JP6243098B2 - 電圧調整のための電圧制御電流源 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、概して電圧制御された電流源に関する。具体的には、本発明の実施形態は、電圧調整のための電圧制御電流源に関する。

以前の宇宙機の設計に使用される基本的なバス安定化方法は、ずらして設定された設定点によって各々が個別に安定化される三つの基本ユニットを有する一のシステムを含みうる。ずらした設定点は、中央増幅器が動作範囲全体に亘って変動するのに伴ってモードを切り換える。動作モード間のギャップは、連続的な負荷変化を受けたときにバスに大規模な低周波数リップルを生じうるバスの過渡状態を引き起こす場合がある。バスのインピーダンスは、制御が中央増幅器のモードを切り換える際に著しく高くなる場合がある。また、場合によっては、ソーラパネルのような電流源の能力が増大するか、又は負荷が変化するまで、限定された振幅の振動がバスに残る。

バス調整のための電圧制御電流源を提供するシステムと方法とが開示される。電流源から電気バスに送達されるバス電流は、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティサイクルに従い、同期スイッチを用いて制御される。更に、ＰＷＭデューティサイクルは、電気バスと基準電圧との比較に基づくエラー信号に比例するように制御される。

電圧制御電流源は、種々の動作モード間に認識可能な変化が生じることを防止しながら、従来の設計より安定化が容易で、且つ負荷の変化への応答が速いバス調整器を提供する。

一実施形態では、インダクタが、電流源に連結するように動作可能である。加えて、同期スイッチが、インダクタに連結して、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）デューティサイクルに従ってインダクタを電気バスに連結することにより、電気バスにバス電流を送達するように動作可能である。更に、ＰＷＭコントローラが、同期スイッチに連結して、バス電流が電流源由来のソース電流及び第１のＰＷＭデューティサイクルと比例するように第１のＰＷＭデューティサイクルを制御する。

別の実施形態では、電圧制御電流源によるバス調整の方法は、電流源から電気バスへ送達されるバス電流を、第１のＰＷＭデューティサイクルに従い、同期スイッチを用いて制御する。この方法は、更に、電気バスと基準電圧との比較に基づくエラー信号に比例するように第１のＰＷＭデューティサイクルを制御する。

また別の実施形態では、電圧制御電流源のバス調整器を操作する方法は、チャージ電流を受け取り、インダクタ及びアースに連結されたアース側スイッチを用いて、第２のＰＷＭデューティサイクルに従って、インダクタを流れるチャージ電流の流れを制御する。この方法は、更に、インダクタ及びアース側スイッチに連結された同期スイッチを用いて、フィードバック制御信号に比例する第１のＰＷＭデューティサイクルに従って、インダクタ由来のインダクタ電流の流れを制御する。

この概要の項では発明の概念の一部を簡潔に紹介しており、後述で更に詳細な説明を行う。この概要の項は、請求の範囲に記載される主題の重要な特徴又は必須の特徴を特定することを意図しておらず、また、請求の範囲に記載される主題の範囲を画定する補助として使用されることを意図しているのでもない。

本発明の実施形態の更に完全な理解は、後述の説明及び請求項を、添付図面と関連させて考慮することにより得ることができる。添付図面では、同様の参照番号は同様の要素を指している。添付図面は、本発明を理解し易くするために提供されているのであって、本発明の幅、範囲、規模、又は実用可能性を限定するものではない。添付図面は必ずしも正確な縮尺で作成されていない。

図１は、本発明の一実施形態による電圧制御電流源を有するバス調整器の一実施例を示している。 図２は、本発明の一実施形態による電圧制御電流源を有するバス調整システムの一実施例を示している。 図３は、本発明の一実施形態による、電圧制御電流源によるバス調整プロセスを示す例示的なフロー図である。 図４は、本発明の一実施形態による、電圧制御電流源によるバス調整器の作動プロセスを示す例示的なフロー図である。

後述の詳細な説明は、例示的な性質を有し、本発明又は出願と、本発明の実施形態の使用とを制限するものではない。特定の装置、技術、及び出願は、実施例として提供されているにすぎない。本明細書に記載される実施例への変更は当業者には自明であり、ここに規定される一般原理は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく他の実施形態及び用途に適用できる。本発明の開示内容は、特許請求の範囲と一致する範囲を有しており、本明細書に記載及び図示される実施例に限定されない。

本明細書において、本発明の実施形態は、機能的及び／又は論理的なブロック構成要素、並びに種々の処理ステップの観点から記載されている。このようなブロック構成要素は、特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、及び／又はファームウェア構成要素によって実現される。簡潔性のために、回路設計、制御システムの分析技術、及びシステム（並びにシステムの個々の動作構成要素）のその他機能的側面に関する従来の技術及び構成要素については、本明細書では詳細に記載しない。加えて、当業者であれば、本発明の実施形態を種々のハードウェア及びソフトウェアと組み合わせて実施できること、並びに本明細書に記載される実施形態が本発明の例示的な実施形態に過ぎないことを理解するであろう。

