EP1388774A1

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Info

Publication number: EP1388774A1
Application number: EP03291745A
Authority: EP
Inventors: Christophe Delepaut
Original assignee: Alcatel SA; Nokia Inc
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2004-02-11
Also published as: JP2004078950A; US6919714B2; US20040124816A1; FR2843464A1; JP4361328B2; FR2843464B1

Abstract

Translated fromFrench

Une source de puissance (10), comme un générateur solaire, présente un graphe de la puissance fournie en fonction de la tension à ses bornes avec un maximum. La source alimente un convertisseur continu / continu. Pour conditionner la source, on applique au convertisseur une consigne de puissance d'entrée croissante tant que la dérivée de la tension d'entrée du convertisseur par rapport au temps est supérieure à une première valeur seuil négative et décroissante tant que la dérivée de la tension d'entrée du convertisseur par rapport au temps est inférieure à une deuxième valeur seuil positive. Le taux de variation de la puissance moyen lorsque la consigne est croissante est choisi inférieur à l'opposé du taux de variation de la puissance moyen lorsque la consigne est décroissante. Ce conditionnement permet de faire débiter la source au point de puissance maximum et peut être implémenté simplement. <IMAGE>A power source (10), such as a solar generator, presents a graph of the power supplied as a function of the voltage at its terminals with a maximum. The source feeds a DC / DC converter. To condition the source, an increasing input power instruction is applied to the converter as long as the derivative of the converter input voltage with respect to time is greater than a first negative and decreasing threshold value as long as the derivative of the voltage input of the converter with respect to time is less than a second positive threshold value. The rate of change of the average power when the setpoint is increasing is chosen lower than the opposite of the rate of change of the average power when the setpoint is decreasing. This conditioning makes it possible to debit the source at the point of maximum power and can be implemented simply. <IMAGE>

Description

Translated fromFrench

La présente invention concerne les sources de puissance et plus précisémentl'exploitation de sources de puissance pour lesquelles la courbe de la puissancefournie en fonction de la tension aux bornes de la source présente un maximum.The present invention relates to power sources and more specificallythe operation of power sources for which the power curvesupplied as a function of the voltage across the source has a maximum.

Pour une telle source, la puissance fournie est maximale lorsque la tensionprésente une valeur donnée. Il est intéressant pour exploiter au mieux la source depuissance - en tirer une puissance maximale - que la tension aux bornes de lasource soit autant que possible égale à cette valeur donnée.For such a source, the power supplied is maximum when the voltagehas a given value. It is interesting to make the most of the source ofpower - derive maximum power - than the voltage across thesource is as much as possible equal to this given value.

Les générateurs solaires utilisés pour les satellites constituent un exempled'une telle source de puissance. La figure 1 montre un graphe du courant et de lapuissance en fonction de la tension aux bornes du générateur, dans l'exemple d'ungénérateur formé d'un montage série de 102 cellules Si BSR (Back Surface Reflector) ;de telles cellules sont disponibles dans l'industrie spatiale. On a porté le long de l'axedes ordonnées le courant fourni par le générateur solaire, en ampères, ainsi que lapuissance délivrée par le générateur, en watts; on a porté le long de l'axe desabscisses la tension aux bornes du générateur, en volts. Les courbes 1 et 2 sur lafigure 1 correspondent à un fonctionnement à une température de + 100°C; lescourbes 3 et 4 correspondent à un fonctionnement à une température de -100°C. Lacourbe 2 sur la figure 1 est un graphe du courant en fonction de la tension; ellemontre que le courant fourni par les cellules diminue lorsque la tension dépasse unevaleur de l'ordre de 35 V, ce qui s'explique par un phénomène de saturation descellules; la courbe 4 est similaire, à ceci près que la tension de saturation est del'ordre de 75 V. La courbe 1 sur la figure 1 est un graphe de la puissance fournie parle générateur solaire; elle montre que la puissance fournie présente un maximum,qui dans l'exemple présente une valeur de l'ordre de 100 W et est atteint pour unevaleur V0 de la tension qui est de l'ordre de 38 V. La courbe 3 est similaire à lacourbe 2, avec des valeurs de puissance maximale et de tension V0 respectivementde l'ordre de 200 W et 70V. Ces courbes ne constituent qu'un exemple particulier degénérateur dans lequel le graphe de la puissance fournie en fonction de la tension desortie présente un maximum.Solar generators used for satellites are an examplefrom such a source of power. Figure 1 shows a graph of the current and thepower as a function of the voltage across the generator, in the example of agenerator formed from a series assembly of 102 Si BSR cells (Back Surface Reflector);such cells are available in the space industry. We carried along the axisordinates the current supplied by the solar generator, in amperes, as well as thepower delivered by the generator, in watts; we carried along the axis ofabscissa the voltage across the generator, in volts.Curves 1 and 2 on theFigure 1 correspond to operation at a temperature of + 100 ° C; thecurves 3 and 4 correspond to operation at a temperature of -100 ° C. Thecurve 2 in FIG. 1 is a graph of the current as a function of the voltage; sheshows that the current supplied by the cells decreases when the voltage exceeds onevalue of around 35 V, which is explained by a phenomenon of saturation ofcells; curve 4 is similar, except that the saturation voltage isaround 75V. Curve 1 in Figure 1 is a graph of the power supplied bythe solar generator; it shows that the power supplied has a maximum,which in the example has a value of the order of 100 W and is reached for aV0 value of the voltage which is around 38V. Curve 3 is similar to thecurve 2, with maximum power and V0 voltage values respectivelyof the order of 200 W and 70V. These curves are just one particular example ofgenerator in which the graph of the power supplied versus the voltage ofoutput has a maximum.

