特許 6244045 効率を改善された集積モーター駆動パワーエレクトロニクスシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6244045

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】効率を改善された集積モーター駆動パワーエレクトロニクスシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20171127BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20171127BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 H

   H02M3/155 Z

   H02M7/48 Z

【請求項の数】11

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2016-573941(P2016-573941)

(86)(22)【出願日】2015年6月16日

(65)【公表番号】特表2017-518729(P2017-518729A)

(43)【公表日】2017年7月6日

(86)【国際出願番号】US2015035987

(87)【国際公開番号】WO2015195635

(87)【国際公開日】20151223

【審査請求日】2016年12月16日

(31)【優先権主張番号】14/307,728

(32)【優先日】2014年6月18日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】オルティズ，ジョー アンソニー

【審査官】 栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２５５４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１０５５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１３６６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０７０１９５０３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１０−１６６６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００６０６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流入力電源から引き込まれる電流を制御及び調整し、且つ、前記直流入力電源へフィードバックされる電流リプルを減衰するよう構成されるアクティブラインフィルタと、
前記アクティブラインフィルタの出力から直接に作動するよう構成される高電力モーター駆動エレクトロニクスと、
調整された電力をモーターへ供給し、前記モーターでの電圧を所定の出力電圧に調整し、前記モーターから前記直流入力電源へ電力を選択的に戻すよう構成される双方向低電圧電源と、
前記双方向低電圧電源の出力から作動するよう構成される低電力モーター駆動エレクトロニクスと、
前記アクティブラインフィルタの出力部へ結合され、前記高電力モーター駆動エレクトロニクス及び前記双方向低電圧電源のための局所入力電源として働くよう構成されるエネルギ保持キャパシタンスと
を有し、
前記双方向低電圧電源は、
調整された電力を前記モーターへ供給するよう構成される第１のディスクリート電力コンバータと、
前記第１のディスクリート電力コンバータの出力部から前記直流入力電源へ電力を選択的に戻し、前記モーターでの電圧を前記所定の出力電圧に調整するよう構成される第２のディスクリート電力コンバータと
を有し、
前記エネルギ保持キャパシタンスは、前記アクティブラインフィルタによって供給される電流と、前記高電力モーター駆動エレクトロニクスによって引き込まれる負荷電流に前記双方向低電圧電源によって引き込まれる負荷電流を加えたものとの間の差によって再充電される、
集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項2】

前記双方向低電圧電源は、電力変換を提供する第１の電力段と、該第１の電力段を制御して前記第１のディスクリート電力コンバータの出力部での電圧を第１の所定の出力電圧に調整する第１の誤差増幅器を含む第１の制御エレクトロニクスとを含み、
前記第２のディスクリート電力コンバータは、前記第１のディスクリート電力コンバータと反対の向きで並列に結合され、第２の電力段及び第２の制御エレクトロニクスを含み、前記第２の電力段は、前記第１のディスクリート電力コンバータの出力部からの電力を前記直流入力電源へ戻すように電力変換を提供するよう構成され、
前記第２の制御エレクトロニクスは、前記第２の電力段を制御し、前記双方向低電圧電源の出力部での電圧を第２の所定の出力電圧に調整するよう構成される第２の誤差増幅器を含む、
請求項１に記載の集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項3】

前記第１の誤差増幅器は、
前記第１のディスクリート電力コンバータの出力部での電圧が前記第１の所定の出力電圧を超える場合に、前記第１の誤差増幅器の出力電圧を低下させ、
前記第１のディスクリート電力コンバータの出力部での電圧が前記第１の所定の出力電圧よりも高いままである場合に、前記第１の誤差増幅器の前記出力電圧を更に低下させ、且つ、前記第１のディスクリート電力コンバータのデューティーサイクルをゼロに設定して該第１のディスクリート電力コンバータを無効にする
よう構成される、
請求項２に記載の集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項4】

前記双方向低電圧電源の出力部での電圧が前記第２の所定の出力電圧を超えることを前記第２の誤差増幅器が検出する場合に、該第２の誤差増幅器は、前記第２のディスクリート電力コンバータを有効にして電力を前記直流入力電源へ戻すように前記第２の誤差増幅器の出力電圧を高めるよう構成される、
請求項３に記載の集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項5】

前記第２のディスクリート電力コンバータは、前記第１のディスクリート電力コンバータの出力部での電圧が所定の出力電圧を下回るまで、前記第１のディスクリート電力コンバータの出力部から該第１のディスクリート電力コンバータの入力部へ電力を戻すよう構成される、
請求項１に記載の集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項6】

集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステムにおいて電力を供給する方法であって、
アクティブラインフィルタを用いて直流入力電源から引き込まれる電流を制御し、
前記直流入力電源へフィードバックされる電流リプルを減衰し、
前記アクティブラインフィルタの出力から直接に高電力モーター駆動エレクトロニクスを作動させ、
双方向低電圧電源を用いてモーターへ調整された電力を供給し、
前記モーターから前記直流入力電源へ電力を選択的に戻し、
前記モーターでの電圧を所定の出力電圧に調整し、
前記双方向低電圧電源の出力から低電力モーター駆動エレクトロニクスを作動させ、
前記高電力モーター駆動エレクトロニクス及び前記双方向低電圧電源のための局所入力電源を設ける
ことを有する方法。

【請求項7】

前記双方向低電圧電源の出力での電圧が前記所定の出力電圧を超える場合を検出し、
電力を前記直流入力電源へ戻し、
前記双方向低電圧電源の出力部での電圧を調整する
ことを更に有する請求項６に記載の方法。

【請求項8】

エキスパンダモーター及びバランサモーターを駆動するよう構成されるエキスパンダ及びバランサ駆動エレクトロニクスと、
直流入力電源へフィードバックされるリプル電流を減衰し、入力電圧トランジェントを減衰するよう構成されるアクティブラインフィルタと、
１つ以上のコンプレッサモーターを駆動し、前記アクティブラインフィルタの出力部から電力を引き込み且つ該出力部へ電力を戻すよう構成されるコンプレッサモーター駆動エレクトロニクスと、
前記エキスパンダ及びバランサ駆動エレクトロニクスへ電力を供給し、前記エキスパンダモーター及び前記バランサモーターのうちの少なくとも１つから前記アクティブラインフィルタの出力部へ電力を戻し、前記アクティブラインフィルタの出力から電磁干渉を低減し、前記直流入力電源において入力リプル電流を低減するよう構成される双方向低電圧電源と
を有する集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項9】

前記コンプレッサモーター駆動エレクトロニクスは、クライオクーラーの１つ以上のコンプレッサモーターを駆動するよう構成される、
請求項８に記載の集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項10】

前記アクティブラインフィルタの出力部へ結合され、前記コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス及び前記双方向低電圧電源のための局所入力電源として働くよう構成されるエネルギ保持キャパシタンスを更に有する
請求項９に記載の集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【請求項11】

前記直流入力電源へ反射される電圧トランジェント及びコンプレッサモーター駆動電流は低減され、
クライオクーラーモーターから供給される電力は、効率を高めるよう前記エネルギ保持キャパシタンスへ戻される、
請求項１０に記載の集積されたモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［優先権の主張］
本願は、２０１４年６月１８日付けで出願された米国特許出願第１４／３０７７２８号に基づく優先権を主張するものである。優先権の基礎となる米国特許出願は、その全文を参照により本願に援用される。

【0002】

［技術分野］
実施形態は、モーター駆動パワーエレクトロニクスに関係がある。いくつかの実施形態は、電子システムのためのモーター駆動パワーエレクトロニクスに関係がある。いくつかの実施形態は、クライオクーラー（cryocooler(s)）のためのモーター駆動パワーエレクトロニクスに関係がある。

【背景技術】

【0003】

通信システム、レーダーシステム、赤外線センサシステム、レーザー追跡システム、又は指向性エネルギシステムのような電子システムは、地上、移動体、空中、船上、又は宇宙船のいずれに置かれようとも、一般的に、電源から電力バスを介して電力を受けるいくつかのサブシステムを備える。あるサブシステムは、電源からリプル電流を引き込むことがある。これは、他のサブシステムに影響を及ぼすことがある。例えば、あるタイプのセンサシステムの場合に、極低温クーラー駆動エレクトロニクスシステムは、電力バスから３５から１００Ｈｚの間の公称周波数で１０アンペア以上のリプル電流を引き込んでよい。しかし、大きなリプル電流引き込みは、バスの安定性を損なうことがあり、且つ、バスを使用する他のエレクトロニクス、特に、低電力センサ信号を管理するもの、の性能を低下させうる。よって、ＭＩＬ−ＳＴＤ−４６１のような、伝導性放射ＥＭＩを制限する規定が課されている。

【0004】

大きいキャパシタ及びインダクタを有するパッシブフィルタは、電力バス上の電流リプルを低減するために使用されてきた。しかし、低周波フィルタバンド幅のために使用されるそのような大きいキャパシタ及びインダクタのサイズ及び重量は、サイズ及び重量が考慮される要素である用途にとってそれらのアプローチを望ましくないものとする。負荷と並列なシャントレギュレータも使用されてきた。そのようなシャントレギュレータは、軽負荷条件下で負荷電流を引き込み、システムの重負荷条件下でシャント電力を低減して、電源から引き込まれる正味電流をいくらか一定に保つ。このアプローチは、比較的軽い変動負荷についてうまく働くことができるが、電力を浪費する。高い電力で、又は大量のシャントレギュレータについて、シャント負荷の電力散逸は過大になり、正味の総電力引き込みを増大させ且つ電力システムの効率を低下させうる。ＡＣ結合型シャントレギュレータも使用されるが、それらも過大な電力散逸を欠点とし、そして、それらはＡＣ結合されていることから、バンド幅制限を欠点とする。

