JP2011522512A - スイッチトモード電力変換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、零電圧遷移動作のために適応されたスイッチトモード電力変換器であって、第一の電力スイッチ（２０６）および第二の電力スイッチを有する半ブリッジと、前記第二の電力スイッチのスイッチ・オフに始まる第一の時間期間後にスイッチング信号S1を生成するよう適応された生成器（２０１）と、前記スイッチング信号S1を制御信号S2に変換するコントローラ（２０２）とを有しており、前記第一の電力スイッチ（２０６）は前記制御信号S2の場合にスイッチ・オンされ、前記コントローラ（２０２）は、前記第一の電力スイッチ（２０６）にかかる電圧が減少しつつある場合に第一の信号S3を生成するよう適応された検出器（２０５）と、スイッチング信号S1の場合であってかつ前記第一の信号S3が存在しない場合、トリガー信号S4を生成するよう適応されたプロセッサ（２０３）と、前記トリガー信号S4および前記スイッチング信号S1の場合に前記制御信号S2を生成するよう適応され、前記トリガー信号S4の消失後も前記制御信号S2を維持するよう適応され、前記スイッチング信号S1の消失後に前記制御信号S2を打ち切るよう適応されている記憶要素（２０４）とを有する、変換器を提供する。

Description

本発明は、零電圧遷移動作のために適応されたスイッチトモード電力変換器〔パワー・コンバータ〕に関する。さらに、本発明は、零電圧遷移動作のために適応されたスイッチトモード電力変換器を制御する方法に関する。さらに、本発明は、そのような変換器を有するコンピュータ断層撮影システムおよびそのような方法を実現するプログラム要素およびそのようなプログラム要素を有するコンピュータ可読媒体に関する。

共振型変換器は、共振回路、負荷およびしばしば対応するトランスに電気エネルギーを供給するよう適応される。共振型変換器の好ましい型は、少なくとも半ブリッジを有する。半ブリッジは、直列に接続された二つの電力スイッチ〔パワー・スイッチ〕を有する。したがって、高ポテンシャルと高ポテンシャルおよび低ポテンシャルの間の変化するポテンシャルとの間に配置された電力スイッチ、ならびに、前記変化するポテンシャルと低ポテンシャルとの間に配置された別の電力スイッチがある。そのような共振型変換器を制御するためには種々の可能性がある。ある可能な動作モードは、ソフト・スイッチングである。ソフト・スイッチングは、スイッチングが起こる時点でスイッチ内の電流が零である（零電流スイッチング［zero-current-switching］、ZCS）またはスイッチング・イベントにおいてスイッチにおける電圧が零である（零電圧スイッチング［zero-voltage-switching］、ZVS）ことを特徴とする動作モードである。負荷電流を通じてスイッチに並列なコンデンサを充電することによってスイッチにおける電圧がスイッチ後まもなく現れる場合、この動作モードは零電圧遷移スイッチング（zero-voltage-transition switching）と呼ばれる。これは、スイッチにおける電圧はスイッチをオンにしたりオフにしたりするイベントの間だけ零であることを意味する。これを可能にするために、電力スイッチの伝導時間期間と伝導時間期間の間のいわゆるデッド・タイムが必要とされる。したがって、デッド・タイムは、すべての電力スイッチがオフ状態にある（伝導しない）時間期間によって特徴付けられる。適切なデッド・タイムは、変換器の動作条件に強く依存する。デッド・タイムが短すぎると、数スイッチング・サイクル以内に変換器を破壊してしまうことがある。デッド・タイムが長すぎると、余計な損失および電磁干渉（EMI: electromagnetic interference）につながり、よって所望の動作が実現不能になることがある。

現在のところ、非常に単純なデッド・タイム適応方法が使われている。これは、かなりの設計マージンを要求し、変換器の最適な使用を妨げる。簡単に言うと、デッド・タイムとして固定の時間期間が使われる。この固定デッド・タイムは電力スイッチの保護を保証する。欠点として、変換器の最大電力が、コンポーネントの理論的限界が許すはずであるよりも著しく低くなり、動的な振る舞いはきわめて悪いと見なされねばならない。自己適応方法もある。従来技術の自己適応方法は、単調でない制御振る舞いにつながる過渡現象の場合に、通常動作の立ち上げまたは立ち下がりの間に開始するという問題がある。

