双方向エネルギー変換システム
交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）への高効率変換構造は：瞬時ＡＣ入力を受けるように作用するＡＣ−ＤＣ変換入力ステージと；ＡＣリンクを介して入力ステージに接続されると共にＤＣ電力を少なくとも一需要家に出力するように作用するＤＣ出力ステージと；前記瞬時ＡＣ入力における変動性の電力の供給能力と少なくとも一需要家における一定の電力要求との間のエネルギーバランサーとして使用されるエネルギー蓄積装置と；を含み、前記エネルギー蓄積装置は、ＡＣリンクを介して入力ステージと出力ステージの両方に連結される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換構造又は電力変換トポロジー（本明細書ではこれらを同義的に使用する）に関し、詳細には電源装置で使用される交流（ＡＣ)から直流（ＤＣ）への変換構造、即ちＡＣ／ＤＣ変換構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置は、一般に電力変換分野と定義し得る分野において非常に重要な製品となっている。種々の電力変換トポロジーが当業者の間で知られている。従来の工業標準のＡＣ−ＤＣ変換トポロジー又はＡＣ−ＤＣ交換構造１００を図１に示す。構造１００は、本線からＡＣ入力を受ける入力ステージ１０２を含み、この入力ステージ１０２は、エネルギー蓄積要素（例えば大容量キャパシター）１０４に接続される。前記エネルギー蓄積要素１０４は、順次少なくとも１つのＤＣ出力を備える出力ステージ１０６に接続される。入力ステージ１０２は、第一の（入力）単方向エネルギー搬送リンク１０８’を介して、エネルギー蓄積要素１０４に接続される。出力ステージ１０６は、第二の（出力）単方向エネルギー搬送リンク１０８”を介して、エネルギー蓄積要素１０４に接続される。このように、要素１０４は、入力ステージと出力ステージの両方に連結されている。リンク１０８’にはラフなＤＣ入力が入力され、一方要素１０４から出力ステージ１０６へは、より直流化されたＤＣが（リンク１０８”で搬送されて）出力される。明確さを期すために、出力ステージ１０６は、ＤＣからＤＣへの変換ステージである。リンク１１０’と１１０”は、それぞれ、ステージ１０２と要素１０４の間、並びにステージ１０６と要素１０４の間の電気回路を閉じる。制御モジュール１２０は、有線又は無線で各要素１０２、１０４、及び１０６と電気通信を行う。通信は、一般にエネルギー蓄積要素との通信が単方向（要素１０４から情報を受信するのみ）であり得る場合を除いて、双方向で行われる（各要素に指示を送信すると共に、各要素から情報を受信する）。
使用上、ＡＣ入力の一般的な線間電圧（例えば８４から２６０ＶＡＣ 、５０から６０Ｈｚ）がステージ１０２に入力され、ステージ１０２においてラフな（不連続な）ＤＣ電流に変換される。ラフなＤＣ電流は、リンク１０８’を介してステージ１０２から出力され、エネルギー蓄積要素（すなわち大容量キャパシター）１０４に入力される。大容量キャパシター１０４の主な機能は、不連続なＤＣ電流（及び対応するエネルギー）に対するバッファーとして機能することと、ステージ１０６への安定した入力を保証することである。キャパシター１０４は、ステージ１０２から入力される全エネルギーを処理する。ＤＣ電流は、キャパシター１０４から出力されて、リンク１０８”を介して出力ステージ１０６に転送される。ステージ１０６では、必要に応じてＤＣ電流に対して更なるＤＣ−ＤＣ変換が行われ、少なくとも１つの出力を介して、その出力と連結された需要家に出力される。
【０００３】
図２に、上記従来技術のシステムをより詳細に示す。図２は、従来の構造２００を示しており、構造２００では、図１の入力ステージ１０２は、入力全波整流器（ＡＣ−ＤＣ）２０２として表され、整流器２０２は、ＤＣ／ＤＣ力率補正（ＰＦＣ）モジュール２０４に電気的に連結される。前記ＰＦＣモジュールは、一般的に別個のユニットである。図１のエネルギー蓄積要素１０４は、大容量キャパシター２０６として表され、図１のリンク１０８’及び１０８”、並びに１１０’及び１１０”は、それぞれ矢印２０８’と２０８”で表されている。図１の出力ステージ１０６は、少なくとも１つの出力部であるＡＣ−ＤＣコンバーター２１２に連結された、少なくとも１つの出力部であるＤＣ−ＡＣコンバーター２１０として表され、前記コンバーター２１２からは最終の電力が出力「Ｏｕｔ１」から出力される。任意に、ＡＣ−ＤＣコンバーターにＤＣ−ＡＣコンバーターを連結したセット（例えば２１４と２１６）を追加して「Ｏｕｔ２」に連結し、「Ｏｕｔ２」から電力の供給を行うようにすることもできる。ここにも同じく制御モジュール（図１における１２０）は存在するが、図示しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１及び図２に示す従来技術による構造には、一連の多くのＡＣ／ＤＣ電力変換及びＤＣ／ＡＣ電力変換が必要である（図２では、６個も存在している）。このように、１つのセクションに複数の変換トポロジーが必要になり、変換周波数も複数となると共に、セクション当りの電力損失も増え、複雑な電磁（ＥＭ）妨害の問題も生じるほか、第一に高電圧大容量の蓄積キャパシターを備える必要がある等、多くの著しい欠点が生じる。
従って、上記のような欠点を有さない電力変換構造を備えることが広く求められていると共に、かかる電力変換構造を備えることは、非常に有利なことである。
本発明は、フィードフォワードリンク及びフィードバックリンクとの並列変換を可能とする、ＡＣ連結双方向エネルギーフローに基づいた新規の電力変換構造及び電力変換トポロジーを開示する。本発明の構造及び電力変換トポロジーは、「双方向エネルギー変換システム」あるいはＢＥＣＳとも称される変換システムに取り入れられている。
本明細書で示す構造及びトポロジーは、以下のような多くの重要な利点を提供する：全電力供給性能が最適化されると共に、一般的なソフトスイッチング変換部を備えることができ、第二には任意の電圧の大容量キャパシター若しくは急速充電／放電バッテリーを使用することが可能となる。ここで開示するトポロジーによれば、第一に高電圧キャパシターを設ける必要がなく、有利である。
好適な実施形態では、本発明の変換構造は、ＤＣ−ＡＣコンバーター（ＤＣ−ＡＣインバーター）に連結されたＡＣ−ＤＣ入力整流器を含む入力ステージと、ＡＣリンクを介して前記入力ステージに直接連結されるＤＣ出力ステージと、前記入力ステージにおける変動性電力の供給能力と、前記出力ステージにおける出力負荷の一定の電力要求との間のエネルギーバランサーとして使用されるエネルギー蓄積装置と、を含む。前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素（キャパシター又は急速充電／放電バッテリー）とを含み、既存の変換システムにおける状況とは対照的に、ＡＣリンクを介して入力ステージと出力ステージに接続されるため、有利である。入力電力が所要の出力電力より小さい場合には、前記エネルギー蓄積装置は、ＤＣ出力ステージにのみ連結される。入力電力がＤＣ出力において所要の電力に等しい場合には、本発明の構造では、入力ステージに存在する全電力を出力ステージにＡＣの形態で直接送ることができる。入力電力が所要の出力電力より大きい場合には、前記エネルギー蓄積装置は、入力ステージから余剰の電力を受ける。従って本発明の構造によれば、極めて高い全体変換効率が提供されると共に、工業的な力率補正要件が維持される。本発明のトポロジーは、中断不可の電源装置及びモーター制御システムにも適している。
好適な実施形態では、変換構造は、制御部をさらに含み、該制御部は、入力ステージ、１つ以上のＤＣ出力ステージ、及びエネルギー蓄積装置に連結されて、力率の要求の存在と出力電圧の安定化の両方を保証する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、ＡＣ−ＤＣ高効率変換構造が提供される。該構造は、（例えば本線からの）ＡＣ入力を受けると共に高周波（ＨＦ）ＡＣ出力を出力するように作用する入力ステージと、ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ出力を受けると共に、それぞれのＤＣ出力を介して少なくとも一需要家に所要のＤＣ電力を出力するＤＣ出力ステージと、入力ステージにおける変動性の電力の供給能力と、少なくとも一需要家における一定の電力要求との間のエネルギーバランサーとして使用されるエネルギー蓄積装置と、を含む。該エネルギー蓄積装置が、ＡＣリンクを介して入力ステージと出力ステージの両方と相互に作用するよう動作することで、本発明による構造は、入力ステージに存在する全電力を出力ステージにＡＣの形態で直接送ることができるので、全体的な変換効率をさらに高めることができる。好適な実施形態において、本発明の構造は、制御部をさらに含み、該制御部は、入力ステージ、ＤＣ出力ステージ、及びエネルギー蓄積装置に連結されると共に、力率補正と、効率を最適化するためのエネルギー平衡化と、前記ＤＣ出力の調整とを行うために使用される。
