(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の直流入力電源と、平滑回路を有する出力回路と、磁気閉路を形成するインダクタ又はトランスと、前記複数の直流入力電源及び前記出力回路にそれぞれ接続されて前記インダクタ又はトランスに卷回されている巻線と、前記複数の直流入力電源と該複数の直流入力電源に接続された前記巻線とをそれぞれ直列接続するスイッチとを備え、
前記出力回路の出力電圧を検出して、１周期の間の前記各スイッチのオン動作を前記複数の直流入力電源のうちの第１の直流入力電源の最適入力電力に対応するよう該第１の直流入力電源のスイッチのオン動作をさせた後、前記複数の直流入力電源のうちの第２の直流入力電源のスイッチを前記出力電圧に達する期間だけオン動作せしめ、前記出力回路に電力を給電するようにしたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記１周期の間の前記第１の直流入力電源のスイッチのオン動作がオフ動作に切り替わってから所要時間経過後にリセットされる前記インダクタ又はトランスのリセット信号を検出して発生される起動信号により、前記第２の直流入力電源のスイッチのオン動作を行なわしめるようにしたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記第１の直流入力電源のスイッチのオン動作がオフ動作に切り替わってから所要時間経過後にリセットされる前記インダクタ又はトランスのリセット信号を検出して発生される起動信号により動作せしめる前記第２の直流入力電源のスイッチのオン動作を、コンデンサの充放電回路を用いて遅延動作させるようにした請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記第１の直流入力電源のスイッチのオン動作がオフ動作に切り替わってから所要時間経過後にリセットされる前記インダクタ又はトランスのリセット信号を検出して発生される起動信号により動作せしめる前記第２の直流入力電源のスイッチのオン動作を、カウンタによる加算・減算回路を用いて遅延動作させるようにした請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、商用電源，太陽電池，風力発電，地熱発電，畜電池等からなる複数の電力供給源出力から、これらを加算して得られる単一体の安定した出力を給電可能なＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は本発明の対象である複数の直流入力電源から負荷に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示すものである。
図９において、Ｅ１，Ｅ２は独立した直流入力電源で、Ｅ１は例えば太陽電池，Ｅ２は商用電源から直流に変換された直流電源、Ｄ１，Ｄ２は直流入力電源Ｅ１，Ｅ２への逆方向電流阻止用ダイオード、Ｓ１，Ｓ２は直流入力電源Ｅ１，Ｅ２の電流をそれぞれ断続動作させるためのスイッチ、Ｌは磁気閉路を形成するインダクタである。Ｎ１，Ｎ２はインダクタＬに相互結合が密に巻回された１次巻線であり、Ｎ０は同様にＮ１，Ｎ２との結合が密に巻回された出力用の２次巻線である。
これらの１次巻線Ｎ１，Ｎ２及び２次巻線Ｎ０のそれぞれの巻数値は、直流入力電源Ｅ１，Ｅ２の電圧値及び負荷Ｒに供給する出力電圧値Ｅ０に対応して巻数あたりの電圧がほぼ等しくなるように巻数が決定されているものである。Ｄ０は２次巻線Ｎ０に誘起する２次交流電圧を整流するダイオード、Ｃは整流された脈流を平滑して負荷Ｒに安定した直流電力を供給するためのコンデンサである。また、同図において、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ０はそれぞれ入力電源Ｅ１，Ｅ２の入力電流及び出力電流である。
