(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切り替え型共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源を制御するための方法であって、 前記システムのパラメータの値を決定することと、
前記切り替え型共振回路の共振周波数の複数回の周期からなるエネルギー注入切り替えパターンの継続時間を前記パラメータ値に応じて決定することと、
エネルギー注入切り替えパターンを決定することと、
前記決定されたエネルギー注入切り替えパターンに従って前記切り替え型共振回路の１以上のスイッチを制御することと、を含む方法。
【請求項２】
前記注入切り替えパターンのエネルギー注入事象の数が、前記パラメータ値に依存する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
エネルギー注入事象の前記数からエネルギー注入事象の分布が決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
一連のパターンのエネルギー注入事象の前記分布が、二次に伝達される電力を変調するために変更される一方で、前記一連の各パターンのエネルギー注入事象が同数に維持される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数回の周期が、前記パラメータ値が閾値を下回るときは、所定数であり、前記閾値以上であるときは、前記所定数より大きな数である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
【請求項６】
異なる回数の周期を有する複数のパターンが提供され、前記提供されたパターンからの選択が、前記パラメータ値の経時的な変動に応じて行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記共振回路が、前記システムのパラメータの値を前記パラメータの要求値と比較することによって判定された誤差に応じて制御される、請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記システムの前記パラメータが、前記電源の電力出力である、請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法によってＩＰＴシステム一次電源を制御することにより、植設された医療装置を充電する方法。
【請求項１０】
切り替え型共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源であって、
前記システムのパラメータの値を決定する手段と、
前記切り替え型共振回路の共振周波数の複数回の周期からなるエネルギー注入切り替えパターンの継続時間を前記パラメータ値に応じて決定する手段と、
前記エネルギー注入切り替えパターンを決定する手段と、
前記決定されたエネルギー注入切り替えパターンに従って前記切り替え型共振回路の１以上のスイッチを制御する手段と、を備えるＩＰＴシステム一次電源。
【請求項１１】
前記切り替え型共振回路が、前記決定されたエネルギー注入切り替えパターンによって制御される複数のスイッチを有する、請求項１０に記載の電源。
【請求項１２】
前記システムのパラメータの値を前記パラメータの要求値と比較することによって誤差を判定する手段をさらに備え、エネルギー注入切り替えパターンを決定する前記手段が、前記誤差に応じて前記継続時間を決定するように配置されている、請求項１０または１１に記載の電源。
【請求項１３】
前記パターンが、前記注入切り替えパターン中に前記パラメータ値に依存する数のエネルギー注入事象を含む、請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の電源。
【請求項１４】
エネルギー注入事象の前記数からエネルギー注入事象の分布が決定される、請求項１３に記載の電源。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４の何れか１項に記載のＩＰＴシステム一次電源を有する、植設可能な医療装置用充電器。
【請求項１６】
請求項１乃至９の何れか１項に記載のＩＰＴシステム一次電源を制御する前記方法をコンピュータにより実施する命令を含む、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電力伝達（ＩＰＴ）システムに関し、より詳細には、ＩＰＴシステムの制御およびＩＰＴシステム一次電源の動作に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導電力伝達（ＩＰＴ）システムが広く知られている。典型的なＩＰＴシステムの例が、図１に示され、この図では、一般的に変換器の形で提供される電源１が、一次導電路またはトラック２を励磁している。電源は、一般に、トラック２に沿って高周波電流を発生させ、これは、通常個別的なコイルであるが、他の実施形態では、単一ループを含む場合もある。トラック２で発生する磁場により、ピックアップ装置４のピックアップコイル３がトラックに誘導結合することが可能となる。ピックアップ４は、負荷６に適切な電源を提供するように、受け取った電力を調節する制御回路５を含む。
【０００３】
