JP5427949B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、最大電力点を有する直流電源に対する電力変換装置に関する。
図1(a)に一般的な太陽電池の出力電流−出力電圧特性、図1(b)に出力電流−出力電力特性を示す。図1(a)に示すように、太陽電池の出力電圧は、出力電流が増加すると徐々に減少するが、出力電流が所定の値を超えると急激に減少するような特性を有している。このような特性から、図1(b)に示すように、出力電力P(=出力電圧V×出力電流I)は、出力電流が所定の値になるまでは増加するが、所定の値を超えると急激に減少する。電圧を基準に考えた場合にも、所定の電圧値を超えると急激に出力電力Pが減少することになる。
このような特性を有する太陽電池などは、直流電源として使用される。このような直流電源は、出力される電力を効率的に利用するために、電力極大値である最大電力点において蓄電池などの負荷に電力を伝えることが必要となる。すなわち、最大電力点追跡(Maximum Power Point Tracking)制御が必要となり、そのための技術が幾つか存在している。
例えば特開昭63−57807号公報には、太陽電池の出力電圧と出力電流を検出し、出力電圧の微分値を利用した最大点追尾方法が開示されている。この技術は、最大電力点での微分値がゼロであることを利用する方法である。即ち、現動作点での制御信号に微少変位を与えたときの電圧及び電流を検出し、アナログデジタル(A/D)変換した後、演算により電力の微分値を求め、この電力の微分値がゼロになるように制御する。この技術には、A/D変換や演算のためにマイコンやDSP(Digital Signal Processor)が必要となるため、高価となる。
また、特開昭62−85312号公報には、いわゆる山登り法での最大電力点追尾方法が開示されている。この方法は、2点の電圧及び電流値を測定し、各点での電力を算出した後、電力値を比較し、電力値が大きい方に制御点を移動して行き、制御点移動方向が交互に上昇下降する点で安定させる制御方法である。この制御方法では、制御点の移動量分、最大電力点を挟んで、変動をし続けることになり、移動量を大きく出来ない。また、移動量を小さくしすぎると、最大電力点付近まで制御点を移動するのに時間がかかり、太陽電池の出力電力特性の変化に追従できなくなってしまう。
さらに、特開平7−072941号公報では、3点以上の電圧電流点を検出しそれぞれの電力を算出した後近似式にて最大電力点を推測し、この推測点で制御する方法が開示されている。この方法は、太陽電池の特性変化に従って、3点以上の電圧電流値から各々の電力を算出し、近似式で暫定最大電力点を見つけ出す手法である。しかし、この方法によれば、少なくとも1点の電圧電流点が最大電力点を越えたところの点であり、且つ少なくとも1点の電圧電流点が最大電力点を越えていないところの点である必要がある。従って、このような電圧電流点に制御点を移動させる必要があり、そのための制御回路が複雑且つ高価になる。
また、特開平7−129264号公報には、太陽電池の出力電圧と電力変換部の出力電流の変動傾向から動作点位置を検出して最大電力点を追尾する方法が開示されている。この方法では、太陽電池の出力電圧と電力変換部の出力電流の変動傾向から、電力変換部を制御する指令値に対し、ΔVだけ増減させるため、電力変換部の出力変化量は、デジタル的な変動をすることになる。このことは、太陽電池の、日射量変化等による特性変化に対し、ΔVが大きければ、電力変換部の出力変化量が大きくなるためばたつきが発生し、ΔVが小さければ、安定するのに時間がかかることになり、固定のΔVでは、素早く且つ安定に制御できないという問題がある。また、変動傾向から太陽電池の動作位置を検出した後、指令値を変化させるため、遅延が大きくなり応答性が悪い。
上で述べたように、従来技術には、気象状況等に応じて出力電力が変動する太陽電池や風力発電機などの直流電源の出力における最大電力点を高速に追跡する安価な電力変換装置は開示されていない。
従って、本発明の目的は、気象状況等に応じて出力電力が変動する太陽電池や風力発電機などの直流電源の出力における最大電力点を追跡できる安価な電力変換装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、気象状況等に応じて出力電力が変動する太陽電池や風力発電機などの直流電源の出力における最大電力点を高速に追跡できる電力変換装置を提供することである。
本発明の一側面に係る電力変換装置は、(A)最大電力点を有する直流電源からの出力電圧をDC/DC変換するD/Dコンバータ回路と、(B)D/Dコンバータ回路の出力電圧に応じた電圧の出力信号を出力する電圧検出回路と、(C)電圧検出回路の出力信号の電圧と基準となる比較電圧との差に応じて、D/Dコンバータ回路を制御する定電圧制御回路と、(D)定電圧制御回路による制御にも拘わらず電圧検出回路の出力信号の電圧が低下すると、電圧検出回路の出力信号の電圧と基準となる比較電圧との電位差を強制的に狭める調整回路とを有する。
最大電力点を有する直流電源の場合、定電圧制御回路が直流電源の電力供給能力を超えて電力を引き出そうとしてD/Dコンバータ回路を駆動すると、定電圧制御回路による制御にも拘わらずD/Dコンバータ回路の出力電圧が低下して、電圧検出回路の出力信号の電圧も低下する。このように電圧検出回路の出力信号の電圧が低下すると、上で述べたように調整回路が動作するので、定電圧制御回路は、自らの制御の効果が現れたと判断して、D/Dコンバータ回路の駆動を、電圧検出回路の出力信号の電圧低下前の状態程度に戻す。すなわち、D/Dコンバータ回路の目標出力電圧が引き下げられたような現象が生じて、直流電源から引き出す電力も直流電源の電力供給能力よりも減少するので、D/Dコンバータ回路の出力電圧は上昇することになる。このような動作が繰り返されて、最大電力点の追跡が行われる。また、このような回路は、安価な回路素子のみで構成することができる。
また、上で述べた調整回路は、D/Dコンバータ回路に含まれるスイッチのスイッチングを制御する信号のデューティー比が所定の最大値となる状態を検出する第1の検出回路と、第1の検出回路から所定期間内に検出信号が出力される頻度又は割合に従って電圧検出回路の出力信号の電圧又は基準となる比較電圧を変化させる電圧調整回路とを有するようにしても良い。
このように第1の検出回路を導入することによって、直流電源から最大電力点を超えて電力を引き出している状況を簡単に特定することができるようになる。また、第1の検出回路から所定期間内に検出信号が出力される頻度又は割合は、最大電力点を超えた程度に相当するため、電圧検出回路の出力信号の電圧又は基準電圧を適切に調整することができるようになる。
また、上で述べた電圧調整回路が、第1の検出回路から検出信号が所定期間内に出力される頻度又は割合に応じた期間、放電回路からの放電に切り換える回路を有するようにしてもよい。放電回路の時定数によって滑らかに調整が行われる。
さらに、上で述べた電圧調整回路が、電圧検出回路の出力信号の極性を反転させる第1の反転回路と、第1の反転回路の出力信号の電圧を、第1の検出回路から検出信号が所定期間内に出力される頻度又は割合に従って引き下げる反転信号調整回路と、反転信号調整回路によって電圧が引き下げられた第1の反転回路の出力信号の極性を反転させる第2の反転回路とを有するようにしても良い。このようにすれば、電圧検出回路の出力信号の電圧を適切に調整することができるようになる。
また、上で述べた調整回路が、第1の検出回路から検出信号が出力されると、D/Dコンバータ回路に含まれるスイッチのスイッチングを制御して供給される電力の出力を制御する制限回路をさらに有するようにしても良い。
D/Dコンバータ回路の出力電圧が低下すると、定電圧制御回路はD/Dコンバータ回路のスイッチのオンの期間を長くするよう制御する。しかし、上で述べたように最大電力点を超えて電力を引き出そうとしている状況においては、上で述べたようにスイッチのオンの期間を短くして、早期にD/Dコンバータ回路の目標出力電圧を引き下げれば、高速に最大電力点追跡が行われるようになる。
さらに、上で述べた定電圧制御回路が、電圧検出回路の出力信号の電圧と基準となる比較電圧との差に応じた誤差電圧と、所定の三角波信号とを比較して、誤差電圧が三角波信号の電圧を上回る期間、D/Dコンバータ回路に含まれるスイッチをオンにする信号を生成する回路を含むようにしても良い。その際、上で述べた調整回路は、第1の検出回路から所定期間内に検出信号が出力される頻度又は割合に従って誤差電圧を引き下げる制限回路をさらに含むようにしても良い。
このような制限回路を導入することによって、適切なタイミングでD/Dコンバータ回路のスイッチのオフ期間が形成されるため、消費電力を少なくすることができる。
また、上で述べた調整回路は、電圧検出回路の出力信号の電圧又は基準となる比較電圧の強制的な変更後、当該変更量を漸減させるようにしてもよい。このようにすれば、最大電力点を超えて電力を引き出してしまう程度も漸減する。
さらに、上で述べたような電力変換装置を複数備え、当該複数の電力変換装置に含まれる一つの電力変換装置と複数の直流電源に含まれる一つの直流電源とが、1対1で接続されており、複数の電力変換装置の出力が接続されている電力システムを採用するようにしても良い。このような電力システムであれば、各直流電源の状況に応じて電力変換制御が行われるようになるので、簡単な構成でシステム全体として効率的に制御が行えるようになる。なお、複数の電力変換装置のそれぞれの出力は、所定の電力になるように制御・接続され、蓄電池や負荷などに供給される。
[実施の形態1]
図2に、本実施の形態に係る電力変換装置を含むシステムの一例を示す。すなわち、図2に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置200と、電力変換装置200の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどとを有する。太陽電池100及び負荷蓄電池300は、従来と同じである。また、負荷A乃至Cは、D/Dコンバータ回路付きの装置やD/Aインバータ回路付きの装置などであり、これらも従来と同じである。なお、太陽電池100は一例であって、例えば風力発電機などの他の自然エネルギー発電機であってもよい。
図2に、本実施の形態に係る電力変換装置を含むシステムの一例を示す。すなわち、図2に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置200と、電力変換装置200の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどとを有する。太陽電池100及び負荷蓄電池300は、従来と同じである。また、負荷A乃至Cは、D/Dコンバータ回路付きの装置やD/Aインバータ回路付きの装置などであり、これらも従来と同じである。なお、太陽電池100は一例であって、例えば風力発電機などの他の自然エネルギー発電機であってもよい。
電力変換装置200は、(A)太陽電池100からの出力電圧をDC/DC変換するD/Dコンバータ回路210と、(B)D/Dコンバータ回路210の出力電圧に応じた電圧の出力信号を出力する出力電圧検出回路220と、(C)出力電圧検出回路220の出力信号の電圧と基準電圧との差に応じて、D/Dコンバータ回路210を制御する定電圧制御回路230と、(D)定電圧制御回路230による制御にも拘わらず出力電圧検出回路220の出力信号の電圧が低下すると、出力電圧検出回路220の出力信号の電圧と基準電圧との電位差を強制的に狭める調整回路240とを有する。
太陽電池100のような最大電力点を有する直流電源の場合、定電圧制御回路230が、太陽電池100の電力供給能力を超えて電力を引き出そうとしてD/Dコンバータ回路210を駆動すると、定電圧制御回路230による制御にも拘わらずD/Dコンバータ回路210の出力電圧が低下して、出力電圧検出回路220の出力信号の電圧も低下する。
このように出力電圧検出回路220の出力信号の電圧が低下すると、調整回路240は、出力電圧検出回路220の出力信号の電圧と基準電圧との電位差を強制的に狭める。そうすると、定電圧制御回路230は、自らの制御の効果が現れたと判断して、D/Dコンバータ回路210の駆動を、出力電圧検出回路220の出力信号の電圧低下前程度の状態に戻す。すなわち、D/Dコンバータ回路210の目標出力電圧があたかも引き下げられたような現象が生じる。そうすると、太陽電池100から引き出す電力もその電力供給能力よりも減少するので、D/Dコンバータ回路210の出力電圧は上昇することになる。
このような動作が繰り返されて、太陽電池100の最大電力点の追跡が行われる。また、このような電力変換装置は、マイクロプロセッサやDSPなどの高価な素子を用いずに構成できるため、安価に構成できる。
[実施の形態2]
図3に、本発明の第2の実施の形態に係るシステムの機能ブロック図を示す。図3に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置400と、電力変換装置400の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどが接続されている。太陽電池100及び負荷蓄電池300は、従来と同じである。また、負荷A乃至Cは、D/Dコンバータ回路付きの装置やD/Aインバータ回路付きの装置などであり、これらも従来と同じである。なお、太陽電池100は一例であって、例えば風力発電機などの他の自然エネルギー発電機であってもよい。
図3に、本発明の第2の実施の形態に係るシステムの機能ブロック図を示す。図3に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置400と、電力変換装置400の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどが接続されている。太陽電池100及び負荷蓄電池300は、従来と同じである。また、負荷A乃至Cは、D/Dコンバータ回路付きの装置やD/Aインバータ回路付きの装置などであり、これらも従来と同じである。なお、太陽電池100は一例であって、例えば風力発電機などの他の自然エネルギー発電機であってもよい。
