JP4838233B2 - スイッチング電源用の制御回路 - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、スイッチング電源を制御する方法およびシステムに関する。

（関連出願）
本出願は、米国仮出願第６０／５５２，６９１号（２００４年３月１２日出願）の優先権を主張する。

スイッチング電源は、従来の回路トポロジ（例えば、プッシュプル変換器、ハーフブリッジ変換器、パルス幅変調型フルブリッジ変換器、または位相変調型フルブリッジ変換器）を用いてインプリメントされ得る。これらの変換器回路の各々に対して、負荷電流が大きくなり過ぎた場合では、制御回路は、負荷電流を制限するために、変換器回路内の一つ以上のスイッチの状態を変化させることによって応答する。従来の制御回路は、負荷電流の大きさのみを感知し、大きすぎると決定した場合において、アクティブな電流駆動パルスを終了させるか、変換器回路を全てシャットダウンさせる。

しかしながら、これらの従来の制御回路では、電流を減少させるように駆動するための負荷電圧の欠如が原因で、パルスの終了の後において、高電流状態が持続し得、回路素子が過熱される。これは、通常、プラズマ生成の状況において、点火後のプラズマの低インピーダンスが原因で生じる。または、負荷における過電流状態の感知および変換器回路のスイッチの状態の変更の遅延が、長すぎる場合もある。従って、多くの変換器回路では、スイッチの状態の変更は遅すぎる場合もある（すなわち、スイッチサイクルの次の反対極性の部分の間）。これは、負荷電流の補正をはやめるというよりはむしろ、遅くし得る。特に、負荷電流は、ゼロに戻ることができず、幾つかのスイッチサイクルにわたって単一の極性を有し続け得る。これは、電力変換プロセスを妨げるか、変換器回路の素子を損傷させ得る。さらに、その結果得られる負荷電流の波形は、多数の遷移を有し得、それによって、スイッチ素子における過度の散逸が生じる。

従って、本発明の目的は、スイッチング電源を制御するシステムおよび方法を提供することである。本発明の別の目的は、通常動作状態に迅速に戻すように電源を制御するシステムおよび方法を提供することである。

（発明の概要）
本発明は、スイッチング電源用の制御回路に関する。スイッチング電源の負荷電流の大きさを感知することに加えて、本発明の制御回路はまた、負荷電流の方向を感知する。過電流状態が負荷において生じたと決定されると、制御回路は、負荷電流をゼロへと戻すように駆動するように、この感知した情報を用いて電源のスイッチの状態を設定する。次いで、制御回路によって、負荷電流がゼロに実際に戻るか安全な動作値を有すると感知されるまで、制御回路は、電源のスイッチの状態を維持する。この時点において、制御回路は、通常シーケンスで、電源のスイッチの駆動を再開する。

従来のスイッチング電源用の制御回路と比較すると、本発明の制御回路は、過電流状態の感知における遅延、および電源のスイッチの状態の変化における遅延に対して、より耐性がある。例えば、スイッチング期間の大部分にわたる遅延は、許容される。このような遅延により、瞬時の電流誤差が生じるが、それにもかかわらず、本発明は、スイッチング電源に対する安全な動作状況を回復するように応答する。

本発明の制御回路およびその制御回路が制御するスイッチング電源とともに、より高いスイッチング周波数、より遅い感知回路、および所与の周波数におけるより遅いスイッチ駆動回路が用いられ得る。従って、より低コストでより優れた性能が達成される。

本発明は、一局面において、スイッチング電源を制御するシステムを特徴とする。このシステムは、電源と、電源から電気負荷への電流フロー経路を変更させるように電源に接続された複数のスイッチとを備える。このシステムはまた、負荷電流の大きさが正方向および負方向の少なくとも一方向における設定点を越えるか否かに基づいて、電流フロー経路を変更し所望の値へと負荷電流の大きさを駆動するように、複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態を変更させる、制御回路を備える。

