JP5882030B2 - 自動障害除去を伴う同期整流式のｐｗｍ調整器 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般に、電圧および電流調整システムに関する。より詳細には、本開示の実施形態は、直列、並列、および他のタイプ構成で結合された宇宙船の太陽電池パネルまたは他のタイプの電源を含むことができる電力源および負荷に適用できる電圧および電流調整システムに関する。

太陽電池アレイなどの多くのタイプの電力源は、直列、並列、または他の適当な構成で結合された単一または複数の要素を備えることができる。これらの電源は、それだけに限定されるものではないが、電気的バス、電池などの負荷に結合することができる。電源はまた、電力調整器に結合することができ、それによって電流を負荷の方へ誘導することができ、またはたとえばそれだけに限定されるものではないが、回路を短絡させて電流を電源へ戻すことによって、負荷から離れるようにそらすことができる。閉鎖された電気システム、たとえばそれだけに限定されるものではないが、宇宙船、船舶などの一部の電気システムでは、このように電流を制御して、電気的バスの電圧調整を維持する必要があることがある。たとえばそれだけに限定されるものではないが、調整された電気的バスを備える閉鎖された電気システムでは、負荷の電気的要求を満たすように電流を提供することができ、また負荷から余分な電流が使用されないようにすることができる。制御回路を使用して、１群の電源のうち一部の電源から離れるように電流をそらし、負荷の要求を満たすように電力出力を整合させることができる。電気的バスおよび電源を調整するために使用される電圧調整および制御回路は、短絡モードでは機能しなくなることがある。

耐障害性の同期整流器のＰＷＭ調整器システムおよび方法が開示される。このシステムおよび方法では、強制転流式の同期整流器が、電気的バスに結合されるように動作可能であり、ローサイドスイッチが、共通の接地に結合されるように動作可能である。さらに、強制転流式の同期整流器およびローサイドスイッチに第１のヒューズが結合され、第１の障害に応答して開くように動作可能である。さらに、第１のヒューズ、強制転流式の同期整流器、およびローサイドスイッチにインダクタが結合され、またインダクタに第２のヒューズが結合され、電流源に結合されるように、そして第２の障害に応答して開くように動作可能である。

強制転流式の同期整流器、ならびにヒューズの組合せを使用することによって、本開示の実施形態では、著しく低減させたワット損で耐障害性の自動システムを使用して障害を自動的に除去する。ワット損をより低くすることで、前述の電力段デバイスの重量を著しく低減させ、それによってたとえばそれだけに限定されるものではないが、宇宙船の重量などを低減させる。また、重量を低減させることで空間およびコストの節約にもつながり、これは多くのタイプの電源および負荷相互作用デバイスにとって有用である。

一実施形態では、耐障害性の同期整流器のＰＷＭ調整器システムは、電気的バスに結合するように動作可能な強制転流式の同期整流器と、共通の接地に結合されるように動作可能なローサイドスイッチとを備える。システムは、強制転流式の同期整流器およびローサイドスイッチに結合された第１のヒューズであって、第１の障害に応答して開くように動作可能な第１のヒューズと、第１のヒューズ、強制転流式の同期整流器、およびローサイドスイッチに結合されたインダクタとをさらに備える。システムは、インダクタに結合された第２のヒューズであって、電流源に結合されるように動作可能であり、また第２の障害に応答して開くように動作可能な第２のヒューズをさらに備える。

別の実施形態では、耐障害性の同期整流式の自動ＰＷＭ調整方法は、バイパス整流器に結合され、電気的バスに結合されるように動作可能な強制転流式の同期整流器、強制転流式の同期整流器に結合されたインダクタ、および共通の接地に結合されたローサイドスイッチを使用して、電流源からの電流を電気的バスに対する電流に同期整流する。この方法は、強制転流式の同期整流器およびローサイドスイッチに結合された第１のヒューズをさらに提供し、またバイパス整流器およびインダクタに結合された第２のヒューズを提供する。

さらに別の実施形態は、耐障害性の同期整流式のＰＷＭ調整器システムを動作させる方法を含む。この方法は、電気的バスに結合された強制転流式の同期整流器、強制転流式の同期整流器および電流源に結合されたバイパス整流器、強制転流式の同期整流器および入力キャパシタに結合されたインダクタ、ならびに共通の接地に結合されたローサイドスイッチを使用して、電流源からの電流を入力キャパシタに結合された電気的バスに対する電流に同期整流する。

この方法はさらに、強制転流式の同期整流器内で障害が発生した場合、強制転流式の同期整流器およびローサイドスイッチに結合された第１のヒューズを開き、ローサイドスイッチ内で障害が発生した場合、第１のヒューズを開く。方法はまた、電流源内で障害が発生した場合、インダクタおよび電流源に結合された第２のヒューズを開き、バイパス整流器内で障害が発生した場合、第２のヒューズを開く。方法はまた、入力キャパシタ内で障害が発生した場合、入力キャパシタおよび共通の接地に結合された第３のヒューズを開き、出力キャパシタ内で障害が発生した場合、出力キャパシタおよび共通の接地に結合された第４のヒューズを開く。

この概要は、一連の概念について簡略化された形で導入するために提供され、これらの概念については、詳細な説明で以下にさらに説明する。この概要は、請求される主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定しようとするものではなく、また請求される主題の範囲を決定するのを助けるものとして使用されるものでもない。

本開示の実施形態のより完全な理解は、詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって、以下の図とともに考慮したときに導出することができ、これらの図全体にわたって、同じ参照番号は類似の要素を指す。これらの図は、本開示の幅、範囲、規模、または適用性を限定するのではなく、本開示の理解を容易にするために提供される。図面は、必ずしも原寸に比例しない。

本開示の一実施形態による例示的な強制転流式の同期整流器の図である。 本開示の一実施形態による例示的な耐障害性の同期整流器のＰＷＭ調整器システムの図である。 本開示の一実施形態による耐障害性の同期整流式の自動ＰＷＭ調整プロセスを示す例示的な流れ図である。 本開示の一実施形態による耐障害性の同期整流式のＰＷＭ調整器システムを動作させるプロセスを示す例示的な流れ図である。

