JP2013501487A5

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Publication number: JP2013501487A5
Application number: JP2012523005A
Authority: JP
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2030-07-28

Description

第１の線形増幅器４３０の出力は、第１の変圧器４３５の１次巻線に結合される。第２の線形増幅器４３１の出力は、第２の変圧器４３６の１次巻線に結合される。変圧器４３５、４３６の２次巻線は、変圧器４３５、４３６からの変圧器出力信号４３７、４３８を受取る出力ステージ４５０に結合される。変圧器４３５、４３６は、本質的にステップアップとすることもできるし、ステップダウンとすることもでき、また、相補的波形信号Ｖｐ１、Ｖｐ２の振幅が同じであると仮定すると、好ましくは特性が同一である。変圧器４３５、４３６は、入力信号４２３、４３３用と出力信号４３７、４３８用の別個の巻線を有するが、同じ磁気コア（複数の場合もあり）を共有する単一変圧器として物理的に具現化することもできるし、そうでなければ、変圧器４３５、４３６は、２つの別個の変圧器として物理的に具現化することもできる。変圧器４３５、４３６は、好ましくは低い漏れインダクタンスを有するように設計される。

電圧制御式増幅器５１５は、図１及び図２の同様な例で使用される波形と同様の例を示す、図５に示すオーバレイグラフの波形５２３、５２４によって反映されるように、振幅調整済みの一対の相補的波形信号Ｖ_ＩＮ１及びＶ_ＩＮ２をそれぞれ線形トランスコンダクタンス増幅器５３０、５３１に出力する。トランスコンダクタンス増幅器５３０、５３１は、その入力電圧に比例する電流を出力し、したがって、電圧制御式電流源とみなすことができる。トランスコンダクタンス増幅器５３０、５３１の作用は、信号発生器５０５によって生成される波形５１２、５１３が、同様な形状の電流波形に本質的に変換されることである。以下で論じるように、これは、下流の処理について利点を有し、更によいＥＭＩ特性をもたらすことができる。トランスコンダクタンス増幅器５３０、５３１は、電源レール＋Ｖ及び−Ｖに接続され、増幅済み信号５３２、５３３を変圧器５３５、５３６に出力する。信号５３２、５３３の電流特性は、図５に示すオーバレイグラフ５４０及び５４１（波形Ｉｐ１及びＩｐ２を示す）でそれぞれ反映され、その場合、最初に生成された波形はＶ_ＩＮ１及びＶ_ＩＮ２用のグラフ５２３、５２４として現れる。信号５３２、５３３の対応する電圧特性は、オーバレイグラフ５４２及び５４３（波形Ｖｐ１及びＶｐ２を示す）でそれぞれ反映される。グラフ５４０、５４１、５４２、及び５４３を見てわかるように、この特定の例についての電流波形Ｉｐ１及びＩｐ２は、反転及び非反転交番二乗余弦波（Ｉｐ１及びＩｐ２は、同一であるが互いに９０度だけオフセットしている）によって特徴付けられる一方、対応する電圧波形Ｖｐ１及びＶｐ２は、非反転二乗余弦波の期間に対応する一定の正電圧及び反転二乗余弦波の期間に対応する一定の負電圧を有する方形波の形態をとる。電流波形Ｉｐ１及びＩｐ２と同様に、電圧波形Ｖｐ１及びＶｐ２は、同一であるが互いに９０度だけオフセットしている。

第１のトランスコンダクタンス増幅器５３０の出力は、第１の変圧器５３５の１次巻線に結合される。第２のトランスコンダクタンス増幅器５３１の出力は、第２の変圧器５３６の１次巻線に結合される。変圧器５３５、５３６の２次巻線は、変圧器５３５、５３６からの変圧器出力信号５３７、５３８を受取る出力ステージ５５０に結合される。変圧器５３５、５３６は、本質的にステップアップとすることもできるし、ステップダウンとすることもでき、また、到来する信号５３２、５３３の振幅が同じであると仮定すると、好ましくは特性が同一である。変圧器５３５、５３６は、入力信号５２３、５３３用と出力信号５３７、５３８用の別個の巻線を有するが、同じ磁気コア（複数の場合もあり）を共有する単一変圧器として物理的に具現化することもできるし、そうでなければ、変圧器５３５、５３６は、２つの別個の変圧器として物理的に具現化することもできる。

