JP4571957B2 - Power converter - Google Patents
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Description
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電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device capable of supplying large power exceeding a rating for a short time.
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。 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 the operation of the electric heating device or the lighting device, the resistance is lower than that during the steady operation. Therefore, a large current flows and the power conversion device is required to have an instantaneous large power supply capability.
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。 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”.
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。
FIG. 10 is a block diagram of a power supply system having a conventional stable
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。
Hereinafter, the function of the stable
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。
When the capacity of the
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。
When lightning arrives at the
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。 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.
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。
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
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。
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とによって、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でありながら、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提供することを目的とする。 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 by the control by the control electrode, thereby having a power rating corresponding to the power required for the normal time. It is an object of the present invention to provide a power conversion device that can supply power that greatly exceeds normal power when the device is started, instantaneously low, or when an instantaneous power failure occurs.
上記課題を解決するため、この発明の電力変換装置は、
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するワイドギャップ複合機能半導体素子を備え、
前記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て、交流を直流に変換して出力する動作、または、直流を交流に変換して出力する動作の少なくとも一方を行うか、または、直流を直流に変換して出力する動作を行うと共に、
前記ワイドギャップ複合機能半導体素子は、通常時には前記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前記バイポーラ半導体素子として動作することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a power conversion device of the present invention is
A wide gap composite function semiconductor element having a composite function for selecting whether to operate as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element by control by a control electrode,
Using the wide gap composite function semiconductor element as a switching element, performing at least one of an operation of converting AC to DC and outputting, or an operation of converting DC to AC and outputting , or DC to DC While performing the conversion and output operation,
The wide gap composite function semiconductor element normally operates as the unipolar semiconductor element, and operates as the bipolar semiconductor element when instantaneous high power is required .
上記構成の電力変換装置によれば、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、ゲート電圧がゲート接合のビルトイン電圧よりも高い時はバイポーラ半導体素子として機能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る。例えば、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、瞬時大電力を必要とする時にはバイポーラ半導体素子として動作させることにより、電力変換装置が、通常時には定格電力で動作する一方、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。この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。したがって、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でありながら、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することができる。 According to the power conversion device having the above configuration, when the gate voltage is lower than the built-in voltage of the gate junction, it functions as a unipolar semiconductor element, and when the gate voltage is higher than the built-in voltage of the gate junction, it functions as a bipolar semiconductor element. A gap composite function semiconductor element is used as a switching element. For example, by operating a wide gap composite function semiconductor element as a unipolar semiconductor element during normal operation and as a bipolar semiconductor element when instantaneous high power is required, the power conversion device normally operates at rated power while instantaneously operating. When large power is supplied, it operates with power significantly exceeding the rated power. Since this large power supply time is short, the semiconductor element is not destroyed. Therefore, even though the power conversion device has a power rating corresponding to the power required during normal operation, it is possible to supply electric power that greatly exceeds normal power when the device is started, during a sag, or when an instantaneous power failure occurs.
また、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、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、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ることにより、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。 Also , during normal operation with power below the rated power, the wide gap composite function semiconductor element is operated as a unipolar semiconductor element, and operation starts to start various devices (loads) that require instantaneous power loss or instantaneous high power. At times (hereinafter referred to as “device start-up”), by operating the wide gap composite function semiconductor device as a bipolar semiconductor device, the power converter operates at rated power during normal operation. When supplying a large amount of instantaneous power, it will operate at a power significantly exceeding the rated power.
また、一実施形態の電力変換装置では、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。 In one embodiment, the wide gap composite functional semiconductor element is a charge injection junction field effect transistor (CIJFET) using silicon carbide (SiC) as a base material.
上記実施形態によれば、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)の内部抵抗は正の温度依存性を有するので、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。 According to the above embodiment, since the internal resistance of the charge injection junction field effect transistor (CIJFET) using silicon carbide (SiC) as a base material has a positive temperature dependency, an excessive current flows and the element temperature rises. As the internal resistance increases, the current is automatically reduced and temperature rise is suppressed, and thermal runaway does not occur.
また、一実施形態の電力変換装置では、前記ワイドギャップ複合機能半導体素子が、前記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)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て形成されていることを特徴とする。 In one embodiment, the wide gap composite functional semiconductor element includes at least one chip or a plurality of chips of a charge injection junction field effect transistor (CIJFET) using the silicon carbide (SiC) as a base material. Are connected in parallel.
