JP2012143063A

JP2012143063A - Power conversion system

Info

Publication number: JP2012143063A
Application number: JP2010293538A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Hirano; 芳生平野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP5569388B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion system that can improve comprehensive efficiency of power converters in a simple circuit configuration without a complicated circuit configuration with many special components.SOLUTION: A power conversion system includes: a supply side power supply apparatus 20 for producing power from an apparatus capable of generating or storing electrical energy; and a receiving side power supply apparatus 30 for receiving the power and reconverting it into power required by a load 60. The supply side power supply apparatus 20 steps up or down an input voltage by high frequency switching to output a DC constant voltage within ±20% of a peak value of a commercial power supply voltage. The receiving side power supply apparatus 30 has a circuit for outputting the DC constant voltage to both ends of an input smoothing capacitor 44 via a backflow prevention diode 46.

Description

本発明は、入力された電力を所望の電圧、電流に変換する電力変換システムに関するものである。 The present invention relates to a power conversion system that converts input power into a desired voltage and current.

低炭素社会へ向けて、省エネルギー技術、負荷平準化技術への要求が増すと共に、オンサイトでクリーンエネルギーを生成することができる太陽電池等のグリーンエネルギー、燃料電池等のコジェネレーション、及びこれらのエネルギーを貯蔵するためのリチウムイオン２次電池等の２次電池バッテリーシステム等への関心が高まっている。 Green energy such as solar cells that can generate clean energy on-site, fuel cell and other cogeneration, and these energies as demand for energy saving technology and load leveling technology increases toward a low-carbon society There is a growing interest in secondary battery systems such as lithium ion secondary batteries for storing the battery.

これらの多くは、エネルギーを電力として生成又は貯蔵するものである。これらの具体的な利用手段としては、生成又は貯蔵された電力源を、電力変換器を介して商用電源電圧に変換し、当該商用電源電圧を各種電気機器に与えて消費することが挙げられる。この場合、生成又は貯蔵された電力源の多くは、時間や環境により電圧が変化する不安定なエネルギー源である。このため、一般には、コンバータ回路にて入力電圧を昇圧又は降圧して安定的な直流電圧とし、当該直流電圧を、直流−交流変換回路（インバータ）で、所望の商用電源電圧に変換し、当該商標電源電圧が各種電気機器にて用いられる。これら一連の電力変換機器は、総称して単にインバータ、パワーコンディショナ、又はパワーコントロールユニット等と呼ばれている。また、商用電源電圧は、国や地域により異なる。例えば、日本国内であれば東日本地域の商用電源電圧は、実効値が１００Ｖ又は２００Ｖであり周波数が５０Ｈｚである。また、アメリカであれば商用電源電圧は、実効値が１２０Ｖであり周波数が６０Ｈｚである。このように商用電源電圧は地域毎に規格化されている。 Many of these generate or store energy as electrical power. Specific examples of these utilization means include converting a generated or stored power source into a commercial power supply voltage via a power converter, and supplying the commercial power supply voltage to various electric devices for consumption. In this case, many of the generated or stored power sources are unstable energy sources whose voltage changes with time and environment. Therefore, in general, the converter circuit boosts or lowers the input voltage to obtain a stable DC voltage, and the DC voltage is converted into a desired commercial power supply voltage by a DC-AC converter circuit (inverter). A trademark power supply voltage is used in various electric devices. These series of power conversion devices are collectively referred to simply as an inverter, a power conditioner, or a power control unit. The commercial power supply voltage varies depending on the country or region. For example, in Japan, the commercial power supply voltage in the eastern Japan region has an effective value of 100 V or 200 V and a frequency of 50 Hz. In the United States, the commercial power supply voltage has an effective value of 120 V and a frequency of 60 Hz. Thus, the commercial power supply voltage is standardized for each region.

受電側の電気機器の例としては、パソコン、ＴＶ、及びエアコン等の家電製品がある。その多くは、商用電源、即ち、交流電圧を入力電圧とする。受電側の電気機器に入力される交流電圧は、一般にはノイズフィルター回路等を経て、ダイオードブリッジ回路及びコンデンサの組み合わせで構成される整流回路（コンデンサインプット型整流回路）にて大まかな直流電圧に変換された後、直流−直流変換回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）やインバータを介して、後段の負荷が必要とする電圧に再変換されて、消費されることになる。 Examples of the electric device on the power receiving side include home appliances such as personal computers, TVs, and air conditioners. Most of them use a commercial power source, that is, an AC voltage as an input voltage. The AC voltage input to the receiving-side electrical equipment is generally converted to a rough DC voltage by a rectifier circuit (capacitor input type rectifier circuit) composed of a combination of a diode bridge circuit and a capacitor via a noise filter circuit, etc. Then, the voltage is reconverted to a voltage required by the subsequent load through a DC-DC converter circuit (DC-DC converter) or an inverter and consumed.

非特許文献１には、太陽光発電用のパワーコンディショナについて記載されており、太陽光電池モジュールから生成される、ＤＣ１００Ｖ〜３００Ｖの直流電圧を昇圧コンバータでＤＣ３５０Ｖまで昇圧した後に、インバータでＡＣ２００Ｖにして系統連係するシステムが開示されている。
非特許文献２には、コンデンサインプット型整流回路が開示されている。また、非特許文献２には、高効率に電力を変換する回路として、共振型電源が開示されている。
非特許文献３には、燃料電池用のパワーコンディショナの高効率化のために、電流共振型回路や同期整流回路を用いることが開示されている。 Non-Patent Document 1 describes a power conditioner for photovoltaic power generation. After a DC voltage of 100V to 300V generated from a photovoltaic module is boosted to DC 350V by a boost converter, it is converted to AC 200V by an inverter. A system linking system is disclosed.
Non-Patent Document 2 discloses a capacitor input type rectifier circuit. Non-Patent Document 2 discloses a resonant power supply as a circuit for converting power with high efficiency.
Non-Patent Document 3 discloses the use of a current resonance type circuit or a synchronous rectification circuit in order to increase the efficiency of a power conditioner for a fuel cell.

また、特許文献１には、太陽光発電装置の電力を系統連結する際の系統安定性を保つために、２次電池の蓄電機能を太陽電池と組み合わせて用いるシステムが開示されている。また、特許文献２には、高いエネルギー変換効率を保つために、インバータシステム内のＤＣ−ＤＣコンバータにワイドバンドギャップ半導体のＦＥＴを用いることが開示されている。 Patent Document 1 discloses a system that uses a power storage function of a secondary battery in combination with a solar battery in order to maintain system stability when the power of the photovoltaic power generation apparatus is connected to the system. Patent Document 2 discloses that a wide band gap semiconductor FET is used for a DC-DC converter in an inverter system in order to maintain high energy conversion efficiency.

特開平６−１３３４７２号公報JP-A-6-133472 特開２００４−１４７４７２号公報JP 2004-147472 A

"5.5kW太陽光発電システム用パワーコンディショナ"、SANYO TECHNICAL REVIEW、VOL.36、No.2、DEC.2004"Power conditioner for 5.5kW solar power generation system", SANYO TECHNICAL REVIEW, VOL.36, No.2, DEC.2004 "実用電源回路設計ハンドブック"、ＣＱ出版社、p14〜p27、p225〜p235、1994年"Practical Power Circuit Design Handbook", CQ Publisher, p14-p27, p225-p235, 1994 "燃料電池用高効率パワーコンディショナの開発"、サンケン技報、2009年度版"Development of high-efficiency power conditioner for fuel cells", Sanken Technical Report, 2009 edition

省エネルギーの目的のためには、生成された電力エネルギーが負荷にて利用されるまでの間のエネルギーロスを最小にとどめる必要がある。しかしながら、一般に、電力変換器であるＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ回路で電力損失が発生する。具体的には、電気回路を構成する「半導体、磁性部品、及びコンデンサ等の電子部品」内の電力損失や、配線抵抗によるジュール損失により電力損失が発生する。また、受電側の電源機器でも電力損失が生じる。具体的には、入力回路に備わっている「ダイオードブリッジやノイズフィルター等の電子部品」や、さらにその後段にある「コンバータやインバータ」内で損失が生じていた。これらの電力損失を抑えるために（電力変換効率を高めるために）、ＤＣ−ＤＣコンバータやＡＣ−ＤＣインバータの回路に、共振型電源回路や同期整流型回路を採用する等の工夫がなされていた。 For the purpose of energy saving, it is necessary to minimize the energy loss until the generated electric power energy is used in the load. However, in general, power loss occurs in a DC-DC converter or an inverter circuit that is a power converter. Specifically, power loss occurs due to power loss in “electronic components such as semiconductors, magnetic components, and capacitors” constituting the electric circuit, and Joule loss due to wiring resistance. Also, power loss occurs in the power supply device on the power receiving side. Specifically, loss has occurred in “electronic components such as diode bridges and noise filters” provided in the input circuit, and in “converters and inverters” in the subsequent stage. In order to suppress these power losses (in order to increase power conversion efficiency), a device such as a resonant power supply circuit or a synchronous rectification circuit has been devised for the DC-DC converter or AC-DC inverter circuit. .

