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】 送出電力が大きく変動し得る電気エネルギー源に接続されて、電気エネルギーの収集を最適化させる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（２）は、電気エネルギー源（３）に接続可能な入力端子（９）を有しているチョッパ回路（１１）と、第１のスイッチ（１７）を介して、チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されるようになっている第１の出力回路（１４）と、第２のスイッチ（２５）を介して、チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されるようになっている第２の出力回路（１５）と、電気エネルギー源（３）の電圧の変化に応じて、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、また第１の出力回路（１４）に対する出力電圧設定範囲にしたがって、第１のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）のスイッチングを制御するようになっている制御回路（５１）とを備えている。
【解決手段】 このコンバータ回路（２）は、電気エネルギー源（３）に接続可能な入力端子（９）を有しているチョッパ回路（１１）と、第１のスイッチ（１７）を介して、チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されるようになっている第１の出力回路（１４）と、第２のスイッチ（２５）を介して、チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されるようになっている第２の出力回路（１５）と、電気エネルギー源（３）の電圧の変化に応じて、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、また第１の出力回路（１４）に対する出力電圧設定範囲にしたがって、第１のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）のスイッチングを制御するようになっている制御回路（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】
特に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させるために、再生可能エネルギー発電装置の使用を継続的に増大させるべく、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、風力発電装置や熱電発電装置などの再生可能エネルギー発電装置にも当てはまる。
【０００４】
これらの再生可能エネルギー発電装置は、それらから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。太陽電池発電装置は、極めて非線形な電流−電圧特性曲線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、効率即ち太陽電池から送出される電力は、１日の間に変化する、太陽の露光状態だけでなく、例えば雲または他の気象現象による太陽の遮蔽状態に応じて変わる。
【０００６】
さらに、太陽電池が、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、明らかになっている。同様の問題が、風力発電の場合にも存在することが知られている。そのため、例えば日光が弱くなると、効率が低下するだけではなく、動作点が、太陽電池の有する潜在性能特性を発揮することができる動作点よりも劣る位置に設定されることによって、効率はさらに低下する。
【０００７】
このような欠点を克服し、常に、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、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、１９６８年以来開発されてきている。これは、非線形な再生可能エネルギー発電装置と任意の負荷との間の接続を、より確実にする。
【０００８】
このような回路は、太陽電池などの発電装置を、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。
【０００９】
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、負荷に恒久的に最大電力を供給するように駆動することができる。
【背景技術】
【００１０】
最大電力点（ＭＰＰ）追尾のために、Ｐ＆Ｏ（Perturbation and Observation：摂動と観測）法に基づく方法を適用することは公知である。
【００１１】
太陽電池への適用の場合には、この手法は、一定電圧Ｕ１において、発電装置から送出される、対応する電力Ｐ１を測定し、次いで、一定期間の後に、太陽電池の電圧を、電圧Ｕ２＝Ｕ１＋ΔＵとし、再度、対応する電力Ｐ２を測定するというアルゴリズムである。その後、電力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。
【００１２】
しかし、これは、電流の測定を必ず伴い、また無視できないほど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。そのため、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ら用いられている。
【００１３】
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、空間および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。
【００１４】
さらに、補助駆動セルを有する、公知の最大電力点追尾回路が存在する。しかしながら、これは、必ずしも望ましいとは限らない。
【００１５】
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公知のＭＰＰＴ回路も存在する。このシステムにおいては、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が、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上述の欠点を、少なくとも部分的に克服することを目的としている。
【００１７】
本発明の目的は、エネルギーの収集を最適化させるとともに、システムによって占められる空間量、特に、例えば太陽電池発電装置や風力発電装置などの発電装置のサイズ、および例えばバッテリやスーパーキャパシタなどの蓄電装置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】
【００１８】
上述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。
− 電気エネルギー源に接続可能な入力端子を有しているチョッパ回路。
− 第１のスイッチを介して、チョッパ回路の出力端子に接続されるようになっている第１の出力回路。
− 第２のスイッチを介して、チョッパ回路の出力端子に接続されるようになっている第２の出力回路。
− 第１に、電気エネルギー源の電圧の変化に応じて、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、第１の出力回路に対する出力電圧設定範囲にしたがって、第１のスイッチおよび第２のスイッチのスイッチングを制御するようになっている制御回路。
【００１９】
このコンバータ回路は、次の特徴の１つ以上を、単独で、または組み合わせて備えている場合がある。
− 第１の出力回路は、上述の出力電圧設定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。
− 制御回路は、第１の入力を、第１の出力回路に接続し、かつ第２の入力を、基準電位点に接続しているヒステリシスコンパレータを備え、ヒステリシスコンパレータの出力は、第１のスイッチおよび第２のスイッチをそれぞれ駆動するために、第１のスイッチおよび第２のスイッチに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。
− 蓄電装置は、再充電可能なマイクロバッテリである。
− 蓄電装置は、スーパーキャパシタである。
− 第１および第２の出力回路は、ローパスフィルタを備えている。
− 制御回路は、さらに、次のものを備えている。
・ 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して、電気エネルギー源の出力における電圧を特定する手段と、
・ 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電圧間の電圧差を計算する手段と、
