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コンバータ回路、およびこのコンバータ回路を備える電子システム
説明

コンバータ回路、およびこのコンバータ回路を備える電子システム

【課題】 送出される電力が大きく変動し得る電気エネルギー源(3)に接続される、低損失のコンバータ回路を提供する。
【解決手段】 このコンバータ回路は、可変規模のチョッパスイッチ(13)と、電気エネルギー源(3)に接続可能な入力端子(9)とを有している、デューティサイクル(α)が可変であるチョッパ回路(11)と、可変規模のチョッパスイッチ(17)を、チョッパ回路(11)の出力端子(19)に接続されている少なくとも1つの第1の出力回路(14)と、チョッパ回路のデューティサイクルを制御するように、また、電気エネルギー源(3)から送出される電力に応じて、チョッパ回路(11)および第1の出力回路(14)の可変規模のチョッパスイッチ(13、17)の規模を制御するように構成されている制御回路(51)とを備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、コンバータ回路、およびこのコンバータ回路を備える電子システムに関する。
【0002】
二酸化炭素排出によってもたらされる有害な温室効果を軽減するために、再生可能エネルギー源の使用を継続的に増大させるという目的で、近年、太陽電池パネルの開発が著しく進められている。
【0003】
このことは、風力や熱電などの再生可能エネルギー源にも当てはまる。
【0004】
これらの再生可能エネルギー源は、出力される電気エネルギーが、エネルギーを供給する自然現象に応じて、極端に変動するという特殊な性質を有している。また、太陽電池発電装置は、極めて非線形な電流−電圧特性I=f(U)を有する発電装置である。したがって、太陽光照射値が同じであっても、送出される電力は、負荷に応じて変化する。
【0005】
すなわち、効率、したがって太陽電池から送出される電力は、1日を通じて変化する太陽光線の向きだけではなく、例えば雲または他の気象現象によって生じる日陰による日光の遮蔽状態に依存する。
【0006】
これらの再生可能エネルギー源によって生成された電気エネルギーを伝達するために、DC−DC(直流−直流)コンバータが、再生可能エネルギー源の出力において用いられる。このようなDC−DCコンバータは、電力源から送出される電圧の昇圧または降圧を行うためのチョッパコンバータである場合がある。チョッパコンバータは、一般に、出力回路に電気エネルギーを伝達するために、電力切り替えスイッチ、具体的にはトランジスタ〔例えばMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トタンジスタ)タイプのトランジスタ、JFET(接合型電界効果トランジスタ)、またはBJT(バイポーラトランジスタ)〕を備えている。
【0007】
しかし、これらの電力切り替えスイッチは、電気エネルギーを吸収する損失源でもあり、総合エネルギー収集効率に影響を及ぼす。
【0008】
具体的には、これらの電子部品は、抵抗損失およびスイッチング損失が発生する点において注意を要する。
【0009】
DC−DCコンバータは、大電流用に作られているほど、より大規模な電力切り替えスイッチが必要になる。
【0010】
しかし、取り出される電力が小さい場合には、スイッチングに伴う動的な電力消費量が相対的に大きくなるため、システムの総合効率が低下する。
【0011】
DC−DCコンバータが、小電流用に作られていると、より小規模の電力切り替えスイッチが必要となる。
【0012】
しかし、取り出される電流が大きい場合には、電力切り替えスイッチに、大きな抵抗損失が発生し、したがって、この場合にも、システムの総合効率は低下する。
【0013】
したがって、現在のところ、電力切り替えスイッチの規模を選ぶときに、適切な妥協点を見出さなければならないという問題が存在する。
【0014】
さらに、太陽電池が、例えば電力消費部品などの負荷(例えばセンサまたは再充電されるバッテリ)に接続されている場合に、負荷に伝達される電力は、一般に、太陽電池が送出することができる最大電力に一致しないということが、従来明らかになっている。同様の問題が、風力エネルギーの場合にも存在することが知られている。その結果、例えば日光が弱くなると、効率が低下するだけではなく、与えられた動作点が、太陽電池の有する潜在能力を発揮することができる動作点より劣る位置となるため、効率は悪化する。
【背景技術】
【0015】
このような欠点を克服し、最適動作点に可能な限り近い動作点で電気エネルギーを発生させるために、1968年以来開発されてきている最大電力点追尾(MPPT)法として知られている方法を組み込んだ回路が用いられている。これは、非線形な再生可能エネルギー源と任意の負荷との間のより良い接続を提供するための方法である。
【0016】
このような回路は、発電装置、例えば太陽電池を、その最大電力点において動作させ、それによって、効率を改善させるようになっている。
【0017】
したがって、MPPTコントローラは、負荷(例えばバッテリ)と太陽電池パネルとを接続している静的コンバータを、恒久的に負荷に最大電力を供給するように駆動する。
【0018】
最大電力点追尾、すなわちMPP追尾のために、P&O(Perturbation and Observation)アプローチに基づく方法を適用する手法が公知である。
【0019】
太陽電池への適用の場合には、この手法は、一定電圧U1に対して、発電装置から送出される対応する電力値P1を測定し、次いで、一定期間の後に、電圧U2=U1+ΔUを定めて、再度、対応する電力値P2を測定するアルゴリズムである。その後、電力値P2がP1を超過している場合には、太陽電池の電圧は、電圧U3=U2+ΔUとされ、そうでない場合には、電圧U3=U2−ΔUとされる。
【0020】
しかし、これは、電流の測定を必ず伴い、また無視できない電気エネルギー量を消費する大規模な計算リソースを必要とする。このために、大型の太陽電池機器においては、太陽電池の1つのサブグループが、MPPT回路を制御するために必要な電気エネルギーの供給に専用に用いられる。
【0021】
