特許 6466446 スマート電力システム

(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】6466446

(24)【登録日】2019年1月18日

(45)【発行日】2019年2月6日

(54)【発明の名称】スマート電力システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 13/00 20060101AFI20190128BHJP

【ＦＩ】

   H02J13/00 311R

【請求項の数】21

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-533279(P2016-533279)

(86)(22)【出願日】2013年8月6日

(65)【公表番号】特表2016-527870(P2016-527870A)

(43)【公表日】2016年9月8日

(86)【国際出願番号】US2013053718

(87)【国際公開番号】WO2015020632

(87)【国際公開日】20150212

【審査請求日】2016年7月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】514091080

【氏名又は名称】ベドロック・オートメーション・プラットフォームズ・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100173565

【弁理士】

【氏名又は名称】末松 亮太

(72)【発明者】

【氏名】カルヴァン，ジェームズ・ジー

(72)【発明者】

【氏名】コラン，マイケル

(72)【発明者】

【氏名】ルーヤッカーズ，アルバート

【審査官】 猪瀬 隆広

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２５２０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−０７４４１３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０８−０９８２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３５０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１０２０６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００７−５１２７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／００１００１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２７１５７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 柴田 浩司 ほか，産業用コントローラの新技術と標準化，東芝レビュー，日本，株式会社 東芝，２０１１年１０月 １日，第６６巻 第１０号 ，１９−２２頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ １３／００

Ｈ０２Ｊ １／００−１／１６

Ｈ０２Ｊ ３／００−５／００

Ｈ０４Ｑ ９／００

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

Ｇ０６Ｆ １／２６−１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

産業用制御システムによって採用されるスマート電力システムであって、
マイクロコントローラと、
前記マイクロコントローラに電気的に接続され、電力変換パラメータを示す監視信号を前記マイクロコントローラに供給する電力変換器であって、電気エネルギを１つの形態から他の形態に変換するように構成される、電力変換器と、
前記マイクロコントローラに電気的に接続されたスイッチ素子であって、前記変換された電気エネルギの少なくとも１つの電気負荷への配給を制御するように構成される、スイッチ素子と、
前記少なくとも１つの電気負荷および前記マイクロコントローラに電気的に接続された検知素子であって、前記少なくとも１つの電気負荷に配給された前記変換された電気エネルギを監視するように構成され、前記変換された電気エネルギに基づいてフィードバック信号を前記マイクロコントローラに供給するように構成される、検知素子と
を含み、
前記マイクロコントローラが、
前記監視信号に基づいて、前記電力変換器を検証および監視するように構成され、
前記監視信号である電力変換パラメータが設定範囲内で動作していることに基づいて、または前記フィードバック信号である前記電気負荷に関連する異なる電力特性をプログラム可能な閾値と比較させることに基づいて、前記スイッチ素子の開閉を制御するように構成されることにより、前記少なくとも１つの電気負荷への前記変換された電気エネルギの配給を制御および監視するように構成される、スマート電力システム。

【請求項2】

請求項１記載のスマート電力システムにおいて、前記少なくとも１つの電気負荷が、プロセッサを含むインテリジェント電気負荷を含む、スマート電力システム。

【請求項3】

請求項１または２記載のスマート電力システムであって、更に、前記少なくとも１つの電気負荷および前記マイクロコントローラに電気的に接続されたコントローラを含み、前記コントローラが、前記少なくとも１つの電気負荷から診断情報を受けると共に、前記マイクロコントローラと双方向に通信するように構成され、前記コントローラが前記診断情報を前記マイクロコントローラに供給するように構成される、スマート電力システム。

【請求項4】

請求項３記載のスマート電力システムにおいて、前記コントローラがスレーブ・デバイスを備え、前記マイクロコントローラがマスタ・デバイスを備える、スマート電力システム。

【請求項5】

請求項１から４の何れか一項記載のスマート電力システムにおいて、前記スイッチ素子が、前記変換された電気エネルギを修正するように構成されるＨブリッジ・デバイスを含み、該Ｈブリッジ・デバイスが少なくとも１つの共通電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）対を含む、スマート電力システム。

【請求項6】

請求項１から５の何れか一項記載のスマート電力システムにおいて、前記検知素子が、前記少なくとも１つの電気負荷に配給された前記変換されたエネルギに基づいて、フィードバック信号を前記マイクロコントローラに供給するように構成され、前記マイクロコントローラが、前記フィードバック信号に基づいて、前記少なくとも１つの電気負荷への前記変換された電気エネルギの配給を制御および監視するように構成される、スマート電力システム。

【請求項7】

請求項１から６の何れか一項記載のスマート電力システムにおいて、前記少なくとも１つの電気負荷が、入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスを備える、スマート電力システム。

【請求項8】

請求項１から７の何れか一項記載のスマート電力システムにおいて、前記マイクロコントローラが、プロセッサおよびメモリを含み、前記メモリが、第１電力特性に基づいて前記スイッチ素子または前記電力変換器の内少なくとも一方の動作を前記プロセッサに制御させるために、前記プロセッサによって実行可能なプログラムを組み込む有形コンピュータ可読媒体を格納するように構成される、スマート電力システム。

【請求項9】

請求項８記載のスマート電力システムにおいて、前記マイクロコントローラが、第２電力特性に基づいて、前記スイッチ素子または前記電力変換器の内少なくとも一方の動作を、前記プロセッサに制御させるために、前記プロセッサによって実行可能なアップグレード・プログラムを組み込む有形コンピュータ可読媒体を受け入れるように構成され、前記第２電力特性が前記第１電力特性とは異なる、スマート電力システム。

