JP7287693B2

JP7287693B2 - パワーサプライシステム

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Publication number: JP7287693B2
Application number: JP2021070437A
Authority: JP
Inventors: 睦鈞林
Original assignee: ▲けい▼宏電子企業有限公司
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2041-04-19
Also published as: JP2022165190A

Description

本発明はパワーサプライに関し、特に並列接続された多数の直流或いは交流パワーサプライの同期及びインターリーブフェーズシステムに関する。

電子技術の発展に従い、ＡＣ／ＤＣパワーサプライの応用も日増しに広がっている。
現在ＡＣ／ＤＣパワーサプライは、その作動原理及び設計構造の違いに基づき、リニアＡＣ／ＤＣパワーサプライ（ＬｉｎｅａｒＡＣ／ＤＣＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ）とスイッチングＡＣ／ＤＣパワーサプライ（ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＡＣ／ＤＣＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ）に分けられる。
リニアＡＣ／ＤＣパワーサプライの基本構造は、第一象限が直流で、第一象限及び第四象限が交流であるリニア増幅器及びバイポーラ直流パワーサプライからなる。
直流双方向に関しては、第一象限及び第二象限で、リニア増幅器は一般的にはＡ、Ｂ、ＡＢ等があり、パワーコンポーネントのリニア区を使用する。
ＡＣ／ＤＣパワーサプライをスイッチングする基本動作の象限はリニアＡＣ／ＤＣパワーサプライと同様であるが、増幅器はＤ類が主流で、Ｄ類増幅器のスイッチングの動作モードは、効率が高いという優位を備える。
ワイドバンドギャップ半導体（ＷＢＧ）の進歩、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）パワーコンポーネントの普及に従い、スイッチング動作は完璧になりつつある。
リニア増幅器とスイッチング増幅器の最大の違いは、前者がパワーコンポーネントのリニア区を使用するのに対し、後者は単純なスイッチング動作で、リニア増幅器は、スイッチング動作に関わらないため、スイッチング増幅器がマルチセット或いは複数台である時には、完全に異なる。

スイッチング増幅器はスイッチング動作を行うため、必ず周波数関係を備え、そのためパワーコンポーネントがスイッチング周波数の高低を決定する。
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のスイッチング周波数の大部分は２０ＫＨｚより小さく、金属酸化膜半導体電界効果（ＭＯＳＦＥＴ）のスイッチング周波数は、１１０ＫＨｚ～１５０ＫＨｚの間である。
これにより明らかなように、上述の各パーツの動作周波数の差異は、材料自体の特性による。
スイッチング動作は周波数に関わり、パワーコンポーネント動作周波数は制限を受けるため、インターリーブフェーズ（ＩｎｔｅｒｌｅａｖｅｄＰｈａｓｅ）方式を採用して上述の問題を解決する。
これにより、総出力周波数は、多数のスイッチング増幅器並列接続後の各スイッチング周波数を加算した和となる。
マルチセット或いは複数台のスイッチング増幅器を並列接続する時、スイッチング周波数はフェーズ関係を重視しなければならない。
これにより初めて、完全な周波数領域と時間領域の関係を確立できる。
また、スイッチング周波数が同期できるなら、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタリングを好ましく掌握できる。
マルチセットのスイッチングパワーサプライが同電位で動作する時、同期化或いは周波数逓倍及び逆位相関係となり、同様の目的で、インターリーブフェーズ後にさらに数台を並列接続し、フェーズ関係の確立はさらに必要である。

スイッチング周波数が高ければ高いほど、出力される電流波形はよりスムーズになり、リップル率は低下し、反応速度は速くなる。
リップル率を低下させる方式は同様に、フェーズインターリーブ技術を採用できる。
フェーズがインターリーブ前である時、そのリップル率は１で、フェーズがインターリーブ後のリップル率は１／Ｎで、Ｎは２～Ｘである。
例えば、特許文献１の「１ＭＨｚスイッチング周波数に達する多相式直流パワーサプライ」では、９相のフェーズインターリーブ技術を利用し、リップル率を低下させ、スイッチング周波数は１ＭＨｚ以上に達する。

