(57)【要約】【課題】高効率の絶縁型太陽光パネル用昇圧装置及び太陽光発電システムを提供する。【解決手段】  太陽光パネル１００と一次コイル１３１とＭＥＲＳ１２０の直列回路と、一次コイル１３１と電磁的に接続される二次コイル１３２と、二次コイル１３２に接続される直流母線１８０を備える。ＭＥＲＳ１２０のキャパシタＣＭには、太陽光パネル１００の電圧より高い電圧が発生する。ＭＥＲＳ１２０のオン・オフに対応してキャパシタＣＭの電圧が交番して一次コイル１３１に印加される。これにより、二次コイル１３２に電流が流れ直流母線１８０に電力が供給される。【選択図】図１
2014150607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタを備え、太陽光パネルに接続される磁気エネルギー回生スイッチと、
前記太陽光パネルと前記磁気エネルギー回生スイッチの直列回路に一次巻線が直列に接続され、二次巻線に整流器を介して直流母線を接続されるトランスと、
前記磁気エネルギー回生スイッチのオン・オフを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記磁気エネルギー回生スイッチのオン・オフを繰り返すことによって、前記一次巻線の電圧を交番させる、
ことを特徴とする太陽光パネル用昇圧装置。
【請求項２】
前記制御部が前記磁気エネルギー回生スイッチがオフからオンにするタイミングは、前記一次巻線に電流が流れることによって前記トランスに蓄積される励磁エネルギーが、前記トランスの二次巻線に転流した後である、
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光パネル用昇圧装置。
【請求項３】
前記トランスは磁心を備えたセンタータップ型のトランスであり、
前記トランスと前記整流器は、センタータップ型のトランスとして機能し、
前記磁気エネルギー回生スイッチがオンの期間に前記一次巻線に電流が流れることによって前記磁心に蓄積される励磁エネルギーを、前記磁気エネルギー回生スイッチがオフの期間に前記励磁エネルギーを前記二次巻線から前記直流母線へ供給する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光パネル用昇圧装置。
【請求項４】
前記磁気エネルギー回生スイッチは、
第１及び第２のスイッチと第１及び第２ダイオードと、
前記第１のダイオードのアノードと前記第１のスイッチの一端とを接続する第１の接続点と、
前記第１のダイオードのカソードと前記第２のスイッチの一端と前記キャパシタの一端とを接続する第２の接続点と、
前記第２のスイッチの他端と前記第２のダイオードのカソードとを接続する第３の接続点と、
前記第１のスイッチの他端と前記第２のダイオードのアノードと前記キャパシタの他端とを接続する第４の接続点と、
を更に備え、
前記第１の接続点と前記第３の接続点を介して、前記太陽光パネルと前記一次巻線と直列に接続される、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の太陽光パネル用昇圧装置。
【請求項５】
複数の太陽光パネルのそれぞれに、請求項１乃至４の何れか一項に記載の太陽光パネル用昇圧装置を少なくとも一つ接続し、
前記太陽光パネル用昇圧装置は、共通の前記直流母線に接続される、
ことを特徴とする太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光パネル用昇圧装置及び太陽光発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許４３８２６６５号公報には、スナバーエネルギーを回生するコンデンサを用いたパルス電源装置が開示されている。この装置は、パルス電流を誘導性負荷に供給することを一つの特徴とする。この装置は、コンデンサに電源電圧より高い電圧を発生させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許４３８２６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、太陽光パネルの出力電圧は低いため、複数の太陽光パネルを直列に接続することによって直流母線に接続することが一般的である。しかし、太陽光パネルを直列に接続にするデメリットを解消するためになるべく少ない直列数の太陽光パネルを昇圧して直流母線に接続させることができる装置が求めらている。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型の高い昇圧比を持った太陽光パネル用昇圧装置を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係る太陽光パネル用昇圧装置は、
キャパシタを備え、太陽光パネルに接続される磁気エネルギー回生スイッチと、
前記太陽光パネルと前記磁気エネルギー回生スイッチの直列回路に一次巻線が直列に接続され、二次巻線に整流器を介して直流母線を接続されるトランスと、
