(57)【要約】  直列にスタックされたコンデンサ間の電圧不均衡を制御するために、動的均衡化回路を含む動的均衡化モジュール、及びそれらの製造方法が提供される。これらのモジュールは、製造が容易かつ安価であり、そして、多用である。これらは、単独で使用され、又は、直列にスタックされた複数のコンデンサのためのマルチモジュール動的均衡化回路を形成するために互いに組み合わされる。これらのモジュールは、さらに、隣り合ったトポロジーか重なり合ったトポロジーで並べられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された一組のコンデンサ間の電圧不均衡を制御するためのインダクタ無し回路を有するモジュールであって、
第１のコンデンサの正極板への接続のために構成される第１の端子と、
前記第１のコンデンサの負極板、及び、第２のコンデンサの正極板への接続のために構成される第２の端子と、
前記第２のコンデンサの負極板への接続のために構成される第３の端子と、
前記第１、第２、及び第３の端子間に前記インダクタ無し回路内で統合され、前記一組のコンデンサ間の前記電圧不均衡を実質的に均衡化するために適応され、かつ、前記第１及び第３の端子への電源接続を有する動的素子と、
を有することを特徴とするモジュール。
【請求項２】
前記動的素子は、２つの電圧分割抵抗に接続される入力と、出力と、帰還ループとを有するオペアンプである請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記出力は、前記第２の端子に接続される請求項２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記出力は、電流制限抵抗を介して前記第２の端子に接続される請求項３に記載のモジュール。
【請求項５】
前記帰還ループは、帰還抵抗を含む請求項２に記載のモジュール。
【請求項６】
前記動的素子は、スイッチド電圧コンバータである請求項１に記載のモジュール。
【請求項７】
前記スイッチド電圧コンバータは、フライングコンデンサを受け入れる請求項６に記載のモジュール。
【請求項８】
前記端子の少なくとも１つは、さらに、直列に接続した第２の一組のコンデンサ間に電圧不均衡を制御するためのインダクタ無し回路を有する第２のモジュールに接続されるように構成される請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記第１及び第２のモジュールのインダクタ無し回路は、実質的に同じである請求項８に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記第１及び第２のモジュールの回路は、前記第２のモジュールへの接続の上に重なり合う請求項８に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記第１及び第２のモジュールの回路は、前記端子の１つに重なり合う請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記第１及び第２のモジュールの回路は、前記２つのコンデンサの組みによって共有される共通コンデンサを横断して重なり合う請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１３】
電気的に直列に接続した複数のコンデンサと、
前記直列に接続した一組のコンデンサの間に電圧不均衡を制御するためのインダクタ無し回路を有するモジュールと、を有するコンデンサデバイスパッケージであって、
前記モジュールは、
第１のコンデンサの正極板への接続のために構成される第１の端子と、
前記第１のコンデンサの負極板、及び、第２のコンデンサの正極板への接続のために構成される第２の端子と、
前記第２のコンデンサの負極板への接続のために構成される第３の端子と、
前記第１、第２、及び第３の端子間に前記インダクタ無し回路内で統合され、前記一組のコンデンサ間の電圧不均衡を実質的に均衡化するように適応され、かつ、前記第１及び第３の端子への電源接続を有する動的素子と、
を有することを特徴とするコンデンサデバイスパッケージ。
【請求項１４】
前記複数のコンデンサは、前記複数のコンデンサ、前記モジュール、及び、互いの外部接続を接続するための電気接続を有するマザーボード上に取付けられる請求項１３に記載のコンデンサデバイスパッケージ。
【請求項１５】
前記モジュールは、前記マザーボード上に取付けられるドーターボード上に取付けられる請求項１４に記載のコンデンサデバイスパッケージ。
【請求項１６】
前記複数のコンデンサは、フレックス回路構造内の外部リードに接続される請求項１３に記載のコンデンサデバイスパッケージ。
【請求項１７】
フレックス回路構造も有する前記モジュールは、前記外部リードに接続される請求項１６に記載のコンデンサデバイスパッケージ。
【請求項１８】
基板は、前記モジュール、前記複数のコンデンサ、及び前記マザーボード上に配置される請求項１４に記載のコンデンサデバイスパッケージ。
【請求項１９】
前記基板、マザーボード、モジュール、及び複数のコンデンサの部分は、成型材料で密閉される請求項１８に記載のコンデンサデバイスパッケージ。
【請求項２０】
直列接続された一組のコンデンサ間の電圧不均衡を制御する方法であって、