したがって、デッド・タイムの最適な時間期間を計算する装置が必要とされていることがありうる。ここで、最適な時間期間とは、変換器の通常の動作がちょうど可能になる最小限の時間期間として意味される。

その必要は、独立請求項に一つに基づく主題よって満たされうる。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載される。

本発明の第一の側面によれば、零電圧遷移動作のために適応されたスイッチトモード電力変換器であって、第一の電力スイッチおよび第二の電力スイッチを有する半ブリッジと、前記第二の電力スイッチのスイッチ・オフに始まる第一の時間期間後にスイッチング信号を生成するよう適応された生成器と、前記スイッチング信号を制御信号に変換するコントローラとを有しており、前記第一の電力スイッチは前記制御信号の場合にスイッチ・オンされ、前記コントローラは、前記第一の電力スイッチにかかる電圧が減少している場合に第一の信号を生成するよう適応された検出器と、スイッチング信号の場合であってかつ前記第一の信号が存在しない場合、トリガー信号を生成するよう適応されたプロセッサと、前記トリガー信号および前記スイッチング信号の場合に前記制御信号を生成するよう適応され、前記トリガー信号の消失後前記制御信号を保持するよう適応され、前記スイッチング信号の消失後に前記制御信号を打ち切るよう適応されている記憶要素〔ストレージ・エレメント〕とを有する、変換器が提案される。

本発明によって提案される変換器は、堅牢であり、自己適応性のデッド・タイム延長を提供すると見なすことができる。この実施形態は、上述した欠点を回避し、あらゆる状況下で安定な動作を許容する。さらに、本発明の概念に基づく変換器は、過渡動作に敏感でない。その結果として、本発明の概念は、変換器をその理論的限界まで使う可能性を与える。

本発明の第二の側面によれば、零電圧遷移動作のために適応されたスイッチトモード電力変換器を制御する方法であって、前記変換器は第一の電力スイッチおよび第二の電力スイッチを有する半ブリッジを有し、当該方法は、前記第二の電力スイッチのスイッチ・オフに始まる第一の時間期間後にスイッチング信号を生成する段階と、前記スイッチング信号を制御信号に変換する段階とを有しており、前記第一の電力スイッチは前記制御信号の場合にスイッチ・オンされ、当該方法は、前記第一の電力スイッチにかかる電圧が減少している場合に第一の信号を生成する段階と、スイッチング信号の場合であってかつ前記第一の信号が存在しない場合、トリガー信号を生成する段階と、前記トリガー信号および前記スイッチング信号の場合に前記制御信号を生成する段階とを有し、前記記憶要素は、前記トリガー信号の消失後前記制御信号を保持するよう適応され、前記記憶要素は、前記スイッチング信号の消失後に前記制御信号を打ち切るよう適応されている、方法が提案される。

本発明に基づく方法は、原理的には、よく知られた谷スイッチング（valley-switching）を開始条件と組み合わせる。その結果は、自己適応的なデッド・タイムの延長である。谷スイッチングとは、スイッチを次回オンにするのが、そのブロッキング電圧が最小を達成するまで遅延されるということを意味する。開始条件とは、その遅延がブロッキング電圧の降下が検出された場合にのみ適用されることを意味する。このようにして、通例は不適当なスイッチング遅延につながり変換器が通常動作を開始するのを妨げるあらゆる尋常でない条件が無視される。

本発明の第三の側面によれば、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の変換器を有するコンピュータ断層撮影システムが提案される。

