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公開番号2024166774
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-29
出願番号2023083110
出願日2023-05-19
発明の名称昇圧装置および昇圧システム
出願人国立研究開発法人科学技術振興機構
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20241122BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】熱電素子から効率的に必要な電力を得ることができる昇圧装置および昇圧システムを提供する。
【解決手段】昇圧装置は、熱電素子の正電極が接続される正極端子と、負電極が接続される負極端子と、第1端子と第2端子とを備え、正極端子に第1端子が接続される誘導素子と、第1制御端子と、第1入力端子と、第1出力端子とを備え、誘導素子の第2端子に第1入力端子が、負極端子に第1出力端子が接続される第1スイッチ素子と、第2制御端子と、第2入力端子と、第2出力端子とを備え、誘導素子の第2端子に第2入力端子が接続される第2スイッチ素子と、熱電素子が出力する直流電力を昇圧する制御部と、を備え、熱電素子の内部抵抗、誘導素子の直流抵抗、第1スイッチ素子のオン抵抗、配線抵抗、入力電圧、出力電力が所定の条件式を満たす。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
温度差を直流電力に変換する熱電材料と、前記熱電材料から前記直流電力を取り出す正電極および負電極とからなる熱電素子の前記正電極が接続される正極端子と、
前記負電極が接続される負極端子と、
第１端子と第２端子とを備え、前記正極端子に前記第１端子が接続される誘導素子と、
第１制御端子と、第１入力端子と、第１出力端子とを備え、前記誘導素子の前記第２端子に前記第１入力端子が、前記負極端子に前記第１出力端子が接続される第１スイッチ素子と、
第２制御端子と、第２入力端子と、第２出力端子とを備え、前記誘導素子の前記第２端子に前記第２入力端子が接続される第２スイッチ素子と、
前記第１スイッチ素子の前記第１制御端子に第１制御信号を、前記第２スイッチ素子の前記第２制御端子に第２制御信号を、それぞれ所定のデューティ比にして出力し、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子を交互にオン／オフ制御することにより、前記熱電素子が出力する直流電力を昇圧する制御部と、
を備え、
前記熱電素子の内部抵抗をＲIN、前記誘導素子の直流抵抗をＲＬ、第１スイッチ素子のオン抵抗をＲON、前記正極端子から前記誘導素子と前記第１スイッチ素子とを経由して前記負極端子に至る配線抵抗をＲCAB、前記正極端子および前記負極端子間の開放時の熱電素子の出力電圧をＶOC、出力端子の両端間に接続される負荷に対して出力される昇圧後の電力を出力電力ＰOUTとした場合に、式（Ａ）
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2024166774000013.tif
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を満たす昇圧装置。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
前記熱電素子は、前記熱電材料と前記正電極および前記負電極との組を、前記直流電力による電流経路上に一組のみ備える単層熱電素子である
請求項１に記載の昇圧装置。
【請求項３】
前記第１制御信号が前記第１スイッチ素子をオン状態に維持する時間である第１時間と、前記第２制御信号が前記第２スイッチ素子をオン状態に維持する時間である第２時間とについて、前記第１時間は、前記第２時間の１００倍以上の時間である
請求項１に記載の昇圧装置。
【請求項４】
前記誘導素子のインダクタンスが０．１ミリヘンリー以上であり、
前記制御部は、
前記第１制御信号が前記第１スイッチ素子をオン状態に維持するオン時間と、前記第１スイッチ素子をオフ状態に維持するオフ時間とを１周期とする第１スイッチング周波数と、
前記第２制御信号が前記第２スイッチ素子をオン状態に維持するオン時間と、前記第２スイッチ素子をオフ状態に維持するオフ時間とを１周期とする第２スイッチング周波数と、
をいずれも１００ヘルツから５キロヘルツまでにして、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子をオン／オフ制御する
請求項１に記載の昇圧装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記第１制御信号が前記第１スイッチ素子をオン状態に維持する時間と、前記第２制御信号が前記第２スイッチ素子をオン状態に維持する時間とが重ならないようにして、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子をオン／オフ制御する
請求項１に記載の昇圧装置。
【請求項６】
前記第１スイッチ素子のゲート容量をＣ１、前記第２スイッチ素子のゲート容量をＣ２、前記第１制御端子および前記第２制御端子に印加されるゲート電圧をＶCONT、前記誘導素子を流れるコイル電流の波形の周期をτ、前記熱電素子の内部抵抗ＲINと前記誘導素子の直流抵抗をＲＬと第１スイッチ素子のオン抵抗をＲONと前記正極端子から前記誘導素子と前記第１スイッチ素子とを経由して前記負極端子に至る配線抵抗をＲCABとの合成抵抗をＲS、前記正極端子および前記負極端子間の開放時の熱電素子の出力電圧をＶOCとして、式（Ｂ）
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170
を満たす、請求項１に記載の昇圧装置。
【請求項７】
前記熱電素子の内部抵抗ＲIN、前記誘導素子の直流抵抗ＲＬ、第１スイッチ素子のオン抵抗ＲON、前記正極端子から前記誘導素子と前記第１スイッチ素子とを経由して前記負極端子に至る配線抵抗ＲCABがそれぞれ１０ミリオーム未満である
請求項１に記載の昇圧装置。
【請求項８】