Pour exploiter un tel générateur solaire ou plus généralement une tellesource de puissance, il est intéressant que la tension aux bornes de la source soitaussi proche que possible de la valeur V0 de la tension pour laquelle la sourcedélivre une puissance maximale. Ce problème se pose avec une acuité particulièredans le cas des générateurs solaires utilisés dans les satellites. En effet, pour cesgénérateurs solaires, la tension V0 pour laquelle la puissance fournie par legénérateur est maximale varie en fonction de la température à laquelle le générateurest soumis, comme représenté à la figure 1; cette tension V0 varie aussi en fonction

de l'intensité du rayonnement solaire auquel le générateur est exposé;
du vieillissement du générateur.

To use such a solar generator or more generally such a power source, it is advantageous for the voltage across the terminals of the source to be as close as possible to the value V0 of the voltage for which the source delivers maximum power. This problem is particularly acute in the case of solar generators used in satellites. Indeed, for these solar generators, the voltage V0 for which the power supplied by the generator is maximum varies as a function of the temperature to which the generator is subjected, as shown in FIG. 1; this voltage V0 also varies depending

the intensity of the solar radiation to which the generator is exposed;
generator aging.

Pour un satellite, la température peut typiquement varier dans une plage de- 100°C à +100°C, dans l'exemple d'une orbite terrestre basse. Pour une orbiteMercure, la variation de température serait encore plus important et la températurepourrait varier dans une plage de - 150 °C à + 250 °C. L'intensité du rayonnementsolaire peut varier en fonction de l'éloignement du soleil; pour une mission depuis laTerre vers Mars, l'intensité du rayonnement solaire peut varier dans un rapport de 3 à1. Le vieillissement du générateur provoque la mise en court-circuit de certainescellules. Dans l'ensemble, la tension V0 peut typiquement varier dans un rapport de 1à 2, et pourrait par exemple varier de 40 à 80 V.For a satellite, the temperature can typically vary within a range of- 100 ° C to + 100 ° C, in the example of a low Earth orbit. For an orbitMercury, the temperature variation would be even more significant and the temperaturecould vary in the range of - 150 ° C to + 250 ° C. The intensity of the radiationsolar may vary depending on the distance from the sun; for a mission since theEarth to Mars, the intensity of solar radiation can vary in a ratio of 3 to1. The aging of the generator causes short-circuiting of certaincells. Overall, the voltage V0 can typically vary in a ratio of 1to 2, and could for example vary from 40 to 80 V.

Il a donc été proposé d'exploiter les générateurs solaires, pour en extraireune puissance maximale, en recherchant que la tension aux bornes du générateursoit proche de la tension V0. Ces techniques sont connues sous le nom de "MaximumPower Point Tracking" (suivi du point de puissance maximal en langue française).It has therefore been proposed to use the solar generators, to extract therefrommaximum power, finding that the voltage across the generatoris close to the voltage V0. These techniques are known as "MaximumPower Point Tracking "(tracking the maximum power point in French).

W. Denzinger,Electrical Power Subsystem of Globalstar, Proceedings of theEuropean Space Power Conference, Poitiers, France, 4-8 Septembre 1995, décrit lesous-système de puissance des satellites Globalstar. La recherche du point depuissance maximale s'effectue en considérant que le point de puissance maximale estatteint lorsque l'impédance dynamique du générateur est égale à l'impédancestatique, autrement dit lorsqueV/l = dV/dlc'est-à-dire lorsquedl/l = dV/V En toute rigueur, Vl=max implique Vdl+ldV=0 et donc V/l=-dV/dl. Denzinger oubliele signe -.
Ce document décrit un circuit utilisant un capteur de courant, un capteur de tension,deux circuits échantillonneurs, deux comparateurs, une bascule et un intégrateur.W. Denzinger,Electrical Power Subsystem of Globalstar , Proceedings of the European Space Power Conference, Poitiers, France, 4-8 September 1995, describes the power subsystem of Globalstar satellites. The maximum power point is sought by considering that the maximum power point is reached when the dynamic impedance of the generator is equal to the static impedance, in other words when V / l = dV / dl that is to say when dl / l = dV / V Strictly speaking, Vl = max implies Vdl + ldV = 0 and therefore V / l = -dV / dl. Denzinger forgets the sign -.
This document describes a circuit using a current sensor, a voltage sensor, two sampler circuits, two comparators, a rocker and an integrator.

Kevin Kyeong-ll Choi et Alphonse Barnaba,Application of the maximumpower point tracking (MPPT) to the on-board adaptative power supply subsystem,Note technique du CNES n°138, juillet 1998, décrit un sous-système d'alimentationélectrique pour les satellites de faible puissance. Pour le suivi du point de puissancemaximum, ce sous-système utilise un microcontrôleur associant une multiplicationnumérique du courant par l'intensité et un algorithme de poursuite de la puissance àpartir des valeurs calculées.Kevin Kyeong-ll Choi and Alphonse Barnaba,Application of the maximum power point tracking (MPPT) to the on-board adaptive power supply subsystem, CNES technical note n ° 138, July 1998, describes apower supply subsystem for low power satellites. For monitoring the maximum power point, this subsystem uses a microcontroller associating a digital multiplication of the current by the intensity and an algorithm for tracking the power from the calculated values.

Ces solutions sont complexes à mettre en oeuvre. Ceci conduit à centraliserle contrôle de suivi du point de puissance maximum des différents générateurssolaires ; cette centralisation affecte la fiabilité du sous-système d'alimentationélectrique et est incompatible de points de puissance maximum différents en tensiond'une section de générateur solaire à l'autre. En outre, ces solutions exploitent lescomposantes directes de courants et/ou tensions, lesquelles quantités n'étant pascaractéristiques du suivi de point de puissance maximum.These solutions are complex to implement. This leads to centralizingthe monitoring control of the maximum power point of the different generatorssolar; this centralization affects the reliability of the power subsystemelectric and is incompatible with different maximum power points in voltagefrom one section of solar generator to another. In addition, these solutions exploit thedirect components of currents and / or voltages, which quantities are notcharacteristics of maximum power point tracking.

