JP2003517661A - ユニバーサル電力モジュール - Google Patents

ユニバーサル電力モジュール

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JP2003517661A
JP2003517661A JP2000608496A JP2000608496A JP2003517661A JP 2003517661 A JP2003517661 A JP 2003517661A JP 2000608496 A JP2000608496 A JP 2000608496A JP 2000608496 A JP2000608496 A JP 2000608496A JP 2003517661 A JP2003517661 A JP 2003517661A
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JP2000608496A
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カヴィングタン，ジァン，ヘンリ
ウォルシュ，タマス，エドウィン
ニューウェル，ジァン，マーク
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ヴァリ・ライト、インク
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Abstract

(57)【要約】 スイッチモード電力コンバータは、ゲート駆動増幅器を通して電力半導体の動作を制御するためにディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用し、そしてさらに、主電力回路内の必要な電流，電圧、及びタイミングを測定するためにＤＳＰの内部アナログ−ディジタルコンバータを使う。Ａ−Ｄコンバータによって捉えられた値を使って、ＤＳＰを制御するソフトウエアは、主半導体スイッチのデューティサイクル及びタイミングパラメータを操作して、広範囲の照明負荷に役立たせるための少なくとも３つの異なる動作モードを提供する。この電力システムは、ステージ照明装置を動作させるのに必要とされる回路のサイズ、コスト、及び重量を低減する。ＤＳＰマイクロプロセッサは、電子電力変換のために普通に使用される複雑かつ特定用途のアナログ回路の大部分を取り除き、そして、共通電力回路トポロジーが、各照明器具回路に対して同一のハードウエアプラットフォームを提供する。回路複雑性の減少のために全体的信頼性が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力コンバータに関し、特に、ディジタル信号プロセッサを使うス
イッチモード電力コンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
関連した技術の説明 電灯負荷を付勢するための電源は、負荷の特性に依存して、そしてある程度は
、電気エネルギー源の特性に依存して異なる形態を取る。白熱灯にはしばしば、
その光出力の強度を制御するよう変化させることのできる調整電圧が供給される
。ある電源は、電灯制御強度を変化させることのできる調整電流を供給する。現
代の電気アーク灯はしばしば、これを流れる電流がアーク電圧に依存して調整さ
れる調整電力出力を必要とする。特別の電灯電源が特別の応用のために通常に構
成され、かつ、一般的には異なる応用には適用できない。
【０００３】 米国特許第５，６４０，０６１号に記載のステージ照明システムは、それに接
続された特別の電灯負荷に依存して電気シャーシが電灯電源モジュールを受け止
めるモジュラー電灯電力装置を含んでおり、このモジュールは、それぞれ相当す
る電灯に、適切に調整された電気エネルギーを提供するよう構成されている。こ
のモジュールは、一回のショーが終わって別のショーが始まるときのように、新
たな照明設計を実施するため照明装置を再注文する結果として、電灯負荷の配置
が変更されるとき、取り除きかつ取り替えることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力モジュール設計は、２つの相互関連した問題に悩んでいる。第一に
、従来モジュールは効率が悪い。多量のエネルギーは、調整プロセスにおいて熱
に変換される。これは、重大な熱消費問題を生じる。多量の熱が放散されなけれ
ばならないので、このモジュールは大きくて、かさばる。これが第二の問題であ
る。従来の電力モジュールにおける別の制限は、フレキシビリティの欠如である
。異なる光源は、電力調整のタイプが異なる。従来の技術は、動作モード及びパ
ラメータにおける変更に制限を生じる。全ての照明タイプを扱うようにフレキシ
ビリティを有する照明用光源に対する必要性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、調整された電圧モード或いは調整された電流モードで電灯を付勢す
るため、或いは調整された電力モードで電灯を付勢するため、複数動作モードを
有する電力コンバータを提供する。
【０００６】 好適具体例に従うと、スイッチモード電力コンバータは、ゲートドライブ増幅
器を通して電力半導体の動作を制御するためのディジタル信号プロセッサ（ＤＳ
Ｐ）を使用し、そしてさらに、メイン電力回路内の必要な電流、電圧及びタイミ
ングを測定するためにＤＳＰの内部アナログ−ディジタルコンバータを使用する
。Ａ−Ｄコンバータによって獲得された値を使って、ＤＳＰを制御するソフトウ
エアは、広範囲の照明負荷に役立つ少なくとも３つの異なる動作モードを提供す
るためのメイン半導体スイッチのデューティサイクル及びタイミングパラメータ
を操作し、そして、連続可変電力、電流、或いは電圧を負荷に供給する。ＤＳＰ
のための動作ソフトウエアは、動作パラメータをセットし、そして、電力コンバ
ータを構成するためにデータリンクを通してシステムコントローラからダウンロ
ードすることができる。電力コンバータのステータスは、システムコントローラ
にデータリンクを介してアップロードすることができる。
【０００７】 入力整流器が、ＡＣラインのピーク電圧に略等しい開回路電圧を提供するユニ
バーサル電力変換回路として役立つバックコンバータに脈動ユニポーラー電流を
提供する。比較的大きな直列インダクターが、制御回路網からの遅い応答を可能
にし、そしてさらに、ソフトウエア及びハードウエアの簡単化を可能にするため
に電流の立ち上がり率を制限するように備えることができる。出力整流ブリッジ
は、必要なとき出力電流の極性を変化させて、大部分の負荷に対してＡＣ電圧を
提供する。ソフトウエア制御の下で出力ブリッジによって実行される電流整流は
、入力ラインゼロ交差、他の電力コンバータ、或いは他のイベントと同期させる
ことができる。スイッチ化入力フィルターキャパシターは、スムースなＤＣ電流
を必要とするアーク灯或いは負荷のように、非脈動励起を必要とする負荷のため
に脈動ＤＣをスムースにする。キャパシターは、一定電圧或いは一定電流駆動で
力率補正を可能にするためにＤＳＰによって回路から遮断することができる。
【０００８】 好適具体例の電力システムは、異なる電灯負荷でステージ照明システムを動作
させるのに必要とされる回路のサイズ、コスト及び重量を減少させる。ＤＳＰの
マイクロプロセッサは、電力変換のために共通に使用される複雑かつ特定用途ア
ナログ回路の大部分を取り除き、通常の電力回路技術が、各照明器具回路のため
に同一のハードウエアプラットフォームを提供する。回路複雑性の減少のために
、全体的信頼性が高くなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の好適具体例のブロック図である。電力コンバータモジュール
１０は、高電圧電力コンバータセクション２０，第二の高電圧電力コンバータセ
クション２２，及びディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）装置を利用する低電圧
制御セクション３０を含んでいる。モジュール１０は、単一制御セクションによ
って制御される一対の可変電灯電源として構成される。モジュール１０は、双方
向シリアルディジタルリンク４２によってシステムコントローラ４０に接続され
る。各高電圧電力コンバータセクション２０及び２２は、電力源４５の同じ位相
から供給され、かつこれは、好適には、ＡＣ２０８−２７７Ｖの範囲にある三相
交流電力源にすることができる。各高電圧電力コンバータセクション２０及び２
