JP2011523338A - 電力損失モデルを用いて電力システムの効率を最適化する装置および方法 - Google Patents

Abstract

負荷要件の変化、電源のばらつき、およびサブシステムの温度変動に応答するようなやり方で、総サブシステム効率を向上させるために、電力サブシステムを能動的に最適化する。構成デバイスについて、詳細な多次元電力損モデルを作成し、次いでこれらを電力サブシステムに組み合わせる。電力サブシステムは、コントローラと、入力および出力電圧、出力電流、ならびに温度というようなデバイス動作パラメータを測定する回路とを内蔵する。動作パラメータを連続的に監視し、詳細な電力損モデルに基づいて、設定点を対応して変化させて、システムの瞬時的動作状態について最大の全体的効率を達成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力サブシステム・アーキテクチャに関し、更に特定すれば、電力デバイスの電力損失モデルを用いることによって、エネルギ管理およびサブシステムの効率制御を能動的に行う電力サブシステムに関する。

従来技術

当技術分野では、必要なバス電圧をマイクロプロセッサ、メモリ、およびその他の電子デバイスに供給するために、複数の電力変換段を備えている分散型電力サブシステム・アーキテクチャを用いることは周知である。従来のシステムは、交流（ＡＣ）一次電圧源によって動作することができ、分離されたＡＣ／ＤＣ変換器を用いて、この一次電圧源を中間直流（ＤＣ）バス電圧に変換する。次いで、この中間ＤＣバス電圧は、通例、システム全体に配電され、二次ＤＣ／ＤＣ変換器によって、システム負荷の入力電圧要件に一致したより低い電圧にローカルに変換される。あるいは、システムが一次ＤＣバス電圧によって動作し、この一次ＤＣバス電圧を最初に、分離されたＤＣ／ＤＣ変換器によって中間バス電圧に変換する場合もある。この場合も、この中間電圧は二次レギュレータまたは変換器に配電され、要求される供給電圧を供給する。従来のシステムの例を図１および図２に示す。これらの図は、それぞれ、２３０ＶＡＣで動作し中間バスが１２ＶＤＣであるＡＣシステム、および４８ＶＤＣで動作し中間バスが１２ＶＤＣであるＤＣシステムを示す。

任意の電力変換器またはレギュレータの効率は、通例、その動作点の複合関数であり、パラメータの中でもとりわけ、入力電圧、出力電圧、負荷電流、およびデバイスの温度に依存する。つまり、効率は、通例、負荷をオンまたはオフに切り換えたり、高いまたは低いクロック・レートで動作させたり、そしてシステムが加熱または冷却するにしたがって、システムの活動(activity)と共に変化する。しかしながら、一旦特定の動作点に合わせて設計し最適化すると、従来の電力サブシステムは、システムの活動には関係なく、静的に動作する。

図１に示すシステムでは、一次電力変換器の効率は、入力電圧が高くなるに連れて高くなる傾向があり、この効率は、出力電圧が低下するに連れて、そして温度が上昇するに連れて低下する。同様に、レギュレータの効率は、入力電圧が低下するに連れて、そして出力電圧が上昇するに連れて、低下する傾向があり、この効率は、温度が上昇するに連れて低下する。図２におけるシステムの挙動は同様である。つまり、中間電圧の選択がシステム全体の効率に影響を及ぼすことは明らかである。中間電圧を低下させると、一次変換器の効率が低下するが、二次レギュレータの効率は上昇する。つまり、システムの所与の動作状態に対して、システムの全体効率を最大にする最適中間電圧がある。同様に、一次変換器および二次レギュレータ双方の効率は、温度が上昇するに連れて低下するが、ファンまたはその他の能動的冷却システムを動作させると、電力を消費し、したがってシステム効率は低下する。このように、システムの所与の動作状態に合った最適温度設定点があり、この最適温度設定点において電力効率が最大化となる。

典型的なシステムでは、電力サブシステムは１つの動作点に合わせて最適化される。好ましくは、この１つの動作点は、システムが最も高い頻度で見出される動作点である。中間電圧および温度制御点は、この動作点に設定され、システムの実際の動作状態には関係なく、一般に固定されたままである。しかしながら、総エネルギ消費を低減するためには、実際のシステム活動に基づいて電力サブシステムの設定点を動的に最適化した方がよび場合もある。しかしながら、多くの場合、効果的な制御を可能とするのに十分な精度で直接電力変換デバイスの電力損失を測定するのは実用的でない。その理由は、殆どの場合、電力損失を測定するには、２つの大きな量、即ち、入力電力および出力電力の差を取って、小さな電力損測定値に到達しなければならないからである。例えば、典型的な変換器が、１００Ｗの入力電力、および９２Ｗの出力電力で動作すると、８Ｗの電力損失が生ずる。入力および出力の電力損を各々±２％の正確度で測定できる場合、それ自体に難問があるが、電力損の計算は、入力および出力電力測定誤差が相関付けられていないと仮定すると、以下に示すように、大きな組み合わせ誤差を呈する。

言い換えると、電力損測定の誤差は＋／−３４％となり、システム効率の効果的な制御に用いるには、不正確過ぎるのは明らかである。電力変換器の効率は技術が進歩するに連れて向上しているので、電力損失が入力および出力電力と比較して増々小さくなるに連れて、この問題は増々悪化するだけである。

したがって、システム活動が変化するに連れて、サブシステムの効率を最大にするために、設計設定点を動的に最適化する能動制御を利用する電力サブシステムを提供できれば有用であろう。更に、設計設定点の動的最適化を可能にする十分な正確度が得られるように、電力サブシステムのコンポーネントの電力損を特徴付けて監視する方法を提供することもできれば有用であろう。

本発明は、電力サブシステム・アーキテクチャ、およびシステムの全ての動作状態にわたって最大電力効率を達成するために、設計設定点の動的最適化を可能にするように電力サブシステムのコンポーネントを特徴付ける方法を提供する。

