JP2015536635A - ダイオード逆リカバリ回路を備えた光起電力多段コンバータ - Google Patents

Abstract

ソーラーモジュールのためのインバータ装置。インバータ装置は、ソーラーセルグループからのＤＣ入力を含む入力と、予備ブースト回路とを含むスレーブ回路装置を備える。ＤＣブースト回路は予備ブースト回路に接続され、また中間電圧をＡＣ−ＲＭＳピーク電圧にブーストするように構成される。整流器回路は、ＤＣブースト回路に接続される。エネルギリカバリ回路は整流器出力に接続された蓄電デバイスを備える。エネルギリカバリ回路は、逆リカバリ電荷を一時的に蓄電して、逆リカバリ電荷をＤＣバス構造の出力に伝送し、整流器回路におけるダイオードリカバリ損失を低減するように構成される。

Description

本出願は、２０１２年１０月２５日付で提出された米国出願番号１３／６６０，７５２及び２０１２年１２月３１日付で提出された米国出願番号１３／７３２，１５４の優先権を主張し、これらの開示は参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は一般に、集積回路に関する。より具体的には、本開示は、ソーラーモジュールのために構成されたスレーブ回路アーキテクチャを含むインバータ装置のための方法及びシステムを提供する。単に一例として、インバータ装置は、複数のソーラーセルを含む、ソーラーモジュールのバックプレーンに接続可能である。もちろん、他の変形、変更、及び置換が可能である。

光電効果の発見の後、ソーラーインバータは、複数のソーラーセル又は複数のソーラーパネルによって生成された直流電流（ＤＣ）電力を交流電流（ＡＣ）に変換するために設計されている。インバータと称される回路は本来、ＤＣソースからの入力信号を継続的に逆変換（インバート）し、ワットからメガワットの範囲でＤＣからＡＣへの変換を実行する処理を指す。２０００年代初期におけるＰＶソーラーパネル技術の復活の後、インバータがソーラー設備のコスト、性能、及び信頼性を決定づけるに伴い、インバータは注目されつつある。バランスオブシステム（ＢＯＳ）要素の一部としての他の要素と組み合わされて、インバータは、設備の寿命を規定する重要な役割を果たす。

一例として、米国エネルギー省は、住居、商業、及びユーティリティ規模の光起電力（ＰＶ）ソーラー設備のためのソーラーシステムに対する１ドル／ワット（ＤＣ）の導入コストの目標を達成するために、ＳｕｎＳｈｏｔ（商標）構想を立ち上げている。パネルコストの急速な低下に伴い、インバータ、ＢＯＳコスト、及び設備コストはＰＶ産業の焦点となっている。また、およそ８０％で停滞しているより低いシステム効率（ソーラーパネルからグリッド／エンドポイントへの負荷）は、それらが大きな額の設備投資額及び運用及び整備（Ｏ＆Ｍ）コストに寄与するため、懸念される領域となっている。効率的な電力変換トポロジは、コストを低減させ得、且つシステム効率を改善するものであり、また性能は、ＰＶソーラー電力に対する電力のレバレッジコスト（ＬＣＯＥ）に対するグリッドパリティの目標を達成するために求められている。

本開示は一般に、集積回路に関する。より具体的には、本開示は、ソーラーモジュールのために構成されたスレーブ回路アーキテクチャを含むインバータ装置のための方法及びシステムを提供する。単に一例として、インバータ装置は、複数のソーラーセルを含む、ソーラーモジュールのバックプレーンに接続可能である。もちろん、他の変形、変更、及び置換が可能である。

特定の実施形態において、本発明は、ソーラーモジュールのためのインバータ装置を提供する。一例において、インバータ装置はスレーブ回路装置を備える。スレーブ回路装置は、ソーラーセルグループからのＤＣ入力を備える入力と、入力に接続された予備ブースト回路とを含む。予備ブースト回路は、ソーラーセルグループからの入力からの入力電圧を中間電圧にブーストするように構成される。本装置はまた、予備ブースト回路に接続されたＤＣブースト回路を有し、また中間電圧をＡＣ−ＲＭＳピーク電圧にブーストするように構成される。本装置は、ＤＣブースト回路に接続された整流器回路を有し、またＤＣ出力を、半波整流されたＤＣ波形に波打たせる（ウェーブシェイプさせる）ように構成される。整流器回路は整流器出力を備える。本装置はエネルギリカバリ回路を有し、エネルギリカバリ回路は整流器出力に接続された蓄電デバイスを備える。エネルギリカバリ回路は、逆リカバリ電荷を一時的に蓄電して、逆リカバリ電荷をＤＣバス構造の出力に伝送し、整流器回路におけるダイオードリカバリ損失を低減するように構成される。更に、本装置の詳細は、本明細書を通して、より具体的には以下から理解可能である。

代替の特定の実施形態において、本発明は、ソーラーモジュールのためのインバータ装置を作動させる方法を提供する。本方法は、ソーラーセルグループからのＤＣ入力において入力電圧を受けるステップと、ＤＣ入力を受けて、予備ブースト回路を用いて入力からの入力電圧を中間電圧に上昇させるステップとを含む。本方法はまた、予備ブースト回路に接続された、ＤＣブースト回路において中間電圧でＤＣ入力を受けるステップと、ＡＣ−ＲＭＳピーク電圧を有するＤＣ出力を出力して、ＤＣブースト回路に接続された、整流器回路においてＡＣ−ＲＭＳピーク電圧を有するＤＣ出力を受けるステップとを含む。本方法は、ＤＣ出力を、整流器出力において、半波整流されたＤＣ波形に波打たせるステップを含む。本方法はまた、エネルギリカバリ回路において、半波整流されたＤＣ波形を受けるステップと、エネルギリカバリ回路とともに構成された蓄電デバイスにおいて逆リカバリ電荷を蓄電するステップとを含む。本方法は、蓄電デバイスからの逆リカバリ電荷をＤＣバス構造の出力に伝送して整流器回路におけるダイオードリカバリ損失を低減するステップを含む。

一例において、入力は第１の端子及び第２の端子を備える。一例において、ＤＣ入力は、およそ４ボルトから１２０ボルトまでの範囲内にあるが、他の値であることも可能である。予備ブースト回路は、ブースト回路内に接続された容量性蓄電部に接続された誘導性蓄電部を備える。ＤＣブースト回路は、位相シフトフルブリッジブースト回路、又はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）若しくはゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）若しくはＺＶＳとＺＣＳの両方を達成するアドバンストブースト回路を備える。

一例において、整流器回路は、エネルギリカバリ回路と接続されたフルブリッジダイオード回路を備える。蓄電デバイスは、整流器出力に接続された蓄電コンデンサを備える。蓄電コンデンサは、フルブリッジダイオード回路の第１の端子と第２の端子との間に構成される。エネルギリカバリ回路は、蓄電コンデンサと直列に構成された第１のｐｎ接合ダイオードを更に備える。エネルギリカバリ回路は、第１の端子に接続されたインダクタを更に備える。一例において、インダクタは、蓄電コンデンサに並列に且つ第１のｐｎ接合ダイオードと直列に構成される。エネルギリカバリ回路は、第１のｐｎ接合ダイオードと蓄電コンデンサとの間に配置された第２のｐｎ接合ダイオードを更に備える。第２のｐｎ接合ダイオードは、ＤＣバス構造の出力端子に接続される。一例において、第２のｐｎ接合ダイオードは、スイッチング電流が出力端子へ流れることを許容するように構成され、第１のｐｎ接合ダイオードは、第２のｐｎ接合ダイオードと蓄電コンデンサとの間のノードが実質的にＤＣバス構造における出力端子電圧にあることを許容するように構成される。

一例において、中間電圧は、およそ１５ボルトから２０ボルトまでの範囲内にある。一例において、半波整流されたＤＣ波形は、およそ１６０ボルトから３５０ボルトまでの範囲内にある電圧を有する。一例において、半波整流されたＤＣ波形は、結果として得られる統合電流波形の電圧に実質的に類似する電圧である。一例において、複数のソーラーセルのグループは、ソーラーモジュールに配置される。一例において、スレーブ回路の各々は、複数のソーラーセルからなる各グループから導かれるＤＣソースと、グリッドソース又は別の装置によって発生されたリファレンスＡＣ信号のいずれか一方からのものである、組み合わせられたＡＣ供給との間のガルバニック絶縁を提供する。一例において、蓄電コンデンサは、金属又はセラミックが充填されたコンデンサ構造であって、当該コンデンサ構造は、整流器回路上のスイッチングの周波数と、逆リカバリ電荷と、整流器出力に亘る電圧とによって決定される静電容量を有する。本方法の更なる詳細は、本明細書を通して、より具体的には以下から理解可能である。

本発明によって多くの利益が得られる。例えば、本発明は、ソーラーモジュールに接続されたバックプレーン上の、マスタ−スレーブアーキテクチャを有する、統合（アグリゲート）されたソーラーインバータ装置を用いる。本ソーラーモジュールは、接続箱を介して接続される外部インバータを有する従来のソーラーモジュールよりも効率的であり且つコストがかからない。また、インバータ装置はスレーブ回路及びマスタ回路を備える。実施形態に応じて、１つ又は複数の利点が得られる。これら又は他の利点は、本明細書を通して、より具体的には以下において詳細に説明される。

