JP2006526980A - 永久磁石オルタネーターのためのコントローラー - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の様々な局面に従って、永久磁石のオルタネーターの出力における広い変化に適応でき、比較的精密な電圧調整を提供する、比較的安価な制御システムが、以下に述べられる一つ以上によって提供される。
すでに指摘したように、整流器/リミッター200はオルタネーター101の幅広く変化する出力を整流することが可能で、かつその出力を所定の値に制限することが可能な任意の回路を備えることができる。しかしながら、好ましくは、整流器/リミッター200は、オルタネーターの出力および/または整流器/リミッター200の出力に基づいて、全波整流モード、全デューティサイクル半波整流モード、全波整流と全デューティサイクル半波整流との間における遷移的ディザーモード、あるいはパルス幅変調半波整流モード、において選択的に動作する、マルチモードの回路を備える。一般に、全波整流は最も効率が良く、従って、全波整流が所定の最大出力レベルを超えた出力電圧、例えば170ボルト、を生成する場合を除けば、そのモードにおいて動作することが最も効率が良い。以下で説明されるように、動作モードが全波整流と半波整流の間で切り替えられるポイントは、瞬間的なRPMと実際の整流モードとは無関係の負荷条件の下における全波整流によって生成され得る出力の代表値であるインディシア信号(V_SNS)に基づいて決定され得る。インディシア信号V_SNSは、以下で説明されるように、半波整流モードにおける動作の間にオルタネーター101で起こされた上昇したIRドロップがインディシア信号における減少電圧として反映される場合を除けば、瞬間のRPMと(実際の整流モードとは関係のない)負荷条件下でのオルタネーター出力の全波整流によって生成され得る出力電圧レベルにちょうど正比例する。半波整流信号のパルス幅変調が初期化されるポイントは、整流器/リミッター出力をモニタリングすることによって決定される。
GetAnalogInputs:アナログ入力(V_SNS,I_SNS)を要求し、各結果をバッファーに蓄え、各バッファーの平均を計算する。アナログ入力は各タイムベース(100us)にモニターされる。プロセスの終了後、フラグがセットされる。
InitCpuRam:コントロールレジスターを初期化し、使用された全RAMを消去する
InitSpecialVals:変数をセットアップする、または本プログラムに関する詳細をレジストする
WriteHistory:アナログ履歴配列内の固有の位置にアナログ結果を保存するために、アナログスレッドによって使用される
CalcADHistAvg:単一のチャンネルよって用いられるアナログ履歴配列のセクションの平均を計算するために、アナログスレッドによって用いられる。
半ブリッジ変換回路203のようなパワースイッチを用いる高電力のアプリケーションにおいては、スイッチング損失、例えばスイッチ操作の間に発生するIR損失は、重大な問題となり得る。概算では、特別な設備がない場合に入力エネルギーの約10%が熱の形で損失され得る。つまり、10kWの電力変換に対してエネルギーの1kWが熱の形で損失され得る。そのような熱は好ましくない効果を生み得る。例えば、パワースイッチのみならず、システム上の電気的要素に対する信頼性を低下させる。加えて、変換の間、スイッチ装置間の電圧、および/または、そこを流れる電流を高速切り替えすることは、無線周波数放出、すなわち、干渉を生む傾向がある。
既に述べたように、調節器400は所定のレベル、例えば180V±2%における、一定の電圧を提供する。図4を参照すると、調節器400は、好ましくは、一つ以上のブーストステージ404と、制御回路412、さらに、好ましくは、スイッチングエネルギー低減回路410(調節器/リミッター200における回路204に類似)を備える、ブーストタイプの調節器である。ブーストステージ404は、入力キャパシター420と、インダクタンス422、ブーストダイオード424、パワースイッチ426とそれに関連する(制御回路412からの制御信号に応答する)ドライバー回路428、および出力ストレージキャパシター432を適切に含む。出力は、出力端子+VROおよび−VRO(共通の接地)の間に提供される。
