JP2011522503A - 全負荷範囲にわたって効率的に動作する電力変換システム - Google Patents

全負荷範囲にわたって効率的に動作する電力変換システム Download PDF

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Abstract

電力変換システムは、１以上の負荷に電力を供給する。電力変換システムは、所望の効率で動作する少なくとも１つの電力変換器と、少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けて、少なくとも１つの電力変換器が所望の効率未満の効率で動作しているときに電力を蓄積するために少なくとも１つの電力変換器と接続された電力蓄積システムとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、全負荷範囲にわたって効率を最適化するための電力変換器の設計方法および操作方法に関する。
５０年代後半から６０年代前半における超小型電子技術革命によって小型化時代の躍進が始まってから、電子機器およびシステムに用いられる電力変換装置は、電力密度および効率の向上に対する試みが常になされ続けていた。熱性能に悪影響を及ぼさないように全負荷効率における漸進的な改善が適切に行われれば、電力密度を増加させることができるため、最近まで、電力変換回路の効率向上は、主として、電力密度の増加が要件とされていた。この結果、全負荷効率の最大化は、しばらく設計の焦点となっていた。しかしながら、９０年代前半、家庭用電化製品とデータ処理装置との消費電力の爆発的な増加は、アイドルモード、すなわち、軽負荷時の消費電力の最小化を目的とした主に自発的な様々な要件が導入されてきた。最も注目すべき軽負荷効率の要件は、U.S. Energy StarとＥＣｏＣ（European Code of Conduct）の仕様書に定義されている。
今日、電力供給産業は、顧客の性能要件を最先端にした全負荷範囲にわたる効率向上といった別の重要な焦点にシフトし始めている。この効率の焦点は、経済的な理由および環境問題によって促されてきた。環境問題は、インターネットインフラストラクチャの継続した積極的な成長と、電力変換システムの比較的低いエネルギー効率とによって生じた。実際、環境問題は、電源供給効率に対し、最小効率の全負荷を２０％削減するように定義するように、Environmental Protection Agency（ＥＰＡ）にEnergy Star仕様書を見直させた。しかしながら、多くのコンピュータ、電気通信およびネットワーク装置の製品は、すでに、最新のEnergy Star仕様書を超えた軽負荷効率を要件としており、５％の負荷で、これら要件から１０％も削減するよう拡充されている。
通常、重負荷時の電力変換回路の効率は、半導体および磁性部品の導通損失によって決定されるのに対して、軽負荷効率は、主として、半導体のスイッチング損失、磁性体の磁心損失および半導体の駆動損失によって決定される（M. D. Mulligan, B. Broach, T. H. Lee, "A constant-frequency method for improving light-load efficiency in synchronous buck converters", IEEE Power Electronics Letters, Volume 3, Issue 1, March 2005, pp. 24-29参照）。半導体スイッチのスイッチング損失および駆動損失ならびに磁性部品の磁心損失は、ほとんど負荷電流と無関係であるため、負荷電流の関数のような典型的な効率曲線は、全負荷電流の２０〜３０％を超えて負荷電流が大幅に落ち込むことを示す。実際に、典型的な電力変換器において、１０％程度の軽負荷効率は、全負荷効率より著しく低い。この差は、変換器の出力電流（電力）が増加するにつれて増加する。なぜなら、より高い電力は、本質的にスイッチング損失および磁心損失をそれぞれ増加させるより大きな半導体素子（または、並列に設けられるさらなる半導体素子）と、より大きな磁心との使用を要するからである。
通常、全負荷効率の最適化、すなわち、導通損失の最小化は、シリコン面積の最大化と、銅伝導体の抵抗の最小化を要する。特に、半導体の導通損失の最小化は、抵抗が最小なＭＯＳＦＥＴと順電圧降下が最小化された整流器との選択を要するのに対し、入出力フィルタインダクタ、変圧器およびインターコネクトの損失のような磁性部品の導通損失は、銅伝導体の抵抗を減らすことにより、すなわち、ＰＣＢトレースと配線との長さを短くし、断面を増やすことにより、最小化できる。磁性部品の磁心損失、半導体のスイッチング損失および駆動損失の最小化は、最適なスイッチング周波数の選択、および、低損失の磁性体と、スイッチング損失が本質的に低いＭＯＳＦＥＴと、逆回復充電が低い整流器との使用、および／または、半導体のスイッチング損失を大幅に減らす様々なソフトスイッチング技術の採用に基づいている（X. wang, F. Tian, Y. Li, I. Batarseh, "High Efficiency high Power Density DC/DC Converter with Wide Input Range", in Proc. IAS Annual Meeting, pp. 2115-2120, October 2006参照）。
しかし、上述した効率最適化技術は、多くの場合、電源供給が顧客の期待に合う効率曲線を示すのには、十分ではないといえる。これは、特に、高出力のアプリケーションを対象としたＡＣ／ＤＣ（オフライン）電力供給にいえる。この場合には、部分負荷効率をさらに改善するための電力供給レベルの電力管理技術がよく用いられている。通常、これらの技術は、負荷電流や入力電圧の状態に基づいた充電動作モードに基づいている。今日、最も使用されている電力管理技術は、可変スイッチング周波数制御、バルク電圧削減技術、位相制限（phase-shedding）技術およびバーストモード動作技術がある、これら全ての負荷アクティビティ基準の電力管理技術は、アナログ技術を用いて実装されてきたが、現在の電力変換アプリケーションにおけるデジタル技術の急速な普及は、これらの実装をより容易にした。
可変スイッチング周波数においては、負荷電流が減少すると変換器のスイッチング周波数が減少してしまう（Jingdong Chen, "Determine Buck Converter Efficiency in PFM Mode", Power Electronics Technology, September 2007, pp. 28-33参照）。スイッチング損失がスイッチング周波数に比例するため、この方法は、軽負荷効率を改善する。最も簡易な実装において、スイッチング周波数は、負荷が軽くなっても引き続き減少しないが、負荷電流が予め設定された閾値レベル未満になったときに、低い固定周波数に切り換えられる。
アクティブ力率改善（power factor correction、ＰＦＣ）フロントエンドを要するオフライン変換器においては、エネルギー蓄積（バルク）電圧の減少は、軽負荷効率を改善するために広く用いられている（P. Vinciarelli in U.S. Pat. No. 5,289,361参照）。この方法は、ＭＯＳＦＥＴスイッチとファーストリカバリダイオード整流器のような半導体部品のスイッチング損失が、スイッチオフに要する電圧が減少すると、減少することに基づいている。ＰＦＣフロントエンドを用いた典型的なユニバーサルライン（９０−２６４Ｖｒｍｓ）ＡＣ／ＤＣ電源供給においては、バルク電圧が最大ライン電圧のピークを僅かに超えて、すなわち、４００Ｖ程度に設定される。また、バルクキャパシタ値は、通常１２ｍｓから２０ｍｓまでの範囲の特定のホールドアップ時間のための全電力をバルクキャップが維持することができるように決定される。ホールドアップ時間には、出力を維持するために要する部分負荷のバルクキャップエネルギーを低電圧で蓄積することができるため、バルクキャップ電圧は、軽負荷効率を改善するように負荷の減少に伴って減少する。バルク電圧の範囲は、下流のＤＣ／ＤＣ出力段の規定範囲によって制限される。
多段ステージが設けられた電力変換器において、ステージ制限（stage-shedding）技術は、軽負荷効率を増加させるためによく用いられている（S. W. Hobrecht and R. G. Flatness in U.S. Pat. No. 6,674,274参照）。この技術においては、ステージの損失を除去するために、軽負荷時の電力処理に必要とされないステージをオフにする。例えば、フロントエンドＰＦＣを用いたオフライン電力供給において、ＰＦＣステージは、入力電力が７５Ｗ未満、すなわち、ＰＦＣに要求する低入力制限電力未満に低下したときに、オフにされる。デスクトップの電力供給においても、主電力変換器チャネル、すなわち、ＰＦＣフロントエンドと下流の多段ＤＣ／ＤＣ変換器とは、スタンバイモードでオフされ、予備電力は、低電力予備変換器によって供給される。大型の高出力ＰＦＣとＤＣ／ＤＣ変換器の損失を完全に除去することにより、予備消費電力は、典型的には３Ｗ未満に、大幅に減少する。ステージ制限技術は、例えば、電圧制限モジュール（voltage regulation module、ＶＲＭｓ）のようなステージを並列または交互に利用する電力変換器の軽負荷効率を改善するために広く用いられる。電力処理ステージを交互に適用した場合には、この技術は、通常、位相制限技術として見なされる。
