JP2024513793A - マルチレベル構造を有する電力変換装置 - Google Patents

マルチレベル構造を有する電力変換装置 Download PDF

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Abstract

本発明の一実施例による電力変換装置は、複数のセルストリングにそれぞれ接続され、複数のコンバータおよび前記複数のコンバータのそれぞれに制御信号を印加する一つの制御部を含み、前記複数のコンバータはマルチレベルを構成する。【選択図】図６

Description

本発明は電力変換装置に関し、さらに具体的には、マルチレベル構造を有する複数のコンバータを利用する電力変換装置および太陽光モジュールに関する。
太陽光発電は、親環境エネルギー発電方式で、既存の化学発電や原子力発電に代わり広く普及している。太陽光発電は、コンバータにバッテリーが接続される独立型と電力系統と連携する連携形態があり、一般的に独立型発電は太陽電池、蓄電池、電力変換装置などで構成され、電力系統連携型システムは、常用電源と接続して負荷系統線と電力を相互交流できるように構成される。
太陽光セルモジュールは、日照量、温度などにより最大電力点が異なる。太陽光セルを最大電力点で動作させるために、モジュール単位で最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御をするモジュールレベルパワーエレクトロニクス（ＭＯＤＵＬＥ－ＬＥＶＥＬ ＰＯＷＥＲ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＭＬＰＥ）を使用することができる。しかし、単一コンバータを適用したＭＬＰＥは、モジュール内の各セルの日照量、温度などが異なる場合、最適化された最大電力点追従制御が難しい。
図１のように、単一コンバータ適用方式は、全てのセルを直列結線してＭＬＰＥに入力し、ＭＬＰＥは太陽光セルモジュール全体に対する最大電力点追従制御を行う。この場合、セルストリングの日照量が異なり、セルストリングごとに最大電力点が異なる場合に、個別ストリングに対する最大電力点追従制御ができないという問題がある。
さらに、単一コンバータ適用方式のＭＬＰＥは、図２のように、太陽光セルモジュール、ＤＣ／ＤＣコンバータ、コントローラは同じ基準電位（ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＴＥＮＴＩＡＬ）で設計される。これにより、コントローラが太陽光セルモジュール電圧およびＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧を検出することにおいて、抵抗分配回路だけで電圧検出回路の実現が可能である。しかし、マルチレベル構造のＭＬＰＥでは、前記のような方式をそのまま適用することができない。
さらに、単一コンバータ適用方式のＭＬＰＥは、太陽光セルモジュール、ＤＣ／ＤＣコンバータ、コントローラ、補助電源がすべて同じグラウンドを使用する。これにより、図３および図４のように、太陽光セルモジュールから電力を供給され、コンバータおよびコントローラなどに補助電源を供給するための補助電源回路を構成することができる。しかし、マルチレベル構造のＭＬＰＥでは、前記のような方式をそのまま適用することはできない。
本発明が解決しようとする技術的課題は、マルチレベル構造を有する複数のコンバータを利用する電力変換装置および太陽光モジュールを提供することである。
前記技術的課題を解決するために、本発明の一実施例による電力変換装置は、複数のセルストリングにそれぞれ接続される複数のコンバータと、前記複数のコンバータのそれぞれに制御信号を印加する一つの制御部を含み、前記複数のコンバータはマルチレベルを構成する。
さらに、前記複数のコンバータは、前記制御信号を受信して最大電力点追従制御を行うことができる。
さらに、前記複数のコンバータは、カスコード（ＣＡＳＣＯＤＥ）に接続することができる。
さらに、前記制御部は、前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングすることができる。
さらに、前記制御部は、前記モニタリングした情報を電力線通信（ＰＬＣ）を通して外部に送信することができる。
さらに、前記制御部は、前記複数のコンバータが最大電力点追従制御を行うように制御信号を印加する第１制御部と、前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングし、前記モニタリングした情報を外部に送信する第２制御部を含むことができる。
さらに、前記制御部は、前記複数のセルストリングにそれぞれの出力信号により各セルストリングに対応する前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を個別的に生成することができる。
さらに、前記複数のコンバータに対する制御信号は、同期化されて印加されることができる。
さらに、前記複数のコンバータに対する制御信号は、所定の位相差を有して印加されることができる。
さらに、前記位相差は、マルチレベルを構成するコンバータの数により変わることができる。
さらに、前記制御信号は、前記コンバータに含まれるスイッチング素子に対するＰＷＭ信号であってもよい。
さらに、前記複数のセルストリングのそれぞれは、少なくとも一つ以上のセルを含むことができる。
前記技術的課題を解決するために、本発明の一実施例による太陽光モジュールは、それぞれ一つ以上の太陽光セルを含む複数のセルストリングと、前記各セルストリングにそれぞれ接続される複数のコンバータと、前記複数のコンバータのそれぞれの情報をモニタリングし、前記モニタリングされた情報により前記複数のコンバータのそれぞれに制御信号を印加する一つの制御部を含み、前記複数のコンバータはマルチレベルを構成する。
さらに、前記複数のコンバータは、カスコード（ＣＡＳＣＯＤＥ）に接続することができる。
さらに、前記制御部は、前記複数のコンバータが最大電力点追従制御を行うように制御信号を印加し、前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングし、前記モニタリングした情報を外部に送信する統合ＩＣであってもよい。
