JP2010524417A - 消費電力に影響を与えるためにパルス幅周期制御を有する、パルス幅が制御されたｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

ＤＣ電力が、パルス幅周期の調節可能な部分の間、電力制御装置によって制御される電流を担持するインダクタによって電池充電用の電力に変換される方法が記載される。パルス幅周期は、制御されたＤＣ‐ＤＣ変換のために消費される全体の電力の相当な量を消費する制御装置の消費電力に影響を与えるために調節可能にされる。効率を改良し、太陽電池を有する例えば道路の鋲のような様々な製品および器具の新規な使用法を提供するコンバータと電力制御装置との両方によって消費される電力をさらに減らすための追加的ないくつかの特徴が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ電源が、パルス幅周期の調節可能な部分の間、電源制御装置によって制御される電流を担持するインダクタによって電池充電用電力に変換される方法に関する。

本発明はまた、ＤＣ供給源に連結するＤＣ−ＤＣコンバータを含み、インダクタ、コンバータに連結する電源制御装置を備え、電池を充電するため、パルス幅周期の調節可能な部分の間にインダクタの電流を制御するためのパルス幅変調器を備えた電圧変換のための装置に関連する。

そのような方法および装置は例えば、１以上の太陽電池または燃料電池によって供給され、例えば１以上のＬＥＤのような光源の負荷に電力を供給するための充電式電池または蓄電池を備える携帯電話、ラップトップ、オーガナイザ、庭の照明、道路の鋲、および、他の装置のような再充電可能な器具において適用されてもよい。

周知の装置は、電源を電池および／または負荷に分配するのに適している、電池によって提供される電源をＤＣ電源に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータを含む。一般に、装置はまた、コンバータ効率ができるだけ高いようにコンバータのＤＣ電力出力を制御するため、コンバータに連結される電源制御装置を含む。

本発明の目的は、改良された減少した消費電力能力を示す方法および装置を提供することである。

その他に、本発明の方法は、パルス幅周期が調節可能であり、制御装置の消費電力に影響することにおいて特徴付けられる。

それゆえに、本発明による装置は、制御装置がパルス幅周期を調整する手段を含み、その調節手段は制御装置の消費電力に影響を与えるように制御可能であることにおいて特徴付けられる。

本発明の方法および装置の利点は、実際に、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率を最適化することが重要であるだけでなく、その代わりに、組み合わされたコンバータおよび制御装置の消費電力の最適化を考慮することである。発明者は、限定的ではないが特に低電力出力の周期の間、制御装置がＤＣ出力パワーを変換および制御するために用いられる全体の電力の相当な部分を消費することに気付いた。インダクタの電流の制御および切り替えはパルス幅変調器（ＰＷＭ）によって実行され、そのような変調器は、インダクタの電流のＰＷＭ制御が遂行される間の一定の周期の限度内で通常作動される。ＤＣ入力電力をＤＣ出力電気に変換するために用いられる電力制御装置コンバータの消費電力は、これらの通常の範囲のおよび固定したＰＷＭ周期に影響を与えることによって影響される可能性があることがわかった。

本発明の方法およびの実施態様は、パルス幅周期の延長が制御装置の消費電力を減らすということにおいて特徴付けられる。

好都合にも、本発明の方法の好ましい実施態様は、パルス幅周期が電力制御装置に含まれるマイクロプロセッサのクロック周波数から導き出されるということにおいて特徴付けられる。この方法でＰＷＭ周期は、単純に電力制御装置のクロック周波数を減らすことによって都合よく減少され、次に、クロック周波数の減少は、好都合な組み合わされたパフォーマンス効果を提供して、マイクロプロセッサ制御の電力制御装置の消費電力を減らす。

