特表 2025-500848 マスタレス構成のＮ個の並列接続型電力コンバータにおける電流不平衡を低減させて単一電力コンバータにおける負荷安定度を向上させるマルチスロープ出力インピーダンスコントローラ

(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】2025-01-15

(54)【発明の名称】マスタレス構成のＮ個の並列接続型電力コンバータにおける電流不平衡を低減させて単一電力コンバータにおける負荷安定度を向上させるマルチスロープ出力インピーダンスコントローラ

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/00 20060101AFI20250107BHJP

【ＦＩ】

H02M3/00 W

H02M3/00 H

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535406

(86)(22)【出願日】2022-12-14

(85)【翻訳文提出日】2024-06-13

(86)【国際出願番号】 US2022052849

(87)【国際公開番号】W WO2023114303

(87)【国際公開日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】63/289,884

(32)【優先日】2021-12-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/694,338

(32)【優先日】2022-03-14

(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】524059674

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(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】ペリー，マーティー

(72)【発明者】

【氏名】シャラー，ロバート ジェイ．

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS01

5H730BB82

5H730DD04

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD31

5H730FG05

5H730FG15

5H730FG22

(57)【要約】

マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、電力コンバータの実効インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎを変動させて、Ｎ個の並列接続された電源のマスタレス構成では電源間の電流不平衡を低減させるが、スタートアップ及び定常状態動作中に負荷安定度を維持するように構成される。概して、コントローラは、Ｉｏｕｔ＿ｎが低い場合、高い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令して、電源間の電流共有を容易にし、電源間の電流不平衡Ｉｂを低減させ、Ｉｏｕｔ＿ｎが高い場合、低い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令して、負荷安定度を向上させる。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷端子に接続された共通負荷部に電力を供給するように構成された安定化電源であって、
前記負荷端子に電力を供給するように構成されたマスタレス構成の複数の（Ｎ個の）並列接続型された電源を含み、前記電源のそれぞれは、
コマンドＶｘ＿ｎに応答して、実効出力インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎの両端に制御可能な電圧Ｖｃ＿ｎを発生させて、外部出力インピーダンスＺｅｘｔ＿ｎを介して前記負荷端子に結合される出力部に出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎを供給するための電力コンバータと、
負のフィードバックループを設けるように構成された負のフィードバックコントローラであって、前記負のフィードバックループでは、前記出力部の安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎはセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎと比較されてコマンドＶｘ＿ｎを制御し、前記Ｖｒｅｇ＿ｎ及び前記負荷端子の出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を維持して負荷電流ＩＬを変動させる、前記負のフィードバックコントローラと、
前記Ｉｏｕｔ＿ｎを指示する電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎに応答して、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記Ｖｒｅｇ＿ｎが低下するように前記Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを制御して前記複数の電源の間での負荷電流の共有を促し、前記電源間の電流不平衡Ｉｂを低減させるように指定された値を前記Ｉｏｕｔ＿ｎが下回る場合に高い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが前記指定された値を上回る場合に低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令して、前記出力電圧Ｖｏｕｔの前記安定度を向上させる、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラと、
を含む安定化電源。

【請求項2】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、
前記Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎ及び電圧基準Ｖｒｅｆ＿ｎに応答して、電流基準、ゲインコマンド、フィルタコマンド及びセットポイントコマンドを生成する係数生成器コントローラ（ＣＧＣ）と、
前記Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを前記電流基準と比較して、誤差信号を発生させる電流誤差アンプと、
前記ゲインコマンドに応答して前記高い値及び前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、前記誤差信号を増幅するプログラマブルゲインアンプと、
前記フィルタコマンドに応答して前記増幅された誤差信号をフィルタリングし、出力インピーダンス制御ループの帯域幅を、前記Ｖｒｅｇを制御する前記負のフィードバックループの帯域幅よりも小さくするように制限するフィルタと、
前記フィルタリングされ増幅された誤差信号及び前記セットポイントコマンドに応答して、前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを発生させ、前記Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎが前記電流基準より大きい場合、前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎが低下するようにするアンプと、
を含む、請求項１に記載の安定化電源。

【請求項3】

前記ＣＧＣは、前記出力インピーダンス制御ループの前記帯域幅が前記Ｖｒｅｇを制御する前記負のフィードバックループの前記帯域幅を追跡するように、前記フィルタコマンドによって前記フィルタを構成する、請求項２に記載の安定化電源。

【請求項4】

前記ＣＧＣは、定常状態中に前記ゲインコマンドを生成し、負のゲイン、つまり負の値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを前記低い値として設定して、正の値の前記Ｚｅｘｔ＿ｎを部分的に打ち消し、正の出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ｎの合計を低減させ、前記複数の電源間での負荷電流の共有を促しながら安定度を向上させるように構成することが可能である、請求項２に記載の安定化電源。

【請求項5】

各電力コンバータは、前記Ｉｏｕｔ＿ｎを前記負荷端子に排他的論理和（ＸＯＲ）でシンク動作する、またはソース動作するようにパッシブ整流され、前記コントローラは、サポートされた負荷電流の指定された範囲にわたって前記負荷電流の前記シンク動作または前記ソース動作の際にＮ個のＰＣすべてが共有するように前記高い値及び前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令する、請求項１に記載の安定化電源。

【請求項6】

各電力コンバータは前記負荷端子に対して前記Ｉｏｕｔ＿ｎをシンク動作及びソース動作するように同期整流され、前記コントローラは、無負荷時でＩｏｕｔ＞２^＊ＩＣの場合には、負荷時の前記ＩＣがほぼゼロであるように前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、前記ＩＣは前記電源間の循環電流である、請求項１に記載の安定化電源。

【請求項7】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラのそれぞれは、同期開始コマンドに応答してスタートアッププロシージャを実施し、前記コマンドＶｘ＿ｎを生成し、電圧Ｖｃ＿ｎ、つまり前記安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎを、前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎの初期開始値から初期値までランプアップするが、スタートアップ期間中に前記高い値から前記低い値へ移行させるように前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令する、請求項１に記載の安定化電源。

【請求項8】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラのすべては、前記スタートアッププロシージャを初期化するための共通の同期開始コマンドを受信するように構成される、請求項７に記載の安定化電源。

【請求項9】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラのそれぞれは、前記スタートアッププロシージャのオンセット時に負荷電流の共有を促し、電流不平衡Ｉｂを低減させるために前記高い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令するように、及び、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎで負荷電流の共有を促すのに十分な大きさのものになると、定常状態動作の間の公称値に設定される、前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令するように構成される、請求項７に記載の安定化電源。

【請求項10】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラのそれぞれは、定常状態プロシージャを実施するように構成され、前記定常状態プロシージャでは、コマンドＶｘ＿ｎが生成されて、前記Ｖｃ＿ｎを制御して前記Ｖｏｕｔの安定度を制御するが、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記Ｚｅｆｆ＿ｎが減少するように前記Ｉｓｅｎｓｅが変化するにつれて、前記Ｉｓｅｎｓｅに応答して前記Ｚｅｆｆ＿ｎを、前記高い値と前記低い値との間で移行させるように命令する、請求項１に記載の安定化電源。

【請求項11】

前記出力インピーダンスコントローラは、定常状態中に、前記Ｚｅｆｆ＿ｎに負の値を設定して前記Ｚｅｘｔ＿ｎの正の値を部分的に打ち消し、正の出力インピーダンスＺｏｕｔの合計を低下させて、前記電源間での前記負荷電流の共有を維持しながら安定度を向上させるように構成することが可能である、請求項１０に記載の安定化電源。

