JP2020518225A - 航空機用のヒステリシス制御方式ｄｃ−ｄｃ昇圧変換器 - Google Patents

Abstract

電力変換ユニットは、航空機に搭載された１つ以上の推進モータなどの電気負荷に高電圧直流電力を供給するための２つ以上の電力モジュールを含み得る。各電力モジュールは、ヒステリシスによって制御されてもよく、基準電流と昇圧インダクタを通過する検知電流との差を基準にして、ゲートドライバによって切り替えられる１つ以上のトランジスタ対を含んでもよい。電力モジュールの数、サイズ、および形状を、電気負荷に対応するように選択することができ、必要に応じてオンまたはオフに切り替えることができる。電力変換ユニットは、予想される全ての電気負荷を満たすのに必要とされるよりも少なくとも１つ多い電力モジュールを特徴とすることができ、それによって、電力モジュールの１つに何らかの障害が発生した場合でも、電力変換ユニットが電力を供給し続けることができることを保証する。【選択図】図３

Description

今日、無人航空機（または「ＵＡＶ」）は、監視、法執行、軍用、保安、作物管理、調査、または配送業務を含むがこれらに限定されない、増え続けている数多くの用途において、ますます頻繁に使用されている。現代の無人航空機は、一般に、複数のプロペラ、モータ、通信機器、イメージングデバイス、電源などの様々な構成要素または機械を含む統合システムであり、いくつかの実施形態では、様々なサイズのペイロードを回収し、輸送し、または降ろすように構成され得る。その比較的小さなサイズと高い機動性とによって特徴を与えられる無人航空機は、多くの場合、他の動力付きの乗り物、例えば、有人航空機よりも低いコストで、かつ人間に対するリスクが低いレベルで、タスクを実行し得る。

無人航空機には、無人航空機に設置された様々な、推進モータ、操縦翼面、制御システム、ペイロード係合システムなどの電気負荷に電力を供給するための電気回路が含まれる。一般的には、無人航空機には、搭載された電気負荷に正極および負極のリード対を介して電力を供給する直流（ＤＣ）バッテリなどの電源が含まれている。このような電源は、一般に、公称電圧レベルまたはそれに近い電力を供給するように製造され、例えば、無人航空機から電源を取り外して充電用のリード線をこの電源に接続することによって、または無人航空機内の所定の位置に固定された電源を再充電することによって、再充電することができる。

バッテリの出力電圧は、バッテリの充電状態の関数である。バッテリが電力を放電するとき、バッテリの出力電圧は時間と共に自然に低下する。バッテリが無人航空機の１つ以上の推進モータの電源として設けられている場合には、バッテリの出力電圧が低下すると、必然的に、無人航空機によって生成され得る推力の量を減少させる。さらに、推進モータなど、無人航空機に搭載されている多くの電気負荷は、始動電流のサージや、または無人航空機内の電圧レベルが望ましくない程度に変動する原因となり得るその他の要因に影響されやすい。

本開示の実施形態による電力変換ユニットを有する１つの航空機の態様を示す図である。 本開示の実施形態による電力変換ユニットを有する１つの航空機の態様を示す図である。 本開示の実施形態による１つの電力変換ユニットのブロック図である。 本開示の実施形態による電力変換ユニットに設けることができる１つの電力段の概略図である。 本開示の実施形態による電力変換ユニットを動作させるための１つのプロセスのフローチャートである。 本開示の実施形態による電力変換ユニットを動作させるための１つのプロセスのフローチャートである。 本開示の実施形態による１つの電力変換ユニットを流れる電流についてのグラフである。 Ａは、本開示の実施形態による電力変換ユニットの電力段に設けることができる１つのヒステリシス制御器の概略図である。 ＢおよびＣは、本開示の実施形態による、Ａのヒステリシス制御器を流れる電流についてのグラフである。 本開示の実施形態による電力変換ユニットを有する１つの航空機の態様を示す図である。 本開示の一実施形態による過渡出力電力のグラフである。 本開示の一実施形態による効率対電力のグラフである。 本開示の一実施形態による負荷過渡応答のグラフである。 本開示の一実施形態による入力電圧過渡応答のグラフである。 本開示によるモジュールが故障中の出力電圧のグラフである。 本開示の実施形態による１つのシステムのブロック図である。

以下により詳細に記載されるように、本開示は、直流（ＤＣ）電圧レベルを上昇させるためのシステムおよび方法を対象とする。より具体的には、本開示は、要求の変化に応答して直流（ＤＣ）電圧レベルを高めるように構成された電力変換ユニットを対象とする。いくつかの実施形態では、本電力変換ユニットは、ＤＣ電圧レベルの増加が望まれる航空機または他のシステムの内部に、着脱自在に取り付けることができる。本電力変換ユニットは、電力変換ユニットの筐体または他の同様の構造の内部に着脱自在に取り付けることが可能な任意の形状またはサイズである任意数の電力モジュールを含むことができ、要求の変化に応答して作動または停止させることができる。したがって、本電力変換ユニットは、無人航空機（「ＵＡＶ」）またはドローンに搭載されている負荷に電力を供給することを目的として、所望の電圧レベルおよび電流レベルで電力を供給するための、軽量で、耐障害性のシステムを提供する。さらに、上記の電力モジュールは、デジタルまたはソフトウェア駆動の構成要素ではなく、アナログ構成要素を使用して動作し、それによって、そのようなモジュールが１つ以上のソフトウェア関連障害および／またはハッキングにさらされ得るリスクを低減することができる。いくつかの実施形態では、この電力モジュールは、電力変換ユニット内に着脱自在に取り付けられてもよい。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、本開示の実施形態による電力変換ユニットを有する１つの航空機１１０の態様の図が示されている。図１Ａに示すように、航空機１１０は、バッテリ１１５（または別の電源）、複数のモータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４、および電力変換ユニット１３０を含む。

いくつかの実施形態では、バッテリ１１５は、リチウムイオン電池、またはその代わりに、その他のあらゆる種類のバッテリもしくは他の電力セル、例えば、鉛酸蓄電池、ニッケルカドミウム電池、またはニッケル水素電池などの乾電池または湿電池、あるいはその他の種類、サイズ、または形式のバッテリであってもよい。バッテリ１１５は、単一のバッテリであってもよく、またはその代わりに、複数のバッテリもしくはその他の電力セル（例えば、２つ以上のバッテリを含むパワーパック）であってもよい。いくつかの実施形態では、バッテリ１１５は、４５ボルトから６０ボルト（４５Ｖ〜６０Ｖ）の公称電圧レベルを有し得る。他の実施形態では、バッテリ１１５は、１２ボルト（１２Ｖ）、２４ボルト（２４Ｖ）、３６ボルト（３６Ｖ）、４８ボルト（４８Ｖ）、またはその他のあらゆる電圧レベルの公称電圧レベルを有し得る。代替または追加として、航空機１１０は、他のあらゆる種類または形態の電源を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、モータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４は、１つ以上のプロペラを、選択された速度または角速度で回転させる任意の種類または形態のモータまたはその他の原動機であり得る。例えば、モータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４の１つ以上は、アウトランナーブラシレスモータやインランナーブラシレスモータといったブラシレスＤＣモータであってもよい。あるいは、モータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４の１つ以上は、分巻モータ、他励モータ、永久磁石モータ、リラクタンスモータ、ヒステリシスモータ、誘導モータ、または同期モータであってもよい。

図１Ａに示す電力変換ユニット１３０は、バッテリ１１５と各モータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４との間に直列に接続される。電力変換ユニット１３０は、航空機１１０のフレーム内に着脱自在に装着することができるか、または航空機１１０のフレームに着脱自在に取り付けることができる筐体１３２を有するものとして示されている。

図１Ｂに示すように、電力変換ユニット１３０は、筐体またはその他の構造の内部に着脱自在に挿入される複数の電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４を含む。電力変換ユニット１３０はまた、バッテリ１１５に接続される正極リード線１２５−１および負極リード線１２５−２を含む。電力変換ユニット１３０は、モータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４に、および／または航空機１１０に搭載された１つ以上の速度制御システムもしくは速度制御モジュール、またはその他の電気負荷に電力を供給するための正極リード線１３４−１および負極リード線１３４−２をさらに含む。電力変換ユニット１３０はまた、１つ以上の通信および／または制御システムへの接続１３６と、電力変換ユニット１３０を介してバッテリ１１５を充電するための充電用正極リード線１３８−１および充電用負極リード線１３８−２とを含む。正極リード線１３４−１、負極リード線１３４−２、接続１３６、充電用正極リード線１３８−１、および充電用負極リード線１３８−２は、いずれかのようにして、例えば、迅速脱着端子を介して航空機１１０に搭載されて動作するいずれかの電気システムまたは通信システムと接続するように構成されたいずれかのプラグ、ジャック、またはその他の嵌め合い構成要素であり得る。

図１Ｂにさらに示すように、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、電力変換ユニット１３０の動作に影響を与えることなく、１つ以上の電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４を交換することができるように、電力変換ユニット１３０の筐体またはその他の構造の内部に着脱自在に挿入される。例えば、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、航空機１１０または電力変換ユニット１３０のいずれかまたは両方が停止された後に、あるいはその代わりに、航空機１１０および／または電力変換ユニット１３０が動作し続けている間に、手動または自動で筐体１３２から取り外すことができ、互換性がある交換電力モジュールを筐体１３２内に挿入することができる。

各電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、１つの電圧レベルおよび／または電流レベルで電力を受け取り、１つ以上の他の電圧レベルおよび／または電流レベルで電力を放電する１つ以上の構成要素とさらには１つ以上の絶縁スイッチ（例えば、ハイサイドスイッチ）および／または電圧レギュレータも含む。例えば、各電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、航空機１１０に搭載されたモータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４およびその他の電気負荷に電力を供給するのに必要とされ得る１つ以上のインダクタ、トランジスタ、コンデンサ、増幅器、ゲート、抵抗器、および／またはその他の構成要素を有する回路を含み得る。いくつかの実施形態では、電力変換ユニット１３０は、バッテリ１１５の電圧レベルよりも高い電圧レベルにある電力を生成するように構成され得る。例えば、電力変換ユニット１３０は、１つ以上の電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４が動作している状態で、約１５０ボルト（１５０Ｖ）の電圧レベルまたは他の任意の電圧レベルの電力を、航空機１１０上で動作しているモータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４または他のいずれかの電気負荷に分配するように構成してもよい。

いくつかの実施形態では、それぞれの電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４の動作を、監視の役割で動作する１つ以上のコンピュータプロセッサによってトリガしてもよく、電気装荷または電力要求の検知されまたは予測された変化に応答して、それぞれの電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４の１つ以上を選択してもよい。例えば、そのようなプロセッサは、例を挙げると、モータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４の１つ以上への電流の増加が検知されるとき、またはモータ１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４の１つ以上の予想される始動の前に、そのようなモータの動作と同時にか、それともその動作に続けて、１つ以上のモジュールの動作を開始することができる。同様に、そのような電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４が既存の電気負荷の要求を満たす必要がない場合には、そのようなプロセッサは、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４の１つ以上を遮断してもよい。

電力変換ユニット１３０および電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、任意のサイズであってもよく、任意の形状または形態を取ってもよい。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、電力変換ユニット１３０は、実質的に正方形の断面を有した筐体１３２を含み、各電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、例えば、任意数の電気回路構成要素をその中に含む実質的に正方形の断面を有した長方形のキャニスタ様構造を有する。例えば、各電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、１つ以上のインダクタ、コンデンサ、増幅器、トランジスタ、スイッチ、比較器、またはこれらにハンダ付けされ、埋め込まれ、もしくは別の方法で接合された他のあらゆる構成要素を、それらの間に延在する導体と共に有する１つ以上のプリント回路基板またはプリント回路カードを含み得る。いくつかの実施形態では、プリント回路基板またはプリント回路カードは、単層でまたは複数の層から形成されてもよく、構成要素および／または層が積層しまたは別の方法で接合した基板を備えてもよい。

いくつかの実施形態では、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４の１つ以上は、約２インチの第１の寸法（例えば、幅、深さ、または直径）と、約６インチの第２の寸法（例えば、高さ）とを有し得る。代替形態として、本開示の電力変換ユニットおよび／または電力モジュールは、他の任意の形状および／または断面を有してもよい。電力変換ユニット１３０および／またはそれぞれの電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４の寸法は、その中の構成要素のいくらかを収容できるように選ぶこともできる。さらに、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４は、１つ以上の掛け金、留め具（例えば、ネジまたは同種のもの）、または他の構成要素によって、電力変換ユニット１３０の筐体内に着脱自在に保持され得る。

加えて、図１Ａおよび図１Ｂに示す電力変換ユニット１３０は、４つの電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４を含むが、本開示の電力変換ユニットは、２つ、３つ、５つ、６つ、７つ、８つ、またはそれ以上の電力モジュールを含むがこれらに限定されない任意の個数の電力モジュールを有してもよい。いくつかの実施形態では、（ｎ＋１）許容度を達成するために電力モジュールの個数を選択することができ、その結果、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４の１つが故障した場合であっても、電力変換ユニット１３０は、望まれまたは期待される全てのモードで動作することができる。さらに、いくつかの実施形態では、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４を性質上、同種にしてもよく、したがって、各電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４が、同じ容量、または同じ数、種類、サイズ、定格の内部構成要素を持つことができ、同じ電圧レベルおよび電流レベルで電力を供給するように構成することができる。あるいは、他の実施形態では、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４を性質上、異種にしてもよく、したがって、電力モジュール１３５−１、１３５−２、１３５−３、１３５−４の１つ以上が、様々な容量、または様々な数、種類、サイズ、定格の内部構成要素を持ち、または様々な電圧レベルまたは電流レベルで電力を供給するように構成してもよい。さらに、図１Ａに示す航空機１１０は単一の電力変換ユニット１３０を備えているが、航空機１１０などの航空機は、本開示による２つ以上の電力変換ユニットを装備し、それぞれが本明細書に開示される２つ以上の電力モジュールを有することができる。

