特表 2024-545799 軌道制御を有する圧電電力変換器

(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】2024-12-11

(54)【発明の名称】軌道制御を有する圧電電力変換器

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20241204BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024540615

(86)(22)【出願日】2023-01-04

(85)【翻訳文提出日】2024-09-02

(86)【国際出願番号】 US2023010082

(87)【国際公開番号】W WO2023133118

(87)【国際公開日】2023-07-13

(31)【優先権主張番号】63/296,323

(32)【優先日】2022-01-04

(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】515186323

【氏名又は名称】エンフェーズ エナジー インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｐｈａｓｅ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】１４２０ Ｎｏｒｔｈ ＭｃＤｏｗｅｌｌ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｐｅｔａｌｕｍａ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９４９５４， Ｕ．Ｓ．Ａ．

(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】マイケル・ジェイ・ハリソン

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730BB26

5H730BB27

5H730EE04

5H730EE57

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD31

5H730FD41

5H730FF09

(57)【要約】

電力を変換するための方法および装置は、ＤＣ源に結合するように適応された入力を有する入力ブリッジと、入力ブリッジの出力に結合された入力を有する圧電変圧器と、圧電変圧器の出力に結合された入力および負荷に結合されるように適応された出力を有する出力ブリッジとを含む。入力ブリッジおよび出力ブリッジに結合された軌道制御器は、（１）入力ブリッジ、出力ブリッジ、またはその両方における電流および電圧を測定することと、（２）圧電変圧器に入るまたはそこから出る電流を測定することと、（３）測定された電流および／または電圧に基づいて入力ブリッジおよび出力ブリッジに対する制御信号に対する切り替えタイミングを決定することと、（４）制御信号を入力ブリッジおよび出力ブリッジに印加することとを行う。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力を変換するための装置であって、
ＤＣ源に結合されるように適応された入力を有する入力ブリッジと、
前記入力ブリッジの出力に結合された入力を有する圧電変圧器と、
前記圧電変圧器の出力に結合された入力と負荷に結合されるように適応された出力とを有する出力ブリッジと、
軌道制御器とを含み、前記軌道制御器が、（１）前記入力ブリッジ、前記出力ブリッジ、またはその両方における電流または電圧を測定することと、（２）前記圧電変圧器に入るまたは前記圧電変圧器から出る電流を測定することと、（３）前記測定された電流および／または電圧に基づいて前記入力ブリッジおよび前記出力ブリッジに対する制御信号に対する切り替えタイミングを決定することと、（４）前記制御信号を前記入力ブリッジおよび前記出力ブリッジに印加することとを行う、装置。

【請求項2】

前記軌道制御器が、前記圧電変圧器の前記入力に電圧を印加するための前記入力ブリッジを制御し、前記圧電変圧器の前記出力から電圧を受けるための前記出力ブリッジを制御する、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

切り替えタイミングが、以下の状態、すなわち、（１）入力ブリッジが前記圧電変圧器入力に入力電圧を印加することを可能にする状態と、（２）前記圧電変圧器から入力ブリッジと出力ブリッジの両方を接続解除する状態と、（３）出力ブリッジが前記圧電変圧器出力から電圧を受けて、（２）に戻ることを可能にする状態とを有する切り替えシーケンスを使用する、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

状態（２）中に、前記圧電変圧器が自己共振する、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記軌道制御器が、前記入力ブリッジにわたる前記電圧と、前記出力ブリッジにわたる前記電圧と、前記圧電変圧器に流入するまたは前記圧電変圧器から流出する前記電流とを測定する、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記ＤＣ源が約１７ＶＤＣを供給し、前記出力ブリッジが約２４０ＶＡＣを生成する、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

電力変換器を軌道制御するための方法であって、前記電力変換器が、ＤＣ源に結合するように適応された入力を有する入力ブリッジと、前記入力ブリッジの出力に結合された入力を有する圧電変圧器と、前記圧電変圧器の出力に結合された入力および負荷に結合されるように適応された出力を有する出力ブリッジと、方法を実行する軌道制御器とを含み、前記方法が、
前記入力ブリッジ、前記出力ブリッジ、またはその両方における電流または電圧を測定するステップと、
前記圧電変圧器に入るかまたは前記圧電変圧器から出る電流を測定するステップと、
前記測定された電圧および／または電流に基づいて前記入力ブリッジおよび出力ブリッジに対する制御信号に対する切り替えタイミングを決定するステップと、
前記制御信号を前記入力ブリッジおよび前記出力ブリッジに印加するステップとを含む、方法。

