(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】2024-11-13
(54)【発明の名称】マルチレベル電力変換器の保護
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20241106BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 C
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024525578
(86)(22)【出願日】2022-10-26
(85)【翻訳文提出日】2024-06-18
(86)【国際出願番号】 US2022078717
(87)【国際公開番号】W WO2023076951
(87)【国際公開日】2023-05-04
(31)【優先権主張番号】63/274,251
(32)【優先日】2021-11-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/560,700
(32)【優先日】2021-12-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＷＣＤＭＡ
(71)【出願人】
【識別番号】000006231
【氏名又は名称】株式会社村田製作所
(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】100229448
【弁理士】
【氏名又は名称】中槇 利明
(72)【発明者】
【氏名】シュチェシンスキー，グレゴリー
【テーマコード（参考）】
5H730
【Ｆターム（参考）】
5H730AS05
5H730BB13
5H730BB14
5H730BB15
5H730BB57
5H730DD04
5H730DD12
5H730EE59
5H730FD01
5H730FD31
5H730FG05
5H730XX04
5H730XX41
(57)【要約】
【要約】
２つ以下の高電圧ＦＥＴスイッチを使用する一方で、すべてのまたはほとんどの他の電力スイッチが低電圧ＦＥＴスイッチであることを可能にする、マルチレベル電力変換器を保護するための回路および方法。いくつかの実施形態は、残りの低電力ＦＥＴスイッチが飽和する前に飽和するように設計された保護用高電圧上部および下部ＦＥＴを提供する。他の実施形態は、電力スイッチに低電力ＦＥＴのみを使用するが、通常の電力変換動作中には常にオン（導通）状態にあり、過渡状態または故障状態の場合にはオフ（非導通）状態に迅速に切り替わるように構成された保護回路を提供することができる。任意選択で、保護回路のうちの１つまたは複数は、あるタイプの故障状態の間に電流フローを制限または阻止するために、および／または電力変換器の起動の間に突入電流を制限するために、制御された方法で使用され得る。
２つ以下の高電圧ＦＥＴスイッチを使用する一方で、すべてのまたはほとんどの他の電力スイッチが低電圧ＦＥＴスイッチであることを可能にする、マルチレベル電力変換器を保護するための回路および方法。いくつかの実施形態は、残りの低電力ＦＥＴスイッチが飽和する前に飽和するように設計された保護用高電圧上部および下部ＦＥＴを提供する。他の実施形態は、電力スイッチに低電力ＦＥＴのみを使用するが、通常の電力変換動作中には常にオン（導通）状態にあり、過渡状態または故障状態の場合にはオフ（非導通）状態に迅速に切り替わるように構成された保護回路を提供することができる。任意選択で、保護回路のうちの１つまたは複数は、あるタイプの故障状態の間に電流フローを制限または阻止するために、および／または電力変換器の起動の間に突入電流を制限するために、制御された方法で使用され得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力変換器であって、（a）第１の降伏特性および第１の飽和特性を有する第１のスイッチと、
（ｂ）第２の降伏特性および第２の飽和特性を有する第２のスイッチと、
（ｃ）直列に結合された１つまたは複数の中間スイッチのセットであって、前記セットが前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に直列に結合され、前記セット中の前記スイッチが、前記第１の飽和特性および前記第２の飽和特性よりも大きい飽和特性を有する、１つまたは複数の中間スイッチのセットと、を含む、電力変換器。
【請求項2】
前記スイッチのセットのうちの少なくとも１つのスイッチは、前記第１および第２の降伏特性よりも小さい降伏特性を有する、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項3】
前記第１及び第２のスイッチは、トランジスタである、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項4】
前記第１及び第２のスイッチは、ＦＥＴである、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項5】
前記電力変換器は、マルチレベル電力変換器である、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項6】
電力変換器であって、（a）第１のスイッチであって、前記第１のスイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する、第１のスイッチと、
（ｂ）第２のスイッチであって、前記第１のスイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する、第２のスイッチと、
（ｃ）直列に結合された１つまたは複数のスイッチのセットであって、前記セットは、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に直列に結合される、１つまたは複数のスイッチのセットと、を含み、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチは、前記電力変換器の通常動作中に前記閉状態に設定され、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチのうちの少なくとも１つは、１つまたは複数のイベントに応答して前記開状態に設定される、電力変換器。
【請求項7】
前記イベントは、過渡イベントまたは故障イベントである、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項8】
前記電力変換器は、マルチレベル電力変換器である、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項9】
前記１つまたは複数のスイッチは、低電圧ＦＥＴである、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項10】
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチのうちの少なくとも１つは、ＦＥＴスイッチである、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項11】
前記第１のスイッチは、第１の降伏特性を有するＦＥＴスイッチであり、前記第２のスイッチは、第２の降伏特性を有するＦＥＴスイッチであり、前記１つまたは複数のスイッチは、前記第１の降伏特性および前記第２の降伏特性よりも小さい降伏特性を有する、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項12】
前記第１のスイッチの前記制御入力に結合された第１のスイッチコントローラと、前記第２のスイッチの前記制御入力に結合された第２のスイッチコントローラとをさらに含み、前記第１のスイッチコントローラおよび前記第２のスイッチコントローラのうちの少なくとも１つは、前記１つまたは複数のイベントに応答して、関連する結合されたスイッチを前記開状態に設定する、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項13】
前記イベントは、過渡イベントまたは故障イベントである、請求項１２に記載の電力変換器。
【請求項14】
前記第１のスイッチの前記制御入力と前記１つまたは複数のスイッチの前記セット内の第１の隣接するスイッチのソースとの間に結合された第１の補助保護回路と、前記第２のスイッチの前記制御入力と１つまたは複数のＦＥＴ電力スイッチのセット内の第２の隣接するスイッチのドレインとの間に結合された第２の補助保護回路とをさらに含む、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項15】
前記第１および第２の補助保護回路は、前記第１または第２の隣接する電力スイッチそれぞれへの損傷を防止するのに十分なツェナー電圧を有するツェナーダイオードを備える、請求項１４に記載の電力変換器。
【請求項16】
前記第１のスイッチはＮ型ＦＥＴであり、前記第２のスイッチはＰ型ＦＥＴである、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項17】
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に基づくマルチレベル電力変換器であって、（a）Ｎ型ＦＥＴスイッチであって、入力電圧源に結合されるように構成され、前記Ｎ型ＦＥＴスイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有し、第１の降伏特性と第１の飽和特性とを有する、Ｎ型ＦＥＴスイッチと、
（ｂ）Ｐ型ＦＥＴスイッチであって、基準電圧に結合されるように構成され、前記Ｐ型ＦＥＴスイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有し、第２の降伏特性と第２の飽和特性とを有する、Ｐ型ＦＥＴスイッチと、
（ｃ）直列に結合された１つまたは複数のＦＥＴ電力スイッチのセットであって、前記セットは、前記Ｎ型ＦＥＴスイッチと前記Ｐ型ＦＥＴスイッチとの間に直列に結合される、１つまたは複数のＦＥＴ電力スイッチのセットと、を含み、
前記Ｎ型ＦＥＴスイッチおよび前記Ｐ型ＦＥＴスイッチは、前記マルチレベル電力変換器の通常動作中に前記閉状態に設定され、
前記Ｎ型ＦＥＴスイッチおよび前記Ｐ型ＦＥＴスイッチのうちの少なくとも１つは、１つまたは複数のイベントに応答して前記開状態に設定され、
前記セット内の前記ＦＥＴ電力スイッチは、前記第１の降伏特性および前記第２の降伏特性よりも小さい降伏特性を有し、前記第１の飽和特性および前記第２の飽和特性よりも大きい飽和特性を有する、マルチレベル電力変換器。
【請求項18】
前記Ｎ型ＦＥＴスイッチの前記制御入力と、前記１つまたは複数のＦＥＴ電力スイッチのセット内の隣接するＦＥＴ電力スイッチのソースとの間に結合された電圧制限回路をさらに含む、請求項１７に記載のマルチレベル電力変換器。
【請求項19】
前記Ｐ型ＦＥＴスイッチの前記制御入力と、前記１つまたは複数のＦＥＴ電力スイッチのセット内の隣接するＦＥＴ電力スイッチのドレインとの間に結合された電圧制限回路をさらに含む、請求項１７に記載のマルチレベル電力変換器。
【請求項20】
前記イベントは、過渡イベントまたは故障イベントである、請求項１７に記載のマルチレベル電力変換器。
【請求項21】
前記Ｎ型ＦＥＴスイッチの前記制御入力に結合された第１のスイッチコントローラと、前記Ｐ型ＦＥＴスイッチの前記制御入力に結合された第２のスイッチコントローラとをさらに含み、前記第１のスイッチコントローラおよび前記第２のスイッチコントローラのうちの少なくとも１つは、前記１つまたは複数のイベントに応答して、関連する結合されたＦＥＴスイッチを前記開状態に設定する、請求項１７に記載のマルチレベル電力変換器。
【請求項22】
前記イベントは、過渡イベントまたは故障イベントである、請求項２１に記載のマルチレベル電力変換器。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年１１月１日に出願された「マルチレベル電力変換器の保護」に関する米国仮出願第６３／２７４，２５１号、および２０２１年１２月２３日に出願された「マルチレベル電力変換器の保護」に関する米国特許出願第１７／５６０，７００号の優先権を主張し、これらの両方は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２１年１１月１日に出願された「マルチレベル電力変換器の保護」に関する米国仮出願第６３／２７４，２５１号、および２０２１年１２月２３日に出願された「マルチレベル電力変換器の保護」に関する米国特許出願第１７／５６０，７００号の優先権を主張し、これらの両方は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、電子回路に関し、特に、ＤＣ－ＤＣ電力変換回路を含む電力変換回路に関する。
【背景技術】
【0003】
多くの電子製品、特にモバイルコンピューティング及び／又は通信製品及びコンポーネント（例えば、ノートブックコンピュータ、ウルトラブックコンピュータ、タブレットデバイス、ＬＣＤ及びＬＥＤディスプレイ）は、複数の電圧レベルを必要とする。例えば、無線周波数（ＲＦ）送信機電力増幅器は、比較的高い電圧（例えば、１２ Ｖ以上）を必要とし得るが、論理回路は、低い電圧レベル（例えば、１～３ Ｖ）を必要とし得る。さらに他の回路は、中間電圧レベル（例えば、５～１０ Ｖ）を必要とすることがある。