前記磁気エネルギー回生スイッチのオン・オフを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記磁気エネルギー回生スイッチのオン・オフを繰り返すことによって、前記一次巻線の電圧を交番させる、
ことを特徴とする
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第ニの観点に係る太陽光発電システムは、
複数の太陽光パネルのそれぞれに、前記太陽光パネル用昇圧装置を少なくとも一つ接続し、
前記太陽光パネル用昇圧装置は、共通の前記直流母線に接続される、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小型の高い昇圧比を持った太陽光パネル用昇圧装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る太陽光パネル用昇圧装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置の制御の周波数と入力電圧・出力電圧との関係を示す図である。
【図３Ａ】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置の電力変換に係る電流の経路示す図である。
【図３Ｂ】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置の電力変換に係る電流の経路示す図である。
【図３Ｃ】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置の電力変換に係る電流の経路示す図である。
【図３Ｄ】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置の電力変換に係る電流の経路示す図である。
【図３Ｅ】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置の電力変換に係る電流の経路示す図である。
【図３Ｆ】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置の電力変換に係る電流の経路示す図である。
【図４】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置を構成する部品の電圧・電流・ゲート信号の変化を示す波形図である。
【図５】図１に示す太陽光パネル用昇圧装置を構成する部品の電圧・電流・ゲート信号の変化を示す波形図である。
【図６】磁気エネルギー回生スイッチの別の態様を示す図である。
【図７】磁気エネルギー回生スイッチの別の態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一の実施形態に係る太陽光パネル用昇圧装置１１０を、図面を参照して説明する。各図面に示される同一の構成要素、部材、処理には同一の符号を付与するものとし、適宜重複した説明は省略する。
また、電圧の状態や電流の経路を、図面を参照して説明する場合、当該図面以外の別の図面で、既に符号の付与がされているものについては、符号の付与を省略する。
【００１１】
（太陽光パネル用昇圧装置１１０の構成）
図１に示す太陽光パネル用昇圧装置１１０は、外部の太陽光パネル１００から入力された直流電力を、トランスを介して直流母線１８０へ出力する太陽光パネル用昇圧装置である。
太陽光パネル用昇圧装置１１０は、入力端子Ｉ１１及びＩ１２と、電流計ＡＭ１と、電圧計ＶＭ１及びＶＭ２と、インダクタ１１１と、ＭＥＲＳ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈ：磁気エネルギー回生スイッチ）１２０と、トランス１３０と、ダイオード１３４及び１３５と、出力端子Ｏ１３及びＯ１４と、制御部１５０を備える。
【００１２】
入力端子Ｉ１１及びＩ１２は、太陽光パネル１００と接続される一対の端子からなる。太陽光パネル１００の出力のうち、高電位側が入力端子Ｉ１１に接続され、低電位側が入力端子Ｉ１２に接続されている。
【００１３】
電流計ＡＭ１は、太陽光パネル１００とＭＥＲＳ１２０との間に直列に接続される。電流計ＡＭ１は、太陽光パネル１００から出力される電流量を計測し、その電流値Ｉｉｎを制御部１５０に送信する。
【００１４】
電圧計ＶＭ１は、入力端子Ｉ１１及びＩ１２間に接続されている。電圧計ＶＭ１は入力端子Ｉ１１及びＩ１２間に印加される電圧、すなわち太陽光パネル１００の電圧を測定する。電圧計ＶＭ１は、測定した電圧値Ｖｉｎを制御部１５０に送信する。
【００１５】
インダクタ１１１は、一端が入力端子Ｉ１１に接続されている。インダクタ１１１のインダクタンスは、後述のＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）が所望の値になるように予め調整されている。なお、トランス１３０の漏れインダクタンスによってＱ値が所望の値になる場合は、インダクタ１１１はなくてもよい。
