JP2012065442A

JP2012065442A - 直流電源システム

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Publication number: JP2012065442A
Application number: JP2010207253A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Kidera; 和憲木寺; Takuya Kagawa; 卓也香川; Hideki Tamura; 秀樹田村; Hiroyuki Nishino; 博之西野; Mariko Nishi; 真理子西
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: JP5450329B2; US9236764B2; CN103081289A; WO2012035395A1; EP2592717A1; EP2592717A4; US20130140901A1

Abstract

【課題】直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも低いときでも二次電池に充電が可能な直流電源システムを提供する。
【解決手段】直流電源２とバックアップ用二次電池３を備え、直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも低いときに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路６２に二次電池３から電流を流し、出力側回路６３に発生された電圧で直流電源２の電圧をかさ上げし、二次電池３の電圧よりも高くして、二次電池３を充電する。
【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池でバックアップされた直流電源システムに関する。

近年、太陽光発電や家庭用燃料電池などを用いた直流電源システムが普及しつつある。ところで、太陽電池は、気象条件や温度などによって発電量が変化するため、その出力電圧が安定せず、一般的に二次電池によってバックアップされている（例えば、特許文献１参照）。

直流電源システムは、二次電池充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ及び二次電池放電用ＤＣ／ＤＣコンバータの並列回路に二次電池が直列接続された回路が、太陽電池などの直流電源と並列に接続されている。通常、二次電池として、その電圧が直流電源の定電圧よりも低いものが使用される。そして、直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも高いときは、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池に充電用電流が流れ、二次電池が充電される。一方、直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも低いときは、放電用ＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池から放電電流が流れ、二次電池から電力が供給される。

太陽光発電の場合、負荷により電力が消費されていないときでも太陽電池は発電を続けるため、その間を利用して発電された電力が二次電池に充電される。ところが、例えば日照条件が良すぎて太陽電池自体の温度が高くなりすぎると、かえって太陽電池の出力電圧が低下する。特許文献１には、直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも低いときに、二次電池に充電することに関して直接の記載はないが、例えば昇圧可能なＤＣ／ＤＣコンバータを用いることにより、二次電池に充電することは可能である。しかしながら、太陽電池の出力電圧を二次電池の電圧以上に昇圧させて充電する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの二次側に流れる電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側に流れる電流に変換効率及び昇圧率の逆数を掛けた値になり、電流値がかなり小さくなる。すなわち、充電効率が低下し、エネルギーロスが大きくなる。

特開２００８−４８５４４号公報

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、高い充電効率を実現しつつ、直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも低いときでも二次電池に充電が可能な直流電源システム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、本発明の一態様に係る直流電源システムは、直流電源とバックアップ用二次電池を備え、前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも低いときに、前記二次電池への入力電圧が前記二次電池の電圧よりも高くなるように、前記二次電池の電力を用いて前記直流電源の電圧をかさ上げし、前記二次電池を充電することを特徴とする。

本発明の他の一態様に係る直流電源システムは、直流電源と、前記直流電源と並列に接続され、バックアップ用二次電池を含むバックアップ電源回路を備え、前記バックアップ電源回路は、前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも高いときに、前記二次電池を充電するための第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも高いときに、前記二次電池に充電された電力を放電するための第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも低いときに、前記二次電池の電力を用いて前記直流電源の電圧をかさ上げし、前記二次電池を充電するための第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも低いときに、前記二次電池に充電された電力を放電するための第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ、前記第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ、前記第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するための制御回路を備えたことを特徴とする。

上記構成において、前記第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータは同一の第１ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータは前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータとは異なる同一の第２ＤＣ／ＤＣコンバータであることが好ましい。

また、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは、その入力端子が前記二次電池の両端子に並列接続され、その出力端子が前記直流電源の高圧側端子と前記二次電池の高圧側端子の間に直列接続されていることが好ましい。

また、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、その入力端子が前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子に接続され、その出力端子が前記二次電池の両端子に接続されていることが好ましい。

