JP2022509530A - 適応動的効率最適化を利用した高効率の並列電力変換システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2018年10月31日出願の米国仮特許出願第62/752,893号及び2019年3月13日出願の米国仮特許出願第62/817,651号の優先権を主張し、これらの出願の内容は本願中に引用をもって援用される。
本発明は、電力変換システムに関し、より詳細には、システム構成部品の電力使用を最適化する電力変換システムに関する。
本発明は、制御装置を使用して電力変換器アレイの動作を制御する電力変換システムに関する。制御装置は、負荷に電力を供給しながら適切な数の電力変換器を最適な電力効率範囲内で動作させることによって、電力変換器アレイを制御する。制御装置は、選択ユニットと協働して、電力変換器の各々特定の動作周波数を任意に選択する。電力変換システムは更に、システムによって供給される瞬時電力の測定値をしきい値と比較して、システムが制御装置のバイパスを必要とするか否かを判断し、蓄積されている電力を負荷に直接に放出するようにオフ状態の電力変換器に指示するための任意の比較ユニットを含んでもよい。
本開示で使用する「電力変換器」という用語は、電圧及び電流を含めた電力又は関連する電力成分を1つのレベルから別のレベルに変換することの可能な任意の種類の変換器を含むことが意図されている。電力変換器は、磁気式又は誘導式の変換器及び、スイッチトキャパシタ型電力変換器などの非磁気式の変換器を含むことができる。更に、本開示で企図される電力変換器は、DC-DC変換器、DC-AC変換器、及びAC-DC変換器を含むことができ、ステップアップ電力変換器及びステップダウン電力変換器を含むこともできる。また、DC-DC変換器は、DC-DC変換器の分野で公知のバック変換器又はブースト変換器などの従来のインダクタ利用DC-DC変換器を含むことができる。
Claims (28)
- 電力システムにおける複数の電力変換器を制御するためのシステムであって、
電力を第1の電力レベルと第2の電力レベルとの間で変換するための、アレイを形成する複数の電力変換器と、
入力電力を前記第1のレベルで供給するための、複数の前記電力変換器に入力側で結合された共通入力電力線と、
出力電力を前記第2のレベルで負荷に供給するための、複数の前記電力変換器に出力側で結合された共通出力電力線と、
前記電力変換器の電力出力を制御するための、複数の前記電力変換器に結合された制御装置と、
前記共通入力電力線上の前記入力電力を感知して入力電力信号を前記制御装置に送信するための、前記共通出力電力線及び前記制御装置に結合された入力感知回路と、
前記共通入力電力線上の前記出力電力を感知して出力電力信号を前記制御装置に送信するための、前記共通出力電力線及び前記制御装置に結合された出力感知回路と、
を備え、
前記制御装置は、複数の前記電力変換器のそれぞれを制御して、複数の前記電力変換器のそれぞれを、感知された前記入力電力及び感知された前記出力電力の関数としてオン状態又はオフ状態に切り換えることにより、前記オン状態の複数の前記電力変換器のうちの1つ以上を最適な電力効率範囲内で動作させるように構成されている、
システム。 - 複数の前記電力変換器はそれぞれ、前記電力を前記第1の電力レベルから前記第2の電力レベルに変換するためのスイッチトキャパシタ型DC-DCステップダウン電力変換器を含み、前記第2の電力レベルは前記第1の電力レベルよりも低い、請求項1に記載のシステム。
- 複数の前記電力変換器はそれぞれ、DC-DC電力変換器、DC-AC電力変換器又はAC-DC電力変換器を含む、請求項1に記載のシステム。
- 複数の前記電力変換器はそれぞれ、電力が蓄積された複数のキャパシタを含む、請求項1に記載のシステム。
- 複数の前記キャパシタは、並列構成、直列構成、並列-直列構成又は直列-並列構成で電気接続されている、請求項4に記載のシステム。
- 前記制御装置は、プロセッサと、ルックアップテーブルと、プロセッサによって受信された時に、前記プロセッサに対して、
複数の前記電力変換器のうちの1つ以上の電力を算出し、
1つ以上の前記電力変換器の前記電力に基づいて、前記ルックアップテーブルにアクセスし、複数の前記電力変換器のうちのいずれを前記制御装置が前記オン状態及び前記オフ状態とするかを前記ルックアップテーブルから決定する、
ように指示する命令を格納するためのメモリと、を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記制御装置は、
