JP2009534006A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路および方法 - Google Patents

Abstract

出力レールピンおよびトリムピンを有するＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路および方法と、そのシステムまたは方法を組み込んだ分散型電力変換システム。一実施形態では、システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの出力レールピンおよびトリムピンと結合し、過渡応答特性を変更するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの内部の少なくとも１つのネットワークと相互作用するように構成されている無効分を含む。

Description

本発明は、概して、ＤＣ／ＤＣ電力変換を対象にし、より詳細には、「ポイント・オブ・ロード」ＰＯＬコンバータ・モジュールの形態をとることが可能であるＤＣ／ＤＣ電力コンバータの過渡応答特性を変更するための回路および方法を対象にする。

高性能な電力変換システムは、最新の電子システムのすべてのやり方およびタイプを支持する極めて重要な役割を引き続き担っている。いくつかの電子システムは、多重負荷を含み、そのそれぞれが電流、電圧および質の点で、それぞれの特定の要求を有する。したがって、分散型電力変換システムを使用して、電力をそれらの電子システムに供給するようになってきている。

分散型電力変換システムは、セントラル・コンバータ、およびセントラル・コンバータの出力部と結合されているＤＣ電力分散バスによって特徴付けられる。ＰＯＬコンバータの形態をとることが可能である複数のＤＣ／ＤＣコンバータが、ＤＣ電力分散バスと結合し、電子システムにおける様々な負荷に対応している。（ＤＣ／ＤＣコンバータは、絶縁または非絶縁可能であり、ＰＯＬコンバータは、通常、非絶縁のみである。）ＤＣ／ＤＣコンバータは、それらが関連している特定の負荷に、ＤＣ電力分散バスから、電力の最終変換を行うように設計されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、所定の入出力ピン、および出力電圧セットピンまたは「トリム」ピンを有する標準モジュールおよびあらかじめパッケージされたモジュールの形態で市販されている。モジュールは、電力トレインと、出力電圧のみならず、電力トレインが、電力バスまたは負荷の変動の結果として生じる可能性がある過渡条件に応答するやり方（モジュールの「過渡応答特性」と呼ばれることが多い）も決定する制御回路とを含む。モジュールは、標準的であり、あらかじめパッケージされているので、それらの制御回路は、幅広い起こり得る負荷を調整するのに適した過渡応答特性を有するように必ず設計されている。

残念ながら、様々な負荷に許容されることが可能である過渡応答特性は、特定の負荷には不十分であることが多い。結果として、電力の質およびシステムの全体的有効性に、弱点を有することが多い。もちろん、標準品でなく、適合する過渡応答特性により、特定の負荷に対して設計されたカスタム品であるカスタムＤＣ／ＤＣコンバータを設計し、展開することは可能であろうが、それが、より費用のかかる解決策であることは明白であり、したがって、多数の費用重視の適用例には許容されない。

当技術分野に求められていることは、特定の負荷に、市販されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を適合させる方法である。より具体的には、当技術分野に求められていることは、モジュールを破壊せずに、そのパッケージおよび外側のインターフェースを保全したまま、市販の標準ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更する方法である。

先に論じた従来技術の不十分な点に取り組むために、本発明は、一態様において、出力レールピンおよびトリムピンを有するＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路を提供する。一実施形態では、システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの出力レールピンおよびトリムピンと結合され、過渡応答特性を変更するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの内部の少なくとも１つのネットワークと相互作用するように構成されている無効分を含む。

別の態様では、本発明は、出力レールピンおよびトリムピンを有するＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更する方法を提供する。一実施形態では、方法は、（１）無効分を、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの出力レールピンおよびトリムピンと結合させることと、（２）過渡応答特性を変更するために、無効分に、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの内部の少なくとも１つのネットワークと相互作用させることと、を含む。

