CN1457128A - 电源装置及其设计方法、发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种电源装置，在具有升压比极高的变压器以及向变压器初级一侧提供交流电力的多个开关元件的电源装置中，把该交流电力的频率设定为变压器的自振频率的0.25～2倍。开关频率的高频化对电源装置的小型化是有效的。但如果使开关频率高频化，则开关元件的开关损失就会增大。本发明能提高电源装置的转换效率。

Description

电源装置及其设计方法、发电装置
技术领域
本发明涉及电源装置及其设计方法、发电装置，特别是涉及变换由太阳电池提供的直流电力的电源装置。
背景技术
太阳能发电系统的实用化迅速发展，很多太阳能发电系统已经在市场上应用。它们是具有使用太阳电池和开关元件的高效电力变换装置的电源装置。
图1是表示太阳电池电源的电路结构的图。太阳电池阵列91的输出通过升压转换器92来升高电压，通过变换器93转换为交流电力，提供给商用电力系统(以下称作“系统”)9。
为了使所述的变换器或转换器小型化，开关频率的高频化是有效的。即使在太阳电池电源中，为了使变压器、电感器、平滑电容器等小型化，尝试了开关频率的高频化。但是，如果使开关频率高频化，则开关元件的开关损失增大。
为了解决开关损失增加这一问题，可以考虑采用共振型的开关方式，但在负载容易变动的太阳电池电源的情况下，很难把开关定时控制在电流或电压的零点上。因此，现在市场上销售的商品中没有采用了共振型开关方式的太阳电池电源。
发明内容
鉴于以上所述问题的存在，本发明目的在于：提高电源装置的转换效率。
为实现所述目的，本发明的优选实施例公开了一种电源装置，它具有：升压比极高的变压器；和向变压器的初级一侧提供变压器的自振频率的0.25～2倍的交流电力的多个开关元件。
另外，本发明的其他目的在于：使转换效率高的电源装置容易设计。
为实现所述目的，本发明的优选实施例公开了一种设计方法，是具有升压比极高的变压器和向变压器的初级一侧提供交流电力的多个开关元件的电源装置的设计方法，其中，把交流电力的频率设计为变压器的自振频率的0.25～2倍。
通过以下结合附图进行的说明，将明确本发明的其他特征和优点，在附图中，相同的参照字符代表相同或相似的部分。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是表示太阳电池电源的电路结构的图。
图2是表示实施例的太阳电池电源的电路结构的图。
图3是表示栅驱动电路的结构的框图。
图4是表示测定变压器的自振频率时的接线的图。
图5是表示对开关频率的变换效率的测定结果的图。
图6是表示实施例2的太阳电池电源的电路结构的图。
图7是表示对实施例2的开关频率的变换效率的测定结果的图。
图8是表示实施例3的太阳电池电源的电路结构的图。
图9是表示对实施例3的开关频率的变换效率的测定结果的图。
图10是表示实施例1的变压器规格的表。
图11是表示实施例2的变压器规格的表。
图12是表示实施例3的变压器规格的表。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施例的太阳能发电装置。
[概要]
本发明人在非共振型的开关电源方式中，追求了小型化、高效率化的可能性。其结果可知，降低变换器的输入电压，提高变压器的自振频率，通过用后面描述的开关频率驱动连接着变压器的开关元件，能实现电源装置的小型化和高效率化。以往，关于依存于变换器构造的电特性和开关频率的关系，没有确定的见解，一半是靠经验来决定开关频率。但是，通过发明家们的锐意研究，明确了用来获得高变换效率的简单设计方法。
图2是表示实施例的太阳电池电源的电路结构的图。
[太阳电池]
在太阳电池1中，使用了层叠无定形层和微结晶层的薄膜太阳电池。太阳电池1的性能在强日照(频谱AM1.5，100mW/cm2，电池温度55℃)下，电输出为1.0V、10.0A。这样的积层太阳电池的构造和制造方法、集电端子的安装方法等与本发明的本质没有关系，所以省略详细的说明，但在特开平11-243219号公报中和特开平8-139439号公报等中公开了。另外，对太阳电池的种类没有限制，也可以为结晶硅太阳电池。即可以按照应该提供给负载的电力来选择能获得所需要的输出的太阳电池。须指出的是，最近进步显著的燃料电池也有与太阳电池类似的输出电压(0.5V～1.5V左右)和电流(依存于面积)，可以作为实施例的构成要素来采用。
[电力变换电路]
