(57)【要約】【課題】直流電圧変換装置により昇降圧が必要ない電圧において、直流電圧変換装置による電力損失を防ぐことである。【解決手段】直流電源１から入力される入力直流電圧を半導体スイッチ２１２のスイッチング動作により、異なる直流電圧に変換して出力する直流電圧変換回路２１と、前記直流電圧変換回路２１に対して並列に接続した機械式スイッチ２２と、前記直流電圧変換回路２１及び前記機械式スイッチ２２を制御する制御装置２４と、を備え、前記制御装置２４が、前記入力直流電圧が予め定めた所定直流電圧以上であるときに、前記機械式スイッチ２２を閉極し、前記入力直流電圧が前記所定直流電圧以下であるときに、前記機械式スイッチ２２を開極するものであることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から入力される入力直流電圧を半導体スイッチのスイッチング動作により、異なる直流電圧に変換して出力する直流電圧変換回路と、
前記直流電圧変換回路に対して並列に接続した機械式スイッチと、
前記直流電圧変換回路及び前記機械式スイッチを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置が、前記入力直流電圧が予め定めた所定直流電圧以上であるときに、前記機械式スイッチを閉極し、前記入力直流電圧が前記所定直流電圧以下であるときに、前記機械式スイッチを開極するものであることを特徴とする直流電圧変換装置。
【請求項２】
前記制御装置が、前記機械式スイッチを開極した後所定時間後に、前記直流電圧変換回路の半導体スイッチを閉極することにより、機械式スイッチを流れるアーク電流を遮断するようにしている請求項１記載の直流電圧変換装置。
【請求項３】
前記直流電圧変換回路が、直流チョッパ回路、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ回路又は共振形コンバータ回路であることを特徴とする請求項１又は２記載の直流電圧変換装置。
【請求項４】
前記直流チョッパ回路が、昇圧チョッパ回路あるいは昇降圧チョッパ回路であることを特徴とする請求項３記載の直流電圧変換装置。
【請求項５】
前記直流電源が、燃料電池、太陽電池又は二次電池であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の直流電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直流電源からの直流電圧を異なる直流電圧に変換して出力する直流電圧変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に示すように、燃料電池や二次電池などの出力電圧変動（低下）が大きい直流電源からの直流電圧をインバータにより交流電圧に変換して出力する場合、その直流電源とインバータの間にＤＣ−ＤＣコンバータを設け、直流電圧の段階で昇圧を行い、その後インバータで交流電圧に変換して出力することが一般的である。
【０００３】
このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成している半導体スイッチング素子などの構成部品による電力損失が生じてしまうという問題がある。
【０００４】
さらに近時、燃料電池や二次電池の出力電圧が大きくなっていることから、ＤＣ−ＤＣコンバータにより直流電圧を昇圧する必要がなく所望の電圧を出力可能な場合が増えてきており、上記問題による電力損失の効率化に与える影響が多大になってきている。
【特許文献１】特開２００３−２５９６４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点を解決するために、直流電圧変換装置により昇圧が必要ない電圧において、直流電圧変換装置による電力損失を防ぐことをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明に係る直流電圧変換装置は、直流電源から入力される入力直流電圧を半導体スイッチのスイッチング動作により、異なる直流電圧に変換して出力する直流電圧変換回路と、前記直流電圧変換回路に対して並列に接続した機械式スイッチと、前記直流電圧変換回路及び前記機械式スイッチを制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記入力直流電圧が予め定めた所定直流電圧以上であるときに、前記機械式スイッチを閉極し、前記入力直流電圧が前記所定直流電圧以下であるときに、前記機械式スイッチを開極するものであることを特徴とする。
【０００７】
ここで機械式スイッチとは、接点の機械的な接触、離隔により電流の導通遮断を行なう開閉器のことである。
【０００８】
このようなものであれば、直流電源からの入力直流電圧を昇圧する必要がない場合には、直流電圧変換回路を介すること無く負荷に供給することができるので、直流電圧変換回路での電力損失をゼロにすることができるので、効率的な直流／交流変換システムを実現することができる。
【０００９】