しかしながら、これらの回路は制御が複雑である。例えば、共振型電源回路においては、入出力状況に応じて周波数変調を必要とする。また、同期整流回路においては、複数のＦＥＴが同時にＯＮしないようにする等の微妙なタイミング制御が要求される。また、これらの回路では、部品点数が増加するため、コストが増大してしまう。
また、このような高効率電気回路を採用し、供給側の電源として安定した正弦波交流電圧の出力を実現しても、受電側の電源機器のコンデンサインプット型整流回路で、当該正弦波交流電源が、再び大まかな直流電圧に変換され、当該整流回路でさらに損失が生じる等の問題があった。 However, these circuits are complicated to control. For example, a resonant power supply circuit requires frequency modulation according to the input / output situation. Further, the synchronous rectification circuit requires delicate timing control such as preventing a plurality of FETs from being turned on simultaneously. Further, in these circuits, the number of parts increases, so the cost increases.
Moreover, even if such a high-efficiency electric circuit is adopted and a stable sine wave AC voltage output is realized as a power supply on the supply side, the sine wave AC power However, there is a problem that the voltage is again converted into a rough DC voltage and further loss occurs in the rectifier circuit.

このような問題を避ける手法としては、入力された電圧を、電力変換装置にて、末端の電圧仕様に近い直流電圧に変換して給電を行う方法が考えられる。しかしながら、末端の電圧の大きさは規格化されたものでは無い。このため、１台の電力変換器で、様々な末端の電子機器を賄おうとすると並列多出力型の電源となる。そうすると、かえってシステム全体の効率の低下を招くと共に、部品点数の増加によりコストが増大する。さらに、受電側の電気機器にしても、出力に近い電力で供給を受けるためには、回路全体の配線や設計を見直す必要があった。これらの特別な電源回路を受電側の電気機器として採用することは、太陽電池等のグリーンエネルギーが未だ普及の段階にある中では、汎用性・経済性に欠け、当該グリーンエネルギーの普及の妨げとなっていた。 As a technique for avoiding such a problem, a method of supplying power by converting an input voltage into a direct-current voltage close to the terminal voltage specification by a power converter is conceivable. However, the magnitude of the voltage at the end is not standardized. For this reason, if it is going to cover various terminal electronic devices with one power converter, it will become a parallel multi-output type power supply. If it does so, it will cause the fall of the efficiency of the whole system, and cost will increase by the increase in a number of parts. Furthermore, even in the electric device on the power receiving side, it is necessary to review the wiring and design of the entire circuit in order to receive the supply with electric power close to the output. Adopting these special power supply circuits as electrical devices on the power receiving side means that while green energy such as solar cells is still in widespread use, it lacks versatility and economy and hinders the spread of green energy. It was.

そこで、本発明は、以上の状況を鑑みてなされたものであり、特殊で部品点数の多い複雑な回路構成を必要とせず、簡便な回路構成で電力変換器の総合効率を向上することができる電力変換システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above situation, and does not require a special and complicated circuit configuration with a large number of parts, and can improve the overall efficiency of the power converter with a simple circuit configuration. An object is to provide a power conversion system.

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を要旨とする。
電力エネルギーの生成及び蓄積の少なくとも何れか一方を行う電力装置から電力を取り出す供給側電源装置と、前記供給側電源装置から出力される電力を受け取り、当該電力を、負荷が必要とする電力に変換する受電側電源装置と、を含む電力変換システムであって、前記供給側電源装置は、前記電力装置から入力した電圧を高周波スイッチング動作により昇圧又は降圧して、商用電源電圧の尖頭値の±２０％以内の大きさの値を有する直流定電圧を出力するスイッチ素子を有し、前記受電側電源装置は、前記直流定電圧を入力する直流入力端子と、前記直流入力端子の一方と一端が相互に接続される逆流防止半導体素子であって、前記供給側電源装置への電流の逆流を防止するための逆流防止半導体素子と、前記逆流防止半導体素子の他端と一端が相互に接続されると共に、前記直流入力端子の他方と他端が相互に接続される入力平滑コンデンサと、を有し、前記入力平滑コンデンサの両端の電圧が、前記負荷側に出力されることを特徴とする電力変換システムを提供する。
前記供給側電源装置は、前記直流定電圧を交流電圧に変換するインバータ回路を更に有し、前記受電側電源装置は、前記交流電圧を入力する交流入力端子と、前記交流電圧を直流電圧に変換する変換回路と、を有し、前記受電側電源装置に交流電圧を入力する必要がある場合には、前記交流電圧が前記受電側電源装置の前記交流入力端子に出力され、前記受電側電源装置に直流電圧を入力する必要がある場合には、前記直流定電圧が前記受電側電源装置の前記直流入力端子に出力されることが望ましい。
また、前記受電側電源装置が有する前記変換回路は、前記交流電圧を入力するダイオード整流ブリッジ回路と、前記ダイオード整流ブリッジ回路の出力電圧が両端に印加される平滑コンデンサと、を有し、前記入力平滑コンデンサの両端に前記ダイオード整流ブリッジ回路の出力電圧が印加されるようにすることが望ましい。
また、前記受電側電源装置が有する前記逆流防止半導体素子は、ＳｉＣ又はＧａＮからなる半導体素子であることが望ましい。
さらに、前記受電側電源装置が有する前記逆流防止半導体素子は、ＳｉＣショットキーバリアダイオード又はＧａＮショットキーバリアダイオードであることがより望ましい。 The present invention is summarized as follows in order to solve the above problems.
A power supply device that extracts power from a power device that performs at least one of generation and storage of power energy and power output from the power supply device are received, and the power is converted into power required by the load. A power conversion system including a power receiving side power supply device, wherein the supply side power supply device boosts or lowers a voltage input from the power device by a high frequency switching operation, and the peak value of the commercial power supply voltage is ± A switching element that outputs a DC constant voltage having a value within 20%, wherein the power receiving side power supply device includes a DC input terminal that inputs the DC constant voltage, and one and one end of the DC input terminal A backflow prevention semiconductor element connected to each other, the backflow prevention semiconductor element for preventing backflow of current to the supply-side power supply device, and the other end of the backflow prevention semiconductor element An input smoothing capacitor having one end connected to each other and the other end of the DC input terminal connected to each other, and a voltage across the input smoothing capacitor being output to the load side A power conversion system is provided.
The supply-side power supply device further includes an inverter circuit that converts the DC constant voltage into an AC voltage, and the power-receiving-side power supply device converts an AC input terminal that inputs the AC voltage, and converts the AC voltage into a DC voltage. When the AC voltage needs to be input to the power receiving side power supply device, the AC voltage is output to the AC input terminal of the power receiving side power supply device, and the power receiving side power supply device In the case where it is necessary to input a DC voltage, it is preferable that the DC constant voltage is output to the DC input terminal of the power receiving side power supply device.
Further, the conversion circuit included in the power receiving side power supply device includes a diode rectification bridge circuit that inputs the AC voltage, and a smoothing capacitor to which an output voltage of the diode rectification bridge circuit is applied to both ends, and the input It is desirable that the output voltage of the diode rectifier bridge circuit is applied to both ends of the smoothing capacitor.
The backflow prevention semiconductor element included in the power receiving side power supply device is preferably a semiconductor element made of SiC or GaN.
Furthermore, the backflow prevention semiconductor element included in the power receiving side power supply device is more preferably a SiC Schottky barrier diode or a GaN Schottky barrier diode.