バーストモードにおいて、変換器がほとんど常にオフにされ、出力フィルタキャパシタに蓄積されたエネルギーが負荷に供給されるものがある（J. Choi, D. Huh, Y. Kim, "The improved burst mode in the stand-by operation of power supply", IEEE Applied Power Electronics (APEC) Conf. Proc., pp. 426-432, 2004参照）。このエネルギーを補給するために、変換器は、周期的に少しの時間オンになる。変換器がほとんど常にオフであるため、その損失は、大幅に削減され、効率が高くなる。バーストモードの動作は、大半の商用のＩＣコントローラによって実行される。
上述した技術は、部分負荷効率を改善することができるものの、応用分野が限られてしまうといった問題があった。例えば、軽負荷時にスイッチング周波数が減少する大きな問題は、出力フィルタインダクタの磁心における電圧−秒積が増加することによって生じる電流リップルの増加にある。電流リップルの増加は、導通損失を増加させるため、効率に悪影響を及ぼす。バルク電圧の減少およびステージ制限技術の主要な問題は、動的性能である。特に、負荷が突然に軽負荷から全負荷に変化したときに、出力外乱および他の性能低下を起こさずに、全出力能力を回復する能力である。バーストモードの動作は、主に音響ノイズに起因した超低電力レベルに制限される。
本発明においては、従来技術の制限なしに、最大軽負荷効率を提供する電力変換器の実装が開示されている。
簡潔に説明すると、本発明の一形態によれば、電力変換システムは、１以上の負荷に電力を供給する。電力変換システムは、所望の効率で動作する少なくとも１つの電力変換器と、少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けて、少なくとも１つの電力変換器が所望の効率未満の効率で動作しているときに電力を蓄積するために少なくとも１つの電力変換器と接続された電力蓄積システムとを備える。
また、本発明の他の形態によれば、電力変換システムは、少なくとも１つの負荷に電力を供給する。電力変換システムは、所望の効率で動作しているときであれば、少なくとも１つの負荷に電力を途切れなく供給する少なくとも１つの電力変換器と、少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けて、少なくとも１つの電力変換器が所望の効率未満の効率で動作しているときに電力を蓄積するために少なくとも１つの電力変換器と接続された電力蓄積システムとを備える。
また、本発明の他の形態によれば、電力変換システムは、高負荷状態から低負荷状態までの間の負荷状態で電力を供給する。電力変換システムは、高負荷状態にあるときに所望の効率で電力を途切れなく供給する少なくとも１つの電力変換器と、少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けて、低負荷状態にあるときに電力を蓄積するために少なくとも１つの電力変換器と接続された電力蓄積システムとを備える。
また、本発明のより詳細な機能によれば、電力変換システムは、１以上の負荷に電力を供給する。電力変換システムは、１以上の電力変換器を備えている。各電力変換器は、負荷がかけられた状態で所望の効率で動作する。電力変換器の効率が所望の効率または効率閾値未満であるとき、電力変換器は、連続して、第１の時間オンされ、第２の時間オフされる。第１の時間において、電力変換器は、電力蓄積システムに電力を供給するために所望の効率で動作する。第２の時間において、電力変換器がオフされたときに、電力蓄積システムは、負荷に電力を供給するように電力変換器を補助的に動作させる。
また、本発明のより詳細な機能によれば、電力変換システムは、１以上の負荷に電力を供給する。電力変換システムは、所望の効率で動作しているときであれば、負荷に電力を途切れなく供給する少なくとも１つの電力変換器を備えている。少なくとも１つの電力変換器から負荷に対する電力の供給は、電力変換器が所望の効率未満の低効率で動作したとき、少なくとも１つの電力変換器が、第１の時間オンされ、第２の時間オフされるように、部分的に中断される。電力蓄積システムは、少なくとも１つの電力変換器を補助的に動作させる。第１の時間において、少なくとも１つの電力変換器は、所望の効率で電力蓄積システムに電力を供給する。第２の時間において、少なくとも１つの電力変換器がオフされたときに、電力蓄積システムは、少なくとも１以上の負荷に電力を供給する。
また、本発明のより詳細な機能によれば、電力変換システムは、高負荷状態から低負荷状態までの間の負荷状態で電力を供給する。少なくとも１つの電力変換器は、高負荷状態にあるときに所望の効率で電力を途切れなく供給し、低負荷状態にあるときに部分的に中断された電力を供給する。第１の時間オンされ、第２の時間オフされることにより、電力変換器の電力は、部分的に中断される。電力蓄積システムは、電力変換器を補助的に動作させる。第１の時間において、電力変換器は、低負荷状態であっても電力蓄積システムに電力を供給するために、所望の効率で動作する。第２の時間において、電力蓄積システムは、低負荷状態で電力変換器がオフされたときに電力を供給する。
また、本発明のより詳細な機能によれば、電力変換器は、第１の時間に電力蓄積システムに電力を供給するための第１の出力と、第２の時間に少なくとも１つの負荷に電力を供給するための第２の出力とを有する。あるいは、電力変換器は、第１の時間に電力蓄積システムに電力を供給すると共に、第２の時間に少なくとも１つの負荷に電力を供給するための１つの出力を有する。他の実施形態において、電力蓄積システムは、第１の時間に電力変換器から電力を受けると共に、第２の時間に負荷に電力を供給する１つのポートを有する。また、他の実施形態において、電力蓄積システムは、第１の時間に電力変換器から電力を受けるための第１のポートと、第２の時間に少なくとも１つの負荷に電力を供給するための第２のポートを有する。電力変換器および電力蓄積システムは、負荷と直列に接続されている。
また、本発明のより詳細な機能によれば、電力変換器は、電力段と、出力フィルタとを備えている。一実施形態において、電力蓄積システムは、出力フィルタを介して負荷に電力を供給する。また、他の実施形態において、電力変換器は、出力フィルタを介して電力蓄積システムに電力を供給する。本発明の多様な実施形態において、電力変換器は、絶縁型、非絶縁型、単一ステージ、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つを備えている。
また、本発明のより詳細な機能によれば、電力変換システムは、少なくとも１つの電力変換器および前記電力蓄積システムの動作を制御するために、少なくとも１つの電力変換器および電力蓄積システムに接続されたコントローラをさらに備えている。
図１は、本発明の実施の形態のブロック図である。
図２は、図１に示す本発明の実施の形態の高負荷状態における電力潮流タイミグ図である。ここで、ＰＯは、出力電力、ＰＣＨＲは、充電電力、ＰＤＩＳは、放電電力を示す。
図３は、図１に示す本発明の実施の形態の低負荷状態における電力潮流タイミング図である。ここで、ＰＯは、出力電力、ＰＣＨＲは、充電電力、ＰＤＩＳは、放電電力を示す。
図４は、供給電力に対する電力変換器の典型的な効率特性を示す。
図５は、独立系統電力蓄積システムの充電エネルギーが電力変換器の出力から直接に供給される本発明の実施の形態を示す。
図６は、充電電力パスと放電電力パスとが電力変換器の出力に共通化された本発明の実施の形態を示す。
図７（ａ）〜（ｄ）は、電力変換器の出力フィルタの入力に独立系統電力蓄積システムが接続された本発明の実施の形態を示す。
図８は、独立系統電力蓄積システムが電力変換器に直列に接続された本発明の実施の形態を示す。
図９は、出力で並列に接続された複数の電力変換器において各電力変換器の出力フィルタの入力に独立系統電力蓄積システムが接続された本発明の実施の形態を示す。
図１０は、出力が独立した複数の電力変換器において各電力変換器の出力フィルタの入力に独立系統電力蓄積システムが接続された本発明の実施の形態を示す。
図１１（ａ）〜（ｈ）は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器の出力フィルタの入力または出力に独立系統電力蓄積システムが接続された実施の形態に対する一時的エネルギー蓄積器と、電力調節回路との様々な実装を示す。
図１２（ａ）〜（ｉ）は、出力フィルタの入力に独立系統電力蓄積システムが接続された実施の形態に対する２重スイッチフォワードＤＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
図１３（ａ）〜（ｈ）は、出力フィルタの入力に独立系統電力蓄積システムが接続された実施の形態に対するフルブリッジＤＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
図１４は、独立系統電力蓄積システムを有する実施の形態に対するハーフブリッジＤＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
図１５（ａ）〜（ｃ）は、出力フィルタの入力に独立系統電力蓄積システムが接続された実施の形態に対するＬＬＣ共振ＤＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
図１６は、ハーフブリッジＬＬＣ共振ＤＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