【請求項10】

産業用制御システムによって採用されるシステムであって、
コネクタを含むバックプレーンと、
前記コネクタと嵌合するように構成された少なくとも１つの電気負荷と、
前記バックプレーン内に統合されたスマート電力システムと、
を備え、前記スマート電力システムが、
マイクロコントローラと、
前記マイクロコントローラに電気的に接続され、電力変換パラメータを示す監視信号を前記マイクロコントローラに供給する電力変換器であって、電気エネルギを１つの形態から他の形態に変換するように構成される、電力変換器と、
前記マイクロコントローラに電気的に接続されたスイッチ素子であって、前記変換された電気エネルギの少なくとも１つの電気負荷への配給を制御するように構成される、スイッチ素子と、
前記少なくとも１つの電気負荷および前記マイクロコントローラに電気的に接続された検知素子であって、前記少なくとも１つの電気負荷に配給された前記変換された電気エネルギを監視するように構成され、前記変換された電気エネルギに基づいて、フィードバック信号を前記マイクロコントローラに供給するように構成される、検知素子と
を備え、
前記マイクロコントローラが、前記監視信号に基づいて前記電力変換器を検証および監視するように構成され、前記監視信号である電力変換パラメータが設定範囲内で動作していることに基づいて、または前記フィードバック信号である前記電気負荷に関連する異なる電力特性をプログラム可能な閾値と比較させることに基づいて、前記スイッチ素子の開閉を制御するように構成されることにより、前記少なくとも１つの電気負荷への前記変換された電気エネルギの配給を制御および監視するように構成される、システム。

【請求項11】

請求項１０記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの電気負荷が、プロセッサを含むインテリジェント電気負荷を備える、システム。

【請求項12】

請求項１０または１１記載のシステムであって、更に、前記バックプレーンと統合され、前記少なくとも１つの電気負荷および前記マイクロコントローラに電気的に接続されたコントローラを備え、前記コントローラが、前記少なくとも１つの電気負荷から診断情報を受けると共に、前記マイクロコントローラと双方向で通信するように構成され、前記コントローラが、前記診断情報を前記マイクロコントローラに供給するように構成される、システム。

【請求項13】

請求項１２記載のシステムにおいて、前記コントローラがスレーブ・デバイスを備え、前記マイクロコントローラがマスタ・デバイスを備える、システム。

【請求項14】

請求項１０から１３の何れか一項記載のシステムにおいて、前記スイッチ素子が、前記変換された電気エネルギを修正するように構成されたＨブリッジ・デバイスを含み、前記Ｈブリッジ・デバイスが少なくとも１つの共通電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）対を含む、システム。

【請求項15】

請求項１０から１４の何れか一項記載のシステムにおいて、前記検知素子が、前記少なくとも１つの電気負荷に配給された、変換されたエネルギに基づいて、フィードバック信号を前記マイクロコントローラに供給するように構成され、前記マイクロコントローラが、前記フィードバック信号に基づいて、前記少なくとも１つの電気負荷への前記変換された電気エネルギの配給を制御および監視するように構成される、システム。

【請求項16】

請求項１０から１５の何れか一項記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの電気負荷が、入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスを含む、システム。

【請求項17】

請求項１０から１６の何れか一項記載のシステムにおいて、前記マイクロコントローラがプロセッサおよびメモリを含み、前記メモリが、第１電力特性に基づいて前記スイッチ素子または前記電力変換器の内少なくとも一方の動作を前記プロセッサに制御させるために、前記プロセッサによって実行可能なプログラムを組み込む有形コンピュータ可読媒体を格納するように構成される、システム。

【請求項18】

請求項１７記載のシステムにおいて、前記マイクロコントローラが、第２電力特性に基づいて、前記スイッチ素子または前記電力変換器の内少なくとも一方の動作を前記プロセッサに制御させるために、前記プロセッサによって実行可能なアップグレード・プログラムを組み込む有形コンピュータ可読媒体を受け入れるように構成され、前記第２電力特性が前記第１電力特性とは異なる、システム。

【請求項19】

請求項１０から１８の何れか一項記載のシステムであって、更に、前記バックプレーン内に統合された第２スマート電力システムを備え、前記第２スマート電力システムが、冗長機能を前記バックプレーンに設けるように構成される、システム。

【請求項20】

産業用制御システムによって採用されるスマート電力システムを動作させる方法であって、
電力変換器において、電力変換パラメータを示す監視信号をマイクロコントローラに供給して、電気エネルギを１つの形態から他の形態に変換するステップと、
スイッチ素子において、少なくとも１つの電気負荷への前記変換された電気エネルギの配給を制御するステップと、
検知素子において、前記変換された電気エネルギに基づいてフィードバック信号を発生して、該フィードバック信号を前記マイクロコントローラに供給するステップと、
前記マイクロコントローラにおいて、前記監視信号である電力変換パラメータが設定範囲内で動作していることに基づいて、または前記フィードバック信号である前記電気負荷に関連する異なる電力特性をプログラム可能な閾値と比較させることに基づいて、前記スイッチ素子の動作を制御するステップであって、
前記監視信号に基づいて前記電力変換器を検証および監視することを含み、
前記スイッチ素子が、前記少なくとも１つの電気負荷への前記変換された電気エネルギの配給を許容する閉構成と、前記少なくとも１つの電気負荷への前記変換された電気エネルギの配給を少なくとも実質的に防止する開構成との間で移行するように構成される、ステップと、
を含む、方法。

【請求項21】

請求項２０記載の方法において、前記少なくとも１つの電気負荷が、プロセッサを含むインテリジェント電気負荷を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

[0001] 産業用制御システム（ＩＣＳ）は、プロセス制御システム（ＰＣＳ）、分散型制御システム（ＤＣＳ）、プログム可能ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）に基づく、システム、管理(supervisory)制御およびデータ取得（ＳＣＡＤＡ）システム等を含むことができ、製品の生産および必須のサービスの提供における手段となる。ＩＣＳは、物理的なものを安全に生産し移動させるために、収集、監視、分析、判断、制御、および動作を行うディジタル技術に対する名称である。