【請求項12】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラのそれぞれは、スタートアッププロシージャ及び定常状態プロシージャを実施するように構成され、
前記スタートアッププロシージャ中、前記コントローラは、同期開始コマンドに応答して、前記コマンドＶｘ＿ｎを生成し、電圧Ｖｃ＿ｎ、つまり前記安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎをゼロボルトから前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎまでランプアップするが、前記Ｚｅｆｆ＿ｎを、スタートアップの高い値から、前記電流不平衡Ｉｂを低減させるためにスタートアップの低い値まで移行させスタートアップ期間中の負荷安定度を向上させるように命令し、
前記定常状態プロシージャ中、前記コントローラは、前記Ｖｏｕｔの安定度を制御するように前記Ｖｘ＿ｎを命令するが、前記Ｉｓｅｎｓｅが変化するにつれて定常状態の高い値と低い値との間で移行させるように前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、その結果、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記Ｚｅｆｆ＿ｎが減少し、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが低い場合に電流不平衡Ｉｂを低減させ、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが高い場合に負荷安定度を向上させる、請求項１に記載の安定化電源。

【請求項13】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、モード入力に応答して、単一または複数の電力コンバータ構成を選択し、
Ｎ＞１の前記複数の構成では、前記コントローラは、出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを低下させて前記複数の電源間での負荷電流の共有を促し、前記電流不平衡Ｉｂを低減させるために前記指定された値を前記Ｉｏｕｔ＿ｎが下回る場合に前記高い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、負荷安定度を向上させるために前記指定された値を前記Ｉｏｕｔ＿ｎが上回る場合に前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令するように構成され、
Ｎ＝１の前記単一構成では、前記コントローラは、前記Ｚｅｆｆ＿ｎに負の値を設定し、前記Ｚｅｘｔ＿ｎの正の値を実質的に打ち消し、出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを増加させ、負荷安定度を向上させるように構成される、請求項１に記載の安定化電源。

【請求項14】

Ｎ＞１の前記複数の構成では、前記コントローラはスタートアッププロシージャ及び定常状態プロシージャを実施するように構成され、
前記スタートアッププロシージャ中、前記コントローラは、同期開始コマンドに応答して、前記コマンドＶｘ＿ｎを生成し、電圧Ｖｃ＿ｎ、つまり前記安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎをゼロボルトから前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎまでランプアップするが、前記Ｚｅｆｆ＿ｎを、スタートアップの高い値から、前記電流不平衡Ｉｂを低減させるためにスタートアップの低い値まで移行させるように命令し、スタートアップ期間中の負荷安定度を向上させ、
前記定常状態プロシージャ中、前記コントローラは、前記Ｖｏｕｔの安定度を制御するように前記Ｖｘ＿ｎを命令するが、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記Ｚｅｆｆ＿ｎが減少するように、前記Ｉｓｅｎｓｅが変化するにつれて定常状態の高い値と低い値との間で移行させるように、前記Ｉｓｅｎｓｅに応答して前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが低い場合に電流不平衡Ｉｂを低減させ、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが高い場合に負荷安定度を向上させる、請求項１３に記載の安定化電源。

【請求項15】

負荷端子に接続された共通負荷部に電力を供給するように構成された安定化電源であって、
前記負荷端子に電力を供給するように構成されたマスタレス構成の１つ以上（Ｎ個）の並列接続された電源を含み、前記電源のそれぞれは、
コマンドＶｘ＿ｎに応答して、実効出力インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎの両端に制御可能な電圧Ｖｃ＿ｎを発生させて、外部インピーダンスＺｅｘｔ＿ｎを介して前記負荷端子に結合される出力部に出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎを供給する電力コンバータと、
負のフィードバックループを設けるように接続される負のフィードバックコントローラであって、前記負のフィードバックループでは、前記出力部の安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎはセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎと比較されてコマンドＶｘ＿ｎを制御し、負荷電流Ｉｌｏａｄを変動させるために前記Ｖｒｅｇ＿ｎ及び前記負荷端子の出力電圧Ｖｏｕｔを安定化させる、前記負のフィードバックコントローラと、
前記Ｉｏｕｔ＿ｎを示す電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを検知して前記Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを制御し、前記Ｖｒｅｇ＿ｎ及び前記Ｖｏｕｔの前記安定度を制御するように構成されたマルチスロープ出力インピーダンスコントローラであって、モード入力に応答して、単一の電源か複数の電源かいずれかの構成を選択する、前記コントローラとを含み、
Ｎ＞１の前記複数の構成では、前記コントローラは、出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを低下させて前記複数の電源間での負荷電流の共有を促し、前記電源間の電流不平衡Ｉｂを低減させるために指定された値を前記Ｉｏｕｔ＿ｎが下回る場合に高い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、安定度を向上させるために前記指定された値を前記Ｉｏｕｔ＿ｎが上回る場合に低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令するように構成され、
Ｎ＝１の前記単一構成では、前記コントローラは、前記Ｚｅｆｆ＿ｎに負の値を設定し、前記Ｚｅｘｔ＿ｎの正の値を実質的に打ち消し、出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを増加させ、負荷安定度を向上させるように構成される安定化電源。

【請求項16】

Ｎ＞１の前記複数の構成では、前記コントローラはスタートアッププロシージャ及び定常状態プロシージャを実装するように構成され、
前記スタートアッププロシージャ中、前記コントローラは、同期開始コマンドに応答して、前記コマンドＶｘ＿ｎを生成し、電圧Ｖｃ＿ｎ、つまり前記安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎを初期値から前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎまでランプアップするが、前記Ｚｅｆｆ＿ｎを、スタートアップの高い値から、前記電流不平衡Ｉｂを低減させるためにスタートアップの低い値まで移行させるように命令し、スタートアップ期間中の負荷安定度を向上させ、
前記定常状態プロシージャ中、前記コントローラは、前記Ｖｏｕｔの安定度を制御するように前記Ｖｘ＿ｎを命令するが、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれて前記Ｚｅｆｆ＿ｎが減少するように前記Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎが変化するにつれて、前記Ｉｓｅｎｓｅに応答して前記Ｚｅｆｆ＿ｎを、定常状態の高い値と低い値との間で移行させるように命令し、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが低い場合に電流不平衡Ｉｂを低減させ、前記Ｉｏｕｔ＿ｎが高い場合に負荷安定度を向上させる、請求項１５に記載の安定化電源。

【請求項17】

前記マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、
前記Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎ及び電圧基準Ｖｒｅｆ＿ｎに応答して、電流基準、ゲインコマンド、フィルタコマンド及びセットポイントコマンドを生成する係数生成器コントローラ（ＣＧＣ）と、
前記Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを前記電流基準と比較して、誤差信号を発生させる電流誤差アンプと、
前記ゲインコマンドに応答して前記高い値及び前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令し、前記誤差信号を増幅するプログラマブルゲインアンプと、
前記フィルタコマンドに応答して前記増幅された誤差信号をフィルタリングし、出力インピーダンス制御ループの帯域幅を、前記Ｖｒｅｇを制御する前記負のフィードバックループの帯域幅よりも小さくするように制限するフィルタと、
前記フィルタリングされ増幅された誤差信号及び前記セットポイントコマンドに応答して、前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを発生させ、前記Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎが前記電流基準より大きい場合、前記セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎが低下するようにするアンプと、
を含む、請求項１５に記載の安定化電源。

【請求項18】

前記ＣＧＣは、前記出力インピーダンス制御ループの前記帯域幅が前記Ｖｒｅｇを制御する前記負のフィードバックループの前記帯域幅を追跡するように、前記フィルタを構成する、請求項１７に記載の安定化電源。