図１７（ａ）〜（ｂ）は、出力フィルタの入力に独立系統電力蓄積システムが接続された実施の形態に対するフォワードＤＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
図１８は、充電パスと放電パスとが分離されたフライバックＤＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
図１９（ａ）〜（ｂ）は、電力変換器に独立系統電力蓄積システムが直列に接続された本発明の実施の形態に対する３段ＡＣ／ＤＣ変換器の実装を示す。
電力変換システムは、１以上の負荷に電力を供給する。電力変換システムは、１以上の電力変換器を備えている。各電力変換器は、負荷がかけられた状態で所望の効率で動作する。電力変換システムは、１以上の電力変換器から供給された電力を受けて、電力を蓄積するために１以上の電力変換器と接続された電力蓄積システムをさらに備えている。電力変換器の効率が所望の効率未満になると、電力変換器は、電力蓄積システムに電力を供給するために所望の効率で動作する。すなわち、電力変換システムは、高負荷状態から低負荷状態までの間の負荷状態で電力を供給する。電力変換システムは、高負荷状態において所望の効率で途切れのない電力を供給する１以上の電力変換器を備えている。電力変換システムは、１以上の電力変換器から供給された電力を受けて、低負荷状態にあるときに電力を蓄積するために１以上の電力変換器と接続された電力蓄積システムをさらに備えている。
本発明の一形態によれば、電力変換システムは、１以上の負荷に電力を供給する。電力変換システムは、１以上の電力変換器を備えている。各電力変換器は、負荷がかけられた状態で所望の効率で動作する。電力変換器の効率が所望の効率または効率閾値未満であるとき、電力変換器は、連続して、第１の時間オンされ、第２の時間オフされる。第１の時間において、電力変換器は、電力蓄積システムに電力を供給するために所望の効率で動作する。好ましくは、電力変換器は、独立系統電力蓄積システムに電力を供給するために所望の効率で動作する。第２の時間において、電力変換器がオフされたときに、独立系統電力蓄積システムは、負荷に電力を供給するように電力変換器を補助的に動作させる。電力変換システムは、少なくとも１つの電力変換器および電力蓄積システムの動作を制御するために、少なくとも１つの電力変換器および電力蓄積システムに接続されたコントローラをさらに備えている。
本発明の電力システムは、高負荷状態（例えば、全負荷）と低負荷状態（例えば、軽負荷）とを含む全負荷状態にわたって１以上の電力変換器を高効率に維持する。特に、本発明のシステムは、半導体スイッチのスイッチング損失および駆動損失ならびに磁性部品の磁心損失を最小限にすることによって、軽負荷時に変換効率を大幅に増加させる。軽負荷時のこれらの損失は、電力変換器を連続して、第１の時間オンし、第２の時間オフすることによって最小限にされる。このようにして、電力変換器は、一定期間、入力から出力に部分的に電力の供給を部分的に中断する。電力の供給が電力変換器によって中断されている間、低電力補助変換器のような独立系統電力蓄積システムから負荷に電力が供給される。一実施形態として、電力変換器がオフされたとき、電力変換器が負荷に電力を供給するように、独立系統電力蓄積システムは、補助的に動作する。独立系統電力蓄積システムは、電力を入力から出力に転送するときに、電力変換器が所望の最適な効率で動作している期間に充電されたエネルギー源から電力供給される。独立系統電力蓄積システムが主電力変換器の入力からではなく、補助エネルギー源を生成する電力変換器から電力供給さるため、独立系統電力蓄積システムは、絶縁が要求されるアプリケーションにおいてもシンプルな非絶縁型変換器で実現することができる。実際に、絶縁型変換器の変圧器の２次側に補助エネルギー源を生成することによって、独立系統電力蓄積システムは、最適に動作する。
独立系統電力蓄積システムが主電力変換器とローパス出力フィルタを共有できるようになっているので、負荷が突然に軽負荷から全負荷に変わって、入力から出力まで上述した所望の最適な効率で電力を連続して供給する通常動作が再開したときに、本発明のシステムは、従来の電力システムとは異なり、過渡的な問題も起こさない。結果として、インダクタやキャパシタのような出力フィルタのエネルギー蓄積要素に蓄積されたエネルギーは、主変換器の過渡的挙動が一致するように負荷遷移の前後で常に同じになる。
通常、負荷電力は、電力変換器によって処理された平均電力と略等しくなるため、電力変換器が入力電力を処理する期間と、入力から分離される期間との割合は、負荷電力と、入力が接続された主変換器が処理する電力のレベルとに依存する。主電力変換器がオンである第１の時間と、主電力変換器がオフである第２の時間との周波数は、電力変換器のクロスオーバ周波数より低くするという条件で任意に選択可能である。軽負荷効率を最大にするために、主電力変換器が負荷に電力を供給するときの電力処理は、所望の最適な効率を示すレベルで行われるべきである。
または、少なくとも１つの電力変換器が所望の効率未満の効率で動作したとき、電力変換器は、所望の効率で電力蓄積システムに電力を供給し、同時に、電力蓄積システムは、少なくとも１つの負荷に電力を供給する。あるいは、少なくとも１つの電力変換器が所望の効率未満の効率で動作したとき、電力変換器は、所望の効率で電力蓄積システムと少なくとも１つの負荷とに電力を供給し、同時に、電力蓄積システムは、少なくとも１つの負荷に電力を供給する。
本発明は、いかなる電力変換回路にも適用することができる。特に、本発明は、絶縁、非絶縁、単一段、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力供給装置に適用することができる。本発明は、いかなる電力変換システムにも適用することができる。特に、本発明は、発光ダイオード用の電力変換システム、太陽電池用の電力変換システム、燃料電池用の電力変換システム、風カエネルギー用の電力変換システム、振動エネルギー用の電力変換システム、運動エネルギー用の電力変換システム、熱エネルギー用の電力変換システム、発電所、電力管理変換システム、建築用の電力変換システム、データセンター用の電力管理変換システム、ＵＰＳ、車両用の電力変換システム、コンピュータまたはノートブック用の電力変換システム、通信機器または通信装置用の電力変換システム、家庭用電化製品用の電力変換システム、および、家庭用電気器具用の電力変換システム等に適用することができる。
以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
低負荷状態または軽負荷時の電力変換器の効率を最大にする本発明の好ましい実施の形態のブロック図を図１に示す。図１に示す電力システムは、負荷に電力を供給する。一実施形態として、電力システムは、電力変換器と、独立系統電力蓄積システムと、制御回路とを備えている。通常、図１に示す電力変換器は、単一ステージ、マルチステージ、絶縁型、非絶縁型、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の何れかよりなる。独立系統電力蓄積システムは、エネルギー蓄積器、または、例えば、１以上のキャパシタ、スーパーキャパシタ、電池、フライホイール、燃料電池等のエネルギーを蓄積することができる要素の何れかを備えている。
図１に示す独立系統電力蓄積システムは、低負荷または軽負荷状態、好ましくは、負荷電力のレベルが特定のレベル未満であるときに限って電力を供給するように動作する。この負荷電力が全負荷を上回ると、図２の電力潮流図に示すように、全ての負荷電力が途切れずに電力変換器の出力から連続して供給されるように、独立系統電力蓄積システムは、オフにされる。図２から分かるように、重負荷において、電力変換器の出力電力ＰＯが負荷電力ＰＬＯＡＤと等しい間は、充電電力ＰＣＨＲと、放電電力ＰＤＩＳとは、継続的に０になる。
しかしながら、軽負荷において、電力変換器は、連続または周期的に第１の時間オンされ、第２の時間オフされ、スイッチング損失を低減させて軽負荷効率を向上させる。第２の時間において、電力変換器がオフになったときには、負荷電力は、独立系統電力蓄積システムから一時的エネルギー蓄積器と、電力調節回路とを介して供給される。図３の電力潮流タイミング図からわかるように、第１の時間において、電力変換器がオンになったときには、電力変換器は、負荷電力ＰＬＯＡＤと同時に独立系統電力蓄積システムの充電電力ＰＣＨＲを供給するように所望の効率で動作させられる。第２の時間において、電力変換器がオフになったときには、負荷電力は、独立系統電力蓄積システムの放電によって全て供給される。この動作モードでは、負荷電力が電力変換器の出力または蓄積されたエネルギーによって供給されるため、ＴＯＮと示される第１の時間に電力変換器によって供給される瞬時電力は、ＰＯ＝ＰＬＯＡＤとなり、ＴＯＦＦと示される第２の時間に独立系統電力蓄積システムから供給される瞬時電力は、ＰＤＩＳ＝ＰＬＯＡＤとなる。デューティサイクルをＤとし、Ｄ＝ＴＯＮ／（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）と定義すると、変換器から供給される平均電力は、ＰＯ（ＡＶ）＝ＤＰＬＯＡＤとなり、独立系統電力蓄積システムの平均放電電力は、ＰＤＩＳ（ＡＶ）＝（１−Ｄ）ＰＬＯＡＤとなる。平均充電電力ＰＣＨＲ（ＡＶ）は、平均放電電力ＰＤＩＳ（ＡＶ）と等しいため、平均充電電力は、ＰＣＨＲ（ＡＶ）＝（１−Ｄ）ＰＬＯＡＤとなる。この結果、図３に示すように、ＴＯＮの瞬時充電電力ＰＣＨＲは、ＰＣＨＲ＝（１−Ｄ）ＰＬＯＡＤ／Ｄとなる。したがって、オンされた電力変換器によって供給される全瞬時電力Ｐは、以下のように表される。
