特表 2024-522750 動的なＭＰＰＴを備えたＤＣ－ＤＣコンバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-21

(54)【発明の名称】動的なＭＰＰＴを備えたＤＣ－ＤＣコンバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/00 20060101AFI20240614BHJP

【ＦＩ】

H02M3/00 H

H02M3/00 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023577554

(86)(22)【出願日】2022-06-17

(85)【翻訳文提出日】2024-01-23

(86)【国際出願番号】 NL2022050344

(87)【国際公開番号】W WO2022265511

(87)【国際公開日】2022-12-22

(31)【優先権主張番号】2028470

(32)【優先日】2021-06-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】NL

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517438583

【氏名又は名称】ネクスペリア ベー．フェー．

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100185269

【弁理士】

【氏名又は名称】小菅 一弘

(72)【発明者】

【氏名】カンポス マルティンス グスタヴォ

(72)【発明者】

【氏名】ファン ヴィートマルシェン ルーク

(72)【発明者】

【氏名】マシュハディ サマネフ ババヤン

(72)【発明者】

【氏名】デツヤニ モハンマジャヴァド

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730AS04

5H730BB57

5H730FD01

5H730FF09

(57)【要約】

本開示の第１態様では、直流を直流（ＤＣ－ＤＣ）に変換する電力コンバータユニットは、ＲＦエネルギーハーベスティングモジュールなどのエネルギーハーベスティングモジュールから受信された低電力の直流入力信号を、モノのインターネットセンサモジュールなどの負荷に電力を供給するための直流出力信号に変換するように配置されたＤＣ－ＤＣ変換モジュールと、前記ＤＣ－ＤＣモジュールに動作可能に結合され、前記ＤＣ－ＤＣモジュールを制御するように配置され、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）プロファイルに応じて前記直流入力信号を前記直流出力信号に変換するように配置され、かつ前記ＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを格納するメモリを含むコントローラモジュールと、前記コントローラモジュール及び前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの直流出力に動作可能に結合され、前記負荷への直流出力を測定するように配置されたセンサモジュールと、前記コントローラモジュールに動作可能に結合された通信インターフェースであって、前記コントローラモジュールがコマンド信号を受信するために、前記電力エネルギーコンバータユニットの外部のマイクロコントローラとインターフェースで接続されるように配置され、前記コマンド信号が前記ＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルのどれを選択するかを限定し、前記コントローラモジュールが前記選択されたＭＰＰＴプロファイルに応じて前記ＤＣ－ＤＣ変換モジュールを動作させる通信インターフェースと、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流を直流（ＤＣ－ＤＣ）に変換する電力コンバータユニットであって、
ＲＦエネルギーハーベスティングモジュールなどのエネルギーハーベスティングモジュールから受信された低電力の直流入力信号を、モノのインターネットセンサモジュールなどの負荷に電力を供給するための直流出力信号に変換するように配置されたＤＣ－ＤＣ変換モジュールと、
前記ＤＣ－ＤＣモジュールに動作可能に結合され、前記ＤＣ－ＤＣモジュールを制御するように配置され、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）プロファイルに応じて前記直流入力信号を前記直流出力信号に変換するように配置され、かつ前記ＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを格納するメモリを含むコントローラモジュールと、
前記コントローラモジュール及び前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの直流出力に動作可能に結合され、前記負荷への直流出力を測定するように配置されたセンサモジュールと、
前記コントローラモジュールに動作可能に結合された通信インターフェースであって、前記コントローラモジュールがコマンド信号を受信するために、前記電力エネルギーコンバータユニットの外部のマイクロコントローラとインターフェースで接続されるように配置され、前記コマンド信号が前記ＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルのどれを選択するかを限定し、前記コントローラモジュールが前記選択されたＭＰＰＴプロファイルに応じて前記ＤＣ－ＤＣ変換モジュールを動作させる通信インターフェースと、を含む、電力コンバータユニット。

【請求項2】

前記コントローラモジュールは、前記少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを前記コントローラモジュールの前記メモリに格納するために、前記インターフェースを介して、前記少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを含むコマンド信号を受信するように配置される、請求項１に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項3】

前記コントローラモジュールは、前記選択されたＭＰＰＴプロファイルを動作させるＭＰＰＴステートマシンを含む、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項4】

前記コントローラモジュールの前記メモリは、前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールを動作させる複数のＭＰＰＴプロファイルを含み、前記複数のＭＰＰＴプロファイルのそれぞれは、前記電力エネルギーコンバータユニットの用途固有の動作を提供する、請求項１～３のいずれかに記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項5】

前記ＭＰＰＴプロファイルは、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
前記センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を変更することによって、前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの動作を変更するように配置される、請求項１～４のいずれかに記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項6】

