(57)【要約】【課題】  トランスに偏磁を起させること無く、簡単な回路で交流を出力できる交流出力方法を提供する。【解決手段】  極性の違う二つの直流電源を交互にトランスに接続することで交流を出力する方法において、二つの直流電源のうち、正極側の直流電源の電力をコンデンサを通してトランスに供給し、正極側の直流電源によってコンデンサに充電し、出力する交流の半波分の電力が充電されたら正極側の直流電源をコンデンサから切り離し、二つの直流電源のうち、負極側の直流電源の電力をコンデンサを通してトランスに供給するために接続し、負極側の直流電源によってコンデンサに充電し、出力する交流の半波分の電力が充電されたら負極側の直流電源をコンデンサから切り離す交流出力方法を提供する。【選択図】  図１
2006032781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性の違う二つの直流電源を交互にトランスに接続することで交流を出力する方法において、
前記二つの直流電源のうち、正極側の直流電源の電力をコンデンサを通して前記トランスに供給するために接続する正極接続工程と、
前記正極側の直流電源によって前記コンデンサに充電する正極充電工程と、
出力する交流の半波分の電力が充電されたら前記正極側の直流電源を前記コンデンサから切り離す正極開放工程と、
前記二つの直流電源のうち、負極側の直流電源の電力を前記コンデンサを通して前記トランスに供給するために接続する負極接続工程と、
前記負極側の直流電源によって前記コンデンサに充電する負極充電工程と、
出力する交流の半波分の電力が充電されたら前記負極側の直流電源を前記コンデンサから切り離す負極開放工程と、
を有することを特徴とする交流出力方法。
【請求項２】
前記直流電源が太陽電池により構成されていることを特徴とする請求項１記載の交流出力方法。
【請求項３】
前記正極充電工程、負極充電工程における各充電時間が、１を商用周波数の２倍で除した秒数以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項２記載の交流出力方法。
【請求項４】
極性の違う二つの直流電源を交互にトランスに接続することで交流を出力する交流電源において、
前記直流電源とスイッチング素子との直列体Ａと、
直列体Ａとは逆極性を持ち同じ構成の直列体Ｂと、
を並列に接続して、
出力する交流電力の少なくとも半波分の電力を蓄電することのできる容量のコンデンサを通して、前記トランスに接続されていることを特徴とするおよび交流電源。
【請求項５】
前記直流電源が太陽電池により構成されていることを特徴とする請求項４記載のおよび交流電源。
【請求項６】
前記コンデンサの容量が、供給したい電流量を商用周波数の２倍で除して、更に前記直流電源の電圧で除した値以上であることを特徴とする請求項４ないし請求項５記載のおよび交流電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池を使った低コストなおよび交流電源に関し、特に損失の少ない交流出力方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池のような直流電源を使って交流出力を得るという方法には、従来からいろいろな方法が行なわれている。
【０００３】
中でも図５に示すような、ハーフブリッジ回路は非常に低コストに交流電源を構築することができる。
【０００４】
正極側直流電源１０１の出力は、スイッチング素子１０２を通して正極出力端子２０１、負極出力端子２０２に接続される。
【０００５】
負極側直流電源１０３の出力は、スイッチング素子１０４を通して正極出力端子２０１、負極出力端子２０２に接続される。
【０００６】
正極側直流電源１０１と負極側直流電源１０３は互いに逆極性となっているため、スイッチング素子１０２がＯＮになっている時は、正極出力端子２０１が＋電位、負極出力端子２０２が−電位となり、スイッチング素子１０４がＯＮになっている時は、正極出力端子２０１が−電位、負極出力端子２０２が＋電位となる。
【０００７】
すなわち、スイッチング素子１０２とスイッチング素子１０４を交互に切り替えることによって、出力の方向を変化させて交流を出力する。
【０００８】
通常は出力の先にフィルタを付けて正弦波に近づけて使用することが多いが、特に波形が問題にならない用途であれば、このまま出力することもある。
