様々な例示的な実施形態の以下の記載において、本明細書の一部を形成し、本開示の態様を実施することができる様々な実施形態を例示として示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造的および機能的な修正を行うことができることを理解されたい。
序論として、1つまたは複数の実施形態の特徴は、例えば、パワーモジュール出力の直列接続におけるパワーモジュール出力で利用され得るパワーシステムおよびバイパス回路に向けられ得る。各パワーモジュールは1つまたは複数の直流(DC)電源に結合された入力を有し得る。直列接続は、負荷を横切って結合され得る。本明細書で開示されるバイパス回路の可能な特徴は、直列に結合されたパワーモジュール出力および/または電源出力の潜在的なバイパスを提供する連続バイパス動作を含み得る。いくつかの実施形態では、バイパス回路は、関連するDC電源の低レベルの電力生成中にバイパス経路を提供し得る。いくつかの実施形態では、バイパス回路は、他のパワーモジュール出力と比較して少なくとも1つのパワーモジュールの出力で低電力が生成され得る場合にバイパス経路を提供し得る。いくつかの実施形態では、バイパス回路はスイッチを利用してもよく、パワーモジュールおよび/または電源の直列接続を通る高電流および低電流の両方について、他の受動または能動バイパスデバイスの使用と比較して低電力損失を有し得る。例示的なバイパス回路は、スイッチにバイアス電圧を提供または増加するように適合され得る追加の回路を含み得る。バイアス電圧により、スイッチのパワーモジュールおよび/または電源出力の直列接続によって通常提供される最小限の動作パラメータを下回るスイッチの動作が可能になり得る。
本文献の詳細な記載において使用される「多数の(multiple)」という用語は、いくつかの部品、要素、またはメンバーを有するまたは伴う特性を示す。本文献のクレームセクションで使用される「複数の(a plurality of)」というクレーム用語は、用語「多数の」および/または他の複数形の使用を伴う記載における裏付けを見出す。他の複数形には、例えば、文字「s」または「es」のいずれかを追加して複数形を形成する規則名詞が含まれ、例えば、コンバータ(converter)の複数形はコンバータ(converters)であり、またはスイッチ(switch)の複数形はスイッチ(switches)である。
本文献のクレームセクションで使用されるクレーム用語「備える(comprise)」、「備える(comprises)」および/または「備える(comprising)」は、用語「含む(include)」、「含む(includes)」および/または「含む(including)」の使用を伴う記載における裏付けを見出す。
例示的な実施形態による、パワーシステム100aを示す図1Aを参照する。接続構成104aは、パワーモジュール103の入力端子に結合された直流(DC)出力端子を有する電源101を含む。接続構成104bは、パワーモジュール103の入力端子に結合された直列接続の直流(DC)出力端子を有する直列接続で結合された2つの電源101を含む。パワーモジュール103の出力は、パワーモジュール103出力の直列結合ストリングを形成するために直列に結合されてもよい。パワーモジュール103出力の直列結合ストリングは、システムパワーデバイス139の入力を横切って結合され得る総電圧出力Vストリングを有する。パワーモジュール103は、直流(DC)−DCコンバータであり得る。代替として、総電圧出力Vストリングは負荷107を横切って結合されてもよい。パワーモジュール103の出力は、システムパワーデバイス139に必要な入力電圧(Vストリング)を提供するために、より多くのパワーモジュール103が追加され得る直列ストリングに結合されてもよい。システムパワーデバイス139は、例えば、直流(DC)−DCコンバータであってもよく、または負荷107に電力を供給するDC−交流(AC)インバータであってもよい。いくつかの実施形態では、システムパワーデバイス139は、電源の多数のストリング、安全装置(例えば接地事故検出器および/または安全スイッチ)、および/またはパワーシステム100aに関連する動作パラメータを測定、監視および/または報告するように構成された監視装置を組み合わせるためのコンバイナボックスであり得る。負荷107は、例えば、バッテリ、交流(AC)グリッド、DCグリッド、またはDC−ACインバータであり得る。
接続構成104aのパワーモジュール103の正(+)出力端子は、別のパワーモジュール103の負(−)出力端子または接続構成104bのパワーモジュール103の負(−)出力端子に結合されてもよい。バイパスダイオードBPD1には、電源101のそれぞれの正(+)出力端子に接続されたカソードと、電源101のそれぞれの負(−)出力端子に接続されたアノードが提供され得る。バイパスダイオードBPD1は、パワーモジュール103の出力を横切って同様に結合され得る。接続構成104bでは、それぞれのバイパスダイオードBPD1を含む2つの電源101が直列に接続されて電圧(V1+V2)を提供する。次いで、電圧(V1+V2)は、パワーモジュール103の端子CおよびDでパワーモジュール103の入力に印加され得る。接続構成104aにおいて、バイパスダイオードBPD1を有する単一の電源101は電圧V3を提供する。電圧V3は、パワーモジュール103の端子CおよびDでパワーモジュール103の入力に印加される。接続構成104a/104bの多数の出力は、直列に配線されて、システムパワーデバイス139の入力に印加され得るストリング電圧(Vストリング)を与えることができる。
以下の記載において、電源101は、太陽電池(PV)発電機、例えば、PVセル、PVセルの直列ストリング、PVセルの直列に結合されたPVストリングの並列接続、太陽電池またはソーラーパネル、DC発電機、バッテリ、または燃料電池であり得る。いくつかの実施形態では、例えば、電源101がPVサブストリングまたはPVセルなどの多数の直列に結合された電源を含む場合、バイパスダイオードBPD1は、各直列に結合された電源101に並列に結合された追加のダイオードによって置換または補完され得る。また、電源101のDC電源は、例えばスイッチモードパワーサプライ、ダイナモまたはオルタネータから供給される整流または変換された交流(AC)源から得られてもよい。
バイパスダイオードBPD1の動作は、例として、電源101が太陽電池パネルであり得る場合に例示され得る。接続構成104bの電源は、影155で陰になって示されている。したがって、陰になった電源101の電圧V2は、電圧V1およびV3に関して他の陰になっていないパネルに対して反対の極性を有し得る。反対の極性は、Iパネルの制限された電流の結果であり得、それにより、陰になっていないパネルは、電流をパワーモジュール103に流すことを試み得る。電流を流す試みは、バイパスダイオードBPD1が順方向バイアスをかけられることを引き起こし得る。したがって、バイパスダイオードBPD1の機能は、直列接続されたパワーモジュール出力103の直列ストリング内の陰になったパネルおよび/または機能しないパワーモジュール103出力をバイパスする機能を提供し得る。電源101の出力にバイパスダイオードBPD1がない場合、電圧V2は、電流Iパネルが実質的にゼロになるように電流Iパネルの流れに対抗し得る。実質的にゼロの電流Iパネルは、接続構成104bのパワーモジュール103が動作不能であり得、したがって、システムパワーデバイス139の入力への電流Iストリングおよび電圧Vストリングの両方が実質的にゼロであり得ることを意味する。
しかしながら、バイパスダイオードBPD1を使用すると、バイパスダイオードBPD1を横切ってV2の反対の極性が印加され、バイパスダイオードBPD1に順方向バイアスをかける可能性がある。電圧V1およびV3は、それぞれのバイパスダイオードBPD1に逆バイアスをかけることがある。バイパスダイオードBPD1に印加されるV2の順方向バイアスにより、陰になった電源101の出力で電流IパネルがバイパスダイオードBPD1のアノードからカソードに流れる。したがって、バイパスダイオードBPD1は、非動作中のまたは影155で陰になるパネルまたは電源101の周囲に電流導通の潜在的な並列経路を提供する。一般に、動作中のパネルはバイパスダイオードを横切って逆バイアス電圧を印加し、非動作中のパネルまたは陰になったパネルはバイパスダイオードBPD1を横切って順方向バイアス電圧を印加する。
バイパスダイオードBPD1は、パワーモジュール103の出力を横切って結合され得る。パワーモジュール103がパワーモジュール出力の直列ストリングで非アクティブになる場合、非アクティブパワーモジュール103を通過しようとする電流(Iストリング)が代替の並列経路を提供され得る。代替の並列経路は、バイパスダイオードBPD1を介した非アクティブなパワーモジュール103の出力の周りに存在し得る。非アクティブなパワーモジュール103の出力に電流(Iストリング)を強制するのではなく、電流(Iストリング)の流れによりバイパスダイオードBPD1が順方向にバイアスをかけられる可能性がある。バイパスダイオードBPD1の順方向バイアスにより、電流IストリングがバイパスダイオードBPD1のアノードからカソードに流される場合がある。したがって、バイパスダイオードBPD1は、結合されたパワーモジュール103出力の直列ストリング内の機能していないパワーモジュール103出力の周りに電流導通の潜在的な並列経路を提供し得る。
ここで図1Bを参照すると、図1Bは、例示的な実施形態によるパワーモジュール103などのパワーデバイス内に見出され得る回路を示している。パワーモジュール103は、図1Aに示されているパワーモジュール103と同様または同一であり得る。いくつかの実施形態では、パワーモジュール103は、電力回路135を含み得る。電力回路135は、バックコンバータ、ブーストコンバータ、バック/ブーストコンバータ、バック+ブーストコンバータ、Cukコンバータ、フライバック(Flyback)コンバータおよび/またはフォワードコンバータなどの直流電流−直流電流(DC/DC)コンバータ、または電荷ポンプを含み得る。いくつかの実施形態では、電力回路135は、マイクロインバータなどの直流電流−交流電流(DC/AC)コンバータ(インバータとしても周知である)を含み得る。電力回路135は、2つの入力端子および2つの出力端子を有し得、これらは、パワーモジュール103の入力端子および出力端子と同一であり得る。いくつかの実施形態では、パワーモジュール103は、パワーデバイスが結合され得る電源から増大された電力を抽出するように構成された最大電力点追従(MPPT)回路138を含み得る。いくつかの実施形態では、電力回路135は、MPPT機能を含み得る。いくつかの実施形態では、MPPT回路138は、パワーデバイスが結合され得る電源から増大された電力を抽出するためにインピーダンス整合アルゴリズムを実装し得、パワーモジュール103は、マイクロプロセッサ、デジタル・シグナル・プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、および/またはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)などのコントローラ105をさらに含み得る。
さらに図1Bを参照すると、コントローラ105は、共通バス190を介してパワーデバイス103の他の要素を制御し、および/またはその要素と通信し得る。いくつかの実施形態では、パワーデバイス103は、パラメータを直接測定するように構成された回路および/またはセンサおよび/またはセンサインターフェース125を含み得、または電源上もしくは電源の近くで、電源によって出力された電圧および/もしくは電流ならびに/または電源によって出力された電力などのパラメータを測定するように構成された結合センサおよび/またはセンサインターフェース125から測定パラメータを受信し得る。いくつかの実施形態では、電源は、太陽電池(PV)セルを含む太陽電池(PV)発電機であり得、センサもしくはセンサインターフェースは、PVセルによって受光された放射照度の測定値、および/またはPV発電機上またはPV発電機近くの温度を直接測定し、または受信し得る。
さらに図1Bを参照すると、いくつかの実施形態では、パワーデバイス103は、他のデバイスからのデータおよび/またはコマンドを送信および/または受信するように構成された通信インターフェース129を含み得る。通信インターフェース129は、電力線通信(PLC)技術、音響通信技術、またはさらに別の技術、例えば、ZigBee(登録商標)、Wi−Fi、Bluetooth(登録商標)、セルラー通信、もしくは他の無線方法を使用して通信し得る。いくつかの実施形態では、パワーモジュール103は、1つまたは複数のセンサ/センサインターフェース125によって取得された測定値の記録を取って、コード、動作プロトコル、または他の動作情報を記憶するために、メモリ123を含み得る。メモリ123は、フラッシュメモリ、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ(EEPROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、ソリッドステートデバイス(SSD)、または他のタイプの適切なメモリデバイスであり得る。
さらに図1Bを参照すると、いくつかの実施形態では、パワーデバイス103は、安全装置160(例えば、ヒューズ、回路ブレーカ、および残留電流検出器)を含み得る。安全装置160は、受動的または能動的であり得る。例えば、安全装置160は、パワーデバイス103内に配置される1つまたは複数の受動的なヒューズを含み得、ヒューズのエレメントは、ヒューズの定格を超える過電流が流れたときに融解して破壊し、その結果、損傷を防ぐためにパワーデバイス103の一部を切断するように設計され得る。いくつかの実施形態では、安全装置160は、コントローラ(例えば、コントローラ105または外部コントローラ)からコマンドを受信してパワーデバイス103の一部を短絡させるおよび/または切断するように構成された、またはセンサによって測定された測定値(例えば、センサ/センサインターフェース125によって測定または取得された測定値)に応答してパワーデバイス103の一部を短絡させるおよび/または切断するように構成された能動的な切断スイッチを含み得る。いくつかの実施形態では、パワーデバイス103は、パワーデバイス103に結合された電源から電力を受け取り、他の回路部品(例えば、コントローラ105、通信インターフェース129等)を作動させるのに適した電力を出力するように構成された補助電力回路162を含み得る。パワーモジュール103の様々な構成要素間の通信、電気的結合、および/またはデータ共有は、共通バス190を介して実行され得る。
図1Cを参照すると、図1Cは、1つまたは複数の例示的な実施形態による電力回路135用のバック+ブースト回路実装を示している。電力回路135用のバック+ブースト回路実装は、スイッチS1、S2、S3およびS4に金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を利用する。スイッチS1、S2、S3およびS4のソースは第1の端子と呼ばれ、S1、S2、S3およびS4のドレインは第2の端子と呼ばれ、S1、S2、S3およびS4のゲートは第3の端子と呼ばれる。コンデンサCinは、バック+ブースト回路の正(+)および負(−)入力端子CおよびDを横切って並列に結合され得、ここで電圧はVINで表すことができる。コンデンサCoutは、バック+ブースト回路の正(+)および負(−)出力端子AおよびBを横切って並列に結合され得、ここで電圧はVOUTで表すことができる。スイッチS3およびS2の第1の端子は、バック+ブースト回路の共通の負(−)の出力端子および入力端子に結合し得る。スイッチS1の第2の端子は、正(+)の入力端子に結合し得、スイッチS1の第1の端子は、スイッチS3の第2の端子に結合し得る。スイッチS4の第2の端子は、正(+)の出力端子に結合し得、スイッチS4の第1の端子は、スイッチS2の第2の端子に結合し得る。インダクタL1は、スイッチS3の第2の端子とスイッチS4の第2の端子との間に結合し得る。スイッチS1、S2、S3およびS4の第3の端子は、コントローラ105(図1Cには図示せず)に動作可能に接続され得る。
スイッチS1、S2、S3およびS4は、半導体デバイス、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、ダーリントン(Darlington)トランジスタ、ダイオード、シリコン制御整流器(SCR)、Diac、Triac、または当技術分野で既知の半導体スイッチを使用して実装され得る。例として、スイッチS1、S2、S3およびS4は、バイポーラ接合トランジスタを使用して実装され得、この場合、コレクタ、エミッタ、およびベースは、上記で説明および定義した第1の端子、第2の端子、および第3の端子を指すことができる。スイッチS1、S2、S3およびS4は、手動スイッチなどの機械的スイッチ接点または例えばリレーなどの電気機械式スイッチを使用して実装され得る。同様に、パワーモジュール103の実装は、例えば、バック回路、ブースト回路、バック/ブースト回路、フライバック回路、フォワード回路、電荷ポンプ、Cukコンバータ、またはパワーモジュール103の入力の電力をパワーモジュール103の出力に変換するために利用され得る任意の他の回路を含み得る。
パワーモジュール103は、最大電力点追従(MPPT)回路(例えばMPPT138)を含むか、それに動作可能に取り付けられてもよい。MPPT回路はまた、コントローラ105または一次コントローラとして指定され得るパワーモジュール103に含まれる別のコントローラ105に動作可能に結合され得る。パワーモジュール103の一次コントローラは、二次コントローラとして知られるコントローラを含み得る1つまたは複数の他のパワーモジュール103を通信可能に制御し得る。一次/二次の関係が確立されると、制御の方向は一次コントローラから二次コントローラになり得る。一次および/または中央コントローラ105の制御下にあるMPPT回路は、電源101からの電力抽出を増加させるため、および/または負荷107に供給される電圧および/または電流を制御するために利用され得る。
図1Dを参照すると、図1Dは、1つまたは複数の例示的な実施形態による、電力回路135のバック回路実装を示す。電力回路135のバック回路実装は、スイッチS1およびS3に金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を利用する。スイッチS1とS3のソースは第1の端子と呼ばれ、S1とS3のドレインは第2の端子と呼ばれ、S1とS3のゲートは第3の端子と呼ばれる。コンデンサCinは、バック回路のそれぞれの正(+)および負(−)の入力端子CおよびDを横切って並列に結合され得、ここで電圧はVINで示され得る。バック回路の出力端子AおよびBは、出力電圧VOUTを有するものとして示されてもよい。スイッチS3の第1の端子は、バック回路の共通の負(−)出力および入力端子に結合し得る。スイッチS1の第2の端子は正(+)入力端子に結合し得、スイッチS1の第1の端子はスイッチS3の第2の端子に結合し得る。インダクタL1は、スイッチS3の第2の端子と端子Aとの間にそれぞれ結合し得る。スイッチS1およびS3の第3の端子は、コントローラ105(図1Dには図示せず)に動作可能に結合され得る。
次に、例示的な実施形態による、パワーシステム100を示す図1Eを参照する。電力収穫システム100は、電力収穫システム100aと類似し得るが、バイパスダイオードBPD1を含まない可能性がある。バイパスダイオードBPD1の代わりに、またはそれに加えて、端子AとBを有するバイパス回路115がパワーモジュール103の出力端子を横切って結合され得る。バイパス回路115は、端子AとBの間にスイッチを提供し、それによりスイッチがオンの場合、実質的に短絡回路が端子AとBの間に存在し、スイッチがオフの場合、端子AとBの間に実質的に開回路が存在する。本明細書に開示する例示的な実施形態によるバイパス回路115は、受動的なバイパスダイオード(例えばBPD1)と比べて特定の利点を提供し得る。
例示的な実施形態による、パワーシステム100bを示す図1Fを参照する。直列に接続された接続構成104aおよび104bの多数のストリングが図1Eに示されている。ストリングは、システムパワーデバイス139の入力を横切って並列に接続され、システムパワーデバイス139への電圧入力はVストリングして示されている。システムパワーデバイス139は、負荷107に電力を供給する直流(DC)−DCコンバータであってもよいし、DC−交流(AC)インバータであってもよい。電力収穫システム100bは、電力収穫システム100に類似し得るが、バイパスダイオードBPD1を含まない場合がある。バイパスダイオードBPD1の代わりに、またはそれに加えて、図1Eに示すように、端子AおよびBを有するバイパス回路115は、接続構成104aおよび104bに実装されてもよい。一般に、多数の接続構成104a/104bの任意の数の接続の組み合わせは、例えば、ある接続構成が太陽電池パネルを有し、別の接続構成が風力DC発電機を有するように、異なるタイプのDC電源101を含むことができる。
ここで、例示的な実施形態による、バイパス回路115の部分的に概略的な、部分的ブロック図である図1Gを参照する。回路111の出力は、結合ユニット120aによって結合回路120に結合し得る。結合ユニット120aは、結合回路120の一部、回路111の出力の一部、および/または結合回路120と回路111の両方の一部とすることができる。結合ユニット120aは、結合が回路111の出力と結合回路120との間の回路を介してフィードバック経路を提供することを可能にし得る。結合は、回路111の出力と結合回路120との間の直接的な電気接続および/または結合回路であり得る。あるいは、結合は、回路111の出力と結合回路120との間の容量結合であり得る。あるいは、結合は、回路111の出力と結合回路120との間の誘導結合であり得る。誘導結合は、2つのインダクタ間で共有される共通の直接電気接続点を含み得る2つのインダクタ間の相互誘導結合を含み得る。あるいは、誘導結合は、両方ともコアに巻かれた2つのインダクタを有し得る。コアにより、2つのインダクタ間のトランス結合配置が可能になり、それにより2つのインダクタ間で共通の直接的な電気接続点が共有されなくなる。
結合回路120の出力は、スイッチBP1の入力に結合し得る。結合回路120の出力は、スイッチBP1がオンまたはオフのいずれかになるようにすることができる。スイッチBP1の極は、回路111の入力を横切って結合され得る端子AおよびBに結合し得る。端子AおよびBはまた、パワーモジュール103(明示せず)の出力端子を横切って結合し得る。スイッチBP1がオンの場合;パワーモジュール103が機能していない可能性があり、ストリング電流IストリングがスイッチBP1を流れる可能性がある。スイッチBP1がオフの場合;パワーモジュール103は機能する可能性があり、ストリング電流Iストリングはパワーモジュール103の出力を通って流れる可能性がある。スイッチBP1はMOSFETとして示され、ここでダイオードPD1はMOSFETのドレインとソースを横切って結合される。ダイオードPD1は、MOSFETの構造の結果として、MOSFETの固有の部分である場合がある。MOSFETの構造は、ドレインとソースの間に結合された固有のp−n接合(ダイオード)を有し得る。MOSFETの固有のp−n接合(ダイオード)は、ボディダイオードまたは寄生ダイオードと呼ばれることもある。端子AとBの間に固有のp−n接合(ダイオード)を持たない他の半導体デバイスをスイッチBP1に使用することができ、この場合、ダイオードを端子AとBを横切って追加で結合することができる。追加のスイッチワイヤC11が結合回路120と回路111との間に接続し得る。
スイッチBP1は、電力回路135にすでに存在する可能性のあるスイッチを使用して実装することができる。電力回路135のバック+ブースト回路を示す図1Cを参照すると、BP1はノードAおよびBを横切るスイッチS2およびS4を使用して実装することができる。同様に、電力回路135のバック回路を示す図1Dを参照すると、スイッチBP1は、インダクタL1を介してノードAおよびBを横切るスイッチS3を使用して実装することができる。図に続く記載において、スイッチを横切って結合されて示されるダイオードは、スイッチに固有のものであるか、スイッチを横切って追加的に結合され得る。
次に、再び図1Gをおよび図1Hを参照する。図は、例示的な実施形態による方法1000のフローチャートを示している。方法1000のフローチャートを使用して、図1Gに示されるバイパス回路115の部分的に概略的な、部分的ブロック図の動作を説明する。方法1000のフローチャートは、以下により詳細に記載されるバイパス回路115内の結合回路120、スイッチBP1および回路111を含む相互接続されたアナログ回路の動作を記載するためにも使用される。したがって、方法1000のステップおよび実際に以下に記載される他の方法のステップは、バイパス回路115内の結合回路120、スイッチBP1および回路111への結合を含み得るバイパススイッチの動作を感知および制御するためのマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラおよび関連アルゴリズムの使用などのデジタル手法の使用を排除しない可能性がある。方法1000のステップおよび実際に以下に記載される他の方法のステップは、アナログとデジタルの両方の手法を組み合わせた任意の数の実装の使用を排除しない可能性がある。
したがって、方法1000のステップ、以下に記載する方法、および特に決定ステップ1005および1009などの決定ステップは、結合回路120、スイッチBP1および回路111をバイパス回路115に実装するために以下で使用されるアナログ回路の構成により行うことができる。構成は、バイパス回路115内の結合回路120、スイッチBP1、および回路111の回路設計の一部として、コンポーネント値、コンポーネントのタイプ、およびコンポーネントの相互接続の計算および選択を含み得る。したがって、構成は、電源101および/またはパワーモジュール103が正しく機能する通常の動作パラメータに基づき得る、または上述のパワーシステム100a/100および以下に記載するパワーシステムの非通常の動作パラメータに対応し得る。したがって、以下に記載する決定ステップの決定局面に関する構成は、パワーモジュール103および/または電源101のバイパスを提供するようにパワーモジュール103および/または電源101のブレークダウンまたは故障などのイベントに対して応答的なアナログ回路のようなものであり得る。この点に関して、バイパス回路115および以下に記載する他のアナログバイパス回路の実施形態に関する構成は、方法1000のステップがパワーシステム100a/100の連続的に変化する動作パラメータに応答して実行されるように、実質的にほとんどの時間、起動および/または作動されるように考えられ得る。バイパス回路115が実質的にほとんどの時間起動されるためのパワーシステム100a/100の連続的に変化する動作パラメータは、起動のための電力が、直列接続されたパワーモジュール103の出力のストリング、モジュール103および/または電源101、モジュール103および/または電源101からの部分電力から提供されるか、または電力が補助電源から供給される(例えば、補助電力回路162からの補助電力)場合であり得る。したがって、実質的にほとんどの時間起動されていると見なされる場合、バイパス回路115および以下に記載する他のアナログバイパス回路の実施形態は、それぞれステップ1005/1007でスイッチBP1を起動(オン)することを、または各ステップ1009/1011でスイッチBP1を停止(オフ)することを決定するためにセンサ125、コントローラ105および関連アルゴリズムを必要としないかもしれない。したがって、実質的にほとんど時間起動されていることからのバイパス回路115および以下に記載する他のアナログバイパス回路の実施形態の停止を有効にする方法は、スイッチBP1がオフでありおよび/またはそれによって停止されるように、コントローラがドライバ回路170を使用してスイッチBP1のゲートに電圧を印加することである。
