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(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】2024-11-28
(54)【発明の名称】適応型能動力率改善のためのシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20241121BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024532413
(86)(22)【出願日】2021-12-16
(85)【翻訳文提出日】2024-06-28
(86)【国際出願番号】 US2021063731
(87)【国際公開番号】W WO2023113796
(87)【国際公開日】2023-06-22
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516298445
【氏名又は名称】サフラン パッセンジャー イノベーションズ， エルエルシー
【住所又は居所原語表記】３１５１ Ｅａｓｔ Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｈｉｇｈｗａｙ，Ｂｒｅａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９２８２１，Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】ミクラック，スティーブン
(72)【発明者】
【氏名】バード，ランドール
(72)【発明者】
【氏名】コトラー，オースティン
(72)【発明者】
【氏名】ランガー，ロバート
【テーマコード（参考）】
5H730
【Ｆターム（参考）】
5H730AA18
5H730AS04
5H730AS05
5H730BB13
5H730BB14
5H730CC01
5H730EE57
5H730FD41
(57)【要約】
ラインの電流または周波数を感知し、測定された電流または周波数に基づいて回路のキャパシタンスを変化させるように１つ以上のスイッチを制御する回路を利用する、適応型力率改善のためのシステムおよび方法について説明する。２つ以上のブランチを使用して、測定された電流または周波数の変化に応答して、回路のキャパシタンスを経時的に変化させることができる。そのようなシステムおよび方法を使用することによって、より高いライン周波数およびより軽い負荷に対しても高い力率を維持することができる。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流（ＡＣ）給電回路のための適応型力率改善システムであって、前記回路に電気的に結合され、前記回路の電流を測定し、センサ出力を生成するように構成されたセンサと、
第１のコンデンサに直列に接続された第１のスイッチを備える第１のブランチと、
第２のコンデンサに直列に接続された第２を備える第２のブランチと
を含むブランチのセットを含む能動力率改善（ＡＰＦＣ）ユニットと、
前記センサ出力を受信し、前記第１のスイッチが、（ｉ）前記回路の前記電流が第１のしきい値よりも大きい場合に閉じ、（ｉｉ）前記回路の前記電流が前記第１のしきい値以下である場合に開くように構成されたコントローラと
を含む適応型力率改善システム。
【請求項2】
前記ブランチのセットが、ブリッジ整流器の出力と前記回路のインダクタとの間の一端で前記回路に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記コントローラは、前記第２のスイッチが、（ｉ）前記回路の前記電流が第２のしきい値よりも大きい場合に閉じ、（ｉｉ）前記回路の前記電流が前記第２のしきい値以下である場合に開くようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記第１のしきい値が前記第２のしきい値よりも小さい、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記コントローラがさらに、前記回路の前記電流の関数として前記第１および第２のスイッチの各々を開閉し、それによって前記回路の総キャパシタンスを変化させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記ＡＰＦＣユニットが前記コントローラを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記コントローラが、前記センサ出力を受信し、前記第１のスイッチを開閉させる比較回路を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
前記第１のコンデンサが第１のキャパシタンスを有し、前記第２のコンデンサが前記第１のキャパシタンスよりも大きい第２のキャパシタンスを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
前記第１のコンデンサが、前記第２のコンデンサと等しいキャパシタンスを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項10】
前記第１のコンデンサが第１のキャパシタンスを有し、前記第２のコンデンサが前記第１のキャパシタンスよりも小さい第２のキャパシタンスを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記第１のコンデンサが可変キャパシタンスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