インバーター108は、整流および調節システム102(例えば調節器400)の出力から、所定の電圧および波形、例えば、120ボルトRMS50/60HzAC、のAC出力信号を提供することの出来る、任意の回路を備え得る。図8を参照すると、適切なインバーターブリッジは、次の要素を備える:(例えば、一つ以上のFETを備える)第一の「高い側」(上側)のスイッチ回路802(+U)と、それに関連し、インバーター出力の正の半サイクルに関係するドライバー回路804;第二の「高い側」(上側)のスイッチ回路806(−U)と、それに関連し、インバーター出力の負の半サイクルに関係するドライバー回路808;第一の「低い側」(下側)のスイッチ回路810(+L)と、それに関連し、インバーター出力の正の半サイクルに関係するドライバー回路812;第二の「低い側」(下側)のスイッチ回路814(−L)と、それに関連し、インバーター出力の負の半サイクルに関係するドライバー回路816;通常はインダクターとキャパシターを含むような適切なドライバーフィルター回路822;電流センス回路824;および、コントローラー826。好ましい実施形態においては、インバーター108は、低い側のスイッチ回路810および814とにそれぞれ協働する、スイッチング損失低減回路818および820(整流器/リミッター200における回路204に類似している)の各々を、さらに含む。与えられた半サイクルに関係するスイッチ装置(802,810;806,814)は、調節されたDCレール、例えば、整流および調節システム102の出力VRO、および、共通の接地の間に、フィルター822と直列に接続される。高い側のスイッチ(802,806)は正のレール+VROとフィルター822の間に接続され、低い側のスイッチ(810,814)は出力フィルター822と共通の接地との間に接続される。AC出力は、フィルター822から出力される。電流センス回路824は、AC電流を示す出力信号I_SNSを提供する。コントローラー826は、ドライバー804,808,812および814へ、制御信号を提供する。
タイマー0(TMR0) タイマー0は、内部クロックによって駆動される、8ビットのカウンターとして構成される。タイマー値は、固定されたタイムベース、例えば100mSにおいて、タイマー0からの割り込みイベントを生成するために、各ロールオーバー上にリロードされる。
TBLPTRU:24ビットポインターの、「上部」の最も高い8ビット
TBLPTRH:24ビットポインターの、高部の8ビット
TBLPTRL:24ビットポインターの、最も低い8ビット
から構成される。
GetNextDuty:デューティーサイクルが再開されたことを示すフラグをチェックする。セットされた場合、ハードウェアレジスターを使用するようにするために、テーブルから提供される、次のデューティーサイクルを保持するために必要とされるステップを実行する。既に述べたように、この機能がPWMフレームの終了までに完了しない場合、古いデューティーサイクルが再利用され得る。従って、この機能は最も高い優先順位を与えられており、一旦始動されると、システム内のその他のいかなるタスクをも無視して実行される。
InitCpuRam:コントロールレジスターを初期化し、使用された全RAMを消去する
InitSpecialVals:変数をセットアップする、または本プログラムに関する詳細をレジストする
GetTable:デューティーサイクルから読み出しを行い、埋め込まれたフラグを送信する。本ルーチンは、テーブルの終了も検出する。テーブルの終了が検出された場合、TBLPTRがリロードされ、条件を示すためにフラグがセットされる
WritePWMReg:テーブルからのデューティーサイクルをハードウェア内に書き込む
WriteHistory:アナログ履歴配列内の固有の位置にアナログ結果を保存するために、アナログスレッドによって使用される
CalcADHistAvg:単一のチャンネルに対して用いられるアナログ履歴配列のセクションの平均を計算するために、アナログスレッドによって使用される。
(DC−DCコンバーター106)
既に述べたように、DC−DCコンバーター106は、整流および調節システム102(例えば、調節器400)の比較的高い電圧出力(例えば180V)から、所望の出力電圧V1、例えば12,24,または42DCボルトを引き出す。DC−DCコンバーター106は、例えば、半ブリッジ、スイッチモードにおける全ブリッジ、プッシュプル、フライバック、フォワードコンバーター、あるいはバックブーストコンバーターのような、適切な位相を用いて実施され得る。DC−DCコンバーター106の好ましい実施形態は、全ブリッジパルス幅変調、ステップダウン、の位相を用いることによって実施される。図6を参照すると、そのようなDC−DCコンバーター106は、次の要素を適切に備える:フィルターキャパシター602;従来型のパルス幅変調(PWM)コントローラー606(例えば、LinFinity SG1842 Current−Mode PWM Controller)に応答する、例えばFETである、パワースイッチの、従来型のインバーターH−ブリッジ604;従来型のステップダウン変圧器610;従来型のダイオードブリッジ整流器612およびストレージキャパシター614。一般に、比較的高いレベル(例えば、180ボルト)のDC入力信号(調節器400からのVRO)は、インバーター604によってパルス幅変調された信号に変換される。変圧器610は、PWM信号の電圧を所定のレベルにステップダウンする。整流器612は、その後、信号をDCに整流し、ストレージキャパシター614を充電する。PWM信号のデューティーサイクルは、出力V1に基づいて、コントローラー606によって制御され、出力信号を所定の値に調節する。各スイッチング損失低減回路608(回路204に類似)が、好ましくはインバーターブリッジにおけるスイッチ604に対して提供される。
