(57)【要約】【課題】  送出される電力が大きく変動し得る電気エネルギー源（３）に接続される、低損失のコンバータ回路を提供する。【解決手段】  このコンバータ回路は、可変規模のチョッパスイッチ（１３）と、電気エネルギー源（３）に接続可能な入力端子（９）とを有している、デューティサイクル（α）が可変であるチョッパ回路（１１）と、可変規模のチョッパスイッチ（１７）を、チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されている少なくとも１つの第１の出力回路（１４）と、チョッパ回路のデューティサイクルを制御するように、また、電気エネルギー源（３）から送出される電力に応じて、チョッパ回路（１１）および第１の出力回路（１４）の可変規模のチョッパスイッチ（１３、１７）の規模を制御するように構成されている制御回路（５１）とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送出される電力が大きく変動し得る電気エネルギー源（３）に接続されるコンバータ回路（２）であって、
可変規模のチョッパスイッチ（１３）と、前記電気エネルギー源（３）に接続可能な入力端子（９）とを有している、デューティサイクル（α）が可変であるチョッパ回路（１１）と、
可変規模のチョッパスイッチ（１７）を、前記チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されている少なくとも１つの第１の出力回路（１４）と、
第１に、前記チョッパ回路のデューティサイクルを制御するように、第２に、前記電気エネルギー源（３）から送出される電力に応じて、前記チョッパ回路（１１）および前記第１の出力回路（１４）の可変規模のチョッパスイッチ（１３、１７）の規模を制御するように構成されている制御回路（５１）とを備えているコンバータ回路。
【請求項２】
前記制御回路（５１）は、前記デューティサイクル（α）に応じて、前記チョッパ回路（１１）および前記第１の出力回路（１４）の可変規模のチョッパスイッチ（１３、１７）の規模を制御するように構成されている、請求項１に記載のコンバータ回路。
【請求項３】
前記制御回路（５１）は、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）を行うように構成されている、請求項２に記載のコンバータ回路。
【請求項４】
前記制御回路（５１）は、前記電気エネルギー源（３）の電圧の変化にしたがって最大電力点（ＭＰＰ）を特定するように構成されている、請求項３に記載のコンバータ回路。
【請求項５】
前記チョッパ回路（１１）および前記第１の出力回路（１４）の可変規模のチョッパスイッチ（１３、１７）の各々は、互いに並列に配置されており、かつ前記制御回路からの命令にしたがって選択的に切り替え可能である少なくとも２つの個別のスイッチ（１３０、１３２、１３４）を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項６】
前記少なくとも２つの個別のスイッチ（１３０、１３２、１３４）は、互いに同一の規模を有している、請求項５に記載のコンバータ回路。
【請求項７】
前記少なくとも２つの個別のスイッチ（１３０、１３２、１３４）は、互いに異なる規模を有している、請求項５に記載のコンバータ回路。
【請求項８】
前記少なくとも２つの個別のスイッチ（１３０、１３２、１３４）は、それらの総数がｎ個であるとしたときに、最小の規模のスイッチと、該最小の規模の２i倍（ｉ＝１、２、３、…、ｎ−１）の規模のスイッチとから成っている、請求項７に記載のコンバータ回路。
【請求項９】
前記制御回路（５１）は、前記電気エネルギー源（３）から送出される電力の増加に応じて、前記チョッパ回路（１１）および前記第１の出力回路（１４）の可変規模のチョッパスイッチ（１３、１７）の規模の増加を命令するように構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１０】
前記制御回路（５１）は、前記電気エネルギー源（３）から送出される電力のあらかじめ定められた複数の設定値範囲の各々にしたがって、前記チョッパ回路（１１）および前記第１の出力回路（１４）の可変規模のチョッパスイッチ（１３、１７）の規模を制御するように構成されている、請求項９に記載のコンバータ回路。
【請求項１１】
前記制御回路（５１）は、不連続動作モードで、前記チョッパ回路を制御するように構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１２】
前記コンバータ回路（２）は、可変規模のチョッパスイッチ（２５）を、前記チョッパ回路（１１）の出力端子（１９）に接続されている第２の出力回路（１５）を備えており、前記制御回路は、前記第１の出力回路（１４）に対して出力される電圧の設定値範囲にしたがって、前記第１および第２の出力回路の可変規模のチョッパスイッチ（１７、２５）のスイッチングを命令するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１３】
前記第１の出力回路（１４）は、前記電圧の設定値範囲内で動作する電気的な負荷（２３）に接続され、前記第２の出力回路（１５）は、蓄電装置（２９）に接続される、請求項１２に記載のコンバータ回路。
【請求項１４】
前記制御回路（５１）は、第１の入力を、前記第１の出力回路（１４）に接続されており、第２の入力を、基準点（６３）に接続されているヒステリシスコンパレータ（６１）を備えており、該ヒステリシスコンパレータ（６１）の出力は、前記第１および第２の出力回路の可変規模のチョッパスイッチ（１７、２５）に１つずつ接続されている２つの出力を有している、該２つのチョッパスイッチ（１７、２５）を駆動するための命令発生器（５５）を制御する制御ユニット（５３）の入力に接続されていることを特徴とする、請求項１３に記載のコンバータ回路。
【請求項１５】
前記蓄電装置は、再充電可能なマイクロバッテリである、請求項１３または１４に記載のコンバータ回路。
【請求項１６】
前記蓄電装置は、スーパーキャパシタである、請求項１３または１４に記載のコンバータ回路。
【請求項１７】
前記第１および第２の出力回路は、ローパスフィルタ（２１、２７）を備えている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１８】
