動作モードの電力変換器は、第１レールと第２レールとの間で輸送される電力を変換する。また、本方法は、第１動作モード中に、ブーストダイオードに亘って並列に結合された複数の第２スイッチを同期スイッチとして動作させるステップを含む。各第２スイッチは、異なるブーストダイオードの１つに亘って結合される。この方法はさらに、電力変換器を第１スイッチが不活性化され、第２スイッチ及びブーストダイオードがフルブリッジ電力変換器として動作する第２動作モードに切り替えるステップを含む。
2021530952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１レールに結合された複数のブーストインダクタであり、各ブーストインダクタは前記第１レールのうち異なるレールに結合された複数のブーストインダクタ；
前記第１レールに結合されて電力変換器を形成する複数の第１スイッチ及び複数のブーストダイオードであり、前記電力変換器が複数の第２レールに結合され、前記第１レールと前記第２レールとの間で輸送される電力を変換するように構成された、複数の第１スイッチ及び複数のブーストダイオード；
各々が前記複数のブーストダイオードのうちの１つに亘って結合される複数の第２スイッチ；並びに
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを異なる動作モードで制御するように構成されたコントローラであり、前記動作モードは、
前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードが電力変換器として動作し、前記第２スイッチが同期スイッチとして動作する第１モード、及び
前記第１スイッチが不活性化され、前記第２スイッチ及び前記ブーストダイオードがフルブリッジ電力変換器として動作する第２モード、
を含むコントローラ；
を含む装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって：
前記電力変換器は、前記第１モードにおいて、一方向方式で電力を変換するように構成され；
前記フルブリッジ電力変換器は、前記第２モードにおいて、双方向方式で電力を変換するように構成され；かつ
前記コントローラは、一方向又は双方向の電力変換が必要かどうかに応じて、前記第１モード又は前記第２モードで動作するかどうかを決定するように構成されている、
装置。
【請求項３】
前記コントローラが、前記第１スイッチのうちの１つに関連する故障を検出することに応答して、前記第２モードで動作することを決定するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、さらに、
前記第２レールの間に直列に結合された複数のキャパシタ；
各々が前記第１スイッチのうちの所定スイッチに結合され、前記複数のキャパシタのうちの２つの間に結合される、少なくとも１つの信号線；
を含む装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、
前記ブーストダイオードは、前記第１レールの各々と前記第２レールの一方との間に直列に結合された複数のブーストダイオードと、前記第１レールの各々と前記第２レールの他方との間に直列に結合された複数のブーストダイオードとを含み、
当該装置は、さらに、
前記第１スイッチのうちの所定スイッチに結合された少なくとも１つの信号線；
前記ブーストダイオード、前記第２スイッチ、及び少なくとも１つの信号線に結合された追加的ダイオード；及び
各々が前記追加的ダイオードのうちの１つに亘って並列に結合された複数の第３スイッチ；
を含む、装置。
【請求項６】
前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードが、デルタ変換器及びウィーン変換器のうちの１つを形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードは、マルチレベル変換器を形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
複数の第１レールに結合された複数のブーストインダクタであり、各ブーストインダクタは前記第１レールのうち異なるレールに結合された複数のブーストインダクタ；
前記第１レールに結合された複数の電力変換器モジュールであって、前記電力変換器モジュールのうちの少なくとも１つは複数の第２レールにも結合され、前記第１レールと前記第２レールとの間で輸送される電力を変換するように構成された電力変換器モジュール；及び
異なる動作モードで前記電力変換器モジュールを制御するコントローラ；
を含むシステムであって、
前記電力変換器モジュールは、
前記第１レールに結合され、電力変換器を形成する、複数の第１スイッチ及び複数のブーストダイオード；及び
前記ブーストダイオードに亘って並列に結合される複数の第２スイッチであり、各々が前記複数のブーストダイオードのうちの異なる１つに亘って結合される第２スイッチ；
を含み、
前記動作モードは、
前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードが電力変換器として動作し、前記第２スイッチが同期スイッチとして動作する第１モード；及び
前記第１スイッチが不活性化され、前記第２スイッチ及び前記ブーストダイオードがフルブリッジ電力変換器として動作する第２モード；
を含む、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、
前記電力変換器モジュールの各々は前記第１スイッチ、前記第２スイッチ及び前記ブーストダイオードを備え、前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードは各電力変換器モジュール内に電力変換器を形成し；
前記コントローラは、前記第１モード及び前記第２モードのうちの１つで前記電力変換器モジュールの各々を選択的に動作させるように構成される、
システム。
【請求項１０】
請求項８に記載のシステムであって、
前記電力変換器モジュールのうちの２つ以上の電力変換器モジュールが前記第１スイッチを備え；
前記電力変換器モジュールのうちの最終電力変換器モジュールは、前記第２スイッチ及び前記ブーストダイオードを備え；かつ
前記コントローラは、選択的に、前記最終電力変換器モジュール及び前記２つ以上の電力変換器モジュールのうちの少なくとも１つを前記第１モードで動作させ、或いは前記最終電力変換器モジュールを前記第２モードで動作させるように構成される；
システム。
【請求項１１】
請求項８に記載のシステムであって、
前記電力変換器モジュールのうちの少なくとも２つが、前記第１モードにおいて、一方向方式で電力を変換するように構成され；
前記電力変換器モジュールのうちの少なくとも１つが、前記第２モードにおいて、双方向方式で電力を変換するように構成され；かつ
前記コントローラは、一方向又は双方向の電力変換が必要かどうかに応じて、前記第１モード又は前記第２モードで電力変換モジュールのうちの１つ以上を動作させるかどうかを決定するように構成されている、
システム。
【請求項１２】
前記コントローラが、前記第１スイッチのうちの１つに関連する故障を検出することに応答して、前記電力変換器モジュールのうちの少なくとも１つを前記第２モードで動作させることを決定するように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
請求項８に記載のシステムであって、
当該システムが、前記第２レールの間に直列に結合された複数のキャパシタをさらに含み；かつ
前記電力変換器モジュールのうちの少なくとも１つは、各々が前記第１スイッチのうちの所定スイッチに結合され、前記複数のキャパシタのうちの２つの間に結合された少なくとも１つの信号線をさらに含む、
システム。
【請求項１４】
請求項８に記載のシステムであって、
前記電力変換器モジュールのうちの少なくとも１つにおいて、前記ブーストダイオードは、前記第１レールの各々と前記第２レールの１つとの間に直列に結合された複数のブーストダイオードと、前記第１レールの各々と前記第２レールの別のものとの間に直列に結合された複数のブーストダイオードとを含み；
前記電力変換器モジュールのうちの少なくとも１つは、さらに：
前記第１スイッチのうちの所定スイッチに結合された少なくとも１つの信号線；
前記ブーストダイオード、前記第２スイッチ、及び少なくとも１つの信号線に結合された追加的ダイオード；及び
各々が前記追加的ダイオードに亘って並列に結合された複数の第３スイッチ；
を含む、システム。
【請求項１５】
前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードは、１つ以上のデルタ変換器又は１つ以上のウィーン変換器のうちの１つを形成する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードは、１つ以上のマルチレベル変換器を形成する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１７】
前記コントローラは、さらに：
前記電力変換器モジュールのうち少なくとも数個をインターリーブ方式で動作させ；かつ
