(57)【要約】  本発明の実施形態によれば、電力変換をコントロールするための方法および装置が提供される。一実施形態において、上記の方法は、共振コンバータにおける電力変換に関する電圧および電荷の両方に基づいた比を計算するステップと、比を閾値と比較するステップと、共振コンバータのスイッチング周波数に拘わらず、比が閾値を満たすか否かに基づいて共振コンバータからの電力出力をコントロールするステップとを有することを特徴とする。
2016512419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換をコントロールするための方法であって、
共振コンバータにおける電力変換に関する電圧および電荷の両方に基づいた比を計算するステップと、
前記比を閾値と比較するステップと、
前記共振コンバータのスイッチング周波数に拘わらず、前記比が前記閾値を満たすか否かに基づいて前記共振コンバータからの電力出力をコントロールするステップと
を有する方法。
【請求項２】
前記電力出力をコントロールするステップが、前記共振コンバータのブリッジをフルＨブリッジまたはハーフＨブリッジとして動作させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記比が前記閾値よりも小さい場合、前記ブリッジが前記ハーフＨブリッジとして動作し、
前記比が前記閾値よりも大きい場合、前記ブリッジが前記フルＨブリッジとして動作する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ブリッジを前記フルＨブリッジとしての動作と前記ハーフＨブリッジとしての動作との間で切り換えるとき、前記共振コンバータの共振回路の構成要素の充電をコントロールするステップをさらに有する、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記充電が、前記ブリッジのデューティサイクルを調整することによってコントロールされる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記比が、（ｉ）前記共振コンバータの入力ブリッジに対して伝達される電荷、（ｉｉ）前記共振コンバータの出力ブリッジに対して伝達される電荷、（ｉｉｉ）前記入力ブリッジを切り換えるための必要な電荷、および（ｉｖ）前記出力ブリッジを切り換えるための必要な電荷に基づく、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記入力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記入力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷であり、
前記出力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記出力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電力変換をコントロールするための装置であって、
（ｉ）共振コンバータにおける電力変換に関する電圧および電荷の両方に基づいた比を計算する手順と、
（ｉｉ）前記比を閾値と比較する手順と、
（ｉｉｉ）前記共振コンバータのスイッチング周波数に拘わらず、前記比が前記閾値を満たすか否かに基づいて前記共振コンバータからの電力出力をコントロールする手順と
を実行するためのブリッジコントローラを具備する装置。
【請求項９】
前記電力出力をコントロールする手順が、前記共振コンバータのブリッジをフルＨブリッジまたはハーフＨブリッジとして動作させる手順を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記電圧比が前記閾値よりも小さい場合、前記ブリッジが前記ハーフＨブリッジとして動作し、
前記比が前記閾値よりも大きい場合、前記ブリッジが前記フルＨブリッジとして動作する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ブリッジを前記フルＨブリッジとしての動作と前記ハーフＨブリッジとしての動作との間で切り換えるとき、前記ブリッジコントローラが、前記共振コンバータの共振回路の構成要素の充電をコントロールする、請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記充電が、前記ブリッジのデューティサイクルを調整することによってコントロールされる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記比が、（ｉ）前記共振コンバータの入力ブリッジに対して伝達される電荷、（ｉｉ）前記共振コンバータの出力ブリッジに対して伝達される電荷、（ｉｉｉ）前記入力ブリッジを切り換えるための必要な電荷、および（ｉｖ）前記出力ブリッジを切り換えるための必要な電荷に基づく、請求項８から１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記入力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記入力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷であり、
前記出力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記出力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
ＤＣ入力電力を前記共振コンバータに供給するための、前記共振コンバータに接続された太陽電池（ＰＶ）モジュールをさらに具備する、請求項８から１４のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、電力変換に関し、特に、共振コンバータにおいてフルブリッジモードまたはハーフブリッジモードをいつ使用するかを動的に判定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