しかし、例えば自律センサなどの電子マイクロシステムにおいては、空間要求と重量に関する制約が大きく、自律性の拡張によって、システムを可能な限り小さくすることが必要であるため、このアプローチを適用することはできない。
【0022】
さらに、さらなる駆動セルを有する最大電力点追尾回路が公知である。しかし、これは、必ずしも望ましいとは限らない。
【0023】
一定周波数で、太陽電池パネルと、回路の残りの部分との間の接続を切って、開回路において電圧を測定することによって遂行される、開回路での電圧サンプリングに基づく、駆動セルを用いないMPPT回路も存在する。このシステムは、その後、新しく最適化されたパラメータを取り入れたエネルギー収集回路に、太陽電池パネルを再接続する。しかし、これによって、エネルギー収集プロセスは、頻繁に中断される。これは、自律的に動作するように作られている電子マイクロシステムにとっては受け入れがたいことである。
【0024】
情報技術の分野において、スイッチングに伴う損失を小さくするために調整することができる、可変規模の電力用スイッチを用いるDC−DCコンバータ回路が、特許文献1に開示されている。
【0025】
しかし、この特許文献1に開示されているDC−DCコンバータ回路は、負荷の電力消費量、および負荷要件によって定められる環境に対応することを目的とするものであり、送出される電力に大きな変動を示す電気エネルギー源に対応するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0026】
【特許文献1】米国特許公開第2006−38543号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0027】
本発明は、上述の欠点の少なくとも一部を克服することを目的としている。
【0028】
本発明の1つの狙いは、コンバータ回路の損失を低下させることである。
【0029】
本発明の別の狙いは、エネルギーの収集を最適化させるとともに、システムの空間要求、特に発電装置、例えば太陽電池パネルや風力発電装置のサイズ、および蓄電装置、例えばバッテリやスーパーキャパシタのサイズを大幅に縮小させることである。
【課題を解決するための手段】
【0030】
この目的を達成するために、本発明は、送出される電力が大きく変動し得る電気エネルギー源に接続される、次のものを備えているコンバータ回路を提供するものである。
− 可変規模のチョッパスイッチと、電気エネルギー源に接続可能な入力端子とを有し、デューティサイクルが可変であるチョッパ回路。
− 可変規模のチョッパスイッチを、チョッパ回路の出力端子に接続されている少なくとも1つの第1の出力回路。
− 第1に、チョッパ回路のデューティサイクルを制御するように、第2に、電気エネルギー源から送出される電力に応じて、チョッパ回路および第1の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模を制御するように構成されている制御回路。
【0031】
このコンバータ回路は、次の特性のうちの1つ以上を、単独でまたは組み合わせて有している。
【0032】
一態様によれば、制御回路は、デューティサイクルに応じて、チョッパ回路および第1の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模を制御するように構成されている。
【0033】
別の一態様によれば、制御回路は、最大電力点追尾(MPPT)を行うように構成されている。
【0034】
このMPPT法は、例えば電気エネルギー源の電圧の変化にしたがって、最大電力点(MPP)を特定するように構成されている制御回路によって遂行される。
【0035】
さらに別の一態様においては、チョッパ回路および第1の出力回路の可変規模の各チョッパスイッチは、互いに並列に配置されており、かつ制御回路からの命令にしたがって選択的に切り替え可能である少なくとも2つの個別のスイッチを有している。
【0036】
一変形例において、これらの少なくとも2つの個別のスイッチは、互いに同一の規模を有している。
【0037】
第2の一変形例において、これらの少なくとも2つの個別のスイッチは、互いに異なる規模を有している。
【0038】
後者の場合には、これらの少なくとも2つの個別のスイッチを、その総数がn個であるとしたときに、例えば最小の規模のスイッチと、この最小の規模の2i倍(i=1、2、3、…、n−1)の規模のスイッチとから成るようにすることが可能である。
【0039】
さらに別の一態様においては、制御回路は、電気エネルギー源から送出される電力の増加に応じて、チョッパ回路、および第1の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模の増加を命令するように構成されている。
【0040】
さらに、制御回路を、電気エネルギー源から送出される電力のあらかじめ定められた複数の設定値範囲の各々にしたがって、チョッパ回路および第1の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模を制御するように構成することも可能である。
【0041】
制御回路は、不連続動作モードで、チョッパ回路を制御するように構成されている場合がある。
【0042】
別の一実施形態においては、コンバータ回路は、可変規模のチョッパスイッチを、チョッパ回路の出力端子に接続されている第2の出力回路を備えており、制御回路は、第1の出力回路に対して出力される電圧の設定値範囲にしたがって、第1および第2の出力回路の可変規模のチョッパスイッチのスイッチングを命令するように構成されている。
【0043】
一態様においては、第1の出力回路は、この電圧の設定値範囲内で動作する電気的な負荷に接続され、第2の出力回路は、蓄電装置に接続されている。
【0044】
別の一態様においては、制御回路は、第1の入力を、第1の出力回路に接続されており、第2の入力を、基準点に接続されているヒステリシスコンパレータを備えており、このヒステリシスコンパレータの出力は、第1および第2の出力回路の可変規模のチョッパスイッチに1つずつ接続されている2つの出力を有している、これらのチョッパスイッチを駆動するための命令発生器を制御する制御ユニットの入力に接続されている。
