低電圧降下閉ループ単方向電子バルブ
第１端子、第２端子、第１端子と第２端子の間に結合される第１電子制御スイッチ、及び第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に第１電子制御スイッチを閉じるように配置された第１電荷ポンプとから構成される低電圧降下単方向電子バルブ。第１電荷ポンプは第２端子電位より第一値だけ高い第１端子電位を継続して維持するように第１電子制御スイッチと閉ループに配置される。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は一般的には単方向電子バルブの分野に関し、より具体的にはほぼ理想的なダイオードとして動作する低電圧降下単方向電子バルブに関する。
【０００２】
大規模利用及び送電線へ送るためのソーラーパワーは直列接続に配列されたソーラーパネルによって供給される。各ソーラーパネルは正端子及び、帰還端子又は負端子を有する。ソーラーパネルは適度の太陽光が存在すれば電力を発生し、アレイの１つのソーラーパネルが暗い状態になっても他のパネルが電力を発生することができる。暗い状態は、とりわけ、飛行物体や鳥、覆う雲、あるいはたまった塵により引き起こされる。アレイの出力がブロックされないように電力は暗いソーラーパネルをう回しなければならない。同様に、アレイの中の単一のソーラーパネルが阻害された場合、アレイ全体が阻害されるのを避けるために電力は阻害されたソーラーパネルをう回しなければならない。
【０００３】
図１は、暗いソーラーパネルあるいは阻害されたソーラーパネルが原因でソーラーアレイが阻害されることを避けるために知られている従来技術の一例を示している。図１のソーラーパワー配列は複数のソーラーパネル１０、複数のバイパスダイオード２０、ブロッキングダイオード３０、及びコンバータ４０を含んでいる。ソーラーパネル１０は直列に接続され、終端のソーラーパネル１０の正端子はブロッキングダイオード３０を介してコンバータ４０の入力へ接続されている。コンバータ４０の帰還部は配列の最初のソーラーパネル１０の帰還端子に接続されている。各ソーラーパネル１０はバイパスダイオード２０に並列接続され、スイスジュネーブのInternational Electro-technical Commissionによって発行されたIEC 61215の特にセクション10.18に従い、バイパスダイオード２０が接続されるソーラーパネル１０の帰還端子がソーラーパネル１０の正端子に対して正電位を示す場合に限り導通となるようにバイパスダイオード２０が配置される。IEC 61215の全体の内容が参照されることにより本願に組み込まれる。
【０００４】
動作において、電流が先行するソーラーパネル１０の正端子から帰還端子へ駆動される結果、暗いソーラーパネル１０は正端子と帰還端子の間に電圧反転を示す。この電圧反転により並列接続されたバイパスダイオード２０がオンとなり、暗いソーラーパネル１０をう回して電流が流れる。
【０００５】
図１の配列は暗いソーラーパネルが存在するにも拘らず出力を維持することに成功している。しかしながらバイパスダイオード２０の電力消耗が相当大きい。図１の配列のような通常のソーラーパネルアレイでは約５−１０アンペアが配列の各ソーラーパネル１０を流れる。従って、バイパスダイオード２０がバイパスとして動作する場合、その電力消耗は３．５−７ワットの範囲となる。システムの電力損失は熱となって発散され、そのためパネルのレイアウトにおける熱対策、バイパスダイオード２０の構造対策が必要となり、結果的に図１の配列のコストを引き上げることになる。
【０００６】
その全体を参照することによって本願に組み込まれる「低電圧降下単方向電子バルブ」の名称で２００９年１月１日に出願された米国特許出願番号１２／３４８，００２は、一対の電界効果トランジスタ及び制御回路により構成された電子制御スイッチと、周期的に電子制御スイッチをオープンするように配置されたリフレッシュ回路とを含む低電圧降下単方向電子バルブについて述べている。周期的にスイッチをオープンする必要があるために、ソーラーパネルの両端に望まない反転電圧が生成される。
【０００７】
従って、反転電圧のリフレッシュを必要としない、ソーラーパネルバイパス素子の１つとして適用される低電圧降下単方向電子バルブに対し、長期にわたるニーズが存在している。
【発明の概要】
【０００８】
従って、本発明の主要な目的は従来技術の単方向電子バルブの欠点を克服することである。特定の実施態様の中では、第１端子と第２端子を接続するように配置されるＭＯＳＦＥＴのような電子制御スイッチを含む単方向電子バルブが設けられる。第１電荷ポンプが更に設けられ、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合、第１電子制御スイッチを閉じるように配置される。第１電荷ポンプは、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高く継続して維持されるように第１電子制御スイッチとともに閉ループに配置される。ソーラーパネルが日陰にある場合、約５０ミリボルトの反転電圧が継続して供給される利点がある。
【０００９】
一実施例において、低電圧降下単方向電子バルブが設けられ、低電圧降下単方向電子バルブは、第１端子、第２端子、第１端子と第２端子間に結合される第１電子制御スイッチ、及び第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に第１電子制御スイッチを閉じるように配置される第１電荷ポンプを含む。
【００１０】
又一実施例において、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高く継続して維持されるように第１電荷ポンプは第１電子制御スイッチと閉ループに配置される。さらに一実施例において、低電圧単方向電子バルブは、第１電子制御スイッチと並列に結合され、第１端子の電位が第一値より大きい第二値だけ第２端子の電位より高い場合に第１端子より第２端子へ電流の流れを許容するように配置されるバイパス素子と第１端子に結合され、第１端子の電位が第２端子の電位より第二値だけ高いことに応答して初期電力を第１電荷ポンプへ供給するように配置される起動ユニットとをさらに含んでいる。さらに一実施例において、第１電子制御スイッチはバイパス素子であるボディダイオードを示す金属酸化膜半導体電界効果トランジスタによって構成される。さらに一実施例において、起動ユニットは第２端子の電位より第二値だけ高い第１端子の電位に応答して動作するオシレータとオシレータに応答する第２電荷ポンプと、第２電荷ポンプに応答し第２電荷ポンプが動作中に第２端子を内部コモンノードへ結合するように配置される第２電子制御スイッチを含む。
【００１１】
またさらに一実施例において、起動ユニットは、第１電荷ポンプに初期電力を供給するように配置され、オシレータに応答して動作する第３電荷ポンプをさらに含む。さらに一実施例において、起動ユニットはさらに、オシレータと第２端子間に結合され、オシレータに初期帰還路を設けるように配置される単方向バルブ回路をさらに含む。さらに一実施例において、低電圧単方向電子バルブは第１電荷ポンプの出力と第１電荷ポンプの電力入力との間に結合されるブートストラップ回路をさらに含む。さらに一実施例において、低電圧単方向電子バルブは第２端子と内部コモンノードの間に接続されブートストラップ回路に応答する第３電子制御スイッチをさらに含む。
【００１２】
さらに一実施例において、起動ユニットはオシレータに応答して動作し、第１電荷ポンプに初期電力を供給するように配置された第３電荷ポンプをさらに含む。
【００１３】
独立して、一実施例において、低電圧降下単方向電流を供給する方法が提供され、該方法は、第１端子と第２端子間に結合される電子制御スイッチを設け、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に設けられた電子制御スイッチを閉じ、第一値より小さい第二値だけ第１端子の電位を第２端子の電位より高く継続して維持することを含む。
【００１４】
さらに一実施例において、該方法は第１電荷ポンプを設けることをさらに含み、設けられた第１電荷ポンプに応答して継続的に維持する。さらに一実施例において、該方法は設けられた電子制御スイッチに並列接続され、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に第１端子から第２端子へ電流を流すように配置されるバイパス素子を設けること及び第２端子の電位より第一値だけ高い第１端子の電位に応答して設けられた第１電荷ポンプに初期電力を供給することをさらに含む。さらに一実施例において、該方法は第２端子を内部コモンノードに結合することをさらに含む。
【００１５】
本発明の追加の特徴や効果は以下に示す図面と説明により明らかになるであろう。
【００１６】
本発明をより良く理解するため及び本発明を実施するために、単なる例として、添付の図面を参照する。その中で、全体を通して同じ数字は対応する要素又は部分を指定する。
