JP2006129658A - Thermoelectric generator, DC-DC converter manufacturing method, and boost conversion method - Google Patents
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Abstract
【課題】 熱電変換デバイスに発生した電圧を実用的なレベルに昇圧変換するための技術を提供する。
【解決手段】 PWM制御回路2は、発熱体の熱を電力に変換するサーモ・モジュールからの入力電圧Viにより生じる抵抗R2の両端間の電圧で駆動し、インダクタLと一方の入力端子間のスイッチングを高い周波数で行う。それにより、インダクタLに発生する逆起電力によって高い電圧を出力端子間に発生させる。
【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for step-up conversion of a voltage generated in a thermoelectric conversion device to a practical level.
A PWM control circuit 2 is driven by a voltage across a resistor R2 generated by an input voltage Vi from a thermo module that converts heat of a heating element into electric power, and switching between an inductor L and one input terminal. At a high frequency. Thereby, a high voltage is generated between the output terminals by the back electromotive force generated in the inductor L.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧をDC−DCコンバータにより昇圧変換させるための技術に関する。 The present invention relates to a technique for boost-converting a voltage obtained by a thermoelectric conversion device by thermoelectrically converting heat of a heating element using a DC-DC converter.
近年,エネルギーの有効利用が強く望まれている。そのために現在では、利用されずに捨てられている熱エネルギーが着目されている。これは、その熱エネルギーを回収し,活用することは非常に有効であるからである。このことから、熱エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する熱電発電が注目されている。 In recent years, the effective use of energy has been strongly desired. For this reason, attention is currently focused on thermal energy that is discarded without being used. This is because it is very effective to recover and utilize the thermal energy. For this reason, thermoelectric power generation that directly converts thermal energy into electrical energy has attracted attention.
熱−電気のエネルギー変換過程は総称して熱電変換と呼ばれる。未利用熱エネルギーの回収では、その熱電変換にゼーベック効果(熱電発電)を有する素子(熱電素子)が用いられるのが普通である(特許文献1〜5)。その熱電素子は、例えば特許文献1に記載されているように、複数個、接続させたデバイス(熱電変換デバイス)として用いられるのが普通である。 Thermal-electrical energy conversion processes are collectively referred to as thermoelectric conversion. In the recovery of unused thermal energy, an element (thermoelectric element) having a Seebeck effect (thermoelectric power generation) is usually used for thermoelectric conversion (Patent Documents 1 to 5). The thermoelectric element is usually used as a connected device (thermoelectric conversion device) as described in Patent Document 1, for example.
そのゼーベック効果と表裏一体の関係にあるペルチェ効果(熱電冷却)は、温度制御の分野で既に広く用いられている。これに対して、熱電発電を行うための技術は,特許文献1〜5を含む様々な文献で提案されているが、熱→電気への変換効率が数%程度と低いことで,実用化に至っていないのが実情である。しかし、熱電変換では原理的には単に熱電変換デバイスに温度差を与えるだけで電力が得られるため、分散型電源のエネルギー源としても期待ができる。そのように幅広い用途に適用可能であることもあって、最近では熱電素子における材料ベースでの高効率化の研究が盛んに行われている。 The Peltier effect (thermoelectric cooling), which is in one-sided relationship with the Seebeck effect, is already widely used in the field of temperature control. On the other hand, techniques for performing thermoelectric power generation have been proposed in various documents including Patent Documents 1 to 5, but since the conversion efficiency from heat to electricity is as low as several percent, it is put to practical use. The situation is not reached. However, in principle, in thermoelectric conversion, electric power can be obtained simply by giving a temperature difference to the thermoelectric conversion device, so that it can also be expected as an energy source for a distributed power source. Since it can be applied to such a wide range of uses, recently, research on improving the efficiency of thermoelectric elements on a material basis has been actively conducted.
熱電素子に与える温度差を大きくし、その熱電素子を多数、接続して熱電変換デバイスを作製すれば、理論的には熱電変換により十分な電圧を得ることができる。しかし、熱電素子にはあまり大きな温度差を与えられないのが普通であり、採用できる熱電素子の数にも制約があるのが普通である。このようなことから、10〜20℃程度の小さな温度差を利用して熱電変換デバイスによって得られた電圧を実用的なレベルに昇圧変換することが非常に重要と考えられる。 If a temperature difference applied to a thermoelectric element is increased and a number of thermoelectric elements are connected to produce a thermoelectric conversion device, a sufficient voltage can be theoretically obtained by thermoelectric conversion. However, it is normal that a large temperature difference cannot be given to the thermoelectric elements, and there are usually restrictions on the number of thermoelectric elements that can be employed. For this reason, it is considered very important to step up and convert the voltage obtained by the thermoelectric conversion device to a practical level using a small temperature difference of about 10 to 20 ° C.
なお、現在の電子機器には通常、時間を計時しているRTC(Real Time Clock)やユーザ固有のデータを保存するSRAM(Static Random Access Memory)が搭載されており、機器を動作させるための電源がOFF時でも、それらには電力を供給することが必要である。現在では、リチウムバッテリがバックアップ電源として使用されることが多いが、環境問題や高温での使用が厳しい、交換が必要、などの課題を有している。最近では、バックアップ電源レスでデータ保持できる不揮発性メモリデバイスとして、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)やMRAM(Magnetic Random Access Memory)が有望視され研究が活発に行われているが、RTCの計時保持用としてのバックアップ電源は必要な存在である。このようなことから、熱電発電はバックアップ電源への適用も望まれている。
本発明は、熱電変換デバイスに発生した電圧を実用的なレベルに昇圧変換するための技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique for boosting and converting a voltage generated in a thermoelectric conversion device to a practical level.
本発明の熱電発電装置は、発熱体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行うことを前提とし、発熱体の熱エネルギーを熱電変換により電気エネルギーに変換する熱電変換手段と、熱電変換手段により得ることができる電気エネルギーで駆動し、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを有する昇圧変換手段と、を具備する。 The thermoelectric power generation device of the present invention is based on the premise that power generation is performed by converting the heat energy of the heating element into electric energy, thermoelectric conversion means for converting the heat energy of the heating element into electric energy by thermoelectric conversion, and thermoelectric conversion A switching circuit that is driven by electrical energy obtainable by the means and performs switching at a predetermined frequency, and a step-up conversion means having an inductor that generates back electromotive force by the switching performed by the switching circuit.