【００１６】
トランス１３０は一次コイル１３１と二次コイル１３２とギャップを持った磁心（コア）１６０を備える。一次コイル１３１は一端をインダクタ１１１の他端に接続され、他端はＭＥＲＳ１２０を介して入力端子Ｉ１２に接続されている。
二次コイル１３２は、二次コイル１３２の中間を引き出したセンタータップ端子１３３を備える。二次コイル１３２は、一端がダイオード１３４のアノードに接続され、他端がダイオード１３５のアノードに接続されている。ダイオード１３４のカソードとダイオード１３４のカソードとは短絡され、出力端子Ｏ１３に接続されている。
センタータップ端子１３３は、出力端子Ｏ１４に接続されている。
このように接続されることによって、トランス１３０とダイオード１３４及び１３５とは、センタータップ型の全波整流器として機能している。
なお、本実施例では、二次コイル１３２は、一次コイル１３１の８倍の巻き数を持っている。そのため、このセンタータップ型の全波整流器は、４倍に昇圧する変圧器しても機能している。
【００１７】
出力端子Ｏ１３及びＯ１４は、外部と接続される一対の端子からなり、直流母線１８０に接続される。  電圧計ＶＭ２は出力端子Ｏ１３及びＯ１４間に接続されている。電圧計ＶＭ２は出力端子Ｏ１３及びＯ１４間に印加される電圧、すなわち直流母線１８０の電圧を測定する。電圧計ＶＭ２は、測定した電圧値Ｖｏｕｔを制御部１５０に送信する。
コンデンサＣｓは出力端子Ｏ１３及びＯ１４間に接続されている。コンデンサＣｓは、直流母線１８０へ供給される電圧を平滑する。
【００１８】
ＭＥＲＳ１２０は、接続点Ｎ１乃至Ｎ４と、コンデンサＣＭと、ダイオードＤ１及びＤ４と、スイッチＳＷ２及びＳＷ３とを備える。
接続点Ｎ１には、ダイオードＤ１のアノードと、スイッチＳＷ３の一端が接続される。接続点Ｎ２には、コンデンサＣＭの一端と、ダイオードＤ１のカソードと、スイッチＳＷ２の一端が接続されている。接続点Ｎ３には、スイッチＳＷ２の他端とダイオードＤ４のカソードとが接続されている。接続点Ｎ４には、コンデンサＣＭの他端と、スイッチＳＷ３の他端とダイオードＤ４のアノードとが接続されている。
また、接続点Ｎ１は、一次コイル１３１の他端に接続されている。接続点Ｎ３は、入力端子Ｉ１２に接続されている。
ダイオードＤ１及びＤ４は、カソードからアノードへの方向の電流を遮断し、アノードからカソードへの方向への電流を導通する素子である。
スイッチＳＷ２は、ゲート（制御端）Ｇ２を備える。スイッチＳＷ２は、ゲートＧ２にオン信号を入力されると一端−他端間の電流を導通し、ゲートＧ２にオフ信号を入力されると一端−他端間の電流を遮断する。
スイッチＳＷ３は、スイッチＳＷ２と同じ構成である。スイッチＳＷ３はゲートＧ３を備える。スイッチＳＷ３のゲートＧ３は、スイッチＳＷ２のゲートＧ２に対応する。
スイッチＳＷ２及びスイッチＳＷ３の両方がオフの状態ではＭＥＲＳ１２０は、電流を遮断し、磁気エネルギーをコンデンサＣＭに充電する。またスイッチＳＷ２あるいはＳＷ３の少なくとも片方がオンの状態では、ＭＥＲＳ１２０は接続点Ｎ１から接続点Ｎ２への方向で流れる電流を導通する。また、コンデンサＣＭに電荷が蓄積している時にスイッチＳＷ２及びＳＷ３の両方がオンになると、コンデンサＣＭは放電する。
【００１９】
制御部１５０は、スイッチＳＷ２及びＳＷ３のゲートＧ２及びＧ３に制御信号を送信することによってＭＥＲＳ１２０のオン・オフを制御する電子回路である。制御部１５０は、後述の処理を行うことが可能な所定の回路等によって構成される。制御部１５０は、この処理によりＭＥＲＳ１２０のオン・オフを制御することで、太陽光パネル１００をＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking：最大電力点追従）制御する。
【００２０】
例えば、制御部１５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１５２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１５３と、入出力部１５４と、を備える。本実実施形態では、ＲＡＭ１５２及びＲＯＭ１５３によって、制御部１５０の記憶部が構成されている。さらに、制御部１５０の少なくとも一部は、ＣＰＵ１５１が行う下記処理の少なくとも一部を実行する専用回路（ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）など）によって構成されてもよい。
【００２１】
ＣＰＵ１５１は、ＲＯＭ１５３が記憶するプログラムに従って、制御部１５０が行う下記処理を実行する。ＲＡＭ１５２は、ＣＰＵ１５１のメインメモリとして機能する。ＲＯＭ１５３は、プログラムや、下記処理中にＣＰＵ１５１に使用される各種データを記憶する。ＣＰＵ１５１は、下記処理を、ＲＯＭ１５３が記憶するデータを適宜用いて行う。入出力部１５４は、各種ポートから構成される。制御部１５０に入出力される制御信号、各種データ等は、入出力部１５４を介して、ＣＰＵ１５１に入出力される。