Ce problème expliqué en référence aux générateurs solaires dans lesconditions des satellites se pose plus généralement pour toute source de puissancepour le graphe de la puissance fournie en fonction de la tension présente unmaximum.This problem explained with reference to solar generators insatellite conditions arise more generally for any power sourcefor the graph of the power supplied versus the voltage presents amaximum.

Il existe donc un besoin d'une solution permettant l'exploitation d'une sourcede puissance pour laquelle la courbe de la puissance fournie en fonction de latension aux bornes de la source présente un maximum. Une telle solution devrait,avec des moyens aussi simples et robustes que possible, assurer que la tension auxbornes de la source de puissance est dans la mesure du possible aussi proche quepossible de la tension pour laquelle la puissance débitée est maximale.There is therefore a need for a solution allowing the exploitation of a sourceof power for which the curve of the power supplied as a function of thevoltage across the source has a maximum. Such a solution should,with as simple and robust means as possible, ensure that the voltage atpower source terminals is as close as possiblepossible for the voltage for which the power output is maximum.

Dans un mode de réalisation, l'invention propose en conséquence un circuitde conditionnement d'une source de puissance pour laquelle le graphe de lapuissance fournie en fonction de la tension aux bornes de la source présente unmaximum, le circuit comprenant :

un convertisseur continu / continu avec une entrée pour l'alimentation par lasource de puissance et une sortie pour alimenter une charge;
un circuit de commande du convertisseur par une consigne de puissanceappliqué au convertisseur

croissante tant que la dérivée de la tension d'entrée du convertisseur parrapport au temps est supérieure à une première valeur seuil négative et
décroissante tant que la dérivée de la tension d'entrée du convertisseur parrapport au temps est inférieure à une deuxième valeur seuil positive,

le taux de variation de la puissance moyen lorsque la consigne est croissante étantinférieur à l'opposé du taux de variation de la puissance moyen lorsque la consigneest décroissante.In one embodiment, the invention therefore proposes a circuit for conditioning a power source for which the graph of the power supplied as a function of the voltage across the terminals of the source has a maximum, the circuit comprising:

a DC / DC converter with an input for supplying the power source and an output for supplying a load;
a converter control circuit by a power setpoint applied to the converter

increasing as long as the derivative of the input voltage of the converter with respect to time is greater than a first negative threshold value and
decreasing as long as the derivative of the input voltage of the converter with respect to time is less than a second positive threshold value,

the rate of change of the average power when the setpoint is increasing being less than the opposite of the rate of change of the average power when the setpoint is decreasing.

Avantageusement, la première et/ou la deuxième valeur seuil sont / estconstante. On peut alors prévoir que les première et deuxième valeur seuil sontopposées.Advantageously, the first and / or the second threshold value are / isconstant. We can then predict that the first and second threshold values areopposed.

Dans un mode de réalisation, la consigne de puissance croissante appliquéeau convertisseur est une consigne de dérivée constante et positive de la puissance parrapport au temps.In one embodiment, the increasing power setpoint appliedto the converter is a constant and positive derivative setpoint of the power byin relation to time.

Dans encore un mode de réalisation, la consigne de puissance décroissanteappliquée au convertisseur est une consigne de dérivée constante et négative de lapuissance par rapport au temps.In another embodiment, the decreasing power setpointapplied to the converter is a constant and negative derivative setpoint of thepower versus time.

On peut aussi prévoir que la dérivée constante et positive est inférieure àl'opposé de la dérivée constante et négative.We can also predict that the constant and positive derivative is less thanthe opposite of the constant and negative derivative.

L'invention propose aussi un générateur conditionné, comprenant un telcircuit et une source de puissance pour laquelle le graphe de la puissance fournie enfonction de la tension aux bornes de la source présente un maximum; la puissancefournie par la source est appliquée en entrée du convertisseur continu / continu.The invention also provides a conditioned generator, comprising such acircuit and a power source for which the graph of the power supplied infunction of the voltage across the source has a maximum; the powersupplied by the source is applied at the input of the DC / DC converter.

Dans un mode de réalisation, le générateur comprend une capacité enparallèle à la source de puissance. La source peut aussi présenter une capacitéintrinsèque. De préférence, la source de puissance est un générateur solaire.In one embodiment, the generator comprises a capacity inparallel to the power source. The source can also have a capacityintrinsic. Preferably, the power source is a solar generator.

L'invention propose enfin un procédé de conditionnement d'une source depuissance pour laquelle le graphe de la puissance fournie en fonction de la tensionaux bornes de la source présente un maximum, la puissance fournie par la source étant appliquée à un convertisseur continu /continu; le procédé comprendl'application au convertisseur d'une consigne de puissance d'entrée

croissante tant que la dérivée de la tension d'entrée du convertisseur par rapportau temps est supérieure à une première valeur seuil négative et
décroissante tant que la dérivée de la tension d'entrée du convertisseur parrapport au temps est inférieure à une deuxième valeur seuil positive,

le taux de variation de la puissance moyen lorsque la consigne est croissante étantinférieur à l'opposé du taux de variation de la puissance moyen lorsque la consigneest décroissante.The invention finally proposes a method for conditioning a power source for which the graph of the power supplied as a function of the voltage across the terminals of the source has a maximum, the power supplied by the source being applied to a DC converter / continued; the method includes applying an input power setpoint to the converter

On peut prévoir que la première valeur seuil est constante, et / ou encoreque la deuxième valeur seuil est constante. Il est alors possible que les première etdeuxième valeur seuil soient opposées.We can predict that the first threshold value is constant, and / orthat the second threshold value is constant. It is then possible that the first andsecond threshold value are opposite.