２は、調整電力をそれ自身の個々の負荷５０又は５２に供給する。追加の電力コ
ンバータモジュール（図示せず）を、ディジタルデータリンクの追加のブランチ
を介してシステムコントローラに接続することができる。追加のモジュールは、
同じ電力源に接続することができる。しかしながら、高電圧電力コンバータセク
ションの多くの対は、三相電源の３つの全ての相上に等しく分配すべきである。
【００１０】 図２は、モジュール１０の低電圧制御セクション３０を示す回路図である。好
適具体例によると、低電圧セクション３０は、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳ
Ｐ）装置３１から成る。適当なＤＳＰの例は、テキサスインスツルメントインコ
ーポレーテッドによって提供されるＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘである。ＤＳＰ３１は
、ＣＰＵ３２及び関連したメモリ３３を含んでいる。複数出力３５のディジタル
パルス幅モジュレータ（ＰＷＭ）３４，アナログーディジタルコンバータ（ＡＤ
Ｃ）３６が、複数のアナログ入力３８の一つを接続するためのマルチプレクサー
（ＭＵＸ）３７と共に、含まれている。最後に、システムコントローラ４０と双
方向シリアルデータ通信するためのシリアルポート受信／送信回路３９，及びＤ
ＳＰ装置のサブセクションの間でアドレス、データ、及び制御信号を伝送する内
部ディジタルバスシステムが備えられる。ＤＳＰ装置は、メモリ内に記憶された
実行可能のプログラムに従い、システムコントローラ４０からのコマンド信号を
受信し、これらのコマンド信号を解釈し、そして、高電圧電力コンバータセクシ
ョン２０及び２２を動作させる。メモリ３３は好適には、ランダムアクセスメモ
リ（ＲＡＭ）と電気的消去可能のプログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲ
ＯＭ）との組み合わせである。ＤＳＰ３１のための動作プログラムは、ＥＥＰＲ
ＯＭ内にプログラムされる。ＥＥＰＲＯＭは、非揮発性記憶を提供するが、しか
し、更新され、変更され、或いは改良されたソフトウエアによって再プログラム
することができる。ＲＡＭは、収集した情報、及び計算及びプロセスの中間結果
を一時的に記憶するために使用される。
【００１１】 高電圧電力コンバータセクション２０と２２は同一のものであり、かつ、対に
なった他のセクションと同相で動作する。しかしながら、各セクションは、ＤＳ
Ｐ装置３１からそれ自身の個々の制御信号を受けとり、かつ、それ自身の個々の
電気パラメータ検知信号を発生する。これは、接続された特別の負荷によって必
要とされるとき異なるモードで各セクションを動作させることを可能にする。図
３に示されたコンバータセクション２０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ
１，直列インダクターＬ１，フリーホイールダイオードＤ１，及びトランジスタ
Ｑ２−Ｑ５から成るＨ−ブリッジ出力回路のような高速度電子スイッチを含んで
いる。この具体例において、トランジスタＱ２−Ｑ５は、バイポーラトランジス
タである。しかしながら、いかなる制御可能の導電性デバイスも使用することが
できる。交流源電圧Ｖｓが、全波ブリッジ整流器ＢＲ１に印加され、かつ、整流
電圧ＶBが、ＦＥＴスイッチＱ１に印加される。スイッチＱ１は、パルス幅変調
され、かつ、インダクターＬ１及びダイオードＤ１と共に、Ｈ−ブリッジ出力回
路Ｑ２−Ｑ５を通して負荷５０に供給される電気エネルギーを調整するバックコ
ンバータを形成する。ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３１は、スイッチＱ
１及びＨ−ブリッジ出力回路Ｑ２−Ｑ５を制御する。
【００１２】 好適には、ＡＣ２０８−２７７Ｖの範囲内にある交流源電圧Ｖｓは、入力端子
ＡＣ ＨＩ及びＡＣ ＬＯに印加される。高電圧電力コンバータセクションの入
力部分は、負温度係数（ＮＴＣ）突入電流リミッタ又は（ＮＴＣ）サーミスタの
ような直列電流制限デバイスＣＬ１及びＣＬ２を含むことができる。電流制限デ
バイスＣＬ１及びＣＬ２の出力ターミナルは、２極サーキットブレーカ及びＥＭ
Ｉ／ＲＦＩフィルタ２３に接続される。或いは、保護装置を、参照によりここに
組み入れられる米国特許第５，６４０，０６１号に記載されるように高レベルシ
ャーシアセンブリ内に含めることができる。ダイオードＤ２及びＤ３は、後述す
るように、電源電圧Ｖｓの値を検知するために備えられる。
【００１３】 電源電圧Ｖｓは、整流器ＢＲ１によって整流され、かつその正電圧ＶBは、ス
イッチＱ１に印加される。一方、その負出力は、典型的には“アース”グラウン
ドよりも１７０Ｖ以上低い、絶縁された“デルタ”グラウンド２１として参照さ
れる。スイッチＱ１は、好適には、高速度、高容量電界効果トランジスタである
。大きな値のキャパシタＣ１は、交流電圧源Ｖｓのライン周波数では、微々たる
リアクタンス（例えば、３３０−１，０００ミリファラッド）を有している。キ
ャパシタＣ１は、パラレル接続の電界キャパシタ或いは同様な電荷蓄積デバイス
のバンクから構成することができる。キャパシタＣ１は、デルタグラウンド２１
に接続された一方の端子、及びリレーＫ１のような制御可能のスイッチの接点を
通してＶBに接続される他端を有している。キャパシタＣ１は、スイッチＱ１に
フィルタされた直流電源電圧を提供するためにある動作モードでＶBに接続され
る。他の動作モードで、リレーＫ１は開かれて、キャパシタＣ１をＶBから遮断
する。
【００１４】 スイッチＱ１，インダクターＬ１，及びダイオードＤ１は、例えば参照により
ここに組み入れられる米国特許第５，６４０，０６１号或いは米国特許第５，７
９８，６１９に記載されているような公知の方法で通常に動作するバックコンバ
ータを構成する。スイッチＱ１が閉じるとき、インダクターL1を流れる電流は、
磁界を生じる。それから、スイッチＱ１が開かれるとき、磁界は崩壊して、ダイ
オードＤ１を通して引き込まれる電流を生じる。スイッチＱ１は、所望の出力電
力レベルを提供する電流ポンピング作用を提供するようパルス幅変調される。
【００１５】 バックコンバータの出力は、スイッチＱ２−Ｑ５から構成されるＨ−ブリッジ
に印加される。後述するように、Ｈ−ブリッジは、電力印加の制御を可能にする
。定抵抗値抵抗器Ｒ１はＨ−ブリッジとデルタグラウンド２１の間の復帰路内に
備えられて、後述するように、電流検知を可能にする。Ｑ１及びＬ１は、ＢＲ１
の正出力と直列に示されているけれども、このシステムは、ＢＲ１の負出力と直
列にして、Ｑ１及びＬ１と逆極性に構成することができるであろう。
【００１６】 スイッチＱ２−Ｑ５を含むＨ−ブリッジは、インバータとして動作して、負荷
への出力電圧の極性を逆にするためのスイッチＱ３及びＱ４と交互に導通するス
イッチＱ２及びＱ５によって交流出力を提供することができる。或いは、別の動
作モードにおいて、負荷にいずれかの極性の直流出力を提供するためにブリッジ
の半分をオンにし、かつ、他の半分をオフにすることができる。スイッチＱ２−
Ｑ５は、好適には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。ゲ
ート駆動増幅器Ａ１−Ａ５は、トランジスタＱ１−Ｑ５をそれぞれ駆動するため
に備えられ、そして好適には、高電圧電力コンバータと低電圧制御セクションの
間でのレベルシフトを提供する。この機能を提供する集積回路は、この技術分野
において周知である。
【００１７】 電力コンバータ２０の電気的パラメータは、差動増幅器Ａ６−Ａ８を通して検
知される。差動増幅器Ａ６−Ａ８は、コモンモード誘起エラーを避けるために十
分に高いコモンモード拒絶比（ＣＭＲＲ）を有する市販の集積回路である。差動
増幅器Ａ６−Ａ８の出力信号は、ＤＳＰのアナログ−ディジタルコンバータ３６
（図２）による直接変換を容易にするように決められる。出力電流Ｉoは、直列
抵抗器Ｒ１及び差動増幅器Ａ６を通して検出される。出力電圧Ｖoは、通常の電
圧分割器を構成する抵抗器Ｒ２及びＲ３、そして差動増幅器Ａ７を通して検出さ
れる。電源電圧Ｖsは、整流ダイオードＤ２及びＤ３，別の電圧分割器を構成す
る抵抗器Ｒ４及びＲ５，そして、差動増幅器Ａ８を通して検出される。増幅器Ａ
９は、キャパシタＣ１を接続し或いは遮断するためのリレーＫ１を駆動する。前
述の要素は、低電圧制御セクションへのインターフェースを形成するバッファ増
幅器と共に、可変電灯電源の高電圧電力コンバータセクション２０を構成する。
