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▶ パワー スウィッチング リミティド ライアビリティ カンパニーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-09
(54)【発明の名称】新しい非絶縁型ゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20240702BHJP
H03K 17/13 20060101ALI20240702BHJP
H02M 7/12 20060101ALI20240702BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
H03K17/13 A
H02M7/12 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024518959
(86)(22)【出願日】2022-06-07
(85)【翻訳文提出日】2024-02-06
(86)【国際出願番号】 US2022032451
(87)【国際公開番号】W WO2022261059
(87)【国際公開日】2022-12-15
(31)【優先権主張番号】63/197,890
(32)【優先日】2021-06-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523460855
【氏名又は名称】パワー スウィッチング リミティド ライアビリティ カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(74)【代理人】
【識別番号】100151459
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 健一
(72)【発明者】
【氏名】ファルザド アーマドクハンロウ
(72)【発明者】
【氏名】アレン ダハキ
(72)【発明者】
【氏名】レザ サルハディ ニア
【テーマコード（参考）】
5H006
5H730
5J055
【Ｆターム（参考）】
5H006AA01
5H006CA00
5H006CB08
5H006CC08
5H730AA02
5H730AA14
5H730AS04
5H730AS05
5H730AS08
5H730BB13
5H730BB14
5H730BB57
5H730DD02
5H730DD16
5H730DD42
5H730DD43
5H730EE13
5H730FG05
5J055AX12
5J055AX44
5J055AX55
5J055AX56
5J055AX61
5J055BX16
5J055BX40
5J055CX07
5J055CX08
5J055CX19
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5J055EY12
5J055EY13
5J055EZ23
5J055EZ52
5J055EZ63
5J055GX01
5J055GX02
5J055GX05
5J055GX06
(57)【要約】
ＺＣＶＴＴスイッチング回路は、スイッチと、スイッチに接続され、スイッチからの入力信号を減衰させるように構成された受動ブロックと、を含む。スイッチング回路は、さらに、受動ブロックに接続され、受動ブロックからの正のスパイクから正のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロックと、受動ブロックに接続され、受動ブロックからの負のスパイクから負のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックと、を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スイッチと、前記スイッチに接続され、前記スイッチからの入力信号を減衰させるように構成された受動ブロックと、
前記受動ブロックに接続され、前記受動ブロックからの正のスパイクから正のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロックと、
前記受動ブロックに接続され、前記受動ブロックからの負のスパイクから負のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックと、
を備えるスイッチング回路。
【請求項2】
前記受動ブロックは、ゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロック、第１のゼロ電圧スイッチングブロック、および、第２のゼロ電圧スイッチングブロックを含む、請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項3】
前記受動ブロックは、ゼロ電流遷移技術（ＺＣＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロックのみを含む、請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項4】
前記スイッチは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、前記受動回路は、電圧線に接続された第１の端子と、
前記第１のスイッチに接続された第２の端子と、
前記ＲＰＥブロックに接続された第３の端子と、
電気的接地に接続された第４の端子と、
前記第２のスイッチに接続された第５の端子と、
前記ＲＮＥブロックに接続された第６の端子と、
入力電圧に接続された第７の端子と、
を含む、請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項5】
前記ＲＰＥブロックおよび前記ＲＮＥブロックは、それぞれ、前記受動ブロックに接続された入力端子と、電気的接地に接続された接地端子と、前記リサイクルされた正のエネルギーおよび前記リサイクルされた負のエネルギーが電圧線に供給されるように前記電圧線に接続された出力端子と、を含む、請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項6】
前記ＲＰＥブロックおよび前記ＲＮＥブロックは、それぞれ、前記入力端子と前記出力端子との間に接続されたパルス幅変調器（ＰＷＭ）を含む、請求項５に記載のスイッチング回路。
【請求項7】
前記ＲＰＥブロックおよび前記ＲＮＥブロックは、それぞれ、能動回路素子および受動回路素子の両方を含む能動ブロックである、請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項8】
第２のスイッチと、該第２のスイッチに接続され、該第２のスイッチからの第２の入力信号を減衰させるように構成された第２の受動ブロックと、をさらに備え、前記ＲＰＥブロックは、前記第１の受動ブロックおよび前記第２の受動ブロックに接続され、前記第１の受動ブロックからの正のエネルギーおよび前記第２の受動ブロックからの正のエネルギーをリサイクルするように構成され、前記ＲＮＥブロックは、前記第１の受動ブロックおよび前記第２の受動ブロックに接続され、前記第１の受動ブロックからの負のエネルギーおよび前記第２の受動ブロックからの負のエネルギーをリサイクルするように構成される、請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項9】
前記受動ブロック、前記ＲＰＥブロック、および、前記ＲＮＥブロックは、直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ、交流（ＡＣ）－ＤＣコンバータ、および、ＤＣ－ＡＣインバータと共に使用されるように構成されている、請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項10】
スイッチを含むスイッチングシステムの効率を向上させるための回路であって、前記スイッチに接続され、前記スイッチからの入力信号を減衰させるように構成された受動ブロックと、
前記受動ブロックに接続され、前記受動ブロックからの正のスパイクから正のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロックと、
前記受動ブロックに接続され、前記受動ブロックからの負のスパイクから負のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル負エネルギー（RNE）ブロックと、
を備える、スイッチング回路。
【請求項11】
前記受動ブロックは、ゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロック、第１のゼロ電圧スイッチングブロック、および、第２のゼロ電圧スイッチングブロックを含む、請求項１０に記載のスイッチング回路。
【請求項12】
前記受動ブロックは、ゼロ電流遷移技術（ＺＣＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロックのみを含む、請求項１０に記載のスイッチング回路。
【請求項13】
