JP2021078249A - 電力変換装置、及び電力変換制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定格を越える電力が入力された場合に、その電力の電流を最大電力点での電流より増大させて、その電力を定格内に抑制して運転の継続が可能な電力変換装置、及び電力変換制御装置を提供する。【解決手段】電力変換装置（１０）は、電源（ＴＭＧ）から電力が供給され、第１及び第２のスイッチ素子（Ｑ１、Ｑ２）のオンオフ駆動により、電力の電圧を昇圧、または降圧するコンバータ（１）と、入力電圧値を出力する第１の電圧検出器（５）と、入力電流値を出力する第１の電流検出器（７）と、コンバータが出力する出力電力の出力電圧値を出力する第２の電圧検出器（６）と、出力電力の出力電流値を出力する第２の電流検出器（８）と、入力電圧値、入力電流値、出力電圧値、出力電流値、設定出力電圧値、及び設定出力電力値を基に、第１のスイッチ素子、及び第２のスイッチ素子のオンオフ駆動を行い、設定出力電力値に応じて出力電圧値を変動させる制御部（３）と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電源から供給される電力の変換を行う電力変換装置、及び電力変換装置を構成する電力変換制御装置に関する。

電力変換装置には、スイッチ素子のオンオフ駆動により、印加される電圧の昇降圧が可能なコンバータを備えたものがある。そのようなコンバータを備えた電力変換装置のなかには、電力を供給する電力系統の電圧を検出して目標電圧値を設定し、設定した目標電圧値の電力をコンバータに生成させるように、スイッチ素子をオンオフ駆動するものがある（例えば、特許文献１参照）。

コンバータが変換、つまり電圧の昇圧、或いは降圧の対象とする電力を発電により発生する電源には、様々な種類がある。特許文献１に記載の太陽電池は、その電源の一種である。太陽電池を含め、発電により電力を発生させる電源の多くは、環境により、発電量が比較的に大きく変動する。

特許第５３４９６８８号公報

発電量が比較的に大きく変動する電力では、電圧または電流を適切に制御する必要がある。そのための制御としては、例えば最大電力点追従制御（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）が知られている。このＭＰＰＴを採用することにより、電源が発電する電力を常に最大化することができる。

発電量が比較的に大きく変動する電源としては、太陽電池の他に、例えば熱電変換モジュールが知られている。この熱電変換モジュールは、温度差が大きくなるにつれて、開放起電圧が線形的に増大する。熱電発電モジュールの最大電力点となる電圧は、開放起電圧の１／２倍であることが知られている。電力は、電圧の２乗に比例する。

発電量が比較的に大きく変動する電源を採用した場合、電力変換装置としては、最大の発電量に耐えられる定格のものが望ましい。これは、電源が発電を行っている間、電力変換装置は変換した電力を常に供給できるからである。しかし、定格が高くなるほど、電力変換装置は、大型化、高重量化、及び高価格化する。そのため、最大の発電量を想定し、電力変換装置を用意することは、常に適切であるとは限らない。このようなこともあり、定格の範囲内、言い換えれば動作が保証されている範囲内でより広範囲の発電量に対応することも重要である。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、定格を越える電力が入力された場合に、その電力の電流を最大電力点での電流より増大させて、その電力を定格内に抑制して運転の継続が可能な電力変換装置、及び電力変換制御装置を提供することにある。

本発明に係る電力変換装置は、電源からの電力の供給、及び供給の遮断が可能な第１のスイッチ素子、及び第１のスイッチ素子のオン駆動時に電源の両端間の短絡が可能な第２のスイッチ素子を備え、第１のスイッチ素子、及び第２のスイッチ素子のオンオフ駆動により、電力の昇圧、及び降圧が可能なコンバータと、電源からコンバータに供給される電力の電圧を検出し、検出結果として入力電圧値を出力する第１の電圧検出器と、電力の電流を検出し、検出結果として入力電流値を出力する第１の電流検出器と、コンバータが出力する出力電力の電圧を検出し、検出結果として出力電圧値を出力する第２の電圧検出器と、出力電力の電流を検出し、検出結果として出力電流値を出力する第２の電流検出器と、入力電圧値、入力電流値、出力電圧値、出力電流値、出力電力の電圧の値の目標として設定された設定出力電圧値、及び出力電力の値の基準として設定された設定出力電力値を基に、第１のスイッチ素子、及び第２のスイッチ素子のオンオフ駆動を行い、設定出力電力値に応じて出力電圧値を変動させる制御部と、を有する。

本発明に係る電力変換制御装置は、電源からの電力の供給、及び供給の遮断が可能な第１のスイッチ素子、及び第１のスイッチ素子のオン駆動時に電源の両端間の短絡が可能な第２のスイッチ素子を備え、第１のスイッチ素子、及び第２のスイッチ素子のオンオフ駆動により、電力の昇圧、及び降圧が可能なコンバータに供給される電力の電圧の値である入力電圧値、及び電力の電流の値である入力電流値を用いて、入力電力値を算出する入力電力算出部と、入力電力値を、コンバータが出力する出力電力の値の基準として設定された設定出力電力値と比較し、入力電力値と設定出力電力値との間の大小関係を判定する判定部と、判定部による判定結果、入力電圧値、出力電力の電圧の値である出力電圧値、出力電力の電流の値である出力電流値、及び出力電力の電圧の値の目標として設定された設定出力電圧値を基に、設定出力電力値に応じて出力電圧値を変動させるように、第１のスイッチ素子、及び第２のスイッチ素子のオンオフ駆動をする制御内容を決定する制御部と、を有する。

本発明によれば、定格を越える電力が入力された場合に、その電力の電流を最大電力点での電流より増大させて、その電力を定格内に抑制して運転を継続することができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 １つの熱電変換モジュールの温度差により変化する発電特性例を説明する図である。 複数の熱電変換モジュールを直列に接続した熱電変換モジュール群の温度差により変化する発電特性例を説明する図である。 各スイッチ素子をオンオフ駆動するうえで設けられた各モード、及びその内容の例を説明する図である。 各モードが設定される範囲の例を説明する図である。 モード３の設定時におけるコンバータの各種状態例、及び各スイッチ素子の駆動内容例を説明する図である。 モード４の設定時におけるコンバータの各種状態例、及び各スイッチ素子の駆動内容例を説明する図である。 モード６の設定時におけるコンバータの各種状態例、及び各スイッチ素子の駆動内容例を説明する図である。 モード７及び８の設定時におけるコンバータの各種状態例、及び各スイッチ素子の駆動内容例を説明する図である。 温度差に応じた出力電力の制御例を説明する図である。 温度差に応じた入力電圧の制御例を説明する図である。 温度差に応じた出力電流の制御例を説明する図である。

以下、本発明に係る電力変換装置、及び電力変換制御装置の実施の形態を、図を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成例を示す図である。この電力変換装置１０は、供給する電力量が変動する電源に対応して、その電源から供給された電力の変換を行うものである。図１では、その電源として、計ｎ個の熱電変換モジュールＴＭＧ１〜ＴＭＧｎを直列に接続した熱電変換モジュール群ＴＭＧが電力変換装置１０に接続されている。任意の１つの熱電変換モジュールには、符号として、「ＴＭＧｚ」を付すこととする。

図２は、１つの熱電変換モジュールの温度差により変化する発電特性例を説明する図であり、図３は、複数の熱電変換モジュールを直列に接続した熱電変換モジュール群の温度差により変化する発電特性例を説明する図である。図２及び図３ともに、横軸に電圧、左側縦軸に電流、右側縦軸に電力をそれぞれ採っている。図１の説明を行う前に、熱電発電モジュールＴＭＧｚ、及び熱電発電モジュール群ＴＭＧの温度差により変化する発電特性について具体的に説明する。