【００１７】
具体的に詳細な図面を参照するにあたり、示される具体例は例として示すものであり、本発明の好適な実施例を説明するだけの目的で示すのであって、最も有用かつ本発明の原理と概念的特徴をもっとも容易に理解できると信じられる説明を提供するために示されることを強調しておきたい。この点に関し、本発明の基本的理解に必要とする以上に詳細に本発明の構造的詳細を示すようには試みていない。図面と共に記載する説明により、本発明のいくつかの形式を如何に実用上具現化することができるか、当業者にとって明白となっている。
添付図面において：
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術に従って、それぞれがバイパスダイオードを示し直列接続されたソーラーパネルアレイを含むソーラーパワー配列の高水準ブロック図を示す。
【図２】低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的実施例の高水準回路図を示す。
【図３】図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの単方向バルブ回路を初期化するはしご型実装回路図を示す。
【図４】図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的な雷保護回路の概略図を示す。
【図５】代表的実施例に従って低電圧降下単方向電流を可能にする方法の高水準フローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
本発明の少なくとも１つの実施例を詳細に説明する前に、本発明はそのアプリケーションにおいて以下の説明で述べられたあるいは図面に示された部品の詳細な構造や配置に限定されないことを理解されたい。本発明は様々な方法で実施され実行される他の実施形態に適用することができる。さらに、ここに使われるフレーズや用語は説明の目的で使用し、それに限定されるものではない。
【００２４】
図２は低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的実施例の高水準回路図を示し、第１端子１１０、第２端子１２０、それに限定されることなくＮＭＯＳＦＥＴとして示す電子制御スイッチ１３０、それに限定されないが電子制御スイッチ１３０のＮＭＯＳＦＥＴの固有ボディダイオードとして示すバイパス素子１４０、電荷ポンプ１５０、起動ユニット６０、電子制御スイッチ２２０、雷保護回路２３０、レジスタ２３５、第１及び第２ダイオード２４０、そして第１及び第２フィルタリングコンデンサ２５０を含む。起動ユニット１６０は低電圧オシレータ７０、起動電荷ポンプ１８０、電子制御スイッチ１９０、低電圧電荷ポンプ２００、初期化単方向バルブ回路２１０及びダイオード２５５を含む。電荷ポンプ１５０は、オシレータ２６０及び複数の非重複クロック２７０を含み、１２のセラミックコンデンサ２８０を備える、それに限定されることなく１：１００電荷ポンプとして示されるが、いずれにおいてもこれに限定されることはない。
【００２５】
第１端子１１０は図１に関して上記するように、ソーラーパネルの帰還端子に接続され、第２端子１２０は図１に関して上記するように、ソーラーパネルの正端子に接続される。ＮＭＯＳ実装のソース端子として示される電子制御スイッチ１３０の第１端子は、第１端子１１０に接続される。ＮＭＯＳ実装のドレイン端子として示される電子制御スイッチ１３０の第２端子は第２端子１２０に接続される。バイパス素子１４０は、ある範囲の温度に亘って通常０．４ボルトより大きいダイオード降下分だけ第１端子１１０の電位が第２端子１２０の電位より高い場合、電流を第１端子１１０から第２端子１２０へ流すように配置される。
【００２６】
第１端子１１０はさらに電荷ポンプ１５０の入力及び起動ユニット１６０の入力に接続され、特に低電圧オシレータ１７０、起動電荷ポンプ１８０及び低電圧電荷ポンプ２００に接続される。さらに、各電荷ポンプ１５０、低電圧オシレータ１７０、起動電荷ポンプ１８０及び低電圧電荷ポンプ２００は共通電位ノード、好ましくは低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの内部へ接続される。低電圧オシレータ１７０の出力は起動電荷ポンプ１８０の入力及び低電圧電荷ポンプ２００の入力に接続される。起動電荷ポンプ１８０の出力はこれに限定されないがＮＭＯＳＦＥＴとして示される電子制御スイッチ１９０のゲートに接続される。電子制御スイッチ１９０のソースは共通電位ノードに接続され、電子制御スイッチ１９０のドレインは第２端子１２０に接続される。
【００２７】
限定されない実施態様でＰＭＯＳＦＥＴとして示される、初期化単方向バルブ回路２１０は第２端子１２０と共通電位ノードとの間に接続される。初期化単方向バルブ回路２１０がＰＭＯＳＦＥＴとして実装される限定されない実施態様において、単方向バルブ回路２１０のソース及びゲートは第２端子１２０に接続され、単方向バルブ回路２１０のドレインは共通電位ノードに接続される。
【００２８】
電荷ポンプ１５０の出力はレジスタ２３５を介して電子制御スイッチ１３０のゲート及び雷保護回路２３０の第１端部に接続され、第１コンデンサ２５０の第１端部及び第１ダイオード２４０の陽極に接続される。ＶＤＤ電位として示される第１ダイオード２４０の陰極は第２コンデンサ２５０の第１端部、第２ダイオード２４０の陰極、限定されることなくＮＭＯＳＦＥＴとして示される電子制御スイッチ２２０のゲート、及び各オシレータ２６０及び複数の非重複クロック２７０に接続されるものとして示される電荷ポンプ１５０のパワー入力に接続される。共通電位ノードはさらに各オシレータ２６０及び複数の非重複クロック２７０に接続される。
【００２９】
電子制御スイッチ２２０のドレインは第２端子１２０に接続され、電子制御スイッチ２２０のソースは共通電位ノードに接続される。低電圧電荷ポンプ２００の出力は第２ダイオード２４０の陽極に接続される。雷保護回路２３０の第２端部は第２端子１２０に接続される。各第１及び第２コンデンサ２５０の第２端部は共通電位ノードに接続される。共通電位ノードはダイオード２５５の陽極に接続され、ダイオード２５５の陰極は第１端子１１０に接続される。
【００３０】
動作において、第２端子１２０が第１端子１１０より高い電位にある場合、即ち該当のソーラーパネルが電力を発生している場合、初期化単方向バルブ回路２１０は導通していなく、共通電位ノードはダイオード２５５によって第１端子１１０につながれる。代表的実施例では、ＮＭＯＳＦＥＴがさらにダイオード２５５と並列に設けられ第１端子１１０と共通電位ノードの密接な接続を確実にする。
【００３１】
該当のソーラーパネルが日陰に入ると、図１に関して記載したように、第１端子１１０の電位が第２端子１２０の電位より高く上昇し、電流がバイパス素子１４０を流れ始める。バイパス素子１４０は、以下に更に記載するように、好ましくは少なくとも１０アンペアの電流を電荷ポンプ１５０がオンとなるまでの短い時間流すように配置される。代表的実施例において、相当量の電流が５０ミリ秒より短い間バイパス素子１４０を流れる。バイパス素子１４０はダイオードの電圧降下に等しい電圧降下を示し、それは広い動作条件にわたり、少なくとも０．４ボルトである。
【００３２】
バイパス素子１４０を通して順方向の電圧降下は約０．３ボルトの電圧降下で作動するように設計された低電圧オシレータ１７０を作動するのに十分である。低電圧オシレータ１７０の帰還路は初期化単方向バルブ回路２１０を通る。一実施例において、初期化単方向バルブ回路２１０は漏えいＰＭＯＳにより構成され、それは共通電位ノードと、上記のように第１端子１１０より低い電位にある第２端子１２０間のレジスタとして機能する。好ましくは、初期化単方向バルブ回路２１０は第１端子１１０が第２端子１２０より電位が高い場合、１００ｍＶ以下に降下するように設置される。
【００３３】
低電圧オシレータ１７０の出力は起動電荷ポンプ１８０に入力され、起動電荷ポンプ１８０は電子制御スイッチ１９０を閉じるのに十分な電圧を発生し始める。このようにして共通電位ノードを直接第２端子１２０に接続する。電子制御スイッチ１９０は閉じられると初期化単方向バルブ回路２１０によって供給される抵抗値のパスより低い抵抗値のパスを第２端子と共通電位ノード間に提供することを理解されたい。
【００３４】
低電圧オシレータ１７０の出力はさらに低電圧電荷ポンプ２００に流力され、低電圧電荷ポンプ２００の動作は電子制御スイッチ１９０が閉じられることによりもたらされる第２端子１２０と共通電位ノード間のより改善された低い抵抗値のパスにより好ましく補強される。代表的実施例では約２ボルトの低電圧電荷ポンプ２００の出力は第２ダイオード２４０を介して電荷ポンプ１５０に入力される。
【００３５】
