JP2005529578A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

太陽光発電システムでは、ブーストコンバータが使用され、チョーク及び変圧器を有している。チョークは第一の時間インターバルで交互にブーストされ、変圧器により電力の伝送が第二の時間インターバルで行われる。ソーラーパネルにより供給される入力電圧が増加するとき、第一の時間インターバルが減少し、第二の時間インターバルが増加する。結果として、ブーストコンバータは、ワイドレンジの入力電圧を扱うことができる。

Description

本発明は、アイソレートされたブーストコンバータ型のＤＣ−ＤＣコンバータに関し、ＤＣ電源への接続のための入力端子、該入力端子に接続して、誘導素子Ｌとスイッチング手段とからなる直列構成を有する第一の回路ブランチ、該スイッチング手段の導通状態を制御するための制御信号を発生するために該スイッチング手段に結合される制御回路、該スイッチング手段に結合される一次巻線と該一次巻線に磁気的に結合される二次巻線とが設けられた変圧器、該二次巻線に結合された整流手段、及び該整流手段に結合された出力端子を有している。
また、本発明は、太陽光発電コンバータ、及び太陽光発電システムに関する。

開始節で説明されたようなＤＣ−ＤＣコンバータは、DE4426017から知られている。公知のＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリ充電器で使用されるために特に適している。ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力端子に結合される整流器を有しており、低周波のＡＣ電圧を供給する電源からエネルギーが供給されることが意図されている。制御回路は、高い力率が得られるように、電源から引き出される電流が近似的に正弦波の形状を有し、かつ電源の電圧と実質的に同位相であるようなやり方でスイッチング手段を制御する。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力にある大型の変圧器を用いずに済ませることができるように、高周波電流を搬送することで小さくすることができる変圧器により、ガルバニックアイソレーションが実現される。

ＤＣ−ＤＣコンバータが使用される別の技術分野は、太陽光発電コンバータの分野である。それらの高い効率のため、フォワードコンバータがこのアプリケーションで使用されることがある。しかし、それらの高い効率にもかかわらず、フォワードコンバータの使用は、重要な問題点に関連される。ソーラーパネルを構成する太陽電池が直列に配置されることがあり、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力端子間に存在する電圧は、かかる直列構成を構成するセル数に依存する。一般に、異なるユーザは、異なる数の太陽電池を有する直列構成を使用することを好む。さらに、太陽光発電コンバータの動作の間、電池を有するソーラーパネルに衝突する光は、雲、動く木の枝等のためにパネルを通して一様に分布されない。一部の電池は、直列構成にわたり存在する全体の電圧に寄与する十分な光を受けない。ソーラーパネルに衝突する光の強度の分布は動作の間に連続的に変化するので、電池の直列構成により生成される電圧についても同じことが当てはまるように、一般に、寄与する電池数も同様に連続的に変化する。一定の出力電圧が望まれる場合には、その入力端子間の電圧が増加される場合に、フォワードコンバータのスイッチのデューティサイクルは減少されることが必要とされる。しかし、太陽電池は電流源として作用するので、入力電圧における増加は、フォワードコンバータの入力端子からその出力端子に伝送される電力における増加に関連される。デューティサイクルにおける減少と電力伝送における増加との組み合わせは、フォワードコンバータのスイッチで消散される電力量における大幅な増加を引き起こす。上記より、許容可能な効率でワイドレンジの入力電圧を扱うためには、フォワードコンバータは、適切なＤＣ−ＤＣコンバータではないことが明らかである。

本発明は、ワイドレンジの入力電圧のために比較的高い効率を有するＤＣ−ＤＣコンバータであって、それにより太陽光発電コンバータで使用されるために適したＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを狙いとしている。

本発明に係る、開始節で説明されたようなＤＣ−ＤＣコンバータは、制御信号が一定の周期Ｔを有することを特徴としており、コンバータには、一定レベルで誘導素子Ｌを流れる電流に関する制御信号の周期にわたる平均値を制御するための電流制御ループが更に設けられることを特徴としている。