第１のコンデンサの正極板への接続のために構成される第１の端子を形成し、
前記第１のコンデンサの負極板、及び、第２のコンデンサの正極板への接続のために構成される第２の端子を形成し、
前記第２のコンデンサの負極板への接続のために構成される第３の端子を形成し、
前記第１及び第３素子への電源接続を有する動的素子を、実質的に前記一組のコンデンサ間の前記電圧不均衡を均衡化するように前記第１、第２、及び第３の端子間にインダクタ無し回路内で統合すること、
を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサのための動的均衡回路（active balancing circuitry）及び、その製造方法に関する。特に、本発明は、直列にスタック（stack）されたコンデンサのためのモジュールベースの動的均衡回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサは、最大動作電圧で設計されることが多く、そういったコンデンサでは、その最大動作電圧の範囲より上の使用は、徐々に、過剰な漏れ電流、その結果生じるガス生成、そして最終的には、コンデンサの不具合につながる。より高電圧に適用されるコンデンサを作るために、同一の値及び定格のコンデンサが直列にスタック（stack）される。コンデンサへの充電後はもちろんだが、コンデンサへの充電中に、その総電圧は、各コンデンサの静電容量値が同じままである限り、そのスタックの中の各コンデンサを横断して等しく分けられる。一旦、充電が、ほぼ終了し、そのスタック内で平衡状態に達したなら、電圧は、各コンデンサの漏れ電流が等しい限り、各コンデンサを横断して等しく分けられ続ける。つまり、そのような直列でのコンデンサを横断する非等価な電圧は、一般に２つの原因があり、１）非等価静電容量値、２）非等価平衡漏れ電流、である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
様々なアプローチが、非等価静電容量値、又は、非等価平衡漏れ電流に起因する電圧の不均衡の制御を試みるために、通常実施される。あるアプローチでは、受動均衡化（passive balancing）として知られる技術が、使用される。受動均衡化は、スタック内のコンデンサ間の電圧を平衡化する受動素子を用いることを含む。通常は、これは、コンデンサに並列に等価な値の抵抗を接続することを含む。受動均衡化は、最初は作動するが、受動均衡化は、時間と共に静電容量値や漏れ電流での変化に起因する電圧不均衡を調整することが出来なくなるという短所を有する。
【０００４】
別なアプローチでは、動的均衡化（active balancing）という技術が使用される。動的均衡化は、コンデンサ間の電圧を等しくする動的素子を用いることを含む。この技術は、長時間にわたり不均衡電圧を調整するために使用されるが、これらの動的デバイスの通常の実装は、しばしば複雑で、かつ、高価である。
【０００５】
したがって、実装が容易で安価、及び、直列にスタックされるコンデンサ間の電圧不均衡を制御可能な改良装置と、相当する方法を提供する必要があり、そのような装置及び方法より、コンデンサの期待耐用年数及び電気的性能が改良される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述を成し遂げるために、本発明は、直列にスタックされたコンデンサ間の電圧／漏れ電流の不均衡を制御する動的均衡モジュール（active balancing module）、及び、その製作方法を提供する。これらのモジュールは、単純で、安価に製作でき、多用途である。これらのモジュールは、単独で使用可能であり、また、直列にスタックされる多数のコンデンサのためのマルチモジュール動的均衡化回路を互いに形成するように組み合わされる。
【０００７】
ある形態において、本発明は、直列接続された一組のコンデンサ間の電圧不均衡を制御するためのインダクタ無し回路を有するモジュールを提供する。そのモジュールは、第１のコンデンサの正極板への接続のために構成される第１の端子と、第１のコンデンサの負極板、及び、第２のコンデンサの正極板への接続のために構成される第２の端子と、第２のコンデンサの負極板への接続のために構成される第３の端子と、第１、第２、及び第３の端子間にインダクタ無し回路内で統合される動的素子と、を有する。その動的素子は、上記一組のコンデンサ間の電圧不均衡を実質的に均衡化するために適応される。その動的素子は、また、上記第１及び第３の端子への電源接続を有する。
【０００８】
ある実施例では、上記動的素子は、オペアンプである。そのオペアンプは、入力と、出力と、帰還ループとを有し、そこでは入力は、２つの電圧分割抵抗に接続される。あるいは、その出力は、オプション的な電流制限抵抗を介して上記第２の端子に接続される。一般に、上記帰還ループは、帰還抵抗を含む。
【０００９】
別な実施例では、上記動的素子は、スイッチド電圧コンバータ（switched voltage converter）である。通常、スイッチド電圧コンバータは、フライングコンデンサ（flying capacitor）を受け入れる。
【００１０】
