JP6866959B2 - スイッチング回路 - Google Patents
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Description
(第1実施形態)
図1に示すように、電力管理システム1は、パワーコンディショナ10と、パワーコンディショナ10に電気的に接続された太陽光発電装置2及び蓄電装置3とを備える。パワーコンディショナ10は、交流母線4と系統連系保護リレー5を介して電力系統6に接続される。交流母線4には、パワーコンディショナ10側から見て系統連系保護リレー5の外側に、図示しない分電盤等を介して負荷7が接続されている。系統連系保護リレー5は、電力系統6とパワーコンディショナ10とを解列可能である。負荷7は、例えば屋内負荷であり、照明、冷蔵庫、洗濯機、空気調和機、電子レンジ等が挙げられる。電力管理システム1は、パワーコンディショナ10によって太陽光発電装置2、蓄電装置3、電力系統6、及び負荷7の間の電力の調整を行う。この調整の一例としては、太陽光発電装置2が発電した電力の電力系統6への逆潮流、蓄電装置3への蓄電、及び負荷7への供給の調整と、電力系統6の電力の蓄電装置3への蓄電及び負荷7への供給の調整とが挙げられる。なお、発電装置としては、太陽光発電装置のほか、例えば、風力発電装置、ガス発電装置、地熱発電装置等を用いることができる。
パワーコンディショナ10は、PVコンバータ11、直流交流変換装置(DC/ACコンバータ)12、制御部13、及び電力変換装置20を有する。PVコンバータ11、直流交流変換装置12、及び電力変換装置20はそれぞれ、高圧直流バス14に接続される。すなわち、PVコンバータ11と直流交流変換装置12と電力変換装置20は、高圧直流バス14を介して互いに接続されている。
第1ブートストラップ回路50Aのブートダイオード51Aのアノードは、第1電源部25Lのプラス端子に接続され、ブートダイオード51Aのカソードは、駆動回路24Bの高電位電源端子THBに接続されている。第1ブートストラップ回路50Aの第1ブートコンデンサ52Aの第1端子は、ブートダイオード51Aのカソード及び駆動回路24Bの高電位電源端子THBに接続され、第1ブートコンデンサ52Aの第2端子は、駆動回路24Bの低電位電源端子TLBに接続されている。第1ブートストラップ回路50Aは、第1スイッチ素子32をオンさせるために必要な電圧(駆動電圧)を、駆動回路24Bに供給する。
制御部13は、例えば電力変換装置20の駆動を第1動作及び第2動作で制御する。一例では、制御部13は、第1動作として、スイッチング回路20Aにおける第1スイッチ回路30の第1スイッチ素子31〜33を同時にオンオフし、第2スイッチ回路40の第2スイッチ素子41〜43を同時にオンオフするように制御し、かつ第1スイッチ素子31〜33と第2スイッチ素子41〜43とを相補的にオンオフさせる。ここで、相補的とは、第1スイッチ素子31〜33が同時にオフになった後に、第2スイッチ素子41〜43を同時にオンする、もしくは、第1スイッチ素子31〜33が同時にオンとなる前に第2スイッチ素子41〜43を同時にオフする動作を示す。また、第1スイッチ素子31〜33の動作と第2スイッチ素子41〜43の動作との間に、第1スイッチ素子31〜33と第2スイッチ素子41〜43とがオフになるデッドタイムが設けられている。第1動作は、電力変換装置20による電力変換動作である。すなわち、電力変換装置20が第1動作を行うことにより、高圧直流バス14の直流電力を、蓄電装置3に充電される直流電力に変換したり、蓄電装置3から放電される直流電力を、高圧直流バス14に応じた設定電圧の直流電力に変換したりする。
制御部13は、時刻t11〜t13の期間において第2動作を実行する。
制御部13は、時刻t14において第1スイッチ素子31〜33をオンし、時刻t15において第1スイッチ素子31〜33をオフする。時刻t14〜t15の期間は、第1動作における第1スイッチ素子31〜33の周期的なオンオフ制御のオン期間である。また時刻t15において、第1スイッチ素子31〜33がオフされることによって、第2スイッチ素子42のボディダイオード42a及び第2スイッチ素子43のボディダイオード43aを通じて第2ブートストラップ回路50C,50Dの第2ブートコンデンサ52C,52Dがそれぞれ充電される。第2ブートコンデンサ52C,52Dは、時刻t16において満充電になる。