一部の実施形態では、複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態が、負荷電流の大きさが少なくとも１つの動作基準を満たすまで、維持される。一部の実施形態では、複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態が、負荷電流の大きさが実質的にゼロに等しくなるまで、維持される。一部の実施形態では、複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態が、負荷電流の大きさが所定の動作値未満になるまで、維持される。

このシステムは、負荷電流を感知するためのセンサを備え得る。一部の実施形態では、制御回路が、集積回路と、プロセッサ素子におけるプログラムと、プログラマブルロジック素子と、ディスクリートなロジックと制御素子のセットとからなる群から選択された態様にインプリメントされる。一部の実施形態では、電源は、ＤＣ電源またはＡＣ電源である。一部の実施形態では、スイッチング電源が、ＤＣ電圧またはＡＣ電圧を出力する。

一部の実施形態では、このシステムは４つのスイッチを有し、このスイッチのうち２つのスイッチの状態が、電流フロー経路を変更するために変更される。一部の実施形態では、複数のスイッチが、プッシュプル変換器と、ハーフブリッジ変換器と、フルブリッジ変換器とからなる群から選択されたスイッチングトポロジで構成されている。このシステムはまた、複数のスイッチを逆向きの電流フローから保護するように、スイッチと関連して配置された逆極性ダイオードを備え得る。

一部の実施形態では、電気負荷が、二次巻線（例えば、トロイダルプラズマ）に結合された磁心と一次巻線とを備える。一部の実施形態では、正方向および負方向の少なくとも一方向における設定点を越える負荷電流の大きさがない場合において、スイッチが、パルス幅変調、位相変調、またはパルス周波数変調によって制御される。

本発明の別の局面では、スイッチング電源を制御するシステムは、正方向と負方向とを交替させる負荷電流を供給する電源を備える。このシステムはまた、負荷電流の大きさが正方向および負方向の少なくとも一方向における設定点を越えるか否かに基づいて、電源から電気負荷への電流フロー経路を変更し、所望の値へと電流の大きさを駆動する、制御回路を備える。

本発明は、一局面において、スイッチング電源を制御する方法に関する。この方法は、正方向と負方向とを交替させる負荷電流の大きさおよび方向を決定することを含む。この方法はまた、負荷電流の大きさが正方向および負方向の少なくとも一方向における設定点を越えるか否かを決定することを含む。この方法はまた、負荷電流の大きさが正方向および負方向の少なくとも一方向における設定点を越える場合において、反対方向に負荷電流を駆動することとを含む。

このスイッチング電源を制御する方法は、反対方向に負荷電流を駆動するために、スイッチング電源の一つ以上のスイッチの状態を変更させることを含み得る。一部の実施形態では、一つ以上のスイッチの状態が、負荷電流の大きさが実質的にゼロに等しくなるまで、維持される。一部の実施形態では、一つ以上のスイッチの状態が、負荷電流の大きさが所定の動作値未満になるまで、維持される。一部の実施形態では、負荷電流の大きさと方向とのうちの少なくとも一つが、電気測定によって決定される。負荷電流の大きさと方向とのうちの少なくとも１つが、推測され得る。負荷電流の大きさと方向とが、モデル、シミュレーションまたは測定のうちの少なくとも１つの使用に基づいて、推測され得る。一部の実施形態では、この方法はまた、電気負荷に電力を供給することを含む。電気負荷は、二次巻線（例えば、トロイダルプラズマ）に結合された磁心と一次巻線とを備え得る。

別の局面では、本発明は、電源を備えるスイッチング電源を制御するシステムを特徴とする。このシステムはまた、負荷電流の大きさが正方向および負方向の少なくとも一方向における設定点を越えるか否かに基づいて、電源から電気負荷への電流フロー経路を変更し、所望の値へと該電流の大きさを駆動する、手段を備える。

