JP4890687B2

JP4890687B2 - 一定周波数の電流波形を用いてコンデンサを充電するためのシステム及び方法

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、コンデンサの充電に関するものであり、とりわけ、高電圧コンデンサに充電するための方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
急性心拍停止が、米国における毎年３５０，０００を超える死亡の原因であり、米国における主たる救急医療の１つになっている。世界的規模では、急性心拍停止により、これよりはるかに多くの人が毎年亡くなっている。最も一般的で、生命を脅かす結果となる心臓発作の１つが、一般に心室細動と呼ばれる心臓不整脈の発生である。心室細動状態になると、心筋は、十分な量の血液を身体及び脳に送ることができなくなる。脳への血液及び酸素が欠乏すると、犠牲者に脳障害、麻痺、または、死をもたらす可能性がある。
【０００３】
心臓発作または他の重大な心臓不整脈を乗り切る確率は、有効な医療処置が施されるスピードによって決まる。症状の発現から約４分以内に、迅速な心肺蘇生術により細動除去が行われると、生き残る確率は、５０％に近いか、５０％を超える可能性がある。従って、最初の危険な数分以内に、細動除去を素早く施すことは、急性心拍停止による死亡を阻止するために、救急医療処置の最も重要な要素の１つであると考えられる。
【０００４】
心臓細動除去は、心室細動中に生じる無秩序な心収縮を阻止し、正常な心臓の律動を回復するために用いられる電気ショックである。心臓に対してこうした電気ショックを施すため、患者の胸部にデフィブリレータ・パッドが取り付けられ、適正な振幅及び形状の電気インパルスが、パッドを介して患者に加えられる。デフィブリレータ（細動除去器）は、何年も前から知られているが、一般に複雑であり、訓練を受けた作業員でなければ使用するのが難しいものである。
【０００５】
より最近になって、第１反応者によって用いられる携帯用の移動可能な自動及び半自動外部デフィブリレータ（一般に、ＡＥＤ）が開発された。携帯用デフィブリレータによって、従来のデフィブリレータよりも早く患者に適切な医療ケアを施すことが可能になり、生存の確率が高くなる。こうした携帯用デフィブリレータは、第１反応者による使用のために利用可能な、職場、家庭、航空機等のアクセス可能な場所に運ぶか、保管することが可能である。最近のテクノロジの進歩によって、最小限の訓練しか受けていない者でも、一般的な携帯用デフィブリレータを操作して、急性心拍停止の発現に後続する危険な最初の数分間に、犠牲者を救護することが可能である。
【０００６】
上述のように、症状の発現後、迅速に有効な医療処置を施さなければならない。時間を浪費するデフィブリレータ操作の１つは、電気ショックを生じさせるためのエネルギーを供給する高電圧コンデンサの充電である。あいにく、従来のＡＥＤでは、高電圧コンデンサに効率のよい充電が行えないので、治療を施すための準備を行う貴重な時間が浪費されることになる。このため、利用可能な最短時間内に患者に施すことが可能な複数ショックの回数が制限されることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、迅速かつ効率的に高電圧コンデンサに充電することが可能なデフィブリレータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その振幅が固定周波数波形を有する電流を用いることによって、高電圧コンデンサに充電するためのシステム及び方法である。電流がコンデンサに繰り返し給与される充電シーケンスの間、固定周波数電流波形のデューティ・サイクルは、コンデンサ電圧に基づいて動的に制御される。より詳しくは、コンデンサに対するエネルギーの伝達速度が、コンデンサにエネルギーを供給することが可能な効率によって修正される。これによって、高電圧コンデンサの充電速度が増す。所望の用途に従って、代替のまたは追加の重要な利点を実現することが可能である。例えば、本発明を実施するシステムによれば、より小形のコンポーネント、より小エネルギーの電源、より高インピーダンスの電源、または、その任意の適切な組み合わせを使用して、従来のシステムに匹敵する充電時間を達成することができる。
【０００９】
一般に、エネルギーは、インダクタまたはトランスのような磁気素子を介して、電源から高電圧コンデンサに伝達される。例えば、パルス化電源によれば、一定周波数及び調整可能なデューティ・サイクルを有する電圧パルスがフライバック・トランスの一次巻線に供給される。当初は、トランス・コアにはエネルギーが蓄積されていない。結果として、初期電圧パルスのデューティ・サイクルは、トランス・コアに貯えられるエネルギーを蓄積するのに十分な持続時間になる。トランス・コアに蓄積されたエネルギー量が増すと、トランスは、コンデンサに充電する電流を発生するように制御される。電流の振幅は、固定周波数でデューティ・サイクルが可変の波形を有している。
【００１０】
具体的には、トランス・コアへのエネルギーの初期蓄積直後において、電流振幅波形のデューティ・サイクルはかなりのものである。二次巻線の位相は、一次巻線の位相とずれているため（フライバック・トランス）、こうした電流振幅波形を生じさせる電圧波形のデューティ・サイクルは、かなり小さい。こうしたやり方でトランスを駆動すると、トランス・コアの蓄積エネルギーが維持され、同時に、コンデンサにエネルギーを伝達するのに十分な時間が二次巻線に与えられる（コンデンサ電圧が最小限のため、二次巻線は、時間効率のよいやり方でエネルギーの伝達ができない）ことになる。コンデンサ電圧が増すと、電流波形のデューティ・サイクルは、電圧波形のデューティ・サイクルの増大に応答して減少することになる。こうしたエネルギーの伝達を生じさせることが可能な速度は、コンデンサ電圧の増大につれて上昇するので、これによって、エネルギー伝達速度が最適化されることになる。従って、エネルギーがトランス・コアからコンデンサに伝達されると、これに伴って、電源からトランス・コアへのエネルギー伝達が生じる。この動作モードによって、トランス・コアによる連続したエネルギー蓄積が保証されるので、本明細書では、この動作モードを「連続モード」と呼ぶ。
【００１１】
以下に、本発明のいくつかの態様の要約を述べ、併せて、要約した態様のそれぞれについて実施可能な実施例を示す。当然明らかなように、要約される実施態様は、必ずしも、互いに包括的あるいは排他的というわけではなく、矛盾せず、別様の可能性のある同じまたは異なる態様に関して、任意のやり方で組み合わせることが可能である。主として高性能のコンデンサ充電システム及び方法を目指した、本発明のこれら開示の態様は、単なる例示のための態様であって、それらに限定するためのものではない。
【００１２】
本発明の１態様では、振幅が固定周波数波形を有する電流を用いて、高電圧コンデンサを充電するためのシステムが開示される。
【００１３】
本発明のもう１つの態様では、高電圧コンデンサ充電システムが開示される。このシステムは、固定周波数振幅を備えた電流パルスを発生する。本発明のこの態様の場合、電流パルスがコンデンサに繰り返し加えられる充電シーケンスにおいて、固定周波数電流波形のデューティ・サイクルは、高電圧コンデンサの電圧に基づいて動的に制御される。
【００１４】
本発明のもう１つの態様では、高電圧コンデンサに充電するためのシステムが開示される。本発明のこの態様の場合、このシステムは、フライバック・トランスと、パルス化電源を備える。フライバック・トランスは、コア、一次巻線、及び、二次巻線を備える。パルス化電源は、一定周波数で、デューティ・サイクルの調整が可能な波形を有する電圧を一次巻線に供給する。電圧波形の初期デューティ・サイクルは、トランス・コアにある量の蓄積エネルギーを蓄積するのに十分な持続時間を有しており、その後、電圧波形が連続して一次コイルに加えられる。電圧波形のデューティ・サイクルは、高電圧コンデンサの瞬時電圧の上昇に応答して、充電シーケンス中に、かなり小さい値からかなり大きい値にまで増大する。