業界では、大出力の産業設備或いは製品テストのニーズに対応するため、大出力の直流電源供給システムが必要とされている。
単一のＡＣ／ＤＣパワーサプライにより大出力のニーズに応えるなら、そのコストは高くなりすぎてしまう。
よって現在は、多数のＡＣ／ＤＣパワーサプライを並列接続し、同期させる方式で、大出力及び高周波数のニーズに対応している。
例えば、特許文献２の「スイッチングＡＣ／ＤＣパワーサプライのマルチ同期回路」、及び特許文献３の「ＡＣ／ＤＣパワーサプライのメイン／スレーブ制御システム」では、メイン／スレーブ制御方式により、マルチＡＣ／ＤＣパワーサプライを並列接続及び同期させ、高出力パワーを獲得し、大出力負荷の使用に供している。

しかし、マルチＡＣ／ＤＣパワーサプライ並列接続は、最大出力パワーを得ることはできるが、マルチＡＣ／ＤＣパワーサプライ全体の総出力リップル最大値が、各ＡＣ／ＤＣパワーサプライスイッチング周波数の出力リップル最大値を加算したものであるため、マルチＡＣ／ＤＣパワーサプライ並列接続後のリップルを効果的に低下させる必要がある。

台湾特許第Ｍ５２０７６７号明細書台湾特許第Ｍ４９０１６９号明細書台湾特許第Ｍ４８６２１０号明細書

先行技術のマルチＡＣ／ＤＣパワーサプライ並列接続は最大出力パワーを得ることはできるが、それ全体の総出力リップル最大値は各ＡＣ／ＤＣパワーサプライスイッチング周波数の出力リップル最大値を加算したものであるため、マルチＡＣ／ＤＣパワーサプライ並列接続後のリップルをいかにして効果的に低下させるかについて課題がある。

本発明は、上述に鑑みてなされたものであり、その目的は、ステイション・トゥ・ステイションの間に形成されるインターリーブフェーズにより、並列接続後の直流／交流パワーサプライシステム全体のスイッチング周波数を高めリップル率を低下させ、反応速度を高められるパワーサプライシステムを提供することにある。

本発明によるパワーサプライシステムは、マスター機、及び、複数台のスレーブ機を有する。前記マスター機及び前記スレーブ機は、それぞれ３組の３相のスイッチング回路を有する。各前記スイッチング回路は並列接続して設置される。各前記スイッチング回路の位相順序は、ローカルインターリーブフェーズコントローラーのインターリーブフェーズ作用を受け、９相を形成する。前記マスター機及び前記スレーブ機の各台直流パワーサプライは、３組の３相の前記スイッチング回路により形成される多相インターリーブフェーズ作用により、９相及び１ＭＨｚ前後のスイッチング周波数を生成し、１台の前記スレーブ機を並列接続すると、１８相及び２ＭＨｚ前後の周波数を生成し、前記マスター機及び前記スレーブ機の並列接続する台数の倍数のスイッチング周波数を生成する。
前記マスター機は、直流／交流のパワーサプライを提供でき、１個の連結ポートを設置し、前記連結ポートは、タイムベースセレクターに連結し、タイムベースジェネレーターは、前記タイムベースセレクターのタイムベースを提供し、前記タイムベースセレクターは、前記マスター機の前記連結ポートから外部入力されるタイムベースか、或いは前記マスター機内部の前記タイムベースジェネレーターが生成するタイムベースかを選択することができ、ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーにさらに連結し、前記ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーは、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーをさらに連結し、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーは、３組のスイッチング回路をさらに並列接続し、これにより各前記スイッチング回路のフェーズは、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーの制御を受け、インターリーブフェーズを形成し、複数台の前記スレーブ機は、直流／交流のパワーサプライを提供でき、各前記スレーブ機には、１個の連結ポートを設置し、前記連結ポートは、タイムベースセレクターに連結し、前記タイムベースセレクターは、前記スレーブ機の前記連結ポート外部のタイムベースか、或いは前記スレーブ機内部の前記タイムベースジェネレーターが生成するタイムベースかを選択することができ、ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーにさらに連結し、前記ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーは、ローカルインターリーブフェーズコントローラーをさらに連結し、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーは、３組のスイッチング回路をさらに並列接続し、これにより各前記スイッチング回路のフェーズは、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーの制御を受け、インターリーブフェーズを形成する。