【0005】

加えて、モーターは、それらの動作サイクルのある部分の間、いくつかの動作条件において電源として働くことができる。従って、モーター駆動エレクトロニクスは、モーターから電力をシンクし且つ電力をモーターへ供給してよい。例えば、いくつかの電気自動車で使用されている回生制動（regenerative breaking）は、回生制動を提供する発電機としてドライブモーターを使用する。制動の量は、モーターから引き込まれる電力に比例する。最大効率のために、制動を提供するためにモーターから引き込まれる電力は、車両バッテリへ戻される。

【0006】

他の例として、上記の極低温クーラーがある。いくつかの極低温クーラーについて、モーターは、動作サイクルのある部分の間、電源として働き、流体からエネルギを吸収し、電力を供給することによって、ポジション制御制動又は温度制御を提供する。極低温クーラーシステムのモーター駆動エレクトロニクスは、従って、モーターへ電力を供給するだけでなく、モーターから電力をシンクする。

【0007】

このように、極低温クーラーシステムでは、モーターに対する双方向の電力フローが存在し、モーター駆動エレクトロニクスは、動作サイクルのある部分の間、エネルギをモーターへ供給し、そして、エネルギをモーターから受ける。従来、極低温クーラーシステムにおいて、いくつかのクライオクーラーモーターから供給される電力は、抵抗器又は他の負荷において単に散逸され、熱に変換されていた。結果として、電気エネルギは、蓄えたり又は何らかのタイプの仕事に変換されたりされず、従って無駄になる。小型コンバータは、極低温クーラー駆動エレクトロニクスにおいて、電力をモーターからシンクし、そして、いつでも電力を供給しているモーターのためのソースへ電力を戻すために使用されてきた。しかし、モーターから電力をシンクするための小型コンバータの使用は、モーターがいつでも電力を供給している極低温クーラーにおいてしか有用でない。

【0008】

よって、電気モーターを駆動し、リプル電流が電力バスへ反射されることを防ぐ必要性が存在する。すなわち、電力バスから引き込まれる入力電流を効率良く制御及び調整して、電力バスへフィードバックされるリプル電流を低減するシステム及び方法に対する一般的な必要性が存在する。加えて、モーターが電力を供給している時間中にモーター電力を入力電源へ効率良く戻す必要性が存在する。また、それらの機能の両方を提供する効率の良いモーター駆動電力システムに対する必要性が存在する。

【発明の概要】

【0009】

１つ以上の電気モーターを駆動し得る効率の良いモーター駆動電力システムのための装置及び方法であって、負荷電流変動及びリプルが電力バスへ反射されないように、電力バスから引き込まれる入力電流を制御及び調整するものが提供される。加えて、モーター駆動電力システムは、１つ以上のモーターが電力を供給している時間中に入力電源へモーター電力を効率良く戻す。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に従うモーター駆動パワーエレクトロニクスシステムを示す。

【0011】

【図2】実施形態に従う極低温クーラー用モーター駆動パワーエレクトロニクスシステムを示す。

【0012】

【図3】単方向ＬＶＰＳが電力をモータードライバへ供給し、モーターから供給される電力が抵抗負荷において散逸されるモーター駆動システムを示す。

【0013】

【図4】実施形態に従う双方向ＬＶＰＳモーター駆動システムのブロック図である。

【0014】

【図5】低電圧電力をモーター駆動エレクトロニクスへ供給するために、又はモーター駆動エレクトロニクスから電力をシンクし、電力をソースへ戻すために同期整流を使用する絶縁型多スイッチ式双方向電力コンバータを表す。

【0015】

【図6】実施形態に従う双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）のブロック図である。

【0016】

【図7】実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）であって、第２のコンバータの動作が第１のコンバータの誤差増幅器によって制御されるもののブロック図である。

【0017】

【図8】実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）の詳細なブロック図である。

【0018】

【図9】実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）の他の実施（インバータが誤差増幅器の前にある。）の詳細なブロック図である。

【0019】

【図10】実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）であって、第２のコンバータの動作が第１のコンバータの誤差増幅器によって制御されるものの詳細なブロック図である。

【0020】

【図11】実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）であって、第２のコンバータの動作が第１のコンバータの誤差増幅器によって制御されるものの他の実施の詳細なブロック図である。

【0021】

【図12】実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）であって、第２のコンバータの動作が第１のコンバータの誤差増幅器によって制御されるものの他の実施の詳細なブロック図である。

【0022】

【図13】実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）であって、第２のコンバータの動作が第１のコンバータの誤差増幅器によって制御されるものの実施の概略図である。

【0023】

【図14】実施形態に従う双方向ＬＶＰＳの概略図である。

【0024】

【図15】いくつかの実施形態に従うアクティブラインフィルタの機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下の説明及び図面は、具体的な実施形態を、それらを実施することを当業者に可能にするほど十分に表す。他の実施形態は、構造上の、論理上の、電気的な、プロセスの、及び多の変更を組み込んでよい。いくつかの実施形態の部分及び特徴は、他の実施形態のそれらに含まれるか、又は置換されてよい。特許請求の範囲で示される実施形態は、特許請求の範囲の全ての利用可能な均等を包含する。

【0026】

実施形態に従って、モーター駆動パワーエレクトロニクスシステムは、１つ以上のモーターへ電力を供給し、且つ、１つ以上のモーターが電力を供給している場合に入力電源へ電力を戻す。アクティブラインフィルタは、入力バスから引き込まれる入力電流をＤＣレベルに調整し、よって、電源へフィードバックされるリプル電流を減衰し、そして、出力電圧リプルに応じて入力電流を変調しないように追加の制御回路を含んでよい。

【0027】

次の米国特許は、参照により本願に援用される：米国特許第７０３８４３５号、米国特許第７０１９５０３号、及び米国特許第７１４１９４０号。次の特許出願は、参照により本願に援用される：２０１３年４月２日付けで出願された米国特許出願第１３／８５５２９８。

【0028】

本願において、実施形態は、電力をモーターへ供給し且つモーターからの電力を再利用すること、例えば、極低温クーラーモーター、に関連して説明され得る。なお、当業者であれば、本願で記載される実施形態は他の実施形態にも適用可能であってよく、従って、そのような説明に限定する意図はないことを認識するだろう。然るに、他の形態及び／又は表現は、本願で記載される実施形態の適用範囲から逸脱することなしに実施されてよい。

【0029】

図１は、実施形態に従うモーター駆動パワーエレクトロニクスシステム１００を表す。図１において、入力バス１１０はアクティブラインフィルタ１２０へ結合されている。アクティブラインフィルタ１２０は、入力バス１１０から引き込まれる調整されたＤＣ入力電流１１２を供給して、入力バス１１０へ反射されるリプル電流を低減する。アクティブラインフィルタ１２０は、入力バス１１０からエネルギ保持キャパシタンス１２４への単方向電力フロー１２１を供給し、且つ、調整された出力電圧１２２をエネルギ保持キャパシタンス１２４にわたって供給する。

【0030】

エネルギ保持キャパシタンス１２４は、アクティブラインフィルタ１２０の出力部にある高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０及び双方向ＬＶＰＳ１４０のための局所入力電源として働く。高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ１４０によって引き込まれる負荷電流を足したものがアクティブラインフィルタ１２０によって供給される電流に満たない間は、エネルギ保持キャパシタンス１２４は、アクティブラインフィルタ１２０によって供給される電流と、高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ１４０によって引き込まれる負荷電流を足したものとの間の差によって再充電される。高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ１４０によって引き込まれる負荷電流を足したものがアクティブラインフィルタ１２０によって供給される電流よりも大きい間は、エネルギ保持キャパシタンス１２４は、高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ１４０によって引き込まれる負荷電流を足したものと、アクティブラインフィルタ１２０によって供給される電流との間の電流の差を供給する。

【0031】

実施形態に従って、アクティブラインフィルタ１２０は、極めて低いバンド幅制御ループを備えた高スイッチング周波数連続電流ブーストコンバータであってよい。アクティブラインフィルタ１２０はまた、多数の他のスイッチングコンバータトポロジのいずれを利用してもよく、絶縁又は非絶縁出力を供給する。アクティブラインフィルタ１２０は、入力バス１１０から引き込まれる調整された入力電流１１２に極めて遅い出力電圧調整ループを提供するよう電流モード制御を用いて作動してよい。アクティブラインフィルタ１２０は、出力電圧フィードフォワードによるピーク電流モード制御、平均電流モード制御、又は調整された出力電圧１２２における出力電圧リプルに応じて入力電流１１２を変調しないように変形された平均電流モード制御を利用してよい。アクティブラインフィルタ１２０は、代替的に、電圧モード制御又はヒステリシス電流制御を用いて作動してよい。アクティブラインフィルタ１２０はまた、入力電圧トランジェントに対して及び出力負荷トランジェントに対して非常に速い応答を提供して、エネルギ保持キャパシタンス１２４において出力電圧１２２の調整を保つよう、入力電圧フィードフォワード信号（図示せず。）及び出力負荷フィードフォワード信号（図示せず。）を利用してよい。入力バス１１０から引き込まれる入力電流をＤＣレベルに調整することによって、アクティブラインフィルタ１２０は、エネルギ保持キャパシタンス１２４から高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０によって引き込まれる負荷電流と比べて、有意に減衰された電流リプルをＤＣ電流引き込みにもたらす。実施形態に従って、アクティブラインフィルタ１２０は、パッシブフィルタリングと比較して有意に低減されたサイズ及び重量において高スイッチング周波数で高い効率を保つよう、炭化ケイ素出力整流器を用いて実装されてよい。アクティブラインフィルタ１２０は、構成可能インターフェイス１２６を用いて、制御エレクトロニクス１６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス１６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0032】

高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０は、エネルギ保持キャパシタンス１２４へ結合されており、モーター１３２としてここでは示されている１つ以上の高電力モーターへ、それらのモーターが電力をシンクしている場合に駆動電力を供給し、高電力モーター１３２が電力を供給している場合には、高電力モーター１３２からエネルギ保持キャパシタンス１２４へ電力を戻す。然るに、高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０は、双方向の電力フロー１３４を供給する。高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０は、相当のリプル電流を引き込んでよい。高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０は、エネルギ保持キャパシタンス１２４から絶縁されている、又はエネルギ保持キャパシタンス１２４から絶縁されていない高電力モーター１３２へ電力を供給してよい。高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０は、構成可能インターフェイス１３６を用いて、制御エレクトロニクス１６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス１６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0033】

