▶ 日産自動車株式会社の特許一覧 ▶ 学校法人君が淵学園の特許一覧 ▶ ルノー エス．ア．エス．の特許一覧
(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】
(24)【登録日】2024-03-22
(45)【発行日】2024-04-01
(54)【発明の名称】電力変換装置及び電力変換装置の制御方法
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20240325BHJP
H02M 3/28 20060101ALI20240325BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
H02M3/28 H
H02M3/155 W
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020075364
(22)【出願日】2020-04-21
(65)【公開番号】P2021175220
(43)【公開日】2021-11-01
【審査請求日】2023-02-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】594158150
【氏名又は名称】学校法人君が淵学園
(73)【特許権者】
【識別番号】507308902
【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．
【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＡＵＬＴ Ｓ．Ａ．Ｓ．
【住所又は居所原語表記】１２２－１２２ ｂｉｓ， ａｖｅｎｕｅ ｄｕ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｌｅｃｌｅｒｃ， ９２１００ Ｂｏｕｌｏｇｎｅ－Ｂｉｌｌａｎｃｏｕｒｔ， Ｆｒａｎｃｅ
(74)【代理人】
【識別番号】110000486
【氏名又は名称】弁理士法人とこしえ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】図子 祐輔
(72)【発明者】
【氏名】長井 純之
(72)【発明者】
【氏名】谷本 勉
(72)【発明者】
【氏名】冨田 要介
(72)【発明者】
【氏名】竹本 圭佑
(72)【発明者】
【氏名】本部 惇史
(72)【発明者】
【氏名】早川 峰洋
(72)【発明者】
【氏名】西嶋 仁浩
【審査官】栗栖 正和
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１１／１０２４５８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／０１８５０７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２０７０２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０７５８７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０４５０７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／１５５
Ｈ０２Ｍ ３／２８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の電源から入力された電力をそれぞれ変換する複数の第１コンバータと、前記複数の第１コンバータの出力端子それぞれに接続される第１端子、及び負荷に接続される第２端子を有する第２コンバータと、
前記第１コンバータを制御するコントローラと、を備え、
前記複数の第１コンバータは、前記第１コンバータそれぞれの前記出力端子によって並列に接続されており、
前記第２コンバータは、前記第１端子と前記第２端子の間を絶縁し、前記第１端子の電圧と前記第２端子の電圧が所定の比率となるように動作し、
前記電源は、太陽電池モジュールであり、
前記負荷は、バッテリである電力変換装置。
【請求項2】
前記第１コンバータは、前記第１コンバータの出力電力が最大となるように動作する回路である請求項１記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記第２コンバータは、前記第１端子に接続される１次側コイル及び前記第２端子に接続される２次側コイルで構成される絶縁トランスを含み、前記所定の比率は、前記１次側コイルの巻数と前記２次側コイルの巻数との比率である請求項１又は２記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記第１コンバータは、前記太陽電池モジュールからの入力電圧を昇圧又は降圧する昇降圧型コンバータである請求項１～３の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記所定の比率は、前記太陽電池モジュールが最大電力を出力する際の前記太陽電池モジュールの出力電圧と、電力貯蔵率が５０％の際の前記バッテリの電圧との比率に設定される請求項１～４の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記第１コンバータは、第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子のオン及びオフによって前記電源から入力される電力を変換し、前記コントローラは、所定の外部信号と同期するように、前記第１スイッチング素子をスイッチングさせる請求項１～５の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記第１コンバータは、第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子のオン及びオフによって前記電源から入力される電力を変換し、前記コントローラは、複数の前記第１スイッチング素子間で位相が異なるように、前記複数の第１スイッチング素子をスイッチングさせる請求項１～５の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記第１コンバータは、第１スイッチング素子を有し、前記第１スイッチング素子のオン及びオフによって前記電源から入力される電力を変換し、前記コントローラは、前記第１コンバータの出力電流が最大となるように、前記第１スイッチング素子を制御する請求項２～７の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記第２コンバータを制御するコントローラを備え、前記第２コンバータは、前記第１端子及び前記第２端子の間に設けられた絶縁トランスと、前記絶縁トランスに流れる電流を制御するための第２スイッチング素子とを有し、
前記コントローラは、前記第２スイッチング素子のオン時間と前記第２スイッチング素子のオフ時間を合わせつつ、前記第２スイッチング素子のオン及びオフを切り替えるタイミングを、前記絶縁トランスの共振周波数と同期をとるように、前記第２スイッチング素子を制御する請求項１～８の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項10】
前記第２コンバータを制御するコントローラを備え、前記コントローラは、前記第１コンバータよりも早く前記第２コンバータを起動させ、前記第１コンバータよりも遅く前記第２コンバータを停止させる請求項１～８の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項11】
前記第１コンバータは、前記太陽電池モジュールから前記第１端子の方向にのみ電力を伝送させる請求項１～１０の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項12】
前記太陽電池モジュールは、直列に接続された複数の太陽電池セルと、前記太陽電池セルそれぞれと並列に接続された複数のダイオードとを有する請求項１～１１の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項13】
出力端子を有する第１コンバータのそれぞれの前記出力端子によって並列に接続され複数の第１コンバータと、前記複数の第１コンバータの出力端子それぞれに接続される第１端子、及び負荷に接続される第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子の間を絶縁する第２コンバータと、
前記第１コンバータを制御するコントローラと、を備える電力変換装置の制御方法であって、
前記第２コンバータは、前記第１端子の電圧と前記第２端子の電圧が所定の比率となるように動作し、
前記負荷は、バッテリであり、
前記コントローラは、太陽電池モジュールである複数の電源から電力をそれぞれ変換させるように、前記複数の第１コンバータを制御する電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置及び電力変換装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
複数の太陽電池モジュールの出力電力をそれぞれ変換する複数のＤＣ－ＤＣコンバータを備える電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１）。この電力変換装置では、各ＤＣ－ＤＣコンバータの出力が直列に接続されており、電力変換装置は、出力電圧として、各ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧が合算された電圧を出力する。また、この電力変換装置では、各ＤＣ－ＤＣコンバータは、太陽電池モジュールの出力電力が最大となるように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１８－３８１９０号公報