前記電力変換器モジュールのうちの１つ以上の故障に応じて、残りの１つ以上の電力変換器モジュールの動作を調整して、負荷に電力を供給する、
ように構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１８】
第１動作モードで電力変換器を動作させ、該電力変換器が複数の第１レールに結合された複数の第１スイッチ及び複数のブーストダイオードを含み、各前記第１レールが複数のブーストインダクタのうちの異なるものに結合され、前記電力変換器が複数の第２レールに結合され、第１動作モードで前記電力変換器が前記第１レールと前記第２レールとの間で輸送される電力を変換する、電力変換器動作ステップ；
前記第１動作モードの間、前記ブーストダイオードに亘って並列に結合された複数の第２スイッチを同期スイッチとして動作させ、各前記第２スイッチが前記複数のブーストダイオードのうちの１つに亘って結合されている、同期スイッチ動作ステップ；及び
前記第１スイッチが不活性化され、前記第２スイッチ及び前記ブーストダイオードがフルブリッジ電力変換器として動作する第２動作モードに、前記電力変換器を切り替えるステップ；
を含む方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法であって、
前記電力変換器は、複数の変換器モジュールを備え、各前記変換器モジュールは、前記第１スイッチと、前記ブーストダイオードと、前記第２スイッチとを備え、前記第１スイッチ及び前記ブーストダイオードは各前記変換器モジュール内に電力変換器を形成し；かつ
当該方法が、前記変換器モジュールをインターリーブ方式で動作させるように制御するステップをさらに含む、方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の方法であって、
前記電力変換器は、複数の変換器モジュールを備え、該変換器モジュールのうちの２つ以上が前記第１スイッチを備え、前記変換器モジュールのうちの最終変換器モジュールは、前記ブーストダイオード及び前記第２スイッチを備え；かつ
当該方法が、前記２つ以上の変換器モジュールをインターリーブ方式で動作させるように制御するステップをさらに含む、方法。
【請求項２１】
請求項１８記載の方法であって、
前記電力変換器は、複数の変換器モジュールを備え；かつ
当該方法が、前記変換器モジュールのうちの１つ以上の故障に応答して、残りの１つ以上の変換器モジュールの動作を調整して、負荷に電力を連続的に供給するステップをさらに含む、方法。
【請求項２２】
請求項１８記載の方法であって、
前記電力変換器は、前記第１動作モードでは一方向方式で、前記第２動作モードでは双方向方式で電力を変換し；
当該方法は、一方向又は双方向の電力変換が必要であるかどうかに応じて、前記電力変換器を前記第１動作モード又は前記第２動作モードで動作させるかどうかを決定するステップをさらに含む、方法。
【請求項２３】
前記第１スイッチのうちの１つに関連する故障を検出することに応答して、前記電力変換器を前記第２動作モードで動作させることを決定するステップをさらに含む、請求項１８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、電力変換器に関する。より詳細には、本開示は、アクティブパワーファクター補正（PFC）を支持する適応型電力変換器トポロジーに関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
ある形態の電力（パワー）を別の形態の電力に変換するために、種々のタイプの電力変換器（power converters）が開発されてきた。電力変換器の例としては、交流−直流（AC-DC）変換器及び直流―交流インバータが挙げられる。いくつかの電力変換器トポロジーは、単一の電力変換経路を有し、例えば、単相又は三相電力を調整されたDC出力に変換するため、或いはDC電力を単相又は三相出力に変換するために使用される単一の経路を有する。残念ながら、これらのトポロジーを使用して実装される電力変換器は、変換経路内の単一の構成要素が故障したときに、典型的にシャットダウンされる。結果として、これらのトポロジーは、故障管理及び隔離の問題又はシステム信頼性の問題に対処しない。
【０００３】
他の電力変換器トポロジーは、負荷電力需要を共有するために、並列方式で又はインターリーブ方式で動作する２つ以上の変換器モジュールを使用する。これらのアプローチは、変換器全体の効率を改善し、電力変換器から利用可能な電力量を増加させるのに役立つ。しかしながら、これらのトポロジーを使用して実装される電力変換器は、典型的には、いずれかの変換器モジュール内の単一のコンポーネントが故障した場合にもシャットダウンされる。その結果、複数の変換器モジュールを使用することは、変換器の効率を改善し、利用可能な電力を増加させるのに役立つが、故障管理及び隔離の問題又はシステムの信頼性の問題には対処しない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示は、アクティブ力率補正（PFC）を支持（support）する適応電力変換器トポロジーを提供する。
【０００５】
第１の実施形態に従った装置は、複数の第１レールに結合された複数のブーストインダクタを含み、各ブーストインダクタは、第１レールのうち異なるレールに結合される。装置はまた、第１レールに結合されて電力変換器を形成する複数の第１スイッチ及び複数のブーストダイオードを含む。電力変換器はまた、複数の第２レールに結合され、電力変換器は、第１レールと第２レールとの間で輸送される電力を変換するように構成される。装置はさらに、各々が複数のブーストダイオードのうちの１つに亘って結合される複数の第２スイッチを含む。さらに、装置は、第１スイッチ及び第２スイッチを異なる動作モードで制御するように構成されたコントローラを含む。動作モードは、第１スイッチ及びブーストダイオードが電力変換器として動作し、第２スイッチが同期スイッチとして動作する第１モードを含む。動作モードはまた、第１スイッチが不活性化され、第２スイッチ及びブーストダイオードがフルブリッジ電力変換器として動作する第２モードを含む。
【０００６】
第２の実施形態に従ったシステムは、複数の第１レールに結合された複数のブーストインダクタを含み、各ブーストインダクタは、第１レールのうちの異なるレールに結合される。システムはまた、第１レールに結合された複数の電力変換モジュールを含み、電力変換モジュールのうちの少なくとも１つは複数の第２レールに結合されている。電力変換モジュールは、第１レールと第２レールとの間で輸送される電力を変換するように構成される。電力変換モジュールは、第１のレールに結合され、電力変換器を形成する複数の第１スイッチ及び複数のブーストダイオードをまとめて含む。電力変換モジュールはまた、集合的に、ブーストダイオードに亘って並列に結合される複数の第２スイッチを含み、各第２スイッチは、複数のブーストダイオードのうちの異なる１つに亘って結合される。システムは、さらに、異なる動作モードで電力変換モジュールを制御するように構成されたコントローラを含む。動作モードは、第１スイッチ及びブーストダイオードが電力変換器として動作し、第２スイッチが同期スイッチとして動作する第１モードを含む。動作モードはまた、第１スイッチが不活性化され、第２スイッチ及びブーストダイオードがフルブリッジ電力変換器として動作する第２モードを含む。
【０００７】
第３の実施形態に従った方法は、電力変換器を第１動作モードで動作させるステップを含み、電力変換器は、複数の第１レールに結合された複数の第１スイッチ及び複数のブーストダイオードを含む。各第１レールはまた、複数のブーストインダクタのうちの異なるものに結合され、電力変換器は複数の第２レールに結合される。電力変換器は、第１動作モードで、第１レールと第２レールとの間で輸送される電力を変換する。また、本方法は、第１動作モードの間、ブーストダイオードに亘って並列に結合された複数の第２スイッチを同期スイッチとして動作させることを含む。各第２スイッチは、ブーストダイオードのうちの異なる１つに亘って結合される。この方法はさらに、電力変換器を、第１のスイッチが不活性化され、第２スイッチ及びブーストダイオードがフルブリッジ電力変換器として動作する第２動作モードに切り替えることを含む。
【０００８】
他の技術的特徴は、以下の図面、発明の詳細な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。
【０００９】
本開示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】
【００１０】
【図１】本開示に従った第１の例の適応型電力変換器トポロジーを示す。
【図２】本開示に従った第２の例の適応型電力変換器トポロジーを示す。
【図３Ａ】本開示に従った第３の例の適応型電力変換器トポロジーを示す。
【図３Ｂ】本開示に従った第３の例の適応型電力変換器トポロジーを示す。
【図４Ａ】本開示に従った第４の例の適応型電力変換器トポロジーを示す。
【図４Ｂ】本開示に従った第４の例の適応型電力変換器トポロジーを示す。
