JP2002125328A

JP2002125328A - 一定周波数の電流波形を用いてコンデンサを充電するためのシステム及び方法

Info

Publication number: JP2002125328A
Application number: JP2001221165A
Authority: JP
Inventors: Gregory D Brink; グレゴリー・ディー・ブリンク
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2002-04-26
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: DE10135500A1; DE10135500B4; US6417649B1; JP4890687B2

Abstract

(57)【要約】【課題】迅速かつ効率的に高電圧コンデンサを充電する
ための手段を提供する。【解決手段】電流（１０９）がコンデンサ（１０８）に
加えられる充電シーケンスの間、固定周波数電流（１０
９）波形のデューティサイクルを、コンデンサ（１０
８）の電圧状態に基づいて動的に制御して、エネルギー
をコンデンサ（１０８）に送ることが可能な効率に従っ
てエネルギーの伝送を変更する。これによって、コンデ
ンサの充電シーケンスが最適化され、高電圧コンデンサ
（１０８）を充電する速度が上がる。パルス化電圧源
（１０２）が、一定周波数及び調整可能なデューティサ
イクルを有する電圧パルス（１２２）をトランス（１１
４）の一次巻線（１０４）に供給する。トランス（１１
４）に所定量のエネルギーが蓄積されると、トランス
（１１４）は、電流１０９を生成してコンデンサ（１０
８）を充電するよう制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、コンデン
サの充電に関するものであり、とりわけ、高電圧コンデ
ンサに充電するための方法及び装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】急性心拍停止が、米国における毎年３５
０，０００を超える死亡の原因であり、米国における主
たる救急医療の１つになっている。世界的規模では、急
性心拍停止により、これよりはるかに多くの人が毎年亡
くなっている。最も一般的で、生命を脅かす結果となる
心臓発作の１つが、一般に心室細動と呼ばれる心臓不整
脈の発生である。心室細動状態になると、心筋は、十分
な量の血液を身体及び脳に送ることができなくなる。脳
への血液及び酸素が欠乏すると、犠牲者に脳障害、麻
痺、または、死をもたらす可能性がある。

【０００３】心臓発作または他の重大な心臓不整脈を乗
り切る確率は、有効な医療処置が施されるスピードによ
って決まる。症状の発現から約４分以内に、迅速な心肺
蘇生術により細動除去が行われると、生き残る確率は、
５０％に近いか、５０％を超える可能性がある。従っ
て、最初の危険な数分以内に、細動除去を素早く施すこ
とは、急性心拍停止による死亡を阻止するために、救急
医療処置の最も重要な要素の１つであると考えられる。

【０００４】心臓細動除去は、心室細動中に生じる無秩
序な心収縮を阻止し、正常な心臓の律動を回復するため
に用いられる電気ショックである。心臓に対してこうし
た電気ショックを施すため、患者の胸部にデフィブリレ
ータ・パッドが取り付けられ、適正な振幅及び形状の電
気インパルスが、パッドを介して患者に加えられる。デ
フィブリレータ（細動除去器）は、何年も前から知られ
ているが、一般に複雑であり、訓練を受けた作業員でな
ければ使用するのが難しいものである。

【０００５】より最近になって、第１反応者によって用
いられる携帯用の移動可能な自動及び半自動外部デフィ
ブリレータ（一般に、ＡＥＤ）が開発された。携帯用デ
フィブリレータによって、従来のデフィブリレータより
も早く患者に適切な医療ケアを施すことが可能になり、
生存の確率が高くなる。こうした携帯用デフィブリレー
タは、第１反応者による使用のために利用可能な、職
場、家庭、航空機等のアクセス可能な場所に運ぶか、保
管することが可能である。最近のテクノロジの進歩によ
って、最小限の訓練しか受けていない者でも、一般的な
携帯用デフィブリレータを操作して、急性心拍停止の発
現に後続する危険な最初の数分間に、犠牲者を救護する
ことが可能である。

【０００６】上述のように、症状の発現後、迅速に有効
な医療処置を施さなければならない。時間を浪費するデ
フィブリレータ操作の１つは、電気ショックを生じさせ
るためのエネルギーを供給する高電圧コンデンサの充電
である。あいにく、従来のＡＥＤでは、高電圧コンデン
サに効率のよい充電が行えないので、治療を施すための
準備を行う貴重な時間が浪費されることになる。このた
め、利用可能な最短時間内に患者に施すことが可能な複
数ショックの回数が制限されることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、迅速かつ効率的に高電圧コンデンサに充電すること
が可能なデフィブリレータを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、その振幅が固
定周波数波形を有する電流を用いることによって、高電
圧コンデンサに充電するためのシステム及び方法であ
る。電流がコンデンサに繰り返し給与される充電シーケ
ンスの間、固定周波数電流波形のデューティ・サイクル
は、コンデンサ電圧に基づいて動的に制御される。より
詳しくは、コンデンサに対するエネルギーの伝達速度
が、コンデンサにエネルギーを供給することが可能な効
率によって修正される。これによって、高電圧コンデン
サの充電速度が増す。所望の用途に従って、代替のまた
は追加の重要な利点を実現することが可能である。例え
ば、本発明を実施するシステムによれば、より小形のコ
ンポーネント、より小エネルギーの電源、より高インピ
ーダンスの電源、または、その任意の適切な組み合わせ
を使用して、従来のシステムに匹敵する充電時間を達成
することができる。

【０００９】一般に、エネルギーは、インダクタまたは
トランスのような磁気素子を介して、電源から高電圧コ
ンデンサに伝達される。例えば、パルス化電源によれ
ば、一定周波数及び調整可能なデューティ・サイクルを
有する電圧パルスがフライバック・トランスの一次巻線
に供給される。当初は、トランス・コアにはエネルギー
が蓄積されていない。結果として、初期電圧パルスのデ
ューティ・サイクルは、トランス・コアに貯えられるエ
ネルギーを蓄積するのに十分な持続時間になる。トラン
ス・コアに蓄積されたエネルギー量が増すと、トランス
は、コンデンサに充電する電流を発生するように制御さ
れる。電流の振幅は、固定周波数でデューティ・サイク
ルが可変の波形を有している。

【００１０】具体的には、トランス・コアへのエネルギ
ーの初期蓄積直後において、電流振幅波形のデューティ
・サイクルはかなりのものである。二次巻線の位相は、
一次巻線の位相とずれているため（フライバック・トラ
ンス）、こうした電流振幅波形を生じさせる電圧波形の
デューティ・サイクルは、かなり小さい。こうしたやり
方でトランスを駆動すると、トランス・コアの蓄積エネ
ルギーが維持され、同時に、コンデンサにエネルギーを
伝達するのに十分な時間が二次巻線に与えられる（コン
デンサ電圧が最小限のため、二次巻線は、時間効率のよ
いやり方でエネルギーの伝達ができない）ことになる。
コンデンサ電圧が増すと、電流波形のデューティ・サイ
クルは、電圧波形のデューティ・サイクルの増大に応答
して減少することになる。こうしたエネルギーの伝達を
生じさせることが可能な速度は、コンデンサ電圧の増大
につれて上昇するので、これによって、エネルギー伝達
速度が最適化されることになる。従って、エネルギーが
トランス・コアからコンデンサに伝達されると、これに
伴って、電源からトランス・コアへのエネルギー伝達が
生じる。この動作モードによって、トランス・コアによ
る連続したエネルギー蓄積が保証されるので、本明細書
では、この動作モードを「連続モード」と呼ぶ。

【００１１】以下に、本発明のいくつかの態様の要約を
述べ、併せて、要約した態様のそれぞれについて実施可
能な実施例を示す。当然明らかなように、要約される実
施態様は、必ずしも、互いに包括的あるいは排他的とい
うわけではなく、矛盾せず、別様の可能性のある同じま
たは異なる態様に関して、任意のやり方で組み合わせる
ことが可能である。主として高性能のコンデンサ充電シ
ステム及び方法を目指した、本発明のこれら開示の態様
は、単なる例示のための態様であって、それらに限定す
るためのものではない。

