CN111800012A - 用于串联连接的多个电源单元的动作点控制电路装置 - Google Patents

用于串联连接的多个电源单元的动作点控制电路装置 Download PDF

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Abstract

本发明的用于串联连接的多个电源单元的动作点控制电路装置包括：整流部，允许从电源单元的阴极侧向阳极侧的电流的流通；反转电压产生部，在装入到从多个电源单元的阴极侧开始计数的第奇数个电源单元的阴极与整流部的阳极之间的两端间，能够沿双方向流通电流，并且两端间的产生电压能够周期性地反转；电压保持电容器；及电压控制电路部，使方向周期性地反转的电压产生于多个电源单元的阴极侧的反转电压产生部的两端之间。

Description

用于串联连接的多个电源单元的动作点控制电路装置
技术领域
本发明涉及用于串联连接的多个电源单元的动作点控制电路装置。尤其涉及对串联连接的多个太阳能电池单元或其他多个电源单元(化学电池单元、蓄电池单元、燃料电池单元、发电机、热电元件等)的动作点进行控制的电路装置(动作点控制电路装置)。更详细而言，涉及对串联连接的太阳能电池单元或其他电源单元的动作电压进行控制的动作点控制电路装置，使得在太阳能电池单元或其他电源单元中能够分别流通彼此不同的电流。
背景技术
一个太阳能电池(单元)的发电电压通常低于各种机械设备或充电器的动作电压。因此，作为用于将太阳能电池用于这样的机械设备的工作或充电器的充电的一种方法，在太阳能发电系统中，有时采用串联连接多个太阳能电池单元的结构(太阳能电池模块)。但是，在仅串联连接太阳能电池单元的结构的太阳能电池模块的情况下，若由于各太阳能电池单元的设置角度的差异或建筑物等在一部分单元上产生阴影，而使单元间的受光量产生偏差，则发电量小的单元成为电阻(逆偏压的二极管)，可能使太阳能电池模块的输出降低。
更具体地进行说明，参照图9A，如在本领域中公知的那样，通常，由于太阳能电池具有发电电压-电流特性，因此在发电功率中存在其大小成为最大的最佳动作点“×”(被称为最大功率点或最佳动作点)，所述发电电压-电流特性是太阳能电池在接收到一定量的光的状态下，发电电压从0V增大到某一值并且电流(细实线I100～I25)逐渐降低，当发电电压进一步增大时，电流急剧降低的特性。并且，如图所示，当太阳能电池的受光量降低时(R＝100％→R＝25％)，其发电电压-电流特性向相对于发电电压的电流(I100→I25)降低的方向变化，因此，发电功率(P100→P25)也下降，如图中虚线所示，最大输出点“×”也发生变化。在这种特性的多个太阳能电池单元在电路中仅串联连接的情况下，由于在所有的太阳能电池单元中流通共同的电流，所以所有的太阳能电池单元的受光量实质上相等，在它们的最大输出点实质上一致时，最大输出点处的电流相等，能够使所有的太阳能电池单元在最大输出点进行动作。但是，当太阳能电池模块内的一部分太阳能电池单元的受光量因阴影等而降低时，在该受光量降低的太阳能电池单元中，由于流通与受光量大的单元共同的电流，所以其动作点从最大输出点偏离，其发电量以比与受光量的降低对应的程度更大的程度降低。另外，受光量降低的太阳能电池单元本身成为相对于上述电流的电阻，所以产生功率损失，也导致太阳能电池模块的进一步的输出下降。即，如上所述，如果在太阳能电池模块内的太阳能电池单元间存在受光量的偏差，则起因于此，不仅得不到与太阳能电池模块的受光量对应的最大的发电输出，而且还会产生输出的损失。
因此，作为用于避免这样的由于太阳能电池模块内的每个太阳能电池单元的受光量的偏差引起的输出降低的装置，提出了能够单独地控制串联连接的太阳能电池单元各自的动作点的发电动作点控制电路装置(清水敏久另6名、太阳能/风能讲演论文集、1996年第57-60页，清水敏久、FB技术新闻第56号2000年11月1日第22-27页，清水敏久另3名、“Generation Control Circuit for Photovoltaic Modules”IEEE TRANSACTIONSONPOWER ELECTRONICS，VOL.16、NO.3、2001年5月第293-300页)。这样的发电动作点控制电路装置对于多个太阳能电池单元串联连接的电路结构，使用多级升降压斩波电路，针对每个太阳能电池单元控制发电电压，从而能够使互不相同的电流流通。由此，即使在串联连接的多个太阳能电池单元的受光量不同的情况下，也能够调节发电电压，使得在各个太阳能电池单元中流通各自的最大输出点处的电流。因此，能够使所有的太阳能电池单元实质上在最大输出点发电。
另外，在日本特开2018-038245中，提出了如下结构：在使用如上所述的发电动作点控制电路装置的结构中，如图9B所例示的那样，在与各太阳能电池单元对应地串联连接的n个(n为正整数)开关器件的列中的、与从一个方向开始计数的第2m-1个(m为1到n/2的所有整数)和第2m个连接的开关器件的所有组各自的两端以及与第2i-2个(i为2到n/2的所有整数)和第2i-1个连接的开关器件的所有组各自的两端，并联连接有电容器(以下被称为“稳压电容器”)，串联连接的开关器件的状态在第一相与第二相之间交替地切换，在所述第一相中，与从开关器件的列的一个方向开始计数的第奇数个连接的开关器件全部为截止状态(OFF状态)，与第偶数个连接的开关器件全部为导通状态(ON状态)，在所述第二相中，与第奇数个连接的开关器件全部为导通状态(ON状态)，与第偶数个连接的开关器件全部为截止状态(OFF状态)。在这样的结构中，在允许每个太阳能电池单元中流通互不相同的大小的电流的状态下，不针对每个太阳能电池单元调节开关器件的占空比(截止状态的期间的长度相对于规定周期的长度即导通状态的期间与截止状态的期间之和的比)，而是统一设定为例如1/2，从而能够将所有太阳能电池单元的发电电压统一调节为相同的值。关于这一点，如从图9A所理解的那样，当太阳能电池单元的受光量降低(R＝100％～25％)时，发电电压-电流特性向相对于发电电压的发电功率(P100～P25)和电流值(I100～I25)降低的方向变化，与此相对应地，对应于最大功率点(×)的发电电压也发生变化。因此，在将各太阳能电池单元的实际的发电电压统一调节为例如受光量最大的太阳能电池单元(R＝100％)的最大功率点处的发电电压(单点划线：Vmpp100)的情况下，在受光量少的太阳能电池单元(R＝75％、50％、25％)中，实际的发电电压从最大功率点处的发电电压偏离，导致发电功率(P75、P50、P25)与各太阳能电池单元的最大功率点处的功率相比降低。但是，如也可从图中所理解的那样，通常，在各受光量的情况下的发电功率特性中，伴随受光量的变化而产生的最大功率点“×”的电压值的变化幅度比较小，相对于最大功率点附近的电压值的变化的发电功率值的变化也比较平缓。因此，可以理解，由于对各太阳能电池单元的实际的发电电压统一进行调节所导致的动作点从最大功率点的偏移而可能产生的发电功率的降低量ΔP1、ΔP2和ΔP3不会变得太大。这样，根据该结构，如已描述的那样，将由太阳能电池单元间的受光量的偏差引起的输出降低或损失中的至少一方抑制得较小，并且无需针对每个太阳能电池单元调节开关器件的占空比，而只要统一设定为1/2即可，所以开关器件的切换控制被简化，另外，能够大幅降低该控制的设定所需的时间和劳力。
发明内容
然而，上述发电动作点控制电路装置构成为，针对一个太阳能电池单元设置有一个开关器件。作为这样的开关器件，典型地，使用MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等晶体管作为有源开关，所以相应地需要成本。另外，相对于各开关器件，需要单独设置从控制装置供给用于将开关器件的两端子之间的状态在截止状态和导通状态之间进行切换的控制输入的电路，相应地，电路的结构容易变得复杂。关于这一点，本发明的发明人等对上述图9B所例示的现有的发电动作点控制电路装置的电路结构进行了研究，结果发现，在上述设有稳压电容器的结构中，若通过在以下详细描述的使用了如电感器、变压器那样的器件的结构，使太阳能电池单元与稳压电容器之间的电压的方向周期性地反转，则即使将MOSFET等开关器件置换为二极管等整流器件，也能够与日本特开2018-038245中记载的电路同样地，在允许每个太阳能电池单元中流通互不相同的大小的电流状态下，统一调节所有太阳能电池单元的发电电压。如此，如果开关器件被置换为整流器件，则成本相应地降低，并且由于不需要用于开关器件的控制输入的电路，所以是有利的。在本发明中，利用该发现。
本发明提供一种装置，其为在包含多个串联连接的太阳能电池单元的列的太阳能电池模块中，不管每个单元的受光量如何，都能够统一调节所有单元的发电电压的形式的发电动作点控制电路装置，其中，现有的电路结构中的开关器件被置换为整流器件。另外，所谓“发电动作点控制电路装置”，是指由用于对串联连接的太阳能电池单元各自的发电电压/电流进行控制的电路部分(与太阳能电池单元连接的连接端子、二极管、电容器、电感器或变压器等)构成的装置，在“太阳能发电装置”这样的情况下，是指包括由串联连接的太阳能电池单元构成的太阳能电池模块和发电动作点控制电路的结构的装置。
