同期整流器の双方向変換器
【課題】同期整流器の双方向変換器システム向けの双方向電流感知のための方法及び装置を提供する。
【解決手段】同期整流器の双方向変換器システム４００は、ＳＰＩＣＥ回路を構成しており、バッテリＶ１と抵抗Ｒ３とに結合されたインダクタＬ１と、第１の強制転流式同期整流器４０４と、第２の強制転流式同期整流器４０６とを備え、バッテリ充電／放電調整器として動作する。第１の強制転流式同期整流器４０４は、変換器ＴＸ１に結合されたハイサイド強制転流回路４１０とハイサイドドライバ４０８とを含む。変換器ＴＸ１は、一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ１とを含む。同様に、第２の強制転流式同期整流器４０６は、変換器ＴＸ２に結合されたローサイド強制転流回路４１４とローサイドドライバ４１２とを含む。変換器ＴＸ２は一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ２とを含む。
【解決手段】同期整流器の双方向変換器システム４００は、ＳＰＩＣＥ回路を構成しており、バッテリＶ１と抵抗Ｒ３とに結合されたインダクタＬ１と、第１の強制転流式同期整流器４０４と、第２の強制転流式同期整流器４０６とを備え、バッテリ充電／放電調整器として動作する。第１の強制転流式同期整流器４０４は、変換器ＴＸ１に結合されたハイサイド強制転流回路４１０とハイサイドドライバ４０８とを含む。変換器ＴＸ１は、一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ１とを含む。同様に、第２の強制転流式同期整流器４０６は、変換器ＴＸ２に結合されたローサイド強制転流回路４１４とローサイドドライバ４１２とを含む。変換器ＴＸ２は一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ２とを含む。
【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、電圧変換器に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、双方向電圧変換器向けの電圧及び電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧変換器は、直流電流（ＤＣ）源の電圧を一のレベルから別のレベルに変換する電子回路であり、電力変換器の一分類である。直流で夏変換器は、携帯電話、及びラップトップコンピュータなどの、主にバッテリから電力供給される携帯式電子デバイスにおいて重要である。このような電子デバイスは、多くの場合、各々が、バッテリ又は外部供給源によって供給されるものとは異なる（時に供給電圧より高い又は低い）固有の電圧レベル要件を有する複数の分岐回路を含んでいる。直流電圧変換器のスイッチを入れて、部分的に低下させたバッテリ電圧から電圧を上昇させることにより、同じことを行うのに複数のバッテリを使用せずにスペースを節約する方法が提供される。また、多くの直流電圧変換器は出力電圧を調整する。昇圧／ブースト変換器は、入力直流電圧より出力直流電圧の方が高い電力変換器である。昇圧／ブースト変換器は、少なくとも二つの半導体スイッチ（一のダイオードと一のトランジスタ）と、少なくとも一つのエネルギー貯蔵要素とを含むスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）の一分類である。通常、出力電圧のリップルを低減させるために、（場合によってはインダクタと組み合わせた）コンデンサからなるフィルタが昇圧／ブースト変換器の出力に付け加えられる。降圧／バック変換器は、直流出力電圧が直流入力電圧より低い電力変換器である。降圧／バック変換器の設計は、昇圧／ブースト変換器と類似であり、昇圧／ブースト変換器と同様に、降圧／バック変換器は、二つのスイッチ（一のトランジスタと一のダイオード）、インダクタ、及びコンデンサを使用するスイッチモード電源である。
【発明の概要】
【０００３】
双方向電圧変換のための方法が開示される。充電電流は、第１の強制転流式の同期整流器において第１電圧で受け取られ、第１の強制転流式同期整流器によって制御される。インダクタは、充電電流によって充電され、インダクタからの放電電流は第２の強制転流式同期整流器によって制御される。このようにして、二つの強制転流式同期整流器を使用することにより、一の変換器が二つの方向に効率的に電力を処理することができる。
【０００４】
強制転流方法は更に効率的である。強制転流式の切り換えを使用する場合、直列のダイオードは不要であり、一般に、ＦＥＴ損失は整流器の損失より著しく低いため、効率が有意に向上する。電力消費が低いことにより、必要なヒートシンク材料が減少するので電源デバイスの重量が低減され、コンポーネントのパッケージを厚くすることができる。このようにして、必要な温度管理用のハードウェアが減少するので、宇宙機の重量を低減することができる。更に、本明細書に記載される同期整流器の双方向変換器を使用することにより、電力は、交流電気的バスから直流電気的バスへ、又は直流電気的バスから交流電気的バスへと流れることができる。
【０００５】
一実施形態では、同期整流器の双方向変換器システムは、第１の強制転流式同期整流器に結合されたインダクタを備えている。第１の強制転流式同期整流器は、ダイオードに関連付けられたコンポーネントをオフに切り換えながら、ダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作することができる。同期整流器の双方向変換器システムは、更に、インダクタと第１の強制転流式同期整流器とに結合された第２の強制転流同期整流器を備え、ダイオードに関連付けられたコンポーネントをオフに切り換えながら、ダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作することができる。
【０００６】
別の実施形態では、双方向電圧変換のための方法は、第１の強制転流式同期整流器において第１の電圧で充電電流を受け取り、第１の強制転流式同期整流器で充電電流を制御する。この方法は、更に、充電電流でインダクタを充電し、第２の強制転流式同期整流器を用いてインダクタからの放電電流を制御する。
【０００７】
更に別の実施形態では、同期整流器の双方向変換器システムを用いるための方法は、第１の電圧で第１の電流を受け取り、インダクタに結合された第１の強制転流式同期整流器によりインダクタに向かう第１の電流の流れを制御する。この方法は、更に、インダクタと第１の強制転流式同期整流器とに結合された第２の強制底流式同期整流器により、インダクタからの第２の電流の流れを制御し、インダクタの出力において第２の電圧を調整する。
【０００８】
この要約は、一連の概念を簡略化された形で紹介するために提供され、これらの概念については、詳細な説明で以下に更に説明する。この要約は、請求される主題の主要な特徴又は本質的な特徴を特定しようとするものではなく、請求される主題の範囲を決定するのを助けるものとして使用されるものでもない。
【０００９】
本開示の実施形態のより完全な理解は、詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって、以下の図とともに考慮したときに導出することができ、これらの図全体にわたって、同じ参照番号は類似の要素を指す。これらの図は、本開示の幅、範囲、規模、又は適用性を限定することなく、本開示の理解を容易にするために提供される。図面は、必ずしも原寸に比例しない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一実施形態による例示的な強制転流式の同期整流器の図である。
【図２】本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システムの図である。
【図３】本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システムの図である。
【図４】本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システムの図である。
【図５】本開示の一実施形態による双方向電流変換プロセスを示す例示的な流れ図である。
【図６】本開示の一実施形態による双方向電圧変換電流センサを使用するプロセスを示す例示的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の詳細な説明は、本質的に例示的なものであり、本開示又は本開示の実施形態の適用分野及び用途を限定しようとするものではない。特有のデバイス、技法、及び適用分野の説明は、例としてのみ提供される。本明細書に記載する例に対する修正形態は、当業者には容易に明らかになり、本明細書に規定する一般原則は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の例及び適用分野にも適用することができる。更に、前述の技術分野、背景技術、要約、又は以下の詳細な説明で提示される、明示又は暗示されるいずれの理論にも束縛されるものではない。本開示には、特許請求の範囲と一致した範囲が与えられるべきであり、本明細書に記載及び図示する例に限定されるものではない。
【００１２】
本開示の実施形態については、機能及び／又は理論上のブロック構成要素ならびに様々な処理ステップの点で本明細書に説明することができる。そのようなブロック構成要素は、指定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェア構成要素によって実現できることを理解されたい。話を簡単にするために、回路設計に関係する従来の技法及び構成要素、ならびにシステム（及びシステムの個々の動作構成要素）の他の機能上の態様については、本明細書で詳細に説明しないことがある。更に、本開示の実施形態は、様々な演算ハードウェア及びソフトウェアと一緒に実行できること、そして本明細書に記載する実施形態が本開示の例示的な実施形態にすぎないことが、当業者には理解されるであろう。
【００１３】
本開示の実施形態について、実用的で非限定的な適用分野、すなわち衛星又は宇宙船上での電圧変換に関連して本明細書に説明する。しかし、本開示の実施形態は、そのような衛星又は宇宙船の適用分野に限定されるものではなく、本明細書に記載する技法は、他の適用分野でも利用することができる。例えば、それだけに限定されるものではないが、実施形態は、様々な電圧変換の適用分野及び回路、車両、自動車、航空機、船舶、ボート、建築物、電気機器、電気モータ、バッテリ作動式及び増強式の車両及び車両システムなどに適用可能である。
【００１４】
この説明を読めば当業者には明らになるように、以下は本開示の例及び実施形態であり、これらの例による動作に限定されるものではない。本開示の例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、他の実施形態も利用することができ、構造上の変化を加えることもできる。
【００１５】
本開示の実施形態は、変換器が電力を２方向に効率的に処理できるような形で使用できる２つの強制転流同期整流器を提供する。例えば、日食中に一定の電気的バス電圧を維持する放電調整器として双方向変換器を使用することができ、次いで太陽電池アレイが日光に当たっているときは、同じ変換器を使用して、バッテリへの充電電流を調整することができる。本明細書に記載する技法により、例えばそれだけに限定されるものではないが、単一の変換器を用いて宇宙船の日光モードでバッテリの充電電流を調整し、また宇宙ステーションの日食モードでバッテリからの電気的バスを調整することができる、極めて効率的な双方向変換器が可能になる。そのような単一の変換器は、既存のシステムで充電電流及び電気的バスを調整するために別個のハードウェアの代わりに使用することができる。同期整流を用いることによって、本開示の実施形態を、旧世代の宇宙船バス調整ハードウェアより効率的なものとすることができる。
【００１６】
本開示の種々の実施形態によれば、同期整流器の双方向変換器を、例えばそれだけに限定されるものではないが、双方に電力を処理する直流電圧変換器や双方向に電力を処理できる直流交流変換器などで使用できる構成ブロックとして使用することができる。例えばそれだけに限定されるものではないが、同期整流器の双方向変換器は、交流電圧を生成するように制御される＋２００Ｖ及び−２００Ｖのレールから給電されて動作する双方向同期バック変換器として動作することができたり、１８０度位相がずれた状態で動作する二つの変換器が２００Ｖの単一レールから給電されて動作できたりする。