前記コントローラモジュールは、前記ＤＣ－ＤＣコンバータを動作させるＭＰＰＴプロファイルを動的に適応させるように配置され、前記コントローラモジュールは、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
前記センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を受信するように配置される、請求項１～５のいずれかに記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項7】

前記コントローラモジュールは、前記コントローラモジュールに接続されたマイクロコントローラに、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
前記センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を出力するように配置される、請求項１～６のいずれかに記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項8】

前記コントローラモジュールによって前記センサモジュールを読み出し、前記コントローラモジュールに接続されたマイクロコントローラに読み出された値を出力するために、前記コントローラモジュール及び前記センサモジュールに動作可能に結合されたアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を更に含む、請求項１～７のいずれかに記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項9】

前記コントローラモジュールは、前記ＭＰＰＴがバイパスされるＭＰＰＴプロファイルに応じて前記ＤＣ－ＤＣコンバータを動作させるように配置される、請求項１～８のいずれかに記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般的に、直流を直流（ＤＣ－ＤＣ）に変換する電力コンバータユニットに関し、より詳細には、動的な最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）メカニズムを適用するＤＣ－ＤＣコンバータに関する。

【0002】

電力コンバータは、電気エネルギーをある形式から別の形式、例えば、交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）に変換する。電力コンバータは、電圧レベル、又は周波数、又はこれらの組み合わせを変換してもよい。本開示は、特に、ＤＣ－ＤＣコンバータに関する。

【背景技術】

【0003】

特に、モノのインターネット（ＩｏＴ）、センサ、又はポータブル及びウェアラブルデバイスなどの低電力駆動の用途では、特定のエネルギー源からのエネルギーの効率的な変換が非常に重要である。特に、太陽光、熱エネルギー、風力エネルギー、塩分濃度勾配、又は周囲エネルギーなどの外部ソースからエネルギーがハーベスティングされて導出される場合、エネルギーを特定の用途の要件に変換する効率が更に重要になる。

【0004】

ＭＰＰＴは、エネルギーが外部ソースからハーベスティングされて導出されるＤＣ－ＤＣコンバータで一般的に用いられるメカニズムである。ＭＰＰＴは、例えば、太陽光発電システムに広く用いられる。

【0005】

太陽光発電システムでは、通常、エネルギーレベルは日中などの時間とともに変化し、季節変動に伴って太陽光パネルに当たる太陽光の量も変化する。太陽光の量だけでなく、太陽光パネル及びシステムの他のコンポーネントの温度も異なり、システムと負荷の電気的特性に影響を与える。エネルギー変換は、負荷が電源に適合している場合に最も効率的である。ＭＰＰＴによって、システム内の変動のこのような変化の下でこの適合を最適化するために制御メカニズムが適用される。

【0006】

ＭＰＰＴメカニズムの適用では、電力変換効率の向上とＭＰＰＴメカニズム自体の影響、複雑さ、消費電力との間には常にトレードオフが存在する。特に、エネルギーがハーベスティングされる低電力用途では、最適解を見つけるのが困難である。専用のＭＰＰＴメカニズムを備えたＤＣ－ＤＣコンバータは、特定の用途には非常に効率的であるが、使用にはあまり柔軟ではないのに対し、より一般的なＭＰＰＴメカニズムは、様々な用途に用いることができるが、それほど効率的ではない可能性がある。

【発明の概要】

【0007】

上記を考慮すると、効率的で使用の柔軟性を可能にするＭＰＰＴメカニズムを適用する、改良された直流を直流（ＤＣ－ＤＣ）に変換する電力コンバータユニットが必要とされている。

【0008】

本開示の第１態様では、直流を直流（ＤＣ－ＤＣ）に変換する電力コンバータユニットは、
ＲＦエネルギーハーベスティングモジュールなどのエネルギーハーベスティングモジュールから受信された低電力の直流入力信号を、モノのインターネットセンサモジュールなどの負荷に電力を供給するための直流出力信号に変換するように配置されたＤＣ－ＤＣ変換モジュールと、
ＤＣ－ＤＣモジュールに動作可能に結合され、ＤＣ－ＤＣモジュールを制御するように配置され、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）プロファイルに応じて直流入力信号を直流出力信号に変換するように配置され、かつＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを格納するメモリを含むコントローラモジュールと、
コントローラモジュール及びＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの直流出力に動作可能に結合され、負荷への直流出力を測定するように配置されたセンサモジュールと、
コントローラモジュールに動作可能に結合された通信インターフェースであって、コントローラモジュールがコマンド信号を受信するために、電力エネルギーコンバータユニットの外部のマイクロコントローラとインターフェースで接続されるように配置され、コマンド信号がＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルのどれを選択するかを限定し、コントローラモジュールが選択されたＭＰＰＴプロファイルに応じてＤＣ－ＤＣ変換モジュールを動作させる通信インターフェースと、を含む。