本発明の変換構造の１つの特徴によれば、入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される。
本発明の変換構造の別の特徴によれば、エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む。
本発明の変換構造のまた別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター及び急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される。
本発明の変換構造のまた別の特徴によれば、前記ＤＣ出力ステージは、複数の調整器を含み、これら調整器は、ＡＣリンクに並列接続された同期性又は非同期性いずれかの整流器／調整器であり得る。各調整器は、それぞれの需要家に接続される。
本発明の変換構造のさらに別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置の前記ＡＣ入力ステージへの前記連結は、前記入力ステージから前記エネルギー蓄積装置への単方向である。
【０００６】
本発明によれば、ＡＣ−ＤＣ高効率変換トポロジーが提供される。該トポロジーは、ＡＣバスを介してＤＣ出力ステージに連結される入力ステージと、前記ＡＣバスを介して前記入力ステージと前記ＤＣ出力ステージに動作上連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と前記出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように作用するエネルギーバランサーと、前記入力ステージ、前記ＤＣ出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーに連結されると共に、前記入力ステージ、前記出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーの動作を制御するように使用される制御部と、を含む。
本発明の変換トポロジーの１つの特徴によれば、前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される。
本発明の変換トポロジーの別の特徴によれば、前記エネルギーバランサーは、エネルギー蓄積要素に双方向に連結された双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターを含む。
本発明の変換トポロジーのまた別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター及び急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される。
本発明の変換トポロジーのさらに別の特徴によれば、前記ＤＣ出力ステージは、ＡＣバスに並列に接続された複数の調整器を含み、前記各調整器は、それぞれの需要家に接続される。
本発明の変換トポロジーのさらに別の特徴によれば、前記ＡＣ入力ステージへの前記エネルギーバランサーの連結は、前記ＡＣ入力ステージから前記エネルギーバランサーへの単方向である。
本発明によれば、ＡＣ電力からＤＣ電力への効率的な変換方法が提供される。該方法は、高周波（ＨＦ）ＡＣ電圧を出力するように動作する入力ステージに瞬時ＡＣ電力を入力するステップと、少なくとも一需要家に所要のＤＣ電力を出力するように動作するＤＣ出力ステージに、ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ電圧を送るステップと、前記入力ステージと前記ＤＣ出力ステージの両方に前記ＡＣリンクを介して連結されるエネルギー蓄積装置を使用して、前記所要のＤＣ電力と前記瞬時ＡＣ電力との間の如何なる不均衡をも補正するステップと、を含む。
【０００７】
本発明の方法の１つの特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より小さい場合に、前記エネルギー蓄積装置が前記ＤＣ出力ステージに電力を供給するステップを含む。
本発明の方法における別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力に等しい場合に、前記エネルギー蓄積装置が、前記入力ステージから出力される全電力をＡＣの形態で前記出力ステージに直接送ることを含む。
本発明の方法におけるさらに別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より大きい場合に、前記エネルギー蓄積装置が前記入力ステージから余剰の電力を受けるステップを含む。
本発明によれば、ＡＣ−ＤＣコンバーターにおける力率補正サブシステムが提供される。該サブシステムは、瞬時ＡＣ電力を受けると共に高周波ＡＣ電圧を出力するように動作する入力ステージと、ＡＣバスを介して前記入力ステージに連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように動作するエネルギー蓄積装置と、を含み、これにより前記ＡＣ−ＤＣコンバーターにおける力率補正が前記ＡＣバスを用いて行われる。
本発明の力率補正サブシステムにおける１つの特徴によれば、前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される。
本発明の力率補正（ＰＦＣ）サブシステムにおける別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図面は、本発明の一例を示すが、それらの図面は、本発明を説明する目的で使用するものであり、本発明を限定するものではない。以下の好適な実施形態において本発明を概説するが、本発明の主旨及び範囲は、それら特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。本発明の好適な実施形態の構造、作用、及び利点は、添付の図面を参照して以下の記載を理解することで明らかとなろう。
本発明は、フィードフォワードリンク及びフィードバックリンクによって並列変換を可能とする双方向エネルギーフローに基づいた新規の電力変換構造（トポロジー）を開示する。
【０００９】
図３は、本発明による電力変換構造３００の好適な実施形態を示す。構造３００は、図１のステージ１０２と同様にＡＣ入力を受ける入力ステージ３０２を含み、該ステージ３０２は、ＡＣリンク３０６を介して出力ステージ３０４（少なくとも１つのＤＣ出力を有する）に直接接続される。エネルギー蓄積要素がＤＣリンクを介してこれらの入力ステージ及び出力ステージに連結される図１及び図２で示した従来技術とは対照的に、エネルギー蓄積装置３０８は、ＡＣリンク３０６を介して入力ステージ３０２及び出力ステージ３０４に連結（接続）される。構造３００は、さらに要素３０２、３０４、及び３０８の各々と（有線又は無線で電気的に）通信する制御モジュール３２０を含む。エネルギー蓄積要素との通信が単方向であり得る（要素３０８からのみ情報を受ける）ことを除けば、前記通信は、概して双方向である（各要素に指示を送ると共に、各要素から情報を受ける）。
エネルギー蓄積装置３０８が処理するのは全エネルギーの一部のみであるため、エネルギーの損失も少ない（高効率）ばかりか、該装置の物理的サイズも小さくて済み、その結果システムも低価格となるという利点がある。
【００１０】
図４は、本発明の電力変換構造４００を詳細に示す図であり、図３で示す構造をより詳細に示している。構造４００では、図３の入力ステージ３０２は、電磁妨害（ＥＭＩ）フィルター４２０を入力整流器（好ましくは全波ＡＣ−ＤＣ整流器）４０２に電気的に連結したものによって具体化され、整流器４０２は、さらにＤＣ−ＡＣインバーター４０４に電気的に連結されている。構造４００は、図３のＡＣリンク３０６と同様のＡＣバス４０６と、エネルギー蓄積要素（大容量キャパシター又は急速充電／放電バッテリー）４１０に連結された双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター４０８として具体化されたエネルギー蓄積装置と、Ｎ個の双方向調整器（非同期性又は同期性の整流器／調整器）４１２−１から４１２−Ｎからなる出力ステージ４０７と、をさらに含む。入力ステージ及びエネルギー蓄積装置、即ちユニット４２０、４０２、４０４、４０８、及び４１０は、協働して力率補正（ＰＦＣ）サブシステム４０５を形成する。従来技術とは対照的に、ＰＦＣ４０５は、専用のユニットを使用することなく、ＤＣ／ＡＣインバーター、エネルギー蓄積装置、及び制御装置５０４（図５参照）といった既存の機能を代わりに用いて力率補正を行うため有利である。さらに、ＰＦＣは、異なるユニット間でＡＣリンクを用いて実行される。
