(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池をエネルギー源として利用する電源、充電器及び各種電気・電子機器に用いられる太陽電池出力の昇圧回路であって、
直列接続されておらず、タンデム型太陽電池以外の太陽電池単セルまたは、単セルを複数並列接続した太陽電池モジュールである第１の太陽電池からの出力電圧を昇圧対象とし、
前記第１の太陽電池からの出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段の起動及び動作に必要な電力を供給するアモルファス太陽電池または、太陽電池モジュールを含む第２の太陽電池と、を有することを特徴とする太陽電池出力の昇圧回路。
【請求項２】
太陽電池をエネルギー源として利用する電源、充電器及び各種電気・電子機器に用いられる太陽電池出力の昇圧回路であって、
直列接続されておらず、タンデム型太陽電池以外の太陽電池単セルまたは、単セルを複数並列接続した太陽電池モジュールである第１の太陽電池の出力電圧を昇圧対象とし、
前記第１の太陽電池からの出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記昇圧手段の起動及び動作に必要な電力を供給するアモルファス太陽電池または、太陽電池モジュールを含む第２の太陽電池と、
前記昇圧手段に起動及び動作に必要な電力を供給する方向を順方向とする整流特性を有する第１、第２の整流素子と、
を有し、
前記第２の太陽電池で発電されて前記第１の整流素子を介した電力と、前記第１の太陽電池で発電されて前記昇圧手段により出力された電力の一部であり、前記第２の整流素子を介した電力とのオア出力を、該昇圧手段に起動及び動作に必要な電力として供給するように構成されたことを特徴とする太陽電池出力の昇圧回路。
【請求項３】
前記昇圧手段の後段に設けられ、該昇圧手段により得られた昇圧電力の一部が供給されると、定電圧や定電流のための出力制御を行なう出力制御回路を更に有する請求項２記載の太陽電池出力の昇圧回路。
【請求項４】
前記昇圧手段は、
前記出力制御回路の制御出力を受けて昇圧能力を制御する手段を有する請求項３記載の太陽電池出力の昇圧回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池出力の昇圧回路に係り、太陽電池をエネルギー源として利用する電源、充電器及び、各種電気・電子機器や、太陽電池と昇圧回路を一体化した太陽電池モジュールに用いるための太陽電池出力の昇圧回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池は、排気ガスや騒音を出さないクリーンなエネルギーであり、また、軽量・薄型な特徴を持ち、携帯機器への搭載に優れている。しかし、一般的な太陽電池単セルの出力電圧は、０．５Ｖ程度と低いため、電気・電子機器を動作させたり、ニッカド電池やニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池を充電することはできない。このため、太陽電池を直列化して電圧を上げることが一般的に行なわれている。しかし、この直列接続には３つの大きな問題がある。
１つ目は、電気的な問題であり、構成する太陽電池の何割かが影になると、太陽電池モジュール全体の何割かが影になったのと同じ影響が発生し、出力が大幅に低下することである。特に、携帯機器に搭載した場合、太陽電池モジュール全体が光を受光するのは難しく、また、太陽電池モジュール全体が光を受光するように強いるのは、利用者にとって使いづらい印象を与えることとなる。この現象を避けるためには、太陽電池と並列にバイパスダイオードを挿入しなければならない。
【０００３】
２つ目は、コストの問題である。直列接続された太陽電池モジュールを作成するには、バイパスダイオードの付加に加え、直列接続するための太陽電池表面と隣接する太陽電池裏面を繋ぐ配線やセル間の絶縁対策が必要である。モジュール効率を高めるために、各太陽電池セルは配線のための隙間やセル間絶縁のための隙間を小さくする必要があり、精度良くセルを配置する技術が要求される。これが太陽電池モジュールのコスト上昇の一因になっている。
【０００４】
３つ目は、太陽電池モジュールの形状が制約される点である。モジュール効率を高めるため、セル形状は四角形で、各セルの面積は同一となり、意匠的な工夫を凝らし難いという問題がある。
【０００５】