【0045】
蓄電装置は、再充電可能なマイクロバッテリ、および/またはスーパーキャパシタである場合がある。
【0046】
第1および第2の出力回路は、例えばローパスフィルタを備えている。
【0047】
さらに別の一態様においては、制御回路は、次のことを行う手段を備えている。
− あらかじめ定められた量だけ異なる2つのデューティサイクルに対する、電気エネルギー源の出力端子の電圧を特定し、
− このあらかじめ定められた量だけ異なる2つのデューティサイクルに対して得られた2つの電圧間の電圧差を計算し、
− この電圧差の値と、前回の電圧差の計算において得られた電圧差の値との比較を行い、
− この比較の結果に応じて、あらかじめ定められた量だけ、デューティサイクルの変更を命令する。
【0048】
制御回路は、例えば前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが減らされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量だけの、デューティサイクルの増加を命令するように構成されている。
【0049】
さらに、制御回路は、前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが増やされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量だけの、デューティサイクルの減少を命令するように構成されている場合がある。
【0050】
非限定的な一例によれば、チョッパ回路は、電気エネルギー蓄積インダクタと、制御回路によって制御される少なくとも1つのチョッパスイッチとを備えている。
【0051】
一変形例によれば、チョッパ回路の電気エネルギー蓄積インダクタ、およびチョッパスイッチは、昇圧構造に構成されている。
【0052】
別の一変形例によれば、チョッパ回路の電気エネルギー蓄積インダクタ、およびチョッパスイッチは、降圧構造に構成されている。
【0053】
制御回路は、第1および第2の出力回路の可変規模のチョッパスイッチのうちの少なくとも1つの制御を開始させるための、電気エネルギー蓄積インダクタの電流零点センサを備えている場合がある。
【0054】
本発明は、さらに、送出される電力が大きく変動し得る少なくとも1つの電気エネルギー源と、この少なくとも1つの電気エネルギー源に接続されている少なくとも1つの上述のコンバータ回路とを備えている電子システムを提供するものである。
【0055】
この電子システムは、次の特性のうちの1つ以上を、単独でまたは組み合わせで有している。
・ 電気エネルギー源は、少なくとも1つの太陽電池を備えている。
・ 電気エネルギー源は、少なくとも1つの風力発電装置を備えている。
・ 電気エネルギー源は、少なくとも1つの熱電素子を備えている。
・ 各電気エネルギー源の出力は、対応するコンバータ回路の入力に接続されており、コンバータ回路の第2の出力回路の各々は、スーパーキャパシタに接続されている。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の第1の実施形態によるコンバータ回路を備える電子システムのブロック図である。
【図2】可変規模のチョッパスイッチの電気回路図の一例である。
【図3】最大電力点追尾法を説明するフローチャートである。
【図4】本発明の第2の実施形態によるコンバータ回路を備える電子システムのブロック図である。
【図5】図4のコンバータ回路の可変規模のチョッパスイッチの制御を、時間の関数として示すグラフである。
【図6】本発明の別の一実施形態による電子システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0057】
添付図面を参照して、以下の説明を読むことによって、本発明の他の特徴および利点がより明瞭になると思う。
【0058】
すべての図において、同等の部分には、同一の符号が付されている。
【0059】
図1は、コンバータ回路2、およびコンバータ回路2に接続されている電気エネルギー源3を備えている電子システム1の図の一例である。
【0060】
送出される電力に大きな変動を示し得る電気エネルギー源3は、例えば太陽電池または太陽電池パネル、熱電素子、または風力発電装置(特に小型のユニットの)である。
【0061】
用語「大きな変動」は、図1に示されているような電気エネルギー源3から送出することができる電力が、その最低値と最高値との間で100倍だけ変動することを意味していると理解されたい。
【0062】
電気エネルギー源3の出力端子5が、キャパシタによって形成されているローパスフィルタ7を介して、コンバータ回路2の入力端子9に接続されている。
【0063】
コンバータ回路2は、チョッパ回路11を有しており、チョッパ回路11の入力端子は、電気エネルギー源3に接続されている、コンバータ回路2の入力端子9を形成している。
【0064】
チョッパ回路11は、第1に、電気エネルギー蓄積インダクタ12、および少なくとも1つの可変規模のチョッパスイッチ13(以下、単に、スイッチ13と呼ぶ)を備えている。
【0065】
図1において、電気エネルギー蓄積インダクタ12およびスイッチ13は、昇圧構造(「ブースト構造」とも呼ばれる)に構成されている。すなわち、電気エネルギー蓄積インダクタ12の入力が電気エネルギー源3に接続されており、かつスイッチ13が「オン」状態にあるときに、電気エネルギー蓄積インダクタ12の出力が接地されて、電気エネルギー蓄積インダクタ12の周囲に磁界が形成されている。チョッピング周波数は、例えば200kHzである。
【0066】
図示しない一変形例によれば、電気エネルギー蓄積インダクタ12およびスイッチ13を、降圧構造に配置することもできる。
【0067】
コンバータ回路は、さらに、第1の出力回路14を備えている。
【0068】
この第1の出力回路14は、その上流側で、第1の可変規模のチョッパスイッチ17(以下、単に、スイッチ17と呼ぶ)を、チョッパ回路11の出力端子19に接続されている。
【0069】
この第1の出力回路14は、その下流側で、ローパスフィルタ21を介して、電子システム1に属し、かつあらかじめ定められた電圧設定値範囲で動作する電気的な負荷23に接続されている。