作为电力变换电路的初级一侧的方式，在实施例中，采用非共振型的推挽开关方式。因为太阳电池1的电压低至1.0V，所以对开关元件3a和3b使用MOS FET(International Rectifier公司制造、型号为IRF P3703的产品)。为了在低电压区域保持低损失，低电阻的开关元件是必要的，事实上，只有作为单极元件的MOS FET有选择余地。如果太阳电池1的电压更高，还可以使用象IGBT那样的双极元件。MOS FET和IGBT的栅极输入阻抗极高，还便于简化驱动电路。
为了把电力变换电路的输入电源看作电压源，对输入电容器2使用三洋电机制造的6.3V、1000μF电容(商品名OS根(コン))。OS根的等价串联电阻(ESR)很低，高频特性也很优异，所以适合用于实施例。另外，也可以使用积层陶瓷电容器和钽电解电容器等ESR小的电容器。利用输入电容器2，把电力变换电路的输入电源看作电压源，电力变换电路成为所谓的电压型(Voltage Source)转换器。
图3是表示栅驱动电路11的结构的框图。信号源41是为了简化，使具有50％固定的导通比(脉冲有1或0两种电平，导通比是指脉冲电平为1所占的比率)的矩形波振荡的电路(线性(linear)技术公司制造的LTC1799)。由信号源41输出的矩形波，通过作为缓存器而起作用的变换器(CMOS逻辑IC，型号74AC04)42a和42b，由通过6个变换器(CMOS逻辑IC，型号74AC04)并联构成的电流放大器放大，作为驱动开关元件3a和3b的、相位相反的2个栅信号输出。须指出的是，除了这样的结构，市场上销售的运算放大器等、很多众所周知的电路作为栅驱动电路11也可以使用。
[整流电路]
整流二极管5a～5d使用耐压200V、最大电流0.6A的表面安装型芯片型高速整流二极管(General Semiconductor公司制造，型号ES1D)，构成全桥式电路。通过使用全桥式电路，在变压器4的次级一侧就不需要中心抽头，具有使变压器4小型化的效果。须指出的是，在实施例中，因为变压器4的升压比高，所以次级一侧的电流比较小。在该条件下，与变压器4相比二极管5a～5d非常小，使变压器4小型化非常有助于电力变换装置整体的小型化。
电感器6使用市场上销售的表面安装电感器(线圈工艺公司制造，2.2μH)。对输出电容器7使用市场上销售的电解电容器(400V、220μF)。这些元件的选择没有特别的限制，可以按照输出电压、输出电流、开关频率来进行所谓设计上的考虑，选择适当的市售产品。
[变压器]
从本发明人的研究结果可知，变压器4最好是自振频率高的变压器。在构成这样的变压器时，为了减少寄生电容(stray capacity)，具体地说，希望减少线圈的匝数。但是，如果减少匝数，则磁芯的磁通密度就会增加，从而铁损增加，所以如果不增大磁芯，则作为变压器的效率就会下降，产生无法获得小型且高效的电力变换装置这一新问题。因此，本发明人着眼于：通过把变压器的初级一侧的电压抑制为低电压(具体地说，为2.0V以下)，使磁芯变得不那么大，从而能抑制匝数。
即通过使外加在变压器4的初级线圈上的电压为2.0V以下，把初级线圈的匝数抑制在1～5左右，能获得效率高的变压器。而且，如果抑制初级线圈的匝数，也就抑制了次级线圈的匝数，从而能抑制寄生于变压器4中的寄生电容。
而且，用低电压的输入联系系统的太阳能电源中，初级和次级线圈的匝数比(变压比)增大，有必要使次级线圈的匝数为初级线圈的匝数的100倍以上。因此，线圈自身的电感也存在提高的倾向，但是通过抑制初级线圈的匝数，使次级线圈的匝数减少，就能抑制线圈自身的电感。
变压器4的自振频率(自共振频率)最好是10kHz到400kHz，但是更好是20kHz到200kHz。如果使用具有这样的自振频率的变压器4，用后面描述的开关频率驱动开关元件，就能实现作为非共振型电源装置而希望的20kHz到200kHz的开关。如果用该频率驱动开关元件，就没有噪声，开关元件的开关损失也小，正是所希望的。
变压器4的规格如图10所示。
[变压器4的自振频率的测定]
在变压器4的自振频率的测定中，使用市场上销售的频率响应分析仪((株式会社)NF电路块制造、型号FRA5095)。图4是表示测定变压器的自振频率时的接线的图。
在变压器4的次级一侧开放的状态下，在初级一侧连接测定器31，一边改变提供给变压器4的信号频率，一边测定变压器4的阻抗，把阻抗变为极大的频率作为自振频率。如果用该方法进行测定，则出现了多个共振点，但是在实施例中，重要的是最低频率的共振点，该共振点最好地表现了变压器4中固有的特性。用所述的规格生成的变压器4的自振频率是88kHz。须指出的是，也可以使用市场上销售的阻抗计等其他的方法。