然而，在后文更详细地说明的本发明的装置的电路结构并不限于太阳能电池，还能够用于串联连接有任意的输出功率的电源元件(例如，化学电池单元、燃料电池单元、蓄电池单元、发电机、热电元件等)的模块中的各电源元件的动作电压的控制。因此，本发明提供一种装置，其为对串联连接有多个太阳能电池或电源元件(电池单元、蓄电池单元、发电机、热电元件等)中的至少一方的模块中的各个电源元件(单元)的动作点进行控制的动作点控制电路装置，其中，现有的电路结构中的开关器件被置换为整流器件。
本发明的方式涉及用于串联连接的多个电源单元的动作点控制电路装置。装置包括：一对输出端子；多个电极用连接端子，与在所述一对输出端子之间串联连接的2k+1个(k为正整数)具有阳极和阴极的电源单元各自的所述阳极和所述阴极分别连接；电容器，在所述一对输出端子之间，相对于所述多个电源单元中的每一个，经由对应的所述电极用连接端子并联连接；整流部，在所述一对输出端子之间，相对于所述多个电源单元中的每一个，经由对应的所述电极用连接端子并联连接，所述整流部具有：阳极，与所连接的一对所述电极用连接端子中的所述电源单元的阴极侧的所述电极用连接端子连接；及阴极，与上述连接的一对所述电极用连接端子中的所述电源单元的阳极侧的所述电极用连接端子连接，在所述整流部内仅允许从该整流部的所述阳极向所述阴极的方向的电流的流通；反转电压产生部，分别连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第奇数个电源单元的阴极侧连接的所述电极用连接端子与对应于所述第奇数个电源单元的整流部的阳极之间，所述反转电压产生部能够在其两端之间沿双方向流通电流，并且在所述两端之间产生周期性地反转的电压；电压控制电路部，具有相对于所述反转电压产生部中的第一反转电压产生部并联连接的电路线，所述第一反转电压产生部连接到所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极与对应于该电源单元的整流部的阳极之间，所述电压控制电路部使电压产生于所述第一反转电压产生部的两端之间；及电压保持电容器，相对于所述电路线与所述整流部中的对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的整流部的阴极之间、所述整流部中的对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第2j个(j为1到k的整数)电源单元的整流部的阳极与对应于第2j+1个电源单元的整流部的阴极之间中的各个、所述整流部中的对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第2j-1个电源单元的整流部的阳极与对应于第2j个电源单元的整流部的阴极之间的各个并联连接，所述电压控制电路部使具有任意设定的大小且方向周期性地反转的电压在所述第一反转电压产生部的两端之间产生。
在上述结构中，所谓“电源单元”，可以是太阳能电池单元，或者例如化学电池单元、燃料电池单元、蓄电池单元、发电机、热电元件等任意的通过从阳极放出电流并在阴极流入电流而输出功率的任意的电源元件。“整流部”只要是在整流部内仅允许从其阳极向阴极的方向的电流的流通的部件即可，可以是任意的部件或元件，典型地，可以是二极管。所谓“反转电压产生部”，可以是由能够在其两端之间流通电流的导体构成，并且以任意的原理使两端之间产生电动势的元件或部件。如后所述，“反转电压产生部”典型地采用电感器或变压器(transformer)的线圈，但并不限定于此。“电压控制电路部”例如可以是如后文所例示的那样，以任意的方式，使电压产生于第一反转电压产生部的两端的电路部，所述第一反转电压产生部连接到多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极与对应于该电源单元的整流部的阳极之间。相对于电源单元并联连接的“电容器”和“电压保持电容器”可以是常规的电容器(术语“电压保持电容器”是为了与并联连接于电源单元的“电容器”进行区别而使用的)。在第一反转电压产生部的两端之间产生的电压的“任意设定的大小”意味着可以由装置的使用者或设计者在装置内的元件或部件的动作的允许范围内适当设定的大小。另外，在第一反转电压产生部的两端之间产生的电压典型地可以是方向周期性地以等间隔反转，并且双方向上的大小相等的电压，但并不限定于此(即，电压的大小和时间也可以根据方向而不同)。
上述装置的电路结构是基本上与在“背景技术”一栏中引用的日本特开2018-038245中记载的使用了稳压电容器(与本发明的结构中的“电压保持电容器”对应)的多级升降压斩波电路类似的结构，并且是在其中，相对于串联连接的太阳能电池单元或其他电源单元中的每一个并联连接的开关部被置换为不需要控制输入的二极管等整流部的结构。在这样的结构中，当电压控制电路部使具有任意设定的大小且其方向周期性地反转的电压产生于第一反转电压产生部的两端之间时，如在后面的实施方式一栏中详细说明的那样，通过反转电压产生部、整流部、电压保持电容器以及与各电源单元并联的电容器的作用，在各电源单元中能够流通互不相同的电流的状态下，各电源单元的动作电压(在太阳能电池单元的情况下，为发电电压)的大小与在第一反向电压产生部的两端沿任一方向产生的电压的大小相一致，尤其在第一反转电压产生部的两端，产生方向周期性地以等间隔反转并且双方向上的大小相等的电压的情况下，各电源单元的动作电压能够统一调整为相同的大小。
如此，在将上述装置应用于太阳能电池单元串联连接的太阳能电池模块的情况下，能够统一调节各太阳能电池单元的发电电压，另一方面，能够与各单元的受光量对应地使流过单元的电流成为按照电压-电流特性的互不相同的大小，而且，如果将第一反转电压产生部的两端之间的产生电压设定为多个单元中受光量最大的单元的最大功率点处的发电电压，则所有单元的产生电压被调节成该电压，如此，能够将在“背景技术”一栏中所说明的由太阳能电池单元间的受光量的偏差引起的输出下降或损失中的至少一方抑制得比较小。此时，在本发明的电路结构中，如上所述，由于相对于各电源单元并联连接的开关部被置换为整流部，所以不像现有的结构那样需要用于针对各开关部单独提供控制输入的电路结构和控制，动态控制仅对电压控制电路部执行即可，所以简化了用于装置的结构和用于控制的动作。另外，由于将作为开关部使用的MOSFET等晶体管置换为二极管等整流部，所以也可以期待相应的成本节约。
具体而言，上述装置中的电压控制电路部的结构可以通过以下所描述的方式中的任一方式来实现。
在上述方式中，也可以构成为：所述反转电压产生部为电感器，所述电压控制电路部包括：电压源，具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子，所述电压源在其阳极与阴极之间产生所述任意设定的大小的电压；电容器，与所述电压源并联连接；及开关部，分别经由所述电路线和所述第一反转电压产生部而相对于所述电压源并联连接，所述开关部使其两端子之间选择性地相互导通，所述开关部被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间反复切换。
这里，“电压源”可以是能够将任意设定的电压供给到其阳极与阴极之间的任意电压源，在该方式的结构中，如也可从后述的使用附图的说明所理解的那样，与多个电源单元的列串联连接。“开关部”可以是MOSFET或其他的在本领域中所使用的晶体管等响应于控制输入而切换一对端子之间的电流的导通状态和截止状态的任意器件，在该方式的结构中，如也可从后述的使用附图的说明所理解的那样，相对于与多个电源单元对应地连接的整流部的列串联连接。
在上述结构中，当开关部进行动作以将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间反复切换时，在第一反转电压产生部的两端，产生方向交替反转的电压，由此，如上所述，各电源单元的动作电压的大小被决定。尤其在开关部被控制为将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间以等间隔反复切换的情况下(即，在占空比为1/2时)，在第一反转电压产生部的两端，以方向交替反转的方式产生与电压源的电压的大小相等的电压，并且各电源单元的动作电压被统一调整为与电压源的两端的电压相同。在该方式中，被动态控制的对象为电压控制电路部中的一个开关部，因此与现有技术相比，简化了电路的结构(用于控制输入的电路可以是一个)，并且控制也变得容易。
在上述方式中，也可以在一对输出端子之间连接所述多个电源单元与所述电压源。在该情况下，在输出端子之间能够产生电压源的电压的2k+2倍的电压。
在上述方式中，也可以在所述一对输出端子之间仅连接多个电源单元，并且所述电压源连接到所述一对输出端子之间以外。在该情况下，在输出端子之间能够产生电压源的电压的2k+1倍的电压。