各調整器４１２は、負荷Ｒに接続されたＤＣ出力“Ｏｕｔ”において、出力電圧を安定化した所要のＤＣ電力を出力する。例示として、調整器４１２−１に対するＯｕｔ１は、第一の需要家を表す負荷Ｒ１に接続され、調整器４１２−Ｎに対するＯｕｔＮは、ｎ番目の需要家を表す負荷Ｒｎに接続される。システムの全体的な変換効率に影響を及ぼすことなく、任意の数の需要家を並列に追加することができる。双方向ＤＣ＜＞ＡＣインバーター／コンバーターは、当技術分野において知られており、例えばW.Guo及びP.K.Jainによる「力率補正及びソフトスイッチングを内蔵した低周波ＡＣから高周波ＡＣへのインバーター」（ＩＥＥＥ（電気通信技術者協会）論文誌“Power Electron”（２００４）１９巻４３０頁から４４２頁）の図２で示す「フルブリッジインバーター」と「共鳴ネットワーク」要素を参照されたい。ここでも同じく制御モジュール（図３の３２０）が存在するが、図示しない。
【００１１】
図４を参照すると、使用上、例えば一般的な線間電圧（８４から２６０ＶＡＣ、５０から６０Ｈｚ）であるＡＣ入力電圧がＥＭＩフィルター４２０を介して入力全波整流器（ＡＣ−ＤＣ）４０２に入力され、ここでラフなＤＣ電流に変換される。ラフなＤＣ電流は、整流器４０２を出てＤＣ−ＡＣインバーター４０４に供給され、ここで高周波ＡＣ電流に変換される。高周波ＡＣ電流は、ＡＣバス４０６において、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター４０８とＮ個の非同期整流器／調整器４１２−１から４１２−Ｎとに分配される。この分配は、ＡＣ入力で利用できる瞬時電力によって決まる。例えば、Ｏｕｔ１で表される需要家１は、一定の電力を必要とする。ＡＣバス４０６から需要家１に供給される電力がこの需要家の要求する電力より大きければ、余剰電力は、エネルギー蓄積装置（例えばキャパシター４１０）に送られる。ＡＣバス４０６から需要家１に供給される電力がこの需要家の必要とする電力より小さい場合には、電力差分の必要な電力がキャパシター４１０によりコンバーター４０８に供給されて、その後Ｏｕｔ１に送られることで、一定のエネルギー要求が満たされる。このように、キャパシター４１０（又は急速充電／放電バッテリー）は、エネルギーバランサーとして作用し、キャパシター４１０と入力ステージ及び出力ステージとの間の電力のやり取りは、ＡＣバスを介して行われる。なおエネルギー蓄積装置は、入力ステージから電力を受けるのみであるが、出力ステージとは双方向に電力をやり取りする。
一般的に、入力電力が必要な出力電力より小さい場合には、エネルギー蓄積装置は、ＤＣ出力ステージにのみ連結される。入力電力がＤＣ出力において必要とされる電力に等しい場合には、本発明による構造では、入力ステージからの全電力を出力ステージへとＡＣの形態で直接送ることができる。入力電力が必要な出力電力より大きい場合には、エネルギー蓄積装置は、入力ステージからの余剰電力を受ける。従って、本発明の構造によって、全体的な変換効率が高められると共に、工業的な力率補正（ＰＦＣ）要件が維持される。本発明のトポロジーは、中断不可能な電力供給やモーター制御システムにも適している。
【００１２】
図５は、図４の構造の詳細な回路図である。ＡＣ入力は、ＥＭＩフィルター４２０を介してフィルター処理される。図４の入力整流器４０２は、ここでは４つの整流器ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を含むフルブリッジ５０２と入力フィルター４２０を用いて実行される。ＡＣ入力電圧は、出力側ではＤＣ−ＡＣインバーター４０４（図４）に連結されるように示され、インバーター４０４は、スイッチ（例えばトランジスター）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とインダクターＬ１を含む回路によって実行される。調整器４１２−１は、スイッチＳ５、Ｓ６とキャパシターＣ４を含む回路によって実行され、キャパシターＣ４は、図示のように、ＤＣ電圧ＶＤＣout１を提供する出力負荷Ｒ１に接続される。Ｌ２及びＬ３は、Ｓ５とＳ６の間の位相シフトによって出力電圧の調整を可能とする差動モードチョークである。調整器４１２−Ｎは、スイッチＳｎ及びＳｎ＋１、キャパシターＣｎ、及びインダクターＬｎ及びＬｎ＋１で実行され、図示のように、ＤＣ電圧ＶＤＣoutＮを提供する出力及び負荷Ｒｎに接続される。ＤＣ出力（ＶＤＣout１及びＶＤＣoutＮ）は、ＡＣバス４０６（変圧器Ｔ１）に並列に接続される。双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター４０８は、スイッチＳ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を含む回路によって実行され、図示のように、大容量キャパシターＣbulk４１０に接続される。出力ステージ中の各ユニットは、分離した磁気結合を介してＡＣバス４０６に接続される。図示のように、制御部５０４（図３の３２０に類似する）は、入力ステージ及び出力ステージとキャパシターＣbulkに連結される。制御部を出る矢印は、種々のユニットに対する制御を示し、制御部に入る矢印は、ポイント４１６、４１７、４１８’から４１８’Ｎにおいて得られる入力を示す。制御部は、Ｓ１からＳｎ＋１の全てのスイッチの開閉を制御する。
図５に示すように、第一又は第二の指令パルス整形ネットワークは、４０８と４１０によって定義される主電力流において使用される。有利なことに、エネルギーの流れ及び入ってくる突入電流は、全て制御可能であり、それらを制限する特別なハードウェアは、必要ない。制御をパルス毎に行うことで、より小さいキャパシターを使用することができるため、ホットスワップが単純化される。
【００１３】
要約すれば、本発明の開示する変換構造は、従来技術の構造を超えた多くの利点を有する：
１）突入電流を抑制する必要がない。入力ステージに並列接続されたキャパシターがないため、最初の電源オンの際（時間ｔ＝０）も入力電圧はごくわずかであると共に、入力電流もほぼゼロである。これは、電源装置が双方向構造であることで、ｔ＝０では、ほぼゼロの入力電流が指示されるためであるが、これはｔ＝０において同じようにゼロである出力電圧に比例していることによる。実際に、出力エネルギーは、ＡＣからインダクターを介して移送されるため、全ての突入電流は、このインダクターによって制限される。
２）専用の出力保護が必要ない：最大出力電流は、制御部によって調整される（固定される）。このように構成することにより、内部的な供給の散逸が、出力負荷の抵抗とほとんど無関係となる。従って、供給は、時間を無制限として漏電状態まで過重電流状態で作用することができる。実際に、供給出力は、電流源として作用する。双方向性構造の特徴として、供給の入力も同様に作用する（電流シンク）。ｔ＝０において、出力電力は、エネルギー蓄積要素の充電によりゼロとなる。
３）出力が複数であっても効率損失がない。本発明のトポロジーでは、追加の変換ステージが存在しないため、効率損失を生じることなく複数の出力を設けることができる。全ての出力は、単一の変圧器から並列に出力される。多数の出力に出力電力を分配すれば、単一の出力からの電流が減少するため、効率の面からは好適である。
【００１４】
一例としては、実質的に各プリント基板（又はブレード）が共通のバックプレーンを介して電源装置に接続されるスタンドアロンコンピューターである「ブレード」サーバーシステムアプリケーションがある。物理的な電源装置上の第一の側とブレード自体における低電圧ＡＣを用いた負荷における第二の側とを使用することにより、ＡＣ電力入力から負荷のＤＣ分離低電圧点出力への効率を非常に高くすることができる。シミュレーション（図示せず）の結果、全体的な効率が１０％から１２％上昇したことがわかった。
本明細書で述べた全ての刊行物及び特許に関しては、ある程度それらを特定的且つ個々に参照して本明細書の記載の一部に援用するものとしてそれらの内容全体を参照し、本明細書の記載の一部とした。さらに本願で参照したもの全てについて、それらをここで記載又は特定したが、それらが従来技術として本発明に利用できる権利を有するものとして解釈されるべきではない。
限られた数の実施形態に関して本発明を説明したが、本発明を多様に変形、変更、及び適用することも可能であることを理解されたい。上述したものは、本発明の原理の適用例を示したものに過ぎない。当業者であれば、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、その他の構成及び方法を実施することができよう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的に使用される従来技術による電力変換構造を示す図。