【００１８】 第一のディジタル出力信号ＧＡＴＥＤＲＶは、ＤＳＰ装置によって供給され、
かつ、増幅器Ａ１を通してスイッチＱ１のゲートに印加される。第二及び第三の
ＤＳＰ出力信号ＢＲＤＲＶＡ及びＢＲＤＲＶＢは、増幅器Ａ２−Ａ５を通してＨ
−ブリッジ出力トランジスタＱ２−Ｑ５の制御端子に印加される。第四のＤＳＰ
出力信号ＣＡＰＤＲＶは、増幅器Ａ９を通してリレーＫ１に印加される。４つの
相当するＤＳＰ出力信号は、コンバータセクション２２のための相当する機能を
提供する。
【００１９】 （差動増幅器Ａ６によって提供される）アナログ信号ＶISは、出力電流Ｉoの
値を表し、かつこれは、負荷を通る電流を表す。（差動増幅器Ａ７によって提供
される）アナログ信号Ｖosは、Ｈ−ブリッジに供給される出力電圧Ｖoの値を表
す。（差動増幅器Ａ８によって提供される）アナログ入力信号Ｖssは、ブリッジ
整流器ＢＲ１の入力端子に印加される電源電圧Ｖsの値を表す。これら３つのア
ナログ入力信号は、コンバータセクション２２からの３つの同様なアナログ入力
信号と共に、ＤＳＰに提供される。６つのアナログ入力信号が、マルチプレクサ
３７（図２）によってアナログ−ディジタルコンバータ３６（図２）内に集合さ
れ、そして、その結果のディジタル値は、実行可能のプログラムに従って処理す
るためＣＰＵ３２（図２）に利用される。
【００２０】 動作において、ＤＳＰ３１は、例えば、参照によりここに組み入れられる米国
特許第４，９８０，８０６号或いは米国特許第５，６４０，０６１号に記載され
たような照明システムコントローラ４０と双方向通信状態にある。このシステム
コントローラは、高電圧電力コンバータセクションの出力に接続された照明負荷
の特性に関する情報を維持する。負荷の一例は、特定の周波数で、かつ、４００
Ｗ、６００Ｗ、７５０Ｗ、或いはその他の電力レベルに調整された矩形波交流電
気エネルギーを必要とするアーク灯である。或いは、この負荷は、５００Ｗ、１
０００Ｗ、１２００Ｗ、或いはその他の電力レベルの最大電灯規格に制限された
可変出力電圧及び電流を必要とする白熱灯である。このタイプの電灯負荷情報は
、コンピュータ制御照明システムプログラムと関連した“ソフトパッチ”データ
ファイル内に容易に含めることができる。この情報は、例えば、最大電力規格、
公称電圧規格、及び励起のタイプ（矩形波、サイン波、脈動ＤＣ、その他）の指
示器を含めることができる。データファイルはまた、分散負荷ネットワーク内の
物理アドレスチャンネルに制御コンソール上の制御チャンネルを相互関連付けす
ることができる。
【００２１】 典型的には、複数の電力コンバータモジュール１０が、種々のモジュールにＡ
Ｃ電力及び制御信号配布を提供するラックタイプエンクロジャ内に取り付けられ
る。或いは、各モジュールは、その個々の負荷と共通に位置決めして、適切なケ
ーブルを介してＡＣ電力及び制御信号を受け取ることができるであろう。複数の
モジュールを利用するいかなるシステムにおいても、システムコントローラ４０
から適切なモジュール１０に制御信号を導く手段が、通常に備えられるべきであ
る。これは、米国特許第４，９８０，８０６号に記載されているようなアドレス
スイッチの形態を取ることができ、そして、モジュール１０の低電圧制御セクシ
ョン３０内に組み入れられる。或いは、米国特許第５．６４０，０６１号に記載
されているようなハードワイヤードルーティングスキームを使用することができ
る。これらの両方の特許は、参照により組み入れられる。ラックタイプエンクロ
ジャにおいて、ラック内の各物理位置は、各モジュール１０における各高電圧電
力コンバータセクション２０又は２２のためのユニーク論理チャンネルアドレス
を決定するため、電気的に読み出し可能のアドレスによってエンコードすること
ができる。 特別のソフトウエア実施は、ここに記載しない多様な公知の技術を含めて、変
更することができるけれども、動作方法の典型例をここに記載する。
【００２２】 モジュール制御ソフトウエア 埋め込みソフトウエア、即ち、“ファームウエア”は、ディジタル信号プロセ
ッサ３１が、同じＡＣライン位相を共有する２つのスイッチ化モード高電圧電力
コンバータ２０及び２２を制御するのを可能にする。このファームウエアは、実
効値（ＲＭＳ）出力電圧、電流、或いは電力を調整し、そして、高強度放電灯の
ための安定機能を提供する。入力力率は、白熱灯のような抵抗負荷に対して殆ど
１である。ファームウエアは、負荷特性、調整モード、及び出力レベルに関する
実時間コマンド及びステータス通信のためのシリアルデータリンクを管理する。
好適には、ファームウエアは、メモリ３３のＥＥＰＲＯＭ部分に記憶されている
。或いは、実行可能のソフトウエアは、システムコントローラ４０からダウンロ
ードして、メモリ３３のＲＡＭ部分に記憶することができる。別の具体例として
、ファームウエアは、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）内に永久的に書き込むこと
ができる。
【００２３】 好適具体例におけるファームウエアは、図４に示されるような、協同的、マル
チタスクアーキテクチャを使用する。プログラムステップの初期化シーケンスは
、動作のためにＤＳＰ３０を配置する。このシーケンスは、内部クロック速度を
セットし、汎用タイマーを配置し、ＡＤＣ３６を初期化し、そして、動作変数及
び定数、及び読み取り及び書き込み可能のパラメータを記憶するためメモリ３３
内のある位置にセットアップする。汎用タイマーが使用されて、ディジタルパル
ス幅変調器、Ｈ−ブリッジ出力回路を計時し、そして、ＡＤＣ３６のためにサン
プル速度発生器を制御する。いったん、ＤＳＰ３０が初期化されると、６つの同
時発生プロセス或いはタスクがスタートする。この同時発生タスクは、実質上同
じ時に動作する。これらのプロセスは、チャンネル１通信、チャンネル２通信、
チャンネル１パルス幅変調器制御、チャンネル２パルス幅変調器制御、入力電圧
分析、及び出力ブリッジ同期化を含んでいる。これらのプロセスの動作を示す変
数は、メモリ３３内に記憶され、かつ、他のプロセスに調整を可能にするために
利用できる。１つのタスクが、利用されるべき入力データを待っているとき、そ
れは、他のタスクがＣＰＵ３２を使用することができるように制御を放棄する。
【００２４】 チャンネルＰＷＭ制御タスクは、連続ＰＷＭサイクルのパルス幅持続期間を計
算することにより、高電圧電力コンバータ２０及び２２の出力を調整する実際の
仕事をする。チャンネル計算タスクは、各電力コンバータモジュール１０とシス
テムコントローラ４２の間のシリアルデータリンク４２を管理する。チャンネル
通信タスクは、所望の動作モード及び所望の出力レベルのような入力コマンドを
受け取る。入力電圧分析タスクは、ＲＭＳ値及びＡＣ入力電圧Ｖsの周期を決定
する。ある動作モードにおいては不能にすることができる出力ブリッジ同期化タ
スクは、ＡＣ入力電圧と同期してＨ−ブリッジ出力回路を動作させる。
【００２５】 電力がモジュール１０に、そして特に、定電圧制御セクションに印加されると
き、典型的動作シーケンスが、図５に示すように始まる。初期化のときに、ＤＳ
Ｐ３０は、セルフテストを実行し、そして、好適には、他のアドレススキームを
使用することができるけれども、ラックタイプエンクロージャ内のモジュール物
理位置を読み取ることによって、モジュール内の各高電圧電力コンバータセクシ
ョンのためにユニーク論理チャンネルを決定する。ＤＳＰ３０は、前述の通りに
動作するよう構成されていて、同時タスクをスタートする。その後、各モジュー
ル１０は、システムコントローラ４０からの送信を受け取り、かつ、必要なとき
応答を送信する準備がなされる。
【００２６】 シリアル通信 システムコントローラ４０からのコマンド送信は、２つのフォームの内の１つ
を取ることができる。全てのモジュールによって受信されるシステムコマンド、
或いは単一のモジュール１０に向けるかそこから導かれるチャンネルコマンドの
うちのいずれかである。チャンネルコマンドは、ユニークチャンネルアドレスに
よって識別されるユニーク論理チャンネルをアドレスすることによって指向され
る。ＤＳＰ３１は、２つの高電圧電力コンバータセクション２０又は２２のいず
れかのためのチャンネルアドレスを含むコマンド送信に、若しくは特別のシステ
ム−ワイド又は“コモン”アドレスを含むシステムコマンドに応答するようプロ
グラムされている。モジュール１０からの応答送信を必要とするコマンド送信は
好適には、モジュールからのマルチプル同時応答を避けるためにシステムコマン