構成はまた、パワーモジュール103および/または電源101のバイパスを除去するようにパワーモジュール103および/または電源101が通常の動作に戻るようなイベントに応答するように、以下に記載する決定ステップの決定局面を与えてもよい。
以下の考察は、非限定的な例として、電源101がパワーモジュール103の入力に結合された太陽電池パネルであり、パワーモジュール103の出力が直列に結合されたパワーシステム100などのパワーシステムを使用する。以下の記載は、パワーモジュール103を参照しているが、電源101にも等しく適用され得る。この点に関する構成は、例えば、直列に接続されたパワーモジュール103出力のストリングに存在する電圧および電流を考慮し得る。
ステップ1003において、スイッチBP1は、パワーモジュール103出力の直列ストリングが存在し得るパワーモジュール103の出力を横切って結合され得る。パワーモジュール103が適切に機能している場合、スイッチBP1は非アクティブ(オフ)である。あるいは、スイッチBP1は、電源101の出力を横切って結合されてもよい。
決定ステップ1005で、ダイオードPD1の第1のバイパス電流導通は、パワーモジュール103および/または電源101が正しく機能していないことの表示であり得る。構成に従った表示により、機能不全を起こしているパワーモジュール103の出力がバイパスされるようにスイッチBP1のその後の起動(ステップ1007)がオンにされ得る。そうでなければ、スイッチBP1のバイパス機能が非アクティブになるように、スイッチBP1はオフのままである(ステップ1003)。
正しく機能していないパワーモジュール103は、例えば、パネルが陰るか、パワーモジュール103内のコンポーネントの故障の結果であり得る。そのため、非アクティブなパワーモジュール103の出力を通る電流の流れ(Iストリング)が制限され得る。電流の流れが制限された結果として、ストリング内の他のパワーモジュール103の電圧出力は、それらの出力および非アクティブなパワーモジュール103の出力に電流を押し通そうと試みる場合がある。電流の電流フローを押し通す試みは、他のパワーモジュール103の電圧出力の増加によって引き起こされる可能性があり、それはダイオードPD1を順方向にバイアスさせる可能性がある。一方、パワーモジュール103の通常動作が存在する場合、ダイオードPD1とスイッチBP1のMOSFETは逆バイアスされる(MOSFETはオフである)。ダイオードPD1の順方向バイアスにより、ダイオードPD1の最初のバイパス電流導通において、ストリング電流IストリングがダイオードPD1のアノードからカソードに流され得る。
ダイオードPD1の最初のバイパス電流導通とダイオードPD1の順方向電圧降下が回路111の入力に印加され、これは回路111の発振を引き起こす可能性がある。回路111の出力発振は、結合回路120を介してスイッチBP1の入力にフィードバックされ得る。結合回路120の出力は、スイッチBP1のMOSFETのゲート(g)に接続する。スイッチBP1のMOSFETのゲートに印加される結合回路120の出力は、ステップ1007でスイッチBP1が起動されるように、スイッチBP1のMOSFETをオンに切り換えるのに十分であり得る。
決定ステップ1009で、非アクティブなパワーモジュール103が非アクティブのままである場合、スイッチBP1のMOSFETはオンのままであり、それによりステップ1007でスイッチBP1はアクティブのままである。しかしながら、パワーモジュール103がアクティブになり始めると、スイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方が逆バイアスされる。例えば、パワーモジュールに結合されたパネルが陰にならないため、パワーモジュール103がアクティブになり得る。端子AおよびBで回路111の入力に印加されるスイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧により、回路111の発振が停止され得る。結合回路120を介してスイッチBP1の入力へフィードバックされる回路111の出力発振の停止は、スイッチBP1のMOSFETをオフに切り換えるのに十分であり得、その結果、スイッチBP1はステップ1011で停止される。MOSFETのゲートに印加される電圧の低下はMOSFETをオフにし得る。あるいは、コントローラ105または他の何らかのコントローラの制御下にあるセンサ125は、スイッチBP1のMOSFETおよびダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧を感知し得る。逆バイアスが感知される結果として、スイッチBP1がオフに切り替えられ得、ドライバ回路からの電力がパワーモジュール103のスイッチに再供給され、パワーモジュール103が正常に機能できるようになる。パワーモジュール103が正常に機能しているため、スイッチBP1はここで非アクティブ(オフ)であるが、依然として端子AおよびBで結合されている(ステップ1003)。
ここで図1Iを参照すると、図1Iは、例示的実施形態による、バイパス回路115内の結合回路120、スイッチBP1、および回路111のさらなる詳細を示す。結合回路120は、抵抗器R3の第1の端部および抵抗器R4の第1の端部に結合された出力を有するバイアスおよびドライバ回路170を含み得る。抵抗器R3の第2の端部は、スイッチワイヤC11を介して、ダイオードD1のカソード、コンデンサC3の第1の端部、およびスイッチQ3のゲート(g)に結合し得る。抵抗器R4の第2の端部は、コンデンサC3の第2の端部および端子Bに結合し得る。コンデンサC3の第2の端部は、インダクタL3の第1の端部に結合し得、インダクタL3の第2の端部は、ダイオードD1のアノードに結合し得る。スイッチBP1のゲート(g)は、抵抗器R3およびR4の第1の端部に結合し得る。スイッチBP1のドレイン(d)は、端子BでダイオードPD1のカソードに結合して、リターン接続RET1を提供する。ダイオードPD1のアノードは、スイッチBP1のソース(s)、スイッチQ3に属するダイオードBD2のアノード、およびスイッチQ3のソース(s)に結合し得る。スイッチQ3のドレイン(d)は、ダイオードBD2のカソードと回路111のインダクタL1の第1の端部とを結合し得る。スイッチBP1は、ダイオードPD1を含み得るまたはダイオードを含まないかもしれない金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であり得る。同様に、スイッチQ1、Q2、およびQ3は、ダイオードBD2のようなダイオードを含む、またはダイオードを含まないかもしれないMOSFETであり得る。
回路111において、インダクタL1の第2の端部は、スイッチQ1およびQ2のドレイン(d)に結合し得る。Q1とQ2のソース(s)を結合して、リターン接続RET2を提供することができる。抵抗器R1の第1の端部は、スイッチQ1のゲートとスイッチQ1のソース(s)との間に結合し得る。抵抗器R2の第1の端部は、スイッチQ2のゲートとスイッチQ2のソース(s)との間に結合し得る。スイッチQ1のゲート(g)は、コンデンサC2の第1の端部に結合し得る。コンデンサC2の第2の端部は、インダクタL2の第1の端部およびコンデンサC1の第1の端部に結合し得る。インダクタL2の第2の端部は、リターン接続RET3を提供し得る。コンデンサC1の第2の端部は、スイッチQ2のゲートに結合し得る。リターン接続RET1、RET2、およびRET3は一緒に結合して、スイッチBP1のソース(s)でターミナルBに対して分離し得るリターン経路を形成し得る。バイパス回路115のリターン経路と端子Bの間の分離は、パワーモジュール103の出力を横切るバイパス回路115の一体化とともに、端子BとインダクタL1の間にスイッチQ3とダイオードBD2を配置することにより達成することができる。スイッチBP1、Q2およびQ3は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であり得、スイッチQ1は、接合電界効果トランジスタ(JFET)であり得る。
いくつかの実施形態では、インダクタL1、L2、およびL3は、同じ磁気コア上で相互に結合されてもよい。実際には、インダクタL1からL2への結合、次いでインダクタL2からL3への結合は、図1Gに示される結合ユニット120aの可能な機能を提供し、これは回路111の出力と結合回路120との間の結合を可能にする。したがって、インダクタL1を横切る回路111の出力は、インダクタL1とインダクタL3との間の相互インダクタンスを介して結合回路120の入力に結合し戻され得、インダクタL1とインダクタL2との間の相互結合を介してインダクタL2に結合され得る。インダクタL1とインダクタL2との間の相互インダクタンスとインダクタL2に誘導される電圧は、それぞれのコンデンサC2およびC1の結合を介してスイッチQ1とQ2のゲート(g)を駆動する。インダクタL1とインダクタL2およびL3との間の相互結合は、インダクタL2およびL3がインダクタL1が有するよりも多くの共通の磁気コアを横切る巻き線数を有するため、インダクタL2およびL3に誘導される電圧が変圧器方程式(transformer equations):
VL1/VL2=NL1/NL2
および
VL1/VL3=NL1/NL3
によってより高くなるようなものであり得、
式中、VL1、VL2およびVL3はインダクタL1、L2およびL3の各電圧であり、NL1、NL2およびNL3はインダクタL1、L2およびL3の各巻き線数である。
巻き線数NL2およびNL3がより多いためにインダクタL2およびL3に誘導される電圧が大きくなると、スイッチBP1、Q1、Q2およびQ3の動作が可能になり得るが、より大きな電圧が誘導されない場合、スイッチBP1、Q1、Q2およびQ3は動作できない可能性がある。
回路111のインダクタL2とコンデンサC1およびC2は、コルピッツ発振器として機能する。
振動の周波数は:
によって与えられる。
回路111の発振周波数が1〜4キロヘルツ(KHz)になり得るように、インダクタL1、L2、L3、コンデンサC1およびC2を選択することができる。したがって、回路111の低周波発振は、Q1、Q2、およびQ3のスイッチングでの低損失を提供し得る。あるいは、回路111がハートレー発振器として実装され得るように、コンデンサC1を別のインダクタで置き換えることができる。結合回路120のインダクタL3は、回路111のインダクタL1およびL2と同じコア上に構築することができ、ダイオードD1は、インダクタL3と回路111のインダクタL1およびL2との間の相互結合のおかげであり得るインダクタL3に誘導される電圧を整流するために使用され得る。整流されたパルスは、スイッチBP1のMOSFETのゲート(g)とソース(s)との間の電圧(Vgs)を駆動して、ステップ1007でスイッチBP1の連続導通のためにスイッチBP1をオンにし得る。
例示的な実施形態による、図1Gに示されるバイパス回路115内の結合回路120、スイッチBP1、および回路111のさらなる詳細に適用される方法1000とともに、図1Fを再び参照する。ステップ1003で、スイッチBP1は、パワーモジュール103出力の直列ストリングが存在し得るパワーモジュール103の出力を横切って結合され得る。スイッチBP1は、ステップ1003においてアクティブではない。
決定ステップ1005で、具体的には、ダイオードPD1の第1のバイパス電流導通は、パワーモジュール103および/または電源101が正しく機能していないことの表示であり得る。その結果、非アクティブなパワーモジュール103の出力を通る電流の流れ(Iストリング)が制限され得る。電流の流れが制限された結果として、ストリング内の他のパワーモジュール103の電圧出力は、それらの出力および非アクティブなパワーモジュール103の出力に電流を押し通すことを試みる場合がある。電流の流れを押し通す試みは、他のパワーモジュール103の電圧出力の増加によって引き起こされる可能性があり、それによりダイオードPD1が順方向にバイアスされ、電流の第1のバイパス電流導通がダイオードPD1を介して生じる。ダイオードPD1が順方向バイアスになる、ダイオードBD2も順方向にバイアスされる。ダイオードBD2の順方向バイアスにより、回路111を利用してスイッチBP1の連続動作を開始することができる。回路111の動作の詳細な記載は、以下の記載で後述する。
ステップ1007で、回路111はスイッチBP1の連続動作を開始し得る。ダイオードPD1が導通するとすぐに、Q2および/またはQ1がオンになり得、回路111はスイッチBP1のMOSFETがオンになるようにスイッチBP1の連続動作を維持し得、その結果、スイッチBP1のドレイン(d)とソース(s)の間の電圧(Vds)は低いまま、例えば約10ミリボルト(mV)から実質的に最大200mVである。スイッチBP1の10mVのVdsと、25アンペアのストリング電流Iストリングをバイパスするためのバイパスダイオードの順方向電圧降下0.7Vを比較すると、それぞれ0.25ワットおよび17.5ワットのバイパス電力損失が生じる。したがって、バイパス回路115および以下に記載する他のバイパス回路の実施形態のスイッチBP1の動作は、バイパス自体による大きな損失を招くことなく、電源および/または他の回路要素のバイパスを可能にし得る効率的なバイパス回路を提供する。例えば、バイパスダイオードの使用を含む可能性のあるバイパスを提供する他の方法と比較すると、大きな損失を招くことなく電源および/または他の回路要素をバイパスすることは重要であり得る。
ステップ1007で、リターン接続RET1、RET2およびRET3は、一緒に結合して、スイッチBP1のソース(s)で端子Bで提供されるものと別個のリターン経路であり得るリターン経路を形成し得る。リターン経路と結合回路120および回路111の間の端子Bとの間の分離は、スイッチQ3およびダイオードBD2によるものであり得る。その結果、回路111の発振は、スイッチQ2および/またはQ1のドレイン上に構築され得る一方、発振のリターン経路は、スイッチQ2および/またはQ1のソース(s)上に提供され得る。
決定ステップ1009で、非アクティブなパワーモジュール103が非アクティブのままである場合、ステップ1007でスイッチBP1が起動されたままであるようにスイッチBP1のMOSFETはオンのままである。決定ステップ1009で、スイッチBP1がステップ1007で起動されたままである場合、ドライバ回路170からの電力は、非アクティブなパワーモジュール103への供給から隔離されてもよい。しかしながら、パワーモジュール103がアクティブになり始めると、例えばパネルが陰らなくなりこれがセンサ125によって感知され得ると、ドライバ回路170からの電力がパワーモジュール103のスイッチに再供給されることが許可され得、パワーモジュール103の機能が許可される。この時点で、スイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1、およびダイオードBD2の両方が逆バイアスをかけられる可能性がある。ダイオードBD2のアノードで回路111の入力に印加されるスイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧により、回路111の発振が停止する可能性がある。結合回路120を介してスイッチBP1の入力へフィードバックされる回路111の出力発振の停止は、スイッチBP1のMOSFETをオフに切り換えるのに十分であり得、そのため、スイッチBP1は、ステップ1011で停止される。あるいは、コントローラ105または他のコントローラの制御下にあるセンサ125は、スイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧を感知し得る。逆バイアスが感知される結果として、スイッチBP1がオフに切り替えられ得、ドライバ回路170からの電力がパワーモジュール103のスイッチに再供給されて、パワーモジュール103が正常に機能できるようにすることができる。スイッチBP1のMOSFETのゲートに印加される電圧が低下すると、MOSFETはオフにされる。パワーモジュール103が正常に機能している状態で、スイッチBP1はここで非アクティブ(オフ)であるが、依然として端子AおよびBで結合されている(ステップ1003)。
回路111の動作
ここで図1Jおよび図1Kを参照すると、これらはそれぞれ、例示的な実施形態による、回路111およびステップ1007のフローチャートをより詳細に示す。パワーモジュール103が動作していない場合、ステップ1007が発生し、スイッチBP1は、非アクティブなパワーモジュール103の出力周辺の経路の直列ストリング(Iストリング)に電流を引き込む。回路111は、図1Gに関して記載したものと同じでもよく、バイパススイッチBP1に結合され得る。スイッチQ1とQ2は、それぞれ抵抗器R1とR2でバイアスされ得る。スイッチBP1がオフで、パワーモジュール103がステップ1011で正しく動作しているときの回路111の動作において、スイッチQ3およびダイオードBD2は、バイパススイッチBP1を通る漏れ電流をブロックし得、端子Aの電圧が端子Bの電圧を大幅に上回り得る場合、バイパススイッチBP1を横切る逆電圧をブロックし得る。逆に、ステップ1007でパワーモジュール103が動作していない場合、スイッチQ3は、ダイオードD1によって提供される整流出力によって動作するため、スイッチQ3がオンであり得る場合、ダイオードBD2はスイッチQ3によってバイパスされる。ステップ1007中にスイッチQ3をオフにすると、バイパススイッチBP1を通る漏れ電流のブロックがもたらされる。スイッチQ3がオンであることは、回路111が発振するための余裕を与えるために、スイッチBP1がオンにされ、ステップ1007の間オンに維持される結果として、端子AおよびBを横切る電圧の降下をさらに補償し得る。以下の記載を簡略化するために、スイッチQ3とその動作は無視され、オンであると見なされる。
決定ステップ1203において、他の電源101およびパワーモジュール103出力の直列ストリングのそれぞれのパワーモジュール103と比較して、電源101および各パワーモジュール103によって低電力が生成されている場合、したがって、第1のバイパス電流導通はダイオードPD1を介している可能性がある。同様に、電源101およびそれぞれのパワーモジュール103に障害がある場合、第1のバイパス電流導通はダイオードPD1を介している可能性がある。
決定ステップ1205で、ダイオードBD2がダイオードPD1と同様に順方向にバイアスされるため、第1のバイパス電流導通によりインダクタL1を横切って電圧VL1が誘導される場合がある。ステップ1205で、バイパススイッチBP1は、パワーモジュール103の出力電圧(VAB)に対して正にバイアスされ得る。パワーモジュール103の出力電圧(VAB)に対して正にバイアスされたバイパススイッチBP1は、パワーモジュール103が機能していない結果であり得る。したがって、バイパススイッチBP1を介して電流のバイパスを提供するための第1のバイパス電流導通は、ダイオードPD1を介し、その後ダイオードBD2を介したインダクタL1の導通、およびバイパススイッチBP1の動作の第1段階におけるスイッチQ1の使用によるインダクタL1の導通が続く可能性がある。
低電力の例は、電源101が(例えば夜明けに)照らされ始めたばかりの太陽電池パネルであり得る場合、または太陽電池パネルが実質的および/または部分的に陰になり得る場合であり得る。陰になることは、電源101によって生成される電力を低減する場合がある(例えば、陰になっていない電源によって生成される電力の20%、50%、またはさらには100%近く、生成される電力を低減する)。決定ステップ1203で電源101によって十分な電力が生成され得る場合、回路111は、スイッチQ2および/またはQ1が使用される動作の第2段階まで、スイッチBP1の動作の第1段階の一部として以下に記載される1209〜1217のステップに従ってスイッチQ1の初期使用により何度も発振し続ける可能性がある。Q1は、MOSFETではなく接合型電界効果トランジスタ(JFET)を使用して実装され得る。それというのも、MOSFETと比較してJFETがMOSFETと比較して低いバイアス入力電流を有し得、ゲート(g)とソース(Vgs)との間の電圧が実質的にゼロの場合、JFETがソース(s)とドレイン(d)の間を導通し得るからである。Q1は、デプレッションモードFETを使用して実装され得る。
Q1を使用する第1段階から続いて、ステップ1209〜1217は、スイッチBP1の動作の第2段階の一部としてスイッチQ2および/またはスイッチQ1を使用して実施される。第1段階と第2段階の両方の動作原理は、インダクタL1に電流が流れると、インダクタL1がインダクタL3およびL2に相互に結合されることである。相互結合は、電流がインダクタL1を流れると、電流がインダクタL2を流れ、電圧VL2をインダクタL2に誘導する。電圧VL2は、コンデンサC1および/またはC2を介してスイッチQ2および/またはスイッチQ1のゲート(g)を充電し得る(ステップ1209)。スイッチQ2および/またはスイッチQ1のゲート(g)の充電により、スイッチQ2および/またはスイッチQ1はスイッチQ2および/またはスイッチQ1のソース(s)とドレイン(d)の間で電流の導通を開始し得、それによりQ2および/またはスイッチQ1は期間tonの間、オンである(ステップ1211)。
tonの間にインダクタL1に誘導されたエネルギーは、時定数τ[L1]によって放電され得る。
τ[L1]=L1×Req
式中、Reqは、抵抗器R2および/またはR1、およびスイッチQ2および/またはQ1がオンであり得る場合のドレイン(d)とソース(s)間のそれぞれの抵抗(Rds)を含む等価抵抗であり得る。スイッチQ2および/またはQ1がオンであり得る場合のドレイン(d)とソース(s)間のそれぞれの抵抗(Rds)の値は、回路111の設計の一部としてスイッチQ2およびQ1に選択された特定のデバイスの製造元のデータシートから取得され得る。インダクタL1の放電(ステップ1213)は、決定ステップ1215におけるインダクタL2の電圧VL2がQ2および/またはスイッチQ1の閾値電圧を下回って、期間toffの間、Q2および/またはスイッチQ1をオフに切り換える(ステップ1217)まで、決定ステップ1215で継続し得る。Q2および/またはスイッチQ1のドレイン(d)電圧は、次の比率で増加し始める可能性がある:
これにより、時定数τ[L2]で定義される時間、L2の電圧が再び上昇し得、その後スイッチQ2および/またはスイッチQ1が再び導通し(ステップ1209)、これにより回路111の発振が生じ得る。時定数τ[L2]は次のように与えられ得る:
式中、Ceqは、コンデンサC1およびC2を含む等価容量、およびスイッチQ2および/またはQ1の寄生容量であり得る。スイッチQ2および/またはQ1の寄生容量は、回路111の設計の一部としてスイッチQ2およびQ1に選択された特定のデバイスの製造元のデータシートから導出され得る。スイッチQ2および/またはQ1の寄生容量は、時定数τ[L2]の望ましい値の重要な要因である場合もあれば、そうではない場合もある。インダクタL3に結合されたインダクタL1は、電流がインダクタL1を流れるときに、インダクタL3に電圧を誘導し得る。インダクタL3に誘導される電圧は、ダイオードD1で整流され得る。ダイオードD1の整流電圧は、バイアス抵抗器R3およびR4を介してバイパススイッチBP1のゲート(g)に印加することができ、これによりバイパススイッチBP1をオンにすることができる(ステップ1007)。
ここで図1Lを参照すると、図は、例示的な実施形態による、バイパス回路115の動作設計で行われた測定の過渡トレース181を示している。過渡トレース181は、OFFからONへの遷移におけるスイッチBP1の効果を示している。過渡トレースは、ステップ1007でスイッチBP1がオンである定常状態条件へのエントリをさらに示す。定常状態条件は、ステップ1007でスイッチBP1がオンである場合であり得、バイパス回路115の固有の安定化の例であり得る。バイパス回路115の固有の安定化は、ステップ1007でスイッチBP1の動作の第2段階中に確立され得る。遷移は、スイッチBP1の動作の効果を示す:第1のバイパスにおいて、ダイオードPD1を通る電流導通に続いて動作の第1段階でスイッチQ1が動作し、続いてスイッチBP1の動作の第2段階でスイッチQ2および/またはスイッチQ1が動作する。
トレース184は、スイッチBP1のMOSFETのゲート(g)とソース(s)間の電圧(Vgs)の過渡的な挙動を示す。トレース部分184aは、スイッチBP1および/またはダイオードPD1が順方向にバイアスされ、ストリング電流IストリングがダイオードPD1を流れるように、パワーモジュール103が誤って機能している場合を示している。トレース部分184aは、モジュール103および/電源101がステップ1203で正しく機能していない場合である。トレース部分184aは、ステップ1205におけるダイオードPD1およびBD2を通る第1のバイパス電流導通の結果としてスイッチBP1のゲート(g)ソース(s)電圧Vgsが変動し始める方法を示す。スイッチBP1のMOSFETのゲート(g)電圧は、インダクタL1に相互に結合されたインダクタL3に誘導された(ダイオードD1からの)整流電圧から得られる。また、(ダイオードD1からの)整流電圧は、ステップ1205でのダイオードPD1およびBD2の第1のバイパス電流導通後、インダクタL1を通る電流の流れがQ3および/またはダイオードBD2のソース(s)およびドレイン(d)の両方を通るようにスイッチQ3のゲートを駆動する。トレース部分184aを超えて、スイッチQ1の使用による第1段階の、次いでスイッチQ1および/またはQ2の使用による第2段階によるスイッチBP1のゲート(g)ソース(s)電圧Vgsの安定した連続的上昇が示される。ステップ1205でのダイオードPD1およびBD2を介した第1のバイパス電流導通のため、およびステップ1209〜1217でのスイッチQ1および/またはQ2の使用のため、スイッチBP1のゲート(g)ソース(s)電圧(Vgs)の変動は、第1段階の間、Vgsの安定した蓄積を示す。このように、Vgsの初期変動と第1段階の間のVgsの安定した蓄積は、回路111の出力が結合回路120を介して回路111の入力に戻る間の正のフィードバックループを示す。したがって、VgsがスイッチBP1をオンにするのに十分であることを確立するために、それによって端子AおよびBを横切るバイパスを提供するために、正のフィードバックループは、パワーモジュール103および/または電源101の出力に応答的である。
