(57)【要約】  太陽電池モジュールの背面に構成されるインバータ装置を動作させる方法であって、上記インバータ装置は整流回路に接続されたエネルギー回収回路装置を備え、上記方法は、エネルギー回収回路で構成された蓄積コンデンサに整流器の出力から電荷を転送することと、逆回復時間に関連付けられた期間の蓄積コンデンサに電荷を蓄積することと、ＤＣバス構造の出力に電荷を転送することで整流回路内のダイオード回復損失を低減することとを含む。
2015534450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池モジュールの背面上に構成されたインバータ装置であって、
上記インバータ装置は、エネルギー回収回路装置を備え、
上記エネルギー回収回路装置は、整流回路装置からの整流器の出力に接続された記憶装置を備えたエネルギー回収回路を備え、
上記エネルギー回収回路は、一時的に逆回復電荷を格納し、ＤＣバス構造の出力に逆回復電荷を転送することで整流回路のダイオード回復損失を低減するインバータ装置。
【請求項２】
上記記憶装置は、上記整流器の出力の第１の端子と第２の端子との間に構成されたコンデンサを備え、
上記第２の端子は接地端子である請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
上記エネルギー回収回路はさらに、上記コンデンサと第２端子の間のノードを備え、
上記ノードはＤＣバス構造の出力の出力電圧を有する請求項２記載のインバータ装置。
【請求項４】
上記インバータ装置はさらに、上記ノードと上記第２の端子との間に構成された第１のｐ−ｎダイオードを備え、
上記第１のｐ−ｎダイオードは、上記ノードにおいて出力電圧を保持するように構成される請求項３記載のインバータ装置。
【請求項５】
上記整流回路装置は、エネルギー回収回路と接続されたフルブリッジダイオード回路を備える請求項４記載のインバータ装置。
【請求項６】
上記エネルギー回収回路は、上記第１の端子に接続されたインダクタを備え、
上記インダクタは、蓄積コンデンサと並列に接続されかつ第１のｐ−ｎ接合ダイオードと直列に接続される請求項５記載のインバータ装置。
【請求項７】
上記エネルギー回収回路はさらに、上記第１のｐ−ｎ接合ダイオードと上記蓄積コンデンサとの間に設けられた第２のｐ−ｎ接合ダイオードを備え、
上記第２のｐ−ｎ接合ダイオードはＤＣバス構造の出力端子に接続される請求項６記載のインバータ装置。
【請求項８】
上記第２のｐ−ｎ接合ダイオードは、スイッチング電流が出力端子に流れるように構成される請求項７記載の装置。
【請求項９】
上記エネルギー回収回路は上記インバータ装置を用いて構成され、
上記インバータ装置は太陽電池のグループに接続される請求項１記載のインバータ装置。
【請求項１０】
上記太陽電池のグループは太陽電池モジュールに提供される請求項９記載のインバータ装置。
【請求項１１】
蓄積コンデンサは、上記整流回路でのスイッチング周波数と、逆回復電荷と、上記整流回路の出力の両端電圧とによって決定されるコンデンサンスを有する金属又はセラミック充填コンデンサ構造を有する請求項１記載のインバータ装置。
【請求項１２】
太陽電池モジュールの背面に構成されるインバータ装置を動作させる方法であって、
上記インバータ装置は、整流回路に接続されたエネルギー回収回路装置を備え、
上記方法は、
エネルギー回収回路で構成された蓄積コンデンサに整流器の出力から電荷を転送することと、
逆回復時間に関連付けられた期間の蓄積コンデンサに電荷を蓄積することと、
ＤＣバス構造に上記電荷を転送することで、上記整流回路内のダイオード回復損失を低減することとを備える方法。
【請求項１３】
記憶装置は、上記整流器の出力の第１の端子と第２の端子との間に構成されたコンデンサを備え、
上記第２の端子は接地端子である請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
上記エネルギー回収回路はさらに、上記コンデンサと上記第２の端子との間のノードを備え、
上記ノードは上記ＤＣバス構造の出力の出力電圧を有する請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
上記ノードと上記第２の端子との間に構成された第１のｐ−ｎダイオードをさらに備え、
上記第１のｐ−ｎダイオードは上記ノードを出力電圧で保持するように構成される請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
整流回路装置は、上記エネルギー回収回路に接続されたフルブリッジダイオード回路を備える請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
上記エネルギー回収回路は、上記第１の端子に接続されたインダクタを備え、
上記インダクタは、上記蓄積コンデンサに並列に接続されかつ第１のｐ−ｎ接合ダイオードに直列に接続される請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
上記エネルギー回収回路はさらに、上記第１のｐ−ｎ接合ダイオードと上記蓄積コンデンサとの間に設けられた第２のｐ−ｎ接合ダイオードを備え、
上記第２のｐ−ｎ接合ダイオードは、上記ＤＣバス構造の出力端子に接続される請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
上記第２のｐ−ｎ接合ダイオードは、スイッチング電流が上記出力端子に流れるように構成される請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
上記エネルギー回収回路はインバータ装置を用いて構成され、
上記インバータ装置は太陽電池のグループに接続され、
上記太陽電池のグループは太陽電池モジュールに設けられ、
蓄積コンデンサは、上記整流回路のスイッチング周波数と、上記逆回復電荷と、上記整流器の出力の両端電圧とによって決定されるキャパシタンスを有する金属又はセラミック充填コンデンサ構造を有する請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に集積回路に関する。より詳細には、本開示は、太陽電池モジュールのために構成されたエネルギー回収回路アーキテクチャを含むインバータ装置のための方法及びシステムを提供する。一例として、インバータ装置は、複数の太陽電池を含む太陽電池モジュールの背面に接続することができる。もちろん、他に変形、修正、あるいは代替することも可能である。
【０００２】
関連出願の相互参照
２０１２年１０月２５日付けの米国特許出願第１３／６６０７５２号及び２０１２年１２月３１日付けの米国特許出願第１３／７３２１８１号に基づいて優先権を主張し、これらの開示はその全体が本明細書中で参照文献として包含される。
【背景技術】
【０００３】
光電効果の発見以来、複数のソーラーインバータは、複数の太陽電池又は複数のソーラーパネルによって生成された直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）に変換するように設計されている。ＤＣ電源からの到来信号を常にインバージョン（変換）するプロセスとして元々参照される、インバータとして名付けられる回路は、数ワットから数メガワットへのＤＣからＡＣへの変換を実行していた。２０００年代初頭におけるＰＶソーラーパネル技術の復活以来、インバータはソーラー装置の設置コスト、性能及び信頼性を決定してので、インバータは焦点技術となっている。バランスオブシステム（ＢＯＳ）の構成要素の一部として他の構成要素を用いることで、インバータはインストールの寿命を定義する上で重要な役割を果たしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一例として、米国エネルギー省は、住宅、商業及び実用規模の太陽光発電（ＰＶ）太陽インストール用の太陽光発電システムのための１ドル／ワット（ＤＣ）の設置コストの目標を達成するためにＳｕｎＳｈｏｔ（登録商標）イニシアチブを立ち上げました。パネルのコストが急激に落下すると、インバータは、ＢＯＳコストや設置コストは、太陽光発電産業のための焦点となっている。また、かなりの資本支出とＯ＆Ｍコストに貢献するように加えて、（負荷のグリッド／エンドポイントへのソーラーパネル）より低いシステムの効率は８０％前後を推移し、関心領域となっている。システム効率と性能を向上させることでコストを下げることになり、効率的な電力変換トポロジーがＰＶ太陽電池電力のための電気のレバレッジコスト（ＬＣＯＥ）がグリッドパリティの目標を達成するために求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、一般に集積回路に関する。より詳細には、本開示は、太陽電池モジュールのために構成された、エネルギー回収回路を含むインバータ装置のための方法及びシステムを提供する。一例として、インバータ装置は、複数の太陽電池を含む太陽電池モジュールの背面に接続することができる。もちろん、他に変形、修正、あるいは代替することも可能である。