【００１２】本発明の１態様では、振幅が固定周波数波
形を有する電流を用いて、高電圧コンデンサを充電する
ためのシステムが開示される。

【００１３】本発明のもう１つの態様では、高電圧コン
デンサ充電システムが開示される。このシステムは、固
定周波数振幅を備えた電流パルスを発生する。本発明の
この態様の場合、電流パルスがコンデンサに繰り返し加
えられる充電シーケンスにおいて、固定周波数電流波形
のデューティ・サイクルは、高電圧コンデンサの電圧に
基づいて動的に制御される。

【００１４】本発明のもう１つの態様では、高電圧コン
デンサに充電するためのシステムが開示される。本発明
のこの態様の場合、このシステムは、フライバック・ト
ランスと、パルス化電源を備える。フライバック・トラ
ンスは、コア、一次巻線、及び、二次巻線を備える。パ
ルス化電源は、一定周波数で、デューティ・サイクルの
調整が可能な波形を有する電圧を一次巻線に供給する。
電圧波形の初期デューティ・サイクルは、トランス・コ
アにある量の蓄積エネルギーを蓄積するのに十分な持続
時間を有しており、その後、電圧波形が連続して一次コ
イルに加えられる。電圧波形のデューティ・サイクル
は、高電圧コンデンサの瞬時電圧の上昇に応答して、充
電シーケンス中に、かなり小さい値からかなり大きい値
にまで増大する。

【００１５】本発明のさらにもう１つの態様では、高電
圧コンデンサに充電するためのシステムが開示される。
本発明のこの態様では、このシステムは、トランスと、
パルス化電源を備える。トランスは、コア、一次巻線、
及び、二次巻線を備える。コンデンサは、二次巻線の両
端間に電気的に結合されている。パルス化電源は、一定
周波数で、デューティ・サイクルの調整が可能な波形を
有する電圧を一次巻線に供給する。

【００１６】電圧波形のデューティ・サイクルは、コン
デンサの充電時に、エネルギーがトランス・コアに連続
して蓄積されるように、動的に修正される。すなわち、
充電シーケンスの個々のサイクルにおいて、充電システ
ムが、パルス化電源からトランス・コアにエネルギーを
伝達して、トランス・コアから高電圧コンデンサに前回
伝達されたエネルギーを補充する。

【００１７】本発明のさらにもう１つの態様では、コン
デンサ充電システムが開示される。本発明のこの態様で
は、このシステムは、コンデンサに接続されたコンデン
サ充電器と、コンデンサとコンデンサ充電器の間に電気
的に接続され、挿入されたダイオードを備える。ダイオ
ードは、陰極がコンデンサに接続され、陽極がコンデン
サ充電器に接続されている。コンデンサ充電器は、振幅
が固定周波数でデューティ・サイクルが可変の波形を有
する電流を発生することによって、コンデンサに充電す
る。

【００１８】本発明のこの態様の実施例の１つでは、コ
ンデンサ充電システムは、両端間にコンデンサが接続さ
れた磁気素子と、磁気素子の一方のノードに接続された
パルス化電源を備え、磁気素子の他方のノードはアース
に接続されている。パルス化電源は、ほぼ一定の周波数
及び可変デューティ・サイクルで、第１の電圧とこの第
１の電圧より低い第２の電圧との間で遷移する充電電圧
を一次巻線に供給する。

【００１９】磁気素子は、フライバック・トランスとす
ることが可能である。かかる実施例では、トランスは、
コア、一次巻線、及び、一次巻線と異相の二次巻線を備
える。ここで、コンデンサは、二次巻線の両端間に接続
されている。ある特定の実施例の場合、コンデンサ充電
器は、他方の一次巻線のノードとアースの間に直列に接
続された電流センサを備える。電流センサは、一次巻線
に流れる電流を表す振幅を有する電圧を発生する。充電
器は、パルス化電源と電流センサに操作可能に結合され
た制御回路を備える。制御回路は、パルス化電源にデュ
ーティ・サイクル調整信号を供給し、電流振幅信号に基
づいて充電電圧波形のデューティ・サイクルを調整す
る。

【００２０】本発明のもう１つの態様では、高電圧コン
デンサを充電するためのコンデンサ充電器が開示され
る。この充電器は、コンデンサ充電トランスと、充電回
路を備える。トランスは、一次巻線と二次巻線を有する
コアを備える。高電圧コンデンサは、ダイオードを介し
て、二次巻線の両端間に電気的に接続されている。充電
回路は、一次巻線に接続されて、一次巻線の両端間に電
圧を印加することにより、電流を二次巻線に流してトラ
ンスのコアに絶えずエネルギーが蓄積されるようにす
る。二次巻線の電流によって、トランス・コアから高電
圧コンデンサにエネルギーが伝達される。

【００２１】本発明のもう１つの態様では、コンデンサ
に充電するための方法が開示される。この方法は、その
振幅が固定周波数波形を有する電流をコンデンサに供給
するステップを含む。実施態様の１つでは、固定周波数
電流波形のデューティ・サイクルが変化させられる。こ
の方法には、さらに、固定周波数で、デューティ・サイ
クルが可変である電圧波形でトランスの一次巻線を駆動
するステップと、一次巻線を流れる電流を検知するステ
ップと、一次巻線を流れる電流が所定の値に達すると、
電圧波形のデューティ・サイクルを調整するステップ、
を含めることができる。

【００２２】本発明のさまざまな実施態様によって、い
くつかの利点が得られ、従来技術のいくつかの欠点が克
服される。本発明の全ての実施態様が同じ利点を共有し
ているわけではなく、同じ利点を共有する実施態様が、
あらゆる状況下において共有するわけではない。これ
は、本発明によって、高エネルギー・コンデンサに対す
る急速なエネルギーの伝達という上述の利点を含む、数
多くの利点が得られるということである。コンデンサに
加えられる固定周波数の電流パルスのデューティ・サイ
クルを調整すると、従来技術に比較してコンデンサに迅
速にエネルギーを伝達することが可能になる。さらに、
本発明によれば、コンデンサ充電トランスの二次巻線が
そのエネルギーのほぼ全てをコンデンサに伝達してしま
った場合に、それを検知する必要がなくなる。さらに、
本発明によれば、トランスの二次巻線からのセンサ入力
に基づいて、トランスの一次巻線の電流を調整するため
の複雑なフィードバック回路要素を備える必要もなくな
る。本発明のこれら及びその他の特徴及び利点、並び
に、本発明の種々の実施態様の構造及び動作について
は、添付の図面を参照して詳細に後述する。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明は、特許請求の範囲に具体
的に示されている。本発明の上記及び他の特徴及び利点
は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって
より良く理解されよう。図面において、同じ参照数字
は、同一または機能的に類似の要素を示している。さら
に、参照数字の一番左側の１つまたは２つの数は、その
参照数字が最初に現れる図面を特定している。

【００２４】本発明は、高電圧コンデンサに充電するた
めのシステム及び方法に関するものである。図１Ａは、
本発明の実施態様の１つによるコンデンサ充電システム
の高レベルのブロック図である。コンデンサ充電システ
ム１００は、振幅が固定周波数波形を有するところの電
流１０９を発生する。電流１０９が高電圧コンデンサ１
０８に給与される充電シーケンスにおいて、固定周波数
電流波形のデューティ・サイクルは、コンデンサ１０８
にエネルギーを供給することが可能な速度に従ってエネ
ルギー伝達特性に修正を加えるため、動的に制御され
る。

【００２５】さらに詳細に後述するように、本発明で
は、磁気素子を利用して、高電圧コンデンサにエネルギ
ーを伝達することが可能である。図１Ｂは、磁気素子を
利用した本発明のコンデンサ充電システム１００の実施
態様の１つに関するブロック図である。この例示的な実
施態様の場合、コンデンサ充電システム１００には、か
かる磁気素子のようなトランス１１４が含まれている。
しかし、本開示から明らかになるように、本発明の教示
に従って、他の磁気素子並びに他の電流発生器を利用す
ることも可能である。