制御部13は、例えば電力変換装置20の駆動を第1動作〜第3動作で制御する。一例では、制御部13は、第2動作として、第1スイッチ回路30の第1スイッチ素子31及び第1スイッチ素子32の順にオンすることにより、ブートストラップ回路50A,50Bの第1ブートコンデンサ52A,52Bを順次充電する。そして制御部13は、第3動作として、第2スイッチ回路40の第2スイッチ素子41及び第2スイッチ素子42の順にオンすることにより、ブートストラップ回路50C,50Dの第2ブートコンデンサ52C,52Dを順次充電する。これにより、電力変換装置20が第1動作で駆動開始するときに、各ブートコンデンサ52A〜52Dが満充電となる。
制御部13は、時刻t21において第1スイッチ素子31のみをオンする。このとき、第1スイッチ素子31を通じて第1スイッチ素子32のソースと第1電線21Lとが同じ電位となるため、第1電源部25Lによって第1ブートストラップ回路50Aの第1ブートコンデンサ52Aが充電される。このため、第1ブートコンデンサ52Aの電位が時刻t21から時間の経過とともに上昇し、時刻t22では、第1ブートコンデンサ52Aが満充電となっている。
高圧直流バス14に接続された電力変換装置20のスイッチング回路20Aのように高耐圧のスイッチ素子が必要な場合、シリコンカーバイド(SiC)基板により形成されたMOSFET、窒化ガリウム(GaN)基板により形成されたMOSFET等のワイドギャップ半導体をスイッチ素子に用いる構成が知られている。ワイドギャップ半導体をスイッチ素子に用いることによって、スイッチング回路の第1スイッチ回路及び第2スイッチ回路はそれぞれ、1個のスイッチ素子からなる。しかし、ワイドギャップ半導体が複数個のSi基板のMOSFETよりも高価であるため、スイッチング回路のコスト低減が困難である。
(1−1)制御部13は、第1動作を行う前に第2動作を行うことによって第1ブートコンデンサ52A,52Bをそれぞれ充電することによって、第1動作の開始時に第1スイッチ素子31〜33を同時にオンできる。そして第1スイッチ素子31〜33が同時にオフされる場合に第2ブートコンデンサ52C,52Dに充電されるため、制御部13は、第1動作において第2スイッチ素子41〜43を同時にオンできる。このように、スイッチング回路20Aが第1スイッチ素子31〜33に対して共通の第1電源部25Lと、第2スイッチ素子41〜43に対して共通の第2電源部25Hとを有する構成であっても、第2動作が行われることによって第1スイッチ素子31〜33が同時にオンでき、第2スイッチ素子41〜43が同時にオンできる。したがって、スイッチング回路20Aの大型化を抑制するとともに起動時に第1スイッチ素子31〜33及び第2スイッチ素子41〜43を同期して制御できる。
図5及び図6を参照して、第2実施形態のスイッチング回路20Aについて説明する。本実施形態のスイッチング回路20Aは、第1実施形態のスイッチング回路20Aと比較して、第2電源部25Hの構成が異なる。以下の説明において、第1実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
制御部13は、時刻t31〜t34の期間において第2動作を実行し、時刻t35〜t37の期間において第3動作を実行する。
(2−1)制御部13は、第2動作において、第1スイッチ素子31、第1スイッチ素子32、及び第1スイッチ素子33の順に(すなわち電圧の昇順に)オンして第1スイッチ素子31〜33の全てをオンする。これにより、第1電源部25Lのマイナス端子と、電荷蓄電素子26Aの第1端子との電位が同じになるため、第1電源部25Lによって電荷蓄電素子26Aに充電できる。そして、制御部13は、第2動作において、第2スイッチ素子41及び第2スイッチ素子42の順にオンする。これにより、電荷蓄電素子26Aが第2ブートストラップ回路50Cの第2ブートコンデンサ52C及び第2ブートストラップ回路50Dの第2ブートコンデンサ52Dをそれぞれ充電する。このため、第1動作の開始時において、第1スイッチ素子31〜33が同時にオンできる状態となり、第2スイッチ素子41〜43が同時にオンできる状態となる。したがって、制御部13が第1動作を行うときに第1スイッチ素子31〜33が同時にオンでき、第2スイッチ素子41〜43が同時にオンできる。