・ 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う手段と、
・ この比較の結果に応じて、あらかじめ定められた量だけの、デューティサイクルの変更を命令する手段。
− 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。
− 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。
− チョッパ回路は、制御回路によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタと、少なくとも１つのチョッパスイッチとを備えている。
− 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。
− 電気エネルギー蓄積インダクタおよび２つのチョッパスイッチは、降圧構造に構成されている。
− 電気エネルギー蓄積インダクタおよび３つのチョッパスイッチは、降圧／昇圧構造に構成されている。
− 制御回路は、第１および第２の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」を検出するセンサを備えている。
【００２０】
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つの前述のコンバータ回路とを備えている電子システムをも提供するものである。
【００２１】
この電子システムは、次の特徴の１つ以上を、単独で、または組み合わせて備えている場合がある。
− 電気エネルギー源は、少なくとも１つの太陽電池。
− 電気エネルギー源は、少なくとも１つの風力発電装置。
− 電気エネルギー源は、少なくとも１つの熱電素子。
− 電気エネルギー源の各出力は、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を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態のコンバータ回路を備える電子システムの回路図である。
【図２】最大電力点追尾の方法のフローチャートである。
【図３】本発明のコンバータ回路のトランジスタの制御を、時間の関数として示すグラフである。
【図４】第２の実施形態のコンバータ回路を備える電子システムの回路図である。
【図５】第３の実施形態のコンバータ回路を備える電子システムの回路図である。
【図６】別の実施形態の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】
【００２３】
添付図面を参照して、本発明に関する以下の説明を読むことによって、本発明の他の利点および特徴が明らかになると思う。
【００２４】
すべての図を通して、同一の部分には、同一の符号を付してある。
【００２５】
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の一例を示している。
【００２６】
送出される電力に大きな変動を示すことがある電気エネルギー源３としては、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）がある。
【００２７】
用語「大きな変動」とは、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約１００倍だけ変動することを意味している。
【００２８】
電気エネルギー源３の出力端子５は、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。
【００２９】
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。
【００３０】
チョッパ回路１１は、その主要部分として、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。
【００３１】
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の入力は、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」状態になると、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る。チョッピング周波数は、例えば２００ｋＨｚである。
【００３２】
コンバータ回路は、さらに、第１の出力回路１４および第２の出力回路１５を備えている。
【００３３】
第１の出力回路１３は、その上流側で、第１のスイッチ１７を介して、チョッパ回路１１の出力端子１９に接続されている。
【００３４】
この第１の出力回路１３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範囲で動作する電気的な負荷２３に接続されている。
【００３５】
第２の出力回路１５は、その上流側で、第２のスイッチ２５を介して、チョッパ回路１１の出力端子１９に接続されている。
【００３６】
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。
【００３７】
この蓄電装置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。
【００３８】
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１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。
【００３９】
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、任意の過熱および／または任意の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ている。
【００４０】
第１の変形例によれば、負荷３１と負荷２５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２５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２５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。
【００４１】
第２の変形例によれば、負荷２５と３１とは同一物ではなく、相異なる電力消費部品である。
【００４２】
コンバータ回路２の駆動は、制御回路５１によってなされる。
【００４３】
この制御回路５１は、一方では、チョッパ回路１１のデューティサイクルαを制御し、他方では、第１のスイッチ１７および第２のスイッチ２５の切り替え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。
【００４４】
これらの制御のために、制御ユニット５３は、スイッチ１３、１７および２５を制御する命令発生器（ＤＴＬＣユニットすなわちデッドタイムロジック制御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。
【００４５】
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。
【００４６】
スイッチ１７および２５は、ＰＭＯＳタイプのトランジスタであり、それらのベースは、それぞれバッファ１７Ａおよび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。
【００４７】
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。この特定手段として、本発明では、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。
【００４８】
特にスイッチ１７および２５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し、制御ユニット５３の対応する入力に信号を送出する電流「零点」センサ５９を備えている。
【００４９】
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に置き換えることが可能である。
【００５０】
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に接続し、他方の入力を基準電位点６３に接続し、出力を制御ユニット５３の対応する入力に接続しているヒステリシスコンパレータ６１を備えている。
【００５１】
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（オン状態すなわち導通状態にある）とき、スイッチ１７および２５は開かれており（オフ状態すなわち遮断状態にあり）、
− スイッチ１７および２５のうちの一方が閉じられている（オン状態にある）とき、スイッチ１７および２５のうちの他方は常に開かれており（オフ状態にあり）、スイッチ１３は開かれている（オフ状態にある）。
【００５２】