以下の詳細な説明は、本質的に例示的なものであり、本開示または本開示の実施形態の適用分野および用途を限定しようとするものではない。特有のデバイス、技法、および適用分野の説明は、例としてのみ提供される。本明細書に記載する例に対する修正形態は、当業者には容易に明らかになり、本明細書に規定する一般原則は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、他の例および適用分野にも適用することができる。さらに、前述の技術分野、背景技術、概要、または以下の詳細な説明で提示するいずれの明示または暗示する理論にも束縛されるものではない。本開示には、特許請求の範囲と一貫した範囲が与えられるべきであり、本明細書に記載および図示する例に限定されるものではない。

本開示の実施形態については、機能および／または理論上のブロック構成要素ならびに様々な処理ステップの点で本明細書に説明することができる。そのようなブロック構成要素は、指定の機能を実行するように構成された任意の数のハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェア構成要素によって実現できることを理解されたい。話を簡単にするために、回路設計に関係する従来の技法および構成要素、ならびにシステム（およびシステムの個々の動作構成要素）の他の機能上の態様については、本明細書で詳細に説明しないことがある。さらに、本開示の実施形態は、様々な演算ハードウェアおよびソフトウェアと一緒に実行できること、そして本明細書に記載する実施形態が本開示の例示的な実施形態にすぎないことが、当業者には理解されるであろう。

本開示の実施形態について、実際の非限定的な適用分野、すなわち衛星または宇宙船上での電圧変換に関連して本明細書に説明する。しかし、本開示の実施形態は、そのような衛星または宇宙船の適用分野に限定されるものではなく、本明細書に記載する技法は、他の適用分野でも利用することができる。たとえばそれだけに限定されるものではないが、実施形態は、航空機、船舶、自動車、建築物、列車、反応器からの過熱された熱結合、様々な電圧変換適用分野、および回路などに適用可能である。

これらの実施形態は、実質上すべてのタイプの直列／並列発電源（電源）、ならびにエネルギーを伝えることができる電源および負荷を有する実質上すべてのタイプの車両に適用される。負荷は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、電池、電気的バス、様々な負荷、機器、モータ、加熱器、配電システムなどを含むことができる。電源は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、衛星の電源、宇宙船の電源、航空機の電源、船上の発電機、列車の電源、太陽電池およびエンジンによって電力供給される長期の航空機および宇宙船（有人および無人）の電源などを含むことができる。追加として、本開示の実施形態は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、太陽電池、風力、および波力エネルギー発電所／電源、発電機アレイなどに適用することもできる。

この説明を読めば当業者には明らになるように、以下は本開示の例および実施形態であり、これらの例による動作に限定されるものではない。本開示の例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、他の実施形態も利用することができ、構造上の変化を加えることもできる。

様々な適用分野では、電源（たとえば、宇宙船の太陽電池パネルまたは他の電源）は、電圧調整器を通って別のデバイス（たとえば、電気的バスまたは別の負荷）に結合される。本開示の実施形態は、強制転流式の同期整流器ならびにヒューズの組合せを備える同期整流器のＰＷＭ調整器システムを含み、その結果、耐障害性のシステムが得られる。耐障害性のシステムでは、構成要素が短絡した場合、ヒューズの１つまたは複数が開き、電源は別のデバイスに結合されたままである。同期整流器のＰＷＭ調整器システムは、同期整流器のブースト変換器として機能するように動作可能である。

図１は、本開示の一実施形態による例示的な強制転流式の同期整流器１００（システム１００）の図である。図１は、電力スイッチ（図示せず）のデューティーサイクルに応じて、電流が第１のバス１０２（入力端子１０２）から（たとえば、電池から）第２のバス１０４（出力端子１０４）へ（たとえば、衛星または宇宙船の１００Ｖバスへ）、または第２のバス１０４から第１のバス１０２へ流れることができる双方向変換器を示す。非常に小さいデューティーサイクルの変化で、第１のバス１０２の放電から第１のバス１０２の充電へ電流の方向を変化させることができるため、強制転流式の同期整流器１００に結合されたインダクタのインダクタ電流を測定することが望ましく、したがってフィードバックループを追加して、電流の流れの大きさと方向の両方の微細な制御を可能にすることができる。

強制転流式の同期整流器１００は、強制転流回路１４０に電気的に結合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１２２などのスイッチング構成要素を備える。ＦＥＴ１２２は、ソース端子１１２、ゲート端子１１４、ドレイン端子１１６、および真性ボディダイオード１１８を備える。たとえばそれだけに限定されるものではないが、図１に示すＦＥＴ１２２はｎ型ＦＥＴを構成し、真性ボディダイオード１１８のアノードはソース端子１１２に接続され、真性ボディダイオード１１８のカソードはドレイン端子１１６に接続される。

図１に示す実施形態は、一例としてｎ型ＦＥＴを利用するが、ＦＥＴ１２２は、それだけに限定されるものではないが、ｎ型ＦＥＴ、ｐ型ＦＥＴ、スイッチなどの任意のスイッチング構成要素を構成することができ、関連する逆回復時間を有することがある真性ボディダイオードを備える。ＦＥＴ１２２がｐ型ＦＥＴである一実施形態では、真性ボディダイオード１１８の方向を逆にすることができ、したがって、真性ボディダイオード１１８のカソードはｐ型ＦＥＴのソース端子に接続され、真性ボディダイオード１１８のアノードはｐ型ＦＥＴのドレイン端子に接続される。

通常、ｎ型ＦＥＴは、ＦＥＴ Ｑをオンに切り換えることに関連する閾値電圧より大きい電圧がゲート端子１１４に供給されるとき、ソース端子１１２とドレイン端子１１６の間に電流を流すことができる。ゲート端子１１４に供給される電圧が閾値電圧より下まで低減されたとき、または完全に取り除かれたとき、ＦＥＴ１２２はオフに切り換えられ、ソース端子１１２とドレイン端子１１６の間を流れる電流は流れを止める。ＦＥＴ１２２がオフに切り換えられたときに電流がソース端子１１２からドレイン端子１１６へ流れている場合、電流は真性ボディダイオード１１８の順バイアス方向に流れていたため、ＦＥＴ１２２の真性ボディダイオード１１８は回復する期間を必要とする。これを逆回復時間と呼ぶ。

