電圧調整のための双方向コンバータ電圧制御電流源
【課題】電力システムにおいて非常に用途の広いビルディングブロックを形成する双方向コンバータ電圧制御電流源システムを提供する。
【解決手段】双方向コンバータ電圧制御電流システム１００及び方法が開示されている。双方向コンバータ１１２は、可変デューティサイクル制御信号１２８にしたがって電気バス１１４、１１６に双方向電流１３０を供給する。また、双方向電流１３０を検出するセンサ１０８は双方向電流１３０を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号１３２を供給する。さらに、可変デューティサイクルコントローラ１０６は、エラー信号に基づいて可変デューティサイクル制御信号１２８のデューティサイクルを制御して、電気バス１１４，１１６の電圧を制御する。
【解決手段】双方向コンバータ電圧制御電流システム１００及び方法が開示されている。双方向コンバータ１１２は、可変デューティサイクル制御信号１２８にしたがって電気バス１１４、１１６に双方向電流１３０を供給する。また、双方向電流１３０を検出するセンサ１０８は双方向電流１３０を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号１３２を供給する。さらに、可変デューティサイクルコントローラ１０６は、エラー信号に基づいて可変デューティサイクル制御信号１２８のデューティサイクルを制御して、電気バス１１４，１１６の電圧を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は概して、電圧コンバータシステムに関するものである。さらに具体的には、本発明の実施形態は、電圧コンバータシステムの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電圧コンバータは概して、電力コンバータの分野において、ある電圧レベルから別の電圧レベルへ電流源を変換する電子回路である。電圧コンバータは、例えば非限定的に、衛星、宇宙船、自動車、例えば携帯電話及びノート型パソコン等のポータブル電子機器等の電源又はその他の供給源から電力を供給する様々な応用形態において重要である。上記応用形態にはしばしば、いくつかの支回路が含まれ、各支回路は電源によって供給されるのとは異なるそれ自体の電圧レベルを有する。電圧レベルは電源からの電圧よりも高い、あるいは低い可能性がある。
【０００３】
昇圧／ブーストコンバータは、出力電圧が入力電圧よりも大きい電圧コンバータである。降圧／バックコンバータは、出力電圧が入力電圧よりも低い電圧コンバータである。双方向電圧コンバータは、第１電圧の第１電気バス（例：バッテリに連結した電気バス）から第２電圧の第２電気バス（例：負荷）へ電流を送ることができ、またその逆に第２電圧の第２電気バスから第１電圧の第１電気バスへ電流を送ることができる。
【０００４】
電気回路設計において使用されるバスを安定させる方法は、互い違いの設定値で各々個別に安定化される基本ユニットを有するシステムを含むことができる。互い違いの設定値は、中央増幅器がフル稼働範囲全体において変化すると、モードからモードへ遷移しうる。動作モード間のギャップにより、連続的な負荷過渡電流がかかるとバスに例えば大きな低周波数リップルを生じうるバスの過渡電流が起きる可能性がある。制御が中央増幅器のモードからモードへ遷移すると、バスのインピーダンスが非常に高くなりうる。またある場合には、電流源の性能が向上する、又は負荷が変化するまで、バスの振幅振動が制限され続ける。例えば過渡電流、振動、又はその他の原因により起こる電圧リップルを減らすために、電圧コンバータの入力及び／又は出力にコンデンサ及び、又はインダクタからできたフィルタが通常付け加えられる。
【発明の概要】
【０００５】
双方向コンバータ電圧制御電流システム及び方法が開示されている。双方向コンバータは、可変デューティサイクル制御信号にしたがって、電気バスに双方向電流を供給する。また、双方向電流センサは双方向電流を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給する。さらに、可変デューティサイクルコントローラは、エラー信号に基づき可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、電気バスの電圧を制御する。このように、本発明の実施形態は、双方向コンバータの制御ループを安定化させる双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する。双方向コンバータ電圧制御電流システムの伝達関数は、電圧制御電流源とほぼ等しくなるように簡易化される。伝達関数を簡易化することで、双方向コンバータが、電力が電気バスに連結した様々な供給源を出入りする制御システム（例：宇宙船）において使用されるときに、制御システムが根本的に簡易化される。
【０００６】
このシステムの利点には、例えば非限定的に、同類のモジュールの電流共有、第１種の調整システム（例：ソーラパネル調整システム）から第２種の調整システム（例：バッテリ充電／放電制御システム）への遷移が容易となる、すべてのコンバータにより電気バスのキャパシタンス（例：宇宙船の負荷）に電圧制御電流が供給されるために簡易化された制御ループの安定化、及びその他の利点が含まれる。双方向コンバータ電圧制御電流源システムは、電力システムにおいて非常に用途の広いビルディングブロックを形成する。
【０００７】
ある実施形態では、双方向コンバータ電圧制御電流システムは、双方向コンバータ、双方向電流センサ、及び可変デューティサイクルコントローラを含む。双方向コンバータは、可変デューティサイクル制御信号にしたがって電気バスに双方向電流を供給する。双方向電流センサは、双方向電流を検出して、双方向電流と比例するセンサ電圧信号を供給する。可変デューティサイクルコントローラは、エラー信号に基づいて可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、電気バスの電圧を制御する。
【０００８】
別の実施形態では、双方向コンバータ電圧制御電流システムの電圧を制御する方法は、可変デューティサイクル制御信号を使用して双方向コンバータを制御する。本方法はさらに、双方向電流センサを使用して双方向コンバータ内のコンバータ電流を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給する。本方法はさらに、電圧エラー信号に基づき可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御する。
【０００９】
さらなる実施形態では、双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する方法は、可変デューティサイクル制御信号にしたがって電気バスにコンバータ電流を供給するように動作可能な双方向コンバータを提供する。本方法はさらに、コンバータ電流を検出してコンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な双方向電流センサを提供する。本方法はさらに、可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、エラー信号に基づいて電気バスの電圧を制御するように動作可能な可変デューティサイクルコントローラを提供する。
【００１０】
本発明の実施形態は、可変デューティサイクルコントローラの切替周波数を制御することによって、可変デューティサイクル制御信号を供給して大幅に極端なデューティサイクル条件における性能を最適化する。
【００１１】
本発明の実施形態は、可変デューティサイクル制御信号を供給するリップル調整可変デューティサイクルコントローラのヒステリシスを制御することによってデューティサイクルを減らす。
【００１２】
本発明の実施形態は、可変デューティサイクル制御信号にしたがって電気バスにコンバータ電流を供給するように動作可能な双方向コンバータを提供する双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する。
【００１３】
本発明の実施形態は、コンバータ電流を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な双方向電流センサを提供し、可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、エラー信号に基づいて電気バスの電圧を制御するように動作可能な可変デューティサイクルコントローラを提供する。
【００１４】
本発明の実施形態は、センサ電圧信号の電圧制御信号に対する比較に基づいて、エラー信号を生成するエラー増幅器を提供する。
【００１５】
この概要は、さらに下の詳細説明において記載される簡略化した形態で一連の概念を紹介するために提供されている。この概要は、主張する主題の重要な特徴、又は基本的な特徴を特定するためのものではなく、また主張する主題の範囲を決定するのに役立つものとして使用されるべきものでもない。
【００１６】
本発明の実施形態のさらに完全な理解は、下記の図面と合わせて考慮し、詳細説明及び請求項を参照することによって得ることができる。下記図面においては、図面全体において同じ参照番号は同様の要素を示す。図面は、本発明の広さ、範囲、規模、又は適用性を限定することなく、本発明を理解しやすくするために提供されたものである。図面は必ずしも原寸に比例していない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システムの例示の機能ブロック図である。
【図２】図２は本発明の実施形態によるリップル調整プロセスを示す例示のフロー図である。
【図３】図３は本発明の実施形態による電圧制御プロセスを示す例示のフロー図である。
【図４】図４は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システムの例示の機能ブロック図である。
【図５】図５は本発明の実施形態による電圧制御プロセスを示す例示のフロー図である。
【図６】図６は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源を提供するプロセスを示す例示のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
下記の詳細説明は事実上例示のものであり、本発明の実施形態の開示、又は応用と使用を限定するものではない。特定のデバイス、技術、及び応用の説明は実施例としてのみ提供されている。本明細書に記載した実施例の変更は、当業者にはたやすく明らかとなるものであり、本明細書に定義した一般的原理を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくその他の実施例及び応用形態に適用することができる。本発明は、請求項と範囲が一致するとみなされるべきであり、本明細書に記載し示す実施例に限定するものではない。
【００１９】
本発明の実施形態は、機能及び／又は論理ブロックコンポーネント、及びさまざまな処理ステップの観点から本明細書に記載されている。当然ながら、上記ブロックコンポーネントは特定機能を実施するいかなる数のハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアコンポーネントによって実現してもよい。簡潔にするために、電気制御システム、アナログ及びデジタル回路設計、及びその他のシステムの機能態様（及びシステムの個別の操作コンポーネント）に関する従来の技術及びコンポーネントは、本明細書において詳しくは説明していない可能性がある。加えて、当業者は本発明の実施形態を様々なハードウェア及びソフトウェアと合わせて実行することができ、本明細書に記載された実施形態が本発明の単なる例示の実施形態であることを認識するだろう。
【００２０】
本発明の実施形態は、実際の非限定的な応用形態、すなわち有人及び無人宇宙船又は衛星の電気バスの電圧調整において本明細書に記載されている。本発明の実施形態はしかしながら、上記宇宙船又は衛星の応用形態に限定されるものではなく、本明細書に記載された技術はその他の応用形態において用いることも可能である。例えば非限定的に、実施形態は有人及び無人の航空機、船舶、自動車、建造物、列車、潜水艦、さまざまな電圧変換応用形態及び回路の電気バス、又はその他の電気バスに適用可能である。
【００２１】
この説明を読んだ後では当業者に明らかとなるが、下記は本発明の実施例及び実施形態であり、これらの実施例にしたがって操作することに限定されるものではない。その他の実施形態を用いることができ、本発明の例示の実施形態の範囲から逸脱せずに、構造上の変更を加えることが可能である。
【００２２】
本発明の実施形態は、双方向コンバータの制御ループを安定させる双方向コンバータ電圧制御電流源システムを提供する。双方向コンバータ電圧制御電流源システムの伝達関数は、電圧制御電流源とほぼ等しくなるように簡略化されている。伝達関数の簡略化により、双方向コンバータが、電力が電気バスに連結した様々な供給源を出入りする制御システム（例：宇宙船）において使用されるときに、制御システムが根本から簡略化される。このシステムの利点は例えば非限定的に、同類のモジュールの電流共有、第１種の調整システム（例：ソーラパネル調整システム）から第２種の調整システム（例：バッテリ充電／放電制御システム）への遷移が容易となる、すべてのコンバータにより電気バスのキャパシタンス（例：宇宙船の負荷）に電圧制御電流が供給されるために簡易化された制御ループの安定化、及びその他の利点が含まれる。双方向コンバータ電圧制御電流源システムは、電力システムにおける非常に用途の広いビルディングブロックを形成する。
【００２３】
図１は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システム（システム１００）の例示の機能ブロック図である。システム１００は通常、プロセッサモジュール１０２、メモリモジュール１０４、リップル調整可変デューティサイクルコントローラ１０６（リップル調整コントローラ１０６）、双方向電流センサ１０８、双方向コンバータ１１２、第１電気バス１１４、第２電気バス１１６、電圧源１１８（例：バッテリ）、負荷１２０、及び共通グランド１２２（グランド１２２）を含む。システム１００はまた、例えば定電圧太陽電池等のその他の調整電流源１２４も含むことができる。
【００２４】
双方向コンバータ１１２は第１電気バス１１４及び第２電気バス１１６に連結されており、第１電気バス１１４から／へ、及び第２電気バス１１６へ／から双方向電流を供給する。例えば非限定的に、双方向コンバータ１１２は、バッテリを含む電圧源１１８に連結された第１電気バス１１４から／へ、宇宙船、又はその他の負荷を含む負荷１２０に連結された第２電気バス１１６へ／から双方向電流１３０を供給することができる。
【００２５】
双方向電流センサ１０８は双方向コンバータ１１２に連結されており、双方向電流１３０を検出するように動作可能である。例えば非限定的に、整流器の電流を変圧器を介して双方向コンバータ１１２の同期整流器を通して測定することができ、これにより双方向電流１３０と比例する電流センサの電圧１３２が供給される。
【００２６】
リップル調整コントローラ１０６は双方向電流センサ１０８及び双方向コンバータ１１２に連結されている。リップル調整コントローラ１０６は、双方向コンバータ１１２の双方向電流１３０が、プロセッサモジュール１０２の信号プロセッサ１３４からの制御信号１１０と比例するように制御する。双方向電流１３０が制御信号１１０と比例するために、双方向電流制御電流源１０６の制御ループ全体は一次システムに簡略化される。これにより、双方向コンバータ１１２は電圧制御電流源として機能するように制御され、例えば調整電流源１２４等のその他の調整電流源を含むシステムにおいて操作することができる。定電圧太陽電池１２４は調節電流源１２４の一例であり、このようなわけで、定電圧太陽電池１２４及び調整電流源１２４はこの文書において交互に使用することができる。
【００２７】