【0009】

要するに、電力ユニット又は電力コンバータは、入力電圧を特定の出力電圧に変換するように配置される。本開示では、直流（ＤＣ）電圧を異なる電圧でのＤＣ出力に変換する。入力電圧レベルと出力電圧レベルとの間の変換比率は、コンバータの構成によって決定され、一定の量に制限される。電圧レベルは、最大比率でのみ変換することができる。エネルギー源が非常に低い電圧レベル（例えば、ｍＶ）を提供するが、負荷が非常に高いレベル（例えば、１Ｖ～５Ｖ）を必要とする場合、このような高い比率を必要とし、これは、エネルギーハーベスタによって、例えば補助電源として、電力が供給される可能性があるモノのインターネット（ＩｏＴ）、デバイス、無線センサノード（ＷＳＮ）では一般的である。

【0010】

特に、エネルギーハーベスタによって電力が供給されるＩｏＴ又はＷＳＮの用途では、入力電力を出力電力に変換する際に、高い変換係数又は比率、及び高いレベルの効率が求められる。環境エネルギー、太陽エネルギー、振動エネルギー、熱エネルギー、高周波エネルギーなどのエネルギーハーベスティングベースのエネルギー源は、ほとんどエネルギーを生成せず、また時間及び動作条件によって変化する可能性があるため、非常に安定しないことが多い。エネルギーハーベスティングベースのパワーコンバータユニットの電力変換の効率を向上させるために、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）が適用される場合がある。

【0011】

ＭＰＰＴは、多数の方法で適用することができ、主に太陽エネルギーハーベスティング用途で知られている。しかしながら、太陽エネルギーハーベスティング用途の要件及び動作条件は、ＲＦベースのエネルギーハーベスティング用途とは大きく異なる。ＲＦベースの用途では、ＭＰＰＴルーチンを実装及び実行することによる影響は、ＭＰＰＴルーチンを適用することによるエネルギー変換効率の向上よりも多くのエネルギーを必要とする場合がある。しかしながら、他の用途では、ＭＰＰＴルーチンを適用する利点は、その欠点を上回る。

【0012】

したがって、ＭＰＰＴを適用する各エネルギー変換ユニットは、例えば、太陽光、ＲＦ、熱などの特定の用途に特に最適化されたＭＰＰＴルーチン又はアルゴリズムを有する。これは、各用途が、例えば、最大又は最小の電圧振幅、スイッチング周波数、フィードバック回路などを設定することによって、このようなＭＰＰＴルーチンに対処するために特に設計されたエネルギーコンバータを必要とすることを意味する。その結果、部品表（ｂｉｌｌ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）及び設計の複雑さを大幅に増加させたり、ＭＰＰＴアルゴリズムの全ての変数を実装及び制御するために、（用途に対して）高いエネルギーを必要とする（汎用）プロセッサを使用したりすることなく、様々な用途に最適化されたＭＰＰＴを適用するエネルギー変換ユニットを設計することは、困難である。

【0013】

本発明者らの洞察によれば、（第１）ＭＰＰＴプロファイルに応じてエネルギー変換モジュールを制御するように配置され、メモリを有するか又はメモリに結合されたコントローラモジュールを使用すべきであり、該コントローラモジュールは、メモリに結合されて、例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの異なるスイッチング周波数、変換比率、並列動作する電源スイッチの数、センサモジュールの抵抗値、ＭＰＰＴ間隔、過電流値又は閾値、及び不足電流値又は閾値を適用する際に、第１ＭＰＰＴプロファイルとは異なる更なる（格納された）ＭＰＰＴプロファイルをメモリから取得する。

【0014】

したがって、コントローラモジュールは、少なくとも２つ、好ましくは複数のＭＰＰＴプロファイルの間で切り替えることができる。プロファイルの選択は、コントローラモジュール自体によって実行されるのではなく、即ち、変換モジュール内で実行されるのではなく、エネルギーコンバータ自体の外部の外部ソースから実行されることが好ましい。この目的のために、エネルギーコンバータには、コントローラモジュールに動作可能に結合され、電力エネルギーコンバータユニットの外部のマイクロコントローラとインターフェースで接続されるように配置された通信インターフェースが設けられる。コントローラモジュールは、コントローラモジュールのコマンド信号を受信することができ、コマンド信号は、複数のＭＰＰＴプロファイルのどれを選択するか、即ち、（第１）ＭＰＰＴプロファイルを選択するか、更なるＭＰＰＴプロファイル又は複数のプロファイルを選択するかを限定し、実際に入力電圧を出力電圧に変換する変換モジュールは、選択されたＭＰＰＴプロファイルに応じて変換する。

