JP2005071244A - 電源シャント装置及び電源システムの電圧制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池によって発生した電力を負荷に供給する電源システムの電力制御容量のフレキシビリティー性及び寸法質量を低減した電源シャント装置を提供する。
【解決手段】連続的なスイッチング動作を定常的に行う狭い電圧幅のヒステリシスを有するスイッチング回路１１０と、単発的にＯＮ／ＯＦＦ動作を行う広い電圧幅のヒステリシスを有するオン／オフ回路１２０を組み合わせて構成される。誤差電圧検出回路１５０でバスライン５００の誤差電圧を検出して、スイッチング回路及びオン／オフ回路に制御信号を送出する。定常のシャント電流制御はスイッチング回路で実施し、スイッチング回路で制御できるシャント電流容量を超える負荷変動が起きた場合にオン／オフ回路が動作する。オン／オフ回路が動作すると大電流のシャント電流制御が行われ、再びスイッチング回路で制御できる制御範囲内に戻りスイッチング回路にてシャント電流制御が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、人工衛星に搭載して好適な、太陽電池によって発生した電力を負荷に供給する電源システムの電圧制御を行う電源シャント装置に関する。

従来、スイッチングレギュレータを用いたシャント回路を有する人工衛星搭載用バス電源装置がある（例えば、特許文献１参照）。太陽電池によって発生した電力を負荷に供給する電源システムの電圧を、スイッチングレギュレータを用いたシャント回路によって制御するものである。
特開平１１−１５０８８７号公報

しかしながら、従来のスイッチング制御方式のみのシャント回路では、制御しようとする電源システムの電力容量によって、スイッチング回路の段数（数量）およびシャント素子１個あたりの電流を変更し調整する必要があった。スイッチング部の設計変更は制御電圧のノイズや制御ループに大きく影響するため大きな設計変更になっていた。

また、シャント素子段数をなるべく少なくするためにシャント素子１個あたりの制御電流を大きくする傾向があるが、スイッチング電流が大きくなるとそれに比例してスイッチングノイズが大きくなり結果的にバスラインノイズの増加となっていた。

そこで本発明は、太陽電池によって発生した電力を負荷に供給する電源システムの電力制御容量のフレキシビリティー性及び寸法質量を低減した電源シャント装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明による電源シャント装置は、シャント電流制御方式として連続的なスイッチング動作を定常的に行う狭い電圧幅のヒステリシスを有する回路（以後「スイッチング回路」と呼ぶ）と、単発的にＯＮ／ＯＦＦ動作を行う広い電圧幅のヒステリシスを有する回路（以後「オン／オフ回路」と呼ぶ）を組み合わせて構成されることを特徴とする。定常のシャント電流制御はスイッチング回路で実施し、スイッチング回路で制御できるシャント電流容量を超える負荷変動が起きた場合にオン／オフ回路が動作する。オン／オフ回路が動作すると大電流のシャント電流制御が行われ、再びスイッチング回路で制御できる制御範囲内に戻りスイッチング回路にてシャント電流制御が行われる。

従来技術のスイッチング回路とオン／オフ回路とを組み合わせて併用することにより、制御すべき電力の増減に対して、スイッチング回路は変更せずオン／オフ回路数のみを変更することで対応できる。このことによりシャント装置の「設計が容易になる」、「質量が小さくなる」、「外形寸法が小さくなる」などの特徴がある。

本発明は、電源システムの電圧制御をスイッチング回路とオン／オフ回路に分けて行うため以下の３つの効果を得られる。

第１の効果は、従来のスイッチング回路のみの制御よりも低ノイズのバスライン電圧制御が可能になることである。狭いバスライン電圧幅の制御を行うスイッチング回路において、シャント素子１個あたりの制御電流を小さく配分することにより定常的に発生するスイッチング時のノイズを低減することができ、結果的にバスラインのノイズを低減することが可能となる。

第２の効果は、さまざまな電源システムの電力規模に対して容易に制御電力容量を変更することが可能になり、フレキシビリティーが向上することである。狭いバスライン電圧幅の制御をおこなうスイッチング回路は制御電力容量がいかなる場合においても最低限の回路で構成し、制御電力容量の変動についてはオン／オフ回路の段数を増減させること、またはオン／オフ回路のシャント素子１個あたりの制御電流を増減することで容易に処理電力を変更することが可能である。

第３の効果は、発熱を抑えることができ、その結果として小型軽量化することが可能となることである。定常的な制御を行うスイッチング回路については制御電流を小さくすることでスイッチングロスによる発熱を抑え、スイッチングロスの少ないオン／オフ回路にて大電流を制御することができる。