本発明の実施形態は、実用的且つ非限定的な用途に関連して、即ち有人及び無人の宇宙機の電気バスにおける電圧制御に関連して記載される。しかしながら、本発明の実施形態は、このような宇宙における宇宙機の用途に限定されず、本明細書に記載される技術は他の用途でも利用することができる。例えば限定しないが、実施形態は、有人及び無人の宇宙機、船舶、自動車、建造物、列車、潜水艦、種々の電圧変換の用途、及び回路などに適用可能である。

当業者が本明細書の記載を読めば理解するように、以下の記載は、本発明の実施例及び実施形態であり、これらの実施例に従う動作に限定されるものではない。他の実施形態を利用することができ、本発明の例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく構造の変更を行うことができる。

ソーラパネル調整器の前世代は、各ソーラパネル調整器のコンバータ設定点をわずかにずらして、各ソーラパネル調整器のローカルフィードバックループを使用していた。ローカルフィードバックループは電圧フィードバックを有し、バスが通常大型のコンデンサである一方で電力段はインダクタを有するため、ローカルフィードバックループは普通、二次伝達関数を含む二次系である。二次系に積算エラー増幅器が付加されると、帯域幅を犠牲にすることなく大きな安定余裕を達成することは難しい。加えて、コンバータは連続導通モードでも、非連続導通モードでも動作することができる。これにより、非連続モードにおいて二次伝達関数が一次の低帯域幅の系を表わすことになり、一方連続導通の間は二次伝達関数が二次系を表わすことになるので、複雑性が増す。一般に、このような組み合わせは、約１００ｋＨｚの開閉頻繁度でせいぜい約１ｋＨｚの帯域幅しか達成できない設計に帰結する。

本発明の種々の実施形態に従って調整器を設計するための新規アプローチは、電流源から電気バスへと送達される電流を制御することによりバス電流をエラー信号（電圧エラー信号）に線形的に比例させるフィードバックポートを含んでいる。電気バスのキャパシタンスに電力供給するこの電流源は、通常、一次伝達関数によって表わされる一次系である。この一次伝達関数に積算エラー増幅器が付加されると、増幅器の伝達関数の分子に一位の零点が付加されて、一次系が安定する。新規アプローチの幾つかの利点は、次のようなものである。

（１）調整器の伝達関数は、電圧制御電圧源ではなく電圧制御電流源である。これは、調整器（例えば、ローカルなソーラパネルの調整器）の伝達関数の次数が二次伝達関数から一次伝達関数に低下することを意味する。したがって、電気バス（例えば、宇宙機の電力バス）の制御ループを安定化させることがずっと容易である。更に、放電の間に電気バスを制御するために使用される双方向コンバータ（ＢＤＣ）の伝達関数も電流の伝達関数と同じ電圧を有する場合、中央増幅器が種々の動作モード間で切換わるときに、識別できるほどの放電は発生しない。

（２）調整器は連続導通モードでしか動作しないので、調整器の伝達関数が負荷電流によって変化することはない。したがって、本発明の実施形態を使用すると、３ｋＨｚのオーダーを有する帯域幅のエラー増幅器を開発することにより過渡応答を迅速化し、且つ安定余裕を改善することがずっと容易になる。

（３）モジュールは本質的に電流を共有する。これは、ＰＷＭコントローラ（例えば、１００ｋＨｚのＰＷＭモジュール）を中央増幅器によって制御される低周波数の電力スイッチと組み合わせるときに必要な特徴である。本明細書に記載される実施形態の場合、電力モジュール（例えば、電流源のバンク）をいつ切り換えて、低周波数電力スイッチにより電気バスに導入されうる過渡電流を調整するための正確な量だけ、ＰＷＭコントローラに合わせてエラー信号をリセットすべきかを知ることができる。

本発明の実施形態によって提供されるバス調整器システムにおいては、種々のコンバータを、バス調整器システムの基本的な制御伝達関数が電圧制御電流源であるように設計することができる。例えば限定しないが、考慮されうる少なくとも三つの異なるバス調整モードは、Ａ）ソーラパネル又は過電流がアースに分路されるその他の電源により動作するもの、Ｂ）ソーラパネル又は過電流がバッテリ又はその他の負荷に分路されるその他の電源により動作するもの、並びにＣ）バッテリ、或いはソーラパネル又はその他の電源の電流が負荷電流をサポートするのに不十分であるその他の負荷により動作するものである。

本発明の実施形態に従って制御回路が設計されていることにより、制御回路の基本的な伝達関数が電圧−電流コンバータを含み、バスのインピーダンスが本来容量性である場合、フィードバックシステムは、上記バス調整モードの各々からの負荷（例えば、宇宙機の負荷）の過渡状態において安定し且つ良好に挙動するように設計することができる。具体的には、本発明の実施形態は、過電流がアースに分路されている上記（Ａ）のバス調整モードに、ソーラパネル調整器又はその他の電源に基づく電圧−電流伝達関数を提供する。

本発明の実施形態は、ほぼ安定で、負荷の過渡状態に迅速に応答する新規ＰＷＭコントローラ設計を含んでいる。実施形態は、更に、中央増幅器のアプローチも包含しており、このアプローチでは、エラー増幅器の出力を一連の電圧しきい値と比較することにより、電力スイッチをオンにして電気バスに追加の電流を供給することができる。ＰＷＭスイッチ／コントローラへのエラー信号は素早く調節されて、電力スイッチにより電気バスに接続された電源アレーの合計と、ＰＷＭ制御スイッチによって電気バスに送達される電流とが、負荷電流とほぼ等しくなる。