【請求項19】

前記ＣＧＣは、定常状態中にゲインコマンドを生成し、負のゲイン、つまり負の値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを設定して、正の値の前記Ｚｅｘｔ＿ｎを部分的に打ち消し、正の出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ｎの合計を低減させ、前記複数の電源間での負荷電流の共有を促しながら安定度を向上させるように構成可能である、請求項１５に記載の安定化電源。

【請求項20】

各電力コンバータは前記負荷端子に対して前記Ｉｏｕｔをシンク動作及びソース動作するようにアクティブに整流され、Ｎ＞１の間、前記コントローラは、無負荷時にＩｏｕｔ＞２^＊ＩＣの場合、前記低い値の前記Ｚｅｆｆ＿ｎを命令するため、負荷時の前記ＩＣはほぼゼロであり、前記ＩＣは前記電源間の循環電流である、請求項１６に記載の安定化電源。

【請求項21】

負荷端子に接続された共通負荷部に電力を供給するように構成された安定化電源であって、
コマンドＶｘに応答して、実効インピーダンスＺｅｆｆの両端に制御可能な電圧Ｖｃを発生させて、外部インピーダンスＺｅｘｔを介して前記負荷端子に結合される出力部に出力電流Ｉｏｕｔを供給する電力コンバータと、
負のフィードバックループを設けるように接続される負のフィードバックコントローラであって、前記負のフィードバックループでは、前記出力部の安定化電圧Ｖｒｅｇはセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔと比較されてコマンドＶｘを制御し、前記負荷端子の出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を維持して負荷電流ＩＬを変動させる、前記負のフィードバックコントローラと、
前記Ｉｏｕｔを示す電流Ｉｓｅｎｓｅを検知して前記Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを制御し、前記Ｚｅｆｆを負の値に設定して正の値の前記Ｚｅｘｔを実質的に打ち消し、前記出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を最適化するように構成されたマルチスロープ出力インピーダンスコントローラと、
を含む安定化電源。

【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、２０２２年３月１４日に出願された米国出願第１７／６９４，３３８号に対する優先権の利益を主張するものであり、この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の定めにより、「Ｍｕｌｔｉ Ｓｌｏｐｅ Ｏｕｔｐｕｔ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」と題され、２０２１年１２月１５日に出願された米国仮出願第６３／２８９，８８４号に対する優先権の利益を主張するものであり、それらの全内容は参照により援用されている。

【0002】

発明の背景
本発明は、負荷部に様々な負荷電流を供給することができる安定化電源に関し、さらに特に、負荷電流の共有を容易にし、出力電圧の安定度を維持するために負のフィードバックループに接続されたパッシブまたは同期整流型電力コンバータをそれぞれ含むＮ個の並列接続型電源のマスタレス構成に関する。

【背景技術】

【0003】

電源は電力コンバータを含み得、この電力コンバータは、負荷部に様々な負荷電流ＩＬを供給するために、通常は異なるレベルで、非安定化ＤＣ入力電圧Ｖｉｎを安定化ＤＣ出力電圧Ｖｏｕｔに変換する。長年にわたり、電力コンバータには多種多様なトポロジが導入されてきた。さらに、小型サイズ及び高効率を必要とするため、利用可能なトポロジにさらなる制限が課される。サイズが小さいということは、電力密度が高いということであり、電力密度はコンバータの体積に対する出力電力能力の比率である。

【0004】

スイッチング電力コンバータ（ＳＰＣ）は、エネルギー蓄積部、ならびにパルス幅変調器（ＰＷＭ）、プライマリスイッチ、及び整流器などのスイッチング制御回路を有する。エネルギー蓄積部は、ＤＣ入力電圧の選択的印加に応答して、電流及び安定化ＤＣ出力電圧を発生させる。スイッチング制御回路、プライマリスイッチ及び整流器は、エネルギー蓄積部へのＤＣ入力電圧の印加を制御して、安定化ＤＣ出力電圧の値を設定する。

【0005】

同期整流は、電力損失が低減して密度が高くなることに少なくとも部分的に起因して電力変換効率が向上するため、電力コンバータではパッシブ整流器の望ましい代替手段となっている。ダイオードは一方向にのみ電流を流すことを可能にするが、ＭＯＳＦＥＴなどの同期整流器、または他の同等のアクティブスイッチはどちらの方向にも電流を流すことを可能にする。

【0006】

モジュラ電力コンバータに基づいた電源は、複数のユニット間で電力負荷を共有することを可能にし、様々な用途向けにパワーソリューションを柔軟にスケーリングすることを可能にするため、望ましい。図１に示されるように、電源１００はＮ個の並列接続型電力コンバータ１０２を含み、これら電力コンバータは、電圧源Ｖｉｎからエネルギーを引き出し、それらの出力は共通負荷部１０４に並列に電力を供給している。電源１００は、負荷部１０４の両端に安定化出力電圧Ｖｏｕｔを発生させ、指定された範囲の電流レベルにわたって負荷部に負荷電流Ｉｌを供給する。各電力コンバータ１０２は、出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ｎを介して安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎ及び出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎを発生させるように構成される。理想的には、各電力コンバータは負荷電流ＩＬの１／Ｎを供給する。複雑さを最小にし、アレイレベルでのスケーラビリティを強化するには、負荷電流情報を様々なモジュールに通信する必要なく、または負荷の共有を管理する特別な制御モジュールを有することなく、コンバータが負荷電流を共有するマスタレス構成で電力コンバータを並列にすることが望ましい。

【0007】

図２に示されるように、電源２００は、出力電圧Ｖｏｕｔを安定化させて、負荷部２０４に負荷電流ＩＬを供給するために、マスタレス構成でＮ＝２個の並列接続型電力コンバータ２０２を含む。各電力コンバータ２０２は従属ソース２０５として示され、この従属ソース２０５では、コマンド電圧Ｖｘ＿ｎは、ゲインα＿ｎで乗算されて制御可能な電圧Ｖｃ＿ｎを発生させ、開ループ出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ＯＬによって特徴付けられる。従属ソースではエネルギー源Ｖｉｎの存在が推定される。

【0008】

安定度を向上させるために、通常、負のフィードバックによる閉ループ制御を開ループ電力コンバータに適用する。負のフィードバックコントローラ２０６は、電力コンバータの出力電圧Ｖｒｅｇ＿ｎが、基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎからオフセットにあるセットポイント電圧Ｖ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎと等しくなるように強制する。出力インピーダンスコントローラ２０８は、Ｖｒｅｆ＿ｎに結合され、Ｉｏｕｔ＿ｎを指示するセンス電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎに応答して、Ｖ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを形成するオフセットを生成する。負のフィードバックの特徴は、負のフィードバックコントローラのループゲインだけ電力コンバータの開ループ出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ＯＬを下げることである。負のフィードバックコントローラがＴの開ループゲインを有する場合、電力コンバータの閉ループ出力インピーダンスは次のようになる：

【数1】

例えば、Ｔ＋１＝６０ｄＢの場合、コンバータの開ループ出力インピーダンスは１０００分の１に低下する。

【0009】

出力インピーダンスコントローラ２０８は、Ｖｒｅｆ＿ｎに結合され、Ｉｏｕｔ＿ｎを指示するセンス電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎに応答して、Ｖ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを形成するオフセットを生成する。コントローラ２０８は、負荷電流の範囲にわたって、電力コンバータのＺｏｕ _ＣＬから一定の実効出力インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎを維持する。一般的なコントローラ２０８は、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを電流基準（例えば、負荷電流範囲の中間点）と比較する電流アンプ、誤差信号を増幅する固定ゲインアンプ、出力インピーダンス制御ループの帯域幅を、Ｖｏｕｔを制御する負のフィードバックループの帯域幅よりも小さくするように固定するフィルタ、及びオフセットを生成してＶ＿ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを発生させるアンプを含む。通常、負荷電流が低下するにつれて、負のフィードバックループの帯域幅は減少する。したがって、制御ループ間の相互作用を避けるために、出力インピーダンス制御ループの固定帯域幅は、サポートされる最小負荷電流の負のフィードバックループの帯域幅よりも小さくなるように設定される必要がある。