電力変換装置400は、(A)スイッチを有し、太陽電池100からの出力電圧をスイッチのスイッチングによりDC/DC変換するD/Dコンバータ回路410と、(B)D/Dコンバータ回路410の出力電圧に応じた電圧の出力信号を出力する出力電圧検出回路420と、(C)出力電圧検出回路420の出力信号の電圧と基準電圧との差に応じて、D/Dコンバータ回路410を制御する定電圧制御回路430と、(D)定電圧制御回路430から出力され且つD/Dコンバータ回路410のスイッチのオンオフを指示するスイッチング信号のデューティー比が所定の最大値となっている状態を検出するDutyMax検出回路440と、(E)初期基準電圧をそのまま基準電圧として出力するか、DutyMax検出回路440の検出信号に応じて初期基準電圧を調整して基準電圧を生成して、定電圧制御回路430へ出力する基準電圧調整回路450とを有する。
次に、図4及び図5を用いて、図3に示した電力変換装置400の動作について説明する。なお、太陽電池100からの出力電力をPpv、電力変換装置400の出力電圧をVo、出力電力をPout、出力電圧検出回路420から定電圧制御回路430へ入力する検出電圧をV_feed、定電圧制御回路430からDutyMax検出回路440への出力をDuty、初期基準電圧をVref_1、基準電圧調整回路450から定電圧制御回路430への出力電圧をV_Vrefと表すものとする。
図4(a)は、図1(b)と基本的には同じであり、太陽電池100の出力電流Iと出力電力Pの関係を表す図である。もう一度説明すると、電流Ipv_maxまでは出力電流Iを増加させると出力電力P自体も増加し、電流Ipv_maxにおいて出力電力Pは最大電力点Ppv_maxとなり、電流Ipv_max以上となった場合には出力電力Pは急激に減少する。すなわち、電流Ipv_max以上となると、出力電力Pが急激に減少するというのは、出力電圧Vも低下していることを表している。
ここで、電流Ipv_maxより大幅に低い電流値に対応する電力点をAとし、電流Ipv_max以上の近傍の電流値に対応する電力点をBとし、電流Ipv_max以下の近傍の電流値に対応する電力点をCとする。なお、電力点Bに完全に一致しないがほぼ同じ電流値の電力点をB2、B3といったように表す。また、電力点Cに完全に一致しないがほぼ同じ電流値の電力点をC2、C3といったように表す。さらに、最大電力点Ppv_maxを簡単にMと表すものとする。
なお、図4(b)は、図1(a)と全く同じであり、説明を省略する。
図5(a)乃至(d)は、本実施の形態に係る電力変換装置400の動作を表す。なお、以下で動作を説明するための波形図においては、横軸は時間を表し、縦軸は電圧[V]を表す。但し、電力の場合には[W]、デューティー比の場合には[%]の場合がある。図5(a)は、太陽電池100からの出力電力Ppv、電力変換装置400の出力電圧Poutの時間変化を表している。なお、電力変換装置400による損失があるので、必ずPpv>Poutの関係が成り立つ。比較のため、最大電力点Ppv_maxも示されている。また、図5(b)は、電力変換装置400の出力電圧Voの時間変化を表す。図5(c)は、基準電圧調整回路450からの基準電圧V_Vrefの時間変化を表す。比較のため初期基準電圧Vref_1も示されている。図5(d)は、定電圧制御回路430の出力Dutyの時間変化を表す。なお、出力Dutyについて予め定められた最大値DutyMaxも比較のため示されている。
まず、太陽電池100からの出力電力が、電力点Aより小さい電力から電力点Aを超えて電力点Mに到達するまでについては、D/Dコンバータ回路410と出力電圧検出回路420と定電圧制御回路430とが通常どおり動作する。すなわち、基準電圧調整回路450では何もせずに初期基準電圧Vref_1がそのまま出力され(図5(c))、V_Vref=Vref_1であって、出力電圧検出回路420の出力V_feedとの差に応じて定電圧制御回路430は、D/Dコンバータ回路410のスイッチのスイッチングを行わせる。
具体的には、電力点Aを超えて太陽電池100から電力を引き出そうとすると、D/Dコンバータ回路410をそれまでと同じように駆動するだけでは出力電圧検出回路420の出力V_feedが下がってしまうので、定電圧制御回路430は、図5(d)に示すように、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及びDutyの電圧を徐々に上げるように動作する。このようにすれば、図5(b)に示すように、電力変換装置400の出力電圧Voが一定に維持される。
その後、太陽電池100から引き出す電力が電力点Mに達すると、図5(a)に示すように、太陽電池100からの出力電力Ppvは低下するので、それにつられて電力変換装置400の出力電力Poutも低下する。また、図4(b)からも分かるように、出力電圧Voも低下してしまう。そうすると、定電圧制御回路430は、Vo(すなわちV_feed)とV_Vrefの差が大きくなったことを検出して、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及び信号Dutyの電圧をDutyMaxにまで上昇させる。
このような状況が発生すると、DutyMax検出回路440は、信号Dutyの電圧がDutyMaxに達したことを検出して、基準電圧調整回路450に検出信号を出力する。基準電圧調整回路450は、DutyMax検出回路440からの検出信号に応じて、初期基準電圧Vref_1を引き下げるように調整して調整後の電圧V_Vrefを、定電圧制御回路430に出力する。この様子を図5(c)に示す。基準電圧V_Vrefの引き下げ幅は、DutyMax検出回路440から所定期間内に検出信号が出力される頻度又は割合に従って決定される。
なお、図5(a)に示すように、定電圧制御回路430がD/Dコンバータ回路410を駆動し過ぎると太陽電池100から引き出される電力も低下して、当該電力と太陽電池100の実際の出力電力Ppvとが、電力点Bで釣り合うことになる。そうすると、電力変換装置400の出力電圧Vo及び出力電力Poutは下げ止まる。
また、図5(d)に示すように、定電圧制御回路430は、Vo(すなわちV_feed)とV_Vrefの差が小さくなったことを検出して、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及び信号Dutyの電圧を引き下げる。そうすると、図5(a)に示すように、定電圧制御回路430によるD/Dコンバータ回路410の駆動により太陽電池100から引き出される電流が減少する。しかし、通常、太陽電池100から引き出される電流の減少幅はやや多めになるため、図4(a)に示すように、最大電力点Mを通過して電力点Cまで戻ってしまう。そうすると、図5(a)に示すように、この間、太陽電池100の出力電力Ppvは、一旦増加するが再度減少してしまう。電力変換装置400の出力電圧Voについては、この間のD/Dコンバータ回路410の駆動レベルでは徐々に上昇してゆく。
なお、図5(c)に示すように、基準電圧調整回路450による基準電圧V_Vrefの調整は遅延があって、DutyMax検出回路440が信号Dutyの電圧がDutyMaxから下がっても、直ぐには調整は終了せず、さらに初期基準電圧Vref_1への復帰には時定数があるので、基準電圧V_Vrefは徐々に上昇することになる。
この後、図5(d)に示すように、定電圧制御回路430は、出力電圧Vo(すなわちV_feed)と基準電圧V_Vrefとの差に応じてD/Dコンバータ回路410を駆動して太陽電池100からより多くの電力を引き出すように、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及び信号Dutyの電圧を上昇させる。
そうすると、図5(a)に示すように、太陽電池100の出力電力Ppvは上昇して再度電力点Mに達する。この後の動作は、最初に電力点Mに達した後とほぼ同じになる。但し、図5(c)に示すように、基準電圧V_Vrefは、初期基準電圧Vref_1に戻っておらず、電力変換装置400の出力電圧Voも目標値に達していないので、動作としては同じでも基準電圧V_Vrefの引き下げ幅などは若干異なってくる。このように完全に同じ動作ではないので、電力点CではなくC1やC2、電力点BではなくB1やB2で、図4(b)のカーブ上動作を切り替えることになる。
結局のところ、最大電力点をはさんで電力点B又はその近傍と電力点C又はその近傍間を行き来することになる。すなわち、最大電力点追跡が可能となっている。上で述べた動作は、太陽電池100の発電電力が一定であることを前提としている。しかし、発電電力が一定になることは一般的には無いので最大電力点自体も変動するが、動作は同様である。
なお、電力点Bと電力点Cの差は、出力電力や出力電圧に応じて決まるが、D/Dコンバータ回路410などを含む制御系のゲイン調整で調整することができる。すなわち、より最大電力点近傍で動作させることができる。
[実施の形態2の実施例]
図6及び図7に第2の実施の形態に係る具体的回路例を示す。
図6及び図7に第2の実施の形態に係る具体的回路例を示す。
図6は、太陽電池100の具体的回路例と、D/Dコンバータ回路410の具体的回路例と、出力電圧検出回路420の具体的回路例と、蓄電池300の具体的回路例とを示している。
太陽電池100は、電流源Iccと、ダイオードD1と、抵抗R1及びR2とを含む等価回路で示されている。電流源Iccの正極側端子には、ダイオードD1のアノードと抵抗R1の一端及びR2の一端が接続されており、電流源Iccの負極側端子は、ダイオードD1のカソードと抵抗R2の他端と共にグランドに接続されている。抵抗R1の他端はD/Dコンバータ回路410に接続されている。
図6におけるD/Dコンバータ回路410は昇圧チョッパ回路として示されているが、ハーフブリッジ回路方式、フルブリッジ回路方式、プッシュプル回路方式、フォワード回路方式、フライバック方式、降圧型チョッパ回路、SEPICやCukコンバータやZetaコンバータ等の昇降圧回路などで、絶縁型、非絶縁型を用途に応じて選択できる。
D/Dコンバータ回路410は、逆流防止用のダイオードD2及びD3と、電解コンデンサC1と、コンデンサC2と、コイルL1と、定電圧制御回路430によりスイッチングされるFET(S1)と、抵抗R3とを有する。ダイオードD2のアノードは、太陽電池100の抵抗R1に接続されており、ダイオードD2のカソードは、電解コンデンサC1のプラス(+)端子とコイルL1の一端とに接続されている。電解コンデンサC1のマイナス(−)端子は接地されている。コイルL1の他端は、FET(S1)のドレイン端子と、ダイオードD3のアノードと、に接続されている。FET(S1)のソース端子は接地されており、FET(S1)のゲート端子は、抵抗R3の一端に接続されている。抵抗R3の他端は、接続端子Aを介して定電圧制御回路430の駆動信号発生回路432の出力に接続されている。ダイオードD3のカソードは、コンデンサC2の一端と出力電圧検出回路420とに接続されている。コンデンサC2の他端は接地されている。なお、逆流防止用のダイオードD2及びD3を省略することが可能である。
出力電圧検出回路420は、抵抗分割にてフィードバック電圧を検出するための抵抗R4及びR5を含む。抵抗R4の一端は、D/Dコンバータ回路410と蓄電池300とに接続されている。抵抗R4の他端は、抵抗R5の一端と接続端子Bを介して定電圧制御回路430の電圧誤差検出回路431と、に接続されている。抵抗R5の他端は接地されている。
蓄電池300と、負荷A乃至Cに相当するDC/ACインバータ回路、DC/DCコンバータ回路及び他の負荷とは、従来と同じであり、これ以上の説明を省略する。
次に、図7に、本実施の形態に係る定電圧制御回路430とDutyMax検出回路440と基準電圧調整回路450との具体的回路例を示す。
定電圧制御回路430は、例えばPID制御回路であり、電圧誤差検出回路431と、駆動信号発生回路432と、を含む。
電圧誤差検出回路431は、接続端子Bを介して出力電圧検出回路420に接続されており、抵抗R11乃至R14と、コンデンサC11及びC12と、オペアンプ4311とを有する。出力電圧検出回路420の出力は抵抗R11及びR12の一端に接続され、抵抗R11の他端はコンデンサC11の一端に接続され、コンデンサC11の他端と抵抗R12の他端とは、オペアンプ4311の負極側入力端子に接続されている。また、オペアンプ4311の負極側入力端子には、コンデンサC12の一端及び抵抗R13の一端と接続されており、コンデンサC12の他端は抵抗R14の一端に接続され、抵抗R14の他端と抵抗R13の他端とはオペアンプ4311の出力端子に接続される。さらに、オペアンプ4311の正極側入力端子には、基準電圧調整回路450の出力が接続されている。
駆動信号発生回路432は、コンパレータ4321と三角波発生器4322とを含む。コンパレータ4321の正極側入力端子には、電圧誤差検出回路431の出力端子が接続されており、コンパレータ4321の負極側入力端子には、三角波発生器4322が接続されている。コンパレータ4321の出力端子は、接続端子Aを介してD/Dコンバータ回路410のFET(S1)のゲート端子に接続される。
また、DutyMax検出回路440は、コンパレータ441と、抵抗R15及びR16と、コンデンサC13と、電圧Vref_2を出力する直流電源Vref_2とを有する。コンパレータ441の正極側入力端子は、電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の出力端子に接続されており、コンパレータ441の負極側入力端子は、直流電源Vref_2の正極側端子に接続されている。直流電源Vref_2の負極端子は接地されている。コンパレータ441の出力は、抵抗R15の一端に接続されており、抵抗R15の他端は抵抗R16の一端及びコンデンサC13の一端と基準電圧調整回路450の入力とに接続されている。抵抗R16の他端及びコンデンサC13の他端とは接地されている。
DutyMax検出回路440のコンパレータ441は、駆動信号発生回路432に対する入力信号A1_Outと、駆動信号発生回路432の出力であるスイッチングパルスのデューティー比が最大となる際に駆動信号発生回路432に入力される入力信号A1_Outの電圧とほぼ同一の電圧を出力する直流電源Vref_2とを比較する。そして、入力信号A1_Outの電圧が電圧Vref_2より高くなると、コンパレータ441は、その間にパルス波DMC_O1を出力する。但し、コンパレータ441の出力にはローパスフィルタが接続されており、出力されたパルス波は、滑らかな信号DMC_O2として基準電圧調整回路450に出力される。
