電源裝置及其設計方法、發電裝置的製作方法
2023-06-11 03:28:56
專利名稱：電源裝置及其設計方法、發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源裝置及其設計方法、發電裝置，特別是涉及變換由太陽電池提供的直流電力的電源裝置。
背景技術：
太陽能發電系統的實用化迅速發展，很多太陽能發電系統已經在市場上應用。它們是具有使用太陽電池和開關元件的高效電力變換裝置的電源裝置。
圖1是表示太陽電池電源的電路結構的圖。太陽電池陣列91的輸出通過升壓轉換器92來升高電壓，通過變換器93轉換為交流電力，提供給商用電力系統(以下稱作「系統」)9。
為了使所述的變換器或轉換器小型化，開關頻率的高頻化是有效的。即使在太陽電池電源中，為了使變壓器、電感器、平滑電容器等小型化，嘗試了開關頻率的高頻化。但是，如果使開關頻率高頻化，則開關元件的開關損失增大。
為了解決開關損失增加這一問題，可以考慮採用共振型的開關方式，但在負載容易變動的太陽電池電源的情況下，很難把開關定時控制在電流或電壓的零點上。因此，現在市場上銷售的商品中沒有採用了共振型開關方式的太陽電池電源。
發明內容
鑑於以上所述問題的存在，本發明目的在於提高電源裝置的轉換效率。
為實現所述目的，本發明的優選實施例公開了一種電源裝置，它具有升壓比極高的變壓器；和向變壓器的初級一側提供變壓器的自振頻率的0.25～2倍的交流電力的多個開關元件。
另外，本發明的其他目的在於使轉換效率高的電源裝置容易設計。
為實現所述目的，本發明的優選實施例公開了一種設計方法，是具有升壓比極高的變壓器和向變壓器的初級一側提供交流電力的多個開關元件的電源裝置的設計方法，其中，把交流電力的頻率設計為變壓器的自振頻率的0.25～2倍。
通過以下結合附圖進行的說明，將明確本發明的其他特徵和優點，在附圖中，相同的參照字符代表相同或相似的部分。
下面簡要說明附圖。
圖1是表示太陽電池電源的電路結構的圖。
圖2是表示實施例的太陽電池電源的電路結構的圖。
圖3是表示柵驅動電路的結構的框圖。
圖4是表示測定變壓器的自振頻率時的接線的圖。
圖5是表示對開關頻率的變換效率的測定結果的圖。
圖6是表示實施例2的太陽電池電源的電路結構的圖。
圖7是表示對實施例2的開關頻率的變換效率的測定結果的圖。
圖8是表示實施例3的太陽電池電源的電路結構的圖。
圖9是表示對實施例3的開關頻率的變換效率的測定結果的圖。
圖10是表示實施例1的變壓器規格的表。
圖11是表示實施例2的變壓器規格的表。
圖12是表示實施例3的變壓器規格的表。
具體實施例方式
下面，參照附圖來詳細說明本發明的實施例的太陽能發電裝置。
本發明人在非共振型的開關電源方式中，追求了小型化、高效率化的可能性。其結果可知，降低變換器的輸入電壓，提高變壓器的自振頻率，通過用後面描述的開關頻率驅動連接著變壓器的開關元件，能實現電源裝置的小型化和高效率化。以往，關於依存於變換器構造的電特性和開關頻率的關係，沒有確定的見解，一半是靠經驗來決定開關頻率。但是，通過發明家們的銳意研究，明確了用來獲得高變換效率的簡單設計方法。
圖2是表示實施例的太陽電池電源的電路結構的圖。
在太陽電池1中，使用了層疊無定形層和微結晶層的薄膜太陽電池。太陽電池1的性能在強日照(頻譜AM1.5，100mW/cm2，電池溫度55℃)下，電輸出為1.0V、10.0A。這樣的積層太陽電池的構造和製造方法、集電端子的安裝方法等與本發明的本質沒有關係，所以省略詳細的說明，但在特開平11-243219號公報中和特開平8-139439號公報等中公開了。另外，對太陽電池的種類沒有限制，也可以為結晶矽太陽電池。即可以按照應該提供給負載的電力來選擇能獲得所需要的輸出的太陽電池。須指出的是，最近進步顯著的燃料電池也有與太陽電池類似的輸出電壓(0.5V～1.5V左右)和電流(依存於面積)，可以作為實施例的構成要素來採用。
作為電力變換電路的初級一側的方式，在實施例中，採用非共振型的推挽開關方式。因為太陽電池1的電壓低至1.0V，所以對開關元件3a和3b使用MOS FET(International Rectifier公司製造、型號為IRF P3703的產品)。為了在低電壓區域保持低損失，低電阻的開關元件是必要的，事實上，只有作為單極元件的MOS FET有選擇餘地。如果太陽電池1的電壓更高，還可以使用象IGBT那樣的雙極元件。MOS FET和IGBT的柵極輸入阻抗極高，還便於簡化驅動電路。