【0010】

理想的には、すべての電力コンバータ２０２は、まったく同じ基準電圧、負のフィードバックループなどを有し、スタートアップ及び定常状態中、負荷電流のサポートされる全範囲にわたって負荷電流を均等に共有する。ただし、マスタレス構成では、各コンバータには独自のＶｒｅｆがあり、指定された公差、非直線性などの内で変動する。これにより、電力コンバータ間で電流不平衡Ｉｂが起こり、電力効率の低下、個々のコンバータにかかるストレス、または電源の不具合及びシャットダウンが起こる可能性がある。パッシブ整流型電力コンバータでは、負荷電流ＩＬが低くＩｏｕｔ＿ｎが低い場合、１つの電力コンバータは、支配的になり得、１００％の負荷電流を供給し得るが、その他の電力コンバータはオフになる。同期整流型電力コンバータでは、Ｉｏｕｔ＿ｎが低い場合、循環電流Ｉｃは電力コンバータ間で流れる。Ｖｘ１とＶｘ２との差またはα＿１とα＿２とのわずかな差により、Ｖｃ＿１がＶｃ＿２と完全にマッチングしない場合、循環電流Ｉｃは２つのコンバータ間に流れる：

【数2】

式中、この時点では、Ｚｏｕｔ＿ｎ＝Ｚｅｆｆ＿ｎである。電力コンバータの出力電圧は適切に安定化され、無負荷状態時にそれらの出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎ＞２^＊ＩＣであると、負荷時にＩｃはほぼゼロになる。

【0011】

図３に示されるように、Ｎ個の電力コンバータが平衡状態に達することを強制する一般的な技術は、「ドループシェア」と呼ばれ、この平衡状態では、すべての電力コンバータは、負荷電流ＩＬを共有し、均等（例えば、（１／Ｎ）^＊ＩＬ）に共有するように平衡がとられる。Ｖｏｕｔ対Ｉｌｏａｄをプロットする出力負荷線３００は、出力電流が増加するにつれて各電力コンバータの出力電圧が低下するような負の傾きを有する。負荷線の傾きは総出力インピーダンスである。個々の電力コンバータは、そのＶｒｅｆ、つまりＶｓｅｔｐｏｉｎｔ及びＶｒｅｇが比較的高い場合に支配的になる傾向がある。ただし、負のフィードバック制御ループによって実装される負荷線のため、総出力インピーダンスによって流れる出力電流Ｉｏｕｔは電圧を引き下げる傾向がある。Ｉｏｕｔが十分に高くなると、電力コンバータの出力電圧は、その他の電力コンバータがオンになり、負荷電流を供給し始める点まで降下する。マスタレス電力コンバータは、独立して応答するが、一斉に、すべてが負荷電流を共有して、そしてほぼ均等に共有して、供給する平衡状態に達する。

【0012】

図２に示されるように、各電力コンバータ２０２は、Ｚｏｕｔ＿ｎ＝Ｚｅｆｆ＿ｎ＋Ｚｅｘｔ＿ｎであるように、制御ループ接続部の外側に追加の外部出力インピーダンスＺｅｘｔ＿ｎを含み得る。この場合、コンバータの所望の出力インピーダンスは、標準のドループシェア技術が対応することができるものよりもはるかに複雑になる。制御ループの外側の出力インピーダンスは、並列アレイ電源システム、及びまたは一次側安定度を使用するコンバータでよく見られる。このインピーダンスはまた、電力コンバータの出力部と負荷端子との間の物理的な接続部によって設けられてもよい。すべての電源はある程度の外部出力インピーダンスを示すが、問題はそれが制御に影響を与えるほど大きいかどうかである。

【0013】

電力コンバータのスタートアップ中、各コンバータの出力電圧は、Ｖｒｅｆ＿ｎをランプすることによって、初期値（例えば、ゼロボルト）から最終セットポイント電圧までランプされる。「ランプ」は線形、ステップシーケンス、またはより高次の関数であってもよい。マスタレスシステムで並列コンバータを始動させると、コンバータのランプレートのわずかな誤差及び非線形効果により、大きい電流不平衡Ｉｂが起こる可能性がある。パッシブ整流型電力コンバータのマスタレス構成の場合、その結果、通常、出力電圧がランプアップされると、単一電力コンバータがオンになり、負荷電流を供給することになる。ドループシェアは、負荷電流、つまり個々の出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎが十分に高い場合にのみ、有効になり、その他の電力コンバータをオンにし、共有を強制する。図４に示されるように、２つの同期整流型電力コンバータのマスタレス構成の場合、Ｖｃ＿１及びＶｃ＿２の開始時間、直線性、及びランプレートが等しくない状態で始動すると、差分電圧４００が発生することができるため、コンバータ間に大きい循環電流Ｉｃ４０２が流れる可能性がある。どちらの場合も、電力コンバータの出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ｎ４０４は、Ｚｅｆｆ＿ｎ及びＺｅｘｔ＿ｎの合計に等しい固定値である。

【0014】

定常状態中、電源及び個々の電力コンバータは、出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を維持しながら、指定範囲にわたって様々な量の負荷電流ＩＬをソースする必要がある。パッシブ整流型コンバータの場合、負荷電流ＩＬ、つまり個々の出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎが小さすぎると、ドループシェアは失敗し、１つでも少数でもコンバータが負荷電流を供給する場合がある。一般に、すべてのコンバータがオンになり負荷電流を共有するには、Ｉｌｏａｄは特定の値を超える必要がある。図５に示されるように、同期整流型コンバータの場合、負荷電流ＩＬ、つまり個々の出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎが小さすぎると、循環電流Ｉｃ５００はコンバータ間に流れる。一般に、コンバータが適切に安定化されるため、定常状態中のＩｃはスタートアップ中のＩｃよりもはるかに低くなる。一般に、無負荷状態時にＩｌｏａｄ＞２^＊Ｉｃとなった後、負荷時にＩｃはゼロに近づく。どちらの場合も、電力コンバータの出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ｎ５０２は、Ｚｅｆｆ＿ｎ及びＺｅｘｔ＿ｎの合計に等しい固定値である。

【0015】

既知の技術では、スタートアップ及び定常状態中に競合する要件の平衡をとるＺｅｆｆの固定値を選択して、共有を容易にし、電流不平衡を制限し、負荷安定度を維持する。Ｚｅｆｆの値が大きいほど、ドループシェアが向上し、スタートアップ時または低レベルの負荷電流の間の共有が容易になり、電流不平衡Ｉｂが低減するが、Ｚｅｆｆの値が小さいほど、負荷安定度が向上する。この２つを折衷しなければならない。

【発明の概要】

【0016】

以下は、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を提供するための、本発明の概要である。この要約は、本発明の重要または重大な要素を特定すること、または本発明の範囲を詳細に描写することを意図していない。その唯一の目的は、本発明のいくつかの概念を、後で提示される、より詳細な説明及び特許請求の範囲の定義の序文として、簡略化された形で提示することである。

【0017】

本発明はマルチスロープ出力インピーダンスコントローラを提供し、このマルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、電力コンバータの実効インピーダンスＺｅｆｆを変動させて、負荷安定度を維持しながら、Ｎ個の並列接続型電源のマスタレス構成では電源間の電流不平衡を低減させること、または単一電力コンバータの負荷安定度を最適化するように負のＺｅｆｆを設定することができる。