本発明によれば、電力エネルギーの生成及び蓄積の少なくとも何れか一方を行う電力装置から電力を取り出す供給側電源装置の出力が、商用電源電圧の尖頭値の±２０％の大きさの値を有する直流定電圧とした。よって、様々な国や地域で広く用いられているコンデンサインプット型整流回路を持つ多くの受電側電源装置の入力平滑コンデンサの両端の設計電圧及び許容電圧内に、前記直流定電圧の値を収めることができるため、供給側電源装置の出力を入力平滑コンデンサに直接接続することができる。
これにより、供給側電源装置にインバータ回路を設ける必要がなく、且つ、受電側電源装置にダイオード整流ブリッジ回路を設ける必要がなくなり、これらの回路を通さなくても負荷に電力を供給することができるので、電力変換効率を向上させることができる。受電側電源装置からみれば、直流定電圧の給電を受けるための複雑な回路や入力電圧の設計変更を行う必要がなく、既に汎用化した電源に、直流入力端子と、逆流防止半導体素子とを設けて、直流入力端子から逆流防止半導体素子を介して入力平滑コンデンサの両端に繋がる回路を設けるだけの簡便な改造で電力変換システムを構成することができる。また、供給側電源装置は、スイッチング動作により直流定電圧を出力するので、入力電圧が商用電源電圧に対して低い電圧又は高い電圧であったり、変動の激しい電圧であったりしても、小型で高効率の回路として構成できる。
さらに、受電側電源装置では、直流定電圧を入力するので、通常の交流正弦波電圧を整流平滑する際に発生する商用周波数のリップル電圧がなくなる。このため、ノイズの少ない安定した電力を負荷側に供給することができる。 According to the present invention, the output of the supply-side power supply device that extracts power from the power device that generates and / or stores power energy has a value that is ± 20% of the peak value of the commercial power supply voltage. It was set as the DC constant voltage which has. Therefore, the value of the DC constant voltage should be within the design voltage and allowable voltage at both ends of the input smoothing capacitor of many power-receiving-side power supply devices with capacitor input rectifier circuits widely used in various countries and regions. Therefore, the output of the power supply device on the supply side can be directly connected to the input smoothing capacitor.
As a result, there is no need to provide an inverter circuit in the supply-side power supply device, and no need to provide a diode rectifier bridge circuit in the power-receiving-side power supply device, and power can be supplied to the load without passing through these circuits. Therefore, power conversion efficiency can be improved. From the viewpoint of the power-receiving-side power supply device, there is no need to change the design of the input circuit or a complicated circuit for receiving DC constant voltage power supply. A power conversion system can be configured with a simple modification by simply providing a circuit that is connected to both ends of the input smoothing capacitor from the DC input terminal via the backflow preventing semiconductor element. In addition, since the power supply device on the supply side outputs a DC constant voltage by a switching operation, it is small even if the input voltage is a voltage that is lower or higher than the commercial power supply voltage or a voltage that fluctuates rapidly. It can be configured as a highly efficient circuit.
Further, since the power receiving side power supply device receives a DC constant voltage, there is no commercial frequency ripple voltage generated when the normal AC sine wave voltage is rectified and smoothed. For this reason, stable electric power with less noise can be supplied to the load side.

また、本発明の他の特徴によれば、供給側電源装置に、直流定電圧を出力する機能の他に、直流電圧を直流電圧に変換するインバータ回路を設け、受電側電源装置が直流給電回路を持たない場合には、供給側電源装置から受電側電源装置に交流電圧を出力する。したがって、例えば、太陽電池パネルや燃料電池等、供給側電源装置に与えられる電力源が普及途中にある状況下では、既存の家電を持つ需要家等に広く電力変換システムを適用させることができるようになる。
また、本発明の他の特徴によれば、ダイオード整流ブリッジ回路と入力平滑コンデンサとを用いて、交流電圧を直流電圧に整流平滑する回路を、受電側電源装置に残すことで、受電側電源装置を旧来の電源系統へ接続するこが可能となる。
また、本発明の他の特徴によれば、逆流防止半導体素子を、ＳｉＣショットキーバリアダイオード又はＧａＮショットキーバリアダイオードとしたので、高周波動作でも高効率を維持する逆流防止半導体素子とすることができる。これにより、供給側電源装置の出力コンデンサの容量を小さくしたり、省略したりしても、逆流防止ダイオードの損失を低く抑えることができる。 According to another aspect of the present invention, the supply-side power supply device is provided with an inverter circuit that converts a DC voltage into a DC voltage in addition to the function of outputting a DC constant voltage, and the power-receiving-side power supply device is a DC power supply circuit. Is not output, an AC voltage is output from the supply-side power supply device to the power-receiving-side power supply device. Therefore, for example, in a situation where the power source provided to the supply-side power supply device such as a solar cell panel or a fuel cell is in the process of spreading, the power conversion system can be widely applied to consumers with existing home appliances. become.
According to another aspect of the present invention, a power receiving side power supply device is provided by leaving a circuit that rectifies and smoothes an AC voltage into a DC voltage using a diode rectification bridge circuit and an input smoothing capacitor. Can be connected to the old power system.
According to another feature of the present invention, since the backflow prevention semiconductor element is a SiC Schottky barrier diode or a GaN Schottky barrier diode, it can be a backflow prevention semiconductor element that maintains high efficiency even in high frequency operation. . Thereby, even if the capacity | capacitance of the output capacitor of a supply side power supply device is made small or abbreviate | omitted, the loss of a backflow prevention diode can be restrained low.

第１の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the power conversion system which concerns on 1st Embodiment. ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a DC-DC converter circuit. 第１の実施形態の比較例となる電力変換システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power conversion system used as the comparative example of 1st Embodiment. 第１の実施形態に係る電力変換システムの構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a structure of the power conversion system which concerns on 1st Embodiment. 第２の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the power conversion system which concerns on 2nd Embodiment. 第３の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the power conversion system which concerns on 3rd Embodiment. 第４の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the power conversion system which concerns on 4th Embodiment.

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。
図１において、太陽電池パネル１０は、セルを直並列に組み合わせて構成される公知の太陽電池パネルである。晴天時の太陽電池パネル１０の出力は、例えば、８００Ｗ、１００Ｖ／８Ａ程度である。供給側電源装置２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１と、リチウムイオン２次電池（バッテリーパック）２２とを有する。なお、リチウムイオン２次電池２２は、太陽電池パネル１０の出力電圧が低下した場合等に、太陽電池パネル１０の代わりに供給側電源装置２０に電力を供給するためのものである。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、昇圧型回路であり、５０Ｖ〜１００Ｖの入力電圧に対して、日本の国内商用電源電圧であるＡＣ１００Ｖの尖頭値に近い、約１４０Ｖの直流電圧の出力を維持するように設計された非絶縁型チョッパー方式のＤＣ−ＤＣコンバータである。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a power conversion system according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a solar cell panel 10 is a known solar cell panel configured by combining cells in series and parallel. The output of the solar cell panel 10 in fine weather is, for example, about 800 W and 100 V / 8A. The supply-side power supply device 20 includes a DC-DC converter circuit 21 and a lithium ion secondary battery (battery pack) 22. In addition, the lithium ion secondary battery 22 is for supplying electric power to the supply-side power supply device 20 instead of the solar cell panel 10 when the output voltage of the solar cell panel 10 decreases.
The DC-DC converter 21 is a step-up circuit, and maintains an output of a DC voltage of about 140V, which is close to the peak value of AC100V in Japan, which is a domestic commercial power supply voltage, for an input voltage of 50V to 100V. This is a non-insulated chopper type DC-DC converter designed in (1).

図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の構成の一例を示す図である。
図２において、２１ａ１、２１ａ２は入力端子であり、２１ｂは平滑チョークコイルである。２１ｃはスイッチ素子である。本実施形態では、スイッチ素子２１ｃを、ＭＯＳＦＥＴと、逆方向に接続したファストリカバリーダイオードの並列対とで構成したスイッチモジュールで構成している。２１ｄはフライホィールダイオードであり、２１ｅは出力平滑コンデンサであり、２１ｆ１、２１ｆ２は出力端子であり、２１ｇはスイッチ素子２１ｃを制御する制御回路である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the DC-DC converter circuit 21.
In FIG. 2, 21a1 and 21a2 are input terminals, and 21b is a smooth choke coil. 21c is a switch element. In the present embodiment, the switch element 21c is configured by a switch module including a MOSFET and a parallel pair of fast recovery diodes connected in the opposite direction. 21d is a flywheel diode, 21e is an output smoothing capacitor, 21f1 and 21f2 are output terminals, and 21g is a control circuit for controlling the switch element 21c.