【図２】従来技術による電力変換構造の詳細を示す図。
【図３】本発明による電力変換構造の基本ブロック図。
【図４】本発明による電力変換構造の詳細を示す図。
【図５】図４の構造の詳細な回路実装図。
【符号の説明】
【００１６】
３００ 電力変換構造、３０２ 入力ステージ、３０４ 出力ステージ、３０６ ＡＣリンク、 ３０８ エネルギー蓄積装置、３２０ 制御モジュール、４００ 電力変換構造、４０２ 入力整流器、４０４ ＤＣ−ＡＣインバーター（ＤＣ＞ＡＣインバーター）、４０５ 力率補正（ＰＦＣ）サブシステム、４０６ ＡＣバス、４０７ 出力ステージ、４０８ 双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター、４１０ エネルギー蓄積要素、４１２ 双方向調整器、４１２−１、４１２−Ｎ 双方向調整器、４１６、４１７、４１８’、４１８’Ｎ ポイント、４２０ ＥＭＩフィルター（電磁妨害フィルター）、５００、５０２ フルブリッジ（全波整流器）、５０４ 制御装置（制御部）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換構造又は電力変換トポロジー（本明細書ではこれらを同義的に使用する）に関し、詳細には電源装置で使用される交流（ＡＣ)から直流（ＤＣ）への変換構造、即ちＡＣ／ＤＣ変換構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置は、一般に電力変換分野と定義し得る分野において非常に重要な製品となっている。種々の電力変換トポロジーが当業者の間で知られている。従来の工業標準のＡＣ−ＤＣ変換トポロジー又はＡＣ−ＤＣ交換構造１００を図１に示す。構造１００は、本線からＡＣ入力を受ける入力ステージ１０２を含み、この入力ステージ１０２は、エネルギー蓄積要素（例えば大容量キャパシター）１０４に接続される。前記エネルギー蓄積要素１０４は、順次少なくとも１つのＤＣ出力を備える出力ステージ１０６に接続される。入力ステージ１０２は、第一の（入力）単方向エネルギー搬送リンク１０８’を介して、エネルギー蓄積要素１０４に接続される。出力ステージ１０６は、第二の（出力）単方向エネルギー搬送リンク１０８”を介して、エネルギー蓄積要素１０４に接続される。このように、要素１０４は、入力ステージと出力ステージの両方に連結されている。リンク１０８’にはラフなＤＣ入力が入力され、一方要素１０４から出力ステージ１０６へは、より直流化されたＤＣが（リンク１０８”で搬送されて）出力される。明確さを期すために、出力ステージ１０６は、ＤＣからＤＣへの変換ステージである。リンク１１０’と１１０”は、それぞれ、ステージ１０２と要素１０４の間、並びにステージ１０６と要素１０４の間の電気回路を閉じる。制御モジュール１２０は、有線又は無線で各要素１０２、１０４、及び１０６と電気通信を行う。通信は、一般にエネルギー蓄積要素との通信が単方向（要素１０４から情報を受信するのみ）であり得る場合を除いて、双方向で行われる（各要素に指示を送信すると共に、各要素から情報を受信する）。
使用上、ＡＣ入力の一般的な線間電圧（例えば８４から２６０ＶＡＣ 、５０から６０Ｈｚ）がステージ１０２に入力され、ステージ１０２においてラフな（不連続な）ＤＣ電流に変換される。ラフなＤＣ電流は、リンク１０８’を介してステージ１０２から出力され、エネルギー蓄積要素（すなわち大容量キャパシター）１０４に入力される。大容量キャパシター１０４の主な機能は、不連続なＤＣ電流（及び対応するエネルギー）に対するバッファーとして機能することと、ステージ１０６への安定した入力を保証することである。キャパシター１０４は、ステージ１０２から入力される全エネルギーを処理する。ＤＣ電流は、キャパシター１０４から出力されて、リンク１０８”を介して出力ステージ１０６に転送される。ステージ１０６では、必要に応じてＤＣ電流に対して更なるＤＣ−ＤＣ変換が行われ、少なくとも１つの出力を介して、その出力と連結された需要家に出力される。
【０００３】
図２に、上記従来技術のシステムをより詳細に示す。図２は、従来の構造２００を示しており、構造２００では、図１の入力ステージ１０２は、入力全波整流器（ＡＣ−ＤＣ）２０２として表され、整流器２０２は、ＤＣ／ＤＣ力率補正（ＰＦＣ）モジュール２０４に電気的に連結される。前記ＰＦＣモジュールは、一般的に別個のユニットである。図１のエネルギー蓄積要素１０４は、大容量キャパシター２０６として表され、図１のリンク１０８’及び１０８”、並びに１１０’及び１１０”は、それぞれ矢印２０８’と２０８”で表されている。図１の出力ステージ１０６は、少なくとも１つの出力部であるＡＣ−ＤＣコンバーター２１２に連結された、少なくとも１つの出力部であるＤＣ−ＡＣコンバーター２１０として表され、前記コンバーター２１２からは最終の電力が出力「Ｏｕｔ１」から出力される。任意に、ＡＣ−ＤＣコンバーターにＤＣ−ＡＣコンバーターを連結したセット（例えば２１４と２１６）を追加して「Ｏｕｔ２」に連結し、「Ｏｕｔ２」から電力の供給を行うようにすることもできる。ここにも同じく制御モジュール（図１における１２０）は存在するが、図示しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１及び図２に示す従来技術による構造には、一連の多くのＡＣ／ＤＣ電力変換及びＤＣ／ＡＣ電力変換が必要である（図２では、６個も存在している）。このように、１つのセクションに複数の変換トポロジーが必要になり、変換周波数も複数となると共に、セクション当りの電力損失も増え、複雑な電磁（ＥＭ）妨害の問題も生じるほか、第一に高電圧大容量の蓄積キャパシターを備える必要がある等、多くの著しい欠点が生じる。
従って、上記のような欠点を有さない電力変換構造を備えることが広く求められていると共に、かかる電力変換構造を備えることは、非常に有利なことである。
本発明は、フィードフォワードリンク及びフィードバックリンクとの並列変換を可能とする、ＡＣ連結双方向エネルギーフローに基づいた新規の電力変換構造及び電力変換トポロジーを開示する。本発明の構造及び電力変換トポロジーは、「双方向エネルギー変換システム」あるいはＢＥＣＳとも称される変換システムに取り入れられている。
本明細書で示す構造及びトポロジーは、以下のような多くの重要な利点を提供する：全電力供給性能が最適化されると共に、一般的なソフトスイッチング変換部を備えることができ、第二には任意の電圧の大容量キャパシター若しくは急速充電／放電バッテリーを使用することが可能となる。ここで開示するトポロジーによれば、第一に高電圧キャパシターを設ける必要がなく、有利である。
好適な実施形態では、本発明の変換構造は、ＤＣ−ＡＣコンバーター（ＤＣ−ＡＣインバーター）に連結されたＡＣ−ＤＣ入力整流器を含む入力ステージと、ＡＣリンクを介して前記入力ステージに直接連結されるＤＣ出力ステージと、前記入力ステージにおける変動性電力の供給能力と、前記出力ステージにおける出力負荷の一定の電力要求との間のエネルギーバランサーとして使用されるエネルギー蓄積装置と、を含む。前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素（キャパシター又は急速充電／放電バッテリー）とを含み、既存の変換システムにおける状況とは対照的に、ＡＣリンクを介して入力ステージと出力ステージに接続されるため、有利である。入力電力が所要の出力電力より小さい場合には、前記エネルギー蓄積装置は、ＤＣ出力ステージにのみ連結される。入力電力がＤＣ出力において所要の電力に等しい場合には、本発明の構造では、入力ステージに存在する全電力を出力ステージにＡＣの形態で直接送ることができる。入力電力が所要の出力電力より大きい場合には、前記エネルギー蓄積装置は、入力ステージから余剰の電力を受ける。従って本発明の構造によれば、極めて高い全体変換効率が提供されると共に、工業的な力率補正要件が維持される。本発明のトポロジーは、中断不可の電源装置及びモーター制御システムにも適している。
好適な実施形態では、変換構造は、制御部をさらに含み、該制御部は、入力ステージ、１つ以上のＤＣ出力ステージ、及びエネルギー蓄積装置に連結されて、力率の要求の存在と出力電圧の安定化の両方を保証する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、ＡＣ−ＤＣ高効率変換構造が提供される。該構造は、（例えば本線からの）ＡＣ入力を受けると共に高周波（ＨＦ）ＡＣ出力を出力するように作用する入力ステージと、ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ出力を受けると共に、それぞれのＤＣ出力を介して少なくとも一需要家に所要のＤＣ電力を出力するＤＣ出力ステージと、入力ステージにおける変動性の電力の供給能力と、少なくとも一需要家における一定の電力要求との間のエネルギーバランサーとして使用されるエネルギー蓄積装置と、を含む。該エネルギー蓄積装置が、ＡＣリンクを介して入力ステージと出力ステージの両方と相互に作用するよう動作することで、本発明による構造は、入力ステージに存在する全電力を出力ステージにＡＣの形態で直接送ることができるので、全体的な変換効率をさらに高めることができる。好適な実施形態において、本発明の構造は、制御部をさらに含み、該制御部は、入力ステージ、ＤＣ出力ステージ、及びエネルギー蓄積装置に連結されると共に、力率補正と、効率を最適化するためのエネルギー平衡化と、前記ＤＣ出力の調整とを行うために使用される。
