JP2015177613A

JP2015177613A - 昇降圧コンバータ装置

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Publication number: JP2015177613A
Application number: JP2014051213A
Authority: JP
Inventors: 孔介阿部; Kosuke Abe; 史一高橋; Fumikazu Takahashi
Original assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Current assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-10-05
Also published as: US9515557B2; US20150263608A1

Abstract

【課題】昇降圧コンバータ装置の不感帯の発生を簡素回路構成で防止すること。
【解決手段】入力電圧の昇降圧を行うための正極側と負極側を接続するスイッチＢにダイオードＤ１を並列接続すると共に入力直流電圧と出力側負荷の間に構成した閉回路の正極側のスイッチＤにダイオードＤ２を並列接続し、出力電圧を検出する制御回路８１が、出力電圧と目標基準電圧との差値に基づく誤差信号に対して位相が１８０度異なる三角波信号と比較した位相差がある２つの差分値を論理和及び論理積した１ｓｔＰｈａｓｅＰＷＭ及び２ｎｄＰｈａｓｅＰＷＭを生成し、降圧動作時には１ｓｔＰｈａｓｅＰＷＭを用いてスイッチＡ及びＢを交互にオンオフし、降圧時には２ｎｄＰｈａｓｅＰＷＭを用いてスイッチＣ及びＤを交互にオンオフする昇降圧コンバータ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電等の供給側の入力電圧が変動する電源設備の出力電圧を所定電圧に昇圧又は降圧して出力する昇降圧コンバータ装置に係り、特に自然エネルギーに基づいた昇降圧切換時に発生する不感帯による発電効率の低下を簡素な回路構成で防止することができる昇降圧コンバータ装置に関する。

一般に太陽光発電等の供給電力が変化する電源設備において太陽光パネル電圧は、直列接続数や受光光量により大幅に変化することから、入力電圧を所定電圧に昇降圧して出力するための昇降圧コンバータ装置を備える。例えば、図９に示す如く、従来技術による昇降圧コンバータ装置７１０は、太陽光による直流電圧０Ｖ〜６００Ｖの電力を発電する太陽光パネル７００に接続され、該太陽光パネル７００から出力される０Ｖ〜６００Ｖの電圧を０Ｖ〜４００Ｖの範囲に昇降圧して出力するように構成されている。

この昇降圧コンバータ装置は、図１０に示す如く、太陽光パネルによる入力直流電圧Ｖｉｎと出力側負荷ＲＬとの間に構成した閉回路の正極側にスイッチＡとインダクタとスイッチＤとを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路をコンデンサＣ１又はＣ２を介して接続する２つの接続回路と、前記スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路にスイッチＢを介して接続する接続回路と、前記インダクタとスイッチＤとの間から負極側回路にスイッチＣを介して接続する接続回路と、前記スイッチＡからＤの開閉を制御する制御回路８を備え、スイッチＡからＤの開閉を制御することによって、該太陽光パネルから出力される電圧を所定の範囲に昇降圧して出力するように構成されている。

上記装置において、昇圧及び降圧動作は入力電圧の値を元に切り替えるため、電圧検出誤差により制御不能となる不感帯が生じ、この電圧付近で所望の動作が得られなくなり、発電効率の低下といった問題が生じる。

上記問題を解決する為に、特許文献１の技術が提案されている。この技術を用いた装置は、図１１に示す如く、太陽光パネルによる入力直流電圧Ｖｉｎと出力側負荷との間に構成した閉回路の正極側にスイッチＡとインダクタとスイッチＤとを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路をコンデンサＣ１又はＣ２を介して接続する２つの接続回路と、前記スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路にスイッチＢを介して接続する接続回路と、前記インダクタとスイッチＤとの間から負極側回路にスイッチＣを介して接続する接続回路と、前記スイッチＡからＤの開閉を制御する制御回路８０とを備え、該制御回路８０が出力側負荷の出力電圧に応じてスイッチＡからＤの開閉を制御することによって、該太陽光パネルから出力される電圧を所定の範囲に昇降圧して出力するように構成されている。

前記制御回路８０は、出力側負荷に供給される出力電圧Ｖｏｕｔに接続される抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２間の検出電圧をＶｆｂとして負端子に入力し、正端子に目標電圧Ｖｒｅｆを入力し、検出電圧Ｖｆｂと目標電圧Ｖｒｅｆとを比較してオンオフ信号ＶＥＡ１を出力するコンパレータａと、該コンパレータａのオンオフ信号ＶＥＡ１を負端子に入力し、正端子に所定電圧Ｖｐを入力し、前記オンオフ信号ＶＥＡ１と所定電圧Ｖｐとを比較してオンオフ信号ＶＥＡ２を出力するコンパレータｂと、前記オンオフ信号ＶＥＡ１を負端子に入力し、正端子に所定電圧ＶＹを入力とし、オンオフ信号ＶＥＡ１と所定電圧ＶＹとを比較してオンオフ信号ＶＥＡ３を出力するコンパレータｃと、該コンパレータｃからのオンオフ信号ＶＥＡ３によりスイッチＡ及びＢのオンオフを選択的に切り替える回路素子ｅと、前記所定電圧ＶＹを１８０度反転した信号を正端子に入力し、前記コンパレータｂからのオンオフ信号ＶＡＥ２を負端子に入力し、両者を比較してオンオフ信号ＶＥＡ４を出力するコンパレータｄと、該コンパレータｄからのオンオフ信号ＶＥＡ４によりスイッチＣ及びＤのオンオフを選択的に切り替える回路素子ｆとを備えるように構成されている。