双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ；low voltage power supply）１４０は、エネルギ保持キャパシタンス１２４へ結合されており、エネルギ保持キャパシタンス１２４に蓄えられているエネルギによって給電される。双方向ＬＶＰＳは、双方向電力１５５を低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０へ供給してよく、バイアス電力１２５をアクティブラインフィルタ１２０へ供給してよく、バイアス電力１３５を高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０へ供給してよく、そして、低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０からエネルギ保持キャパシタンス１２４へ電力１５５を戻してよい。然るに、双方向ＬＶＰＳ１４０は、双方向電力フロー１４４を供給する。実施形態に従って、双方向ＬＶＰＳ１４０は、２つの電力コンバータ（図１に図示せず。）を使用してよく、第１の電力コンバータは、電力１５５を低電力駆動エレクトロニクス１５０へ供給してよく、バイアス電力１２５をアクティブラインフィルタ１２０へ供給してよく、バイアス電力１３５を高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０へ供給してよく、第２の電力コンバータは、電力１５５を低電力駆動エレクトロニクス１５０からシンクし、電力をエネルギ保持キャパシタンス１２４へ戻してよい。双方向ＬＶＰＳ１４０は、双方向電力１５５を低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０へ、電力１２５をアクティブラインフィルタ１２０へ、そして、電力１３５を、エネルギ保持キャパシタンス１２４から絶縁されている、又はエネルギ保持キャパシタンス１２４から絶縁されていない高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０へ供給してよい。双方向ＬＶＰＳ１４０は、構成可能インターフェイス１４６を用いて、制御エレクトロニクス１６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス１６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0034】

双方向ＬＶＰＳ１４０は、代替的に、２つよりも多い電力コンバータを使用してよく（図１に図示せず。）、例えば、第１の電力コンバータは、電力１５５を低電力駆動エレクトロニクス１５０へ供給してよく、第２のコンバータは、バイアス電力１２５をアクティブラインフィルタ１２０へ供給してよく、且つ、バイアス電力１３５を高電力モーター駆動エレクトロニクス１３０へ供給してよく、そして、第３のコンバータは、シンク電力１５５を低電力駆動エレクトロニクス１５０へ供給し、電力をエネルギ保持キャパシタンス１２４へ戻してよい。他のコンバータは、他の例として、独立した電力を制御エレクトロニクスへ供給するために加えられてよい。なお、２つのコンバータが、双方向ＬＶＰＳの動作を説明するために本願では記載される。

【0035】

低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０は、双方向ＬＶＰＳ１４０へ結合されている。低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０は、ここではモーター１５２及び１５３として示されている１つ以上の低電力モーターの動作を制御する。低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０は、駆動電力を低電力モーター１５２及び１５３へ供給し、低電力モーターが電力を供給している場合には低電力モーター１５２及び１５３から電力をシンクし、双方向ＬＶＰＳ１４０の出力部へ電力を戻す。然るに、低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０は、双方向電力フロー１５４を供給する。低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０は、双方向ＬＶＰＳ１４０の出力部から絶縁されている双方向電力フロー１５４を供給してよく、あるいは、双方向ＬＶＰＳ１４０の出力部から絶縁されていない双方向電力フロー１５４を供給してよい。低電力モーター駆動エレクトロニクス１５０は、構成可能インターフェイス１５６を用いて、制御エレクトロニクス１６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス１６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0036】

図２は、実施形態に従う極低温クーラー用モーター駆動パワーエレクトロニクスシステム２００を表す。入力バス２１０はアクティブラインフィルタ２２０へ結合されている。アクティブラインフィルタ２２０は、入力バス２１０から引き込まれる調整された入力電流２１２を供給して、入力バス２１０へ反射されるリプル電流を低減する。アクティブラインフィルタ２２０は、入力バス２１０からエネルギ保持キャパシタンス２２４への双方向の電力フロー２２１を供給し、且つ、調整された出力電圧２２２をエネルギ保持キャパシタンス２２４にわたって供給する。

【0037】

エネルギ保持キャパシタンス２２４は、アクティブラインフィルタ２２０の出力部にあるコンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０及び双方向ＬＶＰＳ２４０のための局所入力電源として働く。コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ２４０によって引き込まれる負荷電流を足したものがアクティブラインフィルタ２２０によって供給される電流に満たない間は、エネルギ保持キャパシタンス２２４は、アクティブラインフィルタ２２０によって供給される電流と、コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ２４０によって引き込まれる負荷電流を足したものとの間の差によって再充電される。コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ２４０によって引き込まれる負荷電流を足したものがアクティブラインフィルタ２２０によって供給される電流よりも大きい間は、エネルギ保持キャパシタンス２２４は、コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０によって引き込まれる負荷電流に双方向ＬＶＰＳ２４０によって引き込まれる負荷電流を足したものと、アクティブラインフィルタ２２０によって供給される電流との間の電流の差を供給する。

【0038】

実施形態に従って、アクティブラインフィルタ２２０は、極めて低いバンド幅制御ループを備えた高スイッチング周波数連続電流ブーストコンバータであってよい。アクティブラインフィルタ２２０はまた、多数の他のスイッチングコンバータトポロジのいずれを利用してもよく、絶縁又は非絶縁出力を供給する。アクティブラインフィルタ２２０は、入力バス２１０から引き込まれる調整された入力電流２１２に極めて遅い出力電圧調整ループを提供するよう電流モード制御を用いて作動してよい。アクティブラインフィルタ２２０は、出力電圧フィードフォワードによるピーク電流モード制御、平均電流モード制御、又は調整された出力電圧２２２における出力電圧リプルに応じて入力電流２１２を変調しないように変形された平均電流モード制御を利用してよい。アクティブラインフィルタ２２０は、代替的に、電圧モード制御又はヒステリシス電流制御を用いて作動してよい。アクティブラインフィルタ２２０はまた、入力電圧トランジェントに対して及び出力負荷トランジェントに対して非常に速い応答を提供して、エネルギ保持キャパシタンス２２４において出力電圧２２２の調整を保つよう、入力電圧フィードフォワード信号（図示せず。）及び出力負荷フィードフォワード信号（図示せず。）を利用してよい。入力バス２１０から引き込まれる入力電流をＤＣレベルに調整することによって、アクティブラインフィルタ２２０は、エネルギ保持キャパシタンス２２４からコンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０によって引き込まれる負荷電流と比べて、有意に減衰された電流リプルをＤＣ電流引き込みにもたらす。実施形態に従って、アクティブラインフィルタ２２０は、パッシブフィルタリングと比較して有意に低減されたサイズ及び重量において高スイッチング周波数で高い効率を保つよう、炭化ケイ素出力整流器を用いて実装されてよい。アクティブラインフィルタ２２０は、構成可能インターフェイス２２６を用いて、制御エレクトロニクス２６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス２６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0039】

コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０は、エネルギ保持キャパシタンス２２４へ結合されており、コンプレッサモーター２３２が電力をシンクしている場合にはモーター２３２へ駆動電力を供給し、コンプレッサモーター２３２が電力を供給している場合にはコンプレッサモーター２３２からエネルギ保持キャパシタンス２２４へ電力を戻す。然るに、コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０は、双方向の電力フロー２３４を供給する。コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０は、相当のリプル電流を引き込んでよい。コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０は、エネルギ保持キャパシタンス２２４から絶縁されている、又はエネルギ保持キャパシタンス２２４から絶縁されていないコンプレッサモーター２３２へ電力を供給してよい。コンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０は、構成可能インターフェイス２３６を用いて、制御エレクトロニクス２６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス２６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0040】

双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）２４０は、エネルギ保持キャパシタンス２２４へ結合されており、エネルギ保持キャパシタンス２２４に蓄えられているエネルギによって給電される。双方向ＬＶＰＳは、双方向電力２５５をエキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０へ供給してよく、バイアス電力２２５をアクティブラインフィルタ２２０へ供給してよく、バイアス電力２３５をコンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０へ供給してよく、そして、エキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０からエネルギ保持キャパシタンス２２４へ電力２５５を戻してよい。然るに、双方向ＬＶＰＳ２４０は、双方向電力フロー２４４を供給する。実施形態に従って、双方向ＬＶＰＳ２４０は、２つの電力コンバータ（図２に図示せず。）を使用してよく、第１の電力コンバータは、電力２５５をエキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０へ供給してよく、バイアス電力２２５をアクティブラインフィルタ２２０へ供給してよく、バイアス電力２３５をコンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０へ供給してよく、第２の電力コンバータは、電力２５５をエキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０からシンクし、電力をエネルギ保持キャパシタンス２２４へ戻してよい。双方向ＬＶＰＳ２４０は、電力２５５をエキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０へ、電力２２５をアクティブラインフィルタ２２０へ、そして、電力２３５を、エネルギ保持キャパシタンス２２４から絶縁されている、又はエネルギ保持キャパシタンス２２４から絶縁されていないコンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０へ供給してよい。双方向ＬＶＰＳ２４０は、構成可能インターフェイス２４６を用いて、制御エレクトロニクス２６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス２６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0041】

双方向ＬＶＰＳ２４０は、代替的に、２つよりも多い電力コンバータを使用してよく（図２に図示せず。）、例えば、第１の電力コンバータは、電力２５５をエキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０へ供給してよく、第２のコンバータは、バイアス電力２２５をアクティブラインフィルタ２２０へ供給してよく、且つ、バイアス電力２３５をコンプレッサモーター駆動エレクトロニクス２３０へ供給してよく、そして、第３のコンバータは、シンク電力２５５をエキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０へ供給し、電力をエネルギ保持キャパシタンス２２４へ戻してよい。他のコンバータは、他の例として、独立した電力を制御エレクトロニクスへ供給するために加えられてよい。なお、２つのコンバータが、双方向ＬＶＰＳの動作を説明するために本願では記載される。

