(57)【要約】【課題】スイッチング素子のゲート電源をブートストラップ回路によって構成した系統連系インバータ装置において、更なる省スペース化・省コスト化を可能とすること。【解決手段】インバータ５は、下アームのスイッチング素子（Ｑ２，Ｑ４）の駆動用電源として動作するゲート電源回路１１−２と、上アームのスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ４）の駆動用電源として動作するゲート電源用コンデンサ（Ｃ１，Ｃ３）を具備するブートストラップ回路と、を有し、同期動作可能な２組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化（Ｓ１，Ｓ２）され、ゲートパルス発生回路８は、１回のＯＮ／ＯＦＦ制御によってゲート電源用コンデンサ（Ｃ１，Ｃ３）の充電電圧が所定値以上となるように、当該ゲート電源用コンデンサの充電に寄与するスイッチング素子（Ｑ２，Ｑ４）を制御する。【選択図】    図８
2010057337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、
複数のスイッチング素子を有し、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、
前記インバータの出力を電力系統に出力するか否かを切り替える開閉器と、
前記インバータおよび前記開閉器の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記インバータは、
前記複数のスイッチング素子のうちの下アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作する第１のゲート電源と、
前記複数のスイッチング素子のうちの上アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作し、前記第１のゲート電源による直流電力が供給されるゲート電源用コンデンサを具備するブートストラップ回路によって構成された第２のゲート電源と、
を有するとともに、
同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成されるとき、
前記制御部は、前記インバータと前記電力系統とが連系していないときに、１回のＯＮ／ＯＦＦ制御によって前記ゲート電源用コンデンサの充電電圧が所定値以上となるように、当該ゲート電源用コンデンサの充電に寄与するスイッチング素子を制御することを特徴とする系統連系インバータ装置。
【請求項２】
電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、
複数のスイッチング素子を有し、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、
前記インバータの出力を電力系統に出力するか否かを切り替える開閉器と、
前記インバータおよび前記開閉器の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記インバータは、
前記複数のスイッチング素子のうちの下アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作する第１のゲート電源と、
前記複数のスイッチング素子のうちの上アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作し、前記第１のゲート電源による直流電力が供給されるゲート電源用コンデンサを具備するブートストラップ回路によって構成された第２のゲート電源と、
を有するとともに、
同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対のうち、１組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成されるとき、
前記制御部は、前記インバータと前記電力系統とが連系していないときに、ゲート信号が共通化されていない下アームのスイッチング素子をＯＮすることによって充電されるゲート電源用コンデンサの充電電圧が所定値以上となるように、当該下アームのスイッチング素子を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御することを特徴とする系統連系インバータ装置。
【請求項３】
電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、
入力された直流電圧を電圧変換して出力するコンバータと、
前記コンバータから出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、
前記インバータユニットの出力を電力系統に出力するか否かを切り替える開閉器と、
前記インバータユニットおよび前記開閉器の動作を制御する制御部と、
前記電力系統の電圧を検出する第１の電圧検出器と、
を備え、
前記インバータユニットは、
前記各単相インバータを構成する複数のスイッチング素子のうちの下アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作する第１のゲート電源と、
前記複数のスイッチング素子のうちの上アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作し、前記第１のゲート電源による直流電力が供給されるゲート電源用コンデンサを具備するブートストラップ回路によって構成された第２のゲート電源と、
を有するとともに、
同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対のうち、１組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成されるとき、
前記制御部は、前記インバータユニットと前記電力系統とが連系状態にあり、かつ、前記インバータユニットが停止状態のときに、前記第１の電圧検出器の検出電圧に基づいて、前記インバータユニットと前記電力系統との間で相互に逆流電流が流れないように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行って前記ゲート電源用コンデンサを充電することを特徴とする系統連系インバータ装置。
【請求項４】
前記各単相インバータの母線電圧を検出する第２の電圧検出器をさらに備え、
前記制御部は、前記ゲート電源用コンデンサに対する充電を前記第１の電圧検出器および前記第２の電圧検出器の各検出電圧に基づいて実行することを特徴とする請求項３に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項５】
前記制御部は、１回のＯＮ／ＯＦＦ制御によって前記ゲート電源用コンデンサの充電電圧が所定値以上となるように、当該ゲート電源用コンデンサの充電に寄与するスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項３または４に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項６】
電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、
入力された直流電圧を電圧変換して出力するコンバータと、
前記コンバータから出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、
前記インバータユニットの出力を電力系統に出力するか否かを切り替える開閉器と、
前記インバータユニットおよび前記開閉器の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記インバータユニットは、
前記各単相インバータを構成する複数のスイッチング素子のうちの下アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作する第１のゲート電源と、
前記複数のスイッチング素子のうちの上アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作し、前記第１のゲート電源による直流電力が供給されるゲート電源用コンデンサを具備するブートストラップ回路によって構成された第２のゲート電源と、
を有するとともに、
同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対のうち、１組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成されるとき、
前記制御部は、前記インバータユニットと前記電力系統とが連系していないときに、１回のＯＮ／ＯＦＦ制御によって前記ゲート電源用コンデンサの充電電圧が所定値以上となるように、当該ゲート電源用コンデンサの充電に寄与するスイッチング素子を制御することを特徴とする系統連系インバータ装置。
【請求項７】
電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、
入力された直流電圧を電圧変換して出力するコンバータと、
前記コンバータから出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する複数の単相インバータを有し、交流側端子が直列に接続された当該複数の単相インバータの各発生電圧による総和電圧を出力するインバータユニットと、
前記インバータユニットの出力を電力系統に出力するか否かを切り替える開閉器と、