【文献】特開２０１６－１９７９９４号公報
【文献】特開２０１３－２５２０４６号公報
【文献】特開２０１３－１９８３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載の電力変換装置では、例えば、複数のＤＣ－ＤＣコンバータのうち特定のＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧が変動すると、電力変換装置の出力電圧を維持するために、他のＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧を変動させる。すなわち、電力変換装置の出力電圧を維持するために、複数のコンバータ間で出力電圧を調整しなければならない、という問題がある。
【0005】
本発明が解決しようとする課題は、複数のコンバータ間で出力電圧を調整することなく、電力変換装置の出力電圧を維持することができる電力変換装置及び電力変換装置の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、複数の電源から入力される電力を変換する複数の第１コンバータと、複数の第１コンバータの出力端子それぞれに接続される第１端子及び負荷に接続される第２端子を有する第２コンバータとを備える。そして、本発明では、複数の第１コンバータは、第１コンバータのそれぞれの出力端子によって並列に接続されており、第２コンバータは、第１端子と第２端子との間を絶縁し、第１端子の電圧と第２端子の電圧が所定の比率となるように動作することで、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、第１コンバータそれぞれの出力電圧は、複数の第１コンバータ間で共通の出力電圧になるとともに、第２コンバータの第１端子の電圧と等しくなる。第２コンバータの第２端子の電圧は、複数の第１コンバータ間で共通の出力電圧に対して所定の比率の電圧になるため、複数の第１コンバータ間で出力電圧を調整することなく、電力変換装置の出力電圧を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0010】
図１を用いて、本実施形態に係る電力変換システムの概要を説明する。図１は、本実施形態に係る電力変換装置２００を含む電力変換システム３００のブロック図である。電力変換システム３００は、複数の電源１～６、負荷７、及び電力変換装置２００を備える。本実施形態では、６つの電源（電源１～６）の場合を例に挙げて説明するが、電力変換システム３００における電源の数は複数であればよく、６つに限定されない。
【0011】
電力変換装置２００は、複数の電源である電源１～６から入力される電力を変換し、変換された電力を負荷７に供給する。電力変換装置２００は、例えば、車両に搭載される充電システムに用いられる。なお、以下の説明では、電源１～６を太陽電池モジュールとし、負荷７をバッテリ（二次電池）としたうえで、実施形態を説明する。電源１～６は太陽電池モジュールに限られず、他の電源であってもよい。負荷７はバッテリに限られず、エアコンなどの装置であってもよい。また、電力変換装置２００は、必ずしも車両に搭載される必要はなく、車両以外の他の装置に搭載されていてもよい。
【0012】
電源１～６は、太陽電池モジュールである。太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルから構成されるモジュールである。太陽電池セルは、太陽光の光エネルギーを吸収し、太陽光の光エネルギーを電気に変えるエネルギー変換素子である。太陽電池モジュールとしては、例えば、ソーラーパネルが挙げられる。
【0013】
太陽電池モジュールは、直列に接続された複数の太陽電池セルと、太陽電池セルそれぞれに並列に接続された複数のダイオードとを有する。シリコン素子の太陽電池セルを用いた場合、一つの太陽電池セルの出力電圧は１Ｖ以下となる。太陽電池モジュール全体としての出力電圧を高くするために、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルの直列接続で構成される。太陽電池モジュールは、各太陽電池セルの出力電圧を合算した電圧を出力する。
【0014】
太陽電池モジュールには、太陽電池セルにより発電される電圧が所定値よりも低い場合、太陽電池セルに流れる電流をバイパスするためのダイオードが設けられている。複数の太陽電池セルを直列接続することにより、太陽電池モジュールは、各太陽電池セルで共通の電流を出力する。例えば、太陽電池モジュールに部分的に影がかかり、一部の太陽電池セルに太陽光が照射されない場合（いわゆる部分影の場合）、太陽光が照射されていない太陽電池セルは、太陽光が照射されている太陽電池セルよりも、発電可能な電力が減少する。このため、太陽光が照射されていない太陽電池セルは、太陽光が照射されている太陽電池セルよりも、出力可能な電流が減少する。仮に、バイパス用のダイオードを設けない場合、太陽電池モジュールは、太陽光が照射されていない太陽電池セルが出力可能な電流しか出力できず、太陽電池モジュール全体としての出力電力は大幅に低減する。このような問題を解決するために、太陽電池モジュールには、太陽電池セルと並列に接続されたバイパス用のダイオードが設けられている。バイパス用のダイオードによって、太陽光が照射されている太陽電池セルを通り、太陽光が照射されていない太陽電池セルをバイパスした電流経路が生成される。これにより、部分影に対して太陽電池モジュール全体としての出力電力が低減するのを抑制している。
【0015】
負荷７は、バッテリ等の負荷である。負荷７には、電力変換装置２００で生成された電圧が入力される。例えば、負荷７が車両に搭載されるバッテリの場合、バッテリの電圧は、２４０Ｖ～４００Ｖの範囲で変動する。
【0016】
電力変換装置２００は、最も発電できる動作点で動作できるように電源１～６のそれぞれを制御しつつ、電源１～６の出力電圧を負荷７の電圧まで昇圧させる昇圧機能を有するＤＣ－ＤＣコンバータである。また、電力変換装置２００は、電源１～６と負荷７との間を絶縁する絶縁機能を有するＤＣ－ＤＣコンバータでもある。
【0017】
電力変換システム３００が車両に搭載され、電源１～６が太陽電池モジュール、負荷７が車両に搭載されたバッテリの場合おいて、電力変換装置２００に必要な機能について説明する。車両に搭載される太陽電池モジュールには、出力電圧に上限が設けられている。また、既述のとおり、太陽電池モジュールが発電可能な電力は日射量に応じて変動するため、太陽電池モジュールの出力電圧もまた日射量に応じて変動する。太陽電池モジュールの発電電力を効率よくバッテリに供給するためには、電力変換装置２００には、太陽電池モジュールを最も発電できる動作点で動作させ、太陽電池モジュールから入力される電力を最大にさせる機能（ＭＰＰＴ機能）が必要とされる。また、バッテリが必要とする電力と太陽電池モジュール一つあたりの発電電力には大きな差があるため、電力変換装置２００には、複数の太陽電池モジュールそれぞれの発電電力を電力変換する機能が必要とされる。また、バッテリの電圧と太陽電池モジュール一つあたりの出力電圧との間には大きな差がある。このため、電力変換装置２００には、太陽電池モジュールの出力電圧をバッテリの電圧まで昇圧する機能（昇圧機能）と、バッテリから太陽電池モジュールへ電流が流れこまないように、太陽電池モジュールとバッテリとの間を絶縁する機能（絶縁機能）とが必要とされる。
【0018】
本発明に係る電力変換装置は、複数の電源それぞれに対応して設けられ、複数の電源それぞれの電力を変換する複数のＤＣ－ＤＣコンバータと、複数のＤＣ－ＤＣコンバータ及び負荷に接続される一つのＤＣ－ＤＣコンバータとで構成される。以降の説明では、便宜上、電源に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータを第１コンバータと称し、第１コンバータ及び負荷に接続される一つのＤＣ－ＤＣコンバータを、第２コンバータと称して説明する。図１のブロック図では、電力変換装置２００は、第１コンバータ１１～１６と第２コンバータ１７とで構成される。本実施形態では、複数の第１コンバータ１１～１６で、既述の電力変換装置２００が必要とされる機能のうち、ＭＰＰＴ機能と複数の太陽電池モジュールそれぞれの発電電力を変換する機能とを実現する。また、第２コンバータ１７で、既述の電力変換装置２００が必要とされる機能のうち、昇圧機能と絶縁機能とを実現する。
【0019】
図１に示すように、本実施形態では、電力変換装置２００は、複数の第１コンバータ１１～１６と第２コンバータ１７とを備える。各第１コンバータは、電源１～６に対応して設けられている。第１コンバータ１１を例に挙げると、第１コンバータ１１は電源１に対応して設けられ、第１コンバータ１１の入力端子には電源１から電力が入力される。第１コンバータ１２～１６も、第１コンバータ１１と同様の構成ため、第１コンバータ１１での説明を援用する。なお、以降の説明では、「複数の第１コンバータ１１～１６それぞれ」は「各第１コンバータ」と読み替えてもよい。
【0020】
複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、対応する電源が最も発電できる動作点で動作できるように、電源から出力される電力を制御する機能（ＭＰＰＴ機能）を有している。第１コンバータ１１を例に挙げると、第１コンバータ１１は、ＭＰＰＴ機能により、電源１を最も発電できる動作点で動作させる。第１コンバータ１２～１６も、対応した電源を最も発電できる動作点で動作させる。第１コンバータ１２～１６が有するＭＰＰＴ機能は、第１コンバータ１１が有するＭＰＰＴ機能と同様の機能のため、第１コンバータ１１での説明を援用する。
【0021】