前記制御回路（５１）は、さらに、
あらかじめ定められた量だけ異なる２つのデューティサイクルに対する、前記電気エネルギー源の出力端子の電圧を特定し、
該あらかじめ定められた量だけ異なる２つのデューティサイクルに対して得られた前記電圧間の電圧差を計算し、
該電圧差の値と、前回の電圧差の計算において得られた電圧差の値との比較を行い、
該比較の結果に応じて、あらかじめ定められた量（Δα）だけ、前記デューティサイクル（α）の変更を命令する手段を備えている、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項１９】
前記制御回路（５１）は、前回の電圧差の比較の結果、前記デューティサイクルが減らされており、かつ前記電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、前記あらかじめ定められた量（Δα）だけの、前記デューティサイクル(α)の増加を命令するように構成されている、請求項１８に記載のコンバータ回路。
【請求項２０】
前記制御回路（５１）は、前回の電圧差の比較の結果、前記デューティサイクルが増やされており、かつ前記電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、前記あらかじめ定められた量（Δα）だけの、前記デューティサイクル(α)の減少を命令するように構成されている、請求項１９に記載のコンバータ回路。
【請求項２１】
前記チョッパ回路（１１）は、電気エネルギー蓄積インダクタ（１２）と、前記制御回路（５１）によって制御される少なくとも１つのチョッパスイッチ（１３）とを備えている、請求項１〜２０のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項２２】
前記チョッパ回路（１１）の電気エネルギー蓄積インダクタ（１２）およびチョッパスイッチ（１３）は、昇圧構造に構成されている、請求項２１に記載のコンバータ回路。
【請求項２３】
前記チョッパ回路（１１）の電気エネルギー蓄積インダクタ（１２）およびチョッパスイッチ（１３）は、降圧構造に構成されている、請求項２１に記載のコンバータ回路。
【請求項２４】
前記制御回路は、前記第１および第２の出力回路の可変規模のチョッパスイッチ（１７、２５）のうちの少なくとも１つの制御を開始させるための、前記電気エネルギー蓄積インダクタの電流零点センサ（５９）を備えている、請求項２１〜２３のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
【請求項２５】
送出される電力が大きく変動し得る少なくとも１つの電気エネルギー源（３）と、該少なくとも１つの電気エネルギー源（３）に接続されている少なくとも１つの、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のコンバータ回路（２）とを備えている電子システム（１）。
【請求項２６】
前記電気エネルギー源（３）は、少なくとも１つの太陽電池を備えている、請求項２５に記載の電子システム。
【請求項２７】
前記電気エネルギー源（３）は、少なくとも１つの風力発電装置を備えている、請求項２５に記載の電子システム。
【請求項２８】
前記電気エネルギー源（３）は、少なくとも１つの熱電素子を備えている、請求項２５に記載の電子システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバータ回路、およびこのコンバータ回路を備える電子システムに関する。
【０００２】
二酸化炭素排出によってもたらされる有害な温室効果を軽減するために、再生可能エネルギー源の使用を継続的に増大させるという目的で、近年、太陽電池パネルの開発が著しく進められている。
【０００３】
このことは、風力や熱電などの再生可能エネルギー源にも当てはまる。
【０００４】
これらの再生可能エネルギー源は、出力される電気エネルギーが、エネルギーを供給する自然現象に応じて、極端に変動するという特殊な性質を有している。また、太陽電池発電装置は、極めて非線形な電流−電圧特性Ｉ＝ｆ（Ｕ）を有する発電装置である。したがって、太陽光照射値が同じであっても、送出される電力は、負荷に応じて変化する。
【０００５】
すなわち、効率、したがって太陽電池から送出される電力は、１日を通じて変化する太陽光線の向きだけではなく、例えば雲または他の気象現象によって生じる日陰による日光の遮蔽状態に依存する。
【０００６】
これらの再生可能エネルギー源によって生成された電気エネルギーを伝達するために、ＤＣ−ＤＣ（直流−直流）コンバータが、再生可能エネルギー源の出力において用いられる。このようなＤＣ−ＤＣコンバータは、電力源から送出される電圧の昇圧または降圧を行うためのチョッパコンバータである場合がある。チョッパコンバータは、一般に、出力回路に電気エネルギーを伝達するために、電力切り替えスイッチ、具体的にはトランジスタ〔例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トタンジスタ）タイプのトランジスタ、ＪＦＥＴ（接合型電界効果トランジスタ）、またはＢＪＴ（バイポーラトランジスタ）〕を備えている。
【０００７】
しかし、これらの電力切り替えスイッチは、電気エネルギーを吸収する損失源でもあり、総合エネルギー収集効率に影響を及ぼす。
【０００８】
具体的には、これらの電子部品は、抵抗損失およびスイッチング損失が発生する点において注意を要する。
【０００９】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、大電流用に作られているほど、より大規模な電力切り替えスイッチが必要になる。
【００１０】
しかし、取り出される電力が小さい場合には、スイッチングに伴う動的な電力消費量が相対的に大きくなるため、システムの総合効率が低下する。
【００１１】
ＤＣ−ＤＣコンバータが、小電流用に作られていると、より小規模の電力切り替えスイッチが必要となる。
【００１２】
しかし、取り出される電流が大きい場合には、電力切り替えスイッチに、大きな抵抗損失が発生し、したがって、この場合にも、システムの総合効率は低下する。
【００１３】
したがって、現在のところ、電力切り替えスイッチの規模を選ぶときに、適切な妥協点を見出さなければならないという問題が存在する。
【００１４】