在上述方式的结构中，在开关部的两端子之间的状态中的导通状态与截止状态之间的切换不是等间隔的情况下(即，占空比d不是1/2时)，多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第偶数个电源单元的动作电压一律与电压源的供给电压一致，多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第奇数个电源单元的动作电压一律与将d/(1-d)和电压源的供给电压相乘所得的值一致。应当理解，该情况也属于本发明的范围。
在上述方式中，也可以构成为：所述反转电压产生部为电感器，所述电压控制电路部包括：电压源，具有：与所述电路线连接的阴极；及相对于与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元对应的所述整流部的阳极经由电感器连接的阳极，所述电压源在其阳极与阴极之间产生所述任意设定的大小的电压；追加的电极用连接端子，与串联于所述多个电源单元的阴极侧的追加的电源单元的阳极和阴极分别连接，所述追加的电源单元具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子；电容器，相对于所述追加的电源单元经由所述追加的电极用连接端子并联连接；及开关部，在所述电路线与对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的所述整流部的阳极之间，相对于所述电压源并联连接，所述开关部使其两端子之间选择性地相互导通，所述开关部被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间反复切换。
这里，“开关部”可以是与上述方式相同的器件，如也可从后述的使用附图的说明所理解的那样，相对于与多个电源单元对应地连接的整流部的列串联连接。“电压源”也可以是与上述方式相同的任意电压源，此时，如也可从后述的使用附图的说明所理解的那样，经由电感器相对于开关部并联连接。并且，在该方式的情况下，在多个电源单元的阴极侧，相对于多个电源单元的列和与各个电源单元并联连接的电容器的列，分别串联连接追加的电源单元和电容器。在这样的结构中，当开关部进行动作以周期性地重复两端子之间的导通状态和截止状态时，在第一反转电压产生部的两端，产生方向交替反转的电压，由此，如上所述，各电源单元的动作电压的大小被决定。尤其在开关部被控制为将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间以等间隔反复切换的情况下(即，在占空比为1/2时)，与电压源的供给电压的大小相等的电压在第一反转电压产生部的两端以其方向交替反转的方式产生，并且追加的电源单元的动作电压的大小与第一反转电压产生部的两端之间的产生电压的大小相等，如此，如上所述，能够将各电源单元的动作电压统一调节为与电压源的两端的电压相同。在该方式中，被动态控制的对象也为电压控制电路部中的一个开关部，因此与现有技术相比，简化了电路的结构(用于控制输入的电路可以是一个)，并且控制也变得容易。此外，在该方式中，在输出端子之间得到多个电源单元与追加的电源单元相加而串联连接有2k+2个量的电源单元的情况下的动作电压(大小为电压源的电压的2k+2倍)，从而可以期待能够更有效地利用电路。另外，在该方式中，在开关部的两端子之间的状态中的导通状态与截止状态之间的切换不是等间隔的情况下(即，占空比d不是1/2时)，追加的电源单元和多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第偶数个电源单元的动作电压一律与电压源的供给电压一致，多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第奇数个电源单元的动作电压一律与将d/(1-d)和电压源的供给电压相乘所得的值一致。应当理解，该情况也属于本发明的范围。
在上述方式中，也可以构成为：所述反转电压产生部为电感器，所述电压控制电路部包括：追加的电极用连接端子，与串联于所述多个电源单元的阴极侧的追加的电源单元的阳极和阴极分别连接，所述追加的电源单元具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子；电容器，相对于所述追加的电源单元并联连接；及开关部，分别经由所述电路线和所述第一反转电压产生部而相对于所述追加的电源单元并联连接，所述开关部使其两端子之间选择性地相互导通，在所述一对输出端子之间连接有所述多个电源单元和所述追加的电源单元，所述一对输出端子之间与控制其输出电压的装置连接，所述开关部被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间反复切换。
在上述方式中，也可以在所述一对输出端子之间连接有所述多个电源单元和所述追加的电源单元。
这里，“开关部”可以是与上述方式相同的器件，如也可从后述的使用附图的说明所理解的那样，相对于与多个电源单元对应地连接的整流部的列串联连接。另外，在多个电源单元的阴极侧，与上述方式同样地，相对于多个电源单元的列和与各个电源单元并联连接的电容器的列，分别串联连接追加的电源单元和电容器。并且，在该方式的情况下，一对输出端子之间与控制其输出电压的装置连接，输出端子之间的电压被保持为任意设定的大小。在这样的结构中，当开关部进行动作以周期性地以相等的时间间隔重复电压源的阴极与阳极之间的导通状态和截止状态时(即，占空比为1/2时)，在第一反转电压产生部的两端，与追加的电源单元的动作电压相等的大小的电压以其方向交替反转的方式产生。由此，如上所述，在各电源单元的动作电压的大小和方向被统一调整为相同时，输出端子之间的电压(输出电压)即多个电源单元或进一步追加的电源单元的动作电压被保持为任意设定的大小，所以各电源单元的动作电压能够被调整为输出电压的大小除以2k+1(或2k+2)所得的大小。在该方式中，被动态控制的对象也为电压控制电路部中的一个开关部，因此与现有技术相比，简化了电路的结构，并且控制也变得容易。另外，在该方式中，不需要与开关部并联连接的电压源，从而简化了电路的结构，并且在输出端子之间得到多个电源单元与追加的电源单元相加而串联连接有2k+2个量的电源单元的情况下的动作电压，所以可以期待能够更有效地利用电路。另外，在该方式中，在开关部的两端子之间的状态中的导通状态与截止状态之间的切换不是等间隔的情况下(即，占空比d不是1/2时)，追加的电源单元和多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第偶数个电源单元的动作电压被统一调整为第一电压，多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第奇数个电源单元的动作电压被统一调整为将d/(1-d)与第一电压相乘所得的值，这些动作电压的总和与输出端子之间的输出电压相一致。应当理解，该情况也属于本发明的范围。
在上述方式中，可以还设置有追加的反转电压产生部，所述追加的反转电压产生部分别连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第偶数个电源单元的阴极侧连接的所述电极用连接端子与对应于所述第偶数个电源单元的整流部的阳极之间，所述追加的反转电压产生部能够在其两端之间沿双方向流通电流，并且所述两端之间的产生电压能够周期性地反转，应当理解，这种情况也属于本发明的范围。在此，上述的反转电压产生部件可以是电感器。
在上述方式中，所述开关部也可以被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间以等间隔反复切换。
在上述方式中，也可以构成为：所述电压控制电路部包括变压器，所述变压器具有一次线圈和二次线圈，所述第一反转电压产生部为所述变压器的所述二次线圈，所述变压器是使具有任意设定的大小且方向周期性地反转的电压产生于所述二次线圈的两端的变压器。在此，如上所述，“变压器”可以是具有卷绕有一次线圈和二次线圈的磁回路，并且能够在二次线圈的两端产生适当大小的电压作为电源单元的动作电压的任意形式的变压器。具体而言，变压器的一次线圈侧的结构可以是由能够产生任意大小的电压的直流电压源、开关部和一次线圈构成的闭合电路(可以在电路任意插入负载电阻)的结构，开关部件可以进行动作以周期性地重复电压源的阴极与阳极之间的导通和截止。在这样的结构中，当变压器在其二次线圈的两端产生具有任意设定的大小并且其方向周期性地尤其以相等的时间间隔反转的电压时，与上述的情况同样地，各电源单元的动作电压的大小被统一调整为与二次线圈的两端的电压相同。根据这样的结构，由于决定电源单元的动作电压的电压源(变压器的一次线圈侧的电压源)与多个电源单元被电绝缘，所以可以期待能够应用电路装置的状况的扩大。