トラック２に高周波電流を発生させるため、電源１のスイッチの動作周波数は、通常、実体システム周波数と等しい値にされる。これにより、こうした電源の制御装置設計を複雑かつ高コストとする。実際には、ピックアップ４が利用可能な電力を制御することは、問題がある可能性があり、既存のシステムにおいて十分な制御を提供しようとする試みでは、負荷過渡状態または起動時に、予測できない電圧および電流のオーバーシュートが生じる可能性がある。これらは、システムのスイッチ素子または他の構成要素に損傷を与える可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的は、改良型のＩＰＴシステム制御方法または装置を提供すること、または承認されたＩＰＴシステム電源を提供すること、または公知のシステムの短所の少なくとも１つ以上を改善する改良型のＩＰＴシステムを提供すること、または少なくとも有用な代替案を提供することにある。
【０００５】
したがって、一態様では、本発明は、広義には、スイッチ共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源を制御するための方法にあり、当該方法は、
１）システムのパラメータ値を必須値と比較することによって誤りを判定する段階と、
２）誤りの大きさを用いて、ａ）注入シーケンスのエネルギー注入事象の数を決定することおよびｂ）シーケンスのエネルギー注入事象の分布を決定することによって、共振回路を切り替えるエネルギー注入切り替えシーケンスを決定する段階を含む。
【０００６】
１つの実施形態では、パラメータは、電力出力または電力可用性を表す。これは、二次での出力または負荷電圧であり得る。
【０００７】
１つの実施形態では、パラメータは、一次電源から利用可能な電力である。これは、１つの例では電圧として測定してもよく、または他のパラメータを使用して測定することも出来る。同様に、１つの実施形態では、一次電源の出力は、電源から利用可能な電力であるが、代替的に別のパラメータであってもよい。
【０００８】
１つの実施形態では、誤りは、誤り信号を含む。他の実施形態では、誤りが計算されて、誤りは、制御アルゴリズムを実施するプロセッサで使用されるデータを含む。
【０００９】
１つの実施形態では、必要出力は、一次電源が供給するＩＰＴピックアップの必要出力を含む。同様に、一次電源の出力は、一部の実施形態では、一次電源によって供給されるＩＰＴピックアップの出力を備えてよい。
【００１０】
プロセッサを用いて、エネルギー注入切り替えシーケンス、および／または注入シーケンスのエネルギー注入事象の数および／またはシーケンスのエネルギー注入事象の分布を決定すれば好ましい。
【００１１】
別の態様では、本発明は、広義には、切り替え型共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源用の制御手段にあり、この制御手段は、
１システムのパラメータの値を必須値と比較することによって誤り信号を判定する手段と、
２ａ）注入シーケンスのエネルギー注入事象の数およびｂ）シーケンスのエネルギー注入事象の分布を決定することによって共振回路を切り替えるのに誤り信号の大きさを用いることで、エネルギー注入シーケンスを決定する手段とを備える。
【００１２】
１つの実施形態では、パラメータは、電力出力または電力可用性を表す。
【００１３】
１つの実施形態では、必要出力は、一次電源から利用可能な電力である。これは、１つの例では、電圧として測定してもよく、または別のパラメータを使用して測定することもできる。同様に、１つの実施形態では、一次電源の出力は、電源から利用可能な電力であるが、代替的に別のパラメータであってもよい。
【００１４】
１つの実施形態では、誤りは、誤り信号を含む。他の実施形態では、誤りが計算されて、誤りは、制御アルゴリズムを実施するプロセッサで使用されるデータを含む。
【００１５】
１つの実施形態では、必要出力は、一次電源が供給するＩＰＴピックアップの必要出力を含む。同様に、一次電源の出力は、一部の実施形態では、一次電源によって供給されているＩＰＴピックアップの出力を含んでよい。
【００１６】
プロセッサを用いて、エネルギー注入切り替えシーケンス、および／または注入シーケンスのエネルギー注入事象の数および／またはシーケンスのエネルギー注入事象の分布を決定すれば好ましい。
【００１７】
さらなる態様では、本発明は、広義には、本発明の先の記述による制御装置を含むＩＰＴシステムに存する。
【００１８】
別の態様では、切り替え型共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源を制御するための方法が提供され、方法は、システムのパラメータの値を決定することと、パラメータ値に依存する継続時間を有するエネルギー注入切り替えパターンを決定することと、決定されたエネルギー注入切り替えパターンに従って共振回路を制御することとを含む。
【００１９】
使用中、ＩＰＴ一次電源は、電力を接続された負荷に伝達するＩＰＴ二次ピックアップ回路に近接して位置付けられる。このような配置は、コイル間の距離などの結合条件ならびに二次上での負荷条件の変化に容易に適応することを可能にする。継続時間パターンが短ければ、このような過渡に急速に適応することができるが、継続時間パターンが長ければ、設定点により近く調整して、効率を上げるために、電力伝達のより細密な制御が可能である。特に損失および加熱を減らすことができる。さまざまな継続時間パターンによって提供される制御の柔軟性は、さらに、大きな結合ギャップを支持することも可能にする。加えて、システムの効率およびより柔軟な管理を増進することで、スイッチおよびコンデンサなどの回路構成要素上の応力は減り、このことにより、それらの実効寿命が延びる、または構成要素のディレーティング、したがってより安価な供給が可能になる。高柔軟性が提供されると、さらに、二次の切り替え構成要素を削減することができるシステム設計が可能となり、このことにより、二次の寿命および信頼性が広がる。これは、植設可能な医療装置などの用途で特に重要であり得る。
【００２０】
一実施形態では注入切り替えパターンのエネルギー注入事象の数および／または分布は、パラメータ値に依存する。
【００２１】