【0002】

[0002] 産業用制御システム（ＩＣＳ）は、電力を供給、送電、および使用するために種々の電気コンポーネントを使用する電力システムを含む。通例、電力システムは、電力をシステムに供給するように構成された１つ以上の電源を含む。電源は、ＤＣ電力をシステムに配電する直流（ＤＣ）電源、またはＡＣ電力をシステムに配電する交流（ＡＣ）電源でもよい。電力システムは、機能を実行する電気負荷にエネルギを送配する(deliver)。これらの電気負荷は、センサからモータまでの範囲に及ぶことができる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

[0003] スマート電力システムについて説明する。１つ以上の実装態様において、このスマート電力システムは、マイクロコントローラと、このマイクロコントローラに電気的に接続され、電気エネルギを１つの形態から他の形態に変換するように構成された電力変換器とを含む。スイッチ素子が、マイクロコントローラに電気的に接続され、変換された電気エネルギの電気負荷への配給を制御するように構成される。検知素子が、電気負荷およびマイクロコントローラに電気的に接続され、電気負荷に配給された、変換された電気エネルギを監視し、変換された電気エネルギに基づいてフィードバック信号を供給するように構成される。マイクロコントローラは、電力変換器を検証および監視し、フィードバック信号に基づいて、変換電気エネルギの電気負荷への配給(distribute)を制御および監視するように構成される。

【0004】

[0004] この摘要は、詳細な説明において以下で更に説明する概念から選択したものを、簡略化した形態で紹介するために設けられている。この摘要は、特許請求する主題の主要な特徴や必須の特徴を特定することを意図するのではなく、特許請求する主題の範囲を判断するときに補助として使用されることを意図するのでもない。

【0005】

[0005] 添付図面を参照しながら、詳細な説明について記載する。詳細な説明および図面において同じ参照番号を異なる実例において使用する場合、同様の項目または同一の項目を示すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、本開示の例示の実装態様によるスマート電力システムを示すブロック図である。

【図2A】図２Ａは、本開示の例示の実装態様によるスマート電力システムのスイッチ素子を示す回路図である。

【図2B】図２Ｂは、本開示の例示の実装態様により、図２Ａに示すスイッチ素子を動作させるためのマイクロコントローラ制御信号の例（例えば、マイクロコントローラ制御信号＜１＞およびマイクロコントローラ信号＜２＞）を示す波形図である。

【図3】図３は、本開示の実装態様により、スマート電力システムを内部に有するバックプレーンを示すブロック図である。

【図4】図４は、本開示の例示の実装態様によりスマート電力システムを制御するための方法例を示す流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

概要
[0011] 産業用制御システム（ＩＣＳ）によって採用される電力システムは、電気負荷に給電して、この負荷がある機能を実行することを可能にする。例えば、電気負荷は、産業用制御システム内部で専用機能を実行するように構成された入力／出力（Ｉ／Ｏ）モジュールを含むこともできる。これらのＩ／Ｏモジュールには過電流事象（例えば、Ｉ／Ｏモジュールが「過熱」を起こす）が生ずることもある。しかしながら、電力システムはモジュールが過熱を起こしているときもＩ／Ｏモジュールに電流を供給し続けるおそれがあり、その結果Ｉ／Ｏモジュールの損傷または破壊の可能性もあり得る。加えて、電力システムは電力を産業用制御システム内にある各スロットに供給する場合もある。しかしながら、一部のスロットは使用されていないこともあり得る（例えば、産業用制御システム内のスロットが、そのスロットとインターフェースするＩ／Ｏモジュールを有していない）。

【0008】

[0012] したがって、スマート電力システムについて説明する。スマート電力システムは、このスマート電力システムが給電する１つ以上の電気負荷を監視するように構成される。例えば、スマート電力システムは、電気負荷に供給される電流、電気負荷に関連する温度等を監視するように構成することができる。ある場合には、スマート電力システムは、電気負荷に過電流事象が発生したときには、電気負荷に給電するのを中止することもできる。１つ以上の実装態様において、スマート電力システムは、マイクロコントローラと、このマイクロコントローラに電気的に接続された電力変換器とを含む。電力変換器は、電気エネルギを１つの形態から他の形態に変換するように構成される。例えば、電力変換器は、交流（ＡＣ）電気エネルギから直流（ＤＣ）電気エネルギに、またはその逆に、電気エネルギを変換することができる。他の例では、電気エネルギの振幅特性および／または周波数特性を修正することもできる。スイッチ素子がマイクロコントローラに電気的に接続され、変換された電気エネルギの電気負荷への配給を制御するように構成される。

【0009】

[0013] 実施形態において、スイッチ素子は、Ｈブリッジ構成に配置された複数のスイッチを含む。検知素子が電気負荷およびマイクロコントローラに電気的に接続され、電気負荷に配給された変換電気エネルギを監視し、変換電気エネルギの特性に基づいて、フィードバック信号を供給するように構成される。具体的な実施形態において、検知素子はインピーダンス素子を含む。

【0010】

[0014] マイクロコントローラは、電力変換器を検証および監視し、更にフィードバック信号に基づいて、変換電気エネルギの電気負荷への配給を制御および監視するように構成される。例えば、マイクロコントローラは、スイッチ素子の動作を制御する制御信号を発生するように構成することもできる。実装態様において、第１マイクロコントローラ制御信号は、スイッチ素子を閉構成と開構成との間で移行させ、少なくとも実質的に変換電気エネルギの電気負荷への配給を防止することができ、一方第２マイクロコントローラ制御信号は、スイッチ素子を開構成と閉構成との間で移行させ、変換電気エネルギを電気負荷に配給することができる。他の実装態様において、１つ以上のマイクロコントローラ制御信号（例えば、交流方形波等）が、スイッチ素子に変換電気エネルギを修正させることもできる（例えば、変換電気エネルギを表す電気信号の周波数特性を修正する）。