前記第１および第２のブランチの間に配置され、前記第１および第２のブランチと電気的に結合された第３のスイッチをさらに備え、前記コントローラは、前記センサ出力を受信し、前記第３のスイッチが、（ｉ）前記回路の前記電流が第３のしきい値よりも大きい場合に閉じ、（ｉｉ）前記回路の前記電流が前記第３のしきい値以下である場合に開くようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項13】
前記回路の力率が０．９５以上のリーディングに維持される、請求項１に記載のシステム。
【請求項14】
前記回路のライン周波数が３５０Ｈｚ～８００Ｈｚである、請求項１に記載のシステム。
【請求項15】
前記ブランチのセットが、第３のコンデンサと直列に接続された第３のスイッチを備える第３のブランチを備え、前記コントローラが、前記回路の前記電流に応じて、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、および前記第３のスイッチの各々を開閉し、それによって前記回路の総キャパシタンスを変化させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項16】
交流（ＡＣ）給電回路の力率を補正するための方法であって、ブリッジ整流器の出力とインダクタとの間に能動力率改善（ＡＰＦＣ）ユニットを接続することと、
前記回路の電流を測定することと、
前記測定された電流を１つ以上の基準値と比較することと、
前記測定された電流が前記１つ以上の基準値のうちの第１の基準値よりも大きい場合、前記ＡＰＦＣデバイスの第１のスイッチを閉じることであって、前記第１のスイッチが、第１のコンデンサと電気的に直列に結合されている、第１のスイッチを閉じることと、
前記測定された電流が前記１つ以上の基準値のうちの第２の基準値よりも大きい場合、前記ＡＰＦＣデバイスの第２のスイッチを閉じることであって、前記第２の基準値が前記第１の基準値よりも大きく、前記第２のスイッチが第２のコンデンサと電気的に直列に結合されている、第２のスイッチを閉じることと
を含む方法。
【請求項17】
センサが前記回路の前記電流を測定し、前記センサからのフィードバック信号が前記第１および第２のスイッチを制御するために使用される、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記測定された電流が前記１つ以上の基準値のうちの第３の基準値よりも大きい場合、前記ＡＰＦＣデバイスの第３のスイッチを閉じることであって、前記第３の基準値が前記第２の基準値よりも大きい、第３のスイッチを閉じることをさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
前記第３のスイッチが、第３のコンデンサと電気的に直列に結合されている、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記第３のスイッチが、前記第１および第２のコンデンサと電気的に直列に結合されている、請求項１８に記載の方法。
【請求項21】
前記測定された電流が前記第２の基準値以下である場合、前記ＡＰＦＣデバイスの前記第２のスイッチを開くことと、前記測定された電流が前記第１の基準値以下である場合、前記ＡＰＦＣデバイスの前記第１のスイッチを開くことと
をさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項22】
前記ＡＰＦＣユニットが、前記電流を測定し、前記測定された電流を前記１つ以上の基準値と比較し、前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチを閉じるように構成されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項23】
前記第１のコンデンサが第１のキャパシタンスを有し、前記第２のコンデンサが前記第１のキャパシタンスよりも大きい第２のキャパシタンスを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項24】
前記第１のコンデンサが、前記第２のコンデンサと等しいキャパシタンスを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項25】
前記第１のコンデンサが第１のキャパシタンスを有し、前記第２のコンデンサが前記第１のキャパシタンスよりも小さい第２のキャパシタンスを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項26】
前記第１のコンデンサが可変キャパシタンスを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項27】
前記回路の力率が０．９５以上のリーディングに維持される、請求項１６に記載の方法。
【請求項28】
前記回路のライン周波数が３５０Ｈｚ～８００Ｈｚである、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の分野は、力率改善である。
【背景技術】
【0002】