ドから除外される。コマンド送信は、アドレス、コマンドコード、及び１以上の
引数を伴うアイドルラインイベントによって始まる。コマンド送信は、アイドル
ラインイベントによってフレームされた可変長のものにすることができる。
【００２７】 ファームウエアのコマンドインターフェース部分は、チャンネルパラメータに
書き込むことによって特別の負荷のために構成される独立論理チャンネルとして
高電圧電力コンバータセクションの制御を提供する。これらのパラメータは、そ
のチャンネルと関連したＤＳＰ３０のメモリ３３内に記憶される。全てのパラメ
ータは、確認のために読み戻すことができる。チャンネル構成は、動作中の不注
意によるパラメータ変更を防ぐのを助けるためにロックすることができる。モジ
ュールが応答することのできるコマンドは、ロックコンフィギュレーション、ア
ンロックコンフィギュレーション、リセット、リードメモリ、ライトメモリ、リ
ードパラメータ、ライトパラメータに対するコマンドを含むことができる。リー
ドメモリ又はリードパラメータに対するコマンドは、好適には、システムコマン
ドから除外される。書き込むことのできるパラメータは、ピーク電流制限（ＰＣ
Ｌ）、過電流リリース（ＯＣＲ）、調整モード（ＭＯＤＥ）、最大出力レベル（
ＭＯＬ）、出力レベル（ＯＬ）、出力強度（ＯＩ）、及び比例定数（Ｋp）を含
むことができる。書き込み可能のパラメータの全てを読み戻すことができる。Ｄ
ＳＰによって維持されたある読み出し専用パラメータは、また、読み取ることが
でき、かつこれは、チャンネルステータス、以前のコマンドステータス、ピーク
強度レベル、及び入力周期を含んでいる。システムコマンドは、各引数を別個の
チャンネルに指向するように、或いは各引数を全てのチャンネルに指向するよう
に、定義することができる。例えば、リセットコマンドは、コモンアドレスと１
つの引数−“リセットモジュール”コマンドコードを有するシステムコマンド内
の全てのチャンネルに送ることができ、そして、これはそれから、このシステム
内の全ての論理チャンネルによって受け取られる。モジュールは、もしそのコン
フィギュレーションがロックされているならば、“リセットモジュール”コマン
ドを無視する。大部分のパラメータ書き込みコマンドはまた、“出力強度（ＯＩ
）書き込みに対するコマンドを除いて、コンフィギュレーションがロックされて
いるモジュールによって無視される。出力強度コマンドは、出力強度が書き込ま
れるとき、出力レベルが、 ＯＬ＝（ＯＩ／２５５）＊ＭＯＬ、 論理チャンネルに対する最大出力レベルの規定の割合、にセットされるような出
力レベルパラメータを変更する別の手段を提供する。それゆえ、出力強度値は、
いずれのチャンネルに対しても最大出力レベルの０−１００％に相当する。出力
強度コマンドは、それぞれ別の論理チャンネルに相当しかつその方に指向される
複数の別の引数と共に、システム内の全ての論理チャンネルにアドレスされたシ
ステムコマンド内で安全に送信することができる。
【００２８】 図６に示されるように、２つのチャンネル通信タスクのそれぞれは、システム
コントローラへ、そしてそこからの送信を作成しかつ受信するために使用される
べきレジスターを初期化することにより始まる。初期化の後、このタスクは、そ
のタスクが提供する一つの論理チャンネル（チャンネルコマンドパケット）、或
いはこのシステム内の全ての論理チャンネル（システムコマンドパケット）のい
ずれかにアドレスされるコマンドパケットを待つ。この待ち時間の間、このタス
クは、他のタスクにＣＰＵの制御を手放す。コマンドが受信されるとき、このタ
スクは、パラメータ読み取りコマンド或いはパラメータ書き込みコマンドのいず
れかとしてこのコマンドをデコードする。もしパラメータ読み取りコマンドが受
信されるならば、このタスクは、ＤＳＰのＲＡＭから要求されたパラメータ値を
得て、必要な応答値を含む送信パケットを組み立て、そして、このパケット、チ
ャンネル応答パケットを送信する。このタスクは、送信されるべきパケットの最
後のバイトを待ち、それから、受信されるべき別のコマンドパケットを待つルー
プに戻る。もしパラメータコマンドが受信されるならば、このタスクは、コマン
ド及びその引数の有効性をチェックし、そして、この引数が有効ならば、ＤＳＰ
のＲＡＭ内の適切な位置にそれらを記憶する。もし引数が有効でないならば、こ
のタスクは、次の読み取りコマンドに応答してシステムコントローラに報告する
ことのできるフラグをステータス内にセットする。それから、このタスクは、受
信されるべき別のコマンドパケットを待つループに戻る。
【００２９】 入力電圧分析 図７に示されるように、入力電圧分析タスクは、別のタスクからの測定リクエ
ストを待つことにより始まる。このようなリクエストが受信されるとき、このタ
スクは、作業変数を初期化し、それから、ディジタル化して、ＤＳＰのＲＡＭ内
に記憶されるべき信号Ｖssによって表されるような入力ラインのサンプルを待つ
。各サンプルは、入力電圧の平均レベルの値に寄与する。ＣＰＵは、各サンプル
の寄与を計算し、かつ、これは各サンプルを平均値に事実上統合する。入力電圧
のピーク負値は、入力電圧波形の周期を決定するよう定められる。もし、分析を
完成させるために十分なサンプルを受け取っていないならば、このタスクは、別
のＶssサンプルを待つためにループに戻る。もし十分なサンプルがあるならば、
このタスクは、入力電圧の平均値を計算し、そして、ＲＭＳ値を推測し、それか
ら入力電圧波形の周期を計算し、他のタスクによって使用するためにＤＳＰのＲ
ＡＭ内にその結果を記憶する。最後に、このタスクは、別の測定リクエストを待
つためにループに戻る。
【００３０】 チャンネルパルス幅モジュレータ制御 各高電圧電力コンバータチャンネルの動作を、図８Ａ−８Ｃを参照して説明す
る。図８Ａは、電圧調整モードにおける初期化及び動作を示している。図８Ｂは
、電流調整モードにおける動作を示している。図８Ｃは、電力調整モードにおけ
る動作を示している。
【００３１】 全ての書き込み可能のパラメータは、電源投入時にデフォルト値に初期化され
る（図８Ａ）。デフォルト値は、電力出力が不注意により不知の負荷状態に陥る
のを防ぐように、全てゼロにセットすることができる。デフォルト調整モードは
、好適には、電圧モードであり、かつこれは、劇場照明電力ディマー（次第に暗
くする装置）の最も普通の調整モードである。各論理電力コンバータチャンネル
は、アンロックされたコンフィギュレーションに初期化されて、このシステムコ
ントローラが、全てのモジュールの書き込み可能のパラメータに書き込ませて、
それらの個々のコンフィギュレーションをセットする。このシステムコントロー
ラは好適には、チャンネルコマンドのシーケンスを送信して、全てのモジュール
の全てのパラメータを読み取り、かつ、別のシステムコマンド内にコンフィギュ
レーションをロックする前にそれらのコンフィギュレーションを確認する。チャ
ンネルコンフィギュレーションがロックされるとき、受け取ることのできるコマ
ンドは、リードパラメータ（いかなるパラメータについても）、ライトパラメー
タ（出力強度のみ）、及びアンロックコンフィギュレーションパラメータのみで
ある。 特別の負荷に対する論理チャンネルを初期化するために、このシステムコント
ローラは、ピーク電流制限（ＰＣＬ）、過電流リリース（ＯＣＲ）、調整モード
（ＭＯＤＥ）、及び最大出力レベル（ＭＯＬ）を、適切なモジュールに書き込む
ことによってこれらのパラメータをセットする。チャンネル制御タスクは、これ
らのパラメータを読み取って、その動作モード及び動作上の制限を判断する。
【００３２】 調整モードは、好適具体例において、調整モードパラメータに書き込まれる値
に依存する３つのモードの内の一つ、電圧モード、電流モード、又は電力モード
にセットすることができる。特別の調整モードの選択は、好適には、他の書き込
み可能のパラメータに対する、そして、このモジュール及びその論理チャンネル
の他の動作特性に対するある束縛を意味している。例えば、電圧モード或いは電
流モードの選択は、ブリッジ整流器ＢＲ１からキャパシタＣ１を遮断することに
より得られたサイン出力を意味する一方、電力モードの選択は、ブリッジ整流器
の出力にキャパシタＣ１を接続することにより得られた矩形波出力を意味するか
もしれない。電圧モードの選択は、必然的に、最大出力レベル及び出力レベルが
、電圧、例えば１２０Ｖ、で表現されるということを意味している。電流モード
の選択は、これら２つのレベルが、アンペア、例えば１０Ａ、で表現されるとい
うことを意味している。電力モードの選択は、これら２つのレベルが、ワット、