【００１５】
本発明のさらにもう１つの態様では、高電圧コンデンサに充電するためのシステムが開示される。本発明のこの態様では、このシステムは、トランスと、パルス化電源を備える。トランスは、コア、一次巻線、及び、二次巻線を備える。コンデンサは、二次巻線の両端間に電気的に結合されている。パルス化電源は、一定周波数で、デューティ・サイクルの調整が可能な波形を有する電圧を一次巻線に供給する。
【００１６】
電圧波形のデューティ・サイクルは、コンデンサの充電時に、エネルギーがトランス・コアに連続して蓄積されるように、動的に修正される。すなわち、充電シーケンスの個々のサイクルにおいて、充電システムが、パルス化電源からトランス・コアにエネルギーを伝達して、トランス・コアから高電圧コンデンサに前回伝達されたエネルギーを補充する。
【００１７】
本発明のさらにもう１つの態様では、コンデンサ充電システムが開示される。本発明のこの態様では、このシステムは、コンデンサに接続されたコンデンサ充電器と、コンデンサとコンデンサ充電器の間に電気的に接続され、挿入されたダイオードを備える。ダイオードは、陰極がコンデンサに接続され、陽極がコンデンサ充電器に接続されている。コンデンサ充電器は、振幅が固定周波数でデューティ・サイクルが可変の波形を有する電流を発生することによって、コンデンサに充電する。
【００１８】
本発明のこの態様の実施例の１つでは、コンデンサ充電システムは、両端間にコンデンサが接続された磁気素子と、磁気素子の一方のノードに接続されたパルス化電源を備え、磁気素子の他方のノードはアースに接続されている。パルス化電源は、ほぼ一定の周波数及び可変デューティ・サイクルで、第１の電圧とこの第１の電圧より低い第２の電圧との間で遷移する充電電圧を一次巻線に供給する。
【００１９】
磁気素子は、フライバック・トランスとすることが可能である。かかる実施例では、トランスは、コア、一次巻線、及び、一次巻線と異相の二次巻線を備える。ここで、コンデンサは、二次巻線の両端間に接続されている。ある特定の実施例の場合、コンデンサ充電器は、他方の一次巻線のノードとアースの間に直列に接続された電流センサを備える。電流センサは、一次巻線に流れる電流を表す振幅を有する電圧を発生する。充電器は、パルス化電源と電流センサに操作可能に結合された制御回路を備える。制御回路は、パルス化電源にデューティ・サイクル調整信号を供給し、電流振幅信号に基づいて充電電圧波形のデューティ・サイクルを調整する。
【００２０】
本発明のもう１つの態様では、高電圧コンデンサを充電するためのコンデンサ充電器が開示される。この充電器は、コンデンサ充電トランスと、充電回路を備える。トランスは、一次巻線と二次巻線を有するコアを備える。高電圧コンデンサは、ダイオードを介して、二次巻線の両端間に電気的に接続されている。充電回路は、一次巻線に接続されて、一次巻線の両端間に電圧を印加することにより、電流を二次巻線に流してトランスのコアに絶えずエネルギーが蓄積されるようにする。二次巻線の電流によって、トランス・コアから高電圧コンデンサにエネルギーが伝達される。
【００２１】
本発明のもう１つの態様では、コンデンサに充電するための方法が開示される。この方法は、その振幅が固定周波数波形を有する電流をコンデンサに供給するステップを含む。実施態様の１つでは、固定周波数電流波形のデューティ・サイクルが変化させられる。この方法には、さらに、固定周波数で、デューティ・サイクルが可変である電圧波形でトランスの一次巻線を駆動するステップと、一次巻線を流れる電流を検知するステップと、一次巻線を流れる電流が所定の値に達すると、電圧波形のデューティ・サイクルを調整するステップ、を含めることができる。
【００２２】
本発明のさまざまな実施態様によって、いくつかの利点が得られ、従来技術のいくつかの欠点が克服される。本発明の全ての実施態様が同じ利点を共有しているわけではなく、同じ利点を共有する実施態様が、あらゆる状況下において共有するわけではない。これは、本発明によって、高エネルギー・コンデンサに対する急速なエネルギーの伝達という上述の利点を含む、数多くの利点が得られるということである。コンデンサに加えられる固定周波数の電流パルスのデューティ・サイクルを調整すると、従来技術に比較してコンデンサに迅速にエネルギーを伝達することが可能になる。さらに、本発明によれば、コンデンサ充電トランスの二次巻線がそのエネルギーのほぼ全てをコンデンサに伝達してしまった場合に、それを検知する必要がなくなる。さらに、本発明によれば、トランスの二次巻線からのセンサ入力に基づいて、トランスの一次巻線の電流を調整するための複雑なフィードバック回路要素を備える必要もなくなる。本発明のこれら及びその他の特徴及び利点、並びに、本発明の種々の実施態様の構造及び動作については、添付の図面を参照して詳細に後述する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、特許請求の範囲に具体的に示されている。本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付図面と共に以下の説明を参照することによってより良く理解されよう。図面において、同じ参照数字は、同一または機能的に類似の要素を示している。さらに、参照数字の一番左側の１つまたは２つの数は、その参照数字が最初に現れる図面を特定している。
【００２４】
本発明は、高電圧コンデンサに充電するためのシステム及び方法に関するものである。図１Ａは、本発明の実施態様の１つによるコンデンサ充電システムの高レベルのブロック図である。コンデンサ充電システム１００は、振幅が固定周波数波形を有するところの電流１０９を発生する。電流１０９が高電圧コンデンサ１０８に給与される充電シーケンスにおいて、固定周波数電流波形のデューティ・サイクルは、コンデンサ１０８にエネルギーを供給することが可能な速度に従ってエネルギー伝達特性に修正を加えるため、動的に制御される。
【００２５】
さらに詳細に後述するように、本発明では、磁気素子を利用して、高電圧コンデンサにエネルギーを伝達することが可能である。図１Ｂは、磁気素子を利用した本発明のコンデンサ充電システム１００の実施態様の１つに関するブロック図である。この例示的な実施態様の場合、コンデンサ充電システム１００には、かかる磁気素子のようなトランス１１４が含まれている。しかし、本開示から明らかになるように、本発明の教示に従って、他の磁気素子並びに他の電流発生器を利用することも可能である。
【００２６】
コンデンサ充電トランス１１４には、コア１０５、一次巻線１０４、及び、二次巻線１０６が含まれている。図１Ｂに示す特定の実施態様の場合、一次巻線１０４及び二次巻線１０６は、フライバック・トランスを形成しており、従って、極性表示記号１１８及び１２０によって示されるように、位相がずれている。下記の説明は、フライバック・トランス１１４を駆動して、固定周波数でデューティ・サイクルが可変の電流波形１０９を発生するためのシステム１００のさまざまな実施態様及びコンポーネントについて述べたものである。こうした電流は、二次巻線１０６を流れて、フライバック・ダイオード１０７を介して二次巻線１０６の両端間に接続されたコンデンサ１０８にエネルギーを伝達する。
【００２７】
一次電流１２４が、一次巻線１０４に流れ、トランス・コア１０５に蓄積されるエネルギーが増大すると、電流１０９は、二次巻線１０６からコンデンサ１０８に流れなくなる。逆に、電流が一次巻線１０４に流れないときは、電流１０９は、二次巻線１０６からコンデンサ１０８に流れ、コンデンサ１０８が充電されることになる。従って、電流が一次巻線１０４に流れる場合には、一次巻線１０４によって、電源からトランス・コア１０５にエネルギーが伝達され、逆に、電流１０９が二次巻線１０６に流れる場合には、二次巻線１０６によって、トランス・コア１０５からコンデンサ１０８にエネルギーが送られることになる。
