JP3971316B2

JP3971316B2 - Instantaneous large power supply device

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Publication number: JP3971316B2
Application number: JP2003024182A
Authority: JP
Inventors: 良孝菅原
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP2004236469A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短時間であれば、定格を超える大電力が供給可能な瞬時大電力供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータや精密モータを搭載した精密電子機器などのように、電源電圧の変動に敏感なエレクトロニクス機器が多用されてきている。このため、電源電圧が数秒以下の短時間大幅に低下する現象である瞬時電圧低下（以下、「瞬低」と略記する）に対する対策の要求が高まってきている。瞬時電圧低下対策の装置としては電圧の低下時のみに短時間大電力を供給できる電力安定供給装置があり、これの需要が増大しつつある。また従来から用いられている負荷平準化装置、ピークカット装置、周波数変動抑制装置、電圧安定化装置、フリッカー対策装置などの各種の電力安定供給装置に対しても、瞬時電圧低下対策のために短時間ではあるが大電力を供給する能力（以下、「瞬時大電力供給能力」という）を付加することが求められている。さらに、電熱装置や、多数の大型電球を用いた照明装置などでも瞬時大電力供給能力が要求される。すなわち電熱装置や照明装置の運転開始時にはコイルヒータの温度が低いので、定常運転動作時に比べて抵抗が低い。そのため大電流が流れその電力変換装置には瞬時大電力供給能力が要求される。
【０００３】
また金属熱処理用の誘導加熱装置などでは金属部品などを高精度の温度制御の下で迅速に熱処理するために、運転開始時に低温状態にある加熱炉を急速に所定の高い温度にしたり急速に所定の低い温度にすることが必要となる。このため定常運転状態で高温を維持する場合に比べて、運転開始時には大きな電力が必要となる。このような短時間ではあるが大電力を供給する必要がある場合の電力を「瞬時大電力」といい、瞬時大電力を供給するための装置を「瞬時大電力供給装置」という。モータなども運転開始時には静止状態から回転を始めるため大電力を必要とし、モータ用の電力変換装置には瞬時大電力供給能力が要求される。電気自動車などでは、発進時やタイヤがぬかるみに入り込んだ際に脱出する場合などには、短時間ではあるが通常の走行時よりも大きな電力でモータを駆動する必要がある。このように瞬時大電力を必要とする負荷装置は多種多様である。以下に、従来の瞬時大電力供給装置である電力安定供給装置を例に挙げ従来の技術について説明する。上記負荷平準化装置、ピークカット装置などの電力安定供給装置、電熱装置、照明装置、モータ装置などの負荷が定常状態で動作している時を以下「通常時」という。
【０００４】
図１０は二次電池１０８としてレドックスフロー電池を用いた従来の電力安定供給装置１０１を有する電力供給系統のブロック図である。図において、変電所１３０の電力系統１００に変圧器１２０を介して系統母線１０２が連結されている。電力安定供給装置１０１はこの系統母線１０２に開閉器１０３を介して連系されている。系統母線１０２には、例えば重要負荷１０４及び１０５がそれぞれの開閉器１１４、１１５を経て接続されている。重要負荷１０４、１０５は、例えば半導体製造工場、精密機械加工工場など、特に安定な電力供給が必要な大口需要家の重要な設備である。系統母線１０２には開閉器１０９、１１１を介して一般負荷１１０も接続されている。電力安定供給装置１０１は、主に連系リアクトルを兼ねる変圧器１０６、交流電力を直流電力に変換し、又はその逆の変換をするコンバータ１０７及び大容量の二次電池１０８（レドックスフロー電池）を備えている。この電力安定供給装置１０１は、通常時はピークカット装置や負荷平準化装置として機能するが、雷事故の発生などによる瞬低時には重要負荷１０４、１０５の稼働停止などを防止するための瞬時電圧低下防止対策装置としても働く。
【０００５】
以下、電力安定供給装置１０１の機能を詳細に説明する。変電所１３０と、重要負荷１０４、１０５及び一般負荷１１０とを結ぶ電力供給系統の電力の需給が均衡を保っている状態である「定常時」には、系統母線１０２から開閉器１０３及び変圧器１０６を経て交流電力が電力安定供給装置１０１に供給される。交流電力はコンバータ１０７で直流電力に変換されて二次電池１０８に蓄電される。重要負荷１０４又は１０５の消費電力が大幅に増加して、一時的に負荷１０４、１０５に供給される電力が変電所１３０の容量を超過する場合には、電圧検出器１０を有する検出回路８により、その状態が検出される。検出回路８の検出出力は制御回路９に与えられる。制御回路９はコンバータ１０７を制御して、二次電池１０８の放電による直流電力をコンバータ１０７で交流電力に変換し、上記の超過する分の有効電力を系統母線１０２に供給して需給を安定化させる。変電所１３０から系統母線１０２へ供給されるべき超過分の電力を電力安定供給装置１０１が代りに供給して、系統母線１０２の供給電力のピークをカットできるのでこの機能を「ピークカット」と呼んでいる。
【０００６】
電力安定供給装置１０１の二次電池１０８の容量を大きくし長時間供給できる電力を蓄電できるようにすると負荷平準化装置として使用できる。すなわち、夜間の低需要時間帯に一定時間（典型的には約８時間）定電力で二次電池１０８に蓄電し、昼間の高需要時間帯には一定時間（典型的には約８時間）定電力で二次電池１０８から電力を供給する。これにより、高需要時間帯には変電所１３０の供給可能電力以上の電力を供給できる。この用途の電力安定供給装置は、昼と夜の電力需要の大きなギャップを平準化するので「負荷平準化装置」と呼ばれている。
【０００７】
電力系統１００に雷が到来して系統の電圧に瞬低が生じた場合には、電圧検出器１０が瞬低を検出する。瞬低による重要負荷１０４、１０５の稼働停止などを防ぐために、直ちに瞬低前の系統電圧に復帰させる必要がある。そのために、電力安定供給装置１０１は、制御回路９によりコンバータ１０７を制御して、二次電池１０８から重要負荷１０４、１０５にコンバータ１０７及び系統母線１０２を経由して無効電力や有効電力を供給して電力の安定供給を維持する。二次電池１０８からの供給電力が不十分なときは開閉器１０９を開き重要度の低い一般負荷１１０を切り離し、少なくとも重要負荷１０４、１０５だけには所望の電力を供給して重要負荷１０４、１０５の稼働停止を防ぐようにしている。瞬低が回復すると直ちにコンバータ１０７は通常時の動作状態に戻り、変電所１３０から電力を供給する。
【０００８】
従来の電力安定供給装置においては、ピークカット時や負荷平準化時には、例えばそれぞれ前者では５００ｋＷ、後者では２ＭＷ程度の電力を比較的長時間（例えば、前者では約１時間、後者は約８時間）供給することが必要とされる。ピークカットや負荷平準化の動作時に雷が到来して瞬低が発生した時には、低下した電圧の復帰のために比較的短時間（例えば、２秒間）ではあるが１ＭＷから数ＭＷの電力を追加供給する必要がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−８４６８３号公報
【特許文献２】
特開平１１−３２４３８号公報
【特許文献３】
国際公開番号ＷＯ９８／４３３０１
【特許文献４】
国際公開番号ＷＯ００／２２６７９
【特許文献５】
特開２０００−２５２４７５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
電熱装置、電球を用いた照明装置、モータなどの起動時に瞬時大電力を必要とする負荷が接続されている配電線は通常瞬時大電力供給能力を有している。自動車用のヒータや電球、モータに電力を供給する二次電池や電気自動車用の燃料電池なども瞬時大電力供給能力を有している。また、電力安定供給に用いるレドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池、鉛電池などの二次電池は、数秒から数分の短時間であれば定格よりはるかに大きな電流を供給できる「瞬時大電流供給能力」を有している。すなわち数秒から数分間であれば通常時に供給できる定格電流の数倍程度の電流を供給できる。瞬時大電力を必要とするときにこの能力を活用すれば、二次電池の定格容量を瞬時大電力に相当する容量にまで増大しなくても瞬時大電力を供給できる。しかし、前記従来の電力安定供給装置の電力変換装置であるコンバータ１０７のスイッチング素子として用いられているシリコン（Ｓｉ）の半導体素子は、定格の数倍を超える電力を制御する能力を有していない。そこでコンバータ１０７の定格電力を瞬時大電力にほぼ等しい値に設定しておく必要がある。従って通常時では定格電力の数分の１の電力で使用することになる。
【００１１】
電熱装置及び電球を用いた照明装置などの運転開始時に、コイルヒータの温度が上昇して定常状態になるまでの時間、或いはモータが起動して所定の回転状態に達するまでの時間は、全運転時間に比べると極めて短い時間である。また電力安定供給装置において、雷の到来による瞬低はそれほど頻繁に発生するものではなく、多くても年間２０回程度である。また雷の影響による瞬低の持続時間は多重雷の場合でも数秒間である。まれではあるが送電線にへびや鳥などの小動物がひっかかったり、樹木が接したりして短絡や地絡が発生することがある。このような場合には数分を超える比較的長時間の「瞬時停電」が起こることもある。しかしこのように短時間の瞬低や瞬時停電時の瞬時大電力に対応するために、通常時の電力の数倍にも及ぶ電力定格を有する大型のコンバータなど電力変換装置を設けることは、瞬時大電力供給装置が大型化し設備費が高くつくばかりでなく、維持費も高くつくという問題があった。
【００１２】
本発明は、制御電極による制御で通常時と瞬時大電力を必要とする時とで動作モードを選択的に変えられる半導体素子を用いる。これによって通常時に必要な電力に相当する電力定格を有する電力変換装置を用いながら、装置始動時や瞬低、瞬時停電の発生時には通常時の電力を大幅に超える電力を供給できる電力変換装置を有する、小型・軽量・低コストの瞬時大電力供給装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の瞬時大電力供給装置に設けられる電力変換装置は、ゲート電圧がゲート接合のビルトイン電圧よりも低い時はユニポーラ半導体素子として機能し、高い時はバイポーラ半導体素子として機能する、ユニポーラ半導体素子の機能とバイポーラ半導体素子の機能を合わせもつ半導体素子（以下、「ワイドギャップ複合機能半導体素子」という）をスイッチング素子として用いる。電力系統が定格電力以下の電力で動作している通常時には、ワイドギャップ複合機能半導体素子をユニポーラ半導体素子として動作させる。瞬低時や瞬時大電力が必要な、各種装置（負荷）が始動する運転開始時（以下、「装置始動時」という）にはバイポーラ半導体素子として動作させる。これにより、通常時には電力変換装置が定格電力で動作し、瞬低時や装置始動時などの瞬時大電力供給時には定格電力を大幅に超える電力で動作する。大電力供給時間は短いので半導体素子が破壊されることはない。
本発明の瞬時大電力供給装置は、直流電力を充放電する二次電池、及び前記二次電池と、電力送電電源の系統母線との間に接続され、前記系統母線から入力される交流を直流に変換して前記二次電池に出力し、前記二次電池から出力される直流を交流に変換して前記系統母線に出力する電力変換装置として、スイッチング素子がワイドギャップ複合機能半導体素子で構成された電力変換装置であるコンバータを有する。
【００１４】
ワイドギャップ複合機能半導体素子は、定格電力以下で動作する時はユニポーラ動作をする。バイポーラ動作時には、短時間であればユニポーラ動作時の定格電力の１．５から２０倍の電力を制御することができる。高性能のヒートシンクを用いた場合、数分間であれば定格電力の１．４から５倍の電力を制御できる。本発明では、コンバータのスイッチング素子に用いるワイドギャップ複合機能半導体素子のユニポーラ動作時の定格電力を負荷が定常状態で動作している「通常時」の値に設定しておく。短時間に大電力を供給する必要がある瞬低時（雷の発生などにより電源電圧が数秒以下の短時間大幅に低下したとき）や瞬時停電時（数分を超える比較的長時間の停電が発生した時）には、通常時の定格電力を大幅に超えるバイポーラ動作時の電力で電力変換装置であるコンバータを動作させる。バイポーラ動作時にはユニポーラ動作時に比べてゲート駆動電流が大きくなり、ゲート電流による損失が大幅に増加する。しかしバイポーラ動作は短時間であるのでこれによる電力損失の増大は実用上無視できるレベルである。
【００１５】
本発明の他の観点の瞬時大電力供給装置は、直流電流を充放電する二次電池、
前記二次電池に接続され、二次電池の充電電圧を降圧し、二次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョッパー回路、及び
前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に接続され、前記系統母線から入力される交流を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チョッパー回路から入力される直流を交流に変換して前記系統母線へ出力するスイッチング素子がワイドギャップ複合機能半導体素子で構成された電力変換装置であるコンバータを有する。
本発明の瞬時大電力供給装置では、双方向のチョッパー回路により二次電池の充電電圧を降圧し、放電電圧を昇圧するので、前記の効果に加えて、二次電池の電圧より高い電圧を有する系統母線にも瞬時大電力供給装置を適用することができる。
【００１６】
本発明の他の観点の瞬時大電力供給装置は、直流電力を充放電する二次電池、
前記二次電池に接続され、二次電池の充電電圧を降圧し、二次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョッパー回路、
前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に接続され、前記系統母線から入力される交流を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チョッパー回路から入力される直流を交流に変換して前記系統母線へ出力するスイッチング素子がワイドギャップ複合機能半導体素子で構成された電力変換装置であるコンバータ、
前記系統母線の電圧を検出し、検出した電圧に基づいて電力の需給状態を検出する検出装置、及び前記検出装置の検出出力に基づいて、前記系統母線に接続された負荷と電力送電電源との電力の需給が均衡しているとき、前記二次電池を充電し、需要が供給を上回ったとき、前記二次電池を放電して電力を系統母線へ供給するよう前記コンバータを制御する制御回路を有する。
本発明によれば、上記の効果に加えて、系統母線の電圧を検出することにより瞬低の発生を検出して、二次電池から系統母線への電力を供給して瞬低時の系統の電圧低下を防ぐことができる。
【００１７】
本発明の他の観点の瞬時大電力供給装置は、直流電力を充放電する二次電池、
前記二次電池に接続され、二次電池の充電電圧を降圧し、二次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョッパー回路、
前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に接続され、前記系統母線から入力される交流を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チョッパー回路から入力される直流を交流に変換して前記系統母線へ出力するスイッチング素子がワイドギャップ複合機能半導体素子で構成された電力変換装置であるコンバータ、
前記系統母線の電圧及び電流を検出し、検出した電圧及び電流に基づいて前記負荷の電力の需給状態を検出する検出装置、及び
前記検出装置の検出出力に基づいて、前記系統母線に接続された負荷と電力送電電源との電力の需給が均衡しているとき、前記二次電池を充電し、需要が供給を上回ったとき、前記二次電池を放電して電力を系統母線へ供給するよう前記コンバータを制御する制御回路を有する。
本発明によれば、上記の効果に加えて、系統母線の電圧と電流を検出することにより、系統の電力の需給状況を検出することができる。電力の需給状況を検出できるので、本発明の瞬時大電力供給装置を負荷平準化用に用いることができる。
【００１８】
本発明の他の観点の瞬時大電力供給装置は、前記系統母線の電圧が雷事故などの発生により短時間大幅に低下する瞬低時には、前記二次電池から、前記二次電池の定格放電電力の２倍から１２倍の放電電力を出力させ、前記コンバータが、コンバータの定格制御電力の２倍から１２倍に相当する前記二次電池の放電電力を交流に変換して所定の無効電力と定格電力の２から１２倍の有効電力を系統母線に出力するように、前記制御回路により制御されることを特徴とする。
前記系統母線の電圧の瞬低時には、前記二次電池から、前記二次電池の定格放電電力の２倍から１２倍の放電電力を出力させ、前記コンバータが、コンバータの定格制御電力の２倍から１２倍に相当する前記二次電池の放電電力を交流に変換して所定の無効電力と定格電力の２倍より小さい有効電力を系統母線に出力するように、前記制御回路により制御されることを特徴とする。
前記系統母線とコンバータとの間に連系リアクトルを設けたことを特徴とする。
前記二次電池が、レドックスフロー電池又はナトリウム硫黄電池であることを特徴とする。
【００１９】
前記ワイドギャップ複合機能半導体素子が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を母材とする電荷注入型接合電界効果トランジスタ（ＣＩＪＦＥＴ）であることを特徴とする。
前記ワイドギャップ複合機能半導体素子が、窒化ガリウムを母材とする半導体素子であることを特徴とする。
前記ワイドギャップ複合機能半導体素子が、ＳｉＣのＣＩＪＦＥＴの少なくとも１つのチップ又は複数のチップを並列に接続したもので形成されていることを特徴とする。
【００２０】
前記ワイドギャップ複合機能半導体素子が、ＳｉＣのＣＩＭＯＳＦＥＴの少なくとも１つのチップ又は複数のチップを並列に接続したもので形成されていることを特徴とする。
本発明の他の観点の瞬時大電力供給装置は、直流電力を充放電する二次電池、
前記二次電池に接続され、前記二次電池の充電電圧を降圧し、前記二次電池の放電電圧を昇圧する双方向のチョッパー回路、
前記チョッパー回路と電力送電電源の系統母線との間に接続され、前記系統母線から入力される交流を直流に変換してチョッパー回路に出力し、前記チョッパー回路から入力される直流を交流に変換して前記系統母線へ出力するスイッチング素子がワイドギャップ複合機能半導体素子で構成された電力変換装置であるコンバータ、
前記系統母線の周波数を検出し、検出した周波数に基づいて、電力の需給状態を検出する検出装置、及び
前記検出装置の検出出力に基づいて、前記系統母線に接続された負荷と、電力送電電源との電力の需給が均衡しているとき、前記二次電池を充電し、需要が供給を上回ったとき、前記二次電池を放電して電力を系統母線へ供給するよう前記コンバータを制御する制御回路を有する。
【００２１】
本発明の他の観点の瞬時大電力供給装置は、直流電力を充放電する二次電池、及び前記二次電池と、電力送電電源の系統母線に接続された負荷との間に接続され、スイッチング素子としてワイドギャップバイポーラ半導体素子を備え、前記系統母線から入力される交流を直流に変換して前記二次電池に出力し、前記二次電池から出力される直流を交流に変換して前記負荷に出力する電力変換装置であるコンバータを有する。
この瞬時大電力供給装置は、さらに、前記系統母線に接続された負荷に供給される電力の電圧及び電流を検出し、検出した電圧及び電流に基づいて、前記負荷の電力の需給状態を検出する検出装置、及び前記検出装置の検出出力に基づいて、前記負荷と、電力送電電源との電力の需給が均衡しているとき、前記二次電池を充電し、需要が供給を上回ったとき、前記二次電池を放電して電力を系統母線へ供給するよう前記コンバータを制御する制御回路を有する。
【００２２】
本発明の他の観点の瞬時大電力供給装置は、直流電力を供給する直流電源、及び前記直流電源と負荷との間に接続され、スイッチング素子として、制御電極による制御によってユニポーラ半導体素子として動作させるかバイポーラ半導体素子として動作させるかが選択される複合機能を有し、通常時はユニポーラ半導体素子として動作し、瞬時大電力を必要とするときはバイポーラ半導体素子として動作するワイドギャップ複合機能半導体素子を有し、前記直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換して前記負荷に出力する電力変換装置を備える。
前記直流電源が、電力系統の交流を直流に変換する整流装置と、前記整流装置の直流の正負出力端間に接続されたコンデンサを有することを特徴とする。
前記直流電源が二次電池又は燃料電池であることを特徴とする。
前記ワイドギャップ複合機能半導体素子が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を母材とする、電荷注入型接合電界効果トランジスタ（ＣＩＪＦＥＴ）又は電荷注入型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＣＩＭＯＳＦＥＴ）のいずれか一方であることを特徴とする。
前記負荷が、誘導加熱装置であることを特徴とする。
前記負荷が、自動車用モータであることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
本発明の、ワイドギャップ複合機能半導体素子をスイッチング素子として用いた電力変換装置を有する瞬時大電力供給装置では、通常時にワイドギャップ複合機能半導体素子をユニポーラ半導体素子として動作させ、瞬低時や、負荷となる装置の運転開始時（装置始動時）など、瞬時大電力が必要な時にはバイポーラ半導体素子として動作させる。これにより、通常時には電力変換装置は定格電力で動作し低損失である。瞬低時や装置始動時には損失は大きくなるが定格電力を大幅に超える電力で動作させることができる。
特に、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンドなどを母材としたワイドギャップ半導体素子は、Ｓｉ（シリコン）を母材とした半導体素子に比べて損失が著しく少なく、且つ高温でも動作できるという物理的性質を有している。この点に注目してワイドギャップ半導体素子で制御できる短時間の最大許容電力を調べたところ、数秒間程度の短時間であればワイドギャップ半導体素子に定格電流をはるかに超える電流を流しても破壊されないことが判った。特にワイドギャップバイポーラ半導体素子は二次電池の「瞬時大電流供給能力」を大幅に越える大電流を流すことができる「瞬時大電力稼働能力」をもつことが確認された。
【００２４】
本発明における電力変換装置（コンバータ）では、通常時にユニポーラ半導体素子として動作し、瞬低時や瞬時大電力が必要な装置始動時にはバイポーラ半導体素子として動作するワイドギャップ複合機能半導体素子をスイッチング素子として用い、通常時はワイドギャップユニポーラ半導体素子の定格内の電圧及び電流で動作させる。瞬低時や装置始動時には、二次電池の瞬時大電流供給能力により通常時の数倍の直流電力を放電させ、前記コンバータのワイドギャップ複合機能半導体素子をバイポーラ半導体素子として動作させてこの直流電力を交流電力に変換し、電熱装置、照明装置、モータ装置などに電力を供給する。
【００２５】
二次電池の電圧が系統母線の電圧より低い場合には、二次電池の放電による直流出力電圧はチョッパー回路で昇圧された後、コンバータで交流電力に変換されて系統母線に出力される。二次電池は「通常時」に充電される。二次電池の充電時は、系統母線からの交流電力がコンバータで直流電力に変換され、チョッパー回路で降圧されて二次電池に充電される。通常時に充放電される電力値はコンバータの定格内にある。
【００２６】
瞬低時又は瞬時停電時には、二次電池の瞬時大電流供給能力に応じて定格の数倍の電流が、ほぼ二次電池の定格電圧を保ちつつ供給される。すなわち、二次電池から定格電力のほぼ数倍の直流電力が供給される。この直流電力はチョッパー回路で昇圧された後にコンバータで交流電力に変換されて系統母線に出力され、電力の供給を安定化する。
コンバータでは、ワイドギャップ複合機能半導体素子のスイッチング素子に対して一般的な既知のＰＷＭ動作型のスイッチング制御を行いパルス幅変調をする。このパルス幅変調式のコンバータ（以下、ＰＷＭコンバータと記す）の出力電圧の位相を系統母線の電圧の位相よりも進ませて通常時と同じ電力を系統母線に出力することにより、有効電力を系統母線に出力するのが電力安定供給のために望ましい。瞬低時には系統母線の電圧が低下するのでパルス幅変調のパルス幅を広げてコンバータを動作させる。これにより、通常時の数倍の無効電力を系統母線に出力し、低下した電圧を瞬低前の電圧に急速に戻す。
【００２７】
小電力制御用の、炭化珪素（ＳｉＣ）などを母材とするワイドキャップ複合機能半導体素子は１つの半導体チップを用いて構成することができる。しかし大電力制御用のワイドギャップ複合機能半導体素子は１つの半導体チップで構成するのは難しい。その理由は、ワイドギャップ半導体素子の母材のＳｉＣには多くの結晶欠陥が存在するために、大面積の半導体チップを欠陥のない状態で作るのが難しいからである。特に本発明の用途のような大電流を流すことができる面積の大きいチップの作製は困難である。ＳｉＣの結晶欠陥を減少させる技術が向上すればＳｉと同程度の大面積のチップの半導体素子が実現できるが、現状では大電流を流すためには複数のチップを並列に接続している。
【００２８】
従来の瞬時大電力供給装置に設けられているＳｉのバイポーラトランジスタ又はＳｉのＩＧＢＴを用いた従来のコンバータでは、Ｓｉのバイポーラトランジスタ又はＳｉのＩＧＢＴの定格容量を、瞬低時や運転開始時に二次電池から供給される通常時の数倍の電力に合わせた容量に設定しなければならない。
これに対して本発明の瞬時大電力供給装置では、ＳｉＣのＣＩＪＦＥＴ又はＳｉＣのＣＩＭＯＳＦＥＴが複合機能を有しているので、これを用いたコンバータは、定格電流の数倍の大電流を制御できる。従ってコンバータのスイッチング素子であるワイドギャップ複合機能半導体素子の定格電流を通常時の電流に合わせてコンバータを設定しても瞬低時の大電流時に対応できる。電力安定供給装置などの瞬時大電力供給装置を構成する種々の部品、例えばリアクトルとしてのトランス、半導体素子のヒートシンク、ブスバーなどが小型にできる。また、定格容量が小さいので、同じ変換効率でも損失の絶対値が小さく低損失化ができるとともに大幅な低コスト化も達成できる。電力用途の大型コンバータは、小型のコンバータに比べて高耐圧であるとともに高い信頼性が求められる。また多くの保護機能を要求されるので価格が高い。例えば従来の瞬時大電力供給装置で５ＭＷのコンバータが必要である用途の場合、本発明のものでは１ＭＷのもので済む。このためにコストは従来のもののほぼ５分の１になり大幅な低コスト化が達成できる。電力容量の大きい瞬時大電力供給装置ほど低コスト化の効果が大きくなる。
【００２９】
以下、本発明の瞬時大電力供給装置の好適な実施例を図１から図９を参照して説明する。
《第１実施例》
図１は、本発明の第１実施例であるピ−クカット用の瞬時大電力供給装置１、及びこの瞬時大電力供給装置１が接続された、変電所１３０から重要負荷１０４、１０５及び一瞬負荷１１０に至る電力供給系統のブロック図である。「ピークカット」とは、電力需要の急増により、消費電力が変電所１３０の供給可能な電力を超過するとき、変電所１３０以外の電源から超過分を供給することをいい、この状態にあるときを「ピークカット時」という。またピークカット時以外の状態のときを「定常時」という。図において、変電所１３０の電力系統１００にトランス１２０を経て系統母線１０２が連結されている。系統母線１０２には、特に重要な重要負荷１０４及び１０５がそれぞれの開閉器１１４及び１１５を介して接続されている。また、系統母線１０２には開閉器１０９及び１１１を介して重要負荷１０４、１０５より重要度の低い一般負荷１１０が接続されている。開閉器１０９は系統母線１０２に異常が発生したとき、まず一般負荷１１０を切り離して、重要負荷１０４、１０５への電力供給を優先して維持するためのものである。系統母線１０２には、本発明の瞬時大電力供給装置１が開閉器６を介して接続されている。開閉器６、１０９、１１１、１１４及び１１５を動作させる制御装置については、当分野では周知であるので図示を省略している。
【００３０】
瞬時大電力供給装置１は例えば５００ｋＷ定格のレドックスフロー電池を用いた定格電圧が３．２ｋＶの二次電池２、５００ｋＷ定格のコンバータ４及び、連系リアクトルも兼ねた変圧器５を有し、開閉器６を介して６.６ｋＶの系統母線１０２に連結されている。系統母線１０２の電圧と電流は、それぞれ電圧検出器１０及び電流検出器１１で検出され、検出した電圧、電流に基づいて電力の需給状態が検出回路８で検出される。電圧検出器１０にはポテンシャルトランス（ＰＴ）などが用いられる。電流検出器１１はカレントトランス（ＣＴ）などであり、変電所１３０内に設けられて変電所１３０の出力電流を検出する。制御回路９には、検出回路８から与えられる電力の需給状態を示す検出出力に応じてモード切替回路１３が出力する制御信号が入力され、それに応じた駆動信号をコンバータ４に印加して出力電力を制御する。二次電池２のレドックスフロー電池は電圧８００Ｖの場合には、図２に示すように二次電池２とコンバータ４の間に双方向のチョッパー回路３を設けて、充電電圧を降圧し、放電電圧を昇圧する。二次電池２は電圧８００Ｖ、電流６２５Ａの直流を約１時間供給できる容量を有する。チョッパー回路３及びコンバータ４のスイッチング素子は電荷注入型接合電界効果トランジスタ（以下、ＣＩＪＦＥＴと記す）である。チョッパー回路３のＣＩＪＦＥＴの定格電圧は８ｋＶ、定格電流は８００Ａであり、コンバータ回路４のＣＩＪＦＥＴの定格電圧は８ｋＶ，定格電流は４００Ａである。本装置の電力容量はチョッパー回路３、コンバータ４及び変圧器５で発生する電力損失を考慮すると約４５０ｋＷである。
【００３１】
重要負荷１０４、１０５の電力消費が増えて一時的に変電所１３０の出力電力容量を超過する場合には、電圧検出器１０及び電流検出器１１がその状態を検出し、瞬時大電力供給装置は検出回路８、モード切替回路１３、制御回路９を経てコンバータ４を制御し、二次電池２から系統母線１０２に向けて超過電力に相当する有効電力を最大約４５０ｋＷまで供給できる。二次電池２は変電所１３０と、重要負荷１０４、１０５及び一般負荷１１０などとの間の電力の需給が均衡を保っている定常時に系統母線１０２から供給される電力により充電されている。
【００３２】
レドックスフロー電池などの二次電池２の直流の出力電圧は、使用期間の初期には例えば８００Ｖであるが、使用期間が長くなるとともに８００Ｖより低下する傾向がある。そこで、ピ−クカット時は定電圧出力保持型のチョッパー回路３で二次電池２の出力電圧を昇圧し電圧を常に一定にしてコンバータ４に供給するのが望ましい。
【００３３】
直流電力を交流電力に変換し又は交流電力を直流電力に変換するコンバータ４は、ＳｉＣを母材とするワイドギャップ複合機能半導体素子であるＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴをスイッチング素子として用いている。コンバータ４は、一般的な既知の回路構成を有するものであるので図示を省略している。ＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴはＳｉＣの結晶内の欠陥による制約のために、電流定格を大きくするのが困難である。そこで電圧定格を高くして低い電流定格において所望の電力定格を得るのが望ましい。この場合図２に示すように、二次電池２のレドックスフロー電池の出力電圧８００Ｖをチョッパー回路３で３．２ｋＶに昇圧して、約３．２ｋＶ、３００Ａの直流電力をコンバータ４に供給している。コンバータ４ではこの直流電力を交流電力に変換して変圧器５に印加する。変圧器５は３．２ｋＶの電圧を６.６ｋＶに昇圧して開閉器６を経て系統母線１０２に出力し負荷１０４、１０５及び１１０に供給する。
【００３４】
ピークカット時に瞬時大電力供給装置１が４５０ｋＷのピ−クカット時電力を供給しているとき、もし電力系統１００に落雷事故が発生し、その影響で系統母線１０２の電圧に瞬時電圧低下（瞬低）が生じると、電圧検出器１０により検出される。瞬低は重要負荷１０４、１０５に稼働停止などの重大な障害を与えるおそれがある。そこでこれを防ぐために、直ちに開閉器１０９を開き一般負荷１１０を切り離す。同時に瞬時大電力供給装置１において、電圧検出器１０の検出出力が検出回路８に入力される。検出回路８はこの検出出力に基づいて制御回路９の動作モードを決める指令信号を生成してモード切替回路１３に印加する。モード切替回路１３は、コンバータ４のＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴをユニポーラ半導体素子として動作させるか、バイポーラ半導体素子として動作させるかの動作モードを決める制御信号を制御回路９に印加する。制御回路９は入力された制御信号によりコンバータ４のスイッチング素子であるＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御信号をコンバータ４に入力する。制御回路９は、二次電池２からその瞬時大電流供給能力に相当する、例えば電圧が８００Ｖで、２.５ＭＷの直流電力が出力されるようにコンバータ４を制御する。チョッパ回路３は８００Ｖの直流電圧を３.２ｋＶに昇圧してコンバータ４に供給する。コンバータ４では制御回路９によりＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴのゲート電圧が増大され、ＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴはユニポーラ動作からバイポーラ動作に切り替わる。その結果、コンバータ４からは、電圧が１．４７ｋＶで４５０ｋＷの有効電力と、電圧が約１.４７ｋＶで、２.７８ＭＶＡＲ（無効電力の単位を表す）の無効電力が出力される。
【００３５】
有効電力及び無効電力の電圧は変圧器５で６.６ｋＶに昇圧されて系統母線１０２に供給されて電圧低下を防ぐ。落雷の影響による系統母線１０２の電圧低下が０.５秒間以上続くのは極めて稀である。本実施例の瞬時大電力供給装置１は４５０ｋＷの有効電力と最大２.７８ＭＶＡＲの無効電力を約６秒間供給できるようにコンバータ４を設計してあるので、落雷による瞬低の対策として十分である。上記の例ではコンバータ４は４秒間であれば定格の約６倍の瞬時大電力を変換することができる。
