(57)【要約】【課題】簡易且つ安価な構成により駆動電源を得ることができるバイパスモジュール、太陽光発電モジュール及び太陽光発電装置を提供する。【解決手段】太陽光発電素子のカソード端子に接続するための第１の端子と前記太陽光発電素子のアノード端子に接続するための第２の端子とを有するバイパスモジュールであって、前記第１の端子に接続される第１の主端子と前記第２の端子に接続される第２の主端子と制御端子とを有するバイパス素子を有し、前記バイパス素子は、前記制御端子に印加される電圧が所定値以上の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に少なくとも第１の方向の電流を流すとともに、前記制御端子に印加される電圧が所定値未満の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に印加される前記第１の方向の電圧及び前記第１の方向と対向する第２の方向の電圧を阻止するように構成されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの太陽光発電素子のカソード端子に接続するための第１の端子と前記少なくとも１つの太陽光発電素子のアノード端子に接続するための第２の端子とを有するバイパスモジュールであって、
前記第１の端子に接続される第１の主端子と前記第２の端子に接続される第２の主端子と制御端子とを有するバイパス素子を有し、
前記バイパス素子は、前記制御端子に印加される電圧が所定値以上の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に少なくとも第１の方向の電流を流すとともに、前記制御端子に印加される電圧が所定値未満の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に印加される前記第１の方向の電圧及び前記第１の方向と対向する第２の方向の電圧を阻止するように構成されることを特徴とするバイパスモジュール。
【請求項２】
前記バイパス素子は、前記第１の方向の電圧を阻止する第１の整流領域と前記第２の方向の電圧を阻止する第２の整流領域とを備えることを特徴とする請求項１に記載されるバイパスモジュール。
【請求項３】
前記第１の方向の電圧に基づく駆動電源が供給されるとともに、前記バイパス素子をオンさせる制御器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載されるバイパスモジュール。
【請求項４】
前記第１の方向の電圧に基づき電荷が蓄積されるとともに、前記駆動電源を前記制御器に供給するキャパシタを備えることを特徴とする請求項３に記載されるバイパスモジュール。
【請求項５】
カソード端子及びアノード端子を有する少なくとも１つの太陽光発電素子と、
前記カソード端子に接続される第１の端子と前記アノード端子に接続される第２の端子を有するバイパスモジュールと、を備え、
前記バイパスモジュールは、前記第１の端子に接続される第１の主端子と前記第２の端子に接続される第２の主端子と制御端子とを有するバイパス素子を有し、
前記バイパス素子は、前記制御端子に印加される電圧が所定値以上の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に少なくとも第１の方向の電流を流すとともに、前記制御端子に印加される電圧が所定値未満の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に印加される前記第１の方向の電圧及び前記第１の方向と対向する第２の方向の電圧を阻止するように構成されることを特徴とする太陽光発電モジュール。
【請求項６】
前記バイパス素子は、前記第１の方向の電圧を阻止する第１の整流領域と前記第２の方向の電圧を阻止する第２の整流領域とを備えることを特徴とする請求項５に記載される太陽光発電モジュール。
【請求項７】
前記バイパスモジュールは、前記第１の方向の電圧に基づく駆動電源が供給されるとともに、前記バイパス素子をオンさせる制御器を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載される太陽光発電モジュール。
【請求項８】
前記バイパスモジュールは、前記第１の方向の電圧に基づき電荷が蓄積されるとともに、前記駆動電源を前記制御器に供給するキャパシタを備えることを特徴とする請求項６に記載される太陽光発電モジュール。
