(57)【要約】  内部静電容量１６を含む電源ユニットから出力部３０への給電を制御する際に使用される制御装置であって、相互に直列に配置される、磁気的に結合された第１インダクタ２４および第２インダクタ２６であって、それらが相互に接続される接続部４０をその間に規定する、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６と、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６間の接続部４０にそれぞれ接続される、磁気的に結合された第３インダクタ３４および第４インダクタ３６と、第３インダクタ３４および第４インダクタ３６と、グランドとの間の切り替え接続部を提供するスイッチ手段５２と、スイッチ手段５２のスイッチが閉成されるとＬＣＲ回路の形成をもたらすように、スイッチ手段５２の動作を制御するように動作可能なコントローラ５０とを含み、内部静電容量１６はＬＣＲ回路の静電容量を形成し、第３インダクタ３４または第４インダクタ３６はＬＣＲ回路のインダクタンスを形成し、第３インダクタ３４および第４インダクタ３６間の磁気的結合によって、出力を第３インダクタ３４および第４インダクタ３６の他方から発生させる、制御装置。
2018502543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量を含む電源ユニットから出力部への給電を制御する際に使用される制御装置であって、
相互に直列に配置される、磁気的に結合された第１インダクタおよび第２インダクタであって、それらが相互に接続される接続部をその間に規定する、第１インダクタおよび第２インダクタと、
前記第１インダクタおよび第２インダクタ間の前記接続部にそれぞれ接続される、磁気的に結合された第３インダクタおよび第４インダクタと、
前記第３インダクタおよび第４インダクタと、グランドとの間の切り替え接続部を提供するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段のスイッチが閉成されるとＬＣＲ回路の形成をもたらすように、前記スイッチ手段の動作を制御するように動作可能なコントローラとを含み、
前記電源ユニットの静電容量は、前記ＬＣＲ回路の静電容量を形成し、
前記第３インダクタまたは第４インダクタと組み合わされた第１インダクタは、前記ＬＣＲ回路のインダクタンスを形成し、
前記第３インダクタおよび第４インダクタ間の磁気的結合によって、出力を前記第３インダクタおよび第４インダクタの他方から発生させることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記静電容量は、少なくとも部分的に、前記電源ユニットの内部静電容量によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記電源ユニットは、少なくとも部分的に前記静電容量を形成するｐｎ接合ダイオードを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記電源ユニットは、ソーラパネルを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項５】
前記スイッチ手段は、２つのスイッチであって、前記第３インダクタに関連するスイッチと、前記第４インダクタに関連するスイッチとを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
前記スイッチ手段の前記２つのスイッチの両方が開成されると、前記電源ユニットの内部静電容量が充電されることを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記スイッチ手段の前記２つのスイッチを１５０〜７００ｋＨｚの範囲の周波数において開閉位置間で移動させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項８】
スイッチング周波数は、６００〜７００ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
【請求項９】
前記第３インダクタおよび第４インダクタは、実質的に同一であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項１０】
前記第２インダクタは、前記第１インダクタよりも大きなインダクタンスを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項１１】
