JP6083870B2

JP6083870B2 - 給電システム

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Publication number: JP6083870B2
Application number: JP2013218995A
Authority: JP
Inventors: 正宏中路; 悠子森
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: JP2015082879A

Description

本発明は、負荷に電圧を供給する給電システムに関し、特に、系統から入力された電圧と系統とは異なる電源から入力された電圧とを切り替えて負荷に供給する給電システムに関する。

従来から、単一のスイッチで構成された切替装置を備え、当該切替装置により系統から入力された系統電圧（商用電圧）と外部電源から入力された外部電源電圧とを切り替えて、家庭内の負荷に電圧を供給する給電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この給電システムでは、切替装置が、系統電圧による給電を可能とする状態（「商用ＯＮ位置」）と、外部電源電圧による給電を可能とする状態（「外部ＯＮ位置」）と、給電禁止の状態（「ＯＦＦ位置」）とのいずれかの状態に設定される。この給電システムによれば、例えば災害時において系統電圧の供給が停止した場合に、切替装置を「外部ＯＮ位置」に設定することで、外部電源電圧による給電を行うことができる。

特開２００７−２３６０２３号公報

近年では、電力需要の平準化や電気料金の低減を目的とし、災害時以外にも外部電源電圧による給電を行う場合がある。例えば、電気料金の安い夜間は系統電圧による給電を行い、電気料金の高い昼間は外部電源電圧による給電を行う場合がある。このような場合、系統電圧による給電と外部電源電圧による給電との切り替えは、負荷に系統電圧も外部電源電圧も供給されない時間を発生させることなく、すなわち無瞬停で行われることが望ましい。

しかしながら、上記従来の給電システムでは、切替装置が単一のスイッチにより構成されているので、スイッチが切り替わる際に、負荷に系統電圧も外部電源電圧も供給されない時間が発生してしまう。このため、上記従来の給電システムでは、負荷に対する電圧の供給元を無瞬停で切り替えることができなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、負荷に対する電圧の供給元を無瞬停で切り替えることができる給電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る給電システムは、（１）蓄電手段から入力された直流入力電圧を交流出力電圧に変換する電圧変換部を備え、系統から入力された系統電圧と交流出力電圧とを切り替えて負荷に供給する給電システムであって、負荷に対する系統電圧の供給経路に介装された第１スイッチと、第１スイッチと並列に設けられた第１半導体スイッチ部と、負荷に対する交流出力電圧の供給経路に介装された第２スイッチと、第２スイッチと並列に設けられた第２半導体スイッチ部と、系統電圧または交流出力電圧を監視しつつ、電圧変換部、第１スイッチ、第１半導体スイッチ部、第２スイッチおよび第２半導体スイッチ部を制御する制御部と、を備え、第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部は、両端に所定値以上の電位差が発生しているときに制御部の制御下でオンし、かつ両端間を流れる電流が所定値以下になったときにオフする性質を有し、電圧変換部は、所定のタイミングで系統電圧と交流出力電圧との電圧差が上記電位差以上となるように、系統電圧に対して位相がずれた交流出力電圧を生成し、制御部は、系統電圧の供給と交流出力電圧の供給とを切り替える際に、第１スイッチおよび第２スイッチが同時にオン状態とならないように第１スイッチおよび第２スイッチを制御し、かつ第１スイッチおよび第２スイッチの双方がオフ状態となるときに第１半導体スイッチ部または第２半導体スイッチ部の少なくとも一方がオン状態となるように、上記性質を利用して第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部を制御することを特徴とする。

この構成によれば、負荷に対する電圧の供給元を切り替える際、第１スイッチおよび第２スイッチの双方がオフ状態となるときに第１半導体スイッチ部または第２半導体スイッチ部の少なくとも一方がオン状態となるので、第１半導体スイッチ部または第２半導体スイッチ部を介して系統電圧または交流出力電圧が負荷に供給される。したがって、この構成によれば、負荷に対する電圧の供給元を無瞬停で切り替えることができる。