【請求項９】
前記少なくとも１つの太陽光発電素子は、太陽光が照射されるとき前記バイパス素子に前記第２の方向の電圧を印加するように構成されることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載される太陽光発電モジュール。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれか１項に記載される太陽光発電モジュールを複数備え、前記複数の太陽光発電モジュールが互いに接続されてなることを特徴とする太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電素子に接続されるバイパスモジュール、太陽光発電素子とバイパスモジュールを含む太陽光発電モジュール及び複数の太陽光発電モジュールを含む太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電装置は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するもので、ＣＯ２を発生しないクリーンエネルギーとして注目されている。
【０００３】
一般的に、太陽電池のセル（太陽光発電素子）あたりの発生電圧は１Ｖ以下と低いため、太陽光発電装置は複数の太陽光発電素子を直列に接続したモジュールを直並列に接続して構成される。
【０００４】
影により、直列に接続された太陽光発電素子の一部に太陽光が照射されなくなると、その太陽光発電素子は発電できなくなるだけでなく、高抵抗となる。この場合には、直列に接続された太陽光発電素子の全ての発電エネルギーの回収効率が低下する。
【０００５】
そのため、単一のセル（太陽光発電素子）又は複数のセルに対して並列にバイパスモジュールを接続し、発電エネルギーを高抵抗となる太陽光発電素子からバイパスさせ、全体の発電エネルギーの回収効率を改善する技術が検討されている（特許文献１）。
【０００６】
特許文献１に開示される従来の太陽光発電装置は太陽光発電素子に対してその出力をバイパスするバイパスモジュール（バイパス手段）を備え、バイパスモジュールはＭＯＳＦＥＴと制御器とからなる。従来の太陽光発電装置は、バイパスモジュールにより太陽光発電素子の日照状態を判別するとともに、日照状態の悪い太陽光発電素子の出力をバイパスすることで、バイパス時の電圧ドロップを小さく抑え、全体として発電力のロスを小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１７４３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の太陽光発電装置は、バイパスモジュールを動作させる駆動電源を得るための昇圧回路を必要とするため、複雑且つ高価な構成になってしまう。その理由は、日照状態の悪い太陽光発電素子の両端に印加される電圧がＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの順方向電圧（約０．６Ｖ）でクランプされることにある。
【０００９】
本発明は、上記問題点を鑑み、簡易且つ安価な構成により駆動電源を得ることができるバイパスモジュール、太陽光発電モジュール及び太陽光発電装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、本発明に係るバイパスモジュールは、少なくとも１つの太陽光発電素子のカソード端子に接続するための第１の端子と前記少なくとも１つの太陽光発電素子のアノード端子に接続するための第２の端子とを有するバイパスモジュールであって、前記第１の端子に接続される第１の主端子と前記第２の端子に接続される第２の主端子と制御端子とを有するバイパス素子を有し、前記バイパス素子は、前記制御端子に印加される電圧が所定値以上の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に少なくとも第１の方向の電流を流すとともに、前記制御端子に印加される電圧が所定値未満の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に印加される前記第１の方向の電圧及び前記第１の方向と対向する第２の方向の電圧を阻止するように構成されることを特徴とする。