本発明の方法のさらに好ましい実施態様は、電力制御装置のバッテリ供給電圧の適切な減少によって、制御装置の消費電力がさらに減少されることにおいて特徴付けられる。

本発明の方法および装置のさらに好都合かつ好適な実際的な実施態様は、他の従属請求項において説明される。

ここで本発明の方法および装置は、類似した構成要素が同じ参照番号で指されている添付の図面が参照される一方で、それらの追加の利点と共にさらに説明される。図面の説明は以下の通りである：
図１は、本発明の特徴を含む電力変換装置の概略的なブロック図を示す； 図２は、本発明の方法による、パルス幅およびパルス幅周期制御の時間のグラフ図を示す； 図３は図１の装置の詳細な回路図を示す。

図１は、例えばＮｉ−Ｃｄ、Ｌｉ−イオン・ポリマーまたはＬｉポリマー電池のような１以上の電池ＢＡＴＴ１を搭載するための燃料電池、いわゆる超コンデンサまたは１以上の太陽電池のＤＣ供給源２を含むＤＣ電力変換装置１、特にブースト・コンバータとも呼ばれる電圧アップコンバータの概略ブロック図を示し、図２はその線図をさらに詳細に示す。装置１は、通常、参照番号３で示されるＤＣ−ＤＣコンバータをさらに含み、そのコンバータ３はＤＣ供給源２に連結される。コンバータ３はインダクタＬ２を備え、そのインダクタ電流ＩＬ２は、装置１の電力制御装置５によって周期的に制御され、制御装置５は制御端子ＴＰ２を通じてコンバータ３に連結する。端子ＴＰ２は、多目的マイクロプロセッサＩＣ１によって制御されている制御可能な半導体Ｔ３およびＴ４を含むいわゆるトーテムポール・ドライバにより制御装置５に連結する。制御装置５は、連続的なパルス幅周期Ｐの図３の上に示された調節可能なブロックサイズの部分のＴＰ２の間、インダクタ電流ＩＬ２を制御するための周知のパルス幅変調器（図示せず）を含む。この場合、パルスの下方の端は、制御装置５に搭載される電力点追尾アルゴリズムによって周期Ｐの範囲内で変化する（矢印により示される）。そのようなアルゴリズムが備えられ、１または２のＬＥＤ Ｄ２およびＤ３として示される装置１により全体として負荷に出力される、最大コンバータ効率よりも最大電力を最適化するために微調整される。ＬＥＤは、調節可能な周波数で交互に実行されるかに関わらずオンまたはオフ、または点滅してもよい。ここで、ＬＥＤは、十分な量の太陽エネルギが電池と共に太陽電池２に提供され、実際のＤＣ供給源２を形成する場合、装置１によって同時に搭載されてもよいバッテリＢＡＴＴ１によって動かされる。

図３は、ＰＷＭ周期Ｐの制御の動作を理解するために必要なグラフを示す。図３の上部に示されたブロック部分ＴＰ２の間、インダクタ電流ＩＬ２は増加し、ＴＰ２の下方の端での電流の切断のために、インダクタ・コイルＬ２は誘導電圧を提供して、それにより、半導体Ｄ５およびＴ６は電池に搭載するため制御され均一化されたバッテリ電流を提供する。この過程は、次の周期Ｐの間それ自体を繰り返す。Ｐは通常固定した持続期間であり、このモードにおいて変化することによって、周期Ｐの範囲内の下方の端、前述のアルゴリズムによって最適に制御される負荷は太陽電池２に向けられる光の量を追跡する。制御装置５は、他のモードの間、図３の下部に概略的に示される延長されたパルス幅周期Ｐ´の継続期間を調整するため、マイクロプロセッサ制御装置において実施される手段を含み、そこで新規なＰ´の継続期間は、古いＰのそれのおよそ二倍である。ＰＷＭ周波数（１／Ｐ´）のこの降下は、制御装置５の消費電力の減少につながる。調整手段により周期Ｐ´が制御可能になり、その結果として、ＰＷＭ周期Ｐ´のより短い継続期間の間にそうしないと失われる電力を保存する装置１に適用される制御装置の消費電力に影響を与える。十分な太陽エネルギを有効に導き出す目的のために、陽光が望むほど、利用できない我々の国のようないくつかの国のように、装置１は現在、より広い規模で太陽エネルギにより駆動する器具の適用を可能にし、十分に低い太陽のレベルでさえ、モード制御エネルギは現在、電池２の充電、および／または、負荷Ｄ２、Ｄ３の駆動に利用できるようになっている。