共振コンバータは、他のタイプの電力コンバータに優る多くの利点を提供する。そのような利点には、ノイズが小さいこと、構成要素ストレスが小さいこと、構成要素数が少ないこと、および伝導支配損失(conduction-dominated losses)を予測可能であることが含まれ得る。したがって共振コンバータは、他のタイプのコンバータよりも小さく、安価で、有効なデバイスとなり得る。
【０００３】
いくつかの共振コンバータでは、フルHブリッジが、共振タンクへの入力としてDC入力電圧を方形波電圧に変換する。一般に、Hブリッジは、タンクの共振周波数またはその近傍で動作する。しかしながら、コンバータの利用可能な入力電圧要件および/または出力電圧要件の変化は、場合によっては、コンバータの出力電力の流れをコントロールするためにHブリッジ動作周波数を共振周波数からシフトさせることを必要とする。動作周波数が高くなると、Hブリッジスイッチのスイッチング損失が増加し、コンバータの効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１３／４７５４６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、当技術分野には、共振コンバータの出力電力を効果的にコントロールするための方法および装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施態様は、一般に、図面のうちの少なくとも1つに関連して実質的に図示および/または説明されるように、また特許請求の範囲により完全に記載されるように、入力ブリッジの動作モードを判定するための方法および装置に関する。
【０００７】
本開示の様々な利点、態様、新規の特徴は、例示される本開示の実施形態の詳細とともに、以下の説明および図面から、より完全に理解されよう。
【０００８】
上で説明した本発明の特徴を詳細に理解することができるよう、上で簡単に要約した本発明について、実施形態を参照してより具体的に説明する。その実施形態のうちのいくつかは添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は、本発明の代表的な実施形態を示したものにすぎず、本発明は他の同様に有効な実施形態を許容することが可能であり、したがってこれらの実施形態を本発明の範囲を制限するものと見なしてはならないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の1つまたは複数の実施形態による共振コンバータのブロック図である。
【図２】本発明の1つまたは複数の実施形態によるブリッジコントローラのブロック図である。
【図３】本発明の1つまたは複数の実施形態による、共振電力コンバータからの出力電力を変調するための方法の流れ図である。
【図４】本発明の1つまたは複数の実施形態を使用する電力変換のためのシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図1は、本発明の1つまたは複数の実施形態による共振コンバータ100のブロック図である。この図は、無数の想定可能なシステム構成のうちの一変形形態を示したものにすぎない。本発明は、様々な発電環境およびシステムで機能することができる。
【００１１】
共振コンバータ100は、並列入力コンデンサ130の両端間に接続され、コンデンサ118と、インダクタ116と、1:nの巻数比を有する変圧器106の1次巻線106pとの直列接続の両端間に接続される入力ブリッジ102を備えるDC-ACコンバータである。いくつかの実施形態では、並列入力コンデンサ130のキャパシタンスの少なくとも一部分は、共振コンバータ100内のスイッチングデバイスからの寄生容量に起因する場合がある。
【００１２】
入力ブリッジ102は、スイッチ120-1/120-2および122-1/122-2がそれぞれHブリッジの第1の対角および第2の対角を形成するように構成されたスイッチ120-1、120-2、122-1、および122-2(例えば、n型の金属酸化物半導体電界効果トランジスタすなわちMOSFET)を備えるフルHブリッジである。スイッチ120-1、120-2、122-1、および122-2のそれぞれのゲート端子ならびにソース端子は、スイッチを動作可能にコントロールするためのブリッジコントローラ114に接続されている。別の実施形態では、スイッチ120-1、120-2、122-1、および122-2は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、p型MOSFET、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)などの他の任意の適当な電子スイッチであってもよい。
【００１３】
ブリッジ102の第1の出力端子は、スイッチ120-1とスイッチ122-2との間に接続され、またコンデンサ118の第1の端子にも接続される。コンデンサ118の第2の端子は、インダクタ116の第1の端子に接続され、インダクタ116の第2の端子は、1次巻線106pの第1の端子に接続される。インダクタ116およびコンデンサ118は、いくつかの実施形態では、100キロヘルツ(kHz)またはその近傍の共振周波数を有する直列の共振回路104(「タンク104」とも称される)を形成し、例えば、インダクタ116は、5マイクロヘンリー(uH)のインダクタであってもよく、コンデンサ118は、500ナノファラド(nF)のコンデンサであってもよい。別の実施形態では、共振回路104は、異なる共振周波数を有してもよい。いくつかの代替実施形態では、インダクタ116は、別個のインダクタではなく、変圧器106の漏れインダクタンスを表すことができ、それによって共振コンバータ100の構成要素の総数を減少させることができる。別の代替実施形態では、他のタイプの共振回路(例えば、直列LC、並列LC、直並列LLC、直並列LCC、直並列LLCCなど)が、共振コンバータ100内で利用されてもよい。
【００１４】
1次巻線106pの第2の端子は、スイッチ122-1とスイッチ120-2との間で入力ブリッジ102の第2の出力端子に接続される。さらに、入力電圧サンプリング回路124は、入力ブリッジ102の入力端子間に接続され、またブリッジコントローラ114にも接続される。
