JP4630952B1 - 直流安定化電源装置 - Google Patents
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Abstract
変化が激しく高電圧の太陽電池電源より、低電圧の計測設備に必要な安定した電源を供給する電源装置を安価に実現する。本発明は、太陽電池より得られた直流の入力電圧を降圧し、計測設備等の負荷へ出力する直流安定化電源装置であって、前記太陽電池に接続され、かつ定電流制限回路を備えた、直列型で降電圧させる第一の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された、スイッチング型の第二の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出された電圧が第一の判定電圧以上である場合に前記スイッチ回路を閉の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に電力を供給し、前記第一の判定電圧より低い第二の判定電圧以下である場合に前記スイッチ回路を開の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に供給されている電力を停止することを特徴とする。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、出力電力が不安定な太陽電池の電源より電圧を降下させ、計測設備等に必要とする安定した電圧を供給する直流安定化電源装置に関するものである。
近年、地球温暖化問題に対処するために太陽電池による発電システムが急速に普及し、発電システムの効率化と安定した運転設備の改良が加えられている。そのため、発電設備の規模が大きい場合には付随した計測設備が必要となり、計測設備の電源供給にも電力の節電と安定稼動の性能が求められる。
従来、計測設備を動作させる供給側の電源電圧と、計測設備などで必要とする電源の電圧が異なる場合には、直列型定電圧回路、または電力変換効率が良いスイッチング素子による定電圧回路を用いて電圧値を降圧させていた。
例えば、特許文献１には、直列型定電圧回路とスイッチング素子による安定化回路を組み合わせた直流安定化電源装置が開示されている。図８は、特許文献１に記載された直流安定化電源装置の概略図である。
図８において、整流回路１０は、ＡＣ１００Ｖを整流し、スイッチング電源回路１１の入力電圧として電流を供給する。スイッチング電源回路１１は、三角波発生回路１３２より発生する三角波をインダクタ１３５の出力電圧と三端子レギュレータ１２の出力電圧を比較器１３３にて比較することで、必要なスイッチングコントロール信号を作り、スイッチング素子１３１を駆動させている。すなわち、スイッチング電源回路１１で一旦降下させた電圧を、さらに三端子レギュレータ１２によって、電源負荷ＲＬに必要な低電圧に変換して電流を供給している。
しかしながら、特許文献１などに見られる従来の構成では、太陽光発電電圧が５００Ｖを越える場合には、スイッチング素子に要求される高耐電圧性能に余裕が無く、さらに、高電圧でのスイッチング素子の制御回路に大電力を必要とし、回路の複雑さと回路素子の性能要求が伴い実現性には困難な面が多い。
また、特許文献２には、曇天時など不安定な状態で太陽電池出力を利用する電源装置をバッテリーと組み合わせることが開示されている。しかし、この構成では、長い寿命が期待される太陽光発電装置に用いる計測装置には、充放電の回数で寿命に制約があるバッテリーを用いることはできない。
また、特許文献３には、太陽電池からの電源供給電力が不足する場合に商用電源から並列に電源供給することが開示されている。しかし、この構成では、商用電源を用いているので、特に大規模な太陽光発電設備では、電源線を配線するために多大な費用がかかり、余分な電力を消費することになる。
また、特許文献４には、スイッチング素子を介して高電圧を低電圧負荷に電力供給する電源装置が開示されている。しかし、この構成では、特許文献１と同様の問題が依然として存在する。
太陽光発電では、早朝時に電圧が０Ｖより上昇し、日中も晴天だけでなく、曇天や雨天、さらに快晴など天気により発電条件が異なり、また、太陽光方向と太陽電池モジュールであるパネル方向の差により生じる発電効率が時刻により異なるので、日射量により発電電圧が激しく大きく変化する。このように直列型定電圧回路に入力される電圧の変動が大きいと、入力電圧と出力電圧との差も大きく変動し、損失電力も大きく変動する。このため、電力損失の最悪条件を想定した部品の選定と制御用ＦＥＴの放熱板に大きなものを採用しなければならなかった。
