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公開番号2019205329
公報種別公開特許公報(A)
公開日20191128
出願番号2018109038
出願日20180521
発明の名称電力変換回路及び電源装置
出願人個人
代理人
主分類H02M 3/00 20060101AFI20191101BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】発電素子の開放出力電圧が高い場合でも電源回路の製造コストを下げる。
【解決手段】電力変換回路7Aは、発電素子6Aの出力電力を入力し、測定装置4の電力を供給する。電力変換回路7Aは、発電素子6Aに接続される保護回路71Aと、発電素子6Aと測定装置4に接続される蓄電回路72Aを有する。制御回路73Aは、発電素子6Aの発生電力を蓄電回路72Aに取り入れ、蓄電同路72Aに取り入れたエネルギーを測定装置4に供給する。さらに、制御回路73Aは、発電素子6Aの発生電圧が所定の電圧を超えようとしたときに、保護回路71Aを動作させて蓄電回路72Aを保護する。保護回路71Aの出力抵抗は、発電素子6Aの出力抵抗より小さい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
発電素子から得られる電力を直流電力に変換する電力変換回路であって、
前記発電素子から発生したエネルギーを蓄電する蓄電回路と、
前記発電素子の出力電圧を第一の所定電圧より低い電圧に制御する保護回路と、
前記発電素子の出力電圧が第一の所定電圧を超えようとしたときに、前記保護回路を動作させる制御回路と、を有する電力変換回路。
続きを表示(約 530 文字)【請求項2】
発電素子と前記発電素子から得られる電力を直流電力に変換する電力変換回路を含む電源装置であって、
前記発電素子から発生したエネルギーを蓄電する蓄電回路と、
前記発電素子の出力電圧を第一の所定電圧より低い電圧に制御する保護回路と、
前記発電素子の出力電圧が第一の所定電圧を超えようとしたときに、前記保護回路を動作させる制御回路と、を有する電源装置。
【請求項3】
請求項2に記載の電源装置であって、前記保護回路は前記発電素子の出力電圧を短絡することを特徴とする電源装置。
【請求項4】
請求項2に記載の電源装置であって、前記第一の電圧は前記発電素子の開放電圧の1/2より低いことを特徴とする電源装置。
【請求項5】
請求項2に記載の電源装置であって、前記蓄電回路は、前記発電素子の出力端子と選択的に接続する第一端子と、前記電源装置の出力端子と選択的に接続する第二端子と、を有する第一のキャパシタを有する電源装置。
【請求項6】
請求項2に記載の電源装置であって、前記保護回路の出力抵抗は、前記発電素子の出力抵抗より小さいことを特徴とする電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換回路及び電源装置に関する。
続きを表示(約 9,500 文字)【背景技術】
【0002】
今まで利用されることがなかった環境エネルギーを活用する技術が注目されている。このような技術は、エネルギー・ハーベスティングと呼ばれる。非特許文献1は、エネルギー・ハーベスティングに関する基本的なシステムを開示する。当該システムは、マイクロエネルギートランスデューサと、周波数変換器と、制御装置と、アプリケーションユニットと、を有する。マイクロエネルギートランスデューサによって環境エネルギーが電力に変換される。当該電力は、周波数変換器によって所望の電圧や周波数に変換される。そして、センサといったアプリケーションユニットは、周波数変換器から提供される電力を受けて、所望の動作を行う。発電素子の出力電力は、発電素子の開放電圧の1/2の動作点で最大になる。制御装置は、これらの要素につき必要な制御動作を行う。非特許文献2は、発電電圧が5−60Vの時に高い電力変換効率で2−5Vを出力する電源回路技術を開示する。特許文献1は、発電用振動圧電素子を開示する。特許文献1は、発電用振動圧電素子の出力抵抗に注目し、負荷側に対して良好にインピーダンスを調整する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2002−315362号公報
【非特許文献】
【0004】
チャオ・ルー 他 著(Chao Lu,Vijay Raghunathan,and Kaushik Roy)、「マイクロスケールエナジーハーベスティングシステムに関する効率設計(Efficient Design of Micro−Scale energy Harvesting Systems)」、アイ・トリプル・イー、ジャーナル オン エンジニアリング アンド セレクテッド トピックス イン サーキッツ アンド システムズ(IEEE JOURNAL ON EMERGING AND SELECTED TOPICS IN CIRCUITS AND SYSTEMS)、(アメリカ合衆国)、アイ・トリプル・イー(IEEE)、2011年9月、No.3、Vol.1、pp.254−266。