【００１５】
入力ブリッジ102は一般に、100キロヘルツ(kHz)すなわち共振回路104の共振周波数のスイッチング周波数で動作し、また、ブリッジへのDC電圧源に応じて、例えば60ボルトから600ボルトまで切り換えることができる。別の実施形態では、ブリッジ102は、異なるスイッチング周波数、例えば200kHzのスイッチング周波数で動作することができる。
【００１６】
変圧器106の2次側で、並列出力コンデンサ132および出力ブリッジ150はそれぞれ、変圧器106の2次巻線106sの両端間に接続される。出力ブリッジ150は、ハーフブリッジとして構成され、スイッチ152-1、152-2、154-1、および154-2を備える。一方、別の実施形態では、出力ブリッジ150は、フルブリッジであってもよい。スイッチ152-1および154-1のドレイン端子は、コンデンサ132の第1の端子に接続される。各スイッチ対152-1/152-2および154-1/154-2のソース端子は、互いに接続される(すなわち、スイッチ152-1/152-2のソース端子が、互いに接続され、スイッチ154-1/154-2のソース端子が、互いに接続される)。スイッチ152-2および154-2のドレイン端子は、それぞれ第1の出力端子L1および第2の出力端子L2に接続され、コンデンサ156および158の直列接続は、出力端子L1およびL2の間に接続される。スイッチ対154-1/154-2は、第1の4象限スイッチ(four-quadrant switch)(すなわち、完全な双方向スイッチ)を形成し、スイッチ対152-1/152-2は、第2の4象限スイッチを形成する。いくつかの実施形態では、スイッチ152-1、152-2、154-1、および154-2は、n型MOSFETスイッチであってもよく、別の実施形態では、他の適当なスイッチおよび/またはスイッチの構成が、第1の4象限スイッチ、第2の4象限スイッチ、および第3の4象限スイッチに対して利用されてもよい。いくつかの代替実施形態では、出力ブリッジ150は、整流回路によって置き換えられてもよく、また共振コンバータ100は、DC出力を生成する。
【００１７】
各スイッチ152-1、152-2、154-1、および154-2のゲート端子ならびにソース端子は、スイッチを動作させるためのコントローラ114に接続され、出力電圧サンプリング回路126は、発生した電圧Voutを測定するための出力端子L1および出力端子L2の間に接続される。出力端子L1およびL2は、単相AC電圧をACラインに接続するために、AC商用配電網などのACラインに接続され得る。並列入力コンデンサ130と並列出力コンデンサ132との両方の設計上の選択を通じて、共振コンバータ100は、広い電力範囲にわたって、ブリッジ102のスイッチング周波数の比較的小さな変化で変調するように設計することができる。1つまたは複数の代替実施形態では、出力ブリッジ150は、2相または3相のAC電力が発生し得るような追加のスイッチを備える。
【００１８】
いくつかの実施形態では、コンデンサ118は、400ナノファラド(nF)程度であってもよく、インダクタ116は、4マイクロヘンリー(uH)程度であってもよく、並列入力コンデンサ130は、10nF程度であってもよく、並列出力コンデンサ132は、1〜5nF程度であってもよく、また変圧器106は、1:6の巻数比を有してもよい。そのような実施形態は、150キロヘルツ(kHz)〜300kHzの周波数範囲を有してもよい。一般に、共振回路104の直列キャパシタンスは、400nF程度であってもよい。
【００１９】
動作中、入力ブリッジ102は、1つまたは複数の再生可能エネルギー源(例えば、太陽電池(PV)モジュール、ウィンドファーム、水力発電システムなど)、バッテリ、または任意の適当なDC電力源などのDC電圧源から、入力電圧Vinを受信する。フルブリッジモードでは、ブリッジコントローラ114は、100kHz程度の周波数で、入力ブリッジ102を動作させて(すなわち、180°位相がずれた、ブリッジの対角を交互にアクティブ化/非アクティブ化して)、バイポーラ方形波であるブリッジ出力電圧Vbrを発生させる。ブリッジ出力電圧Vbrは、電流Irとなって共振回路104および1次巻線106pを流れ、それによって、2次巻線106sに交流を誘導する。変圧器106は、1次側から2次側にかけて電圧を上げるための昇圧変圧器であってもよく(例えば、PVモジュールによって生成されたDC入力の場合、変圧器106は一般に、昇圧変圧器である)、また、代替方法として、電圧を下げるための降圧変圧器であってもよい。変圧器のタイプは、電力コンバータの用途によって変わり、例えば、DC入力が1つの太陽電池(PV)モジュールによって生成され、出力がAC電源(配電網)型電圧である再生可能用途の場合、代表的な巻数比は1:6である。
【００２０】
あるいは、コンバータ100は、ハーフブリッジモードで動作することもできる。ハーフブリッジモードで動作するとき、入力ブリッジ102は、例えば、スイッチ122-1を非アクティブ化する(すなわち、スイッチ122-1が「オフ」となるようにスイッチ122-1を開放状態にする)、スイッチ120-2をアクティブ化する(すなわち、スイッチ120-2が「オン」となるようにスイッチ120-2を閉状態にする)、また現在のスイッチング周波数に基づいてスイッチ120-1および122-2を交互に動作させることにより、ハーフHブリッジとして効果的に動作する。あるいは、入力ブリッジ102内のスイッチの他の組合せを適切にアクティブ化/非アクティブ化することで、ハーフHブリッジの動作を実現することができる。
【００２１】
2次巻線106sは、約100kHzの周波数(すなわち、入力ブリッジ周波数)で、おおよそ正弦波の電流波形Ioを生成し、それが次いで出力ブリッジ150に流れ込んで出力電圧Voutを発生させる。電流波形Ioの振幅、したがって共振コンバータ100によって発生する出力電力は、ブリッジ102のスイッチング周波数によって決定され、入力ブリッジ102のスイッチング周波数を適切に調整することによって増加または減少させることができる。すなわち、信号周波数が共振回路104の共振周波数から離れるにつれて、出力端子に伝達される電流(および電力)(Vout)は変化する。