トレース部分180は、インダクタL1の電流の流れを示している。ダイオードPD1およびBD2を通る第1のバイパス電流導通、スイッチQ1の使用による第1段階、およびスイッチQ1および/またはQ2の使用による第2段階の動作の原理は、電流がインダクタL1を流れるとインダクタL1がインダクタL3およびL2に相互結合されるということである。相互結合は、電流がインダクタL1を流れると、電流がインダクタL2を流れ、電圧VL2をインダクタL2に誘導するようなものである。電圧VL2は、コンデンサC1および/またはC2を介してスイッチQ2および/またはスイッチQ1のゲート(g)を充電し得る(ステップ1209)。Q2および/またはスイッチQ1のゲート(g)の充電により、スイッチQ2および/またはスイッチQ1がスイッチQ2および/またはスイッチQ1のソース(s)とドレイン(d)の間で電流の導通を開始し、それによりQ2および/またはスイッチQ1は、期間tonの間、オンである(ステップ1211)。インダクタL1の放電(ステップ1213)は、決定ステップ1215におけるインダクタL2の電圧VL2がQ2および/またはスイッチQ1の閾値電圧を下回ってQ2および/またはスイッチQ1を期間toffの間オフに切り換える(ステップ1217)まで、決定ステップ1215で継続し得る。スイッチQ1および/またはスイッチQ2のオンおよびオフ期間tonおよびtoffの過渡的性質は、トレース部分180によって示される。トレース180および184のステップ1007での定常状態は、以下の図の説明に示される。
バイパス回路115の固有の安定化は、パワーモジュール103および/または電源101の出力に応答的である結合回路120を介して回路111の出力から回路111の入力に戻るフィードバックループにより、スイッチBP1の動作の第2段階中に確立され得る。したがって、スイッチBP1のゲート(g)ソース(s)電圧Vgsの安定した継続的な上昇は、スイッチBP1をオンに維持するために特定のレベルの電圧までしか上昇できない。したがって、第2段階のフィードバックループは負のフィードバックループである。負のフィードバックループは、パワーモジュール103および/または電源101の出力に応答的であり得、パワーモジュール103および/または電源103がステップ1009で再びアクティブになるまで、ステップ1007で継続的にオンであるようにスイッチBP1の起動を確立し、維持する。ステップ1007のスイッチBP1は、バイパスモード中に端子AおよびBに対して順方向にバイアスされ、スイッチBP1のゲート(g)に印加される電圧は、機能していないパワーモジュール103がバイパスされる必要がある期間、スイッチBP1が連続的にオンであるようなものである。同様に、パワーモジュール103および/または電源101の出力に応答的なフィードバックループは、パワーモジュール103および/または電源103が再び非アクティブになるまで、ステップ1011において継続的にオフであるようにスイッチBP1の停止を確立し、維持する。スイッチBP1は非バイパスモード中に端子AおよびBに対して逆バイアスされ、スイッチBP1のゲート(g)に印加される電圧は、ステップ1011において機能するパワーモジュール103がバイパスされない必要がある期間、スイッチBP1が連続的にオフになるようなものである。
したがって、ステップ1007でスイッチBP1がオンであり得る場合、固有の安定化が発生する可能性があり、その結果、ドレインからソースへの電圧Vdsが低下すると、ゲート(g)からソース(s)への電圧Vgsも低下する。同様に、ステップ1011でスイッチBP1がオフになり得る場合、バイパス回路115の安定化が確立され得、その結果、ドレイン(d)からソース(s)への電圧Vdsが上昇し、ゲート(g)からソース(s)への電圧Vgsも上昇する。
ここで図1Mおよび1Nを参照すると、例示的な実施形態による、バイパス回路115に対して作成された定常状態測定トレース182および180が示されている。示されている測定トレースは、パワーモジュール103出力の直列接続の一部として機能していないパワーモジュール103が正しく機能しておらず、25アンペアの最大値まで動作するストリング電流(Iストリング)に対してスイッチBP1でバイパスする必要がある場合のものである。測定トレースは、スイッチBP1がバイパスモード中に端子AおよびBに対して順方向にバイアスされ、スイッチBP1のゲート(g)は、スイッチBP1が、機能していないパワーモジュール103がバイパスされる必要がある期間、連続的にオンであるようなものであることを示している。
ここで図1Mを参照すると、図は、例示的な実施形態による、測定された定常状態トレース184、186および188のオシロスコープトレース182を示している。トレース184は、スイッチBP1がパワーモジュール103が機能しないときにパワーモジュール103の出力をバイパスするために使用される場合(ステップ1007)のスイッチBP1の測定されたゲート(g)ソース(s)電圧Vgsであり得る。トレース184によれば、スイッチBP1の測定されたゲート(g)ソース(s)電圧Vgsは約5.8ボルトで実質的に一定のままであり得、これによりバイパススイッチBP1が期間tonおよびtoffの間オンにされることがわかる。期間tonおよびtoffは、それぞれスイッチQ2および/またはQ1がオン(ステップ1211)およびオフ(ステップ1217)であるときを指す。トレース186は、約−1.3ボルトで始まり、約13ボルトのピークまで上昇し、−7.8ボルトまで急速に低下し、その後、toffの期間(ステップ1217)にわたって−1.3ボルトに戻るインダクタL3を横切る測定電圧を示す。次に、インダクタL3を横切る電圧は、期間tonの間(ステップ1211)、約−1.3ボルトのままである。トレース188は、スイッチQ2のドレイン(d)ソース(s)電圧Vds間の測定電圧であり、−1.3ボルトで始まり、約3.8ボルトのピークまで上昇し、toffの期間(ステップ1217)にわたって−1.3ボルトに戻る。次に、Vdsは、期間tonの間(ステップ1211)、−1.3ボルトのままである。
ここで図1Nを参照すると、例示的な実施形態による、インダクタL1の測定された定常状態電流のオシロスコープトレース180が示されている。インダクタL1の定常状態電流は、スイッチBP1が作動してオンになるときのものである(ステップ1007)。トレース180の傾斜部分180aは、−350マイクロアンペア(μA)から始まるインダクタL1を通る電流レベルで始まり、電流が77ミリアンペア(mA)に達する可能性がある期間tonの間増加し続ける(ステップ1211)。インダクタL1の電流が77mAに達すると、傾斜は期間toffの間−350μAに戻る(ステップ1217)。期間toffの終わりに(ステップ1217)、トレース180の傾斜部分180aが再び始まり、インダクタL1を通る電流が期間tonの間77mAに達する(ステップ1211)。図1Lおよび1Mの両方に関して、ton(ステップ1211)は240マイクロ秒であり得、toffは20マイクロ秒であり得る。回路111の発振周波数は、260マイクロ秒の逆数であり得、これは3.85キロヘルツ(KHz)であり得る。
したがって、ダイオードPD1、スイッチBP1の動作の第1段階におけるスイッチQ1、第2段階におけるQ2および/またはQ1を介した第1バイパス電流導通の利用は、機能していないモジュール103の出力のバイパスの連続動作を与え得る。バイパスダイオードBPD1の0.7Vと比較してバイパス回路115の導通が例えば10mV〜200mVであり得る広範囲の電流(例えば、実質的に0から30アンペアのストリング電流(Iストリング))を運ぶためのバイパススイッチBP1の連続動作。さらに、バイパス回路115の動作は、電源101(例えば、太陽電池(PV)発電機)が部分電力を生成し始めるとき、またはPV発電機が完全に陰になり得るとき、パワーシステム100の「ウェイクアップ」の一部として利用され得る。次に、バイパス回路115は、ステップ1205で補助電力回路162からの電力および/またはダイオードPD1の導通を利用し得、それにステップ1209〜1217で上述したようにバイパス115の動作の第1および第2段階が続き、電源および/またはPV発電機をバイパスする。
ここで、例示的な実施形態によるバイパス回路115aを示す図1Oを参照する。本明細書に記載されるスイッチのソース(s)は第1の端子と呼ばれ、ドレイン(d)は第2の端子と呼ばれ、ゲート(g)は第3の端子と呼ばれる。チャージポンプ130の出力は、スイッチBP1の第1の端子および第3の端子を横切ってスイッチBP1の入力に結合され得る。スイッチBP1の第1および第2の端子はチャージポンプ130の入力に接続する。ダイオードPD1のアノードはスイッチBP1の第1の端子に接続し、ダイオードPD1のカソードはスイッチBP1の第2の端子に接続する。ノードAとBは、スイッチBP1の第2および第1の端子にそれぞれ設けられる。チャージポンプ130は、その入力で非常に低い電圧(例えば、数十または数百ミリボルト)を受け取り、実質的により大きな電圧(例えば、数ボルト)を出力するように構成され得る。実質的により大きな電圧を可能にするために、チャージポンプ130はいくつかの変換ステージを含んでもよい。チャージポンプ130の例示的な回路のバリエーションは、「65nm CMOSを使用した起動回路での順方向ボディバイアスを伴う0.18−V入力チャージポンプ」(P.H.Chen et.al.、(C)IEEE 2010)、「エネルギー収穫用途向け低電圧集積チャージポンプ回路」(W.P.M.Randhika Pathirana、2014年)で見出すことができ、これらはチャージポンプ130として、またはその一部として使用できる。
ここで図1Pを参照すると、例示的な実施形態によるバイパス回路115bが示されている。バイパス回路はバイパス回路115aと同じであるが、スイッチQ3の第1の端子が端子Bに接続され、第2の端子がチャージポンプ130の入力に接続されている。スイッチQ3の第3の端子はスイッチBP1の第3の端子に接続されている。
ここで、例示的な実施形態による、図1Hに示される方法1000ならびに図1Oおよび1Pを再び参照する。ステップ1003で、スイッチBP1は、パワーモジュール103出力の直列ストリングが存在し得るパワーモジュール103の出力を横切って結合され得る。パワーモジュール103が適切に機能している場合、スイッチBP1は非アクティブ(オフ)である。あるいは、スイッチBP1は、電源101の出力を横切って結合されてもよい。
決定ステップ1005で、ダイオードPD1の第1のバイパス電流導通は、パワーモジュール103および/または電源101が正しく機能していないことの表示であり得る。構成に従った表示により、スイッチBP1のその後の起動(ステップ1007)がオンになり、それにより機能不全を起こしているパワーモジュール103の出力がバイパスされる可能性がある。そうでなければ、スイッチBP1のバイパス機能が非アクティブになるように、スイッチBP1はオフのままである(ステップ1003)。一方、パワーモジュール103の通常動作が存在する場合、ダイオードPD1とスイッチBP1のMOSFETは逆バイアスされる(MOSFETはオフである)。ダイオードPD1の順方向バイアスにより、ダイオードPD1の第1のバイパス電流導通において、電流IストリングがダイオードPD1のアノードからカソードに流される可能性がある。
ダイオードPD1の第1のバイパス電流導通とダイオードPD1の順方向電圧降下がチャージポンプ回路130の入力に印加され、これによりチャージポンプ回路130の電圧出力の蓄積が引き起こされる可能性がある。チャージポンプ回路130の出力電圧は、スイッチBP1の入力にフィードバックされ得る。スイッチBP1のMOSFETのゲートに印加されるチャージポンプ回路130の出力電圧は、スイッチBP1のMOSFETをオンに切り替えて、ステップ1007でスイッチBP1を起動させるのに十分であり得る。逆に、バイパス回路115bの使用に関してパワーモジュール103がステップ1007で動作していない場合、スイッチQ3はチャージポンプ130の出力により動作し、スイッチQ3がオンであり得る場合、ダイオードBD2はスイッチQ3によりバイパスされる。ステップ1007中にスイッチQ3をオフにすると、バイパススイッチBP1を通る漏れ電流のブロックがもたらされる。スイッチQ3がオンになっていると、チャージポンプ130が機能するための余裕がもたらされ得るようにスイッチBP1がオンになりステップ1007の間オンに維持される結果として、端子AとBの間を横切るドロップイン電圧がさらに補償される。
決定ステップ1009で、非アクティブなパワーモジュール103が非アクティブのままである場合、スイッチBP1のMOSFETはオンのままであり、それによりステップ1007でスイッチBP1はアクティブのままである。しかしながら、パワーモジュール103がアクティブになり始めると、スイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方が逆バイアスになる。パワーモジュール103は、例えば、パワーモジュールに結合されたパネルが陰にならないためにアクティブになる場合がある。端子AおよびBでチャージポンプ回路130の入力に印加されるスイッチBP1のMOSFETおよびダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧は、チャージポンプ回路130の出力電圧の低下および/またはチャージポンプ回路130の逆電圧出力を引き起こす可能性がある。チャージポンプ回路130の出力電圧の低下および/またはスイッチBP1のゲート(g)に印加されるチャージポンプ回路130の逆電圧出力は、スイッチBP1のMOSFETをオフに切り替え、それによりスイッチBP1がステップ1011で停止されるのに十分であり得る。したがって、MOSFETのゲートに印加される電圧が低下すると、MOSFETがオフになる可能性がある。あるいは、コントローラ105または他の何らかのコントローラの制御下にあるセンサ125は、スイッチBP1のMOSFETおよびダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧を感知してもよい。逆バイアスが感知される結果として、スイッチBP1がオフに切り替えられ得、例えば、ドライバ回路170などのドライバ回路からの電力が、パワーモジュール103が正常に機能することを可能にするためにパワーモジュール103のスイッチに再供給されることが許容され得る。パワーモジュール103が正常に機能しているため、スイッチBP1はここでは非アクティブ(オフ)であるが、依然として端子AおよびBで結合されている(ステップ1003)。
ここで図1Qを参照すると、例示的な実施形態による、バイパス回路115cのさらなる詳細が示されている。結合回路120は、抵抗器R5、コンデンサC4、抵抗器R6、ダイオードD2、およびインダクタL5を含み得る。抵抗器R5は、スイッチBP1のゲート(g)に結合された第1の端部を有し得る。抵抗器R5は、端子Bに結合された第2の端部を有し得る。コンデンサC4は、抵抗器R5を横切って結合され得る。コンデンサC4の第1の端部は、端子BおよびインダクタL5の第1の端部に結合され得る。インダクタL5の第2の端部は、ダイオードD2のアノードに結合され得る。コンデンサC4の第2の端部は、抵抗器R6の一端に結合され得る。抵抗器R6の第2の端部は、ダイオードD2のカソードに結合され得る。
本明細書に記載されるスイッチのソース(s)は、第1の端子と呼ばれ、ドレイン(d)は第2の端子と呼ばれ、ゲート(g)は第3の端子と呼ばれる。回路111aは、スイッチBP1の第2の端子を含み得、スイッチQ4の第2の端子およびスイッチBP1のダイオードPD1のカソードに結合し得る。ダイオードPD1のアノードは、端子B、チャージポンプ130の電圧(Vin1)入力、およびインダクタL4の第1の端部に結合し得る。インダクタL4の第2の端部は、スイッチQ4の第1の端子に結合し得る。スイッチQ4の第3の端子は、PWM132の電圧出力(Vout2)に結合し得る。チャージポンプ130の出力電圧(Vout1)は、ダイオードD5のアノードに結合し得る。ダイオードD5のカソードは、ダイオードD4のカソードおよびパルス幅変調器(PWM)132の入力電圧(Vin2)に結合し得る。ダイオードD4のアノードは、ダイオードD3のカソードおよびコンデンサC5の第1の端部に結合し得る。コンデンサC5の第2の端部は、インダクタL6の第1の端部に結合し、リターン接続RET6を提供し得る。インダクタL6の第2の端部は、ダイオードD3のアノードに結合し得る。PWM132およびチャージポンプ130の両方は、それぞれのリターン経路RET5およびRET6を提供する。リターン経路RET4、RET5、およびRET6は一緒に結合され得る。インダクタL4、L5、およびL6はすべて同じコアCR1上で相互に結合され、インダクタL4上の回路111aの出力は、インダクタL5上の結合回路120の入力に結合し戻され得る。チャージポンプ130は、出力Vout1の入力電圧(Vin1)を2倍にすることができるスイッチドキャパシタ電圧コンバータ MAX1680C/D(登録商標)(マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ(Maxim Integrated Products)、米国カリフォルニア州サニーベール、120サン・ガブリエル・ドライブ)によって実現できる。PWM132は、米国カリフォルニア州ミルピタス、1630マッカーシーブールバード、リニア・テクノロジー・コーポレーション(Linear Technology Corporation)によるアナログ電圧制御パルス幅変調(PWM)機能を備えたLTC(登録商標)6992シリコン回路の使用により実現することができる。
ここで、図1Qおよび図1Hを再び参照する。図は、例示的な実施形態による方法1000のフローチャートを示している。スイッチBP1は、パワーモジュール103出力の直列ストリングが存在し得るパワーモジュール103の出力を横切って結合し得る(ステップ1003)。決定ステップ1005で、パワーモジュール103が機能しない場合、スイッチBP1は、非アクティブなパワーモジュール103の出力からの周りの経路の直列ストリング(Iストリング)に電流を引き込む(ステップ1007)。
決定ステップ1005で、ダイオードPD1の第1のバイパス電流導通は、パワーモジュール103および/または電源101が正しく機能していないことの表示であり得る。以下に記載される方法および決定ステップは、特に、いわゆる「決定」が、バイパス回路115cの結合回路120、スイッチBP1および回路111aを実装するために以下で使用されるアナログ回路の構成によって行われると想定する。そのため、方法1000のステップおよび実際に以下に記載する他の方法のステップは、バイパス回路115の回路120、スイッチBP1および回路111aへの結合を含み得るバイパススイッチの動作を感知および制御するためのマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラおよび関連アルゴリズムの使用などのデジタル手法の使用を排除しない可能性がある。方法1000のステップおよび実際に以下に記載する他の方法のステップは、アナログとデジタルの両方の方法を組み合わせた任意の数の実装の使用を排除しない可能性がある。
アナログ回路と同様に、構成には、バイパス回路115cの結合回路120、スイッチBP1、および回路111aの回路設計の一部として、コンポーネント値、コンポーネントのタイプ、コンポーネントの相互接続の計算と選択が含まれる場合がある。したがって、構成は、上記のパワーシステム100a/100および以下に記載するパワーシステムの通常の動作パラメータまたは非通常の動作パラメータに基づいてもよい。したがって、以下に記載する決定ステップの決定局面に関する構成は、パワーモジュール103および/または電源101のバイパスを提供するために、パワーモジュール103および/または電源101のブレークダウンまたは故障などのイベントに対して応答的なアナログ回路のようなものであり得る。
構成はまた、パワーモジュール103および/または電源101のバイパスを除去するようにパワーモジュール103および/または電源101が通常動作に戻るなどのイベントに応答するように、以下に記載する決定ステップの決定局面を与えることができる。構成による表示は、スイッチBP1のその後の起動(ステップ1007)をオンにし、機能不全を起こしているパワーモジュール103の出力がバイパスされるようにすることができる。そうでなければ、スイッチBP1のバイパス機能が非アクティブになるように、スイッチBP1はオフのままである(ステップ1003)。
機能していないパワーモジュール103に電流の流れを押し通す試みは、他のパワーモジュール103の電圧出力の増加によって引き起こされる可能性があり、それはダイオードPD1を順方向バイアスさせ得る。一方、パワーモジュール103の通常動作が存在する場合、スイッチBP1のダイオードPD1とMOSFETは逆バイアスされる(MOSFETはオフである)。ダイオードPD1の順方向バイアスにより、ダイオードPD1の最初のバイパス電流導通において、電流IストリングがダイオードPD1のアノードからカソードに流され得る。ダイオードPD1の順方向バイアスは、同様にスイッチQ4の順方向バイアスを引き起こし得る。ダイオードPD1の最初のバイパス電流導通とダイオードPD1の順方向電圧が回路111aの入力に印加され得、これは回路111aの発振を引き起こす可能性がある。回路111aの出力発振は、結合回路120を介してスイッチBP1の入力にフィードバックされ得る。結合回路120の出力は、スイッチBP1のMOSFETのゲートに接続する。スイッチBP1のMOSFETのゲートに印加される結合回路120の出力は、ステップ1007でスイッチBP1が起動されるように、スイッチBP1のMOSFETをオンに切り換えるのに十分であり得る。ステップ1007で、回路111aは、ダイオードPD1が導通するとすぐにスイッチBP1の連続動作を開始し、その後、スイッチQ4を使用することによって、スイッチBP1のドレイン(d)とソース(s)間の電圧(Vds)が実質的に最大100ミリボルト(mv)で低いままであるようにスイッチBP1の連続動作を維持する。
決定ステップ1009で、非アクティブなパワーモジュール103が非アクティブのままである場合、ステップ1007でスイッチBP1が起動されたままであるようにスイッチBP1のMOSFETはオンのままである。しかしながら、パワーモジュール103がアクティブになり始めると、スイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方、およびスイッチQ4が逆バイアスをかけられる。例えば、パワーモジュールに結合されたパネルが陰にならないため、パワーモジュール103がアクティブになり得る。端子AおよびBで回路111aの入力に印加されるスイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方およびスイッチQ4の逆バイアス電圧により、回路111aの発振が停止され得る。結合回路120を介してスイッチBP1の入力へフィードバックされる回路111aの出力発振の停止は、スイッチBP1のMOSFETをオフに切り換えるのに十分であり得、その結果、スイッチBP1はステップ1011で停止される。MOSFETのゲートに印加される電圧の低下はMOSFETをオフにし得る。あるいは、コントローラ105または他の何らかのコントローラの制御下にあるセンサ125は、スイッチBP1のMOSFETおよびダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧を感知し得る。逆バイアスが感知される結果として、スイッチBP1がオフに切り替えられ得、例えばドライバ回路170などのドライバ回路からの電力がパワーモジュール103のスイッチに再供給され、パワーモジュール103が正常に機能できるようになる。パワーモジュール103が正常に機能しているため、スイッチBP1はここで非アクティブ(オフ)であるが、依然として端子AおよびBで結合されている(ステップ1003)。
回路111aの動作
ここで再び図1Qおよび図1Rを参照すると、これらはそれぞれ、例示的な実施形態による、バイパス115cと、ステップ1007のさらなる詳細を示すフローチャートとを示す。パワーモジュール103が動作していない場合、ステップ1007が発生し、スイッチBP1は、パワーモジュール103出力の直列ストリング内の非アクティブなパワーモジュール103の出力周辺の経路の直列ストリング(Iストリング)に電流を引き込む。回路111aの動作において、スイッチおよびそのダイオードは、チャージポンプ130に組み込まれてもよく、またはそれに取り付けられてもよい。スイッチ(図には示されていないが、図1IのスイッチQ3およびダイオードBD2と機能が似ている)は、バイパススイッチBP1を通る漏れ電流をブロックし得、バイパススイッチBP1を横切る逆電圧をブロックし得る。逆電圧のブロックは、端子Aの電圧が端子Bの電圧よりもはるかに大きい可能性がある場合であり得、そのような状況は、ステップ1003でパワーモジュール103が正しく動作している場合である。スイッチとその動作は以下の考察を簡単にするために無視されてもよく、ONと見なされる。
決定ステップ1303で、スイッチBP1のダイオードPD1が第1のバイパス電流導通で導通するとすぐに、パワーモジュール103出力のバイパスにおけるスイッチBP1の連続動作が開始する。第1のバイパス電流導通後、スイッチBP1の連続動作の第1段階は、主にチャージポンプ130、PWM132およびスイッチQ4の使用により確立され得る。チャージポンプ130、PWM132およびスイッチQ4の使用により続くステップで記載されるいくつかの可能なサイクルの後、インダクタL6によって生成される電圧は、スイッチBP1の連続動作の第2段階を開始するチャージポンプ130の出力電圧Vout1よりも大きくなり得る。コンデンサC5を充電する時定数は、コンデンサC4を充電する時定数より小さくてもよい。コンデンサC5とC4との間の時定数の差は、チャージポンプ130とスイッチQ4の使用を促進して、第1段階のスイッチBP1を第2段階まで作動させることができる。第2段階では、動作は主にPWM132、スイッチQ4の連続動作によるものであり得、インダクタL6によって生成される電圧がチャージポンプ130の出力電圧Vout1より大きくなる場合がある。
決定ステップ1303において、ダイオードPD1は、ステップ1305においてインダクタL4の第1のバイパス電流導通を行い、これはインダクタL5およびL6を横切る電圧を誘導し、一方でバイパススイッチBP1は、パワーモジュール103の出力電圧(VAB)に対して正にバイアスされ得る。バイパススイッチBP1がパワーモジュール103の出力電圧(VAB)に対して正にバイアスされることは、パワーモジュール103が機能していない可能性があり、その出力をバイパスさせる必要があることを意味し得る。インダクタL5の誘導電圧VL5は、ダイオードD2によって整流され、コンデンサC4を充電する。充電されたコンデンサC4の電圧は、バイパススイッチBP1のゲート(g)に印加されるため、バイパススイッチBP1は、以下でさらに詳細に記載する第1バイパス電流導通および第1および第2段階に対してオンになる。
ダイオードPD1を介し得るインダクタL4の第1のバイパス電流導通は、電源101および各パワーモジュール103によって少量の電力が生成されている可能性がある場合であり得る。低電力の例は、電源101が例えば明け方に照らされ始めたばかりの太陽電池パネルであり得る場合、または太陽電池パネルが実質的に陰になっている可能性がある場合であり得る。決定ステップ1303で電源101によって十分な電力が生成され得る場合、回路111aは、電源101によって十分な電力が生成され得るまで、いくつかの可能なサイクルでチャージポンプ130の相当の使用によって発振し続ける。