本発明による電力サブシステムの一実施形態は、交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）でもよい電力バスを含む。一次電力変換器は、一次バス電圧を中間電圧に変換し、この中間電圧を１つ以上の二次電力変換器に配電する。二次電力変換器は、線形レギュレータ、スイッチング変換器、昇圧変換器、降圧変換器(buck converter)、または当技術分野では周知の任意のその他のタイプの電圧規制デバイスとすることができる。１つ以上の二次変換器は、システム負荷に供給される電力のコンディショニングを行う。

本発明による電力サブシステムの一実施形態では、個々の電力デバイスは、デバイス・レベルにおいて温度、電流、電圧、およびその他の動作パラメータを測定するように構成されており、更にＩ^２Ｃ、ＲＳ−４８５、または当業者には周知の任意のその他の通信バスというような通信バスを通じて入手可能な測定データを発生するように構成されている。代替実施形態では、外部測定ユニットが、個々のデバイスの動作パラメータを測定するように構成されている。外部測定ユニットは、中央に配置したデバイスを備えることができ、あるいはシステム全体に分散した個々の測定デバイスの集合体を備えることもできる。測定された動作パラメータは、とりわけ、入力および出力電圧、入力および出力電流、デバイス温度を含むことができる。このような測定を行うために用いられる具体的な変換器や検出器は、当技術分野では周知である。

また、電力サブシステムは、コントローラ・ユニットも含む。このコントローラ・ユニットは、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）デバイス、マイクロコントローラ、汎用処理デバイス、または任意のその他のタイプの処理デバイスを含むことができる。コントローラ・ユニットは、システム内の電力デバイスと通信する通信ユニットを含む。外部測定ユニットを含む代替実施形態では、通信ユニットは外部測定ユニットとも通信することができる。また、コントローラ・ユニットは、システムの電力コンポーネントの各々について、詳細電力損モデル・データを収容するメモリ・ユニットも含む。

本発明による電力システムの一実施形態では、コントローラ・ユニットは、サブシステム内部にあるモジュールであり、他のデバイスとインターフェースして、他のシステム・デバイスからテレメトリを収集し、他のシステム・デバイスにコマンドを送るように構成されている。別の実施形態では、コントローラは、電力サブシステムの外部にあり、例えば、電力サブシステムを制御するように構成されたコンピュータまたはマイクロプロセッサを備えることができる。更に別の実施形態では、コントローラを電力デバイスのうちの１つ自体に実装することもできる。例えば、一次電力変換器を動作させるために用いられる論理回路は、コントローラ・ユニットのように動作することもできる。

一般に、電力デバイスの効率は、とりわけ、入力および出力電圧、電流、および温度というような、複数の動作パラメータの複合関数である。電力サブシステムを組み立てる前に、電力デバイスの各々を独立して特徴付けて、大多数の異なる動作状態について、その電力損、または効率を測定する。各動作パラメータを変化させると、特徴化の下におけるデバイスの電力損が測定され、データ点が保存され、その後電力サブシステムのメモリ・ユニットに書き込まれる。電力損モデルの所望の正確度レベルによって、どれくらいのデータ点を測定すべきか、そしてそれらの間隔をどれくらい狭くすべきかが決まる。電力サブシステムを用いようとする用途が、正確度の要求レベルを設定する。測定したデータ点を用いて、動作パラメータの任意の組み合わせについて、特徴付けたデバイスの電力損失を予測する関数を作成する。測定したデータは１組の離散データ点から成るので、線形内挿補間モデル、三次スプライン・モデル、または当技術分野では周知の任意のその他の内挿補間モデルを用いて、データ点間で内挿補間を行う必要がある。同様に、測定したデータ集合の外側にある動作モードに取り組むために、当技術分野において周知の外挿補間方法も用いることができる。

また、コントローラ・ユニットは、電力デバイスの動作パラメータについてのデータを収集するように構成されているプロセッサ・ユニットも内蔵する。一方、このプロセッサ・ユニットは、メモリ・ユニットに格納されている電力損モデルを、動作データと共に用いて、電力コンポーネントの各々の瞬時電力損の推定値を求める。次いで、プロセッサ・ユニットは、目標関数に到達するために、電力コンポーネントの各々の電力損の加重合計を求める。目標関数は、システムの総電力損との関係を有する。実際、成分電力損の合計を形成する際に用いられる重み係数を全て１に設定すると、目標関数は総システム電力損と同一となる。しかしながら、重み係数を設定する自由度があると、コストを種々のコンポーネントに配分する追加の能力がシステムに設けられる。例えば、一次変換器よりもシステムの他のコンポーネントを冷却する方が遥かに難しい場合、これを反映するように重み係数を選択することができる。

次いで、プロセッサは、続いて、目標関数を最小にしこれによってサブシステムの効率を最大にすることを目的として、コンポーネントの各々の動作パラメータに対する小さな変化の目標関数に対する影響を評価する処理を行う。例えば、中間バス電圧を低下させると全体的なサブシステム効率の向上が得られるとプロセッサが判断した場合、その変化を一次電力変換器に命令し、プロセッサが計算した最適値にその出力電圧を変化させる。測定、計算、および命令サイクルは、電力サブシステムが用いられる用途の要求によって設定されるレートで繰り返される。このプロセスによって、負荷または動作モードの変化を考慮に入れた、サブシステムの効率の動的最適化が得られる。

場合によっては、システムに中間電圧またはその他のパラメータを変化させるように命令すると、二次変換器への入力電圧がその推奨レベルよりも下に低下するというような、負の結果が生ずることもある。これに対処するために、本発明による電力サブシステムの代替実施形態は、１組のサブシステム制約データも含む。このサブシステム制約データは、メモリ・ユニットに格納される。このデータは、とりわけ、状態変化をシステムに適用する際に超過すべきでない入力電圧、出力電圧、温度、および電流というようなパラメータに対する制限を含むことができる。また、制約データはときと共に変化してもよい。プロセッサは、命令した状態変化が制約のいずれにも違反しないように、電力コンポーネント制約を受ける目標関数を最小にする。

