(57)【要約】本発明は、可変電圧または電流源に対する接続用の入力端子11、および供給電圧を有する出力端子12と、入力端子に接続された第１の端子、ならびに基準電圧9に接続された１つの端子を有する容量性素子8および出力端子12に接続された第２の端子を備えている誘導性素子5と、誘導性素子5の第２の端子に接続された第１の端子、基準電圧9に接続された第２の端子、ならびに第１のレベルの制御電圧がゲートに印加されたときにスイッチを開閉するゲート電極31を備えている第１のスイッチ6と、出力電子12に接続された電力入力14、第１のスイッチ6のゲート電極31に接続され、そのゲート電極31にパルス状信号を供給するスタートアップ出力15、および発振器出力16を備えている発振器13と、第１のスイッチ6と並列に接続され、発振器出力16に接続されたゲート電極32を有している第２のスイッチ7とを具備しており、第１のスイッチ6は出力端子12における供給電圧が予め定められたレベルに達したとき開いたままの状態であり、第２のスイッチ7は第１の電圧レベルより高い第２の電圧レベルで発振器出力16により動作される電圧変換回路2に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変電圧または電流源に接続される入力端子(11)および供給電圧を出力する出力端子(12) と、
第１の端子が入力端子に接続され、第２の端子が基準電圧(9)に接続された１つの端子を有する容量性素子(8)および出力端子(12) に接続されている誘導性素子(5)と、
第１の端子が誘導性素子(5)の第２の端子に接続され、第２の端子が基準電圧(9)に接続され、第１のレベルの制御電圧がゲートに供給されたときにスイッチを開閉するゲート電極(31)を備えている第１のスイッチ(6)と、
出力電子(12)に接続された電力入力(14)と、第１のスイッチ(6)のゲート電極(31)に接続され、そのゲート電極(31)にパルス状信号を供給するスタートアップ出力(15)と、発振器出力(16)とを備えている発振器(13)と、
第１のスイッチ(6)と並列に接続され、発振器出力(16)に接続されたゲート電極(32)を有している第２のスイッチ(7)とを具備しており、
第１のスイッチ(6)は出力端子(12)における供給電圧が予め定められたレベルに達したとき開いたままの状態であり、第２のスイッチ(7)は第１の電圧レベルより高い第２の電圧レベルで発振器出力(16)により動作される電圧変換回路(2)。
【請求項２】
第１のスイッチ(6)はバイポーラトランジスタ(T4)であり、第２のスイッチ(7)は電解効果トランジスタ(T1)である請求項１記載の電圧変換回路(2)。
【請求項３】
誘導性素子(5)の第２の端子と第１のスイッチのゲート電極との間にはダイオード(D4)が接続されている請求項１または２記載の電圧変換回路(2)。
【請求項４】
発振器(13)の出力(15)は、各容量性素子(C2)を介してゲート電極(31)に接続されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の電圧変換回路(2)。
【請求項５】
可変電圧源に接続可能な第１の端子と、累算装置のような電気素子(24)の第１の端子(25)に接続可能な第２の端子とを備えた誘導性素子(28)を有している第２の変換段(3)が設けられており、電気素子(24)は基準電圧(23)に接続された第２の端子(26) を備えており、第３のスイッチ(19)は誘導性素子(28)の第２の端子と基準電圧(23)との間に接続され、第２の発振器(17)の発振器出力(18)に接続されたゲート電極(33)を備えており、電圧変換回路(2)の出力端子(12)は第２の変換段(3)の誘導性素子(28) の第２の端子および第２の発振器(17)の電力入力(22)に接続されている請求項１乃至４のいずれか１項記載の電圧変換回路(2)を備えている電圧変換装置(1)。
【請求項６】
第３のスイッチ(19)が多数のドレインおよび多数のソースを備えたＭＯＳＦＥＴを具備している電圧変換装置(1)。
【請求項７】
第２の誘導性素子(28)はその第２の端子がダイオード(20)を介して電気素子(24)に接続されており、その電気素子(24)の第１の端子は容量性素子(21)を介して基準電圧(23)に接続されている請求項５または６記載の電圧変換装置(1)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小さい可変入力電圧を発生する可変電圧または電流源に接続されることができる電圧変換回路に関し、この電圧変換回路は自動的にスタートし、発生される供給電圧を増加させる。
【背景技術】
【０００２】
とくに、本発明は、太陽電池により発生されたとくに低い電圧で動作されることができ、また、１Ｖより低い、とくに０．５Ｖより低い電圧のような比較的小さい電圧を、電池を充電するため、あるいは電気装置を動作させるための１乃至２０Ｖの直流電圧に変換するために使用されることのできる直流・直流ステップアップ変換器に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、低い入力電圧で動作し、自動的にスタートし、比較的少数の素子を使用する直流・直流ステップアップ変換器を提供することである。
