JP6119560B2

JP6119560B2 - 電力制御器

Info

Publication number: JP6119560B2
Application number: JP2013226126A
Authority: JP
Inventors: 敏男岡村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: JP2015089242A

Description

本発明は、電力の供給量を制御する電力制御器に関するものである。

人工衛星では、凡そ50Vもしくは100Vの安定化された電圧をバス電源として供給するために電力制御器が利用されている。

従来の人工衛星用の電力制御器として、日照時に複数の太陽電池アレイから発生する電力を負荷への供給電力として利用し、発生電力余剰分は特定の太陽電池アレイ出力を短絡（以下、シャントと呼ぶ）することで、バス電圧の上昇を抑えるバス電圧制御を行うものが知られている。この電力制御器は、技術試験衛星（ETSシリーズ）、通信放送技術衛星（例えばCOMETS）、地球観測衛星（例えばJERS−１）、気象衛星（例えばMTSAT−２）等、様々な用途をもった衛星に採用されている。

この電力制御器では、個々の太陽電池アレイの出力をシャント又は開放することで、１０段から４０段程度で構成される複数の太陽電池アレイから発生する電力又は電流の合計値を調節してバス電圧制御を行っている。このバス電圧制御では、バス電圧の変動に応じて各太陽電池アレイをシーケンシャルにシャント又は開放するように、個々の太陽電池アレイ毎に、予め許容されるバス電圧変動幅に対応したシャント又は開放の動作領域が割振られる。このシャント又は開放動作とバス電圧を平滑化するために設けられたキャパシタバンクからなる負帰還発振制御（通称バンバン制御という）の動作によって、バス電圧が規定の変動幅の範囲で安定化されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、従来の方式においては、複数の太陽電池アレイ個々のシャント又は開放の動作領域がバス電圧の変動に応じて割振られているため、任意に選択された特定の太陽電池アレイに対応するシャントが連続的にシャント又は開放する動作を行うことから、特定のシャント用スイッチ素子の最大スイッチング周波数に応じてスイッチ素子が発熱する問題が有った。

この問題を解決する手段として、バス電圧の変動に応じてそれぞれの太陽電池アレイ毎に負帰還電圧制御によってシャントと開放の割合を決定して上記それぞれのスイッチ素子を順番に切換えて動作させることで、スイッチ素子の発熱を全てのスイッチ素子に分散する方法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

S.Kuwajima, et al., "Digital sequential shunt regulator for solar power conditioning of engineering test satellite (ETS-Ｖ), "Power Electronics Specialists Conference 1988 (PESC ’88), IEEE, April 1988

特願２０１２−２１５３７８

このような電力制御器においては、負荷の変動によって生じるバス電圧の変動を上述のとおり負帰還発振制御または負帰還電圧制御によって安定化しており、負帰還ループゲインを高く設定する程バス電圧変動幅を狭く設定でき、より安定化された電力を負荷に供給することができる。しかし負帰還ループゲインを高く設定することは負帰還発振制御または負帰還電圧制御を実現する装置を構成する要素の設計技術上の限界があるため、特定のバス電圧変動幅を許容しなければならず、負荷に供給する電力品質の向上を阻害する要因となっていた。

また、キャパシタバンクを大きくすることで負帰還発振制御または負帰還電圧制御を実現する装置の設計技術上の限界に緩和傾向が表れ、負帰還ループゲインを高く設定できるので、バス電圧変動幅を狭めることができる。しかしながら、この場合装置の小型軽量化を阻害することとなっていた。

また、特許文献１に示す電力制御器は、太陽電池アレイ毎に負帰還電圧制御によってシャントと開放の割合を決定した上でそれぞれのスイッチ素子を順番に切換えて動作させてバス電圧制御を行っており、全てのスイッチ素子の動作が一巡する毎に負帰還電圧制御動作が更新されてゆく。このため、この一巡周期よりも速い負荷の変動に対しては応答できず、過渡的に大きなバス電圧変動が生じることが有り、負荷に供給する電力品質の向上を阻害する要因となっていた。