次に、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の電源シャント装置の構成図である。太陽電池パネルを構成する複数個の太陽電池モジュール２１０，２２０と、これらの太陽電池モジュールと負荷３００の間に挿入されたブロッキングダイオード１１３，１３３，…と、負荷３００に並列に接続されたコンデンサバンク４００とで電源システムを構成する。

この電源システムの電圧制御を行うシャント装置１００は、狭い電圧幅のヒステリシスを有してスイッチング動作を行うｎ段のスイッチング回路１１０，…と、広い電圧幅のヒステリシスを有してオン／オフ動作を行うｍ段のオン／オフ回路１２０，…と、バスライン５００の誤差電圧を検出して各スイッチング回路及びオン／オフ回路に制御信号を送出する誤差電圧検出回路１５０とで構成される。

各スイッチング回路１１０，…は、各太陽電池モジュール２１０，…にそれぞれ並列に接続されたシャント素子１１１，…と、各シャント素子を駆動するためのドライブ回路１１２，…とで構成される。同様に各オン／オフ回路１２０，…は、各太陽電池モジュール２２０，…にそれぞれ並列に接続されたシャント素子１２１，…と、各シャント素子を駆動するためのドライブ回路１２２，…とで構成される。各シャント素子には、電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いる。また、各ドライブ回路は、誤差電圧検出回路１５０からの制御信号によって各シャント素子の動作を制御する。

太陽電池モジュールの構成（数量）は、電源システムの規模で決定され、電力規模が大きくなるほど増加していく。スイッチング回路の数は、電源システムの規模によらず一定の段数で構成し、オン／オフ回路の数は、電源システムの規模により、制御しようとする太陽電池モジュールの数量に従って段数を増減させ、電源システム規模に応じた最適な構成とする。

次にシャント装置の動作について説明する。図１において、太陽電池パネルで発生した電力はブロッキングダイオードを介して負荷へ供給される。発生した電力に対して負荷が少ない場合、余剰電力が発生しバスラインの電圧が上昇する。このバス電圧の上昇を誤差電圧検出回路にて常時モニタし、基準電位との誤差電圧信号をドライブ回路に送出する。ドライブ回路は、この誤差電圧信号に応じてシャント素子を所定の電圧幅のヒステリシスでスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）駆動し、余剰電力を消費してバスライン電圧を一定に制御する。

スイッチング回路は狭い電圧幅のヒステリシスで制御され、シャント素子は定常的なスイッチングを行うことによってバスライン電圧を狭いヒステリシス幅に対応した電圧範囲内に制御する。

オン／オフ回路は、広い電圧幅のヒステリシスで制御され、シャント素子は単発的なＯＮ／ＯＦＦ動作を行うことによってバスライン電圧を広いヒステリシス幅に対応した電圧範囲内に制御する。

図２は、バスライン電圧に対するスイッチング回路とオン／オフ回路の動作領域を示す。バスライン電圧の制御電圧上限から下限（上限〜下限間：例えば１．０Ｖ程度）の中間付近（Ｖａ〜Ｖｂ間：例えば０．５Ｖ程度）にスイッチング回路の動作領域があり、その上下にオン／オフ回路の動作領域がある。通常はスイッチング回路の動作領域内でバスライン電圧制御を実施するが、スイッチング回路で制御できる電力容量をこえる負荷変動がおきた場合は、バスライン電圧が上昇（または下降）し、オン／オフ回路の動作領域に入る。オン／オフ回路の動作によって大きな余剰電力が制御されるため、バスライン電圧は再びスイッチング回路の動作領域（Ｖａ〜Ｖｂ間）に戻りスイッチング回路での制御が再開される。

図３は、バスライン電圧に対するスイッチング回路とオン／オフ回路の動作順序を示す。バスライン電圧が制御電圧範囲下限値Ｖａに満たない場合は、誤差電圧信号は送出されないためシャント素子はすべてＯＦＦである。負荷変動によってバスライン電圧が上昇して制御電圧範囲下限値Ｖａを超えると、基準電圧に対する誤差電圧信号が各ドライブ回路に送出される。バスライン電圧がＶａを超えて１段目スイッチング回路のＯＮ電圧に達するとシャント素子はＯＮとなる。１段目のシャント素子がＯＮすることによってバスライン電圧が下降に転じるが、バスライン電圧が１段目のＯＦＦ電圧まで下降するとシャント素子はＯＦＦとなり再びバスライン電圧は上昇する。これを繰り返し、狭いヒステリシス幅でスイッチングを行いバスライン電圧を一定に制御する。