一実施形態では一連のパターンのエネルギー注入事象の分布は変更される一方で一連の各パターンのエネルギー注入事象を同数に維持される。注入事象を同数に維持しながらも、パターンを変化させることで、伝達される電力は一定であり、通信チャネルは、パターンシリーズを検出する能力によって作り出される。これは、デジタル情報を送るのに使用することができる。伝達される電力の変調は、電力系統によって発生される電磁雑音を変化させるおよび／または削減するのに代替的に用いることができる。このことは、感受性の高い環境に配備される場合、特に有益であり得る。
【００２２】
一実施形態では、継続時間は、回路の共振周波数の周期数を有するパターン長を含む。パターン長の周期数は、パラメータ値が閾値を下回るときは、所定数であり、そうでないときは、より大きい数であり得る。このような配置は、システムが、二次の負荷の急な変化、または例えば一次コイルと二次コイルの距離の変動による結合の変化などの、過渡状態を処理するための短パターンに復帰することを可能にする。
【００２３】
実施形態は、さまざまな条件を処理するために、異なる周期数を有するいくつかの切り替えパターンを提供することができる。こうしたパターン間で選択することまたは切り替えることは、パラメータ値の変化に直接的に依存する場合があり、または、新しいパターンを選択することは、パラメータ値の経時的な変動に依存してよい。したがって、例えば、過渡状態の後、システムが安定するように思われるにつれて、だんだんと長い継続時間パターンが選択され得る。
【００２４】
一実施形態では、共振回路は、システムのパラメータの値を必須値と比較することによって判定された誤りに依存して制御される。
【００２５】
システムのパラメータは、電力出力または電力可用性を表してよい。
【００２６】
一実施形態では、ＩＰＴシステム一次供給源は、植設された医療装置を充電するために使用される。
【００２７】
別の態様では、切り替え型共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源が提供され、システムのパラメータの値を決定する手段と、パラメータ値に依存する継続時間を有するエネルギー注入切り替えパターンを決定する手段と、決定されたエネルギー注入切り替えパターンに従って共振回路を制御する手段とを含む。
【００２８】
ＩＰＴシステム一次電源と、二次に接続される負荷に電力を無線伝達する二次ピックアップとを有するＩＰＴシステムがさらに提供され得る。例示的負荷は、心臓ポンプ用の電源などの植設された装置である。
【００２９】
一実施形態では、切り替え型共振回路は、決定されたエネルギー注入切り替えパターンによって制御される複数のスイッチを備える。
【００３０】
一実施形態では、注入切り替えパターンでのエネルギー注入事象の数および／または分布は、パラメータ値に依存する。エネルギー注入事象は、切り替え型共振回路の共振周波数周期に依存していてもよい。
【００３１】
一実施形態では、ＩＰＴシステム一次電源は、システムのパラメータの値を必須値と比較することによって誤りを判定する手段をさらに備え、エネルギー注入切り替えパターンを決定する手段は、誤りに依存する継続時間を決定するように配置されている。
【００３２】
一実施形態では、継続時間は、回路の共振周波数の周期数を有するパターン長を備え、パターンは、パラメータ値に依存する、注入切り替えパターンのエネルギー注入事象の数および／または分布を備え、エネルギー注入事象は、共振周波数周期に依存する。
【００３３】
別の態様では、切り替え型共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源を制御するための方法を実施するコンピュータプログラムが提供され、方法は、システムのパラメータの値を決定することと、パラメータ値に依存する継続時間を有するエネルギー注入切り替えパターンを決定することと、決定されたエネルギー注入切り替えパターンに従って共振回路を制御することとを含む。
【００３４】
コンピュータプログラムは、コンピュータプログラム製品に実装することができ、この製品は、ＣＤ−ＲＯＭなどの非一時的な形態、あるいは伝搬されたＲＦ信号またはインターネットからダウンロードされたものなどの一時的な形態であってよい。
【００３５】
別の態様では、ＩＰＴシステム一次電源に連結されたＩＰＴシステム二次ピックアップを制御するための方法が提供され、ピックアップは、切り替え型共振回路を有する。方法は、システムのパラメータの値を決定することと、パラメータ値に依存する継続時間を有するエネルギー調整切り替えパターンを決定することと、決定されたエネルギー調整切り替えパターンに従って共振回路を制御することとを含む。
【００３６】
これは、一次の中にエネルギーを注入することに概ね類似しているが、代わりに、同じ種類の切り替え制御を用いて負荷条件を変更するための供給電力を調整している。これは、切り替えパターンに従って、二次回路を短絡させるまたは開くことによって実現することができる。これは、上記の画定されたエネルギー注入切り替えパターンを使用して、または使用せずに、一次に関連させて使用することができる。
【００３７】
別の態様では、切り替え型共振回路を有するＩＰＴシステム一次電源を制御するための方法が提供され、方法は、制御信号に応答していくつかのエネルギー注入切り替えパターンの１つを選択することであって、エネルギーパターンは、エネルギー注入事象の数は同じであるが、エネルギー注入事象の分布は異なっている、エネルギー注入切り替えパターンの１つを選択することと、選択された切り替えパターンに従って切り替え型共振回路を制御することとを含む。
【００３８】