また複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、対応する電源から入力される電圧を昇圧又は降圧する機能（昇降圧機能）を有する昇降圧型のコンバータである。第１コンバータ１１を例に挙げると、第１コンバータ１１は、昇降圧機能により、電源１から入力される電圧を昇圧又は降圧する。第１コンバータ１２～１６も、対応する電源から入力される電圧を昇圧又は降圧する。第１コンバータ１２～１６が有する昇降圧機能は、第１コンバータ１１が有する昇降圧機能と同様の機能のため、第１コンバータ１１での説明を援用する。昇降圧機能の詳細については後述する。
【0022】
また複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、それぞれの出力が互いに接続されている。図１に示すブロック図では、第１コンバータ１１の出力端子、第１コンバータ１２の出力端子、第１コンバータ１３の出力端子、第１コンバータ１４の出力端子、第１コンバータ１５の出力端子、及び第１コンバータ１６の出力端子は互いに接続されている。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６の出力は並列に接続され、複数の第１コンバータ１１～１６は出力側で並列に接続される。詳細な接続関係、第１コンバータの回路構成及び機能については、後述する。
【0023】
第２コンバータ１７は、複数の第１コンバータ１１～１６及び負荷７の間に設けられ、複数の第１コンバータ１１～１６及び負荷７に接続される。第２コンバータ１７は、後述するコントローラ１００によって、直流トランスとして機能する。第２コンバータ１７は、入力電圧と出力電圧が所定の比率となるように動作する回路である。詳細な接続関係、第２コンバータの回路構成及び機能については、後述する。
【0024】
コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６及び第２コンバータ１７を制御する制御装置（制御回路ともいう）である。コントローラ１００としては、例えば、複数の第１コンバータ１１～１６及び第２コンバータ１７を制御するためのプログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）と、このＲＯＭに格納されたプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、アクセス可能な記憶装置として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）とから構成される。なお、動作回路としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代えて又はこれとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。図１に示すように、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６それぞれに対して制御信号を出力し、各第１コンバータを独立に制御する。またコントローラ１００は、第２コンバータ１７に対して制御信号を出力し、第２コンバータ１７を制御する。コントローラ１００による制御の詳細については、後述する。以上が、本実施形態に係る電力変換装置２００の概要である。
【0025】
次に、図２Ａを用いて、複数の第１コンバータ１１～１６のうち第１コンバータ１１を例に挙げて、図１に示した第１コンバータの回路構成について説明する。図２Ａは、図１で示した第１コンバータの回路構成の一例である。なお、本実施形態では、第１コンバータ１２～１６は、第１コンバータ１１と同様の回路構成とし、第１コンバータ１１での説明を援用する。
【0026】
図２Ａに示すように、第１コンバータ１１は、入力ポート２１及び出力ポート３１を備える。入力ポート２１は、一対の入力端子２１ａ及び入力端子２１ｂで構成される。出力ポート３１は、一対の出力端子３１ａ及び出力端子３１ｂで構成される。入力端子２１ａは、電源ライン４１ａにより電源１の正極側の端子に接続され、入力端子２１ｂは、電源ライン４１ｂにより電源１の負極側の端子に接続されている。また出力端子３１ａは出力ライン５１ａに接続され、出力端子３１ｂは電源ライン４１ａにより入力端子２１ｂ及び電源１の負極側の端子に接続されている。
【0027】
図２Ａに示すように、第１コンバータ１１は、昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路で構成される。第１コンバータ１１において、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２の直列回路とダイオードＤ４及びスイッチング素子Ｓ３の直列回路とは、コイルＬ１を介して接続されている。スイッチング素子Ｓ１には、スイッチング素子Ｓ１の導通方向とダイオードの導通方向が互いに逆向きとなるように、ダイオードＤ１が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ２にも、スイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ１との接続関係と同様の接続関係でダイオードＤ２が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ３にも、スイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ１との接続関係と同様の接続関係でダイオードＤ３が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。ダイオードＤ１～Ｄ３は、整流素子又はＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである。スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２は、高電位側をスイッチング素子Ｓ１、低電位側をスイッチング素子Ｓ２にして、電源ライン４１ａと電源ライン４１ｂとの間に直列に接続される。ダイオードＤ４とスイッチング素子Ｓ３は、高電位側をダイオードＤ４、低電位側をスイッチング素子Ｓ３にして、出力ライン５１ａと電源ライン４１ｂとの間に直列に接続される。コイルＬ１の一端は、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との接続点Ｏ１と接続されている。コイルＬ１の他端は、ダイオードＤ４とスイッチング素子Ｓ３の接続点Ｏ２と接続されている。また、電源ライン４１ａと電源ライン４１ｂとの間には、平滑コンデンサ６１が接続されており、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２の直列回路と平滑コンデンサ６１は、並列関係にある。図２Ａの例では、第１コンバータ１１は、コイルＬ１、スイッチング素子Ｓ３、及びダイオードＤ４により構成される昇圧チョッパ回路と、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ２、コイルＬ１、及びダイオードＤ４により構成される降圧チョッパ回路とを有している。
【0028】
第１コンバータ１１の回路構成は、図２Ａに示すチョッパ昇圧回路及びチョッパ降圧回路に限られず、その他の回路構成であってもよい。図２Ｂ～図２Ｆは、図１で示した第１コンバータの回路構成の他の例である。例えば、第１コンバータ１１は、図２Ｂに示すように、図２Ａに示す回路構成においてスイッチング素子Ｓ２をダイオードに置き換えた構成であってもよい。また例えば、第１コンバータ１１は、図２Ｃに示すように、ＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary inductance Converter）で構成されてもよい。また例えば、第１コンバータは、図２Ｄに示すように、図２Ｃに示すＳＥＰＩＣと同じ原理で動作するものの、出力電圧の極性を反転させた回路で構成されてもよい。また例えば、第１コンバータ１１は、図２Ｅに示すように、昇降圧型のチョッパ回路であって、出力電圧の極性を反転させた回路で構成されてもよい。また例えば、第１コンバータ１１は、図２Ｆに示すように、ＺＥＴＡコンバータで構成されてもよい。
【0029】
また、第１コンバータ１１は、図２Ａ～図２Ｆの回路構成のように、入力ポート２１と出力ポート３１とが導通している、いわゆる非絶縁型のコンバータに限られず、入力ポート２１と出力ポート３１との間に絶縁トランスが設けられた絶縁型のコンバータであってもよい。第１コンバータ１１として絶縁型コンバータを用いた場合、入力ポート２１と出力ポート３１との間は、絶縁トランスによって絶縁される。第１コンバータ１１に用いられる絶縁型コンバータとしては、例えば、フォワードコンバータ、フライバックコンバータ、フルブリッジコンバータ、タップインダクタコンバータが挙げられる。なお、本実施形態では、複数の第１コンバータ１１～１６はそれぞれ同じ回路として説明するが、複数の第１コンバータ１１～１６は複数種類の回路を含んでいてもよい。複数の第１コンバータ１１～１６は、各第１コンバータの出力電圧が同じ極性という条件のもと、上記に例として挙がった複数種類の回路のうち、少なくとも何れか一つの回路であればよい。
【0030】
【0031】
図３に示すように、第２コンバータ１７は、ポート２７及びポート３７を備える。ポート２７は、一対の端子２７ａ及び端子２７ｂで構成される。ポート３７は、一対の端子３７ａ及び端子３７ｂで構成される。端子２７ａはライン４７ａに接続され、端子２７ｂはライン４７ｂに接続される。また端子３７ａはライン４７ａに接続され、端子３７ｂはライン４７ｂに接続されている。後述するように、ライン４７ａとライン４７ｂは複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれの出力ポート３１～３６に接続されるため、ライン４７ａとライン４７ｂの極性は、第１コンバータの回路構成に応じた極性となる。
【0032】