本発明の変換構造の１つの特徴によれば、入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される。
本発明の変換構造の別の特徴によれば、エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む。
本発明の変換構造のまた別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター及び急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される。
本発明の変換構造のまた別の特徴によれば、前記ＤＣ出力ステージは、複数の調整器を含み、これら調整器は、ＡＣリンクに並列接続された同期性又は非同期性いずれかの整流器／調整器であり得る。各調整器は、それぞれの需要家に接続される。
本発明の変換構造のさらに別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置の前記ＡＣ入力ステージへの前記連結は、前記入力ステージから前記エネルギー蓄積装置への単方向である。
【０００６】
本発明によれば、ＡＣ−ＤＣ高効率変換トポロジーが提供される。該トポロジーは、ＡＣバスを介してＤＣ出力ステージに連結される入力ステージと、前記ＡＣバスを介して前記入力ステージと前記ＤＣ出力ステージに動作上連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と前記出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように作用するエネルギーバランサーと、前記入力ステージ、前記ＤＣ出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーに連結されると共に、前記入力ステージ、前記出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーの動作を制御するように使用される制御部と、を含む。
本発明の変換トポロジーの１つの特徴によれば、前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される。
本発明の変換トポロジーの別の特徴によれば、前記エネルギーバランサーは、エネルギー蓄積要素に双方向に連結された双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターを含む。
本発明の変換トポロジーのまた別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター及び急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される。
本発明の変換トポロジーのさらに別の特徴によれば、前記ＤＣ出力ステージは、ＡＣバスに並列に接続された複数の調整器を含み、前記各調整器は、それぞれの需要家に接続される。
本発明の変換トポロジーのさらに別の特徴によれば、前記ＡＣ入力ステージへの前記エネルギーバランサーの連結は、前記ＡＣ入力ステージから前記エネルギーバランサーへの単方向である。
本発明によれば、ＡＣ電力からＤＣ電力への効率的な変換方法が提供される。該方法は、高周波（ＨＦ）ＡＣ電圧を出力するように動作する入力ステージに瞬時ＡＣ電力を入力するステップと、少なくとも一需要家に所要のＤＣ電力を出力するように動作するＤＣ出力ステージに、ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ電圧を送るステップと、前記入力ステージと前記ＤＣ出力ステージの両方に前記ＡＣリンクを介して連結されるエネルギー蓄積装置を使用して、前記所要のＤＣ電力と前記瞬時ＡＣ電力との間の如何なる不均衡をも補正するステップと、を含む。
【０００７】
本発明の方法の１つの特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より小さい場合に、前記エネルギー蓄積装置が前記ＤＣ出力ステージに電力を供給するステップを含む。
本発明の方法における別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力に等しい場合に、前記エネルギー蓄積装置が、前記入力ステージから出力される全電力をＡＣの形態で前記出力ステージに直接送ることを含む。
本発明の方法におけるさらに別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より大きい場合に、前記エネルギー蓄積装置が前記入力ステージから余剰の電力を受けるステップを含む。
本発明によれば、ＡＣ−ＤＣコンバーターにおける力率補正サブシステムが提供される。該サブシステムは、瞬時ＡＣ電力を受けると共に高周波ＡＣ電圧を出力するように動作する入力ステージと、ＡＣバスを介して前記入力ステージに連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように動作するエネルギー蓄積装置と、を含み、これにより前記ＡＣ−ＤＣコンバーターにおける力率補正が前記ＡＣバスを用いて行われる。
本発明の力率補正サブシステムにおける１つの特徴によれば、前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される。
本発明の力率補正（ＰＦＣ）サブシステムにおける別の特徴によれば、前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図面は、本発明の一例を示すが、それらの図面は、本発明を説明する目的で使用するものであり、本発明を限定するものではない。以下の好適な実施形態において本発明を概説するが、本発明の主旨及び範囲は、それら特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。本発明の好適な実施形態の構造、作用、及び利点は、添付の図面を参照して以下の記載を理解することで明らかとなろう。
本発明は、フィードフォワードリンク及びフィードバックリンクによって並列変換を可能とする双方向エネルギーフローに基づいた新規の電力変換構造（トポロジー）を開示する。
【０００９】
図３は、本発明による電力変換構造３００の好適な実施形態を示す。構造３００は、図１のステージ１０２と同様にＡＣ入力を受ける入力ステージ３０２を含み、該ステージ３０２は、ＡＣリンク３０６を介して出力ステージ３０４（少なくとも１つのＤＣ出力を有する）に直接接続される。エネルギー蓄積要素がＤＣリンクを介してこれらの入力ステージ及び出力ステージに連結される図１及び図２で示した従来技術とは対照的に、エネルギー蓄積装置３０８は、ＡＣリンク３０６を介して入力ステージ３０２及び出力ステージ３０４に連結（接続）される。構造３００は、さらに要素３０２、３０４、及び３０８の各々と（有線又は無線で電気的に）通信する制御モジュール３２０を含む。エネルギー蓄積要素との通信が単方向であり得る（要素３０８からのみ情報を受ける）ことを除けば、前記通信は、概して双方向である（各要素に指示を送ると共に、各要素から情報を受ける）。
エネルギー蓄積装置３０８が処理するのは全エネルギーの一部のみであるため、エネルギーの損失も少ない（高効率）ばかりか、該装置の物理的サイズも小さくて済み、その結果システムも低価格となるという利点がある。
【００１０】
図４は、本発明の電力変換構造４００を詳細に示す図であり、図３で示す構造をより詳細に示している。構造４００では、図３の入力ステージ３０２は、電磁妨害（ＥＭＩ）フィルター４２０を入力整流器（好ましくは全波ＡＣ−ＤＣ整流器）４０２に電気的に連結したものによって具体化され、整流器４０２は、さらにＤＣ−ＡＣインバーター４０４に電気的に連結されている。構造４００は、図３のＡＣリンク３０６と同様のＡＣバス４０６と、エネルギー蓄積要素（大容量キャパシター又は急速充電／放電バッテリー）４１０に連結された双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター４０８として具体化されたエネルギー蓄積装置と、Ｎ個の双方向調整器（非同期性又は同期性の整流器／調整器）４１２−１から４１２−Ｎからなる出力ステージ４０７と、をさらに含む。入力ステージ及びエネルギー蓄積装置、即ちユニット４２０、４０２、４０４、４０８、及び４１０は、協働して力率補正（ＰＦＣ）サブシステム４０５を形成する。従来技術とは対照的に、ＰＦＣ４０５は、専用のユニットを使用することなく、ＤＣ／ＡＣインバーター、エネルギー蓄積装置、及び制御装置５０４（図５参照）といった既存の機能を代わりに用いて力率補正を行うため有利である。さらに、ＰＦＣは、異なるユニット間でＡＣリンクを用いて実行される。