さらに、太陽電池が、例えば電力消費部品などの負荷（例えばセンサまたは再充電されるバッテリ）に接続されている場合に、負荷に伝達される電力は、一般に、太陽電池が送出することができる最大電力に一致しないということが、従来明らかになっている。同様の問題が、風力エネルギーの場合にも存在することが知られている。その結果、例えば日光が弱くなると、効率が低下するだけではなく、与えられた動作点が、太陽電池の有する潜在能力を発揮することができる動作点より劣る位置となるため、効率は悪化する。
【背景技術】
【００１５】
このような欠点を克服し、最適動作点に可能な限り近い動作点で電気エネルギーを発生させるために、１９６８年以来開発されてきている最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）法として知られている方法を組み込んだ回路が用いられている。これは、非線形な再生可能エネルギー源と任意の負荷との間のより良い接続を提供するための方法である。
【００１６】
このような回路は、発電装置、例えば太陽電池を、その最大電力点において動作させ、それによって、効率を改善させるようになっている。
【００１７】
したがって、ＭＰＰＴコントローラは、負荷（例えばバッテリ）と太陽電池パネルとを接続している静的コンバータを、恒久的に負荷に最大電力を供給するように駆動する。
【００１８】
最大電力点追尾、すなわちＭＰＰ追尾のために、Ｐ＆Ｏ（Perturbation and Observation）アプローチに基づく方法を適用する手法が公知である。
【００１９】
太陽電池への適用の場合には、この手法は、一定電圧Ｕ１に対して、発電装置から送出される対応する電力値Ｐ１を測定し、次いで、一定期間の後に、電圧Ｕ２＝Ｕ１＋ΔＵを定めて、再度、対応する電力値Ｐ２を測定するアルゴリズムである。その後、電力値Ｐ２がＰ１を超過している場合には、太陽電池の電圧は、電圧Ｕ３＝Ｕ２＋ΔＵとされ、そうでない場合には、電圧Ｕ３＝Ｕ２−ΔＵとされる。
【００２０】
しかし、これは、電流の測定を必ず伴い、また無視できない電気エネルギー量を消費する大規模な計算リソースを必要とする。このために、大型の太陽電池機器においては、太陽電池の１つのサブグループが、ＭＰＰＴ回路を制御するために必要な電気エネルギーの供給に専用に用いられる。
【００２１】
しかし、例えば自律センサなどの電子マイクロシステムにおいては、空間要求と重量に関する制約が大きく、自律性の拡張によって、システムを可能な限り小さくすることが必要であるため、このアプローチを適用することはできない。
【００２２】
さらに、さらなる駆動セルを有する最大電力点追尾回路が公知である。しかし、これは、必ずしも望ましいとは限らない。
【００２３】
一定周波数で、太陽電池パネルと、回路の残りの部分との間の接続を切って、開回路において電圧を測定することによって遂行される、開回路での電圧サンプリングに基づく、駆動セルを用いないＭＰＰＴ回路も存在する。このシステムは、その後、新しく最適化されたパラメータを取り入れたエネルギー収集回路に、太陽電池パネルを再接続する。しかし、これによって、エネルギー収集プロセスは、頻繁に中断される。これは、自律的に動作するように作られている電子マイクロシステムにとっては受け入れがたいことである。
【００２４】
情報技術の分野において、スイッチングに伴う損失を小さくするために調整することができる、可変規模の電力用スイッチを用いるＤＣ−ＤＣコンバータ回路が、特許文献１に開示されている。
【００２５】
しかし、この特許文献１に開示されているＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、負荷の電力消費量、および負荷要件によって定められる環境に対応することを目的とするものであり、送出される電力に大きな変動を示す電気エネルギー源に対応するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】米国特許公開第２００６−３８５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、上述の欠点の少なくとも一部を克服することを目的としている。
【００２８】
本発明の１つの狙いは、コンバータ回路の損失を低下させることである。
【００２９】
本発明の別の狙いは、エネルギーの収集を最適化させるとともに、システムの空間要求、特に発電装置、例えば太陽電池パネルや風力発電装置のサイズ、および蓄電装置、例えばバッテリやスーパーキャパシタのサイズを大幅に縮小させることである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
この目的を達成するために、本発明は、送出される電力が大きく変動し得る電気エネルギー源に接続される、次のものを備えているコンバータ回路を提供するものである。
−  可変規模のチョッパスイッチと、電気エネルギー源に接続可能な入力端子とを有し、デューティサイクルが可変であるチョッパ回路。
−  可変規模のチョッパスイッチを、チョッパ回路の出力端子に接続されている少なくとも１つの第１の出力回路。
−  第１に、チョッパ回路のデューティサイクルを制御するように、第２に、電気エネルギー源から送出される電力に応じて、チョッパ回路および第１の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模を制御するように構成されている制御回路。
【００３１】
このコンバータ回路は、次の特性のうちの１つ以上を、単独でまたは組み合わせて有している。
【００３２】
一態様によれば、制御回路は、デューティサイクルに応じて、チョッパ回路および第１の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模を制御するように構成されている。
【００３３】
別の一態様によれば、制御回路は、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ）を行うように構成されている。
【００３４】
このＭＰＰＴ法は、例えば電気エネルギー源の電圧の変化にしたがって、最大電力点（ＭＰＰ）を特定するように構成されている制御回路によって遂行される。
【００３５】
さらに別の一態様においては、チョッパ回路および第１の出力回路の可変規模の各チョッパスイッチは、互いに並列に配置されており、かつ制御回路からの命令にしたがって選択的に切り替え可能である少なくとも２つの個別のスイッチを有している。
