JP6389114B2 - レクテナ制御器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を受信してこのマイクロ波を直流電力に変換（ＲＦ／ＤＣ変換）するレクテナの出力制御用のレクテナ制御器に関するものである。

従来より、アンテナで受信したマイクロ波を直流電力に変換するレクテナ装置が知られており、このようなレクテナ装置は、近年検討されている宇宙太陽光発電システム等への利用が期待されている。

宇宙太陽光発電システムとは、人工衛星に搭載した太陽電池パネルで太陽光を集光し、そこで発電した電力をマイクロ波に変換して地上へ送信し、地上で受信したマイクロ波を直流電力に変換して商用電力として利用するものである。この宇宙太陽光発電システムで使用するレクテナ装置は、マイクロ波が照射される領域に多数（数億個）のレクテナを配列してレクテナアレーを形成し、このレクテナアレーの多数のレクテナ個々からの直流電力を集電することにより大電力を得ることができる。

従来、上記したようなレクテナは、マイクロ波を受信するアンテナと、高調波を遮断する入力フィルタと、マイクロ波を直流電力に変換する整流回路を備えており、この整流回路と負荷系との間には、レクテナの出力を制御するレクテナ制御器が配置される。このレクテナ制御器は、整流回路によるマイクロ波から直流電力への変換効率（ＲＦ／ＤＣ変換効率）が最大となるように、整流回路の出力電圧を基準電圧に維持する、いわゆる定電圧制御を行うようになっている（例えば、特許文献１参照。）。

特開2009-038924号公報

ところが、上述したような従来のレクテナの出力を制御するレクテナ制御器では、出力電圧を基準電圧に維持する定電圧制御を行っているので、出力電圧の飽和領域においてマイクロ波を直流電力に変換する最高のＲＦ／ＤＣ変換効率が得られるものの、出力電圧の不飽和領域では、最高のＲＦ／ＤＣ変換効率が得られる負荷抵抗の条件及びこれに対応する出力電圧を維持することができず、その結果、最高のＲＦ／ＤＣ変換効率を得ることができないという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、レクテナの出力電力が広い範囲で変化する場合であったとしても、常にその電力レベルでの最高のＲＦ／ＤＣ変換効率を得ることが可能であるレクテナ制御器を提供することを目的としている。

レクテナは、最適に調整されたものであっても、出力電力及び負荷抵抗によってＲＦ／ＤＣ変換効率は大きく異なる。

ここで、レクテナの整流特性の実測例として、図３には負荷抵抗と変換効率との関係を示し、図４には出力電圧と変換効率との関係を示す。なお、この場合のレクテナは、出力電力２００ｍＷ、負荷抵抗６００Ωで最高の変換効率が達成されるように調整したものとしている。

図３及び図４の各グラフに示すように、出力電力を一定に保って負荷抵抗を変化させると、この負荷抵抗の増加に伴って出力電圧も単調に増加して、整合する負荷抵抗条件及びこれに対応する出力電圧において最高のＲＦ／ＤＣ変換効率が得られる。

一方、負荷抵抗を固定して出力電力を増加させると、この出力電力の増加に伴って出力電圧は増加するが、出力電力や負荷抵抗の各条件に関わらず、出力電圧がある電圧（この場合は約１０Ｖ）を超える領域では、出力電圧が飽和して整流回路のダイオードの漏れ電流の影響を受けてＲＦ／ＤＣ変換効率が著しく低下する。

次に、図５にレクテナの出力電圧−出力電流特性を示す。この図５に示すグラフは、図３及び図４に示したデータを用いたうえで、出力電力をパラメータにして出力電流と出力電圧との関係を示している。

図５に示すように、出力電圧が飽和しない領域では、各出力電力に関わらず概ね一定の負荷抵抗（５８０Ω）で最大のＲＦ／ＤＣ変換効率が得られている。また、出力電圧が飽和した領域では、飽和電圧（９．６Ｖ）で最高のＲＦ／ＤＣ変換効率が得られている。