【0042】

エキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０は、双方向ＬＶＰＳ２４０へ結合されている。エキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０は、エキスパンダ及びバランサモーター２５２及び２５３の動作を制御する。エキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０は、駆動電力をエキスパンダ及びバランサモーター２５２及び２５３へ供給し、モーターが電力を供給している場合にはエキスパンダ及びバランサモーター２５２及び２５３から電力をシンクし、双方向ＬＶＰＳ２４０の出力部へ電力を戻す。然るに、エキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０は、双方向電力フロー２５４を供給する。エキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０は、双方向ＬＶＰＳ２４０の出力部から絶縁されている双方向電力フロー２５４を供給してよく、あるいは、双方向ＬＶＰＳ２４０の出力部から絶縁されていない双方向電力フロー２５４を供給してよい。エキスパンダ及びバランサモーター駆動エレクトロニクス２５０は、構成可能インターフェイス２５６を用いて、制御エレクトロニクス２６０からの信号によって制御されてよく、あるいは、制御エレクトロニクス２６０へステータス報告を供給してよく、あるいは、その両方を行ってよい。

【0043】

図３は、単方向ＬＶＰＳ３４０が電力をモーター駆動エレクトロニクス３５０へ供給し、且つ、モーターから供給される電力が抵抗負荷３１５で散逸されるモーター駆動システム３００を示す。図３において、モーター駆動エレクトロニクス３５０は、低電圧電源（ＬＶＰＳ）３４０を通じて給電される。ＬＶＰＳ３４０は、モーター駆動エレクトロニクス３５０が、モーター３５２を直接駆動するよう、入力バスから一直線に作動する場合には、省略されてよい。図３において、単方向入力フロー３４４は、入力電源３１０によって供給される。低電圧電源（ＬＶＰＳ）３４０は、電力をモーター駆動エレクトロニクス３５０へ供給するために入力電源３１０を使用する。ＬＶＰＳ３４０は、入力電源３１０から絶縁されているモーター駆動エレクトロニクス３５０へ電力を供給する。代替的に、ＬＶＰＳ３４０は非絶縁電力を供給してよい。モーター駆動エレクトロニクス３５０は、電力をモーター３５２からシンクすること及び電力をモーターへ供給することによって、モーター３５２のための双方向電力フロー３５４を供給する。調整を保つよう、モーター３５２から供給される電力は、負荷抵抗３１５で散逸される。負荷抵抗３１５の抵抗は、ＬＶＰＳ３４０がいつでも電力を供給するよう有意に低い。

【0044】

モーター駆動エレクトロニクス３５０がＬＶＰＳ３４０によって供給される二次電力から離れて作動するような用途に関して、双方向ＬＶＰＳ（図示せず。）は電力を供給し、且つ、電力をシンクし、シンクされた電力を入力電源へ戻す。電力を入力電源へ戻すことによって、システム電力散逸は低減され、システム全体の効率は改善され得る。加えて、電力を入力へ戻すＬＶＰＳ双方向電力コンバータは、システムの熱負荷を低減することができる。

【0045】

図４は、実施形態に従うモーター駆動システム４００のブロック図である。図４において、双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）４４０は、電力をモーター駆動エレクトロニクス４５０へ供給し、且つ電力をモーター４５２から入力電源４１０へ戻す。然るに、双方向ＬＶＰＳ４４０は、双方向電力フロー４４４を供給する。ＬＶＰＳ４４０は、入力電源４１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス４５０へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ４４０は非絶縁電力を供給してよい。モーター駆動システム４００において、負荷抵抗器は、調整を保つことを目的としてモーター４５２から供給される電力を散逸させるために必要とされない。モーター駆動エレクトロニクス４５０を通る電力フローは、双方向電力フロー４５４である。

【0046】

図５は、同期整流を使用する絶縁型多スイッチ式双方向電力コンバータ５４０が、絶縁低電圧電力をモーター駆動エレクトロニクス５５０へ供給し、あるいは、電力をモーター駆動エレクトロニクス５５０からシンクして電力をソース５１０へ戻すモーター駆動システム５００を示す。図５において、入力電源５１０が電力を供給しているとき、ＬＶＰＳ５４０は、電力をモーター駆動エレクトロニクス５５０へ供給するフルブリッジコンバータとして動作する。モーター５５２が電力を供給している場合に、ＬＶＰＳ５４０の出力電流の方向は逆になり、ＬＶＰＳ５４０は、ＬＶＰＳの出力部から入力電源５１０へ電力を伝送する電流給電型（current-fed）コンバータとして動作し始める。ＬＶＰＳ制御エレクトロニクス５４９は、多スイッチ式双方向電力コンバータ５４０の動作を制御する。例えば、トランジスタＱ１ ５４１、Ｑ２ ５４５、Ｑ３ ５４２、Ｑ４ ５４３、Ｑ５ ５４７及びＱ６ ５４８の動作は、電力の供給及びシンクを制御するために使用される。

【0047】

然るに、多スイッチ式双方向電力コンバータ５４０は、同期整流器による電圧ダブラー（doubler）出力整流を使用してフルブリッジコンバータを提供する。なお、図５に示されている多スイッチ式双方向電力コンバータ５４０は、２つの単純なコンバータのためよりも多い部品を含み（例えば、２つの単純なコンバータのための２つのトランジスタに対して６つのトランジスタ）（例えば、図９を参照）、相応により大きい基板面積及び容量を含む。双方向電力フローのために使用され得る多数の他の代替のタイプの電力コンバータトポロジが存在する。代替案の一例において、双方向フライバックコンバータは、３つのパワーＭＯＳＦＥＴ、３つのパワー整流器、四巻線変圧器、及びパルス幅変調（ＰＷＭ；pulse width modulation）コントローラを使用する。

【0048】

高電力システムのために、同期整流を使用する多スイッチ式双方向電力コンバータ５４０は、電力を供給及びシンクし、シンクされた電力を入力電源５１０へ戻して、システムの電力散逸を低減し且つシステム全体の効率を改善するために使用されてよい。なお、低電力システムのために、多スイッチ式双方向電力コンバータのボリューム、費用及び複雑さは正当化され得ない。

【0049】

図６は、実施形態に従って、双方向ＬＶＰＳ６１４を使用するモーター駆動システム６００のブロック図である。図６において、ＬＶＰＳ６１４は、モーター駆動エレクトロニクス６１６への出力電圧を調整するよう構成された２つの単純な、ディスクリートの、安価なコンバータ６２２、６２４を含む。ＬＶＰＳ６１４は、入力電源６１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス６１６へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ６１４は非絶縁電力を供給してよい。第２のディスクリートコンバータ６２４は、反対の向きで第１のディスクリートコンバータ６２２と並列に結合されている。第１のコンバータ６２２は、モーターが負荷として駆動されている場合に、入力電源６１０からモーター駆動エレクトロニクス６１６へ電力を供給し、モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧を調整する。第１の電力コンバータ６２２は、このように、電力をモーター駆動エレクトロニクス６１６へ供給し、一方、第２の電力コンバータ６２４はオフである。その後に、モーターが電源として機能している場合に、第１のコンバータの出力電圧は増大し、第１のコンバータは遮断し、そして、第２のコンバータ６２４はモーター駆動エレクトロニクス６１６から電力をシンクし、モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧を調整しながら電力を入力電源６１０へ供給する。このように、電力がモーターによって供給されている場合に、例えば、冷却発展フェーズの間に、第１の電力コンバータ６２２はオフし、第２の電力コンバータ６２４はオンして、モーター駆動エレクトロニクス６１６から入力電源６１０へ電力を戻す。第１のディスクリート電力コンバータ６２２は、第１の電力段６４０及び第１の制御エレクトロニクス６２０を含む。第１の制御エレクトロニクス６２０は、第１の誤差増幅器６３０を含む。第２の電力コンバータ６２４は、第２の電力段６７０及び第２の制御エレクトロニクス６５０を含む。第２の制御エレクトロニクス６５０は、第２の誤差増幅器６６０を含む。誤差増幅器６６０は、モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧を、誤差増幅器６３０が調整するためにバイアスをかけられる電圧よりもわずかに高い電圧に調整するようバイアスをかけられる。

【0050】

双方向ＬＶＰＳコンバータ６１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス６１６へ供給するよう入力電源６１０へ結合されている。モーターが負荷として動作している場合に、第１のディスクリートコンバータ６２２は電力を供給し、モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧を所定の電圧に調整する。モーターが電源として機能し、モーター駆動エレクトロニクス６１６が第１のコンバータ６２２の出力部へ電力を戻す場合に、第１のコンバータ６２２の出力部での電圧は増大し、誤差増幅器６３０は電力段６４０を遮断し、第１のディスクリートコンバータ６２２の出力電力は、出力電圧がローに下がる時点までゼロへと低減される。第１のコンバータ６２２の出力部での電圧が十分に増大する場合に、誤差増幅器６６０は、モーター駆動エレクトロニクス６１６から電力をシンクして、電力を入力電源６１０へ供給するよう、電力段６７０をオンする。これは、モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧を低下させる。

【0051】

反対に、モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧が過剰に低下する場合には、第２のディスクリートコンバータ６２４のデューティーサイクル及び出力電力は低減されて、モーター駆動エレクトロニクス６１６からシンクされる電力は減り、入力電源６１０へ供給される電力は減る。このようにして、モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧は増大することができる。モーター駆動エレクトロニクス６１６への電圧が十分に低下する場合には、第２のディスクリートコンバータ６２４のデューティーサイクル及び出力電力は、出力電圧がハイになる時点まで、ゼロへと低減される。

【0052】

当業者であれば、２つのディスクリートコンバータ６２２、６２４は、絶縁フライバックコンバータ、絶縁フォワードコンバータ、若しくは夫々についてそれら一方、又は何らかの他のトポロジであってよいことを認識するだろう。しかし、実施形態は、それに関して制限されるよう意図されない点に留意されたい。入力電源６１０は、一次電力から予め絶縁されてよく、その場合に、２つのディスクリートコンバータ６２２、６２４は非絶縁コンバータであってよい。なお、実施形態は、それに関して制限されない。