出力ステージ５５０は、好ましくは、例えば全波整流器ブリッジとして具現化することができる一対の整流器ブロック５６０、５６１を備える。変圧器５３５の２次出力からの信号５３７は、出力ステージ５５０の第１の整流器ブロック５６０に提供される。変圧器５３６の２次出力からの信号５３８は、出力ステージ５５０の第２の整流器ブロック５６１に提供される。整流器ブロック５６０、５６１はそれぞれ、例えば全波整流器ブリッジとして具現化することができる。整流器ブロック５６０、５６１の整流済み出力信号は、この場合、ともに加算されると、得られる結果が一定のＤＣレベルとなるように本質的に相補的である周期波形である。そのため、整流器ブロック５６０、５６１の出力は、整流器ブロック５６０、５６１からの整流済み出力信号が、加法的に合成されるように、ともに並列に連結され、それにより、一般に蓄電／平滑化キャパシタを必要とすることなく、本質的に実質的に一定であるＤＣ出力信号５８５を提供する。実際には、少量のリップルが発生する可能性があり、少量のリップルは、整流器ブロック５６０、５６１の出力において、かつ／又は、負荷５７０の両端で、等の任意の好都合な場所に設けることができる比較的小さな平滑化キャパシタ（複数の場合もあり）（図示せず）を用いて平滑化することができる。そのため、負荷５７０は、一定のＤＣ出力電源信号を供給される。

電源５００の動作は、一般に、波形発生器１０５の出力信号１２３、１２４を電流に関連するものとして扱う図１の電源１００と同様である。入力波形５１２、５１３が、図２のグラフ２Ａ及びグラフ２Ｂで示すような周期的な反転／非反転交番二乗余弦波の形状をとる場合、結果として得られる整流済みでかつ結合済みの波形は、上記で説明したように、図２のグラフ２Ｃ、２Ｄで示す波形と同様となる。入力波形５１２、１３５が、図３のグラフ３Ａ及びグラフ３Ｂで示すような反転／非反転交番三角波を有する三角波形の形状をとる場合、結果として得られる整流済みでかつ結合済みの波形は、上記で同様に説明したように、図３のグラフ３Ｃ、３Ｄで示す波形と同様であることになる。図１の場合と同様に、複数の調波を有するか又は経時的に変動する波形を含む、任意の適した周期波形を使用することができる。本明細書で述べるような適切な波形を用いて、電源５００は、一定のＤＣ出力信号５８５をもたらすことができ、理論的には蓄電／平滑化キャパシタを全く必要としない。

一態様では、図７は、供給電圧Ｖｓｕｐｐｌｙをほぼ２倍にする単一ブーストステージを提供する、キャパシタを使用する電圧ブースターを示す。この手法は、更なるブーストステージを生成するために、例えば図１７の実施形態に示す更なる整流器及びキャパシタを付加することによって拡張することができる。図１７では、電圧波形Ｖ１及びＶ２は、図７に波形と同一（すなわち、波形７０７及び７１７と同様）とすることができる。図１７で１７ｘｘと表示される構成要素は、通常、図７で７ｘｘと表示されるその対応物に対応する。さらに、第２のステップアップ済み（又はステップダウン済み）ＤＣ信号１７９５が、図１７に設けられる。図７の同じ原理を使用して、更なる出力キャパシタ１７７２’が回路に付加されており、充電キャパシタ１７３２’、１７４２’、１７５２’、及び１７６２’は、図７に示す同様なダイオード／キャパシタ構成を介した他の充電キャパシタ（１７３２、１７４２、１７５２、及び１７６２）と同様な方法で、ダイオード１７３３’、１７３４’、１７４３’、１７４４’、１７５３’、１７５４’、１７６３’、及び１７６４’を介して周期的に充電される。更なる電力増幅器ステージは必要とされないが、更なる電力増幅器ステージを任意選択で使用することができ、デバイスの出力及び入力リップルは依然として非常に低い。トランスコンダクタンス増幅器出力にわたる電圧は、図７の場合と同様に方形波のままであるため、図１７の増幅器全体は、依然として高い効率で動作することができる。