別の局面では、本発明は、スイッチング電源を制御する制御回路に関する。スイッチング電源は、正方向と負方向とを交替させる負荷電流を供給する。この制御回路は、負荷電流の大きさと方向とを感知し、負荷電流が正方向および負方向の少なくとも一方向における設定限度を超える場合に一状態を確立する。負荷電流が正方向および負方向の少なくとも一方向における設定限度を超える場合では、制御回路は、スイッチング電源の一つ以上のスイッチの状態を変更させて、負荷電流を反対方向に駆動する。制御回路は、負荷電流がゼロまたは安全な動作値に戻ったと感知するまで、スイッチのこの変更状態を維持する。

本発明のこの局面の種々の実施形態は、以下の特徴を含む。一実施形態では、スイッチング電源は、ＤＣまたはＡＣ変換器である。オプションとして、ＤＣ出力を生成し、それによってＤＣ−ＤＣ変換器を実現するために、ＤＣ−ＡＣ変換器の出力は、整流器、および例えばフィルタを通過し得る。別の実施形態では、スイッチング電源はＡＣ−ＡＣ変換器である。スイッチング電源は、プッシュプル変換器、ハーフブリッジ変換器またはフルブリッジ変換器のスイッチトポロジを有し得る。別の実施形態では、スイッチング電源は、パルス幅変調型変換器である。あるいは、スイッチング電源は、位相変調型変換器である。

さらに別の実施形態では、スイッチング電源のスイッチは、逆極性ダイオードを備える。あるいは、スイッチは、逆電流フローに対してアクティブに制御される。このスイッチは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、シリコン制御整流器、または別のゲート制御スイッチデバイスであり得る。

一実施形態では、この制御回路は、負荷電流の大きさおよび／または方向を直接測定する。別の実施形態では、負荷電流の大きさおよび／または方向は、モデル、リアルタイムでのシミュレーション、または負荷電流以外の感知したパラメータを用いることによって、推定される。この制御回路は、スイッチング電源のメイン制御メカニズムの一部としてインプリメントされ得る。あるいは、この制御回路は、スイッチング電源のメイン制御メカニズムと分離した保護メカニズムとしてインプリメントされる。この制御回路は、集積回路として、ディスクリートなロジックと制御素子のセットとして、プログラマブルロジック素子として、またはプロセッサ素子におけるプログラムとして、インプリメントされ得る。さらに、この制御回路は、トロイダルプラズマ源および別のタイプのプラズマ負荷を含んだ種々の装置の任意のものの制御に適用され得る。

本発明の上記目的、局面、特徴および利点、ならびに別の目的、局面、特徴および利点は、下記の記載および特許請求の範囲から明らかになる。

本発明の上記目的、局面、特徴および利点、ならびに別の目的、局面、特徴および利点、ならびに発明自体は、添付の図面と併せて読み、下記の例示的な記載からより完全に理解される。その図面は、必ずしも等縮尺である必要はない。

（例示的な実施形態の詳細な説明）
図１は、例示的なスイッチング電源を示す。より詳しくは、図１は、フルブリッジ変換器回路１００を示す。本明細書に記載する場合、フルブリッジ変換器回路１００は、位相変調型フルブリッジ変換器回路１００であり、高周波数用途に対する一般的な選択である。位相変調型フルブリッジ変換器回路１００は、負荷電流１０２が制御され得る例示的なスイッチング電源であり、過電流状態では、本発明による制御回路２００（図２参照）によって迅速に補正され得る。しかしながら、制御回路２００は、適切な改変を伴い、別の変換器回路（例えば、プッシュプル変換器、ハーフブリッジ型変換器、またはパルス幅変調型フルブリッジ変換器）の負荷電流を制御および／または補正するために用いられ得る、ということに留意されたい。

図１に示すように、フルブリッジ変換器回路１００は、第１のスイッチ１０４ａ、第２のスイッチ１０４ｂ、第３のスイッチ１０４ｃおよび第４のスイッチ１０４ｄ（一般に１０４）を含む。フルブリッジ変換器回路１００はまた、電源１０６（例えば、ＤＣ電源）と負荷１０８とを含む。この実施形態では、負荷電流１０２は、負荷１０８を介して第４のスイッチ１０４ｄから第１のスイッチ１０４ａへと流れる場合では、正とみなし、負荷１０８を介して第２のスイッチ１０４ｂから第３のスイッチ１０４ｃへと流れる場合では、負とみなす。スイッチ１０４は、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、シリコン制御整流器、または別のゲート制御スイッチデバイスであり得る。一実施形態では、スイッチ１０４は、並列のダイオードを有する。別の実施形態では、スイッチ１０４は、逆向きの電流フローに対してアクティブに制御される。