この場合も、キャパシタバンクを大きくすることで過渡的に生じる大きなバス電圧変動を緩和することが可能であるが、装置の小型軽量化を阻害することになる。

上述したように、従来の電力制御器は、負荷の変動によって生じるバス電圧の変動を負帰還発振制御または負帰還電圧制御によって安定化している。このため、負帰還ループゲインをできるだけ高く設定することで、バス電圧変動幅を狭くでき、より安定化された電力を負荷に供給することができる。しかし装置を構成する要素の設計技術上の限界から負帰還ループゲインを高く設定することには限界がある。このため、特定のバス電圧変動幅を許容しなければならず、負荷に供給する電力品質の向上を阻害する要因となっていた。キャパシタバンクを大きくすることで負帰還ループゲインの設定可能限界に緩和傾向が表れ、バス電圧変動幅を狭めることができるが、この場合装置の小型軽量化を阻害することとなっていた。

また、特許文献１に示す電力制御器は、太陽電池アレイ毎に負帰還電圧制御によってシャントと開放の割合を決定した上で、それぞれのスイッチ素子を順番に切換えて動作させてバス電圧制御を行っており、全てのスイッチ素子の動作が一巡する毎に負帰還電圧制御動作が更新されてゆく。このため、この一巡周期よりも速い負荷の変動に対しては応答できず、過渡的に大きなバス電圧変動が生じることが有り、負荷に供給する電力品質の向上を阻害する要因となっている。この場合も、キャパシタバンクを大きくすることで過渡的に生じる大きなバス電圧変動を緩和することが可能であるが、装置の小型軽量化を阻害することになる。また、スイッチ素子の切換え周期を短くすることでこの問題は解決されるが、その場合、各スイッチ素子のスイッチングによる発熱が増加して特許文献１に示す本来の発熱分散の効果が失われ、装置の小型軽量化を阻害することになる。

本発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、装置の小型軽量化を阻害せずにバス電圧変動幅を狭くして、また速い負荷の変動に対して過渡的な大きなバス電圧変動の発生を抑制し、電力品質の良い電力制御器を提供することを目的とする。

本発明による電力制御器は、電力を供給する複数の電源とそれぞれ直列に接続され、上記それぞれの電源への電流の逆流を防止する複数の逆流防止素子と、上記それぞれの電源と並列に接続されるとともに上記それぞれの逆流防止素子と直列に接続され、上記それぞれの電源との接続を短絡もしくは開放に切換える複数のスイッチ素子と、上記複数の電源による電力の供給状態の過不足分を示す誤差増幅信号を出力する誤差増幅器と、上記誤差増幅信号と基準値との比較により、上記それぞれの電源毎に電力の供給とシャントの割合を決定して上記それぞれのスイッチ素子を順に切換動作させる演算駆動部と、上記それぞれの電源から発生する電流の合計値を示す第一の電流検出器と、上記それぞれの電源から供給される電力の供給状態に基づく電流値を示す第二の電流検出器と、上記第一の電流検出器と第二の電流検出器の電流値の差分を示す信号を出力する増幅器とを備え、上記演算駆動部は、上記それぞれのスイッチ素子に上記それぞれの電流値の差分に等しい平均電流を流すように、上記それぞれのスイッチ素子を切換えるようにした。

本発明によれば、バス電圧変動幅を狭くして、また速い負荷の変動に対して過渡的な大きなバス電圧変動の発生を抑制することが可能になり、電力品質の良い電力制御器を提供することが可能となる。

実施の形態１に係る電力制御器の構成を示す回路図である。実施の形態１に係るバス電圧制御系統を等価回路で表した電力制御器の構成を示す回路図である。実施の形態２に係る電力制御器の構成を示す回路図である。実施の形態２に係る電力制御器の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１による電力制御器の構成を示す回路図である。図２は、図１に基づきバス電圧制御系統を等価回路で表した電力制御器の構成を示す回路図である。図１において、複数の太陽電池アレイSA１〜n（nは３以上の整数）は、それぞれ電力バス２を介して、負荷６とキャパシタバンク７に並列に接続され、負荷６とキャパシタバンク７に電力を供給する。太陽電池アレイSA１〜nは負荷６に電力を供給する電源である。電力制御器１は、この太陽電池アレイSA１〜nの余剰電力を短絡（シャント）するものであって、太陽電池アレイSA１〜nに接続される。電力制御器１は、電界効果トランジスタから構成されるスイッチ素子SW１〜nと、ダイオードから構成される逆流防止素子D１〜nと、演算駆動部A１〜nと、誤差増幅器３と、タイミング信号発生部４と、増幅器５と、第一の電流検出器８と、第二の電流検出器９とを備えている。