太陽電池による大規模発電では、図９に示すように太陽電池モジュール４１を複数枚直列に接続したストリング４２とし、さらに、複数本のストリング４２を並列に接続して太陽電池電源４３とし、商用の交流電源に変換するインバータ１４０を介して電力供給されている。このような発電システムでは、発電状況の電圧と電流などを監視する計測設備４５が備わっており、計測設備４５には外部より電源供給されている。このような電源には、太陽電池より供給できれば余分な配線が不要であるが、複数の太陽電池モジュール４１によるストリング４２に発生する電圧が３００Ｖ〜１０００Ｖで設計されているので、計測設備４５に必要とする３Ｖ〜５Ｖ程度に降圧するには、以下のような困難があった。
（ｉ）直列型定電圧回路では、電力損失が大きく、回路の発熱対策が必要であり、電流値が多い場合には大きな放熱装置が必要である。
（ｉｉ）太陽電池パネルで発電された電力を最小限にして使用することが必要である。
（ｉｉｉ）日の出および日没の前後では、太陽電池の発電電圧が小さく、不安定であり利用できない。
（ｉｖ）３００Ｖ〜１０００Ｖの電圧をスイッチング型安定化電源で降圧させるにはスイッチング素子と周辺回路を含め１０００Ｖ以上の耐圧性能を必要とする。このような耐圧性能を持つ部品は高価である。
（ｉ）直列型定電圧回路では、電力損失が大きく、回路の発熱対策が必要であり、電流値が多い場合には大きな放熱装置が必要である。
（ｉｉ）太陽電池パネルで発電された電力を最小限にして使用することが必要である。
（ｉｉｉ）日の出および日没の前後では、太陽電池の発電電圧が小さく、不安定であり利用できない。
（ｉｖ）３００Ｖ〜１０００Ｖの電圧をスイッチング型安定化電源で降圧させるにはスイッチング素子と周辺回路を含め１０００Ｖ以上の耐圧性能を必要とする。このような耐圧性能を持つ部品は高価である。
本発明は、上述の従来技術の問題を解消するためになされたものであり、その目的は、出力電圧が変動する太陽電池の電源より電圧を降下させ、計測設備等へ安定した電圧を供給することができる簡単な直流安定化電源装置を安価に提供することである。
本発明は、上記目的を達成するために以下の（１）〜（７）の構成を有する。
（１）太陽電池より得られた直流の入力電圧を降圧し、計測設備等の負荷へ出力する直流安定化電源装置において、前記太陽電池に接続され、かつ定電流制限回路を備えた、直列型で降電圧させる第一の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された、スイッチング型の第二の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出された電圧が第一の判定電圧以上である場合に前記スイッチ回路を閉の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に電力を供給し、前記第一の判定電圧より低い第二の判定電圧以下である場合に前記スイッチ回路を開の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に供給されている電力を停止することを特徴とする直流安定化電源装置。
（２）前記第一の判定電圧が、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧が安定する定格電圧の４／５以下であり、前記第二の判定電圧が、前記第二の定電圧電源回路の出力電圧が安定する最小入力電圧の６／５以上であることを特徴とする（１）に記載の直流安定化電源装置。
（３）太陽電池より得られた直流の入力電力を降圧し、計測設備等の負荷へ出力する直流安定化電源装置において、前記太陽電池に接続され、かつ定電流制限回路を備えた、直列型で降電圧させる第一の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された、スイッチング型の第二の定電圧電源回路と、前記太陽電池の発電電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記太陽電池の発電電圧を検出し、検出された電圧が第一の判定電圧以上である場合に前記第二の定電圧電源回路より負荷に電力を供給し、前記第一の判定電圧より低い前記第二の判定電圧以下である場合に前記第二の定電圧電源回路より負荷に供給されている電力を停止するように前記スイッチ回路が作動することを特徴とする直流安定化電源装置。