したがって、本開示によれば、無人航空機または他の電気駆動システムは、要求に合わせた所望の電圧レベルおよび電流レベルで推進モータなどの負荷に電力を供給する、独立して制御され稼働される２つ以上の電力モジュールを備えた電力変換ユニットを装備することができる。さらに、本開示の電力変換ユニットは、電源（例えば、バッテリ）および電気負荷（例えば、推進モータ）を互いに切り離し、互いに関して無関係に最適化できるようにする。各電力モジュールは、電気回路内で独立して動作させるか、または、例えば、通常は閉じているが故障（例えば、過電流）の場合には開くことができる１つ以上の絶縁スイッチによって、電気回路から分離させることができる。さらに、電力モジュールは、インダクタ、トランジスタ（例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、すなわちＭＯＳＦＥＴ）、増幅器（例えば、演算増幅器）、コンデンサおよび／または抵抗器、または同様の構成要素などのハードウェア構成要素から形成される電力段をさらに含み、それによって、ソフトウェア構成要素に関連する１つ以上の故障のリスクを低減することができる。例えば、電力モジュールは、ソフトウェアを使わずに個々の動作に向けて構成されているので、単一のソフトウェア障害が、同時に各電力モジュールに悪影響を与えないことが可能である。

各電力モジュールは、ヒステリシス制御に従って動作し得る。例えば、１つ以上の電力モジュールによって推進モータまたは他の電気負荷に供給される出力電圧は、昇圧インダクタに流れる電流を交互に増減させ、これにより磁界の強度が増減することによって、電力モジュールの入力電圧に対して昇圧または増大させることができる。昇圧インダクタを流れる電流の増減は、昇圧インダクタの下流のスイッチの交互動作によって制御される。このスイッチは、ＭＯＳＦＥＴもしくはその他のあらゆる形式のトランジスタまたはその他のスイッチング機器であってもよく、これはヒステリシスによって制御されたゲートドライバの供給するゲート電圧に基づいて動作し得る。例えば、電力段によって（例えば、電力段から要求される負荷に基づいて）生成すべき所望の電圧に対応する基準電圧と、電力段によって実際に生成される出力電圧との間の差を、誤差増幅器が測定することができる。その場合に誤差増幅器は、所望の電圧を生成するための基準電流に対応する差に基づいて、電圧信号を生成することができる。ヒステリシス制御器が、基準電流に対応した電圧信号を受け取り、その電圧信号を、昇圧インダクタを通過する電流の流れに比例した電圧信号と比較する。昇圧インダクタを通過する電流の流れが基準電流未満の場合には、ヒステリシス制御器によりゲートドライバがスイッチを動作させる頻度を低くし、それによって昇圧インダクタを流れる電流が増加し、それに伴い、電力段によって生成される出力電圧が基準電圧に等しくなるまで、強度を増加させる磁界が生成されるようにする。昇圧インダクタを通過する電流の流れが基準電流より大きい場合には、ヒステリシス制御器によりゲートドライバがスイッチを動作させる頻度を高くし、その結果、電力段によって生成される出力電圧が基準電圧に等しくなるまで、昇圧インダクタを流れる電流が減少し、それによって生成される磁界の強度を減らすようにする。ヒステリシス制御器は、基準電流と昇圧インダクタを流れる電流との差を測定するとともに、それに伴って、そのような差に基づいて選択される周波数でスイッチの動作を制御するように構成された１つ以上の増幅器、比較器、またはその他のあらゆる構成要素の形態を取ることができる。

電力モジュールを、ゼロ電圧スイッチング、すなわち「ＺＶＳ」向けに構成することができる。例えば、電力モジュールは、昇圧インダクタを通って流れる電流が所望の電流レベル（例えば、誤差増幅器からヒステリシス制御器に供給される基準電流によって規定されるレベル）に達したとき、それともまた昇圧インダクタを通って流れる電流が負の値に、例えば、昇圧インダクタを逆方向に流れる電流の量に、すなわちゼロ電圧スイッチング電流に達したときに、スイッチを動作させるように構成してもよい。ゼロ電圧スイッチング電流の大きさは、昇圧インダクタと回路内の１つ以上のコンデンサとの間に共振を形成するように調整でき、スイッチがオンになるとスイッチの両端の電圧がゼロになり、それによってスイッチングによる電力損失の大部分が無くなり、電力モジュールの効率が向上する。

さらに、電力モジュールは、双方向動作向けに構成され得る。例えば、いくつかの実施態様では、本明細書に開示される１つ以上の実施形態に関連して説明されるように、入力電圧を出力電圧まで昇圧し得る同じ構成要素によって、電力モジュールの出力接続において第１の電圧レベルで供給される電力が、第２の電圧レベルまで降圧されて、電力モジュールの入力接続において供給され得る。いくつかの実施形態では、ヒステリシス制御器は、この双方向動作に対応するために、昇圧インダクタを流れる電流を、基準電流の正の値や基準電流の負の値などの異なった基準電流の値と比較する１つ以上の構成要素（例えば、比較器、増幅器など）を含む場合がある。

さらに、いくつかの実施形態では、電力段のヒステリシス制御器が、昇圧インダクタを流れる電流の値を、電力段によって生成すべき所望の電圧に対応する基準電流と、同様にゼロ電圧スイッチング電流レベルとの両方と比較して、それによって、昇圧インダクタを流れる電流が、ゼロ電圧スイッチングでスイッチを動作させるのに常に十分であることを保証するために、１つ以上の構成要素を含む場合がある。

電力モジュールはまた、過電流状態またはその他のあらゆる有害事象が発生した場合には、例えば、必要に応じて、１つ以上のトランジスタ対のスイッチングを停止し、および／または１つ以上の絶縁スイッチを開くことによって、接続を遮断するように構成することもできる。

図２を参照すると、本開示の実施形態による１つの電力変換ユニット２３０のブロック図が示されている。特に注記がない限り、図２のブロック図に示す番号「２」が前に付いている参照番号は、図１Ａおよび図１Ｂに示す番号「１」が前に付いている参照番号を持つ構成要素または特徴と同様の構成要素または特徴を指し示す。

図２に示すように、電力変換ユニット２３０は、電源２２５（例えば、バッテリ）から電力を受け取るように構成され、電源２２５と１つ以上の電気負荷との間に互いに組み合わせて設けられた複数の電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄを含む。上記のように、電源２２５は、リチウムイオン電池、またはその代わりに、その他のあらゆる種類のバッテリもしくは他の電力セル、例えば、鉛酸蓄電池、ニッケルカドミウム電池、またはニッケル水素電池などの乾電池または湿電池、あるいはその他のあらゆる種類、サイズ、または形式のバッテリであってもよい。いくつかの実施形態では、電源２２５は、４５ボルトから６０ボルト（４５Ｖ〜６０Ｖ）の公称電圧レベルを有し得る。他の実施形態では、電源２２５は、１２ボルト（１２Ｖ）、２４ボルト（２４Ｖ）、３６ボルト（３６Ｖ）、４８ボルト（４８Ｖ）、またはその他のあらゆる電圧レベルの公称電圧レベルを有し得る。代替または追加として、電源２２５は、他のあらゆる公称電圧レベルを有し得る。

電力変換ユニット２３０は、監視用制御器２３６と、電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄの上流および下流にそれぞれ設けられた１対のフィルタリングコンデンサ２３８とをさらに含む。各電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄは、電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄ、電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄの上流および下流に設けられた絶縁スイッチ（例えば、ハイサイドスイッチ）２４２Ａ、２４２Ｂ、２４２Ｃ、２４２Ｄ、および電圧レギュレータ２４５Ａ、２４５Ｂ、２４５Ｃ、２４５Ｄを含む。

電力変換ユニット２３０が航空機（例えば、無人航空機、またはドローン）に設けられる場合には、監視用制御器２３６は、１つ以上の電気負荷による電力の要求を満たすために、必要に応じて、動作のための１つ以上の電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄを選択し得る。電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄの選択は、電気負荷によって必要とされる電圧および／または電流のレベル、それぞれの電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄの容量、それぞれの電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄの以前の運転時間、またはその他のいずれかの基準を含むがこれらに限定されない何らかの基準に基づいて行うことができる。監視用制御器２３６は、１つ以上のコンピュータプロセッサまたはマイクロプロセッサ、および任意の数の入力および／または出力を含み得る。監視用制御器２３６は、航空機の１つ以上の態様の状態に関する情報を受け取りまたは送るために、任意の数の構成要素と通信することができる。例えば、監視用制御器２３６は、速度、高度、コース、対気速度、電源の電圧レベル、または航空機の動作に関するその他の任意の情報もしくはデータについての入力を受け取ることができ、それに応じて動作させるための電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄのうちの１つ以上を選択することができる。あるいは、監視用制御器２３６は、それぞれの電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄの動作および／または電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄに連結されている負荷についての入力を受け取ることができ、それに応じて、電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄの状態に関する情報またはデータを１つ以上の機内の場所または遠隔地に報告することができる。

フィルタリングコンデンサ２３８は、電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄの局所的な高周波エネルギー源としての機能を果たし、動作中に電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄの１つ以上によって最終的に負荷に供給される電力を平滑化するようにも作用する。いくつかの実施形態では、フィルタリングコンデンサ２３８のそれぞれは、同じ定格（例えば、静電容量）を有する。いくつかの実施形態では、フィルタリングコンデンサ２３８は異なる定格を有してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、電源２２５と電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄとの間に設けられるフィルタリングコンデンサ２３８は、１００〜２００マイクロファラッド（１００μＦ〜２００μＦ）の静電容量を有し得る。いくつかの実施形態では、電力モジュール２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ、２３５Ｄと負荷との間に設けられるフィルタリングコンデンサは、５０〜１００マイクロファラッド（５０μＦ〜１００μＦ）の静電容量を有し得る。

電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄは、所定の電圧レベルで電力を受け取り、別の電圧レベル（例えば、より高い電圧レベル）で電力を１つ以上の電気負荷に供給する任意の構成要素（例えば、インダクタ、トランジスタ、コンデンサ、増幅器、ゲート、抵抗器、および／またはその他の構成要素）を含み得る。例えば、電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄは、１つ以上の電気負荷への電流の流れを制御することを目的として、１つ以上のトランジスタ対と共に、１つ以上のインダクタおよびコンデンサを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄは、アナログ構成要素のみを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄは、アナログ構成要素およびデジタル構成要素の両方、またはデジタル構成要素のみを含んでもよい。

絶縁スイッチ２４２Ａ、２４２Ｂ、２４２Ｃ、２４２Ｄは、絶縁スイッチ２４２Ａ、２４２Ｂ、２４２Ｃ、２４２Ｄが閉じているときに、１つ以上の負荷に電力を供給するように、または絶縁スイッチ２４２Ａ、２４２Ｂ、２４２Ｃ、２４２Ｄが開いているときに、それぞれ電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄを電源２２５および負荷から手動または自動で切り離すように構成することができる。いくつかの実施形態では、絶縁スイッチ２４２Ａ、２４２Ｂ、２４２Ｃ、２４２Ｄの１つ以上は、１つ以上のパス素子、ゲート制御ブロック、または入力論理ブロックを備えたハイサイドスイッチであってもよい。電圧レギュレータ２４５Ａ、２４５Ｂ、２４５Ｃ、２４５Ｄは、動作中に絶縁スイッチ２４２Ａ、２４２Ｂ、２４２Ｃ、２４２Ｄおよび電力段２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄに、低電圧電力を供給するように構成される。

上記のように、本開示の電力モジュールは、要求に合わせた電力を供給するために、電圧レベルおよび／または電流レベルを自動的に上昇させるように構成された電力段を特徴とし得る。図３を参照すると、本開示の実施形態による電力変換ユニットに設けることができる１つの電力段３４０の概略図が示されている。特に注記がない限り、図３の概略図に示す番号「３」が前に付いている参照番号は、図２に示す番号「２」、図１Ａおよび図１Ｂに示す番号「１」が前に付いている参照番号を持つ構成要素または特徴と同様の構成要素または特徴を指し示す。

電力段３４０は、昇圧インダクタ３５０、電流センサ３５２、フィルタリングコンデンサ３５４、１対のトランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂ、およびインダクタ３５８を含む。いくつかの実施形態では、電流センサ３５２はホール効果電流センサであってもよい。いくつかの実施形態では、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ、例えば、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴまたはｐチャネルＭＯＳＦＥＴのいずれかであり得る。電力段３４０はさらに、ヒステリシス制御器３６０、ゲートドライバ３６２、進み遅れ増幅器（例えば、位相遅れ補償器）３６４、誤差増幅器３６６、および出力コンデンサ３６８を含む。電力段３４０はまた、過電流比較器３７４、３７６からの１対の入力を持つ論理ゲート３７２（例えば、ＯＲゲート）によって稼働されるラッチ３７０（例えば、フリップフロップ、または他の双安定マルチバイブレータ）を含む。過電流比較器３７４は、進み遅れ増幅器３６４の出力からの差動入力と過電流引外し設定値３７８とを取込み、一方過電流比較器３７６は、検出抵抗器３８６からの差動入力と過電流引外し設定値３７８とを取り込む。