各太陽電池アレイSA１〜nは、各スイッチ素子SW１〜nのドレイン端子とソース端子の間にそれぞれ並列に接続され、各太陽電池アレイSA１〜nと各スイッチ素子SW１〜nのそれぞれの接続回路が電力バス２に接続されている。太陽電池アレイSA１〜nの出力を負荷６へ供給又はシャントする動作と、それに伴うキャパシタバンク７の充放電によるバス電圧Vbusの増減から、バス電圧Vbusが規定の変動幅の範囲内に収まるようにバス電圧制御が行われる。

また、各太陽電池アレイSA１〜nの正端子と各スイッチ素子SW１〜nのドレイン端子側の接続点は、各逆流防止素子D１〜nのアノード端子側にそれぞれ直列に接続される。逆流防止素子D１〜nのカソード端子側は電力バス２に接続される。各演算駆動部A１〜nの出力端子は、各太陽電池アレイSA１〜nと並列に配置されて、各スイッチ素子SW１〜nのゲート端子にそれぞれ接続される。また、各演算駆動部A１〜nの第１の入力端子は、誤差増幅器３の出力端子に接続される。誤差増幅器３の出力信号である誤差増幅信号Driveは、各演算駆動部A１〜nに入力される。誤差増幅器３の入力端子は電力バス２に接続される。第一の電流検出器８は、太陽電池アレイSA１〜nの出力である太陽電池アレイ発生電流Istr1〜nを一括して検出する。第一の電流検出器８の検出する電流は、電力を供給する複数の電源である太陽電池アレイSA１〜nから発生する電流の合計値を示している。第二の電流検出器９は負荷電流Iloadを検出する。第二の電流検出器９の検出する電流は、上記それぞれの太陽電池アレイSA１〜nから供給される電力の供給状態に基づく電流値を示している。増幅器５は、第一の電流検出器８および第二の電流検出器９の双方からそれぞれ得られる検出信号を取込んで、第一の電流検出器８および第二の電流検出器９の双方の検出電流の電流値の差分に比例する信号を生成し、演算駆動部A１〜nにそれぞれ入力する。

また、タイミング信号発生部４の出力端子は、各演算駆動部A１〜nの第２の入力端子に接続される。タイミング信号発生部４はタイミング信号t1〜nを出力する。演算駆動部A１〜nには、タイミング信号発生部４から出力されるタイミング信号t1〜nがそれぞれに対応して周期Tpeで入力されている。更に、演算駆動部A１〜nの第３の入力端子は、基準電圧に接続される。演算駆動部A１〜nには、当該基準電圧の基準値Vthが規定されている。

演算駆動部A１〜nは、誤差増幅器３から出力される誤差増幅信号Driveと、基準値Vthに基づき演算処理を行う。また、演算駆動部A１〜nは、それぞれタイミング信号発生部４から入力されるタイミング信号t1〜nに従ったタイミングでこの演算処理を行い、当該タイミングに対応する各スイッチ素子SW１〜nについて、そのタイミング信号t1〜nの発生する周期Tpeに対応した、各太陽電池アレイSA１〜nからの電力供給とシャントの割合からシャント時間を決定して、スイッチ素子SW１〜nをそれぞれ駆動する。

ここで、タイミング信号t1〜nは均等な位相差tphをもっており、位相差tphの値は電力制御器１の主要性能要求から定められる最大周波数を確保するように値が決まる。また、周期Tpeは、位相差tphの値を太陽電池アレイ構成段数n倍した値に設定されている。電力制御器１全体としては、位相差tphにより定まる最大周波数で電力の供給とシャントのスイッチング動作が行われる。また、個々のスイッチ素子SW１〜nにおいては、位相差tphにより定まる最大周波数の１／n倍となる周期Tpeにより定まる周波数でスイッチング動作が行われる。かくして、演算駆動部A１〜nおよびスイッチ素子SW１〜nにより、それぞれが対応する太陽電池アレイSA１〜nから負荷６への電力供給が制御される。

本実施の形態１で示す太陽電池アレイSA１〜nは、電力を供給する電源の一例であり、同様の機能をもつ他の電源に置き換えてもよい。本実施の形態１では、太陽電池アレイSA１〜nは人工衛星に搭載されているものとするが、宇宙ステーション、宇宙基地や地上等に設置されていてもよい。逆流防止素子D１〜nは、それぞれ対応する太陽電池アレイSA１〜nへの電流の逆流を防止する逆流防止素子の一例であり、同様の機能をもつ他の逆流防止素子に置き換えてもよい。本実施の形態１では、スイッチ素子SW１〜nとして電界効果トランジスタ（FET）を用いるが、他のスイッチ素子を用いてもよい。