本発明のDC−DCコンバータの作製方法は、熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧を昇圧変換させるDC−DCコンバータを作製するための方法であって、熱電変換デバイスにより得ることができる電圧で駆動する、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路を採用し、該スイッチング回路がスイッチングを行う周波数を考慮して、該スイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを採用し、熱電変換デバイスにより得られる電圧をスイッチング回路に印加させると共に、該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させる位置にインダクタを配置する回路構成で作製する。 The method for producing a DC-DC converter according to the present invention is a method for producing a DC-DC converter in which a thermoelectric conversion device boosts and converts a voltage obtained by thermoelectrically converting the heat of a heating element. A switching circuit that is driven by a voltage that can be obtained and that performs switching at a predetermined frequency is adopted, and an inductor that generates a counter electromotive force by the switching is adopted in consideration of the frequency at which the switching circuit performs switching, and a thermoelectric A circuit obtained by applying a voltage obtained by the conversion device to the switching circuit and arranging an inductor at a position where the back electromotive force is generated by the switching performed by the switching circuit.
本発明の昇圧変換方法は、熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧をDC−DCコンバータに昇圧変換させるための方法であって、熱電変換デバイスとして、インダクタに対するスイッチングを行うスイッチング回路の駆動に必要な電圧を発生できる熱電変換デバイスを用意し、DC−DCコンバータを、スイッチング回路、及びインダクタとして、該用意する熱電変換デバイスで得ることができる電圧を考慮して決定される周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該電圧を考慮して決定されるインダクタンスを有するインダクタを採用して作製し、該作製したDC−DCコンバータを用いて熱電変換デバイスにより得られる電圧を昇圧変換させる。 The step-up conversion method of the present invention is a method for step-up conversion of a voltage obtained by thermoelectric conversion device thermoelectrically converting heat of a heating element to a DC-DC converter, and performs switching for an inductor as the thermoelectric conversion device. A thermoelectric conversion device capable of generating a voltage necessary for driving the switching circuit is prepared, and the DC-DC converter is determined as a switching circuit and an inductor in consideration of the voltage that can be obtained by the prepared thermoelectric conversion device. A switching circuit that performs switching at a frequency and an inductor having an inductance determined in consideration of the voltage are employed, and the voltage obtained by the thermoelectric conversion device is boosted and converted using the fabricated DC-DC converter. .
本発明は、インダクタに対するスイッチングを行うスイッチング回路の駆動に必要な電圧を発生できる熱電変換デバイスを用意し、そのデバイスが発生させる電圧は、その電圧を考慮して決定される周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及びその電圧を考慮して決定されるインダクタンスを有するインダクタを採用して作製したDC−DCコンバータにより昇圧変換させる。 The present invention provides a thermoelectric conversion device capable of generating a voltage necessary for driving a switching circuit that performs switching with respect to an inductor, and the voltage generated by the device is switched at a frequency determined in consideration of the voltage. Step-up conversion is performed by a DC-DC converter manufactured by employing an inductor having an inductance determined in consideration of the circuit and its voltage.
DC−DCコンバータを構成するスイッチング回路を熱電変換デバイスで駆動できるようにすることにより、スイッチングによりインダクタに発生する逆起電力を利用した昇圧変換をそのDC−DCコンバータに行わせることができる。そのため、他からの電力供給が不要でありながら、電源として必要な電圧を発生させることができる。発生される電圧は、熱電変換デバイスに発生させるべき電圧、スイッチングを行う周波数、インダクタのインダクタンスによって変化することから、必要な電圧が得られるように、それらは決定すれば良い。 By enabling the switching circuit constituting the DC-DC converter to be driven by the thermoelectric conversion device, it is possible to cause the DC-DC converter to perform step-up conversion using the back electromotive force generated in the inductor by switching. For this reason, it is possible to generate a voltage necessary as a power source while no power supply from other is required. Since the generated voltage varies depending on the voltage to be generated in the thermoelectric conversion device, the frequency at which switching is performed, and the inductance of the inductor, they may be determined so as to obtain a necessary voltage.
インダクタに発生する逆起電力を利用した昇圧変換では、トランスを利用した場合と比較して、より高いスイッチング周波数(1MHz以上)を採用することができる。そのため、低インダクタンスのインダクタを採用するなどして、必要な電圧が得られる小型のDC−DCコンバータ(熱電発電装置)をより容易に実現させることができる。 In step-up conversion using the back electromotive force generated in the inductor, a higher switching frequency (1 MHz or higher) can be employed as compared with the case of using a transformer. Therefore, a small DC-DC converter (thermoelectric generator) that can obtain a necessary voltage can be more easily realized by adopting a low-inductance inductor.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本実施の形態による熱電発電装置に採用したDC−DCコンバータの回路構成を示す図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a DC-DC converter employed in the thermoelectric generator according to the present embodiment.
そのDC−DCコンバータ(以降「コンバータ」と略記)1は、図1に示すように、入力端子間にコンデンサCiを接続し、出力端子間にコンデンサCoと、直列に接続した抵抗R1、R2とを並列に接続し、コンデンサCiと抵抗R1間にインダクタL、ダイオードSBDを直列に接続し、スイッチング用のPWM制御回路2をコンデンサLとダイオードSBD間、抵抗R1、R2間、入力端子の一方にそれぞれ接続した回路構成となっている。 As shown in FIG. 1, the DC-DC converter (hereinafter abbreviated as “converter”) 1 has a capacitor Ci connected between input terminals, a capacitor Co between output terminals, and resistors R1 and R2 connected in series. Are connected in parallel, the inductor L and the diode SBD are connected in series between the capacitor Ci and the resistor R1, and the switching PWM control circuit 2 is connected between the capacitor L and the diode SBD, between the resistors R1 and R2, and one of the input terminals. Each circuit configuration is connected.