【００２６】コンデンサ充電トランス１１４には、コア
１０５、一次巻線１０４、及び、二次巻線１０６が含ま
れている。図１Ｂに示す特定の実施態様の場合、一次巻
線１０４及び二次巻線１０６は、フライバック・トラン
スを形成しており、従って、極性表示記号１１８及び１
２０によって示されるように、位相がずれている。下記
の説明は、フライバック・トランス１１４を駆動して、
固定周波数でデューティ・サイクルが可変の電流波形１
０９を発生するためのシステム１００のさまざまな実施
態様及びコンポーネントについて述べたものである。こ
うした電流は、二次巻線１０６を流れて、フライバック
・ダイオード１０７を介して二次巻線１０６の両端間に
接続されたコンデンサ１０８にエネルギーを伝達する。

【００２７】一次電流１２４が、一次巻線１０４に流
れ、トランス・コア１０５に蓄積されるエネルギーが増
大すると、電流１０９は、二次巻線１０６からコンデン
サ１０８に流れなくなる。逆に、電流が一次巻線１０４
に流れないときは、電流１０９は、二次巻線１０６から
コンデンサ１０８に流れ、コンデンサ１０８が充電され
ることになる。従って、電流が一次巻線１０４に流れる
場合には、一次巻線１０４によって、電源からトランス
・コア１０５にエネルギーが伝達され、逆に、電流１０
９が二次巻線１０６に流れる場合には、二次巻線１０６
によって、トランス・コア１０５からコンデンサ１０８
にエネルギーが送られることになる。

【００２８】充電システム１００には、コンデンサ充電
トランス１１４の一次巻線１０４と直列に接続されたパ
ルス化電圧源１０２が含まれている。フライバック・ト
ランスを利用する実施態様の場合、電流波形１０９は、
一次巻線１０４の両端間における電圧を制御することに
よって発生する。従って、この実施態様の場合、パルス
化電圧源１０２によって、周波数はほぼ一定で、デュー
ティ・サイクルの調整が可能な充電電圧波形１２２が発
生する。しかし、最初は、トランス・コアにエネルギー
が蓄積されていない。結果として、初期電圧パルスのデ
ューティ・サイクルは、トランス・コア１０５に貯えら
れるエネルギーを蓄積するのに十分な持続時間のものに
なる。所定の量のエネルギーがトランス・コア１０５に
蓄積されると、トランス１１４は、本発明の教示に従っ
て制御され、コンデンサ１０８に充電する電流１０９を
発生する。本発明によれば、電流１０９の振幅は、固定
周波数と、好ましくは、デューティ・サイクルが可変の
波形を有する。

【００２９】具体的にいうと、トランス・コア１０５に
おけるエネルギーの初期蓄積の直後における電流波形１
０９のデューティ・サイクルはかなり大きい。二次巻線
１０６は一次巻線１０４と位相がずれているため、充電
電圧波形１２２のデューティ・サイクルはかなり小さく
なる。例えば、ある実施態様では、デューティ・サイク
ルは約０．５〜４パーセントである。これによって、ト
ランス・コア１０５に蓄積されたエネルギーが維持さ
れ、同時に、コンデンサ１０８にエネルギーを伝達する
のに十分な時間が二次巻線１０６に与えられることにな
る（コンデンサ電圧が最小限のため、二次巻線１０６
は、時間効率のよいやり方でエネルギーを伝達すること
ができない）。かかる伝達を行うことが可能な速度は、
コンデンサ電圧の増大につれて上昇するので、コンデン
サ電圧が増すと、電流波形１０９のデューティ・サイク
ルは減少し、エネルギー伝達が最適化されることにな
る。例示的な実施態様では、これは、充電電圧１２２の
デューティ・サイクルが対応して増大することに応答し
て生じる。従って、エネルギーがトランス・コア１０５
からコンデンサ１０８に伝達されると、これに伴って、
電源からトランス・コアへのエネルギー伝達が生じるこ
とになる。充電シーケンス中、トランス・コア１０５は
連続してエネルギーを蓄積するので、本明細書では、こ
の動作モードを「連続モード」と呼ぶ。

【００３０】充電システム１００には、さらに、一次巻
線１０４とアース１１２の間に直列に接続された電流セ
ンサ１１０が含まれている。電流センサ１１０は、一次
巻線１０４を流れる電流１２４を表す電流振幅信号１２
５を制御回路１１６に対して送り出す。さらに詳細に後
述するように、制御回路１１６は、パルス化電圧源１０
２にデューティ・サイクル調整信号１１５を供給するこ
とによって、充電電圧１２２のデューティ・サイクルを
調整する。パルス化電圧源１０２は、信号１１５に応答
して、充電電圧波形１２２のデューティ・サイクルを調
整する。詳細に後述するように、例示的な実施態様で
は、デューティ・サイクルは、一次電流１２４が所定の
レベルを超えるか、または、それより小さいかの関数と
して、パルス化電圧源１０２によって制御されるが、代
替実施態様では、追加または代替の制御条件も考慮する
ことが可能である。

【００３１】図２は、本発明のコンデンサ充電システム
２００の別の実施態様に関するブロック図である。この
実施態様の場合、パルス化電圧源１０２には、定電圧源
２０４、及び、電圧源２０４と一次巻線１０４の間に直
列に接続されたスイッチング要素２０２が含まれてい
る。定電圧源２０４は、バッテリー、直流電源等のよう
な任意の電源とすることが可能である。１つの好適な実
施態様においては、電圧源２０４はリチウム・バッテリ
ーである。

【００３２】スイッチング要素２０２は、デューティ・
サイクル調整信号１１５に応答して、電圧源２０４と一
次巻線１０４間における電気的接続を中断し、電圧信号
１２２、従って、二次電流１０９のデューティ・サイク
ルに所望の変更を施す。スイッチング要素２０２に、予
測される一次電流１２４に対して小さな直列抵抗を提供
するスイッチを設けて、スイッチング要素２０２の両端
間における電圧降下が最小限になるようにするのが好ま
しい。これによって、電圧源２０４によって発生するほ
ぼ全ての電圧を一次巻線１０４に印加することが可能に
なる。

【００３３】さらに、スイッチング要素２０２は、スイ
ッチされた充電電圧波形１２２にオーバシュート及びリ
ンギングが生じないようにするのに十分滑らかな立ち上
がり及び立ち下がりエッジを有するスイッチング波形を
提供するのが好ましい。さらに、スイッチング要素２０
２は、コンデンサ充電トランス１１４のコア１０５の過
充電及び飽和を実質的に回避するのに十分な速さの（信
号１１５に応答した）ターン・オフ時間を特徴とするの
が好ましい。当業者には明らかなように、今後開発され
るスイッチング要素２０２の他の多くの実施例を本発明
に従って利用することが可能である。

【００３４】図３は、本発明のコンデンサ充電システム
１００（図１）の別の実施態様を示すブロック図であ
り、以下では、コンデンサ充電システム３００という。
コンデンサ充電システム３００には、パルス化電圧源１
０２の特定の実施態様が含まれている。ここで、パルス
化電圧源１０２には、クロック発生器３０４と、クロッ
ク発生器３０４からの入力及び制御回路１１６からの入
力を有するスイッチング要素３０２が含まれている。ク
ロック発生器３０４は、ほぼ一定した周波数を有するク
ロック信号３１０をスイッチング要素３０２に供給す
る。クロック信号３１０の周波数は、周波数選択ライン
３０９によって示すように、複数の異なる周波数から選
択することが可能である。次に、クロック信号３１０の
周波数を調整して、本明細書で説明するように、エネル
ギー伝達を最適化することが可能である。

【００３５】定電圧源２０４から引き出される電流量
は、一次巻線１０４に印加される充電電圧１２２の周波
数に比例する。本発明の実施例の１つでは、電圧源２０
４はバッテリー・パックである。バッテリーは、特定の
化学的性質を有しており、所定のメーカによって製造さ
れる。いくつかのバッテリーは、他のバッテリーよりも
必要な放電電流が少ない。例えば、いくつかのメーカ
は、バッテリー・パックに内部温度ヒューズを含めてい
る。こうしたバッテリーからの電流の放電が速すぎる
と、バッテリー・パックの温度が急速に上昇する可能性
がある。こうなると、温度ヒューズが切れ、バッテリー
・パックが使用できなくなる。さらに、バッテリーの化
学的性質によっては、他のバッテリーよりも強く、迅速
な放電が可能である。例えば、ニッケル・カドミウム・
バッテリーは、リチウム・バッテリーに比べて迅速で、
強い放電を可能にする。従って、リチウム・バッテリー
を使用して、コンデンサ１０８に充電するときは、リチ
ウム・バッテリーが使用中に切れないようにするため
に、より低いクロック周波数が用いられる。従って、本
発明の好適な実施態様では、クロック発生器３０４は、
装着されたバッテリー・パックの電流限界に合わせて設
計された周波数を発生する。