【0004】
直流電力変換器は、バッテリ、太陽電池、整流されたＡＣ電源などの共通の電源からより低い電圧またはより高い電圧を生成するためにしばしば使用される。より高い入力電圧電源からより低い出力電圧レベルを生成する電力変換器は、出力電圧ＶＯＵＴが入力電圧ＶＩＮよりも低く、したがって変換器が入力電圧を「バッキング」するため、一般にバック変換器として知られている。より低い入力電圧電源からより高い出力電圧レベルを生成する電力変換器は、ＶＯＵＴがＶＩＮよりも大きいので、一般にブースト変換器として知られている。いくつかの電力変換器は、入力および出力のためにどの端子が使用されるかに応じて、バック変換器またはブースト変換器のいずれかであり得る。いくつかの電力変換器は、反転出力を提供し得る。
【0005】
様々なタイプの電力変換器は、コンバータ回路、制御回路、およびバイアス電圧発生器、クロック発生器、電圧レギュレータ、電圧制御回路などの補助回路を備える。例えば、図１は、従来技術の電力変換器１００のブロック図である。入力端子Ｔ１／Ｔ１´および出力端子Ｔ２／Ｔ２´を有するコンバータ回路１０２は、入力端子Ｔ１／Ｔ１´が電圧源１０４（たとえば、バッテリ）に結合され、出力端子Ｔ２／Ｔ２´が出力コンデンサＣＯＵＴおよび負荷１０６（等価抵抗Ｒとしても表され得る）に結合されるように構成される。
【0006】
図示された例では、入力端子Ｔ１／Ｔ１´に印加される電圧はＶＩＮであり、出力端子Ｔ２／Ｔ２´に供給される変換された電圧はＶＯＵＴである。コントローラ１０８は、コンバータ回路１０２の内部構成要素（例えば、ＦＥＴ、特にＭＯＳＦＥＴなどの内部スイッチ）を制御する制御信号１１２のセットを出力して、コンバータ回路１０２にＶＩＮをＶＯＵＴに昇圧または降圧させる。コントローラ１０８はまた、コンバータ回路１０２の動作状態を示す制御信号１１２の別個のセットを受信し得る。補助回路１１０は、電圧ＶＤＤ、クロック信号ＣＬＫ、回路バイアス電圧ＶＢＩＡＳ、および１つまたは複数の制御信号ＣＴＲＬなどの様々な電圧および／または信号をコントローラ１０８に（および任意選択で、コンバータ回路１０２に直接）供給することができる。図示された補助回路１１０への電力は、端子ＶＩＮＰＵＴにおいて供給され、図示された電圧源１０４から、または別の電源（完全に動作可能なときのコンバータ回路１０２を含む）からもたらされ得る。
【0007】
コンバータ回路１０２は、例えば、チャージポンプのようなスイッチドコンデンサネットワーク、またはインダクタベースのレギュレータであり得る。マルチレベルコンバータは、典型的には、チャージポンプ容量性電圧コンバータをインダクタベースの電力変換器と１つの構造に組み合わせ、より低い電圧の電力スイッチが使用されることを可能にする。多くの設計において、コンバータ回路１０２は、電力変換器１００の入力から出力へ電荷を転送するために、エネルギー蓄積要素としてコンデンサを使用する。これらの電荷移動コンデンサは、一般に「フライコンデンサ」または「ポンプコンデンサ」として知られており、電力変換器１００の集積回路の実施形態に結合された外部構成要素であってもよい。いくつかの設計では、コンバータ回路１０２はまた、エネルギー貯蔵要素としてインダクタを使用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
多くのＦＥＴベースの電力変換器アーキテクチャに伴う一般的な問題は、電力変換器の起動中に過度の突入電流を回避する必要があることである。集積回路の実装において、寄生インダクタンスが存在する（例えば、ダイ上の導体ルーティングおよびプリント回路基板の導体ルーティングに起因する）。寄生インダクタンスは、回路内の全インピーダンスを増加させ、したがって、最大電流を低減するのに役立つが、寄生インダクタンスはまた、電流サージが存在する時間を延長し、コンデンサンスが存在する場合（そのような回路の場合）にリンギングをもたらし得るエネルギーを蓄積する。このようなリンギングは、ＶＩＮよりも著しく高い電圧スパイクを引き起こし、チャージポンプ電力スイッチに電気的に過剰なストレスを与え、それらの信頼性に影響を及ぼし、潜在的に破壊する可能性がある。さらに、フライコンデンサ間の電荷が平衡を失ったとき、またはコンバータ回路の出力が短絡されたときなど、他の場合には、急速に変化する電流フローによるＶＩＮよりも高い電圧スパイクが発生することがある。
【0009】
電圧スパイクの問題に対する従来の解決策は、マルチレベル電力変換器内のＦＥＴ電力スイッチのすべてが高電圧デバイス（たとえば、最大設計ＶＩＮ以上の降伏電圧ＢＶＤＳを有する）であることを必要とすることである。このような高電圧デバイスの欠点は、より多くのダイ領域を消費し（これは一般的にはより高いコストを意味する）、一般的にはより低い電圧ブレークダウンのＦＥＴよりも効率が低いことである。
【0010】
２つ以下の高電圧ＦＥＴスイッチを使用し、一方で、すべてまたはほとんどの他のスイッチが低電圧ＦＥＴスイッチであることを可能にするマルチレベル電力変換器を保護することが望ましい。本発明はこの必要性に対処する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、２つ以下の高電圧ＦＥＴスイッチを使用し、一方で、他の電力スイッチのすべてまたはほとんどが低電圧ＦＥＴスイッチであることを可能にする、マルチレベル電力変換器を保護するための回路および方法を包含する。いくつかの実施形態は、残りの低電力ＦＥＴスイッチＳｗＸが飽和する前に飽和するように設計された保護高電圧上部および下部ＦＥＴを提供する。他の実施形態は、電力スイッチＳｗＸに低電力ＦＥＴのみを使用するが、通常の電力変換動作中に常時オン（導通）状態になり、過渡状態または故障状態の場合にオフ（非導通）状態に迅速に切り替わるように構成された保護回路を提供することができる。任意選択で、保護回路のうちの１つまたは複数は、あるタイプの故障状態の間に電流フローを制限または阻止するために、および／または電力変換器の起動の間に突入電流を制限するために、制御された方法で使用され得る。
【0012】
実施形態は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に基づくマルチレベル電力変換器を含み、入力電圧源に結合されるように構成され、第１の降伏電圧特性および第１の飽和電流特性を有する第１の保護ＦＥＴスイッチと、基準電圧（たとえば、回路接地）に結合されるように構成され、第２の降伏電圧特性および第２の飽和電流特性を有する第２の保護ＦＥＴスイッチと、第１の保護ＦＥＴスイッチと第２の保護ＦＥＴスイッチとの間に直列結合された１つまたは複数の中間直列結合ＦＥＴスイッチのセットであって、セット内のＦＥＴスイッチのうちの１つまたは複数が、第１の降伏電圧特性および第２の降伏電圧特性よりも小さい降伏電圧特性を有し、第１の飽和電流特性および第２の飽和電流特性よりも大きい飽和電流特性を有する、１つまたは複数の中間直列結合ＦＥＴスイッチのセットと、を含む。
【0013】
他の実施形態は、入力電圧源に結合されるように構成され、第１の保護スイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する第１の保護スイッチと、基準電圧（たとえば、回路接地）に結合されるように構成され、第１の保護スイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する第２の保護スイッチと、第１の保護スイッチと第２の保護スイッチとの間に直列結合された１つまたは複数の直列結合電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチのセットとを含むマルチレベル電力変換器を含み、第１の保護スイッチおよび第２の保護スイッチは、マルチレベル電力変換器の通常動作中に閉状態に設定され、第１の保護スイッチおよび第２の保護スイッチのうちの少なくとも１つは、１つまたは複数の過渡事象または障害事象に応答して開状態に設定される。
【0014】
さらに他の実施形態は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に基づくマルチレベル電力変換器を含み、入力電圧源に結合されるように構成され、第１のＦＥＴ保護スイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する第１のＦＥＴ保護スイッチと、基準電圧（たとえば、回路接地）に結合されるように構成され、第２のＦＥＴ保護スイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する第２のＦＥＴ保護スイッチと、第１のＦＥＴ保護スイッチと第２のＦＥＴ保護スイッチとの間に直列結合された１つまたは複数の直列結合ＦＥＴ電力スイッチのセットとを含み、第１のＦＥＴ保護スイッチおよび第２のＦＥＴ保護スイッチは、マルチレベル電力変換器の通常動作中に閉状態に設定され、第１のＦＥＴ保護スイッチおよび第２のＦＥＴ保護スイッチのうちの少なくとも１つは、１つまたは複数の過渡事象または障害事象に応答して開状態に設定される。
【0015】
さらに他の実施形態は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に基づくマルチレベル電力変換器を含み、このマルチレベル電力変換器は、１つまたは複数の直列結合ＦＥＴ電力スイッチのセットを含み、このセットは、入力電圧源に結合されるように構成された第１のＦＥＴ電力スイッチと、基準電圧（たとえば、回路接地）に結合されるように構成された最後のＦＥＴ電力スイッチとを含み、第１のＦＥＴ保護スイッチは、第１のＦＥＴ保護スイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有し、第１のＦＥＴ保護スイッチは、第１のＦＥＴ電力スイッチと、１つまたは複数の直列結合ＦＥＴ電力スイッチのセット内の次のＦＥＴ電力スイッチとの間に結合され、第１のＦＥＴ保護スイッチおよび第２のＦＥＴ保護スイッチは、マルチレベル電力変換器の通常動作中に閉状態に設定され、第１のＦＥＴ保護スイッチおよび第２のＦＥＴ保護スイッチの少なくとも１つは、１つまたは複数の過渡事象または障害事象に応答して開状態に設定される。
【0016】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載される。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0017】
様々な図面における同様の参照番号および名称は、同様の要素を示す。
【0018】
【図1】従来技術の電力変換器のブロック図である。
【図3】本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第１の実施形態のブロック図である。
【図4】本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第２の実施形態のブロック図である。
【図5】本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第３の実施形態のブロック図である。
【図6】本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第４の実施形態のブロック図である。
【図7】インダクタＬおよび出力コンデンサＣＯＵＴを備える出力ブロックに結合されたＭレベル変換器セルのための制御回路の一実施形態のブロック図である。
【図8】電力変換器を保護するための第１の方法を示すプロセスフローチャートである。
【図9】電力変換器を保護するための第２の方法を示すプロセスフローチャートである。
【図10】電力変換器を保護するための第３の方法を示すプロセスフローチャートである。
【図11】電力変換器を保護するための第４の方法を示すプロセスフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本発明は、２つ以下の高電圧ＦＥＴスイッチを使用し、一方で、他の電力スイッチのすべてまたはほとんどが低電圧ＦＥＴスイッチであることを可能にする、マルチレベル電力変換器を保護するための回路および方法を包含する。いくつかの実施形態は、残りの低電力ＦＥＴスイッチＳｗＸが飽和する前に飽和するように設計された保護高電圧上部および下部ＦＥＴを提供する。他の実施形態は、電力スイッチＳｗＸに低電力ＦＥＴのみを使用するが、通常の電力変換動作中に常時オン（導通）状態になり、過渡状態または故障状態の場合にオフ（非導通）状態に迅速に切り替わるように構成された保護回路を提供することができる。任意選択で、保護回路のうちの１つまたは複数は、あるタイプの故障状態の間に電流フローを制限または阻止するために、および／または電力変換器の起動の間に突入電流を制限するために、制御された方法で使用され得る。
【0020】
一般的アプローチ
【0021】
図２は、図１のコンバータ回路として使用され得る従来技術のマルチレベルコンバータ回路２００の一タイプの概略図である。４レベルマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータである図示された例において、コンバータ回路２００は、複数の状態の間で切り替わり、その各々は、出力コンデンサＣＯＵＴ及び負荷抵抗Ｒに結合されたインダクタＬに提示されるいくつかの異なる電圧のうちの１つを規定する。図示されたマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータは、バックオンリーコンバータとして、ブーストオンリーコンバータとして、又はバックブーストコンバータとして構成されてもよく、反転型又は非反転型であってもよい。