図３に示すように、第２コンバータ１７は、ＬＣ直列共振型のＤｕａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｂｒｉｄｇｅで構成される。第２コンバータ１７は、２つのコイル（Ｌ）と１つのコンデンサ（Ｃ）とから構成されるＬＬＣコンバータである。第２コンバータ１７は、１次側コイル５７を含む１次側回路と、２次側コイル６７を含む２次側回路とで構成されている。１次側回路と２次側回路の間は絶縁されている。
【0033】
１次側回路について説明する。図３に示すように、ライン４７ａとライン４７ｂとの間には、スイッチング素子Ｓ５及びスイッチング素子Ｓ６の直列回路と、スイッチング素子Ｓ７及びスイッチング素子Ｓ８の直列回路とが接続されている。スイッチング素子Ｓ５を例に挙げると、スイッチング素子Ｓ５には、スイッチング素子Ｓ５の導通方向とダイオードの導通方向が互いに逆向きとなるように、ダイオードＤ５が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ６～Ｓ８にも、スイッチング素子Ｓ５とダイオードＤ５との接続関係と同様の接続関係で、ダイオードＤ６～Ｄ８が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ５～Ｓ８には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。ダイオードＤ５～Ｄ８は、整流素子又はＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである。スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６は、高電位側をスイッチング素子Ｓ５、低電位側をスイッチング素子Ｓ６にして、ライン４７ａとライン４７ｂとの間に直列に接続される。スイッチング素子Ｓ７とスイッチング素子Ｓ８は、高電位側をスイッチング素子Ｓ７、低電位側をスイッチング素子Ｓ８にして、ライン４７ａとライン４７ｂとの間に直列に接続される。また、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６との接続点Ｏ３と、スイッチング素子Ｓ７とスイッチング素子Ｓ８との接続点Ｏ４との間には、コイルＣ２と１次側コイル５７とが直列に接続されている。１次側コイル５７の巻数は、ｎ１とする（単位：巻数）。
【0034】
２次側回路について説明する。図３に示すように、ライン４７ａとライン４７ｂとの間には、スイッチング素子Ｓ９及びスイッチング素子Ｓ１０の直列回路と、スイッチング素子Ｓ１１及びスイッチング素子Ｓ１２の直列回路とが接続されている。スイッチング素子Ｓ９を例に挙げると、スイッチング素子Ｓ９には、スイッチング素子Ｓ９の導通方向とダイオードの導通方向が互いに逆向きとなるように、ダイオードＤ９が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１０～Ｓ１２にも、スイッチング素子Ｓ９とダイオードＤ９との接続関係と同様の接続関係で、ダイオードＤ１０～Ｄ１２が並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ９～Ｓ１２には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。ダイオードＤ９～Ｄ１２は、整流素子又はＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである。スイッチング素子Ｓ９とスイッチング素子Ｓ１０は、高電位側をスイッチング素子Ｓ９、低電位側をスイッチング素子Ｓ１０にして、ライン４７ａとライン４７ｂとの間に直列に接続される。スイッチング素子Ｓ１１とスイッチング素子Ｓ１２は、高電位側をスイッチング素子Ｓ１１、低電位側をスイッチング素子Ｓ１２にして、ライン４７ａとライン４７ｂとの間に直列に接続される。また、スイッチング素子Ｓ９とスイッチング素子Ｓ１０との接続点Ｏ５と、スイッチング素子Ｓ１１とスイッチング素子Ｓ１２との接続点Ｏ６との間には、２次側コイル６７が接続されている。２次巻き線７６の巻数は、ｎ２（単位：巻数）とする。本実施形態では、１次側コイル５７及び２次側コイル６７は、絶縁トランスとして機能する。
【0035】
次に、図４を用いて、図１で示した電力変換システム３００の回路構成について説明する。図４は、図１で示した電力変換システム３００の回路構成の一例である。図４では、複数の第１コンバータ１１～１６は、図２Ａに示す回路構成であり、第２コンバータ１７は、図３に示す回路構成である。なお、図４では、コントローラ１００を省略している。
【0036】
図４に示すように、各第１コンバータの入力ポート２１～２６は、対応する電源１～６に接続されている。図４に示すように、第１コンバータ１１は、入力ポート２１によって電源１と接続されている。具体的には、第１コンバータ１１の入力端子２１ａは電源１の正極側の端子に接続され、第１コンバータ１１の入力端子２１ｂは電源１の負極側の端子に接続されている。第１コンバータ１２～１６については、第１コンバータ１１と電源１との接続関係と同様のため、第１コンバータ１１と電源１との接続関係の説明を援用する。
【0037】
また、各第１コンバータの出力ポート３１～３６は並列に接続されている。具体的には、出力端子３１ａ～３６ａは、配線８１ａによって接続されている。また、出力端子３１ｂ～３６ｂは、配線８１ｂによって接続されている。各出力端子の極性は同一である。
【0038】
また、各第１コンバータの出力ポート３１～３６は、第２コンバータ１７のポート２７と接続されている。具体的には、各出力端子３１ａ～３６ａは、配線８１によって端子２７ａと接続されている。また、各出力端子３１ｂ～３６ｂは、配線８１ｂによって端子２７ｂと接続されている。配線８１は、一対の配線８１ａ及び配線８１ｂで構成されており、複数の第１コンバータ１１～１６と第２コンバータ１７を接続するための配線である。
【0039】
このような複数の第１コンバータ１１～１６の出力側の接続関係と、複数の第１コンバータ１１～１６と第２コンバータ１７との接続関係によって、図４に示す回路構成では、各第１コンバータの出力電圧は、第１コンバータ間で共通の電圧となるとともに、第２コンバータ１７のポート２７の電圧となる。また、各第１コンバータの出力電流Ｉｏｕｔ１～Ｉｏｕｔ６は合算され、合算された電流は、第２コンバータ１７に入力される。複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、複数の電源１～電源６から第２コンバータ１７のポート２７の方向にのみ電力を伝送させる。図４では、中間電圧Ｖｍｉｄは、各第１コンバータ間で共通する出力電圧（第２コンバータ１７のポート２７の電圧）を示し、電流Ｉｔｏｔａｌは、各第１コンバータの出力電流が合算された電流を示す。
【0040】
また、第２コンバータ１７のポート３７は負荷７に接続されている。図４に示すように、端子３７ａは、配線８４ａによって負荷７の正極側の端子に接続され、端子３７ｂは、配線８４ｂによって負荷７の負極側の端子に接続される。配線８４は、一対の配線８４ａ及び配線８４ｂで構成されており、第２コンバータ１７と負荷７を接続するための配線である。
【0041】
また、複数の第１コンバータ１１～１６と第２コンバータ１７の間には、平滑コンデンサ８２が設けられている。図４に示すように、平滑コンデンサ８２は、複数の第１コンバータ１１～１６と第２コンバータ１７との間に設けられ、配線８１ａと配線８１ｂとの間に接続されている。また、第２コンバータ１７と負荷７の間には、平滑コンデンサ８３が設けられている。図４に示すように、平滑コンデンサ８３は、第２コンバータ１７と負荷７との間に設けられ、配線８４ａと配線８４ｂとの間に接続されている。
【0042】
次に、図４に示す電力変換システム３００の回路構成において、コントローラ１００による制御と各回路の動作について説明する。
【0043】
コントローラ１００による第１コンバータの制御と、第１コンバータの回路単体での動作について、再び図２Ａを用いて説明する。コントローラ１００は、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３の制御端子に制御信号を出力し、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３のオン及びオフ（スイッチングともいう）を制御する。コントローラ１００は、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３のそれぞれを独立に制御する。例えば、図２Ａに示すスイッチング素子Ｓ１～Ｓ３がＭＯＳＦＥＴの場合、コントローラ１００は、各スイッチング素子のゲート端子に対する電圧をそれぞれ制御することで、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ３のそれぞれをスイッチングさせる。以降では、コントローラ１００による第１コンバータ１１の制御と、第１コンバータ１１の動作を説明するが、コントローラ１００による第１コンバータ１２～１６の制御と、第１コンバータ１２～１６の動作は、第１コンバータ１１と同様のため、第１コンバータ１１での説明を援用する。
【0044】
コントローラ１００は、太陽電池モジュールである電源１を最も発電できる動作点で動作させ、電源１から入力される電力が最大となるように、第１コンバータ１１を制御する。一般的なＭＰＰＴ制御では、電源１から第１コンバータ１１に入力される電流及び電圧を検知しながら、電源１が最も発電できる動作点を探索する。当該動作点が探索されると、探索された動作点で電源１を動作させ、所定の時点における電源１からの入力電力を最大にする。本実施形態では、コントローラ１００は、第１コンバータ１１の出力電力が最大化するように第１コンバータ１１を制御する。これにより、電源１から第１コンバータに入力される電力を最大にすることができる。本実施形態に係るＭＰＰＴ制御については後述する。