【図５Ａ】本開示に従った、並列の又はインターリーブされた変換器モジュールを支持する適応型電力変換器トポロジーの第１の例を示す。
【図５Ｂ】本開示に従った、並列の又はインターリーブされた変換器モジュールを支持する適応型電力変換器トポロジーの第１の例を示す。
【図６】本開示に従った、並列の又はインターリーブされた変換器モジュールを支持する適応型電力変換器トポロジーの第２の例を示す。
【図７】本開示に従った、電力変換器を使用する適応型電力変換の例示的方法を示す。
【図８】本開示に従った、複数の変換器モジュールを有する電力変換器を使用する適応電力変換の例示的方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に説明される図１から図８、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。
【００１２】
上述のように、いくつかの電力変換器トポロジーは、単一の電力変換経路を使用する。しかしながら、これらの電力変換器は、典型的には、変換経路内の単一の構成要素が故障したときにシャットダウンされる。他の電力変換器トポロジーは、変換器の効率を改善し、利用可能な電力を増加させるために、並列方式で又はインターリーブ方式で動作する２つ以上の変換器モジュールを使用する。しかし、これらのトポロジーは、通常、単一のコンポーネントが故障したときにも失敗する。結果として、これらのトポロジーは、単一変換器又はマルチ変換器設計における故障許容管理、故障隔離問題又は信頼性問題に対処しない。
【００１３】
本開示は、種々の適応電力変換器トポロジーを提供する。これらの電力変換器トポロジーの各々は、デルタ変換器、ウィーン変換器、３レベル変換器、又は有効力率補正を支持する他のマルチレベル変換器を実装するブーストインダクタ、スイッチ、及びブーストダイオードを含む。これらの電力変換器トポロジーの各々は、ブーストダイオードに亘って並列に結合された種々の追加的スイッチも含む。これらの付加的なスイッチは、電力変換器が正常に動作しているときに電力変換器の損失を低減し、効率を向上させるために、同期スイッチとして動作することができる。（電力変換器の故障スイッチのような）故障の場合、電力変換器がフルブリッジ電力変換器として動作するように、追加的スイッチを再構成することができる。このように、これらの電力変換器トポロジーは、故障許容管理、故障隔離、及びシステム信頼性の向上を提供するのに役立つ。
【００１４】
さらに、いくつかの実施形態では、電力変換器は、複数の変換器モジュールを含み、各変換器モジュールは、本明細書に開示される電力変換器トポロジーのうちの少なくとも一部のトポロジーを支持する。いくつかの実施形態では、変換器モジュールのうちの少なくとも１つは、上述したのと同じ方法で、故障管理又は隔離及び改善されたシステム信頼性を支持することができる。それだけでなく、複数の変換器モジュールを並列方式で又はインターリーブ方式で使用することができるため、変換器効率の改善、負荷共有の改善、及び変換器の信頼性の向上に役立つ。さらに、必要に応じて、故障した変換器モジュールを隔離することができ、残りの変換器モジュールは、適応制御及び故障許容管理技術を用いて動作させることができる。かくして、電力変換器内の１つ以上の変換器モジュールが、電力変換器の出力に影響を与えることなく、また電力変換器が部分定格で動作することを必要とせずに、故障したり、さもなければオフラインになっても大丈夫である。
【００１５】
これらの電力変換器トポロジーでは、デジタル制御アルゴリズムを使用して、電力変換器内の構成要素に供給される制御信号を自動的に調整することができる。例えば、デジタル制御アルゴリズムは、電力変換器トポロジーが正常に動作しているかフルブリッジ変換器として動作しているかを制御するために、電力変換器トポロジーにおける追加的スイッチの動作を調整することができる。また、デジタル制御アルゴリズムは、１つ以上の他の変換器モジュールがオフラインになったときに、１つ以上の変換器モジュールの動作を調整することができる。全体として、これは、電力変換器が１つ以上の故障した構成要素を分離し、一方、電力変換器の残りの構成要素は、負荷に中断することなく、電力を供給し続けることを助けることができる。
【００１６】
説明を容易にするために、以下に説明する種々の電力変換器トポロジーは、AC-DC電力変換を実行するために使用されるものとして説明されることが多いことに留意されたい。しかしながら、同じ又は類似の電力変換器トポロジーを、DC-AC電力反転又はDC-DC電力変換などの他の電力変換機能を実行するために使用することもできる。また、以下に説明する電力変換器トポロジーは、いくつかの構成では一方向性であり、他の構成では双方向性であると説明することができ、この場合、これらの電力変換器トポロジーは、所望の方向に電気エネルギーを変換するために必要に応じて再構成することができる。かくして、「入力レール」及び「出力レール」のようなフレーズは、電力変換器トポロジーの一方向の構成を記述する場合に単に便宜上使用され、電力変換器トポロジーを全ての構成において電力変換の特定の方向に制限するものではない。さらに、以下に説明する電力変換器トポロジーは、電力変換器トポロジー内の種々のスイッチの適切な制御を介して、単相AC信号又は三相AC信号のいずれかと共に使用することができる。
【００１７】
図１は、本開示に従った第１の例の適応電力変換器トポロジー１００を示す。図１に示すように、電力変換器トポロジー１００は、変換器トポロジー１００の複数の入力レール（第１レール）１０４a〜１０４cに結合される複数のブーストインダクタ１０２a〜１０２cを含む。ブーストインダクタ１０２a〜１０２cは、AC入力信号（例えば、三相AC入力信号）を受信し、入力レール１０４a〜１０４c上に電気エネルギーを供給するように構成される。入力レール１０４a〜１０４cは、ブーストインダクタ１０２a〜１０２cを電力変換器トポロジー１００の他の構成要素に結合する。各ブーストインダクタ１０２a〜１０２cは、任意の適切なインダクタンスを有する任意の適切な誘導構造を含む。いくつかの実施形態では、各ブーストインダクタ１０２a〜１０２cは、電力変換器トポロジー１００のスイッチのスイッチング周波数の２倍又はそれ以上で動作するようにサイズ決定される（少なくとも部分的には、図５Ａ〜６に関連して後述するように使用される変換器モジュールの数に依存する）。各入力レール１０４a〜１０４cは、任意の適切な導電経路を含む。
【００１８】
６個の第１スイッチ１０６a〜１０６fが入力レール１０４a〜１０４cに結合され、６個のブーストダイオード１０８a〜１０８fも入力レール１０４a〜１０４cに結合される。この例では、スイッチ１０６a〜１０６f及びブーストダイオード１０８a〜１０８fは、AC入力信号をDC出力信号に変換するためにデルタ変換器（又はデルタ整流器）として動作するように構成される。６個のスイッチ１０６a〜１０６fは、三角形に機能的に配置され、三角形の各側片は、２個のスイッチ１０６a〜１０６b、１０６c〜１０６d、１０６e〜１０６fを含み、三角形の各コーナーは、入力レール１０４a〜１０４cの異なる１つに結合されるので、この構造は、デルタ（又はΔ）変換器と呼ばれる。スイッチ１０６a〜１０６fを適切に動作させることによって、スイッチ１０６a〜１０６f及びブーストダイオード１０８a〜１０８fは、AC入力信号をDC出力信号に変換する。各スイッチ１０６a〜１０６fは、電力金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）又は他の電力トランジスタなどの、電気的接続を選択的に形成及び遮断するように構成された任意の適切な構造を含む。
【００１９】
ブーストダイオード１０８a〜１０８fは、様々な回路分岐１１０a〜１１０cを通る電流の流れを制限するように動作する。各回路分岐１１０a〜１１０cは、直列に結合された２個のブーストダイオード１０８a〜１０８b、１０８c〜１０８d、１０８e〜１０８fを含み、入力レール１０４a〜１０４cのうちの１つは、各回路分岐１１０a〜１１０c内の直列結合ブーストダイオード間に結合される。異なる回路分岐１１０a〜１１０cは、入力レール１０４a〜１０４cの異なる分岐に接続され、回路分岐１１０a〜１１０cは、２つの出力レール（第２レール）１１２a〜１１２bの間で並列に接続される。まとめると、ブーストダイオード１０８a〜１０８fは、DC電流が出力レール１１２a〜１１２bを流れ、負荷１１４（この例では抵抗で表される）に供給されることを確実にするのに役立つ。各ブーストダイオード１０８a〜１０８fは、電流の流れを単一の方向に制限するように構成される任意の適切な構造を含む。各回路分岐１１０a〜１１０c及び出力レール１１２a〜１１２bは、任意の適切な導電経路を含む。
【００２０】
追加的スイッチ（第２スイッチ）１１６a〜１１６fが、それぞれブーストダイオード１０８a〜１０８fに亘って並列に結合される。特に、各追加的スイッチ１１６a〜１１６fは、ブーストダイオード１０８a〜１０８fのうちの１個に亘って並列に結合され、異なるスイッチ１１６a〜１１６fは、異なるブーストダイオード１０８a〜１０８fに亘って結合される。追加的スイッチ１１６a〜１１６fは、ブーストダイオード１０８a〜１０８fの周囲に電気経路を選択的に提供するように動作する。各追加的スイッチ１１６a〜１１６fは、電力MOSFET又は他の電力トランジスタなどの、電気接続を選択的に形成及び遮断するように構成される任意の適切な構造を含む。