太陽電池アレイSA１〜nの出力を負荷６へ供給又はシャントする動作と、それに伴うキャパシタバンク７の充放電によるバス電圧Vbusの増減から、バス電圧Vbusが規定の変動幅の範囲内に収まるようにバス電圧制御が行われる。

誤差増幅器３は、バス電圧Vbusの変動分に比例した信号として誤差増幅信号Driveを生成し、バス電圧Vbusを制御目標値Vbus（max）及び制御許容誤差ΔVｂｕｓに収めるように、供給とシャントの割合を決定する。

誤差増幅信号Driveは、定数A、Bにおいて、式（１）で表される。

式（１）における定数A、Bは、式（２）、（３）で表される。

この誤差増幅信号Driveは、増幅器３から演算駆動部A１〜nに伝達される。演算駆動部A１〜nは、誤差増幅信号Driveと基準値Vthとの対比に基づき演算処理を行い、適切な電力を負荷６へ供給しつつバス電圧Vbusを制御目標値Vbus（max）及び制御許容誤差ΔVｂｕｓに収めるように、電力供給量の割合ONdutyを決定する。

電力供給量の割合ONdutyは、式（４）で表される。

この演算処理はタイミング信号発生部４から供給されるタイミング信号t1〜nに従って行われる。

式（４）の演算処理結果による電力供給量の割合ONdutyから、タイミング信号t1〜nの発生周期Tpeに対するシャント時間tshuntが決定され、スイッチ素子SW１〜nが駆動される。この間は対応する太陽電池アレイＳＡ１〜ＳＡｎの発生電力は、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷｎによって短絡（シャント）されるため、その発生電力は電力バス２に供給されない。

シャント時間tshuntは、式（５）で表される。

これらの動作によって、太陽電池アレイSA１〜nから電力バス２に供給される電力量が加減され、バス電圧Vbusが一定の変動範囲内に制御される。

以上の動作において、本発明に係る実施の形態１においては、太陽電池アレイSA１〜nの出力である太陽電池アレイ発生電流Istr1〜nを一括して検出する第一の電流検出器８と、負荷電流Iloadを検出する第二の電流検出器９を備え、双方から得られる検出信号を増幅器５に取込んで双方の検出電流の差に比例する信号を生成して演算駆動部Aに入力するように成している。また、各演算駆動部A１〜nは、それぞれのスイッチ素子SW１〜nに第一の電流検出器８と第二の電流検出器９のそれぞれの電流値の差分に等しい平均電流を流すようにしても良い。

図２は、図１に基づきバス電圧制御動作を説明するための等価回路で表した電力制御器の構成を示す回路図である。図２において、太陽電池SAは図１における複数の太陽電池アレイSA１〜n（nは３以上の整数）に相当し、nを無限大とした等価回路として一つで表したものであり、電力バス２を介して、負荷６とキャパシタバンク７に並列に接続され、負荷６とキャパシタバンク7に電力を供給する。

スイッチ素子SWは図1におけるスイッチ素子SW１〜nに相当し、nを無限大とした等価回路として一つで表したものであり、図1における逆流防止素子D１〜Dnは等価回路において省略している。

演算駆動部Aは、図1における演算駆動部A１〜nを等価回路として一つで表したものであり、nを無限大とすれば等価回路においてバス電圧制御におけるシャント電流Isは誤差増幅器３によってリニアに制御される。

したがって、nを無限大としてバス電圧制御動作を説明する等価回路においては、タイミング信号発生部４及びタイミング信号t1〜nは省略されている。

更に、バス電圧制御動作の原理を説明するために基準値Vthを省略して誤差増幅器３におけるバス電圧制御目標Vrefに置換えている。

このとき、誤差増幅器３の増幅度G及び負荷６の抵抗値R、太陽電池アレイ発生電流Istrにおいて、バス電圧制御目標Vrefに対する負帰還電圧制御動作によるバス電圧制御結果Voutは、式（６）で表される。