【００２８】
充電システム１００には、コンデンサ充電トランス１１４の一次巻線１０４と直列に接続されたパルス化電圧源１０２が含まれている。フライバック・トランスを利用する実施態様の場合、電流波形１０９は、一次巻線１０４の両端間における電圧を制御することによって発生する。従って、この実施態様の場合、パルス化電圧源１０２によって、周波数はほぼ一定で、デューティ・サイクルの調整が可能な充電電圧波形１２２が発生する。しかし、最初は、トランス・コアにエネルギーが蓄積されていない。結果として、初期電圧パルスのデューティ・サイクルは、トランス・コア１０５に貯えられるエネルギーを蓄積するのに十分な持続時間のものになる。所定の量のエネルギーがトランス・コア１０５に蓄積されると、トランス１１４は、本発明の教示に従って制御され、コンデンサ１０８に充電する電流１０９を発生する。本発明によれば、電流１０９の振幅は、固定周波数と、好ましくは、デューティ・サイクルが可変の波形を有する。
【００２９】
具体的にいうと、トランス・コア１０５におけるエネルギーの初期蓄積の直後における電流波形１０９のデューティ・サイクルはかなり大きい。二次巻線１０６は一次巻線１０４と位相がずれているため、充電電圧波形１２２のデューティ・サイクルはかなり小さくなる。例えば、ある実施態様では、デューティ・サイクルは約０．５〜４パーセントである。これによって、トランス・コア１０５に蓄積されたエネルギーが維持され、同時に、コンデンサ１０８にエネルギーを伝達するのに十分な時間が二次巻線１０６に与えられることになる（コンデンサ電圧が最小限のため、二次巻線１０６は、時間効率のよいやり方でエネルギーを伝達することができない）。かかる伝達を行うことが可能な速度は、コンデンサ電圧の増大につれて上昇するので、コンデンサ電圧が増すと、電流波形１０９のデューティ・サイクルは減少し、エネルギー伝達が最適化されることになる。例示的な実施態様では、これは、充電電圧１２２のデューティ・サイクルが対応して増大することに応答して生じる。従って、エネルギーがトランス・コア１０５からコンデンサ１０８に伝達されると、これに伴って、電源からトランス・コアへのエネルギー伝達が生じることになる。充電シーケンス中、トランス・コア１０５は連続してエネルギーを蓄積するので、本明細書では、この動作モードを「連続モード」と呼ぶ。
【００３０】
充電システム１００には、さらに、一次巻線１０４とアース１１２の間に直列に接続された電流センサ１１０が含まれている。電流センサ１１０は、一次巻線１０４を流れる電流１２４を表す電流振幅信号１２５を制御回路１１６に対して送り出す。さらに詳細に後述するように、制御回路１１６は、パルス化電圧源１０２にデューティ・サイクル調整信号１１５を供給することによって、充電電圧１２２のデューティ・サイクルを調整する。パルス化電圧源１０２は、信号１１５に応答して、充電電圧波形１２２のデューティ・サイクルを調整する。詳細に後述するように、例示的な実施態様では、デューティ・サイクルは、一次電流１２４が所定のレベルを超えるか、または、それより小さいかの関数として、パルス化電圧源１０２によって制御されるが、代替実施態様では、追加または代替の制御条件も考慮することが可能である。
【００３１】
図２は、本発明のコンデンサ充電システム２００の別の実施態様に関するブロック図である。この実施態様の場合、パルス化電圧源１０２には、定電圧源２０４、及び、電圧源２０４と一次巻線１０４の間に直列に接続されたスイッチング要素２０２が含まれている。定電圧源２０４は、バッテリー、直流電源等のような任意の電源とすることが可能である。１つの好適な実施態様においては、電圧源２０４はリチウム・バッテリーである。
【００３２】
スイッチング要素２０２は、デューティ・サイクル調整信号１１５に応答して、電圧源２０４と一次巻線１０４間における電気的接続を中断し、電圧信号１２２、従って、二次電流１０９のデューティ・サイクルに所望の変更を施す。スイッチング要素２０２に、予測される一次電流１２４に対して小さな直列抵抗を提供するスイッチを設けて、スイッチング要素２０２の両端間における電圧降下が最小限になるようにするのが好ましい。これによって、電圧源２０４によって発生するほぼ全ての電圧を一次巻線１０４に印加することが可能になる。
【００３３】
さらに、スイッチング要素２０２は、スイッチされた充電電圧波形１２２にオーバシュート及びリンギングが生じないようにするのに十分滑らかな立ち上がり及び立ち下がりエッジを有するスイッチング波形を提供するのが好ましい。さらに、スイッチング要素２０２は、コンデンサ充電トランス１１４のコア１０５の過充電及び飽和を実質的に回避するのに十分な速さの（信号１１５に応答した）ターン・オフ時間を特徴とするのが好ましい。当業者には明らかなように、今後開発されるスイッチング要素２０２の他の多くの実施例を本発明に従って利用することが可能である。
【００３４】
図３は、本発明のコンデンサ充電システム１００（図１）の別の実施態様を示すブロック図であり、以下では、コンデンサ充電システム３００という。コンデンサ充電システム３００には、パルス化電圧源１０２の特定の実施態様が含まれている。ここで、パルス化電圧源１０２には、クロック発生器３０４と、クロック発生器３０４からの入力及び制御回路１１６からの入力を有するスイッチング要素３０２が含まれている。クロック発生器３０４は、ほぼ一定した周波数を有するクロック信号３１０をスイッチング要素３０２に供給する。クロック信号３１０の周波数は、周波数選択ライン３０９によって示すように、複数の異なる周波数から選択することが可能である。次に、クロック信号３１０の周波数を調整して、本明細書で説明するように、エネルギー伝達を最適化することが可能である。
【００３５】
定電圧源２０４から引き出される電流量は、一次巻線１０４に印加される充電電圧１２２の周波数に比例する。本発明の実施例の１つでは、電圧源２０４はバッテリー・パックである。バッテリーは、特定の化学的性質を有しており、所定のメーカによって製造される。いくつかのバッテリーは、他のバッテリーよりも必要な放電電流が少ない。例えば、いくつかのメーカは、バッテリー・パックに内部温度ヒューズを含めている。こうしたバッテリーからの電流の放電が速すぎると、バッテリー・パックの温度が急速に上昇する可能性がある。こうなると、温度ヒューズが切れ、バッテリー・パックが使用できなくなる。さらに、バッテリーの化学的性質によっては、他のバッテリーよりも強く、迅速な放電が可能である。例えば、ニッケル・カドミウム・バッテリーは、リチウム・バッテリーに比べて迅速で、強い放電を可能にする。従って、リチウム・バッテリーを使用して、コンデンサ１０８に充電するときは、リチウム・バッテリーが使用中に切れないようにするために、より低いクロック周波数が用いられる。従って、本発明の好適な実施態様では、クロック発生器３０４は、装着されたバッテリー・パックの電流限界に合わせて設計された周波数を発生する。
【００３６】
好適な実施態様の１つでは、クロック信号３１０の周波数は、現在利用されているバッテリー・パックのタイプに基づいて、クロック発生器３０４によって決定される。この実施態様では、クロック発生器３０４は、バッテリー化学的性質信号（バッテリーケミストリ信号）３０６及びバッテリー識別信号３０８を入力として受信するのが好ましい。バッテリー化学的性質信号３０６は、装着されたバッテリー・パックの化学的性質を表示し、一方、バッテリー識別信号３０８は、装着されたバッテリー・パックのメーカを識別する。この情報に基づいて、クロック発生器３０４は、クロック信号３１０の周波数を調整する。
【００３７】
