JP2016197984A - Safety device of dc power system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To short-circuit/release output of a DC power system generating a high voltage, such as a solar cell string where a large number of solar cell modules are connected in series.SOLUTION: In order to short-circuit output of a DC power supply 1, a safety device is inserted between output terminals of the DC power supply 1. The safety device includes one MOSFET4, a resistor 5 connected between a drain and a gate of the MOSFET4, and a switch 6 connected between a source and the gate of the MOSFET4. When the switch 6 is turned off, the MOSFET4 is turned on by output voltage of the DC power supply 1. AS a result, the output of the DC power supply 1 is short-circuited, and becomes a threshold voltage (10 V or less) of the MOSFET4. To the contrary, when the switch 6 is turned on, the MOSFET4 is turned off, and the voltage of the DC power supply 1 is output.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、直流電力系の安全装置に関し、特に、太陽電池モジュールを多数直列接続した太陽電池ストリングのような高電圧の直流電池のような電源や、電気自動車、スマートハウス等の直流電力系の事故時に、それらの直流電流を安全に短絡又は遮断、解放させることが可能な安全装置に関する。   The present invention relates to a DC power system safety device, in particular, a power source such as a high-voltage DC battery such as a solar cell string in which a large number of solar cell modules are connected in series, or a DC power system such as an electric vehicle or a smart house. The present invention relates to a safety device capable of safely short-circuiting, interrupting, or releasing those direct currents in the event of an accident.

太陽電池モジュール（photovoltaic module）は、屋根や屋上等に設置され、太陽光を浴びることにより発電を行うものである。太陽電池モジュールには、１０ｃｍ角程度の太陽電池セル（以下単に「セル」という。）と呼ばれる小さな四角の物体が多数敷き詰められており、それらのセル一つ一つが太陽電池となっている。太陽電池モジュールは、強化や保護のためにガラスコーティングなどの加工が施され、単体で製品として販売されている。   Photovoltaic modules are installed on roofs, rooftops, etc., and generate electricity when exposed to sunlight. A large number of small square objects called solar cells (hereinafter simply referred to as “cells”) of about 10 cm square are spread on the solar cell module, and each of these cells is a solar cell. The solar cell module is processed as a glass coating for strengthening and protection and sold as a single product.

複数の太陽電池モジュールを直列に配線して、まとまった電力が得られるよう互いに接続したものを、太陽電池ストリング（以下、単に「ストリング」という。）と呼ぶが、さらに十分な出力を得るため、複数のストリングを並列に配線し、架台などによって屋根などへ設置された太陽電池モジュールの集合は、太陽電池アレイと呼ばれる。
太陽電池アレイが所定の出力電圧を満足するように、各ストリングは逆流防止ダイオード（後述）を介して並列接続される。逆流防止ダイオードは、太陽電池アレイの一部が日影になった場合に、太陽電池アレイ間の電圧アンバランスによる太陽電池アレイ間の逆電流を防止するためのものである。 A plurality of solar cell modules connected in series and connected to each other so as to obtain a collective power is called a solar cell string (hereinafter simply referred to as “string”). A set of solar cell modules in which a plurality of strings are wired in parallel and installed on a roof or the like by a stand or the like is called a solar cell array.
Each string is connected in parallel through a backflow prevention diode (described later) so that the solar cell array satisfies a predetermined output voltage. The backflow prevention diode is for preventing a reverse current between the solar cell arrays due to voltage imbalance between the solar cell arrays when a part of the solar cell array is shaded.

また、太陽電池モジュールに並列に接続されるバイパスダイオード（後述）は、日影になったり故障したりした太陽電池モジュールを保護する働きをしている。すなわち、日影になったり故障したりした太陽電池モジュールは、その不具合部分において電流が流れにくくなるので、それをバイパスさせるためにバイパスダイオードが設けられている。   In addition, a bypass diode (described later) connected in parallel to the solar cell module serves to protect the solar cell module that is shaded or broken. That is, in the solar cell module that becomes shaded or breaks down, it is difficult for current to flow in the defective portion, so a bypass diode is provided to bypass it.

太陽光発電設備は、小規模のものは住宅の屋根に１０枚程度、大規模のものは広い場所に数百枚から数万枚の太陽電池モジュールを直列・並列に接続して置かれる。太陽電池モジュールは、１枚では数十ボルト（Ｖ）、数アンペア（Ａ）程度の出力であるので、取り扱いに危険は少ないが、直列に接続されたストリングとなると数百Ｖ（４００Ｖ〜１０００Ｖ）にもなり、人体が感電すると生命に危険がある。   About 10 solar power generation facilities are placed on the roof of a house for small scales, and hundreds to tens of thousands of solar cell modules are connected in series and in parallel on large areas. Since one solar cell module has an output of several tens of volts (V) and several amperes (A), there is little danger in handling, but several hundreds of V (400V to 1000V) when connected in series. Also, if the human body is electrocuted, it is dangerous to life.

かかる太陽電池モジュールを設置施工する場合、太陽電池モジュールに光が当たると発電してしまうため、配線作業中に感電する危険性がある。そのため、配線作業時には絶縁手袋を使用して感電しないように注意したり、太陽電池モジュールに太陽光を遮蔽するシート等を被せ、発電しないようにする必要があった。
しかしながら、絶縁手袋を使用する作業は効率が悪く、また、遮光シートを用いる場合は、全ての太陽電池モジュールに被せる必要があり、また、風等によってシートが剥がれた場合には太陽電池モジュールが発電をしてしまう危険性があり、安全対策としては不十分であった。 When such a solar cell module is installed and constructed, power is generated when light hits the solar cell module, and there is a risk of electric shock during wiring work. Therefore, it is necessary to be careful not to get an electric shock by using an insulating glove during wiring work, or to cover the solar cell module with a sheet or the like that shields sunlight so as not to generate electricity.
However, work using insulating gloves is inefficient, and when a light shielding sheet is used, it is necessary to cover all the solar cell modules. If the sheets are peeled off by wind or the like, the solar cell module generates power. There was a risk of accidents, and it was insufficient as a safety measure.

そこで、予め太陽電池モジュールの出力の正電極と負電極をスイッチ等で短絡することにより、感電しても安全な低い電圧に保持し、設置作業終了後に、スイッチ等の短絡を解除するという方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特に、特許文献２に記載の方法は、特許文献１の図２のスイッチ１を半導体素子（トランジスタ）で置き換えたものであり、その動作を図１０を用いて説明する。図１０は、特許文献２の図１と同じであるが、説明の都合上、参照符号を変更している。 Therefore, by short-circuiting the positive electrode and negative electrode of the output of the solar cell module in advance with a switch or the like, a method of maintaining a low voltage that is safe even if an electric shock occurs, and releasing the short circuit of the switch or the like after the installation work is completed. It has been proposed (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
In particular, the method described in Patent Document 2 is obtained by replacing the switch 1 of FIG. 2 of Patent Document 1 with a semiconductor element (transistor), and the operation will be described with reference to FIG. FIG. 10 is the same as FIG. 1 of Patent Document 2, but the reference numerals are changed for convenience of explanation.

図１０において、太陽電池モジュール１０５は、多数接続されたセル１０１と、セル１０１のプラス側１０７とマイナス側１０８との間に接続されたトランジスタ１０２と、セル１０１のプラス側とトランジスタ１０２のベースとの間に挿入されたリードリレー１０３と、トランジスタ１０２と並列に接続されたバイパスダイオード１０４を備えている。また、リードリレー１０３はノーマリーオープンであるが、太陽電池モジュール１０５の外部から磁石１０６を用いて磁界をかけることによってオンすることができる。   In FIG. 10, a solar cell module 105 includes a plurality of connected cells 101, a transistor 102 connected between the positive side 107 and the negative side 108 of the cell 101, a positive side of the cell 101, and a base of the transistor 102. And a bypass diode 104 connected in parallel with the transistor 102. The reed relay 103 is normally open, but can be turned on by applying a magnetic field from the outside of the solar cell module 105 using the magnet 106.