また、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側回路及び前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側回路として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子を用いたことが好ましい。

本発明によれば、直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも低いときであっても、例えば負荷による電力消費量が少ない場合に、二次電池の電力を用いて直流電源の電圧をかさ上げし、二次電池を充電することができる。それによって、太陽光発電など直流電源によって発電された電力を有効に蓄電して使用することができる。また、昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて直流電源の電圧を直接昇圧しているわけではないので、直流電源から引き込まれた電流を直接充電電流とすることができ、高い充電効率を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る直流電源システムの基本構成を示すブロック図。直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも高い場合で、かつ、二次電池に充電する場合における、上記直流電源システムの動作を示す図。直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも高い場合で、かつ、二次電池から放電する場合における、上記直流電源システムの動作を示す図。直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも低い場合で、かつ、二次電池に充電する場合における、上記直流電源システムの動作を示す図。直流電源の電圧が二次電池の電圧よりも低い場合で、かつ、二次電池から放電する場合における、上記直流電源システムの動作を示す図。上記直流電源システムにおける第１ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータの具体的な回路構成を示す図。双方向スイッチ素子（シングルゲート）の構成を示す平面図。図７における範囲Ａの拡大図。図７におけるＢ−Ｂ断面図。双方向スイッチ素子（デュアルゲート）の構成を示す平面図。図１０におけるＣ−Ｃ断面図。

本発明の一実施形態に係る直流電源システムについて説明する。この直流電源システム１は、太陽電池や家庭用燃料電池などの直流電源２と、直流電源２と並列に接続され、バックアップ用二次電池３を含むバックアップ電源回路４を備えている。

バックアップ電源回路４は、並列接続された第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、この並列回路に直列接続された二次電池３と、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御する制御回路７を備えている。また、バックアップ電源回路４は、直流電源２の電圧Ｖ１を検出する第１電圧検出部８と、二次電池３の電圧Ｖ２を検出する第２電圧検出部１０を備えている。さらに、必要に応じて、バックアップ電源回路４は、負荷２０に流れる電流Ｉ１を検出する第１電流検出部９と、バックアップ電源回路４に流れる充電電流又は放電電流Ｉ２を検出する第２電流検出部１１を備えていてもよい。

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端子は二次電池３の両端子に並列接続され、その出力端子は直流電源２の高圧側端子と二次電池３の高圧側端子の間に直列接続されている。また、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力端子は第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力端子に接続され、その出力端子は二次電池３の両端子に接続されている。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、それぞれ直流電源２の電圧Ｖ１と二次電池３の電圧Ｖ２の大小に応じて、放電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合と、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合がある。具体的には、直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも高いときは（Ｖ１＞Ｖ２）、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、二次電池３を充電するための第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも高いときは（Ｖ１＞Ｖ２）、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、二次電池３に充電された電力を放電するための第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。一方、直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも低いときは（Ｖ２＞Ｖ１）、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、二次電池３を充電するための第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。また、直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも低いときは（Ｖ２＞Ｖ１）、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、二次電池３に充電された電力を放電するための第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、トランス５１と、入力側（１次側）回路５２と、出力側（２次側）回路５３などで構成されている。また、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、トランス６１と、入力側（１次側）回路６２と、出力側（２次側）回路６３などで構成されている。これら第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の具体的な回路構成を図６に示す。なお、回路構成の説明は後述する。

制御回路７は、第１電圧検出部８により検出された直流電源２の電圧Ｖ１と第２電圧検出部１０により検出された二次電池３の電圧Ｖ２を比較し、比較結果に応じて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路５２，６２を制御する。以下に、直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも高い場合（Ｖ１＞Ｖ２）と、直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも低い場合（Ｖ２＞Ｖ１）に分けて、具体的な動作を説明する。なお、便宜上、二次電池３の電圧を３８０Ｖに固定し、電流値はあくまで仮定のものである。