前記第２インダクタは、前記第１インダクタのインダクタンスの少なくとも２倍のインダクタンスを有することを特徴とする請求項１０に記載の制御装置。
【請求項１２】
前記ＬＣＲ回路の抵抗を形成する給電または配電ネットワークまたはグリッドに電気エネルギを供給するように構成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の制御装置を用いてユニットの出力を制御する制御方法であって、
前記スイッチ手段の前記２つのスイッチを開成し、これによって前記ユニットの前記内部静電容量を充電させる工程と、
前記スイッチ手段の１つのスイッチを閉成し、これによって前記ユニットの前記内部静電容量を放電させ、前記第１インダクタに増加した電流を供給し、前記第３インダクタおよび第４インダクタの一方を介して、負荷の電気的要求を満たすように、前記第３インダクタおよび第４インダクタの他方に電流を発生させる工程と、
前記スイッチ手段の前記スイッチを再開成し、これによって前記ユニットの前記内部静電容量を再充電させる工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記スイッチ手段の再開成は、前記電源ユニットによって供給される電流のチョーキングをもたらすことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置に関し、特に、内部静電容量を含む電源からの電力の抽出に使用される制御装置に関する。本発明を使用することができる１つの用途は、光電池または太陽電池パネルと関連している。しかしながら、本発明を使用することができる用途は他にも多くある。
【背景技術】
【０００２】
ソーラパネルは、発電においてますます広く使用されている。それらからの出力は、他の装置を駆動する際に直接用いられてもよく、蓄電手段を充電する際に用いられてもよく、幹線電力網に電力を供給する際に用いられてもよい。ソーラパネルの出力は、たとえば、そこに入射する光の強度、動作温度、および他の要因に応じて、非線形に変化するので、ソーラパネルからの出力の負荷への直接的で制御されない供給は、光強度の変化として通常は不適切であり、変化する最大出力に必要とされる動作電流および電圧をもたらす。ソーラパネルおよび関連する回路が最大電力点付近で動作することを確実にするために、最大電力点追跡アルゴリズムが使用される。最大電力点追跡アルゴリズムの出力は、ソーラパネルの動作をその最適点付近に維持しようとして、ソーラパネルによって供給される負荷を変化させる際に、たとえば、その抵抗の切り替えを行う際に用いられる。
【０００３】
いくつかの古いシステムでは、アルゴリズムは、回路が開回路電圧の７０％で動作することを保証するように動作する。これは、電源、すなわちソーラパネルからの出力と負荷との接続および切断を繰り返して迅速に行うことによって達成される。一例として、電源は、１０００〜３０００回／秒の範囲で接続および切断することができる。このように時間の割合で出力を切断することによって、デューティサイクルは、たとえば上述のように約７０％に低減される。
【０００４】
このようなシステムは、状況によっては十分に動作し得るが、電源が切断されると、パネルから負荷への出力がなくなり、その結果、たとえパネルが最大電力点で動作したとしても、パネルが切断されているものの、潜在的な電力が失われている。したがって、この装置はそれができるものよりも効率が悪い。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的は、ソーラパネルまたは他の装置の有用な出力を強化し、好ましくは最適化することができる制御方法および装置を提供することである。
【０００６】
本発明に従えば、内部静電容量を含む電源ユニットから出力部への給電を制御する際に使用される制御装置であって、相互に直列に配置される、磁気的に結合された第１インダクタおよび第２インダクタであって、それらが相互に接続される接続部をその間に規定する、第１インダクタおよび第２インダクタと、第１インダクタおよび第２インダクタ間の接続部にそれぞれ接続される、磁気的に結合された第３インダクタおよび第４インダクタと、第３インダクタおよび第４インダクタと、グランドとの間の切り替え接続部を提供するスイッチ手段と、スイッチ手段のスイッチが閉成されるとＬＣＲ回路の形成をもたらすように、スイッチ手段の動作を制御するように動作可能なコントローラとを含み、内部静電容量は、ＬＣＲ回路の静電容量を形成し、第３インダクタまたは第４インダクタは、ＬＣＲ回路のインダクタンスを形成し、第３インダクタおよび第４インダクタ間の磁気的結合によって、出力を第３インダクタおよび第４インダクタの他方から発生させる、制御装置が提供される。この装置は、たとえば、ソーラパネルなどから給電または配電ネットワークまたはグリッドへの供給を制御するのに用いられてもよく、この場合、ＬＣＲ回路の抵抗は、ネットワークまたはグリッドによって形成される負荷を含んでもよい。
