(57)【要約】【課題】実施が容易でかつ比較で安価であり、直列配置で積層されたコンデンサ間の電圧不平衡を制御できる改良型装置およびそれに対応する方法を提供する。【解決手段】第１のコンデンサの陽極板に接続するように構成された第１の端子と、該第１のコンデンサの陰極板および第２のコンデンサの陽極板に接続するように構成された第２の端子と、該第２のコンデンサの陰極板に接続するように構成された第３の端子と、該第１、第２および第３の端子間で、コイルレス回路内に集積されかつコンデンサ対間の電圧不平衡を実質的に平衡化させるように適合され、前記第１および第３の端子に対する電源接続を有する能動素子と、を含んでなるシステム。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列配置で接続された一対のコンデンサ間の電圧不平衡を制御するためのコイルレス回路を有するシステムにおいて、
第１のコンデンサの陽極板に接続するように構成された第１の端子と、
第１のコンデンサの陰極板および第２のコンデンサの陽極板に接続するように構成された第２の端子と、
前記第２のコンデンサの陰極板に接続するように構成された第３の端子と、
前記第１、第２および第３の端子の間で前記コイルレス回路の内部に集積され、前記コンデンサ対の間の電圧不平衡を実質的に平衡化させるように、前記第１および第３の端子に対する電源接続を有する能動素子と、
からなるシステム。
【請求項２】
前記能動素子が、前記コンデンサ対の各々と連係する第１のＭＯＳＦＥＴ素子および第２のＭＯＳＦＥＴ素子からなる請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記能動素子が、前記対内のそれぞれのコンデンサ間に設定された絶対電圧値に対して応答する請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記能動素子が、前記対内の各コンデンサ間の不平衡に関係する浮動基準電圧に対して応答する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記能動素子が第１および第２の能動素子からなり、前記能動素子は、各コンデンサ間の電圧が予め定めた閾値を上回った場合に、その対内の各コンデンサの周囲の電流を分路するようになっている請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記能動素子が少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ素子を含み、該ＭＯＳＦＥＴ素子は、前記対内の各コンデンサについての定格電圧にほぼ等しいターンオン電圧閾値を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記能動素子が第１および第２のデバイスを含み、該第１および第２のデバイスの各々は、該デバイスがオフ状態からオン状態へと切換わるターンオン電圧を有し、該第１および第２のデバイスは、コンデンサ間の電圧が前記第１および第２のデバイスのターンオン電圧の合計を上回った場合に前記対内のコンデンサの少なくとも１つの周囲に分流路を規定する請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のデバイスが、ＭＯＳＦＥＴ素子を含んでなる請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第２のデバイスが、ＭＯＳＦＥＴ素子、ダイオードおよびトランジスタの群から選択される請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記能動素子が第１および第２の能動素子を含み、それら素子の１方のみが分圧器回路網に接続されている請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記能動素子が第１および第２の能動素子を含み、該能動素子の一方がｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子であり、もう一方の能動素子がｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子である請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記対内のコンデンサが各々回路モジュールと連係しており、各該モジュールがそれぞれのコンデンサ間の電圧を制御するための能動素子を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
各前記モジュール内の能動素子は、それぞれのコンデンサ間の電圧が予め定めた閾値を上回った場合に、オフ状態からオン状態に自動的に切換わる請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モジュールのうちの１つの中の前記能動素子が、基板上で表面実装パッドに接続されており、該パッドが前記第１、第２および第３の端子のうちの２つに表面実装されている請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記モジュールの１つの中の前記能動素子が、基板に実装されており、該基板が前記第１、第２および第３の端子のうちの２つを受け入れる貫通孔を有する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
第１および第２の端子を有する少なくとも１つのコンデンサと、
前記第１および第２の端子間に接続され、該コンデンサ間の絶対電圧値が予め定めた電圧閾値を上回ったのに応答して、オフ状態からオン状態に切換わり、そのオン状態にあるときコンデンサの周囲に分流路を規定する能動素子と、
からなる少なくとも１つの回路モジュールを含んでなるコンデンサ保護および平衡化システム。
【請求項１７】
前記能動素子が、ＭＯＳＦＥＴ素子である請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記能動素子が、オン状態とオフ状態との間で自動的に切換わる請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記能動素子は、オン状態とオフ状態との間で切換わるターンオン電圧を有し、該ターンオン電圧が予め定めた閾値と一致する請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記コンデンサが定格電圧を有し、前記能動素子はオン状態とオフ状態との間で切換わるターンオン電圧を有し、さらに該能動素子に接続された分圧回路網が含まれており、該分圧器回路網は抵抗Ｒ1およびＲ2を含み、ここに前記ターンオン電圧は、
【数１】
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という式に従って選択され、かくして、予め定めた閾値を上回ったときに前記コンデンサの周囲に分流が始まる請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
前記能動素子は、オン状態とオフ状態との間で切換わる第１のターンオン電圧を有しており、前記システムはさらに、前記能動素子と直列接続された補助デバイスを含み、該補助デバイスは、該補助デバイスをオフおよびオン状態の間で切換える第２のターンオン電圧を有し、かくして前記コンデンサ間の絶対電圧値が前記第１のターンオン電圧と前記第２のターンオン電圧の合計を上回ったときに、前記分流路を通して電流が流れる請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
コンデンサと能動素子を有する第２の回路モジュールをさらに含み、該第２の回路モジュールのコンデンサが、少なくとも１つの前記モジュールのコンデンサと直列に接続されている請求項１６に記載のシステム。
【請求項２３】
コンデンサと能動素子を有する第２の回路モジュールをさらに含み、該第２の回路モジュールのコンデンサが、少なくとも１つのモジュールのコンデンサと並列に接続されている請求項１６に記載のシステム。
【請求項２４】
コンデンサと能動素子を有する第２の回路モジュールをさらに含み、該第２の回路モジュールの能動素子は、少なくとも１つの回路モジュールの能動素子とは異なる請求項１６に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１のモジュールのコンデンサと前記少なくとも１つの回路モジュールのコンデンサとが、異なる定格電圧を有する請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第２のモジュールの能動素子および第２のモジュールの能動素子が、異なるターンオン電圧を有する請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第２のモジュールの能動素子がｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子であり、前記少なくとも１つのモジュールの能動素子がｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子である請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記少なくとも１つのモジュールのコンデンサと直列接続された第２のコンデンサ対をさらに含んでなり、前記第２の能動素子は前記少なくとも１つのモジュールの能動素子と直列接続され、該第２の能動素子がまたコンデンサの周囲に前記分流路を規定しており、該第１および第２の能動素子が、前記コンデンサ対間の電圧不平衡に応答してオン状態に切換わる請求項１６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのコンデンサが、並列接続された第１および第２のコンデンサを含む請求項１６に記載のシステム。
【請求項３０】
第１および第２の端子を有するコンデンサと、
前記第１および第２の端子間に接続され、該コンデンサ間の絶対電圧値が該コンデンサの定格電圧に対応する予め定めた電圧閾値を上回ったのに応答してオフ状態からオン状態に自動的に切換わるように構成され、かつそのオン状態にあるときに前記コンデンサの周囲に前記分流路を画定し、該コンデンサ間の電圧が定格電圧を上回るのを防止する能動ＭＯＳＦＥＴ素子と、
からなるコンデンサ保護および平衡化回路モジュール。
【請求項３１】
前記ＭＯＳＦＥＴ素子は、オン状態とオフ状態との間で切換わるターンオン電圧を有し、さらに前記モジュールは、前記能動素子に接続された分圧回路網を備え、該分圧回路網は抵抗Ｒ1およびＲ2を含み、該ターンオン電圧が、
【数２】
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という式により支配され、かくして、予め定めた閾値を上回ったときに前記コンデンサの周囲に分流が始まる請求項３０に記載のモジュール。
【請求項３２】
前記能動ＭＯＳＦＥＴ素子は、オン状態とオフ状態との間で切換わる第１のターンオン電圧を有し、前記システムは前記能動素子と直列接続された補助デバイスをさらに備え、該補助デバイスは、該補助デバイスをオフ状態とオン状態との間で切換える第２のターンオン電圧を有し、かくして前記コンデンサ間の前記絶対電圧値が前記第１のターンオン電圧と第２のターンオン電圧の合計を上回ったときに前記分流路を通って電流が流れる請求項３０に記載のモジュール。
【請求項３３】
前記補助デバイスが、トランジスタ、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ素子およびその均等物の群から選択される請求項３０に記載のモジュール。
【請求項３４】
第１および第２の端子を有するコンデンサデバイスと、
前記第１および第２の端子間の絶対電圧値を制御するための手段であって、該第１および第２の端子間に接続されて、コイルを有さず、前記コンデンサの定格電圧を上回って前記第１および第２の端子間に設定された絶対電圧値に応答して単独でオフ状態からオン状態に自動的に切換わり、前記能動素子はオン状態にあるとき前記コンデンサの周囲に分流路を規定し、前記コンデンサ間の電圧が前記定格電圧を上回るのを防止する制御手段と、
からなるコンデンサ保護および平衡化回路モジュール。
【請求項３５】
前記制御手段が、前記コンデンサデバイスに永続的に実装されている請求項３４に記載のモジュール。
【請求項３６】
前記制御手段が、前記コンデンサデバイスに組込まれている請求項３４に記載のモジュール。