【０００６】
具体的な実施形態において、本発明は、太陽電池モジュールの背面に構成されるインバータ装置を提供する。一例では、インバータ装置は、エネルギー回収回路装置を備える。エネルギー回収回路は、整流回路装置から整流器の出力に接続された記憶装置を備える。エネルギー回収回路は、一時的に逆回復電荷を蓄積し、ＤＣバス構造の出力に逆回復電荷を転送し、整流回路のダイオード回復損失を低減するように構成される。
【０００７】
一例では、記憶装置は、整流器の出力の第１の端子と第２の端子との間に構成されたコンデンサを備える。一例では、第２の端子は接地端子である。一例では、エネルギー回収回路は、コンデンサと第２の端子の間のノードを備える。ノードは、ＤＣバス構造の出力の出力電圧を有する。一例では、エネルギー回収回路は、ノードと第２の端子との間に構成された第１のｐ−ｎダイオードを備える。第１のｐ−ｎダイオードは、ノードを出力電圧で保持するように構成される。一例では、整流回路装置は、エネルギー回収回路と接続されたフルブリッジダイオード回路を備える。一例では、エネルギー回収回路はさらに、第１の端子に接続されたインダクタを備える。インダクタは、蓄積コンデンサに並列に接続されかつ第１のｐ−ｎ接合ダイオードに直列に接続される。一例では、エネルギー回収回路は、第１のｐ−ｎ接合ダイオードと蓄積容量との間に設けられた第２のｐ−ｎ接合ダイオードを備える。第２のｐ−ｎ接合ダイオードは、ＤＣバス構造の出力端子に接続される。一例では、第２のｐ−ｎ接合ダイオードは、スイッチング電流が出力端子に流れるように構成される。一例では、エネルギー回収回路は、太陽電池のグループに接続されたインバータ装置を用いて構成される。一例では、太陽電池のグループは、太陽電池モジュール内に設けられる。一例では、蓄積コンデンサは、整流回路上のスイッチング周波数と、逆回復電荷と、整流器の出力の両端電圧とによって決定されるキャパシタンスを有する金属又はセラミック充填コンデンサ構造を有する。
【０００８】
代替の特定の実施形態では、本発明は、太陽電池モジュールの背面上に構成されたインバータ装置を動作させる方法を提供し、上記インバータ装置は、整流回路に接続されたエネルギー回収回路装置を備える。上記方法は、エネルギー回収回路において構成される蓄電コンデンサに整流器の出力から電荷を転送することと、逆回復時間に関連付けられた期間の蓄積コンデンサに電荷を蓄積することと、ＤＣバス構造の出力に電荷を転送することで整流回路内のダイオード回復損失を低減することを備える。
【０００９】
さらに、本方法の詳細は、本明細書及び、さらに詳しくは以下の説明において見つけることができる。多くの利点は本発明の方法により達成される。例えば、本発明は、太陽電池モジュールに接続された背面上に、マスタ／スレーブアーキテクチャを有する、集積化された太陽光インバータ装置を使用する。
【発明の効果】
【００１０】
現在の太陽電池モジュールは、効率的で、接合ボックスを介して接続された外部インバータを備えた従来の太陽電池モジュールよりもコスト的に安価である。また、インバータ装置は、スレーブ回路とマスター回路を備える。実施形態によっては、利点の一つ以上を達成することができる。これら及び他の利点は、本明細書を通じて、特に以下にさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施形態に係る、複数のセルと、関連する複数のインバータを備えた太陽電池モジュールの簡略化した上面図である。
【図２】本開示の実施形態に係る、スレーブインバータに接続されたモジュールの背面の簡略化された上面図である。
【図３】本開示の実施形態に係る、マスターチップモジュールの簡略図である。
【図４】本開示の実施形態に係る、スレーブチップモジュールの簡略図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態に係る、マスターチップモジュールとスレーブチップモジュールの動作の簡略化したフロー図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態に係る、マスターチップモジュールとスレーブチップモジュールの動作の簡略化したフロー図である。
【図５】本開示の実施形態に係る、フィルタ、移相器、ＲＥＲＣ、及び（移相器とＲＥＲＣとを含む）昇圧回路を含む、図４のスレーブ回路のより詳細図である。
【図６】本開示の実施形態に係るインバータ回路の一例である。
【図７】本開示の実施形態に係るインバータ回路の一例である。
【図８】本開示の実施形態に係るインバータ回路の一例である。
【図９】本開示の実施形態に係る、スレーブ回路から導出される波形である。
【図１０】本開示の実施形態に係る、複数のスレーブ回路を接続されたマスター回路の全体図である。
【図１１】本開示の実施形態に係る、各スレーブ回路からの電圧及び電流波形のそれぞれと、当該電圧及び電流波形のそれぞれの合成とを示す。
【図１２】本開示の実施形態に係る、ガラス部材、複数のセル、背面、及びインバータを含む複数の太陽電池素子を示す。
【図１３】本開示の実施形態に係る、ＲＥＲＣ回路の有無における整流ブリッジダイオードの両端電圧をスイッチングときの波形を示す図である。
【図１４】本開示の実施形態に係る、ＲＥＲＣ回路の有無における整流ブリッジダイオードの両端電圧をスイッチングときの波形を示す図である。
【図１５】図１３及び図１４の回路のための時間に対する電圧／電流のプロットを示す。
【図１６】本開示の実施形態に係る、波形整形回路の複数の波形を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示は、一般的に集積回路に関する。より詳細には、本開示は、太陽電池モジュールのために構成され、エネルギー回収回路アーキテクチャを含むインバータ装置のための方法及びシステムを提供する。一例として、インバータ装置は、複数の太陽電池を含む太陽電池モジュールの背面に接続又は接続することができる。もちろん、他に変形、修正、あるいは代替することも可能である。
【００１３】
ＰＶパネルにおいて定格出力電力が増加すると、最大電力点（ＭＰＰ）で動作する概念は、発電を最大化するための予備的な要件となっている。さらに、それらのＭＰＰポイントにおいて通常で±３から５パーセントだけ異なることが可能である複数の「ストリンギング（stringing）」ＰＶパネルは、ほとんどすべてが、準最適な（次善の）電力点で実行されているという結果を得る。さらに、より高い損失に寄与するシェーディング及びソイリング（汚れ）の効果はストリングトポロジで増幅されうる。その結果、中央の反転、列の反転トポロジーは、実質的に低いシステム効率を有する。価格と信頼性の利点を持つこれらのトポロジは、長期的にはコストがかかることが判明する。最も資金提供をうけているＰＶプロジェクトでは、中央の反転トポロジーの高い経済コストは、システムの性能を犠牲にするこれらの利点のために好ましい。中央反転トポロジーの重要な短時間到来は、パネルレベルのモニタと報告を通じてＯ＆Ｍを支援することができないことである。ストリングの設計、レイアウトの最適化、ＢＯＳの部品コストとＥＰＣコストはそのようなトポロジの有用性を計算しながら、通常無視されている中央の反転トポロジに対してより高い有意性を有する。
【００１４】
一方、分散型コンバータやマイクロインバータは、どのような気象条件で最適な効率を実現するシステムを可能にするパネルレベルで反転のタスクを実行する。各マイクロインバータの出力が所望電圧でグリッド同期化されたＡＣ電源であるため、マイクロインバータは、通常、各パネルからの交流電流を集約するためにディジーチェイン方式で接続される。複数のマイクロインバータは、ミスマッチ損失、準最適な（次善の）電力点損失を除去し、シェーディング及びソイリング（汚れ）の損失の効果を低下させる。加えて、それらは、パネルモニタリング及びＯ＆Ｍに対する支援の報告の効果をもたらす。他のトポロジーに対するマイクロインバータの性能は以下のようになる。
【００１５】