リップル調整コントローラ１０６は例えば、（双方向コンバータ１１２の制御を介して）双方向電流センサ１０８から出力された電流センサ電圧１３２を制御信号１１０と等しいものにする例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等の可変デューティサイクル制御信号１２８（制御信号１２８）を生成する。リップル調整コントローラ１０６は、双方向電流センサ１０８の平均出力電圧が制御信号１１０と等しいことにより、双方向コンバータ１１２を通して双方向電流が制御されるように、制御信号１２８のオン及びオフ電圧閾値を調節する。
【００２８】
例えば非限定的に、双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータに対し、第１電気バス１１４から第２電気バス１１６へ供給されたバス電流は、リップル調整コントローラ１０６によって設定されたＰＷＭデューティサイクルを含む制御信号１１０等の制御信号にしたがい、同期スイッチを使用して制御することができる。
【００２９】
ＰＷＭデューティサイクルの切替周波数は、（例えば負荷１２０が変化すると）第２電気バス１１６の電圧の関数として変化しうる。リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループは、リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループヒステリシスを調節して、ＰＷＭデューティサイクルの切替周波数の周波数を減らすことにより、双方向コンバータ１１２が（例えば、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧に近付くにつれ）非常に高い、又は非常に低いデューティサイクルの制御を達成することができる。リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループヒステリシスは最大及び最小に制限することができる。
【００３０】
リップル調整コントローラ１０６は可変の周波数安定化を用いて、非常に高いデューティサイクル又は非常に低いデューティサイクル動作のいずれかを達成することができる。非常に高いデューティサイクルは、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧と同程度であるときに要求されうる。非常に低いデューティサイクルは、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧よりもかなり低い場合に要求されうる。リップル調整コントローラ１０６はまた、制御信号１２８の切替周波数も制御して、大幅に極端なデューティサイクルにおける例えば双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータの動作を可能にする。このように、システム１００の性能が最適化される。大幅に極端なデューティサイクルは例えば非限定的に、０が０％のデューティサイクルであり、１が１００％のデューティサイクルである０又は１のいずれかに近いデューティサイクル、又はその他のデューティサイクルを含むことができる。リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループのエラー信号をマイナスの固定値からプラスの固定値まで変化するように設定することができ、これにより第１電気バス１１４から第２電気バス１１６まで流れることができる電流の範囲が制限される。プロセッサモジュール１０２は例えば、通信ライン１２６を介して調整電流源１２４等の電力システムの要素からデータを収集し、制御信号１１０を発信することができる。制御信号１１０は、第１電気バス１１４又は第２電気バス１１６の電圧の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいて、電圧エラー信号と比例するように制御することができる（図４）。プロセッサモジュール１０２は、システム１００の動作に関連する機能、技術、及び処理タスクを実行する処理論理回路を含む。
【００３１】
具体的には、処理論理回路は本明細書に記載するシステム１００をサポートする。例えば、プロセッサモジュール１０２は第２電気バス１１６の電圧、定電圧太陽電池１２４の出力電流、及び／又は電圧源１１８のバッテリ電圧を監視して、電圧源１１８の充電電流、又は宇宙船のバス電圧等の第２電気バス１１６の電圧を制御することができる。別の実施例として、プロセッサモジュール１０２は制御信号１１０をリップル調整コントローラ１０６へ送るための信号プロセッサ１３４を含むことができる。
【００３２】
プロセッサモジュール１０２は、本明細書に記載された機能を実施するように設計された汎用プロセッサ、連想記憶装置、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、すべての好適なプログラマブル論理素子、個別ゲート又はトランジスタ論理回路、個別ハードウェアコンポーネント、又はこれらの組み合わせすべてで実行する、又は実現することができる。このように、プロセッサはマイクロプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、状態機械等として実現することができる。プロセッサはまた、例えばデジタル信号プロセッサ及びマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサコア、又はその他すべての上記構成と連結した一又は複数のマイクロプロセッサ等のコンピュータデバイスの組み合わせとして実行することもできる。
【００３３】
メモリモジュール１０４は、システム１００の動作をサポートするようにフォーマット済みのメモリを有するデータ記憶領域であってよい。メモリモジュール１０４は必要に応じてデータを記憶する、保持する、及び提供して、本明細書に記載された方法でシステム１００の機能性をサポートする。例えば、メモリモジュール１０４は、負荷１２０の電圧の関数として変化するリップル調整コントローラ１０６の周波数を記憶することができる。メモリモジュール１０４はまた、電圧、基準電圧、ＰＷＭデューティサイクル、又はその他のデータを記憶することもできる。実際の実施形態においては、メモリモジュール１０４は例えば非限定的に、非揮発性記憶デバイス（非揮発性半導体メモリ、ハードディスクデバイス、光ディスクデバイス等）、ランダムアクセス記憶デバイス（例えばＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ）、又はその他当技術分野で周知のすべての形態の記憶媒体を含むことができる。
【００３４】
メモリモジュール１０４はプロセッサモジュール１０２に連結させることができ、例えば非限定的に、プロセッサモジュール１０２、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、プログラムの実行において使用される一時的なデータ、又はその他のアプリケーションによって実行されるコンピュータプログラムを記憶する。さらに、メモリモジュール１０４は上述したデータを更新するための表を含む動的更新データベースを表すものでありうる。メモリモジュール１０４を、プロセッサモジュール１０２がメモリモジュール１０４から情報を読み取ってメモリモジュール１０４に情報を書き込むことができるように、プロセッサモジュール１０２に連結することができる。例えば、プロセッサモジュール１０２はメモリモジュール１０４にアクセスして、リップル調整コントローラ１０６の制御信号のＰＷＭデューティサイクルの切替周波数を監視することができる。このように、プロセッサモジュール１０２はリップル調整コントローラ１０６のフィードバックループを制御することができる。ある実施例では、プロセッサモジュール１０２とメモリモジュール１０４は、それぞれ特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に属していてよい。メモリモジュール１０４はまたプロセッサモジュール１０２に統合することができる。ある実施形態では、メモリモジュール１０４は、プロセッサモジュール１０２によって実行される命令の実行中に一時的に変数又はその他の中間情報を記憶するキャッシュメモリを含むことができる。
【００３５】
電圧源１１８は例えば非限定的に、燃料タンク、バッテリ、発電機、衛星の電源、宇宙船の電源、航空機の電源、船上発電機、列車の電源、ソーラ及びエンジンを動力源とする長期滞空航空機、又は宇宙船（有人及び無人）の電源、リアクタからの過熱熱電対、又はその他の電流の出力又は吸い込みが可能な電圧源を含むことができる。
【００３６】
負荷１２０は、例えば非限定的に、電子デバイス、モータ、バッテリ、ヒータ、電力分配システム、電気器具、追加の電気バス、又はその他の負荷を含むことができる。
【００３７】
調整電流源１２４は、例えば非限定的に、定電圧太陽電池、リアクションホイール、３０Ｖ負荷、又はその他電流の出力又は吸い込みが可能な電流源を含むことができる。
【００３８】
図２は、本発明の実施形態によるリップル調整プロセス２００を示す例示のフロー図である。プロセス２００に関して行われる様々なタスクは機械的に、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又は任意のこれらの組み合わせによって行うことができる。当然ながら、プロセス２００はいかなる数の追加の又は代替のタスクも含むことができ、図２に示すタスクは図示した順番で実施する必要がなく、プロセス２００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００３９】
図示目的のために、プロセス２００の下記の説明は、図１に関して上述した要素を指す場合がある。実際の実施形態では、プロセス２００の部分は例えば、プロセッサモジュール１０２、メモリモジュール１０４、リップル調整コントローラ１０６、双方向電流センサ１０８、第１電気バス１１４、第２電気バス１１６、電圧源１１８、負荷１２０、共通グランド１２２等のシステム１００の異なる要素によって実施可能である。プロセス２００は図１に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書には重複して説明していない場合がある。
【００４０】
プロセス２００は、制御信号にしたがって、例えば第１電気バス１１４又は第２電気バス１１６等の電気バスへ双方向コンバータ１１２から双方向電流を供給することによって開始することができる（タスク２０２）。制御信号は、例えば非限定的に、可変デューティサイクル制御信号、パルス幅変調制御信号、又はその他の制御信号を含むことができる。
【００４１】
プロセス２００は、例えば双方向電流センサ１０８等の双方向電流センサを使用して双方向電流を検出することによって続行することができる（タスク２０４）。
【００４２】
プロセス２００は、例えば制御信号１２８等の制御信号のデューティサイクルを制御して、双方向電流センサ１０８から出力された電流センサ電圧１３２等の電流センサ電圧を制御信号１１０の平均電圧とほぼ等しくなるようにする、リップル調整コントローラ１０６等のリップル調整コントローラによって続行することができる（タスク２０６）。プロセス２００は、制御信号１２８の切替周波数を制御して、例えば双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータが大幅に極端なデューティサイクルにおいて動作できるようにするリップル調整コントローラ１０６によって続行することができる（タスク２０８）。上で説明したように、大幅に極端なデューティサイクルは、例えば非限定的に、０は０％のデューティサイクルであり、１は１００％のデューティサイクルである０又は１のいずれかに近いデューティサイクル、又はその他のデューティサイクルを含むことができる。
【００４３】
プロセス２００は、リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループヒステリシスを最大及び最小にほぼ限定することによって続行することができる（タスク２１０）。
【００４４】
図３は、本発明の実施形態による電圧制御プロセス３００を示す例示のフロー図である。プロセス３００に関連して実施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、又はこれらの全ての組合せによって機械的に行うことができる。当然ながら、プロセス３００はいかなる数の追加の又は代替タスクを含むことができ、図３に示すタスクは図示した順番に行う必要がなく、プロセス３００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００４５】
図示目的のために、プロセス３００の下記の説明は図１に関して上述した要素を指すことができる。実際の実施形態においては、プロセス３００の一部は例えばプロセッサモジュール１０２、メモリモジュール１０４、リップル調整コントローラ１０６、双方向電流センサ１０８、第１電気バス１１４、第２電気バス１１６、電圧源１１８、負荷１２０、共通グランド１２２等のシステム１００の異なる要素によって実施することができる。プロセス３００は、図１に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書に重複して説明していない場合がある。
【００４６】
プロセス３００は例えば制御信号１２８等の制御信号を例えば双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータへ供給することによって開始することができる（タスク３０２）。制御信号は例えば非限定的に、可変デューティサイクル制御信号、パルス幅変調制御信号、又はその他の制御信号を含むことができる。
【００４７】
プロセス３００は、双方向コンバータ１１２の双方向電流１３０等の双方向電流を検出することによって続行することができる（タスク３０４）。
【００４８】
プロセス３００は制御信号１２８のパルス幅の変調を起こさせて、双方向コンバータ１１２のスイッチのデューティサイクルを制御することによって続行することができる（タスク３０６）。
【００４９】
プロセス３００は、制御信号１２８のパルス幅変調の周波数を制御して、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧に近づく時に、スイッチのデューティサイクルが非常に低くなるようにすることによって続行することができる（タスク３０８）。
【００５０】
プロセス３００は、リップル調整コントローラ１０６のデューティサイクルを制御して、例えば電流センサ電圧１３２等の電流センサ電圧が制御信号１２８と等しくなるようにすることによって続行することができる（タスク３１０）。
【００５１】
図４は、本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システム（システム４００）の例示の機能性ブロック図である。システム４００は概して、プロセッサモジュール４０２、メモリモジュール４０４、可変デューティサイクルコントローラ４０６、双方向電流センサ４０８、エラー増幅器４１０、双方向コンバータ４１２、第１電気バス４１４、第２電気バス４１６、電圧源４１８、負荷４２０、及び共通グランド４２２（グランド４２２）を含む。さらに、システム４００は、第２電気バス４１６に連結され、プロセッサモジュール４０２によって制御される一又は複数の電圧制御電流源４２４をさらに含むことができる。
【００５２】
システム４００は、システム１００と同様の機能、材料、及び構造を有していてよい。したがって、共通の特徴、機能、及び要素は本明細書に重複して説明していない場合がある。システム４００は、可変デューティサイクルコントローラ４０６、エラー増幅器４１０、電圧制御電流源４２４がシステム４００に追加されており、システム１００のリップル調整コントローラ１０６と定電圧太陽電池１２４はシステム４００に必ずしも含まれていない場合があるところが図１に示すシステム１００と異なる。双方向コンバータ４１２は第１電気バス４１４と第２電気バス４１６に連結されており、双方向電流４２６（コンバータ電流４２６）を第１電気バス４１４から／へ、第２電気バス４１６へ／から供給する。例えば非限定的に、双方向コンバータ４１２は、バッテリ又はその他の電圧源を含む電圧源４１８に連結された第１電気バス４１４から／へ、及び宇宙船又はその他の負荷を含む負荷４２０に連結された第２電気バス４１６へ／から双方向電流４２６を供給するように構成することができる。別の実施例では、非限定的に、双方向コンバータ４１２は、電流を第１電気バス４１４に連結されたソーラパネル等の電圧源４１８から第２電気バス４１６に切り替えるか、又はグランド４２２に送るように動作可能でありえる。