在上述方式中，也可以构成为：所述电压控制电路部还包括：追加的电极用连接端子，与串联于所述多个电源单元的阴极侧的追加的电源单元的阳极和阴极分别连接，所述追加的电源单元具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子；电容器，相对于所述追加的电源单元经由所述追加的电极用连接端子并联连接；及追加的整流部，在所述电路线与对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的所述整流部的阳极之间，与所述整流部串联连接。即，在这样的结构中，在多个电源单元中的阴极侧，分别串联连接追加的电源单元、追加的电容器以及追加的整流部，构成了串联连接有2k+2级电源单元的电路。根据该结构，在电源单元串联连接的电路内不存在需要控制输入的开关部，电路全部由无源的电气元件构成，从而简化了电路的结构。另外，在输出端子之间得到多个电源单元与追加的电源单元相加而串联连接有2k+2个量的电源单元的情况下的工作电压，因此可以期待能够更有效地利用电路。
在上述方式中，也可以为，所述第一反转电压产生部以外的所述反转电压产生部为所述变压器的所述二次线圈，并且与所述第一反转电压产生部同步地，产生电压周期性地反转。在该情况下，由于在各反转电压产生部中，电压被调节，所以可以期待电路动作的进一步的稳定化。
在上述方式中，也可以是，所述第一反转电压产生部以外的所述反转电压产生部为电感器，并且与所述第一反转电压产生部同步地，产生电压周期性地反转。在该情况下，变压器为一处，因此电路的功耗相对地降低。
在上述方式中，所述电源单元可以是太阳能电池单元、化学电池单元、燃料电池单元、蓄电池单元、发电机、热电元件或它们的组合中的至少一种。
在上述方式中，所述电压控制电路部也可以使方向周期性地以等间隔反转的相等大小的电压产生于所述第一反转电压产生部的两端之间。
在上述方式中，也可以是，所述电源单元为太阳能电池单元，所述第一反转电压产生部的两端间的产生电压设定为所述多个电源单元中的受光量最大的电源单元的最大功率点处的发电电压。
在上述方式中，也可以是，所述电源单元为太阳能电池单元，所述多个电源单元中的受光量最大的电源单元的发电电压设定为其最大功率点处的发电电压。
另外，在上述方式的结构中，也可以还包括追加的反转电压产生部，所述追加的反转电压产生部分别连接到与所述串联连接的多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第偶数个电源单元的阴极侧连接的所述电极用连接端子与对应于所述第偶数个电源单元的整流部的阳极之间，所述追加的反转电压产生部能够在其两端之间沿双方向流通电流，并且所述两端之间的产生电压能够周期性地反转。在该情况下，在所述追加的反转电压产生部为所述变压器的所述二次线圈时，控制成与所述第一反转电压产生部的产生电压反向地，产生电压周期性地反转。应当理解，这种情况也属于本发明的范围。
在上述方式的结构中，在二次线圈的两端的产生电压的方向的反转不是等间隔的情况下，追加的电源单元和多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第偶数个电源单元的动作电压被统一调整为在二次线圈中从整流部侧朝向电源单元侧产生电压时的该电压，多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第奇数个电源单元的动作电压被统一调整为在二次线圈中从电源单元侧朝向整流部侧产生电压时的该电压。应当理解，该情况也属于本发明的范围。
如此，在上述的本发明的结构中，由于成为在现有的动作点控制电路装置中，将MOSFET等开关部全部(或者除了电源单元列的阴极侧的一个开关部之外的全部)置换为二极管等整流部的结构，所以相应地降低了成本。另外，由于动态控制的对象为电压控制电路部(或者其内部的开关部)，所以不需要针对每个电源单元设置用于开关部的控制输入的电路，从而电路的结构大幅简化，控制中的动作也变得容易。根据由上述本发明的新颖结构带来的作用效果，可以期待进一步扩大能够有效地利用动作点控制电路装置的范围。
通过以下的本发明的优选实施方式的说明，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1A是表示由本实施方式的发电动作点控制电路装置和2k+1个太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的第一方式的电路结构图。
图1B表示为了进行图1A的发电动作点控制电路装置中的开关器件的两端子间的导通状态(ON)和截止状态(OFF)的切换控制而向开关器件的控制输入S1提供的控制信号的时间变化。
图2A是表示图1A的太阳能发电装置的第一方式中的开关器件处于导通状态和截止状态时在各电路元件中产生的电压和电流的方向的电路结构图。另外，出于说明的目的，串联连接的太阳能电池单元的数量被设为3个(k＝1时)。
图2B是表示图1A的太阳能发电装置的方式中的开关器件处于导通状态和截止状态时在各电路元件中产生的电压和电流的方向的电路结构图。另外，出于说明的目的，串联连接的太阳能电池单元的数量被设为3个(k＝1时)。
图3A是表示由本发明的发电动作点控制电路装置和2k+1个太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的方式的变更例的电路结构图。
图3B是表示由本发明的发电动作点控制电路装置和2k+1个太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的方式的变更例的电路结构图。
图4是表示由本实施方式的发电动作点控制电路装置和2k+1个(k＝1的情况)太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的第二方式的电路结构图。
图5是表示由本实施方式的发电动作点控制电路装置和2k+1个(k＝1的情况)太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的第三方式的电路结构图。
图6A是表示由本实施方式的发电动作点控制电路装置和2k+1个(k＝1的情况)太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的第四方式的电路结构图。
图6B是图6A的电路中的在作为反转电压产生器件使用的变压器的二次线圈中产生电压的变压器的一次线圈侧的电路结构。
图6C表示为了进行图6B的变压器的一次线圈侧电路中的开关器件的两端子间的导通状态(ON)和截止状态(OFF)的切换控制而向开关器件的控制输入S1提供的控制信号Ss1和流过一次线圈L0的纹波电流IL0的时间变化。
图7A是表示由本实施方式的发电动作点控制电路装置和2k+1个(k＝1的情况)太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的第四方式的变更例的电路结构图。
图7B是表示由本实施方式的发电动作点控制电路装置和2k+1个(k＝1的情况)太阳能电池单元构成的太阳能发电装置的第四方式的变更例的电路结构图。
图8是在本实施方式的动作点控制电路装置中，置换太阳能电池单元而串联连接任意其他的电源单元时的电路结构图。
图9A是示意性地表示接受到各种受光量R的太阳能电池的发电电流IR和发电功率PR相对于发电电压的变化的特性图。R表示将R＝100％时的受光量设为100％的各个受光量的比例。
图9B表示在关联技术(日本特开2018-038245等)中提出的太阳能发电装置的电路结构图的示例。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的几个优选实施方式进行详细说明。在图中，相同的标记表示相同的部位。
用于太阳能电池模块的发电动作点控制电路装置的结构和工作
本实施方式的对多个太阳能电池单元串联连接而成的太阳能电池模块中的各单元的发电动作点进行控制的发电动作点控制电路装置基本上为如图9B所例示的日本特开2018-038245中记载的多级型升降压斩波电路，具有与在串联连接的开关器件的列M1……中的每两个开关器件依次连接有稳压电容器Cv1……(在本实施方式中，对应于电压保持电容器)的电路相同的结构，并且通过在太阳能电池单元的列的阴极侧，构成使与之连接的电感器(反转电压产生器件)的产生电压的方向周期性地反转的器件(电压控制电路器件)，能够将串联连接的多个开关器件置换为整流器件(二极管等仅允许从阳极向阴极的方向的电流的流通的元件)。由此，实现了成本的降低和电路的结构以及控制的简化。具体而言，本实施方式的发电动作点控制电路装置以下文所说明的各种方式构成。
1.第一方式的结构