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の具体的な動作の一例としては、まず、入力端子２１ａに、太陽電池パネル１０からの直流電圧が加えられた状態で、スイッチ素子２１ｃを閉じると、平滑チョークコイル２１ｂに電流が通電される。そうすると、電気エネルギーが磁気エネルギーとして平滑チョークコイル２１ｂに蓄えられる。次に、スイッチ素子２１ｃを開くと、平滑チョークコイル２１ｂに蓄積された磁気エネルギーがフライホィールダイオード２１ｄを通じで出力平滑コンデンサ２１ｅに電気エネルギーとして蓄積されると同時に、出力端子２１ｆに負荷が接続されていればその負荷に出力電力が供給される。再びスイッチ素子２１ｃが閉じると、出力平滑コンデンサ２１ｅに蓄えられた電気エネルギーを負荷に向けて放出する。以上のような基本動作を繰り返すことで、電力が負荷に供給され、スイッチ素子２１ｃの開閉時間の比で入力電圧が変動しても出力電圧が一定となるように制御される。この場合、出力電圧にはスイッチング動作に起因する高周波リップル電圧が重畳される。この高周波リップル電圧は出力ノイズである。このため、一般には、出力平滑コンデンサ２１ｅは、この高周波リップル電圧を所定の値に抑制できるような容量を持つように設計される。
高周波リップル電圧と出力平滑コンデンンサ２１ｅの容量との関係については、簡易的な計算方法として式（１）の関係が知られている。この式（１）にて、所定の出力平滑コンデンサ２１ｅの容量Ｃ_out（Ｆ）が求められる。ここで、Ｉ_outは出力電流（Ａ）、Ｖ_outは出力電圧（Ｖ）、Ｖ_inは入力電圧（Ｖ）、Ｖ_rは高周波リップル電圧（Ｖ）、ｆ_swはスイッチング周波数（Ｈｚ）である。 As an example of a specific operation of the DC-DC converter circuit 21, first, when the DC voltage from the solar cell panel 10 is applied to the input terminal 21a and the switch element 21c is closed, the smooth choke coil 21b Current is energized. Then, electric energy is stored in the smooth choke coil 21b as magnetic energy. Next, when the switch element 21c is opened, the magnetic energy accumulated in the smoothing choke coil 21b is accumulated as electric energy in the output smoothing capacitor 21e through the flywheel diode 21d, and at the same time, a load is connected to the output terminal 21f. If so, output power is supplied to the load. When the switch element 21c is closed again, the electric energy stored in the output smoothing capacitor 21e is released toward the load. By repeating the basic operation as described above, electric power is supplied to the load, and the output voltage is controlled to be constant even if the input voltage varies depending on the ratio of the switching time of the switch element 21c. In this case, a high frequency ripple voltage resulting from the switching operation is superimposed on the output voltage. This high frequency ripple voltage is output noise. Therefore, in general, the output smoothing capacitor 21e is designed to have a capacity that can suppress the high-frequency ripple voltage to a predetermined value.
Regarding the relationship between the high-frequency ripple voltage and the capacitance of the output smoothing capacitor 21e, the relationship of the formula (1) is known as a simple calculation method. From this equation (1), the capacitance C _out (F) of the predetermined output smoothing capacitor 21e is obtained. Here, I _out output current (A), the V _out output voltage (V), and the V _in the input voltage (V), and V _r is the high frequency ripple voltage (V), and f _sw is the switching frequency (Hz) .

式（１）を用いて、出力平滑コンデンンサ２１ｅの容量Ｃ_outの具体例を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の出力電流Ｉ_outを８Ａ、出力電圧Ｖ_outを１４０Ｖ、高周波リップル電圧Ｖ_rを出力電圧Ｖ_outの５％、即ち７Ｖとし、スイッチング周波数ｆ_swを２０ｋＨｚ、入力電圧Ｖ_inを５０Ｖとした。よって、式（１）により、出力平滑コンデンンサ２１ｅの容量Ｃ_outとして３７μＦが求められる。そこで、裕度を見て５０μＦの容量を有する出力平滑コンデンサ２１ｅをＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１に配置した。 Using Equation (1), specific examples of the capacitance C _out of the output smoothing Konden'nsa 21e. The output current I _out of the DC-DC converter circuit 21 is 8 A, the output voltage V _out is 140 V, the high frequency ripple voltage V _r is 5% of the output voltage V _out , that is, 7 V, the switching frequency f _sw is 20 kHz, and the input voltage V _in Was 50V. Therefore, 37 μF is obtained as the capacitance C _out of the output smoothing capacitor 21e by the equation (1). Therefore, an output smoothing capacitor 21e having a capacity of 50 μF is disposed in the DC-DC converter circuit 21 in view of the margin.

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１全体の制御は制御回路２１ｇで行われる。具体的には、制御回路２１ｇは、出力端子２１ｆ間の電圧（出力電圧Ｖ_out）を監視し、出力電圧Ｖ_outの値が１４０Ｖ±２０％、好ましくは１４０Ｖ±１０％の範疇となるように、ＰＷＭ制御によりスイッチ素子２１ｃの開閉比率を制御する動作を行う。
日本国内の場合においては、電気事業法施行規則により供給側回路の電圧は、標準電圧が１００Ｖの回路では、１０１±６Ｖ以内、２００Ｖの回路では、２０２±２０Ｖ以内と定められており、この電圧の変動範囲を許容するため、多くの電気機器が入力電圧の変動範囲として、±１５％〜±２０％程度、余裕を含めて許容している。従って、供給側電源装置２０の直流出力が、商用電源電圧の尖頭値の±２０％以内、好ましくは±１０％以内であれば、供給側電源装置２０の出力電圧の仕様として満足できる。なお、このような電気機器の設計は、日本に限らず様々な国で行われている。 The control of the entire DC-DC converter circuit 21 is performed by the control circuit 21g. Specifically, the control circuit 21g monitors the voltage (output voltage V _out ) between the output terminals 21f so that the value of the output voltage V _out falls within the range of 140V ± 20%, preferably 140V ± 10%. Then, an operation for controlling the open / close ratio of the switch element 21c by PWM control is performed.
In Japan, according to the Enforcement Regulations of the Electricity Business Law, the voltage of the supply side circuit is determined to be within 101 ± 6V for a circuit with a standard voltage of 100V and within 202 ± 20V for a circuit with 200V. Therefore, many electric devices allow the input voltage fluctuation range of about ± 15% to ± 20% including a margin. Therefore, if the DC output of the supply-side power supply device 20 is within ± 20%, preferably within ± 10% of the peak value of the commercial power supply voltage, the output voltage specification of the supply-side power supply device 20 can be satisfied. In addition, the design of such an electric device is performed not only in Japan but in various countries.

また、本実施形態では、受電側電源装置３０を、定格出力が２００Ｗのパソコンとした。図１において、４０は入力回路である。受電側電源装置３０が交流電圧を入力する（必要とする）場合には、電力は、交流入力端子４１からノイズフィルター回路４２を通して、ダイオード整流（全波整流）ブリッジ回路４３、入力平滑コンデンサ４４に繋がる。ここで、本実施形態では、入力平滑コンデンサ４４の容量を、２００μＦとした。 In this embodiment, the power-receiving-side power supply device 30 is a personal computer with a rated output of 200 W. In FIG. 1, reference numeral 40 denotes an input circuit. When the power-receiving-side power supply device 30 inputs (requires) an AC voltage, power is supplied from the AC input terminal 41 to the diode rectification (full-wave rectification) bridge circuit 43 and the input smoothing capacitor 44 through the noise filter circuit 42. Connected. Here, in this embodiment, the capacitance of the input smoothing capacitor 44 is 200 μF.

また、本実施形態では、これらの交流入力端子４１とは別に、直流給電用の直流入力端子４５を設けて、交流入力回路をバイパスし、入力平滑コンデンサ４４へ直結する回路を設けた。４６は、逆流防止ダイオードである。本実施形態では、逆流防止ダイオード４６として、耐圧が３００Ｖであり、出力電流定格が８ＡのＳｉＣショットキーダイオードを採用した。
これらの回路構成の一例を具体的に説明すると、入力回路４０の一方の交流入力端子４１ａと逆流防止ダイオード４６のアノードとが相互に接続され、逆流防止ダイオード４６のアノードと入力平滑コンデンサ４４の一端とが相互に接続され、入力回路４０の他方の交流入力端子４１ｂと入力平滑コンデンサ４４の他端とが相互に接続される。そして、入力平滑コンデンサ４４の両端の電圧が入力回路４０の出力電圧となる。
５０は、多出力ＤＣ−ＤＣコンバータである。本実施形態では、多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ５０を、後段の負荷６０であるパソコンのＣＰＵ、ＨＤＤ等の各種機器が必要とする入力電圧として、２４Ｖ、１２Ｖ、５Ｖの直流電圧を多出力する、絶縁型フォワード方式のＤＣ−ＤＣコンバータで構成した。 In the present embodiment, in addition to these AC input terminals 41, a DC input terminal 45 for DC power feeding is provided, a circuit that bypasses the AC input circuit and is directly connected to the input smoothing capacitor 44 is provided. 46 is a backflow prevention diode. In the present embodiment, a SiC Schottky diode having a breakdown voltage of 300 V and an output current rating of 8 A is employed as the backflow prevention diode 46.
An example of these circuit configurations will be specifically described. One AC input terminal 41a of the input circuit 40 and the anode of the backflow prevention diode 46 are connected to each other, and the anode of the backflow prevention diode 46 and one end of the input smoothing capacitor 44 are connected. Are connected to each other, and the other AC input terminal 41b of the input circuit 40 and the other end of the input smoothing capacitor 44 are connected to each other. The voltage across the input smoothing capacitor 44 becomes the output voltage of the input circuit 40.
Reference numeral 50 denotes a multi-output DC-DC converter. In the present embodiment, the multi-output DC-DC converter 50 outputs multiple DC voltages of 24V, 12V, and 5V as input voltages required by various devices such as a CPU and HDD of a personal computer that is the subsequent load 60. An insulated forward type DC-DC converter was used.