機械式スイッチの電流遮断責務を軽減して、一般的な電磁式スイッチのような安価な機械式スイッチを用いることができるようにするためには、前記制御装置が、前記機械式スイッチを開極した後所定時間後に、前記直流電圧変換回路の半導体スイッチを閉極することにより、機械式スイッチを流れるアーク電流を遮断するようにしていることが望ましい。
【００１０】
直流電圧変換回路の具体的な実施の態様としては、前記直流電圧変換回路が、直流チョッパ回路、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ回路又は共振形コンバータ回路であることを特徴とすることが望ましい。
【００１１】
直流チョッパ回路としては、昇圧チョッパ回路あるいは昇降圧チョッパ回路であることが好ましい。また、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としては、フォワードコンバータ回路、プッシュプルコンバータ回路、フライバックコンバータ回路などがある。
【００１２】
前記直流電源としては、燃料電池、太陽電池又は二次電池であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
このように構成した本発明によれば、直流電源からの入力直流電圧を昇圧する必要がない場合には、直流電圧変換回路を介すること無く負荷に供給することができるので、直流電圧変換回路での電力損失をゼロにすることができるので、効率的な直流／交流変換システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明の直流電圧変換装置２を電力供給システムＰＳに適用した場合の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態に係る電力供給システムＰＳは、負荷Ｌに交流電圧を供給するものであり、図１及び図２に示すように、直流電源１からの入力直流電圧を昇圧する直流電圧変換装置２と、直流電圧変換装置２からの出力直流電圧を交流電圧に変換して負荷Ｌに出力するインバータ装置３とから構成される。なお、図２中において、４は配線のインダクタンスを表している。また、負荷Ｌは、純粋な負荷機器でもよいし、負荷機器と電源とを有する電力系統でもよい。
【００１６】
以下に各装置１〜３について詳述する。
【００１７】
直流電源１は、燃料電池、例えば個体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、内部抵抗１１を有している。その他、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭素塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）でも良い。また燃料電池の他には、二次電池や太陽電池であっても良い。
【００１８】
直流電圧変換装置２は、直流電源である燃料電池１から入力される入力直流電圧を半導体スイッチ２１２のスイッチング動作により、異なる直流電圧に変換して出力する直流電圧変換回路２１と、前記直流電圧変換回路２１に対して並列に接続した機械式スイッチ２２と、直流電圧変換回路２１に入力される入力直流電圧を測定するための入力直流電圧測定手段２３と、入力直流電圧測定手段２３からの測定データに基づいて前記直流電圧変換回路２１及び前記機械式スイッチ２２を制御する制御装置２４とからなる。
【００１９】
直流電圧変換回路２１は、本実施形態では昇圧チョッパ回路であり、燃料電池１から入力される入力直流電圧を半導体スイッチ２１２のスイッチング動作により、昇圧して出力するものである。その構成は、直流電源１側に接続された電流平滑用リアクトル２１１と、半導体スイッチ２１２と、ダイオード２１３と、負荷に対して並列に接続した電圧平滑用コンデンサ２１４とからなる。半導体スイッチ２１２は、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いており、後述する制御装置２４によって制御される。
【００２０】
機械式スイッチ２２は、機械的な動作で端子間をオンまたはオフに開閉するものであり、図３に示すように、入力直流電圧が予め定めた所定直流電圧以上であるときに閉極して直流電流が直流電圧変換回路に通流しないようにし、入力直流電圧が所定直流電圧以下であるときに開極して直流電流が直流電圧変換回路に通流するように、制御装置２４により制御されるものである。また、この機械式スイッチ２２は、直流電圧変換回路２１に並列に接続された電磁接触型のものである。ここで、図３中、縦軸の入力直流電圧Ｖｄｃ［Ｖ］とは、入力直流電圧測定手段２３により測定される直流電圧であり、横軸の出力直流電力Ｐｄｃ［Ｗ］とは、直流電圧変換装置２から出力される出力直流電圧と出力直流電流との積である。そして、図３において出力直流電力Ｐｄｃ［Ｗ］が大きくなるにつれて入力直流電圧Ｖｄｃ［Ｖ］が小さくなっているのは、直流電源内の内部抵抗１１によるものである。
【００２１】
