(57)【要約】【課題】変化範囲が大きい入力電圧に対応して制御容易に任意一定の大きさの出力電圧に変換できる電圧制御回路を提供すること。【解決手段】トランス一次側ＴＰと、トランス二次側ＴＳと、を含む。トランス一次側ＴＰは、複数のトランス一次巻線ＴＬ１１，ＴＬ２１と、複数の共振回路ＲＳ１，ＲＳ２と、複数のスイッチング素子回路ＳＷ１，ＳＷ２と、複数の駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２と、を含む。トランス二次側ＴＳは、複数の二次巻線ＴＬ２１，ＴＬ２２と、複数のダイオードＤ１−Ｄ４を含む整流回路ＤＣと、整流回路ＤＣ出力を合成する合成回路ＳＵＭと、を含む。トランス一次側ＴＰの駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２は、太陽電池ＰＶ１からの入力電圧Ｖｉに対してその周波数をｆ０の同一に維持し、かつ、その位相を変えることでトランス二次側ＴＳで合成回路ＳＵＭにより合成される出力電圧ＶＯの大きさを可変する制御を可能とした。【選択図】図１
2012222998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランス一次側と、トランス二次側と、を含み、
上記トランス一次側は、複数のトランス一次巻線と、各トランス一次巻線に個別に接続され所定周波数で共振する複数の共振回路と、直流電源の入力電圧を所定周波数でスイッチングして各一次巻線に個別に印加する複数のスイッチング素子回路と、上記各スイッチング素子回路を個別にスイッチング駆動する複数の駆動回路と、を含み、
上記トランス二次側は、互いに直列接続される複数の二次巻線と、各二次巻線出力をそれぞれ整流する複数のダイオードを含む整流回路と、上記整流回路出力を合成する合成回路と、を含み、
上記トランス一次側の各駆動回路は、直流電源からの入力電圧に対してその周波数を同一に維持し、かつ、その位相を変えることでトランス二次側で合成回路により合成される出力電圧の大きさを可変する制御を可能とした、
ことを特徴とする電圧制御回路。
【請求項２】
上記トランス一次側の上記複数のスイッチング素子回路は、それぞれ、ハーフブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含み、上記複数の駆動回路は、それぞれ、対応する上記ハーフブリッジ回路内の各スイッチング素子を一定の同一周波数でかつ１８０度反対位相で交互にオンオフ駆動する、請求項１に記載の電圧制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い入力電圧範囲に対して一定の出力電圧に制御することが可能な電圧制御回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムは、太陽電池とパワーコンディショナとから構成されており、太陽電池は太陽エネルギーを電気に変換し、パワーコンディショナは負荷や電力系統への供給条件に対応した電力の変換機能を有している。こうした太陽光発電システムにおいて、パワーコンディショナは、太陽電池の入力電圧を別の出力電圧にＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータを備える。
【０００３】
一方、太陽電池は例えば日照や負荷等によりその入力電圧の変化範囲が広く、そのためにＤＣ／ＤＣコンバータでは、太陽電池からの広い範囲の入力電圧を安定的に一定の出力電圧にＤＣ／ＤＣ変換できることが求められる。
【０００４】
もちろん、こうしたＤＣ／ＤＣ変換は、太陽電池に限らず、他の分散電源、例えば風力発電システムにおける電源やその他の電源などでも同様の課題があり、そうした場合にも広い入力電圧の変化範囲に対して出力電圧を一定にＤＣ／ＤＣ変換する制御を容易に可能とし、かつその際に高効率に電力伝送することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０３８９６９号公報
【特許文献２】特開２００６−１４９１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明においては、変化範囲が大きい直流の入力電圧に対応して制御容易に任意の大きさの直流の出力電圧に変換制御ができる電圧制御回路を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による電圧制御回路は、トランス一次側と、トランス二次側と、を含み、
