JP5701595B2

JP5701595B2 - 系統連係装置

Info

Publication number: JP5701595B2
Application number: JP2010293349A
Authority: JP
Inventors: 宮内　拓; 拓宮内; 秀行狩野; 森田　功; 功森田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012143060A

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部を備えた系統連係装置に関する。

多くの再生エネルギー源において、エネルギーが直流電源から交流系統に供給される。このためには、直流を交流に変換することを可能にするＤＣ／ＡＣ変換部を備えたインバータ等の系統連係装置が必要である。

特許文献１には、直流電源から供給される直流電力を昇圧する昇圧チョッパと、この昇圧チョッパで昇圧された直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、このＤＣ／ＡＣ変換部と系統との間に挿入されたフィルター部とを備えるインバータが開示され、特に、昇圧チョッパにＭＯＳＦＥＴと、シリコン・カーバイドから成るダイオード（以下、ＳｉＣダイオードという）から成る逆流防止ダイオードを用いることが記載されている。また、特許文献２には、ＤＣ／ＡＣ変換部にＳｉＣダイオードから成る回生ダイオードを用いることが記載されている。

特表２００９−５３３０１３号公報特開２０１０−１８３８４０号公報

特許文献１のインバータにおいて、昇圧チョッパを構成するＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数を高くすることにより、そのインダクタンスが小さくなるので、昇圧チョッパのリアクトルの容量を小さくでき、装置の小型軽量化を図ることができる。この場合、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数に対応できるように、高周波特性に優れたＳｉＣダイオードから成る逆流防止ダイオードが用いられている。

しかしながら、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が大きいと、そのスイッチング周波数を高くし単位時間当たりのオンの回数が増えるとその分オン抵抗によるエネルギー損失が増加し、昇圧チョッパの変換効率が低下するという問題があった。

また、特許文献２の電力半導体モジュールのＤＣ／ＡＣ変換部において、ＳｉＣダイオードから成る回生ダイオードの高いスイッチング周波数特性に合わせて、スイッチング素子のスイッチング周波数（キャリア周波数）を高くした場合、系統へ繋がるローパスフィルターと回生ダイオードをめぐる逆起電力により、電流、回生電流が連続して流れるので、スイッチング素子のスイッチング時に生じるノイズ振幅も大きくなる。すると、ノイズを抑制するためにノイズフィルターを構成するリアクトルの容量もそれに合わせて大きくする必要が生じ、系統連係装置の小型軽量化を阻害するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、昇圧チョッパにＭＯＳＦＥＴと、ＳｉＣダイオードから成る逆流防止ダイオードを用い、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周波数を高くした場合における昇圧チョッパの変換効率を向上させることである。また、本発明の他の目的は、ＤＣ／ＡＣ変換部にＳｉＣダイオードから成る回生ダイオードを用いた場合に、スイッチング素子のスイッチング時のノイズを低減し、ノイズフィルターを小型化することである。

本発明の系統連係装置は、太陽電池から供給される直流電力を昇圧する昇圧部と、この昇圧部により昇圧された直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、このＤＣ／ＡＣ変換部と系統との間に挿入され前記系統の周波数に基づくフィルター部と、前記ＤＣ／ＡＣ変換部から生じるノイズを抑制するノイズフィルター部とを備える系統連係装置において、前記昇圧部は、前記直流電源の正極に第１の端子が接続されたリアクトルと、このリアクトルの第２の端子にアノードが接続され、シリコン・カーバイド・ダイオードから成る逆流阻止ダイオードと、前記逆流阻止ダイオードと同程度のスイッチング周波数特性及びオン抵抗を有し、前記逆流阻止ダイオードと前記リアクトルの接続点と前記直流電源の負極の間に接続され、信号に応答して前記接続点と前記負極との間を導通させるＭＯＳＦＥＴと、前記逆流阻止ダイオードのカソードと前記負極の間に接続された平滑コンデンサと、を備え、前記ＤＣ／ＡＣ変換部は、ＩＧＢＴとシリコン・カーバイド・ダイオードから成る回生ダイオードとを並列接続して成り、ブリッジ状に結線された複数の並列回路を備え、前記ＩＧＢＴは前記回生ダイオードよりスイッチング周波数特性が高くないＩＧＢＴであり、前記フィルター部は、リアクトルとコンデンサとからなるローパスフィルターを備え、前記ノイズフィルター部は、少なくともリアクトルを備えることを特徴とするものである。

本発明の系統連係装置によれば、昇圧部において、ＳｉＣダイオードから成る逆流阻止ダイオードと、逆流阻止ダイオードと同程度のスイッチング周波数特性及びオン抵抗を有するＭＯＳＦＥＴとの組み合わせを採用したことにより、スイッチング周波数を高くした場合における昇圧部の変換効率を向上させることができる。