図１は、本発明の一実施形態による電圧制御電流源によるバス調整システム１００（システム１００）の一実施例を示している。システム１００は、ブーストコンバータ１０２、ＰＷＭコントローラ１１６、電流源１０４（電流ＩＳＰを含む）、ソース側キャパシタンス１２８、及び電気バス１０６を含んでいる。

ブーストコンバータ１０２は、インダクタ１１０、同期スイッチ１１２（ハイサイド同期整流器／ＦＥＴ）、及びアース側スイッチ１１４（ローサイドＦＥＴ）を含んでいる。ブーストコンバータ１０２を使用して、例えば限定しないが、宇宙機の電力バス、ブースト側コンデンサ、衛星の電力バス、船舶の電気バス、自動車の電気バス、電力網の電気バス、バッテリーバスなどを調整することができる。ブーストコンバータ１０２は、電流源１０４に連結される。更に、ブーストコンバータ１０２は、電気バス１０６に連結されて、電気バス１０６の電圧を電流源１０４の電圧より高くなるまで上昇させる。

アース側スイッチ１１４は、インダクタ１１０に連結されて、ＰＷＭコントローラ１１６によって制御されるＰＷＭデューティサイクルに従って、インダクタ１１０をアース１０８に連結しる。これについては図２を参照して後述で更に詳しく説明する。アース側スイッチ１１４は、例えば限定しないが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、強制転流同期整流器などを含むことができる。アース側スイッチ１１４がオンになると、電流Ｄ×ＩＳＰはインダクタ１１０を通ってアース１０８へと流れる。

同期スイッチ１１２は、インダクタ１１０に連結されて、ＰＷＭデューティサイクルに従ってインダクタ１１０を電気バス１０６に連結することにより、電気バス１０６にバス電流を送達する。これについては図２を参照して後述で更に詳しく説明する。同期スイッチ１１２は、例えば限定しないが、流同期整流器スイッチ、双方向同期整流器スイッチ、強制転流同期整流器、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などを含むことができる。同期スイッチ１１２がオンになると、電流（１−Ｄ）×ＩＳＰは電気バス１０６へと流れる。

ＰＷＭコントローラ１１６は、同期スイッチ１１２に連結されて、バス電流が電流源１０４由来のソース電流及びＰＷＭデューティサイクルと比例するようにＰＷＭデューティサイクルを制御する。このようにして、ＰＷＭコントローラ１１６は、第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２（ＰＷＭ’）を生成することにより同期スイッチ１１２を駆動し、且つ第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４（ＰＷＭ）を生成することによりアース側スイッチ１１４を駆動する。第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２（ＰＷＭ’）は第１のＰＷＭデューティサイクルを含み、第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４（ＰＷＭ）は第２のＰＷＭデューティサイクルを含む。図１に示される実施形態では、第２のＰＷＭデューティサイクルは第１のＰＷＭデューティサイクルの逆であり、第１のＰＷＭデューティサイクルは第２のＰＷＭデューティサイクルの逆である。ＰＷＭコントローラ１１６が平均してデューティサイクルＤで動作するとき、電流Ｄ×ＩＳＰはアース側スイッチ１１４を介してアース１０８に分路され、電流（１−Ｄ）×ＩＳＰは電気バス１０６に受け渡される。ＰＷＭコントローラ１１６については、図２を参照して後述で更に詳細に説明する。

ソース側のキャパシタンス１２８は、インダクタ１１０に連結されて、例えば限定しないが、リップルコンデンサ、電流源１０４のリップルを減少させるように動作可能なコンデンサなどを含むことができる。一般に、ソース側のキャパシタンス１２８は、電流源１０４（例えば、ソーラアレイ）を越えた地点に配置されて、電流源１０４のリップル電圧を低下させることができる。しかしながら、ソース側のキャパシタンス１２８とブーストコンバータ１０２内のインダクタ１１０とはＬＣフィルタを形成することができ、このフィルタは、ＬＣフィルタが減衰されない状態で低周波数負荷の遷移状態が生じるとリンギングを生じる傾向を有する。

種々の実施形態を使用して、ＬＣフィルタを減衰させることができる。例えば、一実施形態では、ＬＣフィルタは過剰に減衰されて、したがってリンギングを生じない。しかしながら、過剰に減衰されたＬＣフィルタの減衰キャパシタは、高周波数のバイパスキャパシタの３倍以上の大きさを有さなければならず、且つバスの全電圧について評価されなければならないため、この減衰キャパシタは非常に大きなものになる。別の実施形態では、電流モード制御を使用することにより、ピーク電流フィードバックループを用いて（例えば、ピーク電流フィードバック信号２２２（ｌｐｋ ＦＢ）を用いて）ＬＣフィルタを減衰させる。これについては図２を参照して後述で更に詳細に説明する。また別の実施形態は、ソース側キャパシタンス１２８と並行に連結されたＲＣ回路を使用してＬＣフィルタを減衰させることを含む。これについては図２を参照して後述で更に詳細に説明する。