本発明の実施例によると、統合された制御部で複数のコンバータを制御してコントローラの数を減らすことができる。また、各コンバータ間に連携した制御が可能で、統合された制御部を利用して最大電力点追従制御のほかにモニタリングおよび通信など付加的な機能の実現が容易である。さらに、マルチレベル構造ＭＬＰＥで異なる基準電位を有する電圧を検出することにおいて、追加的な素子なしで従来の方式と同じように抵抗分配回路だけで電圧を検出することができる。さらに、マルチレベル構造を有するＭＬＰＥを使用するにあたり、補助電源回路を実現して、各ＤＣ／ＤＣコンバータ、制御回路、ＰＬＣ回路などに補助電源を円滑に供給することができる。ここで、補助電源回路に単一絶縁型コンバータを適用して複数の補助電源生成が可能で、材料費節減に有利である。また、マルチレベル構造を有するＭＬＰＥを使用するにあたり、各ＤＣ／ＤＣコンバータの個別補助電源回路を備えることによって、より安定した補助電源供給が可能であり、個別補助電源回路を昇降圧型に設計する時、降圧型レギュレータおよび昇圧型レギュレータをカスケード構成することで、非反転型バック－ブーストコンバータに比べて材料費の節減が可能である。
本発明の比較実施例による太陽光モジュールのブロック図である。 本発明の比較実施例による太陽光モジュールのブロック図である。 本発明の比較実施例による太陽光モジュールのブロック図である。 本発明の比較実施例による太陽光モジュールのブロック図である。 最大電力点追従制御を説明するための図である。 本発明の第１実施例による電力変換装置のブロック図である。 本発明の第１実施例による太陽光モジュールのブロック図である。 本発明の第１実施例を説明するための図である。 本発明の第１実施例を説明するための図である。 本発明の第１実施例を説明するための図である。 本発明の第２実施例による電力変換装置のブロック図である。 本発明の第２実施例による太陽光モジュールのブロック図である。 本発明の第２実施例を説明するための図である。 本発明の第２実施例を説明するための図である。 本発明の第２実施例による電力変換装置のまた他の実施例を図示した。 本発明の第３実施例による電力変換装置のブロック図である。 本発明の第３実施例による太陽光モジュールのブロック図である。 本発明の第３実施例による電力変換装置の様々な実施例を示した図である。 本発明の第３実施例による電力変換装置の様々な実施例を示した図である。 本発明の第４実施例による電力変換装置の様々な実施例を示した図である。 本発明の第４実施例による電力変換装置の様々な実施例を示した図である。 本発明の第４実施例による電力変換装置の様々な実施例を示した図である。 本発明の第４実施例による電力変換装置の様々な実施例を示した図である。 本発明の第４実施例による電力変換装置の様々な実施例を示した図である。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
但し、本発明の技術思想は説明される一部実施例に限定されるものではなく、それぞれ異なる様々な形態で実現されることができ、本発明の技術思想範囲内であれば、実施例間でその構成要素のうち一つ以上を選択的に結合または置換して使用することができる。
さらに、本発明の実施例で使用される用語（技術および科学的用語を含む）は、明白に特に定義されて記述されていない限り、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に一般的に理解できる意味に解釈され、辞書に定義された用語のように一般的に使用される用語は、関連技術の文脈上の意味を考慮して、その意味を解釈することができるだろう。
さらに、本発明の実施例で使用された用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。
本明細書において、単数形は文言で特に言及されていない限り、複数形も含むことができ、「Ａおよび（と）Ｂ、Ｃのうち少なくとも一つ（または一個以上）」と記載されている場合、Ａ、Ｂ、Ｃで組み合わせられる全ての組み合わせのうち一つ以上を含むことができる。
さらに、本発明の実施例の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、Ａ、Ｂ、（Ａ）、（Ｂ）等の用語を使用することができる。これらの用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであって、その用語によって当該構成要素の本質や順番または順序などに限定されるものではない。
そして、ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」、または「接続」されると記載されている場合、その構成要素は、他の構成要素に直接的に「連結」、「結合」、または「接続」されている場合だけでなく、その構成要素と他の別構成要素の間にある別の構成要素によって「連結」、「結合」、または「接続」される場合も含むことができる。
さらに、各構成要素「の上（上）」または「の下（下）」に形成または配置されると記載される場合、「の上（上）」または「の下（下）」は、二つの構成要素が互いに直接接触する場合だけでなく、一つ以上の別の構成要素が二つの構成要素の間に形成または配置される場合も含む。さらに、「の上（上）」または「の下（下）」で表される場合、一つの構成要素を基準に上側方向だけでなく下側方向の意味も含むことができる。
本実施例による変形例は、各実施例のうちの一部構成と異なる実施例のうち一部構成を一緒に含むことができる。即ち、変形例は、様々な実施例のうち一つの実施例を含むが、一部構成が省略され、対応する他の実施例の一部構成を含むことができる。または、その逆であってもよい。実施例で説明する特徴、構造、効果などは、少なくとも一つの実施例に含まれ、必ずしも一つの実施例に限定されるものではない。さらに、各実施例で例示された特徴、構造、効果などは、実施例が属する分野の通常の知識を有する者によって、他の実施例についても組み合わせまたは変形されて実施することができる。従って、このような組み合わせと変形に関連した内容は、実施例の範囲に含まれると解釈しなければならない。
図６は本発明の第１実施例による電力変換装置のブロック図であり、図７は本発明の第１実施例による太陽光モジュールのブロック図である。図８～図１０は、本発明の第１実施例を説明するための図である。
本発明の第１実施例による電力変換装置１００は、複数のセルストリング１３１～１３３、複数のコンバータ１１１～１１３、および制御部１２０で構成される。