基準電圧調整回路450は、コンパレータ451と、三角波発生器452と、抵抗R17乃至R21と、FET(S11)と、初期基準電圧Vref_1を出力する直流電源Vref_1と、コンデンサC14及びC15とを有する。コンパレータ451の正極側入力端子は、DutyMax検出回路440の出力が接続され、コンパレータ451の負極側入力端子には、三角波発生器452が接続されている。コンパレータ451の出力には、抵抗R17の一端が接続されており、抵抗R17の他端は、抵抗R18の一端とコンデンサC14の一端とFET(S11)のゲート端子とに接続されている。抵抗R18の他端とコンデンサC14の他端とFET(S11)のソース端子とは接地されている。また、直流電源Vref_1の正極側端子は、抵抗R19の一端に接続されており、負極側端子は接地されている。抵抗R19の他端は抵抗R20の一端及び抵抗R21の一端に接続され、抵抗R20の他端はFET(S11)のドレイン端子に接続されている。抵抗R21の他端はコンデンサC15の一端及び電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の正極側端子に接続されている。コンデンサC15の他端は接地されている。
基準電圧調整回路450の直流電源Vref_1は、FET(S11)がオフになっている間、コンデンサC15に電荷をチャージしており、チャージが完了すると、初期基準電圧Vref_1が、そのまま出力基準電圧V_Vref=Vref_1となる。一方、FET(S11)がオンになると、コンデンサC15は、貯めた電荷を放出することになるため、コンデンサC15に保持されている電荷量によって変化する電圧が出力V_Vrefとなる。
また、基準電圧調整回路450のコンパレータ451は、DutyMax検出回路440の出力DMC_O2と三角波とを比較して、出力信号DMC_O2の電圧が三角波より大きくなると、パルス波DMC2_Oを出力する。但し、コンパレータ451の出力側にはローパスフィルタが形成されているので、パルス波DMC2_Oを滑らかにした信号VQGが、FET(S11)のゲート端子に入力されることになる。上で述べたように、信号VQGによってFET(S11)のオン又はオフが決定され、コンデンサC15の放電期間も決定される。さらに、出力基準電圧V_Vrefも決定される。
次に、図8及び図9を用いて、図6及び図7で示した回路の動作を説明する。なお、基本的な動作については図5(a)乃至(d)で説明したので、ポイントとなる部分だけを説明する。
まず、図4(a)の電力点Aなどにおいて十分太陽電池100から電力供給が可能である状態における動作を図8(a)乃至(g)を用いて説明する。なお、図8(a)乃至(g)は、ある短い時間の動作を示しており、図6及び図7に示した回路の基本的な動作説明を行うための図である。
図8(a)は、駆動信号発生回路432の出力であるスイッチングパルスPulを表している。この間、デューティー比はほぼ一定となっており、図8(b)に示すD/Dコンバータ回路410の出力電圧Voも、図8(c)に示す出力電圧検出回路420の出力信号Vo_fbも、図中は大げさに示されているが、スイッチングに応じて多少リプルが発生する程度の変動だけで、D/Dコンバータ回路410の出力信号Voの電圧の平均値Vo_aveも一定となっている。なお、図8(a)乃至(g)の状態では、DutyMax検出回路440と基準電圧調整回路450とは動作しておらず、初期基準電圧Vref_1が基準電圧調整回路450の出力電圧V_Vrefとなっている。
図8(c)に示すように、電圧誤差検出回路431は、Vo_fbとV_Vrefの比較を行い、図8(d)に示すように、Vo_fbとV_Vrefとの差を反転させた電圧の出力信号A1_Outを出力する。図8(a)乃至(g)の状態では、この出力信号A1_Outの電圧は、DutyMax検出回路440で基準として用いられ且つデューティー比最大に対応する電圧Vref_2より低い電圧となっているので、上で述べたようにDutyMax検出回路440と基準電圧調整回路450とは動作しない。動作しない状態を図8(e)乃至(g)に示している。すなわち、出力信号A1_Outの電圧は常にVref_2より低いので、DutyMax検出回路440のコンパレータ441の出力側信号DMC_O1もDMC_O2もゼロのままになる。さらに、基準電圧調整回路450のコンパレータ451で三角波VTW_2とDMC_O2と、を比較しても、DMC_O2はゼロのままなので、コンパレータ451の出力側の信号DMC2_OもVQGもゼロのままとなる。そうすると、基準電圧調整回路450のFET(S11)はオフのままとなるので、図8(g)に示すように、コンデンサC15の出力電圧V_Vrefは、直流電源Vref_1の初期基準電圧Vref_1のままで変化しない。
次に、図9(a)乃至(i)を用いて、D/Dコンバータ回路410の出力Voが低下し始めた場合の動作について説明する。なお、図9(a)乃至(i)は、本実施の形態の特徴を強調するように描かれているので、実際とは多少異なる部分もある。
上で説明し且つ図9(a)及び(b)に示すように、太陽電池100からの電力供給が減少するか最大電力点を超えてD/Dコンバータ回路410が電力を引き出そうとすると、D/Dコンバータ回路410のFET(S1)のゲート端子に対するスイッチングパルスのデューティー比は最大となる。一方、D/Dコンバータ回路410の出力Voは低下してしまう。図9(c)に示すように、出力Voが低下すると、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbも低下する。
一方、電圧誤差検出回路431は、現在のV_Vrefとの差を反転させるため、出力電圧検出回路420のVo_fbが低下するならば、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outは反対に上昇することになる。そうすると、図9(d)に示すように、FET(S1)に対するスイッチングの周期の中で、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outの電圧が、徐々にスイッチングパルスのデューティー比の最大値に相当する電圧Vref_2を上回る期間が長くなる。図9(e)に示すように、DutyMax検出回路440のコンパレータ441の出力DMC_O1がオンになる期間が徐々に長くなる。さらに、図9(e)に示すように、DutyMax検出回路440の出力DMC_O2は、DMC_O1をローパスフィルタで滑らかにした後の信号であるが、DMC_O1のオンの時間が長くなるので、徐々に電圧が上昇する。そして、基準電圧調整回路450における三角波信号VTW_2の電圧よりDMC_O1の電圧が高い期間については、図9(f)に示すように基準電圧調整回路450のコンパレータ451の出力DMC2_Oがオンになる。この信号DMC2_Oもローパスフィルタで滑らかにすると、図9(f)のような信号VQGが生成される。この信号VQGにより基準電圧調整回路450のFET(S11)のオン/オフが行われるようになる。FET(S11)がオンになると、コンデンサC15から放電されるようになる。従って、放電する時間が長いほど又放電頻度が高いほど、基準電圧V_Vrefは下がってゆくことになる。図9(f)に示すように、スイッチングパルスのデューティー比が最大になる頻度(又は割合)が、過去の所定期間内において高くなると、信号VQGが0ではない期間が頻繁に発生し、それと共に長くなる。それにつれて図9(g)に示すように、基準電圧V_Vrefは徐々に下がってゆく。
そうすると、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧も下がり、さらに基準電圧V_Vrefも下がってゆくので、電圧誤差検出回路431に入力される2つの信号の電位差が狭められることになる。そうすると、図9(h)に示すように、基準電圧V_Vrefが下げられた後、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなるので、電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の出力A1_Out(ここでは補正後A1_Out)も、徐々に下がってゆく。そうすると、図9(h)に示すように、駆動信号発生回路432のコンパレータ4321の負極側入力の三角波の電圧より下がる期間が長くなる。そうすると、図9(i)に示すように、スイッチングパルス(補正後Pulと表す)のオンの幅が短くなる。すなわち、定電圧制御回路430からすると、デューティー比を高くして、図6に示したD/Dコンバータ回路410のFET(S1)のオンの期間を長くして、より多くの電力を太陽電池100から引き出そうとして動作した結果、あたかもこの動作に効果があったように見える。従って、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなったので、デューティー比を低くしたというものである。
これによって上で述べたように太陽電池100から引き出す電力が引き下げられるので、D/Dコンバータ回路410の出力Voが上昇するようになる。その後、太陽電池100からD/Dコンバータ回路410が電力を引き出すように動作すれば、図9(b)に示すように電圧Voが下がるようになるので、上で述べたような動作を繰り返すようになる。すなわち、最大電力点を追跡していることになる。
このように高価なプロセッサなどを用いることなく安価な素子のみで最大電力点追跡が可能となる。
[実施の形態2の他の実施例]
定電圧制御回路430には、従来からある定電圧制御回路を使用することができる。また、DutyMax検出回路440についても、図10に示すようなDutyMax検出回路445と置換することができる。
定電圧制御回路430には、従来からある定電圧制御回路を使用することができる。また、DutyMax検出回路440についても、図10に示すようなDutyMax検出回路445と置換することができる。
DutyMax検出回路445は、抵抗R31乃至R34と、コンデンサC21及びC22と、オペアンプ4451と、直流電源Vref_2とを有する。直流電源Vref_2は、駆動信号発生回路432の出力であるスイッチングパルスのデューティー比が最大となる際に駆動信号発生回路432に入力される入力信号A1_Outの電圧とほぼ同一の電圧を出力する。
電圧誤差検出回路431の出力A1_Outは、抵抗R32の一端と抵抗R31の一端と接続されており、抵抗R31の他端はコンデンサC21の一端に接続されており、コンデンサC21の他端は抵抗R32の他端とオペアンプ4451の正極側入力端子と接続されている。オペアンプ4451の正極側入力端子は、さらに、抵抗R33の一端及び抵抗R34の一端と接続されている。抵抗R34の他端は、コンデンサC22の一端に接続されており、コンデンサC22の他端は、抵抗R33の他端とオペアンプ4451の出力とに接続されている。オペアンプ4451の負極側入力端子は、直流電源Vref_2の正極側端子に接続されており、直流電源Vref_2の負極側端子は接地されている。
このようなDutyMax検出回路445は、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outの電圧と電圧Vref_2との差に応じた電圧の信号DMC_O2として出力する。すなわち図9(d)に示すように、出力A1_Outが電圧Vref_2を上回ると、その分DMC_O2が上昇するので、図9(f)に示したDMC2_Oと類似した変化を示すようになる。
[実施の形態3]
図11に、第3の実施の形態に係るシステムの機能ブロック図を示す。図11に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置500と、電力変換装置500の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどとを有する。太陽電池100及び負荷蓄電池300並びに負荷A乃至Cは、第2の実施の形態と同様である。
図11に、第3の実施の形態に係るシステムの機能ブロック図を示す。図11に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置500と、電力変換装置500の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどとを有する。太陽電池100及び負荷蓄電池300並びに負荷A乃至Cは、第2の実施の形態と同様である。
電力変換装置500は、(A)スイッチを有し、太陽電池100からの出力電圧をスイッチのスイッチングによりDC/DC変換するD/Dコンバータ回路510と、(B)D/Dコンバータ回路510の出力電圧に応じた電圧の出力信号を電圧検出信号調整回路530に出力する出力電圧検出回路520と、(C)DutyMax検出回路550からの出力に従って出力電圧検出回路520からの検出信号を調整して、調整後検出信号を出力する電圧検出信号調整回路530と、(D)固定の基準電圧と電圧検出信号調整回路530からの調整後検出信号の電圧との差に応じて、D/Dコンバータ回路510を制御する定電圧制御回路540と、(E)定電圧制御回路540から出力され且つD/Dコンバータ回路510のスイッチのオンオフを指示するスイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を検出するDutyMax検出回路550とを有する。
図11に示した電力変換装置500の動作は、基本的には第2の実施の形態の電力変換装置400とほぼ同じである。但し、本実施の形態では、基準電圧V_Vrefを調整するのではなく、基準電圧V_Vrefは固定で、出力電圧検出回路520の検出信号の電圧が調整の対象となる。調整の程度は、第2の実施の形態と同様で、スイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を所定期間内に検出する頻度(又は割合)に応じて決められる。
より具体的には、D/Dコンバータ回路510が太陽電池100から電流を引き出しすぎて出力電圧が低下するような状態では、定電圧制御回路540により、スイッチングパルスのデューティー比を所定の最大値にして、さらに電圧を引き上げようとする。これに対して、DutyMax検出回路550は、スイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を検出すると、電圧検出信号調整回路530に検出信号を発信する。電圧検出信号調整回路530は、スイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を所定期間内に検出する頻度(又は割合)に応じて出力電圧検出回路520の検出信号の電圧を上昇させて、基準電圧V_Vrefとの差を狭める。
なお、定電圧制御回路540によるD/Dコンバータ回路510の駆動により太陽電池100から引き出される電力も低下して、当該電力と太陽電池100の出力電力とが、図4(a)の電力点Bで釣り合うことになる。そうすると、電力変換装置500の出力電圧Vo及び出力電力Poutは下げ止まる。