上記の１つ目と３つ目の問題を解決する従来の技術として、出力電圧が２Ｖ弱と高いタンデム型太陽電池を使うことで、直列接続を回避し、昇圧回路を使い二次電池を充電する方法が特許３０２５１０６号に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のタンデム型太陽電池を用いて二次電池を充電する方法は、太陽電池を多層化し、セル内で各層を直列接続することで出力電圧を上げるタンデム型太陽電池を用いることで、初めて発現し得たものである。タンデム型太陽電池は通常の太陽電池と比べ、製造工程が多く複雑なため、製造コストが高く、その使用は特殊な用途に限られている。言い換えれば、タンデム型太陽電池以外の通常の太陽電池では、出力電圧が０．５Ｖと低く、動作開始に０．７Ｖ以上必要な昇圧回路が機能しないため、上記方法は適用できず、太陽電池利用にかかるコストを低減できない問題がある。
【０００７】
直列接続の問題として、さらに、ウェアラブル機器へのエネルギー源として太陽電池を衣服表面に設置することを考えた場合、太陽電池の発電環境として極めて厳しい条件に置かれる。太陽電池は肩や背中、胸、足、頭部などあらゆる部位に装着可能であるが、人の移動に伴い、太陽光の入射方向は目まぐるしく変化すること、また、人体の形状に由来して単一の平面が得られないため、全ての太陽電池セルが均一に発電することはできない。このため、上記の課題の１つ目で記載したように、発電量の少ないセルに全体の発電量が影響されて、大幅に発電量が低下する問題がある。発電量の解決策としては、人体に装着した太陽電池セルを全て並列接続すればよく、発電電力は各セルの発電量の合計値にほぼ等しくなるが、出力電圧が０．５Ｖ程度と低く、電気・電子機器の電源や二次電池の充電源としては電圧が低過ぎて利用できない。公知の昇圧回路の起動・動作電圧の下限は０．７Ｖであり、直列接続していない太陽電池から昇圧できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、直列接続していない通常の太陽電池を電気・電子機器の電源及び二次電池の充電用の電源として用いることを可能とする太陽電池出力の昇圧回路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理構成図である。
【００１０】
本発明（請求項１）は、太陽電池をエネルギー源として利用する電源、充電器及び各種電気・電子機器に用いられる太陽電池出力の昇圧回路であって、
直列接続されておらず、タンデム型太陽電池以外の太陽電池単セルまたは、単セルを複数並列接続した太陽電池モジュールである第１の太陽電池１０１からの出力電圧を昇圧対象とし、
第１の太陽電池１０１からの出力電圧を昇圧する昇圧手段１０２と、
昇圧手段１０２の起動及び動作に必要な電力を供給するアモルファス太陽電池または、太陽電池モジュールを含む第２の太陽電池１０４と、を有する。
【００１１】
本発明（請求項２）は、太陽電池をエネルギー源として利用する電源、充電器及び各種電気・電子機器に用いられる太陽電池出力の昇圧回路であって、
直列接続されておらず、タンデム型太陽電池以外の太陽電池単セルまたは、単セルを複数並列接続した太陽電池モジュールである第１の太陽電池の出力電圧を昇圧対象とし、
第１の太陽電池からの出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
昇圧手段の起動及び動作に必要な電力を供給するアモルファス太陽電池または、太陽電池モジュールを含む第２の太陽電池と、
昇圧手段に起動及び動作に必要な電力を供給する方向を順方向とする整流特性を有する第１、第２の整流素子と、
を有し、
第２の太陽電池で発電されて第１の整流素子を介した電力と、第１の太陽電池で発電されて昇圧手段により出力された電力の一部であり、第２の整流素子を介した電力とのオア出力を、該昇圧手段に起動及び動作に必要な電力として供給するように構成される。
【００１２】
本発明（請求項３）は、昇圧手段の後段に設けられ、該昇圧手段により得られた昇圧電力の一部が供給されると、定電圧や定電流のための出力制御を行なう出力制御回路を更に有する。
【００１３】
本発明（請求項４）は、昇圧手段において、出力制御回路の制御出力を受けて昇圧能力を制御する手段を有する。
上記のように、本発明では、昇圧回路を本電源である第１の太陽電池とは異なる第２の太陽電池で駆動する構成とすることにより、本電源の出力電圧が０．５Ｖ以下であっても高効率に昇圧した電圧を得ることができ、本電源として直列接続した複数の太陽電池を用いる必要がないため、出力電圧の不安定を解消でき、また、コスト的にも低減を図ることが可能となる。
【００１４】
また、本発明では、第２の太陽電池からの発電電圧と昇圧対象である第１の太陽電池から得られた昇圧出力の一部とダイオイードオア出力または、同等の整流特性を有する整流素子（バイポーラトランジスタのベース・エミッタ間等）を用いたオア出力から昇圧回路の起動及び動作に必要な電力を供給することで、昇圧回路（手段）の昇圧能力を向上させることが可能となる。
【００１５】
また、本発明では、出力制御回路を用いることにより、昇圧回路（手段）の起動時には、昇圧回路（手段）の動作が当該出力制御回路の制御出力の影響を受けず、安定した起動特性を得ることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図２は、第１の実施の形態を示す。