【0018】

実施形態では、安定化電源は、負荷端子に電力を供給するように構成されたマスタレス構成で複数のＮ個の並列接続型電源を含む。各電源は、独自の基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎを有する負のフィードバックループに接続された電力コンバータを含み、外部出力インピーダンスＺｅｘｔ＿ｎ（負のフィードバックループの外側）を介して出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎを負荷端子に供給する。独立して機能するＮ個の電源は、一斉に負荷電流ＩＬを負荷電流の範囲にわたって共有し、その範囲にわたって安定化出力電圧Ｖｏｕｔを与える。負のフィードバックループは、Ｉｏｕｔ＿ｎに応答して電力コンバータの実効出力インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎを変動させて、負荷安定度を維持しながら、スタートアップ及び定常状態中に電源間の電流不平衡Ｉｂを低減させるように構成可能である。

【0019】

Ｎ個の並列接続型電源のマスタレス構成の実施形態では、各電力コンバータはコマンドＶｘ＿ｎに応答して、Ｚｅｆｆ＿ｎの両端に制御可能な電圧Ｖｃ＿ｎを発生させて、Ｚｅｘｔ＿ｎを介して負荷端子に結合される出力部にＩｏｕｔ＿ｎを供給する。負のフィードバックコントローラは、負のフィードバックループを設けるように構成され、この負のフィードバックループでは、出力部での安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎをセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎ（Ｖｒｅｆ＿ｎからオフセットにある）と比較して、コマンドＶｘ＿ｎを制御し、負荷電流ＩＬを変動させるために、負荷端子でのＶｒｅｇ＿ｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を維持する。マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、Ｉｏｕｔ＿ｎを指示する電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを検知して、Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれてＶｒｅｇ＿ｎが低下するようにＶｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを制御して複数の電源の間での負荷電流の共有（共通ドループシェア）を容易にし、電源間の電流不平衡Ｉｂを低減させるように指定された値をＩｏｕｔ＿ｎが下回る場合に高い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令し、Ｉｏｕｔ＿ｎが指定された値を上回る場合に低い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令し、Ｖｏｕｔの安定度を向上させるように構成される。コントローラは、負である低い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令して定常状態中にＺｅｘｔ＿ｎを部分的に打ち消し、安定度を最適化し得る。

【0020】

実施形態では、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎ、スイッチング周波数及び電圧基準Ｖｒｅｆ＿ｎに応答して、電流基準、ゲインコマンド、フィルタコマンド及びセットポイントコマンドを生成するための係数生成器コントローラ（ＣＧＣ）を含む。電流誤差アンプは、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを電流基準と比較して誤差信号を発生させて、ゲインコマンドに応答してプログラマブルゲインアンプは高い値及び低い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令して誤差信号を増幅し、フィルタコマンドに応答してフィルタは増幅された誤差信号をフィルタリングして出力インピーダンス制御ループの帯域幅を、Ｖｒｅｇを制御する負のフィードバックループの帯域幅より小さくするように制限し、フィルタリングされ増幅された誤差信号及びセットポイントコマンドに応答してアンプはセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを発生させるため、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎが電流基準よりも大きい場合、セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎが低下する。フィルタコマンドは、出力インピーダンス制御ループの帯域幅がＶｒｅｇを上下に制御する負のフィードバックループの帯域幅を追跡して、サポートされる負荷電流の範囲にわたってパフォーマンスをよりよく最適化するように好ましくは生成される。

【0021】

電力コンバータは、パッシブまたは同期整流型電力コンバータとして実装され得る。パッシブ整流型電力コンバータは、ダイオードが電流をシンクしても、またはソースしてもよいが、両方を実行し得ない単一象限コンバータである。スタートアップか定常状態かいずれかの間、Ｉｏｕｔ＿ｎのレベルが低い場合、これは、１つの電力コンバータが負荷電流の１００％を供給し、その他の電力コンバータがオフになることに現れることがある。Ｉｏｕｔ＿ｎのレベルが低い場合にＺｅｆｆ＿ｎを高い値にスイッチングすると、Ｉｏｕｔ＿ｎ及びＩＬのレベルが低い場合でも、好ましくはサポートされる負荷電流の全範囲にわたって、すべての電力コンバータ間で負荷電流の共有が強制される。Ｉｏｕｔ＿ｎが十分に大きい場合（及びＶｒｅｇ＿ｎが十分に安定化される場合）、Ｚｅｆｆ＿ｎを低レベルにスイッチングすると、定常状態安定度が向上する。同期整流型電力コンバータは、アクティブスイッチ（同期整流器）が電流をシンクしても、またはソースしてもよい２象限コンバータである。スタートアップか定常状態かいずれかの間、Ｉｏｕｔ＿ｎのレベルが低い場合、これは循環電流Ｉｃが電源間に流れることに現れることがある。Ｉｏｕｔ＿ｎのレベルが低い場合にＺｅｆｆ＿ｎを高い値にスイッチングすると、Ｉｃが最小になる。Ｉｏｕｔ＿ｎが十分に大きい場合（及びＶｒｅｇ＿ｎが十分に安定化される場合）、Ｉｃがほぼゼロである（例えば、無負荷時にＩｏｕｔ＿ｎ＞２^＊Ｉｃの場合）低レベルにＺｅｆｆ＿ｎをスイッチングすると、定常状態安定度が向上する。パッシブ整流の場合、電流不平衡Ｉｂは、各電源が供給する負荷電流の量の差である。同期整流の場合、電流不平衡Ｉｂは循環電流Ｉｃである。

【0022】

スタートアップ時に、各コントローラは、同期開始コマンドに応答してスタートアッププロシージャを実装し、コマンドＶｘ＿ｎを生成し、電圧Ｖｃ＿ｎ、つまり安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎをセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎの初期開始値（例えば、ゼロボルト）から初期値までランプアップするが、スタートアップ期間中に高い値から低い値に移行させるようにＺｅｆｆ＿ｎを命令する。好ましくは、Ｎ個の電力コンバータは、Ｖｃ＿ｎのランプアップを同期するために共通の同期開始コマンドを受信する。「ランプ」は線形、ステップシーケンス、またはより高次の関数であってもよい。Ｚｅｆｆ＿ｎの遷移部は、ステップ、ステップシーケンス、区分線形もしくは線形またはより高次の関数であってもよい。スタートアップが制御されるため、遷移部はＩｏｕｔ＿ｎの値の代わりとしてスタートアップ期間にわたる時間に結び付けられてもよい。代わりに、コントローラは、Ｉｏｕｔ＿ｎを指示するＩｓｅｎｓｅ＿ｎの関数として遷移部を実行してもよい。

【0023】

定常状態時に、コマンドＶｘ＿ｎを生成し、Ｖｃ＿ｎを制御してＶｏｕｔの安定度を制御するが、Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれてＺｅｆｆ＿ｎが低減するようにＩｓｅｎｓｅが変化するにつれて、Ｉｓｅｎｓｅに応答してＺｅｆｆ＿ｎを、高い値と低い値との間で移行させるように命令し、共有を強制し、低レベルの負荷電流での電流不平衡を減少させて、高レベルの負荷電流での安定度を向上させる。Ｚｅｆｆ＿ｎの遷移部は、ステップ、ステップシーケンス、区分線形もしくは線形またはより高次の関数であってもよい。

【0024】

実施形態では、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、スタートアッププロシージャと定常状態プロシージャとの両方を実装して、電流不平衡を低減させて、負荷安定度を維持するように構成可能である。