図３は、本実施形態の比較例となる電力変換システムの構成を示す図である。
図３に示す電力変換システムの、図１に示す本実施形態の電力変換システムとの違いは、太陽電池パネル１０からの電圧に対してＤＣ−ＡＣ変換を行い、ＡＣ１００Ｖ／５０Ｈｚの交流電圧を出力する絶縁型ハーフブリッジ回路方式のＤＣ−ＡＣインバータ回路２３を、供給側電源装置２０に設けたことと、その供給側電源装置２０から出力される交流電圧を、受電側電源装置３０の交流入力端子４１に繋いだことである。このように、本実施形態の比較例では、太陽電池パネル１０で生成されたエネルギーをＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１で準安定な直流電圧に整え、さらに、ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３で商用電源電圧と同じ交流電圧として受電側電源装置３０に出力する構成である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a power conversion system as a comparative example of the present embodiment.
The difference between the power conversion system shown in FIG. 3 and the power conversion system of the present embodiment shown in FIG. 1 is that DC-AC conversion is performed on the voltage from the solar panel 10 and an AC voltage of AC 100 V / 50 Hz is output. The supply-side power supply device 20 is provided with the DC-AC inverter circuit 23 of the insulated half-bridge circuit system, and the AC input terminal of the power-receiving-side power supply device 30 receives the AC voltage output from the supply-side power supply device 20. 41. As described above, in the comparative example of the present embodiment, the energy generated by the solar cell panel 10 is adjusted to a quasi-stable DC voltage by the DC-DC converter circuit 21, and further, the commercial power supply voltage is set by the DC-AC inverter circuit 23. In this configuration, the same AC voltage is output to the power receiving side power supply device 30.

以上、図１及び図３に示す２つの電力変換システムを用いて電力変換効率の評価実験を実施した。なお、実際の太陽光発電を元にして電力変換システムにおける電力変換効率を評価すると、太陽光発電の出力の変化が大きく外乱要因が大きい。このため、ここでは、発電は実施せずに、リチウムイオン電池２２を満充電して、受電側電源装置３０を稼働させた。また、多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ５０と負荷６０も、温度や動作状態により変化するため動作させずに、ここでは、これらの代わりに電子負荷装置を入力回路４０の出力端子に接続し、電子負荷装置が常時２００Ｗを消費するように調整した。 As mentioned above, the evaluation experiment of power conversion efficiency was implemented using two power conversion systems shown in FIG.1 and FIG.3. In addition, when the power conversion efficiency in a power conversion system is evaluated based on actual photovoltaic power generation, the change of the output of photovoltaic power generation is large, and the disturbance factor is large. For this reason, here, power generation was not carried out, but the lithium ion battery 22 was fully charged and the power receiving side power supply device 30 was operated. Further, the multi-output DC-DC converter 50 and the load 60 are not operated because they change depending on the temperature and the operating state. Here, instead of these, an electronic load device is connected to the output terminal of the input circuit 40, and the electronic load The device was adjusted to consume 200W at all times.

電力変換システムの総合効率を見るために、リチウムイオン２次電池２２の出力端子の電流・電圧から求められる実効電力をＷ１（Ｗ）とし、入力回路４０の出力端子の電流・電圧から求められる実効電力をＷ２（Ｗ）として、Ｗ２／Ｗ１にて電力変換効率ηを求めた。
以上の条件にて実験を行った結果、図１に示す電力変換システムでの電力変換効率ηは約９０％であったのに対し、図３に示す電力変換システムでの電力変換効率ηは７５％であった。図３に示す電力変換システムの構成に対して、ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３の入出力端子の電力を測定すると、ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３単独での電力変換効率は約９０％程度であった。したがって、図３に示す電力変換システムでは、ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３で約１０％、入力回路４０で約１５％の電力ロスが発生したことになる。本実施形態の電力変換システムである図１の構成では、図３において電力ロスの原因となった回路（ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３及び入力回路４０）を共にバイパスしたため、高い電力変換効率を維持できた。 In order to see the overall efficiency of the power conversion system, the effective power obtained from the current / voltage of the output terminal of the lithium ion secondary battery 22 is W1 (W), and the effective power obtained from the current / voltage of the output terminal of the input circuit 40 is calculated. Assuming that the power is W2 (W), the power conversion efficiency η was determined by W2 / W1.
As a result of the experiment under the above conditions, the power conversion efficiency η in the power conversion system shown in FIG. 1 was about 90%, whereas the power conversion efficiency η in the power conversion system shown in FIG. %Met. When the power at the input / output terminals of the DC-AC inverter circuit 23 was measured with respect to the configuration of the power conversion system shown in FIG. 3, the power conversion efficiency of the DC-AC inverter circuit 23 alone was about 90%. Therefore, in the power conversion system shown in FIG. 3, a power loss of about 10% occurs in the DC-AC inverter circuit 23 and about 15% in the input circuit 40. In the configuration of FIG. 1 that is the power conversion system of the present embodiment, the circuit (DC-AC inverter circuit 23 and input circuit 40) that caused the power loss in FIG. 3 is bypassed, so that high power conversion efficiency can be maintained. It was.

図１に示す電力変換システムから、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の出力平滑コンデンンサ２１ｅを除去して構成した電力変換システムにおける電力変換効率を測定した。その結果、図１に示す電力変換システムから、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の出力平滑コンデンンサ２１ｅを除去して構成した電力変換システムでも、出力平滑コンデンンサ２１ｅを有する電力変換システム（図１に示す電力変換システム）と、電力変換効率が殆ど変わらず、問題なく動作した。これは、受電側電源回路３０の入力平滑コンデンサ４４の容量は２００μＦであり、除去した出力平滑コンデンサ２１ｅの容量（＝５０μＦ）に比べて十分に大きいため、スイッチ素子２１ｃのスイッチング動作による交流リップル電圧の影響が少なかったためである。 The power conversion efficiency in a power conversion system configured by removing the output smoothing capacitor 21e of the DC-DC converter circuit 21 from the power conversion system shown in FIG. 1 was measured. As a result, even in the power conversion system configured by removing the output smoothing capacitor 21e of the DC-DC converter circuit 21 from the power conversion system shown in FIG. 1, the power conversion system having the output smoothing capacitor 21e (the power conversion system shown in FIG. 1). System) and power conversion efficiency was almost the same, and it worked without any problems. This is because the capacity of the input smoothing capacitor 44 of the power receiving side power circuit 30 is 200 μF, which is sufficiently larger than the capacity of the removed output smoothing capacitor 21e (= 50 μF), so that the AC ripple voltage due to the switching operation of the switch element 21c. This is because there was little influence.

さらに、図１に示す電力変換システムに対し、出力平滑コンデンサ２１ｅを除去すると共に逆流防止ダイオードダイオード４６をシリコンのバイポーラダイオードに替えて構成した電力システムを、前述した条件で動作させた。すると、バイポーラダイオードが１５０℃以上に発熱し、動作不能となった。これは、出力平滑コンデンサ２１ｅを除去したことにより、バイポーラダイオードに高周波電流が流れてバイポーラダイオードが発熱したことに起因している。本結果からＳｉＣショットキーダイオードを逆流防止ダイオード４６として採用すれば、供給側電源装置２０の出力平滑コンデンサ２１ｅを省略可能となる有用性が検証された。 Further, a power system configured by removing the output smoothing capacitor 21e and replacing the backflow prevention diode diode 46 with a silicon bipolar diode in the power conversion system shown in FIG. 1 was operated under the above-described conditions. As a result, the bipolar diode generated heat at 150 ° C. or higher and became inoperable. This is because the high-frequency current flows through the bipolar diode and the bipolar diode generates heat by removing the output smoothing capacitor 21e. From this result, it was verified that if the SiC Schottky diode is employed as the backflow prevention diode 46, the output smoothing capacitor 21e of the supply-side power supply device 20 can be omitted.