さらに、別な実施例は、上記端子の少なくとも１つは、さらに、直列に接続した第２の一組のコンデンサ間に電圧不均衡を制御するためのインダクタ無し回路を有する第２のモジュールに接続されるように構成される。一般に、上記第１及び第２のモジュールのインダクタ無し回路は、実質的に同じである。さらに、上記第１及び第２のモジュールの回路は、第２のモジュールへの接続の上に重なり合っても良い。あるケースでは、上記第１及び第２のモジュールの回路は、上記端子の１つに重なり合う。他のケースでは、第１及び第２のモジュールの回路は、上述の２つのコンデンサの組みによって共有される共通コンデンサを横断して重なり合う。
【００１１】
別な形態では、本発明は、電気的に直列に接続した複数のコンデンサと、直列に接続した一組のコンデンサの間に電圧不均衡を制御するためのインダクタ無し回路を有するモジュールと、を有するコンデンサデバイスパッケージを提供する。そのモジュールは、第１のコンデンサの正極板への接続のために構成される第１の端子と、第１のコンデンサの負極板、及び、第２のコンデンサの正極板への接続のために構成される第２の端子と、第２のコンデンサの負極板への接続のために構成される第３の端子と、第１、第２、及び第３の端子間にインダクタ無し回路内で統合される動的素子と、を有する。その動的素子は、一組のコンデンサ間の電圧不均衡を実質的に均衡化するように適応される。その動的素子は、また、第１及び第３の端子への電源接続を有する。
【００１２】
ある実施例では、複数のコンデンサは、複数のコンデンサ、モジュール、及び、互いの外部接続を接続するための電気接続を有するマザーボード上に取付けられる。付加的には、上記モジュールは、マザーボード上に取付けられるドーターボード上に取付けられる。
【００１３】
別な実施例では、複数のコンデンサは、フレックス回路構造内の外部リードに接続される。フレックス回路構造も有するモジュールは、外部リードに接続される。
【００１４】
あるケースでは、基板は、モジュール、複数のコンデンサ、及びマザーボード上に配置される。さらに、基板、マザーボード、モジュール、及び複数のコンデンサの部分は、成型材料で密閉されても良い。
【００１５】
さらに、別な形態では、本発明は、直列接続された一組のコンデンサ間の電圧不均衡を制御する方法を提供する。その方法は、（１）第１のコンデンサの正極板への接続のために構成される第１の端子を形成し、（２）第１のコンデンサの負極板、及び、第２のコンデンサの正極板への接続のために構成される第２の端子を形成し、（３）第２のコンデンサの負極板への接続のために構成される第３の端子を形成し、（４）第１及び第３素子への電源接続を有する動的素子を、実質的に一組のコンデンサ間の電圧不均衡を均衡化するように第１、第２、及び第３の端子間にインダクタ無し回路内で統合すること、を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のこれらの及び他の特徴、及び、長所を、図を参照して下記に記述する。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。好ましい実施形態の例は、付随する図面において説明される。本発明が好ましい実施形態と共に記述されるが、一方で、そのような好ましい実施形態に発明を制限する意図は無い。他方、付随する請求項によって定義される本発明の精神と範囲内に含まれる代替案、修正案、相当するものを保護することが意図される。次の記述は、多くの具体的な詳細記述が、完全な本発明の理解を提供するために説明される。本発明は、これらの具体的な詳細記述の幾らか又は全て無しで提供される。他の事例では、良く知られた処理動作は、本発明を不必要にわかりにくくしないように詳細に記述されない。
【実施例】
【００１８】
本発明は、直列にスタックされたコンデンサ間の電圧不均衡を制御するために、動的均衡化回路を含む動的均衡化モジュールを提供する。これらのモジュールは、製造が容易かつ安価であり、そして、多用である。これらは、単独で使用され、又は、直列にスタックされた複数のコンデンサのためのマルチモジュール動的均衡化回路を形成するために互いに組み合わされる。これらのモジュールは、さらに、隣り合ったトポロジーか重なり合ったトポロジーで並べられる。
【００１９】
上述のように、直列配置のコンデンサを横切る非等価電圧は、一般に、２つの原因があり、１）非等価静電容量値、２）非等価漏れ電流、である。非等価静電容量値は、製造変動又はコンデンサ長期使用による経年劣化に起因する。非等価静電容量値は、低静電容量値のコンデンサに、順に過剰漏れ電流の原因となる最大差動電圧を越えて差動させる。
【００２０】
しかし、静電容量値がうまく整合しているときですら、漏れ電流の不整合は、依然として、十分な充電状態における平衡の間ずっと、スタックのコンデンサ上に生じる過電圧の原因となる。隣接するコンデンサの平均値よりずっと大きい漏れ電流のあるコンデンサは、その隣接コンデンサにその隣接コンデンサの最大作動電圧以上の電圧を充電し、それは、結果としてその影響を受けたコンデンサの不具合を生じさせる。これは、平衡状態で、漏れ電流がそれ自体でバランスする傾向を有するためである。それゆえ、低い漏れ電流を有するコンデンサは、電荷を蓄積し、その電圧が上昇する。次に、その影響を受けたコンデンサの漏れ電流が増加し、最終的には、不具合のあるコンデンサの漏れ電流でバランスする。