基準電圧V_Vrefと調整後検出信号の電圧との差が狭くなると、定電圧制御回路540は、スイッチングパルスのデューティー比を所定の最大値から引き下げる。また、調整後検出信号の調整量は、時定数があるので、すぐには0にならないので、徐々に減少することになる。
このような動作以外の部分は、ほとんど第2の実施の形態と同様である。従って、第2の実施の形態と同様に、最大電力点を安価な回路素子で追跡させることができるようになる。
[実施の形態3の実施例]
第3の実施の形態における具体的回路例を図12に示す。なお、太陽電池100は第2の実施の形態と同じであり、D/Dコンバータ回路510は第2の実施の形態におけるD/Dコンバータ回路410と同じである。また、出力電圧検出回路520は第2の実施の形態における出力電圧検出回路420と同じであるので、図示は省略する。
第3の実施の形態における具体的回路例を図12に示す。なお、太陽電池100は第2の実施の形態と同じであり、D/Dコンバータ回路510は第2の実施の形態におけるD/Dコンバータ回路410と同じである。また、出力電圧検出回路520は第2の実施の形態における出力電圧検出回路420と同じであるので、図示は省略する。
定電圧制御回路540は、例えばPID制御回路であり、電圧誤差検出回路541と、駆動信号発生回路542と、を含む。
電圧誤差検出回路541は、電圧検出信号調整回路530の出力に接続されており、抵抗R41乃至R44と、コンデンサC41及びC42と、オペアンプ5411とを有する。電圧検出信号調整回路530の出力は抵抗R41及びR42の一端に接続され、抵抗R41の他端はコンデンサC41の一端に接続され、コンデンサC41の他端と抵抗R42の他端とは、オペアンプ5411の負極側入力端子に接続されている。
また、オペアンプ5411の負極側入力端子は、コンデンサC42の一端及び抵抗R43の一端と接続されており、コンデンサC42の他端は抵抗R44の一端に接続され、抵抗R44の他端と抵抗R43の他端とはオペアンプ5411の出力端子に接続される。さらにオペアンプ5411の正極側入力端子には、固定の基準電圧V_Vrefを出力する直流電源V_Vrefの正極側端子が接続されている。なお、直流電源V_Vrefの負極端子は接地されている。
駆動信号発生回路542は、コンパレータ5421と三角波発生器5422とを含む。コンパレータ5421の正極側入力端子には、電圧誤差検出回路541の出力端子が接続されており、コンパレータ5421の負極側入力端子には、三角波発生器5422が接続されている。コンパレータ5421の出力端子は、接続端子Aを介してD/Dコンバータ回路510のFET(S1)のゲート端子に接続される。
また、DutyMax検出回路550は、コンパレータ551と、抵抗R45及びR46と、コンデンサC43と、電圧Vref_2を出力する直流電源Vref_2とを有する。コンパレータ551の正極側入力端子は、電圧誤差検出回路541のオペアンプ5411の出力端子に接続されており、コンパレータ551の負極側入力端子は、直流電源Vref_2の正極側端子に接続されている。直流電源Vref_2の負極端子は接地されている。コンパレータ551の出力は、抵抗R45の一端に接続されており、抵抗R45の他端は抵抗R46の一端及びコンデンサC43の一端と電圧検出信号調整回路530の入力とに接続されている。抵抗R46の他端及びコンデンサC43の他端とは接地されている。
DutyMax検出回路550のコンパレータ551は、駆動信号発生回路542に対する入力信号A1_Outと、駆動信号発生回路542の出力であるスイッチングパルスのデューティー比が最大となる際に駆動信号発生回路542に入力される入力信号A1_Outの電圧とほぼ同一の電圧を出力する直流電源Vref_2とを比較する。そして、入力信号A1_Outの電圧が電圧Vref_2より高くなると、コンパレータ551は、その間にパルス波DMC_O1を出力する。但し、コンパレータ551の出力にはローパスフィルタが接続されており、出力されたパルス波は、滑らかな信号波DMC_O2として電圧検出信号調整回路530に出力される。
電圧検出信号調整回路530は、コンパレータ534と、三角波発生器535と、オペアンプ531及び532と、抵抗R51乃至R62と、FET(S51)と、トランジスタT1と、コンデンサC51及びC52と、電圧V_Vrefを出力する直流電源V_Vrefと、所定の電圧Vref_3を出力する直流電源Vref_3とを有する。
コンパレータ534の正極側入力端子には、三角波発生器535が接続されており、コンパレータ534の負極側入力端子には、DutyMax検出回路550の出力が接続されている。コンパレータ534の出力端子には、抵抗R56の一端が接続されており、抵抗R56の他端には抵抗R57の一端及びコンデンサC51の一端並びにFET(S51)のゲート端子が接続されている。抵抗R57の他端及びコンデンサC51の他端は接地されている。また、FET(S51)のソース端子は接地されており、ドレイン端子は、抵抗R61の一端に接続されている。抵抗R61の他端は、抵抗R58の一端及び抵抗R59の一端に接続されている。抵抗R58の他端は直流電源Vref_3の正極側端子に接続されており、直流電源Vref_3の負極側端子は接地されている。さらに、抵抗R59の他端は、抵抗R60の一端及びコンデンサC52の一端に接続されている。コンデンサC52の他端は接地されている。抵抗R60の他端は、抵抗R62の一端及びトランジスタT1のベース端子に接続されている。さらに、抵抗R62の他端は接地されている。トランジスタT1のエミッタは接地されており、コレクタは抵抗R55の一端に接続されている。
さらに、抵抗R51の一端は、出力電圧検出回路520の出力に接続されており、抵抗R51の他端は、抵抗R52の一端及びオペアンプ531の負極側入力端子に接続されている。オペアンプ531の正極側入力端子には、直流電源V_Vrefの正極側端子が接続されており、直流電源V_Vrefの負極側端子は接地されている。抵抗R52の他端はオペアンプ531の出力端子と抵抗R55の他端と抵抗R53の一端に接続されている。
抵抗R53の他端は、抵抗R54の一端とオペアンプ532の負極側入力端子とに接続されている。オペアンプ532の正極側入力端子には、直流電源V_Vrefの正極側端子が接続されており、直流電源V_Vrefの負極側端子は接地されている。抵抗R54の他端はオペアンプ532の出力端子と定電圧制御回路540の電圧誤差検出回路541の入力に接続されている。
コンパレータ534は、三角波発生器535の出力VTW_3とDutyMax検出回路550の出力とを比較するが、スイッチングパルスのデューティー比が最大値にならない限り、出力VTW_3の電圧の方がDutyMax検出回路550の出力DMC_O2の電圧より高いので、常にハイの出力DMC2_Oを出す。一方、スイッチングパルスのデューティー比が最大値になると、DutyMax検出回路550の出力DMC_O2の電圧が上昇するので、徐々に出力DMC2_Oがオフになる期間が増加する。コンパレータ534の出力側にはローパスフィルタが設けられているので、ローパスフィルタで平滑化された信号VQGでFET(S51)はオンオフされる。但し、FET(S51)は、通常はオンになっており、コンデンサC52には電荷が貯まらない。オフの期間が長くなると徐々にコンデンサC52に貯まって電圧も高くなって行く。一方、コンデンサC52の電圧が高くなると、トランジスタT1のベース端子に印加される電圧VQBも高くなって、トランジスタT1もオンになるが、その場合には、オペアンプ531の出力電圧を引き下げるように作用する。
なお、オペアンプ531では、出力電圧検出回路520の出力Vo_fbを反転させているので、トランジスタT1がオンになると、さらにオペアンプ531の出力Vof2の電圧を引き下げるように作用する。その上で、オペアンプ532は、再度出力Vof2を反転させて、出力Vof3を電圧検出信号調整回路530の出力として電圧誤差検出回路541に出力する。より具体的には、Vof2が引き下げられていると、Vof3は引き上げられることになり、あたかも出力電圧検出回路520の出力Vo_fbが高くなったように、定電圧制御回路540の電圧誤差検出回路541には見える。
次に、図13及び図14を用いて、図12で示した回路の動作の主要部分を説明する。
まず、図4(a)の電力点Aなどにおいて十分太陽電池100から電力供給が可能である状態における動作を図13(a)乃至(g)を用いて説明する。なお、図13(a)乃至(g)は、ある短い時間の動作を示しており、図12に示した回路の基本的な動作説明を行うための図である。
図13(a)は、駆動信号発生回路542の出力であるスイッチングパルスを表している。この間、デューティー比はほぼ一定となっており、図13(b)に示すD/Dコンバータ回路510の出力電圧Voも、図13(c)に示す出力電圧検出回路520の出力信号Vo_fbも、図中は大げさに示されているが、スイッチングに応じて多少リプルが発生する程度の変動だけで、D/Dコンバータ回路510の出力信号Voの電圧の平均値Vo_aveも一定となっている。なお、図13(a)乃至(g)の状態では、DutyMax検出回路550と電圧検出信号調整回路530とは動作しておらず、出力電圧検出回路520の出力Vo_fbと電圧検出信号調整回路530の出力Vof3とはほぼ同じとなっている。
図13(c)に示すように、電圧誤差検出回路541は、Vo_fb(=Vof3)とV_Vrefの比較を行い、図13(d)に示すように、Vof3とV_Vrefとの差を反転させた電圧の出力信号A1_Outを出力する。図13(a)乃至(g)の状態では、この出力信号A1_Outの電圧は、DutyMax検出回路550で基準として用いられ且つデューティー比最大に対応する電圧Vref_2より低い電圧となっているので、上で述べたようにDutyMax検出回路550と電圧検出信号調整回路530とは動作しない。動作しない状態を図13(e)乃至(g)に示している。すなわち、出力信号A1_Outの電圧は常にVref_2より低いので、DutyMax検出回路550のコンパレータ551の出力側信号DMC_O1もDMC_O2も0のままになる。さらに、電圧検出信号調整回路530のコンパレータ534で三角波VTW_3とDMC_O2とを比較しても、DMC_O2は0のままなので、コンパレータ534の出力側の信号DMC2_OもVQGもハイのままとなる。そうすると、電圧検出信号調整回路530のFET(S51)はオンのままとなるので、図13(f)に示すように、トランジスタT1のベース端子に印加されるコンデンサC52の電圧は、トランジスタT1をオンにするような電圧にはならず、低いままとなる。
次に、図14(a)乃至(i)を用いて、D/Dコンバータ回路510の出力Voが低下し始めた場合の動作について説明する。なお、図14(a)乃至(i)は、本実施の形態の特徴を強調するように描かれているので、実際とは多少異なる部分もある。
上で説明し且つ図14(a)及び(b)に示すように、太陽電池100からの電力供給が減少するか最大電力点を超えてD/Dコンバータ回路510が電流を引き出そうとすると、D/Dコンバータ回路510のFET(S1)のゲート端子に対するスイッチングパルスのデューティー比は最大となる。一方、D/Dコンバータ回路510の出力Voは低下してしまう。図14(c)に示すように、出力Voが低下すると、出力電圧検出回路520の出力Vo_fbも低下する。
一方、電圧誤差検出回路541は、固定のV_Vrefとの差を反転させるため、出力電圧検出回路520の出力Vo_fbが低下し且つVof2に対する調整が行われない場合には、電圧誤差検出回路541の出力A1_Outは反対に上昇することになる。そうすると、図14(d)に示すように、FET(S51)に対するスイッチングの周期の中で、電圧誤差検出回路541の出力A1_Outの電圧が、徐々にスイッチングパルスのデューティー比の最大値に相当する電圧Vref_2を上回る期間が長くなる。図14(e)に示すように、DutyMax検出回路550のコンパレータ551の出力DMC_O1がオンになる期間が徐々に長くなる。さらに、図14(e)に示すように、DutyMax検出回路550の出力DMC_O2は、DMC_O1をローパスフィルタで平滑化した後の信号であるが、DMC_O1のオンの時間が長くなるので、徐々に電圧が上昇する。ここまでは第2の実施の形態の具体的回路例について述べた動作とほぼ同じである。
そして、電圧検出信号調整回路530における三角波信号VTW_3の電圧よりDMC_O2の電圧が低い期間については、図14(f)に示すように電圧検出信号調整回路530のコンパレータ534の出力DMC2_Oがオンになる。この信号DMC2_Oもローパスフィルタで平滑化された信号VQG(図示せず)が生成される。この信号VQGにより電圧検出信号調整回路530のFET(S51)のオン/オフが行われ、第2の実施の形態の具体的回路例とは異なり、本例ではFET(S51)がオフで、コンデンサC52から放電される状態が通常である。しかし、スイッチングパルスのデューティー比が最大になると、FET(S51)がオフになる期間が長くなると共に頻繁にオフになるようになって、図14(f)に示すように、トランジスタT1のベースに印加される電圧VQBが上昇するようになる。すなわち、スイッチングパルスのデューティー比が最大になる頻度(又は割合)が過去の所定期間内において高くなると、トランジスタT1がオンとなる頻度及び期間が長くなり、図14(g)に実線で示すように電圧検出信号調整回路530のオペアンプ531の出力電圧Vof2が引き下げられる。点線は調整が行われなかった場合のカーブを表す。そうすると、電圧検出信号調整回路530の出力Vof3は、反対に上昇することになる。
一方、基準電圧V_Vrefは固定であるから、電圧誤差検出回路541に入力される2つの信号の電位差が狭められることになる。そうすると、図14(h)に示すように、電圧検出信号調整回路530の出力Vof3が引き上げられた後、出力Vof3の電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなるので、電圧誤差検出回路541のオペアンプ5411の出力A1_Out(ここでは補正後A1_Out)も、徐々に下がってゆく。そうすると、図14(h)に示すように、駆動信号発生回路542のコンパレータ5421の負極側入力端子の三角波信号VTW_1の電圧より下がる期間が長くなる。そうすると、図14(i)に示すように、スイッチングパルス(補正後Pulと表す)のオンの幅が短くなる。すなわち、定電圧制御回路540からすると、デューティー比を高くして、D/Dコンバータ回路510のFET(S1)のオンの期間を長くして、より多くの電力を太陽電池100から引き出そうとして動作した結果、あたかもこの動作に効果があったようにみえる。従って、電圧検出信号調整回路530の出力Vof3の電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなったので、デューティー比を低くしたということである。