【００１７】
ここに開示される同期整流器の双方向変換器により、電力は、第１の電気的バスから第２の電気的バスへ、及び第２の電気的バスから第１の電気的バスへ流れることができる。第１の電気的バスが第２の電気的バスより高い電圧を有しても、第２の電気的バスが第１の電気的バスより高い電圧を有してもよい。第１の電気的バスは、例えばそれだけに限定されるものではないが、交流電気的バスや直流電気的バスなどを含むことができる。第２の電気的バスは、例えばそれだけに限定されるものではないが、交流電気的バスや直流電気的バスなどを含むことができる。
【００１８】
高電圧（例えば６０Ｖを上回る電圧）で動作する双方向変換器は、通常、ＦＥＴの逆回復に関連する大きな切り替え損失をなくすために、ＦＥＴの各々と直列の整流器を有していなければならない。すべてのＦＥＴがオフの間にインダクタ電流を流すために、並列の整流器が必要である。本開示の実施形態は、二つの電力スイッチがそれぞれ強制転流式同期整流器であるバック／ブースト調整器を備えた双方向動機変換器を含む。強制転流式の同期整流器により、整流器として動作する強制転流式の同期整流器に使用されるＦＥＴのボディダイオードの回復時間に関連する大きなスイッチング損失を生成することなく、どちらの方向にも電流を流すことができる。
【００１９】
双方向同期変換器が電気的バスからの電力を処理してバッテリを充電しているとき、双方向同期変換器はバック調整器として動作し、ローサイドスイッチは整流器として動作し、ハイサイドスイッチはバック変換器の電力スイッチとして動作する。同様に、バッテリが電気的バスに電力を供給しているとき、双方向同期変換器はブースト変換器として動作し、ハイサイドスイッチは整流器として動作し、ハイサイドスイッチは電力スイッチとして動作する。
【００２０】
図１は、本開示の一実施形態による例示的な強制転流式の同期整流器１００の図である。強制転流式の同期整流器１００は、強制転流回路１４０に電気的に結合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ１などのスイッチング構成要素を備える。ＦＥＴ Ｑ１は、ソース端子１１２、ゲート端子１１４、ドレイン端子１１６、及び真性ボディダイオード１１８を備える。例えば、それだけに限定されるものではないが、図１に示すＦＥＴ Ｑ１はｎ型ＦＥＴを構成し、ボディダイオードのアノードはソース端子１１２に接続され、真性ボディダイオード１１８のカソードはドレイン端子１１６に接続される。ＦＥＴ Ｑ１がｐ型ＦＥＴである実施形態では、真性ボディダイオード１１８の方向を逆にすることにより、真性ボディダイオード１１８のカソードはｐ型ＦＥＴのソース端子に接続され、ボディダイオードのアノードはｐ型ＦＥＴのドレイン端子に接続される。
【００２１】
本開示内容では一実施例としてｎ型ＦＥＴを利用するが、ＦＥＴ Ｑ１は、ｎ型ＦＥＴ、ｐ型ＦＥＴ、又は関連する逆回復時間を有する真性ボディダイオードを含む一のスイッチなど、いかなるスイッチング構成要素を表わしてもよい。一実施形態では、スイッチング構成要素は、電源のトポロジーで使用される整流器スイッチとすることができる。
【００２２】
通常、ＦＥＴ上のスイッチングに関連する閾値電圧より大きい電圧がゲート端子１１４に供給されたとき、ｎ型ＦＥＴは、ソース端子１１２とドレイン端子１１６の間に電流を流すことができる。ゲート端子１１４に供給される電圧が閾値電圧より下まで低減されたとき、又は完全に除去されたとき、ＦＥＴはオフに切り換えられ、ソース端子１１２とドレイン端子１１６の間を流れる電流は流れを止める。ＦＥＴがオフに切り換えられたときに電流がソース端子１１２からドレイン端子１１６へ流れている場合、電流はボディダイオードの順バイアス方向に流れていたため、ＦＥＴの真性ボディダイオード１１８は回復する期間を必要とする。これを逆回復時間と呼ぶ。しかし、ＦＥＴがオフに切り換えられたときに電流がドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている場合、電流はすでに真性ボディダイオード１１８の逆バイアス方向に流れていたため、逆回復時間は必要とされない。上記の概念を使用して、ＦＥＴに関連するスイッチオフ事象中にダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ電流を強制転流することによって、ダイオードの逆回復時間をなくすことができる。
【００２３】
ＦＥＴ Ｑ１のゲート端子１１４は、ＦＥＴ Ｑ１のスイッチングを制御する駆動電圧信号１１０に電気的に結合される。駆動電圧信号１１０がゲート端子１１４に閾値電圧を提供したとき、ＦＥＴ Ｑ１はオンに切り換えられる。ＦＥＴ Ｑ１のゲート端子１１４が電圧をもたないとき、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられる。電流は、入力端子１０２を通ってＦＥＴ Ｑ１のソース端子１１２内へ流れるように構成され、ＦＥＴ Ｑ１から流れ出る電流は、出力端子１０４の方へ流れる。
【００２４】
上記のように、ＦＥＴ Ｑ１は、強制転流回路１４０に電気的に結合される。強制転流回路１４０は、パルス電流源１２０（選択的に制御される強制転流電流源）と、転流ダイオードＤ１とを備える。パルス電流源１２０は、入力端子１０２を通って入る電流より大きくなるように構成された転流電流を生成するように構成することができる。一実施形態では、転流電流は、非常に短い期間で強制転流式の同期整流器１００から供給されるパルス電流である。パルス電流源１２０は、端子１０６で転流ダイオードＤ１のアノード端子に電気的に結合される。
【００２５】
転流ダイオードＤ１は、端子１０６でパルス電流源１２０に電気的に結合されたアノード端子を備える。転流ダイオードＤ１はまた、ノードＮ３でＦＥＴ Ｑ１のドレイン端子１１６及び出力端子１０４に電気的に結合されたカソード端子（図示せず）を備える。このように、転流ダイオードＤ１は、ＦＥＴ Ｑ１と並列である。転流ダイオードＤ１は、転流ダイオードＤ１のカソード端子が真性ボディダイオード１１８のカソード端子に接続されるように構成されるべきである。
【００２６】
強制転流式の同期整流器１００は、４つの位相で動作することができる。第１の位相では、ＦＥＴ Ｑ１とパルス電流源１２０はどちらもオフに切り換えられ、それによってパルス電流源は、転流電流を供給しなくなる。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から強制転流式の同期整流器１００に入り、転流ダイオードＤ１を通って流れ、出力端子１０４で強制転流式の同期整流器１００から出力される。
【００２７】
第２の位相では、ＦＥＴ Ｑ１はオンに切り換えられ、パルス電流源１２０はオフのままである。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から入り、ＦＥＴ Ｑ１を通ってソース端子１１２からドレイン端子１１６へ流れ、出力端子１０４を通って出る。ＦＥＴ Ｑ１の両端の電圧降下が転流ダイオードＤ１の順電圧より小さいため、電流は転流ダイオードＤ１を通って流れなくなる。
【００２８】
第３の位相では、ＦＥＴ Ｑ１はオンにされ、パルス電流源１２０はオンに切り換えられる。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から強制転流式の同期整流器１００に入り、パルス電流源１２０及び転流ダイオードＤ１を通って流れる。更に、パルス電流源１２０は、Ｄ１及びＦＥＴ Ｑ１を通って流れる転流電流を供給する。ノードＮ３で、入力電流は出力端子へ流れ、一方転流電流は、ＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ進む。
【００２９】
第４の位相では、転流電流がＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている間、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられる。この位相では、転流電流は流れを止め、入力電流は、転流ダイオードＤ１を通って流れ、出力端子１０４から出力される。ＦＥＴ Ｑ１のボディダイオードに関連する逆回復時間をなくすために、電流がＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ（真性ボディダイオード１１８とは反対の方向に）流れている間、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられるべきである。４つの位相によって表される事象のシーケンスに従うことによって、転流電流がＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている間、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられる。したがって、ＦＥＴ Ｑ１に関連する逆回復時間はなくなる。
【００３０】
上記の強制転流式の同期整流器１００は、様々な適用分野に対する構成ブロックとして利用することができる。具体的には、真性ボディダイオードを備えるスイッチング構成要素を利用するスイッチングの適用分野は、上記の強制転流式の同期整流器１００を利用することによってより効率的に実行することができる。更に、バック変換器、ブースト変換器、及びバック−ブースト変換器などのスイッチング調整器も、上記の強制転流アセンブリを利用することができる。
【００３１】
従来のスイッチング調整器は、整流器を使用して、主ＦＥＴのオフ時間中にインダクタ電流に対する電流路を提供することができる。現在の改善によって、ＦＥＴスイッチの逆回復時間はかなり小さくなり、その結果エネルギーがほとんど放散されなくなってきたため、整流器をＦＥＴに置き換えることが実用的になってきた。しかし、高圧の適用分野では、逆回復時間は比較的大きく、著しいワット損をもたらし、ならびにＦＥＴのスイッチング周波数に制限を生成する。ブースト変換器などの高圧スイッチング調整器の適用分野で整流器として利用されているＦＥＴの真性ボディダイオードの逆回復時間をなくすために、従来の整流器又は同期スイッチＦＥＴは、図１に記載する強制転流式の同期整流器１００と置き換えることができる。スイッチを伴う整流の適用分野では、整流は、上記の４つの位相を繰り返す。このサイクルを、整流器スイッチサイクルと呼ぶことができる。第４の位相は、整流器スイッチサイクルのスイッチオフ縁部で発生する。高圧整流器の適用分野では、ＦＥＴなどのスイッチに印加される電圧は、６０Ｖより大きくすることができる。
【００３２】
図２は、本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システム２００の図である。同期整流器の双方向変換器システム２００は、インダクタ２０２、第１の強制転流式の同期整流器２０４、第２の強制転流式の同期整流器２０６、駆動論理回路２０８、ブースト側キャパシタ２１０、バッテリ２１２、及び太陽電池アレイ２１４を備える。図２は、バッテリ充電／放電調整器として動作する同期整流器の双方向変換器システム２００の電力段の部分的な概略図を示す。
【００３３】
インダクタ２０２は、電気的バス２２６を介して第１の強制転流式の同期整流器２０４及び第２の強制転流式の同期整流器２０６に結合され、リンク２１８を介してバッテリ２１２に結合される。第１の強制転流式の同期整流器２０４は、リンク２２２を介して駆動論理回路２０８に結合され、第２の強制転流式の同期整流器２０６は、リンク２２４を介して駆動論理回路２０８に結合される。ブースト側キャパシタ２１０は、電気的バス２２０を介して太陽電池アレイ２１４及び第１の強制転流式の同期整流器２０４に結合される。バッテリ２１２、第２の強制転流式の同期整流器２０６、ブースト側キャパシタ２１０、及び太陽電池アレイ２１４はそれぞれ、共通の接地２１６に接続される。
【００３４】
宇宙船の適用分野では、バス２２０の電圧は、バッテリ２１２の電圧より高い。したがって、太陽電池アレイ２１４が、宇宙船の必要を満たすには不十分な電力を生じさせているとき、同期整流器の双方向変換器システム２００は、バッテリ２１２から電力を引き出して、バス２２０に必要な電流を提供する。太陽電池アレイ２１４が、利用可能な余分な電力を有するとき、同期整流器の双方向変換器システム２００はバック調整器になってバッテリ２１２を充電する。したがって、電流は、バッテリ２１２から流れ出て電気的バス２２０に電力供給し、バッテリ２１２内へ流れ込んでバッテリ２１２を充電しなければならないため、同期整流器の双方向変換器システム２００は、双方向の電力処理装置である。更に、スイッチング整流器は適当な時点でオンになるＦＥＴであるため、同期整流器の双方向変換器システム２００は同期整流される。