【００１８】
図２に示す太陽電池出力の昇圧回路は、太陽電池１０１の出力を昇圧対象とし、太陽電池１０４、昇圧回路１０２から構成され、負荷としての二次電池１０３に電力を供給する。
【００１９】
昇圧対象である直列接続されていない太陽電池１０１に光が入射すると起電力が生じる。太陽電池１０１としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体を用いたものなど、一般に広く普及しているものが使用できる。これらの太陽電池の単一セルの出力電圧は、最大で０．５Ｖ強である。太陽電池１０１で発電された電力は、昇圧回路１０２により昇圧されて負荷（二次電池）１０３に供給される。負荷１０３としては、電気・電子回路や二次電池が接続される。昇圧回路１０２は、０．６Ｖ未満の電圧では動作することはできないので、太陽電池１０１にて駆動することができないが、アモルファス太陽電池もしくは、同等のコストで作成可能な直列接続された太陽電池１０４から電力の供給を受ける構成にする。太陽電池１０４の面積は、昇圧回路１０２の消費電力を賄うだけでよく、１〜３．３平方センチメートル程度の小さな素子を用いることができる。
【００２０】
昇圧回路１０２の電源としては、直列接続したアモルファス太陽電池１０４を用いることが有効である。アモルファス太陽電池は、半導体プロセスにおいて、直列接続できる特徴があり、上記の従来の技術で課題となっていた種々の課題を解決することができる。
【００２１】
昇圧回路１０２は、ブースト型の昇圧回路構成が有効で、スイッチ素子には駆動電力が極めて小さい特徴をもつＭＯＳＦＥＴを用いる。このＭＯＳＦＥＴの駆動部には、ＣＭＯＳロジックＩＣによるマルチバイブレータ発振回路を用いる。マルチバイブレータの発振周波数は、発振回路の消費電力とブーストコンバータのコイルのインダクタンスや定格電流から決定する。マルチバイブレータの発振周波数とブーストコンバータのコイルのインダクタンス値とコイルの定格電流値は昇圧対象である太陽電池１０１の発電能力によって決まる設計上の項目であり、公知の技術であるので説明は省略する。
【００２２】
必要最小限で構成されたこの昇圧回路１０２の消費電力は極めて少なく１０ｋＨｚ動作時に１０μＷ以下の電力で動作できる。ＣＭＯＳロジックＩＣ７４ＨＣ１４をマルチバイブレータ回路に用いた昇圧回路の起動及び動作電圧の最低電圧は１．２Ｖであった。大きさ３３ｍｍ×１０ｍｍ、５セルが内部で直列接続されたアモルファス太陽電池を太陽電池１０４に用いた場合、１１００ルクス程度の明るさ以上で昇圧動作が確認できた。
【００２３】
この基本構成では、昇圧電圧の昇圧能力を向上する目的でスイッチ素子として大型のＭＯＳＦＥＴを用いたり、複数のＭＯＳＦＥＴを並列接続すると、昇圧回路１０２の消費電力が増加して昇圧回路１０２の起動する最低照度を上昇させる原因となる。
【００２４】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態を示す。
【００２５】
図３に示す昇圧回路は、昇圧回路の昇圧能力の向上を実現すると共に、昇圧回路の起動する最低照度の上昇を招かない構成である。
【００２６】
同図の構成では、前述の第１の実施の形態における図２の構成にダイオード１０７、１０８を付加している。
【００２７】
同図に示す昇圧回路は、起動時は、太陽電池１０４の電力を用い、昇圧動作が開始された後は、昇圧された電力の一部を昇圧回路１０２に供給することで昇圧能力を飛躍的に向上させている。太陽電池１０４の電力と昇圧出力の一部とのダイオードオア出力を昇圧回路に供給しているので、太陽電池１０４の電力は昇圧回路のみに供給されるため、起動照度の低下を防ぐことができる。昇圧回路１０２は太陽電池１０４から電力の供給を受けると起動し、昇圧動作が始まると、昇圧出力からダイオード１０８を通じて、昇圧回路１０２に電力を供給する。この結果、昇圧回路１０２の昇圧能力が増加する。太陽電池１０１による発電電力が大きくなればなるほど、昇圧される電力が増加し、ダイオード１０８を通じて昇圧回路１０２に供給される電力も増えるので、昇圧回路の昇圧能力が増強されることとなり、好循環が生まれる。なお、ダイオード１０７、１０８に替えて同等の整流特性を有する整流素子（バイポーラトランジスタのベース・エミッタ間等）を用いてもよい。
【００２８】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態を示す。
【００２９】
図４では、出力制御回路を設けた太陽電池出力の昇圧回路の構成を示しており、前述の第２の実施の形態における図３の昇圧回路に出力制御回路１０５を付加した構成である。
【００３０】