このように構成された昇降圧コンバータ装置は、前記制御回路８０が、目標電圧（例えば、４００Ｖ）に対して出力側負荷に供給される出力電圧Ｖｏｕｔを監視し、該出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧に対して高いときには降圧を行い、低いときには昇圧を行うように降圧動作と昇圧動作を切り替えることによって、原理上は昇降圧の切換時に不感帯が生じることなく、出力電圧を所定範囲（０Ｖ〜４００Ｖの範囲）に昇降圧して出力するように動作する。

米国特許出願公開第２００９／１０２４４０号明細書

前記の特許文献１に記載された技術は、出力電圧を監視して所定範囲に昇降圧して出力するものであり、太陽発電のように入力電圧が目標電圧の近傍において変化した際には前記降圧動作と昇圧動作の切り替え動作に不感帯が生じることはないが、反転増幅回路や基準信号生成回路が必要となるなど、回路規模が複雑化するという課題があった。

本発明の目的は、前述の従来技術による課題を解決しようとするものであり、自然エネルギーに基づいた昇降圧切換時に発生する不感帯による発電効率の低下をより簡素な回路構成で防止することができる昇降圧コンバータ装置を提供することである。

前記の目的を達成するために請求項１記載の発明は、昇圧用の複数スイッチと降圧用の複数スイッチのオンオフを切り替えることによって入力電圧を昇降圧して出力するスイッチ回路部と、該スイッチ回路部の入力電圧又は出力電圧と基準信号とを比較した誤差信号に基づいてスイッチ回路部による昇降圧を切り替え制御する制御回路とを備える昇降圧コンバータ装置であって、
該制御回路が、第１の三角波形信号を出力する第１の発振回路と、前記第１三角波形信号と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する第２の発振回路とを備え、第１の三角波形信号及び第２三角波形信号によりデューティ比を規定した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号を生成し、該生成した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号に基づいてスイッチ回路部の複数スイッチのオンオフ制御を行うことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、変動する入力直流電圧と出力側負荷の間に構成した閉回路の正極側に第１のスイッチＡとインダクタと第４のスイッチＤ及び第２ダイオードＤ２の並列回路とを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路を第１又は第２コンデンサＣ１、Ｃ２を介して接続する２つの接続回路と、前記第１スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路に第２スイッチＢ及び第１ダイオードＤ１の並列回路を介して接続する接続回路と、前記インダクタと第４スイッチＤとの間から負極側回路に第３スイッチＣを介して接続する接続回路と、前記出力側負荷に接続されて前記第１から第４スイッチのオンオフを制御する制御回路とを備え、該制御回路が出力側負荷の出力電圧を監視して第１から第４スイッチのオンオフを制御することによって、前記入力直流電圧を所定の範囲に昇降圧して出力する昇降圧コンバータ装置であって、
前記制御回路が、出力側負荷に供給される出力電圧Ｖｏｕｔを負端子に入力し、正端子に基準信号となる目標出力電圧Ｖｒｅｆを入力し、出力電圧Ｖｏｕｔと目標出力電圧との差値を増幅して誤差信号として出力する第１増幅器と、第１の三角波形信号を出力する第１発振回路と、前記第１増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第１発振回路からの第１三角波形信号を負端子に入力し、前記誤差信号と第１三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第１比較器と、前記第１三角波形と１８０度位相が異なる第２の三角波形信号を出力する第２発振回路と、前記第１増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第２発振回路からの第２三角波形信号を負端子に入力し、前記誤差信号と第２三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第２比較器と、前記第１比較器及び第２比較器から出力されるパルス信号を入力し、両信号の論理和を第１パルス変調信号として出力する論理素子と、前記論理素子から出力された第１パルス変調信号を反転した第２スイッチ信号を出力する否定素子と、前記第１及び第２比較器から出力されるパルス信号を入力し、両信号の論理積を第３スイッチ信号として出力する論理積素子と、前記論理積素子から出力された第１パルス変調信号を反転して第４スイッチ信号として出力する否定素子とを備え、前記第１パルス変調信号を第１スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２スイッチ信号を第２スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２パルス変調信号を第３スイッチを制御する制御信号とし、前記第４スイッチ信号を第４スイッチをオンオフする制御信号として設定し、降圧動作時においては、第１スイッチ及び第２スイッチを交互にオンオフ並びに第３スイッチをオフ且つ第４スイッチをオンし、昇圧動作時においては、第１スイッチをにオン且つ第２スイッチをオフ並びに第３スイッチ及び第４スイッチを交互にオンオフすることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、変動する入力直流電圧と出力側負荷の間に構成した閉回路の正極側に第１のスイッチＡとインダクタと第４のスイッチＤ及び第２ダイオードＤ２の並列回路とを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路を第１又は第２コンデンサＣ１，Ｃ２を介して接続する２つの接続回路と、前記第１スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路に第２スイッチＢ及び第１ダイオードＤ１の並列回路を介して接続する接続回路と、前記インダクタと第４スイッチＤとの間から負極側回路に第３スイッチＣを介して接続する接続回路と、前記入力直流電圧の電流を検出する電流センサに接続されて前記第１から第４スイッチオンオフＡからＤを制御する制御回路とを備え、該制御回路が入力電圧を監視して第１から第４スイッチＡからＤのオンオフを制御することによって、前記入力直流電圧を所定の範囲に昇降圧して出力する昇降圧コンバータ装置であって、
前記制御回路が、前記電流センサにより検出した検出電流を負端子に入力し、正端子に基準信号となる目標出力電圧を入力し、検出電流と目標出力電圧との差値を増幅して誤差信号として出力する増幅器と、第１の三角波形信号を出力する第１発振回路と、前記増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第１発振回路からの第１三角波形信号を負端子に入力し、該誤差信号と第１三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第１比較器と、前記第１三角波形と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する第２発振回路と、前記増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第２発振回路からの第２三角波形信号を負端子に入力し、該誤差信号と第２三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第２比較器と、前記第１比較器及び第２比較器から出力されるパルス信号を入力し、両信号の論理和を第１パルス変調信号として出力する論理和素子と、前記論理和素子から出力された第１パルス変調信号を反転した第２スイッチ信号を出力する第１否定素子と、前記第１比較器及び第２比較器から出力される差分信号を入力し、両差分信号の論理積を第３スイッチ信号として出力する論理積素子と、前記論理積素子から出力された第３スイッチ信号を反転した第４スイッチ信号を出力する否定素子とを備え、前記第１パルス変調信号を第１スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２スイッチ信号を第２スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２パルス変調信号を第３スイッチを制御する制御信号とし、前記第４スイッチ信号を第４スイッチをオンオフする制御信号として設定し、降圧動作時においては、第１スイッチ及び第２スイッチを交互にオンオフ並びに第３スイッチをオフ且つ第４スイッチをオンし、昇圧動作時においては、第１スイッチをにオン且つ第２スイッチをオフ並びに第３スイッチ及び第４スイッチを交互にオンオフすることを特徴とする。