これによって上で述べたように太陽電池100から引き出す電力が引き下げられるので、D/Dコンバータ回路510の出力Voが上昇するようになる。その後、太陽電池100からD/Dコンバータ回路510が電力を引き出すように動作すれば、図14(b)に示すように電圧Voが下がるようになるので、上で述べたような動作を繰り返すようになる。すなわち、最大電力点を追跡していることになる。
このように高価なプロセッサなどを用いることなく安価な素子のみで最大電力点追跡が可能となる。
[実施の形態4]
第4の実施の形態は、第2の実施の形態の変形である。
第4の実施の形態は、第2の実施の形態の変形である。
図15に、本発明の第4の実施の形態に係るシステムの機能ブロック図を示す。図15に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置600と、電力変換装置600の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどとを有する。太陽電池100及び負荷蓄電池300、並びに負荷A乃至Cは、第2の実施の形態と同じである。
電力変換装置600は、(A)スイッチを有し、太陽電池100からの出力電圧をスイッチのスイッチングによりDC/DC変換するD/Dコンバータ回路410と、(B)D/Dコンバータ回路410の出力電圧に応じた電圧の出力信号を出力する出力電圧検出回路420と、(C)出力電圧検出回路420の出力信号の電圧と基準電圧との差に応じて、D/Dコンバータ回路410を制御する定電圧制御回路620と、(D)定電圧制御回路620から出力され且つD/Dコンバータ回路410のスイッチのオンオフを指示するスイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を検出するDutyMax検出回路440と、(E)初期基準電圧をそのまま基準電圧として出力するか、DutyMax検出回路440の検出信号に応じて初期基準電圧を調整して基準電圧を生成して、定電圧制御回路620へ出力する基準電圧調整回路450と、(F)DutyMax検出回路440の検出信号に応じて定電圧制御回路620のスイッチングパルスを加工する電力制限回路610とを有する。
定電圧制御回路620では、電力制限回路610が動作すると、スイッチングパルスのデューティー比が、強制的に下げられる。
次に、図16を用いて、図15に示した電力変換装置600の動作について説明する。なお、第2の実施の形態と同じように、太陽電池100からの出力電力をPpv、電力変換装置600の出力電圧をVo、出力電力をPout、定電圧制御回路620からDutyMax検出回路440への出力をDuty、初期基準電圧をVref_1、基準電圧調整回路450から定電圧制御回路620への出力電圧をV_Vrefと表すものとする。
本実施の形態でも、図4(a)及び(b)に基づき、図16(a)乃至(e)により電力変換装置600の動作を説明する。
図16(a)は、太陽電池100からの出力電力Ppv、電力変換装置600の出力電圧Poutの時間変化を表している。なお、電力変換装置600による損失があるので、必ずPpv>Poutの関係が成り立つ。比較のため、最大電力点Ppv_maxも示されている。また、図16(b)は、電力変換装置600の出力電圧Voの時間変化を表す。図16(c)は、基準電圧調整回路450からの基準電圧V_Vrefの時間変化を表す。比較のため初期基準電圧Vref_1も示されている。図16(d)は、定電圧制御回路620の出力Dutyの時間変化を表す。なお、出力Dutyについて予め定められた最大値DutyMaxも比較のため示されている。
まず、太陽電池100からの出力電力が、電力点Aより小さい電力から電力点Aを超えて電力点Mに到達するまでについては、D/Dコンバータ回路410と出力電圧検出回路420と定電圧制御回路620とが通常どおり動作する。すなわち、基準電圧調整回路450では何もせずに初期基準電圧Vref_1がそのまま出力され(図16(c))、V_Vref=Vref_1であって、出力電圧検出回路420の出力V_feedとの差に応じて定電圧制御回路620は、D/Dコンバータ回路410のスイッチのスイッチングを行わせる。
具体的には、電力点Aを超えて太陽電池100から電力を引き出そうとすると、D/Dコンバータ回路410をそれまでと同じように駆動するだけでは出力電圧検出回路420の出力V_feedが下がってしまう。この低下により、定電圧制御回路620は、図16(d)に示すように、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及びDutyの電圧を徐々に上げるように動作する。このようにすれば、図16(b)に示すように、電力変換装置600の出力電圧Voがほぼ一定に維持される。
その後、太陽電池100から引き出す電力が電力点Mに達すると、図16(a)に示すように、太陽電池100からの出力電力Ppvは低下するので、それにつられて電力変換装置600の出力電力Poutも低下する。また、図4(b)からも分かるように、出力電圧Voも低下してしまう。そうすると、定電圧制御回路620は、Vo(すなわちV_feed)とV_Vrefの差が大きくなったことを検出して、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及び信号Dutyの電圧をDutyMaxにまで上昇させる。
このような状況が発生すると、DutyMax検出回路440は、信号Dutyの電圧がDutyMaxに達したことを検出して、基準電圧調整回路450及び電力制限回路610に検出信号を出力する。基準電圧調整回路450は、DutyMax検出回路440からの検出信号に応じて、初期基準電圧Vref_1を引き下げるように調整して調整後の電圧V_Vrefを、定電圧制御回路620に出力する。この様子を図16(c)に示す。基準電圧V_Vrefの引き下げ幅は、DutyMax検出回路440から所定期間内に検出信号が出力される頻度又は割合に従って決定される。
さらに、電力制限回路610は、早期にD/Dコンバータ回路410による太陽電池100からの電力引き出しレベルを下げる。このため、DutyMax検出回路440からの検出信号に応じて、定電圧制御回路620からDutyMax検出回路440に出力される信号Dutyとは別に、D/Dコンバータ回路410のスイッチのスイッチングを制御するための信号、例えば、スイッチングパルスそのもの又はスイッチングパルスの生成に用いられる信号を引き下げるように、定電圧制御回路620に作用する。これによって、図16(e)に点線で示すように、スイッチングパルスのデューティー比は、一時的に引き下げられる。
なお、図16(a)に示すように、定電圧制御回路620がD/Dコンバータ回路410を駆動し過ぎると、太陽電池100から引き出される電力も低下して、当該電力と太陽電池100の実際の出力電力Ppvとが、電力点Bで釣り合うことになる。そうすると、電力変換装置600の出力電圧Vo及び出力電力Poutは下げ止まる。
また、図16(d)に示すように、定電圧制御回路620は、Vo(すなわちV_feed)とV_Vrefの差が小さくなったことを検出して、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及び信号Dutyの電圧を引き下げる。そうすると、図16(a)に示すように、定電圧制御回路620によるD/Dコンバータ回路410の駆動により太陽電池100から引き出される電流が減少する。しかし、通常、太陽電池100から引き出される電流の減少幅はやや多めになるため、図4(a)に示すように、最大電力点Mを通過して電力点Cまで戻ってしまう。図16(a)に示すように、この間、太陽電池100の出力電力Ppvは、一旦増加するが再度減少してしまう。電力変換装置600の出力電圧Voについては、この間のD/Dコンバータ回路410の駆動レベルでは徐々に上昇してゆく。
なお、図16(c)に示すように、基準電圧調整回路450による基準電圧V_Vrefの調整は遅延があって、DutyMax検出回路440が信号Dutyの電圧がDutyMaxから下がっても、直ぐには調整は終了せず、さらに初期基準電圧Vref_1への復帰には時定数があるので、基準電圧V_Vrefは徐々に上昇することになる。
この後、図16(d)に示すように、定電圧制御回路620は、出力電圧Vo(すなわちV_feed)と基準電圧V_Vrefとの差に応じてD/Dコンバータ回路410を駆動して太陽電池100からより多くの電力を引き出すように、D/Dコンバータ回路410のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比及び信号Dutyの電圧を上昇させる。
そうすると、図16(a)に示すように、太陽電池100の出力電力Ppvは上昇して再度電力点Mに達する。この後の動作は、最初に電力点Mに達した後とほぼ同じになる。但し、図16(c)に示すように、基準電圧V_Vrefは、初期基準電圧Vref_1に戻っておらず、電力変換装置600の出力電圧Voも目標値に達していないので、動作としては同じでも基準電圧V_Vrefの引き下げ幅などは若干異なってくる。このように完全に同じ動作ではないので、電力点CではなくC1やC2、電力点BではなくB1やB2で、図4(b)のカーブ上動作を切り替えることになる。
結局のところ、最大電力点をはさんで電力点B又はその近傍と電力点C又はその近傍間を行き来することになる。すなわち、最大電力点追跡が可能となっている。上で述べた動作は、太陽電池100の発電電力が一定であることを前提としている。しかし、発電電力が一定になることは一般的には無いので最大電力点自体も変動するが、動作は同様である。
なお、電力点Bと電力点Cの差は、出力電力や出力電圧に応じて決まるが、D/Dコンバータ回路410などを含む制御系のゲイン調整で調整することができる。すなわち、より最大電力点近傍で動作させることができる。
[実施の形態4の実施例1]
第4の実施の形態における具体的回路例を図17に示す。なお、太陽電池100、D/Dコンバータ回路410、出力電圧検出回路420、蓄電池300及び負荷なども同じであるから、図示は省略する。すなわち、図17を用いて本実施の形態に係る定電圧制御回路620とDutyMax検出回路440bと基準電圧調整回路450bと電力制限回路610の具体的回路例を示す。
第4の実施の形態における具体的回路例を図17に示す。なお、太陽電池100、D/Dコンバータ回路410、出力電圧検出回路420、蓄電池300及び負荷なども同じであるから、図示は省略する。すなわち、図17を用いて本実施の形態に係る定電圧制御回路620とDutyMax検出回路440bと基準電圧調整回路450bと電力制限回路610の具体的回路例を示す。
定電圧制御回路620は、例えばPID制御回路である電圧誤差検出回路431と、駆動信号発生回路432と抵抗R76とを含む。電圧誤差検出回路431及び駆動信号発生回路432は、第2の実施の形態と同じであり、ここでは詳細な説明は省略する。但し、後に述べるように電力制限回路610が抵抗R76を介して駆動信号発生回路432に接続される部分のみが異なる。
DutyMax検出回路440bは、コンパレータ443と、電圧Vref_2を出力する直流電源Vref_2とを有する。電圧Vref_2は、駆動信号発生回路432の出力であるスイッチングパルスのデューティー比が最大となる際に駆動信号発生回路432に入力される入力信号A1_Outの電圧とほぼ同一の電圧を出力する。コンパレータ443の正極側入力端子は、電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の出力端子に接続されており、コンパレータ443の負極側入力端子は、直流電源Vref_2の正極側端子に接続されている。直流電源Vref_2の負極側端子は接地されている。コンパレータ443の出力端子は、基準電圧調整回路450bの入力及び電力制限回路610の入力に接続されている。この接続によって、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outの電圧がVref_2を超えると、コンパレータ443の出力がオンになり、電力制限回路610と基準電圧調整回路450bに伝えられる。
基準電圧調整回路450bは、抵抗R71乃至R74と、コンデンサC61と、FET(S62)と、を有する。抵抗R71の一端は、DutyMax検出回路440bの出力と接続されており、抵抗R71の他端は、FET(S62)のゲート端子に接続されている。FET(S62)のソース端子は接地されており、FET(S62)のドレイン端子は抵抗R72の一端とR73の一端と抵抗R74の一端に接続されている。抵抗R72の他端は、電力変換装置600の電源Vcc(出力電圧もVccと記すことにする)に接続されており、抵抗R73の他端は接地されている。抵抗R74の他端は、コンデンサC61の一端及び電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の正極側入力端子に接続されている。基準電圧調整回路450bの出力V_Vrefの初期電圧、すなわち初期基準電圧は、Vcc×(R73/(R73+R72))の計算式で計算される。なお、R72は抵抗R72の抵抗値であり、R73は抵抗R73の抵抗値とする。DutyMax検出回路440bからの出力がローであれば、コンデンサC61には、初期基準電圧で電荷がチャージされる。一方、DutyMax検出回路440bからの出力がハイになると、コンデンサC61から電荷が放出されて、コンデンサC61の電圧がV_Vrefとなって出力される。
電力制限回路610は、抵抗R75と、FET(S61)とを有する。抵抗R75の一端は、DutyMax検出回路440bの出力に接続され、抵抗R75の他端はFET(S61)のゲート端子に接続されている。FET(S61)のソース端子は接地されており、FET(S61)のドレイン端子は、駆動信号発生回路432の抵抗R76の一端に接続されている。従って、DutyMax検出回路440bの出力がハイになると、FET(S61)がオンになり、結果として駆動信号発生回路432の出力がローに引き下げられることになる。