通常動作（すなわち、過電流状態のない状態）では、負荷電流１０２が負の場合、第２のスイッチ１０４ｂおよび第３のスイッチ１０４ｃは開いており、第１のスイッチ１０４ａおよび第４のスイッチ１０４ｄは閉じており、所望のレベルに達するまで、負荷電流１０２を正に駆動する。第４のスイッチ１０４ｄが開き第３のスイッチ１０４ｃが閉じると、負荷１０８にはゼロボルトが印加され、その結果、負荷電流１０２が徐々に減衰する。次の半サイクルでは、第１のスイッチ１０４ａが開き、第２のスイッチ１０４ｂが閉じ、負荷１０８に負の電圧が印加され、負荷電流１０２が負に駆動される。負荷電流１０２が所望の負レベルに達すると、第３のスイッチ１０４ｃが開き、第４のスイッチ１０４ｄが閉じ、負荷１０８にはゼロボルトが印加される。次の半サイクルのはじめでは、第２のスイッチ１０４ｂが開き、第１のスイッチ１０４ａが閉じ、負荷電流１０２が正に駆動され、スイッチングのシーケンスが再び開始される。

従来の制御回路では、例えば、第１のスイッチ１０４ａおよび第４のスイッチ１０４ｄが閉じることによって生じた正の過電流状態の感知が、遅れるか、第２のスイッチ１０４ｂおよび第３のスイッチ１０４ｃが閉じるまで延びる場合、問題が生じる。従来の制御回路は負荷電流１０２の大きさのみを測定し、その方向を測定しないので、そのような状況では、制御回路は、第３のスイッチ１０４ｃを開き、第４のスイッチ１０４ｄを閉じることによって、反応する。このようにして、負荷１０８にゼロ電圧が印加され、負荷電流１０２は、ゼロにアクティブかつ迅速に駆動されるのではなく、ゼロへと徐々に減衰する。次の半サイクルが始まると、第２のスイッチ１０４ｂは開かれ、第１のスイッチ１０４ａが閉じられる。この半サイクルのはじめまでに負荷電流１０２がゼロに達しない場合、負荷電流１０２は、第４のスイッチ１０４ｄが閉じられた状態で、さらに高電流へと駆動され、故障状態を悪化させる。過電流状態は自己補正されないので、異常な負荷電流１０２が持続し、複数の動作サイクルにわたって増大し続け得、それによって、例えば、フルブリッジ変換器回路１００のシャットダウンまたはスイッチ１０４の破壊という結果になる。

スロー（ｓｌｏｗ）またはイントリンシック（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）ダイオードをスイッチ１０４の一部として用いる場合では、増大した負荷電流１０２によって、スイッチ１０４の強力な遷移が生じ、スイッチ素子に不具合を生じ得る。さらに、スイッチ１０４は、一サイクル中に一度以上状態を変更するように命令され得、スイッチ１０４の散逸が増大する。

図２は、図１のフルブリッジ変換器回路のトポロジをインプリメントする固体スイッチング電源１１５の一実施形態を示す。図２に示すように、本発明による制御回路２００は、スイッチング電源１１５のスイッチ１０４を制御するために用いられ得る。

図に示すように、一実施形態では、スイッチング電源１１５は、変圧器の一次巻線１２０を駆動するために用いられる。スイッチ１０４の出力は、一次巻線１２０および磁心１２２によって二次巻線１２４へと結合される。二次巻線１２４は、例えば、米国特許第６，１５０，６２８号および／または米国特許第６，５５２，２９６号に記載のトロイダルプラズマであり得る。本明細書では、これらの特許の全開示を参考により援用する。一部の実施形態では、（例えば、少量のインダクタンスを有するインダクタを含むことによって）少量のインダクタンスを負荷１０８と直列に電源１１５に追加し、例えばプラズマが点火されたときにおいて、電源１１５における電流の上昇を制限する。