また、本発明に係る太陽光発電モジュールは、カソード端子及びアノード端子を有する少なくとも１つの太陽光発電素子と、前記カソード端子に接続される第１の端子と前記アノード端子に接続される第２の端子を有するバイパスモジュールと、を備え、前記バイパスモジュールは、前記第１の端子に接続される第１の主端子と前記第２の端子に接続される第２の主端子と制御端子とを有するバイパス素子を有し、前記バイパス素子は、前記制御端子に印加される電圧が所定値以上の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に少なくとも第１の方向の電流を流すとともに、前記制御端子に印加される電圧が所定値未満の場合に前記第１の主端子と前記第２の主端子との間に印加される前記第１の方向の電圧及び前記第１の方向と対向する第２の方向の電圧を阻止するように構成されることを特徴とする。
また、本発明に係る太陽光発電装置は、太陽光発電モジュールを複数備え、前記複数の太陽光発電モジュールが互いに接続されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易且つ安価な構成により駆動電源を得ることができるバイパスモジュール太陽光発電モジュール及び太陽光発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る太陽光発電モジュールの構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施形態に係るバイパス素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る太陽光発電モジュールの構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施形態に係るバイパスモジュールの動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態の第１の変形例に係る太陽光発電モジュールの構成を示す回路図である。
【図７】本発明の実施形態の第２の変形例に係る太陽光発電モジュールの構成を示す回路図である。
【図８】本発明の実施形態の第３の変形例に係る太陽光発電モジュールの構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
図１乃至５を参照しながら本発明の実施形態に係る太陽光発電モジュール、バイパスモジュール及び太陽光発電装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の構成を示す図である。本実施形態に係る太陽光発電装置１は、太陽光発電モジュール２を複数備え、複数の太陽光発電モジュール２が互いに直列接続されて構成される。また、太陽光発電モジュール２は少なくとも１つの太陽光発電素子３とバイパスモジュール４とを備える。太陽光発電素子３はカソード端子Ｋ及びアノード端子Ａを有し、バイパスモジュール４はカソード端子Ｋに接続される第１の端子Ｔ１とアノード端子Ａに接続される第２の端子Ｔ２を有する。太陽光発電モジュール２を構成する太陽光発電素子３は、図１に示すように複数セルの直列接続体として構成されても良いが、説明の便宜上、以降は単一セルとして説明する。
【００１５】
図２は、本発明の実施形態に係る太陽光発電モジュール２ａの構成を示す回路図である。本実施形態に係る太陽光発電モジュール２ａは、単一セルからなる太陽光発電素子３とバイパスモジュール４ａとを備える。本実施形態に係るバイパスモジュール４ａは、バイパス素子４１と制御器４２ａとキャパシタ４３とダイオード４４とを有する。
【００１６】
バイパス素子４１は、第１の端子Ｔ１に接続される第１の主端子Ｄと第２の端子Ｔ２に接続される第２の主端子Ｓと制御器４２ａに接続される制御端子Ｇとを有する。バイパス素子４１は、制御端子Ｇに印加される制御電圧が閾値以上の場合に少なくとも第１の主端子Ｄから第２の主端子Ｓに向かう方向（第１の方向）の電流を流すとともに、制御端子Ｇに印加される制御電圧が閾値未満の場合に第１の主端子Ｄと第２の主端子Ｓとの間に印加される第１の方向及び第２の主端子Ｓから第１の主端子Ｄに向かう方向（第２の方向）の電圧を阻止する。
【００１７】
図３は、バイパス素子４１の構成を示す断面図である。バイパス素子４１は、寄生ダイオードがキャンセルされたトランジスタからなり、例えばＳＢＤを内蔵したＭＯＳＦＥＴ４１ａ又は周知のＩＧＢＴ４１ｂからなる。ＭＯＳＦＥＴ４１ａ及びＩＧＢＴ４１ｂは、いずれの構成においても第２の方向の電圧を阻止するダイオードを有し、ＭＯＳＦＥＴ構造に本来備わっている第１の方向の電圧を阻止する寄生ダイオードを相殺している。また、ＭＯＳＦＥＴ４１ａは、制御端子Ｇに印加される制御電圧が閾値以上の場合に第２の主端子Ｓから第１の主端子Ｄに向かう方向（第２の方向）の電流を流すこともできる。