Figure 2011522503
 すなわち、以下のようになる。
Figure 2011522503
このように、本発明の電力変換器は、連続電力供給で所望の効率で負荷に電力を供給する連続モードで動作する。効率が効率閾値未満になると、電力変換器は、上述したように連続してオンオフされるパルスモードで動作する。ここで、電力変換器の動作の連続モードとパルスモードとの間の境界負荷電力ＰＢＯＵＮＤは、適切な効率閾値のレベルで設定される。なお、効率閾値のレベルは、任意のレベルに設定できる。しかしながら、性能を最適にするために、第１の時間すなわちオンになっている間、電力変換器によって供給される瞬時電力Ｐを最大効率点となる所望の効率で選択することができるように、電力変換器の制御は、設計されている。図４に示すように、出力電力に効率が依存する典型的な電力変換器は、中間域の電力レベルでピークとなる。Ｐ＝ＰＯＰＴを選択、すなわち、常に最大効率ηＭＡＸとなる電力レベルの変換器の動作によって、ＰＢＯＵＮＤ（＜ＰＯＰＴ）のレベル未満の軽負荷効率は、最大になる。この制御により、デューティサイクルＤは、以下のように定義される。
Figure 2011522503
エネルギー蓄積器の充電効率および放電効率をηＣＨＲおよびηＤＩＳとそれぞれ想定することによって、ＰＢＯＵＮＤ未満の電力レベルにおける変換効率は、以下のようになる。
Figure 2011522503
 ここで、エネルギー蓄積および電力調整ブロックによる総電力処理の効率をηＥＳ＝ηＣＨＲηＤＩＳとする。
エネルギー蓄積器の充電および放電時にエネルギーが損失しない、すなわち、ηＥＳ＝１とする理想的なケースでは、図４に示すように、最小負荷になるまで軽負荷効率ηは、ηＭＡＸになる。しかし、実際には、図４に示すように、軽負荷効率がηＭＡＸより低く減衰するため、電力は減少する。通常、軽負荷効率を△η増加させるためには、電力変換器を周期的にオフにすることにより節約される電力と、エネルギー蓄積器の充電動作および放電動作における電力損失との間の好ましいトレードオフが必要になる。式（４）をηＥＳで展開すると、負荷電力ＰＬＬにおける効率を増加させるために要求される最小効率ηＥＳ（ＭＩＮ）は、以下のようになる。
Figure 2011522503
 ここで、ηＬＬは、ＰＬＬかつＤ＝ＰＬＬ／ＰＯＰＴにおける電力変換器の初期効率を表す。
デューティサイクルＤが正確に式（３）で定義され、電力レベルＰＯＰＴが設定され、負荷電力ＰＬＯＡＤ＜ＰＢＯＵＮＤが既知である一方で、電力変換器がオンオフされる周波数が定義されていない。通常、上限周波数の限界は、変換器の大信号動的応答時間に関係するのに対し、下限周波数の限界は、長期のオフ時間、低周波数で負荷電力を維持するために、蓄積されたエネルギーがさらに要求されるため、エネルギー蓄積器のサイズと要求されるエネルギー蓄積容量とによって決定される。数百ワットの電力レベルのために、電解コンデンサ型のエネルギー蓄積媒体用の典型的な最小周波数は、数ヘルツから数百ヘルツまでの範囲内にある一方で、サブヘルツ周波数は、使用する電池やフライホイールのような蓄積デバイスによって実現する。また、比較的大きな電力のスイッチングを伴う音響ノイズを防ぐために、可聴範囲を下回るスイッチング周波数を維持することが好ましい。
本発明の実施形態は、多様な態様に変形可能である。通常、これら変形態様は、回路の充電電力および放電電力のパスが電力変換器、出力および負荷を接続する方法による。これら変形態様の例が図５乃至図８に示されている。
充電エネルギーが電力変換器の出力から独立系統電力蓄積システムに供給され、放電エネルギーが独立系統電力蓄積システムから電力変換器の出力を介して負荷に供給される本発明の実施形態が図５に示されている。負荷電力も供給する変換器の出力から充電エネルギーＰＣＨＲが供給される本発明の実施形態が図６に示されている。この態様において、電力変換器は、双方向時間多重方式で、第１の時間に独立系統電力蓄積システムに電力を供給すると共に、第２の時間に少なくとも１つの負荷に電力を供給するための１つの出力を有する。このように、本発明は、共通のエネルギー充放電パスで実現される。
電力段と出力フィルタ段との２つのステージを電力変換器が備えた本発明の実施形態が図７（ａ）乃至図７（ｄ）に示されている。図７（ａ）には、電力段の第２の出力から充電電力を供給する充電パスと、出力フィルタを介して独立系統電力蓄積システムから負荷に供給する放電パスとが分離された態様が示されている。図７（ｂ）には、電力段の出力から供給する充電パスと、出力フィルタを介して独立系統電力蓄積システムに加えて電力段の出力からも負荷に供給する放電パスとが分離された態様が示されている。図７（ｃ）には、充電パスと放電パスとが電力段と出力フィルタとの間で共通化された態様が示されている。図７（ｄ）には、出力フィルタの出力から充電電力が供給され、出力フィルタの入力に放電パスが接続され、充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。充電パスと放電パスとを共通にした態様は、独立系統電力蓄積システムに双方向変換器を用いる必要がある。
通常、充電パスおよび放電パスは、入力または出力に直接に接続する必要はないが、電力変換パスの適切なポイントで接続することができる。上述したように、図７（ａ）乃至図７（ｄ）は、電力変換器と独立系統電力蓄積システムとが出力フィルタを共有している、すなわち、充電パスと放電パスとが電力変換器の出力フィルタに入る前に接続されている本発明の多様な実施形態をそれぞれ示している。適切に設計すれば、これらの実装は、電力変換器が周期的にオンオフされることにより生じる過渡電流を減少または完全に除去することさえできる。通常、これらの実装において、出力フィルタのインダクタ電流が連続して流れている、すなわち、電流が変換器から供給されているかエネルギー蓄積器から放電されているため、オンされた変換器によって供給される電流と、オフ時のエネルギー蓄積器によって供給される電流とが実質的に整合するように回路が設計されていれば、大きな過渡電流は生じない。
アプリケーションによっては、図８に示すように、独立系統電力蓄積システムを電力変換器と直列に接続することは、独立系統電力蓄積システムを電力変換器と並列に接続する従来の実装よりも軽負荷効率を向上させるために効果がある。図９および図１０に示すように、本発明は、複数の変換器を有するアプリケーションにも適用することができる。図９は、複数の出力に並列に接続された複数の電力変換器で出力フィルタを共有する本発明の実施形態が示されている一方で、図１０は、複数の出力が独立している本発明の実施形態が示されている。
図１１（ａ）乃至（ｈ）は、出力が独立した複数の変換器で共有される出力フィルタを有する本発明の多様な実施形態が示されている。特に、図１１（ａ）乃至（ｈ）は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器の出力フィルタの入力で接続された独立系統電力蓄積システムを有する実施形態に対する、一時的エネルギー蓄積器と、電力調節回路との多様な実装が示されている。図１１（ａ）には、充電パスと放電パスとが双方向昇降圧変換器を用いて共通化された態様が示されている。一実施形態として、双方向昇降圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、降圧スイッチＳＬ２、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。図１１（ｂ）には、電力段の出力から供給される電力を充電し、充電用の昇圧変換器および放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ１、インダクタＬＬ１およびキャパシタＣＬ１を備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、降圧ダイオードＤＬ２およびインダクタＬＬ２、ＬＦを備えている。図１１（ｃ）には、電力段の出力から供給される電力を充電し、充電用の昇圧変換器および放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、電力段ダイオード、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１１（ｄ）には、電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、降圧ダイオードＤＬおよびインダクタＬＬ２、ＬＦを備えている。図１１（ｅ）には、電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオード、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１１（ｆ）には、電力段の第２の出力から昇圧充電回路を介して供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ１、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、降圧ダイオードＤＬ２およびインダクタＬＬ２、ＬＦを備えている。図１１（ｇ）には、電力段の第２の出力から昇圧充電回路を介して供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスと分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ１、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、電力段ダイオード、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１１（ｈ）には、電力段の出力から昇圧充電回路を介して供給される電力を充電し、出力フィルタの入力に放電回路を接続し、充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。
