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公開番号2019205321
公報種別公開特許公報(A)
公開日20191128
出願番号2018100840
出願日20180525
発明の名称直流電圧変換回路、及び電源システム
出願人国立研究開発法人理化学研究所
代理人個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20191101BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】簡素な構成及び制御で直流電圧を変換することが可能な直流電圧変換回路等を提供する。
【解決手段】直流電圧変換回路1は、直流電圧選択回路10と、インダクタ30と、整流回路20と、制御回路100と、を備える。直流電圧選択回路10は、互いに異なる複数の直流電圧V1〜VNが供給される複数の電圧入力部TM1〜TMNを時分割で合流ノードNDMに電気的に接続する。インダクタ30は、合流ノードNDMと電圧出力部TMoutとの間に接続される。整流回路20は、基準電圧Vrefが供給される基準ノードNDrefと合流ノードNDMとの間に接続される。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
互いに異なる複数の直流電圧が供給される複数の電圧入力部を時分割で合流ノードに電気的に接続する直流電圧選択回路と、
前記合流ノードと電圧出力部との間に接続されたインダクタと、
基準電圧が供給される基準ノードと前記合流ノードとの間に接続された整流回路と、
を含む直流電圧変換回路。
続きを表示(約 1,600 文字)【請求項2】
前記直流電圧選択回路は、
前記複数の電圧入力部のそれぞれと前記合流ノードとの間に接続された複数のスイッチ回路を含み、
前記複数のスイッチ回路の少なくとも1つは、
前記電圧入力部と第1ノードとの間に接続されたスイッチ素子と、
前記第1ノードと前記合流ノードとの間に接続され、前記合流ノードから前記第1ノードに向かう逆電流の発生を防止する逆電流防止素子と、
を含む
ことを特徴とする請求項1に記載に直流電圧変換回路。
【請求項3】
前記複数のスイッチ回路の少なくとも1つは、
前記電圧入力部にドレインが接続され、前記第1ノードにソースが接続された第1電界効果トランジスタと、
前記第1ノードにソースが接続され、前記合流ノードにドレインが接続された第2電界効果トランジスタと、
を含み、
前記第2電界効果トランジスタは、ソースとドレインとの間に形成されたボディダイオードを含む
ことを特徴とする請求項2に記載の直流電圧変換回路。
【請求項4】
前記複数のスイッチ回路のそれぞれは、前記第1電界効果トランジスタと前記第2電界効果トランジスタとを含み、
各スイッチ回路の前記第1電界効果トランジスタのゲート信号及び前記第2電界効果トランジスタのゲート信号のパルス幅を制御することにより前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む
ことを特徴とする請求項3に記載の直流電圧変換回路。
【請求項5】
前記インダクタの出力側端子にアノードが接続され、前記電圧出力部にカソードが接続された昇圧用ダイオードと、
前記出力側端子と前記基準ノードとの間に接続された昇圧用スイッチ回路と、
を含む
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路。
【請求項6】
前記昇圧用スイッチ回路は、
前記基準ノードにソースが接続され、前記出力側端子にドレインが接続された電界効果トランジスタを含む
ことを特徴とする請求項5に記載の直流電圧変換回路。
【請求項7】
パルス幅制御により前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行うと共に、昇圧比に対応したデューティ比を有する制御信号に基づいて前記昇圧用スイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の直流電圧変換回路。
【請求項8】
前記整流回路は、前記基準ノードにアノードが接続され、前記合流ノードにカソードが接続されたダイオードを含む
ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路。
【請求項9】
第1発電装置から出力された第1直流電圧を所定の電圧に変換する電圧変換回路と、
前記第1直流電圧と第2発電装置から出力された第2直流電圧とに基づいて生成された直流電圧を負荷に供給する請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路と、
を含み、
前記第2発電装置は、前記電圧変換回路から電気エネルギーを受けた電気分解装置による電気分解によって生成された化学物質を用いた電気化学反応により前記第2直流電圧を生成する