【００３６】
一変形例において、これらの少なくとも２つの個別のスイッチは、互いに同一の規模を有している。
【００３７】
第２の一変形例において、これらの少なくとも２つの個別のスイッチは、互いに異なる規模を有している。
【００３８】
後者の場合には、これらの少なくとも２つの個別のスイッチを、その総数がｎ個であるとしたときに、例えば最小の規模のスイッチと、この最小の規模の２i倍（ｉ＝１、２、３、…、ｎ−１）の規模のスイッチとから成るようにすることが可能である。
【００３９】
さらに別の一態様においては、制御回路は、電気エネルギー源から送出される電力の増加に応じて、チョッパ回路、および第１の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模の増加を命令するように構成されている。
【００４０】
さらに、制御回路を、電気エネルギー源から送出される電力のあらかじめ定められた複数の設定値範囲の各々にしたがって、チョッパ回路および第１の出力回路の可変規模のチョッパスイッチの規模を制御するように構成することも可能である。
【００４１】
制御回路は、不連続動作モードで、チョッパ回路を制御するように構成されている場合がある。
【００４２】
別の一実施形態においては、コンバータ回路は、可変規模のチョッパスイッチを、チョッパ回路の出力端子に接続されている第２の出力回路を備えており、制御回路は、第１の出力回路に対して出力される電圧の設定値範囲にしたがって、第１および第２の出力回路の可変規模のチョッパスイッチのスイッチングを命令するように構成されている。
【００４３】
一態様においては、第１の出力回路は、この電圧の設定値範囲内で動作する電気的な負荷に接続され、第２の出力回路は、蓄電装置に接続されている。
【００４４】
別の一態様においては、制御回路は、第１の入力を、第１の出力回路に接続されており、第２の入力を、基準点に接続されているヒステリシスコンパレータを備えており、このヒステリシスコンパレータの出力は、第１および第２の出力回路の可変規模のチョッパスイッチに１つずつ接続されている２つの出力を有している、これらのチョッパスイッチを駆動するための命令発生器を制御する制御ユニットの入力に接続されている。
【００４５】
蓄電装置は、再充電可能なマイクロバッテリ、および／またはスーパーキャパシタである場合がある。
【００４６】
第１および第２の出力回路は、例えばローパスフィルタを備えている。
【００４７】
さらに別の一態様においては、制御回路は、次のことを行う手段を備えている。
−  あらかじめ定められた量だけ異なる２つのデューティサイクルに対する、電気エネルギー源の出力端子の電圧を特定し、
−  このあらかじめ定められた量だけ異なる２つのデューティサイクルに対して得られた２つの電圧間の電圧差を計算し、
−  この電圧差の値と、前回の電圧差の計算において得られた電圧差の値との比較を行い、
−  この比較の結果に応じて、あらかじめ定められた量だけ、デューティサイクルの変更を命令する。
【００４８】
制御回路は、例えば前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが減らされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量だけの、デューティサイクルの増加を命令するように構成されている。
【００４９】
さらに、制御回路は、前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが増やされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量だけの、デューティサイクルの減少を命令するように構成されている場合がある。
【００５０】
非限定的な一例によれば、チョッパ回路は、電気エネルギー蓄積インダクタと、制御回路によって制御される少なくとも１つのチョッパスイッチとを備えている。
【００５１】
一変形例によれば、チョッパ回路の電気エネルギー蓄積インダクタ、およびチョッパスイッチは、昇圧構造に構成されている。
【００５２】
別の一変形例によれば、チョッパ回路の電気エネルギー蓄積インダクタ、およびチョッパスイッチは、降圧構造に構成されている。
【００５３】
制御回路は、第１および第２の出力回路の可変規模のチョッパスイッチのうちの少なくとも１つの制御を開始させるための、電気エネルギー蓄積インダクタの電流零点センサを備えている場合がある。
【００５４】
本発明は、さらに、送出される電力が大きく変動し得る少なくとも１つの電気エネルギー源と、この少なくとも１つの電気エネルギー源に接続されている少なくとも１つの上述のコンバータ回路とを備えている電子システムを提供するものである。
【００５５】
この電子システムは、次の特性のうちの１つ以上を、単独でまたは組み合わせで有している。
・  電気エネルギー源は、少なくとも１つの太陽電池を備えている。
・  電気エネルギー源は、少なくとも１つの風力発電装置を備えている。
・  電気エネルギー源は、少なくとも１つの熱電素子を備えている。
・  各電気エネルギー源の出力は、対応するコンバータ回路の入力に接続されており、コンバータ回路の第２の出力回路の各々は、スーパーキャパシタに接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態によるコンバータ回路を備える電子システムのブロック図である。
【図２】可変規模のチョッパスイッチの電気回路図の一例である。
【図３】最大電力点追尾法を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態によるコンバータ回路を備える電子システムのブロック図である。
【図５】図４のコンバータ回路の可変規模のチョッパスイッチの制御を、時間の関数として示すグラフである。
【図６】本発明の別の一実施形態による電子システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
添付図面を参照して、以下の説明を読むことによって、本発明の他の特徴および利点がより明瞭になると思う。
【００５８】
すべての図において、同等の部分には、同一の符号が付されている。
【００５９】
図１は、コンバータ回路２、およびコンバータ回路２に接続されている電気エネルギー源３を備えている電子システム１の図の一例である。
【００６０】