例えば７００Ｗ、で表現されるということを意味している。特別の調整モードの
選択は、また、あるデフォルト値を決定するかもしれない。一例は、比例定数Ｋ
pの値である。このモジュール及びその論理チャンネルの他の動作特性は、また
、調整モードの選択によりセットされる。この一例は、好適には電圧及び電流モ
ードでＡＣラインと同期化されるが、しかし、電力モード調整においては一定周
波数にセットすることのできる出力周波数である。
【００３３】 他の動作特性を意味する他の調整モードは、別の具体例において実施すること
ができる。例えば、単方向出力は、ＤＣモータ或いは他のＤＣ負荷を制御するた
めに別の電圧モードにおいて、或いは別の電流モードにおいて、調整することが
できる。さらに別の具体例において、ある他の動作特性は、書き込み可能のパラ
メータ、例えば、矩形波出力の出力周波数によって規定することができる。
【００３４】 システムコントローラは、論理チャンネル割り当てによって参照されかつコモ
ンネーム或いは頭文字語によって負荷のタイプを識別するシステムの全ての負荷
のデータベースを好適には維持することができる。それぞれ異なるタイプの負荷
に対して適用可能の種々の書き込み可能のパラメータは好適には、システムコン
トローラソフトウエアによって維持され、かつ相当するコモンネーム又は頭文字
語によって参照される。このシステムが初期化されるとき、オペレータが、各チ
ャンネルを適切に直接セットする必要もなく、このシステムの全てのモジュール
１０の種々の論理チャンネルに自動的に書き込まれる。システムコントローラ４
０によって維持されるこのようなデータベースによって、モジュール１０のそれ
ぞれにおけるＤＳＰ装置３１は、負荷タイプ識別子を解釈し、かつ、パラメータ
及び動作特性を限定するデータを維持する責任のあるタスクから種々の負荷を取
り除く。
【００３５】 電圧調整モード 電圧調整は、ハイブリッドステート／比例−積分−微分制御アルゴリズムを使
って達成される。パルス幅モジュレータデューティサイクルは、出力レベル（電
圧）エラー＋エラーの積分＋エラーの導関数に比例する値にセットされる。この
エラーは、所望レベルと測定レベルの間の差である。このデューティサイクルは
、（あまりに低い）入力電圧又は（あまりに高い）出力電流のようなある他の測
定パラメータの状態に依存してゼロに強制されるかもしれない。
【００３６】 図８Ａに示されるように、チャンネル制御タスクは、動作パラメータを読み取
り、そしてＭＯＤＥパラメータをテストして、所望の動作モードを決定する。電
圧調整モードにおいて、Ｈ−ブリッジ同期化が可能にされ、かつ、この機能は出
力ブリッジ同期化タスクによって達成され（図４，図９）、そして、ＣＡＰＤＲ
ＩＶＥ信号はブリッジ整流器ＢＲ１の出力へのキャパシタＣ１を遮断するために
リセットされる（図３）。パルス幅モジュレータは、ＤＳＰ内の汎用タイマーの
一つからの駆動信号を使って動作する。それから、このタスクは、信号ＶISによ
って表される出力電流のサンプルを、そして、信号Ｖosによって表される出力電
圧のサンプルを待つ。ＤＳＰ３１は、高速度、例えば２０ｋＨｚで出力電流及び
電圧をサンプルする。これらサンプルは、Ａ／Ｄコンバータ３６を使ってディジ
タル化される。その結果の値は、チャンネル制御タスクによって使用するために
メモリ３３内に記憶される。各チャンネルタスクは、チョークL1の動的インダク
タンスを考慮するよう出力電流Ｉoのサンプル値を補償し、そして、これは、チ
ョークにおけるＤＣ電流に事実上従って変化する。各サンプルは、出力電流の平
均レベルの値に寄与する。ＣＰＵは、この寄与を計算し、そして、これは、各サ
ンプルを平均値に効果的に統合する。それから、このタスクは、ピーク電流制限
（ＰＣＬ）パラメータの値に対して、出力電流のＲＭＳ値を比較する。もし出力
電流がＰＣＬ以上ならば、ＧＡＴＥＤＲＶ信号のパルス幅はゼロにセットされ、
そして、このタスクは、さらにＶos及びＶISのサンプルを待つためにループに戻
る。
【００３７】 もし出力電流がＰＣＬ値より小さいならば、そのとき、タスクは十分なサンプ
ルが採られたかどうかを決定する。Ｖos及びＶISの統合は、出力レベルの信頼で
きる指示をするために（入力電圧Ｖsの周期のような）十分長い周期に亘るサン
プルを必要とする。もし十分なサンプルが無かったならば、タスクは、さらにＶ
os及びＶISのサンプルを待つためにループに戻る。もし十分なサンプルがあった
ならば、このタスクは、これらのサンプルを統合して、先の入力電圧サイクルに
亘る出力電圧ＶoのＲＭＳ値を計算する。それから、チャンネル制御タスクは、
メモリ３３から出力レベル（ＯＬ）パラメータの値を（ボルトで）得る。それか
ら、それは、コマンドされたレベルと測定レベルとの間の出力レベルエラーを計
算し、このエラーをＰＷＭデューティサイクルエラーに変換する。このＰＷＭデ
ューティサイクルエラーはそれから、次のＧＡＴＥＤＲＶパルスのためにパルス
幅を計算しかつセットするために使用される。最後に、このタスクは、さらにＶ
os及びＶISのサンプルを待つためにループに戻る。
【００３８】 電流調整モード 電流調整がまた、ハイブリッドステート／比例−積分−微分制御アルゴリズム
を使って達成される。パルス幅モジュレータデューティサイクルは、出力レベル
（電流）エラー＋エラーの積分＋エラーの導関数に比例する値にセットされる。
デューティサイクルは、（あまりに低い）入力電圧又は（あまりに高い）出力電
流のようなある測定パラメータの状態に依存してゼロに強制されるかもしれない
。 図８Ｂに示されるような、電流調整モードにおいて、このタスクは、出力電圧
を表すＶosのサンプルが無視されるのを除いて、電圧調整モードにおけるのと同
じステップシーケンスを実行し、そして、出力レベル（アンペア）は、ＶISによ
って表された出力電流Ｉoを基礎として計算される。
【００３９】 電力調整モード 電力調整は、ハイブリッドステート／比例−積分−微分制御アルゴリズムを使
って達成される。このパルス幅モジュレータデューティサイクルは、出力レベル
（ターゲット電流）エラー＋エラーの導関数に比例する値にセットされる。この
デューティサイクルは、（あまりに低い）入力電圧又は（あまりに高い）出力電
流のようなある測定パラメータの状態に依存してゼロに強制されるかもしれない
。 図８Ｃに示されるような電力調整モードにおいて、このタスクは、以下の例外
を除いて、電流及び電圧調整モードと同様なステップシーケンスを実行する。出
力ブリッジ同期化タスクは不能にされ、かつ、出力ブリッジ周波数は、ＡＣライ
ン周波数とは無関係の予め定められた値にセットされる。ＣＡＰＤＲＩＶＥ信号
は、ブリッジ整流器ＢＲ１の出力にキャパシタＣ１を接続するようセットされる
。出力電圧検知信号ＶＯＳ及び出力電流検知信号ＶＩＳの両方のサンプルが使用
される。出力レベル（ＯＬ）パラメータが、ワットで読まれる。出力電力は、後
述するように、出力レベルパラメータ（ワット）と、瞬時出力電圧ＶＯの比に基
づいてターゲット電流（ＩＴ）を計算することにより調整される。このようにし
て、電流測定は、事実上電力レベルを計算すること無く、電力を調整するために
使用される。比例−微分制御アルゴリズムは、（１６−２０ｍｓに亘って統合さ
れたサンプルによって）真のＲＭＳ値を計算しない。それゆえ、それは、各サン
プルの平均値への寄与を計算するステップも、測定された出力レベルの真のＲＭ
Ｓ値を計算するために多数のサンプルを統合するステップも実行しない。代わり
に、それは、各バックサイクルに対して（５０μｓ毎に）出力レベルエラーを決
定する。ＰＩＤ又はＰＤ調整モードの選択は、主として、制御ループの更新周波
数に基づく。電圧及び電流モードは、比較的長い時間（１６−２０ｍｓ）に亘っ
て真のＲＭＳ出力値に基づいて更新される必要がある。このようにして、統合が
必要とされる。電力モードは、短い更新期間（５０μｓ）を有しているので、統
合は必要でない。多くの遅い制御システム（１０代のｍｓ更新期間）は、長期“
定常状態”エラーを最小化するために統合を必要とする。電力モードにおける急
速で、小さな更新が、統合無しで定常状態エラーを効果的に最小化する。最後に
、このタスクは、さらにＶＯＳ及びＶＩＳのサンプルを待つループに戻る。
【００４０】 出力ブリッジ同期化 図９に示されるように、出力ブリッジ同期化タスクは、２つの最も普通に予期
されるライン周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの間の中間の、５５Ｈｚのブリッジ周
