JP5908754B2

JP5908754B2 - インバータ装置、パワーコンディショナ、及び太陽光発電システム

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Publication number: JP5908754B2
Application number: JP2012056178A
Authority: JP
Inventors: 俊輔西; 久保田　和宏; 和宏久保田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: JP2013192341A

Description

本発明は、インバータ装置に関する。

従来、直流電力を交流電力に変換するインバータが、太陽光発電システムを始めとする種々の分野に用いられている。

また、過電流の発生に対して保護を行うためのインバータの制御技術が従来から種々提案されている。例えば、特許文献１には、太陽光発電装置に接続される系統の瞬時電圧低下を検出したときにインバータのゲート制御信号を遮断することによりインバータの運転を停止させ、過電流の発生に対して保護を行うものが開示されている。

また例えば、特許文献２には、保護回路が過電流を検出すると、ＰＷＭ制御回路がＰＷＭパルス信号の送出を停止し、インバータの運転が停止されることにより過電流の発生に対して保護を行うものが開示されている。

特開２００３−１５３４３３号公報特開平９−７４６８５号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２では、異常状態が解除されてインバータが運転停止から復帰する場合、特別な制御を行っていない。

インバータに含まれるスイッチング素子のうち、復帰時にオンとさせるスイッチング素子の組み合わせによっては、或るスイッチング素子に高い電圧が急峻に印加される。この場合、回路パターンの寄生インダクタンスとスイッチング素子の寄生容量から構成される共振回路により寄生発振が生じる。この寄生発振が原因となり、上記高い電圧が印加されたスイッチング素子が誤ってオンとされ、短絡モードの発生により当該スイッチング素子が故障する虞がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、インバータ回路部が運転停止状態から復帰する際に、スイッチング素子の故障を抑制することができるインバータ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のインバータ装置は、複数のスイッチング素子を有するインバータ回路部と、
前記インバータ回路部を運転停止状態から復帰させるときに、寄生発振による誤ったオン動作により短絡モードが生じることのないよう前記複数のスイッチング素子に含まれる所定のスイッチング素子に所定の電圧を印加させるスイッチングパターンで前記複数のスイッチング素子をスイッチング制御する制御部と、を備える構成とする。

このような構成によれば、インバータ回路部が運転停止状態から復帰する際に、所定のスイッチング素子への適切な電圧印加により、寄生発振により所定のスイッチング素子が誤ってオン動作することを抑制し、短絡モードの発生を抑制する。従って、所定のスイッチング素子の故障を抑制することができる。

また、上記構成において、直列接続されるハイサイドの第１スイッチング素子及びローサイドの第２スイッチング素子と、逆直列に接続されて双方向スイッチ部を構成する二つのスイッチング素子または逆並列に接続されて一つの素子としての双方向スイッチ部を構成する二つのスイッチング素子は、前記複数のスイッチング素子に含まれ、
直列接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の両端に入力電圧が印加され、
前記双方向スイッチ部の一端には前記入力電圧よりも低い値である電位が印加され、
前記双方向スイッチ部の他端には、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の接続点が接続され、
前記インバータ回路部を運転停止状態から復帰させるときに、前記制御部は、前記双方向スイッチ部を構成する前記二つのスイッチング素子のうち一方をオンとさせて他方をオフとさせ、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオフとさせる、構成としてもよい。

このような構成によれば、前記所定のスイッチング素子である第２スイッチング素子には入力電圧よりも低い電圧が印加されるので、寄生発振の発振レベルを小さくし、第２スイッチング素子が誤ってオン動作することを抑制し、短絡モードの発生を抑制する。従って、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び双方向スイッチ部に対し故障を抑制することができる。

また、上記構成において、前記インバータ回路部を運転停止状態から復帰させるときに、前記制御部が、前記双方向スイッチ部を構成する前記二つのスイッチング素子のうち、第１スイッチング素子がオンの状態で前記双方向スイッチ部がオンとなって短絡状態となることを抑止する態様で一方をオンとさせて他方をオフとさせ、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオフとさせた後、
前記制御部は、第１スイッチング素子をオフからオンに切替える構成としてもよい。

また、本発明のパワーコンディショナは、上記いずれかの構成のインバータ装置と、当該インバータ装置の前段側に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える構成とする。