また、ＤＣ／ＡＣ変換部においては、ＳｉＣダイオードから成る回生ダイオードと、スイッチング素子としてＩＧＢＴとの組み合わせを採用したことにより、スイッチング素子のスイッチング時のノイズレベルを低減し、ノイズフィルターを小型化することができる。

これにより、系統連係装置の全体として、スイッチング周波数を高くした場合における変換効率の向上と、スイッチングノイズの低減等を図ることができる。

本発明の実施形態における３相の交流電力を発生する系統連係装置の構成を示す回路図である。本発明の実施形態における単相の交流電力を発生する系統連係装置の構成を示す回路図である。

図１は、本発明の実施形態における系統連係装置の構成を示す回路図である。この系統連係装置は、直流電源１（例えば、太陽電池、燃料電池、蓄電池などの直流電源、又は風力発電などから得られる交流電力を直流電力に変換したものであっても良い）から出力される直流電力を昇圧する昇圧部１０と、昇圧部１０により昇圧された直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部１１と、このＤＣ／ＡＣ変換部１１と系統１２との間に挿入され、系統１２の周波数に基づき、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電力を通過させるフィルター部１４と、ＤＣ／ＡＣ変換部１１から生じるノイズを抑制するノイズフィルター部１３を含んで構成されている。

＝＝昇圧部１０の構成＝＝
昇圧部１０は、リアクトル２、逆流阻止ダイオード３、ＭＯＳＦＥＴ４、第１の平滑コンデンサ５及び第２の平滑コンデンサ６を含んで構成される。リアクトル２は、第１及び第２の端子を有しており、第１の端子は直流電源１の正極（＋）に接続され、第２の端子は逆流阻止ダイオード３のアノードに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ４のドレインは逆流阻止ダイオード３とリアクトル２の接続点に接続され、そのソースは、直流電源１の負極（−）に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ４は、そのゲートに印加されるクロック信号に応答して周期的にスイッチングし、オン状態になると、前記接続点と負極（−）との間を導通させる。

ＭＯＳＦＥＴ４がオン状態の時、直流電源１の正極（＋）からリアクトル２、ＭＯＳＦＥＴ４を経由して負極（−）に至る電流経路が形成されることにより、直流電源１の電気エネルギーがリアクトル２に蓄積される。次に、ＭＯＳＦＥＴ４がオン状態からオフ状態になると、リアクトル２に蓄積された電気エネルギーが放出されることにより、逆流阻止ダイオード３に順方向電流が流れる。ＭＯＳＦＥＴ４が周期的にスイッチングする際のＯＮデューティを変えることにより、逆流阻止ダイオード３のカソードと負極（−）の間に、すなわち第１の平滑コンデンサ５の両端に印加させ電圧がＯＮデューティに応じて上昇し直流電源１の直流電圧を昇圧した出力電圧が得られる。

第１の平滑コンデンサ５は、逆流阻止ダイオード３のカソードと負極（−）の間に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４のスイッチングに伴って生じる出力電圧の電圧変動を平滑化するものである。第２の平滑コンデンサ６は、直流電源１が太陽電池等の再生エネルギー源である場合に生じる電圧変動を平滑化するために設けられることが好ましい。この第２の平滑コンデンサ６は、直流電源１の正極（＋）と負極（−）との間に接続される。

この場合、逆流阻止ダイオード３はＳｉＣダイオードで形成され、ＭＯＳＦＥＴ４は、逆流阻止ダイオード３と同程度のスイッチング周波数特性及びオン抵抗を有している。すなわち、ＳｉＣダイオードは高周波特性に優れており、オン抵抗も低い。そこで、ＳｉＣダイオードの特性に合わせて、ＳｉＣダイオードと同程度のスイッチング周波数特性及びオン抵抗を有するＭＯＳＦＥＴ４を採用することにより、ＭＯＳＦＥＴ４のスイッチング周波数をＳｉＣダイオードと同程度に高くした場合における昇圧部１０のエネルギー損失を抑えて、変換効率を向上させることができる。

これは、昇圧部１０においては、ＤＣ／ＡＣ変換部１１のように連続した回生電流は流れず、電流の流れない状態があるため、ＭＯＳＦＥＴ４のスイッチング周波数を上げても、そのオン抵抗が低ければこのオン抵抗によるエネルギー損失の増加を抑制できるからである。そして、ＭＯＳＦＥＴ４のスイッチング周波数を高くすれば、インダクタンスが小さくなり、リアクトル２の容量を小さくでき、昇圧部１０を小型軽量化することができ、系統連係装置の軽量化につながるのである。