【0022】
より詳細には、マルチレベルコンバータ２００は、２つ以上の直列接続された電力スイッチ（一般にＭＯＳＦＥＴ）を能動的にスイッチングすることによって、入力電圧ＶＩＮを出力電圧ＶＯＵＴに変換する。電力スイッチの状態遷移パターンは、動作ゾーンおよび対応するＶＯＵＴ範囲を決定する。図２の例では、マルチレベルコンバータ回路２００は、２組の直列接続された電力スイッチＳｗ１～Ｓｗ３およびＳｗ４～Ｓｗ６（総称的にＳｗＸ）によって囲まれたインダクタＬを含む。第１および第２の組の直列結合された電力スイッチにおける電力スイッチの各対は、それぞれのノードによって分離される。一方の組の電力スイッチの各対の間のノードは、フライコンデンサＣＦＸによって、他方の組の電力スイッチの各対の間の対応するノードに結合される。例えば、図２において、電力スイッチＳｗ２とＳｗ３との間のノードＡは、フライコンデンサＣＦ１によって、電力スイッチＳｗ４とＳｗ５との間のノードＡ´に結合され、同様に、電力スイッチＳｗ１とＳｗ２との間のノードＢは、フライコンデンサＣＦ２によって、電力スイッチＳｗ５とＳｗ６との間のノードＢ´に結合される。通常の変換動作中の電力スイッチの各セットのための制御クロック信号は、一般に、非重複で相補的であり、制御回路（たとえば、図１のコントローラ１０８）によって与えられる。
【0023】
現代の電力変換器（特にマルチレベル電力変換器）における電力スイッチ（図２の電力スイッチＳｗ１～Ｓｗ６など）は、ＦＥＴ、特にＭＯＳＦＥＴで実装されることが多い。一般に、可能な限り、集積回路ダイ面積の消費が少なく、一般に、より高い降伏ＦＥＴよりも効率的であるように、低電圧ＦＥＴ（たとえば、ＶＩＮよりも実質的に低い降伏電圧ＢＶＤＳを有する）の使用を可能にすることが有利である。低電圧ＦＥＴを使用することの欠点は、それらが、ストレス条件の間の損傷から、特に、そのようなＦＥＴの降伏電圧を超える電圧からの保護を必要とすることである。
【0024】
例えば、上述したように、多くのＦＥＴベースの電力変換器アーキテクチャに伴う一般的な問題は、電力変換器の起動中に過度の突入電流を回避する必要があることである。例えば、十分な保護回路がない場合、ＶＩＮが図１に示されるタイプの電力変換器に最初に印加されるとき、フライコンデンサＣＦＸのいずれも最初に充電されず、したがって、電流が回路に突入し得る。例えば、ＦＥＴ電力スイッチのＲＯＮ値の総和が１０ミリオーム（０．０１オーム）であり、ＶＩＮが１０ Ｖである場合、オームの法則Ｖ＝Ｉ×Ｒの結果として、突入電流は約１，０００アンペアのスパイクとなる。集積回路の実装において、寄生インダクタンスが存在する（例えば、ダイ上の導体ルーティングおよびプリント回路基板の導体ルーティングに起因する）。寄生インダクタンスは、回路内の全インピーダンスを増加させ、したがって、最大電流を低減するのに役立つが、寄生インダクタンスはまた、電流サージが存在する時間を延長するエネルギーを蓄積し、コンデンサンスが存在する場合（そのような回路の場合）、リンギングをもたらす可能性がある。このようなリンギングは、ＶＩＮよりも著しく高い電圧スパイクを引き起こし、チャージポンプ電力スイッチに電気的に過剰なストレスを与え、それらの信頼性に影響を及ぼし、潜在的に破壊する可能性がある。さらに、フライコンデンサＣＦＸ間の電荷が平衡していないとき、またはコンバータ回路の出力が短絡されるときなどの他の場合には、急速に変化する電流フローによるＶＩＮよりも高い電圧スパイクが発生することがある。
【0025】
図２に示される回路のようなマルチレベル電力変換器において、フライコンデンサＣＦＸは、時にはＶＩＮ電源を基準とし、時には接地を基準とする。安定動作中、フライコンデンサＣＦＸによって（すなわち、フライコンデンサＣＦＸと並列に）囲まれたＦＥＴスイッチは、フライコンデンサＣＦＸの電圧安定化効果により、それらの両端間の電圧がより小さくなる。しかしながら、ある過渡状態または故障状態の間、フライコンデンサＣＦＸは、もはや、ＦＥＴスイッチへの損傷を回避するのに十分なほど電圧をホールドオフしないことがある。例えば、大きな入力供給増加の間及び／又はその後（例えば、１つの電源からより高い又はより低い電圧を有する別の電源へ変化する場合）、フライコンデンサＣＦＸは、それらの電圧を互いに対して及びＣＯＵＴに対して再バランスするための時間を必要とし、再バランスが生じるまで、低電圧ＦＥＴがストレスを受ける。別の例として、出力短絡状態の間、結果として生じる高い電流スパイクは、フライコンデンサＣＦＸの存在にもかかわらず、ＦＥＴスイッチに過剰なストレスを与え得る。さらに、「上部」および「下部」ＦＥＴスイッチＳｗ１およびＳｗ６（図２において点線で囲まれて示される）は、ブラケッティング保護フライコンデンサを有さない。
【0026】
全ての電力スイッチに対して高電圧ＦＥＴを必要とする従来の解決策とは対照的に、特に通常のコンバータ動作中のフライコンデンサＣＦＸの電圧安定化効果に鑑みて、突然の電圧変化によって誘起される電流サージを制御することができる場合には、マルチレベル電力変換器内の電力スイッチＳｗＸの大部分又は全てに対して低電圧ＦＥＴを使用することができることが認識された。この洞察は、以下に記載されるいくつかの解決策をもたらした。
【0027】
第１実施形態
【0028】
図３は、本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第１の実施形態３００のブロック図である。図示されたマルチレベルコンバータ回路は、図２のマルチレベルコンバータ回路２００と多くの点で類似した４レベルマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータである。図示された例における中間ＦＥＴ電力スイッチＳｗ２～Ｓｗ５は、（たとえば、１／３ＶＩＮ程度の低い降伏電圧ＢＶＤＳを有する）低電力ＦＥＴであり得る。しかしながら、上部電力スイッチＳｗ１および下部電力スイッチ（この例ではＳｗ６）は、電力変換器が意図された用途において合理的にさらされ得る最悪の場合の電圧条件（たとえば、ＶＩＮ以上の降伏電圧ＢＶＤＳを有する）に耐えることが可能であるべきであり、任意選択で、残りの電力スイッチ（すなわち、示された例ではスイッチＳｗ２～Ｓｗ５）のいずれかが飽和する前に飽和するように選択されるべきである。両方の保護スイッチＳｗ１、Ｓｗ６は、降伏電圧および飽和電流特性に関して同一であってもよいが、いくつかの用途では同一である必要はない。保護スイッチＳｗ１、Ｓｗ６は、図３ではＦＥＴとして示されているが、いくつかの実施形態では、保護スイッチＳｗ１、Ｓｗ６は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などの他の技術で実装されてもよい。
【0029】
図示された実施形態において、上部および下部保護パワーＦＥＴスイッチのゲート（制御入力）は、それぞれのスイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂに結合されて示され、これらは、関連するＦＥＴを開くかまたは閉じるために必要とされ得るような適切な電圧レベルシフタおよびドライバを含み得る。図示されたスイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂは、別個の回路ブロックとして示されているが、単一の回路ブロックとして実装されてもよい。スイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂは、過渡状態または故障状態の場合にスイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂに上部および下部保護スイッチ（この例ではＳｗ１およびＳｗ６）の一方または両方を強制的に開かせ得る１つまたは複数の感知回路３０４ａ、３０４ｂに結合されて示されている。このような動作だけで、中間ＦＥＴ電力スイッチの保護が提供される。しかしながら、以下でより詳細に説明するように、ブラケット上部および下部保護スイッチに対して高電圧およびより低い飽和電流特性を選択することは、中間ＦＥＴ電力スイッチに対する保護を単独で提供することができ、したがって、スイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂおよび検知回路３０４ａ、３０４ｂは、いくつかの用途では省略され得る。
【0030】
通常のコンバータ動作では、上部および下部保護パワーＦＥＴスイッチのゲートは、中間パワースイッチとともに、従来のパワーコンバータのように関連するクロック信号ＣＬＫＸによって制御される。通常の変換動作中の電力スイッチの各セットの制御クロック信号ＣＬＫＸは、一般に、非重複であり、相補的である。図３に示される例では、上部および下部保護パワーＦＥＴスイッチＳｗ１、Ｓｗ６のためのクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ６は、ＦＥＴスイッチＳｗ１、Ｓｗ６が開状態にされるべきときに、通常のクロッキングシーケンスが必要に応じて中断され得るように、それぞれのスイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂを通して結合され得る。いくつかの実施形態では、スイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂは、それらの関連付けられた上部および下部ＦＥＴ電力スイッチのゲートに結合された単一のＡＮＤゲートと同じくらい単純であり得（必要に応じて、好適な電圧レベルシフタおよびドライバを通して）、対応するクロック信号が、第１のＡＮＤゲート入力に結合され、感知回路の出力が、第２のＡＮＤゲート入力に結合される。過渡状態または故障状態の場合、検知回路は、関連するＦＥＴ電力スイッチをオフ状態または高ＲＯＮ状態に能動的に設定する。
【0031】
図３に示される実施形態は、１つ以上の感知回路３０４ａ、３０４ｂに応答して、中間ＦＥＴ電力スイッチのための能動的に制御される保護を提供する。このような検知回路は、長時間の過渡状態または故障状態の間に電力の流れを停止することによって、上部および下部ＦＥＴ電力スイッチにわたってどれだけの電力が降下するかを制限するのに役立ち、また、起動中にも有用である。しかしながら、ブラケット上部および下部保護スイッチに対して高電圧および低飽和電流特性を選択することによって、そのような能動制御回路なしに中間ＦＥＴ電力スイッチに対して高速自動（受動）保護を提供することができる。飽和は、ゲート－ソース電圧ＶＧＳの特定のレベルでＦＥＴに印加されるドレイン－ソース電圧を増加させることが、もはやドレイン－ソース電流を増加させることができないときに発生し、すなわち、電流は、ＶＤＳ飽和点を上回って実質的に一定になる。したがって、中間ＦＥＴ電力スイッチに対して、ブラケット上部および下部保護スイッチのより低い飽和電流特性は、ＶＩＮが電力変換器に接続されている（すなわち、Ｓｗ１が閉じられている）間の大きな過電流事象中に、上部高電圧ＦＥＴ電力スイッチＳｗ１が、中間ＦＥＴ電力スイッチが飽和する前に飽和し、したがって、上部高電圧ＦＥＴ電力スイッチＳｗ１が、すべての低電圧スイッチに対して電流を安全レベルに自動的に制限することができることを確実にする。上部ＦＥＴ電力スイッチＳｗ１の設計された高電圧特性は、それがアプリケーションのための最大予想電圧を処理することができることを確実にする。
【0032】
同様に、下部ＦＥＴ電力スイッチ（この例ではＳｗ６）は、中間電力スイッチが飽和する前に飽和するように選択され得る。これは、ＶＩＮを基準とするフライコンデンサに接続されている間の大きな過電流事象の間（例えば、Ｓｗ６が閉じられているとき）、下部ＦＥＴ電力スイッチが、中間電力スイッチが飽和する前に飽和し、したがって、下部高電圧ＦＥＴ電力スイッチが、すべての低電圧スイッチに対して電流を安全なレベルに自動的に制限することができることを確実にする。特に、電力変換器は、短期間の過渡状態または故障状態の場合のように、上部および下部保護電力ＦＥＴスイッチが必ずしもコントローラによって開状態にされる必要がないので、動作を継続することができる。
【0033】
従って、上部及び下部の高電圧低飽和パワーＦＥＴスイッチは、過渡事象に対して自動的に保護し、残りの中間パワースイッチに対して低電圧ＦＥＴを使用することを可能にする。したがって、いくつかの用途では、スイッチコントローラ３０２ａ、３０２ｂおよび感知回路３０４ａ、３０４ｂは、省略されてもよい。
【0034】
図３に示される実施形態は、２つ以下の高電圧ＦＥＴスイッチを必要とし、一方で他の電力スイッチの全てが低電圧ＦＥＴスイッチであることを可能にするマルチレベル電力変換器を保護するための回路および対応する方法の一例である。保護は、ブラケット上部および下部高電圧ＦＥＴスイッチが中間電力スイッチに対して低い飽和特性を有するときに高速かつ自動的であり、一方、過渡状態または故障状態が発生したときに保護ＦＥＴスイッチを開くことによって制御可能でもある。
【0035】
第２実施形態
【0036】