式（６）に示す通り、図１におけるバス電圧制御結果Voutは、バス電圧制御目標Vrefに対して増幅度Gに依存した誤差を伴う。

そこで、図１におけるバス電圧制御に対して図２においては、太陽電池アレイ発生電流Istrを検出する第一の電流検出器８及び負荷電流Iloadを検出する第二の電流検出器９から得られる検出信号を増幅器５に取込んで双方の検出電流の差に比例する信号を生成して演算駆動部Aに入力するように成して、演算駆動部Aにおいて式（７）に示す条件が成立するようにスイッチ素子SWを駆動してシャント電流Isを制御する。

バス電圧制御結果Voutは、式（８）で表されるので、式（７）が成立する条件においては式（９）が成立する。

従って式（８）と式（９）を整理すれば、式（１０）で表されるようになる。

このような原理によって、バス電圧制御結果Voutは、増幅度Gに依存すること無く、バス電圧制御目標Vrefに一致する。

従来の電力制御器は、負荷の変動によって生じるバス電圧の変動を負帰還発振制御または負帰還電圧制御によって安定化しているため、特定のバス電圧変動幅を許容しなければならず、負帰還ループゲインをできるだけ高く設定することでバス電圧変動幅を狭くしてより安定化された電力を負荷に供給するようにしても、負帰還発振制御または負帰還電圧制御を実現する装置を構成する要素の設計技術上の限界から、負帰還ループゲインを高く設定することには限界があり負荷に供給する電力品質の向上を阻害する要因となっていた。なお、キャパシタバンクを大きくすることで負帰還ループゲインの設定可能限界に緩和傾向が表れ、バス電圧変動幅を狭めることができるが、この場合装置の小型軽量化を阻害することとなっていた。

そこで、本実施の形態では、図１に示す通り、太陽電池アレイ発生電流Istrを検出する第一の電流検出器８及び負荷電流Iloadを検出する第二の電流検出器９から得られる検出信号を増幅器５に取込んで双方の検出電流の差に比例する信号を生成して演算駆動部Ａに入力するように成して、演算駆動部において太陽電池アレイ発生電流Istrと負荷電流Iloadの差分をシャント電流Ｉsとするようにスイッチ素子ＳＷを駆動することで、バス電圧制御結果Voutは、増幅度Gに依存すること無く、バス電圧制御目標Vrefに一致する。

なお、本実施の形態の説明で用いた誤差増幅信号Driveを示す式（１）は、バス電圧Vbusの変化に対して正比例する例を示したが、反比例する例に適用する場合でも同様な原理で式の形態を置き換えればよい。

なお、本実施の形態の説明で用いた式（６）、（８）、（９）において負荷６の抵抗値Rは便宜上直流抵抗として示したが、過渡的な動作においては周波数に依存するインピーダンスとして扱い、同様な原理で式の形態を置き換えればよい。

また、本実施の形態の説明における誤差増幅器３、演算駆動部Ａ、バス電圧制御目標Vrefは、相当する動作をディジタル回路のプログラムで構成して、ディジタル信号処理で行うようにしてもよい。

かくして、本実施の形態では、図１における電力制御器において、負荷の変動によって生じるバス電圧の変動を負帰還電圧制御によって安定化することに加えて、太陽電池アレイ発生電流と負荷電流の差をシャント電流とする制御を行なうことでバス電圧制御結果をバス電圧制御目標に一致させることができる。