Avantageusement, la consigne de puissance croissante appliquée auconvertisseur est une consigne de dérivée constante et positive de la puissance parrapport au temps. ll est aussi possible que la consigne de puissance décroissanteappliquée au convertisseur soit une consigne de dérivée constante et négative de lapuissance par rapport au temps. Si tel est le cas, la dérivée constante et positive peutêtre inférieure à l'opposé de la dérivée constante et négative.Advantageously, the increasing power setpoint applied to theconverter is a constant and positive derivative setpoint of the power byin relation to time. It is also possible that the decreasing power setpointapplied to the converter be a constant and negative derivative setpoint of thepower versus time. If this is the case, the constant and positive derivative canbe less than the opposite of the constant and negative derivative.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à la lecturede la description qui suit de modes de réalisation, donnés à titre d'exemple et enréférence aux dessins, qui montrent :

figure 1, un graphe du courant et de la puissance en fonction de la tension auxbornes d'une source de puissance à laquelle l'invention s'applique;
figure 2, une représentation schématique d'un générateur conditionné selon unmode de réalisation de l'invention;
figure 3, un graphe de la puissance délivrée par la source de puissance enfonction de la tension à ses bornes, dans le générateur conditionné de la figure2;
figure 4, une vue plus détaillée du circuit de commande du générateurconditionné de la figure 2.

Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description of embodiments, given by way of example and with reference to the drawings, which show:

FIG. 1, a graph of the current and of the power as a function of the voltage across the terminals of a power source to which the invention applies;
Figure 2, a schematic representation of a generator conditioned according to one embodiment of the invention;
FIG. 3, a graph of the power delivered by the power source as a function of the voltage across its terminals, in the conditioned generator of FIG. 2;
FIG. 4, a more detailed view of the control circuit of the generator conditioned in FIG. 2.

On donne dans la suite de la description un exemple d'application del'invention au suivi du point de puissance maximum dans un générateur solaire.Comme expliqué ci-dessus, un tel générateur n'est qu'un exemple d'une source de puissance pour laquelle le graphe de la puissance fournie en fonction de la tensionaux bornes de la source présente un maximum.An example of the application ofthe invention to the monitoring of the maximum power point in a solar generator.As explained above, such a generator is only an example of a source ofpower for which the graph of the power supplied as a function of the voltageacross the source has a maximum.

La figure 2 est une représentation schématique d'un générateur conditionnéselon un mode de réalisation de l'invention, dans une application d'alimentation entension d'un bus de satellite. Le générateur conditionné présente d'une part ungénérateur solaire 10, et d'autre part un circuit de conditionnement. Ce circuit deconditionnement permet au générateur conditionné de délivrer une puissance sousune tension fixe, autrement dit de se comporter comme une source de tension, tantque la puissance délivrée est inférieure à la puissance maximale que peut fournir legénérateur solaire, alors que le générateur solaire n'est capable de fournir unepuissance variable, à concurrence du maximum de puissance disponible, qu'à destensions variables.Figure 2 is a schematic representation of a conditioned generatoraccording to one embodiment of the invention, in an application for supplyingvoltage from a satellite bus. The conditioned generator has on the one hand asolar generator 10, and on the other hand a conditioning circuit. This circuit ofconditioning allows the conditioned generator to deliver power undera fixed voltage, in other words to behave as a source of tension, as longthat the power delivered is less than the maximum power that thesolar generator, while the solar generator is only able to providevariable power, up to the maximum available power, only atvariable voltages.

La figure montre le générateur solaire 10 - la source de puissance - qui estmonté en parallèle à une capacité 12. La tension Vin aux bornes du générateursolaire et de la capacité est appliquée en entrée d'un convertisseur continu / continu(ou convertisseur DC/DC) 14. Cette représentation de la source, de la capacité et duconvertisseur est schématique; de fait, un générateur solaire présente intrinsèquementune capacité; le convertisseur peut aussi en entrée présenter une capacité. Lacapacité 12 n'est pas nécessairement un composant distinct du générateur et duconvertisseur, mais peut être constituée par la capacité du générateur et/ou duconvertisseur. La capacité 12 peut aussi correspondre à la combinaison de lacapacité intrinsèque du générateur solaire, d'une capacité additionnelle et d'unecapacité prévue dans le convertisseur.The figure shows the solar generator 10 - the power source - which ismounted in parallel to acapacity 12. The voltage Vin across the generatorand capacity is applied at the input of a DC / DC converter(or DC / DC converter) 14. This representation of the source, the capacity and theconverter is schematic; in fact, a solar generator intrinsically presentsa capacity; the converter can also have an input capacity. Thecapacity 12 is not necessarily a separate component of the generator andconverter, but may consist of the capacity of the generator and / or theconverter. Thecapacity 12 can also correspond to the combination of theintrinsic capacity of the solar generator, an additional capacity and acapacity provided in the converter.

La tension Vout en sortie du convertisseur 14 correspond au bus de tensiondu satellite 16; celui-ci comprend habituellement une batterie alimentant les charges,mais ceci est sans incidence sur le fonctionnement du circuit.The voltage Vout at the output of theconverter 14 corresponds to thevoltage bussatellite 16; this usually includes a battery supplying the loads,but this does not affect the operation of the circuit.

Le convertisseur 14 est commandé par un circuit de commande 18. Cecircuit de commande 18 reçoit en entrée la tension d'entrée Vin appliquée auconvertisseur ainsi que le courant lout en sortie du convertisseur; la figure montreschématiquement le capteur de tension 20 et le capteur de courant 22. Le circuit decommande fournit un signal de commande appliqué à l'entrée de commande duconvertisseur 14, comme représenté en 24 sur la figure.Theconverter 14 is controlled by acontrol circuit 18. Thiscontrol circuit 18 receives as input the input voltage Vin applied to theconverter as well as the current lout at the output of the converter; the figure showsschematically thevoltage sensor 20 and thecurrent sensor 22. The circuitcommand provides a command signal applied to the command input of theconverter 14, as shown at 24 in the figure.