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つしか閉状態になることはできず、他の２つは開状態にある。
【００５３】
次に、図１のコンバータ回路２の動作について、詳細に説明する。
【００５４】
電気エネルギー源３を、常に、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で動作させるために、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。
【００５５】
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、電圧の単純な測定、減算操作、および比較操作によって、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で、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。
【００５６】
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（デューティサイクルαに関する動作電圧の微分係数）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。
− 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と、
− 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つの電圧間の電圧差を計算するステップと、
− 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と、
− 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。
【００５７】
これらの各ステップは、図２に詳細に示されている。
【００５８】
初期設定ステップ２００において、デューティサイクルαの値が、あらかじめ定められた値、例えばα＝０．５に設定され、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（α）が特定される。
【００５９】
次に、デューティサイクルが、あらかじめ定められた量Δαだけ変更され、再度、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（α＋Δα）が特定される。
【００６０】
次いで、これらの２つの電圧間の差の絶対値が、次の式にしたがって計算される。
ΔＶiniS＝｜ＶS（α）−ＶS（α＋Δα）｜
【００６１】
一変形例として、ΔＶiniSを、あらかじめ定められた値に固定することも可能である。
【００６２】
その後、いわゆる繰り返しによる修正ループが開始される。
【００６３】
ステップ２０２において、ループｋ（ｋは正の整数である）に対して、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（αk）が特定される。
【００６４】
ステップ２０４において、ループｋおよびループ（ｋ−１）に対して測定された２つの電圧間の差の絶対値（以下、単に電圧差と呼ぶ）が、次式によって計算される。
ΔＶS（ｋ）＝｜ＶS（αk）−ＶS（αk-1）｜
ここで、｜αk−αk-1｜＝Δαである。
【００６５】
次に、ステップ２０６において、この電圧差ΔＶS（ｋ）の値が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差ΔＶS（ｋ−１）の値と比較される。
【００６６】
ステップ２０８において、比較結果に応じて、制御ユニット５３が、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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
制御回路５１は、そうではなくて、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。
【００７０】
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。
【００７１】
ステップ２０８の後、操作はステップ２０２に戻る。
【００７２】
したがって、コンバータ回路は、最大電力点（ＭＰＰ）の近くで揺らされ、それによって、電気エネルギー源３から利用可能な最大電力の収集が確実に行われる。
【００７３】
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１０Ｈｚ例えば１６Ｈｚである。
【００７４】
さらに、Δαの値が小さいほど、コンバータ回路は、最大電力点のより近傍で動作することができることに注意されたい。この場合に、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場合には、リフレッシュ周波数は、より高く選ばれる。
【００７５】
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から供給された電流が、電気エネルギー蓄積インダクタ１２中を流れ、磁界が発生している。
【００７６】
次に、スイッチ１３が開かれると、電気エネルギーを、直接的な電力消費のために、スイッチ１７を開くことによって負荷２５に直接供給するか、またはその後の電力消費のために、蓄電装置２９に蓄えることができる。
【００７７】
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。
【００７８】
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、出力電圧設定範囲内に含まれていれば、スイッチ１７は開かれている。
【００７９】
この出力電圧設定範囲は、ヒステリシスコンパレータ６１および基準電位点６３を介して定められる。
【００８０】
出力電圧が、出力電圧設定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がまだ開いていれば、スイッチ２５を開くように命令する。
【００８１】
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２５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。
【００８２】
この動作は、図３にも示されている。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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、ＮＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１３はオフ状態になり、またＰＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ２５がハイレベル電圧を供給されて「オフ」状態にあるから、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、出力電圧設定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２５によって消費される電流に依存する。
【００８７】
出力電圧が、出力電圧設定範囲外になり、かつＮＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１３の出力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は再充電される。
【００８８】
蓄電装置２９に蓄えられている電気エネルギーは、必要に応じて、ＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を介して、例えば負荷３１によって、通常通りに使用され、したがって、このことに関しては、これ以上詳細な説明は行わない。
【００８９】
図４は、第２の実施形態によるコンバータ回路の回路図である。
【００９０】
この回路図は、スイッチ１３が取り除かれているという点、および、チョッパ回路の制御回路によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタ１２および２つのチョッパスイッチ７０および７２（以下、単にスイッチ７０および７２と呼ぶ）が降圧構造（バック構造とも呼ばれる）に構成されているという点で、図１の回路図とは異なっている。
【００９１】
より詳細には、スイッチ７０は、電気エネルギー源３の出力および電気エネルギー蓄積インダクタ１２の入力に接続されている。スイッチ７０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の周囲に磁界が形成される。チョッピング周波数は、例えば２００ｋＨｚである。
【００９２】