一実施形態では、制御信号は、メッセージを第２に伝送するために、通信信号に応答して切り替えパターンの選択を変調するように配置されている。上記の代わりに、または上記に加えて、切り替えパターンの変化は、電磁雑音を低減する、または変更するために制御することができる。
【００３９】
パターンの継続時間、ウィンドウ周期の範囲は、通信に適切であり得る。
【００４０】
一実施形態では、二次は、同様に、二次電力を調整するための切り替えパターンを選択する方法によって制御され、制御信号に応答していくつかのエネルギー注入切り替えパターンの１つを選択することを備え、エネルギーパターンは、エネルギー注入事象の数は同じであるが、エネルギー注入事象の分布は異なっている、エネルギー注入切り替えパターンの１つを選択することと、選択された切り替えパターンに従って切り替え型共振回路を制御することとを含む。
【００４１】
この配置を一次側および二次側の両方で利用することにより、二重通信が可能であり、例えば連結条件または負荷条件を変更することに応答して共振周波数を調整するなどして、一次および二次を自身で制御するために、情報を接続される装置に伝達するために使用することができる。
【００４２】
別の態様では、上で定義された、または本明細書でさらに説明されるＩＰＴ一次および／または二次配置の何らかの組み合わせを備えていているＩＰＴシステムが提供される。
【００４３】
本発明は、広義において、本明細書で開示する、任意の新規な特徴または特徴の任意の新規な組み合わせに存する。
【００４４】
本発明のさらなる態様は、後続の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】公知の典型的な導電性電力伝達システム構成の概略図である。
【図２】ＩＰＴ一次電源と共に使用するための提唱される変換器の回路図である。
【図３】図２による変換器用の一般のゲート電流およびトラック電流を示す。
【図４】図２による変換器用の実施線図を示す。
【図５】実施形態によるエネルギー注入切り替えパターン分解能または継続時間制御装置のフローチャートである。
【図６】実施形態によるパターンの中のエネルギー注入事象の分布を制御しているパターンジェネレータのフローチャートである。
【図７ａ】エネルギー注入切り替えパターン用の最低注入率を示す。
【図７ｂ】エネルギー注入切り替えパターン用の最低注入率を示す。
【図８】異なるパターン用の波高率を示す。
【図９】短絡制御回路を示す。
【図１０】電源スイッチの実装を示す。
【図１１】代替的短絡制御回路を示す。
【図１２】開制御回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明は、個別的なエネルギー注入を用いて、一次電力制御装置を制御し、しかるに必要に応じてＩＰＴシステムを制御するＩＰＴシステムの制御の新規な形態、すなわちＩＰＴ一次電源を提案する。特に、本発明によるエネルギー注入は、以下でさらに説明するように、１つ以上のピックアップで利用可能な電力を制御することを可能にする。
【００４７】
図２を参照すると、本発明に従って使用するための電力変換器の１つの例が示されている。スイッチＳ１，Ｓ２は、図に示すようにインダクタンスＬＳおよびキャパシタンスＣＳを備える共振回路と接続されている。実際には、インダクタンスＬＳは図１を参照して記載されるようにトラック２を備え、キャパシタンスＣＳは、トラックを所望の共振周波数に同調させるように選択される。負荷抵抗器Ｒは、変動荷重を表す。当業者であれば理解されるように、スイッチＳ１，Ｓ２は、共振回路を共鳴させ得るように操作することができる。
【００４８】
例では、スイッチＳ１がオン状態に制御されているとき、電源電圧ＶＤＣは、共振回路に印加され、エネルギーがトラックに注入される。コンデンサＣＳが満充電された後、Ｓ１がオフにされ、Ｓ２がオンにされた場合、トラック電流用の自由振動パスが形成される。電流は、トラックループで自由に発振し、振動を減衰させる負荷が無いと仮定すれば、エネルギーは、ＣＳとＬＳの間で永久に移動する。実際には、トラックループのエネルギーを最終的に消費させる減衰が存在する。それぞれの注入期間では、エネルギーがネットワークに注入されるように、Ｓ１はオンに、Ｓ２はオフにそれぞれ制御されることを理解できる。
【００４９】
注入されるエネルギーは、入力直流電圧、およびエネルギー注入事象ごとの時間である注入時間に依存する。トラック電流まで正の半周期毎の間、スイッチＳ１がオンであり、スイッチＳ２がオフである場合には、トラックループに追加される電圧は、非常に迅速にその最大値に達する。これは、図３に示してあり、ゲート１用線図は、図２のスイッチ１を効果的に表し、ゲート２用線図は、図２のスイッチ２を効果的に表す（図４でさらに図示されるように）。各切り替え期間は、共振回路の共振周波数に対応する継続時間のものである。したがって、図３に示すように、時間０．５までのシーケンスの初期部分では、ゲート１は、トラックの共振電流の周期の半分の間オンであり、次いで、続く半分の周期の間オフにされ、その間ゲート２がオンとなる。
【００５０】
シーケンスの第２の部分では、ゲート１は、トラックの共振電流の周期の半分の間オンであり、その後、続く７つの半周期の間オフにされ、その間ゲート２がオンとなる。シーケンスの第１の部分は、パターン長または継続時間の所与の数の周期の間、１周期につき１つのエネルギー注入事象を有するエネルギー注入切り替えパターンを表す。図３の例では、パターン長は、７周期であり、エネルギー注入切り替えパターンは、０．８ミリ秒の継続時間を有する。第２のパターンは、１２周期すなわち１．２ミリ秒のパターン長を備えた第３の周期毎にエネルギー注入事象を有する。こうしたエネルギー注入切り替えパターンは、ゲートに適切な２進シーケンス入力、例えば上記した１０１０１０１０１０１０のゲート１用の入力を有する第１の切り替えパターンおよびゲート２用の相補的パターンと共に、１０００００１０００００１００００００１０００００のゲート１用の入力を有する第２の切り替えパターンを用いて、制御することができる。パターンの継続時間または周期数を調節することが可能であれば、長さは、実施形態が、コイル間の距離を変更するおよび／または二次における荷重条件を変更するなどの結合条件の変化に適応することを可能にしている。継続時間パターンが短いと、このような過渡状態に迅速に適応することが可能になり、一方で、継続時間パターンが長いと、効率を高め、かつ他の利点の間の切り替え構成要素上のストレスを減らすために、電力伝達をより細密に制御することが可能になる。