【0053】

双方向ＬＶＰＳは、代替的に、２つよりも多い電力コンバータを使用してよい（図６に図示せず。）。例えば、１つの電力コンバータは、低電力駆動エレクトロニクスへ電力を供給してよく、第２のコンバータは、アクティブラインフィルタへ及び高電力モーター駆動エレクトロニクスへバイアス電力を供給してよく、第３のコンバータは、低電力駆動エレクトロニクスから電力をシンクし、電力をエネルギ保持キャパシタンスへ戻してよい。他のコンバータは、他の例として、独立した電力を制御エレクトロニクスへ供給するよう加えられてよい。２つの電力コンバータが本願では論じられているが、図は制限ではなく説明のために論じられており、実施形態はそれに関して制限されないことが理解されるべきである。

【0054】

成分値の初期許容量、ドリフト、又は温度係数に起因して、第２のディスクリートコンバータ６２４の電圧設定点は、第１のディスクリートコンバータ６２２の電圧設定点よりも低い方にドリフトすることがある。その場合に、２つの単純なコンバータは同時にオンして、電力をループにおいて循環させる。そのような電力の循環は、電力を浪費し、効率を低下させる。ディスクリートコンバータ６２２、６２２が同時にオンすることを防ぐ１つの方法は、第２のディスクリートコンバータ６２４のために相当により高い電圧調整設定点を使用することである。他の方法は、第１のディスクリートコンバータ６２２が動作しているときに第２のディスクリートコンバータ６２４をオフに保つことである。

【0055】

第１のディスクリートコンバータ６２２が電圧モード制御又は電流モード制御を使用するかどうかにかかわらず、第１のディスクリートコンバータ６２２の第１の誤差増幅器６３０の出力電圧は、モーターが電源として動作しており、コンバータ６２２の出力電圧が増大している時間中に、より低い出力電圧を得るようローに落ちる。また、第１のディスクリートコンバータ６２２の第１の誤差増幅器６３４０の出力電圧は、モーターが負荷として動作しており、コンバータ６２２の出力電圧が低下している時間中に、より高い出力電圧を得るようハイに上がる。このように、第１のディスクリートコンバータ６２２の第１の誤差増幅器６３０の出力電圧は、より多いスループット電力又は出力電圧が必要とされるかどうか、又はより少ないスループット電力又は出力電圧が必要とされるかどうかを示し、よって、第１のディスクリートコンバータ６２２の第１の誤差増幅器６３０の出力電圧は、第２のディスクリートコンバータ６２４をオン又はオフするようトリガするために使用されてよい。

【0056】

第２のディスクリートコンバータ６２４を有効にするために、あるいは、反対に、第２のディスクリートコンバータ６２４を無効にするために、第１のディスクリートコンバータ６２２の第１の誤差増幅器６３０の出力電圧を使用するいくつかの方法がある。

【0057】

また、ブロック図で表される双方向ＬＶＰＳを実装するいくつかの方法がある。双方向ＬＶＰＳの実施形態の数例がここで与えられる。なお、それらの数例は実例であって制限されない点が留意されるべきである。

【0058】

図７は、実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）７１４を使用するモーター駆動システム７００のブロック図である。ＬＶＰＳ７１４は、入力電源７１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス７１６へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ７１４は非絶縁電力を供給してよい。図７において、双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）７１４は、第１のディスクリート電力コンバータ７２２及び第２のディスクリート電力コンバータ７２４を含む。第１のディスクリート電力コンバータ７２２は、第１の電力段７４０及び第１の制御エレクトロニクス７２０を含む。第１の制御エレクトロニクス７２０は、第１の誤差増幅器７３０を含む。第２の電力コンバータ７２４は、第２の電力段７７０及び第２の制御エレクトロニクス７５０を含む。第２の制御エレクトロニクス７５０は、第２の誤差増幅器７６０を含む。図７において、第２のコンバータ７２４は、信号７３６を用いて第１のコンバータ７２２の誤差増幅器７３０によって制御される。信号７３６は、誤差増幅器７３０の直接出力であってよく、あるいは、誤差増幅器７３０の出力から生成された信号であってよい。

【0059】

双方向ＬＶＰＳコンバータ７１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス７１６へ供給するよう入力電源７１０へ結合されている。モーターが負荷として動作している場合に、第１のディスクリートコンバータ７２２は電力を供給し、モーター駆動エレクトロニクス７１６への電圧を第１のディスクリート電力コンバータ７２２の出力部での所定の電圧に調整する。誤差増幅器７３０は、信号７３６によって第２のディスクリートコンバータ７２４をオフしたままとする。モーターが電源として機能し、モーター駆動エレクトロニクス７１６が第１のコンバータ７２２の出力部へ電力を戻す場合に、第１のコンバータ７２２の出力部での電圧は増大し、誤差増幅器７３０は電力段７４０を遮断し、第１のディスクリートコンバータ７２２の出力電力は、出力電圧が下がる時点までゼロへと低減される。誤差増幅器７３０がローに落ちることは、信号７３６によって第２のコンバータ７２４を有効にする。第１のコンバータ７２２の出力部での電圧が十分に増大する場合に、誤差増幅器７６０は、モーター駆動エレクトロニクス７１６から電力をシンクして、電力を入力電源７１０へ供給するよう、第２のディスクリートコンバータ７２４の電力段７７０をオンする。これは、モーター駆動エレクトロニクス７１６への電圧を低下させる。

【0060】

モーター駆動エレクトロニクス７１６への電圧が増大する場合には、第２のディスクリートコンバータ７２４のデューティーサイクル（及び出力電力）は、モーター駆動エレクトロニクス７１６から追加の電力をシンクし、追加の電力を入力電源７１０へ供給するよう、増大する。これは、モーター駆動エレクトロニクス７１６への電圧を低下させる。

【0061】

反対に、モーター駆動エレクトロニクス７１６への電圧が低下する場合には、第２のディスクリートコンバータ７２４のデューティーサイクル及び出力電力は低減されて、モーター駆動エレクトロニクス７１６からシンクされる電力は減り、入力電源７１０へ供給される電力は減る。このようにして、モーター駆動エレクトロニクス７１６への電圧は調整される。

【0062】

モーターが再び負荷として動作し、モーター駆動エレクトロニクス７１６が第１のコンバータ７２２の出力部から電力を引き込む場合に、第１のコンバータ７２２の出力部での電圧は低下する。誤差増幅器７３０は、より低い電圧を検知し、その出力電圧を増大させて、電力段７４０を有効にし、そして、第１のディスクリートコンバータ７２２は、電力を供給し、モーター駆動エレクトロニクス７１６への電圧を所定の電圧に調整する。誤差増幅器７３０はまた、信号７３６によって第２のディスクリートコンバータ７２４をオフしたままとする。このように、図７の双方向ＬＶＰＳ７１４において、第１のディスクリート電力コンバータ７２２の誤差増幅器７３０の出力電圧は、第２のディスクリート電力コンバータ７２４を制御するために使用される。

【0063】

図８は、実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）８１４の概略図を示すモーター駆動システム８００のブロック図である。ＬＶＰＳ８１４は、入力電源８１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス８１６へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ８１４は非絶縁電力を供給してよい。双方向ＬＶＰＳ８１４は、第１のディスクリート電力コンバータ８２２及び第２のディスクリート電力コンバータ８２４を含む。第１のディスクリート電力コンバータ８２２は、第１の電力段８４０及び第１の制御エレクトロニクス８２０を含む。第１の制御エレクトロニクス８２０は、第１の誤差増幅器８３０及び第１のパルス幅変調器（ＰＷＭ）８３２を含む。第１のＰＷＭ８３２は、誤差増幅器８３０の出力電圧を電力段８４０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器８３０がコンバータ電力段８４０の出力電力を制御することを可能にする。第２の電力コンバータ８２４は、第２の電力段８７０及び第２の制御エレクトロニクス８５０を含む。第２の制御エレクトロニクス８５０は、第２の誤差増幅器８６０、第２のパルス幅変調器（ＰＷＭ）８７２、及び反転増幅器８８０を含む。ＰＷＭ８７２は、反転増幅器８８０の出力電圧を電力段８７０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器８６０がコンバータ電力段８７０の出力電力を制御することを可能にする。双方向ＬＶＰＳ８１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス８１６へ供給するよう入力電源８１０へ結合されている。

【0064】

図８において、第２のディスクリートコンバータ８２４は、誤差増幅器８６０の後に置かれた追加の反転増幅器８８０を用いて調整する。第２のディスクリートコンバータ８２４は、モーター駆動エレクトロニクス８１６への電圧を、第１のディスクリートコンバータ８２２の設計された出力電圧よりもわずかに高い電圧に調整する。

【0065】

誤差増幅器８６０の後の反転増幅器８８０は、モーター駆動エレクトロニクス８１６への電圧が増大する場合に第２のディスクリートコンバータ８２４のデューティーサイクル及び出力電力を増大させて、追加の電力がモーター駆動エレクトロニクス８１６からシンクされ、追加の電力が入力電源８１０へ供給されるようにする。これは、モーター駆動エレクトロニクス８１６への電圧を低下させる。反対に、モーター駆動エレクトロニクス８１６への電圧が低下する場合には、第２のディスクリートコンバータ８２４のデューティーサイクル及び出力電力は低減され、モーター駆動エレクトロニクス８１６からシンクされる電力は減り、入力電源８１０へ供給される電力は減る。これにより、モーター駆動エレクトロニクス８１６への電圧は増大され得る。