【０００７】
このような装置において、最大電力点追跡アルゴリズムなどを提供する必要はなく、好ましくはこのようなアルゴリズムなどは存在しない。
【０００８】
ｐｎ接合ダイオードは、その性質上、可変接合静電容量を形成する。このようなダイオードは、ソーラパネルを含むユニットに典型的に存在する。この接合静電容量は、従来、ソーラパネルおよび関連する制御回路の出力モデルを作成するとき無視されてきた。このダイオードがソーラパネルなどの電圧源に並列に配置される場合、供給の一部が、接合静電容量を充電する際に、最初に用いられる。さらに、電圧源がソーラパネルの形態を取る場合、電源それ自体は、事実上、充電される静電容量を形成する。ソーラパネルの電位差は一様ではなく、たとえば入射光強度、温度および他の要因によって変化するので、静電容量の電荷は常に変化している。したがって、内部静電容量に関連するキャパシタ電流は、任意の時点で、静電容量が充電されているか放電しているかに応じて、正または負のいずれかとなり得る。従来の構成のソーラパネルにおいて、この電流の方向は、たとえば照明の強度が増加しているか減少しているかに依存する。しかしながら、上述の構成では、内部静電容量エネルギの抽出は、制御された方法でスイッチ手段の動作を介して達成され、これによってシステム全体の動作を高レベルの効率で可能にする。
【０００９】
本発明の構成において、スイッチ手段の両方のスイッチが開成されると、ユニットの内部静電容量が充電される。一方のスイッチが閉成されると、第１インダクタの内部静電容量の放電をもたらす。スイッチの動作の適切な制御によって、さもなければその内部静電容量の充電にまさに使われる電源ユニットからの出力が、代わりに使用のために抽出することができることが理解されるであろう。スイッチ手段が再開成されると、内部静電容量の再充電をもたらし、エネルギを第２インダクタを介して第１インダクタから抽出し、それに接続される負荷の要求を満たすように使用することができる。
【００１０】
スイッチ手段の一方または他方のスイッチが閉成されると、第３インダクタおよび第４インダクタの関連するものを通る電流は、第３インダクタおよび第４インダクタの他方における電流の発生をもたらし、負荷を満たすように抽出および使用可能である。この動作段階中、電源ユニットからの出力電流は、スイッチが再開成されると、電力が負荷に供給されるように、そのエネルギ貯蔵をもたらす第１インダクタを通って流れる。電源からの出力電流が第１インダクタに継続的に供給され、スイッチ手段が閉成されるとインダクタ電流が上昇し、スイッチ手段が開成されるとインダクタ電流が減少する限り、制御装置からの出力電圧は、制御装置への入力電圧よりも大きくなる。
【００１１】
好ましくは、コントローラは、スイッチ手段のスイッチを、１５０〜７００ｋＨｚ、好ましくは６００〜７００ｋＨｚの周波数で、たとえば６５０ｋＨｚのオーダの範囲で、それぞれの開閉位置間で移動させる。インダクタンスの大きさの変動は、スイッチが動作すべき周波数を変化させる。
【００１２】
電源ユニットがソーラパネルと連結して用いられるストリングインバータまたはマイクロインバータなどのインバータを含む場合、制御装置は、インバータに組み込まれてもよく、それへの結合に適合するモジュールを含んでもよい。
【００１３】
本発明は、さらに上述の形態の制御装置を用いるユニットの出力を制御する方法に関し、この方法は、
スイッチ手段のスイッチを開成し、これによってユニットの内部静電容量を充電させる工程と、
スイッチ手段の１つのスイッチを閉成し、これによってユニットの内部静電容量を放電させ、増加した電流を第１インダクタに供給し、負荷の電気的要求を満たすように、第３インダクタおよび第４インダクタの一方を介して、第３インダクタおよび第４インダクタの他方に電流を発生させる工程と、
スイッチ手段の前記スイッチを再開成し、これによってユニットの内部静電容量を再び充電させる工程とを含む。好ましくは、この動作段階中、電源からの出力電流はチョークされる。