【0011】

例示のスマート電力システム
[0015] 図１は、本開示によるスマート電力システムの一例１００を示し、このスマート電力システム１００は、１つ以上の電気負荷１０２（例えば、電気負荷１０４Ａ，１０４Ｂが簡略化のために示されている）への電力配給を監視および／または制御するために動作可能である。１つ以上の実装態様において、電気負荷１０２は、産業用制御システム（ＩＣＳ）の入力／出力（Ｉ／Ｏ）モジュール１０４を含むことができる。例えば、入力／出力モジュール１０４は、電気通信インフラストラクチャ内において利用される入力／出力モジュールを含む(comprise)こともできる。他の実装態様において、入力／出力モジュールは、産業用およびプロセス制御システム・インフラストラクチャ内において利用される入力／出力モジュールを含むこともできる。

【0012】

[0016] 図１に示すように、スマート電力システム１００は、電力変換機能をシステム１００に設ける(furnish)ように構成された電力変換器１０６を含む。電力変換器１０６は、電気エネルギを受ける入力端子１０８と、変換された電気エネルギをシステム１００に供給する１つ以上の出力端子（例えば、出力端子１１０，１１２が簡略化のために示されている）を含む。電力変換器１０６は、１つの形態から他の形態に電気エネルギを変換するように構成される。例えば、電力変換器１０６は、電圧振幅特性および／または電圧周波数特性を修正するように構成することができる。他の例では、電力変換器１０６は、交流（ＡＣ）電圧を直流（ＤＣ）電圧に、またはその逆に変換するように構成される。ある実装態様において、電力変換器１０６は、約９０ボルトＡＣ（９０ＶＡＣ）から２４０ボルトＡＣ（２４０ＶＡＣ）までの範囲に及ぶ電気エネルギを受けるように構成される。他の実装態様において、電力変換器は、２４ボルトＤＣ（２４ＶＤＣ）の電源から電気エネルギを受けるように構成される。例えば、電力変換器１０６は、９０ボルトＡＣ（９０ＶＡＣ）信号を入力端子１０８において受けることができる。他の例では、電力変換器１０６は、１２０ボルトＡＣ（１２０ＶＡＣ）信号を入力端子１０８において受けることができる。更に他の例では、電力変換器１０６は、２４０ボルトＡＣ（２４０ＶＡＣ）信号を入力端子１０８において受けることができる。

【0013】

[0017] スマート電力システム１００は、１つ以上のスイッチ素子も含む。図１において、図示されるスマート電力システム１００は、第１スイッチ素子１１４および第２スイッチ素子１１６を含み、これらは電気負荷１０２（例えば、電気負荷１０４Ａおよび電気負荷１０４Ｂ）の動作（例えば、給電）を制御するように構成される。例えば、スイッチ素子１１４，１１６は、電気負荷１０４Ａ，１０４Ｂに給電するために、変換された電気エネルギを負荷１０４Ａ，１０４Ｂに供給するように構成される。第１および第２スイッチ素子１１４，１１６は、それぞれ、出力端子１１０，１１２に電気的に接続されている。スイッチ素子１１４，１１６は、各々、少なくとも実質的に電流フローを防止する開構成と、電流フローを許容する閉構成とを有するように構成される。１つ以上の実装態様において、以下で更に詳細に説明するように、スイッチ素子１１４，１１６は、それぞれのスイッチ素子１１４，１１６に入力される信号の周波数特性に関して、修正周波数特性を有する信号を出力するように構成することができる。

【0014】

[0018] 各スイッチ素子１１４，１１６は、検知素子１１８，１２０に電気的に接続されており、検知素子１１８，１２０はそれぞれの負荷１０４Ａ，１０４Ｂを監視するように構成される。スイッチ素子１１４，１１６は、それぞれの負荷１０４Ａ，１０４Ｂへの電流フローに基づいて、フィードバック信号を供給するように構成される。例えば、図示する実施形態において、各検知素子１１８，１２０は、それぞれの電気負荷（例えば、電気負荷１０４Ａ，１０４Ｂ）に電気的に接続されている。検知素子１１８，１２０は、それぞれの電気負荷１０４Ａ、１０４Ｂを監視し、電気負荷１０４Ａ，１０４Ｂの監視に基づいて、フィードバック信号を供給するように構成される。例えば、フィードバック信号は、それぞれの電気負荷１０４Ａ，１０４Ｂに供給されている電流値を示す信号を含むのでもよい。

【0015】

[0019] 図２Ａに示すように、第１スイッチ素子１１４および第２スイッチ素子１１６は、Ｈブリッジ構成（例えば、Ｈブリッジ・デバイス）内に配置された多数のスイッチ２０２，２０４，２０６，２０８を含むことができる。１つ以上の実装態様において、スイッチ２０２，２０４，２０６，２０８は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、電気機械型リレー等のような１つ以上のトランジスタを含むのでもよい。例えば、図示する実装態様において、スイッチ２０２，２０４，２０６，２０８は、各々、ＭＯＳＦＥＴデバイスを含み、ドレイン端子２０２Ａ，２０４Ａ，２０６Ａ，２０８Ａ、ソース端子２０２Ｂ，２０４Ｂ，２０６Ｂ，２０８Ｂおよびゲート端子２０２Ｃ，２０４Ｃ，２０６Ｃ，２０８Ｃを含む。更に、以下の論述では、スイッチ２０２およびスイッチ２０６の組み合わせ、および／またはスイッチ２０４および２０８の組み合わせは、各々、「共通ＦＥＴ対」と呼ぶこともできる。検知素子１１８，１２０は、図２Ａに示すように、それぞれインピーダンス素子２１０，２１２を含むことができる。例えば、インピーダンス素子２１０，２１２は、１つ以上の抵抗器、既知の抵抗を有する電気配線、または１つ以上のＭＯＳＦＥＴを含むのでもよい。