図３に示すように、電力段３４０は、１対の絶縁スイッチ３４２Ａ、３４２Ｂの間に設けられ、電流が電源から１つ以上の電気負荷に流れることを可能とする。いくつかの実施形態では、絶縁スイッチ３４２Ａ、３４２Ｂの一方または両方は、ハイサイドスイッチであってもよい。絶縁スイッチ３４２Ａ、３４２Ｂが閉じられると、電力段３４０は電源によって電圧を加えられ、昇圧インダクタ３５０を通る負荷への電流Ｉ_Ｌの流れが、ゲートドライバ３６２によって制御され得るトランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂの構成に基づいて決定される。例えば、ゲートドライバ３６２は、それぞれのトランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのゲートにゲート電圧を交互に供給し、それによって、それぞれのトランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂをオンまたはオフに切り替えてもよい。トランジスタ３５６Ａがオフに切り替えられ、トランジスタ３５６Ｂがオンに切り替えられると、電流が昇圧インダクタ３５０を通って抵抗器３８６の端子間を流れる。昇圧インダクタ３５０を通る電流Ｉ_Ｌの流れにより、磁界が強まり、その結果、昇圧インダクタ３５０中にエネルギーが蓄積される。いくつかの実施形態では、抵抗器３８６は、抵抗が実質的には小さく、例えば約１ミリオーム（１ｍΩ）であり、それによって、昇圧インダクタ３５０の端子間の電流Ｉ_Ｌの流れが十分に高くなることを保証する。

トランジスタ３５６Ａがオンに切り替えられ、トランジスタ３５６Ｂがオフに切り替えられると、昇圧インダクタ３５０を流れる電流Ｉ_Ｌは時間と共に減り、昇圧インダクタ３５０の磁界に蓄積されたエネルギーは、トランジスタ３５６Ａを介して、フィルタリングインダクタ３５８および絶縁スイッチ３４２Ｂを経由して負荷に放出される。したがって、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのスイッチングは、負荷への電流の流れの量と電流源とを決定する。いくつかの実施形態では、昇圧インダクタ３５０は、１マイクロヘンリ（１μＨ）のインダクタンスのインダクタを有してもよく、約１００アンペア（１００Ａ）の電流Ｉ_Ｌに対応できる定格としてもよい。他の実施形態では、昇圧インダクタ３５０は、電源および／または１つ以上の負荷に関連した使用の間一定の任意のレベルのインダクタンスを有してもよい。同様に、いくつかの実施形態では、フィルタリングインダクタ３５８は、２マイクロヘンリ（２μＨ）のインダクタンスのインダクタを有してもよく、約２０〜２５アンペア（２０Ａ〜２５Ａ）の電流に対応できる定格としてもよい。他の実施形態では、フィルタリングインダクタ３５８は、同じインダクタンスを有し昇圧インダクタ３５０と同じ電流に対応できるように構成されてもよく、または電源および／または１つ以上の負荷に関連して使用するために、任意の一定レベルのインダクタンスを有してもよい。

トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのスイッチングは、ヒステリシス制御器３６０によって制御される。図３に示すように、ヒステリシス制御器３６０は、進み遅れ増幅器３６４および誤差増幅器３６６から入力を受け取る。進み遅れ増幅器３６４は、電流センサ３５２によって検知された電流Ｉ_Ｌに対応する信号の形での入力と、コンデンサ３８０および／または１対の抵抗器３８２、３８４からのフィードバックとを有する。ヒステリシス制御器３６０が、進み遅れ増幅器３６４からの出力として受け取る入力は、電流センサ３５２によって検知された電流Ｉ_Ｌに比例する電圧信号であり、例えば、進み遅れ増幅器３６４によって位相が付加される。誤差増幅器３６６から受け取られる入力は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦと電力段３４０の実際の出力電圧との差を埋め合わせする基準電流Ｉ_ＲＥＦと整合性の取れた電圧信号であり得る。基準電圧Ｖ_ＲＥＦは、電力段３４０によって（例えば、電力段３４０から要求される負荷に基づいて）生成すべき所望の電圧、および電力段３４０によって実際に生成される出力電圧に対応し得る。いくつかの実施形態では、電力段３４０は、進み遅れ増幅器３６４および／またはコンデンサ３８０または抵抗器３８２、３８４のいずれかを含む必要はない。

したがって、出力電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦよりも小さい場合は、基準電流Ｉ_ＲＥＦは昇圧インダクタ３５０を通過する電流Ｉ_Ｌよりも小さくなる。基準電流Ｉ_ＲＥＦと昇圧インダクタ３５０を通過する電流Ｉ_Ｌとの差に基づき、ヒステリシス制御器３６０によって、ゲートドライバ３６２が、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのスイッチング周波数を減らし、それによって昇圧インダクタ３５０に蓄積されるエネルギーが増大する。出力電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦに近づくにつれて、基準電流Ｉ_ＲＥＦは、昇圧インダクタ３５０を通過する電流Ｉ_Ｌに等しくなるまで減らされるようになる。

出力電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦよりも大きくなると、基準電流Ｉ_ＲＥＦは、昇圧インダクタ３５０を通過する電流Ｉ_Ｌよりも大きくなる。基準電流Ｉ_ＲＥＦと昇圧インダクタ３５０を通過する電流Ｉ_Ｌとの差に基づき、ヒステリシス制御器３６０によって、ゲートドライバ３６２が、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのスイッチング周波数を増やし、それによって昇圧インダクタ３５０に蓄積されるエネルギーが減少する。出力電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦに近づくにつれて、基準電流Ｉ_ＲＥＦは、昇圧インダクタ３５０を通過する電流Ｉ_Ｌに等しくなるまで増加するようになる。

図３に示すように、電力段３４０は、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂおよびゲートドライバ３６２の上流および下流の過電流比較器３７４、３７６に設けられた１対の過電流引外し部３７８をさらに含む。したがって、過電流状態が、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのいずれかの側で、例えば、電流センサ３５２によって、または抵抗器３８６で検知されると、論理ゲート３７２は、ゲートドライバ３６２がトランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂの両方を開くようにする信号をラッチ３７０に供給する。あるいは、ラッチ３７０は、絶縁スイッチ３４２Ａ、３４２Ｂの一方または両方と通信することもでき、過電流状態の場合には、ラッチ３７０によって、絶縁スイッチ３４２Ａ、３４２Ｂが開くようにすることもできる。

図４Ａおよび４Ｂを参照すると、本開示の実施形態による電力変換ユニットを動作させるための１つのプロセスのフローチャート４００が示されている。箱４１０では、電力変換器ユニットからの高電圧電力の要求が特定される。電力変換器ユニットが無人航空機に搭載されて提供される実施形態では、要求は、推進モータ、アイテム係合ユニット、または他のいずれかの電気駆動構成要素の動作に関連付けられてもよい。要求は、その電気駆動構成要素の使用中に識別されるか、またはその電気駆動構成要素の予想された使用に先立って予測されてもよい。

箱４１５では、電力変換器ユニットの監視用制御器が、箱４１０で特定した要求を満たすために必要な所定数の電力モジュールを特定する。上記のように、電力変換器ユニットは、性質上、同種または異種であり得る任意の数の電力モジュールを含むことができ、監視用制御器は、上記の要求の電圧要件および／または電流要件、それぞれの電力モジュールの個々の容量、電力モジュールの以前の運転時間、またはその他の任意の要因を含むがこれらに限定されない、いずれかの基準に基づいて、上記の要求に応答して動作するのに十分な数の電力モジュールを選択することができる。

箱４２０では、監視用制御器は、例えば、所定数の電力モジュールのそれぞれの電力段に連結されたハイサイドスイッチまたはその他の絶縁スイッチを閉じることによって、その所定数の電力モジュールを作動させ、箱４２５では、動作中の電力モジュールの電圧が、その公称高電圧レベルに達する。

箱４３０では、電力変換器ユニット、例えば、航空機に搭載された１つ以上の推進モータまたは他の電気構成要素に負荷が加えられ、箱４３５では、電力モジュールは、箱４３０で加えられた負荷を受けながら、ヒステリシス制御を備えたゲートドライバによって、電力モジュールそれぞれの出力電圧レベルを自己調整する。例えば、再び図３の電力段３４０を参照すると、誤差増幅器３６６は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦと電力段３４０の出力電圧との差に基づき、基準電流Ｉ_ＲＥＦに対応する電圧信号を出力してもよい。ヒステリシス制御器３６０は、基準電流Ｉ_ＲＥＦに対応した電圧信号と、昇圧インダクタ３５０を流れる電流Ｉ_Ｌに比例した電圧信号とを入力として受け取ることができ、基準電流Ｉ_ＲＥＦと昇圧インダクタ３５０を流れる電流Ｉ_Ｌとの差に少なくとも部分的に基づいて、ゲートドライバ３６２に電圧信号を出力することができる。電力段３４０の出力電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦを超える場合、ゲートドライバ３６２への電圧信号は、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂが切り替わる速度を増加させ、それによって昇圧インダクタ３５０を流れる電流Ｉ_Ｌを低減させ、それに伴って電力段３４０の出力電圧を低減させる。電力段３４０の出力電圧が基準電圧Ｖ_ＲＥＦよりも低い場合、ゲートドライバ３６２への電圧信号は、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂが切り替わる速度を低下させ、それによって昇圧インダクタ３５０を流れる電流Ｉ_Ｌを増加させ、それに伴って電力段３４０の出力電圧を増加させる。

箱４４０では、動作中の電力モジュールのいずれかに障害が発生しているかどうかが判定される。例えば、障害は、電力変換ユニットによって駆動される推進モータの速度の変化、電力変換ユニットもしくは電力変換ユニットによって電力が供給される１つ以上の負荷に関連する動作温度の変化、またはその他のいずれかの方法に基づいて検知することができる。電力モジュールの１つに障害が発生した場合には、プロセスは箱４５０に進み、箱４５０で、障害のある電力モジュールの電流センサが電流レベルの変化を特定し、箱４５５に進み、箱４５５で、１つ以上の過電流引外し機構が、過電流状態に応答してゲートドライバを遮断する。代替形態として、電力段は、過電流状態または他の障害を特定するための任意の種類または形式の他の検知機構および／または引外し機構を備えてもよい。箱４６０では、障害のある電力モジュールに連結された絶縁スイッチが開き、それによって、障害のある電力モジュールを電力変換器ユニットから分離する。

箱４４５では、箱４４０で動作中の電力モジュールのいずれにも障害が発生していないと判定された後に、電力変換器ユニットからの高電圧電力に対する要求の変化が特定されるかどうかが判定される。例えば、電力変換器ユニットが動作中の航空機に設けられている場合に、航空機は、垂直飛行運転から前進飛行運転に移行することができ、航空機は、１つ以上の推進モータの稼働を必要としなくなり、それによって、航空機の電力要求が減少する結果になり得る。あるいは、航空機は、前進飛行運転から垂直飛行運転に移行することができ、１つ以上の追加の推進モータの稼働が必要になり、それによって、航空機の電力要求が増加する結果になり得る。高電圧電力に対する要求の変化を、本開示によるいずれかを基に特定することができる。

電力変換器からの高電圧電力に対する要求の変化が特定されない場合、プロセスは箱４３５に戻り、箱４３５で、電力モジュールは、箱４３０で加えられた負荷を受けながら、ヒステリシス制御を備えた電力モジュールそれぞれのゲートドライバによって、電力モジュールそれぞれの電圧レベルを自己調整し続ける。

電力制御ユニットからの高電圧電力に対する要求の変化が箱４４５で特定された場合、または箱４６０で絶縁スイッチが開いた後、プロセスは箱４６５に進み、箱４６５で、動作中の電力モジュールの数が、高電圧電力に対する既存の要求を満たすのに十分であるかどうかが判定される。動作中の電力モジュールの数が、高電圧電力に対する既存の要求を満たすのに十分でない場合、プロセスは箱４１５に戻り、箱４１５で監視用制御器は、要求を満たすのに必要な所定数の電力モジュールを特定する。

動作中の電力モジュールの数が、高電圧電力に対する既存の要求を満たすのに十分である場合、プロセスは箱４７０に進み、箱４７０で、電力変換器ユニットからの高電圧電力の供給が依然として望まれるかどうかが判定される。電力変換器ユニットからの高電圧電力が依然として望まれる場合、プロセスは箱４３５に戻り、箱４３５で、電力モジュールは、箱４３０で加えられた負荷を受けながら、ヒステリシス制御を備えた電力モジュールそれぞれのゲートドライバによって、電力モジュールそれぞれの電圧レベルを自己調整し続ける。電力変換器ユニットからの高電圧電力がもはや望まれない場合、プロセスは終了する。

図５を参照すると、本開示の１つの電力変換ユニットを流れる電流についてのグラフが示されている。図５のグラフは、昇圧インダクタが負荷の下に置かれたときの、１つの電力モジュールの昇圧インダクタ、例えば図３の昇圧インダクタ３５０を通る電流Ｉ_Ｌの流れを示す。