ことを特徴とする電源システム。
【請求項10】
更に、前記第1発電装置、前記第2発電装置、及び前記電気分解装置のうち少なくとも1つを含む
ことを特徴とする請求項9に記載の電源システム。
【請求項11】
前記第1発電装置は、光電池を含み、
前記第2発電装置は、燃料電池を含み、
前記電気分解装置は、水電解装置であり、
前記化学物質は、水素である
ことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の電源システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、直流電圧変換回路、及び電源システムに関する。
続きを表示(約 8,300 文字)【背景技術】
【0002】
近年、化石エネルギーや原子力エネルギーの代替エネルギーとして、太陽光、風力、波力、バイオマス、地熱等を利用した発電エネルギーや水素エネルギーなどの再生可能エネルギーが注目されている。それにより、このような各種のエネルギーを利用した発電装置の多様化が進んでいる。
【0003】
発電装置の多様化は、発電電力(発電電圧、発電電流)レベルやその安定性の多様化を招くため、発電装置により得られた電圧を所望の電圧に変換することが可能な電圧変換回路の重要性が増大している。
【0004】
電圧変換回路のうち例えば直流(Direct Current:DC)電圧を電圧変換するDC/DCコンバータは、様々な装置に搭載されている。例えば、太陽電池を用いた発電を行う発電装置、風力を用いた発電を行う発電装置、燃料電池を用いた発電を行う発電装置、ハイブリッド自動車等には、DC/DCコンバータが搭載されている。
【0005】
このようなDC/DCコンバータに関する技術は、いくつか提案されている。例えば、特許文献1には、FCBB(forward−conducting−bidirectional−blocking)スイッチを用いて複数の直流電圧から所望の直流電圧を生成するDC/DCコンバータが開示されている。例えば、特許文献2には、双方向スイッチを用いて複数の直流電圧から所望の直流電圧を生成するDC/DCコンバータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
米国特許第7227277号明細書
米国特許出願公開第2010/0148587号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に開示された手法では、複数の直流電圧を供給するための複数のFCBBスイッチや複数の双方向スイッチを一斉に導通状態にした後、いくつかのスイッチを順次に非導通状態になるようにスイッチ制御が行われる。
【0008】
この場合、複数のFCBBスイッチ等が導通状態である期間では、最も高い直流電圧を出力する直流電源だけがDC/DCコンバータにエネルギー供給を行う。従って、複数の直流電圧の高低が変化すると、複数のFCBBスイッチや複数の双方向スイッチの制御方法を変更する必要がある。その結果、複数の直流電圧を監視する必要があり、DC/DCコンバータの構成や制御が複雑になる。
【0009】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構成及び制御で直流電圧を変換することが可能な直流電圧変換回路、及び電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
いくつかの実施形態の第1態様では、直流電圧変換装置は、互いに異なる複数の直流電圧が供給される複数の電圧入力部を時分割で合流ノードに電気的に接続する直流電圧選択回路と、前記合流ノードと電圧出力部との間に接続されたインダクタと、基準電圧が供給される基準ノードと前記合流ノードとの間に接続された整流回路と、を含む。
【0011】
いくつかの実施形態に係る第2態様では、第1態様において、前記直流電圧選択回路は、前記複数の電圧入力部のそれぞれと前記合流ノードとの間に接続された複数のスイッチ回路を含み、前記複数のスイッチ回路の少なくとも1つは、前記電圧入力部と第1ノードとの間に接続されたスイッチ素子と、前記第1ノードと前記合流ノードとの間に接続され、前記合流ノードから前記第1ノードに向かう逆電流の発生を防止する逆電流防止素子と、を含む。
【0012】
いくつかの実施形態に係る第3態様では、第2態様において、前記複数のスイッチ回路の少なくとも1つは、前記電圧入力部にドレインが接続され、前記第1ノードにソースが接続された第1電界効果トランジスタと、前記第1ノードにソースが接続され、前記合流ノードにドレインが接続された第2電界効果トランジスタと、を含み、前記第2電界効果トランジスタは、ソースとドレインとの間に形成されたボディダイオードを含む。
【0013】