しかし、ＦＥＴ１２２がオフに切り換えられたときに電流がドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている場合、電流はすでに真性ボディダイオード１１８の逆バイアス方向に流れていたため、逆回復時間は必要とされない。上述の概念を使用して、ＦＥＴ１２２に関連するスイッチオフ事象中にダイオードのカソード端子からダイオードのアノード端子へ電流を強制転流することによって、ダイオードの逆回復時間をなくすことができる。

ＦＥＴ１２２のゲート端子１１４は、ＦＥＴ１２２のスイッチングを制御する駆動電圧源１１０に電気的に結合される。駆動電圧源１１０が閾値電圧より大きい電圧をゲート端子１１４に提供するとき、ＦＥＴ１２２はオンに切り換えられる。ＦＥＴ１２２のゲート端子１１４が電圧をもたないとき、ＦＥＴ１２２はオフに切り換えられる。電流は、入力端子１０２を通ってＦＥＴ１２２のソース端子１１２内へ流れるように構成され、ＦＥＴ１２２から流れ出る電流は、出力端子１０４の方へ流れる。

上述のように、ＦＥＴ１２２は、強制転流回路１４０に電気的に結合される。強制転流回路１４０は、パルス電流源１２０（選択的に制御される強制転流電流源）と、転流ダイオード１０８とを備える。パルス電流源１２０は、入力端子１０２を通って入る電流より大きくなるように構成された転流電流を生成するように構成することができる。一実施形態では、転流電流とは、非常に短い期間で強制転流式の同期整流器１００から供給されるパルス電流である。パルス電流源１２０は、端子１０６で転流ダイオード１０８のアノード端子に電気的に結合される。

転流ダイオード１０８は、端子１０６でパルス電流源１２０に電気的に結合されたアノード端子（図示せず）を備える。転流ダイオード１０８はまた、ノード１２４でＦＥＴ１２２のドレイン端子１１６および出力端子１０４に電気的に結合されたカソード端子（図示せず）を備える。このように、転流ダイオード１０８は、ＦＥＴ１２２と並列である。転流ダイオード１０８は、転流ダイオード１０８のカソード端子が真性ボディダイオード１１８のカソード端子に接続されるように構成されるべきである。

強制転流式の同期整流器１００は、４つの位相で動作することができる。第１の位相では、ＦＥＴ１２２とパルス電流源１２０はどちらもオフに切り換えられ、したがってパルス電流源１２０は転流電流を供給しない。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から強制転流式の同期整流器１００に入り、転流ダイオード１０８を通って流れ、出力端子１０４で強制転流式の同期整流器１００から出力される。

第２の位相では、ＦＥＴ１２２はオンに切り換えられ、パルス電流源１２０はオフに切り換えられたままである。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から入り、ＦＥＴ１２２を通ってソース端子１１２からドレイン端子１１６へ流れ、出力端子１０４を通って出る。ＦＥＴ１２２の両端の電圧降下が転流ダイオード１０８の順電圧より小さいため、電流は転流ダイオード１０８を通って流れなくなる。

第３の位相では、ＦＥＴ１２２はオンに切り換えられ、パルス電流源１２０もオンに切り換えられる。この位相では、入力電流は、入力端子１０２から強制転流式の同期整流器１００に入り、パルス電流源１２０および転流ダイオード１０８を通って流れる。さらに、パルス電流源１２０は、転流ダイオード１０８およびＦＥＴ１２２を通って流れる転流電流を供給する。ノード１２４で、入力電流は出力端子１０４へ流れ、一方転流電流は、ＦＥＴ１２２を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ進む。

第４の位相では、転流電流がＦＥＴ１２２を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている間に、ＦＥＴ１２２はオフに切り換えられる。この位相では、転流電流は流れを止め、入力電流は転流ダイオード１０８を通って流れ、出力端子１０４から出力される。ＦＥＴ１２２の真性ボディダイオード１１８に関連する逆回復時間をなくすために、電流がＦＥＴ１２２を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ（真性ボディダイオード１１８とは反対の方向に）流れている間に、ＦＥＴ１２２はオフに切り換えられるべきである。４つの位相によって表される事象のシーケンスに従うことによって、転流電流がＦＥＴ１２２を通ってドレイン端子１１６からソース端子１１２へ流れている間に、ＦＥＴ１２２はオフに切り換えられる。したがって、ＦＥＴ１２２に関連する逆回復時間はなくなる。

上述の強制転流式の同期整流器１００は、様々な適用分野に対する構築ブロックとして利用することができる。具体的には、真性ボディダイオードを備えるスイッチング構成要素を利用するスイッチングの適用分野は、上述の強制転流式の同期整流器１００を利用することによってより効率的に実行することができる。さらに、バック変換器、ブースト変換器、およびバック−ブースト変換器などのスイッチング調整器も、上述の強制転流式の同期整流器１００を利用することができる。

従来のスイッチング調整器は、整流器を使用して、主ＦＥＴのオフ時間中にインダクタ電流に対する電流路を提供することができる。現在の改善によって、ＦＥＴスイッチの逆回復時間はかなり小さくなり、その結果エネルギーがほとんど放散されなくなってきたため、整流器をＦＥＴと交換することが実用的になってきた。しかし、高圧の適用分野では、逆回復時間は比較的大きく、著しいワット損をもたらし、ならびにＦＥＴのスイッチング周波数に制限をもたらす。

高圧の適用分野は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、上記の例示的な衛星用のバス、陸上および海上の産業用および軍事用航空機、太陽電池、風力、および波力の電源などを含むことができる。高圧の適用分野はまた、たとえばそれだけに限定されるものではないが、機上レーダ、通信システムなどの電池および他の高圧バスに供給する太陽電池およびエンジン電源を備える長期滞空無人航空機（ＵＡＶ）を含むことができる。追加として、高圧の適用分野は、それだけに限定されるものではないが、再利用可能な単一任務の車両などの宇宙船（有人および無人）を含むことができる。