【請求項３７】
前記コンデンサデバイスがハウジングを含み、前記制御手段が該ハウジングの外側で前記第１および第２の端子に取付けられている請求項３４に記載のモジュール。
【請求項３８】
前記制御手段が、コンデンサ対間の電圧不平衡に対して応答する請求項３４に記載のモジュール。
【請求項３９】
コンデンサハウジングと、
前記ハウジングから延びている端子素子と、
前記端子素子に実装され、該端子素子に対して接続され、分流路を規定する能動素子を含む能動部品アセンブリであって、該能動素子は、前記端子素子間に発生する絶対電圧値に応答して前記分流路を制御して前記端子素子間の電圧を該コンデンサについての定格電圧未満のレベルに維持するために、自動的に切換わる能動部品アセンブリと、
を含んでなるコンデンサデバイス。
【請求項４０】
前記コンデンサハウジングに係合される圧縮性封止素子をさらに含み、前記能動部品アセンブリが該圧縮性封止素子内に埋込まれる請求項３９に記載のコンデンサデバイス。
【請求項４１】
前記能動部品アセンブリが、基板に実装された能動素子を備え、該基板は前記端子素子間に該能動素子を接続する表面実装パッドを含む請求項３９に記載のコンデンサデバイス。
【請求項４２】
前記端子素子が端子リード線を含み、前記能動素子が該端子リード線に対して締め付けられた偏平可能な接点を含む請求項３９に記載のコンデンサデバイス。
【請求項４３】
前記能動部品アセンブリは基板に実装された能動素子を備え、該基板が貫通孔を含み、前記端子素子が該貫通孔の中を通過して該能動素子に接続される請求項３９に記載のコンデンサデバイス。
【請求項４４】
能動素子が、ＭＯＳＦＥＴ素子、トランジスタ素子、ダイオード素子およびその均等物およびそれらの組合せからなる群から選択された少なくとも１つのデバイスを請求項３９に記載のコンデンサデバイス。
【請求項４５】
前記コンデンサが、スーパーコンデンサである請求項３９に記載のコンデンサデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、コンデンサ用の能動平衡化回路およびその製造方法に関する。より特定的には、本発明は、直列配置で積層されたコンデンサ用のモジュールベースの能動平衡化回路に関する。
関連出願に対するクロスリファレンス
【０００２】
本出願は、「能動平衡化モジュラー回路」という名称で、２００４年２月１７日に出願された米国特許出願番号第１０／７８１，５７１号の一部継続出願であり、その出願の全てを本明細書の全体に亘り参考として取り入れている。
【背景技術】
【０００３】
コンデンサは、それを超える電圧での動作によって過度の漏れ電流、その後の気体発生および究極的にはコンデンサの故障を一般にひき起こすことになるような最大動作定格電圧を用いて設計されることが多い。より高い電圧印加のためのキャパシタンスを構築するために、同じ値および定格のコンデンサを直列配置で積層する。コンデンサの充電中ならびに充電後、合計電圧は、各コンデンサの容量値が同一であるかぎり、積層内の各コンデンサ間に等分される。充電がひとたびほぼ完了し積層内平衡条件に達したならば、各コンデンサの漏れ電流が等しいかぎり各コンデンサ間に等分され続ける。要するに、かかる直列配置にあるコンデンサ間に電圧が不均等な場合には一般に、１）容量値が不均等、２）平衡漏れ電流が不均等、という２つの原因がある。
【０００４】
容量値または平衡漏れ電流が不均等であることに起因する電圧不平衡を制御しようとしていくつかのアプローチが従来なされてきた。１つのアプローチでは、受動平衡化として知られる技術がである。受動平衡化には、積層内のコンデンサ間の電圧を均等化するために受動素子を使用するものである。標準的に、これにはコンデンサと並列に、等しい値をもつ抵抗器を接続することが含まれる。受動平衡化は当初はうまくいくかもしれないが、経時的な漏れ電流または容量値の変化に起因する電圧不平衡を調整できないという欠点を有する。
【０００５】
もう１つのアプローチでは、能動平衡化として知られる技術が用いられる。能動平衡化には、コンデンサ間の電圧を均等化させるのに能動素子を使用するものである。この技術は、経時的な電圧不平衡を調整するために使用可能であるが、これらの能動デバイスの従来の実施は往々にして複雑で高価である。
【発明の開示】
【０００６】
従って、実施がより容易でさほど高価でなく、直列配置で積層されたコンデンサ間の電圧不平衡を制御でき、かくしてコンデンサの推定寿命および電気的性能を改善することのできる改良された装置およびそれに対応する方法を提供する必要性が存在する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ここで本発明の好ましい実施形態について詳しく言及する。好ましい実施形態の例は、添付図面に示されている。本発明は、これらの好ましい実施形態と併せて記述されることになるが、このような好ましい実施形態に本発明を制限することは意図されていないということを理解されたい。反対に、添付の請求項によって定義されているように、本発明の精神および範囲内に含まれ得るような代替案、修正および等価物を網羅することが意図されている。以下の記述においては、本発明を撤底的に理解できるように、いくつかの特定的な詳細が記されている。本発明はこれらの特定の詳細の一部分または全てが無くても実施可能である。その他のケースでは、本発明を不必要に分かり難くすることがないように、周知のプロセス動作については詳述しなかった。
【０００８】
本発明は、直列配置で積層されたコンデンサ間の電圧不平衡を制御するための能動平衡化回路を含む能動平衡化モジュールを提供する。これらのモジュールは、製造が簡単かつ安価で、用途が広い。これらは単独でも使用できるし、また組み合わせて直列配置に積層された複数のコンデンサのための多重モジュール能動平衡化回路を形成することもできる。該モジュールはさらに並設構成または重畳構成のいずれでも整列させることが可能である。
【０００９】
Ｉ．序
【００１０】
前述の通り、直列配置のコンデンサ間の電圧不均等の原因としては、一般に、１）容量値の不均等、２）平衡漏れ電流の不均等の２つがある。容量値の不均等は、経時的なコンデンサの使用に起因する劣化または製造上のばらつきの結果としてもたらされ得る。容量値の不均等は、容量の低いコンデンサをその最大動作電圧を超えて動作させる可能性があり、その結果、過度の漏れ電流を発生させる一因となり得る。
【００１１】
しかしながら、容量値が十分整合している場合でも、漏れ電流の不整合がなお、実質的に充電された平衡の状態において積層内のコンデンサに過電圧を生じせる可能性がある。その近隣コンデンサの平均値よりはるかに大きい漏れ電流を伴うコンデンサは、その近隣コンデンサにその最大動作電圧を超えて充電して、影響を受けたコンデンサの最終的な故障を結果としてもたらし得る。これは、平衡状態では漏れ電流が自ら平衡化する傾向を有するからである。従って、低漏洩コンデンサは、その電圧を上昇させる際、電荷を蓄積する。その後、その影響を受けたコンデンサの漏れ電流は増大し、最終的に不具合コンデンサの漏れ電流と平衡化する。
【００１２】
さまざまなコンデンサが電圧不平衡を示し得るが、より影響を受ける傾向のあるコンデンサは、電解型コンデンサである。これは、電解型コンデンサが通常大きな漏れ電流を伴うからである。さらに、電解型コンデンサは、通常大きな容量値を有していて、一般にスーパーコンデンサまたはウルトラコンデンサと呼ばれる。
【００１３】
ＩＩ．能動平衡化モジュール
【００１４】
直列配置で積層されたコンデンサ間の電圧不平衡を制御するために、本発明においては、能動平衡化モジュールが提供される。能動平衡化モジュールの目的は、接続された電源または負荷からコンデンサの直列積層上で相対的にいかなる充電も放電も実施されていない平衡状態で発生する状況である、コンデンサ積層が実質的に十分に充電されている場合に、コンデンサの直列積層内の各コンデンサ間に等しい電圧を維持することにある。以下で論述する通り、能動平衡化モジュールは、２つ以上のコンデンサを有するコンデンサのあらゆる直列積層に対して適用可能である。
【００１５】
まず最初に、図１Ａおよび図１Ｂは、本発明のさまざまな実施形態による能動平衡化モジュール１０４に結合された複数のコンデンサ１０２（例えば１０２ａ、１０２ｂ）を含む能動平衡化システム１００および１２０をそれぞれ例示している。複数のコンデンサ１０２および能動平衡化モジュール１０４の間の結合は、３つの端子１０６（例えば、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ）で行われる。端子１０６ａは、コンデンサ１０２ａの陽極板に接続する。端子１０６ｂは、コンデンサ１０２ａの陰極板ならびにコンデンサ１０２ｂの陽極板に接続する。端子１０６ｃは、コンデンサ１０２ｂの陰極板に接続する。図示されているように、コンデンサ１０２ａおよび１０２ｂは、接続線１０５ａおよび１０５ｂを通して電圧が印加される場合、直列配置で接続／積層される。接続線１０５ａおよび１０５ｂは、電源および／または電力供給用の負荷に接続され得る。
【００１６】
一般に、能動平衡化モジュール１０４は、能動素子を含む。図１Ａに例示されているように、一実施形態においては、該能動素子は、オペアンプデバイス１１２である。オペアンプデバイス１１２は、電圧フォロワとしてのオペアンプ１１３を含む。すなわち、電圧フィードバックを使用するオペアンプ回路であって、高入力インピーダンス、低出力インピーダンスおよび電圧利得１を有する。従って、オペアンプ１１３の出力端１４４がその反転（−）入力端１１６に接続される場合、その出力電圧は、その反転入力端の電圧を、非反転（＋）入力端１１８に印加される電圧と平衡化するのに必要などのようなレベルでも追従することになる。このフィードバック接続が、直線のワイヤ１本においてそうであるように直接的なものである場合、出力電圧は実質的に、非反転入力端の電圧に「フォロー」する。
【００１７】
コンデンサの電圧を実質的に平衡化するために、オペアンプ１１３の入力端は、各抵抗が、対応するコンデンサ（例えば、１０２ａ、１０２ｂ）に並列である一対の分圧抵抗１０８ａおよび１０８ｂに接続される。分圧抵抗１０８ａおよび１０８ｂは、抵抗値が等しい。抵抗値は、最悪ケースの漏洩値が与えられた積層中であらゆる過電圧を防止しようとすると同時に分圧抵抗が導入しうる付加的な漏れ電流を最小限にしようとするような最適化アルゴリズムによって、選択される。
【００１８】
オペアンプ１１３および分圧抵抗１０８ａおよび１０８ｂは、コンデンサ対１０２ａおよび１０２ｂのすきま（interstitial）ノード１１９上で動作する。２つの分圧抵抗１０８ａおよび１０８ｂにより規定される分割に従って、各コンデンサ間で分かち合う電圧を強制的に分割するように、電流がこのノードから供給されるかまたは引き抜かれる。オペアンプの電源接続Ｖ＋およびＶ−は、それぞれ、コンデンサ１０２ａの上面（陽極）板またはコンデンサ１０２ｂの底面（陰極）板を基準としていることから、これらの上面板または底面板のいずれかから適宜電荷を引き出すことによって、電流が供給されるかまたは引き抜かれる。
【００１９】
図１Ａに示すように、オペアンプの出力端に限流抵抗１０８ｃを設けることもできる。しかしながら、能動素子は、限流／短絡保護をすでに含んでいる可能性がある。例えば、オペアンプ１１３を、限流／短絡保護と一体化させることもできる。別の抵抗は、フィードバック抵抗１０８ｄである。フィードバック抵抗１０８ｄは、入力端において入力オフセット電流を平衡化するために使用可能である。一般に、フィードバック抵抗１０８ｄの値は、分圧抵抗１０８ａおよび１０８ｂの並列な組合せとして、選択される。
【００２０】
電圧フォロワは、規定上電圧利得１を有するが、その目的は、電圧の増幅とは無関係であって、むしろ負荷（例えば１０２ａ、１０２ｂ）に電流を供給する信号容量を増幅することに関係する。従って、能動平衡化モジュール１０４にオペアンプを組み込むことは、ピーク電力需要の放電／再充電期間中にコンデンサからまたはコンデンサへ大きな電流値を供給しかつ引き抜く。さらに、フル充電の安定した平衡状態の期間中の不整合漏れ電流に対する電荷平衡化を実現することが可能である。従って、キャパシタンスのばらつきおよび不整合漏れ電流という、電圧不平衡の原因の両方を効果的に制御することができる。
【００２１】
