JP6002956B2

JP6002956B2 - 電力変換装置および電力供給システム

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Publication number: JP6002956B2
Application number: JP2013004445A
Authority: JP
Inventors: 片岡　耕太郎; 耕太郎片岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: JP2014138441A

Description

本発明は、入力される電力を変換して出力する電力変換装置、およびこれを備えた電力供給システムに関する。

従来、入力される電力を変換して出力する電力変換装置として、同期整流方式の昇圧チョッパ回路が広く利用されている。同期整流方式によれば、ダイオード整流方式等に比べ、変換効率を向上させることが可能である。

特許文献１には、ソフトスタート動作を行う同期整流方式の昇圧チョッパ回路（従来例）が提案されている。従来例によれば、電力変換動作を開始する際に、ＭＯＳトランジスタ１２のデューティを徐々に上げるソフトスタート動作が行われる。そして充放電手段の電流値が所定閾値に達したら、ソフトスタート動作は終了され、同期整流が開始される。

なお仮にソフトスタート動作が実行される間にも同期整流が行われると、ＭＯＳトランジスタ１３（同期整流側スイッチ）が大きいデューティから動作を開始してしまい、過電流が流れる虞がある。上述した従来例によれば、ソフトスタート動作が実行される間、何らかの原因により電流値が所定閾値に達する場合を除き、同期整流が行われるという不具合は回避される。

特開２００３−７０２３８号公報

上述した従来例によれば、電流値が所定閾値に達するまでは同期整流は行われない。しかしこの従来例の方式を、例えばソーラーパネル用の電力変換装置に応用する場合には、ソーラーパネルへの電流逆流の発生等が問題となる。

すなわちソーラーパネル用の電力変換装置の場合には、例えばソーラーパネルの一部が影であるために発電電圧が低い状況において、デューティを徐々に上げる際に、不連続モードでの電流が生じることがある。この電流に起因して同期整流が開始されると、出力側（例えば充電池）からソーラーパネルへの電流逆流が発生する虞がある。

本発明は上述した問題に鑑み、不連続モードによる電流逆流などの不具合を抑えることが可能となる電力変換装置、およびこれを用いた電力供給システムの提供を目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、入力電力が入力される入力端と、一端が前記入力端に繋がるコイルと、前記コイルの他端と接地点の間に設けられる第１スイッチ素子と、前記コイルの他端と出力端の間に設けられる第２スイッチ素子と、第１スイッチ素子および第２スイッチ素子のオン／オフを制御する制御部と、を備え、第１スイッチ素子と第２スイッチ素子を互いに反転動作させることにより、前記入力電力を昇圧させて前記出力端から出力する電力変換動作を行う、同期整流方式の電力変換装置であって、前記制御部は、前記電力変換動作を開始させる前に、第２スイッチ素子をオフに固定した状態で、第１スイッチ素子のデューティを徐々に増加させながら、前記入力電力のモニタリングを行うモニタリング動作と、前記電力変換動作の開始時の前記デューティである開始時デューティを、前記モニタリングの結果に基づいて決定する決定動作と、を行う構成とする。

本構成によれば、不連続モードによる電流逆流などの不具合を抑えることが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記決定動作は、前記モニタリングのなされた前記入力電力が最大となったときの前記デューティを特定し、該特定の結果に応じて前記開始時デューティを決定する動作である構成としてもよい。

また上記構成としてより具体的には、前記モニタリング動作は、前記デューティが既定の上限値に達するまで行われる構成としてもよい。また上記構成としてより具体的には、前記モニタリング動作は、前記入力電力が低下するまで行われる構成としてもよい。

また本発明に係る電力供給システムは、太陽光の光電変換により電力を生成する太陽光発電装置と、前記太陽光発電装置によって生成された電力が前記入力端に入力される上記構成の電力変換装置と、を備えた構成とする。

本発明に係る電力変換装置によれば、不連続モードによる電流逆流などの不具合を抑えることが可能となる。また本発明に係る電力供給システムによれば、本発明に係る電力変換装置の利点を享受することが出来る。

本実施形態に係る電力供給システムおよびその周辺の構成図である。第１実施形態の起動動作に関するフローチャートである。第１実施形態の起動動作に関する模式的なタイミングチャートである。ソーラーパネルの出力特性に関する説明図である。ソーラーパネルの出力特性に関する説明図である。ソーラーパネルの出力特性に関する説明図である。電流逆流に関する説明図である。第２実施形態の起動動作に関するフローチャートである。第２実施形態の起動動作に関する模式的なタイミングチャートである。第３実施形態の起動動作に関するフローチャートである。