一実施形態では、例えば、スイッチング電源１１５およびスイッチング電源１１５用の制御回路２００は、米国特許第６，１５０，６２８号および／または米国特許第６，５５２，２９６号に記載のトロイダル型低場プラズマ源において用いられる。例えば、スイッチング電源１１５およびスイッチング電源１１５用の制御回路２００は、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＭＡのＭＫＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．によって製造されたＡＳＴＲＯＮ（登録商標）遠隔プラズマ源においてインプリメントされた。

より一般的には、別の実施形態では、スイッチング電源１１５は、別の負荷を駆動し、制御回路２００とともに、トロイダル型低場プラズマ源とは別の用途に用いられる。

図２を再度参照すると、スイッチング電源１１５は、ライン電源１３０によって結合されたフィルタ１２６と整流器回路１２８とを含み得る。フィルタ１２６および整流器回路１２８の出力１３２は、ＤＣ電圧を生成する。スイッチング電源１１５はまた、第１のスイッチ１０４ａを駆動する第１のスイッチ駆動器１３４ａと、第２のスイッチ１０４ｂを駆動する第２のスイッチ駆動器１３４ｂと、第３のスイッチ１０４ｃを駆動する第３のスイッチ駆動器１３４ｃと、第４のスイッチ１０４ｄを駆動する第４のスイッチ駆動器１３４ｄとを含む。

一実施形態では、制御回路２００は、負荷電流１０２を感知するセンサ２０２と、負荷電流の方向に関する第１のデジタル出力２０６を生成する高速方向比較器２０４と、負荷電流の大きさに関する第２のデジタル出力２１０を生成する第２の高速比較器２０８と、保護インプリメンテーション用のプログラマブルロジックデバイス２１２と、第１のスイッチ１０４ａに第１の初期デジタル駆動信号２１６ａ、第２のスイッチ１０４ｂに第２の初期デジタル駆動信号２１６ｂ、第３のスイッチ１０４ｃに第３の初期デジタル駆動信号２１６ｃ、および第４のスイッチ１０４ｄに第４の初期デジタル駆動信号２１６ｄを提供する回路２１４とを含む。初期駆動信号２１６を提供する回路２１４は、例えば、電圧制御モードにおいて作動されるＵＣＣ３８９５位相制御集積回路（Ｄｅｌｌａｓ，ＴＸのＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．）であり得る。

一般的に、別の実施形態では、制御回路２００全体は、集積回路として、ディスクリートなロジックと制御素子のセットとして、プログラマブルロジック素子として、またはプロセッサ素子におけるプログラムとして、インプリメントされる。

一実施形態では、高速方向比較器２０４は、感知した負荷電流１０２を分析して、負荷電流の方向に関する第１のデジタル出力２０６を生成する。あるいは、別の実施形態では、高速方向比較器２０４を用いて負荷電流１０２の方向を直接決定するのではなく、負荷電流１０２の方向は、回路の状態のモデル、リアルタイムでのシミュレーションから、または負荷電流１０２以外のパラメータを感知することによって、推測または再生される。

一実施形態では、負荷電流の大きさに関する第２のデジタル出力２１０を生成するために、負荷電流１０２信号は、整流され、第２の高速比較器２０８によって基準信号と比較される。第２のデジタル出力２１０は、負荷１０８における過電流状態の存在または不在を示す。別の実施形態では、負荷電流の大きさに関する第２のデジタル出力２１０は、回路の状態のモデル、リアルタイムでのシミュレーションから、または負荷電流１０２以外のパラメータを感知することによって、推測または再生される。