本開示の実施形態に係る複数のセル及び関連する複数のインバータを備えるソーラーモジュールの簡単化された上面図である。 本開示の実施形態に係るスレーブインバータに接続されたモジュールバックプレーンの簡単化された上面図である。 本開示の実施形態に係るマスタチップモジュールの簡単化された図である。 本開示の実施形態に係るスレーブチップモジュールの簡単化された図である。 本発明の実施形態に係るマスタチップモジュール及びスレーブチップモジュールの動作の簡単化されたフロー図である。 本発明の実施形態に係るマスタチップモジュール及びスレーブチップモジュールの動作の簡単化されたフロー図である。 本開示の実施形態に係るフィルタ、位相シフタ、ＲＥＲＣ、及びブースト回路を含む（位相シフタ及びＲＥＲＣを含む）、図４のスレーブ回路のより詳細な図である。 本開示の実施形態に係るインバータ回路の例である。 本開示の実施形態に係るインバータ回路の例である。 本開示の実施形態に係るインバータ回路の例である。 本開示の実施形態に係るスレーブ回路から導かれる波形である。 本開示の実施形態に係る複数のスレーブ回路に接続されたマスタ回路の全体図である。 本開示の実施形態に係る複数のスレーブ回路の各々からの電圧の波形と電流の波形の各々と、電圧の波形と電流の波形の各々の集合とを示す。 本開示の実施形態に係るガラス部材、複数のセル、バックプレーン、及びインバータを含む、複数のソーラーセル部品を示す。 本開示の実施形態に係るＲＥＲＣ回路を有する整流器ブリッジダイオード及び有さない整流器ブリッジダイオードに亘るスイッチング電圧を有する波形を示す。 本開示の実施形態に係るＲＥＲＣ回路を有する整流器ブリッジダイオード及び有さない整流器ブリッジダイオードに亘るスイッチング電圧を有する波形を示す。 図１３及び１４の回路に関する、時間に対してプロットされた電圧／電流を示す。 本開示の実施形態に係るウェーブシェーパ回路の波形を示す。

本開示は一般に、集積回路に関する。より具体的には、本開示は、ソーラーモジュールのために構成されたスレーブ回路アーキテクチャを含むインバータ装置のための方法及びシステムを提供する。単に一例として、インバータ装置は、複数のソーラーセルを含む、ソーラーモジュールのバックプレーンに接続可能である。もちろん、他の変形、変更、及び置換が可能である。

ＰＶパネルの定格電力の上昇に伴い、最大電力点（ＭＰＰ）における動作の概念は、発電を最大化するための予備的な要件となっている。また、ＭＰＰ点が＋／−３〜５％だけ異なり得る複数のＰＶパネルを「一列に並べる」ことは、通常、略全てのパネルが準最適な電力点において動作することをもたらす。更に、より高い損失に寄与する影及び汚れの効果は、ストリングトポロジにおいて増幅される。結果として、中央変換トポロジ及びストリング変換トポロジは、実質的により低いシステム効率を有する。価格及び信頼性の利点を有するこれらのトポロジは、長期運転においてコストがかかることが判明している。大抵のＰＶプロジェクトに関して、中央変換トポロジのより高い経済的コストは、システム性能を犠牲にするこれらの利点のおかげで、好まれる。中央変換トポロジの重大な欠点は、パネルレベルの監視及び報告を通して運用及び整備（Ｏ＆Ｍ）を補助する能力を当該トポロジが有さない点である。ストリング設計、レイアウト最適化、ＢＯＳ構成要素コスト、及びＥＰＣコストは、中央変換トポロジに対しては、著しくより高く、これらはそのようなトポロジの有用性を計算する間には通常無視される。

他方では、分散された複数のコンバータ又は複数のマイクロインバータは、パネルレベルで変換のタスクを実行し、これによってシステムが全ての天候条件において最適な効率をもたらすことが可能となる。マイクロインバータの出力は所望の電圧にてグリッド同期されたＡＣ電力であり、複数のマイクロインバータは通常デイジーチェーンで接続されて各パネルからのＡＣ電流を統合（アグリゲート）する。マイクロインバータは、不整合損失、準最適な電力点損失、及び影及び汚れの損失の著しくより低い効果を除去する。また、それらはパネルの監視及び報告の利点をもたらし、運用及び整備（Ｏ＆Ｍ）を補助する。他のトポロジに対するマイクロインバータ性は、以下に示される。

一例において、ある課題が、分散化された電力コンバータに立ちはだかる。マイクロインバータの解決策は、コスト及び信頼性の観点の課題に直面している。いくつかの第１世代のマイクロインバータの解決策は、著しくコストがかかり、且つ信頼性が無いものと認識されている。信頼性の懸念は、現場障害が修理及び交換に対する多額の費用をもたらし得る商業及びユーティリティ規模のセグメントにおける、マイクロインバータの使用を著しく妨げる。大抵のマイクロインバータ会社は、しかしながら、それらの信頼性を証明するために、ＨＡＬＴ／ＡＬＴ及び現場の試験データを生成している。コストに重大な影響を与える「新技術」の採用の関心は、より多くの現場性能データが利用可能となる数年内はとどまることが予期される。マイクロインバータはシステムレベルではコスト効率に優れるが、インバータとインバータとの間で費用が比較されるときには、多くの場合、より高価な代替品であると言われる。

マイクロインバータが、当初は住居の及び小規模商用のＰＶ設備（＜１５ＫＷ）において、ＰＶソーラーマーケットにおいて注目を集めるにつれて、設備コストを著しく低下させ且つＢＯＭコストを維持すると同時にコストを著しく低減する集積化されたＡＣパネルの展開の概念は、大手のパネル製造業者とマイクロインバータ会社の共同で進められている。このアプローチはいまだ、障害発生時におけるパネルとマイクロインバータとの間の責任の明確な違いを許容する。集積化の解決策の概念はしかしながら、コスト、性能、及び信頼性の大きな利点が無いため、大きな不利益を被る。具体的に何が「ＡＣパネル」を構成し、それがどのようにして１ドル／ワットのコストを達成して１０年後までにＰＶソーラーＬＣＯＥを標準化できるのかということに関して、業界において重要な議論がある。また、これらのアプローチは、解決策をシステムレベルに維持し、信頼性を改善しながらコストを著しく低減できるカスタムＡＳＩＣｓの影響の及ばない範囲にある。

一例において、ＡＣパネルは望ましくは、「ＡＣパネル」の性能を改善するよう努力すると同時に、コスト及び信頼性の核心問題に重点的に取り組む。また、基本的な電力変換アーキテクチャは、コストを著しく低減し且つ信頼性を大幅に高めるためのラギング処理をカスタムＡＳＩＣｓに施す必要がある。次の章において説明するイーグル−ブラックプレーン集積化インバータＡＣパネルは、ＰＶソーラー設備に対する解決策の展望を大きく様変わりさせ得る次世代ＡＣパネル技術である。

一例において、本インバータ装置は、ソーラーパネルのバックプレーンに集積化可能であり、ＡＣパネル技術が直面する課題を克服する。本パネルは、ＡＣパネルの解決策に対する全体的なアプローチによって特徴付けられ、同時にコスト、信頼性、及び性能が製品設計において同時に対処される。以上のように、変換技術の以前のコスト低減はカスタムＡＳＩＣを用いてのみ可能であり、このことは一般的に電力電子回路に対しては一般的に難しい。高価な実装技術を用いるマルチチップモジュールは通常、より低いコストでカスタム電力回路を開発するために選ばれる手段である。本パネル技術はしかしながら、ＰＶパネルにおける複数のセルからなるグループによって発生されたＤＣ電力に対する「アンオ」変換を実施する革新的なマスタ／スレーブアーキテクチャに依存する。複数のセルによって扱われる電力が低減するため、現行のＡＣパネルは、９８％の効率よりも高い効率で２０倍〜４０倍の電圧ブーストを達成する画期的なＤＣ−ＤＣブースト回路を備える。また、回路は革新的な「エネルギリカバリ回路」を使用して、出力ブリッジにおける高価なＳｉＣダイオードの使用をなくしてそれらを安価なショットキーダイオードに置き換える。またこの革新的な回路によって、解決策全体が、わずかなコストで優れた性能を提供するラギングエッジＩＣ製造プロセスを用いてＡＳＩＣにおいて実装されることを可能にする。

本パネル技術の解決策は、最大２４個の「スレーブ」インバータＡＳＩＣｓと協働して動作する、「マスタ」制御及び通信ＡＳＩＣを有する。マスタ／スレーブＡＣパネルトポロジは、１２０Ｖ／２４０Ｖ／２２７ＶのＡＣパネルを提供するために６０個のセル、７２個のセル、又は９０個のセルの複数のＰＶパネルにより実装可能である、高度にスケーラブルな解決策である。これらのＡＣパネルは、独立してグリッド・タイドされることができ、３００Ｗから１ＭＷまでの全ての電力での導入を可能にする。各ＡＣパネルはグラウンドされたＡＣ出力と完全に一体化され、システムの組み立て及び設置プロセスは、完全に簡単且つ極めて安全になる。