上記（１）の給電システムでは、（２）第１半導体スイッチ部が、上記性質を有する第１フォトトライアックカプラと、第１フォトトライアックカプラがオンしたときにオンし、かつ両端間を流れる電流が所定値以下になったときにオフする、第１スイッチと並列に設けられた第１トライアックと、を有し、第２半導体スイッチ部が、上記性質を有する第２フォトトライアックカプラと、第２フォトトライアックカプラがオンしたときにオンし、かつ両端間を流れる電流が所定値以下になったときにオフする、第２スイッチと並列に設けられた第２トライアックとを有する場合、制御部は、第１スイッチおよび第２スイッチの双方がオフ状態となるときに第１トライアックまたは第２トライアックの少なくとも一方がオン状態となるように、上記性質を利用して第１フォトトライアックカプラおよび第２フォトトライアックカプラを制御するよう構成できる。

上記（１）または（２）の給電システムでは、（３）電圧変換部は、系統電圧または交流出力電圧の電圧値がゼロになるタイミングで系統電圧と交流出力電圧との電圧差が上記電位差以上となるように、系統電圧に対して位相がずれた交流出力電圧を生成するよう構成できる。

上記（１）〜（３）の給電システムでは、例えば、（４）蓄電手段は、電気自動車に搭載されたバッテリーであり、電圧変換部は、系統電圧を直流出力電圧に変換し、当該直流出力電圧によりバッテリーを充電する双方向充電器であってもよい。

本発明によれば、負荷に対する電圧の供給元を無瞬停で切り替え可能な給電システムを提供することができる。

本発明に係る給電システムのブロック図である。本発明に係る給電システムの切替動作の第１パターンを示す図である。本発明に係る給電システムの切替動作の第２パターンを示す図である。本発明に係る給電システムの切替動作の第３パターンを示す図である。本発明に係る給電システムの切替動作の第４パターンを示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る給電システムの好ましい実施形態について説明する。

［構成］
図１に、本発明の一実施形態に係る給電システム１を示す。給電システム１は、蓄電手段３から入力された直流入力電圧を交流出力電圧に変換する電圧変換部５を備え、系統２から入力された５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ（本実施形態では５０Ｈｚとする）の系統電圧と、電圧変換部５から出力された同じ周波数の交流出力電圧とを切り替えて家庭内の負荷４に供給するものである。本実施形態では、蓄電手段３として電気自動車のバッテリーが使用されている。

同図に示すように、給電システム１は、電圧変換部５に加えて、制御部６と、負荷４に対する系統電圧の供給経路Ｌ１に介装された第１スイッチ７と、第１スイッチ７と並列に設けられた第１トライアック８と、第１トライアック８と並列に設けられた第１フォトトライアックカプラ９と、負荷４に対する交流出力電圧の供給経路Ｌ２に介装された第２スイッチ１０と、第２スイッチ１０と並列に設けられた第２トライアック１１と、第２トライアック１１と並列に設けられた第２フォトトライアックカプラ１２とを備えている。なお、第１トライアック８および第１フォトトライアックカプラ９が本発明の「第１半導体スイッチ部」に相当し、第２トライアック１１および第２フォトトライアックカプラ１２が本発明の「第２半導体スイッチ部」に相当する。

第１スイッチ７および第２スイッチ１０は、制御部６から出力されるオン／オフ指令に関する制御信号に基づいてオン／オフする接点スイッチから構成されている。第１スイッチ７および第２スイッチ１０は、制御部６からオフ指令に関する制御信号が出力された場合は、比較的短時間でオフする一方、制御部６からオン指令に関する制御信号が出力された場合は、オンするまでにある程度の時間を必要とする（遅延時間が発生する）。詳細は後述するが、給電システム１は、第１スイッチ７および第２スイッチ１０の遅延時間を、第１スイッチ７および第２スイッチ１０よりも高速でオンする第１トライアック８および第２トライアック１１で補うという思想に基づいてなされたものである。

第１トライアック８は、第１フォトトライアックカプラ９がオンしたときにオンし、両端間を流れる電流がほぼゼロ（保持電流値以下）になるとオフする。同様に、第２トライアック１１は、第２フォトトライアックカプラ１２がオンしたときにオンし、両端間を流れる電流がほぼゼロ（保持電流値以下）になるとオフする。

第１フォトトライアックカプラ９は、一端が第１トライアック８の一端および第１トライアック８のゲートに接続され、かつ他端が第１トライアック８の他端に接続された第１フォトトライアック９ａと、制御部６の制御下で発光する第１発光ダイオード９ｂとから構成されている。第１フォトトライアック９ａは、両端に動作電圧（例えば、１５Ｖ）以上の電位差が発生しているときに第１発光ダイオード９ｂが発光するとオンし、両端間を流れる電流がほぼゼロ（保持電流値以下）になるとオフする性質を有している。