【0066】

例えば、第１のディスクリートコンバータ８２２は、＋１５．０Ｖの出力電圧を調整するよう設定されてよく、第２のディスクリートコンバータ８２４は、＋１５．５Ｖの出力電圧を調整するよう設定されてよい。モーターが負荷として動作する場合に、第１のディスクリートコンバータ８２２は、電力をモーター駆動エレクトロニクス８１６へ供給し、出力電圧を＋１５．０Ｖに調整する。ＬＶＰＳ出力電圧は＋１５．５Ｖに満たないから、第２の誤差増幅器８６０への出力電圧フィードバックはローであり、第２の誤差増幅器８６０の出力はハイであり、反転増幅器８８０の出力はローになって、第２のディスクリート電力段８７０を遮断する。モーターが電力を供給する場合に、第１のディスクリートコンバータ８２２の出力電圧は１５．０Ｖよりも高くなり、第１の誤差増幅器８３０の出力はローに落ち、第１のディスクリートコンバータ８２２を通って出力への電力の伝送を遮断する。モーター駆動エレクトロニクス８１６への電圧が１５．５Ｖに達する場合に、第２の誤差増幅器８６０はローになり、反転増幅器８８０の出力はハイになって、第２のディスクリート電力段８７０をオンし、第２のディスクリート電力段８７０は、電力を入力電源８１０へ戻す。第２のディスクリートコンバータ８２４は、電力を入力電源８１０へ戻すことによって、モーター駆動エレクトロニクス８１６への電圧を＋１５．５Ｖに調整する。

【0067】

図９は、他の実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）９１４の概略図を示すモーター駆動システム９００のブロック図である。双方向ＬＶＰＳ９１４は、入力電源９１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス７１６へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ９１４は非絶縁電力を供給してよい。双方向ＬＶＰＳ９１４は、第１のディスクリート電力コンバータ９２２及び第２のディスクリート電力コンバータ９２４を含む。第１のディスクリート電力コンバータ９２２は、入力電源９１０へ結合されており、第１の電力段９４０及び第１の制御エレクトロニクス９２０を含む。第１の制御エレクトロニクス９２０は、第１の誤差増幅器９３０及びパルス幅変調器（ＰＷＭ）９３２を含む。ＰＷＭ９３２は、誤差増幅器９３０の出力電圧を電力段９４０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器９３０がコンバータ電力段９４０の出力電力を制御することを可能にする。第２の電力コンバータ９２４は、第２の電力段９７０及び第２の制御エレクトロニクス９５０を含む。第２の制御エレクトロニクス９５０は、第２の誤差増幅器９６０、パルス幅変調器（ＰＷＭ）９７２、及び反転増幅器９８０を含む。ＰＷＭ９７２は、誤差増幅器９６０の出力電圧を電力段９７０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器９６０がコンバータ電力段９７０の出力電力を制御することを可能にする。誤差増幅器９６０の前の反転増幅器９８０は、モーター駆動エレクトロニクス９１６への電圧が増大する場合に第２のディスクリートコンバータ９２４のデューティーサイクル及び出力電力を増大させて、追加の電力がモーター駆動エレクトロニクス９１６からシンクされ、追加の電力が入力電源９１０へ供給されるようにする。これは、モーター駆動エレクトロニクス９１６への電圧を低下させる。反対に、モーター駆動エレクトロニクス９１６への電圧が低下する場合には、第２のディスクリートコンバータ９２４のデューティーサイクル及び出力電力は低減され、モーター駆動エレクトロニクス９１６からシンクされる電力は減り、入力電源９１０へ供給される電力は減る。これにより、モーター駆動エレクトロニクス９１６への電圧は増大され得る。双方向ＬＶＰＳ９１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス９１６へ供給するよう入力電源９１０へ結合されている。

【0068】

図１０は、他の実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）１０１４の概略図を示すモーター駆動システム１０００のブロック図である。双方向ＬＶＰＳ１０１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス１０１６へ供給するよう入力電源１０１０へ結合されている。ＬＶＰＳ１０１４は、入力電源１０１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス１０１６へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ１０１４は非絶縁電力を供給してよい。双方向ＬＶＰＳ１０１４は、第１のディスクリート電力コンバータ１０２２及び第２のディスクリート電力コンバータ１０２４を含む。第１のディスクリート電力コンバータ１０２２は、第１の電力段１０４０及び第１の制御エレクトロニクス１０２０を含む。第１の制御エレクトロニクス１０２０は、第１の誤差増幅器１０３０及びパルス幅変調器（ＰＷＭ）１０３２を含む。ＰＷＭ１０３２は、誤差増幅器１０３０の出力電圧を電力段１０４０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１０３０がコンバータ電力段１０４０の出力電力を制御することを可能にする。第２の電力コンバータ１０２４は、第２の電力段１０７０及び第２の制御エレクトロニクス１０５０を含む。第２の制御エレクトロニクス１０５０は、第２の誤差増幅器１０６０、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１０７２、反転増幅器１０８０、及び制御スイッチングデバイス１０３４を含む。ＰＷＭ１０７２は、反転増幅器１０８０の出力電圧を電力段１０７０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１０６０がコンバータ電力段１０７０の出力電力を制御することを可能にする。誤差増幅器１０６０の後の反転増幅器１０８０は、モーター駆動エレクトロニクス１０１６への電圧が増大する場合に第２のディスクリートコンバータ１０２４のデューティーサイクル及び出力電力を増大させて、追加の電力がモーター駆動エレクトロニクス１０１６からシンクされ、追加の電力が入力電源１０１０へ供給されるようにする。これは、モーター駆動エレクトロニクス１０１６への電圧を低下させる。図１０に示されている双方向ＬＶＰＳ１０１４は、第１のコンバータ１０２２の誤差増幅器１０３０の出力からの信号１０３６を用いて、第２のコンバータ１０２４の動作を制御する。信号１０３６は、誤差増幅器１０３０の直接の出力であってよく、あるいは、誤差増幅器１０３０の出力から生成される信号であってよい。制御スイッチングデバイス１０３４は、バイポーラトランジスタＱ１として示されているが、多数の制御スイッチングデバイス（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、コンパレータ、光カプラ、演算増幅器、など）のいずれも使用されてよい。

【0069】

図１０において、トランジスタＱ１ １０３４は、第１の誤差増幅器１０３０からの信号１０３６を用いて第２のディスクリートコンバータ１０２４のオン／オフ状態を制御するよう第２の制御エレクトロニクス１０５０に加えられている。それにより、第２のディスクリートコンバータ１０２４は、第１のディスクリートコンバータ１０２２の第１の誤差増幅器１０３０の出力電圧がローになるまで、オフ状態に保たれる。モーターが負荷として動作しており、モーター駆動エレクトロニクス１０１６から電力を引き込む場合に、第１のディスクリートコンバータ１０２２は、電力をモーター駆動エレクトロニクス１０１６へ供給し、モーター駆動エレクトロニクス１０１６は、モーター駆動電流に基づきモーターを駆動する。第１のディスクリートコンバータ１０２２の第１の誤差増幅器１０３０は、高電圧レベルにあり、実際の電圧レベルは、使用されるＰＷＭ、コンバータ設計、入力バス電圧、及びモーター駆動エレクトロニクスによって引き込まれる電力に依存する。トランジスタＱ１ １０３４はオンされ、第２の誤差増幅器１０６０への入力をローに保ち、第２のディスクリートコンバータ１０２４をオフのままとする。

【0070】

モーターが電源として動作しており、電力をモーター駆動エレクトロニクス１０１６へ供給する場合に、第１のディスクリートコンバータ１０２２の出力電圧は増大し、第１の誤差増幅器１０３０の出力電圧はローになり、第１のディスクリートコンバータ１０２２からモーター駆動エレクトロニクス１０１６への電力の移動を遮断し、トランジスタＱ１ １０３４をオフする。トランジスタＱ１ １０３４がオフすると、第２の誤差増幅器１０６０へのフィードバック電圧はハイになり、第２の誤差増幅器１０６０は高電圧を検知し、第２の誤差増幅器１０６０の出力電圧はローに落ちる。反転増幅器１０８０の出力はハイになり、電力が入力電源１０１０へ戻されるように指示する。第２のディスクリートコンバータ１０２４は、電力を入力電源１０１０へ戻すことによって、モーター駆動エレクトロニクス１０１６への電圧を調整する。第２のディスクリートコンバータ１０２４は、モーター駆動エレクトロニクス１０１６への電圧の調整を保つよう、モーターが供給することができるよりも多い電力を伝送することが可能であってよい。

【0071】

トランジスタＱ１ １０３４の追加は、第１の誤差増幅器１０３０の出力電圧によって第２のディスクリートコンバータ１０２４の動作を制御する方法の一例である。代替的に、コンパレータ又は他の回路が、第１のディスクリートコンバータ１０２２の第１の誤差増幅器１０３０の出力電圧から生成された信号１０３６を用いて第２のディスクリートコンバータ１０２４の動作を制御するために使用されてよい。加えて、他の手段が、第１のディスクリートコンバータ１０２２の第１の誤差増幅器１０３０の出力電圧から生成された信号１０３６を用いて第２のディスクリートコンバータ１０２４の動作を制御するために使用されてよい。例えば、いくつかのＰＷＭは、ＰＷＭを無効にしてコンバータをオフするシャットダウンピンを設ける。他のＰＷＭでは、誤差増幅器の出力は、ＰＷＭを無効にするよう接地に引っ張られてよい。なお、当業者ならば、実施形態はこれに関して制限されるよう意図されないことを認識するだろう。理解されるべき考えは、第２のコンバータがオン又はオフであるかどうかを制御するために第１の誤差増幅器の出力電圧が使用され得ることである。コンバータは、高速リカバリダイオード、超高速リカバリダイオード、ショットキーダイオード、高電圧ショットキーダイオード、炭化ケイ素（ＳｉＣ）整流器、又は同期整流を使用してよい。更には、コンバータは、ハードスイッチド・コンバータ、ソフトスイッチド・コンバータ、又は擬似共振（quasi-resonant）コンバータであってよい。コンバータは、リプルレギュレータであるか、あるいは、それを使用してよい。デジタル制御が使用されてよい。先と同じく、当業者であれば、実施形態はこれに関して制限されるよう意図されないことを認識するだろう。