図４は、本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第２の実施形態４００のブロック図である。図示されたマルチレベルコンバータ回路は、図３のマルチレベルコンバータ回路と多くの点で類似した４レベルマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータである。しかしながら、「上部」および「下部」ＦＥＴスイッチが高電圧ＦＥＴであることを必要とする代わりに、第１の通常閉保護スイッチＳＰＴが、ＶＩＮと上部低電圧ＦＥＴスイッチ（Ｓｗ１）との間に直列に追加され、第２の通常閉保護スイッチＳＰＢが、下部低電圧ＦＥＴスイッチ（Ｓｗ６）と基準電圧（例えば、回路接地）との間に直列に追加される。
【0037】
保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、それぞれのスイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂに結合されて示されており、スイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂに保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢの一方または両方を開かせる１つまたは複数のそれぞれの感知回路４０４ａ、４０４ｂに結合され得る。例えば、ＶＩＮに結合された電圧検出器は、ＶＩＮが設定された閾値電圧を超えるか、またはそれを下回るときに、「過電圧」トリガ信号をスイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂに提供し得る。いくつかの実施形態では、そのような電圧検出器は、単独で、スイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂの一方または両方であってもよい。いくつかの実施形態では、スイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂは、電力変換器のサーマルシャットダウン、電力変換器を通る過電流検出、出力過電圧および／または不足電圧検出、および／またはコンデンサ故障（例えば、電荷不均衡、開放または短絡検出等）等の複数のタイプの過渡事象または故障事象に応答して、関連付けられた保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢを開放することが可能であるように、複数の感知または測定回路に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、スイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂはまた、関連する保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢを開閉させることができる外部供給信号またはコマンドに応答してもよい。
【0038】
上述のように、保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、通常は閉じており、したがって、通常は常にオン（導通）である。すなわち、保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、電力スイッチＳｗＸの通常のトグル動作を受けない。常時オンデバイスとして、保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、実装するのがより容易であり得る。例えば、保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、潜在的に、（例えば、ＦＥＴ、バイポーラ、またはＭＥＭＳスイッチとして）いくつかのプロセスまたは技術のうちのいずれかを使用して製造されてもよく、同一である必要はない。保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、電力スイッチＳｗＸと同じ集積回路（ＩＣ）ダイ上に製作されてもよく、または異なるＩＣダイ上に製作され、電力スイッチＳｗＸを担持するＩＣダイと共にパッケージ化されてもよく、またはプリント回路基板（ＰＣＢ）上など、電力スイッチＳｗＸが製作されるＩＣダイに結合されたオフチップディスクリートデバイスであってもよい。
【0039】
様々な実施形態において、保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢのトリガされた開放は、一般に、上部および下部ＦＥＴ電力スイッチ（図示された例におけるＳ１、Ｓ６）をＶＩＮの高い値から保護し、一方、中間ＦＥＴ電力スイッチ（図示された例におけるＳ２～Ｓ５）は、保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢによってだけでなく、それらの関連付けられたブラケッティングフライコンデンサＣＦＸ上の電圧によっても過剰電圧から保護されるので、図４のマルチレベル電力変換器における電力スイッチＳｗＸは、すべて低電圧ＦＥＴスイッチとして実装され得る。
【0040】
図示されたスイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂは、別個の回路ブロックとして示されているが、それらは、単一の回路ブロックとして実装されてもよい。スイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂは、それらの関連する保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢと同じＩＣダイ上に実装されてもよく、および／または電力変換器のための全体的なコントローラの一部（図１のコントローラ１０８のような電力変換器コントローラの一部など）であってもよい。
【0041】
保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢがＭＯＳＦＥＴとして実装される場合、それらは通常は導電性であり、電力スイッチＳｗＸのスイッチングサイクルの一部ではないので、保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢのゲート電荷は、電力変換器の遷移損失に追加されない。これは、電力スイッチＳｗＸが高周波数でスイッチングしているときに、効率の利点となり得る。
【0042】
上部保護スイッチＳＰＴの存在は、電力変換器の起動中に追加の利点を提供することに留意されたい。起動突入電流の問題は、電力スイッチが通常の電荷移動を開始することを可能にするためにフライコンデンサＣＦＸが十分に充電されるまで電力変換器への突入電流を制御する「ソフトスタート」動作モードを提供するために上部保護スイッチＳＰＴを使用することによって軽減され、場合によっては排除され得る。例えば、フライコンデンサが最初にソフトスタートされる間、上部保護スイッチＳＰＴは、上述した方法で高レベルのＶＩＮからパワーＦＥＴを保護する。加えて、ＦＥＴベースの上部保護スイッチＳＰＴは、固定電流源または抵抗として機能するように（すなわち、上部保護スイッチＳＰＴをその線形領域ではなく飽和状態で動作させることによって）、スイッチコントローラ４０２ａを通して能動的に制御されることができる。あるいは、上部保護スイッチＳＰＴと並列に追加された電流源または抵抗（図示せず）を「バイパス」電流経路として使用して、上部保護スイッチＳＰＴが過電圧保護を提供し続けている間にフライコンデンサの充電をゆっくりと制御することができる。
【0043】
第３実施形態
【0044】
図５は、本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第３の実施形態５００のブロック図である。図示されたマルチレベルコンバータ回路は、図４のマルチレベルコンバータ回路の４レベルマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータ変形である。図示された実施形態では、図４の保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、それぞれＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４として実装されて示されている。具体的には、保護スイッチＳＰＴは、高耐圧のＮ型ＭＯＳＦＥＴで構成され、保護スイッチＳＰＢは、高耐圧のＰ型ＭＯＳＦＥＴで構成される。代替実施形態では、保護スイッチＳＰＴは、高電圧スイッチＮＰＮバイポーラ接合トランジスタとして実装されてもよく、保護スイッチＳＰＢは、高電圧スイッチＰＮＰバイポーラ接合トランジスタとして実装されてもよい。
【0045】
スイッチコントローラ５０６ａ、５０６ｂは、それぞれのレベルシフタ５１０、５１４およびドライバ回路５１２、５１６を介して、ＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４の対応するゲートに適切な制御信号を供給する。レベルシフタ５１０、５１４およびドライバ回路５１２、５１６のための電力は、たとえば、ＶＩＮと線形レギュレータ（図示せず）との間に結合された単純なチャージポンプ（図示せず）によって供給され得る。さらに、スイッチコントローラ５０６ａ、５０６ｂは、過渡状態または故障状態に応答してスイッチコントローラ５０６ａ、５０６ｂにＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４の一方または両方を開かせる１つまたは複数のそれぞれの感知回路５０８ａ、５０８ｂに結合され得る。図示されたスイッチコントローラ５０６ａ、５０６ｂは、別個の回路ブロックとして示されているが、それらは、単一の回路ブロックとして実装されてもよい。
【0046】
図４の実施形態のように、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２は、ＶＩＮに結合され、通常は閉じられており（導通しており）、したがって、そのノードは、いかなるスイッチング電圧も受けず、それによって損失を低減する。同様に、下部ＦＥＴ保護スイッチ５０４は、基準電圧（例えば、回路接地）に結合され、通常は閉じられており（導通しており）、したがって、そのノードは、いかなるスイッチング電圧も受けず、やはり損失を低減する。
【0047】
故障状態が発生すると、スイッチコントローラ５０６ａ、５０６ｂは、検知回路５０８ａ、５０８ｂによってトリガされ、ＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４を開くことができる。さらに、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２は、一般に、電力スイッチＳｗＸが飽和する前に飽和するように選択されるべきである。これは、ＶＩＮが電力変換器に接続されている（すなわち、Ｓｗ１が閉じられている）間の大きな過電流事象の間、ＦＥＴ保護スイッチ５０２が、変換器スタック内の中間電力ＦＥＴ（この例ではＳｗ１～Ｓｗ６）が飽和する前に飽和し、したがって、ＦＥＴ保護スイッチ５０２が（破壊点まで）任意の高電圧を吸収することを確実にする。ＦＥＴ保護スイッチ５０２が早期に飽和状態に入ることにより、本質的に、全ての低電圧スイッチが、それらの両端間の電圧降下が非常に小さい線形領域で動作し続けることによって、電流がそれらの低電圧スイッチの安全レベルを超えることが制限される。
【0048】
同様に、下部ＦＥＴ保護スイッチ５０４は、電力スイッチＳｗＸが飽和する前に飽和するように選択されるべきである。これは、フライコンデンサに接続されている（例えば、Ｓｗ６が閉じられている）間の大きな過電流事象の間、ＦＥＴ保護スイッチ５０４が、コンバータスタック内のパワーＦＥＴが飽和する前に飽和し、したがって、ＦＥＴ保護スイッチ５０４が、任意の高電圧を吸収することを確実にする。
【0049】
したがって、上部および下部ＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４は、通常は閉じているが、故障状態が発生したときにアクティブ論理制御下で、または過渡現象が発生してＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４の一方または両方が飽和したときに自動的に、開いた保護状態に切り替えられ得る。いずれの場合も、ＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４の設計された高電圧特性は、それらがアプリケーションのための最大予想電圧を処理することができることを確実にする。
【0050】
低電圧中間電力ＦＥＴの飽和点に対するＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４の飽和点は、好ましくは、フライコンデンサＣＦＸが、それらの関連する電力スイッチＳｗＸの全てにおいてそれらのそれぞれの電圧を維持することができることを保証するように選択されるべきである。低電圧中間電力ＦＥＴが飽和していない場合、フライコンデンサＣＦＸは、それらのノード電圧を維持することができるはずである。したがって、フライコンデンサＣＦＸが完全に充電されていない場合（例えば、起動時）、ＦＥＴ保護スイッチ５０２、５０４は、フライコンデンサが回路接地を基準とする（例えば、下部電力スイッチＳｗ６が閉じられ、この場合、ＦＥＴ保護スイッチ５０２は中間電力ＦＥＴを保護する）か、またはＶＩＮを基準とする（例えば、上部電力スイッチＳｗ１が閉じられ、この場合、ＦＥＴ保護スイッチ５０４は中間電力ＦＥＴを保護する）間に電圧の差を吸収する。
【0051】