本発明者らは、図５のグラフに示すレクテナの出力電圧−出力電流特性に着目して本発明者をするに至った。

すなわち、本発明の第１の態様は、マイクロ波を受信して該マイクロ波を直流電力に整流変換するレクテナと、該レクテナから出力された直流電力が供給される負荷系との間に配置されるレクテナ制御器であって、前記レクテナの出力電圧を計測して、前記出力電圧が飽和しない不飽和領域では、負荷抵抗を一定に保つ制御を行うインピーダンス制御部と、前記レクテナの出力電圧を計測して、前記出力電圧が飽和する飽和領域では、該出力電圧を飽和領域で一定電圧に保つ制御を行う定電圧制御部を備え、前記レクテナの出力電圧レベルに応じて前記インピーダンス制御部によるインピーダンス制御及び前記定電圧制御部による定電圧制御が自動的に切り替わる構成としている。

また、本発明の第２の態様において、パルス幅を変調することで前記レクテナの出力を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータを備え、前記ＰＷＭコンバータは、前記出力電圧が飽和しない不飽和領域において、前記インピーダンス制御部からのＰＷＭ駆動信号を受けて負荷抵抗を一定に保ち、前記出力電圧が飽和する飽和領域において、前記定電圧制御部からのＰＷＭ駆動信号を受けて前記出力電圧を飽和領域で一定電圧に保つべく作動する構成としている。

さらに、本発明の第３の態様において、前記インピーダンス制御部は、前記レクテナの出力電流を検出する電流検出器と、前記レクテナの出力電圧を検出する電圧検出器と、前記電流検出器で検出された出力電流及び前記電圧検出器で検出された出力電圧の比に基づいて負荷抵抗値を求める除算器と、前記除算器で得た負荷抵抗値の目標負荷抵抗値に対する差信号を求める抵抗値差信号検出手段を具備し、前記定電圧制御部は、前記電圧検出器で検出された出力電圧と目標電圧との差信号を求める電圧差信号検出手段を具備し、前記インピーダンス制御部における前記抵抗値差信号検出手段で求められた負荷抵抗の差信号、及び、前記定電圧制御部における前記電圧差信号検出手段で求められた出力電圧の差信号のうちの何れかの差信号が前記出力電圧の飽和状態に応じて選択され、前記ＰＷＭコンバータは、選択された前記差信号をＰＷＭ駆動信号として該差信号を無くすべく作動する構成としている。

ここで、目標負荷抵抗値とは、インピーダンス制御部によるインピーダンス制御において一定に保持しようとする負荷抵抗の値であり、目標電圧とは、定電圧制御部による定電圧制御において一定に保持しようとするレクテナの出力電圧である。この際、負荷抵抗とは、レクテナ出力からレクテナ制御器を見たときの抵抗である。

本発明に係るレクテナ制御器では、レクテナの出力電圧が飽和状態にあるか否かに応じて、インピーダンス制御及び定電圧制御が自動的に切り替わるので、レクテナの出力電力が広い範囲で変化する場合であったとしても、常にその電力レベルでの最高のＲＦ／ＤＣ変換効率を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

また、本発明に係るレクテナ制御器では、インピーダンス制御部及び定電圧制御部の回路構成を簡素化することで消費電力の低減が図られ、その結果、レクテナ制御器自身の消費電力を少なく抑えることができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係るレクテナ制御器を示すブロック図である。 図１のレクテナ制御器の負荷抵抗演算回路を示す図である。 レクテナの整流特性の実測例としての負荷抵抗と変換効率との関係を示すグラフである。 レクテナの整流特性の実測例としての出力電圧と変換効率との関係を示すグラフである。 レクテナの出力電圧−出力電流特性を示すグラフである。

以下、本発明に係るレクテナ制御器を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明に係るレクテナ制御器の一実施形態を示している。

図１に示すように、このレクテナ制御器１は、宇宙太陽光発電システムで使用されるレクテナ装置におけるレクテナアレーのレクテナ、すなわち、宇宙から送信されたマイクロ波を受信して直流電力に整流変換するレクテナ２と、このレクテナ２から出力された直流電力が供給される既存の商用電力網（負荷系）３との間に配置される。

このレクテナ制御器１は、レクテナ２の出力電圧が飽和しない不飽和領域において、負荷抵抗を一定に保つ（負荷抵抗を図５の５８０Ω制御線上に保つ）制御を行うインピーダンス制御部１０と、レクテナ２から出力された出力電圧が飽和する飽和領域では、負荷系への出力電圧を飽和領域で一定電圧に保つ（出力電圧を図５の９．６Ｖ制御線上に保つ）制御を行う定電圧制御部２０を備えており、このレクテナ制御器１では、レクテナ２からの出力電圧レベルに応じてインピーダンス制御部１０によるインピーダンス制御及び定電圧制御部２０による定電圧制御が自動的に切り替わるようになっている。