【０００９】
更に直流電源として太陽電池を用い、非常用電源などを構築することもできる。
【００１０】
このような構成のおよび交流電源としては、例えば、特開２０００−０２３４７０号公報（特許文献１）「トランスレスインバータの保護装置」に記載されているようなものなどがある。
【特許文献１】特開２０００−０２３４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上述べたような交流出力方法は、回路が簡易に構築できる反面、以下のような問題点があった。
【００１２】
二つの直流電源を半波ずつ利用する為、各電源の出力が僅かでも違っていた場合、出力される電力の正極側半波と負極側半波のバランスが崩れてしまい、図６のように出力の先にトランスが繋がれていた場合に、そのトランスで偏磁が発生し、出力が低下する可能性があった。
【００１３】
直流電源が太陽電池の場合、出力の差が現れるのは必然である。そのため、上記従来の技術で参照した「特開２０００−０２３４７０」ではトランスレスにする必要があり、その結果、直流電源である太陽電池の電圧を実用充分な電圧にまで直列化しなければならなかった。
【００１４】
結果として簡易な回路を使っていながら、昇圧トランスを使えない為、数キロワットという大きなシステムにしか利用できず、ポータブル電源のような小型軽量なシステムを構築することができなかったのである。
【００１５】
本発明の目的は、簡易な回路を使い低コストでありながら、低容量のシステムでも損失を低減して昇圧トランスに交流を供給できる交流出力方法およびおよび交流電源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以上の問題点は、
極性の違う二つの直流電源を交互にトランスに接続することで交流を出力する方法において、
前記二つの直流電源のうち、正極側の直流電源の電力をコンデンサを通して前記トランスに供給するために接続する正極接続工程と、
前記正極側の直流電源によって前記コンデンサに充電する正極充電工程と、
出力する交流の半波分の電力が充電されたら前記正極側の直流電源を前記コンデンサから切り離す正極開放工程と、
前記二つの直流電源のうち、負極側の直流電源の電力を前記コンデンサを通して前記トランスに供給するために接続する負極接続工程と、
前記負極側の直流電源によって前記コンデンサに充電する負極充電工程と、
出力する交流の半波分の電力が充電されたら前記負極側の直流電源を前記コンデンサから切り離す負極開放工程と、
を有することを特徴とする交流出力方法。
【００１７】
あるいは
極性の違う二つの直流電源を交互にトランスに接続することで交流を出力する交流電源において、
前記直流電源とスイッチング素子との直列体Ａと、
直列体Ａとは逆極性を持ち同じ構成の直列体Ｂと、
を並列に接続して、
出力する交流電力の少なくとも半波分の電力を蓄電することのできる容量のコンデンサを通して、前記トランスに接続されていることを特徴とするおよび交流電源。
のような構成によって完全に解決することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に述べたように、本発明における
極性の違う二つの直流電源を交互にトランスに接続することで交流を出力する方法において、
前記二つの直流電源のうち、正極側の直流電源の電力をコンデンサを通して前記トランスに供給するために接続する正極接続工程と、
前記正極側の直流電源によって前記コンデンサに充電する正極充電工程と、
出力する交流の半波分の電力が充電されたら前記正極側の直流電源を前記コンデンサから切り離す正極開放工程と、
前記二つの直流電源のうち、負極側の直流電源の電力を前記コンデンサを通して前記トランスに供給するために接続する負極接続工程と、
前記負極側の直流電源によって前記コンデンサに充電する負極充電工程と、
出力する交流の半波分の電力が充電されたら前記負極側の直流電源を前記コンデンサから切り離す負極開放工程と、
を有することを特徴とする交流出力方法
によって、トランスに偏磁を起させること無く、簡単な回路で交流を出力させることができる。
【００１９】
また、本発明における
前記直流電源が太陽電池により構成されていることを特徴とする請求項１記載の交流出力方法