【0025】

実施形態では、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、モード入力を介して、スタートアップ及び定常状態中に電流不平衡を減少させるためにマスタレス構成のＮ個の並列接続型電力コンバータの制御か、サポートされる負荷電流の範囲にわたって負荷安定度を最適化するための単一電力コンバータの制御かいずれかを実装するように構成可能である。

【0026】

本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、添付の図面と併せた、好ましい実施形態の次の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】上述のように、マスタレス構成の並列接続型電源が共通の負荷部に電流を供給する安定化電源を示す。

【図2】上述のように、一対の並列接続型電源を示し、各電源は電力コンバータ、固定出力インピーダンスを維持して安定度を向上させるための負のフィードバックループ、及び負荷端子に接続された外部インピーダンスを含む。

【図3】上述のように、並列接続型電源間で負荷電流の共有を容易にするための共通ドループシェア特性を示す、出力電圧Ｖｏｕｔ対負荷電流Ｉｌｏａｄのプロットである。

【図4】上述のように、電力コンバータがアクティブにスイッチングされるスタートアップ中、アクティブスイッチング型電力コンバータ間の循環電流Ｉｃを示すプロットである。

【図5】上述のように、定常状態中、アクティブスイッチング型電力コンバータ間の循環電流Ｉｃを示すプロットである。

【図6】各電源が電力コンバータ、負のフィードバックループを含む本発明の実施形態を示し、負のフィードバックループは可変出力インピーダンスを制御して電源間の電流不平衡を低減させて、定常状態安定度を向上させる。

【図7】異なる実効出力インピーダンスを指示するＶ／Ｉ平面における複数の負荷安定度の傾きのプロットである。

【図8】可変出力インピーダンスを制御するためのマルチスロープ出力インピーダンスコントローラの実施形態を示す。

【図9】スタートアップ中のアクティブスイッチング型電力コンバータ間の循環電流Ｉｃを示すプロットであり、スタートアップ期間にわたって、出力インピーダンスが高レベルと低レベルとの間で変動し、最初にＩｃを抑制してから、安定度を向上させる。

【図10】定常状態中のアクティブスイッチング型電力コンバータ間の循環電流Ｉｃを示すプロットであり、出力インピーダンスは出力電流の関数として高レベルと低レベルとの間で変動し、電流レベルが低い場合にＩｃを抑制し、電流レベルが高い場合に安定度を向上させる。

【図11】単一電源に最適な安定度をもたらすようにマルチスロープ出力インピーダンスコントローラを構成する能力を示す、出力電圧Ｖｏｕｔ対負荷電流ＩＬのプロットである。

【図12】一次側安定度及びパッシブ整流によるフライバック電力コンバータの実施形態である。

【図13】一次側安定度及び同期整流によるフライバック電力コンバータの実施形態である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

本発明は、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラを提供し、このマルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、電力コンバータの実効インピーダンスＺｅｆｆを変動させて、Ｎ個の並列接続型電源のマスタレス構成では電源間の電流不平衡を低減させるが、スタートアップ及び定常状態動作中に負荷安定度を維持することができる。概して、コントローラは、Ｉｏｕｔ＿ｎが低い場合、高い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令し、電流共有を容易にし、電流不平衡Ｉｂを低減させ、Ｉｏｕｔ＿ｎが高い場合、低い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令して、負荷安定度を向上させる。

【0029】

ここで図６を参照すると、安定化電源６００の実施形態は、負荷端子６０４に接続された共通負荷部６０２に電力（例えば、安定化出力電圧Ｖｏｕｔでの負荷電流ＩＬ）を供給するように構成される。電源６００は、負荷端子６０４に並列で電力を供給するように構成されたマスタレス構成での複数のＮ個の並列接続型電源６０６を含む。各電源は、電力コンバータ６０８、コンバータ出力電圧の安定度を維持するための負のフィードバックコントローラ６１０、及びドループシェアを実装してＮ個の電力コンバータ間での電流共有を容易にし、実効出力インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎを変動させて不平衡電流を低下させ、負荷安定度を向上させるためのマルチスロープ出力インピーダンスコントローラ６１２を含む。

【0030】

各電力コンバータ６０８は従属ソース６１４として示され、この従属ソース６１４では、コマンド電圧Ｖｘ＿ｎは、ゲインで乗算されて制御可能な電圧Ｖｃ＿ｎを発生させて、開ループ出力インピーダンスＺ＿ＯＬによって特徴付けられる。α＿ｎ従属ソースではエネルギー源Ｖｉｎの存在が推定される。電圧Ｖｃ＿ｎを実効出力インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎの両端に印加し、外部出力インピーダンスＺ＿ｅｘｔ＿ｎを介して負荷端子６０４に結合される出力部に出力電流Ｉｏｕｔ＿ｎを供給する。総出力インピーダンスは次のとおりである：Ｚｏｕｔ＿ｎ＝Ｚｅｆｆ＿ｎ＋Ｚｅｘｔ＿ｎ

【0031】

負のフィードバックコントローラ６１０は、負のフィードバックループを設けるように構成され、負のフィードバックループでは、出力部の安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎはセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎと比較されてコマンドＶｘ＿ｎを制御し、負荷電流ＩＬを変動させるためにＶｒｅｇ＿ｎ及び負荷端子の出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を維持する。出力電圧Ｖｒｅｇ＿ｎを制御する負のフィードバックループの帯域幅は、負荷電流、Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔ及びスイッチング周波数によって変動し得、これらはモデル化されることか測定されることかいずれかができる。一般に、負荷電流が低下するにつれて帯域幅が低下し得る。

【0032】

マルチスロープ出力インピーダンスコントローラ６１２は、Ｉｏｕｔ＿ｎを指示する電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを検知して、Ｉｏｕｔ＿ｎが増加するにつれてＶｒｅｇ＿ｎが低下するようにＶｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎを制御して複数の電源の間での負荷電流の共有（例えば、共通ドループシェア）を容易にし、電源間の電流不平衡Ｉｂを低減させるように指定された値をＩｏｕｔ＿ｎが下回る場合に高い値のＺ＿ｅｆｆ＿ｎを命令し、Ｉｏｕｔ＿ｎが指定された値を上回る場合に低い値のＺ＿ｅｆｆ＿ｎを命令して、出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を向上させるように構成される。「指定された値」は、Ｉｏｕｔ＿ｎの実際の閾値であってもよく、または制御されたスタートアップの進行を指示する時間などのプロキシであってもよい。後述されるように、コントローラは、図６に示されるような並列接続型構成または単一デバイスとして使用されるための電力コントローラを構成するためのモード入力、Ｎ個の電力コンバータのスタートアップを同期させるためのｓｔａｒｔ＿ｓｙｎｃ入力、スタートアップの際にコンバータ出力電圧をランプアップするための入力を受信するｓｏｆｔ＿ｓｔａｒｔ＿１入力、及び電力コンバータのスイッチング周波数に応答する周波数入力を受信し得る。

【0033】

図７は、異なる電圧安定度（指示された傾きＳ１、Ｓ２、Ｓ３である（Δｖ／Δｉ）を生成する異なるＺｅｆｆ値（正、正未満及び負）を有する電圧／電流（Ｖ／Ｉ）平面のプロットである。一般に、Ｓ１は大きい負の傾き（高い正のＺｅｆｆ）を有し、この傾きは、電源スタートアップの早期段階中または負荷電流が低い間など、ＩＬ及びＩｏｕｔ＿ｎが小さい場合、ドループシェアを容易にし、電流不平衡を最小にするのに有用である。Ｓ２はより小さい負の傾き（より小さい正のＺｅｆｆ）を有し、この傾きは負荷安定度が向上する場合に、または負荷電流が増加する場合に共有を維持するのに有用である。Ｓ３は正の傾き（負のＺｅｆｆ）を有し得、この傾きは、外部出力インピーダンスＺｅｘｔを打ち消し、定常状態時の負荷安定度を最適化し得る。