ブースト変換器などの高圧スイッチング調整器の適用分野で整流器として利用されるＦＥＴの真性ボディダイオードの逆回復時間をなくすために、従来の整流器または同期スイッチＦＥＴを、図１に記載する強制転流式の同期整流器１００と交換することができる。スイッチを伴う整流の適用分野では、上述の４つの位相による整流サイクルを使用することができる。これらのサイクルを、整流器スイッチサイクルと呼ぶことができる。第４の位相は、整流器スイッチサイクルのスイッチオフ縁部で発生する。高圧整流器の適用分野では、ＦＥＴなどのスイッチに印加される電圧は、６０Ｖより大きくすることができる。

図２は、本開示の一実施形態による例示的な耐障害性の同期整流式のＰＷＭ調整器システム２００（システム２００）の図である。システム２００は、上述の強制転流式の同期整流器Ｓ１（ハイサイドスイッチ）と、ローサイドヒューズＦ１に結合されたローサイドスイッチＱ１と、出力キャパシタＣ１と、入力キャパシタＣ２と、ヒューズＦ２と、インダクタＬ１と、バイパス整流器ＣＲ１と、ヒューズＦ３と、ヒューズＦ４と、電流源Ｉｓｐと、電気的バス２０２と、共通の接地２０４とを備えることができる。システム２００は、同期整流式のブースト変換器として機能するように動作可能である。以下により詳細に説明するように、強制転流式の同期整流器Ｓ１ならびにヒューズＦ１〜Ｆ４の組合せを使用することによって、システム２００は、著しく低減させたワット損で耐障害性のシステムを提供し、したがってシステム２００の重量を低減させ、それによって宇宙船の重量を低減させる。

図２に示すように、ヒューズＦ１、Ｆ２、Ｆ３、およびＦ４は、それぞれローサイドスイッチＱ１、電流源Ｉｓｐ、入力キャパシタＣ２、および出力キャパシタＣ１に直列で結合される。その結果、システム１００のいずれかの構成要素が障害（たとえば、短絡）を有する場合、ヒューズＦ１〜Ｆ４の１つまたは複数が開き、電流源Ｉｓｐは、たとえばバイパス整流器ＣＲ１を通って電気的バス２０２を介して負荷２０６に接続されたままである。このようにして、システム２００は、耐障害性のシステムを提供する。障害は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、短絡、過負荷電流、閉固着障害などを含むことができる。本明細書では、短絡と障害を区別なく使用することがある。負荷２０６は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、電気的バス、機器、モータ、電池、加熱器、配電システムなどを含むことができる。

ローサイドヒューズＦ１は、ローサイドスイッチＱ１に直列で結合されており、強制転流式の同期整流器Ｓ１が短絡した場合は開くように動作可能である。このようにして、電流源Ｉｓｐは、バイパス整流器ＣＲ１と強制転流式の同期整流器Ｓ１の両方を通って電気的バス２０２に接続されたままになる。ローサイドヒューズＦ１はまた、Ｑ１が短絡した場合も開くように動作可能である。このようにして、電流源Ｉｓｐは、電気的バス２０２に接続されたままになる。

ヒューズＦ２は、電流源Ｉｓｐに直列で結合されており、バイパス整流器ＣＲ１が短絡した場合は開くように動作可能である。バイパス整流器ＣＲ１が短絡した場合、ヒューズＦ２が開くまで、インダクタＬ１、バイパス整流器ＣＲ１、および強制転流式の同期整流器Ｓ１の経路内を高い電流が循環する。このようにして、電流源Ｉｓｐは、電気的バス２０２に接続されたままになる。ヒューズＦ２はまた、電流源Ｉｓｐが共通の接地２０４に短絡した場合も開くように動作可能である。この場合、電流源Ｉｓｐは電気的バス２０２に電力を提供しなくなる。

強制転流式の同期整流器Ｓ１は、ヒューズＦ１、バイパス整流器ＣＲ１、出力キャパシタＣ１、インダクタＬ１、および電気的バス２０２に結合される。強制転流式の同期整流器Ｓ１（ハイサイドスイッチ）は、ＦＥＴ Ｑ２を備えており、電流源Ｉｓｐからの直流電流を、電気的バス２０２上の電圧調整された交流電流に変換するように動作可能である。通常、ハイサイドスイッチ（バスに結合）は整流器である。しかし、図１に示す実施形態では、強制転流式の同期整流器Ｓ１がハイサイドスイッチとして使用され、したがってワット損が著しく低減される。

同期整流は、電力デバイス内のワット損を低減させる。ワット損をより低くすることで、より少ないヒートシンク材料が必要とされ、構成要素をより密集してパッケージできるため、電力デバイスの重量を低減させる。このようにして、より少ない熱管理ハードウェアが必要とされるため、それだけに限定されるものではないが、宇宙船などの車両の重量を低減させることができる。同期整流はまた、伝達関数が動的に変化する不連続伝導モードでブースト変換器が機能する必要がないため、より広い範囲の電源（たとえば、電流源Ｉｓｐ）の変動およびバス電流にわたって制御ループの安定性を改善する。

出力キャパシタＣ１は、ヒューズＦ４および電気的バス２０２に直列で結合されており、電流源Ｉｓｐからの充電を受け取るように動作可能である。

入力キャパシタＣ２は、ヒューズＦ３に直列で結合されており、インダクタＬ１に対する交流接地を提供するように動作可能である。

インダクタＬ１は、ローサイドヒューズＦ１、ヒューズＦ２、入力キャパシタＣ２、および強制転流式の同期整流器Ｓ１に結合されており、システム２００のブースト変換器に対するエネルギー貯蔵を提供するように動作可能である。既存の解決策では、ローサイドスイッチＱ１が電流源Ｉｓｐを永久的に共通の接地に接続する場合、電力が失われる。しかし、既存の解決策とは対照的に、図１に示す実施形態では、ローサイドスイッチＱ１が電流源Ｉｓｐを共通の接地２０４に接続する場合、強制転流式の同期整流器Ｓ１がオンになり、ローサイドヒューズＦ１が開いて共通の接地２０４への短絡を取り除き、電流源Ｉｓｐを電気的バス２０２に接続（または結合）したままにする。