Comme expliqué plus haut, la puissance fournie par le générateur solaire10 est fonction de la tension Vin aux bornes du générateur; la tension pour laquellela puissance fournie est maximale peut varier dans une plage [V0min, V0max], dansl'exemple une plage de 40 à 80 V. Une solution courante est que le bus de tensiondu satellite fonctionne à une tension nominale de 28 V, qui varie entre 23 et 37 V enfonction de la charge et de l'alimentation du bus de tension. En pratique, la tensionnominale du bus est inférieure la borne inférieure V0min de la plage dans laquellevarie la tension pour laquelle la puissance fournie est maximale. Dans une telleconfiguration, le convertisseur 14 peut être un convertisseur PWM (à modulation de lalargeur d'impulsion) du type Buck. Ce convertisseur est particulièrement adapté àfonctionner avec une tension de sortie inférieure à la tension d'entrée. Le signald'entrée est dans un tel cas un signal représentatif du rapport cyclique de modulationde la largeur d'impulsion.As explained above, the power supplied by thesolar generator10 is a function of the voltage Vin across the generator; the voltage for whichthe maximum power supplied can vary within a range [V0min, V0max], inexample a range from 40 to 80 V. A common solution is that the voltage busof the satellite operates at a nominal voltage of 28 V, which varies between 23 and 37 V independent on the voltage bus load and supply. In practice, the tensionbus nominal value is lower the lower limit V0min of the range in whichvaries the voltage for which the power supplied is maximum. In suchconfiguration, theconverter 14 can be a PWM converter (modulation of thepulse width) of the Buck type. This converter is particularly suitable foroperate with an output voltage lower than the input voltage. The signalinput is in this case a signal representative of the modulation cyclic ratioof the pulse width.

Le circuit de commande 18 contrôle le convertisseur 14, à partir desmesures de tension d'entrée Vin et de courant de sortie lout du convertisseur, parapplication de consigne de courant de sortie croissante ou décroissante. Cesconsignes de courant sont assimilables à des consignes de puissance au facteur deproportionnalité près que constitue la valeur en tension du bus. Plus spécifiquement,le circuit de commande applique au convertisseur une consigne de puissancecroissante tant que la dérivée par rapport au temps de la tension extraite dugénérateur solaire 10 et de la capacité 12 en entrée du convertisseur est supérieure àune première valeur seuil négative. Le circuit de commande applique auconvertisseur une consigne de puissance décroissante tant que la dérivée par rapportau temps de la tension extraite du générateur solaire 10 et de la capacité 12 enentrée du convertisseur est inférieure à une deuxième valeur seuil positive. Ainsi, leconvertisseur est piloté de sorte à assurer quedPINdt > 0tant que

V'_r constituant la première valeur seuil négative. P_in est la puissance extraite de lasource et de la capacité, autrement dit la puissance appliquée en entrée duconvertisseur. Le convertisseur est piloté de sorte à assurer quedPINdt < 0tant quedVINdt < V' fV'_f constituant la deuxième valeur seuil positive.Thecontrol circuit 18 controls theconverter 14, on the basis of the input voltage Vin and output current measurements lout of the converter, by application of an increasing or decreasing output current setpoint. These current setpoints can be assimilated to power setpoints except for the proportionality factor constituted by the voltage value of the bus. More specifically, the control circuit applies an increasing power setpoint to the converter as long as the derivative with respect to time of the voltage extracted from thesolar generator 10 and of thecapacity 12 at the input of the converter is greater than a first negative threshold value. The control circuit applies a decreasing power setpoint to the converter as long as the derivative with respect to time of the voltage extracted from thesolar generator 10 and of thecapacity 12 at the input of the converter is less than a second positive threshold value. Thus, the converter is controlled so as to ensure that dP IN dt > 0 as long as

V '_r constituting the first negative threshold value. P_in is the power extracted from the source and from the capacity, in other words the power applied at the input of the converter. The converter is controlled to ensure that dP IN dt <0 as long as dV IN dt <V ' f V '_f constituting the second positive threshold value.

Dans les solutions de W. Denzinger et Kevin Kyeong-II Choi mentionnées ci-dessus,il est proposé d'exploiter les composantes directes de courants et/ou tensions.Or ces quantités ne sont pas caractéristiques du suivi de point de puissancemaximum. A l'inverse, la solution proposée par l'invention n'exploite par contre queles dérivées temporelles de ces quantités; ces dérivées sont bien caractéristiques dusuivi du point de puissance maximum, quelles que soient les valeurs des composantesdirectes.In the solutions of W. Denzinger and Kevin Kyeong-II Choi mentioned above,it is proposed to exploit the direct components of currents and / or voltages.However, these quantities are not characteristic of power point monitoringmaximum. Conversely, the solution proposed by the invention on the other hand only exploitsthe time derivatives of these quantities; these derivatives are very characteristic of themonitoring of the maximum power point, whatever the values of the componentsdirect.

La figure 3 montre un graphe de la puissance délivrée par le générateursolaire en fonction de la tension aux bornes de ce générateur. On a porté enordonnée la puissance fournie par le générateur solaire 10, et en abscisse la tensionaux bornes de ce générateur. La figure montre en traits fins la courbe de la puissancedélivrée par le générateur solaire 10 en fonction de la tension à ses bornes; cettecourbe présente un maximum noté MPP sur la figure; en ce point, pour une tensionV_MPP, le générateur solaire délivre une puissance P_MPP maximum. Cette courbe en traitsfins pourrait être qualifiée de courbe de puissance statique - dans la mesure où elleest représentative d'une caractéristique puissance /tension du générateur solaire isolé.La figure 3 montre en traits gras le cycle de puissance suivi lorsqu'est appliquée auconvertisseur la commande définie plus haut. La courbe en traits gras montre lapuissance extraite de l'ensemble générateur solaire 10 et capacité 12.FIG. 3 shows a graph of the power delivered by the solar generator as a function of the voltage across the terminals of this generator. The power supplied by thesolar generator 10 has been plotted on the ordinate, and the voltage at the terminals of this generator on the abscissa. The figure shows in fine lines the curve of the power delivered by thesolar generator 10 as a function of the voltage at its terminals; this curve has a maximum denoted MPP in the figure; at this point, for a voltage V_MPP , the solar generator delivers a maximum power P_MPP . This curve in fine lines could be qualified as a static power curve - insofar as it is representative of a power / voltage characteristic of the isolated solar generator. Figure 3 shows in bold lines the power cycle followed when the command defined above is applied to the converter. The curve in bold lines shows the power extracted from thesolar generator 10 andcapacity 12 assembly.