昇圧インダクタは、例えば、時間ｔ_０に電源によって電圧を加えられると、昇圧インダクタを横断し、トランジスタ対の１つを通って１つ以上の負荷に流れる電流が、時間ｔ_１で基準電流Ｉ_ＲＥＦに等しくなるまで増加する。昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが基準電流Ｉ_ＲＥＦに等しいことを検知すると、図３のヒステリシス制御器３６０などのヒステリシス制御器によって、図３のゲートドライバ３６２などのゲートドライバが、トランジスタ３５６Ｂをオフにするとともに、トランジスタ３５６Ａをオンにして、昇圧インダクタの端子間の電流Ｉ_Ｌは降下し始める。例えば、図３に示すように、ヒステリシス制御器３６０は、進み遅れ増幅器３６４から入力を受け取り、このヒステリシス制御器３６０は、一方の入力として、進み遅れ増幅器３６４から受け取った昇圧インダクタ３５０を流れる電流Ｉ_Ｌに比例した電圧信号を有し、他方の入力として、誤差増幅器３６６から受け取った基準電流Ｉ_ＲＥＦと整合性のある電圧信号を有する。ヒステリシス制御器３６０からの出力は、ゲートドライバ３６２に供給され、これによって、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂが交互方式で電圧を加えられるようにする。

昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが降下すると、図３の出力コンデンサ３６８などの下流コンデンサを介して負荷に電力が供給される。昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが、ゼロ電圧スイッチング電流Ｉ_ＺＶＳに達すると、ヒステリシス制御器により、ゲートドライバが時間ｔ_２でトランジスタを再び切り替え、例えば、図３のトランジスタ３５６Ａをオフに切り替えるとともに、図３のトランジスタ３５６Ｂをオンに切り替え、それによって、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが再び増加するようになる。電力変換ユニットへの装荷が依然として一定であるため、ヒステリシス制御器により、例えば、時間ｔ_３およびｔ_４において、ゲートドライバがトランジスタを切り替えるようにし続ける。時間ｔ_３およびｔ_４では、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが、それぞれ基準電流Ｉ_ＲＥＦおよびゼロ電圧スイッチング電流Ｉ_ＺＶＳに達する。

時間ｔ_５で電気装荷の増加が観察されると、誤差増幅器によって、装荷の増加を基に基準電流Ｉ_ＲＥＦが増加する。したがって、電流が時間ｔ_６で新しい基準電流Ｉ_ＲＥＦに到達するまで、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが増加することを可能とし、時間ｔ_６でヒステリシス制御器によって、トランジスタが再び切り替わるようになり、それによって、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが再び降下するようになる。時間ｔ_７で、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌがゼロ電圧スイッチング電流Ｉ_ＺＶＳに達すると、トランジスタがもう一度切り替わり、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが再び増加できるようになる。

装荷が増加する前の公称ピークパルス電流Ｉ_{ＰＰ−ＮＯＭ}は、基準電流Ｉ_ＲＥＦとゼロ電圧スイッチング電流Ｉ_ＺＶＳとの差として定義される。したがって、時刻ｔ_５より前の図５に示すレベル電流Ｉ_ＲＥＦにおける基準電流に関しては、ピーク時間ｔ_１とｔ_３との間、または最小電流時間ｔ_２とｔ_４との間の差は、装荷のレベルに対するゲートドライバのスイッチング周波数Ｆ_ＮＯＭの逆数、すなわち１／Ｆ_ＮＯＭとして定義される。装荷の増加後に、トランジスタはより低い周波数Ｆ_ＭＩＮで切り替わり、その結果、最小電流時間ｔ_７とｔ_４との差が、最小電流時間ｔ_２とｔ_４との差よりも大きくなる。昇圧インダクタの損失は電流の流れの方向の変化、つまりスイッチング周波数に比例するので、スイッチング周波数が低下すると、電力の供給がより効率的になる。装荷の増加はまた、最大ピークパルス電流Ｉ_{ＰＰ−ＭＡＸ}をもたらす。この最大ピークパルス電流Ｉ_{ＰＰ−ＭＡＸ}は、新たな基準電流Ｉ_ＲＥＦとゼロ電圧スイッチング電流Ｉ_ＺＶＳとの差として定義される。

図５の電流の流れのグラフは、本開示の電力モジュールに対する電気装荷の増加の効果を示すが、当業者であれば、電力モジュールに対する電気装荷の減少の効果が、より低い基準電流Ｉ_ＲＥＦに関して電流の流れの同様のグラフをもたらすことを認識するであろう。

図３のヒステリシス制御器３６０は、単一の構成要素、例えば比較器または増幅器として示したが、本開示の電力段は、昇圧インダクタを流れる電流が基準電流と相違するかどうか、およびどの程度まで相違するかを決定するための複数の構成要素を含んでもよい。このような構成要素は、電力段が順方向または逆方向に電力を供給するように構成されているかどうかに関わらず、電流の流れのヒステリシス制御されたゼロ電圧スイッチングを提供することができる。図６Ａを参照すると、本開示の実施形態による電力変換ユニットの電力段に設けることができる１つのヒステリシス制御器６６０の概略図が示されている。特に注記がない限り、図６Ａの概略図に示す番号「６」が前に付いている参照番号は、図３に示す番号「３」、図２に示す番号「２」、図１Ａおよび図１Ｂに示す番号「１」が前に付いている参照番号を持つ構成要素または特徴と同様の構成要素または特徴を指し示す。

図６Ａに示すように、ヒステリシス制御器６６０は、４つの比較器６６１Ａ、６６１Ｂ、６６３Ａ、６６３Ｂと、ラッチ６６５（例えば、フリップフロップ）とを含む。比較器６６１Ａは、基準電流Ｉ_ＲＥＦに対応する電圧信号と、昇圧インダクタ、例えば、図３の昇圧インダクタ３５０を流れる電流Ｉ_Ｌに対応する電圧信号との形で入力を含む。基準電流Ｉ_ＲＥＦに対応する電圧信号は、誤差増幅器、例えば、図３の誤差増幅器３６６によって生成することができ、これは、電力段の出力電圧と基準電圧、例えば、所望の出力電圧との差に対応し得る。比較器６６３Ａは、負のゼロ電圧スイッチング電流−Ｉ_ＺＶＳに対応する電圧信号と、電流Ｉ_Ｌに対応する電圧信号との形で入力を含む。したがって、ラッチ６６５は、比較器６６１Ａおよび比較器６６３Ａの両方が、昇圧インダクタを通過する電流Ｉ_Ｌが基準電流Ｉ_ＲＥＦと負のゼロ電圧スイッチング電流−Ｉ_ＺＶＳとの両方よりも小さいことを示すとき、昇圧インダクタがそれによって生成される磁界にエネルギーを蓄積することを目的として、１つのトランジスタ、例えば、図３のトランジスタ３５６Ｂをオンに切り替えるための信号を受け取ることができる。次に、ラッチ６６５は、適切なトランジスタをオンおよびオフに切り替えるために、対応する信号をゲートドライバ、例えば図３のゲートドライバ３６２に送ることができる。

比較器６６１Ｂは、基準電流Ｉ_ＲＥＦに対応する電圧信号と、電流Ｉ_Ｌに対応する電圧信号との形で入力を含み、一方比較器６６３Ｂは、正の電圧スイッチング電流＋Ｉ_ＺＶＳに対応する電圧信号と、電流Ｉ_Ｌに対応する電圧信号との形で入力を含む。したがって、ラッチ６６５は、比較器６６１Ａおよび比較器６６３Ａの両方が、昇圧インダクタを通過する電流Ｉ_Ｌが基準電流Ｉ_ＲＥＦと正のゼロ電圧スイッチング電流＋Ｉ_ＺＶＳとの両方よりも大きいことを示すとき、昇圧インダクタによって生成された磁界がそこからエネルギーを放出することを目的として、１つのトランジスタ、例えば、図３のトランジスタ３５６Ａをオンに切り替えるための信号を受け取ることができる。次に、ラッチ６６５は、適切なトランジスタをオンおよびオフに切り替えるために、対応する信号をゲートドライバ、例えば図３のゲートドライバ３６２に送ることができる。

図６Ｂおよび図６Ｃを参照すると、本開示の実施形態による図６Ａのヒステリシス制御器を流れる電流についてのグラフが示されている。図６Ｂに示すように、例えば、ゼロよりも大きい基準電流Ｉ_ＲＥＦを用いて電圧を昇圧させるように電力段が構成されている場合に、昇圧インダクタを流れる電流についてのグラフを示している。ヒステリシス制御器は、時間ｔ_０で電力段のトランジスタを動作させて、電流Ｉ_Ｌが昇圧インダクタを流れるようにし、それによって磁界を形成して、昇圧インダクタ中にエネルギーが蓄積され得る。電流Ｉ_Ｌは、時間ｔ_１で基準電流Ｉ_ＲＥＦの値に達するまで、負のゼロ電圧スイッチング電流−Ｉ_ＺＶＳから増加し、時間ｔ_１で、ヒステリシス制御器は、トランジスタを動作させて昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが減少するようにし、それによって磁界からエネルギーを放出する。電流Ｉ_Ｌは、時間ｔ_２で電流Ｉ_Ｌが負のゼロ電圧スイッチング電流−Ｉ_ＺＶＳに達するまで、最終的にはゼロよりも下に低下し、すなわち極性が反転する。次に、ヒステリシス制御器は、トランジスタを動作させて、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが増加するようにし、それによって、時間ｔ_３で電流Ｉ_Ｌが基準電流Ｉ_ＲＥＦの値に達するまで、磁界を再生して、昇圧インダクタ中にエネルギーを蓄積する。次に、ヒステリシス制御器は、電流Ｉ_Ｌが時間ｔ_４で負のゼロ電圧スイッチング電流−Ｉ_ＺＶＳに達するまで、トランジスタを再び動作させて、電流Ｉ_Ｌが減少するようにし、ヒステリシス制御器は、トランジスタを再び動作させて、電流Ｉ_Ｌが増加し始めるようにする。

図６Ｃに示すように、例えば、ゼロよりも小さな基準電流Ｉ_ＲＥＦを用いて電圧を降圧させるように電力段が構成されている場合に、昇圧インダクタを流れる電流についてのグラフを示している。ヒステリシス制御器は、時間ｔ_０で電力段のトランジスタを動作させて、電流Ｉ_Ｌが昇圧インダクタを流れるようにし、それによって磁界を形成して、昇圧インダクタ中にエネルギーが蓄積され得る。電流Ｉ_Ｌは、時間ｔ_１で正のゼロ電圧スイッチング電流＋Ｉ_ＺＶＳの値に達するまで、基準電流Ｉ_ＲＥＦから増加し、時間ｔ_１で、ヒステリシス制御器は、トランジスタを動作させて昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが減少するようにし、それによって磁界からエネルギーを放出する。電流Ｉ_Ｌは、時間ｔ_２で電流Ｉ_Ｌが負の基準電流Ｉ_ＲＥＦに達するまで、最終的には再びゼロよりも下に低下し、すなわち極性が反転する。次に、ヒステリシス制御器は、トランジスタを動作させて、昇圧インダクタを流れる電流Ｉ_Ｌが増加するようにし、それによって、時間ｔ_３で電流Ｉ_Ｌが正のゼロ電圧スイッチング電流＋Ｉ_ＺＶＳの値に達するまで、磁界を再生して、昇圧インダクタ中にエネルギーを蓄積する。次に、ヒステリシス制御器は、電流Ｉ_Ｌが時間ｔ_４で基準電流Ｉ_ＲＥＦに達するまで、トランジスタを再び動作させて、電流Ｉ_Ｌが減少するようにし、ヒステリシス制御器は、トランジスタを再び動作させて、電流Ｉ_Ｌが増加し始めるようにする。

図６Ａ〜図６Ｃに示すように、本開示のヒステリシス制御器は、これを流れる所望の電流の方向に関係なく、すなわち、意図された動作モードに基づいて選択される基準電流を基に、トランジスタが切り替わるようにすることによって、ゼロ電圧スイッチングを維持することができる。さらに、ヒステリシス制御器は検知された電流情報に従うので、入力電圧、出力電圧、またはインダクタンスや静電容量などの回路パラメータに関わらず、ゼロ電圧スイッチングが維持される。この性能は、より制限された動作範囲でのみＺＶＳを維持する一般的なゼロ電圧スイッチング制御器のものとは異なる。さらに、本開示のヒステリシス制御器は、いかなる構成を有してもよく、図３または図６Ａに示す構成に限定されない。

本開示の電力変換器ユニットはまた、推進モータの電源が遮断され、運行速度からスピンダウンされるときなどに、電源（例えば、バッテリ）を充電するように構成されてもよい。例えば、回生制動と同様にして、推進モータの回転プロペラは、回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、それによってバッテリを充電するように、発電機として機能し得る。あるいは、電力変換器ユニットが電力供給下で動作していないときに電力変換器ユニットによって提供される電気抵抗は、推進モータの減速と、それによるプロペラの減速とを促進し得る。

図７を参照すると、本開示の実施形態による電力変換ユニットを有する１つの航空機７１０の態様の図が示されている。特に注記がない限り、図７に示す番号「７」が前に付いている参照番号は、図６Ａに示す番号「６」、図３に示す番号「３」、図２に示す番号「２」、図１Ａおよび図１Ｂに示す番号「１」が前に付いている参照番号を持つ構成要素または特徴と同様の構成要素または特徴を指し示す。