マスタ／スレーブトポロジは、ＡＣパネルにおける複数のセルからなるグループに接続されるスレーブＡＳＩＣｓを制御する１つの単一のマスタＡＳＩＣからなる。これは「バックプレーン」を用いて達成され、バックプレーンは本質的に複数のセル接続のグリッドアレイであり、それらの配置を最適化して複数のセルをグループ化する。各セルグループは、スレーブＡＳＩＣの入力において少なくとも４〜７ＶのＤＣを提供することが期待される。「バックプレーン」の詳細は以下のセクションにおいて説明される。

ＡＣパネルマスタ／スレーブトポロジは、高価な磁気部品及びエネルギ蓄電コンデンサの必要性を低減する。ＡＣパネルのマスタＡＳＩＣは電圧と周波数のパラメータについてグリッドを監視して、それに応じて複数のスレーブインバータをイネーブル及びディスエーブルにする。パネルにおける複数のセルは、（多結晶シリコン／単結晶／薄膜のセルに応じて）１０個又は１２個のアレイに分けられて、複数のセルからなる各グループからそれらの対応するスレーブインバータの入力へのルーティング長を最適化する、カスタム設計された「バックプレーン」にされることが可能である。グループにおけるセルの数は、スレーブインバータへの必要な電圧入力によって決定され、種々の出力電力のＡＣパネルが可能である。各マスタＡＳＩＣは、最大で１２個のスレーブインバータを制御することができ、２４０Ｗから１．４Ｗまでの範囲内にある複数のＡＣパネルが設計可能である。この場合、パネルサイズに関する制限は、電気的な制約よりも機械的な制約によって決定され得る。また、最適なコスト削減は、およそ、２２７Ｖの出力を有する６４０Ｗのシステムで達成され得、当該システムは４８０Ｖの三相システムを可能にし得る。

図１は、本開示の実施形態に係る複数のセル及び関連する複数のインバータを備えるソーラーモジュールの簡単化された上面図である。図示するように、本プレーンインバータアーキテクチャは、逆変換処理を、ＭＰＰＴを用いたＤＣブーストと、パネルにおける複数のセルからなる各グループからの１２０Ｖ／２４０Ｖ／２７７Ｖの整流されたＤＣ波形の発生と、マスタＡＳＩＣによって制御されるＡＣアンフォルダ回路におけるそれらの電流の統合とに分ける。セル配置の最適化は、ＡＲＣフィルタインダクタと統合された極めて薄型の平面ＤＣブースト変圧器をスレーブインバータが有することを可能にする、カスタム設計された「バックプレーン」によって達成される。以下のセクションにおいて説明されるＤＣブースト回路は、２００Ｋｈｚのスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で「ゼロ電圧」スイッチングを達成するプロプライエタリのスイッチング技術を用いて、２０倍〜４０倍のブーストを達成する。スレーブインバータはまた、パネルグループの電圧及び電流を検知（センス）して、各セルグループからの電力を最適化するセル−グループレベルＭＰＰＴを実行する。これにより、インバータパワードＡＣパネルは、マイクロインバータと一体化されるＡＣパネルよりも著しく高い性能を発揮できる。全ての望ましい回路のカスタムＡＳＩＣへのエンキャプスレーションは、ＡＣパネルの信頼性を著しく改善し、２５年の通例よりもはるかに優れる。このより高い信頼性はまた、向上された性能及び実質的により低いコストを伴う。

図２は、本開示の実施形態に係るスレーブインバータに接続されたモジュールバックプレーンの簡単化された上面図である。ＡＣパネルの「バックプレーン」は、パネル上の複数のセルをスレーブインバータの電力回路を駆動する複数のグループにグループ化するカスタム設計されたグリッド装置である。電気回路の集積化された部分における「バックプレーン」（ＢＰ）は、セルレイアウトの最適化において重要な役割を果たす。

ＢＰは、各スレーブインバータに対して複数のセルグループを選ぶことによって、複数のマスタ／スレーブインバータの集積化におけるマイナーな改善を可能にする。各セルグループのスレーブインバータへの物理的な近接は、パネル組み立ての間に複数のセルが直接的に配置可能な複数の「ノード」を備えつつ、タブワイヤのより低いコストを実現する。ＢＰ回路は、マスタ／スレーブＡＳＩＣｓを保持するメインインバータＰＣＢに接続される付加プレーンレイヤである。ＢＰの形状とレイアウトは、ＡＣパネルのために使用される複数のセルの特性によって決定される。「薄膜」パネルに対して、大抵の個々のセルは並列に組み合わせられるため、ノードの数は、大抵の個々のセルが直列に接続される「多結晶シリコンパネル」のそれよりも、非常に小さい数であり得る。結果として、個々のセル分岐上のノードは、セル材料によって決定され、所望のセル出力電力と電圧に基づいて最適化される必要がある。ＢＰの目的は、それらからの入力ＤＣ電圧が少なくとも４Ｖであるように、最適なセルグループ化を確実にすることである。ＢＰはまた、複数のスレーブインバータの入力までのタブワイヤの長さを最小化することによって、タブワイヤの最小限の損失を確実にする必要がある。

特定の実施形態において、本発明は、バックプレーンに集積化されたインバータ装置を有するソーラーモジュール装置を提供する。本装置は、前面及び背面を備える基板部材を含む。本装置は複数のソーラーセルを有し、当該複数のソーラーセルは、第１のシリアル構成にて接続される複数のソーラーセルからなる第１のグループと、第２のシリアル構成にて接続される複数のソーラーセルからなる第２のグループとを備える。本装置は、基板部材の前面をオーバーレイすることによって形成されたタブワイヤ構成を有する。タブワイヤは、第１のシリアル構成にて複数のソーラーセルからなる第１の集合に接続された第１の相互接続部と、第２のシリアル構成にて複数のソーラーセルからなる第２の集合に接続された第２の相互接続部とを備える。本装置は、基板部材の背面に接続されたインバータ装置を有する。インバータ装置は、第１の相互接続部に接続された接続の第１の集合と、接続の第２の集合に接続された接続の第２の集合とを備える。

図３は、本開示の実施形態に係るマスタチップモジュールの簡単化された図である。図示のように、マスタチップモジュールはマスタＡＳＩＣである。マスタＡＳＩＣは、ＡＣパネルの中央制御部分をホストする。マスタＡＳＩＣは以下の特徴を有する。

１．最大で２４個のスレーブインバータ及び集積化されたＡＣアンフォルダを制御する。

２．内部同期を用いた、グリッド・タイドとオフグリッドのアプリケーションの両方のための制御アルゴリズム。

３．ＩＥＥＥ１５４７／ＵＬ１７４１グリッド条件のチェック、及び異常なグリッド／負荷又は低電力条件でのパネルの発電のイネーブル／ディスエーブル。

４．インバータの各々の電流出力の制御、及び異常なグリッド／負荷条件の場合におけるスレーブインバータのイネーブル／ディスエーブル

５．インバータのグリッド側／負荷側で何が出力されるかに対する、絶対的且つプリエンプティブな制御

６．個々のインバータ発電及び出力におけるＡＣパネルの累積の発電を監視する。

７．スレーブ制御ＡＳＩＣに対する比例リファレンス整流グリッド電圧を生成し、１２０／２４０／２７７ＶのＲＭＳ整流グリッド波形を生成する。

８．出力アンフォルダを入力されるグリッド電圧又は負荷側整流に同期させて、最小のＴＨＤを有するクリーンな正弦波状のＡＣ波形を生成する。

９．有線／無線の物理レイヤ上の任意の中央データ収集システムへの通信

一例において、マスタＡＳＩＣは、複数のスレーブインバータの各々から出力された電圧信号及び電流信号を測定し、それらの各々に対する比例ＭＰＰＴ設定点を生成する。マスタＡＳＩＣのアーキテクチャのブロック図が示される。

スレーブＡＳＩＣは、パネル上の複数のセルの所与のグループに対するインバータの発電制御ＡＳＩＣである。それは、そのＤＣ入力を、複数のセルからなる直列若しくは並列のグループから受ける。スレーブインバータＡＳＩＣの特徴は以下の通りである。