一例では、特定の課題が、分散型電力コンバータに直面する。マイクロインバータの解決法は、コストと信頼性の概念に対して挑戦されている。いくつかの第１世代のマイクロインバータの解決法は大幅にコストがかかり、信頼できないとして認識されてきた。信頼性の問題が深刻なフィールド障害が修復して交換することが多大なコストをもたらすであろう商業及び実用規模のセグメントにおけるマイクロインバータの採用を妨げる。しかし、ほとんどのマイクロインバータの企業が、彼らの信頼性を証明するためにＨＡＬＴ／ＡＬＴを生成しフィールド試験データを生成する。大幅なコストへの影響を「新技術」を採用の懸念は、より多くのフィールド性能データが利用可能になるにつれて次の数年度以内で持続することが期待されている。マイクロインバータは、システムレベルでのコストは効果的ではあるが、多くの場合、インバータ価格同士を比較して、より高いコストの代替と呼ばれる。
【００１６】
マイクロインバータが最初に住宅や小型商用（＜１５ＫＷ）のＰＶのインストールでＰＶソーラー市場で注目を集めたように、大幅に設置コストを低減しながら、大幅にコストを削減して集積化されたＡＣパネルを開発するという概念、及び残りのＢＯＭコストは大手パネルメーカーとマイクロインバータの企業が共同で進められている。このアプローチは、まだ障害が発生した場合に、パネルとマイクロインバータ間の責任の明確な区別が可能になる。しかし、有意なコスト、性能と信頼性のメリットがないように集積化された解決法の概念は大きな欠点がある。正確に「ＡＣパネル」を構成するものへと、どのようにそれが２０１０年までにはＰＶソーラーＬＣＯＥを正規化するために、１ドル／ワットのコストを実現できるように、業界で重要な議論があった。さらに、これらのアプローチは、より信頼性を向上させながらコストを大幅に下げることができるカスタムＡＳＩＣの手の届かないところに、システムレベルでの解決法を持続する。
【００１７】
一例では、「ＡＣパネル」の性能を向上させるために努力しながら、ＡＣパネルは好ましくはコストと信頼性のコアの問題に焦点を当てる。さらに、基本的な電力変換アーキテクチャは、大幅に低いコストとはるかに高い信頼性に対して遅れるプロセスを用いて、カスタムＡＳＩＣのために提供する必要がある。次章で説明するイーグル・ブラックプレーン集積化インバータＡＣパネルは、次世代の交流パネル技術であり、ＡＣパネル技術は大幅にＰＶソーラーのインストールのための解決法の展望を変更するであろう。
【００１８】
一例では、本インバータ装置は、交流パネル技術が直面する課題を克服するために、太陽電池パネルの背面に集積化することができる。現在のパネルは、コスト、信頼性、製品設計に同時に取り組まれて性能を備えたＡＣパネル解決法への全体的なアプローチによって定義される。インバージョン変換技術の以前のコスト低減を観察されたように、電力電子回路が一般的に困難なカスタムＡＳＩＣを介してのみ可能である。高価なパッケージング技術を備えたマルチチップモジュールは、通常、低コストでカスタム電源回路を開発するために選択された通りである。しかし、現在のパネル技術のＰＶパネルにおけるセルのグループによって生成された直流電力の「ナノ」インバージョン変換を実現するためには、革新的なマスター／スレーブアーキテクチャに依存している。セルにより扱われる電力が低いために、本ＡＣパネルは、９８％よりも高い効率で昇圧しながら、２０倍ないし４０倍の電圧にわたって達成する画期的なＤＣ−ＤＣ昇圧回路を備える。さらに、当該回路は、複数の出力ブリッジで高価なＳｉＣダイオードの使用を排除し、安価なショットキーダイオードに置き換えるために、革新的な「エネルギー回収回路」を使用する。この革新的な回路は、わずかなコストで優れた性能を実現しながら、エッジＩＣ製造プロセスを遅延させるときにＡＳＩＣにパッケージ化するための解決法全体を可能にする。
【００１９】
本パネル技術解決法は、最大２４個の「スレーブ」インバータのＡＳＩＣと連携して動作し、「マスター」制御や通信ＡＳＩＣを有する。マスタ／スレーブＡＣパネルトポロジは、１２０Ｖ／２４０Ｖ／２７７ＶＡＣパネルを提供するために６０セル、７２セル又は９０セルのＰＶパネルに実装することができる非常にスケーラブルな解決法である。これらの交流のパネルは３００Ｗから１ＭＷまであるべてのインストールを可能にするために独立してグリッド連結される。各ＡＣパネルが接地したＡＣ出力と完全に集積化されるように、システムの組み立てとインストールプロセスが完全に簡単で、非常に安全になる。
【００２０】
マスタ／スレーブトポロジーは、ＡＣパネルでセルのグループに接続されたスレーブのＡＳＩＣを制御する１つのマスターのＡＳＩＣで構成されている。これは、本質的にグループにセルをそれらの配置を最適化するセルの接続のグリッドアレイである「背面」を介して達成される。各セルグループは、スレーブＡＳＩＣの入力少なくとも４〜７ＶＤＣを提供することが期待される。「背面」の詳細は次のセクションで説明する。
【００２１】
ＡＣパネルマスター／スレーブトポロジーは高価な磁気部品だけでなく、エネルギー蓄積コンデンサの必要性を低減する。ＡＣパネルのマスターＡＳＩＣは必要な電圧と周波数のパラメータのグリッドをモニタし、それに応じてスレーブインバータを有効にし、もしくは無効にする。パネル内の複数のセルは、複数のセルの各グループから、それらの対応するスレーブインバータの入力までのルーティング長を最適化する「背面」カスタム設計にすべく、（ポリシリコン／モノラル結晶／薄膜セルに依存する）１０又は１２のアレーに分離することができる。グループ内のセルの数がスレーブインバータに必要な入力電圧によって決定されるように、さまざまな出力電力のＡＣパネルが可能である。各マスタＡＳＩＣは、１２個のスレーブインバータを制御することができるように、２４０Ｗから１．４ＫＷまでのＡＣパネルを設計することができる。次いで、パネルサイズの制限は電気機械的な制約より制約によって決定されるであろう。また、最適なコスト削減は、２７７Ｖの出力を有するおよそ６４０Ｗシステムを達成でき、これにより４８０Ｖ３相システムを可能にする。
【００２２】
図１は、本開示の実施形態に係る、複数のセルと、関連する複数のインバータを備えた太陽電池モジュールの簡略化した上面図である。図１に示すように、本平面インバータアーキテクチャは、インバージョン変換プロセスをＭＰＰＴを有するＤＣ昇圧に分割し、パネルにおける複数のセルの各グループから１２０Ｖ／２４０Ｖ／２７７Ｖの整流されたＤＣ波形を発生させ、マスターＡＳＩＣによって制御されるＡＣアンフォルダ回路においてそれらの電流を合成する。セル配置の最適化はカスタム設計することにより達成され、「背面」はスレーブインバータがＡＲＣフィルタインダクタと一緒に集積化された、非常に薄型の平面ＤＣ昇圧変圧器を有することができる。以下のセクションで説明するＤＣ昇圧回路は、２００ｋＨｚ未満のスイッチング周波数で「ゼロ電圧」を実現する独自のスイッチング技術を用いて２０倍ないし４０倍の昇圧を実現している。スレーブインバータはまた、パネルグループの電圧と電流を検知して各セルグループからの電力を最適化する、セルグループレベルのＭＰＰＴを実行する。このことは、マイクロインバータと集積化された複数の交流パネルよりも有意に高い性能を実現することができるＡＣパネルの電源インバータを可能にする。カスタムＡＳＩＣへのすべての所望の回路のカプセル化はかなりうまく、通常２５年を超えてＡＣパネルの信頼性を向上させる。この高い信頼性はまた性能の向上と大幅に低いコストを有する。
【００２３】
図２は、本開示の実施形態に係るスレーブインバータに接続されたモジュールの背面の簡略化された上面図である。ＡＣパネルの「背面」は、スレーブインバータの電源回路を駆動するグループに、グループパネル上のセルをカスタム設計されたグリッド（格子）配列である。「背面」（ＢＰ）は電気回路の一体化された部分では、セルのレイアウトを最適化する際に重要な役割を果たしている。
【００２４】
ＢＰは、各スレーブインバータ用のセルグループを選択することで、マスター／スレーブインバータの集積化でマイナーな改善を可能にする。セルは、直接パネルアセンブリ中に配置することができる上に、「ノード」を提供しながら、スレーブインバータに各セルグループの物理的近接によりタブ配線の低コスト化が可能となる。ＢＰ回路は、複数のマスタ／スレーブのＡＳＩＣを保持するメインインバータＰＣＢにフックで保持された付加的な面層である。ＢＰの形状及びレイアウトは、ＡＣパネルに使用されているセルの特性によって決定される。個々のセルの大部分が個々のセルの大部分において直列に接続されている「ポリシリコンパネル」よりも、並列に接続されるように、ノードの数は、「薄膜」パネルはるかに少なくすることができる。その結果、個々のセルのブランチ上のノードは、セル材料によって画成されて、所望のセルの出力電力と電圧を最適化する必要がある。ＢＰの目的は、それらからの入力ＤＣ電圧が４Ｖ以上になるように、最適なセルのグループ化を確保することである。ＢＰはまた、スレーブインバータの入力に到達する前に、その長さを最小化することにより、タブ線上に最小限の損失を確保する必要がある。