図7及び図8を参照して、第3実施形態のスイッチング回路20Aについて説明する。本実施形態のスイッチング回路20Aは、第1実施形態のスイッチング回路20Aと比較して、制御部13の構成が異なる。以下の説明において、第1実施形態と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
制御回路13aは、第1スイッチ回路30及び第2スイッチ回路40を駆動するPWM信号を生成する第1信号生成回路61と、第1スイッチ回路30の駆動回路24A〜24Cと第2スイッチ回路40の駆動回路24D〜24Fに対するPWM信号の出力の有効又は無効を指示するイネーブル信号を生成する第2信号生成回路62とを有する。本実施形態の第1信号生成回路61は、第1スイッチ回路30を駆動する第1PWM信号と、第2スイッチ回路40を駆動する第2PWM信号とを個別に生成する。第2信号生成回路62は、第1イネーブル信号〜第6イネーブル信号を生成する。第1イネーブル信号は、駆動回路24Aに対する第1PWM信号の出力の有効又は無効を指示する。第2イネーブル信号は、駆動回路24Bに対する第1PWM信号の出力の有効又は無効を指示する。第3イネーブル信号は、駆動回路24Cに対する第1PWM信号の出力の有効又は無効を指示する。第4イネーブル信号は、駆動回路24Dに対する第2PWM信号の出力の有効又は無効を指示する。第5イネーブル信号は、駆動回路24Eに対する第2PWM信号の出力の有効又は無効を指示する。第6イネーブル信号は、駆動回路24Fに対する第2PWM信号の出力の有効又は無効を指示する。
制御部13は、時刻t41〜t43の期間において第2動作及び第3動作を実行する。具体的には、制御部13は、時刻t41において第1PWM信号及び第2PWM信号をそれぞれハイレベルにする。第1PWM信号及び第2PWM信号は、時刻t41〜t43にわたりハイレベルとなり、時刻t44においてローレベルに変更する。制御部13は、時刻t41〜t43の期間において第1イネーブル信号及び第2イネーブル信号を順にハイレベルにし、第4イネーブル信号及び第5イネーブル信号を順にハイレベルにして、時刻t43において各イネーブル信号をローレベルにする。
制御部13は、時刻t44において各イネーブル信号をハイレベルにし、第1動作の終了時までハイレベルを維持する。制御部13は、時刻t44において第1スイッチ素子31〜33をオンし、時刻t45において第1スイッチ素子31〜33をオフする。制御部13は、時刻t45において第2スイッチ素子41〜43をオンし、時刻t46において第2スイッチ素子41〜43をオフする。制御部13は、時刻t46において第1スイッチ素子31〜33をオンする。時刻t44〜t45の期間は、第1動作における第1スイッチ素子31〜33の周期的なオンオフ制御のオン期間であり、第2スイッチ素子41〜43の周期的なオンオフ制御のオフ期間である。時刻t45〜t46の期間は、第1スイッチ素子31〜33の周期的なオンオフ制御のオフ期間であり、第2スイッチ素子41〜43の周期的なオンオフ制御のオン期間である。このように、制御部13は、第1動作として、第1スイッチ素子31〜33と第2スイッチ素子41〜43を相補的にオンオフ制御する。
(3−1)制御部13は、PWM信号を生成する第1信号生成回路61、イネーブル信号を生成する第2信号生成回路62、及び論理回路13bを備える。論理回路13bは、駆動回路25A〜25Fに対応するAND回路81〜86を有し、第1〜第6イネーブル信号がハイレベルの場合、PWM信号を出力する。この構成によれば、駆動回路25A〜25FのそれぞれにPWM信号を入力する構成と比較して、集積回路90におけるPWM信号の端子数を少なくすることができる。さらに、第1信号生成回路61が第1PWM信号及び第2PWM信号を生成する構成であるため、第1信号生成回路が駆動回路の数に応じたPWM信号を生成する構成と比較して、第1信号生成回路61の構成を簡素化できる。また集積回路70におけるPWM信号の端子数を少なくすることができる。したがって、スイッチング回路20Aのコストを低減できる。