【００１４】
本発明は、一例として、添付の図面を参照してさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に従う制御装置を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照して、光起電性またはソーラパネル１０が示され、その端子間に接続されるｐｎ接合ダイオード１４を有する複数の太陽電池１２を含む。ダイオード１４は、内部静電容量を有する。太陽電池１２はまた、それに関連した内部拡散静電容量を有する。これらの静電容量は、図１において可変内部静電容量１６で示される。抵抗１８，２０は、パネル１０内に存在する抵抗を示す。図１に示されるＶｏｕｔは、パネル１０の出力電圧を示す。たとえばパネル１０に入射する光強度、大気温度および他の要因に応じて、Ｖｏｕｔの値は変化する。
【００１７】
パネル１０からの出力は、エネルギ抽出回路の形態の制御装置２２に供給される。制御装置２２は、第２インダクタ２６と直列に接続される第１インダクタ２４を含む。第１インダクタ２４および第２インダクタ２６は、共通のコアに巻回されたコイルの形態を取り、その結果、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６は磁気的に結合される。第２インダクタ２６からの出力は、ダイオード２８を介して負荷３２が接続される出力端子３０に供給される。装置が電気エネルギを給電または配電ネットワークまたはグリッドに供給するために用いられる場合、負荷３２はネットワークまたはグリッドを表してもよい。
【００１８】
制御装置２２は、共通のコア３８に巻回されたコイルの形態の第３インダクタ３４および第４インダクタ３６をさらに含み、第３インダクタ３４および第４インダクタ３６は、相互に磁気的に結合される。第３インダクタ３４および第４インダクタ３６は、両方とも、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６が相互に電気的に接続される点４０に電気的に接続される。点４０から離れた第３インダクタ３４および第４インダクタ３６の端部は、ダイオード４２，４４を介して出力端子３０および負荷３２と接続される。
【００１９】
点４０から離れた第３インダクタ３４および第４インダクタ３６の各端部には、スイッチ４６，４８を含むスイッチ手段５２を介するグランドへの切り替え接続部が設けられ、スイッチの動作は、コントローラ５０によって制御される。
【００２０】
使用時に、コントローラ５０が、スイッチ４６を閉成し、スイッチ４８を開成するようにスイッチ手段５２を制御する位置から開始して、内部静電容量１６が第１インダクタ２４を介して放電して、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６のコアに磁界を形成し、第３インダクタ３４を介してグランドに放電することができることが理解されるであろう。磁気的に結合された第３インダクタ３４および第４インダクタ３６は、変圧器と同様に作動し、第３インダクタ３４を介するグランドへの電流は、ダイオード４４を介して端子３０および負荷３２に供給される第４インダクタ３６における電流を誘導する。
【００２１】
スイッチ４６が開成されると、ダイオード４４を介する出力が停止し、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６の磁気的結合がインダクタ２４，２６およびダイオード２８を介して端子３０および負荷３２に供給される電流を大きく減少させ、このチョーキング動作は、パネル１０を低電流状態にし、スイッチ４６，４８が両方とも開成されると再充電する内部静電容量内の電力の貯蔵を増加させる。
【００２２】
その後、スイッチ４６が開成されたまま、スイッチ４８が閉成される。結果として、内部静電容量１６は、このとき、第４インダクタ３６を介して再び放電され、ダイオード４２を介して端子３０および負荷３２に供給される第３インダクタ３４の出力の発生をもたらす。このような内部キャパシタ１６の放電後、スイッチ４８は再開成され、その結果、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６は、上述のようにパネル１０をチョークするように機能する。
【００２３】