本発明の実施形態について、第１実施形態から第３実施形態の各々を例に挙げて、以下に説明する。

１．第１実施形態
［電力供給システムの構成等］
図１は、本実施形態に係る電力供給システム９およびその周辺の構成図である。本図に示すように電力供給システム９は、昇圧型ＤＣＤＣコンバータ１（以下、単に「コンバータ１」と称することがある）およびソーラーパネル２を備えている。

ソーラーパネル２は太陽光発電装置の一形態であり、太陽光の光電変換によって直流電力を生成するように構成されている。ソーラーパネル２によって生成された直流電力は、入力電力Ｅinとしてコンバータ１へ入力される。

またコンバータ１の出力側には、充放電可能に構成された充電バッテリ３が接続されている。充電バッテリ３は、コンバータ１からの供給電力によって充電される。充電バッテリ３に充電された電力は、各種の用途に利用可能である。

コンバータ１は、昇圧部１１、電流センサ１２、制御部１３、ゲートドライバ１４、入力端子Ｔin、および出力端子Ｔout等を備えている。なお入力端子Ｔinの正極側と負極側は、それぞれソーラーパネル２の正極側と負極側に接続され、出力端子Ｔoutの正極側と負極側は、それぞれ充電バッテリ３の正極側と負極側に接続される。

昇圧部１１は、第１スイッチ素子Ｓｗ１、第２スイッチ素子Ｓｗ２（同期整流用のスイッチ素子）、コイルＬ１、および各コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を有している。なお各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）については、本実施形態では一例として内蔵ダイオードを有するパワートランジスタ（ＦＥＴ）であるとするが、これに準じた機能を有する他の素子が採用されても構わない。各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）は、ゲートに入力されるゲート信号に応じて、オン／オフ（ソース−ドレイン間の導通／遮断）が切替えられる。

コイルＬ１の一端は、コンデンサＣ１の一端に接続されるとともに、電流センサ１２を介して入力端子Ｔinの正極側に接続されている。コンデンサＣ１の他端は、入力端子Ｔinの負極側および出力端子Ｔoutの負極側へ接続される。これらは図１のようにさらに接地点へ直接に接続されてもよいし、あるいは抵抗素子やコンデンサを介して間接的に接地点と接続されてもよい。コイルＬ１の他端は、第１スイッチ素子Ｓｗ１のドレインおよび第２スイッチ素子Ｓｗ２のソースに接続されている。

また第１スイッチ素子Ｓｗ１のソースは出力端子Ｔoutの負極側に接続されている。第２スイッチ素子Ｓｗ２のドレインは、コンデンサＣ２の一端に接続されるとともに、出力端子Ｔoutの正極側に接続されている。コンデンサＣ２の他端は、出力端子Ｔoutの負極側に接続されている。

電流センサ１２は、入力端子Ｔinに入力される入力電流Ｉinの値を継続的に検出して、その結果を表す信号Ｓ（Ｉin）を制御部１３へ送出する。なお電流センサ１２は、コンバータ１の出力側（第２スイッチ素子Ｓｗ２と出力端子Ｔoutの間）に設けられ、入力電流Ｉinの代わりに、出力端子Ｔoutから出力される出力電流の値を継続的に検出するようにしても良い。電流センサ１２をコンバータ１の出力側に設けた場合は、出力電流値と出力電圧値Ｖoutより出力電力を求めることができ、この出力電力の量を、近似的に、後述する入力電力モニタリングにおける入力電力量とみなしてもよい。この場合は入力電圧Ｖinの検出機構を省略することもできる。

制御部１３は、信号Ｓ（Ｉin）を継続的に受けるとともに、入力端子Ｔinに入力される入力電圧Ｖinの値を表す信号Ｓ（Ｖin）、および、出力端子Ｔoutから出力される出力電圧Ｖoutの値を表す信号Ｓ（Ｖout）を継続的に受けるように構成されている。また制御部１３は、各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）のオン／オフのＰＷＭ［Pulse Width Modulation］制御を行う。

すなわち制御部１３は、第１スイッチ素子Ｓｗ１のオン／オフをＰＷＭ制御するためのゲート制御信号Ｓc1、および第２スイッチ素子Ｓｗ２のオン／オフをＰＷＭ制御するためのゲート制御信号Ｓc2を生成し、ゲートドライバ１４に送出する。なお制御部１３が行う動作については、改めてより詳細に説明する。

ゲートドライバ１４は、電圧信号をレベルシフトする機能などを有しており、制御部１３から受けるゲート制御信号に従って、各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）に与えるゲート信号を生成する。すなわちゲートドライバ１４は、ゲート制御信号Ｓc1に従ってゲート信号Ｓg1を生成し、これを第１スイッチ素子Ｓｗ１のゲートへ送出するとともに、ゲート制御信号Ｓc2に従ってゲート信号Ｓg2を生成し、これを第２スイッチ素子Ｓｗ２のゲートへ送出する。