スイッチ７０、１７、２５は、最大電力点追尾のためにも、第１の出力回路１４および第２の出力回路１５への電気エネルギーの伝達のためにも、図１のコンバータ回路の場合と同様に働く。
【００９３】
スイッチ７２は、各チョッピング周期の開始時に、電気エネルギー蓄積インダクタ１２から接地点に電気エネルギーを完全に放出させるために用いられる。
【００９４】
図５は、第３の実施形態によるコンバータ回路の回路図である。
【００９５】
この回路図は、スイッチ１３が維持されているが、図４の場合と同様に、２つのチョッパスイッチ７０および７２が加えられているという点で、図１の回路図と異なっている。
【００９６】
チョッパ回路を制御する制御回路によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタ１２、および３つのスイッチ１３、７０および７２は、降圧／昇圧構造（バック／ブースト構造とも呼ばれる）に構成されている。
【００９７】
昇圧動作においては、スイッチ７０は常にオン状態にあり、スイッチ７２は常にオフ状態にあり、コンバータ回路２は、スイッチ１３、１７および２５とともに、図１を参照して説明したとおりに動作する。
【００９８】
降圧動作においては、スイッチ１３は常にオフ状態にあり、コンバータ回路２は、スイッチ７０、７２、１７および２５とともに、図４を参照して説明したとおりに動作する。
【００９９】
図６は、各々が、例えば図１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る電気システムのブロック図である。
【０１００】
この場合、コンバータ回路２の第１の出力回路１４は、局所的に安定化された電力を供給するように互いに接続されており、また第２の出力回路１５の各々は、スーパーキャパシタおよびＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を含んでいる。
【０１０１】
したがって、太陽電池は互いに独立しており、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、エネルギー収集が最適化される。
【０１０２】
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して、その最大電力点で動作することができる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
したがって、本発明によるコンバータ回路２は、エネルギー収集の最適化とともに、安定化された電力供給を可能にすることが理解しうると思う。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。
【０１０５】
特に、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全く供給できないか、または十分に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】
【０１０６】
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、７０、７２ 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
１７、２５ スイッチ
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 基準電位点
３００、３０２、３０４、３０６ 曲線
３０８、３１０、３１２ 期間
【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】
特に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させるために、再生可能エネルギー発電装置の使用を継続的に増大させるべく、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、風力発電装置や熱電発電装置などの再生可能エネルギー発電装置にも当てはまる。
【０００４】
これらの再生可能エネルギー発電装置は、それらから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。太陽電池発電装置は、極めて非線形な電流−電圧特性曲線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、効率即ち太陽電池から送出される電力は、１日の間に変化する、太陽の露光状態だけでなく、例えば雲または他の気象現象による太陽の遮蔽状態に応じて変わる。
【０００６】
さらに、太陽電池が、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、明らかになっている。同様の問題が、風力発電の場合にも存在することが知られている。そのため、例えば日光が弱くなると、効率が低下するだけではなく、動作点が、太陽電池の有する潜在性能特性を発揮することができる動作点よりも劣る位置に設定されることによって、効率はさらに低下する。
【０００７】
このような欠点を克服し、常に、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、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、１９６８年以来開発されてきている。これは、非線形な再生可能エネルギー発電装置と任意の負荷との間の接続を、より確実にする。
【０００８】
このような回路は、太陽電池などの発電装置を、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。
【０００９】
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、負荷に恒久的に最大電力を供給するように駆動することができる。
【背景技術】
【００１０】
最大電力点（ＭＰＰ）追尾のために、Ｐ＆Ｏ（Perturbation and Observation：摂動と観測）法に基づく方法を適用することは公知である。
【００１１】
太陽電池への適用の場合には、この手法は、一定電圧Ｕ１において、発電装置から送出される、対応する電力Ｐ１を測定し、次いで、一定期間の後に、太陽電池の電圧を、電圧Ｕ２＝Ｕ１＋ΔＵとし、再度、対応する電力Ｐ２を測定するというアルゴリズムである。その後、電力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。
【００１２】
しかし、これは、電流の測定を必ず伴い、また無視できないほど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。そのため、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ら用いられている。
【００１３】
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、空間および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。
【００１４】
さらに、補助駆動セルを有する、公知の最大電力点追尾回路が存在する。しかしながら、これは、必ずしも望ましいとは限らない。
【００１５】
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公知のＭＰＰＴ回路も存在する。このシステムにおいては、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が、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上述の欠点を、少なくとも部分的に克服することを目的としている。
【００１７】
本発明の目的は、エネルギーの収集を最適化させるとともに、システムによって占められる空間量、特に、例えば太陽電池発電装置や風力発電装置などの発電装置のサイズ、および例えばバッテリやスーパーキャパシタなどの蓄電装置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】
【００１８】
上述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。
− 電気エネルギー源に接続可能な入力端子を有しているチョッパ回路。
− 第１のスイッチを介して、チョッパ回路の出力端子に接続されるようになっている第１の出力回路。
− 第２のスイッチを介して、チョッパ回路の出力端子に接続されるようになっている第２の出力回路。
− 第１に、電気エネルギー源の電圧の変化に応じて、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、第１の出力回路に対する出力電圧設定範囲にしたがって、第１のスイッチおよび第２のスイッチのスイッチングを制御するようになっている制御回路。
【００１９】
このコンバータ回路は、次の特徴の１つ以上を、単独で、または組み合わせて備えている場合がある。