各調整器４１２は、負荷Ｒに接続されたＤＣ出力“Ｏｕｔ”において、出力電圧を安定化した所要のＤＣ電力を出力する。例示として、調整器４１２−１に対するＯｕｔ１は、第一の需要家を表す負荷Ｒ１に接続され、調整器４１２−Ｎに対するＯｕｔＮは、ｎ番目の需要家を表す負荷Ｒｎに接続される。システムの全体的な変換効率に影響を及ぼすことなく、任意の数の需要家を並列に追加することができる。双方向ＤＣ＜＞ＡＣインバーター／コンバーターは、当技術分野において知られており、例えばW.Guo及びP.K.Jainによる「力率補正及びソフトスイッチングを内蔵した低周波ＡＣから高周波ＡＣへのインバーター」（ＩＥＥＥ（電気通信技術者協会）論文誌“Power Electron”（２００４）１９巻４３０頁から４４２頁）の図２で示す「フルブリッジインバーター」と「共鳴ネットワーク」要素を参照されたい。ここでも同じく制御モジュール（図３の３２０）が存在するが、図示しない。
【００１１】
図４を参照すると、使用上、例えば一般的な線間電圧（８４から２６０ＶＡＣ、５０から６０Ｈｚ）であるＡＣ入力電圧がＥＭＩフィルター４２０を介して入力全波整流器（ＡＣ−ＤＣ）４０２に入力され、ここでラフなＤＣ電流に変換される。ラフなＤＣ電流は、整流器４０２を出てＤＣ−ＡＣインバーター４０４に供給され、ここで高周波ＡＣ電流に変換される。高周波ＡＣ電流は、ＡＣバス４０６において、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター４０８とＮ個の非同期整流器／調整器４１２−１から４１２−Ｎとに分配される。この分配は、ＡＣ入力で利用できる瞬時電力によって決まる。例えば、Ｏｕｔ１で表される需要家１は、一定の電力を必要とする。ＡＣバス４０６から需要家１に供給される電力がこの需要家の要求する電力より大きければ、余剰電力は、エネルギー蓄積装置（例えばキャパシター４１０）に送られる。ＡＣバス４０６から需要家１に供給される電力がこの需要家の必要とする電力より小さい場合には、電力差分の必要な電力がキャパシター４１０によりコンバーター４０８に供給されて、その後Ｏｕｔ１に送られることで、一定のエネルギー要求が満たされる。このように、キャパシター４１０（又は急速充電／放電バッテリー）は、エネルギーバランサーとして作用し、キャパシター４１０と入力ステージ及び出力ステージとの間の電力のやり取りは、ＡＣバスを介して行われる。なおエネルギー蓄積装置は、入力ステージから電力を受けるのみであるが、出力ステージとは双方向に電力をやり取りする。
一般的に、入力電力が必要な出力電力より小さい場合には、エネルギー蓄積装置は、ＤＣ出力ステージにのみ連結される。入力電力がＤＣ出力において必要とされる電力に等しい場合には、本発明による構造では、入力ステージからの全電力を出力ステージへとＡＣの形態で直接送ることができる。入力電力が必要な出力電力より大きい場合には、エネルギー蓄積装置は、入力ステージからの余剰電力を受ける。従って、本発明の構造によって、全体的な変換効率が高められると共に、工業的な力率補正（ＰＦＣ）要件が維持される。本発明のトポロジーは、中断不可能な電力供給やモーター制御システムにも適している。
【００１２】
図５は、図４の構造の詳細な回路図である。ＡＣ入力は、ＥＭＩフィルター４２０を介してフィルター処理される。図４の入力整流器４０２は、ここでは４つの整流器ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を含むフルブリッジ５０２と入力フィルター４２０を用いて実行される。ＡＣ入力電圧は、出力側ではＤＣ−ＡＣインバーター４０４（図４）に連結されるように示され、インバーター４０４は、スイッチ（例えばトランジスター）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とインダクターＬ１を含む回路によって実行される。調整器４１２−１は、スイッチＳ５、Ｓ６とキャパシターＣ４を含む回路によって実行され、キャパシターＣ４は、図示のように、ＤＣ電圧ＶＤＣout１を提供する出力負荷Ｒ１に接続される。Ｌ２及びＬ３は、Ｓ５とＳ６の間の位相シフトによって出力電圧の調整を可能とする差動モードチョークである。調整器４１２−Ｎは、スイッチＳｎ及びＳｎ＋１、キャパシターＣｎ、及びインダクターＬｎ及びＬｎ＋１で実行され、図示のように、ＤＣ電圧ＶＤＣoutＮを提供する出力及び負荷Ｒｎに接続される。ＤＣ出力（ＶＤＣout１及びＶＤＣoutＮ）は、ＡＣバス４０６（変圧器Ｔ１）に並列に接続される。双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター４０８は、スイッチＳ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を含む回路によって実行され、図示のように、大容量キャパシターＣbulk４１０に接続される。出力ステージ中の各ユニットは、分離した磁気結合を介してＡＣバス４０６に接続される。図示のように、制御部５０４（図３の３２０に類似する）は、入力ステージ及び出力ステージとキャパシターＣbulkに連結される。制御部を出る矢印は、種々のユニットに対する制御を示し、制御部に入る矢印は、ポイント４１６、４１７、４１８’から４１８’Ｎにおいて得られる入力を示す。制御部は、Ｓ１からＳｎ＋１の全てのスイッチの開閉を制御する。
図５に示すように、第一又は第二の指令パルス整形ネットワークは、４０８と４１０によって定義される主電力流において使用される。有利なことに、エネルギーの流れ及び入ってくる突入電流は、全て制御可能であり、それらを制限する特別なハードウェアは、必要ない。制御をパルス毎に行うことで、より小さいキャパシターを使用することができるため、ホットスワップが単純化される。
【００１３】
要約すれば、本発明の開示する変換構造は、従来技術の構造を超えた多くの利点を有する：
１）突入電流を抑制する必要がない。入力ステージに並列接続されたキャパシターがないため、最初の電源オンの際（時間ｔ＝０）も入力電圧はごくわずかであると共に、入力電流もほぼゼロである。これは、電源装置が双方向構造であることで、ｔ＝０では、ほぼゼロの入力電流が指示されるためであるが、これはｔ＝０において同じようにゼロである出力電圧に比例していることによる。実際に、出力エネルギーは、ＡＣからインダクターを介して移送されるため、全ての突入電流は、このインダクターによって制限される。
２）専用の出力保護が必要ない：最大出力電流は、制御部によって調整される（固定される）。このように構成することにより、内部的な供給の散逸が、出力負荷の抵抗とほとんど無関係となる。従って、供給は、時間を無制限として漏電状態まで過重電流状態で作用することができる。実際に、供給出力は、電流源として作用する。双方向性構造の特徴として、供給の入力も同様に作用する（電流シンク）。ｔ＝０において、出力電力は、エネルギー蓄積要素の充電によりゼロとなる。
３）出力が複数であっても効率損失がない。本発明のトポロジーでは、追加の変換ステージが存在しないため、効率損失を生じることなく複数の出力を設けることができる。全ての出力は、単一の変圧器から並列に出力される。多数の出力に出力電力を分配すれば、単一の出力からの電流が減少するため、効率の面からは好適である。
【００１４】
一例としては、実質的に各プリント基板（又はブレード）が共通のバックプレーンを介して電源装置に接続されるスタンドアロンコンピューターである「ブレード」サーバーシステムアプリケーションがある。物理的な電源装置上の第一の側とブレード自体における低電圧ＡＣを用いた負荷における第二の側とを使用することにより、ＡＣ電力入力から負荷のＤＣ分離低電圧点出力への効率を非常に高くすることができる。シミュレーション（図示せず）の結果、全体的な効率が１０％から１２％上昇したことがわかった。
本明細書で述べた全ての刊行物及び特許に関しては、ある程度それらを特定的且つ個々に参照して本明細書の記載の一部に援用するものとしてそれらの内容全体を参照し、本明細書の記載の一部とした。さらに本願で参照したもの全てについて、それらをここで記載又は特定したが、それらが従来技術として本発明に利用できる権利を有するものとして解釈されるべきではない。