【００２２】
ブリッジコントローラ114は、所望の出力電力が共振コンバータ100によって発生するように、入力ブリッジのスイッチ(すなわち、スイッチ120-1、120-2、122-1、および122-2)ならびに出力ブリッジのスイッチ(すなわち、スイッチ152-1、152-2、154-1、および154-2)を動作させる。共振コンバータ100がPVモジュールから入力電力を受信するいくつかの実施形態では、ブリッジコントローラ114は、最大電力点(MPP)でPVモジュールにバイアスがかけられるように、スイッチを動作させてもよい。
【００２３】
入力電圧サンプリング回路124は、入力電圧Vinをサンプリングして、サンプリングした入力電圧(「入力電圧サンプル」)を示す値を生成し、一方、出力電圧サンプリング回路126は、出力電圧Voutをサンプリングして、サンプリングした出力電圧(「出力電圧サンプル」)を示す値を生成する。いくつかの実施形態では、入力電圧サンプリング回路124および出力電圧サンプリング回路126は、そのようなサンプリングを、それぞれ1kHzおよび50kHzのレートで実行することができる。いくつかの実施形態では、入力電圧サンプリング回路124および出力電圧サンプリング回路126はそれぞれ、デジタル形式でサンプルを生成するためのアナログ-デジタルコンバータ(ADC)を備えている。
【００２４】
入力電圧サンプリング回路124および出力電圧サンプリング回路126は、それぞれ入力電圧サンプルおよび出力電圧サンプルをブリッジコントローラ114に接続する。本発明の1つまたは複数の実施形態によれば、ブリッジコントローラ114は、入力ブリッジ102の動作モード、すなわち、入力ブリッジ102をフルブリッジモードで動作させるか、ハーフブリッジモードで動作させるかを、電圧および電荷の両方に基づいて動的に判定する。入力ブリッジ102をフルブリッジとして動作させるか、ハーフブリッジとして動作させるかを判定するために、ブリッジコントローラ114は、以下の電圧電荷ベースの比(voltage-and-charge-based ratio)を計算する。
(Q1+2Qp1)/(Q2+2Qp2)  (1)
【００２５】
上式では、Q1=Q2*V2/V1=開閉サイクルごとに、入力ブリッジ102から伝達される、または入力ブリッジ102に伝達される正規化された電荷(単位はクローン)、Q2=Q1*V1/V2=開閉サイクルごとに、出力ブリッジ150から伝達される、または出力ブリッジ150に伝達される正規化された電荷(単位はクローン)、V1=正規化された入力電圧(すなわち、本明細書に記載の実施形態では、電圧が1次側に正規化されるとき、V1=Vinである)、V2=正規化された出力電圧(すなわち、Vout/n)、Qp1=入力ブリッジ102をゼロ電圧スイッチング(ZVS)するために必要な正規化された電荷、Qp2=出力ブリッジ150をZVSするために必要な正規化された電荷である。
【００２６】
ブリッジコントローラ114は、次いで、計算した比を、一般に1.0程度である閾値と比較する。比が閾値よりも小さい場合、入力ブリッジ102は、ハーフブリッジモードで動作し、比が閾値よりも大きい場合、入力ブリッジ102は、フルブリッジモードで動作する。比が閾値と等しい場合、いくつかの実施形態では、入力ブリッジ102は、フルブリッジモードで動作してもよく、一方、別の実施形態では、ハーフブリッジモードで動作してもよい。Qp1とQp2との両方がゼロに等しい一実施形態では、フルブリッジモードで動作するか、ハーフブリッジモードで動作するかの判定は、例えば、2012年5月18日に出願された同時係属中の、同一出願人による米国特許出願第13/475,460号、名称「Method and Apparatus for Controlling Resonant Converter Output Power」(特許文献1)で詳しく説明されるように、比V2/V1に基づく。引用により、上記米国特許出願の全体が本明細書に援用される。
【００２７】
フルブリッジモードで動作するとき、入力ブリッジ102は、入力ブリッジ102の対角が、スイッチング周波数(例えば、100kHz)で、180°位相がずれて、交互にアクティブ化/非アクティブ化される、フルHブリッジとして動作する。ハーフブリッジモードで動作するとき、ブリッジ102からのピーク-ピーク出力電圧は、ブリッジ102の動作周波数の変更を必要とすることなしに、2VinからVinに低下する。さらに、(入力側に比べて)出力ブリッジ150のキャパシタンスは一般に、入力ブリッジ102のキャパシタンスよりもかなり大きいことを考えれば、低い電力レベルで、ハーフブリッジモードがより大きな電圧比に対して使用され得る。ZVSの移行が長くなると、波形の有効振幅が小さくなるので、入力ブリッジ102は、より小さい合計ボルト秒(volt-seconds)をタンク104に適用する。ブリッジ102のハーフHブリッジ動作とフルHブリッジ動作との間の切換えにより、共振コンバータ100の出力電力を効果的にコントロールすることができ、一方で、ブリッジ102内のスイッチ損失を最小化することができる。
【００２８】
例示的な一実施形態では、Vin=30V、Vout=300Vであり、コンデンサ130および132はそれぞれC130=10nFおよびC132=1nFのキャパシタンスを有し、変圧器の巻数比は1:nであり、そこではn=6である。そのような一実施形態では、コンデンサ132のキャパシタンスは、入力側に比べて、入力側のサイズの約3.6倍(すなわち、1nF*62=36nF)である。ブリッジの動作モードを選択するための関連するパラメータQ1、Q2、Qp1、およびQp2は、以下のように決定される。
V1=Vin=30V  (2)
V2=Vout/n=300/6=50V  (3)
Qp1=V1*Cp1=V1*C130=30V*10nF=300nC  (4)
Qp2=V2*Cp2=V2*(C132*n2)=50V*(1nF*62)=1.8uC  (5)
【００２９】
上式で、式(3)のVoutは、変圧器の巻数比を示す6(すなわち、n)で除され、また上式で、式(5)のC132は、変圧器106の両端間のキャパシタンスを正規化するn2を乗じる。