また別の態様では、本発明は、分散型電力変換システムを提供する。一実施形態では、システムは、（１）セントラル・コンバータと、（２）セントラル・コンバータの出力部と結合されているＤＣ電力分散バスと、（３）ＤＣ電力分散バスと結合されている複数のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールであって、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールのそれぞれが、ＰＯＬコンバータ・モジュールのそれぞれの過渡応答特性を変更するための出力レールピン、トリムピンおよび回路を有し、回路が、ＰＯＬコンバータ・モジュールのそれぞれの出力レールピンおよびトリムピンと結合され、過渡応答特性を変更するために、ＰＯＬコンバータ・モジュールのそれぞれの内部の少なくとも１つのネットワークと相互作用するように構成されている無効分を含む、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールと、を含む。

本発明の好ましい特徴および代替の特徴を先に概説しており、それにより、当業者は、後に続く本発明の詳細な説明をより理解することが可能になる。本発明の特許請求の範囲の対象を成す本発明の追加の特徴は、後述されよう。当業者は、彼らが、本発明の同じ目的を実施するための他の構造を設計または修正するための基礎として、開示されている概念および特定の実施形態を容易に使用することが可能であることを認識されたい。また、当業者には、この種の均等な構成が、本発明の精神および範囲から逸脱していないことを認識されたい。

本発明をより完全に理解するために、次に、添付の図面と併用して以下の説明を述べる。

まず、図１を参照すると、本発明のシステムまたは方法を組み込んでいる概して１００と示す分散型電力変換システムのブロック図を示している。分散型電力変換システム１００は、セントラル・コンバータ１１０と、セントラル・コンバータ１１０の出力部と結合されているＤＣ電力分散バス１２０とを含む。複数のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール、例えば、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｎが、ＤＣ電力変換バス１２０と結合し、様々な負荷、例えば、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｎに対応している。ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｎは、それらが関連している特定の負荷１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、１４０ｎに、ＤＣ電力分散バス１２０から、電力の最終変換を行うように設計されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｎは、絶縁または非絶縁のコンバータを含むことが可能である。それらのモジュールは、通常は、非絶縁だけであるＰＯＬコンバータを含むことが可能である。

次に、図２を参照すると、本発明の原理により構成され、もしくは実施される回路または方法が、その過渡応答特性を変更するために適用可能である市販されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール、例えば、図１のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａのブロック・ピン配列図を示している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａは、制御回路２２０によって生成される制御信号に応答して、電力変換を行うことを可能にしている電力トレイン２１０を含む。当業者には、電力コンバータのための多数の従来型電力トレイン・トポロジーがよく知られている。本発明には、いずれの従来型または後に開発される電力トレイン・トポロジーを組み込むことが可能である。

先に述べたように、制御回路２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａの出力電圧のみならず、電力バス（例えば、図１のＤＣ電力分散バス１２０）または負荷（例えば、図１の負荷１４０ａ）の変動に対する電力トレイン２１０の過渡応答特性も決定する。図２のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａは、標準的なあらかじめパッケージされているモジュール（周囲実線囲み部２００によって示されている）の形態で、市販されていることが多い。ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａは、あらかじめパッケージされているので、その制御回路２２０は、幅広い起こり得る負荷を調整するのに適した過渡応答特性を有するように必ず設計されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａは、所定のピン（「ピン」は、任意の物理構成のパッケージ電気接点の総称である）を有する。より具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａは、正の入力レールであるＶｉｎ（＋）ピン２３０と、負の入力レールであるＶｉｎ（−）ピン２３５と、制御信号を受け取って、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａをオンおよびオフするオン／オフ・ピン２４０と、正の出力レールであるＶｏ（＋）ピン２４５と、負の出力レールであるＶｏ（−）ピン２５０と、正の遠隔センスピンであり、電圧制御ポイントが設定されることになる正のレール上のポイントに接続されるように設計されているＳ（＋）ピン２５５と、負の遠隔センスピンであり、電圧制御ポイントが設定されることになる負のレール上のポイントに接続されるように設計されているＳ（−）ピン２６０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａの出力電圧レベルを調整（すなわち、Ｖｏ（＋）ピン２４５およびＶｏ（−）ピン２５０の間であるように）するために、抵抗および電圧源の一方または双方に接続されるように設計されているトリムピン２６５とを有する。