波数によって初期化する。それから、このタスクは、入力電圧分析タスク（図４
，図７）からの入力電圧の分析をリクエストし、そして、利用可能になるために
Ｖs周期の測定を待つ。このタスクは、ＶsとＨ−ブリッジ動作周波数との間の位
相エラーを計算する。この動作周波数は、最初は５５Ｈｚであるが、後に電力コ
ンバータの動作においてある他の値にすることができる。それから、このタスク
は、Ｈ−ブリッジを入力ラインと同期化するための位相調整値を計算し、そして
、ブリッジ駆動信号ＢＲＤＲＶＡ及びＢＲＤＲＶＢを発生する汎用タイマーに対
してこの値をセットする。最後に、このタスクは、Ｖsの別の測定をリクエスト
するためにループに戻る。このシーケンスは反復されて、ＡＣライン入力電圧と
同期化される出力ブリッジのサイクルを維持する。
【００４１】 サイン波動作 電圧調整又は電流調整モードにおいて、高電圧電力コンバータは、例えば、白
熱灯にサイン波交流電気エネルギーを提供する。ＤＳＰは、図４−図９を参照し
て上述したようにマルチ、同時タスクを実行する。ＤＳＰは、電源電圧Ｖsを検
知し（図１０Ａ）、ＲＭＳ値及びその周期を計算して、ＲＡＭ内に記憶する。Ｄ
ＳＰはリレーＫ１を付勢せず、それによって、入力電流内のある高調ひずみを取
り除くように回路からキャパシタＣ１を離して、コンバータの力率を改善する。
図１０Ａに示されるように、入力電流波形（Ｉs）は、入力電圧波形（Ｖs）と実
質上同じであり、そして、入力電流波形は、力率（ＰＦ）が実際上１．０である
ように、入力電圧波形と同相でありかつそれに比例している。整流器ＢＲ１の出
力における電圧ＶBは、脈動ＤＣとしてＦＥＴスイッチＱ１に与えられる（図１
０Ｂ）。もしＶsが、受け取り可能の範囲内にあるならば、ＤＳＰは、ＰＷＭ信
号ＧＡＴＥＤＲＶを動作させ、そしてこれは、インダクターL1をＶcにチャージ
するように動作させる（図１０Ｃ）。ＤＳＰは、アナログ信号Ｖosによって表さ
れるような出力電圧Ｖo（図１０Ｄ）（或いは電流調整モードにおいてＶISによ
って表されるような出力電流）をモニターして、負荷に与えられる電気エネルギ
ーの値を測定する。最後に、出力ブリッジＱ２−Ｑ５は、サイン波出力を負荷に
ＶLで与えるためにライン周波数でインバータとして動作する（図１０Ｅ）。
【００４２】 矩形波動作 電力調整モードにおいて、高電圧電力コンバータは、負荷、例えばアーク灯に
矩形波交流電気エネルギーを提供する。ＤＳＰは、図４−図９を参照して上述し
たようにマルチ、同時タスクを実行する。ＤＳＰは、電源電圧Ｖsを検知し（図
１１Ａ）、ＲＭＳ値及びその周期をＲＡＭ内に記憶する。ＤＳＰは、キャパシタ
Ｃ１を整流器ＢＲ１の出力にＶBで接続するリレーＫ１を付勢する（図１１Ｂ）
。このように接続されたキャパシタＣ１によって、入力電流波形Ｉsは、図１１
Ａに示されるように、もはや入力電圧波形Ｖsには比例しない。入力電流波形は
、回路内のキャパシタＣ１の存在により入力電圧波形に関してかなりの高調ひず
みを包含する。従って、力率（ＰＦ）は、０．７に近い値を有している。ＤＳＰ
は、ＰＷＭ信号ＧＡＴＥＤＲＶを動作させて、インダクターＬ１をＶcにチャー
ジするＦＥＴスイッチＱ１を動作させる（図１１Ｃ）。ＤＳＰは、アナログ信号
ＶISによって表される出力電流Ｉoをモニターして（図１１Ｄ）、負荷に供給さ
れる電気エネルギーの値を測定する。最後に、出力ブリッジＱ２−Ｑ５は、矩形
波出力を負荷にＶLで供給するためにライン周波数よりも大きな周波数でインバ
ータとして動作する（図１１Ｅ）。
【００４３】 電力調整方法 伝統的に、電力レベルは、米国特許代５，６４０，０６１号に記載されるよう
に、電力検知信号を発生させるために電圧検知信号と電流検知信号を組み合わせ
る乗算器回路を使って検出されるであろう。もしディジタル的に実装されるなら
ば、このアプローチは、非線形関係にあるデューティサイクルエラーの時間のか
かる補間のために“デューティサイクル対電力”テーブルを必要とする。しかし
ながら、時間及びスペース要求の観点で、より効率的な電力調整方法は、瞬時出
力電圧に対するコマンドされた電力レベルの比を計算して、ターゲット出力電流
レベルを発生させることである。コマンドされた電力レベルを瞬時出力電圧の逆
数と掛け算することにより、より効率的な計算が実行される。これは、２つのテ
ーブルの補間及び引き算の必要性を無くし、そして計算速度を上げる。その後、
デューティサイクルエラーは、電流エラーの簡単な線形関数である。これは、比
較的に時間のかかる非線形計算又は非線形テーブルを必要とすることなく、制御
ループを線形化する。そして、これは安定性のために重要である。このように電
力は、電力レベルを計算することなく調整される。
【００４４】 電流測定方法 電流波形は三角形状でありかつ非対称であるので、アナログ−ディジタル変換
における標準プラクティスは、バックコンバータの各パルスに相当し、数個の高
調波を含む各サイクルの全波形状を捕らえるために高サンプリング率を必要とす
る。それから、このデータは、平均出力電流を計算するために使用することがで
きるであろう。しかしながら、ＤＳＰの最高サンプリング率でさえ、サイクル当
たりではほんのわずかの、粗い波形表示を生じるのみであり、それゆえ、計算さ
れた平均に比較的に大きなエラーを生じる。また、ＤＳＰは、単一高電圧電力コ
ンバータセクションを構成する１以上の論理チャンネルに対してデータを処理す
ることができないであろう。
【００４５】 しかしながら、好適具体例において、定電圧制御セクション３０は、バックコ
ンバータ駆動信号ＧＡＴＥＤＲＶのターンオフ（立ち下がり縁）後、一定時間（
Ｔsd）で、バックサイクル当たり一度、瞬時出力電流Ｉo及び瞬時出力電圧Ｖoを
サンプルする（図１２Ａ）。オフ位相の間、電流傾斜ｍは、常に（１＋Ｖo）／
Ｌ、即ち、１＋出力電圧の合計が、インダクターＬ１のインダクタンスによって
割られた値である。電流波形の立ち上がり及び立ち下がり部分の両方が、線形傾
斜を有しているので、真の平均は、降下部分の中点によって示されている（図１
２Ｂ）。いったん傾斜ｍが計算されると、真の平均電流は、以下のように計算さ
れる。 Ｉo’＝Ｉo＋（Ｔsd−Ｔoff／２）*ｍ Ｔoff＝（１−Ｄ）*Ｐoに注意。ここで、Ｄは、先のバックパルスのデューティ
サイクル比であり、Ｐoは、バックサイクル周期、例えば、２０ｋＨｚスイッチ
モード周波数に対して５０μｓである。
【００４６】 このスキームは、Ｌがインダクター内のＤＣ電流に従い実質上変化するという
事実によってやや複雑である。しかしながら、もし磁化力に対する初期透磁率の
割合を計算するための公式が、特別のインダクターに対して公知であるならば、
インダクタンス（Ｌ）を負荷電流ＩLに関係付けるテーブルを作ることができる
。この関数は、非線形であるが、しかし、このテーブルは補間を必要とせず、使
用を高速にする。このテーブルは、メモリ３３内にロードされる。 バックコンバータ駆動信号ＧＡＴＥＤＲＶの立ち下がり縁後、出力ブリッジが
切り替わる前に、常にサンプリングすることによりノイズに対する影響が無くな
る。これは、これらの変化により誘起された大きな過渡現象の影響を避ける。出
力電流を測定するこの方法は、入力サンプリング率がほんの２０ｋＨｚであって
さえ、２０ＭＨｚサンプリング率のそれに略等しい一時的分解能を提供する。瞬
時電流入力及びこの方法の使用は、アーク灯動作の間の容認できる電流リップル
エンベロープを達成するために示され、そして、単一ＤＳＰ装置に、セクション
２０のような高電圧電力コンバータセクションを構成する１以上の論理チャンネ
ルを役立たせる。
【００４７】 単方向動作 別の動作モードにおいて、リレーＫ１は、付勢しないままにして、白熱灯に対
して前述したように回路からフィルターキャパシタＣ１を取り除くことができる
。また、Ｈ−ブリッジ出力回路は、トランジスタＱ２及びＱ５がターンオンされ
る一方、トランジスタＱ３及びＱ４がターンオフされるような一つの位相でのみ
オンにされる。これは、負荷に単方向の脈動直流エネルギーを提供する。或いは
、Ｈ−ブリッジ出力は、トランジスタＱ３及びＱ４がターンオンされる一方、ト
ランジスタＱ２及びＱ５がターンオフされて、負荷に反対極性の脈動直流エネル
ギーを提供するように、反対位相でオンにすることができる。
【００４８】 電源制御ソフトウエア、例えば、前述のファームウエア、は高電圧電源セクシ
ョンの安定動作を、その要素の安全な動作限界内で、かつ負荷の制限内で容易に
して、接続されている負荷に依存した特別の電圧、電流、電力、及びタイミング