【0015】

提案された設計により、ＤＣ－ＤＣエネルギーコンバータが提供され、コンバータは、一方では、特定の予め定義されたＭＰＰＴルーチンに応じて入力電圧を出力電圧に変換するようにＤＣ－ＤＣ変換ユニットを動的にサンプリングして制御する高エネルギー消費プロセッサに依存せず、他方では、狭い範囲のみの用途のためのエネルギー変換効率の向上に限定されない。

【0016】

提案された設計により、単一の多目的エネルギーコンバータを設計することができ、エネルギーコンバータが使用される場合、コンバータは特定の用途に最適なＭＰＰＴプロファイルに応じて構成されるのに適するだけでなく、そのように配置される。したがって、エネルギーコンバータは、設計段階ではなく、動作中に最適化することができる。

【0017】

通信インターフェースにより、コントローラ、ＤＣ－ＤＣコンバータ、エネルギーコンバータのモジュール全体、更にはデバイス全体を交換する必要がなく、特定の用途のための効率を更に向上させる将来のＭＰＰＴプロファイルを実装することが更に可能になる。

【0018】

一例では、コントローラモジュールは、少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルをコントローラモジュールのメモリに格納するために、インターフェースを介して、少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを含むコマンド信号を受信するように配置される。

【0019】

動作時に、エネルギーコンバータは、特定の予め選択されたＭＰＰＴプロファイルを適用するように配置されてもよく、少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを格納するメモリを更に含む。更なるＭＰＰＴプロファイルは、メモリに予めロードされてデバイスの製造時に提供されてもよいが、一例では、コントローラモジュールは、エネルギーコンバータとインターフェースで接続されるマイクロコントローラなどの外部デバイスから更なるＭＰＰＴプロファイルを受信し、１つ以上の更なるＭＰＰＴプロファイルをコントローラ又はコントローラのメモリにロードするように配置されてもよい。

【0020】

一例では、コントローラモジュールは、選択されたＭＰＰＴプロファイルを動作させるＭＰＰＴステートマシンを含む。

【0021】

コントローラは、有限オートマトンとして、ＭＰＰＴプロファイルを動作させるように構成されてもよい。有限オートマトン又はステートマシンにより、コントローラは、ＭＰＰＴプロファイル内の判定を行い、プロファイル内の任意の変数を変更してもよいし、１つ又は複数のプロファイルの間で変更してもよい。一般的には、ステートマシンは、電源オフ条件、起動条件、テスト条件、サンプリング条件、構成条件、スリープ条件などのいくつかの動作条件を有するように実装されてもよい。ＭＰＰＴプロファイルに応じて、ステートマシンは、プロファイル内の変数に基づく、及び／又はセンサモジュールから得られたデータに基づくステートマシンの状態の間の遷移を含んでもよい。

【0022】

一例では、コントローラモジュールのメモリは、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールを動作させる複数のＭＰＰＴプロファイルを含み、複数のＭＰＰＴプロファイルのそれぞれは、電力エネルギーコンバータユニットの用途固有の動作を提供する。

【0023】

コントローラのメモリは、複数のＭＰＰＴプロファイルのために配置され、複数のＭＰＰＴプロファイルを含んでもよく、各プロファイルは、ＲＦ又はモーションエネルギーハーベスティングなどの特定の用途、更に、昼間又は夜間などの特定の用途内の差別化のために特に設計される。したがって、デバイスは、デバイスを再設計する必要がなく、全て又は少なくとも多数の用途に適しており、最適化されている。デバイスが動作中である場合、通信インターフェースを介して外部から受信される制御信号を介して、最も適切なプロファイルを選択することができる。

【0024】

一例では、ＭＰＰＴプロファイルは、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を変更することによって、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの動作を変更するように配置される。

【0025】

一例では、コントローラモジュールは、ＤＣ－ＤＣコンバータを動作させるＭＰＰＴプロファイルを動的に適応させるように配置され、コントローラモジュールは、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を受信するように配置される。

【0026】

一例では、コントローラモジュールは、コントローラモジュールに接続されたマイクロコントローラに、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を出力するように配置される。

【0027】

上記例では、スイッチング周波数又は出力抵抗センササンプリングなどの上記変数のうちの１つ以上が異なるＭＴＰＰプロファイルをメモリに予めロードするいくつかの可能性を提供し、また、特定の変数を固定したり、１つ以上の変数を動的に制御したりするメカニズムを提供する。更に他の例では、これらの変数のうちの１つ以上は、外部コントローラ、即ち、コントローラモジュールに接続されたマイクロコントローラにさえ通信されてもよく、それにより、プロファイルの動的な動作又はプロファイル内の変数が外部から制御されてもよい。このような外部制御は、特定の用途のデバイスを構成するために、製造直後に付随的に、又は直接一度でも実行されてもよく、使用中に実行されてもよい。更に他の例では、コントローラモジュールは、エネルギーコンバータが実装されるデバイス（例えば、ワイヤレスセンサノード又はＩｏＴデバイス）のチップ上又はＰＣＢ上に既に存在する（一般的な）コントローラなどの外部コントローラに対して、動的な方法で変数のうちの１つ以上に対する制御を提供するように配置される。