Dans l'exemple considéré, on a

une consigne de puissance croissante ayant une dérivée k_r constante,
une consigne de puissance décroissante ayant une dérivée k_f constante,
des valeurs de seuil V'_r et V'_f opposées.

In the example considered, we have

an increasing power setpoint having a constant derivative k_r ,
a decreasing power setpoint having a constant derivative k_f ,
opposite threshold values V '_r and V'_f .

Les deux premières conditions sont choisies pour la simplicité del'explication; la troisième condition assure un fonctionnement autour du point depuissance maximum statique, comme expliqué plus bas. On a noté R et F sur lafigure les points du cycle correspondant aux puissances dynamiques maximale etminimale.The first two conditions are chosen for the simplicity ofthe explanation; the third condition ensures operation around the point ofmaximum static power, as explained below. We noted R and F on therepresents the points of the cycle corresponding to the maximum dynamic powers andminimal.

On suppose au départ que le générateur solaire fonctionne avec unepuissance légèrement inférieure à la puissance maximale P_MPP et que la tension estsupérieure à la tension V_MPP. On suppose aussi que la consigne appliquée auconvertisseur est une consigne de puissance croissante. Le convertisseur continu /continu assure donc que la puissance totale, extraite du générateur solaire 10 et ducondensateur 12, croít. Le point de fonctionnement du générateur solaire 10 sedéplace sur la courbe en traits fins, vers le maximum MPP ; la capacité 12 estdéchargée pour compléter la puissance fournie par le générateur solaire 10. Latension décroít lentement.It is assumed at the outset that the solar generator operates with a power slightly lower than the maximum power P_MPP and that the voltage is greater than the voltage V_MPP . It is also assumed that the setpoint applied to the converter is an increasing power setpoint. The DC / DC converter therefore ensures that the total power, extracted from thesolar generator 10 and thecapacitor 12, increases. The operating point of thesolar generator 10 moves on the curve in fine lines, towards the maximum MPP; thecapacity 12 is discharged to supplement the power supplied by thesolar generator 10. The voltage decreases slowly.

Lorsque la puissance maximum du générateur solaire 10 est atteinte, legénérateur solaire ne 10 peut pas fournir de puissance supplémentaire : la capacité12 est alors déchargée plus rapidement pour fournir la puissance requise par leconvertisseur, sous la consigne de puissance croissante. Ceci accroít la vitesse dechute de la tension V_lN; du fait de la chute de tension, la puissance fournie par legénérateur solaire 10 chute aussi, ce qui accentue encore la décharge de la capacité12. La dérivée de la tension V_lN par rapport au temps chute de plus en plus vite.When the maximum power of thesolar generator 10 is reached, thesolar generator 10 cannot supply additional power: thecapacity 12 is then discharged more quickly to supply the power required by the converter, under the increasing power setpoint. This increases the rate of fall of the voltage V_lN ; due to the voltage drop, the power supplied by thesolar generator 10 also drops, which further accentuates the discharge of thecapacitor 12. The derivative of the voltage V_lN with respect to time drops more and more quickly.

Lorsque cette dérivée de la tension V_lN atteint la valeur seuil négative V'_f, lecircuit 18 applique au convertisseur 14 une consigne de puissance décroissante. Lebasculement correspond au point R de la courbe en traits gras.When this derivative of the voltage V_lN reaches the negative threshold value V '_f , thecircuit 18 applies to the converter 14 a decreasing power setpoint. The tilt corresponds to point R of the curve in bold lines.

Le convertisseur reçoit alors une consigne de puissance d'entréedécroissante. Dans un premier temps, la tension décroít, avec une variation pluslente, la capacité 12 continuant à se décharger. Lorsque la puissance extraite de lasource et de la capacité continue à diminuer, il arrive un moment où la capacitécesse de se décharger, ce qui correspond sur la courbe en traits gras à l'intersectionde la partie gauche de la courbe avec la courbe en traits fins et au minimum de latension. La puissance extraite du générateur solaire 10 est alors suffisante pourfournir la puissance requise par le convertisseur 14. Comme la consigne appliquéeau convertisseur est encore une consigne de puissance décroissante, la capacité se recharge; la tension remonte; compte tenu de la consigne de puissance décroissanteappliquée au convertisseur, la puissance extraite par le convertisseur continue dedécroítre. Comme la tension remonte, la puissance fournie par le générateur solairetend à croítre, ce qui augmente encore la dérivée de la tension par rapport au temps.The converter then receives an input power setpointdecreasing. At first, the tension decreases, with a more variationslow, thecapacity 12 continuing to discharge. When the power extracted from thesource and the capacity continues to decrease there comes a point when the capacitystops discharging, which corresponds on the curve in bold lines at the intersectionof the left part of the curve with the curve in thin lines and at least thevoltage. The power extracted from thesolar generator 10 is then sufficient tosupply the power required by theconverter 14. As the setpoint appliedat the converter is still a decreasing power setpoint, the capacitycharging; the tension rises; taking into account the decreasing power setpointapplied to the converter, the power extracted by the converter continues todecrease. As the voltage goes up, the power supplied by the solar generatortends to grow, which further increases the derivative of voltage over time.