【００３５】
ＦＥＴの電圧降下は通常、整流器の電圧降下よりはるかに小さいため、同期整流器の双方向変換器システム２００は、従来のバック又はブースト調整器よりはるかに高い効率を実現することができる。すなわち、８０Ｖのバッテリから１００Ｖの電気的バスまで昇圧したとき、既存のブースト調整器は、約９６．５％の効率を有することになる。同期整流器の双方向変換器システム２００は、約９８％の効率を有することができる。この効率改善は、同期整流器の双方向変換器システム２００に関連する整流器損失の低減及びスイッチング損失の低減の結果である。
【００３６】
図３は、本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システム３００の図である。同期整流器の双方向変換器システム３００は、インダクタ３０２（図２では２０２）、第１の強制転流式の同期整流器３０４（図２では２０４）、第２の強制転流式の同期整流器３０６（図２では２０６）、駆動論理回路３０８（図２では２０８）、リアクションホイール３１０、及び宇宙船の負荷３１４を備える。図３は、３０Ｖの電気的バス３１８の調整器として動作する同期整流器の双方向変換器システム３００の電力段の部分的な概略図である。
【００３７】
インダクタ３０２は、電気的バス３２６を介して第１の強制転流式同期整流器３０４と第２の強制転流式同期整流器３０６とに結合され、更には３０Ｖの電気的バス３１８を介してリアクションホイール３１０と宇宙船負荷３１４とに結合される。第１の強制転流式同期整流器３０４はリンク３２２を介して駆動論理回路３０８に結合され、第２の強制転流式同期整流器３０６はリンク３２４を介して駆動論理回路３０８に結合される。リアクションホイール３１０、宇宙船負荷３１４、及び第２の強制転流式同期整流器３０６の各々は、それぞれ共通の地面３１６に接地される。
【００３８】
同期整流器の双方向変換器システム３００は、バック調整器として機能して、１００Ｖで動作する１００Ｖの電気的バス３２０を３０Ｖの電気的バス３１８に変換する。場合によっては、リアクションホイール３１０から減衰された電力が宇宙船負荷３１４用の３０Ｖの電気的バス３１８を超過するように、リアクションホイール３１０からのエネルギーを３０Ｖの電気的バス３１８に減衰させて戻すことができる。この場合、同期整流器の双方向変換器システム３００は、ブースト分路調整器として動作して、余分な電力を、殆どの場合に電力を吸収するために十分な宇宙船負荷が存在する１００Ｖの電気的バス３２１０に戻す。
【００３９】
図４は、本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システム４００を示している。この同期整流器の双方向変換器システム４００は、バッテリＶ１と抵抗Ｒ３とに結合されたインダクタＬ１と、第１の強制転流式同期整流器４０４（図３の３０４に類似）と、第２の強制転流式同期整流器４０６（図３の３０６に類似）とを備えている。
【００４０】
図４は、バッテリ充電／放電調整器として動作するように構成された同期整流器の双方向変換器システム４００（システム４００）のＳＰＩＣＥモデルを示している。図４に示されるように、第１の強制転流式同期整流器４０４は、変換器ＴＸ１に結合されたハイサイド強制転流回路４１０（Ｕ７）とハイサイドドライバ４０８（Ｕ３）とを含む。変換器ＴＸ１は、一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ１とを含む。同様に、第２の強制転流式同期整流器４０６は、変換器ＴＸ２に結合されたローサイド強制転流回路４１４（Ｕ６）とローサイドドライバ４１２（Ｕ５）とを含む。変換器ＴＸ２は一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ２とを含む。
【００４１】
ハイサイドＦＥＴ（又はスイッチ）Ｑ１及びローサイドＦＥＴ（又はスイッチ）Ｑ２は、それぞれ出力及び地面にＶＬ（インダクタの右側）のいずれかに接続する同期スイッチである。ハイサイド強制転流回路４１０（Ｕ７）及びローサイド強制転流回路４１４（Ｕ６）は、ボディダイオードがハイサイドＦＥＴ Ｑ１及びローサイドＦＥＴ Ｑ２とそれぞれ導通することを防止する。ハイサイド強制転流回路４１０及びローサイド強制転流回路４１４は、パルス幅調整（ＰＷＭ）信号（ＤＲ１）を処理して、ローサイドＦＥＴ Ｑ２及びハイサイドＦＥＴ Ｑ１それぞれの駆動信号を生成する。ローサイドＦＥＴ Ｑ２は、ＰＷＭ信号（ＤＲ１）とほぼ同位相の信号によって駆動される。ハイサイドドライバ４０８（Ｕ３）は、基本的にＤＲ１の逆バージョンの信号によりハイサイドＦＥＴ Ｑ１を駆動する。
【００４２】
ローサイドＦＥＴ Ｑ２を駆動することに加えて、ローサイドドライバ４１２（Ｕ５）は、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオンになる前にハイサイドＦＥＴ Ｑ１がオフになる時間が得られるように、ゲート駆動信号の到着を遅延させる。同様に、ローサイド強制転流回路４１４は、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１がオンになる前にローサイドＦＥＴＱ２がオフになるために十分な時間が得られるように、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１のターンオンを遅延させる。
【００４３】
ＰＷＭ制御回路（図示しない）からのＰＷＭ信号は、パルスをＤＲ１の幅に調節することにより電気的バスの電圧を調整するために、電圧及び電流のフィードバックを使用する。ＤＲ１のデューティーサイクルが増大するにつれて、出力の電気的バスの電圧が上昇する。ＤＲ１のデューティーサイクルが減少するにつれて、電気的バスの電圧が下降する。
【００４４】
システム４００がブースト変換器として機能して１００Ｖの電気的バスに電流を供給するとき、ローサイドＦＥＴ Ｑ２は、ローＦＥＴ Ｑ２のドレインからソースへと流れる電流を有し、従って図には、ローサイドＦＥＴ Ｑ２への正の電流が示されている。電流はローＦＥＴ Ｑ２のドレインからソースへと流れるので、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオフのとき、ローサイドＦＥＴ Ｑ２のボディダイオードを電流が流れる可能性はない。したがって、ローサイド強制転流回路４１４が取り付けられており、且つ動作していたとしても、ローサイド強制転流回路４１４はブースト変換器の動作モードのために有用な機能を果たさない。
【００４５】
ハイサイドＦＥＴ Ｑ１の電流は、ＦＥＴＱ１のソースからドレインへと流れる。したがって、ターンオフの際には、ボディダイオードの導通を防止するために、デバイスがターンオフされる前にハイサイド強制転流回路４１０がＦＥＴ内の電流を反転させることが必須である。ハイサイド強制転流回路４１０が作動されると、ＦＥＴ内で電流が反転し、次いでハイサイドＦＥＴ Ｑ１がターンオフされる。このとき、インダクタＬ１の電流は、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオンにされるまでハイサイド強制転流回路４１０内を流れ続ける。
【００４６】
システム４００がバック変換器として機能してバッテリを充電するとき、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１はドレインからソースへと流れる電流を有し、従ってハイサイドＦＥＴ Ｑ１への正の電流が図示されている。電流がドレインからソースへと流れるので、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１がオフのとき、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１のボディダイオード内を電流が流れる可能性はない。したがって、ハイサイド強制転流回路４１０が取り付けられており、且つ動作していたとしても、ハイサイド強制転流回路４１０はバック変換器の動作モードのために有用な機能を果たさない。
【００４７】
ローサイドＦＥＴ Ｑ１の電流は、ソースからドレインへと流れる（例えば、負の電流により示すことができる）。したがって、ターンオフの際には、ボディダイオードの導通を防止するために、デバイスがターンオフされる前に強制転流回路がローサイドＦＥＴ Ｑ１内の電流を反転させることが必須である。強制転流回路４１０が作動されると、ローサイドＦＥＴ Ｑ１内で電流が反転し、次いでハイサイドＦＥＴ Ｑ１がターンオフされる。このとき、インダクタＬ１の電流は、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオンにされるまで転流回路４１０内を流れ続ける。
【００４８】
すなわち、二つの強制転流回路は、同期整流双方向変換器を効率的に動作させなければならず、（１）システム４００がブースト変換器として動作して電気的バスを調整するときには、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１の逆回復の特徴に関連する損失を回避するために、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１と並行なハイサイド強制通信回路４１０が必要であり、（２）同期整流器の双方向変換器システム４００がブースト変換器として動作して電気的バスを調整するときには、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１の逆回復の特徴に関連する損失を回避するために、ローサイドスイッチＱ２と並行なローサイド強制転流回路４１４が必要である。
【００４９】
この原理はブースト／バック調整器を用いて説明されているが、例えばこれに限定するものではないが、バック−ブースト（反転フライバック）変換器、非反転フライバック、ＣｕＫ変換器、又は結合されたインダクタのバック変換器のような他の変換器に適用することができる。ここに記載される基本的原理は、二つ（又はそれ以上）の強制転流回路を使用して、殆どすべてのスイッチング調整器を同期整流された双方向変換器に変換することができる。
【００５０】
図５は、本開示の一実施形態による双方向電圧変換プロセス５００（プロセス５００）を示す例示的な流れ図である。プロセス５００に関連して実行される様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組合せによって機械的に実行することができる。プロセス５００は、任意の数の追加又は代替のタスクを含むことができ、図５に示すタスクは、図示する順序で実行する必要はなく、またプロセス５００は、本明細書では詳細に記載しない追加の機能を有するより包括的な手順又はプロセス内へ組み込むことができることを理解されたい。
【００５１】
例示の目的で、プロセス５００の以下の説明では、図１〜４に関連して上述した要素に言及することがある。実用的な実施形態では、プロセス５００の一部分は、ソース端子１１２、ゲート端子１１４、ドレイン端子１１６、真性ボディダイオード１１８、インダクタ３０２／Ｌ１、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４、第２の強制転流式の同期整流器３０６／４０６など、システム１００〜４００の様々な要素によって実行することができる。プロセス５００は、図１〜４に示した実施形態に類似している機能、材料、及び構造を有することができる。したがって、共通の特徴、機能、及び要素については、ここでは繰り返し説明しないことがある。
【００５２】
プロセス５００は、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４において第１の電圧で充電電流を受け取ること（タスク５０２）によって始めることができる。
【００５３】
プロセス５００は、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４により充電電流を制御すること（タスク５０４）によって継続することができる。
【００５４】
プロセス５００は、充電電流によりインダクタ３０２／Ｌ１を充電すること（タスク５０６）によって継続することができる。
【００５５】
プロセス５００は、第２の強制転流式同期整流器３０６／４０６を使用してインダクタ３０２／Ｌ１からの放電電流を制御すること（タスク５０８）によって継続することができる。
【００５６】