第２フォトトライアックカプラ１２は、一端が第２トライアック１１の一端および第２トライアック１１のゲートに接続され、かつ他端が第２トライアック１１の他端に接続された第２フォトトライアック１２ａと、制御部６の制御下で発光する第２発光ダイオード１２ｂとから構成されている。第２フォトトライアック１２ａは、両端に動作電圧（例えば、１５Ｖ）以上の電位差が発生しているときに第２発光ダイオード１２ｂが発光するとオンし、両端間を流れる電流がほぼゼロ（保持電流値以下）になるとオフする性質を有している。

電圧変換部５は、蓄電手段３から入力された直流入力電圧を交流出力電圧に変換するＤＣ／ＡＣ動作と、系統２から入力された系統電圧を直流出力電圧に変換するＡＣ／ＤＣ動作とを行う双方向充電器から構成されている。ＤＣ／ＡＣ動作とＡＣ／ＤＣ動作との切り替えは、制御部６の制御下で行われる。また、電圧変換部５は、系統電圧（または交流出力電圧）がゼロクロスするタイミングで系統電圧と交流出力電圧との電圧差が上記動作電圧（例えば、１５Ｖ）以上となるように、ＤＣ／ＡＣ動作において、系統電圧に対して位相がずれた交流出力電圧を生成して出力する。本実施形態では、電圧変換部５は、電圧変換部５に組み込まれた制御回路の制御下で、系統電圧に対して０．５ｍ秒程度遅れた交流出力電圧を生成して出力するように構成されている。ここで、系統電圧と交流出力電圧との電圧差を１５Ｖ以上とするには、系統電圧と交流出力電圧との位相差を０．４ｍ秒以上とする必要がある。なお、後述の電圧波形（図２（ａ）、図３（ａ）、図４（ａ）および図５（ａ））では、各種信号、スイッチ等のタイミングの前後関係を明確にするため、系統電圧の周期（２０ｍ秒）に対して系統電圧と交流出力電圧との間の位相差を実際よりも誇張して描いている。

制御部６は、系統電圧および／または交流出力電圧を監視しつつ、電圧変換部５、第１スイッチ７、第１フォトトライアックカプラ９、第２スイッチ１０および第２フォトトライアックカプラ１２を制御する。

給電システム１は、基本的には、系統電圧または交流出力電圧のいずれか一方を負荷４に供給する。具体的には、負荷４の消費電力が電圧変換部５の出力可能電力（本実施形態では、最大で６ｋＷ）を超えている場合、給電システム１は、制御部６の制御下で第１スイッチ７をオン状態、第２スイッチ１０、第１トライアック８および第２トライアック１１をオフ状態とし、第１スイッチ７を介して系統電圧を負荷４に供給する。

一方、負荷４の消費電力が電圧変換部５の出力可能電力以下の場合、給電システム１は、制御部６の制御下で第２スイッチ１０をオン状態、第１スイッチ７、第１トライアック８および第２トライアック１１をオフ状態とし、第２スイッチ１０を介して交流出力電圧を負荷４に供給する。

また、給電システム１は、負荷４に対する電圧の供給元を切り替える切替動作時に限り、系統電圧および交流出力電圧の両方を負荷４に供給することもある。ただし、この時間は最大でも系統電圧の１／４周期（本実施形態では、５ｍ秒）程度である。

給電システム１では、系統電圧による給電が行われているときに負荷４の消費電力が電圧変換部５の出力可能電力以下となった場合、または交流出力電圧による給電が行われているときに負荷４の消費電力が電圧変換部５の出力可能電力を超えた場合、制御部６は、負荷４に対する電圧の供給元を切り替える切替動作を行う。

切替動作において、制御部６は、第１スイッチ７および第２スイッチ１０が同時にオン状態とならないように第１スイッチ７および第２スイッチ１０を制御し、かつ第１スイッチ７および第２スイッチ１０の双方がオフ状態となるときに第１トライアック８または第２トライアック１１の少なくとも一方がオン状態となるように、第１フォトトライアック９ａおよび第２フォトトライアック１２ａの上記性質を利用して、第１フォトトライアックカプラ９および第２フォトトライアックカプラ１２を制御する。これにより、系統電圧が第１トライアック８を介して負荷４に供給される一方、交流出力電圧が第２トライアック１１を介して負荷４に供給される。