まず、太陽電池モジュール１０５の外部から磁石１０６を用いて磁界をかけ、リードリレー１０３をオン状態にしておく。最初トランジスタ１０２はオフの状態であるが、セル１０１に光が当たると発電するため、トランジスタ１０２のベースは太陽電池モジュール１０５の出力電圧と同電位となる。このため、ベース電流が流れ、トランジスタ１０２はオン状態となり、太陽電池モジュール１０５の出力は短絡される。   First, a magnetic field is applied from the outside of the solar cell module 105 using the magnet 106, and the reed relay 103 is turned on. Initially, the transistor 102 is in an off state, but since power is generated when light strikes the cell 101, the base of the transistor 102 has the same potential as the output voltage of the solar cell module 105. For this reason, base current flows, the transistor 102 is turned on, and the output of the solar cell module 105 is short-circuited.

従って、設置作業中に誤って太陽電池モジュール１０５の出力端子に接触しても、感電事故を起こす危険はなくなる。設置作業終了後、磁石１０６を取り去ることにより、リードリレー１０３はオープンとなり、トランジスタ１０２のベース電流が遮断されるため、トランジスタ１０２はオフ状態となり、通常の発電電力を出力することが可能となる。   Therefore, even if the output terminal of the solar cell module 105 is accidentally contacted during installation work, there is no risk of an electric shock accident. By removing the magnet 106 after the installation work is completed, the reed relay 103 is opened and the base current of the transistor 102 is cut off, so that the transistor 102 is turned off and normal generated power can be output.

一方、現在稼動中の太陽電池モジュールが故障等したりした場合、当該太陽電池モジュールを含むストリングをスイッチを用いてシステムから切り離す必要がある。
特に、１枚の太陽電池モジュールであれば、その出力は５０Ｖ以下であるので特に問題にはならないが、複数の太陽電池モジュールが直列接続されたストリングになると、出力が４００Ｖ〜１０００Ｖにもなるので、機械的スイッチでは、ストリングから電流が流れている状態で回路を切断すると、アークが発生してしまうといった問題があった。
アークを防ぐためには大型の直流リレー等のスイッチを使用する必要があり、回路の開閉に大きな設備を必要とする。 On the other hand, when a currently operating solar cell module fails or the like, it is necessary to disconnect the string including the solar cell module from the system using a switch.
In particular, with a single solar cell module, the output is 50 V or less, so there is no particular problem. However, when a string is formed by connecting a plurality of solar cell modules in series, the output is 400 V to 1000 V. However, the mechanical switch has a problem in that an arc is generated when the circuit is disconnected while a current is flowing from the string.
In order to prevent arcing, it is necessary to use a switch such as a large DC relay, and a large facility is required to open and close the circuit.

このため、ストリングをシステムから切り離す前に、流れる電流を止めて安全な電圧にまで下げておけば、保守や修理のための切り離しは容易である。
このような直流電流の開閉の問題は、太陽電池モジュールのストリングのみならず、例えば電気自動車やスマートハウスの蓄電池等の高圧の直流電流源の取り扱いにおいても同様に起こる問題である。 Therefore, if the current is stopped and the voltage is lowered to a safe voltage before disconnecting the string from the system, disconnection for maintenance and repair is easy.
Such a problem of opening and closing of direct current is a problem that occurs not only in the strings of solar cell modules but also in the handling of high-voltage direct current sources such as storage batteries for electric vehicles and smart houses.

特開平５−２１８４８１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-214841 特開平６−１２５１０４号公報JP-A-6-125104

しかしながら、特許文献２に記載の発明は、リードリレー３に太陽電池モジュール７の全電圧がかかるため、流れる電流は少ないが、電圧は最高電圧がかかるのでリードリレー３の耐電圧が問題となる。
一般のリードリレーの耐電圧は２００Ｖ程度が限度であるから、特許文献２に記載の短絡回路は、出力が４００Ｖ〜１０００Ｖにもなるストリング等の高圧直流電力系の短絡には使用できないという問題がある。 However, in the invention described in Patent Document 2, since the entire voltage of the solar cell module 7 is applied to the reed relay 3, the flowing current is small, but the maximum voltage is applied, so the withstand voltage of the reed relay 3 becomes a problem.
Since the withstand voltage of a general reed relay is limited to about 200V, there is a problem that the short circuit described in Patent Document 2 cannot be used for a short circuit of a high voltage DC power system such as a string whose output is 400V to 1000V. is there.

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み為されたものであり、ストリングのような高い電圧を発生する直流電力系の出力を安全かつ簡便に短絡／解放することが可能な直流電力系の安全装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and is a DC power system that can safely and easily short-circuit / release the output of a DC power system that generates a high voltage such as a string. The purpose is to provide a safety device.

上記目的を達成するために、本発明に係る、直流電力系の出力を短絡させるために該直流電力系の出力端子間に挿入する安全装置は、一つのＭＯＳＦＥＴと、該ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間に接続された抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのソース−ゲート間に接続されたスイッチとを備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a safety device inserted between the output terminals of a DC power system in order to short-circuit the output of the DC power system is composed of one MOSFET and the drain-gate of the MOSFET. And a switch connected between the source and gate of the MOSFET.

このような構成の直流電力系の安全装置によれば、ストリング等の高い電圧の太陽光発電装置の出力を安全かつ簡便に短絡及び解放することが可能となる。   According to the DC power system safety device having such a configuration, it is possible to safely and simply short-circuit and release the output of a high-voltage photovoltaic power generation device such as a string.

本発明に係る直流電力系の安全装置の第１実施形態を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a DC power safety device according to the present invention. 本発明に係る直流電力系の安全装置の第１実施形態の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification of 1st Embodiment of the safety device of the direct-current power type | system | group which concerns on this invention. 本発明に係る直流電力系の安全装置の第２実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 2nd Embodiment of the safety device of the DC power type | system | group which concerns on this invention. 本発明の第２実施形態におけるスイッチのインターロック機構について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the interlock mechanism of the switch in 2nd Embodiment of this invention. 本発明に係る直流電力系の安全装置の第３実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 3rd Embodiment of the safety device of the DC power type | system | group which concerns on this invention. 本発明に係る直流電力系の安全装置の第４実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 4th Embodiment of the safety device of the DC power type | system | group which concerns on this invention. 本発明に係る直流電力系の安全装置の第５実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows 5th Embodiment of the safety device of the DC power type | system | group which concerns on this invention. 本発明に係る安全装置を内蔵した太陽電池モジュールの実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of the solar cell module which incorporated the safety device which concerns on this invention. 本発明に係る直流電力系の安全装置のシミュレーション回路（Ａ）と、その結果（Ｂ）を示す図である。It is a figure which shows the simulation circuit (A) of the safety device of the direct-current power system which concerns on this invention, and its result (B). 太陽電池モジュールの安全装置の従来技術を示す図である。It is a figure which shows the prior art of the safety device of a solar cell module.

〔第１実施形態：図１〕
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第１実施形態を示す回路図である。
図１において、参照符号１で示すものは、高圧の直流電力系の実施例である太陽電池ストリングである。なお、ここでは直流電力系１が太陽電池ストリングである場合を示しているが、これに限定されないことは言うまでもない。
また、「太陽電池ストリング」を、説明の都合上、以下「ストリング」と呼ぶこととする。 [First Embodiment: FIG. 1]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a DC power safety device according to the present invention.
In FIG. 1, what is indicated by reference numeral 1 is a solar cell string that is an embodiment of a high-voltage DC power system. In addition, although the case where the DC power system 1 is a solar cell string is shown here, it is needless to say that the present invention is not limited to this.
Further, the “solar cell string” is hereinafter referred to as “string” for convenience of explanation.