【００５１】
実施形態では、異なるエネルギー注入切り替えパターンを、システムのパラメータの値、例えば無線通信信号を用いて一次制御装置に帰還され得る二次負荷電圧に応じて使用することができる。上記に代えてまたは上記に加えて決定することができる別のシステムパラメータは、一次共振回路の電流である。エネルギー注入切り替えパターンの継続時間は、システムのパラメータの値に依存して制御され、共振回路は、決定されたエネルギー注入切り替えパターンに従って制御される。システムパラメータの、測定されたまたはその他の方法で決定された値に依存する共振回路を制御することによって、エネルギー注入切り替えパターンは、負荷条件および結合条件などのＩＰＴシステムの電流条件に従って最適化することができる。離隔した一次および二次巻き線などのこうした条件の変化または過渡状態は、共振回路を制御するために使用されるエネルギー注入切り替えパターンの継続時間を調整するのにその後使用することができる、システムパラメータの対応する変化を引き起こす。したがって、例えば一次および二次コイルの離隔を変更することなどの過渡状態下では、より短い継続時間を有するエネルギー注入切り替えパターンを選択することができ、これは、いくらかの効率の損失はあるものの、システムが変更条件に迅速に適応することを可能にする。決定されたシステムパラメータが所定の期間の間安定している、および／または、パラメータが、好適な二次電圧出力などの好適な設定点に近づくとき、エネルギー注入切り替えパターンは、効率を高めるために、ＩＰＴシステムのより細密な制御を可能にするより長い継続時間を有するように変更することができる。
【００５２】
エネルギー注入切り替えパターンを制御することによって、電力流は、最小限の構成要素ストレスで制御することができる。これは、効率を高め、低い定格構成要素の選択を可能にしながらも、電力損失を減少させる。その上、周波数調整と比較すると、エネルギー注入調整は、コイル連結（分離）のより広い範囲にわたる電力流を制御することができる。パターンジェネレータは、他の制御モードが破損した場合、極端な結合条件での切り替えを命令することによって制御範囲をさらに改善することができる。より細密な制御分解能は、他の制御方法から獲得できるものよりもパターン長を増やすことで、または連続的パターンを組み合わせて、電力を出力する個別のパターンの組み合わせである出力電力を備えた出力電力に達することで、獲得することができる。動的なパターン長の使用または生成は、過渡性能を改善する。例えば起動または他の大きな過渡電力変化の間、パターンジェネレータは、注入パターン長を減らすことによって、その過渡性能を改善することができる。このことは、注入パターン長をより細密な制御分解のために増やすことができる場合、近似の出力電力へのより迅速な調整を可能にする。同じ電力が伝達されるようにする多くのパターンが存在するので、実施形態は、さらに、電磁雑音の低減を実現することができる。制御装置は、幅広い周波数範囲全体に電気雑音を広げるように、注入周期のこうした類似のパターンから、ランダムに（またはその他の方法で）選択することができる。パターンジェネレータが、共振回路の時定数よりもかなり長くなり得る二次からの帰還遅延を許容することができるので、実施形態は、さらに、堅固性の改良を実現することができる。他の制御方法は、こうした状況の下で不安定になる場合がある。その上、実施形態は、従来型の変換器に必要とされるもの以上の付加的な切り替え／電力構成要素を必要としない。
【００５３】
エネルギー注入切り替えパターンのさらなる代替決定は、システムパラメータの値を必須値または設定点と比較することによって判定される誤りに依存してよい。例えば、誤り電圧は、実際の二次出力電圧を目標出力電圧と比較するときに発生し得る。誤り電圧が大きい場合、ＩＰＴシステムがより迅速に定常状態に達することを可能にするためにより急速な過渡応答を可能にするより短いパターンを使用して共振回路が制御される。誤り電圧が小さい場合、より長いエネルギー注入切り替えパターンを使用して共振回路を制御することができる。
【００５４】
実際の制御装置が図４に示され、この図では、ゼロ電流交差検出器１０および最大電流検出器１１は、トラック電流の条件に関する入力信号を、それぞれスイッチＳ１，Ｓ２をアクティブにするゲート駆動回路１３，１４に制御信号を提供するフィールドプログラマブルゲートアレイ１２に提供している。
【００５５】
フィールドプログラマブルゲートアレイ１２は、図５，図６を参照して後述するアルゴリズムを実装するソフトウェアを備えてよい。トラック電流、電圧または利用可能な電力は、制御目的で誤り表示を判定することができるように、モニタされて、必要な電流、電圧または電力と一致するようにできる。あるいは、同じまたは類似のパラメータを、制御目的で１つ以上のピックアップで測定することができる。
【００５６】
別の実施形態では、フィールドプログラマブルゲートアレイ１２は、単純なアルゴリズムを実装するより低コストのマイクロプロセッサ、または固定的なアルゴリズムを実装するディスクリートロジックのいずれかに置き換えられる。
【００５７】
