特許 6688730 制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6688730

(24)【登録日】2020年4月8日

(45)【発行日】2020年4月28日

(54)【発明の名称】制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20200421BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20200421BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 Q

   H02M3/28 Q

【請求項の数】10

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-526690(P2016-526690)

(86)(22)【出願日】2014年7月10日

(65)【公表番号】特表2016-525332(P2016-525332A)

(43)【公表日】2016年8月22日

(86)【国際出願番号】GB2014052104

(87)【国際公開番号】WO2015008035

(87)【国際公開日】20150122

【審査請求日】2017年4月12日

【審判番号】不服2018-15039(P2018-15039/J1)

【審判請求日】2018年11月12日

(31)【優先権主張番号】1312621.4

(32)【優先日】2013年7月15日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】516017204

【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ プリマス

【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＰＬＹＭＯＵＴＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100075557

【弁理士】

【氏名又は名称】西教 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】アーメド，モハメッド

【合議体】

【審判長】 國分 直樹

【審判官】 山澤 宏

【審判官】 須原 宏光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２４７８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−９３４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−８９５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２７３３４０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H02M 3/00- 3/44

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部静電容量を有する電源ユニットから出力への電気供給の制御に使用するための制御装置において、インダクタ（２２）と、内部静電容量と並列に設けられるスイッチ（２６）と、スイッチ（２６）の閉鎖がＬＣＲ回路の形成をもたらすようにスイッチ（２６）の動作を制御するように動作可能なコントローラ（３０）とを含み、内部静電容量はＬＣＲ回路の静電容量を形成する制御装置において、
インダクタ（２２）は、内部静電容量に適合する小さなインダクタンスを有し、コントローラ（３０）は、スイッチ（２６）を、１５０ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの範囲の高周波でその開位置および閉位置の間で移動させるように動作可能であることを特徴とする制御装置。

【請求項2】

最大電力点追跡アルゴリズムが設けられていないことを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

高周波は、６００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの範囲であることを特徴とする、請求項１または２に記載の制御装置。

【請求項4】

内部静電容量は可変静電容量であり、コントローラ（３０）は、スイッチを、瞬間的な内部静電容量に応じて、共振を維持するように選択された周波数、または共振を維持する周波数の高調波でその開位置および閉位置の間を移動させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御装置。

【請求項5】

電源ユニットは、太陽電池パネル（１６）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】

内部静電容量は、ユニット内に配置されたｐｎ接合ダイオードの接合静電容量のために、少なくとも部分的に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置。

【請求項7】

２つのインダクタンス（２２ａ，２２ｂ）が相互に並列に設けられ、各スイッチ（２６ａ，２６ｂ）が各インダクタンス（２２ａ，２２ｂ）に関連してい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】

各インダクタンス（２２ａ，２２ｂ）は、バイファイラ巻線（３２ａ，３２ｂ）の一部を形成し、ブロッキングダイオード（３６ａ，３６ｂ）が設けられ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】

請求項１〜８のいずれか１項に記載の制御装置を使用して電源ユニットの出力を制御するための方法において、
スイッチ（２６）を開き、そ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（２６）を閉じて、それによってユニットの内部静電容量を放電させ、インダクタ（２２）に供給される電流を増加させる工程と、
スイッチ（２６）を再び開き、それによってユニットの内部静電容量を、負荷の電気的要求を満たすようにインダクタ（２２）からエネルギを抽出しながら、再充電させる工程とを含む方法において、
インダクタ（２２）は、内部静電容量に適合する小さなインダクタンスを有し、スイッチ（２６）を開く工程、スイッチ（２６）を閉じる工程およびスイッチ（２６）を再び開く工程は、１５０ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの範囲の高周波で生じることを特徴とする方法。

【請求項10】

スイッチを開く工程、スイッチを閉じる工程およびスイッチを再び開く工程は、スイッチを高周波でその開位置および閉位置の移動させるコントローラによって制御されることを特徴とする請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御装置であって、特に、光起電性または太陽電池パネル（以下、太陽電池パネルという）からの利用可能な出力を増大させるために、それらと共に使用するのに適した制御装置に関する。太陽電池パネルと組み合わせて使用するのに特に適する一方、制御装置は、他のデバイスまたは電源と共に使用することが可能である。

【背景技術】

【0002】

太陽電池パネルは、発電において急速に普及している。そこからの出力は、他の装置の駆動に直接使用することが可能であり、または蓄電手段の充電に使用可能であり、または幹線電力網への電力の供給に使用することが可能である。太陽電池パネルの出力は、たとえばそこに入射する光の強度、動作温度および他の因子に依存して非線形に変動するので、太陽電池パネルから負荷に、出力を制御をおこなわずに直接的に供給することは、通常適していない。図１は、発電電流と関連する出力電圧との間の関係を示す、入射光強度の範囲の下での太陽電池パネルの典型的なＩ−Ｖの出力を概略的に示す。太陽電池パネルが一部を形成する回路が、図１のライン１０上で動作している場合、最大電力出力が生じる。明らかに、光強度が変化するとき、最大出力に要する動作電流および電圧は変化する。太陽電池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保証するために、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、その最適点付近で太陽電池パネルの動作を維持するために、太陽電池パネルによって供給される負荷を変化させる、たとえばその抵抗の切り替えに使用される。