もちろんより短いＰ´周期を有するアクティブな充電モードと、減少した消費電力との間の制御装置５の切り替えにおいて、より長いＰ´周期を有する制御装置モードが可能である。前者のモードの間、インダクタ電流の大きさＩＬ２は、パルス幅周期の部分ＴＰ２の通常の調整によって制御され、後者のモードの間、パルス幅周期Ｐ´は延長され、パルス幅部分ＴＰ２´は調整される。

太陽電池の器具である場合、重要な目標は、陽光状態下で最大電力を太陽電池から取り戻すことである。太陽電池についての知識に基づくと、例えば、太陽電池の開放端子（負荷なしの）電圧のおよそ８０％がアルゴリズムによって使われ、そこで、制御装置５はバッテリＢＡＴＴ１を少なくとも搭載するための電力点追尾で使用中である。開放端子電圧が前記の８０％以下に落ちると、太陽電池の電流は低くなり、制御装置５は、パルス幅周期が延長されるが負荷（ＬＥＤ）電流が制御される間に、コンバータ・モードから低消費電力（スリープ）モードに切り替えられる。好都合にも、この最大の電源制御装置の方針は電流測定手段を必要とせず、電流制御のための測定された電流を使用しないので、貴重な電力と同様に経費および量を節約する。実際に、太陽電池の電流は、しかしながら測定されることなく算出され、コンバータ・モードとスリープ・モード間を実際に切替える切換点でのヒステリシスで使用される。

短時間の間に、開放端子電圧は、制御方針における温度補正を遂行するため周期的に測定される。

一般に分割器で連結されるクロックまたはローカル、可能であれば内部の発生器により提供されるクロック周波数から対応するパルス幅周波数を導き出すため、方法を適用し、必要な技術的な処置をするのは効果的であり、そのような発生器または発振器は、電力制御装置５のマイクロプロセッサＩＣ１に通常含まれる。また、クロック周波数の減少によりそのような制御装置の消費電力が減少し、その減少はここで余剰の効果を有するので、クロック周波数の低減、および、ＰＷＭ周波数の低減のために余分な電力低減を提供する。

図１および２は、電力を節約するためのさらなる特徴を示す。また、状況下で制御装置５によって制御される半導体Ｔ６は、有意な温度依存性の漏れ電流を有し、そうしないと電池を空にしてしまうことが公知であるショットキーダイオードである可能性があるダイオードＤ５で電流のいかなる漏れも防ぐため、完全に供給源と電池とを絶縁する。

同様に、制御装置５によって制御される半導体Ｔ４は、事実上、負荷Ｄ２、Ｄ３からの電池を絶縁する、または、過渡電圧（約０.６ボルト）によってマイクロプロセッサ制御装置５の供給電圧ＶＤＤを下げる半導体転移として作用し、したがって、効果的に、制御装置５の消費電力を減らす。その場合において、Ｔ４は、少なくとも制御装置５のためのスイッチで切り替え可能な制御装置供給電圧減少手段として作用する。

また、負荷Ｄ２、Ｄ３により消費される電力は、一方で、電池と負荷との間の経路に連結する分圧器であり、他方で、抵抗器の十分な介在または排除のために電力制御装置５に連結される抵抗器Ｒ６およびＲ１１−Ｒ２７の制御可能な平行配置によって、影響され、最適化されてもよい。高オームの抵抗器Ｒ９およびＲ１０は、ＩＣ１の出力が不要に出力電流を出すのを防ぐ。

