JPWO2019203355A1 - インピーダンス調整回路、電力変換素子及び電源素子 - Google Patents
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Abstract
Description
電力変換素子7及び電源素子1は、調整回路9を備える。調整回路9のキャパシタCは、第1回路部13の入力9aを介して発電回路8から受ける電力によって充電される。キャパシタCは、第1回路部13の出力9cを介して電力変換回路11に電力を提供する。電力変換回路11に電力が供給される態様において、電力変換回路11の電源は、発電回路8ではなく、キャパシタCである。キャパシタCと出力9cとの間に存在する出力抵抗14Rは、発電回路8の出力抵抗8Rよりも小さい。その結果、調整回路9を発電回路8と電力変換回路11との間に接続した回路構成は、発電回路8を電力変換回路11に直結する回路構成よりも、電力変換回路11に提供される電圧の降下を抑制できる。従って、効率のよい電力の伝送を行うことができる。
制御部12は、予め設定した期間が経過するたびに、充電動作と放電動作とを定期的に切り替えた。変形例1の電源素子1Aの制御部12Aは、調整回路9の出力9cに提供される電圧を利用して、充電動作と放電動作とを切り替える制御を行ってもよい。図4に示すように、変形例1の電源素子1Aは、実施形態の電源素子1の構成に加えて、調整回路9の出力9cに接続された線路L4を有する。放電動作によって出力9cには、電圧が提供される。この電圧は、時間の経過とともに低下する。制御部12Aは、出力9cに提供される電圧を監視する。制御部12Aは、放電動作が開始された時の電圧を基準として、出力9cに提供される電圧が所定の割合だけ低下したとき、放電動作から充電動作に切り替える。例えば、放電動作を開始したときの電圧を100%とする。制御部12Aは、出力9cの電圧が90%以下に低下したとき、放電動作から充電動作に切り替えてもよい。
図5に示すように、変形例2の電源素子1Bは、発電回路8と、調整回路9Bと、電力変換回路11と、制御部12Bと、を有する。調整回路9B、電力変換回路11及び制御部12Bは、電力変換素子7Bを構成する。変形例2の調整回路9Bは、4個のスイッチS3、S4、S5、S6と、2個のキャパシタC1、C2と、を有する。この構成は、調整回路9を並列に接続したものである。
図6に示すように、変形例4の電源素子1Cは、発電回路8、調整回路9及び電力変換回路11(第1電力変換回路)に加えて、さらに追加電力変換回路18(第2電力変換回路)を有してもよい。追加電力変換回路18は、発電回路8の出力8a、8b及び電力変換回路11の出力11c、11dに接続される。追加電力変換回路18は、調整回路9及び電力変換回路11に対して並列に設けられる。追加電力変換回路18は、発電回路8の出力抵抗8Rが影響しない程度の高い入力インピーダンスを有する。従って、追加電力変換回路18は、発電回路8のオープン電圧の近傍において動作させることができる。発電回路8が起動するとき、追加電力変換回路18は、所定の電圧を有する電力を発生する。そして、発電回路8の出力電圧が定常動作であるときの出力電圧に達したのちに、当該電圧によって調整回路9の動作を開始する。この構成によれば、調整回路9及び電力変換回路11の起動及び定常動作に要する回路面積を小さくすることができる。また、電源素子1Cの電力効率を高めることができる。
図7に示すように、変形例4の電源素子1Dは、発電回路8と、調整回路9Dと、電力変換回路11Dと、制御部12Dと、を有する。調整回路9Dは、線路L5と、キャパシタC3と、を有する。線路L5は、入力9aと出力9cとを接続する。キャパシタC3は、線路L5及び接地電位GNDに接続されている。変形例3の調整回路9Dは、調整回路9からスイッチS1、S2を取り去ったものである。変形例3の制御部12Dは、電力変換回路11Dの構成要素である。制御部12Dは、電力変換回路11Dの動作を制御する。制御部12Dは、パルスジェネレータ(PG)である。制御部12Dは、電力変換回路11Dの変圧動作の開始と停止とを制御する。電力変換回路11Dは、制御信号を周波数変調部16に提供する。電力変換回路11Dの出力11cは、キャパシタC4に接続されてもよい。キャパシタC4の容量は、キャパシタC3の容量よりも小さいことが好ましい。しかし、キャパシタC3、C4の大小関係は、上記の関係に限定されない。例えば、キャパシタC4の容量は、キャパシタC3の容量と同じであってもよい。キャパシタC4の容量は、キャパシタC3の容量よりも大きくてもよい。