送出される電力に大きな変動を示し得る電気エネルギー源３は、例えば太陽電池または太陽電池パネル、熱電素子、または風力発電装置（特に小型のユニットの）である。
【００６１】
用語「大きな変動」は、図１に示されているような電気エネルギー源３から送出することができる電力が、その最低値と最高値との間で１００倍だけ変動することを意味していると理解されたい。
【００６２】
電気エネルギー源３の出力端子５が、キャパシタによって形成されているローパスフィルタ７を介して、コンバータ回路２の入力端子９に接続されている。
【００６３】
コンバータ回路２は、チョッパ回路１１を有しており、チョッパ回路１１の入力端子は、電気エネルギー源３に接続されている、コンバータ回路２の入力端子９を形成している。
【００６４】
チョッパ回路１１は、第１に、電気エネルギー蓄積インダクタ１２、および少なくとも１つの可変規模のチョッパスイッチ１３（以下、単に、スイッチ１３と呼ぶ）を備えている。
【００６５】
図１において、電気エネルギー蓄積インダクタ１２およびスイッチ１３は、昇圧構造（「ブースト構造」とも呼ばれる）に構成されている。すなわち、電気エネルギー蓄積インダクタ１２の入力が電気エネルギー源３に接続されており、かつスイッチ１３が「オン」状態にあるときに、電気エネルギー蓄積インダクタ１２の出力が接地されて、電気エネルギー蓄積インダクタ１２の周囲に磁界が形成されている。チョッピング周波数は、例えば２００ｋＨｚである。
【００６６】
図示しない一変形例によれば、電気エネルギー蓄積インダクタ１２およびスイッチ１３を、降圧構造に配置することもできる。
【００６７】
コンバータ回路は、さらに、第１の出力回路１４を備えている。
【００６８】
この第１の出力回路１４は、その上流側で、第１の可変規模のチョッパスイッチ１７（以下、単に、スイッチ１７と呼ぶ）を、チョッパ回路１１の出力端子１９に接続されている。
【００６９】
この第1の出力回路１４は、その下流側で、ローパスフィルタ２１を介して、電子システム１に属し、かつあらかじめ定められた電圧設定値範囲で動作する電気的な負荷２３に接続されている。
【００７０】
コンバータ回路の電力消費を最適にするために、スイッチ１３およびスイッチ１７として、可変規模のスイッチが用いられている。
【００７１】
可変規模のスイッチの一実施例の一例を、図２に示す。
【００７２】
したがって、図１のスイッチ１３および１７は、図２に示されているような並列に接続された、いくつかのスイッチの１セットで構成されている。
【００７３】
スイッチ１３および１７は、例えば互いに並列に配置されており、命令に応じて選択的に切り替え可能な、少なくとも２つ（または、図２におけるように３つ）のスイッチ１３０、１３２、１３４を有している。
【００７４】
これらの各スイッチ１３０、１３２、１３４を、全て同じ規模、すなわち同一であるようにすることができる。
【００７５】
したがって、小規模のスイッチ、すなわち、抵抗損失よりも、スイッチング損失の小さいことが重要であるスイッチが必要である場合には、個別のスイッチのうちの１つだけが、「オン」状態にスイッチングされる。
【００７６】
大規模のスイッチ、すなわち、スイッチング損失よりも、抵抗損失の小さいことが重要であるスイッチが必要である場合には、個別のスイッチのうちのいくつか、さらには全てが、「オン」状態に同時にスイッチングされる。
【００７７】
一変形例として、個別のスイッチ１３０、１３２、１３４を、規模が次第に大きくなるように、特に２倍ずつ大きくなるように、すなわち、個別のスイッチ１３４の規模が個別のスイッチ１３２の規模の２倍であり、個別のスイッチ１３２の規模が、個別のスイッチ１３０の規模の２倍であるようにすることができる。
【００７８】
したがって、複数の個別のスイッチを適切に組み合わせて、同時に「オン」状態にスイッチングすることによって、規模の範囲を拡張することができる。
【００７９】
コンバータ回路２は、制御回路５１によって駆動される。
【００８０】
この制御回路５１は、第１に、チョッパ回路１１したがってスイッチ１３のデューティサイクルαを制御し、第２に、スイッチ１７のスイッチングを制御する制御ユニット５３を備えている。このことについて、次に、詳細に説明する。
【００８１】
これらの制御を行うために、制御ユニット５３は、スイッチ１３および１７を制御する命令発生器（ＤＴＣＬユニット、すなわちデッドタイム制御ロジックユニットとも呼ばれる）５５を制御するために、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号を出力する。
【００８２】
スイッチ１３は、ＮＭＯＳタイプのトランジスタであり、そのベースは、バッファ（遅延線とも呼ばれる）１３Ａを介して、命令発生器５５の対応する出力に接続されていることに注意されたい。
【００８３】
スイッチ１７は、ＰＭＯＳタイプのトランジスタであり、そのベースは、バッファ１７Ａを介して、命令発生器５５の対応する出力に接続されている。
【００８４】
制御回路５１は、さらに、連続する２つの時点における、電気エネルギー源３の出力端子５の電圧を特定する手段を備えている。
【００８５】
この特定手段として、本発明では、例えば１つの入力を電気エネルギー源３の出力端子５に接続されており、１つの出力を制御ユニット５３の対応する入力に接続されているアナログ−デジタルコンバータ５７を用いている。
【００８６】
スイッチ１７の制御のために、制御回路５１は、電気エネルギー蓄積インダクタ１２を通る電流のキャンセルを特定する電流零点センサ５９を備えている。電流零点センサ５９は、制御ユニット５３の対応する入力に信号を送出する。
【００８７】
図示しない一変形例によれば、電流零点センサを、スイッチに並列に配置された、非常に低い電圧閾値を有するダイオードと置き換えることが可能である。
【００８８】
動作特性として、制御ユニット５３は、次のようになるように、命令発生器５５を制御する。
−  スイッチ１３が閉じられている（オン状態）とき、スイッチ１７は開かれており（オフ状態）、
−  スイッチ１７が閉じられている（オン状態）とき、スイッチ１３は開かれている（オフ状態）。
【００８９】
したがって、任意の時点において、スイッチ１３と１７とのうちのいずれか一方しか閉じられない。
【００９０】
不連続動作モードで、チョッパ回路１１に命令を送るように、制御回路を構成することができる。すなわち、電気エネルギー蓄積インダクタ１２中の電流は、周期的にキャンセルされる。