前記インバータユニットおよび前記開閉器の動作を制御する制御部と、
前記電力系統の電圧を検出する第１の電圧検出器と、
前記各単相インバータの母線電圧を検出する第２の電圧検出器と、
を備え、
前記インバータユニットは、
前記各単相インバータを構成する複数のスイッチング素子のうちの下アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作する第１のゲート電源と、
前記複数のスイッチング素子のうちの上アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作し、前記第１のゲート電源による直流電力が供給されるゲート電源用コンデンサを具備するブートストラップ回路によって構成された第２のゲート電源と、
を有するとともに、
前記インバータユニットを構成する単相インバータのうち、前記コンバータの出力端にインバータ母線が接続される第１の単相インバータにおいては、同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対のうち、１組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成される一方で、
前記インバータユニットを構成する単相インバータのうち、前記第１の単相インバータ以外の単相インバータにおいては、同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成されており、
前記制御部は、前記第１の単相インバータ以外の単相インバータに未充電のインバータ母線用コンデンサが１以上存在し、かつ、前記第１の単相インバータのゲート電源用コンデンサを充電する場合に、当該充電対象であるゲート電源用コンデンサの充電時に、スイッチング素子を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御することを特徴とする系統連系インバータ装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記インバータと前記電力系統とが連系状態にあり、かつ、前記インバータが停止状態のときに、前記第１の電圧検出器の検出電圧に基づいて、前記インバータと前記電力系統との間で相互に逆流電流が流れないように前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行って前記ゲート電源用コンデンサを充電することを特徴とする請求項７に記載の系統連系インバータ装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記ゲート電源用コンデンサに対する充電を前記第１の電圧検出器および前記第２の電圧検出器の各検出電圧に基づいて実行することを特徴とする請求項７に記載の系統連系インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統（以下単に「系統」という）に連系可能な系統連系インバータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ブートストラップ方式によってスイッチング素子の駆動電源（ゲート電源）を得るときに、スイッチング素子に熱損失や熱損失による損傷等を生じさせることなく、安定した動作が可能となるインバータ回路が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
この特許文献１に示されるインバータ回路によれば、上アームの各スイッチング素子を制御するゲート電源がブートストラップ回路で構成されており、ゲート電源回路の個数を削減しつつ、ゲート電源用コンデンサの未充電に起因するスイッチング素子の損傷防止を可能としている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８４７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電気機器の省スペース化・省コスト化は、昨今のトレンドでもあり、インバータ回路を含むインバータ装置においても、さらなる省スペース化・省コスト化が求められている。
【０００６】
例えば、系統連系インバータ装置において、上アームを構成する一のスイッチング素子に印加するゲート信号と、下アームを構成するスイッチング素子であり、当該一のスイッチング素子に同期して動作する他のスイッチング素子に印加するゲート信号の双方を共通化することが考えられる。このような構成にすれば、１つのゲート信号で複数（例えば２つ）のアームを制御することができるので、省スペース化・省コスト化を図ることが可能となる。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に代表されるようなブートストラップ方式のインバータ装置において、同期して動作するスイッチング素子に印加するゲート信号を共通化した場合、ゲート電源が充分に充電されていない状態でスイッチング制御することになりスイッチング素子の損傷につながるという問題点がある。このため、従来のインバータ装置では、ゲート信号の共通化による省スペース化・省コスト化の効果を得ることができないという課題が存在していた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スイッチング素子のゲート電源をブートストラップ回路によって得る構成において、更なる省スペース化・省コスト化を可能とする系統連系インバータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる系統連系インバータ装置は、電力系統と連系する系統連系インバータ装置において、複数のスイッチング素子を有し、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、前記インバータの出力を電力系統に出力するか否かを切り替える開閉器と、前記インバータおよび前記開閉器の動作を制御する制御部と、を備え、前記インバータは、前記複数のスイッチング素子のうちの下アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作する第１のゲート電源と、前記複数のスイッチング素子のうちの上アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作し、前記第１のゲート電源による直流電力が供給されるゲート電源用コンデンサを具備するブートストラップ回路によって構成された第２のゲート電源と、を有するとともに、同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対のうち、１組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成されるとき、前記制御部は、前記インバータと前記電力系統とが連系していないときに、１回のＯＮ／ＯＦＦ制御によって前記ゲート電源用コンデンサの充電電圧が所定値以上となるように、当該ゲート電源用コンデンサの充電に寄与するスイッチング素子を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる系統連系インバータ装置によれば、インバータに具備される複数のスイッチング素子のうちの下アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作する第１のゲート電源と、複数のスイッチング素子のうちの上アームのスイッチング素子の駆動用電源として動作し、第１のゲート電源による直流電力が供給されるゲート電源用コンデンサを具備するブートストラップ回路によって構成された第２のゲート電源と、が設けられるとともに、同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対のうち、１組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成されるとき、インバータと電力系統とが連系していないときに、１回のＯＮ／ＯＦＦ制御によってゲート電源用コンデンサの充電電圧が所定値以上となるように、当該ゲート電源用コンデンサの充電に寄与するスイッチング素子を制御するようにしているので、スイッチング素子のゲート電源をブートストラップ回路によって構成することによる省スペース化・省コスト化の効果に加え、同期して動作するスイッチング素子に印加するゲート信号を共通化することによる省スペース化・省コスト化の効果をも得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる系統連系インバータ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
＜実施の形態１＞
（太陽光発電システムの構成）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置を太陽光発電システムに適用した場合の一例を示す図である。
【００１３】
図１において、系統連系インバータ装置２の入力端には、太陽電池モジュール１が接続され、出力端には、例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの電力を供給する系統３が接続されている。このように構成された太陽光発電システムでは、太陽電池モジュール１によって発電された直流電力は、系統連系インバータ装置２によって交流電力に変換されて系統３に供給される。
【００１４】
（系統連系インバータ装置の構成）