前記スイッチは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、前記受動回路は、電圧線に接続された第１の端子と、
前記第１のスイッチに接続された第２の端子と、
前記ＲＰＥブロックに接続された第３の端子と、
電気的接地に接続された第４の端子と、
前記第２のスイッチに接続された第５の端子と、
前記ＲＮＥブロックに接続された第６の端子と、
入力電圧に接続された第７の端子と、
を含む、請求項１０に記載のスイッチング回路。
【請求項14】
前記ＲＰＥブロックおよび前記ＲＮＥブロックは、それぞれ、前記受動ブロックに接続された入力端子と、電気的接地に接続された接地端子と、前記リサイクルされた正のエネルギーおよび前記リサイクルされた負のエネルギーが電圧線に供給されるように前記電圧線に接続された出力端子と、を含む、請求項１０に記載のスイッチング回路。
【請求項15】
前記ＲＰＥブロックおよび前記ＲＮＥブロックは、それぞれ、前記入力端子と前記出力端子との間に接続されたパルス幅変調器（ＰＷＭ）を含む、請求項１４に記載のスイッチング回路。
【請求項16】
前記ＲＰＥブロックおよび前記ＲＮＥブロックは、それぞれ、能動回路素子および受動回路素子の両方を含む能動ブロックである、請求項１０に記載のスイッチング回路。
【請求項17】
第２のスイッチと、該第２のスイッチに接続され、該第２のスイッチからの第２の入力信号を減衰させるように構成された第２の受動ブロックと、をさらに備え、前記ＲＰＥブロックは、前記第１の受動ブロックおよび前記第２の受動ブロックに接続され、前記第１の受動ブロックおよび前記第２の受動ブロックから正のエネルギーをリサイクルするように構成され、前記ＲＮＥブロックは、前記第１の受動ブロックおよび前記第２の受動ブロックに接続され、前記第１の受動ブロックおよび前記第２の受動ブロックから負のエネルギーをリサイクルするように構成される、請求項１０に記載のスイッチング回路。
【請求項18】
前記受動ブロック、前記ＲＰＥブロック、および、前記ＲＮＥブロックは、直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ、交流（ＡＣ）－ＤＣコンバータ、および、ＤＣ－ＡＣインバータと共に使用されるように構成されている、請求項１０に記載のスイッチング回路。
【請求項19】
スイッチと、前記スイッチに直列構成で接続され、前記スイッチからの入力信号を減衰させるように構成された受動ブロックと、
前記受動ブロックに接続され、前記受動ブロックからの正のスパイクから正のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロックと、
前記受動ブロックに接続され、前記受動ブロックからの負のスパイクから負のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックと、
を備える、スイッチング回路。
【請求項20】
前記ＲＰＥブロックおよび前記ＲＮＥブロックは、それぞれ、前記受動ブロックに接続された入力端子と、電気的接地に接続された接地端子と、前記リサイクルされた正のエネルギーおよび前記リサイクルされた負のエネルギーが電圧線に供給されるように、前記電圧線に接続された出力端子と、を含む、請求項１９に記載のスイッチング回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、Ｎｏｖｅｌ Ｎｏｎ－Ｉｓｏｌａｔｅｄ Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＺＣＶＴＴ）と題され、２０２１年６月７日に出願された米国仮出願第６３／１９７，８９０号の利益および優先権を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【0002】
１．技術分野
【0003】
本開示は、電力スイッチングトポロジに使用される回路に関し、より詳細には、電力スイッチングトポロジにおいて電力損失を低減させ、効率を向上させる回路に関する。
【0004】
２．関連技術の説明
【0005】
今日、多くの電子機器において、様々な構成のパワースイッチおよびその他のスイッチが使用されている。例えば、パワースイッチは、燃料電池用ＤＣ－ＤＣコンバータ、ソーラーパネルに接続されたインバータ、風力タービン用電力インバータ、電気自動車の充電器および牽引システム、主要な家電製品などに組み込まれる場合がある。これらのパワースイッチは、全て、何らかの固有の非効率性、即ち、電力損失を有している。電力スイッチング損失は、例えば、スイッチが遮断状態（即ち、スイッチが電流のスループットを妨げる状態）から導通状態（即ち、スイッチに電流を流すことができる状態）に移行するとき、および、導通状態から遮断状態に移行するときに発生する。パワースイッチは、また、スイッチが完全な導通状態にあるときに発生する導通損失も生じさせ、これはスイッチに電力を供給するために使用される電流に基づく。
【0006】
化石燃料の削減に向けた現在の動きに伴い、より多くの電気機器が電気を使用して動作するように設計されている。ほとんどの場合、これらのデバイスは（例えば、電源装置内の）スイッチを利用している。電源スイッチによる損失を減少させることで、電気機器の動作を改善することができる。例えば、より効率的な電源スイッチを持つバッテリ充電器は、損失の多い電源スイッチを使うバッテリ充電器よりも、グリッドから低いエネルギーを使ってバッテリを充電する。他の例として、より効率的な電力スイッチを使用する電気自動車は、損失の多い電力スイッチを使用する同じ自動車よりも長い距離を走行することができる。さらに、スイッチ効率が高いほど電気的浪費が減るため、発電所から引き出される電力量が減り、発電所で燃焼される化石燃料の量を減らすことができる。
【0007】
このように、当技術分野では、損失を低減させ、効率を向上させるように設計されたパワースイッチおよびその他のスイッチに対するニーズが存在する。
【発明の概要】
【0008】
本明細書で説明するのは、スイッチと、スイッチに結合され、スイッチからの入力信号を減衰させるように構成された受動ブロックと、を含むスイッチング回路である。スイッチング回路は、さらに、受動ブロックに結合され、受動ブロックからの正のスパイクから正のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロックと、受動ブロックに結合され、受動ブロックからの負のスパイクから負のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックと、を含む。
【0009】
上述の実施形態のいずれかにおいて、受動ブロックは、ゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロック、第１のゼロ電圧スイッチングブロック、および、第２のゼロ電圧スイッチングブロックを含む。
【0010】
上述の実施形態のいずれかにおいて、受動ブロックは、ゼロ電流遷移技術（ＺＣＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロックのみを含む。
【0011】
上述の実施形態のいずれかにおいて、スイッチは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、受動回路は、電圧線に接続された第１の端子と、第１のスイッチに接続された第２の端子と、ＲＰＥブロックに接続された第３の端子と、電気的接地に接続された第４の端子と、第２のスイッチに接続された第５の端子と、ＲＮＥブロックに接続された第６の端子と、入力電圧に接続された第７の端子と、を含む。
【0012】
上述の実施形態のいずれかにおいて、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックは、それぞれ、受動ブロックに接続された入力端子と、電気的接地に接続された接地端子と、リサイクルされた正のエネルギーおよびリサイクルされた負のエネルギーが電圧線に供給されるように電圧線に接続された出力端子と、を含む。
【0013】
上述の実施形態のいずれかにおいて、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックは、それぞれ、入力端子と出力端子との間に接続されたパルス幅変調器（ＰＷＭ）を含む。
【0014】
上述の実施形態のいずれかにおいて、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックは、それぞれ、能動回路素子および受動回路素子の両方を含む能動ブロックである。
【0015】
上述の実施形態のいずれかは、第２のスイッチと、第２のスイッチに接続され、第２のスイッチからの第２の入力信号を減衰させるように構成された第２の受動ブロックと、をさらに含み、ＲＰＥブロックは、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックに接続され、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックから正のエネルギーをリサイクルするように構成され、ＲＮＥブロックは、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックに接続され、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックから負のエネルギーをリサイクルするように構成される。