図１において、ストリングを構成する各太陽電池モジュールのプラスとマイナスの間には、コンデンサ２及びバイパスダイオード３がそれぞれ並列に接続されている。コンデンサ２は、日光や温度変化による発電電力の変化の影響を和らげ、太陽電池モジュールの発電電力を安定化させる働きをする。また、バイパスダイオード３は、上述の通り、日影になったり故障したりした太陽電池モジュールにおいて、電流をバイパスさせることにより、ストリング１の発電を維持する働きをする。   In FIG. 1, a capacitor 2 and a bypass diode 3 are connected in parallel between the plus and minus of each solar cell module constituting the string. The capacitor 2 functions to reduce the influence of changes in generated power due to sunlight and temperature changes, and stabilize the generated power of the solar cell module. Further, as described above, the bypass diode 3 functions to maintain the power generation of the string 1 by bypassing the current in the solar cell module that is shaded or failed.

また、ストリング１の出力のプラスとマイナスの間には、ストリング１の出力を短絡するための半導体スイッチの一種であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）４が並列接続されるとともに、ＭＯＳＦＥＴ４のドレインＤ−ゲートＧ間には抵抗器５が接続され、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートＧ−ソースＳ間にはスイッチ６（ＳＷ１）が接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ４は、図の抵抗器５の下端の電圧Ｖｇによってオン／オフを制御するようになっている。
また、スイッチ６（ＳＷ１）は、ＭＯＳＦＥＴ４のオン／オフを制御する電圧Ｖｇを切り換える目的で設けられているものであり、ＳＷ１が開放（オフ）の時は、Ｖｇはストリング１の出力電圧（＝ドレインＤの電位）にほぼ等しくなり、ＳＷ１が短絡（オン）の時はＶｇはゼロ電圧になる。 A MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 4 which is a kind of semiconductor switch for short-circuiting the output of the string 1 is connected in parallel between the plus and minus of the output of the string 1 and the drain of the MOSFET 4 A resistor 5 is connected between the D-gate G, and a switch 6 (SW1) is connected between the gate G and the source S of the MOSFET 4.
The MOSFET 4 is controlled to be turned on / off by the voltage Vg at the lower end of the resistor 5 shown in the figure.
The switch 6 (SW1) is provided for the purpose of switching the voltage Vg for controlling on / off of the MOSFET 4. When SW1 is open (off), Vg is the output voltage (= Vg becomes zero voltage when SW1 is short-circuited (ON).

ＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート電流がほとんど流れず、オン時のドレインＤ−ソースＳ間電圧も低い（約２．５Ｖ）ことから、出力短絡用のスイッチとして好適である。
なお、逆流防止ダイオード７は、上述の通り、ストリング１の一部が日影になった場合に、他のストリングとの間の電圧アンバランスによる逆電流の流入を防止するためのものである。 In the case of a MOSFET, the gate current hardly flows and the voltage between the drain D and the source S at the time of ON is low (about 2.5 V), which is suitable as a switch for output short circuit.
As described above, the backflow prevention diode 7 is for preventing reverse current from flowing in due to voltage imbalance with another string when a part of the string 1 is shaded.

また、ＳＷ１がオフになっている時は、Ｖｇは略ＭＯＳＦＥＴ４の閾値に等しい低い電圧になっており、また、流れる電流もわずか（数１０ｍＡ）であるため、ＳＷ１は微小電流用のスイッチを用いる必要がある。逆に言えば、微小電流用のスイッチで済むため、低電圧用の手動スイッチを用いても安全に操作できる。
また、ＳＷ１としては、一般的なトグルスイッチのような手動スイッチや、リードスイッチ、後述のリレーを採用することもできる。
なお、抵抗器５の抵抗値はＭＯＳＦＥＴ４のベータ値（トランスコンダクタンス値）に応じて決定するが、数ｋΩで十分である。なお、ここでは１０ｋΩとした。 Further, when SW1 is off, Vg is a low voltage substantially equal to the threshold value of MOSFET 4 and the flowing current is very small (several tens of mA), so SW1 uses a switch for minute current. There is a need. In other words, since a switch for minute current is sufficient, it can be operated safely even by using a manual switch for low voltage.
Moreover, as SW1, a manual switch such as a general toggle switch, a reed switch, or a relay described later can be employed.
Although the resistance value of the resistor 5 is determined according to the beta value (transconductance value) of the MOSFET 4, several kΩ is sufficient. Here, it was set to 10 kΩ.

以上の構成において、本発明に係る直流電力系１の安全装置の第１実施形態の動作について説明する。
ストリング１の設置時にＳＷ１をオフにしておくと、太陽電池モジュールに太陽光が当たると太陽電池モジュールが発電を開始する。そうすると、図１のＶｇの電圧が上がり、ＭＯＳＦＥＴ４の閾値電圧を超えるとＭＯＳＦＥＴ４がオンになる。 In the above configuration, the operation of the first embodiment of the safety device for the DC power system 1 according to the present invention will be described.
If SW1 is turned off when the string 1 is installed, the solar cell module starts power generation when sunlight strikes the solar cell module. Then, the voltage Vg in FIG. 1 rises, and when the threshold voltage of the MOSFET 4 is exceeded, the MOSFET 4 is turned on.

すると、Ｖｇが下がり、ＭＯＳＦＥＴ４のオン電圧（≒Ｖｇ）はＭＯＳＦＥＴ４の閾値付近（１０Ｖ以下）に収束する。太陽電池モジュールは、光の強さに比例した定電流源であるため、太陽電池モジュールには最大短絡電流以上は流れない。   Then, Vg decreases, and the on-voltage (≈Vg) of the MOSFET 4 converges near the threshold value of the MOSFET 4 (10 V or less). Since the solar cell module is a constant current source proportional to the intensity of light, the solar cell module does not flow beyond the maximum short-circuit current.

また、ＭＯＳＦＥＴ４の短絡によりストリング１の電圧が他のストリングの電圧より低くなっても、逆流防止ダイオード７によって逆電流の流入を防止できるので安全である。
これにより、作業者が万一ストリング１の出力に感電したとしても、ストリング１の出力電圧は１０Ｖ以下であるため、全く人体には影響がない。 Even if the voltage of the string 1 becomes lower than the voltages of other strings due to the short circuit of the MOSFET 4, it is safe because the reverse current prevention diode 7 can prevent the reverse current from flowing.
As a result, even if the operator is shocked by the output of the string 1, the output voltage of the string 1 is 10 V or less, and thus the human body is not affected at all.

次に、すべての太陽電池モジュールの設置工事が完了し、ストリング１の通常発電を開始する場合は、ＳＷ１をオンにする。すると、Ｖｇがゼロ電圧になるため、ＭＯＳＦＥＴ４がオフとなり、ストリング１の通常発電が開始される。
一方、保守作業、建物等の火災又は大規模地震等の発生時や、ストリング１の一部の太陽電池モジュールに不具合等が発生した場合には、ストリング１の出力を短絡させて危険のない電圧に下げる必要がある。そのような場合には、ＳＷ１をオフにすることによりストリング１の出力を短絡することができる。
また、ＳＷ１がオフのときが安全サイド（ＭＯＳＦＥＴ４が短絡状態）であるため、ＳＷ１がオン状態の時に、ＳＷ１が接点不良又は破損してオフになっても安全であるという特長がある。 Next, when installation work of all the solar cell modules is completed and normal power generation of the string 1 is started, SW1 is turned on. Then, since Vg becomes zero voltage, the MOSFET 4 is turned off, and normal power generation of the string 1 is started.
On the other hand, in the event of a maintenance work, a fire in a building or a large-scale earthquake, or when a malfunction or the like occurs in some of the solar cell modules of the string 1, the output of the string 1 is short-circuited and there is no danger. It is necessary to lower it. In such a case, the output of the string 1 can be short-circuited by turning off SW1.
Further, since the safety side (MOSFET 4 is in a short circuit state) when SW1 is off, there is a feature that when SW1 is on, it is safe even if SW1 is turned off due to a contact failure or damage.