為了把電力變換電路的輸入電源看作電壓源，對輸入電容器2使用三洋電機製造的6.3V、1000μF電容(商品名OS根(コン))。OS根的等價串聯電阻(ESR)很低，高頻特性也很優異，所以適合用於實施例。另外，也可以使用積層陶瓷電容器和鉭電解電容器等ESR小的電容器。利用輸入電容器2，把電力變換電路的輸入電源看作電壓源，電力變換電路成為所謂的電壓型(Voltage Source)轉換器。
圖3是表示柵驅動電路11的結構的框圖。信號源41是為了簡化，使具有50％固定的導通比(脈衝有1或0兩種電平，導通比是指脈衝電平為1所佔的比率)的矩形波振蕩的電路(線性(linear)技術公司製造的LTC1799)。由信號源41輸出的矩形波，通過作為緩存器而起作用的變換器(CMOS邏輯IC，型號74AC04)42a和42b，由通過6個變換器(CMOS邏輯IC，型號74AC04)並聯構成的電流放大器放大，作為驅動開關元件3a和3b的、相位相反的2個柵信號輸出。須指出的是，除了這樣的結構，市場上銷售的運算放大器等、很多眾所周知的電路作為柵驅動電路11也可以使用。
整流二極體5a～5d使用耐壓200V、最大電流0.6A的表面安裝型晶片型高速整流二極體(General Semiconductor公司製造，型號ES1D)，構成全橋式電路。通過使用全橋式電路，在變壓器4的次級一側就不需要中心抽頭，具有使變壓器4小型化的效果。須指出的是，在實施例中，因為變壓器4的升壓比高，所以次級一側的電流比較小。在該條件下，與變壓器4相比二極體5a～5d非常小，使變壓器4小型化非常有助於電力變換裝置整體的小型化。
電感器6使用市場上銷售的表面安裝電感器(線圈工藝公司製造，2.2μH)。對輸出電容器7使用市場上銷售的電解電容器(400V、220μF)。這些元件的選擇沒有特別的限制，可以按照輸出電壓、輸出電流、開關頻率來進行所謂設計上的考慮，選擇適當的市售產品。
從本發明人的研究結果可知，變壓器4最好是自振頻率高的變壓器。在構成這樣的變壓器時，為了減少寄生電容(stray capacity)，具體地說，希望減少線圈的匝數。但是，如果減少匝數，則磁芯的磁通密度就會增加，從而鐵損增加，所以如果不增大磁芯，則作為變壓器的效率就會下降，產生無法獲得小型且高效的電力變換裝置這一新問題。因此，本發明人著眼於通過把變壓器的初級一側的電壓抑制為低電壓(具體地說，為2.0V以下)，使磁芯變得不那麼大，從而能抑制匝數。
即通過使外加在變壓器4的初級線圈上的電壓為2.0V以下，把初級線圈的匝數抑制在1～5左右，能獲得效率高的變壓器。而且，如果抑制初級線圈的匝數，也就抑制了次級線圈的匝數，從而能抑制寄生於變壓器4中的寄生電容。
而且，用低電壓的輸入聯繫系統的太陽能電源中，初級和次級線圈的匝數比(變壓比)增大，有必要使次級線圈的匝數為初級線圈的匝數的100倍以上。因此，線圈自身的電感也存在提高的傾向，但是通過抑制初級線圈的匝數，使次級線圈的匝數減少，就能抑制線圈自身的電感。
變壓器4的自振頻率(自共振頻率)最好是10kHz到400kHz，但是更好是20kHz到200kHz。如果使用具有這樣的自振頻率的變壓器4，用後面描述的開關頻率驅動開關元件，就能實現作為非共振型電源裝置而希望的20kHz到200kHz的開關。如果用該頻率驅動開關元件，就沒有噪聲，開關元件的開關損失也小，正是所希望的。
變壓器4的規格如圖10所示。
在變壓器4的自振頻率的測定中，使用市場上銷售的頻率響應分析儀((株式會社)NF電路塊製造、型號FRA5095)。圖4是表示測定變壓器的自振頻率時的接線的圖。
在變壓器4的次級一側開放的狀態下，在初級一側連接測定器31，一邊改變提供給變壓器4的信號頻率，一邊測定變壓器4的阻抗，把阻抗變為極大的頻率作為自振頻率。如果用該方法進行測定，則出現了多個共振點，但是在實施例中，重要的是最低頻率的共振點，該共振點最好地表現了變壓器4中固有的特性。用所述的規格生成的變壓器4的自振頻率是88kHz。須指出的是，也可以使用市場上銷售的阻抗計等其他的方法。
對負載8使用可用穩壓運轉的電子負載裝置。它是電池的代替品，在實際使用中，相當於電池和電阻負載等。須指出的是，如果把實施例的電力變換裝置代替圖1所示的升壓轉換器92來使用，則連接系統9的變換器93是負載。