本実施例の瞬時大電力供給装置を瞬低のみに対応させる場合には、図１０に示す従来の電力供給安定装置のように、電圧を検出する電圧検出器１０のみを設ければよい。
【００３６】
次に本実施例の瞬時大電力供給装置１に用いるワイドギャップ複合機能半導体素子のＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴについて詳しく説明する。本実施例において定格を大幅に越える電力でコンバータ４を動作させることができるのは、スイッチング素子としてワイドギャップ複合機能半導体素子であるＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴを用いているからである。
図３の（ａ）は、本実施例で用いている、定格電圧及び電流が８ｋＶ・４００ＡのＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴ素子（モジュール）の上面図であり、図３の（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図である。このＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴ素子は、定格電流４５ＡのＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴチップ１３１〜１３９を９個並列に接続してモジュール化している。図３の（ｂ）において、ソース電極１４の上に９個の中間下部電極１６を設け、各中間下部電極１６の上に一辺が７ｍｍの略正方形の９個のＣＩＪＦＥＴチップ１３１〜１３９を設けている。各ＣＩＪＦＥＴチップ１３１〜１３９の上に中間上部電極１７を設けている。すべての中間上部電極１７に接してドレイン電極１５を設け、ソース電極１４とドレイン電極１５で９個のＣＩＪＦＥＴチップ１３１〜１３９を挟んでいる。この構成により９個のＣＩＪＦＥＴチップ１３１〜１３９はソース電極１４とドレイン電極１５間で並列に接続される。各ＣＩＪＦＥＴチップ１３１〜１３９の間には、スペーサ１８が設けられ、カソード電極１４の上における各ＣＩＪＦＥＴチップ１３１〜１３９の位置を定めている。セラミックス外囲器１９はソース電極１４とドレイン電極１５間を一定距離に保持すると共に絶縁するものであり、その直径は約１０ｃｍである。
【００３７】
図４にＳｉＣのＣＩＪＦＥＴセルの断面を示し、図５に出力特性を示す。複数のＣＩＪＦＥＴセルを並列配置して１つのＣＩＪＦＥＴチップが構成される。図４において、ＣＩＪＦＥＴセルはｎ型ＳｉＣの、ドレインとして機能する基板５０の上面にｎ型ドリフト層５１を設けている。ｎ型ドリフト層５１の上部領域にｐ型埋込ゲート層５２１を形成し、両端部領域にそれぞれｐ型埋込ゲート層５２２、５２３を形成している。ｐ型埋込ゲート層５２１はｎ型チャネル層５３を挟んでｎ型ソース層５４に対向している。ｎ型ソース層５４にはソース電極５６が設けられている。ｐ型埋込ゲート層５２２、５２３のそれぞれに接してｐ型上部ゲート層５２４、５２５が形成され、ｐ型上部ゲート層５２４、５２５には制御電極であるゲート電極５７が設けられている。基板５０の下面にドレイン電極５５を設けている。ｐ型埋込ゲート層５２１、５２２、５２３及びｐ型上部ゲート層５２４、５２５はゲート端子５９に電気的に接続されている。
【００３８】
図４のＣＩＪＦＥＴセルにおいて、ドレイン電極５５を高電位、ソース電極５６を低電位にした状態で、制御電極であるゲート電極５７に印加するゲート電圧をソース電極５６と同電位にしたとき、ｐ型上部ゲート層５２４、５２５とｐ型埋込ゲート層５２１との間のｎ型チャネル層５３がゲートｐｎ接合周辺の空乏層で完全に覆われＣＩＪＦＥＴセルはピンチオフする。そのためドレイン電極５５とソース電極５６間には電流が流れず高い逆耐電圧を保つ。ゲート電極５７に、ゲートｐｎ接合のビルトイン電圧（約２．７Ｖ）よりも小さい範囲でソース電極５６の電圧より高いゲート電圧を印加すると、ＣＩＪＦＥＴ素子１３１はユニポーラ半導体素子として動作する。すなわち、空乏層によるピンチオフが解消されてｎ型チャネル層５３にチャネルが形成され、ドレインとしての基板５０からｎ型ソース層５４に向けて電子による電流が流れる。ゲート電圧を大きくすると空乏層の幅が狭くなるので、逆にチャネルの幅が広くなりより大きな電流が流れる。
【００３９】
図５はゲート電圧Ｖ_Ｇをパラメータとした、ドレイン・ソース間の電圧電流特性を示す。図５に示すように、ゲート電圧Ｖ_Ｇが２．５Ｖでは、ドレイン・ソース間電圧Ｖ_ＤＳが４Ｖのとき、ドレイン・ソース間電流Ｉ_ＤＳは定格電流の４５Ａとなる。ゲート電極５７にゲートｐｎ接合のビルトイン電圧（約２．７Ｖ）よりも大きいゲート電圧を印加するとＣＩＪＦＥＴチップ１３１はバイポーラ半導体素子として動作する。すなわち、ｐ型埋込ゲート層５２１、５２２、５２３及びｐ型上部ゲート層５２４、５２５から正孔がｎ型チャネル層５３に注入され、ｎ型チャネル層５３で伝導度変調が生じる。このためｎ型チャネル層５３の抵抗が著しく低下する。さらに、ｎ型ソース層５４及びｎ型チャネル層５３からｐ型埋込ゲート層５２１に電子が注入され、この電子がｐ型埋込ゲート層５２１の中を拡散してｎ型ドリフト層５１に達する。このようになるとｐ型埋込ゲート層５２１がｐ型ベース領域として機能し、ＣＩＪＦＥＴはｎｐｎトランジスタと同様の動作をする。そのため正孔による電流と電子による電流による大きな電流がドレイン電極５５からソース電極５６に流れる。例えばドレイン・ソース間電圧Ｖ_ＤＳが４Ｖでゲート電圧Ｖ_Ｇが４Ｖの時、定格電流の約２．２倍の１００Ａのドレイン・ソース間電流Ｉ_ＤＳが流れる。
【００４０】
上記の特性を有するＣＩＪＦＥＴを用いたコンバータ４を備える瞬時大電力供給装置１のピークカット時の動作を以下に説明する。ピークカット時には、ＣＩＪＦＥＴのゲート電極５７にゲートｐｎ接合のビルトイン電圧（２．７Ｖ）よりも小さいゲート電圧を印加し、ＣＩＪＦＥＴをユニポーラ半導体素子として動作させる。瞬低時にはビルトイン電圧よりも大きいゲート電圧を印加してバイポーラ半導体素子として動作させ、約６秒間であればユニポーラ半導体素子として動作していた場合の約３．５倍の大電流を流すことができる。
【００４１】
シリコン（Ｓｉ）を母材とするＳｉ−バイポーラ半導体素子はバイポーラ動作で負の温度依存性を持つ。従って大電流が流れて素子の内部温度が上昇すると更に電流が増えて益々温度が上昇し、ついには熱暴走して素子の破壊にいたる。複数のＳｉ−バイポーラチップを並列に接続した場合は、あるＳｉ−バイポーラチップに一旦電流集中が起こると、他のＳｉ−バイポーラチップの電流もそのチップに集中してしまい熱暴走にいたる場合がある。従ってＳｉ−バイポーラチップを多数並列に接続して使用するのは困難である。
【００４２】
これに対して、ＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴの内部抵抗は正の温度依存性をもつ。従って過大な電流が流れて素子温度が上がると内部抵抗が増加して電流が自動的に低減されて温度上昇が抑制され、熱暴走にいたることはない。大電流の流れる時間が１０秒以下であれば多数のＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴチップを並列に接続して使用可能である。大電流を流せる時間は、各チップの内部での発生熱量が放熱量より大きいためチップの内部温度が上昇し、半導体としての性質を維持できる限界温度にいたるまでの時間である。この時間は各チップの構造や通電電流の密度、チップを並列に接続したモジュールの構造などに依存して決まる。図３に示す構成では定格の約３倍の電流を流す場合約６秒間は全く問題を生じないことが実験により確認された。例えば、約４５分間のピークカットの動作試験をしている間に８秒間の瞬低を発生させるテストをしたが、重要負荷１０４、１０５にほとんど影響を及ぼすことなくピークカット及び瞬低時に十分対応可能な電力を供給できた。
【００４３】
本実施例のコンバータは、スイッチング素子として用いるＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴの瞬時大電力稼働能力を活用することにより、瞬低の影響を防止するのに必要な約４.５秒間は定格電力の約６倍の電力を変換するコンバータとして働く。従って、従来のシリコンの半導体素子を用いたコンバータのように、コンバータの容量の設計値を瞬低時を考慮に入れた大電力のものにする必要はない。前記容量の設計値はピークカット時の電力が供給できる能力、すなわち瞬低時の電力の数分の１の電力を供給できる容量で十分である。これにより、ピークカットに対応可能な瞬時大電力供給装置の大幅な小型化・軽量化・低コスト化が実現できる。
【００４４】
《第２実施例》
図６は、本発明の第２実施例である負荷平準化用の瞬時大電力供給装置２１のブロック図である。瞬時大電力供給装置２１は定格電圧１.５ＫＶ、定格電力１.５ＭＷのナトリウム硫黄電池を用いた二次電池２２、双方向のチョッパー回路２３、コンバータ２４及び変圧器２５を有しており、前記図１の瞬時大電力供給装置１と同様に、開閉器６を介して、電圧６.６ＫＶの系統母線１０２に接続されている。その他の構成は瞬時大電力供給装置１と同じである。本実施例において、瞬時大電力供給装置２１は負荷平準化用の電力安定供給装置として働く。
【００４５】
「負荷平準化」とは、電力の需要が１日の中の時間帯により大幅に異なる現象に対処するために、電力需要の少ない時間帯に電力を蓄積し、需要の多い時間帯に蓄積した電力を放出することをいう。電力需要の少ない夜間の、例えば２２時から６時の８時間に二次電池２２を一定電力で充電する。電力需要の特に多い昼間の、例えば９時から１７時の８時間は約１.３５ＭＷの電力を二次電池２２から供給する。チョッパー回路２３のスイッチング素子（図示省略）は、電圧・電流が１０ｋＶ・１４００ＡのＳｉＣ−電荷注入型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（以下、ＣＩＭＯＳＦＥＴと記す）である。またコンバータ２４のスイッチング素子（図示省略）は、電圧・電流が１０ｋＶ・６００ＡのＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴである。ＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴは、ワンチップで定格電流の大きなものを作るのが難しく、１つのＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴチップを流すことができる電流は４０Ａ程度である。本実施例のコンバータ２２に用いるＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴ素子（モジュール）は、定格電流４０ＡのＣＩＭＯＳＦＥＴチップを図３に示すものと類似のパッケージ内に１５個設け、それらを並列接続してモジュール化している。
【００４６】
上記のように、ＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴは定格電流が比較的小さいので、電圧を高くして定格電力を大きくする。例えば、昼間に１.３５ＭＷの電力を供給している時は、チョッパー回路２３で二次電池２の１.５ｋＶの直流出力電圧を３ｋＶに昇圧している。その結果、コンバータ４には電圧・電流が約３ｋＶ・４８０Ａの直流電力が供給される。コンバータ２４はこの直流電力を電圧・電流が約１.３８ｋＶ・５６６Ａの交流電力に変換して変圧器２５に供給する。変圧器２５は１．３８ｋＶの電圧を６.６ｋＶに昇圧し、開閉器６を介して系統母線１０２に供給している。
【００４７】
１.３５ＭＷの電力を供給している時に電力系統１００に落雷事故による瞬低が発生し、その影響で系統母線１０２の電圧が大幅に低下すると、電圧の低下が電圧検出器１０で検出され、検出出力が検出回路８に入力される。検出回路８は検出出力に基づいて動作モードを決める指令信号生成してモード切替回路１３に印加する。モード切替回路１３はコンバータ４のＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴをユニポーラ半導体素子として動作させるかバイポーラ半導体素子として動作させるかの動作モードを決める制御信号を制御回路９に印加する。制御回路９は入力された制御信号によりＰＷＭ制御信号を生成してコンバータ２４に入力し、コンバータ２４のスイッチング素子を駆動する。二次電池２２の出力電圧はチョッパー回路２３で４.５ｋＶに昇圧されてコンバータ２４に供給される。制御回路９はスイッチング制御のＰＷＭ信号のパルス幅を拡大した駆動信号をコンバータ２４に印加する。これによりコンバータ２４から、定格値である約１.３５ＭＷの有効電力と、電圧が約２.０７ｋＶで約６．４４ＭＶＡＲの無効電力が出力される。コンバータ２４の出力は変圧器２５で昇圧されて系統母線１０２に供給され系統母線１０２の電圧低下を防ぐ。
【００４８】
本実施例の瞬時大電力供給装置において、上記のように定格を大幅に超える電力でコンバータを動作させることができるのは、スイッチング素子としてＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴを用いているからである。
図７にＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴのセルの断面図を示す。ＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴはｎ型ＳｉＣのドレインとして機能する基板１５０の上にｎ型ドリフト層１５１を形成している。ｎ型ドリフト層１５１の上部中央領域にはｐ型ゲート層６５２を形成している。ドリフト層１５１の上部の両端部領域にそれぞれｐ型ゲート層６５３、６５４を形成している。両ｐ型ゲート層６５３、６５４の上に他のｐ型ゲート層６５５、６５６をそれぞれ形成している。ｐ型ゲート層６５２、６５３、６５４で囲まれた領域にｎ型チャネル層６５８が形成されている。ｎ型チャネル層６５８の上部中央領域にｎ型ソース層６５９が形成されている。基板１５０の下面にドレイン電極１６０が設けられ、ｎ型ソース層６５９にソース電極１６１が設けられている。ｐ型ゲート層６５５、６５６にそれぞれｐ型ゲート電極６６１、６６２が設けられている。ｎ型チャネル層６５８にＭＯＳゲート絶縁層６６５、６６６を介してそれぞれＭＯＳゲート電極６６７、６６８が設けられている。ｐ型ゲート層６５２、６５３、６５４、６５５、６５６はｐ型ゲート電極６６１、６６２に電気的に接続されｐ型ゲート端子６７０として導出されている。ＭＯＳゲート電極６６７と６６８は電気的に接続され、ＭＯＳゲート端子６７３として導出されている。
【００４９】
ＣＩＭＯＳＦＥＴのセルにおいて、ドレイン電極１６０を高電位、ソース電極１６１を低電位にして電圧を印加した状態で、ＭＯＳゲート電極６６７、６６８とｐ型ゲート電極６６１、６６２に印加するゲート電圧をソース電極１６１と同電位にしたとき、ｎ型チャネル層６５８はゲートｐｎ接合周辺の空乏層で完全に覆われＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴはピンチオフする。その結果、ドレイン電極１６０とソース電極１６１の間に電流が流れず高い耐電圧を有する。ＭＯＳゲート電極６６７、６６８に所定の閾値以上のゲート電圧を印加し、ｐ型ゲート電極６６１、６６２にゲートｐｎ接合のビルトイン電圧（約２．７Ｖ）よりも小さい範囲でソース電極１６１の電圧より高いゲート電圧を印加すると、ＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴはユニポーラ半導体素子として動作する。すなわち、空乏層によるピンチオフが解消されてｎ型チャネル層６５８にチャネルが形成され、ドレイン電極１６０からソース電極１６１に向かう電子による電流が流れる。ｐ型ゲート電極６６１、６６２に印加するゲート電圧を大きくすると空乏層の幅が狭くなるので、逆にチャネルの幅が広くなりドレイン電極１６０とソース電極１６１間により大きな電流が流れる。
【００５０】
ｐ型ゲート電極６６１、６６２にゲートｐｎ接合のビルトイン電圧（２．７Ｖ）よりも大きい電圧を印加すると、ＣＩＭＯＳＦＥＴはバイポーラ半導体素子として動作する。すなわち、ｐ型ゲート層６５２、６５３、６５４、６５５、６５６からｎ型チャネル層６５８に正孔が注入されｎ型チャネル層６５８で伝導度変調が発生して、ｎ型チャネル層６５８の抵抗が著しく低減する。また、ｎ型ソース層６５９及びｎ型チャネル層６５８からｐ型ゲート層６５２に電子が注入される。この電子がｐ型ゲート層６５２の中を拡散してｎ型ドリフト層１５１に達する。このようにしてｐ型ゲート層６５２がｐ型ベースの機能を果たしてＣＩＭＯＳＦＥＴはｎｐｎトランジスタの動作をし、正孔による電流と電子による大きな電流がドレイン電極１６０からソース電極１６１に流れる。
本実施例の図６に示す瞬時大電力供給装置２１のチョッパー回路２３とコンバータ２４のスイッチング素子は、ＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴの複数のセルから構成されたチップを１５個並列に接続し、図３に示すものと類似のモジュールに構成したものを用いている。モジュールにおいて、１５個のチップの、ＭＯＳゲート電極６６７、６６８が共通に接続され、ｐ型ゲート電極６６１、６６２、ｐ型ゲート層６５２が共通に接続される。また１５個のチップの、ドレイン電極１６０が共通に接続され、ソース電極１６１が共通に接続される。
【００５１】
本実施例の瞬時大電力供給装置を瞬低用に用いる時は、ＣＩＭＯＳＦＥＴのｐ型ゲート電極６６１、６６２にゲートｐｎ接合のビルトイン電圧（約２．７ｋＶ）よりも大きいゲート電圧を印加してバイポーラ半導体素子として動作させる。バイポーラ半導体素子として動作させる時間が約５秒間であれば、ユニポーラ半導体素子として動作する場合の約３．８倍の大電流を流すことができる。
本実施例ではＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴの瞬時大電力稼働能力を活用することにより、定格電力１.５ＭＷのコンバータを、瞬低の影響を防ぐ短時間であれば１.５ＭＷの約４.７倍の、定格電力が約７ＭＷに相当するコンバータとして動作させることができる。従って、大幅に小型化・軽量化・低コスト化された、瞬低時にも対応可能な負荷平準化用の瞬時大電力供給装置を実現できる。
【００５２】
《第３実施例》
本発明の第３実施例を図８を参照して説明する。
図８は本発明の瞬時大電力供給装置を、１００ｋＷ、５００Ｈｚ級の誘導加熱装置に適用した例のブロック図を示す。金属製の部品などを高精度の温度管理の下で迅速に熱処理するための加熱装置では、運転開始時や運転中に低温の加熱炉を急速に所定の高温にしたり、逆に高温の加熱炉を急速に所定の低温にすることが必要とされる。特に運転開始時には、定常運転状態で所定の高温を維持するときに比べて大きな電力が必要となる。
【００５３】
図８において、３相の配電系統線２９０に開閉器２９２を経て整流器３０１が接続され、入力の３相交流が整流されて直流出力端子２９５、２９６に直流出力が得られる。直流出力端子２９５、２９６間には大容量のコンデンサ３０２が接続され、直流出力はコンデンサ３０２を充電する。直流出力端子２９５、２９６間にはインバータ３０３が接続されている。インバータ３０３の出力端子３１５、３１６はそれぞれのコンデンサ３１７、３１８を経て加熱コイル３０４の両端子３１９、３２０にそれぞれ接続されている。加熱コイル３０４の近傍には加熱炉内の温度を検出する温度センサ３０６が設けられ、検出出力は検出回路３０９に入力されている。整流器３０１の３相の入力線の２本にＣＴなどの電流検出器３０７、３０８が設けられ、検出出力は検出回路３０９に入力されている。
【００５４】
インバータ３０３の出力端子３１５につながる出力線にも電流検出器３０５が設けられており、検出出力は検出回路３０９に入力されている。検出回路３０９の出力はモード切替回路３００に印加される。モード切替回路３００は、スイッチング素子３３１〜３３４をユニポーラ半導体素子として動作させるかバイポーラ半導体素子として動作させるかの動作モードを判定して、モード制御信号を制御回路３１０に入力する。制御回路３１０の４つの出力端はインバータ３０３の駆動回路３１１、３１２、３１３、３１４の各入力端に接続されている。駆動回路３１１、３１２、３１３、３１４の出力端はそれぞれスイッチング素子３３１、３３２、３３３、３３４のゲートに接続されている。各スイッチング素子３３１〜３３４のソース・ドレイン間には、よく知られているフライホイーリング用のダイオードが接続されている。
インバータ３０３において、スイッチング素子３３１、３３２、３３３、３３４は、定格電圧・電流が１ｋＶ・１５０ＡのＣＩＪＦＥＴモジュールで構成されている。ＣＩＪＦＥＴモジュールの構成は図３に示す第１実施例のものに類似である。インバータ３０３は、整流器３０１の直流出力を交流出力に変換し、コンデンサ３１７、３１８を経て誘導加熱コイル３０４に供給している。
【００５５】
検出回路３０９は、電流検出器３０５、３０７、３０８の検出出力及び温度検出器３０６の検出出力に基づいて所定の演算処理を行い、結果の指令信号をモード切替回路３００に印加する。モード切替回路３００はこの指令信号に基づいて動作モードを決めるモード制御信号を制御回路３１０に印加する。制御回路３１０はモード制御信号に応じて４つの制御信号を生成し、それぞれ駆動回路３１１〜３１４に印加する。各駆動回路３１１〜３１４は入力された制御信号に基づいて各スイッチング素子３３１〜３３４の駆動信号を生成し、各スイッチング素子に印加する。
【００５６】
誘導加熱装置は、熱処理する金属部品の材質、形状、使用目的に応じて加熱炉内の温度を所定時間（例えば５秒〜３０秒）で所定の温度まで上昇させる必要がある。従って通常は誘導加熱装置の運転開始時には大電力を供給する必要がある。本実施例では運転開始時には、スイッチング素子３３１〜３３４のＣＩＪＦＥＴをそれぞれの駆動回路３１１〜３１４の駆動信号によりバイポーラ半導体素子として動作させ、定常時の３倍から５倍の交流出力電力を加熱コイル３０４に供給することができる。定常時にはＣＩＪＦＥＴをユニポーラ半導体素子として動作させ、ＣＩＪＦＥＴでの電力損失を防ぐのが望ましい。コンデンサ３０２に大容量のものを用いれば、加熱コイル３０４への供給電力が急増した場合にコンデンサ３０２に充電された電荷が供給電力の急増分を補う。これにより供給電力の急増による配電系統線２９０の電圧の低下を防ぐことができる。
【００５７】
本実施例によれば、誘導加熱装置のインバータ３０３の定格出力を、定常運転時の出力に合わせて設定しておけばよく、運転開始時や急加熱時など短時間に大出力を要する時には、スイッチング素子３３１〜３３４のＣＩＪＦＥＴをバイポーラ半導体素子として動作させることによって定常時の３〜５倍の出力を得ることができる。従って誘導加熱装置の小型化、軽量化、低コスト化が実現できる。
【００５８】
《第４実施例》
本発明の第４実施例を図９を参照して説明する。図９は本発明の瞬時大電力供給装置を定格出力６０ｋＷの電気自動車の走行用モータ４０４に適用した例のブロック図である。走行用モータ４０４に印加する交流の定格周波数は例えば１８ｋＨｚである。
【００５９】
図９において、バッテリ４０１に電源スイッチ４００を介して電力変換装置である３相のインバータ４０３が接続されている。バッテリ４０１の両端子間にはコンデンサ４０２が接続されている。バッテリ４０１は鉛電池などの二次電池であるが、燃料電池などの発電装置であってもよい。
インバータ４０３の３つの出力端４１５、４１６、４１７には永久磁石のロータを有するシンクロナスモータであるモータ４０４が接続されている。モータ４０４のロータの回転角を、ロータに連結されたシャフトの近傍に設けたシャフト回転角検出器４０５で検出し、シャフトの回転速度を表す検出信号が検出回路４０８に入力される。モータ４０４のステータ電流はＣＴなどの電流検出器４２０により検出され、検出信号が検出回路４０８に入力される。検出回路４０８にはさらに、運転者のアクセルペダルの操作に応じて出力されるトルク要求信号４０７が入力されている。検出回路４０８は入力された両検出信号及びトルク要求信号に基づいて演算処理を行い、結果の処理信号をモード切替回路４１０に入力する。モード切替回路４１０はスイッチング素子４３１〜４３６の動作モードを決めるモード制御信号をインバータ制御回路４０９に印加する。制御回路４０９はインバータ４０３のスイッチング素子４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６を駆動するそれぞれの駆動回路４２１、４２２、４２３、４２４、４２５、４２６に制御信号を出力する。駆動回路４２１〜４２６は入力される制御信号に基づいてスイッチング素子４３１〜４３６を駆動する駆動信号をそれぞれのスイッチング素子４３１〜４３６の制御電極であるゲートに印加する。各スイッチング素子４３１〜４３６のソース・ドレイン間には、フライホイーリング用のダイオードが接続されている。
【００６０】
本実施例の瞬時大電力供給装置におけるインバータ４０３のスイッチング素子４３１〜４３６は、図７に示し前記第２実施例で説明したＣＩＭＯＳＦＥＴのモジュールが用いられている。
電気自動車では、急発進時や、タイヤがぬかるみに入り込んだ際に脱出する場合などには、短時間ではあるが、通常の走行時の数倍の電力をモータ４０４に供給する必要がある。本実施例におけるインバータ４０３のスイッチング素子４３１〜４３６は、例えば定格電圧、電流が１ｋＶ・６００Ａ級のＣＩＭＯＳＦＥＴモジュールである。電気自動車の発進時や加速時などモータ４０４に大電力を供給する必要があるときは、それに対応する検出回路４０８の処理信号がモード切替回路４１０に入力されそれに応じたモード制御信号がインバータ制御回路４０９に印加される。インバータ制御回路４０９は印加された制御信号により、スイッチング素子４３１〜４３６の、図７に示すＣＩＭＯＳＦＥＴ素子の制御電極であるＭＯＳゲート端子６７３とｐ型ゲート端子６７０に正の電圧を印加する。電圧値は、例えばＭＯＳゲート電圧が５〜３０Ｖ、ｐ型ゲート電圧が２．７〜２５Ｖである。これによりＣＩＭＯＳＦＥＴ素子はバイポーラ半導体素子として動作し、インバータ４０３は定格電力の１．５〜４倍程度の交流電力をモータ４０４に供給することができる。インバータ４０３が、定格電力の１．５〜４倍の交流電力を出力できる時間は例えば、２〜２０秒程度である。二次電池のバッテリ４０１や自動車用の燃料電池は短時間であれば定格の数倍の電力を供給することが可能である。
【００６１】
電気自動車の通常走行時には、前記ＣＩＭＯＳＦＥＴ素子のｐ型ゲート端子６７０に１．０〜２．５Ｖの電圧を印加し、ＭＯＳゲート端子６７３に５〜３０Ｖの電圧を印加する。これによりＣＩＭＯＳＦＥＴ素子はユニポーラ半導体素子として動作する。
従来のシリコンを用いたスイッチング素子を有するインバータでは、前記定格出力の１．５〜４倍の電力を定格電力とするスイッチング素子を用いてインバータを構成する必要があったが、本実施例ではユニポーラ動作とバイポーラ動作を選択できるワイドギャップ複合機能半導体素子を用いることにより、通常走行時の出力電力にほぼ等しい定格電力のインバータを用いて定格電力の数倍の大電力に対応できる。これにより電気自動車のモータ用のインバータの大幅な小型化、軽量化及び低コスト化が実現できる。
【００６２】
以上、第１から第４実施例により本発明を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、各種の変形応用ができるものである。
例えば、スイッチング素子のワイドギャップ複合機能半導体素子はＣＩＪＦＥＴやＣＩＭＯＳＦＥＴに限定されるものではない。またＳｉＣ以外の他のワイドギャップ半導体材料すなわち窒化ガリウムやダイヤモンドなどで構成した半導体素子も同様に前記コンバータ及びインバータなどに使用可能である。またＳｉで構成した複合機能素子も利用可能である。ワイドギャップ複合機能半導体素子はスイッチング電源のスイッチング素子としても使用可能である。
【００６３】
電池はレドックスフロー電池やナトリウム硫黄電池、鉛電池や燃料電池などの他に、亜鉛塩素電池や亜鉛臭素電池、リチウムイオン電池などでもよい。
電力容量が２００ｋＷ以下の小容量の瞬時大電力供給装置の場合は、電流容量も小さいのでチップ面積の小さいワイドギャップバイポーラ半導体素子で十分対応可能である。この場合には、所定の電力を小さい電流で得るために電圧を昇圧する目的のチョッパー回路は必ずしも必要がなく、電池の出力を直接インバータなどの電力変換装置に印加すればよい。
【００６４】
ワイドギャップバイポーラ半導体素子は高耐圧のものが容易に実現できる。例えば実施例１と２では、２０ｋＶ以上の高耐圧にすることにより、直接６.６ｋＶの系統母線１０２に連系できる。従ってトランスを用いずに連系用リアクトルのみを用いることもできる。
前記第１及び第２実施例では、６.６ｋＶの配電系統母線の例で説明したが、瞬時大電力供給装置を構成する各要素を高耐圧大電流にすることにより、更に上流の電力系統に連結する瞬時大電力供給装置にも適用できる。また送電線にへびや鳥などの小動物がひっかかったり、樹木が接したりして短絡や地絡が発生した場合の数分を超える比較的長時間の「瞬時停電」にも本発明の瞬時大電力供給装置を適用できる。さらに電力送電電源の複数の発電機の内１つが故障したり、電力の大口需要家の負荷（工場など）が突然稼働を停止した場合、急激な電力変動が生じ、電力需給の不均衡が５分以上継続する場合がある。雷による瞬低の継続時間（数秒）よりはるかに長い５分から１時間の電力需給の不均衡による系統周波数の変動などに対しても、二次電池の容量を増やし、かつスイッチング素子を冷却するなど、その温度を所定値以下に保つ手段を講じることにより、本発明の瞬時大電力供給装置を適用することができる。このような長時間の場合、本発明の瞬時大電力供給装置は、定格出力の１．５から３倍程度の電力を調整することができ、非常用電線としても利用できる。
【００６５】
【発明の効果】
以上の各実施例で詳細に説明したように、本発明によれば、ユニポーラ動作とバイポーラ動作のいずれかが選択されるワイドギャップ複合機能半導体素子を用いてインバータなどの電力変換装置を構成し、出力が定格電力以下の通常時にはユニポーラ動作をさせる。瞬時大電力が必要なときは、通常時の定格電力を超える電力が制御できるように前記ワイドギャップ複合機能半導体素子のバイポーラ動作をさせる。これにより、瞬時大電力供給装置の大幅な小型化・軽量化・低コスト化ができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のピ−クカット用の瞬時大電力供給装置のブロック図
【図２】本発明の第１実施例のピークカット用の他の例の瞬時大電力供給装置のブロック図
【図３】（ａ）は第１実施例のコンバータに用いるＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴのモジュールの平面図
（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図
【図４】ＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴセルの断面図
【図５】ＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴの、ゲート電圧をパラメータとした、ドレイン・ソース間の電圧電流特性を示すグラフ
【図６】本発明の第２実施例の負荷平準化用の瞬時大電力供給装置のブロック図
【図７】ＳｉＣ−ＣＩＭＯＳＦＥＴセルの断面図
【図８】本発明の第３実施例である誘導加熱用の瞬時大電力供給装置のブロック図
【図９】本発明の第４実施例である電気自動車の走行モータ用の瞬時大電力供給装置のブロック図
【図１０】従来のピ−クカット用の電力安定供給装置のブロック図
【符号の説明】
１、２１瞬時大電力供給装置
１００電力系統
４、２４コンバータ
５、１２０変圧器
６、１０９、１１１、１１４、１１５開閉器
１０電圧検出器
１１電流検出器
１３１〜１３９ＳｉＣ−ＣＩＪＦＥＴチップ
５０、１５０基板
５５、１６０ドレイン電極
５６、１６１ソース電極
５７ゲート電極
６６７、６６８ＭＯＳゲート電極
６６１、６６２ｐ型ゲート電極
３１１〜３１４、４２１〜４２６駆動回路
３３１〜３３４、４３１〜４３６スイッチング素子
３０３、４０３インバータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an instantaneous large power supply device capable of supplying large power exceeding a rating for a short time.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, electronic devices that are sensitive to fluctuations in power supply voltage, such as precision electronic devices equipped with personal computers and precision motors, have been frequently used. For this reason, there is an increasing demand for countermeasures against instantaneous voltage drop (hereinafter abbreviated as “instantaneous drop”), which is a phenomenon in which the power supply voltage drops significantly for a short time of several seconds or less. As a device for instantaneous voltage drop countermeasures, there is a stable power supply device that can supply a large amount of power for a short time only when the voltage drops, and the demand for this device is increasing. In addition, the conventional power leveling device, peak cut device, frequency fluctuation suppressing device, voltage stabilizing device, flicker countermeasure device, and other various power stable supply devices are also short for measures against instantaneous voltage drop. It is required to add a capacity to supply a large amount of power (hereinafter referred to as “instantaneous large power supply capacity”) although it is time. Furthermore, an instantaneously large power supply capability is required even in an electric heating device or a lighting device using a large number of large bulbs. That is, since the temperature of the coil heater is low at the start of operation of the electric heating device and the lighting device, the resistance is lower than that during steady operation. Therefore, a large current flows, and the power converter is required to have an instantaneous large power supply capability.
