JP2020145819A - パワーコンディショナ - Google Patents

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恭生 溝上
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Abstract

【課題】より小型で軽量なパワーコンディショナを提供する。【解決手段】パワーコンディショナ１は、直流電源１１からの直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力する。パワーコンディショナ１は、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ１と、前記直流電源から供給される直流電流を前記リアクトルに供給するとともに前記コンデンサへの供給を遮断する第１状態と、前記直流電流の供給によってエネルギーが蓄えられた前記リアクトルから前記コンデンサに電流を供給させるとともに前記直流電源から前記リアクトルへの電流を遮断する第２状態とを第１周波数で交互に切り替える第１スイッチング回路３０（昇降圧回路）と、前記コンデンサから供給される電流を、第１出力端子を経て第２出力端子へと向かう第１方向と前記第２出力端子を経て前記第１出力端子へ向かう第２方向とを第２周波数で交互に切り替える第２スイッチング回路２０（ブリッジ回路）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーコンディショナに関する。
太陽電池やエナジーキャパシタシステム（ＥｃａＳＳ）等の直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナが利用されている。例えば、特許文献１では、太陽電池から供給される直流電力を昇圧回路で昇圧してコンデンサに蓄積し、コンデンサに蓄積した電圧をインバータ回路で降圧して交流電力を生成するパワーコンディショナが開示されている。
特開２００２−０１０４９６号公報
特許文献１に開示される技術では、昇圧回路とインバータ回路の双方にリアクトルを設けることになる。すなわち、特許文献１に開示されるパワーコンディショナでは、複数のリアクトルを備えることになる。リアクトルは鉄線を巻き付けたものであり、小型化が困難な上に重量も大きい部品である。そのため、パワーコンディショナの小型化、軽量化が阻害されていた。
開示の技術の１つの側面は、より小型で軽量なパワーコンディショナを提供することを目的とする。
開示の技術の１つの側面は、次のようなパワーコンディショナによって例示される。本パワーコンディショナは、直流電源からの直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力する。本パワーコンディショナは、リアクトルと、コンデンサと、前記直流電源から供給される直流電流を前記リアクトルに供給するとともに前記コンデンサへの供給を遮断する第１状態と、前記直流電流の供給によってエネルギーが蓄えられた前記リアクトルから前記コンデンサに電流を供給させるとともに前記直流電源から前記リアクトルへの電流を遮断する第２状態とを第１周波数で交互に切り替える第１スイッチング回路と、前記コンデンサから供給される電流を、第１出力端子を経て第２出力端子へと向かう第１方向と前記第２出力端子を経て前記第１出力端子へ向かう第２方向とを第２周波数で交互に切り替える第２スイッチング回路と、を備えることを特徴とする。
開示の技術によれば、第１スイッチング回路において、第１状態においてリアクトルにエネルギーを蓄え、第２状態においてリアクトルに蓄えたエネルギーを放出することで、コンデンサを充電することができる。第１状態と第２状態とを第１周波数で交互に切り替えることにより、全波正弦波が生成される。生成された全波正弦波による電流は、第２スイッチング回路によって、第２周期で第１方向と第２方向とを切り替えられて出力されることで、交流電流として出力される。ここで、前記第１周波数は前記第２周波数よりも高くしてもよい。このような技術によれば、パワーコンディショナはリアクトルをひとつ備えればよいため、複数のリアクトルを備えるパワーコンディショナよりも小型で軽量とすることができる。
コンデンサで生成する波形を全波正弦波とするために、前記第１周波数で切り替えられる前記第１状態のデューティーＤｏｎは、直流電源の電圧をＶ１、コンデンサの電圧をＶ２、前記第２周波数をｆとすると、以下の式１によって決定されてもよい。
Figure 2020145819
