JP2023170090A - 直流開閉器および接続箱 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることができる直流開閉器および接続箱を提供する。【解決手段】直流開閉器２’は、太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の直流電路を開閉する直流開閉部と、太陽電池モジュールへの逆流を防止する逆流防止部と、を備える。直流開閉部と逆流防止部は一体的に構成されている。【選択図】図２

Description

本開示は、直流開閉器および接続箱に関する。

太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールからの電力が接続箱で集電されて、パワーコンディショナへ送られる。ここで使用される接続箱には、発電電力を１つに集約する集電回路に加えて、太陽電池モジュールをパワーコンディショナ等の回路から切り離すための直流開閉器、太陽電池に電流が逆流するのを防止する逆流防止ダイオード等が組み込まれている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１４－２３９１１０号公報

ところで、特許文献１の太陽光発電システムでは、直流開閉器と逆流防止ダイオードとが別個に設けられていることから、装置の小型化の余地があった。

本開示は、小型化を図ることができる直流開閉器および接続箱を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の直流開閉器は、
太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の直流電路を開閉する直流開閉部と、
前記太陽電池モジュールへの逆流を防止する逆流防止部と、
を備え、
前記直流開閉部と前記逆流防止部は一体的に構成されていることを特徴とする。

上記目的を達成するために、本開示の接続箱は、前記直流開閉器を備える。

本開示によれば、直流開閉器の小型化を図ることが可能な直流開閉器および接続箱を提供することができる。

従来の接続箱の内部構成図である。 本開示の実施形態に係る接続箱の内部構成図である。 本開示の第一実施形態に係る接続箱の回路図である。 本開示の第二実施形態に係る接続箱の回路図である。 本開示の第三実施形態に係る接続箱の回路図である。

以下、本開示に係る直流開閉器および接続箱の実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る接続箱の内部構成を説明するために、比較対象として、従来の接続箱の内部構成図を図１に示す。
図１に示すように、接続箱１は、直流開閉器２と、逆流防止部３と、出力端子台４と、放熱板５と、筐体６と、を備える。逆流防止部３は、逆流防止ダイオード３Ｄを有する。

直流開閉器２は、太陽電池モジュールとパワーコンディショナ（ＰＣＳ）間の直流電路を開閉する。逆流防止ダイオード３Ｄは、誤接続等の場合に生じる電流の逆流を防止する。放熱板５は、逆流防止ダイオード３Ｄで発生する熱を直流開閉器２の外部に放熱する。出力端子台４は、直流開閉器２からの電力を集約するとともに、集約した電力をパワーコンディショナへ出力する。筐体６は、直流開閉器２と逆流防止ダイオード３Ｄと出力端子台４を収納する。

逆流防止ダイオード３Ｄは、順電力損失等の定常損失が大きい場合、発熱量が大きくなり、周囲温度を大幅に上昇させる。そのため、直流開閉器２等の周辺部品の温度も大幅に上昇し、周辺部品の故障の原因となりえる。定常損失が大きいダイオードとして、例えば、Ｓｉ製ダイオードがあげられる。

従来の接続箱１では、逆流防止ダイオード３Ｄの背面に放熱板５を接触させて逆流防止ダイオード３Ｄの放熱効率を向上させていた。さらに、筐体６内で逆流防止ダイオード３Ｄと直流開閉器２を互いに離れた位置に配置していた。そのため、筐体６のサイズが大きくなり、接続箱１の小型化を図るのが困難という課題があった。

図２は、本開示の実施形態に係る接続箱の内部構成図である。
図２に示すように、接続箱１は、直流開閉器２’と、出力端子台４と、放熱板５と、筐体６と、を備える。なお、図２の例示では、６個の直流開閉器２’が接続されている構成を示しているが、直流開閉器２’の個数はこれに限定されない。

直流開閉器２’は、定常損失が小さい逆流防止用の半導体素子と、一体的に構成されている（例えば、同一基板上に実装されている）。定常損失が小さい逆流防止用の半導体素子として、例えば、ＳｉＣ製やＧａＮ製のダイオードや、ＳｉＣ製やＧａＮ製のトランジスタがあげられる。定常損失が小さい逆流防止用の半導体素子は、発熱量が小さく、周囲温度Ｔｊの大幅な上昇を抑制できる。