前記正極端子と、前記負極端子と、前記誘導素子と、前記第１スイッチ素子と、前記第２スイッチ素子とを備える昇圧回路が縦続接続されている
請求項１に記載の昇圧装置。
【請求項９】
温度差を直流電力に変換する熱電材料と、前記熱電材料に接続されて前記熱電材料から前記直流電力を取り出す正電極および負電極とからなる熱電素子と、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の昇圧装置と、
を備える昇圧システム。
【請求項１０】
前記昇圧装置の出力側に接続される負荷抵抗Ｒが、前記第１スイッチ素子をオン状態に維持している時間をＴ１とし、前記第１スイッチ素子をオフ状態に維持している時間をＴ２とした場合に、式（Ｃ）
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を満たす請求項９に記載の昇圧システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇圧装置および昇圧システムに関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、入力される直流電力の電圧を昇圧して出力する、いわゆるＤＣ－ＤＣコンバータに関する技術が開示されている（例えば、非特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
A ±0.5-mV-Minimum-Input DC-DC Converter With Stepwise Adiabatic Gate-Drive and Efficient Timing Control for Thermoelectric Energy Harvesting, Eric J. Carlson, Joshua R. Smith, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-I: REGULAR PAPERS, Volume: 70 Issue: 2.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、IoT(Internet of Things)デバイスが発展している。このようなIoTデバイスにおいては動作電源を確保するために、環境中の熱流から発電する熱電発電が期待されている。しかし、現状の熱電素子は、一つの熱電素子当たりの発電電圧が１ｍＶ以下と極めて低い。一方、IoTデバイスが備えるセンサ機能や通信機能などを提供する一般的な電子回路が動作する電圧（例えば、１Ｖ程度）を確保する必要がある。上述のような熱電素子から発生する低い電圧から効率よく必要な電圧の電力を得る点で課題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、熱電素子から効率よく必要な電圧の電力を得ることができる昇圧装置および昇圧システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態は、温度差を直流電力に変換する熱電材料と、前記熱電材料から前記直流電力を取り出す正電極および負電極とからなる熱電素子の前記正電極が接続される正極端子と、前記負電極が接続される負極端子と、第１端子と第２端子とを備え、前記正極端子に前記第１端子が接続される誘導素子と、第１制御端子と、第１入力端子と、第１出力端子とを備え、前記誘導素子の前記第２端子に前記第１入力端子が、前記負極端子に前記第１出力端子が接続される第１スイッチ素子と、第２制御端子と、第２入力端子と、第２出力端子とを備え、前記誘導素子の前記第２端子に前記第２入力端子が接続される第２スイッチ素子と、前記第１スイッチ素子の前記第１制御端子に第１制御信号を、前記第２スイッチ素子の前記第２制御端子に第２制御信号を、それぞれ所定のデューティ比にして出力し、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子を交互にオン／オフ制御することにより、前記熱電素子が出力する直流電力を昇圧する制御部と、を備え、前記熱電素子の内部抵抗をＲIN、前記誘導素子の直流抵抗をＲＬ、第１スイッチ素子のオン抵抗をＲON、前記正極端子から前記誘導素子と前記第１スイッチ素子とを経由して前記負極端子に至る配線抵抗をＲCAB、前記正極端子および前記負極端子間の開放時の熱電素子の出力電圧をＶOC、出力端子の両端間に接続される負荷に対して出力される昇圧後の電力を出力電力ＰOUTとした場合に、後述の条件式を満たす昇圧装置である。
【０００７】
本発明の一実施形態は、上述の昇圧装置において、前記熱電素子は、前記熱電材料と前記正電極および前記負電極との組を、前記直流電力による電流経路上に一組のみ備える単層熱電素子である。
【０００８】
本発明の一実施形態は、上述の昇圧装置において、前記第１制御信号が前記第１スイッチ素子をオン状態に維持する時間である第１時間と、前記第２制御信号が前記第２スイッチ素子をオン状態に維持する時間である第２時間とについて、前記第１時間は、前記第２時間の１００倍以上の時間である。
【０００９】
本発明の一実施形態は、上述の昇圧装置において、前記誘導素子のインダクタンスが０．１ミリヘンリー以上であり、前記制御部は、前記第１制御信号が前記第１スイッチ素子をオン状態に維持するオン時間と、前記第１スイッチ素子をオフ状態に維持するオフ時間とを１周期とする第１スイッチング周波数と、前記第２制御信号が前記第２スイッチ素子をオン状態に維持するオン時間と、前記第２スイッチ素子をオフ状態に維持するオフ時間とを１周期とする第２スイッチング周波数と、をいずれも１００ヘルツから５キロヘルツまでにして、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子をオン／オフ制御する。
【００１０】
本発明の一実施形態は、上述の昇圧装置において、前記制御部は、前記第１制御信号が前記第１スイッチ素子をオン状態に維持する時間と、前記第２制御信号が前記第２スイッチ素子をオン状態に維持する時間とが重ならないようにして、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子をオン／オフ制御する。
（【００１１】以降は省略されています）

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