【0072】

図１１は、他の実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）１１１４の概略図を示すモーター駆動システム１１００のブロック図である。双方向ＬＶＰＳ１１１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス１１１６へ供給するよう入力電源１１１０へ結合されている。ＬＶＰＳ１１１４は、入力電源１１１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス１１１６へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ１１１４は非絶縁電力を供給してよい。双方向ＬＶＰＳ１１１４は、第１のディスクリート電力コンバータ１１２２及び第２のディスクリート電力コンバータ１１２４を含む。第１のディスクリート電力コンバータ１１２２は、第１の電力段１１４０及び第１の制御エレクトロニクス１１２０を含む。第１の制御エレクトロニクス１１２０は、第１の誤差増幅器１１３０及びパルス幅変調器（ＰＷＭ）１１３２を含む。ＰＷＭ１１３２は、誤差増幅器１１３０の出力電圧を電力段１１４０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１１３０がコンバータ電力段１１４０の出力電力を制御することを可能にする。第２の電力コンバータ１１２４は、第２の電力段１１７０及び第２の制御エレクトロニクス１１５０を含む。第２の制御エレクトロニクス１１５０は、第２の誤差増幅器１１６０、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１１７２、反転増幅器１１８０、及び制御スイッチングデバイスＱ１ １１３４を含む。ＰＷＭ１１７２は、誤差増幅器１１６０の出力電圧を電力段１１７０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１１６０がコンバータ電力段１１７０の出力電力を制御することを可能にする。誤差増幅器１１６０の前の反転増幅器１１８０は、モーター駆動エレクトロニクス１１１６への電圧が増大する場合に第２のディスクリートコンバータ１１２４のデューティーサイクル及び出力電力を増大させて、追加の電力がモーター駆動エレクトロニクス１１１６からシンクされ、追加の電力が入力電源１１１０へ供給されるようにする。これは、モーター駆動エレクトロニクス１１１６への電圧を低下させる。図１１における双方向ＬＶＰＳ１１１４は、第１のコンバータ１１２２の誤差増幅器１１３０の出力からの信号１１３６を用いて、第２のコンバータ１１２４の動作を制御する。信号１１３６は、誤差増幅器１１３０の直接の出力であってよく、あるいは、誤差増幅器１１３０の出力から生成される信号であってよい。制御スイッチングデバイス１１３４は、ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１として示されているが、多数の制御スイッチングデバイス（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、コンパレータ、光カプラ、演算増幅器、など）のいずれも使用されてよい。加えて、他の手段が、第１のディスクリートコンバータ１１２２の第１の誤差増幅器１１３０の出力電圧から生成された信号１１３６を用いて第２のディスクリートコンバータ１１２４の動作を制御するために使用されてよい。

【0073】

図１１において、第２の制御エレクトロニクス１１５０は、第１の誤差増幅器１１３０からの信号１１３６を用いて第２のディスクリートコンバータ１１２４のオン／オフ状態を制御するトランジスタＱ１ １１３４を含む。それにより、第２のディスクリートコンバータ１１２４は、第１のディスクリートコンバータ１１２２の第１の誤差増幅器１１３０の出力電圧がローになるまで、オフ状態に保たれる。モーターが負荷として動作しており、モーター駆動エレクトロニクス１１１６から電力を引き込む場合に、第１のディスクリートコンバータ１１２２は、電力をモーター駆動エレクトロニクス１１１６へ供給し、モーター駆動エレクトロニクス１１１６はモーターを駆動する。第１のディスクリートコンバータ１１２２の第１の誤差増幅器１１３０は、高電圧レベルにあり、実際の電圧レベルは、使用されるＰＷＭ及びコンバータ設計、並びにスループット電力に依存する。トランジスタＱ１ １１３４はオンされ、第２の誤差増幅器１１６０への入力をローに保ち、第２のディスクリートコンバータ１１２４をオフのままとする。

【0074】

図１２は、他の実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）１２１４の概略図を示すとともに、第２のコンバータ１２２４を遮断する他の手段を表すモーター駆動システム１２００のブロック図である。双方向ＬＶＰＳ１２１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス１２１６へ供給するよう入力電源１２１０へ結合されている。ＬＶＰＳ１２１４は、入力電源１２１０から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクス１２１６へ電力を供給してよい。代替的に、ＬＶＰＳ１２１４は非絶縁電力を供給してよい。双方向ＬＶＰＳ１２１４は、第１のディスクリート電力コンバータ１２２２及び第２のディスクリート電力コンバータ１２２４を含む。第１のディスクリート電力コンバータ１２２２は、第１の電力段１２４０及び第１の制御エレクトロニクス１２２０を含む。第１の制御エレクトロニクス１２２０は、第１の誤差増幅器１２３０及びパルス幅変調器（ＰＷＭ）１２３２を含む。ＰＷＭ１２３２は、誤差増幅器１２３０の出力電圧を電力段１２４０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１２３０がコンバータ電力段１２４０の出力電力を制御することを可能にする。第２の電力コンバータ１２２４は、第２の電力段１２７０及び第２の制御エレクトロニクス１２５０を含む。第２の制御エレクトロニクス１２５０は、第２の誤差増幅器１２６０、反転増幅器１２８０、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１２７２、及び制御スイッチングデバイスＱ１ １２３４を含む。ＰＷＭデバイス１２７２は、誤差増幅器１２６０の出力電圧を電力段１２７０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１２６０がコンバータ電力段１２７０の出力電力を制御することを可能にする。誤差増幅器１２６０の前の反転増幅器１２８０は、モーター駆動エレクトロニクス１２１６への電圧が増大する場合に第２のディスクリートコンバータ１２２４のデューティーサイクル及び出力電力を増大させて、追加の電力がモーター駆動エレクトロニクス１２１６からシンクされ、追加の電力が入力電源１２１０へ供給されるようにする。これは、モーター駆動エレクトロニクス１２１６への電圧を低下させる。なお、図１２においては、第１の誤差増幅器１２３０からの信号１２３６又は誤差増幅器１２３０の出力から生成される信号を用いて第２のディスクリートコンバータ１２２４のオン／オフ状態を制御するために使用されるトランジスタＱ１ １２３４は、第２のコンバータ１２２４を無効にするようＰＷＭ１２７２への信号１２３７を介して誤差増幅器１２６０の出力部へ結合されている。

【0075】

図１３は、他の実施形態に従って、２つのコンバータを使用する双方向低電圧電源（ＬＶＰＳ）１３１４の概略図を示すモーター駆動システム１３００のブロック図である。双方向ＬＶＰＳ１３１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス１３１６へ供給するよう入力電源１３１０へ結合されている。第２の電力コンバータ１３２４は、第２の電力段１３７０及び第２の制御エレクトロニクス１３５０を含む。このように、双方向ＬＶＰＳ１３１４は、双方向ＬＶＰＳ１３１４の制御スイッチングデバイス１３３４が第２のコンバータ１３２４を無効にするようＰＷＭ１３７２の入力部でプルダウン１３３７を供給する点を除いて、図１２に示されている双方向ＬＶＰＳ１２１４と同様である。

【0076】

図１４は、実施形態に従う双方向低電圧電源１４１４の概略図を示すモーター駆動システム１４００のブロック図である。双方向ＬＶＰＳ１４１４は、電力をモーター駆動エレクトロニクス１４１６へ供給するようＶｉｎ１４１１及びＶｉｎＲＴＮ（return）１４１３を介して入力電源１４１０へ結合されている。双方向ＬＶＰＳ１４１４は、入力電源から絶縁されるモーター駆動エレクトロニクスへ電力を供給する。代替的に、ＬＶＰＳ１４１４は、非絶縁電力を提供するよう構成されてよい。双方向ＬＶＰＳ１４１４は、第１のディスクリート電力コンバータ１４２２及び第２のディスクリート電力コンバータ４１２４を含む。第１のディスクリート電力コンバータ１４２２は、第１の電力段１４４０及び第１の制御エレクトロニクス１４２０を含む。第１の制御エレクトロニクス１４２０は、第１の誤差増幅器１４３０及びパルス幅変調器（ＰＷＭ）１４３２を含む。ＰＷＭ１４３２は、反転増幅器１４３０の出力電圧を電力段１４４０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１４３０が電力段１４４０の出力電力を制御することを可能にする。電力段１４４０は、フォワードコンバータとして構成される。第２の電力コンバータ１４２４は、第２の電力段１４７０及び第２の制御エレクトロニクス１４５０を含む。第２の制御エレクトロニクス１４５０は、第２の誤差増幅器１４６０、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１４７２、及び反転増幅器１４８０を含む。ＰＷＭデバイス１４７２は、誤差増幅器１４６０の出力電圧を電力段１４７０におけるスイッチトランジスタのデューティーサイクルに変換するために使用され、そうすることによって、誤差増幅器１４６０が電力段１４７０の出力電力を制御することを可能にする。誤差増幅器１４６０の前の反転増幅器１４８０は、モーター駆動エレクトロニクス１４１６への電圧が増大する場合に第２のディスクリートコンバータ１４２４のデューティーサイクル及び出力電力を増大させて、追加の電力がモーター駆動エレクトロニクス１４１６からシンクされ、追加の電力が入力電源１４１０へ供給されるようにする。これは、モーター駆動エレクトロニクス１４１６への電圧を低下させる。電力段１４７０は、フライバックコンバータとして構成される。第１の誤差増幅器１４３０からの信号は、いつ第２の電力コンバータ１４２４が有効にされるかを制御するよう、制御スイッチングデバイス１４３４を通じて誤差増幅器１４６０の出力部へ結合される。なお、それらのコンバータは、フォワードコンバータ及びフライバックコンバータに制限されない点が留意されるべきである。それらの例は、制限ではなく実例であるよう与えられている。

【0077】

図１５は、いくつかの実施形態に従うアクティブ電力フィルタ１５００の機能ブロック図である。アクティブ電力フィルタ１５００は、電源１５１０から入力電流１５９１を引き込み、出力電流１５９２を供給する。いくつかの実施形態において、アクティブ電力フィルタ１５００は、３０ｄＢを超える入力リプル電流減衰を達成することができる。実施形態において、アクティブ電力フィルタ１５００は、制御回路１５０２及び電力コンバータ回路１５０６を有する。