【００２２】
制御部１５０から制御信号はオン信号とオフ信号とから構成される。制御部１５０は、スイッチＳＷ２のゲートＧ２に制御信号ＳＧ２を、スイッチＳＷ３のゲートＧ３に制御信号ＳＧ３を出力する。
制御信号ＳＧ２及びＳＧ３は、周波数ｆｓｗで表される周期を持ちデューティ比（１周期中のオン信号の比率）ＤＲを持った信号である。
【００２３】
周波数ｆｓｗは、電圧値Ｖｏｕｔと、電圧値Ｖｉｎと、から求められる。Ｖｏｕｔが高いほど周波数ｆｓｗは高く、Ｖｉｎが低いほど周波数ｆｓｗは低い。本実施例では、制御部１５０は、図２に示す周波数テーブルＴｆｓｗを、ＲＯＭ１５３に記憶している。周波数テーブルＴｆｓｗは、ある範囲の電圧値Ｖｏｕｔとある範囲の電圧値Ｖｉｎの範囲とに対して設定すべき周波数ｆｓｗが記憶されている。
また、本実施形態では、入出力部１５４には、周波数ｆｓｗを決定する際の制御部１５０が参照する電圧値Ｖｏｕｔの値を、ユーザが設定可能なインターフェース（図示しない）を備えている（なお、ユーザが電圧値Ｖｏｕｔを設定したとしても、実際に電圧計ＶＭ２が出力する電圧値Ｖｏｕｔ自体には変化はない）。
【００２４】
デューティ比ＤＲは、１ミリ秒毎の電圧値Ｖｏｕｔの平均の値と１ミリ秒毎の電流値Ｉｉｎの平均の値とから求められる（パルス幅変調動作）。デューティ比ＤＲは、電流値Ｉｉｎの平均が小さいほど大きく、電圧値Ｖｏｕｔの平均が小さいほど大きい。
【００２５】
制御部１５０は、周波数テーブルＴｆｓｗを用いて、１ミリ秒に一度、その時点の電圧値Ｖｏｕｔと電圧値Ｖｉｎとから周波数ｆｓｗを設定（周波数変調動作）する。周波数テーブルＴｆｓｗにおいて周波数ｆｓｗは、電圧値Ｖｏｕｔ／電圧値Ｖｉｎが大きいほど小さい。すなわち昇圧比が大きいほど周波数ｆｓｗは小さい。
【００２６】
（太陽光パネル用昇圧装置１１０の動作）
次に、太陽光パネル用昇圧装置１１０の動作を説明する。
なお、以下の説明では、太陽光パネル１００は通常の出力が定格１５Ｖとする。また、直流母線１８０は４００Ｖであるとする。また、デューティ比ＤＲは初期値を０．４として、電圧値Ｖｏｕｔは予め４００Ｖに設定されている。
【００２７】
制御部１５０は、周波数テーブルＴｆｓｗに参照し、電圧計ＶＭ１から送られる電圧値Ｖｉｎが１５Ｖで、電圧値Ｖｏｕｔが４００Ｖであることから、周波数ｆｓｗを６８ｋＨｚに設定する。
【００２８】
（電流の流れ方と各部の電圧・電流の変化）
周波数ｆｓｗが６８ｋＨｚで、デューティ比が０．４の時、太陽光パネル用昇圧装置１１０は、次の図３Ａ乃至３Ｆに示す動作を繰り返す。
【００２９】
図３Ａ乃至３Ｆは、太陽光パネル用昇圧装置１１０内を流れる主要な電流の状態や流れ、部品の両端電圧の状態を示した図である。図３Ａ乃至３Ｆの各記号は、次の意味をもつ。
ゲートＧ２及びＧ３付与された「ＯＮ」・「ＯＦＦ」の記号は、信号ＳＧ２及びＳＧ３のオン信号・オフ信号を示し、スイッチＳＷ２及びＳＷ３のオン・オフ状態に対応する。
配線や部品の上に記された連続する矢印は、夫々の配線や部品を通過する電流の経路と向きを示す。
配線や部品の上に記された「＋」（プラス）の記号は、その状態での電圧の発生と、夫々の部品の他端を基準電位として、電位が正であることを示す。
なお、制御部１５０等は図示されていない。
【００３０】
また、図４は、図１に示した太陽光パネル用昇圧装置１１０を構成する夫々の部品の両端電圧と電流の状態を示した波形図である。
図４において、各種記号等は以下の意味をもつ。
・縦軸：夫々の電位や電流
・横軸：時間
・Ｖｃｐ：接続点Ｎ４を基準電位としたキャパシタＣＭの電圧
・Ｉｃｐ：接続点Ｎ２から接続点Ｎ４へ流れる電流を正としたキャパシタＣＭの電流、
・Ｖｔｐ：接続点Ｎ１を基準電位とした一次巻線１３１の両端電圧
・Ｖｃｏｉｌ：インダクタ１１１の他端に対する一端の電位
・Ｉｔｐ：巻始めから巻終わりへ流れる電流を正とした一次巻線１３１の電流、
・Ｖｔｓ：出力端子Ｏ１４を基準電位としたニ次巻線１３２の両端電圧
・Ｉｄ１：ダイオード１３４を流れる電流
・Ｉｄ２：ダイオード１３５を流れる電流
・Ｖｄｕ：アノード側を基準電位としたダイオードｄｕの両端電圧、
・Ｉｄｕ：アノード側からカソード側に流れる電流を正としたダイオードｄｕの電流
・Ｖｓｘ：接続点Ｎ４を基準電位としたスイッチＳＷ３の両端電圧
・Ｉｓｘ：スイッチＳＷ３の順方向の電流を正とした電流
・ＶＴ：接続点３１を基準電位とした一次巻線１３１の時間電圧積（トランス１３０の磁心の磁束変化量ΔＢと見做せる）
【００３１】
初期状態として、制御部１５０は、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３をオフ状態に維持し続けており、キャパシタＣＭに電荷が保持されている状態（「初期状態」）とする。
【００３２】
「放電状態ａ１」
時刻ｔ０で、制御部１５０は、ゲートＧ２及びＧ３にオン信号を送信する。スイッチＳＷ２及びＳＷ３は、オフからオンに切り替わる。