１．セルグループの電圧及び電流を監視する。

２．セルグループ電流／電圧のＭＰＰＴ制御を行い、それらがＭＰＰ点で動作することを確実にする。

３．マスタＡＳＩＣを介して監視及び報告を行うために電流／電圧／温度データを照合する。

４．ＡＣパネル構成による要求の通りに１２０Ｖ／２４０Ｖ／２７７Ｖで出力アンフォルダブリッジに対する整流された正弦波形を生成する。

５．グリッド相互接続又はマスタＡＳＩＣによる負荷側整流に対する、高い品質及び低い高調波歪み（ＴＨＤ）の出力整流正弦波形を維持する。

６．高速且つ精度の高い混合信号制御ループを行い、マスタＡＳＩＣからの入力されるリファレンス信号を追跡する。

７．グリッド・タイド動作に対する平均電流モードコントローラと、オフグリッドアプリケーションに対する電圧モードピーク電流モードコントロールとにおける動作

８．精度の高い制御状態機械及びデータ参照エンジンを有するＲＩＳＣプロセッサ。

図４は、本開示の実施形態に係るスレーブチップモジュールの簡単化された図である。図示のように、制御ＡＳＩＣのブロック図が示される。

特定の実施形態において、本発明は、ソーラーモジュールのための分散化された電力コンバータを提供する。本システムは複数のスレーブ回路を有し、それらの各々はソーラーセルグループに接続される。複数のスレーブ回路の各々は、ソーラーセルグループからのＤＣ入力を備える入力を有する。スレーブ回路は、入力に接続された予備ブースト回路を有する。予備ブースト回路は、ソーラーセルグループからの入力からの入力電圧を中間電圧にブーストするように構成される。スレーブ回路は、予備ブースト回路に接続されたＤＣブースト回路を有し、また中間電圧をＡＣ−ＲＭＳピーク電圧にブーストするように構成される。スレーブ回路は、ＤＣブースト回路に接続された整流器回路を有し、またＤＣ出力を、半波整流されたＤＣ波形に波打たせるように構成される。また、スレーブ回路は好ましくは、整流器回路におけるダイオードリカバリ損失を低減するように構成される。

一例において、本システムは、ＤＣバス構造及びマスタ回路に接続された出力を有する。マスタ回路は、ＤＣバス構造を介して複数のスレーブ回路の各々に接続される。マスタ回路はタイミング信号を発生して複数のスレーブ回路の各々を同期させるように構成され、スレーブ回路は、同期された半波整流されたＤＣ波形を発生する。複数のスレーブ回路は、複数のスレーブ回路の各々からの複数の振幅の各々の組み合わせによって特徴付けられる振幅を有する、結果として得られる半波整流されたＤＣ波形を、出力する。

一例において、各入力は第１の端子及び第２の端子を備える。複数の予備ブースト回路の各々は、ブースト回路内に接続された容量性蓄電部に接続された誘導性蓄電部を備える。ＤＣブースト回路の各々は、位相シフトフルブリッジブースト回路、又はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）若しくはゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）若しくはＺＶＳとＺＣＳの両方を達成するアドバンストブースト回路を備える。整流器回路の各々は、エネルギリカバリ回路と接続された４ダイオードブリッジ回路を備える。複数の出力の各々は、ＤＣバス構造に接続された端子の対を備える。

一例において、本システムは種々の電圧を有する。一例として、入力は、少なくとも４ボルトの電圧を備える。一例において、中間電圧は、およそ１５ボルトから２０ボルトまでの範囲内にある。一例において、半波整流されたＤＣ波形は、およそ１６０ボルトから３５０ボルトまでの範囲内にある電圧を有する。一例において、複数の半波整流されたＤＣ波形の各々は、結果として得られる統合された電流波形に実質的に類似する電圧によって特徴付けられ、当該統合電流波形は複数の半波整流されたＤＣ波形の各々によって生じる複数の電流に実質的に等しい。上記複数の電流の数は、複数のスレーブ回路におけるスレーブ回路の数に等しい。

一例において、複数のソーラーセルからなる各グループは、直列の方法で構成され且つスレーブ回路に直接的に接続された複数のソーラーセルからなるグループからの出力電力が最適化されるように、スレーブインバータ回路を備える。一例において、複数のスレーブ回路の各々は、複数のソーラーセルからなる各グループから導かれるＤＣソースと、グリッドソース又は別の装置によって発生されたリファレンスＡＣ信号のいずれか一方からのものである組み合わせられたＡＣ供給との間のガルバニック絶縁を提供する。一例において、複数のスレーブインバータ回路の各々はコモン信号が停止され、またＤＣからＡＣへの変換が実行されないようにされて、グリッドソースに接続されるときの安全性を向上させる（分離防止）。一例において、分散化された電力コンバータは、複数のソーラーモジュールのうちの１つの基板の裏側に配置され、また接続箱又は電力アグリゲータの制約を実質的に受けない。一例において、マスタ回路は、ＤＣバス構造上の電圧と電流の波形をアンフォルドするように構成される。

代替の実施形態において、マスタ回路を有するソーラーモジュール装置はタイミング信号を発生して、複数のスレーブ回路の各々によって発生された同期された半波整流されたＤＣ波形の各々をグリッドＡＣ信号若しくはリファレンスＡＣ信号に同期させて、オングリッドアプリケーション及びオフグリッドアプリケーションにおいて、モジュールに配置される複数のソーラーセルグループのＤＣ−ＡＣ電力変換を可能にする。

一例において、マスタ回路は少なくとも１つの維持管理（ハウスキーピング）動作のために構成されて、オングリッドモードに構成されたときのグリッドＡＣ信号に関する外部条件における変化に応答して、複数のスレーブ回路の各々の性能を調整する。一例において、マスタ回路は、少なくとも１つの維持管理（ハウスキーピング）動作のために構成されて、オフグリッドモードに構成されたときのリファレンスＡＣ信号に関する外部条件の変化に応答して複数のスレーブ回路の各々の性能を調整する。一例において、同期された半波整流されたＤＣ波形はＡＣの電圧と電流の波形に変換されて、構成されたアプリケーション毎に提供されるＡＣアンフォルディング回路の選択を介して、オングリッド動作に対してはユーティリティグリッドに、又はオフグリッドアプリケーションに対してはマイクログリッドに、電力を供給する。一例において、マスタ回路及びアンフォルディング回路は、センス回路の組み合わせを用いて、グリッドＡＣ信号若しくはリファレンスＡＣ信号を監視し、スレーブ回路のリファレンス信号を発生し、同期された半波整流されたＤＣ波形を発生し、各セルグループから出力される電力を合計する。

一例において、本発明は、ソーラーモジュールのための分散化された電力コンバータの使用の方法を提供する。本方法は、モジュールに配置される複数のソーラーセルグループからのソーラーセルグループからのＤＣ出力を発生するステップと、入力に接続された予備ブースト回路の入力におけるＤＣ出力を受けるステップと、含む。本方法は、予備ブースト回路を用いてソーラーセルグループからの入力からの入力電圧を中間電圧にブーストするステップを含む。本方法は、ＤＣブースト回路を用いて、中間電圧を、ＡＣ−ＲＭＳピーク電圧にブーストするステップを含む。本方法は、整流器回路におけるダイオードリカバリ損失を低減しながらＤＣ出力の波形を半波整流されたＤＣ波形に波打たせるステップと、マスタ回路からタイミング信号を発生して、半波整流されたＤＣ波形を同期させ、同期された半波整流されたＤＣ波形を発生するステップとを含む。本方法は、同期された半波整流されたＤＣ波形を他の複数の同期された半波整流されたＤＣ波形と組み合わせて、複数の同期された半波整流されたＤＣ波形の各々からの各振幅の組み合わせによって特徴付けられる振幅を有する、結果として得られる半波整流されたＤＣ波形を出力するステップを含む。本方法の更なる詳細は、本明細書を通して、より具体的には以下から理解可能である。

図４Ａは、本発明の実施形態に係るマスタチップモジュール及びスレーブチップモジュールの動作の簡単化されたフロー図である。

図４Ｂは、本発明の実施形態に係るマスタチップモジュール及びスレーブチップモジュールの動作の簡単化されたフロー図である。

図５は、本開示の実施形態に係るフィルタ、位相シフタ、ＲＥＲＣ、及びブースト回路を含む（位相シフタ及びＲＥＲＣを含む）、図４のスレーブ回路のより詳細な図である。図示のように、ブースタステージは、高い効率で２０倍〜４０倍の電圧ブーストを可能にするスレーブインバータＡＳＩＣの重要な部分である。また、このブーストコンバータ回路は、ラギングエッジ処理技術における電力回路のエンキャプスレーションを可能にする複数の低電圧ＭＯＳＦＥＴを使用するように設計される。コスト削減は、ＳｉＣダイオードの代わりに安価な超高速シリコンｐｎ接合ダイオードの使用によって更に達成され、革新的な「整流器エネルギリカバリ回路」は、損失を最小化して９８％の効率より高い効率をもたらす。ブースト回路は３つのステージ（３段）からなり、これらは以下に詳細に説明される。

位相シフトフルブリッジコンバータ

ＰＳＦＢ（位相シフトフルブリッジ）コンバータは、一定デッドタイムラギング位相レグ平均電流モード制御システムと協働する。ＰＳＦＢ及びＲＥＲＣは協働して、変圧器の一次的及び二次的な寄生と共に変圧器の磁化インダクタンスを用いて、ＺＶＳ動作が任意のデューティーサイクルに対して有効である方法で１次側のスイッチング要素（Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６）をソフトスイッチングする。ＰＳＦＢを含む通常の設計は、一次側の経路における変圧器又は付加的なインダクタの漏れインダクタンスを用いて、一次側のスイッチング要素上でＺＶＳを達成する。この回路の主要な利点は、変圧器の出力を整流するダイオードＤ１〜Ｄ４がインダクタとともにフリーホイールしないことである。そのため、整流器ダイオード上で完全な不連続導通モード（ＤＣＭ）が達成される。