【００２５】
具体的な実施形態において、本発明は、背面に集積化されたインバータ装置と太陽電池モジュール装置を提供する。モジュール装置は、前面と裏面を有する基板部材を含む。モジュール装置は、第１のシリアル構成に接続された第１のグループの太陽電池と、第２の直列構成に接続された第２のグループの太陽電池とを含む、複数の太陽電池を有する。モジュール装置は、基板部材の前面を覆って形成されたタブ線構成を有する。タブ線は、第１のシリアル構成の第１のセットの太陽電池に接続された第１の相互接続（配線）と、第２の直列構成の第２のセットの太陽電池に接続された第２の相互接続（配線）とを備える。モジュール装置は、基板部材の裏面側に接続されたインバータ装置を有する。インバータ装置は、第１の相互接続に接続された第１のセットの接続と、第２の相互接続に接続された第２のセットの接続とを備える。
【００２６】
図３は、本開示の実施形態に係るマスターチップモジュールの簡略図である。図示のように、マスターチップモジュールは、マスタＡＳＩＣである。マスターＡＳＩＣはＡＣパネルの中央制御部を制御するようにホストとして動作する。マスターＡＳＩＣは、以下のような特徴を有する。
【００２７】
１．最大２４個のスレーブインバータと集積化されたＡＣアンフォルダを制御する。
【００２８】
２．グリッドタイと、内部同期を有するオフグリッドアプリケーションの両方のためのアルゴリズムを制御する。
【００２９】
３．ＩＥＥＥ１５４７／ＵＬ１７４１のグリッド条件をチェックし、異常なグリッド／負荷又は低電力状態でのパネルの電力生成を有効（イネーブル）／無効（ディスエーブル）にする。
【００３０】
４．インバータのそれぞれの電流出力を制御し、異常なグリッド／負荷状態が発生した場合にスレーブインバータを有効（イネーブル）／無効（ディスエーブル）にする。
【００３１】
５．インバータのグリッド側／負荷側に何を出力するかについて絶対的で先制的な制御を行う。
【００３２】
６．出力におけるＡＣパネルの累積発電量とともに、個々のインバータの電力生成をモニタする。
【００３３】
７．スレーブ制御ＡＳＩＣのための比例基準の整流されたグリッド電圧を生成して１２０／２４０／２７７Ｖ  ＲＭＳの整流されたグリッド波形を生成する。
【００３４】
８．出力のアンフォルダを入力されるグリッド電圧又は負荷側変換（コミュテーション）電圧に同期化し、最小のＴＨＤを有するきれいな正弦波交流波形を生成する。
【００３５】
９．有線／無線の物理層上で任意の中央データ収集システムと通信を行う。
【００３６】
一例では、マスターＡＳＩＣはスレーブインバータのそれぞれからの電圧と電流の信号出力を測定し、それらのそれぞれの比例ＭＰＰＴ設定点を生成する。マスターＡＳＩＣのアーキテクチャのブロック図が図示される。
【００３７】
スレーブＡＳＩＣは、パネル上のセルの特定のグループのためのインバータの電力生成管理ＡＳＩＣである。これは、セルの直列又は並列グループからＤＣ入力を受け取る。スレーブインバータＡＳＩＣの特長は以下の通りである。
【００３８】
１．セルグループの電圧と電流をモニタする。
【００３９】
２．セルグループの電流／電圧をＭＰＰＴ制御することで、それらがＭＰＰポイントで動作することを保証する。
【００４０】
３．マスターＡＳＩＣを使用してモニターして報告するための電流／電圧／温度データを照合する。
【００４１】
４．交流パネル構成により所望されるように、１２０Ｖ／２４０Ｖ／２７７Ｖで出力アンフォルダのブリッジのために整流された正弦波形を生成する。
【００４２】
５．マスターＡＳＩＣによって、グリッド相互接続又は負荷側変換（コミュテーション）のための高品質であって低高調波歪み（ＴＨＤ）出力の整流された正弦波を保持する。
【００４３】
６．マスターＡＳＩＣから入力される基準信号を追跡するために高速高精度の混合された信号制御ループを提供する。
【００４４】
７．グリッドタイド動作のための平均電流モード、及びオフグリッドアプリケーションのための電圧モードピーク電流モードにおいて動作する。
【００４５】
８．ＲＩＳＣプロセッサは、複数の精密制御状態マシンと、データ照合エンジンを有する。
【００４６】
図４は、本開示の実施形態に係るスレーブチップモジュールの簡略図である。制御ＡＳＩＣのブロック図が示されている。
【００４７】
具体的な実施形態において、本発明は、太陽電池モジュールのための分散型の電力変換装置を提供する。当該システムは複数のスレーブ回路を有し、各スレーブ回路は太陽電池グループに接続される。各スレーブ回路は、太陽電池セルグループからの直流入力を備えた入力を有する。スレーブ回路は、入力に接続された予備昇圧回路を有する。予備昇圧回路は、中間電圧に太陽電池セルグループからの入力からの入力電圧を昇圧するように構成されている。スレーブ回路は、予備昇圧回路に接続されたＤＣ昇圧回路を有しており、ＡＣ  ＲＭＳピーク電圧に中間電圧を昇圧するように構成されている。スレーブ回路はＤＣ昇圧回路に接続された整流回路を有し、当該整流回路は半波整流ＤＣ波形に出力されるＤＣ出力を波形整形するように構成され、好ましくは、当該整流回路におけるダイオード回収損失を低減するように構成される。
【００４８】
一例では、システムは、直流バス構造とマスター回路に接続された出力を有する。マスター回路は、ＤＣバス構造を介してスレーブ回路のそれぞれに接続される。マスター回路は、同期化された半波整流ＤＣ波形を発生する複数のスレーブ回路のそれぞれを同期化するためのタイミング信号を発生するように構成される。複数のスレーブ回路は、複数のスレーブ回路のそれぞれからの複数の振幅のそれぞれの合成によって特徴づけられる振幅を有する、結果として得られる半波整流ＤＣ波形を出力する。
【００４９】
一例では、各入力は、第１の端子と第２の端子を備える。予備昇圧回路の各々は、昇圧回路内に接続された容量性記憶装置に接続された誘導性記憶装置を備える。ＤＣ昇圧回路のそれぞれは、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）又はゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）又はＺＶＳ及びＺＣＳの両方を実現する位相シフトフルブリッジ昇圧回路又は高度な昇圧回路を備える。複数の整流回路の各々は、エネルギー回収回路に接続された４つのダイオードブリッジ回路を備える。複数の出力のそれぞれはＤＣバス構造に接続された一対の端子を備える。
【００５０】
一例では、システムは様々な電圧を有する。一例として、入力は、最後の４ボルトの電圧を有する。一例では、中間電圧は２０ボルト〜約１５ボルトの範囲である。一例では、半波整流ＤＣ波形が約１６０ボルトから３５０ボルトの範囲の電圧を有する。一例では、複数の半波整流ＤＣ波形のそれぞれは、集約された電流波形を得るように実質的に同様の電圧によって特徴付けられ、集約された電流波形は、複数の半波整流ＤＣ波形のそれぞれから得られた所定数の電流に実質的に等しい。当該所定数は複数のスレーブ回路における複数のスレーブ回路の数に等しい。
【００５１】
一例では、複数の太陽電池の各グループは、出力電力がシリアルで構成されかつスレーブ回路に直接に接続された複数の太陽電池のグループから最適化されるようにスレーブインバータ回路を備える。一例では、複数のスレーブ回路の各々は、複数の太陽電池の各グループから得られたＤＣ電源と、合成されたＡＣ電源との間のガルバニック絶縁を提供し、ここで、合成されたＡＣ電源はグリッド電源又は別の装置によって生成されたＡＣ信号のいずれかである。一例では、スレーブインバータ回路の各々は共通信号でその動作が停止され、グリッド電源に接続された場合（アンチ単独運転）の安全性を向上させるためにＤＣからＡＣへのインバージョン変換を実行することを防止する。一例では、分散型電力変換装置は、太陽電池モジュールの一方の基板の背面を提供し、接合ボックス又は電力アグリゲータから実質的に自由な配置状態となっている。一例では、マスター回路は、電圧及びＤＣバス構造上の電流波形を展開するように構成されている。
【００５２】
代替的な実施形態では、マスター回路を有する太陽電池モジュール装置は、複数のスレーブ回路のそれぞれによって発生された同期化された半波整流ＤＣ波形のそれぞれを、グリッドＡＣ信号又は基準ＡＣ信号に同期化するためのタイミング信号を発生することで、オングリッドアプリケーション及びオフグリッドアプリケーションにおけるモジュール内に設けられた太陽電池の複数のグループのＤＣ−ＡＣ電力変換を可能にする。
【００５３】