この第１実施形態では、ＳＷ１がオンの状態だと抵抗器５にはストリング１の発電電圧（例えば約６００Ｖとする。）がかかるので、ＳＷ１に流れる電流は、６００Ｖ÷１０ｋΩ＝６０ｍＡとなる。また、ＳＷ１がオフの状態であれば、ＳＷ１の接点間には約２．５Ｖしかかからない。従って、上述の通りＳＷ１は微小電流用のスイッチでよい。
また、図１では、ＭＯＳＦＥＴ４がＮチャンネルの場合を図示しているが、ＭＯＳＦＥＴ４がＰチャンネルの場合はプラスとマイナスが逆になるだけであるので、図示は省略した。 In the first embodiment, when SW1 is on, the resistor 5 is applied with the power generation voltage of the string 1 (for example, about 600 V), so the current flowing through SW1 is 600 V / 10 kΩ = 60 mA. If SW1 is in an off state, only about 2.5 V is applied between the contacts of SW1. Therefore, as described above, SW1 may be a switch for minute current.
Further, FIG. 1 shows a case where the MOSFET 4 is an N channel, but when the MOSFET 4 is a P channel, only plus and minus are reversed, and thus illustration is omitted.

次に、本発明の第１実施形態の変形例を図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１実施形態の変形例を示す図である。図２が図１と異なる点は、図１のＭＯＳＦＥＴ４をバイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（ＢＪＴ）に代えた点のみである。
図２のＢＪＴ４は、ＮＰＮ型トランジスタ２個をダーリントン接続したものであるが、トランジスタ１個でも勿論構わない。ダーリントン接続したトランジスタの直流電流増幅率（ｈＦＥ）は、各トランジスタのｈＦＥの積に等しくなるので、ダーリントン接続によってｈＦＥを大きくすることができ、ベース電流を小さくすることができるという利点がある。一般に、ダーリントン接続されたトランジスタのｈＦＥは１０００以上になるので、ベース電流はわずかである（１ｍＡ未満）。 Next, a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a modification of the first embodiment of the present invention. FIG. 2 differs from FIG. 1 only in that MOSFET 4 in FIG. 1 is replaced with a bipolar junction transistor (BJT).
The BJT 4 in FIG. 2 is obtained by Darlington connection of two NPN transistors, but of course one transistor may be used. Since the direct current amplification factor (hFE) of the Darlington-connected transistor is equal to the product of hFE of each transistor, there is an advantage that hFE can be increased by Darlington connection and the base current can be decreased. In general, since the hFE of a Darlington-connected transistor is 1000 or more, the base current is small (less than 1 mA).

これ以外の点の説明は、上記図１の説明における「ドレインＤ」を「コレクタＣ」と、「ゲートＧ」を「ベースＢ」と、「ソースＳ」を「エミッタＥ」と、それぞれ置き換えれば同様である。ただし、ダーリントン接続の場合のオン時のコレクタＣ−エミッタＥ間電圧は、一般的には、ＭＯＳＦＥＴのオン時のドレインＤ−ソースＳ間の電圧よりも低い。
また、ＢＪＴの代わりに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」という。）を用いてもよい。ＩＧＢＴは大電力の高速スイッチングに適している。なお、ＩＧＢＴを用いた場合の動作説明は、上記図１の説明における「ドレインＤ」を「コレクタＣ」と、「ソースＳ」を「エミッタＥ」と、それぞれ置き換えれば同様である。 In other respects, “drain D” in the description of FIG. 1 is replaced with “collector C”, “gate G” is replaced with “base B”, and “source S” is replaced with “emitter E”. It is the same. However, in the case of Darlington connection, the voltage between the collector C and the emitter E when turned on is generally lower than the voltage between the drain D and the source S when the MOSFET is turned on.
Further, an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as “IGBT”) may be used instead of BJT. The IGBT is suitable for high-speed high-speed switching. The operation description when the IGBT is used is the same when “drain D” and “source S” are replaced with “collector C” and “emitter E” in the description of FIG.

〔第２実施形態：図３及び図４〕
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第２実施形態を示す回路図である。
図３に示す第２実施形態が第１実施形態（図１）と異なるのは、第２実施形態が、ストリング１と他のストリング又は機器等との接続／遮断を切り換える第２スイッチ８（ＳＷ２）を逆流防止ダイオード７に直列に接続した点と、ＳＷ１とＳＷ２とが“インターロック機構”になっていることである。その他の点は第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
なお、インターロック機構とは、一般には、ある一定の条件が整わないと他の動作ができなくなるような機構のことを意味するが、本発明の場合は、ＳＷ１とＳＷ２の操作順が所定の順序に設定されていることを意味している。 [Second Embodiment: FIGS. 3 and 4]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the DC power system safety device according to the present invention.
The second embodiment shown in FIG. 3 is different from the first embodiment (FIG. 1) in that the second embodiment switches the second switch 8 (SW2) for switching connection / disconnection between the string 1 and another string or device. ) Are connected in series to the backflow prevention diode 7 and SW1 and SW2 are an “interlock mechanism”. Since other points are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
The interlock mechanism generally means a mechanism in which other operations cannot be performed unless certain conditions are met. In the present invention, the operation order of SW1 and SW2 is predetermined. It means that the order is set.

図４は、本発明の第２実施形態におけるスイッチのインターロック機構について説明するための図である。インターロック機構によるＳＷ１及びＳＷ２の動作について、図４を用いて説明する。
（１）切換動作が「遮断時」の場合
最初にＳＷ１をオフしてからＳＷ２をオフする。この順序でしないと操作ができないようにしてある。何故この順序で操作をするのかを説明する。
ＳＷ１及びＳＷ２がオンの状態では、ストリング１では通常の発電が行われており、その出力電流（直流）がＳＷ２を介して外部に流出している。この電流が数十Ａになると、ＳＷ２をオフしようとしても空気中でアーク放電して電流を遮断できないという問題がある。 FIG. 4 is a view for explaining an interlock mechanism of the switch according to the second embodiment of the present invention. The operation of SW1 and SW2 by the interlock mechanism will be described with reference to FIG.
(1) When the switching operation is “when shut off” First, SW1 is turned off and then SW2 is turned off. Operation is not possible without this order. The reason why the operations are performed in this order will be described.
When SW1 and SW2 are on, normal power generation is performed in string 1, and the output current (direct current) flows out through SW2. When this current reaches several tens of A, there is a problem that even if it is attempted to turn off SW2, arc discharge occurs in the air and the current cannot be interrupted.

そこで、まずＳＷ１を先にオフすることによってＭＯＳＦＥＴ４をオン状態にし、ストリング１の出力を短絡する。短絡によってストリング１の電圧が直流母線の電圧より低くなれば逆流防止ダイオード７によって逆電流はゼロになるので、ＳＷ２は無電流で遮断することができる。   Therefore, first, by turning off SW1, the MOSFET 4 is turned on, and the output of the string 1 is short-circuited. If the voltage of the string 1 becomes lower than the voltage of the DC bus due to the short circuit, the reverse current is zeroed by the reverse current prevention diode 7, so that SW2 can be cut off with no current.

（２）切換動作が「接続時」の場合
最初にＳＷ２をオンしてからＳＷ１をオンする。この順序でしないと操作ができないようにしてある。何故この順序で操作をするのかを説明する。もし、先にＳＷ１をオンしてしまうと、その瞬間にＭＯＳＦＥＴ４がオフとなり、ストリング１の発電が開始されて、ＳＷ２には大きな電圧がかかる。この状態でＳＷ２の接点に触れてしまうと危険であるので、まだＳＷ１がオフである状態（ストリング１の出力が短絡状態）の時に先にＳＷ２をオンすれば安全だからである。このインターロック機構によって安全性がさらに向上する。 (2) When the switching operation is “when connected” First, SW2 is turned on and then SW1 is turned on. Operation is not possible without this order. The reason why the operations are performed in this order will be described. If SW1 is turned on first, MOSFET 4 is turned off at that moment, power generation of string 1 is started, and a large voltage is applied to SW2. Since it is dangerous to touch the contact point of SW2 in this state, it is safe if SW2 is turned on first when SW1 is still off (the output of string 1 is short-circuited). This interlock mechanism further improves safety.

