JP2012228172A - エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変換デバイスのインダクタを通る電流が大きく変動するのを回避する装置を提供する。
【解決手段】エネルギー変換デバイスＣｏｎｖのインダクタＬを通って流れる電流を制御する装置に関する。エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、少なくとも１つのスイッチＩＧ１と、電源ＰＶの端子間に接続されるキャパシタＣ_ＩＮとを備え、キャパシタＣ_ＩＮの放電によって電流が供給され、スイッチＩＧ１が導通すると、供給される電流の少なくとも一部がインダクタＬ及びスイッチＩＧ１を通って流れる。当該装置は、少なくとも１つの所定の数学関数を用いてスイッチＩＧ１の導通又は非導通を制御することによって、キャパシタＣ_ＩＮの電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで低減する手段を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、包括的には、エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する装置に関する。

太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。太陽電池によって生成される電気エネルギーを経時的に抽出し、電力の形態で使用することができる。太陽電池によって提供される直流電力は、ＤＣ−ＤＣアップ／ダウンコンバータ回路及び／又はＤＣ／ＡＣインバータ回路のような変換デバイスに供給される。

しかしながら、太陽電池の電流−電圧垂下特性（current-voltage drop characteristics）により、出力電力は太陽電池から引き出される電流とともに非線形に変化する。電力−電圧曲線は、光照射レベルや動作温度のような気候変動に従って変化する。

太陽電池又は太陽電池のアレイを動作させる準最適点は、電力が最大となる電流−電圧曲線の領域又はその近傍である。この点は、最大電力点（ＭＰＰ：Maximum Power Point）と称される。

グリッド接続用途においては、太陽電池をＭＰＰの周辺で動作させてそれらの発電効率を最適化することが重要である。

電力−電圧曲線が気候変動に従って変化する際、ＭＰＰもまた気候変動に従って変化する。

そのため、常にＭＰＰを特定することができる必要がある。

ＭＰＰの特定前及び／又は特定後に、先行する動作条件に依存して電源の動作点がほとんど変更されないようにする必要がある。

ＭＰＰの特定方法によっては、そのような変更中に変換デバイスのインダクタを通る電流が大きく変動する可能性がある。

著しい制御変動に付随するインダクタの飽和に起因する大きな電流レベルは、変換デバイスのインダクタのみならず、他の電力デバイス及び構成要素をも劣化させる可能性があり、それらのデバイス及び構成要素の寿命の低減、更には破損に繋がるおそれがある。

メンテナンスの際に、安全上の理由からエネルギー変換デバイスのキャパシタを放電する必要があるときにも同様の問題が生じ、電流が大きく変動する可能性がある。

本発明は、変換デバイスのインダクタを通る電流が大きく変動するのを回避する装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する装置に関する。エネルギー変換デバイスは、少なくとも１つのスイッチと、電源の端子間に接続されるキャパシタとを備え、キャパシタの放電によって電流が供給され、スイッチが導通すると、供給される電流の少なくとも一部がインダクタ及びスイッチを通って流れる。当該装置は、少なくとも１つの所定の数学関数を用いてスイッチの導通又は非導通を制御することによって、キャパシタの電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで低減する手段を備えることを特徴とする。

また、本発明は、エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する方法にも関する。エネルギー変換デバイスは、少なくとも１つのスイッチと、電源の端子間に接続されるキャパシタとを備え、キャパシタの放電によって電流が供給され、スイッチが導通すると、供給される電流の少なくとも一部がインダクタ及びスイッチを通って流れる。当該方法は、少なくとも１つの所定の数学関数を用いてスイッチの導通又は非導通を制御することによって、キャパシタの電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで低減するステップを含むことを特徴とする。

これにより、任意の動作条件において、インダクタを通る最大電流ピークがその飽和値よりも小さくなるようにする所与の制御基準信号を設計段階において設定することができる。

特定の特徴によれば、１つの数学関数が用いられ、その数学関数は一次数学関数である。

これにより、任意の動作条件においてこれと同じ数学関数を用いることによって、インダクタを通る電流ピークレベルが少なくとも同じになることを保証することができる。

特定の特徴によれば、スイッチの導通又は非導通を制御することによってキャパシタの電圧を低減する手段は、キャパシタ上の電圧を監視する手段と、数学関数に従って変化する電圧を生成する手段と、キャパシタ上の監視される電圧から数学関数に従って変化する電圧を減算して誤差を取得する手段と、誤差から導出される信号を周期信号と比較する手段とを含む。