制御信号の周期の第一の部分の間、入力端子間に存在する電圧により、誘導素子Ｌ及びスイッチング手段に電流が流れる。この周期の第一の部分の間、この電流の振幅は線形に増加する。残りの部分の間、電流は、誘導素子Ｌと変圧器の一次巻線を流れる。この電流の振幅は、線形に減少する。また、この電流により、電力が出力端子に供給されるように、変圧器の二次巻線及び整流器を通して別の電流が流れる。ＤＣ−ＤＣコンバータの入力端子間に直列で配置される寄与する太陽電池の数が増加するとき、入力端子間の電圧が増加する。さらに、それぞれの太陽電池は電流源として作用するので、ソーラーパネルからＤＣ−ＤＣコンバータの入力端子に伝送される電力も同様に増加する。入力端子間に存在する電圧が増加するので、誘導素子Ｌを流れる電流は、制御信号のそれぞれの周期の第一の部分の間、より速く増加する。制御信号の周期を通して誘導素子Ｌを流れる電流の平均値は一定の値に制御され、かつ周期の時限は一定であるので、誘導素子Ｌを流れる電流の速い増加は、制御信号の周期のうちの第一の部分の時限における減少に対応し、残りの部分の時限における増加に対応する。言い換えれば、出力端子への電力伝送が行われる制御信号のそれぞれの周期における時間インターバルの期間が増加される。この理由のため、制御信号のそれぞれの周期の間に伝送される電力量における増加により、ＤＣ−ＤＣコンバータのコンポーネントが受けるストレスにおいて制限された増加のみが生じる。制御信号のそれぞれの周期の間に入力端子から出力端子に伝送される必要がある電力量における増加は、この電力伝送が行われるそれぞれの周期における時間インターバルの期間における増加により補償される広い範囲に及ぶ。本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、ワイドレンジの入力電圧及び入力電力について比較的高い効率で動作することができることがわかっている。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施の形態により良好な結果が得られており、本ＤＣ−ＤＣコンバータは、誘導素子Ｌを流れる電流を表す第一の信号を発生する第一の回路部、予め決定された基準値を表す第二の信号を発生する第二の回路部、該第一の回路部に結合された第一の入力端子と該第二の回路部に結合された第二の入力端子と該制御回路に結合される出力端子とが設けられるコンパレータを有している。

代替的に、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの制御ループには、誘導素子Ｌを流れる電流の平均値を表す第一の信号を発生する第一の回路部、誘導素子Ｌを流れる電流の平均値の所望の値を表す第二の信号を発生する第二の回路部、該第一の回路部と該第二の回路部と該制御回路に結合され、該第一の信号と該第二の信号とを比較して、該第一の信号と該第二の信号との間の差に依存して制御信号のデューティサイクルを調整するための第三の回路部、が設けられている場合がある。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施の形態について、ワイドレンジの入力電圧を通して非常に高い効率が見られる。スイッチング手段は、第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とからなる第一の直列構成、及び該第一の直列構成を短絡し第三のスイッチング素子と第四のスイッチング素子とを有する第二の直列構成を有している。一次巻線は、第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子の共通端子と、第三のスイッチング素子と第四のスイッチング素子の共通端子との間に結合されている。かかる実施の形態では、制御信号は、好ましくはスイッチングサイクルに作用し、このスイッチングサイクルは、エネルギーがＤＣ電源から誘導性素子Ｌに伝送される第一の時間インターバルの間の第一の動作状態、第一の方向で一次巻線を流れる電流により、エネルギーがＤＣ電源及び誘導素子Ｌから出力端子に伝送される第二の時間インターバルの間の第二の動作状態、エネルギーがＤＣ電源から誘導素子Ｌに伝送される第三の時間インターバルの間の第三の動作状態、第二の方向で一次巻線を流れる電流により、エネルギーがＤＣ電源及び誘導素子Ｌから出力端子に伝送される第四の時間インターバルの間の第四の動作状態、を有している。該第一の時間インターバル及び該第二の時間インターバルの全体の時限は、一定の予め決定された値に等しく、また、該第三の時間インターバル及び該第四の時間インターバルの全体の時限に等しい。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータでは、整流手段には、好ましくは、２つのダイオードを有して二次巻線を短絡する第一の直列構成、及び２つの更なるダイオードを有して二次巻線を短絡する第二の直列構成が設けられている。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、ワイドレンジの入力電圧及び入力電力にわたり比較的高い効率で動作することができるので、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽光発電用のコンバータにおける使用のために非常に適している。かかる太陽光発電用のコンバータは、通常の電源に電力を供給するために使用される場合がある。その場合、太陽光発電用コンバータは、出力端子間に存在するＤＣ電圧以外の低周波のＡＣ電圧を発生するためにＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子に結合されるインバータを有している。