上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２が閉じられると、（それ以上ではないが）上部電力スイッチＳｗ１は、開いているときに、高い値のＶＩＮまたは電流誘起電圧スパイクにさらされる可能性があることに留意されたい。しかし補助保護回路の動作中、オープントップ電力スイッチＳｗ１の両端の電圧は、その降伏電圧よりも低い制御されたレベルにクランプされ得る。図示された例では、補助保護回路は、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２のゲートと電力スイッチＳｗ１の下部端子（ソース）（すなわち、ＶＩＮから最も遠い端子）との間にツェナーダイオードＺ１を備える。Ｚ１のツェナー電圧値は、好ましくは、電力スイッチＳｗ１の降伏電圧（例えば、両方のデバイスに対して５ Ｖ）に近い。上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２はソースフォロワであり、これは、ソースがゲート電圧よりも閾値電圧ＶＴＨだけ低いことを意味する。したがって、電力スイッチＳｗ１が閉じられたときにゲート電圧がＺ１の両端間の電圧に制限される場合、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２のソースもその電圧に制限され、それにより、電力スイッチＳｗ１の両端間の電圧が、ツェナー電圧Ｚ１から上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２のＶＴＨを引いたもの（すなわち、Ｚ１－ＶＴＨ）にクランプされ、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２は、そのレベルを超える電圧降下を吸収する。したがって、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２および補助保護回路は、上部電力スイッチＳｗ１を過電圧から保護するほぼ瞬間的なクランプ回路として機能し、それによって、上部電力スイッチＳｗ１が低電圧デバイス（たとえば、この例ではＶＩＮ／３ほど低くてもよいＺ１電圧ほど低くてもよいＢＶＤＳを有するＦＥＴ）として実装されることを可能にする。理解されるように、電圧制限を行うためにツェナーダイオードの代わりに他の回路を使用することができる。
【0052】
保護スイッチがＰ型ＭＯＳＦＥＴ ５０４であり、ツェナーダイオードＺ２が下部ＦＥＴ保護スイッチ５０４のゲートと電力スイッチＳｗ５の上部端子（ドレイン）（すなわち、回路接地から最も遠い端子）との間に結合されることを除いて、下部電力スイッチ（この例ではＳｗ６）の両端の電圧をクランプするために同様の手法が使用され得る。増強モードＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲート駆動電圧要件は、回路接地よりも低い負の値を必要とすることがある。このような電圧が利用できない用途では、負の駆動電圧は一般に必要ではないので、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ ５０４の代わりに空乏モードＰ型ＭＯＳＦＥＴを使用することができる。
【0053】
変形実施形態では、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２または上部電力スイッチＳｗ１のいずれかが、（上部電力スイッチＳｗ１の前に飽和するように上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２を選択するのではなく）最初に飽和するように選択され得る。上部電力スイッチＳｗ１が最初に飽和する場合、その両端の電圧は上昇し始めるが、電圧がＺ１のツェナー電圧を超えると、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２は上部電力スイッチＳｗ１を保護し始める。したがって、上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２と組み合わされたツェナーダイオードＺ１は、上部電力スイッチＳｗ１が、損傷を与える電圧レベルを超えることなく飽和することを可能にする。同じ概念が、ツェナーダイオードＺ２と組み合わされた下部ＦＥＴ保護スイッチ５０４にも当てはまり、これにより、下部電力スイッチ（この例ではＳｗ６）は、損傷を与える電圧レベルを超えることなく飽和することができる。
【0054】
第４実施形態
【0055】
図６は、本発明による保護回路を有するマルチレベルコンバータ回路の第４の実施形態６００のブロック図である。図示されたマルチレベルコンバータ回路は、図４のマルチレベルコンバータ回路の４レベルマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータ変形である。図示された実施形態では、図４の保護スイッチＳＰＴ、ＳＰＢは、それぞれＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４によって実装されて示されている。より具体的には、保護スイッチＳＰＴは、高耐圧のＰ型ＭＯＳＦＥＴで構成され、保護スイッチＳＰＢは、高耐圧のＮ型ＭＯＳＦＥＴで構成される。
【0056】
Ｐ型上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２は、図示された電力スイッチのスタックＳｗＸにおいて、上部電力スイッチ（Ｓｗ１）と次の電力スイッチ（Ｓｗ２）との間に配置されて示されている。同様に、Ｎ型底部ＦＥＴ保護スイッチ６０４は、図示された電力スイッチのスタックＳｗＸにおいて、底部電力スイッチ（Ｓｗ６）と先行する電力スイッチ（Ｓｗ５）との間に配置されて示されている。電圧源Ｖｍａｘ１は、ＶＩＮと上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２のゲートとの間に結合される。同様に、電圧源Ｖｍａｘ２は、基準電圧（例えば、回路接地）と下部ＦＥＴ保護スイッチ６０４のゲート（この例ではＳｗ６）との間に結合される。
【0057】
任意のスイッチコントローラ６０６ａ、６０６ｂは、電圧源Ｖｍａｘ１およびＶｍａｘ２の一方または両方に、ならびに、過渡状態または故障状態に応答してＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４の一方または両方を開くためにスイッチコントローラ４０２ａ、４０２ｂにＶｍａｘ１および／またはＶｍａｘ２の電圧を変更させる１つまたは複数の感知回路６０８ａ、６０８ｂに結合され得る。代替実施形態では、任意選択のスイッチコントローラ６０６ａ、６０６ｂは、それぞれのＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４の動作を直接制御するように結合されてもよい。いずれの場合も、ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４のこのカスコード構成は、常に低電圧電力スイッチＳｗＸのすべてを保護し、したがって、過渡状態または故障状態の間、高電圧ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４をオフにする（開く）代わりに、低電圧電力スイッチＳｗＸをオフにする（開く）ことができ、同じ効果を有する。これは、ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４が、それぞれＶｍａｘ１およびＶｍａｘ２に永久的に接続され、決してオフにトグルされないことを意味し、その代わりに、上部電力スイッチＳｗ１および下部電力スイッチ（この例ではＳｗ６）がトグルを行うことができる。図示されたスイッチコントローラ６０６ａ、６０６ｂは、別個の回路ブロックとして示されているが、それらは、単一の回路ブロックとして実装されてもよい。
【0058】
図４の実施形態と同様に、いくつかの実施形態では、上部および下部ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４は、電力スイッチＳｗＸが飽和する前にそれらが飽和するように選択され得る。これは、電力スイッチＳｗＸのうちの１つまたは複数が閉じられている間の大きな過電流事象の間、ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４が、コンバータスタック内の電力ＦＥＴ ＳｗＸが飽和する前に飽和し、したがって、高電圧ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４が、任意の過度に高い電圧を吸収することを確実にする。変形実施形態では、上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２または上部電力スイッチＳｗ１のいずれかが、（上部電力スイッチＳｗ１の前に飽和するように上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２を選択するのではなく）最初に飽和するように選択され得る。同様に、そのような変形実施形態では、下部ＦＥＴ保護スイッチ６０４または下部電力スイッチ（この例ではＳｗ６）のいずれかが、（下部電力スイッチＳｗ６の前に飽和するように下部ＦＥＴ保護スイッチ６０４を選択するのではなく）最初に飽和するように選択され得る。
【0059】
図４の実施形態のように、上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２は、通常は閉じている（導通している）。同様に、下部ＦＥＴ保護スイッチ６０４は、通常は閉じている（導通している）。ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４の位置は、上部および下部電力スイッチ（この例ではＳｗ１およびＳｗ６）の保護を提供しないように見えるかもしれない。しかしながら、電圧源Ｖｍａｘ１およびＶｍａｘ２は、少なくとも、関連付けられた電力スイッチ（Ｓｗ１およびＳｗ６）が取り扱うことができる最大電圧に設定されるべきであり（例えば、Ｓｗ１に対してＶｍａｘ１≧ＢＶＤＳ、Ｓｗ６に対してＶｍａｘ２≧ＢＶＤＳ）、上部および下部ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４は、そのレベルを上回る任意の過剰電圧を取り扱うように構成されるべきである。例えば、ＶＩＮの最大予想電圧が１５ Ｖであり、上部電力スイッチＳｗ１が５ Ｖの降伏電圧を有する場合、電圧源Ｖｍａｘ１は５ Ｖ（または５ ＶにスイッチＳｗ１の閾値電圧ＶＴＨを加えたもの）に設定されるべきであり、上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２は少なくとも１０ Ｖに耐えるように設計されるべきである。ＶＩＮの実際の値がＶｍａｘ１を超える場合、上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２は飽和し、したがって自動的に電流を制限し、それによって電力スイッチＳｗ１が受ける電圧を制限する。
【0060】
ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４の飽和点は、好ましくは、フライコンデンサＣＦＸが、それらの関連する電力スイッチＳｗＸの全てにおいてそれらのそれぞれの電圧を維持することができることも保証するように選択されるべきである。低電圧中間電力ＦＥＴが飽和していない場合、フライコンデンサＣＦＸは、それらのノード電圧を維持することができる。したがって、フライコンデンサＣＦＸが完全に充電されていない場合（例えば、起動時）、ＦＥＴ保護スイッチ６０２、６０４は、フライコンデンサが回路接地を基準とする（例えば、下部電力スイッチＳｗ６が閉じられる）間に電圧の差を吸収する。
【0061】
Ｍレベル変換器セルのための例示的な制御回路
【0062】
図７は、インダクタＬおよび出力コンデンサＣＯＵＴを備える出力ブロック７０４に結合されたＭレベル変換器セル７０２のための制御回路７００の一実施形態のブロック図である（概念的に、インダクタＬはまた、Ｍレベル変換器セル４０１内に含まれると見なされ得る）。この例示的な制御回路７００は、２０２１年１１月８日に出願された米国特許出願第６３２７６９２３号（発明の名称：Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｃｈａｒｇｅ－Ｂａｌａｎｃｅ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ ｉｎ ａ Ｍｕｌｔｉ－Ｌｅｖｅｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（代理人整理番号：ＰＥＲ－３７０－ＰＲＯＶ）に記載された教示内容を適用したものであり、この出願は、本発明の譲受人に譲渡され、その内容は参照により組み込まれる。しかしながら、本発明は、Ｍレベル変換器セル７０２のための他のタイプの制御回路と組み合わせて使用されてもよい。
【0063】