これにより、前記マスター機と各前記スレーブ機は、それぞれ前記ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーにより、前記マスター機及び各前記スレーブ機の間のフェーズを制御し、前記マスター機及び各前記スレーブ機の間のインターリーブフェーズをさらに生成する。

本発明の一実施形態による多数の直流／交流パワーサプライが並列接続され、メイン機とスレーブ機の関係を示す模式図である。図１に示す本発明の一実施形態のブロック図である。本発明のその他の実施形態のブロック図である。

以下、本発明の実施形態によるパワーサプライシステムを図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

（一実施形態）
図１及び図２に示すように、パワーサプライシステムは、マスター機１０、及び、複数台のスレーブ機２０を有する。
マスター機１０は、直流／交流のパワーサプライを提供でき、１個の連結ポート１１を設置する。
連結ポート１１は、光ファイバー、同軸ケーブル或いはＬＡＮが使用するその内の一種の連結ポートを選択し、上述の連結ポートの種類に制限されない。
連結ポート１１は、インプット連結ポートＲＸ及びアウトプット連結ポートＴＸをさらに有する。
また、マスター機１０内には、タイムベースセレクター１２を設置する。
タイムベースセレクター１２一端と連結ポート１１とは電気的に連結し、他端は、ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラー１３に連結する。
タイムベースセレクター１２は、タイムベースジェネレーター１６にさらに連結し、これによりタイムベースセレクター１２は、マスター機１０連結ポート１１から外部入力されるタイムベースか、或いはマスター機１０内部のタイムベースジェネレーター１６が生成するタイムベースかを選択することができる。
本実施形態において、タイムベースセレクター１２は、マスター機１０内部のタイムベースジェネレーター１６が生成するタイムベースを選択する。
ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラー１３は、ローカルインターリーブフェーズコントローラー１４をさらに連結する。
ローカルインターリーブフェーズコントローラー１４は、３組の３相のスイッチング回路１５をさらに並列接続する。
各スイッチング回路１５は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ或いはＭＯＳＦＥＴ等の内の一種のパワーコンポーネントを選択して使用でき、上述のパワーコンポーネントの種類に限定されない。
本実施形態において、各スイッチング回路１５のスイッチング周波数は、約１１２ｋＨｚで、各スイッチング回路１５は、並列接続して設置される。
これにより、各スイッチング回路１５の位相順序は、ローカルインターリーブフェーズコントローラー１４のインターリーブフェーズ作用を受け、９相を形成する。
また、本実施形態において、マスター機１０は、リモートコントロールユニット２００を連結し、これによりマスター機１０をリモートコントロールでき、リモートコントロールユニット２００は、コンピューター或いはプログラム式コントローラーである。

複数台のスレーブ機２０は、直流／交流のパワーサプライを提供でき、各スレーブ機２０には、１個の連結ポート２１を設置する。
連結ポート２１は、光ファイバー、同軸ケーブル或いはＬＡＮが使用するその内の一種の連結ポートを選択し、上述の種類に限定されない。
本実施形態において、連結ポート２１は、ＲＪ４５連結ポートを選択でき、連結ポート２１は、１個の入力連結ポート及び１個の出力連結ポートを有する。
各スレーブ機２０の連結ポート２１とマスター機１０の連結ポート１０は共に、外部連結線の連結により電気的に連結する。
またスレーブ機２０内には、タイムベースセレクター２２を設置する。
タイムベースセレクター２２一端と連結ポート２１とは電気的に連結し、他端は、ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラー２３に連結する。
タイムベースセレクター２２は、タイムベースジェネレーター２６にさらに連結し、これによりタイムベースセレクター２２は、スレーブ機２０の連結ポート２１外部のタイムベースか、或いはスレーブ機２０内部のタイムベースジェネレーター２６が生成するタイムベースかを選択することができる。
本実施形態において、タイムベースセレクター１２は、外部のマスター機１０のタイムベースジェネレーター１６が生成するタイムベースを選択する。
これにより、スレーブ機２０のタイムベースもまた、マスター機１０のタイムベースジェネレーター１６により提供され、スレーブ機２０とマスター機１０は、同期を形成する。
ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラー２３は、ローカルインターリーブフェーズコントローラー２４をさらに連結する。
ローカルインターリーブフェーズコントローラー２４は、３組の３相のスイッチング回路２５をさらに並列接続する。
各スイッチング回路２５は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ或いはＭＯＳＦＥＴ等の内の一種のパワーコンポーネントを選択して使用でき、上述のパワーコンポーネントの種類に限定されない。
本実施形態において、各スイッチング回路２５のスイッチング周波数は約１１２ｋＨｚで、各スイッチング回路２５は、並列接続して設置される。
これにより各スイッチング回路２５の位相順序は、ローカルインターリーブフェーズコントローラー２４のインターリーブフェーズ作用を受けて９相形成される。