【0016】

[0020] 図２Ａに示すように、第１スイッチ素子１１４は、スイッチ２０２，２０４のドレイン端子２０２Ｂ，２０４Ｂに電気的に接続された入力端子２１４を含む。第１スイッチ素子１１４の入力端子２１４は、変換された電気エネルギを電力変換器１０６から受けるように構成され、出力端子２１６，２１８は負荷１０４Ａに電気的に接続するように構成される。第１出力端子２１６は、スイッチ２０２の第２端子２０２Ａとスイッチ２０６のドレイン端子２０６Ｂとの間に電気的に接続され、出力端子２１８は、スイッチ２０４のソース端子２０４Ａとスイッチ２０８のドレイン端子２０８Ｂとの間に電気的に接続されている。スイッチ２０６のソース端子２０６Ａおよびスイッチ２０８のソース端子２０８Ａは、マイクロコントローラ１２２、第２スイッチ素子１１６、および検知素子１１８に電気的に接続されている。

【0017】

[0021] 第２スイッチ素子１１６は、直列に配置されたスイッチ２２０，２２２を含み、スイッチング素子に必要とされるスイッチの数を削減する（例えば、Ｈブリッジ・デバイスとして使用されるスイッチング素子と比較して）。１つ以上の実装態様において、スイッチ２２０，２２２は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のような１つ以上のトランジスタ、電気機械型リレー等を含むことができる。具体的な実装態様において、スイッチ素子１１６は、スイッチ２０２，２０４のソース端子２０２Ｂ，２０４Ｂに電気的に接続された入力端子２２４と、出力端子２２６とを含む。第２スイッチ素子１１６の入力端子２２４は、第１スイッチ素子１１８から変換電気エネルギを受けるように構成される。出力端子２２６は、負荷１０４Ｂに電気的に接続するように構成される。図示のように、出力端子２２６は、スイッチ２２０のソース端子２２０Ａとスイッチ２２２のドレイン端子２２２Ｂとの間に電気的に接続されている。スイッチ２２２のソース端子２２２Ａは、マイクロコントローラ１２２および検知素子１２０に電気的に接続されている。ある実装態様において、システム１００は、システム１００の能力にしたがって、追加の電気負荷１０２を含むこともできる。これらの実装態様において、システム１００は、追加のスイッチ素子（例えば、直列に配置されたスイッチ２２０，２２２）、および追加の電気負荷毎に対応する検知素子を使用すればよい。

【0018】

[0022] 図１に示すように、スマート電力システム１００は、電気負荷１０２への電力配給を制御および監視するように構成されたマイクロコントローラ１２２を含む。例えば、マイクロコントローラ１２０は、電気負荷１０４Ａ、１０４Ｂへの変換電気エネルギの配給を監視および／または制御するように構成される。マイクロコントローラ１２０は、電力変換器１０６、スイッチ素子１１４，１１６、および検知素子１１８，１２０に電気的に接続されている。

【0019】

[0023] 図示のように、マイクロコントローラ１２２は、プロセッサ１２４およびメモリ１２６を含む。プロセッサ１２４は、マイクロコントローラ１２２に処理機能を設け、任意の数のプロセッサまたは他の処理システム、ならびにマイクロコントローラ１２２によってアクセスまたは生成されるデータおよび他の情報を格納するための内部(resident)または外部メモリを含むことができる。プロセッサ１２４は、本明細書において説明する技法を実現する１つ以上のソフトウェア・プログラム（例えば、モジュール）を実行することができる。メモリ１２６は、マイクロコントローラ１２２の動作に関連する種々のデータ、本明細書において説明するソフトウェア機能、あるいは本明細書において説明するステップを実行するようにマイクロコントローラ１２２のプロセッサ１２４または他のエレメントに命令するための他のデータを格納するための格納機能を設ける有形コンピュータ可読媒体の一例である。１つのメモリ１２６がマイクロコントローラ１２２内部に示されているが、多様なタイプおよび組み合わせのメモリを採用することができる。メモリ１２６は、プロセッサ１２４と一体であっても、単体メモリであっても、または双方の組み合わせであってもよい。メモリは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュ（例えば、ＳＤカード、ミニＳＤカード、マイクロＳＤカード）、磁気デバイス、光デバイス、ＵＳＢメモリ・デバイス等のような、リムーバブルおよび非リムーバブル・メモリ・エレメントを含むことができる。

【0020】

[0024] 図１に示すように、マイクロコントローラ１２２は、スマート電力システム・モジュール１２８を含み、これはメモリ１２６に格納可能であり、プロセッサ１２４によって実行可能である。例えば、スマート電力システム・モジュール１２８は、１つ以上のシステム１００の制御を規定し駆動するために、プロセッサ１２４によって実行されるように構成されたコンピュータ可読命令を含むことができる。実装態様において、スマート電力システム・モジュール１２８は、１つ以上の入力パラメータに基づいて、スイッチ素子１１４，１１６の動作を制御する機能を表す。入力パラメータは、検知素子１１８，１２０によって供給されるフィードバック信号、電力変換器１０６に関連する電力変換パラメータを示す監視信号、および外部コントローラから受信される信号を含むことができるが、これらに限定されるのではない。

【0021】

[0025] 本明細書において更に詳しく説明するが、スマート電力システム・モジュール１２８は、システム１００の１つ以上の態様(aspect)の動作を制御するために、プロセッサ１２４に、入力パラメータを１つ以上のプログラム可能な閾値と比較させるように構成される。ある実装態様において、スマート電力システム・モジュール１２８は、アップグレード可能であるとよい（例えば、１つ以上のコンピュータ可読命令が、アップグレードの要件にしたがって交換される）。例えば、１つ以上のプログラム可能な閾値が、システム１００とインターフェースする電気負荷１０２に基づいてアップグレードされるのでもよい（例えば、システム１００とインターフェースする電気負荷１０２に関連する異なる電力特性に基づいて、コンピュータ可読命令をアップグレードする）。