【００３６】好適な実施態様の１つでは、クロック信号
３１０の周波数は、現在利用されているバッテリー・パ
ックのタイプに基づいて、クロック発生器３０４によっ
て決定される。この実施態様では、クロック発生器３０
４は、バッテリー化学的性質信号（バッテリーケミスト
リ信号）３０６及びバッテリー識別信号３０８を入力と
して受信するのが好ましい。バッテリー化学的性質信号
３０６は、装着されたバッテリー・パックの化学的性質
を表示し、一方、バッテリー識別信号３０８は、装着さ
れたバッテリー・パックのメーカを識別する。この情報
に基づいて、クロック発生器３０４は、クロック信号３
１０の周波数を調整する。

【００３７】図４は、本発明のコンデンサ充電回路の代
替実施態様のブロック図であり、以下では、コンデンサ
充電回路４００という。コンデンサ充電回路４００に
は、制御論理回路４０２と、オン／オフ回路要素４０４
を含むスイッチング要素３０２が含まれている。この実
施態様の場合、スイッチング要素３０２は、一次巻線１
０４と電圧源２０４の間ではなく、一次巻線１０４と電
流センサ１１０の間に電気的に挿入されている。制御論
理回路４０２は、クロック発生器３０４によって生成さ
れるクロック信号３１０、及び、制御回路１１６によっ
て生成されるデューティ・サイクル調整信号１１５を受
信する。制御論理回路４０２は、これらの入力に基づい
て、オン／オフ回路要素４０４に可変デューティ・サイ
クル制御信号４０６を供給する。制御論理回路４０２
は、オン／オフ回路要素４０４に「オン」信号を加え
て、クロック信号３１０の状態変化またはデューティ・
サイクル調整信号１１５の状態変化が生じるまで、電流
１２４が一次巻線１０４を流れることができるようにす
る。例示の実施態様の場合、「オン」信号は、正電圧す
なわち論理１である。「オフ」信号は、「オン」信号の
逆、つまりは、０に近い電圧すなわち論理０である。

【００３８】上述のように、制御回路１１６は、本発明
の実施態様に従って、デューティ・サイクル調整信号１
１５を制御するために、任意の数の要素を考慮すること
が可能である。この実施態様では、制御回路１１６は、
電流振幅信号１２５によって、一次電流１２４が所定の
値に達したことが表示されると、デューティ・サイクル
調整信号１１５の状態を変化させる。制御回路１１６に
よるこの状態の変化によって、制御論理回路４０２は、
クロック信号３１０の「オン」・クロック・サイクルに
おいてオン／オフ回路要素４０４を早期に「オフ」にす
る。電流センサ１１０からの信号１２５により、電流レ
ベルが最大電流レベルより低いことが示されると、制御
回路１１６は、信号１１５の状態を変化させ、その初期
状態に戻す。これによって、制御論理回路４０２は、ク
ロック信号３１０の次の「オン」周期に応答して、オン
／オフ回路要素４０４を「オン」にする。当業者には明
らかなことであるが、本発明のこの態様に修正を施すこ
とによって、「オン」状態が論理０で、「オフ」状態が
論理１になる、負の論理システムが得られる。

【００３９】図５は、図４に示す本発明の実施態様の単
純化した略回路図である。この実施態様では、オン／オ
フ回路要素４０４には、スイッチング・トランジスタ５
０２が含まれており、電流センサ１１０には、センス抵
抗器５０４が含まれている。この実施例では、クロック
信号３１０は、可変デューティ・サイクル制御信号４０
６が、各充電サイクル中に単一パルスを生じ、そのデュ
ーティ・サイクルがクロック信号３１０のデューティ・
サイクルによって決まることを保証するため、セット・
リセット・フリップ・フロップ５１０によりゲート処理
される。

【００４０】制御回路１１６には、入力の１つが電圧基
準５０６に結合された電圧コンパレータ５０８が含まれ
ている。センス抵抗器５０４からの電圧は、好ましくは
フィルタ５１６を介して、電圧コンパレータ５０８のも
う１つの入力に結合される。制御論理回路４０２には、
セット・リセット・フリップ・フロップ５１０とＡＮＤ
ゲート５１４が含まれている。スイッチ・トランジスタ
５０２は、一次巻線１０４とセンス抵抗器５０４の間に
直列に接続され、センス抵抗器５０４は電気アース１１
２に接続されている。電圧コンパレータ５０８の出力
は、フリップ・フロップ５１０のリセット入力に接続さ
れている。クロック信号３１０は、フリップ・フロップ
５１０のセット入力に接続され、ＡＮＤゲート５１４の
入力にも接続されている。フリップ・フロップ５１０の
Ｑ出力は、ＡＮＤゲート５１４の第２の入力に結合され
ている。ＡＮＤゲート５１４の出力、すなわち、可変デ
ューティ・サイクル制御信号４０６によって、スイッチ
ング・トランジスタ５０２の制御入力が駆動される。

【００４１】ＡＮＤゲート５１４によって、スイッチン
グ・トランジスタ５０２に送られる信号４０６が制御さ
れる。Ｓ−Ｒフリップ・フロップ５１０のＱ出力が論理
１の場合、ゲート５１４は、クロック信号３１０をスイ
ッチング・トランジスタ５０２のゲートに送る。従っ
て、スイッチング・トランジスタ５０２は、クロック信
号３１０と同相の電圧パルスを生じるよう作動する。フ
リップ・フロップ５１０からのＱ出力が論理０の場合、
ゲート５１４は、論理０を出力し、スイッチング・トラ
ンジスタ５０２をオフにして、電流１２４が流れないよ
うにする。電圧コンパレータ５０８のコンパレータ出力
の状態が変化すると、論理０が生じ、フリップ・フロッ
プ５１０のＱ出力が論理０にリセットされる。これが起
こるのは、一次巻線１０４を通る電流１２４が、センス
抵抗器５０４の両端間の電圧が電圧基準５０６を超える
ポイントまで増大する時である。

【００４２】次に、制御回路１１６を参照すると、フィ
ルタ５１６によって、センス抵抗器５０４の両端間に生
じる電圧が電圧コンパレータ５０８の第１の入力に結合
される。コンデンサ充電トランス１１４の一次巻線１０
４がオンになると、巻線の漏れインダクタンスによっ
て、電圧が増加した瞬間に電流スパイクが生じることに
なる。フィルタ５１６は、信号の残りの部分に実質上影
響を与えないように、このスパイクを除去するように設
計されている。本発明の実施態様の１つでは、フィルタ
５１６は、少なくともクロック信号３１０の周波数に等
しいコーナ周波数を有する単極Ｒ−Ｃローパスフィルタ
である。当業者には明らかなように、他のフィルタを用
いることも可能である。例えば、アクティブ・アナログ
ローパスフィルタ、スイッチト・キャパシタ・フィル
タ、または、デジタル・フィルタを用いることが可能で
ある。実施態様の１つでは、デジタル・ブランキング・
フィルタが用いられる。デジタル・ブランキング・フィ
ルタは、センス抵抗器における波形のサンプリングを行
い、電流スパイクが通過したと判定するまで、コンパレ
ータに低出力を供給する。デジタル・フィルタは、その
後、減衰または位相歪みを生じることなく、電圧信号を
通過させる。別の実施態様では、デジタル・ブランキン
グ・フィルタは、所定の時間期間にわたって、波形の振
幅を無視する。所定の時間が経過すると、ブランキング
・フィルタは、減衰を生じることなく、電圧信号を通過
させる。