また、パワーコンディショナは、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路による切り替えを制御する制御部をさらに備えてもよい。
上記したパワーコンディショナは、次の構成によって特定されてもよい。前記第２スイッチング回路は、前記直流電源のプラス出力端子、マイナス出力端子とそれぞれ接続されるプラス線、マイナス線と、前記プラス線と前記マイナス線との間に配置され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを直列に接続した第１レグと、前記プラス線と前記マイナス線との間であって前記第１レグよりも前記直流電源側に配置され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とを直列に接続した第２レグと、前記第１レグの前記２個のスイッチング素子間を接続する第１レグ内配線に一端が接続された第１出力線と、前記第２レグの前記２個のスイッチング素子間を接続する第２レグ内配線に一端が接続された第２出力線と、前記第１出力線と前記第２出力線との間に配置され、前記第１出力線と前記第２出力線との間の電圧を平滑化する平滑化回路と、を含む。前記第１スイッチング回路は、前記プラス線と前記マイナス線との間であって、前記第２レグよりも前記直流電源側に配置されたコンデンサと、前記プラス線とマイナス線との間であって、前記コンデンサよりも前記直流電源側に配置されたリアクトルと、前記プラス線において、前記プラス線と前記リアクトルとを接続する第１接続点と、前記直流電源との間に配置された第５スイッチング素子と、前記マイナス線において、前記マイナス線と前記リアクトルを接続する第２接続点と前記マイナス線と前記コンデンサとを接続する第３接続点との間に配置された第６スイッチング素子と、を含む。
このような構成を有するパワーコンディショナでは、第１スイッチング回路において、第５スイッチング素子がオンにされて第６スイッチング素子がオフにされることで、上記した第１状態が実現され、第５スイッチング素子がオフにされて第６スイッチング素子がオンにされることで、上記した第２状態が実現される。また、第２スイッチング回路において、第１スイッチング素子と第４スイッチング素子がオンにされ、第２スイッチング素子と第３スイッチング素子がオフにされることで、上記した第１方向にコンデンサからの電流を流すことができ、第２スイッチング素子と第３スイッチング素子とをオンにし、第１スイッチング素子と第４スイッチング素子をオフにすることで、上記した第２方向にコンデンサからの電流を流すことができる。
開示の技術は、次の特徴を有してもよい。前記プラス線とマイナス線との間であって、前記リアクトルよりも前記直流電源側に配置され、前記直流電源のプラス側端子とマイナス側端子との間の電圧を平滑化する第２平滑化回路をさらに備える。直流電源によっては、第１状態と第２状態とを切り替える際の電流変動、および第１出力線と第２出力線の電流変動により、直流電源の電圧に変動が生じることがある。このような第２平滑化回路を備えることで、直流電源の電圧の変動を抑制することができる。
本パワーコンディショナは、より小型で軽量とすることができる。
図１は、実施形態に係るパワーコンディショナの構成の一例を示す図である。 図２は、制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。 図３は、実施形態に係るパワーコンディショナの第１状態を例示する図である。 図４は、実施形態に係るパワーコンディショナの第２状態を例示する図である。 図５は、実施形態に係るパワーコンディショナの第３状態を例示する図である。 図６は、実施形態に係るパワーコンディショナの第４状態を例示する図である。 図７は、実施形態に係るパワーコンディショナのシミュレーションにおける設定を説明する図である。 図８は、本シミュレーションによるパワーコンディショナの各所における出力波形を例示する図である。 図９は、変形例に係るパワーコンディショナの構成の一例を示す図である。
以下、図面を参照して、実施形態について説明する。
＜実施形態＞
図１は、実施形態に係るパワーコンディショナの構成の一例を示す図である。図１に例示されるパワーコンディショナ１は、直流電源１１からの直流電力を所定周波数の交流電力に変換して出力する。所定周波数は、例えば、商用の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）である。以下、図１を参照して、実施形態に係るパワーコンディショナについて説明する。