一邊改變開關頻率，一邊在強日照(1.0kW/m2，電池溫度55℃)下，使實施例的太陽電池電源工作，如圖5所示，在比自振頻率(88kHz)稍低的開關頻率，變換效率達到了最高。當開關頻率低於22kHz時或超過196kHz時，變換效率急速降低。從該結果可知，在本發明人發現的頻率區域即自振頻率的0.25到2倍的頻率區域中，變換效率的變化小，維持了高的變換效率。特別是在自振頻率的0.5到1倍的頻率區域中，獲得了非常高的變換效率。
變換效率好的頻率區域的存在學術上被推測為下限區域與磁芯的非線性(飽和)關聯，上限區域與外加在變壓器上的矩形波包含的很多高次諧波成分引起的無效電流的增加、鐵損的增加、電線的交流電阻的上升、開關元件的損失上升等有關。但是，以往還不清楚能簡單地特定變換效率變為良好的頻率區域的參數是什麼。本發明人經過深入研究後發現通過把變壓器的自振頻率作為參數，就能極簡單地特定變換效率高的頻率區域。
當變壓器初級一側的電壓低，電流大(在實施例中，為1V、10A)時，並且升壓比超過1∶100的條件下，通過初級線圈的並聯和次級線圈的高匝數化，變壓器中使用的電線的量增多，寄生在變壓器中的寄生電容增加，成為使自振頻率下降的一個原因。另外，為了提高變換效率，在磁芯中使用高導磁率的磁性材料，減少洩漏的磁通量，提高初級次級間的耦合，但是這使初級一側的電感增加，進一步向降低自振頻率的方向作用。該事實是通過本發明人的研究而清楚的，可認為是升壓比高的變壓器與升壓比低的變壓器相比，存在能獲得高變換效率的頻率區域顯著變窄的傾向。因此，從變壓器的自振頻率能簡單決定開關頻率這一點極為有效。
實施例2下面，說明本發明的實施例2。須指出的是，在本實施例中，對與實施例1同樣的結構，採用相同的符號，並省略對它進行詳細說明。
在實施例2中表示即使改變變壓器4的結構和次級一側的電路結構，也能獲得與實施例1同樣的效果。
圖6是表示實施例2的太陽電池電源的電路結構的圖。
圖11表示實施例2的變壓器4的規格。
用與實施例1同樣的方法進行了測定，實施例2的變壓器4的自振頻率是比實施例1的變壓器4低很多的37kHz。它被推測為因為磁芯比實施例1的變壓器4大型化，初級線圈的電感增加了的緣故。
在實施例2中，使用了交流負載。具體地說，利用了電阻體即面狀加熱器(電阻值1kΩ～10kΩ)。
與實施例1同樣的條件下，使開關頻率變化，測定了電力變換效率，如圖7所示，在比自振頻率(38kHz)稍低的開關頻率，變換效率達到了最高。而且，與實施例1同樣，在本發明人發現的頻率區域中，獲得了良好的變換效率。從該結果可知，即使負載的種類和變壓器的結構變化，如果保證開關頻率在本發明人發現的頻率區域中，就能維持高變換效率。
實施例3下面，說明實施例3。須指出的是，在本實施例中，對與實施例1同樣的結構，採用相同的符號並省略詳細說明。
在實施例3中，說明把本發明應用於現在的太陽能發電系統的主流即系統聯繫型的發電系統中的例子。
圖8是表示實施例3的太陽電池電源的電路結構的圖。
實施例3中，並聯20臺作為升壓轉換器而起作用的太陽電池電源701，把它的直流輸出電力提供給系統聯繫型的變換器13，向系統9提供交流電力。即系統9是負載。須指出的是，太陽電池電源701除了變壓器4以外，分別是與實施例1同樣的結構，其輸出為9～10W。使太陽電池電源701並聯工作是為了驅動至少需要100W左右輸入的、輸出為數kW的市場上銷售的變換器13而採取的措施。當然，如果有與太陽電池電源701的輸出(10W左右)平衡的變換器，就沒必要並聯太陽電池電源701。
圖12表示實施例3的變壓器4的規格。
實施例3的變壓器4的自振頻率與磁芯比實施例2的變壓器4大無關，是比實施例2的變壓器4還高的46kHz。這被推測為由於通過使用利茲線和對繞線方法下功夫(實施例3中，採用了分割繞線)，使寄生在變壓器4中的寄生電容變小。
通過對繞線方法下功夫以及把空隙(Gap和Cavity)插入磁芯，能使自振頻率變化。因此，通過固定開關頻率，控制自振頻率，也能獲得變換效率良好的太陽電池電源。但是，因為受繞線構造等很多原因的影響，所以並不象變更開關頻率那樣簡單。