つぎに、実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の構成について説明する。図１において、系統連系インバータ装置２は、コンバータ４、インバータ５、制御部６、出力フィルタ回路７、および開閉器８を備えている。
【００１５】
コンバータ４は、太陽電池モジュール１の出力電圧（直流電圧）を電圧変換してインバータ５に印加する。インバータ５は、コンバータ４から供給される直流電圧を交流電圧に変換して出力する。
【００１６】
出力フィルタ回路７は、インバータ５の出力端に接続され、インバータ５による交流出力を平滑して出力する。開閉器８は、出力フィルタ回路７と系統３との間に挿入され、出力フィルタ回路７を介したインバータ５の出力を系統３に出力するか否かの切り換え動作を実行する。電圧検出器３０は、系統連系インバータ装置２の出力端（開閉器８と系統３との接続端）に接続され、系統３の出力電圧を検出する。制御部６は、コンバータ４、インバータ５および開閉器８を制御する。
【００１７】
つぎに、系統連系インバータ装置におけるインバータ回路の省スペース化、省コスト化の概念について図２および図３を用いて説明する。ここで、図２は、スイッチング素子に対するゲート信号を共通化したインバータ回路の構成例を示す図であり、図３は、ブートストラップ回路を用いることによりゲート電源回路数を削減したインバータ回路の構成例を示す図である。なお、図２および図３では、インバータ５から系統３までの回路構成を示すとともに、インバータ５のより詳細な構成を示している。
【００１８】
図２において、インバータ５は、ダイオードを逆並列に接続した複数個の、自己消弧型の半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）であるスイッチング素子９−１（Ｑ１）〜９−４（Ｑ４）、スイッチング素子９−１〜９−４にゲートパルスを印加するゲート駆動回路１０−１〜１０−４、ゲート駆動回路１０−１〜１０−４にゲート電源を供給するゲート電源回路１１−１〜１１−３、ならびに直流電力を蓄積する母線コンデンサＣｘ，およびゲート電源用コンデンサＣ１〜Ｃ４を備えている。
【００１９】
スイッチング素子９−１，９−２およびスイッチング素子９−３，９−４は、それぞれが直列に接続され、コンバータ４の出力端に繋がるインバータ母線２８，２９間に接続される。なお、母線コンデンサＣｘも、インバータ母線２８，２９間に接続される。また、スイッチング素子９−１，９−２およびスイッチング素子９−３，９−４の各接続点は交流出力端として引き出され、出力フィルタ回路７に接続される。
【００２０】
なお、下アームを構成するスイッチング素子９−２，９−４に対するゲート電源（ゲート電源回路１１−２：第１のゲート電源）は同電位となるため共通化することが可能である。一方、上アームを構成するスイッチング素子９−１，９−３に対するゲート電源（ゲート電源回路１１−１，１１−３：第２のゲート電源）は、共通化することができないため、スイッチング素子９−１，９−３毎に個別に設けられている。このため、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３は、それぞれゲート電源回路１１−１，１１−３の各両端に接続されている。一方、ゲート電源用コンデンサＣ２，Ｃ４は、共通的に設けられたゲート電源回路１１−２の両端に接続される。
【００２１】
また、制御部６は、ゲートパルス発生回路１２を備えている。ゲートパルス発生回路１２は、スイッチング素子９−１〜９−４を駆動するゲート駆動回路１０−１〜１０−４に対するゲート信号（ゲートパルス）を生成する。なお、図２の構成では、同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対に付与するゲートパルスを共通化している。すなわち、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）を共通化（Ｓ１＝Ｓ４）するとともに、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）を共通化（Ｓ２＝Ｓ３）している。
【００２２】
図２の構成によれば、ゲートパルスを共通化してはいるものの、ゲート電源回路は各スイッチング素子毎に設けるようにしているので（互いに同電位となる下アーム側のゲート電源を除く）、ゲートパルスの共通化による省スペース化・省コスト化の効果は得られても、ゲート電源回路の削減による省スペース化・省コスト化の効果を得ることはできない。
【００２３】
これに対し、図３に示す構成では、図２における上アームのゲート電源回路１１−１，１１−３を、それぞれゲート電源用コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１およびダイオードＤ１、ならびにゲート電源用コンデンサＣ３、抵抗Ｒ３およびダイオードＤ３によるブートストラップ回路で構成している。なお、図３の構成では、スイッチング素子９−１〜９−４に対するゲートパルス（Ｓ１〜Ｓ４）の共通化は行っていない。
【００２４】
図３において、下アームのスイッチング素子９−２をＯＮすると、同図の太破線で示す経路の電流が流れ、スイッチング素子９−１を駆動するゲート駆動回路１０−１に対する電源（以下「スイッチング素子９−１のゲート電源（他のスイッチング素子に対しても同様に表現）」という）としてのゲート電源用コンデンサＣ１を充電する。
【００２５】
一方、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子の性質として、ゲート電源が充分に充電されていない状態でスイッチング素子のゲートを駆動すると、スイッチング素子が故障に至る虞がある。したがって、図２のようにゲート駆動信号を共通化する構成を採用すると、例えばスイッチング素子９−２をＯＮするときに、スイッチング素子９−３も同時にＯＮとなるため、スイッチング素子９−３のゲート電源であるゲート電源用コンデンサＣ３が充分に充電されていない状態でスイッチング素子９−３のゲートが駆動されることになり、スイッチング素子９−３の故障が懸念される。このため、図３のインバータ回路では、ゲート信号は共通化せず、分離するように構成している。
【００２６】
図３の構成によれば、ブートストラップ回路を用いてゲート電源回路を削減してはいるものの、ゲートパルスを共通化することはできていないので、ゲート電源回路の削減による省スペース化・省コスト化の効果は得られても、ゲートパルスの共通化による省スペース化・省コスト化の効果を得ることはできない。
【００２７】
図４は、図３に示したゲート電源用コンデンサの充電時における両端電圧の変化を示す図であり、各記号の意味はつぎのとおりである。
Ｖg：ゲート電源電圧
Ｒ：充電回路の抵抗
Ｃ：ゲート電源用コンデンサの容量
Ｖ(ｔ)：ゲート電源用コンデンサの両端電圧
ｔ：コンデンサの充電時間
【００２８】
充電経路にあるスイッチング素子がＯＮすると、ゲート電源用コンデンサの両端電圧は、図４に示すような波形となる。また、この波形は、次式を用いて表すことができる。
Ｖ(t)＝Ｖｇ（１−ｅ-(1/ＣＲ)ｔ）    …（１）
【００２９】
なお、ゲート電源用コンデンサＣ１は、スイッチング素子９−２がＯＮすることによって充電され、ゲート電源用コンデンサＣ２は、スイッチング素子９−４がＯＮすることによって充電される。
【００３０】
図５は、系統３が負の半サイクルのときにスイッチング素子９−１，９−４をＯＮしたときの電流の流れを示す図であり、図６は、系統３が正の半サイクルのときにスイッチング素子９−２，９−３をＯＮしたときの電流の流れを示す図である。なお、図５に示す構成では、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）を共通化（Ｓ１＝Ｓ４）している。また、図６に示す構成では、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）を共通化（Ｓ２＝Ｓ３）している。
【００３１】
図５において、インバータ５が停止している状態であり、かつ、系統３が負の半サイクルのとき、系統３に連系したまま上アームのゲート電源用コンデンサＣ３を充電するためにスイッチング素子９−４をＯＮすると、ゲート信号が共通のためスイッチング素子９−１もＯＮとなる。この場合、図５の太破線で示すように、系統３の上端側→スイッチング素子９−４→母線コンデンサＣｘ→スイッチング素子９−１→系統３の下端側、という経路の電流が流れる（これ以降、簡潔な説明とするため、電流の流れを示す際には、図中の記号を用いて表記する）。
【００３２】
また、図６において、インバータ５が停止している状態であり、かつ、系統が正の半サイクルのとき、系統３に連系したまま上アームのゲート電源用コンデンサＣ１を充電するためにスイッチング素子９−２をＯＮすると、ゲート信号が共通のためスイッチング素子９−３もＯＮとなる。この場合、図６の太破線で示すように、系統３の下端側→Ｑ２Ｔｒ→Ｃｘ→Ｑ３Ｔｒ→系統３の上端側、という経路の電流が流れる。なお、例えば「Ｑ２Ｔｒ」の表記は、Ｑ２のトランジスタ側を流れるという意味である。
【００３３】
図５および図６に示す電流経路は、インバータ５が停止した状態で、系統３からインバータ５側に向かう電流経路である。例えば、図５において、系統３が負の半サイクルのときに、系統３がインバータ５に供給する電流は、下側の端子から流れ出し、上側の端子に戻るような電流であり、図示の経路とは逆向きの経路となる。なお、系統３の電圧をＶｋとし、母線コンデンサＣｘの電圧をＶｏとすれば、太陽電池モジュールが発電を行っている場合には、Ｖｏ＞Ｖｋの関係があるので、系統３からスイッチング素子９−３のダイオードを通じて母線コンデンサＣｘに向かう経路は遮断される。