によって、小容量の太陽電池交流電源を作ることができる。
【００２０】
また、本発明における
前記正極充電工程、負極充電工程における各充電時間が、１を商用周波数の２倍で除した秒数以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項２記載の交流出力方法
によって、最も効率良くトランスに偏磁を起させない交流電源を作ることができる。
【００２１】
また、本発明における
極性の違う二つの直流電源を交互にトランスに接続することで交流を出力する交流電源において、
前記直流電源とスイッチング素子との直列体Ａと、
直列体Ａとは逆極性を持ち同じ構成の直列体Ｂと、
を並列に接続して、
出力する交流電力の少なくとも半波分の電力を蓄電することのできる容量のコンデンサを通して、前記トランスに接続されていることを特徴とするおよび交流電源
によって、トランスが偏磁を起さない安価な交流電源になる。
【００２２】
また、本発明における
前記直流電源が太陽電池により構成されていることを特徴とする請求項４記載のおよび交流電源
によって、トランスが偏磁を起さない安価な太陽電池交流電源になる。
【００２３】
また、本発明における
前記コンデンサの容量が、供給したい電流量を商用周波数の２倍で除して、更に前記直流電源の電圧で除した値以上であることを特徴とする請求項４ないし請求項５記載のおよび交流電源
によって、最も効率良くトランスに偏磁を起させない交流電源になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態について例をあげて説明する。
【００２５】
本発明の基本形態は図１に示すような構成になる。
【００２６】
正極側直流電源１０１の出力はスイッチング素子１０２を通して、負極側直流電源１０３の出力はスイッチング素子１０４を通して、並列化された後、コンデンサ１０５を通して、トランス３０１の一次側に接続される。
【００２７】
トランス３０１の二次側は正極出力端子２０１、負極出力端子２０２に接続される。通常、正極出力端子２０１、負極出力端子２０２の先は何らかの負荷４０１が接続されて使用される形になる。
【００２８】
コンデンサ１０５は、出力する交流波形の半波分の電力を蓄電できる容量になっている。そのため、スイッチング素子１０２がＯＮになっている時、コンデンサ１０５は直流電源１０１によって充電される。出力する交流波形の半波分の電力を充電したらスイッチング素子１０２はＯＦＦにする。
【００２９】
次にスイッチング素子１０４がＯＮになると、コンデンサ１０５に充電された電力と直流電源１０３の電力が直列化されて、トランス３０１に供給される。すなわち正極出力端子２０１に＋電位、負極出力端子２０２に−電位が出力されることになる。コンデンサ１０５に充電された電力が放電されると、今度は直流電源１０３によって充電される。そして出力する交流波形の半波分の電力を充電したらスイッチング素子１０４はＯＦＦにする。
【００３０】
次に再びスイッチング素子１０２がＯＮになると、コンデンサ１０５に充電された電力と直流電源１０１の電力が直列化されて、トランス３０１に供給される。すなわち正極出力端子２０１が−電位、負極出力端子２０２が＋電位が供給される。コンデンサ１０５に充電された電力が放電されると、同様に直流電源１０１によって充電される。そして出力する交流波形の半波分の電力を充電したらスイッチング素子１０２はＯＦＦにする。
【００３１】
すなわち、これを繰返すことによって、出力の方向を変化させて交流を出力する。
【００３２】
この時、もし仮に直流電源１０１と直流電源１０３の電圧や出力電流が違っていた場合、直流電源１０１の半波分はコンデンサ１０５に蓄電してあって直流電源１０３とともに出力され、直流電源１０３の半波分はコンデンサ１０５に蓄電してあって直流電源１０３とともに出力されるので、常に各半波の電力は同じだけ出力されることになる。そのため、トランス３０１で偏磁が発生することがないのである。
【００３３】
図２に直流電源１０１の電圧を１．５Ｖ、直流電源１０３の電圧を１Ｖというようにアンバランスにした時にトランス３０１の一次側にどのような電圧がかかるかをシミュレーションしたものである。コンデンサ１０５の前の電圧Ｖｓは正極半波が１．５Ｖ、負極半波が１Ｖになっているにもかかわらず、一次側電圧Ｖ１に偏磁が発生していないことがわかる。
【００３４】