図４は、本発明のコンデンサ充電回路の代替実施態様のブロック図であり、以下では、コンデンサ充電回路４００という。コンデンサ充電回路４００には、制御論理回路４０２と、オン／オフ回路要素４０４を含むスイッチング要素３０２が含まれている。この実施態様の場合、スイッチング要素３０２は、一次巻線１０４と電圧源２０４の間ではなく、一次巻線１０４と電流センサ１１０の間に電気的に挿入されている。制御論理回路４０２は、クロック発生器３０４によって生成されるクロック信号３１０、及び、制御回路１１６によって生成されるデューティ・サイクル調整信号１１５を受信する。制御論理回路４０２は、これらの入力に基づいて、オン／オフ回路要素４０４に可変デューティ・サイクル制御信号４０６を供給する。制御論理回路４０２は、オン／オフ回路要素４０４に「オン」信号を加えて、クロック信号３１０の状態変化またはデューティ・サイクル調整信号１１５の状態変化が生じるまで、電流１２４が一次巻線１０４を流れることができるようにする。例示の実施態様の場合、「オン」信号は、正電圧すなわち論理１である。「オフ」信号は、「オン」信号の逆、つまりは、０に近い電圧すなわち論理０である。
【００３８】
上述のように、制御回路１１６は、本発明の実施態様に従って、デューティ・サイクル調整信号１１５を制御するために、任意の数の要素を考慮することが可能である。この実施態様では、制御回路１１６は、電流振幅信号１２５によって、一次電流１２４が所定の値に達したことが表示されると、デューティ・サイクル調整信号１１５の状態を変化させる。制御回路１１６によるこの状態の変化によって、制御論理回路４０２は、クロック信号３１０の「オン」・クロック・サイクルにおいてオン／オフ回路要素４０４を早期に「オフ」にする。電流センサ１１０からの信号１２５により、電流レベルが最大電流レベルより低いことが示されると、制御回路１１６は、信号１１５の状態を変化させ、その初期状態に戻す。これによって、制御論理回路４０２は、クロック信号３１０の次の「オン」周期に応答して、オン／オフ回路要素４０４を「オン」にする。当業者には明らかなことであるが、本発明のこの態様に修正を施すことによって、「オン」状態が論理０で、「オフ」状態が論理１になる、負の論理システムが得られる。
【００３９】
図５は、図４に示す本発明の実施態様の単純化した略回路図である。この実施態様では、オン／オフ回路要素４０４には、スイッチング・トランジスタ５０２が含まれており、電流センサ１１０には、センス抵抗器５０４が含まれている。この実施例では、クロック信号３１０は、可変デューティ・サイクル制御信号４０６が、各充電サイクル中に単一パルスを生じ、そのデューティ・サイクルがクロック信号３１０のデューティ・サイクルによって決まることを保証するため、セット・リセット・フリップ・フロップ５１０によりゲート処理される。
【００４０】
制御回路１１６には、入力の１つが電圧基準５０６に結合された電圧コンパレータ５０８が含まれている。センス抵抗器５０４からの電圧は、好ましくはフィルタ５１６を介して、電圧コンパレータ５０８のもう１つの入力に結合される。制御論理回路４０２には、セット・リセット・フリップ・フロップ５１０とＡＮＤゲート５１４が含まれている。スイッチ・トランジスタ５０２は、一次巻線１０４とセンス抵抗器５０４の間に直列に接続され、センス抵抗器５０４は電気アース１１２に接続されている。電圧コンパレータ５０８の出力は、フリップ・フロップ５１０のリセット入力に接続されている。クロック信号３１０は、フリップ・フロップ５１０のセット入力に接続され、ＡＮＤゲート５１４の入力にも接続されている。フリップ・フロップ５１０のＱ出力は、ＡＮＤゲート５１４の第２の入力に結合されている。ＡＮＤゲート５１４の出力、すなわち、可変デューティ・サイクル制御信号４０６によって、スイッチング・トランジスタ５０２の制御入力が駆動される。
【００４１】
ＡＮＤゲート５１４によって、スイッチング・トランジスタ５０２に送られる信号４０６が制御される。Ｓ−Ｒフリップ・フロップ５１０のＱ出力が論理１の場合、ゲート５１４は、クロック信号３１０をスイッチング・トランジスタ５０２のゲートに送る。従って、スイッチング・トランジスタ５０２は、クロック信号３１０と同相の電圧パルスを生じるよう作動する。フリップ・フロップ５１０からのＱ出力が論理０の場合、ゲート５１４は、論理０を出力し、スイッチング・トランジスタ５０２をオフにして、電流１２４が流れないようにする。電圧コンパレータ５０８のコンパレータ出力の状態が変化すると、論理０が生じ、フリップ・フロップ５１０のＱ出力が論理０にリセットされる。これが起こるのは、一次巻線１０４を通る電流１２４が、センス抵抗器５０４の両端間の電圧が電圧基準５０６を超えるポイントまで増大する時である。
【００４２】
次に、制御回路１１６を参照すると、フィルタ５１６によって、センス抵抗器５０４の両端間に生じる電圧が電圧コンパレータ５０８の第１の入力に結合される。コンデンサ充電トランス１１４の一次巻線１０４がオンになると、巻線の漏れインダクタンスによって、電圧が増加した瞬間に電流スパイクが生じることになる。フィルタ５１６は、信号の残りの部分に実質上影響を与えないように、このスパイクを除去するように設計されている。本発明の実施態様の１つでは、フィルタ５１６は、少なくともクロック信号３１０の周波数に等しいコーナ周波数を有する単極Ｒ−Ｃローパスフィルタである。当業者には明らかなように、他のフィルタを用いることも可能である。例えば、アクティブ・アナログローパスフィルタ、スイッチト・キャパシタ・フィルタ、または、デジタル・フィルタを用いることが可能である。実施態様の１つでは、デジタル・ブランキング・フィルタが用いられる。デジタル・ブランキング・フィルタは、センス抵抗器における波形のサンプリングを行い、電流スパイクが通過したと判定するまで、コンパレータに低出力を供給する。デジタル・フィルタは、その後、減衰または位相歪みを生じることなく、電圧信号を通過させる。別の実施態様では、デジタル・ブランキング・フィルタは、所定の時間期間にわたって、波形の振幅を無視する。所定の時間が経過すると、ブランキング・フィルタは、減衰を生じることなく、電圧信号を通過させる。
【００４３】
本発明の実施態様の１つにおける電圧コンパレータ５０８は、状態を変化させる速度、スイッチング・プロセス中に生じるオーバシュートの量に基づいて選択することが可能である。コンパレータ５０８は、その応答時間が電流１２４の増大する速度より速いことが重要である。コンパレータ５０８の応答時間が電流の増大より遅いと、電流は、選択された最大値に達した後も増大し続けることになる。一次巻線に印加される電圧の次のサイクルにおいて、一次電流１２４が、電圧基準５０６を超えている可能性のある初期値から増大する。これによって、コンパレータ５０８は状態を変化させることになるが、一次巻線１０４に蓄積されるエネルギーは、一次巻線１０４を流れる一次電流が連続して加えられるために増大している。従って、蓄積されたエネルギーは、トランスが飽和するか、ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２が、大電流のために降伏するか、あるいは、予測を超える電流降伏によって、他のコンポーネントに過度のストレスが加えられるまで、各後続サイクルを通して増加し続ける。本発明の好ましい実施態様の１つでは、電圧コンパレータ４０８は、Ｍａｘｉｍ，Ｉｎｃ．製のＭａｘ９９８コンパレータである。他のコンポーネントであるＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２は、一次巻線１０４を通る選択された最大一次電流１２４をスイッチするのに十分な電流容量を有することが好ましく、一次巻線１０４に印加される電圧の遷移時に、インダクタンスによって生じる過渡電流に耐える得ることが必要である。本発明の実施態様の１つでは、ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２は、ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｃｔｉｆｉｅｒ，Ｉｎｃ．製のＩＲＦ２８０７トランジスタである。