図７に示すように、航空機７１０は、推進モータ７２０を含む。航空機７１０は、本開示の１つ以上の電力モジュールを有する電力変換ユニットを装備することができ、高電圧レベルＶ_ＨＩＧＨの電力を推進モータ７２０に供給することができる。図７に示すように、電力モジュールのトランジスタが順方向スイッチング構成で動作するように構成されている場合には、推進モータ７２０は、電力を受けて回転速度ωで動作する。図７にまた示すように、推進モータ７２０への電力の供給を止めると、推進モータ７２０の回転速度ωは減少し始める。電力モジュールのトランジスタは、推進モータの減速中に生成された電力が、航空機７１０に搭載された１つ以上のバッテリまたは他の電源に逆方向に移動するような、逆方向スイッチング構成で動作するように構成することができる。

ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器の要件の中には、高出力密度、障害許容度、およびシームレスの双方向電力潮流がある。これらの要件を、ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器のトポロジを選択する際に考慮することができる。

高出力密度
高出力密度は、小型の磁気学的要素と高効率性との組合せによって達成される。磁気学的要素は、金属製のコア材料と銅の巻線とで構成されているために、電力変換器の中では最も重い構成要素である。さらに、狭い空間に多くの電力を詰め込むことは、変換器が高効率性を有する必要があることを意味する。そうでないと、熱の発生が、熱を拒絶する能力を圧倒することになる。これは特に、空冷式の電力変換器の場合に当てはまる。空冷式の電力変換器では、熱を排除するために大きくて重いヒートシンクが必要となる。高出力密度を達成する１つの方法のブロック図を図１３に示す。

磁気構成要素のサイズを小さくする
磁気学的要素は、３つの方法で小型化することができる。第１に、トポロジ内の磁気構成要素の数。第２に、磁気構成要素を介して処理する電力が少ないトポロジを選択してもよい。第３に、磁気構成要素に蓄積されるエネルギーは、インダクタンスを減らすことで削減され得る。

磁気構成要素の数。電力変換器トポロジの中には、他よりも多くの磁気構成要素を持つものがある。例えば、シングルエンド形の一次インダクタ変換器（またはＳＥＰＩＣ）およびチュック変換器は、２つのインダクタを備えるが、昇降圧変換器は１つのインダクタのみを備える。一部のトポロジでは、インダクタだけではなくトランスも必要である。多くの場合、トポロジ内の磁気構成要素の数は、インダクタを結合することによって、またはトランスの漏れインダクタンスもしくは磁化インダクタンスをエネルギー蓄積要素として利用することによって、削減できる。

磁気構成要素による処理電力の削減。磁気構成要素を介して処理される電力の量を判定するには、次の質問に答えよ。つまり、１つの箇所で変換器の出力から流出する全ての電子は、変換器の１つ以上の磁気構成要素を通過したか？例えば、複数のインダクタを備えた変換器の中には、各インダクタの電力の一部のみを処理するものもあり、一部の変換器は、スイッチトキャパシタを使用する代わりに、磁気学的要素の電力を全く処理しない。

インダクタンスを減らすことによる磁気構成要素に蓄積されるエネルギーの削減。磁気構成要素のサイズは、この中にどれだけのエネルギーが蓄積され得るかを決める。より少ないエネルギーが蓄積され得る場合には、磁気構成要素を、処理される同じエネルギーに対してより小さくすることができる。

効率の向上
変換器の損失を減らすことによって、効率を向上させる。変換器中の大部分の電力は、トランジスタおよび磁気学的要素で失われる。

トランジスタでは、損失の原因はスイッチング損失および導通損失である。導通損失は、オン抵抗が低いＭＯＳＦＥＴか、または順電圧降下が小さいＩＧＢＴを用いることによって低減できる。スイッチング損失は、スイッチング周波数の低減、接合静電容量の低減、またはソフトスイッチング技法の使用によって低減できる。残念ながら、これらの方策はいずれも制限を受けないわけではない。これらは全て、変換器の複雑さ、磁気学的要素のサイズ、および／またはデバイスのコストにおいてトレードオフを有する。

磁気学的要素では、損失の原因はコア損失および銅損である。コア損失は、磁気コアの磁化と減磁とによって引き起こされ、コアの高スイッチング周波数および高磁束リップルによって悪化する。コア損失は、低損失のコア材料を使用することによって、または電流リップルを減少させることにより、もしくはレグの磁束をキャンセルすることにより（結合インダクタの場合）、磁束リップルを減少させることによって、低減できる。銅損は、ＤＣ損失とＡＣ損失とに分けられる。ＤＣ損失は、巻線のＤＣ抵抗の関数であり、これは、銅（したがって重量を）を追加することによってのみ、減少させることができる。ＡＣ損失は、スイッチング周波数および導体サイズの関数であり、一部の実施形態では、リッツ線を使用することによって低減することができる。リッツ線は、高価であるが、効果的である。

障害許容度
好ましくは、ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器は、いずれかの１つの構成要素の障害が、乗り物の推進システム全体を停止させることがないように、単一障害耐性になっている。障害許容度は完全な冗長性によって達成できるが、これによって、ほとんど使用されない、かなりの余分な重量を運ぶことになり得る。１つの方策は、障害が発生したときに、安全に移行、ホバリング、および着陸するのに十分な出力を維持しながら、変換器のピーク電力出力を低減させることであり得る。

ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器は、安全に移行、ホバリング、および／または着陸するために、利用可能なピーク電力のいずれかの量または割合を必要とし得る。いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器は、ピーク電力出力の半分で十分であることを利用してもよい。例えば、ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器のピーク出力が１２キロワット（１２ｋＷ）の場合は、単一の障害を伴って動作しているときの電力出力は６キロワット（６ｋＷ）になる。好ましくは、変換器の出力電圧は同じままであり、その結果、単一の障害に伴って出力電流がピーク電流の半分になることを意味する。

ピーク電流の半分での動作は、少なくとも２つの方法で達成することができる。例えば、変換器は、並列に配置された２つのモジュールから構築され、それによって１つのモジュールの障害を許容することができる。追加として、または代替として、変換器は、Ｌｅｖｙ Ｃｏｓｔａ，Ｇｉａｍｐａｏｌｏ Ｂｕｔｉｃｃｈｉ，ａｎｄ Ｍａｒｃｏ Ｌｉｓｅｒｒｅ： Ａ Ｆａｕｌｔ−Ｔｏｌｅｒａｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ−Ｒｅｓｏｎａｎｔ ＤＣ−ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．２ （Ｆｅｂ．２０１７）などに記載されているように、ハーフブリッジとして動作できるフルブリッジなどの自然に冗長なトポロジを使用して変換器を構築できる。この文献の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

デュアルモジュールアプローチは単純であり、１つのモジュール内の任意の構成要素に障害が発生しても、他のモジュールに影響を与えることがないことを可能にする。ただし、実装によっては、モジュール間でいかなる構成要素も共有しないために、電力密度を犠牲にする場合がある。１つの妥協案は、モジュール間で最も信頼性の高い構成要素、例えば、インダクタやコンデンサなどの受動構成要素を共有し（特に、このような構成要素が１つのモジュールに障害が発生した場合でも、なお動作することが可能である場合）、最も故障しやすい構成要素（つまり、トランジスタ）をモジュール間で分離したままにしておくことであり得る。

シームレスな双方向電力潮流
回生制動をサポートするには、双方向の電力潮流が重要である。「シームレスな」双方向電力潮流という用語は、逆潮流に対する別個の制御モードがないことを意味する。もっと正確には、電力潮流の逆転は、単に公称変換器動作の連続的な拡張である。例えば、デューティサイクルが５０パーセントを超える（＞５０％）と順潮流をもたらすことができ、デューティサイクルが５０パーセント未満（＜５０％）になると逆潮流をもたらすことができる。あるいは、正の位相シフトは順潮流をもたらすことができ、負の位相シフトは逆潮流をもたらすことができる。一般に、双方向変換器はダイオードを備えるのではなく、その代わりに、同期整流に依存しており（例えば、ダイオードの代わりに金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、すなわちＭＯＳＦＥＴを使用）、この同期整流をオンにすると、導通損失が減少するが、逆潮流をも可能にする。大多数の変換器トポロジは、ダイオードを同期整流器に置き換え、場合によっては制御スキームをわずかに変更することによって、双方向トポロジに変換することができる。

概要
上記の議論に基づいて、１つの好ましい変換器トポロジでは、次の方策の１つ以上を使用できる。すなわち、ソフトスイッチングおよび／または高バンドギャップトランジスタ、結合型磁気学的要素、低コア損失磁性材料、磁気学的要素の低ＡＣ電流リップルまたはリッツ線もしくは類似の線の使用、共有受動構成要素を用いたモジュール設計、あるいは双方向電力潮流の同期整流である。

トポロジオプション
変換器のトポロジには、次のものが含まれ得る。第１に、より高い昇圧とガルバニック絶縁とのための変圧器巻数比、および全装荷でのゼロ電圧スイッチング（またはＺＶＳ）を使用する電圧供給デュアルアクティブブリッジ。このトポロジは、高負荷でのスイッチング周波数を低下させ、低負荷での出力電圧をわずかに変化させることができ、低負荷でバーストモードを使用することもできる。第２に、２通りで昇圧するトランスおよび昇圧インダクタを備えた電流供給デュアルアクティブブリッジ。このトポロジは、種々の変調スキームとスナバオプションとを有し得る。第３に、カスケード同期昇圧は、スイッチが少なく、自然なゼロ電圧スイッチング（またはＺＶＳ）を用いて、高効率モードで双方向に動作することができ、位相がインターリーブされている場合には当然ながら冗長性を持つ。インダクタは、電力密度を改善するために結合されてもよい。さらに、スイッチング周波数を増加させることができ、一部のモジュールは、軽負荷で遮断することができる。

結合インダクタを用いたカスケード同期昇圧
以下に示すように、ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器のトポロジの１つは、結合インダクタを用いたカスケード同期昇圧である。このトポロジを有する１つの提案された変換器は、４つのモジュール、例えば、２つの低電圧モジュールと、２つの高電圧モジュールとを含む。低電圧モジュールは高電圧モジュールと直列に配置され、したがって、モジュールの各グループは、電圧を合計量の半分だけ昇圧するのみでよい。例えば、低電圧モジュールはバッテリ電圧から１００Ｖに昇圧することができ、高電圧モジュールは１００Ｖから２００Ｖに昇圧することができる。このカスケード式方策は、変換器をゼロ電圧スイッチングに維持することが可能な５０パーセント（５０％）にデューティサイクルを近づけることによって、かつモジュールの各グループを個別の電圧範囲に合わせて調整できるようにすることによって（例えば、低電圧モジュールは高電流で２００ＶのＭＯＳＦＥＴを使用でき、高電圧モジュールは低電流で４００ＶのＭＯＳＦＥＴを使用できる）、モジュールの各グループの効率を改善することが期待される。

いくつかの実施形態では、低電圧モジュール用の昇圧インダクタを２つのモジュール間に結合してもよく、これによりインダクタのサイズおよび損失を減らすことができる。同様の方策を高電圧モジュールに用いてもよい。インダクタは、これらが結合状態および非結合状態の両方で動作できるように設計することができる。いくつかの実施形態では、公称動作の間中に結合状態が使用されるようになり、低電圧モジュールまたは高電圧モジュールのいずれかに障害がある場合には、非結合状態が使用されるようになる。さらに、いくつかの実施形態では、ヒューズを使用して、いずれか１つのモジュールの障害が、そのモジュールのインダクタ巻線の開回路をもたらし、他のモジュールの動作に影響を与えないことを確実にしてもよい。いくつかの実施形態では、故障時のインダクタの過渡性能をシミュレートして、故障時に出力電圧が仕様内にとどまることを確実にしてもよい。

変換器は、Ｖ．Ｖｏｒｐｅｒｉａｎ，“Ｑｕａｓｉ−ｓｑｕａｒｅ−ｗａｖｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ： ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．２，Ａｐｒｉｌ １９８８に記載されているように、準方形波（ＱＳＷ）の共振遷移で動作することができる。この文献の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。このような方策は、ＭＯＳＦＥＴにおいては、これらの逆並列ダイオードが既に導通しているとき、したがってＭＯＳＦＥＴの両端にほぼゼロの電圧がかかるときにのみ、ＭＯＳＦＥＴをオンにすることによって、スイッチング損失を事実上排除することができる。昇圧インダクタンスおよびスイッチノード静電容量は、共振遷移が全動作範囲にわたって維持されることを確実にするように選択され、これはまた、変換器の電磁干渉（またはＥＭＩ）の削減にも役立つ。さらに、１つの可能な方策は、シリコンＭＯＳＦＥＴを用いた初期変換器を設計することである。別の可能な方策は、窒化ガリウム（またはＧａＮ）ＭＯＳＦＥＴを使用することであり、これにより、効率が向上する可能性がある。

２つの低電圧モジュールと２つの高電圧モジュールとが並列に配置されるいくつかの実施形態では、モジュールが電力を等しく共有することを確実にするために、電流検知を利用してもよい。変換器は、電流検知がもたらす利益を最大化するように設計することができる。例えば、変換器を使用して、ＭＯＳＦＥＴを流れる最大電流を制限し、またはモジュールに障害が発生したことを検知することもできる。

変換器の効率を改善するために、様々なデジタル制御の方策を追加することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、軽負荷でスイッチング周波数を上げることで、昇圧インダクタを通る電流リップルを減らし、それによって軽負荷効率を改善することができる。高負荷では、スイッチング周波数を下げて、ゼロ電圧スイッチング（またはＺＶＳ）が維持されるのを確実にすることができる。