図２において、２０１は、温度差が９０度であった場合の熱電変換モジュールＴＭＧｚの電圧−電力特性を示している。同様に、２０２及び２０３は、それぞれ、温度差が８０度、及び７０度であった場合の電圧−電力特性を示している。また、２０５は、温度差が９０度であった場合の熱電変換モジュールＴＭＧｚの電圧−電流特性を示している。同様に、２０６及び２０７は、それぞれ、温度差が８０度、及び７０度であった場合の電圧−電流特性を示している。

図３では、２１１は、温度差が９０度であった場合の熱電変換モジュール群ＴＭＧの電圧−電力特性を示している。同様に、２１２及び２１３は、それぞれ、温度差が８０度、及び７０度であった場合の電圧−電力特性を示している。また、２１５は、温度差が９０度であった場合の熱電変換モジュール群ＴＭＧの電圧−電流特性を示している。同様に、２１６及び２１７は、それぞれ、温度差が８０度、及び７０度であった場合の電圧−電流特性を示している。

熱電変換モジュールＴＭＧｚ、及び熱電変換モジュール群ＴＭＧの発電量は、高温側と低温側との間の温度差の二乗に比例し、開放起電圧は、温度差に比例して変化する。温度差に応じた発電量の変化量は、図２及び図３に示すように、比較的に大きい。温度差は、設置環境の変化、温度差を発生させる熱源の状態等によって大きく変化することがある。そのため、想定できる最大の温度差に単に対応可能にする場合、その温度差に応じた高定格の電力変換装置を用意しなければならず、電力変換装置のコストが増大する。より具体的には、電力変換装置が大型化、高重量化、及び高価格化する。また、開放起電圧は、最大負荷点の電圧の２倍になる。このことから、電力変換装置には、比較的に高い定格電圧が求められる。

本実施の形態１では、電力変換装置１０の定格電圧を超える入力電圧の変化に対して、定格電圧を超えないように供給電力の電圧を抑制するために、入力電流量を制御し、より幅広い入力電力量に対応させる。言い換えれば、供給電力の電圧値、或いは電流値に着目して、その供給電力を操作し、その操作によって得られる電力を変換して外部に供給する。そのような対応により、電力変換装置１０としては、より低コストのものを使用することができる。このために、電力変換装置１０のコストに対し、対応可能な入力電力量の範囲がより広くなる。また、電源である熱電変換モジュール群ＴＭＧが定格電力以上に発電した場合でも、定格内に抑制し変換した供給電力を外部に供給できる。

なお、本実施の形態１では、電源として熱電変換モジュール群ＴＭＧを電力変換装置１０に接続しているが、電力変換装置１０と接続する電源は、熱電変換モジュール群ＴＭＧに限定されない。これは、供給する電力が変動する電源は、熱電変換モジュール群ＴＭＧ、及びそれを構成する熱電変換モジュールＴＭＧｚだけではないからである。例えば、特許文献１に記載の太陽電池も環境により、発電量が比較的に大きく変動する。

図１の説明に戻る。電力変換装置１０は、図１に示すように、コンバータ１、インバータ２、マイクロコンピュータ３、ゲートパルス発生器４、２つの電圧センサ５及び６、２つの電流センサ７及び８を備えている。マイクロコンピュータ３は、本実施の形態１における制御部に相当し、本実施の形態１に係る電力変換制御装置として機能する。マイクロコンピュータ３は、以降「マイコン３」と略記する。

コンバータ１は、電圧の昇降圧が可能なコンバータであり、図１に示すように、２つの平滑用コンデンサＣｉｎ及びＣｏｕｔ、２つのスイッチ素子Ｑ１及びＱ２、２つのダイオードＤ１及びＤ２、インダクタＬを備える。本実施の形態１では、スイッチ素子Ｑ１は第１のスイッチ素子に相当し、スイッチ素子Ｑ２は第２のスイッチ素子に相当する。２つのスイッチ素子Ｑ１及びＱ２は、共にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

平滑用コンデンサＣｉｎは、熱電変換モジュール群ＴＭＧの両端の間に接続されている。それにより、平滑用コンデンサＣｉｎには、熱電変換モジュール群ＴＭＧが発生させた電圧が印加されて、熱電変換モジュール群ＴＭＧからコンバータ１に印加された電圧の平滑化を行う。

スイッチ素子Ｑ１のコレクタは、平滑用コンデンサＣｉｎの正側の端子と接続されている。スイッチ素子Ｑ１のエミッタは、ダイオードＤ１のカソード、及びインダクタＬと接続されている。そのため、スイッチ素子Ｑ１のオンオフ駆動により、熱電発電モジュールＴＭＧ群が発電により発生させた電力の供給、及び供給の遮断を行うことができる。スイッチ素子Ｑ１は、主に、供給された電力の電圧を降圧させるためにオンオフ駆動される。

２つのスイッチ素子Ｑ１及びＱ２の各ゲートは、ゲートパルス発生器４と接続されている。そのため、２つのスイッチ素子Ｑ１及びＱ２は、ゲートパルス発生器４が発生するパルスにより、オンオフ駆動するようになっている。図１中に表記の「Ｑ１＿ｇａｔｅ」及び「Ｑ１＿ｇａｔｅ」は、それぞれ、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のゲートに供給されるオンオフ駆動用のパルス信号を表している。本実施の形態１では、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりパルス信号をゲートパルス発生器４に発生させるようにしている。なお、２つのスイッチ素子Ｑ１及びＱ２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の別のパワーデバイスであっても良い。

インダクタＬの他方は、スイッチ素子Ｑ２のコレクタ、及びダイオードＤ２のアノードに接続されている。スイッチ素子Ｑ２のエミッタは、２つの平滑用コンデンサＣｉｎ及びＣｏｕｔの負側の端子、ダイオードＤ１のアノード、及び熱電変換モジュール群ＴＭＧの負側にそれぞれ接続されている。そのため、スイッチ素子Ｑ２のオンオフ駆動により、スイッチ素子Ｑ１のオン駆動期間中での熱電変換モジュール群ＴＭＧの両端の短絡、及び短絡の解除が可能となっている。スイッチ素子Ｑ２は、主に、供給された電力の電圧を昇圧させるためにオンオフ駆動される。

平滑用コンデンサＣｏｕｔの一方の端子は、ダイオードＤ２のカソードに接続され、他方の端子は、スイッチ素子Ｑ２のエミッタに接続されている。それにより、平滑用コンデンサＣｏｕｔは、コンバータ１から出力として供給される電力の電圧の平滑化を行う。

平滑化コンデンサＣｉｎの両端、つまり熱電変換モジュール群ＴＭＧの両端には、電圧センサ５が接続されている。そのため、電圧センサ５は、電圧の検出結果として、平滑化コンデンサＣｉｎの両端間の電圧値を示す信号を出力する。ここでは、その電圧値を「入力電圧値Ｖｉｎ」と表記する。便宜的に、入力電圧値Ｖｉｎは、電圧センサ５が出力する情報の意味でも用いる。同様に、電圧センサ６が出力する信号が示す電圧値は「出力電圧値Ｖｏｕｔ」、電流センサ７が出力する信号が示す電流値を「入力電流値ＩＬ」、電流センサ８が出力する信号が示す電流値を「出力電流値Ｉｏｕｔ」と表記する。電圧センサ５は、本実施の形態１における第１の電圧検出器に相当する。

平滑化コンデンサＣｏｕｔの両端にも、電圧センサ６が接続されている。そのため、電圧センサ６は、平滑化コンデンサＣｏｕｔの両端間の電圧値を示す信号を出力する。ここでは、その電圧値を「出力電圧値Ｖｏｕｔ」と表記する。電圧センサ６は、本実施の形態１における第２の電圧検出器に相当する。