【００４３】本発明の実施態様の１つにおける電圧コン
パレータ５０８は、状態を変化させる速度、スイッチン
グ・プロセス中に生じるオーバシュートの量に基づいて
選択することが可能である。コンパレータ５０８は、そ
の応答時間が電流１２４の増大する速度より速いことが
重要である。コンパレータ５０８の応答時間が電流の増
大より遅いと、電流は、選択された最大値に達した後も
増大し続けることになる。一次巻線に印加される電圧の
次のサイクルにおいて、一次電流１２４が、電圧基準５
０６を超えている可能性のある初期値から増大する。こ
れによって、コンパレータ５０８は状態を変化させるこ
とになるが、一次巻線１０４に蓄積されるエネルギー
は、一次巻線１０４を流れる一次電流が連続して加えら
れるために増大している。従って、蓄積されたエネルギ
ーは、トランスが飽和するか、ＭＯＳＦＥＴスイッチン
グ・トランジスタ５０２が、大電流のために降伏する
か、あるいは、予測を超える電流降伏によって、他のコ
ンポーネントに過度のストレスが加えられるまで、各後
続サイクルを通して増加し続ける。本発明の好ましい実
施態様の１つでは、電圧コンパレータ４０８は、Ｍａｘ
ｉｍ，Ｉｎｃ．製のＭａｘ９９８コンパレータである。
他のコンポーネントであるＭＯＳＦＥＴスイッチング・
トランジスタ５０２は、一次巻線１０４を通る選択され
た最大一次電流１２４をスイッチするのに十分な電流容
量を有することが好ましく、一次巻線１０４に印加され
る電圧の遷移時に、インダクタンスによって生じる過渡
電流に耐える得ることが必要である。本発明の実施態様
の１つでは、ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ
５０２は、ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｅｃｔｉｆ
ｉｅｒ，Ｉｎｃ．製のＩＲＦ２８０７トランジスタであ
る。

【００４４】図６は、本発明のコンデンサ充電システム
の代替実施態様を示すものである。以下では、このシス
テムをコンデンサ充電システム６００という。充電シス
テム６００の場合、クロック信号３１０は、制御論理回
路６０１のＡＮＤゲート６１０の第１の入力に結合され
ている。バッテリー電圧不足（または、バッテリー電圧
低下）及びコンデンサ過電圧保護回路６０２によって、
ＡＮＤゲート６１０に第２の入力が供給される。バッテ
リー電圧信号６０４は、任意の周知の技法を用いて決定
することが可能である。コンデンサ電圧信号６０６は、
コンデンサ１０８の両端間に接続される入力を受信する
コンデンサ電圧測定回路６０８によって発生される。コ
ンデンサ電圧測定回路６０８は、任意の周知の方法で実
施可能である。

【００４５】バッテリー及びコンデンサ電圧６０４、６
０６が適正な制限内の場合、電圧コンディション信号６
１５が、保護回路６０２によって発生する。電圧コンデ
ィション信号６１５は、ＡＮＤゲート６１０に供給され
る。これによって、ＡＮＤゲート６１０は論理０を出力
する。この信号は、ＡＮＤゲート６１４を介して伝搬
し、ＭＯＳＦＥＴドライバ６０４をオフにする。ＭＯＳ
ＦＥＴドライバ６０４は、さらに、ＭＯＳＦＥＴスイッ
チング・トランジスタ５０２に対する電流供給を停止
し、それをオフにして、一次巻線回路を開く。

【００４６】バッテリー及びコンデンサ電圧が必要な制
限内の場合、クロック信号３１０が、ＡＮＤゲート６１
４及びＳ−Ｒフリップ・フロップ５１０のＳ入力に送ら
れる。この実施態様の場合、第３の入力が、充電イネー
ブル信号６１３からＡＮＤゲート６１４に供給される。
充電イネーブル信号６１３の論理０によって、ＡＮＤゲ
ート６１４に論理０が供給され、ＭＯＳＦＥＴドライバ
６０４がオフになる。Ｑ出力と充電イネーブル信号６１
３の両方によって、ＡＮＤゲート６１４に論理１が供給
されると、クロック信号３１０がＭＯＳＦＥＴドライバ
６０４の入力に送られる。この結果、ＭＯＳＦＥＴドラ
イバ６０４は、クロック信号３１０と同相のＭＯＳＦＥ
Ｔスイッチング・トランジスタ５０２をオンにする。上
述のように、フリップ・フロップ５１０がリセットされ
ると、すなわち、Ｑ出力が論理０に変化すると、ＡＮＤ
ゲート６１４は、論理０をＭＯＳＦＥＴドライバ６０４
の入力に出力する。これによって、ＭＯＳＦＥＴスイッ
チング・トランジスタ５０２がオフになり、ＭＯＳＦＥ
Ｔスイッチング・トランジスタ５０２に供給される電圧
パルスが中断される。

【００４７】ＭＯＳＦＥＴスイッチング・トランジスタ
５０２は、トランジスタがオフになるときに、一次巻線
１０４の漏れインダクタンスを放電するための電流経路
を形成するために、そのドレインとソースの間に接続さ
れた過渡抑制ダイオード（サージサプレッサーダイオー
ド）６０７を備えている。これは、一次巻線１０４の漏
れインダクタンスによって、ＭＯＳＦＥＴスイッチング
・トランジスタ５０２を破壊するのに十分な高さの電圧
が発生するのを阻止するためである。

【００４８】上述の保護回路６０２及びコンデンサ電圧
測定回路６０８は、現在の又は今後開発される任意の周
知の方法で実施可能である。かかる実施は、当業者には
明らかであり、従って、本明細書ではこれ以上説明しな
い。

【００４９】図７は、本明細書において制御論理回路７
０２と呼ぶ、制御論理回路６０１の別の実施態様の概略
図である。図６に示す実施態様の場合と同様、信号４０
６は、各充電サイクルにおける単一パルスであり、その
最大デューティ・サイクルがクロック信号３１０のデュ
ーティ・サイクルによって決まることを保証するため、
セット・リセット・フリップ・フロップ５１０によっ
て、クロック信号３１０にゲート処理が施される。この
実施態様の場合、Ｓ−Ｒフリップ・フロップ７１６は、
ＮＯＲゲート７１０、７０８によって実施される。セッ
ト（Ｓ）及びリセット（Ｒ）入力は、それぞれ、ＮＡＮ
Ｄゲート７１２及び７０６からの信号を受信する。Ｓ−
Ｒフリップ・フロップ７１６のＱ出力及びＮＡＮＤゲー
ト７１２の出力は、ＦＥＴドライバ７１４を駆動するた
めにＮＯＲゲート７０４に供給され、次に、ＦＥＴドラ
イバ７１４によって、可変デューティ・サイクル制御信
号４０６が発生する。この実施態様の場合、ＦＥＴドラ
イバ７１４は、正論理によって制御される。すなわち、
信号７０５が論理「高」の場合、ドライバ７１４はオン
になり、信号７０５が論理「低」の場合、ドライバ７１
４はオフになる。

【００５０】充電サイクルにおいて、一次電流１２４が
しきい値に向かって増大する間、フリップ・フロップ７
１６の状態は不変のままである。一次電流１２４が、し
きい値を超えると、デューティ・サイクル調整信号１１
５は、「高」状態から「低」状態に変化する。これは、
ＮＡＮＤゲート７０６によって反転され、ＮＯＲゲート
７０８には「高」状態値が加えられることになる。これ
によって、フリップ・フロップ７１６は強制的に状態を
変化させられ、従って、ＮＯＲゲート７０４には「高」
状態信号が加えられる。この結果、ＮＯＲゲート７０４
の出力が、強制的に「低」状態にされ、ＦＥＴドライバ
７１４に対する駆動信号が終了する。このため、ＦＥＴ
スイッチ５０２がオフになり、電流はトランス１１４の
一次巻線１０４に流れなくなる。上述のように、これに
よって、トランス１１４の二次巻線１０６は、コンデン
サ１０８の充電を開始できるようになる。クロック信号
３１０が非アサートされると、ラッチ７１６がセットさ
れる。過電流しきい値に達すると、ラッチ７１６はリセ
ットされ、制御信号パルスが終了する。