以下の説明は、本発明を理解するのに有用であり得る情報を含む。本明細書で提供される情報のいずれも、従来技術であるか、または現在特許請求されている発明に関連すること、または具体的にもしくは暗黙的に参照される任意の出版物が従来技術であることを認めるものではない。
【0003】
力率は、回路によって吸収される、ワットで表される真の電力の、回路が要求するボルトアンペアで測定される皮相電力に対する比率を表すために使用される無次元数である。力率低下の駆動要素は、回路内の反応性要素である。例えば、純粋な抵抗回路は、１の理想力率を有する。回路が次第に誘導的になると、力率はゼロに近づき、電流波形が電圧波形に遅れるので「遅れる」と見なされる。高容量負荷は、逆の効果をもたらし、また、力率をゼロに近づけるように駆動し、「先行する」と見なされる。力率が１（すなわち、１（ｕｎｉｔｙ））に近づくほど、電力システムにかかるストレスは小さくなる。
【0004】
電気システムに追加されるデバイスがますます増えるにつれて、より多くのエネルギーが使用され、より高い力率（例えば、１に近い）が必要になる。これは、特に、ソーラーパネルまたは１つ以上の発電機によって給電される家庭などのマイクロ電力システム、ならびに航空機、ボート、または電力供給システムにおける総負荷の大部分が、例えば、小型乗客デバイス充電器、または個々の電力要件がより小さい（例えば、７５Ｗ未満）デバイスであり得る他の車両に当てはまる。この理由は、高電力デバイスに対して高い力率を維持することに焦点が当てられているからである。低電力デバイスは、以前は考慮することが必ずしも重要ではなかったが、電力供給システムにおいて低電力デバイスの個体数が増加するにつれて、低電力デバイスは、総体的に、生成される電力全体のより大きい割合を消費するようになった。したがって、軽負荷力率に焦点を当てることがますます重要になっている。
【0005】
力率を改善するためにリアクタンスを操作することは、かなり前から行われている。例えば、米国特許第４６７２２９８号は、力率を改善し、それによって電力システムへのストレスを制限するために、負荷に基づいてインダクタンスおよびキャパシタンスを調整することを記載している。これは、受動力率改善（ＰＰＦＣ）として知られている。このような方法を使用して、０．７の力率を大型電力システムで達成することができた。
【0006】
また、能動力率改善（ＡＰＦＣ）を利用して回路の力率を増加させることも知られている。例えば、米国特許第４０７４３４４号を参照されたい。ＡＰＦＣは、交流（ＡＣ）ライン上で直接インダクタおよびコンデンサを用いて力率を調整する代わりに、スイッチモード電源を使用して整流されたＡＣ電力を取得し、入力電流波形を成形するインダクタを介して電流フローを変調する。この技法は継続的に改良されており、適切に負荷をかけると、しばしば０．９～０．９９の範囲の力率を達成する。
【0007】
民間旅客機では、何百もの乗客用デバイス充電器および他の電源が客室全体に分散されている可能性がある。これに加えて、航空機は、典型的には、約３５０Ｈｚ～８００Ｈｚのより高いライン周波数で動作し、力率はさらに低下する。数学的には、この低下は、ＡＣシステムにおいて電圧または電流を取得するために、リアクタンスに周波数が乗算されるためである。多くのより小さい負荷からなる総電力需要では、ＡＣ電力システムは、望ましい力率を達成できない可能性がある。最近の規制は、時には非常に広い範囲の負荷にわたって０．９８以上のリーディングになる傾向がある。したがって、このような状況では、個々の負荷の多くが非常に低いワット数を要求していても、各負荷において高い力率を達成することが望ましい。
【0008】
ＡＰＦＣでは、バイパスコンデンサは、通常、設計の一部であり、伝導放出を制限する。しかしながら、バイパスコンデンサは、完全に負荷がかかった電源を扱うのに十分な大きさでなければならない。残念ながら、負荷が最大から減少すると、このキャパシタンスの全体のリアクタンスに対する影響が増加し、力率が低下する。
【0009】
米国特許第８８７２４８４号および米国特許公開第２０１５０３６４９８８号は、キャパシタンスを補償するために制御ループを操作することによってこの問題に対する解決策を論じている。このような解決策は、デジタルソリューションの一部または集積回路の一部である場合、実現可能であり得るが、そうでない場合、一般に、制御ループの変更を必要とし、システムにコストおよび複雑さを加える可能性があるので、非実用的であり得る。
【0010】
したがって、軽負荷から重負荷までのＡＣ電力システムにおいてほぼ１の力率改善を達成するシステムが依然として必要である。このようなシステムは、制御ループにアクセスする必要がないので、低コスト、低複雑性、および高信頼性部品の使用を可能にする。
【0011】
本明細書で特定されるすべての出版物は、個々の刊行物または特許出願が、参照により組み込まれるように具体的かつ個別に示されている場合と同じ程度まで、参照により組み込まれる。組み込まれた参考文献における用語の定義または使用が、本明細書に提供されるその用語の定義と矛盾するかまたは反する場合、本明細書に提供されるその用語の定義が適用され、参考文献におけるその用語の定義は適用されない。
【発明の概要】
【0012】
本発明の主題は、交流（ＡＣ）給電回路、特に、電力ライン周波数が３５０Ｈｚ～８００Ｈｚである回路のための適応型能動力率改善のための装置、システム、および方法を提供する。本主題は、ＡＰＦＣ概念を発展させ、負荷がより小さく、周波数がより高く、または入力フィルタキャパシタンスのために力率がますます先行している状況に対して最適化することができるので、適応的である。