[0003]
  In addition, in induction heating equipment for metal heat treatment, etc., in order to heat-treat metal parts quickly under high-precision temperature control, the heating furnace in a low temperature state at the start of operation is rapidly brought to a predetermined high temperature or rapidly It is necessary to make the temperature low. For this reason, compared with the case where high temperature is maintained in a steady operation state, large electric power is required at the time of an operation start. The electric power when it is necessary to supply a large amount of power for such a short time is called “instantaneous large electric power”, and the device for supplying the instantaneous large electric power is called “instantaneous large electric power supply device”. Motors and the like also require a large amount of electric power to start rotating from a stationary state at the start of operation, and a power conversion device for motors is required to have an instantaneous large electric power supply capability. In the case of an electric vehicle or the like, it is necessary to drive the motor with a larger electric power than in normal driving, although it is a short time, when starting or when escaping when a tire enters a muddy state. Thus, there are various types of load devices that require instantaneous high power. The conventional technology will be described below by taking as an example a stable power supply device that is a conventional instantaneous large power supply device. The time when loads such as the load leveling device, the stable power supply device such as the peak cut device, the electric heating device, the lighting device, and the motor device are operating in a steady state is hereinafter referred to as “normal time”.
[0004]
  FIG. 10 is a block diagram of a power supply system having a conventional stable power supply apparatus 101 using a redox flow battery as the secondary battery 108. In the figure, a system bus 102 is connected to a power system 100 of a substation 130 via a transformer 120. The stable power supply apparatus 101 is connected to the system bus 102 via a switch 103. For example, important loads 104 and 105 are connected to the system bus 102 via respective switches 114 and 115. The important loads 104 and 105 are important facilities for large customers who need a particularly stable power supply such as semiconductor manufacturing factories and precision machining factories. A general load 110 is also connected to the system bus 102 via switches 109 and 111. The stable power supply apparatus 101 includes a transformer 106 that also serves as an interconnection reactor, a converter 107 that converts AC power into DC power, or vice versa, and a large-capacity secondary battery 108 (redox flow battery). I have. This stable power supply device 101 functions as a peak cut device and a load leveling device in normal times, but instantaneous voltage drop to prevent the critical loads 104 and 105 from shutting down at the time of a momentary drop due to a lightning accident or the like Also works as a preventive measure device.
[0005]
  Hereinafter, the function of the stable power supply apparatus 101 will be described in detail. In the “steady state” in which the power supply and demand of the power supply system connecting the substation 130, the important loads 104 and 105, and the general load 110 is balanced, the switch 103 and the transformer from the system bus 102 AC power is supplied to the stable power supply apparatus 101 through 106. The AC power is converted into DC power by the converter 107 and stored in the secondary battery 108. When the power consumption of the important load 104 or 105 is greatly increased and the power supplied to the loads 104 and 105 temporarily exceeds the capacity of the substation 130, the detection circuit 8 having the voltage detector 10 The state is detected. The detection output of the detection circuit 8 is given to the control circuit 9. The control circuit 9 controls the converter 107 to convert the DC power generated by the discharge of the secondary battery 108 into the AC power by the converter 107, and supplies the surplus effective power to the system bus 102 to stabilize the supply and demand. Let This function is called “peak cut” because the stable power supply apparatus 101 can supply the excess power to be supplied from the substation 130 to the system bus 102 instead, and the peak of the power supplied to the system bus 102 can be cut. It is out.
[0006]
  When the capacity of the secondary battery 108 of the stable power supply apparatus 101 is increased so that electric power that can be supplied for a long time can be stored, it can be used as a load leveling apparatus. That is, the secondary battery 108 is charged with constant power during a low demand time zone at night (typically about 8 hours), and is constant time (typically about 8 hours) during high demand hours during the day. Electric power is supplied from the secondary battery 108 with constant power. Thereby, electric power more than the electric power which can be supplied of the substation 130 can be supplied in a high demand time zone. The stable power supply device for this application is called a “load leveling device” because it leveles a large gap between day and night power demand.
[0007]
  When lightning arrives at the power system 100 and a voltage drop occurs in the system voltage, the voltage detector 10 detects the voltage drop. In order to prevent the operation of the important loads 104 and 105 from being stopped due to a voltage drop, it is necessary to immediately restore the system voltage before the voltage drop. For this purpose, the stable power supply apparatus 101 controls the converter 107 by the control circuit 9 and supplies reactive power and active power from the secondary battery 108 to the important loads 104 and 105 via the converter 107 and the system bus 102. To maintain a stable power supply. When the power supplied from the secondary battery 108 is insufficient, the switch 109 is opened to disconnect the general load 110 having a low importance level, and at least the important loads 104 and 105 are supplied with a desired power to supply the important loads 104 and 105. We are trying to prevent the outage. As soon as the voltage drop recovers, the converter 107 returns to the normal operating state and supplies power from the substation 130.
[0008]
  In a conventional stable power supply apparatus, at the time of peak cut or load leveling, for example, the former is about 500 kW and the latter is about 2 MW for a relatively long time (for example, the former is about 1 hour, the latter is about 8 hours). It is required to supply. When a lightning strike occurs due to lightning during peak cut or load leveling operation, a power of 1 MW to several MW is added for a relatively short time (for example, 2 seconds) to recover the lowered voltage. It is necessary to supply.
[0009]
[Patent Document 1]
          JP 2002-84683 A
[Patent Document 2]
          JP-A-11-32438
[Patent Document 3]
          International publication number WO 98/43301
[Patent Document 4]
          International Publication Number WO00 / 22679
[Patent Document 5]
          JP 2000-252475 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  Distribution lines to which loads that require instantaneous high power at the time of starting an electric heating device, a lighting device using a light bulb, a motor, etc. are normally capable of supplying instantaneous high power. Secondary batteries that supply power to heaters, light bulbs, and motors for automobiles, and fuel cells for electric cars also have instantaneous high power supply capability. In addition, secondary batteries such as redox flow batteries, sodium-sulfur batteries, and lead batteries used for stable power supply can supply a much larger current than the rated current for a short time from a few seconds to a few minutes. have. In other words, if it is several seconds to several minutes, a current several times the rated current that can be supplied at normal times can be supplied. If this capability is utilized when instantaneous high power is required, instantaneous high power can be supplied without increasing the rated capacity of the secondary battery to a capacity corresponding to the instantaneous high power. However, the silicon (Si) semiconductor element used as the switching element of the converter 107 which is the power conversion apparatus of the conventional stable power supply apparatus does not have the ability to control the power exceeding several times the rating. . Therefore, it is necessary to set the rated power of converter 107 to a value substantially equal to the instantaneous high power. Therefore, in normal times, the power is used at a fraction of the rated power.
[0011]
  At the start of operation of an electric heating device and a lighting device using a light bulb, the time until the temperature of the coil heater rises to a steady state, or the time until the motor starts and reaches a predetermined rotational state Compared to time, this is a very short time. Further, in the stable power supply apparatus, the instantaneous drop due to the arrival of lightning does not occur so frequently and is about 20 times a year at most. The duration of the instantaneous drop due to lightning is several seconds even in the case of multiple lightning. In rare cases, small animals such as snakes and birds may be caught on power transmission lines, or trees may come into contact with each other, causing short circuits and ground faults. In such a case, a relatively long “instantaneous power outage” exceeding several minutes may occur. However, in order to deal with such a momentary power drop during a short time or a momentary power failure, providing a power converter such as a large converter with a power rating several times that of normal power There was a problem that not only the large power supply apparatus was large and the equipment cost was high, but also the maintenance cost was high.
[0012]
  The present invention uses a semiconductor element in which the operation mode can be selectively changed between the normal time and the time when instantaneous high power is required under the control of the control electrode. As a result, it has a power converter that can supply power that greatly exceeds the normal power at the time of starting the device, at the time of instantaneous drop, and when an instantaneous power failure occurs while using a power converter that has a power rating equivalent to the power required at normal time. An object of the present invention is to provide a small, lightweight and low-cost instantaneous large power supply device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  The power conversion device provided in the instantaneous large power supply device of the present invention functions as a unipolar semiconductor element when the gate voltage is lower than the built-in voltage of the gate junction, and functions as a bipolar semiconductor element when the gate voltage is high. A semiconductor device that combines the functions of a bipolar semiconductor device (hereinafter referred to as “Wide gapA composite functional semiconductor element ”is used as a switching element. During normal operation when the power system is operating at power below the rated power,Wide gapThe composite function semiconductor element is operated as a unipolar semiconductor element. It is operated as a bipolar semiconductor element at the start of operation (hereinafter referred to as “device start-up”) when various devices (loads) are started, which require instantaneous power loss or instantaneous high power. As a result, the power conversion device normally operates at the rated power, and operates at a power that greatly exceeds the rated power when an instantaneous high power is supplied such as when the voltage drops or when the device is started. Since the large power supply time is short, the semiconductor element is not destroyed.
  The instantaneous large power supply apparatus of the present invention is a secondary battery that charges and discharges DC power, and is connected between the secondary battery and a system bus of a power transmission power source, and AC input from the system bus is DC As a power conversion device that converts the direct current output from the secondary battery into alternating current and outputs it to the system bus,Wide gapIt has a converter which is a power converter constituted by a composite function semiconductor element.
[0014]
  Wide gapThe composite functional semiconductor element performs a unipolar operation when operating below the rated power. At the time of bipolar operation, power of 1.5 to 20 times the rated power at the time of unipolar operation can be controlled for a short time. When a high-performance heat sink is used, power of 1.4 to 5 times the rated power can be controlled within a few minutes. In this invention, it uses for the switching element of a converter.Wide gapThe rated power at the time of unipolar operation of the composite function semiconductor element is set to a value of “normal time” when the load is operating in a steady state. In the event of a momentary drop when a large amount of power needs to be supplied in a short time (when the power supply voltage drops significantly for a few seconds or less due to lightning, etc.) or during an instantaneous power outage (a relatively long power outage exceeding several minutes) When this occurs, the converter, which is a power conversion device, is operated with power during bipolar operation that greatly exceeds the rated power during normal operation. In the bipolar operation, the gate drive current is larger than in the unipolar operation, and the loss due to the gate current is greatly increased. However, since the bipolar operation is a short time, the increase in power loss due to this is a level that can be ignored in practice.
[0015]
  An instantaneous large power supply device according to another aspect of the present invention is a secondary battery that charges and discharges a direct current,
  A bidirectional chopper circuit connected to the secondary battery, stepping down a charge voltage of the secondary battery, and stepping up a discharge voltage of the secondary battery; and
  Connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source, converts alternating current input from the system bus to direct current and outputs it to the chopper circuit, and converts direct current input from the chopper circuit to alternating current Switching element that outputs to the system busWide gapIt has a converter which is a power converter constituted by a composite function semiconductor element.
  In the instantaneous high power supply device of the present invention, the charging voltage of the secondary battery is stepped down by the bidirectional chopper circuit and the discharge voltage is boosted. Therefore, in addition to the above effects, the voltage is higher than the voltage of the secondary battery. The instantaneous high power supply device can be applied to the system bus.
[0016]
  An instantaneous large power supply device according to another aspect of the present invention is a secondary battery that charges and discharges DC power,
  A bidirectional chopper circuit connected to the secondary battery, stepping down a charging voltage of the secondary battery and boosting a discharge voltage of the secondary battery;
  Connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source, converts alternating current input from the system bus to direct current and outputs it to the chopper circuit, and converts direct current input from the chopper circuit to alternating current Switching element that outputs to the system busWide gapA converter which is a power conversion device composed of a composite function semiconductor element;
  A detection device that detects a voltage of the system bus and detects a supply and demand state of power based on the detected voltage, and a load connected to the system bus and a power transmission power source based on a detection output of the detection device A control circuit that controls the converter to charge the secondary battery when the supply and demand of power is balanced, and to discharge the secondary battery and supply power to the system bus when the demand exceeds the supply Have.
  According to the present invention, in addition to the above effect, the occurrence of a sag is detected by detecting the voltage of the system bus, and the power of the system at the time of the sag is supplied by supplying power from the secondary battery to the system bus. Voltage drop can be prevented.
[0017]
  An instantaneous large power supply device according to another aspect of the present invention is a secondary battery that charges and discharges DC power,
  A bidirectional chopper circuit connected to the secondary battery, stepping down a charging voltage of the secondary battery and boosting a discharge voltage of the secondary battery;
  Connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source, converts alternating current input from the system bus to direct current and outputs it to the chopper circuit, and converts direct current input from the chopper circuit to alternating current Switching element that outputs to the system busWide gapA converter which is a power conversion device composed of a composite function semiconductor element;
  A detection device that detects the voltage and current of the system bus and detects the supply and demand state of the power of the load based on the detected voltage and current; and
  Based on the detection output of the detection device, when the supply and demand of power between the load connected to the system bus and the power transmission power supply is balanced, the secondary battery is charged, and when the demand exceeds the supply, A control circuit that controls the converter to discharge the secondary battery and supply electric power to the system bus;
  According to the present invention, in addition to the above effects, the supply and demand situation of the power of the system can be detected by detecting the voltage and current of the system bus. Since the power supply / demand situation can be detected, the instantaneous large power supply apparatus of the present invention can be used for load leveling.
[0018]
  The instantaneous high power supply apparatus according to another aspect of the present invention provides a rated discharge power of the secondary battery from the secondary battery when the voltage of the system bus is drastically reduced for a short time due to a lightning accident or the like. 2 to 12 times the discharge power, and the converter converts the discharge power of the secondary battery corresponding to 2 to 12 times the rated control power of the converter into an alternating current to give a predetermined reactive power and a rated power. It is controlled by the control circuit so as to output active power 2 to 12 times the power to the system bus.
  When the voltage of the system bus is instantaneously reduced, the secondary battery outputs a discharge power that is twice to 12 times the rated discharge power of the secondary battery, and the converter starts from twice the rated control power of the converter. It is controlled by the control circuit so that the discharge power of the secondary battery corresponding to 12 times is converted into an alternating current, and a predetermined reactive power and an active power smaller than twice the rated power are output to the system bus. Features.
  A connection reactor is provided between the system bus and the converter.
  The secondary battery is a redox flow battery or a sodium sulfur battery.
[0019]
  SaidWide gapThe composite functional semiconductor element is a charge injection junction field effect transistor (CIJFET) having silicon carbide (SiC) as a base material.
  SaidWide gapThe composite functional semiconductor element is a semiconductor element using gallium nitride as a base material.
  SaidWide gap combined functionThe semiconductor element is formed by connecting at least one chip or a plurality of chips of SiC CIJFET in parallel.
[0020]
  Wide gapCombined functionThe semiconductor element is formed by connecting at least one chip or a plurality of chips of SiC CIMOSFET in parallel.
  An instantaneous large power supply device according to another aspect of the present invention is a secondary battery that charges and discharges DC power,
  A bidirectional chopper circuit connected to the secondary battery, stepping down a charge voltage of the secondary battery, and stepping up a discharge voltage of the secondary battery;
  Connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source, converts alternating current input from the system bus to direct current and outputs it to the chopper circuit, and converts direct current input from the chopper circuit to alternating current Switching element that outputs to the system busWide gapA converter which is a power conversion device composed of a composite function semiconductor element;
  A detection device for detecting a frequency of the system bus and detecting a supply and demand state of electric power based on the detected frequency; and
  Based on the detection output of the detection device, when the supply and demand of power between the load connected to the system bus and the power transmission power supply is balanced, the secondary battery is charged, and the demand exceeds the supply And a control circuit for controlling the converter so as to discharge the secondary battery and supply electric power to the system bus.
[0021]
  An instantaneous large power supply apparatus according to another aspect of the present invention includes a secondary battery that charges and discharges DC power, and a secondary battery that is connected between the secondary battery and a load that is connected to a system bus of the power transmission power source. A wide gap bipolar semiconductor element is provided as an element, and alternating current input from the system bus is converted to direct current and output to the secondary battery, and direct current output from the secondary battery is converted to alternating current and applied to the load. It has the converter which is a power converter device to output.
  The instantaneous large power supply device further detects a voltage and a current of power supplied to a load connected to the system bus, and detects a supply and demand state of the power of the load based on the detected voltage and current. Based on the detection device and the detection output of the detection device, when the power supply and demand of the load and the power transmission power supply is balanced, the secondary battery is charged, and when the demand exceeds the supply, A control circuit for controlling the converter so as to discharge the secondary battery and supply electric power to the system bus;
[0022]
  An instantaneous large power supply device according to another aspect of the present invention is connected between a DC power supply for supplying DC power and the DC power supply and a load, and operates as a unipolar semiconductor element by control by a control electrode as a switching element. It operates as a unipolar semiconductor element during normal operation, and operates as a bipolar semiconductor element when instantaneous high power is required.Wide gapA power conversion device that includes a composite function semiconductor element, converts DC power input from the DC power supply into AC power, and outputs the AC power to the load.
  The direct current power source includes a rectifier that converts alternating current of a power system into direct current, and a capacitor connected between the positive and negative output terminals of the direct current of the rectifier.
  The DC power source is a secondary battery or a fuel cell.
  SaidWide gapThe composite functional semiconductor element is any one of a charge injection junction field effect transistor (CIJFET) and a charge injection MOS field effect transistor (CIMOSFET) using silicon carbide (SiC) as a base material.
  The load is an induction heating device.
  The load is an automobile motor.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described below.
  Of the present inventionWide gapIn an instantaneous high power supply device having a power conversion device using a composite function semiconductor element as a switching element,Wide gapThe multi-function semiconductor element is operated as a unipolar semiconductor element, and is operated as a bipolar semiconductor element when instantaneous high power is required, such as at the time of a momentary drop or at the start of operation of a device serving as a load (at the time of starting the device). As a result, the power converter normally operates at the rated power and has a low loss. Although the loss increases at the time of a voltage drop or when the apparatus is started, it can be operated with a power significantly exceeding the rated power.
  In particular, wide-gap semiconductor devices based on SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), diamond, etc. have significantly less loss than semiconductor devices based on Si (silicon) and operate at high temperatures. It has the physical property of being able to. Focusing on this point and investigating the maximum allowable power for a short time that can be controlled by a wide gap semiconductor device, it was destroyed even if a current far exceeding the rated current was passed through the wide gap semiconductor device for a short time of about several seconds. It turns out not to be. In particular, it was confirmed that the wide gap bipolar semiconductor device has an “instantaneous high power operation capability” capable of flowing a large current that greatly exceeds the “instantaneous high current supply capability” of the secondary battery.
[0024]
  In the power conversion device (converter) according to the present invention, a wide gap composite function semiconductor element that operates as a unipolar semiconductor element during normal operation and operates as a bipolar semiconductor element at the time of start-up that requires instantaneous high power is used as a switching element. Normally, it is operated at a voltage and current within the rating of the wide gap unipolar semiconductor element. At the time of voltage sag or device start-up, the secondary battery's instantaneous large current supply capability discharges DC power several times the normal value,Wide gapThe composite function semiconductor element is operated as a bipolar semiconductor element to convert the direct current power into alternating current power, and the power is supplied to an electric heating device, a lighting device, a motor device, and the like.
[0025]
  When the voltage of the secondary battery is lower than the voltage of the system bus, the DC output voltage due to the discharge of the secondary battery is boosted by the chopper circuit, converted to AC power by the converter, and output to the system bus. The secondary battery is charged “normally”. At the time of charging the secondary battery, AC power from the system bus is converted into DC power by the converter, stepped down by the chopper circuit, and charged to the secondary battery. The electric power value charged / discharged under normal conditions is within the rating of the converter.
[0026]
  At the time of a voltage drop or an instantaneous power failure, a current several times the rated current is supplied while maintaining the rated voltage of the secondary battery in accordance with the instantaneous large current supply capability of the secondary battery. That is, DC power that is approximately several times the rated power is supplied from the secondary battery. This DC power is boosted by a chopper circuit, converted to AC power by a converter, and output to the system bus, thereby stabilizing the power supply.
  In the converter,Wide gapPulse width modulation is performed by performing general known PWM operation type switching control for the switching element of the composite function semiconductor element. The phase of the output voltage of this pulse width modulation type converter (hereinafter referred to as PWM converter) is advanced from the phase of the voltage of the system bus, and the same power as normal is output to the system bus. Output to the bus is desirable for stable power supply. Since the voltage of the system bus decreases at the time of a sag, the pulse width modulation pulse width is widened to operate the converter. As a result, reactive power several times the normal value is output to the system bus, and the reduced voltage is rapidly returned to the voltage before the instantaneous drop.
[0027]
  A wide-cap composite functional semiconductor element that uses silicon carbide (SiC) or the like as a base material for low power control can be configured using a single semiconductor chip. However, it is difficult to construct a wide gap composite function semiconductor element for high power control with a single semiconductor chip. This is because it is difficult to produce a large-area semiconductor chip without any defects because many crystal defects exist in the base material SiC of the wide gap semiconductor element. In particular, it is difficult to manufacture a chip having a large area capable of flowing a large current as in the application of the present invention. If the technology for reducing the crystal defects of SiC is improved, a semiconductor device having a chip with a large area similar to that of Si can be realized. However, at present, a plurality of chips are connected in parallel to allow a large current to flow.