電流センサ７は、インダクタＬを流れる電流を検出し、検出した電流の値を示す信号を出力する。ここでは、その電流値を「入力電流値ＩＬ」と表記する。電流センサ８は、ダイオードＤ２を流れる電流を検出し、検出した電流の値を示す信号を出力する。ここでは、その電流値を「出力電流値Ｉｏｕｔ」と表記する。電流センサ７及び８は、それぞれ、本実施の形態１における第１の電流検出器、及び第２の電流検出器に相当する。

上記のような構成のコンバータ１は、直流（ＤＣ）−直流変換を行う変換回路である。インバータ２は、直流−交流変換を行う変換回路である。インバータ２は、図１に示すように、平滑化コンデンサＣＤ、及びインバータ本体２１を備えている。

平滑化コンデンサＣＤは、コンバータ１から印加される電圧の平滑化を行う。インバータ本体２１は、平滑化コンデンサＣＤの両端に接続されている。このインバータ本体２１は、例えば３つのハーフブリッジ、或いはフルブリッジを備えたものである。インバータ本体２１によって交流に変換された電力が負荷に供給される。インバータ本体２１の回路構成は、特に限定されない。

本実施の形態１では、上記のように、電力変換装置１０は、コンバータ１及びインバータ２の２つの変換回路を備えている。しかし、変換回路としては、最低限、コンバータ１、つまり電圧の昇降圧が可能な変換回路を備えていれば良い。その変換回路は、電圧の昇降圧が可能なように、用途が異なる２種類のスイッチ素子をそれぞれ１つ以上、備えた構成となる。

マイコン３上には、図１に示すように、最大負荷抵抗設定部３１、入力電力算出部３２、制御状態判定部３３、コンバータ状態判定部３４、出力電圧制御部３５、及び目標設定部３６が実現されている。それにより、マイコン３は、本実施の形態１に係る電力変換制御装置として機能する。

最大負荷抵抗設定部３１は、熱電変換モジュール群ＴＭＧの内部抵抗の合成値Ｒｏを設定する。合成値Ｒｏの設定は、外部からデータとして入力した値を合成値Ｒｏとして設定することで行っても良い。或いはスイッチ素子Ｑ１及びＱ２を共にオンさせて、その状態で得られた入力電圧値Ｖｉｎ及び入力電流値ＩＬを用いて算出した値を合成値Ｒｏとしても良い。この場合、合成値Ｒｏは、Ｒｏ＝Ｖｉｎ／ＩＬ−（Ｒｑ１＋Ｒｑ２）、により算出することができる。Ｒｑ１、Ｒｑ２は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の各オン抵抗値である。これらオン抵抗値Ｒｑ１、Ｒｑ２は、合成値Ｒｏと比較して十分、小さいことから、無視しても良い。

入力電力算出部３２は、最大負荷抵抗設定部３１が設定した合成値Ｒｏ及び入力電圧値Ｖｉｎを用いて、入力電力値Ｐｉｎを算出する。入力電力値Ｐｉｎは、例えばＰｉｎ＝Ｖｉｎ^２／Ｒｏ、により算出することができる。この入力電力算出部３２、及び最大負荷抵抗設定部３１は、本実施の形態１における入力電力算出部に相当する。

本実施の形態１では、コンバータ１の定格を考慮し、コンバータ１を制御する上での複数の設定値を設けている。目標設定部３６は、設けた複数の設定値を反映した制御を実現させるための構成要素である。目標設定部３６は、各種設定値を示すデータを制御状態判定部３３、コンバータ状態判定部３４及び出力電圧制御部３５に出力する。

図１には、目標設定部３６により設定される設定値として、「Ｖｃｏ」「Ｖｃｈ」「ＶＨ」「ＩＨ」「Ｐｃｏ１」「Ｐｃｏ２」及び「ＰＨ」を表記している。それら設定値は、それぞれ以下のようなものである。

Ｖｃｏ、及びＶｃｈは、コンバータ１に生成させる電圧の制御に用いられる設定値である。Ｖｃｈは、Ｖｃｏより大きい値であり、生成させる電圧の抑制制御を開始する電圧値を示す。以降、Ｖｃｏは「第１設定電圧値Ｖｃｏ」、Ｖｃｈは「第２設定電圧値Ｖｃｈ」とそれぞれ表記する。第１設定電圧値Ｖｃｏ、及び第２設定電圧値Ｖｃｈは共に、本実施の形態１における設定出力電圧値に相当する。より具体的には、第１設定電圧値Ｖｃｏは第１の設定出力電圧値、第２設定電圧値Ｖｃｈは第２の設定出力電圧値にそれぞれ相当する。

ＶＨも、例えばコンバータ１の定格を考慮して設定される電圧値であり、コンバータ１を保護する制御を開始する基準となる。それにより、熱電変換モジュール群ＴＭＧから供給された電力の変換は、その電力の電圧値がＶＨ以下であることを条件に行われる。その電圧値がＶＨを越えた場合、コンバータ１に電力の変換は行わせない。つまり、コンバータ１は停止される。このようなことから、第１設定電圧値Ｖｃｏ、及び第２設定電圧値Ｖｃｈを含め、それらの間の大小関係は、Ｖｃｏ＜Ｖｃｈ＜ＶＨ、となっている。以降、ＶＨは「設定上限電圧値ＶＨ」と表記する。

上記のように、コンバータ１は、熱電変換モジュール群ＴＭＧから供給される電力の電圧の昇降圧を行う変換回路である。そのため、各設定電圧値Ｖｃｏ、及びＶｃｈは、コンバータ１に生成させる電圧の目標値となると共に、供給される電力の電圧に対する昇圧、及び降圧のうちの何れを行うべきかを判定するうえでの基準ともなる。設定上限電圧値ＶＨは、供給される電力によって電力変換装置１０が損傷する恐れから、供給される電力を遮断するか否かの判定に用いられる。

電力変換装置１０は、過大な電流が供給された場合であっても損傷する。ＩＨは、過大な電流の供給によって電力変換装置１０を損傷させないために設定される電流値である。そのため、ＩＨも設定上限電圧値ＶＨと同様に、供給される電力を遮断するか否かの判定に用いられる。以降、ＩＨは「設定上限電流値ＩＨ」と表記する。

電力は、電圧と電流の乗算によって求めることができる。電力は、電圧、及び電流の何れにも依存する。このことから、本実施の形態１では、入力電力値Ｐｉｎは、コンバータ１の制御方法を選択する、言い換えれば制御方法を切り換えるために用いている。Ｐｃｏ１、Ｐｃｏ２及びＰＨは、何れも制御方法を選択するうえでの閾値となる電力値であり、例えば定格を考慮して設定される。

Ｐｃｏ１は、コンバータ１に供給される電力量から、制御方法を切り換えるために設定された閾値である。Ｐｃｏ２は、コンバータ１から出力させる電力量の上限として設定された閾値であり、例えば定格値である。ＰＨは、過大な電力量の供給からコンバータ１を保護するために設定された閾値である。それらの間の大小関係は、Ｐｃｏ２＜Ｐｃｏ１＜ＰＨ、である。Ｐｃｏ２＜Ｐｃｏ１、となっているのは、コンバータ１での損失等を考慮しているためである。以降、Ｐｃｏ１は「設定入力電力値Ｐｃｏ１」、Ｐｃｏ２は「設定出力電力値Ｐｃｏ２」、ＰＨは「入力上限電力値ＰＨ」とそれぞれ表記する。

コンバータ１から供給させる電力の値は、例えば出力電圧値Ｖｏｕｔに出力電流値Ｉｏｕｔを乗算することにより算出できる。設定出力電力値Ｐｃｏ２は、そのようにして得られる値と比較される。以降、その値は「出力電力値Ｐｏｕｔ」と表記する。