参照图1A，在本实施方式的第一方式的结构中，发电动作点控制电路装置的电路具体地具有：一对输出端子ot+、ot-；以及与各太阳能电池单元PVn(n为从1到2k+1的整数，k为正整数)的阳极和阴极分别连接的电极用连接端子ct，以在一对输出端子ot+、ot-之间将多个太阳能电池单元串联连接。另外，在第一方式中，串联连接的单元的个数基本上为3以上的奇数。电容器Cn(C1、C2、C2k+1)以与太阳能电池单元PVn并联的方式连接于电极用连接端子ct，并且作为整流器件，二极管Dn(D1、D2、……D2k+1)以使它们的阳极和阴极与对应的太阳能电池单元的阴极和阳极连接的方式连接于电极用连接端子ct，从太阳能电池单元PVn列的阴极侧(图中下侧)开始计数的第奇数个太阳能电池单元PVn的阴极侧的电极用连接端子ct与二极管Dn的阳极之间，分别装入电感器Lm(L1、L2……Lk+1)作为反转电压产生器件。而且，在太阳能电池单元PVn列的阴极侧，作为在与之连接的电感器L1的两端之间，产生具有任意设定的大小且方向周期性地反转的电压的电压控制电路器件，电压源Vs与太阳能电池单元PVn列的阴极侧的单元PV1的阴极串联连接(即，电压源Vs的阳极与阴极侧的单元PV1的阴极连接)，在与太阳能电池单元PVn列的阴极侧的单元PV1对应的二极管D1的阳极侧，连接可以为MOSFET等的开关器件或元件M1，电压源Vs的阴极经由电路线BL与开关器件M1连接，以由电压源Vs、电感器L1和开关器件M1形成闭环。另外，也可以与电压源Vs并联地连接电容器C0。并且，如图示那样，电压保持电容器Cvn相对于开关器件M1和与该开关器件M1串联连接的二极管D1并联连接，并且相对于从太阳能电池单元PVn列的阴极侧开始计数的第2j-1个和第2j个二极管的所有组(第一个和第二个的组、第三个和第四个的组、……)以及第2j个和第2j+1个二极管的所有组(第二个和第三个的组、第四个和第五个的组、……)的两端分别并联连接(j为1到k的整数)。另外，电容器Cn、二极管Dn、电压保持电容器Cvn、电感器Lm、开关器件M1可以是在本领域中通常使用的电路元件。电压源Vs可以是能够向阳极与阴极之间供给在太阳能电池单元的发电电压的范围内任意设定的大小的电压的任意形式的电源装置。如此，如也可从附图所理解的那样，在第一方式中，发电动作点控制电路装置为相对于串联连接有2k+1个太阳能电池单元PVn的模块还串联连接有电压源Vs的结构，即，为相对于2k+2个串联连接的电源单元中的每一个，除了与电压源Vs对应的电源单元以外，连接有开关器件被置换为二极管的斩波电路的2k+2级的斩波电路的结构，而且，为在一个开关器件和2k+1个二极管的列中，每两个依次并联连接有电压保持电容器Cvn的结构。
2.第一方式的动作
在图1A所描绘的本实施方式的第一方式的装置中，作为电压控制电路器件的要素的与二极管Dn的列串联连接的开关器件M1从其控制输入S1接收控制信号，该控制信号如图1B示意性地描绘的那样，在可以任意设定的规定的循环时间Ts内，导通状态和截止状态以任意的占空比d(截止状态的期间的长度相对于可以任意设定的周期的长度Ts即导通状态的期间与截止状态的期间之和的比)周期性地变化。由此，在控制信号为导通时，开关器件M1的两端子间成为导通状态，在控制信号为截止时，开关器件M1的两端子间进行动作以成为截止状态。如此，在与开关器件M1连接的电感器L1中，产生方向与开关器件M1的导通/截止状态的切换同步地反转的电动势(感应电压)，之后的开关器件M1的导通/截止状态的切换动作期间内的电路中的电感器Lm、二极管Dn、电压保持电容器Cvn以及电容器Cn的动作的结果，太阳能电池单元PVn全部的发电电压的大小Vn基于电压源Vs的输出电压V0而被决定。
在上述第一方式的电路的结构中，在开关器件M1的导通/截止状态的切换动作期间，各太阳能电池单元PVn的全部的发电电压Vn基于电压源Vs的输出电压V0而被决定的过程如以下所说明。
参照图2A、图2B，首先，如图2A所示，在开关器件M1成为导通状态，其两端子间导通时，形成从电压源Vs的阳极通过电感器L1和开关器件M1而返回到电压源Vs的阴极的闭环，由此，基尔霍夫定律成立。因此，在电感器L1中，如图2A中的箭头所示，沿从开关器件M1朝向电压源Vs的方向产生与电压源Vs的输出电压V0相等的大小的感应电动势(产生电压)。另外，此时，开关器件M1与二极管D1的阳极之间的接点的电位与电压源Vs的阴极的电位实质上相等，在二极管D1的阴极，经由太阳能电池单元PV1而施加有电感器L1的产生电压。因此，二极管D1的阳极的电位不比阴极的电位高，从而在二极管D1中没有电流流通(二极管D1为截止状态)。
接着，如图2B所示，在开关器件M1成为截止状态时，开关器件M1与二极管D1之间的接点即二极管D1的阳极的电位变得比阴极的电位高，从而到目前为止流通于电感器L1的电流向二极管D1流通。如此，形成从电压源Vs的阳极经由电感L1和二极管D1并通过电压保持电容器Cv1而返回到电压源Vs的阴极的闭环，由此在电压保持电容器Cv1中累积电荷，并且通过电感器L1的电流减少。因此，电感器L1的电压的方向如图2B中的箭头所示，向从电压源Vs的阳极朝向二极管D1的阳极的方向反转。另外，根据在开关器件M1的导通状态的期间蓄积于电感器L1中的电磁能在开关器件M1的截止状态的期间被释放的条件，就电感器L1的反转前的电压Vb与反转后的电压Va而言，Vb：Va＝(1-d)：d的关系成立，反转后的电感器L1的电压的大小为电压源Vs的输出电压V0乘以占空比的函数α(＝d/(1-d))所得的值αV0。由此，在电压保持电容器Cv1中保持(1+α)V0的电压(＝电压源Vs的输出电压V0+电感器L1的产生电压αV0)。另外，关于二极管D2，二极管D2的阳极与二极管D1的阴极连接，二极管D2的阴极经由电压保持电容器Cv2与二极管D1的阳极连接，从而在二极管D1处于导通状态时，二极管D2的阳极的电位不会变得比二极管D2的阴极的电位高，所以在二极管D2中没有电流流通(二极管D2为截止状态)。另外，此时，由于二极管D1导通，所以根据基尔霍夫定律，太阳能电池单元PV1的产生电压即发电电压V1与电感器L1的产生电压αV0相等，因此，V1＝αV0……(1)的关系成立。
并且，如图2A所示，在开关器件M1再次成为导通状态，其两端子之间导通时，电压保持电容器Cv1保持(1+α)V0的电压，所以与上述同样地，二极管D1成为截止状态，并且电压保持电容器Cv2的靠近电压源Vs的端子与电压保持电容器Cv1的负侧端子的电位一致。而且，由于在电压保持电容器Cv1中保持有(1+α)V0的电压，所以二极管D2的阳极的电位比二极管D2的阴极的电位高，在二极管D2中有电流流通(二极管D2成为导通状态)，由此，电压保持电容器Cv2的电压与电压保持电容器Cv1的保持电压(1+α)V0相等。另外，此时，由于从太阳能电池单元PV2经由电感器L2流向电压保持电容器Cv2的电流增加，所以在电感器L2中沿朝向太阳能电池单元PV2的方向产生感应电动势，此时，由于二极管D2导通，因此按照基尔霍夫定律，太阳能电池单元PV2的产生电压即发电电压V2的大小与电感器L2的产生电压相等。另外，此时，二极管D3的阳极与电感器L2的负侧端子连接，并且与二极管D1和二极管D2之间的接点的电位实质上相等，二极管D3的阴极经由太阳能电池单元PV3与电感器L2的正侧端子连接，所以二极管D3的阳极的电位不比阴极的电位高，从而在二极管D3中没有电流流通(二极管D3成为截止状态)。
如此，如图2B所示，当开关器件M1再次成为截止状态时，与上述同样地，二极管D1再次成为导通状态，二极管D2的阴极与保持有(1+α)V0的电压的电压保持电容器Cv2的正侧端子连接，二极管D2的阳极与电压保持电容器Cv2的负侧端子连接，所以二极管D2成为截止状态。另一方面，对于二极管D3，其阳极与电压保持电容器Cv2的正侧端子连接，阴极与电压保持电容器Cv3的正侧端子连接，电压保持电容器Cv3的负侧端子与电压保持电容器Cv2的负侧端子连接，所以二极管D3成为导通状态。这样，到目前为止流通于电感器L2的电流向二极管D3流通，形成从太阳能电池单元PV2的阳极经由电感器L2和二极管D3并通过电压保持电容器Cv3而返回到太阳能电池单元PV2的阴极的闭环，此时，在电压保持电容器Cv3中蓄积电荷，并且通过电感器L2的电流减少。因此，电感器L2的产生电压的方向如图2B中的箭头所示，向从太阳能电池单元PV2的阳极朝向二极管D3的阳极的方向反转。此时的电感器L2的产生电压的大小与上述的情况同样地，与反转前的α倍的大小相等，因此，与太阳能电池单元PV2的发电电压V2的大小的α倍相等，此时，按照基尔霍夫定律，太阳能电池单元PV2的发电电压V2和电感器L2的产生电压之和与电压保持电容器Cv2的保持电压(1+α)V0相等。其结果，V2＝V0……(2)的关系成立。另外，由于二极管D3导通，所以按照基尔霍夫定律，太阳能电池单元PV3的产生电压即发电电压V3与电感器L2的产生电压相等。其结果，V3＝αV0……(3)的关系成立。而且，电压保持电容器Cv3的正侧及负侧的端子分别与电压保持电容器Cv2的正侧及负侧的端子为等电位，所以电压保持电容器Cv3的保持电压也为(1+α)V0。
另外，在上述结构中，与太阳能电池单元PVn和电压源Vs并联连接的电容器Cn起到维持和稳定上述一系列的电感器Lm的电压方向的反转过程中的太阳能电池单元PVn以及电压源Vs的两端之间的电压的功能。另外，在上述结构中，流过各太阳能电池单元PVn的电流的差通过电容器Cn和电压保持电容器Cvn中的电荷的流入流出而被吸收。
