特表 2024-544702 回路構成体およびそれを形成する方法

(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】2024-12-03

(54)【発明の名称】回路構成体およびそれを形成する方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20241126BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 P

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024534505

(86)(22)【出願日】2021-12-08

(85)【翻訳文提出日】2024-08-06

(86)【国際出願番号】 SG2021050771

(87)【国際公開番号】W WO2023106997

(87)【国際公開日】2023-06-15

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524217986

【氏名又は名称】アドバンスド・インストゥルメント・ピーティーイー・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】チェンジ・ファン

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730AS01

5H730AS04

5H730AS05

5H730BB13

5H730BB14

5H730BB57

5H730DD04

5H730DD16

5H730EE13

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD31

5H730FD61

5H730FG05

5H730FV07

(57)【要約】

様々な実施形態は、主コントローラを含む回路構成体に関することができる。回路構成体は、主コントローラと電気的接続状態にあるパルス幅変調ドライバも含むことができる。回路構成体はそれに加えて、主コントローラと電気的接続状態にあるスイッチセレクタも含むことができる。回路構成体は、第1のスイッチ、第2のスイッチ、第3のスイッチ、および第4のスイッチ、ならびにインダクタおよびキャパシタも含むことができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回路構成体であって、
主コントローラと、
前記主コントローラと電気的接続状態にあるパルス幅変調ドライバと、
前記主コントローラと電気的接続状態にあるスイッチセレクタと、
前記パルス幅変調ドライバと電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第1のスイッチと、
前記スイッチセレクタと電気的接続状態にある制御電極、前記バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第2のスイッチと、
前記パルス幅変調ドライバと電気的接続状態にある制御電極、前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第3のスイッチと、
前記スイッチセレクタと電気的接続状態にある制御電極、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の被制御電極を有する、第4のスイッチと、
前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびに第2の端部を有する、インダクタと、
負荷の第1の端部に電気的に接続するための第1の端部、および前記負荷の第2の端部に電気的に接続するための第2の端部を有する、キャパシタと
を備え、
前記キャパシタの前記第1の端部が、前記インダクタの前記第2の端部と電気的接続状態にあり、
前記キャパシタの前記第2の端部が、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある、
回路構成体。

【請求項2】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極が、さらなるバイアス電圧にバイアスされるように構成される、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項3】

前記さらなるバイアス電圧がグラウンドである、
請求項2に記載の回路構成体。

【請求項4】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびにさらなるバイアス電圧にバイアスするための第2の端部を有する、電流センス抵抗
をさらに備える、請求項1に記載の回路構成体。

【請求項5】

前記さらなるバイアス電圧がグラウンドである、
請求項4に記載の回路構成体。

【請求項6】

前記スイッチセレクタが、前記負荷の中に第1の電流を第1の方向に流すために、前記第2のスイッチを導通状態にし、前記第4のスイッチを非導通状態にするように構成され、
前記スイッチセレクタが、前記負荷の中に第2の電流を前記第1の方向とは反対の第2の方向に流すために、前記第2のスイッチを非導通状態にし、前記第4のスイッチを導通状態にするように構成される、
請求項1から5のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項7】

前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極の電圧が、前記パルス幅変調ドライバによって供給される制御信号のパルス幅変調サイクル、および前記バイアス電圧に基づく、
請求項1から6のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項8】

前記主コントローラが、外部入力信号を受け取るように構成された入力ポートを備え、前記主コントローラが、前記パルス幅変調ドライバおよび前記スイッチセレクタを、前記外部入力信号に基づいて制御するように構成される、
請求項1から7のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項9】

前記主コントローラが、前記パルス幅変調ドライバおよび前記スイッチセレクタを、フィードバック信号に基づいて制御するようにさらに構成される、
請求項8に記載の回路構成体。

【請求項10】

前記フィードバック信号が、検出電圧、検出電流、および温度から成る群から選択される1つまたは複数の感知条件に基づく、
請求項9に記載の回路構成体。

【請求項11】

前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、および前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の端部を有する、スナバ
をさらに備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項12】

前記第4のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の端部を有する、スナバ
をさらに備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項13】

前記キャパシタの前記第1の端部または前記キャパシタの前記第2の端部の電圧を決定するように構成された抵抗分割回路
をさらに備える、請求項1から12のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項14】

前記スイッチセレクタが、0%モードと100%モードの間で動作を切り替えるように構成されたディスクリート回路またはパルス幅変調ドライバを備える、
請求項1から13のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項15】

前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、および前記第4のスイッチがそれぞれ、n-チャネル金属酸化膜半導体トランジスタ、p-チャネル金属酸化膜半導体トランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタから成る群から選択されるいずれか1つのデバイスである、
請求項1から14のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項16】

前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、および前記第4のスイッチがそれぞれ、デジタル制御される、
請求項1から15のいずれか一項に記載の回路構成体。

【請求項17】

回路構成体を形成する方法であって、
主コントローラにパルス幅変調ドライバを電気的に接続するステップと、
前記主コントローラにスイッチセレクタを電気的に接続するステップと、
前記パルス幅変調ドライバに第1のスイッチの制御電極を電気的に接続するステップであって、前記第1のスイッチが、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も備える、ステップと、
前記スイッチセレクタに第2のスイッチの制御電極を電気的に接続するステップであって、前記第2のスイッチが、前記バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も備える、ステップと、
前記パルス幅変調ドライバに第3のスイッチの制御電極を電気的に接続し、前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極に前記第3のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続するステップであって、前記第3のスイッチが第2の被制御電極も備える、ステップと、
前記スイッチセレクタに第4のスイッチの制御電極を電気的に接続し、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極に前記第4のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続し、前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極に前記第4のスイッチの第2の被制御電極を電気的に接続するステップと、
前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極に、インダクタの第1の端部を電気的に接続するステップであって、前記インダクタが第2の端部も備える、ステップと、
前記インダクタの前記第2の端部にキャパシタの第1の端部を電気的に接続し、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第1の被制御電極に前記キャパシタの第2の端部を電気的に接続するステップであって、前記キャパシタの前記第1の端部が負荷の第1の端部に電気的に接続するためのものでもあり、前記キャパシタの前記第2の端部が前記負荷の第2の端部に電気的に接続するためのものでもある、ステップと
を含む、方法。

【請求項18】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極が、さらなるバイアス電圧にバイアスされるように構成される、
請求項17に記載の方法。