一例として、スイッチ４６が閉成されると、電流ｉａが第３インダクタ３４に流れた場合、インダクタが同一の場合、等しい電流が第４インダクタ３６に誘導される。したがって、第１インダクタ２４を介する電流は、２ｉａでなければならず、そこに貯蔵されるエネルギは、２Ｌａ１ｉａ２であり、ここでＬａ１は、第１インダクタ２４のインダクタンスである。スイッチ４６が開成されると、第１インダクタ２４および第２インダクタ２６によって形成される合成インダクタンスＬａによって、電流ｉｃが流れる。エネルギ保存から、
２Ｌａ１ｉａ２  ＝  Ｌａｉｃ２／２
であり、これは、
ｉｃ＝ｉａ√（４Ｌａ１／Ｌａ）
と書くことができる。
【００２４】
好ましくは、第２インダクタ２６のインダクタンスは、第１インダクタ２４のインダクタンスよりも大きく、その結果、Ｌａは、Ｌａ１よりも著しく大きい。結果として、ｉｃは、ｉａよりも著しく低い。一例として、第２インダクタ２６のインダクタンスは、第１インダクタ２４のインダクタンスの数倍、たとえば第１インダクタ２４のインダクタンスの２〜４倍であってもよいが、好ましくは、いくつかの実施形態ではこれよりも大きくてもよく、たとえば第１インダクタ２４のインダクタンスの１０〜２０倍であってもよい。したがって、スイッチ手段５２が開成されるときに流れる電流は、スイッチ４６，４８の一方が閉成されるときに流れる電流と比較して、低いレベルにチョークされる。
【００２５】
明らかに、一方または他方のスイッチ４６，４８が閉成された状態で、内部静電容量１６が放電する、または部分的に放電すると、端子３０および負荷３２への出力が低下する。したがって、出力を所望のレベルに、または所望の範囲内に維持するために、コントローラ５０は、好ましくは、各スイッチが非常に短い期間の間だけ閉成されるようにスイッチ４６，４８の動作を制御する。一例として、スイッチ４６，４８のスイッチング周波数は、好ましくは、１５０〜７００ｋＨｚ、好ましくは６００〜７００ｋＨｚの範囲である。一例として、スイッチング周波数は、６５０ｋＨｚのあたりであってもよい。しかしながら、内部静電容量が、たとえばパネル１０が曝される光の強度、大気温度および多くの他の要因に応じて変化することを踏まえれば、スイッチング周波数は内部静電容量１６の大きさに依存してもよい。
【００２６】
様々なインダクタが極めて小さく、たとえば関連するコアに巻回された少数の巻線の形態を取ってもよいことが想定される。インダクタは極めて小さく、単純な形態のものであってもよいので、制御装置に関連する部品コストを非常に低いレベルに保持することができることが理解されるであろう。
【００２７】
図１において、ダイオード５４およびキャパシタ５６は、パネル１０および制御装置２２への逆起電力損傷を防止するように設けられる。しかしながら、実際には、逆起電力のレベルは、非常に低く、したがってこのような損傷のリスクは最小限である。したがって、これらの部品が省略された装置が可能であることが想定される。
【００２８】
上述の制御装置を使用することは、複雑な最大電力点追跡アルゴリズムを使用する必要性を回避し、それに関連する非効率性を回避しつつ、ソーラパネル１０の有用な出力を向上させるという点で有利である。制御装置はパネル１０の有用な出力を増加させるので、パネル１０を、典型的には、パネル１０が実行可能であるには出力が不十分であると思われる場所に設置することができる。好ましくは、制御装置は、接続ケーブルに関連するインダクタンスの影響を最小限にするために、パネル１０の近傍に配置される。たとえば、制御装置は、ストリングインバータまたはパネル１０に関連するマイクロインバータなどのインバータに、またはそれに接続されるべきモジュールとして組み込まれてもよい。制御装置２２内の熱の発生は非常に低い。結果として、制御装置２２がパネル１０に取付けられ、またはパネル１０の近傍に配置される場合、制御装置２２の熱出力は、パネル１０の動作に大きな影響を与えない。
【００２９】
以上、本発明の特定の実施形態が説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく、その構成に対する多くの修正および変更が可能であることは理解されるであろう。具体的には、上述の説明は、主にソーラパネルの有用な出力を高めることに関するものであるが、本発明はこれに限定されず、電源が内部静電容量を含む、または電源がこれに関する静電容量を有する他の適用範囲において用いられてもよい。
【図１】
2018502543.tif 000003
【国際調査報告】
2018502543.tif 000004
2018502543.tif 000005
2018502543.tif 000006