第1のバイパス電流導通または第1の段階の動作原理は、第1のバイパス電流導通からインダクタL4を通って流れる電流を有するおよび/またはスイッチQ4の使用が続くインダクタL4がインダクタL4を介してインダクタL5およびL6に相互に結合され得るということであり得る。L4を流れる電流により、電流がインダクタL5およびL6に流され(ステップ1309)、PWM132電圧Vout2がスイッチQ4のゲート(g)に印加される(ステップ1311)。スイッチQ4のゲート(g)へのPWM132電圧Vout2の印加は、PWM132の入力(Vin2)に印加されるチャージポンプ130の出力電圧Vout1によるものであり得る。PWM132の入力(Vin2)に印加されたチャージポンプ130の出力電圧Vout1は、さらに、スイッチQ4にソース(s)とスイッチQ4の第2の端子との間で電流の導通を開始させ、それによりQ4は期間tonの間オンになる。インダクタL4の放電(ステップ1313)は、期間tonの終わりまで決定ステップ1315で継続する。期間tonの終わりに、スイッチQ4のゲート(g)へのPWM132電圧Vout2の印加は、期間toffの間、Q4をオフにする。
インダクタL4、L5、およびL6は、すべて同じコアCR1上で互いに相互に結合されてもよく、したがって、インダクタL5およびL6上の回路111aの出力は、結合回路120の入力にインダクタL5に戻って結合され得る。インダクタL4とインダクタL5およびL6の間の相互結合は、インダクタL5およびL6がインダクタL4よりも多くの巻き線数を有し、それによりインダクタL5およびL6に誘導される電圧が、以下の周知の変圧器方程式によってはるかにより大きくなり得るようなものであり得る:
VL4/VL5=NL4/NL5
および
VL4/VL6=NL4/NL6
式中、VL4、VL5、およびVL6は、インダクタL4、L5、およびL6のそれぞれの電圧である。NL4、NL5およびNL6は、それぞれインダクタL4、L5およびL6の巻き線数である。インダクタL5およびL6に誘導されるより大きな電圧は、スイッチBP1、スイッチQ4、チャージポンプ130およびPWM132の動作を可能にし得る。一方、より大きな電圧が誘導されない場合、スイッチBP1、スイッチQ4、チャージポンプ130およびPWM132は動作できない可能性がある。
上記のステップ1309〜1317で記載したいくつかの可能なサイクルが終わるまで、インダクタL6により生成されダイオードD3により整流される電圧は、ダイオードD5により整流されるチャージポンプ130の出力電圧Vout1よりも大きくなるように蓄積され得る。インダクタL6によって生成され、ダイオードD3によって整流された電圧が、ダイオードD5によって整流されたチャージポンプ130の出力電圧Vout1よりも大きくなると、第2の段階が開始する。スイッチBP1の連続動作の第2の段階は、PWM132の入力(Vin2)に印加されるダイオードD3によって整流された電圧の印加によって開始される。スイッチBP1の連続動作の第2の段階は、前述のステップ1309〜1317と同じ方法で継続するが、PWM132とスイッチQ4の大幅な使用を伴う。
バイパス回路115cの固有の安定化は、パワーモジュール103および/または電源101の出力に応答的な、回路111aの出力から(コンデンサC4およびC5を横切る)インダクタL5およびL6の整流出力を介して回路111aの入力に戻るように確立されるフィードバックループにより確立され得る。パワーモジュール103および/または電源101の出力に応答的なフィードバックループは、パワーモジュール103および/または電源103が非アクティブになるまでステップ1007でスイッチBP1の起動をオンに設定し継続的に維持する。ステップ1007のスイッチBP1は、バイパスモード中に端子AおよびBに対して順方向にバイアスされ得、スイッチBP1のゲート(g)は、スイッチBP1が、機能していないパワーモジュール103がバイパスされる期間、連続的にオンであり得るようなものであり得る電圧を印加され得る。
同様に、パワーモジュール103および/または電源101の出力に応答的なフィードバックループは、パワーモジュール103および/または電源103が再度非アクティブになるまで、ステップ1011でスイッチBP1の停止をオフであるように設定し連続的に維持する。スイッチBP1は、バイパスモード中に端子AおよびBに対して逆バイアスをかけられ得、スイッチBP1のゲート(g)に印加される電圧は、ステップ1011で機能しているパワーモジュール103がバイパスされない必要がある期間、スイッチBP1が連続的にオフになるようなものであり得る。ステップ1007でスイッチBP1がオンであり得る場合、固有の安定化が発生する可能性があり、その結果、ドレインからソースへの電圧Vdsが低下すると、ゲート(g)からソース(s)への電圧Vgsも低下する。同様に、バイパス回路115cの安定化は、ステップ1011でスイッチBP1がオフであり得るときに確立され得、その結果、ドレイン(d)からソース(s)への電圧Vdsが上昇すると、ゲート(g)からソース(s)への電圧Vgsも上昇する上昇する。
ここで、例示的な実施形態による、パワーシステム100cを示す図1Sを参照する。接続構成104aは、端子CおよびDでパワーモジュール103の入力端子に結合された直流(DC)出力端子を備えた電源101を示す。パワーモジュール103は、端子Aおよび端子Bでパワーモジュール103の出力端子に結合されたバイパス回路115を有する。
接続構成104cは、端子AおよびBでそれぞれのバイパス回路115に結合された多数の電源101出力を示す。多数の電源101出力は、端子CおよびDでパワーモジュール103の入力端子に結合された直列接続の直流(DC)出力端子と直列接続で結合され得る。バイパス回路115は、端子AおよびBでパワーモジュール103の出力端子に結合され得る。
パワーモジュール103の出力は、直列に結合されて、パワーモジュール103出力の直列結合ストリングを形成し得る。パワーモジュール103出力の直列結合ストリングは、電圧出力Vストリングとともに、システムパワーデバイス139の入力を横切って結合され得る。システムパワーデバイス139は、直流(DC)−DCコンバータであり得るか、または負荷107に電力を供給するDC−交流(AC)インバータであり得る。
電源101が太陽電池(PV)パネルであると仮定すると、接続構成104cに示されるようにパネルが影155で陰になる場合、陰になったパネルを通過する電流(Iソース)は、非アクティブなパネルの周囲の代替の平行経路を提供され得、および陰になったパネルの完全性が保持され得る。パネル/電源101の出力を横切って結合されたバイパス回路115の目的は、それぞれのバイパス回路115に関連付けられた陰になったパネルから電流を抽出するための代替の並列経路となることであり得る。バイパス回路115は、関連する陰になったパネルが逆バイアスをかけられると順方向バイアスをかけられる。パネルおよび関連するバイパス回路115は、陰になったパネルに電流を流すのではなく、並列であり得るため、バイパス回路115は、接続構成104cに示すように、一連の直列結合電源において次のパネルへの接続を維持するように、陰になったパネルから電流を抽出し、電流を完全なものにする。直列に配線された多数のパネルに対してバイパス回路115を使用すると、残りの陰になっていないパネルから電力を使用できる一方、接続構成104cでのみパワーモジュール103の出力にバイパス回路を配置するだけで、残りの陰になっていないパネルによって生成された電力の利用を防止し得る。
同様に、パワーモジュール103が非アクティブになった場合、非アクティブなパワーモジュール103を流れる電流(Iストリング)は、非アクティブなパワーモジュール103の出力の周りの代替の並列経路を提供され得る。パワーモジュール103の出力を横切って結合されたバイパス回路115の目的は、そのそれぞれのバイパス回路115に関連付けられた非アクティブなパワーモジュール103の出力から電流を抽出することであり得る。バイパス回路115は、その関連付けられた非アクティブパワーモジュール103が逆バイアスをかけられると、順方向バイアスをかけられる。パワーモジュール103の出力および関連するバイパス回路115は、非アクティブなパワーモジュール103に電流を流すのではなく、並列であり得るため、バイパス回路115は、非アクティブなパワーモジュール103の出力から電流を抽出し、図示のように直列結合されたパワーモジュール出力103のストリング内の次のパワーモジュール103出力への電流Iストリングの接続を維持するために電流Iストリングを完全なものにする。
本明細書の要素間に様々な接続が示されていることに留意されたい。これらの接続は一般的に記載されており、特に指定がない限り、直接または間接であり得、本明細書は、この点で制限することを意図していない。さらに、本明細書の要素はハードウェアまたはソフトウェアのいずれかに関して記載されているが、それらはハードウェアおよび/またはソフトウェアのいずれかで実装されてもよい。さらに、一実施形態の要素は、適切な組み合わせまたは下位組み合わせで他の実施形態の要素と組み合わせることができる。上記の例では、パワーモジュール103および/または電源出力の直列ストリングにおける機能していないおよび機能しているパワーモジュール103および/または電源出力のバイパスをそれぞれ起動または停止するために使用される結合回路120および回路111/111aの実装のためにアナログ回路を利用した。あるいは、機能していないパワーモジュール103は、スイッチBP1をオンにすることによって機能していないパワーモジュール103出力の出力をバイパスするように機能していないパワーモジュール103出力を感知するために補助電力回路162およびセンサ125を利用してもよい(ステップ1007)。同様に、センサ125は、スイッチBP1をオフにすることにより機能しているパワーモジュール103出力の出力をバイパスしないように、機能しているパワーモジュール103出力を感知するために利用されてもよい(ステップ1011)。
ここで、例示的な実施形態による太陽電池(PV)システムを示す図1Tを参照する。パワーシステム100Tは、電力バス120Tと130Tとの間に並列に結合された多数のPVストリング103Tを有し得る。PVストリング103のそれぞれは、多数の電源101および多数のパワーデバイス200を有し得る。電源101は、1つまたは複数の太陽電池セル、モジュール、パネル、または太陽電池屋根板を含み得る。太陽電池屋根板は、アスファルト鉄片やスレートなどの従来の屋根材のように見えかつ機能する一方で電気も生成するように設計されたソーラーパネルである。ソーラー屋根板は、ビル一体型太陽光発電(BIPV)として知られる太陽エネルギーソリューションの一種である。いくつかの態様によれば、PV発電機として示される電源101は、他の電源、例えば、直流(DC)電池または他のDCまたは交流(AC)電源に置き換えられてもよい。各パワーデバイス200は、制御装置および通信装置を含むことができ、PV発電機を切断するコマンドを受信すると(例えば、通信装置を介して)、パワーデバイス入力に接続されたPV発電機を切断するように動作されることができる。パワーシステム100Tは、システムパワーデバイス110Tに入力され得る電力バス120Tおよび130Tを含み得る。
いくつかの態様によれば、システムパワーデバイス110Tは、DC/ACインバータ(例えば、入力電力がDC電力である場合)、AC/ACコンバータ(例えば、入力電力がAC電力である場合)を含み得、AC電力を送電網、家庭、または他の目的地に出力し得る。いくつかの態様によれば、システムパワーデバイス110Tは、パワーデバイス200を制御またはそれと通信するための制御装置および/または通信装置を含むか、またはそれに結合することができる。例えば、システムパワーデバイス110は、システムパワーデバイス110Tの動作を制御するように構成されたマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)および/またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などの制御装置を有し得る。
システムパワーデバイス110Tは、パワーデバイス200に含まれるリンクされた通信装置と通信し、動作コマンドを送信しおよび/またはパワーデバイス200に含まれる通信装置から報告を受信するように構成された通信装置(例えば、電力線通信回路、音響通信装置および/または無線トランシーバ)をさらに含み得る。
いくつかの態様によれば、電力バス120Tおよび130Tは、バッテリ、スーパーキャパシタ、フライホイールまたは他の貯蔵装置などのエネルギー貯蔵装置にさらに結合されてもよい。
いくつかの態様によれば、1つまたは複数の電源101および/またはパワーデバイス200をバイパスする(例えば、それを横切って低インピーダンス電流経路を提供する)ことが望ましい場合がある。例えば、故障しているまたは生産性の低い電源(例えば、PV発電機)101または故障しているPVパワーデバイス200の場合、故障しているまたは生産性の低いPVモジュールをバイパスして、パワーシステム100Tからの継続的な電力生産を可能にすることが有益であり得る。
安全規制は、通常の動作状態の間と潜在的に危険な状態の間の両方において、電力バス120Tおよび130Tとパワーシステム100Tのその他のポイントとの間の最大許容電圧を定義し得る。安全規制は、パワーシステム100Tの任意の2つの電圧ポイント間の最大許容電圧も定義し得る。いくつかのシナリオでは、パワーシステム100Tの危険な状態に応答して、PVストリング103T内の1つまたは複数の電源101をバイパスする(例えば、短絡および/または切断する)ことが有益であり得る。
ここで図2を参照すると、本開示の態様による、パワーデバイス200などのパワーデバイスに含まれ得る回路が示されている。パワーデバイス200は、電力変換器201を含み得る。電力変換器201は、バック、ブースト、バック/ブースト、バック+ブースト、Cuk、フライバック、チャージポンプおよび/またはフォワードコンバータなどのDC/DCコンバータを含み得る。いくつかの態様によれば、電力変換器201は、マイクロインバータなどのDC/ACコンバータ(インバータとしても知られる)を含み得る。電力変換器201は、パワーデバイス200の入力端子および出力端子と同じであり得る2つの入力端子および2つの出力端子を有し得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス200は、パワーデバイス200に結合された電源から増大した電力を抽出するように構成されたMPPT回路205を含み得る。いくつかの態様によれば、電力変換器201はMPPT機能を含み得る。いくつかの態様によれば、MPPT回路205は、インピーダンス整合アルゴリズムを実装して、パワーデバイス200の入力に結合された(例えば、直接接続された)電源から増大した電力を抽出し得る。
パワーデバイス200は、アナログ制御回路、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、および/またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などのコントローラ204をさらに含み得る。コントローラ204は、共通バス290を介してパワーデバイス200の他の要素を制御および/またはそれらと通信し得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス200は、パラメータを直接測定するように構成された回路および/またはセンサ/センサインターフェース203を含み得、または、電源による電圧および/または電流および/または出力などの電源上のまたはその近くのパラメータを測定するように構成された接続されたセンサ/センサインターフェース203から測定パラメータを受信し得る。いくつかの態様によれば、センサ/センサインターフェース203は、パワーデバイス200の出力上のパラメータを感知するように構成され得る。いくつかの態様によれば、電源は、PVセルを含むPV発電機であり得、センサ/センサインターフェース203は、PVセルが受けた放射照度の測定値、および/またはPV発電機上またはその近くの温度を直接測定または受信し得る。
いくつかの態様によれば、パワーデバイス200は、図1Tのシステムパワーデバイス110Tなどの他のデバイスからのデータおよび/またはコマンドを送信および/または受信するように構成された通信装置202を含み得る。通信装置202は、電力線通信(PLC)技術、音響通信技術、または、ZIGBEE(登録商標)、BLUETOOTH(登録商標)、Wi−Fi、セルラー通信、もしくは他の無線方法などの無線通信技術を使用して通信し得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス200は、センサ/センサインターフェース203によって取得された測定値の記録を取って、コード、動作プロトコル、または他の動作情報を記憶するために、メモリデバイス208を含み得る。メモリデバイス208は、フラッシュメモリ、電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ(EEPROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、ソリッドステートデバイス(SSD)、または他のタイプの適切なメモリデバイスであり得る。
パワーデバイス200は、安全装置206(例えば、ヒューズ、回路ブレーカ、および残留電流検出器)を有し得る。安全装置206は、受動的または能動的であり得る。例えば、安全装置206は、パワーデバイス200内に配置された1つまたは複数の受動的なヒューズを含み得、ヒューズは、特定の電流が流れたときに溶融し、その結果、損傷を回避するためにパワーデバイス200の一部を切断するように設計される。いくつかの態様によれば、安全装置206は、コントローラ(例えば、コントローラ204)からコマンドを受信してパワーデバイス200の一部を切断するように構成された、またはセンサ(例えばセンサ/センサインターフェース203)によって測定された測定値に応答してパワーデバイス200の一部を切断するように構成された能動的な切断スイッチを有し得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス200は、他の回路部品(例えば、コントローラ204、通信装置202)を作動させるのに適した電力を出力するように構成された補助電力回路207を有し得る。パワーデバイス200の様々な構成要素間の通信、電気的結合、および/またはデータ共有は、共通バス290を介して実行され得る。
パワーデバイス200は、電力変換器201の入力および/または出力の間に結合されたバイパス回路209(本明細書では「安全モジュール」とも呼ばれる)を有し得る。いくつかの態様によれば、バイパス回路209は、パワーデバイス200の入力aおよびbに結合され得る。いくつかの態様によれば、バイパス回路209は、パワーデバイス200の出力cおよびdに結合され得る。図2に示される例示的なパワーデバイス200では、第1のバイパス回路209がパワーデバイス200への入力aとbの間に接続され得(例えば、図2Aに示すバイパス回路209a)、第2のバイパス回路209(例えば、図2Bに示すバイパス回路209b)が、パワーデバイス200の出力cとdの間に接続され得る。バイパス回路209は、コントローラ204によって制御され得る。安全でない状態、機能不全および/または低生産性状態が検出された場合、いくつかの態様によれば、コントローラ204は、バイパス回路209を有効にして、パワーデバイス200への入力aおよびbをバイパスし得る。バイパス回路209は、出力cおよびdを短絡すること、および/または入力aおよびbを短絡することにより、パワーデバイス200への入力aおよびbをバイパスし得る。いくつかの態様によれば、バイパス回路209は、パワーデバイス200の出力cおよびdからパワーデバイス200の入力aまたはbを切断し、パワーデバイス200の出力cおよびdを短絡し得る。
いくつかの態様によれば、バイパス回路209は、電力変換器201に統合され得る。例えば、電力変換器201は、多数のスイッチ(例えば、図2Bに示されるような金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET))を有し得、これらのスイッチは、安全な条件下での電力変換に使用することができ、機能不全状態または低生産性状態などの安全でない状態の下で電力変換器201の入力または出力のいずれかを短絡させることがある。いくつかの態様によれば、バイパス回路209は、電力変換器201のスイッチを制御するための調整された電圧を可能にしながら、双方向バイパス機能を提供し得る。
バイパス回路209aに含まれ得る回路を示す図2Aを参照する。図2は、パワーデバイス200の一部として、電力変換器201と直列の2つのバイパス209を示す。いくつかの態様によれば、バイパス回路209aは、パワーデバイスと並列であり得る。バイパス回路209aは、第1の入力Aおよび第2の入力Bを有し得、入力AおよびBは、例えば、図1TのPVストリング103の一部として電力ストリングに接続されてもよい。バイパス回路209aは、ダイオードDB1〜DB4を含むダイオードブリッジ250を含み得る。スイッチ(例えば、MOSFET)QB1は、バイパス回路209aのダイオードブリッジ250の出力ノードCとDとの間に接続されてもよい。いくつかの態様、本明細書の実施形態によって支持されるパワーシステムによれば、ストリング電流IストリングはDC形態であり得る。例えば、バイパス回路209aは、バッテリに接続された電力変換器に結合され得、バッテリは充電され(ノードAからノードBへの電流の流れをもたらす)、放電され得る(ノードBからノードAへの電流の流れをもたらす)。IストリングがポイントAからポイントBに流れると、Iストリングはバイパス回路209aに入り、DB2を通過してスイッチQB1に到達し得る。バイパス回路209aが無効になると、スイッチQB1はオフになり、バイパス回路209aは開回路として効果的に動作し得、ストリング電流Iストリングが流れ、バイパス回路209a(図2Aには明示的に示されていないが、図3に示されている)と並列に結合された電力変換器(例えば、マイクロインバータ)によって処理され得る。バイパス回路209aが有効になると、スイッチQB1がオンになり、IストリングがスイッチQB1とダイオードDB4を通ってバイパス回路209aからポイントBに流れる。いくつかのシナリオ(例えば、バッテリの放電)では、IストリングはポイントBからポイントAに流れ得る。Iストリングは、バイパス回路209aに入り、ダイオードDB1を通って流れ、スイッチQB1に到達し得る。バイパス回路209aが無効にされると、スイッチQB1はオフであり、バイパス回路209aは開回路である。バイパス回路209aが有効になると、スイッチQB1はオンになり、IストリングはスイッチQB1とダイオードDB3を通ってバイパス回路209aから点Aに流れ得る。
いくつかの態様によれば、IストリングはAC形態であってもよく(例えば、電力変換器201がDC/ACコンバータである場合)、Iストリング電流はサイクルの最初の部分でAからBに流れ、サイクルの第2の部分でBからAに流れ得る。Iストリングの各流れ方向において、バイパス回路209aのダイオードブリッジ250のため、電圧VB+はVB−より大きくなる可能性があり、これはスイッチQB1の受動ダイオードに電流が流れるのを防止し得る。バイパス回路209aのダイオードブリッジ250のため、スイッチQB1の電圧は正(VB+−VB−>0)であり得る。スイッチQB1を横切る正電圧は常に正である可能性があるため、スイッチQB1を横切る電圧降下は、以下に開示される例示的特徴により、スイッチQB1を駆動してバイパス経路を提供するように構成されたコントローラ(例えば、アナログまたはデジタルコントローラ)に提供され得る。
ここで、バイパス回路209bを示す図2Bを参照すると、バイパス回路209bの入力は、ストリング、例えば図1TのPVストリング103に接続されている。バイパス回路209bは、MOSFETQB2〜QB5を含むMOSFETブリッジ260を有し得る。バイパス回路209bのMOSFETブリッジ260の出力は、それらの間のスイッチQB1と接続され得る。いくつかの態様によれば、IストリングはDC形態であり得る。IストリングがポイントAからポイントBに流れているシナリオでは、Iストリングはバイパス回路209bに入り、QB4(ONまたはOFFであり得る)を通過してスイッチQB1に到達し得る。バイパス回路209bが無効にされると、MOSFET QB1はオフであり得、バイパス回路209bは開回路であり得る。バイパス回路209bが有効にされると、スイッチQB1はオンであり、IストリングはスイッチQB1およびMOSFET QB2(オンまたはオフであり得る)を通過し、バイパス回路209bを介してポイントBに流れ得る。いくつかのシナリオでは、IストリングはポイントBからポイントAに流れ得る。Iストリングはバイパス回路209bに入り、スイッチQB3(オンまたはオフであり得る)を通過してスイッチQB1に到達し得る。バイパス回路209bが無効にされると、スイッチQB1はオフになり得、バイパス回路209bは開回路になり得る。バイパス回路209bが有効にされると、スイッチQB1がオンになり得、IストリングはスイッチQB1およびMOSFET QB5(オンまたはオフであり得る)を通ってバイパス回路209bを通ってポイントAに流れ得る。いくつかの態様によれば、IストリングはAC形態であり得、Iストリング電流はサイクルの第1の部分の間AからBに、サイクルの第2の部分の間BからAに流れ得る。Iストリングの各方向において、バイパス回路209bのMOSFETブリッジ260により、電圧レベルVB+は電圧レベルVB−よりも大きくなる場合があり、これは実質的な電流がMOSFET QB1の受動ダイオードを通って流れることを防止し得る。バイパス回路209bのMOSFETブリッジ260のため、MOSFET QB1の電圧は正(VB+−VB−>0)であり得る。バイパス回路209bが有効化および/または無効化されると、MOSFET QB2〜QB5のそれぞれがオンまたはオフになり得、MOSFET QB2〜QB5がオフのとき、MOSFET QB2〜QB5の受動ダイオードに電流が流れ得、MOSFET QB2〜QB5がONのとき、MOSFET自体に電流が流れる可能性がある。MOSFET QB1〜QB5は、図2の補助電力回路207などの外部補助電力回路によって電力を供給されてもよい。
いくつかの態様によれば、バイパス回路209bのMOSFET QB2〜QB5は、インバータ(例えば、マイクロインバータ)の一部であり得る。例えば、図2の電力変換器201はインバータであり得る。バイパス回路209bが無効にされると、スイッチQB2〜QB5はインバータ周波数(例えば、10kHz、20kHz、100kHz、200kHz、またはそれ以上)で切り替えられ得、スイッチQB1はオフになり得る。バイパス回路209bが有効にされると、スイッチQB2〜QB5はIストリングを流れる電流のグリッド周波数の周波数(例えば、50Hzまたは60Hz)で切り替わる可能性があり、スイッチQB1はオンになり得、出力CとDを短絡する。いくつかの態様によれば、バイパス回路209bはパワーデバイスに並列に接続され得、バイパス回路209bが無効にされると、スイッチQB1はオフになり、Iストリングはパワーデバイスをバイパス回路209bに平行に流れる。スイッチQB1がオンで、バイパス回路209bが有効になっている場合、バイパス回路209bに並列なパワーデバイスの出力(ポイントAおよびBと同じ場合がある)が短絡され得、電流Iストリングがバイパス回路209bを流れパワーデバイスをバイパスすることを可能にする。