【０００３】
次に、図９に示したコンバータ回路の動作を制御する従来の制御回路の一例を図１０に示し、その制御動作をスイッチＳ１，Ｓ２のＯＮ−ＯＦＦの動作タイミングを示す図１１のタイムチャートと共に説明する。
図１０において、１はスイッチＳ１，Ｓ２の動作期間Ｔｏｎを出力する発振回路で、インダクタＬのリセット信号を利用した起動信号により、出力電圧Ｅ０を検出して生じる定電圧制御信号と図１１（ａ）の鋸歯状発振波形との比較から、１周期Ｔｓの間に図１１（ｂ）の動作期間Ｔｏｎを得るようにしている。２はスイッチＳ１，Ｓ２のスイッチ動作制御回路で動作期間Ｔｏｎの内、太陽電池の直流入力電源Ｅ１から得られる最大電力制御信号の図１１（ｃ）の動作期間Ｔｏｎ１をスイッチＳ１の動作信号として出力し、その際、差分として生じる図１１（ｄ）の動作期間Ｔｏｎ−Ｔｏｎ１に相当するＴｏｎ２をスイッチＳ２の動作信号として出力するもので、動作期間Ｔｏｎに見合う図１１（ｅ）の動作期間Ｔｏｎ１＋Ｔｏｎ２を出力するようにしている。
【０００４】
即ち、図１１に示した１周期Ｔｓにおける２つのスイッチＳ１とＳ２との加算された動作期間Ｔｏｎ（Ｔｏｎ１＋Ｔｏｎ２）が鋸歯状発振器により定められる。そして太陽電池の直流入力電源Ｅ１側のスイッチＳ１を、当該直流入力電源Ｅ１の出力電圧値の変化を検出して得られた最適動作期間Ｔｏｎ１だけ動作させ、負荷側電力の不足分である動作期間Ｔｏｎ２（Ｔｏｎ−Ｔｏｎ１）を商用電源の直流入力電源Ｅ２側のスイッチＳ２を動作させて、両者が加算された動作期間Ｔｏｎとして、出力電圧Ｅ０を安定に負荷側に供給するようにしている。
このような回路構成及びスイッチのＯＮ−ＯＦＦ動作タイミングであるので、電源Ｅ１，Ｅ２から出力される電力は常時出力へ伝達され、電力給電において有効かつ無駄のない手段として実用に供されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には図１１に示すスイッチＳ１，Ｓ２のＯＮ−ＯＦＦ動作タイミングからもわかるように、スイッチＳ１とＳ２の動作期間Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２が休み期間なしに接している連続動作タイミングであるため、２つのスイッチＳ１，Ｓ２の切り替わり時に同時に動作している期間が発生し、コンバータ動作が不安定なものとなってしまう問題がある。
本発明は上記した問題を解決するために、複数入力電源からなるＤＣ−ＤＣコンバータの電流を断続動作させる複数のスイッチの動作タイミングを同時動作期間が生じないように位相をずらして動作できるＤＣ−ＤＣコンバータを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータは、複数の直流入力電源と、平滑回路を有する出力回路と、磁気閉路を形成するインダクタ又はトランスと、前記複数の直流入力電源及び前記出力回路にそれぞれ接続されて前記インダクタ又はトランスに卷回されている巻線と、前記複数の直流入力電源と該複数の直流入力電源に接続された前記巻線とをそれぞれ直列接続するスイッチとを備え、前記出力回路の出力電圧を検出して、１周期の間の前記各スイッチのオン動作を前記複数の直流入力電源のうちの第１の直流入力電源の最適入力電力に対応するよう該第１の直流入力電源のスイッチのオン動作をさせた後、前記複数の直流入力電源のうちの第２の直流入力電源のスイッチを前記出力電圧に達する期間だけオン動作せしめ、前記出力回路に電力を給電するようにしたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記１周期の間の前記第１の直流入力電源のスイッチのオン動作がオフ動作に切り替わってから所要時間経過後にリセットされる前記インダクタ又はトランスのリセット信号を検出して発生される起動信号により、前記第２の直流入力電源のスイッチのオン動作を行なわしめるようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図９に示したＤＣ−ＤＣコンバータと、このＤＣ−ＤＣコンバータの動作を制御する図１に示した制御回路、及び図２乃至図５の回路図，タイミング図、タイムチャート等により説明する。