図１２（ａ）乃至（ｉ）には、出力フィルタの入力で接続された独立系統電力蓄積システムを有する実施形態に対する、２重スイッチフォワードＤＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。一実施形態として、２重スイッチフォワードＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳＤ１、ＳＤ２、ダイオードＤＤＤ１、ＤＤＤ２、ＤＤＲ１、ＤＤＲ２、変圧器ＴＲ、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１２（ａ）には、双方向昇降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが共通化された態様が示されている。一実施形態として、双方向昇降圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、降圧スイッチＳＬ２、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。図１２（ｂ）には、電力段の出力から供給される電力を充電し、充電用の昇圧変換器および放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１２（ｃ）には、電力変換器の出力から供給される電力を充電し、充電用の昇圧変換器および放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１２（ｄ）には、キャパシタフィルタを用いて電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスと分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１２（ｅ）には、ＬＣフィルタを用いて電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１２（ｆ）には、キャパシタフィルタを用いて電力段の第３の出力から直接に供給される電力を充電し、２つの放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、第１の降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ１、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦ１およびキャパシタＣＦ１を備えている。また、第２の降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、電力段ダイオードＤＲ４、インダクタＬＦ２およびキャパシタＣＦ２を備えている。図１２（ｇ）には、２つの電力供給が並列に接続された双方向昇降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが共通化された態様が示されている。一実施形態として、双方向昇降圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、降圧スイッチＳＬ２、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。図１２（ｈ）には、キャパシタフィルタを用いて第１の電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１２（ｉ）には、変圧器ＴＲから供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。
図１３（ａ）乃至（ｈ）には、出力フィルタの入力で接続された独立系統電力蓄積システムを有する実施形態に対する、フルブリッジＤＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。一実施形態として、フルブリッジＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳＤ１〜ＳＤ４、ダイオードＤＳＲ１、ＤＳＲ２、センタタップ変圧器ＴＲ、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。他の一実施形態として、フルブリッジＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳＤ１〜ＳＤ４、ダイオードＤＳＲ１、ＤＳＲ２、倍電流変圧器ＴＲ、インダクタＬＦ１、ＬＦ２およびキャパシタＣＦを備えている。図１３（ａ）には、双方向昇降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが共通化された態様が示されている。一実施形態として、双方向昇降圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、降圧スイッチＳＬ２、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。図１３（ｂ）には、電力段の出力から供給される電力を充電し、充電用の昇圧変換器および放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、電力段ダイオードＤＳＲ１、ＤＳＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１３（ｃ）には、電力段の出力から供給される電力を充電し、充電用の昇圧変換器および放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、昇圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、昇圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ２、電力段ダイオードＤＳＲ１、ＤＳＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１３（ｄ）には、センタタップ変圧器ＴＲの２次巻線から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＳＲ１、ＤＳＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１３（ｅ）には、倍電流変圧器ＴＲの２次巻線から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＳＲ１、インダクタＬＦ１およびキャパシタＣＦを備えている。図１３（ｆ）には、センタタップ変圧器ＴＲの追加の２次巻線から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ１、ＤＲ２、インダクタＬＦ１およびキャパシタＣＦ１を備えている。図１３（ｇ）には、電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ１、ＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１３（ｈ）には、センタタップ巻線の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ１、ＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。
図１４には、出力フィルタの入力で接続された独立系統電力蓄積システムを有する実施形態に対する、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。図１４には、電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳ１、Ｓ２、キャパシタＣ１、Ｃ２、ダイオードＤＲ１、ＤＲ２、変圧器ＴＲ、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ１、ＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。
図１５（ａ）乃至（ｃ）には、出力フィルタの入力で接続された独立系統電力蓄積システムを有する実施形態に対する、ＬＬＣ共振ＤＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。一実施形態として、ＬＬＣ共振ＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳＤ１〜ＳＤ４、直列共振インダクタＬＳ、並列共振インダクタＬＭ、共振キャパシタＣＳ、ダイオードＤＳＲ１、ＤＳＲ２、変圧器ＴＲおよびキャパシタＣＦを備えている。図１５（ａ）には、センタタップ変圧器ＴＲの２次巻線から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、降圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１５（ｂ）には、センタタップ変圧器ＴＲの追加の２次巻線から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、降圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＦを備えている。図１５（ｃ）には、電力変換器の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、降圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＦを備えている。