次に、図18及び図19を用いて、本実施例に係る電力変換装置600の動作について説明する。
まず、図4(a)の電力点Aなどにおいて十分太陽電池100から電力供給が可能である状態における動作を図18(a)乃至(g)を用いて説明する。なお、図18(a)乃至(g)は、ある短い時間の動作を示しており、図17に示した回路の基本的な動作説明を行うための図である。
図18(a)は、駆動信号発生回路432の出力であるスイッチングパルスPulを表している。この間、デューティー比はほぼ一定となっている。図18(b)に示すD/Dコンバータ回路410の出力電圧Voも、図18(c)に示す出力電圧検出回路420の出力信号Vo_fbも、図中は変動が大げさに示されている。しかし、スイッチングに応じて多少リプルが発生する程度の変動だけで、D/Dコンバータ回路410の出力信号Voの電圧の平均値Vo_aveもほぼ一定となっている。なお、図18(a)乃至(g)の状態では、DutyMax検出回路440bと基準電圧調整回路450bとは動作しておらず、電源電圧VccをR73/(R73+R72)で抵抗分割することによって得られる電圧が基準電圧調整回路450bの出力電圧V_Vrefとなっている。
図18(c)に示すように、電圧誤差検出回路431は、Vo_fbとV_Vrefの比較を行い、図18(d)に示すように、Vo_fbとV_Vrefとの差を反転させた電圧の出力信号A1_Outを出力する。図18(a)乃至(g)の状態では、この出力信号A1_Outの電圧は、DutyMax検出回路440bで基準として用いられ且つデューティー比最大に対応する電圧Vref_2より低い電圧となっている。このことにより、上で述べたようにDutyMax検出回路440bと基準電圧調整回路450bとは動作しない。この動作しない状態を図18(e)乃至(g)に示している。すなわち、出力信号A1_Outの電圧は常にVref_2より低いので、DutyMax検出回路440bのコンパレータ443の出力側信号DMC_Oはオフのままになる。さらに、基準電圧調整回路450bのFET(S62)もオフのままとなる。そうすると、図18(f)に示すように、コンデンサC61の出力電圧V_Vrefは、上で述べたように電源Vccの電圧Vccを抵抗R72及びR73で抵抗分割した結果の値となる。
また、図18(g)に示すように、DutyMax検出回路440bの出力DMC_Oがオフのままであるから、電力制限回路610のFET(S61)もオフのままで、駆動信号発生回路432の出力Pulには何も変化はない。
次に、図19(a)乃至(i)を用いて、D/Dコンバータ回路410の出力Voが減少し始めた場合の動作について説明する。なお、図19(a)乃至(i)は、本実施の形態の特徴を強調するように描かれているので、実際とは多少異なる部分もある。
上で説明し且つ図19(a)及び(b)に示すように、太陽電池100からの電力供給が減少するか最大電力点を超えてD/Dコンバータ回路410が電力を引き出そうとすると、D/Dコンバータ回路410のFET(S1)のゲート端子に対するスイッチングパルスのデューティー比は最大となる。一方、D/Dコンバータ回路410の出力Voは低下してしまう。図19(c)に示すように、出力Voが低下すると、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbも低下する。
一方、電圧誤差検出回路431は、現在のV_Vrefとの差を反転させるため、出力電圧検出回路420のVo_fbが低下するならば、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outは反対に上昇することになる。そうすると、図19(d)に示すように、FET(S1)に対するスイッチングの周期の中で、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outの電圧が、徐々にスイッチングパルスのデューティー比の最大値に相当する電圧Vref_2を上回る期間が長くなる。そして図19(e)に示すように、DutyMax検出回路440bのコンパレータ443の出力DMC_Oがオンになる期間が徐々に長くなる。一方、図19(f)に示すように、電力制限回路610のFET(S61)は、DMC_Oがオンになると同じくオンになるため、電力制限回路610の出力V_pwは、FET(S61)がオンの期間中、0になる。
また、DutyMax検出回路440bの出力DMC_Oに応じて、基準電圧調整回路450bのFET(S62)もオンになるので、コンデンサC61から放電されるようになる。従って、放電する時間が長いほど又放電頻度が高いほど、基準電圧V_Vrefは下がってゆくことになる。図19(g)に示すように、スイッチングパルスのデューティー比が最大になる頻度(又は割合)が、過去の所定期間内において高くなると、頻繁に且つ長い期間コンデンサC61の放電が行われるようになるので、結果としてV_Vrefは徐々に下がってゆく。
そうすると、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧も下がり、さらに基準電圧V_Vrefも下がってゆくので、電圧誤差検出回路431に入力される2つの信号の電位差が狭められることになる。そうすると、図19(h)に示すように、基準電圧V_Vrefが下げられた後、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなるので、電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の出力A1_Out(ここでは補正後A1_Out)も、徐々に下がってゆく。そうすると、図19(h)に示すように、駆動信号発生回路432のコンパレータ4321の負極側入力の三角波信号VTW_1の電圧より下がる期間が長くなる。そうすると、図19(i)の点線で示すように、スイッチングパルス(補正後Pulと表す)のオンの幅が短くなる。
このように、定電圧制御回路620からすると、デューティー比を高くして、D/Dコンバータ回路410のFET(S1)のオンの期間を長くして、より多くの電力を太陽電池100から引き出そうとして動作する。その結果、あたかもこの動作に効果があったようにみえる。従って、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなったので、デューティー比を低くしたということである。
但し、図19(i)の実線で示したように、DMC_Oがオンになる期間は、電力制限回路610によって強制的に電圧を0にさせられるので、第2の実施の形態の場合に比して、早期にスイッチングパルス(補正後Pul)のオンの幅が短くなる。すなわち、早期にD/Dコンバータ回路410の駆動レベルが下げられる。これによって、最大電力点の追跡が高速に行われるようになる。
これによって上で述べたように太陽電池100から引き出す電力が引き下げられるので、D/Dコンバータ回路410の出力Voが上昇するようになる。その後、太陽電池100からD/Dコンバータ回路410が電力を引き出すように動作すれば、図19(b)に示すように電圧Voが下がるようになるので、上で述べたような動作を繰り返すようになる。すなわち、最大電力点を追跡していることになる。
このように高価なプロセッサなどを用いることなく安価な素子のみで最大電力点追跡が可能となる。
[実施の形態4における他の具体的回路例]
図17に示したDutyMax検出回路440b、基準電圧調整回路450b及び電力制限回路610の代わりに、図20に示すようなDutyMax検出回路440c、基準電圧調整回路450c及び電力制限回路610bを採用するようにしても良い。
図17に示したDutyMax検出回路440b、基準電圧調整回路450b及び電力制限回路610の代わりに、図20に示すようなDutyMax検出回路440c、基準電圧調整回路450c及び電力制限回路610bを採用するようにしても良い。
DutyMax検出回路440cは、オープンコレクタタイプのコンパレータ444及び445と、電圧Vref_2を出力する直流電源Vref_2と、抵抗R81とを有する。
電圧誤差検出回路431の出力A1_Outは、コンパレータ444の負極側入力端子と、コンパレータ445の正極側入力端子とに入力される。コンパレータ444の正極側入力端子には、直流電源Vref_2の正極側端子が接続され、コンパレータ445の負極側入力端子には、直流電源Vref_2の正極側端子が接続される。直流電源Vref_2の負極側端子は接地されている。なお、コンパレータ445の出力端子は、抵抗R81を介して電源Vccに接続されると共に、電力制限回路610bにも接続されている。
基準電圧調整回路450cは、抵抗R83乃至R85と、コンデンサC62とを有する。コンパレータ444の出力端子は、抵抗R83の一端、抵抗R84の一端、抵抗R85の一端に接続されており、抵抗R83の他端は、電源Vccに接続されている。また、抵抗R84の他端は接地されており、抵抗R85の他端は、コンデンサC62の一端及び電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の正極側入力端子に接続されている。コンデンサC62の他端は接地されている。このようにオープンコレクタタイプのコンパレータ444を使用することによって、基準電圧調整回路450bのFETを1つ削減できている。基準電圧調整回路450bのFETを除去したため、コンパレータ444の入力が図17の場合とは逆になっている。すなわち、信号A1_Outの電圧がスイッチングパルスのデューティー比の最大値に対応する電圧に達するまでは、コンパレータ444の出力はハイとなる。しかし、オープンコレクタタイプのコンパレータ444であるから、コンデンサC62には抵抗R83及びR84で抵抗分割して得られる初期基準電圧、すなわちVcc×(R84/(R84+R83))で計算される値が印加され、電荷がチャージされる。一方、信号A1_Outの電圧がスイッチングパルスのデューティー比の最大値に対応する電圧に達すると、コンパレータ444の出力はローになり、オープンコレクタタイプのコンパレータ444であるから、コンデンサC62から電荷が放出されるようになる。一方、コンパレータ445の正極側入力端子には、信号A1_Outが入力されるので、信号A1_Outの電圧が電圧Vref_2に達すると、コンパレータ445の出力はハイになり、電力制限回路610bのFET(S63)がオンになる。
また、電力制限回路610bは、抵抗R82と、FET(S63)とを有する。抵抗R82の一端は、抵抗R81とコンパレータ445の出力端子とに接続されており、抵抗R82の他端は、FET(S63)のゲート端子に接続されている。FET(S63)のソース端子は接地されており、ドレイン端子は、駆動信号発生回路432の出力に接続されている。電力制限回路610bの動作は、上で述べた実施例1の回路と同じである。
[実施の形態4の実施例2]
第4の実施の形態における実施例1では、電力制限回路610がFET(S1)に対するスイッチングパルスを直接調整するので、スイッチングパルスの周期とは無関係に調整が行われる場合がある。しかしながら、頻繁にスイッチングパルスをオンオフするとそれだけ消費電力が上がるので、スイッチングパルスの周期に合わせて調整を行うようにする。
第4の実施の形態における実施例1では、電力制限回路610がFET(S1)に対するスイッチングパルスを直接調整するので、スイッチングパルスの周期とは無関係に調整が行われる場合がある。しかしながら、頻繁にスイッチングパルスをオンオフするとそれだけ消費電力が上がるので、スイッチングパルスの周期に合わせて調整を行うようにする。
第4の実施の形態における第2の具体的回路例を図21に示す。なお、太陽電池100、D/Dコンバータ回路410、出力電圧検出回路420、蓄電池300及び負荷なども同じであるから、図示は省略する。すなわち、図21を用いて本実施の形態に係る定電圧制御回路620bとDutyMax検出回路440bと基準電圧調整回路450bと電力制限回路610の具体的回路例を示す。
定電圧制御回路620bは、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧と基準電圧V_Vrefとを比較する電圧誤差検出回路431と、D/Dコンバータ回路410を駆動する駆動信号発生回路432と、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outを電力制限回路610の出力に基づき調整する誤差信号合成回路612とを有する。
電圧誤差検出回路431と駆動信号発生回路432とは、第2の実施の形態と同一であるからここでは説明を省略する。また、DutyMax検出回路440bと基準電圧調整回路450bと電力制限回路610は、第4の実施の形態の実施例1と同じであるから、これらについても説明を省略する。
誤差信号合成回路612は、オペアンプ6121と、抵抗R91乃至R95と、コンデンサC71とを有する。オペアンプ6121の正極側入力端子には、電圧誤差検出回路431の出力が接続されており、オペアンプ6121の負極側入力端子には、抵抗R91の一端と抵抗R95の一端とが接続されている。抵抗R91の他端は接地されており、抵抗R95の他端はオペアンプ6121の出力端子と接続されている。オペアンプ6121の出力端子は、抵抗R92の一端と接続されており、抵抗R92の他端は、抵抗R93の他端と電力制限回路610の出力と接続されている。抵抗R93の他端は、コンデンサC71の一端と抵抗R94の一端と駆動信号発生回路432とに接続されている。コンデンサC71の他端と抵抗R94の他端とは接地されている。
誤差信号合成回路612のオペアンプ6121は、非反転バッファとして機能し、抵抗R95及びR91の抵抗値R95及びR91から、入力A1_Outを(1+R95/R91)倍した信号を生成する。この信号は、電力制限回路610が動作する場合にはその出力によって一時的に引き下げられるが、抵抗R93及びR94並びにコンデンサC71のローパスフィルタで平滑化される。そうすると信号A2_Outが生成されて、駆動信号発生回路432に出力される。
次に、図22及び図23を用いて、本実施例に係る電力変換装置600の動作について説明する。
まず、図4(a)の電力点Aなどにおいて十分太陽電池100から電力供給が可能である状態における動作を図22(a)乃至(g)を用いて説明する。なお、図22(a)乃至(g)は、ある短い時間の動作を示しており、図21に示した回路の基本的な動作説明を行うための図である。
