JP4756155B2 - 付加的な機能のコントロールによる、集積された燃料電池の電力調整 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池電力システムに関し、より詳細には、出力電力を変換、調整およびレギュレートするための、組み込まれた電力調整機能回路を備えているＭＥＭＳ（マイクロエレクトロニックメカニカルシステム）に基づく、チップ上に形成された燃料電池構造に関する。

携帯用のパーソナルコンピュータの電子機器は、ますます小さくなっており、より高い電力密度を供給するバッテリまたはバッテリと同等のもの（つまり燃料電池）により、電子機器に電力供給する必要がある。

燃料電池およびそのコントロール技術は、何年にもわたって開発されてきた。その一例としては、米国特許第６３８７５５６号明細書には、燃料電池の動作を監視しかつコントロールするコントローラを備えている燃料電池電力システムが記載されている。この特許は、参照により本明細書に組み込まれている。

マイクロエレクトロニックメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）は、チップレベルで燃料電池を実施させるためのチャネルおよび膜を形成する技術にまで発展している。その一例を挙げるならば、Marshによる米国特許第６３１２８４６号明細書に記載のものである。この特許は、同一ウェハ上に形成された燃料電池構造（多くの個々の集積回路チップが形成されている大きな基板）を開示している。典型的には、個々のチップは、ウェハから切り出され、個々にパッケージングされる。しかし、Marshによれば、異なる機能回路は異なるチップ上に形成されているが、これらの異なるチップは同一ウェハ上に配置されている。よって、チップ間の接続は、別々に配線するかまたは堆積を行うかすることによって形成できる。これらのチップは、電力の変換、調整およびレギュレーションを含む機能を提供する。電力の変換、調整およびレギュレーションというこれらの語は、ここでも当分野でも繰り返し使用されるが、これらの「調整」「変換」および「レギュレーション」の各語は、文脈によって、他の２語の意味を含んでいてもよいし、含んでいなくともよい。

Marshの技術における１つの制限は、大きな区分のウェハを使用しなければならず、ウェハの直径が４インチ、８インチまたはそれより大きくなることもあるので、実際にこの技術の実施により得られるものが大きくなるという点である。この大きな区分には、異なるチップ間に間隔があり、電気的接続を形成するようにその間に相互接続が形成されなければならない。この相互の接続には、付加的なステップおよびそれにより生じるコストが必要である。

上記の米国特許からも明らかであるように、従来技術には、前述のようなチップレベルでの燃料電池構造の製造方法が記載されている。そして、別個の電子機器パッケージを使用して、変換、レギュレーションおよび調整の機能を提供することがよく知られており、この別個のパッケージは、ケーブルまたは半田付けされたワイヤを使用して電気的に相互接続されている。

しかし、ずっと小さなコンピュータならびに娯楽用およびビジネス用の携帯可能な電子機器を使用するための電力システムにおいて、その寸法を小さくすることが常に要求されるが、その一方でより高い電力密度を提供することも要求されている。これらの両方の要求をかなえるため、本発明の課題は、小さなパッケージ内に収められた高電力容量の実用的な燃料電池の電力供給を提供するための、スイッチモードまたは線形の電力供給回路を備えている、様々な電子デバイスを利用することである。

上述の背景技術の議論を考慮に入れて、本発明は、電力変換、調整およびレギュレーションコントロール部が全て単一のチップ上に構成されて組み込まれている燃料電池アレイを備えている、集積電力システムを提供する。１つの燃料電池または燃料電池アレイは、電気接点で第１の電圧出力を提供する。この１つまたは複数の燃料電池は、当分野で公知の形式でチャネルおよび膜を有しており、ガスが膜の両側のチャネル内を流れ、これにより、接点で第１の出力電圧が生成する。電力変換システムは、好ましくは当分野で公知のスイッチモード型の回路の利用により、第１の出力電圧を受容して、これを変換し調整して、電力供給を行う電気システム、特に電子的なコンピュータおよび／または通信システムに適した第２の出力電圧を生成する。調整は、特にアクティブフィルタリングまたはパッシブフィルタリングを含むことができる。

燃料電池のためのコントローラは、燃料電池チャネルに流入するガスをレギュレートする。ガス流量は、第１の出力電圧での電力出力に対応している。第２の出力電圧で要求される電力を検知し、燃料電池コントローラにフィードバック信号を供給する回路が設けられている。この燃料電池コントローラは、この第２の出力電圧で必要とされる出力電力に見合うように応答する。

好ましい一態様では、この集積電力システムには、ガスのための埋設された温度及び圧力センサが、ガス流チャネル内にまたはその近傍に設けられている。温度および圧力のデータは、コントローラに供給されて、システム性能を最適化するために利用される。この構成を使用する前に、温度及び圧力の関数としてのシステム性能を、当業者に公知の方法で測定して表すことができ、さらにこれは、性能を最適化するためにコントローラによって利用される。