図8に示すように、変形例5の電源素子1Eは、発電回路8と、調整回路9Dと、電力変換回路11Eと、制御部12Dと、検出部20と、を有する。検出部20は、電力変換回路11Eの出力11cに接続される。検出部20は、出力11cに提供される電圧を監視する。検出部20は、出力11cの電圧が閾値を超えたとき、周波数変調部16の動作を停止させる。検出部20は、電力変換回路11Eの電圧が閾値を下回ったとき、周波数変調部16の動作を開始する。検出部20が周波数変調部16の動作を停止させるとき、制御部12Dの制御信号の種別は無関係である。例えば、制御部12が電力変換回路11Eの動作を開始させる(周波数変調部16の発振を開始する)ための制御信号を周波数変調部16に提供していたとしても、検出部20から動作停止の制御信号が提供されると、周波数変調部16は、動作を停止する。この構成によれば、電力変換回路11Eからの出力に制限を設けることができる。
図9に示すように、変形例6の電源素子1Fは、発電回路8と、調整回路9Dと、電力変換回路11Fと、クロック発生部21と、を有する。電力変換回路11Fは、スイッチングレギュレータ(SW)であってもよい。スイッチングレギュレータは、コイル22と、トランジスタ23と、ダイオード24と、を含む。この回路構成では、電力変換回路11Fの動作の開始(図10の期間T1参照)及び停止(図10の期間T2参照)は、クロック信号によって制御される。クロック信号は、クロック発生部21からダイオード24に提供される。従って、調整回路9Dの充電動作と放電動作とを切り替えることができる。
図11に示すように、変形例7の電源素子1Gは、発電回路8Aと、調整回路9と、電力変換回路11Gと、追加電力変換回路18と、制御部12と、を有する。発電回路8Aは、4個の出力8c、8d、8e、8fと、2個の出力抵抗8Ra、8Rbと、2個の発電部8Ea、8Ebと、を有する。
検討例1では、発電回路のオープン電圧の理論限界について確認した。図12の(a)部は、検討例1に係る電源素子100のモデルを示す。検討例1の電源素子100は、発電回路101と、電力変換回路102と、を含む。発電回路101は、熱電素子(TEG)を含む。電源素子100は、負荷103に電力POUTを提供する。発電回路101は、出力抵抗RTEGを有する。発電回路101は、オープン電圧VOCによって示される電力PINを出力する。電力変換回路102は、変換効率ηを有する。電力変換回路102は、電力POUTを出力する。負荷103は、電流IPPと電圧VPPとによって示される電力を要求する。
負荷103の電圧VPP:3.3V。
負荷103の電流IPP:30μA(条件1−1)、3μA(条件1−2)。
発電回路101の出力抵抗RTEG:300Ω。
検討例2では、負荷103の条件を一定として、調整回路104を適用した場合の電力変換回路102の変換効率ηと、発電回路8のオープン電圧VOCとの関係を検討した。図13の(a)部は、検討例2の電源素子200のモデルを示す。電源素子200は、発電回路101と、電力変換回路102と、調整回路104と、を含む。検討例2では、負荷103の条件を一定(電流IPP=30uA、電圧Vpp=3.3V)とした。また、発電回路8の出力抵抗RTEGを300Ωとした。グラフG3は、調整回路104を適用した場合の変換効率ηとオープン電圧VOCとの関係を示す。グラフG4は、調整回路104を適用しない場合の変換効率ηとオープン電圧VOCとの関係を示す。グラフG3に示すように、調整回路104を適用することにより、電源素子100のオープン電圧の最小値VOC_MINを1/2とすることができることがわかった。
調整回路9を備える電源素子1は、電力の受け渡しの効率が高い。その結果、調整回路9を備える電源素子1は、所望の電力を得るための回路の規模を縮小することが可能である。検討例3では、調整回路9を備える電源素子1の回路面積と、調整回路9を備えない電源素子200(比較例)の回路面積と、の比較を行った。図14の(a)部は、出力電圧Vddと電力変換回路の回路面積Atotとの関係を示す。図14の(b)部は、出力電圧Vddと電力変換回路の変換効率ηとの関係を示す。
発電回路の出力抵抗RS:500Ω。
電力変換回路からの出力電流IPP:40μA。
検討例4では、発電回路8の出力抵抗8Rと電力変換回路11の回路面積との関係を確認した。さらに、発電回路8の出力抵抗8Rと変換効率ηとの関係も確認した。また、比較対象として、調整回路9を備えない場合についても出力抵抗8Rと回路面積との関係及び出力抵抗8Rと変換効率ηを確認した。設定した条件と、結果を表1に示す。なお、回路面積及び変換効率ηの欄におけるかっこ内の表記は、条件3−3(又は条件3−4)を基準としたときの比率である。
図15は、IoT端末としてのセンサ装置2の構成を示す。発電回路8を含むエネルギ変換素子6は、環境エネルギから回収した電力(PIN)を出力する。エネルギ変換素子6から出力される電圧(VIN)は、電源回路である電力変換素子7によって電圧(VOUT)に変換される。この電圧(VOUT)は、電力変換素子7に接続されるセンサ素子4(負荷素子)に提供される。センサ素子4は、センサ4a及び無線ICといった通信回路4dを含む。