【0078】

制御回路１５０２は、誤差増幅器１５０１、加算回路１５０４、及びパルス幅変調器（ＰＷＭ）１５０３を含んでよい。加算回路１５０４は、誤差増幅器出力電圧１５１５と、入力電圧フィードフォワード信号１５１１と、出力負荷フィードフォワード信号１５１５と、出力電圧フィードフォワード１５３２とを結合して、制御信号１５１６を生成してよい。制御信号１５１６は、周期ごとに入力電流１５９１を制御して入力電流を略ＤＣレベルに調整するよう、電流検知信号１５１８と比較されてよい。これは、入力リプル電流の相当の減衰を提供することができる。電力コンバータ回路１５０６は、フライバック、フォワード、プッシュプル、若しくはフルブリッジコンバータのような絶縁電力コンバータ、又はブースト、バック、バックブースト、若しくはタップドバック電力コンバータのような非絶縁電力コンバータ、又はインターリーブドコンバータのような複数の並列コンバータのいずれかを利用してよいが、本願で記載される実施形態の適用範囲は、これに関して制限されない。いくつかの実施形態において、アクティブ電力フィルタ１５００は、１つ以上の電力コンバータ１５０６及び１つ以上の制御回路１５０２を有してよいが、本願で記載される実施形態の適用範囲は、これに関して制限されない。

【0079】

図１５において、連続電流ブースト電力コンバータ１５０６が実例として示されている。いくつかの実施形態において、出力整流器素子１５２６は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）ショットキーダイオードのようなダイオード、又は同期整流を有してよいが、本願で記載される実施形態は、これに関して制限されない。いくつかの実施形態において、誘導素子１５２２は、１つ以上のインダクタを有してよく、且つ／あるいは、電荷保持素子１５２８は、１つ以上のキャパシタを有してよいが、本願で記載される実施形態は、これに関して制限されない。いくつかの実施形態において、スイッチング素子１５２４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのような１つ以上のスイッチ又はスイッチングトランジスタを有してよいが、本願で記載される実施形態は、これに関して制限されない。

【0080】

電流検知信号１５１８は、スイッチング素子１５２４を通じて引き込まれる電流の量に比例してよく、出力電圧フィードバック信号１５１３は、出力電圧（Ｖｏ）に比例してよく、入力電圧フィードフォワード信号１５１１は、入力電圧（Ｖｉｎ）に比例してよく、出力負荷フィードフォワード信号１５１４は、出力負荷サブシステムによって引き込まれる電力又は電流の量に比例してよく、出力電圧フィードフォワード信号１５３２は、出力電圧（Ｖｏ）に比例してよい。出力電圧フィードフォワード信号１５３２及び出力電圧フィードバック信号１５１３は図１５では結合されているものとして表されているが、実施形態は、別個の信号を用いて実装され得る追加の回路を含んでよい。

【0081】

いくつかの実施形態において、アクティブ電力フィルタ１５００は、入力電流１５９１をＤＣレベルに厳しく調整して入力リプル電流の相当の減衰を提供するよう電流検知信号１５１８を用いて周期ごとにスイッチング素子１５２４を通じて電流を調整する電流モード制御コンバータであってよい。そのような実施形態において、アクティブ電力フィルタ１５００はまた、誤差増幅器出力（例えば、信号１５１５）が減衰されるべき周波数で変調しないことを確かにするのを助けるよう、低い又は極めて低いバンド幅の出力電圧調整制御ループを用いて出力電圧（Ｖｏ）を調整してよい。

【0082】

アクティブ電力フィルタ１５００が、出力電圧（Ｖｏ）を調整するのを助けるために低い又は極めて低いバンド幅の制御ループを含むいくつかの実施形態において、高バンド幅電流検知信号は、電流モード制御を用いて入力電流１５９１を厳しく調整するために使用されてよい。そのような実施形態において、制御回路１５０２は、出力電圧フィードバック信号１５１３を受信する誤差増幅器を含む制御ループを実装してよい。加算回路１５０４は、誤差増幅器出力電圧１５１５を入力電圧フィードフォワード信号１５１１及び出力負荷フィードフォワード信号１５１４と結合して、制御信号１５１６を生成してよい。ＰＷＭ１５０３は、スイッチング素子１５２４によって引き込まれる電流を制御する制御信号１５２０を生成するよう制御信号１５１６を電流検知信号１５１８と比較することによって、制御ループを更に実装してよい。なお、ピーク電流モード制御、平均電流モード制御、電圧モード制御、又はヒステリシスモード制御のようないくつかの制御スキームのいずれが使用されてもよいが、本願で記載される実施形態は、これに関して制限されない。

【0083】

アクティブ電力フィルタ１５００のいくつかの実施形態において、重み定数は、入力電圧の変化及び出力電圧の変化に対する最適な応答を提供するよう計算されてよい。例えば、入力電圧フィードフォワード信号１５１１のための重み定数は、所与の出力負荷について入力電流１５９１が入力電圧に応じて変化するとして、計算されてよい。この例のために、電流モード制御の使用を考えると、制御電圧１５１６は、入力電圧に応じて変化してよい。更には、計算のために、誤差増幅器出力電圧１５１５が変化せず、且つ、出力負荷フィードフォワード信号１５１４が変化しないとすると、その場合に、入力電圧フィードフォワード信号１５１１は、制御電圧１５１６における正確な変化を提供するよう調整されてよい。

【0084】

出力負荷フィードフォワード信号１５１４のための重み定数は、所与の入力電圧について入力電流が出力負荷に応じて変化するとして、計算されてよい。電流モード制御の使用を先と同じく考えると、制御電圧１５１６は、出力負荷電流に応じて変化してよい。更には、計算のために、誤差増幅器出力電圧１５１５は変化せず、且つ、入力電圧フィードフォワード信号１５１１は変化しないとすると、その場合に、出力負荷フィードフォワード信号１５１４は、制御電圧１５１６における正確な変化を提供するよう調整されてよい。いくつかの実施形態において、ＤＣオフセットは、所定の電圧範囲において誤差増幅器出力電圧１５１５を設定するよう、加えられてよい。

【0085】

アクティブ電力フィルタ１５００のいくつかの実施形態において、出力電圧フィードフォワード信号１５３２は、加算回路１５０４へ供給されてよい。そのような実施形態では、出力電圧リプルによる入力電流の如何なる残留変調も、出力電圧フィードフォワード信号１５３２と、誤差増幅器出力電圧１５１５、入力電圧フィードフォワード信号１５１１及び出力負荷フィードフォワード信号１５１４との結合によって生成されるオフセット変調の量によって相殺又は低減され得る。出力電圧フィードフォワード信号１５３２は、次いで、入力リプル電流の減衰を提供するよう調整されてよい。

【0086】

アクティブ電力フィルタ１５００の例から分かるように、入力電流１５９１が調整されたＤＣ入力電流である場合に、出力整流器素子１５２６における平均電流はまた、入力電流１５９１及び動作デューティーサイクルに比例した固定レベルに制御される。また、出力整流器素子１５２６における固定の調整された平均電流と、相当のリプル電流を有する出力電流１５９２とに関して、出力整流器素子１５２６における電流と出力負荷電流１５９２との間の差は、２つの電流の間の相対レベルに応じて、電荷保持素子１５２８によって供給される。出力電圧リプルは、従って、出力負荷リプル電流及び出力キャパシタンスの関数であってよい。いくつかの実施形態において、電荷保持素子１５２８は、出力リプル電圧の量を十分に低く保つ出力キャパシタンスの量を提供してよい。なお、ほとんどではないが多くの場合に、出力リプル電圧の量を十分に低く保つために使用される出力キャパシタンスの量は、法外に大きく、且つ、相当に大容量を有しうる。いくつかの実施形態において、（例えば、ボリューム及び容量の両方において）出力キャパシタンスを最小限にするのを助けるよう、この出力リプル電圧は、特に、エレクトロニクスが入力リプル電圧の相当量で動作するよう設計され得る比較的容易な場合を考えると、ＤＣ出力電圧の相当部分であることを許容され得る。なお、本願で記載される実施形態の適用範囲は、これに関して制限されない。

【0087】

いくつかの実施形態において、米国特許第７０３８４３５号、米国特許第７０１９５０３号、及び米国特許第７１４１９４０号で開示されているアクティブラインフィルタは、本願で開示されている集積されたモーター駆動電力エレクトロニクスシステムのアクティブラインフィルタとして使用されてよい。いくつかの実施形態において、米国特許出願第１３／８５５２９８号の双方向モータードライバＬＶＰＳは、本願で開示されている集積されたモーター駆動電力エレクトロニクスのＬＶＰＳとして使用されてよい。

【0088】

いくつかの実施形態は、ハードウェア、ファームウェア及びソフトウェアのうちの１つ又はそれらの組み合わせにおいて実装されてよい。実施形態はまた、本願で記載される動作を実施するよう少なくとも１つのプロセッサによって読み出されて実行され得る、コンピュータ可読記憶デバイスに記憶された命令として実装されてよい。コンピュータ可読記憶デバイスは、マシン（例えば、コンピュータ）によって読み出し可能な形で情報を記憶する如何なる非一時的なメカニズムも含んでよい。例えば、コンピュータ可読記憶デバイスは、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ；read-only memory）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ；random-access memory）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、並びに他の記憶デバイス及び媒体を含んでよい。いくつかの実施形態は、１つ以上のプロセッサを含んでよく、コンピュータ可読記憶デバイスに記憶されている命令により構成されてよい。

【0089】

要約は、技術的開示の本質及び要点を読者が確かめることを可能にする要約を要求する３７Ｃ．Ｆ．Ｒセクション１．７１（ｂ）に従うべく与えられている。それは、特許請求の範囲の適用範囲又は意味を制限又は解釈するために使用されないとの理解の下で提示される。特許請求の範囲は、これをもって詳細な説明に組み込まれ、夫々の請求項は、別個の実施形態として自立する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】