このレクテナ制御器１は、パルス幅を変調することでレクテナ２の出力を制御するＰＷＭコンバータ４を備えており、このＰＷＭコンバータ４は、出力電圧が飽和しない不飽和領域において、インピーダンス制御部１０からのＰＷＭ駆動信号を受けて負荷抵抗を一定に保ち、出力電圧が飽和する飽和領域において、定電圧制御部２０からのＰＷＭ駆動信号を受けて出力電圧を飽和領域で一定電圧に保つべく作動するようになっている。

この場合、インピーダンス制御部１０は、レクテナ２の出力電流Ｉｏを検出する電流検出器１１と、レクテナ２の出力電圧Ｖｏを検出する電圧検出器１２と、電流検出器１１で検出された出力電流Ｉｏ及び電圧検出器１２で検出された出力電圧Ｖｏの比に基づいて負荷抵抗値Ｚｎを求める除算器１３と、この除算器１３で得た負荷抵抗値Ｚｎの目標負荷抵抗値Ｚｒに対する差信号ΔＺｎを求めて逆流防止ダイオード１４に送る抵抗値差信号検出手段１５を備えている。

一方、定電圧制御部２０は、電圧検出器１２で検出された出力電圧Ｖｏと目標電圧Ｖｒｅｆとの差信号ΔＶｏを求めて逆流防止ダイオード２１に送る電圧差信号検出手段２２を備えている。

このレクテナ制御器１では、インピーダンス制御部１０における抵抗値差信号検出手段１５で求められた負荷抵抗の差信号ΔＺｎ、及び、定電圧制御部２０における電圧差信号検出手段２２で求められた出力電圧の差信号ΔＶｏのうちの何れかの差信号を出力電圧の飽和状態に応じて選択し、この選択された差信号をＰＷＭ駆動信号としてＰＷＭコンバータ４が差信号を無くすべく作動するようになっている。

具体的には、図２の負荷抵抗の演算回路に示すように、レクテナ制御器１にレクテナ２からの出力電圧が入力される場合、インピーダンス制御部１０のオペアンプＵ１手前の加算点Ｐにおける出力電流（単位：電圧Ｖ）ＲｃＩｏＫ１Ｒ２に比べて出力電圧Ｋ２ＶｏＲ１が大きいので、オペアンプＵ１の出力に正電圧が発生し、これが逆流防止ダイオード１４を通過してＰＷＭ駆動信号となる。
ここで、Ｒｃは電流検出抵抗、Ｋ１は増幅器抵抗、Ｋ２は電圧検出抵抗、Ｒ１，Ｒ２は抵抗である。

ＰＷＭコンバータ４は、ＰＷＭ駆動信号を入力としてＰＷＭの変調率を制御する機能を有しているので、上記ＰＷＭ駆動信号によりＰＷＭコンバータ４が作動して変調率を増加させ、レクテナ制御器１の入力インピーダンスを下げる。そして、オペアンプＵ１手前の加算点Ｐにおける出力電流ＲｃＩｏＫ１Ｒ２と出力電圧Ｋ２ＶｏＲ１とが等しくなるとき、定常状態に移り、レクテナ制御器１の入力インピーダンスが所定の値に維持される。すなわち、インピーダンス制御部１０によるインピーダンス制御がなされることとなる。

この定常状態において、以下の式が成立する。
−ＲｃＫ１Ｒ２Ｉｏ＋Ｋ２Ｒ１Ｖｏ＝０
そして、目標負荷抵抗値Ｚｒは次式となり、各抵抗Ｒｃ，Ｋ１，Ｋ２，Ｒ１，Ｒ２を目標負荷抵抗値Ｚｒになるように設定する。
Ｖｏ／Ｉｏ＝（ＲｃＫ１Ｒ２）／Ｋ２Ｒ１＝Ｚｒ

一方、レクテナ２の出力電圧が増加するとき、レクテナ制御器１において、所定の入力インピーダンスに維持された状態で出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏとが増加する。
そして、レクテナ制御器１への入力電力がさらに増加して出力電圧Ｖｏが目標電圧Ｖｒｅｆを超えると、これらの差電圧としての定電圧制御部２０におけるオペアンプＵ２の出力電圧が正となって、逆流防止ダイオード２１を通過してＰＷＭ駆動信号としてＰＷＭコンバータ４に加えられる。これによって出力電圧Ｖｏが抑えられ、出力電流Ｉｏが増加する。