本発明の別の目的は、電力損失が最小にされ、コンパクトな設計であるステップアップ変換器を提供することである。
【０００４】
本発明のさらに別の目的は、太陽電池の最大パワーポイントまたはその付近で動作することのできる直流・直流ステップアップ変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による電圧変換回路は、
可変電圧または電流源に接続されている入力端子および供給電圧を出力する出力端子と、
第１の端子が入力端子に接続され、第２の端子が基準電圧に接続された１つの端子を有する容量性素子および出力端子に接続されている誘導性素子と、
第１の端子が誘導性素子の第２の端子に接続され、第２の端子が基準電圧に接続され、第１のレベルの制御電圧がゲートに供給されたときにスイッチを開閉するゲート電極を備えている第１のスイッチと、
出力電子に接続された電力入力と、スイッチのゲート電極に接続され、そのゲート電極にパルス状信号を供給するスタートアップ出力と、および発振器出力とを備えている発振器と、
第１のスイッチと並列に接続され、発振器出力に接続されたゲート電極を有している第２のスイッチとを具備しており、
第１のスイッチは出力端子における供給電圧が予め定められたレベルに達したとき開いたままの状態であり、第２のスイッチは第１の電圧レベルより高い第２の電圧レベルで発振器出力により動作される。
【０００６】
可変入力電圧は、発振器のスタートアップ出力の制御下において第１のスイッチを開くことにより基準電圧に周期的に接続される誘導性素子に供給される。発振器の電力入力は、スタートアップ時に非常に小さい電圧を受取る供給電圧端子に接続されている。結果的に得られるスタートアップ出力電圧は対応的に小さく、たとえば、０．２Ｖ以下である。第１のスイッチが開かれ、再び閉じられたとき、誘導性素子中で上昇電流が発生され、それが容量性素子を充電するために、供給電圧は連続的に増加される。第１のスイッチは、とくに、発振器のスタートアップ出力からの低いゲート制御電圧で動作されるのに適している。供給電圧が増加すると、発振器のスタートアップ出力信号は増加し、その結果第１のスイッチの動作が良好なものとなり、誘導性素子から容量性素子に移動される電力が増加するので、自動増幅（ｓｅｌｆ−ａｍｐｌｙｉｎｇ）効果により供給電圧および発振器のスタートアップ出力信号が増加する。供給電圧が予め定められた値に達したとき、第１のスイッチは消勢され（開かれ）、第２のスイッチは第２の発振器出力からのゲート制御電圧で動作され、このゲート制御電圧は第１のスイッチのゲート制御電圧より高い。第２のスイッチの動作の結果、供給電圧がさらに増加される。第１のスイッチは、たとえば、基準電圧より０．６Ｖ高いゲート制御電圧と、１００ｍＡのコレクタ電流Ｉｃで６００ｍＶのコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅとを有するバイポーラｐｎｐトランジスタによって形成されてもよい。第２のスイッチは、２Ｖのソース電圧Ｖｄｓおよび０．３乃至１．２Ａの電流Ｉｄｓで一般的に１乃至２Ｖの範囲のゲート制御電圧Ｖｇｓ（ゲートしきい値電圧）を有する低電力論理レベルＭＯＳＦＥＴによって形成されてもよい。
【０００７】
異なったゲート制御電圧レベルでそれぞれ動作する本発明による２つのスイッチを使用することにより、自動スタートするステップアップ変換器を得ることができる。
１実施形態において、第１のスイッチのゲート電極と誘導性素子の第２の端子との間にダイオードが接続されている。約０．４Ｖの可変供給電圧が入力端子に供給され、供給電圧が約０．４Ｖであるとき、第１のスイッチの制御端子上の０．４Ｖのバイアス電圧は、ダイオードにより形成された正のクランプによって維持される。したがって、第１のスイッチがｐｎｐバイポーラトランジスタによって形成されている場合、トランジスタを導通状態にするためにゲートにおいて０．２Ｖの可変制御電圧があればよい。０．２Ｖの可変制御電圧は、その入力において０．４Ｖの供給電圧レベルによって給電されたときに発振器から得られる。
【０００８】
別の実施形態において、発振器出力はそれぞれ容量性素子を介してゲートに接続されている。容量性素子の結合により、発振器のスタートアップ出力からの小さい直流制御電圧が０．４Ｖの直流レベルのダイオードクランプに付加される。
電圧変換装置は、第２の変換段を電圧変換回路に結合することにより形成されてもよく、第２の変換段は、可変電圧源に接続可能な第１の端子と、累算装置のような電気素子の第１の端子に接続可能な第２の端子とを備えた誘導性素子を有しており、その累算装置は基準電圧に接続された第２の端子を備えており、第３のスイッチは誘導性素子の第２の端子と基準電圧との間に接続され、第２の発振器の発振器出力に接続されたゲート電極を備えており、電圧変換回路の出力端子の供給電圧は誘導性素子の第２の端子および第２の発振器の電力入力に接続されている。第３のスイッチは、変換回路からの直流電圧を３乃至１５Ｖのレベルにさらに変換するための多数のドレインおよび多数のソースを備えたパワーＭＯＳＦＥＴによって形成されてもよい。
【０００９】