これにより、提案される発明は、従来からのパルス幅変調法によって電圧制御モードによって制御されると共に太陽光発電装置のような電源にその入力が接続される任意のエネルギー変換デバイスにおいて、容易に実施することができる。

特定の特徴によれば、誤差から導出される信号は、比例積分微分コントローラを用いて得られる。

これにより、比例積分コントローラによって実施される方法よりも速く電圧値を変更することが望まれる場合に、より良好に基準信号に追従することができる。

特定の特徴によれば、キャパシタの電圧が低減される期間の持続時間は、第１の電圧値及び第２の電圧値と一次数学関数の勾配とから求められる。

これにより、任意の条件において基準信号の勾配を同じにして、同じ初期過渡ピークをもたらすことができる。これは、同じ最終電圧値を得るためには、初期電圧値が高いほど時間が長く、初期電圧値が低いほど時間が短いことを意味する。

特定の特徴によれば、装置は、電源の最大電力点を求める手段を更に備え、電源の最大電力点は、キャパシタを第２の電圧値から第３の電圧値まで充電し、キャパシタの充電中にキャパシタ上の電圧を監視することによって求められる。

これにより、太陽光発電装置のような電源における大域的なＭＰＰを特定することができ、太陽光発電装置が部分的に陰になるときに生じる場合がある局所的なＭＰＰにおいてエネルギー変換デバイスを動作させるのを回避することができる。

特定の特徴によれば、装置は、少なくとも１つの所定の数学関数を用いてスイッチの導通又は非導通を制御することによって、キャパシタの電圧を第３の電圧値から第４の電圧値まで低減する手段を備える。

これにより、ＭＰＰを特定した後に、所与の動作点から特定されたＭＰＰに向けて、通常は高い電圧値からより低い電圧値に向けて動作点を導くことができ、過渡条件においてインダクタを通る電流ピークの所与の最大値に決して達しないことを常に保証することができる。

特定の特徴によれば、キャパシタの電圧が低減される期間の持続時間は、第３の電圧値、第４の電圧値、及び数学関数の勾配から求められる。

これにより、ＭＰＰが第３の電圧値から遠くない場所にある場合には、この持続時間を非常に短くすることができる。エネルギー変換デバイスは、この最後のフェーズに関連するエネルギー生成損をほとんど生じることなく、極めて迅速にその最適な点において動作することになる。

本発明の特徴は、実施形態例の以下の説明を読むことからより明確になる。当該説明は、添付図面を参照して行われる。

本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例の図である。 電源の出力電圧に対する出力電流の変動を表す曲線の一例の図である。 本発明によるエネルギー変換デバイスの一例を表す図である。 本発明による、ＭＰＰを決定できるようにする情報を求め、エネルギー変換デバイスのインダクタ内の電流を制御するためのアルゴリズムの一例の図である。 （ａ）は、本発明によって取得される電源電圧変動の一例の図である。（ｂ）は、本発明によって電源の動作を制御するために用いられる基準電圧の一例の図である。（ｃ）は、本発明によって取得される電源電流変動の一例の図である。（ｄ）は、本発明によって取得されるインダクタ電流変動の一例の図である。 本発明による、入力キャパシタを通る電圧及び電流を求めるためのアルゴリズムの一例の図である。 本発明によって得ることができる電力対電圧曲線の一例の図である。

図１は、本発明を実施することができるエネルギー変換システムの一例である。

エネルギー変換システムは、太陽電池又は太陽電池のアレイ又は燃料電池のような電源ＰＶを含む。電源ＰＶの出力は、ＤＣ−ＤＣステップダウン／ステップアップコンバータ及び／又はインバータとも呼ばれるＤＣ／ＡＣコンバータのようなエネルギー変換デバイスＣｏｎｖに接続されている。エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、負荷Ｌｏに電気エネルギーを供給する。