【0022】

[0026] ある実装態様において、スマート電力システム・モジュール１２８が、プロセッサ１２４に、電気負荷１０２に関係する履歴データをメモリ１２６内に格納させるように構成される。例えば、スマート電力システム・モジュール１２８が、プロセッサ１２４に、電気負荷１０２に関連する温度に関係するデータ（例えば、離散時間間隔における温度）を格納させ、電気負荷１０２に送配される電流に関係するデータ（例えば、離散時間間隔で電気負荷に送配される電流値）等を格納させるのでもよい。スマート電力システム・モジュール１２８は、プロセッサ１２４に、特定の電気負荷１０２に関係する履歴トレンド・データ（例えば、電気負荷１０２Aに関連する履歴トレンド・データ、電気負荷１０２Ｂに関連する履歴トレンド・データ等）を供給させるように構成されてもよい。ある実例では、スマート電力システム・モジュール１２８が履歴トレンド・データを利用して、スマート電力システム１００に関連するユーザに、特定の負荷１０２が故障していること（または、負荷１０２の故障が差し迫っていること）を警告することもできる。

【0023】

[0027] マイクロコントローラ１２２は、スイッチ素子１１４，１１６に動作可能に接続することができる。例えば、図２Ａに示すように、マイクロコントローラ１２２は、ゲート端子２０２Ｃ，２０４Ｃ，２０６Ｃ，２０８Ｃ、２２０Ｃ、２２２Ｃに動作可能に接続されている。スマート電力システム１００の動作中、マイクロコントローラ１２２は、それぞれのスイッチ素子１１４，１１６の動作を制御するために、選択的に制御信号（例えば、動作信号）をゲート端子２０２Ｃ，２０４Ｃ，２０６Ｃ，２０８Ｃ，２２０Ｃ，２２２Ｃに発行するように構成される。スイッチ素子１１４の端子２０２Ｃ，２０８Ｃおよびスイッチ素子１１６の端子２２２Ｃは、第１マイクロコントローラ制御信号を受けるように構成され、スイッチ素子１１４の端子２０４Ｃ，２０６Ｃおよびスイッチ素子１１６の端子２２０Ｃは、第２マイクロコントローラ制御信号を受けるように構成される。

【0024】

[0028] 実施形態において、第１マイクロコントローラ制御信号は方形波特性を有する信号を含むのでもよく、第２マイクロコントローラ制御信号は、第１マイクロコントローラ制御信号に関して約１８０度（１８０°）位相がずれた方形波特性を有する信号を含むのでもよい（図２Ｂ参照）。例えば、第１離散時間間隔の間、制御信号は、スイッチ２０２，２０８，２２０を閉構成にして電流フローを許容させることができ、そしてスイッチ２０４，２０６，２２２を開構成にして電流フローを少なくとも実質的に防止させることができる。第２離散時間間隔の間、制御信号は、スイッチ２０４，２０６，２２０を閉構成にして電流フローを許容させることができ、そしてスイッチ２０２，２０８，２２２を開構成にして電流フローを少なくとも実質的に防止させることができる。他方に対して少なくともほぼ１８０度（１８０°）位相がずれた制御信号を利用することによって、スイッチ素子１１４，１１６が、出力端子２１６，２１８において、より周波数が高い変換エネルギ信号（例えば、スイッチ素子１１４の入力端子２１４における変換信号の周波数特性に関して、それよりも高い周波数特性を有する変換信号）を発生することを可能にすることができ、この変換エネルギ信号は少なくとも部分的に負荷１０４Ａ、１０４Ｂに給電するために利用される。

【0025】

[0029] 図２Ｂに示すマイクロコントローラ制御信号は、変換電気エネルギを負荷１０２に配給するために、スイッチ素子１１４，１１６が閉構成にあるときに、スイッチ素子１１４，１１６を制御するために利用される。また、マイクロコントローラ１２２は、スイッチ素子１１４，１１６に、変換電気エネルギの配給を許容する閉構成と、変換電気エネルギの配給を防止する開構成との間で移行させるマイクロコントローラ制御信号を発行するように構成される。

【0026】

[0030] スマート電力システム・モジュール１２８は、検知素子１１８，１２０から受けるフィードバック信号に基づいて、スイッチ素子１１４，１１６を動作させるように構成することができる。前述のように、フィードバック信号は、それぞれのスイッチ素子１１４，１１６および／またはそれぞれのスイッチ素子１１８，１２０を通る電流フローを表す。実装態様において、スマート電力システム・モジュール１２８は、プロセッサ１２４に、フィードバック信号をプログラム可能な電流閾値と比較させるように構成される。更に、スマート電力システム・モジュール１２８は、スイッチング素子１１４，１１６に閉構成から開構成に移行させるためのマイクロコントローラ信号の発生を行うことを、プロセッサ１２４に命令するように構成され、電気負荷１０２が過電流事象によって損傷を受けるまたは破壊されるのを防止することができる。プログラム可能な電流閾値は、システム１００とインターフェースされる電気負荷１０２に基づいて定めることができる。例えば、第１プログラム可能電流閾値が第１電気負荷１０４Ａに対して定められてもよく、第２プログラム可能電流閾値（例えば、第１プログラム可能電流閾値よりも低い電流閾値、高い電流閾値、同じ電流閾値）が第２電気負荷１０４Ｂに対して定められてもよい。他の実装態様において、スマート電力システム・モジュール１２８が、電力変換器１０６から受ける監視信号に基づいて、スイッチ素子１１４，１１６の動作を制御するように構成されてもよい。例えば、マイクロコントローラ１２２は、電力変換器１０６に関連する電力効率および／または電力変換パラメータを連続的に監視するために、電力変換器１０６とインターフェースするように構成される。また、スマート電力システム・モジュール１２８は、電力変換器１０６が動作状態にあることをプロセッサ１２４に検証させるように構成される。例えば、スマート電力システム・モジュール１２８は、電力効率および／または電力変換パラメータがプログラム可能な電力変換器パラメータの設定範囲内で動作していることを、プロセッサ１２４に検証させるように構成されてもよい。

【0027】

[0031] 図１に示すように、コントローラ１３０は、マイクロコントローラ１２２および電気負荷１０２とインターフェースするように構成される。コントローラ１３０は、プロセッサ１３２およびメモリ１３４を含み、マイクロコントローラ１２２と双方向で通信するように構成される。コントローラ１３０は、スマート電力システム１００に対して外部であってもよく、少なくとも部分的にマイクロコントローラ１２２の動作を制御するように、および／または電気負荷パラメータ（例えば、診断情報）をマイクロコントローラ１２２に供給するように構成することができる。コントローラ１３０の観点からは、マイクロコントローラ１２２は入力／出力モジュールであるように見えるのでもよい。