変圧器の形状及び構成の観点から、変圧器（複数の場合もあり）は、特に低いプロファイル及びおそらくはより簡単な製造を達成するために、（螺旋巻線によって）トロイダルとすることもできるし、そうでなければ平面とすることもできる。別のオプションは、例えば、本明細書で完全に述べられるかのように参照により本明細書に組込まれる、Herbertに対する米国特許第４，６６５，３５７号に全体が述べられるように、一連の中空立方状磁気コアを通して巻線を使用することである。なお別の可能性は、例えば、本明細書で完全に述べられるかのように参照により本明細書に組込まれる、Meretsky他に対する米国特許第４，２１０，８５９号に全体が述べられるように、角の張った縁部を有するトロイダル状磁気コアの側壁内のくり抜かれた溝内に、変圧器１次巻線／２次巻線の一方を（撚り合わされた対又は同軸対として）埋め込むことである。この例では、他の変圧器１次巻線／２次巻線は、従来のトロイダル変圧器と同様に、磁気コアに繰返し巻き付けられるが、１次巻線／２次巻線は、同軸対又は撚り合わされた対である。これを行うことによって、直交しかつ相互作用しない磁界が提供され、増加したエネルギー密度が提供される。この設計は、２つの独立した変圧器が、同じ磁気コアを共有することを可能にする。