本発明の第四の側面によれば、プロセッサによって実行されるときに請求項９記載の方法を実行するよう適応されたプログラム要素が提案される。

本発明の第五の側面によれば、請求項１１記載のプログラム要素を記憶しているコンピュータ可読媒体が提案される。

本発明によれば、前記記憶要素がラッチである変換器が提供される。

ある例示的な実施形態によれば、前記記憶要素が双安定マルチバイブレータ、特にフリップフロップである変換器が提供される。

本発明によれば、変換器であって、第一の電力スイッチのスイッチ・オンと第二の電力スイッチのスイッチ・オフの間に時間期間があるよう第一のデッド・タイムを生成するための第一の遅延器を有する変換器が提供される。第一のデッド・タイムは、第一の電力スイッチおよび第二の電力スイッチの短絡を防止するよう適応される。

ある例示的な実施形態によれば、変換器であって、第一の電力スイッチがオンにされる前に第一の電力スイッチにかかる電圧が零に降下するよう第二のデッド・タイムを生成するための第二の遅延器を有する変換器が提供される。

もう一つの例示的な実施形態によれば、変換器であって、第一の時間期間は、前記制御信号の変化から、前記第一の電力スイッチがその伝導状態を変えてしまうまでの時間期間より長く、前記スイッチング信号の消失に始まり零電圧遷移動作の間の前記第一の電力スイッチの第一の最小電圧で終わる時間期間よりも短い変換器が提供される。

もう一つの例示的な実施形態によれば、前記第一の時間期間が10ないし5000nsの範囲にある、変換器が提供される。

もう一つの例示的な実施形態によれば、X線アプリケーションのための高電圧発生器の共振回路およびトランスに給電するDC/ACコンバータの一部である変換器が提供される。

半ブリッジの一つの電力スイッチがオン状態にある状況では、この半ブリッジの他方の電力スイッチをスイッチ・オンすることが可能でない。この場合、短絡があることになり、両電力スイッチが損傷を受けることがありうる。したがって、安全な動作モードを保証するためには、一つの電力スイッチのオン状態（伝導状態）からオフ状態（非伝導状態）への変化後、他方の電力スイッチをスイッチ・オンする前にある時間期間だけ待つことが必要である。この手順は、両方の電力スイッチが伝導するという、短絡につながる状況を防止することを保証する。

この問題に加えて、零電圧遷移動作を達成するためには、電力スイッチがオンにされる前に、その電力スイッチにかかる電圧が零に降下することを許容するようあるさらなる時間期間待つ必要がある。この追加的な時間期間は、通例、変換器の動作条件に強く依存する。上述した二つの状況に従って必要とされる全時間期間が、電力スイッチのスイッチングに関して顧慮される必要がある。したがって、本発明によれば、デッド・タイムが生成され、このデッド・タイムは、前記全時間期間を得るためにデッド・タイム制御モジュールによって延長される。

最適な動的振る舞いおよびコンポーネントの良好な利用を達成するために、共振型変換器のデッド・タイムを最適化することを本発明の要旨と見てもよい。

本発明の以下に記述される例示的な実施形態は、方法、装置、プログラム要素およびコンピュータ可読媒体にも当てはまることを注意しておくべきである。

上記の特徴が組み合わされてもよいことを注意しておくべきである。上記の特徴の組み合わせは、たとえ明示的に詳細に記述されていないとしても、共同的な効果につながることもありうる。

本発明のこれらおよびその他の側面は、以下に記述される実施形態を参照することから明白となり、明快にされるであろう。

本発明の例示的な実施形態について、以下の図面を参照して下記に記述する。

電圧特性を示す図である。 本発明のある実施形態のブロック図である。 コンピュータ断層撮影ガントリーを示す図である。

本発明の概念は、よく知られた谷スイッチングを開始条件と組み合わせる。谷スイッチングとは、スイッチを次回オンにするのが、そのブロッキング電圧〔阻止電圧〕が最小を達成するまで遅延されるということを意味する。開始条件とは、その遅延がブロッキング電圧の降下が検出された場合にのみ適用されることを意味する。このようにして、通例は不適当なスイッチング遅延につながり変換器が通常動作を開始するのを妨げるあらゆる異常な条件が無視される。