パワーコンディショナ１は、昇降圧回路３０とブリッジ回路２０とを備える。昇降圧回路３０は、直流電源１１のプラス側端子に接続するプラス端子１２ｐと、直流電源１１のマイナス側端子に接続するマイナス端子１３ｐとを含む。ブリッジ回路２０は、交流に変換した電力を出力する単相３線式出力端子であるｕ端子１６ｕ、ｏ端子１６ｏ、ｗ端子１６ｗを含む。プラス端子１２ｐ、マイナス端子１３ｐには、それぞれ、プラス線１２、マイナス線１３が接続される。
（ブリッジ回路２０）
ブリッジ回路２０において、プラス線１２とマイナス線１３との間には、第１レグ１４と第２レグ１５が接続される。第１レグ１４は、第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とを直列に接続する。第２レグ１５は、第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４とを直列に接続する。第２レグ１５とプラス線１２との接続箇所は接続点Ｐ５となり、第２レグ１５とマイナス線１３との接続箇所は接続点Ｐ６となる。第２レグ１５は、第１レグ１４よりも直流電源１１側に配置される。
第１レグ１４において、第１スイッチング素子ＳＷ１はプラス線１２側に配置され、第２スイッチング素子ＳＷ２はマイナス線１３側に配置される。第１レグ１４において、第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とは、直列に接続される。第１スイッチング素子ＳＷ１は、「第１スイッチング素子」の一例である。第２スイッチング素子ＳＷ２は、「第２スイッチング素子」の一例である。第１レグ１４は、「第１レグ」の一例である。
第２レグ１５において、第３スイッチング素子ＳＷ３はプラス線１２側に配置され、第
４スイッチング素子ＳＷ４はマイナス線１３側に配置される。第２レグ１５において、第３スイッチング素子ＳＷと第４スイッチング素子ＳＷ４とは、直列に接続される。第３スイッチング素子ＳＷ３は、「第３スイッチング素子」の一例である。第４スイッチング素子は、「第４スイッチング素子」の一例である。第２レグ１５は、「第２レグ」の一例である。
（昇降圧回路３０）
昇降圧回路３０において、コンデンサＣ１は、プラス線１２とマイナス線１３との間であって、第２レグ１５よりも直流電源１１側に配置される。すなわち、コンデンサＣ１は、接続点Ｐ５と直流電源１１のプラス端子との間と、接続点Ｐ６と直流電源１１のマイナス端子との間に配置される。コンデンサＣ１とプラス線１２との接続箇所は接続点Ｐ３となり、コンデンサＣ１とマイナス線１３との接続箇所は接続点Ｐ４となる。コンデンサＣ１は、「コンデンサ」の一例である。接続点Ｐ４は、「第３接続点」の一例である。
リアクトルＬ１は、プラス線１２とマイナス線１３との間であって、コンデンサＣ１よりも直流電源１１側に配置される。すなわち、リアクトルＬ１は、接続点Ｐ３と直流電源１１のプラス端子との間と、接続点Ｐ４と直流電源１１のマイナス端子との間に配置される。リアクトルＬ１とプラス線１２との接続箇所は接続点Ｐ１となり、リアクトルＬ１とマイナス線１３との接続箇所は接続点Ｐ２となる。リアクトルＬ１は、例えば、磁性コアＬ１ａに１コイルを形成した鉄心リアクトルである。リアクトルＬ１は、「リアクトル」の一例である。接続点Ｐ１は、「第１接続点」の一例である。接続点Ｐ２は、「第２接続点」の一例である。
プラス線１２において、直流電源１１とリアクトルＬ１との間には、第５スイッチング素子ＳＷ５が配置される。マイナス線１３において、リアクトルＬ１とコンデンサＣ１との間には、第６スイッチング素子ＳＷ６が配置される。第５スイッチング素子ＳＷ５は、直流電源１１からの電力をリアクトルＬ１に供給する際にオンにされるスイッチング素子である。また、第６スイッチング素子ＳＷ６は、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーをコンデンサＣ１に供給する際にオンにされるスイッチング素子である。
第５スイッチング素子ＳＷ５と第６スイッチング素子ＳＷ６とは、反転動作する。すなわち、第５スイッチング素子ＳＷ５がオンにされてリアクトルＬ１に電力が供給されるときは、第６スイッチング素子ＳＷ６がオフにされてコンデンサＣ１への電力供給が遮断される。また、第６スイッチング素子ＳＷ６がオンにされてリアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーがコンデンサＣ１に供給されるときは、第５スイッチング素子ＳＷ５がオフにされて直流電源１１からのリアクトルＬ１への電力供給が遮断される。