そのような特性を有するＭＯＳＦＥＴ４として、スーパー・ジャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ４を採用することが好ましい。また、スーパー・ジャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ４のオン抵抗に合わせて、複数のＳｉＣダイオードを並列接続して逆流阻止ダイオード３を形成して相方のオン抵抗の値を合わせるようにしても良い。この場合、複数のＳｉＣダイオードのアノードとカソードが共通接続される。これにより、逆流阻止ダイオード３の順方向電流は、複数のＳｉＣダイオードに分散して流れるので、順方向電圧が低減される。

＝＝ＤＣ／ＡＣ変換部１１の構成＝＝
ＤＣ／ＡＣ変換部１１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）から成るスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６、ＳｉＣダイオードから成る回生ダイオードＤ１〜Ｄ６、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のスイッチングを制御するスイッチング制御回路７を含んで構成される。

各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６には、それぞれ対応する回生ダイオードＤ１〜６が逆並列に接続されている。これらの６個の並列回路がブリッジ状に結線され３相のブリッジ回路を形成している。すなわち、２つのスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２は、昇圧部１０の出力端子（逆流阻止ダイオード３のカソード）に接続された電源配線と、負極（−）に接続された接地配線との間に直列に接続され、スイッチング制御回路７によりスイッチングが制御されている。スイッチング素子Ｔ３、Ｔ４のペア、スイッチング素子Ｔ５、Ｔ６のペアについても同様である。

スイッチング制御回路７は、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を対応する回生ダイオードＤ１〜Ｄ６がオン状態の時に、オン状態とするように制御するスイッチング制御信号を生成する。これにより、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２の接続点、スイッチング素子Ｔ３、Ｔ４の接続点、及びスイッチング素子Ｔ５、Ｔ６の接続点は、それぞれ３相（Ｔ、Ｓ、Ｒ）の交流電力の出力端子１５、１６、１７となる。

そして、系統１２とＤＣ／ＡＣ変換部１１の間には、系統１２の周波数に基づくフィルター部１４が挿入されている。また、フィルター部１４の後段であって、フィルター部１４と系統１２の間にはＤＣ／ＡＣ変換部１１から生じるノイズを抑制するノイズフィルター部１３が挿入されている。

この場合、ノイズフィルター部１３は、ＤＣ／ＡＣ変換部１１の出力端子１５，１６，１７と系統１２の間に、それぞれ接続されたリアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と、Δ（デルタ）結線されたコンデンサＣ１〜Ｃ６とから成り、系統１２からのノイズ及びＤＣ／ＡＣ変換部１１からのスイッチングノイズを吸収する。

また、フィルター部１４は、ＤＣ／ＡＣ変換部１１の出力端子１５，１６，１７と系統１２の間に、それぞれ接続されたリアクトルＬ４、Ｌ５、Ｌ６と、Δ結線されたコンデンサＣ７、Ｃ８、Ｃ９を備えている。すなわち、このフィルター部１４は、ＬＣ回路からなるローパスフィルターであり、ＤＣ／ＡＣ変換部１１により生成された交流電力の高調波成分を除去するものである。フィルター部１４のフィルター特性は、系統１２の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に基づいて決定される。すなわち、ＤＣ／ＡＣ変換部１１から発生された交流電力は、フィルター部１４により系統１２と同じ周波数の交流電力となり、系統１２に供給されるようになっている。

そして、このＤＣ／ＡＣ変換部１１において、回生ダイオードＤ１〜Ｄ６として、ＳｉＣダイオードを採用し、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６としてＩＧＢＴを採用したことにより、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のスイッチング時のノイズを低減し、ノイズフィルター部１３を小型化することで、その小型軽量化を図ることができる。その理由は以下の通りである。

すなわち、前述のように、回生ダイオードＤ１〜Ｄ６は、優れた高周波スイッチング特性を持っているので、これに合わせる形で、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のスイッチング周波数特性を高くした場合、系統１２へ繋がるフィルター部１４と回生ダイオードＤ１〜Ｄ６をめぐる逆電圧により、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の電流、回生電流が連続して流れるので、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の高速スイッチング時のノイズレベルも大きくなる。すると、ノイズフィルター部１３を構成するリアクトルＬ４、Ｌ５、Ｌ６の容量もそれに合わせて大きくする必要が生じ、装置の小型軽量化を阻害することになる。

ところで、ＤＣ／ＡＣ変換部１１により、直流電源１の直流電力は、通常５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの交流電力に変換され、また、逆起電力によるスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の電流及び回生ダイオードＤ１〜Ｄ６の回生電流が常に流れているため、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のスイッチング周波数特性（スイッチング速度特性）は、ＳｉＣダイオードから成る回生ダイオードＤ１〜Ｄ６のスイッチング周波数特性ほど高くする必要はない。