本実施の形態１では、出力電力値Ｐｏｕｔを設定出力電力値Ｐｃｏ２以下に抑えるように、コンバータ１を制御する。そのために、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１、及び入力上限電力値ＰＨとそれぞれ比較され、それらの比較結果に応じて、制御内容が切り換えられる。電力を供給する場合、基本的に、出力電圧値Ｖｏｕｔが第１設定電圧Ｖｃｏになることを優先しつつ、出力電力値Ｐｏｕｔを最大化することで、出力電力値Ｐｏｕｔが設定出力電力値Ｐｃｏ２となるように制御する。入力電力値Ｐｉｎが設定上限電力値ＰＨ以上であった場合、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２が共にオフとされる。それにより、コンバータ１は、停止され、供給される電力から保護される。

本実施の形態１では、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上となっている状況の場合、熱電変換モジュール群ＴＭＧに流れる電流を増大させることにより、入力電力値Ｐｉｎを設定入力電力値Ｐｃｏ１以下に抑制する。熱電変換モジュール群ＴＭＧに流れる電流の増大は、第１及び第２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を共にオンする短絡期間をより長くすることで実現できる。結果、出力電圧値Ｖｏｕｔを第１設定電圧値Ｖｃｏに、出力電力値Ｐｏｕｔを設定出力電力値Ｐｃｏ２にそれぞれ維持したまま運転継続することができる。熱電変換モジュール群ＴＭＧを構成する各熱電変換モジュールＴＭＧｚの特性によると、電流値を大きくさせることで、電圧値を抑制することができる。以降、熱電変換モジュール群ＴＭＧから供給される電流の値は「入力電流値Ｉｉｎ」と表記し、入力電流値ＩＬと区別する。

このように、本実施の形態１では、入力電力値Ｐｉｎを設定入力電力値Ｐｃｏ１及び入力上限電力値ＰＨと比較して、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２を駆動するうえでの制御方法を状況に応じて変更し、出力電圧値Ｖｏｕｔ、及び出力電流値Ｉｏｕｔを制御する。入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上となる状況時では、入力電流値Ｉｉｎを増大させ、入力電力値Ｐｉｎを抑制する。このように入力電力値Ｐｉｎを抑制するために電流を増大させるのは、入力電圧を増大させた場合、より高耐圧な部品を採用する必要があるからである。より高耐圧な部品ほど、サイズは大きくなる。そのため、部品に要求される耐圧を抑えることにより、コンバータ１、更には電力変換装置１０をより小型化させることができる。

上記のような制御方法の動的な変更により、コンバータ１は、定格の範囲内で入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上となっても、一定の出力電圧値Ｖｃｏであり、且つ出力電力値Ｐｃｏ２となる電力を供給できる。以降、入力電流値Ｉｉｎを増大させ、入力電力値Ｐｉｎを抑制する制御を「入力電力抑制制御」、設定出力電力値Ｐｃｏ２を得ることを重視する制御を［最大電力制御」とそれぞれ表記する。保護のためにコンバータ１を停止させる制御は、「保護停止制御」と表記する。

熱電変換モジュールＴＭＧｚは、内部を流れる電流が大きくなるほど、自身の電気抵抗により発熱量も大きくなる。この内部発熱、及び通電に伴って生じるペルチェ効果は、熱電変換モジュールＴＭＧｚの温度差が小さくなる方向に作用する。その結果、熱電変換モジュールＴＭＧｚの発電量は抑制される。入力電流値Ｉｉｎが大きくなるほど、熱電変換モジュールＴＭＧｚに流れる電流も大きくなる。電源として熱電変換モジュールＴＭＧｚを用いた場合、入力電力値Ｐｉｎにおける電流値を、最大電力点での短絡電流の値の１／２よりも大きくすることで、熱電変換モジュールＴＭＧｚの発電電力量をより抑えられるという利点がある。この利点により、熱電変換モジュール群ＴＭＧが定格以上の電力を発生させた場合であっても、電流の制御によってその電力を定格電力内に抑制できる。この結果、電力変換装置１０の大型化、製造コストもより抑制することができる。最大電力点での短絡電流の値は、以降「短絡電流値Ｉｓ」と表記する。

制御状態判定部３３は、入力電力算出部３２から入力した入力電力値Ｐｉｎを、設定入力電力値Ｐｃｏ１及び設定上限電力値ＶＨと比較し、コンバータ１の現在の状態にとって望ましい制御方法を判定する。この判定により、起動制御、入力電力抑制制御、最大電力制御、及び保護停止制御のうちの１つが選択される。その判定結果は、コンバータ状態判定部３４に出力される。コンバータ状態判定部３４には、この判定結果の他に、入力電圧値Ｖｉｎ、出力電圧値Ｖｏｕｔ、出力電流値Ｉｏｕｔ、第１設定電圧値Ｖｃｏ、第２設定電圧値Ｖｃｈ、設定上限電圧値ＶＨ、設定出力電力値Ｐｃｏ１、Ｐｃｏ２、及び入力上限電力値ＰＨが入力される。制御状態判定部３３は、本実施の形態１における判定部に相当する。

本実施の形態１では、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のオンオフ駆動を行うモードを複数、設けている。コンバータ状態判定部３４は、制御状態判定部３３からの判定結果、入力電圧値Ｖｉｎ、入力電流値ＩＬ、出力電圧値Ｖｏｕｔ、出力電流値Ｉｏｕｔ、第１設定電圧値Ｖｃｏ、第２設定電圧値Ｖｃｈ、設定上限電圧値ＶＨ、設定入力電力値Ｐｃｏ１及び入力上限電力値ＰＨを用いて、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のオンオフ駆動用のモードを選択する。この選択結果は、出力電圧制御部３５に通知される。出力電圧制御部３５には、他に、入力電圧値Ｖｉｎ、入力電流値ＩＬ、出力電圧値Ｖｏｕｔ、第１設定電圧値Ｖｃｏ、第２設定電圧値Ｖｃｈ、設定上限電圧値ＶＨ、設定上限電流値ＩＨ、設定出力電力値Ｐｃｏ１、Ｐｃｏ２、及び入力上限電力値ＰＨが入力される。

出力電圧制御部３５は、コンバータ状態判定部３４が選択したモードでスイッチ素子Ｑ１及びＱ２を駆動する。制御状態判定部３３、或いはコンバータ状態判定部３４が保護停止制御を選択した場合、出力電圧制御部３５は、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２を共にオフさせる。保護停止制御が選択されていない場合、出力電圧制御部３５は、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のうちの少なくとも一方をオン駆動させるか、或いはオンオフ駆動させる。スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のうちの少なくとも一方をオンオフ駆動させる場合、出力電圧制御部３５は、入力電圧値Ｖｉｎ、入力電流値ＩＬ、出力電圧値Ｖｏｕｔ、第１設定電圧値Ｖｃｏ、第２設定電圧値Ｖｃｈ、設定上限電圧値ＶＨ、設定上限電流値ＩＨ、及び設定出力電力値Ｐｃｏ２を参照してオン期間を決定する。オフ期間は、オン期間により自動的に決定される。ゲートパルス発生器４は、この決定に沿って出力電圧制御部３５により駆動され、各スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のゲートに出力すべき信号を生成する。本実施の形態１では、ＰＷＭ制御の単位となる周期は一定としている。

スイッチ素子Ｑ１及びＱ２の各駆動内容は、モードにより変化する。スイッチ素子Ｑ１は、保護停止制御の非選択時にはオンされるか、或いはオンオフ駆動される。スイッチ素子Ｑ２は、保護停止制御の非選択時にはオン、オフ、或いはオンオフ駆動される。このようなことから、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２は共に、保護停止制御の非選択時全体ではオンオフ駆動されることになる。スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のうちでオンオフ駆動するスイッチ素子のオン期間、つまり各デューティ比は、出力電圧制御部３５によって決定される。このようなことから、出力電圧制御部３５、及コンバータ状態判定部３４、及び制御状態判定部３３は、本実施の形態１における制御部に相当する。