− 第１の出力回路は、上述の出力電圧設定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。
− 制御回路は、第１の入力を、第１の出力回路に接続し、かつ第２の入力を、基準電位点に接続しているヒステリシスコンパレータを備え、ヒステリシスコンパレータの出力は、第１のスイッチおよび第２のスイッチをそれぞれ駆動するために、第１のスイッチおよび第２のスイッチに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。
− 蓄電装置は、再充電可能なマイクロバッテリである。
− 蓄電装置は、スーパーキャパシタである。
− 第１および第２の出力回路は、ローパスフィルタを備えている。
− 制御回路は、さらに、次のものを備えている。
・ 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して、電気エネルギー源の出力における電圧を特定する手段と、
・ 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電圧間の電圧差を計算する手段と、
・ 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う手段と、
・ この比較の結果に応じて、あらかじめ定められた量だけの、デューティサイクルの変更を命令する手段。
− 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。
− 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。
− チョッパ回路は、制御回路によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタと、少なくとも１つのチョッパスイッチとを備えている。
− 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。
− 電気エネルギー蓄積インダクタおよび２つのチョッパスイッチは、降圧構造に構成されている。
− 電気エネルギー蓄積インダクタおよび３つのチョッパスイッチは、降圧／昇圧構造に構成されている。
− 制御回路は、第１および第２の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」を検出するセンサを備えている。
【００２０】
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つの前述のコンバータ回路とを備えている電子システムをも提供するものである。
【００２１】
この電子システムは、次の特徴の１つ以上を、単独で、または組み合わせて備えている場合がある。
− 電気エネルギー源は、少なくとも１つの太陽電池。
− 電気エネルギー源は、少なくとも１つの風力発電装置。
− 電気エネルギー源は、少なくとも１つの熱電素子。
− 電気エネルギー源の各出力は、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を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態のコンバータ回路を備える電子システムの回路図である。
【図２】最大電力点追尾の方法のフローチャートである。
【図３】本発明のコンバータ回路のトランジスタの制御を、時間の関数として示すグラフである。
【図４】第２の実施形態のコンバータ回路を備える電子システムの回路図である。
【図５】第３の実施形態のコンバータ回路を備える電子システムの回路図である。
【図６】別の実施形態の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】
【００２３】
添付図面を参照して、本発明に関する以下の説明を読むことによって、本発明の他の利点および特徴が明らかになると思う。
【００２４】
すべての図を通して、同一の部分には、同一の符号を付してある。
【００２５】
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の一例を示している。
【００２６】
送出される電力に大きな変動を示すことがある電気エネルギー源３としては、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）がある。
【００２７】
用語「大きな変動」とは、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約１００倍だけ変動することを意味している。
【００２８】
電気エネルギー源３の出力端子５は、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。
【００２９】
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。
【００３０】
チョッパ回路１１は、その主要部分として、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。
【００３１】
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の入力は、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」状態になると、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る。チョッピング周波数は、例えば２００ｋＨｚである。
【００３２】
コンバータ回路は、さらに、第１の出力回路１４および第２の出力回路１５を備えている。
【００３３】
第１の出力回路１３は、その上流側で、第１のスイッチ１７を介して、チョッパ回路１１の出力端子１９に接続されている。
【００３４】
この第１の出力回路１３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範囲で動作する電気的な負荷２３に接続されている。
【００３５】
第２の出力回路１５は、その上流側で、第２のスイッチ２５を介して、チョッパ回路１１の出力端子１９に接続されている。
【００３６】
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。
【００３７】
この蓄電装置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。
【００３８】
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１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。
【００３９】
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、任意の過熱および／または任意の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ている。
【００４０】
第１の変形例によれば、負荷３１と負荷２５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２５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２５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。
【００４１】
第２の変形例によれば、負荷２５と３１とは同一物ではなく、相異なる電力消費部品である。
【００４２】
コンバータ回路２の駆動は、制御回路５１によってなされる。
【００４３】
この制御回路５１は、一方では、チョッパ回路１１のデューティサイクルαを制御し、他方では、第１のスイッチ１７および第２のスイッチ２５の切り替え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。
【００４４】
これらの制御のために、制御ユニット５３は、スイッチ１３、１７および２５を制御する命令発生器（ＤＴＬＣユニットすなわちデッドタイムロジック制御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。
【００４５】
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。
【００４６】
スイッチ１７および２５は、ＰＭＯＳタイプのトランジスタであり、それらのベースは、それぞれバッファ１７Ａおよび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。
【００４７】
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。この特定手段として、本発明では、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。
【００４８】