【0028】

[0032] 実装態様において、コントローラ１３０および／またはマイクロコントローラ１２２が、各々、互いに識別し合うため、またはシステム１００の他のコンポーネントと識別し合うために、それぞれ一意のセキュリティ資格証明（例えば、鍵１３６および鍵１３８）を含むこともできる。これらの鍵１３６，１３８は、セキュリティ機能をシステム１００に設けるための鍵対を形成するために、それぞれのコントローラ１３０およびマイクロコントローラ１２２に供給されるのでもよい。コントローラ１３０は、コントローラ１３０がマイクロコントローラ１２２と関連付けられた鍵１３８を識別できない場合、またはその逆の場合に、マイクロコントローラ１２２が動作するのを防止するように構成されてもよい。鍵１３６，１３８を利用すると、システム１００の不正使用を防止すること、または他の製造会社のマイクロコントローラ（またはコントローラ）がシステム１００と共に利用されることを防止することができる。

【0029】

[0033] また、コントローラ１３０は、電気負荷１０２とも接続されている。コントローラ１３０は、１つ以上の電気負荷パラメータを表す電気負荷信号を、電気負荷１０２から受けるように構成される。例えば、これらのパラメータには、負荷１０２を通る電流フローを表すパラメータ、電気負荷に関連する温度等を含むことができるが、これらに限定されるのではない。これらのパラメータは、電気負荷１０２から受ける診断情報を表すこともできる。コントローラ１３０は、電気負荷パラメータを示すコントローラ信号をマイクロコントローラ１２２に供給するように構成される。実装態様において、スマート電力システム・モジュール１２８は、コントローラ信号をプログラム可能な電気負荷パラメータ閾値と比較することをプロセッサ１２４に命令するように構成される。電気負荷パラメータ閾値は、電気負荷電流閾値、電気負荷温度閾値等を表すことができる。例えば、スマート電力システム・モジュール１２８が、電気負荷１０４Ａに関連付けられた電気負荷パラメータ閾値を、それぞれのプログラム可能な電気負荷パラメータ閾値と比較することを、プロセッサ１２４に命令することができる。この比較に基づいて（例えば、電気負荷１０４Ａ内部の温度が高すぎる、電気負荷１０４Ａが受けている電流が多すぎる等）、スマート電力システム・モジュール１２８は、電気負荷１０４Ａに対応するスイッチ素子１１４，１１６に閉構成から開構成に移行させて、少なくとも実質的に変換電気エネルギが電気負荷１０４Ａに給電するのを防止することをプロセッサ１２４に命令するように構成される。ある実装態様において、コントローラ１３０は、マイクロコントローラ１２２に対するスレーブ・デバイスを含む。

【0030】

[0034] 図３は、本開示の例示の実装態様によるバックプレーン３００を含むシステム例を示し、スマート電力システム１００がバックプレーン３００内に統合されている。バックプレーン３００のようなバックプレーンは、通例、電力および／または通信信号の送信のために、産業用システムまたは電気通信システム内において利用される。図示のように、バックプレーン３００は、プラガブル(pluggable)入力／出力（Ｉ／Ｏ）モジュール３０２（例えば、電気負荷１０２）を含む。例えば、バックプレーン３００は、入力／出力モジュール３０２と嵌合するように構成されたコネクタ３０４（例えば、スロット）を含むことができ、入力／出力モジュール３０２をスマート電力システム１００とインターフェースさせ、スマート電力システム１００は、前述のように、少なくとも部分的に入力／出力モジュール３０２に給電するために利用される。例えば、バックプレーン３００は、ＤＣ電源またはＡＣ電源のような電源３０６を利用することができ、スマート電力システム１００の電力変換器１０６は、電気エネルギを１つの形態から他の形態に変換するため、そして前述のように変換電気エネルギを利用して、少なくとも部分的に入力／出力モジュール３０２に給電するように構成される。

【0031】

[0035] 図３に示すように、電気負荷１０２（例えば、入力／出力モジュール３０２）は、各々、処理機能をそれぞれの負荷１０２に設けるように構成されたプロセッサ３０８を含むことができる。例えば、入力／出力モジュール３０２は、本開示内において説明するように、コントローラ１３０とインターフェースするように構成される。プロセッサ３０８は、１つ以上の電気負荷１０２のパラメータをコントローラ１３０に供給するように構成することができる。例えば、パラメータは、負荷１０２に関連する電流フロー、負荷１０２に関連する温度等というような、診断情報を含むことができる。

【0032】

[0036] 実装態様において、入力／出力モジュール３０２は、産業用制御システム内部で利用される入力モジュール、出力モジュール、および／または入力および出力モジュールを含むことができる。入力モジュールは、プロセスまたは現場における産業用制御システムの入力計器から情報を受信するために使用することができ、一方出力モジュールは、命令を現場における出力計器に送信するために使用することができる。例えば、Ｉ／Ｏモジュール３０２は、ガス・プラント、精製所等の配管における圧力を測定するためのセンサというような、プロセス・センサに接続することができる。実装態様において、入力／出力モジュール３０２は、適用分野(application)においてデータを収集しシステムを制御するために利用することができる。適用分野には、製造、生産、発電、製作、および精製というような産業用プロセス、水処理および給水、排水収集および処理、石油およびガス・パイプライン、送電および配電、集合型風力発電所、大規模通信システムというようなインフラストラクチャ・プロセス、建物、空港、船舶、宇宙ステーションのための設備プロセス（例えば、加熱、換気、および空調（ＨＶＡＣ）機器ならびにエネルギ消費を監視および制御するため）、石油およびガス、精製、化学、薬品、食品および飲料水、水および排水、パルプおよび紙、外部電力(utility power)、鉱業、金属というような大規模(large campus)鉱業プロセス・プラント、および／または重要なインフラストラクチャが含まれるが、必ずしもこれらに限定されるのではない。