【0016】
上述の実施形態のいずれかにおいて、受動ブロック、ＲＰＥブロック、および、ＲＮＥブロックは、直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ、交流（ＡＣ）－ＤＣコンバータ、および、ＤＣ－ＡＣインバータと共に使用されるように構成される。
【0017】
また、スイッチを含むスイッチングシステムの効率を向上させるための回路も開示される。この回路は、スイッチに接続され、スイッチからの入力信号を減衰させるように構成された受動ブロックを含む。回路は、さらに、受動ブロックに接続され、受動ブロックからの正のスパイクから正のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロックと、受動ブロックに接続され、受動ブロックからの負のスパイクから負のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックと、を含む。
【0018】
上述の実施形態のいずれかにおいて、受動ブロックは、ゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロック、第１のゼロ電圧スイッチングブロック、および、第２のゼロ電圧スイッチングブロックを含む。
【0019】
上述の実施形態のいずれかにおいて、受動ブロックは、ゼロ電流遷移技術（ＺＣＴＴ）ブロックであり、ゼロ電流スイッチングブロックのみを含む。
【0020】
上述の実施形態のいずれかにおいて、スイッチは、第１のスイッチおよび第２のスイッチを含み、受動回路は、電圧線に接続された第１の端子と、第１のスイッチに接続された第２の端子と、ＲＰＥブロックに接続された第３の端子と、電気的接地に接続された第４の端子と、第２のスイッチに接続された第５の端子と、ＲＮＥブロックに接続された第６の端子と、入力電圧に接続された第７の端子と、を含む。
【0021】
上述の実施形態のいずれかにおいて、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックは、それぞれ、受動ブロックに接続された入力端子と、電気的接地に接続された接地端子と、電圧線に接続された出力端子と、リサイクルされた正のエネルギーおよびリサイクルされた負のエネルギーが電圧線に供給されるように、電圧線に結合された出力端子と、を含む。
【0022】
上述の実施形態のいずれかにおいて、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックは、それぞれ、入力端子と出力端子との間に接続されたパルス幅変調器（ＰＷＭ）を含む。
【0023】
上述の実施形態のいずれかにおいて、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックは、それぞれ、能動回路素子および受動回路素子の両方を含む能動ブロックである。
【0024】
上述の実施形態のいずれかは、第２のスイッチと、第２のスイッチに接続され、第２のスイッチからの第２の入力信号を減衰させるように構成された第２の受動ブロックと、をさらに含んでよく、ＲＰＥブロックは、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックに接続され、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックから正のエネルギーをリサイクルするように構成され、ＲＮＥブロックは、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックに接続され、第１の受動ブロックおよび第２の受動ブロックから負のエネルギーをリサイクルするように構成される。
【0025】
上述の実施形態のいずれかにおいて、受動ブロック、ＲＰＥブロック、および、ＲＮＥブロックは、直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータ、交流（ＡＣ）－ＤＣコンバータ、および、ＤＣ－ＡＣインバータとともに使用されるように構成される。
【0026】
また、スイッチング回路も開示される。スイッチング回路は、スイッチと、直列構成でスイッチに接続され、スイッチからの入力信号を減衰させるように構成された受動ブロックと、を含む。スイッチング回路は、受動ブロックに接続され、受動ブロックからの正のスパイクから正のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロックをさらに含む。スイッチング回路は、受動ブロックに接続され、受動ブロックからの負のスパイクから負のエネルギーをリサイクルするように構成されたリサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックをさらに含む。
【0027】
上述の実施形態のいずれかにおいて、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックは、それぞれ、受動ブロックに接続された入力端子と、電気的接地に接続された接地端子と、リサイクルされた正のエネルギーおよびリサイクルされた負のエネルギーが電圧線に供給されるように電圧線に接続された出力端子と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【0028】
本発明の他のシステム、方法、特徴、および、利点は、以下の図および詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかであるか、または明らかになるであろう。このような追加のシステム、方法、特徴、および、利点は、全て、本明細書内に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。図面に示された構成部分は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の重要な特徴をより良く説明するために誇張されている場合がある。図面において、同様の参照数字は、異なる図全体を通して同様の部品を示す。
【図1A】図１Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、ＺＣＶＴＴブロック、リサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロック、および、リサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックを含む、本明細書に開示されるゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）の特定のブロックを図示する。
【図1B】図１Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、ＺＣＶＴＴブロック、リサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロック、および、リサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロックを含む、本明細書に開示されるゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）の特定のブロックを図示する。
【発明を実施するための形態】
【0029】
本開示は、回路におけるゼロ電流・電圧遷移技術（ＺＣＶＴＴ）スイッチングのためのシステム、装置、および、方法について説明する。本明細書に記載されるＺＣＶＴＴスイッチング回路は、従来のスイッチング回路と比較して大きな利点を提供する。例えば、本開示の回路は、スイッチング動作中に発生する余分なエネルギーをリサイクルして、動作中の電力損失を低減させるように設計されている。この効率の向上により消費電力が低減されるため、１回のバッテリ充電でデバイスに長時間電力を供給できるようになり、バッテリを充電するためのエネルギーが低減されるなどの利点が得られる。
【0030】
ゼロ電圧スイッチングを含む標準的なソフトスイッチング技術は、高負荷時の直流（ＤＣ）－ＤＣコンバータに使用されてきた。低電力範囲では、標準的なＺＶＳはハードスイッチと同様の働きをする。一方、ＺＣＶＴＴは、ハーフブリッジおよびフルブリッジのトポロジを変更し、ソフトスイッチングトポロジと追加の受動／能動回路素子を組み合わせることで、スイッチング時の電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）と電圧の変化率（ｄｖ／ｄｔ）を制限し、スイッチング損失を低減させて効率を向上させる。ＺＣＶＴＴは、また、電流（ｉ）または電圧（ｖ）の少なくとも一方をゼロにし、両者の積（ｉｖ）を可能な限りゼロに近づけることで、スイッチング間隔において効果を発揮する。
【0031】