（４）前記第一の判定電圧が、太陽電池が安定発電している電圧値である定格電圧の２／３〜４／５の範囲にあり、前記第二の判定電圧が前記定格電圧の１／３以下であることを特徴とする（３）に記載の直流安定化電源装置。
（５）前記第一の定電圧電源回路によって制限を受ける最大供給電流値が、前記第二の定電圧電源回路によって制限を受ける最大供給電流値の１〜１．５倍であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
（６）前記第一の定電圧電源回路が、ツェナーダイオードとＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴにより定電流制限回路で構成されていることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
（７）前記第一の定電圧電源回路が、第一の定電流制御回路と、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を帰還制御する機能を有する第二の定電流制御回路とからなり、前記第一の定電圧電源回路の入力端子と出力端子の間に印加される高電圧が均等に分圧されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
（１）太陽電池より得られた直流の入力電圧を降圧し、計測設備等の負荷へ出力する直流安定化電源装置において、前記太陽電池に接続され、かつ定電流制限回路を備えた、直列型で降電圧させる第一の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された、スイッチング型の第二の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出された電圧が第一の判定電圧以上である場合に前記スイッチ回路を閉の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に電力を供給し、前記第一の判定電圧より低い第二の判定電圧以下である場合に前記スイッチ回路を開の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に供給されている電力を停止することを特徴とする直流安定化電源装置。
（２）前記第一の判定電圧が、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧が安定する定格電圧の４／５以下であり、前記第二の判定電圧が、前記第二の定電圧電源回路の出力電圧が安定する最小入力電圧の６／５以上であることを特徴とする（１）に記載の直流安定化電源装置。
（３）太陽電池より得られた直流の入力電力を降圧し、計測設備等の負荷へ出力する直流安定化電源装置において、前記太陽電池に接続され、かつ定電流制限回路を備えた、直列型で降電圧させる第一の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された、スイッチング型の第二の定電圧電源回路と、前記太陽電池の発電電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記太陽電池の発電電圧を検出し、検出された電圧が第一の判定電圧以上である場合に前記第二の定電圧電源回路より負荷に電力を供給し、前記第一の判定電圧より低い前記第二の判定電圧以下である場合に前記第二の定電圧電源回路より負荷に供給されている電力を停止するように前記スイッチ回路が作動することを特徴とする直流安定化電源装置。
（４）前記第一の判定電圧が、太陽電池が安定発電している電圧値である定格電圧の２／３〜４／５の範囲にあり、前記第二の判定電圧が前記定格電圧の１／３以下であることを特徴とする（３）に記載の直流安定化電源装置。
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（６）前記第一の定電圧電源回路が、ツェナーダイオードとＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴにより定電流制限回路で構成されていることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