図１６には、出力フィルタの入力で接続された独立系統電力蓄積システムを有する実施形態に対する、ハーフブリッジＬＬＣ共振ＤＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。図１６には、電力変換器の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、ハーフブリッジＬＬＣ共振ＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳ１、Ｓ２、キャパシタＣ１、Ｃ２、直列共振インダクタＬＳ、並列共振インダクタＬＭ、共振キャパシタＣＳ、ダイオードＤＳＲ１、ＤＳＲ２、変圧器ＴＲおよびキャパシタＣＦを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、降圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＦを備えている。
図１７（ａ）、（ｂ）には、出力フィルタの入力で接続された独立系統電力蓄積システムを有する実施形態に対する、フォワードＤＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。一実施形態として、フォワードＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳＤ２、クランプスイッチＳＣ、クランプキャパシタＣＣ、ダイオードＤＲ１、ＤＲ２、変圧器ＴＲ、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。図１７（ａ）には、双方向昇降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが共通化された態様が示されている。一実施形態として、双方向昇降圧変換器は、昇圧スイッチＳＬ１、降圧スイッチＳＬ２、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＬを備えている。図１７（ｂ）には、電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。ここで、降圧変換器および電力変換器は、出力フィルタを共有している。一実施形態として、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、電力段ダイオードＤＲ２、インダクタＬＦおよびキャパシタＣＦを備えている。
図１８には、フライバックＤＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。図１８には、電力段の第２の出力から直接に供給される電力を充電し、放電用の降圧変換器を用いて充電パスと放電パスとが分離された態様が示されている。一実施形態として、フライバックＤＣ／ＤＣ変換器は、スイッチＳＤ２、ダイオードＤＲ１、変圧器ＴＲおよびキャパシタＣＦを備えている。また、降圧変換器は、降圧スイッチＳＬ、降圧ダイオードＤＬ、インダクタＬＬおよびキャパシタＣＦを備えている。
図１９（ａ）、（ｂ）には、電力変換器と直列に接続された独立系統電力蓄積システムを有する本発明の実施形態に対する、３段ＡＣ／ＤＣ変換器の実装が示されている。一実施形態として、３段ＡＣ／ＤＣ変換器は、昇圧ＰＦＣ整流器、絶縁型ＡＣ／ＤＣ電力変換器および昇圧ＤＣ／ＤＣ変換器を備えている。図１９（ａ）には、絶縁型ＤＣ／ＤＣ電力変換器と昇圧放電出力段との前段に設けられた昇圧ＰＦＣが示されている。一実施形態として、昇圧ＰＦＣは、昇圧スイッチＳ、昇圧ダイオードＤ、昇圧インダクタＬＢおよびバルクキャパシタＣＢを備えている。昇圧放電出力段は、昇圧スイッチＳＤ、昇圧ダイオードＤＤ、昇圧インダクタＬＤおよび出力キャパシタＣＦを備えている。図１９（ｂ）には、絶縁型ＤＣ／ＤＣ電力変換器と昇圧放電出力段との前段に設けられ、入力ＰＦＣ段と出力昇圧段との間で磁気結合した昇圧ＰＦＣが示されている。一実施形態として、昇圧ＰＦＣは、昇圧スイッチＳ、昇圧ダイオードＤ、昇圧インダクタＬＢ、スナバダイオードＤ１、スナバインダクタＬＳ、スナバスイッチＳ１、ギャップ付変圧器ＴＲの１次巻線Ｎ１およびバルクキャパシタＣＢを備えている。また、昇圧放電出力段は、昇圧スイッチＳＤ、昇圧ダイオードＤＤ、ギャップ付変圧器ＴＲの２次巻線Ｎ２および出力キャパシタＣＦを備えている。

Claims (60)

  1. 少なくとも１つの負荷に電力を供給する電力変換システムであって、
    所望の効率で動作する少なくとも１つの電力変換器と、
    前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けて、前記少なくとも１つの電力変換器が所望の効率未満の効率で動作しているときには、電力を蓄積するために前記少なくとも１つの電力変換器と接続された電力蓄積システムと、を備えた電力変換システム。
  2. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率または効率閾値未満の効率で動作したとき、前記電力変換器は、第１の時間オンされ、第２の時間オフされ、
    前記第１の時間において、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムに電力を供給するために前記所望の効率で動作し、
    前記第２の時間において、前記少なくとも１つの電力変換器がオフされたときに、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  3. 前記第１の時間と前記第２の時間との割合は、前記電力変換器を前記所望の効率で動作させるように制御されることを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
  4. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記第１の時間に前記電力蓄積システムに電力を供給するための第１の出力と、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための第２の出力と、を有することを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
  5. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記第１の時間に前記電力蓄積システムに電力を供給すると共に、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための１つの出力を有することを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
  6. 前記電力蓄積システムは、前記第１の時間に前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けると共に、前記第２の時間に前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための１つのポートを有することを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
  7. 前記電力蓄積システムは、前記第１の時間に前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けるための第１のポートと、前記第２の時間に前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための第２のポートと、を有することを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
  8. 前記少なくとも１つの電力変換器は、電力段と、出力フィルタとを備え、
    前記電力蓄積システムは、前記出力フィルタを介して前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  9. 前記少なくとも１つの電力変換器は、出力フィルタを介して前記電力蓄積システムに電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  10. 前記電力変換器、前記電力蓄積システムおよび前記負荷は、直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  11. 前記電力変換器は、絶縁型、非絶縁型、単一ステージ、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  12. 前記ＤＣ／ＤＣ電力変換器は、２重スイッチフォワードＤＣ／ＤＣ電力変換器、フルブリッジＤＣ／ＤＣ電力変換器、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣ電力変換器、ＬＬＣ共振電力変換器、ハーフブリッジＬＬＣ共振電力変換器、フォワードＤＣ／ＤＣ電力変換器およびフライバックＤＣ／ＤＣ電力変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換システム。