パワートランジスタがチップに組み込まれており、好ましい態様では、このパワー構成部品との相互接続は、チップの上面でエッチングにより形成された路によって形成することができる。この上面は、チップの、集積回路製造において典型的な拡散および材料成長が行われる側である。別の態様では、パワートランジスタが、チップを貫通して基板の側へまで延びて形成されている。この構成では、トランジスタにおける高い電流密度および電力の場所を、チップの底部もしくは基板側で得ることができる。これによって、より良好な放熱およびより大きな電気的接続をチップの基板側で形成することが可能となる。

別の態様では、電力変換、調整およびコントロール機能の一部が、第１の接点を備えている別個のアッセンブリまたは別個の集積回路上に構成されている。さらに、この集積電力システムは、第１の接点に対応する接点を構成し、これにより、少なくとも１つのアッセンブリをチップ上にマウントすることができ、かつ電気的な接続をチップとこの別個のアッセンブリまたは集積回路との間に形成することができるようにしている。

以下に本発明の詳細を、例示的な実施態様、図面および使用方法に基づき説明するが、本発明が、これらの実施態様およびその使用方法に限定されないということは当業者には明らかである。むしろ、本発明の範囲は広く、特許請求の範囲のみによって規定されることが意図されている。

以下に本発明を、添付図面に基づき詳細に説明する。

図１に、単一の集積回路チップ２の構成図を示す。この単一の集積回路チップ２には、電力変換器６、電力調整およびレギュレーション回路８ならびにパワートランジスタ１０と共に、集積された燃料電池アレイ４が、このような機能を別々にパッケージングした場合に使用するものと同じダイまたはチップ２上に設けられている。

燃料電池アレイ４は、公知のＭＥＭＳ技術により形成されており、ＭＯＳＦＥＴ電力スイッチ１０もしくは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチ１０、ならにび電力変換器６およびコントロール回路８、例えばスイッチモード型回路（ＳＭＰＳ）は、燃料電池と同じ集積回路に形成されている。

図２Ａは、燃料電池４、ならびにスイッチモードの電源供給および調整回路のためのコントローラ機能部６および８の断面図である。図２Ａに示すアッセンブリは、チップの上面２０に形成された電力集積回路のための接触領域を示しており、「上」面は、上記に規定している。この場合、燃料電池アレイ４と集積回路の構成要素２２との間の接続は、チップ内でエッチングにより形成された路または成長させた層によって形成されている。集積回路、もしくは別個の回路２４も、ベースチップ２上にマウントすることができる。要素２４は、変換、レギュレーションおよびコントロール回路６、８を収容することができ（図１）、その一方で、パワートランジスタ１０（図１）を集積領域２２に形成することができる。別の態様（図示せず）では、変換、レギュレーションおよびコントロール回路を、チップ上の任意の集積領域内に形成してもよい。

図２Ｂに、本発明の別の態様を示す。この図では、パワートランジスタ１０が集積回路上に形成されているが、このパワートランジスタは、チップを通って下側もしくは基板側２６に延びている。この場合、底面側２２に電力回路のための接触領域が設けられているので、さらに高い電流密度および電力の散逸を補助するためのはるかにより大きな領域が得られる。

前述の好ましい実施態様を可能にする実際の集積技術は、ＭＯＳおよびバイポーラ構成要素のモノリシック集積、同じチップまたは担体にマウントされた複数のチップ（チップ・オン・チップ）、およびより従来的な技術を組合せた方法によって別々にマウントされた構成要素を含む。このようなアッセンブリおよび構造は、当業者にはよく知られているが、前記の各場合、別個のまたは付加的な配線は必要ではない。

図３に、本発明の一態様の動作機能を示す。コントローラ３０は、出力電力３４を燃料電池３２に直接的に入力し、さらにスイッチ電力レギュレータ３６に供給する。このレギュレータ３６は、レギュレートした電力３８をシステムロード４０へと出力する。レギュレータの出力電圧は、当分野で典型的に使用されるあらゆる電圧、例えば１.８、２.５、３.８および／または５.０ボルトとすることができる。しかし、実際には、バイポーラ電圧（負）を含むあらゆる出力電圧を使用することができる。スイッチ回路は、当分野でよく知られた典型的な用途において使用されているものであってよい。このシステムは、負荷状態を監視すること、およびその情報を適切なデータバスを通してデジタル信号の形で、埋設された燃料電池コントローラ機能４２に戻すこともできる。この埋設された燃料電池コントローラは、米国特許第６３１２８４６号明細書中でMarshにより教示されているものであって、ガス圧および温度４４を監視し、信号を出力して、これにより、燃料電池ガス４６の流量がコントロールされるので、異なる用途における異なる電力の要求に対応することができる。温度および圧力は、システムの性能を最適化するために、電力システムのコントロール部で利用される。燃料電池動作のシステム性能プロファイルは、当分野で知られているように、温度および圧力測定値に対するシステムの応答に対応するように生成することができる。このような燃料電池およびコントローラを形成することは現在当分野で公知であり、参照により本発明に組み込まれているMarshの特許が、ＭＥＭＳ燃料電池およびコントローラの形成について例示している。