第１のデジタル出力２０６および第２のデジタル出力２１０、ならびに回路２１４によって生成された４つの初期デジタル駆動信号２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃおよび２１６ｄは、プログラマブルロジックデバイス２１２によって処理される。一実施形態では、プログラマブルロジックデバイス２１２は、第１のスイッチ１０４ａに対して第１の実駆動信号２２６ａを、第２のスイッチ１０４ｂに対して第２の実駆動信号２２６ｂを、第３のスイッチ１０４ｃに対して第３の実駆動信号２２６ｃを、そして第４のスイッチ１０４ｄに対して第４の実駆動信号２２６ｄを生成するために４つのセット−リセット型フリップフロップを用いるデジタルフィルタである。プログラマブルロジックデバイス２１２の一実施形態に対する例示的なプログラムコードを、例示的な実施形態の詳細な説明の後、特許請求の範囲の前の付録に示す。この実例は、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）モデルＸＣ９５３６−７ＶＤ４４Ｉに対するコードである。示すソースコードは、Ｖｅｒｉｌｏｇスクリプトで記載している。ＰＬＤは、位相変調型フルブリッジ制御器チップと、ゲート駆動器との間に配置される。ＰＬＤに対する入力は、制御器からの４つのゲート駆動信号と、電流方向信号と、過電流信号とである。この出力は、パワーブリッジゲート駆動器に対する処理済みゲート駆動信号である。

一実施形態では、第１のスイッチ１０４ａに対する第１の初期駆動信号２１６ａと、第二のスイッチ１０４ｂに対する第２の初期駆動信号２１６ｂとは、プログラマブルロジックデバイス２１２を通過し、プログラマブルロジックデバイス２１２によって変更されない（すなわち、第１の初期デジタル駆動信号２１６ａは第１の実駆動信号２２６ａと、第２の初期デジタル駆動信号２１６ｂは第２の実駆動信号２２６ｂと等価である）。

プログラマブルロジックデバイス２１２のセット−リセット型フリップフロップの１つは、正の過電流状態のイベントを格納し、負荷電流１０２の大きさが正方向における設定限度（例えば、システムの動作中に電源１３０または電気負荷１０８を保護するために、オペレータによって選択された電流の大きさの限度）を超えた場合にセットされ、負荷電流１０２の極性が反転した場合にリセットされる。別のセット−リセット型フリップフロップは、負の過電流状態のイベントを格納し、負荷電流１０２が負方向における設定限度を超えた場合にセットされ、負荷電流１０２の極性が反転した場合にリセットされる。残りの２つのフリップフロップは、第３のスイッチ１０４ｃと第４のスイッチ１０４ｄとの状態を格納する。正の過電流状態が生じるか、負荷電流１０２がこの限度未満であり、かつ入来第３の初期デジタル駆動信号２１６ｃが第３のスイッチ１０４ｃが閉じられているべきであると示す場合において、第３のスイッチ１０４ｃは閉状態に設定され、第４のスイッチ１０４ｄは開状態に設定される。負の過電流状態が生じるか、負荷電流１０２がこの限度未満であり、かつ入来第４の初期デジタル駆動信号２１６ｄが第４のスイッチ１０４ｄが閉じられているべきであると示す場合において、第３のスイッチ１０４ｃは開状態に設定され、第４のスイッチ１０４ｄは閉状態に設定される。このアルゴリズムにより、負荷電流１０２が限度内（例えば、正方向の限度と負方向の限度との間）である場合に、第３の実駆動信号２２６ｃが第３の初期デジタル駆動信号２１６ｃに続き、第４の実駆動信号２２６ｄが第４の初期デジタル駆動信号２１６ｄに続き、好適には、第３および第４の実駆動信号が負荷電流１０２が限度外にある場合において応答するという結果になる。