ここで図2Cを参照すると、図は、本開示の1つまたは複数の例示的な態様によるパワーデバイス210の一部を示している。パワーデバイス210は、図2の電力変換器201と同じであり得る電力コンバータ211を含み得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス212は、パワーデバイス210の入力をバイパスするように構成されたバイパス回路212aを有し得る。バイパス回路212aは、パワーデバイス210の出力を横切るバイパス経路を提供し、および/またはパワーデバイス210の入力をパワーデバイス210の出力から切断するように構成され得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス210は、パワーデバイス210および/または電力変換器211をバイパスするように構成されたバイパス回路212bを有し得る。バイパス回路212bは、パワーデバイス210の出力を短絡することによりバイパス経路を提供するように構成され得る。
いくつかの態様によれば、バイパス回路212bは、バイメタルストリップBMS1を有するバイパス回路に結合され得る。バイメタルストリップBMS1は、膨張係数の異なる2つの材料が結合されている場合がある。バイメタルスイッチBMS1はスイッチとして動作し、その結果、BMS1が第1温度で加熱されると、BMS1を含む第1材料が第1方向に湾曲し得、第2温度でBMS1を含む第2材料が第2方向に湾曲し得る。例えば、第1材料は40oCの第1温度で湾曲し得、第2材料は200oCの第2温度で湾曲し得る。BMS1は、過熱状態(例えば、BMS1の周囲の温度が200oCを超える場合)に応じてパワーデバイス212の出力out1およびout2を短絡し、温度が200oCを下回ると出力out1およびout2を切断するように構成され得る。バイパス回路212bとBMS1との結合は、BMS1がバイパス回路212b内の特定の要素(例えば、MOSFETまたはダイオード)の近くに配置されるようなものであり得る。バイパス回路212bへのBMS1の近接は、BMS1がバイパス回路212b内の特定の要素と同様の温度レベルを感知し得るようなものであり得る。バイパス回路212bが有効になり、電流がバイパス回路212bを流れると、特定の要素の温度が上昇し得、過熱状態で、BMS1がオンに切り換わるように構成され得、バイパス回路212b以外に電流が流れる別の経路が形成され、これによりバイパス回路212bの要素の温度が下がり得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス210はバイパス回路212aを有し得る。いくつかの実施形態によれば、バイパス回路212aは、パワーデバイス210の出力を短絡するように構成され得る。バイパス回路212aと並列に、バイメタルスイッチBMS2があってもよい。BMS2は、BMS1と類似または同一であり得、BMS1は、パワーデバイス210の出力out1およびout2の間に配置され得、BMS2は、パワーデバイス210の入力in1およびin2の間に配置され得る。BMS2は、バイパス回路212aの特定の要素(例えば、MOSFET)の近くに配置されてもよい。バイパス回路212aへのBMS2の近接は、BMS2がバイパス回路212a内の特定の要素と同様の温度レベルを感知し得るようなものであり得る。バイパス回路212aが有効であり、バイパス回路212aに電流が流れると、特定の要素(例えばスイッチQB1)の温度が上昇し得、場合によりまたは潜在的な過熱の状態で、BMS2がオンに切り換えられるように構成され得、電流が流れる別の経路を形成し、これによりバイパス回路212bの温度が下がり得る。いくつかの態様によれば、BMS3がバイパス回路212aの特定の要素に結合されてもよい。
いくつかの態様によれば、パワーデバイス210はバイパス回路212aを含み得る。バイメタルストリップBMS3をバイパス回路212aに結合することができる。BMS3は、BMS1に類似したものであり得、BMS1は、パワーデバイス210の出力out1およびout2の間に配置され得、BMS3は、パワーデバイス210の入力のロー側、ノードin3、および電力変換器211のロー側、ノードin2の間に配置され得る。いくつかの態様によれば、BMS3は、バイパス回路212aの特定の要素の近くに配置されてもよい。バイパス回路212aが有効であり、パワーデバイス210への入力が短絡しているシナリオでは、バイパス回路212a内の特定の要素の温度が上昇する可能性がある。BMS3は、通常の動作状態では「通常ON」であり得、開回路を形成し、パワーデバイス210の入力をパワーデバイス210の出力から機械的に切断するように構成され得、これによりバイパス回路212aおよびバイパス回路212aの特定の要素を流れる電流を低下させる可能性があり、電流を下げることにより、特定の要素の温度が下がる可能性がある。いくつかの態様によれば、パワーデバイス210は、BMS1を含むバイパス回路のみを有し得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス210は、BMS2を含むバイパス回路を有し得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス210はバイパス回路BMS3を有し得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス210は、BMS2およびBMS3など、2つ以上のバイメタルスイッチを含むバイパス回路を有し得る。
バイメタルスイッチBMS1および/またはBMS2および/またはBMS3は、パワーデバイス210の一次バイパス機構として、またはバックアップバイパス機構として使用することができ、一次バックアップ機構は、図2Aのバイパス回路209aおよび/または図2Bの209bと同様または同じであってもよく、バックアップバイパス機構は、一次バイパス回路が故障、過熱する等のシナリオで必要になる場合がある。
いくつかの態様によれば、バイメタルスイッチBMS1〜BMS3の1つ以上は、アクティブな電子スイッチ、例えば金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、リレースイッチ等で置き換えてもよい。いくつかの態様によれば、BMS1および/またはBMS2は、受動スイッチ、例えばダイオードで置き換えることができる。
再び図2を参照する。いくつかの態様によれば、パワーデバイス200は、パワーデバイス200の出力に結合されたバイパス回路209を有し得る。バイパス回路209は、図2Aのバイパス回路209aおよび/または図2Bのバイパス回路209bと同様または同じバイパス回路を有し得る。いくつかの実施形態では、バイパス回路209は、図2CのバイメタルストリップBMS1と同様または同じバイメタルストリップを有し得る。
再び図2を参照する。いくつかの態様によれば、パワーデバイス200は、パワーデバイス200の入力に結合されたバイパス回路209を有し得る。バイパス回路209は、図2Aのバイパス回路209aおよび/または図2Bのバイパス回路209bと同様または同じバイパス回路を有し得る。いくつかの実施形態では、バイパス回路209は、図2CのバイメタルストリップBMS2と同様または同じバイメタルストリップを有し得る。
ここで図3を参照すると、図は、例示的な実施形態の態様による、パワーデバイス300の一部のブロック図を示している。パワーデバイス300は、図2のパワーデバイス200と同じまたは同様であり得、電力変換器301、補助電力回路302、バイパス回路303、コントローラ304、およびセンサ/センサインターフェース305を含み得、それらは、電力変換器201、補助電力回路207、バイパス回路209、コントローラ204、およびセンサ/センサインターフェース203とそれぞれ同様または同じであり得る。コントローラ304は、センサ/センサインターフェース305に動作可能に接続され得、それにより、センサ/センサインターフェース305は動作可能に接続され得、パワーデバイス300のパラメータを感知する。電力変換器301は、端子Vin+、Vin−の入力電力を、ストリング電流Iストリングとして変換器301の出力の出力電力に変換する。バイパス303は、変換器301の出力を横切って接続することができる。バイパス303ならびに電力変換器301、コントローラ304および/またはセンサ/センサインターフェース305を動作させる電力は、補助電力回路302によって提供されてもよい。
いくつかの態様によれば、コントローラ304は、センサ/センサインターフェース305によって測定されたパラメータの値、例えば温度、電圧、および/または電流の値を受信し得る。コントローラ304は、測定されたパラメータの値を最大閾値と比較し、測定されたパラメータの値を安全でない値(例えば、200℃などのシステムの過熱を示す温度)として決定し得る。コントローラ304は、パワーデバイス300に機能不全および/または低生産性状態があると判定したことに応答して、バイパス回路303を有効にし得る。バイパス回路303は、電力変換器301の出力および/またはパワーデバイス300の出力を短絡させ得る。いくつかの態様によれば、バイパス回路303は、Vgの出力電圧で補助電力回路302によって電力供給され得る。補助電力回路302の出力電圧は、コントローラ304によって決定され得、コントローラ304は、バイパス回路303のどのスイッチをオンおよびオフにするか、およびいつオンおよびオフするかをさらに決定し得る。補助電力回路302は、V補助=VB+−VB−の入力電圧を有し得、VB+およびVB−は、バイパス回路303の出力での電圧値に応じてもよい。
いくつかの態様(明示的に示されていない)によれば、電力変換器301は、MOSFETブリッジ(例えば、図2Bのブリッジ260)を含み得るインバータを含み得る。電力変換器301は、パワーデバイス300が有効化され、電流Iストリングを有する太陽電池ストリングに電力を提供するとき、電力変換器および/またはインバータとして機能し得る。パワーデバイスがバイパスされているとき、電力変換器301はバイパス回路として機能し得る。電力変換器301がバイパス回路として機能する実施形態では、電力変換器301は、電力変換器301のMOSFETブリッジの2つの出力の間に配置されるスイッチ(例えば、図2BのQB1)を含み得る。MOSFETブリッジの2つの出力の間に配置されたスイッチは、バイパスが有効になっているときにオンであり得、バイパスが無効になっているときにオフであり得る。
ここで図3Aを参照すると、図は、パワーデバイスの一部としての補助電力回路302a、バイパス回路303a、およびコントローラ304の図を示している。補助電力回路302aおよびバイパス回路303aは、図3の補助電力回路302およびバイパス回路303と同じまたは同様であり得る。コントローラ304は、バイパス回路303aが有効にされるべきであることを示す信号を受信し得、またはコントローラ304はバイパス回路303aが有効にされるべきであると独立して決定し得る。バイパス回路303aは、ブリッジ370の出力(ノードCおよびD)がスイッチ(例えば、MOSFET)QB1を介して互いに結合されているスイッチ(例えばMOSFET)QB2〜QB5のブリッジ370を含む、バイパス回路209bと同様の方法で実装され得る。補助電力回路302aへの第1の入力は、スイッチQB1のソース端子に結合され得るバイパス回路303aの第1の出力(ノードC)に電気的に結合され得る。補助電力回路302aへの第2の入力は、スイッチQB1のドレイン端子に結合され得るバイパス回路303aの第2の出力(ノードD)に電気的に結合され得る。補助電力回路302aは、電力変換器306を含み得る。電力変換器306は、AC/DCコンバータおよび/またはDC/DCコンバータであり得る。電力変換器306は、電力をより低い電圧レベル例えば0.01[V]からより高い電圧レベル(例えば5V、12V、100V、220Vおよびそれ以上)に変換するように構成され得る。バイパス回路303aの出力における電力は、補助電力回路302aへの入力上の同じ電圧であり得るVB+−VB−の電圧値を有し得る。補助電力回路302aへの入力電力は、電力変換器306によって変換され得、補助電力回路302aによって出力され得る。補助電力回路302aは、コントローラ304およびバイパス回路303aのスイッチQB1〜QB5などのパワーデバイス内の1つまたは複数の回路および/または機構に電力を提供するように構成され得る。コントローラ304は、スイッチQB1〜QB5の各スイッチに供給する電力量を決定するように構成され得る。例えば、Iストリングは、f=40[Hz]の周波数でIストリング=10[A]の値を有するAC電流であり得、バイパス回路303aの第1の入力に流れ得る。バイパス回路303aは無効にされ得、スイッチQB1はオフにされ得、補助電力回路302aは、例えば、V=VB+−VB−=0.5[V]の電圧値を有するバイパス回路302bの出力から電力を引き出し得る。補助電力回路302aは、(コントローラ304によって決定されるように)スイッチQB1〜QB5によって必要とされる電圧に従って電流を引き出し得る。補助電力回路302aは、中性点、接地または他の点に関してVgの電圧値を出力し得る。いくつかの態様によれば、コントローラ304は、スイッチQB2〜QB5をf=50[Hz]の周波数で切り替え得、その結果、QB3およびQB5がオフのときスイッチQB4およびQB2がオンになり、QB3およびQB5がオンのときにスイッチQB2およびQB4がオフになる。補助電力回路302aは、例えばI補助=0.01[A]の値でバイパス回路303aから電流を引き出し得る。電流I補助は、補助電力回路302aおよびバイパス回路303aと同様にコントローラ304に電力を供給するために使用され得る。いくつかの態様によれば、補助電力回路302aは、スイッチQB1〜QB5の切り替えを制御するように構成されたコントローラを含み得る。コントローラ304がバイパス回路303aを有効にすることを決定するシナリオでは、スイッチQB2〜QB5は、バイパス回路303aが無効にされるときと同じレートで電力供給され、切り替えられ得る。QB1がオンになる可能性があるため、V=VB+−VB−の電圧値は変化する可能性があり、スイッチQB1の特性(例えば、ドレイン−ソース間抵抗)に応じて電圧降下が発生する、例えば、V=VB+−VB−=0.1Vである。補助電力回路302aの電力変換器306は、0.1Vまたはさらに低い入力超低電圧を変換するように構成され得る。コントローラ304がバイパス回路303aを有効にし、補助電力回路302aにスイッチQB1をオンにするように命令すると、I補助は、それに応じてI補助=0.05Aに成長し、スイッチQB1をオンにするのに十分な電力を供給し得る。
ここで、例示的な実施形態によるパワーデバイス300bの一部を示す図3Bを参照する。パワーデバイス300bは、電力変換器301b、補助電力回路302b、およびコントローラ304bを含み得、それらは図2の電力変換器201、補助電力回路207、およびコントローラ204と同じまたは同様であり得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス300bは、電源310に結合され得る。電源310は、時々電力を提供し、時々電力を受け取る源、例えばバッテリであり得る。いくつかの態様によれば、Iストリングは各期間中にDC形態になり得る。電源310が電力を供給しているとき、電流IストリングはAからBに流れ得、電源310が電力を受け取っているとき、IストリングはBからAに流れ得る。IストリングがDC形態である実施形態では、電力変換器301bはDC/DCコンバータであり得る。パワーデバイス300bは、電力変換器301bおよび/または電源310をバイパスするように構成されたバイパス回路303bを有し得る。バイパス回路303bは、パワーデバイス300bまたは電力変換器301bの構成要素、またはパワーデバイス300bまたは電力変換器301bの出力に結合するように構成された独立したデバイスであり得る。
ここで、例示的な実施形態によるバイパス回路を示す図3Cを参照する。図3Bのバイパス回路303bが、図3Cのバイパス回路303cと同様に実装され得、直列に接続された第1のスイッチSB1および第2のスイッチSB2を有する。スイッチSB1およびSB2は出力AおよびBに結合されてもよく、ノードCおよびDは電力変換器301bの出力に結合されてもよい。バイパス回路303bは、バイパス回路303bが有効にされるとスイッチSB1およびSB2をオンにし、バイパス303bが無効にされるとスイッチSB1およびSB2をオフにするように構成され得る。バイパス回路303bは、補助電力回路302bから電力を受け取り得る。コントローラ304bは、バイパス回路303bを有効にすることおよび/またはバイパス回路303bを無効にすることを決定するように構成され得る。バイパス回路303bが無効にされ、パワーデバイス300bが電源310からパワーデバイス300bの出力AおよびBに電力を伝送している場合、またはパワーデバイス300bの出力AおよびBから電源310に電力を伝送している場合、バイパス回路303bを横切る電圧降下は、点Aと点Bとの間の電圧と同じまたは同様、例えば40[V]であり得る。補助電力回路302bは、バイパス回路302bと同じまたは同様の電圧を有し得、電力をコントローラ304bなどのパワーデバイス300b内のコンポーネントに伝送し得る。バイパス回路303bが有効にされると、出力AとBはスイッチSB1とSB2を使用して短絡される。点AとBの間の電圧は1[V]に低下し得る。それに応じて、補助電力回路302bを横切る電圧が低下し得る。補助電力回路302bは、低電圧下に電力をバイパス回路303bに伝送するように構成され得る。
いくつかの態様によれば、IストリングはAC形態であり得る。バイパス回路303bは、バイパス回路303aと同じまたは同様の方法で実装され得る。電力変換器301bは、DC/ACインバータであり得る。バイパス回路303bが無効になると、スイッチQB1(図3Aの)はオフになり得、電力変換器301bはパワーデバイス300b、AおよびBの出力からIストリングを受信し得る。スイッチQB4およびQB2はオンであり得、補助電力回路302bによって電力供給される。バイパス回路303bが有効にされると、スイッチQB1は、コントローラ304bおよび補助電力回路302bによってオンにされ得る。
ここで図4を参照すると、図は例示的な実施形態によるパワーデバイス400の一部を示している。パワーデバイス400は、電力変換器401、補助電力回路402、バイパス回路403、およびコントローラ404を含み得、これらはそれぞれ図2の電力変換器201、補助電力回路207、バイパス回路209、ノードa、b、c、dおよびコントローラ204と同一または同様であり得る。バイパス回路403は、パワーデバイス400の出力および/または電力変換器401の出力に結合されてもよく、電力変換器401をバイパスするように構成されてもよい。
いくつかの態様によれば、補助電力回路402は、Vin=Vin+−Vin−の電圧値で、パワーデバイス400、aおよびbへの入力から電力を受け取り得る。電力は、発電機(例えば、図1の発電機101)からパワーデバイス400の入力aおよびbに、Vinの電圧値で伝送され得、電力は、図1Aの発電機101などの発電機から流れ得る。補助電力回路402は、バイパス回路403の出力に電気的に結合され得、VB=VB+−VB−の電圧値でバイパス回路403から電力を受け取り得る。いくつかの態様によれば、補助電力回路402は、例えば、電流IストリングがAC形態で、補助電力回路がDC形態の電流と電圧を必要とする場合、パワーデバイス400、cおよびdの出力から電力を受け取るバイパス回路403の出力からではなく、パワーデバイス400、AおよびBへの入力から電力を抽出し得る。いくつかの態様によれば、補助電力回路402はパワーデバイス400への入力から電力を受け取り得、コントローラ404はバイパス回路403を無効にし得、例えば、バイパス回路403は複数のMOSFETを含み得(すなわち、図2Aのバイパス回路209bに示すように)、およびコントローラ404は、MOSFETをオフに保ち、オンおよびオフに切り替えない場合がある。
いくつかのシナリオでは、例えば、パワーデバイス400の入力を通じてパワーデバイス400に電力を出力するように構成された発電機がパワーデバイスから切断されている場合、補助電力回路402はパワーデバイス400への入力から電力を受け取ることができないかもしれない。このようなシナリオにおいて(例えば、パワーデバイス400への入力からの電力が利用できない場合)、補助電力回路402は、バイパス回路403の出力からの電力によって電力供給され得る。いくつかの態様によれば、補助電力回路402は、パワーデバイス400の入力から、またはバイパス回路403から電力を抽出するように構成された論理ブロック(例えば、図4Aに示す回路410)を有し得る。
次に、バイパス回路を無効および有効にするように構成された回路410を示す図4Aを参照する。回路410は、パワーデバイス400などのパワーデバイスの一部であり得る。バイパス回路は、スイッチQB1がオンのときに有効にされ得、スイッチQB1がオフのときに無効にされ得る。スイッチQB1は、図3AのスイッチQB1と同一または同様であり得る。スイッチQB1は、点DDとGGとの間に配置されたMOSFETであり得る。スイッチQB1は、電源411および/または回路410を含むパワーデバイスをバイパスするように構成され得る。電源411は、第1の出力AAおよび第2の出力点GGを有し得る。点GGは、回路410の基準点として使用されてもよく、相対的な地面として参照されてもよい。回路410は、出力AAと点BBとの間に配置された抵抗器R11を有し得る。ポイントBBは増幅器Amp1への入力であり得る。増幅器Amp1は、負入力と正入力を有し得る。ポイントBBは増幅器Amp1への負入力にあり得る。増幅器Amp1への正入力はポイントHであり得る。ポイントHHとGGの間には、電流をGGからHに流し、GGとHとの間の設定電圧(例えば、0.3V、0.5V、0.7V、1V)差を印加し、増幅器Amp1の正入力の基準電圧を設定するように構成されたダイオードD13があり得る。抵抗器R12は点BBとGGとの間に配置され得る。抵抗器R11およびR12は、電源411の電圧VA〜VGに関して分圧器として機能するように構成され得る。増幅器Amp1は、ポイントEEに第1の出力を有し得る。スイッチQB1は、点DDに接続されたドレイン端子、点GGに接続されたソース端子、および点FFに接続されたゲート端子を有し得る。抵抗器R13は、点EEとFFとの間に配置されてもよく、抵抗器R14は、点FFとGGとの間に配置されてもよい。Vgは、点FFの電圧であり得、それは増幅器Amp1からの出力電圧によって決定され得る。Vgは、QB1を切り替えるゲートの電圧であり得る。ポイントCCは増幅器Amp1の正のパワーサプライであり得、ポイントGGは増幅器Amp1の負のパワーサプライであり得る。抵抗器R15は、点HHとDDの間に配置されてもよい。点CCとDDの間には、点CCと点DDの間の電圧差を設定するように構成されたダイオードD12が存在し得る。第2のダイオードD11は、点AAとCCとの間に配置され得る。
増幅器Amp1は、ダイオードD11を介して電源411から、またはダイオードD12を介してスイッチQB1を横切る電圧から動作電力を受け取るために、端子CCとGGとの間に接続されてもよい。図4Aの図によれば、電源411を横切る電圧がスイッチQB1を横切る電圧よりも高い場合、増幅器Amp1の動作電力は電源411から引かれ得、電源411を横切る電圧がスイッチQB1を横切る電圧よりも低い場合、増幅器Amp1の動作電力はスイッチQB1全体から引かれ得る。これにより、電源411が利用可能な場合は電源411からの電源供給を可能にし(これは効率を向上する)、電源411が利用できない場合(例えば、電源411が切断されたまたは故障している電源である、あるいは陰になった太陽光発電機である場合)、スイッチQB1全体からの電力供給を可能にするという利点がもたらされ得る。
任意選択的に、ダイオードD12およびD11を取り外し、端子CCを端子DDへ(スイッチQB1全体から増幅器Amp1への動作電力を引くことを可能にする)または端子AAへ(電源411から増幅器Amp1への動作電力を引くことを可能にする)直接接続してもよい。
ここで図4Bを参照すると、図は、例示的な実施形態によるバイパスを可能にするための方法420を示している。方法420は、アナログおよび/またはデジタルの1つまたは複数の回路、例えば図4Aの回路410によって実施することができる。ステップ420は、増幅器および/または演算増幅器(例えば、図4AのAmp1)に電力を提供することを含み得る。演算増幅器は、正のパワーサプライと負のパワーサプライを有し得る。いくつかの態様によれば、正のパワーサプライは負のパワーサプライの絶対値に等しくてもよい。いくつかの態様によれば、正のパワーサプライは負のパワーサプライの絶対値とは異なってもよく、例えば、正のパワーサプライは相対的な地面と比較して1[V]であり得、負のパワーサプライは相対的な地面と比較して0[V]であり得る。負のパワーサプライは、電源の負の端部に接続され得る。電源の負の端部は、相対的な地面として関連付けられてもよい。正のパワーサプライは、第1のダイオードと第2のダイオードに共通のノードから電力を引き得る。第1のダイオード(例えば図4AのD11)は電源の出力に接続され得、第2のダイオード(例えば図4AのD11)はオンのときはバイパスを有効にするように、オフのときはバイパスを無効にするように構成されたスイッチの正の側に接続され得る(例えば図4AのQB1)。スイッチは、ドレインがスイッチの正の側であり得、スイッチのソースがスイッチの負の側であり得るMOSFETであり得る。増幅器の正のパワーサプライは、電源とスイッチの正の側との間のより高い電圧の電圧値を取得し得る。
方法420のステップ422は、演算増幅器の負の入力に第1の電圧を入力し、演算増幅器の正の入力に第2の電圧を入力することを含み得る。正の電圧は、基準電圧として関連付けられ得る。基準電圧は、ダイオード(例えば、図4AのD13)を使用して、相対的な地面に接続することができる。ダイオードは、地面に対して設定電圧を維持するように構成され得る。増幅器への正入力は、分圧器(例えば、図4AのR11およびR12)を介して電源の正端に接続され得、演算増幅器が受け取り得る電圧レベルに適切な電圧レベルを維持する。演算増幅器は、電源の正端から受け取った電圧レベルを基準電圧と比較するように構成されてもよい。負の入力が基準の正の入力よりも大きくなるために必要な電圧レベルは、電源の正端と増幅器への負の入力を接続する分圧器、および相対的な地面と正の入力を接続するダイオードによって決定され得る。負の入力が正の入力よりも大きいシナリオでは、演算増幅器は相対地面に類似した電圧値を出力し得る。増幅器の出力は、直列の2つの抵抗器(例えば、図4AのR13とR14)を使用して、相対地面に接続され得る。バイパスを有効にするように構成されたスイッチは、直列の2つの抵抗器の間のポイントに接続されたゲートを有し、2つの抵抗器は分圧器として構成され得る。増幅器の出力電圧が相対地面に類似するこのようなシナリオでは、増幅器の出力、2つの抵抗器間の電圧、および相対地面の間の電圧差は、スイッチを起動するのに必要な電圧に関して実質的にゼロになる場合がある。演算増幅器に電力が供給されている限り、増幅器の負の入力と正の入力の比較が行われる。
増幅器への負の入力が正の入力よりも小さいシナリオでは、増幅器からの出力は正のパワーサプライに似ている場合がある。正のパワーサプライは、相対地面よりも実質的に大きく、増幅器の出力と相対地面との間に差圧を生成する場合がある。増幅器の出力に接続された分圧器は、ステップ423で、バイパススイッチのゲートの(分圧器の抵抗間の比率に依存する)電圧レベルを、スイッチをアクティブにしバイパス回路を有効にするのに十分な高さに設定し得る。バイパスは、増幅器の負の入力の電圧レベルが増幅器の正の入力の基準電圧レベルよりも低い限り継続し得る。