第1制御は、インピーダンス整合を満たすという条件を優先させる制御である。第1制御が選択される状態を、標準状態と呼ぶ。制御部12Hは、インピーダンス整合の条件(VOC/2=VIN)を満たす動作を行うと仮定すると共に、電圧(VOC/2)と要求電圧(VOC_MIN)とを比較する。例えば、制御部12Hは、電圧(VOC/2)が要求電圧(VOC_MIN)と等しい場合(VOC/2=VOC_MIN)に第1制御を選択してよい。また、例えば、制御部12Hは、電圧(VOC/2)が要求電圧(VOC_MIN)以上である場合(VOC/2≧VOC_MIN)に第1制御を選択してよい。さらに、例えば、制御部12Hは、電圧(VOC/2)が要求電圧(VOC_MIN)に所定の係数(a)を乗算した値よりも大きい場合(VOC/2>a×VOC_MIN)に第1制御を選択してよい。所定の係数(a)は、例えば0.8としてよい。制御部12Hは、第1制御を行うと判定したとき、電力変換素子7Hのターゲット電圧(VIN_TARGET)を電圧(VOC/2)に設定する。このような選択動作は、電源素子1Hの動作中において、任意のタイミングで繰り返し実施してよい。
第2制御は、要求電圧(VOC_MIN)を満たすという条件を優先させる制御である。第2制御が選択される状態を、最小エネルギ状態と呼ぶ。制御部12Hは、第1制御と同様に、インピーダンス整合の条件(VOC/2=VIN)を満たす動作を行うと仮定すると共に、電圧(VOC/2)と要求電圧(VOC_MIN)とを比較する。例えば、制御部12Hは、電圧(VOC/2)が要求電圧(VOC_MIN)より小さい場合(VOC/2<VOC_MIN)に第2制御を選択してよい。また、例えば、制御部12Hは、電圧(VOC/2)が要求電圧(VOC_MIN)に所定の係数(a)を乗算した値よりも小さい場合(VOC/2<a×VOC_MIN)に第2制御を選択してよい。所定の係数(a)は、例えば0.8としてよい。制御部12Hは、第2制御を行うと判定したとき、電力変換素子7Hのターゲット電圧(VIN_TARGET)を電圧(VOC/2)より大きい値に設定する。また、制御部12Hは、第2制御を行うと判定したとき、電力変換素子7Hのターゲット電圧(VIN_TARGET)を電圧(VOC_MIN)に所定の係数(b)を乗じた値に設定してもよい(VIN_TARGET=b×VOC_MIN)。要するに、制御部12Hは、第2制御を行うと判定したとき、ターゲット電圧(VIN_TARGET)を電圧(VOC/2)より大きく、かつ、電圧(b×VOC_MIN)より小さい値に設定してよい。このような選択動作は、電源素子1Hの動作中において、任意のタイミングで繰り返し実施してよい。
電源素子は、外部エネルギを電力に変換すると共に電力を出力する発電回路と、発電回路が発生する電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、発電回路に接続される入力端と電力変換回路に接続される出力端とを有する第1回路部と、第1回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに接続点及び接地点の間に接続されるキャパシタを有する第2回路部と、を有するインピーダンス調整回路と、電力変換回路を制御する制御部と、を備える。制御部は、第1電圧よりも第2電圧が小さいとき、電力変換回路への入力電圧が第2電圧よりも大きくなるように電力変換回路の動作を制御する。第1電圧は、負荷素子を駆動するために電力変換回路に要求される電圧を電力変換回路が出力可能な電力変換回路への入力電圧である。第2電圧は、発電回路から電力変換回路への電力の移送効率が所望の値となる電力変換回路への入力電圧である。
例えば、電源素子1Hが標準状態で動作していると仮定する。この場合には、制御部12Hは、第1制御を選択している。そして、エネルギ変換素子6に提供される環境エネルギが減少したとする。このような状況として、エネルギ変換素子6が熱電発電を行う素子であるとき、温度差が低下した場合が例示できる。この場合、エネルギ変換素子6の出力電圧(VOC)が減少する。そうすると、制御部12Hが制御の選択動作を行った結果、第1制御の選択条件を満足せず、第2制御の選択条件を満足する。つまり、標準状態から最低エネルギ状態に切り替わっている。従って、制御部12Hは、第1制御から第2制御に切り替える。このような動作によれば、環境エネルギが減少した場合であっても、センサ装置2に電力を供給し続けることができる。