【請求項8】

前記圧電変圧器の前記入力に電圧を印加するための前記入力ブリッジを制御するステップと、前記圧電変圧器の前記出力から電圧を受けるための前記出力ブリッジを制御するステップとをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

切り替えタイミングが、以下の状態、すなわち、（１）入力ブリッジが前記圧電変圧器入力に入力電圧を印加することを可能にする状態と、（２）前記圧電変圧器から入力ブリッジと出力ブリッジの両方を接続解除する状態と、（３）出力ブリッジが前記圧電変圧器出力から電圧を受けて、（２）に戻ることを可能にする状態とを有する切り替えシーケンスを使用する、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

状態（２）中に、前記圧電変圧器が自己共振する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記入力ブリッジにわたる前記電圧と、前記出力ブリッジにわたる前記電圧と、前記圧電変圧器に流入するまたは前記圧電変圧器から流出する前記電流とを測定するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項12】

前記方法が、前記電力変換器に少なくとも８０％の変換効率を有させる、請求項７に記載の方法。

【請求項13】

前記ＤＣ源が約１７ＶＤＣを供給し、前記出力ブリッジが約２４０ＶＡＣを生成する、請求項７に記載の方法。

【請求項14】

ＤＣ源と負荷との間に結合されるように構成された電力変換器であって、
前記ＤＣ源に結合されるように適応された入力を有する入力ブリッジと、
前記入力ブリッジの出力に結合された入力を有する圧電変圧器と、
前記圧電変圧器の出力に結合された入力と前記負荷に結合された出力とを有する出力ブリッジと、
軌道制御器とを含み、前記軌道制御器が、（１）前記入力ブリッジ、前記出力ブリッジ、またはその両方における電流または電圧を測定すること、（２）前記圧電変圧器に入るまたは前記圧電変圧器から出る電流を測定すること、（３）前記測定された電流および／または電圧に基づいて前記入力ブリッジおよび前記出力ブリッジに対する制御信号に対する切り替えタイミングを決定すること、および（４）前記制御信号を前記入力ブリッジおよび前記出力ブリッジに印加することを行い、前記軌道制御器が、前記圧電変圧器の前記入力に電圧を印加するための前記入力ブリッジを制御し、かつ前記圧電変圧器の前記出力から電圧を受けるための前記出力ブリッジを制御し、切り替えタイミングが、以下の状態、すなわち、（１）入力ブリッジが前記圧電変圧器入力に入力電圧を印加することを可能にする状態と、（２）前記圧電変圧器から入力ブリッジと出力ブリッジの両方を接続解除する状態と、（３）出力ブリッジが前記圧電変圧器出力から電圧を受けて、（２）に戻ることを可能にする状態とを有する切り替えシーケンスを使用する、電力変換器。

【請求項15】

状態（２）中に、前記圧電変圧器が自己共振する、請求項１４に記載の電力変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、一般に、電力変換に関し、より詳細には、軌道制御を有する圧電電力変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

多くの電力変換器は、変換される電力の電圧を増加または減少させるために磁気変圧器（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を使用する。ＤＣ－ＡＣインバータなどの典型的な電力変換器は、入力ブリッジと、磁気変圧器と、出力ブリッジとを含む。コントローラは、ブリッジ内の電力トランジスタの切り替えを制御する。ＤＣ電圧は、たとえばソーラーパネルからの入力に結合される。入力ブリッジは、磁気変圧器の一次巻線に印加された電力を制御する。変圧器は入力電圧を昇圧し、出力ブリッジは、負荷、たとえば電化製品または送電網への出力電力の印加を制御する。そのような回路はまた、電力供給を切り替えるための他のアプリケーションにおいて使用される。磁気変圧器ベースの電力変換器は、非常に高い電力変換効率、たとえば約８０～９０パーセントを達成することができる。