Claims

第１の波形及び第２の波形を出力する波形発生器と、
前記第１の波形に結合した第１の整流システムであって、第１の整流信号を出力するものと、
前記第２の波形に結合した第２の整流システムであって、第２の整流信号を出力するものと、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号を連続して加法的に合成することによって形成されたＤＣ出力信号と、
を含み、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号の和が前記ＤＣ出力信号のレベルに等しく、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号の両方は、ゼロでないとき、前記ＤＣ出力信号のレベルに同時に加法的に寄与する、電源。
前記波形発生器と前記第１の整流システム及び前記第２の整流システムとの間に挿入されたレベル変換回路を更に含み、前記レベル変換回路は、前記第１の波形及び前記第２の波形のステップアップバージョン又はステップダウンバージョンを出力する、請求項１に記載の電源。
前記レベル変換回路は、前記第１の波形の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンに対応する前記第１の出力を出力する第１の変圧器と、前記第２の波形の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンに対応する前記第２の出力を出力する第２の変圧器とを含む、請求項２に記載の電源。
前記第１の整流システムは第１の全波整流ブリッジを含み、前記第２の整流システムは第２の全波整流ブリッジを含む、請求項３に記載の電源。
前記レベル変換回路は、前記第１の波形の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンに対応する前記第１の出力を出力する第１の対のスイッチドキャパシタ回路と、前記第２の波形の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンに対応する前記第２の出力を出力する第２の対のスイッチドキャパシタ回路とを含み、前記第１の対のスイッチドキャパシタ回路及び前記第２の対のスイッチドキャパシタ回路は各々、キャパシタと、充電フェーズ間に前記キャパシタに流入しかつ放電フェーズ間に前記キャパシタから流出する電流波形を制御する相互コンダクタンス増幅器とを含む、請求項２に記載の電源。
前記第１の整流システムは、前記第１の対のスイッチドキャパシタ回路と前記ＤＣ出力信号との間にそれぞれ接続された第１の対の整流器を備え、前記第２の整流システムは、前記第２の対のスイッチドキャパシタ回路と前記ＤＣ出力信号との間にそれぞれ接続された第２の対の整流器を含み、前記第１の対の整流器及び前記第２の対の整流器のそれぞれの出力は、前記ＤＣ出力信号に接続される、請求項５に記載の電源。
前記第１の波形及び前記第２の波形はそれぞれ、非反転波及び反転波の交番周期シーケンスを含み、前記第１の波形及び前記第２の波形は、同一であるが互いに９０度だけオフセットしている、請求項１に記載の電源。
前記第１の波形及び前記第２の波形はそれぞれ、反転二乗余弦波と交番する単一サイクル二乗余弦波の周期シーケンスを含む、請求項６に記載の電源。
前記第１の波形及び前記第２の波形は、整流され加法的に合成された後、該第１の波形及び該第２の波形の加法的合成が、実質的にリップルのない状態で、前記ＤＣ出力信号の一定電圧レベルを生成するように選択される、請求項１に記載の電源。
前記ＤＣ出力信号の前記一定電圧レベルは、出力蓄電キャパシタなしで生成される、請求項９に記載の電源。
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号はそれぞれ、ＤＣオフセットを有する余弦波形と、同じＤＣオフセットを有する正弦波形とを含む、請求項１に記載の電源。
前記波形発生器は、１つ又は複数の磁界に対し相対回転運動状態にあるワイヤコイルを有するロータリー交流発電機を含む、請求項８に記載の電源。
第１の波形及び第２の波形を出力する波形発生器と、
入力として前記第１の波形を受取る第１の変圧器と、
入力として前記第２の波形を受取る第２の変圧器と、
前記第１の変圧器の出力に結合した第１の整流ブリッジであって、第１の整流信号を出力する、第１の整流ブリッジと、
前記第２の変圧器の出力に結合した第２の整流ブリッジであって、第２の整流信号を出力する、第２の整流ブリッジと、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号を連続して加法的に合成することによって形成されたＤＣ出力信号と、
を含み、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号の和が前記ＤＣ出力信号のレベルに等しく、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号の両方は、ゼロでないとき、前記ＤＣ出力信号のレベルに同時に加法的に寄与する、電源。
前記第１の波形及び前記第２の波形はそれぞれ、反転二乗余弦波と交番する単一サイクル二乗余弦波の周期シーケンスを含み、前記第１の波形及び前記第２の波形は、同一であるが互いに９０度だけオフセットしている、請求項１３に記載の電源。
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号はそれぞれ、ＤＣオフセットを有する余弦波形及び同じＤＣオフセットを有する正弦波形を含む、請求項１４に記載の電源。