【００５１】トランス１１４は、いくつかの設計のトレ
ード・オフに従って選択される。トランス１１４の所望
の特性の１つは、巻数比が高いことである。こうしたト
ランスの場合、かなり低い印加または入力電圧のわりに
は、高出力電圧が得られる。さらに、開示したコンデン
サ充電システム１００の場合、トランス１１４の巻線
は、極性が逆である。この結果、一次巻線１０４にエネ
ルギーが蓄積されている間、トランスの二次巻線１０６
には電流がほとんど流れないか、または、全く流れな
い。一次巻線１０４が、その充電サイクルを完了してオ
フになると、二次巻線１０６が、上述のように、コンデ
ンサ１０８にエネルギーを伝達することになる。トラン
ス１１４のサイズ及び充電クロック信号３１０の最適周
波数を選択する場合には、いくつかの要素を考慮すべき
である。例えば、トランス１１４のコア１０５内に蓄積
されるエネルギーは、一次巻線１０４のインダクタンス
とそれに印加される電圧の両方の関数である。一般に、
トランス１１４のコア１０５が大きくなるほど、それを
取り巻く磁界内に蓄積可能なエネルギーも増大する。さ
らに、トランス１１４の磁気コア１０５が飽和する電流
が存在し、この値を超える電流を給与すると、回路の性
能は改善されない。一般に、トランスのコアが大きくな
るほど、飽和電流が大きくなる。従って、トランス１１
４の選択は、システムの物理的要件と電気的要件のバラ
ンスをとることが必要になる場合が多い。トランスが大
きくなると、より大きい電流を利用することが可能にな
り、従って、小形のトランスに比べてサイクル当たりよ
り高い速度（または、レート）でエネルギーを伝達する
ことになるので、より低い周波数を使用することが可能
になる。これによって、支援コンポーネントに対する要
求が減少し、支援コンポーネントは、例えば、より低い
速度で動作することが可能になる。しかし、トランスが
大きくなると、多量のスペースを占有し、重量が増すこ
とになり、大電流が通ると、発生する熱が増大し、電気
的な妨害雑音を生じる可能性がある。一方、トランスが
小さくなると、等価なエネルギー量を伝達するために、
より高い周波数が必要になる。これは、トランスが小さ
くなると、利用する電流が少なくなり、従って、サイク
ル当たりより低い速度（レート）でエネルギーを伝達す
ることになるためである。しかし、より高い周波数を利
用して、等価なエネルギー伝達速度を実現するには、寄
生特性、ノイズ感度等のため、さらに複雑にならざるを
得なくなる。本発明の実施態様の１つでは、トランス１
１４は、Ｌｐが約８μＨで、巻数比が１：３８（一次：
二次）である。

【００５２】図８Ａ〜８Ｃには、本発明の実施態様の１
つに従って生成される典型的な波形が示されている。こ
の典型的な波形には、一次巻線１０４を流れる一次電流
１２４（図８Ａ）、二次巻線１０６を流れる二次電流１
２６（図８Ｂ）、及び、一次巻線１０４に印加される充
電電圧１２２（図８Ｃ）が含まれている。各波形の２サ
イクルを示しているが、各サイクルの組は、別々の時間
間隔間に挿入された一連のドットで示される、充電シー
ケンス中の異なる時間に発生する。

【００５３】上述のように、当初、トランス・コア１０
５には最小限のエネルギーが蓄積されているか、また
は、全く蓄積されていない。所望の量のエネルギーをト
ランス・コア１０５に蓄積するため、充電シーケンスの
呼び出し直後に、一次電流１２４がゼロから所定の最大
値Ｉ_maxまでランプ状に（すなわち、ある勾配で）増大
する。図８Ａ〜８Ｃに示す波形は、トランス・コア１０
５のエネルギーの初期蓄積に引き続いて生じる。この波
形は、本発明の固定周波数でデューティ・サイクルが可
変の電流波形１０９のデューティ・サイクルが変化する
状態を示している。これらの図では、コンデンサ１０８
が、二次巻線１０６の両端間に接続されているので、電
流波形１０９は、二次電流１０９と同じであることに留
意されたい。

【００５４】後述のように、一次電流波形１２４のデュ
ーティ・サイクルを制御して、コンデンサの両端間にお
ける電圧、すなわち、コンデンサに対するエネルギー伝
達速度が低い場合には、より長い持続時間にわたって、
また、コンデンサ電圧の上昇時には、より短い持続時間
にわたって、二次電流１０９がコンデンサ１０８に給与
されるようにする。コンデンサ１０８に伝達されるエネ
ルギーは、トランス・コア１０５に蓄積される。エネル
ギーがトランス・コア１０５に伝達される速度は、図８
Ａの一次電流波形の一定の勾配によって示されるよう
に、充電シーケンス全体にわたってほぼ一定である。一
方、トランス・コア１０５からコンデンサ１０８へのエ
ネルギー伝達速度は、コンデンサ電圧の上昇につれて速
くなる。これは、図８Ｂの二次電流波形の負の勾配の増
大によって示されている。

【００５５】一次及び二次電流波形のデューティ・サイ
クルは、エネルギー伝達の平衡を実現するように調整さ
れ、これにより、トランスは充電シーケンス全体を通じ
て連続伝導動作モードに維持される。充電サイクル中に
各巻線を流れる電流は、トランス１１４の巻数比ｎの関
数である。一般に、一次電流１２４は、巻数比と直前の
サイクルの終了時における二次電流１２６との積にほぼ
等しい。一次電流１２４は、充電サイクルの第１の部分
において、この値からＩ_maxまでランプ状に増大する。
同様に、各充電サイクルついて、二次電流１２６は、す
ぐに生じる一次電流１２４を巻数比で割った値に等し
い。二次電流１２６は、充電サイクルの残りの部分にお
いて、この値からより低いある値までランプ状に減少す
る。

【００５６】図を参照すると、充電電圧１２２は、時間
ｔ₁に始まり、時間ｔ₂に終了する持続時間ｔ₄にわたっ
て、一次巻線１０４に印加される。時間ｔ₂において、
一次電流１２４は、所定の最大値Ｉ_maxに達する。これ
に応答して、パルス化電圧源１０２が、充電電圧波形１
２２の立ち下がりエッジによって示すように時間ｔ₂に
おいてオフになる。この時点において、一次巻線電流１
２４は、ゼロまで減少し、二次巻線１０６の二次電流１
２６は、Ｉ_max／ｎのレベルまで増大する。ここで、ｎ
は、トランス１１４の巻数比である。二次電流１２６
は、トランス・コア１０５に蓄積されたエネルギーがコ
ンデンサ１０８に伝達されると、減少し始める。これ
は、持続時間ｔ₅にわたって生じる。上述のように、こ
の実施態様の場合、二次巻線１０６は、一次巻線１０４
と位相が異なっており、従って、一次巻線１０４が充電
中でないときは、エネルギーを伝達する、すなわち、時
間期間ｔ ₄及び時間期間ｔ₅は、充電電圧１２２の１周期
によって画定される１充電サイクルの間に生じる。

【００５７】上述のように、エネルギー伝達速度は、二
次電流１２６の減少速度、すなわち、時間期間ｔ₅にお
ける二次電流波形１２６の勾配の大きさに比例する。こ
の時間期間において、二次電流１２６は、Ｉ_max／ｎか
らＩ_slに減少する。時間期間ｔ₅は、定周波数クロック
信号３１０の周波数の選択によって決まる。時間ｔ₃に
おいて、定周波数クロック信号（不図示）は、状態を変
化させ、図８Ｃに示すように、一次巻線１０４に主充電
電圧１２２を印加する。これによって、電流が一次巻線
１０４に流れ、二次巻線１０６の放電が停止される。こ
れは、ゼロ電流値からではなく、初期条件ｎ^*Ｉ_slから
線形に増大する一次電流波形１２４によって示されてい
る。ここで、ｎは、トランス１１４の巻数比である。