バイパス整流器ＣＲ１は、強制転流式の同期整流器Ｓ１、ヒューズＦ２、電流源Ｉｓｐ、および電気的バス２０２に結合されており、Ｆ２が開いている場合、電流を電気的バス２０２へ迂回させるように動作可能である。

電流源Ｉｓｐは、それだけに限定されるものではないが、太陽電池アレイ（たとえば、衛星または宇宙船バスの電源として使用）、電池などの電源を含むことができる。上記のように、システム２００はまた、それだけに限定されるものではないが、他の衛星および宇宙船航空機の電源、船上の発電機、列車の電源、太陽電池およびエンジンによって電力供給される長期の航空機および宇宙船（有人および無人）の電源などの他のタイプの電源を調整することができる。

電気的バス２０２は、電流を分散させるように動作可能であり、たとえばそれだけに限定されるものではないが、宇宙船のパワーバス、衛星のパワーバス、船舶の電気的バス、自動車の電気的バス、電力網の電気的バスなどとすることができる。

システム２００は、同期ブースト変換器として機能するように動作可能であり、ローサイドヒューズＦ１はローサイドスイッチＱ１に結合され、ローサイドヒューズＦ１およびヒューズＦ２は、ブーストインダクタ経路内でインダクタＬ１を通って結合される。このようにして、システム２００は、強制転流式の同期整流器Ｓ１、ローサイドスイッチＱ１、出力キャパシタＣ１、入力キャパシタＣ２、バイパス整流器ＣＲ１、および電流源Ｉｓｐなどのいずれかの電力段デバイスが短絡／障害モードで機能しなくなったとき、障害を自動的に除去する。

一実施形態では、キャパシタヒューズＦ３およびＦ４は、たとえばそれだけに限定されるものではないが、直列冗長キャパシタを含むことができる。

システム２００の結果、ブースト回路経路は、ダイオードが通常有するはずの電圧降下より低い電圧降下を有する１つのＦＥＴ（たとえば、Ｑ１またはＱ２）を備えるため、実質上最高の可能な効率が得られる。

電力段が同期整流式であるため、インダクタＬ１の電流は、連続モードで動作することができ、したがって制御ループの伝達関数は、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤの全動作範囲および電流源Ｉｓｐの電圧全体にわたってより均一になる。これにより、システム２００は、より低いインダクタンス値に対応することができ、より小さい重量につながる。

図３は、本開示の一実施形態による耐障害性の同期整流式の自動ＰＷＭ調整プロセス３００（プロセス３００）を示す例示的な流れ図である。プロセス３００に関連して実行される様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組合せによって機械的に実行することができる。プロセス３００は、任意の数の追加または代替のタスクを含むことができ、図３に示すタスクは、図示する順序で実行する必要はなく、またプロセス３００は、本明細書では詳細に記載しない追加の機能を有するより包括的な手順またはプロセス内へ組み込むことができることを理解されたい。

例示の目的で、プロセス３００の以下の説明では、図１〜２に関連して上記で述べた要素に言及することがある。実際の実施形態では、プロセス３００の一部分は、強制転流式の同期整流器Ｓ１（ハイサイドスイッチ）、ローサイドスイッチＱ１、出力キャパシタＣ１、入力キャパシタＣ２、ローサイドヒューズＦ１、ヒューズＦ２、インダクタＬ１、バイパス整流器ＣＲ１、ヒューズＦ３、ヒューズＦ４、電流源Ｉｓｐ、および電気的バス２０２など、システム１００〜２００の異なる要素によって実行することができる。プロセス３００は、図１〜２に示す実施形態に類似している機能、材料、および構造を有することができる。したがって、共通の特徴、機能、および要素については、ここでは繰り返し説明しないことがある。

プロセス３００は、バイパス整流器ＣＲ１に結合され、電気的バス２０２に結合されるように動作可能な強制転流式の同期整流器Ｓ１、強制転流式の同期整流器Ｓ１に結合されたインダクタＬ１、および共通の接地２０４に結合されたローサイドスイッチＱ１を使用して、電流源Ｉｓｐからの電流を電気的バス２０２に対する電流に同期整流すること（タスク３０２）によって始めることができる。

プロセス３００は、強制転流式の同期整流器Ｓ１およびローサイドスイッチＱ１に結合された第１のヒューズＦ１を提供すること（タスク３０４）によって継続することができる。

プロセス３００は、バイパス整流器ＣＲ１およびインダクタＬ１に結合された第２のヒューズＦ２を提供すること（タスク３０６）によって継続することができる。

図４は、本開示の一実施形態による耐障害性の同期整流式のＰＷＭ調整器システム２００を動作させるプロセス４００を示す例示的な流れ図である。プロセス４００に関連して実行される様々なタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組合せによって機械的に実行することができる。プロセス４００は、任意の数の追加または代替のタスクを含むことができ、図４に示すタスクは、図示する順序で実行する必要はなく、またプロセス４００は、本明細書では詳細に記載しない追加の機能を有するより包括的な手順またはプロセス内へ組み込むことができることを理解されたい。

例示の目的で、プロセス４００の以下の説明では、図１〜２に関連して上記で述べた要素に言及することがある。実際の実施形態では、プロセス４００の一部分は、強制転流式の同期整流器Ｓ１（ハイサイドスイッチ）、ローサイドスイッチＱ１、出力キャパシタＣ１、入力キャパシタＣ２、ローサイドヒューズＦ１、ヒューズＦ２、インダクタＬ１、バイパス整流器ＣＲ１、ヒューズＦ３、ヒューズＦ４、電流源Ｉｓｐ、および電気的バス２０２など、システム１００〜２００の異なる要素によって実行することができる。プロセス４００は、図１〜２に示す実施形態に類似している機能、材料、および構造を有することができる。したがって、共通の特徴、機能、および要素については、ここでは繰り返し説明しないことがある。