同様に、電力サブシステムが供給するように設計された一部の負荷が、電流、電圧、温度、または容認可能な範囲に保持しなければならないその他のパラメータに対して制限を有する場合もある。このため、本発明による電力サブシステムの別の実施形態は、メモリ・ユニットに格納された負荷制約データベースを含む。プロセッサによる目標関数の最小化は、負荷制約のいずれにも違反しないように、これらの負荷制約を受けて実行される。

本発明による電力サブシステムの別の実施形態は、ファン、ヒート・ポンプ、またはその他の能動的温度制御デバイスというような、能動的冷却システムを含む。冷却システムの電力損モデルも、先に論じたのと同様に作成して、メモリ・ユニットに格納する。更に、プロセッサ・ユニットは、サブシステムの効率を最大にするために、目標関数の評価において冷却システムを含むように構成されている。例えば、多くの電力デバイスは、温度が低い程、高い効率で動作することができる。しかしながら、能動的冷却システムを作動させるにはエネルギも必要となる。これらの兼ね合い (trade)の均衡を取り、サブシステム全体の電力損を最小にする冷却の最適量に到達するために、目標関数が用いられる。

以上の論述から、動的最適化電力変換システムでは、一定の利点が得られたことが、当業者には明らかなはずである。本発明の更に別の利点および用途は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を検討することによって、当業者には明白となろう。添付図面を参照するが、最初にこれらの図面について端的に説明する。

図１は、ＡＣ一次バスに合わせた典型的な分散型電力サブシステム・アーキテクチャを示す。 図２は、ＤＣ一次バスに合わせた典型的な分散型電力サブシステム・アーキテクチャを示す。 図３は、本発明にしたがって動的に最適化された電力サブシステム・アーキテクチャのブロック図を示す。 図４は、外部測定デバイスを用いて動作データを収集する、本発明による動的最適化電力サブシステムの代替実施形態を示す。 図５は、本発明にしたがって実行される、典型的な電力変換モジュールの効率の多次元分析を示す。 図６Ａは、本発明によるシステムの有効制御範囲を制限するために用いられるデバイス制約を示す。 図６Ｂは、本発明によるシステムの有効制御範囲を制限するために用いられるデバイス制約を示す。 図７は、本発明による効率最適化手順の動作を記述するフロー・チャートを示す。

本発明は、広い範囲のシステム動作状態にわたって高い効率を達成するために、動作設定点の動的制御を可能にする、電力サブシステム・アーキテクチャ、ならびにデバイス電力損特徴化および監視方法を提供する。以下に続く詳細な説明では、図面の１つ以上に現れる同様の要素を示すために、同様の要素番号を用いることとする。

図１および図２のブロック図に、従来の分散型電力サブシステム・アーキテクチャを示す。図１において、２３０ボルトの一次ＡＣバス１０４を１２ボルトの中間ＤＣバス１０６に変換するために、ＡＣ／ＤＣ変換器１０２が用いられている。中間バス１０６は、例えば、システム・コンポーネントに要求される、特定電圧、例えば、１１０を発生するために、二次変換器またはレギュレータ１０８、１１２、および１１４に分散されている。図２は、４８ボルトの一次ＤＣバス２０４を１２ボルトの中間バス２０２に変換するために一次ＤＣ／ＤＣ変換器２０２を用いる同様のシステムを示す。図１および図２の双方において、中間バス１０６または２０６の電圧は、二次変換器１０８、１１２、１１４、２０８、２１２、および２１４において予期される平均負荷に基づいて選択される。一旦設計によって設定されると、中間バス電圧は変化しない。

図３は、本発明による電力サブシステムの一実施形態のブロック図を示す。一次電力変換器３０２は、一次ＡＣバス３０４を中間ＤＣバス３０６に変換する。尚、一次ＤＣバスおよび一次ＤＣ／ＤＣ変換器も用いることができ、その場合も本発明の範囲および主旨に該当することに変わりはないことは認められてしかるべきである。中間バス３０６は、二次側の分離または非分離電力変換器、例えば、３０８、あるいは線形レギュレータとするとよいレギュレータ、スイッチング変換器、昇圧変換器、降圧変換器、あるいは当技術分野において周知の任意のその他のタイプの電圧変換器またはレギュレータに分配される。二次電力変換器３０８は、システム負荷３１０を駆動するために用いられる電圧のコンディショニングを行う。

コントローラ・ユニット３２６は、電力サブシステムのコンポーネントと通信する通信ユニット３３４、電力損モデル・データを格納するメモリ・ユニット３３２、およびサブシステム動作電力損を計算するプロセッサ・ユニット３３６を備えている。コントローラは、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）デバイス、マイクロコントローラ、汎用処理デバイス、または当技術分野では周知の任意のその他の処理デバイスを備えることができる。図３に示す実施形態は、コントローラ３２６を、電力サブシステムの中にあり、他の電力サブシステム・コンポーネントとのインターフェースを有する別個のモジュールとして図示している。例えば、コントローラ３２６は、内部または外部メモリを有し、Ｉ^２Ｃバスを通じて他の電力サブシステム・コンポーネントとインターフェースされたマイクロコントローラに実装することもできる。

代替実施形態では、コントローラは、電力サブシステムに接続された外部デバイスを備えることもできる。例えば、コントローラは、それ自体のマイクロプロセッサおよびメモリ・デバイスを有するコンピュータ・システムとすることもでき、このコンピュータ・システムは、通信ケーブルを通じて電力サブシステムにインターフェースされる。

更に別の実施形態では、コントローラは電力デバイスの１つ自体の中に位置することもできる。例えば、コントローラは、一次電力変換器３０２の論理回路の中、または二次変換器、例えば、３０８の１つ以上の中に実装することもできる。コントローラには、他の物理的位置も可能であり、それも本発明の範囲および主旨に該当する。