図５を参照すると、パターンジェネレータアルゴリズムは、２つの入力を受信し、ゲート駆動パターンを発生させる。第１の入力Ｎは、エネルギー注入切り替えパターンの全長または継続時間である。これは、任意の利便性の高い数に選択することができ、必要とされる制御「分解能」に依存して選択することができる。これは、二次の出力または負荷電圧などのシステムパラメータを使用して決定することができる。
【００５８】
次に図５を参照して、フローチャートに記載されたパラメータを以下に提示する。
【００５９】
図５のアルゴリズムの目的は、注入事象の全体パターン長を提供することである。パターンは、図４に示すようなゲート駆動回路を駆動するために使用される。パターンは、一連のエネルギー注入事象を含む。エネルギー注入事象（本例では、各エネルギー注入事象は、トラックの共振電流の半周期ごとに切り替えられるゲート１に対応している）の数を、ｎで表す。可能なエネルギー注入事象の数は、Ｎである。最小の可能なパターン長および最大パターン長は、ユーザによって設定され得る。初期化は、ステップ２０において行われ、帰還電圧が、ピックアップで利用可能な電力を表してよい（例えばトラックの電流などの、測定される別のパラメータであってもよい）。帰還電圧は、次いで、誤りを判定するためにステップ２２で所望の出力電圧と比較される。この場合も、所望の出力電圧は、ピックアップ装置を作動させるのに必要な、所望のまたは必要な電力を表す場合がある、またはトラックパラメータの測定値であり得る）。誤りが大きい場合には、下位フローチャート２３をたどる。見て分るように、これは、より低い分解能、すなわちより粗雑な制御戦略が採用されて、その結果得られるパターンをステップ２５で発生させるようにパターン長を減らしている。電力または電圧の急増が必要な場合に要求され得る極めて粗雑なパターンの例は、例えば一連の４つのものであり得る。同様に、誤りが大きくない場合には、フローチャートの下位部分２４に示されるアルゴリズムが実施され、結果的に、より大きな「分解能」、すなわちより細密な制御を供与するより長いパターン長になる。
【００６０】
アルゴリズムの下位部分２３，２４では、より短いパターン継続時間およびより長いパターン継続時間にそれぞれ対応して、伝達電力を、負荷の要求に応じて増減してよい。例えば下位部分２３を参照すると、帰還電圧Ｖｆが所望の出力電圧Ｖｄより小さい場合には、エネルギー注入事象の数を増やすことによって、伝達電力は増やされる一方で、帰還電圧が所望電圧より大きい場合には、より短いパターンのエネルギー注入事象の数より削減される。したがって、下位部分２３は、下位部分２４より結果的により小さいパターン長（Ｎ）になり、さらに、帰還電圧と所望電圧の間の差に依存して、パターンの範囲内のエネルギー注入事象の数を減らすまたは増やす。実施形態では、エネルギー注入事象の最大数は、パターン継続時間または長の共振周波数周期の数であり、各エネルギー注入事象は、共振周波数周期の正の半周期と同時に起こっている。エネルギー注入事象の最小数は、ゼロであり、エネルギー注入事象の実数の数は、その範囲の中で必要とされ、帰還電圧に従って調整される。他の実施形態では、当業者には公知であるように、正および負の両方の半周期を適切な切り替え構成で使用することができる。類似のステップが、下位部分２４で起こり、より長い継続時間パターンまたは共振周波数周期の数が、最大数のエネルギー注入事象で利用可能である。
【００６１】
当業者にとって明らかであるように、システムパラメータに依存してエネルギー注入切り替えパターンの継続時間を決定する代替アルゴリズムを使用することができる。
【００６２】
図６を参照すると、入力Ｎ（パターン継続時間）およびｎ（パターンのエネルギー注入事象数）は、図５のフローチャートからすでに決定され、図６のアルゴリズムは、実装されるパターンの範囲内にエネルギー注入事象の分布を発生させる。初期化は、ステップ３０に示される。ステップ３１において、所与のパターンの範囲内の電力流は、それが５０パーセントより大きいか小さいか、すなわち所与のパターン長の注入事象の数が５０パーセントを超えるかどうかを確認して決定される。それが５０パーセント未満である場合には、次に、ステップ３２において、対応する長い［１０００００］サブパターンと短い［１０００］サブパターンとが決定される。それが５０パーセント未満である場合には、次に、ステップ３３において、対応する長い［０１１１１］サブパターンと短い［０１１１］サブパターンとが、決定される。長いおよび短いサブパターンは、完全なパターンを生成するために下位アルゴリズム３５の中で組み合わせられる。次に、ステップ４０において、このエネルギー注入切り替えパターンは、ゲート駆動回路に提供される。
【００６３】
当業者であれば理解されるように、エネルギー注入切り替えパターンの中のエネルギー注入事象の分布を決定する代替アルゴリズムを用いることができる。
【００６４】
当該アルゴリズムは、例えば、エネルギー注入事象がパターンの始めから終わりに向かって集められているか、パターンの全体にわたって一様に分散されているか、または他の方法で調節されているかどうかなど、パターンのエネルギー注入事象の分布を提供している。パターンの範囲内のエネルギー注入事象の分布は、効率を高めること、切り替え構成要素のストレスを減らすこと、電磁障害を減らすこと、または後で詳述するように通信を可能にするなどのさまざまな目的を実現するために使用することができる。
【００６５】