能動平衡化モジュール１０４内の能動素子のもう１つの実施形態が、図１Ｂに例示されている。図示されているように、能動素子は、フライング（flying）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への接続を、複数のコンデンサ１０２（例えば、１０２ａおよび１０２ｂ）間で揺動させ得るような形で、スイッチ１２４ａおよび１２４ｂの同期切換えを制御するために、コントローラ１２３を利用する。具体的には、スイッチ１２４ａおよび１２４ｂは、「ブレークビフォアメーク」形式で動作し互いに同期しなくてはならない。すなわち、両方が、接続する前にまず切断されなくてはならない。一方のスイッチはもう一方のスイッチより先行したり、遅れた方の接点がまだ切断されていない間に接続することはできない。フライングコンデンサ１０２ｃと複数のコンデンサとの間の接続は、その間で電荷の引き抜きまたは供給を可能にする。経時的に、複数のコンデンサ間の電圧の平衡化を達成することが可能である。
【００２２】
能動平衡化モジュール１０４内では、比較的高価である誘導素子（すなわちコイル（inductor））が全く使用されていないことを指摘しておくことが重要である。その上、能動平衡化モジュール１０４内の能動素子（例えば、１１２、１２２）への電力供給は、システム内に存在する静止電流によって実施可能でありかつ／またはコンデンサ対を基準とすることにより可能である（例えば、オペアンプ１１３／コントローラ１２３のＶ＋をコンデンサ１０２ａの陽極板に接続することにより、オペアンプ１１３／コントローラ１２３のＶ−をコンデンサ１０２ｂの陰極板に接続することにより）。実際、各能動平衡化モジュール１０４は、内蔵式であるか、そうでなければ、以下の図２の中で示されているようにもう１つのものと組合せた状態で動作し得る。
【００２３】
能動平衡化モジュールは単独で使用可能であり、また、互いに組合わされて、直列配置で積層された複数のコンデンサのための多重モジュール能動平衡化回路を形成することも可能である。例えば、図２は、本発明のさまざまな実施形態による多重能動平衡化モジュール２０４（例えば、２０４ａ〜２０４ｅ）に結合された複数のコンデンサ２０２（例えば、Ｃ１−Ｃ６）を含む能動平衡化システム２００を例示する。コンデンサは、接続線２０５ａおよび２０５ｂを通して、電源および／または負荷に接続され得る。能動平衡化モジュール２０４は、直列配置で積層されたコンデンサのための任意のモジュールベースの能動平衡化回路（例えば、１０４）であり得る。あるコンデンサ対について、能動平衡化モジュール２０４は標準的には、上部コンデンサの上面板、すきまノードおよび下部コンデンサの底面板に付帯する３端子デバイスとして規定される。多数の能動平衡化モジュール２０４を並設構成で整列させることもおよび／または図２に示されているような重畳構成で整列させることも可能である。
【００２４】
多数のモジュール間の同期化を行うことが可能である。しかしながら、オペアンプデバイスとフライングコンデンサデバイスとの双方が、一般に、同期化を任意のものとしている。これは、各オペアンプデバイスが異なるすきまノードで動作する一方で、各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が電圧均等化のためいくつかのコンデンサに対して並列に逐次接続することを可能にしているからである。
【００２５】
一般に、一対のコンデンサについて１つの能動平衡化モジュール２０４が必要とされる。しかしながら、重畳構成においては、３つのコンデンサについて２つの能動平衡化モジュール２０４が必要とされ、４つのコンデンサについて３つの能動平衡化モジュール２０４が必要とされ、以下同様である。一実施形態においては、重畳構成では、２つの能動平衡化モジュール２０４により最上部コンデンサと最下部コンデンサとの間の各コンデンサが操作されることを含む。
【００２６】
重畳構成の利点により、コンデンサの完全な積層は強制的に電圧を等しく共有させることになる。その上、積層内のコンデンサ間には、推移（transitive）関係を実現することが可能である。例えば、重畳する２つのモジュールおよび直列配置で積層された３つのコンデンサＡ、ＢおよびＣを考慮する。一方のモジュールは、Ａの電圧を強制的にＢの電圧と均等化させることができる。他方のモジュールは、Ｂの電圧を強制的にＣの電圧と均等化させることができる。その結果、Ａの電圧はＣの電圧に等しいものとなる。
【００２７】
実施例
【００２８】
本発明の利点をさらに理解するため、以下の例は、本発明の一実施形態による能動平衡化モジュールを備える能動平衡化システムに関する詳細を示す。以下に記されているものは代表的なものにすぎず、本発明がこの例に記されている詳細によって制限されるものではないということを理解すべきである。
【００２９】
図３は、多数の能動平衡化モジュール３０４（例えば、３０４ａ、３０４ｂ）に結合された複数のコンデンサ３０２（例えば、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｄ）を含む能動平衡化システム３００を例示する。図３は、システム１２０およびシステム２００によって導入される概念を例示する。図示されているように、能動平衡化モジュール３０４ａおよび３０４ｂが、フライングコンデンサデバイスを設けている。能動平衡化モジュール３０４ａに関しては、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に接続した切換え型電圧変換器（switched voltage converter）３２６ａを含む。一方で、能動平衡化モジュール３０４ｂ用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に接続した切換え型電圧変換器３２６ｂを含む。
【００３０】
理論的に言うと、切換え型電圧変換器３２６ａは一般的に、コンデンサ対３０２ａおよび３０２ｂを強制的に等電圧まで充電させることになる。これを達成する上で、フライングコンデンサ３０２ｃは、それらの電圧が等しくなるまでコンデンサ３０２ａおよび３０２ｂ間で電荷を転送する。切換え型電圧変換器３２６ｂおよびその対応するフライングコンデンサ３０２ｅは、コンデンサ対３０２ｂおよび３０２ｄ上で同じ機能を果たす。その結果、各コンデンサ間の電圧は、V. sup.＋／３で平衡化することになる。
【００３１】
実験として、切換え型電圧変換器ＩＣ１（すなわち、３２６ａ）およびＩＣ２（すなわち、３２６ｂ）は、カリフォルニア州SunnyvaleのMaxim Integrated Productsから入手可能なＭＡＸ６６０である。フライングコンデンサＣ１（すなわち、３０２ｃ）およびＣ２（すなわち、３０２ｅ）は、２５ＶＤＣの動作定格電圧をもつ１０マイクロファラッドのタンタルコンデンサである。V. sup.＋は、限流および電流測定抵抗Ｒ１を通して印加される７．８ＶＤＣである。コンデンサＣ３、Ｃ４およびＣ５は、２．５ＶＤＣを定格とする２２ファラッドＢシリーズコンデンサである。抵抗Ｒ２は２２０オームであって、ひどく漏洩するコンデンサをシミュレートするため、積層内のコンデンサのうちの１つに適用された。
【００３２】
実験においては、切換え型電圧変換器ＩＣ１およびＩＣ２が確実に適切に動作しているようにするために、ＶＣ１＋、ＶＣ１−、ＶＣ２＋、およびＶＣ２−が測定された。ＶＣ３、ＶＣ４、ＶＣ５およびＩＲ１（Ｒ１中の電流）もまた測定された。その後、経時的に電圧を監視して、本設計がいかに良好に電圧平衡を達成したかを見極めた。
【００３３】
テストコンデンサＣ３、Ｃ４、Ｃ５は、１アンペアの定電流により実際の容量値について測定された。０．５ボルトと２．０ボルトの間の充電／放電中に経過した時間を用いて、キャパシタンスを計算した。容量値は、下表に作表されている。
【００３４】
【表１】
2008236826.tif 000003
【００３５】
ＩＣ１およびＩＣ２は、ピン８からピン３までの電圧が２〜２．５ボルトである場合、その内部発振器を高い信頼性で始動させることがわかった。該発振器は時として、図示されているようにピン６が接続されていないかぎり、始動しなかった。
【００３６】
第１の実験には、積層を充電する段階、平衡を観察する段階、Ｃ３間にＲ２を適用する段階、平衡化する不平衡を観察する段階、Ｒ２を除去する段階そして平衡の復元を観察する段階が含まれた。第２の実験は、Ｃ４間にＲ２を置く段階、不平衡を観察する段階、Ｒ２を除去する段階、そして回復を観察する段階を含まれた。
【００３７】
以下の表は、結果を示す。時間は、各変更が行われた時点と値が測定された時点との間で経過したおおよその間隔である。
【００３８】
【表２】
2008236826.tif 000004
【００３９】
結果を調べると、本設計が平衝を約０．０２ボルト以内にすることがわかる。Ｒ２は、１０ｍＡを超える重大な漏れ経路を表わす。これがひき起こした最悪の不均衝は、「漏れ部位」間においてわずか０．０７ボルトの低い電圧であった。第２のケースでは、該電圧はわずか０．０３ボルト低いものであった。しかしながら、全体的な漏れは、両方のケースにおいて５ｍＡ未満であった。明らかに、フライングコンデンサの動作は、漏れ電荷を「漏れ部位」の反対側の板に戻していた。このようにして、フライングコンデンサ型は、能動平衡化のために使用される分路素子または供給／引き抜き（ソース／シンク）電圧フオロワよりもさらに効率が良い。
【００４０】
ＩＩＩ．能動平衡化モジュールのパッケージング
【００４１】
能動平衡化モジュールのモジュール性に基づいて、さまざまなコンデンサデバイスパッケージを達成することができる。これらのパッケージは、本発明の能動平衡化モジュールの汎用性を示す。例えば、図４Ａは、本発明の第１の実施形態によるコンデンサデバイスパッケージ４００の側面図を例示する。一方、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。
【００４２】
図示されているように、コンデンサデバイスパッケージ４００は、マザーボード４０８の上面にドーターボード４０４と共に実装された１対のコンデンサ４０２を含む。コンデンサ４０２は、特定のアプリケーションにとって受け入れ可能なあらゆる従来の方法でパッケージされ得る。例えば、コンデンサ４０２は、保護用プラスチックキャニスタ内の巻付け（coiled）型コンデンサであり得る。能動平衡化回路４０６が、ドーターボード４０４上に含まれる。ドーターボード４０４およびマザーボード４０８との両方が、能動平衡化回路４０６と、コンデンサ４０２と、マザーボード４１０の底面に接続された外部リード線４１０（例えば、１０５ａ、１０５ｂ、２０５ａ、２０５ｂ）との間を接続する。外部リード線４１０は、銅といったような導電性材料で通常作られており、耐久性のためにメッキされていてよい。
【００４３】
一般に、各ドーターボード４０４は、たった１つの能動平衡化回路４０６しか収納しない。ドーターボードは、能動平衡化モジュールと共に往々にして、該能動平衡化モジュールが能動的に平衡化させる対応するコンデンサ４０２の対の近く（例えば、その間）に設置されることになるだろう。コンデンサデバイスパッケージ４００を形成するためには、任意の能動平衡化回路４０６を用いることができる。標準的には、能動平衡化回路４０６は、能動平衡化モジュール１０４、２０４または３０４に類似する可能性のある回路を収納する。かくして、ドーターボード４０４が、本発明による能動平衡化モジュールとして作用することが可能である。
【００４４】
コンデンサデバイスパッケージ４００は、直列配置で積層された任意の数のコンデンサ４０２にまで拡張可能であり得る。これを行うためには、マザーボード４０８および外部リード線４１０を拡張して、任意の数のコンデンサ４０２に対処することが可能である。例えば、３コンデンサ直列構成のためには、重畳する能動平衡化回路４０６を有する２つの対応するドーターボード４０４をその間に位置づけることができる。すなわち、各コンデンサ４０２は、ドーターボード４０４により隣接コンデンサから分離されることになるだろう。一般に、各ドーターボード４０４（能動平衡化モジュール）は、構造および機能性が同一のものとなる。能動平衡化モジュールのモジュール性に起因して、ドーターボード（能動平衡化モジュール）には、任意の数の付加的な直列接続されたコンデンサを容易に付加することができる。
【００４５】
本発明を実施するために、その他の代替的コンデンサデバイスパッケージを適合させることが可能である。例えば、図５Ａは本発明の第２の実施形態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はコンデンサデバイスパッケージ５００の対応する底面図を例示している。
【００４６】