【0034】

ここで図８を参照すると、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラ８００の実施形態には、係数生成器コントローラ８０２が含まれ、検知電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎ、検知入力電圧（これからＩｏｕｔ＿ｎを計算することができる）、及びＩｏｕｔ＿ｎを計算することができるスイッチング周波数の関数として実効出力インピーダンスＺｅｆｆ＿ｎを駆動する。コントローラは、図７に示されるように複数のドループシェアの傾きになる、コントローラのコマンドセットポイントの関数として変動するＺｅｆｆ＿ｎを生成する。

【0035】

コントローラ８００には、ＣＧＣ８０２が含まれ、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎ、入力電圧センス、スイッチング周波数、及び電圧基準Ｖｒｅｆ＿ｎに応答して、電流基準、ゲインコマンド、フィルタコマンド及びセットポイントコマンドを生成する。電流誤差アンプ８０４は、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを電流基準と比較して、誤差信号８０６を発生させる。プログラマブルゲインアンプ８０８は、ゲインコマンドに応答して高い値及び低い値のＺｅｆｆ＿ｎを命令し、誤差信号を増幅する。一般に、正のＺｅｆｆが大きいほど、それに対応するゲインが高くなる。負のゲインを使用して負のＺｅｆｆを設定することができる。フィルタ８１０は、フィルタコマンドに応答して増幅された誤差信号をフィルタリングし、出力インピーダンス制御ループの帯域幅を、Ｖｒｅを制御する負のフィードバックループの帯域幅よりも小さくするように制限して、出力インピーダンスコントローラの所望の応答及び安定性を達成する。好ましい実施形態では、ＣＧＣは、出力インピーダンス制御ループの帯域幅が負のフィードバックループの帯域幅を上下に追跡するようにフィルタコマンドを生成するため、出力電圧帯域幅に干渉することなくインピーダンス帯域幅を可能な限り高くしてパフォーマンスを最適化する。アンプ８１２は、フィルタリングされ増幅された誤差信号及びセットポイントコマンドに応答して、セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎにオフセットを発生させるため、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎが電流基準より大きい場合、セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎが低下する。コントローラは、アナログ機能、デジタルハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせによって実装され得る。

【0036】

ここで図９を参照すると、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラのそれぞれは、図６に示されるような同期開始コマンドに応答してスタートアッププロシージャを実装し、コマンドＶｘ＿ｎを生成し、電圧Ｖｃ＿ｎ、つまり安定化電圧Ｖｒｅｇ＿ｎをセットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎの初期開始値から初期値までランプアップするが、スタートアップ期間中に高い値９００から低い値９０２に移行させるようにＺｅｆｆ＿ｎを命令する。スタートアップ期間中にランプを駆動する関数は、コントローラのＳｏｆｔ＿Ｓｔａｒｔ＿ｎ入力に適用される。この関数は、線形、区分線形、ステップ関数、または初期値（例えば、０ボルト）から開始し、最終セットポイント電圧で終了するより高次の関数であってもよい。示されるように、例示的なランプ関数は線形である。好ましい実施形態では、Ｓｔａｒｔ＿ｓｙｎｃ入力はすべてのコントローラに一斉に結び付けられるため、すべての電力コンバータは出力電圧のランプアップを開始し、電圧Ｖｃ＿ｎ間の差が縮小する。例えば、各電力コンバータは、ｅｎａｂｌｅコマンドをハイまたはローにスイッチングして、電力コンバータの準備ができたことを指示する。最後のものが有効になると、すべての電力コンバータはスタートアップを開始する。

【0037】

開始時、そして電力コンバータのすべての出力電圧が適切に安定化されるまで、出力電圧Ｖｃ＿１とＶｃ＿２との差９０４は大きくなることができるため、電流不平衡が深刻になる可能性がある。同期整流型構成では、これにより循環電流Ｉｃ９０６は電力コンバータ間に流れる。したがって、コントローラは、プログラム可能なゲインを非常に高いレベルまで調整し、Ｚｅｆｆに高い値９００を設定し、Ｉｃ９０６を駆動してゼロａｍｐｓに近づける。スタートアップの進行時、Ｉｏｕｔ＿ｎは増加し、セットポイント９０８を超える。これは、Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎを直接監視することによって、または制御されたスタートアッププロシージャの設計を介して決定され得る。ランプ関数がわかれば、スタートアップ期間にわたって十分な正確度及び信頼性でＩｏｕｔ＿ｎを計算することができ、Ｉｏｕｔ＿ｎセットポイントをスタートアッププロシージャの進行または特異的な時間にマッピングすることができる。好ましくは、セットポイントは、無負荷状態時にＩｏｕｔ＿ｎ＞２^＊Ｉｃの値に対応する。この状態が満たされると、循環電流Ｉｃの誘導を懸念することなく、Ｚｅｆｆをローにスイッチングすることができる。

【0038】

この特定の例では、Ｚｅｆｆ＿ｎはその高い値から低い値に直接スイッチングしないが、セットポイント９０８にまたがる、高い値から低い値への遷移部９１０に従う。Ｚｅｆｆ＿ｎの高い値と低い値との間の遷移部は、特定の実装に応じて、単一ステップ、ステップシーケンス、線形遷移もしくは線形またはより高次の関数であることができる。スタートアップが完了すると、各電力コンバータは、例えば定常状態に入るためにその範囲の中央で負荷電流を供給するのに十分な、公称Ｉｏｕｔ＿ｎ値を与える。各コンバータの出力電圧はかなり適切に安定化され、電流レベルはサポートされている範囲内にある。この時点で、コントローラはプログラム可能なゲインを低レベル、場合によっては負の値に調整し、Ｚｅｆｆに低い値９０２を設定して、定常状態の動作中に負荷安定度を向上させる、または最適化する。負のＺｅｆｆ＿ｎは、Ｚｅｆｆ＿ｎの正の値を部分的に打ち消し、より小さい正の出力インピーダンスＺｏｕｔ＿ｎを生成するが、それでも最適な負荷安定度による負荷電流の共有を容易にするのに十分である。

【0039】

パッシブ整流型電力コンバータの場合、スタートアップのオンセット時にＺｅｆｆ＿ｎを高い値に設定し、スタートアップの完了時に低い値にスイッチングするという同じプロシージャに従う。オンセット時にＺｅｆｆ＿ｎの高い値を有することの望ましい効果は、低レベルのＩｏｕｔ＿ｎでドループシェアを実装するため、電力コンバータがスタートアッププロシージャのかなり早い段階で負荷電流を共有し始めることで、電源の全体的な信頼性及び効率が向上することである。スタートアップの完了時にＺｅｆｆ＿ｎが低い値であると、定常状態の動作の間の負荷安定度が向上する。