【0028】

一例では、電力エネルギーコンバータユニットは、コントローラモジュールによってセンサモジュールを読み出し、コントローラモジュールに接続されたマイクロコントローラに読み出された値を出力するために、コントローラモジュール及びセンサモジュールに動作可能に結合されたアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を更に含む。

【0029】

ＡＤＣにより、デバイスは、任意のセンサデータを、エネルギーコンバータのコントローラモジュールに付随的又は永続的に接続されたマイクロコントローラなどの外部デバイスに直接的に伝えることが可能になる。このようにして、コントローラモジュールを介して取得されたセンサデータに基づいて選択されたプロファイル内の変数の動作又はプロファイルの間の切り替えは、外部マイクロコントローラの制御下で行うことができる。

【0030】

一例では、コントローラモジュールは、ＭＰＰＴがバイパスされるＭＰＰＴプロファイルに応じてＤＣ－ＤＣコンバータを動作させるように配置される。

【0031】

本開示の上記及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照しながら、以下の説明から最もよく理解されるであろう。図面では、同様の参照符号は、同一の部分、又は同一若しくは同等の機能若しくは動作を実行する部分を示す。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本開示に係る電力コンバータユニットの一実施形態の概略図を示す。

【図2】本開示に係る電力コンバータの別の実施形態の概略図を示す。

【図3】本開示に係る電力コンバータのイベントベースのトリガの概略図を示す。

【図4】図３のイベントベースのトリガのＭＰＰＴアルゴリズムによって用いられるルックアップテーブルを示す。

【図5】図３のイベントベースのトリガのＭＰＰＴアルゴリズムのフローチャートを示す。

【図6】図３のイベントベースのトリガを用いる電力コンバータの一実施形態の要素の概略図を示す。

【図7】図３のイベントベースのトリガを用いる電力コンバータの別の実施形態の要素の概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0033】

図１は、本開示に係る電力コンバータユニット（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｕｎｉｔ）１０の一実施形態の概略図を示す。電力コンバータユニット１０は、ＲＦ又は太陽エネルギーハーベスティングモジュールなどのエネルギーハーベスティングモジュール１３から受信された低電力の直流入力信号を、モノのインターネット（ＩｏＴ）、センサ、又は、ワイヤレスセンサノード（ＷＳＮ）などの負荷１５に電力を供給するための直流出力信号に変換するように配置される。ＩｏＴデバイス及びＷＳＮの場合、エネルギーハーベスティングモジュールは、通常、非常に低い電圧レベル（例えば、ｍＶ）を提供するが、この電圧レベルは、負荷１５に適したはるかに高いレベル（例えば、１Ｖ～５Ｖ）に変換される必要がある。

【0034】

電力コンバータユニット１０は、低電力の直流入力信号を直流出力信号に変換するように配置されたＤＣ－ＤＣ変換モジュール１１と、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１の直流出力に結合されたセンサモジュール１９とを含む。センサモジュール１９は、例えば、センサモジュール１９に含まれる抵抗の両端の電圧降下を測定することにより、負荷１５への直流出力を測定するように配置される。

【0035】

電力コンバータユニット１０は、コントローラモジュール１７を更に含む。コントローラモジュール１７は、ＤＣ－ＤＣ変換モジュール１１及びセンサモジュール１９に動作可能に結合されている。コントローラモジュール１７は、低電力の直流入力信号を最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）プロファイルに応じて直流出力信号に変換するようにＤＣ－ＤＣモジュール１１を制御するように配置される。コントローラモジュール１７は、多数のＭＰＰＴプロファイルを格納するメモリ２１を含む。

【0036】

エネルギー変換ユニット（ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｕｎｉｔ）１０によって適用されるＭＰＰＴは、特定のエネルギーハーベスティング用途及びエネルギーハーベスティングモジュール１３に対して特に最適化されたＭＰＰＴルーチン又はアルゴリズムを有する。ＭＰＰＴルーチン又はアルゴリズムは、コントローラモジュール１７のメモリ２１に格納された特定のＭＰＰＴプロファイルによって定義される。ＭＰＰＴプロファイルは、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１の１つ以上のＭＰＰＴプロファイルパラメータを変更することによって、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１の動作を変更し、ＭＰＰＴプロファイルパラメータは、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１のスイッチング周波数、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１の変換比率、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１に含まれる並列動作する電源スイッチの数、センサモジュール１９に含まれる抵抗の抵抗値、ＭＰＰＴ間隔、過電流値、及び不足電流値である。