オシレータ２６０と複数の非重複クロック２７０を含む電荷ポンプ１５０は代表的実施例において増幅率１：１００の電荷ポンプであり、好ましくはマコースキー電荷ポンプとして実装される。限定されない一例において、オシレータ２６０は５０μｓｅｃのオシレータであり、コンデンサ２８０はそれぞれ１０ｎＦ、１５ｎＦ、２２ｎＦ、３３ｎＦ、３９ｎＦ、４７ｎＦ、５６ｎＦ、７４ｎＦ、１００ｎＦ、１５０ｎＦ、２２０ｎＦ、及び１μＦのような適当な数値のセラミックコンデンサである。
【００３６】
電荷ポンプ１５０が動作する時、出力をフィルタするように働く第１コンデンサ２５０を通して出力電圧が発生する。限定されない一例において、第１コンデンサ２５０は１００ｐＦコンデンサである。限定されない一例において共通電位ノードに対し５ボルトの電荷ポンプ１５０の出力は電子制御スイッチ１３０のゲートに入力される。上記のように、電子制御スイッチ１３０のソースは第１端子１１０に接続され、共通電位ノードは電子制御スイッチ１９０の動作により第２端子１２０につながれている。従って、電子制御スイッチ１３０のゲートは電子制御スイッチ１３０のソース及びドレインよりもかなり高い電位にある。それによって電子制御スイッチ１３０を閉じ低電圧損失を伴ってそれに電流を流す。
【００３７】
電荷ポンプ１５０の出力は第１ダイオード２４０を介し平滑コンデンサとして動作する第２コンデンサ２５０を通して電荷ポンプ１５０の電源入力に入力される。従って電荷ポンプ１５０の動作は第１端子１１０と共通電位ノード間の入力電位が最小限値に維持されるならば自律する。代表的実施態様おいては５０ｍＶが維持される。限定されない一実施では、第２コンデンサ２５０は電荷ポンプ１５０の負荷スパイクを処理するのに十分となるように選択される５００ｐＦのコンデンサである。上記のように、第１ダイオード２４０の陰極はＶＤＤと表記する電位であり、それが電荷ポンプ１５０の動作電圧である。低電圧電荷ポンプ２００の出力は第２ダイオード２４０の動作により切断される。
【００３８】
電荷ポンプ１５０及び電子制御スイッチ１３０はこのように閉ループに配置され、必要とされる最小限の電位はリフレッシュを必要とせずに自動的に継続維持される。特に、第１端子１１０と共通電位ノード間の入力電圧が降下し始めると、電荷ポンプ１５０の出力が同様に降下し、その結果電子制御スイッチ１３０の両端の抵抗値が増大する。同様に、第１端子１１０と共通電位ノード間の入力電圧が上昇し始めると、電荷ポンプ１５０の出力が同様に上昇し、その結果電子制御スイッチ１３０の両端の抵抗値が減少する。
【００３９】
ＶDIODEと表記する電荷ポンプ１５０が動作中の第１端子１１０と第２端子１２０間の電圧は次式で表わすことができる。
【数１】
ここでＶTHは電子制御スイッチ１３０がオンするしきい値を表し、Ｋは電子制御スイッチ１３０のＭＯＳＦＥＴトランスコンダクタンス係数を表し、ＩDIODEは電荷ポンプ１５０の動作中に第１端子１１０と第２端子間を流れる電流を表し、ＧＡＩＮは電荷ポンプ１５０の増幅率を表す。
【００４０】
上記の最小電位は起動ユニット１６０の動作を維持するには不十分であり、従って起動ユニット１６０は遮断される。ゲートがＶＤＤに接続される電子制御スイッチ２２０は共通電位ノードと第２端子１２０間の接続を維持する。
【００４１】
雷保護回路２３０は低電圧降下閉ループ単方向電子バルブに対し雷保護を提供する。その動作は以下に更に説明する。
【００４２】
図３は、図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの初期化単方向バルブ回路２１０のはしご型実装の回路図を示し、ダイオード３００と複数のレジスタ３１０と複数のＮＭＯＳＦＥＴ３２０を含む。第２端子１２０及び共通電位ノードはさらに明確にするために図示する。ダイオード３００の陽極は第２端子１２０に接続され、第１レジスタ３１０の第１端はダイオード３００の陰極に接続される。
【００４３】
第１レジスタ３１０の第２端は第１ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第２レジスタ３１０の第１端に接続される。第２レジスタ３１０の第２端は第２ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第３レジスタ３１０の第１端に接続される。第３レジスタ３１０の第２端は第３ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第４レジスタ３１０の第１端に接続される。第４レジスタ３１０の第２端は第４ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第５レジスタ３１０の第１端に接続される。第５レジスタ３１０の第２端は第５ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第６レジスタ３１０の第１端に接続される。第６レジスタ３１０の第２端は第６ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び共通電位ノードに接続される。限定されない一の実施例では、レジスタ３１０は各１Ｍオームのレジスタである。
【００４４】
第２端子１２０はさらに第１ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続され、第１ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第２ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。
第２ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第３ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第３ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第４ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第４ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第５ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第５ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第６ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第６ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインは共通電位ノードに接続される。代表的実施例において、ＮＭＯＳＦＥＴ３２０はそれぞれしきい値より低い電流が供給される。限定されない一の実施例ではＮＭＯＳＦＥＴ３２０及びレジスタ３１０を流れるしきい値より低い電流の組合せは２５０μＡより少ない。
【００４５】
動作において、第２端子１２０の電位が共通電位ノードの電位より高い場合、即ち当該ソーラーパネルが電力を出力している場合、レジスタ３１０は分圧器として動作し、電圧がいかなるＮＭＯＳＦＥＴ３２０の定格も超えられないようにするが、実質上レジスタ３１０を流れる電流はない。共通電位ノードの電位は図２のダイオード２５５の動作及び選択的な追加の能動回路により第１端子１１０側へ引っ張られる。６番目のＮＭＯＳＦＥＴ３２０はそのゲートがそのソースに接続されるので、ＮＭＯＳＦＥＴ３２０にはしきい値以下の無視できる電流のみが流れる。
【００４６】
第２端子１２０の電位が共通電位ノードより低い場合、即ち該当するソーラーパネルが電力を出力していない場合、ダイオード３００はレジスタ３１０に電流が流れるのを阻止し、従って全てのＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲートの電位は同じになる。逆極性により電流はソースからドレインに流れるので６番目のＮＭＯＳＦＥＴ３２０が導通し、６番目のＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲートとドレイン間に適当な作動電圧が示される。好ましくはＮＭＯＳＦＥＴ３２０の作動電圧は約１００ｍＶに選択され、低電圧オシレータ１７０に対し低電圧損失帰還路を設ける。
【００４７】
上記は高電圧の定格と共に低しきい値電圧を示すＮＭＯＳＦＥＴが実装されない実施例について記載した。低しきい値電圧と高電圧の定格を有するＮＭＯＳＦＥＴが実装される場合は、単方向バルブ回路２１０はそのゲートとソースが共通電位ノードに縛られる単一のＮＭＯＳＦＥＴによって設けることができる。
【００４８】