【請求項19】

前記さらなるバイアス電圧がグラウンドである、
請求項18に記載の方法。

【請求項20】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極に電流センス抵抗の第1の端部を電気的に接続するステップ
をさらに含み、
前記電流センス抵抗が、さらなるバイアス電圧にバイアスするための第2の端部を備える、
請求項17に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の様々な態様は、回路構成体に関する。本開示の様々な態様は、回路構成体を形成する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

図1は、従来のバイポーラ直流(DC)コンバータの概略図を示す。バイポーラコンバータは、主コントローラ102、第1のPWMドライバ104、第2のPWMドライバ106、スイッチ108、110、112、114、ダイオード108'、110'、112'、114'、インダクタ116、118、およびキャパシタ120、122を含む。コンバータはそれに加えて、電流センス抵抗(current sensor resistor)124も含むことができる。コンバータは、DC電流を負荷に供給する。

【0003】

図1に示すコンバータは、著しいスイッチング損失を被り、安定性が低く、2つの大きなインダクタ116、118のためかなり大きな面積を占有する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

様々な実施形態は、回路構成体に関することができる。回路構成体は、主コントローラを含むことができる。回路構成体は、主コントローラと電気的接続状態にあるパルス幅変調(PWM)ドライバも含むことができる。回路構成体はそれに加えて、主コントローラと電気的接続状態にあるスイッチセレクタも含むことができる。回路構成体は、パルス幅変調ドライバと電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第1のスイッチも含むことができる。回路構成体は、スイッチセレクタと電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第2のスイッチをさらに含むことができる。回路構成体はそれに加えて、パルス幅変調ドライバと電気的接続状態にある制御電極、第1のスイッチの第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第3のスイッチも含むことができる。回路構成体は、スイッチセレクタと電気的接続状態にある制御電極、第2のスイッチの第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第3のスイッチの第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の被制御電極を有する、第4のスイッチも含むことができる。回路構成体は、第1のスイッチの第2の被制御電極および第3のスイッチの第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびに第2の端部を有する、インダクタを含むことができる。回路構成体はそれに加えて、負荷の第1の端部に電気的に接続するための第1の端部、および負荷の第2の端部に電気的に接続するための第2の端部を有する、キャパシタも含むことができる。キャパシタの第1の端部は、インダクタの第2の端部と電気的接続状態にあってよい。キャパシタの第2の端部は、第2のスイッチの第2の被制御電極および第4のスイッチの第1の被制御電極と電気的接続状態にあってよい。

【0005】

様々な実施形態は、回路構成体を形成する方法に関することができる。方法は、主コントローラにパルス幅変調ドライバを電気的に接続することを含むことができる。方法は、主コントローラにスイッチセレクタを電気的に接続することをさらに含むことができる。方法は、パルス幅変調ドライバに第1のスイッチの制御電極を電気的に接続することであって、第1のスイッチが、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も含む、電気的に接続することも含むことができる。方法は、スイッチセレクタに第2のスイッチの制御電極を電気的に接続することであって、第2のスイッチが、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も含む、電気的に接続することをさらに含むことができる。方法は、パルス幅変調ドライバに第3のスイッチの制御電極を電気的に接続し、第1のスイッチの第2の被制御電極に第3のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続することであって、第3のスイッチが第2の被制御電極も含む、電気的に接続することも含むことができる。方法はそれに加えて、スイッチセレクタに第4のスイッチの制御電極を電気的に接続し、第2のスイッチの第2の被制御電極に第4のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続し、第3のスイッチの第2の被制御電極に第4のスイッチの第2の被制御電極を電気的に接続することも含むことができる。方法は、第1のスイッチの第2の被制御電極および第3のスイッチの第1の被制御電極に、インダクタの第1の端部を電気的に接続することであって、インダクタが第2の端部も含む、電気的に接続することをさらに含むことができる。方法はそれに加えて、インダクタの第2の端部にキャパシタの第1の端部を電気的に接続し、第2のスイッチの第2の被制御電極および第4のスイッチの第1の被制御電極にキャパシタの第2の端部を電気的に接続することであって、キャパシタの第1の端部が負荷の第1の端部に電気的に接続するためのものでもあり、キャパシタの第2の端部が負荷の第2の端部に電気的に接続するためのものでもある、電気的に接続することも含むことができる。

【0006】

本発明は、詳細な説明を非限定的な例および添付の図面と併せ検討すれば、よりよく理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】従来のバイポーラ直流(DC)コンバータの概略図である。

【図2】様々な実施形態による回路構成体の概略説明図である。

【図3】様々な実施形態による回路構成体を形成する方法の概略説明図である。

【図4】様々な実施形態による回路構成体の概略図である。

【図5A】従来の回路構成体が様々な負荷電圧を達成するのに必要となる入力、ならびに本開示の一実施形態が様々な実施形態に従って様々な負荷電圧を達成するのに必要となる入力を比較した表を示す図である。

【図5B】従来の回路によって様々な負荷電圧(Vload)を達成するために使用される電圧(VNおよびVP)の変化を示す、負荷電圧の関数としての電圧のプロットを示す図である。

【図5C】本開示の実施形態によって様々な負荷電圧(Vload)を達成するために使用される電圧(VNおよびVP)の変化を示す、負荷電圧の関数としての入力電圧のプロットを示す図である。

【図6A】片側のインダクタ-キャパシタ(LC)フィルタを取り除いた回路を示す図である。

【図6B】(i)図6Aに示す回路の電圧源V5の端部の電圧V(pwm1)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(ii)図6Aに示す回路の負荷の一方の端部の電圧V(vp1)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(iii)図6Aに示す回路の負荷のもう一方の端部の電圧V(vn1)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、および(iv)図6Aに示す回路の負荷(負荷1)を通過する負荷電流(I(負荷1))の変化を示す、時間の関数としての電流のプロットを示す図である。

【図6C】本開示の一実施形態による等価回路を示す図である。

【図6D】(i)図6Cに示す回路の電圧源V4の端部の電圧V(pwm2)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(ii)図6Cに示す回路の負荷の一方の端部の電圧V(vp2)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(iii)図6Cに示す回路の負荷のもう一方の端部の電圧V(vn2)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、および(iv)図6Cに示す回路の負荷(負荷2)を通過する負荷電流(I(負荷2))の変化を示す、時間の関数としての電流のプロットを示す図である。

【図7A】本開示による回路構成体の一部分の、開始段階「α」における概略図である。

【図7B】本開示の様々な実施形態による第1のステップを示す図である。

【図7C】本開示の様々な実施形態による第2のステップを示す図である。

【図7D】本開示の様々な実施形態による、最終段階「β」をもたらす第3のステップを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下の詳細な説明では、具体的詳細、および本発明を実践することのできる実施形態を例として示す、添付の図面を参照する。これらの実施形態については、当業者が本発明を実践することを可能にするのに十分な程度に詳細に説明される。他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的変更および論理的変更を加えることができる。様々な実施形態は、必ずしも相互に排他的であるとは限らず、というのも、一部の実施形態は、1つまたは複数の他の実施形態と組み合わせて、新規の実施形態を成すことができるためである。