【0013】
好ましいシステムおよび方法は、所定のステップまたはしきい値に基づいてキャパシタンスを変化させることによって、回路の力率を変更する。したがって、ＰＰＦＣおよび他の従来技術のシステムにおけるようなリアクタンスを補償するのではなく、本発明の主題は、回路内に存在する入力キャパシタンスの量を変化させることによって、力率に対する電磁干渉（ＥＭＩ）ノイズをトレードする。これは、典型的に使用されるフィルタコンデンサは負荷に比例して大きい必要があるだけであり、ＥＭＩは入力電流に比例して生成されるので、必要なフィルタリングキャパシタンスがより少なくて済むので、効果的である。
【0014】
本発明の主題は、有利には、軽負荷または高ライン周波数で所望の力率を達成するために、電源の制御ループの修正を必要としない。加えて、ヘッドフォンからスマートフォン、ラップトップまであらゆるものに給電するために使用することができる複数のＵＳＢベースの充電器など、負荷の範囲が広大である状況では、電力出力のダイナミックレンジは、そうでなければ厳格な力率要件を満たす際に課題を提示する。しかしながら、本発明の主題は、この課題に対処し、力率要件を満たすために、回路のキャパシタンスを適応させることができる。
【0015】
そのようなシステムは、負荷がより小さいか、またはライン周波数がより高い航空機もしくは他の車両での使用に有益であり得るが、例えば、太陽光発電または発電機電力が使用されるような他の環境での使用も企図される。
【0016】
本発明の主題は、制御ループへのアクセスを必要としないので、本発明の主題は、そうでなければ軽負荷または高ライン周波数に対する高力率のために設計されていない可能性のあるＣＯＴＳ ＰＦＣコントローラの使用を可能にすることができることが企図される。
【0017】
本発明の主題の様々な目的、特徴、態様、および利点は、同様の数字が同様の構成要素を表す添付の図面とともに、好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】ブーストコンバータ回路を利用する能動力率改善のための従来技術のシステムの図である。
【図2】適応型力率改善システムの一実施形態の図である。
【図3】適応型力率改善システムの別の実施形態の図である。
【図4】回路のキャパシタンスを変化させるための方法のフローチャートである。
【図5】適応型力率改善ユニットの別の実施形態の図である。
【図6】適応型力率改善ユニットの別の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
サーバ、サービス、コントローラ、インターフェース、ポータル、プラットフォーム、またはコンピューティングデバイスから形成される他のシステムに関して言及がなされる場合、そのような用語の使用は、コンピュータ可読の有形の非一時的媒体上に記憶されたソフトウェア命令を実行するように構成された少なくとも１つのプロセッサを有する１つ以上のコンピューティングデバイスを表すと見なされることを理解されたい。例えば、サーバは、説明された役割、責任、または機能を果たすように、ウェブサーバ、データベースサーバ、または他のタイプのコンピュータサーバとして動作する１つ以上のコンピュータを含むことができる。
【0020】
以下の議論は、本発明の主題の多くの例示的な実施形態を提供する。各実施形態は、本発明の要素の単一の組合せを表すが、本発明の主題は、開示された要素のすべての可能な組合せを含むと見なされる。したがって、一実施形態が要素Ａ、Ｂ、およびＣを含み、第２の実施形態が要素ＢおよびＤを含む場合、本発明の主題は、明示的に開示されていなくても、Ａ、Ｂ、Ｃ、またはＤの他の残りの組合せも含むと見なされる。
【0021】
図１は、ブーストコンバータ回路を利用する能動力率改善のための従来技術のシステム１００を示す。ＡＣライン入力は、ブリッジ整流器に供給され、ＡＣ入力を直流（ＤＣ）出力に変換する。
【0022】
ブーストコンバータ回路は、ＳＷＢｏｏｓｔが閉じられたときのオン状態と、ＳＷＢｏｏｓｔが開かれたときのオフ状態とを含む。オン状態では、インダクタＬＰＦＣに電流が流れ、インダクタＬＰＦＣは、磁場を生成することによって一部のエネルギーを蓄積する。オフ状態にあるとき、インピーダンスが増加し、それによって電流が減少する。これにより、負荷に向かう電流を維持するために、オン状態で生成される磁場のエネルギーも減少する。
【0023】
典型的には、スイッチＳＷＢｏｏｓｔは、能動ＰＦＣ制御１０６を使用して迅速に循環され、ＡＣライン周波数よりも何倍も速い周波数で動作し、結果として、ＡＣ電圧波形のように成形された電流がＬＰＦＣに入る。インダクタＬＰＦＣに蓄積された電流は、ダイオードＤＢｏｏｓｔを介して流れ、負荷で使用するために電圧をコンデンサＣＢｕｌｋ上に生成する。コンデンサＣＥＭＩは、スイッチＳＷＢｏｏｓｔのスイッチングノイズをフィルタリングすることができ、通常の状態では、回路１００にわずかなリアクタンスを与える。しかしながら、軽負荷で、高ライン周波数の状態では、このフィルタリングコンデンサＣＥＭＩは力率を先行させる。
【0024】
図２は、適応型力率改善（ＡＰＦＣ）ユニット２０２を有するＡＣ回路２００の一実施形態を示す。ＡＣ回路２００は、例えば、３５０Ｈｚ～８００Ｈｚのライン周波数を有し得る。ＡＰＦＣユニット２０２は、システム１００のフィルタリングコンデンサＣＥＭＩを、１つ以上、好ましくは２つ以上のスイッチドコンデンサＣ１、Ｃ２…Ｃｎに置き換える。好ましくは、スイッチドコンデンサＣ１、Ｃ２…Ｃｎの各々は、回路２００の別個のブランチ上に配置され、各ブランチは、コンデンサのうちの１つと直列に接続されたスイッチを備える。