電源ＰＶは、負荷Ｌｏに電流を供給する。電流は負荷Ｌｏによって使用される前に変換デバイスＣｏｎｖによって変換される。

負荷は、例えば、電力網にエネルギーを供給するＤＣ／ＡＣコンバータとすることができ、またはバッテリとすることもできる。

図２は、電源の出力電圧に対する出力電流の変動を表す曲線の一例である。

図２の横軸には電圧値が示されている。電圧値は０値と開回路電圧Ｖ_ＯＣとの間にある。

図２の縦軸には電流値が示されている。電流値は０値と短絡電流Ｉ_ＳＣとの間にある。

任意の所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度に対して、太陽電池アレイが動作可能な無限個の電流−電圧のペア、すなわち動作点が存在する。しかしながら、所与の光レベル及び太陽電池アレイ温度に対して存在するＭＰＰは、唯一つである。

図３は、本発明によるエネルギー変換デバイスの一例を表す。

電源ＰＶの正端子はキャパシタＣ_ＩＮの第１の端子に接続され、電源ＰＶの負端子はキャパシタＣ_ＩＮの第２の端子に接続されている。

キャパシタＣ_ＩＮ上の電圧は、電圧測定手段Ｖ１によって監視されている。キャパシタＣ_ＩＮ上の電圧は、電源ＰＶによって供給される電圧Ｖ_ＰＶに等しい。

キャパシタＣ_ＩＮの第１の端子は、スイッチＩＧ１に接続されている。

例えば、スイッチＩＧ１はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、キャパシタＣ_ＩＮの第１の端子はスイッチＩＧ１のコレクタに接続されている。

エネルギー変換デバイスＣｏｎｖコンバータが昇圧モードである場合、すなわちステップアップ構成において動作している場合、スイッチＩＧ１は常にオン状態、すなわち導通モードにある。

ここで、以下で開示されるフェーズＰＨ３の間、スイッチＩＧ１はオフ状態、すなわち非導通モードにあることに留意されたい。

スイッチＩＧ１のエミッタは、ダイオードＤ１のカソードに接続されている。ダイオードＤ１のアノードは、電源ＰＶの負端子に接続されている。

スイッチＩＧ１のエミッタは、インダクタＬの第１の端子にも接続されている。

インダクタＬの第２の端子は、スイッチＭ１に接続されている。

スイッチＭ１は、例えば、ＮＭＯＳＦＥＴ（Ｎチャネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）である。

インダクタＬの第２の端子は、ＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ１のドレインに接続されている。ＮＭＯＳＦＥＴのソースは、電源ＰＶの負端子に接続されている。

ＮＭＯＳＦＥＴのゲートは、図３には示されないゲートドライバ回路によって駆動され、当該ゲートドライバ回路は、以下で開示される信号Ｐｗｍを用いてＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）によって制御される。

ＤＳＰは、動作が昇圧モード（ステップアップコンバータ）である場合には、一定の出力電圧値Ｖ_ＤＣを得るために、スイッチＮＭＯＳＦＥＴ Ｍ１を制御することによって、電源から供給される電圧及び電流を変化させる。

インダクタＬの第２の端子は、ダイオードＤ_Ｏのアノードに接続されている。

ダイオードＤ_Ｏのカソードは、キャパシタＣ_Ｏの第１の端子に接続されている。キャパシタＣ_Ｏの第２の端子は、電源ＰＶの負端子に接続されている。

ダイオードＤ_Ｏのカソードは、インダクタＬの第２の端子と電源ＰＶの負端子との間の電圧を測定する電圧測定手段Ｖ２の第１の端子に接続されている。ダイオードＤ_Ｏのカソードは、負荷に流れ込む電流を測定する電流測定手段ＭＩ_Ｏの第１の端子にも接続されており、負荷はバッテリ又はインバータとすることができる。

負荷が電力網に接続されるＤＣ／ＡＣコンバータであるとき、電流測定手段ＭＩ_Ｏは、通常はフィルタインダクタと直列に、ＤＣ／ＡＣコンバータの１つの出力と電力網との間に接続されることに留意されたい。電流測定手段ＭＩ_Ｏは、上記で開示されたように接続される代わりに、電力網内に流れ込む電流を制御し、また力率補正（ＰＦＣ）を保証するために必要とされる。測定されたＡＣ電圧及びＡＣ電流はアナログ／デジィタルコンバータＡＤＣに与えられ、グリッドに実際に流れ込む平均電力を得るために、非常に低いカットオフ周波数を有するローパスフィルタが用いられる。