動作のＤＣＭモードは、磁化インダクタンスをＭ３，Ｍ４とＭ５，Ｍ６の間のデッドタイムの期間中にゼロ電圧スイッチングのために一次側の要素にさらす、所定の時間間隔でカットオフを行うため、変圧器にとって極めて重要である。これらの要素が非常に高い周波数でスイッチング可能であり、これによって回路において必要とされる変圧器、インダクタ、及びコンデンサのサイズを縮小できるため、一次側の要素のゼロ電圧スイッチングは非常に望ましい。スレーブインバータは集積化されて効果的に組み立て可能であり、２５０Ｋｈｚからフェライト材料の能力が制限される約２ＭＨｚまでの周波数で磁気スイッチングを行う。

本回路の優れた特徴は、無損失である一次磁化インダクタンスを用い、回路の一次部分を実際にフリーホイールし、コンバータのスイッチング損失を小さなレベルにまで大幅に低減して一次側のスイッチング要素のコモンモード導通損失を低減し、スイッチ上の最小の寄生を用いて、ＺＶＳ整流を達成することである。変圧器におけるエネルギ蓄電部は、ＺＶＳ整流のために使用されるより高いインダクタンス値により非常に低くなり、また漏れインダクタンスの必要性を無効化し、それによって変圧器の一次巻線及び二次巻線が高い結合係数で密に接続される。一次側のスイッチング回路は、変圧器の一次磁化インダクタンスの０〜１０％の範囲における一次漏れインダクタンスに対してＺＶＳモードにおいて十分に作動し、このことは漏れインダクタンスが一次側のスイッチング要素のＺＶＳ転移の整流において果たす役割は小さいことを示す。

整流エネルギリカバリ回路

整流エネルギリカバリ回路（ＲＥＲＣ）は、ＺＶＳ領域において作動するために、ＰＳＦＢ回路の極めて重要な部分である。ＲＥＲＣは逆リカバリ電荷を、整流器ダイオード（Ｄ１〜Ｄ４）上に少しでもあれば除去し、これにより、効果な高電圧ＳｉＣショットキーダイオードとは対照的に、通常の安価なシリコンｐｎ接合ダイオードを使用することが可能となる。

ＲＥＲＣは、ダイオードＤ１〜Ｄ６の接合エネルギをコンデンサＣ１にリカバーし、次いでそのエネルギを出力に伝送し、従って、ダイオードＤ１〜Ｄ４をショットキーダイオードとして多数キャリア装置のように振る舞わせる。

ＲＥＲＣはまたインダクタをフリーホイールし、Ｄ１〜Ｄ４を、出力電力レベルに関わりなく常にＤＣＭに保たせる。ダイオードＤ１〜Ｄ４をＤＣＭに保たせることは、これがスイッチング損失を小さな値にまで無効化するため、コンバータにとって極めて重要であり、従ってコンバータは、回路における誘導性及び容量性の要素を低減する、非常により高い周波数で動作可能であり、それによって回路の形状因子及びサイズが低減される。

ＡＲＣフィルタステージ

アクティブリップルキャンセル（ＡＲＣ）フィルタは、入力ソーラーパネル電圧において発見されるＤＣ電流リップルをキャンセルする。Ｍ１及びＭ２スイッチは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの動作原理に基づいて動作する。ＡＲＣフィルタは、ＰＳＦＢの低導通状態の期間中、コンデンサＣ２を、規定された電圧に充電し、またＰＳＦＢコンバータの高導通状態の期間中、コンデンサを放電する。

ＡＲＣフィルタは、一定デッドタイム平均電流モード制御を用いて、完全にゼロ電圧スイッチングがされた動作において、スイッチを動作させる。ＡＲＣフィルタは、アルミニウム電解コンデンサを、高い信頼性を有する金属フィルムコンデンサ若しくはより低い静電容量値を有するセラミックコンデンサと交換することを目的とする。

コンデンサＣ２は、コンデンサの定格がＶｉｎとＶｍａｘの間である電圧スケール上で十分に活用される。ＡＲＣフィルタは、ＰＳＦＢによって導かれる１２０Ｈｚ／１００Ｈｚライン周波数リップルをろ波して、ソーラーパネルによって見られる電流リップルを最小化する。

ＡＣアンフォルダ回路

ＡＣアンフォルダ回路は、本実施に対して望ましい。ナノインバータブースト回路の各々の統合された電力は、ＡＣアンフォルダ入力Ｖ＋／Ｖ−に対して利用可能である。ブースト回路の出力は整流された正弦波であるため、アンフォルダ回路は、入力される整流された正弦波をライン周波数ＡＣ正弦波に変換する。原理上は、アンフォルダ回路は、ブースト回路がいかなる電力も生成しないとき、ラインからの整流された正弦波形がブースト回路出力に入るのを抑える必要がある。アンフォルダ回路はハードスイッチングされるが、スイッチング損失は、通常ライン周波数（５０／６０Ｈｚ）である低いスイッチング周波数によって無視可能である。

以下のセクションにおいてＡＣアンフォルダを実施する種々のスキームが特定され、それらはまた図６、７、及び８において参照される。

ＭＯＳＦＥＴアンフォルダ

このスキームにおいて、ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４は、アンフォルディング整流回路を形成する。ラインとニュートラルの間の電圧が正であるとき、Ｍ１，Ｍ３，Ｍ５はオンであり、またラインとニュートラルが負であるとき、Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５はオンである。ラインフィルタは、Ｌ１，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を備え、アンフォルディング回路からのスイッチング過渡効果をろ波する。ダイオードＤ１は逆阻止ダイオードを形成し、これはシステムがいかなる電力も生成していないときにボディダイオード整流がブースト回路出力に流入することを許さない。ダイオードＤ１の損失を低減するために、スイッチＭ５が使用され、スイッチＭ５はシステムからの発電があるときにオンされる。このアンフォルディングスキームは、最大で２５０Ｖ Ｒｍｓの電圧における低導通損失実施を許容する。この実施のアンフォルダデッドタイムは、２００ｎｓ未満であることが可能であり、これによってアンフォルダ出力が、２％未満のＴＨＤを有する非常にクリーンな正弦波になる。出力スイッチが制御可能であるため、本システムは、ライン周期のいかなる時点においても遮断可能である。

ＩＧＢＴアンフォルダ

このスキームにおいて、ＩＧＢＴ Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、アンフォルディング整流回路を形成する。ラインとニュートラルの間の電圧が正であるとき、Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５はオンされ、ラインとニュートラルが負であるとき、Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５はオンされる。ラインフィルタは、Ｌ２，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６を備え、アンフォルディング回路からのスイッチング過渡効果をろ波する。ダイオードＤ１は逆阻止ダイオードを形成し、これはシステムがいかなる電力も生成していないときにボディダイオード整流がブースト回路出力に流入することを許さない。ダイオードＤ１の損失を低減するために、スイッチＱ５が使用され、スイッチＱ５はシステムからの発電があるときにオンされる。このアンフォルディングスキームは、４００Ｖから最大６００Ｖ Ｒｍｓとの間の電圧における低導通損失実施を許容する。この実施のアンフォルダデッドタイムは、５００ｎｓ未満であることが可能であり、これによってアンフォルダ出力が、３％未満のＴＨＤを有する非常にクリーンな正弦波になる。素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４が１０ｕｓの時間期間の定格の短絡を有することととなるため、本システムは頑丈となる。出力スイッチが制御可能であるため、本システムは、ライン周期のいかなる時点においても遮断可能である。

ＳＣＲアンフォルダ

このスキームにおいて、ＳＣＲ Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４はアンフォルディング整流回路を形成する。ラインとニュートラルの間の電圧が正であるときＴ１，Ｔ３はオンされる。ラインとニュートラルが負であるとき、Ｔ２，Ｔ４５はオンされる。ラインフィルタは、Ｌ３，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９を備え、アンフォルディング回路からのスイッチング過渡効果をろ波する。ＳＣＲは一方向性の導通素子であるため、本システムは阻止ダイオードを必要としない。このアンフォルディングスキームは、１００Ｖから最大６００Ｖ Ｒｍｓの間の電圧における低導通損失実施を許容する。この実施のアンフォルダデッドタイムは、１００ｕｓ未満であることが可能であり、これによって出力が、５％よりもわずかに低いＴＨＤを有する正弦波になる。素子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が１０ｕｓの時間期間の定格の短絡を有することととなるため、本システムは頑丈となる。出力スイッチがオン及びオフに制御可能であるため、本システムは、ライン周期のゼロ交差のときのみ遮断可能である。

ＡＣパネルの重要な特徴は、マスタによって複数のスレーブインバータの各々から発生された電力の統合を残す。小さな電流での電力統合は非常に困難であるため、ＡＣパネルの統合と制御の態様は望ましいままである。ＡＣパネルのマスタ／スレーブアーキテクチャは、簡単な制御アルゴリズムを用いた電力統合を可能にする位置にない２つのアーキテクチャの特徴を有する。