【００２１】
様々なコンデンサは、電圧不均衡を示すが、より影響を受けやすい傾向にあるコンデンサは、電解技術コンデンサである。これは、電解技術コンデンサは、通常、大きな漏れ電流に関係するからである。さらに、電解技術コンデンサは、通常、スーパーコンデンサやウルトラコンデンサと呼ばれる大きな静電容量値を有する。
【００２２】
動的均衡化モジュール（Active balancing module）
直列にスタックされるコンデンサ間の電圧不均衡を制御するために、動的均衡化モジュールが、本発明で提供される。動的均衡化モジュールの目的は、接続電源又は負荷からコンデンサの直列スタック上に相対的に充電又は放電が生じない平衡状態で生じる、コンデンサスタックが実質的に十分に充電されたとき、コンデンサの直列スタックでの各コンデンサを横断する等価電圧を維持することである。後述するように、動的均衡化モジュールは、２つ以上のコンデンサを有するいかなる直列スタック・コンデンサに適用可能である。
【００２３】
まず始めに、図１Ａ及び１Ｂは、本発明の様々な実施例による動的均衡化モジュール１０４に接続される複数のコンデンサ１０２（例えば、１０２ａ、１０２ｂ）を含む動的均衡化システム１００及び１２０をそれぞれ例示する。複数のコンデンサ１０２と動的均衡化モジュール１０４との間の接続は、３つの端子１０６（例えば、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ）で接続される。端子１０６ａは、１０２ａの陽極板に接続される。端子１０６ｂは、コンデンサ１０２ｂの陽極板はもちろんコンデンサ１０２ａの陰極板にも接続される。端子１０６ｃは、コンデンサ１０２ｂの陰極板に接続される。表されるように、コンデンサ１０２ａ及び１０２ｂは、電圧が接続１０５ａ及び１０５ｂを通して印加される直列配列で接続／スタックされる。接続１０５ａ及び１０５ｂは、電源、及び／又は、動力供給用負荷に接続される。
【００２４】
一般に、動的均衡化モジュール１０４は、動的素子（active element）を含む。ある実施例では、図１Ａに例示されるように、動的素子は、オペアンプデバイス１１２である。オペアンプデバイス１１２は、電圧フォロア（Voltage follower）として適用される。それは、電圧帰還（Voltage feedback）で用いられるオペアンプデバイス回路であり、そこでその回路は、高入力インピーダンス、低出力インピーダンス、及び１の電圧ゲインを有する。そのようなものとして、オペアンプ１１３の出力１４４は、その反転（−）入力１１６に接続されるなら、その出力電圧は、非反転（＋）入力１１８に印加される電圧と、その反転入力の電圧とを均衡させるために必要ないかなるレベルも探すだろう。この帰還接続は、ワイヤの直線部分のように直接接続であるなら、出力電圧は、非反転入力の電圧に実質的に「従う」だろう。
【００２５】
実質的にコンデンサの電圧に均衡するために、オペアンプ１１３の入力は、各抵抗が対応するコンデンサ（例えば、１０２ａ、１０２ｂ）に並列である、ペアの電圧分割抵抗１０８ａ及び１０８ｂに接続される。電圧分割抵抗１０８ａ及び１０８ｂは、抵抗値において等しい。抵抗値は、スタックでの過電圧を所定の最悪ケースの漏れ値から防ぐようにし、かつ、電圧分割抵抗が取り込む付加的漏れ電流を最小化しようとする最適アルゴリズムを介して選ばれる。
【００２６】
オペアンプ１１３及び電圧分割抵抗１０８ａ、１０８ｂは、コンデンサ１０２ａ及び１０２ｂのペアの隙間（interstitial）ノード１１９上で作動する。各コンデンサを横切って共有するその電圧を、２つの分割抵抗１０８ａ及び１０８ｂによって規定される分割で無理に分割するために、電流は、このノードからソースされ、又は、シンクされる。オペアンプの電源接続Ｖ＋及びＶ−は、コンデンサ１０２ａ上部（陽極）板又はコンデンサ１０２ｂの底部（陰極）板の点に各々関係するので、コンデンサ１０２ａ上部（陽極）板又はコンデンサ１０２ｂの底部（陰極）板のどちらかから適切に電荷を引き抜くことにより、電流は供給され又は吸い込まれる。
【００２７】
オプション的に、電流制限抵抗１０８ｃが、図１に示されるように、オペアンプの出力に適応される。しかし、動的素子は、すでに電流制限短絡保護（current limiting short circuit protection）を含む。例えば、オペアンプ１１３は、電流制限短絡保護と一体化されても良い。別なオプション的な抵抗は、帰還抵抗１０８ｄである。帰還抵抗１０８ｄは、入力で入力オフセット電流をバランスするために使用される。一般に、帰還抵抗１０８ｄの値は、電圧分割抵抗１０８ａ及び１０８ｂの並列組み合わせとして選択される。
【００２８】
定義により電圧フォロアは、１という電圧ゲインを有するが、その目的は、電圧を増幅することとは無関係であり、負荷（例えば、１０２ａ、１０２ｂ）に電流を供給するための信号容量を増幅することとむしろ関係する。そのようなものとして、動的均衡化モジュール１０４のオペアンプ実装は、ピーク電力需要の放電又は再充電時間の間に、コンデンサから最大値の電流を送り、又はコンデンサへ最大値の電流を溜める。加えて、フル充電の安定及び平衡状態の間の不整合漏れ電流に対する充電均衡化が実現可能である。このように、電圧不均衡とコンデンサ変動の原因、及び、不整合漏れ電流の両方が効果的に制御される。