コンバータＣｏｎｖの出力電圧は、Ｖ_ＤＣと呼ばれる。

測定手段Ｖ１及びＶ２によって測定される電圧Ｖ_ＰＶ及びＶ_ＤＣ並びに測定手段ＭＩ_Ｏによって測定される電流Ｉ_Ｏは、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）の内部に含まれるアナログ／ディジタルコンバータＡＤＣによってディジタルデータに変換される。

ＤＳＰは、図１には示されていないバスによって互いに接続される構成要素、並びに図４、図７、及び図９において開示されるようなアルゴリズムに関連するプログラムによって制御されるプロセッサ１００に基づくアーキテクチャを有している。

バスは、プロセッサ１００を、リードオンリーメモリＲＯＭ１０３、ランダムアクセスメモリＲＡＭ１０２、及びアナログ／ディジタル変換器ＡＤＣに接続する。

リードオンリーメモリＲＯＭ１０３は、図４及び図６に開示するようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令を含み、当該プログラム命令は、エネルギー変換デバイスＣｏｎｖに電源が投入されるとランダムアクセスメモリＲＡＭ１０２に転送される。

ＲＡＭメモリ１０２は、変数を受け取るように意図されるレジスタと、図４及び図６に開示するようなアルゴリズムに関連するプログラムの命令とを含んでいる。

ＤＳＰは、ＭＰＰＴ（最大電力点トラッカー）制御ブロックＭｐ、電流コントローラブロックＣｃｏｎｔ、スイッチＳｗ、減算手段Ｄｉｆ、コントローラＰｉ、キャリア生成モジュールＣａｒ、及びコンパレータＣｏｍｐを備えている。

ここで、ＭＰＰＴ制御ブロックＭｐ、電流コントローラブロックＣｃｏｎｔ、スイッチＳｗ、減算手段Ｄｉｆ、コントローラＰｉ、キャリア生成モジュールＣａｒ、及びコンパレータＣｏｍｐは、ソフトウェアの形態で実装することもできることに留意されたい。

アナログ／ディジタルコンバータＡＤＣの出力は、ＭＰＰＴ制御ブロックＭｐ、電流コントローラブロックＣｃｏｎｔ、及び減算手段Ｄｉｆに与えられる。

ＭＰＰＴ制御ブロックＭＰは、測定された電流Ｉ_Ｏと共に、ディジタル変換された電圧Ｖ_ＰＶ及びＶ_ＤＣを受信する。

電流コントローラブロックＣｃｏｎｔは、ディジタル変換された電圧Ｖ_ＰＶを受信する。

スイッチＳｗは、ＭＰＰＴ追跡フェーズにおいて、又は図４を参照しながら開示される電流制御フェーズにおいて、コンバータＣｏｎｖの動作モードを選択できるようにする。

スイッチＳｗの出力の電圧はＶ_{ＰＶＲＥＦ}で示され、減算手段Ｄｉｆによってディジタル変換された電圧Ｖ_ＤＣから減算される。減算手段Ｄｉｆの出力誤差εは、コントローラＰｉによって制御されてコンパレータＣｏｍｐに与えられ、コンパレータはその誤差をキャリア生成モジュールＣａｒによって与えられるキャリア信号と比較する。コントローラＰｉは、例えば比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラである。