【００３４】
また、図６において、系統３が正の半サイクルのときに、系統３がインバータ５に供給する電流は、上側の端子から流れ出し、下側の端子に戻るような電流であり、この場合にも、図示の経路とは逆向きの経路となる。
【００３５】
したがって、インバータ５の停止状態において、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３を充電する際には、上記のような逆向きの電流（以下「逆流電流」という）が流れないように、開閉器８を切り離し、系統連系インバータ装置２が系統３と連系していない状態で充電を行う必要がある。
【００３６】
図７は、ブートストラップ回路を構成するゲート電源用コンデンサの両端電圧の変化の一例を示す図である。ここで、スイッチング素子の駆動に必要な最小電圧について説明する。
【００３７】
ゲート駆動に必要な電源電圧をＶｇminとすると、上記（１）式より、
Ｖ(t)＝Ｖｇ（１−ｅ-(1/ＣＲ)ｔ）＞Ｖｇmin      …（２）
という関係式が導かれ、スイッチング素子の確実な駆動に必要な充電を行うための、スイッチング素子のＯＮ時間は、
ｔ＞−ＣＲ*Ｌｎ(１−Ｖｇmin／Ｖｇ)      …（３）
で与えられる。
【００３８】
ここで、Ｃ＝１００μＦ、Ｒ＝２３．５Ω、Ｖｇ＝１５Ｖ、Ｖｇｍｉｎ＝７．２Ｖとすると、（３）式より、
ｔ＞１．５４ｍsec          …（４）
という関係が得られる。
【００３９】
すなわち、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３に対し、１回のＯＮ／ＯＦＦで１．５４ｍsec以上の充電を行えば、スイッチング素子９−１，９−３を故障に至らせることなく確実に駆動することが可能となる。
【００４０】
図８は、本発明の実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の主要部の構成を示す図であり、図１に示した系統連系インバータ装置２を具現化する構成を示す図である。基本的な構成は、図３に示したものと同等であるが、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）、およびスイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）は、それぞれ共通化（Ｓ２＝Ｓ３）されている。また、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３の充電時には、開閉器８を開放させておく必要がある。
【００４１】
ここで、インバータ５の起動時に、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３を通常のスイッチング周波数でパルス的に充電した場合の動作について考える。
【００４２】
（１）まず、スイッチング素子９−２がＯＮになると、図８の太破線で示すような充電電流が流れ、ゲート電源用コンデンサＣ１が充電される。このとき、スイッチング素子９−３は、ゲート電源用コンデンサＣ３が未充電のため動作しない。
（２）つぎに、スイッチング周波数が切り替わり、スイッチング素子９−４がＯＮになると、ゲート電源用コンデンサＣ３が充電される。このとき、スイッチング素子９−１は、上記（１）の充電時にゲート電源用コンデンサＣ１の電圧がスイッチング素子９−１の駆動電圧に達した時点でＯＮとなる。
（３）さらに、スイッチング周波数が切り替わり、スイッチング素子９−２がＯＮになると、ゲート電源用コンデンサＣ１が充電される。このとき、スイッチング素子９−３は、上記（２）の充電時にゲート電源用コンデンサＣ３の電圧がスイッチング素子９−３の駆動電圧に達した時点でＯＮとなる。
（４）以降、上記（２）、（３）の動作が繰り返される。
【００４３】
上記のような充電動作が繰り返されるとき、つぎの問題点が生ずる。
（ａ）例えば（２）の状態でゲート電源用コンデンサＣ１の電圧が充分に充電されていない場合、スイッチング素子９−１が損傷してしまう虞がある。
（ｂ）また、例えば（３）の状態でゲート電源用コンデンサＣ３の電圧が充分に充電されていない場合、スイッチング素子９−３が損傷してしまう虞がある。
したがって、インバータ５の起動時に、通常のスイッチング周波数でゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３の充電を行う場合には、ゲートパルスを共通化することはできず、単独で動作する必要がある。
【００４４】
一方、本実施の形態では、１回のＯＮ／ＯＦＦ制御によってゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３の充電電圧が所定値以上となるように、それぞれスイッチング素子９−１，９−３を制御する。すなわち、通常のスイッチング周波数と異なるスイッチング周波数で、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３の充電電圧が、上記（２）式で示されるＶｇmin以上となるようにスイッチング素子９−１，９−３を制御する。
【００４５】
なお、図７の説明のところでも示したように、Ｃ＝１００μＦ、Ｒ＝２３．５Ω、Ｖｇ＝１５Ｖ、Ｖｇｍｉｎ＝７．２Ｖの場合には、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３に対し、１回のＯＮ／ＯＦＦで１．５４ｍsec以上の充電を行えば、スイッチング素子９−１，９−３を故障に至らせることなく確実に駆動することが可能となる。
【００４６】
以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源の数を少なくすることができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【００４７】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、１つのゲート信号で２つのアームを制御することができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【００４８】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源用コンデンサの未充電に起因するスイッチング素子の故障を確実に防止することが可能となる。
【００４９】
＜実施の形態２＞
図９は、本発明の実施の形態２にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図８に示す実施の形態１との装置構成に関する相違点は、同期して動作することが可能な２組のスイッチング素子対のうち、１組のスイッチング素子対を駆動するゲート信号が共通化されるように構成した点にある。例えば、図９に示す構成では、スイッチング素子９−１，９−４のゲート信号の共通化は行っているが、スイッチング素子９−２，９−３のゲート信号の共通化は行っていない。なお、その他については、実施の形態１の構成と同一または同等であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５０】
図９において、系統連系インバータ装置が一度停止し、出力フィルタ回路７のコンデンサ（フィルタコンデンサ）に電荷が溜まっている状態で、ゲート電源用コンデンサＣ１を充電するためにスイッチング素子９−２をＯＮすると、同図の太実線で示すように、フィルタコンデンサの下端側（系統３の下端側）→Ｑ２Ｔｒ→Ｑ４Ｄ→フィルタコンデンサの上端側（系統３の上端側）、という経路の電流が流れるため、インバータ５が出力過電流を誤検出して停止してしまう虞がある。なお、上記における「Ｑ２Ｔｒ」および「Ｑ４Ｄ」の表記は、それぞれＱ２のトランジスタ側およびＱ４のダイオード側を流れるという意味である。
【００５１】
そこで、本実施の形態の系統連系インバータ装置では、共通化されていないスイッチング素子９−２を複数回のスイッチング制御でＯＮ／ＯＦＦし、ゲート電源用コンデンサＣ１をパルス的に充電するようにする。このとき、出力フィルタ回路７のコンデンサは、スイッチング素子９−２のスイッチング周波数に合わせて、パルス的に電流を出力するが、出力フィルタ回路７にはリアクトル成分があるため、パルス的に流れる電流は平均化される。この作用により、インバータ５の内部に短絡電流が流れることがなくなる。
【００５２】
なお、この実施の形態では、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲート信号を共通化する一方で、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲート信号を共通化せず、上記のような制御を行うようにしているが、この構成とは逆に、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲート信号を共通化せずに、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲート信号を共通化するように構成してもよい。この場合には、共通化されていないスイッチング素子９−４を複数回のスイッチング制御でＯＮ／ＯＦＦし、ゲート電源用コンデンサＣ３をパルス的に充電するようにすればよい。
【００５３】