本発明による電圧変換回路は、電源として、燃料電池、または電流および電圧がそれらの出力では比較的小さい他の可変電圧または電流源が太陽電池と組合せられて適用されてもよい。本発明による電圧変換装置は、電圧源として太陽電池が使用された場合には、牧畜牛の給水装置、田舎道の照明または田園内の電気フェンスの一部であってもよい。太陽電池と組合せられた別の適用はデジタル掲示板、掲示板照明、街路照明、または情報ポイントである。
【００１０】
さらに、本発明の装置は道路沿いの速度制御装置、路側反射装置または道路マーカー（キャットアイ）、緊急ポイント等に給電するために使用されることができる。
その代りに、電圧変換装置は、ナビゲーション装置またはＧＰＳシステム、またはボート照明用のボート上の発電機のような船舶用として使用されることができる。
【００１１】
移動電話、ラップトップ、オーガナイザおよびその他のアプライアンスは、ごく少量の電圧入力しか必要としない電圧変換回路によって給電されてもよい。
さらに、デジタルカメラ、電池充電器、バイクの照明、危険三角形標識（ｄａｎｇｅｒ  ｔｒｉａｎｇｌｅ）、雪崩ビーパ、フラッシュライト、テレビジョン、電子レンジその他家電、庭の照明、庭の噴霧器、およびウインドウブラインド、オーニング等の窓用採光調整装置が本発明の電圧変換回路によって給電されてもよい。
【００１２】
本発明は、太陽電池の表面面積の実質的な減少を可能にすることにより小型の把持式アプライアンスに最も有効である。
以下、添付図面を参照として本発明による電圧変換装置のいくつかの実施形態をさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、第２の変換器段3に接続された電圧変換回路または低電圧変換器段2を有する電圧変換装置1を示している。低電圧変換器段2は、入力端子4、誘導性素子5、第１および第２のスイッチ6,7および容量性素子8を備えている。スイッチ6および7は誘導性素子5に接続された第１の端子と、基準電圧ライン9に接続された第２の端子とを備えている。容量性素子8の第２の端子は、ダイオード11の出力および供給電圧端子12に接続されている。この供給電圧端子12は、発振器13の電力入力14に接続されている。発振器13のスタートアップ出力15はスイッチ6のゲート電極に接続され、一方発振器出力16はスイッチ7のゲート電極に接続されている。低電圧変換器段2の供給電圧端子12は誘導性素子28の第２の端子と、第２の変換器段3の発振器17の電力入力22とに接続されている。発振器出力18はスイッチ19のゲート電極に接続されている。誘導性素子15と基準電圧ライン23との間にはダイオード20および容量性素子21が接続されている。電気装置24は第２の変換器段3の出力端子25,26間に接続されている。
【００１４】
スタートアップ時に太陽電池のような可変の低電圧源が電圧変換装置1の入力端子4および27に接続され、スイッチ6,7が閉じられたとき、容量性素子8は充電され、出力端子12および発振器電力入力14上に小さい電圧を生じさせる。発振器13中への少量の電力入力の結果、スタートアップ出力15において低いゲート制御電圧レベルＶＣ1でパルス成形された信号が得られ、この信号は１０分の数ボルトであり、たとえば、１００ｋＨｚの周波数でスイッチ6を周期的に開閉することができる。これによってスイッチ6を通る周期的な電流が発生され、その結果誘導性素子5を通る上昇電流が得られ、ダイオード11によって整流されてキャパシタ8を充電し、その結果供給電圧端子12およびしたがって発振器13の電力入力において増加した電圧が得られる。この効果は、供給電圧端子12における電圧レベルが予め定められたレベルに達するまで続き、その後低い電圧で制御されたスイッチ6は消勢され（開かれ）、高い電圧で制御されたスイッチ7は発振器出力16から動作される。スイッチ7は、供給電圧端子12における供給電圧がたとえば数ボルトになるまで制御電圧レベルＶＣ2で動作される。供給電圧は、誘導性素子28の第２の端子において第２の変換器段3中に入力されると共に、第２の発振器17の電力入力22に入力される。発振器出力18において、スイッチ19のゲート電極を動作させるパルス化された制御信号が発生される。スイッチ19をオンおよびオフに切替えることにより、誘導性素子28中に蓄積されたエネルギは、予め定められたレベルに達するまで、キャパシタ21に移送される。１．５乃至１２Ｖの電圧レベルのようなこの予め定められたレベルにおいて、電気エネルギが誘導性素子28中に蓄積されるようにスイッチ19は開かれ、この蓄積されたエネルギは、スイッチ19が閉じられたときに再び放出される。
【００１５】
ステップアップ電圧変換装置1がそれ自身の供給電圧を休止状態から発生したとき、ステップアップ電圧変換器は自動的にスタートしている。
図２は、本発明による電圧変換器段2および第２の変換器段3の素子を詳細に示している。以下に文字シンボルの説明を示す：
Ｔ１  ：  低電力、論理レベルＭＯＳＦＥＴ；
Ｔ２  ：  スイッチングＭＯＳＦＥＴ；パワーＭＯＳＦＥＴ；
Ｌ１  ：  高いインダクタンスを有するスイッチングコイル；
Ｌ４  ：  スイッチングコイル；
Ｄ１，Ｄ２  ：  整流ダイオード；
Ｃ９，Ｃ２１，Ｃ１  ：  平滑化を行う電気的に制御可能なキャパシタ（電解コンデンサ）；
Ｕ１Ａ−Ｕ１Ｆ；Ｕ１Ｃ  ：  フィリップス・エレクトロニクス社により型番７４ＬＶ１４で製造されている低電圧インバータゲート；
Ｄ４  ：  スイッチングバイポーラトランジスタ；