【００２１】
通常動作中（すべてのスイッチ１０６a〜１０６fが正しく動作している場合）、追加的スイッチ１１６a〜１１６fは同期スイッチとして動作する。この間、追加的スイッチ１１６a〜１１６fの各々は、関連するブーストダイオード１０８a〜１０８fが電流を伝導すべきときに閉鎖され、関連するブーストダイオード１０８a〜１０８fが電流を遮断すべきときに開放されることができる。この動作モードでは、追加的スイッチ１１６a〜１１６fの各々は、関連するブーストダイオード１０８a〜１０８fと同期して導電性になる。追加的スイッチ１１６a〜１１６fは、ブーストダイオード１０８a〜１０８fに比較してより低い電圧降下を有するため、これは、トポロジー１００の損失を低減し、トポロジー１００の効率を高めるのに役立つ。
【００２２】
スイッチ１０６a〜１０６fのうちの１つ以上が故障した場合、トポロジー１００の動作を調節して、トポロジー１００内に故障許容管理又は故障隔離を提供することができる。より具体的には、AC入力信号がブーストダイオード１０８a〜１０８fに適切に供給されることを確実にするために、残りの動作スイッチ１０６a〜１０６fを必要に応じて開閉することができる。この動作モードでは、次いで、追加的スイッチ１１６a〜１１６fを、ブーストダイオード１０８a〜１０８f及び追加的スイッチ１１６a〜１１６fがフルブリッジ電力変換器を実装するように、動作させることができる。このようにして、トポロジー１００は、機能を維持し、１つ以上の故障が存在しても電力変換機能を提供することができる。さらに、トポロジー１００の動作を双方向フルブリッジ変換器と一方向デルタ、ウィーン（Vienna）その他の変換器との間で必要に応じて変更するために、スイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fのための制御信号を調整することによってトポロジー１００を変更することができる。
【００２３】
１個以上のキャパシタ１１８a〜１１８bが、負荷１１４に亘って、及び出力レール１１２a〜１１２bの間に並列に結合される。キャパシタ１１８a〜１１８bは、負荷１１４に供給されるDC出力を平滑化するために電気エネルギーを貯蔵し、放出するために使用される。能動的電力ファクター補正（active power factor correction）が、トポロジー１００内のスイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fの制御を介して行われる。能動的電力ファクター補正とは、電力系統の力率又は電力ファクター（power factor）を変化させることを含み、力率は実電力と皮相電力（apparent
power）の比として定義される。各キャパシタ１１８a〜１１８bは、任意の適切なキャパシタンスを有する任意の適切なキャパシタ構造を含む。
【００２４】
この例では、トポロジー１００内のスイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fは、コントローラ１２０を使用して制御される。例えば、コントローラ１２０は、スイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fのためのパルス幅変調（PWM）制御信号を生成することができ、各PWM制御信号のデューティサイクルは、関連するスイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fが導電性又は非導電性となる頻度を制御するためにコントローラ１２０によって調整可能である。コントローラ１２０はまた、トポロジー１００の動作を変化する条件に適合させるデジタル制御アルゴリズムを実装することができる。例えば、コントローラ１２０は、トポロジー１００が正常に動作するように、通常動作モード中にスイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fを制御することができる。コントローラ１２０はまた、故障の場合に必要に応じて全ての動作スイッチ１０６a〜１０６fを開閉し、トポロジー１００がフルブリッジ動作モードで動作するようにスイッチ１１６a〜１１６fを制御することができる。
【００２５】
コントローラ１２０は、電力変換器トポロジーのスイッチのための制御信号を生成するように構成される任意の適切な構造を含む。コントローラ１２０は、例えば、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（DSPs）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGAs）、特定用途向け集積回路（ASICs）、又は個別回路を表すことができる。この例では、コントローラ１２０は、２つの信号バスを介して２組の制御信号を出力し、２つのデマルチプレクサ１２２a〜１２２bは、信号バスを介して送られた制御信号を、スイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fに供給する個々の制御信号に分離する。しかし、これは必須ではなく、他のアプローチを使用しても種々のスイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fを制御することができることに留意されたい。例えば、コントローラ１２０は、スイッチ１０６a〜１０６f、１１６a〜１１６fの各々を制御するための別個の出力を含むことができ、或いは、他の数の信号バス及びデマルチプレクサを使用することができる（１つの信号バス及び１つのデマルチプレクサを含む）。
【００２６】
図２は、本開示に従った第２の例の適応電力変換器トポロジー２００を示す。図２に示されるトポロジー２００は、図１に示されるトポロジー１００と構造が類似している。図２に示すように、トポロジー２００は、ブーストインダクタ２０２a〜２０２c、入力レール２０４a〜２０４c、スイッチ２０６a〜２０６f、ブーストダイオード２０８a〜２０８f、回路分岐２１０a〜２１０c、出力レール２１２a〜２１２b、負荷２１４、追加的スイッチ２１６a〜２１６f、キャパシタ２１８a〜２１８b、コントローラ２２０、及びデマルチプレクサ２２２a〜２２２bを含む。これらの構成要素は、図１に示され、上述された対応する構成要素と同一又は類似であり得る。
【００２７】
図２では、スイッチ２０６a〜２０６fは、デルタ又は三角形の構成に配置されていない。代わりに、スイッチ２０６a〜２０６f及びブーストダイオード２０８a〜２０８fは、AC入力信号をDC出力信号に変換するために、ウィーン変換器（又はウィーン整流器）を実装するように構成される。この構成では、スイッチ２０６a〜２０６fは、３対の直列結合スイッチ２０６a〜２０６b、２０６c〜２０６d、２０６e〜２０６fに配置される。直列結合スイッチ２０６a〜２０６b、２０６c〜２０６d、２０６e〜２０６fの各対は、入力レール２０４a〜２０４cの異なる１つに、及び共通信号線２０９に結合される。信号線２０９はまた、２つのキャパシタ２１８a〜２１８bの間に結合される。通常動作中、この構成のスイッチ２０６a〜２０６f及びブーストダイオード２０８a〜２０８fは、ウィーン変換器として動作する。
【００２８】
１つ以上のスイッチ２０６a〜２０６fが故障した場合、トポロジー２００の動作を調節して、トポロジー２００内に故障許容管理又は故障隔離を提供することができる。より具体的には、AC入力信号がブーストダイオード２０８a〜２０８fに適切に供給されることを確実にするために、必要に応じて、残りの動作スイッチ２０６a〜２０６fを開閉することができる。この動作モードでは、追加的スイッチ２１６a〜２１６fは、次いで、ブーストダイオード２０８a〜２０８f及び追加的スイッチ２１６a〜２１６fがフルブリッジ電力変換器を実装するように、動作させることができる。このようにして、トポロジー２００は、１つ以上の故障が存在しても、機能を維持し、電力変換機能を提供することができる。さらに、スイッチ２０６a〜２０６f、２１６a〜２１６fのための制御信号を調整することによりトポロジー２００を変更して、双方向フルブリッジ変換器と一方向デルタ、ウィーンその他の変換器との間でトポロジー２００の動作を必要に応じて変化させることができる。
【００２９】
図３Ａ及び３Ｂは、本開示に従った第３の例の適応電力変換器トポロジー３００を示す。図３Ａ及び３Ｂに示されるように、トポロジー３００は、ブーストインダクタ３０２a〜３０２c及び入力レール３０４a〜３０４cを含み、これらは、図１及び２に示され、上述される対応する構成要素と同一であり得るか、又は類似し得る。
【００３０】
トポロジー３００はまた、スイッチ３０６a〜３０６rを含む３レベル変換器構造を実装し、各スイッチは、対応するダイオード３０７a〜３０７rに亘って並列に結合される。スイッチ３０６a〜３０６r及びダイオード３０７a〜３０７rは、一般に、本実施形態では３つのグループに配置される。第１のグループは、スイッチ３０６a〜３０６f及びダイオード３０７a〜３０７fを含み、第２のグループは、スイッチ３０６g〜３０６ｌ及びダイオード３０７g〜３０７ｌを含み、第３のグループは、スイッチ３０６m〜３０６r及びダイオード３０７m〜３０７rを含む。