限られた数の実施形態に関して本発明を説明したが、本発明を多様に変形、変更、及び適用することも可能であることを理解されたい。上述したものは、本発明の原理の適用例を示したものに過ぎない。当業者であれば、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、その他の構成及び方法を実施することができよう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的に使用される従来技術による電力変換構造を示す図。
【図２】従来技術による電力変換構造の詳細を示す図。
【図３】本発明による電力変換構造の基本ブロック図。
【図４】本発明による電力変換構造の詳細を示す図。
【図５】図４の構造の詳細な回路実装図。
【符号の説明】
【００１６】
３００ 電力変換構造、３０２ 入力ステージ、３０４ 出力ステージ、３０６ ＡＣリンク、 ３０８ エネルギー蓄積装置、３２０ 制御モジュール、４００ 電力変換構造、４０２ 入力整流器、４０４ ＤＣ−ＡＣインバーター（ＤＣ＞ＡＣインバーター）、４０５ 力率補正（ＰＦＣ）サブシステム、４０６ ＡＣバス、４０７ 出力ステージ、４０８ 双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーター、４１０ エネルギー蓄積要素、４１２ 双方向調整器、４１２−１、４１２−Ｎ 双方向調整器、４１６、４１７、４１８’、４１８’Ｎ ポイント、４２０ ＥＭＩフィルター（電磁妨害フィルター）、５００、５０２ フルブリッジ（全波整流器）、５０４ 制御装置（制御部）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）への高効率変換構造であって：
ａ．瞬時ＡＣ入力を受けると共に、高周波（ＨＦ）ＡＣ出力を出力するように作用する入力ステージと；
ｂ．ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ出力を受けると共に、それぞれのＤＣ出力において所要のＤＣ電力を少なくとも一需要家に提供するように作用するＤＣ出力ステージと、
ｃ．前記ＡＣリンクを介して前記入力ステージ及び前記出力ステージの両ステージに連結されると共に、前記瞬時ＡＣ入力における変動性の電力の供給能力と、前記少なくとも一需要家における一定の電力要求との間の如何なる不均衡をも補正するように作用するエネルギー蓄積装置と；を含み、
前記構造により、前記入力ステージからの全ての電力を前記出力ステージへとＡＣの形態で直接送ることを可能とすることで、全体的な変換効率を極めて高くすることのできる、構造。
【請求項２】
前記入力ステージ、前記ＤＣ出力ステージ、及び前記エネルギー蓄積装置に連結されると共に、力率補正と、効率最適化のためのエネルギー平衡化と、前記ＤＣ出力の調整とを行うために使用される制御部をさらに含む、請求項１に記載の変換構造。
【請求項３】
前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される、請求項１に記載の変換構造。
【請求項４】
前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む、請求項１に記載の変換構造。
【請求項５】
前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター及び急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される、請求項４に記載の変換構造。
【請求項６】
前記ＤＣ出力ステージは、前記ＡＣリンクに並列に接続された複数の調整器を含み、前記整流器／調整器の各々は、さらにそれぞれの前記需要家に接続される、請求項１に記載の変換構造。
【請求項７】
前記エネルギー蓄積装置の前記入力ステージへの前記連結は、前記入力ステージから前記エネルギー蓄積装置への単方向である、請求項１に記載の変換構造。
【請求項８】
交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）への高効率変換構造であって：
ａ．ＡＣバスを介してＤＣ出力ステージに連結される入力ステージと；
ｂ．前記ＡＣバスを介して前記入力ステージ及び前記出力ステージに動作上連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と前記出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように作用するエネルギーバランサーと；
ｃ．前記入力ステージ、前記ＤＣ出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーに連結されると共に、前記入力ステージ、前記出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーの動作を制御するように使用される制御部と、
を含む、変換構造。
【請求項９】
前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１０】
前記エネルギーバランサーは、エネルギー蓄積要素に双方向に連結された双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターを含む、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１１】
前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター又は急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される、請求項１０に記載の変換構造。
【請求項１２】
前記ＤＣ出力ステージは、前記ＡＣバスに並列に接続された複数の調整器を含み、前記整流器／調整器の各々がそれぞれの前記需要家に接続される、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１３】
前記エネルギーバランサーの前記ＡＣ入力ステージへの前記連結は、前記入力ステージから前記エネルギーバランサーへの単方向である、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１４】
交流（ＡＣ）電力から直流（ＤＣ）電力への効率的な変換方法であって；
高周波(ＨＦ)ＡＣ電圧を出力する入力ステージに瞬時ＡＣ電力を入力するステップと；
少なくとも一需要家に所要のＤＣ電力を出力するように動作するＤＣ出力ステージに、ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ電圧を送るステップと；
前記入力ステージと前記ＤＣ出力ステージの両方に前記ＡＣリンクを介して連結されるエネルギー蓄積装置を使用して、前記所要のＤＣ電力と前記瞬時ＡＣ電力との間の如何なる不均衡をも補正するステップと、
を含む、方法。
【請求項１５】
前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より小さい場合に、前記エネルギー蓄積装置が前記ＤＣ出力ステージに電力を供給するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正する前記ステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力に等しい場合に、前記エネルギー蓄積装置が、前記入力ステージから出力される全電力を、ＡＣの形態で前記出力ステージに直接送るステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正する前記ステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より大きい場合に、前記エネルギー蓄積装置が、前記入力ステージから余剰の電力を受けるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）へのコンバーターにおける力率補正サブシステムであって；
ａ．瞬時ＡＣ電力を受けると共に高周波ＡＣ電圧を出力するように動作する入力ステージと；
ｂ．ＡＣバスを介して前記入力ステージに連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように動作するエネルギー蓄積装置と；を含み、
これにより前記ＡＣ−ＤＣコンバーターにおける前記力率補正が前記ＡＣバスを用いて行われる、力率補正（ＰＦＣ）サブシステム。
【請求項１９】
前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される、請求項１８に記載のＰＦＣサブシステム。
【請求項２０】
前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む、請求項１８に記載のＰＦＣサブシステム。
【請求項１】
