(57)【要約】【課題】インバータから制御装置および他の制御系の制御回路への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播を低減できる燃料電池の電力変換装置を提供する。【解決手段】コンバータ１１の出力電圧を変圧するトランス１２と、トランス１２の出力電力を整流平滑回路１３を介して交流電力に変換するインバータ１４と、インバータ１４を駆動する第一のドライバ１６と、コンバータ１１を駆動する第二のドライバ１７と、第一のドライバ１６を介してインバータ１４を制御すると共に第二のドライバ１７を介してコンバータ１１を制御する制御装置１８と、制御装置１８と第一のドライバ１６とを電気的に絶縁する第一の絶縁素子２０を備えことにより、高電圧が印加されるインバータ１４から制御装置１８および他の制御系の制御回路への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播の低減化が可能となる。【選択図】図１
2010259244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池が発電した直流電力を電力変換するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を変圧するトランスと、前記トランスの出力電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータを駆動する第一のドライバと、前記コンバータを駆動する第二のドライバと、前記第一のドライバを介して前記インバータを制御すると共に前記第二のドライバを介して前記コンバータを制御する制御装置と、を少なくとも備え、前記コンバータと前記トランスと前記インバータを主回路基板に実装した燃料電池の電力変換装置であって、前記制御装置と前記第一のドライバとを電気的に絶縁する第一の絶縁素子を設けたことを特徴とする燃料電池の電力変換装置。
【請求項２】
前記第一のドライバおよび前記第一の絶縁素子を、前記インバータ寄りに実装したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電力変換装置。
【請求項３】
前記第一のドライバと前記第一の絶縁素子を前記主回路基板に実装し、前記制御装置を前記主回路基板とは別の制御回路基板に実装したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御装置と前記第二のドライバとを電気的に絶縁する第二の絶縁素子を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池の電力変換装置。
【請求項５】
前記第二のドライバおよび前記第二の絶縁素子を、前記主回路基板に実装したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の直流電力を商用周波数の交流電力に変換し家庭内負荷に電力供給する電力変換装置のうち、主回路から制御回路に伝達される高電圧および高周波ノイズを低減する構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の直流電力を交流電力に変換する際に、燃料電池の出力電圧を昇圧回路を備えたコンバータにより商用系統電圧を超える直流電圧まで昇圧し、インバータにより交流電圧に変換することで、商用系統に接続された家庭内負荷に電力を供給する電力変換装置が知られている。
【０００３】
電力変換装置において、コンバータおよびインバータから構成されるパワー系の主回路と、主回路を制御する制御回路との基板への実装については、特許文献１で開示されているものがある。
【０００４】
特許文献１で開示されているものは、冷蔵庫の制御装置であるが、燃料電池の電力変換装置と冷蔵庫の制御装置とは、負荷に供給する電力は交流電力で同じであり、変換元の電力が燃料電池の電力変換装置は燃料電池の直流電力であり、冷蔵庫の制御装置は商用系統の交流電力という違いだけであり、電力変換および電力変換を制御する基本的な構成は同様のものとして扱うことができる。
【０００５】
以下、図６を参照しながら、特許文献１で開示されている従来の電力変換装置について説明する。図６に従来の電力変換装置の回路図を示す。
【０００６】
図６に示すように、従来の電力変換装置は、商用系統１の交流電圧を高周波スイッチングを用いたコンバータ２で昇圧し、整流平滑回路３を介して、インバータ４にて交流電圧に変換し、冷蔵庫の圧縮機のモータ５を駆動する。この時、インバータ４は第一のドライバ６を介して制御装置８で制御され、コンバータ２は第二のドライバ７を介して制御装置８で制御される。
【０００７】
また、コンバータ２およびインバータ４は、制御装置８と共に、主回路基板９に実装される。主回路基板９から分離された制御回路基板（図示せず）には、冷蔵庫固有の制御を行う制御系の制御回路および制御装置８とは別の制御装置を実装することで、制御回路基板の小型化を図り、冷蔵庫の内容積率向上を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２８９５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成では、高電圧および高周波電力を扱うインバータ４と制御装置８とが同一の主回路基板９に実装され、インバータ４および制御装置８のグランド電位が同電位で接続される構成のため、高電圧および高周波成分を含むインバータ４が、制御装置８およびその周辺の制御回路に高周波ノイズの影響を与えてしまう。
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み、インバータから制御装置および他の制御系の制御回路への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播を低減できる燃料電池の電力変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池の電力変換装置は、燃料電池が発電した直流電力を電力変換するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を変圧するトランスと、前記トランスの出力電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータを駆動する第一のドライバと、前記コンバータを駆動する第二のドライバと、前記第一のドライバを介して前記インバータを制御すると共に前記第二のドライバを介して前記コンバータを制御する制御装置と、を少なくとも備え、前記コンバータと前記トランスと前記インバータを主回路基板に実装した燃料電池の電力変換装置であって、前記制御装置と前記第一のドライバとを電気的に絶縁する第一の絶縁素子を設けたのである。
