図面 (/)

技術 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

出願人 コーニンクレッカフィリップスエヌヴェ
発明者 グレゴリー・ディー・ブリンク
出願日 2001年7月23日 (20年2ヶ月経過) 出願番号 2001-221165
公開日 2002年4月26日 (19年5ヶ月経過) 公開番号 2002-125328
状態 特許登録済
技術分野 電池等の充放電回路 直流の給配電 電池の充放電回路 DC‐DCコンバータ
主要キーワード パルス化電源 寄生特性 エネルギー伝達特性 エネルギー伝達速度 電気アース 連続動作モード 単一インダクタ 抑制ダイオード
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2002年4月26日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (13)

課題

迅速かつ効率的に高電圧コンデンサ充電するための手段を提供する。

解決手段

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。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。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。

概要

背景

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欠乏すると、犠牲者脳障害麻痺、または、死をもたらす可能性がある。

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。

心臓細動除去は、心室細動中に生じる無秩序心収縮を阻止し、正常な心臓の律動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、患者胸部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。

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。

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回数が制限されることになる。

概要

迅速かつ効率的に高電圧コンデンサを充電するための手段を提供する。

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。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。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。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項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可変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。

技術分野

0001

本発明は、一般に、コンデンサ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。

背景技術

0002

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欠乏すると、犠牲者脳障害麻痺、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心収縮を阻止し、正常な心臓の律動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、患者胸部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回数が制限されることになる。

発明が解決しようとする課題

0007

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。

課題を解決するための手段

0008

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、より小形コンポーネント、より小エネルギー電源、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。

発明を実施するための最良の形態

0023

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、International Rectifier,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Imax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Imax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Imax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、Imax/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、Imax/nからIsl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*Isl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Imax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、Imax/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Imax/nからIs2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、Imax/nから、時間間隔t5より短い時間間隔t10におけるIs1より小さいIs2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*Is2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Imax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、Imax/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、Imax/nからIs3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、Imaxから、時間間隔t10より短い時間間隔t15におけるIs2より小さいIs3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*Is3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Imax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Imax/nからIs2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 CapacitorUsing 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。

発明の効果

0068

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

0069

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。

--

0070

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

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