図４は、第１ツエナ−ダイオード４００、第２ツエナ−ダイオード４１０、ダイオード４３０及びレジスタ４４０から構成される図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的な雷保護回路２３０の回路図を示す。明確にするため、さらに図２の電子制御スイッチ１３０、バイパス素子１４０、レジスタ２３５、第１端子１１０及び第２端子１２０が示されている。ツエナ−ダイオード４００の陰極は第２端子１２０に接続され、ツエナ−ダイオード４００の陽極はツエナ−ダイオード４０１０の陽極に接続されている。ツエナ−ダイオード４０１０の陰極は電子制御スイッチのゲート及びレジスタ４４０の第１端に接続される。レジスタ４４０の第２端はダイオード４３０の陰極及びダイオード４３０の陽極は第１端子１１０に接続される。限定されない一実施例において第１ツエナ−ダイオード４００は２５ボルトの降伏電圧を示し、第２ツエナ−ダイオード４１０は５ボルトの降伏電圧を示す。
【００４９】
動作に置いて、第１端子１１０を直撃する雷はバイパス素子１４０を通過し、ダイオード４３０及びレジスタ４４０を介して電子制御スイッチ１３０のゲートを充電する。第２端子１２０を直撃する雷はツエナ−ダイオード４００及びツエナ−ダイオード４１０を通過し、電子制御スイッチ１３０のゲートを充電する。残余の電流が電子制御スイッチ１３０を流れ、それにより電子制御スイッチ１３０は十分にオンを維持する。限定されない一実施では１００Ｋオームのレジスタであるレジスタ２３５はゲート電流となる雷を残余の回路から隔離する。ツエナ−ダイオード４１０は電荷ポンプ１５０の出力がツエナ−ダイオード４００を通り第２端子１２０に進むのをブロックする。
【００５０】
図５は代表的実施例に従って低電圧降下単方向電流を可能にする方法の高水準フローチャートを示す。ステージ１０００で、第１端子及び第２端子間に結合された電子制御スイッチが設けられる。ステージ１０１０で、設けられたステージ１０００の電子制御スイッチが、第１端子の電位が代表的には少なくとも０．４ボルトの第一値だけ第２端子の電位より高い場合に閉じる。
【００５１】
ステージ１０２０で、第１端子の電位が第一値より小さい第二値だけ第２端子の電位より高く継続維持される。代表的実施例では、第二値は５０ミリボルトである。選択的に第１電荷ポンプを設けることにより電位は維持される。
【００５２】
選択ステージ１０３０において、ステージ１０００で設けられた電子制御スイッチと並列にバイパス素子が設けられ、バイパス素子は第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に第１端子より第２端子への電流の流れを許容するように配置される。設けられた第１電荷ポンプへの初期電力は前記第２端子の電位より第一値だけ高い第１端子の電位に応答して供給される。選択ステージ１０４０では、第１端子の電位が第２端子の電位より少なくとも第二値だけ高い場合に第２端子は内部共通電位ノードへ結合される。
【００５３】
明確化のため別の実施例の記載中に述べる本発明の特定の特徴は単一の実施例の中で組み合わせて設けることもできることを理解されたい。逆に、簡潔化のために単一の実施例の記載中に述べる本発明の様々の特徴は適当なサブコンビネーションで別々に提供することもできる。
【００５４】
特に他に限定がなければ、ここで用いる全ての技術的、科学的用語は本発明が属する分野の当業者が共通して理解する用語と同一の意味を有する。ここに記載するものと類似あるいは同等の方法は本発明の実施や試験に使うことができるが、ここには適当な方法が記載されている。
【００５５】
ここで記載する全ての刊行物、特許出願、特許、及び他の資料は参照することによりその全体が本願に組み込まれる。不一致が生じる場合には、定義を含め本願明細書の内容が優先する。更に、材料、方法、及び例は説明の目的でのみ開示され、それらに限定されることを意図しない。
【００５６】
ここで用いる用語の「有する」、「含む」及びそれらの同根語は「有するが必ずしもそれに限定されない」ことを意味する。
【００５７】
本発明が具体的に上記に示し記載するものに限定されないことを当業者は理解されたい。むしろ、本発明の範囲は添付する請求範囲により限定され、上記の様々の特徴の組合せ及びサブコンビネーションの両方とともに、上記記載を読むことで当業者に想起されるその変形例、修正を含むものである。
【背景技術】
【０００１】
本発明は一般的には単方向電子バルブの分野に関し、より具体的にはほぼ理想的なダイオードとして動作する低電圧降下単方向電子バルブに関する。
【０００２】
大規模利用及び送電線へ送るためのソーラーパワーは直列接続に配列されたソーラーパネルによって供給される。各ソーラーパネルは正端子及び、帰還端子又は負端子を有する。ソーラーパネルは適度の太陽光が存在すれば電力を発生し、アレイの１つのソーラーパネルが暗い状態になっても他のパネルが電力を発生することができる。暗い状態は、とりわけ、飛行物体や鳥、覆う雲、あるいはたまった塵により引き起こされる。アレイの出力がブロックされないように電力は暗いソーラーパネルをう回しなければならない。同様に、アレイの中の単一のソーラーパネルが阻害された場合、アレイ全体が阻害されるのを避けるために電力は阻害されたソーラーパネルをう回しなければならない。
【０００３】
図１は、暗いソーラーパネルあるいは阻害されたソーラーパネルが原因でソーラーアレイが阻害されることを避けるために知られている従来技術の一例を示している。図１のソーラーパワー配列は複数のソーラーパネル１０、複数のバイパスダイオード２０、ブロッキングダイオード３０、及びコンバータ４０を含んでいる。ソーラーパネル１０は直列に接続され、終端のソーラーパネル１０の正端子はブロッキングダイオード３０を介してコンバータ４０の入力へ接続されている。コンバータ４０の帰還部は配列の最初のソーラーパネル１０の帰還端子に接続されている。各ソーラーパネル１０はバイパスダイオード２０に並列接続され、スイスジュネーブのInternational Electro-technical Commissionによって発行されたIEC 61215の特にセクション10.18に従い、バイパスダイオード２０が接続されるソーラーパネル１０の帰還端子がソーラーパネル１０の正端子に対して正電位を示す場合に限り導通となるようにバイパスダイオード２０が配置される。IEC 61215の全体の内容が参照されることにより本願に組み込まれる。
【０００４】
動作において、電流が先行するソーラーパネル１０の正端子から帰還端子へ駆動される結果、暗いソーラーパネル１０は正端子と帰還端子の間に電圧反転を示す。この電圧反転により並列接続されたバイパスダイオード２０がオンとなり、暗いソーラーパネル１０をう回して電流が流れる。
【０００５】
図１の配列は暗いソーラーパネルが存在するにも拘らず出力を維持することに成功している。しかしながらバイパスダイオード２０の電力消耗が相当大きい。図１の配列のような通常のソーラーパネルアレイでは約５−１０アンペアが配列の各ソーラーパネル１０を流れる。従って、バイパスダイオード２０がバイパスとして動作する場合、その電力消耗は３．５−７ワットの範囲となる。システムの電力損失は熱となって発散され、そのためパネルのレイアウトにおける熱対策、バイパスダイオード２０の構造対策が必要となり、結果的に図１の配列のコストを引き上げることになる。
【０００６】
その全体を参照することによって本願に組み込まれる「低電圧降下単方向電子バルブ」の名称で２００９年１月１日に出願された米国特許出願番号１２／３４８，００２は、一対の電界効果トランジスタ及び制御回路により構成された電子制御スイッチと、周期的に電子制御スイッチをオープンするように配置されたリフレッシュ回路とを含む低電圧降下単方向電子バルブについて述べている。周期的にスイッチをオープンする必要があるために、ソーラーパネルの両端に望まない反転電圧が生成される。
【０００７】
従って、反転電圧のリフレッシュを必要としない、ソーラーパネルバイパス素子の１つとして適用される低電圧降下単方向電子バルブに対し、長期にわたるニーズが存在している。
【発明の概要】
【０００８】
従って、本発明の主要な目的は従来技術の単方向電子バルブの欠点を克服することである。特定の実施態様の中では、第１端子と第２端子を接続するように配置されるＭＯＳＦＥＴのような電子制御スイッチを含む単方向電子バルブが設けられる。第１電荷ポンプが更に設けられ、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合、第１電子制御スイッチを閉じるように配置される。第１電荷ポンプは、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高く継続して維持されるように第１電子制御スイッチとともに閉ループに配置される。ソーラーパネルが日陰にある場合、約５０ミリボルトの反転電圧が継続して供給される利点がある。
【０００９】
一実施例において、低電圧降下単方向電子バルブが設けられ、低電圧降下単方向電子バルブは、第１端子、第２端子、第１端子と第２端子間に結合される第１電子制御スイッチ、及び第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に第１電子制御スイッチを閉じるように配置される第１電荷ポンプを含む。
【００１０】