コンバータ１１１～１１３は、複数のセルストリング１３１～１３３にそれぞれ接続される。
ここで、複数のセルストリング１３１～１３３のそれぞれは、少なくとも一つ以上のセルを含み、複数のセルを含む場合、複数のセルは直列に接続することができる。セルストリング１３１～１３３は、太陽光セルを含む太陽光セルストリングであってもよい。太陽光セルストリングは、太陽光パネルを形成することができる。太陽光セルは、光電効果を利用して電力を生成する太陽光発電（ＰＶ、ＰＨＯＴＯＶＯＬＴＡＩＣ）をする。光電効果は、特定周波数以上の光が特定金属物質に当たると電子を放出することで、Ｐ型半導体とＮ型半導体を利用してＰＮ接合を形成し、光電効果によって発生する電子を利用して電流を生成することで電力を生成する。太陽光セルは、シリコンなどを利用して形成され、ウェハーの形態で形成することができる。太陽光セルは、太陽光を良好に受ける野地や建物の外壁、屋上などに位置し、太陽光を利用して電力を生成する。この時、太陽光セルは、建物と一体型で形成されるＢＩＰＶ（建物一体型太陽光発電）で形成することができる。
一つの太陽光セルで生成される電力の大きさが負荷や電力系統で利用するには足りないため、一つの太陽光セルではなく、複数の太陽光セルを直列に接続して太陽光セルストリングを形成することで、利用に適した大きさの電力を生成することができる。太陽光セルストリングは、電力を生成する基本単位であることができる。基本単位であるセルストリングを複数個をパネルに形成して、太陽光発電パネルを形成することができる。
太陽光セルは、日照量、気温などにより図５のように、異なる電圧－電流特性を有し、最大電力点（ＭＰＰ）も変動される。（発電電力＝電圧Ｘ電流）電力変換装置は、太陽光セルが各条件で電力が最大になる動作点である最大電力点（ＭＰＰ）で太陽光セルが動作するように制御する役割をする。これを最大電力点追従（ＭＰＰＴ、ＭＡＸＩＭＵＭ ＰＯＷＥＲ ＰＯＩＮＴ ＴＲＡＣＫＩＮＧ）といい、最大電力点追従を利用して太陽光発電の効率性を高めることができる。太陽光発電において、電流と電圧との関係および電圧と電力との関係での特性により、最大電力は最大電圧ではなく、最大電圧の約８０％程度時の電力になり得る。このような最大電力点は、太陽光パネルで生成される電圧および電流の大きさに応じて変化し続けるため、最大電力点を発生させることができる点を探し続けなければならない。即ち、最大電圧ではなく最大電力を追従するために、最大電力になるように電圧と電流の大きさを可変することができる。即ち、電力が大きくなる方向に電圧を減少させて電流を増加させたり、電圧を増加させて電流を減少させることができる。
コンバータは、複数のセルストリング１１１～１１３の数に対応する複数のコンバータ１１１～１１３を含む。各コンバータ１１１～１１３は、対応するセルストリング１３１～１３３と接続され、セルストリング１３１～１３３で生成される電力を受け、電圧を変換して出力する。図１のように、全てのセルストリングを直列に接続し、一つのコンバータを利用して最大電力点追従制御を行う場合、セルストリング間の日照量などに差がある場合、最適な最大電力点追従が難しいため、効率的な最大電力点推定制御のために、セルストリング単位で最大電力点追従を行うために、複数のセルストリングにそれぞれ接続される複数のコンバータを含む。
コンバータ１１１～１１３はＤＣ－ＤＣコンバータであり、第１電圧を有する信号を第２電圧を有する信号に変換して出力することができる。または、第１電流を有する信号を第２電流を有する信号に変換して出力することができる。この時、複数のコンバータ１１１～１１３はマルチレベルを構成する。複数のコンバータ１１１～１１３は、マルチレベルを構成するために、カスコード（ＣＡＳＣＯＤＥ）で接続することができる。ここで、カスコードは出力端が多端に接続される形態を意味し、カスコード接続によりコンバータの出力端が積層されてマルチレベルを構成する。マルチレベルは、各コンバータの出力信号が一つの信号として合わされて出力される構造を意味する。この時、図６のように、上位レベルのコンバータ１１１出力端の（－）端子が隣り合う下位レベルのコンバータ１１２出力端の（＋）端子と次々と接続され、最上位レベルのコンバータ１１１の出力から最下位レベルのコンバータ１１３の出力が合わされて一つの信号に出力される。
制御部１２０は、複数のコンバータ１１１～１１３のそれぞれに制御信号を印加する。一つの制御部１２０が複数のコンバータ１１１～１１３のそれぞれを制御するための制御信号を生成する。複数のコンバータ１１１～１１３は、前記制御信号を受信して最大電力点追従制御を行う。
複数のコンバータ１１１～１１３のそれぞれは制御部１２０から制御信号を受け、各自接続されたセルストリング１３１～１３３の電力が最大電力になるように最大電力点追従を行う。複数のセルストリングで形成される太陽光モジュールが一定面積以上に形成される場合、セルストリング間の日照量が異なる場合、セルストリング間の最大電力点が変わり、複数のコンバータのそれぞれは、セルストリング別に最大電力点追従制御を行い、各セルストリングで最大電力が生成されるようにする。これによって、セルストリング別に最適化された最大電力点追従制御が可能となる。
制御部１２０は、最大電力点追従制御のための制御信号を生成して複数のコンバータ１１１～１１３に印加される機能だけでなく、他の機能を追加的に行うことができる。制御部１２０は、複数のコンバータ１１１～１１３の入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングすることができる。最大電力点追従制御のための制御信号を生成することにおいて、セルストリング１３１～１３３から出力されているセルストリング電圧に該当するコンバータの入力信号とコンバータから出力されている出力信号を利用すべきであり、制御部１２０はコンバータの入力信号および出力信号をモニタリングする。この時、入力信号の電圧および電流と出力信号の電圧および電流をモニタリングすることができる。さらに、コンバータ１１１～１１３を構成するインダクタに流れる電流をモニタリングして、過電流の流れ有無をモニタリングして過電流保護に利用することができる。その他に制御部１２０は電力変換のために必要な様々な情報をモニタリングすることができる。