【0009】

方法または回路構成体のうちの1つの文脈において記載された実施形態は、他の方法または回路構成体にとっても同様に有効である。同じく、方法の文脈において記載された実施形態は、回路構成体にとっても同様に有効であり、逆も同様である。

【0010】

一実施形態の文脈において記載された特徴は、他の実施形態における同じまたは類似の特徴に、相応に適用可能とすることができる。一実施形態の文脈において記載された特徴は、他の実施形態に、たとえこれらの他の実施形態において明示的に記載されていなくても、相応に適用可能とすることができる。さらに、一実施形態の文脈において特徴について記載された追加および/または組合せおよび/または代替手段は、他の実施形態における同じまたは類似の特徴に、相応に適用可能とすることができる。

【0011】

様々な実施形態の文脈において、1つの特徴または要素に関して使用される冠詞「a」、「an」、および「the」は、複数の特徴または要素のうちの1つまたは複数への言及を含む。

【0012】

様々な実施形態の文脈において、ある数値に適用される「約」または「およそ」という用語は、まさにその値と、妥当な差異とを包含する。

【0013】

本明細書では、「および/または」という用語は、列挙された関連する項目のうちの1つまたは複数の項目のありとあらゆる組合せを含む。

【0014】

様々な実施形態は、従来の共振器が直面する問題に対処しまたはそれを軽減しようとすることができる。

【0015】

図2は、様々な実施形態による回路構成体の概略説明図を示す。回路構成体は、DCコンバータとすることができる。回路構成体は、主コントローラ202を含むことができる。回路構成体は、主コントローラ202と電気的接続状態にあるパルス幅変調(PWM)ドライバ204も含むことができる。回路構成体はそれに加えて、主コントローラ202と電気的接続状態にあるスイッチセレクタ206も含むことができる。回路構成体は、パルス幅変調ドライバ204と電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第1のスイッチ208も含むことができる。回路構成体は、スイッチセレクタ206と電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第2のスイッチ210をさらに含むことができる。回路構成体はそれに加えて、パルス幅変調ドライバ204と電気的接続状態にある制御電極、第1のスイッチ208の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第3のスイッチ212も含むことができる。回路構成体は、スイッチセレクタ206と電気的接続状態にある制御電極、第2のスイッチ210の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第3のスイッチ212の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の被制御電極を有する、第4のスイッチ214も含むことができる。回路構成体は、第1のスイッチ208の第2の被制御電極および第3のスイッチ212の第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびに第2の端部を有する、インダクタ216を含むことができる。回路構成体はそれに加えて、負荷の第1の端部に電気的に接続するための第1の端部、および負荷の第2の端部に電気的に接続するための第2の端部を有する、キャパシタ218も含むことができる。キャパシタ218の第1の端部は、インダクタ216の第2の端部と電気的接続状態にあってよい。キャパシタ218の第2の端部は、第2のスイッチ210の第2の被制御電極および第4のスイッチ214の第1の被制御電極と電気的接続状態にあってよい。

【0016】

誤解を避けるために、図2では、様々な実施形態による回路構成体の特徴のうちのいくつかを示そうとしており、様々な特徴の形状、サイズ、構成、方向などを限定することは意図されていない。

【0017】

インダクタ216を1つしか含めないことによって、回路構成体によって占有される面積を低減させることができる。それに加えて、様々な実施形態は、スイッチング損失を低減させること、かつ/または安定性を改善することもできる。スイッチセレクタ206は、0%モードと100%モードの間で動作を切り替えるように構成されたディスクリート回路またはパルス幅変調ドライバを含むことができる。回路構成体の片側でPWMドライバの代わりにスイッチセレクタ206を使用することによって、スイッチング損失を低減させることができ、負荷にわたる電圧安定性を改善することができる。スイッチング損失とは、スイッチがオン状態(導通状態)とオフ状態(非導通状態)との間を遷移するときに生じる損失のことを指すことができる。

【0018】

様々な実施形態では、第1のスイッチ208、第2のスイッチ210、第3のスイッチ212、および/または第4のスイッチ214は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などのトランジスタとすることができる。さらに他の様々な実施形態では、第1のスイッチ208、第2のスイッチ210、第3のスイッチ212、および/または第4のスイッチ214は、外部信号を介して電流をオンまたはオフすることのできる任意の適切なデバイスとすることができる。様々な実施形態では、MOSFETまたはIGBTの制御電極をゲート電極と呼ぶことができる。様々な実施形態では、第1の被制御電極をソース/エミッタ電極と呼ぶことができ、第2の被制御電極をドレイン/コレクタ電極と呼ぶことができ、一方、他の様々な実施形態では、第1の被制御電極をドレイン/コレクタ電極と呼ぶことができ、第2の被制御電極をソース/エミッタ電極と呼ぶことができる。

【0019】

様々な実施形態では、第1のスイッチ208、第2のスイッチ210、第3のスイッチ212、および/または第4のスイッチ214は、n-チャネルMOSFET(NMOS)とすることができ、一方、他の様々な実施形態では、第1のスイッチ208、第2のスイッチ210、第3のスイッチ212、および/または第4のスイッチ214は、p-チャネルMOSFET(PMOS)とすることができる。換言すれば、第1のスイッチ208、第2のスイッチ210、第3のスイッチ212、および第4のスイッチ214はそれぞれ、n-チャネル金属酸化膜半導体トランジスタ、p-チャネル金属酸化膜半導体トランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタから成る群から選択されるいずれか1つのデバイスとすることができる。しかし、様々な実施形態では、第1のスイッチ208、第2のスイッチ210、第3のスイッチ212、および/または第4のスイッチ214は、電流のオン/オフを制御することの可能な任意のデバイスとすることができる。

【0020】

様々な実施形態では、第3のスイッチ212の第2の被制御電極および第4のスイッチ214の第2の被制御電極は、さらなるバイアス電圧、例えば0Vまたはグラウンドにバイアスされるように構成され得る。

【0021】

他の様々な実施形態では、回路構成体は、第3のスイッチ212の第2の被制御電極および第4のスイッチ214の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびにさらなるバイアス電圧、例えばグラウンドにバイアスするための第2の端部を有する、電流センス抵抗を含むことができる。