一例では、上記マスター回路は、オングリッドモードで構成されたときにグリッドＡＣ信号に対する外部状態における変化に応答して、複数のスレーブ回路のそれぞれの性能を調整するための少なくとも１つのハウスキーピング動作のために構成される。一例では、マスター回路はオフグリッドモードに設定されている場合、基準ＡＣ信号の外部条件の変化に応答してスレーブ回路のそれぞれの性能を調整するために、少なくとも１つのハウスキーピング操作のために構成されている。一例では、同期化された半波整流ＤＣ波形はＡＣ電圧及び電流波形に変換されて、構成されたアプリケーションの特徴に対応して提供されるＡＣアンフォールディング回路の選択を用いてオングリッド動作のためのユーティリティグリッド又はオフグリッドアプリケーションのためのマイクログリッドに対して給電する。一例では、マスター回路とアンフォールディング回路は、センス回路の合成を使用して、グリッドＡＣ信号と基準ＡＣ信号をモニタし、スレーブ回路の基準信号を発生し、同期化された半波整流ＤＣ波形を発生し、各セルグループからの電力出力を加算する。
【００５４】
一例において、本発明は、太陽電池モジュールのための分散型電力変換装置を使用する方法を提供する。この方法は、モジュール内に設けられた太陽電池セルグループが複数の太陽電池のセルグループからのＤＣ出力を生成し、入力に接続された予備昇圧回路の入力にＤＣ出力を受信することを含む。この方法は、予備昇圧回路を使用して、太陽電池セルグループからの入力から入力される入力電圧を中間電圧に昇圧することを含む。この方法はＤＣ昇圧回路を使用して中間電圧をＡＣ  ＲＭＳピーク電圧に昇圧することを含む。この方法は、整流回路におけるダイオード回収損失を軽減させながらＤＣ出力を半波整流ＤＣ波形に波形整形して、半波整流ＤＣ波形を同期化するためのマスター回路からのタイミング信号を発生し、同期化された半波整流ＤＣ波形を発生する。この方法は上記同期化された半波整流ＤＣ波形を複数の他の同期化された半波整流ＤＣ波形に合成して、同期化された複数の半波整流ＤＣ波形のそれぞれからの各振幅の合成によって特徴づけられる振幅を有する、結果として得られる半波整流ＤＣ波形を出力する。本発明の方法のさらなる詳細は本明細書を通じて、特に以下に見つけることができる。
【００５５】
図４Ａは、本発明の実施形態に係るマスターチップモジュールとスレーブチップモジュールの動作の簡略化したフロー図である。
【００５６】
図４Ｂは、本発明の実施形態に係るマスターチップモジュールとスレーブチップモジュールの動作の簡略化したフロー図である。
【００５７】
図５は、本開示の実施形態に係る、フィルタ、移相器、ＲＥＲＣ、及び（移相器とＲＥＲＣを含む）昇圧回路を含む、図４のスレーブ回路のより詳細な図である。図示されているように、昇圧ステージは、高効率で２０倍ないし４０倍の電圧昇圧を可能にするスレーブインバータＡＳＩＣの重要な部分である。加えて、この昇圧コンバータ回路は、遅延エッジプロセス技術における電源回路のカプセル化を可能にする、低電圧ＭＯＳＦＥＴを使用するように設計されている。コスト削減はさらに、ＳｉＣダイオードの代わりに、安価な超高速シリコンｐ−ｎ接合ダイオードを使用することによって達成され、革新的な「整流エネルギー回収回路」は９８％以上の効率を提供する損失を最小限に抑えている。以下に詳細に記載されている上記の昇圧回路は３つのステージから構成されることを示す。
【００５８】
位相シフトフルブリッジコンバータ
【００５９】
ＰＳＦＢ（位相シフトフルブリッジ）コンバータは一定のデッドタイム遅延位相レグ平均電流モード制御方式で動作する。ＰＳＦＢとＲＥＲＣはともに、変圧器の１次側及び２次側の寄生成分とともに変圧器の磁化インダクタンスを使用して、ＺＶＳ動作が任意のデューティサイクルの間有効である方法で１次側スイッチング素子（Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６）をソフト的にスイッチングする。ＰＳＦＢを含む普通の設計は、２次側のスイッチング素子上でのＺＶＳを達成するために、変圧器の漏れインダクタンス又は１次パスにおける付加的なインダクタを使用する。この回路の主な利点は、変圧器の出力を整流する複数のダイオードＤ１〜Ｄ４がインダクタとフリーホイール（惰性運転）しないということである。したがって、完全な不連続導通モード（ＤＣＭ）は、複数の整流ダイオードにおいて達成される。
【００６０】
動作のＤＣＭモードは、Ｍ３、Ｍ４とＭ５，Ｍ６の間の複数のデッドタイム中において、ゼロ電圧スイッチングのために、磁化するインダクタンスを１次側素子に露出させる所定の期間においてカットオフするために変圧器のために非常に重要である。１次側素子のゼロ電圧スイッチングは、これらの素子が非常に高い周波数であるイッチングできるように非常に所望され、これにより、変圧器のサイズ、回路において必要なインダクタ、コンデンサを軽減させる。スレーブインバータは効果的に、複数のフェライト材料の利用性に制限された、２５０ｋＨｚ以上約２ＭＨｚまでの周波数で集積化された磁気スイッチング
使用して構築することができる。
【００６１】
当該回路のユニークな特徴は、回路の要部を実際にフリーホイールするロスレス１次側磁化インダクタンスを使用して、かなり重要でないレベルにまでコンバータのスイッチング損失を低減し、一次側スイッチング素子のコモンモード導通損失を低減し、ＺＶＳ転流を実現するための複数のスイッチ上での最小の寄生成分を使用する。変圧器のエネルギー貯蔵は、ＺＶＳ変換（コミュテーション）のために用いられるより大きなインダクタンス値のために非常に大きな損失になり、漏れインダクタンスの必要性を無効化し、それによって、高い接続係数で変圧器の１次巻線と２次巻線のしっかりとした接続を得る。１次側スイッチング回路は、漏れインダクタンスが１次側スイッチング素子のＺＶＳ遷移の転流（コミュテーション）において有意な役割を有することを示す、変圧器の一次磁化インダクタンスの０〜１０％の範囲内の一次漏れインダクタンスのために、ＺＶＳモードで良好に動作する。
【００６２】
整流器エネルギー回収回路
【００６３】
整流器エネルギー回収回路（ＲＥＲＣ）はＺＶＳ領域で動作するようにＰＳＦＢ回路の重要な部分である。ＲＥＲＣは整流ダイオード（Ｄ１〜Ｄ４）上でもしあれば反転の回収電荷を除去することで、このように高価な高電圧ＳｉＣショットキーダイオードに対して通常の安価なシリコンｐ−ｎ接合ダイオードの使用を可能にする。
【００６４】
ＲＥＲＣはダイオードＤ１〜Ｄ６の接合エネルギーをコンデンサＣ１に回収し、当該エネルギーを出力に転送して、ダイオードＤ１〜Ｄ４にショットキーダイオードなどの多数キャリアデバイスのように振る舞わせる。
【００６５】
ＲＥＲＣはまたインダクタをフリーホイール（惰性運転）することでダイオードＤ１〜Ｄ４をいつも、出力電力レベル関わらずＤＣＭに留まるようにさせる。ダイオードＤ１〜Ｄ４をＤＣＭに留まるようにさせることは、このことがスイッチング損失を重要でない値に無効化するにつれてコンバータにとって重要であり、これにより、コンバータは非常に高い周波数で動作することができ、当該回路における誘導性及び容量性素子を軽減することで、かなり当該回路の形成ファクタ及びサイズを低減できる。
【００６６】
ＡＲＣフィルタステージ
【００６７】
アクティブリップルキャンセル（ＡＲＣ）フィルタは、入力されるソーラーパネル電圧上で発見されるＤＣ電流リップルをキャンセルし、Ｍ１及びＭ２スイッチは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの原理で動作する。ＡＲＣフィルタはＰＳＦＢの低い導通状態の間に規定された電圧にコンデンサＣ２を充電し、ＰＳＦＢコンバータの高伝導状態の間にコンデンサを放電する。
【００６８】
ＡＲＣフィルタは、一定のデッドタイムの平均電流モード制御を使用して、完全にゼロ電圧スイッチト動作であるイッチを動作させる。ＡＲＣフィルタは、高い信頼性の金属皮膜又はより低い静電容量値のセラミックコンデンサを使ってアルミニウム電解コンデンサを交換する予定である。
【００６９】
コンデンサＣ２は十分に、コンデンサのＶｉｎ及びＶｍａｘの定格間の電圧スケールで利用されている。ＡＲＣフィルタはＰＳＦＢによって導入された１２０Ｈｚの／１００Ｈｚのライン（電力線）周波数リップルをフィルタリングすることでソーラーパネルから見た電流リップルを最小化する。
【００７０】
ＡＣアンフォルダ回路
【００７１】
ＡＣアンフォルダ回路はこの実施のために所望される。ナノインバータ昇圧回路のそれぞれの集約された電力はＡＣアンフォルダ入力Ｖ＋／Ｖ−で利用可能である。昇圧回路の出力は整流された正弦波であるため、アンフォルダ回路は入力される整流された正弦波をライン周波数の交流正弦波に変換する。原理上は、アンフォルダ回路は、上記昇圧回路が電力を生成していないとき、上記ラインからの整流された正弦波が上記昇圧回路の出力に入力されることを防止する必要がある。アンフォルダ回路はハードウエアにより切り替えているが、スイッチング損失は、通常ライン周波数（５０／６０Ｈｚの）である低いスイッチング周波数のために無視できる。