制御を提供する。負荷に与えられる電力の最近の履歴は、関連したメモリ内に集
めることができ、そして、入力コマンドに対する制御ソフトウエア応答に影響を
与えるかもしれない。電源制御ソフトウエアは、予期されるパラメータに対して
実際に検知された回路パラメータを比較する安全動作ルーチンを含んでいる。こ
れらのパラメータは、最大及び最小動作範囲に比較されて、書き込み障害又は不
適切な負荷の接続を検出する。オペレータエラー又は機械的故障の場合に、安全
動作ルーチンは、負荷、配線、又は電力及び制御回路に対する破壊的な損傷の可
能性を最小化するよう介入する。
【００４９】 情報フィードバックソフトウエアは、負荷の開放、短絡又は誤接続から生じる
範囲外状態を示す警告を含む、供給システムに接続された負荷に関連した事実を
システムオペレータに提供することができる。要素温度又はランプ寿命時間に関
する情報をまた発生させて、オペレータに送ることができる。 ここでは、本発明の特別の具体例を開示したけれども、それらは、本発明の範
囲を制限するものとして解釈されるべきでない。多くの他の具体例が、この明細
書に照らして当業者には明らかになるであろう。例えば、ＤＳＰの使用が開示さ
れたけれども、他の装置が、ＤＳＰの前述した機能を実行することができる。本
発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 好適具体例に従う電力コンバータシステムのブロック図である。
【図２】 電力コンバータモジュールのブロック図である。
【図３】 好適具体例に従う高電圧電力コンバータセクションの回路図である。
【図４】 電力コンバータモジュールを動作させる方法の流れ図である。
【図５】 電力コンバータモジュールを動作させる方法の流れ図である。
【図６】 電力コンバータモジュールを動作させる方法の流れ図である。
【図７】 電力コンバータモジュールを動作させる方法の流れ図である。
【図８】 電力コンバータモジュールを動作させる方法の流れ図である。
【図９】 電力コンバータモジュールを動作させる方法の流れ図である。
【図１０】 Ａ−Ｅは、第一のモードの電灯電源の動作を例示する代表波形を示すグラフで
ある。
【図１１】 Ａ−Ｅは、第二にモードの電灯電源の動作を例示する代表波形を示すグラフで
ある。
【図１２】 電流測定技術を例示する代表波形を示すグラフである。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１０月１２日（２００１．１０．１２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１２月２１日（２００１．１２．２１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニューウェル，ジァン，マーク アメリカ合衆国テクサス州76201、デンタ ン、ネプチューン・ドライヴ 609番 Ｆターム(参考） 3K072 AA19 AC01 AC02 BA03 BA05 CA16 EB04 EB05 EB10 FA05 GA01 GA02 GB18 GC04 HA09 HA10 HB03 5H006 CA02 CA07 CA12 CB01 CC02 DA02 DB02 DB07 5H007 AA02 BB03 CA02 CB04 CB05 CC03 CC12 DA05 DB07 DC02 EA02 5H410 CC03 DD03 EA10 EA11 EA35 EB09 EB13 EB15 EB25 EB38 FF05 FF08 FF22 FF23 GG07

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１と第２の整流された出力端子を有し、該第２の整流され
    た出力端子が第１の出力端子に接続されている、電源結合用の整流器と、 第１と第２の電流処理端子及び制御端子を有し、該第１の電流処理端子が前記
    整流器の前記第１の出力端子に結合されている第１のスイッチと、 第１と第２の端子を有し、該第１の端子が前記電子スイッチの前記第２の端子
    に接続され、かつ前記第２の端子が第２の出力端子に接続されているインダクタ
    ーと、 前記電子スイッチの前記第２の端子に結合されたカソード及び前記整流器の前
    記第２の端子に結合されたアノードを有するダイオードと、 前記インダクターと直列に結合された電流センサーと、 前記第１及び第２の出力端子間の電圧を検知するための電圧センサーと、 データプロセッサを有するコントローラとを備え、 該コントローラは、前記電流センサーに結合された第１の入力端子、前記電圧
    センサーに結合された第２の入力端子、前記第１のスイッチの前記制御端子に結
    合された第１の制御信号を提供する第１の出力端子を有して、前記第１及び第２
    の出力端子に印加される電気エネルギーを制御する、 ことから成る電力コンバータ。
  2. 【請求項２】 前記整流器の前記第２の端子に接続された第１の端子及び前
    記整流器の前記第１の端子に第２のスイッチを通して結合される第２の端子を有
    する少なくとも１つのキャパシタをさらに備え、前記第２のスイッチが、前記コ
    ントローラの第２の出力端子に結合された第２の端子を有し、前記コントローラ
    の前記第２の出力端子が第２の制御信号を提供する請求項１に記載の電力コンバ
    ータ。
  3. 【請求項３】 前記電源に結合された電圧センサーをさらに備え、前記電圧
    センサーはさらに前記コントローラの第３の入力端子に結合されている請求項１
    に記載の電力コンバータ。
  4. 【請求項４】 前記第１のスイッチがトランジスタである請求項１に記載の
    電力コンバータ。
  5. 【請求項５】 前記コントローラがディジタル信号プロセッサである請求項
    １に記載の電力コンバータ。
  6. 【請求項６】 前記第１の制御信号が、パルス幅変調信号である請求項１に
    記載の電力コンバータ。
  7. 【請求項７】 前記電流センサーが、前記整流器の前記第２の端子と前記第
    １の出力端子との間の電流を測定する請求項１に記載の電力コンバータ。
  8. 【請求項８】 前記コントローラが、前記第１及び第２の出力端子上に提供
    される選択された電流レベルを維持する請求項１に記載の電力コンバータ。
  9. 【請求項９】前記コントローラが、前記第１及び第２の出力端子上に提供さ
    れる選択された電圧レベルを維持する請求項１に記載の電力コンバータ。
  10. 【請求項１０】 前記コントローラが、前記第１及び第２の出力端子上に提
    供される選択された電力レベルを維持する請求項１に記載の電力コンバータ。
  11. 【請求項１１】 前記選択された電流レベルが、二乗平均のルート法を使っ
    て測定される請求項７に記載の電力コンバータ。
  12. 【請求項１２】 前記選択された電圧レベルが、二乗平均のルート法を使っ
    て測定される請求項８に記載の電力コンバータ。
  13. 【請求項１３】 前記選択された電力レベルが、二乗平均のルート法を使っ
    て測定される請求項９に記載の電力コンバータ。
  14. 【請求項１４】 第１及び第２の出力端子を有する、電源に結合するための
    整流器と、 第１及び第２の電流処理端子及び制御端子を有し、該第１の電流処理端子が前
    記整流器の前記第１の出力端子に結合されている第１のスイッチと、 第１及び第２の端子を有し、該第１の端子が前記第１のスイッチの前記第２の
    端子に接続されているインダクターと、 前記電子スイッチの前記第２の端子に結合されたカソード及び前記整流器の前
    記第２の端子に結合されたアノードを有するダイオードと、 制御端子、前記インダクターの前記第２の端子に結合された第１の電流処理端
    子、及び第１の出力端子に接続された第２の電流処理端子を有する第２のスイッ
    チと、 制御端子、前記インダクターの前記第２の端子に結合された第１の電流処理端
    子、及び第２の出力端子に接続された第２の電流処理端子を有する第３のスイッ
    チと、 前記第３のスイッチの前記制御端子に接続された制御端子、前記整流器の前記
    第２の端子に結合された第１の電流処理端子、及び前記第１の出力端子に接続さ
    れた第２の電流処理処理端子を有する第４のスイッチと、 前記第２のスイッチの前記制御端子に接続された制御端子、前記整流器の前記
    第２の端子に結合された第１の電流処理端子、及び第２の出力端子に接続された