【0003】

より古いシステムでは、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、負荷から、電源、すなわち太陽電池パネルからの出力を接続・切断を迅速に繰返すことによって達成される。一例として、電源は、毎秒１０００〜３０００回の範囲で接続・切断されてもよい。このようにある時間の間出力を切断することによって、デューティサイクルは、たとえば上述したように約７０％まで低減される。

【0004】

このようなシステムは、いくつかの状況で十分に動作することが可能であるけれども、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、たとえ別の方法でパネルが最大電力点で動作したとしても、パネルが切断されつつ、潜在的な電力が失われる。したがって、装置は、それが可能な場合ほど効率的ではない。

【発明の概要】

【0005】

本発明の目的は、パネルの有用な出力を強化することが可能である、好ましくは最適化することが可能である制御装置を提供することである。

【0006】

本発明に従えば、内部静電容量を備えた電源ユニットから出力への電気供給の制御に使用するための制御装置であって、インダクタと、内部静電容量と並列に配置されたスイッチと、スイッチの閉鎖がＬＣＲ回路の形成をもたらし、内部静電容量がＬＣＲ回路の静電容量を形成するように、スイッチ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む、制御装置が提供される。

【0007】

このような構成において、最大電力点追跡アルゴリズム等を設ける必要がなく、好ましくは、そのようなアルゴリズムなどが存在しない。

【0008】

ｐｎ接合ダイオードは、その本質から、可変接合静電容量を形成する。このようなダイオードは、典型的には、太陽電池パネルを含むユニットに存在する。この接合静電容量は、過去においては、太陽電池パネルおよび関連する制御回路の出力をモデル化するときには、無視されてきた。このようなダイオードが、太陽電池パネルなどの電圧源と並列に配置されている場合、電源の一部は、まず、接合静電容量の充電に使用される。さらに、電圧源が太陽電池パネルの形態をとる場合、電圧源それ自体は、実質的に、充填されることになる静電容量を形成する。太陽電池パネルの出力は均一ではなく、たとえば入射光強度、温度および他の因子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したキャパシタ電流は、ある時点において、静電容量が充電されているか、放電しているかどうかに応じて、正または負のいずれかにすることが可能である。従来構成の太陽電池パネルでは、この電流の方向は、たとえば照明の強度が増加または減少しているかどうかに依存する。しかしながら、上述の装置では、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の動作によって達成され、それによって向上されたレベルの効率でシステム全体の動作を可能にする。

【0009】

本発明の装置では、スイッチが開いているとき、ユニットの内部静電容量が充電される。スイッチの閉鎖は、インダクタへの内部静電容量の放電をもたらす。スイッチの動作にわたる適切な制御によって、そうでなければまさに内部静電容量の充電に向かって行くであろう電源ユニットからの出力が、代わりに、使用のために抽出可能であることが理解されるであろう。スイッチが再び開かれると、内部静電容量の再充電をもたらし、エネルギは、インダクタから抽出され、それに接続された負荷の要求を満たすために使用することが可能である。さらにスイッチが閉じると、電源ユニットからの出力電流は、そこへのエネルギ貯蔵をもたらすインダクタンスを通って流れる。スイッチが開かれると、電力が負荷に供給される。電源からの出力電流がインダクタンスに連続的に供給され、インダクタ電流がスイッチの閉鎖時に上昇し、スイッチの開放時に減少する限り、制御装置からの出力電圧は、そこへの入力電圧よりも大きくなる。

【0010】

好ましくは、コントローラは、スイッチを開位置と閉位置との間で、１５０〜７００ｋＨｚ、好ましく６００〜７００ｋＨｚの範囲の周波数で、たとえば６５０ｋＨｚのオーダの周波数で、移動させる。インダクタンスの大きさの変化は、スイッチが操作されるべき周波数を変化させる。

【0011】

電源ユニットが太陽電池パネルと組み合わせて使用さ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、またはそれへの接続に適合したモジュールを含んでもよい。

【0012】

さらに本発明は、上述の形態の制御装置を使用してユニットの出力を制御するための方法であって、
スイッチを開き、そ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、
スイッチを閉じて、それによってユニットの内部静電容量を放電させ、増加した電流をインダクタに供給する工程と、
スイッチを再び開き、それによってユニットの内部静電容量を、負荷の電気的要求を満たすようにインダクタからエネルギを抽出しながら、再充電させる工程とを含む方法に関する。