なお、蓄電手段３の充電を行う場合、制御部６は、第１スイッチ７と第２スイッチ１０の双方をオン状態にさせる。これにより、系統電圧が第１スイッチ７および第２スイッチ１０を介して電圧変換部５に入力され、電圧変換部５で直流出力電圧に変換されて、当該直流出力電圧が蓄電手段３に供給される。

［切替動作］
次に、本実施形態に係る給電システム１の切替動作について、詳細に説明する。なお、以下では、制御部６から出力されるハイレベルの信号をオン指令に関する制御信号とし、ローレベルの信号をオフ指令に関する制御信号とする。

（第１パターン）
図２は、給電システム１における切替動作の第１パターンを示す図である。第１パターンでは、負荷４に対する電圧の供給元を系統２から蓄電手段３に切り替える切替動作が行われるものとする。また、第１パターンでは、制御部６は、系統電圧がゼロクロスするタイミングで第１フォトトライアックカプラ９および第２フォトトライアックカプラ１２のオン指令に関する制御信号を出力するものとする。

系統電圧による給電が行われているときに負荷４の消費電力が電圧変換部５の出力可能電力以下になると、制御部６は、系統電圧の電圧値が第１フォトトライアック９ａの動作電圧（例えば、１５Ｖ）以上になる時間ｔ_２において第１トライアック８を確実にオンさせるために、時間ｔ_２よりも前の時間ｔ_１（系統電圧がゼロクロスする時間ｔ_１（図２（ａ）））において、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図２（ｄ））。時間ｔ_１においては、第１スイッチ７がオン状態となっており、第１フォトトライアック９ａの両端に上記動作電圧以上の電位差が発生しないので、第１発光ダイオード９ｂが発光しても第１フォトトライアック９ａがオンすることはない。このため、時間ｔ_１において第１トライアック８がオンすることはない。

時間ｔ_２において、制御部６は、第１スイッチ７の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えるとともに（図２（ｃ））、第２スイッチ１０の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図２（ｆ））。第１スイッチ７は、制御信号がローレベルに切り替わった瞬間にオフする一方（図２（ｇ））、第２スイッチ１０は、制御信号がハイレベルに切り替わってから所定の遅延時間Ｔ_Ｄ１経過後の時間ｔ_５においてオンする（図２（ｊ））。

時間ｔ_２において第１スイッチ７がオフすると、第１フォトトライアック９ａの他端の電圧値（図１のＢ点の電圧値）がゼロとなり、第１フォトトライアック９ａの両端に上記動作電圧以上の電位差が発生する。また、時間ｔ_２においては、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号がハイレベルとなっており、第１発光ダイオード９ｂが発光している。これらのことから、時間ｔ_２では、第１フォトトライアック９ａがオンして第１トライアック８がオンする（図２（ｈ））。これにより、系統電圧は第１トライアック８を介して負荷４に供給される。

制御部６は、系統電圧が再びゼロクロスする時間ｔ_３（図２（ａ））において、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図２（ｅ））。これにより、第２発光ダイオード１２ｂが発光する。また、時間ｔ_３においては、第２フォトトライアック１２ａの一端の電圧値（図１のＣ点の電圧値）は交流出力電圧の電圧値となり、第２フォトトライアック１２ａの他端の電圧値（図１のＤ点の電圧値）は系統電圧の電圧値となる。ここで、時間ｔ_３においては、系統電圧と交流出力電圧との電圧差が第２フォトトライアック１２ａの動作電圧以上になるので、第２フォトトライアック１２ａの両端には、上記動作電圧以上の電位差が発生する。このため、時間ｔ_３では、第２フォトトライアック１２ａがオンして第２トライアック１１がオンする（図２（ｉ））。

制御部６は、系統電流がゼロ（厳密には、第１フォトトライアック９ａの保持電流値以下）になる時間ｔ_４（図２（ｂ））までに、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替える（図２（ｄ））。これにより、時間ｔ_４では、第１フォトトライアック９ａがオフして第１トライアック８がオフする（図２（ｈ））。

時間ｔ_３から時間ｔ_４までの間（時間Ｔ_１）は、第１トライアック８と第２トライアック１１の双方がオン状態となるので、系統２への逆潮流が発生する可能性がある。しかしながら、時間Ｔ_１は最大でも５ｍ秒程度であり、系統連系規定で定められた０．５秒よりもはるかに短いので、逆潮流が発生しても問題はない。