複数の前記電力変換器を制御するための命令を格納するためのメモリユニットと、
前記入力電力信号及び前記出力電力信号を調整して、調整出力電力信号を生成するための信号調整器と、
前記調整出力電力信号をDC調整出力電力信号に変換するためのAC-DC変換器と、
前記DC調整出力電力信号を処理し、格納されている前記命令に基づき、複数の前記電力変換器のうちの1つ以上を制御するための制御装置出力信号を生成して、複数の前記電力変換器を前記オン状態及び前記オフ状態とするためのプロセッサと、
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記調整出力電力信号は、調整出力電圧成分と調整出力電流成分とを含み、前記プロセッサは、
前記調整出力電力信号の前記調整出力電力成分及び前記調整出力電流成分を平均化するためのフィルタと、
前記調整出力電力成分及び前記調整出力電流成分の平均に基づいて、複数の前記電力変換器のうちの1つ以上の電力を算出して電力算出出力信号を生成するための電力算出ユニットと、
前記電力算出出力信号のノイズを低減するためのヒステリシスユニットと、
前記オン状態又は前記オフ状態とすべき複数の電力変換器に対応する、複数の前記電力変換器のうちの少なくとも1つの電力変換器の複数の電力レベルに関連する情報を格納するためのルックアップテーブルと、
を含む、請求項7に記載のシステム。 - 前記制御装置は、前記ルックアップテーブルに基づき、複数の前記電力変換器のうちの1つ以上を前記オン状態及び前記オフ状態とするための1つ以上の出力制御信号を生成する、請求項8に記載のシステム。
- 前記制御装置の前記電力レベルは、前記負荷の前記電力要求に対応する、請求項9に記載のシステム。
- 前記入力電力信号は、入力電圧成分及び入力電流成分を有し、前記出力電力信号は、出力電圧成分及び出力電流成分を有し、前記信号調整器は、
前記入力電圧成分及び前記出力電圧成分をバッファリングして、これらからノイズを除去し、前記入力電圧成分及び前記出力電圧成分を前記制御装置によって使用される選択された電圧レベルにスケーリングするための電圧調整ユニットと、
前記入力電流成分及び前記出力電流成分をフィルタリングするための電流調整ユニットと、
を更に含む、請求項7に記載のシステム。 - 前記電流調整ユニットは、前記入力電流成分及び前記出力電流成分をフィルタリングするためのローパスフィルタを含む、請求項11に記載のシステム。
- 前記入力電力信号及び前記出力電力信号を調整して調整電力信号を生成するための信号調整器と、
複数の前記電力変換器のうちの1つ以上の周波数を変化させるための、前記制御装置及び複数の前記電力変換器に結合されたクロック選択ユニットと、
前記制御装置及び前記選択ユニットに結合された比較ユニットと、
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記制御装置は、第1の出力制御信号を生成し、前記比較ユニットは、前記調整出力電力信号及び前記第1の出力制御信号を受信し、これに応答して出力比較信号を生成する、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御装置は、第1の出力制御信号を生成し、前記比較ユニットは、前記調整出力電力信号及び前記第1の出力制御信号を受信し、前記調整出力電力信号の値が前記第1の出力制御信号の値よりも大きい場合に、これに応答して出力比較信号を生成する、請求項4に記載のシステム。
- 前記出力比較信号は前記クロック選択ユニットに送信され、前記クロック選択ユニットは次いで、出力信号を複数の前記電力変換器に送信し、前記クロック選択ユニットからの前記出力信号に応答して、前記オフ状態の前記電力変換器のうちの1つ以上の前記キャパシタの蓄積されている前記電力が、前記共通出力電力線に送出される、請求項15に記載のシステム。
- 前記クロック選択ユニットは、前記周波数を生成するための1つ以上のクロック生成器と前記周波数を選択するためのセレクタとを含む、請求項13に記載のシステム。
- 電力システムの複数の電力変換器を制御するための方法であって、
電力を第1の電力レベルと第2の電力レベルとの間で変換するための、アレイを形成する複数の電力変換器を提供することと、
複数の前記電力変換器の電力出力を制御するための、複数の前記電力変換器に結合された制御装置を提供することと、
前記制御装置及び入力電力線に結合された入力感知回路によって、前記入力電力線上の入力電力を感知し、入力電力信号を前記制御装置に送信することと、