電流源１０４は電源を含むことができ、この電源は、限定しないが例えば、バッテリ、ソーラアレイ、燃料電池、衛星及び宇宙機航空機用電源、船上発電機、列車電源、潜水艦電源、ソーラ及びエンジン電池式の長期的な航空機及び宇宙機（有人及び無人）用電源、反応炉の過熱熱電対などである。

電気バス１０６は、例えば限定しないが、ブースト側キャパシタ、衛星の電力バス、船舶の電気バス、自動車の電気バス、電力網の電気バス、バッテリのバスなどを含むことができる。電気バス１０６は、周波数切り換えリップルを許容可能なレベルまで低下させるために、追加の出力キャパシタ１２６又はＬＣフィルタ（図示しない）も含むことができる。

図２は、本発明の一実施形態による電圧制御電流源によるバス調整システム２００（システム２００）の一実施例を示している。システム２００は、ブーストコンバータ１０２（図１）、及びフィードバック制御ループ２２４を含む。フィードバック制御ループ２２４は、電圧フィードバック増幅器２０２、ＰＷＭコントローラ１１６（図１）、及び内側フィードバックループ２１２を含む。

ブーストコンバータ１０２は、ブーストコンバータ１０２のインダクタ１１０（図１）とソース側キャパシタンス１２８とによって形成されるＬＣフィルタを減衰及び／又は安定化させる。ブーストコンバータ１０２はピーク電流フィードバック信号２２２（ｌｐｋ ＦＢ）を含むことができる。

電圧フィードバック増幅器２０２は、電気バス１０６の電圧をサンプリングして、電気バス１０６の電圧に基づいて電圧フィードバック信号２０４を生成する。基準電圧を含むデューティサイクルフィードバック信号２０８は、差分回路２０６によって電圧フィードバック信号２０４から抽出されて、エラー信号２１０（図１のＥＲＲ）を供給する。

ＰＷＭコントローラ１１６は、（ブーストコンバータ１０２からの）ピーク電流フィードバック信号２２２と、上述のエラー信号２１０（図１のＥＲＲ）とを受け取る。次いで、ＰＷＭコントローラ１１６は、第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２（図１）及び第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４（図１）を含むフィードバック制御信号を生成する。フィードバック制御信号１２４はブーストコンバータ１０２を制御し、次いでブーストコンバータ１０２は、電気バス１０６（図１）に送達されるバス電流を制御する。これにより、フィードバック制御信号２１４のＰＷＭデューティサイクルはピーク電流フィードバック信号２２２に比例し、電気バス１０６に送達されるバス電流はエラー信号２１０（電圧エラー信号／ＥＲＲ）に比例する。上述のように、エラー信号２１０（ＥＲＲ）は、電気バス１０６の電圧を含む電圧フィードバック信号２０４と、基準電圧を含むデューティサイクルフィードバック信号２０８との比較に基づいている。一実施形態では、ＰＷＭコントローラ１１６はアナログフィードバック制御信号（図示しない）を生成することができ、ＰＷＭは、このアナログフィードバック制御信号を変調することによりアナログフィードバック制御信号に比例するフィードバック制御信号２１４を生成する。

内側フィードバックループ２１２は、クリッパ２１６及びローパスフィルタ２２０を含んでいる。内側フィードバックループ２１２は、フィードバック制御信号２１４のＰＷＭデューティサイクル（例えば、第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２及び／又は第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４）を平均する。クリッパ２１６は、フィードバック制御信号２１４を受け取って、平均してフィードバック制御信号２１４のＰＷＭデューティサイクルに比例する波形（例えば、０〜５Ｖのピーク矩形波）を生成し、クリップされた信号２１８を生成する。ローパスフィルタ２２０は、このクリップされた信号２１８を受け取って、フィードバック制御信号２１４のデューティサイクルに比例するデューティサイクルフィードバック信号２０８（Ｄ ＦＢ）を生成する。ローパスフィルタ２２０はフィードバック制御信号２１４を平均するように機能し、したがってデューティサイクルフィードバック信号２０８はフィードバック制御信号２１４のＰＷＭデューティサイクルの平均電圧に基づく基準電圧を含む。

電流源１０４が不変の電流源（例えば、ソーラパネル）から構成される場合、フィードバック制御ループ２２４は、電気バス１０６に比例する電流（１−Ｄ）を送達することができる。フィードバック制御ループ２２４の利得は、電流源１０４の電流の振幅に比例して変動する。したがって、電圧制御電流源によるバス調整システム２００は、電圧制御電流源として機能する。

電圧制御電流源によるバス調整システム２００（ＰＷＭエラー増幅器）は、エラー信号２１０（即ち、電圧フィードバック信号２０４−デューディサイクルフィードバック信号２０８）を強制的に約０Ｖにする。（１−Ｄ）は、電気バス１０６に送達される電流に比例しているため、エラー信号２１０は、電気バス１０６に送達される電流に比例する。ＬＣフィルタを安定化させるために使用されるフィードバック制御ループ２２４は、電流モード制御でなくともよい。ＬＣフィルタ安定化のための他の方法は、例えば限定しないが、コンデンサの入力電流のＡＣ電流フィードバック、インダクタの集中電圧、インダクタの直流電流の測定などである。