（７）前記第一の定電圧電源回路が、第一の定電流制御回路と、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を帰還制御する機能を有する第二の定電流制御回路とからなり、前記第一の定電圧電源回路の入力端子と出力端子の間に印加される高電圧が均等に分圧されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
本発明の直流安定化電源装置によれば、変化の激しい太陽電池よりの入力電圧を計測設備等の負荷に必要な電源に安定して供給することができる。また、スイッチング電源を動作させることにより、電源装置全体での電圧変換の効率が高い。
以下、本発明の直流安定化電源装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の直流安定化電源装置の第一実施形態の構成図である。図１において、太陽光発電モジュール１４２、１４３、１４４を直列に接続させた太陽電池１４１は、日射光の強さに応じて直流電力を出力し、通常、家庭などで使用する商用の交流に変換するインバータ１４０の入力に供給する。直流安定化電源装置１０１は、定電流制御を持ち直列型で電圧を降下させる第一の定電圧電源回路１１０と、電圧検出回路１２６と電圧値Ｖ１以上で閉の状態となり電圧値Ｖ２以下で開の状態となるシュミットトリガ回路１２７とを持つスイッチ回路１２９と、スイッチング素子１３１を備えたスイッチング型の第二の定電圧電源回路１３０とからなる。
図１は、本発明の直流安定化電源装置の第一実施形態の構成図である。図１において、太陽光発電モジュール１４２、１４３、１４４を直列に接続させた太陽電池１４１は、日射光の強さに応じて直流電力を出力し、通常、家庭などで使用する商用の交流に変換するインバータ１４０の入力に供給する。直流安定化電源装置１０１は、定電流制御を持ち直列型で電圧を降下させる第一の定電圧電源回路１１０と、電圧検出回路１２６と電圧値Ｖ１以上で閉の状態となり電圧値Ｖ２以下で開の状態となるシュミットトリガ回路１２７とを持つスイッチ回路１２９と、スイッチング素子１３１を備えたスイッチング型の第二の定電圧電源回路１３０とからなる。
定電流制御を持つ第一の定電圧電源回路１１０は、Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ１１３とツェナーダイオード１１５と電流制限抵抗１１７とにより第一の電流制限回路７１を構成し、Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ１１４とツェナーダイオード１１６と電流制限抵抗１１８とにより第二の電流制限回路７２を構成し、第一の電流制限回路７１と第二の電流制限回路７２によって直流安定化電源装置１０１の入力端子に電流を一定以上流さないようにし、さらに、フォトトランジスタ１２０と定電圧電源回路１１０の出力電圧を決めるツェナーダイオード１２１によりコンデンサ１１９の両端電圧がツェナーダイオード１２１のツェナー電圧に達した時に前記第二の電流制限回路７２の供給電流をオフさせることで必要な定電圧を得ている。
ここで、図２を用いて、定電流制御回路の原理を説明する。図２（ａ）は、定電流特性を得るための基本構成回路であり、図２（ｂ）は、Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴのゲートとソース間の電圧Ｖｇｓとドレイン電流Ｉｄの特性図であり、図２（ｃ）は、ツェナーダイオードの電流特性図である。
図２（ａ）の回路電流Ｉは、バイアス抵抗１１１を、ゲートへのバイアスとツェナーダイオード１１５へツェナー電圧を与えるだけの大きな抵抗値に選定するので、Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ１１３のドレイン電流Ｉｄにほぼ等しい。Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ１１３のソース端子に接続された抵抗１１７に印加される電圧はツェナーダイオード電圧Ｖｚとゲート／ソース間電圧Ｖｇｓとの差であり、流れるドレイン電流Ｉｄは電流制限抵抗１１７の抵抗値がＲの時（Ｖｚ―Ｖｇｓ）／Ｒとなる。すなわち、抵抗値Ｒで決まる電流値に制限されることになる。