通信ユニット３３４は、Ｉ^２Ｃ、ＲＳ−４８５、または当技術分野では周知の任意のその他の通信バスを通じて、電力デバイスおよびその他の回路エレメントと通信する。通信バスは、二点間（例えば、ＵＳＢ）、またはバス状（例えば、Ｉ^２Ｃ）であってもよい。図３に示す実施形態では、一次変換器３０２および二次変換器３０８のようなコンポーネントは、温度、電圧、および回路のうち少なくとも１つを測定し、これらの測定値を含むディジタル・テレメトリ(digital telemetry)を発生することができる検知回路を含むと想定されている。ディジタル・テレメトリは、通信バス、例えば、３１８、３２４、および３１２を通じて通信ユニット３３４に返送される測定値を含む。このような能力を有していないコンポーネントを用いるシステムでは、外部測定デバイスを用いることができる。これについては、以下で図４を参照しながら論ずることにする。

通信ユニット３３４は、一次変換器３０２、二次変換器、例えば、３０８、およびその他のシステム・デバイス、例えば、３２０から測定データを集める。この測定データは、項目の中でもとりわけ、それぞれの電力サブシステム・コンポーネント毎に、入力電圧、出力電圧、電流、および温度データを含むことができる。オプションの冷却回路３２０が、電力システムの能動的な冷却を提供し、ファン、能動的ヒート・ポンプ、または当技術分野では周知の任意のその他の能動的冷却デバイスを備えることができる。温度、および冷却デバイスによって消費される電流を含む動作パラメータも、通信ユニット３３４に返される。システム制約３２８、および、随意選択肢として、負荷制約３３０も通信ユニット３３４に送ることができる。この制約データの本質(nature)については、図６Ａおよび図６Ｂを参照しながら以下で更に詳しく説明する。

コントローラ３２６は、電力システム・コンポーネントからの測定データならびに制約データ３２８および３３０を利用して、システム負荷の瞬時的電力要求に対する効率を最大にするために、電力サブシステム・コンポーネントの各々について動作設定点を計算する。これらの設定点を計算する方法については、図５を参照しながら以下で更に詳しく論ずることにする。コントローラは、制御コマンドを一次変換器３０２、二次変換器３０８、および冷却システム３２０に送る。電力サブシステム・コンポーネントは、現在の温度およびシステム負荷に対する電力システム効率を最大にするために、命令された調節にしたがってそれらの動作設定点を変更することによって応答する。

図４は、本発明による電力サブシステムの代替実施形態を示す。この実施形態では、二次ＤＣ／ＤＣ変換器、例えば、３６２が、電圧および電流テレメトリを測定し報告する能力をそれら自体が有していないことを想定している。つまり、当技術分野では周知のセンサを採用した外部測定回路３６６を用いて、アナログ測定値３６４を集め、ディジタル・テレメトリを作成する。次いで、通信バス３６８を通じてこのディジタル・テレメトリを通信ユニット３８０に送る。外部測定ユニット３６６は、図４に示すような集中ユニットであってもよく、または測定対象デバイスの近くに位置する数個の分散型ユニットを備えてもよい。デバイスがそれら自体のディジタル・テレメトリを発生することができる場合、本実施形態において示されている一次変換器３５２および冷却ユニット３５８のような、通信ユニット３８０と直接通信することができる。外部測定ユニット３６６とインターフェースするデバイス、またはそれら自体のテレメトリを発生するデバイスの任意の組み合わせも、本発明の範囲および主旨に該当するものとする。

一次変換器３２０および二次変換器３０８（図３参照）の瞬時的電力損を計算することは、２つの大きな量（入力電圧および出力電圧）の差から少量（電力損）を決定する際の測定誤差の複合性(compounding nature)のために困難である。この問題を迂回するために、本発明にしたがって動作する電力システムは、電力サブシステム・コンポーネント毎に収集した特徴化データを利用して、様々な性能パラメータの測定値からシステム全体の効率の計算を可能にする。コントローラ３２６は、電力サブシステムのコンポーネント毎に電力損モデル特徴化データを格納するように構成されているメモリ・ユニット３３２を含む。プロセッサ・ユニット３３６は、測定データを、既に集められている特徴化データと組み合わせて、電力損の高精度な推定値を求め、次いでこの推定値を用いて動作効率を計算する。

電力変換デバイスの効率は、とりわけ、入力および出力電圧、入力および出力電流、ならびに温度を含む様々なパラメータの複合関数である。本発明による電力サブシステムの各コンポーネントは、複数の動作パラメータの複数の値に亘ってその電力損を測定するために特徴付けられる。このプロセスは時間がかかる可能性があるが、これを１回だけ実行すれば、特徴化データを集めて、メモリ・ユニット３３２にテーブル状に格納することができる。図５は、典型的な電力変換コンポーネントの効率の、これらの次元のうち２つ、即ち、出力電圧４１２および出力電流４１０に関するグラフ・プロット４０２を示す。ここでは、特徴付けられるデバイスの効率が、直交軸４１２に沿ってプロットされている出力電圧の関数として、縦軸４０８に沿ってプロットされており、更に、出力電圧が別の直交軸４１０に沿ってプロットされている。各測定点は、塗りつぶした円、例えば、４１６で表されている。これらの点を接続すると、これら２つのパラメータに関する効率を表す複合面４１４が形成される。測定点間を内挿補間してこの複合面を発生するのに好ましい方法は、当業者には周知の多次元自然三次スプライン(multi-dimensional naturual cubic spline)を用いることである。それよりも単純な線形内挿補間モデルも、精度の損失をいくらか犠牲にすれば、用いることができる。測定データを超えて外挿補間する同様の技法も用いることができるが、最高の精度は、システムに設置されたときにコンポーネントの予測動作モードの全てを包絡する測定データ点を収集することによって得られる。勿論、当技術分野において周知の、測定データ間で内挿補間する他の方法や、測定データを超えて外挿補間する他の方法も、本発明の範囲および主旨に該当する。