本発明による昇降圧コンバータ装置は、昇圧用の複数スイッチと降圧用の複数スイッチのオンオフを切り替えることによって入力電圧を昇降圧して出力するスイッチ回路部と、該スイッチ回路部の入力電圧又は出力電圧と基準信号とを比較した誤差信号に基づいてスイッチ回路部による昇降圧を切り替え制御する制御回路とを備え、該制御回路が、第１の三角波形信号を出力する第１の発振回路と、前記第１三角波形信号と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する第２の発振回路とを備え、第１の三角波形信号及び第２三角波形信号によりデューティ比を規定した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号を生成し、該生成した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号に基づいてスイッチ回路部の複数スイッチのオンオフ制御を行うことによって、不感帯による発電効率の低下を簡素回路構成で防止することができる。

また、本発明による昇降圧コンバータ装置は、入力電圧の昇降圧を行うための正極側と負極側を接続する第２スイッチに順方向ダイオードを並列接続すると共に入力直流電圧と出力側負荷の間に構成した閉回路の正極側の第４スイッチに順方向ダイオードを並列接続し、出力電圧又は入力電流を検出する制御回路が、前記出力電圧又は入力電流と目標基準電圧又は目標基準電流との差値に基づく誤差信号に対して位相が１８０度異なる三角波信号と比較した位相差がある２つのパルス信号を論理和及び論理積した第１パルス変調信号及び第１パルス変調信号と位相が異なる第２パルス変調信号を生成し、降圧動作時には第１パルス変調信号を用いて第１スイッチ及び第２スイッチを交互にオンオフし、昇圧時には第２パルス変調信号を用いて第３スイッチ及び第４スイッチを交互にオンオフすることによって、不感帯による発電効率の低下を簡素回路構成で防止することができる。

本発明の第１実施形態による電圧制御時の昇降圧コンバータ装置の構成図。第１実施形態による昇降圧コンバータ装置の波形を示す図。第２実施形態による電流制御時の昇降圧コンバータ装置の構成を示す図。第２実施形態による昇降圧コンバータ装置の波形を示す図。入力電圧とデューティ指令値との関係を示す図。昇圧及び降圧時のデューティ指令値の変化を示す図。第３実施形態による昇降圧コンバータ装置の構成図。第３実施形態による昇降圧コンバータ装置の波形を示す図。太陽光発電システムを示す図。従来技術による電用昇降圧コンバータ装置を示す図。従来技術による電用昇降圧コンバータ装置の回路構成を示す図。