【0005】
ステファノ・スタンツィオーネ 他 著(Stefano Stanzione,Chris van Liempd,Rob van Schaijk,Yasuyuki Naito,Refet Firat Yazicioglu,Chris van Hoof)、「5V〜60Vの入力電圧時に88%の変換効率を実現するMPPTアルゴリズム搭載のDC−DC降圧回路(A Self−Biased 5−to−60V Input Voltage and 25−to−1600μW Integrated DC−DC Buck Converter with Fully Analog MPPT Algorithm Reaching up to 88% end−to−end Efficiency)」、インターナショナル ソリッド―ステート サーキッツ カンファレンス(International Solid−State Circuits Conference)、(アメリカ合衆国)、アイ・トリプル・イー(IEEE)、2013年2月、4.6、pp.74−75。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
非特許文献1が示すように、エネルギー・ハーベスティング用の発電素子には、太陽光から光電変換を行うもの、温度勾配から熱電変換を行うもの、振動エネルギーから誘導あるいは圧電あるいは静電により発電を行うもの、などが知られている。出力電圧に対する出力電流が線形である場合には、発生電力最大の点は発電素子のオープン電圧の1/2にあることが理論的によく知られている。また、発電素子による発電量は、環境から得られるエネルギーの大きさに依存するが示されている。例えば、熱電発電素子に入力する温度勾配量が多い場合、あるいは静電発電素子に入力する振動の大きさが大きい場合、発生するオープン電圧は標準CMOSの耐圧(例えば5V)を超えてしまう。そのため、非特許文献2が示すように、高耐圧トランジスタを集積化しておいて、このトランジスタによって電力変換回路を設計する必要がある。結果として、集積回路の製造コストが高いという問題がある。
【書類名】
0007日
【書類名】
課題を解決するための手段
【書類名】
発明の効果
【図面の簡単な説明】
【0017】
図1は、実施形態の電力変換回路を用いたセンサ装置の構成を示す図である。
図2は、別の実施形態の電力変換回路を用いたセンサ装置の構成を示す図である。
図3の(a)部は蓄電回路の構成を示す図であり、図3の(b)部は制御回路の一部の構成を示す図であり、図3の(c)部は交流発電素子と整流回路の構成を示す図であり、図3の(d)部は保護回路の構成を示す図である。
図4は、図3に示された各回路の動作の詳細を示す図である。
図5の(a)部は別の実施形態の電力変換回路を用いた電源装置の構成を示す図であり、図5の(b)部は、別の実施形態の保護回路と蓄電回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0019】
<第1実施形態>
農業、工業、商業の一層の効率化、高齢化及び人口減少などの社会の変動に対応するために、あらゆるモノにセンサと情報通信回路とを搭載し自律的に情報収集を行ういわゆるIoT(Internet Of Things)に注目が集まっている。IoTは、室内室外を問わず、温度、圧力、振動、化学物質、交通量などの環境変数を自律的にセンサでモニタリングし、インターネットを介してそれらの測定データをクラウドに転送するシステムである。収集されたデータは、ビッグデータとして解析がなされ、異常が検出された場合、或いは、対応が必要な状態となった場合に、モニターされた対象にフィードバックを返す。このように、IoTでは、モノ同士が基本的には人間を介さずに情報収集、情報伝達、フィードバックを行う。このうち、IoT用集積回路システムは、環境変数を測定し、情報をインターネットに送信する端末におけるキーデバイスである。電力が供給されない場所でも自律的にIoT端末機能を有するので、環境エネルギーを収集して集積回路システムの電力をまかなう、いわゆるエネルギー・ハーベスティング技術が検討されている。特に、太陽光、熱、振動、電波などから電力を取り出す個別の回路システムの研究が盛んである。
【0020】
図1に示されるように、実施形態に係る電源装置1Aは、センサ装置2に用いられる。センサ装置2は、IoTを構成する装置である。