【0022】

様々な実施形態では、スイッチセレクタ206は、負荷の中に第1の電流を第1の方向に流すために、第2のスイッチ210を導通状態にし、第4のスイッチ214を非導通状態にするように構成され得る。スイッチセレクタ206は、負荷の中に第2の電流を第1の方向とは反対の第2の方向に流すために、第2のスイッチ210を非導通状態にし、第4のスイッチ214を導通状態にするように構成され得る。

【0023】

現在の文脈では、スイッチまたはトランジスタを導通状態にすることとは、スイッチまたはトランジスタの中を十分な電流(サブスレッショルド電流よりも多くの電流)が流れるように、スイッチまたはトランジスタをオンにすることを指すことができる。トランジスタを、トランジスタの制御電極に適切な電圧を印加することによって、導通状態にすることができる。同様に、スイッチまたはトランジスタを非導通状態にすることとは、スイッチまたはトランジスタの中を電流が流れないかまたは不十分な電流(例えばサブスレッショルド電流)しか流れないように、スイッチまたはトランジスタをオフにすることを指すことができる。トランジスタを、トランジスタを導通状態にするために印加される適切な電圧とは異なる別の適切な電圧を、トランジスタの制御電極に印加することによって、非導通状態にすることができる。

【0024】

様々な実施形態では、第1のスイッチ208の第2の被制御電極および第3のスイッチ212の第1の被制御電極の電圧は、パルス幅変調ドライバ204によって供給される制御信号のパルス幅変調サイクル、およびバイアス電圧に基づくことができる。

【0025】

全てのスイッチは、デジタル制御され得る。第1のスイッチ208、第2のスイッチ210、第3のスイッチ212、および第4のスイッチ214はそれぞれ、デジタル制御され得る。スイッチに電気的に接続するための電気的接続は、直接接続されるワイヤとすることも、あるいは光結合、トランスフォーム結合(transform coupling)などの分離式方法(isolated method)によるものとすることもできる。

【0026】

様々な実施形態では、キャパシタ218は、負荷の2つの端部に接続されたフィルタキャパシタとすることができる。負荷のどちらかの側の端子上の任意の大容量キャパシタを、(入力電力またはグラウンドのような)任意の固定電圧点に追加すると、突入電流性能の点でシステムに悪影響が生じるおそれがある。

【0027】

様々な実施形態では、主コントローラ202はパルス幅変調ドライバ204を、パルス幅ドライバ204にデジタル信号を供給することによって制御することができる。同様に、主コントローラ202はスイッチセレクタ206を、スイッチセレクタ206にデジタル信号を供給することによって制御することができる。様々な実施形態では、パルス幅変調ドライブ204によって第1のスイッチ208および第3のスイッチ212に供給される信号は、デジタル信号である。同様に、スイッチセレクタ206によって第2のスイッチ210および第4のスイッチ214に供給される信号も、デジタル信号である。デジタル信号を使用すると、スイッチングデバイスの、様々な応用に基づくより幅広い選択が可能になることがある。それに加えて、必要なときに制御信号の分離を容易に行うことができる。デジタル信号は、2つの離散状態、すなわち「オン」状態および「オフ」状態において動作する信号と定義することができる。一方、アナログ信号は、2つの値の間で連続可変とすることができる。

【0028】

様々な実施形態では、主コントローラ202は、外部入力信号を受け取るように構成された入力ポートまたは電極を含むことができ、主コントローラは、パルス幅変調ドライバ204およびスイッチセレクタ206を、この外部入力信号に基づいて制御するように構成される。

【0029】

様々な実施形態では、主コントローラ202は、パルス幅変調ドライバ204およびスイッチセレクタ206を、フィードバック信号に基づいて制御するようにさらに構成され得る。フィードバック信号は、検出電圧、検出電流、および温度から成る群から選択される1つまたは複数の感知条件に基づくことができる。

【0030】

様々な実施形態では、回路構成体は、第3のスイッチ212の第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、および第3のスイッチ212の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の端部を有する、スナバ(例えば抵抗-キャパシタまたはRCスナバ)を含むことができる。他の様々な実施形態では、回路構成体は、第4のスイッチ214の第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、および第4のスイッチ214の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の端部を有する、スナバを含むことができる。

【0031】

様々な実施形態では、回路構成体は、キャパシタ218の第1の端部またはキャパシタ218の第2の端部の電圧を決定するように構成された抵抗分割回路を含むことができる。

【0032】

様々な実施形態では、回路構成体は、負荷を含むことができる。負荷は、熱電冷却器(TEC)を含むことができる。

【0033】

図3は、様々な実施形態による回路構成体を形成する方法の概略説明図を示す。方法は、302において、主コントローラにパルス幅変調ドライバを電気的に接続することを含むことができる。方法は、304において、主コントローラにスイッチセレクタを電気的に接続することをさらに含むことができる。方法は、306において、パルス幅変調ドライバに第1のスイッチの制御電極を電気的に接続することであって、第1のスイッチが、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も含む、電気的に接続することも含むことができる。方法は、308において、スイッチセレクタに第2のスイッチの制御電極を電気的に接続することであって、第2のスイッチが、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も含む、電気的に接続することをさらに含むことができる。方法は、310において、パルス幅変調ドライバに第3のスイッチの制御電極を電気的に接続し、第1のスイッチの第2の被制御電極に第3のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続することであって、第3のスイッチが第2の被制御電極も含む、電気的に接続することも含むことができる。方法はそれに加えて、312において、スイッチセレクタに第4のスイッチの制御電極を電気的に接続し、第2のスイッチの第2の被制御電極に第4のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続し、第3のスイッチの第2の被制御電極に第4のスイッチの第2の被制御電極を電気的に接続することも含むことができる。方法は、314において、第1のスイッチの第2の被制御電極および第3のスイッチの第1の被制御電極に、インダクタの第1の端部を電気的に接続することであって、インダクタが第2の端部も含む、電気的に接続することをさらに含むことができる。方法はそれに加えて、316において、インダクタの第2の端部にキャパシタの第1の端部を電気的に接続し、第2のスイッチの第2の被制御電極および第4のスイッチの第1の被制御電極にキャパシタの第2の端部を電気的に接続することであって、キャパシタの第1の端部が負荷の第1の端部に電気的に接続するためのものでもあり、キャパシタの第2の端部が負荷の第2の端部に電気的に接続するためのものでもある、電気的に接続することも含むことができる。

【0034】

誤解を避けるために、図3は、順序通りであることは意図されていない。例として、ステップ306は、ステップ308の前、後、またはステップ308と同時に、行われてよい。