【００７２】
以下のセクションでは、ＡＣアンフォルダを実施する様々な方式が記載され、それらはまた図６、図７、図８を参照して説明される。
【００７３】
ＭＯＳＦＥＴのアンフォルダ
【００７４】
この方法では、ＭＯＳＦＥＴのＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４はアンフォールディング（展開）整流回路を構成している。ラインと中性点との間の電圧が正の場合、Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５はオンされ、ラインと中性点が負である場合、Ｍ２、Ｍ４、Ｍ５はオンされる。Ｌ１、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を備えたラインフィルタは、アンフォールディング回路からスイッチング過渡効果をフィルタリングにより除去する。ダイオードＤ１は、システムがすべての電力を生成されていない場合に、ボディダイオード整流電圧が昇圧回路出力に入力させない逆阻止ダイオードを形成している。ダイオードＤ１の損失を低減するためにスイッチＭ５が使用され、当該スイッチＭ５はシステムからの電力生成がある場合にはオンされる。このアンフォールディングの方法は、最大２５０ＶＲＭＳまで電圧において低い導通損失の実装が可能になる。この実施例のアンフォルダデッドタイムは、２００ｎｓ未満にすることができ、これにより、アンフォルダ出力を２％ＴＨＤ未満の非常にきれいな正弦波を出力する。複数の出力イッチを制御することができるので、当該システムがラインサイクル上の任意の点で遮断することができる。
【００７５】
ＩＧＢＴアンフォルダ
【００７６】
この方法では、ＩＧＢＴのＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はアンフォールディング（展開）整流回路を構成している。ラインと中性点との間の電圧が正であるとき、Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５はオンされ、ラインと中性点との間の電圧が負のとき、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ５がオンされる。Ｌ２、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６を備えたラインフィルタはアンフォールディング回路からのスイッチング過渡効果をフィルタリングすることで除去する。ダイオードＤ１は逆阻止ダイオードを形成し、当該逆阻止ダイオードはすべての電力を生成されていない場合に、ボディダイオード整流電圧が昇圧回路出力に入力させない。ダイオードＤ１の損失を低減するために、スイッチＱ５が使用され、スイッチＱ５は、システムからの電力生成が存在するときにオンになる。このアンフォールディングの方法は、４００Ｖから最大６００ＶＲＭＳまでの間に電圧において低い導通損失の実装が可能になる。この実施例のアンフォルダデッドタイムを５００ｎｓ未満にすることができ、これにより、アンフォルダの出力が３％ＴＨＤ未満の非常にきれいな正弦波を出力することができる。当該システムは、素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が１０μｓの期間、短絡定格を有することになるように頑丈にされる。出力スイッチを制御することができるので、当該システムがラインサイクル上の任意の点で遮断することができる。
【００７７】
ＳＣＲアンフォルダ
【００７８】
この方法において、ＳＣＲのＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４はアンフォールディング（展開）整流回路を構成している。ラインと中性点との間の電圧が正のとき、Ｔ１、Ｔ３がオンされる。ラインと中性点との間の電圧が負のとき、Ｔ２、Ｔ４５がオンされる。Ｌ３、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９を備えたラインフィルタは、アンフォールディング回路からスイッチング過渡効果をフィルタリングにより除去する。ＳＣＲの素子は単方向導通デバイスであるので、当該システムは阻止ダイオードを必要としない。このアンフォールディングの方法は、１００Ｖから最大６００ＶＲＭＳまでの電圧において低い導通損失の実装が可能になる。この実施例のアンフォルダデッドタイムは１００μｓ未満であるので、これにより、それが５％ＴＨＤよりわずかに低い正弦波を出力できる。当該システムは、デバイスＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４が１０μｓの期間において短絡定格を有するように頑丈にされる。複数の出力スイッチがオン及びオフではないように制御できるので、当該システムは、ラインサイクルのゼロ交差点において遮断することができる。
【００７９】
ＡＣパネルの主な特徴は、マスターによって複数のスレーブインバータのそれぞれから生成される電力を積分することにある。ＡＣパネルの積分と制御の概念は、複数の小電流時の電力集約が非常に困難であるように所望されるままである。ＡＣパネルのマスター／スレーブのアーキテクチャは、簡単な制御アルゴリズムで電力集約を可能にするための場所において２つのアーキテクチャの特徴を有する。
【００８０】
１．複数のスレーブインバータからの電圧を均一化するときに基準同期化された整流ＤＣ出力波形
【００８１】
２．複数のスレーブからマスターによって発生された基準信号をマッチングする同期化された電流波の形式
【００８２】
例えばＡＣアンフォルダの出力において１２０Ｖの交流を発生するために、マスターは複数のスレーブインバータの整流されたＤＣ電圧を１６９ＶＲＭＳに設定する。
【００８３】
図９は本開示の実施形態に係る、スレーブ回路から得られた波形である。１２０Ｖの交流出力のための複数のスレーブインバータのそれぞれからの出力電圧波形が示されている。
【００８４】
図１０は、本開示の実施形態に係る、複数のスレーブ回路に接続されたマスター回路の全体図である。電圧設定点に加えて、基準同期信号は、グリッドタイドアプリケーションのために２．５Ｖｐ−ｐの低電圧ステップダウンされたグリッド電圧であって、オフグリッドアプリケーションのためのマスターにより発生された２．５Ｖｐ−ｐの整流された正弦波であり、当該基準同期信号は複数のスレーブインバータのそれぞれから同一の電圧波形を得ることを確保している。複数のスレーブインバータはさらに、それらのＭＰＰ点に対応するマスターによって提供される電流設定点に依存してマッチング電流波形を生成する。これらの基準点はまた、マスターは各種安全規格のための耐単独運転要件に準拠する、１０μｓたらずであるレーブインバータをイネーブル又はディスエーブルすることを援助する。基準信号、電圧設定点及び電流点と組み合わせて、フールプルーフ遮断は、比較的簡単な制御ループとスレーブインバータで実現することができる。同時に、定常状態の実行時性能は、マスターからのこれらの基準信号と欠点がなく完璧なように形成され、これにより、スレーブの制御ループを絶対的に基本的にスレーブのための複数の制御ループを生成する。複数のスレーブインバータのそれぞれのためのＭＰＰ点は、複数のスレーブにおける複数のＡＭＳコントローラよりもはるかに高い計算能力を有するマスターによって決定されることに留意することが重要である。マスターは、各ＡＣサイクルの開始時において複数のスレーブ装置のそれぞれからマスターサンプル電流値及び電圧値をサンプリングし、それらの対応する複数の設定点を決定する。次の図は、ＡＣアンフォルダ（ここに示したＭＯＳＦＥＴのアンフォルダ）を供給するために集約された、スレーブインバータ出力の相互接続の回路を示している。上記のパラレル相互接続は、複数のスレーブのそれぞれから生成された同一の波形のために可能である。複数のスレーブのそれぞれから生成された電流波形は、マスターによって提供される基準信号に同期化した整流された正弦波である。種々の複数の振幅レベルにおける複数の電流波形の集約は、それらが位相整列されかつ周波数相関されるように、出力ＴＨＤ上の任意のベアリングを持っていません。アクティブＭＯＳＦＥＴ回路を有するＡＣアンフォルダの入力は、集約された整流ＤＣ電流と電圧波形が滑らかな正弦波となるようにフィルタリングすることを確実にする。従って、ＡＣアンフォルダ回路は簡単な整流回路とすることができ、当該整流回路は、必要なライン周波数において整流された直流電圧及び電流の波形を所望のＡＣ波形に変換する。複数の出力ラインフィルタは、パネルから直接に、１２０Ｖ／２４０Ｖ／２７７Ｖ単相、もしくは２４０Ｖスプリット位相の複数のＡＣ出力を提供するように設計される。このことは、１５Ａの電流定格を持つ任意の定期的に接地されたＡＣコネクタであることが可能である出力ＡＣケーブル設計を簡単化することができる。次の図は、基準電圧波形に対してプロットされた複数のスレーブインバータから独立した電流波形を示している。図中の最後の波形は、集約されたＡＣパネル電圧及び電流波形を示している。