【００１２】
これにより、約４００Ｖの高電圧が印加されるインバータから制御装置および他の制御系の制御回路への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播の低減化が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池の電力変換装置は、約４００Ｖの高電圧が印加されるインバータから制御装置および他の制御系の制御回路への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播の低減化が可能となる。これにより、制御装置および他の制御系の制御回路の動作が安定し、燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池の電力変換装置の回路図
【図２】本発明の実施の形態２による燃料電池の電力変換装置の回路図
【図３】本発明の実施の形態３による燃料電池の電力変換装置の回路図
【図４】本発明の実施の形態４による燃料電池の電力変換装置の回路図
【図５】本発明の実施の形態５による燃料電池の電力変換装置の回路図
【図６】従来の電力変換装置の回路図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、燃料電池が発電した直流電力を電力変換するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を変圧するトランスと、前記トランスの出力電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータを駆動する第一のドライバと、前記コンバータを駆動する第二のドライバと、前記第一のドライバを介して前記インバータを制御すると共に前記第二のドライバを介して前記コンバータを制御する制御装置と、を少なくとも備え、前記コンバータと前記トランスと前記インバータを主回路基板に実装した燃料電池の電力変換装置であって、前記制御装置と前記第一のドライバとを電気的に絶縁する第一の絶縁素子を設けたことを特徴とする燃料電池の電力変換装置である。
【００１６】
上記構成の第１の発明の燃料電池の電力変換装置では、制御装置が第一のドライバを介してインバータを制御するものであるが、制御装置と第一のドライバとを電気的に絶縁する第一の絶縁素子を設けたことにより、約４００Ｖの高電圧が印加されるインバータから制御装置および他の制御系の制御回路への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播の低減化が可能となり、制御装置および他の制御系の制御回路の動作が安定し、燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性が向上する。
【００１７】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記第一のドライバおよび前記第一の絶縁素子を、前記インバータ寄りに実装したものであり、これにより、主回路基板における高電圧が印加される面積が減少し、高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播のさらなる低減化が可能となる。このため制御装置および他の制御系の制御回路の動作がさらに安定し、燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性が、さらに向上する。
【００１８】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記第一のドライバと前記第一の絶縁素子を前記主回路基板に実装し、前記制御装置を前記主回路基板とは別の制御回路基板に実装したものであり、これにより、高電圧がかかる主回路基板と、保守作業者等の人が触れることができる制御回路基板との実装が分離でき安全性が高まる。また、１枚当たりの基板面積が小さくなることから基板設置の自由度が増え、基板の実装密度を上げることができる。
【００１９】
第４の発明は、特に、第１ないし第３の発明に加えて、前記制御装置と前記第二のドライバとを電気的に絶縁する第二の絶縁素子を設けたものであり、これにより、約４０Ｖ程度の低電圧が印加されるコンバータを制御する第二のドライバを、制御装置と、第二の絶縁素子により絶縁することで、制御装置および他の制御系の制御回路へのノイズ伝播の、さらなる低減化が可能となり、動作がさらに安定し、燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性が、さらに向上する。
【００２０】
第５の発明は、特に、第１ないし第４の発明において、前記第二のドライバおよび前記第二の絶縁素子を、前記主回路基板に実装したものであり、これにより、制御回路基板の面積をさらに小さくできることから、基板設置の自由度がさらに増え、基板の実装密度をさらに上げることができる。
【００２１】
以下、本発明の燃料電池の電力変換装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。また、先に説明した実施の形態と同一構成については、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における燃料電池の電力変換装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、燃料電池１０が発電した直流電力を電力変換するコンバータ１１と、コンバータ１１の出力電圧を変圧するトランス１２と、トランス１２の出力電力を整流平滑する整流平滑回路１３と、整流平滑回路１３の出力を交流電力に変換するインバータ１４と、インバータ１４を駆動する第一のドライバ１６と、コンバータ１１を駆動する第二のドライバ１７と、第一のドライバ１６を介してインバータ１４を制御すると共に第二のドライバ１７を介してコンバータ１１を制御する制御装置（マイコン）１８と、制御装置１８と第一のドライバ１６とを電気的に絶縁する第一の絶縁素子２０を少なくとも備える。