上記トランス一次側は、複数のトランス一次巻線と、各トランス一次巻線に個別に接続され所定周波数で共振する複数の共振回路と、直流電源の入力電圧を所定周波数でスイッチングして各一次巻線に個別に印加する複数のスイッチング素子回路と、上記各スイッチング素子回路を個別にスイッチング駆動する複数の駆動回路と、を含み、
上記トランス二次側は、互いに直列接続される複数の二次巻線と、各二次巻線出力をそれぞれ整流する複数のダイオードを含む整流回路と、上記整流回路出力を合成する合成回路と、を含み、
上記トランス一次側の各駆動回路は、直流電源からの入力電圧に対してその周波数を同一に維持し、かつ、その位相を変えることでトランス二次側で合成回路により合成される出力電圧の大きさを可変する制御を可能とした、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、当該電圧制御回路に対して、太陽電池等の変化範囲が大きい直流の入力電圧を入力するように直流電源に対して、トランス一次側それぞれで入力電圧の位相を制御することで、容易に出力電圧の大きさを任意に調整することができる。
【０００９】
好ましくは、上記トランス一次側の上記複数のスイッチング素子回路は、それぞれ、ハーフブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含み、上記複数の駆動回路は、それぞれ、対応する上記ハーフブリッジ回路内の各スイッチング素子を一定の同一周波数でかつ１８０度反対位相で交互にオンオフ駆動する。
【００１０】
好ましくは、上記電圧制御回路は、スイッチング電源である。
【００１１】
好ましくは、上記電圧制御回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、直流電源からの入力電圧が大きく変化しても、出力電圧の大きさを任意一定の大きさに制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る電圧制御回路の回路図である。
【図２】図２は、図１の回路においてトランス一次側における駆動回路の駆動電圧波形を示す図である。
【図３】図３は、図１の回路においてトランス二次側における各二次巻線の出力電圧の位相状態を示す図である。
【図４】図４は、図１の回路においてトランス二次側における合成回路により合成された出力電圧の大きさをベクトルで示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係る電圧制御回路を説明する。図１に本発明の実施形態に係る電圧制御回路の構成を示す。実施形態では電圧制御回路は、太陽光発電システムのパワーコンディショナにおけるＤＣ／ＤＣコンバータに適用するが、これに特に限定されるわけではなく、単にスイッチング電源やその他でもよい。そして、本実施形態の電圧制御回路における制御対象とする電圧は、直流電源である太陽電池からの入力電圧であり、実施形態の電圧制御回路は、その太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナ内のＤＣ／ＤＣコンバータとして、太陽電池からの入力電圧を一定の出力電圧にＤＣ／ＤＣ変換する例を示す。
【００１５】
図１を参照して実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータは、トランス一次側ＴＰと、トランス二次側ＴＳとを含む。これらは２つのトランスＴ１，Ｔ２それぞれの一次側と二次側である。トランス一次側ＴＰは、複数のトランスＴ１，Ｔ２それぞれの一次巻線ＴＬ１１，ＴＬ２１と、各一次巻線ＴＬ１１，ＴＬ２１に個別に接続される所定周波数ｆ０で共振する複数の共振回路ＲＳ１，ＲＳ２と、所定周波数ｆ０でスイッチング動作して各一次巻線ＴＬ１１，ＴＬ２１に直流電源ＰＶ１の入力電圧Ｖｉを個別に印加する複数のスイッチング素子回路ＳＷ１，ＳＷ２と、上記各スイッチング素子回路ＳＷ１，ＳＷ２を所定周波数ｆ０で個別にスイッチング駆動する複数の駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２と、を含む。スイッチング素子回路ＳＷ１，ＳＷ２は、ハーフブリッジ構成に直列接続されたＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタＱ１−Ｑ４を含む。駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２はパルス発振する発振回路Ｖ１，Ｖ２と、反転回路ＩＮＶ１，ＩＮＶ２とを含む。
【００１６】