かかる太陽光発電用コンバータは、太陽電池が設けられたソーラーパネルを更に有する太陽光発電システムにおける使用のために非常に適している。
本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施の形態は、添付図面を参照して説明される。

図１では、参照符号Ｋ１及びＫ２は、ＤＣ電源への接続のための入力端子である。入力端子Ｋ１及びＫ２は、太陽電池からなる直列構成を有するソーラーパネルＳＰに接続される。入力端子Ｋ１及びＫ２は、誘導素子Ｌ、第一のスイッチング素子Ｍ１及び第二のスイッチング素子Ｍ２からなる直列構成を有する第一の回路ブランチにより接続されている。スイッチング素子Ｍ１及びＭ２は、第三のスイッチング素子Ｍ３と第四のスイッチング素子Ｍ４を有する第二の直列構成により短絡される第一の直列構成を形成している。参照符号ＣＣは、スイッチング素子を導通状態及び非導通状態にするための制御回路である。制御回路ＣＣのそれぞれの出力端子は、４つのスイッチング素子のそれぞれの制御電極に接続されている。第一のスイッチング素子Ｍ１と第二のスイッチング素子Ｍ２の共通端子は、一次巻線Ｌ１により、第三のスイッチング素子Ｍ３と第四のスイッチング素子Ｍ４の共通端子に接続されている。一次巻線Ｌ１は、二次巻線Ｌ２と磁気的に結合されており、二次巻線Ｌ２と共に変圧器Ｔを形成している。二次巻線Ｌ２の第一の端は、ダイオードＤ１、出力端子Ｋ３、キャパシタＣ１、出力端子Ｋ４及びダイオードＤ４からなる直列構成により、二次巻線Ｌ２の第二の端に接続されている。出力端子Ｋ４は、ダイオードＤ３により二次巻線Ｌ２の第一の端に接続されており、出力端子Ｋ３は、ダイオードＤ２により二次巻線Ｌ２の第二の端に接続されている。入力端子Ｋ１及びＫ２、誘導素子Ｌ、スイッチング素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３及びＭ４、変圧器Ｔ、制御回路ＣＣ、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３及びＤ４、並びに出力端子Ｋ３及びＫ４は、共に、アイソレートされたブーストコンバータタイプのＤＣ−ＤＣコンバータを形成している。ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３及びＤ４は、全体的に、二次巻線Ｌ２に結合される整流手段を形成している。キャパシタＣ１は、バッファキャパシタである。出力端子Ｋ３及びＫ４は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子Ｋ３及びＫ４間に存在するＤＣ電圧以外の低周波のＡＣ電圧を発生するためのインバータＩＮＶのそれぞれの入力端子に接続されている。インバータＩＮＶは、たとえば、フルブリッジ回路として実現することができる。インバータＩＮＶの出力端子Ｋ５及びＫ６は、電源のそれぞれの端子に接続されている。

図１に示される太陽光発電システムの動作は以下のようになる。
太陽光がソーラーパネルに衝突するとき、ＤＣ電圧Ｖ１が入力端子Ｋ１及びＫ２間に存在する。制御回路ＣＣは、図２に例示されるスイッチングサイクルに従ってスイッチング素子を導通状態と非導通状態にする。Δｔ１，Δｔ２，Δｔ３及びΔｔ４のそれぞれは、第一、第二、第三及び第四の時間インターバルである。これらインターバルの間、ＤＣ−ＤＣコンバータは、続いて、第一の動作状態、第二の動作状態、第三の動作状態及び第四の動作状態にある。第一の時間インターバルと第二の時間インターバルの全体の時限は、一定の予め決定された値に等しく、第三の時間インターバルと第四の時間インターバルの全体の時限にも等しい。

図２は、スイッチング素子Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３及びＭ４の導通状態を制御する制御信号を時間の関数として示している。また、図２は、誘導素子Ｌを流れる電流ＩＬ，一次巻線Ｌ１にわたる電圧Ｕprim、及び二次巻線Ｌ２を流れる電流Ｉsecを時間の関数として示している。第一の時間インターバルの間、ＤＣ−ＤＣコンバータは、第一の動作状態にあり、この動作状態では、制御回路ＣＣは、全てのスイッチング素子を導通状態にする。結果として、電流ＩＬは、入力端子Ｋ１から誘導素子Ｌ及び全てのスイッチング素子を通して入力端子Ｋ２に流れる。この第一の時間インターバルの間、変圧器Ｔの第一の巻線Ｌ１及び第二の巻線Ｌ２は電流を搬送せず、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力端子から出力端子に電力が伝送されない。