図９は、本開示の一実施形態による双方向電圧変換システムを使用するプロセス６００を示す例示的な流れ図である。プロセス６００に関連して実行される様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組合せによって機械的に実行することができる。プロセス６００は、任意の数の追加又は代替のタスクを含むことができ、図６に示すタスクは、図示する順序で実行する必要はなく、またプロセス６００は、本明細書では詳細に記載しない追加の機能を有するより包括的な手順又はプロセス内へ組み込むことができることを理解されたい。
【００５７】
例示の目的で、プロセス６００の以下の説明では、図１〜４に関連して上述した要素に言及することがある。実用的な実施形態では、プロセス６００の一部分は、ソース端子１１２、ゲート端子１１４、ドレイン端子１１６、真性ボディダイオード１１８、インダクタ３０２／Ｌ１、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４、第２の強制転流式の同期整流器３０６／４０６など、システム１００〜４００の様々な要素によって実行することができる。プロセス６００は、図１〜４に示した実施形態に類似している機能、材料、及び構造を有することができる。したがって、共通の特徴、機能、及び要素については、ここでは繰り返し説明しないことがある。
【００５８】
プロセス６００は、第１の電圧で第１の電流を受け取ること（タスク６０２）によって始めることができる。
【００５９】
プロセス６００は、インダクタ３０２／Ｌ１に結合された第１の強制転流式同期整流器３０４／４０４により、インダクタ３０２／Ｌ１への第１の電流の流れを制御すること（タスク６０４）によって継続することができる。
【００６０】
プロセス６００は、インダクタ３０２／Ｌ１及び第１の強制転流式同期整流器３０４／４０４に結合された第２の強制転流式同期整流器３０６／４０６によりインダクタ３０２／Ｌ１からの第２の電流の流れを制御すること（タスク６０６）によって継続することができる。
【００６１】
プロセス６００は、インダクタ３０２／Ｌ１の出力において第２の電圧を調整すること（タスク６０８）によって継続することができる。
【００６２】
このようにして、本開示の実施形態は、変換器が二つの方向に電力を効率的に処理できるように使用することができる二つの強制転流式同期整流器を提供する。強制転流方法は高い効率を有する。強制転流式のスイッチを使用する場合直列のダイオードは不要であるので、通常ＦＥＴの損失が整流器の損失より大幅に低くなることにより、効率が劇的に改善される。電力消費が低下することにより、必要なヒートシンク材料が低減されて電源デバイスの重量が低減され、コンポーネントのパッケージを厚くすることができる。このようにして、必要な温度管理用ハードウェアが低減されるため、宇宙船の重量が低減される。
【００６３】
ここに記載される同期整流器の双方向変換器を使用することにより、電力は、交流電気的バスと直流電気的バスとの間を、いずれの方向へも流れることができる。
【００６４】
上記の説明では、互いに「接続」又は「結合」された要素又はノード又は特徴に言及する。本明細書では、別段明示しない限り、「接続」とは、１つの要素／ノード／特徴が別の要素／ノード／特徴に直接つなぎ合わされる（又は直接連通する）ことを意味するが、必ずしも機械的につなぎ合わされる必要はない。同様に、別段明示しない限り、「結合」とは、１つの要素／ノード／特徴が別の要素／ノード／特徴に直接又は間接的につなぎ合わされる（あるいは直接又は間接的に連通する）ことを意味するが、必ずしも機械的につなぎ合わされる必要はない。したがって、図１〜４は要素の例示的な構成を示すが、本開示の一実施形態では、追加の介在要素、デバイス、特徴、又は構成要素が存在することもある。
【００６５】
本明細書で使用される用語及び語句、ならびにその変形は、別段明示しない限り、限定ではなくオープンエンド（ｏｐｅｎ ｅｎｄｅｄ）と解釈されるべきである。上記の例として、「含む」という用語は、「非限定的に含む」などを意味すると読まれるべきであり、「例」という用語は、議論される項目の例示的な場合を提供するために使用され、その網羅的又は限定的なリストを提供するものではなく、また「従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）」、「従来の（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）」、「通常の」、「標準的な」、「周知の」、及び類似の意味の用語などの形容詞は、記載する項目を、所与の期間に、又は所与の時点で利用可能な項目に限定すると解釈されるべきではなく、代わりに、現在又は将来の任意の時点で利用可能又は周知の従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）、従来の（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）、通常の、又は標準的な技術を包含するように読まれるべきである。
【００６６】
同様に、「及び」という接続詞でつながれた１群の項目は、群内でそれらの項目のそれぞれがすべて存在することを必要とすると読まれるべきではなく、逆に、別段明示しない限り、「及び／又は」と読まれるべきである。同様に、「又は」という接続詞でつながれた１群の項目は、その群内で相互排他性を必要とすると読まれるべきではなく、逆に、別段明示しない限り、同じく「及び／又は」と読まれるべきである。更に、本開示の項目、要素、又は構成要素を単数で記載又は請求することがあるが、単数への限定が明示されない限り、複数も本開示の範囲内であることが企図される。場合によっては、「１つ又は複数」、「少なくとも」、「それだけに限定されるものではない」、又は他の同様の語句などの包括的な言葉及び語句の存在は、そのような包括的な語句がない場合により狭いケースが意図され、又は必要とされることを意味するように読まれるべきではない。
【符号の説明】
【００６７】
１００ 強制転流式の同期整流器
１０２ 第１のバス、入力端子
１０４ 第２のバス、出力端子
１０６ 端子
１１０ 駆動電圧信号
１１２ ソース端子
１１４ ゲート端子
１１６ ドレイン端子
１１８ 真性ボディダイオード
１２０ パルス電流源
１４０ 強制転流回路
Ｄ１ 転流ダイオード
Ｑ１ 電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
Ｎ３ ノード
２００ 同期整流器の双方向変換器システム
２０２ インダクタ
２０４ 第１の強制転流式の同期整流器
２０６ 第２の強制転流式の同期整流器
２０８ 駆動論理回路
２１０ ブースト側キャパシタ
２１２ バッテリ
２１４ 太陽電池アレイ
２１６ 共通の接地
２１８ リンク
２２０ バス
２２２ リンク
２２４ リンク
２２６ バス
３００ 同期整流器の双方向変換器システム
３０２ インダクタ
３０４ 第１の強制転流式の同期整流器
３０６ 第２の強制転流式の同期整流器
３０８ 駆動論理回路
３１０ リアクションホイール
３１４ 宇宙船の負荷
３１６ 共通の接地
３２０ 電気的バス
４００ 同期整流器の双方向変換器システム
４０４ 第１の強制転流式同期整流器
４０６ 第２の強制転流式同期整流器
４０８ ハイサイドドライバ
４１０ ハイサイド強制転流回路
４１２ ローサイドドライバ
４１４ ローサイド強制転流回路
ＴＸ１、ＴＸ２ 変換器
Ｐ１ 一次側
Ｓ１ 二次側
Ｑ１ ハイサイドＦＥＴ
Ｑ２ ローサイドＦＥＴ
Ｌ１ インダクタ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、電圧変換器に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、双方向電圧変換器向けの電圧及び電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧変換器は、直流電流（ＤＣ）源の電圧を一のレベルから別のレベルに変換する電子回路であり、電力変換器の一分類である。直流で夏変換器は、携帯電話、及びラップトップコンピュータなどの、主にバッテリから電力供給される携帯式電子デバイスにおいて重要である。このような電子デバイスは、多くの場合、各々が、バッテリ又は外部供給源によって供給されるものとは異なる（時に供給電圧より高い又は低い）固有の電圧レベル要件を有する複数の分岐回路を含んでいる。直流電圧変換器のスイッチを入れて、部分的に低下させたバッテリ電圧から電圧を上昇させることにより、同じことを行うのに複数のバッテリを使用せずにスペースを節約する方法が提供される。また、多くの直流電圧変換器は出力電圧を調整する。昇圧／ブースト変換器は、入力直流電圧より出力直流電圧の方が高い電力変換器である。昇圧／ブースト変換器は、少なくとも二つの半導体スイッチ（一のダイオードと一のトランジスタ）と、少なくとも一つのエネルギー貯蔵要素とを含むスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）の一分類である。通常、出力電圧のリップルを低減させるために、（場合によってはインダクタと組み合わせた）コンデンサからなるフィルタが昇圧／ブースト変換器の出力に付け加えられる。降圧／バック変換器は、直流出力電圧が直流入力電圧より低い電力変換器である。降圧／バック変換器の設計は、昇圧／ブースト変換器と類似であり、昇圧／ブースト変換器と同様に、降圧／バック変換器は、二つのスイッチ（一のトランジスタと一のダイオード）、インダクタ、及びコンデンサを使用するスイッチモード電源である。
【発明の概要】
【０００３】
双方向電圧変換のための方法が開示される。充電電流は、第１の強制転流式の同期整流器において第１電圧で受け取られ、第１の強制転流式同期整流器によって制御される。インダクタは、充電電流によって充電され、インダクタからの放電電流は第２の強制転流式同期整流器によって制御される。このようにして、二つの強制転流式同期整流器を使用することにより、一の変換器が二つの方向に効率的に電力を処理することができる。
【０００４】
強制転流方法は更に効率的である。強制転流式の切り換えを使用する場合、直列のダイオードは不要であり、一般に、ＦＥＴ損失は整流器の損失より著しく低いため、効率が有意に向上する。電力消費が低いことにより、必要なヒートシンク材料が減少するので電源デバイスの重量が低減され、コンポーネントのパッケージを厚くすることができる。このようにして、必要な温度管理用のハードウェアが減少するので、宇宙機の重量を低減することができる。更に、本明細書に記載される同期整流器の双方向変換器を使用することにより、電力は、交流電気的バスから直流電気的バスへ、又は直流電気的バスから交流電気的バスへと流れることができる。
【０００５】
一実施形態では、同期整流器の双方向変換器システムは、第１の強制転流式同期整流器に結合されたインダクタを備えている。第１の強制転流式同期整流器は、ダイオードに関連付けられたコンポーネントをオフに切り換えながら、ダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作することができる。同期整流器の双方向変換器システムは、更に、インダクタと第１の強制転流式同期整流器とに結合された第２の強制転流同期整流器を備え、ダイオードに関連付けられたコンポーネントをオフに切り換えながら、ダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作することができる。
【０００６】
別の実施形態では、双方向電圧変換のための方法は、第１の強制転流式同期整流器において第１の電圧で充電電流を受け取り、第１の強制転流式同期整流器で充電電流を制御する。この方法は、更に、充電電流でインダクタを充電し、第２の強制転流式同期整流器を用いてインダクタからの放電電流を制御する。
【０００７】
更に別の実施形態では、同期整流器の双方向変換器システムを用いるための方法は、第１の電圧で第１の電流を受け取り、インダクタに結合された第１の強制転流式同期整流器によりインダクタに向かう第１の電流の流れを制御する。この方法は、更に、インダクタと第１の強制転流式同期整流器とに結合された第２の強制底流式同期整流器により、インダクタからの第２の電流の流れを制御し、インダクタの出力において第２の電圧を調整する。
【０００８】
この要約は、一連の概念を簡略化された形で紹介するために提供され、これらの概念については、詳細な説明で以下に更に説明する。この要約は、請求される主題の主要な特徴又は本質的な特徴を特定しようとするものではなく、請求される主題の範囲を決定するのを助けるものとして使用されるものでもない。