【００５３】
双方向コンバータ４１２はまた、可変デューティサイクルコントローラ４０６からの可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルによって制御される、一方向への電力の流れ（例：双方向電流４２６）に対してはバックタイプの調節器として機能する、又は反対方向への電力の流れ（例：双方向電流４２６のマイナス）に対してはブースト調節器として機能するようにも構成することができる。デューティサイクルが増加すると、一方向の流れにおいて増加する電流を起こす電圧が発生する。デューティサイクルが減少すると、電流を反対方向に流す電圧が発生する。
【００５４】
双方向電流センサ４０８は双方向コンバータ４１２に連結されており、双方向電流を検出して電流センサ出力を供給する。例えば非限定的に、整流器電流は変圧器を介し双方向コンバータ４１２の同期整流器を通して測定し、検出された双方向電流を供給することができる。双方向電流センサ４０８は双方向コンバータ４１２において流れる電流と比例する電圧を生成するように動作可能である。
【００５５】
可変デューティサイクルコントローラ４０６は、双方向電流センサ４０８と双方向コンバータ４１２に連結される。可変デューティサイクルコントローラ４０６は例えば非限定的に、比例積分（ＰＩ）コントローラ、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ、フィードバックコントローラ、又はその他のコントローラ等のコントローラを含む。可変デューティサイクルコントローラ４０６は、例えば非限定的に、ＰＷＭ信号、パルス密度変調信号、パルス周波数変調信号、又はその他の可変デューティサイクル信号等の可変デューティサイクル制御信号（可変デューティサイクル制御信号４３０）を生成する。可変デューティサイクルコントローラ４０６は例えば非限定的に、可変デューティサイクル制御信号４３０を生成する、アナログ回路、アナログ回路、デジタル回路、及び／又はソフトウェアの組合せを含むことができる。可変デューティサイクルコントローラ４０６は例えば非限定的に、システムレベルの測定、システムのコマンド、制御アルゴリズム、又はその他のシステム状態に応じて可変デューティサイクル制御信号４３０を生成する。
【００５６】
可変デューティサイクルコントローラ４０６はエラー信号４２８（電圧エラー信号４２８）と比例するデューティサイクルを発生させる。可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルが増加すると、第１電気バス４１４から第２電気バス４１６への電流の流れが増加する。可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルが減少すると、第２電気バス４１６から第１電気バス４１４への電流の流れが増加する。
【００５７】
可変デューティサイクルコントローラ４０６は双方向コンバータ４１２の双方向電流が可変デューティサイクルコントローラ４０６からの可変デューティサイクル制御信号４３０と比例するように制御する。例えば非限定的に、双方向コンバータ４１２等の双方向コンバータについては、第１電気バス４１４から第２電気バス４１６へ送られるバス電流を、可変デューティサイクルコントローラ４０６によって設定されるＰＷＭデューティサイクルを含む可変デューティサイクル制御信号４３０にしたがって同期スイッチを使用して制御することができる。ＰＷＭデューティサイクルは、第２電気バス４１６の電圧の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいてエラー信号４２８（電圧エラー信号４２８）と比例するように制御することができる。第２電気バス４１６へ送られた双方向電流４２６はエラー増幅器４１０によって生成されたエラー信号４２８（電圧エラー信号４２８）と比例する。
【００５８】
可変デューティサイクルコントローラ４０６は、双方向コンバータ４１２において電力スイッチのデューティサイクルを制御するために使用するパルス幅変調信号等の可変デューティサイクル制御信号４３０を発信する。可変デューティサイクルコントローラ４０６の周波数は、使われる変調技術によって固定又は可変のいずれかのものであってよい。可変デューティサイクルコントローラ４０６の重要な機能は、電圧制御信号４３４と比例する電圧源４１８等の電圧源の双方向電流４２６等の電流を発生させ、これにより電圧源４１８から除去された又は電圧源４１８に戻ったいずれかの電流の量を制御する。
【００５９】
ＰＷＭデューティサイクルの切替周波数は、負荷４２０が変わると、第２電気バス４１６の電圧の関数として変化しうる。可変デューティサイクルコントローラ４０６のフィードバックループはＰＷＭ制御の切替周波数を調節して、２つのバス電圧がほぼ等しい時に非常に低いデューティサイクルを達成し、第１電気バス電圧が非常に低い時に、非常に高いデューティサイクルを達成するように制御する。周波数の調節は、周波数制御帯域内のほぼ最大及びほぼ最小の電圧値に制限される。
【００６０】
エラー増幅器４１０は、双方向電流センサ４０８によって検出されるセンサ電圧信号４３２の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいて電圧エラー信号４２８を生成する。
【００６１】
例えば、宇宙船のバス調整器において、約−１０Ｖ〜約０Ｖの領域のエラー電圧に対し、電圧制御電流源４２４（例えば太陽電池）から宇宙船のバスへ送られた電流は０から、宇宙船のバスに連結された太陽電池のほぼ最大出力まで増加する。約０Ｖと約＋１０Ｖの間では、（電圧源４１８としての）バッテリから宇宙船のバスに送られた電流は、約０Ｖから双方向コンバータ４１２に連結された太陽電池等の電源の電流の限界まで増加する。
【００６２】
双方向コンバータ４１２と電圧制御電流源４２４を含む２つの並列調整システムのゲインが同程度である場合、両方のシステムを安定化させることができる単一の増幅器を設計して、一所要時間に対する電力を供給するのに十分なエネルギーがバッテリに貯蔵されている限り、負荷ゼロから全ての太陽電池の出力に対するほぼ最大の負荷にまで負荷電流が変化した時に滑らかなバス制御を提供することはたやすいことである。フィードバックループのエラー信号をマイナス固定値からプラスの固定値まで変化するように設定することにより、第１電気バス４１４から第２電気バス４１６の間で流れることができる最大電流を制限することができる。
【００６３】
例えば非限定的に、システム４００は第２電気バス４１６へ送られるソーラパネル電流を制御することができる、又は双方向コンバータ４１２が分路調整器として機能し、電圧源４１８（バッテリ）をほぼ最大使用可能電流で充電している、又は双方向コンバータ４１２が第１電気バス４１４から第２電気バス４１６までのブーストコンバータとして機能している間、第２電気バス４１６を制御することができ、システム４００の伝達関数が、伝達制御電流源とほぼ同等に簡略化される。
【００６４】
プロセッサモジュール４０２はシステム４００の動作に関する機能、技術、及び処理タスクを行う処理論理回路を含む。具体的には、処理論理回路は本明細書に記載するシステム４００をサポートする。例えば、プロセッサモジュール４０２は負荷電圧（例：バッテリ電圧）の関数として変化する可変デューティサイクルコントローラ４０６の可変デューティサイクル制御信号４３０のＰＷＭデューティサイクルの切替周波数を監視することができる。別の実施例として、プロセッサモジュール４０２は可変デューティサイクルコントローラ４０６を制御する。プロセッサモジュール４０２は、システム１００のプロセッサモジュール１０２の説明において上述したように実行する又は実現することができる。
【００６５】
メモリモジュール４０４はシステム４００の動作をサポートするようにフォーマット済みのメモリを有するデータ記憶領域であってよい。メモリモジュール４０４は下に説明するような方法でシステム４００の機能性をサポートする必要に応じてデータを記憶、保持、及び提供する。例えば、メモリモジュール４０４は負荷４２０の電圧の関数として変化する可変デューティサイクルコントローラ４０６の周波数を記憶することができる。
【００６６】
実際の実施形態において、メモリモジュール４０４は、システム１００のメモリモジュール１０４の説明において上述したように実行する、実現する、又は用いることができる。メモリモジュール４０４は、プロセッサモジュール４０２がメモリモジュール４０４から情報を読み取る、又はメモリモジュール４０４に情報を書き込むことができるようにプロセッサモジュール４０２に連結させることができる。例えば、プロセッサモジュール４０２はメモリモジュール４０４にアクセスして可変デューティサイクルコントローラ４０６の周波数を監視することができる。電圧源４１８は例えば非限定的に、燃料電池、バッテリ、発電機、衛星の電源、宇宙船の電源、航空機の電源、船舶の発電機、列車の電源、太陽及びエンジンを動力源とする長期滞空航空機、又は宇宙船（有人及び無人）の電源、リアクタからの過熱熱電対、又はその他の電流の出力又は吸い込みが可能な電圧源を含むことができる。
【００６７】
電圧制御電流源４２４は例えば非限定的に、ソーラパネル、太陽電池ストリング、燃料電池、バッテリ、発電機、衛星の電源、宇宙船の電源、航空機の電源、船舶の発電機、列車の電源、太陽及びエンジンを動力源とする長期滞空航空機、又は宇宙船（有人及び無人）の電源、リアクタからの過熱熱電対、又はその他の電圧制御電流源を含むことができる。
【００６８】
負荷４２０は例えば非限定的に、宇宙船、電子デバイス、モータ、ヒータ、電力分配システム、電気器具、追加の電気バス、又はその他の負荷を含むことができる。
【００６９】
例示の実施形態では、第２バス４１６は宇宙船のバスを含み、負荷４２０は宇宙船のシステムを含み、電圧源４１８はバス調節器と結合したバッテリチャージコントローラを含み、電圧制御電流源４２４はソーラパネルシステムを含む。ソーラパネルシステムを使用して宇宙船のバスに電力を供給する時に、双方向コンバータ４１２を使用してバッテリを充電することができる。この実施形態では、プロセッサモジュール４０２は電圧制御信号４３４としてマイナスの電圧を印加することができる宇宙船の調整器制御システムを含む。
【００７０】
この結果、第１電気バス４１４等のバスから、可変デューティサイクル制御信号４３０と比例するバッテリ等の電圧源４１８へ電流が流れ、これによりバッテリが充電される。第２バス４１６に連結されたソーラパネルシステムを含む電圧制御電流源４２４が宇宙船の負荷に対応するための十分な電力を第２バス４１６に供給することができない場合、プロセッサモジュール４０２は電圧制御信号４３４へプラス電圧を印加することにより、双方向コンバータ４１２から電流が流れ出して、第２バス４１６を調整するのに必要な電流が供給される宇宙船の調整器制御システムを含む。
【００７１】
別の実施形態では、双方向コンバータ４１２を使用して、１００Ｖバスの約１００Ｖのバス電力を３０Ｖバスの約３０Ｖのバス電力に変換する。３０Ｖバスの負荷のうちの一つは、回転しているときにエネルギーを貯蔵するリアクションホイールである。リアクションホイールの回転速度を減速する必要がある場合、電気エネルギーは３０Ｖバスに戻る。リアクションホイールからくる電流が負荷電流よりも高い場合、３０Ｖコントローラは電圧制御信号４３４に印加された電圧を低下させ、それにより電流が３０Ｖバスから１００Ｖバスへ流れる。
【００７２】
したがって、電圧制御電流源双方向コンバータ（双方向コンバータ４１２）は１００Ｖバスから３０Ｖバスへ電力を供給するバック調整器として、又は３０Ｖバスからエネルギーを除去してこのエネルギーを効率的に１００Ｖバスに送り、１００Ｖバスにおいて１００Ｖバスから走る機器がこのエネルギーを使用することが可能であるブースト調整器として機能することができる。
【００７３】
図５は、本発明の実施形態による電圧制御プロセス５００を示す例示のフロー図である。プロセス５００に関して行われる様々なタスクは機械的に、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又は任意のこれらの組み合わせによって行うことができる。当然ながら、プロセス５００はいかなる数の追加の又は代替のタスクをも含むことができ、図５に示すタスクは図示した順番で実施する必要がなく、プロセス５００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００７４】
図示目的のために、プロセス５００の下記の説明は、図４に関して上述した要素を指す場合がある。実際の実施形態では、プロセス５００の部分は例えば、プロセッサモジュール４０２、メモリモジュール４０４、可変デューティサイクルコントローラ４０６、双方向電流センサ４０８、双方向コンバータ４１２、第１電気バス４１４、第２電気バス４１６、電圧源４１８、負荷４２０、共通グランド４２２等のシステム４００の異なる要素によって実施可能である。プロセス５００は図４に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書には重複して説明していない場合がある。
【００７５】
プロセス５００は、例えば可変デューディサイクル制御信号４３０等の可変デューティサイクル制御信号を使用して、双方向コンバータ４１２等の双方向コンバータを制御することによって開始することができる（タスク５０２）。
【００７６】
プロセス５００は、例えば双方向電流センサ４０８等の双方向電流検出回路を使用して、双方向コンバータ４１２のコンバータ電流４２６等のコンバータ電流を検出して、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号４３２等のセンサ電圧信号を供給することによって続行することができる（タスク５０４）。
【００７７】
プロセス５００は、センサ電圧信号４３２の、電圧制御信号４３４等の電圧制御信号に対する比較に基づいて電圧エラー信号４２８等の電圧エラー信号を生成することによって続行することができる（タスク５０６）。
【００７８】
プロセス５００は、電圧エラー信号４２８に基づいて可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルを制御することによって続行することができる（タスク５０８）。プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０を使用して電圧エラー信号４２８の電圧エラーを減らすように双方向コンバータを制御することによって続行することができる（タスク５１０）。
【００７９】
プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルをほぼ一定に保つことによって、電圧エラー信号４２８の電圧エラーを最小限に抑えることによって続行することができる（タスク５１２）。電圧エラー信号４２８の電圧エラーには、センサ電圧信号４３２（電流センサフィードバック信号）と電圧制御信号４３４（プロセッサモジュール制御信号）との間の差が含まれうる。
【００８０】
プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０を供給する可変デューティサイクルコントローラ４０６の切替周波数を制御して、大幅に極端なデューティサイクル条件において動作を最適化することによって続行することができる（タスク５１４）。例えば、大幅に極端なデューティサイクル条件には、０が０％のデューティサイクルであり、１が１００％のデューティサイクルである０又は１のいずれかに近いデューティサイクルを含みうる。
【００８１】
プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０を供給するリップル調整可変デューティサイクルコントローラ４０６のヒステリシスを制御することによってデューティサイクルを減少させることによって続行することができる（タスク５１６）。
【００８２】