特にスイッチ１７および２５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し、制御ユニット５３の対応する入力に信号を送出する電流「零点」センサ５９を備えている。
【００４９】
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に置き換えることが可能である。
【００５０】
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に接続し、他方の入力を基準電位点６３に接続し、出力を制御ユニット５３の対応する入力に接続しているヒステリシスコンパレータ６１を備えている。
【００５１】
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（オン状態すなわち導通状態にある）とき、スイッチ１７および２５は開かれており（オフ状態すなわち遮断状態にあり）、
− スイッチ１７および２５のうちの一方が閉じられている（オン状態にある）とき、スイッチ１７および２５のうちの他方は常に開かれており（オフ状態にあり）、スイッチ１３は開かれている（オフ状態にある）。
【００５２】
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つしか閉状態になることはできず、他の２つは開状態にある。
【００５３】
次に、図１のコンバータ回路２の動作について、詳細に説明する。
【００５４】
電気エネルギー源３を、常に、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で動作させるために、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。
【００５５】
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、電圧の単純な測定、減算操作、および比較操作によって、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で、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。
【００５６】
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（デューティサイクルαに関する動作電圧の微分係数）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。
− 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と、
− 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つの電圧間の電圧差を計算するステップと、
− 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と、
− 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。
【００５７】
これらの各ステップは、図２に詳細に示されている。
【００５８】
初期設定ステップ２００において、デューティサイクルαの値が、あらかじめ定められた値、例えばα＝０．５に設定され、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（α）が特定される。
【００５９】
次に、デューティサイクルが、あらかじめ定められた量Δαだけ変更され、再度、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（α＋Δα）が特定される。
【００６０】
次いで、これらの２つの電圧間の差の絶対値が、次の式にしたがって計算される。
ΔＶiniS＝｜ＶS（α）−ＶS（α＋Δα）｜
【００６１】
一変形例として、ΔＶiniSを、あらかじめ定められた値に固定することも可能である。
【００６２】
その後、いわゆる繰り返しによる修正ループが開始される。
【００６３】
ステップ２０２において、ループｋ（ｋは正の整数である）に対して、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（αk）が特定される。
【００６４】
ステップ２０４において、ループｋおよびループ（ｋ−１）に対して測定された２つの電圧間の差の絶対値（以下、単に電圧差と呼ぶ）が、次式によって計算される。
ΔＶS（ｋ）＝｜ＶS（αk）−ＶS（αk-1）｜
ここで、｜αk−αk-1｜＝Δαである。
【００６５】
次に、ステップ２０６において、この電圧差ΔＶS（ｋ）の値が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差ΔＶS（ｋ−１）の値と比較される。
【００６６】
ステップ２０８において、比較結果に応じて、制御ユニット５３が、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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
制御回路５１は、そうではなくて、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。
【００７０】
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。
【００７１】
ステップ２０８の後、操作はステップ２０２に戻る。
【００７２】
したがって、コンバータ回路は、最大電力点（ＭＰＰ）の近くで揺らされ、それによって、電気エネルギー源３から利用可能な最大電力の収集が確実に行われる。
【００７３】
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１０Ｈｚ例えば１６Ｈｚである。
【００７４】
さらに、Δαの値が小さいほど、コンバータ回路は、最大電力点のより近傍で動作することができることに注意されたい。この場合に、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場合には、リフレッシュ周波数は、より高く選ばれる。
【００７５】
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から供給された電流が、電気エネルギー蓄積インダクタ１２中を流れ、磁界が発生している。
【００７６】
次に、スイッチ１３が開かれると、電気エネルギーを、直接的な電力消費のために、スイッチ１７を開くことによって負荷２５に直接供給するか、またはその後の電力消費のために、蓄電装置２９に蓄えることができる。
【００７７】
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。
【００７８】
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、出力電圧設定範囲内に含まれていれば、スイッチ１７は開かれている。
【００７９】
この出力電圧設定範囲は、ヒステリシスコンパレータ６１および基準電位点６３を介して定められる。
【００８０】
出力電圧が、出力電圧設定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がまだ開いていれば、スイッチ２５を開くように命令する。
【００８１】
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２５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。
【００８２】
この動作は、図３にも示されている。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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、ＮＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１３はオフ状態になり、またＰＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ２５がハイレベル電圧を供給されて「オフ」状態にあるから、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、出力電圧設定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２５によって消費される電流に依存する。
【００８７】
出力電圧が、出力電圧設定範囲外になり、かつＮＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１３の出力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は再充電される。
【００８８】
蓄電装置２９に蓄えられている電気エネルギーは、必要に応じて、ＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を介して、例えば負荷３１によって、通常通りに使用され、したがって、このことに関しては、これ以上詳細な説明は行わない。