コンパレータＣｏｍｐの出力は、制御信号Ｐｗｍを与える。

図４は、本発明による、ＭＰＰを決定できるようにする情報を求めるためのアルゴリズムの一例である。

より厳密には、本アルゴリズムは、プロセッサ１００によって実行される。

電源の最大電力点を決定できるようにする情報を得るためのアルゴリズムは、少なくとも、キャパシタＣ_ＩＮ上の電圧Ｖ_ＰＶ、電圧Ｖ_ＤＣ、及び電流Ｉ_Ｏを監視する。

ステップＳ４００において、フェーズＰＨ１が始まる。フェーズＰＨ１は、図５（ａ）〜図５（ｄ）において示されている。

図５（ａ）は、本発明によって得られる電源電圧変動の一例である。

図５（ａ）の横軸には時間が表示され、図５（ａ）の縦軸には電圧が表示されている。

図５（ｂ）は、本発明によって電源の動作を制御するために用いられる基準電圧の一例である。

図５（ｂ）の横軸には時間が表示され、図５（ｂ）の縦軸には電圧が表示されている。

図５（ｃ）は、本発明によって得られる電源電流変動の一例である。

図５（ｃ）の横軸には時間が表示され、図５（ｃ）の縦軸には電流が表示されている。

図５（ｄ）は、本発明によって得られるインダクタ電流変動の一例である。

図５（ｄ）の横軸には時間が表示され、図５（ｄ）の縦軸には電流が表示されている。

斜線のエリアは、インダクタ電流変動の包絡線を表す。

フェーズＰＨ１の間、エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、例えば昇圧（ステップアップ）ＤＣ／ＤＣコンバータとしての役割を果たす。ここで、エネルギー変換デバイスは、降圧（ステップダウン）ＤＣ／ＤＣコンバータとしての役割を果たすこともできることに留意されたい。

フェーズＰＨ１の間、エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、電源の動作点を制御し、例えば山登り法（Perturb and Observe：Ｐ＆Ｏ）最大電力点追跡（ＭＰＰＴ）モードにおいて動作する。

Ｐ＆Ｏ ＭＰＰＴのフェーズにおいては、ローパスフィルタによって処理した後のエネルギー変換デバイスの出力電力（Ｖ_ＤＣ・Ｉ_Ｏ）に関する情報を用いることによって、利用可能な電力が推定される。

フェーズＰＨ１の間、スイッチＳｗは、ＭＰＰＴ制御ブロックによって与えられる基準電圧を、電源ＰＶによって与えられて測定手段Ｖ１によって測定された後にディジタル変換された電圧Ｖ_ＰＶと比較できるようにする。

Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}とＶ_ＰＶとの差によって生成される誤差εは、コントローラＰｉによって補償される。コントローラＰｉは、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ、又は比例積分（ＰＩ）コントローラとすることができ、Ｖ_Ｃｏｎｔ信号を生成する。

その後、Ｖ_Ｃｏｎｔ信号は、キャリア波形Ｖ_{ｃａｒｒｉｅｒ}と比較される。キャリア波形は、最大値Ｖ_Ｍ及び周波数ｆ_ＳＷを有する三角波形又は鋸波形とすることができる。

Ｖ_{ｃａｒｒｉｅｒ}＜Ｖ_Ｃｏｎｔである場合には、スイッチＭ１は導通状態、すなわちオンであり、そうでない場合には、スイッチＭ１は非導通状態、すなわちオフである。

フェーズＰＨ１の間、入力電圧は概ね所望の値Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}に調整される。一方、出力電圧Ｖ_ＤＣは一定である。例えば、出力電圧Ｖ_ＤＣはバッテリによって印加することができる。あるいは、出力電圧Ｖ_ＤＣは、グリッド接続用途であるか否か等の用途の種類に応じて、特定の制御ループを通じて出力電圧Ｖ_ＤＣを調整するインバータの調整済みＤＣリンクとすることができる。

フェーズＰＨ１の間、Ｖ_ＰＶはＭＰＰＴアルゴリズムによって与えられる基準値Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}に追従する。それに応じてＩ_ＰＶが変化し、スイッチＭ１の切替によってＩ_Ｌが変化する。

次のステップＳ４０１において、フェーズＰＨ２が始まる。

フェーズＰＨ２の間、例えば電源ＰＶの電力曲線を特徴付けることができるようにするために、キャパシタＣ_ＩＮが放電される。

キャパシタＣ_ＩＮは、現在の電圧値Ｖ_ＭＰＰから最小電圧値Ｖ_ＭＩＮまで放電される。最小電圧値は、例えばエネルギー変換デバイスＣｏｎｖの最小許容動作電圧値である。

本発明によれば、フェーズＰＨ２の持続時間は、Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}の所与の勾配によって課せられる、インダクタＬを通って流れる電流を制限するように規定される。