【０００９】
本開示の実施形態のより完全な理解は、詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって、以下の図とともに考慮したときに導出することができ、これらの図全体にわたって、同じ参照番号は類似の要素を指す。これらの図は、本開示の幅、範囲、規模、又は適用性を限定することなく、本開示の理解を容易にするために提供される。図面は、必ずしも原寸に比例しない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一実施形態による例示的な強制転流式の同期整流器の図である。
【図２】本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システムの図である。
【図３】本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システムの図である。
【図４】本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システムの図である。
【図５】本開示の一実施形態による双方向電流変換プロセスを示す例示的な流れ図である。
【図６】本開示の一実施形態による双方向電圧変換電流センサを使用するプロセスを示す例示的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の詳細な説明は、本質的に例示的なものであり、本開示又は本開示の実施形態の適用分野及び用途を限定しようとするものではない。特有のデバイス、技法、及び適用分野の説明は、例としてのみ提供される。本明細書に記載する例に対する修正形態は、当業者には容易に明らかになり、本明細書に規定する一般原則は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の例及び適用分野にも適用することができる。更に、前述の技術分野、背景技術、要約、又は以下の詳細な説明で提示される、明示又は暗示されるいずれの理論にも束縛されるものではない。本開示には、特許請求の範囲と一致した範囲が与えられるべきであり、本明細書に記載及び図示する例に限定されるものではない。
【００１２】
本開示の実施形態については、機能及び／又は理論上のブロック構成要素ならびに様々な処理ステップの点で本明細書に説明することができる。そのようなブロック構成要素は、指定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェア構成要素によって実現できることを理解されたい。話を簡単にするために、回路設計に関係する従来の技法及び構成要素、ならびにシステム（及びシステムの個々の動作構成要素）の他の機能上の態様については、本明細書で詳細に説明しないことがある。更に、本開示の実施形態は、様々な演算ハードウェア及びソフトウェアと一緒に実行できること、そして本明細書に記載する実施形態が本開示の例示的な実施形態にすぎないことが、当業者には理解されるであろう。
【００１３】
本開示の実施形態について、実用的で非限定的な適用分野、すなわち衛星又は宇宙船上での電圧変換に関連して本明細書に説明する。しかし、本開示の実施形態は、そのような衛星又は宇宙船の適用分野に限定されるものではなく、本明細書に記載する技法は、他の適用分野でも利用することができる。例えば、それだけに限定されるものではないが、実施形態は、様々な電圧変換の適用分野及び回路、車両、自動車、航空機、船舶、ボート、建築物、電気機器、電気モータ、バッテリ作動式及び増強式の車両及び車両システムなどに適用可能である。
【００１４】
この説明を読めば当業者には明らになるように、以下は本開示の例及び実施形態であり、これらの例による動作に限定されるものではない。本開示の例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、他の実施形態も利用することができ、構造上の変化を加えることもできる。
【００１５】
本開示の実施形態は、変換器が電力を２方向に効率的に処理できるような形で使用できる２つの強制転流同期整流器を提供する。例えば、日食中に一定の電気的バス電圧を維持する放電調整器として双方向変換器を使用することができ、次いで太陽電池アレイが日光に当たっているときは、同じ変換器を使用して、バッテリへの充電電流を調整することができる。本明細書に記載する技法により、例えばそれだけに限定されるものではないが、単一の変換器を用いて宇宙船の日光モードでバッテリの充電電流を調整し、また宇宙ステーションの日食モードでバッテリからの電気的バスを調整することができる、極めて効率的な双方向変換器が可能になる。そのような単一の変換器は、既存のシステムで充電電流及び電気的バスを調整するために別個のハードウェアの代わりに使用することができる。同期整流を用いることによって、本開示の実施形態を、旧世代の宇宙船バス調整ハードウェアより効率的なものとすることができる。
【００１６】
本開示の種々の実施形態によれば、同期整流器の双方向変換器を、例えばそれだけに限定されるものではないが、双方に電力を処理する直流電圧変換器や双方向に電力を処理できる直流交流変換器などで使用できる構成ブロックとして使用することができる。例えばそれだけに限定されるものではないが、同期整流器の双方向変換器は、交流電圧を生成するように制御される＋２００Ｖ及び−２００Ｖのレールから給電されて動作する双方向同期バック変換器として動作することができたり、１８０度位相がずれた状態で動作する二つの変換器が２００Ｖの単一レールから給電されて動作できたりする。
【００１７】
ここに開示される同期整流器の双方向変換器により、電力は、第１の電気的バスから第２の電気的バスへ、及び第２の電気的バスから第１の電気的バスへ流れることができる。第１の電気的バスが第２の電気的バスより高い電圧を有しても、第２の電気的バスが第１の電気的バスより高い電圧を有してもよい。第１の電気的バスは、例えばそれだけに限定されるものではないが、交流電気的バスや直流電気的バスなどを含むことができる。第２の電気的バスは、例えばそれだけに限定されるものではないが、交流電気的バスや直流電気的バスなどを含むことができる。
【００１８】
高電圧（例えば６０Ｖを上回る電圧）で動作する双方向変換器は、通常、ＦＥＴの逆回復に関連する大きな切り替え損失をなくすために、ＦＥＴの各々と直列の整流器を有していなければならない。すべてのＦＥＴがオフの間にインダクタ電流を流すために、並列の整流器が必要である。本開示の実施形態は、二つの電力スイッチがそれぞれ強制転流式同期整流器であるバック／ブースト調整器を備えた双方向動機変換器を含む。強制転流式の同期整流器により、整流器として動作する強制転流式の同期整流器に使用されるＦＥＴのボディダイオードの回復時間に関連する大きなスイッチング損失を生成することなく、どちらの方向にも電流を流すことができる。
【００１９】
双方向同期変換器が電気的バスからの電力を処理してバッテリを充電しているとき、双方向同期変換器はバック調整器として動作し、ローサイドスイッチは整流器として動作し、ハイサイドスイッチはバック変換器の電力スイッチとして動作する。同様に、バッテリが電気的バスに電力を供給しているとき、双方向同期変換器はブースト変換器として動作し、ハイサイドスイッチは整流器として動作し、ハイサイドスイッチは電力スイッチとして動作する。
【００２０】
図１は、本開示の一実施形態による例示的な強制転流式の同期整流器１００の図である。強制転流式の同期整流器１００は、強制転流回路１４０に電気的に結合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ１などのスイッチング構成要素を備える。ＦＥＴ Ｑ１は、ソース端子１１２、ゲート端子１１４、ドレイン端子１１６、及び真性ボディダイオード１１８を備える。例えば、それだけに限定されるものではないが、図１に示すＦＥＴ Ｑ１はｎ型ＦＥＴを構成し、ボディダイオードのアノードはソース端子１１２に接続され、真性ボディダイオード１１８のカソードはドレイン端子１１６に接続される。ＦＥＴ Ｑ１がｐ型ＦＥＴである実施形態では、真性ボディダイオード１１８の方向を逆にすることにより、真性ボディダイオード１１８のカソードはｐ型ＦＥＴのソース端子に接続され、ボディダイオードのアノードはｐ型ＦＥＴのドレイン端子に接続される。
【００２１】
本開示内容では一実施例としてｎ型ＦＥＴを利用するが、ＦＥＴ Ｑ１は、ｎ型ＦＥＴ、ｐ型ＦＥＴ、又は関連する逆回復時間を有する真性ボディダイオードを含む一のスイッチなど、いかなるスイッチング構成要素を表わしてもよい。一実施形態では、スイッチング構成要素は、電源のトポロジーで使用される整流器スイッチとすることができる。
【００２２】
通常、ＦＥＴ上のスイッチングに関連する閾値電圧より大きい電圧がゲート端子１１４に供給されたとき、ｎ型ＦＥＴは、ソース端子１１２とドレイン端子１１６の間に電流を流すことができる。ゲート端子１１４に供給される電圧が閾値電圧より下まで低減されたとき、又は完全に除去されたとき、ＦＥＴはオフに切り換えられ、ソース端子１１２とドレイン端子１１６の間を流れる電流は流れを止める。ＦＥＴがオフに切り換えられたときに電流がソース端子１１２からドレイン端子１１６へ流れている場合、電流はボディダイオードの順バイアス方向に流れていたため、ＦＥＴの真性ボディダイオード１１８は回復する期間を必要とする。これを逆回復時間と呼ぶ。しかし、ＦＥＴがオフに切り換えられたときに電流がドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている場合、電流はすでに真性ボディダイオード１１８の逆バイアス方向に流れていたため、逆回復時間は必要とされない。上記の概念を使用して、ＦＥＴに関連するスイッチオフ事象中にダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ電流を強制転流することによって、ダイオードの逆回復時間をなくすことができる。
【００２３】
ＦＥＴ Ｑ１のゲート端子１１４は、ＦＥＴ Ｑ１のスイッチングを制御する駆動電圧信号１１０に電気的に結合される。駆動電圧信号１１０がゲート端子１１４に閾値電圧を提供したとき、ＦＥＴ Ｑ１はオンに切り換えられる。ＦＥＴ Ｑ１のゲート端子１１４が電圧をもたないとき、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられる。電流は、入力端子１０２を通ってＦＥＴ Ｑ１のソース端子１１２内へ流れるように構成され、ＦＥＴ Ｑ１から流れ出る電流は、出力端子１０４の方へ流れる。
【００２４】
上記のように、ＦＥＴ Ｑ１は、強制転流回路１４０に電気的に結合される。強制転流回路１４０は、パルス電流源１２０（選択的に制御される強制転流電流源）と、転流ダイオードＤ１とを備える。パルス電流源１２０は、入力端子１０２を通って入る電流より大きくなるように構成された転流電流を生成するように構成することができる。一実施形態では、転流電流は、非常に短い期間で強制転流式の同期整流器１００から供給されるパルス電流である。パルス電流源１２０は、端子１０６で転流ダイオードＤ１のアノード端子に電気的に結合される。
【００２５】
転流ダイオードＤ１は、端子１０６でパルス電流源１２０に電気的に結合されたアノード端子を備える。転流ダイオードＤ１はまた、ノードＮ３でＦＥＴ Ｑ１のドレイン端子１１６及び出力端子１０４に電気的に結合されたカソード端子（図示せず）を備える。このように、転流ダイオードＤ１は、ＦＥＴ Ｑ１と並列である。転流ダイオードＤ１は、転流ダイオードＤ１のカソード端子が真性ボディダイオード１１８のカソード端子に接続されるように構成されるべきである。
【００２６】
強制転流式の同期整流器１００は、４つの位相で動作することができる。第１の位相では、ＦＥＴ Ｑ１とパルス電流源１２０はどちらもオフに切り換えられ、それによってパルス電流源は、転流電流を供給しなくなる。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から強制転流式の同期整流器１００に入り、転流ダイオードＤ１を通って流れ、出力端子１０４で強制転流式の同期整流器１００から出力される。
【００２７】
第２の位相では、ＦＥＴ Ｑ１はオンに切り換えられ、パルス電流源１２０はオフのままである。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から入り、ＦＥＴ Ｑ１を通ってソース端子１１２からドレイン端子１１６へ流れ、出力端子１０４を通って出る。ＦＥＴ Ｑ１の両端の電圧降下が転流ダイオードＤ１の順電圧より小さいため、電流は転流ダイオードＤ１を通って流れなくなる。