制御部１２０は、前記モニタリングした情報を上位制御器または外部に送信することができる。この時、制御部１２０は、電力線通信（ＰＬＣ）を通してモニタリングした情報を送信することができる。電力線通信（ＰＯＷＥＲ ＬＩＮＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ）は、電力線を利用して通信を行うことで、別途の通信ラインなしで電力線を利用して通信を行うことができる。その他に有線または無線の様々な方式の通信を利用できるのは当然である。
制御部１２０は、前記複数のコンバータ１１１～１１３が最大電力点追従制御を行うように、制御信号を印加する第１制御部および前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングし、前記モニタリングした情報を外部に送信する第２制御部を含むことができる。制御部１２０は、機能別に最大電力点追従制御機能を行う第１制御部およびモニタリングと通信を行う機能をする第２制御部を含むことができる。この時、第１制御部および第２制御部は、一つのモジュールで形成されたり、別途のモジュールで形成されることができる。第１制御部および第２制御部は、機能ブロック別に形成されることができ、一つの統合ＩＣで形成されることもできる。
図８は、本発明の第１実施例の実施形態を示した図であり、電力変換装置１００は、ＭＬＰＥであってもよい。一つの制御部を利用してマルチレベルを構成する複数のコンバータを制御して、セルストリング別に最大電力点追従制御が可能である。図８のように、最大電力点追従制御のための情報をモニタリングし、モニタリングした情報を外部と通信を行うＭＣＵと最大電力点追従制御を実行し、各コンバータに制御信号を印加するコントローラ（ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）機能が一つの制御部で形成されることができる。一つの制御部上に別途の機能ブロックやモジュールで形成できることは当然である。
図９は、マルチレベルを構成する各コンバータを制御する複数のコントローラを含む実施例である。コンバータごとに別途のコントローラが必要であり、コントローラの数が多くなって費用が増加し、製作が難しくなりかねない。この際も、モニタリング乃至通信のためには別途のＭＣＵも必要である。図９の実施例に比べて、図８の実施例のように、一つの制御部１２０で各コンバータ１１１～１１３を制御することによって、効率的な制御が可能となる。
制御部１２０は、前記複数のセルストリングにそれぞれの出力信号に応じて各セルストリングに対応する前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を個別的に生成し、各セルストリングの最大電力点追従を可能にする。
コンバータ１１１～１１３は、複数のスイッチング素子を含み、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを含むことができる。制御信号は、コンバータ１１１～１１３内の半導体スイッチを駆動するためのＰＷＭ（ＰＵＬＳＥ－ＷＩＤＴＨ ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）信号であってもよい。ＰＷＭ信号は、一周期間のパルス幅が調節される信号であり、パルス幅が大きいほどスイッチング素子がターンオンを維持する時間が長くなる。即ち、時比率（デューティー比）が大きくなって、コンバータ１１１～１１３から出力として伝達される電力の大きさが大きくなる。逆に、パルス幅が小さくなると時比率が小さくなって、コンバータ１１１～１１３から出力として伝達される電力の大きさが小さくなる。これを調節することによって電圧および電流を制御することができ、これによって、最大電力点追従制御が可能となる。即ち、制御部１２０は、ＰＷＭ信号の大きさを調節することによって最大電力点追従制御を行うことができる。
制御部１２０が複数のコンバータ１１１～１１３に対する制御信号を印加することにおいて、前記複数のコンバータに対する制御信号は同期化されて印加されたり、所定の位相差を持って印加されることができる。一つの制御部１２０が複数のコンバータ１１１～１１３を制御するため、各コンバータ間に連携した制御が可能である。例えば、各コンバータは、図１０のように、同期方式またはインターリビング（ＩＮＴＥＲＬＥＡＶＩＮＧ）方式で動作することができる。同期方式は図１０のように、同じ時点で同時に各コンバータに対する制御信号を印加するもので、インターリビング方式は、コンバータごとに位相差を持って制御信号が印加されるものである。インターリビング方式適用時、制御部であるＭＣＵのＡＤＣまたは演算が一時点に集中せずに分散され、より低い性能のＭＣＵを適用することができる。前記位相差は、マルチレベルを構成するコンバータの数により変わることができる。例えば、コンバータが３個の場合、３６０度を３に分けて、各コンバータに対する制御信号は１２０度の位相差を持って印加されることができる。
本発明の第１実施例による太陽光モジュールは、図７のように、複数のセルストリング１３１～１３３、複数のコンバータ１１１～１１３および制御部１２０で構成される。図７の太陽光モジュールに関する詳細な説明は、第１実施例による電力変換装置に関する詳細な説明に対応するため、重複する説明は省略する。複数のセルストリング１３１～１３３は、それぞれ一つ以上の太陽光セルを含み、複数のコンバータ１１１～１１３は、前記各セルストリングにそれぞれ接続され、制御部１２０は、前記複数のコンバータ１１１～１１３それぞれの情報をモニタリングし、前記モニタリングされた情報により前記複数のコンバータ１１１～１１３それぞれに制御信号を印加する一つの制御部である。前記複数のコンバータはマルチレベルを構成する。
前記複数のコンバータ１１１～１１３は、カスコード（ＣＡＳＣＯＤＥ）に接続され、制御部１２０は、複数のコンバータ１１１～１１３が最大電力点追従制御を行うように制御信号を印加し、前記複数のコンバータ１１１～１１３の入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングし、前記モニタリングした情報を外部に送信する統合ＩＣであってもよい。
図１１は、本発明の第２実施例による電力変換装置のブロック図であり、図１２は本発明の第２実施例による太陽光モジュールのブロック図である。図１３～図１４は、本発明の第２実施例を説明するための図である。