【0035】

様々な実施形態では、第3のスイッチの第2の被制御電極および第4のスイッチの第2の被制御電極は、さらなるバイアス電圧、例えばグラウンドにバイアスされるように構成され得る。

【0036】

他の様々な実施形態では、方法は、第3のスイッチの第2の被制御電極および第4のスイッチの第2の被制御電極に電流センス抵抗の第1の端部を電気的に接続することを含むことができる。電流センス抵抗は、さらなるバイアス電圧、例えばグラウンドにバイアスするための第2の端部を含むことができる。

【0037】

様々な実施形態では、スイッチセレクタは、負荷の中に第1の電流を第1の方向に流すために、第2のスイッチを導通状態にし、第4のスイッチを非導通状態にするように構成することができる。スイッチセレクタは、負荷の中に第2の電流を第1の方向とは反対の第2の方向に流すために、第2のスイッチを非導通状態にし、第4のスイッチを導通状態にするように構成することができる。

【0038】

様々な実施形態では、第1のスイッチの第2の被制御電極および第3のスイッチの第1の被制御電極の電圧は、パルス幅変調ドライバによって供給される制御信号のパルス幅変調サイクル、およびバイアス電圧に基づくことができる。

【0039】

様々な実施形態では、主コントローラは、外部入力信号を受け取るように構成された入力ポートを含むことができ、主コントローラは、パルス幅変調ドライバおよびスイッチセレクタを、この外部入力信号に基づいて制御するように構成される。

【0040】

様々な実施形態では、主コントローラは、パルス幅変調ドライバおよびスイッチセレクタを、フィードバック信号に基づいて制御するようにさらに構成することができる。フィードバック信号は、検出電圧、検出電流、および温度から成る群から選択される1つまたは複数の感知条件に基づくことができる。

【0041】

様々な実施形態では、方法は、第3のスイッチの第1の被制御電極にスナバの第1の端部を電気的に接続することを含むことができる。方法は、第3のスイッチの第2の被制御電極にスナバの第2の端部を電気的に接続することも含むことができる。

【0042】

他の様々な実施形態では、方法は、第4のスイッチの第1の被制御電極にスナバの第1の端部を電気的に接続することを含むことができる。方法は、第4のスイッチの第2の被制御電極にスナバの第2の端部を電気的に接続することも含むことができる。

【0043】

様々な実施形態では、方法は、キャパシタの第1の端部またはキャパシタの第2の端部の電圧を決定するように構成された抵抗分割回路を設けることを含むことができる。

【0044】

従来のDCコンバータからLCフィルタを1つ取り除いた後で、3つの課題を克服する必要がある。それらの課題は、(1)どのようにして負荷ワイヤ上にPWM波形が直接印加されないようにするか(通常、負荷デバイスはコントローラに長いワイヤを通じて接続されるが、このワイヤ上にPWM波形を印加すると電磁干渉(EMI)問題が生じるおそれがある)、(2)どのようにして電圧極性の円滑な過渡(smooth voltage polarity transient)を達成するか、また(3)どのようにしてMOSFETを100%の比率でオンにするか、である。これらの課題はいずれも、今日まで対処されていないので、従来の解決策では、高電力バイポーラDC-DCシステムにデュアルインダクタ解決策を利用している。

【0045】

様々な実施形態は、温度制御、DCモータ制御などの産業的応用における前述の課題の一部または全てに対処することができる。

【0046】

図4は、様々な実施形態による回路構成体の概略図を示す。回路構成体は、主コントローラ402、例えばマイクロコントローラユニット(MCU)を含むことができる。回路構成体は、主コントローラ402と電気的接続状態にあるパルス幅変調(PWM)ドライバ404も含むことができる。回路構成体はそれに加えて、主コントローラ402と電気的接続状態にあるスイッチセレクタ406も含むことができる。回路構成体は、パルス幅変調ドライバ404と電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧(VIN)に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第1のスイッチ(SW1)408も含むことができる。回路構成体は、スイッチセレクタ406と電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧(VIN)に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第2のスイッチ(SW2)410をさらに含むことができる。回路構成体はそれに加えて、パルス幅変調ドライバ404と電気的接続状態にある制御電極、第1のスイッチ408の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第3のスイッチ(SW3)412も含むことができる。回路構成体は、スイッチセレクタ406と電気的接続状態にある制御電極、第2のスイッチ410の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第3のスイッチ412の第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の被制御電極を有する、第4のスイッチ(SW4)414も含むことができる。回路構成体は、第1のスイッチ408の第2の被制御電極および第3のスイッチ412の第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびに第2の端部を有する、インダクタ(L1)416を含むことができる。回路構成体はそれに加えて、負荷の第1の端部に電気的に接続するための第1の端部、および負荷の第2の端部に電気的に接続するための第2の端部を有する、すなわち負荷に並列な、キャパシタ(C1)418も含むことができる。キャパシタ418の第1の端部は、インダクタ416の第2の端部と電気的接続状態にあってよい。キャパシタ418の第2の端部は、第2のスイッチ410の第2の被制御電極および第4のスイッチ414の第1の被制御電極と電気的接続状態にあってよい。

【0047】

図4に示すように、回路構成体は、第3のスイッチの第2の被制御電極および第4のスイッチの第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびにさらなるバイアス電圧、例えばグラウンドまたは0Vにバイアスするための第2の端部を有する、オプションの電流センス抵抗(R_Sense)420を含むことができる。しかし、他の様々な実施形態では、回路構成体が電流センス抵抗420を含まない場合があることを、企図することができる。そのような場合、第3のスイッチ412の第2の被制御電極および第4のスイッチ414の第2の被制御電極は、さらなるバイアス電圧、例えばグラウンドまたは0Vにバイアスされるように構成され得る。第1のスイッチ408、第2のスイッチ410、第3のスイッチ412、および第4のスイッチ414は、n-チャネルMOSFETやp-チャネルMOSFETなどのMOSFETとすることができる。第1のスイッチ408、第2のスイッチ410、第3のスイッチ412、および第4のスイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、または電流のオン/オフを制御することの可能な他の任意のタイプのデバイスとすることができることも、企図することができる。回路構成体は、第1のスイッチ408、第2のスイッチ410、第3のスイッチ412、および第4のスイッチ414それぞれに並列に電気的に接続された、ダイオード408'、410'、412'、414'も含むことができる。ダイオード408'、410'、412'、414'の第1の端部は、それぞれに対応するスイッチ408、410、412、414の第1の被制御電極に接続することができ、ダイオード408'、410'、412'、414'の第2の端部は、それぞれに対応するスイッチ408、410、412、414の第2の被制御電極に接続することができる。ダイオード408'、410'、412'、414'は、MOSFETのボディダイオード、または外部のダイオードを表すことができる。Hブリッジ回路がそのようなダイオードを含むことができる。ダイオード408'、410'、412'、414'の機能は、全てのスイッチが非導通状態またはオフにされたときにインダクタのための電流減衰経路を提供すること、とすることができる。