【0021】
センサ装置2は、アンテナ3を介してインターネット100と接続されており、インターネット100を介して収集したデータをクラウド101といった別のシステムへ送信する。また、センサ装置2は、インターネット100を介して計測用プログラムといった種々のデータを受信する。
【0022】
センサ装置2は、電源装置1Aと、測定装置4と、を有する。測定装置4は、測定対象物110における温度、湿度或いは振動周波数といった種々の環境データを収集する。そして、測定装置4は、当該データを送信すると共に外部からデータを受信する。例えば、測定装置4は、センサ4Aと、デジタル回路4Bと、メモリ回路4Cと、通信回路4Dと、を有する。
【0023】
電源装置1Aは、測定装置4を駆動するための電力を供給する。つまり、電源装置1Aは、測定装置4を構成するセンサ4A、デジタル回路4B、メモリ回路4C及び通信回路4Dの動作に要する電力を供給する。ここで、電源装置1Aは、いわゆるバッテリといった予め電力を蓄えた装置ではなく、外部から供給されるエネルギー(例えば熱エネルギー)を変換して電力を得る。従って、電源装置1Aは、エネルギー源102Aから熱エネルギーが供給されている限り、センサ装置2へ電力を供給し続ける。センサ装置2は、エネルギー源102Aを設置した後は、エネルギー源102Aの熱エネルギーを利用して駆動し続ける。すなわち、センサ装置2は、バッテリ交換を行う必要がない。
【0024】
電源装置1Aは、エネルギー源102A(電力源)と、電力変換回路7Aと、を有する。発電素子6は、エネルギー源102Aの熱エネルギーを電力に変換する。この電力は、直流である。そして、電力変換回路7Aは、直流電力を測定装置4の駆動に利用可能な直流電力に変換する。
【0025】
発電素子6Aは、エネルギー源102Aの熱エネルギーを受け入れて、直流電力を発生させる。例えば、発電素子6Aは、熱電現象を利用するものである。発電素子6Aは、二端子間の温度差に比例した大きさの電力を発生する。従って、発電素子6Aは、二端子間の温度差が大きくなるほど大きな電力を発生する。
【0026】
発電素子6Aは、太陽光などの光のエネルギーを光電現象によって電気エネルギーに変換する発電素子であってもよい。
【0027】
電力変換回路7Aは、発電素子6Aに対して電気的に接続される。また、電力変換回路7Aは、測定装置4に対して電気的に接続される。電力変換回路7Aは、上述したように、発電素子6Aから出力される直流電力を、測定装置4の仕様に応じた直流電力に変換する。つまり、電力変換回路7Aは直流電圧を出力する。測定装置4は、回路の暗転動作のため入力電圧Vintが比較的安定している必要がある。例えば標準電圧が3Vであれば、温度変動があっても+/−10%、つまり2.7Vから3.3Vの間に制御されなければならない。一方、発電素子6Aの出力電圧Vextは温度差によって、例えばオープン電圧が3Vから60Vになることもあり得る。
【0028】
以下、電力変換回路7Aについて詳細に説明する。
【0029】
電力変換回路7Aは、機能的には、保護回路71Aと、蓄電回路72Aと、制御回路73Aと、を有する。保護回路71Aは、電力変換回路7Aへの入力電圧Vextを所定電圧以上にならないようにすることによって、蓄電回路72Aを静電破壊から保護する。蓄電回路72Aは、電力変換回路7Aへ入力された電力を所定の電圧で保持する。制御回路73Aは、電力変換回路7Aへの入力電圧Vextと蓄電回路72Aの出力電圧Vintを所定の電圧範囲内になるように、保護回路71Aと、蓄電回路72Aとを制御するとともに、測定装置4に動作可能を知らせる信号を提供する。上述のように、保護回路71Aによって電力変換回路7Aには高電圧がかからないため、電力変換回路7Aは低電圧用CMOS回路で構成することができる。集積回路である測定装置4は低コストで製造することができる。
【0030】
これまで、発電素子6Aとして直流電力を発生する場合について説明してきたが、交流電力を発生する場合について、以下で説明する。
【0031】
図2に示すように、電源装置1Bは交流発電素子6Bと交流発電用電力変換回路7Bからなっている。この電源装置1Bを図1の電源装置1Aと置き換えることができる。このとき、測定装置4は変更する必要はない。
【0032】
電源装置1Bは、測定装置4を駆動する電力を供給する。ここで、電源装置1Bは、いわゆるバッテリといった予め電力を蓄えた装置ではなく、外部から供給されるエネルギー(例えば振動エネルギー)を変換して電力を得る。従って、電源装置1Bは、エネルギー源102Bから振動エネルギーが供給されている限り、センサ装置2へ電力を供給し続ける。センサ装置2は、エネルギー源102Bを設置した後は、エネルギー源102Bの振動エネルギーを利用して駆動し続ける。すなわち、センサ装置2は、バッテリ交換を行う必要がない。