【0037】

各ＭＰＰＴプロファイルは、電力エネルギーコンバータユニット（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｕｎｉｔ）１０の用途固有の動作を提供する。また、コントローラモジュール１７は、ＭＰＰＴがバイパスされるＭＰＰＴプロファイルに応じて、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１を動作させることができる。ＭＰＰＴは、例えば、コントローラモジュール１７によって電力が消費されないようにコントローラモジュール１７によってバイパスされ、及び／又はセンサモジュール１９内で電力が消費されないようにセンサモジュール１９に含まれる抵抗の抵抗値を変更することができる。

【0038】

電力コンバータユニット１０は、電力エネルギーコンバータユニット（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｕｎｉｔ）１０の外部のマイクロコントローラ３１とインターフェースで接続される通信インターフェース２３を介して動作可能に結合されている。通信インターフェース２３を介して、マイクロコントローラ３１からコマンド信号が受信される。コマンド信号をコントローラモジュール１７に成功して送信した後、例えば通信インターフェース２３からマイクロコントローラ３１を抜き出すことにより、電力コンバータユニット１０から外部のマイクロコントローラ３１を取り外すことができ、その後、電力コンバータユニット１０は、動作可能な状態になる。

【0039】

一方では、コマンド信号は、メモリ２１に格納された多数のＭＰＰＴプロファイルのうちからどのＭＰＰＴプロファイルを選択するかを限定し、コントローラモジュール１７は、選択されたＭＰＰＴプロファイルに応じてＤＣ－ＤＣ変換モジュール１１を動作させる。他方では、コマンド信号は、メモリ２１にまだ存在していない１つ以上の追加のＭＰＰＴプロファイルを含み、コントローラモジュール１７は、それぞれのＭＰＰＴプロファイル又は複数のＭＰＰＴプロファイルをコントローラモジュール１７のメモリ２１に格納するために、通信インターフェース２３を介してコマンド信号を受信するように配置される。

【0040】

コントローラモジュール１７は、双方向の通信チャネルを介して、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１及びセンサモジュール１９に動作可能に結合されている。これにより、コントローラモジュール１７は、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１及び／又はセンサモジュール１９のＭＰＰＴプロファイルパラメータを変更するとともに、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１及び／又はセンサモジュール１９のＭＰＰＴプロファイルパラメータを受信することができる。これにより、コントローラモジュール１７は、ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１を動作させるＭＰＰＴプロファイルを動的に適応させることができる。また、ＭＰＰＴプロファイルパラメータは、コントローラモジュール１７によって、通信インターフェース２３を介して外部のマイクロコントローラ３１に出力することができる。

【0041】

コントローラモジュール１７は、選択されたＭＰＰＴプロファイルを動作させるＭＰＰＴステートマシン（ＭＰＰＴ ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ）を含む。ステートマシンにより、コントローラは、ＭＰＰＴプロファイル内の判定を行い、プロファイル内の任意の変数を変更してもよいし、１つ又は複数のプロファイルの間で変更してもよい。ＭＰＰＴプロファイルに応じて、ステートマシンは、プロファイル内の変数に基づく、及び／又はセンサモジュール１９から得られたデータに基づくステートマシンの状態の間の遷移を含む。

【0042】

図２は、本開示に係る電力コンバータ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１０の別の実施形態の概略図を示しており、いくつかの追加要素が示されている。図２における、対応する参照符号を付した要素は、上述した図１における要素に対応する。

【0043】

図２における電力コンバータ１０は、図１に示す要素に加えて、発振器３３と、アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）３５とを更に含む。

【0044】

ＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１のスイッチング周波数は、デジタル入力に基づいて、発振器３３を制御することによって設定され、デジタル入力は、コントローラモジュール１７によって設定される。例えば、入力が１増加すると、発振器の周波数は、２倍になる。

【0045】

ＡＤＣ３５は、コントローラモジュール１７によってセンサモジュール１９を読み出すために、コントローラモジュール１７及びセンサモジュール１９に動作可能に結合されている。この読み出された値は、コントローラモジュール１７に付随的又は恒久的に接続されたマイクロコントローラ３１に伝えることができる。

【0046】

図３は、本開示に係る電力コンバータ１０のイベントベースのトリガ５１の概略図を示す。電力エネルギーコンバータ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１０のコントローラモジュール１７は、１つ以上のパラメータＮを受信するように配置され、パラメータは、上述したＭＰＰＴプロファイルパラメータのうちの１つ以上であるが、ＤＣ－ＤＣ変換モジュール１１の入力電圧、ＤＣ－ＤＣ変換モジュール１１の出力電圧、ＤＣ－ＤＣ変換モジュール１１の温度、及びＲＦエネルギーハーベスティングモジュール１３の反射係数であってもよい。