ここで図5を参照すると、一実施形態によるバイパスを可能にする方法500が示されている。パワーシステムは、並列および/または直列に接続された1つまたは複数のパワーデバイスの1つまたは複数のストリングを有し得る。パワーデバイスのそれぞれは、発電機に結合され得る。パワーデバイスのそれぞれは、発電機から共通ストリングに電力を抽出し得る。共通ストリングは、ACおよび/またはDC電流および/または電圧を搬送し得る。方法500はステップ501で開始し得、それは、パワーデバイスおよびパワーデバイスに結合された発電機の動作パラメータを感知する1つまたは複数のパワーデバイスの1つに結合または収容されたセンサ/センサインターフェースを含み得る。動作パラメータには、パワーデバイスへの入力電圧電流および/または電力、パワーデバイス内および/または周囲の温度、パワーデバイスの出力電圧電流および/または電力、パワーデバイス内の電圧電流および/または電力等が含まれ得る。センサ/センサインターフェースによって感知された値は、コントローラに提供され得る。
コントローラは、ステップ502で、センサ/センサインターフェースから受信した信号を評価し、測定値が安全または安全でない、機能的または機能的でない動作状態を表すかどうかを判定し得る。測定値が安全な動作状態を表しているとコントローラが判断した場合、コントローラはパワーデバイスを制御して、結合された発電機から電力を抽出し、ステップ501で動作パラメータを感知する。測定値の値が安全でない、機能不全または非生産性の動作状態を表しているとコントローラが判断した場合、コントローラはパワーデバイスのバイパスを起動し得る。
パワーデバイスのバイパスは、パワーデバイスの出力を短絡し、および/またはパワーデバイスの入力を発電機から切断し、および/またはパワーデバイスの入力を短絡するように構成されてもよい。いくつかの態様によれば、パワーデバイスは、パワーシステム内の他のデバイスに信号を受信および/または送信するように構成された通信装置を有し得る。通信装置は、ステップ503で、バイパス信号を受信するか、キープアライブ信号の受信を停止し得る。パワーデバイスは、キープアライブ信号が受信されている限り、電力を抽出し、共通ストリングに結合するように構成され得る。キープアライブ信号が停止すると、またはバイパス信号を受信すると、コントローラは、ステップ504で、バイパスを有効にし、および/またはパワーデバイスをシャットダウンし、バイパスに入るように構成され得る。
パワーデバイスのバイパスを有効にすることは、バイパス回路に電力を提供するように構成された補助電力回路へ電力を引くことを含み得る。バイパス回路は、図3AのスイッチQB1〜QB5などのバイパス回路を開くおよび短絡するように構成された1つまたは複数のスイッチ(例えば、MOSFET、BJT、IGBT等)を含み得る。いくつかの態様によれば、補助電力回路は、パワーデバイスの入力から電力を引くように構成され得る。パワーデバイスの入力は、電源に接続され得る。いくつかの態様によれば、電源は、電源が生産中であり、バイパスされるシナリオであっても、補助電力回路に電力を供給するのに十分高いレベルで電力を出力し得る。いくつかの態様によれば、補助電力回路は、パワーデバイスの出力から電力を引くように構成され得る。コントローラは、ステップ505において、パワーデバイスの入力から電力を引くか出力から電力を引くかを決定するように構成され得る。コントローラは、電源が補助電力回路を提供し補助電力回路に電力を供給するのに十分な電力を出力している限り、パワーデバイスの入力から電力を引くように構成され得る。
補助電力回路への入力がパワーデバイスの入力に結合されるいくつかの実施形態では、ステップ505の後にステップ506aが続く場合がある。補助電力回路は、バイパスを起動するために必要な電力をパワーデバイスへの入力から引き得る。補助電力回路は、バイパス回路のスイッチに電力を供給することを含み得るバイパス回路に電力を供給するのに適した電力を出力するように構成された電力変換器を含み得る。パワーデバイスへの入力から補助電力回路に引かれた電力は、バイパス回路を起動するのに必要な適切な電圧レベルに変換され得る。コントローラは、補助電力回路から引かれた電力を使用して、共通ストリングからバイパスに流れる電流の形態に従って、バイパス回路のスイッチを起動し得る。
いくつかの態様によれば、コントローラは、ステップ506bで、パワーデバイスの出力から電力を引き、パワーデバイスの入力から電力を引かないことを決定し得る。バイパス回路は、パワーデバイスの出力に結合された第1および第2の入力を含み得る。バイパス回路は、補助電力回路の入力に結合された第1の出力および第2の出力をさらに含み得る。補助電力回路は、バイパス回路内のスイッチに電力を供給することを含み得るバイパス回路に電力を供給するのに適した電力を出力するように構成された電力変換器を有し得る。バイパス回路は、共通のストリングから電力を引き、補助電力回路に給電するために必要な電力量を出力し得る。補助電力回路に電力を供給するために必要な電力量を受け取った後、コントローラはそれに応じてスイッチを起動し得る。例えば、共通ストリングからの電流と電圧は、DC電流と電圧であり得る。コントローラは、電力の流れの方向に応じて、多数のスイッチをオンにし、多数のスイッチをオフのまま維持し得る。いくつかの態様によれば、電流および/または電圧はAC形式であり得、電流の方向は双方向であり得る。バイパス回路は、バイパス回路の出力に一定方向の電流を確保するように構成された整流器として設計され得る。コントローラは、バイパス回路のスイッチを、電流のレートに比例し得るレートでオンおよびオフに切り替え得る(例えば、電流のレートは50Hzであり得、スイッチのスイッチングレートは50Hzであり得る)。
いくつかの態様によれば、補助電力回路は、バイパスの出力およびパワーデバイスの入力に結合され得る。補助電力回路は、パワーデバイスへの入力の電圧またはバイパスの出力のいずれかを出力するように構成された論理ブロックを有し得る。例えば、論理ブロックは、パワーデバイスへの入力の電圧とバイパスの出力の両方で「OR」演算を実行し、2つのうちの大きい方を出力するように構成され得る。いくつかの態様によれば、論理ブロックは、電圧が最小閾値(例えば、0.1[V])を超える限り、入力の電圧をパワーデバイスに出力するように構成され得、そうでなければ、出力の電圧をバイパスへ出力する。
補助電力回路に電力を供給した後、ステップ507はバイパスを起動することを含む。バイパスの起動は、コントローラがスイッチをオフからオンに切り替え、バイパスが有効である限りオンのまま維持することで実行され得る。バイパスは、有効化信号が受信される、無効化信号が受信されない、および/またはキープアライブ信号が受信されない限り有効にされ得る。
ここで、本開示に含まれる態様によるバイパス回路115の実装を示す図6Aを参照する。結合回路120は、スイッチBP1(図1Gの)のゲート(g)をダイオードD3のカソードおよび抵抗器R4の第1の端部に結合することを含み得る。ダイオードD3のアノードは、ダイオードD1のカソード、コンデンサC3の第1の端部、およびスイッチQ8のゲート(g)に結合し得る。抵抗器R4の第2の端部は、コンデンサC3の第2の端部および端子Bに結合し得る。コンデンサC3の第2の端部は、インダクタL3の第1の端部に結合し得、インダクタL3の第2の端部は、ダイオードD1のアノードに結合し得る。スイッチBP1のドレイン(d)は、端子AでダイオードPD1のカソードに結合して、リターン接続RET1を提供し得る。ダイオードPD1のアノードは、スイッチBP1のソース(s)、スイッチQ8に属するダイオードBD2のアノード、およびスイッチQ8のソース(s)に結合し得る。スイッチQ8のドレイン(d)は、スイッチQ9のソース(s)を抵抗器R3の第1の側に結合し得る。スイッチQ9のゲート(g)は、回路606に結合され得る。ダイオードPD2のカソードは、抵抗器R1の第1の側に結合され得る。抵抗器R1の第2の側は、スイッチQ9のドレイン(d)および回路111のインダクタL1の第1の端部に結合され得る。スイッチBP1は、ダイオードPD1を含み得るまたはダイオードを含まないかもしれない金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であり得る。同様に、スイッチQ6、Q7、およびQ9は、ダイオードPD2のようなダイオードを含むか、またはダイオードを含まないかもしれないMOSFETであり得る。スイッチQ9は、接合ゲート電界効果トランジスタ(J−FET)であり得る。いくつかの態様によれば、バイパス回路115は、回路606、スイッチQ8、および抵抗器R1を有さない場合がある。
回路111において、インダクタL1の第2の端部は、スイッチQ6およびQ7のドレイン(d)に結合し得る。Q6とQ7のソース(s)を結合して、リターン接続RET2を提供することができる。抵抗器R2の第1の端部は、スイッチQ7のゲートとスイッチQ7のソース(s)との間を結合し得る。スイッチQ6のゲート(g)は、コンデンサC2の第1の端部に結合し得る。コンデンサC2の第2の端部は、インダクタL2の第1の端部およびコンデンサC1の第1の端部に結合し得る。インダクタL2の第2の端部は、リターン接続RET3を提供し得る。コンデンサC1の第2の端部は、スイッチQ2のゲートに結合し得る。リターン接続RET1、RET2、およびRET3は一緒に結合して、スイッチBP1のソース(s)でターミナルBとは別であり得るリターン経路を形成し得る。バイパス回路115のリターン経路と端子Bの間の分離は、パワーデバイス200の入力を横切るバイパス回路115の一体化とともに、端子BとインダクタL1の間にスイッチQ8とダイオードPD2を配置することにより達成され得る。スイッチBP1、Q6およびQ7は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であり得、スイッチQ9は、接合電界効果トランジスタ(JFET)であり得る。
いくつかの態様によれば、インダクタL1、L2、およびL3は、同じ磁気コア上で相互に結合され得る。実際には、インダクタL1からL2の間の結合、次にインダクタL2からL3の間の結合は、回路111の出力と結合回路120の間の結合の可能な機能を提供し得る。したがって、インダクタL1を横切る回路111の出力は、インダクタL1とインダクタL3との間の相互インダクタンスを介して結合回路120の入力へ戻るように結合され得、およびインダクタL1とインダクタL2との間の相互結合を介してインダクタL2へ結合され得る。インダクタL1とインダクタL2間の相互インダクタンスとインダクタL2に誘導される電圧は、それぞれのコンデンサC2およびC1の結合を介してスイッチQ6とQ7のゲート(g)を駆動する。インダクタL1とインダクタL2およびL3との間の相互結合は、インダクタL2およびL3がインダクタL1が有するよりも多くの共通の磁気コアを横切る巻き線数を有するため、インダクタL2およびL3に誘導される電圧が変圧器方程式(transformer equations):
VL1/VL2=NL1/NL2
および
VL1/VL3=NL1/NL3
によってより高くなるようなものであり得、
式中、VL1、VL2およびVL3はインダクタL1、L2およびL3の各電圧であり、NL1、NL2およびNL3はインダクタL1、L2およびL3の各巻き線数である。
巻き線数NL2およびNL3がより多いためにインダクタL2およびL3に誘導される電圧が大きくなると、スイッチBP1、Q6、およびQ7の動作が可能になり得るが、より大きな電圧が誘導されない場合、スイッチBP1、Q6、およびQ7は動作できない可能性がある。回路111のインダクタL2とコンデンサC1およびC2は、コルピッツ発振器として機能する。振動の周波数は:
によって与えられる。
回路111の発振周波数が1〜4キロヘルツ(KHz)になり得るように、インダクタL1、L2、L3、コンデンサC1およびC2を選択することができる。したがって、回路111の低周波発振は、Q6、Q7、およびQ8のスイッチングでの低損失を提供し得る。あるいは、回路111がハートレー発振器として実装され得るように、コンデンサC1を別のインダクタで置き換えることができる。回路120のインダクタL3は、回路111のインダクタL1およびL2と同じコア上に構築することができ、ダイオードD1は、インダクタL3と回路111のインダクタL1およびL2との間の相互結合のおかげであり得るインダクタL3に誘導される電圧を整流するために使用され得る。整流されたパルスは、スイッチBP1のMOSFETのゲート(g)とソース(s)との間の電圧(Vgs)を駆動して、ステップ1007でスイッチBP1の連続導通のためにスイッチBP1をオンにし得る(図1H参照)。
スイッチQ9のゲートに接続されるのは、抵抗器R3および回路606の第2の側であり得る。回路606は、ダイオードD4のアノードによってスイッチQ8のゲート(g)に結合され得る。コンパレータcompの出力は、ダイオードD4のカソードに結合され得る。コンパレータcompは、コンパレータcompへの正の入力に基準電圧Vrefを、コンパレータcompへの負の入力にVdを有し得る。Vdは、電源からの電圧および/またはバイパス回路115を収容するパワーデバイスからの電圧であり得る。正のパワーサプライは、抵抗器R5の第1の側およびツェナーダイオードDzのカソードに結合され得る。抵抗器R5の第2の側は、Vsに結合され得る。Vsは、パワーデバイスに結合された電源の出力電圧を表し得る。ダイオードDzのアノードは、抵抗R5とダイオードDzが正のパワーサプライを調整するように構成されている基準点に接続され得る。コンパレータcompの電圧出力は、スイッチQ9をオンまたはオフにするように構成され得る。コンパレータcompが−Vbの電圧を出力すると、スイッチQ9はオンになり、compがVsに対して正の電圧を出力すると、R5の値に依存して、スイッチQ9はオフになる。
ここで再び図1Tを参照すると、図1Hの方法1000は、例示的な実施形態による、図1Gに示されるバイパス回路115の結合回路120、スイッチBP1および回路111のさらなる詳細に適用される。ステップ1003において、スイッチBP1は、パワーデバイス200出力の直列ストリングが存在し得るパワーデバイス200の出力を横切って結合され得る。スイッチBP1は、ステップ1003においてアクティブではない。
決定ステップ1005で、具体的には、ダイオードPD1の第1のバイパス電流導通は、パワーデバイス200および/または電源101が正しく機能していないことの表示であり得る。その結果、非アクティブなパワーデバイス200の出力を通る電流の流れ(Iストリング)が制限され得る。電流の流れが制限された結果として、ストリング内の他のパワーデバイス200の電圧出力は、それらの出力および非アクティブなパワーデバイス200の出力に電流を押し通すことを試みる場合がある。電流の流れを押し通す試みは、他のパワーデバイス200の電圧出力の増加によって引き起こされる可能性があり、それによりダイオードPD1が順方向にバイアスされ、電流の第1のバイパス電流導通がダイオードPD1を介して生じる。ダイオードPD1が順方向バイアスになる、ダイオードPD2も順方向にバイアスされる。ダイオードPD2の順方向バイアスにより、回路111を利用してスイッチBP1の連続動作を開始することができる。回路111の動作の詳細な記載は、以下の記載で後述する。
ステップ1007で、回路111はスイッチBP1の連続動作を開始し得る。ボディダイオードPD1が導通するとすぐに、Q6および/またはQ7がオンになり得、回路605はスイッチBP1のMOSFETがオンになるようにスイッチBP1の連続動作を維持し得、その結果、スイッチBP1のドレイン(d)とソース(s)の間の電圧(Vds)は低いまま、例えば約10ミリボルト(mV)から実質的に最大200mVである。スイッチQ1の10mVのVdsと、25アンペアのストリング電流Iストリングをバイパスするためのバイパスダイオードの順方向電圧降下0.7Vを比較すると、それぞれ0.25ワットおよび17.5ワットのバイパス電力損失が生じる。したがって、バイパス回路115および以下に記載する他のバイパス回路の実施形態のスイッチBP1の動作は、バイパス自体による大きな損失を招くことなく、電源および/または他の回路要素のバイパスを可能にし得る効率的なバイパス回路を提供する。例えば、バイパスダイオードの使用を含む可能性のあるバイパスを提供する他の方法と比較すると、大きな損失を招くことなく電源および/または他の回路要素をバイパスすることは重要であり得る。
ステップ1007で、リターン接続RET1、RET2およびRET3は、一緒に結合して、スイッチBP1のソース(s)で端子Bで提供されるものと別個のリターン経路であり得るリターン経路rtnを形成し得る。リターン経路と結合回路120および回路111の間の端子Bとの間の分離は、スイッチQ9およびダイオードBD2によるものであり得る。その結果、回路111の発振は、スイッチQ6および/またはQ7のドレイン上に構築され得る一方、発振のリターン経路は、スイッチQ7および/またはQ6のソース(s)上に提供され得る。
決定ステップ1009で、非アクティブなパワーデバイス200が非アクティブのままである場合、ステップ1007でスイッチBP1が起動されたままであるようにスイッチBP1のMOSFETはオンのままである。決定ステップ647で、スイッチBP1がステップ1007で起動されたままである場合、補助電力回路207からの電力は、非アクティブなパワーデバイス200への供給から隔離されてもよい。しかしながら、パワーデバイス200がアクティブになり始めると、例えばパネルが陰らなくなりこれがセンサ/センサインターフェース203によって感知されスイッチQ8をオフにし得ると、補助電力回路207からの電力がパワーデバイス200のスイッチに再供給されることが許可され得、パワーデバイス200の機能が許可される。この時点で、スイッチBP1のMOSFETとボディダイオードPD1、およびダイオードPD2の両方が逆バイアスをかけられる可能性がある。ダイオードPD2のアノードで回路111の入力に印加されるスイッチBP1のMOSFETとダイオードPD1の両方の逆バイアス電圧により、回路111の発振が停止する可能性がある。結合回路120を介してスイッチBP1の入力へフィードバックされる回路111の出力発振の停止は、スイッチBP1のMOSFETをオフに切り換えるのに十分であり得、そのため、スイッチBP1は、ステップ1011で停止される。あるいは、コントローラ204または他のコントローラの制御下にあるセンサ/センサインターフェース203は、スイッチBP1のMOSFETとダイオードBD1の両方の逆バイアス電圧を感知し得る。逆バイアスが感知される結果として、スイッチBP1がオフに切り替えられ得、補助電力回路207からの電力がパワーデバイス200のスイッチに再供給されて、パワーデバイス200が正常に機能できるようにすることができる。スイッチBP1のMOSFETのゲートに印加される電圧が低下すると、MOSFETはオフにされる。パワーデバイス200が正常に機能している状態で、スイッチBP1はここで非アクティブ(オフ)であるが、依然として端子AおよびBで結合されている(ステップ1003)。
ここで、例示的な実施形態による、回路111を示す図6Bと、図1Kのフローチャートとを参照する。結合回路120および回路606への回路111の接続が示されている。パワーデバイス200が動作していない場合、ステップ1007(ステップ1007の前後のステップを示す図1Hも参照のこと)が発生し、スイッチBP1は、非アクティブなパワーデバイス200の出力周辺の経路の直列ストリング(Iストリング)に電流を引き込む。回路111は、図1Gに関して記載したものと同じでもよく、バイパススイッチBP1に結合され得る。スイッチQ6とQ7は、抵抗器R2でバイアスされ得る。スイッチBP1がオフで、パワーデバイス200がステップ1011で正しく動作しているときの回路111の動作において、スイッチQ9およびダイオードPD2は、バイパススイッチBP1を通る漏れ電流をブロックし得、端子Aの電圧が端子Bの電圧を大幅に上回り得る場合、バイパススイッチBP1を横切る逆電圧をブロックし得る。逆に、ステップ1007でパワーデバイス200が動作していない場合、スイッチQ9は、ダイオードD1によって提供される整流出力によって動作するため、スイッチQ9がオンであり得る場合、ダイオードPD2はスイッチQ9によってバイパスされる。ステップ1007中にスイッチQ9をオフにすると、バイパススイッチBP1を通る漏れ電流のブロックがもたらされる。スイッチQ9がオンであることは、回路111が発振するための余裕を与えるために、スイッチBP1がオンにされ、ステップ1007の間オンに維持される結果として、端子AおよびBを横切る電圧の降下をさらに補償し得る。以下の記載を簡略化するために、スイッチQ9とその動作は無視され、オンであると見なされる。
決定ステップ1203において、他の電源101およびパワーデバイス200出力の直列ストリングのそれぞれのパワーデバイス200と比較して、電源101および各パワーデバイス200によって低電力が生成されている場合、したがって、第1のバイパス電流導通はダイオードPD1を介している可能性がある。同様に、電源101およびそれぞれのパワーデバイス200に障害がある場合、第1のバイパス電流導通はダイオードBD1を介している可能性がある。
ステップ1205で、ダイオードPD2がダイオードBD1と同様に順方向にバイアスされるため、第1のバイパス電流導通によりインダクタL1を横切って電圧VL1が誘導される場合がある。ステップ637bで、バイパススイッチBP1は、パワーデバイス200の出力電圧(VAB)に対して正にバイアスされ得る。パワーデバイス200の出力電圧(VAB)に対して正にバイアスされたバイパススイッチBP1は、パワーデバイス200が機能していない結果であり得る。したがって、バイパススイッチBP1を介して電流のバイパスを提供するための第1のバイパス電流導通は、ダイオードPD1を介し、その後ダイオードPD2を介したインダクタL1の導通、およびバイパススイッチBP1の動作の第1段階におけるスイッチQ6の使用によるインダクタL1の導通が続く可能性がある。
低電力の例は、電源101が(例えば夜明けに)照らされ始めたばかりの太陽電池パネルであり得る場合、または太陽電池パネルが実質的および/または部分的に陰になり得る場合であり得る。陰になることは、電源101によって生成される電力を低減する場合がある(例えば、陰になっていない電源によって生成される電力の20%、50%、またはさらには100%近く、生成される電力を低減する)。決定ステップ637aで電源101によって十分な電力が生成され得る場合、回路605は、スイッチQ7および/またはQ6が使用される動作の第2段階まで、スイッチBP1の動作の第1段階の一部として以下に記載される637c〜637gのステップに従ってスイッチQ6の初期使用により何度も発振し続ける可能性がある。Q6は、MOSFETではなく接合型電界効果トランジスタ(JFET)を使用して実装され得る。それというのも、MOSFETと比較してJFETがMOSFETと比較して低いバイアス入力電流を有し得、ゲート(g)とソース(Vgs)との間の電圧が実質的にゼロの場合、JFETがソース(s)とドレイン(d)の間を導通し得るからである。Q6は、デプレッションモードFETを使用して実装され得る。
Q6を使用する第1段階から続いて、ステップ1209、1211、1213、1215および1217は、スイッチBP1の動作の第2段階の一部としてスイッチQ7および/またはスイッチQ6を使用して実施される。第1段階と第2段階の両方の動作原理は、インダクタL1に電流が流れると、インダクタL1がインダクタL3およびL2に相互に結合されることである。相互結合は、電流がインダクタL1を流れると、電流がインダクタL2を流れ、電圧VL2をインダクタL2に誘導する。電圧VL2は、コンデンサC1および/またはC2を介して(ステップ637cにおいて)スイッチQ7および/またはスイッチQ6のゲート(g)を充電し得る。スイッチQ7および/またはスイッチQ6のゲート(g)の充電により、スイッチQ7および/またはスイッチQ6はスイッチQ7および/またはスイッチQ6のソース(s)とドレイン(d)の間で電流の導通を開始し得、それによりQ7および/またはスイッチQ6は期間tonの間、オンである(ステップ637g)。
tonの間にインダクタL1に誘導されたエネルギーは、時定数τ[L1]によって放電され得る。
τ[L1]=L1×Req
式中、Reqは、抵抗器R1、およびスイッチQ6および/またはQ7がオンであり得る場合のドレイン(d)とソース(s)間のそれぞれの抵抗(Rds)を含む等価抵抗であり得る。スイッチQ7および/またはQ6がオンであり得る場合のドレイン(d)とソース(s)間のそれぞれの抵抗(Rds)の値は、回路605の設計の一部としてスイッチQ7およびQ6に選択された特定のデバイスの製造元のデータシートから取得され得る。インダクタL1の放電(ステップ1213)は、決定ステップ637fにおけるインダクタL2の電圧VL2がQ7および/またはスイッチQ6の閾値電圧を下回って、期間toffの間、Q7および/またはスイッチQ6をオフに切り換える(ステップ1217)まで、決定ステップ1215で継続し得る。Q7および/またはスイッチQ6のドレイン(d)電圧は、次の比率で増加し始める可能性がある:
これにより、時定数τ[L2]で定義される時間、L2の電圧が再び上昇し得、その後スイッチQ7および/またはスイッチQ6が再び導通し(ステップ1209)、これにより回路111の発振が生じ得る。時定数τ[L2]は次のように与えられ得る:
式中、Ceqは、コンデンサC1およびC2を含む等価容量、およびスイッチQ7および/またはQ6の寄生容量であり得る。スイッチQ7および/またはQ6の寄生容量は、回路111の設計の一部としてスイッチQ7およびQ6に選択された特定のデバイスの製造元のデータシートから導出され得る。スイッチQ7および/またはQ6の寄生容量は、時定数τ[L2]の望ましい値の重要な要因である場合もあれば、そうではない場合もある。インダクタL3に結合されたインダクタL1は、電流がインダクタL1を流れるときに、インダクタL3に電圧を誘導し得る。インダクタL3に誘導される電圧は、ダイオードD1で整流され得る。ダイオードD1の整流電圧は、ダイオードD3および抵抗器R4を介してバイパススイッチBP1のゲート(g)に印加することができ、これによりバイパススイッチBP1をオンにすることができる(ステップ1007)。
ここで図6Cを参照すると、図は、本開示の態様によるパワーデバイス600を示している。パワーデバイス600は、図2のパワーデバイス200と同一または同様であり得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス600は、電源610からパワーデバイス600に電力を入力するように構成された第1の入力In1および第2の入力In2を有し得る。パワーデバイス600は、第1の出力Out1および第2の出力Out2を有し得る。パワーデバイス600は、出力Out1およびOut2を介して電流(Iストリング)でパワーシステム(例えば、パワーシステム100)に結合され得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイスは、フルブリッジ601を含み得る。フルブリッジ601は、4つのスイッチ(例えば、MOSFET)S62〜S65のブリッジを含み得る。フルブリッジ601は、電源610から出力Out1およびOut2に電力を伝送するように構成され得る(例えば、フルブリッジ601は、インバータとして機能し得る)。いくつかのシナリオでは、バイパス回路603は無効にされ得る。例えば、回路606の電圧VdはVrefよりも大きい場合があり、これによりコンパレータcompの出力電圧が−Vbになり、スイッチQ8をオフにする(Vd、Vref、回路606、comp、VbおよびQ8は図6Bに表示される)。電源610が十分なレベルで電力を生成し、パワーデバイス600が正しく動作しているシナリオでは、端子Aの電圧(Va)は端子Bの電圧(Vb)よりも高くなるように構成され得る。