また、一実施形態の電力変換装置では、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MOS電界効果トランジスタ(CIMOSFET)であることを特徴とする。 In one embodiment, the wide gap composite function semiconductor element is a charge injection MOS field effect transistor (CIMOSFET) using silicon carbide (SiC) as a base material.
また、一実施形態の電力変換装置では、前記ワイドギャップ複合機能半導体素子が、前記シリコンカーバイド(SiC)を母材とする電荷注入型MOS電界効果トランジスタ(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て形成されていることを特徴とする。 In one embodiment, the wide gap composite functional semiconductor element is at least one chip or a plurality of chips of a charge injection MOS field effect transistor (CIMOSFET) using the silicon carbide (SiC) as a base material. Are connected in parallel.
また、一実施形態の電力変換装置では、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。 In one embodiment, the wide gap composite function semiconductor element is a semiconductor element having gallium nitride as a base material.
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、電力変換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。 As described in detail in each of the above embodiments, according to the present invention, a power conversion device such as an inverter is configured using a wide gap composite functional semiconductor element in which either unipolar operation or bipolar operation is selected. When the output is below the rated power, unipolar operation is performed. When instantaneous high power is required, the bipolar operation of the wide gap composite function semiconductor device is performed so that power exceeding the rated power at normal time can be controlled. Thereby, the effect that the size reduction, weight reduction, and cost reduction of a power converter device can be acquired is acquired.
以下に本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
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。 In the instantaneous high power supply device having the power conversion device using the wide gap composite function semiconductor element as a switching element of the present invention, the wide gap composite function semiconductor element is operated as a unipolar semiconductor element in a normal state, and at the time of an instantaneous drop or a load When a large amount of instantaneous power is required, such as at the start of operation of the device (when the device is started), the device is operated as a bipolar semiconductor element. 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.
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。 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.
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。 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 when the device is started, the DC power is discharged several times the normal value due to the instantaneous high current supply capability of the secondary battery, and the wide gap composite function semiconductor element of the converter is operated as a bipolar semiconductor element. Is converted into AC power, and power is supplied to an electric heating device, a lighting device, a motor device, or the like.
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。 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.
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。 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.
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。 The converter performs pulse width modulation by performing general known PWM operation type switching control on the switching element of the wide gap 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.
小電力制御用の、炭化珪素(SiC)などを母材とする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。 A wide gap composite function semiconductor element using silicon carbide (SiC) or the like as a base material for low power control can be configured using one 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.
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。 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.
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。 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, even if the converter is set according to the rated current of the wide gap composite function semiconductor element, which is the switching element of the converter, in accordance with the normal current, it can cope with a large current at the time of 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.
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。 A preferred embodiment of the instantaneous high power supply apparatus of the present invention will be described below with reference to FIGS.
《第1実施例》
図1は、本発明の第1実施例の電力変換装置を用いたピ−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。
<< First Example >>
FIG. 1 shows an instantaneous high
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定格の電力変換装置の一例としてのコンバータ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。
The instantaneous high-
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。
When the power consumption of the
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。
The DC output voltage of the
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。
The
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。
When the instantaneous high
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。
The voltages of the active power and the reactive power are boosted to 6.6 kV by the
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。
When the instantaneous large power supply apparatus according to the present embodiment is adapted only to the instantaneous drop, only the
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。
Next, the SiC-CIJFET of the wide gap composite function semiconductor element used in the instantaneous high
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。
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
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。
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-
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。
In the CIJFET cell of FIG. 4, when the
図5はゲート電圧VG 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VG が2.5Vでは、ドレイン・ソース間電圧VDSが4Vのとき、ドレイン・ソース間電流IDS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VDSが4Vでゲート電圧VG 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IDSが流れる。
FIG. 5 shows the voltage-current characteristics between the drain and source with the gate voltage VG as a parameter. As shown in FIG. 5, when the gate voltage VG is 2.5V and the drain-source voltage VDS is 4V, the drain-source current IDS becomes 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
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。
The operation at the time of peak cut of the instantaneous large
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。 Si-bipolar semiconductor elements using silicon (Si) as a base material have a negative temperature dependence in 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.
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。 On the other hand, the internal resistance of the SiC-CIJFET has a positive temperature dependence. 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 and reaches the limit temperature at which the properties as a semiconductor 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. We were able to supply possible power.
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。 The converter according to 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 the 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 that takes 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 realize a significant reduction in size, weight, and cost of an instantaneous large power supply device that can cope with peak cut.