１．複数のスレーブインバータからの一様な電圧でのリファレンス同期整流ＤＣ出力波形

２．複数のスレーブからのマスタによって発生されたリファレンス信号に合致する同期された電流波形。

例えば、ＡＣアンフォルダの出力において１２０ＶのＡＣを発生するために、マスタは、複数のスレーブインバータの整流されたＤＣ電圧を、１６９ＶのＲＭＳに設定し得る。

図９は、本開示の実施形態に係るスレーブ回路から導かれる波形である。１２０ＶのＡＣ出力に対する複数のスレーブインバータの各々からの出力電圧波形は図示の通りである。

図１０は、本開示の実施形態に係る複数のスレーブ回路に接続されたマスタ回路の全体図を示す。電圧設定点に加えて、リファレンス同期信号は、グリッド・タイドアプリケーションに対しては２．５Ｖｐ−ｐのグリッド電圧が逓減された低電圧であり得、またオフグリッドアプリケーションに対しては２．５Ｖｐ−ｐの整流された正弦波がマスタ発生された低電圧であり得、またリファレンス同期信号は、複数のスレーブインバータの各々からの同一の電圧波形を確かにする。複数のスレーブインバータは、それらのＭＰＰ点に対応してマスタによって提供される電流設定点に応じて、一致する電流波形を更に発生する。これらのリファレンス点はまた、マスタが１０ｕｓ未満でスレーブインバータをイネーブル／ディスエーブルにすることを助け、種々の安全基準に対する単独運転防止要件を満たす。リファレンス信号、電圧設定点、及び電流点と共に、フールプルーフシャットオフは、相対的に簡単な制御ループを用いて複数のスレーブインバータにおいて実装可能である。同時に、定常状態実行時性能は、マスタからのこれらのリファレンス信号を用いて不備の無い状態にされて、これによってスレーブに対する制御ループが絶対的に基本的になる。複数のスレーブインバータの各々に対するＭＰＰ点は、複数のスレーブにおけるＡＭＳコントローラよりも非常に高い計算力を有するマスタによって決定される、という点に留意すべきであることが重要であるマスタは、各ＡＣ周期において複数のスレーブ装置の各々からの電流と電圧の値をサンプリングして、それらの対応する設定点を決定する。次の図は、ＡＣアンフォルダ（ここに示すＭＯＳＦＥＴアンフォルダ）に電力供給するために統合された複数のスレーブインバータ出力の相互接続の回路を示す。並列相互接続は、複数のスレーブの各々から発生された同一の波形により、可能である。複数のスレーブの各々から発生された電流波形はまた、マスタによって提供されるリファレンス信号に合致して同期された、整流された正弦波である。種々の振幅レベルにおける電力波形の集合（アグリゲーション）は、それらの位相が整列され且つ周波数が修正されているため、出力ＴＨＤ上にいかなるベアリングも有さない。ＭＯＳＦＥＴ回路を有するＡＣアンフォルダの入力は、統合された整流されたＤＣ電流及び電圧波形はろ波されることを確実にし、滑らかな正弦波を確かにする。ＡＣアンフォルダ回路は従って、整流されたＤＣ電圧とＤＣ電流の波形を、必要なライン周波数で所望のＡＣ波形に変換する簡単な整流回路であることができる。出力ラインフィルタは、パネルから直接的に得られる１２０Ｖ／２４０Ｖ／２７７Ｖの単相又は２４０Ｖの分相のＡＣ出力を提供するように設計される。これは、１５Ａの電流定格を有する、任意の通常のグラウンドされたＡＣコネクタであることができる出力ＡＣケーブル設計を簡単化する。次の図は、リファレンス電圧波形に対してプロットされた、複数のスレーブインバータからの独立した電流波形を示す。図における最後の波形は、統合されたＡＣパネルの電圧と電流の波形を示す。を示す。

図１１は、本開示の実施形態に係る複数のスレーブ回路の各々からの電圧と電流の波形の各々と、電圧と電流の波形の各々の集合（アグリゲーション）とを示す。注意：説明：「Ａ」波形はグリッド電圧である「Ｂ」は１００倍の電流波形である。

図１２は、本発明の実施形態に係るガラス／フレーム、複数のソーラーセル、バックプレーン）、及びインバータを含む、ＡＣモジュール又はパネルである。図示のように、ＡＣパネルは、ソーラーＰＶ設備におけるＡＣパネルの幅広い採用の制限の課題を克服する。３つの重要な態様−コスト、信頼性、及び性能−の各々において、ＡＣパネルの解決策は、電流の解決策よりもはるかに優れる。接続箱ダイオードの除去は、この例において直接的に２〜３％の電力損失を防ぐ。ＭＰＰＴで機能する各セルグループは汚れ損失を大幅に低減し、そのためソーラーパネルは部分的に影となる条件においても動作することができ、同一の条件下では通常のマイクロインバータ／中央インバータ上でより高いＭＰＰ性能がもたらされる。セルグループ性能の最適化又は改善は、全体のＭＰＰ性能を、一例において５〜１０％だけ改善する。複数のスレーブインバータは、ＰＳＦＢ回路及びＲＥＲＣ回路も用いて、９８％よりも高い効率を提供する。全体の効率は、この例においてＡＣを供給するパネルから、９７％よりも高い。

ＺＶＳスイッチングは、たとえ一例において約４０倍のブーストを有する２４０Ｖ／２７７Ｖのシステムに対しても、高い効率を提供する。全体のシステム性能は、中央インバータ又は通常のマイクロインバータを有するＤＣオプティマイザの組み合わせを、条件に応じておよそ５〜１０％だけ上回る。商業スケールにおける全体のシステム効率は、現場の条件下で、９１〜１３％から、約９６％まで（ＡＣケーブル設計によって制限される）改善可能である。一例において、ケーブルコストの除去は、ＡＣパネルのコストを、一例において約２０％だけ低減させる。インバータに対するエンクロージャの除去は、一例においてコストの５％を除去する。パネルにおける接続箱の除去は約１５ドルを削減する。ＤＣケーブルコネクタの除去は、一例において約７ドル削減する。アセンブリコストの除去は、一例においてパネル及びマイクロインバータに関連する。バックパネル及び集積化されたインバータＰＣＢの組み合わせは、一例においてパネルコストを削減する。カスタムＡＳＩＣにおける電力回路のエンキャプスレーションは、電力回路のコストを、一例においてその個別の解決策の６０％だけカットする。制御及び通信ＡＳＩＣのエンキャプスレーションは、マスタコントローラのコストを、一例において電流の個別の解決策の約５０％に低下させる。インバータベースのマスタ／スレーブアーキテクチャは、磁気のコストを、一例において５０％だけ低下させる。インバータベースのマスタ／スレーブアーキテクチャは、ライン周波数電力の金属フィルム蓄電部を、一例において８０％だけコストを低下させる高度に不活性なセラミックコンデンサと交換する。解決策は、一例においてインバータ及びＢＯＳに対して導入された０．１２ドル／ワットのＤＣに近づく。ＤＣグラウンドの除去はＤＣ−ＧＦＤＩに対する必要性を無くし、これはＢＯＳコストを一例において５％だけ低下させる。

一例において、光遮断器及び個別のゲートドライブ回路は、ＭＴＢＦを改善することが除外される。集積化された平面状の磁気部品は、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）、現場の再現性、及び簡単化された製造工程を改善する。スレーブＡＳＩＣ上の電力回路のエンキャプスレーションは、信頼性を改善する。スレーブＡＳＩＣにおける制御及びセンス回路のエンキャプスレーションは、劣化する傾向がある個別の部品を排除する。自動車用セラミックコンデンサを用いた大容量金属フィルムコンデンサの排除は、大きなマージンによって製品の信頼性と電力密度を改善する。

一例において、本発明は、バックプレーンに集積化されたインバータ装置を有するソーラーモジュール装置の組み立ての方法を提供する。本方法は、前面及び背面を備える基板部材を準備するステップを含む。基板部材は、その上にタブワイヤ構成（例えばアルミニウムや銅の材料）を有する。本方法は、複数のソーラーセルを接続するステップであって、当該複数のソーラーセルは、第１のシリアル構成にて接続される複数のソーラーセルからなる第１のグループと、第２のシリアル構成にて接続される複数のソーラーセルからなる第２のグループとを備え、タブワイヤ構成は基板部材の前面をオーバーレイして形成される、ステップを含む。タブワイヤは、第１のシリアル構成において複数のソーラーセルからなる第１の集合に接続された第１の相互接続部と、第２のシリアル構成において複数のソーラーセルからなる第２の集合に接続された第２の相互接続部とを備える。本方法は、インバータ装置を基板部材の背面に接続するステップを含む。インバータ装置は、第１の相互接続部に接続された接続の第１の集合と、接続の第２の集合に接続された接続の第２の集合とを備える。複数のソーラーセルからなる第１のグループは第１のＤＣスレーブ回路を備え、複数のソーラーセルからなる第２のグループは第２のＤＣスレーブ回路を備える。一例において、ソーラーモジュールは、単一のアセンブリにおいて、バックプレーンと、複数のソーラーセルと、タブワイヤと、集積化インバータとを含むサンドイッチ構造を備える。基板は、一例において、ガラス、エポキシ樹脂、又は他の電気絶縁材料から作られる。