【0033】
電源装置1Bは、エネルギー源102B(電力源)と、電力変換回路7Bと、を有する。発電素子6Bは、エネルギー源102Bの振動エネルギーを電力に変換する。この電力は、交流である。そして、電力変換回路7Bは、交流電力を測定装置4の駆動に利用可能な直流電力に変換する。
【0034】
発電素子6Bは、エネルギー源102Bの振動エネルギーを受け入れて、交流電力を発生させる。例えば、発電素子6Bは、誘導現象、静電現象、圧電現象、あるいは磁歪現象を利用するものである。発電素子6Bは、振動するおもりの加速度に比例した大きさの電力を発生する。従って、発電素子6Bは、振動するおもりの加速度が大きくなるほど大きな電力を発生する。
【0035】
電力変換回路7Bは、発電素子6Bに対して電気的に接続される。また、電力変換回路7Bは、測定装置4に対して電気的に接続される。電力変換回路7Bは、上述したように、発電素子6Bから出力される交流電力を、測定装置4の仕様に応じた直流電力に変換する。つまり、電力変換回路7Bは直流電圧を出力する。測定装置4は、入力電圧Vintが比較的安定している必要がある。例えば標準電圧が3Vであれば、温度変動があっても+/−10%、つまり2.7Vから3.3Vの間に制御されなければならない。一方、発電素子6Bの出力電圧Vextは振動の加速度の大きさによって、例えばオープン電圧が3Vから60Vになることもあり得る。
【0036】
以下、電力変換回路7Bについて詳細に説明する。
【0037】
電力変換回路7Bは、機能的には、保護回路71Bと、蓄電回路72Bと、制御回路73Bと、整流回路74Bと、を有する。保護回路71Bは、電力変換回路7Bへの入力電圧Vextを所定以上高くならないようにすることによって、蓄電回路72Bを静電破壊から保護する。蓄電回路72Bは、電力変換回路7Bへ入力された電力を所定の電圧で保持する。制御回路73Bは、電力変換回路7Bへの入力電圧Vextと蓄電回路72Bの出力電圧Vintを所定の電圧範囲内になるように、保護回路71Bと、蓄電回路72Bと、整流回路74Bと、を制御するとともに、測定装置4に動作可能を知らせる信号を提供する。上述のように、保護回路71Bによって電力変換回路7Bには高電圧がかからないため、電力変換回路7Bは低電圧用CMOS回路で構成することができる。集積回路である測定装置4を低コストで製造することができる。
【0038】
エネルギー源とする振動は、正弦波振動でもよいしランダム振動でもよく、その種別は問われない。そうすると、センサ装置2は、エネルギー源102Bに設置した後は、エネルギー源102Bの振動エネルギーを利用して駆動し続ける。すなわち、センサ装置2Bは、バッテリ交換を行う必要がない。なお、エネルギー源106Bは環境にある電磁波であってもよい。
【0039】
以下、保護回路71B、蓄電回路72B、制御回路73B、及び整流回路74Bの動作について図3(a)−(d)を用いて詳細に説明する。
【0040】
図3の(d)部に示すように、保護回路71Cは、制御信号short_enに応じて入力電圧VextをグランドGNDに接続する。具体的には、short_enの論理がHIGHのとき入力電圧VextをグランドGNDに接続し、short_enの論理がLOWのとき入力電圧VextをグランドGNDから切り離す。図3の(c)部に示すように、蓄電回路72Cは、制御信号S1−S4の論理に応じて、入力電圧VextからキャパシタC1,C2に電荷を受け取り、出力電圧Vintに電荷を提供する。具体的には、制御信号S1がHIGHのときキャパシタC1は出力電圧Vintに電荷を提供し、制御信号S2がHIGHのときキャパシタC1は入力電圧Vextから電荷を受け取り、制御信号S3がHIGHのときキャパシタC2は出力電圧Vintに電荷を提供し、制御信号S4がHIGHのときキャパシタC2は入力電圧Vextから電荷を受け取る。
【0041】
整流回路74Cは、主に起動時に機能する整流回路74C1と主に定常時に機能する整流回路74C2の並列接続で構成されている。整流回路74C1は、QN24,25とQP24,25からなる。Vs1とVs2が正電圧になると、それぞれQN24,25がオンしてVextを上昇させる。Vs1とVs2が負電圧になると、それぞれQP24,25がオンしてGNDを減少させる。一方、整流回路74C2は、発電素子が電力を発生し始めたときには、制御信号short_en,short_enbは不定となっているため、正常動作するとは限らない。整流回路74C2は、PMOSトランジスタQP21―23とNMOSトランジスタQN21−23からなる。Vs1とVs2には発電素子6Bの出力二端子が接続され、整流回路74Cには相補交流信号が入力される。整流回路74Cは入力された交流電力を直流で出力する。具体的には、制御信号short_enがLOWでその反転信号であるshort_enbがHIGHであるとき、Vs1,Vs2の交流をVextに直流出力し、制御信号short_enがHIGHでその反転信号であるshort_enbがLOWであるとき、入力端子Vs1,Vs2と出力端子Vext,グランドGNDは電気的に切り離される。制御回路73は上記複数の制御信号を発生する。