このように、双方向コンバータ電圧制御電流源システムの使用により、双方向コンバータの制御ループが安定化され、この結果：同類のモジュールの電流共有、第１種の調整システム（例：ソーラパネル調整システム）から第２種の調整システム（例：バッテリ充電／放電制御システム）への遷移が容易となる、すべてのコンバータにより電気バスのキャパシタンス（例：宇宙船の負荷）に電圧制御電流が供給されるために簡易化された制御ループの安定化が可能となる。したがって双方向コンバータ電圧制御電流源システム１００／４００は、電力システムにおける非常に用途の広いビルディングブロックを形成する。システム１００／４００の双方向コンバータの使用を組み合わせて多数の制御された供給源へ／からの電力の流れを調整することができる。
【００８３】
図６は、本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源を提供するプロセス６００を示す例示のフロー図である。プロセス６００に関して行われる様々なタスクは、機械的にソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又は任意のこれらの組み合わせによって行うことができる。当然ながら、プロセス６００はいかなる数の追加の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した順番で実施する必要がなく、プロセス６００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００８４】
図示目的のために、プロセス６００の下記の説明は、図４に関して上述した要素を指す場合がある。実際の実施形態では、プロセス６００の部分は例えば、プロセッサモジュール４０２、メモリモジュール４０４、可変デューティサイクルコントローラ４０６、双方向電流センサ４０８、双方向コンバータ４１２、第１電気バス４１４、第２電気バス４１６、電圧源４１８、負荷４２０、共通グランド４２２等のシステム４００の異なる要素によって実施可能である。プロセス６００は図４に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書には重複して説明していない場合がある。
【００８５】
プロセス６００は、例えば可変デューティサイクル制御信号４３０等の可変デューティサイクル制御信号にしたがって、例えばコンバータ電流４２６等のコンバータ電流を第１電気バス４１４又は第２電気バス４１６等の電気バスに供給するように動作可能な例えば双方向コンバータ４１２等の双方向コンバータを提供することによって開始することができる（タスク６０２）。
【００８６】
プロセス６００は、コンバータ電流４２６を検出して、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な、例えば双方向電流センサ４０８等の双方向電流検出回路を提供することによって続行することができる（タスク６０４）。
【００８７】
プロセス６００は、センサ電圧信号の、例えば電圧制御信号４３４等の電圧制御信号に対する比較に基づいてエラー信号４２８等のエラー信号を生成するように動作可能な、例えばエラー増幅器４１０等のエラー増幅器を提供することによって続行することができる（タスク６０６）。
【００８８】
プロセス６００は、エラー信号４２８に基づいて可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルを制御して、電気バス４１４／４１６の電圧を制御するように動作可能である、例えば可変デューティサイクルコントローラ４０６等の可変デューティサイクルコントローラを提供することによって続行することができる（タスク６０８）。
【００８９】
プロセス６００は、電気バス４１４／４１６を提供することによって続行することができる（タスク６１０）。この方法において、本発明の実施形態は、双方向コンバータを組み合わせて多数の制御された供給源へ／からの電力の流れを調整する制御方法を提供する。
【００９０】
上述した明細及び図１〜６において、双方向コンバータ電圧制御電流システムの電圧制御方法が開示されている。この方法は、可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０コントロールを使用して双方向コンバータ１１２、４１２を制御して、双方向電流センサ１０８、４０８を使用して双方向コンバータ４１２のコンバータ電流４２６を検出し、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号４２３を供給することを含む。ある変形例では、本方法は電圧エラー信号４２８に基づき可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０のデューティサイクルを制御することを含むことができる。さらに別の変形例では、本方法は可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０を供給する可変デューティサイクルコントローラ４０６の切替周波数を制御して、大幅に極端なデューティサイクル条件において性能を最適化することを含むことができる。別の代替例では、本方法はさらに、可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０を供給するリップル調整可変デューティサイクルコントローラ１０６のヒステリシスを制御することによってデューティサイクルを減少させることを含むことができる。
【００９１】
本発明のさらに別の態様においては、双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する方法が開示されている。本方法は、可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０にしたがって、コンバータ電流４２６を電気バスに供給するように動作可能な双方向コンバータ１１２、４１２を提供し、コンバータ電流４２６を検出して、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な双方向電流センサを提供し、エラー信号４２８に基づいて可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０のデューティサイクルを制御して、電気バスの電圧を制御するように動作可能である可変デューティサイクルコントローラ４０６を提供することを含む。ある変形例において、本方法はセンサ電圧信号の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいてエラー信号を生成するように動作可能なエラー増幅器を提供することができる。ある代替例では、コンバータ電流４２６は制御信号と比例する。
【００９２】
上記の説明は、互いに「接続され」又は「連結され」ている要素又はノード又は機構を指すものである。本明細書で使用される「接続された」とは、特に明記しない限り、一つの要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に必ずしも機械的にではなく、直接結合されている（又は直接連通している）ことを意味する。同様に、特に明記しない限り、「連結された」とは、一つの要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に必ずしも機械的にではなく、直接あるいは間接的に結合されている（又は直接あるいは間接的に連通している）ことを意味する。このため、図１及び４は要素の例示的な配置構成を示しているが、本発明の実施形態において追加の介在要素、デバイス、機構、又はコンポーネントが存在しうる。
【００９３】
この文書において使用する用語及び表現、そしてこれらの変形は、特に明記しない限り、限定するものではなく制約のないものとして解釈すべきである。前述の例として、用語「含む」は「非限定的に含む」等と意味するものと読解するべきであり、用語「実施例」は説明している品目の例を提供するものとして使用され、これらのリストを包括する、又は限定するものではなく、「従来の」、「伝統的な」、「通常の」、「標準の」、「既知の」等の形容詞、及び同様の意味を持つ用語は、一定時間に対して、又は一定時間において利用可能な品目に対して記載された品目を限定するものとして解釈するべきでなく、むしろ、利用可能であり得る、又は現在あるいは未来のいかなる時点においても知られている従来の、伝統的な、通常の、標準の、既知の技術を網羅するものと読解するべきである。
【００９４】
同様に、接続詞「及び」でつながった品目グループは、グループ分けにおいて各々及びすべてのこれらの品目が存在することが要求されると読解するべきではなく、特に明記しない限り、むしろ「及び／又は」として読解するべきである。同様に、接続詞「又は」でつながった品目グループはグループ内における相互排他性が要求されると読解するべきではなく、特に明記しない限り、むしろ「及び／又は」として読解するべきである。
【００９５】
さらに、本発明の品目、要素又はコンポーネントは単一として説明されている又は主張されている場合があるが、単一に限定されることが明確に記されていない限り、複数の場合があることが本発明の範囲内において考えられる。いくつかの場合において例えば「一又は複数の」、「少なくとも」、「に限定されない」又はその他の同様の表現等の広がりのある言葉及び表現が存在することによって、上記の広がりのある表現がない場合において範囲が狭いことを意味することが意図される、又は要求されると読解するべきものではない。
【００９６】
本明細書に使用される「動作可能な」は、特に明記しない限り、使用することができる、適合することができる、又は使用又は稼働する準備ができている、特定目的において使用可能である、及び本明細書に記載される列挙された又は望ましい機能を実施可能であることを意味する。システム及びデバイスに関しては、「動作可能な」という用語は、システム及び／又はデバイスが完全に動作し修正済みのものであり、作動した時に列挙された機能を行うための要素を備え、作動した時に列挙された機能を行うために適用可能な動作可能要件を満たすものであることを意味する。システム及び回路に関しては、「動作可能な」という用語はシステム及び／又は回路が完全に動作し修正済みのものであり、作動した時に列挙された機能を行うための論理回路を備え、作動した時に列挙された機能を行うために適用可能な動作可能要件を満たすものであることを意味する。
【符号の説明】
【００９７】
１００ 双方向コンバータ電圧制御電流源システム
１０２ プロセッサモジュール
１０４ メモリモジュール
１０６ リップル調整可変デューティサイクルコントローラ
１０８ 双方向電流センサ
１１０ 制御信号
１１２ 双方向コンバータ
１１４ 第１電気バス
１１６ 第２電気バス
１１８ 電圧源（バッテリ）
１２０ 負荷（宇宙船）
１２２ 共通グランド
１２４ 調整された電流源（調整された太陽電池）
１２６ 通信ライン
１２８ 制御信号
１３０ 双方向電流
１３２ 電流センサ電圧
１３４ 信号プロセッサ
４００ 双方向コンバータ電圧制御電流源システム
４０２ プロセッサモジュール
４０４ メモリモジュール
４０６ 可変デューティサイクルコントローラ
４０８ 双方向電流センサ
４１０ エラー増幅器
４１２ 双方向コンバータ
４１４ 第１電気バス
４１６ 第２電気バス
４１８ 電圧源（バッテリ）
４２０ 負荷
４２２ 共通グランド
４２４ 電圧制御電流源
４２６ コンバータ電流
４２８ エラー信号
４３０ 可変デューティサイクル制御信号
４３２ センサ電圧信号
４３４ 電圧制御信号
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は概して、電圧コンバータシステムに関するものである。さらに具体的には、本発明の実施形態は、電圧コンバータシステムの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電圧コンバータは概して、電力コンバータの分野において、ある電圧レベルから別の電圧レベルへ電流源を変換する電子回路である。電圧コンバータは、例えば非限定的に、衛星、宇宙船、自動車、例えば携帯電話及びノート型パソコン等のポータブル電子機器等の電源又はその他の供給源から電力を供給する様々な応用形態において重要である。上記応用形態にはしばしば、いくつかの支回路が含まれ、各支回路は電源によって供給されるのとは異なるそれ自体の電圧レベルを有する。電圧レベルは電源からの電圧よりも高い、あるいは低い可能性がある。
【０００３】
昇圧／ブーストコンバータは、出力電圧が入力電圧よりも大きい電圧コンバータである。降圧／バックコンバータは、出力電圧が入力電圧よりも低い電圧コンバータである。双方向電圧コンバータは、第１電圧の第１電気バス（例：バッテリに連結した電気バス）から第２電圧の第２電気バス（例：負荷）へ電流を送ることができ、またその逆に第２電圧の第２電気バスから第１電圧の第１電気バスへ電流を送ることができる。
【０００４】
電気回路設計において使用されるバスを安定させる方法は、互い違いの設定値で各々個別に安定化される基本ユニットを有するシステムを含むことができる。互い違いの設定値は、中央増幅器がフル稼働範囲全体において変化すると、モードからモードへ遷移しうる。動作モード間のギャップにより、連続的な負荷過渡電流がかかるとバスに例えば大きな低周波数リップルを生じうるバスの過渡電流が起きる可能性がある。制御が中央増幅器のモードからモードへ遷移すると、バスのインピーダンスが非常に高くなりうる。またある場合には、電流源の性能が向上する、又は負荷が変化するまで、バスの振幅振動が制限され続ける。例えば過渡電流、振動、又はその他の原因により起こる電圧リップルを減らすために、電圧コンバータの入力及び／又は出力にコンデンサ及び、又はインダクタからできたフィルタが通常付け加えられる。
【発明の概要】
【０００５】
双方向コンバータ電圧制御電流システム及び方法が開示されている。双方向コンバータは、可変デューティサイクル制御信号にしたがって、電気バスに双方向電流を供給する。また、双方向電流センサは双方向電流を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給する。さらに、可変デューティサイクルコントローラは、エラー信号に基づき可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、電気バスの電圧を制御する。このように、本発明の実施形態は、双方向コンバータの制御ループを安定化させる双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する。双方向コンバータ電圧制御電流システムの伝達関数は、電圧制御電流源とほぼ等しくなるように簡易化される。伝達関数を簡易化することで、双方向コンバータが、電力が電気バスに連結した様々な供給源を出入りする制御システム（例：宇宙船）において使用されるときに、制御システムが根本的に簡易化される。
【０００６】
このシステムの利点には、例えば非限定的に、同類のモジュールの電流共有、第１種の調整システム（例：ソーラパネル調整システム）から第２種の調整システム（例：バッテリ充電／放電制御システム）への遷移が容易となる、すべてのコンバータにより電気バスのキャパシタンス（例：宇宙船の負荷）に電圧制御電流が供給されるために簡易化された制御ループの安定化、及びその他の利点が含まれる。双方向コンバータ電圧制御電流源システムは、電力システムにおいて非常に用途の広いビルディングブロックを形成する。
【０００７】
ある実施形態では、双方向コンバータ電圧制御電流システムは、双方向コンバータ、双方向電流センサ、及び可変デューティサイクルコントローラを含む。双方向コンバータは、可変デューティサイクル制御信号にしたがって電気バスに双方向電流を供給する。双方向電流センサは、双方向電流を検出して、双方向電流と比例するセンサ電圧信号を供給する。可変デューティサイクルコントローラは、エラー信号に基づいて可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、電気バスの電圧を制御する。
【０００８】
別の実施形態では、双方向コンバータ電圧制御電流システムの電圧を制御する方法は、可変デューティサイクル制御信号を使用して双方向コンバータを制御する。本方法はさらに、双方向電流センサを使用して双方向コンバータ内のコンバータ電流を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給する。本方法はさらに、電圧エラー信号に基づき可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御する。