スイッチ回路１２９は、第一の定電圧電源回路１１０の出力部のコンデンサ１１９の電圧を電圧検出回路１２６で検出し、スイッチング型の第二の定電圧電源回路１３０を起動するのに必要な電流を供給できる電圧値Ｖ１に達した時に、スイッチ１２５が閉動作に移行すると共に閉状態を維持し、第二の定電圧電源回路１３０の出力電圧が低下し始める第二の定電圧電源回路１３０の入力電圧の電圧値Ｖ２以下で開動作となるシュミットトリガ回路１２７によりスイッチ１３０を駆動している。電圧値Ｖ１の値は、第一の定電圧電源回路１１０の出力電圧が安定する定格電圧の４／５以下であり、かつ、電圧値Ｖ２の値は、第二の定電圧電源回路１３０の出力電圧が安定する最小入力電圧の６／５以上であることが好ましい。これにより、高い信頼性で安定動作することが期待できる。
図３は、ヒステリシス特性を持つスイッチ回路の特性図であり、スイッチ回路１２９の入力電圧と定電圧電源回路の入力端子１５２に接続されるＢ点の出力電圧の関係を示している。入力電圧がＶ１に達した時点で出力端に入力電圧が伝わり、ヒステリシス特性を持つシュミットトリガ回路１２７の働きにより入力電圧Ｖ２以上で通電特性が維持された特性となる。
スイッチング型の定電圧電源回路１３０は、三角波発生回路１３２の出力と電源出力電圧を抵抗１３６と抵抗１３７の分圧による基準電圧ＲｅｆＶを比較器１３３にて電圧比較し、スイッチング素子１３１に必要なデューティーサイクルのオンオフ動作を駆動させている降圧型の電源回路である。また、ダイオード１３４は、スイッチング素子１３１がオフ動作の時に電流を供給し、インダクタ１３５は、スイッチング素子１３１がオン動作の時にエネルギーを蓄え、スイッチングのオンとオフの両期間を連続して出力に電流を供給し、さらに、スイッチング動作によるリップル電圧をコンデンサ１３８が除去している。
図４（ａ）は、定電圧電源回路１１０の電流制限値を大きくしてスイッチ１２５を常時閉状態とし、時刻ｔ０に電源装置に定格の電圧をステップ供給した場合の、定電圧電源回路１３０の入力電流Ｉｉｎと出力電流Ｉｏの時間推移グラフである。一般に、スイッチング電源では入力電圧を降下させ低い電圧を出力させる場合、電力効率が良いので、入力電力と出力電力との比は１に近く、従って、出力電圧に反比例して出力電流が大きくなり、入力電圧が高い分、入力電流は出力電流に比べ小さくなる。しかしながら、スイッチング回路の動作起動時には、ほぼ入力電流と出力電流は同じ大きさを必要とする現象が見られる。
すなわち、スイッチ回路１２９がない場合には、高電圧より大きく降圧させるための定電圧電源回路１１０は出力電流と同じ大きさの入力電流を必要とし、大電力の電源となる。例えば、電源装置１０１が電圧５Ｖ、電流５０ｍＡの出力を供給する０．２５Ｗの出力容量であれば、太陽光発電電圧が１０００Ｖの時、回路機能を駆動させるために出力電流値と同じ５０ｍＡの入力電流が必要となる。すなわち、入力電力は５０Ｗ必要となり出力電力容量０．２５Ｗに対し入力電力は２００倍も必要とする。
一方、図４（ｂ）は、定電圧電源回路の電流制限値を定常時の必要とする入力電流値Ｉｉｎより少し大きい電流制限Ｉ１に設定した場合の時刻ｔ０に電源装置に定格の電圧をステップ供給した場合の定電圧電源回路１３０の入力電流Ｉｉｎと出力電流Ｉｏの時間推移グラフである。また、Ｉｂは定電圧電源回路１３０の入力端１５２のＢ点での入力電流値であり、入力電流Ｉｂの時間推移を図４（ｂ）に示している。図４（ｂ）の下段には、同じ時刻での第一の定電圧電源回路１１０の出力端１５３のＣ点での電源電圧の推移も示している。
図４（ｂ）のグラフに示す時刻ｔ０からｔ１の期間にコンデンサ１１９へ電気が充電され、スイッチ回路１２９が閉状態にされる電圧Ｖ１に達した時刻ｔ１にスイッチング型の定電圧電源回路１３０を駆動させる必要な電流がコンデンサ１１９より補充供給される。
コンデンサ１１９に必要なコンデンサ容量値は、図４（ｂ）のグラフに示す時刻ｔ１からｔ２の期間に、コンデンサ１１９より放電する出力電流値Ｉｏをピークとする制限された入力電流値Ｉｉｎより大幅に上回る電流による総電荷量で決まり、１０〜１００マイクロファラッドの容量で実現できる値である。
スイッチ回路１２９はシュミットトリガ回路にて入力電圧が低下しても電圧Ｖ２以下にならなければ閉状態を保持し、入力電流Ｉｉｎの定常状態に移行する。
例えば、電源装置１０１が電圧５Ｖ、電流５０ｍＡの０．２５Ｗの出力容量であれば、スイッチング型の定電圧電源回路１３０の入力電圧を５０Ｖ、効率８０％として、定電圧電源回路１３０の必要とする入力電流は６ｍＡ程度であるので、定電圧電源回路１１０による電流制限を７ｍＡとすることができ、太陽光発電電圧が１０００Ｖの時には、直流安定化電源装置１０１の入力電力は７Ｗとなる。