［コンバータの動作等］
次にコンバータ１が行う主な動作について説明する。入力電圧Ｖinが所定値に達しない状況（例えば夜間のように、ソーラーパネル２が殆ど発電しない状況）においては、各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）は停止している。そして所定値以上の入力電圧Ｖinが入力されるようになると、コンバータ１は既定の起動動作を経て、電力変換動作（通常動作）を開始する。

この電力変換動作は、第１スイッチ素子Ｓｗ１と第２スイッチ素子Ｓｗ２を互いに反転動作させる（一方をオンとするときに、他方をオフとする）ことにより、入力電力Ｅinを昇圧させて出力端子Ｔoutから出力する動作である。コンバータ１は電力変換動作を行うことにより、同期整流方式の昇圧型ＤＣＤＣコンバータとしての機能を発揮する。なお、同期整流方式の昇圧型ＤＣＤＣコンバータ（昇圧チョッパ回路）に関する基本的な動作原理（昇圧や同期整流の原理等）については公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

電力変換動作が行われる間、制御部１３はコンバータ１が適切に動作するように（例えば、ＭＰＰＴ［Maximum Power Point Tracking］の方式に沿って動作するように）、スイッチ素子Ｓｗ１のオン／オフのＰＷＭ制御におけるデューティＤ１を調節する。

またコンバータ１は、電力変換動作を開始させる前に行う起動動作により、ＭＰＰＴの方式に準じて開始時デューティＤstを決定する。この開始時デューティＤstは、電力変換動作の開始時のデューティＤ１である。なお起動動作を開始させる手法については、種々の手法が採用され得る。一例を挙げれば、所定値以上の入力電圧Ｖinが入力されたときに制御部１３（例えばマイコン等）が起動し、起動動作が自動的に開始されるようにしても良い。

第１実施形態における起動動作の具体的な内容について、図２に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。

まず制御部１３は、モニタリング動作を開始する（ステップＳ１１）。モニタリング動作は、第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフに固定した状態で、第１スイッチ素子Ｓｗ１のデューティＤ１を既定の下限値から徐々に増加させながら、入力電力Ｅinのモニタリングを行う動作である。このようにモニタリング動作の実行中は、各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）のうちの第１スイッチ素子Ｓｗ１だけが駆動する。

制御部１３は、モニタリング動作の実行中に継続的に受取る信号Ｓ（Ｖin）および信号Ｓ（Ｉin）に基づいて、入力電力Ｅin（＝Ｖin×Ｉin）をモニタリングすることが可能である。また制御部１３はモニタリング動作の実行中において、デューティＤ１と入力電力Ｅinの履歴（各時点でのデューティＤ１と入力電力Ｅinの対応関係が分かる情報）を、当該モニタリングの結果として記録する。あるいは、モニタリング動作の実行中、継続的に観測される入力電力Ｅinを、モニタリング動作開始以来の最大Ｅin値と比較し、観測された入力電力値の方が大きければ、その値を新しい最大Ｅin値として記録すると同時に、その際のデューティ値ないしその際のディーティ値を同定できるパラメータを、記録する方法をとってもよい。この方法であれば、モニタリング動作終了時に記録されている最大Ｅin値が、モニタリング動作中の最大値であり、少ないデータ記録量で最大値の抽出とその際のデューティ値の記録を行うことができる。

なお制御部１３は、出力端子Ｔoutにおける充電バッテリ３の接続不良（未接続の場合も含む）が生じていないかを監視しつつ（ステップＳ１２）、デューティＤ１が既定の上限値に達するまでモニタリング動作を実行する（ステップＳ１３）。モニタリング動作におけるデューティＤ１の下限値と上限値は、その間に入力電力Ｅinが最大となるときのデューティＤ１が出来るだけ確実に含まれるように、予め適切に設定される。

なお当該監視の動作（ステップＳ１２）は、基本的には、デューティＤ１が低デューティ（例えば既定値より低い状態）の段階において、出力電圧Ｖoutが許容範囲Ｖtを逸脱していないかを監視することにより行われる。許容範囲Ｖｔは、デューティＤ１が低デューティであっても、接続不良の場合（出力端子Ｔoutがフローティング、或いはこれに準じた状態の場合）には出力電圧Ｖoutが逸脱してしまう範囲として、予め設定されているものである。