以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源の数を少なくすることができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【００５４】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、１つのゲート信号で２つのアームを制御することができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【００５５】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源用コンデンサの未充電に起因するスイッチング素子の故障を確実に防止することが可能となる。
【００５６】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、出力フィルタ回路のコンデンサに充電された電荷の放電を待つことなしに、ゲート電源用コンデンサの充電を開始することが可能となる。
【００５７】
＜実施の形態３＞
（太陽光発電システムの構成）
図１０は、本発明の実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置を太陽光発電システムに適用した場合の一例を示す図である。
【００５８】
図１０において、系統連系インバータ装置２Ａの入力端には、太陽電池モジュール１が接続され、出力端には、例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの電力を供給する系統３が接続されている。このように構成された太陽光発電システムでは、太陽電池モジュール１によって発電された直流電力は、系統連系インバータ装置２Ａによって交流電力に変換されて系統３に供給される。
【００５９】
（系統連系インバータ装置の構成）
つぎに、実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置２Ａの構成について説明する。図１０において、系統連系インバータ装置２Ａは、コンバータ４、インバータユニット２０、制御部６、出力フィルタ回路７、開閉器８、および電圧検出器３０を備えている。
【００６０】
コンバータ４は、太陽電池モジュール１の出力電圧（直流電圧）を電圧変換してインバータユニット２０に印加する。インバータユニット２０は、交流側端子が直列に接続された複数台の単相インバータを有して成り、コンバータ４から供給される直流電圧を交流電圧に変換する各単相インバータの発生電圧による総和電圧を出力する。なお、インバータユニット２０に関する詳細な構成については、後述する。
【００６１】
出力フィルタ回路７は、インバータユニット２０の出力端に接続され、インバータユニット２０による交流出力を平滑して出力する。開閉器８は、出力フィルタ回路７と系統３との間に挿入され、出力フィルタ回路７の出力を系統３に伝達するか否かの切り換え動作を実行する。電圧検出器３０は、系統連系インバータ装置２の出力端（開閉器８と系統３との接続端）に接続され、系統３の出力電圧を検出する。制御部６は、電圧検出器３０の検出電圧に基づき、コンバータ４、インバータユニット２０および開閉器８を制御する。なお、本実施の形態の要旨の中心となる部分は、制御部６が電圧検出器３０の出力に基づいて、インバータユニット２０を制御するところにあり、その詳細については後述する。
【００６２】
つぎに、複数台の単相インバータを有する系統連系インバータ装置２Ａのインバータユニット２０における省スペース化、省コスト化の概念について図１１および図１２を用いて説明する。ここで、図１１は、スイッチング素子に対するゲート信号を共通化したインバータユニット２０の構成例を示す図であり、図１２は、ブートストラップ回路を用いることによりゲート電源回路数を削減したインバータユニット２０の構成例を示す図である。なお、図１１および図１２では、インバータユニット２０から系統３までの回路構成を示すとともに、インバータユニット２０のより詳細な構成を示している。
【００６３】
図１１において、インバータユニット２０を構成する複数の単相インバータ（同図では３台を例示）である単相インバータ２０ａ〜２０ｃは、ダイオードを逆並列に接続した複数個の、自己消弧型の半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）であるスイッチング素子９−１（Ｑ１）〜９−１２（Ｑ１２）、スイッチング素子９−１〜９−１２にゲートパルスを印加するゲート駆動回路１０−１〜１０−１２、ゲート駆動回路１０−１〜１０−１２にゲート電源を供給するゲート電源回路１１−１〜１１−３，１１−５〜１１−７，１１−９〜１１−１１、ならびに直流電力を蓄積する母線コンデンサＣａ〜Ｃｃ，およびゲート電源用コンデンサＣ１〜Ｃ１２を備えている。また、制御部６は、ゲートパルス発生回路１２を備えている。
【００６４】
単相インバータ２０ａでは、スイッチング素子９−１，９−２、およびスイッチング素子９−３，９−４が、それぞれ直列に接続され、コンバータ４の出力端に繋がるインバータ母線２８，２９間に接続される。また、母線コンデンサＣａも、インバータ母線２８，２９間に接続される。一方、スイッチング素子９−１，９−２およびスイッチング素子９−３，９−４の各接続点は交流出力端として引き出され、スイッチ回路２２に接続されている。なお、単相インバータ２０ｂ，２０ｃについても、単相インバータ２０ａと同様な構成が採られており、ここでの詳細な説明は省略する。
【００６５】
スイッチ回路２２は、単相インバータ２０ａの交流側端子間を短絡させる短絡用スイッチであり、ダイオードを逆並列に接続した２個の自己消弧型半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）が互いに逆極性に直列接続され、単相インバータ２０ａに並列に接続されるように設けられている。
【００６６】
また、スイッチ回路２２の一方側の端子であり、単相インバータ２０ａの交流側端子の一方に接続されている端子は、単相インバータ２０ｂの交流側端子の一方に接続されるとともに、スイッチ回路２２の他方側の端子であり、単相インバータ２０ａの交流側端子の他方に接続されている端子は、単相インバータ２０ｃの交流側端子の一方に接続されている。
【００６７】
さらに、単相インバータ２０ｂの交流側端子の他方および単相インバータ２０ｃの交流側端子の他方は、インバータユニット２０の出力端を成し、出力フィルタ回路７に接続される。
【００６８】
なお、インバータユニット２０は、スイッチ回路２２の作用により、出力電圧として、非零または零の電圧を出力することができる。
【００６９】
ここで、母線コンデンサＣａ〜Ｃｃの各電圧について言及しておく。単相インバータ２０ａの直流入力源となる母線コンデンサＣａの電圧は、他の単相インバータ２０ｂ，２０ｃの各直流入力源となる母線コンデンサＣｂ，Ｃｃの電圧よりも通常大きい。一方、母線コンデンサＣｂの電圧と、母線コンデンサＣｃの電圧とについては、何れが大きくてもよいし、両者の電圧が等しくてもよい。つまり、インバータユニット２０が動作しているときの母線コンデンサＣａ〜Ｃｃの各電圧（各インバータにおける母線電圧に等しい）をＶ１，Ｖ２，Ｖ３とすると、これらの電圧間には、Ｖ１＞Ｖ２およびＶ１＞Ｖ３の関係がある。
【００７０】
これらの単相インバータ２０ａ〜２０ｃは、出力として正、負および零の電圧を発生することができ、インバータユニット２０は、これらの発生電圧を組み合わせた総和としての電圧を階調制御により出力する。この出力電圧は、例えばリアクトルおよびコンデンサを組み合わせた出力フィルタ回路７によって平滑され、所望の交流電圧が系統３に供給される。
【００７１】
つぎに、図１１に示すインバータユニット２０の構成について着目する。単相インバータ２０ａにおいて、下アームを構成するスイッチング素子９−２，９−４に対するゲート電源は同電位となるため共通化することが可能である。一方、上アームを構成するスイッチング素子９−１，９−３に対するゲート電源は、共通化することができないため、スイッチング素子９−１，９−３毎に個別に設けられている。このため、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３は、それぞれゲート電源回路１１−１，１１−３の各両端に接続されている。一方、ゲート電源用コンデンサＣ２，Ｃ４は、共通的に設けられたゲート電源回路１１−２の両端に接続される。
【００７２】
なお、単相インバータ２０ｂ，２０ｃについても同様であり、各単相インバータ毎に、各スイッチング素子駆動する４つのゲート駆動回路と、それらのゲート駆動回路に電源を供給する３つのゲート電源回路とが設けられている。
【００７３】
また、ゲートパルス発生回路１２は、スイッチング素子９−１〜９−１２を駆動するゲート駆動回路１０−１〜１０−１２に対するゲート信号（ゲートパルス）を生成する。なお、図１１の構成では、単相インバータ２０ａにおいて、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）およびスイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）が共通化されている。また、単相インバータ２０ｂ，２０ｃでは、スイッチング素子９−５，９−１２に対するゲートパルス（Ｓ５，Ｓ１２）、スイッチング素子９−６，９−１１に対するゲートパルス（Ｓ６，Ｓ１１）、スイッチング素子９−７，９−１０に対するゲートパルス（Ｓ７，Ｓ１０）、およびスイッチング素子９−８，９−９に対するゲートパルス（Ｓ８，Ｓ９）が共通化されている。
【００７４】