【００３１】
第１のグループでは、スイッチ３０６a、３０６b、３０６d、３０６eは、互いに直列に結合され、各スイッチ３０６a、３０６b、３０６d、３０６eは、ダイオード３０７a、３０７b、３０７d、３０７eの対応するものと並列に結合される。ダイオード３０７c及び３０７fは、それぞれ、スイッチ３０６b及び３０６eに亘って並列に結合され、スイッチ３０６c及び３０６fは、それぞれ、ダイオード３０７c及び３０７fに亘って並列に結合される。スイッチ３０６aは、一方の入力レール３０４aに結合され、スイッチ３０６dは、他方の入力レール３０４bに結合される。スイッチ３０６cと３０６fとの間、及びダイオード３０７cと３０７fとの間のノードは、信号線３０９に結合される。第２のグループと第３のグループも同様の配置になっている。しかしながら、第２のグループは入力レール３０４b及び３０４cに結合され、第３のグループは入力レール３０４a及び３０４cに結合される。コントローラ３２０が、オプションとして少なくとも１つのデマルチプレクサ３２２aを介して、スイッチ３０６a〜３０６rの動作を制御する。本実施形態では、デルタ変換器として示されているが、ウィーン変換器その他の変換器をここで使用することもできることに留意されたい。ウィーン変換器として実装される場合、スイッチ３０６d、３０６j、及び３０６pの出力は、共通信号線に結合することができる。
【００３２】
図３Ｂに示すように、トポロジー３００は、ブーストダイオード３０８a〜３０８ｌ、回路分岐３１０a〜３１０c、追加的スイッチ３１６a〜３１６ｌ、ダイオード３２４a〜３２４f、及び追加的スイッチ３２６a〜３２６fをさらに含む。これらのコンポーネントは、３つのグループに再度配置される。第１のグループは、追加的ダイオード３０８a〜３０８d、回路分岐３１０a、追加的スイッチ３１６a〜３１６d、ダイオード３２４a〜３２４b、及び追加的スイッチ３２６a〜３２６bを含む。第２のグループは、追加的ダイオード３０８e〜３０８h、回路分岐３１０b、追加的スイッチ３１６e〜３１６h、ダイオード３２４c〜３２４d、及び追加的スイッチ３２６c〜３２６dを含む。第３のグループは、ブーストダイオード３０８i〜３０８ｌ、回路分岐３１０c、追加的スイッチ３１６i〜３１６ｌ、ダイオード３２４e〜３２４f、及び追加的スイッチ３２６e〜３２６fを含む。
【００３３】
第１のグループでは、ブーストダイオード３０８a〜３０８dは、回路分岐３１０aに沿って直列に結合され、追加的スイッチ３１６a〜３１６dのうちの１つは、各ブーストダイオード３０８a〜３０８dに亘って並列に結合される。ダイオード３２４aは、信号線３０９に結合され、追加的スイッチ３２６aは、ダイオード３２４aに亘って並列に結合される。また、ダイオード３２４aは、追加的スイッチ３１６a〜３１６b間、及びブーストダイオード３０８a〜３０８b間に結合される。同様に、ダイオード３２４bは、信号線３０９に結合され、追加的スイッチ３２６bは、ダイオード３２４bに亘って並列に結合される。また、ダイオード３２４bは、追加的スイッチ３１６c〜３１６d間及びブーストダイオード３０８c〜３０８d間に結合される。ブーストダイオード３０８a及び追加的スイッチ３１６aもまた、出力レール３１２aに結合され、ブーストダイオード３０８d及び追加的スイッチ３１６dも、出力レール３１２bに結合される。ブーストダイオード３０８b〜３０８c及び追加的スイッチ３１６b〜３１６cは、入力レールの１つ３０４aに結合される。第２及び第３のグループは、同様の配置を有するが、第２及び第３のグループは、それぞれ、入力レール３０４b及び３０４cに結合される。
【００３４】
構成要素の３つのグループは、互いに、及び出力レール３１２a〜３１２bに並列に結合される。また、出力レール３１２a〜３１２bは、負荷３１４及び２つのキャパシタ３１８a〜３１８bに結合される。キャパシタ３１８a〜３１８bは、出力レール３１２a〜３１２bの間に直列に結合され、信号線３０９は、キャパシタ３１８a〜３１８bの間に結合される。コントローラ３２０は、選択的に少なくとも１つのデマルチプレクサ３２２bを介して、追加的スイッチ３１６a〜３１６ｌ及び追加的スイッチ３２６a〜３２６fの動作を制御する。
【００３５】
通常動作の間、スイッチ３０６a〜３０６rは、トポロジー３００がデルタ、ウィーンその他の電力変換器機能を実現するように制御され、追加的スイッチ３１６a〜３１６ｌ及び３２６a〜３２６fは、関連するダイオード３０８a〜３０８ｌ及び３２４a〜３２４fのための同期スイッチとして動作するように制御される。１つ以上のスイッチ３０６a〜３０６rが故障した場合、トポロジー３００の動作を調節して、トポロジー３００内に故障許容管理又は故障隔離を提供することができる。より具体的には、AC入力信号がダイオード３０８a〜３０８ｌに適切に供給されることを確実にするために、必要に応じて、残りの操作スイッチ３０６a〜３０６rを開閉することができる。この動作モードでは、ダイオード３０８a〜３０８ｌ及び３２４a〜３２４f、並びに追加的スイッチ３１６a〜３１６ｌ及び３２６a〜３２６fがフルブリッジ電力変換器を実装するように、追加的スイッチ３１６a〜３１６ｌ及び３２６a〜３２６fを動作させることができる。このようにして、トポロジー３００は、１つ以上の故障が存在しても、機能を維持し、電力変換機能を提供することができる。さらに、スイッチ３０６a〜３０６r、３１６a〜３１６ｌ、３２６a〜３２６fの制御信号を調整することによってトポロジー３００を変更することができ、必要に応じて、双方向フルブリッジ変換器と一方向デルタ、ウィーンその他の変換器との間でトポロジー３００の動作を変化させることができる。
【００３６】
図４Ａ及び４Ｂは、本開示に従った第４の例示的な適応電力変換器トポロジー４００を示す。トポロジー４００がNレベル変換器構造を支持することを示すために、本実施形態ではトポロジー４００は一般化された形で示されている。ここで、Nは３以上である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、トポロジー４００は、ブーストインダクタ４０２a〜４０２c及び入力レール４０４a〜４０４cを含み、これらは、上述の対応する構成要素と同一又は類似であり得る。
【００３７】
トポロジー４００はまた、ダイオード４０７a及びダイオード４０７aに亘って並列に結合されたスイッチ４０７bの複数のNレベルのセット４０６a〜４０６cを含む。本実施形態で使用されるダイオード４０７a及びスイッチ４０７bの数は、トポロジー４００で使用されるレベルの数に依存し、ダイオード４０７a及びスイッチ４０７bの各レベルは、隣接するレベルよりも１つ少ないダイオード４０７a及び１つ少ないスイッチ４０７bを含むことができる。セット４０６a〜４０６cは、信号線４０９a〜４０９bに結合される。セット４０６a〜４０６c内のスイッチ４０７bは、選択的に少なくとも１つのデマルチプレクサ４２２aを介して、コントローラ４２０によって制御される。本実施形態でのスイッチ４０７bは、Nレベルのデルタ変換器、ウィーン変換器その他の変換器の一部を形成することができる。
【００３８】
トポロジー４００はさらに、ブーストダイオード４１１a、及び入力レール４０４a〜４０４cと２つの出力レール４１２a〜４１２bとの間に結合された追加的スイッチ４１１bの、Nレベル４０８a〜４０８nの複数のセットを含む。各セットのレベル４０８a〜４０８n内のブーストダイオード４１１aは、複数の回路分岐４１０a〜４１０cのうちの１つに沿って直列に結合される。追加的スイッチ４１１bの各々は、ブーストダイオード４１１aの１つに亘って結合される。少なくともいくつかのレベル４０８a〜４０８nは、追加的ダイオード４２４及び追加的スイッチ４２６も含む。ダイオード４２４は、信号線４０９a〜４０９bに結合され、各追加的スイッチ４２６は、追加的ダイオード４２４のうちの１つに亘って結合される。
【００３９】
出力レール４１２a〜４１２bは、負荷４１４及びN個のキャパシタ４１８a〜４１８nに結合される。キャパシタ４１８a〜４１８nは、出力レール４１２a〜４１２bの間に直列に結合され、信号線４０９a〜４０９bは、キャパシタ４１８a〜４１８nの異なる対の間に結合される。コントローラ４２０は、選択的に少なくとも１つのデマルチプレクサ４２２bを介して、追加的スイッチ４１１b及び追加的スイッチ４２６の動作を制御する。
【００４０】
通常動作中、スイッチ４０７bは、トポロジー４００がデルタ、ウィーンその他の電力変換器機能を実装するように制御され、追加的スイッチ４１１b及び４２６は、関連するダイオード４１１a及び４２４のための同期スイッチとして動作するように制御される。１つ以上のスイッチ４０７bが故障した場合、トポロジー４００の動作を調整して、トポロジー４００内に故障許容管理又は故障隔離を提供することができる。より具体的には、AC入力信号がダイオード４１１aに適切に供給されることを確実にするために、必要に応じて、残りの動作スイッチ４０７bを開閉することができる。この動作モードでは、ダイオード４１１a、４２４及び追加的スイッチ４１１b、４２６がフルブリッジ電力変換器を実装するように、追加的スイッチ４１１b、４２６を動作させることができる。このようにして、トポロジー４００は、１つ以上の故障が存在しても、機能を維持して電力変換機能を提供することができる。さらに、双方向フルブリッジ変換器と、一方向デルタ、ウィーンその他の変換器との間でトポロジー４００の動作を必要に応じて変更するために、スイッチ４０７b、４１１b、４２６のための制御信号を調整することによって、トポロジー４００を変更することができる。