効率のプロット４０２は、潜在的なパラメータのうち２つのみ、即ち、出力電圧および出力電流に関して測定された効率を表し、これらのパラメータに基づいて効率を特徴付けることができる。追加のパラメータ、即ち、入力電圧が４１８に模式的に表されており、枠４０４および４０６は、４０２に示したものと丁度同様の追加のプロットを表すが、入力電圧の異なる値に関して特徴付けられている。同様に、デバイス温度またはその他のパラメータの異なる値に関して、追加の複数の組のプロットも提示することができる（図５には示されていない）。二次元可視化の制約のために、効率面４１４の表示が一度に２次元に制限されているが、この効率面は実際には多次元面であり、特徴化プロセスの間に変化することもある様々なパラメータの関数であることは認められてしかるべきである。以下の論述に限って言えば、効率は入力電圧Ｖ_ＩＮ、出力電圧Ｖ_ＯＵＴ、出力電流Ｉ_ＯＵＴ、およびデバイス温度Ｔに関して特徴付けられると仮定する。何故なら、これらは、一般にデバイス効率に最も大きな影響を有無パラメータであるからである。しかしながら、これらよりも少ない特徴化パラメータ、または追加の特徴化パラメータを用いても、本発明にしたがってデバイスを特徴付けることができることは認められてしかるべきである。以上の論述はデバイス効率を計算するための電力損データの使用に照準を当てたが、本発明は効率計算を用いる用途に限定されるのではない。電力損データは、本発明にしたがってデバイスを特徴付けるために直接用いることもできる。

本発明によるプロセスでは、デバイスｄの電力損をＰｄで表し、Ｖ_ＩＮ、Ｖ_ＯＵＴ、Ｉ_ＯＵＴ、およびＴの大多数の組み合わせについて測定する。行われる測定の回数、およびパラメータ空間におけるデータ点の間隔は、予測電力損多次元面の所望の精度レベルによって決定される。この表面は、以下のように表すことができる。

ここで、Ｆは、測定した全ての特徴化データ、および明示的に測定されていないパラメータの組み合わせについて電力損予測を求めるのに必要なために選択された内挿補間または外挿補間アルゴリズムを含む多次元関数である。この関数Ｆは、コントローラ３２６（図３参照）に格納され、コントローラのプロセッサ・ユニット３３６が、例えば、経路３２２によって、デバイスｄから測定ユニットに戻された測定パラメータの任意の１組について、デバイスｄについて予測電力損を計算することを可能にする。更に、プロセッサ・ユニット３３６は、入力パラメータのうち１つが少量だけ変化することになっていた場合、デバイスｄの電力損の予測変化を計算することができる。例えば、入力電圧がΔＶ_ＩＮだけ増加することになっていた場合、コントローラは、以下のように、デバイスｄについて電力損の予測変化を計算することができる。

プロセッサ・ユニット３３６が計算したΔＰｄが負である場合、このデバイスについてのΔＶ_ＩＮの増加が電力損の降下、即ち、効率の向上となるので、これはこのデバイスにとって好ましい動作状態であることが分かる。同様に、コントローラ３２６のメモリ・ユニット３３２は、システムの中にあるデバイス全てについて電力損モデルを維持し、通信ユニット３３４を通じて各デバイスの動作状態についてのデータを能動的に引き出す。これは、図３の３１８、３２４、および３１２に模式的に示されている。勿論、コントローラは、図３に示すような二点間接続の代わりに、通信バスを用いてこのデータを集めることもできる。デバイスの各々における電圧、電流、および温度は、当業者には周知の標準的計装回路によって測定することができる。

電力サブシステムを構成するために用いた個々のコンポーネントの電力損を合計することにより、プロセッサ・ユニット３３６によってサブシステム全体の電力損を次のように計算することができる。

ここで、合計インデックスは、サブシステムの中にあるデバイスの全てに及ぶ。１つのＡＣ／ＤＣ変換器および３つの二次ＤＣ／ＤＣ変換器を備えている、図３に示したシステムを例に取ると、このシステムの電力損は以下のように表すことができる。

ここで、最初の関数Ｆ_{ＡＣ／ＤＣ}は、入力電圧Ｖ_ＡＣ、中間バス電圧Ｖ_ＩＢＶに等しい出力電圧、および温度Ｔ_{ＡＣ／ＤＣ}において動作するＡＣ／ＤＣ変換器の電力損を記述する。２番目の式は、３つの二次変換器全ての合計を表し、これらの二次変換器は全て、中間バス電圧Ｖ_ＩＢＶに等しい入力電圧で動作し、その各々は、異なる出力電圧、出力電流、および温度を有する可能性がある。したがって、ΔＶ_ＩＢＶの中間バス電圧の変化に起因するサブシステムの電力損の変化は、以下の式で示されることは明らかである。

この場合も、計算した電力損の変化が負である場合、コントローラは、中間バス電圧の情報が、この特定の１組の動作パラメータについてシステムの効率を向上させると判断する。このため、コントローラ３２６は、通信ユニット３３４を通じて、経路３１８を経由して、中間バス電圧の変化を命令する。

しかしながら、このような動作パラメータの変化を命令する前に、コントローラは最初にこの変化が正当か否か判断しなければならない。例えば、中間バス電圧をある点よりも下に低下させると、二次レギュレータ３０８の１つがその指定動作範囲から外れる可能性があり、またはそのヘッドルーム(headroom)が推奨レベルよりも下に低下する可能性がある。更に、中間バス電圧を降下させると、一次変換器３０２の出力電流が増大し、このデバイスが危険な動作モードに入ったり、またはその温度が指定の制限を超えて上昇する可能性がある。このため、コントローラ３２６のメモリ・ユニット３３２は、デバイス制約の表も収容し、この表と突き合わせて、全ての潜在的に可能な動作パラメータの調節をチェックしなければならない。このようなデバイス制約の例が、図６Ａおよび図６Ｂに示されている。