さらに、このアルゴリズムは、信号経路の遅延に耐性がある。動作中では、例えば、正の過電流状態がセンサ２０２によって感知されると、制御回路２００は、第４のスイッチ１０４ｄを開き、第３のスイッチ１０４ｃを閉じることによって反応し、負荷電流１０２を負の方向に向かわせる。制御回路２００は、感知された負荷電流１０２が負になるまで、第３のスイッチ１０４ｃおよび第４のスイッチ１０４ｄのこの状態を維持する。回路２１４によって命令されるように、第１のスイッチ１０４ａおよび第２のスイッチ１０４ｂは、開および閉状態のままであり、これらの状態は、プログラマブルロジックデバイス２１２によっては変更されない。このように、電源１３０から電気負荷１０８への電流フロー経路は、本発明の例示的な実施形態に従って、変更される。一度負荷電流１０２が動作基準（例えば、負荷電流が負）を満たすと感知されると、スイッチ１０４の全ての通常動作は、再開される。

同様に、負の過電流状態がセンサ２０２によって感知されると、制御回路２００は、第３のスイッチ１０４ｃを開き、第４のスイッチ１０４ｄを閉じることによって反応し、負荷電流１０２を正の方向に向かわせる。制御回路２００は、感知された負荷電流１０２が正になるまで、第３のスイッチ１０４ｃおよび第４のスイッチ１０４ｄのこの状態を維持する。回路２１４によって命令されるように、第１のスイッチ１０４ａおよび第２のスイッチ１０４ｂは、開および閉状態のままであり、これらの状態は、プログラマブルロジックデバイス２１２によっては変更されない。一度負荷電流１０２が正であると感知されると、スイッチ１０４の全ての通常動作は、再開される。

別の実施形態では、例えば、過電流状態が負荷電流１０２の両極性にわたって永続的に生じる場合では、制御回路２００は、各半サイクルの逆極性のレベルに負荷電流１０２を駆動させる。一部の実施形態では、第３および第４のスイッチの状態は、電流の大きさが別の動作基準（例えば、負荷電流の大きさがゼロに実質的に等しい、または負荷電流の大きさが所定の動作値未満）を満たすまで、維持される。

従って、制御回路２００は、負荷電流１０２の大きさに加え、その方向も感知するので、制御回路２００は、過電流状態の存在下で、負荷電流１０２を迅速かつ効率的にゼロへと駆動し、故障状態をなくす。さらに、後半の半サイクルを越えた第３のスイッチ１０４ｃおよび第４のスイッチ１０４ｄの活性化における遅延および／または負荷電流１０２の感知における遅延は、制御回路２００が過電流状態をなくすのを妨げたげたり、妨害したりしない。

さらに、本出願人らは、先に記載した例示的な実施形態において開示したシステム、方法、デバイス、およびその用途の間に存在する全ての動作可能な実施形態が、本明細書に開示した発明の範囲内であり、主張可能な主題と考えられるということを意図する、ということに留意されたい。

当業者には、本明細書の記載事項の変形、改変および別のインプリメンテーションは、特許請求範囲に記載の本発明の精神および範囲から逸脱せずに、考えられる。従って、本発明は、上記の例示的な説明によって規定されるのではなく、添付の特許請求の範囲の精神および範囲によって規定されるべきである。

図１は、例示的なスイッチング電源の回路図である。 図２は、本発明の一実施形態による例示的なスイッチング電源のための制御回路とスイッチング電源との回路図である。

Claims (21)