トランス二次側ＴＳは、互いに直列接続される２つのトランスＴ１，Ｔ２それぞれの複数の二次巻線ＴＬ２１，ＴＬ２２と、各二次巻線ＴＬ２１，ＴＬ２２の出力ＶＳ１，ＶＳ２を個別に整流する整流回路ＤＣと、この整流回路ＤＣ出力を合成して出力電圧Ｖｏとして出力する合成回路ＳＵＭと、を含む。
【００１７】
整流回路ＤＣは、トランスＴ１の二次巻線ＴＬ１２の一端側にアノードが接続されたダイオードＤ１と、トランスＴ２の二次巻線ＴＬ２２の他端側にアノードが接続されたダイオードＤ２と、トランスＴ１の二次巻線ＴＬ１２の一端側にカソードが接続されたダイオードＤ３と、トランスＴ２の二次巻線ＴＬ２２の他端側にカソードが接続されたダイオードＤ４とを含む。ダイオードＤ１とＤ２とはカソードが共通に接続され、ダイオードＤ３とＤ４とはアノードが共通に接続されている。合成回路ＳＵＭは、ダイオードＤ１とＤ２とのカソード共通接続部ａと、ダイオードＤ３とＤ４とのアノード共通接続部ｂとに並列接続された抵抗Ｒを含む。
【００１８】
以上の構成を備えたＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、トランス一次側ＴＰにおける駆動回路Ｖ１は図２（ａ）で示す波形のパルス出力Ｓ１を出力している。同トランス一次側ＴＰにおける駆動回路Ｖ２は図２（ｂ１）ではパルス出力Ｓ１と同相のパルス出力Ｓ２を出力し、図２（ｂ２）ではパルス出力Ｓ１に対して９０度位相遅れのパルス出力Ｓ２を出力し、図２（ｂ３）ではパルス出力Ｓ１に対して１８０度位相遅れのパルス出力Ｓ２を出力している。これらパルス出力Ｓ１，Ｓ２の周波数はｆ０で同一である。
【００１９】
トランス一次側ＴＰの駆動回路Ｖ１では図２（ａ）で示す周波数ｆ０のパルス出力Ｓ１でスイッチング素子回路ＳＷ１をスイッチング駆動する。この場合、スイッチング素子Ｑ１には、直接、パルス出力Ｓ１が、また、スイッチング素子Ｑ２にはパルス出力Ｓ１が反転回路ＩＮＶ１で位相反転されて印加され、これによりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は交互にオンオフする。これにより共振回路ＲＳ１にその周波数ｆ０に対応するスイッチング素子回路ＳＷ１出力が入力され、共振回路ＲＳ１はこの出力に共振する。この結果、トランスＴ１の一次巻線ＴＬ１１から二次巻線ＴＬ１２の両端間に図３（ａ）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ１が誘起される。
【００２０】
また、トランス一次側ＴＰの駆動回路Ｖ２では図２（ｂ１）で示す周波数ｆ０のパルス出力Ｓ２でスイッチング素子回路ＳＷ２をスイッチング駆動する。この場合、スイッチング素子Ｑ３には、直接、パルス出力Ｓ２が、また、スイッチング素子Ｑ４にはパルス出力Ｓ２が反転回路ＩＮＶ２で位相反転されて印加され、これによりスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４は交互にオンオフする。これにより共振回路ＲＳ２にその周波数ｆ０に対応するスイッチング素子回路ＳＷ２出力が入力され、共振回路ＲＳ２はこの出力に共振する。この結果、トランスＴ２の一次巻線ＴＬ２１から二次巻線ＴＬ２２の両端間に図３（ｂ１）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ２が誘起される。
【００２１】
図２（ａ）のパルス出力Ｓ１と図２（ｂ１）のパルス出力Ｓ２とは同相であるので、トランスＴ１の二次巻線ＴＬ１２の両端間における図３（ａ）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ１とトランスＴ２の二次巻線ＴＬ２２の両端間における図３（ｂ１）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ２とは同相である。
【００２２】
また、同様に、図２（ａ）のパルス出力Ｓ１と図２（ｂ２）のパルス出力Ｓ２とは９０度位相ずれしているので、トランスＴ１の二次巻線ＴＬ１２の両端間における図３（ａ）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ１とトランスＴ２の二次巻線ＴＬ２２の両端間における図３（ｂ２）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ２とは９０度位相ずれしている。
【００２３】
さらに同様に、図２（ａ）のパルス出力Ｓ１と図２（ｂ３）のパルス出力Ｓ２とは１８０度位相ずれしているので、トランスＴ１の二次巻線ＴＬ１２の両端間における図３（ａ）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ１とトランスＴ２の二次巻線ＴＬ２２の両端間における図３（ｂ３）で示す正弦波形の交流出力ＶＳ２とは１８０度位相ずれしている。
