JP2002247840A

JP2002247840A - 電源装置

Info

Publication number: JP2002247840A
Application number: JP2001043014A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Arai; 康弘新井; Hideki Nakada; 秀樹中田; Kaneharu Yoshioka; 包晴吉岡; Mitsuo Ueda; 光男植田; Yasufumi Nakajima; 康文中島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-08-30

Abstract

(57)【要約】【課題】直流電源を用いて系統連系を可能とする小型
軽量な電源装置を提供する。【解決手段】磁気的に結合された第１巻線と第２巻線
を持つ第１のリアクトル３ｃと、第１のコンデンサ５
と、第２のコンデンサ６と、第１のコンデンサ５を充電
する１次側は、第１のリアクトル３ｃの第１巻線３ａ、
第１のダイオード４、半導体スイッチ２で構成され、第
２のコンデンサ６を充電する２次側は、第１のリアクト
ル３ｃの第２巻線３ｂ、第２のダイオード７、第３のダ
イオード８、第２のリアクトル９で構成することを特徴
とする電源装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電圧を商用の
交流電力に変換して電力系統に給電する電源装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、直流電圧を商用の交流電力に
変換して電力系統に給電する電源装置には、種々のもの
が提案されている。以下にその一例について説明する。

【０００３】図６は、従来技術としての系統連系型の電
力変換装置である。直流電源１は燃料電池を想定し、従
来方式の昇圧回路３５と、系統連系インバータ１１と、
商用トランス３６と、開閉器１２と、商用系統電源１３
と、負荷１４で構成されている。

【０００４】系統連系インバータ１１の前段に昇圧回路
３５を設け、まず当該昇圧回路３５にて直流電源１の出
力電圧を昇圧する。この昇圧された電圧は、系統連系イ
ンバータ１１によって交流電圧に変換され、系統連系イ
ンバータ１１の出力交流電圧に対して、商用トランス３
６を用いてさらに昇圧を行う。このように系統連系して
２段階で昇圧された商用トランス３６の出力端子は、そ
れぞれ開閉器１２を介して商用系統電源１３と負荷１４
に接続されている。

【０００５】図６において、ダイオード３４と半導体ス
イッチ素子３２とを直列接続したアーム対の中点端子と
直流電源１の正極との間にはリアクトル３３が接続さ
れ、直流電源１の負極はアーム対の外側端子で半導体ス
イッチ素子３２に接続されている。また、アーム対の両
端には系統連系インバータ１１が並列に接続されてい
る。

【０００６】このような回路構成において、スイッチ素
子３２をオンすると、直流電源１、リアクトル３３、ス
イッチ素子３２、直流電源１、の経路で電流が流れ、リ
アクトル３３にエネルギーが蓄積される。

【０００７】次に、スイッチ素子３２をオフすると、ス
イッチ素子３２に流れていた電流は、ダイオード３４、
系統連系インバータ１１の経路に転流し、リアクトル３
３に蓄えられていたエネルギーにより系統連系インバー
タ１１の電源電圧は、直流電源１より高い電圧に充電さ
れる。

【０００８】このようなスイッチ素子３２のオン、オフ
動作を繰り返すことで昇圧を行ない、系統連系インバー
タ１１に直流電源１より高い電圧を供給している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池の出力電圧は
燃料電池セルの積層数で決まるが、低コスト化を実現す
るために積層数を少なくした低電圧大電流型のものが主
流となっている。このため、直流電源１として燃料電池
を用い、燃料電池にて生成された低電圧を、従来の昇圧
回路（昇圧能力が低く、例えば昇圧比４倍程度）を用い
て系統連系する場合には、昇圧回路３５にて昇圧された
電圧をインバータ１１で交流変換後、さらに商用トラン
ス３６で電圧を上げ、２００Ｖ商用電源に系統連系する
２段昇圧方式としなければならない。しかしながらこの
ような２段階昇圧方式は、商用トランスを組み込む必要
があるため、電源装置の小型軽量化を困難としていた。