本発明の第２実施例による電力変換装置３００は、複数のコンバータ１１０、電圧検出部１４０、および制御部１２０で構成される。本発明の第２実施例による電力変換装置に関する詳細な説明中、第１実施例に間する詳細な説明に対応する説明は省略する。本発明の第２実施例は、マルチレベルを構成するコンバータ１１０において、セルストリング出力電圧およびコンバータ出力電圧を検出する構成を中心に表現したもので、一部構成に対する説明が省略されても、本発明の実施例による構成を含むことができるのは当然である。
複数のコンバータ１１０は複数のセルストリング１３０にそれぞれ接続され、カスコード（ＣＡＳＣＯＤＥ）に接続されてマルチレベルを構成する。複数のコンバータ１１０から出力される最上位レベルから最下位レベルまでの信号が合わされて、一つの信号として出力される。
電圧検出部１４０は、複数のコンバータ１１０それぞれの入力電圧および出力電圧のうち少なくとも一つを検出する。電圧検出部１４０は、複数のコンバータの入力端および出力端ごとに形成されて各位置での電圧を検出することができる。
電圧検出部１４０は、各コンバータの入力端または出力端とグラウンドの間に直列に接続される二つの抵抗を含み、前記二つの抵抗間のノードにかかる電圧を検出することができる。図１３のように、電圧を測定しようとする位置、即ち、各コンバータの入力端または出力端とグラウンドの間に直列に接続される二つの抵抗による電圧分配を利用して該当位置での電圧を検出する。
制御部１２０は、電圧検出部１４０で検出された電圧を利用して、前記複数のコンバータ１１０それぞれに対する制御信号を生成して印加される。電圧検出部１４０はグラウンドを基準に電圧分配を通して検出され、グラウンドが基準電位である最下位レベルで電圧でないそれの以上のレベルでは基準電位が変わるため、正確な電圧検出が難しい。従って、制御部１２０は各電圧検出部１４０で検出された電圧を受信し、各レベルでの関係を利用して各レベルでの電圧を算出する。
制御部１２０は、最下位レベルのコンバータで測定される電圧を前記最下位レベルのコンバータの電圧として算出する。最下位レベルの基準電位はグラウンドで電圧検出部１４０の基準電位と同じなので、最下位レベルのコンバータで測定される電圧はそのまま利用することができる。最上位レベルのコンバータの出力端で測定される電圧を全体出力電圧として算出することができる。最上位レベルのコンバータの出力端とグラウンドの間の電圧は全体出力電圧と同じで、全体出力電圧を別途に検出せず、最上位レベルで測定される電圧をそのまま利用することができる。
最下位レベルでない他のレベルでの検出された電圧は、隣り合う下位レベルで測定された電圧との差を利用して該当レベルでの電圧を算出する。
制御部１２０は図１４のように、各レベルでの電圧を算出することができる。図１３のように、レベル順に入力端で測定されたセルストリング電圧（ＣＥＬＬ ＳＴＲＩＮＧ ＶＯＬＴＡＧＥ）がＶ_Ｆ１、Ｖ_Ｆ２、およびＶ_Ｆ３で、出力端で測定された出力電圧（ＯＵＴＰＵＴ ＶＯＬＴＡＧＥ）がＶ_Ｂ１、Ｖ_Ｂ２、およびＶ_Ｂ３の時、セルストリング電圧１はＶ_Ｆ１－Ｖ_Ｆ２で算出することができ、セルストリング電圧２はＶ_Ｆ２－Ｖ_Ｆ３で算出することができ、セルストリング電圧３はそのままＶ_Ｆ３で算出することができる。また、出力電圧１はＶ_Ｂ１－Ｖ_Ｂ２で算出することができ、出力電圧２はＶ_Ｂ２－Ｖ_Ｂ３で算出することができ、出力電圧３はＶ_Ｂ３そのまま算出することができ、全体出力電圧（ＴＯＴＡＬ ＯＵＴＰＵＴ ＶＯＬＴＡＧＥ）はＶ_Ｂ１に該当するので算出することができる。
電圧検出部１４０は、電圧を測定しようとする入力端または出力端とグラウンドの間でない隣り合う入力端または出力端との間で電圧を測定することもできる。この時、電圧検出部１４０は、各コンバータの入力端または出力端と隣り合う下位レベルのコンバータの入力端または出力端との間に直列に接続される二つの抵抗および前記二つの抵抗間のノードにかかる電圧の基準電位を前記制御部の基準電位と同じ基準電位に変換する基準電位変換部を含むことができる。図１５のように、電圧を測定することにおいて、グラウンドではない隣り合う下位レベルを基準電位として電圧を測定することができる。
図１５のように、カスコードでマルチレベルを構成する電力変換長分のＭＬＰＥは、セルストリングおよびこれに対応するコンバータで構成された各レベルは異なる基準電位を有する。即ち、最下位レベルが最も低い基準電位を有し、上位レベルに行くほど高い基準電位を有する。一般的に最下位レベルの基準電位はグラウンドになることができる。制御部であるコントローラは、自分の基準電位より高い電位差だけ検出することができるように設計されるため、このようなマルチレベル構造でコントローラの基準電位は、最下位レベルの基準電位と同じように配置される。このようなマルチ構造およびコントローラ配置でコントローラは、自分の基準電位との電位差（ＰＯＴＥＮＴＩＡＬ ＤＩＦＦＥＲＥＮＣＥ）にだけ電圧検出が可能である。これによって、同じ基準電位を有する最下位レベルのセルストリング電圧およびコンバータ出力電圧は、抵抗分配回路だけで電圧検出が可能である。しかし、その他の上位レベルはそれぞれ異なる基準電位を有するので、各基準電位で抵抗分配された電圧をコントローラと同じ基準電位に変換させる別途の回路など基準電位変換部が必要となる。
この時、制御部１２０のコントローラでの基準電位と最下位レベルを除いた他のレベルでの基準電位が相異なり、これを同じ基準電位に変換する基準電位変換部を含む。基準電位変換部はグラウンドと隣り合う下位レベルでの値を基準に、基準電位を制御部１２０基準電位と同じにすることができる。その他に、様々な素子乃至回路を利用して電圧検出部で検出された電圧の基準電位を制御部１２０の基準電位に合うように調整することができる。
制御部１２０は、電圧検出部１４０で検出された電圧を利用して複数のコンバータ１１０のそれぞれに対する制御信号を生成して印加される。制御部１２０は、前記複数のセルストリングにそれぞれの出力信号に応じて各セルストリングに対応する前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を個別的に生成することができる。複数のコンバータ１１０は、前記制御信号を受信して、最大電力点追従制御を行うことができる。