PWM制御回路2と接続された入力端子は、例えばグランドレベルとなるものである。その制御回路2は、例えばICの形で作製されたものである。抵抗R2の両端間の電圧により駆動して、インダクタLと入力端子の一方の間のスイッチングを予め定められた周波数で行う。コンバータ1は、そのスイッチングによりインダクタLに発生する逆起電力によって高い電圧を出力端子間に発生させるようになっている。 An input terminal connected to the PWM control circuit 2 is, for example, a ground level. The control circuit 2 is produced in the form of an IC, for example. Driven by the voltage across the resistor R2, switching between the inductor L and one of the input terminals is performed at a predetermined frequency. The converter 1 generates a high voltage between the output terminals by a counter electromotive force generated in the inductor L by the switching.
図2は、本実施の形態による熱電発電装置に採用した、上記コンバータ1に電力を供給するサーモ・モジュールを説明する図である。図2(a)は上面透視図、図2(b)は側面図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining a thermo module that supplies power to the converter 1 employed in the thermoelectric generator according to the present embodiment. 2A is a top perspective view, and FIG. 2B is a side view.
このサーモ・モジュール10は、図2(a)に示すように、例えばペルチェ素子(図中「P1」等と表記)11を10個カスケード接続し、図2(b)に示すように、熱伝導率の大きい平板12、13でサンドイッチして一体化したものである。そのペルチェ素子11はビスマス(Bi)−テルル(Te)系のP型・N型半導体対から構成されている。本実施の形態では、平板12、13として銅板を採用している。その平板12、13は、60mm×285mmの大きさとし、それらの間隔は5.5mmとしている。カスケード接続するペルチェ素子11の数は適宜、決定すれば良いものである。 As shown in FIG. 2A, the thermo module 10 includes, for example, ten Peltier elements (indicated as “P1” in the figure) 11 in cascade connection, and as shown in FIG. Sandwiched and integrated with flat plates 12 and 13 having a high rate. The Peltier element 11 is composed of a bismuth (Bi) -tellurium (Te) P-type / N-type semiconductor pair. In the present embodiment, copper plates are used as the flat plates 12 and 13. The flat plates 12 and 13 have a size of 60 mm × 285 mm, and the distance between them is 5.5 mm. The number of Peltier elements 11 to be cascade-connected may be determined as appropriate.
図3は、上記サーモ・モジュール10の温度差に対する熱電変換電圧の関係を説明する図である。その図3に示すように、そのモジュール10は、ゼーベック効果により温度差15〜20℃で1Vの熱電変換電圧が得られる機能を有している。なお、この時のモジュール10の両端電圧は無負荷として測定している。 FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship of the thermoelectric conversion voltage with respect to the temperature difference of the thermo module 10. As shown in FIG. 3, the module 10 has a function of obtaining a thermoelectric conversion voltage of 1 V at a temperature difference of 15 to 20 ° C. due to the Seebeck effect. Note that the voltage across the module 10 at this time is measured as no load.
図1に示すコンバータ1は、図3に示す熱電変換機能を備えたサーモ・モジュール(以下「モジュール」と略記)10が発生させる電圧を入力電圧として入力することを前提として作製している。それにより、熱電変換して得られた1V程度の低電圧をRTCとSRAMのデータ保持ができる電圧以上に昇圧させる必要があるため低電圧起動できること、およびバックアップ電源として使われているリチウムバッテリより同等以下のサイズにすれば高密度実装が要求される高速ボード設計ができること、などを配慮して高周波スイッチングを採用している。高周波スイッチングの採用により、ダイオードSBDとしてはショットキーダイオードを採用している。 The converter 1 shown in FIG. 1 is manufactured on the assumption that a voltage generated by a thermo module (hereinafter abbreviated as “module”) 10 having a thermoelectric conversion function shown in FIG. 3 is input as an input voltage. As a result, it is necessary to boost the low voltage of about 1V obtained by thermoelectric conversion to a voltage that can hold the data in the RTC and SRAM, so it can be started at a low voltage, and is equivalent to the lithium battery used as a backup power supply. High-frequency switching is adopted in consideration of the fact that high-speed board design that requires high-density mounting is possible with the following sizes. Due to the adoption of high frequency switching, a Schottky diode is employed as the diode SBD.
スイッチング周波数によるコンバータ特性の違いを確認するために、本実施の形態では、スイッチング周波数が異なる2種のコンバータ1を作製している。図4は、スイッチング周波数別の主回路定数を示す図である。図中、「Switching Frequency」は採用したPWM制御回路2がスイッチングを行う周波数、「Inductance」は採用したインダクタLが持つインダクタンス、「Input Capacitance」は採用したコンデンサCiが持つキャパシタンス、「Output Capacitance」は採用したコンデンサCoが持つキャパシタンス、をそれぞれ表している。2種(タイプ(Type)1、2)のコンバータ1の何れにも、入力電圧がVi=0.85Vから起動でき、起動すればVi=0.8V未満でも動作できる性能を持つPWM制御回路2を採用している。 In order to confirm the difference in converter characteristics depending on the switching frequency, in this embodiment, two types of converters 1 having different switching frequencies are manufactured. FIG. 4 is a diagram showing main circuit constants for each switching frequency. In the figure, “Switching Frequency” is the frequency at which the adopted PWM control circuit 2 performs switching, “Inductance” is the inductance of the adopted inductor L, “Input Capacitance” is the capacitance of the adopted capacitor Ci, and “Output Capacitance” is The capacitances of the adopted capacitors Co are respectively shown. In any of the two types (types 1 and 2) of converters 1, a PWM control circuit 2 having a performance capable of starting from an input voltage of Vi = 0.85 V and capable of operating even if Vi is less than 0.8V. Is adopted.
図5は、SRAMとRTCのデータ保持に要求される特性を説明する図である。
汎用のRTCとSRAMは、図5に示すように、データ保持電圧が1.6Vであればバックアップできること、バックアップ回路システムに適用した場合のダイオードロス(0.5〜0.6V)を考慮して、出力電圧Voとしては2V以上を確実に確保できるようにVo=2.8Vに設定した。図4に示す主回路定数(コンバータ1を構成するデバイスのパラメータ)は、そのことを考慮して決定している。
FIG. 5 is a diagram for explaining characteristics required for data retention of SRAM and RTC.