すると、図３Ａに示すように、キャパシタＣＭが、オンになったスイッチＳＷ２及びＳＷ３を介して放電する。トランス１３０の一次コイル１３１及びインダクタ１１１には、太陽光パネル１００の電圧とキャパシタＣＭの電圧とが印加される。この電圧はキャパシタＣＭの放電に伴い減少していく。この電圧によりトランス１３０には励磁電流及び負荷電流が発生する（図４のＩｔｐを参照）。
【００３３】
「並列導通状態ｂ１」
制御部１５０が、時刻ｔ０からスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３をオン状態に維持し続けると、時刻ｔ１でキャパシタＣＭの放電が完了する。
電流は、図３Ｂに示すように、キャパシタＣＭを介さずに、ダイオードＤ１及びスイッチＳＷ２を通るルートと、スイッチＳＷ３及びダイオードＤ４を通るルートでＭＥＲＳ１２０を流れる。
トランス１３０の負荷電流が存続する間は、一次側から二次側に電力が供給され、ダイオード１３４に電流Ｉｄ１が流れる（図４のＩｄ１を参照）。
【００３４】
「並列導通状態ｂ２」
負荷電流がなくなると、図３Ｃに示すように、一次側から二次側に電力が供給されなくなる（図４のＩｄ１を参照）。
この状態では、太陽光パネル１００は、インダクタ１１１及び一次コイル１３１との直列回路を形成する。インダクタ１１１は、太陽光パネル１００から供給される電力を磁気エネルギーとして蓄積する。トランス１３０は励磁エネルギーとして蓄積する。
【００３５】
「充電状態ｃ１」
時刻ｔ２で、制御部１５０は、ゲートＧ２及びＧ３に送信する信号を、オン信号からオフ信号に切り替える。スイッチＳＷ２及びＳＷ３は、オフからオンに切り替わる。
すると、スイッチＳＷ２及びＳＷ３を流れる電流は遮断され、図３Ｄに示すように、ダイオードＤ１及びＤ４を介してキャパシタＣＭは充電される。
一次コイル１３１及びインダクタ１１１には、太陽光パネル１００の電圧からキャパシタＣＭの電圧が引かれた分の電圧が印加される。この期間は、電力は二次側へ供給されないため、ダイオード１３４及び１３５には電流は流れない（図４のＩｄ１及びＩｄ２を参照）。
【００３６】
「充電状態ｃ２」
キャパシタＣＭの充電が伴うことにより、一次コイル１３１に印加される電圧Ｖｔｐは負極性に増加する（極性は放電状態ａ１と逆）。そのため二次コイル１３２の電圧Ｖｔｓが増加する。電圧Ｖｔｓが直流母線１８０の電圧以上になると、図３Ｅに示すように、一次側から二次側へ電力が供給され、ダイオード１３５に電流が流れ始める（図４のＩｄ２を参照）。
【００３７】
「フライバック状態ｄ」
時刻ｔ３で、インダクタ１１１の磁気エネルギーがなくなり、キャパシタＣＭの充電が完了する。すると、トランス１３０の励磁電流が、図３Ｆに示すように、二次コイル１３２に供給され、ダイオード１３５に電流が流れる（図４のＩｄ２を参照）。
【００３８】
「遮断状態ｅ」
制御部１５０が、時刻ｔ３からスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３をオフ状態に維持し続けると、時刻ｔ４で、トランス１３０の励磁電流がなくなり、図３Ｆに示すように、トランス１３０から二次側に電力は供給されなくなる（図４のＩｄ２を参照）
この状態は前述の初期状態でもある。
以後、制御部１５０は、上述の動作を繰り返す。
【００３９】
（トランス１３０の動作）
図５は、トランス１３０の一次コイル１３１の電流に着目したものである。
【００４０】
「フォワード動作」
上述のように、ＭＥＲＳ１２０がオンの期間（時刻ｔ０−ｔ３）は、一次コイル１３１及びインダクタ１１１には、太陽光パネル１００とキャパシタＣＭの電圧が合わさって印加される。そのため、一次コイル１３１には、励磁電流と負荷電流とが流れる。
このうち、励磁電流は、一次コイル１３１の電圧Ｖｔｐが一定なので、図５に示すように、線形に増える。他方、負荷電流は、キャパシタＣＭの放電に伴い、途中で減少し、時刻ｔ２で流れなくなる。
これらが合わさった電流が、電流Ｉｔｐとなる。
【００４１】
このように、期間ａ，ｂ１では、一般的になフォワードコンバータのように、トランス１３０の一次コイル１３１に電圧を印加することにより、二次コイル１３２に電力を伝達する。
【００４２】
「フライバック動作」
負荷電流がなくなった後も、インダクタ１１１及び一次コイル１３１には、ＭＥＲＳ１２０がオフされるまで時刻ｔ３まで、太陽光パネル１００の電圧が印加される。そのため、時刻ｔ３まで励磁電流は増加する。時刻ｔ３でＭＥＲＳ１２０がオフされると、インダクタ１１１に蓄積された磁気エネルギーと励磁エネルギーは、ＭＥＲＳ１２０のキャパシタＣＭに回収される。キャパシタＣＭの電圧の増加に伴い、一次コイル１３１に印加される電圧は負の方向へ増加する。時刻ｔ４で二次コイル１３２の電圧Ｖｔｓが直流母線１８０の電圧以上になると、負荷電流が流れ始める。
インダクタ１１１の磁気エネルギーがなくなった後も、トランス１３０の磁心に蓄積された励磁エネルギーが二次コイル１３２を介して直流母線１８０へ供給される。