図４は、各スイッチ素子をオンオフ駆動するうえで設けられた各モード、及びその内容の例を説明する図である。図５は、各モードが設定される範囲の例を説明する図である。図５では、横軸に入力電圧値Ｖｉｎ、つまり熱電変換モジュール群ＴＭＧが発生させる電圧、縦軸に入力電力値Ｐｉｎ、つまり熱電変換モジュール群ＴＭＧから供給される電力量をそれぞれ採っている。それにより、図５は、入力電圧値Ｖｉｎ、及び入力電力値Ｐｉｎによって選択される各モードの範囲を示している。図５では、縦軸に、設定入力電力値Ｐｃｏ１を１とした比を併せて示している。

図５に表記の「４５０Ｗ」は、設定入力電力値Ｐｃｏ１の具体例である。また、「３５０Ｖ」「４５０Ｖ」「５４０Ｖ」は。それぞれ、第１設定電圧値Ｖｃｏ、第２設定電圧値Ｖｃｈ、設定上限電圧値ＶＨの具体例である。このような場合、設定出力電力値Ｐｃｏ２、入力上限電力値ＰＨの各具体例は、例えば「４４０Ｗ」「５４０Ｗ」である。

図４に示すように、本実施の形態１では、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のオンオフ駆動するモードとして、モード１〜９を設けている。各モードは、行で分けることにより、モード毎に、そのモードが選択される条件内容を表記させている。各列には、異なる種類の条件内容、制御内容等を表記させている。

図４中、「スイッチ素子」を表記した欄を２分割した欄には「Ｑ１」「Ｑ２」をそれぞれ表記している。「Ｑ１」「Ｑ２」は、それぞれスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を表している。「Ｑ１」「Ｑ２」を表記した欄の列に表記の「ＯＮ」「ＯＦＦ」「ＳＷ」は、それぞれ対応するスイッチ素子の駆動内容を表している。具体的には、「ＯＮ」「ＯＦＦ」「ＳＷ」は、それぞれ、ＰＷＭ制御の１周期内、常にオン、その１周期中、常にオフ、その１周期内でのオンオフ駆動、を表している。また、この列に「ＳＷ」と共に表記の「電流制御」「電圧制御」は、それぞれ、入力電力抑制制御のための電流の制御用、最大電力制御のための電圧の制御用のオンオフ駆動であることを示している。

動作状態は、コンバータ１の動作状態を意味している。「起動（高電圧）」「起動（低電圧）」「第１の昇圧」「バイパス」等は、何れも動作状態の一つを表している。「起動（高電圧）」「起動（低電圧）」は、起動時の入力電圧値Ｖｉｎにより制御内容を異ならせることを示している。「ＳＴＡＲＴ」「Ｂｓｔ」「ＢＹＰ」等は、日本語表記の動作状態に対応するシンボルである。

「Ｐｉｎ」を表記した欄の列には、「制御状態判定部」が併せて表記されている。この列には、入力電力値Ｐｉｎに応じて制御状態判定部３３が判定する制御方法を示している。

「Ｖｉｎ」を表記した欄の列には、「コンバータ状態判定部」が併せて表記されている。この列には、入力電圧値Ｖｉｎに対し、第１設定電圧値Ｖｃｏ、第２設定電圧値Ｖｃｈ、及び設定上限電圧値ＶＨを用いたコンバータ状態判定部３４による比較結果を示している。コンバータ状態判定部３４は、この比較結果、及び制御状態判定部３３が判定した制御方法から、モード選択を行う。

上記のように、最終的なモードは、通常、コンバータ状態判定部３４によって確定される。例え入力電力値Ｐｉｎが入力上限電力値ＰＨ未満であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎが設定上限電圧値ＶＨ以下であっても、入力電流値ＩＬが設定上限電流値ＩＨを越えている場合、コンバータ状態判定部３４によってモード９が設定される。入力電力値Ｐｉｎが入力上限電力値ＰＨ以上であった場合、制御状態判定部３３は、保護停止制御を選択する。その選択により、入力電圧値Ｖｉｎの値に係わらず、モード９が確定する。

「Ｖｏｕｔ」を表記した欄の列には、「出力電圧制御部」が併せて表記されている。出力電圧値Ｖｏｕｔは、出力電圧制御部３５によって制御される。このことから、この列には、出力電圧制御部３５が出力電圧値Ｖｏｕｔとして目標とする電圧値を示している。その列に表記の「Ｖｏｕｔ＝０」は、出力電圧値Ｖｏｕｔが「Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｏ」等は、基本的に、出力電圧制御部３５が出力電圧値Ｖｏｕｔとして目標とする電圧値を表している。「Ｖｏｕｔ≒Ｖｉｎ＜Ｖｃｈ」は、出力電圧値Ｖｏｕｔが第２設定電圧値Ｖｃｈ未満の範囲内で、出力電圧値Ｖｏｕｔが入力電圧値Ｖｉｎに応じて変動することを示している。出力電圧値Ｖｏｕｔは、入力電圧値Ｖｉｎと略等しい値である。そのため、ここでは出力電圧値Ｖｏｕｔの目標値は存在せず、上限のみ存在する。

出力電力値Ｐｏｕｔは、コンバータ１の制御結果として得られる値である。「Ｐｏｕｔ」「制御結果」を表記の欄の列には、モード毎に、出力電力値Ｐｏｕｔの範囲、その出力電力値Ｐｏｕｔを得るための入力電流値ＩＬの変動内容を示している。例えばモード３で表記の「Ｐｏｕｔ＜Ｐｃｏ２ ＩＬ減」は、出力電圧値Ｖｏｕｔが第１設定電圧値Ｖｃｏに一致するように昇圧を行う結果、入力電流値ＩＬをより減少させ、出力電力値Ｐｏｕｔを設定出力電力値Ｐｃｏ２未満に抑えることを意味している。モード５で表記の「Ｐｏｕｔ≦Ｐｃｏ２ ＩＬ減」は、出力電圧値Ｖｏｕｔを入力電圧値Ｖｉｎに応じて変化させる結果、入力電流値ＩＬは出力電圧値Ｖｏｕｔの増大に伴い減少し、出力電圧値Ｐｏｕｔは設定出力電力値Ｐｃｏ２以下に抑えられることを意味している。

上記各モードが選択される範囲は、図５に示すように、横軸に平行な一辺、及び縦軸に平行な一辺のうちの少なくとも一つと接している。範囲が接するモード間では、双方向で遷移が可能である。図５中に表記の矢印は、そのことを表している。

図５に表記の「ａ：Ｖｉｎ＞ＶＨ」は、入力電圧値Ｖｉｎが設定上限電圧値ＶＨを越えることが条件ａであることを表している。モード１或いはモード７の設定時、この条件ａが成立した場合、モード９に遷移する。「ｂ：ＩＬ＞ＩＨ（３．０Ａ）」は、入力電流値ＩＬが、設定上限電流値ＩＨとして設定された３．０Ａを越えることが条件ｂであることを表している。モード８の設定時、この条件ｂの成立により、モード９に遷移する。この結果、入力電力値Ｐｉｎが入力上限電力値ＰＨ未満であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎが設定上限電圧値ＶＨ以下であっても、入力電流値ＩＬが設定上限電流値ＩＨを越えている場合、モード９が設定される。「ｃ：Ｐｉｎ≧ＰＨ」は、入力電力値Ｐｉｎが入力上限電力値ＰＨ以上となることが条件ｃであることを表している。モード７或いはモード８の設定時、この条件ｃの成立により、モード９に遷移する。