図１３、１４、及び１５を参照する。１６６６個の正弦波サンプルを絶対値（正のパルスのみ）パルスに変換する変圧器の第２のアレイにおけるフルブリッジ整流器回路からの複数の波形が図示される。結果として複数のダイオードは各正弦波周期の期間中に１６６６回のスイッチングを行う。ＰＳＦＢによって変圧器を渡り伝送されたエネルギの一部は、整流器ブリッジにおけるダイオードがスイッチングを行うたびに、失われる。コモンダイオード電力損失は、スイッチングのときにダイオードに現れる逆リカバリ電荷に起因する。逆リカバリエネルギ損失（図１５）は、Ｖｍ＊Ｉｒｒｍ＊ｔｒｒ／２によって与えられる。実際の損失に対する像を参照せよ。スイッチング回数が高いため、この損失は非常に大きい。整流エネルギリカバリ回路は実際は、付加的な受動素子を付加して、これらの損失を抑える（スナブする）。スナバ回路における付加的なコンデンサＣ３は、逆リカバリ期間の期間中充電され、またダイオードが実際に導通する期間中に出力に再利用される。１６６６回のスイッチング周期の期間に亘って、３〜４％の電力損失が、ＲＥＲＣ回路によって抑えられ得る。ＲＥＲＣ回路を用いた若しくは用いない複数の整流器ブリッジダイオードに亘るスイッチング電圧の波形は、図１３及び１４に示される。

図１６を参照し、本ウェーブシェーパ回路は、変圧器に接続された４個のパワーＭＯＳＦＥＴを含む位相シフトフルブリッジ回路を含む。ＭＯＳＦＥＴは、交代的にスイッチングされ（ハイのレグでオン、且つローのレグでオフ、逆の場合も同じ）、個々のレグの波形は位相シフトされる。ＭＯＳＦＥＴのオン／オフの相対的な位相シフトは、変圧器の入力においてデジタル正弦波を発生する。一連のそのようなデジタル正弦波は、変圧器の二次側の出力におけるインダクタを渡り（６０Ｈｚ／５０Ｈｚのライン周波数に対して）１２０Ｈｚ／１００Ｈｚの半波電圧波形を発生する。出力を渡る電流波形はまた、振幅に対応する半波整流正弦波である。６０Ｈｚのライン周波数に対して、デジタル正弦波の約１６６６個のサンプル（波形５）は、複数の半波整流正弦波の２つを発生する。種々の位相を伴ったフルブリッジにおける複数のＭＯＳＦＥＴのスイッチングの位相シフトは、導通損失を低減させるゼロ電圧スイッチングをもたらす。同時に、ＺＶＳモードにおいて動作するＰＳＦＢは、より高い周波数のスイッチングを許容し、それによってスイッチング損失が低減される。

一例において、本発明はインバータ装置を提供する。本装置は、整流されたＤＣ波形を発生するように構成されたスレーブインバータ回路と、スレーブインバータ回路に接続され、複数のソーラーセルからのＤＣソースに接続されるように構成され、ＡＣ電流リップルをろ波してＤＣソースに戻してＤＣ電圧を中間の１２〜１５ボルトの範囲にブーストするように構成された能動的リップルキャンセルブースト回路とを含む。本装置はまた、スレーブインバータ回路に接続されたウェーブシェーパ回路と、位相シフトゼロ電圧スイッチングフルブリッジ回路と、整流器エネルギリカバリ回路とを備える。位相シフトゼロ電圧スイッチングフルブリッジ回路は、ＤＣソースを、半波整流された１２０Ｖから２４０Ｖまでの波形に成形するように構成される。整流器エネルギリカバリ回路は、スイッチング動作の期間中にエネルギをリカバリして波形の形成を引き起こす。本装置はまた、ＰＷＭ波形を発生して、整流された波形をグリッド電圧に同期させるように構成され、且つ複数のソーラーセルに接続された複数のセンス回路を管理してセルグループ電圧とセルグループ電流を記録するように構成されたように構成されたアナログ混合信号若しくはデジタルコントローラモジュールを含む。

特定の実施形態において、インバータ装置は変形例を有する。インバータ装置は、複数のアナログ混合信号若しくはデジタルコントローラモジュールに対して構成された、マスタ側制御モジュールを更に備える。マスタ制御モジュールは、複数のアナログ混合信号制御モジュールの各々に対してリファレンス信号を発生し、インバータ装置の各々から電力ライングリッドへの整流された波形をオン／オフするように構成される。マスタコントローラモジュールは、電力ライングリッドに接続され、所与の時間においてグリッド電圧及びグリッド周波数を測定する検出装置を備える。マスタ制御モジュールは、グリッド電圧及び／又はグリッド周波数からの情報を用いて複数のインバータ装置の各々をオン／オフするように構成される。マスタコントローラモジュールは、ソーラーモジュールのバックプレーンへの取付けによってソーラーモジュール上に構成される。バックプレーンは、接続箱又は電力アグリゲータからの制約を実質的に受けない。インバータ装置は、複数のソーラーセルグループ更に備え、複数のソーラーセルグループの各々は、ＤＣスレーブ回路へのＤＣ入力を有する。マスタコントローラは、ＳＣＲ、ＭＯＳＦＥＴ、又はＩＧＢＴ回路のうちの１つを有するＨ−ブリッジ回路を備えるアンフォルダ回路を制御するように構成される。アンフォルダ回路は、複数のスレーブインバータ回路によって発生された複数の電流波形を統合（アグリゲート）することによって電力ライングリッドに電力を供給するための閉ループ制御アルゴリズムを用いて、制御される。

代替例において、マスタコントローラ及び複数のアナログ混合信号若しくはデジタルコントローラは、複数のリファレンス信号と、複数のソーラーセルグループの各々からの少なくとも１つの電圧／電流レベルを交換するように構成される。マスタコントローラは、電力ライングリッド周波数における決定された所望の限度内で、電力ライングリッド電圧に比例するリファレンス電圧波形を発生する。マスタコントローラは、アナログ混合信号若しくはデジタルコントローラによって受信したとき、瞬間シャットオフ信号の発生の開始の５００ミリ秒以内にスレーブインバータ回路の複数のスイッチング回路をパワーダウンさせる、瞬間シャットオフ信号を発生する。マスタコントローラは、出力電圧波形に変調された付加的な正弦波を発生して、電力ライングリッドがあるときに電力ライングリッド電圧波形の任意の変化からの制約を受けない電力ライングリッド電圧波形を変形させ、又は、出力電圧波形に変調された付加的な正弦波は出力電圧波形を変形させて、出力電圧波形は電力ライングリッドが無いときにスレーブインバータ回路の遮断を開始する。

一例において、アナログ混合信号若しくはデジタルコントローラによって制御されるスレーブインバータ回路は、スレーブインバータ回路に接続されたセルグループから出力された電力を継続的に監視して、電力レベルを変更し且つセルグループの最大電力点（ＭＰＰＴ）を追跡することによって電力出力を最大化する。アナログ混合信号若しくはデジタルコントローラによって制御されるスレーブインバータ回路は、電力出力を、セルグループ上に与えられる照射の変化に起因して種々の電力出力レベルに最大化する。アナログ混合信号若しくはデジタルコントローラによって制御されるスレーブインバータ回路コントローラは位相ロックループ（ＰＬＬ）回路を備え、マスタ回路によってサンプリングされたリファレンス電圧を同期させて、出力電流及び電圧波形を成形する。スレーブ回路は、半波整流された波形を発生するダイオードブリッジにおけるエネルギ損失を低減するように構成された電力損失低減回路を備え、エネルギ損失回路は、ＣＭＯＳ回路又はＳｉＣ回路によって提供される。

一例において、バックプレーンは、複数の規定された点においてバックプレーンのプリント回路ボードに電力供給される複数のソーラーセルグループからの複数のＤＣ入力を備え、複数の規定された時点を複数のスレーブインバータ回路及び予備電力供給と接続する。予備電力供給は電力を供給して、複数のスレーブインバータ回路、マスタコントローラモジュール、アンフォルダ回路、通信コントローラ、及び他の関連する回路を動作させる。予備電力供給は、複数のセルからなるグループの設計と関連する複数の電圧レベルでトリガされるように適応される。ウェーブシェーパ回路は、位相シフトフルブリッジゼロ電圧スイッチ（ＺＶＳ）回路と、ダイオード損失リカバリ回路とを備える。