【0025】
例えば、ＡＰＦＣユニット２０２は、第１のコンデンサＣ１と直列に接続された第１のスイッチＳＷ１を含む第１のブランチを備えてもよい。ＡＰＦＣユニット２０２は、第２のコンデンサＣ２と直列に接続された第２のスイッチＳＷ２を含む第２のブランチをさらに備えることができる。第１および第２のブランチに加えて、回路２００は、各々がコンデンサのうちの１つと直列に接続されたスイッチを含む追加のブランチを備え得ることが企図される。オプションの追加のブランチは、楕円によって示され、コンデンサＣｎと直列に接続されたスイッチＳＷｎを備える第ｎのブランチによって表される。
【0026】
いくつかの実施形態では、ブランチは、ブリッジ整流器の出力と回路２００のインダクタＬＰＦＣとの間の一端で回路２００に電気的に結合され得る。もちろん、ブリッジ整流器ではなく、構成要素がＡＣ電力線に結合されることを可能にする電源技術は、代替的に、降圧型ＡＰＦＣ、ブリッジレスＡＰＦＣ、および任意の他の商業的に適切な電力変換器を利用することができる。
【0027】
好ましくは、センサは、図３を参照して後述するように、回路２００の電流を測定するように構成される。以下でさらに説明されるような事前にプログラムされたロジックを使用して、コントローラ２０４は、センサからフィードバック信号（すなわち、出力）を受信し、スイッチＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷｎのうちの１つ以上を開閉させる。このようにして、回路２００の総キャパシタンスは、回路２００の測定された負荷の関数として、所定のステップまたはしきい値に基づいて増加または減少させることができ、それによって、回路２００の力率を変化させることができる。
【0028】
上述したことに加えて、ＡＰＦＣユニットの様々なスイッチドコンデンサは、回路の総キャパシタンスを調整するために、異なる組合せで開閉を切り替えてもよいことが企図される。
【0029】
図５に示される一例として、例えば、図２のＡＰＦＣユニット２０２は、３つのスイッチドＥＭＩコンデンサＣＥＭＩ１、ＣＥＭＩ２、ＣＥＭＩ３を備えることができる。図示のように、コンデンサＣＥＭＩ１、ＣＥＭＩ２、ＣＥＭＩ３の各々は、別個のブランチ上に配置されてもよい。第１のブランチは、第１のコンデンサＣＥＭＩ１に直列に接続された第１のスイッチＳＷ１を含むことができる。第２のブランチは、第２のコンデンサＣＥＭＩ２に直列に接続された第２のスイッチＳＷ２を含むことができる。第３のブランチは、第３のコンデンサＣＥＭＩ３に直列に接続された第３のスイッチＳＷ３を含むことができる。
【0030】
以下の表１に示されるように、スイッチドコンデンサのこれらの３つのブランチを利用することによって、並列キャパシタンスの８つの組合せを実現することができ、それによって、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が各々開いているベースラインキャパシタンスから７つの異なるステップが可能になる。以下の表では、開いているスイッチは「０」として示され、閉じているスイッチは「１」として示される。
【表1】
【0031】
図６に示される別の例として、例えば、図２のＡＰＦＣユニット２０２は、代わりに、第１のコンデンサＣＥＭＩ１と直列に接続された第１のスイッチＳＷ１を含む第１のブランチと、第２のコンデンサＣＥＭＩ２と直列に接続された第２のスイッチＳＷ２を含む第２のブランチとを備えることができる。２つの個々のブランチによって許容されるキャパシタンスの４つの組合せではなく、追加のスイッチＳＷ４を第１のブランチと第２のブランチとの間に配置して、組合せの総数を増加させることができる。
【0032】
追加のスイッチは、有利には、コンデンサＣＥＭＩ１、ＣＥＭＩ２の様々な直列および並列の組合せを利用することによって、以下の表２に示すような並列キャパシタンスの６つの組合せを提供することができる。以下の表では、開いているスイッチは「０」として示され、閉じているスイッチは「１」として示される。
【表2】
【0033】
もちろん、上記の異なる組合せを使用して、企図される負荷の回路の力率を変更するのに必要な所望の数の所定のステップまたはしきい値に到達することもできる。
【0034】
本明細書で説明する例示的なコントローラは、電流を監視し、所定の負荷ステップで適切なキャパシタンスを適用するようにスイッチを制御するための単純な比較回路を備えることができる。他の実施形態では、コントローラはまた、より複雑なロジックまたはソフトウェア処理が、キャパシタンスの切り替えに組み込まれるように、負荷および／または周波数を監視するためのアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）を備えることができる。
【0035】
いくつかの実施形態では、コントローラ２０４は、センサ出力を受信し、第１のスイッチＳＷ１が、（ｉ）回路２００の電流が第１のしきい値よりも大きい場合に閉じ、（ｉｉ）回路２００の電流が第１のしきい値以下である場合に開くように構成される。コントローラ２０４は、第２のスイッチＳＷ２が、（ｉ）回路２００の電流が第２のしきい値よりも大きい場合に閉じ、（ｉｉ）回路２００の電流が第２のしきい値以下である場合に開くようにさらに構成され、ここでは、第１のしきい値は第２のしきい値よりも小さい。