【００４４】
図６は、本発明のコンデンサ充電システムの代替実施態様を示すものである。以下では、このシステムをコンデンサ充電システム６００という。充電システム６００の場合、クロック信号３１０は、制御論理回路６０１のＡＮＤゲート６１０の第１の入力に結合されている。バッテリー電圧不足（または、バッテリー電圧低下）及びコンデンサ過電圧保護回路６０２によって、ＡＮＤゲート６１０に第２の入力が供給される。バッテリー電圧信号６０４は、任意の周知の技法を用いて決定することが可能である。コンデンサ電圧信号６０６は、コンデンサ１０８の両端間に接続される入力を受信するコンデンサ電圧測定回路６０８によって発生される。コンデンサ電圧測定回路６０８は、任意の周知の方法で実施可能である。
【００４５】
バッテリー及びコンデンサ電圧６０４、６０６が適正な制限内の場合、電圧コンディション信号６１５が、保護回路６０２によって発生する。電圧コンディション信号６１５は、ＡＮＤゲート６１０に供給される。これによって、ＡＮＤゲート６１０は論理０を出力する。この信号は、ＡＮＤゲート６１４を介して伝搬し、ＭＯＳＦＥＴドライバ６０４をオフにする。ＭＯＳＦＥＴドライバ６０４は、さらに、ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２に対する電流供給を停止し、それをオフにして、一次巻線回路を開く。
【００４６】
バッテリー及びコンデンサ電圧が必要な制限内の場合、クロック信号３１０が、ＡＮＤゲート６１４及びＳ−Ｒフリップ・フロップ５１０のＳ入力に送られる。この実施態様の場合、第３の入力が、充電イネーブル信号６１３からＡＮＤゲート６１４に供給される。充電イネーブル信号６１３の論理０によって、ＡＮＤゲート６１４に論理０が供給され、ＭＯＳＦＥＴドライバ６０４がオフになる。Ｑ出力と充電イネーブル信号６１３の両方によって、ＡＮＤゲート６１４に論理１が供給されると、クロック信号３１０がＭＯＳＦＥＴドライバ６０４の入力に送られる。この結果、ＭＯＳＦＥＴドライバ６０４は、クロック信号３１０と同相のＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２をオンにする。上述のように、フリップ・フロップ５１０がリセットされると、すなわち、Ｑ出力が論理０に変化すると、ＡＮＤゲート６１４は、論理０をＭＯＳＦＥＴドライバ６０４の入力に出力する。これによって、ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２がオフになり、ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２に供給される電圧パルスが中断される。
【００４７】
ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２は、トランジスタがオフになるときに、一次巻線１０４の漏れインダクタンスを放電するための電流経路を形成するために、そのドレインとソースの間に接続された過渡抑制ダイオード（サージサプレッサーダイオード）６０７を備えている。これは、一次巻線１０４の漏れインダクタンスによって、ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ５０２を破壊するのに十分な高さの電圧が発生するのを阻止するためである。
【００４８】
上述の保護回路６０２及びコンデンサ電圧測定回路６０８は、現在の又は今後開発される任意の周知の方法で実施可能である。かかる実施は、当業者には明らかであり、従って、本明細書ではこれ以上説明しない。
【００４９】
図７は、本明細書において制御論理回路７０２と呼ぶ、制御論理回路６０１の別の実施態様の概略図である。図６に示す実施態様の場合と同様、信号４０６は、各充電サイクルにおける単一パルスであり、その最大デューティ・サイクルがクロック信号３１０のデューティ・サイクルによって決まることを保証するため、セット・リセット・フリップ・フロップ５１０によって、クロック信号３１０にゲート処理が施される。この実施態様の場合、Ｓ−Ｒフリップ・フロップ７１６は、ＮＯＲゲート７１０、７０８によって実施される。セット（Ｓ）及びリセット（Ｒ）入力は、それぞれ、ＮＡＮＤゲート７１２及び７０６からの信号を受信する。Ｓ−Ｒフリップ・フロップ７１６のＱ出力及びＮＡＮＤゲート７１２の出力は、ＦＥＴドライバ７１４を駆動するためにＮＯＲゲート７０４に供給され、次に、ＦＥＴドライバ７１４によって、可変デューティ・サイクル制御信号４０６が発生する。この実施態様の場合、ＦＥＴドライバ７１４は、正論理によって制御される。すなわち、信号７０５が論理「高」の場合、ドライバ７１４はオンになり、信号７０５が論理「低」の場合、ドライバ７１４はオフになる。
【００５０】
充電サイクルにおいて、一次電流１２４がしきい値に向かって増大する間、フリップ・フロップ７１６の状態は不変のままである。一次電流１２４が、しきい値を超えると、デューティ・サイクル調整信号１１５は、「高」状態から「低」状態に変化する。これは、ＮＡＮＤゲート７０６によって反転され、ＮＯＲゲート７０８には「高」状態値が加えられることになる。これによって、フリップ・フロップ７１６は強制的に状態を変化させられ、従って、ＮＯＲゲート７０４には「高」状態信号が加えられる。この結果、ＮＯＲゲート７０４の出力が、強制的に「低」状態にされ、ＦＥＴドライバ７１４に対する駆動信号が終了する。このため、ＦＥＴスイッチ５０２がオフになり、電流はトランス１１４の一次巻線１０４に流れなくなる。上述のように、これによって、トランス１１４の二次巻線１０６は、コンデンサ１０８の充電を開始できるようになる。クロック信号３１０が非アサートされると、ラッチ７１６がセットされる。過電流しきい値に達すると、ラッチ７１６はリセットされ、制御信号パルスが終了する。
【００５１】
トランス１１４は、いくつかの設計のトレード・オフに従って選択される。トランス１１４の所望の特性の１つは、巻数比が高いことである。こうしたトランスの場合、かなり低い印加または入力電圧のわりには、高出力電圧が得られる。さらに、開示したコンデンサ充電システム１００の場合、トランス１１４の巻線は、極性が逆である。この結果、一次巻線１０４にエネルギーが蓄積されている間、トランスの二次巻線１０６には電流がほとんど流れないか、または、全く流れない。一次巻線１０４が、その充電サイクルを完了してオフになると、二次巻線１０６が、上述のように、コンデンサ１０８にエネルギーを伝達することになる。トランス１１４のサイズ及び充電クロック信号３１０の最適周波数を選択する場合には、いくつかの要素を考慮すべきである。例えば、トランス１１４のコア１０５内に蓄積されるエネルギーは、一次巻線１０４のインダクタンスとそれに印加される電圧の両方の関数である。一般に、トランス１１４のコア１０５が大きくなるほど、それを取り巻く磁界内に蓄積可能なエネルギーも増大する。さらに、トランス１１４の磁気コア１０５が飽和する電流が存在し、この値を超える電流を給与すると、回路の性能は改善されない。一般に、トランスのコアが大きくなるほど、飽和電流が大きくなる。従って、トランス１１４の選択は、システムの物理的要件と電気的要件のバランスをとることが必要になる場合が多い。トランスが大きくなると、より大きい電流を利用することが可能になり、従って、小形のトランスに比べてサイクル当たりより高い速度（または、レート）でエネルギーを伝達することになるので、より低い周波数を使用することが可能になる。これによって、支援コンポーネントに対する要求が減少し、支援コンポーネントは、例えば、より低い速度で動作することが可能になる。しかし、トランスが大きくなると、多量のスペースを占有し、重量が増すことになり、大電流が通ると、発生する熱が増大し、電気的な妨害雑音を生じる可能性がある。一方、トランスが小さくなると、等価なエネルギー量を伝達するために、より高い周波数が必要になる。これは、トランスが小さくなると、利用する電流が少なくなり、従って、サイクル当たりより低い速度（レート）でエネルギーを伝達することになるためである。しかし、より高い周波数を利用して、等価なエネルギー伝達速度を実現するには、寄生特性、ノイズ感度等のため、さらに複雑にならざるを得なくなる。本発明の実施態様の１つでは、トランス１１４は、Ｌｐが約８μＨで、巻数比が１：３８（一次：二次）である。