〔第３実施形態：図５〕
次に、本発明の第３実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第３実施形態を示す回路図である。
第３実施形態が第１実施形態と異なる点は、第３実施形態では、抵抗器５に直列に発光ダイオード９を接続した点である。 [Third Embodiment: FIG. 5]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a circuit diagram showing a third embodiment of the DC power safety device according to the present invention.
The third embodiment is different from the first embodiment in that the light emitting diode 9 is connected in series to the resistor 5 in the third embodiment.

図５において、ＳＷ１をオンすると、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートがソースと同電位となるので、ＭＯＳＦＥＴ４はオフとなり、ストリング１の出力電流が抵抗器５を通して発光ダイオード９に流れる。抵抗器５は発光ダイオード９の電流制限抵抗として機能するが、発光ダイオードは数ｍＡの順電流で点灯させることができるので、抵抗器５は数ｋΩで十分である。発光ダイオード９が点灯することにより、ストリング１が発電中（直流電力系１が稼動中）であることを作業者に知らせ、注意を喚起することができるという効果がある。   In FIG. 5, when SW <b> 1 is turned on, the gate of MOSFET 4 has the same potential as the source, so that MOSFET 4 is turned off and the output current of string 1 flows to light emitting diode 9 through resistor 5. Although the resistor 5 functions as a current limiting resistor for the light emitting diode 9, several kΩ is sufficient for the resistor 5 because the light emitting diode can be lit with a forward current of several mA. When the light emitting diode 9 is turned on, it is possible to notify the operator that the string 1 is generating power (the DC power system 1 is in operation) and call attention.

〔第４実施形態：図６〕
次に、本発明の第４実施形態について、図６を用いて説明する。図６は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第４実施形態を示す回路図である。
第４実施形態が第１実施形態と異なる点は、第４実施形態では、図１のスイッチ６を単極双投スイッチ６で置き換え、ＭＯＳＦＥＴ４のゲート−ソース間にｂ接点（ノーマリークローズ）を接続し、ＭＯＳＦＥＴ４のドレイン−ソース間にａ接点（ノーマリーオープン）を接続した点である。このスイッチ６は例えば単極双投のリレーを利用すれば、外部から遠隔制御をすることができるので好ましい。 [Fourth Embodiment: FIG. 6]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the DC power safety device according to the present invention.
The fourth embodiment is different from the first embodiment in that in the fourth embodiment, the switch 6 in FIG. 1 is replaced with a single-pole double-throw switch 6 and a b-contact (normally closed) is connected between the gate and source of the MOSFET 4. The point of contact is that the contact a (normally open) is connected between the drain and source of the MOSFET 4. If this switch 6 uses a single pole double throw relay, for example, it can be remotely controlled from the outside, which is preferable.

この単極双投スイッチ６としてリレーを用いた場合の安全装置の動作を図６を用いて説明する。図６（Ａ）は、ｂ接点がオンしているので、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートがソースと同電位となり、ＭＯＳＦＥＴ４はオフとなっていることを示している。
ここでリレーの電源をオンすると、リレーのコイルが電磁石となり、ｂ接点に接触していた可動片が磁石の力でａ接点側に吸い寄せられてａ接点がオンになる（図６（Ｃ））。
ａ接点がオンになると、ドレイン−ソース間（すなわち、直流電力系１の出力間）が短絡され、直流電力系１からの電流はａ接点を流れる。 The operation of the safety device when a relay is used as the single pole double throw switch 6 will be described with reference to FIG. FIG. 6A shows that the gate of the MOSFET 4 has the same potential as the source because the b contact is on, and the MOSFET 4 is off.
When the relay power is turned on, the relay coil becomes an electromagnet, and the movable piece that has been in contact with the b contact is attracted to the a contact by the force of the magnet, and the a contact is turned on (FIG. 6C). .
When the contact a is turned on, the drain-source (that is, between the outputs of the DC power system 1) is short-circuited, and the current from the DC power system 1 flows through the contact a.

しかしながら、図６の（Ａ）から（Ｃ）に遷移するまでには、約１ｍｓ〜２ｍｓのタイムラグがあり、その間は図６（Ｂ）の状態になる。
すなわち、この時間内は、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになり、直流電力系１が短絡され、直流電力系１からの電流がＭＯＳＦＥＴ４を通して流れる。しかし、約１ｍｓ〜２ｍｓ経過後にａ接点がオンになり（図６（Ｃ））、電流はオン抵抗の小さいａ接点を通して流れるため、ＭＯＳＦＥＴ４の発熱はほとんどない。 However, there is a time lag of about 1 ms to 2 ms before the transition from (A) to (C) in FIG. 6, and the state in FIG.
That is, during this time, the MOSFET 4 is turned on, the DC power system 1 is short-circuited, and a current from the DC power system 1 flows through the MOSFET 4. However, the contact a is turned on after the elapse of about 1 ms to 2 ms (FIG. 6C), and the current flows through the contact a having a small on-resistance, so that the MOSFET 4 hardly generates heat.

図６（Ｃ）の状態から、逆に、リレーの電源をオフすると、可動片は通電接点のａ接点から離れ、一時的に図６（Ｂ）の状態になる。そうすると、ＭＯＳＦＥＴ４はまだオンのままであり、オン電圧は１０Ｖ以下であるからアークは発生せずに、ａ接点を流れていた電流はＭＯＳＦＥＴ４に転流する。１ｍｓ〜２ｍｓ後にｂ接点がオンになると（図６（Ａ））、ＭＯＳＦＥＴ４はオフになり、遮断は終了する。   On the contrary, when the relay power is turned off from the state of FIG. 6C, the movable piece is separated from the contact a of the energizing contact, and temporarily becomes the state of FIG. 6B. Then, the MOSFET 4 is still on and the on-voltage is 10 V or less, so no arc is generated, and the current flowing through the contact a is commutated to the MOSFET 4. When the contact b is turned on after 1 ms to 2 ms (FIG. 6 (A)), the MOSFET 4 is turned off and the interruption is completed.

高電圧、大電流の開閉器の場合、一般的には短絡スイッチとして利用する半導体スイッチの発熱による損失が問題となるが、この回路を利用すればＭＯＳＦＥＴ４の導通による発熱は短時間であり問題とならないので放熱器が不要となる。また、a接点とｂ接点との間の空間距離があるため、a接点を十分離れた後に、ｂ接点に到達してから電流オフで電圧が発生する。主電極が開極した後、時間遅れで半導体スイッチを遮断する必要があったのが、これによりその動作が自動的に確実に行われるので、この安全装置は高電圧の直流遮断器として好適である。
なお、単極双投スイッチ６がリレーである場合を例として説明したが、補助接点付のリレーや単極双投の手動スイッチでも同様の効果が得られることは勿論である。
また、ＭＯＳＦＥＴ４の代わりに、高電圧、大電流用のＩＧＢＴを用いれば、１５００Ｖ、数百Ａ程度の直流遮断器を実現することが可能であり、電気自動車の保護用遮断器等として小型軽量なので有用である。 In the case of a high-voltage, large-current switch, loss due to heat generation of a semiconductor switch used as a short-circuit switch is generally a problem. However, if this circuit is used, heat generation due to conduction of the MOSFET 4 is a short time. Since it does not become necessary, a heatsink becomes unnecessary. Further, since there is a spatial distance between the a contact and the b contact, a voltage is generated when the current is turned off after the contact a is sufficiently separated from the contact b. After the main electrode opened, it was necessary to shut off the semiconductor switch with a time delay. This automatically and reliably performs this operation, so this safety device is suitable as a high-voltage DC breaker. is there.
The case where the single-pole double-throw switch 6 is a relay has been described as an example, but it is needless to say that the same effect can be obtained with a relay with an auxiliary contact or a single-pole double-throw manual switch.
In addition, if a high voltage, high current IGBT is used instead of the MOSFET 4, a DC circuit breaker of about 1500 V and several hundreds A can be realized, and it is small and light as a protective circuit breaker for an electric vehicle. Useful.