【0036】
他の実施形態では、コントローラ２０４は、回路２００の電流の関数として第１および第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２の各々を開閉し、それによって回路２００の総キャパシタンスを変化させるようにさらに構成されることが企図される。したがって、例えば、表１に示されるように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷｎのうちの１つ以上を開閉することによって、回路２００の総キャパシタンスは、ＡＰＦＣユニット２０２のスイッチおよびブランチの数に基づき得る順列の総数によって定義される、設定された数の値に調整することができる。もちろん、可変コンデンサが使用される場合、キャパシタンスの範囲はさらに増加し得る。
【0037】
そのような実施形態では、第１のコンデンサＣ１は、第２のコンデンサＣ２のキャパシタンスよりも小さいキャパシタンスを有し得る。もちろん、第１のコンデンサＣ１は、第２のコンデンサＣ２のキャパシタンスよりも大きいキャパシタンスを有し得ることも企図される。第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２のキャパシタンスが等しい場合であっても、図２に示されるシステムを使用して、回路２００の総キャパシタンスは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷｎのうちの１つ以上を開閉することによって、増加または減少させることができる。
【0038】
さらに他の実施形態では、コンデンサＣ１、Ｃ２…Ｃｎのうちの１つ以上は、機械的に可変のキャパシタンスまたは電子的に制御されるキャパシタンスを使用するなど、可変のキャパシタンスを備えることが企図される。
【0039】
いくつかの実施形態では、ＡＰＦＣユニット２０２は、コントローラ２０４を備えるが、コントローラ２０４は、ＡＰＦＣユニット２０２とは別個であり得ることが企図される。
【0040】
ＡＰＦＣユニット２０２を使用して、回路２００は、有利には、広範囲の負荷にわたって非常に高い力率（すなわち、０．９８以上のリーディング）を維持するために、回路２００の可変キャパシタンスを利用することができる。このようにして、従来技術の解決策で行われたように、インダクタンスに対するキャパシタンスのバランスを取るのではなく、ＡＰＦＣユニット２０２で回路２００のバイパスキャパシタンスを変更または調整して、力率に対して伝導放出および高調波ノイズを最適化する。
【0041】
【0042】
図３は、適応型力率改善（ＡＰＦＣ）ユニット３０２を有するＡＣ回路３００の別の実施形態を示す。上述のように、ＡＰＦＣユニット３０２は、システム１００のフィルタリングコンデンサＣＥＭＩを、１つ以上、好ましくは２つ以上のスイッチドコンデンサＣ１、Ｃ２…Ｃｎに置き換える。好ましくは、スイッチドコンデンサＣ１、Ｃ２…Ｃｎの各々は、回路３００の別個のブランチ上に配置され、各ブランチは、１つ以上のコンデンサと直列に接続されたスイッチを備える。
【0043】
例えば、ＡＰＦＣユニット３０２は、第１のコンデンサＣ１と直列に接続された第１のスイッチＳＷ１を含む第１のブランチを備えてもよい。ＡＰＦＣユニット３０２は、第２のコンデンサＣ２と直列に接続された第２のスイッチＳＷ２を含む第２のブランチをさらに備えることができる。第１および第２のブランチに加えて、回路３００は、各々がコンデンサのうちの１つと直列に接続されたスイッチを含む追加のブランチを備え得ることが企図される。オプションの追加のブランチは、楕円によって示され、コンデンサＣｎと直列に接続されたスイッチＳＷｎを備える第ｎのブランチによって表される。
【0044】
好ましくは、センサ３１０は、回路３００に電気的に結合され、回路３００の電流を測定し、センサ出力を生成するように構成される。以下でさらに説明されるような事前にプログラムされたロジックを使用して、コントローラ２０４は、センサ３１０からフィードバック信号（すなわち、出力）を受信し、スイッチＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷｎのうちの１つ以上を開閉させる。このようにして、回路３００の測定された負荷に基づいて、回路３００の総キャパシタンスを増加または減少させることができる。
【0045】
図３は、電流感知回路（センサ３１０）を使用することなどによって回路内の電流を監視することができる例示的な方法を示すが、電流センサの位置は、この実装形態のみに限定されず、回路の近似負荷を測定するために任意の数の他の方法によって測定することができる。例えば、電流は、代わりに、コンデンサのうちの１つ以上で、またはコンデンサの各々で、ブリッジ整流器への入力または出力などで測定されてもよい。加えて、または代替として、回路にどれだけのキャパシタンスを適用するかを決定するために、ライン周波数を測定／監視することができると企図される。
【0046】
好ましくは、コントローラ３０４は、センサ出力を受信し、第１のスイッチＳＷ１が、（ｉ）回路３００の電流が第１のしきい値よりも大きい場合に閉じ、（ｉｉ）回路３００の電流が第１のしきい値以下である場合に開くように構成される。コントローラ３０４は、第２のスイッチＳＷ２が、（ｉ）回路３００の電流が第２のしきい値よりも大きい場合に閉じ、（ｉｉ）回路３００の電流が第２のしきい値以下である場合に開くようにさらに構成され、ここでは、第１のしきい値は第２のしきい値よりも小さい。