【００２８】
第３の位相では、ＦＥＴ Ｑ１はオンにされ、パルス電流源１２０はオンに切り換えられる。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から強制転流式の同期整流器１００に入り、パルス電流源１２０及び転流ダイオードＤ１を通って流れる。更に、パルス電流源１２０は、Ｄ１及びＦＥＴ Ｑ１を通って流れる転流電流を供給する。ノードＮ３で、入力電流は出力端子へ流れ、一方転流電流は、ＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ進む。
【００２９】
第４の位相では、転流電流がＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている間、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられる。この位相では、転流電流は流れを止め、入力電流は、転流ダイオードＤ１を通って流れ、出力端子１０４から出力される。ＦＥＴ Ｑ１のボディダイオードに関連する逆回復時間をなくすために、電流がＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ（真性ボディダイオード１１８とは反対の方向に）流れている間、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられるべきである。４つの位相によって表される事象のシーケンスに従うことによって、転流電流がＦＥＴ Ｑ１を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている間、ＦＥＴ Ｑ１はオフに切り換えられる。したがって、ＦＥＴ Ｑ１に関連する逆回復時間はなくなる。
【００３０】
上記の強制転流式の同期整流器１００は、様々な適用分野に対する構成ブロックとして利用することができる。具体的には、真性ボディダイオードを備えるスイッチング構成要素を利用するスイッチングの適用分野は、上記の強制転流式の同期整流器１００を利用することによってより効率的に実行することができる。更に、バック変換器、ブースト変換器、及びバック−ブースト変換器などのスイッチング調整器も、上記の強制転流アセンブリを利用することができる。
【００３１】
従来のスイッチング調整器は、整流器を使用して、主ＦＥＴのオフ時間中にインダクタ電流に対する電流路を提供することができる。現在の改善によって、ＦＥＴスイッチの逆回復時間はかなり小さくなり、その結果エネルギーがほとんど放散されなくなってきたため、整流器をＦＥＴに置き換えることが実用的になってきた。しかし、高圧の適用分野では、逆回復時間は比較的大きく、著しいワット損をもたらし、ならびにＦＥＴのスイッチング周波数に制限を生成する。ブースト変換器などの高圧スイッチング調整器の適用分野で整流器として利用されているＦＥＴの真性ボディダイオードの逆回復時間をなくすために、従来の整流器又は同期スイッチＦＥＴは、図１に記載する強制転流式の同期整流器１００と置き換えることができる。スイッチを伴う整流の適用分野では、整流は、上記の４つの位相を繰り返す。このサイクルを、整流器スイッチサイクルと呼ぶことができる。第４の位相は、整流器スイッチサイクルのスイッチオフ縁部で発生する。高圧整流器の適用分野では、ＦＥＴなどのスイッチに印加される電圧は、６０Ｖより大きくすることができる。
【００３２】
図２は、本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システム２００の図である。同期整流器の双方向変換器システム２００は、インダクタ２０２、第１の強制転流式の同期整流器２０４、第２の強制転流式の同期整流器２０６、駆動論理回路２０８、ブースト側キャパシタ２１０、バッテリ２１２、及び太陽電池アレイ２１４を備える。図２は、バッテリ充電／放電調整器として動作する同期整流器の双方向変換器システム２００の電力段の部分的な概略図を示す。
【００３３】
インダクタ２０２は、電気的バス２２６を介して第１の強制転流式の同期整流器２０４及び第２の強制転流式の同期整流器２０６に結合され、リンク２１８を介してバッテリ２１２に結合される。第１の強制転流式の同期整流器２０４は、リンク２２２を介して駆動論理回路２０８に結合され、第２の強制転流式の同期整流器２０６は、リンク２２４を介して駆動論理回路２０８に結合される。ブースト側キャパシタ２１０は、電気的バス２２０を介して太陽電池アレイ２１４及び第１の強制転流式の同期整流器２０４に結合される。バッテリ２１２、第２の強制転流式の同期整流器２０６、ブースト側キャパシタ２１０、及び太陽電池アレイ２１４はそれぞれ、共通の接地２１６に接続される。
【００３４】
宇宙船の適用分野では、バス２２０の電圧は、バッテリ２１２の電圧より高い。したがって、太陽電池アレイ２１４が、宇宙船の必要を満たすには不十分な電力を生じさせているとき、同期整流器の双方向変換器システム２００は、バッテリ２１２から電力を引き出して、バス２２０に必要な電流を提供する。太陽電池アレイ２１４が、利用可能な余分な電力を有するとき、同期整流器の双方向変換器システム２００はバック調整器になってバッテリ２１２を充電する。したがって、電流は、バッテリ２１２から流れ出て電気的バス２２０に電力供給し、バッテリ２１２内へ流れ込んでバッテリ２１２を充電しなければならないため、同期整流器の双方向変換器システム２００は、双方向の電力処理装置である。更に、スイッチング整流器は適当な時点でオンになるＦＥＴであるため、同期整流器の双方向変換器システム２００は同期整流される。
【００３５】
ＦＥＴの電圧降下は通常、整流器の電圧降下よりはるかに小さいため、同期整流器の双方向変換器システム２００は、従来のバック又はブースト調整器よりはるかに高い効率を実現することができる。すなわち、８０Ｖのバッテリから１００Ｖの電気的バスまで昇圧したとき、既存のブースト調整器は、約９６．５％の効率を有することになる。同期整流器の双方向変換器システム２００は、約９８％の効率を有することができる。この効率改善は、同期整流器の双方向変換器システム２００に関連する整流器損失の低減及びスイッチング損失の低減の結果である。
【００３６】
図３は、本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システム３００の図である。同期整流器の双方向変換器システム３００は、インダクタ３０２（図２では２０２）、第１の強制転流式の同期整流器３０４（図２では２０４）、第２の強制転流式の同期整流器３０６（図２では２０６）、駆動論理回路３０８（図２では２０８）、リアクションホイール３１０、及び宇宙船の負荷３１４を備える。図３は、３０Ｖの電気的バス３１８の調整器として動作する同期整流器の双方向変換器システム３００の電力段の部分的な概略図である。
【００３７】
インダクタ３０２は、電気的バス３２６を介して第１の強制転流式同期整流器３０４と第２の強制転流式同期整流器３０６とに結合され、更には３０Ｖの電気的バス３１８を介してリアクションホイール３１０と宇宙船負荷３１４とに結合される。第１の強制転流式同期整流器３０４はリンク３２２を介して駆動論理回路３０８に結合され、第２の強制転流式同期整流器３０６はリンク３２４を介して駆動論理回路３０８に結合される。リアクションホイール３１０、宇宙船負荷３１４、及び第２の強制転流式同期整流器３０６の各々は、それぞれ共通の地面３１６に接地される。
【００３８】
同期整流器の双方向変換器システム３００は、バック調整器として機能して、１００Ｖで動作する１００Ｖの電気的バス３２０を３０Ｖの電気的バス３１８に変換する。場合によっては、リアクションホイール３１０から減衰された電力が宇宙船負荷３１４用の３０Ｖの電気的バス３１８を超過するように、リアクションホイール３１０からのエネルギーを３０Ｖの電気的バス３１８に減衰させて戻すことができる。この場合、同期整流器の双方向変換器システム３００は、ブースト分路調整器として動作して、余分な電力を、殆どの場合に電力を吸収するために十分な宇宙船負荷が存在する１００Ｖの電気的バス３２１０に戻す。
【００３９】
図４は、本開示の一実施形態による例示的な同期整流器の双方向変換器システム４００を示している。この同期整流器の双方向変換器システム４００は、バッテリＶ１と抵抗Ｒ３とに結合されたインダクタＬ１と、第１の強制転流式同期整流器４０４（図３の３０４に類似）と、第２の強制転流式同期整流器４０６（図３の３０６に類似）とを備えている。
【００４０】
図４は、バッテリ充電／放電調整器として動作するように構成された同期整流器の双方向変換器システム４００（システム４００）のＳＰＩＣＥモデルを示している。図４に示されるように、第１の強制転流式同期整流器４０４は、変換器ＴＸ１に結合されたハイサイド強制転流回路４１０（Ｕ７）とハイサイドドライバ４０８（Ｕ３）とを含む。変換器ＴＸ１は、一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ１とを含む。同様に、第２の強制転流式同期整流器４０６は、変換器ＴＸ２に結合されたローサイド強制転流回路４１４（Ｕ６）とローサイドドライバ４１２（Ｕ５）とを含む。変換器ＴＸ２は一次側Ｐ１及び二次側Ｓ１と、抵抗Ｒ２とを含む。
【００４１】
ハイサイドＦＥＴ（又はスイッチ）Ｑ１及びローサイドＦＥＴ（又はスイッチ）Ｑ２は、それぞれ出力及び地面にＶＬ（インダクタの右側）のいずれかに接続する同期スイッチである。ハイサイド強制転流回路４１０（Ｕ７）及びローサイド強制転流回路４１４（Ｕ６）は、ボディダイオードがハイサイドＦＥＴ Ｑ１及びローサイドＦＥＴ Ｑ２とそれぞれ導通することを防止する。ハイサイド強制転流回路４１０及びローサイド強制転流回路４１４は、パルス幅調整（ＰＷＭ）信号（ＤＲ１）を処理して、ローサイドＦＥＴ Ｑ２及びハイサイドＦＥＴ Ｑ１それぞれの駆動信号を生成する。ローサイドＦＥＴ Ｑ２は、ＰＷＭ信号（ＤＲ１）とほぼ同位相の信号によって駆動される。ハイサイドドライバ４０８（Ｕ３）は、基本的にＤＲ１の逆バージョンの信号によりハイサイドＦＥＴ Ｑ１を駆動する。
【００４２】
ローサイドＦＥＴ Ｑ２を駆動することに加えて、ローサイドドライバ４１２（Ｕ５）は、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオンになる前にハイサイドＦＥＴ Ｑ１がオフになる時間が得られるように、ゲート駆動信号の到着を遅延させる。同様に、ローサイド強制転流回路４１４は、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１がオンになる前にローサイドＦＥＴＱ２がオフになるために十分な時間が得られるように、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１のターンオンを遅延させる。
【００４３】
ＰＷＭ制御回路（図示しない）からのＰＷＭ信号は、パルスをＤＲ１の幅に調節することにより電気的バスの電圧を調整するために、電圧及び電流のフィードバックを使用する。ＤＲ１のデューティーサイクルが増大するにつれて、出力の電気的バスの電圧が上昇する。ＤＲ１のデューティーサイクルが減少するにつれて、電気的バスの電圧が下降する。
【００４４】
システム４００がブースト変換器として機能して１００Ｖの電気的バスに電流を供給するとき、ローサイドＦＥＴ Ｑ２は、ローＦＥＴ Ｑ２のドレインからソースへと流れる電流を有し、従って図には、ローサイドＦＥＴ Ｑ２への正の電流が示されている。電流はローＦＥＴ Ｑ２のドレインからソースへと流れるので、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオフのとき、ローサイドＦＥＴ Ｑ２のボディダイオードを電流が流れる可能性はない。したがって、ローサイド強制転流回路４１４が取り付けられており、且つ動作していたとしても、ローサイド強制転流回路４１４はブースト変換器の動作モードのために有用な機能を果たさない。
【００４５】
ハイサイドＦＥＴ Ｑ１の電流は、ＦＥＴＱ１のソースからドレインへと流れる。したがって、ターンオフの際には、ボディダイオードの導通を防止するために、デバイスがターンオフされる前にハイサイド強制転流回路４１０がＦＥＴ内の電流を反転させることが必須である。ハイサイド強制転流回路４１０が作動されると、ＦＥＴ内で電流が反転し、次いでハイサイドＦＥＴ Ｑ１がターンオフされる。このとき、インダクタＬ１の電流は、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオンにされるまでハイサイド強制転流回路４１０内を流れ続ける。
