JP2010022104A

JP2010022104A - 燃料電池の電力変換装置

Info

Publication number: JP2010022104A
Application number: JP2008178830A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sato; 圭一佐藤; Gendo Kato; 玄道加藤; Shinji Miyauchi; 伸二宮内
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: JP5003618B2

Abstract

【課題】補機が短絡した場合に燃料電池から供給される大電流を安全に遮断する燃料電池の電力変換装置を提供する。
【解決手段】燃料電池２０と、燃料電池２０から電力を供給される補機４０と、燃料電池２０に並列接続されるコンデンサ２１と、コンデンサ２１に並列に接続されたフルブリッジ構成のコンバータ２４と、コンバータ２４の出力に接続される高周波トランス２５と、高周波トランス２５の２次側出力に接続される整流・平滑回路２６と、整流・平滑回路２６で出力される直流電力を商用周波で電力制御するインバータ２７と、コンバータ２４およびインバータ２７を制御する制御回路からなり、燃料電池２０と半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４のフルブリッジ構成からなるコンバータ２４の間に溶断特性の異なる複数のヒューズ２２，２３を直列に設けることで、半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４の保護と導線加熱防止の両方を実現する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置のうち、過電流保護手段を有する電力変換装置に関する。

従来、太陽光パネルから供給される直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置では、図５に示すようにコンバータ４の上下アームを構成するスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４の前段にヒューズ３を直列に接続して、コンバータ４のスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４が壊れて短絡した場合、過電流でヒューズ３が切れるので、他の健全なスイッチング素子を保護する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

なお、図５に示すように、燃料電池１の正負の出力間には平滑コンデンサ２が接続され、コンバータ４の出力には昇圧トランス５が接続されている。昇圧トランス５の二次側は、整流・平滑回路６、インバータ７を介して系統８に接続されている。
特開平２−７９７２０号公報

しかしながら、このような従来の構成では、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４の短絡時の保護は可能であるが、燃料電池システムでは、システム全体を制御駆動する補機（図示せず）が燃料電池１から電力を供給されることが多く、補機の短絡時の過電流保護が不十分である。

すなわち燃料電池１と補機は通常ケーブル等の導線で結合されており、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４等の半導体の短絡時とは、短絡電流の流れる時間と電流値が異なっており、１つのヒューズ３では両者を安全に保護することは困難である。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、信頼性の高い燃料電池の電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池の電力変換装置は、燃料電池と、その燃料電池から電力を供給される補機と、前記燃料電池に並列接続されるコンデンサと、コンデンサに並列に接続されたフルブリッジ構成のコンバータと、そのコンバータ出力に接続される高周波トランスと、その高周波トランスの２次側出力に接続される整流・平滑回路と、その整流・平滑回路で出力される直流電力を商用周波で電力制御するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する制御回路からなり、前記コンデンサと前記コンバータの間に時間に対する溶断特性の異なる複数のヒューズを直列に接続したものである。

本発明の燃料電池の電力変換装置は、時間に対する溶断特性の異なるヒューズを複数用いることで、スイッチング素子等の半導体の短絡時の保護のみならず、スイッチング素子等の半導体の短絡時の短絡電流の流れる時間と電流値が異なっている、補機の短絡時の過電流に対しても保護することができる。

第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池から電力を供給される補機と、前記燃料電池に並列接続されるコンデンサと、前記コンデンサに並列に接続されたフルブリッジ構成のコンバータと、前記コンバータの出力に接続される高周波トランスと、前記高周波トランスの２次側出力に接続される整流・平滑回路と、前記整流・平滑回路で出力される直流電力を商用周波で電力制御するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する制御回路からなり、前記コンデンサと前記コンバータの間に時間に対する溶断特性の異なる複数のヒューズを直列に接続したものである。

この構成により、スイッチング素子等の半導体の短絡時の保護のみならず、スイッチング素子等の半導体の短絡時の短絡電流の流れる時間と電流値が異なっている、補機の短絡時の過電流に対しても保護することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、複数のヒューズの間に補機を接続する構成とすることにより、補機の短絡時に過電流を保護するのに必要なヒューズのみ溶断する燃料電池の電力変換装置を実現することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、ヒューズの最後段とコンバータの間に接続される構成とすることにより、複数のヒューズをまとめてプリント基板等に実装できるので、時間に対する溶断特性の異なるヒューズの実装位置を入れ替えても問題ないので設計自由度が向上する燃料電池の電力変換装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１と図２を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１において、燃料電池２０の正負の出力間に平滑コンデンサ２１、第一のヒューズ２２，および第二のヒューズ２３を介して、フルブリッジ回路を構成している４個のスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４からなるコンバータ２４と接続されている。

フルブリッジ回路に制御回路（図示しない）からのドライブ信号にてスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４を動作させることで、高周波電力に変換し昇圧トランス２５に供給する。

燃料電池２０は１ｋＷクラスの直流電力を発生し、昇圧トランス２５、整流・平滑回路２６およびインバータ２７で商用周波に電力変化され系統２８と連系している。

図１では、平滑コンデンサ２１とスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４の間に２つのヒューズを接続した場合を図示しているが、２つに限定されるものではない。図２において、第一のヒューズ２２と第二のヒューズ２３を接続した場合の動作特性を示す。