本質的な特徴は、スイッチ電圧の初期の降下遷移のみが評価され、それもスイッチをオンにする信号が発生するときにこれがすでに進行中である場合にのみということである。他のすべての場合には、デッド・タイム延長は考えられず、スイッチ制御はすぐに起こる。

図１は、本発明の発明概念を記述している。最初の図は、スイッチング信号１０１を描いている。スイッチング信号１０１は、イネーブル信号と解釈することができ、電力スイッチの所望の状態を示す。スイッチング信号１０１がある場合にのみ、電力スイッチをスイッチ・オンすることが可能である。さらに、スイッチング信号１０１が存在することは十分ではない。スイッチング信号１０１のエッジ１０５が電力スイッチをスイッチ・オンする可能性を開始する。電圧特性１０２は電力スイッチにかかる電圧を描いている。エッジ１０５の時点で、電力スイッチにかかる電圧は低下しつつある。この結果が第一の信号１０３を与える。第一の信号１０３の存在は、制御信号１０４の生成を妨げる。電力スイッチ１０２にかかる電圧の降下中、電力スイッチは、スイッチング信号１０１の存在にもかかわらず、スイッチングを妨げられる。最後に、電圧特性１０２は一定または上昇中になり、この状況では、電力スイッチは制御信号１０４によってスイッチ・オンされることができる。

スイッチング信号１０１のエッジ１０６では、低下する電圧１０２はない。したがって、制御信号１０４は、遅延時間なしでただちに存在する。電圧１０２のその後の低下は、制御信号１０４がすでにオンなので、いかなる変化も生じさせない。したがって、電圧１０２および第一の信号１０３の変化は、制御信号１０４によって制御される電力スイッチのオン時間期間の間は、本発明の概念によれば無視されることになる。

図１は、本発明の主要な動作モードを記述している。スイッチング信号１０１の最初の発生の少し前に、電力スイッチにかかる電圧１０２が低下しはじめる。電圧１０２のこの低下は、本電力スイッチが給電するコンピュータ断層撮影システムの共振回路およびトランスのインダクタンスおよびキャパシタンスに依存する。この低下は検出器によって検出され、第一の信号によって示される。この第一の信号１０３が存在する間は、制御信号１０４はない。次の状況では、電力スイッチにかかる電圧１０２が降下を止めるときに、第一の信号１０３は消失する。この瞬間に、制御信号１０４は電力スイッチをスイッチ・オンする。さらなる変化、特に電力スイッチ１０２にかかる電圧の交互の上昇および下降は、これ以上何の効果ももたない。

第二の状況はエッジ１０６に示されている。この場合、降下する電圧１０２による妨害はない。したがって、制御信号１０４が電力スイッチをスイッチ・オンできる。

図２は、本発明のある実施形態のブロック図である。電力スイッチ２０６は、その端子U+およびU-の間の伝導接続をスイッチするよう適応される。電力スイッチ２０６は、制御信号S2によって制御される。ブロック２０２は、本発明の概念に基づくコントローラを描いている。端子U+とU-の間の電圧を監督する検出器２０５が描かれている。低下する電圧の場合、検出器２０５は第一の信号S3を生成する。スイッチング信号S1を生成する生成器２０１が描かれている。スイッチング信号S1は、電力スイッチ２０６をスイッチ・オンするためのイネーブル信号と見なすことができる。信号S1（スイッチング信号）およびS3（第一の信号）はプロセッサ２０３によって処理される。スイッチング信号S1があって第一の信号S3がない場合、プロセッサはトリガー信号S4を生成する。信号S4（トリガー信号）およびS1（スイッチング信号）は、記憶要素２０４によって処理される。トリガー信号S4およびスイッチング信号S1の場合、記憶要素は制御信号S2を生成する。電力スイッチ２０６は制御信号S2によってスイッチ・オンされる。電力スイッチ２０６がスイッチ・オンされた後にトリガー信号S4が変化しても、変化はない。記憶要素２０４は、スイッチング信号S1がある限り、制御信号S2を維持する。スイッチング信号S1が消失する場合にのみ、制御信号S2は、記憶要素２０４によって打ち切られる。