【００４６】
システム４００がバック変換器として機能してバッテリを充電するとき、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１はドレインからソースへと流れる電流を有し、従ってハイサイドＦＥＴ Ｑ１への正の電流が図示されている。電流がドレインからソースへと流れるので、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１がオフのとき、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１のボディダイオード内を電流が流れる可能性はない。したがって、ハイサイド強制転流回路４１０が取り付けられており、且つ動作していたとしても、ハイサイド強制転流回路４１０はバック変換器の動作モードのために有用な機能を果たさない。
【００４７】
ローサイドＦＥＴ Ｑ１の電流は、ソースからドレインへと流れる（例えば、負の電流により示すことができる）。したがって、ターンオフの際には、ボディダイオードの導通を防止するために、デバイスがターンオフされる前に強制転流回路がローサイドＦＥＴ Ｑ１内の電流を反転させることが必須である。強制転流回路４１０が作動されると、ローサイドＦＥＴ Ｑ１内で電流が反転し、次いでハイサイドＦＥＴ Ｑ１がターンオフされる。このとき、インダクタＬ１の電流は、ローサイドＦＥＴ Ｑ２がオンにされるまで転流回路４１０内を流れ続ける。
【００４８】
すなわち、二つの強制転流回路は、同期整流双方向変換器を効率的に動作させなければならず、（１）システム４００がブースト変換器として動作して電気的バスを調整するときには、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１の逆回復の特徴に関連する損失を回避するために、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１と並行なハイサイド強制通信回路４１０が必要であり、（２）同期整流器の双方向変換器システム４００がブースト変換器として動作して電気的バスを調整するときには、ハイサイドＦＥＴ Ｑ１の逆回復の特徴に関連する損失を回避するために、ローサイドスイッチＱ２と並行なローサイド強制転流回路４１４が必要である。
【００４９】
この原理はブースト／バック調整器を用いて説明されているが、例えばこれに限定するものではないが、バック−ブースト（反転フライバック）変換器、非反転フライバック、ＣｕＫ変換器、又は結合されたインダクタのバック変換器のような他の変換器に適用することができる。ここに記載される基本的原理は、二つ（又はそれ以上）の強制転流回路を使用して、殆どすべてのスイッチング調整器を同期整流された双方向変換器に変換することができる。
【００５０】
図５は、本開示の一実施形態による双方向電圧変換プロセス５００（プロセス５００）を示す例示的な流れ図である。プロセス５００に関連して実行される様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組合せによって機械的に実行することができる。プロセス５００は、任意の数の追加又は代替のタスクを含むことができ、図５に示すタスクは、図示する順序で実行する必要はなく、またプロセス５００は、本明細書では詳細に記載しない追加の機能を有するより包括的な手順又はプロセス内へ組み込むことができることを理解されたい。
【００５１】
例示の目的で、プロセス５００の以下の説明では、図１〜４に関連して上述した要素に言及することがある。実用的な実施形態では、プロセス５００の一部分は、ソース端子１１２、ゲート端子１１４、ドレイン端子１１６、真性ボディダイオード１１８、インダクタ３０２／Ｌ１、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４、第２の強制転流式の同期整流器３０６／４０６など、システム１００〜４００の様々な要素によって実行することができる。プロセス５００は、図１〜４に示した実施形態に類似している機能、材料、及び構造を有することができる。したがって、共通の特徴、機能、及び要素については、ここでは繰り返し説明しないことがある。
【００５２】
プロセス５００は、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４において第１の電圧で充電電流を受け取ること（タスク５０２）によって始めることができる。
【００５３】
プロセス５００は、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４により充電電流を制御すること（タスク５０４）によって継続することができる。
【００５４】
プロセス５００は、充電電流によりインダクタ３０２／Ｌ１を充電すること（タスク５０６）によって継続することができる。
【００５５】
プロセス５００は、第２の強制転流式同期整流器３０６／４０６を使用してインダクタ３０２／Ｌ１からの放電電流を制御すること（タスク５０８）によって継続することができる。
【００５６】
図９は、本開示の一実施形態による双方向電圧変換システムを使用するプロセス６００を示す例示的な流れ図である。プロセス６００に関連して実行される様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組合せによって機械的に実行することができる。プロセス６００は、任意の数の追加又は代替のタスクを含むことができ、図６に示すタスクは、図示する順序で実行する必要はなく、またプロセス６００は、本明細書では詳細に記載しない追加の機能を有するより包括的な手順又はプロセス内へ組み込むことができることを理解されたい。
【００５７】
例示の目的で、プロセス６００の以下の説明では、図１〜４に関連して上述した要素に言及することがある。実用的な実施形態では、プロセス６００の一部分は、ソース端子１１２、ゲート端子１１４、ドレイン端子１１６、真性ボディダイオード１１８、インダクタ３０２／Ｌ１、第１の強制転流式の同期整流器３０４／４０４、第２の強制転流式の同期整流器３０６／４０６など、システム１００〜４００の様々な要素によって実行することができる。プロセス６００は、図１〜４に示した実施形態に類似している機能、材料、及び構造を有することができる。したがって、共通の特徴、機能、及び要素については、ここでは繰り返し説明しないことがある。
【００５８】
プロセス６００は、第１の電圧で第１の電流を受け取ること（タスク６０２）によって始めることができる。
【００５９】
プロセス６００は、インダクタ３０２／Ｌ１に結合された第１の強制転流式同期整流器３０４／４０４により、インダクタ３０２／Ｌ１への第１の電流の流れを制御すること（タスク６０４）によって継続することができる。
【００６０】
プロセス６００は、インダクタ３０２／Ｌ１及び第１の強制転流式同期整流器３０４／４０４に結合された第２の強制転流式同期整流器３０６／４０６によりインダクタ３０２／Ｌ１からの第２の電流の流れを制御すること（タスク６０６）によって継続することができる。
【００６１】
プロセス６００は、インダクタ３０２／Ｌ１の出力において第２の電圧を調整すること（タスク６０８）によって継続することができる。
【００６２】
このようにして、本開示の実施形態は、変換器が二つの方向に電力を効率的に処理できるように使用することができる二つの強制転流式同期整流器を提供する。強制転流方法は高い効率を有する。強制転流式のスイッチを使用する場合直列のダイオードは不要であるので、通常ＦＥＴの損失が整流器の損失より大幅に低くなることにより、効率が劇的に改善される。電力消費が低下することにより、必要なヒートシンク材料が低減されて電源デバイスの重量が低減され、コンポーネントのパッケージを厚くすることができる。このようにして、必要な温度管理用ハードウェアが低減されるため、宇宙船の重量が低減される。
【００６３】
ここに記載される同期整流器の双方向変換器を使用することにより、電力は、交流電気的バスと直流電気的バスとの間を、いずれの方向へも流れることができる。
【００６４】
上記の説明では、互いに「接続」又は「結合」された要素又はノード又は特徴に言及する。本明細書では、別段明示しない限り、「接続」とは、１つの要素／ノード／特徴が別の要素／ノード／特徴に直接つなぎ合わされる（又は直接連通する）ことを意味するが、必ずしも機械的につなぎ合わされる必要はない。同様に、別段明示しない限り、「結合」とは、１つの要素／ノード／特徴が別の要素／ノード／特徴に直接又は間接的につなぎ合わされる（あるいは直接又は間接的に連通する）ことを意味するが、必ずしも機械的につなぎ合わされる必要はない。したがって、図１〜４は要素の例示的な構成を示すが、本開示の一実施形態では、追加の介在要素、デバイス、特徴、又は構成要素が存在することもある。
【００６５】
本明細書で使用される用語及び語句、ならびにその変形は、別段明示しない限り、限定ではなくオープンエンド（ｏｐｅｎ ｅｎｄｅｄ）と解釈されるべきである。上記の例として、「含む」という用語は、「非限定的に含む」などを意味すると読まれるべきであり、「例」という用語は、議論される項目の例示的な場合を提供するために使用され、その網羅的又は限定的なリストを提供するものではなく、また「従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）」、「従来の（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）」、「通常の」、「標準的な」、「周知の」、及び類似の意味の用語などの形容詞は、記載する項目を、所与の期間に、又は所与の時点で利用可能な項目に限定すると解釈されるべきではなく、代わりに、現在又は将来の任意の時点で利用可能又は周知の従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）、従来の（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）、通常の、又は標準的な技術を包含するように読まれるべきである。
【００６６】
同様に、「及び」という接続詞でつながれた１群の項目は、群内でそれらの項目のそれぞれがすべて存在することを必要とすると読まれるべきではなく、逆に、別段明示しない限り、「及び／又は」と読まれるべきである。同様に、「又は」という接続詞でつながれた１群の項目は、その群内で相互排他性を必要とすると読まれるべきではなく、逆に、別段明示しない限り、同じく「及び／又は」と読まれるべきである。更に、本開示の項目、要素、又は構成要素を単数で記載又は請求することがあるが、単数への限定が明示されない限り、複数も本開示の範囲内であることが企図される。場合によっては、「１つ又は複数」、「少なくとも」、「それだけに限定されるものではない」、又は他の同様の語句などの包括的な言葉及び語句の存在は、そのような包括的な語句がない場合により狭いケースが意図され、又は必要とされることを意味するように読まれるべきではない。
【符号の説明】
【００６７】
１００ 強制転流式の同期整流器
１０２ 第１のバス、入力端子
１０４ 第２のバス、出力端子
１０６ 端子
１１０ 駆動電圧信号
１１２ ソース端子
１１４ ゲート端子
１１６ ドレイン端子
１１８ 真性ボディダイオード
１２０ パルス電流源
１４０ 強制転流回路
Ｄ１ 転流ダイオード
Ｑ１ 電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
Ｎ３ ノード
２００ 同期整流器の双方向変換器システム
２０２ インダクタ
２０４ 第１の強制転流式の同期整流器
２０６ 第２の強制転流式の同期整流器
２０８ 駆動論理回路
２１０ ブースト側キャパシタ
２１２ バッテリ
２１４ 太陽電池アレイ
２１６ 共通の接地
２１８ リンク
２２０ バス
２２２ リンク
２２４ リンク
２２６ バス
３００ 同期整流器の双方向変換器システム
３０２ インダクタ
３０４ 第１の強制転流式の同期整流器
３０６ 第２の強制転流式の同期整流器
３０８ 駆動論理回路
３１０ リアクションホイール
３１４ 宇宙船の負荷
３１６ 共通の接地
３２０ 電気的バス
４００ 同期整流器の双方向変換器システム
４０４ 第１の強制転流式同期整流器
４０６ 第２の強制転流式同期整流器
４０８ ハイサイドドライバ
４１０ ハイサイド強制転流回路
４１２ ローサイドドライバ
４１４ ローサイド強制転流回路
ＴＸ１、ＴＸ２ 変換器
Ｐ１ 一次側
Ｓ１ 二次側
Ｑ１ ハイサイドＦＥＴ