  13. 前記ＡＣ／ＤＣ電力変換器は、３段ＡＣ／ＤＣ変換器を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換システム。
  14. 前記電力蓄積システムは、電池、燃料電池、キャパシタ、スーパーキャパシタ、蓄熱器およびフライホイールの少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  15. 前記電力蓄積システムは、絶縁型、非絶縁型、単一ステージ、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  16. 前記電力蓄積システムは、一時的エネルギー蓄積器と、電力調節回路とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  17. 前記一時的エネルギー蓄積器および前記電力調節回路は、双方向昇降圧変換器、昇圧型変換器、降圧型変換器および降圧放電型変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１６に記載の電力変換システム。
  18. 前記少なくとも１つの電力変換器および前記電力蓄積システムの動作を制御するために、前記少なくとも１つの電力変換器および前記電力蓄積システムに接続されたコントローラをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  19. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率または効率閾値未満の効率で動作したとき、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムに電力を供給するために前記所望の効率で動作し、同時に、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  20. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率または効率閾値未満の効率で動作したとき、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムおよび前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するために前記所望の効率で動作し、同時に、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  21. 発光ダイオード用の電力変換システム、太陽電池用の電力変換システム、燃料電池用の電力変換システム、風カエネルギー用の電力変換システム、振動エネルギー用の電力変換システム、運動エネルギー用の電力変換システム、熱エネルギー用の電力変換システム、発電所、電力管理変換システム、建築用の電力変換システム、データセンター用の電力管理変換システム、ＵＰＳ、車両用の電力変換システム、コンピュータまたはノートブック用の電力変換システム、通信機器または通信装置用の電力変換システム、家庭用電化製品用の電力変換システム、および、家庭用電気器具用の電力変換システムを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  22. 少なくとも１つの負荷に電力を供給する電力変換システムであって、
    所望の効率で動作したとき、前記少なくとも１つの負荷に電力を途切れなく供給する少なくとも１つの電力変換器と、
    前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けて、前記少なくとも１つの電力変換器が所望の前記効率未満の効率で動作したとき、電力を蓄積するために前記少なくとも１つの電力変換器と接続された電力蓄積システムと、を備えた電力変換システム。
  23. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率未満の低効率で動作したとき、前記少なくとも１つの電力変換器から前記少なくとも１つの負荷に対する電力の供給は、前記少なくとも１つの電力変換器が、第１の時間オンされ、第２の時間オフされるように部分的に中断され、
    前記第１の時間において、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムに電力を供給するために前記所望の効率で動作し、
    前記第２の時間において、前記少なくとも１つの電力変換器がオフされたときに、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  24. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記第１の時間に前記電力蓄積システムに電力を供給するための第１の出力と、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための第２の出力と、を有することを特徴とする請求項２３に記載の電力変換システム。
  25. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記第１の時間に前記電力蓄積システムに電力を供給すると共に、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための１つの出力を有することを特徴とする請求項２３に記載の電力変換システム。
  26. 前記電力蓄積システムは、前記第１の時間に前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けると共に、前記第２の時間に前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための１つのポートを有することを特徴とする請求項２３に記載の電力変換システム。
  27. 前記電力蓄積システムは、前記第１の時間に前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けるための第１のポートと、前記第２の時間に前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための第２のポートと、を有することを特徴とする請求項２３に記載の電力変換システム。
  28. 前記少なくとも１つの電力変換器は、電力段と、出力フィルタとを備え、
    前記電力蓄積システムは、前記出力フィルタを介して前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  29. 前記少なくとも１つの電力変換器は、出力フィルタを介して前記電力蓄積システムに電力を供給することを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  30. 前記電力変換器、前記電力蓄積システムおよび前記負荷は、直列に接続されていることを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  31. 前記電力変換器は、絶縁型、非絶縁型、単一ステージ、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  32. 前記ＤＣ／ＤＣ電力変換器は、２重スイッチフォワードＤＣ／ＤＣ電力変換器、フルブリッジＤＣ／ＤＣ電力変換器、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣ電力変換器、ＬＬＣ共振電力変換器、ハーフブリッジＬＬＣ共振電力変換器、フォワードＤＣ／ＤＣ電力変換器およびフライバックＤＣ／ＤＣ電力変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項３１に記載の電力変換システム。
  33. 前記ＡＣ／ＤＣ電力変換器は、３段ＡＣ／ＤＣ変換器を備えたことを特徴とする請求項３１に記載の電力変換システム。
  34. 前記電力蓄積システムは、絶縁型、非絶縁型、単一ステージ、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つと、電池、燃料電池、キャパシタ、スーパーキャパシタ、蓄熱器およびフライホイールの少なくとも１つと、を備えたことを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  35. 前記電力蓄積システムは、一時的エネルギー蓄積器と、電力調節回路とを備えたことを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  36. 前記一時的エネルギー蓄積器および前記電力調節回路は、双方向昇降圧変換器、昇圧型変換器、降圧型変換器および降圧放電型変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項３５に記載の電力変換システム。