又一実施例において、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高く継続して維持されるように第１電荷ポンプは第１電子制御スイッチと閉ループに配置される。さらに一実施例において、低電圧単方向電子バルブは、第１電子制御スイッチと並列に結合され、第１端子の電位が第一値より大きい第二値だけ第２端子の電位より高い場合に第１端子より第２端子へ電流の流れを許容するように配置されるバイパス素子と第１端子に結合され、第１端子の電位が第２端子の電位より第二値だけ高いことに応答して初期電力を第１電荷ポンプへ供給するように配置される起動ユニットとをさらに含んでいる。さらに一実施例において、第１電子制御スイッチはバイパス素子であるボディダイオードを示す金属酸化膜半導体電界効果トランジスタによって構成される。さらに一実施例において、起動ユニットは第２端子の電位より第二値だけ高い第１端子の電位に応答して動作するオシレータとオシレータに応答する第２電荷ポンプと、第２電荷ポンプに応答し第２電荷ポンプが動作中に第２端子を内部コモンノードへ結合するように配置される第２電子制御スイッチを含む。
【００１１】
またさらに一実施例において、起動ユニットは、第１電荷ポンプに初期電力を供給するように配置され、オシレータに応答して動作する第３電荷ポンプをさらに含む。さらに一実施例において、起動ユニットはさらに、オシレータと第２端子間に結合され、オシレータに初期帰還路を設けるように配置される単方向バルブ回路をさらに含む。さらに一実施例において、低電圧単方向電子バルブは第１電荷ポンプの出力と第１電荷ポンプの電力入力との間に結合されるブートストラップ回路をさらに含む。さらに一実施例において、低電圧単方向電子バルブは第２端子と内部コモンノードの間に接続されブートストラップ回路に応答する第３電子制御スイッチをさらに含む。
【００１２】
さらに一実施例において、起動ユニットはオシレータに応答して動作し、第１電荷ポンプに初期電力を供給するように配置された第３電荷ポンプをさらに含む。
【００１３】
独立して、一実施例において、低電圧降下単方向電流を供給する方法が提供され、該方法は、第１端子と第２端子間に結合される電子制御スイッチを設け、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に設けられた電子制御スイッチを閉じ、第一値より小さい第二値だけ第１端子の電位を第２端子の電位より高く継続して維持することを含む。
【００１４】
さらに一実施例において、該方法は第１電荷ポンプを設けることをさらに含み、設けられた第１電荷ポンプに応答して継続的に維持する。さらに一実施例において、該方法は設けられた電子制御スイッチに並列接続され、第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に第１端子から第２端子へ電流を流すように配置されるバイパス素子を設けること及び第２端子の電位より第一値だけ高い第１端子の電位に応答して設けられた第１電荷ポンプに初期電力を供給することをさらに含む。さらに一実施例において、該方法は第２端子を内部コモンノードに結合することをさらに含む。
【００１５】
本発明の追加の特徴や効果は以下に示す図面と説明により明らかになるであろう。
【００１６】
本発明をより良く理解するため及び本発明を実施するために、単なる例として、添付の図面を参照する。その中で、全体を通して同じ数字は対応する要素又は部分を指定する。
【００１７】
具体的に詳細な図面を参照するにあたり、示される具体例は例として示すものであり、本発明の好適な実施例を説明するだけの目的で示すのであって、最も有用かつ本発明の原理と概念的特徴をもっとも容易に理解できると信じられる説明を提供するために示されることを強調しておきたい。この点に関し、本発明の基本的理解に必要とする以上に詳細に本発明の構造的詳細を示すようには試みていない。図面と共に記載する説明により、本発明のいくつかの形式を如何に実用上具現化することができるか、当業者にとって明白となっている。
添付図面において：
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術に従って、それぞれがバイパスダイオードを示し直列接続されたソーラーパネルアレイを含むソーラーパワー配列の高水準ブロック図を示す。
【図２】低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的実施例の高水準回路図を示す。
【図３】図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの単方向バルブ回路を初期化するはしご型実装回路図を示す。
【図４】図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的な雷保護回路の概略図を示す。
【図５】代表的実施例に従って低電圧降下単方向電流を可能にする方法の高水準フローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
本発明の少なくとも１つの実施例を詳細に説明する前に、本発明はそのアプリケーションにおいて以下の説明で述べられたあるいは図面に示された部品の詳細な構造や配置に限定されないことを理解されたい。本発明は様々な方法で実施され実行される他の実施形態に適用することができる。さらに、ここに使われるフレーズや用語は説明の目的で使用し、それに限定されるものではない。
【００２４】
図２は低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的実施例の高水準回路図を示し、第１端子１１０、第２端子１２０、それに限定されることなくＮＭＯＳＦＥＴとして示す電子制御スイッチ１３０、それに限定されないが電子制御スイッチ１３０のＮＭＯＳＦＥＴの固有ボディダイオードとして示すバイパス素子１４０、電荷ポンプ１５０、起動ユニット６０、電子制御スイッチ２２０、雷保護回路２３０、レジスタ２３５、第１及び第２ダイオード２４０、そして第１及び第２フィルタリングコンデンサ２５０を含む。起動ユニット１６０は低電圧オシレータ７０、起動電荷ポンプ１８０、電子制御スイッチ１９０、低電圧電荷ポンプ２００、初期化単方向バルブ回路２１０及びダイオード２５５を含む。電荷ポンプ１５０は、オシレータ２６０及び複数の非重複クロック２７０を含み、１２のセラミックコンデンサ２８０を備える、それに限定されることなく１：１００電荷ポンプとして示されるが、いずれにおいてもこれに限定されることはない。
【００２５】
第１端子１１０は図１に関して上記するように、ソーラーパネルの帰還端子に接続され、第２端子１２０は図１に関して上記するように、ソーラーパネルの正端子に接続される。ＮＭＯＳ実装のソース端子として示される電子制御スイッチ１３０の第１端子は、第１端子１１０に接続される。ＮＭＯＳ実装のドレイン端子として示される電子制御スイッチ１３０の第２端子は第２端子１２０に接続される。バイパス素子１４０は、ある範囲の温度に亘って通常０．４ボルトより大きいダイオード降下分だけ第１端子１１０の電位が第２端子１２０の電位より高い場合、電流を第１端子１１０から第２端子１２０へ流すように配置される。
【００２６】
第１端子１１０はさらに電荷ポンプ１５０の入力及び起動ユニット１６０の入力に接続され、特に低電圧オシレータ１７０、起動電荷ポンプ１８０及び低電圧電荷ポンプ２００に接続される。さらに、各電荷ポンプ１５０、低電圧オシレータ１７０、起動電荷ポンプ１８０及び低電圧電荷ポンプ２００は共通電位ノード、好ましくは低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの内部へ接続される。低電圧オシレータ１７０の出力は起動電荷ポンプ１８０の入力及び低電圧電荷ポンプ２００の入力に接続される。起動電荷ポンプ１８０の出力はこれに限定されないがＮＭＯＳＦＥＴとして示される電子制御スイッチ１９０のゲートに接続される。電子制御スイッチ１９０のソースは共通電位ノードに接続され、電子制御スイッチ１９０のドレインは第２端子１２０に接続される。
【００２７】
限定されない実施態様でＰＭＯＳＦＥＴとして示される、初期化単方向バルブ回路２１０は第２端子１２０と共通電位ノードとの間に接続される。初期化単方向バルブ回路２１０がＰＭＯＳＦＥＴとして実装される限定されない実施態様において、単方向バルブ回路２１０のソース及びゲートは第２端子１２０に接続され、単方向バルブ回路２１０のドレインは共通電位ノードに接続される。
【００２８】
電荷ポンプ１５０の出力はレジスタ２３５を介して電子制御スイッチ１３０のゲート及び雷保護回路２３０の第１端部に接続され、第１コンデンサ２５０の第１端部及び第１ダイオード２４０の陽極に接続される。ＶＤＤ電位として示される第１ダイオード２４０の陰極は第２コンデンサ２５０の第１端部、第２ダイオード２４０の陰極、限定されることなくＮＭＯＳＦＥＴとして示される電子制御スイッチ２２０のゲート、及び各オシレータ２６０及び複数の非重複クロック２７０に接続されるものとして示される電荷ポンプ１５０のパワー入力に接続される。共通電位ノードはさらに各オシレータ２６０及び複数の非重複クロック２７０に接続される。