【００２９】
動的均衡化モジュール１０４における動的素子の別な実施例が、図１Ｂで例示される。示されるように、動的素子は、フライングコンデンサデバイス１２２である。一般に、フライングコンデンサデバイス１２２は、フライングコンデンサ１０２ｃへの接続が複数のコンデンサ１０２（例えば、１０２ａ及び１０２ｂ）の間で振動するように、スイッチ１２４ａ及び１２４ｂの同期的切替を制御するためのコントローラ１２３を利用する。特に、スイッチ１２４ａ及び１２４ｂは、投入前に遮断（break before make）ように作動し、かつ、互いに同期しなければならない。すなわち、両スイッチが投入する前に、両スイッチが遮断しなければならない。１つの遅れスイッチが、その接触をまだ離していない間は、他のスイッチは、その他のスイッチに通すことが出来ない。フライングコンデンサ１０２及び多数のコンデンサの間の接続は、その間のシンク又はソースのどちらかを充電することを可能にする。時間がたてば、複数のコンデンサ間の電圧の平衡化が達成される。
【００３０】
相対的に高価である誘導エレメント（即ち、インダクタ）は、動的均衡化モジュール１０４で使用されないことには注意しておくことが大事である。さらに、動的均衡化モジュール１０４の中の動的素子（例えば、１１２、１２２）の電源供給は、その系（system）内の静止電流を通して行われ、及び／又は、一組のコンデンサ（例えば、コンデンサ１０２ａの陽極板へのオペアンプ１１３／コントローラ１２３のＶ＋接続によって、コンデンサ１０２ｂの陰極版へのオペアンプ１１３／コントローラ１２３のＶ−接続によって）に関係する。要するに、各動的均衡化モジュール１０４は、次の図２に例示されるように、内蔵型又は別なものと組合せって動作する。
【００３１】
動的均衡化モジュールは、単独で使用可能であり、もしくは、それらは、直列配置でスタックされる複数のコンデンサのための複数モジュール動的均衡回路を形成するために互いに組み合わされる。例えば、図２は、本発明の様々な実施例に従って、複数の動的均衡化モジュール２０４（例えば、２０４ａ−ｅ）に接続される複数のコンデンサ２０２（例えば、Ｃ１−Ｃ６）を含む動的均衡化システム２００を例示する。そのコンデンサは、電源、及び／又は、接続２０５ａ及び２０５ｂを通して負荷と接続される。動的均衡化モジュール２０４は、直列にスタックされたコンデンサのための動的均衡回路（例えば、１０４）に基づくいかなるモジュールでも良い。所与の一組のコンデンサのために、動的均衡化モジュール２０４は、典型的に、上部コンデンサの上部極板、及び、隙間ノード（interstitial node）、底部コンデンサの底部極板に取り付く３つの端子デバイスとして規定される。複数の動的均衡化モジュール２０４は、図２に示されるように隣接するトポロジー及び／又は重複するトポロジーで並べられる。
【００３２】
複数モジュール間の同期が提供される。しかし、オペアンプデバイス及びフライングコンデンサ両方は、一般に、任意に同期を行う。これは、各オペアンプデバイスが、異なる隙間ノードで動作するためである一方で、各フライングコンデンサは、電圧平衡のためのいくらでも多くのコンデンサと並列で連続して接続することを可能とするからである。
【００３３】
一般に、ある動的均衡化モジュール２０４は、一組のコンデンサのために要求される。しかし、重複トポロジーにおいて、２つの動的均衡化モジュール２０４は、３つのコンデンサを必要とし、３つの動的均衡化モジュール２０４は、４つのコンデンサを必要とする等である。ある実施例では、重複トポロジーは、２つの動的均衡化モジュール２０４によって最上部コンデンサと最低部コンデンサの間で動作する各々のコンデンサを含む。
【００３４】
重複トポロジーの利点は、コンデンサの全スタックに、電圧を均等に分割することを強制することである。さらに、過渡的な関係は、そのスタックのコンデンサ間で実現され得る。例えば、重複する２つのモジュールと、直列の３つのコンデンサを考えてみる。あるモジュールは、Ａの電圧をＢの電圧と等しくなることを強制する。他のモジュールは、Ｂの電圧をＣの電圧と等しくなることを強制する。結果として、Ａの電圧は、Ｃの電圧に等しくなる。
【００３５】
例えば、本発明の利益をさらに理解するために、次の例は、本発明のもう１つの実施例に従って、動的均衡化モジュールを有する動的均衡化システムに関する詳細を提供する。次の例は、典型例なだけであり、この例で説明する詳細によって本発明は制限されないということを理解されたい。
【００３６】
図３は、多数の動的均衡化モジュール３０４（例えば、３０４ａ、３０４ｂ）に接続される多数のコンデンサ３０２（例えば、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｄ）を含む動的均衡化システム３００を例示する。図３は、システム１２０及び２００によって導入される概念を例示する。示されるように、動的均衡化モジュール３０４ａ及び３０４ｂは、フライングコンデンサデバイスを実装する。動的均衡化モジュール３０４ａに関して、フライングコンデンサデバイスは、フライングコンデンサ３０２ｃと接続したスイッチド電圧コンバータ（switched voltage converter）３２６ａを含む。他方、動的均衡化モジュール３０４ｂのためのフライングコンデンサデバイスは、フライングコンデンサ３０２ｅと接続したスイッチド電圧コンバータ３２６ｂを含む。