（具体的動作例１）
直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも高い場合（Ｖ１＞Ｖ２）で、かつ、二次電池３に充電する場合について、図２を参照して説明する。この場合は、例えば負荷２０による消費電力が少なく、直流電源２により発電された電力に余裕がある場合などが該当する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

図２に示すように、直流電源２の電圧Ｖ１を４００Ｖ、二次電池３の電圧Ｖ２を３８０Ｖと仮定する。制御回路７は、直流電源２の電圧Ｖ１と二次電池３の電圧Ｖ２の比較結果に応じて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側（１次側）回路５２を駆動させ、直流電源２からこのバックアップ電源回路４に電流を引き込む。

直流電源２からこのバックアップ電源回路４に２Ａの電流が引き込まれたと仮定する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側の電位差は２０Ｖであり、入力側（１次側）の回路５２に２Ａの電流が流れるので、入力電力は２０Ｖ×２Ａ＝４０Ｗとなる。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の効率を９０％と仮定すると、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側（回路５３）への出力電力は４０Ｗ×０．９＝３６Ｗとなる。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、その２次側に二次電池３を充電するために３８０Ｖの電圧が発生するように、昇圧比が設定されている。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側回路５３には、３６Ｗ÷３８０Ｖ＝０．０９５Ａの電流が流れる。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側回路５２に流れる２Ａの電流はそのまま２次電池３を介してグランドに流れるので、二次電池３には入力側の２Ａと出力側の０．０９５Ａを合わせた２．０９５Ａの電流が流れる。直流電源２からは、４００Ｖ×２Ａ＝８００Ｗの電力が出力され、２次電池３には、３８０Ｖ×２．０９５Ａ＝７９６Ｗの電力が充電される。すなわち、この直流電源システム全体の充電効率は、７９６Ｗ÷８００Ｗ＝０．９９５となり、非常に効率の高い充電回路が得られる。なお、この間、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は機能していない。また、第２電圧検出部１０により充電電流Ｉ２を検出し、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側回路５３に流れる電流を制御することにより、充電電流を定電流制御することができる。

（具体的動作例２）
直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも高い場合（Ｖ１＞Ｖ２）で、かつ、二次電池３から放電する場合について、図３を参照して説明する。この場合は、例えば太陽電池などの直流電源２の出力電力が低下した場合や、負荷２０による消費電力が大きく、直流電源２だけでは十分な電力がまかなえない場合などが該当する。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、放電用第１ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

制御回路７は、直流電源２の電圧Ｖ１と二次電池３の電圧Ｖ２の比較結果に応じて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側（１次側）回路６２を駆動させ、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路６２に、例えば０．１Ａの電流を流す。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、二次電池３の電圧Ｖ２（３８０Ｖ）を直流電源２の電圧Ｖ１（４００Ｖ）以上にかさ上げするための電圧を発生させる。

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路に０．１Ａの電流が流れると、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６への入力電力は３８０Ｖ×０．１Ａ＝３８Ｗとなる。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の効率を９０％と仮定すると、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側への出力電力は３８Ｗ×０．９＝３４．２Ｗとなる。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、その２次側に直流電源２と二次電池３の電圧差を補完する電圧２０Ｖが発生するように、降圧比が設定されている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側回路６３には、３４．２Ｗ÷２０Ｖ＝１．７１Ａの電流が流れる。

このＤＣコンバータ６の出力側回路６３に流れる電流は二次電池３にも流れるので、二次電池３には、入力側回路６２に流れる電流と出力側回路６３に流れる電流を合わせた０．１Ａ＋１．７１Ａ＝１．８１Ａの電流が流れる。二次電池３からは、３８０Ｖ×１．８１Ａ＝６８７．８Ｗの電力が放電される。一方、二次電池３から負荷２０に供給される電力は、４００Ｖ×１．７１Ａ＝６８４Ｗとなる。この直流電源システム全体の放電効率は、６８４Ｗ÷６８７．８Ｗ＝０．９９４となり、非常に効率の高い放電回路が得られる。なお、この間、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は機能していない。