図１１の構成によれば、ゲートパルスを共通化してはいるものの、ゲート電源回路は各スイッチング素子毎に設けるようにしているので（互いに同電位となる下アーム側のゲート電源を除く）、ゲートパルスの共通化による省スペース化・省コスト化の効果は得られても、ゲート電源回路の削減による省スペース化・省コスト化の効果を得ることはできない。
【００７５】
これに対し、図１２に示す構成では、単相インバータ２０ａにおいて、上アームのゲート電源回路１１−１，１１−３を、それぞれゲート電源用コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１およびダイオードＤ１、ならびにゲート電源用コンデンサＣ３、抵抗Ｒ３およびダイオードＤ３によるブートストラップ回路で構成している。なお、図３の構成では、スイッチング素子９−１〜９−４に対するゲートパルス（Ｓ１〜Ｓ４）の共通化は行っていない。
【００７６】
また、単相インバータ２０ｂでは、上アームのゲート電源回路１１−５，１１−７を、それぞれゲート電源用コンデンサＣ５、抵抗Ｒ５およびダイオードＤ５、ならびにゲート電源用コンデンサＣ７、抵抗Ｒ７およびダイオードＤ７によるブートストラップ回路で構成している。同様に、単相インバータ２０ｃでは、上アームのゲート電源回路１１−９，１１−１１を、それぞれゲート電源用コンデンサＣ９、抵抗Ｒ９およびダイオードＤ９、ならびにゲート電源用コンデンサＣ１１、抵抗Ｒ１１およびダイオードＤ１１によるブートストラップ回路で構成している。なお、図１２の構成では、スイッチング素子９−５〜９−１２に対するゲートパルス（Ｓ５〜Ｓ１２）の共通化は行っていない。
【００７７】
図１２において、下アームのスイッチング素子９−２をＯＮすると、同図の太破線で示す経路の電流が流れ、スイッチング素子９−１のゲート電源としてのゲート電源用コンデンサＣ１を充電する。
【００７８】
一方、ゲート電源が充分に充電されていない状態でスイッチング素子のゲートを駆動すると、スイッチング素子が故障に至る虞がある。したがって、図１１のようにゲート駆動信号を共通化する構成を採用すると、例えばスイッチング素子９−２をＯＮするときに、スイッチング素子９−３も同時にＯＮとなるため、スイッチング素子９−３のゲート電源であるゲート電源用コンデンサＣ３が充分に充電されていない状態でスイッチング素子９−３のゲートが駆動されることになり、スイッチング素子９−３の故障が懸念される。このため、図１２のインバータ回路では、ゲート信号は共通化せず、分離するように構成している。この点は、単相インバータ２０ｂ，２０ｃに関しても同様であり、ゲート信号は共通化されていない。
【００７９】
図１２の構成によれば、ブートストラップ回路を用いてゲート電源回路を削減してはいるものの、ゲートパルスを共通化することはできていないので、ゲート電源回路の削減による省スペース化・省コスト化の効果は得られても、ゲートパルスの共通化による省スペース化・省コスト化の効果を得ることはできない。
【００８０】
図１３は、複数台の単相インバータを直列に接続したインバータユニットにおいて、系統が同図のＶｋに付された矢印の向きを正としたときに、正の半サイクルのときの逆流現象を説明する図である。より詳細に説明すると、図１３は、系統３が負の半サイクルのときにスイッチング素子９−１，９−４をＯＮしたときの電流の流れを示す図である。なお、図１３に示す構成では、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）を共通化（Ｓ１＝Ｓ４）している。
【００８１】
図１３において、インバータユニット２０が停止している状態であり、かつ、系統が正の半サイクルであり、かつ、系統電圧の絶対値が所定値以下のとき、系統３に連系したまま上アームのゲート電源用コンデンサＣ３を充電するためにスイッチング素子９−４をＯＮすると（同図の一点鎖線で示す経路にて充電）、ゲート信号が共通のためスイッチング素子９−１もＯＮとなる。この場合、図１３の太破線で示すように、系統３の下端側→Ｑ１１Ｄ→Ｃｃ→Ｑ１０Ｄ→Ｑ４Ｔｒ→Ｃａ→Ｑ１Ｔｒ→Ｑ７Ｄ→Ｃｂ→Ｑ６Ｄ→系統３の上端側、という経路の電流が流れる。
【００８２】
また、図１４は、複数台の単相インバータを直列に接続したインバータユニットにおいて、系統が同図のＶｋに付された矢印の向きを正としたときに、系統が負の半サイクルのときの逆流現象を説明する図である。より詳細に説明すると、図１４は、系統３が正の半サイクルのときにスイッチング素子９−２，９−３をＯＮしたときの電流の流れを示す図である。なお、図１４に示す構成では、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）を共通化（Ｓ２＝Ｓ３）している。
【００８３】
図１４において、インバータユニット２０が停止している状態であり、かつ、系統が負の半サイクルであり、かつ、系統電圧の絶対値が所定値以下のとき、系統３に連系したまま上アームのゲート電源用コンデンサＣ１を充電するためにスイッチング素子９−２をＯＮすると（同図の一点鎖線で示す経路にて充電）、ゲート信号が共通のためスイッチング素子９−３もＯＮとなる。この場合、図１４の太破線で示すように、系統３の上端側→Ｑ５Ｄ→Ｃｂ→Ｑ８Ｄ→Ｑ２Ｔｒ→Ｃａ→Ｑ３Ｔｒ→Ｑ９Ｄ→Ｃｂ→Ｑ１２Ｄ→系統３の下端側、という経路の電流が流れる。
【００８４】
図１３および図１４に示す電流経路は、インバータが停止した状態で、系統３からインバータ側に出力される電流経路である。
【００８５】
例えば、図１３において、系統３が正の半サイクルときに、系統３がインバータユニット２０に供給する電流は、上側の端子から流れ出し、下側の端子に戻るような電流であり、図示の経路とは異なる。また、系統３の電圧をＶｋとし、各単相インバータの母線電圧をＶ１，Ｖ２，Ｖ３とし、インバータユニット２０の出力電圧をＶｏとするときに、ＶｋとＶｏとの間に、｜Ｖｋ｜＜｜Ｖｏ｜＝｜Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）｜の関係がある場合には、インバータユニット２０の出力電圧の方が大きく、インバータユニット２０が停止しているのにも関わらず系統３への出力が生じてしまう。
【００８６】
また、図１４において、系統３が負の半サイクルときに、系統３がインバータユニット２０に供給する電流は、下側の端子から流れ出し、上側の端子に戻るような電流であり、図示の経路とは逆向きの経路となる。このとき、ＶｋとＶｏとの間に、｜Ｖｋ｜＜｜Ｖｏ｜＝｜Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）｜の関係がある場合には、上記した系統３への出力が生じてします。なお、条件こそ異なるものの、他のゲート電源用コンデンサＣ５，Ｃ７，Ｃ９，Ｃ１１についても同様である。
【００８７】
したがって、インバータユニット２０の停止状態において、ゲート電源用コンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ９，Ｃ１１を充電する際には、逆流電流が流れないように、開閉器８を切り離し、系統連系インバータ装置２が系統３と連系していない状態で充電を行う必要がある。すなわち、図１３および図１４に示すような構成では、ゲート電源用コンデンサを充電する毎に開閉器８の開閉制御を行う必要があり、開閉器８の接点寿命が短くなるという課題が生ずる。
【００８８】
このように、図１３および図１４の構成では、ゲート電源回路の削減による省スペース化・省コスト化の効果と、一部のゲートパルスの共通化による省スペース化・省コスト化の効果を得ることはできても、開閉器の設定寿命が短くなるという新たな問題点を生起させてしまう。
【００８９】
図１５は、本発明の実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の主要部の構成を示す図であり、図１０に示した系統連系インバータ装置２を具現化する構成を示す図である。なお、基本的な構成は、図１３または図１４に示したものと同様であるが、これらの図との相違点は、出力電圧のモニタ機能として、系統連系インバータ装置２の出力端に電圧検出器３０を設け、制御部６が電圧検出器３０の検出電圧に基づいて、インバータユニット２０を制御するところにある。
【００９０】
つぎに、実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の動作について、図１５〜図１８の図面を参照して説明する。なお、図１６は、系統電圧の波形に対応させたゲート電源用コンデンサの充電可能期間を示す図であり、図１７は、インバータユニット内に生ずる複数の電流経路を示す図であり、図１８は、充電可能なゲート電源用コンデンサと、系統のサイクル、充電可能期間、および電流経路との間の対応関係をより詳細に示した図である。
【００９１】
まず、図１５において、同図の構成では、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）、スイッチング素子９−５，９−１２に対するゲートパルス（Ｓ５，Ｓ１２）、スイッチング素子９−６，９−１１に対するゲートパルス（Ｓ６，Ｓ１１）、スイッチング素子９−７，９−１０に対するゲートパルス（Ｓ７，Ｓ１０）、およびスイッチング素子９−８，９−９に対するゲートパルス（Ｓ８，Ｓ９）が共通化されている。したがって、インバータユニット２０では、スイッチング素子９−１，９−４、スイッチング素子９−２，９−３、スイッチング素子９−５，９−１２、スイッチング素子９−６，９−１１、スイッチング素子９−７，９−１０、スイッチング素子９−８，９−９がそれぞれ同期してスイッチングを行うことになる。
【００９２】