【００８５】
図１１は、本開示の実施形態に係る、複数のスレーブ回路のそれぞれからの電圧及び電流波形、並びに、電圧及び電流の波形のそれぞれの集約を示す。注：凡例：‘Ａ’の波形はグリッド電圧である。‘Ｂ’の波形は１００倍の電流波形である。
【００８６】
図１２は、本発明の実施形態に係る、ガラス／フレーム、太陽電池、背面、及びインバータを含む、ＡＣモジュール又はパネルを示す図である。図示されているように、ＡＣパネルは、太陽光発電設備でのＡＣパネルの普及採用を制限する課題を克服する。コスト、信頼性及び性能の３つの重要な概念のそれぞれにおいて、ＡＣパネルの解決法は、複数の電流解決法に比較してはるかに良い状態で行うことができる。接合ボックスのダイオードの除去はこの一例では、直接的に２〜３％の損失を節約する。ＭＰＰＴにおける実行する各セルグループはソイリング（soiling）損失を大幅に低下させることができ、これにより、同一の条件のもとで通常のマイクロインバータ／中央インバータにわたってより高いＭＰＰの性能を提供する、部分的に日陰条件で動作する条件であっても動作させることができる。セルグループの性能の最適化又は改善は、例えば５〜１０％だけ全体的なＭＰＰ性能を改善する。複数のスレーブインバータはＰＳＦＢ回路及びＲＥＲＣ回路を用いて９８％を超える効率を実現する。この一例では、ＡＣを提供するパネルから９７％よりも高い総合効率を実現できる。
【００８７】
ＺＶＳスイッチングは、一例では、約４０倍の昇圧を用いて２４０Ｖ／２７７Ｖシステムのために高効率を実現する。システム全体の性能は、条件に応じて、約５〜１０％だけ中央インバータ又は通常のマイクロインバータを用いて、ＤＣオプティマイザの組み合わせを上回る。商業規模でのシステム全体の効率は、フィールド条件の下で９１％〜９３％から（ＡＣケーブルの設計によって制限される）約９６％に改善することができる。一例では、ケーブルコストの排除は、例えば、約２０％だけＡＣパネルのコストを下げる。インバータ筐体の除去は、例えば、コストの５％を排除する。パネル内の接合ボックスの除去は、約１５ドルを節約する。複数のＤＣケーブルコネクタの排除は、一例では約７ドルを節約できる。一例では、パネルとマイクロインバータに関連する組み立てコストを排除できる。バックパネルと集積化されたインバータＰＣＢの組み合わせは、一例ではパネルのコストを節約できる。カスタムＡＳＩＣにおける電源回路のカプセル化は、一例では、その個別の解決法の６０％だけ電源回路のコストを削減できる。制御及び通信用ＡＳＩＣのカプセル化は、一例において現在の個別の解決法の約５０％だけマスターコントローラのコストを下げる。マスター／スレーブ・アーキテクチャをベースとするインバータは、一例では５０％だけ磁気的コストを下げる。マスター／スレーブ・アーキテクチャをベースとするインバータは、ライン周波数電力の金属膜記憶装置を、一例では、８０％だけコストを下げる高度に不活性のセラミック・コンデンサに置き換える。当該解決法は、一例では、５％だけＢＯＳコストを低下させるＤＣ  ＧＦＤＩの必要性を除去する。
【００８８】
一例では、光アイソレータやディスクリートゲート駆動回路は除去されてＭＴＢＦを改善させることができる。集積化された平面磁性部品は、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）、フィールドの再現性と簡素化、製造プロセスを改善する。スレーブＡＳＩＣ上の電源回路のカプセル化は信頼性を向上させる。スレーブＡＳＩＣにおける制御とセンス回路のカプセル化は、劣化しやすいディスクリート部品を除去できる。車載グレードの複数のセラミックコンデンサを用いた高容量金属フィルムコンデンサの除去は、主要なマージンだけ、製品の信頼性と電力密度を向上させる。
【００８９】
一例では、本発明は、背面に集積化されたインバータデバイスを有する太陽電池モジュール装置の組立方法を提供する。この方法は、表面と裏面とを含む基板部材を提供することを含む。基板部材は、タブ配線構成（例えば、アルミニウム、銅材料）をその上に有する。この方法は複数の太陽電池を接続することを含み、ここで、複数の太陽電池は、タブ線構成が基板部材の表面にわたって存在するように、第１のシリアル構成において第１のセットの太陽電池に接続される第１の相互接続と、第２のシリアル構成において第２のセットの太陽電池に接続される第２の相互接続とを含む。この方法は、基板部材の背面側にインバータ装置を接続することを含む。インバータ装置は、第１の相互接続に接続された第１のセットの接続と、第２の相互接続に接続された第２のセットの接続とを備える。第１のグループの太陽電池は第１のＤＣスレーブ回路を備え、第２のグループの太陽電池は第２のＤＣスレーブ回路を備える。一例では、太陽電池モジュールは、単一のアセンブリ内において、背面、複数の太陽電池、タブ線、集積インバータを含むサンドイッチ構造を含む。基板は、一例として、ガラス、エポキシ樹脂、又は他の電気絶縁材料で作られている。
【００９０】
図１３、図１４、及び図１５を参照すると、変圧器の２次側においてフルブリッジ回路からの複数の波形が図示され、当該変圧器は、１６６６個のディジタル正弦波サンプルを（正のみの）絶対値のパルスに変換する。結果として、複数のダイオードは、各正弦波サイクル中において１６６６回スイッチングする。ＰＳＦＢによって変圧器を横切って伝送されるエネルギーの一部は複数の整流ブリッジスイッチにおけるダイオードにおいて毎回失われる。この共通のダイオード電力損失は、スイッチング時においてダイオード上に存在する逆回復電荷により発生する。逆回復エネルギー損失（図１５）はＶｍ＊Ｉｒｒｍ＊ｔｒｒ／２によって与えられる。ここで、実際の損失に対する画像を参照する。スイッチング時間が大きくなるにつれて、この損失が非常に重要となる。整流器エネルギー回収回路は実際には追加の受動素子を追加することでこれらの損失を除去する。スナバ回路に追加のコンデンサＣ３は、ダイオードが実際に導通時間中に逆回復期間の間に充電され、出力にリサイクルされる。１６６６スイッチングサイクルにわたり、電力損失の３〜４％がＲＥＲＣ回路を介して節約することができる。ＲＥＲＣ回路の有無に応じた複数の整流器ブリッジダイオードの両端のスイッチング電圧の波形が図１３及び図１４によって提供される。
【００９１】
図１６を参照すると、この波形整形回路は、変圧器に接続された４のパワーＭＯＳＦＥＴからなる位相シフトフルブリッジ回路を含む。複数のＭＯＳＦＥＴは（上側レッグ部をオンにしかつ下側レッグ部をオフし、そして逆にするように）交互にスイッチングされ、個々のレッグ部の波形は位相シフトされる。複数のＭＯＳＦＥＴうぃオン／オフするときの相対的な位相シフトは変圧器の入力においてディジタル正弦波を発生する。一連のディジタル正弦波は、変圧器の２次側の出力においてインダクタの両端に（６０Ｈｚ／５０Ｈｚのライン周波数に対して）１２０Ｈｚ／１００Ｈｚでの半波の電圧波形を生成する。出力の両端の電流波形はまた、対応する振幅の半波の整流された正弦波である。６０Ｈｚのライン周波数に対して、ディジタル正弦波（波形５）の約１６６６個のサンプルは、半波の整流された２つの正弦波を発生させる。位相を変化させる複数のフルブリッジレッグ部においてＭＯＳＦＥＴのスイッチングは結果として、導通損失を低下させるゼロ電圧スイッチングをもたらす。ＺＶＳモードにおいて動作する同一のＰＳＦＢにおいて、より高い周波数のスイッチングを可能し、これにより、スイッチング損失を軽減させる。
【００９２】
一例において、本発明は、インバータ装置を提供する。当該装置は、整流されたＤＣ波形を発生するように構成されたスレーブインバータ回路と、スレーブインバータ回路に接続されたアクティブリップルキャンセル昇圧回路とを含み、アクティブリップルキャンセル昇圧回路は複数の太陽電池からのＤＣ電源に接続されるように構成され、ＡＣ電流リップルをフィルタリングしてＤＣ電源に戻し、ＤＣ電圧を中間の１２〜１５Ｖの範囲に昇圧する。当該装置はまた、上記スレーブインバータ回路に接続され、位相シフトゼロ電圧スイッチングフルブリッジ回路と、整流器エネルギー回収回路とを備える。位相シフトゼロ電圧スイッチングフルブリッジ回路は、ＤＣ電源を半波の整流された１２０Ｖ〜２４０Ｖの波形に波形整形するように構成される。整流器エネルギー回収回路はスイッチング動作中にエネルギーを回収して波形を形成する。当該装置はまた、アナログ混合信号又はディジタルコントローラモジュールを含み、ディジタルコントローラモジュールはＰＷＭ波形を発生して整流された波形をグリッド電圧に同期化するように構成され、複数の太陽電池に接続された複数のセンス回路を管理して電池グループ電圧及び電池グループ電流を記録する。