そのため制御部１３は、出力電圧Ｖoutが許容範囲Ｖtを逸脱したことに応じて、充電バッテリ３の接続不良が生じていると判別することが出来る。このようにして充電バッテリ３の接続不良が生じていると判別された場合には（ステップＳ１２のＹ）、制御部１３は起動動作を中止させる。起動動作が中止された場合には電力変換動作は開始されず、各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）は停止する。

これにより充電バッテリ３の接続不良が生じている場合であっても、出力電圧Ｖoutが異常に上昇する前に起動動作を中止し、素子破壊を未然に防ぐことが可能である。なおこのようにして起動動作が中止された場合には、充電バッテリ３の接続不良をユーザに報知するための信号が出力されるようにしても良い。

一方、デューティＤ１が上限値に達すると（ステップＳ１３のＹ）、制御部１３はモニタリング動作を終了させ、モニタリング結果に基づいて電力変換動作開始時デューティの決定動作を行う。具体的には、モニタリングのなされた入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１に応じて開始時デューティＤstを決定する（ステップＳ１４）。例えば制御部１３は、モニタリングのなされた入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１或いはその近傍のデューティＤ１を、開始時デューティＤstに決定する。このように開始時デューティＤstは、入力電力Ｅinのモニタリングの結果に基づいて決定される。

なお同期整流の開始前には、第２スイッチ素子Ｓｗ２の内蔵ダイオードを通じた整流が行われるため、このダイオードを通過する際の電圧落ちが発生する一方、同期整流の開始後には、このような電圧落ちは無くなる。そのため、同期整流の実行時に入力電力Ｅinが最大となるデューティＤ１は、同期整流の開始前に入力電力Ｅinが最大となるデューティＤ１に比べて、少し小さくなる。そこでステップＳ１４の動作は、この分を見越して、モニタリングのなされた入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１よりも少し小さいデューティＤ１を、開始時デューティＤstに決定する動作であっても良い。このように、開始時デューティＤst決定動作とは、モニタリング動作にてデューティＤ１の低デューティから高ディーティへの変化動作を行うことで、入力電圧Ｖinと入力電力Ｅinを変化させ、そのＶin−Ｅin特性から所定アルゴリズムによって開始時デューディＤstを決定する動作であり、入力Ｖin−Ｅin特性と開始時デューティＤstとの間に対応関係があることが本決定動作の特徴である。

開始時デューティＤstが決定されると、制御部１３は起動動作を終了させ、電力変換動作を開始させる。制御部１３は、先ずはデューティＤ１を開始時デューティＤstに設定して電力変換動作を開始させ、以降は状況に応じてデューティＤ１を調節することになる。なお、モニタリング動作によって見出された入力電力Ｅinの最大電力点が、所定値より小さい場合（例えば、コンバータ１の制御系で消費される電力に満たない場合）には、電力変換動作が開始されることなく、各スイッチ素子（Ｓｗ１、Ｓｗ２）が停止するようにしても良い。

図３は、第１スイッチ素子Ｓｗ１に対するゲート信号Ｓg1、第２スイッチ素子Ｓｗ２に対するゲート信号Ｓg2、入力電力Ｅin、および入力電流Ｉinについて、第１実施形態における起動動作の開始から電力変換動作の開始までのタイミングチャートの例を模式的に表している。

図３に示す例では、起動動作が開始されると先ずモニタリング動作が行われ、デューティＤ１が上限値に達することにより、モニタリング動作が終了される。モニタリング動作の実行中は、デューティＤ１が徐々に増加するようにゲート信号Ｓg1が生成される一方、ゲート信号Ｓg2はＬレベル（第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフにする状態）に固定される。

モニタリング動作が終了されると、開始時デューティＤstが、入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１（或いはその周辺のデューティＤ１）に決定され、電力変換動作が開始される。電力変換動作の実行中、ゲート信号Ｓg2は、ゲート信号Ｓg1の論理を反転させた状態とされる。これにより、第１スイッチ素子Ｓｗ１と第２スイッチ素子Ｓｗ２は互いに反転動作することになり、同期整流が実現される。

なおここでの「反転動作」は、完全に反転した動作に限られず、同期整流が実現される程度に反転した動作を意味し、双方のスイッチ素子の同時オンを防ぐためのデッドタイムが設けられる形態も当然に含む概念である。

［電流逆流の防止等］
上述したように本実施形態に係る起動動作によれば、第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフに固定した状態で、デューティＤ１を徐々に増加させながら入力電力Ｅinのモニタリングを行うモニタリング動作がなされる。そして開始時デューティＤstが、当該モニタリングの結果に基づいて決定される。