仕様
以下は、本開示に従って高度に導き出されたＤＣ−ＤＣ昇圧変換器の一実施形態のいくつかの仕様である。
電気的仕様

パラメータ
値
許容度
補足説明

出力電圧
200V
+/-2V


入力電圧
36-75V

リチウムイオンバッテリパック

連続出力電力
6000W



過渡出力電力
図８参照



連続出力電力効率
>=98%必要
>=99%推奨



効率対電力
図９参照



入力電流リップル
<=+/-10%または<=10A,いずれか大きい方



負荷容量（外部、出力間）
400-800uF

複数のモータードライブの並列入力容量

起動時間
<=1秒



負荷過渡応答
図１０参照



入力電圧過渡応答
図１１参照



熱仕様

パラメータ
値
許容度
補足説明

冷却
強制空気対流または自然対流



周囲温度範囲
-20〜50C



機械仕様

パラメータ
値
許容度
補足説明

重量
<=1kg
最大


長さ
<=7.5”

対象、例外を設定可能

幅
<=3.5”

対象、例外を設定可能

奥行き
<=2.5”

対象、例外を設定可能

通信仕様

報告された測定値

パラメータ
値
許容度
補足説明

入力電流
アンペア
+/-1A


入力電圧
ボルト
+/-0.1V


出力電流
アンペア
+/-1A


出力電圧
ボルト
+/-0.1V


重要な構成要素の温度
セ氏温度
+/-1C
トランジスタ、インダクタなど



通信仕様

パラメータ
値
許容度
補足説明

通信プロトコル
CAN



通信ビットレート
1Mbps
最小


電力入力／電力出力からの通信バスの絶縁
>2500V
最小


メッセージレート
最大100Hz
最大

その他の仕様
いくつかの実施形態では、変換器は、ＣＡＮ通信を可能にし、例えば、１つ以上の仕様に関連する測定値を得ることを目的としてソフトウェアと対話するために、ソフトウェアインタフェースを提供する１つ以上のコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バス、例えば、２つのＣＡＮバスを備えたＡｔｍｅｌ（登録商標）ＳＡＭ Ｃ２１を有し得る。いくつかの実施形態では、ＣＡＮバスは、少なくとも３２キロバイト（３２ｋＢ）のフラッシュメモリ、および少なくとも８キロバイト（８ｋＢ）のランダムアクセスメモリ（またはＲＡＭ）を有し得る。

いくつかの実施形態において、変換器は、１つ以上の過熱電力制限、ならびにプログラム可能な値を有する出力電流制限を有し得る。いくつかの実施形態では、変換器は、１０〜６０アンペア（１０〜６０Ａ）の間のプログラム可能な値を持つ出力電流制限を有し得る。いくつかの実施形態では、変換器は、出力短絡検出および無効化機能を有し得る。

いくつかの実施形態では、変換器は、１つ以上のノイズまたは電力基準を満たし得る。いくつかの実施形態では、変換器は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−４６１Ｆ ＣＥ１０２を満たし得る。

いくつかの実施形態では、変換器は、最大でまたは少なくとも１０Ｇｒｍｓの振動に耐えるように構築され得る。

いくつかの実施形態では、変換器は、例えば、冗長性のために２つ以上の別個のＣＡＮトランシーバで構成され得、そのようなトランシーバは共通のプロセッサとインタフェースを取り得る。いくつかの実施形態では、変換器は、１万時間を超える動作寿命に備えて設計され得る。いくつかの実施形態では、変換器はモジュール設計で構築され得、任意の１つのモジュールの故障に耐えることができる。いくつかの実施形態では、１つのモジュールが故障すると、ピーク電力出力が低下し得るが、変換器自体は、依然として定格出力電力を提供し得る。公称出力電力では、いずれか１つのモジュールの故障による出力電圧が、図１２に示す仕様の範囲を超えてはならない。さらに、変換器は、モジュールがいつ故障したかを特定し、ソフトウェアを介して故障を報告できてもよい。

ＤＣ−ＤＣ昇圧変換器は、２つの低電圧モジュールと２つの高電圧モジュールとを含み得る。低電圧モジュールは、高電圧モジュールと直列に配置され、したがって、各モジュールは、合計量の半分だけ電圧を昇圧するのみでよい。昇圧インダクタは、２つの低電圧モジュール間や２つの高電圧モジュール間など、モジュールの対の間で結合され、これにより、インダクタのサイズと損失とが削減され得る。昇圧インダクタは、結合状態と非結合状態との両方で動作し得る。変換器は、準方形波（ＱＳＷ）共振遷移で動作し得る。共振遷移が全動作範囲にわたって維持されることを保証するように、昇圧インダクタンスおよびスイッチノード容量を選択することができる。

本明細書で開示される実施態様は、第１の低電圧モジュールと、第２の低電圧モジュールと、第１の低電圧モジュールと第２の低電圧モジュールとの間に提供される昇圧インダクタであって、昇圧インダクタは、結合状態および非結合状態で動作するように構成でき、昇圧インダクタは、結合状態で第１の低電圧モジュールと第２の低電圧モジュールとの間に結合され得る、昇圧インダクタと、第１の高電圧モジュールと、第２の高電圧モジュールと、第１の高電圧モジュールと第２の高電圧モジュールとの間に提供される昇圧インダクタであって、昇圧インダクタは、結合状態および非結合状態で動作するように構成でき、昇圧インダクタは、結合状態で第１の高電圧モジュールと第２の高電圧モジュールとの間に結合され得る、昇圧インダクタとを備えた双方向ＤＣ−ＤＣ変換器であって、第１の低電圧モジュールが第１の高電圧モジュールと直列に設けられ得、第２の低電圧モジュールが第２の高電圧モジュールと直列に設けられ得、第１の低電圧モジュールが第２の低電圧モジュールと並列に設けられ得、第１の低電圧モジュールが第２の低電圧モジュールと並列に設けられ得る双方向ＤＣ−ＤＣ変換器を含み得る。

本明細書で開示される実施態様は、フレームと、フレームに取り付けられた直流バッテリと、フレームに取り付けられた複数の推進モータであって、推進モータの各々が、シャフトによって画定される軸の周りにプロペラを回転させるように構成され得る、推進モータと、バッテリから電力を受け取るとともに、推進モータの各々に電力を供給するように構成された電力変換ユニットであって、電力変換ユニットが、フレームに取り付けられた筐体と、筐体の内部に着脱自在に取り付けられた複数の電力モジュールであって、電力モジュールの各々が、所定の電圧レベルおよび所定の電流レベルまでの電力を供給するように構成され得、電力モジュールの各々が、昇圧インダクタと、昇圧インダクタを流れる電流を検知するとともに、昇圧インダクタを流れる電流に対応する電圧信号を生成するように配置された電流センサと、ＭＯＳＦＥＴの対であって、ＭＯＳＦＥＴの対が、昇圧インダクタと推進モータの少なくとも１つとの間に直列に配置された第１のＭＯＳＦＥＴと、昇圧インダクタと接地との間に直列に配置された第２のＭＯＳＦＥＴとを備える、ＭＯＳＦＥＴの対と、ゲートドライバであって、ゲートドライバが、ＭＯＳＦＥＴの対の各々をオンまたはオフに切り替えるために、ゲート電圧を供給するように構成されている、ゲートドライバと、推進モータの少なくとも１つと並列の出力コンデンサと、誤差増幅器であって、誤差増幅器の第１の入力が基準電圧であり、誤差増幅器の第２の入力が出力コンデンサの両端の電圧であり、誤差増幅器の出力が、基準電流に対応する電圧信号である、誤差増幅器と、ゲートドライバの動作を制御するヒステリシス制御器であって、ヒステリシス制御器の第１の入力が、基準電流に対応する電圧信号であり、ヒステリシス制御器の第２の入力が、電流センサによって検知された昇圧インダクタを流れる電流に対応する電圧信号であり、ヒステリシス制御器の出力が、ＭＯＳＦＥＴの対の１つをオンに切り替え、ＭＯＳＦＥＴの対の１つをオフに切り替えるゲートドライバへの電圧信号である、ヒステリシス制御器とを備える複数の電力モジュールと、筐体内の監視用制御器であって、監視用制御器が電力モジュールの各々と通信しており、監視用制御器が、要求に応答して電力を供給するのに必要な所定数の電力モジュールを決定するように構成されている、監視用制御器とを備える電力変換ユニットとを備える航空機を含み得る。

任意選択で、各推進モータを動作させるには、第１の所定数の電力モジュールからの電力が必要になる場合があり、航空機は、第２の所定数の電力モジュールを備え、第２の所定数は、第１の所定数よりも少なくとも１だけ大きい。

任意選択で、電力モジュールの各々がさらに、昇圧インダクタの上流にある第１の絶縁スイッチと、第１のＭＯＳＦＥＴの下流にある第２の絶縁スイッチとを備え、第１の絶縁スイッチと第２の絶縁スイッチとの各々が、監視用制御器と通信する。

本明細書で開示される実施態様は、筐体と、筐体内に取り付けられた制御器と、直流電源と、筐体内に着脱自在に取り付けられた第１の電力モジュールであって、第１の電力モジュールが、第１の昇圧インダクタと、第１の昇圧インダクタを通過する電流を検知するように構成された第１の電流センサと、第１のトランジスタの対と、第１のトランジスタの対の各々を動作させるように構成された第１のゲートドライバと、第１の出力コンデンサと、第１の誤差増幅器であって、第１の誤差増幅器への第１の入力が、第１の電力モジュールに対する第１の負荷に関連する第１の基準電圧であり得、第１の誤差増幅器への第２の入力が、第１の電力モジュールの第１の出力電圧であり得、第１の誤差増幅器からの出力が、第１の基準電圧と第１の電力モジュールの第１の出力電圧との間の差に少なくとも部分的に基づいて決定される第１の基準電流を表す電圧信号であり得る、第１の誤差増幅器と、第１のヒステリシス制御器であって、第１のヒステリシス制御器への第１の入力が、第１の基準電流を表す電圧信号であり得、第１のヒステリシス制御器への第２の入力が、第１の昇圧インダクタを通過する電流を表す電圧信号であり得、第１のヒステリシス制御器からの出力が、第１の基準電流と、第１の昇圧インダクタを通過する電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて第１のゲートドライバを動作させる第１の制御信号であり得る、第１のヒステリシス制御器とを備え得、第１のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタが、第１の昇圧インダクタと第１の電力モジュールに対する負荷との間に直列に配置され得、第１のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタが、第１の昇圧インダクタと接地との間に直列に配置され得る、第１の電力モジュールと、筐体内に着脱自在に取り付けられた第２の電力モジュールであって、第２の電力モジュールが、第２の昇圧インダクタと、第２の昇圧インダクタを通る電流を検知するように構成された第２の電流センサと、第２のトランジスタの対と、第２のトランジスタの対の各々を動作させるように構成された第２のゲートドライバと、第２の出力コンデンサと、第２の誤差増幅器であって、第２の誤差増幅器への第１の入力が、第２の電力モジュールに対する第２の負荷に関連する第２の基準電圧であり得、第２の誤差増幅器への第２の入力が、第２の電力モジュールの第２の出力電圧であり得、第２の誤差増幅器からの出力が、第２の基準電圧と第２の電力モジュールの第２の出力電圧との間の差に少なくとも部分的に基づいて決定される第２の基準電流であり得る、第２の誤差増幅器と、第２のヒステリシス制御器であって、第２のヒステリシス制御器への第１の入力が、第２の基準電流を表す電圧信号であり得、第２のヒステリシス制御器への第２の入力が、第２の昇圧インダクタを通過する電流を表す電圧信号であり得、第２のヒステリシス制御器からの出力が、第２の基準電流と、第２の昇圧インダクタを通過する電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて第２のゲートドライバを動作させる第２の制御信号であり得る、第２のヒステリシス制御器とを備え得、第２のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタが、第２の昇圧インダクタと第２の電力モジュールに対する負荷との間に直列に配置され得、第２のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタが、第２の昇圧インダクタと接地との間に直列に配置され得る、第２の電力モジュールと、を備える電力変換ユニットを含み得る。

任意選択で、第１の制御信号が、第１の昇圧インダクタを流れる電流がゼロ電圧スイッチング電流に等しいときに、第１のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタをオフに切り替えるとともに、第１のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタをオンに切り替えるように構成され得、第１の制御信号が、第１の昇圧インダクタを流れる電流が第１の基準電流に等しいときに、第１のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタをオンに切り替えるとともに、第１のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタをオフに切り替えるように構成され得る。

任意選択で、第１のヒステリシス制御器が、第１の基準電流と、第１の昇圧インダクタを通過する電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて、第１のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタと、第１のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタとのスイッチング周波数を選択するように構成され得、第１の制御信号が、スイッチング周波数に従って送られ得る。

任意選択で、第１のヒステリシス制御器が、第１のヒステリシス制御器への第１の入力と、第１のヒステリシス制御器への第２の入力とを受け取るように構成された第１の比較器と、第１のヒステリシス制御器への第２の入力と、負のゼロ電圧スイッチング電流に対応する電圧信号とを受け取るように構成された第２の比較器と、第１のヒステリシス制御器への第１の入力と、第１のヒステリシス制御器への第２の入力とを受け取るように構成された第３の比較器と、第１のヒステリシス制御器への第２の入力と、正のゼロ電圧スイッチング電流に対応する電圧信号とを受け取るように構成された第４の比較器と、第１の比較器の出力、第２の比較器の出力、第３の比較器の出力、および第４の比較器の出力の少なくとも１つに、少なくとも部分的に基づいて、第１の制御信号を生成するように構成されたラッチとを備え得、第１の比較器の出力が、第１の昇圧インダクタを通過する電流が第１の基準電流よりも小さくなり得ることを示す場合、および第２の比較器の出力が、第１の昇圧インダクタを通過する電流が負のゼロ電圧スイッチング電流よりも小さくなり得ることを示す場合、第１の制御信号が、第１のゲートドライバに、トランジスタの対のうちの第１のトランジスタをオフにするとともに、トランジスタの対のうちの第２のトランジスタをオンにするように指示し、第３の比較器の出力が、第１の昇圧インダクタを通過する電流が基準電流よりも大きくなり得ることを示す場合、および第４の比較器の出力が、第１の昇圧インダクタを通過する電流が正のゼロ電圧スイッチング電流よりも大きくなり得ることを示す場合、第１の制御信号が、第１のゲートドライバに、第１のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタをオンにするとともに、第１のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタをオフにするように指示する。