上記各実施形態は本開示に関するスイッチング回路が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本開示に関するスイッチング回路は上記各実施形態に例示された形態とは異なる形態を取り得る。その一例は、上記各実施形態の構成の一部を置換、変更、もしくは、省略した形態、又は上記各実施形態に新たな構成を付加した形態である。以下の変更例において、上記各実施形態の形態と共通する部分については、上記各実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
・上記第3実施形態及び変更例において、制御部13は、各イネーブル信号がハイレベルのときにPWM信号を駆動回路24A〜24Fに出力していたが、これに限定されない。制御部13は、例えば各イネーブル信号がローレベルのときにPWM信号を駆動回路24A〜24Fに出力してもよい。要するに、制御部13は、各イネーブル信号が所定のレベルのときにPWM信号を出力するように構成されていればよい。所定レベルをハイレベルにするか、ローレベルにするかは、必要に応じて設定すればよい。
制御部13は、例えば、実施形態の制御部13の動作を実現するように構成されたコンピュータによって実現されてよい。例えば、制御部13は、各々がメモリとプロセッサとを含む複数の個別コンピュータによって実現されてもよく、単一のコンピュータによって実現されてもよい。制御部13は、特定用途向けIC(ASIC)等の集積回路として実現されてもよい。本発明は、前述した実施形態で説明した機能、方法、または構成を実現するように構成されたコンピュータ実行可能命令を格納した非一時的コンピュータ可読記録媒体を含む。当該コンピュータ可読記録媒体は、一または複数のコンピュータプロセッサがアクセスできる任意の媒体であってよく、例えば、RAM、ROM、EEPROM、CD−ROMまたは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージまたは他の磁気記憶装置、及びそれらの任意の組合わせを含むことができる。
13b…論理回路
20A…スイッチング回路
21L…第1電線(第1入出力部)
21H…第2電線(第2入出力部)
21M…第3電線(第3入出力部)
24A〜24C…駆動回路(第1駆動回路)
24D〜24F…駆動回路(第2駆動回路)
25L…第1電源部
25H…第2電源部
26A…電荷蓄電素子
30…第1スイッチ回路
31〜33…第1スイッチ素子
40…第2スイッチ回路
41〜43…第2スイッチ素子
50A,50B…第1ブートストラップ回路
52A,52B…第1ブートコンデンサ
50C,50D…第2ブートストラップ回路
52C,52D…第2ブートコンデンサ
61…第1信号生成回路
62…第2信号生成回路
100…NOT回路
Claims (10)
- 第1電圧が印加される第1入出力部、及び前記第1電圧よりも高い第2電圧が印加される第2入出力部と、
前記第1入出力部と前記第2入出力部との間に直列接続された第1スイッチ回路及び第2スイッチ回路と、
前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路を制御する制御部と、
前記第1スイッチ回路と前記第2スイッチ回路との間に接続される第3入出力部と、
を有し、
前記第2入出力部又は前記第3入出力部に印加される電圧に基づいて、前記第1スイッチ回路と前記第2スイッチ回路のオンオフに応じた電圧を前記第3入出力部又は前記第2入出力部に生成するためのスイッチング回路であって、
前記第1スイッチ回路は、前記第1入出力部と前記第3入出力部との間に直列接続された複数の第1スイッチ素子を有し、
前記第2スイッチ回路は、前記第3入出力部と前記第2入出力部との間に直列接続された複数の第2スイッチ素子を有し、
複数の前記第1スイッチ素子をそれぞれオンオフ制御する複数の第1駆動回路と
複数の前記第2スイッチ素子をそれぞれオンオフ制御する複数の第2駆動回路と、
複数の前記第1駆動回路のうちの前記第1入出力部に最も近い第1駆動回路に接続され、前記第1駆動回路に電圧を供給する第1電源部と、