【００３０】
そのような一実施形態では、共振コンバータ100は、500ミリアンペア(mA)の出力電流Ioutおよび200kHzのスイッチング周波数fswを有するように動作してもよい。したがって、Q1およびQ2のパラメータは、以下のように決定される。
Q2=Iout/fsw*n=500mA/200kHz=15μC  (6)
Q1=Q2*V2/V1=15μC*50V/30V=25μC  (7)
【００３１】
式(1)の比は、次いで、以下のように計算される。
(Q1+2Qp1)/(Q2+2Qp2)=(25μC+2*300nC)/(15μC+2*1.8uC)=1.38  (8)
【００３２】
1.0の閾値の場合、式(8)で計算された比は、閾値よりも大きいので、入力ブリッジ102は、フルブリッジモードで動作する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、ブリッジコントローラ114は、出力電圧サンプリング回路126のサンプリングレートと同じレート(例えば、50kHz)で、電圧電荷ベースの比を計算し、それを閾値と比較してもよい。
【００３４】
いくつかの実施形態では、入力ブリッジ102をフルHブリッジ動作とハーフHブリッジ動作との間で切り換える際、過渡的影響を低減するために、コンデンサ118は、コントロールされた形で充電したり、放電したりすることができる。これは、バイアス電圧の過渡振動を減衰させるために、ブリッジのデューティサイクルを調整する(DCバイアス電圧を効果的に変調する)ことによって実施することができる。例えば、フルHブリッジ動作の間、コンデンサ118は、平均準ゼロ値(average quasi-zero value)を有することができ、コンデンサ118は次いで、ブリッジ動作がハーフHブリッジ動作に切り換えられると、コントロールされた形でVinの値まで充電することができる。そのようなコントロールは、フルHブリッジ動作とハーフHブリッジ動作との間の移行中に実施可能であり、さらに、および/または代替方法として、実際のモード変更の前、および/または実際のモード変更の後、パルス幅を変調することができる。
【００３５】
1つまたは複数の代替実施形態では、共振コンバータ100は、複数の動作モードの間に2つ以上の電力段(stages)および/またはスイッチを交互配置することができる。共振コンバータ100によって発生したエネルギーは、1つまたは複数の機器によって使用されてもよく、および/または例えば、バッテリ、温水、水力発電における揚水、H2Oから水素への変換などの利用といった後々の使用のために保存されてもよい。
【００３６】
図2は、本発明の1つまたは複数の実施形態によるブリッジコントローラ114のブロック図である。ブリッジコントローラ114は、サポート回路204およびメモリ206を備え、それぞれは、中央処理装置(CPU)202に接続されている。CPU202は、1つまたは複数の従来から利用可能なマイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラを含むことができ、または、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(ASIC)を含むことができる。サポート回路204は、CPU202の機能性を高めるために使用される、既知の回路である。そのような回路は、それに限定されるものではないが、キャッシュ、電源、クロック回路、バス、入力/出力(I/O)回路などを含む。ブリッジコントローラ114は、特定のソフトウェアを実行すると本発明の様々な実施形態を実行するための特定目的のコンピュータになる、汎用コンピュータを使用して実装されてもよい。
【００３７】
メモリ206は、ランダムアクセスメモリ、読出し専用メモリ、リムーバブルディスクメモリ、フラッシュメモリ、およびこれらのタイプのメモリの様々な組合せを含むことができる。メモリ206は、ときにメインメモリと称され、部分的に、キャッシュメモリまたはバッファメモリとして使用され得る。メモリ206は、一般に、必要な場合、CPUの性能によってサポートできるブリッジコントローラ114のオペレーティングシステム(OS)208を格納する。いくつかの実施形態では、OS208は、それに限定されるものではないが、LINUX(登録商標)、リアルタイムオペレーティングシステム(RTOS)などのいくつかの商用オペレーティングシステムのうちの1つであってもよい。
【００３８】
メモリ206は、入力ブリッジ102および出力ブリッジ150の動作をコントロールし、また本発明に関係する機能を実行するためのブリッジコントロールモジュール210などの、様々な形態のアプリケーションソフトウェアを格納する。例えば、ブリッジコントローラ114は、ブリッジコントロールモジュール210を実行して、ブリッジスイッチング周波数を、出力電力要件に基づいて公称のスイッチング周波数(例えば、100kHz)の上側か下側に調整し、電圧電荷ベースの比(Q1+2Qp1)/(Q2+2Qp2)を計算し、計算した比を閾値と比較し、ブリッジ102を、計算した比が閾値を満たすか否かに基づいてハーフHブリッジとして(すなわち、ハーフブリッジモードで)またはフルHブリッジとして(すなわち、フルブリッジモードで)動作させる。PVモジュールが共振コンバータ100の入力側で接続される実施形態の場合、ブリッジコントロールモジュール210は、MPPの動作を実現するために、PVモジュールにそのMPPでバイアスをかけるための動作点を決定し、ブリッジ102のスイッチング周波数をそれに応じて調整することができる。ブリッジコントローラ114によって提供される機能に関するさらなる詳細は、図3に関連して以下で説明される。
【００３９】
メモリ206はさらに、比(Q1+2Qp1)/(Q2+2Qp2)と比較するための1つまたは複数の閾値などの、共振コンバータ100および/または本発明の動作に関係するデータを格納するためのデータベース212を格納してもよい。
【００４０】
別の実施形態では、CPU202は、実行されると、図3に関連して以下で説明されているコントローラの機能を提供する、コントローラのファームウェアを格納するための内部メモリを備えるマイクロコントローラであってもよい。