（具体的動作例３）
直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも低い場合（Ｖ２＞Ｖ１）で、かつ、二次電池３に充電する場合について、図４を参照して説明する。この場合は、例えば、負荷２０による消費電力が少なく、かつ、太陽電池などの直流電源２の出力電圧が低下した場合などが該当する。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、充電用第２ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

制御回路７は、直流電源２の電圧Ｖ１と二次電池３の電圧Ｖ２の比較結果に応じて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側（１次側）回路６２を駆動させ、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路６２に、例えば０．１Ａの電流を流す。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、直流電源２の電圧Ｖ１（３６０Ｖ）を二次電池３の電圧Ｖ２（３８０Ｖ）以上にかさ上げするための電圧を発生させる。図３に示す場合と比較して、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側（２次側）回路６３に発生される電圧の極性は逆向きとなる。

上記の場合と同様に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路６２に０．１Ａの電流が流れると、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６への入力電力は３８０Ｖ×０．１Ａ＝３８Ｗとなる。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の効率を９０％と仮定すると、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側の出力電力は３８Ｗ×０．９＝３４．２Ｗとなる。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の２次側に直流電源２と二次電池３の電圧差２０Ｖを補完する電圧が発生するように、昇圧比が設定されている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側回路６３には、３４．２Ｗ÷２０Ｖ＝１．７１Ａの電流が流れる。但し、電流の流れる方向は逆である。

この第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側回路６３に流れる電流は、直流電源２からの電力を二次電池３の充電用にバックアップ電源回路４に引き込む。実際に二次電池３に対して充電電流として流れるのは、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側回路６３に流れる電流から入力側回路６２に流れる電流を差し引いた１．７１Ａ−０．１Ａ＝１．６１Ａとなる。

直流電源２からは、３６０Ｖ×１．７１Ａ＝６１６Ｗの電力が出力され、２次電池３には、３８０Ｖ×１．６１Ａ＝６１２Ｗの電力が充電される。すなわち、この直流電源システム全体の充電効率は、６１２Ｗ÷６１６Ｗ＝０．９９４となり、非常に効率の高い充電回路が得られる。なお、この間、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は機能していない。また、第２電圧検出部１０により充電電流Ｉ２を検出し、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路６２に流れる電流を制御することにより、充電電流を定電流制御することができる。

（具体的動作例４）
直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも低い場合（Ｖ２＞Ｖ１）で、かつ、二次電池３から放電する場合について、図５を参照して説明する。この場合は、例えば、直流電源２の電圧が低い状態にもかかわらず、負荷２０が駆動され続けている場合などが考えられる。この二次電池３は、あくまでも直流電源２をアシストするものでありバックアップ電源回路４は、二次電池３の電圧を直流電源２の電圧に落として出力する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、放電用第２ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

制御回路７は、第１電流検出部９により検出された負荷電流Ｉ１の値に基づいて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側（１次側）回路５２を導通させ、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側回路に、例えば２Ａの電流を流す。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側は、二次電池３の電圧Ｖ２（３８０Ｖ）を直流電源２の電圧Ｖ１（３６０Ｖ）に降圧させる。同時に、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側には、二次電池３を充電するために３８０Ｖの電圧が発生する。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側回路に２Ａの電流が流れると、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５への入力電力は（３８０Ｖ−３６０Ｖ）×２Ａ＝４０Ｗとなる。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の効率を９０％と仮定すると、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側の出力電力は４０Ｗ×０．９＝３６Ｗとなる。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側回路５３には、３６Ｗ÷３８０Ｖ＝０．０９５Ａの充電電流が流れる。

この充電電流は二次電池３に還流されるので、二次電池３からは、上記２Ａから充電電流０．０９５Ａを差し引いた１．９０５Ａの電流が流れ、二次電池３からは、３８０Ｖ×１．９０５Ａ＝７２４Ｗの電力が放電される。一方、二次電池３から負荷に供給される電力は、３６０Ｖ×２Ａ＝７２０Ｗとなる。この直流電源システム全体の放電効率は、７２０Ｗ÷７２４Ｗ＝０．９９４となり、非常に効率の高い放電回路が得られる。なお、この間、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は機能していない。また、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力側回路５３の電流（充電電流）の値を制御することにより、二次電池３から負荷２０に流れる放電電流を定電流制御することができる。