時間ｔ_５において第２スイッチ１０がオンすると、電圧変換部５から出力される交流出力電流は、相対的に抵抗値の小さい第２スイッチ１０を流れ、相対的に抵抗値の大きい第２フォトトライアック１２ａを流れなくなるので、時間ｔ_５では、第２フォトトライアック１２ａがオフして第２トライアック１１がオフする（図２（ｉ））。

なお、第２スイッチ１０がオン状態の間は第２フォトトライアック１２ａはオンしないので、制御部６は、時間ｔ_５以降で第２スイッチ１０がオフするまでに、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えることができる。

結局、第１パターンでは、時間ｔ_２までは第１スイッチ７を介して系統電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_２から時間ｔ_５までは第１トライアック８および／または第２トライアック１１を介して系統電圧および／または交流出力電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_５以降は第２スイッチ１０を介して交流出力電圧が負荷４に供給される。したがって、給電システム１によれば、無瞬停で負荷４に対する電圧の供給元を系統２から蓄電手段３に切り替えることができる。

（第２パターン）
図３は、給電システム１における切替動作の第２パターンを示す図である。第２パターンでは、負荷４に対する電圧の供給元を蓄電手段３から系統２に切り替える切替動作が行われるものとする。また、第２パターンでは、制御部６は、交流出力電圧がゼロクロスするタイミングで第１フォトトライアックカプラ９および第２フォトトライアックカプラ１２のオン指令に関する制御信号を出力するものとする。

交流出力電圧による給電が行われているときに負荷４の消費電力が電圧変換部５の出力可能電力を超えると、制御部６は、交流出力電圧がゼロクロスする時間ｔ_６（図３（ａ））において、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替え（図３（ｅ））、交流出力電圧の電圧値が第２フォトトライアック１２ａの動作電圧（例えば、１５Ｖ）以上になる時間ｔ_７において、第２スイッチ１０の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えるとともに（図３（ｆ））、第１スイッチ７の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図３（ｃ））。

第２スイッチ１０は、制御信号がローレベルに切り替わった瞬間にオフする一方（図３（ｊ））、第１スイッチ７は、制御信号がハイレベルに切り替わってから所定の遅延時間Ｔ_Ｄ１経過後の時間ｔ_１０においてオンする（図３（ｇ））。

時間ｔ_７において第２スイッチ１０がオフすると、第２フォトトライアック１２ａの他端の電圧値（図１のＤ点の電圧値）がゼロとなり、第２フォトトライアック１２ａの両端に上記動作電圧以上の電位差が発生する。また、時間ｔ_７においては、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号がハイレベルとなっており、第２発光ダイオード１２ｂが発光している。これらのことから、時間ｔ_７では、第２フォトトライアック１２ａがオンして第２トライアック１１がオンする（図３（ｉ））。これにより、交流出力電圧は第２トライアック１１を介して負荷４に供給される。

制御部６は、交流出力電圧が再びゼロクロスする時間ｔ_８（図３（ａ））において、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図３（ｄ））。これにより、第１発光ダイオード９ｂが発光する。また、時間ｔ_８においては、第１フォトトライアック９ａの一端の電圧値（図１のＡ点の電圧値）は系統電圧の電圧値となり、第１フォトトライアック９ａの他端の電圧値（図１のＢ点の電圧値）は交流出力電圧の電圧値となる。ここで、時間ｔ_８においては、系統電圧の電圧値と交流出力電圧の電圧値と差が第１フォトトライアック９ａの動作電圧以上になるので、第１フォトトライアック９ａの両端に上記動作電圧以上の電位差が発生する。このため、時間ｔ_８では、第１フォトトライアック９ａがオンして第１トライアック８がオンする（図３（ｈ））。

制御部６は、交流出力電流がゼロ（厳密には、第２フォトトライアック１２ａの保持電流値以下）になる時間ｔ_９（図３（ｂ））までに、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替える（図３（ｅ））。これにより、時間ｔ_９では、第２フォトトライアック１２ａがオフして第２トライアック１１がオフする（図３（ｉ））。なお、時間ｔ_８から時間ｔ_９までの間（時間Ｔ_２）は、第１トライアック８と第２トライアック１１の双方がオン状態となる。