Claims (32)
- 所定の出力電圧を有する調節されたDC出力信号を生成するための、最大レベルが比較的高い可変電圧の交流入力信号に応答するシステムであって、該システムは、
該入力信号から、所定の初期最大電圧を有する整流されたDC信号を生成する整流器であって、該初期最大電圧は該所定の出力電圧に比べて高電圧である、整流器と、
該整流されたDC信号から、所定の中間電圧における調節されたDC信号を生成する調節器であって、該所定の中間電圧は該所定の出力電圧に比べて高電圧である、調節器と、
該調節された高電圧のDC信号から、該所定の出力電圧を有する調節されたDC出力信号を生成するための、少なくとも1つのDC−DCコンバーターと
を備える、システム。 - 前記初期最大電圧が前記中間電圧よりも低く、
前記調節器がブースト回路を備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記DC−DCコンバーターが、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つのスイッチ要素を含み、
ターンオフ中の該スイッチ要素間の電圧の変化率を制限するために配置されたキャパシターと、
次の連続するターンオフ期間の開始までに、該キャパシターが実質的に完全に放電されるように、前記ブースト回路の出力部に向けて該キャパシターを選択的に放電するための回路とをさらに含む、請求項0に記載のシステム。 - 前記整流器が、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つののスイッチ要素を含み、
ターンオフ中の該スイッチ要素間の電圧の変化率を制限するために配置されたキャパシターと、
次の連続するターンオフ期間の開始までに、該キャパシターが実質的に完全に放電されるように、該整流器の出力部に向けて該キャパシターを選択的に放電するための回路とをさらに含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記キャパシターを選択的に放電するための回路が、
インダクターと、第二のスイッチ装置と、ダイオードとを備え、該第二のスイッチ装置は、該キャパシターを横断する該インダクターと、該インダクターと前記整流器の出力部との間に方向性の電流経路を提供するために配置されたダイオードと、に直列に接続されている、請求項0に記載のシステム。 - 前記整流器と調節器のうちの少なくとも1つが、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つのパワースイッチ要素を含み、
第一および第二のダイオード、キャパシター、インダクター、およびスイッチ装置とをさらに含み、
該第一のダイオードと該キャパシターは、該パワースイッチ要素を横断して接続され、
該スイッチ装置は、該キャパシターを横断して該インダクターと直列に接続され、
該第二のダイオードは、該インダクターと所定の放電ポイントとの間に方向性の電流経路を提供するために配置されている、請求項1に記載のシステム。 - パワースイッチが前記整流器の内部にあり、前記所定の放電ポイントが該整流器の出力部である、請求項0に記載のシステム。
- 前記所定の放電ポイントが前記調節器の出力部である、請求項0に記載のシステム。
- 前記整流器が、
全波整流モードまたは半波整流モードにおいて、入力信号の瞬間電圧に基づいて二者択一的に動作し、半サイクルモードの時、全デューティーサイクルモードまたはパルス幅変調モードにおいて、前記整流されたDC信号の電圧にしたがって二者択一的に動作する、マルチモード回路を備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記マルチモード回路が、
前記入力信号の電圧が前記初期最大電圧に到達する時、全波整流から半波整流に切り替え、
該入力信号の電圧が所定の下方閾値を下回る時、半波整流から全波整流に切り替え、該所定の下方閾値は該初期最大電圧よりも所定の差だけ低く、
半波整流モード時に、前記整流されたDC信号の電圧が該初期最大電圧を超える場合に、パルス幅変調モードに切り替える、請求項0に記載のシステム。 - 全波整流が前記所定の最大電圧を超える出力レベルを生成するが、半波整流が所定の下方閾値と少なくとも等しい出力レベルを提供しない条件の下では前記マルチモード回路が全波整流と半波整流との間でディザーする、請求項0に記載のシステム。
- 前記整流器が、
供給された制御信号に応答し、前記入力信号の全波整流を選択的に行う整流ブリッジ回路と、
供給された制御信号に応答し、該入力信号の半波整流を選択的に行う、該整流ブリッジ回路と協働する半ブリッジ変換回路と、
前記出力信号電圧のインディシアに応答し、前記半波整流信号のデューティーサイクルを選択的に制御するパルス幅変調器と、