【００９３】
ある特定の実施形態では、インバータ装置は、ばらつきを有する。インバータ装置はさらに、複数のアナログ混合信号、又は複数のディジタルコントローラモジュールを備えるように構成される。マスターコントロールモジュールは、複数のアナログ混合信号コントロールモジュールのそれぞれのための基準信号を発生して複数のインバータ装置のそれぞれから電力線グリッドへの整流された波形をオフ／オンするように構成される。マスターコントローラモジュールは電力線グリッドに接続された検出装置を備え、任意の与えられた時間においてグリッド電圧及びグリッド周波数を測定する。マスターコントロールモジュールは、グリッド電圧及び／又はグリッド周波数からの情報を用いて複数のインバータ装置のそれぞれをオン／オフするように構成される。マスターコントロールモジュールは太陽電池モジュールの背面に取り付ることにより太陽電池モジュール上で構成される。背面の存在は実質的に、接合ボックス又は電力集約器から自由な状態となっている。インバータ装置はさらに、複数の太陽電池グループを備え、太陽電池グループのそれぞれはＤＣ入力からＤＣスレーブ回路までの回路を有する。マスタコントローラはアンフォルダ回路を制御するように構成され、アンフォルダ回路はＳＣＲ、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴのうちの１つを有するＨブリッジ回路を備える。アンフォルダ回路は、複数のスレーブインバータ回路によって発生された複数の電流波形を集約することで、電力を電力線グリッドに伝送するための閉ループコントロールアルゴリズムを用いて制御される。
【００９４】
代替例では、マスタコントローラとアナログ混合信号又はディジタルコントローラは、太陽電池グループのそれぞれから複数の基準信号及び少なくとも１つの電圧／電流レベルを交換するために通信するように構成されている。マスタコントローラは、電力線グリッド周波数で決定される所望の制限内の電力線グリッド電圧に比例した基準電圧波形を生成する。マスタコントローラは、アナログ混合信号を受信したときに、もしくは、瞬時遮断信号の発生の開始の５００ミリ秒以内に、スレーブインバータ回路の複数のスイッチング回路の電源をダウンさせたときに瞬時遮断信号を生成する。マスタコントローラは、出力電圧波形上に変調される付加的な正弦波を発生して電力線グリッド電圧波形をひずませる。ここで、電力線グリッドが存在しているとき、電力線グリッドは電力線グリッド電圧の修正から自由な状態とするか、もしくは、出力電圧波形上に変調される追加の正弦波は、電力線グリッドがないときに出力電圧波形をひずませ、スレーブインバータ回路を差段することを開始する。
【００９５】
一例では、スレーブインバータ回路はアナログ混合信号によって制御され、もしくは、ディジタルコントローラはスレーブインバータ回路に接続された太陽電池グループからの出力を連続的にモニターし、電力レベルを変化し当該太陽電池グループの最大電力ポイント（ＭＰＴ）を追跡することで電力出力を最大化する。アナログ混合信号によって制御されるスレーブインバータ回路、もしくはディジタルコントローラは、電力出力を、上記太陽電池グループ上に設けられた放射中の変化によって発生する変化する電力レベルに最大化する。アナログ混合信号によって制御されるスレーブインバータ回路、もしくはディジタルコントローラはマスター回路によってサンプリングされた基準電圧を同期化して出力電流及び電圧波形を波形整形する位相同期ループ（ＰＬＬ）回路を備える。スレーブ回路は、半波整流された波形を発生するダイオードブリッジにおけるエネルギー損失を低減するように構成された電力損失低減回路を備え、エネルギー損失回路はＣＭＯＳ回路又はＳｉＣ回路によって提供される。
【００９６】
一例では、背面は、複数の太陽電池グループから複数の予め決められた点における背面のプリント回路基板に供給され、複数の予め決められた点を複数のスレーブインバータ回路及び補助電源装置に接続する複数のＤＣ入力を備える。補助電源装置は電力を供給して、複数のスレーブインバータ回路と、マスターコントロールモジュールと、アンフォルダ回路と、通信コントローラと、他の関連回路とを動作させる。補助電源装置は、複数の電池グループの設計と関連する複数の電圧レベルでトリガーされるように適応化される。波形整形回路は位相シフトフルブリッジゼロ電圧スイッチ（ＺＶＳ）回路と、ダイオード損失回収回路とを備える。
【００９７】
一例において、本発明はまた、複数の回路の機能を実行するための複数の関連する方法と、ここで記載された複数のシステムとを含む。一例では、本発明は、インバータ装置を動作させる方法を提供する。この方法は、スレーブインバータ回路を用いて整流されたＤＣ波形を発生することと、ＡＣ電流リップルをＤＣ電源に戻るようにフィルタリングすることと、上記整流されたＤＣ波形を中間の１２〜１５Ｖの範囲に昇圧することと、上記整流されたＤＣ波形を半波整流された１２０Ｖ〜２４０Ｖの波形に波形整形することと、スイッチング動作中において上記整流されたエネルギー回収回路を用いてエネルギーを回収することと、アナログ混合信号又はディジタルコントローラモジュールのいずれかを用いてＰＷＭ波形を発生することと、上記整流されたＤＣ波形をグリッド電圧に同期化することと、複数の太陽電池グループに接続された複数のセンス回路を管理して電池グループ電圧及び電池グループ電流を記録することとを含む。一例では、本方法はさらに、複数のアナログ混合信号制御モジュールのそれぞれのための基準信号を発生して、複数のインバータ装置のそれぞれから電力線グリッドへの上記整流されたＤＣ波形をオフ／オンすることを含む。
【００９８】
一例では、記憶装置は、整流器の出力の第１の端子と第２の端子との間に構成されたコンデンサを備える。一例では、第２の端子は接地端子である。一例では、エネルギー回収回路は、コンデンサと第２の端子の間のノードを備える。ノードは、ＤＣバス構造の出力の出力電圧を有する。一例では、エネルギー回収回路は、ノードと第２の端子との間に構成された第１のｐ−ｎダイオードを備える。第１のｐ−ｎダイオードは、ノードを出力電圧で保持するように構成される。一例では、整流回路装置は、エネルギー回収回路と接続されたフルブリッジダイオード回路を備える。一例では、エネルギー回収回路はさらに、第１の端子に接続されたインダクタを備える。インダクタは、蓄積コンデンサに並列に接続されかつ第１のｐ−ｎ接合ダイオードに直列に接続される。一例では、エネルギー回収回路は、第１のｐ−ｎ接合ダイオードと蓄積容量との間に設けられた第２のｐ−ｎ接合ダイオードを備える。第２のｐ−ｎ接合ダイオードは、ＤＣバス構造の出力端子に接続される。一例では、第２のｐ−ｎ接合ダイオードは、スイッチング電流が出力端子に流れるように構成される。一例では、エネルギー回収回路は、太陽電池のグループに接続されたインバータ装置を用いて構成される。一例では、太陽電池のグループは、太陽電池モジュール内に設けられる。一例では、蓄積コンデンサは、整流回路上のスイッチング周波数と、逆回復電荷と、整流器の出力の両端電圧とによって決定されるキャパシタンスを有する金属又はセラミック充填コンデンサ構造を有する。
【００９９】
代替の特定の実施形態では、本発明は、太陽電池モジュールの背面上に構成されたインバータ装置を動作させる方法を提供し、上記インバータ装置は、整流回路に接続されたエネルギー回収回路装置を備える。上記方法は、エネルギー回収回路において構成される蓄電コンデンサに整流器の出力から電荷を転送することと、逆回復時間に関連付けられた期間の蓄積コンデンサに電荷を蓄積することと、ＤＣバス構造の出力に電荷を転送することで整流回路内のダイオード回復損失を低減することを備える。
【０１００】
上記の説明は本開示の一例であり、実施例に対する修正及び変更を特許請求の開示の範囲内である、行われてもよいことが理解されるべきである。従って、添付の請求の範囲は、均等物の全範囲を含む、すべてのそのような修正及び類似の構成を包含するように、最も広く解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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