【００２４】
そして、トランス二次側ＴＳの整流回路ＤＣでは、トランスＴ１，Ｔ２それぞれの二次巻線ＴＬ１２，ＴＬ２２の両端間電圧ＶＳ１，ＶＳ２それぞれを整流し、また、合成回路ＳＵＭでは整流回路ＤＣ出力を合成するが、二次巻線ＴＬ１２，ＴＬ２２の両端間電圧ＶＳ１，ＶＳ２が図３（ａ）と図３（ｂ１）の関係にある場合では、図４（ａ）で示すように合成回路ＳＵＭにおける抵抗Ｒの両端間電圧つまりＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧ＶＯはそれら両端間電圧ＶＳ１，ＶＳ２の合成ベクトルとなり最大の値をとる。また、二次巻線ＴＬ１２，ＴＬ２２の両端間電圧ＶＳ１，ＶＳ２が図３（ａ）と図３（ｂ２）の関係にある場合では、図４（ｂ）で示すように該出力電圧ＶＯはそれら両端間電圧ＶＳ１，ＶＳ２の合成ベクトルとなりＶＯ＝√２ＶＳとなる。ただし、ＶＳ１＝ＶＳ２＝ＶＳとする。また、二次巻線ＴＬ１２，ＴＬ２２の両端間電圧ＶＳ１，ＶＳ２が図３（ａ）と図３（ｂ３）の関係にある場合では、図４（ｃ）で示すように該出力電圧Ｖｏはそれら両端間電圧ＶＳ１，ＶＳ２の合成ベクトルとなりＶｏ＝０となる。
【００２５】
以上からトランス一次側ＴＰにおける駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２それぞれのパルス出力Ｓ１，Ｓ２の周波数をｆ０とし、パルス出力Ｓ１に対してパルス出力Ｓ２の位相を制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏを任意の値に制御することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態ではトランスは２つであったが、それ以上の数のトランスで構成してもよい。
【００２７】
また、上記実施形態では電源ＰＶ１は太陽電池であったが、これ限定されず、風力発電における電源や電気自動車等の電池電源、その他を含む。
【００２８】
以上のように本実施形態では、トランス一次側ＴＰと、トランス二次側ＴＳと、を含み、トランス一次側ＴＰは、複数のトランス一次巻線ＴＬ１１，ＴＬ２１と、各トランス一次巻線ＴＬ１１，ＴＬ２１に個別に接続され所定周波数ｆ０で共振する複数の共振回路ＲＳ１，ＲＳ２と、直流電源ＰＶ１の入力電圧Ｖｉを所定周波数ｆ０でスイッチングして各一次巻線ＴＬ１１，ＴＬ２１に個別に印加する複数のスイッチング素子回路ＳＷ１，ＳＷ２と、上記各スイッチング素子回路ＳＷ１，ＳＷ２を個別に所定周波数ｆ０でスイッチング駆動する複数の駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２と、を含み、トランス二次側ＴＳは、互いに直列接続される複数の二次巻線ＴＬ２１，ＴＬ２２と、各二次巻線出力をそれぞれ整流する複数のダイオードＤ１−Ｄ４を含む整流回路ＤＣと、整流回路ＤＣ出力を合成する合成回路ＳＵＭと、を含み、トランス一次側ＴＰの駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２は、太陽電池ＰＶ１からの入力電圧Ｖｉに対してその周波数をｆ０の同一に維持し、かつ、その位相を変えることでトランス二次側ＴＳの合成回路ＳＵＭにより合成される出力電圧Ｖｏの大きさを可変する制御を可能としたので、トランス一次側ＴＰそれぞれで駆動回路ＤＶ１，ＤＶ２のパルス出力Ｓ１，Ｓ２の位相を制御することでもって、太陽電池ＰＶ１のように入力電圧Ｖｉの変化範囲を大きい電源に対して、容易に出力電圧Ｖｏの大きさを０−２倍の内の一定に調整することができる。また、一定の周波数ｆ０でトランスＴ１，Ｔ２を駆動するので、トランス一次側ＴＰにおける共振回路ＲＳ１，ＲＳ２のＱ値を大きくして高効率に電力伝送することが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
ＴＰ  トランス一次側
ＤＶ１，ＤＶ２  駆動回路
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチング素子回路
ＲＳ１，ＲＳ２  共振回路
ＴＳ  トランス二次側
ＤＣ    整流回路
ＳＵＭ  合成回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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