以下、本発明による昇降圧コンバータ方法を適用した昇降圧コンバータ方法装置の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による昇降圧コンバータ装置は、出力電圧を監視して出力電圧を所定範囲に保つものであって、図１に示す如く、太陽光パネルによる入力直流電圧ＶＤＣ１と出力側負荷との間に構成した閉回路の正極側にスイッチＡとインダクタとスイッチＤ及びダイオードＤ２の並列回路とを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路をコンデンサＣ１又はＣ２を介して接続する２つの接続回路と、前記スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路にスイッチＢ及びダイオードＤ１の並列回路を介して接続する接続回路と、前記インダクタとスイッチＤとの間から負極側回路にスイッチＣを介して接続する接続回路を備えるスイッチ回路部と、該スイッチ回路部の出力側負荷ＲＬに接続されて前記スイッチＡからＤの開閉を制御する制御回路８１とを備え、該制御回路８１が出力側負荷ＲＬの出力電圧を監視してスイッチＡからＤの開閉を制御することによって、該太陽光パネルから出力される入力電圧を所定の範囲に昇降圧して出力するように構成されている。

前記制御回路８１は、出力側負荷ＲＬに供給される出力電圧Ｖｏｕｔを負端子に入力し、正端子に基準信号となる目標出力電圧Ｖｒｅｆを入力し、出力電圧Ｖｏｕｔと目標出力電圧Ｖｒｅｆとの差値を増幅した誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）として出力する差分増幅器ＡＭＰ１と、第１の三角波形（のこぎり波）信号を出力する発振回路ＳＴ１と、前記差分増幅器ＡＭＰ１から出力された誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）を正端子に入力し、前記発振回路ＳＴ１からの第１三角波形信号を負端子に入力し、該誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）と第１三角波形信号とを比較して誤差信号と基準信号の差がゼロになるようにデューティ比を規定したパルス信号（１ｓｔＰｈａｓｅＰＷＭ）を出力する比較器ＣＭＰ１と、前記第１三角波形信号と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する発振回路ＳＴ２と、前記差分増幅器ＡＭＰ１から出力された誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）を正端子に入力し、前記発振回路ＳＴ２からの第２三角波形信号を負端子に入力し、該誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）と第２三角波形信号とを比較して誤差信号と基準信号の差がゼロになるようにデューティ比を規定したパルス信号（２ｎｄＰｈａｓｅＰＷＭ）を出力する比較器ＣＭＰ２と、前記比較器ＣＭＰ１及び比較器ＣＭＰ２から出力されるパルス信号を入力し、両信号の論理和をスイッチ信号Ａである降圧用パルス幅変調信号として出力する論理和素子ＯＲと、前記論理和素子ＯＲから出力された降圧用パルス幅変調信号を反転したスイッチ信号Ｂを出力する否定素子ＮＯＴ１と、前記比較器ＣＭＰ１及び比較器ＣＭＰ２から出力されるパルス信号を入力し、両パルス信号の論理積をスイッチ信号Ｃである昇圧用パルス幅変調信号として出力する論理積素子ＡＮＤと、前記論理積素子ＡＮＤから出力された昇圧用パルス幅変調信号を反転してスイッチ信号Ｄとして出力する否定素子ＮＯＴ２とを備え、前記スイッチ信号ＡをスイッチＡをオンオフする制御信号、前記スイッチ信号ＢをスイッチＢをオンオフする制御信号、前記スイッチ信号ＣをスイッチＣを制御する制御信号、前記スイッチ信号ＤをスイッチＤをオンオフする制御信号として使用するように構成されている。

このように構成された第１実施形態による昇降圧コンバータ装置は、誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）に対して位相が１８０度異なる第１三角波信号及び第２三角波信号を用いてデューティ比を規定した２つのパルス幅変調（ＰＷＭ：ＰＵＬＳＥＷＩＤＴＨＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）したパルス信号を生成し、図６に示した２つのパルス信号の論理和（ＯＲ）であるＢＵＣＫＰＷＭを降圧用パルス幅変調信号（ＢｕｃｋＰＷＭ）として使用し、２つのパルス幅変調信号の論理積（ＡＮＤ）であるＢｏｏｓｔＰＷＭを昇圧用パルス幅変調信号（ＢｏｏｓｔＰＷＭ）として使用し、Ｄｕｔｙ（デューティ）指令値が０．５未満においては２つのパルス幅変調信号が同時にオンとならないため、昇圧（Ｂｏｏsｔ）ＰＷＭのＤｕｔｙ指令値は常に値「０」であり、Ｄｕｔｙ指令値の２倍に比例した降圧（ＢＵＣＫ）ＰＷＭが生成され、Ｄｕｔｙ指令値が０．５以上においては２つのパルス幅変調信号が同時にオンとなる期間が発生して降圧（ＢＵＣＫ）Ｄｕｔｙ指令値が常値に「１」となり、Ｄｕｔｙ指令値の２倍に比例した昇圧（Ｂｏｏｓｔ）ＰＷＭが生成される。