したがって、装置の小型軽量化を阻害すること無くバス電圧変動幅を狭くして、電力品質の良い電力制御器を提供することができる。

以上説明した通り、本実施の実施の形態１による電力制御器１は、電力を供給するn段の電源である太陽電池アレイSA１〜n及びスイッチ素子SW１〜nから成る電力制御器１の、nを無限大とした等価回路として電力を供給する電源である太陽電池アレイＳＡと、上記の電源と並列に接続されるとともに上記の電源との接続を短絡から開放にかけて駆動制御されるスイッチ素子SWと、バス電圧制御目標Vrefに対するバス電圧制御結果Voutの誤差から誤差増幅信号を生成する誤差増幅器３と、上記誤差増幅信号から上記の電源からの電力供給量の割合を決定する演算駆動部Ａを備え、更に上記の電源から供給される太陽電池アレイ発生電流Istrを検出する第一の電流検出器８と、負荷電流Iloadの電流を検出する第二の電流検出器９と、双方の電流検出器から得られる検出信号を取込んで双方の検出電流の差に比例する信号を生成する増幅器５とを備え、この増幅器からの信号を受けて演算駆動部において太陽電池アレイ発生電流と負荷電流の差分をシャント電流Ｉsとしてスイッチ素子に分流するようにスイッチ素子を駆動することを特徴とする。すなわち、電力制御器１は、電力を供給する複数の電源（SA1〜n）とそれぞれ直列に接続され、上記それぞれの電源（SA1〜n）への電流の逆流を防止する複数の逆流防止素子（D1〜n）と、上記それぞれの電源（SA1〜n）と並列に接続されるとともに上記それぞれの逆流防止素子（D1〜n）と直列に接続され、上記それぞれの電源（SA1〜n）との接続を短絡もしくは開放に切換える複数のスイッチ素子（SW1〜n）と、上記複数の電源（SA1〜n）による電力の供給状態の過不足分を示す誤差増幅信号を出力する誤差増幅器３と、上記誤差増幅信号３と基準値との比較により、上記それぞれの電源毎に電力の供給とシャントの割合を決定して上記それぞれのスイッチ素子（SW1〜n）を順に切換動作させる演算駆動部（A1〜n）と、上記それぞれの電源（SA1〜n）から発生する電流の合計値を示す第一の電流検出器８と、上記それぞれの電源から供給される電力の供給状態に基づく電流値を示す第二の電流検出器９と、上記第一の電流検出器８と第二の電流検出器９の電流値の差分を示す信号を出力する増幅器５とを備えたことを特徴とする。また、上記演算駆動部（A1〜n）は、上記それぞれのスイッチ素子（SW1〜n）に上記それぞれの電流値の差分に等しい平均電流を流すように、上記それぞれのスイッチ素子（SW1〜n）を切換えることを特徴とする。

これにより、負荷の変動によって生じるバス電圧の変動を負帰還電圧制御によって安定化することに加えて、太陽電池アレイ発生電流と負荷電流の差をシャント電流とする制御を行なうことで、バス電圧制御結果をバス電圧制御目標に一致させることができるため、装置の小型軽量化を阻害すること無くバス電圧変動幅を狭くして、電力品質の良い電力制御器を提供することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、本発明に係る実施の形態２による電力制御器１の構成を示す回路図である。図３の電力制御器１は、図１の電力制御器１において、更に微分器１０とレベル判定部１１を備えたことを特徴とする。図３において、図１と同一記号及び名称箇所は図１における同一の機能及び動作を行うものである。

微分器１０は、第二の電流検出器９によって検出された負荷電流Iloadの検出信号を用いて、単位時間Δtにおける負荷電流変化量ΔIloadと設計上の係数ａにより、式（１１）で表される微分係数Difを生成する。

レベル判定部１１は、微分係数Difの絶対値と係数bを比較して微分係数変数Dif_tを生成する。ここで、式（１２）の条件においては、微分係数変数Dif_tを式（１３）とする。

また、式（１４）の条件においては、微分係数変数Dif_tを式（１５）とする。

タイミング信号発生部４は、レベル判定部１１から入力される演算結果に基づいて、タイミング信号t1〜nを生成する。タイミング信号発生部４は、レベル判定部１１の演算結果より、微分係数Difの絶対値が係数bを越えるとき、微分係数Difの絶対値が大きくなる程、位相差tphを狭くするように、微分係数変数Dif_tに反比例して位相差tphを可変する。その結果、タイミング信号t1〜nが一巡する周期Tpeは式（１６）で表される。式（１６）において、nは太陽電池アレイSA1〜n及びスイッチ素子SW1〜nの構成段数であり、tphは式（１２）の条件における固定値である。

式（１１）における係数aの値は、任意に設定できる設計定数である。

式（１２）、式（１４）における係数bの値は、周期Tpeを必要以上に短縮することで、スイッチングによる発熱が増加することを抑制するために実用レベルで適切な値に設定される設計定数である。

このような原理によって、定常負荷時には周期Tpeは適切な値に固定されて、過渡的な負荷変動に応じて周期Tpeが短縮される。

図４は実施の形態２に係る電力制御器の動作を示すタイミングチャートである。図４において、（ａ）は過渡的に変動する負荷電流Iloadを示し、（ｂ）は負荷電流Iloadに対する微分係数Difを示し、（ｃ）は負荷電流Iloadに対する微分係数変数Dif_tを示し、（ｄ）はタイミング信号t1〜nが一巡する周期Tpeの遷移の様子を示す図である。図４において、式（１２）〜（１６）に示す通り単位時間当りにおける負荷電流Iloadの変化量が定数となる係数bで定まる規定の値を超えるときに、微分係数変数Dif_tに反比例して周期Tpeが短縮されることを示している。