このように本実施形態では、モニタリング動作の実行中において第２スイッチ素子Ｓｗ２はオフに固定され、同期整流は開始されない。そのためコンバータ１によれば、そのときのソーラーパネル２の出力特性に関わらず、モニタリング動作の実行中に電流逆流が生じること等を防ぐことが可能である。以下、この点について、具体例を挙げながらより詳細に説明する。

図４〜図６は、各種状況におけるソーラーパネル２の出力特性（出力電圧‐出力電力特性）のグラフを例示している。なお図４は、標準的に（パネル全面に普通の強さで）日照を受けている場合の出力特性を表している。また図５は、パネル全面に弱い日照を受けている場合の出力特性を表している。また図６は、パネルの一部のみに強い日照を受けている場合（部分影状態）の出力特性を表している。

本実施形態のモニタリング動作によれば、図４〜図６の何れの場合であっても、点線矢印で示すように入力電力Ｅin（ソーラーパネル２から見れば出力電力）のモニタリングを完遂させることが出来る。これによりコンバータ１は、実線矢印で示す最大電力点を特定し、この最大電力点に対応するデューティＤ１に応じて開始時デューティＤstを決定することが出来る。

ここでコンバータ１について、モニタリング動作の実行中に第２スイッチ素子Ｓｗ２がオフに固定される代わりに、先述した従来例に倣って、電流値（例えば入力電流Ｉinの検出値）が所定閾値Ｔｈを超えると同期整流が開始されるようにした例（「比較例」と称する）を考える。

いわゆる連続モード（常にコイルＬ１に入力側から出力側へ電流が流れるモード）において、コンバータ１は、概ね次の（１）式に示される関係で昇圧を行うことになる。
出力電圧Ｖout ＝入力電圧Ｖin／（１−デューティＤ１）・・・・・（１）
ただし、デューティＤ１は、ＰＷＭの１周期の時間に対する第１スイッチ素子Ｓｗ１のオン時間の比率であり、０＜デューティＤ１＜１である。

負荷に相当する充電バッテリ３が出力端子Ｔoutに接続されている場合、出力電圧Ｖoutは充電バッテリ３の電圧となり、上記（１）式に従って、デューティＤ１により入力電圧Ｖin（ソーラーパネル２の出力電圧）が決まる。

ソーラーパネル２の出力特性が図６に示すような特性である場合、デューティＤ１が比較的低いときには、コンバータ１はいわゆる不連続モード（コイルＬ１を流れる電流が間欠的に発生するモード）で動作することになる。この場合の入力電圧Ｖinは、上記（１）式によって求められる値よりも低くなる。

比較例の場合には、このような不連続モードでの電流が閾値Ｔｈを超えることによって、同期整流が開始される。同期整流がなされているときは、上記（１）式の関係が概ね成立し、同期整流の開始前よりも昇圧比率が下がって入力電圧Ｖinが上昇することになる。ソーラーパネル２の出力電圧がこのときの入力電圧Ｖinより低ければ、充電用バッテリ３からソーラーパネル２への電流逆流が発生し、電力のロスやソーラーパネル２の発熱による損傷が生じる虞がある。

またこの場合、図７に示すように、入力電力Ｅinのモニタリングの途中で同期整流が開始され、電流逆流が発生する虞がある。そのため当該モニタリングを適切に行うことが出来ず、開始時デューティＤstを適切に決定することも難しくなる。

なおこのような電流逆流を防ぐためには、閾値Ｔｈを高めに設定すれば良いようにも見える。すなわち、連続モード動作であることが期待される電流レベルにまで十分高い電流値を閾値Ｔｈとして設定する方法である。しかしこの場合には、ソーラーパネル２の出力特性が図５に示すような特性であるケース、すなわち高く設定された電流閾値Ｔｈに発電電流が満たないケースに対して同期整流が正しく開始されず、高効率な電力変換が出来なくなる虞がある。

この点、本実施形態のコンバータ１は、電流値に応じて同期整流が開始されるのではなく、モニタリング動作を終えて開始時デューティＤstを決定した後に、同期整流を開始させる。そのため本実施形態のコンバータ１によれば、モニタリング動作の実行中に電流逆流が生じること等を防ぎ、更に、同期整流を正しく開始させることが可能である。

また第１実施形態では、既に説明した通り、デューティＤ１が既定の下限値から上限値に達するまで、モニタリング動作が実行される。そのため、下限値から上限値までの範囲を十分に広く設定しておくことにより、入力電力Ｅinが複数のピークを有するケース（例えば、ソーラーパネル２が部分的に影となっているケース）も含め、入力電力Ｅinの最大電力点を精度良く特定することが可能である。