一実施形態では、ＬＣフィルタは、ソース側キャパシタンス１２８と並列に連結されるＲＣ回路（図示しない）を用いて減衰される。一般に、ＲＣ回路の減衰コンデンサは、ＲＣ回路とＬＣフィルタの共鳴周波数とを併せた周波数の方が有意に低くなるように、ソース側キャパシタンス１２８（ＬＣフィルタのコンデンサ）より有意に大きくなければならない。したがって、このように有意に低い周波数においてＬＣフィルタを減衰するために、減衰コンデンサと直列のＲＣ回路のレジスタを選択しなければならない。

図３は、本発明の一実施形態による電圧制御電流源によるバス調整プロセス３００を示す例示的なフロー図である。プロセス３００に関連して実行される種々のタスクは、フトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又はそれらの何らかの組み合わせにより、機械的に実行される。プロセス３００は任意の数の追加タスク又は代替タスクを含むことができ、図３に示されるタスクは図示される順序で実行されなくともよく、プロセス３００は、本明細書には記載しない追加的な機能性を有するもっと包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。

説明を目的として、プロセス３００に関する以下の記載では、図１及び２に関連して上述した要素に言及することがある。実用的な実施形態では、プロセス３００の複数の部分は、システム１００〜２００の様々な要素、例えば、ブーストコンバータ１０２、電流源１０４、電気バス１０６、電圧フィードバック増幅器２０２、ＰＷＭコントローラ１１６、クリッパ２１６、ローパスフィルタ２２０などによって実行される。プロセス３００は、図１及び２に示された実施形態に類似の機能、材料、及び構造を有しうる。したがって、共通の特徴、機能、及び要素についてはここでは繰返して説明しない。

プロセス３００は、インダクタ１１０及びアース１０８に連結されたアース側スイッチ１１４においてチャージ電流（Ｄ×ＩＳＰ、例えば図１を参照）を受け取ることにより開始される（タスク３０２）。

続いて、プロセス３００は、第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４に従って、アース側スイッチ１１４を用いてチャージ電流（Ｄ×ＩＳＰ、例えば図１を参照）を制御する（タスク３０４）。第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４は、インダクタ１１０をチャージするためのチャージ用ＰＷＭデューティサイクルとして機能する第２のＰＷＭデューティサイクルを含む。

続いて、プロセス３００は、チャージ電流（Ｄ×ＩＳＰ、例えば図１を参照）によりインダクタ１１０をチャージする（タスク３０６）。

続いて、プロセス３００は、電流源１０４から電気バス１０６に送達されたバス電流（（１−Ｄ）×ＩＳＰ、図１）を、第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２に従って、同期スイッチ１１２を用いて制御する（タスク３０８）。上述のように、第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２は、第１のＰＷＭデューティサイクルを含む。

続いて、プロセス３００は、電気バス１０６の電圧と、基準電圧を含むデューティサイクルフィードバック信号２０８との比較に基づくエラー信号２１０と比例するように、ＰＷＭデューティサイクルを制御する（タスク３１０）。

続いて、プロセス３００は、バス電流（（１−Ｄ）×ＩＳＰ、図１）を用いて電気バス１０６を電圧調整する（タスク３１２）。

図４は、本発明の一実施形態による電圧制御電流源によるバス調整器の動作プロセス４００を示す例示的なフロー図である。プロセス４００に関連して実行される種々のタスクは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又はそれらの何らかの組み合わせにより、機械的に実行される。プロセス４００は任意の数の追加タスク又は代替タスクを含むことができ、図４に示されるタスクは図示される順序で実行されなくともよく、プロセス４００は、本明細書には記載しない追加的な機能性を有するもっと包括的な手順又はプロセスに組み込むことができる。

説明を目的として、プロセス４００に関する以下の記載では、図１及び２に関連して上述した要素に言及することがある。実用的な実施形態では、プロセス４００の複数の部分は、システム１００〜２００の様々な要素、例えば、ブーストコンバータ１０２、電流源１０４、電気バス１０６、電圧フィードバック増幅器２０２、ＰＷＭコントローラ１１６、クリッパ２１６、ローパスフィルタ２２０などによって実行される。プロセス４００は、図１及び２に示された実施形態に類似の機能、材料、及び構造を有しうる。したがって、共通の特徴、機能、及び要素についてはここでは繰返して説明しない。

プロセス４００は、チャージ電流（Ｄ×ＩＳＰ、図１）を受け取ることにより開始される（タスク４０２）。

続いて、プロセス４００は、インダクタ１１０及びアース１０８に連結されたアース側スイッチ１１４を用いて、第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４に従って、インダクタ１１０を通るチャージ電流（Ｄ×ＩＳＰ、図１）の流れを制御する（タスク４０４）。上述のように、第２のＰＷＭデューティサイクル信号１２４は、インダクタ１１０をチャージするためのチャージ用ＰＷＭデューティサイクルである第２のＰＷＭデューティサイクルを含んでいる。