上記のように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、直流電源２の電圧と二次電池３の電圧の大小に応じて、それぞれ放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ又は充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合と、第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合とで、入力側に流れる電流の向きが反転し、入力端子の電圧も極性が反転する。同様に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合と、第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合とで、出力側に流れる電流の向きが反転し、出力端子の電圧も極性が反転する。そのため、図６に示すように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側回路５２及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側回路６３を構成するスイッチ素子として、双方向スイッチ素子を用いている。

図６に示すように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側回路５２は、直列接続された２つの双方向スイッチＱ１及びＱ２を有している。双方向スイッチＱ２は、トランス５１の１次側巻き線に並列に接続されている。双方向スイッチＱ１及びＱ２を相互に所定の周波数でオン及びオフさせることにより、トランス５１の１次側巻き線にパルス電流が流れ、それによって２次側巻き線に起電力が発生する。入力側回路５２には双方向に電流が流れるので、電流の向きに応じて出力側回路５３に入力される電圧の極性が反転する。そのため、出力側回路５３は、二次電池３を充電するために、トランス５１の２次側巻き線に発生された起電力を常に同方向に流すように、ダイオードで構成されている。

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路６２は、直列接続された２つのスイッチＱ３及びＱ４を有している。スイッチＱ４は、トランス６１の１次側巻き線に並列に接続されている。スイッチＱ３及びＱ４を相互に所定の周波数でオン及びオフさせることにより、トランス６１の１次側巻き線にパルス電流が流れ、それによって２次側巻き線に起電力が発生する。なお、入力側回路６２には常に同じ向きに電流が流れるので、出力側回路６３に入力される電圧の極性は一定である。ところが、上記のように、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６が放電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合と、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する場合とでは、電流の向きが反転する。そのため、出力側回路６３は、トランス６１の２次巻き線に接続された２つの双方向スイッチＱ５及びＱ６で構成されている。そして、双方向スイッチＱ５がオンの時双方向スイッチＱ６をオフし、双方向スイッチＱ６がオンの時双方向スイッチＱ５をオフすることにより、出力側回路６３に流れる電流の向きを反転させる。なお、入力側回路６２には常に同じ向きに電流が流れるので、スイッチＱ３及びＱ４は双方向スイッチである必要はなく、ＭＯＳＦＥＴなどであってもよい。

双方向スイッチの具体例として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００の詳細について説明する。図７は双方向スイッチ素子１００の構成を示す平面図であり、図８は範囲Ａの拡大図、図９はＢ−Ｂ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子１００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間にゲートＧが１つだけ設けられているものはシングルゲート型と呼ばれている。

図９に示すように、双方向スイッチ素子１００の基板１０１は、導体層１０１ａと、導体層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層２ｂ及びＡｌＧａＮ層０１０ｃで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図７に示すように、基板１０１の表面１０１ｄには、直流電源２及び負荷３に対してそれぞれ直列に接続された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状（略魚背骨状）を有している。

次に、双方向スイッチ素子１００を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図８に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１と中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇの距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。

そのため、第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、双方向スイッチ素子１００がオフのとき、少なくとも第１電極Ｄ１と、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向スイッチ素子１００がオンのとき、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１１・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部１２１・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。その結果、制御電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子１００を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極Ｄ１の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部１２１，１２２，１２３・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子１００のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。

図１０及び１１は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する他の双方向スイッチ素子３００の構成を示す。図１０は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図１１はＣ−Ｃ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子３００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間に２つのゲートＧ１及びＧ２が設けられているので、デュアルゲート型と呼ばれている。