【0033】

[0037] 他の実装態様において、入力／出力モジュール３０２は、電気通信ネットワーク内部で利用される入力モジュール、出力モジュール、および／または入力および出力モジュールを含むことができる。例えば、入力モジュールは、電気通信ネットワークの入力計器から情報を受信するために利用することができ、一方出力モジュールは、電気通信ネットワークにおいて命令を出力計器に送信するために使用することができる。

【0034】

[0038] 図３に示すように、バックプレーン３００は、１つ以上の追加のスマート電力システム１００を含むこともでき、これらを内部に統合することもできる。追加のスマート電力システム１００は、スマート電力システム１００の内１つ以上が動作不能になった場合に、バックプレーン３００内に冗長機能を設けるように構成される。例えば、バックプレーン３００内部に統合された各スマート電力システム１００（例えば、システム１００（１）、システム１００（２）、．．．１００（Ｎ））は、個々に、バックプレーン３００に接続された各Ｉ／Ｏモジュール３０２（例えば、電気負荷１０２）とインターフェースする。実装態様において、各スマート電力システム１００は、十分な量の変換電気エネルギを各Ｉ／Ｏモジュール３０２に供給して、１つの電力システム１００のみによって入力／出力モジュール３０２に給電できるように構成される。他の実装態様において、１つ以上のスマート電力システム１００が、入力／出力モジュール３０２に給電するために利用されてもよい。例えば、第１スマート電力システム１００および第２スマート電力システム１００が、少なくとも実質的に第１Ｉ／Ｏモジュール３０２に給電するように構成されてもよい。コントローラ１３０は、システム１００（１）、システム１００（２）、．．．１００（Ｎ）の内どれが、どのＩ／Ｏモジュール３０２に変換電気エネルギを供給するか、バックプレーン３００の要件にしたがって選択するように構成されてもよい。加えて、１つのコントローラ１３０だけが図示されているが、コントローラ１３０の冗長機能を設けるために、バックプレーン３００内において多数のコントローラ１３０が利用されてもよいことも考えられる。

【0035】

[0039] 実装態様において、スマート電力システム１００は、１つ以上のコネクタ３０４に電力を選択的に供給するように構成される。例えば、コントローラ１３０（または複数のコントローラ１３０）が、１つ以上のコネクタ３０４が使用されていないという情報をスマート電力システム１００（例えば、システム１１０のプロセッサ１２４）に提供するように構成されるのでもよい。スマート電力システム１００は、この情報を利用して、これらのコネクタ３０４への電力の配給を防止することができる。例えば、スマート電力システム１００のスマート電力システム・モジュール１２８が、使用されていないコネクタ３０４に対応するスイッチ素子（例えば、スイッチ素子１１４、スイッチ素子１１６）が閉構成に移行するのを、プロセッサ１２４に防止させることもできる。

【0036】

例示のスマート電力システム・プロセス
[0040] 図４は、本発明の例示の実装態様により、スマート電力システム１００を動作させるプロセス（方法）例４００を示す。図示する方法４００において、電気エネルギを１つの形態から他の形態に変換する（ブロック４０２）。例えば、電力変換器１０６は、第１形態の電気エネルギを受けて、この第１タイプの電気エネルギを第２形態の電気エネルギに変換するように構成される（例えば、電圧振幅特性を修正する、電圧周波数特性を修正する、ＡＣ電圧信号からＤＣ電圧信号に変換する、ＤＣ電圧信号をＡＣ電圧信号に変換する）。図４に示すように、変換電気エネルギの配給をスイッチ素子によって制御する（ブロック４０４）。１つ以上の実装態様において、スイッチ素子１１４，１１６は、変換電気エネルギの電気負荷１０２への配給を制御するように構成される。前述のように、マイクロコントローラ１２２は、スイッチ素子１１４，１１６の動作を制御するように構成され、これによって、スイッチ素子１１４，１１６に変換電気エネルギの配給を制御させる。例えば、マイクロコントローラ１２２は、スイッチ素子１１４，１１６を閉構成から開構成に移行させて、少なくとも実質的に変換電気エネルギの電気負荷１０２への配給を防止するように構成される。他の例では、マイクロコントローラは、スイッチ素子１１４，１１６に開構成から閉構成に移行させて、変換電気エネルギの電気負荷１０２への配給を許容するように構成される。

【0037】

[0041] 検知素子において、変換エネルギに基づいて、フィードバック信号を発生する（ブロック４０６）。前述のように、検知素子１１８，１２０はマイクロコントローラ１２２に電気的に接続されている。１つ以上の実装態様において、検知素子１１８，１２０は、フィードバック信号をマイクロコントローラ１２２に供給する。このフィードバック信号は、電気負荷１０２に送配される電流フローを表すことができる。図４に示すように、マイクロコントローラにおいてフィードバック信号に基づいて、スイッチ素子の動作を制御する（ブロック４０８）。前述のように、スイッチ素子１１８，１２０は、変換電気エネルギの少なくとも１つの電気負荷への配給を許容する閉構成と、変換電気エネルギの対応する電気負荷１０４Ａ，１０４Ｂへの配給を少なくとも実質的に防止する開構成との間で移行するように構成される。例えば、マイクロコントローラ１２２は、スイッチ素子１１４，１１６に、変換電気エネルギの配給を許容する閉構成と、変換電気エネルギの配給を防止する開構成との間で移行させるために、マイクロコントローラ制御信号を発行するように構成される。

【0038】

結論
[0042] 以上、構造的特徴および／またはプロセス動作に特定的な文言で主題について説明したが、添付した特許請求の範囲において定められた主題は、以上で説明した具体的な特徴やアクトには必ずしも限定されないことは理解されてしかるべきである。逆に、以上で説明した具体的な特徴やアクトは、特許請求の範囲を実施する形態例として開示したまでである。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】