【0070】
コンバータ回路の電力消費を最適にするために、スイッチ13およびスイッチ17として、可変規模のスイッチが用いられている。
【0071】
可変規模のスイッチの一実施例の一例を、図2に示す。
【0072】
したがって、図1のスイッチ13および17は、図2に示されているような並列に接続された、いくつかのスイッチの1セットで構成されている。
【0073】
スイッチ13および17は、例えば互いに並列に配置されており、命令に応じて選択的に切り替え可能な、少なくとも2つ(または、図2におけるように3つ)のスイッチ130、132、134を有している。
【0074】
これらの各スイッチ130、132、134を、全て同じ規模、すなわち同一であるようにすることができる。
【0075】
したがって、小規模のスイッチ、すなわち、抵抗損失よりも、スイッチング損失の小さいことが重要であるスイッチが必要である場合には、個別のスイッチのうちの1つだけが、「オン」状態にスイッチングされる。
【0076】
大規模のスイッチ、すなわち、スイッチング損失よりも、抵抗損失の小さいことが重要であるスイッチが必要である場合には、個別のスイッチのうちのいくつか、さらには全てが、「オン」状態に同時にスイッチングされる。
【0077】
一変形例として、個別のスイッチ130、132、134を、規模が次第に大きくなるように、特に2倍ずつ大きくなるように、すなわち、個別のスイッチ134の規模が個別のスイッチ132の規模の2倍であり、個別のスイッチ132の規模が、個別のスイッチ130の規模の2倍であるようにすることができる。
【0078】
したがって、複数の個別のスイッチを適切に組み合わせて、同時に「オン」状態にスイッチングすることによって、規模の範囲を拡張することができる。
【0079】
コンバータ回路2は、制御回路51によって駆動される。
【0080】
この制御回路51は、第1に、チョッパ回路11したがってスイッチ13のデューティサイクルαを制御し、第2に、スイッチ17のスイッチングを制御する制御ユニット53を備えている。このことについて、次に、詳細に説明する。
【0081】
これらの制御を行うために、制御ユニット53は、スイッチ13および17を制御する命令発生器(DTCLユニット、すなわちデッドタイム制御ロジックユニットとも呼ばれる)55を制御するために、PWM(パルス幅変調)信号を出力する。
【0082】
スイッチ13は、NMOSタイプのトランジスタであり、そのベースは、バッファ(遅延線とも呼ばれる)13Aを介して、命令発生器55の対応する出力に接続されていることに注意されたい。
【0083】
スイッチ17は、PMOSタイプのトランジスタであり、そのベースは、バッファ17Aを介して、命令発生器55の対応する出力に接続されている。
【0084】
制御回路51は、さらに、連続する2つの時点における、電気エネルギー源3の出力端子5の電圧を特定する手段を備えている。
【0085】
この特定手段として、本発明では、例えば1つの入力を電気エネルギー源3の出力端子5に接続されており、1つの出力を制御ユニット53の対応する入力に接続されているアナログ−デジタルコンバータ57を用いている。
【0086】
スイッチ17の制御のために、制御回路51は、電気エネルギー蓄積インダクタ12を通る電流のキャンセルを特定する電流零点センサ59を備えている。電流零点センサ59は、制御ユニット53の対応する入力に信号を送出する。
【0087】
図示しない一変形例によれば、電流零点センサを、スイッチに並列に配置された、非常に低い電圧閾値を有するダイオードと置き換えることが可能である。
【0088】
動作特性として、制御ユニット53は、次のようになるように、命令発生器55を制御する。
− スイッチ13が閉じられている(オン状態)とき、スイッチ17は開かれており(オフ状態)、
− スイッチ17が閉じられている(オン状態)とき、スイッチ13は開かれている(オフ状態)。
【0089】
したがって、任意の時点において、スイッチ13と17とのうちのいずれか一方しか閉じられない。
【0090】
不連続動作モードで、チョッパ回路11に命令を送るように、制御回路を構成することができる。すなわち、電気エネルギー蓄積インダクタ12中の電流は、周期的にキャンセルされる。
【0091】
次に、図1のコンバータ回路2について、詳細に説明する。
【0092】
制御回路51は、第1に、チョッパ回路11のデューティサイクルαを制御するように、第2に、電気エネルギー源3から送出される電力に応じて、スイッチ13および17の規模を制御するように構成されている。
【0093】
本発明者は、電気エネルギー源3から送出される電力と、デューティサイクルαとの間に比例関係があることを見出している。電気エネルギー源3から送出される電力は、デューティサイクルの増加に応じて増加する。
【0094】
したがって、制御回路51は、電気エネルギー源3から送出される電力の増加に応じて、または、より簡単には、デューティサイクルαの増加に応じて、スイッチ13および17の規模を増加させる命令を送るように構成されている。
【0095】
実際には、制御回路51は、例えば電気エネルギー源3から送出される電力の、あらかじめ定められた複数の設定値範囲の各々に応じて、スイッチ13および17の規模を制御するように構成されている。
【0096】
さらに、スイッチ13および17の規模の調整は、電気エネルギー源を、常に、最大電力点(MPP)の近傍で動作させるように設計されている。
【0097】
最適な電力点で電気エネルギーを取り出すために、MPPT法にしたがってデューティサイクルαを決定すること、およびスイッチ13および17の規模を制御するために、この最適デューティサイクルを用いることとを組み合わせて考えることが、非常に有利であることが判明している。
【0098】
このことを遂行するために、本発明者は、デューティサイクルに関する、電気エネルギー源3の動作電圧の微分係数が、最大電力点(MPP)の近傍で最大値を有することを見出している。したがって、電気エネルギー源3の動作電圧のこの微分係数の最大値の追尾は、最大電力点追尾と等価である。
【0099】