【0048】

ノードN1は、第1のスイッチ408の第2の被制御電極が第3のスイッチ412の第1の被制御電極に接続されるノードとすることができる。ノードN2は、第1のスイッチ408の第1の被制御電極が第2のスイッチ410の第1の被制御電極に接続されるノードとすることができる。ノードN3は、第2のスイッチ410の第2の被制御電極が第4のスイッチ414の第1の被制御電極に接続されるノードとすることができる。ノードN4は、インダクタ416の第2の端部がキャパシタ418の第1の端部に接続されるノードとすることができる。ノードN5は、第3のスイッチ412の第2の被制御電極が第4のスイッチ414の第2の被制御電極に接続されるノードとすることができる。

【0049】

様々な実施形態では、回路構成体は、バイアス電圧VINを提供するように構成された電圧源422を含むことができる。ノードN2は、バイアス電圧VINにバイアスされ得る。パルス幅変調ドライバ404は、100%までのデューティサイクルをサポートすることが可能であってよい。パルス幅変調ドライバ404は、第1のスイッチ408および第3のスイッチ412を、PWM比率に基づいて操作または制御することが可能であってよい。電圧は、ノードN1、すなわち第1のトランジスタ408の第2の被制御電極と第3のスイッチ412の第1の被制御電極を接続するノードに、×PWMとして現れることができる。

【0050】

スイッチセレクタ406は、電圧極性が変化することが必要となるときに第2のスイッチ410および第4のスイッチ414の状態を操作するように構成され得る。選択されたスイッチは、閉じるかまたは導通状態にすることができ、一方、残りのスイッチは開いたままにする(すなわち非導通状態にする)ことができる。主コントローラ402は、(図4に「入力」と表記された)外部入力信号を受け取るように構成され得る。外部入力信号は、デジタル信号、アナログ信号とすることもでき、あるいは通信コマンドとすることもできる。それに加えて、主コントローラ402は、(「フィードバック」と表記された)フィードバック信号を受け取るように構成することもできる。フィードバック信号は、様々な位置(例えばノードN2、N3、N4、またはN5)におけるオンボード電圧、負荷または制御対象物の温度などのパラメータ上で可変とすることができる。主コントローラ402は、外部入力信号および/またはフィードバック信号に基づいて所望の電圧を負荷に印加するようにパルス幅変調ドライバ404およびスイッチセレクタ406を操作または制御することができる。様々な実施形態では、抵抗-キャパシタ(RC)スナバを、例として、N1とN5(すなわち第3のスイッチ412の第1の被制御電極に接続されたスナバの第1の端部と、第3のスイッチ412の第2の被制御電極に接続されたスナバの第2の端部)との間に、またはN3とN5(すなわち第4のスイッチ414の第1の被制御電極に接続されたスナバの第1の端部と、第4のスイッチ414の第2の被制御電極に接続されたスナバの第2の端部)との間に追加できることも、企図することができる。様々な実施形態では、抵抗分割回路を使用して、N3またはN4の電圧を感知することができる。様々な実施形態では、回路構成体は、ハイサイド電流センサ、ハイサイド電流センス抵抗、および/または負荷電流センス抵抗を含むことができる。様々な実施形態は、100%のターンオンをサポートするためのチャージポンプを含むことができる。第1のスイッチ408および第2のスイッチ410がNMOSである場合、第1のスイッチ408および第2のスイッチ410に印加される電圧はVINよりも高いことが必要となることがある。したがって、電圧ブースタ、例えばチャージポンプが必要となることがある。様々な実施形態では、ある電圧ブースタを、パルス幅変調ドライバ404と第1のスイッチ408の制御電極との間に接続することができ、一方、別の電圧ブースタを、スイッチセレクタ406と第2のスイッチ410の制御電極との間に接続することができる。換言すれば、第1のスイッチ408の制御電極はパルス幅変調ドライバ404と、電圧ブースタを介して電気的接続状態にあってよく、一方、第2のスイッチ410の制御電極はスイッチセレクタ406と、別の電圧ブースタを介して電気的接続状態にあってよい。他方では、第1のスイッチ408および第2のスイッチ410がPMOSである場合、電圧ブースタは必要とならないことがある。

【0051】

様々な実施形態は、負荷電流を測定するために電流センス抵抗を含むことができる。電流センス抵抗は通常、10mΩ未満とすることができ、実際の応用において大きな影響を及ぼしてはならない。R1、R2、およびR3は、電流センス抵抗を配置することのできる可能な位置を表す。R2は、コストおよび電力損失を考慮せずに、精度を得る上で最良であり得る。R1は、妥当な精度およびより低コストでの通常の安全監視目的により適したものであり得る。グラウンドが安定性をもたらすので、R1は高精度となり得るが、R2およびR3では、両側が可変電圧を受ける結果として、雑音が大きくなる。また、入力が24V、出力が16Aで6Vのときに、R2には16Aの一定電流が流れることがある。R1は16Aを、ただし約25%の比率で、通過させることがある。センス抵抗の抵抗値を10mΩと仮定すると、16Aの電流は、R2上では2.56Wの熱を発生させ得るが、R1上で発生させ得る熱は0.64Wにすぎず、R1を通る平均電流は電源装置(PSU)電流である(V_IN×I_IN=V_load×I_load→I_load=V_IN×I_IN/V_load)。さらに、ローサイド電流センスアンプのほうが、安価となることがある。

【0052】

図5Aは、従来の回路構成体が様々な負荷電圧を達成するのに必要となる入力、ならびに本開示の一実施形態が様々な実施形態に従って様々な負荷電圧を達成するのに必要となる入力を比較した表を示す。図5Bは、従来の回路によって様々な負荷電圧(Vload)を達成するために使用される電圧(VNおよびVP)の変化を示す、負荷電圧の関数としての電圧のプロットを示す。図5Cは、本開示の実施形態によって様々な負荷電圧(Vload)を達成するために使用される電圧(VNおよびVP)の変化を示す、負荷電圧の関数としての入力電圧のプロットを示す。負荷電圧は、Vload=VP-VNという式を介して、入力電圧に関係付けられる。「Vload」は、負荷にわたる電圧とすることができ、「VP」は、負荷の「正」端子に印加される電圧とすることができ、一方「VN」は、負荷の「負」端子に印加される電圧とすることができる。