【００９１】
次に、図１のコンバータ回路２について、詳細に説明する。
【００９２】
制御回路５１は、第１に、チョッパ回路１１のデューティサイクルαを制御するように、第２に、電気エネルギー源３から送出される電力に応じて、スイッチ１３および１７の規模を制御するように構成されている。
【００９３】
本発明者は、電気エネルギー源３から送出される電力と、デューティサイクルαとの間に比例関係があることを見出している。電気エネルギー源３から送出される電力は、デューティサイクルの増加に応じて増加する。
【００９４】
したがって、制御回路５１は、電気エネルギー源３から送出される電力の増加に応じて、または、より簡単には、デューティサイクルαの増加に応じて、スイッチ１３および１７の規模を増加させる命令を送るように構成されている。
【００９５】
実際には、制御回路５１は、例えば電気エネルギー源３から送出される電力の、あらかじめ定められた複数の設定値範囲の各々に応じて、スイッチ１３および１７の規模を制御するように構成されている。
【００９６】
さらに、スイッチ１３および１７の規模の調整は、電気エネルギー源を、常に、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で動作させるように設計されている。
【００９７】
最適な電力点で電気エネルギーを取り出すために、ＭＰＰＴ法にしたがってデューティサイクルαを決定すること、およびスイッチ１３および１７の規模を制御するために、この最適デューティサイクルを用いることとを組み合わせて考えることが、非常に有利であることが判明している。
【００９８】
このことを遂行するために、本発明者は、デューティサイクルに関する、電気エネルギー源３の動作電圧の微分係数が、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で最大値を有することを見出している。したがって、電気エネルギー源３の動作電圧のこの微分係数の最大値の追尾は、最大電力点追尾と等価である。
【００９９】
したがって、以下に示すように、電気エネルギーおよび演算能力をほとんど要しない、動作電圧の単純な測定、減算操作、および比較操作を用いて、最大電力点（ＭＰＰ）の近くで、コンバータ回路２を動作させることができる。これは、利用可能な電力がほとんどない場合に、非常に有利である。
【０１００】
さらに、特別の測定を行う必要なしに、スイッチにおける損失を小さくすることができる。
【０１０１】
これらのことを行うために、制御ユニット５３は、次のステップによって、電気エネルギー源の動作電圧変化の関数として、チョッパ回路１１のデューティサイクルαを制御する（デューティサイクルαに関する動作電圧の微分係数を制御する）。
−  あらかじめ定められた量だけ異なる２つのデューティサイクルに対して、電気エネルギー源の出力端子の電圧を特定するステップ。
−  あらかじめ定められた量だけ異なる、この２つのデューティサイクルに対して得られた２つの電圧間の差を計算するステップ。
−  この電圧差の値を、前回の電圧差の計算において得られた電圧差の値と比較するステップ。
−  比較結果に応じて、あらかじめ定められた量だけデューティサイクルを変更するように命令するステップ。
【０１０２】
これらの各ステップを、図３を参照して、詳細に説明する。
【０１０３】
初期設定ステップ２００において、デューティサイクルαの値を、あらかじめ定められた値、例えばα＝０．５に設定し、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（α）を特定する。
【０１０４】
次に、デューティサイクルを、あらかじめ定められた量Δαだけ変更し、再度、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（α＋Δα）を特定する。
【０１０５】
次いで、これらの２つの電圧間の差の絶対値を、次の式にしたがって計算する。
ΔＶiniS＝｜ＶS（α）−ＶS（α＋Δα）｜
【０１０６】
一変形例として、ΔＶiniSを、あらかじめ定められた値に設定することも可能である。
【０１０７】
その後、繰り返して行われる制御ループ操作を開始する。
【０１０８】
ステップ２０２において、ループｋ（ｋは正の整数である）に対し、電気エネルギー源３の出力端子の電圧ＶS（αk）を特定する。
【０１０９】
ステップ２０４において、ループｋおよびループ（ｋ−１）に対し、測定された２つの電圧間の差の絶対値を、次式によって計算する。
ΔＶS（ｋ）＝｜ＶS（αk）−ＶS（αk-1）｜
ここで、｜αk−αk-1｜＝Δαである。
【０１１０】
次に、ステップ２０６において、この電圧差ΔＶS（ｋ）の値を、前回の電圧差の計算において得られた電圧差ΔＶS（ｋ−１）の値と比較する。
【０１１１】
ステップ２０８において、比較結果に応じて、制御ユニット５３は、あらかじめ定められた量Δαだけのデューティサイクルの変更を命令する。
【０１１２】
すなわち、制御回路５１は、前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが減らされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量Δαだけの、デューティサイクルの増加を命令するように構成されている。
【０１１３】
言い換えると、αk＝αk-1−Δαであり、かつΔＶS（ｋ）＜ΔＶS（ｋ−１）である場合に、αk+1＝αk＋Δαである。
【０１１４】
制御回路５１は、前回の電圧差の比較の結果、デューティサイクルが増やされており、かつ電圧差が、前回の電圧差の計算において得られた電圧差と比較して減少した場合に、あらかじめ定められた量Δαだけの、デューティサイクルの減少を命令するように構成されている。
【０１１５】
言い換えると、αk＝αk-1＋Δαであり、かつΔＶS（ｋ）＜ΔＶS（ｋ−１）である場合に、αk+1＝αk−Δαである。
【０１１６】
ステップ２０８の後、操作はステップ２０２に戻る。
【０１１７】
したがって、コンバータ回路は、電気エネルギー源３の出力端子の電圧を、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で揺らし、それによって、電気エネルギー源３で利用可能な最高レベルの電力の追尾を確実にする。
【０１１８】