【００８９】
図４は、第２の実施形態によるコンバータ回路の回路図である。
【００９０】
この回路図は、スイッチ１３が取り除かれているという点、および、チョッパ回路の制御回路によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタ１２および２つのチョッパスイッチ７０および７２（以下、単にスイッチ７０および７２と呼ぶ）が降圧構造（バック構造とも呼ばれる）に構成されているという点で、図１の回路図とは異なっている。
【００９１】
より詳細には、スイッチ７０は、電気エネルギー源３の出力および電気エネルギー蓄積インダクタ１２の入力に接続されている。スイッチ７０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の周囲に磁界が形成される。チョッピング周波数は、例えば２００ｋＨｚである。
【００９２】
スイッチ７０、１７、２５は、最大電力点追尾のためにも、第１の出力回路１４および第２の出力回路１５への電気エネルギーの伝達のためにも、図１のコンバータ回路の場合と同様に働く。
【００９３】
スイッチ７２は、各チョッピング周期の開始時に、電気エネルギー蓄積インダクタ１２から接地点に電気エネルギーを完全に放出させるために用いられる。
【００９４】
図５は、第３の実施形態によるコンバータ回路の回路図である。
【００９５】
この回路図は、スイッチ１３が維持されているが、図４の場合と同様に、２つのチョッパスイッチ７０および７２が加えられているという点で、図１の回路図と異なっている。
【００９６】
チョッパ回路を制御する制御回路によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタ１２、および３つのスイッチ１３、７０および７２は、降圧／昇圧構造（バック／ブースト構造とも呼ばれる）に構成されている。
【００９７】
昇圧動作においては、スイッチ７０は常にオン状態にあり、スイッチ７２は常にオフ状態にあり、コンバータ回路２は、スイッチ１３、１７および２５とともに、図１を参照して説明したとおりに動作する。
【００９８】
降圧動作においては、スイッチ１３は常にオフ状態にあり、コンバータ回路２は、スイッチ７０、７２、１７および２５とともに、図４を参照して説明したとおりに動作する。
【００９９】
図６は、各々が、例えば図１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る電気システムのブロック図である。
【０１００】
この場合、コンバータ回路２の第１の出力回路１４は、局所的に安定化された電力を供給するように互いに接続されており、また第２の出力回路１５の各々は、スーパーキャパシタおよびＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を含んでいる。
【０１０１】
したがって、太陽電池は互いに独立しており、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、エネルギー収集が最適化される。
【０１０２】
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して、その最大電力点で動作することができる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
したがって、本発明によるコンバータ回路２は、エネルギー収集の最適化とともに、安定化された電力供給を可能にすることが理解しうると思う。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。
【０１０５】
特に、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全く供給できないか、または十分に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】
【０１０６】
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、７０、７２ 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
１７、２５ スイッチ
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 基準電位点
３００、３０２、３０４、３０６ 曲線
３０８、３１０、３１２ 期間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大きく変動し得る電気エネルギー源（３）に接続されているコンバータ回路（２）であって、
前記電気エネルギー源（３）に接続可能な入力端子（９）を有しているチョッパ回路（１１）と、
第１のスイッチ（１７）を介して、前記チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されるようになっている第１の出力回路（１４）と、
第２のスイッチ（２５）を介して、前記チョッパ回路（１１）の前記出力端子（１９）に接続されるようになっている第２の出力回路（１５）と、
第１に、前記電気エネルギー源（３）の電圧の変化に応じて、前記チョッパ回路（１１）のデューティサイクル（α）を制御するように、第２に、前記第１の出力回路（１４）に対する出力電圧設定範囲にしたがって、前記第１のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）のスイッチングを制御するようになっている制御回路（５１）とを
備えているコンバータ回路。
【請求項２】
前記第１の出力回路（１４）は、前記出力電圧設定範囲内で動作する電気的な負荷（２５）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、第１の入力を、前記第１の出力回路（１４）に接続し、かつ第２の入力を、基準電位点（６３）に接続し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のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）のそれぞれの駆動のために、前記第１のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）に１つずつ接続している２つの出力を有している命令発生器（５５）を制御する制御ユニット（５３）の入力に接続されている、請求項２に記載のコンバータ回路。
【請求項４】
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２または３に記載のコンバータ回路。
【請求項５】
前記蓄電装置は、スーパーキャパシタである、請求項２または３に記載のコンバータ回路。
【請求項６】
前記第１および第２の出力回路（１４、１５）は、ローパスフィルタ（２１、２７）を備えている、請求項２〜５のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項７】
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して、前記電気エネルギー源の出力における電圧を特定する手段と、
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する手段と
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う手段と、
該比較の結果に応じて、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）の変更を命令する手段とを
備えている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項８】
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７に記載のコンバータ回路。
【請求項１０】
前記チョッパ回路（１１）は、前記制御回路（５１）によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタ（１２）と、少なくとも１つのチョッパスイッチ（１３、７０）とを備えている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１１】
前記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１０に記載のコンバータ回路。
【請求項１２】
前記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（７０、７２）は、降圧構造に構成されている、請求項１０に記載のコンバータ回路。
【請求項１３】
前記電気エネルギー蓄積インダクタ（１２）および３つのチョッパスイッチ（１３、７０、７２）は、降圧／昇圧構造に構成されている、請求項１０に記載のコンバータ回路。