【００４１】
図3は、本発明の1つまたは複数の実施形態による、共振電力コンバータからの出力電力を変調するための方法300の流れ図である。方法300は、ブリッジコントロールモジュール210の一実装形態である。
【００４２】
共振コンバータは、その入力側のフルHブリッジ、およびハーフブリッジ(例えば、出力ブリッジ150)でもフルブリッジでもよい出力ブリッジを備える、DC-ACコンバータ(例えば、入力ブリッジ102を備える共振コンバータ100)である。共振コンバータは、任意のタイプの共振回路、例えば、直列LC、並列LC、直並列LLC、直並列LCC、直並列LLCCなどを備えることができる。いくつかの実施形態では、共振コンバータは、PVモジュール、ウィンドファーム、水力発電システムなどの、DC入力電圧を受信するための1つまたは複数の再生可能エネルギー源に接続される。さらに、または代替方法として、共振コンバータは、バッテリなどの1つまたは複数の他のDC電力源に接続されてもよい。
【００４３】
1つまたは複数の代替実施形態では、共振コンバータは、DC出力を生成するための出力ブリッジの代わりに出力整流器を備えることができる。共振コンバータによって発生するエネルギーは、商用AC配電網などのACラインに接続された、1つまたは複数の機器によって使用されてもよく、および/または例えば、バッテリ、温水、水力発電における揚水、H2Oから水素への変換などの利用といった後々の使用のために保存されてもよい。
【００４４】
方法300は、ステップ302を起点とし、ステップ304に進む。ステップ304で、共振コンバータの入力ブリッジは、出力電力要件に基づいてDC入力電圧VinをAC出力電圧Voutに変換するために、(例えば、100〜200kHz程度の)共振回路の共振周波数に近似の周波数で、フルHブリッジとして動作する(例えば、ブリッジコントローラ114などのブリッジコントローラによって駆動される)。いくつかの実施形態では、共振コンバータは、入力電圧Vinを受信するために、PVモジュールに接続されてもよく、共振コンバータのブリッジは、MPPでPVモジュールにバイアスがかけられるような周波数で動作してもよい。例えば、ブリッジコントローラ114などのブリッジコントローラは、MPPを実現するための適切な動作周波数を決定し、それに応じてブリッジを動作させることができる。
【００４５】
方法300は、ステップ306に進み、そこで、(Q1+2Qp1)/(Q2+2Qp2)という電圧電荷ベースの比が決定される。共振コンバータは、入力電圧および出力電圧をサンプリングし、電圧電荷ベースの比を決定する際に使用するサンプリングした電圧(「電圧サンプル」)を示す値を生成するための、電圧サンプリング回路(例えば、入力電圧サンプリング回路124、出力電圧サンプリング回路126)を備えることができる。いくつかの実施形態では、入力電圧サンプリング回路および出力電圧サンプリング回路は、そのようなサンプリングを、それぞれ1kHzおよび50kHzのレートで実行してもよい。電圧サンプルは次いで、入力キャパシタンスおよび出力キャパシタンス、所望の出力電流、スイッチング周波数とともに、式(2)〜(8)で先に説明したとおり、電圧電荷ベースの比を計算するために使用することができる。そのような計算は、例えば、ブリッジコントローラ114などのコントローラで実行することができる。
【００４６】
方法300は、ステップ308に進み、そこで、計算された電圧電荷ベースの比は、例えばブリッジコントローラによって閾値と比較され、そこでは、閾値は1.0程度であり得る。いくつかの実施形態では、比は、出力電圧サンプリング回路が出力電圧をサンプリングするものと同じレート(例えば、50kHz)で、決定され、閾値と比較されてもよい。ステップ310で、電圧電荷ベースの比が閾値を超えるか否かが判定される。電圧電荷ベースの比が閾値を超える場合、方法300は、ステップ304に戻る。電圧電荷ベースの比が閾値を超えない場合、方法300は、ステップ312に進む。いくつかの実施形態では、電圧電荷ベースの比が閾値と等しい場合、方法300は、ステップ304に戻り、一方、別の実施形態では、方法300は、ステップ312に進む。
【００４７】
ステップ312で、入力ブリッジは、フルHブリッジとしてではなく、ハーフHブリッジとして(すなわち、ハーフブリッジモードで)動作する。例えば、Hブリッジの1つのスイッチ(例えば、スイッチ122-1)は、連続的に非アクティブ化されてもよく、そこでは、Hブリッジの別のスイッチ(例えば、スイッチ120-2)は、連続的にアクティブ化され、残りのスイッチ(例えば、スイッチ120-1やスイッチ122-2)は、同期して180°位相がずれて動作する。そのような動作は、ブリッジ出力電圧を、ブリッジの動作周波数の変更を必要とすることなしに半分低下させる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、フルHブリッジ動作とハーフHブリッジ動作との間の切換えの際、過渡的影響を低減するために、コンバータの共振回路内の1つまたは複数のコンデンサは、コントロールされた形で充電することができる。例えば、フルHブリッジモードで動作しているとき、共振回路104内のコンデンサ118は、平均準ゼロ値を有することができる。フルHブリッジ動作からハーフHブリッジ動作に切り換えると、コンデンサ118は、ハーフHブリッジ動作への切換えに由来するあらゆる過渡的影響を低減するために、コントロールされた形でVinの値まで充電することができる。これは、バイアス電圧の過渡振動を減衰させるために、ブリッジのデューティサイクルを調整する(それによってDCバイアス電圧を効果的に変調する)ことによって実施することができる。例えば、フルHブリッジ動作の間、コンデンサ118は、平均準ゼロ値を有することができ、次いで、ブリッジ動作がハーフHブリッジ動作に切り換えられると、コントロールされた形でVinの値まで充電することができる。そのようなコントロールは、フルHブリッジ動作とハーフHブリッジ動作との間の移行中に実施可能であり、さらに、および/または代替方法として、実際のモード変更の前、および/または実際のモード変更の後、パルス幅を変調することができる。