昇圧対象である太陽電池１０１にて発電した電力は、昇圧回路１０２により昇圧され、出力制御回路１０５により定電圧や定電流や充電のための出力制御を受けた後にダイオード１０９を通じて電気・電子回路あるいは、二次電池である負荷１０３に供給される。昇圧された電力の一部は出力制御回路１０５と昇圧回路１０２に供給される。昇圧回路１０２を起動するための太陽電池１０４の電力は、ダイオード１０８の働きにより昇圧回路１０２にのみ供給されるため、起動照度の低下を防ぐことができる。ダイオード１０９により負荷１０３から出力制御回路１０５の方向に電流が逆流することはないので、負荷１０３に二次電池を用いた場合は、二次電池の不要な放電を防ぐことができる。負荷１０３が二次電池でない場合は、ダイオード１０９を省略してもよい。また、出力制御回路１０５は、３端子シリーズレギュレータを用いてもよいし、定電圧ダイオードを用いた簡単な構成でもよい。
【００３１】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態における昇圧能力を可変にするための太陽電池出力の昇圧回路の構成を示しており、前述の第３の実施の形態における図４の昇圧回路において、出力制御回路１０５から昇圧回路１０２に制御信号を送り、昇圧能力を可変とすることで、制御目標を達成する構成について説明するための図である。
【００３２】
同図に示す太陽電池出力の昇圧回路は、昇圧回路１０２の起動時に太陽電池１０４から電力を受けて起動する。この時点では、昇圧出力が発生していないか、出力制御回路１０５の最低動作電圧に達していないため、出力制御回路１０５からの制御信号は存在しなかったり、不定な動作をする。このため、不本意な制御信号状態により起動し始めた昇圧回路が停止して、正常な動作が行なわれない恐れがある。この問題を解決するには、以下の特徴を有する回路構成にする必要がある。
【００３３】
・起動時に出力制御回路１０５から昇圧回路１０２に不定な制御出力を与えないこと：
・起動時に出力制御回路１０５の制御信号出力端子はハイインピーダンスであること：
出力制御回路１０５が不定な制御信号を出力しないようにするためには、制御信号出力段にハイポーラトランジスタなどの電流駆動素子を用いることが有効である。当該素子では、オンするのに電流が必要であり、昇圧回路起動時は、出力制御回路１０５は、電流駆動素子を駆動するだけの能力を持っていない。また、出力端子をハイインピーダンスにすることで、昇圧回路１０２から出力制御回路１０５に電流が流れ、昇圧回路の起動特性が劣化するのを防止することができる。従って、出力制御回路１０５の制御信号出力段には、オープンコレクタやゲート・ソース間に抵抗を並列接続して電流駆動型にしたオープンドレイン構成をとるのが有効である。回路構成の詳細については、実施例において後述する。
【００３４】
【実施例】
以下、図面と共に本発明の実施例を説明する。
【００３５】
［第１の実施例］
本実施例では、ブーストコンバータ構成の昇圧回路について説明する。
【００３６】
図６は、本発明の第１の実施例のブーストコンバータ構成の太陽電池出力の昇圧回路の構成を示す。
【００３７】
昇圧回路２０２の昇圧対象は、直列接続されていない太陽電池２０１であり、また、昇圧回路２０２の出力端子２１７には、負荷２０３として定電流・定電圧制御が可能な電子負荷（富士通伝送ＥＵＬαＸＬ１５０）を接続した。太陽電池２０１は、３６平方センチメートルのシリコン多結晶でＡＭ１．５の状況下にて開放端出力電圧が０．５６Ｖ発生するものを用いた。昇圧回路２０２には、コイル２０６として、直流抵抗２０ミリオーム、定格電流２Ａ、インダクタンス値２２マイクロヘンリーのものを用いた。スイッチ素子２０８には、ＭＯＳＦＥＴとしてシリコニクス製Ｓｉ９９４８ＤＹを用いた。ダイオード２０７には、ショトキーバリアダイオード東芝製ＣＭＳ０６を用いた。コンデンサ２０９には、三洋製電解コンデンサでＥＳＲが２０ミリオーム、キャパシタンス２２０マイクロファラドのものを用いた。発振回路２２４は、汎用ＣＭＯＳロジックゲートであるシュミットトリガ型インバータ７４ＨＣ１４によるマルチバイブレータ発振回路と出力電流強化のためのドライブ回路から構成した。
【００３８】
マルチバイブレータ回路は、発振時定数を決定するキャパシタ２１０と抵抗２１１とシュミットトリガ型インバータ２１３から構成したが、ここには、一般的な低消費電力型の矩形波発振回路を用いることができる。
【００３９】
ドライバ回路は、シュミットトリガ型インバータ２１２及び２１４を並列にして用いた。ここでは、一般的な低消費電力型のインバータやバッファタイプのロジックゲートを用いることができる。並列数は、電流駆動能力と負荷の重さから決定すればよい。昇圧回路２０２の電源として、前述の発振回路２２４のシュミットトリガ型インバータ７４ＨＣ１４の電源端子２１５への電力供給が必要であるので、ここに直列接続された太陽電池２０４とコンデンサ２１６を接続した。太陽電池２０４には、三洋製アモルファス太陽電池で５セル構成の定格出力３．０Ｖ、３．２ｍＡ、型番ＡＭ１１５６を用いた。コンデンサ２１６には三洋製ＯＳ電解コンデンサ２２０マイクロファラドのものを用いた。太陽電池２０１と太陽電池２０４は近接し、かつ、平面上に配置した。