電流は、パワーデバイス600の出力Out1および/またはOut2から電源610に流れることができ、電力は出力Out1および/またはOut2に戻ることができる。いくつかのシナリオでは、図6BのスイッチQ8をオンにすることにより、バイパス回路603を有効にすることができる。フルブリッジ601のスイッチS61〜S64は、バイパスダイオード(図6BのスイッチBP1のダイオードPD1に類似または同じ)を有し得る。電流は、出力Out1および/またはOut2を介してパワーデバイス600に入り、スイッチS62またはS63のバイパスダイオードを通って流れてポイントAに到達し得る。バイパス回路603に入ると、電流は、回路605、抵抗器R1およびスイッチQ8(図6Bに表示される)を介して端子Aから端子Bに流れ得る。端子Aから端子Bに流れると、結合回路120を介してスイッチBP1に電力が供給され、スイッチBP1がオンになり、図1Gの回路111を介するよりも低インピーダンスの経路が提供される一方で、図6BのスイッチQ9およびBP1をオンに保持するために図6Aの回路111と結合回路120を介して十分な電力が供給される。電流は、ポイントBからスイッチS64および/またはS61のバイパスダイオードを介して出力Out1および/またはOut2に戻り得る。いくつかの態様によれば、パワーデバイス600の出力Out1およびOut2の電力はAC形態であり得、電源610はDC電源であり得る。フルブリッジ601は、パワーデバイス600に入ると出力電流をACからDCに変換するように構成され得、電源610からパワーデバイス600を介してパワーデバイス600の出力Out1およびOut2から電力を出力するように構成され得る。
ここで、パワーデバイス600の態様を示す図6Dを参照する。図6BのスイッチBP1は、第1のスイッチS65および第2のスイッチS66に置き換えられてもよい。スイッチS65およびS66は、スイッチBP1と同じであり得る。端子AはスイッチS65のドレイン(d)に結合され得、端子BはスイッチS66のドレイン(d)に結合され得る。スイッチS65のソース(s)は、スイッチS66のソース(s)に結合され得る。スイッチS65のゲート(g)は、スイッチS66のゲート(g)、ならびにダイオードD3のカソードおよび抵抗器R4の第1の側に結合され得る。抵抗器R4の第2の側は、スイッチS65およびスイッチS66のソース、ならびにコンデンサC3の第2の側およびインダクタL3の第1の端部に結合され得る。図6Dのバイパス回路は、図6BのスイッチBP1が図6DのスイッチS65およびS66に置き換えられ、図6BのポイントBが図6BのスイッチBP1のソース端子の代わりに図6DのスイッチS66のドレイン端子に取り付けられているという点で、図6Bに示される回路とは異なり得る。
いくつかの態様によれば、電源610は、負荷およびソース(例えば、充電時に負荷として機能し、放電時にソースとして機能するバッテリ)として機能し得る。電源610がソースとして機能している場合、Iストリングは端子Aから端子Bに流れ得、電源610がコンシューマとして機能している場合、Iストリングは端子Bから端子Aに流れ得る。Iストリングが端子Aから端子Bに流れ、バイパス回路603が無効になると、スイッチS65とS66がオフになり得、スイッチS65のバイパスダイオードはスイッチS65とS66を流れる電流をブロックし得る。図6BのスイッチQ8はオフになって、電流が図6Bの回路111を介して端子Aから端子Bに流れることを防止し得る。電流Iストリングが端子Bから端子Aに流れ、バイパス回路115が無効になると、スイッチS65とS66がオフになり得、スイッチS66のバイパスダイオードが、スイッチS65とS66を介して端子Bから端子Aに電流が流れるのをブロックし得る。バイパス回路115が有効になると、スイッチQ8がオンになり、電流が回路111を介して端子Aから端子Bへ、および/またはその逆に流れ、図6Aの結合回路120を介してスイッチS65およびS66に電力を供給し得ることを意味する。スイッチS65およびS66のゲート(g)に十分な電力が供給されると、スイッチS65およびS66がオンになり得、IストリングがスイッチS65およびS66を流れ得る。
直列にスイッチS65およびS66を有することにより、1つまたは複数の理由により結合回路120および回路111を設計することおよび構成要素の値を選択することがより容易になり得る。1つの理由は、対称回路を形成することであり得る。スイッチS65とS66が直列に接続される場合、電流Iストリングの方向は、VaとVbの電圧値と極性に影響しない場合がある。例えば、Iストリングは端子Bから端子Aに流れ得、電源610はソースとして機能し得る。VaとVbとの間の電圧差は、パワーデバイス600の動作に従って決定され、例えば50Vであり得る。電源610が負荷として機能しているシナリオでは、VaとVbの電圧差は50Vであり得、IストリングはAからBに流れる。バイパス回路115(図1G)のスイッチBP1がスイッチS65およびS66で置き換えられなかった場合、電源がソースとして機能し、Iストリングが端子Aから端子Bに流れているとき、電圧差はVa−Vb=50Vになり得る。しかしながら、電源610が負荷として機能している場合、電圧VaとVbとの間の電圧差は、実質的にスイッチBP1のボディダイオードPD1の電圧であり得、これは、例えば0.7Vなど、はるかにより低い場合がある。電流の流れの方向に関係なく、端子AとBの間に一定の電圧降下があるようにバイパス回路115を設計すると、端子AとBの間の電圧をバイパス回路の動作に使用するための電圧に変換するように設計された回路をより簡単かつ安価に設計することが可能になり得る。
ここで図7Aを参照すると、1つまたは複数の例示的な実施形態による、パワーシステム100dが示されている。接続構成104cは、端子+および−でシステムパワーデバイス139に接続されて示されている。多数の接続構成104dが、端子+および−を横切って並列に接続されてもよい。接続構成104dは、接続構成104cと同じであっても、接続構成104cと異なっていてもよい。接続構成104cは、(図7Aに示されるような)直列接続または多数のパワーモジュール103aの出力の並列接続を含み得る。端子C+およびD−での各パワーモジュール103aへの入力は、電源101のそれぞれの出力に接続され得る。電源101は、太陽電池パネルとして示される。接続構成104dは、多数のパワーモジュール103aの出力の直列接続を含み得、パワーモジュール103aへの入力は、バッテリまたは燃料電池などのDC電力の別のソースから、または風力タービン、グリッド、またはその他のAC発電機などのAC電源からの整流AC電力などであり得る。
安全電圧ユニット715は、1つまたは複数のパワーモジュール103aに含まれ得る。安全電圧ユニット715は、端子A’およびB’を横切って実質的な短絡を提供するために利用され得る上記のバイパス回路115、115a、115bおよび/または115cと同じまたは同様であり得、および/またはそれらの特徴を含み得る。
パワーモジュール103aが端子C+、D−と端子A’、B’の間に配置された電力回路135(例えば図1Bを参照)を含まない場合、安全電圧ユニット715は電源101を横切って効果的に接続し、端子C+、D−はそれぞれ端子A’、B’であり得る。
パワーモジュール103aの通信インターフェース129(図1Bを参照)は、互いに通信するように、および/または(例えば、電力線通信または無線通信方式を使用して)システムパワーデバイス139および/または負荷107のコントローラと通信するように構成され得る。負荷107は、例えば、バッテリ、交流(AC)グリッド、DCグリッド、またはDC−ACインバータであり得る。パワーモジュール103aはまた、以下で説明する特徴に従って、システムパワーデバイス139および/または負荷107から送信された信号70を受信し得る。信号70は、例えば、安全電圧ユニット715を起動または停止し得る「キープアライブ」信号または停止信号であり得る。信号70は、例えば、無線信号、有線信号(例えば、電力線通信を介した、または別個の通信線を介した)、または音響信号であり得る。上述のパワーモジュール103aおよびバイパス回路115、115a、115bおよび/または115cの利用は、例えば、信号70の使用を考慮する、以下の記載においてより詳細に記載される安全電圧ユニット715の使用によって提供される安全機能だけでなく、陰になったパネルのバイパスモードも含み得る。
以下の説明では、非限定的な例として、パワーモジュール103aは、入力端子C+、D−から出力端子A’、B’へのDC−DC変換用の電力回路135を含まない。非限定的な例は、上記のパワーモジュール103/103aの他の特徴の使用を含み得る。例えば、システムパワーデバイス139に接続されたパワーモジュール103aは、通信能力(例えば、通信装置)および/またはバイパスおよび/または安全電圧ユニットの制御を提供し得る。
ここで図7Bを参照すると、1つまたは複数の例示的な実施形態による、パワーモジュール103aに配置され接続され得る安全電圧ユニット715のさらなる詳細が示されている。2つのバイパス回路718aおよび718bが、それぞれのボディダイオードを備えた2つのMOSFETであってもよい、スイッチS76およびS75として実装されて示されている。ボディダイオードは、MOSFETの一体部分であり得るか、追加で取り付けられ得る。スイッチS76およびS75はそれぞれ、安全電圧ユニット715の端子A’とB’との間に電流(ACまたはDC電流)の双方向の流れを可能にするダイオードを含み得る他のタイプの半導体スイッチまたはリレーであってもよい。
スイッチS76およびS75は、スイッチS76およびS75の端子Bに接続されたMOSFETのソース(s)と、安全電圧ユニット715の端子A’およびB’に接続されたドレイン(d)との2つのMOSFETによって実装される。安全電圧ユニット715は、ゲートドライバGd1およびGd2に動作電力を供給し得る補助電力ユニット750をさらに含む。ゲートドライバは、スイッチS76およびS75をオンまたはオフにするために、それぞれゲートg1およびg2に接続し得る。補助電力回路162への電力入力は、電源101からの電力P2および/または動作電力P1aおよびP1bであり得る。動作電力P1aおよびP1bは、上記のステップ1205で説明したように第1段階含まれ得るダイオードPD1の導通に従って、それぞれのスイッチS76およびS75のボディダイオードを流れる電流から提供され得る。スイッチS76およびS75をオンにすることは、方法420、500および1007で上述したように、バイパス115の動作の第1および第2段階に従い得る。したがって、通常動作モードでは、安全電圧ユニット715は、スイッチS76およびS75のボディダイオードを横切る電圧によって電力供給され得る。スイッチS76およびS75のボディダイオードは、上述のスイッチBP1のダイオードPD1と実質的に同じであり得、同じ機能を提供し得る。したがって、スイッチS76およびS75は、安全電圧ユニット715の端子A’とB’との間に電流(ACまたはDC電流)の双方向の流れを提供する直列に接続された2つのスイッチBP1とみなされてもよい。バイパス回路718aおよび718bは、スイッチS76およびS75に動作バイアスを提供するためにスイッチS76およびS75に接続されたバイパス回路115、115a、115bおよび/または115cの回路をそれぞれ追加的に含み得る。
ここで図7Cおよび7Dを参照すると、1つまたは複数の例示的な実施形態による、パワーシステム100dに適用される方法701および702のそれぞれのフローチャートが示されている。方法702は、方法701のステップ702のさらなる詳細をより詳細に示す。電源101は、例示目的のために、太陽電池パネルであると想定されているが、任意の適切なタイプの電源であってもよい。
パワーシステム100dでは、パワーモジュール103aは、端子C+、D−と端子A’、B’との間に配置された電力回路135を含まない場合がある。安全電圧ユニット715は、電源101を横切って効果的に接続し、端子C+、D−はそれぞれ端子A’、B’に接続され得る。直列に接続された電源101のストリングは、システムパワーデバイス139を横切って接続し得(ステップ721)、各安全電圧ユニット715は、それぞれの電源101を横切って端子A’およびB’で接続する(ステップ723)。ステップ721および723は、通常モードでパワーシステムを最初に動作させる前に、PVパワーシステムの設置および/または試運転中に実行され得る。
パワーシステム100dの通常動作において、ステップ702において、制御機能は、例えば、システムパワーデバイス139のコントローラまたは安全電圧ユニット715に含まれるコントローラによって提供され得る。コントローラは、端子+/−でシステムパワーデバイス139に接続された各接続構成104c/104dからのストリング電圧またはストリング電流Iストリング1−nを確立および制御し得る。したがって、制御機能は、システムパワーデバイス139の端子+/−へのストリング電流Iストリング1−nの代数和、ストリング電圧Vストリング全体を確立および/または維持し得る。したがって、システムパワーデバイス139に接続されたパワーモジュール103aの他の特徴(例えば、図1Bに関して説明された通信インターフェース、コントローラおよび/または他の機能)は、制御機能の有効化を提供し得る。パワーモジュール103aの他の特徴は、接続構成104c/104dのそれぞれ内の電圧および電流の感知を可能にし得る。他の特徴により、感知のデータの通信をシステムパワーデバイス139に送信することができる。したがって、制御機能により、方法701をパワーシステム100dで利用される安全電圧ユニット715に適用することができる。
パワーシステム100dの通常動作中に、ステップ725で、パワーシステム100dのパラメータは、システムパワーデバイス139のセンサ、センサ125、および/またはセンサ/センサインターフェース203/305によって感知され得る。感知されるパラメータは、電源101によって出力される電圧、電源101によって出力される電圧の相互の極性、接続構成104c/104dのストリング電流Iストリング1−nの電流レベルおよび方向、接続構成104c/104dの電圧レベルおよび/またはシステムパワーデバイス139の出力に接続されたグリッドまたは負荷107の有無を含み得る。制御機能は、ステップ725で感知されたパラメータに応じて、ステップ702でパワーシステム100dの通常動作を確立し確認する。ステップ702でパワーシステム100dの通常動作は、システムパワーデバイス139から信号70を送信することにより確認され得る。ステップ723で電源101のそれぞれを横切って接続された安全電圧ユニット715は、パワーシステム100dの動作の通常動作モード(ステップ702)においてオフであり得る(ステップ727)。
電源101が陰になったPVパネルを備える場合、その陰になったPVパネルに関連付けられた安全電圧ユニット715は、陰になった電源101の逆極性の検出により、パワーシステムの通常の動作モードでオフからオンに切り替えられ得る。逆極性の通常モードでの検出は、陰になったPVパネルまたは放電したバッテリ(電源101がバッテリである場合)の示唆を提供し得る。直列ストリング内の他の実行中の電源101と比較して生産性の低い電源101の逆極性は、直列ストリング内の電流の流れを妨げる原因になり得る。直列ストリング内の電流の流れを妨げる原因は、生産性の低い電源101のそれぞれの安全電圧ユニット715をOFFからONに切り替えることによって取り除くことができる。したがって、通常の動作モードでの検出に応答して、パワーシステムの動作期間にわたる日陰とバッテリの充電状態の動的な変化により、いくつかの安全電圧ユニット715が直列ストリング内でオフまたはオンになり得る。
制御機能の構成は、安全電圧ユニット715のアナログ回路設計の一部として、コンポーネント値、コンポーネントのタイプ、およびコンポーネントの相互接続の計算および選択を含み得る。アナログ回路設計は、コントローラとのインターフェースを可能にする機能をさらに含み得る。コントローラが存在しないか、コントローラの動作電力が不足している場合、安全電圧ユニット715の動作は、制御機能およびステップ725で感知されたパラメータから独立し得る。構成は、通常の動作パラメータ(例えば、電源101および/またはパワーモジュール103aが正しく機能している場合に存在するシステムパラメータ)に基づき得る、または上記のパワーシステム100dおよび下記のパワーシステムの非正常動作パラメータに対応し得る。構成は、それによって、パワーモジュール103aおよび/または電源101のバイパスを提供するように、パワーモジュール103aおよび/または電源101のブレークダウンまたは故障などのイベントに応答的であり得る。
これに関して、コントローラによる制御の欠如を伴う安全電圧ユニット715に関する構成は、ほとんどの時間、実質的に起動および/または作動されていると考えられ得る。したがって、方法701のステップは、パワーシステム100dの連続的に変化する動作パラメータに応じて実行される。安全電圧ユニット715の動作のための電力は、直列接続された電源101のストリングから提供され得る。動作のための電力は、例えば電力P2を使用してもよいモジュール103aおよび/または電源101からの部分電力から供給されてもよい。動作用の電力は、補助電源から供給されてもよい。上述の安全電圧ユニット715および他のアナログバイパス回路の実施形態は、実質的に起動されていると見なされる場合、センサ125、コントローラ105、および方法701において安全電圧ユニット715を起動させる(オン)または安全電圧ユニット715を停止する(オフ)ための関連アルゴリズムを必要としないかもしれない。
したがって、ほとんどの時間実質的に起動されていることから、安全電圧回路115および以下に説明する他のアナログバイパス回路の実施形態の停止を可能にする方法は、コントローラがドライバ回路170を使用してスイッチS76、S75のゲートg1およびg2に電圧を印加し、それにより安全電圧ユニット715がオフおよび/または停止されることである。構成はまた、パワーモジュール103aおよび/または電源101が通常動作に戻り、通常動作がパワーモジュール103aおよび/または電源101のバイパスを停止するなどのイベントに応答的であるように、以下で説明する決定ステップ704の決定局面を与え得る。
ステップ702でのパワーシステム100dの通常動作中に、信号70が、システムパワーデバイス139および/または負荷107から、接続構成104c/104dのそれぞれのパワーモジュール103aに送信される。パワーモジュール103aの通信インターフェース129は、システムパワーデバイス139および/または負荷107から送信された信号70を受信し得る。ステップ704で信号70がパワーモジュール103aにより受信される場合、パワーシステム100dの通常動作はステップ702で継続し、ここで安全電圧ユニット715はオフまたは端子A’とB’の間で開回路である。
安全電圧ユニット715がオフまたは停止されると、ストリング電流Iストリング1は、最も生産性の低い電源101からの電流(Is)に等しくなり、端子A’およびB’のそれぞれを横切る電圧はそれぞれの電源101の電圧である。安全電圧ユニット715がオンであるか、または(例えば、低生産性の電源101に応答して)バイパスモードで起動されると、バイパスモードでの電源101からの電圧は実質的にゼロであり得る。これは、安全電圧ユニット715が電源を実質的に短絡させ得るからである。そのため、ストリング電流Iストリング1(例えば、他の機能する直列接続された電源101出力からの)が端子B’からA’に流れ、端子A’とB’を横切る電圧降下は安全電圧ユニット715(ON)のドレイン(d)とソース(s)の間の電圧であり、ここで、組み合わされたドレインソース電圧Vdsは、例えばそれぞれ10mVであり得る。上述のバイパスモードの特徴は、電源101が陰でなくなった場合、または電源101が再び機能し始めた場合、安全電圧ユニット715がオンからオフに停止され得ることである。バイパスモードでの安全電圧ユニット715の起動または停止は、ステップ725でのパワーシステム100dのパラメータの感知と無関係であってもよい。
ステップ704において、信号70がパワーモジュール103aによって受信されない場合、ステップ706において、安全電圧ユニット715の一部および/またはすべての起動により、パワーシステム100dの動作の安全モードが開始され得る。信号70がパワーモジュール103aによって受信されないことは、システムパワーデバイス139および/または負荷107を接続構成104c/104dに接続する電力線のうちの少なくとも1つの切断を示唆し得る。あるいは、切断は、接続構成104c/104d内の電力線内に存在し、特定の接続構成104c/104dが信号70を受信するのを防止し得る一方、別の接続構成104c/104dは、システムパワーデバイス139および/または負荷107から切断されておらず、信号70を受信する。切断はまた、システムパワーデバイス139および/または負荷107のシャットダウンに起因し得る。切断は、接続構成104c/104d内のおよび/またはパワーデバイス139および/または負荷107と接続構成104c/104dとの間の電力線内のインラインヒューズ、回路ブレーカ、または残留電流装置(RCD)を破裂させる構成104c/104d内の過電流に起因し得る。過電流により、電力線間のコネクタに開回路が発生する可能性があり、これも切断の原因になる可能性がある。
信号70の受信を妨げる可能性のある安全でない状態(安全でない状態に応じて信号70が送信されないことによる、または、例えば電力線の切断による信号70の送信の阻害による)は、例えば、パワーシステム100d内の切断、グリッドの停止、漏れ電流、インバータの機能不全等をさらに含み得る。したがって、方法751に従って安全電圧ユニット715がオンであることは、電源101を横切る安全電圧レベル(例えば、0.1V、1V、2V等)、およびストリング電圧Vストリングの全体的な安全電圧レベルを保証し得る。安全なVストリングレベルを維持することで、例えば設置者や消防士などの作業員が保護され得る。他の可能な実装では、信号の不在の代わりに信号の発生により、パワーシステム内で安全でない状態が検出される場合があり、それによって検出された信号は、例えば、パワーシステム内部の過電圧または過電流状態の結果であり得る。
ステップ706の安全動作モードは、様々な方法で安全電圧ユニット715においてトリガーされてもよい。1つの特徴によれば、安全電圧ユニット715に含まれる通信装置によって停止信号を受信することができ、停止信号はシステムパワーデバイス(例えば、システムパワーデバイス139)によって送信される。ある特徴によれば、安全電圧ユニット715は、システムが適切に動作している間、(例えば、システムパワーデバイス139から)「キープアライブ」信号を(例えば、連続的に、または定期的に)受信し得る。信号は有線または無線であり得る。「キープアライブ信号」が停止すると(例えば、10秒などの期間にわたって「キープアライブ」を受信しなかった場合)、安全電圧ユニット715は、スイッチS76およびS75をオンにすることによって、安全動作モードをトリガーし得る(ステップ706)。
少なくとも1つまたは複数の安全電圧ユニット715を起動するための基準は、システムパワーデバイス139および/または負荷107と接続構成104c/104dとの間の切断の場合に安全であると考えられ得るVストリングの最大許容安全電圧に基づき得る。切断は、接続構成104c/104d内の電力線の切断、および/またはシステムパワーデバイス139および/または負荷107のシャットダウンが発生したときを含み得る。非限定的な例として、出力が直列に配線された10個のパワーモジュール103aを構成104c/104dに含めることができる。各電源101の出力は20ボルト(V)であり得、システムパワーデバイス139および/または負荷107からの切断および/またはシャットダウンが発生したとき、Vストリングの安全電圧は60Vであると見なされる。ステップ706では、10個の安全電圧ユニット715のうち3個がオフであるため、安全電圧を確保するために7個の安全電圧ユニット715をオンにすることができる。キルヒホッフの法則(Kirchoff Voltage Law)により10個の安全電圧ユニット715のうち3個がオフになっていると、Vストリング=20V+20V+20V=60Vが与えられる。ステップ706は、接続構成104c/104dの再接続および/またはシステムパワーデバイス139および/または負荷107の起動が起こるまで安全な電圧を確保するために永久的に適用され得る。接続構成104c/104dの再接続および/またはシステムパワーデバイス139および/または負荷107の起動は、ステップ702で通常の動作モードを再確立し得る。
システムパワーデバイス139および/またはパワーモジュール103aの少なくとも1つに配置されたコントローラの制御アルゴリズムは、Vストリングの最大電圧を認識している。Vストリングの最大電圧は、安全な電圧のシステム要件に基づき得る。出力電圧またはストリングの一部の出力電圧の組み合わせが安全でないと見なされる場合、制御アルゴリズムは、直列ストリングの各ポイントで安全な電圧レベルを確保するように動作し得る。安全な電圧レベルは、すべての安全電圧ユニット715をオンに起動することで実現され得る。制御アルゴリズムは、上記の数値例に示すように、Vストリングの安全な電圧を確保するために、安全電圧ユニット715のいくつかをオンに起動することが適切であると判断し得る。
ここで図7Eを参照すると、1つまたは複数の例示的な実施形態による方法751が示されている。方法751は、パワーシステム100dのコントローラによって、パワーシステム100dで利用される安全電圧ユニット715に適用され得る。前述したように、コントローラはシステムパワーデバイス139の一部であり得る、またはパワーモジュール103aに含まれ得る。安全電圧ユニット715の起動は、感知ステップ725に応答するコントローラの制御によるもの、またはコントローラとは独立して動作する安全電圧ユニット715のアナログ回路によるものであり得る。独立して動作する安全電圧ユニット715は、図1Iおよび1Qに関する上の説明に従うものであり得、これは、例えば夕暮れまたは夜明けに存在する非常に低いレベルのストリング電流に好適であり得る。安全電圧ユニット715の起動はまた、感知ステップ725に応答するコントローラの制御と安全電圧ユニット715のアナログ回路との組み合わせであってもよい。
安全電圧ユニット715は、端子B’から端子A’または端子A’から端子B’に流れ得るストリング電流Iストリング1−nの双方向の流れを提供し得る。非限定的な例として、制御アルゴリズムの制御機能は、パワーモジュール103aが電力回路135の使用を含まないパワーデバイス139のコントローラによって提供および適用され得る。したがって、制御機能は、ストリング電圧Iストリングまたはストリング電流Iストリング1−nの1つ以上、またはシステムパワーデバイス139の端子+/−へのストリング電流の代数和を確立および/または維持し得る。パワーモジュール103aの他の特徴は、制御機能の有効化を提供し得る。パワーモジュール103aの他の特徴により、ステップ725に含まれ得る接続構成104c/104dのそれぞれ内の電圧および電流の感知が可能になり得、感知のデータをシステムパワーデバイス139に通信することが可能になり得る。したがって、制御機能は、方法751が、パワーシステム100dで利用される安全電圧ユニット715に適用されることを可能にし得る。