また、本発明の太陽光発電システムは、上記パワーコンディショナと、当該パワーコンディショナが有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される太陽電池と、を備える構成とする。

本発明によると、インバータ回路部が運転停止状態から復帰する際に、スイッチング素子の故障を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るＤＣ／ＡＣ変換システムの構成を示す図である。３レベル変換部の出力電圧波形とインバータ回路部の出力電流波形の一例を示す図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係るＤＣ／ＡＣ変換システムの構成を図１に示す。

図１に示すＤＣ／ＡＣ変換システムは、直流電源Ｖｄｃと、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００と、３レベルインバータ装置１５０を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１００の入力側には直流電源Ｖｄｃが接続される。３レベルインバータ装置１５０は、３レベル変換部１５０Ａ及びＬＣフィルタ部１５０Ｂから成るインバータ回路部１５１と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１５０Ｃを備えている。３レベル変換部１５０Ａの入力側にはＤＣ／ＤＣコンバータ１００の出力側が接続される。ＬＣフィルタ部１５０Ｂの出力側には商用系統２００が接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、直流電源Ｖｄｃから入力される直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する。３レベルインバータ１５０Ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００から入力される直流電圧を３つのレベルを有した電圧信号に変換する。ＬＣフィルタ部１５０Ｂは、３レベルインバータ１５０Ａから出力される電圧信号をフィルタリングして略正弦波である交流電圧を商用系統２００に出力する。

直流電源Ｖｄｃを例えば太陽電池とした場合は、図１に示すＤＣ／ＡＣ変換システムは、太陽光発電システムに相当することとなる。また、この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００と３レベルインバータ装置１５０とからパワーコンディショナが構成される。

３レベル変換部１５０Ａは、入力コンデンサＣ１及びＣ２と、ＭＯＳＦＥＴから構成されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７及びＱ８と、ＩＧＢＴで構成されるスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５及びＱ６を有している。

３レベルインバータ装置１５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００から入力電圧Ｖｉｎを入力させるためのプラス入力端子Ｔ１０とマイナス入力端子Ｔ２０を備えており、プラス入力端子Ｔ１０とマイナス入力端子Ｔ２０の間にハイサイドの入力コンデンサＣ１とローサイドの入力コンデンサＣ２が直列接続される。

また、プラス入力端子Ｔ１０とマイナス入力端子Ｔ２０の間にハイサイドのスイッチング素子Ｑ１とローサイドのスイッチング素子Ｑ７が直列接続されると共に、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ２とローサイドのスイッチング素子Ｑ８が直列接続される。

スイッチング素子Ｑ３とＱ４は逆直列に接続されて双方向スイッチ部を構成する。当該双方向スイッチ部のスイッチング素子Ｑ３側の一端は、入力コンデンサＣ１とＣ２の接続点に接続される。また、当該双方向スイッチ部のスイッチング素子Ｑ４側の一端は、スイッチング素子Ｑ１のソースとスイッチング素子Ｑ７のドレインの接続点に接続されると共に、ＬＣフィルタ部１５０Ｂの有するリアクトルＬ２の一端に接続される。

スイッチング素子Ｑ５とＱ６も逆直列に接続されて双方向スイッチ部を構成する。当該双方向スイッチ部のスイッチング素子Ｑ５側の一端は、入力コンデンサＣ１とＣ２の接続点に接続される。また、当該双方向スイッチ部のスイッチング素子Ｑ６側の一端は、スイッチング素子Ｑ２のソースとスイッチング素子Ｑ８のドレインの接続点に接続されると共に、ＬＣフィルタ部１５０Ｂの有するリアクトルＬ１の一端に接続される。

ＬＣフィルタ部１５０Ｂにおいて、リアクトルＬ１の一端はコンデンサＣ３の一端に接続される。コンデンサＣ３の他端は電流検出器２０の一端に接続され、電流検出器２０の他端はリアクトルＬ２の一端に接続される。

ＤＳＰ１５０Ｃは、ドライバ（不図示）を介して制御信号を各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のゲートに送出することにより、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８をオンオフ制御する。また、ＤＳＰ１５０Ｃには、電流検出器２０から検出信号が入力される。