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を有し、コンデンサ５０２を含む。コンデンサ５０２は一般に、薄／低プロファイルのコンデンサデバイスパッケージが求められている場合に、使用される。コンデンサ５０２は標準的に、コンデンサシートが柔軟な保護シェル内に折り畳まれている折畳み型のコンデンサである。しかしながら、コンデンサ５０２の内に、数多くのコンデンサを組込むことが可能である。例えば、コンデンサ５０２は、直列配置で積層された複数のコンデンサを含み得る。
【００４７】
コンデンサ５０２は、外部リード線５１０に接続される。この実施形態においては、コンデンサ５０２および外部リード線５１０は、形状において、実質的に平坦、矩形そして柔軟性がある。外部リード線５１０は、コンデンサデバイスパッケージ５００に対する電気的接続を行い、任意の導電性材料を用いて形成され得る。
【００４８】
外部リード線５１０間にそれと接続して実装された、能動平衡化回路５０６を有する能動平衡化モジュール５０４が形成される。標準的には、能動平衡化回路５０４は、能動平衡化モジュール１０４、２０４または３０４と類似のものであり得る回路を収納する。能動平衡化モジュール５０４を構築するためには、任意の材料を使用することができる。好ましくは、使用される材料は設計利用分野と一貫性のあるものとなる。例えば、外部リード線５１０に対して容易に適合可能である可とう性材料を使用することができる。一般に、能動平衡化モジュール５０４は、能動平衡化回路５０６とコンデンサ５０２との間の接続を行うことになる。
【００４９】
最後に、図６Ａは、図６Ｂがコンデンサデバイスパッケージ６００の上面図を例示する本発明の第３の実施形態によ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。
【００５０】
図示されているように、コンデンサ６０２は、基板６０４（例えばマザーボード）の上表面に、能動平衡化モジュール６０６と共に実装される。基板６０４は一般に、当業者にとって周知であるような、例えば、セラミクス、プラスチックまたは別の適切な材料といった非導電性材料で構成されている。基板６０４は、その相対する表面上に設置されたパッドに接続するための一対のビア６１０を含む。基板６０４は、コンデンサ６０２、能動平衡化モジュール６０６およびビア６１０を、本発明に従って共に接続するための電気トレース（図示せず）を含む。かくして、コンデンサデバイスパッケージ６００は、任意の電子デバイス（例えば、携帯電話）の中に容易に実装可能である。
【００５１】
代替的には、コンデンサデバイスパッケージ６００は、さらなる保護のためさらにカプセル封入され得る。例えば、図６Ｃは、成形材料内にカプセル封入されたコンデンサデバイスパッケージ６００の側面図を例示する。従来の任意の成形材料（例えば、プラスチック）を使用することができる。フタ６１４を形成するためのカプセル封入に先立ち、コンデンサデバイスパッケージ６００を被覆すべく、基板６１２を付加することができる。その場合、基板６１２は、モジュール６０６、コンデンサ６０２および／または基板６０４の任意の部分全体に亘って延び、この部分の上を被覆することができる。同様にして、その場合、成形材料が、モジュール６０６、コンデンサ６０２および／または基板６０４の任意の部分をカプセル封入し得る。基板６０４についてそうであるように、基板６１２もまた全体に、例えば、当業者にとって周知のセラミクス、プラスチックまたはもう１つの適切な材料といった非導電性材料で構成される。基板６１２の目的は、カプセル封入されたコンデンサデバイスパッケージ６００に対して構造的安定性をもたらすことにある。
【００５２】
パッケージ４００、５００および６００は、パワーバックアップの利用分野にとって有用であり、部品として本発明の能動平衡化モジュールを用いて、容易かつ安価に構築される。本発明を実施するための部品の多くもまた、容易に入手可能な在庫の揃った低コストの部品である。
【００５３】
本発明は、特にスーパーコンデンサの分野において、従来の方法に比べ数多くの利点をもたらす。スーパーコンデンサは、標準的に２．３ボルトから２．７ボルトの範囲内の最大動作電圧を有することから、能動平衡化システムにおいて漏れ電流ドレインを最小限にする上で、低静止電流能動素子（例えば、オペアンプデバイス１１２）を使用することができる。能動平衡化モジュールはまた、利用分野に基づいて拡張可能である。例えば、システムの予想電流フローに基づいて能動素子を選択する。さらに、３端子モジュールおよび低部品点数という単純性により、直列配置の複数のコンデンサでの、より容易なパッケージング集積およびより少ない接続を可能にする。
【００５４】
本発明のもう１つの利点は、能動素子（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）が、あるケースでは合計５ボルト（対応するコンデンサ対の各コンデンサについて２．５ボルトずつ）となるような、それらの能動素子に対応するコンデンサの合計定格電圧を実質的に上回るＶ＋およびＶ−に出合う確率が低く、おそらく決して出合うことがないと思われる、という点にある。これは、能動素子の電源接続がどのように参照されるのか（例えば、２つのコンデンサ１０６ａおよび１０６ｃ間で）による。かくして、能動素子の定格は、全て、その対応するコンデンサの合計定格電圧に基づいて個別に選択し得る。従って、最上位のコンデンサと最下位のコンデンサとの間の電圧が大きくなる大きい積層については、依然低コストで低電圧の能動素子をそれらの間に設けることができる。
【００５５】
本発明のさらに別の利点は、平衝状態の間（例えば、スタンバイの間）漏れ電流を実質的に平衡化する能力にある。これは、コンデンサが、その大部分の時間を負荷に給電すべく待機するスタンバイ状態で過ごすことから、重要なことである。この時間中のあらゆる漏れ電流の不整合が、過電圧条件をもひき起こすことになる。従って、平衡状態中の持続する漏れ電流不整合が、コンデンサの寿命を著しく低減させ得る。
【００５６】
ＩＶ．能動素子保護モジュールおよびシステム
【００５７】
本発明のもう１つの態様によると、前述の平衡化モジュールとは異なり、２つ以上のコンデンサを有するコンデンサの直列積層、２つ以上の並列接続コンデンサ、またさらには単一のコンデンサでさえも、予め定められた閾値を上回る電圧から保護するように同等に応用可能であるコンデンサ保護モジュールが提供される。かかる保護モジュールは、以下で説明するように、おおよそ同等の定格電圧のコンデンサに対して平衡化効果を達成することができる。本発明の実施例は、切換えモード変換器に見られるもののような効率の良いＡＣ技術を用いて、電荷を１つのコンデンサから他のコンデンサに分路されるかまたはソースから取られるようなＡＣ構成とは反対に、準静的に電荷を移動させる回路素子を用いたＤＣ回路構成にとって、特に有利であると考えられる。
【００５８】
図７は、各々がそれぞれ典型的な保護モジュール７０４ａ、７０４ｂに対応する複数のコンデンサ７０２（例えば、コンデンサ７０２ａおよび７０２ｂ）のための能動平衡化システム７００の実施例を示している。コンデンサ７０２間の結合が、３つの端子７０６（例えば７０６ａ、７０６ｂ、７０６ｃ）により行われる。端子７０６ａは、コンデンサ７０２ａの陽極板に接続する。端子７０６ｂは、コンデンサ７０２ａの陰極板ならびにコンデンサ７０２ｂの陽極板に接続する。端子７０６ｃは、コンデンサ７０２ｂの陰極板に接続する。図示されているように、コンデンサ７０２ａおよび７０２ｂは、接続線７０５ａおよび７０５ｂを通して電圧が印加されるような直列配置により接続／積層されている。接続線７０５ａおよび７０５ｂは、電力供給のため電源および／または負荷に接続され得る。
【００５９】
各保護モジュール７０４ａ、７０４ｂは、以下で説明するそれぞれの能動素子７０８を含む。能動素子７０８は、端子７１０（例えば端子７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ）において接続されている。以下で説明する通り、抵抗７１２（例えば抵抗７１２ａ、７１２ｂ、７１２ｃ、７１２ｄ）が具備され、能動素子７０８に接続され、各コンデンサ７０２間の電圧を予め定められた閾値以下に維持すべく、能動素子７０８の挙動を該抵抗７１２は決定する。
【００６０】
図８は、図７に示すシステム７００のための能動平衡化モジュール７０４の１つを例示する。一実施例において、能動素子７０８は、ソース７１４、ドレイン７１６およびゲート７１８を有する既知のｎ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子である。ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のゲート７１８は、コンデンサ７０２間の電圧もまたゲート７１８を横断して印加されるように、端子７１０ａと端子７１０ｂに接続されている。ソース７１４とドレイン７１８との間の電子の流れは、ゲート７１８に印加される電圧により制御される。
【００６１】
一実例のための実施例においては、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴであって、正のゲート−ソース閾値Ｖgs(threshold)を有する。ゲート−ソース電圧（Ｖgs）の正の値がその値まで上昇しそれを超えたときに、ドレイン−ソース電圧の正の値が同時に存在する場合、ドレイン−ソース電流は急速に上昇する。ゲート電圧の単位変化あたりの電流上昇の速度は、デバイスの順方向トランスコンダクタンスgfsと呼ばれる。当業者であれば認識するように、順方向トランスコンダクタンス値は、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８の構造に応じて、低い値（例えば約０．１）から大きい値（例えば約１００）までの範囲であり得る。従って、ゲート電圧の小さな変化に対し、ドレイン−ソース電流の大きな変化が可能である。
【００６２】
一実施例においては、コンデンサ７０２は、回路内において、本明細書でＶcapacitor-rating（例えば１つのコンデンサ例について約２．３〜２．７ボルト）と称される、保護対象のコンデンサの定格電圧に対応するある電圧閾値以下で、機能するように設計されている。Ｖ capacitor-ratingより高い電圧では、コンデンサ内の電解質が破壊し、過度の漏れ電流および気体発生が起こり、コンデンサが故障する可能性がある。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、次の関係式を満たすように、抵抗７１２ａおよび７１２ｂが選択された場合にこれが起こるのを妨げる。
【数１】
2008236826.tif 000005
なお、Ｖgs(threshold)はＭＯＳＦＥＴ素子７０８のターンオン電圧を規定し、ここにドレイン−ソース電流が流れ始めて、コンデンサ７０２を迂回する、ソース７１４およびドレイン７１６間の分流路を作り出す。
【００６３】
ＭＯＳＦＥＴ素子７０８が、任意の与えられた時点で経験する実際のゲート−ソース電圧Ｖgsは、以下の関係式を満足する。
【数２】
2008236826.tif 000006
従って、ＭＯＳＦＥＴゲート−ソース電圧がコンデンサ７０２間の印加電圧Ｖcapacitorの関数であるということは明白である。式（１）および（２）を比較すると、ＭＯＳＦＥＴゲート−ソース電圧Ｖgsは、Ｖ capacitorがＶ capacitor-ratingよりも小さい場合、常にゲート−ソース閾値Ｖgs(threshold)よりも低くなるということは明白である。
【００６４】
コンデンサ７０２が直列積層（図７）内に設けられ、その間での動作電圧Ｖ capacitorが、容量値または漏れ電流の不平衡に起因してＶ capacitor-ratingまで上昇する場合、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８Ｖgs(threshold)に達し、ＭＯＳＦＥＴはオンに切り換わって、コンデンサ７０２の周囲の電流を、実際の回路動作条件における不平衡または漏れの量およびgfsにより決定される程度まで、分路させる。同様にして、コンデンサ７０２が回路内で単独で使用される（すなわち、モジュール７０４のうちの１つのみが使用され、コンデンサはもう１つのコンデンサと直列に接続されていない）場合、Ｖ capacitor-ratingを超える印加電圧Ｖ capacitorにより、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８を通してコンデンサの周囲で電流が分路したＭＯＳＦＥＴ  Ｖgs(threshold)が達成させられる。すなわち、モジュール７０４内のＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、図８に示されているように単一のコンデンサ７０２を保護するために有効であり、図７に示されているようにもう１つのモジュール７０４と組合せて用いられた場合、コンデンサ７０２の直列積層が、それぞれのコンデンサ７０２についてＶ capacitor-ratingよりも大きい電圧から保護され得る。図７中のコンデンサ７０２ａおよび７０２ｂのＶ capacitor-ratingがほぼ等しい場合、コンデンサ７０２ａおよび７０２ｂ間の電圧は、効果的にＶ capacitor-rating以下のレベルに平衡化される。