従来の電力制御器は、太陽電池アレイ毎に負帰還電圧制御によってシャントと開放の割合を決定した上でそれぞれのスイッチ素子を順番に切換えて動作させてバス電圧制御を行っており、全てのスイッチ素子の動作が一巡する毎に負帰還電圧制御動作が更新されてゆくので、この一巡周期よりも速い負荷の変動に対しては応答できず、過渡的に大きなバス電圧変動が生じることが有り、負荷に供給する電力品質を低下させる要因となっている。キャパシタバンクを大きくすることで過渡的に生じる大きなバス電圧変動を緩和することが可能であるが装置の小型軽量化を阻害することになる。また、スイッチ素子の切換え周期を短くすることでこの問題は解決されるが、その場合各スイッチ素子のスイッチングによる発熱が増加して特許文献１に示す本来の発熱分散の効果が失われ、装置の小型軽量化を阻害することになっていた。

そこで、本実施の形態２では、負帰還電圧制御によるバス電圧制御に対して、微分器１０によって負荷電流Iloadの過渡的な変化を検出して微分係数Difを生成し、レベル判定部１１により微分係数Difの絶対値と係数bの比較演算処理を行い、微分係数Difの絶対値が係数bを越えない領域においては適切な値に固定され、微分係数Difの絶対値が係数bを越える領域から微分係数Difの絶対値に比例して可変される微分係数変数Dif_tを生成して、タイミング信号発生部４において位相差tph及び周期Tpeを、微分係数変数Dif_tに反比例して可変する。

なお、本実施の形態２の説明で用いた微分係数Dif、係数b、微分係数変数Dif_t、位相差tph及び周期Tpe相互の大小及び比例、反比例の関係は原理を説明する上での論理に基づくものであり、大小及び比例、反比例の関係を逆転して表現を置き換えても良い。

また、本実施の形態２の説明における微分器１０、レベル判定部１１、タイミング信号発生部４、係数a、係数b、微分係数Dif、微分係数変数Dif_tは、相当する動作をディジタル回路のプログラムで構成して、ディジタル信号処理で行うようにしてもよい。

かくして、本実施の形態２では、太陽電池アレイSA1〜n毎に負帰還電圧制御によってシャントと開放の割合を決定した上で、それぞれのスイッチ素子SW１〜nを順番に切換えて動作させてバス電圧制御を行う。電力制御器１は、全てのスイッチ素子SW１〜nの動作が一巡する毎に負帰還電圧制御動作が更新され、定常負荷時にはこの一巡周期を適切な値に固定して、過渡的な負荷変動時にはこの一巡周期を短くして、速い負荷の変動に対しても制御応答を可能にすることができる。

したがって、定常負荷時には各スイッチ素子SW１〜nのスイッチングによる発熱が増加すること無く、速い負荷の変動に対して制御応答を可能にすることができるので、装置の小型軽量化を阻害すること無く、電力品質の良い電力制御器１を提供することができる。

以上説明した通り、本実施の形態２による電力制御器１は、電力を供給するｎ段の電源である太陽電池アレイSA１〜n、スイッチ素子SW１〜n及びスイッチ素子を駆動するタイミング信号t1〜tn等から成る電力制御器１の構成の一部において、第二の電流検出器９によって検出された負荷電流Iloadの検出信号から微分係数Difを生成する微分器１０と、微分係数の絶対値と係数bを比較演算して微分係数変数Dif_tを生成するレベル判定部１１と、微分係数変数を受けてタイミング信号を発生するタイミング信号発生部４を備え、微分係数変数に反比例して各タイミング信号の位相差tph及び周期Tpeを可変して、スイッチ素子SW１〜nを駆動することを特徴とする。すなわち、実施の形態１の電力制御器１において、第二の電流検出器９から得られる電流信号を微分する微分器１０と、上記微分器１０の微分信号から得られる微分係数と特定の係数を比較し、微分係数変数を出力するレベル判定部１１とを備えたことを特徴とする。また、上記レベル判定部１１から入力される微分係数変数に基づいて、上記複数のスイッチ素子の位相差を決定するタイミング信号を生成するタイミング信号発生部４を備え、上記レベル判定部１１は、上記微分係数の絶対値が上記特定の係数を越えるとき、上記微分係数の絶対値が大きくなる程、上記微分係数変数に反比例して上記位相差が狭くなるように上記位相差を可変することを特徴とする。