【００４０】
照度の測定は、照度計横河電機製５１０−０２を用い、光源から太陽電池表面までの距離と光源から照度計の受光球までの距離が等しくなるようにして行なった。
【００４１】
実験の結果、照度が１１００ルクスから昇圧動作が始まることが確認された。発振回路２２４の発振周波数を調整することで昇圧開始電圧が変化し、発振周波数が１〜３０ｋＨｚ程度で昇圧開始電圧が最も高感度であった。昇圧回路の駆動源に用いた太陽電池２０４の出力電圧が１．１Ｖを超えると発振回路２２４は、発振を始めるが、スイッチ素子２０８の駆動には至らない。太陽電池２０４の出力電圧が１．４Ｖを超えると昇圧動作が始まることがわかった。照度が１１００ルクスのときに太陽電池２０４の出力電圧が１．４Ｖに達していた。窓際または、太陽光下では、十分な昇圧動作が得られ、出力端子２１７には、２０Ｖ以上の電圧が得られるが太陽電池２０４の出力電圧は１．９Ｖ程度であり、定格の３．０Ｖには到達しないため、次に、昇圧回路起動後の昇圧回路へのエネルギー供給の補強を行なった。
【００４２】
なお、上記の７４ＨＣ１４は、インバータロジック６個と当該ロジックへの電源供給端子をひとまとめにした標準パッケージである。また、発振回路２２４は、７４ＨＣ１４の３個のインバータロジック２１２、２１３、２１４と抵抗２１１とコンデンサ２１０を使用して構成されている。
【００４３】
［第２の実施例］
本実施例では、前述の第１の実施例とは異なるブーストコンバータ構成の昇圧回路について説明する。
【００４４】
図７は、本発明の第２の実施例のブーストコンバータ構成の太陽電池出力の昇圧回路の構成を示す。
【００４５】
同図に示す構成は、前述の第１の実施例の回路構成における、シュミットトリガ型インタバータ７４ＨＣ１４の電源端子２１５に、太陽電池２０４と昇圧回路の昇圧出力とをショットキーダイオード２１８とショットキーダイオード２１９によるオア回路を介して印加する構成とした。
【００４６】
太陽電池２０４の出力は、昇圧回路２０２にのみ供給され、ダイオード２１９により負荷２０３に供給されることはないので、前述の第１の実施例に比べ、起動照度が劣化することはない。
【００４７】
実験では、１２００ルクス以上の光照射により昇圧回路が起動し、太陽電池２０１からの昇圧出力が得られた。昇圧出力は、負荷２０３に供給されると同時に出力の一部を電流制限抵抗２２０とダイオード２１９を介して昇圧回路２０２に供給する。すなわち、発振回路を構成するシュミットトリガ型インバータ７４ＨＣ１４の電源端子２１５に供給した。昇圧出力からのエネルギー供給が昇圧回路２０２に開始されると、７４ＨＣ１４の電源端子２１５の電圧が上昇し、発振回路２２４の動作が安定すると同時に、昇圧回路２０２のスイッチ素子２０８及び２２１を十分な駆動能力で駆動し始めるため、スイッチ素子２０８及び２２１のオン抵抗を低くすることができる。この実験では、スイッチ素子２０８及び２２１としてＳｉ９９４８ＤＹを用いたがオン抵抗の合成値は１０ミリオームを得た。これは、コイル２０６の直流抵抗が２０ミリオームの場合、昇圧回路の直流的な抵抗値は３０ミリオーム程度となり、太陽電池２０１の発電電圧が０．３Ｖの時に最大１０Ａまでの発電電流を太陽電池２０１から昇圧回路２０２に取り込めることを意味している。
【００４８】
本実施例の昇圧回路では、一旦、昇圧回路２０２が起動すると、昇圧出力の一部を昇圧回路２０２に供給するため、起動に用いた太陽電池２０４は不要となる。
【００４９】
５０００ルクス程度の光照射において、昇圧出力は７Ｖを超えるため、負荷２０３に富士通電装電子負荷ＥＵＬαＸＬ１５０を接続し、定電圧動作に設定した。
【００５０】
以下に示す表１は、照度を変えて、昇圧対象である直列接続されていない太陽電池２０１の出力電圧Ｖｉｎを変化させたときの実験結果の一例である。
【００５１】
【表１】
0004320995.tif 000002
この実験では、負荷２０３として用いた電子負荷は、定電圧動作の５．００Ｖに設定した。昇圧回路の出力端子２１７における出力電圧と出力電流から昇圧出力を測定した。この結果から、太陽電池２０１の出力電圧が０．１Ｖでも昇圧出力が得られること、８割台の高い変換効率が得られることがわかる。実験に用いたマルチバイブレータによる矩形発振回路は、ディユーティ比を変化させる構成としなかったので、例えば、太陽電池２０１の出力電圧Ｖｉｎが０．５Ｖのときの太陽電池２０１からの供給電流Ｉｉｎが３３０ミリアンペアとなっている。しかし、ディユーティ比を調節できる別な矩形波発振回路による実験において、ディユーティ比を増加させることで、太陽電池２０１からの出力電流Ｉｉｎが１５００ミリアンペアを超えても昇圧回路２０２が取り込めることを確認した。  なお、上記の７４ＨＣ１４は、インバータロジック６個と当該ロジックへの電源供給端子をひとまとめにした標準パッケージである。また、発振回路２２４は、７４ＨＣ１４の３個のインバータロジック２１２、２１３、２１４と抵抗２１１とコンデンサ２１０を使用して構成されている。