本実施形態による昇降圧コンバータ装置は、発振回路ＳＴ１及びＳＴ２の位相が１８０度異なる２つの三角波信号を発生し、この２つの三角波信号と誤差信号（Ｄｕｔｙ値）とを比較器ＣＭＰ１及びＣＭＰ２が比較して変調されたパルス信号である１ｓｔＰｈａｓｅＰＷＭと２ｎｄＰｈａｓｅＰＷＭとを出力し、スイッチ信号ＡからＤがスイッチＡからＤのオンオフを制御し、図２に示す如く、降圧動作時においては、スイッチＡ及びＢが交互にオンオフし且つスイッチＣは常にオフ、スイッチＤは常にオンとなり、昇圧動作時においては、スイッチＡは常にオン、スイッチＢは常にオフし且つスイッチＣ及びＤが交互にオンオフすることによって、反転増幅回路や基準信号生成回路が必要となるなどの回路規模の複雑化を招くことなく昇降圧を制御することができる。

［第２実施形態］
前述の実施形態においては、出力電圧を監視して降圧及び昇圧を制御する電圧監視制御を行う例を説明したが、本発明による昇降圧コンバータ装置は、入力側の電流を監視して降圧及び昇圧を制御する電流監視制御を行うことができ、この実施形態を図３及び図４を参照して説明する。

本実施形態による昇降圧コンバータ装置は、図３に示す如く、入力電流を監視して所定範囲に保つものであって、図３に示す如く、太陽光パネルによる入力直流電圧ＶＤＣ１と出力側負荷との間に電流センサＳを介して構成した閉回路の正極側にスイッチＡとインダクタとスイッチＤ及びダイオードＤ２の並列回路とを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路をコンデンサＣ１又はＣ２を介して接続する２つの接続回路と、前記スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路にスイッチＢ及びダイオードＤ１の並列回路を介して接続する接続回路と、前記インダクタとスイッチＤとの間から負極側回路にスイッチＣを介して接続する接続回路を備えるスイッチ回路部と、該スイッチ回路部の入力直流電圧ＶＤＣ１の電流を検出する電流センサＳに接続されて前記スイッチＡからＤの開閉を制御する制御回路８２とを備え、該制御回路８２が電流センサＳに流れる入力電流を監視してスイッチＡからＤの開閉を制御することによって、該太陽光パネルから出力される入力電圧を所定の範囲に昇降圧して出力するように構成されている。

前記制御回路８２は、前記電流センサＳにより検出した検出電流を負端子に入力し、正端子に基準信号となる目標入力電流Ｖｒｅｆを入力し、検出電流と目標入力電流Ｖｒｅｆとの差値を増幅して誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）として出力する差分増幅器ＡＭＰ１と、第１の三角波形信号を出力する発振回路ＳＴ１と、前記差分増幅器ＡＭＰ１から出力された誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）を正端子に入力し、前記発振回路ＳＴ１からの第１三角波形信号（のこぎり波）を負端子に入力し、該誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）と第１三角波形信号とを比較して誤差信号と基準信号の差がゼロになるようにデューティ比を規定したパルス信号（１ｓｔＰｈａｓｅＰＷＭ）を出力する比較器ＣＭＰ１と、前記第１三角波形と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する発振回路ＳＴ２と、前記差分増幅器ＡＭＰ１から出力された誤差信号Ｄｕｔｙ指令値）を正端子に入力し、前記発振回路ＳＴ２からの第２三角波形信号を負端子に入力し、該誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）と第２三角波形信号とを比較して誤差信号と基準信号の差がゼロになるようにデューティ比を規定したパルス信号（２ｎｄＰｈａｓｅＰＷＭ）を出力する比較器ＣＭＰ２と、前記比較器ＣＭＰ１及び比較器ＣＭＰ２から出力されるパルス信号を入力し、両パルス信号の論理和をスイッチ信号Ａである降圧用パルス幅変調信号（ＢｕｃｋＰＷＭ）として出力する論理和素子ＯＲと、前記論理和素子ＯＲから出力されたスイッチ信号Ａを反転したスイッチ信号Ｂを出力する否定素子ＮＯＴ１と、前記比較器ＣＭＰ１及び比較器ＣＭＰ２から出力される差分信号を入力し、両差分信号の論理積をスイッチ信号Ｃである昇圧用パルス幅変調信号（ＢｏｏｓｔＰＷＭ）として出力する論理積素子ＡＮＤと、前記論理積素子ＡＮＤから出力されたスイッチ信号Ｃを反転したスイッチ信号Ｄを出力する否定素子ＮＯＴ２とを備え、前記第１パルス変調信号をスイッチＡをオンオフする制御信号、前記スイッチ信号ＢをスイッチＢをオンオフする制御信号、前記第２パルス変調信号をスイッチＣを制御する制御信号、前記スイッチ信号ＤをスイッチＤをオンオフする制御信号として使用するように構成されている。