つぎに、ゲート電源用コンデンサＣ３を充電する場合を一例として説明する。図１６には、ゲート電源用コンデンサＣ３の充電可能期間として、系統電圧波形の１サイクル中の期間Ｔ２が示されているが、ゲート電源用コンデンサＣ３の充電は、この条件に加え、さらにつぎの条件式を満足するときに行う。
Ｖｋ＞Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）      …（５）
なお、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は，予め設定されている電圧であり既知である。
【００９３】
例えば、Ｖ１＝２４０Ｖ、Ｖ２＝Ｖ３＝７０Ｖとすると、上記（５）式で示される期間では、Ｖｋ＞２４０−（７０＋７０）＝１００Ｖ以上のときである。この条件を満足するときに、スイッチング素子９−１，９−４をＯＮした場合、インバータユニット２０から系統３側に向かう出力の流れ（電流経路）は、
「Ｑ１１Ｄ→Ｃｃ（−Ｖ３）→Ｑ１０Ｄ→Ｑ４Ｔｒ→Ｃａ（＋Ｖ１）→Ｑ１Ｔｒ→Ｑ７Ｄ→Ｃｂ（−Ｖ２）→Ｑ６Ｄ」（図１７中の記号Ａの電流経路）
となる。
【００９４】
上記の電流経路と考えたとき、出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）＜Ｖｋ      …（６）
となり、系統電圧の方が大きくなるので、系統３には出力されない。
【００９５】
また、系統３からインバータユニット２０側に向かう出力の流れ（電流経路）は、
「Ｑ５Ｄ→Ｃｂ（−Ｖ２）→Ｑ８Ｄ→Ｑ１Ｄ→Ｃａ（−Ｖ１）→Ｑ４Ｄ→Ｑ９Ｄ→Ｃｃ（−Ｖ３）→Ｑ１２Ｄ」（図１７中の記号Ｂの電流経路）
となる。
【００９６】
上記の電流経路を考えたとき、出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＞Ｖｋ      …（７）
となり、インバータユニット２０の出力電圧の方が大きくなるので、インバータユニット２０には出力されない。
【００９７】
したがって、Ｖｋ＞Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）を満足する期間に、スイッチング素子９−１，９−４をＯＮするようにすれば、系統３とインバータユニット２０との間に電流がながれることはないので、開閉器８を接続したまま、つまり系統３と連系した状態で、ゲート電源用コンデンサの充電が可能となる。
【００９８】
なお、図１６〜図１８には、ゲート電源用コンデンサＣ３以外の充電可能期間、電流経路等の関係を示している。例えば、ゲート電源用コンデンサＣ５の充電期間は、期間Ｔ２を除く期間が充電可能期間であり、この充電可能期間において、スイッチング素子９−６，９−７，９−１０，９−１１（Ｑ６，Ｑ１１は共通化され、Ｑ７，Ｑ１０は共通化されているので、Ｓ６，Ｓ７が出力される）をＯＮする。なお、逆流電流が流れないように、つぎの条件式を満足する期間に、当該スイッチング素子を制御すればよい。
Ｖｏ＝−（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）＜Ｖｋ    …（８）
Ｖｏ＝（Ｖ２＋Ｖ３）−Ｖ１＞Ｖｋ      …（９）
【００９９】
以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、系統に連系した状態で、ゲート電源を充電することができるので、開閉器の接点寿命の延伸化が可能となる。
【０１００】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源の数を少なくすることができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１０１】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、１つのゲート信号で２つのアームを制御することができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１０２】
＜実施の形態４＞
図１９は、実施の形態４にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図１５に示す実施の形態３との相違点は、母線コンデンサＣａ〜Ｃｃの各電圧をモニタするための電圧検出器３２ａ〜３２ｃを備えるように構成した点にある。なお、その他の構成部については、実施の形態３と同一または同等であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１０３】
実施の形態３の系統連系インバータ装置では、各単相インバータの母線電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、既知であるものとして、上記（５）式などの判定を行っていた。一方、仮に、インバータ母線電圧Ｖ１が、２００Ｖ〜２４０Ｖの範囲で変動した場合、ゲート電源用コンデンサＣ３を充電するときの出力電圧Ｖｏは、図１８の図表にも示されているように、次式で示される値を取り得ることになる。
Ｖｏ＝Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）    …（１０）（図表中の電流経路Ａ）
Ｖｏ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３        …（１１）（図表中の電流経路Ｂ）
【０１０４】
Ｖ２＝Ｖ３＝７０Ｖのとき、仮に、Ｖ１＝２００〜２４０Ｖの範囲で変動したとすると、出力電圧Ｖｏは、上記（１０），（１１）式より、６０〜１００Ｖ＜Ｖｏ＜３４０〜３８０Ｖ、の範囲で変動することになる。したがって、Ｖ１の変動に合わせてスイッチング素子をＯＮするようにすれば、インバータ母線電圧の変動に応じたスイッチング制御が可能となり、逆流現象を生じさせない確実なスイッチング制御が可能となる。
【０１０５】
なお、上記では、Ｖ１の電圧変動について説明したが、Ｖ２，Ｖ３の電圧変動に対しても効果が得られることは無論である。
【０１０６】
以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、実施の形態３の効果に加え、系統連系インバータ装置と系統との間で、逆流現象を生じさせない確実なスイッチング制御が可能となる。
【０１０７】
＜実施の形態５＞
実施の形態５は、複数台の単相インバータを直列に接続したインバータユニットにおいて、上アームを構成するスイッチング素子の故障を確実に防止するための実施の形態を示すものである。なお、実施の形態５の基本的な構成は、図１５に示したものと同等である。また、本実施の形態においては、系統３の電圧をモニタする機能は不要である。ただし、ゲート電源用コンデンサの充電（初期充電）時には、開閉器８を開放させておく必要がある。
【０１０８】
ゲート駆動に必要な電源電圧Ｖｇminについては、実施の形態２と同様である。すなわち、スイッチング素子の確実な駆動に必要な充電を行うための、スイッチング素子のＯＮ時間は、実施の形態２のところで示した（３）式で与えられる。
ｔ＞−ＣＲ*Ｌｎ(１−Ｖｇmin／Ｖｇ)    …（３）（再掲）
【０１０９】
ここで、Ｃ＝１００μＦ、Ｒ＝２３．５Ω、Ｖｇ＝１５Ｖ、Ｖｇｍｉｎ＝７．２Ｖとすると、実施の形態２のところで示した、下記関係式が得られる。
ｔ＞１．５４ｍsec                    …（４）（再掲）
【０１１０】
すなわち、インバータユニット２０の各単相インバータに具備される各ゲート電源用コンデンサに対し、１回のＯＮ／ＯＦＦで１．５４ｍsec以上の充電を行えば、駆動対象の各スイッチング素子を故障に至らせることなく確実に駆動することができる。
【０１１１】
上記のように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源の数を少なくすることができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１１２】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、１つのゲート信号で２つのアームを制御することができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１１３】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源用コンデンサの未充電に起因するスイッチング素子の故障を確実に防止することが可能となる。
【０１１４】
＜実施の形態６＞
実施の形態６は、複数台の単相インバータを直列に接続したインバータユニットにおいて、上アームを構成するスイッチング素子の故障を確実に防止するための実施の形態を示すものであるが、実施の形態５との相違点は、系統３と連系した状態で充電制御を行うことができる点にある。なお、実施の形態６の基本的な構成は、図１５に示したものと同等である。また、本実施の形態においては、系統３の電圧をモニタする機能は必要である。
【０１１５】
具体的に、実施の形態６では、図１８の図表に示した条件下において、１回のＯＮ／ＯＦＦで１．５４ｍsec以上の充電を行えばよい（Ｃ＝１００μＦ、Ｒ＝２３．５Ω、Ｖｇ＝１５Ｖ、Ｖｇｍｉｎ＝７．２Ｖの場合）。例えば、ゲート電源用コンデンサＣ１を充電する際には、系統の負の半サイクルにおいて、Ｖｋ＜Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖ３）、かつ、Ｖｋ＞−（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）のときに行えばよい。