【請求項１４】
前記制御回路は、前記第１および第２のスイッチ（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」を検出するセンサ（５９）を備えている、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１５】
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、この少なくとも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１〜１６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１６】
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１５に記載の電子システム。
【請求項１７】
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１５に記載の電子システム。
【請求項１８】
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１５に記載の電子システム。
【請求項１９】
前記電気エネルギー源（３）の各々の出力は、対応するコンバータ回路（２）の入力に接続されており、前記コンバータ回路（２）の第２の出力回路（１５）の各々は、スーパーキャパシタ（２９）を含んでいる、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電子システム。
【請求項１】
大きく変動し得る電気エネルギー源（３）に接続されているコンバータ回路（２）であって、
前記電気エネルギー源（３）に接続可能な入力端子（９）を有しているチョッパ回路（１１）と、
第１のスイッチ（１７）を介して、前記チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されるようになっている第１の出力回路（１４）と、
第２のスイッチ（２５）を介して、前記チョッパ回路（１１）の前記出力端子（１９）に接続されるようになっている第２の出力回路（１５）と、
第１に、前記電気エネルギー源（３）の電圧の変化に応じて、前記チョッパ回路（１１）のデューティサイクル（α）を制御するように、第２に、前記第１の出力回路（１４）に対する出力電圧設定範囲にしたがって、前記第１のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）のスイッチングを制御するようになっている制御回路（５１）とを
備えているコンバータ回路。
【請求項２】
前記第１の出力回路（１４）は、前記出力電圧設定範囲内で動作する電気的な負荷（２５）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、第１の入力を、前記第１の出力回路（１４）に接続し、かつ第２の入力を、基準電位点（６３）に接続し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のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）のそれぞれの駆動のために、前記第１のスイッチ（１７）および第２のスイッチ（２５）に１つずつ接続している２つの出力を有している命令発生器（５５）を制御する制御ユニット（５３）の入力に接続されている、請求項２に記載のコンバータ回路。
【請求項４】
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２または３に記載のコンバータ回路。
【請求項５】
前記蓄電装置は、スーパーキャパシタである、請求項２または３に記載のコンバータ回路。
【請求項６】
前記第１および第２の出力回路（１４、１５）は、ローパスフィルタ（２１、２７）を備えている、請求項２〜５のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項７】
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して、前記電気エネルギー源の出力における電圧を特定する手段と、
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する手段と
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う手段と、
該比較の結果に応じて、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）の変更を命令する手段とを
備えている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項８】
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７に記載のコンバータ回路。
【請求項１０】
前記チョッパ回路（１１）は、前記制御回路（５１）によって制御される電気エネルギー蓄積インダクタ（１２）と、少なくとも１つのチョッパスイッチ（１３、７０）とを備えている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１１】
前記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１０に記載のコンバータ回路。
【請求項１２】
前記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（７０、７２）は、降圧構造に構成されている、請求項１０に記載のコンバータ回路。
【請求項１３】
前記電気エネルギー蓄積インダクタ（１２）および３つのチョッパスイッチ（１３、７０、７２）は、降圧／昇圧構造に構成されている、請求項１０に記載のコンバータ回路。
【請求項１４】
前記制御回路は、前記第１および第２のスイッチ（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」を検出するセンサ（５９）を備えている、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１５】
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、この少なくとも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１〜１６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１６】
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１５に記載の電子システム。
【請求項１７】
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１５に記載の電子システム。
【請求項１８】
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１５に記載の電子システム。
【請求項１９】
前記電気エネルギー源（３）の各々の出力は、対応するコンバータ回路（２）の入力に接続されており、前記コンバータ回路（２）の第２の出力回路（１５）の各々は、スーパーキャパシタ（２９）を含んでいる、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電子システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１２−５２７２０８（Ｐ２０１２−５２７２０８Ａ）
【公表日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１０３００（Ｐ２０１２−５１０３００）
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５６５７９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３０７９８
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【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）】
【公表日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５６５７９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３０７９８
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【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）】
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