また、図３に示す電力変換システムでは、入力平滑コンデンサ４４の両端には、ピーク間で約５Ｖ、５０Ｈｚの商用リップル電圧が観測された。これに対し、図１に示す電力変換システムの入力平滑コンデンサ４４の両端には、商用リップル電圧は観測されなかった。
以上の実験を行った後に、電力変換システム全体の稼働を確かめるため、図１に示す電力変換システムの太陽電池パネル１０を太陽光の元で発電させ、自立運転型系統の中で、負荷６０であるパソコンを動作させたが、パソコンを含めてシステムは問題なく動作した。 In the power conversion system shown in FIG. 3, a commercial ripple voltage of about 5 V and 50 Hz between peaks was observed at both ends of the input smoothing capacitor 44. On the other hand, no commercial ripple voltage was observed across the input smoothing capacitor 44 of the power conversion system shown in FIG.
In order to confirm the operation of the entire power conversion system after performing the above experiment, the solar cell panel 10 of the power conversion system shown in FIG. A computer was run, but the system, including the computer, worked without problems.

以上のように本実施形態では、供給側電源装置２０は、電力エネルギーの生成及び蓄積の少なくとも何れか一方を行うことが可能な装置から電力を取り出す。特に、本実施形態では、供給側電源装置２０は、太陽電池パネル１０から入力した直流電圧を高周波スイッチング動作により昇圧又は降圧して、商用電源電圧の尖頭値の±２０％以内の値を有する直流定電圧を出力する。受電側電源装置３０は、供給側電源装置２０から出力された電力を、負荷６０が必要とする電力に変換する。特に本実施形態では、受電側電源装置３０は、供給側電源装置２０から出力された直流定電圧を、逆流防止ダイオード４６を介して、入力平滑コンデンサ４４の両端に直接的に印加する。
このように、商用電源電圧の尖頭値の±２０％以内の値（大きさ）を有する直流定電圧を受電側電源装置３０に出力する。したがって、様々な国や地域で広く用いられているコンデンサインプット型整流回路を持つ多くの受電側電源装置３０の入力平滑コンデンサ４４の両端設計電圧及び許容電圧内に収まる電圧を、入力平滑コンデンサ４４の両端に与えることができる。このため、供給側電源装置２０の出力を入力平滑コンデンサ４４に直接接続することができる。 As described above, in the present embodiment, the supply-side power supply device 20 extracts power from a device that can perform at least one of generation and storage of power energy. In particular, in the present embodiment, the supply-side power supply device 20 boosts or lowers the DC voltage input from the solar cell panel 10 by a high-frequency switching operation, and has a value within ± 20% of the peak value of the commercial power supply voltage. Output DC constant voltage. The power receiving side power supply device 30 converts the power output from the supply side power supply device 20 into the power required by the load 60. In particular, in the present embodiment, the power receiving side power supply device 30 directly applies the DC constant voltage output from the supply side power supply device 20 to both ends of the input smoothing capacitor 44 via the backflow prevention diode 46.
In this way, a DC constant voltage having a value (size) within ± 20% of the peak value of the commercial power supply voltage is output to the power-receiving-side power supply device 30. Therefore, the voltage that falls within the design voltage at both ends of the input smoothing capacitor 44 of many power receiving-side power supply devices 30 having a capacitor input type rectifier circuit widely used in various countries and regions and the allowable voltage can be reduced. Can be given at both ends. For this reason, the output of the supply-side power supply device 20 can be directly connected to the input smoothing capacitor 44.

そして、供給側電源装置２０にインバータ回路を設ける必要がなく、且つ、受電側電源装置３０のダイオード整流ブリッジ回路４３を通す必要がなくなるので、電力変換器の電力変換効率を確実に向上させることができる。受電側電源装置３０からみれば、直流給電を受けるための複雑な回路や、入力電圧の設計変更を行う必要が無く、既に汎用化した電源機器に、入力平滑コンデンサ４４までのバイパス回路を設けるだけの簡便な改造でシステムを構成することができる。
また、供給側電源装置２０は、スイッチング電源回路方式を採用するので、昇圧回路及び降圧回路等を、トランス（変圧器）を利用しない非絶縁型チョッパー回路で簡便に構成できる。このため、入力電圧が商用電源電圧に対して、低い電圧又は高い電圧であったり、変動の激しい電圧であったりしても、小型で高効率の回路として供給側電源装置２０を構成することができる。
さらに、受電側電源装置３０では、直流定電圧を入力するので、通常の交流正弦波電圧を整流平滑する際に発生する商用周波数のリップル電圧がなくなる。このため、受電側電源装置３０の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ５０の入力源をノイズの少ない安定した入力源とすることができる。 In addition, since it is not necessary to provide an inverter circuit in the supply-side power supply device 20 and it is not necessary to pass the diode rectification bridge circuit 43 of the power-receiving-side power supply device 30, it is possible to reliably improve the power conversion efficiency of the power converter. it can. From the viewpoint of the power-receiving-side power supply device 30, there is no need to make a complicated circuit for receiving DC power supply or to change the design of the input voltage. The system can be configured with simple modifications.
In addition, since the supply-side power supply device 20 employs a switching power supply circuit system, the booster circuit, the step-down circuit, and the like can be simply configured with a non-insulated chopper circuit that does not use a transformer (transformer). For this reason, even if the input voltage is a low or high voltage with respect to the commercial power supply voltage or a voltage that fluctuates rapidly, the supply-side power supply device 20 can be configured as a small and highly efficient circuit. it can.
Further, since the power receiving side power supply device 30 receives a DC constant voltage, the commercial frequency ripple voltage generated when the normal AC sine wave voltage is rectified and smoothed is eliminated. For this reason, the input source of the multi-output DC-DC converter 50 of the power receiving side power supply device 30 can be a stable input source with less noise.

また、受電側電源装置３０の入力平滑コンデンサ４４の接続に際しては、電流が供給側電源装置２０に逆流しないように、或いは、入力平滑コンデンサ４４を逆極接続した場合の危険防止として、逆流防止ダイオード４６を介して供給側電源装置２０と接続することが必要となる。供給側電源装置２０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の出力回路に、スイッチング動作により生じた高周波変動電圧成分（高周波リップル電圧）を抑制するのに十分な容量のコンデンサが搭載されていれば、逆流防止ダイオード４６に流れる電流は直流電流に近くなる。このため、このような場合には、シリコン材料で製造されたバイポーラダイオードで逆流防止ダイオード４６を構成することが可能である。 Further, when connecting the input smoothing capacitor 44 of the power receiving side power supply device 30, a backflow prevention diode is used as a risk prevention when current does not flow backward to the supply side power supply device 20 or when the input smoothing capacitor 44 is reversely connected. It is necessary to connect to the supply-side power supply device 20 via 46. If the output circuit of the DC-DC converter circuit 21 of the supply-side power supply device 20 is equipped with a capacitor having a capacity sufficient to suppress the high-frequency fluctuation voltage component (high-frequency ripple voltage) generated by the switching operation, backflow prevention is provided. The current flowing through the diode 46 is close to a direct current. For this reason, in such a case, the backflow prevention diode 46 can be constituted by a bipolar diode made of a silicon material.