[负载]
对负载8使用可用稳压运转的电子负载装置。它是电池的代替品，在实际使用中，相当于电池和电阻负载等。须指出的是，如果把实施例的电力变换装置代替图1所示的升压转换器92来使用，则连接系统9的变换器93是负载。
[电源装置的动作确认]
一边改变开关频率，一边在强日照(1.0kW/m2，电池温度55℃)下，使实施例的太阳电池电源工作，如图5所示，在比自振频率(88kHz)稍低的开关频率，变换效率达到了最高。当开关频率低于22kHz时或超过196kHz时，变换效率急速降低。从该结果可知，在本发明人发现的频率区域即自振频率的0.25到2倍的频率区域中，变换效率的变化小，维持了高的变换效率。特别是在自振频率的0.5到1倍的频率区域中，获得了非常高的变换效率。
变换效率好的频率区域的存在学术上被推测为：下限区域与磁芯的非线性(饱和)关联，上限区域与外加在变压器上的矩形波包含的很多高次谐波成分引起的无效电流的增加、铁损的增加、电线的交流电阻的上升、开关元件的损失上升等有关。但是，以往还不清楚能简单地特定变换效率变为良好的频率区域的参数是什么。本发明人经过深入研究后发现：通过把变压器的自振频率作为参数，就能极简单地特定变换效率高的频率区域。
当变压器初级一侧的电压低，电流大(在实施例中，为1V、10A)时，并且升压比超过1∶100的条件下，通过初级线圈的并联和次级线圈的高匝数化，变压器中使用的电线的量增多，寄生在变压器中的寄生电容增加，成为使自振频率下降的一个原因。另外，为了提高变换效率，在磁芯中使用高导磁率的磁性材料，减少泄漏的磁通量，提高初级次级间的耦合，但是这使初级一侧的电感增加，进一步向降低自振频率的方向作用。该事实是通过本发明人的研究而清楚的，可认为是：升压比高的变压器与升压比低的变压器相比，存在能获得高变换效率的频率区域显著变窄的倾向。因此，从变压器的自振频率能简单决定开关频率这一点极为有效。
实施例2
下面，说明本发明的实施例2。须指出的是，在本实施例中，对与实施例1同样的结构，采用相同的符号，并省略对它进行详细说明。
在实施例2中表示：即使改变变压器4的结构和次级一侧的电路结构，也能获得与实施例1同样的效果。
图6是表示实施例2的太阳电池电源的电路结构的图。
[变压器]
图11表示实施例2的变压器4的规格。
用与实施例1同样的方法进行了测定，实施例2的变压器4的自振频率是比实施例1的变压器4低很多的37kHz。它被推测为：因为磁芯比实施例1的变压器4大型化，初级线圈的电感增加了的缘故。
[负载]
在实施例2中，使用了交流负载。具体地说，利用了电阻体即面状加热器(电阻值1kΩ～10kΩ)。
[动作确认]
与实施例1同样的条件下，使开关频率变化，测定了电力变换效率，如图7所示，在比自振频率(38kHz)稍低的开关频率，变换效率达到了最高。而且，与实施例1同样，在本发明人发现的频率区域中，获得了良好的变换效率。从该结果可知，即使负载的种类和变压器的结构变化，如果保证开关频率在本发明人发现的频率区域中，就能维持高变换效率。
实施例3
下面，说明实施例3。须指出的是，在本实施例中，对与实施例1同样的结构，采用相同的符号并省略详细说明。
在实施例3中，说明把本发明应用于现在的太阳能发电系统的主流即系统联系型的发电系统中的例子。
图8是表示实施例3的太阳电池电源的电路结构的图。
实施例3中，并联20台作为升压转换器而起作用的太阳电池电源701，把它的直流输出电力提供给系统联系型的变换器13，向系统9提供交流电力。即系统9是负载。须指出的是，太阳电池电源701除了变压器4以外，分别是与实施例1同样的结构，其输出为9～10W。使太阳电池电源701并联工作是为了驱动至少需要100W左右输入的、输出为数kW的市场上销售的变换器13而采取的措施。当然，如果有与太阳电池电源701的输出(10W左右)平衡的变换器，就没必要并联太阳电池电源701。
[变压器]
图12表示实施例3的变压器4的规格。
实施例3的变压器4的自振频率与磁芯比实施例2的变压器4大无关，是比实施例2的变压器4还高的46kHz。这被推测为：由于通过使用利兹线和对绕线方法下功夫(实施例3中，采用了分割绕线)，使寄生在变压器4中的寄生电容变小。