先ず本発明の基本的な構成と動作は、図１に示す出力電圧Ｅ０を検出して生じる定電圧制御信号から、１周期Ｔｓの間の２つのスイッチＳ１，Ｓ２の全体の動作期間Ｔｏｎを求め、図２のタイミング図に示すように最初にスイッチＳ１の最適動作期間Ｔｏｎ１と、その残余の動作期間Ｔｏｎ２（Ｔｏｎ−Ｔｏｎ１）を遅延させてスイッチＳ２の動作期間としている。
これらの条件に従って出力電圧Ｅ０及び入力電流Ｉ１，Ｉ２を導出すると、
（１），（２），（３）に示す各式が得られる。
【０００８】
【数１】
0003748162.tif 000002
【０００９】
これら３式から、出力電圧Ｅ０、入力電流Ｉ１，Ｉ２はスイッチＳ１，Ｓ２の動作期間Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２で制御可能なことは明らかである。
そして、このスイッチＳ１，Ｓ２の動作期間Ｔｏｎ１とＴｏｎ２とを位相ずらし動作が行なわれるように、スイッチＳ２の動作を遅延させる手段を設けて、それぞれの動作期間は独立動作するように制御するものである。即ち、直流入力電源Ｅ１側の図２（ｂ）の動作期間Ｔｏｎ１と直流入力電源Ｅ２側の図２（ｃ）の動作期間Ｔｏｎ２との間に動作停止期間Ｔｏｆｆ１を設け、更に動作期間Ｔｏｎ２と次の直流入力電源Ｅ１側の動作期間Ｔｏｎ１との間に動作停止期間Ｔｏｆｆ２を設けるようにしたもので、直流入力電源Ｅ１からは、Ｔｏｎ１期間に入力電流Ｉ１が流入し、次の動作停止期間Ｔｏｆｆ１を経た後、直流入力電源Ｅ２からＴｏｎ２期間に入力電流Ｉ２が流入する。
【００１０】
更に、動作停止期間Ｔｏｆｆ２を経た後、直流入力電源Ｅ１からＴｏｎ１期間に入力電流Ｉ１が流入する１周期Ｔｓの動作を繰り返す。この時、入力電流Ｉ１，Ｉ２による１次電流によって励磁された磁束により、動作停止期間Ｔｏｆｆ１，Ｔｏｆｆ２にインダクタＬの２次巻線Ｎ０に、直流入力電源Ｅ１，Ｅ２からの電圧が誘起されることで電力が供給される。
【００１１】
【実施例】
図１において、１１は起動回路で、例えば動作停止期間Ｔｏｆｆ１の終りに発生するインダクタＬのリセット信号を検出し、起動信号としている。１２は第１の発振回路で出力電圧Ｅ０を検出して生じる定電圧制御信号と鋸歯状発振波形との比較から全体の動作期間Ｔｏｎを得るようにしている。１３はスイッチ動作制御回路で、全体の動作期間Ｔｏｎから例えば太陽電池からの直流入力電源Ｅ１の最大電力を検出して、その最適動作点信号である動作期間Ｔｏｎ１の制御信号を出力すると共に、第２の発振回路１４により検出された商用電源の直流入力電源Ｅ２の遅延された動作期間Ｔｏｎ２を出力するものである。なお、前述した起動回路１１はスイッチ動作制御回路１３からの発振器選択信号によって、第１の発振回路１２又は第２の発振回路１４に動作信号を出力するものである。
【００１２】
次に前述の図１の全体の制御回路動作を、図４のタイムチャートと第２の発振回路１４の具体例として示した図３により説明する。
前述したように第１の発振回路１２で出力電圧Ｅ０を検出して生じる定電圧制御信号と図４（ａ）の鋸歯状発振波形との比較から、１周期Ｔｓの間における図４（ｂ）の全体の動作期間Ｔｏｎを得て、スイッチ動作制御回路１３に出力される。スイッチ動作制御回路１３は、例えば太陽電池からの直流入力電源Ｅ１の最適動作点信号である図４（ｃ）の動作期間Ｔｏｎ１の入力により，出力電力の不足分に対応する図４（ｄ）のＴｏｎ−Ｔｏｎ１の信号を第２の発振回路１４に出力する。この第２の発振回路１４は、例えば図３に示すようなスイッチＳ１，Ｓ２の動作の位相ずらし回路が用いられる。