任意選択で、第１の電力モジュールが、第１の絶縁スイッチ、第２の絶縁スイッチ、および第１の絶縁スイッチと第２の絶縁スイッチとの間に直列の第１の電力段を備え得、第１の電力段が、第１の昇圧インダクタ、第１の電流センサ、第１のトランジスタの対、第１のゲートドライバ、第１の出力コンデンサ、第１の誤差増幅器、および第１のヒステリシス制御器を備え得る。

任意選択で、第１の絶縁スイッチが、制御器と通信する第１のハイサイドスイッチであり得、第２の絶縁スイッチが、制御器と通信する第２のハイサイドスイッチであり得る。

任意選択で、第１のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタが、第１のゲートドライバからのゲート電圧によって電圧を加えられるように構成された第１のＭＯＳＦＥＴであり得、第１のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタが、第１のゲートドライバからのゲート電圧によって電圧を加えられるように構成された第２のＭＯＳＦＥＴであり得る。

任意選択で、電力変換ユニットが、直流電源の公称電圧に基づいて最大電圧まで生成するように構成され得る。任意選択で、直流電源の公称電圧が、約４８ボルトおよび約６０ボルトの範囲内であり得、電力変換ユニットの最大出力電圧が、約１５０ボルトであり得る。

任意選択で、複数の推進モータを備えた航空機の内部に、電力変換ユニットを取り付ける構成となっていてもよい。任意選択で、第１の電力モジュールが、約２インチの第１の寸法と、約６インチの第２の寸法とを有し得る。

任意選択で、電力変換ユニットが、第１の所定数の電力モジュールを備え得、第１の所定数が少なくとも４であり得、第１の所定数の電力モジュールが、第１の電力モジュールおよび第２の電力モジュールを備え得る。任意選択で、電力変換ユニットが、少なくとも１つの所定の電気負荷に関連して提供され得、所定の電気負荷が、動作のために第２の所定数の電源モジュールを必要とし得、第１の所定数が、第２の所定数よりも少なくとも１だけ大きくなり得る。

任意選択で、第１の電力モジュールが、第１のヒステリシス制御器への第２の入力にある第１の過電流比較器、またはトランジスタの対の第２のトランジスタにある第２の過電流比較器の少なくとも１つをさらに含み得、第１のゲートドライバが、第１の過電流比較器または第２の過電流比較器の１つからの過電流信号に応答して、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタの各々をオフに切り替えるように構成され得る。

本明細書で開示される実施態様は、電力モジュールであって、昇圧インダクタと、昇圧インダクタを流れる電流を検知するように配置された電流センサと、ＭＯＳＦＥＴの対であって、ＭＯＳＦＥＴの対が、昇圧インダクタと少なくとも１つの負荷との間に直列に配置された第１のＭＯＳＦＥＴと、昇圧インダクタと接地との間に直列に配置された第２のＭＯＳＦＥＴとを備える、ＭＯＳＦＥＴの対と、ゲートドライバであって、ゲートドライバが、ＭＯＳＦＥＴの各々をオンまたはオフに切り替えるように構成されている、ゲートドライバと、少なくとも１つの負荷と並列の出力コンデンサと、誤差増幅器であって、誤差増幅器の第１の入力が基準電圧であり、誤差増幅器の第２の入力が出力コンデンサの両端の電圧であり、誤差増幅器の出力が、基準電流に対応する電圧信号である、誤差増幅器と、ゲートドライバの動作を制御するヒステリシス制御器であって、ヒステリシス制御器の第１の入力が、誤差増幅器の出力の基準電流に対応する電圧信号であり、ヒステリシス制御器の第２の入力が、電流センサによって検知された昇圧インダクタを流れる電流に対応する電圧信号であり、ヒステリシス制御器の出力が、ＭＯＳＦＥＴの対の少なくとも１つをオフまたはオンに切り替えるゲートドライバへの制御信号である、ヒステリシス制御器とを備える電力モジュールを含み得る。

任意選択で、電力モジュールは、昇圧インダクタの上流にある第１のハイサイドスイッチと、出力コンデンサと少なくとも１つの負荷との間の第２のハイサイドスイッチとを備え得る。

任意選択で、電力モジュールが、第１のハイサイドスイッチで、直流電源から電力を受け取ること、電流センサによって、昇圧インダクタを流れる電流を検知すること、誤差増幅器によって、出力コンデンサの両端の電圧レベルを基準電圧と比較すること、誤差増幅器によって、基準電流に対応する電圧信号をヒステリシス制御器に供給することであって、電圧信号が、出力コンデンサの両端の電圧レベルと基準電圧との間の差に比例する、電圧信号を供給すること、ヒステリシス制御器によって、基準電流が、昇圧インダクタを流れる電流を超えることを判定すること、ヒステリシス制御器によって、ゲートドライバに制御信号を供給すること、およびゲートドライバによって、制御信号に応答して、第１のＭＯＳＦＥＴおよび第２のＭＯＳＦＥＴを切り替えることを含む方法を行うように構成され得る。

本開示は、本開示のシステム及び方法を実施するための例示的な技術、構成要素、及び／またはプロセスを使用して本明細書に記載されているが、当業者であれば、本明細書に記載された同一の機能（複数可）及び／または結果（複数可）を達成し、かつ本開示の範囲内に含まれる、他の技術、構成要素、及び／またはプロセス、または本明細書に記載の技術、構成要素、及び／またはプロセスの他の組み合わせ及びシーケンスが使用または実行され得ることを理解すべきである。

例えば、本明細書に開示される実施形態のいくつかは、別個の構成で提供される回路および構成要素に言及するが、本開示のシステムおよび方法は、本明細書に開示される特定の回路、構成要素、または構成のいずれにも限定されない。さらに、本明細書に開示される実施形態のいくつかは、それぞれが電力段を有する４つの電力モジュールを有する電力変換ユニットに言及しているが、本明細書に開示される電力変換ユニットは、いかなる個数の電力モジュールにも限定されず、各電力モジュールは、１つ以上の電力段を有し得る。いくつかの実施形態では、電力変換ユニットおよび／または電力モジュールは、本明細書で説明される構成要素に加えて、それぞれのシステムまたは方法の様々な態様の電圧レベルおよび／または電流レベルを決定するための１つ以上の追加のセンサ、モニタ、または他の構成要素を含む、任意の数の他の構成要素を含むことができる。さらに、本明細書で開示される実施形態のいくつかは、無人航空機に搭載された電力変換ユニットおよび／または電力モジュールの使用に言及しているが、本開示のシステムおよび方法はそのように限定されず、有人車両、無人車両、または任意の他のタイプまたは形態の車両を含む、任意のタイプまたは形態の車両の運転中、ならびに電力が１つ以上の所定の電圧レベルで所望される任意のシステムにおいて使用されてもよい。

本明細書中に明示的にまたは黙示的に別段の指示がない限り、本明細書中で特定の実施形態に関して記載された特徴、特性、代替物または変形のいずれも、本明細書中に記載された任意の他の実施形態にも適用、使用、または組み込み得ること、及び本開示の図面と詳細な説明は、添付の特許請求の範囲によって定義される様々な実施形態に対する全ての変形、等価物及び代替物を網羅することを意図することが理解されるべきである。さらに、図４に示すフローチャートを含むが、これに限定されない、本明細書に記載される本開示の１つまたは複数の方法またはプロセスに関して、そのような方法またはプロセスが提示される順番は、特許請求された発明に対する制限として解釈されることを意図しておらず、本明細書に記載された任意の数の方法、またはプロセスステップ、または箱は、本明細書に記載された方法またはプロセスを実現するために、任意の順番において、及び／または並列して組み合わされることが可能である。

さらに、詳細な説明は、縮尺通りに描かれていない添付図面を参照して示されていることを理解されたい。図面において、異なる図における同一または類似の参照番号の使用は、同一又は類似のアイテムまたは特徴を示す。特に注記がない限り、参照番号の左端の１つ以上の数字は、参照番号が最初に現れる図（単数または複数）を示し、図中の参照番号の右端の２桁の数字は、他の図中の同じ右端２桁の数字の参照番号を有する構成要素または特徴に類似した構成要素または特徴を示す。

特に断りのない限り、または使用されている文脈の中でそれ以外に理解されない限り、とりわけ、「できる」、「場合がある」、「可能性がある」または「してよい」等の条件付き言語は、概して、特定の実施形態が特定の特徴、要素、及び／またはステップを含む場合がある、または含む可能性があるが、特定の特徴、要素、及び／またはステップを要求しないまたは必要としないことを許容的に伝達することを意図する。同様に、「ｉｎｃｌｕｄｅ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含んでいる）」及び「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」などの用語は、一般に、「含むがこれに限定するものではない」ことを意味することが意図される。したがって、そのような条件付き言語は、一般に、特徴、要素及び／もしくはステップが１つもしくは複数の実施形態にいずれにせよ必要とされること、または、１つもしくは複数の実施形態が、これらの特徴、要素及び／またはステップが任意の特定の実施形態に含まれているまたは実行されるかどうかを、ユーザ入力またはプロンプトを用いてまたは用いずに、決定する論理を必ず含むことを黙示することを意図しない。

特に明記しない限り、「Ｘ、ＹまたはＺのうちの少なくとも１つ」または「Ｘ、Ｙ及びＺのうちの少なくとも１つ」という句などの選言的な言葉は、そうでなければ項目、用語等がＸ、ＹもしくはＺまたはそのいずれかの組み合わせ（例えば、Ｘ、Ｙ及び／またはＺ）であってよいことを示すために一般的に用いられるとして文脈の中で理解される。したがって、係る選言的言語は、ある実施形態がＸの少なくとも１つ、Ｙの少なくとも１つ、またはＺの少なくとも１つがそれぞれ存在することを必要とすることを含意することを一般的に意図しておらず、意味するべきではない。

特に明記しない限り、「ａ」または「ａｎ」などの冠詞は、一般に、１つまたは複数の記載された項目を含むように解釈すべきである。したがって、「〜するように構成された装置（ａ ｄｅｖｉｃｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ）」等の句は、１つまたは複数の列挙された装置を含むことを意図する。斯かる１つ以上の列挙されたデバイスは、また、記載された列挙を実行するように集合的に構成され得る。

本明細書中で使用される「約」、「およそ」、「概して」、「ほぼ」または「実質的に」という用語のような本明細書中で使用される程度の言語は、記載された値、量、または依然として所望の機能を果たすかもしくは所望の結果を達成する特性に近似の値、量または特性を示す。例えば、「約」、「およそ」、「概して」、「ほぼ」または「実質的に」という用語は、記載された量の１０％未満の範囲内、５％未満の範囲内、１％未満の範囲内、０．１％未満の範囲内、及び０．０１％未満の範囲内である量を指してよい。

本発明をその例示的な実施形態に関して説明し示したが、前述の、及び様々な他の追加及び省略が、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その中で、及びそれになされ得る。

Claims (15)

