JP2014033553A

JP2014033553A - Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置および太陽光発電システム用パワーコンディショナ

Info

Publication number: JP2014033553A
Application number: JP2012173287A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Kimura; 友昭木村; Tatsuya Okuda; 達也奥田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2014-02-20

Abstract

【課題】低耐圧のスイッチング素子およびダイオードを使用しつつ、過電圧による素子の破壊を防止可能なＤＣ／ＤＣ電力変換装置を得ること。
【解決手段】入力側の直流電源１０と接続するリアクトルＬと、リアクトルＬと接続し、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のオンオフにより充放電される充放電コンデンサＣｆ、充放電コンデンサＣｆの充電経路と放電経路とを与えるダイオードＤ１、Ｄ２、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２のそれぞれに対して並列に配置した電圧バランス用抵抗Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ１、を備える直流電圧変換部２０と、直流電圧変換部２０からの出力電圧を平滑化する平滑コンデンサＣｏと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に関する。

従来、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、半導体スイッチのオンオフ動作を利用して、リアクトルへのエネルギー蓄積と放出の量をコントロールして直流から直流への電圧変換を行っている。しかし、使用するリアクトルは大型で重いという課題があった。そのため、下記特許文献１では、コンデンサの充放電を利用してリアクトルに印加される電圧を低減し、リアクトルに必要なインダクタンス値を低減することによりリアクトルを小型、軽量化する技術が開示されている。

下記特許文献１のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、通常動作時は充放電コンデンサの端子間電圧を任意の値に制御できるため、直流電圧変換部を構成するスイッチング素子やダイオードに印加される電圧をほぼ均等にすることが出来る。そのため、スイッチング素子やダイオード素子、充放電コンデンサの耐圧を平滑コンデンサの電圧より低く出来、部品コストの低減や発電効率の向上といった効果があった。

特開昭６１−９２１６２号公報

しかしながら、上記従来の技術（特許文献１）によれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置が通常動作を停止し、直流電源の入力端子の入力電圧がゼロまたは大きく低下した場合、以下の２通りの故障の可能性がある。

１つ目は、充放電コンデンサが、自身の内部ＥＳＲや充放電コンデンサと並列に配置されたスイッチング素子およびダイオードの漏れ電流により放電されていくとき、平滑コンデンサよりも充放電コンデンサの放電が早く、かつスイッチング素子やダイオードの耐圧が平滑コンデンサの電圧よりも低い場合、平滑コンデンサの電圧が充放電コンデンサと並列に配置されていないスイッチング素子およびダイオードに過渡的に印加され、過電圧破壊される可能性がある。

２つ目は、充放電コンデンサの内部ＥＳＲや充放電コンデンサと並列に配置されたスイッチング素子およびダイオードの漏れ電流よりも、充放電コンデンサと並列に配置されていないスイッチング素子やダイオードの漏れ電流の方が大きく、スイッチング素子やダイオードや充放電コンデンサの耐圧が平滑コンデンサの電圧よりも低い場合、平滑コンデンサの残留電荷により充放電コンデンサが充電され、スイッチング素子やダイオードには耐圧を超える電圧が印加され、過電圧破壊される可能性がある。

このような不具合発生を防止するためには、スイッチング素子とダイオードの素子耐圧を入力電圧最大値よりも大きくする必要がある。そのため、素子耐圧を大きくすることにより、余分なコスト増加や高効率の素子を選択できずに効率低下の原因となる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低耐圧のスイッチング素子およびダイオードを使用しつつ、過電圧による素子の破壊を防止可能なＤＣ／ＤＣ電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入力側の直流電源と接続するリアクトルと、前記リアクトルと接続し、複数のスイッチング素子、前記スイッチング素子のオンオフにより充放電される充放電コンデンサ、前記充放電コンデンサの充電経路と放電経路とを与える複数のダイオード、前記複数のスイッチング素子および前記複数のダイオードのそれぞれに対して並列に配置した電圧バランス用抵抗、を備える直流電圧変換手段と、前記直流電圧変換手段からの出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低耐圧のスイッチング素子およびダイオードを使用しつつ、過電圧による素子の破壊を防止できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成例を示す図である。図２は、各素子にかかる電圧を示す図である。図３は、実施の形態２のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成例を示す図である。図４は、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置と負荷とを接続した構成例を示す図である。図５は、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置と、インバータを介して電力系統とを接続した構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成例を示す図である。ＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、入力電圧となる電圧Ｖｉｎの直流電源１０と、リアクトルＬと、直流電力変換部２０と、平滑コンデンサ部３０と、を備える。直流電力変換部２０は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、充放電コンデンサＣｆと、を備える。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、ダイオードＤ１、Ｄ２は直列に配列されており、抵抗Ｒ１〜Ｒ４も直列に配置されている。ここで、抵抗Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ１は、それぞれスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、ダイオードＤ１、Ｄ２に対して並列に配置されており、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、ダイオードＤ１、Ｄ２にかかる電圧を調整する電圧バランス用抵抗である。また、充放電コンデンサＣｆは、スイッチング素子Ｓ２およびダイオードＤ１と並列に、抵抗Ｒ３、Ｒ２と並列に配置されている。平滑コンデンサ部３０は、直流電力変換部２０からの出力を平滑化し、出力電圧となる電圧Ｖｏｕｔの電位差を持つ平滑コンデンサＣｏ、を備える。

ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、直流電力変換部２０において充放電コンデンサＣｆに充電する場合には、スイッチング素子Ｓ１をオン、スイッチング素子Ｓ２をオフにする。このとき、直流電源１０、リアクトルＬ、ダイオードＤ１、充放電コンデンサＣｆ、スイッチング素子Ｓ１、による回路が構成される。また、直流電力変換部２０において充放電コンデンサＣｆを放電する場合には、スイッチング素子Ｓ１をオフ、スイッチング素子Ｓ２をオンにする。このとき、直流電源１０、リアクトルＬ、スイッチング素子Ｓ２、充放電コンデンサＣｆ、ダイオードＤ２、平滑コンデンサＣｏによる回路が構成される。このように、充放電コンデンサＣｆを充放電する方法は従来と同様である。

ここで、図１に示すＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、直流電圧変換部２０を構成するスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が制御停止状態にあり、直流電源１０の入力端子の入力電圧Ｖｉｎがゼロまたは大きく低下した場合において、充放電コンデンサＣｆの内部ＥＳＲやスイッチング素子Ｓ２およびダイオードＤ１の漏れ電流が大きくて充放電コンデンサＣｆが放電しやすい状態にあっても、電圧バランス用抵抗（抵抗Ｒ１〜Ｒ４）が各素子（スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２）の電圧バランスを保っている。そのため、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、ダイオードＤ２やスイッチング素子Ｓ１に大きな電圧が印加されてしまう状況を回避でき、過電圧による素子の破壊を防止することができる。

また、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、直流電圧変換部２０を構成するスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が制御停止状態にあり、直流電源１０の入力端子の入力電圧Ｖｉｎがゼロまたは大きく低下した場合において、スイッチング素子Ｓ１およびダイオードＤ２の漏れ電流が大きくて平滑コンデンサＣｏの残留電荷により充放電コンデンサＣｆが充電されやすい状態にあっても、電圧バランス用抵抗（抵抗Ｒ１〜Ｒ４）が各素子（スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２）の電圧バランスを保っている。そのため、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、充放電コンデンサＣｆおよびダイオードＤ１やスイッチング素子Ｓ２に大きな電圧が印加されてしまう状況を回避でき、過電圧による素子の破壊を防止することができる。

このように、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、直流電圧変換部２０が、従来から備えるスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、ダイオードＤ１、Ｄ２に対して並列に電圧バランス用抵抗（抵抗Ｒ１〜Ｒ４）を備えていることから、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、ダイオードＤ１、Ｄ２のいずれかに過渡的に大きな電圧がかかる状況を回避でき、各素子にかかる電圧のバランスをとることができる。

図２は、各素子（スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、ダイオードＤ１、Ｄ２）にかかる電圧を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図２（ａ）は電圧バランス用抵抗が無いときの状態を示し、図２（ｂ）は電圧バランス用抵抗が有るとき状態を示す。なお、各素子にかかる電圧は一例であり、図に示す状態に限定するものではない。

電圧バランス用抵抗が無い場合（図２（ａ））、ダイオードＤ２の電圧（６７３．７Ｖ）は素子耐圧の電圧を超過している。一方、他のダイオードＤ１等については低い電圧を示している。これに対して、電圧バランス用抵抗が有る場合（図２（ｂ））、ダイオードＤ２の電圧（４３６．２Ｖ）は素子耐圧の電圧を下回っている。また、ダイオードＤ１等については、電圧バランス用抵抗が無い場合と比較して電圧が上がっている。このように、電圧バランス用抵抗を用いることで、直列に配置された各素子間の電圧差を小さくすることができる。

なお、電圧バランス用抵抗（抵抗Ｒ１〜Ｒ４）の抵抗値については、例えば、各素子の耐圧電圧が全て同一であれば全て同じ抵抗値にすればよい。また、各素子の耐圧電圧が異なる場合には、各素子の耐圧電圧の大きさの比率に応じて各素子に並列に配置される電圧バランス用抵抗の抵抗値を決めればよい。例えば、他の素子よりも耐圧の低い素子がある場合、耐圧の低い素子と並列に配置される電圧バランス用抵抗の抵抗値を、他の素子と並列に配置される電圧バランス用抵抗の抵抗値よりも小さく設定する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の直流電力変換部において、直列に配置されたスイッチング素子およびダイオードの各素子に対して、並列に電圧バランス用抵抗を備えることとした。これにより、直流電圧変換部を構成するスイッチング素子が制御停止状態にあり、直流電源の入力端子の入力電圧がゼロまたは大きく低下した場合において、平滑コンデンサの電圧によって平滑コンデンサより耐圧の低いスイッチング素子およびダイオードの過電圧破壊を防ぐことができることから、スイッチング素子およびダイオードに低耐圧の物を使用しても素子破壊を回避することができる。また、低耐圧の素子（スイッチング素子、ダイオード）を使用できることから、余分なコスト増加を抑え、高効率の素子を選択することにより高効率のＤＣ／ＤＣ電力変換装置が可能となる。