複数のコンバータに対する制御信号は同期化されて印加されたり、所定の位相差を持って印加されることができる。この時、前記制御信号は、前記コンバータに含まれるスイッチング素子に対するＰＷＭ信号であることができる。
制御部１２０は、前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングし、モニタリングした情報を電力線通信（ＰＬＣ）を通して外部に送信することができる。
本発明の第２実施例による太陽光モジュールは、図１２のように、複数のセルストリング１３０、複数のコンバータ１１０、電圧検出部１４０および制御部１２０で構成される。図１２の太陽光モジュールに関する詳細な説明は、第２実施例による電力変換装置に関する詳細な説明に対応し、重複する説明は省略する。
複数のセルストリング１３０はそれぞれ一つ以上の太陽光セルを含み、複数のコンバータ１１０は、前記各セルストリングにそれぞれ接続されてマルチレベルを構成する。電圧検出部１４０は、前記複数のコンバータのそれぞれの入力電圧および出力電圧のうち少なくとも一つを検出し、制御部１２０は、電圧検出部１４０で検出された電圧を利用して前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を生成して印加される。
電圧検出部１４０は、各コンバータの入力端または出力端とグラウンドの間に直列に接続される二つの抵抗を含み、前記二つの抵抗間のノードにかかる電圧を検出し、制御部１２０は隣り合う下位レベルのコンバータで検出される電圧との差を利用して各コンバータで測定される電圧を算出することができる。
または、電圧検出部１４０は、各コンバータの入力端または出力端と隣り合う下位レベルのコンバータの入力端または出力端との間に直列に接続される二つの抵抗および前記二つの抵抗間のノードにかかる電圧の基準電位を、前記制御部の基準電位と同じ基準電位に変換する基準電位変換部を含むことができる。
図１６は本発明の第３実施例による電力変換装置のブロック図で、図１７は本発明の第３実施例による太陽光モジュールのブロック図である。図１８および図１９は、本発明の第３実施例による電力変換装置の様々な実施例を図示したものである。
本発明の第３実施例による電力変換装置５００は、複数のコンバータ１１０および補助電源部１５０を含み、制御部または電圧検出部をさらに含むことができる。本発明の第３実施例による電力変換装置に関する詳細な説明中、第１実施例および／または第２実施例に関する詳細な説明に対応する説明は省略する。本発明の第３実施例は、コンバータなどを駆動するための補助電源を生成する補助電源部の構成を中心に表現したもので、一部構成に対する説明が省略されても本発明の実施例による構成を含むことができるのは当然である。
複数のコンバータ１１０は、複数のセルストリング１３０にそれぞれ接続され、カスコード（ＣＡＳＣＯＤＥ）に接続されてマルチレベルを構成する。複数のコンバータ１１０から出力される最上位レベルから最下位レベルまでの信号が結合されて一つの信号に出力される。
補助電源部１５０は、複数のコンバータのそれぞれに駆動電源を供給する。セルストリング、コンバータ、コントローラ、および補助電源がすべて同じグラウンドを利用する図３および図４とは異なってマルチレベルで構成される場合、補助電源部１５０は各レベルに合う補助電源を供給すべきである。
このために、第３実施例による電力変換装置の補助電源部１５０は絶縁型コンバータを含む。絶縁型コンバータの１次側回路は、前記複数のセルストリングの出力端のうち少なくとも一つの出力端の電圧を受け、絶縁型コンバータは、前記１次側回路の電圧によって２次側回路に電圧を出力し、複数の２次側回路は、前記絶縁型コンバータから出力される電圧を利用して前記複数のコンバータのそれぞれに駆動電源を供給する。
１次側回路には複数のセルストリングの出力端のうち少なくとも一つの出力端の電圧を受ける。この時、前記１次側回路は、前記複数のセルストリングの各出力端がスイッチング素子を介して並列に接続することができる。ここで、前記スイッチング素子は、図１８のようにダイオードであってもよい。複数のセルストリングの各出力端がすべて接続され、ダイオードを通して接続されることによって、セルストリング電圧のうち最も高い電圧が選択的に印加されることができる。即ち、一部のセルストリングに日照量が不足しても、十分に発電が行われる他のセルストリングの電圧を利用して、全てのコンバータに対する駆動電源を提供することができる。これによって、リダンダンシー（ＲＥＤＵＮＤＡＮＣＹ）も確保することができる。または、ダイオードなしで特定セルストリングの電圧を受けて、補助電源を供給することに利用することもできることは当然である。
絶縁型コンバータは、フライバック（ＦＬＹＢＡＣＫ）コンバータ、フォワード（ＦＯＲＷＡＲＤ）コンバータ、およびＬＬＣコンバータのうち少なくとも一つを含むことができる。絶縁型コンバータは、ＰＳＲ（ＰＲＩＭＡＲＹ ＳＩＤＥ ＲＥＧＵＬＡＴＩＯＮ）を行うことができる。１次側回路と同一基準電位を有する２次側回路の出力電圧を参照して、前記ＰＳＲを行うことができる。２次回路部出力が変圧器を通して１次側に反映（ＲＥＦＬＥＣＴＥＤ）された電圧を参照して制御することができる。絶縁型コンバータは、２次回路部出力を制御するために、３次巻線（ＴＥＲＴＩＡＲＹ ＷＩＮＤＩＮＧ）を使用することもできる。絶縁型コンバータは、１次回路部と同じ電位を基準とする２次回路部出力電圧だけを参照して制御することもできる。例えば、１次回路部がグラウンドを基準にする場合、グラウンドを基準とする２次回路部出力電圧を参照して制御することができる。
２次回路の出力を入力とする別途のコンバータ、リニアレギュレータを結合して補助電源を生成することができる。
前記２次側回路は、図１９のように、前記各コンバータに含まれる上側スイッチに補助電源を供給する第１の２次側回路、および前記各コンバータに含まれる下側スイッチに補助電源を供給する第２の２次側回路を含むことができる。コンバータは上側ＦＥＴおよび下側ＦＥＴを含むことができ、上側ＦＥＴおよび下側ＦＥＴのそれぞれに補助電源を供給することができる。