図22(a)は、駆動信号発生回路432の出力であるスイッチングパルスを表している。この間、デューティー比はほぼ一定となっており、図22(b)に示すD/Dコンバータ回路410の出力電圧Voも、図22(c)に示す出力電圧検出回路420の出力信号Vo_fbも、図中は大げさに示されている。しかし、スイッチングに応じて多少リプルが発生する程度の変動だけで、D/Dコンバータ回路410の出力信号Voの電圧の平均値Vo_aveも一定となっている。なお、図22(a)乃至(g)の状態では、DutyMax検出回路440bと基準電圧調整回路450bと電力制限回路610とは動作しておらず、電源電圧VccをR73/(R73+R72)で抵抗分割することによって得られる電圧が基準電圧調整回路450bの出力電圧V_Vrefとなっている。
図22(c)に示すように、電圧誤差検出回路431は、Vo_fbとV_Vrefの比較を行い、図22(d)に示すように、Vo_fbとV_Vrefとの差を反転させた電圧の出力信号A1_Outを出力する。さらに、図22(d)に示すように、誤差信号合成回路612の非反転バッファは、出力信号A1_Outよりも若干高い電圧の信号A2_Outを生成する。図22(d)は、その差を強調表示しているので、実際にはこのような差を出すわけではない。
なお、図22(d)に示すように、出力信号A1_Outの電圧は、D/Dコンバータ回路410に対するスイッチングパルスのデューティー比を最大にする際の電圧Vref_2より低いので、DutyMax検出回路440b、基準電圧調整回路450b及び電力制限回路610は、動作しない。すなわち、図22(e)乃至(g)に示すように、DutyMax検出回路440bの出力DMC_Oは、ローのままで変化せず、その結果基準電圧調整回路450bの出力V_Vrefも変化しない。さらに、電力制限回路610のFET(S61)もオンにならないので、図22(g)で点線で示すように電力制限回路610の出力V_pwは不定である。
次に、図23(a)乃至(i)を用いて、D/Dコンバータ回路410の出力Voが減少し始めた場合の動作について説明する。なお、図23(a)乃至(i)は、本実施の形態の特徴を強調するように描かれているので、実際とは多少異なる部分もある。
上で説明し且つ図23(a)及び(b)に示すように、太陽電池100からの電力供給が減少するか最大電力点を超えてD/Dコンバータ回路410が電流を引き出そうとする。そうすると、D/Dコンバータ回路410のFET(S1)のゲート端子に対するスイッチングパルスのデューティー比は最大となる一方、D/Dコンバータ回路410の出力Voは低下してしまう。図23(c)に示すように、出力Voが低下すると、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbも低下する。
一方、電圧誤差検出回路431は、現在のV_Vrefとの差を反転させるため、出力電圧検出回路420のVo_fbが低下するならば、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outは反対に上昇することになる。そうすると、図23(d)に示すように、FET(S1)に対するスイッチングの周期の中で、電圧誤差検出回路431の出力A1_Outの電圧が、徐々にスイッチングパルスのデューティー比の最大値に相当する電圧Vref_2を上回る期間が長くなる。図23(e)に示すように、DutyMax検出回路440bのコンパレータ443の出力DMC_Oがオンになる期間が徐々に長くなる。一方、図23(e)に示すように、電力制限回路610のFET(S61)は、DMC_Oがオンになると同じくオンになるため、電力制限回路610の出力V_pwは、FET(S61)がオンの期間中、0になる。
また、DutyMax検出回路440bの出力DMC_Oに応じて、基準電圧調整回路450bのFET(S62)もオンになるので、コンデンサC61から放電されるようになる。従って、放電する時間が長いほど又放電頻度が高いほど、基準電圧V_Vrefは下がってゆくことになる。図23(g)に示すように、スイッチングパルスのデューティー比が最大になる頻度(又は割合)が、過去の所定期間内において高くなると、頻繁に且つ長い期間コンデンサC61の放電が行われるようになるので、結果としてV_Vrefは徐々に下がってゆく。
そうすると、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧も下がり、さらに基準電圧V_Vrefも下がってゆくので、電圧誤差検出回路431に入力される2つの信号の電位差が狭められることになる。そうすると、図23(h)に示すように、基準電圧V_Vrefが下げられた後、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなるので、電圧誤差検出回路431のオペアンプ4311の出力A1_Out(ここでは補正後A1_Out)も、徐々に下がってゆく。
さらに、この出力A1_Outからオペアンプ6121によって生成される信号は、電力制限回路610が存在しなければ、図23(h)において点線で示すように、出力A1_Outと同じ波形となるが、図23(f)に示した、電力制限回路610の出力V_pwによって、オペアンプ6121の出力は強制的に引き下げられる。電圧が引き下げられるのは、図23(f)で電圧がゼロになっている期間だけであり、オペアンプ6121の後段にはローパスフィルタが設けられているので、図23(h)に示すように、図23(f)で電圧がゼロになっている期間は電圧が下がる。そして、その期間が終了して出力A1_Outの電圧が上昇すれば、それに応じて信号A2_Outの電圧も上昇する。
そうすると、図23(h)に示すように、駆動信号発生回路432のコンパレータ4321の負極側入力の三角波信号VTW_1の電圧より低くなる期間が長くなる。従って、図23(i)の点線で示すように、出力A1_Outをベースにスイッチングパルスを生成する場合に比して、出力A2_Outをベースにスイッチングパルスを生成する場合(補正後Pulと表す)、パルスのオンの幅がより短くなる。
このように、定電圧制御回路620bからすると、デューティー比を高くして、D/Dコンバータ回路410のFET(S1)のオンの期間を長くして、より多くの電力を太陽電池100から引き出そうとして動作する。その結果、あたかもこの動作に効果があったようにみえる。従って、出力電圧検出回路420の出力Vo_fbの電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなったので、デューティー比を低くする。本実施例では、さらに、スイッチングパルスのデューティー比を強制的に、但しスイッチングパルスの周期に合わせて引き下げることによって、早期にD/Dコンバータ回路410の駆動レベルを引き下げている。すなわち、消費電力も増加させずに最大電力点の追跡が高速に行われるようになる。
これによって上で述べたように太陽電池100から引き出す電力が引き下げられるので、D/Dコンバータ回路410の出力Voが上昇するようになる。その後、太陽電池100からD/Dコンバータ回路410が電力を引き出すように動作すれば、図23(b)に示すように電圧Voが下がるようになるので、上で述べたような動作を繰り返すようになる。すなわち、最大電力点を追跡していることになる。
このように高価なプロセッサなどを用いることなく安価な素子のみで最大電力点追跡が可能となる。
[実施の形態5]
図24に、第5の実施の形態に係るシステムの機能ブロック図を示す。本実施の形態は、第3の実施の形態の変形である。
図24に、第5の実施の形態に係るシステムの機能ブロック図を示す。本実施の形態は、第3の実施の形態の変形である。
図24に示すシステムは、太陽電池システムであって、太陽電池100と、太陽電池100からの出力に対して電力変換を行う電力変換装置700と、電力変換装置700の出力に接続されている負荷蓄電池300及び様々な負荷A乃至Cなどとを有する。太陽電池100及び負荷蓄電池300並びに負荷A乃至Cは、第2の実施の形態と同様である。
電力変換装置700は、(A)スイッチを有し、太陽電池100からの出力電圧をスイッチのスイッチングによりDC/DC変換するD/Dコンバータ回路510と、(B)D/Dコンバータ回路510の出力電圧に応じた電圧の出力信号を出力する出力電圧検出回路520と、(C)DutyMax検出回路550からの出力に従って出力電圧検出回路520からの検出信号を調整して、調整後検出信号を出力する電圧検出信号調整回路530と、(D)固定の基準電圧と電圧検出信号調整回路530からの調整後検出信号の電圧との差に応じて、D/Dコンバータ回路510を制御する定電圧制御回路720と、(E)定電圧制御回路720から出力され且つD/Dコンバータ回路510のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を検出するDutyMax検出回路550と、(F)DutyMax検出回路550からの検出信号に応じて、定電圧制御回路720に対して、スイッチングパルスのデューティー比を強制的に下げさせる電力制限回路710とを有する。定電圧制御回路720は、電力制限回路710が動作すると、デューティー比を引き下げた形のスイッチングパルスを、D/Dコンバータ回路510のスイッチに出力するようになっている。
図24に示した電力変換装置700の動作は、基本的には第3の実施の形態の電力変換装置500とほぼ同じである。
すなわち、基準電圧V_Vrefは固定で、出力電圧検出回路520の検出信号の電圧が調整の対象となる。調整の程度は、スイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を所定期間内に検出する頻度(又は割合)に応じて決められる。
より具体的には、D/Dコンバータ回路510が太陽電池100から電流を引き出しすぎて出力電圧が低下するような状態では、定電圧制御回路720により、スイッチングパルスのデューティー比を所定の最大値にして、電圧を引き上げようとする。これに対して、DutyMax検出回路550は、スイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を検出すると、電圧検出信号調整回路530に検出信号を発信する。電圧検出信号調整回路530は、スイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値となっている状態を所定期間内に検出する頻度(又は割合)に応じて出力電圧検出回路520の検出信号の電圧を上昇させて、基準電圧V_Vrefとの差を狭める。
なお、定電圧制御回路720によるD/Dコンバータ回路510の駆動により太陽電池100から引き出される電力も低下して、当該電力と太陽電池100の出力電力とが、図4(a)の電力点Bで釣り合うことになる。そうすると電力変換装置700の出力電圧Vo及び出力電力Poutは下げ止まる。
基準電圧V_Vrefと調整後検出信号の電圧との差が狭くなると、定電圧制御回路720は、スイッチングパルスのデューティー比を所定の最大値から引き下げる。また、調整後検出信号の調整量は、時定数があるので、すぐには0にならないので、徐々に減少することになる。
このような基本動作に加えて、第4の実施の形態と同様に、電力制限回路710は、D/Dコンバータ回路510のスイッチに対するスイッチングパルスのデューティー比が所定の最大値になったことをDutyMax検出回路550から信号が送られる。すると、このスイッチングパルスを強制的にオフにするための信号を、定電圧制御回路720に出力する。定電圧制御回路720は、上で述べたような基本動作を実施した上で、電力制限回路710からの信号に従って、スイッチングパルスのデューティー比をさらに強制的に引き下げる。これによって、D/Dコンバータ回路510の駆動レベルを早期に引き下げることができ、最大電力点の追跡が早期に行われる。
[実施の形態5の実施例]
第5の実施の形態における具体的回路例を図25に示す。なお、太陽電池100は第2の実施の形態と同じであり、D/Dコンバータ回路510及び出力電圧検出回路520は、第3の実施の形態と同じであるので、図示及び説明は省略する。また、電力制限回路710は第4の実施の形態の電力制限回路610と同じであるので、説明は省略する。
第5の実施の形態における具体的回路例を図25に示す。なお、太陽電池100は第2の実施の形態と同じであり、D/Dコンバータ回路510及び出力電圧検出回路520は、第3の実施の形態と同じであるので、図示及び説明は省略する。また、電力制限回路710は第4の実施の形態の電力制限回路610と同じであるので、説明は省略する。
定電圧制御回路720は、例えばPID制御回路であり、電圧誤差検出回路541と、駆動信号発生回路542と、電力制限回路710と接続される抵抗R101とを含む。電圧誤差検出回路541と駆動信号発生回路542は、第3の実施の形態と同じであるから、説明を省略する。なお、駆動信号発生回路542のオペアンプ5421の出力には抵抗R101の一端が接続されており、当該抵抗R101の他端はD/Dコンバータ回路510のFET(S1)のゲート端子に接続される。さらに抵抗R101の他端は、電力制限回路710の出力と接続されている。
DutyMax検出回路550bは、コンパレータ5511と、電圧Vref_2を出力する直流電源Vref_2とを有する。コンパレータ5511の正極側入力端子は、電圧誤差検出回路541のオペアンプ5411の出力端子に接続されており、コンパレータ5511の負極側入力端子は、直流電源Vref_2の正極側端子に接続されている。直流電源Vref_2の負極側端子は接地されている。コンパレータ5511の出力は、電圧検出信号調整回路530bに接続されている。
DutyMax検出回路550bのコンパレータ5511は、駆動信号発生回路542に対する信号A1_Outと、駆動信号発生回路542の出力であるスイッチングパルスのデューティー比が最大となる際に駆動信号発生回路542に入力される信号A1_Outの電圧とほぼ同一の電圧を出力する直流電源Vref_2とを比較する。そして、信号A1_Outの電圧が電圧Vref_2より高くなると、コンパレータ5511は、その間にパルス波DMC_Oを、電圧検出信号調整回路530b及び電力制限回路710に出力する。
電圧検出信号調整回路530bは、オペアンプ5311及び5312と、抵抗R102乃至R109と、トランジスタT2と、コンデンサC101と、電圧V_Vrefを出力する直流電源V_Vrefとを有する。
抵抗R108の一端は、DutyMax検出回路550bの出力に接続されており、抵抗R108の他端は、抵抗R109の一端、抵抗R107の一端及びコンデンサC101の一端が接続されている。抵抗R109の他端及びコンデンサC101の他端は接地されている。抵抗R107の他端は、トランジスタT2のベース端子に接続されている。また、トランジスタT2のエミッタ端子は接地されており、コレクタ端子は、抵抗R106の一端に接続されている。