【００２９】
電子制御スイッチ２２０のドレインは第２端子１２０に接続され、電子制御スイッチ２２０のソースは共通電位ノードに接続される。低電圧電荷ポンプ２００の出力は第２ダイオード２４０の陽極に接続される。雷保護回路２３０の第２端部は第２端子１２０に接続される。各第１及び第２コンデンサ２５０の第２端部は共通電位ノードに接続される。共通電位ノードはダイオード２５５の陽極に接続され、ダイオード２５５の陰極は第１端子１１０に接続される。
【００３０】
動作において、第２端子１２０が第１端子１１０より高い電位にある場合、即ち該当のソーラーパネルが電力を発生している場合、初期化単方向バルブ回路２１０は導通していなく、共通電位ノードはダイオード２５５によって第１端子１１０につながれる。代表的実施例では、ＮＭＯＳＦＥＴがさらにダイオード２５５と並列に設けられ第１端子１１０と共通電位ノードの密接な接続を確実にする。
【００３１】
該当のソーラーパネルが日陰に入ると、図１に関して記載したように、第１端子１１０の電位が第２端子１２０の電位より高く上昇し、電流がバイパス素子１４０を流れ始める。バイパス素子１４０は、以下に更に記載するように、好ましくは少なくとも１０アンペアの電流を電荷ポンプ１５０がオンとなるまでの短い時間流すように配置される。代表的実施例において、相当量の電流が５０ミリ秒より短い間バイパス素子１４０を流れる。バイパス素子１４０はダイオードの電圧降下に等しい電圧降下を示し、それは広い動作条件にわたり、少なくとも０．４ボルトである。
【００３２】
バイパス素子１４０を通して順方向の電圧降下は約０．３ボルトの電圧降下で作動するように設計された低電圧オシレータ１７０を作動するのに十分である。低電圧オシレータ１７０の帰還路は初期化単方向バルブ回路２１０を通る。一実施例において、初期化単方向バルブ回路２１０は漏えいＰＭＯＳにより構成され、それは共通電位ノードと、上記のように第１端子１１０より低い電位にある第２端子１２０間のレジスタとして機能する。好ましくは、初期化単方向バルブ回路２１０は第１端子１１０が第２端子１２０より電位が高い場合、１００ｍＶ以下に降下するように設置される。
【００３３】
低電圧オシレータ１７０の出力は起動電荷ポンプ１８０に入力され、起動電荷ポンプ１８０は電子制御スイッチ１９０を閉じるのに十分な電圧を発生し始める。このようにして共通電位ノードを直接第２端子１２０に接続する。電子制御スイッチ１９０は閉じられると初期化単方向バルブ回路２１０によって供給される抵抗値のパスより低い抵抗値のパスを第２端子と共通電位ノード間に提供することを理解されたい。
【００３４】
低電圧オシレータ１７０の出力はさらに低電圧電荷ポンプ２００に流力され、低電圧電荷ポンプ２００の動作は電子制御スイッチ１９０が閉じられることによりもたらされる第２端子１２０と共通電位ノード間のより改善された低い抵抗値のパスにより好ましく補強される。代表的実施例では約２ボルトの低電圧電荷ポンプ２００の出力は第２ダイオード２４０を介して電荷ポンプ１５０に入力される。
【００３５】
オシレータ２６０と複数の非重複クロック２７０を含む電荷ポンプ１５０は代表的実施例において増幅率１：１００の電荷ポンプであり、好ましくはマコースキー電荷ポンプとして実装される。限定されない一例において、オシレータ２６０は５０μｓｅｃのオシレータであり、コンデンサ２８０はそれぞれ１０ｎＦ、１５ｎＦ、２２ｎＦ、３３ｎＦ、３９ｎＦ、４７ｎＦ、５６ｎＦ、７４ｎＦ、１００ｎＦ、１５０ｎＦ、２２０ｎＦ、及び１μＦのような適当な数値のセラミックコンデンサである。
【００３６】
電荷ポンプ１５０が動作する時、出力をフィルタするように働く第１コンデンサ２５０を通して出力電圧が発生する。限定されない一例において、第１コンデンサ２５０は１００ｐＦコンデンサである。限定されない一例において共通電位ノードに対し５ボルトの電荷ポンプ１５０の出力は電子制御スイッチ１３０のゲートに入力される。上記のように、電子制御スイッチ１３０のソースは第１端子１１０に接続され、共通電位ノードは電子制御スイッチ１９０の動作により第２端子１２０につながれている。従って、電子制御スイッチ１３０のゲートは電子制御スイッチ１３０のソース及びドレインよりもかなり高い電位にある。それによって電子制御スイッチ１３０を閉じ低電圧損失を伴ってそれに電流を流す。
【００３７】
電荷ポンプ１５０の出力は第１ダイオード２４０を介し平滑コンデンサとして動作する第２コンデンサ２５０を通して電荷ポンプ１５０の電源入力に入力される。従って電荷ポンプ１５０の動作は第１端子１１０と共通電位ノード間の入力電位が最小限値に維持されるならば自律する。代表的実施態様おいては５０ｍＶが維持される。限定されない一実施では、第２コンデンサ２５０は電荷ポンプ１５０の負荷スパイクを処理するのに十分となるように選択される５００ｐＦのコンデンサである。上記のように、第１ダイオード２４０の陰極はＶＤＤと表記する電位であり、それが電荷ポンプ１５０の動作電圧である。低電圧電荷ポンプ２００の出力は第２ダイオード２４０の動作により切断される。
【００３８】
電荷ポンプ１５０及び電子制御スイッチ１３０はこのように閉ループに配置され、必要とされる最小限の電位はリフレッシュを必要とせずに自動的に継続維持される。特に、第１端子１１０と共通電位ノード間の入力電圧が降下し始めると、電荷ポンプ１５０の出力が同様に降下し、その結果電子制御スイッチ１３０の両端の抵抗値が増大する。同様に、第１端子１１０と共通電位ノード間の入力電圧が上昇し始めると、電荷ポンプ１５０の出力が同様に上昇し、その結果電子制御スイッチ１３０の両端の抵抗値が減少する。
【００３９】
ＶDIODEと表記する電荷ポンプ１５０が動作中の第１端子１１０と第２端子１２０間の電圧は次式で表わすことができる。
【数１】
ここでＶTHは電子制御スイッチ１３０がオンするしきい値を表し、Ｋは電子制御スイッチ１３０のＭＯＳＦＥＴトランスコンダクタンス係数を表し、ＩDIODEは電荷ポンプ１５０の動作中に第１端子１１０と第２端子間を流れる電流を表し、ＧＡＩＮは電荷ポンプ１５０の増幅率を表す。
【００４０】
上記の最小電位は起動ユニット１６０の動作を維持するには不十分であり、従って起動ユニット１６０は遮断される。ゲートがＶＤＤに接続される電子制御スイッチ２２０は共通電位ノードと第２端子１２０間の接続を維持する。
【００４１】
雷保護回路２３０は低電圧降下閉ループ単方向電子バルブに対し雷保護を提供する。その動作は以下に更に説明する。
【００４２】
図３は、図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの初期化単方向バルブ回路２１０のはしご型実装の回路図を示し、ダイオード３００と複数のレジスタ３１０と複数のＮＭＯＳＦＥＴ３２０を含む。第２端子１２０及び共通電位ノードはさらに明確にするために図示する。ダイオード３００の陽極は第２端子１２０に接続され、第１レジスタ３１０の第１端はダイオード３００の陰極に接続される。
【００４３】
第１レジスタ３１０の第２端は第１ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第２レジスタ３１０の第１端に接続される。第２レジスタ３１０の第２端は第２ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第３レジスタ３１０の第１端に接続される。第３レジスタ３１０の第２端は第３ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第４レジスタ３１０の第１端に接続される。第４レジスタ３１０の第２端は第４ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第５レジスタ３１０の第１端に接続される。第５レジスタ３１０の第２端は第５ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び第６レジスタ３１０の第１端に接続される。第６レジスタ３１０の第２端は第６ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲート及び共通電位ノードに接続される。限定されない一の実施例では、レジスタ３１０は各１Ｍオームのレジスタである。
【００４４】
第２端子１２０はさらに第１ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続され、第１ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第２ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。