Ｄ２，Ｄ４  ：  ショットキーダイオード；
Ｃ３  ：  比較的小さいキャパシタ。
【００１６】
第２の変換器段3は、既知の直流・直流電圧変換器の原理にしたがって動作し、この原理にしたがって、コイル28の入力における小さい変動電圧Ｖ−ｓｏｌａｒは、スイッチするＭＯＳＦＥＴ19が開かれているときにこのコイル中に蓄積される。スイッチするＭＯＳＦＥＴ19が閉じられたとき、このコイル28からエネルギが放出され、整流器ダイオード20を介して平滑化キャパシタ21に供給され、その結果、出力端子25,26間の電圧が増加される。自動的にスタートするために、発振器13がフィリップス社の低電圧インバータポートＵ1CおよびＵ1Eのタイプの能動素子から構成されている電圧変換器回路またはステップアップ回路2が設けられている。このインバータポートは、スタートアップ時における０．４Ｖより低いＶＣＣの入力電圧でそれらの出力電圧を発生することができる。
【００１７】
低い供給電圧ＶＣＣにおいて、トランジスタＴ３はオフに切替えられ、発振器13のステップアップ出力15を介して非常に低い交流電圧が結合キャパシタＣ２に供給され、そこからトランジスタＴ４のベース31に供給される。ショットキーダイオードＤ４は、０．４Ｖのオフセットにより小さい交流電圧がベース31上に生じるように正のクランプとして使用される。太陽電池の電圧は約０．４Ｖである。トランジスタＴ４は約０．６Ｖのゲート電圧で導通状態になるため、ゲート電圧はトランジスタＴ４を導通状態にするために０．２Ｖであればよい。発振器13の振動インバータゲートＵ１Ｃは、トランジスタＤ４を導通状態にするのに十分なエネルギを供給することが可能であることが明らかになっている。これによって、トランジスタＴ４のコレクタＣ中に周期的な電流が生じる。トランジスタＴ４は比較的高いインダクタンスＬ１を有するスイッチングコイルおよび比較的小さいキャパシタＣ３と結合されているので、コレクタＣにおける周期的な電流は結果的にコイル5を横切る交流電圧を生成する。この交流電圧はショットキーダイオードＤ２を通って整流され、供給電圧端子12上に現れ、低電圧インバータゲートＵ１Ｃ−Ｕ１Ｆの供給端子においてフィードバックされる。ＶＣＣが上昇するたびに、発振器13のスタートアップ出力15における電圧レベルが上昇し、その結果スイッチングトランジスタＴ４の良好な制御が行われる。トランジスタＴ４を適切にゲートすることにより、コイル5中に蓄積されている電力の増加、供給端子電圧ＶＣＣの増加等が達成される。発振器Ｕ１Ｃのアウトレット30には、低電圧インバータゲートＵ１Ｅを動作させる結合キャパシタＣ４が設けられている。発振器Ｕ１Ｅの出力はＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１の低電力論理レベルの制御ゲートに接続されている。結合キャパシタＣ４は、ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１が始めまたはスタートアップ時にトランジスタＴ４と同位相で切替ることを保証する。
【００１８】
供給電圧ＶＣＣが論理レベルＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１のしきい値レベルより高く上昇したとき、トランジスタＴ３は導通状態になり、発振器Ｕ１Ｃの入力を接地電位にプルするため、最初にトランジスタＴ４がオフに切替えられ、論理レベルＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１が引き継ぐ。ＶＣＣはたとえば３Ｖに上昇することができる。１．５乃至１２．０Ｖの範囲の電圧までの最終的な電力変換は、第２の変換器段3のパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２により行われる。ＶＣＣがその所望の限界レベルに達したとき、可変供給レベルＶ−ｓｏｌａｒはトランジスタＴ５を導通状態にして、発振器Ｕ１Ｆの入力を接地電位にプルし、スイッチＴ２を消勢する。
【００１９】
図３は、ステップアップ直流・直流変換器（時に電圧増加チョッパとも呼ばれる）を含む低電圧太陽変換器の別の実施形態を示している。このステップアップ変換器の主要な素子は、次のとおりである。
すなわち、インダクタ／インダクタンスＬ４；半導体スイッチＴ４、ならびに補助的なＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２；ダイオードＤ１（ショットキーＺＨＣＳ７５０）および追加のキャパシタＣ１９およびＣ２０によって低い抵抗に対して補償された高容量電解コンデンサＣ２３の形態のキャパシタ／キャパシタンスである。半導体スイッチＴ４は、電圧が低過ぎてＭＯＳＦＥＴスイッチＴ２を動作させることができないときにステップアップ変換器を動作させる。スイッチＴ４は、図３中に破線のボクッスで示されている発振回路により動作される。発振器の出力は、スタートアップ変換器のスタートアップ発振器コネクタに接続しており、ここでショットキーダイオードＤ３（ＺＨＣＳ７５０）は太陽パネル425aの出力電圧を、発振器により発生されたパルス化された電圧に追加する。結果的に得られた電圧はトランジスタＴ４のベースに供給される。