【００６５】
一方、図８中のコンデンサ７０２がその定格電圧Ｖ capacitor-ratingより低い電圧レベルＶcapacitorで動作する場合、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、標準的に約１または２マイクロアンペアのドレイン電流で基本的に「オフ」である。かくしてオフ状態において、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、コンデンサを用いた回路に対し、いかなる重大かつ付加的な有効漏れ電流の負担をもたらさない。直列に積層されたコンデンサを保護および平衡化するため、に図７に示されているような別のモジュール７０４と組合せた状態で使用される場合、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８ａおよび７０８ｂは、同様にして、その回路に対して漏れ電流の負担を不利な形でもたらさない。上記で説明されした要領で、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、切換えをひき起こすために外部の能動素子を必要することなく、回路内で不平衡が発生し消失するときに漏れ電流を分路すべく、積極的にオンオフ切換えする。それどころか、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のゲート閾値電圧Ｖgs(threshold)は、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８の構造上固定された値であることから、保護対象のコンデンサ間の絶対値（すなわち、Ｖcapacitorの絶対値）がＭＯＳＦＥＴ  Ｖgs(threshold)に達する場合にはいつも、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、オフ状態から、ＭＯＳＦＥＴソース７１４およびドレイン７１６の間の分流路が回路内にもたらされるオン状態へと切換わる。
【００６６】
モジュール７０４が図７に示されているような直列コンデンサ対なす一つの対として配置されている場合、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、コンデンサ対７０２ａ、７０２ｂ間の電圧の合計値が、その対を含むＭＯＳＦＥＴ素子７０８のゲート閾値に関係づけられた値よりも高く上昇した場合にはいつでも、実質的な電流を分路しまたはひき抜くように動作する。その結果、図１〜３に示す実施形態とは異なり、モジュール７０４内の能動ＭＯＳＦＥＴ素子７０８の切換え動作は、コンデンサ対間のあらゆる不平衡と無関係に起こる。すなわち、該対内のコンデンサ間でいく分かの偏差または不平衡が発生する可能性があり、コンデンサ間の電圧がコンデンサ７０２のそれぞれのＶcapacitor-ratingより低いことを条件として、各モジュール内のＭＯＳＦＥＴ素子７０８のＶgs(threshold)に達せず、ＭＯＳＦＥＴ素子はオフ状態にとどまることになる。すなわち、図７に示されているシステムにおいては、各コンデンサ間の電圧がＶcapacitor-ratingを超えないかぎり、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、コンデンサ間の不平衡を補正しようとしてオンに切換わることはない。それでも、いずれか１つのコンデンサ間の電圧はＶcapacitor-ratingよりも高く上昇しないようになっていることから、平衡化効果が許容可能な範囲内でなおも実現され、同じ定格電圧Ｖcapacitor-ratingをもつコンデンサを有する直列接続型モジュールの場合、コンデンサ対は、コンデンサ対間の合計電圧が、各モジュール内のＭＯＳＦＥＴ素子７０８を同時にオンさせてコンデンサの周囲の電流を分路させるに十分大きいものである場合に常に、平衡化されることになる。
【００６７】
抵抗分圧回路網を使用してコンデンサ対間の合計電圧を切換え点の基準とすることにより電圧切換えが起動される図１〜３の実施形態とは異なり、図８に示すモジュール７０４においては、切換えはその代わりに能動素子７０８自体のゲート閾値Ｖgs(threshold)を、単一のコンデンサ７０２間の電圧Ｖcapacitorの基準とすることにより、起動させられる。その結果、図７および８に示されているモジュール７０４は、個々のコンデンサを保護する能力を十分に有する一方、図１〜３の実施形態は複数のコンデンサが動作することを必要とする。平衡化および保護を理由として単一のコンデンサ全体の電圧を制御する能力は、多数の電気システムのニーズを満たすように混合され整合されるモジュールの汎用性のある適合化をもたらし、かつ以下で説明するように、規格化されたモジュールパッケージを介してコストの節減をももたらす。
【００６８】
図８に示されている抵抗Ｒ1およびＲ2を含む抵抗分圧回路網は、各モジュール７０４内のＭＯＳＦＥＴ素子７０８のＶgs(threshold)が各コンデンサ７０２のＶcapacitor-ratingよりも低い場合に、特に有利である。そうでなければ分圧回路網を用いることなく必要とされると思われるＶgs(threshold)のある値を有するＭＯＳＦＥＴ素子７０８を得ることは時として困難である。すなわち、あるケースでは、入手可能なＭＯＳＦＥＴ素子７０８のＶgs(threshold)は、より高いＶcapacitor-ratingをもつコンデンサ７０２の周囲の電流を分路するのに十分なほどに大きくない可能性がある。抵抗の値は、少なくとも次の２つの基準を念頭において、上述の関係式（１）に従って選択される。すなわちまず第１に、電圧がＶcapacitor-ratingまでまたはそれよりもわずかに上まで上昇した場合に、Ｖgs(threshold)に、達っすること、そして第２に分圧回路網自体が非常に低い電流（１つの例で１マイクロアンペア未満）をひき抜くこと、である。抵抗７１２は、望まれる場合、単一のシリコンダイ上でＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に集積される。
【００６９】
補正対象のコンデンサ７０２についてのＶcapacitor-ratingのいくつかの値について、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のＶgs(threshold)は、回路モジュール７０４内のＶcapacitor-ratingと近いかまたは等しくなり得る。このような場合、図９に示されているように、図８に示されている抵抗７１２によって規定される分圧回路網は削除でき、別のモジュール７０７を実現することができる。この場合、Ｖgs(threshold)に等しいおよび／またはこれを超える、モジュール７０７内のコンデンサ７０２間のあらゆる電圧上昇は、ドレイン電流を、gfsと、差Ｖgs−Ｖgs(threshold)とにより決定される量で流させることになる。従って、コンデンサ電圧は、大量の電流を流れさせることなしに、Ｖgs(threshold)の値をはるかに超えて上昇し得ない。コンデンサの定格電圧がＶcapacitor-ratingである場合には、Ｖcapacitor-ratingと等しいかまたはそれよりもわずかに大きいＶgs(threshold)を選択することが最適である。
【００７０】
一般に、いかなる抵抗分圧回路網も必要とされず図９のモジュール７０７で十分であるように、適切なＶgs(threshold)の値を有するＭＯＳＦＥＴ素子７０８を設計することができる。ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、望まれる通り、単一パッケージ内でコンデンサ７０２と組合わされてもよく、その結果、他のモジュールへの接続のための２つの端子を伴う単一のパッケージが得られる。例えば図１０は、直列コンデンサを保護するために平衡化システム７２０内で組合わせて使用される図９に示されたモジュール７０７の２つを例示している。図１１は、変動する定格電圧の直列コンデンサ用の保護および平衡化システム７３０の形に混合され整合された図８および９のモジュール７０４、７０７を例示している。図１１のシステム内のコンデンサ定格のいくつかは、モジュール７０４の分圧回路網を必要とし、一方、他のコンデンサ定格は、分圧回路網を不要にし、モジュール７０７で十分である。図７、１０および１１には、複数のシステム例７００、７２０、７３０が示されているが、図７、１０および１１のシステムが実際の使用において任意の数のモジュール７０４および／または７０７を含むことが理解される。
【００７１】
図７〜１１においては、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８はｎ型ＭＯＳＦＥＴとして例示されているが、各モジュール内でコンデンサの反対の電圧極にＭＯＳＦＥＴゲートを配線することにより、モジュールの適切な修正を伴って、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子およびその等価デバイスを同様に使用できる。図１２〜１６は、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を有する類似のシステムおよびモジュールを例示する。
【００７２】
図１２、１５および１６は、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子７４８がｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子１０８の代わりに利用されているシステム例７４０、７５０および７６０を例示し、図１３および１４はそれぞれモジュール７４４、７４７を例示している。図７〜１１および図１２〜１６の対応する素子を識別するために、類似の参照番号が使用されている。動作上は、図示された平衡化システム７４０、７５０および７６０およびモジュール７４４および７４７は、図７〜１１に関連して上述したモジュールおよびシステムと同一であり、類似の利点が得られる。従って、図１２〜１６に示す実施形態についてのさらなる説明は不要と考えられる。
【００７３】
ｎ型モジュール７０４（図８）およびｐ型モジュール７４４（図１３）の組合せを含む平衡化システム７７０が提供されている図１７Ａおよび１７Ｂにおいて、本発明の汎用性がさらに実証されている。同様にして、図１８Ａおよび１８Ｂに示されているように、ｎ型モジュール７０７（図９）およびｐ型モジュール７４７（図１４）の組合せを含む平衡化システム７８０が提供される。
【００７４】
図１９は、図１７Ｂの抵抗７１２ｂおよび７１２ｃが単一の抵抗７１２ｅに組合され、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のソースノードおよびｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子７４８のソースノードが共通して接続されているという点を除いて、図１７Ｂに示されているシステム７７０に類似した能動平衡化モジュール７９０の別の実施形態を例示している。このような実施形態においては、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８および７４８の動作は、抵抗７１２ｅの両端電圧であってコンデンサ対間の電圧差に対応する浮動基準電圧を基準とし、従って、システム７９０は直列コンデンサ７０２ａと７０２ｂとの間の不平衡電圧に対して応答する。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８および７４８は、以上で説明したように、コンデンサ間の絶対電圧値に対して応答し、また、コンデンサの周囲の電流を分路し、ひとたび各ＭＯＳＦＥＴ素子についてのＶgs(threshold)を超えた時点で不平衡を均等化させるべくコンデンサ間の電圧不平衡に対しても応答する。コンデンサ対間の不平衡に対するモジュールの感応性を変動させるように、抵抗７１２ｅについての抵抗値を、戦略的に選択することができる。モジュール７９０は、同一のまたは異なる定格電圧のコンデンサ７０２ａ、７０２ｂに対して同様に有効である。