【００３７】
論理的に言えば、スイッチド電圧コンバータ３２６ａは、一般に、コンデンサ３０２ａと３０２ｂの組に等価電圧を荷電することを強制する。これを達成することで、フライングコンデンサ３０２ｃは、コンデンサ３０２ａ及び３０２ｂの間で、それらの電圧が等しくなるまで電荷を移動する。スイッチド電圧コンバータ３２６ｂ及びその対応するフライングコンデンサ３０２ｅは、コンデンサ３０２ｂ及び３０２ｄの組に同じ機能を実行する。それは結果として、各コンデンサを横断する電圧は、Ｖ＋／３で平衡になるということになる。
【００３８】
実験的目的のために、スイッチド電圧コンバータＩＣ１（即ち、３２６ａ）及びＩＣ２（即ち、３２６ｂ）は、カリフォルニア州サニベールのマキシム・インテグレート・プロダクツから入手可能なＭＡＸ６６０である。フライングコンデンサＣ１（即ち、３０２ｃ）及びＣ２（即ち、３０２ｅ）は、２５ＶＤＣの作動電圧範囲を有する１０マイクロファラッド・タンタルコンデンサである。Ｖ＋は、電流制限及び電流測定抵抗Ｒ１を通して適用される７．８ＶＤＣである。コンデンサＣ３、Ｃ４及びＣ５は、定格２．５ＶＤＣの２２ファラッドＢシリーズコンデンサである。抵抗Ｒ２は、２２０オームであり、ひどい漏れコンデンサをシミュレートするためにスタック内のコンデンサの１つを横断して適用された。
【００３９】
実験では、ＶＣ１＋、ＶＣ１−、ＶＣ２＋及びＶＣ２−は、スイッチド電圧コンバータＩＣ１及びＩＣ２が適切に作動することを確実にするために測定された。ＶＣ３、ＶＣ４、ＶＣ５及びＩＲ１（Ｒ１における電流）も測定された。次に、その電圧は、その設計がどれだけ良く電圧平衡を実現するかを判断するために長い時間測定された。
【００４０】
テストコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５は、１アンペアの一定電流で実際の電気容量値のために測定された。０．５及び２．０ボルトの間の充電／放電中の経過時間は、静電容量を計算するために使用された。静電容量値は、次表において集計される。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
ＩＣ１及びＩＣ２は、ピン８からピン３への電圧が２〜２．５ボルトである時、その内部振動を確実に開始するように見られた。その振動は、ときどき、ピン６が示されるように接続されない場合は、開始しなかった。
【００４３】
第１の実験は、そのスタックへの充電、その均衡の観察、Ｃ３を横切ったＲ２の適用、平衡化する不均衡の観察、Ｒ２除去、最後に平衡の回復の観察を含んだ。第２の実験は、Ｃ４を横断したＲ２の配置、非平衡観察、Ｒ２除去、均衡の回復の観察を含んだ。
【００４４】
次の表は、その結果を示す。その時間は、各変化が生じる間に継続したおおよその時間間隔と、その時の測定値である。
【００４５】
【表２】
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【００４６】
結果を検討すると、その設計は、約０．０２ボルトの範囲内にそのバランスをとるということがわかる。Ｒ２は、１０ｍＡを上回る深刻な漏れ経路を示す。これがもたらした最悪の不均衡は、「漏れだしたもの（leaker）」を横断したたった０．０７ボルト未満の電圧であった。第２番目のケースでは、その電圧は、わずかに０．０３ボルトだけ低かった。しかし、全体の漏れは、両ケースにおいて５ｍＡ未満であった。恐らく、フライングコンデンサ動作は、漏れ電流を、「漏れだしたもの（leaker）」の反対極板に戻していた。このように、フライングコンデンサ技術は、動的平衡のために使用される短絡エレメント又はソース／シンク電圧フォロアより効率的である。
【００４７】
動的均衡化モジュールのパッケージ化
動的均衡化モジュールのモジュール方式に基づいて、様々なコンデンサデバイスパッケージが得られる。これらのパッケージは、本発明の動的均衡化モジュールの汎用性を例示する。例えば、図４Ａは、本発明の第１の実施例によるコンデンサデバイスパッケージ４００の平面図を例示する。他方、図４Ｂは、コンデンサデバイスパッケージ４００の上面図を例示する。
【００４８】
示されるように、コンデンサデバイスパッケージ４００は、マザーボード４０８の上部にドーターボード４０４に沿ってマウントされた一組のコンデンサ４０２を含む。コンデンサ４０２は、特別な応用に適用可能である従来方式でパッケージ化される。例えば、コンデンサ４０２は、保護プラスティック容器内の巻かれた（コイル型）タイプコンデンサである。動的均衡回路４０６は、ドーターボード４０４上に含まれる。ドーターボード４０４及びマザーボード４０８の両方は、動的均衡回路４０６、コンデンサ４０２間の接続と、外部リード４１０（例えば、１０５ａ、１０５ｂ、２０５ａ、２０５ｂ）を提供し、外部リード４１０は、マザーボード４１０の底部に取付けられる。外部リード４１０は、通常、銅のような導電性材料で作られ、耐久性のために鍍金されても良い。
【００４９】