フェーズＰＨ２の間、すなわちステップＳ４０２において、スイッチＳｗは、電流コントローラＣｃｏｎｔによって与えられる電圧を、電源によって与えられて測定手段Ｖ１によって測定された後にディジタル変換された電圧Ｖ_ＰＶと比較できるようにする。電流コントローラＣｃｏｎｔは、ここではＰＨ１のＶ_ＭＰＰに対応する初期値Ｖ_ＰＶからＶ_ＭＩＮまで減少する所与の数学関数に従って規定される電圧Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}を与える。

電圧Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}は、インダクタＬ上の電流ピークが最大値、例えばその飽和値以下になることを保証する数学関数に従う。

その際、フェーズＰＨ２の持続時間は、Ｖ_ＭＰＰと勾配に関連付けられる最小電圧値Ｖ_ＭＩＮに依存し、勾配は電源ＰＶの任意の動作電圧値において同じになる。

例えば、数学関数は、一変数の一次多項式関数のような一次関数である。

ここで、キャパシタＣ_ＩＮの放電中に、複数の異なる一次関数を連続的に用いることができることに留意されたい。

キャパシタ電圧Ｖ_ＰＶが最小電圧値Ｖ_ＭＩＮに達すると、フェーズＰＨ２は終了する。

ステップＳ４０３において、フェーズＰＨ３が始まる。

フェーズＰＨ３は、電力曲線が監視される期間に対応する。

ＤＳＰは、スイッチＩＧ１及びＭ１を非導通状態に設定する。

したがって、入力キャパシタＣ_ＩＮは、電源ＰＶによってＶ_ＭＩＮから最大値Ｖ_ＭＡＸまで制約を課されることなく充電され、例えば、最大値はＶ_ＭＡＸ＝０．８５Ｖ_ＯＣである。

フェーズＰＨ３の間、キャパシタＣ_ＩＮの充電中に電圧Ｖ_ＰＶがサンプリングされる。

ステップＳ４０４において、フェーズＰＨ３の間、Ｖ_ＰＶの電圧サンプルが格納される。

次のステップＳ４０５において、Ｖ_ＰＶの電圧サンプルを用いてキャパシタ電流Ｉ_ＣＩＮを評価する。キャパシタ電流Ｉ_ＣＩＮは、電源ＰＶによって出力される電流Ｉ_ＰＶと同じである。

Ｉ_ＣＩＮの求め方は、図６を参照しながら更に詳細に開示される。

次のステップＳ４０６において、電源特性が求められる。

図７は、本発明によって得られる電力対電圧曲線の一例である。

図７の横軸には電圧Ｖ_ＰＶが表示され、図７の縦軸には電源ＰＶから出力される電力が表示されている。

曲線の太い部分は、本発明によって求められるＩ_ＰＶ及びＶ_ＰＶから得られる曲線部分を表している。

ＭＰＰは、電源ＰＶが出力することのできる最大電力に対応する。

新たなＭＰＰ情報は、ＭＰＰＴブロックＭｐに与えられる。

次のステップＳ４０７において、フェーズＰＨ４が始まる。

図５（ａ）に示されるように、フェーズＰＨ４の開始時において、電圧Ｖ_ＰＶはＶ_ＭＡＸに等し。そして、Ｖ_ＰＶは、ステップＳ４０６において求められたＭＰＰ動作電圧に合わせられなければならない。

本発明によれば、フェーズＰＨ４の持続時間は、インダクタＬを通って流れる電流を制限するように規定される。

フェーズＰＨ４の間、スイッチＳｗは、電流コントローラＣｃｏｎｔによって与えられる電圧を、電源によって与えられて測定手段Ｖ１によって測定された後にディジタル変換された電圧Ｖ_ＰＶと比較できるようにする。電流コントローラＣｃｏｎｔは、初期値Ｖ_ＭＡＸからＶ_ＭＰＰ値まで減少する所与の数学関数に従って規定される電圧Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}を与える。

この数学関数の勾配は、例えば、フェーズＰＨ２において用いられた数学関数の勾配と等しい。

電圧Ｖ_{ＰＶＲＥＦ}は、インダクタＬ上の電流ピークが最大値、例えばその飽和値以下になることを保証する数学関数に従う。

その際、フェーズＰＨ４の持続時間は、Ｖ_ＭＰＰ、最大電圧値Ｖ_ＭＡＸ、及び電源ＰＶの任意の動作電圧値における勾配に等しい勾配に依存する。

例えば、数学関数は、一変数の一次多項式関数のような一次関数である。

図５（ｄ）において観察されるように、電流Ｉ_Ｌは制限され、インダクタＬの飽和は生じない。

次のステップＳ４０８において、フェーズＰＨ５が始まる。

エネルギー変換デバイスＣｏｎｖは、新たに求められたＭＰＰ値を用いて電源ＰＶの動作を制御し、フェーズＰＨ１において開示されたようなＰ＆Ｏ最大電力点追跡ＭＰＰＴモードにおいて動作する。