その点、ＩＧＢＴでは、そのスイッチング速度がスーパー・ジャンクション構造のＭＯＳＦＥＴに比べて遅い分、スイッチング時のノイズも大きくならず、スーパー・ジャンクション構造のＭＯＳＦＥＴを採用したものに比べて、ノイズフィルター部１３を小型化することができるのである。すなわち、回生ダイオードＤ１〜Ｄ６として、ＳｉＣダイオードを採用し、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６としてＩＧＢＴを採用することが最適の組み合わせとなる。これにより、スイッチング周波数を上げつつ、内部損失を抑えることができる。

また、昇圧部１０の逆流阻止ダイオード３と同様に、回生ダイオードＤ１〜Ｄ６を複数のＳｉＣダイオードを並列接続して形成することにより、電流の分散により順方向電圧を低減することができる。また、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のスイッチング周波数を上げない場合には、より低い内部損失に抑え、変換効率を向上させることができる。

上述の系統連係装置は３相の交流電力を発生するものであるが、本発明は図２に示す単相の交流電力を発生する系統連係装置にも適用することができ、同様の効果を得ることができる。図示のように、ＤＣ／ＡＣ変換部１１Ａは、ＩＧＢＴから成るスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４と、ＳｉＣダイオードから成る回生ダイオードＤ１〜Ｄ４とをそれぞれ逆並列に接続して成る４個の並列回路とを備え、これらの並列回路は、ブリッジ結線され、単相のブリッジ回路を形成している。スイッチング制御回路７Ａは、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４のスイッチングを制御し、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２の接続点１８と、スイッチング素子Ｔ３、Ｔ４の接続点１９から単相の交流電力が出力されるように構成されている。

また、フィルター部１４Ａは、商用電源１２Ａ（例えば、ＡＣ２００Ｖ）とＤＣ／ＡＣ変換部１１Ａの間に挿入され、商標電源１２Ａの周波数に基づき、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電力を通過させるローパスフィルターである。また、ノイズフィルター部１３Ａは、フィルター部１４Ａの後段であって、フィルター部１４Ａと商標電源１２Ａの間に挿入され、ＤＣ／ＡＣ変換部１１Ａから生じるノイズを抑制する。

ノイズフィルター部１３Ａは、リアクトルＬ１１，Ｌ１２と、コンデンサＣ１１，Ｃ１２から成るＬＣ回路で形成されている。また、フィルター部１４Ａは、リアクトルＬ１３，１４と、コンデンサＣ１３から成るＬＣ回路で形成されている。その他の構成は、図１の系統連係装置と同様である。

１直流電源２リアクトル３逆流阻止ダイオード
４ＭＯＳＦＥＴ５第１の平滑コンデンサ６第２の平滑コンデンサ
７、７Ａスイッチング制御回路１０昇圧部
１１、１１ＡＤＣ／ＡＣ変換部１２系統１２Ａ商用電源
１３、１３Ａノイズフィルター部１４、１４Ａフィルター部
１５，１６，１７，１８，１９出力端子

Claims

太陽電池から供給される直流電力を昇圧する昇圧部と、この昇圧部により昇圧された直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、このＤＣ／ＡＣ変換部と系統との間に挿入され前記系統の周波数に基づくフィルター部と、前記ＤＣ／ＡＣ変換部から生じるノイズを抑制するノイズフィルター部とを備える系統連係装置において、
前記昇圧部は、前記直流電源の正極に第１の端子が接続されたリアクトルと、このリアクトルの第２の端子にアノードが接続され、シリコン・カーバイド・ダイオードから成る逆流阻止ダイオードと、前記逆流阻止ダイオードと同程度のスイッチング周波数特性及びオン抵抗を有し、前記逆流阻止ダイオードと前記リアクトルの接続点と前記直流電源の負極の間に接続され、信号に応答して前記接続点と前記負極との間を導通させるＭＯＳＦＥＴと、前記逆流阻止ダイオードのカソードと前記負極の間に接続された平滑コンデンサと、を備え、
前記ＤＣ／ＡＣ変換部は、ＩＧＢＴとシリコン・カーバイド・ダイオードから成る回生ダイオードとを並列接続して成り、ブリッジ状に結線された複数の並列回路を備え、前記ＩＧＢＴは前記回生ダイオードよりスイッチング周波数特性が高くないＩＧＢＴであり、
前記フィルター部は、リアクトルとコンデンサとからなるローパスフィルターを備え、
前記ノイズフィルター部は、少なくともリアクトルを備えることを特徴とする系統連係装置。
前記逆流阻止ダイオードは、複数のシリコン・カーバイド・ダイオードを並列接続し
て成ることを特徴とする請求項１に記載の系統連係装置。
前記回生ダイオードは、複数のシリコン・カーバイド・ダイオードを並列接続して
なることを特徴とする請求項１又は２に記載の系統連係装置。