例えば、電源素子1Hが最低エネルギ状態で動作していると仮定する。この場合には、制御部12Hは、第2制御を選択している。そして、エネルギ変換素子6に提供される環境エネルギが増加したとする。この場合、エネルギ変換素子6の出力電圧(VOC)も増加する。そうすると、制御部12Hが制御の選択動作を行った結果、第1制御の選択条件を満足する。つまり、最小エネルギ状態から標準状態に切り替わっている。従って、制御部12Hは、第2制御から第1制御に切り替える。このような動作によれば、エネルギ変換素子6から電力変換素子7Hへの電力の移送効率を最大化することができる。
制御部12Hは、さらに電力変換素子7Hの出力制御を行ってもよい。例えば、電源素子1Hの動作を開始する場合を想定する。まず、制御部12Hは、電力変換素子7Hのターゲット電圧(VIN_TARGET)を設定する。動作を開始する場合は、上述した最小エネルギ状態であると仮定する。従って、制御部12Hは、ターゲット電圧(VIN_TARGET)として、電圧(VOC/2)より高く、電圧(VOC_MIN)より低い値を設定する。例えば、制御部12Hは、ターゲット電圧(VIN_TARGET)として、電圧(VOC_MIN)×0.8を設定してよい。動作を開始したとき、電力変換素子7Hの出力電圧(VOUT)は、出力のターゲット電圧(VOUT_TARGET)よりも小さい。この場合には、電力変換素子7Hに提供するクロック信号(CLK)の周波数を高める。従って、制御部12Hは、制御信号(V_CONTROL)を高める。この動作に応じて、昇圧回路17Hは、入力電圧(VIN)を昇圧し、出力電圧(VOUT)を出力する。出力電圧(VOUT)が上昇し、出力電圧(VOUT)がターゲット電圧(VOUT_TARGET)と等しい、または、ターゲット電圧(VOUT_TARGET)よりも大きくなったとき、制御部12Hは、電力変換素子7Hの動作を停止する。電力変換素子7Hは、クロック信号(CLK)を受けて動作する。従って、制御部12Hは、0Vである制御信号(V_CONTROL)を出力する。なお、電力変換素子7Hに接続されたセンサ素子4が動作して、出力電圧(VOUT)が低下すると、制御部12Hは、再び昇圧動作を開始する。このようにして、出力電圧はターゲット電圧(VOUT_TARGET)付近に制御される。
Claims (13)
- 外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路と、前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、の間に接続されるインピーダンス調整回路であって、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第1回路部と、
前記第1回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第2回路部と、を備え、
前記第2回路部が含む出力抵抗の大きさは、前記発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さく、
前記キャパシタは、前記発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した前記電力を前記電力変換回路に出力する、インピーダンス調整回路。 - 外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路を含む発電素子に接続される電力変換素子であって、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、
前記発電回路と前記電力変換回路との間に接続されるインピーダンス調整回路と、を備え、
前記インピーダンス調整回路は、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第1回路部と、
前記第1回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第2回路部と、を有し、
前記第2回路部が含む出力抵抗の大きさは、前記発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さく、
前記キャパシタは、前記発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した前記電力を前記電力変換回路に出力する、電力変換素子。 - 前記電力変換回路の動作を開始及び停止させる制御部をさらに備え、
前記電力変換回路の動作停止により、前記キャパシタへの充電が行われ、
前記電力変換回路の動作開始により、前記キャパシタの放電が行われる、請求項2に記載の電力変換素子。 - 前記制御部は、前記インピーダンス調整回路から前記電力変換回路へ提供される電圧の大きさに基づいて、前記電力変換回路の動作開始及び動作停止を制御する、請求項3に記載の電力変換素子。
- 前記制御部は、所定の時間が経過するごとに、前記電力変換回路の動作の開始と動作の停止とを相互に切り替える、請求項3に記載の電力変換素子。