この実施形態の構成によれば、直流安定化電源装置１０１の入力電流を定電圧電源回路１１０で制限される小さな電流値とすることにより、太陽電池１４１が発生する変化の激しい発電開始時にも、確実に定電圧電源１３０に必要な電流を供給することができる。また、スイッチング電源を動作させているので、直流安定化電源装置１０１全体での電圧変換の効率が良く、太陽電池が動作している時に計測設備に必要電力を安定して供給することができる。
また、電源装置では、例えば、コンデンサ１１９が短絡した故障時にも安全であることが要求され、定電圧電源回路で入力電流を必要とする最小限に制限されているので、放熱など大電力電源で必要とする回路素子や装置を不要とすることができる。
（第二実施形態）
図５は、本発明の直流安定化電源装置の第二実施形態の構成図である。図５において、図１および図８と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図５は、本発明の直流安定化電源装置の第二実施形態の構成図である。図５において、図１および図８と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
第二実施形態と第一実施形態の間で異なっている部分は、スイッチ回路１６０が、太陽電池１４１の出力電圧である直流安定化電源装置１０２の入力電圧を電圧検出回路１６１の検出入力電圧とし、検出電圧が電圧値Ｖ３以上でスイッチ素子１６３を閉状態とし、電圧値Ｖ４以下になったときシュミットトリガ回路１６２の働きで前記スイッチ素子１６３を開状態とする機能を持たせた点である。その他は、図１の第一実施形態の説明と同様であるので説明を省略する。
太陽電池１４１の出力電圧は、夜間発電を休止しており（出力電圧は０Ｖ）、夜が明けると電圧が上昇する。その電圧上昇カーブは天気状態に左右され、インバータ１４０が動作するまでの期間に上下することがあり不安定である。太陽光発電での計測設備の動作は、太陽電池１４１が発電していない期間は必要なく、一方、インバータが動作している状態では動作している必要がある。従って、太陽電池１４１の電圧上昇時に、インバータの動作開始前の電圧で電源装置１０２よりの電源を供給させる必要がある。
一般に、太陽電池の発電電圧は、太陽光発電モジュールの直列枚数と太陽光発電モジュールへの日射量で決まり、図６に示す特性を持っている。夜間は、発電電流と発電電圧は０であり、日射量が大きくなるにつれ特性１、特性２、特性３と特性カーブが右側上方に移動する。インバータは太陽電池より最大電力を取出す電圧を動作点として働き、その電圧を定格電圧Ｖｏと称している。インバータが動作せず太陽電池が開放状態での最大電圧は定格電圧の１．２〜１．３倍程度になる。
前述のような特性を持つ太陽電池１４１より電源が供給される直流安定化電源装置１０２において、電圧値Ｖ３を定格電圧Ｖｏの２／３の電圧とすれば、インバータ動作範囲は通常±２０％以内で運用されるので、太陽光発電の計測設備の電源用途には支障がない。また夜明け時の電圧変動はいったん上昇した電圧が１／２に下降することも実測上ないので、スイッチ素子１６３を開状態とさせる電圧値Ｖ４を定格電圧Ｖｏの１／３の電圧とすれば、夜明け時にいったん電源装置１０２が動作すると、夕刻に発電が終了するまで途中で直流安定化電源装置１０２が休止することはない。
図７は、夜明けより太陽光発電が開始し、日没まで日射量が大きく変化した場合の太陽電池より電源装置へ供給される電圧とインバータへ供給される電流との時間変化の一例を示している。
この実施形態の構成によれば、直流安定化電源装置１０２の入力電流を定電圧電源回路１１０で制限される小さな電流値とすることができ、太陽電池１４１が発生する変化の激しい発電開始時にも、スイッチ回路１６０の働きによりインバータ１４０が動作する期間とその前後の期間を含めて確実に定電圧電源１３０に必要な電流を供給することができる。また、スイッチング電源を動作させているので、電源装置１０１全体での電圧変換の効率が良く、太陽電池が動作している時に計測設備に必要な電力を安定して供給することができる。