入力コンデンサＣ１とＣ２は同一の容量を有しているので、入力コンデンサＣ１とＣ２の接続点、即ち双方向スイッチ部のスイッチング素子Ｑ３側の一端及びスイッチング素子Ｑ５側の一端には、入力電圧Ｖｉｎの半分である中間電位Ｖｉｎ／２が印加される。入力電圧Ｖｉｎを例えば３５０Ｖとした場合は、中間電位は１７５Ｖとなる。

これにより、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のオンオフの組み合わせを切替えることで、Ｖｉｎ、Ｖｉｎ／２、ゼロ、−Ｖｉｎ／２、及び−Ｖｉｎの各レベルを有した３レベル変換部１５０Ａの出力電圧Ｖ１を生成できる。出力電圧Ｖ１の波形の一例を図２に示す。

そして、出力電圧Ｖ１をＬＣフィルタ部１５０Ｂによってフィルタリングして、ＤＳＰ１５０Ｃによって出力電流波形をフィードバック制御することにより、正弦波状の出力電流Ｉｏｕｔを商用系統２００に出力することができる（図２）。

次に、インバータ回路部１５１の運転停止状態からの復帰時における制御について説明する。

インバータ回路部１５１が動作中、ＤＳＰ１５０Ｃは電流検出器２０から入力される検出信号を監視している。そして、ＤＳＰ１５０Ｃが検出信号に基づき過電流が発生したと判断すると、ＤＳＰ１５０Ｃは全てのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８をオフとするよう制御信号をゲートに送出する（ゲートブロック）。これにより、全てのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８がオフとされ、インバータ回路部１５１は運転停止状態となる。

その後、ＤＳＰ１５０Ｃは、スイッチング素子Ｑ１とＱ２を常時オフ状態として、スイッチング素子Ｑ６とＱ７をオン状態、またはスイッチング素子Ｑ４とＱ８をオン状態、またはスイッチング素子Ｑ６とＱ３をオン状態、またはスイッチング素子Ｑ５とＱ４をオン状態とするようなスイッチング制御を開始する。しかしこのとき、ドライバ（不図示）は停止状態であるので、インバータ回路部１５１の運転停止は継続される。そしてその後、過電流の状態から戻り、電流検出器２０の異常状態が解除されると、ＤＳＰ１５０Ｃはインバータ回路部１５１を運転停止状態から復帰させるべくスイッチング制御を開始する。

このとき仮に、スイッチング素子Ｑ１とＱ４を同時にオンさせると、スイッチング素子Ｑ７のドレイン・ソース間に０Ｖから急峻にＶｉｎの電圧が印加される。このとき、回路パターンのインダクタンスとスイッチング素子の寄生容量から構成される共振回路によりスイッチング素子Ｑ７のゲート・ソース間電圧に大きな発振が生じる。即ち所謂、寄生発振が生じる。この寄生発振が原因となり、スイッチング素子Ｑ７が誤ってオンとされ、短絡モードの発生によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ４及びＱ７が故障してしまう虞がある。

上記のような現象を回避するため、インバータ回路部１５１の復帰時においては、スイッチング素子Ｑ１はオフとし、スイッチング素子Ｑ４をオンとする。このとき、スイッチング素子Ｑ８はオンとし、残りのスイッチング素子はオフとする。この場合、３レベル変換部１５０Ａの出力電圧Ｖ１は−Ｖｉｎ／２となる。

上記のようにスイッチング素子Ｑ１はオフとし、スイッチング素子Ｑ４をオンとするので、スイッチング素子Ｑ７のドレイン・ソース間には０Ｖから急峻にＶｉｎ／２の電圧が印加され、寄生発振自体は生じるが、発振のレベルが小さいのでスイッチング素子Ｑ７が誤ってオンとされることはない。従って、短絡モードの発生によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ４及びＱ７が故障することを抑制できる。

そして、上記のようなスイッチングパターンの後、スイッチング素子Ｑ１をオフからオンに切替える。これにより、出力電圧Ｖ１は−Ｖｉｎとなる。

同様に、復帰時に仮にスイッチング素子Ｑ２とＱ６を同時にオンさせると、寄生発振によりスイッチング素子Ｑ８が誤ってオンとされ、短絡モードの発生によりスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５、Ｑ６及びＱ８が故障してしまう虞がある。