【００５８】図８Ａ〜８Ｃには、それぞれ、コンデンサ
電圧が時間間隔ｔ₄及びｔ₅におけるよりも高い、ある後
続時間におけるそれぞれの波形が示されている。この後
続時間ｔ₆において、定周波数クロック信号３１０の状
態が変化し、時間ｔ₆に始まり、時間ｔ₇に終了する持続
時間ｔ₉にわたって主充電電圧１２２（図８Ｃ）が一次
巻線１０４に印加される。時間ｔ₇において、一次電流
１２４が所定の最大値Ｉ_m _axに達する。これに応答し
て、パルス化電圧源１０２が、充電電圧波形１２２の立
ち下がりエッジによって示すように時間ｔ₇においてオ
フになる。この時点において、一次巻線電流１２４は、
ゼロまで減少し、二次巻線１０６の二次電流１２６は、
Ｉ_max／ｎのレベルまで増大する。二次電流１２６は、
トランス・コア１０５に蓄積されたエネルギーがコンデ
ンサ１０８に伝達されると、減少し始める。これは、持
続時間ｔ₁₀において生じ、その間に、二次電流１２６は
Ｉ_max／ｎからＩ_s2まで減少する。時間間隔ｔ₅において
生じる二次波形との比較によって、二次電流１２６の勾
配の変化がわかる。この勾配の変化は、コンデンサ電圧
が上がると、現在可能なエネルギー伝達速度が上昇する
ことを反映している。結果として、二次電流１２６は、
Ｉ_max／ｎから、時間間隔ｔ₅より短い時間間隔ｔ ₁₀にお
けるＩ_s1より小さいＩ_s2まで減少する。

【００５９】時間ｔ₈において、定周波数クロック信号
３１０の状態が変化し、図８Ｃに示すように、一次巻線
１０４に主充電電圧１２２が印加される。これによっ
て、一次巻線１０４に電流が流れ、二次巻線１０６の放
電が停止する。これは、初期条件ｎ^*Ｉ_s2から線形に増
大する一次電流波形１２４によって示されている。ここ
で、ｎは、トランス１１４の巻数比である。

【００６０】図８Ａ〜８Ｃには、それぞれ、コンデンサ
電圧が時間間隔ｔ₄、ｔ₅、及び、ｔ ₉、ｔ₁₀におけるよ
りも高い、さらに後のある時間におけるそれぞれの波形
が示されている。この後続時間ｔ₁₁において、時間ｔ₁₁
に始まり、時間ｔ₁₂に終了する持続時間ｔ₁₄にわたっ
て、主充電電圧１２２が、一次巻線１０４に印加され
る。時間ｔ₁₂において、一次電流１２４が所定の最大値
Ｉ_maxに達する。これに応答して、パルス化電圧源１０
２が、時間ｔ₁₂においてオフになり、一次巻線電流１２
４は、ゼロまで減少する。二次電流１２６は、時間ｔ₁₂
において、Ｉ_max／ｎのレベルまで増大する。二次電流
１２６は、トランス・コア１０５に蓄積されたエネルギ
ーがコンデンサ１０８に伝達されると、持続時間ｔ₁₅に
おいて、Ｉ_ma _x／ｎからＩ_s3まで減少する。時間間隔ｔ₅
及びｔ₁₀において生じる二次波形１２６との比較によっ
て、コンデンサ電圧のさらなる増大に起因するエネルギ
ー伝達速度の連続的な上昇を反映する、二次電流１２６
の勾配の連続的な変化がわかる。結果として、二次電流
１２６は、Ｉ_maxから、時間間隔ｔ₁₀より短い時間間隔
ｔ₁₅におけるＩ_s2より小さいＩ_s3まで減少する。時間ｔ
₁₃において、主充電電圧１２２が上昇して、一次巻線１
０４に電流が流れ、二次巻線１０６には流れなくなる。
これが、初期条件ｎ^*Ｉ_s3から線形に増大する一次電流
波形１２４によって示されている。

【００６１】一次巻線１０４にＩ_maxまで充電するため
の時間、すなわち、持続時間ｔ₄、ｔ ₉、及び、ｔ₁₄は、
順次長くなる時間期間である。逆に、二次巻線１０６を
Ｉ_max／ｎからＩ_s2まで放電させるための時間、すなわ
ち、持続時間ｔ₅、ｔ₁₀、及び、ｔ₁₅は、順次短くなる
時間期間である。これにより、トランス・コア１０５か
らコンデンサ１０８へのエネルギー伝達速度が増す場合
に、トランス・コア１０５が、充電シーケンス中、蓄積
されるエネルギー量を本質的に同じに保ち、その一方
で、コンデンサ１０８に迅速にエネルギーを伝達する、
ということが保証される。これが、本発明によるトラン
スの動作特性である、すなわち、連続動作モードにおい
て、トランス１１４から取り出されたエネルギーだけが
補充され、トランス１１４は、連続してエネルギーを蓄
積するように保持される。

【００６２】図９は、本発明の実施態様の１つを表すプ
ロセスを実行するためのフローチャートである。ステッ
プ９０２において、クロック信号がスイッチング要素に
加えられてパルス化電圧波形が生成される。ステップ９
０４で、このパルス化電圧波形をコンデンサ充電トラン
スの一次巻線に加え、所定のしきい値に等しくなるまで
一次巻線の電流の検出を行う（ステップ９０６、９０
８）。しきい値に達すると、ステップ９１０で電圧を遮
断する。ステップ９１２で、次の周波数サイクルの開始
を決定し、ステップ９０４で、再び、電圧をトランスの
一次巻線に供給する。

【００６３】上述のように、コンデンサ充電システム１
００は、任意の他の構成及び態様をとることができる。
例えば、上述の構成及びコンポーネントに加えて、また
はその代わりに、他の回路構成及びコンポーネントを使
用することが可能である。例えば、単一インダクタのよ
うな他の磁気素子を使用することができる。他の実施態
様では、電流調整器が用いられる。また、所定の動作条
件下において、デューティ・サイクルが、時間的に、長
時間と短時間との間を変動する可能性がある。これらの
動作条件は、例えば、クロック周波数、トランスのイン
ダクタンス、ピーク電流、コンデンサ電圧等の選択値に
よって生じる。本発明のコンデンサ充電器の開示された
実施態様によれば、最短時間で、かなりのエネルギーを
コンデンサ１０８に伝達することが可能になる。例え
ば、ある実施態様では、コンデンサ充電器によって、３
秒未満で、２４０ジュールまでコンデンサに蓄積するこ
とができる。

【００６４】本発明は、発明者Gregory D.Brinkの名義
として、本明細書と同時に提出された代理人整理番号10
990390-1の「System and Method for Charging A Capac
itorUsing a Variable Frequency, Variable Duty Cycl
e Current Waveform」と題する米国実用特許出願に関す
るものであり、この出願の明細書は、参照によりその全
体が本明細書に組み込まれている。

【００６５】本発明の思想及び範囲内において、図面に
示し、明細書で説明した実施態様にさまざまな変更及び
修正を施すことが可能であることは言うまでもない。従
って、上記説明に包含され、添付図面に示された全ての
内容は、例示のためのものであって、それらに限定する
ことを意図したものではない。本発明は、特許請求の範
囲に規定される事項及びその均等物によってのみ制限さ
れる。