いくつかの実施形態に係る第4態様では、第3態様において、前記複数のスイッチ回路のそれぞれは、前記第1電界効果トランジスタと前記第2電界効果トランジスタとを含み、各スイッチ回路の前記第1電界効果トランジスタのゲート信号及び前記第2電界効果トランジスタのゲート信号のパルス幅を制御することにより前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む。
【0014】
いくつかの実施形態に係る第5態様は、第1態様〜第3態様のいずれかにおいて、前記インダクタの出力側端子にアノードが接続され、前記電圧出力部にカソードが接続された昇圧用ダイオードと、前記出力側端子と前記基準ノードとの間に接続された昇圧用スイッチ回路と、を含む。
【0015】
いくつかの実施形態に係る第6態様では、第5態様において、前記昇圧用スイッチ回路は、前記基準ノードにソースが接続され、前記出力側端子にドレインが接続された電界効果トランジスタを含む。
【0016】
いくつかの実施形態に係る第7態様は、第5態様又は第6態様において、パルス幅制御により前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行うと共に、昇圧比に対応したデューティ比を有する制御信号に基づいて前記昇圧用スイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む。
【0017】
いくつかの実施形態に係る第8態様では、第1態様〜第7態様のいずれかにおいて、前記整流回路は、前記基準ノードにアノードが接続され、前記合流ノードにカソードが接続されたダイオードを含む。
【0018】
いくつかの実施形態に係る第9態様では、電源システムは、第1発電装置から出力された第1直流電圧を所定の電圧に変換する電圧変換回路と、前記第1直流電圧と第2発電装置から出力された第2直流電圧とに基づいて生成された直流電圧を負荷に供給する第1態様〜第8態様のいずれかに記載の直流電圧変換回路と、を含み、前記第2発電装置は、前記電圧変換回路から電気エネルギーを受けた電気分解装置による電気分解によって生成された化学物質を用いた電気化学反応により前記第2直流電圧を生成する。
【0019】
いくつかの実施形態に係る第10態様は、第9態様において、更に、前記第1発電装置、前記第2発電装置、及び前記電気分解装置のうち少なくとも1つを含む。
【0020】
いくつかの実施形態に係る第11態様では、第9態様又は第10態様において、前記第1発電装置は、光電池を含み、前記第2発電装置は、燃料電池を含み、前記電気分解装置は、水電解装置であり、前記化学物質は、水素である。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、簡素な構成及び制御で直流電圧を変換することが可能な直流電圧変換回路、及び電源システムを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
実施形態に係るDC/DCコンバータの原理的構成例を示す概略図である。
実施形態に係るDC/DCコンバータの第1構成例を示す概略図である。
実施形態の第1構成例に係るDC/DCコンバータの制御タイミングの一例を示す概略図である。
実施形態の第1構成例に係るDC/DCコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。
実施形態の第1構成例に係るDC/DCコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。
実施形態に係るDC/DCコンバータの第2構成例を示す概略図である。
実施形態に係るDC/DCコンバータの第3構成例を示す概略図である。
実施形態の第3構成例に係るDC/DCコンバータの制御タイミングの一例を示す概略図である。
実施形態の第3構成例に係るDC/DCコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。
実施形態に係るDC/DCコンバータの第4構成例を示す概略図である。
実施形態の第4構成例に係るDC/DCコンバータの制御タイミングの一例を示す概略図である。
実施形態の第4構成例に係るDC/DCコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。
実施形態に係るDC/DCコンバータの第5構成例を示す概略図である。
実施形態の第5構成例に係るDC/DCコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。
実施形態に係る電源システムの構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
この発明に係る直流電圧変換回路、及び電源システムの実施形態の例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この明細書において引用された文献の記載内容や任意の公知技術を、以下の実施形態に援用することが可能である。