【００７５】
図２０は、コンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ、７０２ｄの直列積層を保護し平衡化すべく互いに接続された２つのモジュール７９０を有する能動平衡化システム８００を例示する。積層内のさらなるコンデンサを保護するために所望される場合には、さらなるモジュール７９０を具備することができる。
【００７６】
図２１は、基本的に、並列接続されたコンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃおよび各コンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃに接続されたｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８の回路網を形成する、互いに並列接続された複数のモジュール７０７である平衡化システム８１０を例示する。このように接続されたＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、上記で説明されているように、コンデンサ間の電圧がそれぞれのＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)に近づいた場合にオン切換えし並列コンデンサ間の過電圧サージを分路するように動作する。従って、システム８１０は、高電流充電源（図示せず）に連係するコンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃに対する損傷を防止および／または軽減するのに十分適している。コンデンサは、それぞれのコンデンサの定格電圧と整合する、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のＶgs(threshold)と同一または異なる定格電圧を有することができる。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８が例示されているが、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子および同等のデバイスも、上述のいくつかの配線修正を伴って、同じように利用することができることが理解できる。
【００７７】
図２２は、３つの並列コンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃが単一のｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８によって保護されている、図２１のシステム８１０に対する代替的平衡化システム８１０を例示している。ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、高い電流および電力消費能力を備えるように選択され、過電圧の際に熱を放散させるように適切にパッケージングされる。ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)は、上記で記述されているように、コンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃの定格電圧と整合するように選択される。３つのコンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃが図２２に例示されているが、より多くのまたはより少ない数のコンデンサを具備しＭＯＳＦＥＴ素子７０８に接続することができる。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８がシステム８２０内に例示されているが、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子および同等のデバイスも同様に利用可能であるということがわかる。
【００７８】
図２３は、基本的に、並列接続されたコンデンサ７０２ａ、７０２ｂ（図８）およびこれらのコンデンサ７０２ａ、７０２ｂにそれぞれ接続されたｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８の回路網を形成する、互いに並列接続された複数のモジュール７０４（図８）であるコンデンサ保護システムを例示する。モジュール７０４は、コンデンサ７０２ａ、７０２ｂのより高い定格電圧に対処するように、上述したような分圧回路網を含む。このように接続されたＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、以上で説明されているように、コンデンサ間の電圧が各ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)にそれぞれ近づいた場合にオン切換えし、並列コンデンサ７０２ａ、７０２ｂ間の過電圧サージを分路するように動作する。従って、システム８１０は、高電流充電源（図示せず）に連係するコンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃに対する損傷を防止および／または軽減するのに十分適している。コンデンサ７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃは、同一または異なる定格電圧を有することができ、抵抗素子７１２ａおよび７１２ｂについての値は上記の式（１）を満たすように選択される。システム８３０中にはｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８が例示されているが、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子および同等のデバイスも、同様に利用することができることが理解できる。
【００７９】
図２４は、２つの並列コンデンサ７０２ａ、７０２ｂが単一のＮ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８によって保護される、図２３のシステム８３０に対する代替の平衡化システム８４０を例示している。ＭＯＳＦＥＴ素子７０８は、高い電流および電力消費能力を備えるように選択され、過電圧の際に熱を放散させるように適切にパッケージングされる。ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)およびＲ1およびＲ2の値は上述の式（１）を満たすように選択される。２つのコンデンサ７０２ａ、７０２ｂが図２４に例示されているが、より多くのまたはより少ない数のコンデンサを具備しＭＯＳＦＥＴ素子７０８に接続することができる。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８がシステム８４０内に例示されているが、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子および同等のデバイスも同様に利用可能である。
【００８０】
図２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄは、モジュールの拡張された動作のために能動素子と直列接続された補助デバイスを含むモジュール７０７（図９）の適合である保護モジュール８５０、８６０、８７０、８８０のさらなる実施形態を例示する。該補助デバイスは、分流路を確立するために有効ターンオン電圧を修正する。
【００８１】
図２５Ａに例示されたモジュール８５０は、基本的に、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のソースとコンデンサ７０２の負端子の間に接続されたダイオード８５２の形で補助デバイスが付加されたモジュール７０７（図９）である。回路内へのダイオード８５２の付加に起因して、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８を通って分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)にダイオード８５２の順方向電圧降下を加算したものに等しい。モジュール８５０はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能である。
【００８２】
図２５Ｂは、コンデンサ７０２の負端子とｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のソースの間に接続された第１および第２のショットキーダイオード８５２、８５４を有するもう１つのモジュール８６０を例示している。回路内へのダイオード８５２および８５４の付加に起因して、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８を通って分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)にダイオード８５２および８５４の順方向電圧降下の合計を加算したものに等しい。所望の場合には、より数多くのダイオードを具備することができ、またモジュール８６０はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りにｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能である。
【００８３】
図２５Ｃは、コンデンサ７０２の負端子とｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のソースの間に接続されたトランジスタ８５６の形をした補助デバイスを有するモジュール８７０を例示している。回路内へのトランジスタ８５６の付加に起因して、分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)にトランジスタ８５６のベースエミッタダイオードの電圧降下を加算したものに等しい。モジュール８７０はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りにｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能であるということが分かる。
【００８４】
図２５Ｄは、ダーリントン接続とも呼ばれるカスケード配置８５８で第１および第２のトランジスタを有する別のモジュール８８０を例示している。該カスケード式トランジスタは、コンデンサ７０２の負端子とｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８との間に接続されている。回路内へのカスケード式トランジスタの付加に起因して、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８を通って分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)にカスケード式トランジスタのベースエミッタダイオードの電圧降下を加算したものに等しい。望ましい場合には、より数多くのダイオードを具備することができ、またモジュール８８０はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りにｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能である。
【００８５】
図２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄは、その拡張された動作のために補助デバイスを含むモジュール７０４（図８）に適合させた保護モジュール８９０、９００、９１０、９２０のさらなる実施形態を例示する。
【００８６】
図２６Ａに例示されたモジュール８９０は、基本的に、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のソースとコンデンサ７０２の負端子の間に接続されたダイオード８９２の形で補助デバイスが付加されたモジュール７０４である。回路内へのダイオード８９２の付加に起因して、分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)と、上記の式（Ｉ）で表された分圧回路網の比との積に、ダイオード８９２の順方向電圧降下を加算したものに等しい。モジュール８９０は、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りにｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能である。