通过对绕线方法下功夫以及把空隙(Gap和Cavity)插入磁芯，能使自振频率变化。因此，通过固定开关频率，控制自振频率，也能获得变换效率良好的太阳电池电源。但是，因为受绕线构造等很多原因的影响，所以并不象变更开关频率那样简单。
[太阳电池原理]
为了以低损失向变压器4提供从低电压(1.0V)输出的太阳电池1输出的10A电流，接近设置太阳电池1具有的集电端子和变压器4。具体地说，如果电连接集电端子和变压器4的初级线圈的距离是10cm以下，则连接容易，能把损失抑制在很小。本质上，削减用于连接的布线的电阻值是重要的，用足够粗短的布线连接。并且，当然代替太阳电池1而连接燃料电池比较容易，可以作为燃料电池电源来应用。
[变换器]
对变换器13可以使用许多众所周知的变换器，但是在实施例3中，使用了具有全桥方式的主电路和最大电力控制电路的、市场上销售的系统联系型的变换器(佳能造SI-04，额定输出4.5kW)。因为与发明本质的关联较少，所以在此省略了变换器13的详细说明。另外，系统9是一般的60Hz、200V单相三线式的系统。频率和电压的变更比较容易，可以根据需要选择50Hz、100V等。
[动作确认]
进行与其它实施例同样的动作确认，图9表示测定对开关频率的变换效率的结果。在比自振频率(46kHz)稍低的开关频率，变换效率达到最高。而且，与其它实施例同样，确认了在本发明人发现的频率区域中获得了良好的变换频率。从该结果可知，即使把系统联系型的变换器13作为负载，如果把开关频率保证在本发明人发现的频率区域中，就能维持较高的变换效率。
根据以上说明的各实施例，就能迅速地制造变换效率高的电源装置，提高了变换效率，就能使太阳电池电源的输出增加，使发电成本下降。而且，如果用固定的导通比来控制开关元件，就成为极简单的电力变换电路，所以能降低电源装置的成本。

Claims (13)

1.一种电源装置，其特征在于：包括：
升压比极高的变压器；和
向所述变压器的初级一侧提供所述变压器的自振频率的0.25～2倍的交流电力的多个开关元件。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
所述交流电力的频率是所述变压器的自振频率的0.5～1倍。
3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
用固定的导通比来驱动所述开关元件。
4.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：还包括：
为了把由输入到所述装置的直流电力生成的所述交流电力变换成给定电压的直流电力，而连接所述变压器的次级一侧的多个整流元件。
5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于：
所述输入电流电力由太阳电池或燃料电池直接提供。
6.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
所述变压器在其初级一侧具有中心抽头，所述变压器和所述多个开关元件构成推挽开关电路。
7.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
所述变压器的升压比为1∶100以上。
8.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
所述电源装置不是共振模式电源。
9.一种设计方法，是具有升压比极高的变压器和向变压器的初级一侧提供交流电力的多个开关元件的电源装置的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
把所述交流电力的频率设计为所述变压器的自振频率的0.25～2倍。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：
把所述交流电力的频率设定为所述变压器的自振频率的0.5～1倍。
11.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：
所述电源装置不是共振模式电源。
12.一种发电装置，其特征在于：包括：
权利要求1所述的电源装置；
向所述电源装置直接提供直流电力的太阳电池或燃料电池。
13.根据权利要求12所述的发电装置，其特征在于：还包括：
把从所述电源装置输出的直流电力变换为交流电力，向交流电力系统联系的电力变换装置。
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