第５スイッチング素子ＳＷ５は、「第５スイッチング素子」の一例である。第６スイッチング素子ＳＷ６は、「第６スイッチング素子」の一例である。第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにしてリアクトルＬ１に電力が供給されるとともに、第６スイッチング素子ＳＷ６をオフにしてコンデンサＣ１への電力供給が遮断される状態は、「第１状態」の一例である。第６スイッチング素子ＳＷ６がオンにされてリアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーがコンデンサＣ１に供給されるとともに、第５スイッチング素子ＳＷ５がオフにされて直流電源１１からのリアクトルＬ１への電力供給が遮断される状態は、「第２状態」の一例である。
第１レグ内配線１４１は、第１レグ１４において第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とを接続する配線である。第２レグ内配線１５１は、第２レグ１５において第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４とを接続する配線である。第１レグ内配線１４１には、ｗ端子１６ｗと接続する第１出力線１７１が接続点Ｐ
７において接続される。第２レグ内配線１５１には、ｕ端子１６ｕと接続する第２出力線１７２が接続点Ｐ８において接続される。第１出力線１７１は、「第１出力線」の一例である。第２出力線１７２は、「第２出力線」の一例である。ｕ端子１６ｕは、「第１出力端子」の一例である。ｗ端子１６ｗは、「第２出力端子」の一例である。
第１出力線１７１と第２出力線１７２との間には、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３とを直列に接続する第３レグ１８が配置される。コンデンサＣ２とコンデンサＣ３の静電容量は同容量である。第３レグ１８と第１出力線１７１との接続箇所は接続点Ｐ９であり、第３レグ１８と第２出力線１７２との接続箇所は接続点Ｐ１０である。第３レグ１８において、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３とを接続する第３レグ内配線１８１には、ｏ端子１６ｏと接続する第３出力線１７３が接続点Ｐ１１において接続される。第３レグ１８は、「平滑化回路」の一例である。昇降圧回路３０は、「第１スイッチング回路」の一例である。ブリッジ回路２０は、「第２スイッチング回路」の一例である。
制御部１００は、制御信号ＳＧ１−ＳＧ６を供給することで、各スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ６のオンオフを制御する。制御信号ＳＧ１は第１スイッチング素子ＳＷ１のオンオフを切り替える信号である。制御信号ＳＧ２は第２スイッチング素子ＳＷ２のオンオフを切り替える信号である。制御信号ＳＧ３は第３スイッチング素子ＳＷ３のオンオフを切り替える信号である。制御信号ＳＧ４は第４スイッチング素子ＳＷ４のオンオフを切り替える信号である。制御信号ＳＧ５は第５スイッチング素子ＳＷ５のオンオフを切り替える信号である。制御信号ＳＧ６は第６スイッチング素子ＳＷ６のオンオフを切り替える信号である。
図２は、制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。制御部１００は、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ（ＣＰＵ）１０１、主記憶部１０２、補助記憶部１０３、通信部１０４および接続バスＢ１を含む。ＣＰＵ１０１、主記憶部１０２、補助記憶部１０３および通信部１０４は、接続バスＢ１によって相互に接続されている。
ＣＰＵ１０１は、単一のプロセッサに限定される訳ではなく、マルチプロセッサ構成であってもよい。ＣＰＵ１０１は、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ（ＳｏＣ）、システムＬＳＩ、チップセット等に例示される、プロセッサと集積回路との組み合わせであっても良い。
主記憶部１０２および補助記憶部１０３は、制御部１００が読み取り可能な記録媒体である。主記憶部１０２は、ＣＰＵ１０１から直接アクセスされる記憶部として例示される。主記憶部１０２は、Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＡＭ）およびＲｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＯＭ）を含む。