As shown in FIG. 5, general-purpose RTCs and SRAMs can be backed up if the data retention voltage is 1.6V, and diode loss (0.5 to 0.6V) when applied to a backup circuit system is taken into consideration. The output voltage Vo was set to Vo = 2.8V so as to ensure 2V or more. The main circuit constants (parameters of devices constituting the converter 1) shown in FIG. 4 are determined in consideration thereof.
図6、及び図7はそれぞれ、スイッチング周波数が3MHz、1.4MHzのコンバータ1の負荷特性を示す図である。出力電流(OutputCurrent)に対する出力電圧(Output Voltage)の関係を、Vi=0.8、1.0、及び1.2Vの入力電圧別に示したものである。それらは、入力は直流安定化電源が発生させる電圧とした場合のものである。これは、モジュール10を入力源とした場合の負荷特性と比較するリファレンスとなる。 FIG. 6 and FIG. 7 are diagrams showing the load characteristics of the converter 1 with switching frequencies of 3 MHz and 1.4 MHz, respectively. The relationship of the output voltage (Output Voltage) with respect to the output current (OutputCurrent) is shown for each input voltage of Vi = 0.8, 1.0, and 1.2V. These are inputs when the input is a voltage generated by a DC stabilized power supply. This is a reference to be compared with load characteristics when the module 10 is used as an input source.
図6、及び図7に示すように、いずれもVo=2.8Vの定電圧特性範囲は、入力電圧が低いほど狭くなるが、1V未満の低電圧でも正常に動作している。このことから、いずれのタイプのコンバータ1も1V程度の熱電変換電圧を昇圧させることができる性能を有していることが判る。また、出力電力は、Vi=1.2Vで1.4MHz時に0.3Wが得られていることから、コンバータ1を動作させた時の熱電変換電圧として1.2Vを実現すれば、比較的大きな電力を得られることが判る。これは、一般の電子機器で10〜20℃程度の温度差を発生させる熱のエネルギーを高効率に回収し、電気エネルギーとして再利用できることを意味する。 As shown in FIG. 6 and FIG. 7, the constant voltage characteristic range of Vo = 2.8V becomes narrower as the input voltage is lower, but it operates normally even at a low voltage of less than 1V. From this, it can be seen that any type of converter 1 has a performance capable of boosting a thermoelectric conversion voltage of about 1V. Further, since the output power is 0.3 W at 1.4 MHz with Vi = 1.2V, if 1.2V is realized as the thermoelectric conversion voltage when the converter 1 is operated, it is relatively large. It turns out that electric power can be obtained. This means that heat energy that generates a temperature difference of about 10 to 20 ° C. in a general electronic device can be recovered with high efficiency and reused as electric energy.
図8、及び図9は、スイッチング周波数(fs)が3MHz、1.4MHzのコンバータ1における出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。図8(a)、図9(a)には出力電圧波形、図8(b)、図9(b)には出力ノイズの周波数スペクトラムをそれぞれ示してある。それらは何れも、入力は直流安定化電源が発生させる電圧とした場合のものである。ここでは、入力電圧はVi=0.8V、負荷はRL=130kΩの条件である。 8 and 9 are diagrams illustrating the output voltage waveform and the frequency spectrum of the output noise in the converter 1 with the switching frequency (fs) of 3 MHz and 1.4 MHz. FIGS. 8A and 9A show the output voltage waveform, and FIGS. 8B and 9B show the frequency spectrum of the output noise. In either case, the input is a voltage generated by a DC stabilized power supply. Here, the input voltage is Vi = 0.8 V, and the load is RL = 130 kΩ.
図8、及び図9に示すように、スイッチング周波数fsが3MHzのコンバータ1が、1.4MHzのそれと比べてリプル電圧と高調波ノイズが大きくなっている。しかし、何れのコンバータ1もVi=0.8Vで正常に動作し、出力電圧もバックアップ電源(図5参照)として問題ない精度であることが判る。 As shown in FIGS. 8 and 9, the converter 1 having a switching frequency fs of 3 MHz has a larger ripple voltage and higher harmonic noise than that of 1.4 MHz. However, it can be seen that any converter 1 operates normally at Vi = 0.8 V, and the output voltage is accurate enough to serve as a backup power source (see FIG. 5).
次に、入力源としてモジュール10を用いた場合について、図10〜図15を参照して具体的に説明する。
図2に示すモジュール10を入力源としてコンバータ1が起動できるか否かを実験した。モジュール10は、発熱部品(発熱体:例えば電源のヒートシンクやCPUなど)に貼り付ける形で配置した。その実験を行ったところ、実験開始から15〜20分でコンバータ1は起動し、出力電圧が設定電圧値であるVo=2.8Vに達した。起動後は入力電圧がVi=0.85Vに達してから昇圧動作に入り、出力電圧がVo=2.8Vの設定電圧になると入力電圧はVi=0.75Vにまで落ち込んだが、動作は維持できた。無負荷時では1Vに達していたが、コンバータ1(PWM制御回路2)を起動させるために必要なエネルギーで入力電圧が0.75Vにまで低下したものと考えられる。
Next, the case where the module 10 is used as an input source will be specifically described with reference to FIGS.
An experiment was conducted to determine whether or not the converter 1 can be activated using the module 10 shown in FIG. 2 as an input source. The module 10 is arranged in a form to be attached to a heat generating component (heating element: for example, a heat sink or a CPU of a power source). As a result of the experiment, the converter 1 was started 15 to 20 minutes after the start of the experiment, and the output voltage reached the set voltage value Vo = 2.8V. After start-up, when the input voltage reaches Vi = 0.85V, the boost operation starts. When the output voltage reaches the set voltage of Vo = 2.8V, the input voltage drops to Vi = 0.75V, but the operation can be maintained. It was. Although it reached 1V at the time of no load, it is considered that the input voltage has decreased to 0.75V with the energy required to start the converter 1 (PWM control circuit 2).