【００２４】
そして、コンバータ１１とトランス１２と整流平滑回路１３とインバータ１４と第一のドライバ１６と第二のドライバ１７と制御装置１８と第一の絶縁素子２０を、主回路基板１９に実装している。
【００２５】
ここで、コンバータ１１は、４つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４からフルブリッジ構成を有するもので、約４０Ｖ程度の直流電力を発電する燃料電池１０に並列に接続される平滑コンデンサの両端に接続される。そして、コンバータ１１のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３の中点およびスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４の中点で、トランス１２の１次巻線の両端と接続される。また、制御装置１８からの信号を第二のドライバ１７を介してコンバータ１１を高周波スイッチングさせる。
【００２６】
また、約４００Ｖ程度に昇圧されたトランス１２の２次巻線に接続される整流平滑回路１３は、ブリッジダイオードと平滑コンデンサから構成され、直流で約４００Ｖを生成する。また、整流平滑回路１３に接続されるインバータ１４を、制御装置１８からの信号を第一の絶縁素子２０および第一のドライバ１６を介して高周波スイッチングさせることで、家庭内負荷（図示せず）に５０Ｈｚまたは６０Ｋｚの２００Ｖ交流電力が供給される。なお、商用系統１５は、インバータ１４および家庭内負荷に接続され、燃料電池１０が出力していない場合には、商用系統１５から家庭内負荷に２００Ｖ交流電力電力が供給される。
【００２７】
本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、制御装置１８が第一のドライバ１６を介してインバータ１４を制御するものであるが、制御装置１８と第一のドライバ１６とを電気的に絶縁する第一の絶縁素子２０を設けたことにより、約４００Ｖの高電圧が印加されるインバータ１４から制御装置１８および他の制御系の制御回路（図示せず）への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播の低減化が可能となり、制御装置１８および他の制御系の制御回路（図示せず）への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播を低減して、制御装置１８および制御装置１８に接続される制御回路等の電力変換装置自身の回路動作への影響を抑制できるので、制御装置１８および他の制御系の制御回路（図示せず）の動作が安定し、燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性が向上する。
【００２８】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における燃料電池の電力変換装置について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【００２９】
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、図１に示された実施の形態１の燃料電池の電力変換装置において、第一のドライバ１６および第一の絶縁素子２０をインバータ１４寄り（インバータ１４の近傍）に実装（配置）したものである。その他の構成は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３０】
図２に示すように、約４００Ｖの高電圧が印加されるインバータ１４と第一のドライバ１６と第一の絶縁素子２０が接続されている信号ラインは、図２においてＧＮＤ＿３Ｐと記載されているインバータ１４のグランド電位に対して、約４００Ｖの高電圧が印加されるが、第一の絶縁素子２０がインバータ１４寄り（インバータ１４の近傍）に配置されることで、約４００Ｖの高電圧が印加され、インバータ１４を高周波スイッチングする信号ラインの実装面積を小さくすることができるため、高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播をさらに低減して、制御装置１８および制御装置に接続される制御回路等の電力変換装置自身の回路動作への影響をさらに抑制した燃料電池の電力変換装置を実現できる。
【００３１】
以上のように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、実施の形態１の燃料電池の電力変換装置において、第一のドライバ１６および第一の絶縁素子２０をインバータ１４寄り（インバータ１４の近傍）に実装したことにより、主回路基板１９における高電圧が印加される面積が減少し、高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播のさらなる低減化が可能となり、制御装置１８および他の制御系の制御回路（図示せず）への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播をさらに低減して、制御装置１８および制御装置１８に接続される制御回路等の電力変換装置自身の回路動作への影響をさらに抑制できるので、制御装置１８および他の制御系の制御回路（図示せず）の動作がさらに安定し、燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性がさらに向上する。
【００３２】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における燃料電池の電力変換装置について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３における燃料電池の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【００３３】
図３に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、図２に示された実施の形態２の燃料電池の電力変換装置において、第一のドライバ１６および第一の絶縁素子２０をインバータ１４寄り（インバータ１４の近傍）で主回路基板１９に実装し、前記制御装置を前記主回路基板とは別の制御回路基板に実装したものであり、第二のドライバ１７と制御装置１８および制御装置１８に接続される制御回路（図示せず）を、主回路基板１９とは別の制御回路基板２１に実装（配置）したものである。その他の構成は、実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