しかしながら、供給側電源装置２０の出力部、受電側電源装置３０の入力部のそれぞれに大容量のコンデンサを搭載することは、これら双方を相互に接続した場合のシステム全体として見た場合は、ダイオードを介して２重にコンデンサが搭載された構成となり、不経済・不効率である。一方で、もし、供給側電源装置２０の出力平滑コンデンンサ２１ｅの容量を減らした場合、或いは省略した場合には、逆流防止ダイオード４６には、供給側電源装置２０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１で生じた高周波リップル電圧に応じた電流が流れるために、高周波損失が生じる。したがって、逆流防止ダイオード４６には、高周波動作でも高効率を維持するＳｉＣ、ＧａＮ材料で作成されたショットキーバリアダイオード（モノポーラダイオード）を配置することが好ましい。ＳｉＣや、ＧａＮの半導体を用いれば、絶縁破壊電界強度が高いことから、エピタキシャル膜を薄くできるため、高電圧下でもデバイスの通電時の電気抵抗を小さく抑えたモノポーラダイオードを構成でき、且つ、ショットキーバリアダイオードは多数キャリアによる電気伝導が主体であるため、バイポーラダイードで生じる少数キャリアを原因として発生する高周波損失が原理的に生じない。これにより、供給側電源装置２０の出力平滑コンデンサ２１ｅの容量を小さくしても、あるいは省略しても、逆流防止ダイオード４６の損失を低く抑えることができる。 However, mounting a large-capacity capacitor in each of the output unit of the supply-side power supply device 20 and the input unit of the power-receiving-side power supply device 30 is a diode when viewed as the entire system when these two are connected to each other. This is a configuration in which a capacitor is doubled through the circuit, which is uneconomical and inefficient. On the other hand, if the capacity of the output smoothing capacitor 21e of the supply-side power supply device 20 is reduced or omitted, the backflow prevention diode 46 is generated in the DC-DC converter circuit 21 of the supply-side power supply device 20. Since a current corresponding to the high frequency ripple voltage flows, high frequency loss occurs. Therefore, it is preferable to arrange a Schottky barrier diode (monopolar diode) made of a SiC or GaN material that maintains high efficiency even at high frequency operation in the backflow prevention diode 46. Since SiC and GaN semiconductors have high dielectric breakdown electric field strength, the epitaxial film can be thinned, so that a monopolar diode can be configured with a low electrical resistance when the device is energized even under high voltage, and shot Since the key barrier diode is mainly composed of electrical conduction by majority carriers, high-frequency loss caused by minority carriers generated in bipolar diodes does not occur in principle. Thereby, even if the capacity | capacitance of the output smoothing capacitor 21e of the supply side power supply device 20 is made small or omitted, the loss of the backflow prevention diode 46 can be suppressed low.

なお、前述した図１に示す電力変換システムでは、直流出力の単機能である場合について示した。しかしながら、電力変換システムはこのようなものに限定されない。すなわち、受電側電源装置３０の入力として、直流入力と交流入力とが混在する環境においては、供給側電源装置２０に、交流電圧を出力するインバータを併設して構成してもよい。図４は、電力変換システムの構成の変形例を示す図である。図４に示す電力変換システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１の出力系統を２系統とし、一方の系統を、ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３に繋ぎ、他方の系統を受電側電源装置３０の直流入力端子４５に繋いでいる。受電側電源装置３０の入力が交流入力である場合（交流入力を必要とする場合）には、（ＤＣ−ＡＣインバータ回路２３を迂回する）他方の系統を利用し、直流入力である場合（直流入力を必要とする場合）には、他方の系統を利用する。このような構成により、例えばグリーンエネルギーの普及時に受電側電源装置３０の入力方式として直流入力方式と交流入力方式とが混在するような場合でも動作することができる電力変換システムを構成することが可能となる。 In addition, in the power conversion system shown in FIG. 1 mentioned above, the case where it was a single function of DC output was shown. However, the power conversion system is not limited to this. In other words, in an environment where a direct current input and an alternating current input are mixed as an input of the power receiving side power supply device 30, an inverter that outputs an alternating voltage may be provided in the supply side power supply device 20. FIG. 4 is a diagram illustrating a modification of the configuration of the power conversion system. In the power conversion system shown in FIG. 4, there are two output systems of the DC-DC converter circuit 21, one system is connected to the DC-AC inverter circuit 23, and the other system is a DC input terminal of the power receiving side power supply device 30. 45. When the input of the power receiving device 30 is an AC input (when an AC input is required), when the other system is used (bypassing the DC-AC inverter circuit 23) and the input is a DC input (DC When the input is required), the other system is used. With such a configuration, for example, it is possible to configure a power conversion system that can operate even when a direct current input method and an alternating current input method are mixed as an input method of the power receiving side power supply device 30 when green energy is spread. It becomes.

すなわち、前述した直流電圧出力機能の他にインバータ回路を供給側電源装置２０に併設することにより、受電側電源装置３０が直流給電回路を持たない場合でも供給側電源装置２０が交流電圧を出力できる。このような機能は、太陽光や燃料電池が普及途中にある状況下では、既存の家電を持つ需要家等に広く活用してもらう上で、重要な機能となる。反対に、受電側電源装置３０にも、ダイオード整流ブリッジ回路４３と入力平滑コンデンサ４４を用いて交流電圧を直流電圧に整流平滑する回路を残すことで、受電側電源装置３０を旧来の電源系統に接続することが可能となり、利用する場所を問わない電力変換システムを構成することが可能になる。ただし、必ずしも、ノイズフィルター回路２２及びダイオード整流ブリッジ回路４３を受電側電源装置３０に設ける必要はない。 That is, by providing an inverter circuit in addition to the DC voltage output function described above, the supply-side power supply device 20 can output an AC voltage even when the power-receiving-side power supply device 30 does not have a DC power supply circuit. . Such a function is an important function when widely used by consumers and the like who have existing home appliances under the situation where solar light and fuel cells are in the process of spreading. On the other hand, the power-receiving-side power supply device 30 also has a circuit that rectifies and smoothes the AC voltage into a DC voltage using the diode rectification bridge circuit 43 and the input smoothing capacitor 44, thereby making the power-receiving-side power supply device 30 an old power supply system. It becomes possible to connect, and it becomes possible to comprise the power conversion system irrespective of the place to utilize. However, the noise filter circuit 22 and the diode rectification bridge circuit 43 are not necessarily provided in the power receiving side power supply device 30.

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図４に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。本実施形態の電力変換システムの、第１の実施形態の電力変換システムと異なる点は、供給側電源装置２０のリチウムイオン２次電池２２を除き、供給側電源装置２０に系統連係回路２４を取り付けたことにある。系統連係回路２４は、太陽光発電により太陽電池パネル１０の出力端子に所望の電圧が観測されている際には、その機能が働かないが、太陽電池パネル１０の出力電圧が低下した場合には、商用電源系統７０から交流電力を受けて、当該交流電力を後段のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１へ繋ぐ機能を持つ。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIGS.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a configuration of a power conversion system according to the second embodiment of the present invention. The power conversion system of the present embodiment is different from the power conversion system of the first embodiment in that a system linkage circuit 24 is attached to the supply-side power supply device 20 except for the lithium ion secondary battery 22 of the supply-side power supply device 20. That is. The grid connection circuit 24 does not function when a desired voltage is observed at the output terminal of the solar cell panel 10 by solar power generation, but when the output voltage of the solar cell panel 10 decreases. In addition, it has a function of receiving AC power from the commercial power supply system 70 and connecting the AC power to the subsequent DC-DC converter circuit 21.

本実施形態では、商用電源系統７０は、１００Ｖ／５０Ｈｚの単相交流電源に接続される。系統連係回路２４は、太陽電池パネル１０の出力電圧が１００Ｖ以下になった場合に、ＡＣ１００Ｖの交流電圧を、ダイオード整流ブリッジ回路と平滑コンデンサとを用いて構成される整流回路でＡＣ−ＤＣ変換し、その出力をそのままＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１への出力とする簡便な構成である。このように、本実施形態では、元々商用電源電圧をコンデンサインプット型整流回路でＡＣ−ＤＣ変換した電圧を基準としているため、電源系統への連係も容易で、且つ、自立運転型のシステムと、系統連係型のシステムとを併存させることが可能である。 In the present embodiment, the commercial power supply system 70 is connected to a 100 V / 50 Hz single-phase AC power supply. When the output voltage of the solar battery panel 10 becomes 100 V or less, the system linkage circuit 24 performs AC-DC conversion on an AC voltage of AC 100 V using a rectifier circuit that includes a diode rectifier bridge circuit and a smoothing capacitor. This is a simple configuration in which the output is directly output to the DC-DC converter circuit 21. As described above, in the present embodiment, since the commercial power supply voltage is originally based on the voltage obtained by AC-DC conversion by the capacitor input rectifier circuit, it is easy to link to the power supply system, and a self-sustaining operation system, It is possible to coexist with a grid-linked system.