時間ｔ_１０において第１スイッチ７がオンすると、系統電流は、第１スイッチ７を流れて第１フォトトライアック９ａを流れなくなるので、時間ｔ_１０では、第１フォトトライアック９ａがオフして第１トライアック８がオフする（図３（ｈ））。なお、第１スイッチ７がオン状態の間は第１フォトトライアック９ａはオンしないので、制御部６は、時間ｔ_１０以降で第１スイッチ７がオフするまでに、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えることができる。

結局、第２パターンでは、時間ｔ_７までは第２スイッチ１０を介して交流出力電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_７から時間ｔ_１０までは第１トライアック８および／または第２トライアック１１を介して系統電圧および／または交流出力電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_１０以降は第１スイッチ７を介して系統電圧が負荷４に供給される。したがって、給電システム１によれば、無瞬停で負荷４に対する電圧の供給元を蓄電手段３から系統２に切り替えることができる。

（第３パターン）
図４は、給電システム１における切替動作の第３パターンを示す図である。第３パターンでは、第１パターンと同様に、負荷４に対する電圧の供給元を系統２から蓄電手段３に切り替える切替動作が行われるものとする。なお、第３パターンは、第２スイッチ１０が遅延時間Ｔ_Ｄ２（ただし、Ｔ_Ｄ２＞Ｔ_Ｄ１）経過後にオンする点、遅延時間Ｔ_Ｄ２に応じて第１フォトトライアックカプラ９および第２フォトトライアックカプラ１２のオン指令に関する制御信号のパルス幅が約２倍になっている点において、第１パターンと異なる。

制御部６は、系統電圧がゼロクロスする時間ｔ_１１（図４（ａ））において、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替え（図４（ｄ））、系統電圧の電圧値が第１フォトトライアック９ａの動作電圧以上になる時間ｔ_１２において、第１スイッチ７の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えるとともに（図４（ｃ））、第２スイッチ１０の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図４（ｆ））。これにより、時間ｔ_１２では、第１スイッチ７がオフして第１トライアック８がオンする（図４（ｇ）、（ｈ））。

交流出力電流がゼロになる時間ｔ_１３（図４（ｂ））では、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号がハイレベルに維持されているので、第１フォトトライアック９ａは、オフした瞬間に再びオンする。このため、系統電圧は、途切れることなく第１トライアック８を介して負荷４に供給される。

制御部６は、系統電圧がゼロクロスする時間ｔ_１４（図４（ａ））において、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図４（ｅ））。これにより、時間ｔ_１４では、第２フォトトライアック１２ａがオンして第２トライアック１１がオンする（図４（ｉ））。

制御部６は、系統電流がゼロになる時間ｔ_１５（図４（ｂ））までに、第１フォトトライアックカプラ９の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替える（図４（ｄ））。これにより、時間ｔ_１５では、第１フォトトライアック９ａがオフして第１トライアック８がオフする（図４（ｈ））。なお、時間ｔ_１４から時間ｔ_１５までの間（時間Ｔ_３）は、第１トライアック８と第２トライアック１１の双方がオン状態となるので、系統２への逆潮流が発生する可能性がある。しかしながら、時間Ｔ_３は最大でも５ｍ秒程度であり、系統連系規定で定められた０．５秒よりもはるかに短いので、逆潮流が発生しても問題はない。

時間ｔ_１６において第２スイッチ１０がオンすると、交流出力電流は第２フォトトライアック１２ａを流れなくなるので、時間ｔ_１６では、第２フォトトライアック１２ａがオフして第２トライアック１１がオフする（図４（ｉ））。なお、第２スイッチ１０がオン状態の間は第２フォトトライアック１２ａはオンしないので、制御部６は、時間ｔ_１６以降で第２スイッチ１０がオフするまでに、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えることができる。

結局、第３パターンでは、時間ｔ_１２までは第１スイッチ７を介して系統電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_１２から時間ｔ_１６までは第１トライアック８および／または第２トライアック１１を介して系統電圧および／または交流出力電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_１６以降は第２スイッチ１０を介して交流出力電圧が負荷４に供給される。したがって、給電システム１によれば、無瞬停で負荷４に対する電圧の供給元を系統２から蓄電手段３に切り替えることができる。