マスター機１０と各スレーブ機２０が並列接続されると、マスター機１０のタイムベースセレクター１２及び各スレーブ機２０のタイムベースセレクター２２は、マスター機１０のタイムベースジェネレーター１６が生成するタイムベースの受け取りを選択し、同期を形成する。
さらに、ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラー１３、２３を通して、マスター機１０はフェーズ基準ソースを生成する。
各スレーブ機２０に対して、マスター機１０のタイムベースによりフェーズシフトを行い、マスター機１０とスレーブ機２０の間のインターリーブフェーズ作用を生成する。
本実施形態において、各台直流パワーサプライ自体は、３組の３相スイッチング回路により形成される多相インターリーブフェーズ作用により、９相及び１ＭＨｚ前後のスイッチング周波数を生成できる。
よって、１台のマスター機１０が１台のスレーブ機２０を並列接続すると、１８相及び２ＭＨｚ前後のスイッチング周波数を生成できる。
これにより類推されるように、１台のマスター機が９台のスレーブ機を並列接続すると、９０相及び１０ＭＨｚ前後に達するスイッチング周波数を生成することができる。

（その他の実施形態）
図３に示すように、本発明のその他の実施形態では、マスター機１０のタイムベースは、外部のタイムベースジェネレーター３００により生成される。
本実施形態において、外部のタイムベースジェネレーター３００は、ルビジウム周波数標準発振器（ＲｕｂｉｄｉｕｍＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｔａｎｄａｒｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）で、タイムベースジェネレーター３００は、マスター機１０の入力連結ポートに連結する。
外部のタイムベースジェネレーター３００が生成する高周波精度により、マスター機１０により精密で正確なタイムベース周波数を提供することができる。
これにより、マスター機１０の時間精度はさらに高くなり、より高い精度のニーズに応えることができる。

本発明のスレーブ機２０内部には全てタイムベースジェネレーター２６を設置するため、スレーブ機２０とマスター機１０が並列接続して出力する時、マスター機１０の制御を受け、マスター機１０のタイムベースはマスター機１０と同期とする。
但し、スレーブ機２０が単機使用を採用し、マスター機１０と並列接続使用しない時、スレーブ機２０のタイムベースセレクター２２は、その内部のタイムベースジェネレーター２６が生成するタイムベースをタイムベースとする選択をし、マスター機１０と相同で、同様に独立作動の機能を備える。

本発明は、マスター機のタイムベースジェネレーターが生成するタイムベースにより、各スレーブ機とマスター機は同期のタイムベースを有し、タイムベースの同期により、マスター機とスレーブ機のフェーズ、周波数等はすべて制御を受け、各ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーを利用し、インターリーブフェーズ作用を生成する。
台数が多くなれば多くなるほど、その相数は多くなり、スイッチング周波数は高くなり、出力リップル率は低くなり、ＥＭＩノイズは少なくなり、より高品質の直流出力電源を得ることができる。
本発明はインターリーブフェーズ技術により等価動作周波数を高めることができる他、以下の長所を備える。
（１）比較的低い周波数を採用し、高周波効果を備えた電源を合成することができる。
（２）反応が速く、電流密度が高い。
（３）前のステージに対して脈動電流を低下し、前のステージの耐用性を高めることができる。