Lorsque la dérivée de la tension par rapport au temps dépasse la deuxièmevaleur seuil positive, le circuit de commande applique au convertisseur une consignede puissance croissante. On revient à l'état initial considéré plus haut.When the derivative of the voltage with respect to time exceeds the secondpositive threshold value, the control circuit applies a setpoint to the converterof increasing power. We return to the initial state considered above.

La stabilité de la commande est assurée, dans le cas où l'on applique uneconsigne de dérivée de puissance constante, par la conditionkr < - kfIntuitivement, ceci revient à dire que le passage sur la courbe en gras de la figure 3du point R au point F est plus "rapide" que le passage du point F au point R.Autrement dit, il est expliqué plus haut que le seuil de dV/dt négatif est atteint avecune chute de plus en plus rapide de la tension; la condition k_r < - k_f signifie que l'onapplique une consigne de puissance "assez" croissante pour rapidement revenir versune situation stable. Un rapport de 1 entre les valeurs absolues correspond à la limitede stabilité. Le choix d'une valeur dépend essentiellement du convertisseur :rapprocher la valeur du rapport de 1 impose de disposer d'un convertisseur deperformances plus précises, et augmente le coût. Dans les applications à dessatellites, les variations de la courbe de puissance en fonction de la tension pour legénérateur solaire (le passage des courbes 1 et 2 aux courbes 3 et 4) sur la figure 1,comme les vitesses de variations des caractéristiques de la batterie appliquée commecharge du circuit conditionné sont lentes et ne sont donc pas généralementdimensionnantes. On peut typiquement sélectionner un rapport - k_f/k_r voisin de 2,avec par exemple

k_r = 50 W/ms et

k_f = -100 W/ms.

The stability of the control is ensured, in the case where a constant power derivative setpoint is applied, by the condition k r <- k f Intuitively, this amounts to saying that the passage on the bold curve of Figure 3 from point R to point F is "faster" than the passage from point F to point R. In other words, it is explained above the threshold negative dV / dt is reached with an increasingly rapid drop in voltage; the condition k_r <- k_f means that a setpoint of "enough" increasing power is applied to quickly return to a stable situation. A ratio of 1 between the absolute values corresponds to the stability limit. The choice of a value essentially depends on the converter: bringing the value of the ratio closer to 1 requires having a more precise performance converter, and increases the cost. In applications to satellites, the variations of the power curve as a function of the voltage for the solar generator (the passage from

curves

1 and 2 tocurves 3 and 4) in FIG. 1, like the rates of variation of the characteristics of the battery applied as a charge of the conditioned circuit are slow and are therefore not generally dimensioning. We can typically select a ratio - k_f / k_r close to 2, with for example

k_r = 50 W / ms and

k_f = -100 W / ms.

On notera que le fonctionnement décrit ci-dessus est indépendant que lavaleur de la consigne de puissance croissante ou décroissante appliquée auconvertisseur. Il est plus simple, comme le montre la figure 4, d'utiliser des valeurs deconsigne de puissance constantes, mais ceci n'a pas d'incidence sur le principe depilotage du convertisseur. Si les consignes de puissance proposées ne sont pasconstantes - autrement dit si les valeurs de dP_lN/dt appliquées au convertisseur ne sont pas constant, la condition de stabilité peut alors s'exprimer en indiquant que letaux de variation de la puissance moyen lorsque la consigne est croissante estinférieur à l'opposé du taux de variation de la puissance moyen lorsque la consigneest croissante. Ceci revient à généraliser sur les intervalles temporels de consigne depuissance croissante et décroissante la condition instantanée k_r < - k_f.It will be noted that the operation described above is independent of the value of the increasing or decreasing power setpoint applied to the converter. It is simpler, as shown in Figure 4, to use constant power setpoints, but this does not affect the principle of driving the converter. If the proposed power setpoints are not constant - in other words if the values of dP_lN / dt applied to the converter are not constant, the stability condition can then be expressed by indicating that the rate of change of the average power when the setpoint is increasing is less than the opposite of the rate of change of the average power when the setpoint is increasing. This amounts to generalizing the instantaneous condition k_r <- k_f over the increasing and decreasing power setpoint time intervals.

L'application des consignes proposées au convertisseur continu /continupermet ainsi de faire varier la tension autour de la valeur de tension pour laquelle lapuissance extraite du générateur solaire 10 est maximum. Le choix des valeurs deconsigne appliquées au convertisseur, comme des valeurs seuils, permet d'adapter lefonctionnement du circuit de conditionnement.Application of the instructions offered to the DC / DC converterthus makes it possible to vary the voltage around the voltage value for which thepower extracted from thesolar generator 10 is maximum. The choice of values ofsetpoint applied to the converter, such as threshold values, makes it possible to adapt theoperation of the conditioning circuit.

Plus spécifiquement, il est plus simple, du point de vue de l'implémentationdu circuit de commande d'avoir des valeurs de seuil V'_r et V'_f constantes. Ceci ne faitque faciliter la conception du circuit de commande. On pourrait toutefois faire varierces valeurs seuil en fonction du temps - par exemple pour tenir compte des variationsdu point MPP.More specifically, it is simpler, from the point of view of the implementation of the control circuit, to have constant threshold values V '_r and V'_f . This only facilitates the design of the control circuit. However, these threshold values could be varied as a function of time - for example to take account of variations in the MPP point.

Le rapport des valeurs absolues des valeurs de seuil V'_r et V'_f permet dedéterminer le point du graphe de la puissance en fonction de la tension autourduquel on se déplace. Dans l'exemple considéré plus haut, des valeurs de seuilconstantes et opposées V'_r et V'_f correspondent à un déplacement autour du pointMPP de puissance maximum. Un rapport de valeurs absolues égal à 1 est doncavantageux. Toutefois, on peut aussi choisir d'autres valeurs, ce qui conduitsimplement à écarter le point de fonctionnement du point de puissance maximum.Ceci peut être avantageux en fonction de contraintes autres sur le circuit deconditionnement ou sur le générateur.The ratio of the absolute values of the threshold values V ′_r and V ′_f makes it possible to determine the point of the graph of the power as a function of the voltage around which one is moving. In the example considered above, constant and opposite threshold values V ′_r and V ′_f correspond to a displacement around the point MPP of maximum power. An absolute value ratio equal to 1 is therefore advantageous. However, other values can also be chosen, which simply means that the operating point is moved away from the maximum power point. This can be advantageous depending on other constraints on the conditioning circuit or on the generator.