図２は、本発明の主要な実装を示している。二つの信号線の助けにより、デッド・タイム制御システム２０２は、制御される電力スイッチ２０６の両端の電圧を受け取る。この電圧は、デッド・タイム制御モジュール２０２内の検出器２０５に供給される。電力スイッチ２０６にかかる電圧が低下しつつある場合、検出器２０５は、その出力において第一の信号S3を生成する。すなわち、該電圧が一定であるまたは上昇中である場合には信号を生成しない。換言すれば、第一の信号S3は、電力スイッチ２０６における降下中の電圧を示す。この第一の信号S3は信号消去〔ブランキング〕ブロック２０３に送られる。信号消去ブロックはスイッチング信号S1を受け取る。第一の信号S3が存在しない場合には、スイッチング信号S1は信号記憶ブロック、たとえばラッチ、２０４に転送される。第一の信号S3がある場合には、第一の信号S3が存在する間は、消去ブロック２０３は信号S1の記憶要素２０４への伝搬を保留にする。記憶要素２０４もスイッチング信号S1を受け取る。記憶要素２０４において信号S1およびS4の両方が存在すれば、記憶要素２０４は電力スイッチ２０６についての制御信号S2を生成する。信号S4のその後の変化は、以後は度外視される。信号S1が除去されるとき、すなわちスイッチング信号S1がオフにされるときにのみ、記憶要素２０４もその出力信号として制御信号S2を除去し、よって電力スイッチ２０６をオフにする。

図３は、コンピュータ断層撮影ガントリー９１装置の例示的な実施形態を示している。ガントリー９１は、高周波電源９８に接続された静止部９２および該静止部９２に対して回転するよう適応された回転部９３を有する。X線源９４およびX線検出器９５は、向かい合う位置において回転部９３に取り付けられ、テーブル９７上に位置された患者のまわりを回転可能にされる。X線検出器９５およびX線源９４は、X線検出器９５およびX線源を制御するよう適応された制御および解析ユニット９９に接続されている。X線検出器９５の検出結果を評価するためである。

スイッチトモード電力変換器において実装されている自己適応性のコントローラは、DC/ACコンバータの長すぎるまたは短すぎるオフ時間期間の欠点を回避し、あらゆる状況の下でDC/ACコンバータの安定で堅牢な動作を許容する。コントローラは、過渡動作に敏感でない。さらに、コンバータを理論的な限界まで動作させることが実現可能になる。

本発明は、X線コンピュータ断層撮影システムとともに、およびコンピュータ断層撮影アプリケーションのための無接点電力転送（contactless-power-transfer）システムとともに適用されることができる。これらの高電力アプリケーションでは、本発明は、ZVTスイッチングをもつ共振型電力変換器（resonant power converter）の原理の限界に近い変換器を設計することを許容し、よってシステムのコストおよびサイズの最小化に寄与する。

本発明は、零電圧遷移スイッチング（ZVT）をもつ共振型電力変換器の原理的な限界に近い変換器を設計する可能性を与え、よってシステムのコストおよびサイズの最小化に寄与する。本発明の概念は、零電圧遷移スイッチング（ZVT）をもつ他のあらゆる種類の準共振型の電力変換器においても適用できる。特に、より信頼できるより小さな電力変換器が、低下した設計努力をもって生産できる。

「有する」の語は他の要素やステップを排除するものではないこと、単数形の表現が複数を排除するものではないことを注意しておくべきである。種々の実施形態との関連で記述された諸要素が組み合わされてもよい。

請求項に参照符号があったとしてもその請求項の範囲を限定するものと解釈してはならないことを注意しておくべきである。

９１ コンピュータ断層撮影ガントリー
９２ ガントリーの静止部
９３ ガントリーの回転部
９４ X線源
９５ X線検出器
９７ テーブル
９８ 高周波数電源
９９ 制御および解析ユニット
１０１ スイッチング信号
１０２ 電力スイッチ上の電圧
１０３ 第一の信号
１０４ 制御信号
２０１ 生成器
２０２ コントローラ
２０３ プロセッサ
２０４ ラッチ
２０５ 検出器
２０６ 電力スイッチ