【０００９】
さらなる実施形態では、双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する方法は、可変デューティサイクル制御信号にしたがって電気バスにコンバータ電流を供給するように動作可能な双方向コンバータを提供する。本方法はさらに、コンバータ電流を検出してコンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な双方向電流センサを提供する。本方法はさらに、可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、エラー信号に基づいて電気バスの電圧を制御するように動作可能な可変デューティサイクルコントローラを提供する。
【００１０】
本発明の実施形態は、可変デューティサイクルコントローラの切替周波数を制御することによって、可変デューティサイクル制御信号を供給して大幅に極端なデューティサイクル条件における性能を最適化する。
【００１１】
本発明の実施形態は、可変デューティサイクル制御信号を供給するリップル調整可変デューティサイクルコントローラのヒステリシスを制御することによってデューティサイクルを減らす。
【００１２】
本発明の実施形態は、可変デューティサイクル制御信号にしたがって電気バスにコンバータ電流を供給するように動作可能な双方向コンバータを提供する双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する。
【００１３】
本発明の実施形態は、コンバータ電流を検出して、コンバータ電流と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な双方向電流センサを提供し、可変デューティサイクル制御信号のデューティサイクルを制御して、エラー信号に基づいて電気バスの電圧を制御するように動作可能な可変デューティサイクルコントローラを提供する。
【００１４】
本発明の実施形態は、センサ電圧信号の電圧制御信号に対する比較に基づいて、エラー信号を生成するエラー増幅器を提供する。
【００１５】
この概要は、さらに下の詳細説明において記載される簡略化した形態で一連の概念を紹介するために提供されている。この概要は、主張する主題の重要な特徴、又は基本的な特徴を特定するためのものではなく、また主張する主題の範囲を決定するのに役立つものとして使用されるべきものでもない。
【００１６】
本発明の実施形態のさらに完全な理解は、下記の図面と合わせて考慮し、詳細説明及び請求項を参照することによって得ることができる。下記図面においては、図面全体において同じ参照番号は同様の要素を示す。図面は、本発明の広さ、範囲、規模、又は適用性を限定することなく、本発明を理解しやすくするために提供されたものである。図面は必ずしも原寸に比例していない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システムの例示の機能ブロック図である。
【図２】図２は本発明の実施形態によるリップル調整プロセスを示す例示のフロー図である。
【図３】図３は本発明の実施形態による電圧制御プロセスを示す例示のフロー図である。
【図４】図４は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システムの例示の機能ブロック図である。
【図５】図５は本発明の実施形態による電圧制御プロセスを示す例示のフロー図である。
【図６】図６は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源を提供するプロセスを示す例示のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
下記の詳細説明は事実上例示のものであり、本発明の実施形態の開示、又は応用と使用を限定するものではない。特定のデバイス、技術、及び応用の説明は実施例としてのみ提供されている。本明細書に記載した実施例の変更は、当業者にはたやすく明らかとなるものであり、本明細書に定義した一般的原理を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくその他の実施例及び応用形態に適用することができる。本発明は、請求項と範囲が一致するとみなされるべきであり、本明細書に記載し示す実施例に限定するものではない。
【００１９】
本発明の実施形態は、機能及び／又は論理ブロックコンポーネント、及びさまざまな処理ステップの観点から本明細書に記載されている。当然ながら、上記ブロックコンポーネントは特定機能を実施するいかなる数のハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアコンポーネントによって実現してもよい。簡潔にするために、電気制御システム、アナログ及びデジタル回路設計、及びその他のシステムの機能態様（及びシステムの個別の操作コンポーネント）に関する従来の技術及びコンポーネントは、本明細書において詳しくは説明していない可能性がある。加えて、当業者は本発明の実施形態を様々なハードウェア及びソフトウェアと合わせて実行することができ、本明細書に記載された実施形態が本発明の単なる例示の実施形態であることを認識するだろう。
【００２０】
本発明の実施形態は、実際の非限定的な応用形態、すなわち有人及び無人宇宙船又は衛星の電気バスの電圧調整において本明細書に記載されている。本発明の実施形態はしかしながら、上記宇宙船又は衛星の応用形態に限定されるものではなく、本明細書に記載された技術はその他の応用形態において用いることも可能である。例えば非限定的に、実施形態は有人及び無人の航空機、船舶、自動車、建造物、列車、潜水艦、さまざまな電圧変換応用形態及び回路の電気バス、又はその他の電気バスに適用可能である。
【００２１】
この説明を読んだ後では当業者に明らかとなるが、下記は本発明の実施例及び実施形態であり、これらの実施例にしたがって操作することに限定されるものではない。その他の実施形態を用いることができ、本発明の例示の実施形態の範囲から逸脱せずに、構造上の変更を加えることが可能である。
【００２２】
本発明の実施形態は、双方向コンバータの制御ループを安定させる双方向コンバータ電圧制御電流源システムを提供する。双方向コンバータ電圧制御電流源システムの伝達関数は、電圧制御電流源とほぼ等しくなるように簡略化されている。伝達関数の簡略化により、双方向コンバータが、電力が電気バスに連結した様々な供給源を出入りする制御システム（例：宇宙船）において使用されるときに、制御システムが根本から簡略化される。このシステムの利点は例えば非限定的に、同類のモジュールの電流共有、第１種の調整システム（例：ソーラパネル調整システム）から第２種の調整システム（例：バッテリ充電／放電制御システム）への遷移が容易となる、すべてのコンバータにより電気バスのキャパシタンス（例：宇宙船の負荷）に電圧制御電流が供給されるために簡易化された制御ループの安定化、及びその他の利点が含まれる。双方向コンバータ電圧制御電流源システムは、電力システムにおける非常に用途の広いビルディングブロックを形成する。
【００２３】
図１は本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システム（システム１００）の例示の機能ブロック図である。システム１００は通常、プロセッサモジュール１０２、メモリモジュール１０４、リップル調整可変デューティサイクルコントローラ１０６（リップル調整コントローラ１０６）、双方向電流センサ１０８、双方向コンバータ１１２、第１電気バス１１４、第２電気バス１１６、電圧源１１８（例：バッテリ）、負荷１２０、及び共通グランド１２２（グランド１２２）を含む。システム１００はまた、例えば定電圧太陽電池等のその他の調整電流源１２４も含むことができる。
【００２４】
双方向コンバータ１１２は第１電気バス１１４及び第２電気バス１１６に連結されており、第１電気バス１１４から／へ、及び第２電気バス１１６へ／から双方向電流を供給する。例えば非限定的に、双方向コンバータ１１２は、バッテリを含む電圧源１１８に連結された第１電気バス１１４から／へ、宇宙船、又はその他の負荷を含む負荷１２０に連結された第２電気バス１１６へ／から双方向電流１３０を供給することができる。
【００２５】
双方向電流センサ１０８は双方向コンバータ１１２に連結されており、双方向電流１３０を検出するように動作可能である。例えば非限定的に、整流器の電流を変圧器を介して双方向コンバータ１１２の同期整流器を通して測定することができ、これにより双方向電流１３０と比例する電流センサの電圧１３２が供給される。
【００２６】
リップル調整コントローラ１０６は双方向電流センサ１０８及び双方向コンバータ１１２に連結されている。リップル調整コントローラ１０６は、双方向コンバータ１１２の双方向電流１３０が、プロセッサモジュール１０２の信号プロセッサ１３４からの制御信号１１０と比例するように制御する。双方向電流１３０が制御信号１１０と比例するために、双方向電流制御電流源１０６の制御ループ全体は一次システムに簡略化される。これにより、双方向コンバータ１１２は電圧制御電流源として機能するように制御され、例えば調整電流源１２４等のその他の調整電流源を含むシステムにおいて操作することができる。定電圧太陽電池１２４は調節電流源１２４の一例であり、このようなわけで、定電圧太陽電池１２４及び調整電流源１２４はこの文書において交互に使用することができる。
【００２７】
リップル調整コントローラ１０６は例えば、（双方向コンバータ１１２の制御を介して）双方向電流センサ１０８から出力された電流センサ電圧１３２を制御信号１１０と等しいものにする例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等の可変デューティサイクル制御信号１２８（制御信号１２８）を生成する。リップル調整コントローラ１０６は、双方向電流センサ１０８の平均出力電圧が制御信号１１０と等しいことにより、双方向コンバータ１１２を通して双方向電流が制御されるように、制御信号１２８のオン及びオフ電圧閾値を調節する。
【００２８】
例えば非限定的に、双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータに対し、第１電気バス１１４から第２電気バス１１６へ供給されたバス電流は、リップル調整コントローラ１０６によって設定されたＰＷＭデューティサイクルを含む制御信号１１０等の制御信号にしたがい、同期スイッチを使用して制御することができる。
【００２９】
ＰＷＭデューティサイクルの切替周波数は、（例えば負荷１２０が変化すると）第２電気バス１１６の電圧の関数として変化しうる。リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループは、リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループヒステリシスを調節して、ＰＷＭデューティサイクルの切替周波数の周波数を減らすことにより、双方向コンバータ１１２が（例えば、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧に近付くにつれ）非常に高い、又は非常に低いデューティサイクルの制御を達成することができる。リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループヒステリシスは最大及び最小に制限することができる。
【００３０】
リップル調整コントローラ１０６は可変の周波数安定化を用いて、非常に高いデューティサイクル又は非常に低いデューティサイクル動作のいずれかを達成することができる。非常に高いデューティサイクルは、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧と同程度であるときに要求されうる。非常に低いデューティサイクルは、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧よりもかなり低い場合に要求されうる。リップル調整コントローラ１０６はまた、制御信号１２８の切替周波数も制御して、大幅に極端なデューティサイクルにおける例えば双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータの動作を可能にする。このように、システム１００の性能が最適化される。大幅に極端なデューティサイクルは例えば非限定的に、０が０％のデューティサイクルであり、１が１００％のデューティサイクルである０又は１のいずれかに近いデューティサイクル、又はその他のデューティサイクルを含むことができる。リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループのエラー信号をマイナスの固定値からプラスの固定値まで変化するように設定することができ、これにより第１電気バス１１４から第２電気バス１１６まで流れることができる電流の範囲が制限される。プロセッサモジュール１０２は例えば、通信ライン１２６を介して調整電流源１２４等の電力システムの要素からデータを収集し、制御信号１１０を発信することができる。制御信号１１０は、第１電気バス１１４又は第２電気バス１１６の電圧の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいて、電圧エラー信号と比例するように制御することができる（図４）。プロセッサモジュール１０２は、システム１００の動作に関連する機能、技術、及び処理タスクを実行する処理論理回路を含む。
【００３１】
具体的には、処理論理回路は本明細書に記載するシステム１００をサポートする。例えば、プロセッサモジュール１０２は第２電気バス１１６の電圧、定電圧太陽電池１２４の出力電流、及び／又は電圧源１１８のバッテリ電圧を監視して、電圧源１１８の充電電流、又は宇宙船のバス電圧等の第２電気バス１１６の電圧を制御することができる。別の実施例として、プロセッサモジュール１０２は制御信号１１０をリップル調整コントローラ１０６へ送るための信号プロセッサ１３４を含むことができる。
【００３２】
プロセッサモジュール１０２は、本明細書に記載された機能を実施するように設計された汎用プロセッサ、連想記憶装置、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、すべての好適なプログラマブル論理素子、個別ゲート又はトランジスタ論理回路、個別ハードウェアコンポーネント、又はこれらの組み合わせすべてで実行する、又は実現することができる。このように、プロセッサはマイクロプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、状態機械等として実現することができる。プロセッサはまた、例えばデジタル信号プロセッサ及びマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサコア、又はその他すべての上記構成と連結した一又は複数のマイクロプロセッサ等のコンピュータデバイスの組み合わせとして実行することもできる。
【００３３】
メモリモジュール１０４は、システム１００の動作をサポートするようにフォーマット済みのメモリを有するデータ記憶領域であってよい。メモリモジュール１０４は必要に応じてデータを記憶する、保持する、及び提供して、本明細書に記載された方法でシステム１００の機能性をサポートする。例えば、メモリモジュール１０４は、負荷１２０の電圧の関数として変化するリップル調整コントローラ１０６の周波数を記憶することができる。メモリモジュール１０４はまた、電圧、基準電圧、ＰＷＭデューティサイクル、又はその他のデータを記憶することもできる。実際の実施形態においては、メモリモジュール１０４は例えば非限定的に、非揮発性記憶デバイス（非揮発性半導体メモリ、ハードディスクデバイス、光ディスクデバイス等）、ランダムアクセス記憶デバイス（例えばＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ）、又はその他当技術分野で周知のすべての形態の記憶媒体を含むことができる。
【００３４】