【００４９】
方法300は、ステップ314に進み、そこで、共振コンバータを動作させることを継続するか否かが判定される。ステップ314で、動作を継続すると判定された場合、方法300は、ステップ306に戻る。ステップ314で、動作を継続しないと判定された場合、方法300は、ステップ316に進み、そこで終了する。いくつかの実施形態では、電圧電荷ベースの比は、出力電圧サンプリング回路126などの電圧サンプリング回路のサンプリングレートと同じレート(例えば、50kHz)で、計算され、閾値と比較されてもよい。
【００５０】
図4は、本発明の1つまたは複数の実施形態を使用する電力変換のためのシステム400のブロック図である。この図は、本発明を利用し得る、無数の想定可能なシステム構成およびデバイスのうちの一変形形態を示したものにすぎない。本発明は、DC-DCコンバータ、DC-ACコンバータ、AC-ACコンバータ(すなわち、AC-ACコンバータ内の段として)などの、DC入力電力を出力電力に変換するための共振コンバータを使用する任意のシステムまたはデバイスにおいて利用することができる。
【００５１】
システム400は、電力コンバータ402と総称される、複数の電力コンバータ402-1、402-2、402-3、…、402-N、DC電力源404と総称される、複数のDC電力源404-1、404-2、404-3、…、404-N、コントローラ406、バス408、およびロードセンタ410を備える。DC電力源404は、DC電力を供給するための、以前の電力変換段(power conversion stage)、バッテリ、再生可能エネルギー源(例えば、ソーラーパネルもしくは太陽電池(PV)モジュール、風車、水力発電システム、または類似の再生可能エネルギー源)などからの出力といった任意の適当なDC源であり得る。
【００５２】
各電力コンバータ402-1、402-2、402-3、…、402-Nは、それぞれDC電力源404-1、404-2、404-3、…、404-Nに1対1の対応関係で接続され、いくつかの代替実施形態では、複数のDC電力源404が、単一の電力コンバータ402に接続されてもよい。電力コンバータ402は、コントローラ406にバス408を介して接続される。コントローラ406は、電力コンバータ402の動作をコントロールするための、無線通信および/または有線通信(例えば、電力線通信)によって、電力コンバータ402と通信することができる。電力コンバータ402はさらに、ロードセンタ410にバス408を介して接続される。
【００５３】
電力コンバータ402は、DC電力源404からのDC電力を出力電力に変換する。いくつかの実施形態では、出力電力は、DC出力電力であってもよく(すなわち、電力コンバータ402はDC-DCコンバータである)、一方、別の実施形態では、出力電力は、AC出力電力であってもよい(すなわち、電力コンバータ402はDC-ACコンバータである)。電力コンバータ402は、発生した出力電力をロードセンタ410にバス408を介して接続する。発生した電力は次いで、使用のために、例えば1つまたは複数の機器に配信されてもよく、および/または、例えば、バッテリ、温水、水力発電における揚水、H2Oから水素への変換などの使用といった後々の使用のために保存されてもよい。いくつかの実施形態では、電力コンバータ402は、DC入力電力を、商用配電網に準拠したAC電力に変換し、そのAC電力を商用配電網にロードセンタ410を介して接続する。
【００５４】
電力コンバータ402のそれぞれは、DC入力電力の出力電力への変換において利用される共振コンバータ100を備える(すなわち、電力コンバータ402-1、402-2、402-3、…、402-Nが、それぞれ共振コンバータ100-1、100-2、100-3、…、100-Nを備える)。いくつかの実施形態では、共振コンバータ100は、先に説明したとおり、DC電力(すなわち、DC入力電力)をAC出力電力に変換するために動作し、そこでは、共振コンバータの入力ブリッジは、先に説明したとおり、式(1)の比が閾値を満たすか否かに基づいて、フルHブリッジとハーフHブリッジとのどちらかとして動作する。
【００５５】
本発明の実施形態の以上の説明は、説明したように様々な機能を実行するいくつかの素子、デバイス、回路、および/または組立品を含む。例えば、ブリッジ102は、DC入力電圧からバイポーラ方形波電圧を発生させるための手段の例であり、ブリッジコントローラ114は、共振コンバータにおける電圧変換に関する電圧比を計算し、その電圧比を閾値と比較し、共振コンバータのスイッチング周波数に拘わらず、電圧比が閾値を満たすか否かに基づいて共振コンバータからの電力出力をコントロールするための手段の例である。これらの素子、デバイス、回路、および/または組立品は、それらのそれぞれ説明された機能を実行するための手段の例示的な実装形態である。
【００５６】
以上は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態が本発明の基本範囲から逸脱することなく考案可能であり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
【符号の説明】
【００５７】
100，100-1，100-2，100-3，100-N  共振コンバータ
102  入力ブリッジ
104  共振回路(共振タンク)
106  変圧器
106p  1次巻線
106s  2次巻線
114  ブリッジコントローラ
116  インダクタ
118，156，158  コンデンサ
120-1，120-2，122-1，122-2  スイッチ
124  入力電圧サンプリング回路
126  出力電圧サンプリング回路
130  並列入力コンデンサ
132  並列出力コンデンサ
150  出力ブリッジ
152-1，152-2，154-1，154-2  スイッチ
202  中央処理装置(CPU)
204  サポート回路
206  メモリ
208  オペレーティングシステム(OS)
210  ブリッジコントロールモジュール
212  データベース
400  システム
402，402-1，402-2，402-3，402-N  電力コンバータ