図２で分かるように、電流ＩＬの振幅は線形に増加する。図１に示されていない回路により、電流ＩＬの実際の値を現す第一の信号は、予め決定された基準値を表す第二の信号と比較される。第一の信号が第二の信号に等しいとき、制御回路ＣＣは、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を第一の動作状態から第二の動作状態に変える。ＤＣ−ＤＣコンバータは、第二の時間インターバルの間にはこの第二の動作状態にある。第二の動作状態では、制御回路ＣＣは、第二のスイッチング素子Ｍ２及び第三のスイッチング素子Ｍ３を導通状態にし、第一のスイッチング素子Ｍ１及び第四のスイッチング素子Ｍ４を非導通状態にする。これより、電流ＩＬは、入力端子Ｋ１から誘導素子Ｌ、スイッチング素子Ｍ３、一次巻線Ｌ１及びスイッチング素子Ｍ２を通して入力端子Ｋ２に流れる。第二の時間インターバルの間、電流ＩＬの振幅は、線形に減少する。また、第二の巻線Ｌ２は、キャパシタＣ１を充電する線形に減少する振幅をもつ電流Ｉsecを搬送し、これにより、入力端子Ｋ１及びＫ２から出力端子Ｋ３及びＫ４に電力を伝送する。

入力電圧Ｖ１が増加するとき、第一の時間インターバルの間に電流ＩＬの振幅が増加するレートも同様に増加する。結果として、予め決定された基準値は、まもなく到達され、第一の時間インターバルの時限は減少する。制御回路ＣＣは予め決定された一定の値で第一及び第二の時間インターバルの全体の時限を維持するので、第二の時間インターバルの時限が増加する。太陽電池は電流源として振舞うという事実のため、入力電圧における増加が入力電力における増加と常に関連されるように、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流は、入力電圧に独立である。第二の時間インターバルの時限における増加により、ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成しているコンポーネントへのストレスが僅かに増加するだけで、この増加された入力電力をＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子に伝送することができる。このように、ＤＣ−ＤＣコンバータは、ワイドレンジの入力電圧と入力電力を扱うことが可能になる。ＤＣ−ＤＣコンバータの第三の動作状態は、その第一の動作状態と同じである。電流ＩＬの振幅は、第三の時間インターバルの間に増加する。第四の動作状態は、制御回路ＣＣが第一のスイッチング素子Ｍ１及び第四のスイッチング素子Ｍ４を導通状態にし、第二のスイッチング素子Ｍ２及び第三のスイッチング素子Ｍ３を非導通状態にする点で、第二の動作状態とは異なる。これより、電流ＩＬは、入力端子Ｋ１から誘導素子Ｌ、スイッチング素子Ｍ１、一次巻線Ｌ１及びスイッチング素子Ｍ４を通して入力端子Ｋ２に流れる。第四の時間インターバルの間、電流ＩＬの振幅は線形に減少する。また、第二の巻線Ｌ２は、キャパシタＣ１を充電する線形に減少する振幅をもつ電流Ｉsecを搬送し、これにより入力端子Ｋ１及びＫ２から出力端子Ｋ３及びＫ４に電力が伝送される。第三の時間インターバルの時限は、入力電圧及び電力が増加するときに減少し、一方、第四の時間インターバルの時限は増加する。第二の時間インターバルの時限における増加に類似して、第四の時間インターバルの時限における増加により、ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるコンポーネントのストレスが増加することなしに、増加された入力電力を扱うことができる。

太陽光発電システムの動作の間にキャパシタＣ１にわたり存在する電圧は、実質的に一定のＤＣ電圧である。インバータＩＮＶは、当該技術分野で公知のやり方で、この実質的に一定のＤＣ電圧を低周波のＡＣ電圧に転化する。この低周波のＡＣ電圧は、インバータＩＮＶの出力端子Ｋ５及びＫ６を介して電源に供給される。

図１に示されるソーラーシステムの一部であるＤＣ−ＤＣコンバータの実際の実施の形態では、動作周波数は、８５ｋＨｚに選択されており、出力電圧は４００Ｖに等しい。ＤＣ−ＤＣコンバータが８０Ｖ〜３５０Ｖの範囲の入力電圧を扱うことができるのがわかっている。