【0040】

ここで図１０を参照すると、各マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、定常状態中にＩｏｕｔ＿ｎ及び負荷電流ＩＬのインジケータとしてセンス電流Ｉｓｅｎｓｅ＿ｎに応答する。負荷部の両端の出力電圧Ｖｏｕｔ１０００、総出力インピーダンスＺｏｕｔ＿１ １００２及びＺｏｕｔ＿２ １００３、出力電流Ｉｏｕｔ＿１ １００４及びＩｏｕｔ＿２ １００５、ならびに循環電流１００６が負荷電流ＩＬのレベルに対してプロットされる。同期整流の場合、無負荷時にＩｏｕｔ＜２^＊ＩＣであると、Ｖｃ＿１とＶｃ＿２とのいずれかの差によって循環電流１００６が発生する。定常状態では、この差はスタートアップ中よりもはるかに小さくなるため、Ｉｃもはるかに小さくなるが、それでも望ましくない。したがって、コントローラは、小さい負荷電流の間の循環電流Ｉｃを最小にするために、Ｚｅｆｆ＿１及びＺｅｆｆ＿２、つまりＺｏｕｔ＿１及びＺｏｕｔ＿２に高い値１００８を命令する。Ｉｃを除去するために負荷安定度が犠牲になる可能性があるが、必要な安定度内に留まる。負荷電流がセットポイント１０１０を上回る場合、コントローラは負荷安定度を向上させるために、Ｚｅｆｆ＿１及びＺｅｆｆ＿２、つまりＺｏｕｔ＿１及びＺｏｕｔ＿２に低い値１０１２を命令する。示されるように、Ｚｏｕｔがローにスイッチングされると、負荷線１０００の傾きは平坦になり、負荷安定度が向上したことを指示する。Ｚｅｆｆ＿ｎの高い値は負であり得ると、Ｚｅｘｔ＿ｎの正の値が部分的に打ち消され、安定度が最適化され得る。Ｚｅｆｆ＿ｎの高い値と低い値との間の遷移部は、特定の実装に応じて、単一ステップ、ステップシーケンス、線形遷移もしくは線形またはより高次の関数であることができる。示されるように、最大電流Ｉｏｕｔ＿ｎに寄与している電力コンバータ（ここではコンバータ２）は最初にローにスイッチングする。同期整流器の場合、セットポイントは電力コンバータごとにＩｏｕｔ＝２^＊ＩＣの無負荷時に設定されることができる。そのポイントより下では、Ｉｃを最小にするためにＺｅｆｆ＿ｎをハイに留める必要がある。そのポイントより上では、Ｉｃはほぼゼロであるため、Ｚｅｆｆ＿ｎをローにスイッチングすることができる。Ｚｅｆｆ＿ｎの低い値は、既知の動作点におけるコンバータのＶｃ＿ｎ電圧の既知の電位変動内での共有を確保するのに十分でなければならない。

【0041】

マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、電力コンバータのスタートアップと定常状態との両方の動作をサポートするために固定されたＺｅｆｆを選択する必要があるシングルスロープ出力インピーダンスコントローラよりも全体的により良いパフォーマンスを達成する。マルチスロープ出力インピーダンスコントローラは、低レベルのＩｏｕｔで、従来技術の固定されたＺｅｆｆよりも高い、高い値のＺｅｆｆを命令することで、電源間の電流不平衡を低減させるという望ましい効果が得られる。パッシブ整流型コンバータの場合、これは、スタートアップと定常状態との両方の間、コンバータが負荷電流をより低いレベルで共有するように強制するという望ましい効果を有する。同期整流型コンバータの場合、これは、スタートアップと定常状態との両方の間、循環電流を実質的に除去するという望ましい効果を有する。すべての場合において、定常－定常状態時の負荷電流の通常の動作範囲内に、コントローラは、従来技術の固定されたＺｅｆｆよりも低い、低い値のＺｅｆｆを命令し、負荷安定度を向上させる。コントローラは、負荷安定度を最適化するためにＺｅｆｆを負に駆動してもよい。

【0042】

図６に戻り参照すると、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラには、モード入力が含まれ、コントローラを、Ｎ個の並列接続型電力コンバータのマスタレス構成で使用しているか、単一電力コンバータと使用しているかをコントローラに伝えるコマンド（例えば、０／１）を受信する。前者の場合、コントローラは、スタートアップ及び定常状態プロシージャを実装し、高レベル及び低レベルのＺｅｆｆ＿ｎを設定して電流不平衡を低減させ、負荷安定度を向上させるが、すべての電力コンバータ間で負荷電流の共有を容易にする。後者の場合、コントローラは、プログラマブルゲインアンプに負のゲインを命令してＺｅｆｆを負の値に設定し、Ｚｅｘｔの正の値を大幅に打ち消して、出力電圧Ｖｏｕｔの安定度を最適化する。図１１に示されるように、負のＺｅｆｆが正のＺｅｓｔを打ち消す負荷線１１００はほぼ平坦であり、負荷電流のサポートされる範囲にわたって最適化された負荷安定度を指示する。比較すると、ＺｅｆｆがＮ個の並列接続型電力間の共有を強化するために選択された正の値であった負荷線１１０２は、最適でない負荷安定度を指示する明確な負の傾きを有する。重要なのは、基本的な制御アルゴリズムを変更することなく、マルチスロープ出力インピーダンスコントローラがＮ個の並列接続型電力コンバータまたは単一電力コンバータのいずれにも使用されることができるということである。コントローラは、スイッチングモードまたは線形モードのあらゆるタイプのコンバータトポロジに使用されてもよい。

【0043】

図１２は、一次側安定度及びパッシブ整流によるフライバックコンバータ１２００の実施形態を示す。フライバックコンバータは、アクティブスイッチＳ１がスイッチコントローラ１２０２によってオンに命令されている間、トランスＴ１にエネルギーを蓄積する。Ｔ１の巻線のドット極性により、Ｓ１がオンである場合、負荷部Ｃ１の両端の出力電圧Ｖｏｕｔ及びセンスＶｓｅｎｓｅ巻線整流器（それぞれＤ１及びＤ２）の両方は逆バイアスをかけられるため、エネルギーを導電しない。コンバータのＶｏｕｔは、従属ソースモデルの制御可能な電圧Ｖｃ＿ｎに相当する。スイッチコントローラによってＳ１がオフに命令されると、Ｔ１に蓄積されたエネルギーにより巻線電圧が反転される。この状態では、整流器Ｄ１及びＤ２は導電する。ドット極性により、電圧ＶｓｅｎｓｅはＶｏｕｔに比例している。例えば、Ｔ１のＶｏｕｔ巻線とＶｓｅｎｓｅ巻線との巻数比が１であった場合、ＶｓｅｎｓｅはＶｏｕｔに等しくなる。負のフィードバックコントローラ１２０４は電圧Ｖｓｅｎｓｅを検知し、スイッチコントローラ１２０２のデューティサイクルを調整して、コンバータを所望のセットポイントに安定化させる。マルチスロープ出力インピーダンスコントローラ１２０６は、セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔを制御して、前述のように実効出力インピーダンスＺｅｆｆを変動させる。

【0044】

図１３は、同期整流による一次側安定度を有するフライバックコンバータ１３００を示す。この場合、基本的な動作は同一であるが、パッシブ整流器（Ｄ１）はアクティブスイッチ（Ｓ２）に置換され、スイッチコントローラ１３０２は、Ｓ１を駆動する信号とは反転した制御信号をＳ２に与えるように変更される。アクティブ整流器を追加することにより、図１３のコンバータ１３００は電流をシンクすることも、ソースこともできる。負のフィードバックコントローラ１３０４及びマルチスロープ出力インピーダンスコントローラ１３０６は、前述のように機能し、セットポイント電圧Ｖｓｅｔｐｏｉｎｔを制御して実効出力インピーダンスＺｅｆｆを変動させ、コンバータを所望のセットポイントに安定化させる。

【0045】

本発明の幾つかの例示的な実施形態が示され説明されたが、当業者は多数の変形例及び代替の実施形態を考えつくであろう。そのような変形例及び代替の実施形態が企図されており、添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく作られ得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【国際調査報告】