[0028]
  In a conventional converter using a Si bipolar transistor or Si IGBT provided in a conventional instantaneous high power supply device, the rated capacity of the Si bipolar transistor or Si IGBT is set to a secondary value at the time of an instantaneous drop or start of operation. The capacity must be set to match the normal power supplied from the battery.
  On the other hand, in the instantaneous large power supply device of the present invention, the SiC CIJFET or the SiC CIMOSFET has a composite function, and therefore a converter using this can control a large current several times the rated current. Therefore, it is a switching element of the converterWide gapEven if the converter is set according to the rated current of the multi-function semiconductor element in accordance with the normal current, it can cope with a large current during a sag. Various components constituting the instantaneous high power supply device such as a stable power supply device, for example, a transformer as a reactor, a heat sink of a semiconductor element, a bus bar, and the like can be reduced in size. In addition, since the rated capacity is small, the absolute value of loss is small and the loss can be reduced even with the same conversion efficiency, and a significant cost reduction can be achieved. Large converters for electric power use are required to have high breakdown voltage and high reliability compared to small converters. Moreover, since many protection functions are required, the price is high. For example, in a case where a conventional instantaneous high power supply apparatus requires a 5 MW converter, the present invention requires only 1 MW. For this reason, the cost is almost one fifth that of the conventional one, and a significant cost reduction can be achieved. The effect of cost reduction becomes greater as the instantaneous large power supply apparatus having a larger power capacity.
[0029]
  A preferred embodiment of the instantaneous high power supply apparatus of the present invention is shown in FIGS.9Will be described with reference to FIG.
<< First Example >>
  FIG. 1 shows a peak cut instantaneous high power supply apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention, and important loads 104 and 105 and a momentary load from a substation 130 to which the instantaneous high power supply apparatus 1 is connected. 1 is a block diagram of a power supply system reaching 110. FIG. “Peak cut” refers to supplying excess power from a power source other than the substation 130 when the power consumption exceeds the power that can be supplied by the substation 130 due to a sudden increase in power demand. Is called “at peak cut”. The state other than the peak cut is called “steady state”. In the figure, a system bus 102 is connected to a power system 100 of a substation 130 via a transformer 120. Particularly important important loads 104 and 105 are connected to the system bus 102 via respective switches 114 and 115. Further, a general load 110 having a lower importance than the important loads 104 and 105 is connected to the system bus 102 via switches 109 and 111. When an abnormality occurs in the system bus 102, the switch 109 is for disconnecting the general load 110 first and preferentially maintaining the power supply to the important loads 104 and 105. The instantaneous high power supply device 1 of the present invention is connected to the system bus 102 via the switch 6. Since the control device for operating the switches 6, 109, 111, 114 and 115 is well known in the art, the illustration thereof is omitted.
[0030]
  The instantaneous high power supply device 1 includes a secondary battery 2 having a rated voltage of 3.2 kW using a 500 kW rated redox flow battery, a converter 4 having a 500 kW rating, and a transformer 5 also serving as an interconnection reactor. It is connected to a system bus 102 of 6.6 kV via a device 6. The voltage and current of the system bus 102 are detected by the voltage detector 10 and the current detector 11, respectively, and the power supply / demand state is detected by the detection circuit 8 based on the detected voltage and current. A potential transformer (PT) or the like is used for the voltage detector 10. The current detector 11 is a current transformer (CT) or the like, and is provided in the substation 130 to detect the output current of the substation 130. The control circuit 9 receives a control signal output from the mode switching circuit 13 in accordance with a detection output indicating the supply / demand state of the electric power supplied from the detection circuit 8, and applies a corresponding drive signal to the converter 4 to output power. To control. When the voltage of the redox flow battery of the secondary battery 2 is 800 V, a bidirectional chopper circuit 3 is provided between the secondary battery 2 and the converter 4 as shown in FIG. Boost. The secondary battery 2 has a capacity capable of supplying a DC voltage of 800 V and a current of 625 A for about 1 hour. The switching elements of the chopper circuit 3 and the converter 4 are charge injection junction field effect transistors (hereinafter referred to as CIJFETs). The rated voltage of the CIJFET of the chopper circuit 3 is 8 kV and the rated current is 800 A, the rated voltage of the CIJFET of the converter circuit 4 is 8 kV, and the rated current is 400 A. The power capacity of this device is about 450 kW considering the power loss generated in the chopper circuit 3, the converter 4 and the transformer 5.
[0031]
  When the power consumption of the important loads 104 and 105 increases and temporarily exceeds the output power capacity of the substation 130, the voltage detector 10 and the current detector 11 detect the state, and the instantaneous large power supply device The converter 4 is controlled through the detection circuit 8, the mode switching circuit 13, and the control circuit 9, and the active power corresponding to the excess power can be supplied from the secondary battery 2 to the system bus 102 up to a maximum of about 450 kW. The secondary battery 2 is charged with electric power supplied from the system bus 102 in a steady state in which the supply and demand of electric power between the substation 130 and the important loads 104 and 105 and the general load 110 is balanced.
[0032]
  The DC output voltage of the secondary battery 2 such as a redox flow battery is, for example, 800 V at the beginning of the usage period, but tends to decrease from 800 V as the usage period becomes longer. Therefore, at the time of peak cut, it is desirable that the output voltage of the secondary battery 2 is boosted by the constant voltage output holding type chopper circuit 3 and the voltage is always kept constant and supplied to the converter 4.
[0033]
  The converter 4 that converts DC power into AC power or converts AC power into DC power uses SiC as a base material.Wide gapA SiC-CIJFET which is a composite function semiconductor element is used as a switching element. Since the converter 4 has a general known circuit configuration, the illustration thereof is omitted. In SiC-CIJFET, it is difficult to increase the current rating due to limitations due to defects in the SiC crystal. Therefore, it is desirable to obtain a desired power rating at a low current rating by increasing the voltage rating. In this case, as shown in FIG. 2, the output voltage 800V of the redox flow battery of the secondary battery 2 is boosted to 3.2 kV by the chopper circuit 3, and DC power of about 3.2 kV and 300 A is supplied to the converter 4. Yes. The converter 4 converts this DC power into AC power and applies it to the transformer 5. The transformer 5 boosts the voltage of 3.2 kV to 6.6 kV, outputs it to the system bus 102 via the switch 6, and supplies it to the loads 104, 105 and 110.
[0034]
  When the instantaneous high power supply device 1 supplies 450 kW peak cut power at the time of peak cut, if a lightning strike occurs in the power system 100, the voltage of the system bus 102 is instantaneously reduced (instantaneous drop). ) Is detected by the voltage detector 10. The instantaneous drop may cause a serious failure such as operation stop on the important loads 104 and 105. Therefore, in order to prevent this, the switch 109 is immediately opened and the general load 110 is disconnected. At the same time, the detection output of the voltage detector 10 is input to the detection circuit 8 in the instantaneous high power supply device 1. The detection circuit 8 generates a command signal for determining the operation mode of the control circuit 9 based on the detection output and applies it to the mode switching circuit 13. The mode switching circuit 13 applies to the control circuit 9 a control signal that determines an operation mode for operating the SiC-CIJFET of the converter 4 as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element. The control circuit 9 inputs a PWM control signal for PWM control of the SiC-CIJFET which is a switching element of the converter 4 to the converter 4 based on the input control signal. The control circuit 9 controls the converter 4 so that the secondary battery 2 outputs a DC power of 2.5 MW corresponding to the instantaneous large current supply capability, for example, at a voltage of 800V. The chopper circuit 3 boosts the 800V DC voltage to 3.2 kV and supplies it to the converter 4. In the converter 4, the gate voltage of the SiC-CIJFET is increased by the control circuit 9, and the SiC-CIJFET is switched from the unipolar operation to the bipolar operation. As a result, the converter 4 outputs active power of 450 kW at a voltage of 1.47 kV and reactive power of 2.78 MVAR (representing a unit of reactive power) at a voltage of about 1.47 kV.
[0035]
  The voltages of the active power and the reactive power are boosted to 6.6 kV by the transformer 5 and supplied to the system bus 102 to prevent a voltage drop. It is extremely rare that the voltage drop of the system bus 102 due to the lightning strike continues for 0.5 seconds or more. Since the converter 4 is designed so that the instantaneous high power supply device 1 of this embodiment can supply 450 kW of active power and 2.78 MVAR of maximum reactive power for about 6 seconds, it is sufficient as a measure against an instantaneous drop caused by a lightning strike. . In the above example, the converter 4 can convert an instantaneous high power of about 6 times the rating for 4 seconds.
  When the instantaneous large power supply apparatus according to the present embodiment is adapted only to the instantaneous drop, only the voltage detector 10 for detecting the voltage is provided as in the conventional power supply stabilizing apparatus shown in FIG.
[0036]
  Next, it is used for the instantaneous high power supply device 1 of this embodiment.Wide gapThe SiC-CIJFET of the composite function semiconductor element will be described in detail. In the present embodiment, the converter 4 can be operated with electric power significantly exceeding the rating as a switching element.Wide gapThis is because a SiC-CIJFET which is a composite function semiconductor element is used.
  FIG. 3A is a top view of a SiC-CIJFET element (module) having a rated voltage and current of 8 kV · 400 A used in the present embodiment, and FIG. It is -b sectional drawing. This SiC-CIJFET element is modularized by connecting nine SiC-CIJFET chips 131-139 having a rated current of 45A in parallel. In FIG. 3B, nine intermediate lower electrodes 16 are provided on the source electrode 14, and nine CIJFET chips 131 to 139 having a substantially square shape with a side of 7 mm are provided on each intermediate lower electrode 16. Yes. An intermediate upper electrode 17 is provided on each CIJFET chip 131-139. A drain electrode 15 is provided in contact with all the intermediate upper electrodes 17, and nine CIJFET chips 131 to 139 are sandwiched between the source electrode 14 and the drain electrode 15. With this configuration, nine CIJFET chips 131 to 139 are connected in parallel between the source electrode 14 and the drain electrode 15. Spacers 18 are provided between the CIJFET chips 131 to 139 to define the positions of the CIJFET chips 131 to 139 on the cathode electrode 14. The ceramic envelope 19 is used to maintain and insulate between the source electrode 14 and the drain electrode 15 and has a diameter of about 10 cm.
[0037]
  FIG. 4 shows a cross section of a SiC CIJFET cell, and FIG. 5 shows output characteristics. A plurality of CIJFET cells are arranged in parallel to constitute one CIJFET chip. In FIG. 4, the CIJFET cell is provided with an n-type drift layer 51 on the upper surface of a substrate 50 functioning as a drain of n-type SiC. A p-type buried gate layer 521 is formed in the upper region of the n-type drift layer 51, and p-type buried gate layers 522 and 523 are formed in both end regions. The p-type buried gate layer 521 faces the n-type source layer 54 with the n-type channel layer 53 interposed therebetween. A source electrode 56 is provided on the n-type source layer 54. P-type upper gate layers 524 and 525 are formed in contact with the p-type buried gate layers 522 and 523, respectively, and a gate electrode 57 serving as a control electrode is provided in the p-type upper gate layers 524 and 525. A drain electrode 55 is provided on the lower surface of the substrate 50. The p-type buried gate layers 521, 522 and 523 and the p-type upper gate layers 524 and 525 are electrically connected to the gate terminal 59.
[0038]
  In the CIJFET cell of FIG. 4, when the drain electrode 55 is at a high potential and the source electrode 56 is at a low potential, the gate voltage applied to the gate electrode 57 as the control electrode is the same potential as that of the source electrode 56. The n-type channel layer 53 between the upper gate layers 524 and 525 and the p-type buried gate layer 521 is completely covered with a depletion layer around the gate pn junction, and the CIJFET cell is pinched off. Therefore, no current flows between the drain electrode 55 and the source electrode 56, and a high reverse withstand voltage is maintained. When a gate voltage higher than the voltage of the source electrode 56 is applied to the gate electrode 57 within a range smaller than the built-in voltage (about 2.7 V) of the gate pn junction, the CIJFET element 131 operates as a unipolar semiconductor element. That is, the pinch-off due to the depletion layer is eliminated, a channel is formed in the n-type channel layer 53, and a current due to electrons flows from the substrate 50 as the drain toward the n-type source layer 54. When the gate voltage is increased, the width of the depletion layer becomes narrower. Conversely, the channel width becomes wider and a larger current flows.
[0039]