なお、入力電力Ｅinのモニタリング動作は、入力電流Ｉin及び入力電圧Ｖinの検出によって行う方法の他、出力電流及び出力電圧Ｖoutを検出して出力電力を求め、これを近似的に入力電力Ｅinとみなして行う方法も含む。出力電力量は、入力電力量から電力変換における電力損失や、電力変換装置の制御系の消費電力を差し引いたものであり、値は完全には合致しないが、多くの場合十分な相関関係があり、出力電力を近似的に入力電力Ｅinとみなしても入力電力Ｅinの最大電力点を十分な精度をもって特定することができる。特に、出力電力をモニタリングする後者の方法では、入力電圧Ｖinの検出機構を省略することもでき、この場合、回路の簡略化を行うことができる。またさらに、起動動作の具体的形態については、上述した形態の他にも、様々な形態とすることが可能である。例えば、最大電力点の特定精度よりも起動動作の時間短縮を優先させ、電力変換動作をより早く開始させる形態とすることが可能である。このようにした本発明の実施形態の一例を、第２実施形態として以下に説明する。

２．第２実施形態
次に第２実施形態について説明する。なお第２実施形態は、起動動作の具体的な内容を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では、第１実施形態と異なる部分の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する部分については説明を省略することがある。

第２実施形態における起動動作の具体的な内容について、図８に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。

まず制御部１３は、モニタリング動作を開始する（ステップＳ２１）。モニタリング動作は、第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフに固定した状態で、第１スイッチ素子Ｓｗ１のデューティＤ１を既定の下限値から徐々に増加させながら、入力電力Ｅinのモニタリングを行う動作である。

制御部１３は、モニタリング動作の実行中に継続的に受取る信号Ｓ（Ｖin）および信号Ｓ（Ｉin）に基づいて、入力電力Ｅin（＝Ｖin×Ｉin）をモニタリングすることが可能である。また制御部１３はモニタリング動作の実行中において、デューティＤ１と入力電力Ｅinの履歴を、当該モニタリングの結果として記録する。

なお制御部１３は、出力端子Ｔoutにおける充電バッテリ３の接続不良（未接続の場合も含む）が生じていないかを監視しつつ（ステップＳ２２）、入力電力Ｅinが低下するまで（つまり、少なくとも入力電力Ｅinのピークが判明するまで）モニタリング動作を実行する（ステップＳ２３）。この「入力電力Ｅinが低下するまで」の具体的形態は、例えば、「直前にモニタリングされた値から低下するまで」であっても良く、「これまでにモニタリングされた値のピーク値から所定量低下するまで」であっても良い。

なお当該監視の動作（ステップＳ２２）の形態は、基本的に、第１実施形態における監視の動作（ステップＳ１２を参照）と同様である。充電バッテリ３の接続不良が生じていると判別された場合には（ステップＳ２２のＹ）、制御部１３は起動動作を中止させる。

一方、入力電力Ｅinが低下したときには（ステップＳ２３のＹ）、制御部１３はモニタリング動作を終了させ、モニタリングのなされた入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１に応じて開始時デューティＤstを決定する（ステップＳ２４）。例えば制御部１３は、モニタリングのなされた入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１或いはその近傍のデューティＤ１を、開始時デューティＤstに決定する。また制御部１３は、モニタリング動作の終了時（入力電力Ｅinは、ほぼ最大となっている）におけるデューティＤ１を、開始時デューティＤstに決定するようにしても構わない。このように開始時デューティＤstは、入力電力Ｅinのモニタリングの結果に基づいて決定される。

開始時デューティＤstが決定されると、制御部１３は起動動作を終了させ、電力変換動作を開始させる。制御部１３は、先ずはデューティＤ１を開始時デューティＤstに設定して電力変換動作を開始させ、以降は状況に応じてデューティＤ１を調節することになる。

図９は、第１スイッチ素子Ｓｗ１に対するゲート信号Ｓg1、第２スイッチ素子Ｓｗ２に対するゲート信号Ｓg2、入力電力Ｅin、および入力電流Ｉinについて、第２実施形態における起動動作の開始から電力変換動作の開始までのタイミングチャートの例を模式的に表している。

図９に示す例では、起動動作が開始されると先ずモニタリング動作が行われ、入力電力Ｅinが低下することにより、モニタリング動作が終了される。モニタリング動作の実行中は、デューティＤ１が徐々に増加するようにゲート信号Ｓg1が生成される一方、ゲート信号Ｓg2はＬレベル（第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフにする状態）に固定される。

モニタリング動作が終了されると、開始時デューティＤstが、入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１（或いはその近傍のデューティＤ１）に決定され、電力変換動作が開始される。電力変換動作の実行中は同期整流がなされるように、ゲート信号Ｓg2は、ゲート信号Ｓg1の論理を反転させた状態とされる。