以降、図６〜図９に示す各説明図も参照しつつ、各モードについて更に詳細に説明する。

モード１及び２は、コンバータ１の起動時に選択されるモードである。コンバータ１の起動時、入力電力値Ｐｉｎは算出されていない。そのため、起動時には、制御状態判定部３３によってモード１及び２が選択候補と判定される。コンバータ状態判定部３４は、入力電圧値Ｖｉｎによってモード１或いはモード２を選択する。入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏの１／２未満、つまりＶｉｎ＜０．５Ｖｃｏ、の関係が成立している場合、コンバータ状態判定部３４は、モード２を選択する。その関係が成立せずに、０．５Ｖｃｏ≦Ｖｉｎ≦ＶＨ、の関係が成立している場合、コンバータ状態判定部３４は、モード１を選択する。

１周期の間、モード１では、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２は常にオンとされ、モード２では、スイッチ素子Ｑ１はオンオフ駆動、スイッチ素子Ｑ２はオンとされる。この結果、モード１では、スイッチ素子Ｑ２のオンにより、出力電力値Ｖｏｕｔは０であっても、入力電流値ＩＬは増大させるように操作される。モード２では、スイッチ素子Ｑ２のオンにより、実際の出力電力値Ｖｏｕｔは０であっても、スイッチ素子Ｑ１のオンオフ駆動により、
入力電圧値Ｖｉｎがより大きくなるように操作される。以降、特に断らない限り、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の駆動内容は、１周期を想定した表現とする。

モード３は、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１未満であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏの１／２以上、第１設定電圧値Ｖｃｏ未満であった場合に選択される最大電力制御用のモードである。基本的にモード３では、昇圧により出力電圧値Ｖｏｕｔが第１設定電圧値Ｖｃｏに一致させることを優先し、スイッチ素子Ｑ１はオン、スイッチ素子Ｑ２がオンオフ駆動される。昇圧により、入力電流値ＩＬが増大し、入力電圧値Ｖｉｎは低下するが、入力電力値Ｐｉｎは増大する。

図６は、モード３の設定時におけるコンバータの各種状態例、及び各スイッチ素子の駆動内容例を説明する図である。ここでは、各種状態として、入力電圧値Ｖｉｎ、平滑化コンデンサＣｉｎの両端間電圧値、入力電流値Ｉｉｎ、入力電力値Ｐｉｎ、及び出力電圧値Ｖｏｕｔの各時間変化例を示している。スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のオンオフは、Ｈ（High）がオン、Ｌ（Low）がオフをそれぞれ表している。これらは、図７〜図９でも同様である。

熱電変換モジュール群ＴＭＧの開放起電圧は、スイッチ素子Ｑ１をオフ状態としたときに得られる入力電圧値Ｖｉｎに相当する。ここでは、以降、便宜的に開放起電圧は「開放起電圧Ｖｉｎ０」と表記する。

図４及び図６に示すように、モード３では、スイッチ素子Ｑ１は常にオンとされ、スイッチ素子Ｑ２はオンオフ駆動される。それにより、基本的には、出力電圧値Ｖｏｕｔが第１設定電圧値Ｖｃｏとなるように維持される。図６では、平滑化コンデンサＣｏｕｔにより平滑化された後の出力電圧値Ｖｏｕｔを実線、平滑化される前の出力電圧値Ｖｏｕｔを破線で示している。それにより、出力電圧値Ｖｏｕｔは、模式的に示している。これは、図７〜図９でも同様である。

モード４は、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１未満であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎと第１設定電圧値Ｖｃｏとの間の差が狭い設定範囲内であった場合に選択される最大電力制御用のモードである。図４及び図７に示すように、基本的にモード４では、出力電圧値Ｖｏｕｔが第１設定電圧値Ｖｃｏに一致するように、スイッチ素子Ｑ１はオン、スイッチ素子Ｑ２はオフ、或いはオンオフ駆動される。この結果、入力電圧値Ｖｉｎに応じた昇降圧、つまり入力電圧値Ｖｉｎの昇圧、或いは降圧が行われる。しかし、出力電圧値Ｖｏｕｔを第１設定電圧値Ｖｃｏに一致させても最大電力が得られないような場合、モード３と同様に、入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏより低い値になるように入力電流値ＩＬを増大させて、最大電力が得られる最大電力点に追従させる制御が行われるとともに、出力電圧値Ｖｏｕｔを第１設定電圧値Ｖｃｏに昇圧させる制御が行われる。このモード４は、本実施の形態１における特有のモードである。

モード５は、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏ以上、第２設定電圧値Ｖｃｈ未満であった場合に選択される入力電力抑制制御用のモードである。モード５では、スイッチ素子Ｑ１はオン、スイッチ素子Ｑ２はオフされる。そのため、出力電力値Ｐｏｕｔが設定出力電力値Ｐｃｏ２以下の範囲内であり、且つ出力電圧値Ｖｏｕｔが第２設定電圧値Ｖｃｈ未満であることを条件に、出力電圧値Ｖｏｕｔは入力電圧値Ｖｉｎに応じて変化する。この条件が成立しているか否かの判定は、コンバータ状態判定部３４によって行われる。入力電流値ＩＬは、入力電流値Ｉｉｎに応じて変化する。入力電流値ＩＬは、入力電流値Ｉｉｎと略等しい値である。

モード６は、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１未満であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏ以上、第２設定電圧値ｖｃｈ未満であった場合に選択される最大電力制御用のモードである。図４及び図８に示すように、モード６では、出力電圧値Ｖｏｕｔを第１設定電圧値Ｖｃｏに一致させる降圧のために、スイッチ素子Ｑ１はオンオフ駆動、スイッチ素子Ｑ２はオフされる。それにより、入力電流値ＩＬが増大し、入力電圧値Ｖｉｎが低下して、最大電力点に近づき、入力電力値Ｐｉｎを増加させることができる。

モード７は、入力電力値Ｐｉｎが入力上限電力値ＰＨ未満であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏ以上、設定上限電圧値ＶＨ以下であった場合に選択される入力電力抑制制御用のモードである。図４及び図９に示すように、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上、且つ入力電圧値Ｖｉｎが第２設定電圧値Ｖｃｈ以上となった場合、モード５からモード７に移行する。

モード７では、入力電圧値Ｖｉｎを設定上限電圧値ＶＨ以下に抑制しつつ、出力電圧値Ｖｏｕｔを第１設定電圧値Ｖｃｏに一致させ、出力電力値Ｐｏｕｔを設定出力電力値Ｐｃｏ２に維持させるように、スイッチ素子Ｑ１はオン、スイッチ素子Ｑ２はオンオフ駆動される。このような駆動により、入力電圧値Ｖｉｎはより小さく、入力電流値ＩＬはより大きくなるように操作される。このため、入力電圧値Ｖｉｎを設定上限電圧値ＶＨ以下に抑制しつつ、出力電力値Ｐｏｕｔも設定出力電力値Ｐｃｏ２付近を維持できる。

入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏ未満になるまで、入力電流値ＩＬを増加させるように動作した場合、モード７からモード８に移行する。つまり、設定入力電力値Ｐｃｏ１以上で第２設定電圧値Ｖｃｈ未満では、モード５の選択が優先されるが、一度、入力電圧値Ｖｉｎが第２設定電圧値Ｖｃｈ以上となると、モード５、及び８のうちの移行先は、モード８となる。入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１未満、且つ入力電圧値Ｖｉｎが第２設定電圧値Ｖｃｈ未満になった場合、モード７からモード６に移行して、最大電力制御に切り替わる。