制御回路７００は、Ｍレベル変換器セル７０２の出力に結合され、Ｍレベル変換器セル７０２の制御入力を切り替える制御ループとして機能する。一般に、制御回路７００は、Ｍレベル変換器セル７０２の出力（例えば、電圧および／または電流）を監視し、ＶＩＮおよび出力負荷の変動を考慮して、出力電圧および／または電流を指定された値に安定化させることを試みる、Ｍレベル変換器セル７０２へのスイッチ制御入力のセットを動的に生成するように構成される。代替実施形態では、制御回路７００は、Ｍレベル変換器セル７０２の入力（例えば、電圧および／または電流）および／またはＭレベル変換器セル７０２の内部ノード（例えば、１つまたは複数のフライコンデンサの両端の電圧または１つまたは複数の電力スイッチを通る電流）を監視するように構成され得る。したがって、最も一般的には、制御回路７００は、Ｍレベル変換器セル７０２のノード（例えば、入力端子、内部ノード、または出力端子）の電圧および／または電流を監視するように構成され得る。制御回路７００は、Ｍレベル変換器セル７０２を具現化する電力変換器１００のための全体コントローラ１０４に組み込まれてもよく、またはそれとは別個であってもよい。
【0064】
第１のブロックは、固定周波数電圧モードまたは電流モードコントローラ、一定オン時間コントローラ、ヒステリシスコントローラ、または任意の他の変形例等の従来のコントローラであり得る、フィードバックコントローラ７０６を備える。フィードバックコントローラ７０６は、Ｍレベル変換器セル７０２からのＶＯＵＴに結合されるものとして示されている。代替実施形態では、フィードバックコントローラ７０６は、Ｍレベル変換器セル７０２の入力および／またはＭレベル変換器セル７０２の内部ノードを監視するように構成され得る。フィードバックコントローラ７０６は、ＶＯＵＴの所望の値、すなわち充電、放電、またはトライステート（すなわち、電流が流れない開状態）を維持するためにＭレベル変換器セル７０２においてなされる必要があることを一般的に決定するＶＯＵＴにおける電圧を直接的または間接的に示す信号を生成する。
【0065】
図示された例において、フィードバックコントローラ７０６は、フィードバック回路７０８、補償回路７１０、およびＰＷＭ発生器７１２を含む。フィードバック回路７０８は、例えば、ＶＯＵＴ（又はＶＯＵＴの減衰バージョン）を、所望のＶＯＵＴターゲット電圧（動的であってもよい）を表す基準電圧と比較し、ＶＯＵＴがターゲット電圧よりも高いか低いかを示す制御信号を出力するフィードバックループ電圧検出器を含んでもよい。フィードバックループ電圧検出器は、演算増幅器（オペアンプ）または相互コンダクタンス増幅器（ｇｍ増幅器）などの比較デバイスを用いて実装され得る。
【0066】
補償回路７１０は、発振を引き起こし得る正のフィードバックの意図しない生成を回避することによって、およびフィードバックコントローラ７０６のステップ応答におけるオーバーシュートおよびリンギングを制御することによって、フィードバックコントローラ７０６の閉ループ応答を安定化させるように構成される。補償回路７１０は、既知の方法で実装されてもよく、ＬＣ回路及び／又はＲＣ回路を含んでもよい。
【0067】
ＰＷＭ発生器７１２は、Ｍレベル変換器セル７０２のスイッチのデューティサイクルを最終的に設定する実際のＰＷＭ制御信号を生成する。いくつかの実施形態では、ＰＷＭ発生器７１２は、例えば、ＶＯＵＴと基準電圧との間の差の大きさ（したがって、Ｍレベル変換器セル７０２のいくつかのレベルが、より高いまたはより低いレベルになるようにバイパスされるべきであることを示す）、およびその差の方向（例えば、ＶＯＵＴが基準電圧よりも大きいまたは小さい）を示す、付加的な随意の制御信号ＣＴＲＬを伝え得る。他の実施形態では、任意選択の制御信号ＣＴＲＬは、補償回路７１０の出力から、またはフィードバック回路７０８の出力から、またはたとえばＶＯＵＴに結合された別個の比較器（図示せず）から導出され得る。オプションの制御信号ＣＴＲＬの１つの目的は、ＶＯＵＴが目標出力電圧からどれだけ離れているかを知ることが有益であり得るときに、高度な制御アルゴリズムのためのものであり、したがって、ＶＯＵＴが厳しく過小調整されている場合にインダクタＬのより高速な充電を可能にする。
【0068】
第２のブロックは、Ｍレベルコントローラ７１４を備え、その主な機能は、過去にどのスイッチ状態が使用されたかにかかわらず、出力電圧レベルが選択されるたびに、Ｍレベルコンバータセル７０２内のフライコンデンサ上の電荷バランス状態を維持しながら、所望のＶＯＵＴを生成するスイッチ状態を選択することである。
【0069】
Ｍレベルコントローラ７１４は、ＰＷＭ制御信号と、利用可能な場合には追加の制御信号ＣＴＲＬとを受信する電圧レベルセレクタ７１６を含む。さらに、電圧レベルセレクタ７１６は、ＶＯＵＴおよび／またはＶＩＮに結合され、いくつかの実施形態では、Ｍレベル変換器セル７０２内の対応するフライコンデンサＣＦｘに結合された電圧検出器からのＨＩＧＨ／ＬＯＷステータス信号ＣＦｘ＿Ｈ／Ｌに結合され得る。電圧レベルセレクタ７１６の機能は、受信した信号を目標出力電圧レベルに（例えば、サイクル毎に）変換することである。電圧レベルセレクタ７１６は、典型的には、少なくともＶＯＵＴおよびＶＩＮを考慮して、どのターゲットレベルが所望のレートでＭレベル変換器セル７０２の出力を充電または放電すべきかを決定する。
【0070】
電圧レベルセレクタ７１６の出力は、Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８に結合され、Ｍレベルスイッチ状態セレクタは、一般に、フライコンデンサＣＦｘのためのコンデンサ電圧検出器からのステータス信号ＣＦｘ＿Ｈ／Ｌに結合される。電圧レベルセレクタ７１６によって生成されるターゲットレベルを考慮して、Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、所望の出力レベルのためのスイッチ状態がコンデンサ電荷平衡のために最良であるべきかを決定する。Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、例えば、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）として、または比較回路および組み合わせ論理回路、またはより一般化されたプロセッサ回路として実装されてもよい。Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８の出力は、（特定の変換器セルに必要とされ得るように、適切なレベルシフタ回路およびドライバ回路を通して）Ｍレベル変換器セル７０２のスイッチに結合され、（選択されたターゲットレベルに対応するＭレベル変換器セル７０２内のスイッチの構成を選択する）Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８によって決定されたスイッチ状態設定を含む。
【0071】
一般に（常にではないが）、電圧レベルセレクタ７１６およびＭレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、ＰＷＭ信号が変化するときにのみ、それらの状態を変化させる。例えば、ＰＷＭ信号がハイになると、電圧レベルセレクタ７１６は、どのレベルがインダクタＬの充電をもたらすかを選択し、Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、そのレベルを使用するためにどのバージョンを設定する。次いで、ＰＷＭ信号がローになると、電圧レベルセレクタ７１６は、どのレベルがインダクタＬを放電すべきかを選択し、Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、そのレベルのどのバージョンを使用すべきかを設定する。したがって、電圧レベルセレクタ７１６およびＭレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、概して、ＰＷＭ信号が変化するときにのみ状態を変化させる（ＰＷＭ信号は、事実上、それらのクロック信号である）。しかしながら、ＣＴＲＬ信号が電圧レベルセレクタ７１６の状態を変更することが望ましい状況または事象が存在し得る。さらに、深刻なサイクル中の不均衡が発生するときなど、Ｍレベル変換器セル７０２内のフライコンデンサＣＦｘに結合された電圧検出器からのＣＦｘ＿Ｈ／Ｌステータス信号が、Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８に電力スイッチ設定の特定の構成を選択させることが望ましい状況または事象が存在し得る。いくつかの実施形態では、例えば、潜在的に電荷不均衡を引き起こす、非常に長い時間の間、１つのレベルで「スタック」されることを回避するために、Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８に、周期的に状態の最適バージョンを再評価させるタイミング機能を含むことが有用であり得る。
【0072】
上記で参照した「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｃｈａｒｇｅ－Ｂａｌａｎｃｅ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ ｉｎ ａ Ｍｕｌｔｉ－Ｌｅｖｅｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」という名称の特許出願に記載された教示を利用する実施形態では、Ｍレベルコントローラ７１４は、過去にどのスイッチ状態が使用されたかにかかわらず、ＬＸノードにおける電圧レベルが選択されるたびにフライコンデンサＣＦｘを電荷平衡状態に向かって移動させる本質的に最適なスイッチ状態を選択するＭレベルコンバータセル７０２のための制御方法を実装する。したがって、そのようなマルチレベルコンバータ回路は、任意の前のスイッチ状態またはスイッチ状態のシーケンスを追跡する必要なく、スイッチングサイクルごとに異なるスイッチ状態またはＬＸ電圧レベルを自由に選択する。
【0073】
図７に示される制御回路の１つの注目すべき利点は、従来のマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータ回路では達成できない出力電圧を表す電圧レベル間の境界ゾーンにおける電圧の生成を可能にすることである。
【0074】
代替の非調整型チャージポンプの実施形態では、フィードバックコントローラ７０６および電圧レベルセレクタ７１６は省略されてもよく、代わりに、クロック信号ＣＬＫがＭレベルスイッチ状態セレクタ７１８に印加されてもよい。Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、（状態の所定のシーケンスを通して循環するのとは対照的に）過去にどのスイッチ状態が使用されたかにかかわらず、フライコンデンサＣＦｘを周期的に電荷平衡させるスイッチ状態設定のパターンを生成する。これは、ＶＩＮが変化するか又は異常な事象が発生した場合に、システムが一般的に常にフライコンデンサＣＦｘの電荷平衡を求めることを保証する。
【0075】
いくつかの実施形態では、Ｍレベルスイッチ状態セレクタ７１８は、従来の様式で実装され得る、随意の電流測定入力７２０を介して、インダクタＬを通って流動する電流ＩＬを考慮に入れてもよい。
【0076】
図７は、本発明に従って修正されたＭレベル変換器セルの制御回路の特定の実施形態を示すが、変換器セル内のスイッチに適切なスイッチング信号を提供するように他の制御回路を適合または考案することができることを理解されたい。
【0077】
方法
【0078】
本発明の別の態様は、電力変換器を保護するための様々な方法を含む。例えば、図８は、電力変換器を保護するための第１の方法を示すプロセスフローチャート８００である。この方法は、１つまたは複数の中間電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチのセットを直列に結合するステップであって、セット内のスイッチが飽和特性を有するステップ（ブロック８０２）と、１つまたは複数の中間ＦＥＴスイッチのセットにスイッチを結合するステップであって、スイッチが、降伏特性と、１つまたは複数の中間ＦＥＴスイッチのセットの飽和特性よりも小さい第１の飽和特性とを有するステップ（ブロック８０４）とを含む。
【0079】
別の例として、図９は、電力変換器を保護するための第２の方法を示すプロセスフローチャート９００である。この方法は、１つまたは複数の中間電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチのセットを直列に結合するステップ（ブロック９０２）と、スイッチを１つまたは複数の中間ＦＥＴスイッチのセットに結合するステップであって、スイッチが、スイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する、ステップ（ブロック９０４）と、電力変換器の通常動作中にスイッチを閉状態に設定し、１つまたは複数のイベントに応答してスイッチを開状態に設定するステップ（ブロック９０６）とを含む。
【0080】
さらに別の例として、図１０は、電力変換器を保護するための第３の方法を示すプロセスフローチャート１０００である。この方法は、１つまたは複数の中間電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチのセットを直列に結合するステップ（ブロック１００２）と、ＦＥＴスイッチを１つまたは複数の中間ＦＥＴスイッチのセットに結合するステップであって、ＦＥＴスイッチが、ＦＥＴスイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する、ステップ（ブロック１００４）と、電力変換器の通常動作中にＦＥＴスイッチを閉状態に設定し、１つまたは複数のイベントに応答してＦＥＴスイッチを開状態に設定するステップ（ブロック１００６）とを含む。