図10、及び図11はそれぞれ、モジュール10を入力源とした場合のスイッチング周波数fsが3MHz、1.4MHzのコンバータ1の負荷特性を示す図である。図10、及び図11では、コンバータ1が起動した直後の特性(丸でプロット)、起動後30分経過後の特性(四角でプロット)および60分経過後の特性(三角でプロット)をそれぞれ示している。 FIG. 10 and FIG. 11 are diagrams showing the load characteristics of the converter 1 with the switching frequency fs of 3 MHz and 1.4 MHz when the module 10 is used as an input source. FIGS. 10 and 11 show the characteristics immediately after the converter 1 is started (plotted by a circle), the characteristics after 30 minutes have elapsed since startup (plotted by a square), and the characteristics after 60 minutes have elapsed (plotted by a triangle), respectively. ing.
図10、及び図11から、起動直後では定電圧特性範囲が狭くなる傾向があることがわかる。これは、熱エネルギ−がモジュール10の高温側と低温側とで定常状態になっていないことにより、安定な電気エネルギーが得られにくい、つまり熱電変換が安定的に行われずに入力電圧の変動が大きいためと考えられる。しかし、SRAMとRTC用のバックアップ電源の負荷は1.2μA(図5)程度で、SRAMを複数使用していたとしても10μAほど見ておけば十分バックアップ可能であることから、コンバータ1起動直後の0.2mAの出力電流でも実際上は問題ない。さらに、熱が定常状態に達した場合には出力電流が0.8mAを越える範囲まで定電圧特性が得られることからバックアップ電源としての機能は十分であると判断できる。ここで、コンバータ1の入力源に直流安定化電源を用いてVi=0.75Vに設定した場合も出力電流が0.8mAまでの範囲で定電圧特性となり、入力源をモジュール10とする(熱電変換エネルギーを入力とする)場合と同等の出力特性となることを確認した。すなわち、熱電変換電圧がVi=1.2Vを実現できれば、出力電力として0.3Wを得られると判断できる。 10 and 11, it can be seen that the constant voltage characteristic range tends to narrow immediately after startup. This is because the thermal energy is not in a steady state between the high temperature side and the low temperature side of the module 10, so that it is difficult to obtain stable electric energy, that is, the thermoelectric conversion is not stably performed and the input voltage fluctuates. It is thought that it is large. However, the load of the backup power supply for SRAM and RTC is about 1.2 μA (FIG. 5), and even if a plurality of SRAMs are used, it can be backed up by looking at about 10 μA. There is practically no problem with an output current of 0.2 mA. Furthermore, when the heat reaches a steady state, constant voltage characteristics can be obtained up to a range where the output current exceeds 0.8 mA, so that it can be determined that the function as a backup power source is sufficient. Here, even when Vi is set to 0.75 V using a DC stabilized power source for the input source of the converter 1, the output current has constant voltage characteristics in the range up to 0.8 mA, and the input source is the module 10 (thermoelectric It was confirmed that the output characteristics were the same as when conversion energy was input. That is, if the thermoelectric conversion voltage can achieve Vi = 1.2V, it can be determined that 0.3 W can be obtained as the output power.
図12、及び図13はそれぞれ、モジュール10を入力源とした場合のスイッチング周波数fsが3MHz、1.4MHzのコンバータ1における出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。図8、及び図9と同様に、図12(a)、図13(a)には出力電圧波形、図12(b)、図13(b)には出力ノイズの周波数スペクトラムをそれぞれ示してある。ここでは、入力電圧はVi=0.75V、負荷はRL=130kΩの条件である。 FIGS. 12 and 13 are diagrams illustrating the output voltage waveform and the frequency spectrum of output noise in the converter 1 with the switching frequency fs of 3 MHz and 1.4 MHz when the module 10 is used as an input source. Similar to FIGS. 8 and 9, FIGS. 12 (a) and 13 (a) show output voltage waveforms, and FIGS. 12 (b) and 13 (b) show output noise frequency spectra. . Here, the input voltage is Vi = 0.75V, and the load is RL = 130 kΩ.
図12、及び図13から、何れのコンバータ1でも出力電圧の精度は実際の使用上問題ないレベルであることがわかる。しかし、直流安定化電源を入力源とした場合(図8、及び図9)には存在しないノイズ成分(図中の○部)が確認される。すなわち、スイッチング周波数fsの基本波と高調波成分以外のノイズであり、これは3MHz、1.4MHzのコンバータ1で同じ周波数帯に存在している。このノイズ成分を調べるためにコンバータ1を接続せず、モジュール10の両端に1MΩの抵抗負荷を接続し、その両端電圧の周波数スペクトラムを調べてみた。比較として直流安定化電源にも同じ1MΩの抵抗負荷を接続して調べてみた。モジュール10では両端電圧は1.2V、直流安定化電源では両端電圧は1.0Vとした。直流安定化電源の周波数スペクトラムは図14、モジュール10のそれは図15にそれぞれ示す。 From FIG. 12 and FIG. 13, it can be seen that in any converter 1, the accuracy of the output voltage is at a level that does not cause a problem in actual use. However, when a DC stabilized power source is used as an input source (FIGS. 8 and 9), noise components that do not exist (circled in the figure) are confirmed. That is, it is noise other than the fundamental wave and harmonic components of the switching frequency fs, which is present in the same frequency band in the 3 MHz and 1.4 MHz converters 1. In order to investigate this noise component, the converter 1 was not connected, but a resistance load of 1 MΩ was connected to both ends of the module 10, and the frequency spectrum of the voltage at both ends was examined. For comparison, the same 1 MΩ resistive load was also connected to the DC stabilized power supply. The voltage across the module 10 was 1.2V, and the voltage across the DC stabilized power supply was 1.0V. The frequency spectrum of the DC stabilized power supply is shown in FIG. 14, and that of the module 10 is shown in FIG.