〔第５実施形態：図７〕
上述の第１乃至第４実施形態においては、ＭＯＳＦＥＴ４のボディダイオードの存在により、逆方向の電流に対しては阻止できないので、電圧が逆転すると常に導通状態となる。太陽光発電設備の故障若しくは事故の状況によっては、電流が逆に流れる故障モードになる可能性も否定できない。例えば、ストリングが接続されるＤＣ母線の電圧が異常になる場合や、極性が反転する場合等である。
次に説明する第５実施形態は、遮断時に電流の方向が定まらない、あるいは逆方向に流れる場合でも遮断することが可能な安全装置である。 [Fifth Embodiment: FIG. 7]
In the above-described first to fourth embodiments, the presence of the body diode of the MOSFET 4 cannot prevent reverse current, so that the conductive state is always established when the voltage is reversed. Depending on the failure of the photovoltaic power generation facility or the situation of the accident, the possibility of a failure mode in which current flows in the reverse direction cannot be denied. For example, when the voltage of the DC bus connected to the string becomes abnormal or when the polarity is reversed.
The fifth embodiment to be described next is a safety device that can be cut off even when the direction of current is not determined at the time of interruption or flows in the opposite direction.

図７は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第５実施形態を示す回路図であり、本発明の第５実施形態について、図７を用いて説明する。なお、図中、ａは「ａ接点」を、ｂは「ｂ接点」を表している。
図７において、４個のダイオード（ｄ１〜ｄ４）をそれぞれ２個ずつ直列に順接続した２組のダイオード列（ｄ１，ｄ２）と（ｄ３，ｄ４）とＭＯＳＦＥＴ４とを、ｄ１及びｄ３のカソード側をＭＯＳＦＥＴ４のドレイン側に、ｄ２及びｄ４のアノード側をＭＯＳＦＥＴ４のソース側にそれぞれ接続する。そして、ＭＯＳＦＥＴ４のドレイン−ゲート間にさらに抵抗器５を接続する。 FIG. 7 is a circuit diagram showing a fifth embodiment of the DC power system safety device according to the present invention. The fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, “a” represents “a contact” and “b” represents “b contact”.
In FIG. 7, two sets of diode arrays (d1, d2), (d3, d4) and MOSFET 4 in which two diodes (d1 to d4) are connected in series in series are connected to the cathode side of d1 and d3. Are connected to the drain side of the MOSFET 4, and the anode sides of d2 and d4 are connected to the source side of the MOSFET 4, respectively. A resistor 5 is further connected between the drain and gate of the MOSFET 4.

さらに、２極双投スイッチ６の一方の双投スイッチのｂ接点をＭＯＳＦＥＴ４のソース−ゲート間に接続し、２極双投スイッチ６の他方の双投スイッチのａ接点を、前記各ダイオード列の一方の中点に接続し、そのコモン接点を他方の中点に接続することによって、安全装置（１点鎖線で囲った部分）が構成される。
そして、各ダイオード列の各中点を直流電力系１の端子間に接続して使用するものである。 Further, the b-contact of one double-throw switch of the double-pole double-throw switch 6 is connected between the source and gate of the MOSFET 4, and the a-contact of the other double-throw switch 6 of the two-pole double-throw switch 6 is connected to each diode row. By connecting to one midpoint and connecting the common contact to the other midpoint, a safety device (portion surrounded by a one-dot chain line) is formed.
And each middle point of each diode row | line | column is connected between the terminals of DC power system 1, and is used.

この第５実施形態の安全装置の特徴は、電流を図７の上から下でも、下から上でも双方向に流せる直流電流双方向型であるという点である。
例えば、上側がプラスで、下側がマイナスの場合、スイッチ６をｂ接点からａ接点に切り換えると、接点の接続は一時的に図６（Ｂ）と同様の状態になり、図７のＭＯＳＦＥＴ４がオンとなる。
その結果、直流電力系１のプラス側（上）から流れ出た電流は、上からダイオードｄ１を通り、ＭＯＳＦＥＴ４からダイオードｄ４を通ってマイナス側（下）に流れ、直流電力系１が短絡される。そして、１ｍｓ〜２ｍｓ後には右側の双投スイッチのａ接点が導通するため、電流はａ接点を通して上から下へと流れる。 A feature of the safety device of the fifth embodiment is that it is a direct current bidirectional type that allows current to flow in both directions from top to bottom and from bottom to top in FIG.
For example, if the upper side is positive and the lower side is negative, when the switch 6 is switched from the b contact to the a contact, the contact connection temporarily becomes the same state as in FIG. 6B, and the MOSFET 4 in FIG. It becomes.
As a result, the current that flows from the positive side (upper) of the DC power system 1 flows from the top through the diode d1 and flows from the MOSFET 4 through the diode d4 to the negative side (lower), and the DC power system 1 is short-circuited. Then, after 1 ms to 2 ms, the a contact of the right double-throw switch becomes conductive, so that current flows from top to bottom through the a contact.

その逆に、スイッチ６を元に戻すと、接点の接続は一時的に図６（Ｂ）と同様の状態になり、図７のＭＯＳＦＥＴ４はオンの状態を維持している。
電圧は１０Ｖ以下であるからアークは発生せずに、ａ接点を流れていた電流はダイオードｄ１を通してＭＯＳＦＥＴ４に転流し、さらにダイオードｄ４を通ってマイナス側に流れる。１ｍｓ〜２ｍｓ後にｂ接点がオンになると（図７の状態）、ＭＯＳＦＥＴ４はオフになり、遮断は終了する。この時は、電流は、ダイオードｄ１から抵抗器５を通り、さらに左側の双投スイッチのｂ接点からダイオードｄ４を通ってマイナス側に流れる。 On the contrary, when the switch 6 is returned to the original state, the connection of the contacts is temporarily in the same state as in FIG. 6B, and the MOSFET 4 in FIG. 7 is kept on.
Since the voltage is 10 V or less, no arc is generated, and the current flowing through the contact a is commutated to the MOSFET 4 through the diode d1, and further flows to the negative side through the diode d4. When the contact b is turned on after 1 ms to 2 ms (the state shown in FIG. 7), the MOSFET 4 is turned off and the interruption ends. At this time, the current flows from the diode d1 through the resistor 5 to the negative side through the diode d4 from the b contact of the left double throw switch.

この回路は上下対称であるから、下側がプラスで、上側がマイナスの場合も全く同様に動作する。この場合、上記説明において、「ダイオードｄ１」を「ダイオードｄ３」に、「ダイオードｄ４」を「ダイオードｄ２」に置き換えて読めばよい。
従って、この安全装置は、直流の電流双方向のスイッチとして機能する。直流配電では電流がどちら方向に流れるかわからないので、この安全装置を直流電流電１に挿入しておけば安全性がさらに向上する。
また、この回路はＭＯＳＦＥＴが一つだけで直流電流双方向スイッチとして機能するところが優れている。なお、２極双投スイッチ６は、手動スイッチでも電動リレースイッチでもどちらでもよい。 Since this circuit is vertically symmetric, the operation is exactly the same when the lower side is positive and the upper side is negative. In this case, in the above description, “diode d1” may be replaced with “diode d3” and “diode d4” may be replaced with “diode d2”.
Therefore, this safety device functions as a DC current bidirectional switch. Since it is not known in which direction the current flows in the DC distribution, if this safety device is inserted in the DC current 1, the safety is further improved.
This circuit is excellent in that it has a single MOSFET and functions as a direct current bidirectional switch. The double pole double throw switch 6 may be either a manual switch or an electric relay switch.