【００８７】
図２６Ｂは、コンデンサ７０２の負端子とｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のソースの間に接続された第１および第２のショットキーダイオード８９２、８９４を有する別のモジュール９００を例示している。回路内へのダイオード８９２および８９４の付加に起因して、分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)と上記式（１）に表された分圧器回路網の比との積に、ダイオード８９２および８９４の順方向電圧降下を加算したものに等しい。望ましい場合には、より数多くのダイオードを具備することができ、またモジュール９００はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りにｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能である。
【００８８】
図２６Ｃは、コンデンサ７０２の負端子とｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のソースの間に接続されたトランジスタ８９６の形をした補助デバイスを有するモジュール９１０を例示している。回路内へのトランジスタ８９６の付加に起因して分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)と、上記式（１）に表された分圧器回路網の比との積に、トランジスタ８９６のベースエミッタダイオードの電圧降下を加算したものに等しい。モジュール９１０はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りにｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能である。
【００８９】
図２６Ｄは、ダーリントン接続と呼ばれるカスケード配置８９８で第１および第２のトランジスタを有する別のモジュール９２０を例示している。該カスケード式トランジスタは、コンデンサ７０２の負端子とｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８とのソースとの間に接続されている。回路内へのカスケード式トランジスタの付加に起因して、分流が流れ始めるターンオン電圧は、ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)と、式（１）に表された分圧器回路網の比との積に、カスケード式トランジスタのベースエミッタダイオードの電圧降下を加算したものに等しい。望ましい場合には、より数多くのトランジスタを具備することができ、またモジュール９２０はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りにｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能であるということが分かる。
【００９０】
図２７は、前述の実施形態とは異なり、単一のコンデンサ７０２に対応するｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子対を含むコンデンサ保護および平衡化モジュール９３０のもう１つの実施形態を例示している。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ素子と保護対象のコンデンサとの間の１対１の対応の代わりに、モジュール９３０は、分流が流れ始めるターンオン電圧を修正するための補助デバイスとして第２のＭＯＳＦＥＴ素子７０８を利用する。図２７に示すように、ＭＯＳＦＥＴ素子７０８の一方は、抵抗器Ｒ1およびＲ2を含む分圧器回路網に接続され、一方ＭＯＳＦＥＴ素子７０８のうちのもう一方は独立型の能動素子である。
【００９１】
回路内への第２のＭＯＳＦＥＴ素子１０８の付加に起因して、分流が流れ始めるターンオン電圧は、独立型ＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold)と、第２のＭＯＳＦＥＴ素子のＶgs(threshold) に式（１）に表わされている分圧回路網の比との積を加えた合計に等しい。望ましい場合には、より数多くのＭＯＳＦＥＴ素子を具備することができ、モジュール９３０はｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子７０８と共に例示されているが、回路に対する適切な配線修正を伴って上述の通りｐ型ＭＯＳＦＥＴ素子を同様の要領で具備することも可能である。モジュール中のＭＯＳＦＥＴ素子のさまざまな組合せを、望まれる通りに分圧回路網を伴ってあるいは伴わずに提供することが可能である。
【００９２】
図２５、２６および２７に示されているダイオード、トランジスタおよびさらなるＭＯＳＦＥＴ素子といった補助デバイスを有するさまざまなモジュール例について以上で記述してきたが、２つのターンオン電圧特性（例えば、ＭＯＳＦＥＴ素子のターンオン電圧および補助デバイスのターンオン電圧）を組合せその結果、電圧が２つの合計まで上昇したときに電流の「ターンオン」がもたらされるようにすることにより、モジュールの性能を改変すべく、その他の補助デバイスを同様の要領で利用できるということを理解すべきである。従って、モジュールの挙動は、特定のコンデンサ集合（meetings）および所望の効果のために調整可能である。
【００９３】
上述の回路モジュールを用いて、独立型のアプリケーションにてコンデンサを保護でき、直列積層内でもコンデンサを保護でき、さらには並列でさえもコンデンサを保護することができる。さまざまなタイプのモジュールを提供でき、それを単独で使用することもできるし、そうでなければ、広範囲なコンデンサ構成のために保護および平衡化システム中に組合せることもでき、使用中にさまざまな性能特性を達成するように抵抗、ＭＯＳＦＥＴ素子および補助デバイスの特性を選択することが可能である。
【００９４】
Ｖ．  コンデンサモジュールの集積およびパッケージング
【００９５】
図２８は、コンデンサデバイス９５０内に集積された平衡化モジュール例の展開図である。例示的な実施形態においては、デバイス９５０は、既知の要領で電解材料が詰め込まれたコンデンサハウジング９５２を含む。ゴムまたはその他の圧縮材料から製造された圧縮栓封止要素９５４が、ハウジング９５２の片端にはめ込まれ、電解材料および内部のコンデンサの動作部品を保護すべく、ハウジング９５２の端部にて圧縮シールを形成する。接続用端子またはリード線９５６、９５８がハウジング９５２から外部回路まで既知の要領で延びている。図２８に示されている例示的実施形態において、ハウジング９５２は、時として缶とも呼ばれる、スーパーコンデンサ設計において一般に用いられる円筒形のハウジングであるが、さまざまな形状および構成のハウジング９５２を代替的に使用することもできる。
【００９６】
セラミクス基板材料、プリント回路板材料、ＦＲ−４ボード、フェノールまたはその他の重合体ベースの材料といった誘電体基板９６２を含めた能動部品アセンブリ９６０が具備されている。ＭＯＳＦＥＴ素子９６４および付随する部品９６６、９６８は、例えば、既知のはんだづけを介して基板９６２に実装される。基板９６２内には貫通孔９７０が具備され、貫通孔を通ってコンデンサリード線９５６、９５８が延びており、このリード線９５６、９５８は、ＭＯＳＦＥＴ素子９６４および部品９６６、９６８に接続される。ＭＯＳＦＥＴ素子９６４は、ｎ型またはｐ型素子でよく、部品９６６、９６８は、上記で説明したような抵抗または補助デバイスであり、あるいは任意には省略可能である。すなわち、部品アセンブリ９６０内の能動素子９６４および部品９６６、９６８は、該アセンブリ９６０がコンデンサリード線９５６、９５８に接続された場合に上述のモジュールのうちのいずれかを実現するように選択され配置される。
【００９７】
能動素子９６４および部品９６６、９６８は、アセンブリ９６０を完成させるように基板９６２の上面および／または底面に実装でき、アセンブリ９６０が栓シール９５４に当たるまで貫通孔９７０を通ってリード線９５６、９５８が延びている状態で、アセンブリ９６０は、リード線９５６、９５８の上を滑動することができる。このとき、リード線９５６、９５８は、能動部品アセンブリ９６０がデバイス９５０に対し永久的に実装されそれと共に完全に集積されるように、アセンブリ９６０に対してはんだづけできる。この要領で、既存のコンデンサを能動部品アセンブリ９６０とはめ合わせて、上述のモジュールの回路保護および平衡化機能を提供することができる。コンデンサ製品そのものの構造または設計に影響を及ぼすことなく、該能動部品アセンブリ９６０を既製のコンデンサに後付けすることが可能である。
【００９８】
これまで記述してきた部品アセンブリ９６０は、栓シール９５４の外表面に突合せるような形でハウジング９５２の外側に設置されるが、能動部品アセンブリを代替的にコンデンサハウジング９５２の内部に設置し、ハウジング９５２内へのゴム栓シール９５４の設置に先立ち端子リード線９５６、９５８に接続することも可能である。当然のことながら、ハウジング９５２の内部にアセンブリ９６０を設置することで、コンデンサデバイスの内部構造および設計の幾分かの考慮および最も高い確率で幾分かの改変がもたらされるが、これは、当業者が必ず理解できるものであると思われる。コンデンサの構造のかかる考慮および潜在的改変は、当業者に自明の範囲内にあり、これ以上の説明は全く必要ないと思われる。
【００９９】
図２９および３０は、能動素子アセンブリ９８４の周囲に形成される圧縮栓シール９８２を有する能動部品アセンブリ９８０を例示している。該能動素子アセンブリ９８４は、栓シール９８４の圧縮性材料の中に埋込まれるかまたはカプセル封入されており、栓シール９８２は貫通孔９８６で形成される。図２８に示されているリード線９５６、９５８といったコンデンサリード線は、栓シール９８４が図２８に示されているハウジング９５２といったコンデンサハウジングに設置されると、貫通孔９８６を通って延びることができる。能動素子アセンブリ９８４は、ＭＯＳＦＥＴパッケージ９８８と、パッケージ９８８から延びる弾性端子素子９９０、９９２を含む。一実施形態においては、端子素子９９０、９９２は、コンデンサハウジング内に設置されると、該栓シール９８２内の圧縮力によってコンデンサリード線９５６、９５８に対して締付けられた偏平可能なバネ接点である。従ってＭＯＳＦＥＴパッケージ９８８の電気的接続がコンデンサリード線９５６、９５８に対して確立され、パッケージ９８８は永続的にコンデンサデバイスに実装され、その中に完全に集積される。
【０１００】
ＭＯＳＦＥＴパッケージ９８８は、ｎ型またはｐ型の能動素子、上述の回路モジュールのいずれかを完成するのに望まれるあらゆる抵抗または補助部品を、含み得る。該能動部品アセンブリ９８４は栓シール９８２から離れてコンデンサハウジングの内部に設置され、栓シール９８２の設置に先立ち端子リード線９５６、９５８に接続され得る。当然のことながら、コンデンサハウジングの内部にアセンブリ９８４を設置することで、コンデンサデバイスの内部構造および設計の幾分かの考慮および最も高い確率で幾分かの改変がもたらされるが、これらは、当業者が必ず理解できるものであると思われる。コンデンサの構造のかかる考慮および潜在的改変は、当業者に自明の範囲内にあり、これ以上の説明は全く必要ないと思われる。
【０１０１】
図３１は、コンデンサデバイス９９０内に集積された平衡化モジュール例の変形実施形態の展開図である。デバイス９９０は、既知の要領で電解材料が詰め込まれたコンデンサハウジング９９２を含む。接続端子９９４、９９６がハウジング９９２から外部回路まで既知の要領で延びている。図３１に示されている例示的実施形態において、ハウジング９９２は、相対する平坦な側面９９８および１０００を有する細長いハウジングであるが、さまざまな形状および構成のハウジングを代替的に使用することもできる。
【０１０２】