図１～３を参照すると、ＺＣＶＴＴイノベーションは、３つのブロック、即ち、（１）ＺＣＶＴＴブロック１００（後述するように、３つのサブブロック：ＺＣＳ、ＺＶＳ１、および、ＺＶＳ２を含む）、リサイクル正エネルギー（ＲＰＥ）ブロック１３０、および、リサイクル負エネルギー（ＲＮＥ）ブロック１６０から構成される。ＺＣＶＴＴブロック１００は、Ａ１－Ａ７と表示された７つの端子（即ち、入力端子および／または出力端子）を含み、ＲＰＥブロック１３０は、Ｂ１－Ｂ３と表示された３つの端子を含み、ＲＮＥブロック１６０は、Ｃ１－Ｃ３と表示された３つの端子を含む。ＺＣＶＴＴイノベーションは、ＺＣＶＴＴブロック１００をＲＰＥブロック１３０およびＲＮＥブロック１６０と同時に使用して、切り捨てられたエネルギーをスイッチング回路にリサイクルさせることを含む。即ち、ＲＰＥブロック１３０はリサイクルされた正のエネルギーをスイッチング回路に戻す一方、ＲＰＥブロック１６０はリサイクルされた負のエネルギーをスイッチング回路に戻す。リサイクルされた正と負のエネルギーは、回路によって使用されるため、本来であれば失われるはずのエネルギーが、代わりに有用なエネルギーとして利用することができる。これにより、ＺＣＶＴＴが適用されるスイッチング回路の損失が大幅に減少し、効率が向上する。ＺＣＶＴＴイノベーションは、全ての非絶縁型一方向および双方向ＤＣ－ＤＣ（昇圧および降圧）、ハーフブリッジおよびフルブリッジＤＣ－交流（ＡＣ）およびＡＣ－ＤＣトポロジに適用できる。
【0032】
ＺＣＶＴＴブロック１００、１３０、１６０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、シリコン（Ｓｉ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）金属－酸化膜－半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、および、窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタなどの任意のスイッチと直列に回路内で使用することができる。スイッチの設計者は、ＺＣＶＴＴ技術で使用するこれらのスイッチのいずれかを選択できる。トポロジと用途によっては、ＺＣＶＴＴブロック１００の複数のインスタンスを標準回路に追加することができる。例えば、３相双方向ＤＣ－ＡＣインバータでは、３つのＺＣＶＴＴブロック１００を追加することができる。ほとんどのトポロジおよび用途では、単一のＲＰＥブロック１３０および単一のＲＮＥブロック１６０のみが回路に追加される場合がある。一部の実施例では、ＺＣＶＴＴブロック１００の代わりにゼロ電流遷移技術（ＺＣＴＴ）ブロックが使用されてもよく、そのような実施例では、回路は単一のＺＣＳブロックのみを含み、ＺＶＳブロックは含まなくてもよい。スイッチ設計者は、サイズ上の制約、コスト上の制約、スイッチの望ましい動作などの理由から、ＺＣＶＴＴブロックではなくＺＣＴＴブロックを含めることができる。ＺＣＶＴＴブロックは、ＺＣＴＴよりも高価でサイズが大きくなる可能性があるが、ＺＣＴＴよりも高い効率を提供することができる。
【0033】
図２を参照すると、ＺＣＶＴＴブロックの例示的なセットを示す回路２０１が図示されている。図示のように、回路２０１は、ＺＣＶＴＴブロック２００、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０を含んでよい。ＺＣＶＴＴブロック２００は、ＺＶＳ１ブロック２０４とＺＶＳ２ブロック２０６との間に接続されたＺＣＳブロック２０２を含む。第１のスイッチ２０８が、（端子Ａ５を介して）ＺＣＳブロック２０２および（端子Ａ４を介して）ＺＶＳ１ブロック２０４に接続され、第２のスイッチ２１０が、（端子Ａ２を介して）ＺＣＳブロック２０２および（端子Ａ１を介して）ＺＶＳ２ブロック２０６に接続されてもよい。電圧源２１２は、端子Ａ７を介してＺＣＳブロック２０２に接続されてよい。
【0034】
ＲＰＥブロック２３０は、ＺＣＶＴＴブロック２００の端子Ａ３およびＲＰＥブロック２３０の端子Ｂ３を介してＺＶＳ２ブロック２０６の出力に接続されてよい。ＲＮＥブロック２６０は、ＺＣＶＴＴブロック２００の端子Ａ６およびＲＮＥブロック２６０の端子Ｃ３を介してＺＶＳ１ブロック２０４の出力に接続されてもよい。ＲＰＥブロック２３０は、端子Ｂ１を介して電気的接地２１４に接続されてよく、ＲＮＥブロック２６０は、端子Ｃ１を介して接地２１４に接続されてよい。ＲＰＥブロック２３０は電圧線２１６に接続され、端子Ｂ２を介して電圧線２１６に出力電圧または出力電流の少なくとも一方を供給することができる。同様に、ＲＮＥブロック２６０は電圧線２１６に接続され、端子Ｃ２を介して電圧線２１６に出力電圧または出力電流の少なくとも一方を供給することができる。ＲＰＥブロック２３０は、リサイクルされた正のエネルギーを電圧線２１６に供給し、ＲＮＥブロック２６０は、リサイクルされた負のエネルギーを電圧線２１６に供給する。電圧線２１６は、電圧線２１６上の電圧（または電流、即ちリサイクルされたエネルギー）が回路２０１の出力として提供され、リサイクルされたエネルギーが、回路２０１が実装されるシステム内の他の個所に提供されるように、出力端子２１８に接続されてもよい。
【0035】
次に、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックの動作について説明する。ＲＰＥブロック内の論理機能は、コントローラＰＷＭ４によって提供され得る。コントローラＰＷＭ４は、論理機能を提供する任意のコントローラ、プロセッサ、または他の論理デバイス（例えば、スイッチまたは他の電子部品の集合体）を含むことができる。例えば、コントローラＰＷＭ４は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）コントローラを含むことができる。コントローラＰＷＭ４は、論理デバイスによって使用可能な命令を記憶することができる非一過性メモリをさらに含むことができ、論理デバイスによって要求される情報を記憶することができる。ＰＷＭ４は、感知された電圧に基づいて特定の動作を行うように設計することができる。例えば、ＰＷＭ４は感知された電圧に基づいてスイッチＳＷ４を制御することができる。特に、ＰＷＭ４のＩｓｅｎｓｅ端子は、ＺＣＶＴＴブロック２００の端子Ａ３によって出力される電圧に対応する、コンデンサーＣ３にわたる電圧に対応する電圧を検出することができる。電圧が、閾値電圧に達するか、または、閾値電圧を超えることに応答して、ＰＷＭ４は、オン状態とオフ状態との間でＳＷ４を制御し得る。ＰＷＭ４は、インダクターＬ５を充電するためにＳＷ４をターンオン（即ち、回路を閉じる）するように制御し、インダクターＬ５からシステムに戻るエネルギーを放出するためにＳＷ４をターンオフ（即ち、回路を開く）するように制御することができる。エネルギーはダイオードＤ８を通過してシステムに戻る。
【0036】
ＲＮＥブロック内の論理機能は、コントローラＰＷＭ３によって提供され得る。コントローラＰＷＭ３は、論理機能を提供する任意のコントローラ、プロセッサ、または、他の論理デバイス（例えば、スイッチまたは他の電子部品の集合体）を含んでよい。例えば、コントローラＰＷＭ３は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）コントローラを含んでよい。コントローラＰＷＭ３は、論理デバイスによって使用可能な命令を記憶することができる非一過性メモリをさらに含んでよく、論理デバイスによって要求される情報を記憶することができる。ＰＷＭ３は、検知された電圧に基づいて特定の動作を行うように設計されてもよい。例えば、ＰＷＭ３は検知された電圧に基づいてスイッチＳＷ３を制御することができる。特に、ＰＷＭ３のＩｓｅｎｓｅ端子は、ＺＣＶＴＴブロック２００の端子Ａ６によって出力される電圧に対応する、コンデンサーＣ１０にわたる電圧に対応する電圧を検出することができる。電圧が、閾値電圧に達するか、または、閾値電圧を超えることに応答して、ＰＷＭ３は、オン状態とオフ状態との間でＳＷ３を制御し得る。ＰＷＭ３は、インダクターＬ９を充電するためにＳＷ３をターンオン（即ち、回路を閉じる）するように制御してもよく、インダクターＬ９からシステムに戻るエネルギーを放出するためにＳＷ３をターンオフ（即ち、回路を開く）するように制御してもよい。エネルギーはダイオードＤ１０を通過してシステムに戻る。
【0037】
次に図３に着目すると、ＺＣＴＴブロックの例示的なセットを示す回路３０１が示されている。上述したように、ＺＣＴＴは、１つのＺＣＳブロックのみを有し、ＺＶＳブロックを有しないＺＣＶＴＴの特別なケースである。特に、回路３０１は、ＺＣＴＴブロック３００（単一のＺＣＳブロック３０２を備える）、ＲＰＥブロック３３０、および、ＲＮＥブロック３６０を含んでよい。ＺＣＳブロック３０２は、図２のＺＣＳブロック２０２と同様の機能と同様の構成を含む。ＺＣＴＴブロック３００は、ＺＣＶＴＴブロックの７端子ではなく、５端子（Ａ１～Ａ５と表示）を含む。特に、端子Ａ４はＲＮＥブロック３６０の端子Ｃ３に接続され、端子Ａ５はＲＰＥブロック３３０の端子Ｂ３に接続されている。端子Ａ２は第１のスイッチ３０８に接続され、端子Ａ１は第２のスイッチ３１０に接続されている。端子Ａ３は電源３１２に接続されている。