【００５２】
［第３の実施例］
本実施例では、出力制御機能を有するブーストコンバータ構成の昇圧回路について説明する。
【００５３】
図８は、本発明の第３の実施例における太陽電池出力の昇圧回路の構成を示す。
【００５４】
昇圧回路２４４内の矩形波発振回路は、汎用ＣＭＯＳロジックゲートであるシュミットトリガ型２入力ＮＡＮＤ（７４ＨＣ１３２）によるマルチバイブレータ発振回路と出力電流強化のためのドライブ回路から構成した。マルチバイブレータ回路は、発振時定数を決定するキャパシタ２３３と抵抗２３２とシュミットトリガ型２入力ＮＡＮＤ２３４から構成したが、この他にも、発振回路外部から発振状態の制御が可能な低消費電力型の矩形波発振回路を用いることができる。ドライブ回路は、シュミットトリガ型２入力ＮＡＮＤゲート２３５、２３６及び２３７を並列にして用いた。ここには、電流駆動能力の優れた低消費電力型のインバータタイプのロジックゲートを用いるとよい。並列数は負荷の重さに応じて決定すればよい。昇圧回路２４４の電源としてシュミットトリガ型２入力ＮＡＮＤ７４ＨＣ１３２の電源端子２３０への電力供給が必要であるので、ここに直列接続された太陽電池２０４をダイオード２１８を介して接続した。太陽電池２０４には、三洋製アモルファス太陽電池で大きさが３．３平方センチメートル、５セル構成の定格出力３．０Ｖ、３．２ｍＡ、型番ＡＭ１１５６を用いた。コンデンサ２１６には、三洋製低ＥＳＲ型電解コンデンサ２２０マイクロファラドのものを用いた。前述の電源端子２３０には、前述の第２の実施例と同様に太陽電池２０４の発電出力と昇圧回路２４４の昇圧出力とをダイオード２１８及び２１９によるＯＲ構成として接続した。
【００５５】
本構成により、太陽電池２０４の発電出力は電源端子２３０にのみ供給でき、また、昇圧出力から太陽電池２０４に逆流することなく電源端子２３０に昇圧出力の一部を供給することができる。昇圧出力から電源端子２３０に昇圧出力の一部を供給する際に、電流制限抵抗２２０を挿入することで電源端子２３０に過大な電力が供給されるのを防ぎ、昇圧回路の変換効率を向上することができる。
【００５６】
ダイオード２１８とダイオード２１９とダイオード２０７とダイオード２３８には、順方向降下電圧が小さい特徴を持つショットキーバリアダイオードを用いるとよい。本実施例では、東芝製ＣＭＳ０６を用いた。
【００５７】
次に、出力制御回路について説明する。
【００５８】
本実施例は、直列接続していない太陽電池出力を昇圧回路２４４により昇圧する際に昇圧出力を定電圧化するための回路構成例である。昇圧出力を一定電圧に制御するか、あるいは、一定電流に制御するかは、この昇圧回路の本質ではなく、公知の出力制御技術が利用可能である。ここで、必要なのは、これら出力制御回路が必要とする電力をどこから得ているかということと制御信号のインタフェース方法である。昇圧対象である太陽電池２０１の出力電圧は、０．４Ｖ程度、最大でも０．５Ｖ強である。このような低電圧で一般的な出力制御回路を構成するコンパレータや基準電圧源を駆動することは不可能である。もう一つのエネルギー源である太陽電池２０４は、昇圧回路２４４の起動動作に必要なエネルギーを供給するためのものであり、ごく小面積の太陽電池の利用を前提にしている。仮に、太陽電池２０４からエネルギーを流用すると、太陽電池２０４の出力電圧低下を招き、本昇圧回路の低照度動作の特性を著しく低下させるか、昇圧回路２４４の起動ができない事態を招くこととなる。出力制御回路は、昇圧回路２４４から昇圧出力が発生している時のみ機能すれば良い。従って、図８のように、直列接続されていない太陽電池２０１の昇圧出力から電圧を得るように接続することで、本昇圧回路の低照度動作の特性を全く劣化させることなく、公知の出力制御手段を利用することができる。
【００５９】
次に、制御信号のインタフェース方法について説明する。定電圧制御や定電流制御などの出力制御は、昇圧回路２４４の昇圧動作に働きかけて昇圧能力を調節することで実現する。ここで、出力制御手段が昇圧回路２４４の昇圧出力から電力を得て動作している場合、昇圧回路２４４から昇圧出力が得られるまでは、出力制御手段は動作することができない。昇圧回路内の発振回路がこの出力制御手段からゼロボルトでない発振許可信号を受けて発振し、昇圧動作を実現する場合以下の問題が発生する。
【００６０】