Ｑ２ ローサイドＦＥＴ
Ｌ１ インダクタ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期整流器の双方向変換器システムであって、
インダクタと、
インダクタに結合された第１の強制転流式同期整流器であって、ダイオードに関連付けられたコンポーネントのスイッチをオフにしながらダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作可能な第１の強制転流式同期整流器と、
インダクタ及び第１の強制転流式同期整流器に結合された第２の強制転流式同期整流器であって、ダイオードに関連付けられたコンポーネントのスイッチをオフにしながらダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作可能な第２の強制転流式同期整流器と
を備えている同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項２】
第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器に結合されて、第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器を駆動するように動作可能な駆動論理回路を更に備えている、請求項１に記載の同期整流器の双方向転換器システム。
【請求項３】
第１の強制転流式同期整流器が更に第１の電気的バスに結合されており、第２の強制転流式同期整流器が更に接地されており、且つインダクタが更に第２の電気的バスに結合されている、請求項１に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項４】
第１の電気的バスの電圧が第２の電気的バスの電圧よりも高い、請求項３に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項５】
第１の電気的バスが太陽電池アレイに結合されている、請求項３に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項６】
第２の電気的バスが、バッテリ及びリアクションホイールのうちの少なくとも一方に結合されている、請求項３に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項７】
第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器の各々が、
ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子、ならびにカソード端子およびアノード端子を備える真性ボディダイオードを備える電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチと、
カソードが真性ボディダイオードのカソード端子に電気的に結合されるようにＦＥＴスイッチに並列に電気的に結合された転流ダイオードと、
転流ダイオードに電気的に結合された選択的に制御される強制転流電流源であって、ＦＥＴスイッチがオンに切り換えられている間に転流ダイオードからＦＥＴスイッチへ転流電流を通し、それによって転流電流を真性ボディダイオードのカソード端子から真性ボディダイオードのアノード端子へ通すように動作可能な選択的に制御される強制転流電流源と
を備える強制転流式同期整流器から構成されている、請求項１に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項８】
双方向電流変換の方法であって、
第１の強制転流式同期整流器において第１の電圧で充電電流を受け取ることと、
第１の強制転流式同期整流器により充電電流を制御することと、
充電電流によりインダクタを充電することと、
第２の強制転流式同期整流器を使用してインダクタからの放電電流を制御することと
を含む方法。
【請求項９】
充電電流を第１の電気的バスから受け取り、
充電電流及び放電電流を使用して第２の電気的バスを調整する電圧を更に含んでおり、
電圧は第２の電気的バスを第２の電圧に調整するものであり、
第２の電圧は第１の電圧より低い、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器の各々が、
ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子、ならびにカソード端子およびアノード端子を備える真性ボディダイオードを備える電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチと、
カソードが真性ボディダイオードのカソード端子に電気的に結合されるように、ＦＥＴスイッチに並列に電気的に結合されている転流ダイオードと、
転流ダイオードに電気的に結合された選択的に制御される強制転流電流源であって、ＦＥＴスイッチがオンに切り換えられている間に転流ダイオードからＦＥＴスイッチへ転流電流を通し、それによって転流電流を真性ボディダイオードのカソード端子から真性ボディダイオードのアノード端子へ通すように動作可能な選択的に制御される強制転流電流源と
を備える強制転流式同期整流器から構成されている、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
同期整流器の双方向変換器システムを使用するための方法であって、
第１の電圧で第１の電流を受け取ることと、
インダクタに結合された第１の強制転流式同期整流器によりインダクタへの第１の電流の流れを制御することと、
インダクタ及び第１の強制転流式同期整流器に結合された第２の強制転流式同期整流器によりインダクタからの第２の電流の流れを制御することと、
インダクタの出力において第２の電圧を調整することと
を含む方法。
【請求項１２】
第２の電圧が第１の電圧より低く、
インダクタの出力を、第２の強制転流式同期整流器を介して電気的バスに結合することを更に含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１】
同期整流器の双方向変換器システムであって、
インダクタと、
インダクタに結合された第１の強制転流式同期整流器であって、ダイオードに関連付けられたコンポーネントのスイッチをオフにしながらダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作可能な第１の強制転流式同期整流器と、
インダクタ及び第１の強制転流式同期整流器に結合された第２の強制転流式同期整流器であって、ダイオードに関連付けられたコンポーネントのスイッチをオフにしながらダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ転流電流を強制的に転流させることにより、ダイオード内の逆回復時間をなくすように動作可能な第２の強制転流式同期整流器と
を備えている同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項２】
第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器に結合されて、第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器を駆動するように動作可能な駆動論理回路を更に備えている、請求項１に記載の同期整流器の双方向転換器システム。
【請求項３】
第１の強制転流式同期整流器が更に第１の電気的バスに結合されており、第２の強制転流式同期整流器が更に接地されており、且つインダクタが更に第２の電気的バスに結合されている、請求項１に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項４】
第１の電気的バスの電圧が第２の電気的バスの電圧よりも高い、請求項３に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項５】
第１の電気的バスが太陽電池アレイに結合されている、請求項３に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項６】
第２の電気的バスが、バッテリ及びリアクションホイールのうちの少なくとも一方に結合されている、請求項３に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項７】
第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器の各々が、
ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子、ならびにカソード端子およびアノード端子を備える真性ボディダイオードを備える電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチと、
カソードが真性ボディダイオードのカソード端子に電気的に結合されるようにＦＥＴスイッチに並列に電気的に結合された転流ダイオードと、
転流ダイオードに電気的に結合された選択的に制御される強制転流電流源であって、ＦＥＴスイッチがオンに切り換えられている間に転流ダイオードからＦＥＴスイッチへ転流電流を通し、それによって転流電流を真性ボディダイオードのカソード端子から真性ボディダイオードのアノード端子へ通すように動作可能な選択的に制御される強制転流電流源と
を備える強制転流式同期整流器から構成されている、請求項１に記載の同期整流器の双方向変換器システム。
【請求項８】
双方向電流変換の方法であって、
第１の強制転流式同期整流器において第１の電圧で充電電流を受け取ることと、
第１の強制転流式同期整流器により充電電流を制御することと、
充電電流によりインダクタを充電することと、
第２の強制転流式同期整流器を使用してインダクタからの放電電流を制御することと
を含む方法。
【請求項９】
充電電流を第１の電気的バスから受け取り、
充電電流及び放電電流を使用して第２の電気的バスを調整する電圧を更に含んでおり、
電圧は第２の電気的バスを第２の電圧に調整するものであり、
第２の電圧は第１の電圧より低い、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第１の強制転流式同期整流器及び第２の強制転流式同期整流器の各々が、
ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子、ならびにカソード端子およびアノード端子を備える真性ボディダイオードを備える電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチと、
カソードが真性ボディダイオードのカソード端子に電気的に結合されるように、ＦＥＴスイッチに並列に電気的に結合されている転流ダイオードと、
転流ダイオードに電気的に結合された選択的に制御される強制転流電流源であって、ＦＥＴスイッチがオンに切り換えられている間に転流ダイオードからＦＥＴスイッチへ転流電流を通し、それによって転流電流を真性ボディダイオードのカソード端子から真性ボディダイオードのアノード端子へ通すように動作可能な選択的に制御される強制転流電流源と
を備える強制転流式同期整流器から構成されている、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
同期整流器の双方向変換器システムを使用するための方法であって、
第１の電圧で第１の電流を受け取ることと、
インダクタに結合された第１の強制転流式同期整流器によりインダクタへの第１の電流の流れを制御することと、
インダクタ及び第１の強制転流式同期整流器に結合された第２の強制転流式同期整流器によりインダクタからの第２の電流の流れを制御することと、
インダクタの出力において第２の電圧を調整することと
を含む方法。
【請求項１２】
第２の電圧が第１の電圧より低く、
インダクタの出力を、第２の強制転流式同期整流器を介して電気的バスに結合することを更に含む、
請求項１１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２０４２７（Ｐ２０１２−１２０４２７Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２５１２７２（Ｐ２０１１−２５１２７２）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１２７２（Ｐ２０１１−２５１２７２）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]