図８は、本発明に係る安全装置を内蔵した太陽電池モジュールの実施例を示す図である。
（Ａ）は図１の第１実形態の安全装置を太陽電池セルの出力に並列に接続して太陽電池モジュールとして構成したものである。また、（Ｂ）は図５の第３実形態の安全装置を太陽電池セルの出力に並列に接続して太陽電池モジュールとして構成したものである。
なお、この図では、短絡用の半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを使用しているが、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードがバイパスダイオードとして利用できる利点がある。近年のＭＯＳＦＥＴのボディダイオードのオン電圧は、１．２Ｖ程度であり、一般のダイオードと遜色ないレベルである。
太陽電池モジュールに初めから安全装置が組み込まれていれば、設置時の作業の安全性向上に寄与することができる。 FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of a solar cell module incorporating the safety device according to the present invention.
(A) is configured as a solar cell module by connecting the safety device of the first embodiment of FIG. 1 in parallel with the output of the solar cell. FIG. 5B shows a solar cell module in which the safety device of the third embodiment shown in FIG. 5 is connected in parallel to the output of the solar cell.
In this figure, a MOSFET is used as a semiconductor switch for short-circuiting, but there is an advantage that the body diode of the MOSFET can be used as a bypass diode. In recent years, the on-voltage of the body diode of the MOSFET is about 1.2 V, which is a level comparable to a general diode.
If a safety device is built in the solar cell module from the beginning, it can contribute to the improvement of the safety of the work at the time of installation.

図９は、本発明に係る直流電力系の安全装置のシミュレーション回路（Ａ）と、その結果（Ｂ）を示す図である。
図９（Ａ）において、太陽電池モジュールは、４００Ｖ、４Ａの発電電力を出力する等価回路で表している。 FIG. 9 is a diagram showing a simulation circuit (A) of a DC power system safety device according to the present invention and a result (B) thereof.
In FIG. 9A, the solar cell module is represented by an equivalent circuit that outputs generated power of 400V and 4A.

図９（Ｂ）は、シミュレーション結果を表すチャートである。（１）Ｖｐｖは、太陽電池モジュールの出力電圧を表しており、スタートから０．０５秒後までは４００Ｖが出力されていることを示している。
また、（２）Ｉｏｕｔは、外部に出力される電流の大きさを表しているのに対し、Ｉｐｖは、太陽電池モジュールで発電した電流の大きさを示している。Ｉｐｖは４Ａ一定であることが分かる。 FIG. 9B is a chart showing simulation results. (1) Vpv represents the output voltage of the solar cell module, and indicates that 400 V is output until 0.05 seconds after the start.
Further, (2) Iout represents the magnitude of current output to the outside, whereas Ipv represents the magnitude of current generated by the solar cell module. It can be seen that Ipv is constant at 4A.

（３）Ｐｏｗｅｒは、太陽電池モジュールの発電電力を表しており、スタートから０．０５秒後までは４００Ｖ×４Ａ＝１６００Ｗが出力されていることを示している。
また、（４）Ｖｇａｔｅ＝１Ｖの時にＳＷ１がオンになり、その結果としてＭＯＳＦＥＴのゲートＧが接地されるため、ＭＯＳＦＥＴはオフとなり、（Ｂ）の一番上のチャート（１）に示すように、太陽電池モジュールの出力電圧Ｖｐｖは、０〜０．０５ｓまでは４００Ｖに保持されている。 (3) Power represents the generated power of the solar cell module, and indicates that 400 V × 4A = 1600 W is output until 0.05 seconds after the start.
(4) When Vgate = 1V, SW1 is turned on. As a result, the gate G of the MOSFET is grounded, so that the MOSFET is turned off, as shown in the top chart (1) of (B). The output voltage Vpv of the solar cell module is maintained at 400 V from 0 to 0.05 s.

また、（４）ＶｇａｔｅはＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御するスイッチＳＷ１を駆動する電圧信号である。Ｖｇａｔｅ＝１Ｖの時、ＳＷ１がオンになり、その結果、ＭＯＳＦＥＴのゲートが接地されるためＭＯＳＦＥＴはオフとなる。このため、Ｖｇａｔｅ＝１Ｖが維持される０〜０．０５秒までは太陽電池モジュールで発電した電力がそのまま出力される。   (4) Vgate is a voltage signal for driving the switch SW1 for controlling the gate voltage of the MOSFET. When Vgate = 1V, SW1 is turned on. As a result, the MOSFET is turned off because the gate of the MOSFET is grounded. For this reason, the electric power generated by the solar cell module is output as it is until 0 to 0.05 seconds when Vgate = 1V is maintained.

０．０５秒後にＶｇａｔｅ＝０Ｖになると、ＳＷ１がオフとなり、その結果ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧がＶｐｖになるため、ＭＯＳＦＥＴがオンになり、（１）に示すように、Ｖｐｖは略０Ｖまで下がる。
また、ＩｐｖはＭＯＳＦＥＴを通って流れるため、外部には流出せず、Ｉｏｕｔはゼロとなる（（２）参照）。その結果、（３）Ｐｏｗｅｒもゼロとなる。
以上のシミュレーションの結果、本発明に係る直流電力系の安全装置の動作及び効果が確認された。 When Vgate = 0V after 0.05 second, SW1 is turned off, and as a result, the gate voltage of the MOSFET becomes Vpv. Therefore, the MOSFET is turned on, and Vpv drops to approximately 0V as shown in (1).
Further, since Ipv flows through the MOSFET, it does not flow out and Iout becomes zero (see (2)). As a result, (3) Power is also zero.
As a result of the above simulation, the operation and effect of the DC power system safety device according to the present invention were confirmed.

本発明の安全装置をストリングに適用した場合、特別な制御用電源も要らず、太陽電池モジュールで発電した電圧を利用してＭＯＳＦＥＴ等のゲートをオンすることで、ストリングの電圧を短絡させて出力をゼロにすることができる。また、手動でスイッチをオンし、ＭＯＳＦＥＴ等のゲートを接地することでＭＯＳＦＥＴ等をオフすることができる。
ゲートの電流を手動スイッチで開閉するための電圧、電流は数Ｖ、数十ｍＡであり、アークなど存在しないので電極寿命も問題ない。この安全装置は部品数が少なく低コストである部品で構成され、小型で接続ボックス内に収納できるのも特徴である。 When the safety device of the present invention is applied to a string, no special control power supply is required, and the voltage of the string is short-circuited by turning on the gate of a MOSFET or the like using the voltage generated by the solar cell module. Can be made zero. Further, the MOSFET or the like can be turned off by manually turning on the switch and grounding the gate of the MOSFET or the like.
The voltage and current for opening and closing the gate current with a manual switch are several volts and several tens of mA, and since there is no arc, there is no problem with the electrode life. This safety device is composed of parts with a low number of parts and low cost, and is also characterized by being small and capable of being stored in a connection box.

本発明の利点は、太陽発電中、ストリング毎に無電圧にして、接続／遮断スイッチ（ＳＷ２）で離脱できることである。１０年以上の寿命を想定している太陽光発電装置は運転保守が重要である。その場合、ストリング毎に本発明の安全装置で短絡して電圧を落とし、その後、接続／遮断スイッチ（ＳＷ２）をオフにして、短絡電流や解放電圧をストリング毎に測定したり、水洗いなど清掃を行うことも可能になる。   An advantage of the present invention is that during solar power generation, there is no voltage for each string, and the connection / disconnection switch (SW2) can be disconnected. Operation and maintenance is important for a photovoltaic power generation device that assumes a lifetime of 10 years or more. In that case, the string is short-circuited by the safety device of the present invention for each string to drop the voltage, and then the connection / cut-off switch (SW2) is turned off to measure the short-circuit current and the release voltage for each string, or to clean it with water. It can also be done.

この発明の実施形態においては、直流電力系１は太陽電池ストリングを例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば電気自動車の事故時の電池や、スマートハウスの火災時の蓄電池等の高圧の直流電力系にも同様に適用可能である。
そこでは、遮断する電流が流れる回路にインダクタンスがある場合、遮断時にサージ電圧が発生するので、その対策として必要に応じてバリスタなどの過電圧保護装置を付加する。 In the embodiment of the present invention, the DC power system 1 has been described by taking a solar cell string as an example, but is not limited to this. For example, the present invention can be similarly applied to a high-voltage DC power system such as a battery in the event of an electric vehicle accident or a storage battery in the event of a smart house fire.
In this case, when there is an inductance in a circuit through which a current to be interrupted, a surge voltage is generated at the time of interruption. Therefore, an overvoltage protection device such as a varistor is added as a countermeasure.