【０１１６】
上記のような制御を行えば、上アームを構成するスイッチング素子を故障に至らせることなく確実に駆動することができる。
【０１１７】
上記のように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、系統に連系した状態で、ゲート電源を充電することができるので、開閉器の接点寿命の延伸化が可能となる。
【０１１８】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源の数を少なくすることができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１１９】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、１つのゲート信号で２つのアームを制御することができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１２０】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源用コンデンサの未充電に起因するスイッチング素子の故障を確実に防止することが可能となる。
【０１２１】
＜実施の形態７＞
図２０は、実施の形態７にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。図１９に示す実施の形態６との装置構成に関する相違点は、単相インバータ２０ａにおいて、スイッチング素子９−１と、スイッチング素子９−４との共通化を行っていない点にある。なお、その他の構成部については、実施の形態６と同一または同等であり、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１２２】
図２０において、母線電圧Ｖ１は、太陽電池モジュールの出力に基づくコンバータ４の出力である。このため、母線コンデンサＣａは、一部の例外的な場合（例えば起動時等）を除き、常時充電されている。一方、系統連系インバータ装置が一度停止し、出力フィルタ回路７のコンデンサ（フィルタコンデンサ）に電荷が溜まっており、母線コンデンサＣｂ，Ｃｃが未充電状態のとき、ゲート電源用コンデンサＣ１を充電するためにスイッチング素子９−２をＯＮすると、同図の太波線で示すように、フィルタコンデンサの上端側（系統３の上端側）→Ｑ５Ｄ→Ｃｂ→Ｑ８Ｄ→Ｑ２Ｔｒ→Ｑ４Ｄ→Ｑ９Ｄ→Ｃｃ→Ｑ１２Ｄ→フィルタコンデンサの下端側（系統３の下端側）、という経路の電流が流れ、母線コンデンサＣｂ，Ｃｃに短絡電流が流れる。このとき、母線コンデンサＣｂ，Ｃｃに通常設けられている短絡電流検出回路が誤動作する虞がある。
【０１２３】
そこで、本実施の形態の系統連系インバータ装置では、スイッチング素子９−４をＯＮしてゲート電源用コンデンサＣ３を十分に充電した後に、共通化されているスイッチング素子９−２，９−３を１〜複数回のスイッチング制御で充電するようにする。このとき、出力フィルタ回路７のコンデンサは、スイッチング素子９−２，９−３のスイッチング周波数に合わせて、パルス的に電流を出力するが、出力フィルタ回路７にはリアクトル成分があるため、パルス的に流れる電流は平均化される。この作用により、母線コンデンサＣｂ，Ｃｃに短絡電流が流れることがなくなる。
【０１２４】
なお、この実施の形態では、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）を共通化する一方で、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）を共通化せず、上記のような制御を行うようにしているが、この構成とは逆に、スイッチング素子９−２，９−３に対するゲートパルス（Ｓ２，Ｓ３）を共通化せずに、スイッチング素子９−１，９−４に対するゲートパルス（Ｓ１，Ｓ４）を共通化するように構成してもよい。この場合には、スイッチング素子９−２をＯＮしてゲート電源用コンデンサＣ１を十分に充電した後に、共通化されているスイッチング素子９−１，９−４を複数回のスイッチング制御で充電するようにすればよい。
【０１２５】
また、この実施の形態では、図１９に示す実施の形態６の構成に対し、上記制御を適用するようにしているが、図１５、図１９などに基づく実施の形態３〜５に適用することも可能であることは無論である。
【０１２６】
以上説明したように、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、起動時等において、未充電のゲート電源用コンデンサに対する充電を簡易に行うことが可能となる。
【０１２７】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源の数を少なくすることができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１２８】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、１つのゲート信号で２つのアームを制御することができるので、省スペース化・省コスト化が可能となる。
【０１２９】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源用コンデンサの未充電に起因するスイッチング素子の故障を確実に防止することが可能となる。
【０１３０】
また、この実施の形態の系統連系インバータ装置によれば、ゲート電源用コンデンサの充電時に母線コンデンサに短絡電流が流れるのを防止することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上のように、本発明にかかる系統連系インバータ装置は、開閉器の接点寿命を延ばし、省スペース化・省コスト化を可能とする発明として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置を太陽光発電システムに適用した場合の一例を示す図である。
【図２】スイッチング素子に対するゲート信号を共通化したインバータ回路の構成例を示す図である。
【図３】ブートストラップ回路を用いることによりゲート電源回路数を削減したインバータ回路の構成例を示す図である。
【図４】図３に示したゲート電源用コンデンサの充電時における両端電圧の変化を示す図である。
【図５】系統が負の半サイクルのときの逆流現象を説明する図である。
【図６】系統が正の半サイクルのときの逆流現象を説明する図である。
【図７】ブートストラップ回路を構成するゲート電源用コンデンサの両端電圧の変化の一例を示す図である。
【図８】実施の形態１にかかる系統連系インバータ装置の主要部の構成を示す図である。
【図９】実施の形態２にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。
【図１０】実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置を太陽光発電システムに適用した場合の一例を示す図である。
【図１１】スイッチング素子に対するゲート信号を共通化したインバータユニットの構成例を示す図である。
【図１２】ブートストラップ回路を用いることによりゲート電源回路数を削減したインバータユニットの構成例を示す図である。
【図１３】複数台の単相インバータを直列に接続したインバータユニットにおいて、系統が正の半サイクルのときの逆流現象を説明する図である。
【図１４】複数台の単相インバータを直列に接続したインバータユニットにおいて、系統が負の半サイクルのときの逆流現象を説明する図である。
【図１５】実施の形態３にかかる系統連系インバータ装置の主要部の構成を示す図である。
【図１６】系統電圧の波形に対応させたゲート電源用コンデンサの充電可能期間を示す図である。
【図１７】インバータユニット内に生ずる複数の電流経路を示す図である。
【図１８】充電可能なゲート電源用コンデンサと、系統のサイクル、充電可能期間、および電流経路との間の対応関係をより詳細に示した図である。
【図１９】実施の形態４にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。
【図２０】実施の形態７にかかる系統連系インバータ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１  太陽電池モジュール
２，２Ａ  系統連系インバータ装置
３  系統
４  コンバータ
５  インバータ
６  制御部
７  開閉器
７  出力フィルタ回路
８  開閉器
９−１〜９−１２  スイッチング素子
１０−１〜１０−１２  ゲート駆動回路
１１−１〜１１−３，１１−５〜１１−７，１１−９〜１１−１１  ゲート電源回路
１２  ゲートパルス発生回路
２０  インバータユニット
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  単相インバータ
２２  スイッチ回路
２８，２９  インバータ母線
３０  電圧検出器
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ  電圧検出器
Ｃ１〜Ｃ１２  ゲート電源用コンデンサ
Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｘ  母線コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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