《第2実施例》
図6は、本発明の第2実施例の電力変換装置を用いた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、電力変換装置の一例としてのコンバータ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。
<< Second Embodiment >>
FIG. 6 is a block diagram of an instantaneous large
「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。
“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
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。
As described above, since the rated current of 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
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。
When
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。 In the instant large power supply apparatus of this embodiment, the converter can be operated with the electric power significantly exceeding the rating as described above because the SiC-CIMOSFET is used as the switching element.
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。
FIG. 7 shows a cross-sectional view of a SiC-CIMOSFET cell. In the SiC-CIMOSFET, an n-
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。
In the CIMOSFET cell, the gate voltage applied to the
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。
When a voltage higher than the built-in voltage (2.7 V) of the gate pn junction is applied to the p-
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。
The
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。
When the instantaneous high 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-
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。 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 cope with a sudden drop, which is significantly reduced in size, weight, and cost.
《第3実施例》
本発明の第3実施例の電力変換装置を図8を参照して説明する。
<< Third embodiment >>
A power converter according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
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。 FIG. 8 shows a block diagram of an example in which the instantaneous high power supply device of the present invention is applied to an induction heating device of 100 kW and 500 Hz class. In a heating device for rapidly heat-treating metal parts under high-precision 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.
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間には電力変換装置の一例としてのインバータ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。
In FIG. 8, a
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。
A
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。
In the
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。
The
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。
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, normally, it is 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
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。
According to the present embodiment, the rated output of the
《第4実施例》
本発明の第4実施例の電力変換装置を図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。
<< 4th Example >>
A power conversion apparatus according to 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
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。
In FIG. 9, a three-
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。
A
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。
As the switching
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。
In the case of an electric vehicle, it is necessary to supply the
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。
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
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。 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. By using a wide gap composite function semiconductor element capable of selecting operation and bipolar operation, it is possible to cope with 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.
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。 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.
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。 For example, the wide gap composite function semiconductor element of the switching 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. The wide gap composite function semiconductor element can also be used as a switching element of a switching power supply.
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。 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.
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。 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.
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。
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
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。 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 have a high withstand voltage and large current, the power system can be further upstream. It 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 a few minutes when a small animal such as a snake or a bird is caught on a power transmission line or a short circuit or ground fault occurs due to contact with a tree. Supply device can be applied. In addition, 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 occur, resulting in an imbalance between power supply and demand. May last more than a minute. Increasing the capacity of the secondary battery and cooling the switching element against fluctuations in the grid frequency due to an imbalance in power supply and demand for 5 minutes to 1 hour, which is much longer than the duration (several seconds) of the instantaneous drop due to lightning The instantaneous high power supply device of the present invention can be applied by taking 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.
本発明の電力変換装置は、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。 The power conversion 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 wide gap composite function semiconductor element having a combination is used as a switching element. During normal operation when the power system is operating at power lower than the rated power, the wide gap 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.
本発明の電力変換装置を用いた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。 The instantaneous large power supply device using the power conversion device of the present invention is connected between a secondary battery that charges and discharges DC power, and the secondary battery and a system bus of a power transmission power source. As a power converter 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, a switching element is a wide gap composite It has the converter which is a power converter device comprised by the functional semiconductor element.
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。 A wide gap composite function semiconductor device operates unipolar when operating below the rated power. During bipolar operation, power that is 1.5 to 20 times the rated power during 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 the present invention, the rated power at the time of unipolar operation of the wide gap composite function semiconductor element used for the switching element of the converter 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 generated, 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.
本発明の電力変換装置を用いた他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。
Another instantaneous large power supply device using the power conversion device of the present invention is a secondary battery that charges and discharges a direct current,
A bidirectional chopper circuit that is connected to the secondary battery, steps down the charging voltage of the secondary battery, and boosts the discharge voltage of the secondary battery, and is connected between the chopper circuit and the system bus of the power transmission power source. A switching element that converts alternating current input from the system bus into direct current and outputs it to a chopper circuit, converts direct current input from the chopper circuit into alternating current and outputs the alternating current to the system bus is a wide gap composite function semiconductor element The converter which is the power converter device comprised by is provided.
本発明の電力変換装置を用いた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。 In the instantaneous large power supply device using the power conversion 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. The instantaneous high power supply device can be applied to a system bus having a voltage higher than the voltage.
本発明の電力変換装置を用いた他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。
Another instantaneous large power supply device using the power conversion device 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 A converter that is a power conversion device in which the switching element that outputs to the system bus is configured with a wide gap 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.