La figure 4 montre un exemple du principe de réalisation du circuit decommande, dans le cas d'un convertisseur Buck. Le circuit 18 présente un dériveur 26qui reçoit la tension d'entrée du convertisseur et en fournit la dérivée. La dérivée de latension est appliquée à un comparateur 28. La sortie du comparateur fournit unsignal logique dont l'état dépend de la comparaison entre la valeur de la dérivée dela tension et les valeurs seuils V'r et V'f du comparateur. Le circuit présente un autredériveur 30 qui reçoit le signal de courant de sortie du convertisseur et en fournit ladérivée. Un additionneur 32 fournit un signal représentatif de la différence entre lesignal du comparateur 28 et le signal de dérivée fourni par le deuxième dériveur 30. Le signal fourni par l'additionneur est appliqué à un contrôleur 34 dont le rôle estd'annuler la consigne. Le signal de sortie du contrôleur forme le signal de sortie ducircuit de commande 18.Figure 4 shows an example of the principle of realization of the circuit ofcommand, in the case of a Buck converter.Circuit 18 has adinghy 26which receives the input voltage from the converter and provides its derivative. The derivative of thevoltage is applied to acomparator 28. The comparator output provides alogic signal whose state depends on the comparison between the value of the derivative ofthe voltage and the threshold values V'r and V'f of the comparator. The circuit presents anotherdiverter 30 which receives the output current signal from the converter and provides thederivative. Anadder 32 provides a signal representative of the difference between thesignal fromcomparator 28 and the derivative signal supplied by thesecond diverter 30.The signal supplied by the adder is applied to acontroller 34 whose role isto cancel the deposit. The controller output signal forms the output signal of thecontrol circuit 18.

Le fonctionnement du circuit de la figure 4 est le suivant. Le comparateurfournit en sortie un signal fonction de la position de la dérivée de la tension d'entréedu convertisseur par rapport aux valeurs seuil V'_r et V'_f. Ce signal est comparé à ladérivée du courant de sortie du convertisseur, après une mise à l'échelle non-représentéesur la figure. Cette dérivée du courant de sortie constitue une bonneapproximation de la dérivée de la puissance appliquée en entrée du convertisseur, dufait que :

la puissance consommée par le convertisseur continu / continu est faible;
la tension de sortie du convertisseur est sensiblement constante, dans la mesureoù le convertisseur est utilisé comme source de tension.

Le contrôleur assure donc que
dl_out/dt < 0 ou > 0 (dans un rapport < - 1)
en fonction du résultat de la comparaison de dV_lN/dt avec les valeurs seuils. Avec V_OUTsensiblement constante, on a bien la consigne requise.The operation of the circuit of FIG. 4 is as follows. The comparator outputs a signal which is a function of the position of the derivative of the input voltage of the converter with respect to the threshold values V '_r and V'_f . This signal is compared with the derivative of the output current of the converter, after a scaling not shown in the figure. This derivative of the output current constitutes a good approximation of the derivative of the power applied at the input of the converter, since:

the power consumed by the DC / DC converter is low;
the output voltage of the converter is substantially constant, insofar as the converter is used as a voltage source.

The controller therefore ensures that
dl_out / dt <0 or> 0 (in a ratio <- 1)
as a function of the result of the comparison of dV_lN / dt with the threshold values. With V_OUT substantially constant, we have the required setpoint.

Le montage de la figure 4 n'est qu'un exemple d'un circuit de commandeutilisable pour le convertisseur continu /continu. On peut aussi utiliser d'autres typesde circuits de commande pour comparer les dérivées des tensions et appliquer lesconsignes requises. On peut aussi prévoir d'autres capteurs que les capteurs 20, 22de la figure 2. Le montage des figures 2 et 4 présente néanmoins l'avantage de lasimplicité; ainsi, il n'est pas nécessaire de disposer d'un microcontrôleur; le nombrede composants est aussi plus restreint que dans la solution proposée dans l'article deW. Denzinger plus haut.The assembly of FIG. 4 is only one example of a control circuitusable for the DC / DC converter. We can also use other typescontrol circuits to compare the voltage derivatives and apply theinstructions required. It is also possible to provide other sensors than thesensors 20, 22of Figure 2. The assembly of Figures 2 and 4 nevertheless has the advantage ofsimplicity; thus, it is not necessary to have a microcontroller; the numberof components is also more restricted than in the solution proposed in the article byW. Denzinger above.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits plus haut.Ainsi, on a mentionné un convertisseur Buck, adapté au cas d'une tension de sortieinférieure à la tension d'entrée. On pourrait aussi utiliser d'autres types deconvertisseurs; par exemple, si la tension d'entrée est inférieure à la tension de sortie,on pourrait utiliser un convertisseur PWM du type Boost. D'autres topologies deconvertisseurs permettent aussi un fonctionnement lorsque le rapport entre la tensiond'entrée et la tension de sortie varie autour de 1. Le type de convertisseur utilisé nechange pas le principe de la commande décrit en référence à la figure 3.Of course, the invention is not limited to the examples described above.Thus, a Buck converter was mentioned, suitable for the case of an output voltagelower than the input voltage. We could also use other types ofconverters; for example, if the input voltage is lower than the output voltage,we could use a Boost type PWM converter. Other topologies ofconverters also allow operation when the ratio between voltageinput and output voltage varies around 1. The type of converter used does notnot change the principle of the control described with reference to Figure 3.