第一のヒューズ２２の溶断特性３０は緩応型と呼ばれ溶断時間の短い領域では溶断電流が大きい、つまり溶断しにくく、溶断時間の長い領域では溶断電流が小さい、つまり溶断しやすい特性を有している。

一方、第二のヒューズ２３の溶断特性３１は速断型と呼ばれ溶断時間の短い領域でも溶断電流が緩応型に比べて比較的小さい、つまり溶断しやすくなっているが、溶断時間の長い領域では反対に、緩応型に比べて溶断電流が比較的大きい、つまり溶断しにくい特性を有している。

このように時間に対する溶断特性の異なるヒューズ（第一のヒューズ２２，第二のヒューズ２３）を用いることで、時間領域の比較的短い領域で溶断する半導体のスイッチング素子の短絡時の保護に対しては、第二のヒューズ２３の溶断特性３１が有効となり、あるスイッチング素子が短絡することにより過電流でヒューズが切れるので、他の健全なスイッチング素子を保護することができる。

一方、上下のスイッチング素子が同時短絡してしまった場合は、燃料電池２０を短絡することになるが、低インピーダンスで大電流を出力するという特性を持つため、短絡時の電流の特性は、半導体のスイッチング素子のそれとは異なり、第一のヒューズ２２の溶断特性３０が示すように、半導体のスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４の短絡時の特性より、溶断時間の長い領域で溶断しやすい特性が求められる。

従って、以上の構成を取ることにより、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４および燃料電池２０のいずれも短絡時の過電流に対して保護することのできる燃料電池の電力変換装置を実現することができる。
（実施の形態２）
図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

以下の説明では上記実施の形態１と同様の部分においては同じ符号を付して説明を省略し、本実施の形態２の特徴的な部分を中心に説明する。本実施の形態２と実施の形態１との相違点は、燃料電池システム全体を制御駆動する補機を接続しており、補機が短絡した場合を想定していることである。

図３に示すように、実施の形態２における燃料電池の電力変換装置では、第一のヒューズ２２と第二のヒューズ２３との間に補機４０の一方の導線を接続し、補機４０の他方の導線を燃料電池２０の負極に接続することで、補機４０は燃料電池２０から直流電力を供給され、燃料電池システムの制御を行う。

このとき、第一のヒューズ２２に緩応型の溶断特性を持つヒューズを用い、第二のヒューズ２３に速断型の溶断特性を持つヒューズを用いることで、比較的短い時間領域で溶断する半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４に対しては、速断型である第二のヒューズ２３が、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４の短絡時に流れる過電流を保護する役割を果たす。

一方、補機４０を燃料電池２０に接続している導線は、半導体スイッチング素子に比べて比較的長い時間領域で溶断する特性であるので、緩応型である第一のヒューズ２２が、補機４０の短絡時に、低インピーダンスで大電流を流すことのできる燃料電池２０を過電流から保護する役割を果たすことができる。

このとき、緩応型である第一のヒューズ２２と速断型である第二のヒューズ２３の接続位置は図３に示すようでなければならない。
（実施の形態３）
図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

図４に示すように、実施の形態３における燃料電池の電力変換装置では、ヒューズの最後段とコンバータ２４の間に接続される構成とする。

この構成により、複数のヒューズ（第一のヒューズ２２，第二のヒューズ２３）をまとめてプリント基板等に実装できるので、時間に対する溶断特性の異なるヒューズの実装位置を入れ替えても、補機４０の短絡時に、低インピーダンスで大電流を流すことのできる燃料電池２０を過電流から保護すると同時に、スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４の短絡時に流れる過電流を保護することができるので、設計自由度が向上する燃料電池の電力変換装置を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池の電力変換装置は、時間に対する溶断特性の異なるヒューズを複数用いることで、スイッチング素子等の半導体の短絡時の保護のみならず、スイッチング素子等の半導体の短絡時の短絡電流の流れる時間と電流値が異なっている、補機の短絡時の過電流に対しても保護することができる。燃料電池等の低インピーダンスである直流電源の短絡時の保護として特に有効である。

本発明の実施の形態１による燃料電池の電力変換装置の回路図同燃料電池の電力変換装置の動作特性図本発明の実施の形態２による燃料電池の電力変換装置の回路図本発明の実施の形態３による燃料電池の電力変換装置の回路図従来の電力変換装置の回路図

符号の説明

２０燃料電池
２１平滑コンデンサ
２２第一のヒューズ
２３第二のヒューズ
２４コンバータ
２５昇圧トランス
２６整流・平滑回路
２７インバータ
２８系統
４０補機

Claims

燃料電池からの直流電力を商用系統に連系する電力変換装置において、燃料電池と、前記燃料電池から電力を供給される補機と、前記燃料電池に並列接続されるコンデンサと、前記コンデンサに並列に接続されたフルブリッジ構成のコンバータと、前記コンバータの出力に接続される高周波トランスと、前記高周波トランスの２次側出力に接続される整流・平滑回路と、前記整流・平滑回路で出力される直流電力を商用周波で電力制御するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータを制御する制御回路からなり、前記コンデンサと前記コンバータの間に時間に対する溶断特性の異なる複数のヒューズを直列に接続した燃料電池の電力変換装置。
前記補機は、前記複数のヒューズの間に接続される請求項１記載の燃料電池の電力変換装置。
前記補機は、前記複数のヒューズの最後段と前記コンバータの間に接続される請求項１記載の燃料電池の電力変換装置。