メモリモジュール１０４はプロセッサモジュール１０２に連結させることができ、例えば非限定的に、プロセッサモジュール１０２、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、プログラムの実行において使用される一時的なデータ、又はその他のアプリケーションによって実行されるコンピュータプログラムを記憶する。さらに、メモリモジュール１０４は上述したデータを更新するための表を含む動的更新データベースを表すものでありうる。メモリモジュール１０４を、プロセッサモジュール１０２がメモリモジュール１０４から情報を読み取ってメモリモジュール１０４に情報を書き込むことができるように、プロセッサモジュール１０２に連結することができる。例えば、プロセッサモジュール１０２はメモリモジュール１０４にアクセスして、リップル調整コントローラ１０６の制御信号のＰＷＭデューティサイクルの切替周波数を監視することができる。このように、プロセッサモジュール１０２はリップル調整コントローラ１０６のフィードバックループを制御することができる。ある実施例では、プロセッサモジュール１０２とメモリモジュール１０４は、それぞれ特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に属していてよい。メモリモジュール１０４はまたプロセッサモジュール１０２に統合することができる。ある実施形態では、メモリモジュール１０４は、プロセッサモジュール１０２によって実行される命令の実行中に一時的に変数又はその他の中間情報を記憶するキャッシュメモリを含むことができる。
【００３５】
電圧源１１８は例えば非限定的に、燃料タンク、バッテリ、発電機、衛星の電源、宇宙船の電源、航空機の電源、船上発電機、列車の電源、ソーラ及びエンジンを動力源とする長期滞空航空機、又は宇宙船（有人及び無人）の電源、リアクタからの過熱熱電対、又はその他の電流の出力又は吸い込みが可能な電圧源を含むことができる。
【００３６】
負荷１２０は、例えば非限定的に、電子デバイス、モータ、バッテリ、ヒータ、電力分配システム、電気器具、追加の電気バス、又はその他の負荷を含むことができる。
【００３７】
調整電流源１２４は、例えば非限定的に、定電圧太陽電池、リアクションホイール、３０Ｖ負荷、又はその他電流の出力又は吸い込みが可能な電流源を含むことができる。
【００３８】
図２は、本発明の実施形態によるリップル調整プロセス２００を示す例示のフロー図である。プロセス２００に関して行われる様々なタスクは機械的に、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又は任意のこれらの組み合わせによって行うことができる。当然ながら、プロセス２００はいかなる数の追加の又は代替のタスクも含むことができ、図２に示すタスクは図示した順番で実施する必要がなく、プロセス２００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００３９】
図示目的のために、プロセス２００の下記の説明は、図１に関して上述した要素を指す場合がある。実際の実施形態では、プロセス２００の部分は例えば、プロセッサモジュール１０２、メモリモジュール１０４、リップル調整コントローラ１０６、双方向電流センサ１０８、第１電気バス１１４、第２電気バス１１６、電圧源１１８、負荷１２０、共通グランド１２２等のシステム１００の異なる要素によって実施可能である。プロセス２００は図１に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書には重複して説明していない場合がある。
【００４０】
プロセス２００は、制御信号にしたがって、例えば第１電気バス１１４又は第２電気バス１１６等の電気バスへ双方向コンバータ１１２から双方向電流を供給することによって開始することができる（タスク２０２）。制御信号は、例えば非限定的に、可変デューティサイクル制御信号、パルス幅変調制御信号、又はその他の制御信号を含むことができる。
【００４１】
プロセス２００は、例えば双方向電流センサ１０８等の双方向電流センサを使用して双方向電流を検出することによって続行することができる（タスク２０４）。
【００４２】
プロセス２００は、例えば制御信号１２８等の制御信号のデューティサイクルを制御して、双方向電流センサ１０８から出力された電流センサ電圧１３２等の電流センサ電圧を制御信号１１０の平均電圧とほぼ等しくなるようにする、リップル調整コントローラ１０６等のリップル調整コントローラによって続行することができる（タスク２０６）。プロセス２００は、制御信号１２８の切替周波数を制御して、例えば双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータが大幅に極端なデューティサイクルにおいて動作できるようにするリップル調整コントローラ１０６によって続行することができる（タスク２０８）。上で説明したように、大幅に極端なデューティサイクルは、例えば非限定的に、０は０％のデューティサイクルであり、１は１００％のデューティサイクルである０又は１のいずれかに近いデューティサイクル、又はその他のデューティサイクルを含むことができる。
【００４３】
プロセス２００は、リップル調整コントローラ１０６のフィードバックループヒステリシスを最大及び最小にほぼ限定することによって続行することができる（タスク２１０）。
【００４４】
図３は、本発明の実施形態による電圧制御プロセス３００を示す例示のフロー図である。プロセス３００に関連して実施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、又はこれらの全ての組合せによって機械的に行うことができる。当然ながら、プロセス３００はいかなる数の追加の又は代替タスクを含むことができ、図３に示すタスクは図示した順番に行う必要がなく、プロセス３００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００４５】
図示目的のために、プロセス３００の下記の説明は図１に関して上述した要素を指すことができる。実際の実施形態においては、プロセス３００の一部は例えばプロセッサモジュール１０２、メモリモジュール１０４、リップル調整コントローラ１０６、双方向電流センサ１０８、第１電気バス１１４、第２電気バス１１６、電圧源１１８、負荷１２０、共通グランド１２２等のシステム１００の異なる要素によって実施することができる。プロセス３００は、図１に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書に重複して説明していない場合がある。
【００４６】
プロセス３００は例えば制御信号１２８等の制御信号を例えば双方向コンバータ１１２等の双方向コンバータへ供給することによって開始することができる（タスク３０２）。制御信号は例えば非限定的に、可変デューティサイクル制御信号、パルス幅変調制御信号、又はその他の制御信号を含むことができる。
【００４７】
プロセス３００は、双方向コンバータ１１２の双方向電流１３０等の双方向電流を検出することによって続行することができる（タスク３０４）。
【００４８】
プロセス３００は制御信号１２８のパルス幅の変調を起こさせて、双方向コンバータ１１２のスイッチのデューティサイクルを制御することによって続行することができる（タスク３０６）。
【００４９】
プロセス３００は、制御信号１２８のパルス幅変調の周波数を制御して、第１電気バス１１４の電圧が第２電気バス１１６の電圧に近づく時に、スイッチのデューティサイクルが非常に低くなるようにすることによって続行することができる（タスク３０８）。
【００５０】
プロセス３００は、リップル調整コントローラ１０６のデューティサイクルを制御して、例えば電流センサ電圧１３２等の電流センサ電圧が制御信号１２８と等しくなるようにすることによって続行することができる（タスク３１０）。
【００５１】
図４は、本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源システム（システム４００）の例示の機能性ブロック図である。システム４００は概して、プロセッサモジュール４０２、メモリモジュール４０４、可変デューティサイクルコントローラ４０６、双方向電流センサ４０８、エラー増幅器４１０、双方向コンバータ４１２、第１電気バス４１４、第２電気バス４１６、電圧源４１８、負荷４２０、及び共通グランド４２２（グランド４２２）を含む。さらに、システム４００は、第２電気バス４１６に連結され、プロセッサモジュール４０２によって制御される一又は複数の電圧制御電流源４２４をさらに含むことができる。
【００５２】
システム４００は、システム１００と同様の機能、材料、及び構造を有していてよい。したがって、共通の特徴、機能、及び要素は本明細書に重複して説明していない場合がある。システム４００は、可変デューティサイクルコントローラ４０６、エラー増幅器４１０、電圧制御電流源４２４がシステム４００に追加されており、システム１００のリップル調整コントローラ１０６と定電圧太陽電池１２４はシステム４００に必ずしも含まれていない場合があるところが図１に示すシステム１００と異なる。双方向コンバータ４１２は第１電気バス４１４と第２電気バス４１６に連結されており、双方向電流４２６（コンバータ電流４２６）を第１電気バス４１４から／へ、第２電気バス４１６へ／から供給する。例えば非限定的に、双方向コンバータ４１２は、バッテリ又はその他の電圧源を含む電圧源４１８に連結された第１電気バス４１４から／へ、及び宇宙船又はその他の負荷を含む負荷４２０に連結された第２電気バス４１６へ／から双方向電流４２６を供給するように構成することができる。別の実施例では、非限定的に、双方向コンバータ４１２は、電流を第１電気バス４１４に連結されたソーラパネル等の電圧源４１８から第２電気バス４１６に切り替えるか、又はグランド４２２に送るように動作可能でありえる。
【００５３】
双方向コンバータ４１２はまた、可変デューティサイクルコントローラ４０６からの可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルによって制御される、一方向への電力の流れ（例：双方向電流４２６）に対してはバックタイプの調節器として機能する、又は反対方向への電力の流れ（例：双方向電流４２６のマイナス）に対してはブースト調節器として機能するようにも構成することができる。デューティサイクルが増加すると、一方向の流れにおいて増加する電流を起こす電圧が発生する。デューティサイクルが減少すると、電流を反対方向に流す電圧が発生する。
【００５４】
双方向電流センサ４０８は双方向コンバータ４１２に連結されており、双方向電流を検出して電流センサ出力を供給する。例えば非限定的に、整流器電流は変圧器を介し双方向コンバータ４１２の同期整流器を通して測定し、検出された双方向電流を供給することができる。双方向電流センサ４０８は双方向コンバータ４１２において流れる電流と比例する電圧を生成するように動作可能である。
【００５５】
可変デューティサイクルコントローラ４０６は、双方向電流センサ４０８と双方向コンバータ４１２に連結される。可変デューティサイクルコントローラ４０６は例えば非限定的に、比例積分（ＰＩ）コントローラ、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ、フィードバックコントローラ、又はその他のコントローラ等のコントローラを含む。可変デューティサイクルコントローラ４０６は、例えば非限定的に、ＰＷＭ信号、パルス密度変調信号、パルス周波数変調信号、又はその他の可変デューティサイクル信号等の可変デューティサイクル制御信号（可変デューティサイクル制御信号４３０）を生成する。可変デューティサイクルコントローラ４０６は例えば非限定的に、可変デューティサイクル制御信号４３０を生成する、アナログ回路、アナログ回路、デジタル回路、及び／又はソフトウェアの組合せを含むことができる。可変デューティサイクルコントローラ４０６は例えば非限定的に、システムレベルの測定、システムのコマンド、制御アルゴリズム、又はその他のシステム状態に応じて可変デューティサイクル制御信号４３０を生成する。
【００５６】
可変デューティサイクルコントローラ４０６はエラー信号４２８（電圧エラー信号４２８）と比例するデューティサイクルを発生させる。可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルが増加すると、第１電気バス４１４から第２電気バス４１６への電流の流れが増加する。可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルが減少すると、第２電気バス４１６から第１電気バス４１４への電流の流れが増加する。
【００５７】
可変デューティサイクルコントローラ４０６は双方向コンバータ４１２の双方向電流が可変デューティサイクルコントローラ４０６からの可変デューティサイクル制御信号４３０と比例するように制御する。例えば非限定的に、双方向コンバータ４１２等の双方向コンバータについては、第１電気バス４１４から第２電気バス４１６へ送られるバス電流を、可変デューティサイクルコントローラ４０６によって設定されるＰＷＭデューティサイクルを含む可変デューティサイクル制御信号４３０にしたがって同期スイッチを使用して制御することができる。ＰＷＭデューティサイクルは、第２電気バス４１６の電圧の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいてエラー信号４２８（電圧エラー信号４２８）と比例するように制御することができる。第２電気バス４１６へ送られた双方向電流４２６はエラー増幅器４１０によって生成されたエラー信号４２８（電圧エラー信号４２８）と比例する。
【００５８】
可変デューティサイクルコントローラ４０６は、双方向コンバータ４１２において電力スイッチのデューティサイクルを制御するために使用するパルス幅変調信号等の可変デューティサイクル制御信号４３０を発信する。可変デューティサイクルコントローラ４０６の周波数は、使われる変調技術によって固定又は可変のいずれかのものであってよい。可変デューティサイクルコントローラ４０６の重要な機能は、電圧制御信号４３４と比例する電圧源４１８等の電圧源の双方向電流４２６等の電流を発生させ、これにより電圧源４１８から除去された又は電圧源４１８に戻ったいずれかの電流の量を制御する。
【００５９】
ＰＷＭデューティサイクルの切替周波数は、負荷４２０が変わると、第２電気バス４１６の電圧の関数として変化しうる。可変デューティサイクルコントローラ４０６のフィードバックループはＰＷＭ制御の切替周波数を調節して、２つのバス電圧がほぼ等しい時に非常に低いデューティサイクルを達成し、第１電気バス電圧が非常に低い時に、非常に高いデューティサイクルを達成するように制御する。周波数の調節は、周波数制御帯域内のほぼ最大及びほぼ最小の電圧値に制限される。
【００６０】
エラー増幅器４１０は、双方向電流センサ４０８によって検出されるセンサ電圧信号４３２の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいて電圧エラー信号４２８を生成する。
【００６１】
例えば、宇宙船のバス調整器において、約−１０Ｖ〜約０Ｖの領域のエラー電圧に対し、電圧制御電流源４２４（例えば太陽電池）から宇宙船のバスへ送られた電流は０から、宇宙船のバスに連結された太陽電池のほぼ最大出力まで増加する。約０Ｖと約＋１０Ｖの間では、（電圧源４１８としての）バッテリから宇宙船のバスに送られた電流は、約０Ｖから双方向コンバータ４１２に連結された太陽電池等の電源の電流の限界まで増加する。
【００６２】
双方向コンバータ４１２と電圧制御電流源４２４を含む２つの並列調整システムのゲインが同程度である場合、両方のシステムを安定化させることができる単一の増幅器を設計して、一所要時間に対する電力を供給するのに十分なエネルギーがバッテリに貯蔵されている限り、負荷ゼロから全ての太陽電池の出力に対するほぼ最大の負荷にまで負荷電流が変化した時に滑らかなバス制御を提供することはたやすいことである。フィードバックループのエラー信号をマイナス固定値からプラスの固定値まで変化するように設定することにより、第１電気バス４１４から第２電気バス４１６の間で流れることができる最大電流を制限することができる。
【００６３】