1. スイッチング電源を制御するシステムであって、
   電源と、
   該電源から電気負荷への電流フロー経路を変更させるように該電源に電気接続された複数のスイッチであって、該複数のスイッチが４つのスイッチであり、該スイッチのうち２つのスイッチの状態が、該電流フロー経路を変更するために変更され、該電気負荷が、二次巻線に結合された磁心と一次巻線とを備え、該二次巻線がトロイダルプラズマである、複数のスイッチと、
   該電気負荷を介する負荷電流の方向が正であるか負であるかを決定することと、該方向に基づいて、該複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態を変更させることとによって、設定点を超えた負荷電流の大きさがより大きくなることを防止する制御回 路と
   を備える、システム。
2. 前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態が、前記負荷電流の大きさが少なくとも１つの動作基準を満たすまで、維持される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態が、前記負荷電流の大きさが実質的にゼロに等しくなるまで、維持される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態が、前記負荷電流の大きさが所定の動作値未満になるまで、維持される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記負荷電流を感知するためのセンサを備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記制御回路が、集積回路と、プロセッサ素子におけるプログラムと、プログラマブルロジック素子と、ディスクリートなロジックと制御素子のセットとからなる群から選択された態様にインプリメントされる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記電源が、ＤＣ電源と、ＡＣ電源とからなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記スイッチング電源が、前記電気負荷へ、ＤＣ電圧と、ＡＣ電圧とからなる群から選択された電圧を出力する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記複数のスイッチが、プッシュプル変換器と、ハーフブリッジ変換器と、フルブリッジ変換器とからなる群から選択されたスイッチングトポロジで構成されている、請求項１に記載のシステム。
10. 前記複数のスイッチを逆向きの電流フローから保護するように、該スイッチと関連して配置された逆極性ダイオードを備える、請求項１に記載のシステム。
11. 前記正方向および負方向の少なくとも一方向における設定点を超える負荷電流の大きさがない場合において、前記スイッチが、パルス幅変調、位相変調、またはパルス周波数変調によって制御される、請求項１に記載のシステム。
12. スイッチング電源を制御するシステムであって、
    電気負荷に正方向と負方向とを交互する負荷電流を供給する電源と、
    該電気負荷を介する負荷電流の方向が正であるか負であるかを決定することと、該方向に基づいて、４つのスイッチのうちの少なくとも２つのスイッチの状態を変更させることとにより、該負荷電流をゼロにアクティブに駆動することにより、設定点を超えた負荷電流の大きさがより大きくなることを防止する制御回路であって、該電気負荷が、二次巻線に結合された磁心と一次巻線とを備え、該二次巻線がトロイダルプラズマである、制御回路と
    を備える、システム。
13. スイッチング電源を制御する方法であって、
    負荷電流の大きさおよび方向を決定することであって、該負荷電流は、正方向と負方向とを交互する、ことと、
    電気負荷を介する負荷電流の方向が正であるか負であるかを決定することと、該方向に基づいて、複数のスイッチのうちの少なくとも１つのスイッチの状態を変更させることとによって、設定点を超えた負荷電流の大きさがより大きくなることを防止することと
    を包含し、
    該複数のスイッチが４つのスイッチであり、該スイッチのうち２つのスイッチの状態が、電流フロー経路を変更するために変更され、該負荷電流が、電気負荷を介し、該電気負荷が、二次巻線に結合された磁心と一次巻線とを備え、該二次巻線がトロイダルプラズマである、方法。
14. 反対方向に前記負荷電流を駆動するために、スイッチング電源の一つ以上のスイッチの状態を変更させることを包含する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記一つ以上のスイッチの状態が、前記負荷電流の大きさが実質的にゼロに等しくなるまで、維持される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記一つ以上のスイッチの状態が、前記負荷電流の大きさが所定の動作値未満になるまで、維持される、請求項１４に記載の方法。
17. 前記負荷電流の前記大きさと方向とのうちの少なくとも一つが、電気測定によって決定される、請求項１３に記載の方法。
18. 前記負荷電流の大きさと方向とのうちの少なくとも１つが、推測される、請求項１３に記載の方法。
19. 前記負荷電流の大きさと方向とのうちの少なくとも１つが、モデル、シミュレーションまたは測定のうちの少なくとも１つの使用に基づいて、推測される、請求項１８に記載の方法。
20. 電気負荷に電力を供給することを包含する、請求項１３に記載の方法。
21. スイッチング電源を制御するシステムであって、
    電圧を供給する手段と、
    電気負荷を介する負荷電流の方向が正であるか負であるかを決定することと、該方向に基づいて、４つのスイッチのうちの少なくとも２つのスイッチの状態を変更させることとにより、該負荷電流をゼロにアクティブに駆動することにより、設定点を超えた負荷電流の大きさがより大きくなることを防止する手段であって、該電気負荷が、二次巻線に結合された磁心と一次巻線とを備え、該二次巻線がトロイダルプラズマである、手段と
    を備える、システム。

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