いくつかの市販されているモジュールでは、Ｖｏ（＋）およびＳ（＋）が、モジュールの内部で一緒に接続され、Ｖｏ（−）およびＳ（−）が同様に、モジュールの内部で一緒に接続されている。Ｖｏ（＋）およびＳ（＋）、ならびにＶｏ（−）およびＳ（−）を接続することにより、ピン数は２つだけ抑えられるが、モジュール内のポイントで電圧調整が余儀なく起きてしまうことになる。簡単にするために、図３、４および５は、モジュールの内部で一緒に接続されているＶｏ（＋）およびＳ（＋）、ならびにＶｏ（−）およびＳ（−）を図らずも示している。しかし、本発明の原理は、Ｖｏ（＋）およびＳ（＋）、ならびにＶｏ（−）およびＳ（−）が、モジュールの内部でまたは外部で一緒に接続されているか、いないかに関わらず適用する。非絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ・モジュールでは、共通の接地端子が、Ｖｉｎ（−）およびＶｏ（−）の端子に取って代わり、これらの端子の双方の機能を果たすことが多い。

次に、図３を参照すると、図２の市販されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール１３０ａ内に含まれる制御回路２２０の概略図を示している。制御回路２２０は、オペアンプｏｐａｍｐ３２０の出力の関数であるパルス幅変調ＰＷＭ制御信号を生成するパルス幅変調器３１０を含む。フィードバック・ネットワーク３３０ならびに第１および第２の入力ネットワーク３４０、３５０は、無効分（例えば、コンデンサ）、ならびにオペアンプ３２０が、Ｖｏ（＋）／Ｓ（＋）２４５／２５５およびＶｏ（−）／Ｓ（−）２５０／２６０の過渡条件に応答するやり方を決定する他の成分（例えば、抵抗）を含む。制御回路２２０、ならびに全体として図１および２のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール（例えば、１３０ａ）の過渡応答特性は、したがって、フィードバック・ネットワーク３３０ならびに第１および第２の入力ネットワーク３４０、３５０における成分の値によって決まる。上述のように、これらの成分は、モジュールの内部にあり、モジュールを破壊することなしに、恐らくは損傷を与えることなしに、アクセス不可能である。図３で分かるように、トリムピン２６５は、１つまたは複数の抵抗もしくは電圧源を、トリムピンと、および通常はＶｏ（−）またはＶｏ（＋）と結合させることによって、モジュールの出力電圧を設定するために利用可能である。しかし、トリムピン２６５は、従来は、厳密にその目的に限定されてきた。

本発明には、トリムピン２６５は、新規の、非自明の、全く予想外の目的に使用可能であるという基本認識が含まれる。トリムピンを、（１つまたは複数の抵抗もしくは電圧源を使用することによって）単にモジュールの出力電圧を変更するための手段として認識するのでなく、代わりにまたは加えて、トリムピンを使用して、（１つまたは複数の無効分を使用することによって）モジュールの過渡応答特性を変更することが可能である。これにより、モジュールの過渡応答特性は、必要に応じて、特定の負荷に合わせることが可能になる。

１つまたは複数の無効分（例えば、コンデンサ）を、トリムピン２６５と結合させることによって、第１または第２の入力ネットワーク３４０、３５０、もしくはその双方は、増加可能であり、それによって、変更可能である。第１および第２の入力ネットワーク３４０、３５０の一方または双方を変更することにより、オペアンプ３２０は、Ｖｏ（＋）／Ｓ（＋）２４５／２５５およびＶｏ（−）／Ｓ（−）２５０／２６０における過渡条件に応答するやり方を変更し、したがって、制御回路２２０、ならびに全体として図１および２のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール（例えば、１３０ａ）の過渡応答特性を変更する。