ステップ725において、図7Aを参照すると、パワーシステム100dのパラメータが感知され得る。感知されるパラメータは、電源101が出力する電圧レベル、電源101が出力する電圧の相互の極性、接続構成104c/104d内のストリング電流Iストリング1−nの電圧レベルおよび方向、接続構成104c/104dの電圧レベルおよび/またはシステムパワーデバイス139の出力に接続されたグリッドまたは負荷107の有無を含み得る。一般に、安全電圧ユニット715の動作は、実質的に端子A’およびB’の短絡または開回路を提供し得る。短絡回路または開回路は、バイパス回路718aおよび718bに適用される方法751によって提供され得る。短絡は、接続構成104c/104dのどちらの方向にもストリング電流Iストリング1−nを流すことができる。
安全電圧ユニット715は、例えば影155によるパネルの低生産性のために1つまたは複数の安全電圧ユニット715が起動され得る場合、端子B’からA’へのストリング電流Iストリング1の電流の流れのバイパスモードを提供するために利用され得る。バイパスモードは、通常動作モード(ステップ702)または安全動作モード(ステップ706)で提供され得る。パネルの低い生産性により、パネルの逆電圧バイアスが発生し得る(例えば、生産性の低いパネルに過剰な電流が流されるため)。場合によっては、ステップ725で逆電圧バイアスが感知され得、パワーシステム100dの制御アルゴリズムの基準で使用され得、通常動作モード(ステップ702)または安全動作モードのいずれかであることを決定する。したがって、安全電圧ユニット715がバイパスモードにある場合、端子B’からA’へのストリング電流Iストリング1の流れが続く。あるいは、(例えば、電源101が例えば安全電圧ユニット715に接続された関連する充電コンバータを備えたバッテリであり、バッテリが通常動作モード(ステップ702)の間に充電される場合)、ストリング電流Iストリング1の流れは端子A’からB’に向かうものであり得る。したがって、安全電圧ユニット715のいくつかは、起動されてオンにされ得(例えば、他のバッテリの前にバッテリが実質的に充電されるため)、それにより、通常動作モード(ステップ702)に含まれるバイパスモードは、端子+から−へのストリング電流Iストリング1が他のバッテリを充電し続けるようにバッテリを分離するために、関連する充電コンバータがオフの状態で充電済みバッテリに対して開始され得る。
安全電圧ユニット715の一部、大部分、またはすべてを安全モードでオンに起動して、接続構成104cの端子A’と端子B’の間およびそのそれぞれの安全電圧レベルを確保し、接続構成104cの端子+と端子−の間またはその電圧のレベルを安全な電圧レベルに低減することができる。システムパワーデバイス139のコントローラは、コントローラによって実行される制御アルゴリズムに基づいて、パワーシステム100dに対して制御機能を実行し得る。パワーシステム100dの制御アルゴリズムが通常動作モード(ステップ702)から安全モードに入るための基準は、実質的にゼロのストリング電流Iストリング1が存在することおよび/またはパワーモジュール103aによって信号70が受信されないことを含み得る。安全モードでコントローラによってオンに起動された安全電圧ユニット715は、ストリング電流Iストリング1の方向を端子A’からB’にすることができる。安全電圧ユニット715がオフまたは停止されると、ストリング電流Iストリング1は、電源101によって出力される電流(Is)と実質的に等しくなり得る。
決定ステップ752において、感知ステップ725に応答して、それを実行するコントローラは、ストリング電流Iストリング1−nが端末A’から端末B’または端末B’から端末A’に流れる必要があると決定され得る。通常動作モード(ステップ702)から安全モードに入るための基準は、パネルが逆バイアスされないこと、実質的にゼロのストリング電流Iストリング1および/または信号70がパワーモジュール103aによって受信されないことを含み得る。ステップ753で電源101によって供給される動作電力P2によってスイッチS75がオンにされるので、安全ユニット715のオンへの起動は、ストリング電流Iストリング1からの電流が端子A’から端子B’へ電流が流れるようなものであり得る。スイッチS75がオンにされると、電流はスイッチS76のボディダイオードに流される一方、スイッチS76はステップ755でオフにされ得る。ステップ755では、スイッチS76に適用される方法1007の実施によりスイッチS76はオンにされ得、ここで、電力P1aとしてスイッチS76のボディダイオードに流れる電流の一部は、スイッチS75およびS76をオンにするためにバイパス回路718aに含まれ得るバイパス回路115、115a、115bおよび/または115cの回路によって利用され得る。決定ステップ757で、スイッチS76がオンにされない場合、ステップ755は、スイッチS76がオンになるまで継続し得る。決定ステップ757で、スイッチS76がオンにされる場合。それぞれのゲートg1およびg2に適用されるゲートドライバGd1およびGd2を介してスイッチS76およびS75を駆動する電力は、電力P1aおよび/または電力P2によって提供され得る。
同様に、電源101が例えばコンバータ回路を介して充電されるバッテリである通常動作モード(ステップ702)では、決定ステップ752は、バッテリが逆バイアスされておらず、実質的なストリング電流Iストリング1が存在し、信号70がパワーモジュール103aによって受信されていると見なし得る。安全ユニット715のオンへの起動は、安全ユニット715に接続されたバッテリが他のバッテリよりも先に充電されることによるものであり得る。したがって、通常動作モードに含まれるバイパスモードは、関連する充電コンバータがオフの状態で、充電されたバッテリに対して開始され得る。関連する充電コンバータがオフになっていると、バッテリは安全ユニット715がオンになっている影響から隔離される。これにより、充電されたバッテリはバイパスされ、ステップ753〜759に従って、端子A’からB’へのストリング電流Iストリング1が他のバッテリを充電し続ける。
決定ステップ752で、感知ステップ725に応答して、方法751を実行するコントローラ(例えば、システムパワーデバイス139のコントローラ)により、ストリング電流Iストリング1−nが端子B’から端子A’に流れるべきであると決定され得る。ストリング電流Iストリング1−nは、通常動作モードでは、PVパネルに影響を与える影155のために安全電圧ユニット715のいくつかがオンに起動され得るため、端子B’から端子A’に流れ得る。パネルが陰ると、パネルに逆バイアスがかかり得る。逆バイアスは、ステップ725で感知され得(例えば、PVパネルを横切る負電圧の検出により)、パワーシステム100dの制御アルゴリズムの基準で使用され得る。ステップ754で電源101によって供給される動作電力P2によってスイッチS76がオンにされるので、安全ユニット715のオンへの起動は、ストリング電流Iストリング1からの電流が端子B’から端子A’へ向かうようなものである。スイッチS76がオンにされると、電流はスイッチS75のボディダイオードへ流される一方、スイッチS75はステップ756でオフであり得る。スイッチS75は、スイッチS75に適用される方法1007の実施により、ステップ756でオンにされ得る。スイッチS75がオンの状態で、スイッチS75のボディダイオードに流れる電流の一部がバイパス回路115、115a、115bおよび/または115cの回路によって利用され得る結果として、電力P1bが提供され得る。回路をバイパス回路718bに含めて、スイッチS75およびS76をオンにすることができる。ステップ758において、スイッチS75がオンにされない場合、ステップ756は、スイッチS75がオンになるまで継続し得る。ステップ758において、スイッチS75がオンにされた場合、それぞれのゲートg1およびg2に適用されるゲートドライバGd1およびGd2を介してスイッチS76およびS75を駆動する電力は、電力P1bおよび/または電力P2によって提供され得る。
一般に、上記の説明および以下の説明では、電源101は、端子A’から端子B’に流れる可能性のあるストリング電流Iストリング1−nのソースとして機能し得、および/または電源101がシンクとして機能している場合(例えば、電源101がバッテリであり、バッテリが充電されている場合)、ストリング電流Iストリング1−nは、1つまたは複数の安全電圧ユニットの端子B’から端子A’に流れ得る。端子A’およびB’のバイパスは、図6A〜6Dに関するおよびスイッチS76およびS75の使用に関する上記の説明によるスイッチS65およびS66を含み得る双方向スイッチによって達成され得る。図6A〜6Dに関する上記の説明は、上述のDC電流Iストリング1−nおよび以下の記載において提供されるACストリング電流Iストリング1−nの両方に対して安全モードおよびバイパスモードの両方を提供するべく双方向スイッチング機能を提供するために安全電圧ユニット715で同様に利用され得る。
ここで図7Fを参照すると、1つまたは複数の例示的な実施形態による、パワーシステム100eのブロック図が示されている。パワーシステム100eは、多数の電源101を含み、これは、非限定的な例として、太陽電池パネルおよび/またはバッテリなどの貯蔵装置であり得る。パワーモジュール103aが端子C+、D−と端子+、−の間に配置された電力回路135を含む場合、安全電圧ユニット715の端子A’およびB’は、端子C+、D−で電源101を横切って接続し得るか、パワーモジュール103aの端子+、−を横切って接続し得る。パワーモジュール103aが電力回路135を含まない可能性がある場合、安全電圧ユニット715の端子A’、B’は電源101を横切って接続し得る。端子+、−はそれぞれブリッジ回路737の片側に接続する。ブリッジ回路737は図3Aに示されるブリッジ306と同じであり得る。端子XおよびYのブリッジ736の反対側は、ストリング電流Iストリング1が流れる直列ストリングにおいて接続する。直列ストリングは、負荷107を横切って接続し得る。負荷107は、グリッド760に接続され得るシステムパワーデバイス139と同じであり得る。
ブリッジ回路737は、パワーモジュール103aに電力回路135が含まれていない場合、端子+、−の電源101からのDCを端子XおよびYでACに直接変換し得る。パワーモジュール103aに電力回路135が含まれる場合、端子+、−の電力回路135からのDC電力を介して、ブリッジ回路737から負荷107および/またはグリッド760にACが供給され得る。電源101が充電を必要とするバッテリである場合、ブリッジ回路737は、グリッド760からのACをDCに変換して、直接または電力回路135を介してバッテリに提供し得る。したがって、電源101がバッテリである場合、電流Isは一方向に負荷107/グリッド760に放電され得、反対方向に負荷107/グリッド760からバッテリに充電され得る。要するに、ブリッジ回路737は、負荷107/グリッド760からのACを電源101へのDCに変換することにより、端子+、−の電源101からのDCを負荷107へのACへ変換し得る、およびその逆の変換を行い得る。したがって、上記の説明中のストリング電流Iストリング1は交流(AC)である。
ここで図7Gを参照すると、1つまたは複数の例示的な実施形態による、図7Fのパワーシステム100eに含まれ得る安全ユニット715およびブリッジ回路737のさらなる回路の詳細が示されている。安全ユニット715、電源101、および電源101とパワーモジュール103aとの間の接続は、図7Aおよび図7Bに関して上記のように説明されている。ブリッジ回路737に関して、端子+、−はそれぞれ、端子VでスイッチQB4およびQB3のドレイン(d)に、および端子WでスイッチQB5およびQB2のソース(s)に接続する。ブリッジ回路737の端子XおよびYは、それぞれ、スイッチQB4のソース(s)がスイッチQB5のドレイン(d)に接続される場所に、およびスイッチQB3のソース(s)がスイッチQB2のドレイン(d)に接続される場所に接続する。動作中、ブリッジ回路737は、スイッチ対QB4およびQB2のゲート(g)およびスイッチ対QB3およびQB5のゲート(g)に適用される交互駆動を有し得る。適用される交互駆動はパルス幅変調(PWM)であり得るため、ブリッジ回路737は端子VおよびWからのDCを端子XおよびYのACに変換し得る、およびその逆の変換を実行し得、それによりブリッジ回路737は端子XおよびYからのDCを端子VおよびWのACへ変換し得る。
ここで、非限定的な例として、図7F〜7Gならびに方法701および751を再度参照する。非限定的な例は、電源101は、端子C+、D−と端子+、−の間に配置された電力回路135を含み得るパワーモジュール103aを介して負荷107に電力を供給する太陽電池パネルであると想定する。安全電圧ユニット715は、端子A’、B’で+、−を横切って接続され得る。ブリッジ回路737の直列に接続された端子XおよびYのストリングは、負荷107を横切って接続される。
ステップ702でのパワーシステム100eの通常動作では、パワーモジュール103aに接続された1つまたは複数のコントローラによって制御機能は提供され得る。第1のパワーモジュール103aは、他の第2のパワーモジュール103a、安全ユニット715および/またはブリッジ回路737への通信および制御を確立し得る。したがって、第1のパワーモジュール103aは、負荷107/グリッド760に印加されるストリング電圧Vストリングおよび/またはストリング電流Iストリング1を制御し得る。システムパワーデバイス139に接続されたパワーモジュール103aの特徴は、制御機能の有効化を提供し得る。制御機能を有効にするパワーモジュール103aの他の特徴により、電源101およびストリング電流Iストリング1の電圧および電流の感知が可能になり得る。感知はステップ725に含まれ得、有効化はさらに、負荷107/システムパワーデバイス139への感知のデータの通信を含み得る。したがって、制御機能により、方法701/751をパワーシステム100eで利用される安全電圧ユニット715に適用することが可能になる。
パワーシステム100eの通常動作において、ステップ725において、パワーシステム100eのパラメータが感知され得る。感知されるパラメータは、電源101の電圧レベル、電源101の相互の極性、ストリング電流Iストリング1の電流レベルおよび方向、ストリング電圧Vストリングの電圧レベル、またはグリッド760および/または負荷107の有無を含み得る。
したがって、ステップ725で感知されたパラメータに応答する制御機能は、システムパワーデバイス139に類似する場合、負荷107から信号70を受信することにより、ステップ702でパワーシステム100eの通常動作を確立し検証し得る。ステップ723で端子+、−を横切って接続された安全ユニット715は、パワーシステム100eの通常動作モード(ステップ702)においてオンまたはオフになるように安全ユニット715に動作バイアスを提供し得る。動作バイアスは、感知されたパラメータに応答的であり得(ステップ725)、制御機能によって制御されるか、制御機能および感知されたパラメータから独立し得る。前述のように、コントローラはシステムパワーデバイス139の一部であっても、パワーモジュール103aに含まれていてもよい。安全電圧ユニット715の起動は、感知ステップ725に応答するコントローラの制御、またはコントローラとは独立して動作する安全電圧ユニット715のアナログ回路によるものであり得る。独立して動作する安全電圧ユニット715は、図1Iおよび1Qに関する上記の説明に従うものであり得、例えば夕暮れまたは夜明けに存在し得る非常に低いレベルのストリング電流に好適であり得る。安全電圧ユニット715の起動は、感知ステップ725に応答するコントローラの制御と安全電圧ユニット715のアナログ回路との組み合わせであってもよい。
ステップ702でのパワーシステム100eの通常動作中に、信号70がシステムパワーデバイス139および/または負荷107からパワーモジュール103aに送信される。信号70は、非限定的な例として、電力線通信によりパワーモジュール103aに送信され得る。パワーモジュール103aの通信インターフェース129は、システムパワーデバイス139および/または負荷107から送信された信号70を受信する。ステップ704において信号70がパワーモジュール103aによって受信される場合、パワーシステム100eの通常動作はステップ702において継続する。通常動作では、安全電圧ユニット715はオフであり得るか、端子A’とB’の間で開回路となり得、ブリッジ回路737は端子VとWからのDCを端子XとYのACに変換し得る。
安全電圧ユニット715がオフであるまたは停止されると、ACストリング電流Iストリング1のrms値は、最も生産性の低い電源101からの電流(Is)およびそれぞれの電源101の電圧と同様である端子XおよびYのそれぞれを横切るrmsAC電圧に類似し得る。感知ステップ725に応答する通常動作モード(ステップ702)に含まれるのは、電源101からの電流(Is)が実質的にゼロであり得る状況である。電流(Is)が実質的にゼロであるのは、影155(例えば、電源101が太陽電池パネルである場合)または電源101が故障しているためかもしれない。いずれの場合でも、通常動作モードにおいて、端末XおよびYはバイパスする必要があり得る。パネルの影155は、パネルの逆バイアスを引き起こし得、これはステップ725で感知され、通常動作モード(ステップ702)であることおよびバイパスを端子XおよびYに適用することを判断するためにパワーシステム100eの制御アルゴリズムの基準で使用され得るストリング電流Iストリング1を低減する。図7Gを参照すると、端子XおよびYのバイパスでは、AC電流Iストリング1の半サイクルで、スイッチQB4およびQB5はオフであり、QB3およびQB3はオンである。したがって、半サイクルにおいて、安全電圧ユニット715を通る電流(オン)は、決定752で方法751のステップ754〜760を適用することにより端子B’から端子A’に向かうものである。AC電流Iストリング1の他の半サイクルでは、スイッチQB4とQB5はオンであり、QB3とQB5はオフである。方法751の決定752でステップ753〜759を適用することにより、安全電圧ユニット715を流れる電流(オン)は端子A’から端子B’に向かうものである。端子XおよびYのバイパスに電力を供給するための補助電力は、少なくとも補助電力回路162/750から利用され得る。
同様に、電源101が例えば充電コンバータ回路を介して充電されるバッテリである通常動作モード(ステップ702)では、感知ステップ725および決定ステップ752は、バッテリが逆バイアスされておらず、かなりのストリング電流Iストリング1が存在し、および/または信号70がパワーモジュール103aによって受信されていることを考慮し得る。安全ユニット715のONへの起動は、バッテリが他のバッテリよりも前に充電されるためであり得る。バッテリが他のバッテリよりも前に充電されることにより、通常動作モード(ステップ702)に含まれ得るバイパスモードが開始され得る。バイパスモードは、安全ユニット715がオンになっている効果からバッテリを隔離するために、関連する充電コンバータ(パワーモジュール103a)がオフの状態で、充電されたバッテリに対して開始され得る。したがって、充電されたバッテリはバイパスされ、方法751のステップに従って、端子A’からB’へのおよび端子B’からA’へのストリング電流Iストリング1の両方向について、他のバッテリの継続的な充電を可能にする。
ステップ704において、信号70がパワーモジュール103aによって受信されない場合、ステップ706において、安全電圧ユニット715の一部および/またはすべての起動により、パワーシステム100eの動作の安全モード(ステップ706)が開始され得る。信号70がパワーモジュール103aによって受信されないことは、システムパワーデバイス139および/または負荷107をブリッジ回路737の端子XおよびYの直列ストリング接続に接続する電力線のうちの少なくとも1つの切断を示唆し得る。あるいは、切断は、直列ストリング内または直列ストリングとパワーデバイス139/負荷107との間の電力線内に存在し得る。切断は、直列ストリング内のおよび/またはパワーデバイス139および/または負荷107と直列ストリングとの間の電力線内のインラインヒューズ、回路ブレーカ、または残留電流装置(RCD)を破裂させる過電流に起因し得る。過電流により、電力線間のコネクタに開回路が発生する可能性があり、これも切断の原因になる可能性がある。
信号70が受信されるのを許容しない可能性のある安全でない状態は、例えば、パワーシステム100e内の切断、グリッドの停止、漏れ電流、インバータの機能不全等をさらに含み得る。方法751に従って安全電圧ユニット715がオンであることは、ストリング電圧Vストリングの安全な電圧レベルを与えるように電源101、端子A’/B’、端子VおよびWを横切る安全電圧レベル(例えば、0.1V、1V、2V等)を保証し得る。安全なVストリングレベルならびに電源101、端子A’/B’、および端子VおよびWを横切る安全電圧レベルを維持することで、例えば設置者や消防士などの作業員が保護され得る。
ステップ706の安全動作モードは、様々な方法で安全電圧ユニット715においてトリガーされてもよい。1つの特徴によれば、安全電圧ユニット715に含まれる通信装置によって停止信号を受信することができ、停止信号はシステムパワーデバイス(例えば、139)/負荷107によって送信される。ある特徴によれば、安全電圧ユニット715は、システムが適切に動作している間、(例えば、システムパワーデバイス139/負荷107から)「キープアライブ」信号を(例えば、連続的に、または定期的に)受信し得る。信号は有線または無線であり得る。「キープアライブ信号」が停止すると(例えば、10秒などの期間にわたって「キープアライブ」を受信しなかった場合)、安全電圧ユニット715はトリガーされ得る。したがって、安全動作モード(ステップ706)は、安全電圧ユニット715をオンに起動することによるものであり得る。
少なくとも1つまたは複数の安全電圧ユニット715を起動させるための基準は、切断の場合に安全であると考えられ得るVストリングの最大許容安全電圧に基づいてもよく、切断の考えられる原因は上でより詳細に説明されている。非限定的な例として、接続端子XおよびYが直列に配線された10個のブリッジ回路737がシステムパワーデバイス139および/または負荷107を横切って接続されている場合。各ブリッジ回路737の出力は20ボルト(V)rmsであり得、およびシステムパワーデバイス139および/または負荷107の切断および/またはシャットダウンが発生した場合、Vストリングの安全電圧は60V rmsであると考えられる。ステップ706で、10個の安全電圧ユニット715のうち3個がオフであるため、安全電圧を確保するために7個の安全電圧ユニット715がオンにされ得る。キルヒホッフの法則(Kirchoff Voltage Law)により10個の安全電圧ユニット715のうち3個がオフになっていると、Vストリング=20V+20V+20V=60V rmsが与えられる。ステップ706は、電源101、パワーモジュール103a、ブリッジ回路737の端子XおよびYの直列ストリング接続の再接続、および/またはシステムパワーデバイス139および/または負荷107の起動が起こるまで安全な電圧を確保するために永久的に適用され得る。そのような再接続は、ステップ702で通常動作モードを再確立し得る。
負荷107および/またはパワーモジュール103aの少なくとも1つに配置されたコントローラの制御アルゴリズムは、Vストリングの最大電圧を認識している。Vストリングの最大電圧は、パワーモジュール103aの数に基づいてもよい。ストリングの一部の出力電圧または結合出力電圧が安全でないと見なされる場合、制御アルゴリズムは、直列ストリングの各ポイントで安全電圧レベルを確保し得る。安全電圧レベルは、すべての安全電圧ユニット715をオンに起動することによるものであり得る。制御アルゴリズムは、上記の数値例に示すように、Vストリングの安全な電圧を確保するために、安全電圧ユニット715のいくつかをオンに起動することが適切であると判断し得る。
いくつかの態様によれば、補助電力回路への電力の確保は、1つまたは複数の問題を解決し、および/またはパワーデバイスへの入力に接続された場合にのみ提供される補助電力に対する利点を提供し得る。例えば、発電機がパワーデバイスから切断されたシナリオでは、補助電力回路は、ストリング全体を切断するのではなく、すなわちアーク放電の危険があるストリング内の開回路セクションを形成することによって、ストリングの切断部分をバイパスするオプションを提供し得る。特定の態様による可能性のある利点の別の例は、PV発電機が実質的な電力を提供しない可能性がある夜間に補助電力を提供することであり得る。
特定の態様によれば、パワーデバイスは、発電機を試験して、それらが通常の状態で動作しているかどうかを判定することができ、試験では補助電力が必要になることがある。補助電力を提供すると、1つまたは複数の発電機で試験を実行し、また、同じストリング内の1つまたは複数の発電機のバイパスを実行することができるようになるかもしれない。本明細書の要素間に様々な接続が示されていることに留意されたい。これらの接続は一般的に説明されており、特に指定がない限り、直接的または間接的であり得る。本明細書は、この点で制限することを意図していない。さらに、本明細書の要素はハードウェアまたはソフトウェアのいずれかに関して説明されているが、それらはハードウェアおよび/またはソフトウェアのいずれかで実装されてもよい。さらに、一実施形態の要素は、適切な組み合わせまたは下位組み合わせで他の実施形態の要素と組み合わせることができる。
主題は構造的特徴および/または方法論的行為に特有の言語で説明されているが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は必ずしも上記の特定の特徴または行為に限定されないことを理解されたい。例えば、上記の各実施形態において、パワーシステムのデバイスからの信号の有無は、必ずしも安全でない状態の表示ではなく、代わりにパワーシステムが通常動作モードから安全動作モードに入ることを引き起こす指示であり得る。例えば、信号の有無により、パワーシステムが(上記のように)安全モードに入り、その後、パワーシステムが安全動作モードに入ると、安全スイッチがオンになり、パワーシステムの電源の直列ストリング内の各ポイントの電圧レベルが所定の電圧レベル以下になるようにし、それにより、直列ストリングの電圧レベルを所定の電圧レベル以下に下げる。安全動作モードに入ることは、例えば、電源の直列ストリングの切断、直列ストリングと直列ストリングが接続されているパワーデバイスとの間の切断、パワーデバイスに接続されているグリッドの停止、漏れ電流、パワーデバイスの機能不全、回路ブレーカの遮断、パワーデバイスのシャットダウン、またはユーザがシステムを安全モードに置きたがる、または置くことを必要とするその他の理由の結果であり得る。むしろ、上記の特定の特徴および行為は、以下の特許請求の範囲の例示的な実践として説明されている。
本発明の様々な実施形態の様々な特徴は、番号付きのクレームのセットにおいて以下で強調される。これらの特徴は、本発明または発明概念を制限するものとして解釈されるべきではなく、そのような特徴の特定の重要性または関連性の順序を示唆することなく、説明に記載される本発明のいくつかの特徴の強調として単に提供される。