一実施形態では、パターンジェネレータは、他のパターンと比較されるとき（例えばすべてのエネルギー注入事象が、パターンの始めに集められるとき）、共振波形の波高因子（波高率）を減少させる効果を有するパターンの全体にわたって、エネルギー注入事象をほぼ一様に分布させるように配置することができる。このことは、０．２６のカップリングＫにおける継続時間のパターンを１６共振周期と示している図８で立証される。より低い波高因子の波形は、この低い波高因子が共振コンデンサおよび変換器スイッチのピーク電流／電圧ストレスを減らすので有益であり、このことは、より小さいおよびより高速な構成要素を使用してもよいことを意味する。さらに、パターンの期間または継続時間によって引き起こされる低周波調波の大きさは、より低いピーク電圧および電流が原因で縮小される。エネルギー注入事象を、集めるのではなく、パターンにわたってより一様に分布させるさらなる利点は、より広い実際的な制御範囲を可能にすることである。エネルギー注入回路がソフト切り替えのままであるために、それは、一次共振電流のゼロ交差を検出しなければならない。しかし、この電流が、ゼロ交差がもはや検出され得ない水準まで低下している場合には、切り替え信号は無くなっており、回復不可能である。図７ａは、準最適なまたは集められた１６周期切り替えパターンが実際に作動することができる最低注入率が、０．３２（９ｍｍ間隔）の結合Ｋでは５／１６であることを示す。換言すると、許容され得るエネルギー注入事象の最小数は５であり、パターン継続時間は１６周期である。他方で、エネルギー注入事象のより一様なまたは均一な分布では、より小さい数のエネルギー注入を、許容することができ、それによって、特に長い継続時間パターンを有する定常状態条件のときに、電力流の制御分解能を改善することができる。図７ｂは、最低注入率が当該分布では２／１６に改良されていることを示す。前述のように、これは、効率を改善して、部品ストレスを低減するのに用いることができる。例示的なパターンは、１１１１１１１１００００００００および１０１０１０１０１０１０１０１０を含む。両パターン共、同じエネルギーを共振回路に加えるが、第２のパターンでは、エネルギー注入事象をより一様に分布するので、結果的にすでに述べた利点のいくつかをもたらす。
【００６６】
パルストレインの動的可変ウィンドウ長、すなわち換言するとエネルギー注入事象切り替えパターンの継続時間を提供することによって、システムは、過渡負荷条件または結合条件またはより定常な状態の条件などの異なる条件に適応することができる。短いウィンドウまたはパターン継続時間は、パルスパターンのより高速な更新を可能にする一方で、より長いウィンドウは、応答時間の速度を落とす。ウィンドウ長を短縮することによって、調整されたパラメータのより劇的な変更が、より短い時間に行われ、結合または負荷の変化を修正する高速の応答時間が可能になる。ウィンドウ長を延ばすことによって、調整されたパラメータのより細密な変更が行われ、効率、負荷安定性、設定点と実際の負荷電圧の間の最小誤差に関して最善の回路性能を実現することができる。上記の実施形態は、短いおよび長いウィンドウだけを使用しているが、さまざまな継続時間パターンを、ウィンドウの長さをシステム条件に依存して動的に変更させながら用いることができる。変更のとき、高速であるが、粗雑な応答は、短いウィンドウを用いて発生させることができ、続いてシステムは、安定するように見えるので、制御パラメータの細密な同調を提供するために、次第に長い継続時間パターンを用いてウィンドウ長を延長させることができる。ウィンドウ長を、さらに、リアルタイムで優勢な特定の負荷パラメータおよび結合パラメータによって決定することができる。例えば、優勢な結合のための負荷への電力供給が、１０１０１０１０１０のウィンドウパターンによって偶然うまく供給される場合には、ウィンドウは２まで減らすことができ、パターン１０が発生する。これは、優勢な条件が変わるとき、同じ管理水準ならびに即時的反応を提供する。しかし、優勢な条件が、１１１１１１１１０のパターンを要求する場合、ウィンドウは、制御の分解能を低下させずに短縮することはできない。
【００６７】
他の実施形態では、エネルギー注入事象の異なる分布を同じウィンドウ長で使用することを利用して、ＩＰＴシステムの一次から二次までの通信チャネルを提供することができる。６周期のパターン継続時間では、エネルギー注入事象の以下の分布、１１１０００、１０１０１０、０００１１１、０１０１０１が、同じ追加エネルギーを提供する。パターンを切り替えることによって、例えば二進数「１」を表す上記パターンの１つ、および二進数「０」を表す上記パターンの第２を用いて、信号を二次に提供することができる。同様に、ＥＭＣ改良は、利用可能なパターンから選択することによって実施することができる。二次回路では、二次回路が、同じ平均水準の電力を受け取りながら、１１１０００パターンと１０１０１０パターンとの間の差をデコードすることができるように、エネルギー注入が、周期ベースによる周期で起こったことを、ピーク検出回路を利用して識別することができる。２つのパターンは、通信パートナーと呼ぶことができ、電力伝達は、同じであるが、それらはデジタル情報交換を容易にするものである。
【００６８】
図７の２つのパターンは、前述したように異なる波高因子を有し、このことは、一次（結果的に二次）電圧および電流が、こうした２つの例示的なパターンでは異なることを意味している。したがって、パターンの変化は、ピックアップ電圧および電流の振幅変調として二次で検出することができる。次いで、ピックアップ電圧は、一次からデジタルデータストリームを受け取る従来方法を用いて復調することができる。一例として、受け取った電圧は、被変調波の形の包絡線を取り出すために検出された包絡線、および二次側でバイナリデータストリームを受け取るために検出されたゼロクロスであり得る。当業者には明白であろう他の変調方法および検出方法もあり得る。
【００６９】
パターン１１１０００を切り替えることで生成される調波は、１０１０１０を切り替えることで生成される調波とは異なり、あるパターンから異なるパターンに変わることを用いて、システムからの電磁放射を拡散すること、および特性周波数での放出のピーク値を下げることができる。