上記現象を回避するため、インバータ回路部１５１の復帰時において、スイッチング素子Ｑ２はオフとし、スイッチング素子Ｑ６をオンとしてもよい。このとき、スイッチング素子Ｑ７はオンとし、残りのスイッチング素子はオフとする。この場合、３レベル変換部１５０Ａの出力電圧Ｖ１はＶｉｎ／２となる。

上記のようにスイッチング素子Ｑ２はオフとし、スイッチング素子Ｑ６をオンとするので、スイッチング素子Ｑ８のドレイン・ソース間には０Ｖから急峻にＶｉｎ／２の電圧が印加され、寄生発振自体は生じるが、発振のレベルが小さいのでスイッチング素子Ｑ８が誤ってオンとされることはない。従って、短絡モードの発生によりスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５、Ｑ６及びＱ８が故障することを抑制できる。

そして、上記のようなスイッチングパターンの後、スイッチング素子Ｑ２をオフからオンに切替える。これにより、出力電圧Ｖ１はＶｉｎとなる。

以上のように本実施形態によれば、インバータ回路部１５１の運転停止状態からの復帰時において、寄生発振による誤ったオン動作により短絡モードが生じることのないようスイッチング素子Ｑ７またはＱ８に所定の電圧を印加させるスイッチングパターン（各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のオンオフの組み合わせ）から運転を開始させるので、スイッチング素子Ｑ１からＱ８の故障を抑制できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変形が可能である。

例えば、インバータ回路部における双方向スイッチ部としては、２つのスイッチング素子が逆並列に接続されて１つの素子として構成されるものを用いてもよい。

１００ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５０３レベルインバータ装置
１５０Ａ３レベル変換部
１５０ＢＬＣフィルタ部
１５０ＣＤＳＰ（Digital Signal Processor）
１５１インバータ回路部
２００商用系統
２０電流検出器
Ｔ１０プラス入力端子
Ｔ２０マイナス入力端子
Ｃ１、Ｃ２入力コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ８スイッチング素子
Ｌ１、Ｌ２リアクトル
Ｃ３コンデンサ
Ｖｄｃ直流電源

Claims

複数のスイッチング素子を有し、運転停止状態から復帰する場合に、前記複数のスイッチング素子に含まれる所定のスイッチング素子に直流入力電圧が印加された際に生じる寄生発振により前記所定のスイッチング素子の誤ったオン動作で短絡モードが生じることがあるインバータ回路部と、
前記寄生発振による誤ったオン動作により短絡モードが生じることのないよう前記所定のスイッチング素子に所定の電圧を印加させるスイッチングパターンで前記複数のスイッチング素子をスイッチング制御する制御部と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。
直列接続されるハイサイドの第１スイッチング素子及びローサイドの第２スイッチング素子と、逆直列に接続されて双方向スイッチ部を構成する二つのスイッチング素子または逆並列に接続されて一つの素子としての双方向スイッチ部を構成する二つのスイッチング素子は、前記複数のスイッチング素子に含まれ、
直列接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の両端に前記直流入力電圧が印加され、
前記双方向スイッチ部の一端には前記直流入力電圧よりも低い値である電位が印加され、
前記双方向スイッチ部の他端には、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の接続点が接続され、
前記インバータ回路部を運転停止状態から復帰させるときに、前記制御部は、前記双方向スイッチ部を構成する前記二つのスイッチング素子のうち一方をオンとさせて他方をオフとさせ、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオフとさせる、
ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
前記インバータ回路部を運転停止状態から復帰させるときに、前記制御部が、前記双方向スイッチ部を構成する前記二つのスイッチング素子のうち、ハイサイドの第１スイッチング素子がオンの状態で前記双方向スイッチ部がオンとなって短絡状態となることを抑止する態様で一方をオンとさせて他方をオフとさせ、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオフとさせた後、
前記制御部は、第１スイッチング素子をオフからオンに切替える、ことを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のインバータ装置と、当該インバータ装置の前段側に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
請求項４に記載のパワーコンディショナと、当該パワーコンディショナが有するＤＣ／ＤＣコンバータの前段側に接続される太陽電池と、を備えることを特徴とする太陽光発電システム。