図14に示すように、直流安定化電源では、暗ノイズのみ観測される。しかし、モジュール10では、図15に示すように、1MHz〜10MHz全域に渡って、ほぼ等間隔周波数のノイズ成分が観測される。この周波数成分はモジュール10を入力源として用いたコンバータ1の出力ノイズ(図12(b)、図13(b))においてスイッチング周波数fs以外の成分として観測されたものと一致する。このことから、これは熱雑音であり、熱電変換作用で発生するノイズ成分であることがわかる。また、熱電変換によって発生する熱雑音は、コンバ−タ1のインダクタL、コンデンサCiで構成されるパッシブフィルタを通過することにより、その周波数成分は低減されている効果も確認することができる。 As shown in FIG. 14, only the dark noise is observed with the DC stabilized power supply. However, in the module 10, as shown in FIG. 15, noise components with substantially equal frequency are observed over the entire range of 1 MHz to 10 MHz. This frequency component matches that observed as a component other than the switching frequency fs in the output noise (FIG. 12B, FIG. 13B) of the converter 1 using the module 10 as an input source. From this, it can be seen that this is a thermal noise and a noise component generated by the thermoelectric conversion action. In addition, the thermal noise generated by thermoelectric conversion can be confirmed to pass through a passive filter including the inductor L and the capacitor Ci of the converter 1 to reduce the frequency component.
このように、適切なモジュール10を採用し、そのモジュール10によってコンバータ1(PWM制御回路2)を起動させ、昇圧変換を行わせることにより、モジュール10、及びコンバータ1は他からの電力供給が常に全く不要な電源(バックアップ電源)として用いることができる。その電源の電子機器への適用は、例えば以下のようにして行うことができる。図16〜図19を参照して具体的に説明する。 In this way, by adopting an appropriate module 10 and starting up the converter 1 (PWM control circuit 2) by the module 10 and performing step-up conversion, the module 10 and the converter 1 are always supplied with power from other sources. It can be used as a completely unnecessary power source (backup power source). The power supply can be applied to electronic devices as follows, for example. This will be specifically described with reference to FIGS.
図16は、バックアップ電源としての応用例を説明する図である。
その応用例では、通常動作時には、機器本体の電源VCCからSRAM、RTCを有する負荷1602に電力(エネルギー)が供給される。電源VCCの電圧V1は、図中のA点では途中の損失による電圧降下分ΔVsだけ降下する(A;V1−ΔVs)。同時に、ダイオードD1を介して電気二重層コンデンサCedへの充電が行われ、そのコンデンサCedはサブバックアップ電源として機能できるように備えられる。そのコンデンサCedの充電によって得られる電圧V3は、図中のA点では、ダイオードD2による電圧降下分ΔVdだけ降下する(A;V3−ΔVd)。モジュール10で発電した熱電変換エネルギーを用いたコンバータ1の出力電圧V2は、図中のA点では、ダイオードD2による電圧降下分ΔVdだけ降下する(A;V3−ΔVd)。これらのことから、A点における電圧の大小関係は、例えば
V3−ΔVD < V2−ΔVd < V1−ΔVs
と設定することで、電子機器へのバックアップ電源として適用しても良い。
FIG. 16 is a diagram illustrating an application example as a backup power source.
In the application example, during normal operation, power (energy) is supplied from the power supply VCC of the device body to a load 1602 having SRAM and RTC. The voltage V1 of the power supply VCC drops by a voltage drop ΔVs due to a loss in the middle at point A in the figure (A; V1−ΔVs). At the same time, the electric double layer capacitor Ced is charged through the diode D1, and the capacitor Ced is provided so as to function as a sub-backup power supply. The voltage V3 obtained by charging the capacitor Ced drops by a voltage drop ΔVd due to the diode D2 at a point A in the figure (A; V3−ΔVd). The output voltage V2 of the converter 1 using the thermoelectric conversion energy generated by the module 10 drops by a voltage drop ΔVd due to the diode D2 at point A in the figure (A; V3−ΔVd). From these facts, the magnitude relationship of the voltage at the point A is, for example, V3-ΔVD <V2-ΔVd <V1-ΔVs.
May be applied as a backup power source for electronic devices.
図中の1601は、スイッチS1、ダイオードD2を有するシステムICである。電源VCCと負荷1602間をスイッチS1により接続し、上記大小関係の設定に従い、実際の大小関係に応じてスイッチS1の開閉を行う。それにより、コンバータ1の出力電圧V2が実用上、利用できる状況では、スイッチS1を開にして、コンバータ1の出力電圧V2をバックアップに用いるようになっている。モジュール10に対してコンバータ1と並列に接続させたコンデンサCstは、スタートアップ・キャパシタとして用いられるものである。 Reference numeral 1601 in the figure denotes a system IC having a switch S1 and a diode D2. The power supply VCC and the load 1602 are connected by the switch S1, and the switch S1 is opened and closed according to the actual magnitude relationship according to the magnitude relationship setting. As a result, when the output voltage V2 of the converter 1 is practically available, the switch S1 is opened and the output voltage V2 of the converter 1 is used for backup. A capacitor Cst connected to the module 10 in parallel with the converter 1 is used as a startup capacitor.
スイッチS1を開にする状況とは、機器本体が電源OFFとなっている状況である。電源OFF時に機能させるために、モジュール10には、常時動作しているような別の機器から熱エネルギーを伝達させることが必要である。 The situation in which the switch S1 is opened is a situation in which the device main body is turned off. In order to function when the power is turned off, the module 10 needs to transmit thermal energy from another device that is always operating.
図17は、ファン駆動電源としての応用例を説明する図である。
発熱部品(例えば、電源のヒートシンクやCPUなど)のなかには、ファンによる冷却が必要なものが存在する。この応用例は、冷却が必要な発熱部品1701にモジュール10を貼り付けなどにより配置し、それによってモジュール10に伝達される熱エネルギーを熱電変換により電気エネルギーに変えてコンバータ1に供給することにより、発熱部品1701冷却用のファン(FAN)1702をコンバータ1の出力電圧により駆動させるものである。部品1701が高温でない時は、つまり冷却を行う必要がない時は、モジュール10からの入力電圧が低いためにファン1702は停止することから、モジュール10に生じる温度差によるセルフ・コントロールを行うことができる。必要な時に必要なだけ駆動することから、FAN1702の寿命延命(メンテナンス・フリー)を適切な形で実現させることができる。
FIG. 17 is a diagram illustrating an application example as a fan driving power source.