Ｐ＆Ｏ ＭＰＰＴフェーズでは、ローパスフィルタによって処理した後のエネルギー変換デバイスの出力電力（Ｖ_ＤＣ・Ｉ_Ｏ）に関する情報を用いることによって、利用可能な電力が推定される。

図６は、本発明による、入力キャパシタを通る電圧及び電流を求めるためのアルゴリズムの一例である。

より厳密には、本アルゴリズムはプロセッサ１００によって実行される。

一般的見地から、本アルゴリズムによって、所与のサンプルに対するキャパシタ電流Ｉ_ＣＩＮは、キャパシタＣ_ＩＮの静電容量値に所与のサンプルの電圧導関数を乗じることによって求められる。電圧導関数は、フィッティング数学関数、例えば実係数を有する多項式関数によって得られる。

フィッティング数学関数は、所与の時間サンプルについての処理された電圧を取得するために、連続的な時間サンプルｘ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）において測定された電圧ｙ_ｉと関数ｆ（ｘ_ｉ）との差の二乗和を最小化することによって得られる。これは、以下のように行われる。

Ｎ個のサンプル（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２）．．．（ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ）が与えられると、必要とされるフィッティング数学関数を、例えば以下の形に書くことができる。

ただし、ｆ_ｊ（ｘ）（ｊ＝１，２．．．Ｋ）はｘの数学関数であり、Ｃ_ｊ（ｊ＝１，２．．．Ｋ）は当初は未知の定数である。

ｆ（ｘ）とｙの実際の値との差の二乗和は、以下によって与えられる。

この誤差項は、定数Ｃ_ｊ（ｊ＝１，２，．．．Ｋ）の各々についてＥの１階偏導関数を取り、その結果をゼロにすることによって最小化される。したがって、対称なＫ元連立方程式が得られ、これがＣ_１、Ｃ_２、…、Ｃ_Ｋについて解かれる。この手順は、最小平均二乗（ＬＭＳ）アルゴリズムとしても知られている。

Ｖ１の電圧サンプルについて、各サンプルに対して移動する所定の窓における適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数のフィッティングに基づいて、曲線が取得される。したがって、電圧はフィルタリングされ、その導関数を窓の中心点すべてに対して非常に簡単かつ直接的な方法で同時に計算することができる。これにより、いかなる追加の電流センサも必要とすることなく電流が求められる。

ステップＳ６００において、プロセッサ１００は、フェーズＰＨ２の間に得られたＶ１のＮ個のサンプルを取得する。例えば、少なくとも１００個のサンプルが取得される。各サンプルは２次元ベクトルであり、その係数は、電圧値とその電圧が測定された時刻である。

次のステップＳ６０１において、プロセッサ１００は、移動窓のサイズを決定する。移動窓のサイズは、適切な数学関数、例えば実係数を有する多項式関数のフィッティングに基づいて曲線を求めるために用いられるサンプルの数Ｎｐｔを表す。移動窓のサイズは奇数である。例えば、移動窓のサイズは２１に等しい。

次のステップＳ６０２において、プロセッサ１００は、移動窓の中心点Ｎｃを求める。

次のステップＳ６０３において、プロセッサ１００は、変数ｉを値Ｎｐｔに設定する。

次のステップＳ６０４において、プロセッサ１００は、変数ｊをｉ−Ｎｃ＋１に設定する。

次のステップＳ６０５において、プロセッサ１００は、変数ｋを１に設定する。

次のステップＳ６０６において、プロセッサ１００は、ｘ（ｋ）の値をサンプルｊの時刻係数に設定する。

次のステップＳ６０７において、プロセッサ１００は、ｙ（ｋ）の値をサンプルｊの電圧係数に設定する。

次のステップＳ６０８において、プロセッサ１００は、変数ｋを１インクリメントする。

次のステップＳ６０９において、プロセッサ１００は、変数ｊを１インクリメントする。

次のステップＳ６１０において、プロセッサ１００は、変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さいか否かを検査する。