  FIG. 5 shows the gate voltage V_G  The voltage-current characteristics between the drain and the source are shown using as a parameter. As shown in FIG._G  Is 2.5 V, the drain-source voltage V_DSIs 4V, drain-source current I_DSIs the rated current of 45A. When a gate voltage larger than the built-in voltage (about 2.7 V) of the gate pn junction is applied to the gate electrode 57, the CIJFET chip 131 operates as a bipolar semiconductor element. That is, holes are injected into the n-type channel layer 53 from the p-type buried gate layers 521, 522 and 523 and the p-type upper gate layers 524 and 525, and conductivity modulation occurs in the n-type channel layer 53. For this reason, the resistance of the n-type channel layer 53 is significantly reduced. Further, electrons are injected from the n-type source layer 54 and the n-type channel layer 53 into the p-type buried gate layer 521, and the electrons diffuse in the p-type buried gate layer 521 to reach the n-type drift layer 51. . In this case, the p-type buried gate layer 521 functions as a p-type base region, and the CIJFET operates in the same manner as the npn transistor. Therefore, a large current due to the current due to holes and the current due to electrons flows from the drain electrode 55 to the source electrode 56. For example, drain-source voltage V_DSIs 4V and gate voltage V_G  When the voltage is 4 V, the drain-source current I is about 100 A, which is about 2.2 times the rated current._DSFlows.
[0040]
  The operation at the time of peak cut of the instantaneous large power supply device 1 including the converter 4 using the CIJFET having the above characteristics will be described below. At the time of peak cut, a gate voltage smaller than the built-in voltage (2.7 V) of the gate pn junction is applied to the gate electrode 57 of the CIJFET to operate the CIJFET as a unipolar semiconductor element. When the voltage drops, a gate voltage larger than the built-in voltage is applied to operate as a bipolar semiconductor device, and a current that is about 3.5 times that of a unipolar semiconductor device can be applied for about 6 seconds. .
[0041]
  A Si-bipolar semiconductor element using silicon (Si) as a base material has a negative temperature dependence in a bipolar operation. Therefore, when a large current flows and the internal temperature of the element rises, the current further increases and the temperature rises further, and finally, thermal runaway occurs, leading to destruction of the element. When a plurality of Si-bipolar chips are connected in parallel, once current concentration occurs in a certain Si-bipolar chip, the current of other Si-bipolar chips may also be concentrated in that chip, leading to thermal runaway. . Therefore, it is difficult to use a large number of Si-bipolar chips connected in parallel.
[0042]
  On the other hand, the internal resistance of the SiC-CIJFET has a positive temperature dependency. Therefore, when an excessive current flows and the element temperature rises, the internal resistance increases, the current is automatically reduced, the temperature rise is suppressed, and thermal runaway does not occur. If the time during which a large current flows is 10 seconds or less, a large number of SiC-CIJFET chips can be connected in parallel. The time during which a large current can flow is the time until the internal temperature of the chip rises to reach the limit temperature at which the semiconductor properties can be maintained because the amount of heat generated inside each chip is greater than the amount of heat released. This time is determined depending on the structure of each chip, the current density, the structure of the module in which the chips are connected in parallel, and the like. In the configuration shown in FIG. 3, it was confirmed by experiments that no problem occurred for about 6 seconds when a current of about three times the rated current was passed. For example, a test that generates a sag for 8 seconds during a peak cut operation test of about 45 minutes was performed, but it responded sufficiently to peak cuts and sags with little effect on the critical loads 104 and 105. We were able to supply possible power.
[0043]
  The converter of the present embodiment uses about 6 times the rated power for about 4.5 seconds necessary to prevent the influence of the instantaneous drop by utilizing the instantaneous high power operation capability of the SiC-CIJFET used as a switching element. Acts as a converter that converts power. Therefore, unlike the conventional converter using a silicon semiconductor element, it is not necessary to set the design value of the capacity of the converter to that of high power taking into account the instantaneous drop. As the design value of the capacity, a capacity capable of supplying power at the time of peak cut, that is, a capacity capable of supplying a fraction of the power at the time of instantaneous drop is sufficient. As a result, it is possible to achieve a significant reduction in size, weight, and cost of an instantaneous large power supply device that can cope with peak cuts.
[0044]
<< Second Embodiment >>
  FIG. 6 is a block diagram of an instantaneous high power supply device 21 for load leveling that is a second embodiment of the present invention. The instantaneous large power supply device 21 includes a secondary battery 22 using a sodium-sulfur battery having a rated voltage of 1.5 KV and a rated power of 1.5 MW, a bidirectional chopper circuit 23, a converter 24, and a transformer 25. Similar to the instantaneous large power supply device 1 in FIG. 1, it is connected via a switch 6 to a system bus 102 having a voltage of 6.6 KV. Other configurations are the same as those of the instantaneous large power supply device 1. In the present embodiment, the instantaneous large power supply device 21 functions as a stable power supply device for load leveling.
[0045]
  “Load leveling” means that power is stored during times when demand is low, and is stored during times when demand is high, in order to cope with a phenomenon in which power demand varies greatly depending on the time of day. It means releasing electric power. The secondary battery 22 is charged with a constant power at night when power demand is low, for example, 8 hours from 22:00 to 6:00. In the daytime when electricity demand is particularly high, for example, 8 hours from 9:00 to 17:00, about 1.35 MW of power is supplied from the secondary battery 22. A switching element (not shown) of the chopper circuit 23 is a SiC-charge injection MOS field effect transistor (hereinafter referred to as CIMOSFET) having a voltage / current of 10 kV · 1400A. The switching element (not shown) of the converter 24 is a SiC-CIMOSFET having a voltage / current of 10 kV · 600 A. It is difficult to make a SiC-CIMOSFET having a large rated current with one chip, and the current that can flow through one SiC-CIMOSFET chip is about 40A. The SiC-CIMOSFET element (module) used for the converter 22 of this embodiment is provided with 15 pieces of CIMOSFET chips with a rated current of 40 A in a package similar to that shown in FIG. 3, and these are connected in parallel to form a module.
[0046]
  As described above, since the rated current of the SiC-CIMOSFET is relatively small, the voltage is increased to increase the rated power. For example, when 1.35 MW of electric power is supplied in the daytime, the chopper circuit 23 boosts the 1.5 kV DC output voltage of the secondary battery 2 to 3 kV. As a result, DC power having a voltage / current of about 3 kV · 480 A is supplied to the converter 4. The converter 24 converts this DC power into AC power having a voltage / current of about 1.38 kV · 566 A and supplies the AC power to the transformer 25. The transformer 25 boosts the voltage of 1.38 kV to 6.6 kV and supplies it to the system bus 102 via the switch 6.
[0047]
  When power supply 100 is supplied with power of 1.35 MW and a voltage drop due to a lightning strike occurs in power system 100, and the voltage of system bus line 102 significantly decreases due to the effect, a voltage decrease is detected by voltage detector 10, The detection output is input to the detection circuit 8. The detection circuit 8 generates a command signal for determining an operation mode based on the detection output and applies it to the mode switching circuit 13. The mode switching circuit 13 applies to the control circuit 9 a control signal that determines an operation mode for operating the SiC-CIMOSFET of the converter 4 as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element. The control circuit 9 generates a PWM control signal based on the input control signal, inputs the PWM control signal to the converter 24, and drives the switching element of the converter 24. The output voltage of the secondary battery 22 is boosted to 4.5 kV by the chopper circuit 23 and supplied to the converter 24. The control circuit 9 applies a drive signal in which the pulse width of the PWM signal for switching control is expanded to the converter 24. Accordingly, the converter 24 outputs active power of about 1.35 MW, which is a rated value, and reactive power of about 6.44 MVAR at a voltage of about 2.07 kV. The output of the converter 24 is boosted by the transformer 25 and supplied to the system bus 102 to prevent a voltage drop of the system bus 102.
[0048]
  In the instant large power supply apparatus of this embodiment, the converter can be operated with electric power that greatly exceeds the rating as described above because SiC-CIMOSFET is used as a switching element.
  FIG. 7 shows a cross-sectional view of a SiC-CIMOSFET cell. In the SiC-CIMOSFET, an n-type drift layer 151 is formed on a substrate 150 that functions as a drain of n-type SiC. A p-type gate layer 652 is formed in the upper central region of the n-type drift layer 151. P-type gate layers 653 and 654 are formed in both end region of the drift layer 151, respectively. Other p-type gate layers 655 and 656 are formed on both p-type gate layers 653 and 654, respectively. An n-type channel layer 658 is formed in a region surrounded by the p-type gate layers 652, 653, and 654. An n-type source layer 659 is formed in the upper central region of the n-type channel layer 658. A drain electrode 160 is provided on the lower surface of the substrate 150, and a source electrode 161 is provided on the n-type source layer 659. P-type gate electrodes 661 and 662 are provided on the p-type gate layers 655 and 656, respectively. MOS gate electrodes 667 and 668 are provided on n-type channel layer 658 via MOS gate insulating layers 665 and 666, respectively. The p-type gate layers 652, 653, 654, 655, 656 are electrically connected to the p-type gate electrodes 661, 662 and are led out as a p-type gate terminal 670. The MOS gate electrodes 667 and 668 are electrically connected and led out as a MOS gate terminal 673.
[0049]
  In the CIMOSFET cell, the gate voltage applied to the MOS gate electrodes 667 and 668 and the p-type gate electrodes 661 and 662 is applied to the source electrode 161 in a state where the voltage is applied with the drain electrode 160 at the high potential and the source electrode 161 at the low potential. The n-type channel layer 658 is completely covered with a depletion layer around the gate pn junction, and the SiC-CIMOSFET is pinched off. As a result, current does not flow between the drain electrode 160 and the source electrode 161, and the withstand voltage is high. A gate voltage higher than a predetermined threshold is applied to the MOS gate electrodes 667 and 668, and the p-type gate electrodes 661 and 662 are higher than the voltage of the source electrode 161 in a range smaller than the built-in voltage (about 2.7 V) of the gate pn junction. When a gate voltage is applied, the SiC-CIMOSFET operates as a unipolar semiconductor element. That is, the pinch-off due to the depletion layer is eliminated, a channel is formed in the n-type channel layer 658, and a current due to electrons from the drain electrode 160 toward the source electrode 161 flows. When the gate voltage applied to the p-type gate electrodes 661 and 662 is increased, the width of the depletion layer is narrowed. Therefore, the width of the channel is widened and a large current flows between the drain electrode 160 and the source electrode 161.
[0050]
  When a voltage higher than the built-in voltage (2.7 V) of the gate pn junction is applied to the p-type gate electrodes 661 and 662, the CIMOSFET operates as a bipolar semiconductor element. That is, holes are injected from the p-type gate layers 652, 653, 654, 655, and 656 into the n-type channel layer 658, conductivity modulation occurs in the n-type channel layer 658, and the resistance of the n-type channel layer 658 is remarkably increased. To reduce. Further, electrons are injected from the n-type source layer 659 and the n-type channel layer 658 to the p-type gate layer 652. These electrons diffuse in the p-type gate layer 652 and reach the n-type drift layer 151. In this way, the p-type gate layer 652 functions as a p-type base, and the CIMOSFET operates as an npn transistor. A current due to holes and a large current due to electrons flow from the drain electrode 160 to the source electrode 161.
  The chopper circuit 23 of the instantaneous high power supply device 21 and the switching element of the converter 24 shown in FIG. 6 of the present embodiment are connected in parallel to 15 chips each composed of a plurality of SiC-CIMOSFET cells, as shown in FIG. The one configured in a module similar to the one is used. In the module, the MOS gate electrodes 667 and 668 of 15 chips are connected in common, and the p-type gate electrodes 661 and 662 and the p-type gate layer 652 are connected in common. Further, the drain electrodes 160 of the 15 chips are connected in common, and the source electrodes 161 are connected in common.
[0051]
  When the instantaneous large power supply device of this embodiment is used for a voltage drop, a bipolar voltage is applied by applying a gate voltage larger than the built-in voltage (about 2.7 kV) of the gate pn junction to the p-type gate electrodes 661 and 662 of the CIMOSFET. Operate as a semiconductor element. If the time for operating as a bipolar semiconductor element is about 5 seconds, a current that is about 3.8 times as large as that when operating as a unipolar semiconductor element can be passed.
  In this example, by utilizing the instantaneous high power operation capability of SiC-CIMOSFET, a converter with a rated power of 1.5 MW is about 4.7 times as large as 1.5 MW in a short time to prevent the influence of a sag. It can be operated as a converter having a rated power equivalent to about 7 MW. Therefore, it is possible to realize an instantaneous large power supply device for load leveling that can be coped with even during a sag, which is significantly reduced in size, weight, and cost.
[0052]
  << Third embodiment >>
  A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  FIG. 8 shows a block diagram of an example in which the instantaneous high power supply apparatus of the present invention is applied to an induction heating apparatus of 100 kW and 500 Hz class. In a heating device for rapidly heat-treating metal parts, etc. under high-accuracy temperature control, a low-temperature heating furnace is rapidly brought to a predetermined high temperature at the start of operation or during operation, and conversely a high-temperature heating furnace Is required to rapidly reach a predetermined low temperature. In particular, at the start of operation, larger electric power is required than when maintaining a predetermined high temperature in a steady operation state.
[0053]