【0024】
実施形態に係る直流電圧変換回路は、互いに異なる複数の直流電圧に基づいて合成電圧を生成し、生成された合成電圧を降圧又は昇圧することにより所望の電圧を出力することが可能である。実施形態に係る電源システムは、実施形態に係る直流電圧変換回路を含み、複数の発電装置から供給された電圧に基づいて所望の電圧を生成し、生成された電圧を負荷に供給することが可能である。
【0025】
以下、実施形態に係る直流電圧変換回路が適用されたDC/DCコンバータと、実施形態に係る電源システムが適用されたエネルギーシステムについて説明する。
【0026】
<DC/DCコンバータ>
図1に、実施形態に係るDC/DCコンバータの原理的構成例の概略図を示す。
【0027】
DC/DCコンバータ1は、複数の電圧入力端子TM0〜TMN(Nは2以上の整数)と、電圧出力端子TMoutと、キャパシタC1〜CN、Coutと、直流電圧選択回路10と、整流回路20と、インダクタ30と、制御回路100とを含む。
【0028】
DC/DCコンバータ1には、複数の直流電源から互いに異なる複数の直流電圧が供給される。いくつかの実施形態において、複数の直流電源は、互いに電流電圧特性が異なる。電圧入力端子TM1には、図示しない第1直流電源からの直流電圧V1が供給される。
電圧入力端子TM2には、第1直流電源と異なる電流電圧特性を有する第2直流電源からの直流電圧V2が供給される。電圧入力端子TMNには、第1直流電源〜第(N−1)直流電源と異なる電流電圧特性を有する第N直流電源からの直流電圧VNが供給される。電圧入力端子TM0には、基準電圧Vrefとしての接地電圧GNDが供給される
【0029】
DC/DCコンバータ1は、複数の電圧入力端子TM1〜TMNに供給された複数の直流電圧V1〜VNを時分割で合流ノードNDMに出力することにより生成された合成電圧を降圧する。
【0030】
電圧出力端子TMoutには、例えば、図示しない負荷が接続される。複数の直流電圧V1〜VNの合成電圧を降圧することにより生成された出力電圧Voutは、電圧出力端子TMoutを介して負荷に供給される。
【0031】
キャパシタC1〜CNは、入力電圧(直流電圧V1〜VN)を保持するための容量素子である。すなわち、キャパシタC1〜CNは、電圧入力端子TM1〜TMNのそれぞれに供給された電圧を保持する。キャパシタC1の一方の電極は電圧入力端子TM1に電気的に接続され、キャパシタC1の他方の電極は電圧入力端子TM0(基準ノードNDref)に電気的に接続される。キャパシタC2の一方の電極は電圧入力端子TM2に電気的に接続され、キャパシタC2の他方の電極は電圧入力端子TM0に電気的に接続される。同様に、キャパシタCNの一方の電極は電圧入力端子TMNに電気的に接続され、キャパシタCNの他方の電極は電圧入力端子TM0に電気的に接続される。
【0032】
キャパシタCoutは、出力電圧を保持するための容量素子である。すなわち、キャパシタCoutは、電圧出力端子TMoutの出力電圧Voutを保持する。キャパシタCoutの一方の電極は電圧出力端子TMoutに電気的に接続され、キャパシタCoutの他方の電極は電圧入力端子TM0に電気的に接続される。
【0033】
いくつかの実施形態では、キャパシタC1〜CN、Coutの少なくとも1つは、DC/DCコンバータ1の外部に設けられる。例えば、キャパシタC1〜CNは、対応する直流電源の電圧出力部に設けられる。例えば、キャパシタCoutは、負荷の電圧入力部に設けられる。
【0034】
(直流電圧選択回路10)
直流電圧選択回路10は、複数の直流電圧V1〜VNが供給される複数の電圧入力端子TM1〜TMNを時分割で合流ノードNDMに電気的に接続する。それにより、複数の直流電圧V1〜VNが時分割で合流ノードNDMに供給される。直流電圧選択回路10は、制御回路100からの制御信号に基づいて電圧入力端子TM1〜TMNと合流ノードNDMとを電気的に接続したり遮断したりする。
【0035】
いくつかの実施形態では、直流電圧選択回路10は、複数の電圧入力端子TM1〜TMNのそれぞれに対応して設けられた複数のスイッチ回路を含む。複数のスイッチ回路は、複数の電圧入力端子TM1〜TMNのそれぞれと合流ノードNDMとの間に接続される。複数のスイッチ回路の少なくとも1つは、スイッチ素子と、逆電流防止素子とを含む。いくつかの実施形態では、複数のスイッチ回路のそれぞれは、スイッチ素子と、逆電流防止素子とを含む。
【0036】
スイッチ素子は、電圧入力端子と所定の第1ノード(図2参照)との間に接続される。スイッチ素子は、制御回路100からの制御信号に基づいてスイッチ制御される。逆電流防止素子は、第1ノードと合流ノードNDMとの間に接続され、合流ノードNDMから第1ノードに向かう逆電流の発生を防止する。