【0047】
そのような実施形態では、第１のコンデンサＣ１は、第２のコンデンサＣ２のキャパシタンスよりも小さいキャパシタンスを有し得る。しかしながら、第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２のキャパシタンスが等しい場合であっても、図３に示されるシステムを使用して、回路３００の総キャパシタンスは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２…ＳＷｎのうちの１つ以上を開閉することによって、増加または減少させることができる。
【0048】
いくつかの実施形態では、ＡＰＦＣユニット３０２は、コントローラ３０４を備えるが、コントローラ３０４は、ＡＰＦＣユニット３０２とは別個であり得ることが企図される。
【0049】
ＡＰＦＣユニット３０２を使用して、回路３００は、有利には、広範囲の負荷にわたって非常に高い力率（すなわち、０．９８以上の先行）を維持するために、回路３００の可変キャパシタンスを利用することができる。このようにして、従来技術の解決策で行われたように、インダクタンスに対するキャパシタンスのバランスを取るのではなく、ＡＰＦＣユニット３０２で回路３００のバイパスキャパシタンスを変更または調整して、力率に対して伝導放出および高調波ノイズを最適化する。図３の残りの数字およびラベルに関しては、図１の同様の数字およびラベルを有する同様の構成要素について同じ考慮事項が適用される。
【0050】
図４は、回路のキャパシタンスを変化させるための段階的アプローチを示す。回路の電流（ｉ）を測定し、第１の基準値と比較することができる。測定された電流（ｉ）が第１の基準値よりも大きい場合、第１のスイッチが閉じられ、それによって、回路の総キャパシタンスを増加させることができる。次いで、測定された電流（ｉ）を第２の基準値と比較することができる。測定された電流（ｉ）が第２の基準値よりも大きい場合、第２のスイッチが閉じられ、回路の総キャパシタンスをさらに増加させることができる。次いで、測定された電流（ｉ）を第３の基準値と比較することができる。測定された電流（ｉ）が第３の基準値よりも大きい場合、第３のスイッチが閉じられ、回路の総キャパシタンスをより一層増加させることができる。測定された電流（ｉ）が次の基準値に等しくならないか、または比較のための他の値が存在しなくなるまで、などである。
【0051】
このアプローチは、必要ないときに逆にして、キャパシタンスを低下させることができる。例えば、測定された電流（ｉ）を、最後に閉じたスイッチと比較することができる。測定された電流（ｉ）がそのブランチの基準値以下である場合、そのスイッチが開かれ、それによって、回路の総キャパシタンスを低下させることができる。
【0052】
別の態様では、ＡＣ給電回路の力率を補正するための方法も企図される。そのような方法では、ブリッジ整流器の出力とインダクタとの間の回路に能動力率改善（ＡＰＦＣ）ユニットを接続することができる。回路の電流は、例えばセンサを使用して測定することができ、測定された電流値を、１つ以上の基準値と比較することができる。
【0053】
測定された電流が１つ以上の基準値のうちの第１の基準値よりも大きい場合、ＡＰＦＣデバイスの第１のスイッチを閉じることができる。好ましくは、第１のスイッチは、第１のスイッチを閉じると、回路の全体的なキャパシタンスが増加するように、第１のコンデンサと電気的に直列に結合される。
【0054】
測定された電流が１つ以上の基準値のうちの第２の基準値よりも大きい場合、ＡＰＦＣデバイスの第２のスイッチを閉じることができる。そのような実施形態では、第２の基準値が第１の基準値よりも大きいことが企図される。好ましくは、第２のスイッチは、第２のスイッチを閉じると、回路の全体的なキャパシタンスが増加するように、第２のコンデンサと電気的に直列に結合される。第１のコンデンサは第１のキャパシタンスを有し得、第２のコンデンサは第１のキャパシタンスよりも大きい第２のキャパシタンスを有する。
【0055】
同様に、該当する場合、測定された電流が１つ以上の基準値のうちの第３の基準値よりも大きい場合、ＡＰＦＣデバイスの第３のスイッチを閉じることができ、ここでは、第３の基準値は第２の基準値よりも大きい。好ましくは、第３のスイッチは、第３のスイッチを閉じると、回路の全体的なキャパシタンスが増加するように、第３のコンデンサと電気的に直列に結合される。
【0056】
このようにして、センサからの電流の測定値を使用して、センサからのフィードバック信号を使用して、第１および第２のスイッチを制御することができる。
【0057】
測定された電流が第２の基準値以下である場合、ＡＰＦＣデバイスの第２のスイッチを開くことができることがさらに企図される。同様に、測定された電流が第１の基準値以下である場合、ＡＰＦＣデバイスの第１のスイッチを開くことができる。
【0058】
本明細書に記載されるシステムおよび方法を使用することによって、例えば、回路の負荷および／または周波数が変化しても、ＡＣ回路の力率は、０．９８以上のリーディングに維持することができる。
【0059】