【0047】

イベントは、複数のパラメータＮのうちの１つのパラメータの高速な遷移によって特徴付けられる。イベントベースのトリガ動作は、イベントベースのトリガ５１によって複数のパラメータＮのうちの１つのパラメータの高速な遷移が検出された場合に、ＭＰＰＴを高速化するためのＭＰＰＴクロック信号として用いられる。電力エネルギーコンバータ１０は、入力電力の高速な変化に直接適応することができ、コントローラモジュール１７に含まれるクロック６１を待つ必要がない。イベントが発生しない場合、ＭＰＰＴは、通常、非常に低いクロック周波数がクロック６１によってアクティブ化される。その結果、電力エネルギーコンバータ１０の消費電力を極めて低減しつつ、最大電力点への収束速度が向上する。これにより、電力エネルギーコンバータ１０のクロック周波数に依存しない最大電力点への収束速度を得ることができる。

【0048】

各パラメータＮは、遷移検出器５１に接続されている。各遷移検出器５１は、ローパスフィルタ５５と、微分器５７と、ウィンドウコンパレータ５９とを含み、高速な遷移が発生したときにエッジを生成する。エッジ検出器６３は、そのＮ個の入力のうちの１つの入力でエッジを検出し、最大電力点を追跡するために出力信号を生成する。エッジ検出器６３のＮ個の入力のうちの１つの入力でエッジが検出されなかった場合には、クロック６１のクロック周波数（通常は低い）で従来のＭＰＰＴアルゴリズムが用いられる。

【0049】

図４は、イベントベースのトリガ５１のＭＰＰＴアルゴリズムによって用いられるルックアップテーブル６５を示す。ルックアップテーブル（ＬＵＴ）６５は、例えば、コントローラモジュール１７のメモリ２１に格納されており、最大電力点（ＭＰＰ）への収束を高速化するために用いられる。メモリ２１は、通信インターフェース２３を介して、ＬＵＴ６５への書き込み及び／又はＬＵＴ６５からの読み取りのために、マイクロコントローラ３１によってアクセス可能である。ＬＵＴ６５は、測定されたパラメータ及び制御変数によってインデックス付けされる。制御変数のセットは、電力エネルギーコンバータ１０の状態を変更する任意の変数を含んでもよい。したがって、その値を変更することにより、電力エネルギーコンバータ１０は、ＭＰＰに近づいたり、離れたりすることになる。テーブル内の値は、電力エネルギーコンバータ１０がＭＰＰで動作するために、制御変数がとらなければならない値に関連している。

【0050】

複数のパラメータＮのうちの１つのパラメータの変化が遅い場合、ＬＵＴ６５を使用する意味がない。この場合、従来のＭＰＰＴアルゴリズムは、遅いクロック信号で使用される。完了

【0051】

図５は、イベントベースのトリガ５１のＭＰＰＴアルゴリズムのフローチャート７１を示す。ＭＰＰＴアルゴリズムのステップ１では、コントローラモジュール１７によってエッジが検出される。エッジがイベントベースのトリガ５１から発生する場合、即ち、エッジが複数のパラメータＮのうちの１つのパラメータの高速な遷移によってトリガされる場合、ＬＵＴ６５は、ＭＰＰで動作するＤＣ－ＤＣコンバータモジュール１１を制御するためにアクセスされる。引き続き。次の制御変数を更新することによってＬＵＴ６５を更新した後、アルゴリズムは、新しいエッジが検出されるのを待つ。エッジがイベントベースのトリガ５１から発生しない場合、デフォルトのクロック周波数で従来のＭＰＰＴアルゴリズムが実行され、その後、アルゴリズムは、新しいエッジが検出されるのを待つ。

【0052】

図６及び図７は、イベントベースのトリガ５１を用いる電力コンバータ１０の実施形態の要素の概略図を示す。図６では、単一のエネルギーハーベスティングモジュール１３は、パワーコンバータユニット（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｕｎｉｔ）１０の入力として設けられている。図７では、２つのエネルギーハーベスティングモジュール１３Ａ、１３Ｂは、パワーコンバータユニット１０の入力として設けられる。

【0053】

エネルギーハーベスティングモジュール１３、１３Ａ及び１３Ｂの１つ以上のパラメータは、イベントベースのトリガ５１及びＬＵＴコントローラ７５の入力として提供される。ＬＵＴコントローラ７５は、コントローラモジュール１７によって構成され、エネルギーハーベスティングモジュール１３、１３Ａ及び１３Ｂの測定されたパラメータ及びＬＵＴ６５の現在の制御変数に基づいてＬＵＴ６５を更新するように配置される。