該入力信号のインディシアに応答し、該整流ブリッジ回路および該半ブリッジ変換回路
への該制御信号を生成する、制御回路と
を備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記入力信号の電圧が前記初期最大電圧に到達する時、全波整流から半波整流に切り替え、該入力信号の電圧が該初期最大電圧よりも所定の量だけ下回る時、半波整流から全波整流に切り替えるために、前記制御回路が、前記整流ブリッジ回路と前記半ブリッジ変換回路への制御信号を生成する、請求項0に記載のシステム。
- 可変電圧の交流入力信号から、所定の出力電圧を有する調節されたDC出力信号を生成するためのシステムであって、該システムは、
マルチモード整流回路とブースト調節器と備え、
該マルチモード整流回路は、前記入力信号から、前記所定の出力電圧よりも低い所定の最大閾値電圧を有する整流されたDC信号を生成し、
該マルチモード整流回路は、
全波整流モードまたは半波整流モードにおいて二者択一的に動作し、半波整流時に、全デューティーサイクルモードまたはパルス幅変調モードにおいて二者択一的に動作し、
該入力信号の電圧が前記最大閾値電圧を超える時、全波整流から半波整流に切り替え、
該入力信号の電圧が該所定の下方閾値を下回る時、半波整流から全波整流に切り替え、該所定の下方閾値は該最大閾値電圧よりも所定の差だけ低く、
半波整流モード時、該整流されたDC信号の該電圧が該最大閾値電圧を超える場合にパルス幅変調モードに切り替え、
該ブースト調節器は、該整流されたDC信号から、該所定の出力電圧における前記調節されたDC信号を生成する、システム。 - 全波整流が前記所定の最大閾値電圧を超える出力レベルを生成するが半波整流が少なくとも該所定の下方閾値レベル以下である出力レベルを提供しない条件の下では、前記マルチモード回路が全波整流と半波整流の間でディザーする、請求項0に記載のシステム。
- 前記整流回路が、
供給された制御信号に応答し、前記入力信号の全波整流を選択的に行う整流ブリッジ回路と、
供給された制御信号に応答し、該入力信号の半波整流を選択的に行う、該整流ブリッジ回路と協働する半ブリッジ変換回路と、
前記出力信号電圧のインディシアに応答し、前記半波整流信号のデューティーサイクルを選択的に制御するパルス幅変調器と、
該入力信号のインディシアに応答し、該整流ブリッジ回路および該半ブリッジ変換回路への該制御信号を生成する制御回路と
を備える、請求項0に記載のシステム。 - 前記整流器と調節器のうちの少なくとも1つが、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つのスイッチ要素を含み、
ターンオフ中の該スイッチ要素間の電圧の変化率を制限するために配置されたキャパシターと、
該スイッチ要素の次の連続するターンオフの開始までに、該キャパシターが実質的に完全に放電されるように、所定の放電ポイントに向けて該キャパシターを選択的に放電するための回路とをさらに含む、請求項0に記載のシステム。 - 前記整流器と調節器のうちの少なくとも1つが、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つのパワースイッチ要素を含み、
第一および第二のダイオード、キャパシター、インダクター、およびスイッチ装置をさらに含み、
該第一のダイオードと該キャパシターは前記パワースイッチ要素を横断して接続され、
該スイッチ装置は、該キャパシターを横断して該インダクターと直列に接続され、該パワースイッチ要素と同期して動作し、
該第二のダイオードが、該インダクターと所定の放電ポイントとの間に方向性の電流経路を提供するために配置されている、請求項0に記載のシステム - パワースイッチが前記整流器の中にあり、前記所定の放電ポイントが前記整流器の出力部である、請求項0に記載のシステム。
- 所定の周波数と波形を有するAC出力信号を生成するための、前記調節されたDC出力信号に応答するインバーターをさらに含む、請求項0に記載のシステム。
- 前記インバーターが、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つのスイッチ要素を含み、
ターンオフ中の該スイッチ要素間の電圧の変化率を制限するために配置されたキャパシターと、
該スイッチ要素の次の連続するターンオフの開始までに、該キャパシターが実質的に完全に放電されるように、所定の放電ポイントに向けて該キャパシターを選択的に放電するための回路とをさらに含む、請求項0に記載のシステム。 - 前記所定の放電ポイントが前記ブースト調節器の出力部である、請求項0に記載のシステム。
- 前記インバーターが、
外部負荷に利用可能な正弦出力AC信号が生成されるフィルター回路と、
第一の極性を有する前記AC出力信号の半サイクルに関連し、該第一の極性に対応する方向に向けて該フィルターを通る電流を選択的に確立するように接続されている第一のスイッチペアと、