したがって、以下に示すように、電気エネルギーおよび演算能力をほとんど要しない、動作電圧の単純な測定、減算操作、および比較操作を用いて、最大電力点(MPP)の近くで、コンバータ回路2を動作させることができる。これは、利用可能な電力がほとんどない場合に、非常に有利である。
【0100】
さらに、特別の測定を行う必要なしに、スイッチにおける損失を小さくすることができる。
【0101】
これらのことを行うために、制御ユニット53は、次のステップによって、電気エネルギー源の動作電圧変化の関数として、チョッパ回路11のデューティサイクルαを制御する(デューティサイクルαに関する動作電圧の微分係数を制御する)。
− あらかじめ定められた量だけ異なる2つのデューティサイクルに対して、電気エネルギー源の出力端子の電圧を特定するステップ。
− あらかじめ定められた量だけ異なる、この2つのデューティサイクルに対して得られた2つの電圧間の差を計算するステップ。
− この電圧差の値を、前回の電圧差の計算において得られた電圧差の値と比較するステップ。
− 比較結果に応じて、あらかじめ定められた量だけデューティサイクルを変更するように命令するステップ。
【0102】
これらの各ステップを、図3を参照して、詳細に説明する。
【0103】
初期設定ステップ200において、デューティサイクルαの値を、あらかじめ定められた値、例えばα=0.5に設定し、電気エネルギー源3の出力端子の電圧VS(α)を特定する。
【0104】
次に、デューティサイクルを、あらかじめ定められた量Δαだけ変更し、再度、電気エネルギー源3の出力端子の電圧VS(α+Δα)を特定する。
【0105】
次いで、これらの2つの電圧間の差の絶対値を、次の式にしたがって計算する。
ΔViniS=|VS(α)−VS(α+Δα)|
【0106】
一変形例として、ΔViniSを、あらかじめ定められた値に設定することも可能である。
【0107】
その後、繰り返して行われる制御ループ操作を開始する。
【0108】
ステップ202において、ループk(kは正の整数である)に対し、電気エネルギー源3の出力端子の電圧VS(αk)を特定する。
【0109】
ステップ204において、ループkおよびループ(k−1)に対し、測定された2つの電圧間の差の絶対値を、次式によって計算する。
ΔVS(k)=|VS(αk)−VS(αk-1)|
ここで、|αk−αk-1|=Δαである。
【0110】
次に、ステップ206において、この電圧差ΔVS(k)の値を、前回の電圧差の計算において得られた電圧差ΔVS(k−1)の値と比較する。
【0111】
ステップ208において、比較結果に応じて、制御ユニット53は、あらかじめ定められた量Δαだけのデューティサイクルの変更を命令する。
【0112】
すなわち、制御回路51は、前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが減らされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量Δαだけの、デューティサイクルの増加を命令するように構成されている。
【0113】
言い換えると、αk=αk-1−Δαであり、かつΔVS(k)<ΔVS(k−1)である場合に、αk+1=αk+Δαである。
【0114】
制御回路51は、前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが増やされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量Δαだけの、デューティサイクルの減少を命令するように構成されている。
【0115】
言い換えると、αk=αk-1+Δαであり、かつΔVS(k)<ΔVS(k−1)である場合に、αk+1=αk−Δαである。
【0116】
ステップ208の後、操作はステップ202に戻る。
【0117】
したがって、コンバータ回路は、電気エネルギー源3の出力端子の電圧を、最大電力点(MPP)の近傍で揺らし、それによって、電気エネルギー源3で利用可能な最高レベルの電力の追尾を確実にする。
【0118】
最大電力点(MPP)追尾周波数、すなわちデューティサイクルのリフレッシュ周波数、すなわちステップ202〜208を遂行するための周波数は、約10ヘルツ、例えば16ヘルツである。
【0119】
スイッチ13および17の規模の適合化のための周波数は、最大電力点(MPP)追尾周波数と一致するようにすることができる。
【0120】
さらに、Δαの値が小さいほど、この電子システムは、最大電力点のより近傍で動作することができることは理解しうると思う。この場合、デューティサイクルが、動作状態の変化に、より迅速に順応することができるようにしたいときには、リフレッシュ周波数は、より高く選ばれる。
【0121】
上述のように、スイッチ13が閉じられているとき、スイッチ17は開かれており、したがって、電気エネルギー源3によって与えられる電流が、電気エネルギー蓄積インダクタ12に流れ込み、磁界が発生している。
【0122】
次に、スイッチ13を開くと、電気エネルギーを、負荷23に直接供給することができるようになる。したがって、第1の出力回路14は、チョッパ回路11と一緒に、電圧レギュレータとして動作する。
【0123】
したがって、スイッチ13が開かれているときに、出力電圧が、出力電圧の設定値範囲(負荷23が動作する電圧設定値範囲)内に含まれていれば、スイッチ17は閉じられている。
【0124】
次に、本発明の別の一実施形態を示す図4を参照する。
【0125】
この実施形態は、コンバータ回路2が第2の出力回路15を有しているという点で、図1の実施形態とは異なる。
【0126】
第1の出力回路14は、電力を直接的に消費する負荷23に接続されており、第2の出力回路15は、その後の電力消費のために、第2の出力回路15からの出力エネルギーを蓄積するための蓄電装置29に接続されている。
【0127】
これによって、電気エネルギー源3から取り出すことができる電気エネルギーの量を増やすことができる。
【0128】
第2の出力回路15は、その上流側で、第2の可変規模のチョッパスイッチ25(以下、単にスイッチ25と呼ぶ)を、チョッパ回路11の出力端子19に接続されている。スイッチ25は、スイッチ17と同様に、PMOSタイプのトランジスタであり、そのベースは、バッファ25Aを介して、命令発生器55の対応する出力に接続されている。