【００３４】
本実施の形態によれば、実施の形態２の燃料電池の電力変換装置において、第一のドライバ１６と第一の絶縁素子２０を主回路基板１９に実装し、制御装置１８を主回路基板１９とは別の制御回路基板２１に実装して、高電圧および高周波電圧が印加される実装部分を主回路基板１９に集約することで、主回路基板１９と制御回路基板２１が分離でき、高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播を低減しながら、高電圧がかかる主回路基板１９を、保守作業者等の人が触れることができない場所に設置することができ安全性が高まる。また主回路基板１９に実装していた部品を、主回路基板１９と制御回路基板２１とに分けて実装することで、１枚当たりの実装基板面積が小さくなることから基板設置の自由度が増え、基板の実装密度を上げることができる。
【００３５】
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４における燃料電池の電力変換装置について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態４における燃料電池の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【００３６】
図４に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、図３に示された実施の形態３の燃料電池の電力変換装置において、制御装置１８と第二のドライバ１７とを電気的に絶縁する第二の絶縁素子２２を設けたものである。その他の構成は、実施の形態３と同様であるので、説明を省略する。
【００３７】
図４に示すように、コンバータ１１の印加電圧は約４０Ｖ程度と電圧レベルとしては高いものではないが、制御装置１８および第二のドライバ１７による高周波スイッチングに伴う高周波ノイズがコンバータ１１から発生しているため、コンバータ１１のグランド電位である図４に記載のＧＮＤ＿１Ｐと、制御装置１８および制御装置１８に接続される制御回路（図示せず）のグランド電位である図４に記載のＧＮＤ＿Ｌとを電気的に分離することができ、コンバータ１１からの制御装置１８および制御装置１８に接続される制御回路へのノイズ伝播のさらなる低減化が可能となり、動作がさらに安定し、燃料電池の燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性を向上する。
【００３８】
以上のように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、実施の形態３の燃料電池の電力変換装置において、制御装置１８と第二のドライバ１７とを電気的に絶縁する第二の絶縁素子２２を設けたことにより、約４０Ｖ程度の低電圧が印加されるコンバータ１１を制御する第二のドライバ１７を、制御装置１８と、第二の絶縁素子２２により絶縁することで、制御装置１８および他の制御系の制御回路へのノイズ伝播の、さらなる低減化が可能となり、動作がさらに安定し、燃料電池の電力変換装置の性能および信頼性が、さらに向上する。
【００３９】
（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５における燃料電池の電力変換装置について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態５における燃料電池の電力変換装置の回路構成を示す回路図である。
【００４０】
図５に示すように、本実施の形態の燃料電池の電力変換装置は、図４に示された実施の形態４の燃料電池の電力変換装置において、制御回路基板２１に実装（配置）されていた第二のドライバ１７および第二の絶縁素子２２を、コンバータ１１寄り（コンバータ１１の近傍）で主回路基板１９に実装（配置）したものである。その他の構成は、実施の形態４と同様であるので、説明を省略する。
【００４１】
その結果、燃料電池１０に並列に接続される平滑コンデンサとコンバータ１１とトランス１２と整流平滑回路１３とインバータ１４と第一のドライバ１６と第二のドライバ１７と第一の絶縁素子２０と第二の絶縁素子２２が、主回路基板１９に実装（配置）されることになり、主回路基板１９とは別の制御回路基板２１に実装（配置）されるのは、制御装置１８および制御装置１８に接続される制御回路（図示せず）だけとなる。
【００４２】
本実施の形態によれば、第二のドライバ１７および第二の絶縁素子２２を、主回路基板１９に実装して、インバータ１４のみならず、コンバータ１１を駆動する高周波電圧が印加される実装部分をも主回路基板１９に集約することで、高周波ノイズレベルの高い主回路基板１９と、制御装置１８が実装される制御回路基板２１が分離でき、主回路基板１９に実装していた部品を、主回路基板１９と制御回路基板２１とに分けて実装することで、１枚当たりの実装基板面積、特に制御回路基板２１がさらに小さくなることから、制御回路基板２１の設置自由度が増え、基板の実装密度をさらに上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によれば、高電圧が印加されるインバータから制御装置および他の制御系の制御回路への高電圧に伴う高レベルのノイズ伝播の低減化が可能となるので、商用電力系統に系統連系する燃料電池の電力変換装置に限らず、燃料電池と同様に高電圧および高周波スイッチングを行うエアコンや冷蔵庫等の電力変換装置などの技術分野においても適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  燃料電池
１１  コンバータ
１２  トランス
１４  インバータ
１６  第一のドライバ
１７  第二のドライバ
１８  制御装置
１９  主回路基板
２０  第一の絶縁素子
２１  制御回路基板
２２  第二の絶縁素子
【図１】
2010259244.tif 000003
【図２】
2010259244.tif 000004
【図３】
2010259244.tif 000005
【図４】
2010259244.tif 000006
【図５】
2010259244.tif 000007
【図６】
2010259244.tif 000008