続いて、プロセス４００は、インダクタ１１０及びアース側スイッチ１１４に連結された同期スイッチ１１２などの同期スイッチを用いて、第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２に従って、インダクタ１１０から電気バス１０６へのインダクタ電流（（１−Ｄ）×ＩＳＰ、図１）の流れを制御する（タスク４０６）。上述のように、第１のＰＷＭデューティサイクル信号１２２は、フィードバック制御信号２１４に比例する第１のＰＷＭデューティサイクルを含み、フィードバック制御信号２１４のＰＷＭデューティサイクルは、ピーク電流フィードバック信号２２２に比例する。

続いて、プロセス４００は、同期スイッチ１１２に電気バス１０６を連結する（タスク４０８）。電気バス１０６へのバス電流は、電気バス１０６の電圧フィードバック信号２０４と、基準電圧を含むデューティサイクルフィードバック信号２０８との比較（例えば、差分回路２０６による）に基づくエラー信号２１０に比例している。

続いて、プロセス４００は、フィードバック制御ループ２２４を使用して、インダクタ１１０及びソース側キャパシタンス１２８を含むＬＣフィルタを減衰させる（タスク４１０）。

或いは、プロセス４００は、続いて、ソース側キャパシタンス１２８に並列に連結されたＲＣ回路を使用してＬＣフィルタを減衰させる（タスク４１２）。

このように、本発明の実施形態は、過電流がアースに分路された電源調整器に基づく電圧−電流伝達関数を提供する。このようにして、電圧制御電流源により、電流源のバンクを使用したときに種々の動作モード間に認識可能な変化が生じることを防止しながら、従来の設計と比較して、安定化及び負荷の過渡変化への応答の迅速化が容易に行えるバス調整システムが提供される。

上記の記載は、互いに「接続された」又は「連結された」要素、ノード、又は機構に言及している。本明細書において使用される場合、特に断らない限り、「接続された」とは、必ずしも機械的にではないが、一の要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に直接に接合されている（又は直接に連絡している）ことを意味する。同様に、特に断らない限り、「連結された」とは、必ずしも機械的にではないが、一の要素／ノード／機構が別の要素／ノード／機構に直接又は間接に接合されている（或いは直接又は間接に連絡している）ことを意味する。このように、図１及び２は要素の例示的な配置を示しているが、本発明の一実施形態には追加的な介在要素、素子、機構、又は構成要素が存在してよい。

本明細書において使用される語句及び表現とその変形形態は、特に断らない限り、限定的にではなく、非限定的に解釈されるべきである。例えば、「含む」という語句は、「限定せずに含む」などを意味し、「例」という語句は、議論されているアイテムの包括的又は限定的なリストではなく、その例示的な事例を提供するものであり、「従来の」、「常套的な」、「通常の」、「標準的な」、「既知の」といった形容詞、及び同様の意味を有する語句は、アイテムを所与の期間に限定するものでも、所与の時点で利用可能なアイテムに限定するものでもなく、現在、又は未来のいずれかの時点で利用可能又は既知でありうる従来の、常套的な、通常の、又は標準的な技術を包含する。

同様に、接続詞「及び」で連結されたアイテムのグループは、グループ内に存在するそれらのアイテムの各々すべてが必要であることを意味しているのではなく、特に断らない限り、「及び／又は」で連結されていると理解されるべきである。同様に、接続詞「又は」で連結されたアイテムのグループは、グループ内のアイテムが互いに排他的であることを意味しているのではなく、特に断らない限り、「及び／又は」で連結されていると理解されるべきである。更に、本発明のアイテム、要素、又は構成要素が単数形で記載又は特許請求されているとしても、単数形に限ることが特に明記されていない限り、複数形もその範囲内に含まれると考慮される。「一又は複数の」、「少なくとも」、「限定しないが」、又はその他同様の表現のような、意味を拡大する語句及び表現は、そのような広義の表現が使用されない場合には狭義の事例が意図される又は必要とされることを意味するものではない。