【0003】

電力変換器のサイズおよび重量を縮小する試みにおいて、磁気変圧器を圧電変圧器に置き換えるための研究が実施されてきた。圧電変圧器は、入力電力を圧電材料における物理的変化に変換すること、すなわち材料の物理的サイズが膨張および収縮することによって動作する。これらの物理的変化は、変化が増幅されるように、材料の１つの部分から別の部分に伝達される。電極は、昇圧変圧器が生成されるように、増幅された電圧を捕捉する。しかしながら、圧電変圧器ベースの電力変換器は、非常に非効率的であること、たとえば３０％程度の電力変換効率であることが見いだされている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

それゆえ、改善された電力変換効率を有する圧電電力変換器が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述した本発明の特徴の方式が詳細に理解され得るように、本発明の詳細な説明が、実施形態を参照することによって行われてよく、それらのいくつかが添付の図面に示される。しかしながら、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、本発明は他の同様に効果的な実施形態を容認し得るので、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の少なくとも１つの実施形態による圧電電力変換器のブロック図である。

【図2】圧電変圧器のための等価回路モデルを示す図である。

【図3】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１の圧電電力変換器の動作の流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明の実施形態は、電力変換器の電力変換効率を改善するための軌道制御を有する圧電電力変換器を含む。圧電電力変換器は、入力ブリッジと、圧電変圧器と、出力ブリッジとを含み、入力ブリッジおよび出力ブリッジは、軌道制御器によって制御される。軌道制御器は、入力ブリッジおよび出力ブリッジからサンプリングされた信号、たとえば電圧および／または電流のみならず、圧電変圧器に流入するまたはそこから流出する電流を受けて分析する。こうした信号から、軌道制御器は、入力から出力に電力を最適に伝達するために、ブリッジ内のスイッチ（たとえば、電力トランジスタ）を制御する。

【0008】

図１は、本発明の少なくとも１つの実施形態による圧電電力変換器１００のブロック図を示す。電力変換器１００は、ＤＣ入力１０２をＡＣ出力１０４に変換する。電力変換器１００は、入力ブリッジ１０６と、圧電変圧器１０８と、出力ブリッジ１１０と、軌道制御器１１２とを含む。入力ブリッジ１０６および出力ブリッジ１１０は、軌道制御器１１２によって制御される複数のスイッチ（たとえば、電力トランジスタ）を有するハーフブリッジまたはフルブリッジを含み得る。入力ブリッジ１０６は、ＤＣ入力を、圧電変圧器１０８への入力を形成する高周波ＡＣ信号に変換する。

【0009】

入力ブリッジ１０６および出力ブリッジ１１０はそれぞれ、軌道制御器１１２に、経路１１４に沿って電流および電圧サンプルを供給する。一実施形態では、サンプルは、１つまたは複数のブリッジからの電圧と、圧電変圧器１０８の入力または出力のいずれかの電流サンプルとを含む。軌道制御器１１２は、切り替え信号を経路１１６および１１８に沿って入力ブリッジ１０６および出力ブリッジ１１０に結合する。電流および電圧サンプルがブリッジ１０６および１１０を制御するために使用されるプロセスは、以下の図３を参照しながら詳細に説明される。

【0010】

圧電変圧器１０８は、入力ＡＣ信号に応答して機械的に振動する。一実施形態では、変圧器１０８の「一次」側は、多層圧電構造である。そのような多層セラミック構造は、単層構造と比較してより高い電圧利得（たとえば、２０～７０）をもたらす。いくつかの実施形態では、使用されるセラミック材料は、たとえば、チタン酸鉛またはジルコン酸鉛である。ＡＣ信号は、一対の電極を介して一次構造に印加される。二次構造は、一般に、一次構造に物理的に結合されたセラミック材料の単層である。ＡＣ信号は一次構造を振動させるので、振動は、出力電極上に電圧を生成する二次構造に結合される。出力電圧の振幅は、入力電圧の振幅と比較して増加される。利得は、一般的に２０～７０である。

【0011】

軌道制御器１１２は、少なくとも１つのプロセッサ１２０と、少なくとも１つのメモリ１２２と、支援回路１２６とを含む。少なくとも１つのプロセッサ１２０は、限定はしないが、中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、画像処理装置、特定用途向け集積回路などを含む任意の形態のプロセッサまたはプロセッサの組合せであり得る。支援回路１２６は、プロセッサの機能を促進する、よく知られている回路およびデバイスを含み得る。支援回路１２６は、電力供給、クロック回路、通信回路、キャッシュなどのうちの１つもしくは複数、またはそれらの組合せを含み得る。