（第４パターン）
図５は、給電システム１における切替動作の第４パターンを示す図である。第４パターンでは、第１パターンと同様に、負荷４に対する電圧の供給元を系統２から蓄電手段３に切り替える切替動作が行われるものとする。なお、第４パターンは、第２スイッチ１０が遅延時間Ｔ_Ｄ３（ただし、Ｔ_Ｄ３＜Ｔ_Ｄ１）経過後にオンする点、第１フォトトライアックカプラ９のオン指令に関する制御信号が出力されない点において、第１パターンと異なる。

制御部６は、系統電圧がゼロクロスする時間ｔ_１７（図５（ａ））において、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図５（ｅ））。時間ｔ_１７においては、第２フォトトライアック１２ａの一端の電圧値（図１のＣ点の電圧値）は交流出力電圧の電圧値となり、第２フォトトライアック１２ａの他端の電圧値（図１のＤ点の電圧値）は系統電圧の電圧値となる。時間ｔ_１７において、交流出力電圧の電圧値と系統電圧の電圧値との差が第２フォトトライアック１２ａの動作電圧以上になるので、第２フォトトライアック１２ａの両端に上記動作電圧以上の電位差が発生する。このため、時間ｔ_１７において、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号がハイレベルに切り替わると（図５（ｅ））、第２フォトトライアック１２ａがオンして第２トライアック１１がオンする（図５（ｉ））。

制御部６は、時間ｔ_１８において、第１スイッチ７の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えるとともに（図５（ｃ））、第２スイッチ１０の制御信号をローレベルからハイレベルに切り替える（図５（ｆ））。第１スイッチ７は、制御信号がローレベルに切り替わった瞬間にオフする一方（図５（ｇ））、第２スイッチ１０は、制御信号がハイレベルに切り替わってから所定の遅延時間Ｔ_Ｄ３経過後の時間ｔ_１９においてオンする（図５（ｊ））。なお、時間ｔ_１７から時間ｔ_１８までの間（時間Ｔ_４）は、第１スイッチ７と第２トライアック１１の双方がオン状態となるので、系統２への逆潮流が発生する可能性がある。しかしながら、時間Ｔ_４は最大でも５ｍ秒程度であり、系統連系規定で定められた０．５秒よりもはるかに短いので、逆潮流が発生しても問題はない。

時間ｔ_１９において第２スイッチ１０がオンすると、交流出力電流は第２フォトトライアック１２ａを流れなくなるので、時間ｔ_１９では、第２フォトトライアック１２ａがオフして第２トライアック１１がオフする（図５（ｉ））。なお、第２スイッチ１０がオン状態の間は第２フォトトライアック１２ａはオンしないので、制御部６は、時間ｔ_１９以降で第２スイッチ１０がオフするまでに、第２フォトトライアックカプラ１２の制御信号をハイレベルからローレベルに切り替えることができる。

結局、第４パターンでは、時間ｔ_１７までは第１スイッチ７を介して系統電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_１７から時間ｔ_１８までは第１スイッチ７および／または第２トライアック１１を介して系統電圧および／または交流出力電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_１８から時間ｔ_１９までは第２トライアック１１を介して交流出力電圧が負荷４に供給され、時間ｔ_１９以降は第２スイッチ１０を介して交流出力電圧が負荷４に供給される。したがって、給電システム１によれば、無瞬停で負荷４に対する電圧の供給元を系統２から蓄電手段３に切り替えることができる。

以上、本発明に係る給電システムの好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、蓄電手段３として電気自動車のバッテリーが使用されているが、直流出力電圧を出力でき、蓄電機能を有するものであれば、蓄電手段３として使用することができる。

上記実施形態では、電圧変換部５として双方向充電器が使用されているが、蓄電手段３から出力された直流出力電圧に基づいて、系統電圧に対して位相がずれた交流出力電圧を生成できるものであれば、電圧変換部５として使用することができる。

上記実施形態では、第１半導体スイッチ部として第１トライアック８および第１フォトトライアックカプラ９が使用され、第２半導体スイッチ部として第２トライアック１１および第２フォトトライアックカプラ１２が使用されているが、少なくとも両端に所定値以上の電位差が発生しているときに制御部６の制御下でオンする性質を有し、第１スイッチ７および第２スイッチ１０よりも高速でオンするものであれば、第１半導体スイッチ部または第２半導体スイッチ部として使用することができる。

上記実施形態では、第１スイッチ７および第２スイッチ１０として接点スイッチが使用されているが、制御部６の制御下でオン／オフするものであれば、第１スイッチ７または第２スイッチ１０として使用することができる。