図１０及び１１に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子３００は、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。すなわち、ドレイン電極Ｄ１及びＤ２はそれぞれＧａＮ層に達するように形成され、ゲート電極Ｇ１及びＧ２はそれぞれＡｌＧａＮ層の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されていない状態では、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層に電子の空白地帯が生じ、電流は流れない。一方、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されると、ドレイン電極Ｄ１からＤ２に向かって（又はその逆に）ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に電流が流れる。ゲート電極Ｇ１とＧ２の間は、耐電圧を必要とし、一定の距離を設ける必要があるが、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１の間及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２の間は耐電圧を必要としない。そのため、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２とが、絶縁層Ｉｎを介して重複していてもよい。なお、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。

以上説明したように、本発明によれば、直流電源２の電圧Ｖ１が二次電池３の電圧Ｖ２よりも低いときでも、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力側回路６２に二次電池３から電流を流し、トランス６１の二次側巻き線に電圧を発生させる。そして、出力側回路６３に出力された電圧で直流電源２の電圧をかさ上げし、二次電池３の電圧よりも高くして、二次電池３を充電する。それによって、太陽光発電など直流電源によって発電された電力を有効に蓄電して使用することができる。

さらに、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び入力側回路５２及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側回路６３に双方向スイッチを用いることにより、同一のＤＣ／ＤＣコンバータに充電時と放電時で逆向きに電流を流すことができる。すなわち、１つのＤＣ／ＤＣコンバータを充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと放電用ＤＣ／ＤＣコンバータとして使用することができるので、バックアップ電源回路４の小型化及び低コスト化を実現することができる。さらに、双方向スイッチとして、寄生ダイオードを有しないＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子を用いることにより、定損失なバックアップ電源回路４を実現することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば１つの双方向スイッチとして、寄生ダイオードの向きが互いに逆となるように直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴを用いてもよいし、トライアックなどのその他の双方向スイッチを用いてもよい。さらに、上記実施形態で記載した数値は、本発明の説明を分かりやすくするためのものであって、実際の数値とは限らないことはいうまでもない。

１直流電源システム
２直流電源
３二次電池
４バックアップ電源回路
５第１ＤＣ／ＤＣコンバータ
６第２ＤＣ／ＤＣコンバータ
７制御回路
８第１電圧検出部
９第１電流検出部
１０第２電圧検出部
１１第２電流検出部
５１トランス
５２入力側回路
５３出力側回路
６１トランス
６２入力側回路
６３出力側回路
１００．３００双方向スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５双方向スイッチ
Ｑ３，Ｑ４スイッチ

Claims

直流電源とバックアップ用二次電池を備え、前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも低いときに、前記二次電池への入力電圧が前記二次電池の電圧よりも高くなるように、前記二次電池の電力を用いて前記直流電源の電圧をかさ上げし、前記二次電池を充電することを特徴とする直流電源システム。
直流電源と、前記直流電源と並列に接続され、バックアップ用二次電池を含むバックアップ電源回路を備えた直流電源システムであって、
前記バックアップ電源回路は、
前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも高いときに、前記二次電池を充電するための第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも高いときに、前記二次電池に充電された電力を放電するための第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも低いときに、前記二次電池の電力を用いて前記直流電源の電圧をかさ上げし、前記二次電池を充電するための第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記直流電源の電圧が前記二次電池の電圧よりも低いときに、前記二次電池に充電された電力を放電するための第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ、前記第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ、前記第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するための制御回路を備えたことを特徴とする直流電源システム。
前記第１充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２放電用ＤＣ／ＤＣコンバータは同一の第１ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
前記第２充電用ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第１放電用ＤＣ／ＤＣコンバータは前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータとは異なる同一の第２ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項２に記載の直流電源システム。
前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは、その入力端子が前記二次電池の両端子に並列接続され、その出力端子が前記直流電源の高圧側端子と前記二次電池の高圧側端子の間に直列接続されていることを特徴とする請求項３に記載の直流電源システム。
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、その入力端子が前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子に接続され、その出力端子が前記二次電池の両端子に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の直流電源システム。
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側回路及び前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側回路として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子を用いたことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の直流電源システム。