【0045】
また、コントローラ１００は、第１コンバータ１１が有するチョッパ昇圧回路及びチョッパ降圧回路を制御することで、第１コンバータ１１の入力電圧を昇圧又は降圧させる。図２Ａに示すように、第１コンバータ１１には、入力端子２１ａ及び入力端子２１ｂを介して、電源１から電流（入力電流Ｉｉｎ）及び電圧（入力電圧Ｖｉｎ）が入力される。第１コンバータ１１は、昇圧チョッパ回路によって、入力電圧を昇圧させる。第１コンバータ１１は、コントローラ１００がスイッチング素子Ｓ３をスイッチングさせることで、出力電圧Ｖｏｕｔとして、入力電圧Ｖｉｎを昇圧した電圧を出力する。第１コンバータ１１の昇圧比は、スイッチング素子Ｓ３のオン及びオフのデューティ比で制御される。スイッチング素子Ｓ３のオン及びオフのデューティ比とは、スイッチング素子Ｓ３のオン時間とスイッチング素子Ｓ３のオフ時間との合算時間に対するスイッチング素子Ｓ３のオン時間の割合を示す比である。また、第１コンバータ１１は、降圧チョッパ回路によって、入力電圧を降圧させる。第１コンバータ１１は、コントローラ１００がスイッチング素子Ｓ１をスイッチングさせることで、出力電圧Ｖｏｕｔとして、入力電圧Ｖｉｎを降圧した電圧を出力する。第１コンバータ１１の降圧比は、スイッチング素子Ｓ１のオン及びオフのデューティ比で制御される。スイッチング素子Ｓ１のオン及びオフのデューティ比とは、スイッチング素子Ｓ１のオン時間とスイッチング素子Ｓ１のオフ時間との合算時間に対するオン時間の割合を示す比である。
【0046】
次に、コントローラ１００による第２コンバータ１７の制御と、第２コンバータ１７単体での動作について、再び図３を用いて説明する。コントローラ１００は、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２の制御端子に制御信号を出力し、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２のオン及びオフを制御する。コントローラ１００は、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２のそれぞれを独立に制御する。例えば、図３に示すスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２がＭＯＳＦＥＴの場合、コントローラ１００は、各スイッチング素子のゲート端子に対する電圧をそれぞれ制御することで、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２のそれぞれをスイッチングさせる。
【0047】
コントローラ１００は、第２コンバータ１７が直流トランスとして機能するように、第２コンバータ１７を制御する。既述のとおり、第２コンバータ１７は、１次側回路と２次側回路で構成され、その間が絶縁トランスによって絶縁されている。コントローラ１００は、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２について、各スイッチング素子のオン時間とオフ時間を合わせつつ、各スイッチング素子がオン及びオフを切り替えるタイミングを、第２コンバータ１７の絶縁トランスの共振周波数と同期をとるように、各スイッチング素子を制御する。別の言い方をすれば、コントローラ１００は、第２コンバータ１７のスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２について、オン時間とオフ時間が略同一であり、かつ、スイッチング周波数が第２コンバータ１７の絶縁トランスの共振周波数と略同一となるように、各スイッチング素子を制御する。
【0048】
第２コンバータ１７は、共振型のコンバータである。コントローラ１００からの制御信号が第２コンバータ１７の各スイッチング素子に入力されると、第２コンバータ１７の各スイッチング素子は、高電位側の端子（例えば、ドレイン端子）と低電位側の端子（例えば、ソース端子）との間の電圧（例えば、ドレイン－ソース電圧）がゼロ電圧の状態でオン又はオフする（ＺＶＳ：Zero Voltage Switching）。また第２コンバータ１７の各スイッチング素子は、スイッチング素子に流れる電流がゼロ電流の状態でオン又はオフする（ＺＣＳ：Zero Current Switching）。このようなスイッチング素子の動作は、ソフトスイッチングと呼ばれ、スイッチングによる損失を大幅に低減できる。第２コンバータ１７は、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への変換又は電圧Ｖ２から電圧Ｖ１への変換において、電力変換損失が少ないコンバータ、すなわち、高効率なコンバータとして動作する。これにより、第２コンバータ１７は、ポート２７とポート３７との間に絶縁トランスを有し、ポート２７の電圧とポート３７の電圧との関係が所定の比率となるように動作する回路、すなわち、直流トランスとして動作することができる。所定の比率とは、１次側コイル５７の巻線ｎ１と２次側コイル６７の巻線ｎ２との比率（巻線比）である。なお、コントローラ１００には、第２コンバータ１７の各スイッチング素子をソフトスイッチングさせる方法として、本願出願時に知られた制御方法を適用することができる。
【0049】
例えば、２次側コイル６７の巻線ｎ２を１次側コイル５７の巻線ｎ１の８倍にした場合（ｎ１：ｎ２＝１：８）、第２コンバータ１７は、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への変換において、電圧Ｖ１の８倍の電圧を電圧Ｖ２として出力する昇圧回路として動作する。また、第２コンバータ１７は、電圧Ｖ２から電圧Ｖ１への変換において、電圧Ｖ２の１／８倍の電圧を電圧Ｖ１として出力する降圧回路として動作する。
【0050】
第１コンバータ単体での動作及び第２コンバータ１７単体での動作を踏まえたうえで、コントローラ１００による複数の第１コンバータ１１～１６及び第２コンバータ１７の制御と、電力変換装置２００としての動作について、再び図４を用いて説明する。
【0051】
複数の第１コンバータ１１～１６と第２コンバータ１７の起動シーケンス及び停止シーケンスについて説明する。第２コンバータ１７の絶縁トランスの巻線比は、上記の例（ｎ１：ｎ２＝１：８）を用いる。
【0052】
図４に示す回路構成において、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６よりも早く第２コンバータ１７を起動させる。電力変換装置２００が停止した状態では、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子及び第２コンバータ１７のスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２はオフしている。この状態から、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子をオフさせたまま、第２コンバータ１７のスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２をオン及びオフさせる。これにより、第２コンバータ１７は、複数の第１コンバータ１１～１６よりも早く起動する。第２コンバータ１７には、バッテリである負荷７の電圧Ｖｂａｔが入力され、第２コンバータ１７は、負荷７の電圧Ｖｂａｔに対して所定の比率の電圧（例えば、電圧Ｖｂａｔの１／８の電圧）をポート２７に出力する。第２コンバータ１７のポート２７に電圧がかかると、コントローラ１００は、第２コンバータ１７のスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２に対する制御を維持して第２コンバータ１７を直流トランスとして動作させたまま、複数の第１コンバータ１１～１６をオン及びオフさせる。複数の第１コンバータ１１～１６が起動し、各第１コンバータは対応する電源の電力を変換して第２コンバータ１７に出力する。これにより、電力変換装置２００は、複数の電源１～電源６の電力を変換し、変換した電力を負荷７に供給する。
【0053】
またコントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６よりも遅く第２コンバータ１７を停止させる。電力変換装置２００が複数の電源１～電源６から負荷７に電力を供給している状態では、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子及び第２コンバータ１７のスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２はそれぞれオン及びオフしている。この状態から、コントローラ１００は、第２コンバータ１７のスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２に対する制御を維持して第２コンバータ１７を直流トランスとして動作させたまま、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子をオフさせる。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６は第２コンバータ１７よりも早く停止する。複数の第１コンバータ１１～１６から第２コンバータ１７に電力が出力されなくなると、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子をオフさせたまま、第２コンバータ１７のスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２をオフさせる。これにより、電力変換装置２００は停止する。
【0054】