【0081】
さらに別の例として、図１１は、電力変換器を保護するための第４の方法を示すプロセスフローチャート１１００である。この方法は、入力電圧源に結合されるように構成された第１のＦＥＴ電力スイッチを含む１つまたは複数の中間電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチのセットを直列に結合するステップ（ブロック１１０２）と、第１のＦＥＴ電力スイッチと１つまたは複数のＦＥＴ電力スイッチのセット内の隣接するＦＥＴ電力スイッチとの間にＦＥＴスイッチを結合するステップであって、ＦＥＴスイッチが、ＦＥＴスイッチを開状態または閉状態に設定するための制御入力を有する、ステップ（ブロック１１０４）と、電力変換器の通常動作中にＦＥＴスイッチを閉状態に設定し、１つまたは複数のイベントに応答してＦＥＴスイッチを開状態に設定するステップ（ブロック１１０６）とを含む。
【0082】
上記方法の追加の態様は、以下の１つまたは複数を含むことができる。前記スイッチのセット内の少なくとも１つのスイッチは、前記スイッチの前記降伏特性よりも小さい降伏特性を有し、および／または前記イベントは、過渡イベントもしくは障害イベントである。
【0083】
追加の制御および動作上の考慮事項
【0084】
本開示に従って設計されたマルチレベル変換器セルを利用する電力変換器の確実かつ効率的な動作を可能にする追加の制御および動作回路（または１つ以上のシャットダウン手順）を提供することが望ましい場合がある。例えば、降圧電力変換器では、コンバータセルの出力電圧は、コンバータセルの入力電圧よりも低い。出力負荷電流が非ゼロである間に、出力に接続された設計上のインダクタンスを有する変換器セルを（例えば、短絡などの故障事象のために）シャットダウンまたは無効にすることは、一般に、インダクタ電流を放電するための何らかの手段を必要とする。いくつかの実施形態では、バイパススイッチは、変換器セルの出力に接続された設計上組み込まれたインダクタンスと並列に接続され、通常動作中には開いており、変換器セルをシャットダウンするとき、または障害イベントが発生した場合には閉じるように制御され得る。理想的には、過渡リンギングを防止し、インダクタ電流の安全な放電を提供するために、バイパススイッチは、変換器セルスイッチングを無効にする前に閉じることができる。コンバータの主スイッチにＭＯＳＦＥＴを使用する代替実施形態では、各ＭＯＳＦＥＴのボディ端子とドレイン端子との間に接続された固有のボディダイオードもインダクタ電流を放電することができる。これらの解決策の詳細は、代替のシャットダウン解決策と同様に、本発明の譲受人に譲渡された、２０２０年６月１６日に発行された「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｓｈｕｔｄｏｗｎ ｏｆ Ａｄｉａｂａｔｉｃ Ｃｈａｒｇｅ Ｐｕｍｐｓ」という名称の米国特許第１０，６８６，３６７号に教示されており、その内容は参照により組み込まれる。
【0085】
変換器セルを並列に組み合わせるときの別の考慮事項は、突入電流（例えば、電力変換器のソフトスタート期間中）を回避するために、及び／又は、起動中又は故障状態が発生したときなど、電力変換器の全てが完全に動作可能ではない場合にスイッチオーバーストレスを回避するために、複数の並列電力変換器を制御することである。条件付き制御は、電圧および／または電流を監視するために、並列接続された電力変換器内の選択されたノードに結合されたノードステータス検出器を使用することによって達成され得る。そのようなノード状態検出器は、いくつかの実施形態では、起動中に関連付けられた電力変換器の出力電圧を測定する出力状態検出器と並行して動作するように構成されてもよい。ノード状態検出器は、並列電力変換器の全電力定常状態動作を可能にする前に、電力変換器の変換器セル内の重要な構成要素（例えば、フライコンデンサおよび／またはスイッチ）の両端間の電圧が所望の範囲内にあることを確実にし、そうでなければ、全電力定常状態動作を防止する。ノード状態検出器は、１つ以上の共通制御信号を使用して並列電力変換器のうちの１つ以上を制御するマスタコントローラに結合されてもよい。マスタコントローラ構成を促進するために、並列電力変換器は、それぞれ、全電力定常状態動作のための始動段階を離れる準備ができているときに、電力良好信号（Ｐｇｏｏｄ）を報告してもよい。マスタコントローラは、基本的に、全てのそのようなＰｇｏｏｄ信号を、場合によっては他の回路からの１つ以上のステータス信号と共に、一緒に「ＡＮＤ」し得、その結果、マスタコントローラは、並列電力変換器の全てがその状態の準備ができていない限り、任意の並列電力変換器の全電力定常状態動作を有効にしない。本質的に、各並列電力変換器からのＰｇｏｏｄ信号は、全て一緒に結合され、並列電力変換器は、全てのＰｇｏｏｄ信号が、それらが定常動作に遷移する準備ができていることを示すまで、始動段階から遷移しないようにし得る。さらに、Ｐｇｏｏｄ信号が、並列電力変換器のうちの１つまたは複数における障害状態に起因して変化する場合、並列電力変換器は、定常状態動作から自動再始動またはシャットダウン動作に遷移することができる。これらの解決策の詳細は、代替のシャットダウン解決策と同様に、本発明の譲受人に譲渡された、２０２１年４月２７日に発行された「Ｓｔａｒｔｕｐ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」という名称の米国特許第１０，９９２，２２６号に教示されており、その内容は参照により組み込まれる。
【0086】
マルチレベル変換器セルを動作させる際の別の考慮事項は、不均衡なフライコンデンサは、高電圧にさらされることによりスイッチ（特にＦＥＴスイッチ）の破壊をもたらす可能性があるので、全てのスイッチが同様の電圧ストレスを受けるように、本質的に完全に比例的に均衡したフライコンデンサ電圧を達成（すなわち、プリチャージ）し、維持することである。マルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータ回路におけるコンデンサ電圧のプリチャージおよびコンデンサ電圧の動作バランスの両方に対する１つの解決策は、並列「シャドー」回路を提供することであり、この回路は、フライコンデンサを電圧源または他の回路に条件付きで結合してそのコンデンサをプリチャージするか、または２つ以上のフライコンデンサを条件付きで一緒に結合してより高い電圧のコンデンサからより低い電圧のコンデンサに電荷を転送するか、またはフライコンデンサを電圧シンクに条件付きで結合してそのコンデンサを放電し、これらはすべてリアルタイムコンデンサ電圧測定の制御下にある。各並列「シャドー」回路は、マルチレベル変換器セルの一部である主スイッチと並列に結合されたスイッチ及び抵抗器を含むことができる（場合によっては、１つのスイッチ－抵抗器対が２つの直列接続スイッチにまたがることができる）。フライコンデンサ上の電荷をプリチャージ及び／又は平衡化するためのこの特定の解決策は、非常に高速であり、プリチャージ期間中にフライコンデンサの低速プリチャージを提供し、突入電流からスイッチを保護し、変換器セルスイッチに安定した電圧を提供する。この解決策の詳細、ならびに代替のプリチャージおよび電荷平衡解決策は、本発明の譲受人に譲渡された、２０２０年７月２１日に発行された「Ｍｕｌｔｉ－Ｌｅｖｅｌ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｌｏｓｓｙ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ」という名称の米国特許第１０，７２０，８４３号に教示されており、その内容は参照により組み込まれる。
【0087】
マルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータ回路におけるコンデンサ電圧を平衡化するための別の解決策は、マルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータセルの順不同状態遷移が通常動作中に起こることが可能にされる無損失電圧平衡化解決策を提供することである。順不同状態遷移の正味の効果は、特定のフライコンデンサの両端の電圧を増加または減少させ、したがって、ＤＣ－ＤＣコンバータの主スイッチに対する電圧オーバーストレスを防止することである。いくつかの実施形態では、遷移状態のトグルを低減または回避するために状態遷移の全体的なシーケンスに制限が課され、それによって、１つのコンデンサが別のコンデンサを電圧平衡させる前に電圧平衡されることを可能にするのではなく、各コンデンサが必要に応じてその電圧をステアリングさせる機会を可能にする。この解決策の詳細は、代替の電荷平衡解決策と同様に、本発明の譲受人に譲渡された、２０２０年９月８日に発行された「Ｍｕｌｔｉ－Ｌｅｖｅｌ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｌｏｓｓｌｅｓｓ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ」という名称の米国特許第１０，７７０，９７４号に教示されており、その内容は参照により組み込まれる。
【0088】
いくつかの実施形態の追加の考慮事項は、電圧レベル間の境界ゾーンにおいて電圧を生成することができるようなマルチレベル変換器セルの動作を可能にすることである。「境界ゾーン」は、従来のマルチレベルＤＣ－ＤＣコンバータ回路の達成不可能な出力電圧を表す。境界ゾーン内で出力電圧を生成するために、いくつかの実施形態は、境界ゾーン遷移パターンで変換器セルスイッチの状態を設定することによって、隣接する（またはさらには近くの）ゾーンの間で本質的に交互になる（トグルする）。例えば、３レベルＤＣ－ＤＣコンバータ回路は、選択された時間の間ゾーン１で動作し、選択された時間の間隣接するゾーン２で動作し得る。したがって、ゾーン１および２は、単一の「スーパーゾーン」として扱われる。より一般的には、場合によっては、非隣接ゾーンを使用して、または２つを上回るゾーン（隣接および／または非隣接）を使用して、スーパーゾーンを作成することが有用であり得る。この解決策の詳細は、本発明の譲受人に譲渡された、２０２０年７月２１日に発行された「Ｍｕｌｔｉ－Ｌｅｖｅｌ ＤＣ－ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ」という名称の米国特許第１０，７２０，８４２号に教示されており、その内容は参照により組み込まれる。
【0089】
いくつかの実施形態のさらに別の考慮事項は、電力変換器内の主電力スイッチおよび他の構成要素を、ストレス条件から、特にそのようなスイッチ（特にＦＥＴスイッチ）の降伏電圧を超える電圧から保護することである。マルチレベル電力変換器を保護するための１つの手段は、少なくとも１つの高電圧ＦＥＴスイッチを使用し、一方、他の主電力スイッチのすべてまたはほとんどが低電圧ＦＥＴスイッチであることを可能にする。
【0090】
電力変換器、特にマルチレベル電力変換器では、電力スイッチは、ＦＥＴ、特にＭＯＳＦＥＴで実装され得る。各パワーＦＥＴに対して、ドライバ回路が一般に必要とされる。さらに、いくつかのパワーＦＥＴに対して、レベルシフタは、アナログまたはデジタルコントローラからの接地基準の低電圧論理オン／オフ信号を、同じ電圧スイングを有するが、パワーＦＥＴのゲートを充電または放電し、それによってパワーＦＥＴの導通または遮断状態を制御するために信号が駆動しているパワーＦＥＴのソース電圧を基準とする信号に変換することが必要とされ得る。また、用途によっては、レベルシフタとドライバ回路の機能を１つの回路に組み込んでもよい。
【0091】
明らかなように、本開示に記載されたマルチレベル電力変換器の実施形態は、このセクションに記載された追加の制御および演算回路および方法のうちの１つまたは複数の教示と相乗的に組み合わせることができる。
【0092】
マルチレベル電力変換器の一般的な利益および利点
【0093】
本発明の実施形態は、回路および回路モジュールまたはブロックを組み込むことの電力密度および／または電力効率を改善する。当業者が理解すべきであるように、システムアーキテクチャは、より低い電力および／またはより長いバッテリ寿命を含む重要な方法で、本発明の実施形態を利用して有利に影響を受ける。したがって、本発明は、大規模なシステム設計およびアプリケーションに含めることによって創造的に可能になるシステムレベルの実施形態を具体的に包含する。
【0094】
より具体的には、マルチレベル電力変換器は、以下を含む多数の利益および利点を提供または可能にする。
【0095】
－入力および／または出力電圧が広いダイナミックレンジを有することができる応用（例えば、変化するバッテリ入力電圧レベル、変化する出力電圧）への適合性。
【0096】
－携帯型電気エネルギー源（電池、発電機、または液体もしくは気体燃料を使用する燃料電池、太陽電池など）で動作する装置の実行時間の効率改善。
【0097】
－効率の改善、ここで効率は、特に他の構成要素（例えば、ディスプレイ、近くのＩＣ）を過度の熱から保護するために、熱管理にとって重要である。
【0098】
－電力変換器の電力効率、電力密度、およびフォームファクタの設計最適化を可能にすること－例えば、より小さいサイズのマルチレベル電力変換器は、電力変換器を負荷に近接して配置することを可能にし、したがって、効率を増加させ、および／または材料の全体的な表を低下させることができる。
【0099】
－より小型の低電圧トランジスタの性能を利用する能力。
【0100】