【００４１】
図１及び図２に示されるトポロジー１００及び２００は、約１,０００ボルトまでの入力及び出力のような、低電圧の入力及び出力に対して使用することができる。図３Ａ及び３Ｂに示されるトポロジー３００は、８００ボルトを超える入力及び出力のような、より高電圧の入力及び出力に対して使用することができる。図４Ａ及び４Ｂに示されるトポロジー４００は、約２,０００ボルトを超える入力及び出力など、さらに高電圧の入力及び出力に使用することができる。しかしながら、これらの値は例示に過ぎず、トポロジー１００〜４００の各々は、任意の適切な電圧又は電圧範囲で使用することができることに留意されたい。
【００４２】
上述の種々のトポロジー１００〜４００は、実装に依存して種々の利益又は利点を提供することができる。例えば、上述のように、トポロジー１００〜４００に追加される種々の追加的スイッチを同期スイッチとして使用して、トポロジーの損失を低減し、トポロジーの効率を向上させることができる。これらの追加的スイッチは、特定の故障に応答してトポロジー１００〜４００をフルブリッジ変換器に再構成するために使用することもでき、これは、故障許容管理又は故障隔離を提供し、動作信頼性を向上させるのに役立つ。これは、マルチレベル変換器アーキテクチャにおいても達成可能であり、より高電圧の用途におけるこの機能の使用を可能にする。さらに、これらのトポロジー１００〜４００は、必要とされるか所望される場合に、一方向変換器と双方向変換器との間でスイッチする能力を支持する。加えて、トポロジー１００〜４００内のコントローラは、アクティブ力率補正（active power factor correction）及び適応制御を実行する能力を支持し、トポロジーが、様々な条件下で負荷へとより効果的に電力を送達することを可能にする。
【００４３】
図１〜４Ｂは、適応型電力変換器トポロジーの例を示しているが、図１〜４Ｂに様々な変更を加えることができる。例えば、トポロジーは、デルタ変換器及びウィーン変換器以外の他の変換器又は整流器を実装することができる。また、ここに示される電力変換器トポロジーは、所与の用途に必要とされる任意の適切な数の変換器構造を含むことができる。
【００４４】
図５Ａ及び図５Ｂは、本開示に従った、並列の又はインターリーブされた変換器モジュールを支持する、第１の例の適応型電力変換器トポロジー５００を示す。図５Ａ及び５Ｂに示すように、トポロジー５００は、複数の入力レールに結合される複数のブーストインダクタ５０２を含む。トポロジー５００はまた、負荷５１４、１つ以上のキャパシタ５１８、及びコントローラ５２０を含む。ここには示されていないが、コントローラ５２０は、１つ以上のデマルチプレクサを介してトポロジー５００の様々な構成要素に制御信号を提供することができる。これらの構成要素は、上述の対応する構成要素と同一であってもよく、又は類似していてもよい。
【００４５】
トポロジー５００はさらに、各々が入力レールに結合される２つ以上の変換器モジュール５０４a〜５０４nを含む。変換器モジュール５０４a〜５０４nの各々は、上述のトポロジー１００〜４００のうちの１つを実装することができる。この例では、変換器モジュール５０４a〜５０４nの各々は、図１のトポロジー１００を実装する。トポロジー１００を支持する変換器モジュール５０４a〜５０４nを結合するために、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの入力レール１０４a〜１０４cを一緒に結合することができ、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの出力レール１１２a〜１１２bを一緒に結合することができる。トポロジー２００が使用される場合、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの入力レール２０４a〜２０４cを一緒に結合することができ、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの信号線２０９を一緒に結合することができ、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの出力レール２１２a〜２１２bを一緒に結合することができる。トポロジー３００が使用される場合、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの入力レール３０４a〜３０４cを一緒に結合することができ、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの信号線３０９を一緒に結合することができ、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの出力レール３１２a〜３１２bを一緒に結合することができる。トポロジー４００が使用される場合、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの入力レール４０４a〜４０４cを一緒に結合することができ、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの信号線４０９a〜４０９bを一緒に結合することができ、異なる変換器モジュール５０４a〜５０４nの出力レール４１２a〜４１２bを一緒に結合することができる。
【００４６】
本明細書では、コントローラ５２０は、故障に応答して、又は双方向の電力変換が必要なときに、フルブリッジ変換器として１つ以上の変換器モジュールを再構成することなどによって、変換器モジュール５０４a〜５０４nの動作を修正する能力を支持する。コントローラ５２０はまた、電力変換動作を能動的に実行する変換器モジュール５０４a〜５０４nの数を変化させることができ、どの変換器モジュール５０４a〜５０４nが能動的に電力変換動作を実行するかを制御することができる。いくつかの実施形態では、全ての変換器モジュール５０４a〜５０４nが、電力変換を行うために並列に動作することができる。他の実施形態では、変換器モジュール５０４a〜５０４nは、少なくとも１つの他の変換器モジュールが不活性（inactive）である間に、１つ又はいくつかの変換器モジュールが電力変換を行うようなインターリーブ方式で動作することができる。特定の例として、コントローラ５２０は、変換器モジュール５０４a〜５０４nが順次動作する場合などにおいて、所与の時刻に１つの変換器モジュールのみが活性（active）であるように、変換器モジュール５０４a〜５０４nを制御することができる。変換器モジュール５０４a〜５０４nの各々は、同じスイッチング周波数で動作可能であり、ブーストインダクタ５０２は、該スイッチング周波数の２倍以上で動作可能である（使用する変換器モジュールの数に応じて）。
【００４７】
このタイプのインターリーブ動作は、全ての変換器モジュール５０４a〜５０４nを並列に動作させるよりもロバスト（robust）であり得る。これは、変換器モジュール５０４a〜５０４nのいくつかが、１つ以上の故障した変換器モジュール５０４a〜５０４nに冗長性を提供することができるためである。インターリーブ動作中に、変換器モジュール５０４a〜５０４nの各々は、時間の１/N、動作することができる。変換器モジュール５０４a〜５０４nの一つが故障した場合、他の変換器モジュール５０４a〜５０４nが、時間の１/（N-１）、動作するように容易に適合させることができる。これは、動力が供給される１つ又は複数の負荷５１４へのあらゆる負の影響を低減又は排除するのに役立つ。このタイプのインターリーブ動作は、各変換器モジュール５０４a〜５０４nがシステム内で熱の１/Nを発生する場合などにおいて、熱発生をより均等に分配することもできる。さらに、２つの５kW変換器モジュールが単一の１０kW変換器モジュールよりも効率的である場合などのように、より小さな変換器モジュールを複数使用する場合に、より高い全体効率が達成可能である。さらに、ブーストインダクタ５０２は、スイッチよりもむしろ高いスイッチング周波数で動作させることができ、全体のシステムサイズを小さくすることができる。加えて、このアプローチは、ブーストインダクタ、出力キャパシタ、及び電磁干渉（EMI）フィルタのような他のコンポーネントなどの種々のコンポーネントを、全ての変換器モジュール５０４a〜５０４nに使用することを可能にする。このことも、システム全体のサイズを小さくするのに役立つ。
【００４８】