Some heat generating components (for example, a heat sink or a CPU of a power source) require cooling by a fan. In this application example, the module 10 is disposed on the heat generating component 1701 that needs to be cooled, for example, by placing it, and the thermal energy transmitted to the module 10 is converted into electric energy by thermoelectric conversion and supplied to the converter 1. The fan (FAN) 1702 for cooling the heat generating component 1701 is driven by the output voltage of the converter 1. When the component 1701 is not at a high temperature, that is, when it is not necessary to perform cooling, the fan 1702 is stopped because the input voltage from the module 10 is low, so that the self-control by the temperature difference generated in the module 10 can be performed. it can. Since driving is performed as necessary when necessary, life extension (maintenance-free) of the FAN 1702 can be realized in an appropriate form.
図18は、LCD搭載の電子機器の構成図である。
その電子機器は、主電源1810から電力を高速ボード1800、及びインバータ1820に供給することにより、高速ボード1800にLCDユニット1830のLCDを駆動させ、インバータ1820にそのユニット1830のバックライトを駆動させるタッチパネルである。高速ボード1800には、POL(Point of Load)電源である3つのローカル電源1801〜1803が設けられている。ローカル電源1801によりCPU1804に電力を供給し、ローカル電源1802によりグラフィックLSI1805に電力を供給し、ローカル電源1803によりCPU1804、グラフィックLSI1805、及びメモリロジックIC1806にそれぞれ電力を供給できるようになっている。ロジックICや通信ICなどの負荷1807には主電源1810からの電力が供給されるようになっている。
FIG. 18 is a configuration diagram of an electronic device equipped with an LCD.
The electronic device supplies power from the main power supply 1810 to the high-speed board 1800 and the inverter 1820, thereby driving the LCD of the LCD unit 1830 to the high-speed board 1800 and causing the inverter 1820 to drive the backlight of the unit 1830. It is. The high-speed board 1800 is provided with three local power supplies 1801 to 1803 which are POL (Point of Load) power supplies. The local power supply 1801 can supply power to the CPU 1804, the local power supply 1802 can supply power to the graphic LSI 1805, and the local power supply 1803 can supply power to the CPU 1804, the graphic LSI 1805, and the memory logic IC 1806. Electric power from the main power supply 1810 is supplied to a load 1807 such as a logic IC or a communication IC.
図19は、上記電子機器のPOL電源としての応用例を説明する図である。
POL電源としての応用では、モジュール10には機器本体の電源がON時に自己発熱する、図17に示すような発熱部品1701から熱エネルギ−を伝達させる。一般的にPOL電源は高速ボード上では降圧型のコンバータを用いた構成となっている。図19に示す応用例は、高速ボード1800上のPOL電源であるローカル電源1801と、モジュール10、及びコンバータ1を有する電源と、を切り換えて利用できるようにしたものである。システムIC1601は、その切り換えに用いている。スイッチS1は、A点における電圧の大小関係がV2−ΔVd<V1−ΔVsを満たしている状況では閉とさせる。それにより、コンバータ1の出力電圧V2が実用上、利用できる状況では、その出力電圧V2を利用するため、機器の低消費電力化に貢献することができる。図中のLSI1901は、図18に示す構成ではCPU1804、及びグラフィックLSI1805の両方、或いはその一方に相当する。
FIG. 19 is a diagram illustrating an application example of the electronic device as a POL power source.
In application as a POL power source, the module 10 is caused to transmit heat energy from a heat generating component 1701 as shown in FIG. In general, the POL power supply has a configuration using a step-down converter on a high-speed board. In the application example shown in FIG. 19, a local power source 1801 that is a POL power source on the high-speed board 1800 and a power source having the module 10 and the converter 1 can be switched and used. The system IC 1601 is used for switching. The switch S1 is closed in a situation where the voltage magnitude relationship at point A satisfies V2-ΔVd <V1-ΔVs. Thereby, in a situation where the output voltage V2 of the converter 1 can be practically used, the output voltage V2 is used, which can contribute to a reduction in power consumption of the device. In the configuration shown in FIG. 18, the LSI 1901 in the figure corresponds to both or one of the CPU 1804 and the graphic LSI 1805.
なお、本実施の形態では、コンバータ1としてステップアップ・コンバータを採用しているが、インダクタの逆起電力を利用して昇圧変換を行うものであれば別の種類のコンバータであっても良い。例えばインバーティング・コンバータであっても良い。これは、トランスを用いる種類では、高い周波数でのスイッチングではロスが非常に大きくなるためである。 In the present embodiment, a step-up converter is employed as the converter 1, but another type of converter may be used as long as it performs boost conversion using the back electromotive force of the inductor. For example, an inverting converter may be used. This is because the type using a transformer has a very large loss when switching at a high frequency.
サーモ・モジュール10に熱を伝達させる発熱体は、特に限定するものではない。身体に身に付けるタイプの電子機器では、身体の体温を利用しても良い。そのモジュール10は温度差に応じた熱電変換を行うことから、発熱体は周囲のものより低い温度となっているものであっても良い。このことから、以下のような応用も行うことができる。図20を参照して具体的に説明する。 The heating element that transfers heat to the thermo module 10 is not particularly limited. For electronic devices that are worn on the body, the body temperature may be used. Since the module 10 performs thermoelectric conversion according to the temperature difference, the heating element may have a temperature lower than that of the surroundings. From this, the following applications can also be performed. This will be specifically described with reference to FIG.
地下では、地表から或る程度の深さになると一年を通してほぼ一定の温度(15℃前後)となる。これに対し、地表は一年を通して比較的に大きく温度が変動する。日本では、冬では地表は地下よりも低い温度となり、夏では逆に、地表は地下よりも高い温度となる。図20中、「TL」は相対的に低い温度、「TH」は相対的に高い温度を表すシンボルである。一日、日による温度変動も大きいのが普通である。 Under the ground, when it reaches a certain depth from the surface of the earth, it becomes almost constant temperature (around 15 ° C) throughout the year. On the other hand, the temperature of the surface of the earth varies relatively throughout the year. In Japan, the surface of the earth is lower than the underground in winter, and conversely in summer, the surface is higher than the underground. In FIG. 20, “TL” is a symbol representing a relatively low temperature, and “TH” is a symbol representing a relatively high temperature. The temperature fluctuations from day to day are usually large.