－電源が幅広く変わることができる応用への適応性、例えば、バッテリ、他の電力変換器、液体または気体燃料を使用する発電機または燃料電池、太陽電池、ライン電圧（ＡＣ）およびＤＣ電圧源（例えば、ＵＳＢ、ＵＳＢ－Ｃ、パワーオーバーイーサネット（登録商標）、等）。
【0101】
－一般的なＩＣ（マイクロプロセッサおよびメモリＩＣを含む）、電気モータおよびアクチュエータ、トランスデューサ、センサ、およびディスプレイ（例えば、すべてのタイプのＬＣＤおよびＬＥＤ）などの、負荷が広く変化し得る用途への適合性。
【0102】
－多くのＩＣ技術（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、およびバルクシリコン）およびパッケージング技術（例えば、フリップチップ、ボールグリッドアレイ、ウェハレベルスケールチップパッケージ、ワイドファンアウトパッケージング、および埋め込みパッケージング）で実装される能力。
【0103】
マルチレベル電力変換器の利点および利益は、幅広い用途での使用を可能にする。例えば、マルチレベル電力変換器の用途は、ポータブルおよびモバイルコンピューティングおよび／または通信製品およびコンポーネント（例えば、ノートブックコンピュータ、ウルトラブックコンピュータ、タブレットデバイス、および携帯電話）、ディスプレイ（例えば、ＬＣＤ、ＬＥＤ）、無線ベースのデバイスおよびシステム（例えば、セルラシステム、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）、Ｚ－Ｗａｖｅ、およびＧＰＳベースのデバイス）、有線ネットワークデバイスおよびシステム、データセンタ（例えば、バッテリバックアップシステムおよび／または処理システムおよび／または電子／光ネットワーキングシステムのための電力変換用）、モノのインターネット（ＩＯＴ）デバイス（例えば、スマートスイッチおよびライト、安全センサ、およびセキュリティカメラ）、家庭用電化製品および電子機器（例えば、セットトップボックス、バッテリ動作真空掃除機、洗濯機、乾燥機、および冷蔵庫などの内蔵無線送受信機を有する電化製品）、ＡＣ／ＤＣ電力変換器、すべてのタイプの電気自動車（例えば、ドライブトレイン、制御システム、および／またはインフォテインメントシステム用）、ならびにポータブル発電源を利用し、および／または電力変換を必要とする他のデバイスおよびシステムを含む。
【0104】
無線システムの使用は、様々なタイプの直交周波数分割多重（「ＯＦＤＭ」）、直交振幅変調（「ＱＡＭ」）、符号分割多元接続（「ＣＤＭＡ」）、時分割多元接続（「ＴＤＭＡ」）、広帯域符号分割多元接続（「Ｗ－ＣＤＭＡ」）、グローバル移動体通信システム（「ＧＳＭ」）、ロングタームエボリューション（「ＬＴＥ」）、５Ｇ、およびＷｉＦｉ（例えば、８０２．１１ａ、ｂ、ｇ、ａｃ、ａｘ）、ならびに他の無線通信規格およびプロトコルを含む、様々な技術およびプロトコルを使用するワイヤレスＲＦシステム（基地局、中継局、およびハンドヘルドトランシーバを含む）を含む。
【0105】
製造技術およびオプション
【0106】
本発明の実施形態は、スイッチドコンデンサネットワークの文脈で説明されたが、本発明は、チャージポンプおよびインダクタベースのレギュレータにも適用可能である。
【0107】
図５および図６の上部ＦＥＴ保護スイッチおよび下部ＦＥＴ保護スイッチは、「混合および整合」され得ることに留意されたい。したがって、例えば、図５の下部ＦＥＴ保護スイッチ５０４と図６の上部ＦＥＴ保護スイッチ６０２との組み合わせを使用して、電力変換器内の電力スイッチＳｗＸを保護することができる。同様に、図５の上部ＦＥＴ保護スイッチ５０２と図６の下部ＦＥＴ保護スイッチ６０４との組み合わせを使用して、電力変換器内の電力スイッチＳｗＸを保護することができる。
【0108】
また、いくつかの用途では、上部スイッチが完全にオンになることを、そうすることが安全になるまで防止する起動アルゴリズムが使用される場合、下部保護スイッチは、高電圧スイッチである必要はないことに留意されたい。例えば、上部ＦＥＴ保護スイッチをオンにすることが安全になるまでフライコンデンサを充電する充電回路が含まれてもよい。
【0109】
４レベルマルチレベルコンバータ回路が上述の例に示されているが、本発明は、図３、図４、図５、および図６の回路と同様の積層スイッチおよび並列フライコンデンサ構造を有する任意のレベルのマルチレベルコンバータ回路（たとえば、３レベル、５レベルなど）とともに使用されてもよく、ある時点ではすべて高電圧（たとえば、ＶＩＮ）を参照し、別の時点では低電圧（たとえば、回路接地などの基準電圧）を参照する積層スイッチを使用する電力変換器とともに使用するように適合されてもよい。
【0110】
マルチレベル電力変換器の様々な実施形態では、特定のタイプのコンデンサを、特にフライコンデンサに使用することが有益であり得る。例えば、そのようなコンデンサが、低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）、低いＤＣバイアス劣化、高い静電容量、および小さい体積を有することは、一般に有用である。低ＥＳＲは、電圧レベルの数を増加させるために追加のスイッチおよびフライコンデンサを組み込むマルチレベル電力変換器にとって特に重要である。特定のコンデンサの選択は、電力レベル、効率、サイズなどの仕様を考慮した後に行われるべきであり、セラミック（多層セラミックコンデンサを含む）、電解コンデンサ、フィルムコンデンサ（電力フィルムコンデンサを含む）、およびＩＣベースのコンデンサを含む、様々なタイプのコンデンサ技術が使用され得る。コンデンサ誘電体は、特定の用途の必要に応じて変化してもよく、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、または酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３などの常誘電体である誘電体を含んでもよい。加えて、マルチレベル電力変換器設計は、回路サイズを低減し、および／または回路性能を向上させるために、設計されたコンデンサとともに、またはその代わりに、（たとえば、電力ＦＥＴに固有の）固有寄生コンデンサンスを有益に利用し得る。マルチレベル電力変換器のためのコンデンサの選択は、コンデンサ構成要素の変動、ＤＣバイアスによる低減された有効静電容量、およびセラミックコンデンサ温度係数（最小および最大温度動作限界、ならびに温度による静電容量変動）等の要因も考慮に入れ得る。
【0111】
同様に、マルチレベル電力変換器の様々な実施形態では、特定のタイプのインダクタを使用することが有益であり得る。例えば、インダクタが低いＤＣ等価抵抗、高いインダクタンス、および小さい体積を有することは、一般に有用である。
【0112】
マルチレベル電力変換器の起動および動作を制御するために使用されるコントローラは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、レジスタ転送レベル（ＲＴＬ）回路、および／または組合せ論理として実装され得る。
【0113】
上述の実施形態は、２つ以下の高電圧ＦＥＴを必要とするが、代替の実施形態では、低電圧ＦＥＴとして上述した電力スイッチＳｗＸのうちの１つまたは複数は、代わりに、特定の用途で必要とされ得るように、高電圧ＦＥＴとして実装されてもよい。
【0114】
本開示で使用される「ＭＯＳＦＥＴ」という用語は、その電圧がトランジスタの導電性を決定する絶縁ゲートを有する任意の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含み、金属もしくは金属様の絶縁体、および／または半導体構造を有する絶縁ゲートを包含する。「金属」または「金属様」という用語は、少なくとも１つの導電性材料（アルミニウム、銅、または他の金属、または高濃度にドープされたポリシリコン、グラフェン、または他の導電体など）を含み、「絶縁体」は、少なくとも１つの絶縁材料（酸化ケイ素または他の誘電体材料など）を含み、「半導体」は、少なくとも１つの半導体材料を含む。
【0115】
本開示で使用されるように、用語「無線周波数」（ＲＦ）は、約３ ｋＨｚ～約３００ ＧＨｚの範囲内の振動の速度を指す。この用語は、無線通信システムで使用される周波数も含む。ＲＦ周波数は、電磁波の周波数、または回路内の交流電圧もしくは電流の周波数であってもよい。
【0116】
本開示で参照される図に関して、様々な要素の寸法は、一定の縮尺ではなく、いくつかの寸法は、明確にするために、または強調するために、垂直方向および／または水平方向に大きく誇張されている。配向および方向（例えば、「上部」、「底部」、「上方」、「下方」、「横方向」、「垂直」、「水平」など）への言及は、例示的な図面に対してであり、必ずしも絶対的な配向または方向ではない。
【0117】
本発明の様々な実施形態は、多種多様な仕様を満たすように実施することができる。特に断らない限り、適切な構成要素の値の選択は、設計上の選択の問題である。本発明の様々な実施形態は、任意の適切な集積回路（ＩＣ）技術（ＭＯＳＦＥＴ構造を含むが、これに限定されない）、またはハイブリッドもしくはディスクリート回路形式で実装されてもよい。集積回路の実施形態は、標準的なバルクシリコン、高抵抗バルクＣＭＯＳ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、およびシリコンオンサファイア（ＳＯＳ）を含むがこれらに限定されない任意の適切な基板およびプロセスを使用して製造され得る。特に断らない限り、本発明の実施形態は、バイポーラ、ＢｉＣＭＯＳ、ＬＤＭＯＳ、ＢＣＤ、ＧａＡｓ ＨＢＴ、ＧａＮ ＨＥＭＴ、ＧａＡｓ pＨＥＭＴ、およびＭＥＳＦＥＴ技術などの他のトランジスタ技術で実施することができる。モノリシックＩＣの実装は、寄生容量および寄生インダクタンスが一般に慎重な設計によって低く保たれ得る（または、最小限、すべてのユニットにわたって均一に保たれ、それらが補償されることを可能にする）ので、特に有用である。
【0118】
特定の仕様および／または実装技術（例えば、ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ、またはＣＭＯＳ、および増強モードまたは空乏モードトランジスタデバイス）に応じて、電圧レベルが調整されてもよく、および／または電圧および／または論理信号極性が反転されてもよい。構成要素の電圧、電流、および電力処理能力は、例えば、デバイスサイズを調整すること、より高い電圧に耐えるように構成要素（特にＦＥＴ）を直列に「積み重ねる」こと、および／またはより大きい電流を処理するために複数の構成要素を並列に使用することによって、必要に応じて適合され得る。開示された回路の機能を著しく変更することなく、開示された回路の能力を向上させるために、および／または追加の機能を提供するために、追加の回路構成要素が追加され得る。
【0119】
本発明による回路およびデバイスは、単独で、または他の構成要素、回路、およびデバイスと組み合わせて使用されてもよい。本発明の実施形態は、集積回路（ＩＣ）として製造されてもよく、これは、取り扱い、製造の容易さ、及び／又は性能の改善のために、ＩＣパッケージ及び／又はモジュールに入れられてもよい。特に、本発明のＩＣの実施形態は、１つ以上のそのようなＩＣが他の回路ブロック（例えば、フィルタ、増幅器、受動素子、および場合によっては追加のＩＣ）と組み合わされて１つのパッケージにされるモジュールにおいてしばしば使用される。ＩＣ及び／又はモジュールは、その後、典型的には、しばしばプリント回路基板上で他のコンポーネントと組み合わされて、携帯電話、ラップトップコンピュータ、又は電子タブレットなどの最終製品の一部を形成するか、又は車両、試験機器、医療機器などの多種多様な製品で使用され得るより高レベルのモジュールを形成する。モジュールおよびアセンブリの様々な構成を通じて、そのようなＩＣは、典型的には、通信モード、しばしば無線通信を可能にする。
【0120】
結論
【0121】
本発明の多数の実施形態を説明してきた。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができることを理解されたい。例えば、上述のステップのいくつかは、順序に依存しないことがあり、したがって、説明された順序とは異なる順序で実行され得る。さらに、上述のステップのいくつかは任意選択であってもよい。上記で識別された方法に関して説明された様々な活動は、反復的、直列、および／または並列の方式で実行され得る。
【0122】
上記の説明は、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を例示することを意図しており、限定することを意図していないこと、および他の実施形態が特許請求の範囲内にあることを理解されたい。特に、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲に記載されたプロセス、機械、製造、または組成物のうちの１つまたは複数の任意のおよびすべての実現可能な組合せを含む。（請求項の要素の括弧内のラベルは、そのような要素を参照することを容易にするためのものであり、それ自体は、要素の特定の必要な順序付けまたは列挙を示すものではなく、さらに、そのようなラベルは、矛盾するラベル付けシーケンスを開始すると見なされることなく、追加の要素への参照として従属請求項において再使用され得ることに留意されたい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【国際調査報告】