図６は、本開示に従った、並列の又はインターリーブされた変換器モジュールを支持する第２の例の適応型電力変換器トポロジー６００を示す。図６に示すように、トポロジー６００は、複数の入力レールに結合される複数のブーストインダクタ６０２を含む。トポロジー６００はまた、負荷６１４、１つ以上のキャパシタ６１８、及びコントローラ６２０を含む。ここでは示されていないが、コントローラ６２０は、１つ以上のデマルチプレクサを介してトポロジー６００の様々な構成要素へと制御信号を提供することができる。これらの構成要素は、上述の対応する構成要素と同一であってもよく、又は類似していてもよい。
【００４９】
トポロジー６００はさらに、２つ以上の変換器モジュール６０４a〜６０４nと、共有（shared）最終変換器モジュール６０５とを含む。各変換器モジュール５０４a〜５０４nがブーストダイオードと、ブーストダイオードに亘って結合される追加的スイッチとを含むトポロジー５００とは異なり、ここでの変換器モジュール６０４a〜６０４nは、ブーストダイオードと、ブーストダイオードに亘って結合される追加的スイッチとを欠く。その代わりに、変換器モジュール６０４a〜６０４nの各々は、図１のようにデルタ変換器を実現するために使用される種々のスイッチ６０７を含む（ただし、スイッチ６０７及びオプションとしてダイオードを、ウィーン変換器、マルチレベルデルタ変換器、マルチレベルウィーン変換器その他の上記のような他の変換器を実現するために使用することもできる）。
【００５０】
この例では、共有最終変換器モジュール６０５は、ブーストダイオード６１１aと、ブーストダイオード６１１aに亘って結合された追加的スイッチ６１１bとを含む。かくして、ブーストダイオード６１１a及び追加的スイッチ６１１bは、この実施例では、（ブーストインダクタ、出力キャパシタ、及びEMIフィルタなどの構成要素を共有することに加えて）すべての変換器モジュール６０４a〜６０４nによって共有される。この例では、図１及び図２と同じ構成を有するように示されているが、ブーストダイオード６１１a及び追加的スイッチ６１１bは、（図３Ａ〜４Ｂに示されているもののように）複数レベルの配置を有することができることに留意されたい。追加的スイッチ６１１bは、上述のように、通常動作時の電力変換器トポロジー６００の損失を低減し、効率を向上させるために、同期スイッチとして機能するように動作させることができる。故障の発生の場合（例えば、すべてのモジュール６０４a〜６０４nがそれぞれ少なくとも１つの故障したスイッチ６０７を有する場合）、電力変換器トポロジー６００がフルブリッジ電力変換器として動作するように、追加的スイッチ６１１bを再構成することができる。
【００５１】
コントローラ６２０は、ここでは、故障に応答して、又は双方向の電力変換が必要とされるときに、フルブリッジ変換器として共用最終変換器モジュール６０５を再構成することなどによって、変換器モジュール６０４a〜６０４n及び共用最終変換器モジュール６０５の動作を修正する能力を支持する。コントローラ６２０はまた、電力変換動作を能動的に実行している変換器モジュール６０４a〜６０４nの数を変化させることができ、どの変換器モジュール６０４a〜６０４nが能動的に電力変換動作を実行しているかの制御を行うことができる。いくつかの実施形態では、変換器モジュール６０４a〜６０４nのすべてが、並列に動作して、電力変換を行うことができる。他の実施形態では、変換器モジュール６０４a〜６０４nは、１つ又はいくつかの変換器モジュールが電力変換を行う一方、他の変換器モジュールは不活性（inactive）であるところの、インターリーブ方式で動作することができる。特定の例として、コントローラ６２０は、変換器モジュール６０４a〜６０４nが順次動作する場合などのように、所与の時間に１つの変換器モジュールのみが活性（active）であるように、変換器モジュール６０４a〜６０４nを制御することができる。変換器モジュール６０４a〜６０４nの各々は、同じスイッチング周波数で動作可能であり、ブーストインダクタ６０２は、使用される変換器モジュールの数に応じて、スイッチング周波数の２倍又はそれ以上で動作可能である。トポロジー５００に関して上述したのと同じ理由により、このタイプのインターリーブ動作は、すべての変換器モジュール６０４a〜６０４nを並列に動作させるよりもロバストであり得る。
【００５２】
種々の他の特徴又は機能が、トポロジー５００及び６００によって支持され得る。例えば、１つ以上の変換器モジュール５０４a〜５０４n、６０４a〜６０４nをオフにすることが可能であり、その間、残りの変換器モジュール５０４a〜５０４n、６０４a〜６０４nが活性のままであり、停止された変換器モジュール５０４a〜５０４n、６０４a〜６０４nを交換できる。これは、不活性化（deactivate）された変換器モジュール５０４a-５０４n、６０４a-６０４nのホットスワップ（hot-swap）を支持する一方、電力が負荷に供給され続けることを可能にする。さらに、１つ以上の変換器モジュール５０４a〜５０４n、６０４a〜６０４nで冷却に問題が生じた場合、これらの変換器モジュール５０４a〜５０４n、６０４a〜６０４nは、これらの変換器モジュール５０４a〜５０４n、６０４a〜６０４nの冷却を改善するのを助けるために、不活性化（deactivate）させ或いはより短時間で動作させることができる。再度、コントローラ５２０、６２０によって使用されるデジタル制御アルゴリズムを使用して、トポロジー５００、６００の動作を変化する条件に適合させるのを支援することができる。
【００５３】
図５Ａ〜６は、並列の又はインターリーブされた変換器モジュールを支持する適応型電力変換器・トポロジー５００及び６００の例を示すが、図５Ａ〜６には、様々な変更を加えることができる。例えば、トポロジー５００及び６００の各々は、任意の適切な数の変換器モジュールを含むことができ、これらの変換器モジュールは、任意の適切な並列方式又はインターリーブ方式で使用することができる。
【００５４】
図７は、本開示に従った、電力変換器を使用する適応電力変換のための例示的方法７００を示す。説明を容易にするために、方法７００は、上述のトポロジー１００〜４００のうちの１つを使用して実施されるものとして説明される。しかしながら、この方法７００は、任意の適切な電力変換器トポロジーと共に使用することができる。
【００５５】
図７に示すように、電力変換器は、ステップ７０２で通常の動作モードで動作する。これは、例えば、故障なく、双方向転送の必要なしに、正しく動作する電力変換器トポロジー１００-４００の全ての構成要素を含むことができる。この間に、ステップ７０４において、電力変換器のスイッチ及び追加的スイッチのために、制御信号が生成される。このことは、例えば、FPGAその他のコントローラ１２０、２２０、３２０、４２０が、スイッチ１０６a〜１０６f、２０６a〜２０６f、３０６a〜３０６r、４０７bのためのPWM制御信号を生成することを含み得る。このことはまた、追加的スイッチ１１６a〜１１６f、２１６a〜２１６f、３１６a〜３１６l、３２６a〜３２６f、４１１b、４２６のためのPWM制御信号を生成するFPGAその他のコントローラ１２０、２２０、３２０、４２０を含み得る。スイッチは、電力変換を実行するために使用され、追加的スイッチは、ステップ７０６において同期スイッチとして使用される。このことは、例えば、デルタ、ウィーンその他の変換器として機能するために、ダイオード１０８a〜１０８f、２０８a〜２０８f、３０８a〜３０８l、３２４a〜３２４f、４１１a、４２４と共に動作するスイッチ１０６a〜１０６f、２０６a〜２０６f、３０６a〜３０６r、４０７bを含み得る。このことはまた、関連するダイオード１０８a〜１０８f、２０８a〜２０８f、３０８a〜３０８l、３２４a〜３２４f、４１１a、４２４のための同期スイッチとして動作する追加的スイッチ１１６a〜１１６f、２１６a〜２１６f、３１６a〜３１６l、３２６a〜３２６f、４１１b、４２６を含み得る。
【００５６】
ステップ７０８において、電力変換器の動作モードを変更する必要がない限り、プロセスは制御信号を生成し続け、通常モードで電力変換を行い続ける。モード変更は、電力変換器内のスイッチ１０６a〜１０６f、２０６a〜２０６f、３０６a〜３０６r、４０７bのうちの１つ以上に故障が発生した場合、又は電力変換器が双方向の電力転送を行う必要がある場合など、様々な状況において必要とされ得る。
【００５７】
モードの変更が必要な場合、ステップ７１０において、スイッチを不活性化し、追加的スイッチをフルブリッジモードで動作させるために、制御信号が生成される。このことは、例えば、FPGAその他のコントローラ１２０、２２０、３２０、４２０が、スイッチ１０６a〜１０６f、２０６a〜２０６f、３０６a〜３０６r、４０７bをオフにするPWM制御信号を生成することを含み得る。このことはまた、追加的スイッチ１１６a〜１１６f、２１６a〜２１６f、３１６a〜３１６l、３２６a〜３２６f、４１１b、４２６のためのPWM制御信号を生成するFPGAその他のコントローラ１２０、２２０、３２０、４２０を含み得る。追加的スイッチは、ステップ７１２で電力変換を実行するために使用される。このことは、例えば、フルブリッジ変換器として機能するために、ダイオード１０８a〜１０８f、２０８a〜２０８f、３０８a〜３０８l、３２４a〜３２４f、４１１a、４２４と共に動作する追加的スイッチ１１６a〜１１６f、２１６a〜２１６f、３１６a〜３１６l、３２６a〜３２６f、４１１b、４２６を含み得る。