次に、複数の第１コンバータ１１～１６及び第２コンバータ１７がともに起動している状態での複数の第１コンバータ１１～１６の制御について説明する。図４に示す回路構成において、コントローラ１００は、所定の外部信号と同期するように、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子をスイッチングさせる。所定の外部信号とは、電力変換装置２００とは無関係の外部信号であって、所定の周波数を有する外部信号である。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６間で、各スイッチング素子がスイッチングするタイミングを同期させることができる。所定の周波数は、特に限定される周波数ではなく、第１コンバータ１１～１６の回路構成などに応じて実験的に求められた周波数が用いられる。
【0055】
次に、図５を用いて、本実施形態に係るＭＰＰＴ制御について説明する。図５は、本実施形態に係るＭＰＰＴ制御を説明するための図である。図５は、横軸が電圧、縦軸が電流のグラフを示す。図５において、Ｃ１は、図４に示す電源１の電圧－電流特性の一例を示し、Ｃ２は、図４に示す電源２の電圧－電流特性の一例を示す。本実施形態では、電源１～６は、太陽電池モジュールである。太陽電池モジュールは、既述のとおり、日射量に応じて発電電力が変動するため、電源１と電源２とでは異なる電圧―電流特性を示す。また、太陽電池モジュールに対する日射量が経時的に変化すると、図５に示す電圧－電流特性Ｃ１、Ｃ２も日射量に応じた特性に変化する。動作点Ｐｍａｘ１は、電源１の電圧―電流特性Ｃ１において、電源１の発電電力が最大となる動作点を示す。動作点Ｐｍａｘ２は、電源２の電圧―電流特性Ｃ２において、電源２の発電電力が最大となる動作点を示す。
【0056】
また、図５において、中間電圧Ｖｍｉｄは図４に示す中間電圧Ｖｍｉｄに対応する。図４に示す電力変換システム３００において、コントローラ１００が複数の第１コンバータ１１～１６よりも早く第２コンバータ１７を起動させると、第２コンバータ１７のポート２７には、負荷７の電圧Ｖｂａｔに対して所定の比率の中間電圧Ｖｍｉｄが発生する。所定の比率とは、第２コンバータ１７の絶縁トランスの巻線比（ｎ１：ｎ２）である。
【0057】
ここで、負荷７の電圧について説明する。電荷の充放電によりバッテリの電圧が変化する速度は、日射量の変化により太陽電池モジュールの発電電力が変化する速度に比べて遅いため、複数の第１コンバータ１１～１６の制御において、バッテリは定電圧源とみなすことができる。中間電圧Ｖｍｉｄと負荷７の電圧とは、所定の比率の関係にあるため、中間電圧Ｖｍｉｄは定電圧とみなすことができる。
【0058】
本実施形態に係るコントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６それぞれに対して、出力電圧が中間電圧Ｖｍｉｄとなるように、各電源から入力される電圧を昇圧又は降圧させる。図５の例では、コントローラ１００は、電源１から入力される電圧に対して昇圧又は降圧させて中間電圧Ｖｍｉｄを出力するように第１コンバータ１１を制御する。第１コンバータ１１から中間電圧Ｖｍｉｄが出力されると、コントローラ１００は、第１コンバータ１１の出力電流が最大となるように第１コンバータ１１を制御する。言い換えると、コントローラ１００は、第２コンバータ１７により定まる中間電圧Ｖｍｉｄを出力させる条件のもと、第１コンバータ１１の出力電力が最大化するように第１コンバータ１１を制御する。
【0059】
例えば、コントローラ１００は、第１コンバータ１１の出力ポート３１に設けられた電流センサ及び電圧センサから、第１コンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ１及び出力電圧Ｖｏｕｔ１の情報を取得する。コントローラ１００は、出力電圧Ｖｏｕｔ１を中間電圧Ｖｍｉｄと一致させるように、第１コンバータ１１の昇圧チョッパ回路又は降圧チョッパ回路を動作させる。そして、コントローラ１００は、出力電流Ｉｏｕｔ１を検知ながら、出力電流Ｉｏｕｔ１が最大となるように、第１コンバータ１１を構成する各スイッチング素子をスイッチングさせる。これにより、第１コンバータ１１の出力電圧Ｖｏｕｔ１を中間電圧Ｖｍｉｄと一致させた状態において、第１コンバータ１１の出力電力を最大化することができる。第１コンバータ１１の出力電力が最大化するため、電源１から第１コンバータ１１へ入力される電力も最大化し、結果的に、電源１は電圧―電流特性Ｃ１において動作点Ｐｍａｘ１で動作する。図５の例では、電源１の動作点Ｐｍａｘ１に対応する電圧Ｖｐｍａｘ１は中間電圧Ｖｍｉｄよりも低いため、コントローラ１００は、電源１から入力される電圧Ｖｐｍａｘ１を昇圧させつつ、第１コンバータ１１の出力電流Ｉｏｕｔ１を最大化させている。
【0060】
なお、第１コンバータ１１に対する昇降圧制御と出力電流の最大化の制御は順序立てて行う必要はなく、例えば、コントローラ１００は、昇圧又は降圧させながら出力電圧Ｖｏｕｔ１を中間電圧Ｖｍｉに一致させつつ、出力電流Ｉｏｕｔ１が最大化するように第１コンバータ１１を制御してもよい。
【0061】
また図５の例において、コントローラ１００は、第１コンバータ１１に対する制御と同じように、第１コンバータ１２を制御する。具体的には、コントローラ１００は、第１コンバータ１２の昇圧チョッパ回路又は降圧チョッパ回路を動作させる。そして、コントローラ１００は、出力電流Ｉｏｕｔ２を検知ながら、出力電流Ｉｏｕｔ２が最大となるように、第１コンバータ１２を構成する各スイッチング素子をスイッチングさせる。第１コンバータ１２の出力電力が最大化するため、電源２から第１コンバータ１１へ入力される電力も最大化し、結果的に、電源２は電圧―電流特性Ｃ２において動作点Ｐｍａｘ２で動作する。図５の例では、電源２の動作点Ｐｍａｘ２に対応する電圧Ｖｐｍａｘ２は中間電圧Ｖｍｉｄよりも高いため、コントローラ１００は、電源２から入力される電圧Ｖｐｍａｘ２を降圧させつつ、第１コンバータ１２の出力電流Ｉｏｕｔ２を最大化させている。
【0062】
図６は、図４に示す回路構成における電力変換装置２００の動作を説明するための図である。図６において、Ｃ１～Ｃ６は、図４に示す電源１～６の電圧－電流特性の一例を示す。なお、Ｃ１とＣ２は、図５に示すＣ１とＣ２に対応する。また、動作点Ｐｍａｘ１～Ｐｍａｘ６は、電源１～電源６の電圧－電流特性Ｃ１～Ｃ６において、それぞれ、電源１～６の発電電力が最大となる動作点を示す。
【0063】
図６の例のように、電源１～６に対応する各第１コンバータは、コントローラ１００により、中間電圧Ｖｍｉｄを出力しつつ、その時の最大の出力電流を出力する。昇圧動作を例に挙げると、例えば、第１コンバータ１１は、電源１の動作点Ｐｍａｘ１に対応する電圧を昇圧させて中間電圧Ｖｍｉｎを出力しつつ、その時の最大の出力電流Ｉｏｕｔ１を出力する。また、降圧動作を例に挙げると、第１コンバータ１２は、電源２の動作点Ｐｍａｘ２に対応する電圧を降圧させて中間電圧Ｖｍｉｎを出力しつつ、その時の最大の出力電流Ｉｏｕｔ２を出力する。第１コンバータ１３～１６は、第１コンバータ１１又は第１コンバータ１２と同様に動作するため、各第１コンバータの動作及びその時の出力電流については、第１コンバータ１１又は第１コンバータ１２と同様のため、第１コンバータ１１又は第１コンバータ１２での動作の説明を援用する。図６に示すように、複数の電源１～６がそれぞれ異なる電圧―電流特性を有していても、発電電力が最大となる動作点Ｐｍａｘ１～Ｐｍａｘ６で複数の電源１～６を動作させることができる。
【0064】
なお、図６の例では、複数の第１コンバータ１１～１６それぞれで、昇圧動作と降圧動作の違いがあるだけでなく、昇圧比及び降圧比も異なっている。コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子に対して、スイッチング素子のオン及びオフのデューティ比を変更することで、昇圧比又は降圧比を切り替えている。
【0065】
図４に示す回路構成では、複数の第１コンバータ１１～１６の出力が並列接続されているため、各第１コンバータの出力電流Ｉｏｕｔ１～Ｉｏｕｔ６は合算される。図６の例では、電流Ｉｔｏｔａｌは、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれが出力する出力電流Ｉｏｕｔ１～Ｉｏｕｔ６を合算した電流を示す。図６の電流Ｉｔｏｔａｌは、図４に示す電流Ｉｔｏｔａｌに対応する。
【0066】
第２コンバータ１７に電流Ｉｔｏｔａｌが入力されると、第２コンバータ１７は、絶縁トランスの巻線比により定められる比率で中間電圧Ｖｍｉｄを負荷７の電圧Ｖｂａｔまで昇圧しつつ、電流Ｉｂａｔを負荷７に出力する。
【0067】
ここで、図７を用いて、図４に示す電力変換システム３００において、第２コンバータ１７の絶縁トランスの巻線比を設定する方法について説明する。図７は、第２コンバータ１７が有する絶縁トランスの巻線比を設定する方法を説明するための図である。図７は、図１に示す電力変換システム３００のブロック図に対応している。なお、電力変換システム３００には、図４に示す回路構成が用いられているものとする。
【0068】
本実施形態では、第２コンバータ１７の絶縁トランスの巻線比（ｎ１：ｎ２）は、太陽電池モジュールの公称最大出力動作電圧とバッテリである負荷７の電圧に応じて設定される。具体的に、絶縁トランスの巻線比は、太陽電池モジュールの公称最大出力動作電圧と電力貯蔵率が５０％の際のバッテリの電圧との比率に設定される。太陽電池モジュールの公称最大出力動作電圧とは、太陽電池モジュールが最大電力を出力する際の太陽電池モジュールの出力電圧である。バッテリの電力貯蔵率は、バッテリの充電状態、バッテリの充電率ともいわれる（ＳＯＣ：State Of Charge）
【0069】