1. 航空機であって、
   フレームと、
   前記フレームに取り付けられた直流バッテリと、
   前記フレームに取り付けられた複数の推進モータであって、前記推進モータの各々が、シャフトによって画定される軸の周りにプロペラを回転させるように構成されている、前記推進モータと、
   前記バッテリから電力を受け取るとともに、前記推進モータの各々に電力を供給するように構成された電力変換ユニットであって、前記電力変換ユニットが、
   前記フレームに取り付けられた筐体と、
   前記筐体の内部に着脱自在に取り付けられた複数の電力モジュールであって、前記電力モジュールの各々が、所定の電圧レベルおよび所定の電流レベルまでの電力を供給するように構成され、前記電力モジュールの各々が、
   昇圧インダクタと、
   前記昇圧インダクタを流れる電流を検知するとともに、前記昇圧インダクタを流れる前記電流に対応する電圧信号を生成するように配置された電流センサと、
   ＭＯＳＦＥＴの対であって、前記ＭＯＳＦＥＴの対が、前記昇圧インダクタと前記推進モータの少なくとも１つとの間に直列に配置された第１のＭＯＳＦＥＴと、前記昇圧インダクタと接地との間に直列に配置された第２のＭＯＳＦＥＴとを備える、前記ＭＯＳＦＥＴの対と、
   ゲートドライバであって、前記ゲートドライバが、前記ＭＯＳＦＥＴの対の各々をオンまたはオフに切り替えるゲート電圧を供給するように構成されている、前記ゲートドライバと、
   前記推進モータの少なくとも１つと並列の出力コンデンサと、
   誤差増幅器であって、前記誤差増幅器の第１の入力が基準電圧であり、前記誤差増幅器の第２の入力が前記出力コンデンサの両端の電圧であり、前記誤差増幅器の出力が、基準電流に対応する電圧信号である、前記誤差増幅器と、
   前記ゲートドライバの動作を制御するヒステリシス制御器であって、前記ヒステリシス制御器の第１の入力が、前記基準電流に対応する前記電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の第２の入力が、前記電流センサによって検知された前記昇圧インダクタを流れる前記電流に対応する前記電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の出力が、前記ＭＯＳＦＥＴの対の１つをオンに切り替え、前記ＭＯＳＦＥＴの対の１つをオフに切り替える前記ゲートドライバへの電圧信号である、前記ヒステリシス制御器と
   を備える、前記複数の電力モジュールと、
   前記筐体内の監視用制御器であって、前記監視用制御器が前記電力モジュールの各々と通信し、前記監視用制御器が、要求に応答して電力を供給するのに必要な所定数の前記電力モジュールを決定するように構成されている、前記監視用制御器と
   を備える、前記電力変換ユニットと
   を備える、前記航空機。
2. 前記電力モジュールの各々がさらに、前記昇圧インダクタの上流にある第１の絶縁スイッチと、前記第１のＭＯＳＦＥＴの下流にある第２の絶縁スイッチとを備え、
   前記第１の絶縁スイッチと前記第２の絶縁スイッチとの各々が、前記監視用制御器と通信する、請求項１に記載の航空機。
3. 電力変換ユニットであって、
   筐体と、
   前記筐体内に取り付けられた制御器と、
   直流電源と、
   前記筐体内に着脱自在に取り付けられた第１の電力モジュールであって、前記第１の電力モジュールが、
   第１の昇圧インダクタと、
   前記第１の昇圧インダクタを通過する電流を検知するように構成された第１の電流センサと、
   第１のトランジスタの対と、
   前記第１のトランジスタの対の各々を動作させるように構成された第１のゲートドライバと、
   第１の出力コンデンサと、
   第１の誤差増幅器であって、前記第１の誤差増幅器への第１の入力が、前記第１の電力モジュールに対する第１の負荷に関連する第１の基準電圧であり、前記第１の誤差増幅器への第２の入力が、前記第１の電力モジュールの第１の出力電圧であり、前記第１の誤差増幅器からの出力が、前記第１の基準電圧と前記第１の電力モジュールの前記第１の出力電圧との間の差に少なくとも部分的に基づいて決定される第１の基準電流を表す電圧信号である、前記第１の誤差増幅器と、
   第１のヒステリシス制御器であって、前記第１のヒステリシス制御器への第１の入力が、前記第１の基準電流を表す前記電圧信号であり、前記第１のヒステリシス制御器への第２の入力が、前記第１の昇圧インダクタを通過する前記電流を表す電圧信号であり、前記第１のヒステリシス制御器からの出力が、前記第１の基準電流と、前記第１の昇圧インダクタを通過する前記電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて、前記第１のゲートドライバを動作させる第１の制御信号である、前記第１のヒステリシス制御器と、を備え、
   前記第１のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタが、前記第１の昇圧インダクタと前記第１の電力モジュールに対する前記負荷との間に直列に配置され、前記第１のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタが、前記第１の昇圧インダクタと接地との間に直列に配置される、前記第１の電力モジュールと、
   前記筐体内に着脱自在に取り付けられた第２の電力モジュールであって、前記第２の電力モジュールが、
   第２の昇圧インダクタと、
   前記第２の昇圧インダクタを通る電流を検知するように構成された第２の電流センサと、
   第２のトランジスタの対と、
   前記第２のトランジスタの対の各々を動作させるように構成された第２のゲートドライバと、
   第２の出力コンデンサと、
   第２の誤差増幅器であって、前記第２の誤差増幅器への第１の入力が、前記第２の電力モジュールに対する第２の負荷に関連する第２の基準電圧であり、前記第２の誤差増幅器への第２の入力が、前記第２の電力モジュールの第２の出力電圧であり、前記第２の誤差増幅器からの出力が、前記第２の基準電圧と前記第２の電力モジュールの前記第２の出力電圧との間の差に少なくとも部分的に基づいて決定される第２の基準電流である、前記第２の誤差増幅器と、
   第２のヒステリシス制御器であって、前記第２のヒステリシス制御器への第１の入力が、前記第２の基準電流を表す前記電圧信号であり、前記第２のヒステリシス制御器への第２の入力が、前記第２の昇圧インダクタを通過する前記電流を表す電圧信号であり、前記第２のヒステリシス制御器からの出力が、前記第２の基準電流と、前記第２の昇圧インダクタを通過する前記電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて、前記第２のゲートドライバを動作させる第２の制御信号である、前記第２のヒステリシス制御器と、を備え、
   前記第２のトランジスタの対のうちの第１のトランジスタが、前記第２の昇圧インダクタと前記第２の電力モジュールに対する前記負荷との間に直列に配置され、前記第２のトランジスタの対のうちの第２のトランジスタが、前記第２の昇圧インダクタと接地との間に直列に配置される、前記第２の電力モジュールと、
   を備える、前記電力変換ユニット。
4. 前記第１の制御信号が、前記第１の昇圧インダクタを流れる前記電流がゼロ電圧スイッチング電流に等しいときに、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第１のトランジスタをオフに切り替えるとともに、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第２のトランジスタをオンに切り替えるように構成され、
   前記第１の制御信号が、前記第１の昇圧インダクタを流れる前記電流が前記第１の基準電流に等しいときに、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第１のトランジスタをオンに切り替えるとともに、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第２のトランジスタをオフに切り替えるように構成されている、請求項３に記載の電力変換ユニット。
5. 前記第１のヒステリシス制御器が、前記第１の基準電流と、前記第１の昇圧インダクタを通過する前記電流との間の差に少なくとも部分的に基づいて、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第２のトランジスタとのスイッチング周波数を選択するように構成され、
   前記第１の制御信号が、前記スイッチング周波数に従って送られる、請求項３または請求項４に記載の電力変換ユニット。
6. 前記第１のヒステリシス制御器が、
   前記第１のヒステリシス制御器への前記第１の入力と、前記第１のヒステリシス制御器への前記第２の入力とを受け取るように構成された第１の比較器と、
   前記第１のヒステリシス制御器への前記第２の入力と、負のゼロ電圧スイッチング電流に対応する電圧信号とを受け取るように構成された第２の比較器と、
   前記第１のヒステリシス制御器への前記第１の入力と、前記第１のヒステリシス制御器への前記第２の入力とを受け取るように構成された第３の比較器と、
   前記第１のヒステリシス制御器への前記第２の入力と、正のゼロ電圧スイッチング電流に対応する電圧信号とを受け取るように構成された第４の比較器と、
   前記第１の比較器の出力、前記第２の比較器の出力、前記第３の比較器の出力、および前記第４の比較器の出力の少なくとも１つに、少なくとも部分的に基づいて、前記第１の制御信号を生成するように構成されたラッチとを備え、
   前記第１の比較器の前記出力が、前記第１の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記第１の基準電流よりも小さいことを示す場合、および前記第２の比較器の前記出力が、前記第１の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記負のゼロ電圧スイッチング電流よりも小さいことを示す場合、前記第１の制御信号が、前記第１のゲートドライバに、前記トランジスタの対のうちの前記第１のトランジスタをオフに切り替えるとともに、前記トランジスタの対のうちの前記第２のトランジスタをオンに切り替えるように指示し、
   前記第３の比較器の前記出力が、前記第１の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記基準電流よりも大きいことを示す場合、および前記第４の比較器の前記出力が、前記第１の昇圧インダクタを通過する前記電流が前記正のゼロ電圧スイッチング電流よりも大きいことを示す場合、前記第１の制御信号が、前記第１のゲートドライバに、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第１のトランジスタをオンに切り替えるとともに、前記第１のトランジスタの対のうちの前記第２のトランジスタをオフに切り替えるように指示する、請求項３、請求項４、または請求項５に記載の電力変換ユニット。
7. 前記第１の電力モジュールが、第１の絶縁スイッチ、第２の絶縁スイッチ、および前記第１の絶縁スイッチと前記第２の絶縁スイッチとの間に直列の第１の電力段を備え、
   前記第１の電力段が、前記第１の昇圧インダクタ、前記第１の電流センサ、前記第１のトランジスタの対、前記第１のゲートドライバ、前記第１の出力コンデンサ、前記第１の誤差増幅器、および前記第１のヒステリシス制御器を備え、
   前記第１の絶縁スイッチが、前記制御器と通信する第１のハイサイドスイッチであり、
   前記第２の絶縁スイッチが、前記制御器と通信する第２のハイサイドスイッチである、請求項３、請求項４、請求項５、または請求項６に記載の電力変換ユニット。
8. 前記第１のトランジスタの対のうちの前記第１のトランジスタが、前記第１のゲートドライバからのゲート電圧によって電圧を加えられるように構成された第１のＭＯＳＦＥＴであり、
   前記第１のトランジスタの対のうちの前記第２のトランジスタが、前記第１のゲートドライバからの前記ゲート電圧によって電圧を加えられるように構成された第２のＭＯＳＦＥＴである、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、または請求項７に記載の電力変換ユニット。
9. 前記電力変換ユニットが、前記直流電源の公称電圧に基づいて最大出力電圧まで生成するように構成されており、
   前記直流電源の前記公称電圧が、約４８ボルトおよび約６０ボルトの範囲内であり、
   前記電力変換ユニットの前記最大出力電圧が、約１５０ボルトである、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、または請求項８に記載の電力変換ユニット。
10. 複数の推進モータを備えた航空機の内部に、前記電力変換ユニットを取り付ける構成となっている、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、または請求項９に記載の電力変換ユニット。
11. 前記第１の電力モジュールが、約２インチの第１の寸法と、約６インチの第２の寸法とを有する、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、または請求項１０に記載の電力変換ユニット。
12. 前記電力変換ユニットが、第１の所定数の電力モジュールを備え、
    前記第１の所定数が少なくとも４であり、
    前記第１の所定数の電力モジュールが、前記第１の電力モジュールおよび前記第２の電力モジュールを備え、
    前記電力変換ユニットが、少なくとも１つの所定の電気負荷に関連して提供され、
    前記所定の電気負荷が、動作のために第２の所定数の電力モジュールを必要とし、
    前記第１の所定数が、前記第２の所定数よりも少なくとも１だけ大きい、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、または請求項１１に記載の電力変換ユニット。
13. 前記第１の電力モジュールが、前記第１のヒステリシス制御器への前記第２の入力にある第１の過電流比較器、または前記トランジスタの対の前記第２のトランジスタにある第２の過電流比較器の少なくとも１つをさらに含み、
    前記第１のゲートドライバが、前記第１の過電流比較器または前記第２の過電流比較器の１つからの過電流信号に応答して、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタの各々をオフに切り替えるように構成されている、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、または請求項１２に記載の電力変換ユニット。
14. 電力モジュールであって、
    昇圧インダクタと、
    前記昇圧インダクタを流れる電流を検知するように配置された電流センサと、
    ＭＯＳＦＥＴの対であって、前記ＭＯＳＦＥＴの対が、前記昇圧インダクタと少なくとも１つの負荷との間に直列に配置された第１のＭＯＳＦＥＴと、前記昇圧インダクタと接地との間に直列に配置された第２のＭＯＳＦＥＴとを備える、前記ＭＯＳＦＥＴの対と、
    ゲートドライバであって、前記ゲートドライバが、前記ＭＯＳＦＥＴの各々をオンまたはオフに切り替えるように構成されている、前記ゲートドライバと、
    前記少なくとも１つの負荷と並列の出力コンデンサと、
    前記昇圧インダクタの上流にある第１のハイサイドスイッチと、
    前記出力コンデンサと前記少なくとも１つの負荷との間の第２のハイサイドスイッチと、
    誤差増幅器であって、前記誤差増幅器の第１の入力が基準電圧であり、前記誤差増幅器の第２の入力が前記出力コンデンサの両端の電圧であり、前記誤差増幅器の出力が、基準電流に対応する電圧信号である、前記誤差増幅器と、
    前記ゲートドライバの動作を制御するヒステリシス制御器であって、前記ヒステリシス制御器の第１の入力が、前記誤差増幅器の前記出力の前記基準電流に対応する前記電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の第２の入力が、前記電流センサによって検知された前記昇圧インダクタを流れる前記電流に対応する電圧信号であり、前記ヒステリシス制御器の出力が、前記ＭＯＳＦＥＴの対の少なくとも１つをオフまたはオンに切り替える前記ゲートドライバへの制御信号である、前記ヒステリシス制御器と
    を備える、前記電力モジュール。
15. 前記電力モジュールが、
    前記第１のハイサイドスイッチで、直流電源から電力を受け取ること、
    前記電流センサによって、前記昇圧インダクタを流れる電流を検知すること、
    前記誤差増幅器によって、前記出力コンデンサの両端の前記電圧レベルを前記基準電圧と比較すること、
    前記誤差増幅器によって、前記基準電流に対応する前記電圧信号を前記ヒステリシス制御器に供給することであって、前記電圧信号が、前記出力コンデンサの両端の前記電圧レベルと前記基準電圧との間の差に比例する、前記電圧信号を供給すること、
    前記ヒステリシス制御器によって、前記基準電流が、前記昇圧インダクタを流れる前記電流を超えることを判定すること、
    前記ヒステリシス制御器によって、前記ゲートドライバに制御信号を供給すること、および
    前記ゲートドライバによって、前記制御信号に応答して、前記第１のＭＯＳＦＥＴおよび前記第２のＭＯＳＦＥＴを切り替えること
    を含む方法を行うように構成されている、請求項１４に記載の電力モジュール。