第２ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第３ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第３ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第４ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第４ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第５ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第５ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のソースは第６ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインに接続される。第６ＮＭＯＳＦＥＴ３２０のドレインは共通電位ノードに接続される。代表的実施例において、ＮＭＯＳＦＥＴ３２０はそれぞれしきい値より低い電流が供給される。限定されない一の実施例ではＮＭＯＳＦＥＴ３２０及びレジスタ３１０を流れるしきい値より低い電流の組合せは２５０μＡより少ない。
【００４５】
動作において、第２端子１２０の電位が共通電位ノードの電位より高い場合、即ち当該ソーラーパネルが電力を出力している場合、レジスタ３１０は分圧器として動作し、電圧がいかなるＮＭＯＳＦＥＴ３２０の定格も超えられないようにするが、実質上レジスタ３１０を流れる電流はない。共通電位ノードの電位は図２のダイオード２５５の動作及び選択的な追加の能動回路により第１端子１１０側へ引っ張られる。６番目のＮＭＯＳＦＥＴ３２０はそのゲートがそのソースに接続されるので、ＮＭＯＳＦＥＴ３２０にはしきい値以下の無視できる電流のみが流れる。
【００４６】
第２端子１２０の電位が共通電位ノードより低い場合、即ち該当するソーラーパネルが電力を出力していない場合、ダイオード３００はレジスタ３１０に電流が流れるのを阻止し、従って全てのＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲートの電位は同じになる。逆極性により電流はソースからドレインに流れるので６番目のＮＭＯＳＦＥＴ３２０が導通し、６番目のＮＭＯＳＦＥＴ３２０のゲートとドレイン間に適当な作動電圧が示される。好ましくはＮＭＯＳＦＥＴ３２０の作動電圧は約１００ｍＶに選択され、低電圧オシレータ１７０に対し低電圧損失帰還路を設ける。
【００４７】
上記は高電圧の定格と共に低しきい値電圧を示すＮＭＯＳＦＥＴが実装されない実施例について記載した。低しきい値電圧と高電圧の定格を有するＮＭＯＳＦＥＴが実装される場合は、単方向バルブ回路２１０はそのゲートとソースが共通電位ノードに縛られる単一のＮＭＯＳＦＥＴによって設けることができる。
【００４８】
図４は、第１ツエナ−ダイオード４００、第２ツエナ−ダイオード４１０、ダイオード４３０及びレジスタ４４０から構成される図２の低電圧降下閉ループ単方向電子バルブの代表的な雷保護回路２３０の回路図を示す。明確にするため、さらに図２の電子制御スイッチ１３０、バイパス素子１４０、レジスタ２３５、第１端子１１０及び第２端子１２０が示されている。ツエナ−ダイオード４００の陰極は第２端子１２０に接続され、ツエナ−ダイオード４００の陽極はツエナ−ダイオード４０１０の陽極に接続されている。ツエナ−ダイオード４０１０の陰極は電子制御スイッチのゲート及びレジスタ４４０の第１端に接続される。レジスタ４４０の第２端はダイオード４３０の陰極及びダイオード４３０の陽極は第１端子１１０に接続される。限定されない一実施例において第１ツエナ−ダイオード４００は２５ボルトの降伏電圧を示し、第２ツエナ−ダイオード４１０は５ボルトの降伏電圧を示す。
【００４９】
動作に置いて、第１端子１１０を直撃する雷はバイパス素子１４０を通過し、ダイオード４３０及びレジスタ４４０を介して電子制御スイッチ１３０のゲートを充電する。第２端子１２０を直撃する雷はツエナ−ダイオード４００及びツエナ−ダイオード４１０を通過し、電子制御スイッチ１３０のゲートを充電する。残余の電流が電子制御スイッチ１３０を流れ、それにより電子制御スイッチ１３０は十分にオンを維持する。限定されない一実施では１００Ｋオームのレジスタであるレジスタ２３５はゲート電流となる雷を残余の回路から隔離する。ツエナ−ダイオード４１０は電荷ポンプ１５０の出力がツエナ−ダイオード４００を通り第２端子１２０に進むのをブロックする。
【００５０】
図５は代表的実施例に従って低電圧降下単方向電流を可能にする方法の高水準フローチャートを示す。ステージ１０００で、第１端子及び第２端子間に結合された電子制御スイッチが設けられる。ステージ１０１０で、設けられたステージ１０００の電子制御スイッチが、第１端子の電位が代表的には少なくとも０．４ボルトの第一値だけ第２端子の電位より高い場合に閉じる。
【００５１】
ステージ１０２０で、第１端子の電位が第一値より小さい第二値だけ第２端子の電位より高く継続維持される。代表的実施例では、第二値は５０ミリボルトである。選択的に第１電荷ポンプを設けることにより電位は維持される。
【００５２】
選択ステージ１０３０において、ステージ１０００で設けられた電子制御スイッチと並列にバイパス素子が設けられ、バイパス素子は第１端子の電位が第２端子の電位より第一値だけ高い場合に第１端子より第２端子への電流の流れを許容するように配置される。設けられた第１電荷ポンプへの初期電力は前記第２端子の電位より第一値だけ高い第１端子の電位に応答して供給される。選択ステージ１０４０では、第１端子の電位が第２端子の電位より少なくとも第二値だけ高い場合に第２端子は内部共通電位ノードへ結合される。
【００５３】
明確化のため別の実施例の記載中に述べる本発明の特定の特徴は単一の実施例の中で組み合わせて設けることもできることを理解されたい。逆に、簡潔化のために単一の実施例の記載中に述べる本発明の様々の特徴は適当なサブコンビネーションで別々に提供することもできる。
【００５４】
特に他に限定がなければ、ここで用いる全ての技術的、科学的用語は本発明が属する分野の当業者が共通して理解する用語と同一の意味を有する。ここに記載するものと類似あるいは同等の方法は本発明の実施や試験に使うことができるが、ここには適当な方法が記載されている。
【００５５】
ここで記載する全ての刊行物、特許出願、特許、及び他の資料は参照することによりその全体が本願に組み込まれる。不一致が生じる場合には、定義を含め本願明細書の内容が優先する。更に、材料、方法、及び例は説明の目的でのみ開示され、それらに限定されることを意図しない。
【００５６】
ここで用いる用語の「有する」、「含む」及びそれらの同根語は「有するが必ずしもそれに限定されない」ことを意味する。
【００５７】
本発明が具体的に上記に示し記載するものに限定されないことを当業者は理解されたい。むしろ、本発明の範囲は添付する請求範囲により限定され、上記の様々の特徴の組合せ及びサブコンビネーションの両方とともに、上記記載を読むことで当業者に想起されるその変形例、修正を含むものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端子と、
第２端子と、
前記第１端子及び前記第２端子の間に結合される第１電子制御スイッチと、
前記第１端子の電位が前記第２端子の電位より第一値だけ高い場合に前記第１電子制御スイッチを閉じるように配置される第１電荷ポンプと、を含む低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項２】
前記第２端子の電位より前記第一値だけ高い前記第１端子の前記電位を継続して維持するように、前記第１電荷ポンプは前記第１電子制御スイッチと閉ループに配置されることを特徴とする請求項１に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項３】
前記第１電子制御スイッチと並列に結合され、前記第１端子の電位が前記第２端子の電位より、前記第一値より大きい第二値だけ高い場合に、前記第１端子から前記第２端子へ電流の流れを許容するように配置されるバイパス素子と、
前記第１端子に結合され、前記第二値だけ前記第２端子の電位より高い前記第１端子の前記電位に応答して前記第１電荷ポンプへ初期電力を供給するように配置された起動ユニットと、をさらに含む請求項２に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項４】
前記第１電子制御スイッチは、前記バイパス素子であるボディダイオードを示す金属酸化膜半導体電界効果トランジスタから構成されることを特徴とする請求項３に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項５】
前記起動ユニットは、
前記第二値だけ前記第２端子の電位より高い前記第１端子の前記電位に応答して動作するオシレータと、
前記オシレータに応答する第２電荷ポンプと、
前記第２電荷ポンプに応答する第２電子制御スイッチを含み、