さらに、抵抗R102の一端は、出力電圧検出回路520の出力に接続されており、抵抗R102の他端は、抵抗R103の一端及びオペアンプ5311の負極側入力端子に接続されている。オペアンプ5311の正極側入力端子には、直流電源V_Vrefの正極側端子が接続されており、直流電源V_Vrefの負極側端子は接地されている。抵抗R103の他端はオペアンプ5311の出力端子と抵抗R106の他端と抵抗R104の一端に接続されている。
抵抗R104の他端は、抵抗R105の一端とオペアンプ5312の負極側入力端子とに接続されている。オペアンプ5312の正極側入力端子には、直流電源V_Vrefの正極側端子が接続されており、直流電源V_Vrefの負極側端子は接地されている。抵抗R105の他端はオペアンプ5312の出力端子と定電圧制御回路720の電圧誤差検出回路541の入力に接続されている。
DutyMax検出回路550bの出力DMC_Oがオンになると、コンデンサC101に電荷が貯まる。DMC_Oがオンになる頻度及び期間が長くなると、コンデンサC101に電荷が貯まって行き、トランジスタT2のベース端子に印加される電圧も上昇する。そうすると、トランジスタT2がオンになるので、オペアンプ5311の出力電圧Vof2を引き下げるように作用する。
なお、オペアンプ5311では、出力電圧検出回路520の出力Vo_fbを反転させているので、トランジスタT2がオンになると、さらにオペアンプ5311の出力Vof2の電圧を引き下げるように作用する。その上で、オペアンプ5312は、再度出力Vof2を反転させて、出力Vof3を電圧検出信号調整回路530bの出力として電圧誤差検出回路541に出力する。より具体的には、Vof2が引き下げられていると、Vof3は引き上げられることになり、あたかも出力電圧検出回路520の出力Vo_fbが高くなったように、定電圧制御回路720の電圧誤差検出回路541には見える。
さらに、本実施例では、電力制限回路710も設けられているので、DutyMax検出回路550bの出力DMC_Oがオンになると、FET(S81)もオンになって、その間、駆動信号発生回路542の出力であるスイッチングパルスをローに押下げる。このようにすることによって、スイッチングパルスのデューティー比が下げられるようになるので、D/Dコンバータ回路510の駆動レベルを早期に引き下げて、最大電力点の追跡を高速に行うことができる。
次に、図26を用いて、図25で示した回路の動作の主要部分を説明する。なお、DutyMax検出回路550bのコンパレータ5511がオンにならない場面での動作は、図13と全く同じになるのでここでは説明を省略する。
次に、図26(a)乃至(i)を用いて、D/Dコンバータ回路510の出力Voが減少し始めた場合の動作について説明する。なお、図26(a)乃至(i)は、本実施の形態の特徴を強調するように描かれているので、実際とは多少異なる部分もある。
上で説明し且つ図26(a)及び(b)に示すように、太陽電池100からの電力供給が減少するか最大電力点を超えてD/Dコンバータ回路510が電力を引き出そうとする。そうすると、D/Dコンバータ回路510のFET(S1)のゲート端子に対するスイッチングパルスのデューティー比は最大となる。一方、D/Dコンバータ回路510の出力Voは低下してしまう。図26(c)に示すように、出力Voが低下すると、出力電圧検出回路520の出力Vo_fbも低下する。
一方、電圧誤差検出回路541は、固定のV_Vrefとの差を反転させるため、出力電圧検出回路520の出力Vo_fbが低下し且つVof2に対する調整が行われない場合には、電圧誤差検出回路541の出力A1_Outは反対に上昇することになる。そうすると、図26(d)に示すように、FET(S1)に対するスイッチングの周期の中で、電圧誤差検出回路541の出力A1_Outの電圧が、徐々にスイッチングパルスのデューティー比の最大値に相当する電圧Vref_2を上回る期間が長くなる。また、図26(e)に示すように、DutyMax検出回路550bのコンパレータ5511の出力DMC_Oがオンになる期間が徐々に長くなる。すなわち、スイッチングパルスのデューティー比が最大になる頻度(又は割合)が過去の所定期間内において高くなると、トランジスタT2がオンとなる頻度及び期間が長くなり、図26(f)に実線で示すように電圧検出信号調整回路530bのオペアンプ5311の出力電圧Vof2が引き下げられる。点線は調整が行われなかった場合のカーブを表す。そうすると、電圧検出信号調整回路530bの出力Vof3は、反対に上昇することになる。
一方、基準電圧V_Vrefは固定であるから、電圧誤差検出回路541に入力される2つの信号の電位差が狭められることになる。そうすると、図26(h)に示すように、電圧検出信号調整回路530bの出力Vof3が引き上げられた後、出力Vof3の電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなるので、電圧誤差検出回路541のオペアンプ5411の出力A1_Out(ここでは補正後A1_Out)も、徐々に下がってゆく。
そうすると、図26(h)に示すように、駆動信号発生回路542のコンパレータ5421の負極側入力端子の三角波信号VTW_1の電圧より下がる期間が長くなる。そうすると、図26(i)に複数の時間軸の点線の幅で示すように、スイッチングパルスのオンの幅が短くなる。すなわち、定電圧制御回路720からすると、デューティー比を高くして、D/Dコンバータ回路510のFET(S1)のオンの期間を長くして、より多くの電力を太陽電池100から引き出そうとして動作した結果、あたかもこの動作に効果があったようにみえる。従って、電圧検出信号調整回路530bの出力Vof3の電圧と基準電圧V_Vrefとの差が小さくなったので、デューティー比を低くしたということである。
さらに、本実施例では、図26(g)に示すように、DutyMax検出回路550bの出力DMC_Oがオンになると、電力制限回路710の出力は0になる。すなわち、D/Dコンバータ回路510のスイッチに対するスイッチングパルスを強制的にオフにするように作用するので、図26(i)に実線で示すように、パルス幅がさらに狭くなる。このようにして、D/Dコンバータ回路510による駆動レベルを早期に引き下げることで、最大電力点の追跡を高速に行うことができるようになる。
これによって上で述べたように太陽電池100から引き出す電力が引き下げられるので、D/Dコンバータ回路510の出力Voが上昇するようになる。その後、太陽電池100からD/Dコンバータ回路510が電力を引き出すように動作すれば、図26(b)に示すように電圧Voが下がるようになるので、上で述べたような動作を繰り返すようになる。すなわち、最大電力点を追跡していることになる。
このように高価なプロセッサなどを用いることなく安価な素子のみで最大電力点追跡が可能となる。
[実施の形態6]
上で述べたような実施の形態に係る電力変換装置は、例えば図27のように用いることが好ましい。図27の例では、5つの太陽電池の各々に、電力変換装置を接続する。そして、全ての電力変換装置の全ての出力は、コンデンサ1001と、負荷蓄電池1003と、DC/ACインバータ回路やDC/DCコンバータ回路などの様々な負荷に接続される。
上で述べたような実施の形態に係る電力変換装置は、例えば図27のように用いることが好ましい。図27の例では、5つの太陽電池の各々に、電力変換装置を接続する。そして、全ての電力変換装置の全ての出力は、コンデンサ1001と、負荷蓄電池1003と、DC/ACインバータ回路やDC/DCコンバータ回路などの様々な負荷に接続される。
1つの大きな太陽電池に対して1つの電力変換装置を接続するような構成では、当該太陽電池の一部分だけ影などにより出力が低下した場合、当該太陽電池の出力電力カーブが複雑になるため、最大電力点の追跡が難しくなる。しかし、図27に示すように、太陽電池をある程度の大きさに分割して、各太陽電池に電力変換装置を接続して、各々で最大電力点を追跡するようにすれば、一部の太陽電池の出力電力が低下したりしても、その太陽電池に合わせて担当の電力変換装置が出力電力を引き下げるように動作する。すなわち、全体としても最大電力点に追従することが容易になり、全体として効率の良いシステムが得られるようになる。
さらに、図28に示すように、各電力変換装置の出力にダイオードのカソードを接続し、全てのダイオードの全てのアノードを接続することによって、システムの電力変換装置の出力をダイオードOR回路で接続するようにしても良い。
[実施の形態7]
また、上で述べたような実施の形態に係る電力変換装置(蓄電池充電電流検出回路を用いない電力変換装置)は、例えば図29のように用いることができる。図29の例では、5つの太陽電池の各々に、電力変換装置を接続する。すなわち、コンデンサ2001及び負荷蓄電池2003などに接続されている電力変換装置_1を最上位として、負極側端子が接地されている電力変換装置_5を最下位とした時、最上位及び最下位の電力変換装置を除く電力変換装置の正極側出力を上位の電力変換装置の負極側出力に接続し、電力変換装置の負極側出力を下位の電力変換装置の正極側出力に接続する。なお、最上位の電力変換装置の正極側出力をコンデンサ2001等に接続し、最下位の電力変換装置の負極側出力を接地する。
また、上で述べたような実施の形態に係る電力変換装置(蓄電池充電電流検出回路を用いない電力変換装置)は、例えば図29のように用いることができる。図29の例では、5つの太陽電池の各々に、電力変換装置を接続する。すなわち、コンデンサ2001及び負荷蓄電池2003などに接続されている電力変換装置_1を最上位として、負極側端子が接地されている電力変換装置_5を最下位とした時、最上位及び最下位の電力変換装置を除く電力変換装置の正極側出力を上位の電力変換装置の負極側出力に接続し、電力変換装置の負極側出力を下位の電力変換装置の正極側出力に接続する。なお、最上位の電力変換装置の正極側出力をコンデンサ2001等に接続し、最下位の電力変換装置の負極側出力を接地する。
さらに、図30に示すように、図29に示した回路の各電力変換装置の負極側端子にダイオードのアノードを接続し、正極側端子にカソードを接続するような構成を採用するようにしても良い。
上では太陽電池と電力変換装置の組み合わせを5つ利用する例を示したが、個数は5に限定されるものではない。
当然ながら太陽電池は一例であり、風力発電機など他の自然エネルギーからの発電機にも適用できる。さらに、風力発電機や太陽電池などを複合的に用いるシステムにおいても、図27に示すように接続することができる。
以上本発明の実施の形態を説明したが、各実施の形態における回路例は、他の実施の形態において置換して用いることができる場合もある。例えば、第5の実施の形態の実施例におけるDutyMax検出回路550b及び電圧検出信号調整回路530bは、電圧検出信号調整回路を用いる他の実施の形態において採用するようにしても良い。
また第4の実施の形態の実施例2を第5の実施の形態に適用しても良い。
さらに、示した回路例は一例であって、同様の機能を実現する他の回路例を採用することもできる。
Claims (8)
- 最大電力点を有する直流電源からの出力電圧をDC/DC変換するD/Dコンバータ回路と、
前記D/Dコンバータ回路の出力電圧に応じた電圧の出力信号を出力する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の出力信号の電圧と基準となる比較電圧との差に応じて、前記D/Dコンバータ回路を制御する定電圧制御回路と、
前記定電圧制御回路による制御にも拘わらず前記電圧検出回路の出力信号の電圧が低下すると、前記電圧検出回路の出力信号の電圧と前記基準となる比較電圧との電位差を強制的に狭める調整回路と、
を有する電力変換装置。 - 前記調整回路が、
前記D/Dコンバータ回路に含まれるスイッチのスイッチングを制御する信号のデューティー比が所定の最大値となる状態を検出する第1の検出回路と、
前記第1の検出回路から所定期間内に検出信号が出力される頻度又は割合に従って前記電圧検出回路の出力信号の電圧又は前記基準となる比較電圧を変化させる電圧調整回路と、
を有する請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記電圧調整回路が、
前記第1の検出回路から検出信号が所定期間内に出力される頻度又は割合に応じた期間、放電回路からの放電に切り換える回路
を含む請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記電圧調整回路が、
前記電圧検出回路の出力信号の極性を反転させる第1の反転回路と、
前記第1の反転回路の出力信号の電圧を、前記第1の検出回路から検出信号が所定期間内に出力される頻度又は割合に従って引き下げる反転信号調整回路と、
前記反転信号調整回路によって電圧が引き下げられた前記第1の反転回路の出力信号の極性を反転させる第2の反転回路と、
を有する請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記調整回路が、
前記第1の検出回路から検出信号が出力されると、前記D/Dコンバータ回路に含まれるスイッチのスイッチングを制御して供給される電力を出力制限させる制限回路
をさらに含む請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記定電圧制御回路が、
前記電圧検出回路の出力信号の電圧と基準となる比較電圧との差に応じた誤差電圧と、所定の三角波信号とを比較して、前記誤差電圧が前記三角波信号の電圧を上回る期間、前記D/Dコンバータ回路に含まれるスイッチをオンにする信号を生成する回路を含み、
前記調整回路が、
前記第1の検出回路から所定期間内に検出信号が出力される頻度又は割合に従って前記誤差電圧を引き下げる制限回路
をさらに含む請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記調整回路が、
前記電圧検出回路の出力信号の電圧又は前記基準となる比較電圧の強制的な変更後、当該変更量を漸減させる
請求項1に記載の電力変換装置。 - 請求項1に記載の複数の電力変換装置と、
複数の直流電源とを有し、
前記複数の直流電源に含まれる一つの直流電源と前記複数の電力変換装置に含まれる一つの電力変換装置とが1対1で接続されており、前記複数の電力変換装置の出力が接続されている
電力システム。
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