在串联连接的太阳能电池单元的数量为2k+1个的情况下，太阳能电池单元PVn的发电电压也以与上述同样的方式被决定。具体而言，在如图1A那样的结构中，当开关器件M1反复切换到导通/截止状态时，如结合图2A和图2B所说明的那样，各电压保持电容器Cvn相对于其前后的电压保持电容器CVn-1、CVn+1分别反复地并联连接，电压保持电容器Cvn的保持电压在平衡状态下一律成为(1+α)V0。并且，电压保持电容器Cv2j+1的保持电压与相邻的两个太阳能电池单元PV2j、PV2j+1的产生电压之和V2j+V2j+1一致，并且太阳能电池单元PV2j的产生电压V2j与电感器Lj+1的产生电压的方向朝向太阳能电池单元侧时的电压相等，太阳能电池单元PV2j+1的产生电压V2j+1与电感器Lj+1的产生电压的方向朝向二极管侧时的电压(太阳能电池单元PV2j的产生电压V2j的α倍)相等。其结果，从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个单元的发电电压一律与电压源Vs的产生电压V0一致，从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个单元的发电电压一律与αV0一致。而且，在占空比d＝1/2时，即开关器件M1的导通/截止状态以等间隔切换时，α＝1，所以太阳能电池单元PVn的发电电压被统一调整为电压源Vs的产生电压V0。
如此，在图1A那样的电路结构中，若以占空比d＝1/2，反复进行开关器件M1的导通/截止的切换，则串联连接的2k+1个太阳能电池单元Pvn的产生电压Vn与电压源Vs的产生电压V0一致。因此，如果使电压源Vs的产生电压V0与例如多个太阳能电池单元中受光量最大的单元的最大功率点处的发电电压Vmpp相一致(参照图9A)，则能够将由太阳能电池单元间的受光量的偏差引起的输出下降或损失中的至少一方抑制得较小，并且能够执行太阳能电池模块的发电工作。另外，在电压源Vs的产生电压V0的控制中，具体而言，可以通过如下方式来实现，即：一边使电压源Vs的产生电压V0变化，一边测量太阳能电池模块的输出功率、电压和/或电流，并使电压源Vs的产生电压V0与太阳能电池模块的输出功率、电压和/或电流成为最大的电压一致。
根据上述结构，如已描述的那样，在发电动作点控制电路装置中，提供控制输入的开关器件仅为M1，在现有的电路结构中所使用的其他开关器件全部被置换为二极管。因此，简化了装置的结构和用于控制的动作，并且可以期待能够节省用于制备电路元件的成本。
3.第一方式的变更例
在上述图1A所例示的第一方式的电路的结构中，电感器装入于从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个单元的阴极和与之对应的二极管的阳极之间，此时，如图3A所示，也可以在从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个单元的阴极和与之对应的二极管的阳极之间装入有电感器(L’1等)，作为进一步的反转电压产生器件。在此追加的电感器的电压的产生方向与上述装入到从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个单元的阴极与二极管的阳极之间的电感器的电压的产生方向为反向。
另外，在第一方式的电路的结构中，也可以如图3B所示那样，在输出端子ot+、ot-之间仅连接有太阳能电池单元(PV1、PV2、PV3……)的列，电压源Vs连接到输出端子ot+、ot-之间以外。
4.第二方式的结构和动作
参照图4，在本实施方式的第二方式的结构中，在上述第一方式中，在相对于连接有电压源Vs的太阳能电池单元列串联连接的部位连接追加的太阳能电池单元PV0，电压源Vs经由电感器L0连接于隔着开关器件M1与追加的太阳能电池单元PV0对置的部位。即，电压源Vs相对于追加的太阳能电池单元PV0，隔着电感器L1、L0并联连接。另外，也可以在从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个单元PV2j的阴极和与之对应的二极管D2j的阳极之间装入有电感器(L’1等)，作为进一步的反转电压产生器件。
在工作中，若与第一方式的情况同样地，以占空比d反复执行开关器件M1的导通/截止的切换，则按照基尔霍夫定律，追加的太阳能电池单元PV0的发电电压与电压源Vs的供给电压V0相等，电感器L1的产生电压在开关器件M1为导通状态时，沿从开关器件M1朝向太阳能电池单元PV0的方向产生，其大小为电压源的供给电压V0，在开关器件M1为截止状态时，方向反转，其大小为αV0。并且，在与开关器件M1的导通/截止切换动作一起，电感器L1的产生电压的方向周期性地反转的期间，与上述第一方式的情况同样地，在电压保持电容器Cvn分别保持有(1+α)V0的电压，追加的太阳能电池单元PV0和从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个太阳能电池单元PVn的产生电压一律与电压源Vs的供给电压V0一致，从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个太阳能电池单元PVn的产生电压一律与αV0一致，在占空比d＝1/2时，太阳能电池单元PVn的发电电压Vn一律与电压源Vs的供给电压V0一致。电压源Vs的供给电压V0的调节方法可以与第一方式相同。
在上述第二方式的情况下，追加的太阳能电池单元PV0被添加于2k+1个串联连接的太阳能电池单元，合计可得到串联连接有2k+2个太阳能电池单元的模块的电压和功率，从而可以期待能够更有效地利用电路。
5.第三方式的结构和动作
参照图5，在本实施方式的第三方式的结构中，在上述第一方式中，在相对于连接有电压源Vs的太阳能电池单元列串联连接的部位连接追加的太阳能电池单元PV0，而且，输出端子之间的输出电压由任意形式的电压控制装置，例如MPPT(Maximum Power PointTracking：最大功率点跟踪)控制电路调节。另外，也可以在从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个单元PV2j的阴极和与之对应的二极管D2j的阳极之间装入有电感器(L’1等)，作为进一步的反转电压产生器件。
在工作中，若与第一方式的情况同样地，以占空比d反复执行开关器件M1的导通/截止的切换，则电感器L1的产生电压在开关器件M1为导通状态时，沿从开关器件M1朝向太阳能电池单元PV0的方向产生，其大小与追加的太阳能电池单元PV0的发电电压V0相等，在开关器件M1为截止状态时，方向反转，其大小为αV0。并且，在与开关器件M1的导通/截止切换动作一起，电感器L1的产生电压的方向周期性地反转的期间，与上述第一方式的情况同样地，在电压保持电容器Cvn分别保持有(1+α)V0的电压，追加的太阳能电池单元PV0和从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个太阳能电池单元PVn的产生电压一律与电压源Vs的供给电压V0一致，从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个太阳能电池单元PVn的产生电压一律与αV0一致。在此，在该方式中，由于输出端子间电压Vout被控制，所以Vout＝∑Vn＝(1+α)(k+1)V0……(4)的关系成立，追加的太阳能电池单元PV0的发电电压V0和从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个太阳能电池单元PVn的产生电压Vn被决定为Vn＝Vout/{(1+α)(k+1)}……(5a)，从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个太阳能电池单元PVn的产生电压Vn被决定为Vn＝αVout/{(1+α)(k+1)}……(5b)。在此，在占空比d＝1/2时，太阳能电池单元PVn的发电电压Vn一律被决定为Vn＝Vout/2(k+1)……(5c)。输出端子间电压Vout的调节方法与通常的MPPT控制同样地，可以通过如下方式来实现，即：一边使输出端子间电压Vout变化，一边测量太阳能电池模块的输出功率、电压和/或电流，并使输出端子间电压Vout与太阳能电池模块的输出功率、电压和/或电流成为最大的电压一致。
在上述第三方式的情况下，追加的太阳能电池单元PV0被添加于2k+1个串联连接的太阳能电池单元，合计可得到串联连接有2k+2个太阳能电池单元的模块的电压和功率，从而可以期待能够更有效地利用电路。另外，由于与通常的MPPT控制同样地控制输出端子间电压Vout，所以在动作点控制电路中，在无需准备电压源Vs这一点上是有利的(例如，能够利用现有的MPPT控制装置)。
6.第四方式的结构和动作