このように構成された第２実施形態による昇降圧コンバータ装置は、入力電流に基づいた誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）に対して位相が１８０度異なる第１三角波信号及び第２三角波信号を用いて２つのパルス幅変調（ＰＷＭ：ＰＵＬＳＥＷＩＤＴＨＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）信号を生成し、第１実施形態同様に、図６に示した第１パルス変調信号（１ｓｔＰｈａｓｅＰＷＭ）及び第２パルス変調信号（２ｎｄＰｈａｓｅＰＷＭ）を生成する。

本実施形態による昇降圧コンバータ装置においても、発振回路ＳＴ１及びＳＴ２が位相が１８０度異なる２つの三角波信号を発生し、この２つの三角波信号と入力電流に基づいた誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）とを比較器ＣＭＰ１及びＣＭＰ２が比較して１ｓｔＰｈａｓｅＰＷＭと２ｎｄＰｈａｓｅＰＷＭとを出力し、スイッチ信号ＡからＤがスイッチＡからＤのオンオフを制御し、図４に示す如く、降圧動作時においては、スイッチＡ及びＢが交互にオンオフし且つスイッチＣは常にオフ、スイッチＤは常にオンとなり、昇圧動作時においては、スイッチＡは常にオン、スイッチＢは常にオフし且つスイッチＣ及びＤが交互にオンオフすることによって、反転増幅回路や基準信号生成回路が必要となるなどの回路規模の複雑化を招くことなく昇降圧を制御することができる。

［第３実施形態］
前記実施形態による昇降圧コンバータ装置の回路構成は、入力電圧又は出力電圧をフィードバックした基本的回路構成を示したものであるが、実際の回路構成は、プログラミングによって入力信号に対する出力信号を設定することができるマイクロコンピュータを使用して回路を構成することが望ましく、このマイクロコンピュータを用いた第３の実施形態を次に説明する。

この第３の実施形態よる昇降圧コンバータ装置は、図７に示す如く、前述の実施形態におけるスイッチ回路部におけるスイッチＡからスイッチＤを、各スイッチを多段に並列配置したスイッチＡ１及びＡ２とスイッチＢ１及びＢ２とスイッチＣ１及びＣ２とスイッチＤ１及びＤ２とに変更すると共に、制御回路８３における破線で示した部分８３ａをプログラミングによって入力信号に対する出力信号を設定することができるマイクロコンピュータによって構成している。

この制御回路８３は、スイッチ回路部からの入力電圧Ｖｉｎ又は出力電圧Ｖｏｕｔを入力として降圧動作と昇圧動作を切り替えるものであって、前記入力電圧Ｖｉｎ又は出力電圧Ｖｏｕｔを基準信号Ｖｒｅｆと比較して差異を誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）を出力する差分増幅器ＡＭＰ１と、この入力した誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）に基づいた前記複数のスイッチのオンオフを制御する降圧用パルス幅変調信号（ＢｕｃｋＰＷＭ）及び昇圧用パルス幅変調信号（ＢｏｏｔｓＰＷＭ）を出力するマイクロコンピュータ８３ａと、該降圧用パルス幅変調信号（ＢｕｃｋＰＷＭ）の位相をシフトすることにより図８に示した位相が異なる降圧用のパルス信号であるスイッチ信号Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を出力し、昇圧用パルス幅変調信号（ＢｏｏｔｓＰＷＭ）の位相をシフトすることにより図８に示した位相が異なる降圧用のパルス信号であるスイッチ信号Ｃ１，Ｃ２，Ｄ１，Ｄ２を出力する論理回路素子（ＬＯＧＩＣ）とを備える。

前記マイクロコンピュータ８３ａは、プログラミングによって、前記差分増幅器ＡＭＰ１から出力された誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）を正端子に入力し、誤差信号が設定された範囲内にあるときには誤差信号に対して線形出力し、設定範囲を超えたとき設定値以上にならない出力信号を出力するリミッタ回路ＬＭＴ１と、前記差分増幅器ＡＭＰ１から出力された誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）を０．５増幅して正端子に入力し、入力信号が設定された範囲内にあるときには誤差信号に対して線形出力し、設定範囲を超えたとき設定値以上にならない出力信号を出力するリミッタ回路ＬＭＴ２と、第１の三角波形（のこぎり波）信号を出力する発振回路ＳＴ１と、前記第１三角波形信号と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する発振回路ＳＴ２と、前記リミッタ回路ＬＭＴ１の出力信号を正端子に入力し負端子に発振回路ＳＴ１の第１の三角波形（のこぎり波）信号を入力し、差分値を出力する比較回路ＣＭＰ１−１と前記リミッタ回路ＬＭＴ１の出力信号を正端子に入力し負端子に発振回路ＳＴ２の第２の三角波形（のこぎり波）信号を入力し、差分値を出力する比較回路ＣＭＰ１−２と、前記リミッタ回路ＬＭＴ２の出力信号を正端子に入力し負端子に発振回路ＳＴ１の第１の三角波形（のこぎり波）信号を入力し、差分値を出力する比較回路ＣＭＰ２−１と、前記リミッタ回路ＬＭＴ２の出力信号を正端子に入力し負端子に発振回路ＳＴ２の第２の三角波形（のこぎり波）信号を入力し、差分値を出力する比較回路ＣＭＰ２−２とを構成している。