電力調整回路内（スイッチモード電力回路、ＳＭＰＳと関連している）の負荷検知素子と燃料電池コントローラとの間にあるフィードバックデータパスにより、システムにおいて閉ループフィードバックの手法が可能となり、実際の電力供給と一致した負荷整合能が得られる。負荷検知素子には、カレントミラーＭＯＳトランジスタ対を使用することができ、その一方は負荷への電流線内に、ミラー（もう一方）はコントローラ内にある。ミラートランジスタは、当分野で公知の方法で（チャネル幅／長さにより）構成することができ、負荷電流と等しい、または負荷電流より小さなもしくはより大きなミラーが提供される。

ＩＣコントローラおよび電力調整回路のスタートアップには、負荷監視機能を備えたパワーアプリケーションをスタンバイおよび待機させるために、燃料電池電力の少量を取り出すことにより行うブートストラップスタートアップ方式を利用することができる。負荷の監視は、電力需要が増大して、必要時に最大電力までが供給される場合には、燃料電池コントローラに伝達するトリガとしての役割も果たすこともある。

以上、説明した実施態様は、ここでは例として挙げられていて、これらの変化形および発展形が可能であることを理解されたい。したがって、本発明は、特許請求の範囲において規定されているように、広いものであるとみなされるべきである。

本発明の好ましい態様の構成図である。 本発明の一態様によるチップの横断面図である。 本発明の別の態様によるチップの横断面図である。 本発明による一態様の機能を示すブロック図である。

Claims (7)

1. 単一のチップ上に構成された集積電力システムであって、
   ガスを流すためのチャネルを規定し、電圧信号を出力する、前記チップに組み込まれた少なくとも１つの燃料電池と、
   前記燃料電池のガスをチャネルに受容するための手段と、
   前記燃料電池からの電圧信号を受容し、電子システムでの使用に適した第２の出力電圧に電圧を変換する電力変換器と、
   少なくとも１つの燃料電池内に流入するおよび／または少なくとも１つの燃料電池を通過する前記ガスをレギュレートする燃料電池コントローラであって、該ガスの流れが、当該少なくとも１つの燃料電池の電力出力に対応する燃料電池コントローラと、
   前記第２の出力電圧によりもたらされた電力を検知し、該電力に対応するフィードバック信号を供給する手段と、
   前記信号を前記燃料電池コントローラへ接続する手段であって、当該燃料電池コントローラが、前記もたらされた電力に見合うように前記フィードバック信号に応答する、手段とを備え、
   前記燃料電池と前記電力変換器とが、チップ内にまたはチップの上面にエッチングにより形成された路によって電気的に接続されている、集積電力システム。
2. 流れる前記ガスの温度および圧力を測定し、当該集積電力システムへその測定値を伝達する手段を備えている、請求項１に記載の集積電力システム。
3. 前記チップの両面を規定しており、該チップの第１の面では、モノリシック構造が形成されて、相互接続されており、該チップの第２の面は、基板を規定しており、さらに前記電力変換器が、第２の出力電圧によって電流をもたらすパワートランジスタを備えている、請求項１に記載の集積電力システム。
4. 前記パワートランジスタが、前記チップに組み込まれており、当該パワートランジスタへの接続が、当該チップの前記第１の面で形成されている、請求項３に記載の集積電力システム。
5. 前記パワートランジスタが、前記チップに組み込まれており、当該パワートランジスタへの接続が、当該チップ前記第１の面および前記第２の面で形成されている、請求項３に記載の集積電力システム。
6. 電力変換、調整およびコントロール機能の少なくとも一部が、第１の接点を規定する少なくとも１つのアッセンブリ上に構成されており、前記チップが、該第１の接点に対応する接点を規定していて、これにより、該少なくとも１つのアッセンブリを前記チップ上にマウントすることができ、かつ電気的接続を当該チップと当該少なくとも１つのアッセンブリとの間に形成することができるようになっている、請求項１に記載の集積電力システム。
7. 電力変換機能が、スイッチモード型の回路を備えている、請求項１に記載の集積電力システム。

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