前記波形発生器に提供される、前記ＤＣ出力信号から引出されるフィードバック信号を更に含み、前記波形発生器は、前記フィードバック信号に応じて前記第１の波形及び前記第２の波形の少なくとも一方の増幅を調整するように働く、請求項１３に記載の電源。
前記波形発生器は、電圧制御式増幅器に結合された出力信号を有する信号発生器を含む、請求項１３に記載の電源。
前記第１の変圧器の前に配置された、前記第１の周期波形を増幅する第１の増幅器と、前記第２の変圧器の前に配置された、前記第２の周期波形を増幅する第２の増幅器とを更に含む、請求項１３に記載の電源。
前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、相互コンダクタンス増幅器であり、前記第１の波形及び前記第２の波形は電流波形であり、前記第１及び第２の整流信号は、連続して加法的に合成されたときに前記ＤＣ出力信号を形成する電流信号である、請求項１８に記載の電源。
前記第１の変圧器及び前記第２の変圧器は、共通磁気コアを共有する、請求項１３に記載の電源。
前記第１の整流ブリッジは、第１のセットの４つのダイオードを備える全波整流器であり、前記第２の整流ブリッジは、第２のセットの４つのダイオードを備える全波整流器である、請求項１３に記載の電源。
第１の交番波形及び第２の交番波形を生成することと、
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形を整流して第１の整流信号及び第２の整流信号をそれぞれ生成し、その場合、時間的に異なる瞬間における前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号の和が実質的に一定値に等しいことと、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号を連続して加法的に合成することによって前記実質的に一定値でＤＣ出力信号を形成することと、
を含み、
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号の両方は、ゼロでないとき、前記ＤＣ出力信号のレベルに同時に加法的に寄与する、電力変換のための方法。
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形を整流する前に、該第１の交番波形及び該第２の交番波形を、ステップアップレベル又はステップダウンレベルに変換するステップを更に含む、請求項２２に記載の方法。
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形を、前記ステップアップレベル又は前記ステップダウンレベルに変換するステップは、第１の変圧器において前記第１の交番波形を受取り、第１のレベル変換された交番波形を該第１の変圧器から出力することと、第２の変圧器において前記第２の交番波形を受取り、第２のレベル変換された交番波形を該第２の変圧器から出力することとを含む、請求項２３に記載の方法。
前記レベル変換された第１の交番波形及び第２の交番波形を整流して前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号をそれぞれ生成するステップは、前記第１のレベル変換された交番波形を第１の全波整流器に印加し、前記第１の整流信号を生成することと、前記第２のレベル変換された交番波形を第２の全波整流器に印加し、前記第２の整流信号を生成することと、を含む、請求項２４に記載の方法。
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形を、前記ステップアップレベル又は前記ステップダウンレベルに変換するステップは、第１の対のスイッチドキャパシタ回路に前記第１の交番波形を印加し、第１のレベル変換された交番波形を出力させることと、第２の対のスイッチドキャパシタ回路に前記第２の交番波形を印加し、第２のレベル変換された交番波形を出力させることと、を含む、請求項２３に記載の方法。
前記第１の対のスイッチドキャパシタ回路と前記ＤＣ出力信号との間で、少なくとも第１の対の整流器を結合し、前記第１のレベル変換された交番波形の整流を実施することと、前記第２の対のスイッチドキャパシタ回路と前記ＤＣ出力信号との間で、少なくとも第２の対の整流器を結合し、前記第２のレベル変換された交番波形の整流を実施することと、を更に含む、請求項２６に記載の方法。
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形はそれぞれ、非反転波及び反転波の交番周期シーケンスを含み、前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形は、同一であるが互いに９０度だけオフセットしている、請求項２２に記載の方法。
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形はそれぞれ、反転二乗余弦波と交番する単一サイクル二乗余弦波の周期シーケンスを含む、請求項２８に記載の方法。
前記第１の整流信号及び前記第２の整流信号はそれぞれ、ＤＣオフセットを有する余弦波形及び同じＤＣオフセットを有する正弦波形を含む、請求項２９に記載の方法。
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形は、整流され加法的に合成された後、該第１の交番波形及び前記第２の交番波形の加法的合成が、実質的にリップルのない状態で、前記ＤＣ出力信号の一定電圧レベルを生成するように選択される、請求項２２に記載の方法。