【0038】
ＲＰＥブロック３３０は、図２のＲＰＥブロック２３０と同様の特徴および同様の構成を含んでよく、ＲＮＥブロック３６０は、図２のＲＮＥブロック２６０と同様の特徴および同様の構成を含んでよい。ＲＰＥブロック３３０およびＲＮＥブロック３６０の動作は、図２のＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０と同様に機能し得る。その点で、ＲＰＥブロック３３０の端子Ｂ１は、電気的接地３１４に接続されてよく、ＲＮＥブロック３６０の端子Ｃ１は、接地３１４に接続されてよい。ＲＰＥブロック３３０の端子Ｂ２は、電圧線３１６に接続され、電圧線３１６にリサイクルエネルギーを供給することができ、ＲＮＥブロック３６０の端子Ｃ２は、電圧線３１６に接続され、電圧線３１６にリサイクルエネルギーを供給することができる。電圧線３１６は出力端子３１８に接続され、回路３０１が実装されたシステム内の他の個所にリサイクルエネルギーを供給できるようにすることができる。
【0039】
様々な能動および受動電気部品（例えば、抵抗器、コンデンサー、インダクター、集積回路（ＩＣ）、スイッチなど）が、様々な機能を提供するために、図２の回路２０１または図３の回路３０１に含まれてよい。特定のＩＣが示されているが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、１つまたは複数の論理機能を実行可能な任意のＩＣを含めてよいことを理解するであろう。同様に、本開示の範囲を逸脱することなく、任意のタイプのスイッチを含めてよい。さらに、受動素子（例えば、抵抗器、コンデンサー、インダクター）の値は、本開示の範囲から逸脱することなく、特定の回路の所望の機能および性能に基づいて変化し得る。同様に、回路２０１、３０１内の様々なブロックのトポロジまたは構成は、本開示の範囲から逸脱することなく、所望の動作または構成に基づいて調整または変更され得る。
【0040】
本明細書で説明し示したＺＣＶＴＴイノベーションは（ＺＣＴＴイノベーションとともに）、ＺＣＶＴＴまたはＺＣＴＴの特徴を組み込んでいない他のスイッチング回路と比較して、様々な利点を提供し得る。例えば、ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴのイノベーションは、本明細書に記載される任意のスイッチング回路トポロジに対して、より高い効率、より高い電力密度、および、より高いスイッチング周波数を提供する。さらに、ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴのイノベーションにより、電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）および電圧の変化率（ｄｖ／ｄｔ）、電磁干渉（ＥＭＩ）、重量、および、本明細書に記載される、あらゆるスイッチング回路トポロジの全体的なサイズが縮小される。従来のスイッチング回路にサイズの制限がある場合、電力損失、接合部－ケース熱抵抗（θｊｃ）、最大接合部温度の制限（例えば、摂氏１５０度、または、摂氏１７５度）により、標準的な昇圧回路トポロジを使用できない場合がある。回路にＺＣＶＴＴを追加すると、ＺＣＶＴＴとＺＣＴＴの利点により、昇圧トポロジが実現可能になる。ＺＣＶＴＴ（および、ＺＣＴＴ）は、さらに、スイッチのデータシート（ＩＧＢＴ、ＳｉＣなど）に記載されているスイッチング特性に近いゲート抵抗（ＲＧ）値を利用する。さらに、ＺＣＶＴＴまたはＺＣＴＴ素子を追加することにより、スイッチング回路のスイッチング周波数が増加し、サイズが小さくなるため、モーターコントローラーで使用されるＤＣ－ＡＣインバータなどの用途で純粋な正弦波を生成するために、より小さなインダクター／キャパシターフィルターを使用することが可能になり、モーターの全体的な効率が向上する。
【0041】
次に図４に着目すると、スイッチング回路にＺＣＶＴＴ（および、ＺＣＴＴ）技術を含めることで、ＤＣ－ＤＣコンバータの複数の従来型トポロジと比較してもたらされる改善点が表に示されている。この利点は、上述したものと同じであり、試験で検証されている。示されているように、ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴ技術は、ＤＣ－ＤＣスイッチング回路の多くのパラメータを改善し、従来のＤＣ－ＤＣトポロジのそれぞれと比較して、より高い効率、損失の低減、コストの削減、および、性能の向上を実現する。図５に着目すると、スイッチング回路にＺＣＶＴＴ（および、ＺＣＴＴ）技術を含めることで、ＡＣ－ＤＣコンバータ（例えば、双方向ＡＣ－ＤＣコンバータ）の複数の従来トポロジと比較してもたらされる改善が表で示されている。示されているように、ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴ技術は、ＡＣ－ＤＣスイッチング回路の多くのパラメータを改善し、従来のＡＣ－ＤＣトポロジのそれぞれと比較して、より高い効率、損失の低減、コストの削減、および、性能の向上を提供する。
【0042】
図６Ａ～６Ｈは、様々なＤＣ－ＤＣコンバータ（昇圧および降圧の両方）におけるＺＣＶＴＴ技術の例示的な実装を示す例示的な回路図である。端子識別子（Ａ１～Ａ７、Ｂ１～Ｂ３、および、Ｃ１～Ｃ３）は、図２に示されるのと同じ端子を示し、追加情報は、可能な場合、ＺＣＶＴＴ技術の包含を容易にするために、図２の回路図２０１に関して提供される。ＺＣＶＴＴブロックは、図示のように、図６Ａ～７Ｈの回路に配置され得る（即ち、ＺＣＶＴＴ、ＲＮＥ、および、ＲＰＥブロックは、図２に示されるように、これらの図面に正確に挿入され得る）。各実施例において（ＺＣＶＴＴではなく）ＺＣＴＴを実施するために図２のＺＣＶＴＴブロックをどのように修正するかの説明も提供される。即ち、図２のＺＣＶＴＴブロックは、ＺＣＶＴＴの代わりにＺＣＴＴを実施するために、各図面に関して論じたように修正され、特定の図面のＺＣＶＴＴブロックに配置され得る。
【0043】
図６Ａは、ＺＣＶＴＴまたはＺＣＴＴ技術を用いない従来の一方向ＤＣ－ＤＣ昇圧コンバータを示す回路６００を示す。図示のように、コンバータは、スイッチＳＷ、入力電圧Ｖｉｎ、および、出力電圧Ｖｏｕｔを、様々な受動回路素子と共に含む。図６Ｂは、ＺＣＶＴＴ技術を含む回路６０２を示す。特に、回路６０２は、ＺＣＶＴＴブロック２００、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０を含む。図示のように、単一スイッチＳＷは、ＺＣＶＴＴブロック２００の端子Ａ５に接続され、この端子Ａ５は、入力電圧Ｖｉｎ、ＲＰＥブロック２３０、ＲＮＥブロック２６０、および、出力ラインＶｏｕｔに接続される。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０は出力Ｖｏｕｔにも接続される。ＺＣＶＴＴブロックは、図２に示されたバージョンから変更されない場合がある。ＤＣ－ＤＣ昇圧コンバータにＺＣＴＴを実装するために、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を削除し、ＬＳ２をバイパスすることによって、図２の回路２０１を変更することができる。回路６０２は、電力損失の低減、性能の向上、効率の向上など、回路６００を上回る上述の利点を提供する。
【0044】
図２および図６Ｃを参照すると、回路６０４は、ＺＣＶＴＴ技術を含む一方向同期ＤＣ－ＤＣ昇圧コンバータを示す。図示のように、ＺＣＶＴＴブロック２００は、入力電圧Ｖｉｎ、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０に接続される。ＺＣＶＴＴブロックは、また、出力Ｖｏｕｔとともに、第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２に接続されている。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続されている。回路６０４にＺＣＴＴを実装するために、図２の回路２０１は、ＺＶＳ１ブロックおよびＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去し、ＬＳ２をバイパスすることによって変更することができる。
【0045】
図２および図６Ｄに着目すると、回路６０６は、ＺＣＶＴＴ技術を含む双方向同期ＤＣ－ＤＣ昇圧コンバータを示している。回路６０６は、図２の回路２０１の回路素子を調整することなく、所望のように機能することができる。回路６０６にＺＣＴＴ技術を実装するために、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去することによって、図２の回路２０１を変更することができる。
【0046】