【0053】

この実施形態では、スイッチセレクタによって制御されるSW2およびSW4によって決まるVNは、正の負荷電圧が望ましいか、それとも負の負荷電圧が望ましいかに応じて、0と正の固定電圧との間で切り替わることができる。一方、パルス幅変調ドライバによって制御されるSW1およびSW3によって決まるVPは、デューティサイクルを変更することによって変化することができる。PWM出力、したがってVPは、フィードバック信号に基づいて、所定の周波数で調整され得る。

【0054】

1ミリオーム(mΩ)のチャネル抵抗値(R_ds)をもつ金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)が使用される高電力システム設計では、導通損失は無視できることがある。10Aの電流が発生させ得る導通損失は0.1Wにすぎず、これは、200Wのシステムにとって0.05%の効率影響に等しい。しかし、超低チャネル抵抗値のMOSFETが使用されるとき、スイッチング損失がシステム電力効率の重要な要素となることがある。様々な実施形態は、電圧極性が変化することが必要となるときにのみ切り替わるスイッチセレクタに接続された1つのサイドバック(one side buck)を含むことができる。一部の応用では、極性変化の間隔は、DC-DCコンバータのパルス幅変調器においては毎秒約300000回であるのに比べて、毎分1回となることがある。したがって、スイッチセレクタに接続されたサイドバックのスイッチング損失は、無視できるものとみなすことができる。様々な実施形態は、システム電力損失をほぼ50%低減させることが可能である。

【0055】

図6Aは、片側のインダクタ-キャパシタ(LC)フィルタを取り除いた回路を示す。図6Bは、(i)図6Aに示す回路の電圧源V5の端部の電圧V(pwm1)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(ii)図6Aに示す回路の負荷の一方の端部の電圧V(vp1)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(iii)図6Aに示す回路の負荷のもう一方の端部の電圧V(vn1)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、および(iv)図6Aに示す回路の負荷(負荷1)を通過する負荷電流(I(負荷1))の変化を示す、時間の関数としての電流のプロットを示す。図6Bのプロット(iv)は、負荷上での20Aのオーバーシュート電流を示す。これが、シングルサイドLCフィルタ(single side LC filter)を有する回路の使用を人々に思いとどまらせる、主要な問題であり得る。対照的に、図5Aに強調表示した本実施形態は、電流オーバーシュートの問題に直面しない可能性があり、したがって、図6Aに示す回路よりも有利となることがある。

【0056】

図6Cは、本開示の一実施形態による等価回路を示す。図6Dは、(i)図6Cに示す回路の電圧源V4の端部の電圧V(pwm2)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(ii)図6Cに示す回路の負荷の一方の端部の電圧V(vp2)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、(iii)図6Cに示す回路の負荷のもう一方の端部の電圧V(vn2)の変化を示す、時間の関数としての電圧のプロット、および(iv)図6Cに示す回路の負荷(負荷2)を通過する負荷電流(I(負荷2))の変化を示す、時間の関数としての電流のプロットを示す。図6Cに示すように、負荷の両端部にわたってフィルタキャパシタC2を接続することによって、オーバーシュートを低減させることができる。

【0057】

様々な実施形態は、図5Cに示すαからβに向かう電圧の急激な変化(負荷極性変化)による予期せぬ突然流入する電流が、負荷の中を流れるのを防ごうとすることができる。様々な実施形態は、負荷極性変化による突然流入する電流を、3ステッププロセスを用いて防ぐことができる。図7Aは、本開示による回路構成体の一部分の、開始段階「α」における概略図を示す。開始段階「α」において、スイッチ708および710を導通状態またはオンにすることができ、一方、スイッチ712、714を非導通状態またはオフにすることができる。図7Bは、本開示の様々な実施形態による第1のステップを示す。第1のステップ(ステップ1)では、負荷の中を電流が流れないように、スイッチセレクタがスイッチ710、714を非導通状態にすることができる。第1のスイッチ708は導通状態のままにすることができ、一方、第3のスイッチ712は非導通状態のままにすることができる。図7Cは、本開示の様々な実施形態による第2のステップを示す。第2のステップ(ステップ2)では、パルス幅変調ドライバによって制御されるように、第1のスイッチ708を非導通状態にすることができ、第3のスイッチ712を導通状態にすることができる。負荷の中を電流が流れないように、スイッチ710、714は非導通状態のままにすることができる。図7Dは、本開示の様々な実施形態による、最終段階「β」をもたらす第3のステップを示す。第3のステップでは、スイッチセレクタによって制御されるように、第4のスイッチ714を導通状態にすることができる。スイッチ708、710は非導通状態のままにすることができ、一方、第3のスイッチ712は導通状態のままにすることができる。この3ステッププロセスは、最終的には、主コントローラによって制御され得、というのも、主コントローラがパルス幅変調ドライバおよびスイッチセレクタの動作を制御するためである。「β」段階から「α」段階への遷移も、同様の発想に従うことができる。一般に、負荷電圧極性変化の際、スイッチセレクタは、PWM側のスイッチ(すなわちスイッチ708、712)が電圧遷移を行う前に、第2のスイッチ710と第4のスイッチ714の両方を最初に非導通状態にさせることができる。次いで、スイッチセレクタは、ターゲットスイッチ(すなわち第2のスイッチ710または第4のスイッチ714)を導通状態にすることができる。スイッチセレクタは、0%および100%のターンオン比率をサポートすることの可能なディスクリート回路またはパルス幅変調ドライバを含むことができる。スイッチセレクタとしてパルス幅変調器が使用される場合、デッドタイム設定は、スイッチセレクタの遷移が完了する前に新しい極性に必要な電圧の安定をサポートするのに十分な長さに設定され得る。

【符号の説明】

【0058】

202 主コントローラ
204 パルス幅変調(PWM)ドライバ、パルス幅ドライバ、パルス幅変調ドライブ
206 スイッチセレクタ
208 第1のスイッチ
210 第2のスイッチ
212 第3のスイッチ
214 第4のスイッチ
216 インダクタ
218 キャパシタ
402 主コントローラ
404 パルス幅変調(PWM)ドライバ
406 スイッチセレクタ
408 第1のスイッチ(SW1)、第1のトランジスタ
408' ダイオード
410 第2のスイッチ(SW2)
410' ダイオード
412 第3のスイッチ(SW3)
412' ダイオード
414 第4のスイッチ(SW4)
414' ダイオード
416 インダクタ(L1)
418 キャパシタ(C1)
420 電流センス抵抗(R_Sense)
422 電圧源
708 第1のスイッチ
710 第2のスイッチ
712 第3のスイッチ
714 第4のスイッチ
C2 フィルタキャパシタ
N1 ノード
N2 ノード
N3 ノード
N4 ノード
N5 ノード
VIN バイアス電圧
Vload 負荷電圧
VN 電圧
VP 電圧
V4 電圧源
V5 電圧源
α 開始段階
β 最終段階