本発明は、以下の実施形態にも関する。
１．バス調整のための電圧制御電流源であって、
電流源に連結するように動作可能なインダクタと、
インダクタに連結されて、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）デューティサイクルに従ってインダクタを電気バスに連結することにより、バス電流を電気バスに送達するように動作可能な同期スイッチと、
同期スイッチに連結されたＰＷＭコントローラであって、バス電流が電流源由来のソース電流及び第１のＰＷＭデューティサイクルに比例するように、第１のＰＷＭデューティサイクルを制御するように動作可能なＰＷＭコントローラと
を備えている電圧制御電流源。
２．第１のＰＷＭデューティサイクルがフィードバック制御信号に比例している、実施形態１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
３．バス電流が、電気バスの電圧と基準電圧との比較に基づくエラー信号に比例している、実施形態１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
４．基準電圧がＰＷＭデューティサイクルの平均電圧に基づいている、実施形態３に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
５．同期スイチが同期整流器スイッチである、実施形態１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
６．電気バスが、宇宙機の電力バス、衛星の電力バス、船舶の電気バス、自動車の電気バス、及び電力網の電気バスからなる群より選択される少なくとも一つから構成される、実施形態１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
７．インダクタに連結されて、ＰＷＭコントローラによって制御される第２のＰＷＭデューティサイクルに従ってインダクタをアースに連結するように動作可能なアース側スイッチを更に備えている、実施形態１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
８．インダクタに連結された電流源を更に備えている、実施形態１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
９．電気バスの電圧が電流源の電圧より高い、実施形態８に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
１０．電流源が、ソーラアレイ、バッテリ、燃料電池、及び発電機からなる群より選択される少なくとも一つの電源から構成される、実施形態８に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
１１．インダクタに連結されたコンデンサを更に備えており、このコンデンサが、インダクタに連結された電流源上のリップルを減少させるように動作可能である、実施形態１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
１２．電圧制御電流源によるバス調整方法であって、
第１のＰＷＭデューティサイクルに従って、同期スイッチを用いて、電流源から電気バスに送達されるバス電流を制御することと、
電気バスの電圧と基準電圧との比較に基づくエラー信号に比例するように、第１のＰＷＭデューティサイクルを制御することと
を含む方法。
１３．同期スイッチが同期整流器スイッチである、実施形態１２に記載の方法。
１４．インダクタ及びアースに連結されたアース側スイッチにおいてチャージ電流を受け取ることと、
第１のＰＷＭデューティサイクルの逆に基づくアース側スイッチを用いてチャージ電流を制御することと、
チャージ電流でインダクタをチャージすることと
を含む、実施形態１２に記載の方法。
１５．バス電流を用いて電気バスを電圧制御することを更に含む、実施形態１２に記載の方法。
１６．電圧制御電流源によりバス調整器を動作させる方法であって、
チャージ電流を受け取ることと、
インダクタ及びアースに連結されたアース側スイッチを用いて、第２のＰＷＭデューティサイクルに従って、インダクタを通るチャージ電流の流れを制御することと、
インダクタ及びアース側スイッチに連結された同期スイッチを用いて、フィードバック制御信号に比例する第１のＰＷＭデューティサイクルに従って、インダクタ由来のインダクタ電流の流れを制御することと
を含む方法。
１７．電気バスを同期スイッチに連結することを更に含む、実施形態１６に記載の方法。
１８．電気バスへのバス電流が、電気バスの電圧と基準電圧との比較に基づくエラー信号に比例する、実施形態１７に記載の方法。
１９．内側フィードバックループによりＬＣフィルタを減衰させることを更に含み、このＬＣフィルタがインダクタとソース側キャパシタンスとを含む、実施形態１６に記載の方法。
２０．ソース側キャパシタンスと並列に連結されたＲＣ回路を用いて、インダクタ及びソース側キャパシタンスを含むＬＣフィルタを減衰させることを更に含む、実施形態１６に記載の方法。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
バス調整のための電圧制御電流源であって、
電流源に連結するように動作可能なインダクタと、
インダクタに連結されて、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）デューティサイクルに従ってインダクタを電気バスに連結することにより、電気バスにバス電流を送達するように動作可能な同期スイッチと、
同期スイッチに連結されたＰＷＭコントローラであって、バス電流が、電流源由来のソース電流及び第１のＰＷＭデューティサイクルに比例するように、第１のＰＷＭデューティサイクルを制御するように動作可能なＰＷＭコントローラと
を備えている、バス調整のための電圧制御電流源。
（態様２）
第１のＰＷＭデューティサイクルがフィードバック制御信号に比例している、態様１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
（態様３）
バス電流が、電気バスの電圧と基準電圧との比較に基づくエラー信号に比例しており、且つ
基準電圧がＰＷＭデューティサイクルの平均電圧に基づいている、
態様１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
（態様４）
同期スイッチが同期整流器スイッチであり、且つ
電気バスが、宇宙機の電力バス、衛星の電力バス、船舶の電気バス、自動車の電気バス、及び電力網の電気バスからなる群より選択される少なくとも一つから構成されている、
態様１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
（態様５）
インダクタに連結されて、ＰＷＭコントローラによって制御される第２のＰＷＭデューティサイクルに従ってインダクタをアースに連結するように動作可能なアース側スイッチを更に備えている、態様１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
（態様６）
インダクタに連結された電流源を更に備えており、且つ
電気バスの電圧が電流源の電圧より高い、
態様１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
（態様７）
電流源が、ソーラアレイ、バッテリ、燃料電池、及び発電機からなる群より選択される少なくとも一つの電源から構成されている、態様６に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
（態様８）
インダクタに連結されたコンデンサであって、インダクタに連結された電流源上のリップルを減少させるように動作可能であるコンデンサを更に備えている、態様１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
（態様９）
電圧制御電流源によるバス調整方法であって、
第１のＰＷＭデューティサイクルに従って、同期スイッチを用いて、電源から電気バスに送達されるバス電流を制御することと、
電気バスの電圧と基準電圧との比較に基づくエラー信号に比例するように、第１のＰＷＭデューティサイクルを制御することと
を含む方法。
（態様１０）
同期スイッチが同期整流器スイッチである、態様９に記載の方法。
（態様１１）
インダクタ及びアースに連結されたアース側スイッチにおいてチャージ電流を受け取ることと、
第１のＰＷＭデューティサイクルの逆に基づくアース側スイッチを用いてチャージ電流を制御することと、
チャージ電流でインダクタをチャージすることと
を含む、態様９に記載の方法。
（態様１２）
バス電流を用いて電気バスを電圧制御することを更に含む、態様９に記載の方法。