入力直流電圧測定手段２３は、直流電源１から直流電圧変換回路２１に入力される入力直流電圧を測定するものであり、その測定結果を示すデータを制御装置２４に出力するものである。
【００２２】
なお、機械式スイッチ２２および入力直流電圧測定手段２３は、ごく一般的なものであるため、構成の詳細な説明は省略する。
【００２３】
制御装置２４は、図４に示すように、その機器構成はＣＰＵ２４０１、メモリ２４０２、入出力インターフェイス２４０３、ＡＤ変換器２４０４等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ２４０２の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ２４０１、周辺機器等を協働させることにより、図５に示すように、受付部２４１、判断部２４２、装置制御部２４３等としての機能を発揮する。
【００２４】
各部２４１〜２４３を説明する。
【００２５】
受付部２４１は、入力直流電圧測定手段２３からその測定データを受信して、判断部２４２に出力するものである。
【００２６】
判断部２４２は、入力直流電圧測定手段２３により測定された入力直流電圧と、入力装置５により入力される予め定めた所定直流電圧とを比較して、入力直流電圧が所定直流電圧よりも大きいか否かを判断し、その判断データを装置制御部２４３に出力するものである。ここで、所定直流電圧とは、電力供給システムＰＳが負荷Ｌに供給すべき交流電圧から換算したものであり、例えば、電力供給システムＰＳから交流電圧２００［Ｖ］を出力するためには、直流電圧変換装置２が出力すべき所定直流電圧は２００√２［Ｖ］となる。
【００２７】
装置制御部２４３は、直流電圧変換回路２１及び機械式スイッチ２２を制御するものである。具体的には、判断部２４２からの判断データに基づいて、入力直流電圧が所定直流電圧よりも小さい場合には、機械式スイッチ２２を開極して直流電圧変換回路２１で入力直流電圧を昇圧するように半導体スイッチ２１２を制御する。入力直流電圧が所定直流電圧よりも大きい場合には、機械式スイッチ２２を閉極して入力される直流電流が直流電圧変換回路２１に流れないようにする。なお、直流電圧変換回路２１により昇圧を行う手法はごく一般的なものであるため説明は省略する。
【００２８】
機械式スイッチ２２を開極したときには、図６に示すように、機械式スイッチ２２にアークが生じる。このアークによる機械式スイッチ２２の破壊を好適に防ぐために、機械式スイッチ２２を開極したと同時に、或いは開極後速やかに直流電圧変換回路２１の半導体スイッチ２１２をオンにする。これにより、図５に示すようにアークにより流れる電流を打ち消す方向に短絡電流が生じ、アークによる電流は流れなくなり、機械式スイッチ２２の遮断責務を軽減することができる。
【００２９】
次にインバータ装置３について説明する。インバータ装置３は、インバータ回路３１と、リアクトル３２と、平滑用コンデンサ３３と、抵抗３５と、直流電圧変換装置２から出力される直流電圧を測定するための出力直流電圧測定手段３４と、当該インバータ回路３１を制御するための制御装置２４とを備えている。
【００３０】
インバータ回路３１は、半導体スイッチ素子３１１とそれに逆並列されたダイオード３１２から構成したフルブリッジインバータであり、直流電圧変換回路２１からの出力直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力するものである。半導体スイッチ素子３１１として、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。このインバータ回路３１は、後述する制御装置２４のインバータ回路制御部２４４を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン（スイッチパターン）が制御されるようにしている。
【００３１】
出力直流電圧測定手段３４は、直流電圧変換装置２から出力され、インバータ回路３１に入力される直流電圧を測定するものであり、その測定結果を示すデータを制御装置２４に出力するものである。その構成は、ごく一般的なものであるため、構成の詳細な説明は省略する。
【００３２】
制御装置２４は、前述した直流電圧変換装置２の制御装置２４と一体のものであり、図５に示すようにインバータ回路制御部２４４をさらに備えている。
【００３３】
インバータ回路制御部２４４は、入力装置５により入力される予め定めた所定交流電圧のデータと、前記出力直流電圧測定手段３４からの出力直流電圧測定データとに基づいて、インバータ回路３１の半導体スイッチ３１１を制御するものである。
【００３４】
次にこのように構成した直流電圧変換装置２のうち、主として判断部２４２及び装置制御部２４３の作用について図７を参照して説明する。
【００３５】
直流電源１が負荷Ｌに対して電力を供給している最中は、入力直流電圧測定手段２３が、直流電源１から直流電圧変換装置２に入力される入力直流電圧を測定する（ステップＳ１）。そして、入力電圧測定手段２３からの入力直流電圧測定データを受付部２４１が受信する（ステップＳ２）。