本発明に係る太陽光発電システムの実施の形態を示す図である。 スイッチングサイクルの過程で図１に示されるＤＣ−ＤＣコンバータで生じる異なる電流及び電圧の形状を示す図である。

Claims (9)

1. アイソレートされたブーストコンバータ型の直流−直流コンバータであって、
   直流電源への接続のための入力端子と、
   該入力端子を接続し、誘導素子とスイッチング手段とからなる直列構成を有する第一の回路ブランチと、
   該スイッチング手段の導通状態を制御するための制御信号を発生するため、該スイッチング手段に結合される制御回路と、
   該スイッチ手段に結合される一次巻線と該一次巻線に磁気的に結合される二次巻線とが設けられる変圧器と、
   該二次巻線に結合される整流手段と、
   該整流手段に結合される出力端子とを含み、
   該制御信号は一定の周期を有し、該コンバータには、一定のレベルで該誘導素子を流れる電流に関する該制御信号の周期にわたる平均値を制御するための電流制御ループがさらに設けられる、
   ことを特徴とする直流−直流コンバータ。
2. 該直流−直流コンバータは、
   該誘導素子を流れる電流の瞬間的な振幅を表す第一の信号を発生する第一の回路部と、
   予め決定された基準値を表す第二の信号を発生する第二の回路部と、
   該第一の回路部に結合される第一の入力端子と、該第二の回路部に結合される第二の入力端子と、該制御回路に結合される出力端子とが設けられたコンパレータと、
   を含む請求項１記載の直流−直流コンバータ。
3. 該電流制御ループには、
   該誘導素子に流れる電流の平均値を表す第一の信号を発生する第一の回路部と、
   該誘導素子に流れる電流の平均値に関する所望の値を表す第二の信号を発生する第二の回路部と、
   該第一の回路部、該第二の回路部及び該制御回路に結合され、該第一の信号と該第二の信号とを比較して該第一の信号と該第二の信号との間の差に依存して該制御信号のデューティサイクルを調整する第三の回路部と、
   が設けられる請求項１記載の直流−直流コンバータ。
4. 該スイッチング手段は、第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とからなる第一の直列構成と、該第一の直列構成を短絡し、第三のスイッチング素子と第四のスイッチング素子とを有する第二の直列構成とを含み、該一次巻線は、該第一のスイッチング素子と該第二のスイッチング素子との共通端子と、該第三のスイッチング素子と該第四のスイッチング素子との共通端子との間に結合される、
   請求項１乃至３のいずれか記載の直流−直流コンバータ。
5. 該制御回路は、スイッチングサイクルに作用し、
   該スイッチングサイクルは、
   エネルギーが該直流電源から該誘導素子に伝送される第一の時間インターバルの間の第一の動作状態と、
   第一の方向で該一次巻線を流れる電流により、エネルギーが該直流電源及び該誘導素子から該出力端子に伝送される第二の時間インターバルの間の第二の動作状態と、
   エネルギーが該直流電源から該誘導素子に伝送される第三の時間インターバルの間の第三の動作状態と、
   第二の方向で該一次巻線に流れる電流により、エネルギーが該直流電源及び該誘導素子から該出力端子に伝送される第四の時間インターバルの間の第四の動作状態とを含み、
   該第一の時間インターバルと該第二の時間インターバルの全体の時限は、一定の予め決定された値に等しく、該第三の時間インターバルと該第四の時間インターバルの全体の時限に等しい、
   請求項４記載の直流−直流コンバータ。
6. 該整流手段には、２つのダイオードを含み、該二次巻線を短絡する第一の直列構成と、２つの更なるダイオードを含み、該二次巻線を短絡する第二の直列構成とが設けられる、
   請求項１乃至５のいずれか記載の直流−直流コンバータ。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載の直流−直流コンバータを有する太陽光発電用コンバータ。
8. 該出力端子間に存在する直流電圧以外の低周波の交流電圧を発生するため、該直流−直流コンバータの該出力端子に結合されるインバータを有する、
   請求項７記載の太陽光発電用コンバータ。
9. 太陽電池が設けられるソーラーパネルと、請求項７又は８記載の太陽光発電用コンバータとを有する太陽光発電システム。
   

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