【００４３】
このように、期間ｔ４−ｔ６では、一般的なフライバックコンバータのように、スイッチのオン期間に蓄積された励磁エネルギーを、スイッチのオフ時に直流母線に供給する。
また、トランス１３０の一次コイル１３１に、前述のフォワード動作時とフライバック動作時に印加される電圧とは逆極性である。そのためこのフライバック動作は、フォワード動作におけるトランス１３０のリセット回路としても機能している。
【００４４】
（パルス幅変調動作）
上述の動作を繰り返している時に、太陽光パネル１００の電流・電圧が変わったとする。例えば、太陽光パネル１００は日陰になることで入力電流・電圧が低下する。
【００４５】
すると、電流計ＡＭ１から制御部１５０へ送信される電流値Ｉｉｎは減少する。また、二次側へ送られる電力が減るため、電圧計Ｖｏｕｔから制御部１５０へ送信される電圧値Ｖｏｕｔも減少する。
【００４６】
制御部１５０は、電流値Ｉｉｎの平均が小さく、電圧値Ｖｏｕｔの平均が小さくなったことにより、デューティ比ＤＲを大きくする（ゲート信号ＳＧ２及びＳＧ３のパルス幅を変調する）。
【００４７】
デューティ比ＤＲが大きくなるということは、ＭＥＲＳ１２０のオン時間が増え、オフ時間が減るということである。
オン時間が増えることにより、上述した並列導通状態ｂ２の時間が長くなる。これにより、この状態の時にトランス１３０に蓄積される磁気エネルギー（励磁エネルギー）が増え、フライバック動作で二次側に伝達される電力が大きくなる。なお、オン時間が短すぎると、トランス１３０に蓄積される電力が少なくフライバック動作時に電力が二次側に伝達されない可能性がある。
オフ時間が減ることにより、上述した遮断状態ｅの時間が短くなる。この時間が短くなることにより、単位時間あたりに変換する電力が増加する。
このように、デューティ比ＤＲを制御することによって二次側へ伝達する電力量を調整可能である。
【００４８】
なお、トランス１３０の磁心の磁束密度は、上述の並列導通状態ｂ２が継続される時間に比例して大きくなる。よってパルス幅変調の制御範囲におけるオン時間の最大は、トランス１３０の磁心が磁気飽和を起こさない程度にするのが好ましい。
【００４９】
（周波数変調動作の説明）
また、太陽光パネル１００の電圧が低下すると、制御部１５０は、周波数テーブルＴｆｓｗを用いて周波数ｆｓｗを変調する。太陽光パネル１００の出力電圧Ｖｉｎの大幅な減少によって電圧値Ｖｏｕｔ／電圧値Ｖｉｎは大きく上昇するため、周波数ｆｓｗは小さく設定される。
これにより、１周期の間のオン時間・オフ時間が増える。パルス幅変調動作でオフ時間を減らすと遮断状態ｅのだけでなく、フライバック状態ｄの時間も減る可能性があるが、周波数ｆｓｗを小さくすることによって、フライバック状態ｄの状態の時間を減らさずにオフ時間を増やすことができる。
【００５０】
なお、スイッチング周波数を変更する場合は、直前の周期で消磁を完了させてから周波数を変調させることが好ましい。これにより、スイッチング周波数の変更による過渡現象の発生が抑制される
【００５１】
太陽光パネル用昇圧装置１１０での変換損失が発生しない理想状態と仮定し、直流母線１８０の抵抗値をＲｌｏａｄとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、次に示す数で表される。
Ｖｏｕｔ  ＝  √（Ｒｌｏａｄ・Ｖｉｎ・Ｉｉｎ）
【００５２】
この式は、太陽光パネル用昇圧装置１１０の出力が、電流源的な動きをすることを示している。複数の太陽光パネル用昇圧装置１１０の出力を、並列または直列に接続しても、夫々の太陽光パネル用昇圧装置１１０の出力電力量や、母線電圧に応じて出力電圧が決まり、直流母線に電力を供給することが出来ることがわかる。
例えば、一枚一枚の太陽光パネルに、太陽光パネル用昇圧装置１１０を接続し、これらを並列接続して、共通の直流母線に電力を供給する太陽光発電システムを構築することができる。
【００５３】
（ソフトスイッチング動作）
図４の時刻ｔ０のＶｓｘ及びＩｓｘを見るとわかるように、スイッチＳＷ２及びＳＷ３がオフからオンに切り替わる時はキャパシタＣＭの電圧は略０である。また、時刻ｔ３のＶｓｘ及びＩｓｘ、スイッチＳＷ２及びＳＷ３がオンからオフに切り替わる時はスイッチＳＷ２及びＳＷ３を流れる電流は略０である。
また、スイッチＳＷ２及びＳＷ３のオン時のキャパシタＣＭの放電電流と、オフ時のキャパシタＣＭの電圧とは、トランス１３０の一次巻線１３１の自己インダクタンス値及びインダクタ１１１のインダクタンス値と、キャパシタＣＭのキャパシタンス値で決まる時定数で決まる比較的緩やかな変化をする。
そのため、スイッチＳＷ２及びＳＷ３は、略０電圧でオンからオフに切り替わり、略０電流でオフからオンに切り替わるソフトスイッチングを実現する。
【００５４】
（まとめ）
以上太陽光パネル用昇圧装置１１０内を流れる主要な電流の状態や流れ、部品の両端電圧の状態を説明した。まとめると以下のようになる。
【００５５】
［基本的な動作］