交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）への高効率変換構造であって：
ａ．瞬時ＡＣ入力を受けると共に、高周波（ＨＦ）ＡＣ出力を出力するように作用する入力ステージと；
ｂ．ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ出力を受けると共に、それぞれのＤＣ出力において所要のＤＣ電力を少なくとも一需要家に提供するように作用するＤＣ出力ステージと、
ｃ．前記ＡＣリンクを介して前記入力ステージ及び前記出力ステージの両ステージに連結されると共に、前記瞬時ＡＣ入力における変動性の電力の供給能力と、前記少なくとも一需要家における一定の電力要求との間の如何なる不均衡をも補正するように作用するエネルギー蓄積装置と；を含み、
前記構造により、前記入力ステージからの全ての電力を前記出力ステージへとＡＣの形態で直接送ることを可能とすることで、全体的な変換効率を極めて高くすることのできる、構造。
【請求項２】
前記入力ステージ、前記ＤＣ出力ステージ、及び前記エネルギー蓄積装置に連結されると共に、力率補正と、効率最適化のためのエネルギー平衡化と、前記ＤＣ出力の調整とを行うために使用される制御部をさらに含む、請求項１に記載の変換構造。
【請求項３】
前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される、請求項１に記載の変換構造。
【請求項４】
前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む、請求項１に記載の変換構造。
【請求項５】
前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター及び急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される、請求項４に記載の変換構造。
【請求項６】
前記ＤＣ出力ステージは、前記ＡＣリンクに並列に接続された複数の調整器を含み、前記整流器／調整器の各々は、さらにそれぞれの前記需要家に接続される、請求項１に記載の変換構造。
【請求項７】
前記エネルギー蓄積装置の前記入力ステージへの前記連結は、前記入力ステージから前記エネルギー蓄積装置への単方向である、請求項１に記載の変換構造。
【請求項８】
交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）への高効率変換構造であって：
ａ．ＡＣバスを介してＤＣ出力ステージに連結される入力ステージと；
ｂ．前記ＡＣバスを介して前記入力ステージ及び前記出力ステージに動作上連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と前記出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように作用するエネルギーバランサーと；
ｃ．前記入力ステージ、前記ＤＣ出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーに連結されると共に、前記入力ステージ、前記出力ステージ、及び前記エネルギーバランサーの動作を制御するように使用される制御部と、
を含む、変換構造。
【請求項９】
前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１０】
前記エネルギーバランサーは、エネルギー蓄積要素に双方向に連結された双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターを含む、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１１】
前記エネルギー蓄積要素は、キャパシター又は急速充電／放電バッテリーを含む群から選択される、請求項１０に記載の変換構造。
【請求項１２】
前記ＤＣ出力ステージは、前記ＡＣバスに並列に接続された複数の調整器を含み、前記整流器／調整器の各々がそれぞれの前記需要家に接続される、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１３】
前記エネルギーバランサーの前記ＡＣ入力ステージへの前記連結は、前記入力ステージから前記エネルギーバランサーへの単方向である、請求項８に記載の変換構造。
【請求項１４】
交流（ＡＣ）電力から直流（ＤＣ）電力への効率的な変換方法であって；
高周波(ＨＦ)ＡＣ電圧を出力する入力ステージに瞬時ＡＣ電力を入力するステップと；
少なくとも一需要家に所要のＤＣ電力を出力するように動作するＤＣ出力ステージに、ＡＣリンクを介して前記高周波ＡＣ電圧を送るステップと；
前記入力ステージと前記ＤＣ出力ステージの両方に前記ＡＣリンクを介して連結されるエネルギー蓄積装置を使用して、前記所要のＤＣ電力と前記瞬時ＡＣ電力との間の如何なる不均衡をも補正するステップと、
を含む、方法。
【請求項１５】
前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正するステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より小さい場合に、前記エネルギー蓄積装置が前記ＤＣ出力ステージに電力を供給するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正する前記ステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力に等しい場合に、前記エネルギー蓄積装置が、前記入力ステージから出力される全電力を、ＡＣの形態で前記出力ステージに直接送るステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記エネルギー蓄積装置を使用して如何なる不均衡をも補正する前記ステップは、前記入力電力が前記所要のＤＣ電力より大きい場合に、前記エネルギー蓄積装置が、前記入力ステージから余剰の電力を受けるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）へのコンバーターにおける力率補正サブシステムであって；
ａ．瞬時ＡＣ電力を受けると共に高周波ＡＣ電圧を出力するように動作する入力ステージと；
ｂ．ＡＣバスを介して前記入力ステージに連結されると共に、前記入力ステージに入力される瞬時ＡＣ電力と出力ステージにおいて需要家に出力される変換ＤＣ電力との間の電力の配分とやり取りを調整するように動作するエネルギー蓄積装置と；を含み、
これにより前記ＡＣ−ＤＣコンバーターにおける前記力率補正が前記ＡＣバスを用いて行われる、力率補正（ＰＦＣ）サブシステム。
【請求項１９】
前記入力ステージは、入力全波ＡＣ−ＤＣ整流器に電気的に連結された電磁妨害（ＥＭＩ）フィルターを含み、前記整流器は、さらにＤＣ−ＡＣインバーターに電気的に連結される、請求項１８に記載のＰＦＣサブシステム。
【請求項２０】
前記エネルギー蓄積装置は、双方向ＡＣ＜＞ＤＣインバーター／コンバーターとエネルギー蓄積要素とを含む、請求項１８に記載のＰＦＣサブシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２００８−５０６３４５（Ｐ２００８−５０６３４５Ａ）
【公表日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１９９７３（Ｐ２００７−５１９９７３）
【出願日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＬ２００５／０００４３８
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００６１４２
【国際公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【出願人】（５０７００６２１５）エルヴィー パワー （２００３） リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月２１日（２００５．４．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＬ２００５／０００４３８
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００６１４２
【国際公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【出願人】（５０７００６２１５）エルヴィー パワー （２００３） リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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