Claims (12)

1. 零電圧遷移動作のために適応されたスイッチトモード電力変換器であって、
   ・第一の電力スイッチおよび第二の電力スイッチを有する半ブリッジと、
   ・前記第二の電力スイッチのスイッチ・オフに始まる第一の時間期間後にスイッチング信号を生成するよう適応された生成器と、
   ・前記スイッチング信号を制御信号に変換するコントローラとを有しており、前記第一の電力スイッチは前記制御信号の場合にスイッチ・オンされ、
   前記コントローラは、
   ・前記第一の電力スイッチにかかる電圧が減少しつつある場合に第一の信号を生成するよう適応された検出器と、
   ・スイッチング信号の場合であってかつ前記第一の信号が存在しない場合、トリガー信号を生成するよう適応されたプロセッサと、
   ・前記トリガー信号および前記スイッチング信号の場合に前記制御信号を生成するよう適応され、前記トリガー信号の消失後前記制御信号を維持するよう適応され、前記スイッチング信号の消失後に前記制御信号を打ち切るよう適応されている記憶要素とを有する、
   変換器。
2. 前記記憶要素がラッチである、請求項１記載の変換器。
3. 前記記憶要素が双安定マルチバイブレータ、特にフリップフロップである、請求項１または２記載の変換器。
4. 請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の変換器であって、
   ・前記第一の電力スイッチのスイッチ・オンと前記第二の電力スイッチのスイッチ・オフの間に時間期間があるよう第一のデッド・タイムを生成するための第一の遅延器を有する、変換器。
5. 請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の変換器であって、
   ・前記第一の電力スイッチがオンにされる前に前記第一の電力スイッチにかかる電圧が零に降下するよう第二のデッド・タイムを生成するための第二の遅延器を有する、
   変換器。
6. 請求項１ないし５のうちいずれか一項記載の変換器であって、第一の時間期間は、
   ・前記制御信号の変化から、前記第一の電力スイッチがその伝導状態を変えてしまうまでの時間期間より長く、
   ・前記スイッチング信号の消失に始まり零電圧遷移動作の間の前記第一の電力スイッチの第一の最小電圧で終わる時間期間よりも短い、
   変換器。
7. 前記第一の時間期間が10ないし5000nsの範囲にある、請求項１ないし６のうちいずれか一項記載の変換器。
8. X線アプリケーションのための高電圧発生器の共振回路およびトランスに給電するDC/ACコンバータの一部である、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の変換器。
9. 零電圧遷移動作のために適応されたスイッチトモード電力変換器を制御する方法であって、前記変換器は第一の電力スイッチおよび第二の電力スイッチを有する半ブリッジを有し、当該方法は、
   ・前記第二の電力スイッチのスイッチ・オフに始まる第一の時間期間後にスイッチング信号を生成する段階と、
   ・前記スイッチング信号を制御信号に変換する段階とを有しており、前記第一の電力スイッチは前記制御信号の場合にスイッチ・オンされ、
   当該方法は、
   ・前記第一の電力スイッチにかかる電圧が減少しつつある場合に第一の信号を生成する段階と、
   ・スイッチング信号の場合であってかつ前記第一の信号が存在しない場合、トリガー信号を生成する段階と、
   ・前記トリガー信号および前記スイッチング信号の場合に前記制御信号を生成する段階とを有し、
   前記記憶要素は、前記トリガー信号の消失後前記制御信号を維持するよう適応され、前記記憶要素は、前記スイッチング信号の消失後に前記制御信号を打ち切るよう適応されている、
   方法。
10. 請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の変換器を有するコンピュータ断層撮影システム。
11. プロセッサによって実行されるときに請求項９記載の方法を実行するよう適応されたプログラム要素。
12. 請求項１１記載のプログラム要素を記憶しているコンピュータ可読媒体。

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