【００５２】
図８Ａ〜８Ｃには、本発明の実施態様の１つに従って生成される典型的な波形が示されている。この典型的な波形には、一次巻線１０４を流れる一次電流１２４（図８Ａ）、二次巻線１０６を流れる二次電流１２６（図８Ｂ）、及び、一次巻線１０４に印加される充電電圧１２２（図８Ｃ）が含まれている。各波形の２サイクルを示しているが、各サイクルの組は、別々の時間間隔間に挿入された一連のドットで示される、充電シーケンス中の異なる時間に発生する。
【００５３】
上述のように、当初、トランス・コア１０５には最小限のエネルギーが蓄積されているか、または、全く蓄積されていない。所望の量のエネルギーをトランス・コア１０５に蓄積するため、充電シーケンスの呼び出し直後に、一次電流１２４がゼロから所定の最大値Ｉ_maxまでランプ状に（すなわち、ある勾配で）増大する。図８Ａ〜８Ｃに示す波形は、トランス・コア１０５のエネルギーの初期蓄積に引き続いて生じる。この波形は、本発明の固定周波数でデューティ・サイクルが可変の電流波形１０９のデューティ・サイクルが変化する状態を示している。これらの図では、コンデンサ１０８が、二次巻線１０６の両端間に接続されているので、電流波形１０９は、二次電流１０９と同じであることに留意されたい。
【００５４】
後述のように、一次電流波形１２４のデューティ・サイクルを制御して、コンデンサの両端間における電圧、すなわち、コンデンサに対するエネルギー伝達速度が低い場合には、より長い持続時間にわたって、また、コンデンサ電圧の上昇時には、より短い持続時間にわたって、二次電流１０９がコンデンサ１０８に給与されるようにする。コンデンサ１０８に伝達されるエネルギーは、トランス・コア１０５に蓄積される。エネルギーがトランス・コア１０５に伝達される速度は、図８Ａの一次電流波形の一定の勾配によって示されるように、充電シーケンス全体にわたってほぼ一定である。一方、トランス・コア１０５からコンデンサ１０８へのエネルギー伝達速度は、コンデンサ電圧の上昇につれて速くなる。これは、図８Ｂの二次電流波形の負の勾配の増大によって示されている。
【００５５】
一次及び二次電流波形のデューティ・サイクルは、エネルギー伝達の平衡を実現するように調整され、これにより、トランスは充電シーケンス全体を通じて連続伝導動作モードに維持される。充電サイクル中に各巻線を流れる電流は、トランス１１４の巻数比ｎの関数である。一般に、一次電流１２４は、巻数比と直前のサイクルの終了時における二次電流１２６との積にほぼ等しい。一次電流１２４は、充電サイクルの第１の部分において、この値からＩ_maxまでランプ状に増大する。同様に、各充電サイクルついて、二次電流１２６は、すぐに生じる一次電流１２４を巻数比で割った値に等しい。二次電流１２６は、充電サイクルの残りの部分において、この値からより低いある値までランプ状に減少する。
【００５６】
図を参照すると、充電電圧１２２は、時間ｔ₁に始まり、時間ｔ₂に終了する持続時間ｔ₄にわたって、一次巻線１０４に印加される。時間ｔ₂において、一次電流１２４は、所定の最大値Ｉ_maxに達する。これに応答して、パルス化電圧源１０２が、充電電圧波形１２２の立ち下がりエッジによって示すように時間ｔ₂においてオフになる。この時点において、一次巻線電流１２４は、ゼロまで減少し、二次巻線１０６の二次電流１２６は、Ｉ_max／ｎのレベルまで増大する。ここで、ｎは、トランス１１４の巻数比である。二次電流１２６は、トランス・コア１０５に蓄積されたエネルギーがコンデンサ１０８に伝達されると、減少し始める。これは、持続時間ｔ₅にわたって生じる。上述のように、この実施態様の場合、二次巻線１０６は、一次巻線１０４と位相が異なっており、従って、一次巻線１０４が充電中でないときは、エネルギーを伝達する、すなわち、時間期間ｔ₄及び時間期間ｔ₅は、充電電圧１２２の１周期によって画定される１充電サイクルの間に生じる。
【００５７】
上述のように、エネルギー伝達速度は、二次電流１２６の減少速度、すなわち、時間期間ｔ₅における二次電流波形１２６の勾配の大きさに比例する。この時間期間において、二次電流１２６は、Ｉ_max／ｎからＩ_slに減少する。時間期間ｔ₅は、定周波数クロック信号３１０の周波数の選択によって決まる。時間ｔ₃において、定周波数クロック信号（不図示）は、状態を変化させ、図８Ｃに示すように、一次巻線１０４に主充電電圧１２２を印加する。これによって、電流が一次巻線１０４に流れ、二次巻線１０６の放電が停止される。これは、ゼロ電流値からではなく、初期条件ｎ^*Ｉ_slから線形に増大する一次電流波形１２４によって示されている。ここで、ｎは、トランス１１４の巻数比である。
【００５８】
図８Ａ〜８Ｃには、それぞれ、コンデンサ電圧が時間間隔ｔ₄及びｔ₅におけるよりも高い、ある後続時間におけるそれぞれの波形が示されている。この後続時間ｔ₆において、定周波数クロック信号３１０の状態が変化し、時間ｔ₆に始まり、時間ｔ₇に終了する持続時間ｔ₉にわたって主充電電圧１２２（図８Ｃ）が一次巻線１０４に印加される。時間ｔ₇において、一次電流１２４が所定の最大値Ｉ_maxに達する。これに応答して、パルス化電圧源１０２が、充電電圧波形１２２の立ち下がりエッジによって示すように時間ｔ₇においてオフになる。この時点において、一次巻線電流１２４は、ゼロまで減少し、二次巻線１０６の二次電流１２６は、Ｉ_max／ｎのレベルまで増大する。二次電流１２６は、トランス・コア１０５に蓄積されたエネルギーがコンデンサ１０８に伝達されると、減少し始める。これは、持続時間ｔ₁₀において生じ、その間に、二次電流１２６はＩ_max／ｎからＩ_s2まで減少する。時間間隔ｔ₅において生じる二次波形との比較によって、二次電流１２６の勾配の変化がわかる。この勾配の変化は、コンデンサ電圧が上がると、現在可能なエネルギー伝達速度が上昇することを反映している。結果として、二次電流１２６は、Ｉ_max／ｎから、時間間隔ｔ₅より短い時間間隔ｔ₁₀におけるＩ_s1より小さいＩ_s2まで減少する。
【００５９】
時間ｔ₈において、定周波数クロック信号３１０の状態が変化し、図８Ｃに示すように、一次巻線１０４に主充電電圧１２２が印加される。これによって、一次巻線１０４に電流が流れ、二次巻線１０６の放電が停止する。これは、初期条件ｎ^*Ｉ_s2から線形に増大する一次電流波形１２４によって示されている。ここで、ｎは、トランス１１４の巻数比である。
【００６０】
図８Ａ〜８Ｃには、それぞれ、コンデンサ電圧が時間間隔ｔ₄、ｔ₅、及び、ｔ₉、ｔ₁₀におけるよりも高い、さらに後のある時間におけるそれぞれの波形が示されている。この後続時間ｔ₁₁において、時間ｔ₁₁に始まり、時間ｔ₁₂に終了する持続時間ｔ₁₄にわたって、主充電電圧１２２が、一次巻線１０４に印加される。時間ｔ₁₂において、一次電流１２４が所定の最大値Ｉ_maxに達する。これに応答して、パルス化電圧源１０２が、時間ｔ₁₂においてオフになり、一次巻線電流１２４は、ゼロまで減少する。二次電流１２６は、時間ｔ₁₂において、Ｉ_max／ｎのレベルまで増大する。二次電流１２６は、トランス・コア１０５に蓄積されたエネルギーがコンデンサ１０８に伝達されると、持続時間ｔ₁₅において、Ｉ_max／ｎからＩ_s3まで減少する。時間間隔ｔ₅及びｔ₁₀において生じる二次波形１２６との比較によって、コンデンサ電圧のさらなる増大に起因するエネルギー伝達速度の連続的な上昇を反映する、二次電流１２６の勾配の連続的な変化がわかる。結果として、二次電流１２６は、Ｉ_maxから、時間間隔ｔ₁₀より短い時間間隔ｔ₁₅におけるＩ_s2より小さいＩ_s3まで減少する。時間ｔ₁₃において、主充電電圧１２２が上昇して、一次巻線１０４に電流が流れ、二次巻線１０６には流れなくなる。これが、初期条件ｎ^*Ｉ_s3から線形に増大する一次電流波形１２４によって示されている。