補助記憶部１０３は、例えば、Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ソリッドステートドライブ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ、ＳＳＤ）、ハードディスクドライブ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ、ＨＤＤ）等によって例示される不揮発性の記憶部である。補助記憶部１０３は、各スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ６を制御するプログラムＡを記憶する。
制御部１００では、ＣＰＵ１０１が補助記憶部１０３に記憶されたプログラムＡを主記憶部１０２の作業領域に展開し、プログラムの実行を通じて各スイッチング素子ＳＷ１−ＳＷ６の制御を行う。
図３から図６は、実施形態に係るパワーコンディショナの動作の一例を説明する図である。図３から図６において、太い矢印は電流の流れる向きを例示する。以下、図３から図
６を参照して、実施形態に係るパワーコンディショナ１の動作を説明する。
図３は、実施形態に係るパワーコンディショナの第１状態を例示する図である。第１状態では、制御部１００は、昇降圧回路３０において、直流電源１１からの直流電流をリアクトルＬ１へと供給させる。制御部１００は、制御信号ＳＧ５によって第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにするとともに、制御信号ＳＧ６によって第６スイッチング素子ＳＷ６をオフにした第１状態とする。第１状態では、直流電源１１から供給される直流電流は、直流電源１１のプラス端子から第５スイッチング素子ＳＷ５およびリアクトルＬ１を経て直流電源１１のマイナス端子へと流れることで、リアクトルＬ１にエネルギーが蓄積されるとともに、コンデンサＣ１への直流電流の供給は遮断される。
図４は、実施形態に係るパワーコンディショナの第２状態を例示する図である。第２状態では、制御部１００は、昇降圧回路３０において、直流電源１１からの直流電流のリアクトルＬ１への供給を遮断する。さらに、制御部１００は、昇降圧回路３０において、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーを放出させることで、コンデンサＣ１を充電する。すなわち、制御部１００は、制御信号ＳＧ５によって第５スイッチング素子ＳＷ５をオフにするとともに、制御信号ＳＧ６によって第６スイッチング素子ＳＷ６をオンにして第２状態とする。第２状態では、直流電源１１から供給される直流電流は遮断され、第１状態においてリアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーが電流として放出されてコンデンサＣ１を充電する。直流電源１１の電圧とコンデンサＣ１に充電される電圧との間には、例えば、以下の（式２）の関係が成り立つ。
Figure 2020145819
（式２）において、Ｖ１は直流電源１１の電圧であり、Ｖ２はコンデンサＣ１の電圧であり、Ｄｏｎは第５スイッチング素子ＳＷ５のオンデューティーである。コンデンサＣ１に充電される電流を全波正弦波とするには、例えば、Ｄｏｎを以下の（式３）で決定すればよい。
Figure 2020145819
（式３）において、ωは角周波数（２πｆ）であり、ｆは所定周波数（たとえば、５０Ｈｚや６０Ｈｚ）であり、ｔは時間である。すなわち、制御部１００は、第５スイッチング素子ＳＷ５のオンデューティーがＤｏｎとなるように、第５スイッチング素子ＳＷ５および第６スイッチング素子ＳＷ６を制御する。パワーコンディショナ１では、Ｄｏｎが０．５よりも大きい場合に昇圧、０．５より小さい場合に降圧となる。昇降圧回路３０は、「第１スイッチング回路」の一例である。Ｄｏｎの逆数は、「第１周波数」の一例である。
図５は、実施形態に係るパワーコンディショナの第３状態を例示する図である。第３状態では、制御部１００は、ブリッジ回路２０において、コンデンサＣ１からの電流をｕ端子１６ｕからｗ端子１６ｗへ向かう方向に流れるように、各スイッチング素子を制御する。制御部１００は、制御信号ＳＧ２によって第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにし、制御信号ＳＧ３によって第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにするとともに、制御信号ＳＧ１によって第１スイッチング素子ＳＷ１をオンにし、制御信号ＳＧ４によって第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにして第３状態とする。このような第３状態では、第２状態にお