【００１０】そこで本発明は、電源装置の小型軽量化を
図るため、昇圧手段として商用トランスを用いず、一段
の昇圧回路のみで系統連系を可能とする小型軽量の電源
装置を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の電源装置は、直流電源と、磁気的に結合され
た第１巻線と第２巻線とを持つ第１のリアクトルと、半
導体スイッチと、直列に接続した第１のコンデンサと第
２のコンデンサと、前記第１のコンデンサの出力端子以
外への放電を防止する第１のダイオードと、前記第２の
コンデンサの出力端子以外への放電を防止する第２のダ
イオードと、前記半導体スイッチがオンした時に前記第
２のコンデンサへの突入電流を防止する第２のリアクト
ルと、前記第２のリアクトルに蓄えられたエネルギーを
前記第２のコンデンサへ移動させる第３のダイオードを
備えた昇圧回路とを具備し、前記昇圧回路において、前
記第１のコンデンサを昇圧する１次側は、前記第１のリ
アクトルの第１巻線、前記第１のダイオード、前記半導
体スイッチで構成され、前記第２のコンデンサを昇圧す
る２次側は、前記第１のリアクトルの第２巻線、前記第
２のダイオード、前記第３のダイオード、前記第２のリ
アクトルで構成され、前記半導体スイッチのオンにより
前記第１のリアクトルの第１巻線にエネルギーを蓄積し
つつ前記第１のリアクトルの第２巻線を介して前記第２
のコンデンサを充電し、前記半導体スイッチ素子のオフ
により前記第１のリアクトルの第１巻線に蓄積されたエ
ネルギーを、前記第１のコンデンサに供給充電し、前記
第１コンデンサと前記第２のコンデンサの両端を出力端
子として、前記系統連系インバータに直流電圧を供給す
ることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて説明する。

【００１３】（第１の実施の形態）図１は本発明の電源
装置の、第１の実施形態（請求項１に対応）に係るブロ
ック回路図である。

【００１４】図１において、１は直流電源であり、１０
はその直流電圧を昇圧し高い直流電圧に変換する昇圧回
路であり、昇圧回路１０の出力側と並列に、上記直流電
力を交流電力に変換する系統連系インバータ１１に接続
し、系統連系インバータ１１の出力端子は、それぞれ開
閉器１２を介して商用系統電源１３と負荷１４に接続し
構成される。なお、直流電源１は、比較的に低直流電圧
を出力する電源を想定しており、例えば、化学エネルギ
ーを直接直流電力に変換する燃料電池であるものとす
る。燃料電池は積層数を増すことにより出力電圧を大き
くすることができるが、低コスト化の点から低電圧を出
力する低電圧大電流型のものが主流となっている。な
お、本実施形態においては燃料電池を用いた例で説明す
るが、本発明はこれに限らず、直流電圧を提供できるも
のであれば、出力電圧にとらわれず、他の直流電源であ
っても構わない。このことは以下に述べる他の実施形態
についても同様である。

【００１５】以下に、本実施形態に係る電源装置の動作
を説明する。昇圧回路１０において、まず、半導体スイ
ッチ２をオンすると、１次側では直流電源１、第１のリ
アクトル３ｃの第１巻線３ａ、半導体スイッチ２、直流
電源１、の経路で電流が流れ、これにより第１のリアク
トル３ｃの第１巻線３ａにエネルギーが蓄積される。こ
のとき２次側では、第１のリアクトル３ｃの第１巻線３
ａと磁気的結合を持っている第２巻線３ｂ、第２のダイ
オード７、第２のリアクトル９、第２のコンデンサ６、
第１のリアクトル３ｃの第２巻線３ｂ、の経路で電流が
流れ、これにより第２のリアクトル９にエネルギーを蓄
積しつつ第２のコンデンサ６を充電して昇圧する。

【００１６】次に、半導体スイッチ２をオフすると、１
次側では直流電源１、第１のリアクトル３ｃの第１巻線
３ａ、第１のダイオード４、第１のコンデンサ５、直流
電源１の経路で電流が流れ、第１のリアクトル３ｃの第
１巻線３ａに半導体スイッチ２をオンしている間に蓄積
されたエネルギーと共に、第１のコンデンサ５を充電し
昇圧する。このとき２次側では、第２のリアクトル９に
蓄積されたエネルギーを第２のリアクトル９、第２のコ
ンデンサ６、第３のダイオード８の経路で電流が流れ、
第２のコンデンサ６を充電し昇圧する。

【００１７】半導体スイッチ２のオン時間、オフ時間を
変化させること、つまり時比率を変化させることによっ
て、第１のリアクトル３ｃに蓄積されるエネルギーを可
変し、第１のコンデンサ５の端子間電圧を一定の電圧に
制御することができる。また、第２コンデンサ６の端子
間電圧は直流電源１と第１のリアクトル３ｃの巻き数比
で決められる。