  In FIG. 8, a rectifier 301 is connected to a three-phase distribution system line 290 via a switch 292, and an input three-phase AC is rectified to obtain a DC output at DC output terminals 295 and 296. A large capacity capacitor 302 is connected between the DC output terminals 295 and 296, and the DC output charges the capacitor 302. An inverter 303 is connected between the DC output terminals 295 and 296. Output terminals 315 and 316 of the inverter 303 are connected to both terminals 319 and 320 of the heating coil 304 via respective capacitors 317 and 318. A temperature sensor 306 for detecting the temperature in the heating furnace is provided in the vicinity of the heating coil 304, and the detection output is input to the detection circuit 309. Current detectors 307 and 308 such as CT are provided on two of the three-phase input lines of the rectifier 301, and detection outputs are input to the detection circuit 309.
[0054]
  A current detector 305 is also provided on the output line connected to the output terminal 315 of the inverter 303, and the detection output is input to the detection circuit 309. The output of the detection circuit 309 is applied to the mode switching circuit 300. The mode switching circuit 300 determines an operation mode for operating the switching elements 331 to 334 as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element, and inputs a mode control signal to the control circuit 310. The four output terminals of the control circuit 310 are connected to the input terminals of the drive circuits 311, 312, 313 and 314 of the inverter 303. Output terminals of the drive circuits 311, 312, 313, and 314 are connected to gates of the switching elements 331, 332, 333, and 334, respectively. A well-known flywheeling diode is connected between the source and drain of each of the switching elements 331 to 334.
  In the inverter 303, the switching elements 331, 332, 333, and 334 are constituted by a CIJFET module having a rated voltage / current of 1 kV · 150A. The configuration of the CIJFET module is similar to that of the first embodiment shown in FIG. The inverter 303 converts the direct current output of the rectifier 301 into an alternating current output, and supplies it to the induction heating coil 304 via the capacitors 317 and 318.
[0055]
  The detection circuit 309 performs predetermined arithmetic processing based on the detection outputs of the current detectors 305, 307, and 308 and the detection output of the temperature detector 306, and applies the resulting command signal to the mode switching circuit 300. The mode switching circuit 300 applies a mode control signal for determining an operation mode to the control circuit 310 based on the command signal. The control circuit 310 generates four control signals according to the mode control signal and applies them to the drive circuits 311 to 314, respectively. Each drive circuit 311 to 314 generates a drive signal for each switching element 331 to 334 based on the input control signal, and applies it to each switching element.
[0056]
  The induction heating apparatus needs to raise the temperature in the heating furnace to a predetermined temperature in a predetermined time (for example, 5 seconds to 30 seconds) according to the material, shape, and intended use of the metal part to be heat-treated. Therefore, it is usually necessary to supply a large amount of power at the start of operation of the induction heating apparatus. In this embodiment, at the start of operation, the CIJFETs of the switching elements 331 to 334 are operated as bipolar semiconductor elements by the drive signals of the respective drive circuits 311 to 314, and the AC output power that is 3 to 5 times the steady state is heated coil 304. Can be supplied to. It is desirable to operate the CIJFET as a unipolar semiconductor element in a steady state to prevent power loss in the CIJFET. If a capacitor having a large capacity is used, when the supply power to the heating coil 304 increases rapidly, the charge charged in the capacitor 302 compensates for the sudden increase in supply power. As a result, it is possible to prevent a decrease in voltage of the distribution system line 290 due to a sudden increase in supply power.
[0057]
  According to this embodiment, the rated output of the inverter 303 of the induction heating device may be set in accordance with the output during steady operation, and when a large output is required in a short time such as at the start of operation or rapid heating, By operating the CIJFET of the switching elements 331 to 334 as a bipolar semiconductor element, it is possible to obtain an output that is 3 to 5 times the steady state. Accordingly, the induction heating device can be reduced in size, weight, and cost.
[0058]
<< 4th Example >>
  A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram of an example in which the instantaneous large power supply device of the present invention is applied to a traveling motor 404 of an electric vehicle having a rated output of 60 kW. The rated frequency of alternating current applied to the traveling motor 404 is, for example, 18 kHz.
[0059]
  In FIG. 9, a three-phase inverter 403 that is a power converter is connected to a battery 401 via a power switch 400. A capacitor 402 is connected between both terminals of the battery 401. The battery 401 is a secondary battery such as a lead battery, but may be a power generation device such as a fuel cell.
  A motor 404, which is a synchronous motor having a permanent magnet rotor, is connected to the three output terminals 415, 416, and 417 of the inverter 403. The rotation angle of the rotor of the motor 404 is detected by a shaft rotation angle detector 405 provided in the vicinity of the shaft connected to the rotor, and a detection signal indicating the rotation speed of the shaft is input to the detection circuit 408. The stator current of the motor 404 is detected by a current detector 420 such as CT, and a detection signal is input to the detection circuit 408. The detection circuit 408 further receives a torque request signal 407 output in response to the driver's operation of the accelerator pedal. The detection circuit 408 performs arithmetic processing based on the input both detection signals and the torque request signal, and inputs the resulting processing signal to the mode switching circuit 410. The mode switching circuit 410 applies a mode control signal for determining the operation mode of the switching elements 431 to 436 to the inverter control circuit 409. The control circuit 409 outputs control signals to the respective drive circuits 421, 422, 423, 424, 425, and 426 that drive the switching elements 431, 432, 433, 434, 435, and 436 of the inverter 403. The drive circuits 421 to 426 apply drive signals for driving the switching elements 431 to 436 to the gates that are control electrodes of the respective switching elements 431 to 436 based on the input control signals. A flywheeling diode is connected between the source and drain of each of the switching elements 431 to 436.
[0060]
  As the switching elements 431 to 436 of the inverter 403 in the instantaneous large power supply apparatus of this embodiment, the CIMOSFET module shown in FIG. 7 and described in the second embodiment is used.
  In the case of an electric vehicle, it is necessary to supply the motor 404 with electric power several times that in normal driving, although it is a short time when the vehicle starts suddenly or escapes when a tire enters a muddy state. The switching elements 431 to 436 of the inverter 403 in this embodiment are, for example, CIMOSFET modules with rated voltage and current of 1 kV · 600 A class. When it is necessary to supply a large amount of power to the motor 404, such as when starting or accelerating the electric vehicle, the processing signal of the detection circuit 408 corresponding thereto is input to the mode switching circuit 410, and the mode control signal corresponding thereto is input to the inverter control circuit. 409 is applied. The inverter control circuit 409 applies a positive voltage to the MOS gate terminal 673 and the p-type gate terminal 670 of the switching elements 431 to 436, which are the control electrodes of the CIMOSFET element shown in FIG. 7, according to the applied control signal. For example, the MOS gate voltage is 5 to 30V and the p-type gate voltage is 2.7 to 25V. Accordingly, the CIMOSFET element operates as a bipolar semiconductor element, and the inverter 403 can supply AC power about 1.5 to 4 times the rated power to the motor 404. The time for which the inverter 403 can output AC power 1.5 to 4 times the rated power is, for example, about 2 to 20 seconds. The secondary battery 401 and the automobile fuel cell can supply electric power several times the rated power for a short time.
[0061]
  During normal driving of the electric vehicle, a voltage of 1.0 to 2.5 V is applied to the p-type gate terminal 670 of the CIMOSFET element, and a voltage of 5 to 30 V is applied to the MOS gate terminal 673. Thereby, the CIMOSFET element operates as a unipolar semiconductor element.
  In the conventional inverter having a switching element using silicon, it is necessary to configure the inverter by using a switching element having a rated power of 1.5 to 4 times the rated output. In this embodiment, the inverter is unipolar. Selectable operation and bipolar operationWide gapBy using the composite function semiconductor element, it is possible to cope with a large power several times the rated power by using an inverter having a rated power substantially equal to the output power during normal driving. As a result, the inverter for an electric vehicle motor can be significantly reduced in size, weight, and cost.
[0062]
  The present invention has been described with reference to the first to fourth embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be applied.
  For example, the switching elementWide gapThe composite function semiconductor element is not limited to CIJFET or CIMOSFET. In addition, a wide gap semiconductor material other than SiC, that is, a semiconductor element made of gallium nitride, diamond or the like can be used for the converter and the inverter in the same manner. A composite functional element made of Si can also be used.Wide gapThe composite function semiconductor element can also be used as a switching element of a switching power supply.
[0063]
  The battery may be a zinc chloride battery, a zinc bromine battery, a lithium ion battery, etc., in addition to a redox flow battery, a sodium sulfur battery, a lead battery, a fuel battery, and the like.
  In the case of an instantaneous large power supply device with a small capacity of 200 kW or less, the current capacity is small, so that a wide-gap bipolar semiconductor element with a small chip area can be adequately accommodated. In this case, a chopper circuit for boosting the voltage to obtain predetermined power with a small current is not necessarily required, and the output of the battery may be directly applied to a power conversion device such as an inverter.
[0064]
  Wide-gap bipolar semiconductor devices can be easily realized with high breakdown voltage. For example, in the first and second embodiments, a high breakdown voltage of 20 kV or higher can be directly connected to the 6.6 kV system bus 102. Therefore, it is possible to use only the interconnecting reactor without using a transformer.
  In the first and second embodiments, the example of the 6.6 kV distribution system bus has been described. However, by making each element constituting the instantaneous large power supply device a high withstand voltage and large current, the power system can be further upstream. The present invention can also be applied to an instantaneous large power supply device to be connected. In addition, the instantaneous high power of the present invention can be applied to a relatively long “instantaneous power outage” exceeding several minutes when a small animal such as a snake or a bird is caught on a power transmission line, or when a short circuit or ground fault occurs due to contact with a tree. Supply device can be applied. Furthermore, if one of the generators of the power transmission power supply fails or the load (factory, etc.) of a large power customer suddenly stops operating, sudden power fluctuations will occur, resulting in an imbalance between power supply and demand. May last more than a minute. Increase the capacity of the secondary battery and cool the switching element against fluctuations in the grid frequency due to power supply / demand imbalances of 5 minutes to 1 hour, which is much longer than the duration (several seconds) of the instantaneous drop due to lightning. The instantaneous large power supply apparatus of the present invention can be applied by taking a means for keeping the temperature below a predetermined value. In the case of such a long time, the instantaneous large power supply apparatus of the present invention can adjust power about 1.5 to 3 times the rated output, and can be used as an emergency wire.
[0065]
【The invention's effect】
  As described in detail in the above embodiments, according to the present invention, either unipolar operation or bipolar operation is selected.Wide gapA power conversion device such as an inverter is configured by using the composite function semiconductor element, and a unipolar operation is performed at a normal time when the output is equal to or lower than the rated power. When instantaneous high power is required, the power above the normal rated power can be controlled.Wide gapBipolar operation of the composite function semiconductor device is performed. As a result, it is possible to significantly reduce the size, weight, and cost of the instantaneous large power supply device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an instantaneous high power supply device for peak cut according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of another example of the instantaneous high power supply device for peak cut according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a plan view of a SiC-CIJFET module used in the converter of the first embodiment.
  (B) is bb sectional drawing of (a).
FIG. 4 is a cross-sectional view of a SiC-CIJFET cell.
FIG. 5 is a graph showing drain-source voltage-current characteristics of a SiC-CIJFET with the gate voltage as a parameter.
FIG. 6 is a block diagram of an instantaneous high power supply apparatus for load leveling according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a SiC-CIMOSFET cell.
FIG. 8 is a block diagram of an instantaneous high power supply apparatus for induction heating according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of an instantaneous high power supply device for a travel motor of an electric vehicle according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram of a conventional stable power supply device for peak cut.
[Explanation of symbols]
      1,21 Instantaneous large power supply device
      100 Power system
      4, 24            converter
      5,120 transformer
      6, 109, 111, 114, 115 Switch
      10 Voltage detector
      11 Current detector
      131-139 SiC-CIJFET chip
      50, 150 substrates
      55, 160 Drain electrode
      56, 161 Source electrode
      57 Gate electrode
      667, 668 MOS gate electrode
      661, 662 p-type gate electrode
      311 to 314, 421 to 426 drive circuit
      331-334, 431-436 switching element
      303, 403 inverter