上記実施形態における制御部６は、系統電圧または交流出力電圧がゼロクロスするタイミングで、第１フォトトライアックカプラ９および第２フォトトライアックカプラ１２のオン指令に関する制御信号を出力しているが、第１スイッチ７および第２スイッチ１０の双方がオフ状態となるときに第１トライアック８または第２トライアック１１の少なくとも一方がオン状態となるのであれば、オン指令に関する制御信号を出力するタイミングは適宜変更できる。

同様に、第１スイッチ７および第２スイッチ１０の双方がオフ状態となるときに第１トライアック８または第２トライアック１１の少なくとも一方がオン状態となるのであれば、第１フォトトライアックカプラ９および第２フォトトライアックカプラ１２のオフ指令に関する制御信号や、第１スイッチ７および第２スイッチ１０のオン指令（またはオフ指令）に関する制御信号を出力するタイミングは適宜変更できる。

また、上記実施形態では、制御部６から出力されるハイレベルの信号をオン指令に関する制御信号とし、ローレベルの信号をオフ指令に関する制御信号としているが、ハイレベルの信号をオフ指令に関する制御信号とし、ローレベルの信号をオン指令に関する制御信号としてもよい。

１給電システム
２系統
３蓄電手段
４負荷
５電圧変換部
６制御部
７第１スイッチ
８第１トライアック
９第１フォトトライアックカプラ
１０第２スイッチ
１１第２トライアック
１２第２フォトトライアックカプラ

Claims

蓄電手段から入力された直流入力電圧を交流出力電圧に変換する電圧変換部を備え、系統から入力された系統電圧と前記交流出力電圧とを切り替えて負荷に供給する給電システムであって、
前記負荷に対する前記系統電圧の供給経路に介装された第１スイッチと、
前記第１スイッチと並列に設けられた第１半導体スイッチ部と、
前記負荷に対する前記交流出力電圧の供給経路に介装された第２スイッチと、
前記第２スイッチと並列に設けられた第２半導体スイッチ部と、
前記系統電圧または前記交流出力電圧を監視しつつ、前記電圧変換部、前記第１スイッチ、前記第１半導体スイッチ部、前記第２スイッチおよび前記第２半導体スイッチ部を制御する制御部と、
を備え、
前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部は、両端に所定値以上の電位差が発生しているときに前記制御部の制御下でオンし、かつ両端間を流れる電流が所定値以下になったときにオフする性質を有し、
前記電圧変換部は、所定のタイミングで前記系統電圧と前記交流出力電圧との電圧差が前記電位差以上となるように、前記系統電圧に対して位相がずれた前記交流出力電圧を生成し、
前記制御部は、前記系統電圧の供給と前記交流出力電圧の供給とを切り替える際に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが同時にオン状態とならないように前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを制御し、かつ前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの双方がオフ状態となるときに前記第１半導体スイッチ部または前記第２半導体スイッチ部の少なくとも一方がオン状態となるように、前記性質を利用して前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部を制御することを特徴とする給電システム。
前記第１半導体スイッチ部は、
前記性質を有する第１フォトトライアックカプラと、
前記第１フォトトライアックカプラがオンしたときにオンし、かつ両端間を流れる電流が所定値以下になったときにオフする、前記第１スイッチと並列に設けられた第１トライアックと、
を有し、
前記第２半導体スイッチ部は、
前記性質を有する第２フォトトライアックカプラと、
前記第２フォトトライアックカプラがオンしたときにオンし、かつ両端間を流れる電流が所定値以下になったときにオフする、前記第２スイッチと並列に設けられた第２トライアックと、
を有し、
前記制御部は、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの双方がオフ状態となるときに前記第１トライアックまたは前記第２トライアックの少なくとも一方がオン状態となるように、前記性質を利用して前記第１フォトトライアックカプラおよび前記第２フォトトライアックカプラを制御することを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
前記電圧変換部は、前記系統電圧または前記交流出力電圧の電圧値がゼロになるタイミングで前記系統電圧と前記交流出力電圧との電圧差が前記電位差以上となるように、前記系統電圧に対して位相がずれた前記交流出力電圧を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の給電システム。
前記蓄電手段は、電気自動車に搭載されたバッテリーであり、
前記電圧変換部は、前記系統電圧を直流出力電圧に変換し、当該直流出力電圧により前記バッテリーを充電する双方向充電器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の給電システム。