ステップアップ変換器に供給された電圧が、ＭＯＳＦＥＴスイッチＴ２が動作するのに十分に高くなるとすぐ発振器出力は発振器回路の半導体Ｔ３によって接地される。その後、ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２は中央マイクロプロセッサ471の“Ｎゲート”出力から制御され、別のＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１はショットキーダイオードＤ１から引き継ぐようにプロセッサ471の“Ｐゲート”出力から制御される。プロセッサ471のＰおよびＮゲートはソフトウェア駆動される。このようにして、とくに有効なステップアップ変換器が得られている。半導体スイッチＴ４およびＴ２を交互に使用することにより、低および高の各電圧範囲に対して最適な特性を有する複合ステップアップ変換器のレジスタが提供される。ショットキーダイオードＤ３を設けることにより、可能な限り高い電圧を低電圧半導体スイッチＴ４のベースに供給することが可能になる。ダイオードＤ１と並列に配置されている追加のＭＯＳＦＥＴスイッチＴ１により、ダイオードＤ１のようなダイオード中で通常発生する損失をなくすことができる。
【００２０】
図４は、反転シュミットトリガーインバータポートであるインバータポートＵ１ＣおよびＵ１Ｅの入力および出力電圧Ｖ１，Ｖ０を示している。一般に、１Ｖの供給電圧ＶＣＣにおいて、負方向のしきい値ＶT1は約０．５Ｖであり、正方向のしきい値ＶT2は１０分の数ボルト高い。出力電圧Ｖ0は供給電圧ＶＣＣの最大値に制限される。製造業者の仕様より低い供給電圧ＶＣＣでは、低い供給電圧ＶＣＣでヒステリシスが依然として出力信号中に存在しているために、入力に対して抵抗Ｒ２を介して出力信号でフィードバックすることにより発振器が得られることができるＶT1未満でインバータポートの領域が存在することが発明者により発見されている。図５には、０．４Ｖの供給電圧ＶＣＣにおけるインバータゲートＵ１Ｃでの入力が約３００ｍＶのレベルで約４ｋＨｚの周波数により示されている。
【００２１】
図６には、０．４Ｖの供給電圧ＶＣＣにおけるインバータゲートＵ１Ｃでの出力が約４００ｍＶのレベルで約２０ｋＨｚの周波数により示されている。驚くべきことに、仕様にしたがった低い供給電圧ＶＣＣおよび負方向のしきい値ＶT１より低い低入力レベルにおいて、依然としてインバータゲートＵ１Ｃを使用して発振器を得ることが可能であるため、前記素子の使用によりステップアップ変換器のスタートアップが達成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電気装置に接続された直流・直流ステップアップ電圧変換器と組合せられた本発明による電圧変換回路の構成を示す概略図。
【図２】図１の電圧変換回路および直流・直流変換器の素子を示す詳細な回路図。
【図３】第２のスイッチがマイクロプロセッサにより制御される本発明による電圧変換回路の別の実施形態の回路図。
【００２３】
【図４】インバータＵ１ＣおよびＵ１Ｅの入力および出力電圧の概略図。
【図５】スタートアップ中のインバータＵ１Ｃの入力電圧を示す波形図。
【図６】スタートアップ中のインバータＵ１Ｃのインバータの出力電圧を示す波形図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月1日(2003.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
米国特許第 5,659,241号明細書には：
可変電圧または電流源に接続されている入力端子および供給電圧を出力する出力端子と、
第１の端子が入力端子に接続され、第２の端子が基準電圧に接続された１つの端子を有する容量性素子と出力端子とに接続されている誘導性素子と、
第１の端子が誘導性素子の第２の端子に接続され、第２の端子が基準電圧に接続され、第１のレベルの制御電圧が第１のゲート電極に供給されたときに第１のスイッチを開閉する第１のゲート電極を備えている第１のスイッチと、
出力電子に接続された電力入力と、第１のスイッチの第１のゲート電極に接続され、その第１のゲート電極にパルス状信号を供給するスタートアップ出力と、発振器出力とを備えている第１の発振器と、
第１のスイッチと並列に接続され、発振器出力に接続された第２のゲート電極を有している第２のスイッチとを具備しており、
第１のスイッチは出力端子における供給電圧が予め定められたレベルに達したとき開いたままの状態であり、第２のスイッチは第１の電圧レベルより高い第２の電圧レベルで発振器出力により動作される電圧変換回路が開示されている。この既知の電圧変換回路は、低い直流電圧を高い直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器である。低い電圧は約１．５Ｖであると示されている。高い電圧は約３Ｖ乃至５Ｖ程度であると示されている。バイポーラトランジスタであってもよい第１のスイッチは、出力電圧がその上限レベルに達していないとき、始めにＤＣ／ＤＣ変換器を動作させる。出力電圧が予め定められた限界に達したとき、変換器は、ＭＯＳトランジスタであってもよい第２のスイッチにより動作される。類似した変換器回路設計は、ＪＰ−Ａ−３０７４１６９号明細書およびＥＰ−Ａ−６８５９２１号明細書から得られることができる。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