実施の形態２．
本実施の形態では、直流電力変換部の各素子としてＳｉＣ（炭化珪素）素子を用いる。実施の形態１と異なる部分について説明する。

図３は、本実施の形態のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成例を示す図である。各構成および配置は実施の形態１と同様である。ここでは、図３に示すように、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２にＳｉＣ素子を用いる。

ＳｉＣ素子は、Ｓｉ素子と比較して、素子のバンドギャップが大きく、導通時の電力損失であるオンロスが低下する。そのため、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置のロスが減って電力変換効率が向上する。加えて、ＳｉＣ素子を用いることにより、漏れ電流を小さくすることができるので、漏れ電流による充放電コンデンサＣｆの放電あるいは充電への影響を小さくすることができる。

ここで、電圧バランス用抵抗では、抵抗値が小さいほど電圧バランスを保つ効果が大きい。しかしながら、各素子にＳｉＣ素子を用いることで、漏れ電流が小さくなり、充放電コンデンサＣｆの放電あるいは充電への影響が小さくなる。そのため、電圧バランス用抵抗の抵抗値が大きくても、電圧バランスを保ちやすくなる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の直流電力変換部において、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２にＳｉＣ素子を用いることとした。これにより、Ｓｉ素子を用いる場合と比較して、電圧バランス用抵抗の抵抗値を大きくすることで、電圧バランス用抵抗によるロスを減らし、さらなる電力変換効率の向上が可能となる。

なお、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２としてＳｉＣ素子を用いる場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、ＳｉＣ素子以外のワイドバンドギャップ半導体として、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等を用いてもよい。

実施の形態３．
本実施の形態では、平滑コンデンサ側に負荷等を接続する構成について説明する。実施の形態１、２と異なる場合について説明する。

図４は、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置と負荷とを接続した構成例を示す図である。ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成は図１と同様である。図４に示すように、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、平滑コンデンサ部３０側に負荷４０を接続することにより、電力変換よび平滑後の出力電力Ｖｏｕｔを負荷に供給することができる。なお、負荷の種類は特に限定せず、直流負荷、単相インバータ回路を経由した単相交流負荷、三相インバータ回路を経由した三相交流負荷等、規定しないものとする。

また、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、負荷以外に電力系統等と接続することも可能である。図５は、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置と、インバータを介して電力系統とを接続した構成例を示す図である。ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成は図１と同様である。図５に示すように、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、平滑コンデンサ部３０側に、インバータ５０を介して電力系統６０を接続可能である。ここでは、インバータ５０が、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置から出力電圧Ｖｏｕｔの直流電力を交流電力に変換し、単相または三相の電力系統６０と接続（連系）する。

図５に示す構成の代表的な使用例として、太陽光発電システムのパワーコンディショナ内に組み込まれるＤＣ／ＤＣ電力変換装置がある。太陽光発電システムの場合、入力電源は直列接続された太陽電池モジュールであり、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の出力先はインバータを介した電力系統である。従って、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔともに高電圧である。そのため、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２およびダイオードＤ１、Ｄ２の耐圧を小さくできるという効果は大きい。また、太陽光発電システムの場合、急に太陽が雲に隠れて日が翳ってしまうなどにより、入力電圧がゼロまたは大きく低下する状況が頻繁にあり得る。このような場合も含めて、本実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を太陽光発電システム用パワーコンディショナに用いることは好適である。

以上のように、本発明にかかるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、電力変換に有用であり、特に、直流から直流への電力変換に適している。

１０直流電源、２０直流電力変換部、３０平滑コンデンサ部、４０負荷、５０インバータ、６０電力系統、Ｃｆ充放電コンデンサ、Ｃｏ平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ダイオード、Ｌリアクトル、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４抵抗（電圧バランス用抵抗）、Ｓ１，Ｓ２スイッチング素子。

Claims

入力側の直流電源と接続するリアクトルと、
前記リアクトルと接続し、複数のスイッチング素子、前記スイッチング素子のオンオフにより充放電される充放電コンデンサ、前記充放電コンデンサの充電経路と放電経路とを与える複数のダイオード、前記複数のスイッチング素子および前記複数のダイオードのそれぞれに対して並列に配置した電圧バランス用抵抗、を備える直流電圧変換手段と、
前記直流電圧変換手段からの出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、
を備えることを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
前記スイッチング素子および前記ダイオードにＳｉＣを用いる、
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を備えることを特徴とする太陽光発電システム用パワーコンディショナ。