図７の例では、太陽電池モジュールの公称最大出力動作電圧Ｖｍｐｐが４５Ｖ、バッテリの電圧Ｖｂａｔが２４０Ｖ～４００Ｖの範囲、ＳＯＣが５０％の際のバッテリの電圧Ｖｂａｔが３６０Ｖとする。この場合、中間電圧Ｖｍｉｄと太陽電池モジュールの公称最大出力動作電圧Ｖｍｐｐとを一致させるように、２次側コイル６７の巻線ｎ２は１次側コイル５７の巻線ｎ１の８倍に設定される。一般的に、昇降圧型のコンバータでは、昇降圧比が１に近いほど高効率に電力変換をすることができる。このため、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、対応する各電源から入力される電圧を昇圧又は降圧することなくそのままの電圧を出力することが、複数の第１コンバータ１１～１６での電力変換効率を高めることにつながる。図７の例のように、第２コンバータ１７の絶縁トランスの巻線比を設定することで、複数の第１コンバータ１１～１６において、入力電圧と出力電圧との差を小さくすることができ、昇降圧比を１に近づけることができる。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６での電力変換効率を向上させることができる。また、第２コンバータ１７は、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２のソフトスイッチングにより、直流トランスとして機能する。このため、第２コンバータ１７での電力損失を減らし、高効率に複数の第１コンバータ１１～１６から入力される電力を負荷７に供給することができる。その結果、電力変換装置２００全体での電力変換効率を高めることができ、負荷７に供給する電力量を増加させることができる。
【0070】
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置２００は、複数の電源から入力された電力をそれぞれ変換する複数の第１コンバータ１１～１６と、第１コンバータの出力ポート３１～３６それぞれに接続されるポート２７及び負荷７に接続されるポート３７を有する第２コンバータ１７とを備える。複数の第１コンバータ１１～１６は、出力ポート３１～３６によって並列に接続されている。第２コンバータ１７は、ポート２７とポート３７との間を絶縁し、ポート２７の電圧とポート３７の電圧が所定の比率となるように動作する。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６それぞれの出力電圧Ｖｏｕｔ１～Ｖｏｕｔ６は、複数の第１コンバータ１１～１６間で共通した中間電圧Ｖｍｉｄとなるため、複数の第１コンバータ１１～１６間で出力電圧の調整が不要となる。また、この中間電圧Ｖｍｉｄは、負荷７の電圧Ｖｂａｔに対して所定の比率の電圧であるため、電力変換装置２００の出力電圧を維持することができる。その結果、本実施形態に係る電力変換装置２００によれば、複数の第１コンバータ１１～１６間で出力電圧を調整することなく、電力変換装置２００の出力電圧を維持することができる。
【0071】
ここで、本実施形態に係る電力変換装置２００とは異なり、複数のＤＣ－ＤＣコンバータの出力を直列に接続した比較例に係る電力変換装置と、当該比較例に係る電力変換装置でのＭＰＰＴ制御を挙げて、本実施形態の電力変換装置２００が奏する作用・効果について説明する。
【0072】
比較例に係る電力変換装置では、太陽電池モジュールのそれぞれにＤＣ－ＤＣコンバータを接続し、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力端子同士を接続することによって、複数のＤＣ－ＤＣコンバータの出力を直列に接続している。比較例に係る電力変換装置は、各ＤＣ－ＤＣコンバータで太陽電池モジュールの電圧を負荷まで昇圧させつつ、発電電力が最大となる動作点で各太陽電池モジュールを動作させている。比較例に係る電力変換装置は、各ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧が合算された電圧を負荷に出力する。
【0073】
このような比較例に係る電力変換装置の構成では、定電圧源とみなせるバッテリのような負荷に電力変換装置が接続された場合、各ＤＣ－ＤＣコンバータが分担する出力電圧の比率は、各ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電力の比率と比例関係になる。このため、比較例に係る電力変換装置では、複数のＤＣ－ＤＣコンバータのうち一のＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧は、その他のＤＣ－ＤＣコンバータの出力電力の影響を受けることになる。例えば、複数のＤＣ－ＤＣコンバータのうちその他のＤＣ－ＤＣコンバータの出力電力が変化した場合、すなわち、その他のＤＣ－ＤＣコンバータの動作点が変化した場合、複数のＤＣ－ＤＣのうち一のＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧は変化する。
【0074】
ＤＣ－ＤＣコンバータは、その特性上、入力電圧と出力電圧との比率が変化すると、変化前後における動作が同じであっても、ＤＣ－ＤＣコンバータが伝送する電力は変化する。また、電源が太陽電池モジュールの場合、ＤＣ－ＤＣコンバータの伝送電力の変化は、太陽電池モジュールの動作点の変化を引き起こす。上記例のように、複数のＤＣ－ＤＣのうちその他のＤＣ－ＤＣコンバータの動作点の変化を受けて、一のＤＣ－ＤＣコンバータの伝送電力が変化したとする。伝送電力の変化前に、太陽電池モジュールが一のＤＣ－ＤＣコンバータによって発電電力が最大となる動作点で動作していても、当該太陽電池モジュールの動作点は、伝送電力の変化によって、発電電力が最大となる動作点から移動してしまう。つまり、複数のＤＣ－ＤＣコンバータのうちその他のＤＣ－ＤＣコンバータの動作点の変化により、特定の太陽電池モジュールが、発電電力が最大となる動作点で動作できないという問題がある。
【0075】
また、比較例に係る電力変換装置でのＭＰＰＴ制御としては、太陽電池モジュールから出力される電流及び電圧、すなわち、ＤＣ－ＤＣコンバータに入力される入力電流及び入力電圧をセンサで検知しながら、発電電力が最大となる動作点で太陽電池モジュールを動作させる制御が挙げられる。このようなＭＰＰＴ制御としては、例えば、山登り法が挙げられる。
【0076】
図８は、山登り法によるＭＰＰＴ制御の問題点を説明するための図である。図８は、太陽電池モジュールに部分影が発生した場合の電圧―電流特性の一例である。図８は、横軸が電圧、縦軸が電力のグラフを示す。例えば、太陽電池モジュールに部分影が発生すると、図８に示すように、電力―電圧特性において、動作点Ｐ１と動作点Ｐ２という２つの極大点があらわれる場合がある。図８に示す電力―電圧特性の例では、最大の発電電力となる動作点は動作点Ｐ１である。例えば、所定時間前の電力―電圧特性では、最大の発電電力となる動作点が動作点Ｐ２付近であった場合、山登り法によるＭＰＰＴ制御では、動作点Ｐ１を探索することなく、最大の発電電力となる動作点を動作点Ｐ２と誤認識するおそれがある。このような山登り法での問題点に対して、例えば、従来例（特開２０１６－１１０５２４）では、太陽電池モジュールの電圧―電流特性について、電圧又は電流を掃引させることにより、複数の極大点がある電圧―電流特性であっても誤認識することなく最大の発電電力となる動作点を適切に探索している。このＭＰＰＴ制御は、スキャン法とも呼ばれている。
【0077】
しかしながら、スキャン法では、最大の発電電力となる動作点を探索している間、太陽電池モジュールは当該動作点以外の動作点で動作してしまう。このため、スキャン法では、発電電力が最大となる動作点で太陽電池モジュールを動作させる機会を多く失う。一方、そのような機会の損失を減少させるために、動作点の探索の頻度を下げると、図８を用いて説明したように、最大の発電電力と誤認識した動作点で動作する機会が増えてしまい、太陽電池モジュールの発電電力が減少する。つまり、スキャン法では、探索の頻度と発電電力とがトレードオフの関係にあるため、複雑な制御を要するという課題がある。
【0078】
これに対して、本実施形態では、電源１～６は太陽電池モジュールであり、複数の第１コンバータ１１～１６それぞれは、各第１コンバータの出力電力が最大となるように動作する回路である。複数の第１コンバータの出力が並列に接続されているため、複数の第１コンバータ間での出力電圧は共通する。このため、比較例に係る電力変換装置のように、複数の第１コンバータのうちその他の第１コンバータの動作点の変化を受けて、特定の第１コンバータの伝送電力が変化するのを防ぐことができる。その結果、各第１コンバータにより、複数の太陽電池のそれぞれを発電電力が最大となる動作点で動作させることができ、複数の太陽電池モジュールから入力される電力を増加させることができる。
【0079】
また、複数の第１コンバータ間での出力電圧が第２コンバータ１７により定められるため、第１コンバータの出力電圧の制御を要せずに、容易に第１コンバータの出力電力の最大化を図ることができる。第１コンバータの出力電力を最大化させることで、図４及び図５を用いて説明したように、複数の電源１～６のそれぞれは、発電電力が最大となる動作点で動作することになる。山登り法での動作点の誤認識の問題を、スキャン法のような複雑な制御を要せずに解決することが可能となる。
【0080】
さらに、本実施形態では、第２コンバータ１７は、ポート２７に接続される１次側コイル５７及びポート３７に接続される２次側コイル６７で構成される絶縁トランスを含む。第２コンバータ１７の動作における所定の比率は、１次側コイル５７の巻線ｎ１と２次側コイルの巻線ｎ２との比率である。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６の回路構成を変更することなく、１次側コイル５７の巻線ｎ１と２次側コイルの巻線ｎ２との巻線比を変更するだけで、負荷７の電圧範囲に合わせた電力変換装置２００を容易に設計することができる。その結果、負荷７の電圧範囲にかかわらず、複数の第１コンバータ１１～１６間で出力電圧を調整することなく、出力電圧の維持が可能な電力変換装置２００を提供することができる。