プロセス４００は、電気的バス２０２に結合された強制転流式の同期整流器Ｓ１、強制転流式の同期整流器Ｓ１および電流源Ｉｓｐに結合されたバイパスフィルタＣＲ１、強制転流式の同期整流器Ｓ１および入力キャパシタＣ２に結合されたインダクタＬ１、ならびに共通の接地２０４に結合されたローサイドスイッチＱ１を使用して、電流源Ｉｓｐからの電流を入力キャパシタＣ２に結合された電気的バス２０２に対する電流に同期整流することによって始めること（タスク４０２）ができる。

プロセス４００は、強制転流式の同期整流器Ｓ１内で障害が発生した場合、強制転流式の同期整流器Ｓ１およびローサイドスイッチＱ１に結合されたローサイドヒューズＦ１などの第１のヒューズを開くこと（タスク４０４）によって継続することができる。

プロセス４００は、ローサイドスイッチＱ１内で障害が発生した場合、ヒューズＦ１などの第１のヒューズを開くこと（タスク４０６）によって継続することができる。

プロセス４００は、電流源Ｉｓｐ内で障害が発生した場合、バイパス整流器ＣＲ１およびインダクタＬ１に結合されたヒューズＦ２などの第２のヒューズを開くこと（タスク４０８）によって継続することができる。

プロセス４００は、バイパス整流器ＣＲ１内で障害が発生した場合、第２のヒューズＦ２を開くこと（タスク４１０）によって継続することができる。

プロセス４００は、入力キャパシタＣ２内で障害が発生した場合、入力キャパシタＣ２および共通の接地２０４に結合されたヒューズＦ３などの第３のヒューズを開くこと（タスク４１２）によって継続することができる。

プロセス４００は、出力キャパシタＣ１内で障害が発生した場合、出力キャパシタＣ１および共通の接地２０４に結合されたヒューズＦ４などの第４のヒューズを開くこと（タスク４１４）によって継続することができる。

このようにして、本開示の実施形態は、いずれかの電力段デバイスが短絡モードで動作しなくなったとき、障害を自動的に除去する。ワット損を低減させるために、強制転流式の同期整流器が使用される。ワット損をより低くすることで、より少ないヒートシンク材料が必要とされ、構成要素をより密集してパッケージできるため、電力段デバイスの重量を低減させる。このようにして、より少ない熱管理ハードウェアが必要とされるため、宇宙船の重量などの重量を低減させることができる。この重量の節約はまた、実質上すべてのタイプの電源／負荷相互作用デバイスに必要とされる空間およびコストの節約につながる。

上記の説明では、ともに「接続」または「結合」された要素またはノードまたは特徴に言及する。本明細書では、別段明示しない限り、「接続」とは、１つの要素／ノード／特徴が別の要素／ノード／特徴に直接つなぎ合わされる（または直接連通する）ことを意味するが、必ずしも機械的につなぎ合わされる必要はない。同様に、別段明示しない限り、「結合」とは、１つの要素／ノード／特徴が別の要素／ノード／特徴に直接または間接的につなぎ合わされる（あるいは直接または間接的に連通する）ことを意味するが、必ずしも機械的につなぎ合わされる必要はない。したがって、図１〜２は要素の例示的な構成を示すが、本開示の一実施形態では、追加の介在要素、デバイス、特徴、または構成要素が存在することもある。

本明細書で使用される用語および語句、ならびにその変形は、別段明示しない限り、限定ではなくオープンエンド（ｏｐｅｎ ｅｎｄｅｄ）と解釈されるべきである。上記の例として、「含む」という用語は、「非限定的に含む」などを意味すると読まれるべきであり、「例」という用語は、議論される項目の例示的な場合を提供するために使用され、その徹底的または限定的なリストを提供するものではなく、また「従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）」、「従来の（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）」、「正常な」、「標準的な」、「周知の」、および類似の意味の用語などの形容詞は、記載する項目を、所与の期間に、または所与の時点で利用可能な項目に限定すると解釈されるべきではなく、代わりに、現在または将来の任意の時点で利用可能または周知の従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）、従来の（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）、正常な、または標準的な技術を包含するように読まれるべきである。

同様に、「および」という接続詞でつながれた１群の項目は、群内でそれらの項目のそれぞれがすべて存在することを必要とすると読まれるべきではなく、逆に、別段明示しない限り、「および／または」と読まれるべきである。同様に、「または」という接続詞でつながれた１群の項目は、その群内で相互排他性を必要とすると読まれるべきではなく、逆に、別段明示しない限り、同じく「および／または」と読まれるべきである。さらに、本開示の項目、要素、または構成要素を単数で記載または請求することがあるが、単数への限定が明示されない限り、複数も本開示の範囲内であることが企図される。場合によっては、「１つまたは複数」、「少なくとも」、「それだけに限定されるものではない」、または他の同様の語句などの包括的な言葉および語句の存在は、そのような包括的な語句がない場合により狭いケースが意図され、または必要とされることを意味するように読まれるべきではない。