【0129】
第2の出力回路15は、その下流側で、ローパスフィルタ27を介して、電子システム1に属する蓄電装置29に接続されている。
【0130】
蓄電装置29は、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリ、マイクロ電池、またはミニバッテリである場合がある。
【0131】
蓄電装置29から、その下流の電気的な負荷31に制御された電力を供給することを可能にするために、図4に示すように、DC−DC電圧レギュレータ33を設けることができる。
【0132】
蓄電装置29が、バッテリ、マイクロ電池、またはミニバッテリである場合には、過熱および/または早期劣化を回避するためのバッテリ技術に則った条件にしたがったバッテリ充電を可能にするために、ローパスフィルタ27と蓄電装置29との間に、チャージャ回路が設けられる。
【0133】
第1の変形例において、負荷31と負荷23とは同一物である。この場合には、蓄電装置29は、例えば電気エネルギー源3によって生成される電気エネルギーが、負荷23に直接的に電力を供給するために十分でないときに、負荷23に電力を供給するために用いられる。電気エネルギー源3として太陽電池が用いられている場合には、このことは、例えば夜間に、または例えば曇り空のために日光が弱すぎるときに、発生し得る。
【0134】
第2の変形例において、負荷23と31とは同一物ではなく、相異なる電力消費部品である。
【0135】
1充電/放電サイクル当たりのスイッチの数、したがってスイッチング動作の数が増加すると、スイッチ13、17、25によるスイッチング損失の十分な制御が重要であることは容易に理解しうると思う。さらに、特に、電気エネルギー源3から送出される電力が、MPPT追尾法によって定められる場合には、電気エネルギー源3から送出される電力の関数として、および/またはデューティサイクルの関数として、スイッチ13、17、25の規模を制御することが、コンバータ回路2の総合効率の最適化にとって重要であることが判明している。
【0136】
開状態にあるか、それとも閉状態にあるかによって、チョッパ回路11の出力端子19が、負荷23に直接的に接続されるか、それとも蓄電装置29に接続されるかが定められるスイッチ17および25の制御のために、制御回路51は、一方の入力を第1の出力回路14に接続され、他方の入力を基準電位63に接続され、出力を制御ユニット53の対応する入力に接続されているヒステリシスコンパレータ61を備えている。
【0137】
動作特性として、制御ユニット53は、命令発生器55を、次のようになるように制御する。
− スイッチ13が閉じられている(オン状態)とき、スイッチ17および25は開かれており(オフ状態)、
− スイッチ17または25が閉じられている(オン状態)とき、スイッチ13は開かれている(オフ状態)。
【0138】
したがって、任意の時点において、スイッチ13、17、25のうちの1つしか閉じることはできず、他の2つは開いている。
【0139】
次に、図4のコンバータ回路2について、詳細に説明する。
【0140】
図4のコンバータ回路は、図1のコンバータ回路と同様に、最大電力点(MPP)の近傍で動作する。
【0141】
したがって、コンバータ回路2は、電気エネルギー源3の出力端子の電圧を、最大電力点(MPP)の近傍で揺らし、それによって、電気エネルギー源3で利用可能な最高電力の収集を確実にする。
【0142】
上述のように、スイッチ13が閉じられているとき、スイッチ17および25は開かれており、したがって、電気エネルギー源3によって与えられる電流が、電気エネルギー蓄積インダクタ12に流れ込み、磁界が発生している。
【0143】
次に、スイッチ13が開かれると、直接的な電力消費のために、スイッチ17を閉じることによって、電力を負荷23に直接供給することができる。またはスイッチ25を閉じることによって、その後の電力消費のために、電力を蓄電装置29に蓄えることができる。
【0144】
したがって、第1の出力回路14は、チョッパ回路11と一緒に、電圧レギュレータとして動作する。
【0145】
したがって、スイッチ13が開かれているとき、出力電圧が、出力電圧の設定値範囲内に含まれている場合には、スイッチ17は閉じられている。
【0146】
この設定値範囲は、ヒステリシスコンパレータ61および基準電圧63によって定められる。
【0147】
出力電圧が、設定値範囲外にある場合には、制御ユニット53は、ヒステリシスコンパレータ61から対応する信号を受けて、スイッチ13が開いていれば、スイッチ25を閉じるように命令する。
【0148】
したがって、電気エネルギー源3で発生した電気エネルギーを、負荷23による直接的な電力消費のために、または蓄電装置29の充電のために最適に収集することができる。
【0149】
この動作は、図5にも示されている。
【0150】
曲線300、302、304は、それぞれスイッチ13、17、25の制御電圧Uを、時間の関数として示している。この例示的な実施形態においては、スイッチ13は、NMOSタイプのトランジスタであり、スイッチ17および25は、PMOSタイプのトランジスタであることを思い起こされたい。
【0151】
曲線306は、出力端子19における電流の時間経過を示している。
【0152】
したがって、期間308において、スイッチ13、17、25の制御電圧は、全てハイレベルにあり、したがって、NMOSタイプのトランジスタであるスイッチ13はオン状態にあり、電気エネルギー蓄積インダクタ12にはエネルギーが蓄えられ、一方、PMOSタイプのトランジスタであるスイッチ17および25はオフ状態にある。
【0153】
次に、期間310において、スイッチ13および17の制御電圧はローレベルになり、したがって、NMOSタイプのトランジスタであるスイッチ13はオフ状態になる。また、PMOSタイプのトランジスタであるスイッチ17がローレベルにされて「オン」状態になるから、第1の出力回路14を介して、電気エネルギー蓄積インダクタ12からエネルギーが放出される(曲線306を参照)。この期間310の長さは、出力電圧が、設定値範囲内に含まれているか否かに依存する。したがって、期間310の長さは、電気エネルギー源3によって生成される電気エネルギー、および負荷23によって消費される電力に依存する。