１段目のシャント素子がＯＮになってもさらにバスライン電圧が上昇する場合は、２段目のスイッチング回路のＯＮ電圧に達して２段目のシャント素子もＯＮとなる。このように、バスライン電圧が下降に転じるまで次の段の回路が動作し電圧が安定する段の回路でスイッチング動作を行う。（以後この順次動作を「シーケンシャル動作」と呼ぶ。）
シーケンシャル動作によってスイッチング回路の最終段（ｎ段目）がＯＮしても尚バスライン電圧が上昇しＶｂを超えた場合は、オン／オフ回路の制御領域となりオン／オフ回路の１段目が動作する。オン／オフ回路１段目のシャント素子がＯＮすることによってバスライン電圧が下降に転じ、再びスイッチング回路の制御領域に戻りいずれかの段でスイッチング動作に入る。オン／オフ回路は広いヒステリシス幅をもっているため１度ＯＮになるとバスライン電圧がＶａよりも小さくならないとＯＦＦしない。従って必ずスイッチング回路の制御領域にバスライン電圧は戻ってくる。またオン／オフ回路もスイッチング回路と同様にシーケンシャル動作を行い、バスライン制御が上昇から下降（または下降から上昇）に転じるまで順次動作する。

図４は、本発明のシャント装置にコンデンサバンクを内蔵したものである。コンデンサバンクをシャント装置に内蔵することで、シャント装置の出力端から直接負荷へ電力供給することが可能となる。シャント動作に伴うスイッチング電流が流れる経路を小さくすることができるので、ノイズの少ないより高品質な電力供給が可能となる。

図５は、コンデンサバンクを内蔵したシャント装置を太陽電池パネル上に搭載する例である。太陽電池パネルとコンデンサバンク内蔵のシャント装置を組み合わせることで電力システムを一体化出来、太陽電池出力端から直接ユーザーに安定化された電源を供給することができる。本実施例によりシャント動作に伴うスイッチング電流が流れる経路を小さくすることができるので、ノイズの少ないより高品質な電力供給が可能となる。またシステムを一体化設計とすることで質量の低減が可能となる。

本発明の電源シャント装置の構成図である。 スイッチング回路とオン／オフ回路の動作領域を示す図である。 スイッチング回路とオン／オフ回路の動作順序を示す図である。 コンデンサバンク内蔵シャント装置の構成図である。 コンデンサバンク内蔵シャント装置を実装した太陽電池パネルの構成図である。

符号の説明

１００ シャント装置
１１０ スイッチング回路
１２０ オン／オフ回路
１１１，１２１ シャント素子
１１２，１２２ ドライブ回路
１１３，１２３，１３３，１４３ ブロッキングダイオード
１５０ 誤差電圧検出回路
２１０，２２０ 太陽電池モジュール
３００ 負荷
４００ コンデンサバンク
５００ バスライン

Claims (6)

1. 複数個の太陽電池モジュールによって発生した電力を負荷に供給する電源システムの電圧制御を行う電源シャント装置において、
   前記電源シャント装置が、狭い電圧幅のヒステリシスを有してスイッチング動作を行うスイッチング回路と、広い電圧幅のヒステリシスを有してオン／オフ動作を行うオン／オフ回路と、バスラインの誤差電圧を検出して前記スイッチング回路及びオン／オフ回路に制御信号を送出する誤差電圧検出回路とを備え、
   前記スイッチング回路及びオン／オフ回路は、前記太陽電池モジュールに並列に接続されたシャント素子と、前記誤差電圧検出回路からの制御信号を受けて、前記シャント素子を駆動するドライブ回路と有し、
   定常のシャント電流制御は前記スイッチング回路で行い、このスイッチング回路で制御できるシャント電流容量を超える負荷変動が起きた場合に前記オン／オフ回路を動作して、前記バスライン電圧を一定範囲に制御することを特徴とする電源シャント装置。
2. 前記スイッチング回路及びオン／オフ回路は、それぞれ複数段の回路から成り、各回路のシャント素子が前記太陽電池モジュールのそれぞれに並列に接続されたことを特徴とする請求項１記載の電源シャント装置。
3. 前記シャント素子に、電解効果トランジスタを用いたことを特徴とする請求項１記載の電源シャント装置。
4. さらに、コンデンサバンクを内蔵したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電源シャント装置。
5. 太陽電池パネル上に搭載したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電源シャント装置。
6. 複数個の太陽電池モジュールによって発生した電力を負荷に供給する電源システムの電圧制御方法において、
   バスラインの誤差電圧を検出して電圧制御を行う際、定常のシャント電流制御は、狭い電圧幅のヒステリシスを有してスイッチング動作を行うスイッチング回路で行い、このスイッチング回路で制御できるシャント電流容量を超える負荷変動が起きた場合に、広い電圧幅のヒステリシスを有してオン／オフ動作を行うオン／オフ回路を動作して、前記バスライン電圧を一定範囲に制御することを特徴とする電源システムの電圧制御方法。

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