図６Ａは、電力変換デバイスの典型的な１組の制約である。ここでは、安全動作エリア５０６が、入力電圧５０４および出力電圧５０２の関数として表示されている。この図から、デバイスを動作させる入力電圧の値は、５１４に示す最大値を超過すべきでないことは明らかである。同様に、デバイスは、５１０に示す値未満の入力電圧でも動作すべきでない。更に、指定出力電圧５１６が要求されている場合、入力電圧を電圧レベル５１２よりも下に低下させることはできない。これは、５１０における最低電圧要件を無視することと同等である。

図６Ｂは、典型的な電力変換デバイスの出力電流および温度に対して作用する同様の制約を示す。ここでは、安全動作エリア５５４は、温度５５２および出力電流５５０のパラメータ空間の領域を定めており、これを超えてデバイスを動作させるべきでない。この安全領域は、５６２において最大温度を定め、５５６において最大電流５５６を定めるが、最大電流が温度に依存する場合があることも示す。例えば、５６０に示す温度では、最大許容電流は５５８において示され、５５６における絶対最大値よりも低い。

本コントローラは、サブシステム・コンポーネントの全てについて制約ファイル(constraint files)を考慮に入れ、その後に、これらの制限を超過する可能性がある変化を命令する。サブシステム全体のレベルでは、コントローラが考慮する必要がある追加の制約がある場合もある。例えば、所与のシステムにおいて、一次ＡＣ／ＤＣ変換器を冷却することが非常に難しいことがあり得るので、システム・レベルにおいて、他のデバイスと比較して大きな重みをＡＣ／ＤＣ変換器の電力損にかけると都合がよいと考えられる。この結果、システムは、ＡＣ／ＤＣ変換器の損が少なくなりこのデバイスにおける温度上昇を最小に抑える最適動作点に達する。電力サブシステムの構成デバイスの電力損の寄与のこのような重み付けは、重み係数Ｋ_ｉの導入によって行うことができる。重み係数はデバイスｉについての電力損特徴化関数と乗算する。すると、重み付けした電力損関数の合計は、もはやシステムの総電力損と等しくなくなり、代わりに、コントローラが最小にしようとする、システムのより一般化した目標関数ＧＦを表すことになる。

追加の制約は、外部機器から由来する場合もある。例えば、無停電電源（ＵＰＳ）がコントローラに、電源が降下しそうであることを伝達するかもしれず、あるいは配電ユニット（ＰＤＵ）がオンまたはオフに切り換えられるあるいは変更される負荷に関してコントローラにステータスを伝達する可能性もあり、そしてコントローラは、これらのモード変更を通じて最適に効率的な経路を取る(steer)するために、システム・パラメータにしかるべき調節を行うことができる。加えて、コントローラは、例えば、動作モードに制約を加えるためまたはスイッチ・ランプ・レート(switch ramp rate)を設定するために、ステータス・フィードバックを外部機器に供給することもできる。

図７は、本発明にしたがって前述の最適化プロセスを実行する方法のフロー・チャートである。ステップ６０２において、コントローラはターゲット・デバイスからデータを収集する。このデータは、入力および出力電圧、出力電流、デバイス温度、または特徴化データが既に得られている任意のその他の動作パラメータを含むことができる。ステップ６０４において、コントローラは、格納されている電力損モデル、およびステップ６０２において収集した測定パラメータを用いて、ターゲット・デバイスの電力損を判定する。ステップ６０６において、コントローラは、システムの中にあるデバイス全てからデータを得たか否か評価する。得ていない場合、次のデバイスのためにステップ６０２に戻り、システムの中にあるデバイス全てについて電力損を計算し終えるまで続ける。デバイス全てについて電力損を計算した時点において、コントローラはステップ６０８に進み、システムの全体的目標関数を計算する。先に論じたように、目標関数は、システム全体の電力損に等しくてもよく、または加重電力損の更に一般化した合計であってもよい。次いで、コントローラは、デバイスおよびシステム制約データをロードし、デバイスおよびシステム制約を受ける目標関数を最小にする新たなサブシステム設定点を計算する。この最小化プロセスは、制御パラメータの各々に関して偏微分を計算することによって得られる最急降下法(steepest descent method)のような、当業者には周知の方法のうち任意のものによって実行することができる。次いで、コントローラはステップ６１０に進み、新たな設定点をシステムに適用し、全体的効率を向上させる。次いで、コントローラはステップ６０２に戻り、システムの全体的効率が繰り返し向上するように、そして負荷要件、温度等の変化に連続的に応答するように、プロセス全体を繰り返す。この最適化プロセスを実行するレートは、システム要件に基づいて選択することができる。システム要件には、考慮項目の中でもとりわけ、システムの温度安定性、および負荷の特性が含まれる。

以上に示した最適化プロセスの説明は、主として、典型的な電力サブシステムの中間電圧の制御を中心に行ったが、本プロセスは、電力サブシステムの電力損に影響を及ぼすパラメータであればそのいずれにでも適用することができる。例えば、このプロセスは、冷却ファンの速度を制御するために用い、デバイスの温度が低下することによって得られる効率向上と、ファン駆動電流の増大に関連する電力損との均衡を取ることができる。同様に、このプロセスは、効率を最大にするために、変換器のパルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチング周波数を制御するために用いることもできる。

このように、本発明によるコントローラを組み込んだ電力サブシステムは、電力損モデル、および測定したデバイス性能データを用いて設計設定点を能動的に制御するので、極めて最適化されたシステム性能および効率が得られる。当業者は、本発明の更に別の利点も恐らく認めるであろうし、本発明の範囲および主旨の範囲内で種々の変更、適応、および代替実施形態が得られることは認められてしかるべきである。更に、本発明は以下の特許請求の範囲によって定められる。

Claims (28)