具体的には、逆流防止用の半導体素子の定常損失である順方向損失Ｐｆと周囲温度Ｔｊの上昇温度ΔＴｊは、以下の数式で表される。
（数１）
Ｐｆ＝Ｉｆ×Ｖｆ
（数２）
ΔＴｊ＝Ｒｔｈ×Ｐｆ
ここで、Ｉｆは順方向電流を、Ｖｆは順方向電圧を、Ｒｔｈは熱抵抗を表す。上記数式より、定常損失が小さい逆流防止用の半導体素子は、順方向損失Ｐｆが小さいため、周囲温度Ｔｊの上昇温度ΔＴｊも小さくなることが分かる。

したがって、逆流防止用の半導体素子が直流開閉器２’と一体的に構成されていても、直流開閉器２’の温度上昇を抑制し、発熱による直流開閉器２’の故障リスクを低減できる。

筐体６は、図１に示す従来の接続箱の筐体６と比較して、逆流防止ダイオードと直流開閉器２’が一体的に構成されているため、サイズが小さくなっている。したがって、直流開閉器２’の小型化を図ることができる。

出力端子台４と放熱板５の構成は、図１に示す従来の接続箱の出力端子台４と放熱板５の構成と同様のため説明を省略する。

図３は、本開示の第一実施形態に係る接続箱の回路図である。
図３に示すように、接続箱１は、複数の太陽電池モジュール２０から構成される複数の太陽電池ユニット２０Ｕと、パワーコンディショナ３０の間に配置され、太陽電池ユニット２０Ｕの数に対応した直流開閉器２’Ａ～２’Ｎを備える。
直流開閉器２’Ａ～２’Ｎは、それぞれ、対応する太陽電池ユニット２０Ｕとパワーコンディショナ３０間の直流電路を開閉する。直流開閉器２’Ａ～２’Ｎは、それぞれ、直流開閉部ＳＷＡ～ＳＷＮと、逆流防止部３Ａ～３Ｎを有する。直流開閉部ＳＷＡ～ＳＷＮは、それぞれ、正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎと、負極開閉スイッチＳＷ２Ａ～ＳＷ２Ｎを有する。逆流防止部３Ａ～３Ｎは、それぞれ、逆流防止ダイオード３ＤＡ～３ＤＮを有する。

正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎは、太陽電池ユニット２０Ｕの正極側の直流電路を開閉するスイッチであり、負極開閉スイッチＳＷ２Ａ～ＳＷ２Ｎは、太陽電池ユニット２０Ｕの負極側の直流電路を開閉するスイッチである。正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎと負極開閉スイッチＳＷ２Ａ～ＳＷ２ＮがＯＮされることで、複数の太陽電池モジュール２０からパワーコンディショナ３０に電力供給が行われる。このとき、逆流防止ダイオード３ＤＡ～３ＤＮにおいて、パワーコンディショナ３０から太陽電池ユニット２０Ｕの負極側への方向はダイオードの順方向であるため電流が流れるが、太陽電池ユニット２０Ｕの負極側からパワーコンディショナ３０への方向はダイオードの逆方向であるため電流がほとんど流れない。したがって、逆流防止ダイオード３ＤＡ～３ＤＮは太陽電池ユニット２０Ｕの負極側からパワーコンディショナ３０へ電流が逆流するのを防止する。

図４は、本開示の第二実施形態に係る接続箱の回路図である。
図４に示すように、直流開閉器２’Ａ～２’Ｎは、それぞれ、直流開閉部ＳＷＡ～ＳＷＮと、逆流防止部４Ａ～４Ｎを有する。直流開閉部ＳＷＡ～ＳＷＮは、それぞれ、正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎと、負極開閉スイッチＳＷ２Ａ～ＳＷ２Ｎを有する。逆流防止部４Ａ～４Ｎは、それぞれ、逆流防止トランジスタ４ＴＡ～４ＴＮを有する。図４に示す例示では、逆流防止トランジスタ４ＴＡ～４ＴＮは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴであり、逆流防止ダイオードとしての機能を有する。