【００１３】
即ち、トランジスタＴｒ１のベースにスイッチ動作制御回路１３からＴｏｎ−Ｔｏｎ１の信号が入力されると、トランジスタＴｒ１をオンとしてＴｏｎ−Ｔｏｎ１に相当する期間、コンデンサＣ１を定電流充電する。この充電が完了した後、起動回路１１から動作信号がフリップフロップ１５に入力され、トランジスタＴｒ２を動作状態としてコンデンサＣ１を定電流放電状態にすると共に、直流入力電源Ｅ２側のスイッチＳ２をオン状態にするＴｏｎ−Ｔｏｎ１に相当するＴｏｎ２を出力する。このコンデンサＣ１の充放電の状況は図４（ｅ）に示す波形となり、動作期間Ｔｏｎ２は図４（ｆ）に示す波形となり、この例の場合はＴｏｎ１とＴｏｎ２との間に略Ｔｏｎ２に相当する期間が空き、その分位相がずれることになる。なお、図４（ｇ）に示す波形は、インダクタＬのリセット信号を起動回路１１に起動信号として与えられるものである。
【００１４】
次に、図１に示した第２の発振回路１４の他の実施例を、図６に基づいて説明する。図６はデジタル回路によるカウンタを用いたもので、アップカウンタ２１はインバータ回路２２から成る周辺回路の作用により、太陽電池の直流入力電源Ｅ１の動作期間Ｔｏｎ１が“Ｈ”の期間にセットされる。そして、ＡＮＤ回路２３の作用により、全体の動作期間Ｔｏｎが“Ｈ”で、かつ直流入力電源Ｅ１の動作期間Ｔｏｎ１が“Ｌ”の期間にクロック信号のパルスをカウントアップ動作し、このカウントアップデータをダウンカウンタ２４へ出力する。更に、ダウンカウンタ２４は、先のカウントアップデータをＡＮＤ回路２５から成る周辺回路の作用により、全体の動作期間Ｔｏｎが“Ｈ”、かつ直流入力電源Ｅ１側の動作期間Ｔｏｎ１が“Ｌ”の期間にセットする。また、フリップフロップ２６の出力は、動作信号の“Ｈ”の期間に“Ｈ”にセットされ、同時にＡＮＤ回路２７へも入力されるため、クロック信号パルスのカウントダウンを開始し、データが零となったとき“Ｈ”信号をフリップフロップ２６へパルスを出力して、当該フリップフロップ２６の出力を“Ｌ”にし、商用電源側のスイッチＳ２への動作期間Ｔｏｎ２を生成する。
【００１５】
また、この実施例における制御として、例えば、出力電力が著しく低下（いわゆる軽負荷状態）し、動作期間Ｔｏｎが太陽電池の直流入力電源Ｅ１の電力で間に合う状態、即ちＴｏｎ＝Ｔｏｎ１なる条件となった場合には、商用電源の直流入力電源Ｅ２のスイッチＳ２の動作を停止して、スイッチＳ１のみが１周期Ｔｓ期間に２回効率的に動作し電力を給電するように構成することができる。
このような場合、図１に示した２つの発振回路１２と１４のいずれに対して動作信号を送出するのかを、図５のタイムチャートにより説明する。図５の左側は、直流入力電源Ｅ１の電力では不十分な状態を示し、図５の右側は、直流入力電源Ｅ１の電力で間に合う状態を示している。
【００１６】
先ず、図５の左側の場合は、直流入力電源Ｅ１側の動作期間Ｔｏｎ１が終了した時点において、全体の動作期間Ｔｏｎが“Ｈ”の状態の場合は、スイッチ動作制御回路１３は起動回路１１に第２の発振回路１４を選択する信号を出力し、動作期間Ｔｏｎ１が終了した時点で動作期間Ｔｏｎが“Ｌ”の状態である右側の場合は、スイッチ動作制御回路１３は起動回路１１に第１の発振回路１２を選択する信号出力する。
また、夜間や著しく太陽照射量の少なく太陽電池の電力量が少ない場合には、太陽電池の出力状態を検出している検出手段からの図１に示す電池切離し制御信号がスイッチ動作制御回路１３に送られ、商用電源側のスイッチＳ２のみが１周期Ｔｓの期間内に２回動作するようにして、電力を効率的に給電するようにする。
【００１７】
また、別の制御構成として、スイッチＳ１の動作期間Ｔｏｎ１を、太陽電池の最適動作点を検出し追尾することで得られる動作期間に固定し、出力定電圧制御より得られる制御動作期間をスイッチＳ２の動作期間Ｔｏｎ２として与える制御回路構成としてもよい。