【００６６】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。１．コンデンサ充電システムにおいて、コンデンサ（１
０８）に接続されたコンデンサ充電装置（１００）であ
って、固定周波数で、デューティ・サイクルが可変の波
形である振幅を有する電流（１０９）を発生することに
よって、前記コンデンサ（１０８）に充電するよう製作
及び構成されたコンデンサ充電装置（１００）と、前記
コンデンサ（１０８）と前記コンデンサ充電装置（１０
０）の間に電気的に接続及び挿入されたダイオード（１
０７）であって、陰極が前記コンデンサ（１０８）に接
続され、陽極が前記コンデンサ充電装置（１００）に接
続された、ダイオード（１０７）を備える、コンデンサ
充電システム。２．前記コンデンサ充電装置（１００）が、磁気素子
（１１４）であって、その両端間に前記コンデンサ（１
０８）が接続されている、磁気素子（１１４）と、前記
磁気素子（１１４）のノードに接続されたパルス化電圧
源（１０２）であって、第１の電圧と該第１の電圧より
低い第２の電圧間において、ほぼ一定の周波数で、かつ
可変のデューティ・サイクルで遷移する充電電圧（１２
２）を前記磁気素子（１１４）に供給するように製作及
び構成された、パルス化電圧源（１０２）を備える、上
項１のコンデンサ充電システム。３．前記磁気素子（１１４）が、一次巻線（１０４）
と、前記一次巻線（１０４）と位相が異なる二次巻線
（１０６）とを有するフライバック・トランス（１１
４）であり、前記コンデンサ（１０８）が前記二次巻線
（１０６）の両端間に接続されていることからなる、上
項２のコンデンサ充電システム。４．前記コンデンサ充電装置（１００）が、さらに、前
記一次巻線（１０４）の第２のノードに接続され、前記
一次巻線（１０４）を流れる電流（１２４）を表す電流
振幅信号（１２５）を発生するように製作及び構成され
た電流センサ（１１０）と、前記パルス化電圧源（１０
２）及び前記電流センサ（１１０）に動作可能に結合さ
れ、前記パルス化電圧源（１０２）にデューティ・サイ
クル調整信号（１１５）を与えて、前記充電電圧波形
（１１２）のデューティ・サイクルを前記電流振幅信号
（１２５）に基づいて調整するように製作及び構成され
た制御回路（１１６）を備える、上項３のコンデンサ充
電システム。５．前記パルス化電圧源（１０２）が、電圧を供給する
ための電圧源（２０４）と、前記電圧源（２０４）及び
前記一次巻線（１０４）に直列に接続されたスイッチン
グ要素（２０２）を備え、前記スイッチング要素（２０
２）によって、前記一次巻線（１０４）に印加される前
記電圧（２０４）が制御されることからなる、上項３の
コンデンサ充電システム。６．前記パルス化電圧源（１０２）が、さらに、前記ほ
ぼ一定周波数のクロック信号（３１０）を前記スイッチ
ング要素（３０２）に供給するクロック発生器（３０
４）を備え、前記スイッチング要素（３０２）が、前記
クロック信号（３１０）に応答して、前記電圧パルス
（１２２）を前記一次巻線（１０４）に供給することか
らなる、上項５のコンデンサ充電システム。７．前記制御回路（１１６）が、前記電流センサ（１１
０）に接続されたコンパレータ（５０８）であって、第
１の入力で前記電流振幅信号（１２５）を受信し、第２
の入力が電圧基準（５０６）に接続されており、前記電
流センサ（１１０）によって、前記一次巻線（１０４）
の前記電流（１２４）が所定の量にほぼ等しいことが示
されると、前記デューティ・サイクル調整信号（１１
５）の状態を変更するように製作及び構成されたコンパ
レータ（５０８）を備える、上項６のコンデンサ充電シ
ステム。８．前記制御回路（１１６）が、さらに、前記コンパレ
ータ（５０８）の前記第１の入力と前記電流センサ（１
１０）の間に挿入されたフィルタ（５１６）であって、
前記電流センサ（１１０）から前記電流振幅信号（１２
５）を受信する入力と、前記コンパレータ（５０８）の
前記第１の入力に結合された出力とを有するフィルタ
（５１６）を備え、前記フィルタ（５１６）は、前記電
流振幅信号（１２５）の少なくとも１つの周波数を減衰
させることからなる、上項７のコンデンサ充電システ
ム。９．前記制御回路（１１６）が、さらに、前記コンパレ
ータ（５０８）の前記出力に結合された第１の入力と、
前記クロック発生器（３０４）に結合された第２の入力
と、前記電圧パルス（１２２）の前記デューティ・サイ
クルを制御するために前記スイッチング要素に結合され
た出力を有する制御論理回路（４０２）であって、前記
第１の入力で前記デューティ・サイクル調整信号（１１
５）を受信し、前記第２の入力で前記クロック信号（３
１０）を受信することからなる、制御論理回路（４０
２）を備える、上項８のコンデンサ充電システム。１０．コンデンサ（１０８）に充電するための方法であ
って、振幅が固定周波数波形を有する電流（１０９）を
コンデンサ（１０８）に供給するステップと、前記固定
周波数の電流（１０９）のデューティ・サイクルを変化
させるステップと、固定周波数でかつデューティ・サイ
クルが可変の電圧波形（１２２）によってトランス（１
１４）の一次巻線を駆動するステップと、前記一次巻線
（１０４）を流れる電流（１２４）を検知するステップ
と、前記一次巻線（１０４）に流れる前記電流（１２
４）が所定の値に達すると、前記電圧波形（１２２）の
デューティ・サイクルを調整するステップを含む、方
法。

【００６７】本発明の概要は以下の様である。振幅が固
定周波数波形を有するところの電流（１０９）加えるこ
とによって高電圧コンデンサ（１０８）を充電するため
のシステム及び方法である。電流（１０９）がコンデン
サ（１０８）に加えられる充電シーケンスの間、固定周
波数電流（１０９）波形のデューティサイクルを、コン
デンサ（１０８）の電圧状態に基づいて動的に制御し
て、エネルギーをコンデンサ（１０８）に送ることが可
能な効率に従ってエネルギーの伝送を変更する。これに
よって、コンデンサの充電シーケンスが最適化され、高
電圧コンデンサ（１０８）を充電する速度が上がる。一
般的には、エネルギーは、フライバック・トランス（１
１４）のような磁気素子によって電源（２０４）からコ
ンデンサ（１０８）に伝送される。パルス化電圧源（１
０２）が、一定周波数及び調整可能なデューティサイク
ルを有する電圧パルス（１２２）をトランス（１１４）
の一次巻線（１０４）に供給する。最初は、トランスの
コア（１０５）にはエネルギーは蓄積されていない。そ
の結果、初期の電圧パルスのデューティサイクルは、ト
ランスのコア（１０５）に蓄えられるエネルギーを蓄積
するのに十分な持続時間を有する。トランス（１１４）
に所定量のエネルギーが蓄積されると、トランス（１１
４）は、電流１０９を生成してコンデンサ（１０８）を
充電するよう制御される。電流（１０９）の振幅は、固
定周波数で、かつ、デューティサイクルが可変の波形を
有する。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、迅速かつ効率的に高電
圧コンデンサを充電することが可能なデフィブリレータ
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の１実施態様によるコンデンサ充電シ
ステムの高レベルのブロック図である。

【図１Ｂ】本発明のコンデンサ充電回路の１実施態様の
ブロック図である。

【図２】本発明の別の実施態様のブロック図である。

【図３】本発明の別の実施態様のブロック図である。

【図４】本発明の別の実施態様のブロック図である。

【図５】本発明の１態様の電子回路図の略図である。

【図６】本発明の１態様の略ブロック図である。

【図７】図５に示すコンデンサ充電回路の制御論理回路
の１実施態様の略図である。

【図８Ａ】本発明の１実施態様における典型的な波形を
示す図である。

【図８Ｂ】本発明の１実施態様における典型的な波形を
示す図である。

【図８Ｃ】本発明の１実施態様における典型的な波形を
示す図である。

【図９】本発明の１実施態様を実行するプロセスに関す
るフローチャートである。

【符号の説明】

１００コンデンサ充電システム１０２パルス化電圧源１０４一次巻線１０６二次巻線１０７ダイオード１０８コンデンサ１１０電流センサ１１４トランス１１６制御回路２０２スイッチング要素２０４電圧源

フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 ＰａｇｅＭｉｌｌＲｏａｄＰａｌｏＡｌｔｏ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａＵ．Ｓ．Ａ. Ｆターム(参考） 5G003 AA01 AA04 CA02 CA12 GB04 5G065 GA02 HA04 HA08 JA01 LA01 LA02 MA03 MA04 MA10 NA01 NA02 NA05 NA09 5H730 AA14 AS04 BB43 BB57 DD04 EE07 FD41 FG05 XC03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンデンサ充電システムにおいて、コンデンサ（１０８）に接続されたコンデンサ充電装置
（１００）であって、固定周波数で、デューティ・サイ
クルが可変の波形である振幅を有する電流（１０９）を
発生することによって、前記コンデンサ（１０８）に充
電するよう製作及び構成されたコンデンサ充電装置（１
００）と、前記コンデンサ（１０８）と前記コンデンサ充電装置
（１００）の間に電気的に接続及び挿入されたダイオー
ド（１０７）であって、陰極が前記コンデンサ（１０
８）に接続され、陽極が前記コンデンサ充電装置（１０
０）に接続された、ダイオード（１０７）を備える、コ
ンデンサ充電システム。