為了以低損失向變壓器4提供從低電壓(1.0V)輸出的太陽電池1輸出的10A電流，接近設置太陽電池1具有的集電端子和變壓器4。具體地說，如果電連接集電端子和變壓器4的初級線圈的距離是10cm以下，則連接容易，能把損失抑制在很小。本質上，削減用於連接的布線的電阻值是重要的，用足夠粗短的布線連接。並且，當然代替太陽電池1而連接燃料電池比較容易，可以作為燃料電池電源來應用。
對變換器13可以使用許多眾所周知的變換器，但是在實施例3中，使用了具有全橋方式的主電路和最大電力控制電路的、市場上銷售的系統聯繫型的變換器(佳能造SI-04，額定輸出4.5kW)。因為與發明本質的關聯較少，所以在此省略了變換器13的詳細說明。另外，系統9是一般的60Hz、200V單相三線式的系統。頻率和電壓的變更比較容易，可以根據需要選擇50Hz、100V等。
進行與其它實施例同樣的動作確認，圖9表示測定對開關頻率的變換效率的結果。在比自振頻率(46kHz)稍低的開關頻率，變換效率達到最高。而且，與其它實施例同樣，確認了在本發明人發現的頻率區域中獲得了良好的變換頻率。從該結果可知，即使把系統聯繫型的變換器13作為負載，如果把開關頻率保證在本發明人發現的頻率區域中，就能維持較高的變換效率。
根據以上說明的各實施例，就能迅速地製造變換效率高的電源裝置，提高了變換效率，就能使太陽電池電源的輸出增加，使發電成本下降。而且，如果用固定的導通比來控制開關元件，就成為極簡單的電力變換電路，所以能降低電源裝置的成本。
權利要求
1.一種電源裝置，其特徵在於包括升壓比極高的變壓器；和向所述變壓器的初級一側提供所述變壓器的自振頻率的0.25～2倍的交流電力的多個開關元件。
2.根據權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於所述交流電力的頻率是所述變壓器的自振頻率的0.5～1倍。
3.根據權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於用固定的導通比來驅動所述開關元件。
4.根據權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於還包括為了把由輸入到所述裝置的直流電力生成的所述交流電力變換成給定電壓的直流電力，而連接所述變壓器的次級一側的多個整流元件。
5.根據權利要求4所述的電源裝置，其特徵在於所述輸入電流電力由太陽電池或燃料電池直接提供。
6.根據權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於所述變壓器在其初級一側具有中心抽頭，所述變壓器和所述多個開關元件構成推挽開關電路。
7.根據權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於所述變壓器的升壓比為1∶100以上。
8.根據權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於所述電源裝置不是共振模式電源。
9.一種設計方法，是具有升壓比極高的變壓器和向變壓器的初級一側提供交流電力的多個開關元件的電源裝置的設計方法，其特徵在於包括以下步驟把所述交流電力的頻率設計為所述變壓器的自振頻率的0.25～2倍。
10.根據權利要求9所述的設計方法，其特徵在於把所述交流電力的頻率設定為所述變壓器的自振頻率的0.5～1倍。
11.根據權利要求9所述的設計方法，其特徵在於所述電源裝置不是共振模式電源。
12.一種發電裝置，其特徵在於包括權利要求1所述的電源裝置；向所述電源裝置直接提供直流電力的太陽電池或燃料電池。
13.根據權利要求12所述的發電裝置，其特徵在於還包括把從所述電源裝置輸出的直流電力變換為交流電力，向交流電力系統聯繫的電力變換裝置。
全文摘要
一種電源裝置，在具有升壓比極高的變壓器以及向變壓器初級一側提供交流電力的多個開關元件的電源裝置中，把該交流電力的頻率設定為變壓器的自振頻率的0.25～2倍。開關頻率的高頻化對電源裝置的小型化是有效的。但如果使開關頻率高頻化，則開關元件的開關損失就會增大。本發明能提高電源裝置的轉換效率。
文檔編號H02M3/337GK1457128SQ0312352
公開日2003年11月19日 申請日期2003年5月9日 優先權日2002年5月10日
發明者竹原信善, 豐村文隆, 鈴井正毅 申請人:佳能株式會社