一般に、各ドーターボード４０４は、たった１つの動的均衡回路４０６を含む。動的均衡化モジュールと一緒にドーターボードは、頻繁に、その動的均衡化モジュールが動的に均衡化する対応するコンデンサ４０２の組に隣接して（例えば、間に）配置される。いかなる動的均衡回路４０６も、コンデンサデバイスパッケージ４００を形成するように使用される。通常は、動的均衡回路４０６は、動的均衡化モジュール１０４、２０４及び３０４に類似する回路を含む。そのようなものとして、ドーターボード４０４は、本発明による動的均衡化モジュールとして作動する。
【００５０】
コンデンサデバイスパッケージ４００は、直列にスタックされたいかなる数のコンデンサ４０２にも拡張可能である。そうするために、マザーボード４０８及び外部リード４１０は、コンデンサ４０２のいかなる数にも適合するように拡張される。例えば、３つのコンデンサ連結構成のために、重複する動的均衡回路４０６を有する２つの対応するドーターボード４０４は、その連結構成の間に配置される。即ち、各コンデンサ４０２は、ドーターボード４０４によって隣接したコンデンサから分けられる。一般に、各ドーターボード４０４（動的均衡化モジュール）は、構造及び機能として同一である。動的均衡化モジュールのモジュール性のために、ドーターボード（動的均衡化モジュール）は、コンデンサに接続された付加的連結の数に従って、容易に加えられる。
【００５１】
他の代替コンデンサデバイスパッケージを、本発明を実施するために適応しても良い。例えば、図５Ａは、本発明の第２の実施例によるコンデンサデバイスパッケージ５００の側面図を例示し、図５Ｂは、本発明の第２の実施例によるコンデンサデバイスパッケージ５００の底面図を例示する。
【００５２】
コンデンサデバイスパッケージ５００は、フレックス回路構造（flex circuit construction）を実装し、コンデンサ５０２を含む。コンデンサ５０２は、薄く／低い外形のコンデンサデバイスパッケージが求められる場合に、一般に使用される。コンデンサ５０２は、通常は、折り畳まれたタイプのコンデンサであり、そこでは、コンデンサシートが柔軟保護外角構造内で折り畳まれる。しかし、複数のコンデンサを、コンデンサ５０２内に統合しても良い。例えば、コンデンサ５０２は、直列に重ねられた多くのコンデンサを含んでも良い。
【００５３】
コンデンサ５０２は、外部リード５１０に接続される。この実施例では、コンデンサ５０２及び外部リード５１０は、実質的に平面で、長方形で、柔軟な形式である。外部リード５１０は、コンデンサデバイスパッケージ５００への電気接続を提供し、いかなる導電性材料を使用して形成しても良い。
【００５４】
外部リード５１０を横断して取付けられ、かつ、それとともに接続して、動的均衡回路５０６を有する動的均衡化モジュール５０４が形成される。通常は、動的均衡回路５０４は、動的均衡化モジュール１０４、２０４又は３０４に類似する回路を含む。いかなる材料も、動的均衡化モジュール５０４を形成するために使用しても良い。好ましくは、使用材料は、その設計用途と一貫性がある方が良い。例えば、容易に外部リード５１０に適用可能な柔軟な材料が使用され得る。一般に、動的均衡化モジュール５０４は、動的均衡回路５０６及びコンデンサ５０２の間の接続を提供する。
【００５５】
最後に、図６Ａは、本発明の第３の実施例に従うコンデンサデバイスパッケージ６００の側面図を例示し、図６Ｂは、本発明の第３の実施例に従うコンデンサデバイスパッケージ６００の上面図を例示する。
【００５６】
示されるように、コンデンサ６０２は、基板６０４（例えば、マザーボード）の上部表面上に動的均衡化モジュール６０６と一緒に取付けられる。基板６０４は、一般に、非導電性材料から構成され、例えば、セラミック、プラスティック、又は、当業者に良く知られた別の適切な材料で構成される。基板６０４は、その反対側の表面上に配置されるパッド（pad）との接続のための一組のバイアス（bias）６１０を含む。基板６０４は、本発明の実施例による、コンデンサ６０２接続のための（図示されない）電気トレース、動的均衡化モジュール６０６、及びバイアス６１０を含む。そのようなものとして、コンデンサデバイスパッケージ６００は、容易に、いかなる電気デバイス（例えば、携帯電話）の中に取付可能である。
【００５７】
もう１つの方法として、コンデンサデバイスパッケージ６００は、さらに、更なる保護のために密閉されても良い。例えば、図６Ｃは、成型材料で密閉されるコンデンサデバイスパッケージ６００の側面図を例示する。従来の成型材料（例えば、プラスチック）も使用可能である。蓋６１４を形成するため密閉する前に、基板６１２は、コンデンサデバイスパッケージ６００を覆うために加えられる。可能なら、基板６１２は拡張し、モジュール６０６、コンデンサ６０２、及び／又は、基板６０４上をカバーしても良い。同様に、可能なら、成型材料は、モジュール６０６、コンデンサ６０２、及び／又は、基板６０４を密閉しても良い。基板６０４同様に、基板６１２も、一般に、非導電性材料、例えば、セラミック、プラスティック、又は、当業者に良く知られた別の適切な材料で構成される。基板６１２の目的は、密閉されたコンデンサデバイスパッケージ６００に構造的安定性を提供することである。
【００５８】
パッケージ４００、５００、及び６００は、電源バックアップ用途のために有用であり、構成要素として本発明の動的均衡化モジュール５０４を用いて、安価に構築される。本発明を実施するための多くの構成要素は、すぐに入手が可能で、かつ、安価な構成要素が利用可能でもある。