モード８は、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上であり、且つ入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏの１／２以上、第１設定電圧値Ｖｃｏ未満であった場合に選択される入力電力抑制制御用のモードである。モード８では、モード７と同様に、出力電圧値Ｖｏｕｔを第１設定電圧値Ｖｃｏに一致させつつ、出力電力値Ｐｏｕｔも設定出力電力値Ｐｃｏ２と一致させるように、スイッチ素子Ｑ１はオン、スイッチ素子Ｑ２はオンオフ駆動される。モード８は、モード７と比較し、想定する入力電圧値Ｖｉｎが小さい。そのため、入力電力値Ｐｉｎの設定入力電力値Ｐｃｏ１以下への抑制を図りつつ、入力電圧値Ｖｉｎを第１設定電圧値Ｖｃｏに近づけるように、入力電流値ＩＬが小さくなるように操作される。

図９では、１周期毎に、「第２降圧駆動」「第３昇圧駆動」を表記している。それにより、図９は、１周期毎に、第２降圧駆動→第３昇圧駆動→第３昇圧駆動、の順序でスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２が駆動されることを表している。第２降圧駆動は、モード７でスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２が駆動されることを表している。第３昇圧駆動は、モード８でスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２が駆動されることを表している。それにより、図９は、モード７及びモード８の各設定時におけるコンバータの各種状態例、及び各スイッチ素子の駆動内容例を示している。

モード９は、停止させることでコンバータ１を保護するためのモードである。そのため、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２は共にオフとなる。

モード９は、入力電力値Ｐｉｎが入力上限電力値ＰＨを越える、入力電圧値Ｖｉｎが設定上限電圧値ＶＨを越える、或いは入力電流値ＩＬが設定上限電流値ＩＨを越える場合、無条件で選択される。

上記モード１〜９のうちからのモード選択は、上記のように、制御状態判定部３３、及びコンバータ状態判定部３４によって行われる。つまり、制御状態判定部３３は、入力電力値Ｐｉｎが０、或いは０に近い値であった場合、実行すべき制御は起動制御と判定する。このときのコンバータ状態判定部３４での選択肢はモード１、及びモード２となる。Ｐｉｎ＜Ｐｃｏ１の関係が成立している場合、制御状態判定部３３は、実行すべき制御は最大電力制御と判定する。このときのコンバータ状態判定部３４での選択肢は、モード３、４、６、及び９となる。Ｐｃｏ１≦Ｐｉｎ、より正確には、Ｐｃｏ１≦Ｐｉｎ＜ＰＨの関係が成立している場合、制御状態判定部３３は、実行すべき制御は入力電力抑制制御と判定する。このときのコンバータ状態判定部３４での選択肢は、モード５、７〜９となる。ただし、モード７は、上記のように、モード５の選択後の選択肢である。Ｐｉｎ≧ＰＨの関係が成立している場合、制御状態判定部３３は、実行すべき制御は保護停止制御と判定する。この判定により、モード９が確定する。

コンバータ状態判定部３４は、制御状態判定部３３が判定した制御方法に対応するモード範囲に限定し、入力電圧値Ｖｉｎ、或いは入力電流値ＩＬからモード選択を行う。つまり、コンバータ状態判定部３４は、起動制御が判定されていた場合、０．５Ｖｃｈ≦Ｖｉｎ≦ＶＨの関係の成立により、モード１を選択する。同様に、Ｖｉｎ＜０．５Ｖｃｏの関係の成立により、モード２を選択する。

最大電力制御が判定されていた場合、コンバータ状態判定部３４は、０．５Ｖｃｏ≦Ｖｉｎ＜Ｖｃｏの関係の成立により、モード３を選択する。同様に、コンバータ状態判定部３４は、Ｖｉｎ≒Ｖｃｏの関係の成立によりモード４、Ｖｃｏ≦Ｖｉｎ＜Ｖｃｈの関係の成立によりモード６、Ｖｉｎ＞ＶＨの関係の成立によりモード９をそれぞれ選択する。モード９は、ＩＬ＞ＩＨの関係の成立によっても選択される。

入力電力抑制制御が判定されていた場合、コンバータ状態判定部３４は、Ｖｃｏ≦Ｖｉｎ＜Ｖｃｈの関係の成立により、モード５を選択する。同様に、コンバータ状態判定部３４は、モード５の選択時でのＶｃｈ≦Ｖｉｎ＜ＶＨの関係の成立によりモード７、０．５Ｖｃｏ≦Ｖｉｎ＜Ｖｃｏの関係の成立によりモード８、Ｖｉｎ＞ＶＨの関係の成立によりモード９をそれぞれ選択する。入力電力抑制制御が判定されていた場合であっても、モード９は、ＩＬ＞ＩＨの関係の成立によって選択される。

出力電圧制御部３５には、コンバータ状態判定部３４からモードの選択結果が出力される。その結果、出力電圧制御部３５は、選択されたモードに従って、スイッチ素子Ｑ１、及びＱ２の駆動を行う。なお、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のオンオフ駆動を行ううえでのモードは、図４に示すようなものに限定されない。また、各モードの選択条件も、図４に示すようなものに限定されない。

次に、図１０〜図１２を参照し、コンバータ１が、温度差が９０度以上で入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上になり、かつ開放起電圧Ｖｉｎ０が第２設定電圧値Ｖｃｈ以上になった場合の制御について、更に説明する。図１０は、温度差に応じた出力電力の制御例を説明する図である。図１１は、温度差に応じた出力電圧の制御例を説明する図である。図１２は、温度差に応じた出力電流の制御例を説明する図である。図１０〜図１２共に、横軸に温度差を採っている。図１０では、縦軸に電力、図１１では、縦軸に電圧、図１２では、縦軸に電流をそれぞれ採っている。

入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上になると、モード５に移行する。その後、さらに温度差が大きくなる場合は、入力電圧値Ｖｉｎが設定上限電圧値ＶＨを超えることを予防し、出力電力値Ｐｏｕｔが設定出力電力値Ｐｃｏ２と等しくなるように動作を継続するために、入力電圧値Ｖｉｎが第２設定電圧値Ｖｃｈを超えると、モード７に移行する。モード７では、上記のように、入力電流値ＩＬを大きくし、入力電圧値Ｖｉｎを抑制する。この結果、入力電圧値Ｖｉｎが第１設定電圧値Ｖｃｏ未満に抑制された場合、モード８に移行し、温度差が大きくなっても入力電力値Ｐｉｎを設定入力電力値Ｐｃｏ１付近に維持する。

図１０において、折れ線２２１は、入力電力値Ｐｉｎが最大となるように制御した場合の温度差−電力特性例を示し、折れ線２２２は、入力電力値Ｐｉｎを抑制し、出力電力値Ｐｏｕｔを設定出力電力値Ｐｃｏ２に一致させた場合の温度差−電力特性例を示している。それにより、折れ線２２２は、本実施の形態１に相当するケースを表している。本実施の形態１では、図１０に示すように、入力電力値Ｐｉｎが設定入力電力値Ｐｃｏ１以上となった場合、出力電力値Ｐｏｕｔを設定出力電力値Ｐｃｏ２以下に維持できる範囲で入力電力値Ｐｉｎを抑制している。

図１１において、折れ線２３１は、スイッチ素子Ｑ１をオフさせている場合の温度差−入力電圧特性例を示している。折れ線２３２は、入力電圧値Ｖｉｎが開放起電圧Ｖｉｎ０の１／２になるように制御した場合の温度差−入力電圧特性例を示している。折れ線２３３は、折れ線２３２のケースより大きい電圧を発生させる場合の温度差−入力電圧特性例、折れ線２３４は、折れ線２３２のケースより小さい電圧を発生させる場合の温度差−入力電圧特性例をそれぞれ示している。