【0154】
出力電圧が、出力電圧の設定値範囲外になり、かつNMOSタイプのトランジスタであるスイッチ13の制御電圧がローレベルのままであり、したがってスイッチ13がオフ状態にあると、期間312において、スイッチ17はオフ状態に移行し、一方、スイッチ25はオン状態に移行し、したがって、第2の出力回路15を介して、電気エネルギー蓄積インダクタ12からエネルギーが放出され、蓄電装置29が再充電される。
【0155】
例えば負荷31による、蓄電装置29に蓄えられている電気エネルギーの使用は、それが必要なときに、通常通りに、DC−DC電圧レギュレータ33を介して行われる。したがって、これ以上詳細な説明は行われない。
【0156】
図6は、例えば図4のコンバータ回路のようなコンバータ回路2と組み合わされている複数の太陽電池を備えた電気システムのブロック図である。
【0157】
この場合には、安定化された電力を集中的に供給することができるように、コンバータ回路2の第1の出力回路14同士が接続されており、また第2の出力回路15の各々は、DC−DC電圧レギュレータ33を介してスーパーキャパシタに接続されている。
【0158】
太陽電池が互いに独立して設けられており、したがって、ある太陽電池、例えば日陰中にある太陽電池が、他の太陽電池に対する負荷になること、およびエネルギー収集効率の低下を引き起こすことが防止されるから、エネルギー収集が最適化される。
【0159】
さらに、このような構成によって、各太陽電池は、他の太陽電池から独立に、その最大電力点で動作することができる。
【0160】
最後に、スーパーキャパシタは、十分に充電されていると、DC−DC電圧レギュレータ33を介して、そのエネルギーを送出することができる。
【0161】
したがって、本発明のコンバータ回路2は、電力スイッチにおける損失を小さくすることによって、エネルギー収集の最適化を可能にすることが理解しうると思う。
【0162】
このコンバータ回路は、さらに、その動作の単純性、およびエネルギーリソースおよび計算リソースに対する低要求度という点でも優位性を有している。
【0163】
自律センサに関しては、電気エネルギー源がエネルギーを十分に供給できないか、または全く供給できないときに自律センサに電力を供給する電池/バッテリの規模をより小さくすることができる。
【符号の説明】
【0164】
1 電子システム
2 コンバータ回路
3 電気エネルギー源
5、19 出力端子
7、21、27 ローパスフィルタ
9 入力端子
11 チョッパ回路
12 電気エネルギー蓄積インダクタ
13、17、25 可変規模のチョッパスイッチ
13A、17A、25A バッファ
14 第1の出力回路
15 第2の出力回路
23、31 負荷
29 蓄電装置
33 DC−DC電圧レギュレータ
51 制御回路
53 制御ユニット
55 命令発生器
57 アナログ−デジタルコンバータ
59 電流零点センサ
61 ヒステリシスコンパレータ
63 基準電位
130、132、134 個別のスイッチ
300、302、304、306 曲線
308、310、312 期間

【特許請求の範囲】
【請求項1】
送出される電力が大きく変動し得る電気エネルギー源(3)に接続されるコンバータ回路(2)であって、
可変規模のチョッパスイッチ(13)と、前記電気エネルギー源(3)に接続可能な入力端子(9)とを有している、デューティサイクル(α)が可変であるチョッパ回路(11)と、
可変規模のチョッパスイッチ(17)を、前記チョッパ回路(11)の出力端子(19)に接続されている少なくとも1つの第1の出力回路(14)と、
第1に、前記チョッパ回路のデューティサイクルを制御するように、第2に、前記電気エネルギー源(3)から送出される電力に応じて、前記チョッパ回路(11)および前記第1の出力回路(14)の可変規模のチョッパスイッチ(13、17)の規模を制御するように構成されている制御回路(51)とを備えているコンバータ回路。
【請求項2】
前記制御回路(51)は、前記デューティサイクル(α)に応じて、前記チョッパ回路(11)および前記第1の出力回路(14)の可変規模のチョッパスイッチ(13、17)の規模を制御するように構成されている、請求項1に記載のコンバータ回路。
【請求項3】
前記制御回路(51)は、最大電力点追尾(MPPT)を行うように構成されている、請求項2に記載のコンバータ回路。
【請求項4】
前記制御回路(51)は、前記電気エネルギー源(3)の電圧の変化にしたがって最大電力点(MPP)を特定するように構成されている、請求項3に記載のコンバータ回路。
【請求項5】
前記チョッパ回路(11)および前記第1の出力回路(14)の可変規模のチョッパスイッチ(13、17)の各々は、互いに並列に配置されており、かつ前記制御回路からの命令にしたがって選択的に切り替え可能である少なくとも2つの個別のスイッチ(130、132、134)を有している、請求項1〜4のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項6】
前記少なくとも2つの個別のスイッチ(130、132、134)は、互いに同一の規模を有している、請求項5に記載のコンバータ回路。
【請求項7】
前記少なくとも2つの個別のスイッチ(130、132、134)は、互いに異なる規模を有している、請求項5に記載のコンバータ回路。
【請求項8】
前記少なくとも2つの個別のスイッチ(130、132、134)は、それらの総数がn個であるとしたときに、最小の規模のスイッチと、該最小の規模の2i倍(i=1、2、3、…、n−1)の規模のスイッチとから成っている、請求項7に記載のコンバータ回路。
【請求項9】
前記制御回路(51)は、前記電気エネルギー源(3)から送出される電力の増加に応じて、前記チョッパ回路(11)および前記第1の出力回路(14)の可変規模のチョッパスイッチ(13、17)の規模の増加を命令するように構成されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項10】