前記第２電荷ポンプが動作中に前記第２端子を内部コモンノードへ結合するように前記第２電子制御スイッチが配置されることを特徴とする請求項３に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項６】
前記起動ユニットは、
前記第１電荷ポンプへ初期電力を供給するように配置され、前記オシレータに応答して動作する第３電荷ポンプをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項７】
前記起動ユニットは、
前記オシレータ及び前記第２端子間に結合され、前記オシレータのための初期帰還路を設けるように配置される単方向バルブ回路をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項８】
前記第１電荷ポンプの出力と前記第１電荷ポンプの電力入力との間に結合されるブートストラップ回路をさらに含む請求項７に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項９】
前記第２端子と前記内部コモンノードとの間に接続され、前記ブートストラップ回路に応答する第３電子制御スイッチをさらに含む請求項７に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項１０】
前記起動ユニットは、
前記オシレータに応答して動作し、前記第１電荷ポンプへ前記初期電力を供給するように配置される第３電荷ポンプをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項１１】
低電圧降下単方向電流の流れを可能にする方法であって、該方法は、
第１端子と第２端子との間に結合される電子制御スイッチを設け、
前記第１端子の電位が前記第２端子の電位より第一値だけ高い場合に前記設けられた電子制御スイッチを閉じ、
前記第２端子の電位より前記第一値より小さい第二値だけ高い前記第１端子の電位を継続して維持することを含む方法。
【請求項１２】
第１電荷ポンプを設けることをさらに含み、前記継続して維持することは前記設けられた第１電荷ポンプに応答する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記設けられた電子制御スイッチに並列に結合され、第１端子の電位が第２端子の電位より前記第一値だけ高い場合に第１の端子から第２の端子へ電流の流れを許容するように配置されるバイパス素子を設けること、及び
前記第２端子より前記第一値だけ高い前記第１端子の前記電位に応答して前記設けられた第１電荷ポンプへ初期電力を供給することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２端子を内部コモンノードへ結合することをさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１】
第１端子と、
第２端子と、
前記第１端子及び前記第２端子の間に結合される第１電子制御スイッチと、
前記第１端子の電位が前記第２端子の電位より第一値だけ高い場合に前記第１電子制御スイッチを閉じるように配置される第１電荷ポンプと、を含む低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項２】
前記第２端子の電位より前記第一値だけ高い前記第１端子の前記電位を継続して維持するように、前記第１電荷ポンプは前記第１電子制御スイッチと閉ループに配置されることを特徴とする請求項１に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項３】
前記第１電子制御スイッチと並列に結合され、前記第１端子の電位が前記第２端子の電位より、前記第一値より大きい第二値だけ高い場合に、前記第１端子から前記第２端子へ電流の流れを許容するように配置されるバイパス素子と、
前記第１端子に結合され、前記第二値だけ前記第２端子の電位より高い前記第１端子の前記電位に応答して前記第１電荷ポンプへ初期電力を供給するように配置された起動ユニットと、をさらに含む請求項２に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項４】
前記第１電子制御スイッチは、前記バイパス素子であるボディダイオードを示す金属酸化膜半導体電界効果トランジスタから構成されることを特徴とする請求項３に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項５】
前記起動ユニットは、
前記第二値だけ前記第２端子の電位より高い前記第１端子の前記電位に応答して動作するオシレータと、
前記オシレータに応答する第２電荷ポンプと、
前記第２電荷ポンプに応答する第２電子制御スイッチを含み、
前記第２電荷ポンプが動作中に前記第２端子を内部コモンノードへ結合するように前記第２電子制御スイッチが配置されることを特徴とする請求項３に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項６】
前記起動ユニットは、
前記第１電荷ポンプへ初期電力を供給するように配置され、前記オシレータに応答して動作する第３電荷ポンプをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項７】
前記起動ユニットは、
前記オシレータ及び前記第２端子間に結合され、前記オシレータのための初期帰還路を設けるように配置される単方向バルブ回路をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項８】
前記第１電荷ポンプの出力と前記第１電荷ポンプの電力入力との間に結合されるブートストラップ回路をさらに含む請求項７に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項９】
前記第２端子と前記内部コモンノードとの間に接続され、前記ブートストラップ回路に応答する第３電子制御スイッチをさらに含む請求項７に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項１０】
前記起動ユニットは、
前記オシレータに応答して動作し、前記第１電荷ポンプへ前記初期電力を供給するように配置される第３電荷ポンプをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の低電圧降下単方向電子バルブ。
【請求項１１】
低電圧降下単方向電流の流れを可能にする方法であって、該方法は、
第１端子と第２端子との間に結合される電子制御スイッチを設け、
前記第１端子の電位が前記第２端子の電位より第一値だけ高い場合に前記設けられた電子制御スイッチを閉じ、
前記第２端子の電位より前記第一値より小さい第二値だけ高い前記第１端子の電位を継続して維持することを含む方法。
【請求項１２】
第１電荷ポンプを設けることをさらに含み、前記継続して維持することは前記設けられた第１電荷ポンプに応答する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記設けられた電子制御スイッチに並列に結合され、第１端子の電位が第２端子の電位より前記第一値だけ高い場合に第１の端子から第２の端子へ電流の流れを許容するように配置されるバイパス素子を設けること、及び
前記第２端子より前記第一値だけ高い前記第１端子の前記電位に応答して前記設けられた第１電荷ポンプへ初期電力を供給することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２端子を内部コモンノードへ結合することをさらに含む請求項１３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１２−５３３２１７（Ｐ２０１２−５３３２１７Ａ）
【公表日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１９５５９（Ｐ２０１２−５１９５５９）
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３８５８３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００５４２４
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５１２００６５１６）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３８５８３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００５４２４
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５１２００６５１６）
【Ｆターム（参考）】
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