以上、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０マスター機、
１１連結ポート、
１２タイムベースセレクター、
１３ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラー、
１４ローカルインターリーブフェーズコントローラー、
１５スイッチング回路、
１６タイムベースジェネレーター、
２０スレーブ機、
２１連結ポート、
２２タイムベースセレクター、
２３ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラー、
２４ローカルインターリーブフェーズコントローラー、
２５スイッチング回路、
２６タイムベースジェネレーター、
２００リモートコントロールユニット、
３００タイムベースジェネレーター。

Claims

並列接続された多数の直流或いは交流パワーサプライの同期及びインターリーブフェーズシステムであって、
マスター機、及び、複数台のスレーブ機を有し、
前記マスター機及び前記スレーブ機は、それぞれ３組の３相のスイッチング回路を有し、各前記スイッチング回路は並列接続して設置され、各前記スイッチング回路の位相順序は、ローカルインターリーブフェーズコントローラーのインターリーブフェーズ作用を受け、９相を形成し、
前記マスター機及び前記スレーブ機の各台直流パワーサプライは、３組の３相の前記スイッチング回路により形成される多相インターリーブフェーズ作用により、９相及び１ＭＨｚ前後のスイッチング周波数を生成し、１台の前記スレーブ機を並列接続すると、１８相及び２ＭＨｚ前後の周波数を生成し、前記マスター機及び前記スレーブ機の並列接続する台数の倍数のスイッチング周波数を生成し、
前記マスター機は、直流／交流のパワーサプライを提供でき、１個の連結ポートを設置し、前記連結ポートは、タイムベースセレクターに連結し、タイムベースジェネレーターは、前記タイムベースセレクターのタイムベースを提供し、前記タイムベースセレクターは、前記マスター機の前記連結ポートから外部入力されるタイムベースか、或いは前記マスター機内部の前記タイムベースジェネレーターが生成するタイムベースかを選択することができ、ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーにさらに連結し、前記ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーは、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーをさらに連結し、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーは、３組のスイッチング回路をさらに並列接続し、これにより各前記スイッチング回路のフェーズは、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーの制御を受け、インターリーブフェーズを形成し、
複数台の前記スレーブ機は、直流／交流のパワーサプライを提供でき、各前記スレーブ機には、１個の連結ポートを設置し、前記連結ポートは、タイムベースセレクターに連結し、これにより前記タイムベースセレクターは、前記マスター機が生成するタイムベースを選択して使用し、前記タイムベースセレクターは、前記スレーブ機の前記連結ポート外部のタイムベースか、或いは前記スレーブ機内部の前記タイムベースジェネレーターが生成するタイムベースかを選択することができ、ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーにさらに連結し、前記ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーは、ローカルインターリーブフェーズコントローラーをさらに連結し、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーは、３組のスイッチング回路をさらに並列接続し、これにより各前記スイッチング回路のフェーズは、前記ローカルインターリーブフェーズコントローラーの制御を受け、インターリーブフェーズを形成し、
これにより、前記マスター機と各前記スレーブ機は、それぞれ前記ステイション・トゥ・ステイション同期及びインターリーブフェーズコントローラーにより、前記マスター機及び各前記スレーブ機の間のフェーズを制御し、前記マスター機及び各前記スレーブ機の間のインターリーブフェーズをさらに生成することを特徴とする、パワーサプライシステム。
前記マスター機及び前記スレーブ機の各組前記スイッチング回路は、３相の前記スイッ
チング回路を有し、
各前記スイッチング回路のスイッチング周波数は、約１１２ｋＨｚであることを特徴とする、請求項１に記載のパワーサプライシステム。
各前記スレーブ機内には、それぞれ１個のタイムベースジェネレーターを設置し、
前記マスター機は、リモートコントロールユニットに連結され、前記リモートコントロールユニットは、前記マスター機をリモートコントロールし、コンピューター或いはプログラム式コントローラーであることを特徴とする、請求項１に記載のパワーサプライシステム。
前記マスター機の前記タイムベースセレクターは、外部装置のタイムベースを選択して使用することを特徴とする、請求項１に記載のパワーサプライシステム。
前記外部装置は、前記マスター機の連結ポート入力端に連結し、前記タイムベースセレクターにより選択して使用されることを特徴とする、請求項４に記載のパワーサプライシステム。
前記外部装置は、ルビジウム周波数標準発振器であることを特徴とする、請求項４に記載のパワーサプライシステム。