前記ＤＣ出力信号の前記一定電圧レベルは、出力蓄電キャパシタなしで生成される、請求項３１に記載の方法。
前記第１の交番波形及び前記第２の交番波形は、１つ又は複数の磁界に対し相対回転運動状態にあるワイヤコイルを有するロータリー交流発電機を使用して生成される、請求項２２に記載の方法。
前記第１の変圧器を通る電流及び前記第２の変圧器を通る電流は、連続であり、急激な遷移、段差、又は不連続性がない、請求項２４に記載の方法。
前記第１の整流信号、前記第２の整流信号、及び前記ＤＣ出力信号はいずれも電圧信号である、請求項２４に記載の方法。
前記第１の整流信号、前記第２の整流信号、及び前記ＤＣ出力信号はいずれも電圧信号である、請求項１に記載の電源。
前記第１の整流信号および前記第２の整流信号は、互いに９０度だけオフセットしている正弦波形であり、前記正弦波形の各々は各全波形サイクル上にゼロ以上の電圧レベルを有する、請求項３６に記載の電源。
前記第１の整流信号、前記第２の整流信号、及び前記ＤＣ出力信号はいずれも電圧信号である、請求項１３に記載の電源。
前記第１の整流信号および前記第２の整流信号は、互いに９０度だけオフセットしている正弦波形であり、前記正弦波形の各々は各波形サイクル上でゼロ以上である、請求項３６に記載の電源。
複数の波形を出力するように構成された波形発生器と、
複数の整流システムであって、各々が前記波形の１つを受取り、対応する整流信号を出力し、それにより複数の整流信号を生成するようにされ、前記複数の整流信号の和が実質的に一定値に等しいものと、
前記複数の整流システムに結合した加算回路であって、前記複数の整流信号を連続して加算することによって前記実質的に一定値と等しいレベルでＤＣ出力信号を形成するように働くものと、
を含み、
前記複数の整流信号は、ゼロでないとき、前記ＤＣ出力信号のレベルに同時に加法的に寄与する、電力変換器。
前記整流システムは全波整流器である、請求項４０に記載の電力変換器。
前記波形発生器と前記複数の整流システムとの間に挿入されたレベル変換回路をさらに含み、前記レベル変換回路は前記複数の波形のステップアップバージョン又はステップダウンバージョンを出力する、請求項４０に記載の電力変換器。
前記レベル変換回路は、前記波形の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンを出力するように働く複数の変圧器を含む、請求項４２に記載の電力変換器。
前記レベル変換回路は、前記第１の波形の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンを出力するように働く複数の対のスイッチドキャパシタ回路を含む、請求項４２に記載の電力変換器。
前記波形は二つあり、前記複数の整流信号は二つある、請求項４０に記載の電力変換器。
前記波形の各々は、反転二乗余弦波と交番する単一サイクル二乗余弦波の周期シーケンスを含む、請求項４５に記載の電力変換器。
第１の時間変化波形信号及び第２の時間変化波形信号を出力するように働く波形発生器と、
前記波形発生器に結合した第１の整流システムであって、前記第１の時間変化波形信号に応じて第１の全波整流信号を出力するように働くものと、
前記波形発生器に結合した第２の整流システムであって、前記第２の時間変化波形信号に応じて第２の全波整流信号を出力するように働くものと、
前記第１の整流システム及び前記第２の整流システムに結合した加算回路であって、前記第１の全波整流信号及び第２の全波整流信号を連続して加算することによってＤＣ出力信号を形成するように働くものと、
を含み、
前記第１の全波整流信号及び前記第２の全波整流信号の和は前記ＤＣ出力信号のレベルに等しく、
前記第１の全波整流信号及び前記第２の全波整流信号の両方は、ゼロでないとき、前記ＤＣ出力信号のレベルに同時に加法的に寄与する、電力変換装置。
前記波形発生器と前記第１及び第２の整流システムとの間に挿入されたレベル変換回路を含み、前記レベル変換回路は前記第１の時間変化波形信号及び第２の時間変化波形信号の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンを出力する、請求項４７に記載の電力変換装置。
前記レベル変換回路は、前記第１及び第２の時間変化波形信号の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンを出力するように働く複数の変圧器を含む、請求項４８に記載の電力変換装置。
前記第１の変圧器及び前記第２の変圧器を通る電流は急激な遷移又は不連続性なしに連続する、請求項４９に記載の電力変換装置。
前記レベル変換回路は、前記第１及び第２の時間変化波形信号の前記ステップアップバージョン又は前記ステップダウンバージョンを出力するように働く複数のスイッチドキャパシタ回路を含む、請求項４８に記載の電力変換装置。
前記波形の各々は、反転二乗余弦波と交番する単一サイクル二乗余弦波の周期シーケンスを含む、請求項４７に記載の電力変換装置。
前記ＤＣ出力信号は実質的にリップルがないものである、請求項４７に記載の電力変換装置。
前記第１の全波整流信号、前記第２の全波整流信号、及び前記ＤＣ出力信号はいずれも電圧信号である、請求項４７に記載の電力変換装置。
前記第１の整流信号および前記第２の整流信号は、互いに９０度だけオフセットしている正弦波形であり、前記正弦波形の両方は各波形サイクル上でゼロ以上である、請求項４７に記載の電力変換装置。