【００６１】
一次巻線１０４にＩ_maxまで充電するための時間、すなわち、持続時間ｔ₄、ｔ₉、及び、ｔ₁₄は、順次長くなる時間期間である。逆に、二次巻線１０６をＩ_max／ｎからＩ_s2まで放電させるための時間、すなわち、持続時間ｔ₅、ｔ₁₀、及び、ｔ₁₅は、順次短くなる時間期間である。これにより、トランス・コア１０５からコンデンサ１０８へのエネルギー伝達速度が増す場合に、トランス・コア１０５が、充電シーケンス中、蓄積されるエネルギー量を本質的に同じに保ち、その一方で、コンデンサ１０８に迅速にエネルギーを伝達する、ということが保証される。これが、本発明によるトランスの動作特性である、すなわち、連続動作モードにおいて、トランス１１４から取り出されたエネルギーだけが補充され、トランス１１４は、連続してエネルギーを蓄積するように保持される。
【００６２】
図９は、本発明の実施態様の１つを表すプロセスを実行するためのフローチャートである。ステップ９０２において、クロック信号がスイッチング要素に加えられてパルス化電圧波形が生成される。ステップ９０４で、このパルス化電圧波形をコンデンサ充電トランスの一次巻線に加え、所定のしきい値に等しくなるまで一次巻線の電流の検出を行う（ステップ９０６、９０８）。しきい値に達すると、ステップ９１０で電圧を遮断する。ステップ９１２で、次の周波数サイクルの開始を決定し、ステップ９０４で、再び、電圧をトランスの一次巻線に供給する。
【００６３】
上述のように、コンデンサ充電システム１００は、任意の他の構成及び態様をとることができる。例えば、上述の構成及びコンポーネントに加えて、またはその代わりに、他の回路構成及びコンポーネントを使用することが可能である。例えば、単一インダクタのような他の磁気素子を使用することができる。他の実施態様では、電流調整器が用いられる。また、所定の動作条件下において、デューティ・サイクルが、時間的に、長時間と短時間との間を変動する可能性がある。これらの動作条件は、例えば、クロック周波数、トランスのインダクタンス、ピーク電流、コンデンサ電圧等の選択値によって生じる。本発明のコンデンサ充電器の開示された実施態様によれば、最短時間で、かなりのエネルギーをコンデンサ１０８に伝達することが可能になる。例えば、ある実施態様では、コンデンサ充電器によって、３秒未満で、２４０ジュールまでコンデンサに蓄積することができる。
【００６４】
本発明は、発明者Gregory D.Brinkの名義として、本明細書と同時に提出された代理人整理番号10990390-1の「System and Method for Charging A Capacitor Using a Variable Frequency, Variable Duty Cycle Current Waveform」と題する米国実用特許出願に関するものであり、この出願の明細書は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。
【００６５】
本発明の思想及び範囲内において、図面に示し、明細書で説明した実施態様にさまざまな変更及び修正を施すことが可能であることは言うまでもない。従って、上記説明に包含され、添付図面に示された全ての内容は、例示のためのものであって、それらに限定することを意図したものではない。本発明は、特許請求の範囲に規定される事項及びその均等物によってのみ制限される。
【００６６】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．コンデンサ充電システムにおいて、
コンデンサ（１０８）に接続されたコンデンサ充電装置（１００）であって、固定周波数で、デューティ・サイクルが可変の波形である振幅を有する電流（１０９）を発生することによって、前記コンデンサ（１０８）に充電するよう製作及び構成されたコンデンサ充電装置（１００）と、
前記コンデンサ（１０８）と前記コンデンサ充電装置（１００）の間に電気的に接続及び挿入されたダイオード（１０７）であって、陰極が前記コンデンサ（１０８）に接続され、陽極が前記コンデンサ充電装置（１００）に接続された、ダイオード（１０７）
を備える、コンデンサ充電システム。
２．前記コンデンサ充電装置（１００）が、
磁気素子（１１４）であって、その両端間に前記コンデンサ（１０８）が接続されている、磁気素子（１１４）と、
前記磁気素子（１１４）のノードに接続されたパルス化電圧源（１０２）であって、第１の電圧と該第１の電圧より低い第２の電圧間において、ほぼ一定の周波数で、かつ可変のデューティ・サイクルで遷移する充電電圧（１２２）を前記磁気素子（１１４）に供給するように製作及び構成された、パルス化電圧源（１０２）
を備える、上項１のコンデンサ充電システム。
３．前記磁気素子（１１４）が、一次巻線（１０４）と、前記一次巻線（１０４）と位相が異なる二次巻線（１０６）とを有するフライバック・トランス（１１４）であり、前記コンデンサ（１０８）が前記二次巻線（１０６）の両端間に接続されていることからなる、上項２のコンデンサ充電システム。
４．前記コンデンサ充電装置（１００）が、さらに、
前記一次巻線（１０４）の第２のノードに接続され、前記一次巻線（１０４）を流れる電流（１２４）を表す電流振幅信号（１２５）を発生するように製作及び構成された電流センサ（１１０）と、
前記パルス化電圧源（１０２）及び前記電流センサ（１１０）に動作可能に結合され、前記パルス化電圧源（１０２）にデューティ・サイクル調整信号（１１５）を与えて、前記充電電圧波形（１１２）のデューティ・サイクルを前記電流振幅信号（１２５）に基づいて調整するように製作及び構成された制御回路（１１６）
を備える、上項３のコンデンサ充電システム。
５．前記パルス化電圧源（１０２）が、
電圧を供給するための電圧源（２０４）と、
前記電圧源（２０４）及び前記一次巻線（１０４）に直列に接続されたスイッチング要素（２０２）
を備え、前記スイッチング要素（２０２）によって、前記一次巻線（１０４）に印加される前記電圧（２０４）が制御されることからなる、上項３のコンデンサ充電システム。
６．前記パルス化電圧源（１０２）が、さらに、
前記ほぼ一定周波数のクロック信号（３１０）を前記スイッチング要素（３０２）に供給するクロック発生器（３０４）を備え、
前記スイッチング要素（３０２）が、前記クロック信号（３１０）に応答して、前記電圧パルス（１２２）を前記一次巻線（１０４）に供給することからなる、上項５のコンデンサ充電システム。
７．前記制御回路（１１６）が、
前記電流センサ（１１０）に接続されたコンパレータ（５０８）であって、第１の入力で前記電流振幅信号（１２５）を受信し、第２の入力が電圧基準（５０６）に接続されており、前記電流センサ（１１０）によって、前記一次巻線（１０４）の前記電流（１２４）が所定の量にほぼ等しいことが示されると、前記デューティ・サイクル調整信号（１１５）の状態を変更するように製作及び構成されたコンパレータ（５０８）
を備える、上項６のコンデンサ充電システム。
８．前記制御回路（１１６）が、さらに、
前記コンパレータ（５０８）の前記第１の入力と前記電流センサ（１１０）の間に挿入されたフィルタ（５１６）であって、前記電流センサ（１１０）から前記電流振幅信号（１２５）を受信する入力と、前記コンパレータ（５０８）の前記第１の入力に結合された出力とを有するフィルタ（５１６）
を備え、
前記フィルタ（５１６）は、前記電流振幅信号（１２５）の少なくとも１つの周波数を減衰させることからなる、上項７のコンデンサ充電システム。
９．前記制御回路（１１６）が、さらに、