正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎは、太陽電池ユニット２０Ｕの正極側の直流電路を開閉するスイッチであり、負極開閉スイッチＳＷ２Ａ～ＳＷ２Ｎは、太陽電池ユニット２０Ｕの負極側の直流電路を開閉するスイッチである。正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎと負極開閉スイッチＳＷ２Ａ～ＳＷ２ＮがＯＮされることで、複数の太陽電池モジュール２０からパワーコンディショナ３０に電力供給が行われる。このとき、逆流防止トランジスタ４ＴＡ～４ＴＮにおいて、ソースＳ－ドレインＤ間がＰＮ接合であることから、パワーコンディショナ３０から太陽電池ユニット２０Ｕの負極側への方向に電流が流れる。しかし、ゲートＧがグランドに接地していることからゲートＧ電圧がかかっておらず、逆流防止トランジスタ４ＴＡ～４ＴＮがＯＮされていないため、太陽電池ユニット２０Ｕの負極側からパワーコンディショナ３０への方向に電流がほとんど流れない。したがって、逆流防止トランジスタ４ＴＡ～４ＴＮは太陽電池ユニット２０Ｕの負極側からパワーコンディショナ３０へ電流が逆流するのを防止する。

図５は、本開示の第三実施形態に係る接続箱の回路図である。
図５に示すように、直流開閉器２’Ａ～２’Ｎは、それぞれ、直流開閉部ＳＷＡ～ＳＷＮと、逆流防止部４Ａ～４Ｎを有する。直流開閉部ＳＷＡ～ＳＷＮは、それぞれ、正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎと、負極開閉アークレススイッチＳＷ’２Ａ～ＳＷ’２Ｎを有する。逆流防止部４Ａ～４Ｎは、それぞれ、逆流防止トランジスタ４ＴＡ～４ＴＮを有する。

正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎと逆流防止部の構成は、図４に示す本開示の第二実施形態に係る接続箱の正極開閉スイッチＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎと逆流防止部の構成と同様のため、説明を省略する。

負極開閉アークレススイッチＳＷ’２Ａ～ＳＷ’２Ｎは、それぞれ、スイッチがＯＮからＯＦＦに移行する途中の接点解離状態で所定の電流が流れるようにすることで、接点間の電位差によるアークの発生を防止する。

したがって、負極開閉アークレススイッチＳＷ’２Ａ～ＳＷ’２Ｎは接点開放時のアークによる発火や発熱を抑止し、スイッチの接点の長寿命化を図ることができる。

以上、本実施形態について説明をしたが、本実施形態に係る技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本実施形態に係る技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

１：接続箱
２、２’、２’Ａ～２’Ｎ：直流開閉器
３：逆流防止部
３Ｄ、３ＤＡ～３ＤＮ：逆流防止ダイオード
４：出力端子台
５：放熱板
６：筐体
２０：太陽電池モジュール
２０Ｕ：太陽電池ユニット
３０：パワーコンディショナ
ＳＷＡ～ＳＷＮ：直流開閉部
ＳＷ１Ａ～ＳＷ１Ｎ：正極開閉スイッチ
ＳＷ２Ａ～ＳＷ２Ｎ：負極開閉スイッチ
３ＤＡ～３ＤＮ：逆流防止ダイオード
４ＴＡ～４ＴＮ：逆流防止トランジスタ
ＳＷ’２Ａ～ＳＷ’２Ｎ：負極開閉アークレススイッチ

Claims (8)

1. 太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の直流電路を開閉する直流開閉部と、
   前記太陽電池モジュールへの逆流を防止する逆流防止部と、
   を備え、
   前記直流開閉部と前記逆流防止部は一体的に構成されていることを特徴とする、直流開閉器。
2. 前記逆流防止部は、定常損失が小さい半導体素子から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の直流開閉器。
3. 前記定常損失は、所定値以下であることを特徴とする、請求項２に記載の直流開閉器。
4. 前記半導体素子は、ダイオードから構成されることを特徴とする、請求項２に記載の直流開閉器。
5. 前記半導体素子は、トランジスタから構成されることを特徴とする、請求項２に記載の直流開閉器。
6. 前記半導体素子は、ＳｉＣまたはＧａＮを含むことを特徴とする、請求項２に記載の直流開閉器。
7. 前記直流開閉部は、接点開放時にアークレスであることを特徴とする、請求項１に記載の直流開閉器。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の直流開閉器を備える接続箱。
   

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