また、本発明は、前述した実施例のように、太陽電池と商用電源との２つの直流入力電源を用いたコンバータ回路に限定されるものではなく、図７に示すような３種類以上の多入力電源を用いたコンバータ回路に適用することも可能である。また、図８に示すように前述の実施例におけるインダクタＬをトランスＴによる結合に変更し、出力側にインダクタＬを設定するようにしたコンバータ回路にも適用することができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているため、例えば、給電が常に変動する各種の自然エネルギ発電や商用電源を入力電源として使用する場合、これら自然エネルギ発電や商用電源の電力供給時の動作期間を、独立動作するように位相をずらして動作させるようにしたことにより、高精度な安定した給電が可能となった。また、このことにより商用電源と自然エネルギ発電、或いは自然エネルギ発電の複数種類の利用を促進することになり、商用電源の給電電力を低減することが可能になる効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの制御回路の一実施例を示すブロック回路図である。
【図２】本発明の一実施例におけるスイッチのＯＮ−ＯＦＦ動作のタイミング図である。
【図３】本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの制御回路の要部の一実施例を示す回路図である。
【図４】本発明の一実施例である制御回路のタイムチャートである。
【図５】本発明の多入力電源の使用要否の検出手段を説明するタイムチャートである。
【図６】本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの制御回路の要部の他の実施例の回路図である。
【図７】本発明を適用する多入力電源のＤＣ−ＤＣコンバータの一実施例の回路図である。
【図８】本発明をトランス結合として使用するＤＣ−ＤＣコンバータの一実施例の回路図である。
【図９】本発明を適用する２種類の直流入力電源を用いたＤＣ−ＤＣコンバータの基本回路図である。
【図１０】従来のＤＣ−ＤＣコンバータの制御回路の一実施例を示すブロック回路図である。
【図１１】従来の制御回路の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１  発振回路
２，１３  スイッチ動作制御回路
１１  起動回路
１２  第１の発振回路
１４  第２の発振回路
１５，２６  フリップフロップ回路
２１  アップカウンタ
２２  インバータ回路
２３，２５，２７  ＡＮＤ回路
２４  ダウンカウンタ
Ｅ１  太陽電池による直流入力電源
Ｅ２  商用電源による直流入力電源
ＥＭ  入力電源
Ｅ０  出力電圧
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ０，ＤＭ，ＤＲ，Ｄ01，Ｄ02  ダイオード
Ｓ１，Ｓ２，ＳＭ  スイッチ
Ｌ  インダクタ
Ｃ，Ｃ１  コンデンサ
Ｒ  負荷抵抗
Ｎ１，Ｎ２，ＮＭ，ＮＲ  Ｌ又はＴの１次巻線
Ｎ０  Ｌ又はＴの２次巻線
Ｉ１  Ｅ１の電流
Ｉ２  Ｅ２の電流
ＩＭ  ＥＭの電流
Ｉ０  負荷Ｒに流れる電流
Ｔｒ１，Ｔｒ２  トランジスタ
Ｔ  トランス
【図１】
0003748162.tif 000003
【図２】
0003748162.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003748162.tif 000008
【図７】
0003748162.tif 000009
【図８】
0003748162.tif 000010
【図９】
0003748162.tif 000011
【図１０】
0003748162.tif 000012
【図１１】
0003748162.tif 000013