【００１８】この昇圧回路１０において、電源電圧１か
らの入力電圧をVin、出力電圧をVoutと表すと、入力電
圧と出力電圧の関係式は（数１）で表される。

【００１９】

【数１】

【００２０】（数１）において定格出力時の時比率δを
設定し、直流電源１から一段で昇圧し系統連系インバー
タ１１を介して系統連係するために必要な昇圧比を設定
すれば、（数１）の関係式を用いて、第１のリアクトル
３ｃの巻き数比ｎを求めることができる。すなわち、こ
の巻き数比ｎを第１のリアクトル３ｃに設定することに
より、所望の昇圧を一段の昇圧回路にて実現することが
できる。

【００２１】（第２の実施の形態）図２は本発明の電源
装置の、第２の実施形態（請求項３に対応）に係るブロ
ック回路図である。本実施の形態は、基本的な構成は図
１にて述べた第１の実施形態と同様であり、図１と同一
の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は
省略する。

【００２２】通常、燃料電池を電源とした系統連系イン
バータは、系統電源への電力の逆潮流を行わないが、系
統連系インバータの負荷が急激に失われた場合、瞬時に
燃料電池の出力を低下させることができないため、イン
バータの直流電源部が過電圧状態となることがある。

【００２３】そこで、このような過電圧状態となること
を防止するために本実施形態では過電圧防止回路１９を
設けており、この点が第１の実施形態と異なる点であ
る。過電圧防止回路１９は、半導体スイッチ１６と電力
消費素子（抵抗など）１５の直列接続で構成され、これ
らの直列接続回路を第１のコンデンサ５と第２のコンデ
ンサ６の両端に並列で接続している。以下に述べる制御
にて半導体スイッチ１６をオンすることで、系統連系イ
ンバータ１１からの回生電力を電力消費素子１５に流す
ことにより、系統連系インバータ１１の入力電圧の過昇
を防止することができる。なお、昇圧回路１０の誤動作
によって出力電圧の過昇を生じるような場合にも、この
ような事態を防止するために上記と同様に過電圧防止回
路１９を使用することができる。

【００２４】半導体スイッチ１６のオンオフ制御は、電
圧判定回路１８で行う。直流電圧検出回路１７は、系統
連系インバータ１１への入力電圧を検出し、この検出電
圧V_I _NVを電圧判定回路１８に出力する。電圧判定回路１
８は、系統連系インバータ１１の入力電圧V_INVと予め設
定された基準電圧V_MAXを比較し、系統連系インバータ１
１の入力電圧V_INVが基準電圧V_MAXを超えたときに半導体
スイッチ１６をオンする信号を出力する。系統連系イン
バータ１１の入力電圧V_INVが基準電圧V_MAXより小さいと
きは半導体スイッチ１６のオフを維持する。このような
制御を行うことによって、系統連系インバータ１１の入
力電圧の過昇を防ぐことができる。

【００２５】（第３の実施の形態）以下、図３を用いて
本発明の電源装置の、第３の実施形態（請求項４に対
応）について説明する。本実施形態は、図２の構成にお
いて電力消費素子（抵抗など）１５にて消費される電力
を、燃料電池２０で生成される温水の湯温維持に有効活
用しようというものである。図３において、図１、図２
と同一の構成要素については同一の符号を付して、その
詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においては、
直流電源として燃料電池を用いるものとする。

【００２６】図３において、燃料電池２０から発電で生
成された温水は、貯湯槽２１で貯められる。この貯湯槽
２１の湯温維持のために系統連系インバータ１１の出力
端子から貯湯槽２１のヒータに電力を供給する際に、電
力消費素子（抵抗など）１５を貯湯槽２１のヒータ部の
一部として利用することにより、消費すべき電力を貯湯
槽２１に貯められた湯の温度維持の熱エネルギーとして
有効利用することができる。

【００２７】（第４の実施の形態）以下、図４を用いて
本発明の電源装置の、第４の実施形態（請求項５、６に
対応）について説明する。図４において、図１〜図３と
同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳
細な説明は省略する。なお、本実施形態においては、直
流電源として燃料電池を用いるものとする。