前記制御回路(51)は、前記電気エネルギー源(3)から送出される電力のあらかじめ定められた複数の設定値範囲の各々にしたがって、前記チョッパ回路(11)および前記第1の出力回路(14)の可変規模のチョッパスイッチ(13、17)の規模を制御するように構成されている、請求項9に記載のコンバータ回路。
【請求項11】
前記制御回路(51)は、不連続動作モードで、前記チョッパ回路を制御するように構成されている、請求項1〜10のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項12】
前記コンバータ回路(2)は、可変規模のチョッパスイッチ(25)を、前記チョッパ回路(11)の出力端子(19)に接続されている第2の出力回路(15)を備えており、前記制御回路は、前記第1の出力回路(14)に対して出力される電圧の設定値範囲にしたがって、前記第1および第2の出力回路の可変規模のチョッパスイッチ(17、25)のスイッチングを命令するように構成されている、請求項1〜11のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項13】
前記第1の出力回路(14)は、前記電圧の設定値範囲内で動作する電気的な負荷(23)に接続され、前記第2の出力回路(15)は、蓄電装置(29)に接続される、請求項12に記載のコンバータ回路。
【請求項14】
前記制御回路(51)は、第1の入力を、前記第1の出力回路(14)に接続されており、第2の入力を、基準点(63)に接続されているヒステリシスコンパレータ(61)を備えており、該ヒステリシスコンパレータ(61)の出力は、前記第1および第2の出力回路の可変規模のチョッパスイッチ(17、25)に1つずつ接続されている2つの出力を有している、該2つのチョッパスイッチ(17、25)を駆動するための命令発生器(55)を制御する制御ユニット(53)の入力に接続されていることを特徴とする、請求項13に記載のコンバータ回路。
【請求項15】
前記蓄電装置は、再充電可能なマイクロバッテリである、請求項13または14に記載のコンバータ回路。
【請求項16】
前記蓄電装置は、スーパーキャパシタである、請求項13または14に記載のコンバータ回路。
【請求項17】
前記第1および第2の出力回路は、ローパスフィルタ(21、27)を備えている、請求項1〜16のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項18】
前記制御回路(51)は、さらに、
あらかじめ定められた量だけ異なる2つのデューティサイクルに対する、前記電気エネルギー源の出力端子の電圧を特定し、
該あらかじめ定められた量だけ異なる2つのデューティサイクルに対して得られた前記電圧間の電圧差を計算し、
該電圧差の値と、前回の電圧差の計算において得られた電圧差の値との比較を行い、
該比較の結果に応じて、あらかじめ定められた量(Δα)だけ、前記デューティサイクル(α)の変更を命令する手段を備えている、請求項1〜17のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項19】
前記制御回路(51)は、前回の電圧差の比較の結果、前記デューティサイクルが減らされており、かつ前記電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、前記あらかじめ定められた量(Δα)だけの、前記デューティサイクル(α)の増加を命令するように構成されている、請求項18に記載のコンバータ回路。
【請求項20】
前記制御回路(51)は、前回の電圧差の比較の結果、前記デューティサイクルが増やされており、かつ前記電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、前記あらかじめ定められた量(Δα)だけの、前記デューティサイクル(α)の減少を命令するように構成されている、請求項19に記載のコンバータ回路。
【請求項21】
前記チョッパ回路(11)は、電気エネルギー蓄積インダクタ(12)と、前記制御回路(51)によって制御される少なくとも1つのチョッパスイッチ(13)とを備えている、請求項1〜20のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項22】
前記チョッパ回路(11)の電気エネルギー蓄積インダクタ(12)およびチョッパスイッチ(13)は、昇圧構造に構成されている、請求項21に記載のコンバータ回路。
【請求項23】
前記チョッパ回路(11)の電気エネルギー蓄積インダクタ(12)およびチョッパスイッチ(13)は、降圧構造に構成されている、請求項21に記載のコンバータ回路。
【請求項24】
前記制御回路は、前記第1および第2の出力回路の可変規模のチョッパスイッチ(17、25)のうちの少なくとも1つの制御を開始させるための、前記電気エネルギー蓄積インダクタの電流零点センサ(59)を備えている、請求項21〜23のいずれか1項に記載のコンバータ回路。
【請求項25】
送出される電力が大きく変動し得る少なくとも1つの電気エネルギー源(3)と、該少なくとも1つの電気エネルギー源(3)に接続されている少なくとも1つの、請求項1〜24のいずれか1項に記載のコンバータ回路(2)とを備えている電子システム(1)。
【請求項26】
前記電気エネルギー源(3)は、少なくとも1つの太陽電池を備えている、請求項25に記載の電子システム。
【請求項27】
前記電気エネルギー源(3)は、少なくとも1つの風力発電装置を備えている、請求項25に記載の電子システム。
【請求項28】
前記電気エネルギー源(3)は、少なくとも1つの熱電素子を備えている、請求項25に記載の電子システム。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2011−259695(P2011−259695A)
【公開日】平成23年12月22日(2011.12.22)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2011−124732(P2011−124732)
【出願日】平成23年6月3日(2011.6.3)
【出願人】(510132347)コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ (51)
【Fターム(参考)】