参照图6A，在本实施方式的第四方式的结构中，在上述第一方式中，在相对于连接有电压源Vs的太阳能电池单元列串联连接的部位连接追加的太阳能电池单元PV0，在相对于连接有开关器件M1的二极管列串联连接的部位连接追加的二极管D0。太阳能电池单元PV0可以与太阳能电池单元列的太阳能电池单元PVn相同，二极管D0可以与二极管列的二极管Dn相同。因此，在该方式中，构成串联连接有2k+2个太阳能电池单元，并且与它们对应地串联连接有2k+2个二极管的电路。
并且，在第一方式的电路结构中配置有电感器Lm的部位，使用变压器的二次线圈作为反转电压产生器件。这样的变压器的二次线圈经由未示出的磁回路，如图6B所例示的那样与变压器的一次线圈侧电路的一次线圈磁耦合。变压器的一次线圈侧电路可以是一次线圈L0、电压源Vs、开关器件M1以及电阻R形成闭环而构成的电路，通过周期性地切换开关器件M1的两端子间的导通/截止状态(ON/OFF状态)，从电压源Vs向一次线圈L0流通的电流发生变化，由此，在一次线圈L0中产生的磁通量发生变化，该磁通量的变化经由磁回路向二次线圈Lm传递，而在二次线圈Lm中产生电动势。如图6B中示意性地描绘的那样，开关器件M1构成为：从其控制输入S1接收在可以任意设定的规定的循环时间Ts内，以任意的占空比d周期性地改变导通状态和截止状态的控制信号，由此，在控制信号为导通时，开关器件M1的两端子间成为导通状态，在控制信号为截止时，开关器件M1的两端子间成为截止状态。另外，作为反转电压产生器件，与从太阳能电池单元列的阴极侧(除了追加的太阳能电池单元)开始计数的第奇数个太阳能电池单元的阴极侧连接的二次线圈Lm的方向全部配置成一致(参照图中的○标记)。作为在该方式中使用的变压器，可以使用在二次线圈中产生能够作为太阳能电池单元的发电电压使用的大小的范围的电压，并且能够以作为本实施方式中的反转电压产生器件所要求的周期进行电压的反转的任意变压器。
在工作中，如果图6B的变压器的一次线圈侧电路中的开关器件M1的导通/截止状态如图6C下层所示那样，以占空比d周期性地变化，则如图6C上层所示那样，在一次线圈中流通纹波电流，在二次线圈中产生周期性地反转的电动势。在此，在开关器件M1为导通状态时，在图6B中，在一次线圈中向下产生电动势，由此，在图6(A)的二次线圈Lm中，产生向左即从二极管列朝向太阳能电池单元列的方向的电动势Vb，在此时，按照基尔霍夫定律，追加的太阳能电池单元PV0和从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个太阳能电池单元PVn的发电电压Vn与二次线圈Lm的产生电压Vb相等。另一方面，在开关器件M1为截止状态时，在图6B中，在一次线圈中向上产生电动势，由此，在图6A的二次线圈Lm中，产生向右即从太阳能电池单元列朝向二极管列的方向的电动势Va。此时，由于从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个二极管Dn导通，所以按照基尔霍夫定律，从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个太阳能电池单元PVn的发电电压Vn与二次线圈Lm的产生电压Va相等。在此，根据在开关器件M1的导通状态的期间蓄积于一次线圈L0和二次线圈Lm中的电磁能在开关器件M1的截止状态的期间被释放的条件，就开关器件M1的导通状态时的二次线圈Lm的电压Vb和开关器件M1的截止状态时的二次线圈Lm的电压Va而言，Vb∶Va＝(1-d)∶d的关系成立。其结果，Va＝αVb成立，由此，追加的太阳能电池单元PV0和从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个太阳能电池单元PVn的发电电压Vn被统一调整为Vb，从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个太阳能电池单元PVn的发电电压Vn被统一调整为αVb。另外，各太阳能电池单元PVn的电流之差被电压保持电容器Cvn和电容器Cn吸收(电压保持电容器Cvn分别保持(1+α)Vb的电压)。另外，在占空比d＝1/2时，太阳能电池单元PVn的发电电压Vn一律与二次线圈Lm的产生电压Vb相等，而且，在变压器的一次线圈和二次线圈的电感和电动势之间，L0：Lm＝Vs：Vb的关系成立。其结果，通过使用一次线圈侧电路的电压源电压Vs，由Vn＝Lm/L0·Vs……(6)给出太阳能电池单元PVn的发电电压Vn。
在上述第四方式中，在太阳能电池单元串联连接的电路内不存在需要控制输入的开关器件，电路全部由无源的二极管构成。因此，对于动作点控制电路，无需准备用于供给控制输入的电路，从而简化了电路中的布线构造。另外，在输出端子之间得到多个电源单元与追加的电源单元相加而串联连接有2k+2个量的电源单元的情况下的工作电压，因此可以期待能够更有效地利用电路。此外，电源位于变压器的一次线圈侧电路内，使得太阳能电池单元与电压源电绝缘。因此，在太阳能电池模块和电源中，即使在不能取得共同的接地的环境中，也能够利用电路装置，从而可以期待能够应用电路装置的状况的扩大。
7.第四方式的变更例
在上述第四方式的结构中，如图7A所示，也可以在从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个单元PV2j的阴极和与之对应的二极管D2j的阳极之间装入有二次线圈L’1等，作为进一步的反转电压产生器件。在该情况下，在二次线圈L’1等中产生的电动势的方向设定为与二次线圈Lm的电动势的方向相反，所述二次线圈Lm与从太阳能电池单元列的阴极侧的太阳能电池单元PV1开始计数的第奇数个单元PV2j-1的阴极连接。此外，在该结构中，对于所有的二次线圈，可以使用共同的一次线圈侧电路，在该情况下，能够将装置的部件数量抑制得较小。
另外，在上述第四方式的结构中，如图7B所示，与太阳能电池单元PV1的阴极连接的二次线圈L1以外的、与从太阳能电池单元PV1开始计数的第奇数个单元PV2j-1的阴极连接的反转电压产生器件也可以全部为电感器。另外，也可以在从太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个单元PV2j的阴极和与之对应的二极管D2j的阳极之间装入有电感器(L’1等)，作为进一步的反转电压产生器件。在这样的结构中，当二次线圈L1的产生电压如上所述周期性地反转时，与第一方式的情况同样地，从(除了追加的太阳能电池单元PV0以外的)太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第偶数个单元的发电电压一律与开关器件M1的导通状态时的二次线圈Lm的电压Vb一致，从(除了追加的太阳能电池单元PV0以外的)太阳能电池单元列的阴极侧开始计数的第奇数个单元的发电电压一律与αVb一致。并且，在变压器的一次侧线圈电路的开关器件M1的导通/截止状态以等间隔切换时，即，在占空比d＝1/2时，α＝1，所以太阳能电池单元PVn的发电电压由式(6)给出。在该结构中，在动作点控制电路中，使用变压器的二次线圈的部位为一处，所以与图6A的电路相比，降低了电路的动作所需的功耗。
本实施方式的动作点控制电路装置在其他电源元件中的应用
上述所说明的本实施方式的太阳能发电装置或发电动作点控制电路装置中的至少一方的一系列结构除了太阳能电池之外，如图8所示，也可以在将化学电池单元、蓄电池单元、燃料电池单元(也可以是固体氧化物型燃料电池单元)、热电元件、发电机(可以是利用风力、水力、潮汐力、发动机等的任意发电机)等任意的电源单元串联连接时应用。即使串联连接的电源单元各自的最佳动作电压不同，在由该动作电压的偏差引起的输出下降没有那么大的情况下，根据本实施方式的教导，通过利用动作点控制电路装置，也能够不使输出大幅降低地削减用于动作电压的调节的时间和劳力。另外，上述本实施方式的发电动作点控制电路装置的结构无论是在串联连接的电源单元的种类相同的情况下还是不同的情况下，均可以应用。例如，在具有如图1A、图3A、图3B、图4、图5、图6A、图7A、图7B所例示的电路结构的动作点控制电路装置中，可以代替太阳能电池单元，而串联连接化学电池单元、蓄电池单元、燃料电池单元、热电元件、发电机等任意的电源单元，如图8所例示的那样，可以在串联连接有互不相同的电源单元的状态下使用。
而且，在本实施方式的动作点控制电路装置中，在开关器件的占空比为d时，从(除了追加的电源单元以外的)电源单元列的阴极侧开始计数的第偶数个电源单元的动作电压Vne和第奇数个电源单元的动作电压Vno使用α＝d/(1-d)，而成为Vno＝αVne……(7)的关系。因此，根据本实施方式，利用一个动作点控制电路装置，通过调节电压源Vs的供给电压和开关器件M1的占空比d，能够将对所期望的动作电压互不相同的两个电源单元组的电源单元交替串联连接所得的模块中的两个组的电源单元的动作电压分别调节为所期望的电压。
虽然以上的说明是与本发明的实施方式相关的，但是对于本领域技术人员而言，能够容易地进行大量的修正和变更，并且应当可以明确本发明不仅限定于上述所例示的实施方式，而是可以在不脱离本发明的构思的条件下应用于各种装置。

Claims (16)

1.一种用于串联连接的多个电源单元的动作点控制电路装置，其特征在于，包括：