【0054】

「含む」、「包含する」、「組み込む」、「含有する」、「である」、及び「有する」などの表現は、明細書及びその関連する特許請求の範囲を解釈する場合、非排他的に解釈されるべきであり、即ち、明示的に定義されていない他の項目又は構成要素も存在することを許容すると解釈されるべきである。単数形への言及は、複数形への言及とも解釈され、その逆も同様である。

【0055】

また、本発明は、ここで説明した実施形態で提供されるものよりも少ない構成要素で具現化することもでき、１つの構成要素が複数の機能を実行する。また、本発明は、図面に示されているものよりも多くの要素を使用して具現化することができ、提供される実施形態の１つの構成要素によって実行される機能は、複数の構成要素に分散される。

【0056】

当業者は、特許請求された発明を実施する際に、図面、開示内容、及び添付の特許請求の範囲を検討することにより、開示された実施形態に対する他の変形を理解し、実現することができる。特許請求の範囲において、「含む」という語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ（１つ）」又は「ａｎ（１つ）」は、複数を除外するものではない。回路の単一ステージ又は他のユニットは、特許請求の範囲に記載されているいくつかの項目の機能を果たすことができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用することができないことを示すものではない。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-20

【手続補正1】

【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】

直流を直流（ＤＣ－ＤＣ）に変換する電力コンバータユニットであって、
ＲＦエネルギーハーベスティングモジュールなどのエネルギーハーベスティングモジュールから受信された低電力の直流入力信号を、モノのインターネットセンサモジュールなどの負荷に電力を供給するための直流出力信号に変換するように配置されたＤＣ－ＤＣ変換モジュールと、
前記ＤＣ－ＤＣモジュールに動作可能に結合され、前記ＤＣ－ＤＣモジュールを制御するように配置され、最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）プロファイルに応じて前記直流入力信号を前記直流出力信号に変換するように配置され、かつ前記ＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを格納するメモリを含むコントローラモジュールと、
前記コントローラモジュール及び前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの直流出力に動作可能に結合され、前記負荷への直流出力を測定するように配置されたセンサモジュールと、
前記コントローラモジュールに動作可能に結合された通信インターフェースであって、前記コントローラモジュールがコマンド信号を受信するために、前記電力エネルギーコンバータユニットの外部のマイクロコントローラとインターフェースで接続されるように配置され、前記コマンド信号が前記ＭＰＰＴプロファイル及び少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルのどれを選択するかを限定し、前記コントローラモジュールが前記選択されたＭＰＰＴプロファイルに応じて前記ＤＣ－ＤＣ変換モジュールを動作させる通信インターフェースと、を含む、電力コンバータユニット。

【請求項2】

前記コントローラモジュールは、前記少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを前記コントローラモジュールの前記メモリに格納するために、前記インターフェースを介して、前記少なくとも１つの更なるＭＰＰＴプロファイルを含むコマンド信号を受信するように配置される、請求項１に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項3】

前記コントローラモジュールは、前記選択されたＭＰＰＴプロファイルを動作させるＭＰＰＴステートマシンを含む、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項4】

前記コントローラモジュールの前記メモリは、前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールを動作させる複数のＭＰＰＴプロファイルを含み、前記複数のＭＰＰＴプロファイルのそれぞれは、前記電力エネルギーコンバータユニットの用途固有の動作を提供する、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項5】

前記ＭＰＰＴプロファイルは、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
前記センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を変更することによって、前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの動作を変更するように配置される、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項6】

前記コントローラモジュールは、前記ＤＣ－ＤＣコンバータを動作させるＭＰＰＴプロファイルを動的に適応させるように配置され、前記コントローラモジュールは、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
前記センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を受信するように配置される、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項7】

前記コントローラモジュールは、前記コントローラモジュールに接続されたマイクロコントローラに、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールのスイッチング周波数と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールの変換比率と、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータモジュールに含まれる並列動作する電源スイッチの数と、
前記センサモジュールに含まれる抵抗の抵抗値と、
ＭＰＰＴ間隔と、
過電流値と、
不足電流値と、のうちの１つ以上を出力するように配置される、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項8】

前記コントローラモジュールによって前記センサモジュールを読み出し、前記コントローラモジュールに接続されたマイクロコントローラに読み出された値を出力するために、前記コントローラモジュール及び前記センサモジュールに動作可能に結合されたアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を更に含む、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【請求項9】

前記コントローラモジュールは、前記ＭＰＰＴがバイパスされるＭＰＰＴプロファイルに応じて前記ＤＣ－ＤＣコンバータを動作させるように配置される、請求項１又は２に記載の電力エネルギーコンバータユニット。

【国際調査報告】