いて充電されたコンデンサＣ１が放電する。コンデンサＣ１の放電による電流は、第４スイッチング素子ＳＷ４、ｕ端子１６ｕ、ｗ端子１６ｗを経てコンデンサＣ１へ電流が流れる。ｕ端子１６ｕからｗ端子１６ｗへと電流が流れる方向は「第１方向」の一例である。
図６は、実施形態に係るパワーコンディショナの第４状態を例示する図である。第４状態では、制御部１００は、ブリッジ回路２０において、コンデンサＣ１からの電流をｗ端子１６ｗからｕ端子１６ｕへ向かう方向に流れるように、各スイッチング素子を制御する。制御部１００は、制御信号ＳＧ１によって第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにし、制御信号ＳＧ４によって第４スイッチング素子ＳＷ４をオフにするとともに、制御信号ＳＧ２によって第２スイッチング素子ＳＷ２をオンにし、制御信号ＳＧ３によって第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにして第４状態とする。このような第４状態では、第２状態において充電されたコンデンサＣ１が放電する。コンデンサＣ１から放電された電流は、第２スイッチング素子ＳＷ２、ｗ端子１６ｗ、ｕ端子１６ｕ、第３スイッチング素子ＳＷ３を経由してコンデンサＣ１へ電流が流れる。ｗ端子１６ｗからｕ端子１６ｕへと電流が流れる方向は「第２方向」の一例である。
制御部１００は、第３状態および第４状態を、所定周波数ｆ（パワーコンディショナ１が出力する交流電力の周波数）でスイッチングする。図５と図６とを参照すると理解できるように、第３状態と第４状態とではパワーコンディショナ１が出力する電流の向きが逆となる。そのため、制御部１００が周波数ｆで第３状態と第４状態とをスイッチングすることで、パワーコンディショナ１は所定周波数ｆの交流電力を出力することができる。ブリッジ回路２０は、「第２スイッチング回路」の一例である。所定周波数ｆは、「第２周波数」の一例である。
＜パワーコンディショナ１のシミュレーション＞
本実施形態に係るパワーコンディショナ１についてシミュレーションによる検証を行ったので、以下に説明する。図７は、実施形態に係るパワーコンディショナのシミュレーションにおける設定を説明する図である。図７に例示するように、本シミュレーションでは、直流電源１１の電圧を１００Ｖ、リアクトルＬ１のインダクタンスを１００μＨ、コンデンサＣ１の静電容量を３３μＦと設定し、交流電力の出力先として抵抗値１０．２Ωの抵抗器Ｒ１を設けた。
本シミュレーションにおいて、制御部１００は、第１状態と第２状態とを周波数２００ｋＨｚで切り替える。すなわち、制御部１００は、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにして第６スイッチング素子ＳＷ６をオフにする第１状態と、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフにして第６スイッチング素子ＳＷ６をオンにする第２状態とを周波数２００ｋＨｚで切り替える。
また、本シミュレーションにおいて、制御部１００は、第３状態と第４状態とを周波数５０Ｈｚで切り替える。すなわち、制御部１００は、第２スイッチング素子ＳＷ２および第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにするとともに、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにした第３状態と、第１スイッチング素子ＳＷ１および第４スイッチング素子ＳＷ４をオフにするとともに、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにした第４状態とを５０Ｈｚで切り替える。
図８は、本シミュレーションによるパワーコンディショナの各所における出力波形を例示する図である。図８（Ａ）はコンデンサＣ１の電圧を例示し、図８（Ｂ）はパワーコンディショナ１の出力電圧を例示し、図８（Ｃ）はパワーコンディショナ１の出力電流を例示する。図８（Ａ）、（Ｂ）の縦軸は電圧値を例示し、図８（Ｃ）の縦軸は電流値を例示する図８の各図の横軸は時間を例示する。
図８（Ａ）を参照すると、制御部１００が第１状態と第２状態とを２００ｋＨｚで切り替えることで、コンデンサＣ１によってリアクトルＬ１のリプル電流が除去されて滑らかな全波正弦波が生成されることが理解できる。また、制御部１００が５０Ｈｚで第３状態と第４状態とを切り替えることで、周波数５０Ｈｚ、実効電圧２０２Ｖｒｍｓ、電力４ｋＷの交流電力を出力できていることが理解できる。