1. 電力サブシステムであって、
   一次電力変換器と、
   前記一次電力変換器に動作上接続された少なくとも１つの二次電力変換器であって、前記電力サブシステムが、前記一次電力変換器の少なくとも１つの一次動作パラメータと、前記少なくとも１つの二次電力変換器の少なくとも１つの二次動作パラメータと、を測定するように構成された、少なくとも１つの二次電力変換器と、
   前記一次電力変換器と、前記少なくとも１つの二次変換器に接続されたコントローラと、
   を含み、
   前記コントローラが、
   前記一次電力変換器と関連した一次電力損モデルと、前記少なくとも１つの二次電力変換器と関連した少なくとも１つの二次電力損モデルとを格納するように構成されたメモリ・ユニットと、
   前記電力サブシステムによって測定された前記少なくとも１つの一次動作パラメータと前記少なくとも１つの二次動作パラメータを受け取り、少なくとも１つの制御コマンドを前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つに送るように構成された、通信ユニットと、
   プロセッサ・ユニットと、
   を含み、
   前記プロセッサ・ユニットが、
   前記一次電力損モデル、前記少なくとも１つの二次電力損モデル、前記少なくとも１つの一次動作パラメータ、および前記少なくとも１つの二次動作パラメータから目標関数を計算し、
   前記目標関数を最小にするように、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの状態変化を計算する、
   ように構成された、電力サブシステム。
2. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、
   前記一次電力変換器の前記少なくとも１つの一次動作パラメータは、前記一次電力変換器の一次入力電圧、一次出力電圧、一次出力電流、および一次温度のうち少なくとも１つを含み、
   前記少なくとも１つの二次電力変換器の前記少なくとも１つの二次動作パラメータは、前記少なくとも１つの二次電力変換器の二次入力電圧、二次出力電圧、二次出力電流、および二次温度のうち少なくとも１つを含む、電力サブシステム。
3. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記目標関数は、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち対応するものと関連した電力損の加重合計を含む、電力サブシステム。
4. 請求項３記載の電力サブシステムにおいて、前記目標関数は、前記電力サブシステムの総電力損に等しい、電力サブシステム。
5. 請求項１記載の電力サブシステムであって、更に、前記コントローラに動作上結合された能動的冷却システムを含み、
   前記電力サブシステムは、更に、前記能動的冷却システムと関連した電圧、電流、および温度のうち少なくとも１つを測定するように構成され、
   前記メモリ・ユニットは、更に、前記能動的冷却システムの電力損モデルを含むように構成され、
   前記プロセッサ・ユニットは、前記能動的冷却システムと関連した目標関数を計算するように構成された、電力サブシステム。
6. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記一次電力変換器は、ＡＣ／ＤＣ変換器およびＤＣ／ＤＣ変換器のうち少なくとも１つを含む、電力サブシステム。
7. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記少なくとも１つの二次電力変換器は、スイッチング変換器、降圧変換器、昇圧変換器、および線形レギュレータのうち少なくとも１つを含む、電力サブシステム。
8. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）デバイス、マイクロコントローラ、および汎用処理デバイスのうち少なくとも１つを含む、電力サブシステム。
9. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、前記電力サブシステムに接続された外部処理デバイスを含む、電力サブシステム。
10. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの中に位置する論理回路を含む、電力サブシステム。
11. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つは、前記少なくとも１つの一次動作パラメータおよび前記少なくとも１つの二次動作パラメータのうち少なくとも１つを測定するように構成された、電力サブシステム。
12. 請求項１記載の電力サブシステムであって、更に、前記少なくとも１つの一次動作パラメータおよび前記少なくとも１つの二次動作パラメータを測定するように構成された測定ユニットを含む、電力サブシステム。
13. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、更に、
    前記一次電力変換器の最大入力電圧、最小入力電圧、最大出力電圧、最小出力電圧、最大温度、最大電流、および最小電流のうち少なくとも１つ、ならびに、
    前記少なくとも１つの二次電力変換器の最大入力電圧、最小入力電圧、最大出力電圧、最小出力電圧、最大温度、最大電流、および最小電流のうち少なくとも１つ、
    を含むサブシステム制約データを格納するように構成され、
    前記プロセッサ・ユニットは、更に、前記目標関数を最小にするように、かつ前記サブシステム制約のいずれにも違反しないように、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの状態変化を計算するように構成された、電力サブシステム。
14. 請求項１記載の電力サブシステムにおいて、前記少なくとも１つの二次電力変換器は、少なくとも１つの負荷に接続され、
    前記コントローラは、更に、
    前記少なくとも１つの負荷の最大電圧、最小電圧、最大電流、最小電流、および最大温度のうち少なくとも１つを含む前記少なくとも１つの負荷と関連した負荷制約データを格納するように構成され、
    前記プロセッサ・ユニットは、更に、前記目標関数を最小にするように、かつ前記サブシステム制約のいずれにも違反しないように、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの状態変化を計算するように構成された、電力サブシステム。
15. 電力サブシステムであって、
    ＤＣ／ＤＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器のうち少なくとも１つを含む一次電力変換器と、
    スイッチング変換器、降圧変換器、昇圧変換器、および線形レギュレータのうち少なくとも１つを含み、前記一次電力変換器に動作上接続された少なくとも１つの二次電力変換器であって、前記電力サブシステムが、前記一次電力変換器の一次入力電圧、一次出力電圧、一次出力電流、および一次温度のうち少なくとも１つを含む一次パラメータと、前記少なくとも１つの二次電力変換器の二次入力電圧、二次出力電圧、二次出力電流、および二次温度のうち少なくとも１つを含む二次パラメータと、を測定するように構成された、少なくとも１つの二次電力変換器と、