第２実施形態の場合にも第１実施形態の場合と同様に、モニタリング動作の実行中に電流逆流が生じること等を防ぎ、更に、同期整流を正しく開始させることが可能である。また第２実施形態の場合には、入力電力Ｅinが低下した段階でモニタリング動作が終了される。そのため、入力電力Ｅinが複数のピークを有する場合には基本的に最初のピーク以外は考慮されないが、第１実施形態に比べて起動動作に要する時間を減らし、電力変換動作をより早く開始させることが可能である。

３．第３実施形態
次に第３実施形態について説明する。なお第３実施形態は、起動動作の具体的な内容を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では、第１実施形態と異なる部分の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する部分については説明を省略することがある。

第３実施形態における起動動作の具体的な内容について、図１０に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。

まず制御部１３は、低デューティ固定動作を開始する（ステップＳ３１）。低デューティ固定動作は、第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフに固定した状態で、デューティＤ１を所定の低デューティに固定して、第１スイッチ素子Ｓｗ１を駆動させる動作である。

制御部１３は、出力端子Ｔoutにおける充電バッテリ３の接続不良（未接続の場合も含む）が生じていないかを監視しつつ（ステップＳ３２）、低デューティ固定動作の開始から所定時間が経過するまで低デューティ固定動作を実行する（ステップＳ３３）。なおこの所定時間（低デューティ固定動作の実行時間）は、予め固定的に設定された時間であっても良く、そのときの低デューティ固定動作の実行時に流れる電流の値に基づいて決定される時間であっても良い。そして充電バッテリ３の接続不良が生じていると判別された場合には（ステップＳ３２のＹ）、制御部１３は起動動作を中止させる。

なお当該監視の動作（ステップＳ３２）は、基本的には、出力電圧Ｖoutが許容範囲Ｖtを逸脱していないかを監視することにより行われる。許容範囲Ｖｔは、デューティＤ１が低デューティであっても、接続不良の場合（出力端子Ｔoutがフローティング、或いはこれに準じた状態の場合）には出力電圧Ｖoutが逸脱してしまう範囲として、予め設定されているものである。

そのため制御部１３は、出力電圧Ｖoutが許容範囲Ｖtを逸脱したことに応じて、充電バッテリ３の接続不良が生じていると判別することが出来る。なお第３実施形態では、低デューティ固定動作の実行時間を十分に確保することにより、充電バッテリ３の接続の良否確認の時間を十分に確保し、この良否確認がより的確に行われるようにすることが容易である。この点については、改めてより詳細に説明する。

一方、低デューティ固定動作の開始から所定時間が経過すると（ステップＳ３３のＹ）、制御部１３はモニタリング動作を開始する（ステップＳ３４）。モニタリング動作は、第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフに固定した状態で、第１スイッチ素子Ｓｗ１のデューティＤ１を既定の下限値から徐々に増加させながら、入力電力Ｅinのモニタリングを行う動作である。

なお制御部１３は、デューティＤ１が既定の上限値に達するまでモニタリング動作を実行する（ステップＳ３５）。なおモニタリング動作におけるデューティＤ１の下限値と上限値は、その間に入力電力Ｅinが最大となるときのデューティＤ１が出来るだけ確実に含まれるように、予め適切に設定されている。

デューティＤ１が上限値に達すると（ステップＳ３５のＹ）、制御部１３はモニタリング動作を終了させ、モニタリングのなされた入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１に応じて開始時デューティＤstを決定する（ステップＳ３６）。例えば制御部１３は、モニタリングのなされた入力電力Ｅinが最大となったときのデューティＤ１或いはその近傍のデューティＤ１を、開始時デューティＤstに決定する。このように開始時デューティＤstは、入力電力Ｅinのモニタリングの結果に基づいて決定される。

第３実施形態の場合にも第１実施形態の場合と同様に、モニタリング動作の実行中に電流逆流が生じること等を防ぎ、更に、同期整流を正しく開始させることが可能である。また第３実施形態の場合には、モニタリング動作が開始される前に、低デューティ固定動作が実行される。そのため、充電バッテリ３の接続不良が生じている場合において、出力電圧Ｖoutが異常に上昇する前に起動動作をより確実に中止させることが容易である。

すなわち低デューティ固定動作の実行中には、デューティＤ１は低デューティに固定されるため、充電バッテリ３の接続不良時にも出力電圧Ｖoutの上昇は緩やかである。第３実施形態によれば、充電バッテリ３の接続不良が生じている場合には、低デューティ固定動作の実行中にこれが確認され、起動動作が中止される。これにより、出力電圧Ｖoutが十分に低い段階で起動動作が中止されるため、素子破壊などの不具合は回避される。