昇圧回路２４４は、発振制御端子２６０をロジックのハイレベルに相当する発振許可信号を受信することで、発振を開始し昇圧動作が行なわれる。昇圧回路２４４が起動する際には、昇圧出力はまだ発生していないため、出力制御手段から発振許可信号を得ることができないので、発振回路は発振することができない。従って、昇圧動作ができず昇圧出力が得られない。そこで、図８のように、発振制御端子２６０を電源端子２３０に抵抗２３１とコンデンサ２４５による積分回路を介して接続する。また、発振許可信号出力時以外の出力制御回路の出力端子のインピーダンスを高くするため、制御信号の出力端子の回路構成をオープンドレインかオープンコレクタ構成になるようにする。この回路構成では、起動時の発振制御端子２６０の電圧は、電源端子２３０の電源電圧とほぼ等しいため、ロジックハイレベルを安定して得られる特徴を持つ。
【００６１】
また、本昇圧回路の低照度特性を劣化させる電力消費要因は存在しない。上記の問題を克服する直列接続されていない太陽電池出力の昇圧手段のための出力制御方法として、定電圧出力制御の例を本実施例において示し、定電圧制御動作について説明する。
【００６２】
定電圧制御回路は、オープンドレイン出力構成のコンパレータ２４１と基準電圧源２４２とバイアス抵抗２３９及び出力電圧値設定のための出力電圧抵抗２４０及び２４３から構成され、図８のように結線した。コンパレータ２４１は、オープンドレイン出力もしくは、オープンコレクタ構成以外の場合でもコンパレータ出力端子にＮ型ＭＯＳＦＥＴかＮＰＮ型バイポーラトランジスタを介して発振制御端子２６０に接続することも可能である。
【００６３】
次に、動作について説明する。
【００６４】
太陽光照射による起動時は、昇圧出力が得られていないため、コンパレータ２４１の出力段のＮ型ＭＯＳＦＥＴあるいは、ＮＰＮトランジスタはオフ状態にあり、発振制御端子２６０の電圧が上昇して、昇圧回路内のマルチバイブレータが発振を開始し、昇圧出力が得られる。分割抵抗２４０と２４３による昇圧電圧の分割電圧が基準電圧源２４２の電圧より高くなると、コンパレータの出力は電流を引き込むので発振制御端子２６０は、ロジックローレベルになり、発振を停止し、昇圧動作が停止する。出力電圧が前述の分割抵抗２４０と２４３による設定値以下になるとコンパレータのオープンドレイン出力回路はオフし、昇圧発振制御端子２６０の電圧が積分回路を介して電圧を上昇し、ロジックハイレベルになると、昇圧回路２４４が発振を再開して昇圧動作を行い、出力電圧が一定になるように制御される。
【００６５】
実験では、太陽電池２０１と太陽電池２０４は近接し、かつ、平面上に配置した。照度の測定は、照度計に横河電機製５１０−０２を用い、光源から太陽電池表面までの距離と光源から照度計の受光球までの距離が等しくなるようにして行なった。実験の結果、照度が８００ルクスから発振動作が始まることが確認された。発振回路の発振周波数を調整することで昇圧開始電圧が変化し、発振周波数が１〜３０ｋＨｚ程度で昇圧開始電圧が最も高感度であった。昇圧回路の駆動源に用いた太陽電池２０４の出力電圧が０．９５Ｖを超えると発振回路は発振を始めるが、スイッチ素子２０８の駆動には至らない。照度が１１００ルクスのときに太陽電池２０４の出力電圧が１．２Ｖに達し、昇圧動作が始まることがわかった。窓際や太陽光下では十分な昇圧動作が得られ、分割抵抗２４０と２４３で設定した出力電圧が出力端子２１７から得られた。
【００６６】
［第４の実施例］
本実施例では、出力制御機能を有するブーストコンバータ構成の昇圧回路について説明する。
【００６７】
図９は、本発明の第４の実施例の出力制御機能を有するブーストコンバータ構成の直列接続されていない太陽電池出力の昇圧回路の構成を示す。
【００６８】
本実施例では、図８に示す第３の実施例の回路構成同様に出力制御回路の制御出力により、昇圧回路２４４の発振制御端子２６０を介して昇圧能力を調節して定電圧出力動作を実現するものである。前述の第３の実施例との差異は、昇圧回路２４４の発振制御端子２６０がロジックローレベルの時に発振回路が動作し、昇圧回路を動作させることで、第３の実施例では必要であった電源端子２３０からのバイアス回路を不要とするものである。
【００６９】
また、発振制御端子２６０がロジックハイレベルの時に発振回路の動作が停止するので、コンパレータ出力の後にＰＮＰトランジスタ２７２或いは、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴによるレベルシフト回路を付加する。抵抗２７３と２７４は、ＰＮＰトランジスタ２７２のバイアス抵抗である。
【００７０】
抵抗２７０は、発振制御端子２６０のプルダウン抵抗、抵抗２７１は、ＰＮＰトランジスタ２７２からの過電流防止と発振回路制御端子への過電圧印加によるラッチアップを防止するものである。コンデンサ２７５は、発振回路制御端子の耐ノイズ特性を向上するためのものである。
【００７１】
次に、上記の構成における動作を説明する。
【００７２】