１００、２００ 電圧制御電流源によるバス調整システム
１０２ ブーストコンバータ
１０４ 電流源
１０６ 電気バス
１０８ アース
１１０ インダクタ
１１２ 同期スイッチ
１１４ アース側スイッチ
１１６ ＰＷＭコントローラ
１２２ 第１のＰＷＭデューティサイクル信号
１２４ 第２のＰＷＭデューティサイクル信号
１２６ 出力キャパシタ
１２８ ソース側キャパシタンス
２０２ 電圧フィードバック増幅器
２０４ 電圧フィードバック信号
２０６ 差分回路
２０８ デューティサイクルフィードバック信号
２１０ エラー信号
２１２ 内側フィードバックループ
２１４ フィードバック制御信号
２１６ クリッパ
２１８ クリップされた信号
２２０ ローパスフィルタ
２２２ ピーク電流フィードバック信号
２２４ フィードバック制御ループ

Claims (8)

1. バス調整のための電圧制御電流源であって、
   電流源に連結されたインダクタと、
   ノードにおいてインダクタに連結されて、第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）デューティサイクルに従ってインダクタを電気バスに連結することにより、電気バスにバス電流を送達するように動作可能な同期整流スイッチと、
   同期整流スイッチに連結されたＰＷＭコントローラであって、バス電流が、電流源からのソース電流及び第１のＰＷＭデューティサイクルに比例するように、ピーク電流フィードバック信号及び誤差信号に基づいて第１のＰＷＭデューティサイクルを有する第１デューティサイクル信号を生成して制御する、ＰＷＭコントローラと、
   ノードにおいてインダクタに連結されて、ＰＷＭコントローラによって制御される第２デューティサイクル信号に従ってインダクタをアースに連結するように動作可能なアース側スイッチと、
   を備え、
   ピーク電流フィードバック信号は、電流源からインダクタ及びノードを経由してＰＷＭコントローラへフィードバックされる信号であり、
   誤差信号は、電圧フィードバック信号とデューティサイクルフィードバック信号との差分であり、
   電圧フィードバック信号は、電気バスのバス電圧であり、
   デューティサイクルフィードバック信号は、ＰＷＭコントローラから出力される第２デューティサイクル信号の平均電圧であり、
   第２デューティサイクル信号のＰＷＭデューティサイクルである第２のＰＷＭデューティサイクルは、第１のＰＷＭデューティサイクルに対して反転している
   バス調整のための電圧制御電流源。
2. 同期整流スイッチが強制転流同期整流器を有し、且つ
   電気バスが、宇宙機の電力バス、衛星の電力バス、船舶の電気バス、自動車の電気バス、及び電力網の電気バスからなる群より選択される一つを有する、請求項１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
3. インダクタに連結された電流源を更に備えており、且つ
   電気バスの電圧が電流源の電圧より高い、
   請求項１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
4. 電流源が、ソーラアレイ、バッテリ、燃料電池、及び発電機からなる群より選択される少なくとも一つの電源を有する、請求項３に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
5. インダクタに連結されたコンデンサであって、インダクタに連結された電流源上のリップルを減少させるように動作可能であるコンデンサを更に備えている、請求項１に記載のバス調整のための電圧制御電流源。
6. 電圧制御電流源によるバス調整方法であって、
   バス電流が、電流源からのソース電流及び第１のＰＷＭデューティサイクルに比例するように、ＰＷＭコントローラにおいて、ピーク電流フィードバック信号及び誤差信号に基づいて第１のＰＷＭデューティサイクルを有する第１デューティサイクル信号を生成して制御することと、
   第１のＰＷＭデューティサイクルに従って、ノードにおいてインダクタに連結された同期整流スイッチを用いて、インダクタに連結された電流源から電気バスに送達されるバス電流を制御することと、
   ノードにおいてインダクタに連結され、かつ、アースに連結されたアース側スイッチにおいて、チャージ電流を受け取ることと、
   ＰＷＭコントローラから出力される第２デューティサイクル信号のＰＷＭデューティサイクルである第２のＰＷＭデューティサイクルに従って、アース側スイッチを用いてチャージ電流を制御することと、
   チャージ電流でインダクタをチャージすることと、
   を含み、
   ピーク電流フィードバック信号は、電流源からインダクタ及びノードを経由してＰＷＭコントローラへフィードバックされる信号であり、
   誤差信号は、電圧フィードバック信号とデューティサイクルフィードバック信号との差分であり、
   電圧フィードバック信号は、電気バスのバス電圧であり、
   デューティサイクルフィードバック信号は、ＰＷＭコントローラから出力される第２デューティサイクル信号の平均電圧であり、
   第２のＰＷＭデューティサイクルは、第１のＰＷＭデューティサイクルに対して反転している、
   方法。
7. 同期整流スイッチが強制転流同期整流器を有する、請求項６に記載の方法。
8. バス電流が電気バスの電圧と独立になるように、バス電流を用いて電気バスを電圧調整することを更に含む、請求項６に記載の方法。

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