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図４に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。本実施形態の電力変換システムの、第１の実施形態の電力システムと異なる点は、エネルギー源として太陽電池パネル１０の代わりに燃料電池８０を取り付けた点にある。本実施形態においては、燃料電池８０として固体高分子型燃料電池を採用する。具体的に、都市ガスを改質した水素を燃料源として利用するタイプの、出力が８００Ｗ、４０Ｖ／２０Ａの固体高分子型燃料電池を燃料電池８０として採用した。燃料電池８０の出力は、前述した太陽電池パネル１０の出力と比較して低電圧で大電流である。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１におけるＤＣ−ＤＣ変換に、スイッチング電源方式を採用しており、且つ、リチウムイオン２次電池２２の出力を昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１、具体的には、非絶縁型昇圧チョッパー回路に繋いでいる設計としている。このため、太陽電池パネル１０の代わりに燃料電池８０を取り付ける以外のシステム構成を変更する必要は全くなく、第１の実施形態と同様に電力変換システムを動作させることができる。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIGS.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration of a power conversion system according to the third embodiment of the present invention. The power conversion system of this embodiment is different from the power system of the first embodiment in that a fuel cell 80 is attached as an energy source instead of the solar cell panel 10. In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is employed as the fuel cell 80. Specifically, a solid polymer fuel cell of the type that uses hydrogen reformed from city gas as a fuel source and has an output of 800 W and 40 V / 20 A was adopted as the fuel cell 80. The output of the fuel cell 80 is a low voltage and a large current compared to the output of the solar cell panel 10 described above. However, the DC-DC conversion in the DC-DC converter circuit 21 employs a switching power supply method, and the output of the lithium ion secondary battery 22 is boosted by the DC-DC converter circuit 21, specifically, The design is connected to a non-insulated boost chopper circuit. For this reason, it is not necessary to change the system configuration other than attaching the fuel cell 80 instead of the solar cell panel 10, and the power conversion system can be operated as in the first embodiment.

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図４に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
図７は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換システムの構成の一例を示す図である。第１の実施形態形態では、受電側電源装置３０の入力回路４０が単相交流入力平滑回路である場合を例に挙げて説明したが、本実施形態では、受電側電源装置３０の入力回路４０が、三相交流入力平滑回路である場合について説明する。
図７において、入力回路４０に交流電圧が入力する場合には、当該交流電力は、交流入力端子４７ａ〜４７ｃからノイズフィルター回路４８を通して、ダイオード整流（全波整流）ブリッジ回路４９、入力平滑コンデンサ４４へ繋がる。ここで、入力回路４０に入力される交流電力は、三相交流電力であるため、本実施形態では、６個のダイオードを用いたダイオード整流ブリッジ回路４９により、当該三相交流電力を全波整流する。しかしながら、結果的に三相交流電力が入力される場合であっても、入力平滑コンデンサ４４の両端電圧は交流電源電圧の尖頭値に近い直流電圧となるため、三相交流電力を入力する受電側電源装置を採用しても、システム構成の原理を変えることなく、第１の実施形態と同様に電力変換システムを動作させることができる。 (Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIGS.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a configuration of a power conversion system according to the fourth embodiment of the present invention. In the first embodiment, the case where the input circuit 40 of the power receiving side power supply device 30 is a single-phase AC input smoothing circuit has been described as an example. However, in the present embodiment, the input circuit 40 of the power receiving side power supply device 30 is described. Is a three-phase AC input smoothing circuit.
In FIG. 7, when an AC voltage is input to the input circuit 40, the AC power passes through the noise filter circuit 48 from the AC input terminals 47 a to 47 c, a diode rectification (full wave rectification) bridge circuit 49, and an input smoothing capacitor 44. Leads to. Here, since the AC power input to the input circuit 40 is three-phase AC power, in this embodiment, the three-phase AC power is full-wave rectified by the diode rectification bridge circuit 49 using six diodes. To do. However, even if three-phase AC power is input as a result, the voltage across the input smoothing capacitor 44 becomes a DC voltage close to the peak value of the AC power supply voltage, and therefore the power receiving device that inputs the three-phase AC power. Even if the side power supply device is employed, the power conversion system can be operated in the same manner as in the first embodiment without changing the principle of the system configuration.

（変形例）
以上の実施形態では、電力エネルギーの生成及び蓄積の少なくとも何れか一方を行う装置として、太陽電池パネル１０（太陽光発電）、燃料電池８０、リチウムイオン２次電池２２を例に挙げて説明したが、そのエネルギーの出力形態が電力であればその種類を問わない。また、ＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚの商用電源を例に挙げて説明したが、国、地域で採用された各種の商用電源電圧、周波数にも対応可能である。さらに、逆流防止ダイオード４６としてＳｉＣショットキーバリアダイオードを用いるようにしたが、必ずしもこのようにする必要はない。例えば、ＳｉＣショットキーダイオードの代わりにＧａＮショットキーダイオードを採用してもよい。また、これらのショットキーダイオードの他に高効率に電流（電力）の逆流を防止することが可能なデバイスとして、順方向／逆方向の識別による制御は必要となるものの、同じＳｉＣ半導体で構成したＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴを逆流防止半導体素子として逆流防止ダイオード４６の代わりに用いてもよい。 (Modification)
In the above embodiment, the solar cell panel 10 (photovoltaic power generation), the fuel cell 80, and the lithium ion secondary battery 22 have been described as examples of devices that generate and / or store power energy. If the output form of the energy is electric power, it does not matter. Moreover, although AC100V, 50Hz commercial power supply was mentioned as an example and demonstrated, it can respond also to various commercial power supply voltages and frequencies employ | adopted in the country and the area. Further, although the SiC Schottky barrier diode is used as the backflow prevention diode 46, it is not always necessary to do so. For example, a GaN Schottky diode may be employed instead of the SiC Schottky diode. In addition to these Schottky diodes, devices that can prevent backflow of current (power) with high efficiency are configured with the same SiC semiconductor, although control based on forward / reverse identification is required. A MOSFET or JFET may be used instead of the backflow prevention diode 46 as a backflow prevention semiconductor element.

尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 It should be noted that the embodiments of the present invention described above are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. Is. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.

１０太陽電池パネル
２０供給側電源装置
２１ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
２２リチウムイオン２次電池
２３ＤＣ−ＡＣインバータ回路
２４系統連係回路
２１ａ入力端子
２１ｂ平滑チョークコイル
２１ｃスイッチ素子
２１ｄフライホィールダイオード
２１ｅ出力平滑コンデンサ
２１ｆ出力端子
２１ｇ制御回路
３０受電側電源装置
４０入力回路
４１交流入力端子
４２ノイズフィルター
４３ダイオード整流ブリッジ回路
４４入力平滑コンデンサ
４７入力端子
４８ノイズフィルター
４９ダイオード整流ブリッジ回路
５０多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ
６０負荷
７０商用電源系統
８０燃料電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Solar cell panel 20 Supply side power supply device 21 DC-DC converter circuit 22 Lithium ion secondary battery 23 DC-AC inverter circuit 24 System linkage circuit 21a Input terminal 21b Smoothing choke coil 21c Switch element 21d Flywheel diode 21e Output smoothing capacitor 21f Output terminal 21g Control circuit 30 Power-receiving-side power supply device 40 Input circuit 41 AC input terminal 42 Noise filter 43 Diode rectifier bridge circuit 44 Input smoothing capacitor 47 Input terminal 48 Noise filter 49 Diode rectifier bridge circuit 50 Multi-output DC-DC converter 60 Load 70 Commercial power system 80 Fuel cell

Claims

A supply-side power supply device that extracts power from a power device that performs at least one of generation and storage of power energy; and
A power-receiving-side power supply device that receives power output from the supply-side power supply device and converts the power into power required by a load;
A power conversion system comprising:
The supply-side power supply device
A switch element that boosts or steps down the voltage input from the power device by a high-frequency switching operation and outputs a DC constant voltage having a value within ± 20% of the peak value of the commercial power supply voltage;
The power receiving side power supply device
A DC input terminal for inputting the DC constant voltage;
A backflow prevention semiconductor element in which one end and one end of the DC input terminal are connected to each other, and a backflow prevention semiconductor element for preventing backflow of current to the supply-side power supply device,
An input smoothing capacitor in which the other end and one end of the backflow prevention semiconductor element are connected to each other and the other and the other end of the DC input terminal are connected to each other,
The power conversion system, wherein a voltage across the input smoothing capacitor is output to the load side.

The supply-side power supply device
An inverter circuit for converting the DC constant voltage to an AC voltage;
The power receiving side power supply device
An AC input terminal for inputting the AC voltage;
A conversion circuit for converting the AC voltage into a DC voltage,
When it is necessary to input an AC voltage to the power receiving side power supply device, the AC voltage is output to the AC input terminal of the power receiving side power supply device, and a DC voltage needs to be input to the power receiving side power supply device. In this case, the DC constant voltage is output to the DC input terminal of the power receiving side power supply device.

The conversion circuit included in the power receiving side power supply device includes:
A diode rectifier bridge circuit for inputting the AC voltage;
The power conversion system according to claim 2, wherein an output voltage of the diode rectifier bridge circuit is applied to both ends of the input smoothing capacitor.

The power conversion system according to any one of claims 1 to 3, wherein the backflow preventing semiconductor element included in the power receiving side power supply device is a semiconductor element made of SiC or GaN.

The power conversion system according to claim 4, wherein the backflow prevention semiconductor element included in the power receiving side power supply device is a SiC Schottky barrier diode or a GaN Schottky barrier diode.