  37. 前記少なくとも１つの電力変換器および前記電力蓄積システムの動作を制御するために、前記少なくとも１つの電力変換器および前記電力蓄積システムに接続されたコントローラをさらに備えたことを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  38. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率未満の効率で動作したとき、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムに電力を供給するために前記所望の効率で動作し、同時に、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  39. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率未満の効率で動作したとき、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムおよび前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するために前記所望の効率で動作し、同時に、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  40. 発光ダイオード用の電力変換システム、太陽電池用の電力変換システム、燃料電池用の電力変換システム、風カエネルギー用の電力変換システム、振動エネルギー用の電力変換システム、運動エネルギー用の電力変換システム、熱エネルギー用の電力変換システム、発電所、電力管理変換システム、建築用の電力変換システム、データセンター用の電力管理変換システム、ＵＰＳ、車両用の電力変換システム、コンピュータまたはノートブック用の電力変換システム、通信機器または通信装置用の電力変換システム、家庭用電化製品用の電力変換システム、および、家庭用電気器具用の電力変換システムを含むことを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  41. 高負荷状態から低負荷状態までの間の負荷状態で電力を供給する電力変換システムであって、
    前記高負荷状態にあるときに所望の効率で電力を途切れなく供給する少なくとも１つの電力変換器と、
    前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けて、前記低負荷状態にあるときに電力を蓄積するために前記少なくとも１つの電力変換器と接続された電力蓄積システムと、を備えた電力変換システム。
  42. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記低負荷状態にあるときに間欠的な電力を供給し、
    前記間欠的な電力は、周期的に前記少なくとも１つの電力変換器を第１の時間オンし、第２の時間オフするように供給され、
    前記電力蓄積システムは、低負荷状態にあるときに電力を供給し、
    前記第１の時間において、前記電力変換器は、前記低負荷状態にあるときに電力を供給し、前記電力蓄積システムに電力を蓄積させるために前記所望の効率で動作し、
    前記第２の時間において、前記低負荷状態で前記少なくとも１つの電力変換器がオフされたときに、前記電力蓄積システムは、電力を供給することを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  43. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記高負荷状態にあるときに所望の効率で電力を途切れなく供給し、前記低負荷状態にあるときに間欠的な電力を供給し、
    前記間欠的な電力は、周期的に前記少なくとも１つの電力変換器を前記第１の時間オンし、前記第２の時間オフするように供給されることを特徴とする請求項４２に記載の電力変換システム。
  44. 前記第１および第２の時間の割合は、前記電力変換器が最大効率状態で動作するよう制御されることを特徴とする請求項４２に記載の電力変換システム。
  45. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記第１の時間に前記電力蓄積システムに電力を供給するための第１の出力と、前記低負荷状態にあるときに電力を供給するための第２の出力と、を有することを特徴とする請求項４２に記載の電力変換システム。
  46. 前記少なくとも１つの電力変換器は、前記第１の時間に前記電力蓄積システムに電力を供給すると共に、前記低負荷状態にあるときに電力を供給するための１つの出力を有することを特徴とする請求項４２に記載の電力変換システム。
  47. 前記電力蓄積システムは、前記第１の時間に前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けると共に、前記第２の時間に前記低負荷状態で電力を供給するための１つのポートを有することを特徴とする請求項４２に記載の電力変換システム。
  48. 前記電力蓄積システムは、前記第１の時間に前記少なくとも１つの電力変換器から供給された電力を受けるための第１のポートと、前記第２の時間に前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するための第２のポートと、を有することを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。
  49. 前記少なくとも１つの電力変換器は、電力段と、出力フィルタとを備え、
    前記電力蓄積システムは、前記低負荷状態にあるときに前記出力フィルタを介して電力を供給することを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  50. 前記少なくとも１つの電力変換器は、出力フィルタを介して前記電力蓄積システムに電力を供給することを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  51. 前記電力変換器は、絶縁型、非絶縁型、単一ステージ、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  52. 前記ＤＣ／ＤＣ電力変換器は、２重スイッチフォワードＤＣ／ＤＣ電力変換器、フルブリッジＤＣ／ＤＣ電力変換器、ハーフブリッジＤＣ／ＤＣ電力変換器、ＬＬＣ共振電力変換器、ハーフブリッジＬＬＣ共振電力変換器、フォワードＤＣ／ＤＣ電力変換器およびフライバックＤＣ／ＤＣ電力変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換システム。
  53. 前記ＡＣ／ＤＣ電力変換器は、３段ＡＣ／ＤＣ電力変換器を備えたことを特徴とする請求項５１に記載の電力変換システム。
  54. 前記電力蓄積システムは、絶縁型、非絶縁型、単一ステージ、マルチステージ、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＡＣ電力変換器の少なくとも１つと、電池、燃料電池、キャパシタ、スーパーキャパシタ、蓄熱器およびフライホイールの少なくとも１つと、を備えたことを特徴とする請求項２２に記載の電力変換システム。
  55. 前記電力蓄積システムは、一時的エネルギー蓄積器と、電力調節回路とを備えたことを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  56. 前記一時的エネルギー蓄積器および前記電力調節回路は、双方向昇降圧変換器、昇圧型変換器、降圧型変換器および降圧放電型変換器の少なくとも１つを備えたことを特徴とする請求項５５に記載の電力変換システム。
  57. 前記少なくとも１つの電力変換器および前記電力蓄積システムの動作を制御するために、前記少なくとも１つの電力変換器および前記電力蓄積システムに接続されたコントローラをさらに備えたことを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  58. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率未満の効率で動作したとき、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムに電力を供給するために前記所望の効率で動作し、同時に、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  59. 前記少なくとも１つの電力変換器が前記所望の効率未満の効率で動作したとき、前記電力変換器は、前記電力蓄積システムおよび前記少なくとも１つの負荷に電力を供給するために前記所望の効率で動作し、同時に、前記電力蓄積システムは、前記少なくとも１つの負荷に電力を供給することを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
  60. 発光ダイオード用の電力変換システム、太陽電池用の電力変換システム、燃料電池用の電力変換システム、風カエネルギー用の電力変換システム、振動エネルギー用の電力変換システム、運動エネルギー用の電力変換システム、熱エネルギー用の電力変換システム、発電所、電力管理変換システム、建築用の電力変換システム、データセンター用の電力管理変換システム、ＵＰＳ、車両用の電力変換システム、コンピュータまたはノートブック用の電力変換システム、通信機器または通信装置用の電力変換システム、家庭用電化製品用の電力変換システム、および、家庭用電気器具用の電力変換システムを含むことを特徴とする請求項４１に記載の電力変換システム。
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