【0037】
合流ノードNDMには、整流回路20とインダクタ30とが接続されている。
【0038】
(整流回路20)
整流回路20は、基準ノードNDrefと合流ノードNDMとの間に接続されている。整流回路20は、基準ノードNDrefから合流ノードNDMに向かう電流を通し、合流ノードNDMから基準ノードNDrefに向かう電流を遮断する。整流回路20は、降圧動作時の還流用回路として動作すると共に、合流ノードNDMにおけるサージ電圧の保護回路として動作する。
【0039】
(インダクタ30)
インダクタ30は、合流ノードNDMと電圧出力端子TMoutとの間に接続されている。
【0040】
いくつかの実施形態では、インダクタ30に代えて変圧器が設けられる。この場合、変圧器の1次側に整流回路20が並列に接続され、変圧器の2次側に電圧出力端子TMoutが接続される。
【0041】
(制御回路100)
制御回路100は、主として、直流電圧選択回路10を制御する。直流電圧選択回路10がスイッチ回路を含む場合、制御回路100は、スイッチ回路に対して制御信号を出力することによりスイッチ回路のスイッチ制御を行うことが可能である。整流回路20が電界効果トランジスタを含む場合、制御回路100は、当該電界効果トランジスタのゲートを制御することによりスイッチ制御を行うことが可能である。
【0042】
いくつかの実施形態では、制御回路100は、プロセッサを含む。プロセッサの機能は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、プログラマブル論理デバイス(例えば、SPLD(Simple Programmable Logic Device)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array))等の回路により実現される。制御回路100の機能は、例えば、プロセッサが記憶回路や記憶装置に格納されているプログラムを読み出し実行することで実現することが可能である。
【0043】
いくつかの実施形態では、直流電圧選択回路10が制御回路100を含み、直流電圧選択回路10が制御回路100の機能を実現する。
【0044】
以下、実施形態に係るDC/DCコンバータ1の構成例について説明する。説明の便宜上、Nが2である場合について説明するが、Nが3以上であっても同様である。
【0045】
<<第1構成例>>
図2に、実施形態に係るDC/DCコンバータ1の第1構成例を示す。図2において、図1と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
【0046】
第1構成例において、直流電圧選択回路10は、電圧入力端子TM1〜TM2のそれぞれに対応して設けられたスイッチ回路SW1、SW2を含む。
【0047】
スイッチ回路SW1は、第1電界効果トランジスタTr11と、第2電界効果トランジスタTr12とを含む。第1電界効果トランジスタTr11及び第2電界効果トランジスタTr12のそれぞれは、Nチャネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。
【0048】
第1電界効果トランジスタTr11及び第2電界効果トランジスタTr12は、いわゆる背中合わせ(back−to−back)に接続される。すなわち、第1電界効果トランジスタTr11のドレインが電圧入力端子TM1に電気的に接続され、ソースが第1ノードND1に電気的に接続される。第1電界効果トランジスタTr11には、ソースとドレインとの間にボディダイオードが形成される。ボディダイオードのアノードは、電界効果トランジスタのソースであり、カソードは電界効果トランジスタのドレインである。また、第2電界効果トランジスタTr12のソースが第1ノードND1に電気的に接続され、ドレインが合流ノードNDMに電気的に接続される。第2電界効果トランジスタTr12には、ソースとドレインとの間にボディダイオードが形成される。第2電界効果トランジスタTr12のソースとドレインとの間に形成されたボディダイオードが、上記の逆電流防止素子として機能する。
【0049】
第1電界効果トランジスタTr11のゲート及び第2の電界効果トランジスタTr12のゲートには、制御回路100からのゲート信号(制御信号)G1が供給される。
【0050】
ゲート信号G1がオン電圧のとき、第1電界効果トランジスタTr11のソース・ドレイン間が導通状態になり、第2電界効果トランジスタTr12のソース・ドレイン間が導通状態になる。このとき、各電界効果トランジスタでは、電圧入力端子TM1と合流ノードNDMとの間の電流は、よりインピーダンスが低いソース・ドレイン間を経由する。
(【0051】以降は省略されています)

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