制御部１５０は、ＭＥＲＳ１２０のオン・オフを制御することによって、太陽光パネル１００の電力を直流母線に供給する。より具体的には、デューティ比を制御することによってＭＥＲＳ１２０による昇圧を調整し、スイッチング周波数を制御することによって、ＭＥＲＳ１２０の動作範囲を、太陽光パネルの１００の出力に適した範囲にする。
【００５６】
コンデンサＣＭの電圧は、ＭＥＲＳ１２０のオン・オフに対応して交番してトランス１３０に印加される。トランス１３０の一次コイル１３１にはこれに加え、太陽光パネル１００の電圧が印加される。ＭＥＲＳ１２０のコンデンサＣＭの電圧は、太陽光パネル１００の電圧に対して大きい。そのため、一次コイル１３１には、交流電圧が印加される。これによりトランス１３０は毎周期消磁される。従って、一般的なフォワードコンバータに必要な消磁回路は必要でない。
【００５７】
また、ＭＥＲＳ１２０によって、トランス１３０に印加される電圧は、太陽光パネル１００に対して比較的大きい。そのため、トランス１３０の巻線比を減らすことができる。本実施例では、１５Ｖの太陽光パネルを４００Ｖに昇圧しているため、ＭＥＲＳ無しではおよそ５３倍の巻線比が必要だが、本実施例は８倍の巻線比のトランスを用いることが可能である。なお、本実施例では一次コイル１３１には最大およそ２００Ｖの電圧が印加されるため、巻線比が２倍のトランスであってもよい。
【００５８】
また、ＭＥＲＳ１２０は、ソフトスイッチングで動作するため高効率である。
また、ＭＥＲＳ１２０がオンの期間ではフォワード方式で一次側から二次側に電力が供給されており、オフの期間ではフライバック方式で一次側から二次側に電力が供給されてる。そのため、電力を伝達する密度が高い。
【００５９】
（別の実施形態及び変形例）
本発明は、様々な実施形態及び変形が可能である。前述の実施形態及び変形例は、本発明の特徴や機能を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。下記に別の実施形態及び変形例を例示するが、別の実施形態及び変形例は適宜組み合わせることが可能である。
【００６０】
（ＭＥＲＳの変形例：フルブリッジ型）
ＭＥＲＳ１２０は、片方向型であったが、。４個のスイッチで構成されたフルブリッジ型でもよい。これらスイッチは、特に、制御端へ入力信号によって、一端から他端への電流のオンオフを制御でき、他端から一端への電流は常時導通する自己消弧型素子でもよい。
フルブリッジ型ＭＥＲＳは、例えば、図６に示すＭＥＲＳ１２５のように、内部ダイオードを備える４つのスイッチＳＷ２１乃至ＳＷ２４から構成される。スイッチＳＷ２１乃至ＳＷ２４は例えばＭＯＳＦＥＴである。
MＥＲＳ１２５は、スイッチＳＷ２１乃至ＳＷ２４を、互いが順直列になる接続点（接続点Ｎ２と接続点Ｎ４）が２つと、互いが逆直列になる接続点が２つ（接続点Ｎ１と接続点Ｎ３）で、互いが逆直列になる接続点と互いが順直列になる接続点が互いに隣り合わない位置となる様に接続したものである。
キャパシタＣＭは、互いが順直列になる接続点Ｎ２と接続点Ｎ４間に接続される。
【００６１】
この場合、制御部１５０は、４個のスイッチＳＷ２１乃至ＳＷ２４のゲートＧ２１乃至Ｇ２４に、ゲート信号ＳＧ２１乃至ＳＧ２４を供給する。
【００６２】
ゲート信号ＳＧ２１及びＳＧ２４は、スイッチＳＷ２１及びＳＷ２４に電流が流れる期間（例えば、上述の並列導通状態ｂ１並びにｂ２や充電状態ｃ１並びにｃ２）に、オン信号になり、他の期間ではオフになるように予め設定される。
なお、ノーマリーオフ型であれば、ゲート信号が入力されていない場合スイッチＳＷ２１及びＳＷ２４はダイオードと機能するので、制御部１５０を用いることも可能である。
【００６３】
（ＭＥＲＳの変形例：その他）
ＭＥＲＳ１２５において、スイッチＳＷ２２及びＳＷ２３は、上述の動作では内部ダイオードに電流が流れることはない（接続点２３から接続点２２への方向及び接続点２４から接続点２１への方向の電流が流れることはない）。よって、これらを内部ダイオードを備えないスイッチに置き換えてもよい。
また、スイッチＳＷ２１及びＳＷ２４は、前述のダイオードＤ１及びＤ４に対応する。そのため、ダイオードＤ１及びＤ４が導通するタイミングにオンになるように制御するのであれば、内部ダイオードの無いスイッチに置き換えてもよい。
よって、ＭＥＲＳは、例えば、図７に示すような、４つのスイッチＳＷ２１乃至ＳＷ２４がＩＧＢＴのような内部にダイオードを備えないスイッチであってもよい。
【００６４】
（ＭＥＲＳ変形例：その他）
また、ＭＥＲＳの回路は、上記構成に限定されない。昇圧が可能で、ＭＥＲＳに発生する電圧をトランスに交番して印加可能であれば他の構成をしても、上記動作を実現できる。
【００６５】
（トランスの応用）
上記説明では、センタータップ型のトランスを利用した全波整流器を用いた例を説明したが、トランスはこの例に限定されない。
例えば、トランス２次側巻線に半波整流回路を接続したものであってもよい。
【００６６】