【0081】
加えて、本実施形態では、電源１～６は太陽電池モジュールであり、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、太陽電池モジュールからの入力電圧を昇圧又は降圧する昇降圧型のコンバータである。これにより、バッテリのように電圧が変動する負荷７によって、中間電圧Ｖｍｉｄが変動する場合であっても、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれの出力電圧を中間電圧Ｖｍｉｄに合わせることができる。負荷７の電圧が変動しても、ＭＰＰＴ制御を継続することができるため、負荷７の電圧の変動にかかわらず、複数の太陽電池モジュールから入力される電力を増加させることができる。
【0082】
また、本実施形態では、電源１～６は太陽電池モジュールであり、負荷７はバッテリである。第２コンバータ１７の動作における所定の比率は、太陽電池モジュールの公称最大出力動作電圧と、電力貯蔵率ＳＯＣが５０％の際のバッテリの電圧との比率に設定される。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれについて、入力電圧と出力電圧との差を小さくすることができ、昇降圧比を１に近づけることができる。その結果、電力損失の少ない昇降圧動作が可能となり、複数の第１コンバータ１１～１６での電力変換効率を向上させることができる。なお、電源１～６において、各太陽電池モジュールの公称最大出力動作電圧が異なる場合には、複数の第１コンバータ１１～１６の特性を、各第１コンバータに対応した太陽電池モジュールの特性に合わせて設定してもよい。例えば、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれの制御を、各第１コンバータに対応した太陽電池モジュールに合わせて制御してもよい。また、例えば、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれの回路構成を、各第１コンバータに対応した太陽電池モジュールの特性に合わせて変更させてもよい。また例えば、各第１コンバータの制御及び回路構成の変更の組み合わせにより、複数の第１コンバータ１１～１６の特性を、各第１コンバータに対応した太陽電池モジュールの特性に合わせて設定してもよい。
【0083】
さらに、本実施形態では、電力変換装置２００は、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれを制御するコントローラ１００を備える。また複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン及びオフによって複数の電源１～６から入力される電力を変換する。コントローラ１００は、所定の外部信号と同期するように、複数の第１コンバータ１１～１６を構成するスイッチング素子をスイッチングさせる。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６間で、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子が非同期にスイッチングする場合に比べて、ＭＰＰＴ制御への外乱の影響を低減させることができ、各第１コンバータの動作を安定させることができる。
【0084】
加えて、本実施形態では、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれの出力電流Ｉｏｕｔ１～Ｉｏｕｔ６が最大となるように、複数の第１コンバータ１１～１６を構成するスイッチング素子をスイッチングさせる。これにより、電源１～６から入力される電圧を検出する電圧センサと電源１～６から入力される電流を検出する電流センサを設けることなく、発電電力が最大となる動作点で電源１～６を動作させることができる。その結果、電力変換装置２００に設けるセンサなどの部品点数を削減することができる。また、上述したように、スキャン法のように複雑な制御を要することなく、すなわち、簡易な方法によって発電電力が最大となる動作点で太陽電池モジュールを動作させることができる。部品点数を削減するだけでなく、複雑な制御を要しないため、第１コンバータの小型化を図ることができる。
【0085】
また、本実施形態では、コントローラ１００は、第２コンバータ１７を制御する。第２コンバータ１７は、ポート２７とポート３７との間に設けられた絶縁トランスと、絶縁トランスに流れる電流を制御するためのスイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２を有する。コントローラ１００は、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２のオン時間とオフ時間を合わせつつ、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２を切り替えるタイミングを、絶縁トランスの共振周波数と同期をとるように、スイッチング素子Ｓ５～Ｓ１２を制御する。これにより、常にソフトスイッチングする共振コンバータとして第２コンバータ１７を動作させることができるため、第２コンバータ１７は電力損失の少ない動作が可能となり、第２コンバータ１７での電力変換効率を向上させることができる。
【0086】
さらに、本実施形態では、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６よりも早く第２コンバータ１７を起動させる。複数の第１コンバータ１１～１６が起動していない状態では、複数の第１コンバータ１１～１６から第２コンバータ１７への電流経路は生成されない。第２コンバータ１７を複数の第１コンバータ１１～１６よりも早く起動させるため、第２コンバータ１７を起動させたタイミングで、瞬間的に複数の第１コンバータ１１～１６から第２コンバータ１７を介して負荷７に電流が流れ込むのを抑制することができる。その結果、負荷７に供給される電力が脈動するのを抑制することができる。
【0087】
加えて、本実施形態では、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６よりも遅く第２コンバータ１７を停止させる。電力変換装置２００が負荷７に電力を供給している状態から、複数の第１コンバータ１１～１６が第２コンバータ１７よりも早く停止するため、第２コンバータ１７を停止させたタイミングで、瞬間的に複数の第１コンバータ１１～１６から第２コンバータ１７を介して負荷７に電流が流れ込むのを抑制することができる。その結果、負荷７に供給される電力が脈動するのを抑制することができる。
【0088】
加えて、本実施形態では、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれは、太陽電池モジュールから第２コンバータ１７のポート２７の方向にのみ電力を伝送させる。これにより、複数の第１コンバータ１１～１６間で電力が循環されるのを抑制することができ、複数の第１コンバータ１１～１６のそれぞれでの電力変換効率を向上させることができる。
【0089】
また、本実施形態では、複数の電源１～６のそれぞれは、太陽電池モジュールである。太陽電池モジュールは、直列に接続された複数の太陽電池セルと、太陽電池セルそれぞれと並列に接続された複数のダイオードとを有する。これにより、太陽電池モジュールに部分影が発生した場合であっても、発電電力の減少量を抑えられるため、複数の電源１～６から電力変換装置２００に入力される電力が部分影によって大幅に低減するのを抑制することができる。
【0090】
さらに、本実施形態では、負荷７はバッテリである。これにより、電荷の充放電により負荷７の電圧が変動する場合であっても、電圧変動前後において、電力変換装置２００からの出力電圧を維持しつつ、各時点で電源１～６から入力される最大の電力を高効率に負荷７に供給することができる。
【0091】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【0092】
例えば、上述した実施形態では、コントローラ１００による複数の第１コンバータの制御として、所定の外部信号と同期するように、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子をスイッチングさせる制御を例に挙げて説明したが、これに限られない。例えば、コントローラ１００は、複数の第１コンバータ１１～１６間で位相が異なるように、複数の第１コンバータ１１～１６を構成する各スイッチング素子をスイッチングさせてもよい。第１コンバータ１１～１６の出力電流に含まれるリプルが、第１コンバータ１１～１６間で位相がずれるため、第２コンバータ１７に入力される電流Ｉｔｏｔａｌが脈動するのを抑制することができる。その結果、第２コンバータ１７での電力変換効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【0093】
１～６…電源
７…負荷
１１～１６…第１コンバータ
１７…第２コンバータ
２１～２６…入力ポート
２１ａ～２６ａ、２１ｂ～２６ｂ…入力端子
２７…ポート
２７ａ、２７ｂ…端子
３１～３６…出力ポート
３１ａ～３６ａ、３１ｂ～３１ｂ…入力端子
３７…ポート
３７ａ、３７ｂ…端子
８１ａ、８１ｂ…配線
８２、８３…平滑コンデンサ
１００…コントローラ
２００…電力変換装置
７…負荷
１１～１６…第１コンバータ
１７…第２コンバータ
２１～２６…入力ポート
２１ａ～２６ａ、２１ｂ～２６ｂ…入力端子
２７…ポート
２７ａ、２７ｂ…端子
３１～３６…出力ポート
３１ａ～３６ａ、３１ｂ～３１ｂ…入力端子
３７…ポート
３７ａ、３７ｂ…端子
８１ａ、８１ｂ…配線
８２、８３…平滑コンデンサ
１００…コントローラ
２００…電力変換装置
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】