＜実施形態の作用効果＞
実施形態に係るパワーコンディショナ１では、昇降圧回路３０において、第５スイッチング素子ＳＷ５をオンにして第６スイッチング素子ＳＷ６をオフにする第１状態と、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフにして第６スイッチング素子ＳＷ６オンにする第２状態とを交互に上記（式３）にしたがったデューティーで切り替える（スイッチングする）ことでコンデンサＣ１において全波正弦波を生成する。
ブリッジ回路２０において、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４とをオンにするとともに第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３とをオフにする第３状態において、コンデンサＣ１の放電による電流を、コンデンサＣ１から、ｕ端子１６ｕ、ｏ端子１６ｏ、ｗ端子１６ｗを経てコンデンサＣ１に戻る第１方向に流すことができる。また、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３とをオンにするとともに第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４とをオフにする第４状態において、コンデンサＣ１の放電による電流を、コンデンサＣ１から、ｗ端子１６ｗ、ｏ端子１６ｏ、ｕ端子１６ｕを経てコンデンサＣ１に戻る第２方向に流すことができる。パワーコンディショナ１は、コンデンサＣ１の放電による電流を流す方向を第１方向と第２方向とで所定周波数ｆで切り替えることで、所定周波数の交流電流を出力できる。
実施形態によれば、リアクトルを複数備えないパワーコンディショナ１によって、直流電源１１から供給される直流電流を交流電流に変換できる。すなわち、実施形態に係るパワーコンディショナ１は、リアクトルＬ１以外のリアクトルを備えなくとも、入力された直流電力を交流電力に変換して出力することができる。そのため、実施形態に係るパワーコンディショナ１は、複数のリアクトルを備えるパワーコンディショナよりも、小型化、軽量化、低コスト化において有利である。
＜変形例＞
直流電源によっては、第１状態と第２状態とを切り替える際の電流変動、および第１出力線と第２出力線の電流変動により、直流電源の電圧に変動が生じることがある。このような変動が生じる電源の一例として、太陽電池を挙げることができる。変形例では、このような電流変動の直流電源の電圧への影響を抑制する構成について説明する。
図９は、変形例に係るパワーコンディショナの構成の一例を示す図である。図９に例示されるパワーコンディショナ１ａは、プラス線１２とマイナス線１３との間であって、第５スイッチング素子ＳＷ５よりも直流電源１１側に設けられ、直流電源１１のプラス側端子とマイナス側端子との間の電圧を平滑化する平滑コンデンサＣ１ａを含む。平滑コンデンサＣ１ａがこのように設けられることで、第１状態と第２状態とを切り替える際の電流変動、および第１出力線と第２出力線の電流変動による、直流電源１１の電圧の変動が抑制される。平滑コンデンサＣ１ａは、「第２平滑化回路」の一例である。
以上で開示した実施形態や変形例は、開示の技術の技術的思想を逸脱しない範囲において、適宜変形可能である。例えば、第６スイッチング素子ＳＷ６は、直流電源１１から第１スイッチング素子ＳＷ１を経てコンデンサＣ１へと流れる方向の電流を規制できれば良
いため、このような方向の電流を規制するように設けるダイオードとしてもよい。
＜付記＞
直流電源（１１）からの直流電流を交流電流に変換して出力端子（１６ｗ、１６ｕ、１６ｏ）から出力するパワーコンディショナ（１）であって、
リアクトル（Ｌ１）と
コンデンサ（Ｃ１）と、
前記直流電源（１１）から供給される直流電流を前記リアクトル（Ｌ１）に供給するとともに前記コンデンサ（Ｃ１）への供給を遮断する第１状態と、前記直流電流の供給によってエネルギーが蓄えられた前記リアクトル（Ｌ１）から前記コンデンサ（Ｃ１）への電流を供給させるとともに前記直流電源（１１）から前記リアクトル（Ｌ１）への電流を遮断する第２状態とを第１周波数で交互に切り替える第１スイッチング回路（３０）と、
前記コンデンサ（Ｃ１）から供給される電流を、第１出力端子（１６ｕ）を経て第２出力端子（１６ｗ）へと向かう第１方向と前記第２出力端子（１６ｗ）を経て前記第１出力端子（１６ｕ）へ向かう第２方向とを第２周波数で交互に切り替える第２スイッチング回路（２０）と、を備えることを特徴とする、