図６Ｅは、従来の一方向ＤＣ－ＤＣ降圧コンバータを示す回路６０８を示す。図示のように、回路２０８は、ＺＣＶＴＴブロックまたはＺＣＴＴブロックのいずれも欠いている。図２、図６Ｅ、および、図６Ｆを参照すると、回路６１０は、ＺＣＶＴＴ技術を含む一方向ＤＣ－ＤＣ降圧コンバータを示す。図示のように、ＺＣＶＴＴブロック２００は、入力電圧Ｖｉｎ、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０に接続されている。ＺＣＶＴＴブロックは、また、出力ＶｏｕｔとともにスイッチＳＷに接続されている。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続されている。回路６１０にＺＣＴＴ技術を実装するために、図２の回路２０１は、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去し、ＬＳ１をバイパスすることによって変更することができる。
【0047】
図２および図６Ｇに着目すると、回路６１２は、ＺＣＶＴＴ技術を含む一方向同期ＤＣ－ＤＣ降圧コンバータを示す。図示のように、ＺＣＶＴＴブロック２００は、入力電圧Ｖｉｎ、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０に接続されている。ＺＣＶＴＴブロックは、また、出力Ｖｏｕｔとともに、第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２に接続されている。ＲＰＥブロック２３０とＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続されている。ＺＣＴＴ技術を回路６１２に実装するために、図２の回路２０１は、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去し、ＬＳ１をバイパスすることによって変更することができる。
【0048】
図２および図６Ｈを参照すると、回路６１４は、ＺＣＶＴＴ技術を含む双方向同期ＤＣ－ＤＣ降圧コンバータを示す。図示のように、ＺＣＶＴＴブロック２００は、入力電圧Ｖｉｎ、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０に接続されている。ＺＣＶＴＴブロックは、また、出力Ｖｏｕｔとともに、第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２に接続されている。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０もまた、出力Ｖｏｕｔに接続される。回路６１４は、図２の回路２０１の回路素子を調整することなく、所望のように機能することができる。双方向同期ＤＣ－ＤＣ降圧コンバータにＺＣＴＴ技術を実装するために、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去することによって、図２の回路２０１を変更することができる。
【0049】
図７Ａは、ＺＣＶＴＴまたはＺＣＴＴ技術を使用しない従来の一方向ＡＣ－ＤＣインバータを示す回路７００を図示する。図示のように、コンバータは、種々の受動回路素子と共に、２つのスイッチＳＷ１およびＳＷ２、入力ＡおよびＢ、ならびに、出力電圧Ｖｏｕｔを含む。図７Ｂは、ＺＣＶＴＴ技術を含む一方向ＡＣ－ＤＣインバータを示す回路７０２を図示する。特に、回路７０２は、第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａおよび第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂ、ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０を含む。図示のように、第１のスイッチＳＷ１は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ５に接続され、第２のスイッチＳＷ２は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ５に接続される。ＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、２００Ｂは、それぞれ、ＲＰＥブロック２３０、ＲＮＥブロック２６０、および、出力ラインＶｏｕｔに接続される。第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａは入力Ｂに接続され、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂは入力Ａに接続される。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続される。ＺＣＴＴ技術を一方向ＡＣ－ＤＣコンバータに実装するために、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去し、ＬＳ２をバイパスすることによって、図２の回路２０１を変更することができる。回路７０２は、電力損失の低減、性能の向上、効率の向上など、回路７００を上回る上述の利点を提供する。
【0050】
図７Ｃは、ＺＣＶＴＴ技術を含む一方向同期ＡＣ－ＤＣインバータを示す回路７０４を図示する。特に、回路７０４は、第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａおよび第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂ、ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０を含む。図示のように、第１のスイッチＳＷ１は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ５に接続され、第２のスイッチＳＷ２は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ２に接続され、第３のスイッチＳＷ３は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ５に接続され、第４のスイッチＳＷ４は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ２に接続される。ＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、２００Ｂは、それぞれ、ＲＰＥブロック２３０、ＲＮＥブロック２６０、および、出力ラインＶｏｕｔに接続される。第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａは入力Ｂに接続され、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂは入力Ａに接続される。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続される。ＤＣ－ＡＣインバータにＺＣＴＴ技術を実装するために、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を削除し、ＬＳ１をバイパスすることによって、図２の回路２０１を変更することができる。
【0051】
図７Ｄは、ＺＣＶＴＴ技術を含む双方向同期ＡＣ－ＤＣおよびＤＣ／ＡＣインバータを示す回路７０６を図示する。特に、回路７０６は、第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａおよび第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂ、ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０を含む。図示のように、第１のスイッチＳＷ１は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ５に接続され、第２のスイッチＳＷ２は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ２に接続され、第３のスイッチＳＷ３は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ５に接続され、第４のスイッチＳＷ４は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ２に接続される。ＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、２００Ｂは、それぞれ、ＲＰＥブロック２３０、ＲＮＥブロック２６０、および、出力ラインＶｏｕｔに接続される。第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａは入力Ｂに接続され、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂは入力Ａに接続される。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続される。回路７０６は、図２の回路２０１の回路素子を調整することなく、所望のように機能することができる。双方向同期ＡＣ－ＤＣコンバータおよびＤＣ－ＡＣインバータにＺＣＴＴ技術を実装するには、ＺＶＳ１ブロックおよびＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去することによって、図２の回路２０１を変更することができる。