また、センタータップ型ではなく、３巻線のトランスであってももちろんよいし、２巻線のトランスであってもよい。
【００６７】
（ＭＥＲＳの制御）
上記説明で、制御の一例を説明したが、制御方法は上述の例に特定されない。例えば、電圧や電流をフィードバックしても太陽光パネルの出力電力を調整する。例えば、太陽光パネルの電力を最大になるように電流値をフィードバックして山登り法でデューティを制御する。
太陽光パネルの出力が最大である時の、ＭＥＲＳの制御方法は一つに限られないので、この制御をする場合であっても、装置全体の出力が最大になるように、ＭＥＲＳを制御する周波数やデューティ比を変調することが好ましい。
【００６８】
また、上述の説明では、各種スイッチは、ペアで同時にオン・オフされていたが、同時である必要はない。ＭＥＲＳが電流を導通あるいは遮断すればよいので、ペアのオン・オフのタイミングがずれていても問題ない。
【００６９】
また、上述の説明では、コンデンサ電圧が、周期的に０Ｖを継続する不連続な状態である例を説明した。しかし、０Ｖにまで電圧が落ちない連続モードであってもよい。例えば、ＭＥＲＳのオン時間がある程度短いと、コンデンサ電圧は連続する。
また、トランス１３０の一次側の電流が連続であってもよい。これは例えば、ＭＥＲＳのオフ時間がある程度短い場合に起こる。
スイッチング周波数がある程度高くすると、コンデンサ電圧もトランスの電流も両方連続にすることができる。
【００７０】
なお、オン状態の時に一次巻線１３１に流れる励磁電流により、トランス１３０の磁心に励磁エネルギーが蓄積されるため、オフ状態の時にトランス１３０の磁心に蓄積された励磁エネルギーの放出が不十分だと、トランス１３０の磁心に、大きな磁束密度が必要になるか、磁束飽和に至る可能性がある。よって、制御部１５０は、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３がオフ状態の継続する時間を、磁気エネルギーの放出が十分にされるだけに必要な時間以上にすることが好ましい。
【００７１】
（まとめ）
以上説明したように、本発明によれば、太陽光パネルと一次コイルとＭＥＲＳとを接続し、一次コイルと電磁的に接続される二次コイルに直流母線を接続した場合、ＭＥＲＳのキャパシタに発生する電圧が、太陽光パネル電圧以上であれば、一次コイルに発生する電圧が交番するため、消磁回路が必要ない。すなわち、一次コイルに消磁回路が必要ない場合は、ＭＥＲＳが太陽光パネルの出力電圧を昇圧しており、一次コイルの印加電圧が交番していることでもある。
また、ＭＥＲＳがオンの期間にトランスの磁心に蓄積される励磁エネルギーが、ＭＥＲＳをオフしたあとに二次コイルに転流してから、ＭＥＲＳを再びオンにすることによって、ニ巻線トランスだけでなくセンタータップ型のトランスを効率よく用いることが可能である。
また、漏れインダクタンスを多く含むことは一般的なフォワードコンバータでは好ましくないが、本発明であれば、漏れインダクタンスに蓄積される磁気エネルギーをＭＥＲＳが昇圧に利用することができる。特に、ギャップをもった１コアのセンタータップ型トランスを用いたとしても一般的なフォワードコンバータで起こりうる不利益を回避し、それを昇圧に利用することができる。
また、太陽光パネルに対して２つのスイッチで絶縁コンバータが実現できる。
また、二次コイルに整流器を接続すれば絶縁ＡＣ／ＤＣコンバータとして機能し、整流器を接続しなければ絶縁ＡＣ／ＡＣコンバータとして機能する。
また、簡単な回路で大きな昇圧が可能である。
また、大きな昇圧が可能であるため、パルス幅変調により、出力電圧が小さく不安定な太陽光パネルの出力を、安定した電圧あるいは電流に変換させられる。
また、ＭＥＲＳがオンの期間またはオフの期間（またはその両方の期間）で電力を直流母線に供給可能であるため、そのパルス幅変調の制御範囲は広い。
また、パルス幅変調の制御範囲では昇圧が不十分であっても、周波数を下げることによってより大きな昇圧が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１００  太陽光パネル
１１０  太陽光パネル用昇圧装置
１２０，１２５，９２０  ＭＥＲＳ
１３０  トランス
１３４，１３５  ダイオード
１５０，２５０  制御部
１６０  磁心
１８０  直流母線
【図１】
2014150607.tif 000003
【図２】
2014150607.tif 000004
【図３Ａ】
2014150607.tif 000005
【図３Ｂ】
2014150607.tif 000006
【図３Ｃ】
2014150607.tif 000007
【図３Ｄ】
2014150607.tif 000008
【図３Ｅ】
2014150607.tif 000009
【図３Ｆ】
2014150607.tif 000010
【図４】
2014150607.tif 000011
【図５】
2014150607.tif 000012
【図６】
2014150607.tif 000013
【図７】
2014150607.tif 000014