本実施形態による昇降圧コンバータ装置は、誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）が０．５〜１の範囲においてはリミッタ回路ＬＭＴ１が降圧動作を行うための降圧パルス信号を生成し、リミッタ回路ＬＭＴ２が誤差信号０〜０．５未満の範囲において昇圧動作を行うための昇圧パルス信号を生成し、図８に示す如く、発振回路ＳＴ１及びＳＴ２からの位相が１８０度異なる２つの三角波信号を用いて降圧パルス信号により主にスイッチＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を位相をずらしながらオンオフするスイッチ信号Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を生成して降圧動作を行う（スイッチ信号Ｄ２のみはオンを維持）と共に、発振回路ＳＴ１及びＳＴ２からの位相が１８０度異なる２つの三角波信号を用いて昇圧パルス信号により主にスイッチＣ１，Ｃ２，Ｄ１，Ｄ２を位相をずらしながらオンオフするスイッチ信号Ｃ１，Ｃ２，Ｄ１，Ｄ２を生成して降圧動作を行う（スイッチ信号Ａ１，Ａ２はオンオフ）ように動作することによって、反転増幅回路や基準信号生成回路が必要となるなどの回路規模の複雑化を招くことなく昇降圧を制御することができる。

このように本発明による昇降圧コンバータ装置は、複数のスイッチをオンオフすることによって入力電圧を昇降圧して出力するスイッチ回路部と、該スイッチ回路部の入力電圧又は出力電圧と基準信号とを比較した誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）が基準信号に基づいてスイッチ回路部による昇降圧を切り替え制御する制御回路とを備え、該制御回路が、第１の三角波形信号及び第２三角波形信号により誤差信号（Ｄｕｔｙ指令値）と基準信号の差がゼロになるようにデューティ比を規定した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号を生成し、該生成した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号に基づいてスイッチ回路部の複数スイッチのオンオフ制御を行うことによって、反転増幅回路や基準信号生成回路が必要となるなどの回路規模の複雑化を招くことなく昇降圧を制御することができる。

このように本発明の実施形態による昇降圧コンバータ装置は、図５に示す如く、入力電圧が０Ｖから６００Ｖの間で変化したとき、入力電圧が出力電圧より大きい状態においては、Ｄｕｔｙ指令値が０から０．５まで連続的に増加し、入力電圧が出力電圧より小さい状態においては、Ｄｕｔｙ指令値が０．５から１．０まで連続的に増加することによって、Ｄｕｔｙ指令値が安定動作（定常動作）ラインと一致する様に変化し、不感帯の発生を防止し、回路規模の複雑化を招くことなく昇降圧を制御することができる。