- 前記第1回路部は、前記入力端に接続された第1スイッチと、前記第1スイッチ及び前記出力端に接続された第2スイッチと、を有し、
前記第2回路部は、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチに接続された前記接続点と、前記接続点及び前記接地点に接続された前記キャパシタと、を有し、
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
前記第1スイッチを制御して前記入力端を前記キャパシタに接続すると共に、前記第2スイッチを制御して前記出力端を前記キャパシタから切断する充電動作と、
前記第1スイッチを制御して前記入力端を前記キャパシタから切断すると共に、前記第2スイッチを制御して前記出力端を前記キャパシタに接続する放電動作と、を相互に切り替える、請求項2に記載の電力変換素子。 - 前記制御部は、前記インピーダンス調整回路から前記電力変換回路へ提供される電圧の大きさに基づいて、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの動作を制御する、請求項6に記載の電力変換素子。
- 前記制御部は、所定の時間が経過するごとに、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの動作を制御する、請求項6に記載の電力変換素子。
- 前記電力変換回路は、第1電力変換回路であり、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する、前記第1電力変換回路とは別の第2電力変換回路と、
前記第1電力変換回路及び前記第2電力変換回路の動作を制御する制御部をさらに備え、
前記第2電力変換回路は、前記インピーダンス調整回路及び前記第1電力変換回路に対して並列に設けられ、
前記第2電力変換回路の入力インピーダンスは、前記第1電力変換回路の入力インピーダンスよりも前記発電回路の出力インピーダンスに近く、
前記制御部は、前記第2電力変換回路から電力を得たのちに、前記第1電力変換回路から電力を得る、請求項2に記載の電力変換素子。 - 外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路と、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、
前記発電回路と前記電力変換回路との間に接続されるインピーダンス調整回路と、を備え、
前記インピーダンス調整回路は、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第1回路部と、
前記第1回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第2回路部と、を有し、
前記第2回路部が含む出力抵抗の大きさは、前記発電回路が含む出力抵抗の大きさより小さく、
前記キャパシタは、前記発電回路から出力される電力を充電すると共に、充電した前記電力を前記電力変換回路に出力する、電源素子。 - 負荷素子に接続される電源素子であって、
外部エネルギを電力に変換すると共に前記電力を出力する発電回路と、
前記発電回路が発生する前記電力を所望の態様に変換する電力変換回路と、
前記発電回路に接続される入力端と前記電力変換回路に接続される出力端とを有する第1回路部と、前記第1回路部に接続される接続点、接地電位に接続される接地点並びに前記接続点及び前記接地点の間に接続されるキャパシタを有する第2回路部と、を有するインピーダンス調整回路と、
前記電力変換回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、第1電圧よりも第2電圧が小さいとき、前記電力変換回路への入力電圧が前記第2電圧よりも大きくなるように前記電力変換回路の動作を制御し、
前記第1電圧は、前記負荷素子を駆動するために前記電力変換回路に要求される電圧を前記電力変換回路が出力可能な前記電力変換回路への入力電圧であり、
前記第2電圧は、前記発電回路から前記電力変換回路への電力の移送効率が所望の値となる前記電力変換回路への入力電圧である、電源素子。 - 前記制御部は、前記第1電圧が前記第2電圧以上であるとき、前記電力変換回路への入力電圧が前記第2電圧となるように前記電力変換回路の動作を制御する請求項11に記載の電源素子。
- 前記制御部は、前記第1電圧よりも前記第2電圧が小さいときの前記キャパシタへの充電期間に対する前記キャパシタの放電期間の割合は、前記第1電圧が前記第2電圧以上であるときの前記キャパシタへの充電期間に対する前記キャパシタの放電期間の割合よりも小さい、請求項12に記載の電源素子。
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