本発明は、太陽電池により発生されたとくに低い電圧で動作されることができ、また、１Ｖより低い、とくに０．５Ｖより低い電圧のような比較的小さい電圧を、電池を充電するため、あるいは電気装置を動作させるための１乃至２０Ｖの直流電圧に変換するために使用されることのできる直流・直流ステップアップ変換器に関する。
本発明の目的は、低い入力電圧で動作し、自動的にスタートし、比較的少数の素子を使用する直流・直流ステップアップ変換器を提供することである。
本発明の別の目的は、電力損失が最小にされ、コンパクトな設計であるステップアップ変換器を提供することである。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明による電圧変換回路は、請求項１に規定されている特徴を含んでいる。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
異なったゲート制御電圧レベルでそれぞれ動作する本発明による２つのスイッチを使用することにより、自動スタートするステップアップ変換器を得ることができる。
第１のスイッチのゲート電極と誘導性素子の第２の端子との間にクランピングダイオードが接続されている。約０．４Ｖの可変供給電圧が入力端子に供給され、供給電圧が約０．４Ｖであるとき、第１のスイッチの制御端子上の０．４Ｖのバイアス電圧は、ダイオードにより形成された正のクランプによって維持される。したがって、第１のスイッチがｐｎｐバイポーラトランジスタによって形成されている場合、トランジスタを導通状態にするためにゲートにおいて０．２Ｖの可変制御電圧があればよい。０．２Ｖの可変制御電圧は、その入力において０．４Ｖの供給電圧レベルによって給電されたときに発振器から得られる。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
図１は、第２の変換器段3に接続された電圧変換回路または低電圧変換器段2を有する電圧変換装置1を示している。低電圧変換器段2は、入力端子4、誘導性素子5、第１および第２のスイッチ6,7およびキャパシタのような容量性素子8を備えている。スイッチ6および7は誘導性素子5に接続された第１の端子と、基準電圧ライン9に接続された第２の端子とを備えている。容量性素子8の第２の端子は、ダイオード11の出力および供給電圧端子12に接続されている。この供給電圧端子12は、第１の発振器13の電力入力14に接続されている。発振器13のスタートアップ出力15はスイッチ6のゲート電極31に接続され、一方発振器出力16はスイッチ7のゲート電極32に接続されている。低電圧変換器段2の供給電圧端子12は誘導性素子28の第２の端子と、第２の変換器段3の発振器17の電力入力22とに接続されている。発振器出力18はスイッチ19のゲート電極33に接続されている。誘導性素子15と基準電圧ライン23との間にはダイオード20およびキャパシタのような容量性素子21が接続されている。電気装置24は第２の変換器段3の出力端子25,26間に接続されている。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
スタートアップ時に太陽電池のような可変の低電圧源が電圧変換装置1の入力端子4および27に接続され、スイッチ6,7が閉じられたとき、容量性素子8は充電され、出力端子12および発振器電力入力14上に小さい電圧を生じさせる。第１の発振器13中への少量の電力入力の結果、スタートアップ出力15において低いゲート制御電圧レベルＶＣ1でパルス成形された信号が得られ、この信号は１０分の数ボルトであり、たとえば、１００ｋＨｚの周波数でスイッチ6を周期的に開閉することができる。これによってスイッチ6を通る周期的な電流が発生され、その結果誘導性素子5を通る上昇電流が得られ、ダイオード11によって整流されてキャパシタ8を充電し、その結果供給電圧端子12およびしたがって第１の発振器13の電力入力14において増加した電圧が得られる。この効果は、供給電圧端子12における電圧レベルが予め定められたレベルに達するまで続き、その後低い電圧で制御されたスイッチ6は消勢され（開かれ）、高い電圧で制御されたスイッチ7は発振器出力16から動作される。第２のスイッチ7は、供給電圧端子12における供給電圧がたとえば数ボルトになるまで制御電圧レベルＶＣ2で動作される。供給電圧は、誘導性素子28の第２の端子において第２の変換器段3中に入力されると共に、第２の発振器17の電力入力22に入力される。発振器出力18において、スイッチ19のゲート電極33を動作させるパルス化された制御信号が発生される。スイッチ19をオンおよびオフに切替えることにより、誘導性素子28中に蓄積されたエネルギは、予め定められたレベルに達するまで、キャパシタ21に移送される。１．５乃至１２Ｖの電圧レベルのようなこの予め定められたレベルにおいて、電気エネルギが誘導性素子28中に蓄積されるようにスイッチ19は開かれ、この蓄積されたエネルギは、スイッチ19が閉じられたときに再び放出される。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