【0013】

本発明はさらに、添付図面を参照して、一例として、説明される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】入射光強度の範囲の下での典型的な太陽電池パネルユニットのＩＶ出力の関係を示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係る制御装置を示す図である。

【図3】従来の太陽電池パネルの制御装置を備えた図２の制御装置の出力を比較するグラフである。

【図4】代替の実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１に示され、上記で議論されたように、太陽電池パネルの出力は、多くの因子、とりわけ、任意の時間における太陽電池パネルに入射する光の強度に依存して有意に変化する。

【0016】

図２を参照して、一実施形態に係る制御装置の回路図が示される。回路図は、最大電力がそこから抽出されることを可能にするために、太陽電池パネルからの出力を制御するのに用いられる制御装置の代表例である。太陽電池パネルに関連して説明するが、本発明は、可変電圧源と内部静電容量とを含むユニットから抽出することが可能である電力のレベルを高めるために望まれる他の用途に使用されてもよいことが理解されるであろう。

【0017】

図２に示すように、太陽電池パネル１０は、その端子間に接続されたｐｎ接合ダイオード１２を有する。このようなダイオード１２は、静電容量１４によって、図２に示される内部接合静電容量を有する。図示されていないけれども、太陽電池パネル１０は、それと関連する拡散静電容量も有する。パネル１０およびダイオード１２は、典型的には、ユニット１６内に存在する抵抗を反映する定抵抗１８，２０と、ユニット１６の可変内部静電容量を構成する接合静電容量および拡散静電容量とを備える、図２に破線１６で示される単一のユニットとして供給される。したがって、Ｖ_ｐは、ユニット１６からの電圧出力を示す。この出力は、上述した理由のために可変であることが理解されるであろう。

【0018】

ユニット１６からの出力は、インダクタ２２に供給され、スイッチ２６を含むライン２４が、スイッチが開いているときに、パネル１０の出力が、ユニット１６の内部静電容量を充電するように機能するとともに、外部端子２８に接続された負荷の要求を満たすように機能するように設けられて配置される。Ｖ_ｏｕｔは、制御装置からの出力電圧を示す。インダクタ２２のインダクタンスは、好ましくは比較的小さく、太陽電池パネル１０の特性と、その内部静電容量に適合するように選択される。

【0019】

スイッチ２６が閉じているとき、ユニット１６の内部静電容量は放電することが可能であり、ライン２４におけるスイッチ２６の閉鎖はＬＣＲ回路の形成をもたらし、内部静電容量からの放電はインダクタ２２に供給され、スイッチ２６の次に続く再開放時に、インダクタ２２からのエネルギが抽出され、負荷を満足させるのに使用可能であるように、そこへの電流供給を増加させる。スイッチ２６が閉じているとき、ユニット１６からの増加した出力電流は、インダクタンス２２に供給され、そこにエネルギ貯蔵をもたらす。スイッチの次に続く開放は、電力が、インダクタンス２２から抽出され、もう一度内部静電容量の充電をもたらしながら、負荷に供給されることを可能にする。ユニット１６からの出力電力は、インダクタンス２２に連続的に供給され、スイッチ２６が開くとインダクタ電流が上昇し、スイッチ２６が閉じると降下する（かつ、以下に記載される制御ユニット３０がその場合であることを確保するように動作する）場合、Ｖ_ｏｕｔの値は、Ｖ_ｐよりも大きい。図３はこのことを示し、同一の環境条件下での、従来の制御されたパネルの出力（ボルト−アンペアで）（横軸）と、前述の制御装置を使用して制御されたパネルの出力（縦軸）とを示し、その制御に関して以外、同じ動作特性を有するパネルが相互にプロットされ、Ｖ_ｏｕｔがＶ_ｐよりも大きい、しばしば、有意に大きいことを明確に示している。

【0020】

スイッチ２６の動作周波数は、この効果を維持するように選択される。したがって、周波数は、共振を維持するように選択されてもよく、または共振を維持するであろう周波数の高調波であってもよい。ユニット１６の内部静電容量が固定されないとき、最適なスイッチング周波数も固定されないことが理解されるであろう。しかしながら、最適なスイッチング周波数は、典型的には、１５０〜７００ｋＨｚ、好ましくは６００ｋＨｚ〜７００ｋＨｚの範囲である。最適なスイッチング周波数は、少なくともある程度、インダクタンスの大きさに依存する。