【0052】
図７Ｅは、ＺＣＶＴＴ技術を含む三相ＡＣ－ＤＣインバータを示す回路７０８を図示する。特に、回路７０８は、第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂ、第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃ、ＲＰＥブロック２３０、およびＲＮＥブロック２６０を含む。図示のように、第１のスイッチＳＷ１は第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃの端子Ａ５に接続され、第２のスイッチＳＷ２は第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃの端子Ａ２に接続され、第３のスイッチＳＷ３は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ５に接続され、第４のスイッチＳＷ４は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ２に接続され、第５のスイッチＳＷ５は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ５に接続され、第６のスイッチＳＷ６は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ２に接続される。ＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃは、それぞれ、ＲＰＥブロック２３０、ＲＮＥブロック２６０、および、出力ラインＶｏｕｔに接続される。第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａは入力Ｃに接続され、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂは入力Ｂに接続され、第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃは入力Ａに接続されている。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続される。回路７０８は、図２の回路２０１の回路素子を調整することなく、所望のように機能することができる。三相ＡＣ－ＤＣコンバータにＺＣＴＴ技術を実装するために、ＺＶＳ１ブロックおよびＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去することによって、図２の回路２０１を変更することができる。
【0053】
図７Ｆは、ＺＣＶＴＴ技術を含む三相ＤＣ－ＡＣインバータを示す回路７１０を図示する。特に、回路７１０は、第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂ、第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃ、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０を含む。図示のように、第１のスイッチＳＷ１は第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃの端子Ａ５に接続され、第２のスイッチＳＷ２は第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃの端子Ａ２に接続され、第３のスイッチＳＷ３は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ５に接続され、第４のスイッチＳＷ４は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ２に接続され、第５のスイッチＳＷ５は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ５に接続され、第６のスイッチＳＷ６は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ２に接続される。ＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃは、それぞれ、ＲＰＥブロック２３０、ＲＮＥブロック２６０、および、出力ラインＶｏｕｔに接続される。第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａは入力Ｗに接続され、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂは入力Ｖに接続され、第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃは入力Ｕに接続されている。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続される。回路７０８は、図２の回路２０１の回路素子を調整することなく、所望のように機能することができる。三相ＤＣ－ＡＣインバータにＺＣＴＴ技術を実装するには、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去することによって、図２の回路２０１を変更することができる。
【0054】
図７Ｇは、ＺＣＶＴＴ技術を含む三相双方向ＡＣ－ＤＣおよびＤＣ－ＡＣインバータを示す回路７１２を図示する。特に、回路７１２は、第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂ、第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃ、ＲＰＥブロック２３０、および、ＲＮＥブロック２６０を含む。図示のように、第１のスイッチＳＷ１は第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃの端子Ａ５に接続され、第２のスイッチＳＷ２は第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃの端子Ａ２に接続され、第３のスイッチＳＷ３は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ５に接続される、第４のスイッチＳＷ４は第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂの端子Ａ２に接続され、第５のスイッチＳＷ５は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ５に接続され、第６のスイッチＳＷ６は第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａの端子Ａ２に接続される。ＺＣＶＴＴブロック２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃは、それぞれ、ＲＰＥブロック２３０、ＲＮＥブロック２６０、および、出力ラインＶｏｕｔに接続される。第１のＺＣＶＴＴブロック２００Ａは入力Ｃに接続され、第２のＺＣＶＴＴブロック２００Ｂは入力Ｂに接続され、第３のＺＣＶＴＴブロック２００Ｃは入力Ａに接続されている。ＲＰＥブロック２３０およびＲＮＥブロック２６０も出力Ｖｏｕｔに接続される。回路７０８は、図２の回路２０１の回路素子を調整することなく、所望のように機能することができる。ＺＣＴＴ技術を三相双方向に実装するために、ＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックの回路素子を除去することによって、図２の回路２０１を変更することができる。
【0055】
シミュレーションは、ＳＰＩＣＥシミュレータソフトウェア（ＬＴｓｐｉｃｅ（登録商標）、マサチューセッツ州ウィルミントンのアナログデバイセズ社から入手可能）を使用して、ＺＣＶＴＴ技術（即ち、ＲＰＥブロックおよびＲＮＥブロックを備えた少なくとも１つのＺＣＶＴＴブロックまたはＺＣＴＴブロック）を欠くスイッチング回路と、ＺＣＶＴＴ技術を含む類似のスイッチング回路とを比較した。
【0056】
図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、図８Ａに示すように、ＬＴｓｐｉｃｅ（登録商標）を使用して回路８００が設計された。回路８００は、シリコンＭＯＳＦＥＴスイッチを使用する従来のＤＣ－ＤＣ昇圧コンバータとして設計された。
【0057】
図８Ｂは、図８Ａの回路８００を用いたシミュレーションの結果８０２を示す。結果８０２は、ダイオードＤを流れる電流（Ｉ（Ｄ））、ＭＯＳＦＥＴスイッチＳＷを流れる電流（Ｉｄ（ＳＷ））、スイッチＳＷのドレイン・ソース間電圧（Ｖ（ＳＷＤＳ））、ゲート・ソース電圧（Ｖ（Ｎ０３１））、ゲート電流（Ｉｇ（ＳＷ））、および、スイッチを介する総電力損失（Ｖ（ＳＷＤＳ）＊Ｉｄ（ＳＷ）＋Ｖ（Ｎ０３１）＊Ｉｇ（ＳＷ））を、全て設定された期間にわたって示している。示されているように、スイッチＳＷがオフになっている間にもいくらかの電力が失われ、スイッチがオンになると、かなりの電力が失われる（約８．５９５７ミリ秒（ｍｓ）のスパイクによって証明される）。この損失は、スイッチング損失（スパイク）と導通損失（スイッチＳＷがオフのとき）によるものである。