最大電力点（ＭＰＰ）追尾周波数、すなわちデューティサイクルのリフレッシュ周波数、すなわちステップ２０２〜２０８を遂行するための周波数は、約１０ヘルツ、例えば１６ヘルツである。
【０１１９】
スイッチ１３および１７の規模の適合化のための周波数は、最大電力点（ＭＰＰ）追尾周波数と一致するようにすることができる。
【０１２０】
さらに、Δαの値が小さいほど、この電子システムは、最大電力点のより近傍で動作することができることは理解しうると思う。この場合、デューティサイクルが、動作状態の変化に、より迅速に順応することができるようにしたいときには、リフレッシュ周波数は、より高く選ばれる。
【０１２１】
上述のように、スイッチ１３が閉じられているとき、スイッチ１７は開かれており、したがって、電気エネルギー源３によって与えられる電流が、電気エネルギー蓄積インダクタ１２に流れ込み、磁界が発生している。
【０１２２】
次に、スイッチ１３を開くと、電気エネルギーを、負荷２３に直接供給することができるようになる。したがって、第１の出力回路１４は、チョッパ回路１１と一緒に、電圧レギュレータとして動作する。
【０１２３】
したがって、スイッチ１３が開かれているときに、出力電圧が、出力電圧の設定値範囲（負荷２３が動作する電圧設定値範囲）内に含まれていれば、スイッチ１７は閉じられている。
【０１２４】
次に、本発明の別の一実施形態を示す図４を参照する。
【０１２５】
この実施形態は、コンバータ回路２が第２の出力回路１５を有しているという点で、図１の実施形態とは異なる。
【０１２６】
第１の出力回路１４は、電力を直接的に消費する負荷２３に接続されており、第２の出力回路１５は、その後の電力消費のために、第２の出力回路１５からの出力エネルギーを蓄積するための蓄電装置２９に接続されている。
【０１２７】
これによって、電気エネルギー源３から取り出すことができる電気エネルギーの量を増やすことができる。
【０１２８】
第２の出力回路１５は、その上流側で、第２の可変規模のチョッパスイッチ２５（以下、単にスイッチ２５と呼ぶ）を、チョッパ回路１１の出力端子１９に接続されている。スイッチ２５は、スイッチ１７と同様に、ＰＭＯＳタイプのトランジスタであり、そのベースは、バッファ２５Ａを介して、命令発生器５５の対応する出力に接続されている。
【０１２９】
第２の出力回路１５は、その下流側で、ローパスフィルタ２７を介して、電子システム１に属する蓄電装置２９に接続されている。
【０１３０】
蓄電装置２９は、キャパシタ、スーパーキャパシタ、バッテリ、マイクロ電池、またはミニバッテリである場合がある。
【０１３１】
蓄電装置２９から、その下流の電気的な負荷３１に制御された電力を供給することを可能にするために、図４に示すように、ＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を設けることができる。
【０１３２】
蓄電装置２９が、バッテリ、マイクロ電池、またはミニバッテリである場合には、過熱および／または早期劣化を回避するためのバッテリ技術に則った条件にしたがったバッテリ充電を可能にするために、ローパスフィルタ２７と蓄電装置２９との間に、チャージャ回路が設けられる。
【０１３３】
第１の変形例において、負荷３１と負荷２３とは同一物である。この場合には、蓄電装置２９は、例えば電気エネルギー源３によって生成される電気エネルギーが、負荷２３に直接的に電力を供給するために十分でないときに、負荷２３に電力を供給するために用いられる。電気エネルギー源３として太陽電池が用いられている場合には、このことは、例えば夜間に、または例えば曇り空のために日光が弱すぎるときに、発生し得る。
【０１３４】
第２の変形例において、負荷２３と３１とは同一物ではなく、相異なる電力消費部品である。
【０１３５】
１充電／放電サイクル当たりのスイッチの数、したがってスイッチング動作の数が増加すると、スイッチ１３、１７、２５によるスイッチング損失の十分な制御が重要であることは容易に理解しうると思う。さらに、特に、電気エネルギー源３から送出される電力が、ＭＰＰＴ追尾法によって定められる場合には、電気エネルギー源３から送出される電力の関数として、および／またはデューティサイクルの関数として、スイッチ１３、１７、２５の規模を制御することが、コンバータ回路２の総合効率の最適化にとって重要であることが判明している。
【０１３６】
開状態にあるか、それとも閉状態にあるかによって、チョッパ回路１１の出力端子１９が、負荷２３に直接的に接続されるか、それとも蓄電装置２９に接続されるかが定められるスイッチ１７および２５の制御のために、制御回路５１は、一方の入力を第１の出力回路１４に接続され、他方の入力を基準電位６３に接続され、出力を制御ユニット５３の対応する入力に接続されているヒステリシスコンパレータ６１を備えている。
【０１３７】
動作特性として、制御ユニット５３は、命令発生器５５を、次のようになるように制御する。
−  スイッチ１３が閉じられている（オン状態）とき、スイッチ１７および２５は開かれており（オフ状態）、
−  スイッチ１７または２５が閉じられている（オン状態）とき、スイッチ１３は開かれている（オフ状態）。
【０１３８】
したがって、任意の時点において、スイッチ１３、１７、２５のうちの１つしか閉じることはできず、他の２つは開いている。
【０１３９】
次に、図４のコンバータ回路２について、詳細に説明する。
【０１４０】
図４のコンバータ回路は、図１のコンバータ回路と同様に、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で動作する。
【０１４１】
したがって、コンバータ回路２は、電気エネルギー源３の出力端子の電圧を、最大電力点（ＭＰＰ）の近傍で揺らし、それによって、電気エネルギー源３で利用可能な最高電力の収集を確実にする。
【０１４２】
上述のように、スイッチ１３が閉じられているとき、スイッチ１７および２５は開かれており、したがって、電気エネルギー源３によって与えられる電流が、電気エネルギー蓄積インダクタ１２に流れ込み、磁界が発生している。
【０１４３】
次に、スイッチ１３が開かれると、直接的な電力消費のために、スイッチ１７を閉じることによって、電力を負荷２３に直接供給することができる。またはスイッチ２５を閉じることによって、その後の電力消費のために、電力を蓄電装置２９に蓄えることができる。
【０１４４】
したがって、第１の出力回路１４は、チョッパ回路１１と一緒に、電圧レギュレータとして動作する。
【０１４５】