図１０では、入力電力値Ｐｉｎを抑制していると説明したが、その実現例として、図１１の折れ線２３３は入力電流を抑制した場合、折れ線２３４は入力電圧を抑制した場合の温度差―入力電圧特性を示している。図１１では折れ線２３４が、入力電圧抑制制御を行った場合に得られる特性であり、図１０の折れ線２２２に対応して、本実施の形態１での操作内容を示している。

図１２において、折れ線２４１は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を共にオンさせて熱電変換モジュール群ＴＭＧの両端を短絡させた場合の温度差−電流特性例を示している。折れ線２４２は、入力電流値ＩＬが短絡電流値Ｉｓの１／２になるように制御した場合の温度差−電流特性例を示している。図１０では、入力電力値Ｐｉｎを抑制していると説明したが、その実現例として、図１２の折れ線２４３は入力電流を抑制した場合、折れ線２４４は入力電圧を抑制した場合の温度差―電流特性を示している。図１２では折れ線２４４が、入力電圧抑制制御を行った場合に得られる特性であり、図１０の折れ線２２２に対応して、本実施の形態１での操作内容を示している。

図１０〜図１２において、折れ線２３２及び２４２は、同じケースで最大電力制御を行った場合の異なる特性の変化を示している。その最大電力制御から、温度差に伴って変化する入力電力値Ｐｉｎ、入力電圧値Ｖｉｎにより、入力電圧を抑制する入力電力抑制制御に切り換えるようにした場合、各特性は、折れ線２２２、２３４、及び２４４に示すように変化する。そのため、折れ線２２２では、図１１の折れ線２３４に示すように、温度差が９０度を超える状況時には温度差が大きくなるほど、入力電圧値Ｖｉｎを抑制することで、入力電力値Ｐｉｎを定格内に保っている。このときコンバータ１は、昇圧動作を行い、出力電圧値Ｖｏｕｔは第１設定電圧値Ｖｃｏを保っている。入力電流を抑制するようにした場合には、各特性は、折れ線２２２、２３３、及び２４３に示すように変化する。

図１０〜図１２に示すように、本実施の形態１では、設定入力電力値Ｐｃｏ１より入力電力値Ｐｉｎが小さい領域の場合、入力電力値Ｐｉｎを最大化する。Ｐｉｎ≧Ｐｃｏ１となる領域では、入力電流値ＩＬが増加すると、入力電圧値Ｖｉｎが低下する熱電変換モジュールＴＭＧｚの特性を利用して、入力電力値Ｐｉｎを抑制する。このようにして、設定入力電力値Ｐｃｏ１より大きい発電量を熱電変換モジュールＴＭＧが発生させる状態であっても保護停止させることなく、コンバータ１の定格に近い出力電力値Ｐｏｕｔを維持させることができる。

図１０〜図１２に示す例では、モード７には、温度差が９０度以上となることで移行する。最大電力制御から入力電力抑制制御に切り換わった後のモード７への移行により、入力電圧値Ｖｉｎは、入力電流値ＩＬをより大きくさせる操作が行われ、温度差が大きくなるほど大きくはならない。この結果、折れ線２２２、２３４、及び２４４に示すような特性の変化が発生することになる。

１ コンバータ、２ インバータ、３ マイクロコンピュータ（制御部、電力変換制御装置）、４ ゲートパルス発生器、５ 電圧センサ（第１の電圧検出器）、６ 電圧センサ（第２の電圧検出器）、７ 電流センサ（第１の電流検出器）、８ 電流センサ（第２の電流検出器）、１０ 電力変換装置、２１ インバータ本体、３１ 最大負荷抵抗設定部、３２ 入力電力算出部、３３ 制御状態判定部、３４ コンバータ状態判定部、３５ 出力電圧制御部、３６ 目標設定部、Ｃｉｎ、Ｃｏｕｔ、ＣＤ 平滑化コンデンサ、Ｄ１、Ｄ２ ダイオード、Ｌ インダクタ、Ｑ１ スイッチ素子（第１のスイッチ素子）、Ｑ２ スイッチ素子（第２のスイッチ素子）、ＴＭＧ１、ＴＭＧｎ 熱電変換モジュール、ＴＭＧ 熱電変換モジュール群（電源）。

Claims (6)

1. 電源からの電力の供給、及び前記供給の遮断が可能な第１のスイッチ素子、及び前記第１のスイッチ素子のオン駆動時に前記電源の両端間の短絡が可能な第２のスイッチ素子を備え、前記第１のスイッチ素子、及び前記第２のスイッチ素子のオンオフ駆動により、前記電力の電圧を昇圧、または降圧するコンバータと、
   前記電源から前記コンバータに供給される前記電力の電圧を検出し、検出結果として入力電圧値を出力する第１の電圧検出器と、
   前記電力の電流を検出し、検出結果として入力電流値を出力する第１の電流検出器と、
   前記コンバータが出力する出力電力の電圧を検出し、検出結果として出力電圧値を出力する第２の電圧検出器と、
   前記出力電力の電流を検出し、検出結果として出力電流値を出力する第２の電流検出器と、
   前記入力電圧値、前記入力電流値、前記出力電圧値、前記出力電流値、前記出力電力の電圧の値の目標として設定された設定出力電圧値、及び前記出力電力の値の基準として設定された設定出力電力値を基に、前記第１のスイッチ素子、及び前記第２のスイッチ素子のオンオフ駆動を行い、前記設定出力電力値に応じて前記出力電圧値を変動させる制御部と、
   を有する電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記入力電圧値、及び前記入力電流値を用いて入力電力値を算出し、前記入力電力値が前記設定出力電力値以上となる場合に、前記出力電圧値が前記設定出力電圧値より小さくなるように、前記第１のスイッチ素子、及び前記第２のスイッチ素子のオンオフ駆動を行う、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記設定出力電圧値には、第１の設定出力電圧値、及び前記第１の設定出力電圧値より大きい第２の設定出力電圧値が存在し、
   前記制御部は、前記入力電力値が前記第２の設定出力電力値未満であり、且つ前記入力電圧値が前記第１の設定出力電圧値以上の場合、前記出力電圧値の上限を前記第２の設定出力電圧値として、前記第１のスイッチ素子、及び前記第２のスイッチ素子をオンオフ駆動する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記入力電圧値が、前記電源から印加される電圧の値の上限として設定された設定上限電圧値以上となった場合、少なくとも前記第１のスイッチ素子をオフさせ、前記電源からの前記電力の供給を遮断させる、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記入力電流値が、前記電源から供給される電流の値の上限として設定された設定上限電流値以上となった場合、少なくとも前記第１のスイッチ素子をオフさせ、前記電源からの前記電力の供給を遮断させる、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 電源からの電力の供給、及び前記供給の遮断が可能な第１のスイッチ素子、及び前記第１のスイッチ素子のオン駆動時に前記電源の両端間の短絡が可能な第２のスイッチ素子を備え、前記第１のスイッチ素子、及び前記第２のスイッチ素子のオンオフ駆動により、前記電力の電圧の昇圧、または降圧が可能なコンバータに供給される前記電力の電圧の値である入力電圧値、及び前記電力の電流の値である入力電流値を用いて、入力電力値を算出する入力電力算出部と、
   前記入力電力値を、前記コンバータが出力する出力電力の値の基準として設定された設定出力電力値と比較し、前記入力電力値と前記設定出力電力値との間の大小関係を判定する判定部と、
   前記判定部による判定結果、前記入力電圧値、前記出力電力の電圧の値である出力電圧値、前記出力電力の電流の値である出力電流値、及び前記出力電力の電圧の値の目標として設定された設定出力電圧値を基に、前記設定出力電力値に応じて前記出力電圧値を変動させるように、前記第１のスイッチ素子、及び前記第２のスイッチ素子のオンオフ駆動をする制御内容を決定する制御部と、
   を有する電力変換制御装置。

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