第一の定電圧電源回路１１０は、太陽電池１４１からの高電圧が印加されるので、Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ１１３、１１４のドレイン／ソース間の耐電圧特性は高性能が要求される。しかしながら、大電流容量のＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴで高電圧の耐電圧特性を満たすのは困難で一般的に高価となる。直列型の降電圧の定電圧回路で電流容量が小さい場合には、安価なＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴが使用できる。
さらに、第一の電流制限回路７１と第二の電流制限回路７２を縦列に接続した場合、各々のＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴのドレインとソース間に印加される電圧は、バイアス抵抗１１１、１１２により電源装置に印加される高電圧の入力電圧が分圧され、バイアス抵抗１１１とバイアス抵抗１１２の抵抗値が等しい場合には耐電圧性能が１／２に軽減される。
なお、上記の実施形態において、定電流制御を持つ定電圧電源回路１１０は、Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ１１３による第一の電流制限回路７１とＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴ１１４による第二の電流制限回路７２をシリーズに接続する構成としたが、太陽電池１４１の発電電圧が高電圧でなくＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴのドレインとソース間の耐電圧特性に十分余裕がある場合には、一つの電流制限回路でも良い。
また、第一の定電流制御回路７１で制限される電流値Ｉｍ１は、第二の定電流制御回路７２で制限される電流値Ｉｍ２より小さくしておくことにより、出力側の負荷が大きく変化した場合にも２つのＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴの各々のドレインとソースの間の耐電圧バランスを保つことができる。もし、第二の定電流制限回路７２により制限される電流値Ｉｍ２の方が小さいと電流値がＩｍ２で制限される条件で第一の定電流制限回路７１のドレインとソースの間がオン状態となり第二の定電流制御回路７２に印加される電圧が増加し耐電圧性能の許容値を超える恐れを生じる。
本発明の直流安定化電源装置は、変化の激しい太陽電池の発電電圧から安定して太陽電池電源の計測設備に必要な電源を供給することができるので、太陽電池など出力電力が不安定な電源より電圧を降下させ、必要とする安定した電圧を供給する直流安定化電源装置等として極めて有用である。
１１ スイッチング電源回路
１２ 三端子レギュレータ
４３ 太陽電池電源
４５ 計測設備
７１ 定電流制限回路
７２ 定電流制限回路
１０１ 直流安定化電源装置
１０２ 直流安定化電源装置
１１０ 定電圧電源回路
１１１ バイアス抵抗
１１２ バイアス抵抗
１１３ Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ
１１４ Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ
１１５ ツェナーダイオード
１１６ ツェナーダイオード
１１７ 電流制限抵抗
１１８ 電流制限抵抗
１１９ コンデンサ
１２０ フォトトランジスタ
１２１ ツェナーダイオード
１２５ スイッチ
１２６ 電圧検出回路
１２７ シュミットトリガ回路
１２９ スイッチ回路
１３０ 定電圧電源回路
１３１ スイッチング素子
１３２ 三角波発生回路
１３３ 比較器
１３４ ダイオード
１３５ インダクタ
１３８ コンデンサ
１３６ 抵抗
１３７ 抵抗
１４０ インバータ
１４１ 太陽電池
１４２ 太陽光発電モジュール
１４３ 太陽光発電モジュール
１４４ 太陽光発電モジュール
１５２ 出力端
１５３ 出力端
１６０ スイッチ回路
１６１ 電圧検出回路
１６２ シュミットトリガ回路
１６３ スイッチ素子
１２ 三端子レギュレータ
４３ 太陽電池電源
４５ 計測設備
７１ 定電流制限回路
７２ 定電流制限回路
１０１ 直流安定化電源装置
１０２ 直流安定化電源装置
１１０ 定電圧電源回路
１１１ バイアス抵抗
１１２ バイアス抵抗
１１３ Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ
１１４ Ｎ−ＭＯＳ型ＦＥＴ
１１５ ツェナーダイオード
１１６ ツェナーダイオード