前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングして電力線通信（ＰＬＣ）を通して外部に送信したり、前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を生成して印加される制御部を含み、前記２次側回路は制御部に駆動電源を供給する第３の２次側回路を含むことができる。２次回路部は、各コンバータに対応する２次回路部の他に別途の用途の２次回路部を追加使用することができる。その他に駆動電源など電源が必要な様々なモジュールに補助電源を提供することができる。
複数のコンバータ１１０は、補助電源の供給を受けて駆動された後、制御部から制御信号を受信して最大電力点追従制御を行うことができる。
本発明の第３実施例による太陽光モジュールは、図１７のように、複数のセルストリング１３０、複数のコンバータ１１０、および補助電源部１５０で構成される。図１７の太陽光モジュールに関する詳細な説明は、第３実施例による電力変換装置に関する詳細な説明に対応するため、重複する説明は省略する。
複数のセルストリング１３０は、それぞれ一つ以上の太陽光セルを含み、複数のコンバータ１１０は、前記各セルストリングにそれぞれ接続されてマルチレベルを構成する。補助電源部１５０は、複数のコンバータ１１０それぞれに駆動電源を供給し、補助電源部１５０は、前記複数のセルストリングの出力端のうち少なくとも一つの出力端の電圧を受ける１次側回路、前記１次側回路の電圧により２次側回路に電圧を出力する絶縁型コンバータ、および前記絶縁型コンバータから出力される電圧を利用して前記複数のコンバータのそれぞれに駆動電源を供給する複数の２次側回路を含む。
前記１次側回路は、前記複数のセルストリングの各出力端がダイオードを介して並列に接続されることができる。前記２次側回路は、前記各コンバータに含まれる上側スイッチに補助電源を供給する第１の２次側回路、および前記各コンバータに含まれる下側スイッチに補助電源を供給する第２の２次側回路を含む太陽光モジュール。
前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングして電力線通信（ＰＬＣ）を通して外部に送信したり、前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を生成して印加される制御部を含み、前記２次側回路は、制御部に駆動電源を供給する第３の２次側回路を含むことができる。
本発明の第４実施例による電力変換装置は、複数のコンバータ１１０および補助電源部１５０を含み、制御部または電圧検出部をさらに含むことができる。本発明の第４実施例による電力変換装置に関する詳細な説明中、第１実施例～第３実施例に関する詳細な説明に対応する説明は省略する。本発明の第４実施例は、コンバータなどを駆動するための補助電源を生成する補助電源部の構成を中心に表現したもので、一部構成に対する説明が省略されても本発明の実施例による構成を含むことができるのは当然である。
本発明の第４実施例による電力変換装置は、複数のセルストリングにそれぞれ接続されてマルチレベルを構成する複数のコンバータ１１０、および前記各セルストリングから出力される電圧を利用して前記複数のコンバータのそれぞれに駆動電源を供給する複数の補助電源部１５０を含む。
第３実施例による電力変換装置の補助電源部の構成によると、単一絶縁型コンバータで複数の補助電源生成が可能で、材料費節減の側面で利点があるが、個別２次回路部の出力電圧制御が難しくて、補助電源回路のうち一部分の故障により全体補助電源回路が誤作動する可能性があって、第４実施例による電力変換装置は、各コンバータに供給される補助電源を個別生成および供給する。
補助電源を個別生成および供給するために、補助電源部１５０は単一レギュレータ（ＲＥＧＵＬＡＴＯＲ）およびカスケードで結線された２段以上のレギュレータのうち少なくとも一つを含むことができる。
各コンバータに補助電源を供給する個別補助電源部１５０は、単一レギュレータを含むことができる。単一レギュレータは、リニアレギュレータ、チャージポンプ、昇降型コンバータ、昇圧型コンバータのうち少なくとも一つを含むことができる。単一レギュレータは、リニア（ＬＩＮＥＡＲ）レギュレータ、チャージポンプ（ＣＨＡＲＧＥ ＰＵＭＰ）、昇降型（バック－ブースト）コンバータ、昇圧型（ＢＯＯＳＴ）コンバータを選択的に使用することができる。補助電源部を単一レギュレータに実現すると、図２０のように回路構成が簡単な長所がある。
セルストリング電圧は、太陽光セルの条件に応じて随時変化するので、ストリング電圧の変動範囲と補助電源の目標電圧（Ｖ_ＡＵＸ）の関係に応じて適切に適用しなければならない。図２１のように、補助電源の目標電圧（Ｖ_ＡＵＸ）が最低セルストリング電圧より低い場合には降圧が必要で、この際はリニアレギュレータまたはバックコンバータを利用することができる。補助電源の目標電圧（Ｖ_ＡＵＸ）が最高セルストリング電圧より高い場合には昇圧が必要で、この際はチャージポンプまたはブーストコンバータを利用することができる。降圧または昇圧のみが必要な場合には、比較的回路構成が簡単で、低い材料費で実現することができる。
しかし、補助電源の目標電圧（Ｖ_ＡＵＸ）が最高セルストリング電圧より低く、最低セルストリング電圧より高い場合には昇降圧が必要で、この際は出力電圧が負電圧に反転しない非反転型バック－ブーストコンバータを使わなければならない。非反転型バック－ブーブーストコンバータは４つの半導体スイッチが必要で、相対的に回路が複雑で、材料費が高い。
補助電源部１５０は多重出力絶縁型コンバータであってもよく、この時、前記多重出力絶縁型コンバータは、前記各コンバータに含まれる上側スイッチに補助電源を供給する第１出力、および前記各コンバータに含まれる下側スイッチに補助電源を供給する第２出力を含むことができる。単一レギュレータとして、図２２のように、多重出力が可能な絶縁型コンバータを適用することもできる。多重出力が可能な絶縁型コンバータを用いると、コンバータに含まれた下側スイッチであるＬＯＷ－ＳＩＤＥ ＦＥＴおよび上側スイッチであるＨＩＧＨ－ＳＩＤＥ ＦＥＴにそれぞれＦＥＴ駆動電源を供給することができる。コンバータに単一補助電源を供給する場合には、ＨＩＧＨ－ＳＩＤＥ ＦＥＴ駆動電源をＢＯＯＴＳＴＲＡＰ回路を通して供給すべきである。ＢＯＯＴＳＴＲＡＰ回路は、出力電圧を維持するために間欠的にＬＯＷ－ＳＩＤＥ ＦＥＴを導通させて、キャパシタを充電しなければならないため、ＨＩＧＨ－ＳＩＤＥ ＦＥＴを連続的に導通させることはできない。通常的にセルストリング電圧を出力電圧にバイパス（ＢＹＰＡＳＳ）させるため、ＨＩＧＨ－ＳＩＤＥ ＦＥＴを持続的に導通させる動作がＭＬＰＥ動作上に頻繁に発生する。絶縁型コンバータを使用してＬＯＷ－ＳＩＤＥ ＦＥＴおよびＨＩＧＨ－ＳＩＤＥ ＦＥＴの駆動電源をそれぞれ供給すると、ＢＯＯＴＳＴＲＡＰ回路なしでＨＩＧＨ－ＳＩＤＥ ＦＥＴを動作させることができる。これによって、ＢＯＯＴＳＴＲＡＰ回路の短所を克服し、ＨＩＧＨ－ＳＩＤＥ ＦＥＴを連続的に導通させることができる。