図３はその時の、トランス３０１の二次側電圧をシミュレーションしたものである。二次側にも偏磁が観測されないとともに正弦波に近い波形が出力されていることがわかる。これはコンデンサ１０５とトランス３０１の内部リアクタンス成分がフィルタの役目をしているためである。
【実施例】
【００３５】
以下に、本発明の実施例により更に詳細に説明する。
【００３６】
（実施例１）
図４に本発明に係るおよび交流電源の実施例を示した。
【００３７】
本実施例は、太陽電池を用いた１００Ｗポータブル電源を構成したものである。
【００３８】
正極側直流電源としてキヤノン製太陽電池セル「ＳＣ−０８７−２３３５」を１４直列した太陽電池モジュール１０６に平滑用のコンデンサ１０７を並列接続したものを使用した。
【００３９】
負極側直流電源も同様に太陽電池モジュール１１０に平滑用のコンデンサ１１１を並列接続して構成した。
【００４０】
この太陽電池モジュールは可とう性があり折りたためるので持ち運びもし易くなっている。
【００４１】
次に正極側スイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴ１０８と逆流防止ダイオード１０９を直列化した。
【００４２】
負極側スイッチング素子も同様にＭＯＳ−ＦＥＴ１１２と逆流防止ダイオード１１３を直列化した。
【００４３】
太陽電池から出力される電流が最大４［Ａ］であり、商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で出力される為、コンデンサ１０５に半波分の電荷すなわち最大０．０４［Ｃ］を太陽電池の直列電圧１４［Ｖ］で蓄積するには、２９００［μＦ］の大きなコンデンサを必要とする。そこで、ここでは一般に進相コンデンサ等として使われている１０００［μＦ］の電力用フィルムコンデンサを３個並列化して、構成した。
【００４４】
入力側は、ピーク値１４［Ｖ］の方形波が入力される。これを日本で使用される実効値１００［Ｖ］に変換する場合、トランス３０１は７倍に昇圧する。
【００４５】
トランスの二次側はそのまま負荷４０１に繋いでも良いが、更に高調波を取ってより正弦波に近づける為にインダクタンス３０２とコンデンサ３０３でローパスフィルタを構成した。インダクタンス３０２は１０［Ｈ］コンデンサ３０３は１００［μＦ］にすれば、きれいな正弦波にすることができる。
【００４６】
なお、この実施例の場合、ＭＯＳ−ＦＥＴ１０８、１１２の制御回路は、単に商用周波数で交互にＯＮ／ＯＦＦを繰返すだけであり、ゲート駆動電位に注意さえすれば、簡単な発振回路で構成できるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００４７】
また、この回路は基本となる回路を示したもので、実際にはこの他、電源スイッチやヒューズ等の保護回路などが付加されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明におけるおよび交流電源の基本回路を示す図である。
【図２】トランスの一次側波形を示したグラフである。
【図３】トランスの二次側波形を示したグラフである。
【図４】（実施例１）のおよび交流電源を示す回路図である。
【図５】従来の一般的なおよび交流電源の回路図である。
【図６】従来の一般的なおよび交流電源の回路図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０１  正極直流電源
１０２  正極スイッチング素子
１０３  負極直流電源
１０４  負極スイッチング素子
１０５  コンデンサ
１０６  太陽電池モジュール
１０７  平滑コンデンサ
１０８  ＭＯＳ−ＦＥＴ
１０９  逆流防止ダイオード
１１０  太陽電池モジュール
１１１  平滑コンデンサ
１１２  ＭＯＳ−ＦＥＴ
１１３  逆流防止ダイオード
２０１  正極出力端子
２０２  負極出力端子
３０１  トランス
３０２  インダクタンス
３０３  コンデンサ
４０１  負荷
【図１】
2006032781.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006032781.tif 000007
【図６】
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