ステップアップ電圧変換装置1がそれ自身の供給電圧を休止状態から発生したとき、ステップアップ電圧変換器は自動的にスタートしている。
図２は、本発明による電圧変換器段2および第２の変換器段3の素子を詳細に示している。以下に文字シンボルの説明を示す：
Ｔ１  ：  低電力、論理レベルＭＯＳＦＥＴ；
Ｔ２  ：  スイッチングＭＯＳＦＥＴ；パワーＭＯＳＦＥＴ；
Ｌ１  ：  高いインダクタンスを有するスイッチングコイル；
Ｌ４  ：  スイッチングコイル；
Ｄ１，Ｄ２  ：  整流ダイオード；
Ｃ９，Ｃ２１，Ｃ１  ：  平滑化を行う電気的に制御可能なキャパシタ（電解コンデンサ）；
Ｕ１Ａ−Ｕ１Ｆ；Ｕ１Ｃ  ：  フィリップス・エレクトロニクス社により型番７４ＬＶ１４で製造されている低電圧インバータゲート；
Ｔ４  ：  スイッチングバイポーラトランジスタ；
Ｄ２，Ｄ４  ：  ショットキーダイオード；
Ｃ３  ：  比較的小さいキャパシタ。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
低い供給電圧ＶＣＣにおいて、トランジスタＴ３はオフに切替えられ、発振器13のステップアップ出力15を介して非常に低い交流電圧が結合キャパシタＣ２に供給され、そこからトランジスタＴ４のベース31に供給される。ショットキーダイオードＤ４は、０．４Ｖのオフセットにより小さい交流電圧がベース31上に生じるように正のクランプとして使用される。太陽電池の電圧は約０．４Ｖである。トランジスタＴ４は約０．６Ｖのゲート電圧で導通状態になるため、ゲート電圧はトランジスタＴ４を導通状態にするために０．２Ｖであればよい。発振器13の振動インバータゲートＵ１Ｃは、トランジスタＴ４を導通状態にするのに十分なエネルギを供給することが可能であることが明らかになっている。これによって、トランジスタＴ４のコレクタＣ中に周期的な電流が生じる。トランジスタＴ４は比較的高いインダクタンスＬ１を有するスイッチングコイルおよび比較的小さいキャパシタＣ３と結合されているので、コレクタＣにおける周期的な電流は結果的にコイル5を横切る交流電圧を生成する。この交流電圧はショットキーダイオードＤ２を通って整流され、供給電圧端子12上に現れ、低電圧インバータゲートＵ１Ｃ−Ｕ１Ｆの供給端子においてフィードバックされる。ＶＣＣが上昇するたびに、発振器13のスタートアップ出力15における電圧レベルが上昇し、その結果スイッチングトランジスタＴ４の良好な制御が行われる。トランジスタＴ４を適切にゲートすることにより、コイル5中に蓄積されている電力の増加、供給端子電圧ＶＣＣの増加等が達成される。発振器Ｕ１Ｃのアウトレット30には、低電圧インバータゲートＵ１Ｅを動作させる結合キャパシタＣ４が設けられている。発振器Ｕ１Ｅの出力はＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１の低電力論理レベルの制御ゲート32に接続されている。結合キャパシタＣ４は、ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１が始めまたはスタートアップ時にトランジスタＴ４と同位相で切替ることを保証する。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
図３は、ステップアップ直流・直流変換器（時に電圧増加チョッパとも呼ばれる）を含む低電圧太陽変換器の別の実施形態を示している。このステップアップ変換器の主要な素子は、次のとおりである。
すなわち、インダクタ／インダクタンスＬ４；半導体スイッチＴ４、ならびに補助的なＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２；ダイオードＤ１（ショットキーＺＨＣＳ７５０）および追加のキャパシタＣ１９およびＣ２０によって低い抵抗に対して補償された高容量電解コンデンサＣ２３の形態のキャパシタ／キャパシタンスである。半導体スイッチＴ４は、電圧が低過ぎてＭＯＳＦＥＴスイッチＴ２を動作させることができないときにステップアップ変換器を動作させる。スイッチＴ４は、図３中に破線のボクッスで示されている発振回路により動作される。発振器の出力は、スタートアップ変換器のスタートアップ発振器コネクタに接続しており、ここでショットキーダイオードＤ３（ＺＨＣＳ７５０）は太陽パネル425aの出力電圧を、発振器により発生されたパルス化された電圧に追加する。結果的に得られた電圧はトランジスタＴ４のベースに供給される。ステップアップ変換器に供給された電圧が、ＭＯＳＦＥＴスイッチＴ２が動作するのに十分に高くなるとすぐ発振器出力は発振器回路の半導体Ｔ３によって接地される。その後、ＭＯＳＦＥＴ  Ｔ２は中央マイクロプロセッサ471の“Ｎゲート”出力から制御され、別のＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｔ１はショットキーダイオードＤ１から引き継ぐようにプロセッサ471の“Ｐゲート”出力から制御される。プロセッサ471のＰおよびＮゲートはソフトウェア駆動される。このようにして、とくに有効なステップアップ変換器が得られている。半導体スイッチＴ４およびＴ２を交互に使用することにより、低および高の各電圧範囲に対して最適な特性を有するレジスタ複合ステップアップ変換器が提供される。ショットキーダイオードＤ３を設けることにより、可能な限り高い電圧を低電圧半導体スイッチＴ４のベースに供給することが可能になる。ダイオードＤ１と並列に配置されている追加のＭＯＳＦＥＴスイッチＴ１により、ダイオードＤ１のようなダイオード中で通常発生する損失をなくすことができる。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