前記制御装置及び出力電力線に結合された出力感知回路によって、前記出力電力線上の出力電力を感知し、出力電力信号を前記制御装置に送信することと、
複数の前記電力変換器のそれぞれを制御して、感知された前記入力電力及び感知された前記出力電力の関数としてオン状態又はオフ状態に切り換えることにより、前記オン状態の複数の前記電力変換器のうちの1つ以上を最適な電力効率範囲内で動作させることと、
を含む方法。 - 前記複数の電力変換器はそれぞれ、前記電力を前記第1の電力レベルから前記第2の電力レベルに変換するためのスイッチトキャパシタ型DC-DCステップダウン電力変換器を含み、前記第2の電力レベルは前記第1の電力レベルよりも低い、請求項18に記載の方法。
- 複数の前記電力変換器のうちの1つ以上の電力を算出することと、
1つ以上の前記電力変換器の前記電力に基づいて、ルックアップテーブルにアクセスし、複数の前記電力変換器のうちのいずれを前記制御装置が前記オン状態及び前記オフ状態とするかを前記ルックアップテーブルから決定することと、
を更に含む、請求項18に記載の方法。 - 前記制御装置は、
複数の前記電力変換器を制御するための命令を格納するためのメモリユニットと、
前記入力電力信号及び前記出力電力信号を調整して調整出力電力信号を生成するための信号調整器と、
前記調整出力電力信号をDC調整出力電力信号に変換するためのAC-DC変換器と、
前記DC調整出力電力信号を処理し、格納されている前記命令に基づき、複数の前記電力変換器のうちの1つ以上を制御するための制御装置出力信号を生成して、複数の前記電力変換器を前記オン状態及び前記オフ状態とするためのプロセッサと、
を含む、請求項18に記載の方法。 - 前記調整出力電力信号は、調整出力電圧成分と調整出力電流成分とを含み、前記プロセッサは、
前記調整出力電力信号の前記調整出力電力成分及び前記調整出力電流成分を平均化するためのフィルタユニットと、
前記調整出力電力成分及び前記調整出力電流成分の平均に基づいて、複数の前記電力変換器のうちの1つ以上の前記電力を算出し、電力算出出力信号を生成するための電力算出ユニットと、
前記電力算出出力信号のノイズを低減するためのヒステリシスユニットと、
前記オン状態又は前記オフ状態とすべき複数の電力変換器に対応する複数の前記電力変換器のうちの少なくとも1つの電力変換器の複数の電力レベルに関連する情報を格納するためのルックアップテーブルと、
を含む、請求項21に記載の方法。 - 前記制御装置は、複数の前記電力変換器のうちの1つ以上を前記ルックアップテーブルに基づいて前記オン状態及び前記オフ状態とするための1つ以上の出力制御信号を生成する、請求項22に記載の方法。
- 前記入力電力信号及び前記出力電力信号を調整して、調整出力信号を生成することと、
複数の前記電力変換器のうちの1つ以上の周波数を変化させることと、
前記制御装置によって生成された制御信号の値と前記調整出力電力信号の値とを比較し、前記調整出力電力信号の前記値が前記制御信号の前記値よりも大きい場合に、比較信号を生成することと、
を更に含む、請求項18に記載の方法。 - 前記比較信号に応答して、前記オフ状態の前記電力変換器のうちの1つ以上のキャパシタの蓄積されている電力を前記出力電力線に送出することを更に含む、請求項24に記載の方法。
- 前記制御装置は第1の出力制御信号を生成し、前記方法は更に、
信号調整器によって、前記入力電力信号及び前記出力電力信号を調整して調整出力電力信号を生成することと、
クロック選択ユニットによって、複数の前記電力変換器のうちの1つ以上の周波数を変化させることと、
比較ユニットによって、前記調整出力電力信号と前記第1の出力制御信号とを比較し、前記調整出力電力信号の値が前記第1の出力制御信号の値よりも大きい場合に、これに応答して出力比較信号を生成することと、
を更に含む、請求項18に記載の方法。 - 前記クロック選択ユニットに前記出力比較信号を送信し、前記クロック選択ユニットは次いで、複数の前記電力変換器に出力信号を送信することと、
前記クロック選択ユニットからの前記出力信号に応答して、前記オフ状態の複数の前記電力変換器のそれぞれの1つ以上のキャパシタの蓄積されている電力を前記出力電力線に送出することと、
を更に含む、請求項26に記載の方法。 - 前記クロック選択ユニットは、周波数を生成するための1つ以上のクロック生成器と前記周波数を選択するためのセレクタとを含む、請求項26に記載の方法。
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