例えば非限定的に、システム４００は第２電気バス４１６へ送られるソーラパネル電流を制御することができる、又は双方向コンバータ４１２が分路調整器として機能し、電圧源４１８（バッテリ）をほぼ最大使用可能電流で充電している、又は双方向コンバータ４１２が第１電気バス４１４から第２電気バス４１６までのブーストコンバータとして機能している間、第２電気バス４１６を制御することができ、システム４００の伝達関数が、伝達制御電流源とほぼ同等に簡略化される。
【００６４】
プロセッサモジュール４０２はシステム４００の動作に関する機能、技術、及び処理タスクを行う処理論理回路を含む。具体的には、処理論理回路は本明細書に記載するシステム４００をサポートする。例えば、プロセッサモジュール４０２は負荷電圧（例：バッテリ電圧）の関数として変化する可変デューティサイクルコントローラ４０６の可変デューティサイクル制御信号４３０のＰＷＭデューティサイクルの切替周波数を監視することができる。別の実施例として、プロセッサモジュール４０２は可変デューティサイクルコントローラ４０６を制御する。プロセッサモジュール４０２は、システム１００のプロセッサモジュール１０２の説明において上述したように実行する又は実現することができる。
【００６５】
メモリモジュール４０４はシステム４００の動作をサポートするようにフォーマット済みのメモリを有するデータ記憶領域であってよい。メモリモジュール４０４は下に説明するような方法でシステム４００の機能性をサポートする必要に応じてデータを記憶、保持、及び提供する。例えば、メモリモジュール４０４は負荷４２０の電圧の関数として変化する可変デューティサイクルコントローラ４０６の周波数を記憶することができる。
【００６６】
実際の実施形態において、メモリモジュール４０４は、システム１００のメモリモジュール１０４の説明において上述したように実行する、実現する、又は用いることができる。メモリモジュール４０４は、プロセッサモジュール４０２がメモリモジュール４０４から情報を読み取る、又はメモリモジュール４０４に情報を書き込むことができるようにプロセッサモジュール４０２に連結させることができる。例えば、プロセッサモジュール４０２はメモリモジュール４０４にアクセスして可変デューティサイクルコントローラ４０６の周波数を監視することができる。電圧源４１８は例えば非限定的に、燃料電池、バッテリ、発電機、衛星の電源、宇宙船の電源、航空機の電源、船舶の発電機、列車の電源、太陽及びエンジンを動力源とする長期滞空航空機、又は宇宙船（有人及び無人）の電源、リアクタからの過熱熱電対、又はその他の電流の出力又は吸い込みが可能な電圧源を含むことができる。
【００６７】
電圧制御電流源４２４は例えば非限定的に、ソーラパネル、太陽電池ストリング、燃料電池、バッテリ、発電機、衛星の電源、宇宙船の電源、航空機の電源、船舶の発電機、列車の電源、太陽及びエンジンを動力源とする長期滞空航空機、又は宇宙船（有人及び無人）の電源、リアクタからの過熱熱電対、又はその他の電圧制御電流源を含むことができる。
【００６８】
負荷４２０は例えば非限定的に、宇宙船、電子デバイス、モータ、ヒータ、電力分配システム、電気器具、追加の電気バス、又はその他の負荷を含むことができる。
【００６９】
例示の実施形態では、第２バス４１６は宇宙船のバスを含み、負荷４２０は宇宙船のシステムを含み、電圧源４１８はバス調節器と結合したバッテリチャージコントローラを含み、電圧制御電流源４２４はソーラパネルシステムを含む。ソーラパネルシステムを使用して宇宙船のバスに電力を供給する時に、双方向コンバータ４１２を使用してバッテリを充電することができる。この実施形態では、プロセッサモジュール４０２は電圧制御信号４３４としてマイナスの電圧を印加することができる宇宙船の調整器制御システムを含む。
【００７０】
この結果、第１電気バス４１４等のバスから、可変デューティサイクル制御信号４３０と比例するバッテリ等の電圧源４１８へ電流が流れ、これによりバッテリが充電される。第２バス４１６に連結されたソーラパネルシステムを含む電圧制御電流源４２４が宇宙船の負荷に対応するための十分な電力を第２バス４１６に供給することができない場合、プロセッサモジュール４０２は電圧制御信号４３４へプラス電圧を印加することにより、双方向コンバータ４１２から電流が流れ出して、第２バス４１６を調整するのに必要な電流が供給される宇宙船の調整器制御システムを含む。
【００７１】
別の実施形態では、双方向コンバータ４１２を使用して、１００Ｖバスの約１００Ｖのバス電力を３０Ｖバスの約３０Ｖのバス電力に変換する。３０Ｖバスの負荷のうちの一つは、回転しているときにエネルギーを貯蔵するリアクションホイールである。リアクションホイールの回転速度を減速する必要がある場合、電気エネルギーは３０Ｖバスに戻る。リアクションホイールからくる電流が負荷電流よりも高い場合、３０Ｖコントローラは電圧制御信号４３４に印加された電圧を低下させ、それにより電流が３０Ｖバスから１００Ｖバスへ流れる。
【００７２】
したがって、電圧制御電流源双方向コンバータ（双方向コンバータ４１２）は１００Ｖバスから３０Ｖバスへ電力を供給するバック調整器として、又は３０Ｖバスからエネルギーを除去してこのエネルギーを効率的に１００Ｖバスに送り、１００Ｖバスにおいて１００Ｖバスから走る機器がこのエネルギーを使用することが可能であるブースト調整器として機能することができる。
【００７３】
図５は、本発明の実施形態による電圧制御プロセス５００を示す例示のフロー図である。プロセス５００に関して行われる様々なタスクは機械的に、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又は任意のこれらの組み合わせによって行うことができる。当然ながら、プロセス５００はいかなる数の追加の又は代替のタスクをも含むことができ、図５に示すタスクは図示した順番で実施する必要がなく、プロセス５００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００７４】
図示目的のために、プロセス５００の下記の説明は、図４に関して上述した要素を指す場合がある。実際の実施形態では、プロセス５００の部分は例えば、プロセッサモジュール４０２、メモリモジュール４０４、可変デューティサイクルコントローラ４０６、双方向電流センサ４０８、双方向コンバータ４１２、第１電気バス４１４、第２電気バス４１６、電圧源４１８、負荷４２０、共通グランド４２２等のシステム４００の異なる要素によって実施可能である。プロセス５００は図４に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書には重複して説明していない場合がある。
【００７５】
プロセス５００は、例えば可変デューディサイクル制御信号４３０等の可変デューティサイクル制御信号を使用して、双方向コンバータ４１２等の双方向コンバータを制御することによって開始することができる（タスク５０２）。
【００７６】
プロセス５００は、例えば双方向電流センサ４０８等の双方向電流検出回路を使用して、双方向コンバータ４１２のコンバータ電流４２６等のコンバータ電流を検出して、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号４３２等のセンサ電圧信号を供給することによって続行することができる（タスク５０４）。
【００７７】
プロセス５００は、センサ電圧信号４３２の、電圧制御信号４３４等の電圧制御信号に対する比較に基づいて電圧エラー信号４２８等の電圧エラー信号を生成することによって続行することができる（タスク５０６）。
【００７８】
プロセス５００は、電圧エラー信号４２８に基づいて可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルを制御することによって続行することができる（タスク５０８）。プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０を使用して電圧エラー信号４２８の電圧エラーを減らすように双方向コンバータを制御することによって続行することができる（タスク５１０）。
【００７９】
プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルをほぼ一定に保つことによって、電圧エラー信号４２８の電圧エラーを最小限に抑えることによって続行することができる（タスク５１２）。電圧エラー信号４２８の電圧エラーには、センサ電圧信号４３２（電流センサフィードバック信号）と電圧制御信号４３４（プロセッサモジュール制御信号）との間の差が含まれうる。
【００８０】
プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０を供給する可変デューティサイクルコントローラ４０６の切替周波数を制御して、大幅に極端なデューティサイクル条件において動作を最適化することによって続行することができる（タスク５１４）。例えば、大幅に極端なデューティサイクル条件には、０が０％のデューティサイクルであり、１が１００％のデューティサイクルである０又は１のいずれかに近いデューティサイクルを含みうる。
【００８１】
プロセス５００は、可変デューティサイクル制御信号４３０を供給するリップル調整可変デューティサイクルコントローラ４０６のヒステリシスを制御することによってデューティサイクルを減少させることによって続行することができる（タスク５１６）。
【００８２】
このように、双方向コンバータ電圧制御電流源システムの使用により、双方向コンバータの制御ループが安定化され、この結果：同類のモジュールの電流共有、第１種の調整システム（例：ソーラパネル調整システム）から第２種の調整システム（例：バッテリ充電／放電制御システム）への遷移が容易となる、すべてのコンバータにより電気バスのキャパシタンス（例：宇宙船の負荷）に電圧制御電流が供給されるために簡易化された制御ループの安定化が可能となる。したがって双方向コンバータ電圧制御電流源システム１００／４００は、電力システムにおける非常に用途の広いビルディングブロックを形成する。システム１００／４００の双方向コンバータの使用を組み合わせて多数の制御された供給源へ／からの電力の流れを調整することができる。
【００８３】
図６は、本発明の実施形態による双方向コンバータ電圧制御電流源を提供するプロセス６００を示す例示のフロー図である。プロセス６００に関して行われる様々なタスクは、機械的にソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又は任意のこれらの組み合わせによって行うことができる。当然ながら、プロセス６００はいかなる数の追加の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した順番で実施する必要がなく、プロセス６００は本明細書に詳しくは記載していない追加の機能性を有するさらに包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。
【００８４】
図示目的のために、プロセス６００の下記の説明は、図４に関して上述した要素を指す場合がある。実際の実施形態では、プロセス６００の部分は例えば、プロセッサモジュール４０２、メモリモジュール４０４、可変デューティサイクルコントローラ４０６、双方向電流センサ４０８、双方向コンバータ４１２、第１電気バス４１４、第２電気バス４１６、電圧源４１８、負荷４２０、共通グランド４２２等のシステム４００の異なる要素によって実施可能である。プロセス６００は図４に示す実施形態と同様の機能、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、及び要素は本明細書には重複して説明していない場合がある。
【００８５】
プロセス６００は、例えば可変デューティサイクル制御信号４３０等の可変デューティサイクル制御信号にしたがって、例えばコンバータ電流４２６等のコンバータ電流を第１電気バス４１４又は第２電気バス４１６等の電気バスに供給するように動作可能な例えば双方向コンバータ４１２等の双方向コンバータを提供することによって開始することができる（タスク６０２）。
【００８６】
プロセス６００は、コンバータ電流４２６を検出して、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な、例えば双方向電流センサ４０８等の双方向電流検出回路を提供することによって続行することができる（タスク６０４）。
【００８７】
プロセス６００は、センサ電圧信号の、例えば電圧制御信号４３４等の電圧制御信号に対する比較に基づいてエラー信号４２８等のエラー信号を生成するように動作可能な、例えばエラー増幅器４１０等のエラー増幅器を提供することによって続行することができる（タスク６０６）。
【００８８】
プロセス６００は、エラー信号４２８に基づいて可変デューティサイクル制御信号４３０のデューティサイクルを制御して、電気バス４１４／４１６の電圧を制御するように動作可能である、例えば可変デューティサイクルコントローラ４０６等の可変デューティサイクルコントローラを提供することによって続行することができる（タスク６０８）。
【００８９】
プロセス６００は、電気バス４１４／４１６を提供することによって続行することができる（タスク６１０）。この方法において、本発明の実施形態は、双方向コンバータを組み合わせて多数の制御された供給源へ／からの電力の流れを調整する制御方法を提供する。
【００９０】
上述した明細及び図１〜６において、双方向コンバータ電圧制御電流システムの電圧制御方法が開示されている。この方法は、可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０コントロールを使用して双方向コンバータ１１２、４１２を制御して、双方向電流センサ１０８、４０８を使用して双方向コンバータ４１２のコンバータ電流４２６を検出し、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号４２３を供給することを含む。ある変形例では、本方法は電圧エラー信号４２８に基づき可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０のデューティサイクルを制御することを含むことができる。さらに別の変形例では、本方法は可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０を供給する可変デューティサイクルコントローラ４０６の切替周波数を制御して、大幅に極端なデューティサイクル条件において性能を最適化することを含むことができる。別の代替例では、本方法はさらに、可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０を供給するリップル調整可変デューティサイクルコントローラ１０６のヒステリシスを制御することによってデューティサイクルを減少させることを含むことができる。
【００９１】
本発明のさらに別の態様においては、双方向コンバータ電圧制御電流源を提供する方法が開示されている。本方法は、可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０にしたがって、コンバータ電流４２６を電気バスに供給するように動作可能な双方向コンバータ１１２、４１２を提供し、コンバータ電流４２６を検出して、コンバータ電流４２６と比例するセンサ電圧信号を供給するように動作可能な双方向電流センサを提供し、エラー信号４２８に基づいて可変デューティサイクル制御信号１２８、４３０のデューティサイクルを制御して、電気バスの電圧を制御するように動作可能である可変デューティサイクルコントローラ４０６を提供することを含む。ある変形例において、本方法はセンサ電圧信号の電圧制御信号４３４に対する比較に基づいてエラー信号を生成するように動作可能なエラー増幅器を提供することができる。ある代替例では、コンバータ電流４２６は制御信号と比例する。
【００９２】
上記の説明は、互いに「接続され」又は「連結され」ている要素又はノード又は機構を指すものである。本明細書で使用される「接続された」とは、特に明記しない限り、一つの要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に必ずしも機械的にではなく、直接結合されている（又は直接連通している）ことを意味する。同様に、特に明記しない限り、「連結された」とは、一つの要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に必ずしも機械的にではなく、直接あるいは間接的に結合されている（又は直接あるいは間接的に連通している）ことを意味する。このため、図１及び４は要素の例示的な配置構成を示しているが、本発明の実施形態において追加の介在要素、デバイス、機構、又はコンポーネントが存在しうる。