出力電流Ｉｏが増加すると、オペアンプＵ１の加算点Ｐにおける出力電流ＲｃＩｏＫ１Ｒ２は出力電圧Ｋ２ＶｏＲ１よりも大きくなって、オペアンプＵ１の出力は小さくなり、さらには負の値になって、逆流防止ダイオード１４を通過することができなくなる。
このように、出力電圧が大きい領域（出力電圧Ｖｏが飽和する領域）では、定電圧制御部２０による定電圧制御が支配的になる。

したがって、このレクテナ制御器１によれば、レクテナ２の出力電圧Ｖｏが飽和状態にあるか否かに応じて、インピーダンス制御部１０によるインピーダンス制御及び定電圧制御部２０による定電圧制御が自動的に切り替わるので、レクテナ２の出力電力が広い範囲で変化する場合であったとしても、常にその電力レベルでの最高のＲＦ／ＤＣ変換効率が得られることとなる。

また、このレクテナ制御器１では、インピーダンス制御部１０及び定電圧制御部２０の回路構成が簡単なものとなっているので、消費電力の低減が図られることとなり、その結果、レクテナ制御器１自身の消費電力が少なく抑えられることとなる。

上記した実施形態では、レクテナ制御器１が宇宙太陽光発電システムに使用される場合について説明したが、これに限られるものではない。

また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、電流検出器１１で検出されたレクテナ２の出力電流Ｉｏ及び電圧検出器１２で検出されたレクテナ２の出力電圧Ｖｏの差に基づいて負荷抵抗値Ｚｎを求めるのに、例えば、ＣＰＵを用いてもよい。

１ レクテナ制御器
２ レクテナ
３ 商用電力網（負荷系）
４ ＰＷＭコンバータ
１０ インピーダンス制御部
１１ 電流検出器
１２ 電圧検出器
１３ 除算器
１５ 抵抗値差信号検出手段
２０ 定電圧制御部
２２ 電圧差信号検出手段

Claims (3)

1. マイクロ波を受信して該マイクロ波を直流電力に整流変換するレクテナと、該レクテナから出力された直流電力が供給される負荷系との間に配置されるレクテナ制御器であって、
   前記レクテナの出力電圧を計測して、前記出力電圧が飽和しない不飽和領域では、負荷抵抗を一定に保つ制御を行うインピーダンス制御部と、
   前記レクテナの出力電圧を計測して、前記出力電圧が飽和する飽和領域では、該出力電圧を飽和領域で一定電圧に保つ制御を行う定電圧制御部を備え、
   前記レクテナの出力電圧レベルに応じて前記インピーダンス制御部によるインピーダンス制御及び前記定電圧制御部による定電圧制御が自動的に切り替わるレクテナ制御器。
2. パルス幅を変調することで前記レクテナの出力を制御するＰＷＭコンバータを備え、前記ＰＷＭコンバータは、前記出力電圧が飽和しない不飽和領域において、前記インピーダンス制御部からのＰＷＭ駆動信号を受けて負荷抵抗を一定に保ち、前記出力電圧が飽和する飽和領域において、前記定電圧制御部からのＰＷＭ駆動信号を受けて前記出力電圧を飽和領域で一定電圧に保つべく作動する請求項１に記載のレクテナ制御器。
3. 前記インピーダンス制御部は、前記レクテナの出力電流を検出する電流検出器と、前記レクテナの出力電圧を検出する電圧検出器と、前記電流検出器で検出された出力電流及び前記電圧検出器で検出された出力電圧の比に基づいて負荷抵抗値を求める除算器と、前記除算器で得た負荷抵抗値の目標負荷抵抗値に対する差信号を求める抵抗値差信号検出手段を具備し、前記定電圧制御部は、前記電圧検出器で検出された出力電圧と目標電圧との差信号を求める電圧差信号検出手段を具備し、前記インピーダンス制御部における前記抵抗値差信号検出手段で求められた負荷抵抗の差信号、及び、前記定電圧制御部における前記電圧差信号検出手段で求められた出力電圧の差信号のうちの何れかの差信号が前記出力電圧の飽和状態に応じて選択され、前記ＰＷＭコンバータは、選択された前記差信号をＰＷＭ駆動信号として該差信号を無くすべく作動する請求項２に記載のレクテナ制御器。

Images