【0012】

メモリ１２２は、リードオンリーメモリもしくはランダムアクセスメモリのうちの１つもしくは複数、またはそれらの組合せを含む、１つまたは複数の形態の非一時的コンピュータ可読媒体を含む。メモリ１２２は、たとえば軌道制御ソフトウェア１２４を含むソフトウェアおよびデータを記憶する。軌道制御ソフトウェア１２４は、図３を参照しながら以下で詳細に説明されるように、入力ブリッジ１０６および出力ブリッジ１１０の切り替えプロセスを制御するためにデータ１２８（たとえば、電流および電圧サンプル）を利用する。

【0013】

図２は、図１における圧電変圧器１０８の電気回路モデル２００を示す。そのような電気回路モデル２００は、その基本共振周波数付近で動作する縦モード圧電変圧器の挙動を説明する。多層入力構造は、変圧器の一次側を形成する長さ、幅、厚さ、および層の数に依存する大きな入力容量Ｃ_ＩＮを形成する。出力容量Ｃ_ＯＵＴは、入力容量Ｃ_ＩＮと比較すると、非常に小さくて有意でない。共振周波数付近の機械的圧電利得は、図２におけるＬ、ＣおよびＲによってモデル化される。

【0014】

図２のモデル２００は、従来の共振電力変換器で使用される共振磁気回路と電気的に等価である。そのため、電力変換器において圧電変圧器を使用することは、変換器を共振変換器として機能させる。その結果、共振磁気電力変換器と同様に、圧電ベースの電力変換器における軌道制御などの最適切り替え技法を使用することは、エネルギー変換効率を実質的に増加させる。

【0015】

圧電変圧器を介するエネルギー伝達を改善するため、および電力変換器の全体効率を改善するために、ブリッジ回路は、軌道制御を使用して切り替えられる。軌道制御は、入力ブリッジから圧電変圧器への、次いで、出力ブリッジを介して圧電変圧器から出力端子への効率的なエネルギー伝達を促進する。そのような電力変換は、低電圧ＤＣ入力を高電圧ＡＣ波形に変換すること、たとえば、ＤＣ１７ボルトを６０ＨｚにおけるＡＣ２４０ボルトに変換することを可能にする。

【0016】

図３は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１の軌道制御器１１２の動作の方法３００の流れ図を示す。方法３００は、３０２において開始し、電圧および電流が入力ブリッジおよび／または出力ブリッジ内で測定される３０４に進む。少なくとも１つの実施形態では、入力ブリッジおよび出力ブリッジにわたる電圧ならびに圧電変圧器の入力または出力のいずれかにおける電流（たとえば、２つの電圧および１つの電流）が測定される。他の実施形態では、他の電流および電圧が、ブリッジの切り替えを制御するために使用され得る。電流および電圧のレベルに基づいて、状態機械は、入力ブリッジと出力ブリッジの両方に対する切り替えタイミングを決定する。

【0017】

３０８において、切り替えタイミングが、入力および出力のブリッジスイッチに印加される。少なくとも１つの実施形態では、切り替え制御信号が、３つの動作フェーズの使用を促進する。一実施形態では、３つのフェーズは、（１）エネルギーが変換器の入力ブリッジから圧電変圧器に伝達される第１のフェーズと、（２）効果的に、圧電変圧器を入力ブリッジおよび出力ブリッジから接続解除して、圧電変圧器の自己共振が正しい位相になるようにして、蓄積されたエネルギーの出力ブリッジへの効率的な伝達を可能にする第２のフェーズと、（３）圧電変圧器が出力ブリッジに接続されて、圧電変圧器に正確に負荷をかけることに基づいてエネルギーの効率的な伝達を可能にする第３のフェーズとを含む。この第３のフェーズの後、第２のフェーズに戻り、圧電変圧器が自己共振して正しい位相になり、入力ブリッジから圧電変圧器への効率的な電力伝達を促進することを可能にする。