【0058】
次に図８Ｃに着目すると、ＺＣＶＴＴ技術を含む昇圧コンバータを使用したシミュレーションの結果８０４が示されている。シミュレーションはＬＴＳｐｉｃｅ（登録商標）を使用し、図２の回路２０１と同様に設計された回路で実行された。この点に関して、シミュレーションはＺＣＶＴＴではなくＺＣＴＴを使用して実行された。結果は、ダイオードＤを流れる電流（Ｉ（Ｄ））、ＭＯＳＦＥＴスイッチＳＷを流れる電流（Ｉｄ（ＳＷ））、スイッチＳＷのドレイン・ソース間電圧（Ｖｓｗｄｓ）、スイッチを介した電力損失（Ｖ（ＳＷＤＳ）＊Ｉｄ（ＳＷ）＋Ｖ（Ｎ０３１）＊Ｉｇ（ＳＷ））、および、インダクターを流れる電流（Ｉ（Ｌｓ））を、全て設定された期間にわたって示している。図示のように、ＺＣＶＴＴブロックが追加された結果、図８Ｂの結果８０２に比べて電力損失が大幅に減少している。従来の昇圧コンバータ（即ち、ＺＣＶＴＴまたはＺＣＴＴなし）におけるスイッチターンオフおよびスイッチターンオンでのピーク電力損失は、それぞれ、９０ｋＷおよび２．６ＭＷである。ＺＣＶＴＴを使用した昇圧コンバータのスイッチターンオフおよびスイッチターンオンにおけるピーク電力損失は、それぞれ、８．５ｋＷおよび６．３ｋＷである。ＺＣＶＴＴを用いた昇圧コンバータでは、従来の昇圧コンバータと比較して、スイッチターンオフおよびスイッチターオンにおける電力損失が、それぞれ、９１％および９９．８％低減されている。電力損失スパイクを低減させるための主な素子は、図２のＺＣＳブロックのＬＳ１とＬＳ２、および、図２のＺＶＳ１ブロックとＺＶＳ２ブロックである。
【0059】
図８Ｄを参照すると、ＺＣＴＴ技術を含む昇圧コンバータを使用したシミュレーションの結果８０６が示されている。シミュレーションはＬＴＳｐｉｃｅ（登録商標）を使用し、図３の回路３０１と同様に設計された回路で実行された。即ち、ＺＣＶＴＴブロックには、ＺＶＳブロックを含まないＺＣＳブロックが含まれる。その点で、シミュレーションはＺＣＶＴＴではなくＺＣＴＴを使用して実行された。結果は、ダイオードＤを流れる電流（Ｉ（Ｄ））、ＭＯＳＦＥＴスイッチＳＷを流れる電流（Ｉｄ（ＳＷ））、スイッチＳＷのドレイン・ソース間電圧（Ｖｓｗｄｓ）、スイッチを介した電力損失（Ｖ（ＳＷＤＳ）＊Ｉｄ（ＳＷ）＋Ｖ（Ｎ０３１）＊Ｉｇ（ＳＷ））、および、インダクターを流れる電流（Ｉ（Ｌｓ））を、全て一定期間にわたって示している。図示のように、ＺＣＴＴブロックを追加した結果、図８Ｂの結果８０２と比較して電力損失が大幅に減少している。従来の昇圧コンバータにおけるスイッチターンオフおよびスイッチターンオンのピーク電力損失は、それぞれ、９０ｋＷおよび２．６ＭＷである。ＺＣＴＴ付き昇圧コンバータのスイッチターンオフ時およびスイッチターンオン時のピーク電力損失は、それぞれ、９０ｋＷおよび６．３ｋＷである。ＺＣＶＴＴを用いた昇圧コンバータでは、従来の昇圧コンバータと比較して、スイッチターンオフおよびスイッチターンオンにおける電力損失が、それぞれ、０％および９９．８％低減されている。電力損失スパイクを低減させる主な素子は、図２のＺＣＳブロックのＬＳ１とＬＳ２である。
【0060】
次に、図９に着目すると、チャート９００は、ＺＣＶＴＴ技術およびＺＣＴＴ技術を使用した効率の向上を示している。Ｙ軸は、効率パーセント（効率％）を示し、Ｘ軸は、回路に加えられる負荷（キロワット（ＫＷ）単位）を示す。図示のように、２ＫＷの負荷での効率向上は、ＺＣＶＴＴブロックを使用した従来の昇圧コンバータよりも約１．４％大きく、ＺＣＴＴブロックを使用した場合の効率向上よりもわずかに大きい。しかしながら、ＺＣＴＴ技術を搭載しても、従来の昇圧コンバータよりも大幅に高い効率が得られることがわかる。負荷が大きい場合（約２０ＫＷ）の効率向上は、２ＫＷの場合よりも大きい。即ち、２０ＫＷでの効率向上は、ＺＣＶＴＴブロックを使用した従来の昇圧コンバータよりも約４．５％大きい。さらに、２０ＫＷでの効率向上は、従来の昇圧コンバータと比較して、ＺＣＴＴ技術を使用した場合の方が大幅に大きい。
【0061】
本明細書で開示するＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴ技術は、ＤＣ－ＤＣコンバータ、ＡＣ－ＤＣコンバータ、および、ＤＣ－ＡＣコンバータを含む複数のスイッチングアプリケーションにおいて、スイッチング効率を高め、損失を低減させるために使用することができる。ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴが利用されるＤＣ－ＤＣコンバータの例としては、昇圧、ブースト、および、降圧コンバータを含む非絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ、ＡＣ－ＤＣ電源ユニット（ＰＳＵ）およびＤＣ－ＤＣ配電システムが挙げられる。さらに、燃料電池や非絶縁型双方向ＤＣ－ＤＣコンバータも含まれる。その他の例としては、低雑音ブロック（ＬＮＢ）降圧コンバータ、セットトップメディアボックス（ケーブルボックス、衛星受信機など）、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）カード衛星受信機などがある。また、ソーラーインバータ（例えば、入力およびバッテリ充電器）、ＬＥＤ照明および制御（例えば、スマートフォン、キーボード、および、その他のアクセサリー、ウェアラブルデバイス、交通信号など）も含まれる。
【0062】
力率変換（ＰＦＣ）プロセスは、多くの装置で使用される可能性がある。ＺＣＶＴＴは、単相または三相無停電電源装置（ＵＰＳ）、スイッチモード電源装置（ＳＭＰＳ）、暖房、換気、および、空調（ＨＶＡＣ）モーターコントローラー、トレッドミル、および、レーザシステムを含む、多くの用途の入力段で使用され得るＰＦＣプロセスにおいて利点を提供するように実施され得る。ＺＣＶＴＴ技術によるＰＦＣは、主要家電製品（冷蔵庫、洗濯機、乾燥機、テレビ、電子レンジ、その他の雑多な機器など）、ＩＨ調理器、電気自動車（ＥＶ）用車載充電器（ＯＢＣ）、直流急速充電ステーション、工業用溶接機器、風力タービン電力インバータ、保護リレー試験システムなどにも使用できる。
【0063】
ＺＣＶＴＴまたはＺＣＴＴは、単相または三相ＵＰＳ、ＡＣ電気モーター（ＥＶまたはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）および産業用途など）用の可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）、ＤＣモーター速度制御、および、クラスＤアンプを含むＤＣ－ＡＣコンバータを含む複数の技術に含まれ、利点を提供することもできる。ＺＣＶＴＴまたはＺＣＴＴを含めることで恩恵を受ける可能性のあるその他のＤＣ－ＡＣコンバータには、太陽光発電バッテリシステムのインバータ、風力タービン電源インバータ、保護リレー試験システム、電気自動車の主牽引インバータ、自動車の非絶縁型４８ボルトスタートストップシステムなどがある。
【0064】
本明細書を参照すれば明らかなように、ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴ技術は大きな利点を提供し、複数の産業で複数の用途に使用することができる。ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴ技術の利点は多岐にわたり、電力損失の低減、効率の向上、および、スイッチ性能の向上が含まれる。ＺＣＶＴＴおよびＺＣＴＴの特定の用途および利点が本明細書に開示されているが、その他の用途も本開示の範囲内と考えられ、本明細書に開示された技術を利用することにより、さらなる利点が実現される可能性がある。
【0065】
本明細書および特許請求の範囲を通して使用される場合、「ＡまたはＢの少なくとも１つ」は、「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、または、「ＡおよびＢ」を含む。方法／システムの例示的な実施形態は、例示的な様式で開示されている。したがって、全体を通して採用されている用語は、非限定的な態様で読まれるべきである。本明細書における教示に対する若干の修正は、当該技術に精通した者には生じるであろうが、本明細書において保証される特許請求の範囲内に包含されることが意図されるのは、本明細書において寄与される技術に対する進歩の範囲内に合理的に含まれる全てのそのような実施形態であり、その範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物に照らす場合を除き、制限されないことが理解されよう。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図7G】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9】
【国際調査報告】