また第３実施形態によれば、低デューティ固定動作の実行時間を十分に確保することにより、出力電圧Ｖoutに基づいた充電バッテリ３の接続の良否確認を、より的確に行うことが容易である。すなわち当該良否確認を短時間で行わざるを得ない場合には、出力電圧Ｖoutが許容範囲Ｖｔを逸脱しても、例えばこれが充電バッテリ３の接続不良に起因するものであるか、或いは単なるノイズによる一時的な現象であるかの判別が困難である。

この点、第３実施形態によれば、出力電圧Ｖoutが許容範囲Ｖｔを逸脱しても直ちには充電バッテリ３の接続不良と判別せず、例えば、出力電圧Ｖoutが所定回数連続で許容範囲Ｖｔを逸脱した場合に、充電バッテリ３の接続不良と判別することが容易に実現できる。これにより、充電バッテリ３の接続の良否確認の信頼性を向上させることが出来る。

４．その他
以上に説明した通り、各実施形態のコンバータ１（電力変換装置）は、入力電力Ｅinが入力される入力端子Ｔinと、一端が入力端子Ｔinに繋がるコイルＬ１と、コイルＬ１の他端と接地点の間に設けられる第１スイッチ素子Ｓｗ１と、コイルＬ１の他端と出力端子Ｔoutの間に設けられる第２スイッチ素子Ｓｗ２と、第１スイッチ素子Ｓｗ１および第２スイッチ素子Ｓｗ２のオン／オフを制御する制御部１３と、を備えている。

また各実施形態のコンバータ１は、第１スイッチ素子Ｓｗ１と第２スイッチ素子Ｓｗ２を互いに反転動作させることにより、入力電力Ｅinを昇圧させて出力端子Ｔoutから出力する電力変換動作を行う、同期整流方式の電力変換装置である。

そして制御部１３は、電力変換動作を開始させる前にモニタリング動作と決定動作を行い、決定動作を行った後に電力変換動作を開始させる。なおモニタリング動作は、第２スイッチ素子Ｓｗ２をオフに固定した状態で、第１スイッチ素子Ｓｗ１のデューティＤ１を徐々に増加させながら、入力電力Ｅinのモニタリングを行う動作である。また決定動作は、電力変換動作の開始時のデューティＤ１である開始時デューティＤstを、当該モニタリングの結果に基づいて決定する動作である。そのため各実施形態のコンバータ１によれば、不連続モードによる電流逆流などの不具合を抑えることが可能となっている。

また本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、例えば、ソーラーパネルを用いた電力供給システムに利用可能である。

１昇圧型ＤＣＤＣコンバータ（電力変換装置）
１１昇圧部
１２電流センサ
１３制御部
１４ゲートドライバ
２ソーラーパネル（太陽光発電装置）
３充電バッテリ
９電力供給システム
Ｃ１コンデンサ
Ｃ２コンデンサ
Ｌ１コイル
Ｓｗ１第１スイッチ素子
Ｓｗ２第２スイッチ素子
Ｔin 入力端子
Ｔout 出力端子

Claims

入力電力が入力される入力端と、
一端が前記入力端に繋がるコイルと、
前記コイルの他端と接地点の間に設けられる第１スイッチ素子と、
前記コイルの他端と出力端の間に設けられる第２スイッチ素子と、
第１スイッチ素子および第２スイッチ素子のオン／オフを制御する制御部と、を備え、
第１スイッチ素子と第２スイッチ素子を互いに反転動作させることにより、前記入力電力を昇圧させて前記出力端から出力する電力変換動作を行う、同期整流方式の電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記電力変換動作を開始させる前に、
第２スイッチ素子をオフに固定した状態で、第１スイッチ素子のデューティを徐々に増加させながら、前記入力電力のモニタリングを行うモニタリング動作と、
前記電力変換動作の開始時の前記デューティである開始時デューティを、前記モニタリングの結果に基づいて決定する決定動作と、
を行うことを特徴とする電力変換装置。
前記決定動作は、
前記モニタリングのなされた前記入力電力が最大となったときの前記デューティに応じて、前記開始時デューティを決定する動作であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記モニタリング動作は、
前記デューティが既定の上限値に達するまで行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
前記モニタリング動作は、
前記入力電力が低下するまで行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
太陽光の光電変換により電力を生成する太陽光発電装置と、
前記太陽光発電装置によって生成された電力が前記入力端に入力される、請求項１から請求項４の何れかに記載の電力変換装置と、
を備えたことを特徴とする電力供給システム。