次に、図４を参照して、本発明の原理により構成されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路４６０の一実施形態の概略図と共に、図３の制御回路２２０を示している。図４では、回路４６０は、Ｖｏ（＋）／Ｓ（＋）ピン２４５／２５５およびトリムピン２６５にまたがる単一の無効分の形態をとる。単一の無効分は、具体的には、コンデンサであることが示されている。代替としては、回路４６０は、複数の無効分の形態をとることも可能であり、コンデンサでない１つもしくは複数の無効分（例えば、インダクタ）から成り、またはその無効分を含むことが可能であり、トリムピン２６５およびＶｏ（−）／Ｓ（−）ピン２５０／２６０にまたがることが可能であり、あるいはＶｏ（＋）／Ｓ（＋）ピン２４５／２５５およびトリムピン２６５にまたがることが可能である。回路４６０は、第１の入力ネットワーク３４０と相互作用して、モジュールの過渡応答特性を変更する。

次に、図５を参照して、本発明の原理により構成されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路５６０の別の実施形態の概略図と共に、図３の制御回路２２０を示している。図５では、回路５６０は、Ｖｏ（＋）／Ｓ（＋）ピン２４５／２５５およびトリムピン２６５にまたがる単一の非無効分と直列に結合されている単一の無効分の形態をとる。具体的には、単一の無効分は、コンデンサであることが示されている。単一の非無効分は、抵抗であることが示されている。代替としては、回路５６０は、複数の無効分および／または非無効分の形態をとることが可能であり、コンデンサでない１つもしくは複数の無効分（例えば、インダクタ）から成り、またはその無効分を含むことが可能であり、トリムピン２６５およびＶｏ（−）／Ｓ（−）ピン２５０／２６０にまたがることが可能であり、あるいはＶｏ（＋）／Ｓ（＋）ピン２４５／２５５およびトリムピン２６５にまたがることが可能である。図４と同様に、回路５６０は、第１の入力ネットワーク３４０と相互作用して、モジュールの過渡応答特性を変更する。

例えば、モジュールは、３Ａから６Ａの負荷変動を与えられる２１６ｍＶの過渡出力電圧偏差を有する可能性がある。４７μＦの外部キャパシタンスを負荷に与えると（従来のように）、過渡出力電圧偏差は単に１４１ｍＶに下がるだけである。しかし、Ｖｏ（＋）とトリムピンとの両端間に、直列接続された１０ｎＦのコンデンサおよび４７Ωの抵抗を適用すると、過渡出力電圧偏差は６２ｍＶまで劇的に抑えられる。実際には、キャパシタンスおよび抵抗の他の値には、過渡応答の５倍よりも多くの改良がもたらされる可能性があることが分かっている。

次に図６を参照して、本発明の原理により実施されるＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更する方法の一実施形態の流れ図を示している。方法は、開始ステップ６１０で始まる。ステップ６２０では、外部負荷を有するモジュールの過渡応答および安定性の特性が決定される。これにより、そのための改良が見られるモジュールおよび負荷について基準性能条件が設定される。ステップ６３０では、少なくとも１つの無効分（例えば、コンデンサ）を含む外部ネットワークが、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの出力レールピンおよびトリムピンと結合される。代替としては、無効分は、別の無効分に置き換え可能であり、もしくは追加の無効分または非無効分により増加可能でもある。１つの有利な実施形態では、この外部ネットワークは、図５に示す抵抗と直列のコンデンサの形態をとる。ステップ６４０では、出力レールピンとトリムピンの間に接続されている外部ネットワークと共に、モジュールおよび負荷の過渡応答および安定性の特性が、再決定される。満たされた（決定ステップ６５０において決定された）場合には、方法はステップ６６０において終了する。しかし、ステップ６３０、６４０は、出力レールとトリムピンの間の外部に接続されているネットワークについての成分値の満たした組が得られるまでは、必要に応じて、反復可能である。代替としては、外部負荷全体は、負荷全体に接続されている負荷フィルタリング・ネットワークを修正し、次いで、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力レールピンとトリムピンの間に接続されている外部ネットワークの最適な値を再決定することによって、変更可能である。