本発明はまた、以下の実施形態に関する。
１．電気的バスに結合されるように動作可能な強制転流式の同期整流器と、
共通の接地に結合されるように動作可能なローサイドスイッチと、
強制転流式の同期整流器およびローサイドスイッチに結合された第１のヒューズであって、第１の障害に応答して開くように動作可能な第１のヒューズと、
第１のヒューズ、強制転流式の同期整流器、およびローサイドスイッチに結合されたインダクタと、
インダクタに結合された第２のヒューズであって、電流源に結合されるように動作可能であり、また第２の障害に応答して開くように動作可能な第２のヒューズと
を備える耐障害性の同期整流器のＰＷＭ調整器システム。
２．第１のヒューズが、強制転流式の同期整流器内の第１の障害に応答して開く、実施形態１に記載のシステム。
３．第１のヒューズが、ローサイドスイッチ内の第１の障害に応答して開く、実施形態１に記載のシステム。
４．第２のヒューズが、電流源内の第２の障害に応答して開く、実施形態１に記載のシステム。
５．第２のヒューズおよび強制転流式の同期整流器に結合されたバイパス整流器であって、電流源に結合されるように動作可能なバイパス整流器をさらに備え、第２のヒューズがバイパス整流器内の第２の障害に応答して開く、実施形態１に記載のシステム。
６．電流源が少なくとも１つの太陽電池パネルを備える、実施形態１に記載のシステム。
７．強制転流式の同期整流器に結合された電気的バスをさらに備え、電気的バスが宇宙船のパワーバスを構成する、実施形態１に記載のシステム。
８．インダクタに結合された入力キャパシタと、
入力キャパシタおよび共通の接地に直列で結合された第３のヒューズであって、入力キャパシタ内の第３の障害に応答して開くように動作可能な第３のヒューズと
をさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
９．第３のヒューズが直列冗長キャパシタを備える、実施形態８に記載のシステム。
１０．電気的バスに結合されるように動作可能な出力キャパシタと、
出力キャパシタおよび共通の接地に直列で結合された第４のヒューズであって、出力キャパシタ内の障害に応答して開くように動作可能な第４のヒューズと
をさらに備える、実施形態１に記載のシステム。
１１．第４のヒューズが直列冗長キャパシタを備える、実施形態１０に記載のシステム。
１２．強制転流式の同期整流器がワット損を低減させる、実施形態１に記載のシステム。
１３．強制転流式の同期整流器が、
ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子、ならびにカソード端子およびアノード端子を備える真性ボディダイオードを備える電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチと、
ＦＥＴスイッチに並列で電気的に結合された転流ダイオードであって、転流ダイオードのカソード端子が真性ボディダイオードのカソード端子に電気的に結合される、転流ダイオードと、
転流ダイオードに電気的に結合された選択的に制御される強制転流電流源であって、ＦＥＴスイッチがオンに切り換えられている間に転流ダイオードからＦＥＴスイッチへ転流電流を通し、それによって転流電流を真性ボディダイオードのカソード端子から真性ボディダイオードのアノード端子へ通すように動作可能な選択的に制御される強制転流電流源と
を備える、実施形態１に記載のシステム。
１４．耐障害性の同期整流式の自動ＰＷＭ調整方法であって、
バイパス整流器に結合され、電気的バスに結合されるように動作可能な強制転流式の同期整流器、強制転流式の同期整流器に結合されたインダクタ、および共通の接地に結合されたローサイドスイッチを使用して、電流源からの電流を電気的バスに対する電流に同期整流することと、
強制転流式の同期整流器およびローサイドスイッチに結合された第１のヒューズを提供することと、
バイパス整流器およびインダクタに結合された第２のヒューズを提供することと
を含む方法。
１５．強制転流式の同期整流器内の障害に応答して第１のヒューズを開くことと、
ローサイドスイッチ内の障害に応答して第１のヒューズを開くことと
をさらに含む、実施形態１４に記載の方法。
１６．電流源内の障害に応答して第２のヒューズを開くことをさらに含む、実施形態１４に記載の方法。
１７．第２のヒューズおよび強制転流式の同期整流器に結合されたバイパス整流器であって、電流源に結合されるように動作可能なバイパス整流器を提供することと、
バイパス整流器内の障害に応答して第２のヒューズを開くことと
をさらに含む、実施形態１４に記載の方法。
１８．インダクタに結合された入力キャパシタを提供することと、
入力キャパシタおよび共通の接地に直列で結合された第３のヒューズを提供することと、
入力キャパシタ内の障害に応答して第３のヒューズを開くことと
をさらに含む、実施形態１４に記載の方法。
１９．電気的バスに結合されるように動作可能な出力キャパシタを提供することと、
出力キャパシタおよび共通の接地に直列で結合された第４のヒューズを提供することと、
出力キャパシタ内の障害に応答して第４のヒューズを開くことと
をさらに含む、実施形態１４に記載の方法。
２０．ＰＷＭ調整器システムの耐障害性の同期整流を動作させる方法であって、
電気的バスに結合された強制転流式の同期整流器、強制転流式の同期整流器および電流源に結合されたバイパス整流器、強制転流式の同期整流器および入力キャパシタに結合されたインダクタ、ならびに共通の接地に結合されたローサイドスイッチを使用して、電流源からの電流を入力キャパシタに結合された電気的バスに対する電流に同期整流することと、
強制転流式の同期整流器内で障害が発生した場合、強制転流式の同期整流器およびローサイドスイッチに結合された第１のヒューズを開くことと、
ローサイドスイッチ内で障害が発生した場合、第１のヒューズを開くことと、
電流源内で障害が発生した場合、インダクタおよび電流源に結合された第２のヒューズを開くことと、
バイパス整流器内で障害が発生した場合、第２のヒューズを開くことと、
入力キャパシタ内で障害が発生した場合、入力キャパシタおよび共通の接地に結合された第３のヒューズを開くことと、
出力キャパシタ内で障害が発生した場合、出力キャパシタおよび共通の接地に結合された第４のヒューズを開くことと
を含む方法。

１００ 強制転流式の同期整流器、システム
１０２ 第１のバス、入力端子
１０４ 第２のバス、出力端子
１０６ 端子
１０８ 転流ダイオード
１１０ 駆動電圧源
１１２ ソース端子
１１４ ゲート端子
１１６ ドレイン端子
１１８ 真性ボディダイオード
１２０ パルス電流源
１２２ 電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
１２４ ノード
１４０ 強制転流回路
２００ 耐障害性の同期整流式のＰＷＭ調整器システム
２０２ 電気的バス
２０４ 共通の接地
２０６ 負荷
Ｃ１ 出力キャパシタ
Ｃ２ 入力キャパシタ
ＣＲ１ バイパス整流器
Ｆ１ ローサイドヒューズ、第１のヒューズ
Ｆ２ 第２のヒューズ
Ｆ３ キャパシタヒューズ、第３のヒューズ
Ｆ４ キャパシタヒューズ、第４のヒューズ
Ｉ_ＬＯＡＤ 負荷電流
Ｉｓｐ 電流源
Ｌ１ インダクタ
Ｑ１ ローサイドスイッチ、ＦＥＴ
Ｑ２ ＦＥＴ
Ｓ１ 強制転流式の同期整流器