【００２８】本実施形態においては図３の構成に加え
て、燃料電池２０を解列させる開閉器２９と、半導体ス
イッチ２４ａ、２４ｂと、抵抗値の異なる抵抗２３ａ、
２３ｂから成る電圧電流検出回路２２と、電圧電流検出
回路２２の端子間電圧を検出する電圧検出回路２６と、
半導体スイッチ２４ａ、２４ｂをオンしたときに電圧電
流検出回路２２に流れる電流を検出する電流検出回路２
５と、抵抗２３ａを接続した場合の燃料電池の出力電圧
・出力電流と、抵抗２３ｂを接続した場合の燃料電池の
出力電圧・出力電流とから燃料電池２０の出力特性を求
め、その出力特性から燃料電池２０の性能を評価する状
態評価回路２８をさらに有している。

【００２９】タイマ回路２７は、燃料電池の出力特性を
得るために、燃料電池２０の使用開始時と使用開始から
所定時間経過したときに、電圧電流検出回路２２の半導
体スイッチ２４ａ、２４ｂを順次接続するように動作す
る。

【００３０】燃料電池２０の出力特性は図５に示すよう
な特性を有している。この特性をもとに現在の燃料電池
の出力特性と、使用開始時（使用初期）の燃料電池の出
力特性を比較することにより、燃料電池２０の劣化を判
断することができる。

【００３１】例えば、燃料電池２０が使用初期である
時、特性評価抵抗２３ａを接続した時にＡ点（Ｖ₁，
Ｉ₁）が検出され、特性評価抵抗２３ｂを接続した時に
Ｂ点（Ｖ₂，Ｉ₂）が検出されたとすると、使用初期の出
力特性はＡ点−Ｂ点を通過する曲線３０で表される。

【００３２】一方、燃料電池２０が経年劣化した場合
に、特性評価抵抗２３ａを接続した時にＣ点（Ｖ₃，
Ｉ₃）が検出され、特性評価抵抗２３ｂを接続した時に
Ｄ点（Ｖ₄，Ｉ₄）が検出されたとすると、経年劣化時の
出力特性はＣ点―Ｄ点を通過する曲線３１で表される。

【００３３】このように、燃料電池２０の出力特性は経
年劣化によって変化するため、出力電圧／出力電流から
得られる各々の時点の出力特性曲線の傾きを比較するこ
とにより、燃料電池２０の経年劣化の度合いを知ること
ができ、メインテナンスの時期を知る目安になる。この
際、状態評価回路２８にて、初期のデータと一定時間経
過後のデータを比較し、所定値以上の差異が検出された
場合に、状態評価回路２８から開閉器２９に解列信号
（ｏｆｆ信号）を与え、燃料電池２０を停止させるよう
にしてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、直流電
源と昇圧回路を用いた電源装置において、商用トランス
を用いることなく、直流電源電圧を一段で昇圧して系統
連系が可能となり、電源装置を小型軽量化することが可
能となる。この効果は、特に、燃料電池等の、実用上比
較的に低直流電圧を発生する直流電源を用いる場合に好
適である。

【００３５】また、本発明によれば、系統連系インバー
タからの回生電力を電力消費素子に流すことにより、系
統連系インバータの入力電圧の過昇を防止することがで
きる。さらに、昇圧回路の誤動作によって出力電圧の過
昇を生じるような場合にも、このような事態を防止する
ことができる。

【００３６】また、本発明によれば、燃料電池の発電時
に発生する温水を貯めている貯湯槽の熱源の一部として
電力消費素子を用いることにより、系統連系インバータ
からの回生電力を有効利用するとともに、電力消費手段
として必要となる構成要素の低減が図れ、燃料電池を用
いた電源装置をさらに小型軽量化することができる。

【００３７】さらに本発明によれば、燃料電池状態評価
手段を用いることにより、燃料電池の経年劣化の状態を
把握することができ、燃料電池のメインテナンスの目安
になる。燃料電池が劣化した場合には、電源装置を停止
させることによって、燃料電池を使用した電源装置の安
全性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１、２記載の電源装置に係る実
施の形態（第１の実施の形態）のブロック回路図