一对输出端子；
多个电极用连接端子，与在所述一对输出端子之间串联连接的2k+1个具有阳极和阴极的电源单元各自的所述阳极和所述阴极分别连接，k为正整数；
电容器，在所述一对输出端子之间，相对于所述多个电源单元中的每一个，经由对应的所述电极用连接端子并联连接；
整流部，在所述一对输出端子之间，相对于所述多个电源单元中的每一个，经由对应的所述电极用连接端子并联连接，所述整流部具有：阳极，与上述连接的一对所述电极用连接端子中的所述电源单元的阴极侧的所述电极用连接端子连接；及阴极，与上述连接的一对所述电极用连接端子中的所述电源单元的阳极侧的所述电极用连接端子连接，在所述整流部内仅允许从该整流部的所述阳极向所述阴极的方向的电流的流通；
反转电压产生部，分别连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第奇数个电源单元的阴极侧连接的所述电极用连接端子与对应于所述第奇数个电源单元的整流部的阳极之间，所述反转电压产生部能够在其两端之间沿双方向流通电流，并且在所述两端之间产生周期性地反转的电压；
电压控制电路部，具有相对于所述反转电压产生部中的第一反转电压产生部并联连接的电路线，所述第一反转电压产生部连接到所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极与对应于该电源单元的整流部的阳极之间，所述电压控制电路部使电压在所述第一反转电压产生部的两端之间产生；及
电压保持电容器，相对于所述电路线与所述整流部中的对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的整流部的阴极之间、所述整流部中的对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第2j个电源单元的整流部的阳极与对应于第2j+1个电源单元的整流部的阴极之间中的各个、所述整流部中的对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第2j-1个电源单元的整流部的阳极与对应于第2j个电源单元的整流部的阴极之间的各个并联连接，j为1到k的整数，其中，
所述电压控制电路部使具有任意设定的大小且方向周期性地反转的电压在所述第一反转电压产生部的两端之间产生。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述反转电压产生部为电感器，
所述电压控制电路部包括：
电压源，具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子，所述电压源在其阳极与阴极之间产生所述任意设定的大小的电压；
电容器，与所述电压源并联连接；及
开关部，分别经由所述电路线和所述第一反转电压产生部而相对于所述电压源并联连接，所述开关部使其两端子之间选择性地相互导通，
所述开关部被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间反复切换。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
在所述一对输出端子之间连接有所述多个电源单元和所述电压源。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
在所述一对输出端子之间连接有所述多个电源单元，所述电压源连接到所述一对输出端子之间以外。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述反转电压产生部为电感器，
所述电压控制电路部包括：
电压源，具有：与所述电路线连接的阴极；及相对于与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元对应的所述整流部的阳极经由电感器连接的阳极，所述电压源在其阳极与阴极之间产生所述任意设定的大小的电压；
追加的电极用连接端子，与串联于所述多个电源单元的阴极侧的追加的电源单元的阳极和阴极分别连接，所述追加的电源单元具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子；
电容器，相对于所述追加的电源单元经由所述追加的电极用连接端子并联连接；及
开关部，在所述电路线与对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的所述整流部的阳极之间，相对于所述电压源并联连接，所述开关部使其两端子之间选择性地相互导通，
所述开关部被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间反复切换。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
在所述一对输出端子之间连接有所述多个电源单元和所述追加的电源单元。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述反转电压产生部为电感器，
所述电压控制电路部包括：
追加的电极用连接端子，与串联于所述多个电源单元的阴极侧的追加的电源单元的阳极和阴极分别连接，所述追加的电源单元具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子；
电容器，相对于所述追加的电源单元并联连接；及
开关部，分别经由所述电路线和所述第一反转电压产生部而相对于所述追加的电源单元并联连接，所述开关部使其两端子之间选择性地相互导通，
在所述一对输出端子之间连接有所述多个电源单元和所述追加的电源单元，所述一对输出端子之间与控制其输出电压的装置连接，所述开关部被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间反复切换。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的装置，其特征在于，
所述开关部被控制为，将其两端子之间的状态周期性地在导通状态和截止状态之间以等间隔反复切换。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述电压控制电路部包括变压器，所述变压器具有一次线圈和二次线圈，所述第一反转电压产生部为所述变压器的所述二次线圈，所述变压器是使具有任意设定的大小且方向周期性地反转的电压产生于所述二次线圈的两端的变压器。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述电压控制电路部还包括：
追加的电极用连接端子，与串联于所述多个电源单元的阴极侧的追加的电源单元的阳极和阴极分别连接，所述追加的电源单元具有：与所述电路线连接的阴极；及阳极，该阳极连接到与所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的阴极连接的所述电极用连接端子；
电容器，相对于所述追加的电源单元经由所述追加的电极用连接端子并联连接；及
追加的整流部，在所述电路线与对应于所述多个电源单元中的从阴极侧开始计数的第一个电源单元的所述整流部的阳极之间，与所述整流部串联连接。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，
所述第一反转电压产生部以外的所述反转电压产生部为所述变压器的所述二次线圈，并且与所述第一反转电压产生部同步地，产生电压周期性地反转。
12.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，
所述第一反转电压产生部以外的所述反转电压产生部为电感器，并且与所述第一反转电压产生部同步地，产生电压周期性地反转。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，
所述电源单元为太阳能电池单元、化学电池单元、燃料电池单元、蓄电池单元、发电机、热电元件或它们的组合中的至少一种。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其特征在于，
所述电压控制电路部使方向周期性地以等间隔反转的相等大小的电压产生于所述第一反转电压产生部的两端之间。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，
所述电源单元为太阳能电池单元，所述第一反转电压产生部的两端间的产生电压设定为所述多个电源单元中的受光量最大的电源单元的最大功率点处的发电电压。
16.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，
所述电源单元为太阳能电池单元，所述多个电源单元中的受光量最大的电源单元的发电电压设定为其最大功率点处的发电电压。
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