また、スイッチ６（ＳＷ１）のオン／オフ制御を、手動ではなく、外部からの信号によって遠隔制御するようにしてもよい。スイッチの数が数百もあるような大規模が太陽光発電設備の場合は、緊急時に一斉にオフすることによって、全ての太陽電池モジュールの運転を停止させることが可能となる。
以上で実施形態の説明を終了するが、以上説明した各実施形態、動作及び変形例の構成は、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施可能であることはもちろんである。 Further, on / off control of the switch 6 (SW1) may be remotely controlled not by manual operation but by an external signal. In the case of a large-scale photovoltaic power generation facility having hundreds of switches, it is possible to stop the operation of all the solar cell modules by simultaneously turning off in an emergency.
The description of the embodiment is finished as described above, but it is needless to say that the configurations of the embodiments, operations, and modifications described above can be arbitrarily combined as long as they do not contradict each other.

１ 直流電力系（太陽電池ストリング）
２ コンデンサ
３ バイパスダイオード
４ 半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ）
５ 抵抗器
６ 第１スイッチ
７ 逆流防止ダイオード
８ 第２スイッチ
９ 発光ダイオード 1 DC power system (solar cell string)
2 Capacitor 3 Bypass diode 4 Semiconductor switch (MOSFET, BJT, IGBT)
5 Resistor 6 First Switch 7 Backflow Prevention Diode 8 Second Switch 9 Light Emitting Diode

上記目的を達成するために、本発明に係る、直流電力系の出力を短絡させるために該直流電力系の出力端子間に挿入する安全装置は、一つのＭＯＳＦＥＴと、該ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間に接続された抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのソース−ゲート間に接続されたスイッチとを備え、さらに、前記ＭＯＳＦＥＴがＮチャンネルの場合は、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ドレインを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記ソースを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続し、或いは、前記ＭＯＳＦＥＴがＰチャンネルの場合は、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ソースを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記ドレインを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続することを特徴とする。

In order to achieve the above object, according to the present invention, a safety device inserted between the output terminals of a DC power system in order to short-circuit the output of the DC power system is composed of one MOSFET and the drain-gate of the MOSFET. And a switch connected between the source and gate of the MOSFET , and when the MOSFET is an N channel, the drain of the MOSFET is used as a positive output terminal of the DC power system. The source is connected to the negative output terminal of the DC power system, or when the MOSFET is a P-channel, the source of the MOSFET is connected to the positive output terminal of the DC power system and the drain is connected to the DC power. It is connected to the negative output terminal of the system, respectively .

Claims (9)

直流電力系の出力を短絡させるために、該直流電力系の出力端子間に挿入する安全装置であって、該安全装置は、
一つのＭＯＳＦＥＴと、該ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間に接続された抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのソース−ゲート間に接続されたスイッチとを備えたことを特徴とする直流電力系の安全装置。 A safety device inserted between output terminals of the DC power system in order to short-circuit the output of the DC power system, the safety device comprising:
A DC power system safety device comprising: one MOSFET; a resistor connected between the drain and gate of the MOSFET; and a switch connected between the source and gate of the MOSFET. 直流電力系の出力を短絡させるために、該直流電力系の出力端子間に挿入する安全装置であって、該安全装置は、
一つのバイポーラジャンクショントランジスタ（以下「ＢＪＴ」という。）と、該ＢＪＴのコレクタ−ベース間に接続された抵抗器と、前記ＢＪＴのエミッタ−ベース間に接続されたスイッチとを備えたことを特徴とする直流電力系の安全装置。 A safety device inserted between output terminals of the DC power system in order to short-circuit the output of the DC power system, the safety device comprising:
One bipolar junction transistor (hereinafter referred to as “BJT”), a resistor connected between the collector and base of the BJT, and a switch connected between the emitter and base of the BJT DC power system safety device. 前記ＢＪＴが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」という。）であって、前記ベースが前記ＩＧＢＴのゲートであることを特徴とする請求項２に記載の直流電力系の安全装置。   3. The DC power system safety device according to claim 2, wherein the BJT is an insulated gate bipolar transistor (hereinafter referred to as "IGBT"), and the base is the gate of the IGBT. 前記抵抗器に直列に発光ダイオードを挿入し、前記直流電力系が放電又は発電中である時に点灯させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力系の安全装置。   4. The DC power system safety device according to claim 1, wherein a light-emitting diode is inserted in series with the resistor, and is lit when the DC power system is discharging or generating power. 5. 前記直流電力系の出力端子のいずれかに、前記直流電力系の電力の接続／遮断を切り換える第２スイッチをさらに備え、
該第２スイッチをオンした後に前記スイッチのオンを許可し、前記スイッチをオフした後に前記第２スイッチのオフを許可するインターロック機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流電力系の安全装置。 A second switch that switches connection / cutoff of the power of the DC power system to any one of the output terminals of the DC power system;
5. An interlock mechanism is provided that permits the switch to be turned on after the second switch is turned on, and permits the second switch to be turned off after the switch is turned off. DC power system safety device described in 1. 前記スイッチを双投スイッチで置き換えるとともに、該双投スイッチの一方の接点を前記ゲート又はベースに接続し、前記双投スイッチの他方の接点を前記ドレイン−ソース間に接続したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力系の安全装置。   The switch is replaced with a double throw switch, and one contact of the double throw switch is connected to the gate or base, and the other contact of the double throw switch is connected between the drain and source. Item 4. The DC power system safety device according to any one of Items 1 to 3. 前記スイッチのオン／オフ制御を外部からの信号によって遠隔制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流電力系の安全装置。   The DC power system safety device according to any one of claims 1 to 4, wherein the on / off control of the switch is remotely controlled by a signal from the outside. 請求項１乃至４のいずれかに記載の安全装置が内蔵されていることを特徴とする安全装置内蔵型太陽電池モジュール。   A safety device built-in type solar cell module, wherein the safety device according to any one of claims 1 to 4 is incorporated. 直流電流双方向の電源の電流を開閉させるため、該電流の短絡・解放を行う直流電力系の安全装置であって、該安全装置は、
４個のダイオードをそれぞれ２個ずつ直列に順接続した２組のダイオード列と、１個のＭＯＳＦＥＴと、２極双投スイッチとを備え、
前記２組のダイオード列のカソード側を１個のＭＯＳＦＥＴのドレイン側に、前記２組のダイオード列のアノード側を１個のＭＯＳＦＥＴのソース側にそれぞれ接続し、
前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間にさらに抵抗器を接続し、
前記２極双投スイッチの一方の双投スイッチのｂ接点を前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続し、さらに、
前記２極双投スイッチの他方の双投スイッチのａ接点を、前記各ダイオード列の一方の中点に接続し、そのコモン接点を他方の中点に接続するとともに、
前記各ダイオード列の各中点を前記直流電流双方向の直流電力系の端子間に接続して使用することを特徴とする直流電力系の安全装置。


A DC power system safety device that short-circuits and releases the current to open and close the current of the DC current bidirectional power supply,
2 sets of diodes in which 2 each of 4 diodes are connected in series, 1 MOSFET, 2 pole double throw switch,
The cathode side of the two sets of diode rows is connected to the drain side of one MOSFET, and the anode side of the two sets of diode rows is connected to the source side of one MOSFET, respectively.
Further connecting a resistor between the drain and gate of the MOSFET,
Connecting the b-contact of one double-throw switch of the two-pole double-throw switch to the gate of the MOSFET;
A contact of the other double-throw switch of the two-pole double-throw switch is connected to one midpoint of each diode row, and its common contact is connected to the other midpoint;
A direct current power system safety device, wherein each middle point of each diode array is connected between terminals of the direct current bidirectional DC power system.


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