【図２】本発明の請求項３記載の電源装置に係る実施の
形態（第２の実施の形態）のブロック回路図

【図３】本発明の請求項４記載の電源装置に係る実施の
形態（第３の実施の形態）のブロック回路図

【図４】本発明の請求項５、６記載の電源装置に係る実
施の形態（第４の実施の形態）のブロック回路図

【図５】燃料電池の出力特性図

【図６】従来型の昇圧回路を用いた電源装置を示すブロ
ック回路図

【符号の説明】

１直流電源２，１６，２４ａ，２４ｂ，３２半導体スイッチ３ａ磁気的結合を持つ第１のリアクトルの第１巻線３ｂ磁気的結合を持つ第１のリアクトルの第２巻線４，７ダイオード１０昇圧回路１１系統連系インバータ１２，２９開閉器１３商用系統電源１４負荷１９過電圧防止回路２０燃料電池２２電圧電流検出回路２５電流検出回路２６電圧検出回路２７タイマ回路２８状態評価回路３６商用トランス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉岡包晴大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者植田光男大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中島康文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H007 BB01 BB02 BB07 CA02 CB04 CB05 CC03 CC12 DA06 DC02 DC05 FA01 5H420 BB12 CC03 DD03 EA12 EB01 EB16 EB39 FF03 FF04 FF22 5H730 AA15 AS04 BB14 BB23 BB57 BB86 DD02 EE02 EE08 EE10 EE79 EE80 FD11 FD41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源と、磁気的に結合された第１巻線と第２巻線とを持つ第１の
リアクトルと、半導体スイッチと、直列に接続した第１
のコンデンサと第２のコンデンサと、前記第１のコンデ
ンサの出力端子以外への放電を防止する第１のダイオー
ドと、前記第２のコンデンサの出力端子以外への放電を
防止する第２のダイオードと、前記半導体スイッチがオ
ンした時に前記第２のコンデンサへの突入電流を防止す
る第２のリアクトルと、前記第２のリアクトルに蓄えら
れたエネルギーを前記第２のコンデンサへ移動させる第
３のダイオードを備えた昇圧回路とを具備し、前記昇圧回路において、前記第１のコンデンサを昇圧する１次側は、前記第１の
リアクトルの第１巻線、前記第１のダイオード、前記半
導体スイッチで構成され、前記第２のコンデンサを昇圧
する２次側は、前記第１のリアクトルの第２巻線、前記
第２のダイオード、前記第３のダイオード、前記第２の
リアクトルで構成され、前記半導体スイッチのオンにより前記第１のリアクトル
の第１巻線にエネルギーを蓄積しつつ前記第１のリアク
トルの第２巻線を介して前記第２のコンデンサを充電
し、前記半導体スイッチ素子のオフにより前記第１のリアク
トルの第１巻線に蓄積されたエネルギーを、前記第１の
コンデンサに供給充電し、前記第１コンデンサと前記第
２のコンデンサの両端を出力端子として、前記系統連系
インバータに直流電圧を供給することを特徴とする電源
装置。
【請求項２】直流電源は燃料電池であることを特徴と
する請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】昇圧回路の出力端子と並列に、電力消費
素子と半導体スイッチ素子を直列に接続した過電圧防止
回路を具備し、前記昇圧回路の出力端子間電圧が第１コンデンサもしく
は第２コンデンサの耐電圧以下に保つよう前記半導体ス
イッチを導通させ、前記第１コンデンサもしくは前記第２コンデンサの過電
圧状態を、前記電力消費素子で熱エネルギーとして消費
することにより防止することを特徴とする請求項１また
は２に記載の電源装置。
【請求項４】直流電源として燃料電池を用い、当該燃
料電池は発電時に発生する温水を貯める貯湯槽を備え、
前記貯湯槽の熱源として電力消費素子で発生する熱エネ
ルギーを利用することを特徴とする請求項３に記載の電
源装置。
【請求項５】燃料電池を昇圧回路から解列させる開閉
器と、半導体スイッチと特性検出抵抗を直列に接続し構
成される複数個の電圧電流検出回路と、前記燃料電池の
出力電圧値及び出力電流値を用いて燃料電池の運転状態
状態を評価する燃料電池状態評価手段とを有し、前記複数個の電圧電流検出回路の抵抗は異なる値で構成
し、前記燃料電池の使用初期と運転開始後一定時間経過
時とに前記開閉器によって前記昇圧回路から前記燃料電
池を解列し、前記電圧電流検出回路を順次接続するよう
に動作させることにより、前記燃料電池状態評価手段に
て前記燃料電池の性能を評価することを特徴とする請求
項２から４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】燃料電池状態評価手段は、燃料電池の使
用初期の出力特性データと一定時間経過後の出力特性デ
ータとを比較し、当該両特性データに所定値以上の差異
が検出されたとき、開閉器を用いて前記燃料電池を昇圧
回路から解列し、前記燃料電池を停止させることを特徴
とする請求項５記載の電源装置。