【0018】

３１０において、方法３００は、方法３００が継続されるべきかどうかを問い合わせる。問い合わせに対して肯定的に返答される場合、方法３００は３０４に戻って、別の切り替えシーケンスを実行する。一実施形態では、切り替えシーケンスは、電流および電圧分析によって制御される各フェーズにおける持続時間を伴って、方法３００を介する各経路、たとえば、動作フェーズ１、２、３、２、１、２、３、２、１．．．で繰り返す。各動作フェーズの活性化の持続時間（周波数）は、変換器の負荷に応じて調整され、環境変化が、動作フェーズの制御周波数が圧電変圧器の共振周波数の変化とともに変動するように発生する。３１０において、問い合わせに対して否定的に返答される場合、方法３００は、３１２において終了する。

【0019】

本明細書で、複数の例が、様々な特徴を示すために与えられたが、それに限定されることは意図されていない。それらの特徴のうちの任意の１つまたは複数は、説明されたいかなる順序、組合せ、または接続にかかわらず、本明細書で提示される特定の例に限定されない。実際、上記の例によって説明された特徴および／または要素の任意の組合せが、列挙されないが同じことを達成することができる任意の変形形態または修正形態を含めて考慮されることを理解されたい。特段に記述されない限り、それらの特徴のうちの任意の１つまたは複数が、任意の順序で組み合わされてもよい。

【0020】

上記のように、図面は、理解を助ける目的で本明細書に提示され、特段に指定されない限り、構造的限定を課することを意味しない。図面に示される構造のうちのいずれかに対する様々な修正形態が、本明細書で提示される発明の範囲に入ることを考慮される。本発明は、特許請求の範囲の言語のいかなる範囲にも限定されることを意図していない。

【0021】

「結合」または「接続」という用語が使用される場合、特段に指定されない限り、結合または接続は、物理的結合または接続に限定されず、ワイヤレス通信およびプロトコルを含む通信結合を含むものと理解されるべきであることが示唆される。

【0022】

任意のブロック、ステップ、モジュール、または他の本明細書で説明されるものは、非一時的コンピュータ可読媒体上にソフトウェアとして記憶され得る、および／またはハードウェアによって実行され得る１つまたは複数の命令を表し得る。任意のそのようなブロック、モジュール、ステップ、またはその他は、そのような目的を達成するように設計された専用ハードウェアの使用を含めて、自動化され得る方式で様々なソフトウェアおよび／またはハードウェアの組合せによって実行され得る。上記のように、任意の数のブロック、ステップ、もしくはモジュールが、任意の順序で実行されてもよく、または実質的に同時であることを含めて、すなわちブロック、ステップ、もしくはモジュールを実行するシステムの許容範囲内で、順序なしに実行されてもよい。

【0023】

限定はしないが、「できる（ｃａｎ）」、「できる（ｃｏｕｌｄ）」、「し得る（ｍａｙ）」、「し得る（ｍｉｇｈｔ）」を含む条件付き言語が使用される場合、関連する特徴または要素は必要とされないことを理解されたい。そのため、条件付き言語が使用される場合、要素および／または特徴は、少なくともいくつかの例の中に随意に存在し、特段に指定されない限り、必ずしも何かを条件とするとは限らないことを理解されたい。

【0024】

要素が代替形態または結合形態（ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｖｅ）で列挙されている（たとえば、Ａ、Ｂ、および／またはＣのうちの１つまたは複数）場合、特段に記述されない限り、列挙された数の要素のうちの１つまたは複数の組合せ（たとえば、Ａ、ＡＢ、ＡＢ、ＡＢＣ、ＡＢＢなど）を含む、各要素のうちの１つまたは複数を含むことが理解される。「および／または」という用語が使用されるとき、要素は、代替形態または結合形態で結合され得ることを理解されたい。

【0025】

前述したものは本発明の実施形態を対象とするが、本発明の他のさらなる実施形態が、その基本的範囲を逸脱することなく考案され得、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

【符号の説明】

【0026】

１００ 圧電電力変換器
１０２ ＤＣ入力
１０４ ＡＣ出力
１０６ 入力ブリッジ
１０８ 圧電変圧器
１１０ 出力ブリッジ
１１２ 軌道制御器
１１４ 経路
１１６ 経路
１１８ 経路
１２０ プロセッサ
１２２ メモリ
１２４ 軌道制御ソフトウェア
１２６ 支援回路
１２８ データ

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】