図４は、反転シュミットトリガーインバータポートであるインバータポートＵ１ＣおよびＵ１Ｅの入力および出力電圧Ｖ１，Ｖ０を示している。一般に、１Ｖの供給電圧ＶＣＣにおいて、負方向のしきい値ＶT1は約０．５Ｖであり、正方向のしきい値ＶT2は１０分の数ボルト高い。出力電圧Ｖ0は供給電圧ＶＣＣの最大値に制限される。製造業者の仕様より低い供給電圧ＶＣＣでは、低い供給電圧ＶＣＣでヒステリシスが依然として出力信号中に存在しているために、入力に対して抵抗Ｒ２を介して出力信号をフィードバックすることにより発振器が得られることができるＶT1未満でインバータポートの領域が存在することが発明者により発見されている。図５には、０．４Ｖの供給電圧ＶＣＣにおけるインバータゲートＵ１Ｃでの入力が約３００ｍＶのレベルで約４ｋＨｚの周波数により示されている。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変電圧または電流源に接続されている入力端子(4)および供給電圧を出力する出力端子(12)と、
第１の端子が入力端子に接続され、第２の端子が基準電圧(9)に接続された１つの端子を有する容量性素子(8)と出力端子(12)とに接続されている誘導性素子(5)と、
第１の端子が誘導性素子(5)の第２の端子に接続され、第２の端子が基準電圧(9)に接続され、第１のレベルの制御電圧が第１のゲート電極(31)に供給されたときに第１のスイッチを開閉する第１のゲート電極(31)を備えている第１のスイッチ(6)と、
出力電子(12)に接続された電力入力(14)と、第１のスイッチ(6)の第１のゲート電極(31)に接続され、その第１のゲート電極(31)にパルス状信号を供給するスタートアップ出力(15)と、発振器出力(16)とを備えている第１の発振器(13)と、
第１のスイッチ(6)と並列に接続され、発振器出力(16)に接続された第２のゲート電極(32)を有している第２のスイッチ(7)とを具備しており、
第１のスイッチ(6)は出力端子(12)における供給電圧が予め定められたレベルに達したとき開いたままの状態であり、第２のスイッチ(7)は第１の電圧レベルより高い第２の電圧レベルで発振器出力(16)により動作される電圧変換回路(2)において、
第１の発振器(13)は、前記電力入力(14)が０．４Ｖより低い入力電圧を受取ったときに前記スタートアップ出力(15)に対する出力電圧を発生することのできる低電圧インバータポートを備えており、誘導性素子(5)の第２の端子と第１のゲート電極(31)との間には減衰ダイオード(D4)が接続されていることを特徴とする電圧変換回路(2)。
【請求項２】
第１のスイッチ(6)はバイポーラトランジスタ(T4)であり、第２のスイッチ(7)は電解効果トランジスタ(T1)である請求項１記載の電圧変換回路(2)。
【請求項３】
発振器(13)出力(15)は、各容量性素子(C2)を介して第１のゲート電極(31)に接続されている請求項１または２記載の電圧変換回路(2)。
【請求項４】
可変電圧源に接続可能な第１の端子と、累算装置のような電気素子(24)の第１の端子(25)に接続可能な第２の端子とを備えた誘導性素子(28)を有している第２の変換段(3)が設けられており、電気素子(24)は基準電圧(23)に接続された第２の端子(26) を備えており、第３のスイッチ(19)は誘導性素子(28)の第２の端子と基準電圧(23)との間に接続され、第２の発振器(17)の発振器出力(18)に接続されたゲート電極(33)を備えており、電圧変換回路(2)の出力端子(12)は第２の変換段(3)の誘導性素子(28) の第２の端子および第２の発振器(17)の電力入力(22)に接続されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の電圧変換回路(2)を備えている電圧変換装置(1)。
【請求項５】
第３のスイッチ(19)は、多数のドレインおよび多数のソースを備えたＭＯＳＦＥＴを具備している請求項４記載の電圧変換装置(1)。
【請求項６】
第２の誘導性素子(28)はその第２の端子がダイオード(20)を介して電気素子(24)に接続されており、その電気素子(24)の第１の端子は容量性素子(21)を介して基準電圧(23)に接続されている請求項４または５記載の電圧変換装置(1)。
【手続補正書】
【提出日】平成15年9月1日(2003.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004520792.tif 000027
【国際調査報告】
2004520792.tif 000028
2004520792.tif 000029
2004520792.tif 000030
2004520792.tif 000031
2004520792.tif 000032
2004520792.tif 000033