【0042】
制御回路73は、上記複数の論理信号を発生する論理回路に加えて、図3の(c)の部に示す電圧検知回路を有してもよい。電圧検知回路はPMOSトランジスタQP1と抵抗R1からなる。検知する入力電圧VintがPMOSトランジスタQP1のしきい電圧を超えると、出力信号pwronrst_BはHIGHとなる。PMOSトランジスタQP1と抵抗R1のサイズを調整することによって、出力信号が反転する入力電圧レベルを変えることができる。この性質を利用して、二つの検知回路によって、例えば第一の電圧レベルを超えると第一信号を反転させ、第一の電圧より高い第二の電圧を超えると第二信号を反転させることができる。信号pwronrst_bは、例えば、図示されない順序論理回路をリセットし、また電源電圧がこの反転時の電圧以上では正常動作するように設計された図示されないアナログ回路の起動条件に用いられる。
【0043】
次に、整流回路74C2の動作を詳しく説明する。
【0044】
初めに、short_en=LOW,short_enb=HIGHの状態について説明する。Vs1>Vs2の期間はQP21とQP23がオン、QP22がオフのため、Vs1がVextに電気的に接続される。同様に、QN22とQN23がオン、QN21がオフのため、Vs2がGNDに電気的に接続される。このようにしてVextはGNDに対して正の電位となる。また、Vs1<Vs2の期間はQP22とQP23がオン、QP21がオフのため、Vs2がVextに電気的に接続される。同様に、QN21とQN23がオン、QN22がオフのため、Vs1がGNDに電気的に接続される。このようにしてVextはGNDに対して正の電位となる。従って、整流回路74C2による上記動作の繰り返しによって、Vs1とVs2から供給される交流電力は、VextとGNDに対して直流電力に変換される。次に、short_en=HIGH,short_enb=LOWの状態について説明する。この場合はQP23とQN23はオフするため入力Vs1・Vs2と出力Vext・GND間は電気的に切り離される。
【0045】
整流回路74を用いるときでも、図2におけるエネルギー源102Bは光エネルギーや熱エネルギーといった直流エネルギーであってもよい。この場合、発電素子6Bは光電効果や熱電変換を行う直流電力発電素子を用いる。整流回路74があっても、入力電圧の極性がVs1>Vs2の場合、整流回路74はVs1をVextに、またVs2をGNDに、それぞれ電気的に接続する。
【0046】
図4を用いて上述の各回路の動作を詳細に説明する。図4は発電素子6が直流電力を発生する場合について示すが、発電素子6が交流電力を発生する場合も整流回路74の出力Vext以降は共通の動作とすることができる。
【0047】
初めに、T2期間について説明する。
【0048】
発電素子6が発電を開始すると、Vextは上昇していく。発電素子6の内部インピーダンスは発電素子のサイズに大きく依存して、IoT用途の1cm

程度のサイズでは通常数百オームから数メガオーム以上と大きな値となるため、Vextの上昇はCMOSトランジスタの動作速度に比べて非常にゆっくりとなる。スイッチS1とS2はリセット信号pwronrst_bがHIGHになるまでオン状態を、スイッチS3とS4はオフ状態にある。内部電源VintはS1とS2がともにオンしているため、Vextに従って上昇する。Vintが所定の電圧を超えると、リセット信号pwronrst_bがHIGHとなる。この遷移で、図示しない順序回路はリセットされ、電圧検知回路以外の図示しないアナログ回路は動作を開始することができる。
【0049】
次に、T3期間について説明する。
【0050】
さらにVextが上昇し、Vintが上昇して、そのレベルが第二の電圧検知の検知レベルVhを超えると、スイッチS2はオフするとともに、S4がオンする。S2がオフすると、VintはVextから切り離される。S4がオンするとキャパシタC2がVextに接続される。発電素子6の出力インピーダンスは比較的大きいため、キャパシタC2によってVextはほぼグランドレベルまで低下する。
(【0051】以降は省略されています)

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