パワーコンディショナ（１）。
１・・・パワーコンディショナ
１１・・・直流電源
１２・・・プラス線
１３・・・マイナス線
１４・・・第１レグ
１４１・・・第１レグ内配線
１５・・・第２レグ
１５１・・・第２レグ内配線
１６ｕ・・・ｕ端子
１６ｏ・・・ｏ端子
１６ｗ・・・ｗ端子
１７１・・・第１出力線
１７２・・・第２出力線
１７３・・・第３出力線
１８・・・第３レグ
１８１・・・第３レグ内配線
１００・制御部
１０１・・・ＣＰＵ
１０２・・・主記憶部
１０３・・・補助記憶部
Ａ・・・プログラム
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・コンデンサ
Ｌ１・・・リアクトル
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６・・・スイッチング素子

Claims (5)

  1. 直流電源からの直流電流を交流電流に変換して出力端子から出力するパワーコンディショナであって、
    リアクトルと
    コンデンサと、
    前記直流電源から供給される直流電流を前記リアクトルに供給するとともに前記コンデンサへの供給を遮断する第１状態と、前記直流電流の供給によってエネルギーが蓄えられた前記リアクトルから前記コンデンサに電流を供給させるとともに前記直流電源から前記リアクトルへの電流を遮断する第２状態とを第１周波数で交互に切り替える第１スイッチング回路と、
    前記コンデンサから供給される電流を、第１出力端子を経て第２出力端子へと向かう第１方向と前記第２出力端子を経て前記第１出力端子へ向かう第２方向とを第２周波数で交互に切り替える第２スイッチング回路と、を備えることを特徴とする、
    パワーコンディショナ。
  2. 前記第１周波数で切り替えられる前記第１状態のデューティーＤｏｎは、直流電源の電圧をＶ１、コンデンサの電圧をＶ２、前記第２周波数をｆとすると、以下の式１によって決定される、
    Figure 2020145819
    請求項１に記載のパワーコンディショナ。
  3. 前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路による切り替えを制御する制御部をさらに備えることを特徴とする、
    請求項１または２に記載のパワーコンディショナ。
  4. 前記第２スイッチング回路は、
    前記直流電源のプラス側端子、マイナス側端子とそれぞれ接続されるプラス線、マイナス線と、
    前記プラス線と前記マイナス線との間に配置され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを直列に接続した第１レグと、
    前記プラス線と前記マイナス線との間であって前記第１レグよりも前記直流電源側に配置され、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子とを直列に接続した第２レグと、
    前記第１レグの前記２個のスイッチング素子間を接続する第１レグ内配線に一端が接続された第１出力線と、
    前記第２レグの前記２個のスイッチング素子間を接続する第２レグ内配線に一端が接続された第２出力線と、
    前記第１出力線と前記第２出力線との間に配置され、前記第１出力線と前記第２出力線との間の電圧を平滑化する平滑化回路と、を含み、
    前記第１スイッチング回路は、
    前記プラス線と前記マイナス線との間であって、前記第２レグよりも前記直流電源側に配置されたコンデンサと、
    前記プラス線とマイナス線との間であって、前記コンデンサよりも前記直流電源側に配置されたリアクトルと、
    前記プラス線において、前記プラス線と前記リアクトルとを接続する第１接続点と、前記直流電源との間に配置された第５スイッチング素子と、
    前記マイナス線において、前記マイナス線と前記リアクトルを接続する第２接続点と前記マイナス線と前記コンデンサとを接続する第３接続点との間に配置された第６スイッチング素子と、を含む、
    請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーコンディショナ。
  5. 前記プラス線とマイナス線との間であって、前記リアクトルよりも前記直流電源側に配置され、前記直流電源のプラス側端子とマイナス側端子との間の電圧を平滑化する第２平滑化回路をさらに備える、
    請求項４に記載のパワーコンディショナ。
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