【００９３】
この文書において使用する用語及び表現、そしてこれらの変形は、特に明記しない限り、限定するものではなく制約のないものとして解釈すべきである。前述の例として、用語「含む」は「非限定的に含む」等と意味するものと読解するべきであり、用語「実施例」は説明している品目の例を提供するものとして使用され、これらのリストを包括する、又は限定するものではなく、「従来の」、「伝統的な」、「通常の」、「標準の」、「既知の」等の形容詞、及び同様の意味を持つ用語は、一定時間に対して、又は一定時間において利用可能な品目に対して記載された品目を限定するものとして解釈するべきでなく、むしろ、利用可能であり得る、又は現在あるいは未来のいかなる時点においても知られている従来の、伝統的な、通常の、標準の、既知の技術を網羅するものと読解するべきである。
【００９４】
同様に、接続詞「及び」でつながった品目グループは、グループ分けにおいて各々及びすべてのこれらの品目が存在することが要求されると読解するべきではなく、特に明記しない限り、むしろ「及び／又は」として読解するべきである。同様に、接続詞「又は」でつながった品目グループはグループ内における相互排他性が要求されると読解するべきではなく、特に明記しない限り、むしろ「及び／又は」として読解するべきである。
【００９５】
さらに、本発明の品目、要素又はコンポーネントは単一として説明されている又は主張されている場合があるが、単一に限定されることが明確に記されていない限り、複数の場合があることが本発明の範囲内において考えられる。いくつかの場合において例えば「一又は複数の」、「少なくとも」、「に限定されない」又はその他の同様の表現等の広がりのある言葉及び表現が存在することによって、上記の広がりのある表現がない場合において範囲が狭いことを意味することが意図される、又は要求されると読解するべきものではない。
【００９６】
本明細書に使用される「動作可能な」は、特に明記しない限り、使用することができる、適合することができる、又は使用又は稼働する準備ができている、特定目的において使用可能である、及び本明細書に記載される列挙された又は望ましい機能を実施可能であることを意味する。システム及びデバイスに関しては、「動作可能な」という用語は、システム及び／又はデバイスが完全に動作し修正済みのものであり、作動した時に列挙された機能を行うための要素を備え、作動した時に列挙された機能を行うために適用可能な動作可能要件を満たすものであることを意味する。システム及び回路に関しては、「動作可能な」という用語はシステム及び／又は回路が完全に動作し修正済みのものであり、作動した時に列挙された機能を行うための論理回路を備え、作動した時に列挙された機能を行うために適用可能な動作可能要件を満たすものであることを意味する。
【符号の説明】
【００９７】
１００ 双方向コンバータ電圧制御電流源システム
１０２ プロセッサモジュール
１０４ メモリモジュール
１０６ リップル調整可変デューティサイクルコントローラ
１０８ 双方向電流センサ
１１０ 制御信号
１１２ 双方向コンバータ
１１４ 第１電気バス
１１６ 第２電気バス
１１８ 電圧源（バッテリ）
１２０ 負荷（宇宙船）
１２２ 共通グランド
１２４ 調整された電流源（調整された太陽電池）
１２６ 通信ライン
１２８ 制御信号
１３０ 双方向電流
１３２ 電流センサ電圧
１３４ 信号プロセッサ
４００ 双方向コンバータ電圧制御電流源システム
４０２ プロセッサモジュール
４０４ メモリモジュール
４０６ 可変デューティサイクルコントローラ
４０８ 双方向電流センサ
４１０ エラー増幅器
４１２ 双方向コンバータ
４１４ 第１電気バス
４１６ 第２電気バス
４１８ 電圧源（バッテリ）
４２０ 負荷
４２２ 共通グランド
４２４ 電圧制御電流源
４２６ コンバータ電流
４２８ エラー信号
４３０ 可変デューティサイクル制御信号
４３２ センサ電圧信号
４３４ 電圧制御信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
双方向コンバータ電圧制御電流システム（１００、４００）であって：
可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）にしたがって電気バス（１１４、４１４、１１６、４１６）へ双方向電流（１３０、４２６）を供給するように動作可能な双方向コンバータ（１１２、４１２）と、
双方向電流（１３０、４２６）を検出して、双方向電流（１３０、４２６）と比例するセンサ電圧信号（１３２、４３２）を供給するように動作可能な双方向電流センサ（１０８、４０８）と、
エラー信号に基づいて可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）のデューティサイクルを制御して、電気バス（１１４、４１４、１１６、４１６）の電圧を制御するように動作可能な可変デューティサイクルコントローラ（１０６、４０６）
を含む双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項２】
センサ電圧信号（１３２、４３２）の電圧制御信号（１１０、１２８、４３４）に対する比較に基づいて、エラー信号（４２８）を生成するように動作可能なエラー増幅器（４１０）をさらに含む、請求項１に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項３】
可変デューティサイクルコントローラ（４０６）を制御するように動作可能なプロセッサモジュール（１０２、４０２）と、
電気バス（１１４、４１４）に結合し、プロセッサモジュール（１０２、４０２）によって制御されるように動作可能な一又は複数の電圧制御電流源
をさらに含む、請求項１又は２に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項４】
双方向電流（１３０、４２６）がエラー信号（４２８）と比例する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項５】
双方向電流（１３０、４２６）が可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）と比例する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項６】
電気バス（１１４、４１４、１１６、４１６）をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項７】
電気バス（１１４、４１４）が電圧源（４１８）に連結されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項８】
電気バス（１１６、４１６）が負荷（４２２）に連結されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項９】
可変デューティサイクルコントローラ（４０６）が、フィードバックループを調節して双方向電流（１３０、４２６）を制御信号とほぼ比例させるように動作可能なリップル調整コントローラ（１０６）を含む、請求項１乃至３又は５乃至８のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１０】
リップル調整コントローラ（１０６）がさらに、双方向電流（１３０、４２６）を制御する可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）の切替周波数を安定化させるように動作可能である、請求項９に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１１】
切替周波数を大幅に極端なデューティサイクル条件において減少させて、０％及び１００％のうちの一つに近いデューティサイクルを達成できる、請求項１０に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１２】
可変デューティサイクルコントローラ（４０６）が、比例積分（ＰＩ）コントローラ、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ、及びフィードバックコントローラのうちの少なくとも一つを含む、請求項１０に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１３】
双方向コンバータ電圧制御電流システム（１００、４００）の電圧制御方法であって：
可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）を使用して双方向コンバータ（１１２、４１２）を制御し、
双方向電流センサ（１０８、４０８）を使用して双方向コンバータ（１１２、４１２）のコンバータ電流（１３０、４２６）を検出し、コンバータ電流（４２６）と比例するセンサ電圧信号（４３２）を供給し、
電圧エラー信号（４２８）に基づいて可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）のデューティサイクルを制御する
ことを含む電圧制御方法。
【請求項１４】
センサ電圧信号（４３２）の電圧制御信号（４３４）に対する比較に基づいて電圧エラー信号（４２８）を生成することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
双方向コンバータ（１１２、４１２）を制御して電圧エラー信号（４２８）を減らすことをさらに含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１】
双方向コンバータ電圧制御電流システム（１００、４００）であって：
可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）にしたがって電気バス（１１４、４１４、１１６、４１６）へ双方向電流（１３０、４２６）を供給するように動作可能な双方向コンバータ（１１２、４１２）と、
双方向電流（１３０、４２６）を検出して、双方向電流（１３０、４２６）と比例するセンサ電圧信号（１３２、４３２）を供給するように動作可能な双方向電流センサ（１０８、４０８）と、
エラー信号に基づいて可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）のデューティサイクルを制御して、電気バス（１１４、４１４、１１６、４１６）の電圧を制御するように動作可能な可変デューティサイクルコントローラ（１０６、４０６）
を含む双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項２】
センサ電圧信号（１３２、４３２）の電圧制御信号（１１０、１２８、４３４）に対する比較に基づいて、エラー信号（４２８）を生成するように動作可能なエラー増幅器（４１０）をさらに含む、請求項１に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項３】
可変デューティサイクルコントローラ（４０６）を制御するように動作可能なプロセッサモジュール（１０２、４０２）と、
電気バス（１１４、４１４）に結合し、プロセッサモジュール（１０２、４０２）によって制御されるように動作可能な一又は複数の電圧制御電流源
をさらに含む、請求項１又は２に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項４】
双方向電流（１３０、４２６）がエラー信号（４２８）と比例する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項５】
双方向電流（１３０、４２６）が可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）と比例する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項６】
電気バス（１１４、４１４、１１６、４１６）をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項７】
電気バス（１１４、４１４）が電圧源（４１８）に連結されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項８】
電気バス（１１６、４１６）が負荷（４２２）に連結されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項９】
可変デューティサイクルコントローラ（４０６）が、フィードバックループを調節して双方向電流（１３０、４２６）を制御信号とほぼ比例させるように動作可能なリップル調整コントローラ（１０６）を含む、請求項１乃至３又は５乃至８のいずれか１項に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１０】
リップル調整コントローラ（１０６）がさらに、双方向電流（１３０、４２６）を制御する可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）の切替周波数を安定化させるように動作可能である、請求項９に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１１】
切替周波数を大幅に極端なデューティサイクル条件において減少させて、０％及び１００％のうちの一つに近いデューティサイクルを達成できる、請求項１０に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１２】
可変デューティサイクルコントローラ（４０６）が、比例積分（ＰＩ）コントローラ、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ、及びフィードバックコントローラのうちの少なくとも一つを含む、請求項１０に記載の双方向コンバータ電圧制御電流システム。
【請求項１３】
双方向コンバータ電圧制御電流システム（１００、４００）の電圧制御方法であって：
可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）を使用して双方向コンバータ（１１２、４１２）を制御し、
双方向電流センサ（１０８、４０８）を使用して双方向コンバータ（１１２、４１２）のコンバータ電流（１３０、４２６）を検出し、コンバータ電流（４２６）と比例するセンサ電圧信号（４３２）を供給し、
電圧エラー信号（４２８）に基づいて可変デューティサイクル制御信号（１２８、４３０）のデューティサイクルを制御する
ことを含む電圧制御方法。
【請求項１４】
センサ電圧信号（４３２）の電圧制御信号（４３４）に対する比較に基づいて電圧エラー信号（４２８）を生成することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
双方向コンバータ（１１２、４１２）を制御して電圧エラー信号（４２８）を減らすことをさらに含む、請求項１３又は１４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２０１２−２２８１６９（Ｐ２０１２−２２８１６９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−９０３２８（Ｐ２０１２−９０３２８）
【出願日】平成２４年４月１１日（２０１２．４．１１）
【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１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９０３２８（Ｐ２０１２−９０３２８）
【出願日】平成２４年４月１１日（２０１２．４．１１）
【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）】
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