404，404-1，404-2，404-3，404-N  DC電力源
406  コントローラ
408  バス
410  ロードセンタ
【図１】
2016512419.tif 000003
【図２】
2016512419.tif 000004
【図３】
2016512419.tif 000005
【図４】
2016512419.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月15日(2015.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振電力コンバータによって電力変換をコントロールするための方法であって、
共振コンバータによる電力変換の間に、前記共振コンバータのＨブリッジを動作させるための複数のモードのうちから、モードを動的に選択するステップと、
選択したモードで前記Ｈブリッジを動作させるステップと
を有し、
前記複数のモードは、フルＨブリッジモードと、ハーフＨブリッジモードとを含む、方法。
【請求項２】
前記モードを動的に選択するステップが、
（ｉ）前記電力変換に関する電圧および電荷の両方に基づいた比を計算するステップと、
（ｉｉ）前記比を閾値と比較するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記比が前記閾値よりも小さい場合、前記Ｈブリッジが前記ハーフＨブリッジモードで動作し、
前記比が前記閾値よりも大きい場合、前記Ｈブリッジが前記フルＨブリッジモードで動作する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｈブリッジを前記フルＨブリッジモードでの動作と前記ハーフＨブリッジモードでの動作との間で切り換えるとき、前記共振コンバータの共振回路の構成要素の充電をコントロールするステップをさらに有する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記充電が、前記Ｈブリッジのデューティサイクルを調整することによってコントロールされる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記比が、（ｉ）前記共振コンバータの入力ブリッジに対して伝達される電荷であって、前記入力ブリッジが前記Ｈブリッジである、電荷、（ｉｉ）前記共振コンバータの出力ブリッジに対して伝達される電荷、（ｉｉｉ）前記入力ブリッジを切り換えるための必要な電荷、および（ｉｖ）前記出力ブリッジを切り換えるための必要な電荷に基づく、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記入力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記入力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷であり、
前記出力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記出力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
共振電力コンバータによる電力変換のための装置であって、
共振コンバータのＨブリッジに接続されたブリッジコントローラを具備し、
前記ブリッジコントローラは、
（ａ）前記共振コンバータによる電力変換の間に、前記Ｈブリッジを動作させるための複数のモードのうちから、モードを動的に選択する手順と、
（ｂ）選択したモードで前記Ｈブリッジを動作させる手順と
を実行し、
前記複数のモードは、フルＨブリッジモードと、ハーフＨブリッジモードとを含む、装置。
【請求項９】
前記モードを動的に選択する手順が、
（ｉ）前記電力変換に関する電圧および電荷の両方に基づいた比を計算する手順と、
（ｉｉ）前記比を閾値と比較する手順と
を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記比が前記閾値よりも小さい場合、前記Ｈブリッジが前記ハーフＨブリッジモードで動作し、
前記比が前記閾値よりも大きい場合、前記Ｈブリッジが前記フルＨブリッジモードで動作する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記Ｈブリッジを前記フルＨブリッジモードでの動作と前記ハーフＨブリッジモードでの動作との間で切り換えるとき、前記ブリッジコントローラが、前記共振コンバータの共振回路の構成要素の充電をコントロールする、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記充電が、前記Ｈブリッジのデューティサイクルを調整することによってコントロールされる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記比が、（ｉ）前記共振コンバータの入力ブリッジに対して伝達される電荷であって、前記入力ブリッジが前記Ｈブリッジである、電荷、（ｉｉ）前記共振コンバータの出力ブリッジに対して伝達される電荷、（ｉｉｉ）前記入力ブリッジを切り換えるための必要な電荷、および（ｉｖ）前記出力ブリッジを切り換えるための必要な電荷に基づく、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記入力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記入力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷であり、
前記出力ブリッジを切り換えるための前記必要な電荷が、前記出力ブリッジをゼロ電圧スイッチングするために必要な正規化された電荷である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
ＤＣ入力電力を前記共振コンバータに供給するための、前記共振コンバータに接続された太陽電池（ＰＶ）モジュールをさらに具備する、請求項８から１４のいずれか一項に記載の装置。
【国際調査報告】
2016512419.tif 000007
2016512419.tif 000008