    前記一次電力変換器、および前記少なくとも１つの二次変換器に接続されたコントローラと、
    を含み、
    前記コントローラが、
    前記一次電力変換器と関連した一次電力損モデルと、前記少なくとも１つの二次電力変換器と関連した少なくとも１つの二次電力損モデルとを格納するように構成されたメモリ・ユニットと、
    前記一次パラメータおよび前記二次パラメータの測定値を受け取り、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つに制御コマンドを送るように構成された通信ユニットと、
    プロセッサ・ユニットと、
    を含み、
    前記プロセッサ・ユニットが、
    前記一次電力損モデル、前記少なくとも１つの二次電力損モデル、前記一次パラメータ、および前記二次パラメータから目標関数を計算し、前記目標関数が、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち対応するものと関連した電力損の加重合計を含み、
    前記目標関数を最小にするように、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの状態変化を計算する、
    ように構成された、電力サブシステム。
16. 請求項１５記載の電力サブシステムにおいて、前記目標関数は、前記電力サブシステムの総電力損失に等しい、電力サブシステム。
17. 請求項１５記載の電力サブシステムであって、更に、能動的冷却システムを含み、
    前記電力サブシステムは、更に、前記能動的冷却システムと関連した電圧、電流、および温度のうち少なくとも１つを測定するように構成され、
    前記メモリ・ユニットは、更に、前記能動的冷却システムの電力損モデルを含むように構成され、
    前記プロセッサ・ユニットは、前記能動的冷却システムと関連した目標関数を計算するように構成された、電力サブシステム。
18. 請求項１５記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）デバイス、マイクロコントローラ、および汎用処理デバイスのうち少なくとも１つを含む、電力サブシステム。
19. 請求項１５記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、前記電力サブシステムに接続された外部処理デバイスを含む、電力サブシステム。
20. 請求項１５記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの中に位置する論理回路を含む、電力サブシステム。
21. 請求項１５記載の電力サブシステムにおいて、前記コントローラは、更に、
    前記一次電力変換器の最大入力電圧、最小入力電圧、最大出力電圧、最小出力電圧、最大温度、最大電流、および最小電流のうち少なくとも１つ、ならびに、
    前記少なくとも１つの二次電力変換器の最大入力電圧、最小入力電圧、最大出力電圧、最小出力電圧、最大温度、最大電流、および最小電流のうち少なくとも１つ、
    を含むサブシステム制約データを格納するように構成され、
    前記プロセッサ・ユニットは、更に、前記目標関数を最小にするように、かつ前記サブシステム制約のいずれにも違反しないように、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの状態変化を計算するように構成された、電力サブシステム。
22. 請求項１５記載の電力サブシステムにおいて、前記少なくとも１つの二次電力変換器は、少なくとも１つの負荷に接続され、
    前記コントローラは、更に、
    前記少なくとも１つの負荷の最大電圧、最小電圧、最大電流、最小電流、および最大温度のうち少なくとも１つを含む前記少なくとも１つの負荷と関連した負荷制約データを格納するように構成され、
    前記プロセッサ・ユニットは、更に、前記目標関数を最小にするように、かつ前記サブシステム制約のいずれにも違反しないように、前記一次電力変換器および前記少なくとも１つの二次電力変換器のうち少なくとも１つの状態変化を計算するように構成された、電力サブシステム。
23. 複数の電力デバイスを含む電力サブシステムの効率を動的に最適化する方法であって、
    前記複数の電力デバイスの各々の電力損モデルを作成するステップと、
    前記複数の電力デバイスの各々の動作パラメータを測定するステップと、
    前記複数の電力デバイスの各々の測定した前記動作パラメータおよび電力損モデルから前記複数の電力デバイスの電力損を計算するステップと、
    前記複数の電力デバイスの各々について計算した前記電力損の加重合計を形成することによって、目標関数を計算するステップと、
    前記目標関数を最小にするように、前記複数の電力デバイスの前記動作パラメータの状態変化を計算するステップと、
    計算した前記状態変化を、前記複数の電力デバイスのうち少なくとも１つに命令するステップと、
    前記測定、計算、および命令するステップを、周期的に繰り返すステップと、
    を含む、方法。
24. 請求項２３記載の方法において、前記複数の電力デバイスの各々の動作パラメータを測定するステップは、更に、前記複数の電力デバイスの各々の入力電圧、出力電圧、出力電流、および温度のうち少なくとも１つを測定するステップを含む、方法。
25. 請求項２３記載の方法において、前記複数の電力デバイスの各々の電力損モデルを作成するステップは、更に、
    前記複数の電力デバイスのそれぞれの入力電圧、出力電圧、出力電流、および温度のうち少なくとも１つのものの複数の値について、前記複数の電力デバイスの各々の電力損を測定するステップと、
    測定した前記電力損の値を格納するステップと、
    測定した前記電力損の値間で内挿補間し、前記測定した電力損の値を超えて外挿補間することによって、前記複数の電力デバイスの各々の電力損を予測するための関数を作成するステップと、
    を含む、方法。
26. 請求項２３記載の方法において、目標関数を計算する前記ステップは、更に、前記複数の電力デバイスの各々の計算した前記電力損の合計を求めるステップを含み、この合計が前記電力サブシステムの総電力損に等しい、方法。
27. 請求項２３記載の方法であって、更に、
    前記複数の電力デバイスの各々について、最大入力電圧、最小入力電圧、最大出力電圧、最小出力電圧、最大温度、最大電流、および最小電流のうち少なくとも１つを含む電力デバイス制約データベースを作成するステップを含み、
    前記動作パラメータの状態変化を計算するステップは、更に、前記電力デバイス制約データベースにおける制約のいずれにも違反しないように、可能な状態変化を制限するステップを含む、方法。
28. 請求項２３記載の方法であって、更に、
    前記電力サブシステムを少なくとも１つの負荷に接続するステップと、
    前記少なくとも１つの負荷について、最大入力電圧、最小入力電圧、最大温度、最大電流、および最小電流のうち少なくとも１つを含む負荷制約データベースを作成するステップと、
    を含み、前記動作パラメータの状態変化を計算するステップは、更に、前記負荷制約データベースにおける制約のいずれにも違反しないように、可能な状態変化を制限するステップを含む、方法。

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