Claims (10)

1. 電気的バスに結合されるように動作可能な強制転流式の同期整流器と、
   共通の接地に結合されるように動作可能なローサイドスイッチと、
   前記強制転流式の同期整流器および前記ローサイドスイッチに結合された第１のヒューズであって、第１の障害に応答して開くように動作可能な第１のヒューズと、
   前記第１のヒューズ、前記強制転流式の同期整流器、および前記ローサイドスイッチに結合されたインダクタと、
   前記インダクタに結合された第２のヒューズであって、電流源に結合されるように動作可能であり、かつ第２の障害に応答して開くように動作可能な第２のヒューズと、
   前記第２のヒューズおよび前記強制転流式の同期整流器に結合されたバイパス整流器であって、前記電流源に結合されるように動作可能なバイパス整流器と
   を備える耐障害性の同期整流器のＰＷＭ調整器システム。
2. 前記第１のヒューズが、前記強制転流式の同期整流器内の前記第１の障害、前記ローサイドスイッチ内の前記第１の障害、および前記電流源内の前記第２の障害の１つまたは複数に応答して開く、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２のヒューズが前記バイパス整流器内の前記第２の障害に応答して開く、請求項１に記載のシステム。
4. 前記電流源が少なくとも１つの太陽電池パネルを備えており、前記強制転流式の同期整流器に結合された前記電気的バスをさらに備え、前記電気的バスが宇宙船のパワーバスを構成する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記インダクタに結合された入力キャパシタと、
   前記入力キャパシタおよび前記共通の接地に直列で結合された第３のヒューズであって、前記入力キャパシタ内の第３の障害に応答して開くように動作可能である第３のヒューズと、
   前記電気的バスに結合されるように動作可能な出力キャパシタと、
   前記出力キャパシタおよび前記共通の接地に直列で結合された第４のヒューズであって、前記出力キャパシタ内の障害に応答して開くように動作可能である第４のヒューズと
   をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記強制転流式の同期整流器がワット損を低減させるものであり、
   ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子、ならびにカソード端子およびアノード端子を備える真性ボディダイオードを備えるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイッチと、
   前記ＦＥＴスイッチに並列で電気的に結合された転流ダイオードであって、そのカソード端子が前記真性ボディダイオードの前記カソード端子に電気的に結合されている転流ダイオードと、
   前記転流ダイオードに電気的に結合された選択的に制御される強制転流電流源であって、前記ＦＥＴスイッチがオンに切り換えられている間に前記転流ダイオードから前記ＦＥＴスイッチへ転流電流を通し、それによって転流電流を前記真性ボディダイオードの前記カソード端子から前記真性ボディダイオードの前記アノード端子へ通すように動作可能な選択的に制御される強制転流電流源と
   を備える、請求項１に記載のシステム。
7. 耐障害性の同期整流式の自動ＰＷＭ調整方法であって、
   バイパス整流器に結合されて、電気的バスに結合されるように動作可能な強制転流式の同期整流器、前記強制転流式の同期整流器に結合されたインダクタ、および共通の接地に結合されたローサイドスイッチを使用して、電流源からの電流を電気的バスに対する電流に同期整流することと、
   前記強制転流式の同期整流器および前記ローサイドスイッチに結合された第１のヒューズを提供することと、
   前記バイパス整流器および前記インダクタに結合された第２のヒューズを提供することと
   を含む方法。
8. 前記強制転流式の同期整流器内の障害に応答して前記第１のヒューズを開くことと、
   前記ローサイドスイッチ内の障害に応答して前記第１のヒューズを開くことと、
   前記電流源内の障害に応答して前記第２のヒューズを開くことと
   をさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２のヒューズおよび前記強制転流式の同期整流器に結合された前記バイパス整流器であって、前記電流源に結合されるように動作可能な前記バイパス整流器を提供することと、
   前記バイパス整流器内の障害に応答して前記第２のヒューズを開くことと、
   前記インダクタに結合された入力キャパシタを提供することと、
   前記入力キャパシタおよび前記共通の接地に直列で結合された第３のヒューズを提供することと、
   前記入力キャパシタ内の障害に応答して前記第３のヒューズを開くことと、
   前記電気的バスに結合されるように動作可能な出力キャパシタを提供することと、
   前記出力キャパシタおよび前記共通の接地に直列で結合された第４のヒューズを提供することと、
   前記出力キャパシタ内の障害に応答して前記第４のヒューズを開くことと
   をさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. ＰＷＭ調整器システムの耐障害性の同期整流を動作させる方法であって、
    電気的バスに結合された強制転流式の同期整流器、前記強制転流式の同期整流器および電流源に結合されたバイパス整流器、前記強制転流式の同期整流器および入力キャパシタに結合されたインダクタ、ならびに共通の接地に結合されたローサイドスイッチを使用して、電流源からの電流を、入力キャパシタに結合された前記電気的バスに対する電流に同期整流することと、
    前記強制転流式の同期整流器内で障害が発生した場合、前記強制転流式の同期整流器および前記ローサイドスイッチに結合された第１のヒューズを開くことと、
    前記ローサイドスイッチ内で障害が発生した場合、前記第１のヒューズを開くことと、
    前記電流源内で障害が発生した場合、前記インダクタおよび前記電流源に結合された第２のヒューズを開くことと、
    前記バイパス整流器内で障害が発生した場合、前記第２のヒューズを開くことと、
    前記入力キャパシタ内で障害が発生した場合、前記入力キャパシタおよび前記共通の接地に結合された第３のヒューズを開くことと、
    出力キャパシタ内で障害が発生した場合、前記出力キャパシタおよび前記共通の接地に結合された第４のヒューズを開くことと
    を含む方法。

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