前記コンパレータ（５０８）の前記出力に結合された第１の入力と、前記クロック発生器（３０４）に結合された第２の入力と、前記電圧パルス（１２２）の前記デューティ・サイクルを制御するために前記スイッチング要素に結合された出力を有する制御論理回路（４０２）であって、前記第１の入力で前記デューティ・サイクル調整信号（１１５）を受信し、前記第２の入力で前記クロック信号（３１０）を受信することからなる、制御論理回路（４０２）
を備える、上項８のコンデンサ充電システム。
１０．コンデンサ（１０８）に充電するための方法であって、
振幅が固定周波数波形を有する電流（１０９）をコンデンサ（１０８）に供給するステップと、
前記固定周波数の電流（１０９）のデューティ・サイクルを変化させるステップと、
固定周波数でかつデューティ・サイクルが可変の電圧波形（１２２）によってトランス（１１４）の一次巻線を駆動するステップと、
前記一次巻線（１０４）を流れる電流（１２４）を検知するステップと、
前記一次巻線（１０４）に流れる前記電流（１２４）が所定の値に達すると、前記電圧波形（１２２）のデューティ・サイクルを調整するステップ
を含む、方法。
【００６７】
本発明の概要は以下の様である。振幅が固定周波数波形を有するところの電流（１０９）加えることによって高電圧コンデンサ（１０８）を充電するためのシステム及び方法である。電流（１０９）がコンデンサ（１０８）に加えられる充電シーケンスの間、固定周波数電流（１０９）波形のデューティサイクルを、コンデンサ（１０８）の電圧状態に基づいて動的に制御して、エネルギーをコンデンサ（１０８）に送ることが可能な効率に従ってエネルギーの伝送を変更する。これによって、コンデンサの充電シーケンスが最適化され、高電圧コンデンサ（１０８）を充電する速度が上がる。一般的には、エネルギーは、フライバック・トランス（１１４）のような磁気素子によって電源（２０４）からコンデンサ（１０８）に伝送される。パルス化電圧源（１０２）が、一定周波数及び調整可能なデューティサイクルを有する電圧パルス（１２２）をトランス（１１４）の一次巻線（１０４）に供給する。最初は、トランスのコア（１０５）にはエネルギーは蓄積されていない。その結果、初期の電圧パルスのデューティサイクルは、トランスのコア（１０５）に蓄えられるエネルギーを蓄積するのに十分な持続時間を有する。トランス（１１４）に所定量のエネルギーが蓄積されると、トランス（１１４）は、電流１０９を生成してコンデンサ（１０８）を充電するよう制御される。電流（１０９）の振幅は、固定周波数で、かつ、デューティサイクルが可変の波形を有する。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、迅速かつ効率的に高電圧コンデンサを充電することが可能なデフィブリレータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の１実施態様によるコンデンサ充電システムの高レベルのブロック図である。
【図１Ｂ】本発明のコンデンサ充電回路の１実施態様のブロック図である。
【図２】本発明の別の実施態様のブロック図である。
【図３】本発明の別の実施態様のブロック図である。
【図４】本発明の別の実施態様のブロック図である。
【図５】本発明の１態様の電子回路図の略図である。
【図６】本発明の１態様の略ブロック図である。
【図７】図５に示すコンデンサ充電回路の制御論理回路の１実施態様の略図である。
【図８Ａ】本発明の１実施態様における典型的な波形を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の１実施態様における典型的な波形を示す図である。
【図８Ｃ】本発明の１実施態様における典型的な波形を示す図である。
【図９】本発明の１実施態様を実行するプロセスに関するフローチャートである。
【符号の説明】
１００コンデンサ充電システム
１０２パルス化電圧源
１０４一次巻線
１０６二次巻線
１０７ダイオード
１０８コンデンサ
１１０電流センサ
１１４トランス
１１６制御回路
２０２スイッチング要素
２０４電圧源

Claims

コンデンサ充電システムにおいて、
コンデンサに接続されたコンデンサ充電装置であって、固定周波数で、デューティ・サイクルが可変の波形である振幅を有する電流を発生することによって、前記コンデンサに充電するよう構成及び配置されたコンデンサ充電装置と、
前記コンデンサと前記コンデンサ充電装置との間に電気的に接続及び挿入されたダイオードであって、陰極が前記コンデンサに接続され、陽極が前記コンデンサ充電装置に接続された、ダイオードと、
バッテリーケミストリ信号及びバッテリー識別信号に基づいてクロック周波数を決定するクロック発生器と
を備え、
前記固定周波数は、前記クロック周波数に基づき、
前記コンデンサ充電装置は、
磁気素子であって、その両端間に前記コンデンサが接続されている、磁気素子と、
前記磁気素子のノードに接続されたパルス化電圧源であって、第１の電圧と該第１の電圧より低い第２の電圧との間において、前記クロック周波数で、かつ可変のデューティ・サイクルで遷移する充電電圧を前記磁気素子に供給するように構成及び配置された、パルス化電圧源と
を備え、
前記磁気素子は、一次巻線と、前記一次巻線と位相が異なる二次巻線とを有するフライバック・トランスであり、前記コンデンサは、前記二次巻線の両端間に接続され、
前記パルス化電圧源は、電圧を供給するための電圧源と、前記電圧源及び前記一次巻線に直列に接続されたスイッチング要素を備え、前記スイッチング要素によって、前記一次巻線に印加される前記電圧が制御され、
前記電圧源としてリチウム・バッテリーが用いられる場合、前記パルス化電圧源は、前記電圧源としてニッケル・カドミウム・バッテリーが使用される場合よりも低いクロック周波数を引き起こす、コンデンサ充電システム。
前記コンデンサ充電装置は、さらに、
前記一次巻線の第２のノードに接続され、前記一次巻線を流れる電流を表す電流振幅信号を発生するように構成及び配置された電流センサと、
前記パルス化電圧源及び前記電流センサに動作可能に結合され、前記パルス化電圧源にデューティ・サイクル調整信号を与えて、前記充電電圧波形のデューティ・サイクルを前記電流振幅信号に基づいて調整するように構成及び配置された制御回路と
を備える、請求項１のコンデンサ充電システム。
前記パルス化電圧源は、さらに、前記クロック発生器を有し、
前記クロック発生器は、前記クロック周波数を有するクロック信号を前記スイッチング要素に供給し、
前記スイッチング要素は、前記クロック信号に応答して、前記電圧パルスを前記一次巻線に供給する、請求項１のコンデンサ充電システム。
前記制御回路は、
前記電流センサに接続されたコンパレータであって、第１の入力で前記電流振幅信号を受信し、第２の入力が電圧基準に接続されており、前記電流センサによって、前記一次巻線の前記電流が所定の量にほぼ等しいことが示されると、前記デューティ・サイクル調整信号の状態を変更するように構成及び配置されるコンパレータを備える、請求項２のコンデンサ充電システム。
前記制御回路は、さらに、
前記コンパレータの前記第１の入力と前記電流センサとの間に挿入されたフィルタであって、前記電流センサから前記電流振幅信号を受信する入力と、前記コンパレータの前記第１の入力に結合された出力とを有するフィルタを備え、
前記フィルタは、前記電流振幅信号の少なくとも１つの周波数を減衰させる、請求項４のコンデンサ充電システム。
前記制御回路は、さらに、
前記コンパレータの前記出力に結合された第１の入力と、前記クロック発生器に結合された第２の入力と、前記電圧パルスの前記デューティ・サイクルを制御するために前記スイッチング要素に結合された出力とを有する制御論理回路であって、前記第１の入力で前記デューティ・サイクル調整信号を受信し、前記第２の入力で前記クロック信号を受信する、制御論理回路を備える、請求項５のコンデンサ充電システム。