    第２の電流処理端子を有する第５のスイッチと、 前記インダクターと直列に結合された電流センサーと、 前記インダクターの前記第２の端子と前記第４のスイッチの前記第１の電流処
    理端子との間の電圧を検知する電圧センサーと、 データプロセッサを有するコントローラとを備え、 前記コントローラは、前記電流センサーに結合された第１の入力端子、前記電
    圧センサーに結合された第２の入力端子、前記第１のスイッチの前記制御端子に
    結合された第１の制御信号を提供する第１の出力端子、前記第２のスイッチの前
    記制御端子に結合された第２の制御信号を提供する第２の出力端子、及び前記第
    ３のスイッチの前記制御端子に結合された第３の制御信号を提供する第３の出力
    端子を有して、前記第１及び第２の出力端子に印加される電気エネルギーを制御
    する、 ことから成る電力コンバータ。
  15. 【請求項１５】 前記第１，第２，第３，第４，及び第５のスイッチがトラ
    ンジスタである請求項１１に記載の電力コンバータ。
  16. 【請求項１６】 前記コントローラがディジタル信号プロセッサである請求
    項１１に記載の電力コンバータ。
  17. 【請求項１７】 前記第１の制御信号がパルス幅変調信号である請求項１３
    に記載の電力コンバータ。
  18. 【請求項１８】 前記第２及び第３の制御信号が、交互にオンにされて、前
    記第１及び第２の出力端子上に交流出力を供給する請求項１３に記載の電力コン
    バータ。
  19. 【請求項１９】 第１及び第２の出力端子を有する電源結合用の全波ブリッ
    ジ整流器と、 第１及び第２の電流処理端子及び制御端子を有し、該第１の電流処理端子が前
    記整流器の前記第１の出力端子に結合されている第１のトランジスタと、 第１及び第２の端子を有し、該第１の端子が前記第１のトランジスタの前記第
    ２の端子に接続されているインダクターと、 前記電子トランジスタの前記第２の端子に結合されているカソード及び前記整
    流器の前記第２の端子に結合されているアノードを有するダイオードと、 制御端子、前記インダクターの前記第２の端子に結合された第１の電流処理端
    子、及び第１の出力端子に接続された第２の電流処理端子を有する第２のトラン
    ジスタと、 制御端子、前記インダクターの前記第２の端子に結合された第１の電流処理端
    子、及び第２の出力端子に接続された第２の電流処理端子を有する第３のトラン
    ジスタと、 前記第３のトランジスタの前記制御端子に接続された制御端子、前記整流器の
    前記第２の端子に結合された第１の電流処理端子、及び前記第１の出力端子に接
    続された第２の電流処理端子を有する第４のトランジスタと、 前記第２のトランジスタの前記制御端子に接続された制御端子、前記整流器の
    前記第２の端子に結合された第１の電流処理端子、及び第２の出力端子に結合さ
    れた第２の電流処理端子を有する第５のトランジスタと、 前記インダクターと直列に結合された電流センサーと、 前記インダクターの前記第２の端子と前記第４のトランジスタの前記第１の電
    流処理端子との間の電圧を検知するための電圧センサーと、 データプロセッサを有するディジタル信号プロセッサとを備え、 前記コントローラは、前記電流センサーに結合された第１の入力端子、前記電
    圧センサーに結合された第２の入力端子、前記第１のトランジスタの前記制御端
    子に結合された第１の制御信号を供給する第１の出力端子、前記第２のトランジ
    スタの前記制御端子に結合された第２の制御信号を供給する第２の出力端子、及
    び前記第３のトランジスタの前記制御端子に結合された第３の制御信号を供給す
    る第３の出力端子を有して、前記第１及び第２の出力端子に印加される電気エネ
    ルギーを制御する、 ことから成る電力コンバータ。
  20. 【請求項２０】 コントローラによって供給されるパルス幅変調信号を使っ
    てバックコンバータの電流スイッチを動作させ、 前記バックコンバータによって印加される電圧を測定し、かつ前記コントロー
    ラにその測定結果を供給し、 前記バックコンバータによって印加される電流を測定し、かつ前記コントロー
    ラにその測定結果を供給し、 前記電流測定、前記電圧測定、及び前記バックコンバータの出力に接続された
    負荷の特性に応答して前記コントローラにより供給されるパルス幅変調信号のパ
    ルス幅を調整し、かつ、前記負荷の特性は、前記コントローラ内に記憶されてい
    る、 各ステップから成る電力変換を実行する方法。
  21. 【請求項２１】 前記電流が、 前記パルス幅変調信号の立ち下がり縁後の一定時間でバックサイクル当たり一
    度瞬時出力電流及び瞬時出力電圧をサンプリングし、 １＋前記出力電圧の合計を、前記バックコンバータと負荷の間に直列に結合さ
    れたインダクターのインダクタンス値によって除算した値として、電流傾斜‘ｍ
    ’を計算し、 ＩＣ＝｛［ＴＤＳ−（１−Ｄ）*Ｐ］／２｝*ｍとして電流補正値を計算し、そ
    して、ここで、ＴＳＤは前記パルス幅変調信号の立ち上がり縁と、前記瞬時出力
    電流がサンプルされる時間との間のサンプル遅延時間であり、Ｄは前記パルス幅
    変調信号の先行サイクルのデューティサイクルであり、そしてＰは、前記パルス
    幅変調信号の周期であり、 前記瞬時出力電流＋前記電流補正値ＩＣとして真の平均出力電流を計算する、
    各ステップを含む方法によって測定される請求項１９に記載の電力変換を実行す
    るための方法。
  22. 【請求項２２】 前記インダクタンス値は、負荷電流に対するインダクタン
    スに関するデータのテーブルを参照することにより、前記インダクターを通る直
    流値に従い変動に対して補正される請求項２０に記載の電力変換を実行する方法
    。
  23. 【請求項２３】 前記コントローラがディジタル信号プロセッサである請求
    項１９に記載の電力変換を実行する方法。
  24. 【請求項２４】 前記コントローラが、前記バックコンバータによって提供
    される選択されたＲＭＳ電流レベルを維持する請求項１９に記載の電力変換を実
    行する方法。
  25. 【請求項２５】 前記コントローラが、前記バックコンバータにより提供さ
    れる選択されたＲＭＳ現在電圧を維持する請求項１９に記載の電力変換を実行す
    る方法。
  26. 【請求項２６】 前記コントローラは、前記バックコンバータによって提供
    される選択されたＲＭＳ現在電力レベルを維持する請求項１９に記載の電力変換
    を実行する方法。
  27. 【請求項２７】 外部コントローラからのコマンドされた電力レベルを受け
    取り、 前記バックコンバータによって印加される前記電圧の逆数を計算し、 ターゲット出力電流レベルを発生させるために前記コマンドされた電力レベル
    と前記電圧の前記逆数を掛け算し、 前記電流測定と前記ターゲット電流出力レベルとの間のエラーを減らすために
    前記パルス幅変調信号の前記パルス幅を調整する、 各ステップをさらに含む請求項２４に記載の電力変換を実行する方法。
  28. 【請求項２８】 電気負荷装置の特性を、電子メモリ内に記憶し、 交流入力ライン電圧を整流し、 前記負荷装置の記憶された特性に依存して整流された入力ライン電圧をフィル
    ターし、 前記負荷装置の記憶された特性に依存して前記スイッチの制御端子のパルス幅
    変調により高速度電子スイッチを制御し、 前記ブリッジの制御可能の導電性要素の制御端子に印加される相補的な発振信
    号によって、かつ前記負荷装置の記憶された特性に依存して、前記負荷装置に接
    続された電気ブリッジ出力ドライバを制御し、 前記負荷に供給される出力電流及び前記負荷に供給される出力電圧を含む、前
    記出力ドライバの電気パラメータを検知して、該検知された出力電流及び出力電
    圧に依存して前記電子スイッチのパルス幅変調を調整する、 各ステップから成る電力変換を実行する方法。
  29. 【請求項２９】 入力ライン電圧を検知し、そして、該検知された入力ライ
    ン電圧に依存して前記ブリッジの前記制御可能の導電性要素の前記制御端子に印
    加される発振信号を同期化する各ステップをさらに備える請求項２７に記載の方
    法。
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