【００５８】
再び、ステップ７１４において、電力変換器の動作モードを変化させる必要がない限り、プロセスは、制御信号を生成し続け、フルブリッジモードで電力変換を実行し続ける。モード変更は、故障が解決されたとき、又は電力変換器が一方向の電力伝送に従事する必要があるときのような種々の状況において再度必要とされ得る。ステップ７１４でモードが変化する場合、プロセスはステップ７０２に戻り、通常の動作モードで電力変換器を動作させる。
【００５９】
図７は、電力変換器を使用する適応電力変換のための方法７００の一例を示しているが、図７に対して種々の変更を加えることができる。例えば、一連のステップとして示されているが、図７の様々なステップは、オーバーラップし、並列に発生し、異なる順序で発生し、或いは任意の回数で発生し得る。
【００６０】
図８は、本開示に従った、複数の変換器モジュールを有する電力変換器を使用する適応電力変換のための例示的方法８００を示す。説明を容易にするために、方法８００は、上述のトポロジー５００及び６００のうちの１つを使用して実施されるものとして説明される。しかしながら、方法８００は、任意の適切な電力変換器トポロジーと共に使用することができる。
【００６１】
図８に示すように、複数の電力変換器モジュールが、ステップ８０２において、通常の動作モードで動作する。このことは、例えば、故障なく、双方向転送の必要なしに、正しく動作する電力変換器トポロジー５００又は６００の全ての構成要素を含むことができる。この間、ステップ８０４において、電力変換器モジュールのために制御信号が生成される。このことは、例えば、変換器モジュール５０４a〜５０４n内のスイッチ及び追加的スイッチのために、又は変換器モジュール６０４a〜６０４n内のスイッチ及び最終変換器モジュール６０５内の追加的スイッチのために、PWM制御信号を生成するFPGAその他のコントローラ５２０又は６２０を含み得る。変換器モジュールは、ステップ８０６において、電力変換を実行するために使用される。このことは、例えば、変換器モジュール５０４a〜５０４n又は６０４a〜６０４n内のスイッチを、変換器モジュール５０４a〜５０４n内のダイオード又は最終変換器モジュール６０５と共に動作させ、デルタ、ウィーンその他の変換器として機能させることを含み得る。このことはまた、変換器モジュール５０４a〜５０４n又は最終変換器モジュール６０５の追加的スイッチが同期スイッチとして動作することを含み得る。場合によっては、変換器モジュール５０４a〜５０４n又は６０４a〜６０４nは、順次的に、又は他の何らかのインターリーブ方式で動作させることができる。
【００６２】
問題が検出されない限り、プロセスは、制御信号を生成し続け、通常の動作モードでコントローラモジュールを使用して電力変換を実行し続ける。１つ以上の変換器モジュールに故障が発生した場合、１つ以上の変換器モジュールのホットスワップが必要な場合、又は１つ以上のコントローラモジュールが高温になりすぎた場合、又は冷却が必要な場合など、様々な状況において、問題が検出され得る。
【００６３】
モード変更を必要とする問題が検出されると、ステップ８１０において、制御信号が生成されて、トポロジーを異なるモードで動作させ、ステップ８１２において、異なるモードのトポロジーで電力変換が実行される。このことは、例えば、FPGAその他のコントローラ５２０又は６２０が、１つ以上の変換器モジュール５０４a〜５０４n又は６０４a〜６０４nをオフにするPWM制御信号を生成することを含み得る。このことはまた、FPGAその他のコントローラ５２０又は６２０が、残りの変換器モジュール５０４a〜５０４n又は６０４a〜６０４nに対してPWM制御信号を生成し、残りの変換器モジュール５０４a〜５０４n又は６０４a〜６０４nが、所望又は必要な電力出力を生成するようにすることを含み得る。変形的には、このことは、FPGAその他のコントローラ５２０又は６２０が、変換器モジュール６０４a〜６０４nのすべてをオフにするPWM制御信号を生成し、ブーストダイオード６１１a及び追加的スイッチ６１１bがフルブリッジ変換器として動作するようにするPWM制御信号を生成することを含み得る。このようにして、変換器トポロジー５００又は６００は、ほとんど又は全く中断することなく、負荷５１４又は６１４に電力を供給し続けることができる。ステップ８１４で問題が解決されない限り、プロセスは、制御信号を生成し続け、異なるモードで電力変換を実行し続ける。ステップ８１４で問題が解決された場合、プロセスはステップ８０２に戻り、通常の動作モードで変換器モジュールを動作させる。
【００６４】
図８は、複数の変換器モジュールを有する電力変換器を使用する適応電力変換方法８００の一例を示しているが、図８には、様々な変更を加えることができる。例えば、一連のステップとして示されているが、図８の様々なステップは、オーバーラップし、並列に発生し、異なる順序で発生し、或いは任意の回数で発生し得る。
【００６５】
いくつかの実施形態では、この特許文献に記載されている様々な機能が、コンピュータ可読プログラムコードから形成され、コンピュータ読み取り可能媒体に具現化されたコンピュータプログラムによって実現又は支持されている。「コンピュータ可読プログラムコード」という語句は、ソースコード、オブジェクトコード、及び実行可能コードを含む任意の種類のコンピュータコードを含む。「コンピュータ可読媒体」という語句は、読み出し専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（CD）、デジタルビデオディスク（DVD）、又はその他の種類のメモリなど、コンピュータによってアクセス可能な任意の種類の媒体を含む。「非一時的」コンピュータ可読媒体は、一時的な電気信号又はその他の信号を伝送する有線、無線、光、又はその他の通信リンクを除外する。非一時的コンピュータ可読媒体は、データを永久的に記憶することができる媒体と、データを記憶し、後に上書きすることができる媒体、例えば書換え可能な光ディスク又は消去可能なメモリデバイスを含む。
【００６６】
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。「アプリケーション」及び「プログラム」という用語は、適切なコンピュータコード（ソースコード、オブジェクトコード、オブジェクト、クラス、インスタンス、関連データ、又はそれらの一部を含む）の実装に適合させた１つ以上のコンピュータプログラム、ソフトウェア・コンポーネント、命令セット、手順、機能、オブジェクト、オブジェクト、インスタンス、関連データ、又はそれらの一部を指す。「通信」という用語及びそれらの派生物は、直接的及び間接的通信の両方を包含する。「含む」という用語及び「備える」という用語ならびにそれらの派生物は、限定されることなく、包含することを意味する。「又は」という用語は、及び／又はを含む。「関連する」という用語及びその派生語は、含むこと、それらに含まれること、相互接続すること、包含すること、それらに包含されること、それらに接続すること、それらに結合すること、それらと通信すること、それらと協働すること、それらとインターリーブすること、それらと並列すること、それらと近接すること、それらに拘束されること、有すること、所有すること、又はそれらと関連することなどを意味する。「少なくとも１つの」とは、品目の一覧と一緒に使用する場合、一覧に記載されている品目の異なる組み合わせを使用することができ、かつ、その一覧に記載されている品目は１つだけでもよいことを意味し、例えば、「A、B及びCの少なくとも１つ」は、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のいずれかの組み合わせを含む。
【００６７】
本願の明細書は、特定の要素、工程又は機能が、クレームの範囲に含まれなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして解釈されるべきではない。特許された主題の範囲は、許可されたクレームによってのみ定義される。さらに、特許請求の範囲の何れも、米国特許法第２０２条（f）を、添付された特許請求の範囲又は特許請求の範囲の要素の何れに関しても援用することは意図されていない。特許請求の範囲内の（ただし、これらに限定されないが）「機構」、「モジュール」、「デバイス」、「ユニット」、「構成要素」、「要素」、「部材」、「装置」、「機械」、「システム」、「プロセッサ」又は「コントローラ」のような用語の使用は、特許請求の範囲自体の特徴によってさらに修正又は強化されるように、当業者に知られた構造を指すことが理解され、特許法第２０２条（f）の援用は意図されていない。
【００６８】
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順列は、当業者には明らかであろう。従って、例示的な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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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