【００５９】
本発明は、従来の方法に比べて多くの長所、特に、スーパーコンデンサのエリアで多くの長所を有する。スーパーコンデンサは、通常は、２．３Ｖ〜２．７Ｖの作動電圧範囲が最大であり、低い静止電流動作エレメント（例えば、オペアンプデバイス１１２）は、動的均衡化システムでの漏れ電流浪費を最小化するときに使用されても良い。動的均衡化モジュールも、本発明により拡張性がある。例えば、システムの予期される電流に基づいて動的素子を選択する。さらに、３つの端子デバイスの簡素化及び少ない部品数は、より少ない接続と、直列配置での複数のコンデンサ統合を容易にパッケージ化することが可能である。
【００６０】
本発明の別な長所は、動的素子（例えば、オペアンプデバイス１１２、フライングコンデンサデバイス１２２）は、それらの対応するコンデンサの合成定格電圧を実質的に越えるＶ＋及びＶ−は多分無いということであり、それは、あるケースで、計５ボルトである（対応する一組のコンデンサの各々のコンデンサは、２．５ボルトである）。これは、動的素子電源接続がどのように関係するかということにある（例えば、２つのコンデンサ、１０６ａ、１０６ｃ）。そのようなものとして、動的素子の定格は、それらの対応するコンデンサの合成定格電圧に基づいて個々に選択される。それゆえ、最上部と最下部のコンデンサ間の電圧が大きくなる大きなスタックのために、低コスト及び低電圧素子は、そのスタック間に依然として実装可能である。
【００６１】
しかし、本発明の別な長所は、平衡状態間に（例えば、スタンバイの間）に実質的に漏れ電流をバランスする能力である。コンデンサは、負荷を供給するためにスタンバイ状態で待つ時間が殆どであるので、これは重要である。そのようなものとして、この時間の間、不整合な漏れ電流は、過電圧状況を存在させる原因にもなる。それゆえ、平衡状態の間に不整合となる永続的な漏れ電流は、コンデンサの寿命を著しく短くすることが可能である。
【００６２】
上述の発明は、理解を明確にするために詳細に述べられたが、ある変更や修正が従属項の範囲内で実施可能であることは明らかである。本発明の方法及び装置の両方を実施する多くの代替方法があることに注意が必要である。したがって、本発明の実施例は、例示的であり非制限的であり、本発明はここで説明した詳細に制限されないということに考慮が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１Ａ】本発明の様々な実施例による動的均衡化モジュールに接続される複数のコンデンサを含む動的均衡化システムを説明する図である。
【図１Ｂ】本発明の様々な実施例による動的均衡化モジュールに接続される複数のコンデンサを含む動的均衡化システムを説明する図である。
【図２】本発明の様々な実施例による複数の動的均衡化モジュールに接続される複数のコンデンサを含む動的均衡化システムを説明する図である。
【図３】本発明の様々な実施例による複数の動的均衡化モジュールに接続される複数のコンデンサを含む動的均衡化システムを説明する図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施例によるコンデンサデバイスパッケージを説明する側面図である。
【図４Ｂ】図４Ａのコンデンサデバイスパッケージを説明する上面図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施例によるコンデンサデバイスパッケージを説明する側面図である。
【図５Ｂ】図５Ａのコンデンサデバイスパッケージを説明する側面図である。
【図６Ａ】本発明の第３の実施例によるコンデンサデバイスパッケージを説明する側面図である。
【図６Ｂ】図６Ａのコンデンサデバイスパッケージを説明する上面図である。
【図６Ｃ】成型材料で密閉された図６Ａのコンデンサデバイスパッケージを説明する側面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月26日(2006.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
一般に、動的均衡化モジュール１０４は、動的素子（active element）を含む。ある実施例では、図１Ａに例示されるように、動的素子は、オペアンプデバイス１１２である。オペアンプデバイス１１２は、電圧フォロア（Voltage follower）として適用される。それは、電圧帰還（Voltage feedback）で用いられるオペアンプデバイス回路であり、そこでその回路は、高入力インピーダンス、低出力インピーダンス、及び１の電圧ゲインを有する。そのようなものとして、オペアンプ１１３の出力１１４は、その反転（−）入力１１６に接続されるなら、その出力電圧は、非反転（＋）入力１１８に印加される電圧と、その反転入力の電圧とを均衡させるために必要ないかなるレベルも探すだろう。この帰還接続は、ワイヤの直線部分のように直接接続であるなら、出力電圧は、非反転入力の電圧に実質的に「従う」だろう。
【国際調査報告】
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