【００７０】
上記のエネルギー注入事象分布機構は、可変的なパターンウィンドウまたは継続時間と共に使用することができる、または一定の継続時間のパターンと共に、これとは独立して使用することができる。
【００７１】
別の実施形態では、上記のパターン生成機構は、短絡制御（並列同調されたピックアップ）または開制御（直列同調されたピックアップ）を使用して、ＩＰＴシステムの二次側で電力を制御するまたは調整するのに、使用することができる。短絡制御回路は、図９に示される。Ｌ２およびＣ２は、ピックアップおよび同調コンデンサであり、Ｓは、短絡制御スイッチである。１つの実施形態では、Ｓは、図１０に示すように逆並列ＭＯＳＦＥＴとして実装することができる。別の実施形態では、Ｓは、両方共が導通時に、ピックアップを短絡させる（図１１）同期整流器の低い方の２つのスイッチ（Ｓ３およびＳ４）を使用して実装することができる。同じ短絡制御機能を実行するために使用することができる、当業者には明白である他のトポロジもあり得る。短絡制御事例では、エネルギー調整切り替えパターンの「１」は、電力が負荷へ流れることを可能にする短絡制御素子のスイッチを切るために実装することができる。次に、「０」が実施されて、スイッチをオンにし、スイッチが阻止能を伝導して負荷へ流す。
【００７２】
同等に、例えば図１２の回路を使用して、開制御を実施することができるが、当業者には理解されるように、同じ開制御機能を実行する他のトポロジもあり得る。開制御を考えるとき、パターンジェネレータの「１」が実施されて、ＭＯＳＦＥＴのスイッチ（または他のスイッチの型）をオンにして、電力を負荷へ導電することを可能にすることができる。調整パターンの「０」は、負荷との接続を切る。二次側では異なる継続時間を有し、負荷電圧などのシステムパラメータに依存する調整パターンを使用することは、制御技法を一次側に適用するのと同じ便益を提供する。例えば、起動時または負荷変更下に出力電力を調整するのに敏速な過渡応答が必要とされる場合、短いパターンを使用することができる。出力の精密制御が必要なとき、または定常状態に達したとき、制御装置は、より長いパターンを生成することができる。
【００７３】
一次制御と同様に、同じ電力を負荷に供給することができる多くのパターンが存在するという特性は、二次から一次までデータを通信するために使用することができる。二次制御を使用するとき、同じ電力が二次で受け取られることを可能にする複数のパターンは、相互インダクタンスを介して一次波形を変調するために使用することができる。一次の装填および非装填（相互インダクタンスを介した）は、データが二次から一次に伝送されることを可能にする一次波形の変調につながる。一次制御と同様に、二次に適用することができ、波高因子が低いせいで、構成要素を切り替えるシステムに低いストレスを加えるパターンが存在する。したがって、二次で制御を適用すると、構成要素コストを削減する、またはシステム効率を上げることができる。さらに、等価パターン間の変更は、システムからより大きな周波数範囲にわたって電磁放射を拡散することを可能にする。これは、システムが出すピークノイズスペクトルを低減し、電磁場適合性を実現することをより容易にする。
【００７４】
別の実施形態では、一次から二次への（および二重システムに戻る）通信は、異なる継続時間パターンで達成することができ、例えば、通信システムの中では、短いエネルギー注入切り替えパターンは「１」と解釈され、長いパターンは「０」と解釈されている。これは、本明細書に記載される他の態様または実施形態と共に使用してもよく、または独立した配置で使用してもよい。
【００７５】
ゆえに、本発明は、効果的な制御方法またはシステムをＩＰＴシステムまたはＩＰＴシステム一次電源に提供する。
【００７６】
用語「誘導的電力伝達」は、植設された医療装置の動力供給に言及するときに一般的に用いられる専門用語である「経皮的なエネルギー伝達」で置換することができる。
【００７７】
上下で引用されるすべての出願、特許および公開の全ての開示があるとするならば、参照により本明細書に援用される。
【００７８】
本明細書におけるどのような先行技術に対する言及も、その先行技術が世界の任意の国の努力傾注分野で共通の一般知識の一部を構成することの自認または何らかの形の示唆としてみなされるものではなく、みなされるべきではない。
【００７９】
その際、前述の引用文献は、その公知の均等物を備えた完全体または構成要素に作られ、当該完全体は、個別に説明されるように本明細書に援用される。
【００８０】
本明細書に記載されている好ましい実施形態に対するさまざまな変更および修正は、当業者にとって明らかであることを留意されたい。そのような変更および修正は、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、かつその効果を減少させない限り行うことができる。したがって、そのような変更および修正は、本発明の中に含まれるものと意図される。
【図１】
0006441222.tif 000002
【図２】
0006441222.tif 000003
【図３】
0006441222.tif 000004
【図４】
0006441222.tif 000005
【図５】
0006441222.tif 000006
【図６】
0006441222.tif 000007
【図７ａ】
0006441222.tif 000008
【図７ｂ】
0006441222.tif 000009
【図８】
0006441222.tif 000010
【図９】
0006441222.tif 000011
【図１０】
0006441222.tif 000012
【図１１】
0006441222.tif 000013
【図１２】
0006441222.tif 000014