８０及び８１制御回路、７００太陽光パネル、
７１０昇降圧コンバータ装置、ＡからＤスイッチ、Ｓ電流センサ、
ＳＴ１及びＳＴ２発振回路、ＣＭＰ１及びＣＭＰ２比較器

Claims

昇圧用の複数スイッチと降圧用の複数スイッチのオンオフを切り替えることによって入力電圧を昇降圧して出力するスイッチ回路部と、該スイッチ回路部の入力電圧又は出力電圧と基準信号とを比較した誤差信号に基づいてスイッチ回路部による昇降圧を切り替え制御する制御回路とを備える昇降圧コンバータ装置であって、
該制御回路が、第１の三角波形信号を出力する第１の発振回路と、前記第１三角波形信号と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する第２の発振回路とを備え、第１の三角波形信号及び第２三角波形信号によりデューティ比を規定した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号を生成し、該生成した降圧パルス信号及び昇圧パルス信号に基づいてスイッチ回路部の複数スイッチのオンオフ制御を行うことを特徴とする昇降圧コンバータ装置。
変動する入力直流電圧と出力側負荷の間に構成した閉回路の正極側に第１のスイッチＡとインダクタと第４のスイッチＤ及び第２ダイオードＤ２の並列回路とを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路を第１又は第２コンデンサＣ１、Ｃ２を介して接続する２つの接続回路と、前記第１スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路に第２スイッチＢ及び第１ダイオードＤ１の並列回路を介して接続する接続回路と、前記インダクタと第４スイッチＤとの間から負極側回路に第３スイッチＣを介して接続する接続回路と、前記出力側負荷に接続されて前記第１から第４スイッチのオンオフを制御する制御回路とを備え、該制御回路が出力側負荷の出力電圧を監視して第１から第４スイッチのオンオフを制御することによって、前記入力直流電圧を所定の範囲に昇降圧して出力する昇降圧コンバータ装置であって、
前記制御回路が、出力側負荷に供給される出力電圧Ｖｏｕｔを負端子に入力し、正端子に基準信号となる目標出力電圧Ｖｒｅｆを入力し、出力電圧Ｖｏｕｔと目標出力電圧との差値を増幅して誤差信号として出力する第１増幅器と、第１の三角波形信号を出力する第１発振回路と、前記第１増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第１発振回路からの第１三角波形信号を負端子に入力し、前記誤差信号と第１三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第１比較器と、前記第１三角波形と１８０度位相が異なる第２の三角波形信号を出力する第２発振回路と、前記第１増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第２発振回路からの第２三角波形信号を負端子に入力し、前記誤差信号と第２三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第２比較器と、前記第１比較器及び第２比較器から出力されるパルス信号を入力し、両信号の論理和を第１パルス変調信号として出力する論理素子と、前記論理素子から出力された第１パルス変調信号を反転した第２スイッチ信号を出力する否定素子と、前記第１及び第２比較器から出力されるパルス信号を入力し、両信号の論理積を第３スイッチ信号として出力する論理積素子と、前記論理積素子から出力された第１パルス変調信号を反転して第４スイッチ信号として出力する否定素子とを備え、前記第１パルス変調信号を第１スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２スイッチ信号を第２スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２パルス変調信号を第３スイッチを制御する制御信号とし、前記第４スイッチ信号を第４スイッチをオンオフする制御信号として設定し、降圧動作時においては、第１スイッチ及び第２スイッチを交互にオンオフ並びに第３スイッチをオフ且つ第４スイッチをオンし、昇圧動作時においては、第１スイッチをにオン且つ第２スイッチをオフ並びに第３スイッチ及び第４スイッチを交互にオンオフすることを特徴とする昇降圧コンバータ装置。
変動する入力直流電圧と出力側負荷の間に構成した閉回路の正極側に第１のスイッチＡとインダクタと第４のスイッチＤ及び第２ダイオードＤ２の並列回路とを直列接続し、該閉回路の正極側回路と負極側回路を第１又は第２コンデンサＣ１，Ｃ２を介して接続する２つの接続回路と、前記第１スイッチＡとインダクタとの間から負極側回路に第２スイッチＢ及び第１ダイオードＤ１の並列回路を介して接続する接続回路と、前記インダクタと第４スイッチＤとの間から負極側回路に第３スイッチＣを介して接続する接続回路と、前記入力直流電圧の電流を検出する電流センサに接続されて前記第１から第４スイッチオンオフＡからＤを制御する制御回路とを備え、該制御回路が入力電圧を監視して第１から第４スイッチＡからＤのオンオフを制御することによって、前記入力直流電圧を所定の範囲に昇降圧して出力する昇降圧コンバータ装置であって、
前記制御回路が、前記電流センサにより検出した検出電流を負端子に入力し、正端子に基準信号となる目標出力電圧を入力し、検出電流と目標出力電圧との差値を増幅して誤差信号として出力する増幅器と、第１の三角波形信号を出力する第１発振回路と、前記増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第１発振回路からの第１三角波形信号を負端子に入力し、該誤差信号と第１三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第１比較器と、前記第１三角波形と１８０度位相が異なる第２三角波形信号を出力する第２発振回路と、前記増幅器から出力された誤差信号を正端子に入力し、前記第２発振回路からの第２三角波形信号を負端子に入力し、該誤差信号と第２三角波形信号とを比較してパルス信号を出力する第２比較器と、前記第１比較器及び第２比較器から出力されるパルス信号を入力し、両信号の論理和を第１パルス変調信号として出力する論理和素子と、前記論理和素子から出力された第１パルス変調信号を反転した第２スイッチ信号を出力する第１否定素子と、前記第１比較器及び第２比較器から出力される差分信号を入力し、両差分信号の論理積を第３スイッチ信号として出力する論理積素子と、前記論理積素子から出力された第３スイッチ信号を反転した第４スイッチ信号を出力する否定素子とを備え、前記第１パルス変調信号を第１スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２スイッチ信号を第２スイッチをオンオフする制御信号とし、前記第２パルス変調信号を第３スイッチを制御する制御信号とし、前記第４スイッチ信号を第４スイッチをオンオフする制御信号として設定し、降圧動作時においては、第１スイッチ及び第２スイッチを交互にオンオフ並びに第３スイッチをオフ且つ第４スイッチをオンし、昇圧動作時においては、第１スイッチをにオン且つ第２スイッチをオフ並びに第３スイッチ及び第４スイッチを交互にオンオフすることを特徴とする昇降圧コンバータ装置。