【００３６】
その後、判断部２４２が、受付部２４１から入力直流電圧データを受信し、入力電圧測定手段２３からの入力直流電圧と、直流電圧変換装置２が出力すべき電圧とを比較して、入力直流電圧が所定直流電圧よりも大きいか否かを判断して、その判断データを装置制御部２４３に出力する（ステップＳ３）。
【００３７】
装置制御部２４３が判断データを受信して（ステップＳ４）、入力直流電圧が所定電圧よりも大きいか否かを認識する（ステップＳ５）。このとき、入力直流電圧が所定直流電圧よりも小さいときは、装置制御部２４３が、機械式スイッチ２２を開極する（ステップＳ６）。このとき、機械式スイッチ２２ではアークが生じ、回路２１にアーク電流が流れるが、これを好適に防止するために、装置制御部２４３が直流電圧変換回路２１の半導体スイッチ２１２を閉極する（ステップＳ７）。その後、通常通り装置制御部２４３が、直流電圧変換回路２１を制御して、昇圧した直流電圧をインバータ回路３１に出力する（ステップＳ８）。なお、直流電源変換回路２１の制御方法は、ごく一般的なものであるため詳細な説明は省略する。
【００３８】
一方で、入力直流電圧が所定直流電圧よりも大きいときには、直流電圧変換回路２１によって昇圧をする必要が無いので、装置制御部２４３は機械式スイッチ２２を閉極する（ステップＳ９）。機械式スイッチ２２を閉極することにより、直流電流は機械式スイッチ２２を流れるので、直流電源変換回路２１に直流電流が流れることはなく、直流電源変換回路２１による電力損失を防ぐことができる。
【００３９】
そして、直流電圧変換装置２から出力された直流電圧は、インバータ回路３１によって交流電圧に変換されて負荷Ｌに供給される。
【００４０】
このように構成した電力供給システムＰＳによれば、直流電源１からの入力直流電圧を昇圧する必要がない場合には、直流電圧変換回路２１を介すること無く負荷側に供給することができ、直流電圧変換回路２１での電力損失をゼロにすることができる。その結果、効率の良い電力供給システムＰＳを提供することができる。特に、熱追従のような部分負荷運転時においては、特に効率的なシステムとなる。
【００４１】
また、機械式スイッチ２２を開極すると同時に、或いは開極後速やかに前記直流電圧変換回路２１の半導体スイッチ２１２を閉極するようにしているので、機械式スイッチ２２を流れるアーク電流を好適に遮断することができ、機械式スイッチ２２の電流遮断責務を軽減して、一般的な電磁式スイッチのような安価な機械式スイッチ２２を用いることができる。
【００４２】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００４３】
例えば、前記実施形態では、直流電圧変換回路を昇圧チョッパとしたが、これに限られることはなく、その他の直流チョッパ回路、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路、共振形ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を用いることができ、例えば、直流チョッパ回路としては昇降圧チョッパ回路、又は絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としてはフォワードコンバータ回路、プッシュプルコンバータ回路あるいはフライバックコンバータ回路など、用途、目的応じて適宜変更して用いることが考えられる。
【００４４】
また、前記実施形態では、直流電圧変換装置とインバータ装置との制御装置を一体としていたが、当然別々に専用の制御装置を用いても良いことは言うまでもない。
【００４５】
さらに、前記実施形態の直流電源変換回路の半導体スイッチにはＩＧＢＴを用いたが、ＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯ等を用いても良い
【００４６】
この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る直流電圧変換装置を電力供給システムＰＳに適用した場合の一実施形態を示す模式的全体図。
【図２】同実施形態における電力供給システムＰＳの回路構成図。
【図３】同実施形態における機械式スイッチの開閉条件を示す図。
【図４】同実施形態における制御装置の機器構成図。
【図５】同実施形態における制御装置の機能構成図。
【図６】同実施形態における直流電圧変換回路を流れるアーク電流と短絡電流を示す図。
【図７】同実施形態における直流電圧変換装置の動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４８】
１    ・・・直流電源
２    ・・・直流電圧変換装置
２１  ・・・直流電圧変換回路
２１２・・・半導体スイッチ
２２  ・・・機械式スイッチ
２４  ・・・制御装置
【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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