複数の前記第1駆動回路のうちの前記第1電源部が接続された第1駆動回路以外の第1駆動回路にそれぞれ接続されるとともに前記第1電源部に接続され、前記第1電源部の電圧に基づいてそれぞれが接続された前記第1駆動回路に電圧を供給する第1ブートストラップ回路と、
複数の前記第2駆動回路のうちの前記第3入出力部に最も近い第2駆動回路に接続され、前記第2駆動回路に電圧を供給する第2電源部と、
複数の前記第2駆動回路のうちの前記第2電源部が接続された第2駆動回路以外の第2駆動回路にそれぞれ接続されるとともに前記第2電源部が接続され、前記第2電源部の電圧に基づいてそれぞれが接続された前記第2駆動回路に電圧を供給する第2ブートストラップ回路と、
を有し、
前記制御部は、
前記複数の第1スイッチ素子の動作が同期し、前記複数の第2スイッチ素子の動作が同期し、かつ、前記複数の第1スイッチ素子と前記複数の第2スイッチ素子とが相補的にオンオフする第1動作を行い、
前記第1動作を行う前に、前記第1スイッチ回路のうちの前記最も低電位側の第1スイッチ素子から順にオンする第2動作を行う
スイッチング回路。 - 前記第1駆動回路は、前記第2動作において、前記複数の第1スイッチ素子のうちの最も高電位側の第1スイッチ素子をオフした状態で前記複数の第1スイッチ素子のうちの最も低電位側の第1スイッチ素子から順にオンして前記第1ブートストラップ回路の第1ブートコンデンサを充電する
請求項1に記載のスイッチング回路。 - 前記第2駆動回路は、前記第1動作を行う前に、前記第2スイッチ回路のうちの前記最も低電位側の第2スイッチ素子から順にオンして前記第2ブートストラップ回路の第2ブートコンデンサを充電する第3動作を行う
請求項1又は2に記載のスイッチング回路。 - 前記第1電源部及び前記第2電源部は、直流電源である
請求項1〜3のいずれか一項に記載のスイッチング回路。 - 前記第1電源部は直流電源であり、
前記第2電源部は、電荷蓄電素子を有し、前記第1電源部に接続され、前記第1電源部の電圧に基づいて、接続された前記第2駆動回路に電圧を供給する
請求項1〜3のいずれか一項に記載のスイッチング回路。 - 前記制御部は、前記第1動作を行う前に、前記複数の第1スイッチ素子の全てをオンして前記第1電源部から前記電荷蓄電素子に電荷を供給し、
前記電荷蓄電素子は、前記第1動作において、前記複数の第1スイッチ素子がオンする期間に前記第1電源部から電荷が供給され、前記複数の第2スイッチ素子がオンする期間に前記第2ブートストラップ回路の第2ブートコンデンサに電荷を供給する
請求項5に記載のスイッチング回路。 - 前記電荷蓄電素子の静電容量は、前記第2ブートストラップ回路の第2ブートコンデンサの静電容量よりも大きい
請求項5又は6に記載のスイッチング回路。 - 前記制御部は、
前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路を駆動するPWM信号を生成する第1信号生成回路と、
前記複数の第1駆動回路及び前記複数の第2駆動回路に対する前記PWM信号の出力の有効又は無効を指示するイネーブル信号を生成する第2信号生成回路と、
前記第1信号生成回路及び前記第2信号生成回路に接続され、前記イネーブル信号が所定のレベルの場合に、入力される前記PWM信号を前記複数の第1駆動回路及び前記複数の第2駆動回路に出力する論理回路と、
を備える
請求項1〜7のいずれか一項に記載のスイッチング回路。 - 前記第1信号生成回路は、前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路のそれぞれに対する前記PWM信号を生成する
請求項8に記載のスイッチング回路。 - 前記論理回路は、NOT回路を含み、
前記第1信号生成回路は、前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路の一方に前記NOT回路を介して前記PWM信号を反転した信号を入力するとともに、前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路の他方に前記PWM信号を入力する
請求項8に記載のスイッチング回路。
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