このことから、図20に示すように、地下と地表との間に発生する温度差による熱電変換をモジュール10に行わせ、それによってモジュール10に発生する電圧をコンバータ1に昇圧変換させるようにしても良い。このような応用では、地下と地表の温度の上下関係は一定ではないことから、整流回路、或いはモジュール10とコンバータ1間の接続を切り換えるための切換回路等を用意して、その上下関係の変化に対応できるようにすることが望ましい。熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによる地球温暖化の防止策としても期待できる。 From this, as shown in FIG. 20, the module 10 performs thermoelectric conversion due to the temperature difference generated between the underground and the ground surface, thereby causing the converter 1 to step up the voltage generated in the module 10. Also good. In such an application, since the vertical relationship between the temperature of the underground and the ground surface is not constant, a rectifier circuit or a switching circuit for switching the connection between the module 10 and the converter 1 is prepared to change the vertical relationship. It is desirable to be able to handle this. It can also be expected as a measure to prevent global warming by converting thermal energy into electrical energy.
地表から温度がほぼ一定となる地下の深さまでの長さは、図2に示すような構成を採用しない場合であっても、モジュール10のサイズと比較して非常に大きくなることから、地表、及び地下のうちの少なくとも一方の熱をモジュール10に伝達させる仕組みを用意する必要がある。そのような仕組みを用意する必要から、モジュール10は地表、或いはその近傍の地下に配置しなくとも良い。 The length from the surface of the earth to the depth of the underground where the temperature is substantially constant is very large compared to the size of the module 10 even when the configuration shown in FIG. 2 is not adopted. It is necessary to prepare a mechanism for transferring the heat of at least one of the underground and the module 10 to the module 10. Since it is necessary to prepare such a mechanism, the module 10 does not have to be arranged on the ground surface or underground in the vicinity thereof.
1 DC−DCコンバータ
2 PWM制御回路
10 サーモ・モジュール
11 ペルチェ素子
12、13 平板
L インダクタ
Ci、Co コンデンサ
SBD ダイオード
R1、R2 抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC-DC converter 2 PWM control circuit 10 Thermo module 11 Peltier device 12, 13 Flat plate L Inductor Ci, Co Capacitor SBD Diode R1, R2 Resistance
Claims (3)
前記発熱体の熱エネルギーを熱電変換により電気エネルギーに変換する熱電変換手段と、
前記熱電変換手段により得ることができる電気エネルギーで駆動し、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを有する昇圧変換手段と、
を具備することを特徴とする熱電発電装置。 In a thermoelectric generator that generates electricity by converting the heat energy of a heating element into electrical energy,
Thermoelectric conversion means for converting thermal energy of the heating element into electric energy by thermoelectric conversion;
A switching circuit that is driven by electrical energy that can be obtained by the thermoelectric conversion means and performs switching at a predetermined frequency, and a step-up conversion means having an inductor that generates back electromotive force by switching performed by the switching circuit;
A thermoelectric generator characterized by comprising:
前記熱電変換デバイスにより得ることができる電圧で駆動する、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路を採用し、
該スイッチング回路がスイッチングを行う周波数を考慮して、該スイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを採用し、
前記熱電変換デバイスにより得られる電圧を前記スイッチング回路に印加させると共に、該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させる位置に前記インダクタを配置する回路構成で作製する、
ことを特徴とするDC−DCコンバータの作製方法。 A method for producing a DC-DC converter in which a thermoelectric conversion device boosts and converts a voltage obtained by thermoelectrically converting heat of a heating element,
Adopting a switching circuit that performs switching at a predetermined frequency, driven by a voltage that can be obtained by the thermoelectric conversion device,
In consideration of the frequency at which the switching circuit performs switching, an inductor that generates a back electromotive force by the switching is adopted,
A voltage obtained by the thermoelectric conversion device is applied to the switching circuit, and the inductor is arranged in a circuit configuration in which a counter electromotive force is generated by switching performed by the switching circuit.
A manufacturing method of a DC-DC converter characterized by the above.
前記熱電変換デバイスとして、インダクタに対するスイッチングを行うスイッチング回路の駆動に必要な電圧を発生できる熱電変換デバイスを用意し、
前記DC−DCコンバータを、前記スイッチング回路、及び前記インダクタとして、該用意する熱電変換デバイスで得ることができる電圧を考慮して決定される周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該電圧を考慮して決定されるインダクタンスを有するインダクタを採用して作製し、
該作製したDC−DCコンバータを用いて前記熱電変換デバイスにより得られる電圧を昇圧変換させる、
ことを特徴とする昇圧変換方法。 A method in which a thermoelectric conversion device boosts and converts a voltage obtained by thermoelectrically converting the heat of a heating element by a DC-DC converter,
As the thermoelectric conversion device, a thermoelectric conversion device capable of generating a voltage necessary for driving a switching circuit that performs switching with respect to the inductor is prepared,
The DC-DC converter as the switching circuit and the inductor, a switching circuit that performs switching at a frequency determined in consideration of a voltage that can be obtained by the thermoelectric conversion device to be prepared, and the voltage Adopting an inductor with a determined inductance,
Using the produced DC-DC converter, the voltage obtained by the thermoelectric conversion device is boosted and converted.
A boost conversion method characterized by the above.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2014064378A (en) * | 2012-09-20 | 2014-04-10 | Fuji Electric Co Ltd | Adapter power supply device |
| EP2360823A3 (en) * | 2010-02-12 | 2017-03-22 | OCT Circuit Technologies International Limited | Contrôl de la tension d'un convertisseur CC/CC |
-
2004
- 2004-11-01 JP JP2004317688A patent/JP2006129658A/en not_active Withdrawn
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