本発明を詳細に述べてきたが、当業者は、彼らが、その広範な形態で本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書における様々な変更形態、代替形態、および修正形態を行うことができることを理解されたい。

セントラル・コンバータと、対応する負荷について分散型複数のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールとを含み、本発明のシステムまたは方法を組み込んだ分散型電力変換システムを示すブロック図である。 本発明の原理により構成され、もしくは実施される回路または方法が、その過渡応答特性を変更するために適用可能である市販されている標準ＤＣ−ＤＣコンバータ・モジュールを示すブロック・ピン配列図である。 図２の市販されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュール内に含まれる制御回路を示す概略図である。 本発明の原理により構成されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路の一実施形態の概略図と共に、図３の制御回路を示す図である。 本発明の原理により構成されているＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路の別の実施形態の概略図と共に、図３の制御回路を示す図である。 本発明の原理により実施されるＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更する方法の一実施形態を示す流れ図である。

Claims (21)

1. 出力レールピンおよびトリムピンを有するＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更するための回路であって、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの前記出力レールピンおよび前記トリムピンと結合され、前記過渡応答特性を変更するために、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの内部の少なくとも１つのネットワークと相互作用するように構成されている無効分を含む回路。
2. 前記無効分がコンデンサである、請求項１に記載の回路。
3. 前記無効分と結合されている非無効分をさらに備える、請求項１に記載の回路。
4. 前記非無効分が前記無効分と直列に結合されている、請求項３に記載の回路。
5. 前記出力レールピンが正の出力レールピンである、請求項１に記載の回路。
6. 前記出力レールピンが前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールのセンスピンと結合されている、請求項１に記載の回路。
7. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールがＰＯＬコンバータ・モジュールである、請求項１に記載の回路。
8. 出力レールピンおよびトリムピンを有するＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの過渡応答特性を変更する方法であって、
   無効分を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの前記出力レールピンおよび前記トリムピンと結合させることと、
   前記過渡応答特性を変更するために、前記無効分に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの内部の少なくとも１つのネットワークと相互作用させることと
   を含む方法。
9. 前記無効分がコンデンサである、請求項８に記載の方法。
10. 非無効分を、前記無効分と結合させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記非無効分を前記結合させることが、前記非無効分を、前記無効分と直列に結合させることを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記出力レールピンが正の出力レールピンである、請求項８に記載の方法。
13. 前記出力レールピンが前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールのセンスピンと結合されている、請求項８に記載の方法。
14. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールがＰＯＬコンバータ・モジュールである、請求項８に記載の方法。
15. セントラル・コンバータと、
    前記セントラル・コンバータの出力部と結合されているＤＣ電力分散バスと、
    前記ＤＣ電力分散バスと結合されている複数のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールであって、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールのそれぞれが、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの前記それぞれの過渡応答特性を変更するための出力レールピン、トリムピンおよび回路を有し、前記回路が、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの前記それぞれの前記出力レールピンおよび前記トリムピンと結合され、前記過渡応答特性を変更するために、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの前記それぞれの内部の少なくとも１つのネットワークと相互作用するように構成されている無効分を含む、ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールと
    を備える、分散型電力変換システム。
16. 前記無効分がコンデンサである、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記無効分と結合されている非無効分をさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記非無効分が前記無効分と直列に結合されている、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記出力レールピンが正の出力レールピンである、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記出力レールピンが前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの前記それぞれのセンスピンと結合されている、請求項１５に記載のシステム。
21. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ・モジュールの前記それぞれがＰＯＬコンバータ・モジュールである、請求項１５に記載のシステム。

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