変数ｊがｉとＮｃとの和から１を引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ１００はステップＳ６０６に戻る。そうでない場合、プロセッサ９００はステップＳ６１１に移る。

ステップＳ６１１において、プロセッサ１００は、最小平均二乗アルゴリズムと、Ｓ６１０の条件に達するまでステップＳ６０６及びＳ６０７においてサンプリングされたすべてのｘ（ｋ）値及びｙ（ｋ）値とを用いて、フィッティング数学関数、例えば多項式関数ｙ（ｘ）＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃを求める。

プロセッサ１００は、二次多項式関数のａ、ｂ、及びｃの実係数

を取得する。

次のステップＳ６１２において、プロセッサ１００は、以下の式に従ってフィルタリングされた電圧値と必要とされる電流を評価する。

次のステップＳ６１３において、プロセッサ９００は、変数ｉを１単位インクリメントする。

次のステップＳ６１４において、プロセッサ１００は、ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さいか否かを検査する。

ｉがＮからＮｃを引いた値より厳密に小さい場合、プロセッサ１００はステップＳ６０４に戻る。そうでない場合、プロセッサ３００はステップＳ６１５に移り、本アルゴリズムによって求められた電圧と電流のペアを出力する。

その後、プロセッサ１００は、本アルゴリズムを中断し、図４のアルゴリズムのステップＳ４０６に戻る。

当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。

Claims (8)

1. エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する装置であって、
   前記エネルギー変換デバイスは、電源の端子に並列に接続されるキャパシタと、少なくとも１つのスイッチとを備え、
   前記キャパシタの放電によって電流が供給され、前記スイッチがオンに切り替えられると、前記供給される電流の少なくとも一部が前記インダクタ及び前記スイッチを通って流れ、
   該装置は、前記インダクタ上の電流ピークが最大値以下になることを保証する少なくとも１つの一次数学関数を用いて前記スイッチのオン及びオフの切替を制御することによって、前記キャパシタの電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで低減する手段を備えることを特徴とする、エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する装置。
2. 前記スイッチのオン及びオフの切替を制御することによって前記キャパシタの電圧を低減する前記手段は、
   前記キャパシタ上の電圧を監視する手段と、
   前記一次数学関数に従って変化する電圧を生成する手段と、
   前記キャパシタ上の前記監視される電圧から前記一次数学関数に従って変化する電圧を減算して誤差を取得する手段と、
   前記誤差から導出される信号を周期信号と比較する手段と
   を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記誤差から導出される信号は、比例積分微分コントローラを用いて得られることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記キャパシタの電圧が低減される期間の持続時間は、前記第１の電圧値及び前記第２の電圧値と前記一次数学関数の勾配とから求められることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記装置は、前記電源の最大電力点を求める手段を更に備え、
   前記電源の最大電力点は、前記キャパシタを前記第２の電圧値から第３の電圧値まで充電し、該キャパシタの充電中に該キャパシタ上の電圧を監視することによって求められることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記装置は、前記少なくとも１つの一次数学関数を用いて前記スイッチの導通又は非導通を制御することによって、前記キャパシタの電圧を前記第３の電圧値から第４の電圧値まで低減する手段を備えることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記キャパシタの電圧が低減される期間の持続時間は、前記第３の電圧値及び前記第４の電圧値から求められることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する方法であって、
   前記エネルギー変換デバイスは、少なくとも１つのスイッチと、電源の端子に並列に接続されるキャパシタとを備え、
   前記キャパシタの放電によって電流が供給され、前記スイッチがオンに切り替えられると、前記供給される電流の少なくとも一部が前記インダクタ及び前記スイッチを通って流れ、
   該方法は、前記インダクタ上の電流ピークが最大値以下になることを保証する少なくとも１つの一次数学関数を用いて前記スイッチのオン及びオフの切替を制御することによって、前記キャパシタの電圧を第１の電圧値から第２の電圧値まで低減するステップを含むことを特徴とする、エネルギー変換デバイスのインダクタを通って流れる電流を制御する方法。

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