Claims

A secondary battery that charges and discharges DC power, and is connected between the secondary battery and a system bus of the power transmission power source, and operates as a unipolar semiconductor element by control by a control electrode as a switching element or as a bipolar semiconductor element A wide gap composite function semiconductor element having a composite function for selecting whether to operate is provided, converts alternating current input from the system bus into direct current, outputs the secondary battery, and outputs from the secondary battery An instantaneous large power supply device having a converter which is a power conversion device that converts direct current into alternating current and outputs the converted power to the system bus.

A secondary battery that charges and discharges DC power, and is connected between the secondary battery and a system bus of the power transmission power source, and operates as a unipolar semiconductor element by control by a control electrode as a switching element or as a bipolar semiconductor element It has a composite function to select whether to operate, normally it operates as a unipolar semiconductor element, and when it needs instantaneous high power, it has a wide gap composite function semiconductor element that operates as a bipolar semiconductor element. Instantaneous high power having a converter which is a power conversion device that converts input AC to DC and outputs it to the secondary battery, converts DC output from the secondary battery to AC and outputs it to the system bus Feeding device.

Secondary battery that charges and discharges DC power,
A bidirectional chopper circuit connected to the secondary battery, stepping down a charge voltage of the secondary battery, and stepping up a discharge voltage of the secondary battery;
A wide gap connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source and having a composite function in which the switching element is selected to operate as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element by control by a control electrode A power converter that includes a composite function semiconductor element, converts alternating current input from the system bus to direct current and outputs it to a chopper circuit, converts direct current input from the chopper circuit to alternating current, and outputs the alternating current to the system bus Converter, which is
A detection device that detects a voltage of the system bus and detects a supply and demand state of power based on the detected voltage, and a load connected to the system bus and a power transmission power source based on a detection output of the detection device A control circuit that controls the converter to charge the secondary battery when the supply and demand of power is balanced, and to discharge the secondary battery and supply power to the system bus when the demand exceeds the supply. Instantaneous large power supply device.

Secondary battery that charges and discharges DC power,
A bidirectional chopper circuit connected to the secondary battery, stepping down a charge voltage of the secondary battery, and stepping up a discharge voltage of the secondary battery;
Wide connection with a composite function that is connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source, and is selected as a switching element to be operated as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element under the control of the control electrode. Power conversion that includes a gap composite function semiconductor element, converts alternating current input from the system bus to direct current and outputs it to a chopper circuit, converts direct current input from the chopper circuit to alternating current and outputs the alternating current to the system bus Converter, which is a device
A detection device that detects the voltage and current of the system bus and detects the supply and demand state of power based on the detected voltage and current, and a load and power connected to the system bus based on the detection output of the detection device Controls the converter to charge the secondary battery when the supply and demand of power with the power transmission power supply is balanced, and to discharge the secondary battery and supply power to the system bus when the demand exceeds the supply Instantaneous large power supply device having a control circuit.

When the voltage of the system bus decreases significantly for a short time due to the occurrence of a lightning accident or the like, the secondary battery outputs a discharge power that is 2 to 12 times the rated discharge power of the secondary battery,
The converter converts the discharge power of the secondary battery corresponding to 2 to 12 times the rated control power of the converter into an alternating current, and generates a predetermined reactive power and an active power of 2 to 12 times the rated power. 5. The instantaneous large power supply device according to claim 3, which is controlled by the control circuit so as to output to

When the voltage of the system bus decreases significantly for a short time due to the occurrence of a lightning accident or the like, the secondary battery outputs a discharge power that is 2 to 12 times the rated discharge power of the secondary battery,
The converter converts the discharge power of the secondary battery corresponding to 2 to 12 times the rated control power of the converter into alternating current, and outputs a predetermined reactive power and an active power smaller than twice the rated power to the system bus The instantaneous high power supply device according to claim 3, wherein the instantaneous high power supply device is controlled by the control circuit.

The instantaneous high-power supply device according to any one of claims 1 to 6, wherein an interconnection reactor is provided between the system bus and the converter.

5. The instantaneous large power supply device according to claim 1, wherein the secondary battery is any one of a redox flow battery and a sodium sulfur battery.

5. The instantaneous large-sized semiconductor device according to claim 1, wherein the wide gap composite functional semiconductor element is a charge injection junction field effect transistor (CIJFET) having silicon carbide (SiC) as a base material. Power supply device.

5. The instantaneous large power supply device according to claim 1, wherein the wide gap composite functional semiconductor element is a semiconductor element having gallium nitride as a base material.

5. The instantaneous large-sized semiconductor device according to claim 1, wherein the wide gap composite function semiconductor device is formed by connecting at least one chip or a plurality of chips of SiC CIJFET in parallel. Power supply device.

5. The instantaneous large-sized semiconductor device according to claim 1, wherein the wide gap composite function semiconductor element is formed by connecting at least one chip or a plurality of chips of SiC CIMOSFET in parallel. Power supply device.

Secondary battery that charges and discharges DC power,
A bidirectional chopper circuit connected to the secondary battery, stepping down a charge voltage of the secondary battery, and stepping up a discharge voltage of the secondary battery;
A wide gap connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source and having a composite function in which the switching element is selected to operate as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element by control by a control electrode A power converter that includes a composite function semiconductor element, converts alternating current input from the system bus to direct current and outputs it to a chopper circuit, converts direct current input from the chopper circuit to alternating current, and outputs the alternating current to the system bus Converter, which is
A detection device that detects a frequency of the system bus and detects a power supply / demand state based on the detected frequency, and a load connected to the system bus and a power transmission power source based on a detection output of the detection device A control circuit that controls the converter to charge the secondary battery when the supply and demand of power is balanced, and to discharge the secondary battery and supply power to the system bus when the demand exceeds the supply. Instantaneous large power supply device.

A secondary battery that charges and discharges DC power, and is connected between the secondary battery and a load connected to the system bus of the power transmission power source, and operates as a unipolar semiconductor element as a switching element by control by a control electrode Or a wide gap composite function semiconductor element having a composite function for selecting whether to operate as a bipolar semiconductor element, converting alternating current input from the system bus to direct current, and outputting to the secondary battery, the secondary battery An instantaneous high-power supply device having a converter that is a power conversion device that converts direct current output from a battery into alternating current and outputs the alternating current to the load.

A detection device that detects a voltage and current of power supplied to a load connected to the system bus, and detects a supply and demand state of the power of the load based on the detected voltage and current, and a detection output of the detection device Based on the above, when the supply and demand of power between the load and the power transmission power supply is balanced, the secondary battery is charged, and when the demand exceeds the supply, the secondary battery is discharged to supply power to the system bus. The instantaneous high-power supply device according to claim 14, further comprising a control circuit that controls the converter to supply power.

DC power source that supplies DC power, and a composite function that is connected between the DC power source and a load, and is selected as a switching element to operate as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element by control by a control electrode It has a wide gap composite function semiconductor element that normally operates as a unipolar semiconductor element and operates as a bipolar semiconductor element when instantaneous high power is required. An instantaneous large power supply device comprising: a power conversion device that converts power into power and outputs the power to the load.

17. The instantaneous large power supply device according to claim 16, wherein the direct current power source includes a rectifier that converts alternating current of a power system into direct current and a capacitor connected between positive and negative output terminals of the direct current of the rectifier. .

The instantaneous high-power supply apparatus according to claim 16, wherein the DC power source is a secondary battery or a fuel cell.

The wide gap composite functional semiconductor element is either a charge injection junction field effect transistor (CIJFET) or a charge injection MOS field effect transistor (CIMOSFET) using silicon carbide (SiC) as a base material. The instantaneous high-power supply device according to claim 16.

The instantaneous large power supply apparatus according to claim 16, wherein the load is an induction heating apparatus.

The instantaneous high power supply apparatus according to claim 16, wherein the load is a motor for an automobile.