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【手続補正書】

【提出日】2024-08-08

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回路構成体であって、
主コントローラと、
前記主コントローラと電気的接続状態にあるパルス幅変調ドライバと、
前記主コントローラと電気的接続状態にあるスイッチセレクタと、
前記パルス幅変調ドライバと電気的接続状態にある制御電極、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第1のスイッチと、
前記スイッチセレクタと電気的接続状態にある制御電極、前記バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第2のスイッチと、
前記パルス幅変調ドライバと電気的接続状態にある制御電極、前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および第2の被制御電極を有する、第3のスイッチと、
前記スイッチセレクタと電気的接続状態にある制御電極、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の被制御電極、および前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の被制御電極を有する、第4のスイッチと、
前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびに第2の端部を有する、インダクタと、
負荷の第1の端部に電気的に接続するための第1の端部、および前記負荷の第2の端部に電気的に接続するための第2の端部を有する、キャパシタと
を備え、
前記キャパシタの前記第1の端部が、前記インダクタの前記第2の端部と電気的接続状態にあり、
前記キャパシタの前記第2の端部が、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある、
回路構成体。

【請求項2】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極が、さらなるバイアス電圧にバイアスされるように構成される、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項3】

前記さらなるバイアス電圧がグラウンドである、
請求項2に記載の回路構成体。

【請求項4】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、ならびにさらなるバイアス電圧にバイアスするための第2の端部を有する、電流センス抵抗
をさらに備える、請求項1に記載の回路構成体。

【請求項5】

前記さらなるバイアス電圧がグラウンドである、
請求項4に記載の回路構成体。

【請求項6】

前記スイッチセレクタが、前記負荷の中に第1の電流を第1の方向に流すために、前記第2のスイッチを導通状態にし、前記第4のスイッチを非導通状態にするように構成され、
前記スイッチセレクタが、前記負荷の中に第2の電流を前記第1の方向とは反対の第2の方向に流すために、前記第2のスイッチを非導通状態にし、前記第4のスイッチを導通状態にするように構成される、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項7】

前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極の電圧が、前記パルス幅変調ドライバによって供給される制御信号のパルス幅変調サイクル、および前記バイアス電圧に基づく、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項8】

前記主コントローラが、外部入力信号を受け取るように構成された入力ポートを備え、前記主コントローラが、前記パルス幅変調ドライバおよび前記スイッチセレクタを、前記外部入力信号に基づいて制御するように構成される、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項9】

前記主コントローラが、前記パルス幅変調ドライバおよび前記スイッチセレクタを、フィードバック信号に基づいて制御するようにさらに構成される、
請求項8に記載の回路構成体。

【請求項10】

前記フィードバック信号が、検出電圧、検出電流、および温度から成る群から選択される1つまたは複数の感知条件に基づく、
請求項9に記載の回路構成体。

【請求項11】

前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、および前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の端部を有する、スナバ
をさらに備える、請求項1に記載の回路構成体。

【請求項12】

前記第4のスイッチの前記第1の被制御電極と電気的接続状態にある第1の端部、および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極と電気的接続状態にある第2の端部を有する、スナバ
をさらに備える、請求項1に記載の回路構成体。

【請求項13】

前記キャパシタの前記第1の端部または前記キャパシタの前記第2の端部の電圧を決定するように構成された抵抗分割回路
をさらに備える、請求項1に記載の回路構成体。

【請求項14】

前記スイッチセレクタが、0%モードと100%モードの間で動作を切り替えるように構成されたディスクリート回路またはパルス幅変調ドライバを備える、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項15】

前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、および前記第4のスイッチがそれぞれ、n-チャネル金属酸化膜半導体トランジスタ、p-チャネル金属酸化膜半導体トランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタから成る群から選択されるいずれか1つのデバイスである、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項16】

前記第1のスイッチ、前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、および前記第4のスイッチがそれぞれ、デジタル制御される、
請求項1に記載の回路構成体。

【請求項17】

回路構成体を形成する方法であって、
主コントローラにパルス幅変調ドライバを電気的に接続するステップと、
前記主コントローラにスイッチセレクタを電気的に接続するステップと、
前記パルス幅変調ドライバに第1のスイッチの制御電極を電気的に接続するステップであって、前記第1のスイッチが、バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も備える、ステップと、
前記スイッチセレクタに第2のスイッチの制御電極を電気的に接続するステップであって、前記第2のスイッチが、前記バイアス電圧に電気的に接続するための第1の被制御電極、および第2の被制御電極も備える、ステップと、
前記パルス幅変調ドライバに第3のスイッチの制御電極を電気的に接続し、前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極に前記第3のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続するステップであって、前記第3のスイッチが第2の被制御電極も備える、ステップと、
前記スイッチセレクタに第4のスイッチの制御電極を電気的に接続し、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極に前記第4のスイッチの第1の被制御電極を電気的に接続し、前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極に前記第4のスイッチの第2の被制御電極を電気的に接続するステップと、
前記第1のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第3のスイッチの前記第1の被制御電極に、インダクタの第1の端部を電気的に接続するステップであって、前記インダクタが第2の端部も備える、ステップと、
前記インダクタの前記第2の端部にキャパシタの第1の端部を電気的に接続し、前記第2のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第1の被制御電極に前記キャパシタの第2の端部を電気的に接続するステップであって、前記キャパシタの前記第1の端部が負荷の第1の端部に電気的に接続するためのものでもあり、前記キャパシタの前記第2の端部が前記負荷の第2の端部に電気的に接続するためのものでもある、ステップと
を含む、方法。

【請求項18】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極が、さらなるバイアス電圧にバイアスされるように構成される、
請求項17に記載の方法。

【請求項19】

前記さらなるバイアス電圧がグラウンドである、
請求項18に記載の方法。

【請求項20】

前記第3のスイッチの前記第2の被制御電極および前記第4のスイッチの前記第2の被制御電極に電流センス抵抗の第1の端部を電気的に接続するステップ
をさらに含み、
前記電流センス抵抗が、さらなるバイアス電圧にバイアスするための第2の端部を備える、
請求項17に記載の方法。

【国際調査報告】