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。 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.
本発明の電力変換装置を用いた他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。
Another instantaneous large power supply device using the power conversion device 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 A converter that is a power conversion device in which the switching element that outputs to the system bus is configured with a wide gap composite function semiconductor element,
A detection device that detects the voltage and current of the system bus, and detects a supply and demand state of the power of the load based on the detected voltage and current, and is connected to the system bus based on a detection output of the detection device 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. A control circuit for controlling the converter;
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、本発明の電力変換装置を用いた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。 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 device using the power conversion device of the present invention can be used for load leveling.
本発明の電力変換装置を用いた他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。
Another instantaneous high-power supply device using the power conversion device of the present invention is 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 rated discharge power of the converter, 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 a predetermined value. It is controlled by the control circuit so as to output reactive power and
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。 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.
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。 A connection reactor is provided between the system bus and the converter.
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。 The secondary battery is a redox flow battery or a sodium sulfur battery.
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。 The wide gap composite functional semiconductor element is a charge injection junction field effect transistor (CIJFET) using silicon carbide (SiC) as a base material.
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。 The wide gap composite functional semiconductor device is a semiconductor device using gallium nitride as a base material.
前記複合機能ワイドギャップバイポーラ半導体素子が、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。 The composite function wide gap bipolar semiconductor element is formed by connecting at least one chip or a plurality of chips of SiC CIJFET in parallel.
前記ワイドギャップバイポーラ半導体素子が、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。 The wide gap bipolar semiconductor element is formed of at least one chip or a plurality of chips of SiC CIMOSFETs connected in parallel.
本発明の電力変換装置を用いた他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。
Another instantaneous large power supply device using the power conversion device 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 A converter that is a power conversion device in which the switching element that outputs to the system bus is configured with a wide gap composite function semiconductor element,
A detection device that detects the frequency of the system bus, detects a power supply / demand state based on the detected frequency, and a load connected to the system bus based on a detection output of the detection device, and a power transmission power source Control to control the converter so that the secondary battery is charged when the supply and demand of power is balanced, and when the demand exceeds the supply, the secondary battery is discharged to supply power to the system bus It has a circuit.
本発明の電力変換装置を用いた他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。 Another instantaneous large power supply device using the power conversion device of the present invention includes a secondary battery that charges and discharges DC power, and the secondary battery and a load connected to a system bus of the power transmission power source. A wide gap bipolar semiconductor element connected as a switching element, converting alternating current input from the system bus to direct current and outputting to the secondary battery; converting direct current output from the secondary battery to alternating current And a converter that is a power conversion device that outputs to the load.
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。 The instantaneous large power supply device further detects the voltage and current of the power supplied to the load connected to the system bus, and detects the 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 that controls the converter to discharge the secondary battery and supply power to the system bus;
本発明の電力変換装置を用いた他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。 Another instantaneous high-power supply device using the power conversion device of the present invention is a unipolar semiconductor that is connected between a DC power source that supplies DC power and the DC power source and a load, and is controlled by a control electrode as a switching element. Wide-gap composite that has a composite function to select whether to operate as an element or a bipolar semiconductor element, normally operates as a unipolar semiconductor element, and operates as a bipolar semiconductor element when instantaneous high power is required A power conversion device that includes a functional semiconductor element, converts DC power input from the DC power source into AC power, and outputs the AC power to the load.
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。 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.
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。 The DC power source is a secondary battery or a fuel cell.
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。 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. And
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
131〜139 SiC−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、668 MOSゲート電極
661、662 p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
1, 21 Instantaneous large
Claims (6)
前記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て、交流を直流に変換して出力する動作、または、直流を交流に変換して出力する動作の少なくとも一方を行うか、または、直流を直流に変換して出力する動作を行うと共に、
前記ワイドギャップ複合機能半導体素子は、通常時には前記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前記バイポーラ半導体素子として動作することを特徴とする電力変換装置。 A wide gap composite function semiconductor element having a composite function for selecting whether to operate as a unipolar semiconductor element or a bipolar semiconductor element by control by a control electrode,
Using the wide gap composite function semiconductor element as a switching element, performing at least one of an operation of converting AC to DC and outputting, or an operation of converting DC to AC and outputting, or DC to DC While performing the conversion and output operation,
The wide-gap multi-functional semiconductor device is in the normal operating as said unipolar semiconductor device, the bipolar semiconductor device operating you wherein power converter that as when in need of instantaneous large power.
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