したがって、スイッチ１３が開かれているとき、出力電圧が、出力電圧の設定値範囲内に含まれている場合には、スイッチ１７は閉じられている。
【０１４６】
この設定値範囲は、ヒステリシスコンパレータ６１および基準電圧６３によって定められる。
【０１４７】
出力電圧が、設定値範囲外にある場合には、制御ユニット５３は、ヒステリシスコンパレータ６１から対応する信号を受けて、スイッチ１３が開いていれば、スイッチ２５を閉じるように命令する。
【０１４８】
したがって、電気エネルギー源３で発生した電気エネルギーを、負荷２３による直接的な電力消費のために、または蓄電装置２９の充電のために最適に収集することができる。
【０１４９】
この動作は、図５にも示されている。
【０１５０】
曲線３００、３０２、３０４は、それぞれスイッチ１３、１７、２５の制御電圧Ｕを、時間の関数として示している。この例示的な実施形態においては、スイッチ１３は、ＮＭＯＳタイプのトランジスタであり、スイッチ１７および２５は、ＰＭＯＳタイプのトランジスタであることを思い起こされたい。
【０１５１】
曲線３０６は、出力端子１９における電流の時間経過を示している。
【０１５２】
したがって、期間３０８において、スイッチ１３、１７、２５の制御電圧は、全てハイレベルにあり、したがって、ＮＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１３はオン状態にあり、電気エネルギー蓄積インダクタ１２にはエネルギーが蓄えられ、一方、ＰＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１７および２５はオフ状態にある。
【０１５３】
次に、期間３１０において、スイッチ１３および１７の制御電圧はローレベルになり、したがって、ＮＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１３はオフ状態になる。また、ＰＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１７がローレベルにされて「オン」状態になるから、第１の出力回路１４を介して、電気エネルギー蓄積インダクタ１２からエネルギーが放出される（曲線３０６を参照）。この期間３１０の長さは、出力電圧が、設定値範囲内に含まれているか否かに依存する。したがって、期間３１０の長さは、電気エネルギー源３によって生成される電気エネルギー、および負荷２３によって消費される電力に依存する。
【０１５４】
出力電圧が、出力電圧の設定値範囲外になり、かつＮＭＯＳタイプのトランジスタであるスイッチ１３の制御電圧がローレベルのままであり、したがってスイッチ１３がオフ状態にあると、期間３１２において、スイッチ１７はオフ状態に移行し、一方、スイッチ２５はオン状態に移行し、したがって、第２の出力回路１５を介して、電気エネルギー蓄積インダクタ１２からエネルギーが放出され、蓄電装置２９が再充電される。
【０１５５】
例えば負荷３１による、蓄電装置２９に蓄えられている電気エネルギーの使用は、それが必要なときに、通常通りに、ＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を介して行われる。したがって、これ以上詳細な説明は行われない。
【０１５６】
図６は、例えば図４のコンバータ回路のようなコンバータ回路２と組み合わされている複数の太陽電池を備えた電気システムのブロック図である。
【０１５７】
この場合には、安定化された電力を集中的に供給することができるように、コンバータ回路２の第１の出力回路１４同士が接続されており、また第２の出力回路１５の各々は、ＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を介してスーパーキャパシタに接続されている。
【０１５８】
太陽電池が互いに独立して設けられており、したがって、ある太陽電池、例えば日陰中にある太陽電池が、他の太陽電池に対する負荷になること、およびエネルギー収集効率の低下を引き起こすことが防止されるから、エネルギー収集が最適化される。
【０１５９】
さらに、このような構成によって、各太陽電池は、他の太陽電池から独立に、その最大電力点で動作することができる。
【０１６０】
最後に、スーパーキャパシタは、十分に充電されていると、ＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ３３を介して、そのエネルギーを送出することができる。
【０１６１】
したがって、本発明のコンバータ回路２は、電力スイッチにおける損失を小さくすることによって、エネルギー収集の最適化を可能にすることが理解しうると思う。
【０１６２】
このコンバータ回路は、さらに、その動作の単純性、およびエネルギーリソースおよび計算リソースに対する低要求度という点でも優位性を有している。
【０１６３】
自律センサに関しては、電気エネルギー源がエネルギーを十分に供給できないか、または全く供給できないときに自律センサに電力を供給する電池／バッテリの規模をより小さくすることができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１  電子システム
２  コンバータ回路
３  電気エネルギー源
５、１９  出力端子
７、２１、２７  ローパスフィルタ
９  入力端子
１１  チョッパ回路
１２  電気エネルギー蓄積インダクタ
１３、１７、２５  可変規模のチョッパスイッチ
１３Ａ、１７Ａ、２５Ａ  バッファ
１４  第１の出力回路
１５  第２の出力回路
２３、３１  負荷
２９  蓄電装置
３３  ＤＣ−ＤＣ電圧レギュレータ
５１  制御回路
５３  制御ユニット
５５  命令発生器
５７  アナログ−デジタルコンバータ
５９  電流零点センサ
６１  ヒステリシスコンパレータ
６３  基準電位
１３０、１３２、１３４  個別のスイッチ
３００、３０２、３０４、３０６  曲線
３０８、３１０、３１２  期間
【図１】
2011259695.tif 000003
【図２】
2011259695.tif 000004
【図３】
2011259695.tif 000005
【図４】
2011259695.tif 000006
【図５】
2011259695.tif 000007
【図６】
2011259695.tif 000008
【外国語明細書】
2011259695000001.pdf