これにより、定常負荷時には周期Tpeは適切な値に固定されてスイッチ素子SW１〜nのスイッチングによる発熱の増加を伴わず、過渡的な負荷変動に応じて周期Tpeを短縮することができるので、速い負荷の変動に対しても制御応答が可能になり過渡的に大きなバス電圧変動が生じることを防止できる。このため、装置の小型軽量化を阻害すること無く、電力品質の良い電力制御器１を提供することが可能となる。

本実施の形態１、２に係る発明は、例えば人工衛星に搭載して使用される太陽電池の電源安定化及び非安定化バスを介して、供給される電力の供給量を制御する電力制御器に適用することができる。

１電力制御器、２電力バス、３誤差増幅器、４タイミング信号発生部、５増幅器、６負荷、７キャパシタバンク、８第一の電流検出器、９第二の電流検出器、１０微分器、１１レベル判定部、A 演算駆動部、A1〜n 演算駆動部、a 係数、b 係数、D1〜n 逆流防止素子、Dif 微分係数、Dif_t 微分係数変数、G 増幅度、Istr 太陽電池アレイ発生電流、Istr 太陽電池アレイ発生電流、Istr1〜n 太陽電池アレイ発生電流、Is シャント電流、Iload 負荷電流、SA 太陽電池アレイ、SA1〜n 太陽電池アレイ、SW スイッチ素子、SW1〜n スイッチ素子、t1〜n タイミング信号、Vth 基準値、Vref バス電圧制御目標。

Claims

電力を供給する複数の電源とそれぞれ直列に接続され、上記それぞれの電源への電流の逆流を防止する複数の逆流防止素子と、
上記それぞれの電源と並列に接続されるとともに上記それぞれの逆流防止素子と直列に接続され、上記それぞれの電源との接続を短絡もしくは開放に切換える複数のスイッチ素子と、
上記複数の電源による電力の供給状態の過不足分を示す誤差増幅信号を出力する誤差増幅器と、
上記誤差増幅信号と基準値との比較により、上記それぞれの電源毎に電力の供給とシャントの割合を決定して上記それぞれのスイッチ素子を順に切換動作させる演算駆動部と、
上記それぞれの電源から発生する電流の合計値を示す第一の電流検出器と、
上記それぞれの電源から供給される電力の供給状態に基づく電流値を示す第二の電流検出器と、
上記第一の電流検出器と第二の電流検出器の電流値の差分を示す信号を出力する増幅器と、
を備え、
上記演算駆動部は、上記それぞれのスイッチ素子に上記それぞれの電流値の差分に等しい平均電流を流すように、上記それぞれのスイッチ素子を切換えることを特徴とする電力制御器。
電力を供給する複数の電源とそれぞれ直列に接続され、上記それぞれの電源への電流の逆流を防止する複数の逆流防止素子と、
上記それぞれの電源と並列に接続されるとともに上記それぞれの逆流防止素子と直列に接続され、上記それぞれの電源との接続を短絡もしくは開放に切換える複数のスイッチ素子と、
上記複数の電源による電力の供給状態の過不足分を示す誤差増幅信号を出力する誤差増幅器と、
上記誤差増幅信号と基準値との比較により、上記それぞれの電源毎に電力の供給とシャントの割合を決定して上記それぞれのスイッチ素子を順に切換動作させる演算駆動部と、
上記それぞれの電源から供給される電力の供給状態に基づく電流値を示す電流検出器と、
上記電流検出器から得られる電流信号を微分する微分器と、
上記微分器の微分信号から得られる微分係数と特定の係数を比較し、微分係数変数を出力するレベル判定部と、
上記レベル判定部から入力される微分係数変数に基づいて、上記複数のスイッチ素子の位相差を決定するタイミング信号を生成するタイミング信号発生部を備え、
上記レベル判定部は、上記微分係数の絶対値が上記特定の係数を越えるとき、上記微分係数の絶対値が大きくなる程、上記微分係数変数に反比例して上記位相差が狭くなるように上記位相差を可変することを特徴とする電力制御器。