一実施形態例では、可撓性回路板材料である誘電体基板１００４を含む能動部品アセンブリ１００２が具備されているが、基板は代替的には、望まれる場合、セラミクス基板材料、プリント回路板材料、ＦＲ−４ボード、フェノールまたはその他の重合体ベースの材料で製造されていてもよい。ＭＯＳＦＥＴ素子１００６および付随する部品１００８、１０１０は、例えば既知のはんだづけを介して基板１００４に実装される。ＭＯＳＦＥＴ素子１００６は、ｎ型またはｐ型素子であり、部品１００８、１０１０は、上記説明したような抵抗または補助デバイスであり、あるいは任意には省略可能である。すなわち部品アセンブリ１００２内の能動素子１００６および部品１００８、１０１０は、該アセンブリ１００２がコンデンサ端子９９４、９９６に接続された場合に上述のモジュールのうちのいずれかを構築するように選択され配置され得る。
【０１０３】
図３１に示されている例示的実施形態においては、可撓性基板材料１００４は、ＭＯＳＦＥＴ素子１００６と部品１００８、１０１０とを相互接続する導電性配線を含み、表面実装パッド１０１２、１０１４が基板材料１００４の相対する端部上に具備されている。表面実装パッド１０１２、１０１４は、能動部品アセンブリ１００２がデバイス９９０に対し永久的に実装されそれと共に完全に集積されるように、端子９９４、９９６の表面に対してはんだづけされ得る。この要領で、既存のコンデンサを能動部品アセンブリ１００２と嵌め合わせて、上述のモジュールの回路保護および平衡化機能を提供することができる。コンデンサ製品自体の構造または設計に影響を及ぼすことなく、該能動部品アセンブリ１００２を既製のコンデンサに後付けすることが可能である。
【０１０４】
これまで記述してきた部品アセンブリ１００２は、ハウジング９９２の外側に設置され、コンデンサハウジングの外側の場所で端子９９４、９９６に対し電気的に接続されるが、能動部品アセンブリ１００２を代替的にコンデンサハウジング９９２の内部に設置し、ハウジング９９２の内部の場所で端子９９４、９９６に接続することも可能である。当然のことながら、ハウジング９９２の内部にアセンブリ１００２を設置することで、コンデンサデバイスの内部構造および設計の幾分かの考慮および最も高い確率で幾分かの改変がもたらされるが、これは、当業者が必ず理解できるものであると思われる。コンデンサの構造のかかる考慮および潜在的改変は、当業者に自明の範囲内にあり、これ以上の説明は全く必要ないと思われる。
【０１０５】
ＶＩ．結論
【０１０６】
単一のコンデンサのための保護と、直列積重ね型コンデンサおよび並列コンデンサの平衡化および保護と、を提供する集積型保護および平衡化特徴を備えるさまざまなコンデンサ保護および平衡化モジュール、システムおよびコンデンサデバイスが開示されてきた。該モジュール、システムおよびコンデンサデバイスは比較的低いコストで提供でき、また、従来の平衡化デバイス、システムおよびコンデンサデバイスだけでは達成できない広範囲のコンデンサシステムを高い信頼性で保護すべく、汎用性あるきわめて適合性の高い要領で互いに組合わせることができる。本明細書で記述されているモジュール、システムおよびデバイスは、スーパーコンデンサ製品およびＤＣ構成用に特に有利であると考えられるが、その他のコンデンサタイプおよび回路構成に対しても本発明の利益を得ることができることがわかる。
【０１０７】
本発明はさまざまな特定的実施形態に関して記述されてきたが、当業者であれば、請求項の精神および範囲内で修正を加えながら本発明を実施できるということを認識することであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１Ａ】本発明のさまざまな実施形態による能動平衡化モジュールに結合された複数のコンデンサを含む能動平衡化システムを示す図である。
【図１Ｂ】本発明のさまざまな実施形態による能動平衡化モジュールに結合された複数のコンデンサを含む能動平衡化システムを示す図である。
【図２】本発明のさまざまな実施形態による多数の能動平衡化モジュールに結合された複数のコンデンサを含む能動平衡化システムを示す図である。
【図３】本発明のさまざまな実施形態による多数の能動平衡化モジュールに結合された複数のコンデンサを含む能動平衡化システムを示す図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態によるコンデンサデバイスパッケージの側面図である。
【図４Ｂ】図４Ａ中のコンデンサデバイスパッケージの上面図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態によるコンデンサデバイスパッケージの側面図である。
【図５Ｂ】図５Ａ中のコンデンサデバイスパッケージの底面図である。
【図６Ａ】本発明の第３の実施形態によるコンデンサデバイスパッケージの側面図である。
【図６Ｂ】図６Ａ中のコンデンサデバイスパッケージの上面図である。
【図６Ｃ】成形材料の中にカプセル封入された図６Ａ中のコンデンサデバイスパッケージの側面図である。
【図７】本発明のさまざまな実施形態による多数の能動平衡化モジュールに結合された複数のコンデンサを含む能動平衡化システムの別の実施形態を示す図である。
【図８】図７に示すシステムのための能動平衡化モジュールを示す図である。
【図９】図７に示すシステムのためのもう１つの能動平衡化モジュールを示す図である。
【図１０】図９に示すモジュールを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１１Ａ】図８および図９に示すモジュールの組合せを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１１Ｂ】図８および図９に示すモジュールの組合せを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１２】本発明のさまざまな実施形態による多数の能動平衡化モジュールに結合された複数のコンデンサを含む能動平衡化システムの別の実施形態を示す図である。
【図１３】図１２に示すシステムのための能動平衡化モジュールを示す図である。
【図１４】図１２に示すシステムのための別の能動平衡化モジュールを示す図である。
【図１５】図１４に示すモジュールを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１６】図１３および１４に示すモジュールの組合せを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１７Ａ】図８および１３に示すモジュールの組合せを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１７Ｂ】図８および１３に示すモジュールの組合せを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１８Ａ】図９および１４に示すモジュールの組合せを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１８Ｂ】図９および１４に示すモジュールの組合せを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図１９】能動平衡化モジュールの別の実施形態を示す図である。
【図２０】図１９のモジュールを有する能動平衡化システムを示す図である。
【図２１】並列接続された図８および９のモジュールを有するコンデンサ保護システムを示す図である。
【図２２】図２１に示すコンデンサ保護システムに対する代替的システムを示す図である。
【図２３】並列接続された図８のモジュールを有するコンデンサ保護システムを示す図である。
【図２４】図２３に示すコンデンサ保護システムに対する代替的システムを示す図である。
【図２５Ａ】補助デバイスを備えた保護回路を示す図である。
【図２５Ｂ】補助デバイスを備えた保護回路を示す図である。
【図２５Ｃ】補助デバイスを備えた保護回路を示す図である。
【図２５Ｄ】補助デバイスを備えた保護回路を示す図である。
【図２６Ａ】補助デバイスを備える他の保護回路を示す図である。
【図２６Ｂ】補助デバイスを備える他の保護回路を示す図である。
【図２６Ｃ】補助デバイスを備える他の保護回路を示す図である。
【図２６Ｄ】補助デバイスを備える他の保護回路を示す図である。
【図２７】補助デバイスを備える別の保護回路を示す図である。
【図２８】コンデンサデバイス内に集積された平衡化モジュール例の展開図である。
【図２９】平衡化モジュールと共に集積されたコンデンサデバイス用の能動部品アセンブリを示す図である。
【図３０】図２９中に示すアセンブリのための部品サブアセンブリを示す図である。
【図３１】コンデンサデバイス内に集積された平衡化モジュール例の変形実施形態の展開図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１００，１２０    能動平衡化システム
１０２，１０２ａ，１０２ｂ    コンデンサ
１０２ｃ    フライングコンデンサ
１０４    能動平衡化モジュール
１０８ａ，１０８ｂ    分圧抵抗
１０８ｃ    限流抵抗
１０８ｄ    フィードバック抵抗
１１２    オペアンプデバイス
１１３    オペアンプ
１２２    フライングコンデンサデバイス
１２３    コントローラ
１２４ａ，１２４ｂ    スイッチ
２００，３００    能動平衡化システム
２０２，３０２    コンデンサ
２０４，３０４    多重能動平衡化モジュール
３０２ｃ，３０２ｅ    フライングコンデンサ
３２６ａ，３２６ｂ    切換え型電圧変換器
４００    コンデンサデバイスパッケージ
４０２    コンデンサ
４０６    能動平衡化回路
５０２    コンデンサ
５０４    能動平衡化モジュール
５０６    能動平衡化回路
６０２    コンデンサ
６０６    能動平衡化モジュール
７００    能動平衡化システム
７０２    コンデンサ
７０４，７０７    保護モジュール
７１２    抵抗
７２０    平衡化システム
７３０    保護および平衡化システム
７４０，７５０，７６０，７７０，７８０    平衡化システム
７４４，７４７    モジュール
７９０    能動平衡化モジュール
８００    能動平衡化システム
８１０，８２０，８３０，８４０    平衡化システム
８５０，８６０，８７０，８８０，８９０，９００，９１０，９２０    保護モジュール
９３０    コンデンサ保護・平衡化モジュール
９５０    コンデンサシステム
９６０，９８０    能動部品アセンブリ
９８４    能動素子アセンブリ
１００２    能動部品アセンブリ
【図１Ａ】
2008236826.tif 000009
【図１Ｂ】
2008236826.tif 000010
【図２】
2008236826.tif 000011
【図３】
2008236826.tif 000012
【図４Ａ】
2008236826.tif 000013
【図４Ｂ】
2008236826.tif 000014
【図５Ａ】
2008236826.tif 000015
【図５Ｂ】
2008236826.tif 000016
【図６Ａ】
2008236826.tif 000017
【図６Ｂ】
2008236826.tif 000018
【図６Ｃ】
2008236826.tif 000019
【図７】
2008236826.tif 000020
【図８】
2008236826.tif 000021
【図９】
2008236826.tif 000022
【図１０】
2008236826.tif 000023
【図１１Ａ】
2008236826.tif 000024
【図１１Ｂ】
2008236826.tif 000025
【図１２】
2008236826.tif 000026
【図１３】
2008236826.tif 000027
【図１４】
2008236826.tif 000028
【図１５】
2008236826.tif 000029
【図１６】
2008236826.tif 000030
【図１７Ａ】
2008236826.tif 000031
【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
2008236826.tif 000036
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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【図２７】
2008236826.tif 000049
【図２８】
2008236826.tif 000050
【図２９】
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【図３０】
2008236826.tif 000052
【図３１】
2008236826.tif 000053
【外国語明細書】
2008236826000001.pdf