【0021】

スイッチ２６の動作は、スイッチ２６の動作のタイミングおよび周波数を制御するように機能する適切なコントローラ３０によって制御される。上述のように、ある程度、スイッチ２６の動作周波数は、ユニット１６の内部静電容量の変動を補償するように変化すべきである。しかしながら、このような変動を考慮するために要求される周波数の変動はかなり小さく、スイッチング周波数の変動は典型的には５０〜６０Ｈｚの範囲になることは理解されるであろう。コントローラ３０は、好都合には、たとえば、ユニット１６からの出力Ｖ_ｐを監視し、そのときのユニット１６の内部静電容量の指標を提供するためにこれを使用し、電力出力を最大にするまたは実質的に最大にするために、これに応答してスイッチング周波数を制御する。しかしながら、最適なまたは所望のスイッチング周波数を決定するための他の技術が、本発明の範囲から逸脱することなく可能であることは理解されるであろう。

【0022】

上述の制御装置の使用は、複雑な最大電力点追跡アルゴリズムを採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、太陽電池パネルユニット１６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、好ましくは、接続ケーブルに関連したインダクタンスの影響を最小限にするためにユニット１６の近くに配置されている。これは、たとえば、ユニット１６に関連した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むことが可能である。

【0023】

図４を参照して、代替の回路構成が示される。図４の構成において、単一のインダクタンス２２を提供することよりもむしろ、回路の各脚に一対のインダクタンス２２ａ，２２ｂが提供され、各インダクタンス２２ａ，２２ｂはそれに関連したスイッチ２６ａ，２６ｂをそれぞれ有し、スイッチ２６ａ，２６ｂの動作は上述のようにコントローラ３０によって制御される。

【0024】

各インダクタンス２２ａ，２２ｂは、各バイファイラインダクタ３２ａ，３２ｂの入力コイルを形成し、出力コイル３４ａ，３４ｂは、使用中、負荷に接続され、負荷に出力電圧を供給する。各バイファイラインダクタ３２ａ，３２ｂの入力コイルおよび出力コイルは、共通コアを共有し、相互に磁気的に結合される。ブロッキングダイオード３６ａ，３６ｂは、バイファイラインダクタ３２ａ，３２ｂが変圧器として作用するのを防ぐために設けられる。使用時において、スイッチ２６ａが閉じているとき、内部静電容量１４は放電し、それへのエネルギ貯蔵をもたらすインダクタンス２２ａへの電流供給を増加させる。スイッチ２６ａの次に続く開放は、上述したように、内部静電容量１４の充電と、インダクタンス２２ａからのエネルギ放出とをもたらす。エネルギはインダクタンス２２ａから放出されるけれども、スイッチ２６ｂは、インダクタンス２２ｂへの電流供給を増加させる内部静電容量１４を放電するために閉じることが可能であり、スイッチ２６ｂの次に続く開放は、再び内部静電容量１４を充電させ、インダクタンス２２ｂから負荷へのエネルギ放出をもたらす。

【0025】

したがって、両方のスイッチ２６ａ，２６ｂが開き、したがって内部静電容量１４が充電している位置から開始して、選択されたある時点において、スイッチ２６ａが閉じ、内部静電容量１４の放電をもたらす。その後、スイッチ２６ａが開いて、静電容量を再充電し、インダクタ２２ａからの放出を始める。その後、スイッチ２６ｂが閉じて、内部静電容量１４を放電し、その後、静電容量１４を再充電し、再び開いて、インダクタ２２ｂからのエネルギ放出を始める。各スイッチ２６ａ，２６ｂを再び開く前に、両方のスイッチ２６ａ，２６ｂが閉じる期間を含むことが有益であり得る。ユニット１６の各充放電サイクルの開始が発生するタイミングは、部分的には、一般的な環境条件に依存し、したがって、スイッチング周波数は、制御装置の効率が最大とされるべき場合、通常、固定されないであろう。適切な制御アルゴリズムは、出力を最大にするために、たとえば、スイッチ２６ａ、２６ｂが開閉される時間を制御するように用いることが可能である。このアルゴリズムは、たとえばパネル１６からの出力電圧に応じて制御することが可能である。

【0026】

スイッチ２６ａ，２６ｂがその開閉位置間で移動する時間にわたる適切な制御によって、制御装置の出力を最適化することが可能であることが理解されるであろう。

【0027】

静電容量３８およびダイオード４０は、ユニット１６を充電するインダクタ３２ａ，３２ｂからの逆起電力を低減するために設けられる。静電容量３８は、ユニット１６の内部静電容量よりも小さい。

【0028】

本発明の使用は、有用な出力を、そのような有用な出力がさもなければ生成されないであろう状況において生じさせ得るので、ユニット１６が使用され得る場所および向きにわたるより大きな自由度を可能にすると考えられる。低減された強度照明条件下（または最適に配向しないユニットで）あるいは不利な温度条件下での有用な発電が可能である。

【0029】

本発明の特定の実施形態が上述されているけれども、装置に対する多くの修正および改変が本発明の範囲から逸脱することなく可能であることが理解されるであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】