太陽電池に光が照射され、太陽電池２０４から出力電圧が発生すると、電源端子２３０の電圧が上昇し、シュミットトリガ型２入力ＮＡＮＤロジックゲート７４ＨＣ１３２が動作可能な状態となる。昇圧出力はないので、発振回路制御端子２６０は、プルダウン抵抗２７０によりロジックローレベルにあり、発振回路は発振を開始し、昇圧回路が起動し昇圧出力が発生する。昇圧出力電圧が分割抵抗２４０と２４３により分割された電圧と基準電圧源２４２の電圧とをコンパレータ２４１にて比較し、昇圧出力電圧の方が高圧電圧であるときは、コンパレータ２４１は、後段のＰＮＰトランジスタ２７２をオンするように正入力端子と負入力端子を接続する。トランジスタ２７２が、オンすると昇圧出力からプルダウン抵抗２７０に電流が流れ、発振回路制御端子がロジックハイレベルとなり、発振動作が停止して昇圧動作が停止する。
【００７３】
また、出力電圧が設定電圧以下になると、コンパレータ出力はオフとなり、ＰＮＰトランジスタ２７２は、オフするので発振回路制御端子２６０は、ロジックローレベルとなる。このため、発振回路が動作して昇圧動作が再開されるので出力電圧は一定電圧に制御される。
【００７４】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内において種々変更・応用が可能である。
【００７５】
【発明の効果】
上述のように、本発明の直列接続されていない太陽電池の昇圧回路によれば、直列接続されていない太陽電池の出力電圧が０．５Ｖ以下であっても何等問題なく、高効率に昇圧した電圧を得ることができるので、従来の直列接続した太陽電池で問題であった、構成する太陽電池の何割かが影になると、太陽電池モジュール全体の何割かが影になったのと同じ効果が発生し、出力が大幅に低下する問題を解決することができる。
【００７６】
また、従来、直列接続された太陽電池モジュールを作成するには、バイパスダイオードの付加に加え、太陽電池表面と隣接する太陽電池裏面を繋ぐ配線やセル間の絶縁対策が必要であり、モジュール効率を高めるためには、各太陽電池セルにおいて、配線のための隙間やセル間絶縁のための隙間を小さくし、かつ、精度よくセルを配置する技術が要求されるため、コスト高の太陽電池モジュールとなっていた。これに対し、本発明を適用することで、直列接続する必要がないので、太陽電池モジュールのコストを低減できる。
【００７７】
さらに、従来はモジュール効率を高めるため、セル形状は四角形となり、意匠的な工夫を凝らすことが困難であったが、発電対象である太陽電池を直列接続する必要がないので、本発明により、様々な形状の太陽電池を並列接続して用いることができ、太陽電池モジュールの形状の制約から開放される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施例のブーストコンバータ構成の太陽電池出力の昇圧回路の構成図である。
【図７】本発明の第２の実施例のブーストコンバータ構成の太陽電池出力の昇圧回路の構成図である。
【図８】本発明の第３の実施例の太陽電池出力の昇圧回路の構成図である。
【図９】本発明の第４の実施例の出力制御機能を有するブーストコンバータ構成の直列接続されていない太陽電池出力の昇圧回路の構成図である。
【符号の説明】
１０１  第１の太陽電池、太陽電池
１０２  昇圧手段、昇圧回路
１０３  電源・充電器・各種電気・電子機器、負荷、二次電池
１０４  第２の太陽電池、太陽電池
１０７，１０８，１０９  ダイオード
２０１  昇圧対象である直列接続れていない太陽電池
２０２  昇圧回路
２０３  負荷
２０４  太陽電池
２０５  コンデンサ
２０６  コイル
２０７  ダイオード
２０８  Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
２０９，２１０  コンデンサ
２１１  抵抗
２１２，２１３，２１４  シュミットトリガ型インバータゲート
２１５  シュミットトリガ型インバータゲートＩＣ７４ＨＣ１４の電源端子
２１６  コンデンサ
２１７  出力端子
２１８，２１９  ダイオード
２２０  抵抗
２２１  Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
２２４  発振回路
２３０  シュミットトリガ型２入力ＮＡＮＤゲートロジックＩＣ７４ＨＣ１３２
２３１，２３２  抵抗
２３３  コンデンサ
２３４，２３５，２３６，２３７  シュミットトリガ型２入力ＮＡＮＤゲート
２３８  ダイオード
２３９，２４０  抵抗
２４１  コンパレータ
２４２  基準電圧源
２４３  抵抗
２４４  昇圧回路
２４５  コンデンサ
２６０  制御端子
２７０，２７１  抵抗
２７２  ＰＮＰトランジスタ
２７３，２７４  抵抗
【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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