第二の極性を有する前記AC出力信号の半サイクルに関連し、該第二の極性に対応する方向に向けて該フィルターを通る電流を選択的に発生させるように接続されている第二のスイッチペアと、
各ペアは、第一および第二のスイッチ装置を備え、該第一および第二のスイッチは供給される制御信号に応答し、
該AC出力信号の連続する半サイクルに対応した連続する時間期間の間、該スイッチへの制御信号を循環的に生成するコントローラーであって、
実質的に該時間期間の全体の間、該対応する半サイクルの極性に関連するスイッチペアの第一のスイッチに導電性を与え、
所定の波形に対応する所定のパルス幅変調パターンに基づいて、該対応する半サイクルの極性に関連するスイッチペアの第二のスイッチに選択的に導電性を与える、コントローラーとを備える、請求項0に記載のシステム。 - 少なくとも1つのスイッチが、
ターンオフ損失を被る傾向があるスイッチ要素を含み、
ターンオフ中の該スイッチ要素間の電圧の変化率を制限するために配置されたキャパシターと、
該スイッチ要素の次の連続するターンオフの開始までに、該キャパシターが実質的に完全に放電されるように、所定の放電ポイントに向けて該キャパシターを選択的に放電するための回路とをさらに含む、請求項0に記載のシステム。 - 前記第二のスイッチが、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つのパワースイッチ要素を含み、
第一および第二のダイオード、キャパシター、インダクター、およびスイッチ装置をさらに含み、
該第一のダイオードおよび該キャパシターは、該パワースイッチ要素を横断して接続され、
該スイッチ装置は、該キャパシターを横断して該インダクターと直列に接続され、該パワースイッチ要素と同期して動作し、
該第二のダイオードが、該インダクターと所定の放電ポイントとの間に方向性の電流経路を提供するために配置されている、請求項0に記載のシステム。 - 前記所定の放電ポイントがブースト調節器の出力部である、請求項0に記載のシステム。
- 前記コントローラーが、
前記インバーター上の前記負荷のインディシアを生成するためのセンサー回路を含み、
連続する時間期間の間、前記対応する半サイクルの極性とは逆の極性に関連するスイッチペアの第一のスイッチへ更なる制御信号を生成し、
前記負荷が所定の値を下回る時、該対応する半サイクルの極性に関連するスイッチペアの第二のスイッチとは互いに相容れない基礎であるスイッチに対して導電性を与え、
該負荷が所定の値を超える時、実質的に該時間期間の全体の間に該スイッチに対して非導電性を与える、請求項0に記載のシステム。 - 前記調節されたDC出力信号が、正のレールと共通のレールとの上にあるインバーターに提供され、前記スイッチペアの前記第一のスイッチが該正のレールと前記フィルターとの間に接続され、前記スイッチペアの前記第二のスイッチが該フィルターと該共通のレールとの間に接続されている、請求項0に記載のシステム。
- 前記第二のスイッチが、
ターンオフ損失を被る傾向がある少なくとも1つのスイッチ要素を含み、
第一および第二のダイオード、キャパシター、インダクター、およびスイッチ装置とをさらに含み、
該第一のダイオードおよび該キャパシターは、前記パワースイッチ要素を横断して接続され、
該スイッチ装置は、該キャパシターを横断して該インダクターと直列に接続され、該パワースイッチ要素と同期して動作し、
該第二のダイオードが、該インダクターと所定の放電ポイントとの間に方向性の電流経路を提供するために配置されている、請求項0に記載のシステム。 - 前記所定の放電ポイントが正のレールである、請求項0に記載のシステム。
- 自動車での使用に適合しており、交流入力信号を生成するための永久磁石のオルタネーターをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- オルタネーター、および、所定の出力電圧を有する調節されたDC出力信号を生成するための回路を含むタイプの車両用電気システムであって、
該オルタネーターは、広いRPM範囲におよぶ駆動を被り、該システムは広い範囲の外部負荷を被り、
該オルタネーターは永久磁石のオルタネーターを備えるように改良され、
該調節されたDC出力信号を生成するための回路は、
入力信号から、所定の初期最大電圧を有する整流されたDC信号を生成するための整流器であって、該初期最大電圧は該所定の出力電圧と比較して高電圧である、整流器と、
該整流されたDC信号から、所定の中間電圧における調節されたDC信号を生成するための調節器であって、該所定の中間電圧は該所定の出力電圧と比較して高電圧である、調節器と、
該調節された高電圧のDC信号から、該所定の出力電圧をもつ調節されたDC出力信号を生成するための、少なくとも1つのDC−DCコンバーターとを備えるように改良された、車両用電気システム。
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