補助電源部を構成することにおいて、カスケードで結線された２段以上のレギュレータを使用することができる。前記２段以上のレギュレータは、リニアレギュレータ、チャージポンプ、昇降型コンバータ、昇圧型コンバータのうち少なくとも二つを含むことができる。同一種類またはそれぞれ異なる種類のレギュレータを２段を使用することもできる。
昇降圧が可能な補助電源回路を実現することにおいて、昇圧型レギュレータおよび降圧型レギュレータをカスケードで構成することができる。この時、昇圧型および降圧型レギュレータの配置順序に関係なく回路の実現が可能である。２段レギュレータ構成における昇降圧型というのは、セル－ストリング電圧対比補助電源電圧（Ｖ_ＡＵＸ）が昇圧および降圧が可能であることを意味する。
この時、前記２段以上のレギュレータは、図２３のように、降圧型レギュレータおよび昇圧型レギュレータを含むことができる。ここで、前記降圧型レギュレータは、リニアレギュレータおよび降圧型コンバータのうち少なくとも一つを含み、前記昇圧型レギュレータは、チャージポンプおよび昇圧型コンバータのうち少なくとも一つを含むことができる。
２段レギュレータとして、リニアレギュレータ、チャージポンプ、昇降型コンバータ、昇圧型コンバータ、昇降型コンバータを組み合わせて使用することができ、２段レギュレータで昇降圧型機能を実現することにおいて、降圧型レギュレータと昇圧型レギュレータを組み合わせることができる。図２４のように、リニアレギュレータ－チャージポンプの組み合わせ、リニアレギュレータ－ブーストコンバータの組み合わせ、バックコンバータ－チャージポンプの組み合わせ、バックコンバータ－ブーストコンバータの組み合わせで補助電源部を形成することができる。このうち１～３の組み合わせは、非反転型バック-ブーストコンバータ対比材料費節減が可能である。
第４実施例による電力変換装置は、前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングして電力線通信（ＰＬＣ）を通して外部に送信したり、前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を生成して印加される制御部を含むことができ、
前記複数のコンバータは、前記制御信号を受信して最大電力点追従制御を行うことができる。
本発明の第４実施例による太陽光モジュールは、複数のセルストリング１３０、複数のコンバータ１１０、および補助電源部１５０で構成される。本発明の第４実施例による太陽光モジュールに関する詳細な説明は、第４実施例による電力変換装置に関する詳細な説明に対応し、重複する説明は省略する。
複数のセルストリング１３０は、それぞれ一つ以上の太陽光セルを含み、複数のコンバータ１１０は、前記各セルストリングにそれぞれ接続されてマルチレベルを構成する。補助電源部１５０は、複数のコンバータ１１０のそれぞれに駆動電源を供給し、前記各セルストリングから出力される電圧を利用して、前記複数のコンバータのそれぞれに駆動電源を供給する。補助電源部は、単一レギュレータおよびカスケードで結線された２段以上のレギュレータのうち少なくとも一つを含むことができる。
本実施例と関連した技術分野で通常の知識を有する者は、前記の記載の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態で実現することができることを理解できるはずである。従って、開示された方法は、限定的な観点でなく、説明的な観点で考慮されるべきである。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等の範囲内にある全ての差異点は、本発明に含まれたものに解釈されるべきである。

Claims (10)

  1. 複数のセルストリングにそれぞれ接続される複数のコンバータと、
    前記複数のコンバータのそれぞれに制御信号を印加する一つの制御部を含み、
    前記複数のコンバータはマルチレベルを構成する、電力変換装置。
  2. 前記複数のコンバータは、前記制御信号を受信して最大電力点追従制御を行う、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記複数のコンバータは、カスコード（ＣＡＳＣＯＤＥ）に接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御部は、
    前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングする、請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御部は、
    前記モニタリングした情報を電力線通信（ＰＬＣ）を通して外部に送信する、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、
    前記複数のコンバータが最大電力点追従制御を行うように制御信号を印加する第１制御部と、
    前記複数のコンバータの入力信号、出力信号、および各コンバータに含まれたインダクタに流れる電流のうち少なくとも一つをモニタリングし、前記モニタリングした情報を外部に送信する第２制御部を含む、請求項１に記載の電力変換装置。
  7. 前記制御部は、
    前記複数のセルストリングにそれぞれの出力信号により各セルストリングに対応する前記複数のコンバータのそれぞれに対する制御信号を個別的に生成する、請求項１に記載の電力変換装置。
  8. 前記複数のコンバータに対する制御信号は、同期化されて印加される、請求項１に記載の電力変換装置。
  9. 前記複数のコンバータに対する制御信号は、所定の位相差を有して印加される、請求項１に記載の電力変換装置。
  10. 前記位相差は、マルチレベルを構成するコンバータの数により変わる、請求項９に記載の電力変換装置。
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