一例において、本発明はまた、本明細書において説明した回路及びシステムの機能性を実行するための関連する方法を含む。一例において、本発明は、インバータ装置を作動させる方法を提供する。本方法は、スレーブインバータ回路を用いて、整流されたＤＣ波形を発生するステップと、ＡＣ電流リップルをろ波してＤＣソースに戻すステップと、整流されたＤＣ波形を中間の１２〜１５ボルトの電圧範囲にブーストするステップと、整流されたＤＣ波形を半波整流された１２０Ｖから２４０Ｖまでの波形に成形するステップと、スイッチング動作の期間中に整流器エネルギリカバリ回路を用いてエネルギをリカバリするステップと、アナログ混合信号モジュール又はデジタルコントローラモジュールのうちのいずれか一方を用いてＰＷＭ波形を発生するステップと、整流されたＤＣ波形をグリッド電圧に同期させるステップと、複数のソーラーセルに接続された複数のセンス回路を管理して、セルグループ電圧及びセルグループ電流を記録するステップと、を含む。一例において、本方法は、複数のアナログ混合信号制御モジュールの各々に対してリファレンス信号を発生して、複数のインバータ装置の各々から電力ライングリッドへの整流されたＤＣ波形をオン／オフするステップと、を更に含む。上記記載は開示の例であって、例の変形及び変更は開示される特許請求の範囲内においてなされてもよいということが理解されるべきである。従って、添付の特許請求の範囲は、均等の全範囲を含む、そのような変更及び類似の装置の全てを包含するように、最も広い解釈で認められるべきである。

Claims (20)

1. ソーラーモジュールのためのインバータ装置であって、スレーブ回路装置を備える前記インバータ装置であって、
   ソーラーセルグループからのＤＣ入力を備える入力と、
   前記入力に接続された予備ブースト回路であって、前記ソーラーセルグループからの前記入力からの入力電圧を中間電圧にブーストするように構成された、予備ブースト回路と、
   前記予備ブースト回路に接続され、且つ前記中間電圧をＡＣ−ＲＭＳピーク電圧にブーストするように構成されたＤＣブースト回路と、
   前記ＤＣブースト回路に接続され、且つ前記ＤＣ出力を、半波整流されたＤＣ波形に波打たせるように構成された整流器回路であって、整流器出力を備える、整流器回路と、
   前記整流器出力に接続された蓄電デバイスを備えるエネルギリカバリ回路であって、前記エネルギリカバリ回路は、逆リカバリ電荷を一時的に蓄電して、前記逆リカバリ電荷をＤＣバス構造の出力に伝送し、前記整流器回路におけるダイオードリカバリ損失を低減するように構成された、エネルギリカバリ回路と、
   を備える装置。
2. 前記入力は第１の端子及び第２の端子を備え、
   前記ＤＣ入力は、およそ４ボルトから１２０ボルトまでの範囲内にある、
   請求項１記載の装置。
3. 前記予備ブースト回路は、ブースト回路内に接続された容量性蓄電部に接続された誘導性蓄電部を備える、
   請求項１記載の装置。
4. 前記ＤＣブースト回路は、位相シフトフルブリッジブースト回路、又はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）若しくはゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）若しくはＺＶＳとＺＣＳの両方を達成するアドバンストブースト回路を備える、
   請求項１記載の装置。
5. 前記整流器回路は、前記エネルギリカバリ回路と接続されたフルブリッジダイオード回路を備え、
   前記蓄電デバイスは、前記整流器出力に接続された蓄電コンデンサを備え、前記蓄電コンデンサは、前記フルブリッジダイオード回路の第１の端子と第２の端子との間に構成され、前記エネルギリカバリ回路は、前記蓄電コンデンサと直列に構成された第１のｐｎ接合ダイオードを更に備え、前記エネルギリカバリ回路は、前記第１の端子に接続されたインダクタを更に備え、前記インダクタは、前記蓄電コンデンサに並列に且つ前記第１のｐｎ接合ダイオードと直列に構成される、
   請求項１記載の装置。
6. 前記エネルギリカバリ回路は、前記第１のｐｎ接合ダイオードと前記蓄電コンデンサとの間に配置された第２のｐｎ接合ダイオードを更に備え、前記第２のｐｎ接合ダイオードは、前記ＤＣバス構造の出力端子に接続された、
   請求項５記載の装置。
7. 前記第２のｐｎ接合ダイオードは、スイッチング電流が前記出力端子へ流れることを許容するように構成され、前記第１のｐｎ接合ダイオードは前記第２のｐｎ接合ダイオードと前記蓄電コンデンサとの間のノードが実質的にＤＣバス構造における出力端子電圧にあることを許容するように構成される、
   請求項６記載の装置。
8. 前記中間電圧は、およそ１５ボルトから２０ボルトまでの範囲内にある、
   請求項１記載の装置。
9. 前記半波整流されたＤＣ波形は、およそ１６０ボルトから４００ボルトまでの範囲内にある電圧を有する、
   請求項１記載の装置。
10. 前記半波整流されたＤＣ波形は、結果として得られる統合電流波形に実質的に類似する電圧によって特徴付けられる、
    請求項１１記載の装置。
11. 複数のソーラーセルの前記グループは、ソーラーモジュールに配置される、
    請求項１記載の装置。
12. 前記スレーブ回路の各々は、複数のソーラーセルの各グループから導かれるＤＣソースと、グリッドソース又は別の装置によって発生されたリファレンスＡＣ信号のいずれか一方からのものである組み合わせられたＡＣ供給との間のガルバニック絶縁を提供する、
    請求項１１記載の装置。
13. 前記蓄電コンデンサは、金属又はセラミックが充填されたコンデンサ構造であって、当該コンデンサ構造は、前記整流器回路上のスイッチングの周波数と、前記逆リカバリ電荷と、前記整流器出力に亘る電圧とによって決定される静電容量を有する、
    請求項１記載の装置。
14. ソーラーモジュールのためのインバータ装置を作動させる方法であって、
    ソーラーセルグループからＤＣ入力において入力電圧を受けるステップと、
    前記ＤＣ入力を受けて、予備ブースト回路を用いて入力からの入力電圧を中間電圧に上昇させるステップと、
    前記予備ブースト回路に接続された、ＤＣブースト回路において前記中間電圧で前記ＤＣ入力を受けて、ＡＣ−ＲＭＳピーク電圧を有するＤＣ出力を出力するステップと、
    前記ＤＣブースト回路に接続された、整流器回路において前記ＡＣ−ＲＭＳピーク電圧を有する前記ＤＣ出力を受けて、前記ＤＣ出力を、整流器出力において、半波整流されたＤＣ波形に波打たせるステップと、
    エネルギリカバリ回路において、前記半波整流されたＤＣ波形を受けるステップと、
    前記エネルギリカバリ回路とともに構成された蓄電デバイスにおいて逆リカバリ電荷を蓄電するステップと、
    を含む方法。
15. 前記入力は第１の端子及び第２の端子を備え、
    前記ＤＣ入力は、およそ４ボルトから１２０ボルトまでの範囲内にあり、
    前記予備ブースト回路は、ブースト回路内に接続された容量性蓄電部に接続された誘導性蓄電部を備える、
    請求項１４記載の方法。
16. 前記ＤＣブースト回路は、位相シフトフルブリッジブースト回路、又はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）若しくはゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）若しくはＺＶＳとＺＣＳの両方を達成するアドバンストブースト回路を備える、
    請求項１４記載の方法。
17. 前記整流器回路は、前記エネルギリカバリ回路と接続されたフルブリッジダイオード回路を備え、
    前記蓄電デバイスは、前記整流器出力に接続された蓄電コンデンサを備え、前記蓄電コンデンサは、前記フルブリッジダイオード回路の第１の端子と第２の端子との間に構成され、前記エネルギリカバリ回路は、前記蓄電コンデンサと直列に構成された第１のｐｎ接合ダイオードを更に備え、前記エネルギリカバリ回路は、前記第１の端子に接続されたインダクタを更に備え、前記インダクタは、前記蓄電コンデンサに並列に且つ前記第１のｐｎ接合ダイオードと直列に構成され、
    前記エネルギリカバリ回路は、前記第１のｐｎ接合ダイオードと前記蓄電コンデンサとの間に配置された第２のｐｎ接合ダイオードを更に備え、前記第２のｐｎ接合ダイオードは、前記ＤＣバス構造の出力端子に接続され、
    前記第２のｐｎ接合ダイオードは、スイッチング電流が前記出力端子へ流れることを許容するように構成され、
    前記第１のｐｎ接合ダイオードは、第２のｐｎ接合ダイオードと蓄電コンデンサとの間のノードが実質的にＤＣバス構造における出力端子電圧にあることを許容するように構成される、
    請求項１４記載の方法。
18. 前記中間電圧は、およそ１５ボルトから２０ボルトまでの範囲内にあり、
    前記半波整流されたＤＣ波形は、およそ１６０ボルトから４００ボルトまでの範囲内にある電圧を有する、
    請求項１４記載の方法。
19. 前記半波整流されたＤＣ波形は、結果として得られる統合電流波形に実質的に類似する電圧によって特徴付けられる、
    請求項１４記載の方法。
20. 複数のソーラーセルの前記グループは、ソーラーモジュールに配置され、
    前記複数のスレーブ回路の各々は、複数のソーラーセルの各グループから導かれるＤＣソースと、グリッドソース又は別の装置によって発生されたリファレンスＡＣ信号のいずれか一方からのものである組み合わせられたＡＣ供給との間のガルバニック絶縁を提供し、
    前記蓄電コンデンサは、金属又はセラミックが充填されたコンデンサ構造であって、当該コンデンサ構造は、前記整流器回路上のスイッチングの周波数と、前記逆リカバリ電荷と、前記整流器出力に亘る電圧とによって決定される静電容量を有する、
    請求項１４記載の方法。

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