本発明の主題は、ＥＭＩコンデンサを考慮しない他の能動力率設計よりも広い範囲の負荷および周波数にわたって高い力率を達成する。制御ループソリューションとは対照的に、本発明の主題は、ソフトウェアまたは複雑なアナログ設計を必要とせず、オプションとして低コストＣＯＴＳコントローラの使用を可能にする。そのようなコントローラは、機能が豊富で、実績があり、開発サイクルが速いという追加の利点を有するが、通常、高ライン周波数または軽負荷で高い力率を生成するのには適していない。
【0060】
本明細書で使用される場合、文脈が別段の指示をしない限り、「～に結合される」という用語は、直接結合（互いに結合される２つの要素が互いに接触する）および間接結合（少なくとも１つの追加の要素が２つの要素の間に位置する）の両方を含むことが意図される。したがって、「～に結合される」および「～と結合される」という用語は、同義語として使用される。
【0061】
いくつかの実施形態では、本発明の特定の実施形態を説明し、特許請求するために使用される、成分の量、濃度などの特性、反応条件などを表す数字は、いくつかの例では、「約」という用語によって修正されると理解されたい。したがって、いくつかの実施形態では、明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、特定の実施形態によって取得しようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。いくつかの実施形態では、数値パラメータは、報告された有効桁数を考慮し、通常の丸め技術を適用することによって解釈されるべきである。本発明のいくつかの実施形態の広い範囲を示す数値範囲およびパラメータが近似値であるにもかかわらず、具体例に記載された数値は、実施可能な限り正確に報告される。本発明のいくつかの実施形態において提示される数値は、それぞれの試験測定において見出される標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を含み得る。
【0062】
文脈が反対を示さない限り、本明細書に記載されるすべての範囲は、その終点を含むものとして解釈されるものとし、オープンエンドの範囲は、商業的に実用的な値のみを含むものと解釈されるものとする。同様に、値のすべてのリストは、文脈が反対を示さない限り、中間値を含むと見なされるものとする。
【0063】
本明細書の説明および以下の特許請求の範囲で使用される場合、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」の意味は、文脈が明らかに別段の指示をしない限り、複数の参照を含む。また、本明細書の説明で使用される場合、「ｉｎ」の意味は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、「ｉｎ」および「ｏｎ」を含む。
【0064】
本明細書における値の範囲の列挙は、単に、その範囲内に入る各別個の値を個々に参照する簡潔な方法としての役割を果たすことを意図している。本明細書に別段の指示がない限り、ある範囲を有する各個々の値は、あたかも本明細書に個々に列挙されているかのように、本明細書に組み込まれる。本明細書に記載のすべての方法は、本明細書に別段の指示がない限り、または文脈によって明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実行することができる。本明細書の特定の実施形態に関して提供される任意のおよびすべての例、または例示的な言語（例えば「など」）の使用は、単に本発明をより明瞭にすることを意図しており、そうでなければ特許請求される本発明の範囲を限定するものではない。本明細書中のいかなる言語も、本発明の実施に不可欠な、特許請求されていない要素を示すものと解釈されないものとする。
【0065】
本明細書に開示される本発明の代替的な要素または実施形態のグループ化は、限定として解釈されないものとする。各グループのメンバーは、個々に、またはグループの他のメンバーもしくは本明細書に見出される他の要素との任意の組合せで参照し特許請求することができる。利便性および／または特許性の理由で、グループの１つ以上のメンバーが、グループに含まれたり、またはグループから削除されたりすることがある。任意のそのような包含または削除が生じたとき、本明細書は、修正されたグループを含むとみなされ、したがって、添付の特許請求の範囲で使用されるすべてのマーカッシュグループの記述を満たす。
【0066】
本明細書の発明概念から逸脱することなく、すでに説明したもの以外のさらに多くの修正が可能であることは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲の主旨を除いて、限定されないものとする。さらに、本明細書と特許請求の範囲の両方の解釈において、すべての用語は、文脈と一致する可能な限り広い方法で解釈されるものとする。特に、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、非排他的な方法で要素、構成要素、またはステップを指すものとして解釈されるものとし、言及された要素、構成要素、またはステップが、明示的に言及されていない他の要素、構成要素、またはステップと共に存在し、利用され、または組み合わされ得ることを示す。明細書の請求項が、Ａ、Ｂ、Ｃ…、およびＮからなるグループから選択されるもののうちの少なくとも１つに言及する場合、本文は、Ａ＋Ｎ、またはＢ＋Ｎなどではなく、グループからの１つの要素のみを必要とするものとして解釈されるものとする。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】