１１７ 電流制限抵抗
１１８ 電流制限抵抗
１１９ コンデンサ
１２０ フォトトランジスタ
１２１ ツェナーダイオード
１２５ スイッチ
１２６ 電圧検出回路
１２７ シュミットトリガ回路
１２９ スイッチ回路
１３０ 定電圧電源回路
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１３２ 三角波発生回路
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１３４ ダイオード
１３５ インダクタ
１３８ コンデンサ
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１４０ インバータ
１４１ 太陽電池
１４２ 太陽光発電モジュール
１４３ 太陽光発電モジュール
１４４ 太陽光発電モジュール
１５２ 出力端
１５３ 出力端
１６０ スイッチ回路
１６１ 電圧検出回路
１６２ シュミットトリガ回路
１６３ スイッチ素子
Claims (7)
- 太陽電池より得られた直流の入力電圧を降圧し、計測設備等の負荷へ出力する直流安定化電源装置において、前記太陽電池に接続され、かつ定電流制限回路を備えた、直列型で降電圧させる第一の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された、スイッチング型の第二の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を検出し、検出された電圧が第一の判定電圧以上である場合に前記スイッチ回路を閉の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に電力を供給し、前記第一の判定電圧より低い第二の判定電圧以下である場合に前記スイッチ回路を開の状態にして前記第二の定電圧電源回路より負荷に供給されている電力を停止することを特徴とする直流安定化電源装置。
- 前記第一の判定電圧が、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧が安定する定格電圧の４／５以下であり、前記第二の判定電圧が、前記第二の定電圧電源回路の出力電圧が安定する最小入力電圧の６／５以上であることを特徴とする請求項１に記載の直流安定化電源装置。
- 太陽電池より得られた直流の入力電力を降圧し、計測設備等の負荷へ出力する直流安定化電源装置において、前記太陽電池に接続され、かつ定電流制限回路を備えた、直列型で降電圧させる第一の定電圧電源回路と、前記第一の定電圧電源回路に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続された、スイッチング型の第二の定電圧電源回路と、前記太陽電池の発電電圧を検出する電圧検出回路とを備え、前記太陽電池の発電電圧を検出し、検出された電圧が第一の判定電圧以上である場合に前記第二の定電圧電源回路より負荷に電力を供給し、前記第一の判定電圧より低い前記第二の判定電圧以下である場合に前記第二の定電圧電源回路より負荷に供給されている電力を停止するように前記スイッチ回路が作動することを特徴とする直流安定化電源装置。
- 前記第一の判定電圧が、太陽電池が安定発電している電圧値である定格電圧の２／３〜４／５の範囲にあり、前記第二の判定電圧が前記定格電圧の１／３以下であることを特徴とする請求項３に記載の直流安定化電源装置。
- 前記第一の定電圧電源回路によって制限を受ける最大供給電流値が、前記第二の定電圧電源回路によって制限を受ける最大供給電流値の１〜１．５倍であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
- 前記第一の定電圧電源回路が、ツェナーダイオードとＮ−ＭＯＳ型ＦＥＴにより定電流制限回路で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
- 前記第一の定電圧電源回路が、第一の定電流制御回路と、前記第一の定電圧電源回路の出力電圧を帰還制御する機能を有する第二の定電流制御回路とからなり、前記第一の定電圧電源回路の入力端子と出力端子の間に印加される高電圧が均等に分圧されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の直流安定化電源装置。
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