制御装置５は、所定の太陽光のシーケンスが、制御装置５の内部メモリにおいて記憶されるシーケンスに適合する場合に制御装置を使用可能にするため、ＤＣ供給源２、および、制御装置５のピン４に連結する一般に周知の復号化手段（図示せず）を含む。そのように使用可能にした後、制御装置５は、インダクタ電流ＩＬ２を制御する際にアクティブになるようにそのスリープ・モードから喚起される。

制御装置５のピン１８は、Ｔ５上の赤外線によって制御装置５をプログラムするため、ＩＲ高感度半導体Ｔ５に連結される。

Claims (16)

1. パルス幅周期の調節可能な部分の間、電力制御装置によって制御される電流を担持するインダクタによってＤＣ電力が電池充電用電力に変換される方法であって、該パルス幅周期が調節可能であり、該制御装置の該消費電力に影響を与えることにおいて特徴付けられる方法。
2. 前記パルス幅周期の延長が前記制御装置の前記消費電力を減らすことにおいて特徴付けられる、請求項１記載の方法。
3. アクティブな充電モードの間、前記インダクタ電流の大きさが前記パルス幅周期の調整の部分で制御され、減少した消費電力の制御装置モードの間、該パルス幅周期が延長されることにおいて特徴付けられる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記パルス幅周期が、前記電力制御装置に含まれる前記マイクロプロセッサのクロック周波数から導き出されることにおいて特徴付けられる、請求項１から３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記クロック周波数を減らすことによって、前記電力制御装置の前記消費電力がさらに減少することにおいて特徴付けられる、請求項４記載の方法。
6. 前記電力制御装置の前記クロック周波数が内部の発振器から導き出されることにおいて特徴付けられる、請求項４または５記載の方法。
7. 前記電力制御装置の前記バッテリ供給電圧の減少によって、前記制御装置の前記消費電力は一層減少することにおいて特徴付けられる、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
8. ＤＣ供給源に連結するＤＣ−ＤＣコンバータを含み、インダクタと、該コンバータに連結する電力制御装置とを備え、電池を充電するためにパルス幅周期の調節可能な部分の間、インダクタ電流を制御するためのパルス幅変調器を備えたパワー変換のための装置であって、該制御装置が該パルス幅周期を調整する手段を含み、その調節手段が該制御装置の消費電力に影響を与えるために制御可能であることにおいて特徴付けられる装置。
9. 前記装置が制御装置供給電圧減少手段を含むことにおいて特徴付けられる、請求項８記載の装置。
10. 前記制御装置供給電圧減少手段が、前記電池と前記制御装置の供給電圧端子と間の経路と直列に連結される半導体手段としてできる限り制御可能であるように形成されることにおいて特徴付けられる、請求項９記載の装置。
11. 前記装置が、一方で前記経路と負荷を通じた前記電池とに分圧器として連結され、他方で前記電力制御装置に連結される抵抗器の制御可能な平行配置を含むことにおいて特徴付けられる、請求項８から１０の１つに記載の装置。
12. 前記装置が、前記インダクタと前記電池との間の前記経路に直列に連結する漏電防止手段を含むことにおいて特徴付けられる、請求項８から１１の１つに記載の装置。
13. 前記漏電防止手段が、前記制御装置に連結される制御可能な半導体の前記制御可能な主流の経路であることにおいて特徴付けられる、請求項１２記載の装置。
14. 前記漏電防止手段が、例えばダイオードまたはショットキーダイオードのような一方向で実行される半導体を含むことにおいて特徴付けられる、請求項１２または１３記載の装置。
15. 前記電力制御装置が、前記ＤＣ供給源に連結される復号化手段を含み、そのＤＣ供給源が、所定の太陽光シーケンスが検出された場合に該制御装置を使用可能にするための１以上の太陽電池を備えていることにおいて特徴付けられる、請求項８から１４の１つに記載の装置。
16. 前記装置が、ＤＣ供給源として１以上の太陽電池と、Ｎｉ−ＣｄまたはＬｉポリマー電池のような充電式電池と、負荷として１以上のＬＥＤとを含む道路の鋲として配置されることにおいて特徴付けられる、請求項８から１５の１つに記載の装置。