【００１８】
ＭＯＳＦＥＴ４１ａは、Ｎ＋型のドレイン領域４１１とＮ−型のドリフト領域４１２とＰ型の第１のベース領域４１３とＰ−型の第２のベース領域４１４とＮ＋型のソース領域４１５とからなる半導体基板を備え、半導体基板の表面からドリフト領域４１２まで延伸する溝の表面を覆うように形成される絶縁膜４１６と溝を埋め込む制御電極４１７と層間絶縁膜４１８とソース電極４１９とドレイン電極４２０とを備える。ドリフト領域４１２と第１のベース領域４１３との間にはＰＮ接合により第１の方向の電圧を阻止する寄生ダイオード（第１の整流領域）が形成され、第２のベース領域４１４とソース電極４１９との間にはショットキ接合により第２の方向の電圧を阻止するショットキバリアダイオード（第２の整流領域）が形成される。また、制御電極４１７は制御端子Ｇに接続され、ソース電極４１９は第２の主端子Ｓに接続され、ドレイン電極４２０は第１の主端子Ｄに接続される。
【００１９】
ＩＧＢＴ４１ｂは、Ｐ＋型のコレクタ領域４２１とＮ−型のドリフト領域４１２とＰ型の第１のベース領域４１３とＮ＋型のソース領域４１５とからなる半導体基板を備え、半導体基板の表面からドリフト領域４１２まで延伸する溝の表面を覆うように形成される絶縁膜４１６と溝を埋め込む制御電極４１７と層間絶縁膜４１８とエミッタ電極４２２とコレクタ電極４２３とを備える。ドリフト領域４１２と第１のベース領域４１３との間にはＰＮ接合により第１の方向の電圧を阻止する寄生ダイオード（第１の整流領域）が形成され、ドリフト領域４１２とコレクタ領域４２１との間にはＰＮ接合により第２の方向の電圧を阻止するＰＮダイオード（第２の整流領域）が形成される。また、制御電極４１７は制御端子Ｇに接続され、エミッタ電極４２２は第２の主端子Ｓに接続され、コレクタ電極４２３は第１の主端子Ｄに接続される。
【００２０】
図４を用いて、本実施形態に係る制御器４２ａの詳細な構成について説明する。制御器４２ａは、バイパス素子４１の第１の主端子Ｄと第２の主端子Ｓと制御端子とに接続され、キャパシタ４３の一端とダイオード４４のカソードとの接続点に接続される。制御器４２ａは、第１のコンパレータＣＭＰ１と第２のコンパレータＣＭＰ２とゲートドライバＤＲＶとを備える。
【００２１】
第１のコンパレータＣＭＰ１の入力端子はキャパシタ４３の一端とダイオード４４のカソードとの接続点に接続され、キャパシタ４３の充電電圧ＶＣと第１の基準値ＶＣＨ及び第２の基準値ＶＣＬ（図示しない）とを比較してその結果をゲートドライバＤＲＶに出力する。第１の基準値ＶＣＨは第２の基準値ＶＣＬよりも高い電圧値であり、それぞれの基準値は、制御器４２ａが安定して駆動できる電圧に基づき設定される。第２のコンパレータＣＭＰ２は第１の主端子Ｄの電位ＶＤと第２の主端子Ｓの電位ＶＳとを比較してその結果をゲートドライバＤＲＶに出力する。ゲートドライバＤＲＶは第１及び第２のコンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２の出力に基づく駆動信号を制御端子Ｇに出力してバイパス素子４１をオンさせる。
【００２２】
キャパシタ４３の一端は制御器４２ａ及びダイオード４４を介して第１の端子Ｔ１に接続され、他端は第２の端子Ｔ２に接続される。ダイオード４４のアノードは第１の端子Ｔ１に接続される。キャパシタ４３は、バイパスモジュール４ａに第１の方向の電圧が印加されるとき、ダイオード４４を介して電荷が蓄積されることにより制御器４２ａに駆動電源を供給する。
【００２３】
図５は、本発明の実施形態に係るバイパスモジュール４ａの動作を示すフローチャートである。まず、太陽光発電素子３に太陽光が照射される通常時、ゲートドライバＤＲＶはバイパス素子４１をオフ状態に維持する（ＳＴＥＰ１）。このとき、太陽光発電素子３はカソード端子Ｋからアノード端子Ａに向かって電流を流し、バイパス素子４１には第２の方向の電圧が印加される。
【００２４】
太陽光発電素子３に太陽光が照射されなくなる等の理由によりカソード端子Ｋの電位がアノード端子Ａの電位よりも高くなると、バイパス素子４１には第１の方向の電圧が印加され、第１の主端子Ｄの電位ＶＤが第２の主端子Ｓの電位ＶＳよりも高くなり（ＳＴＥＰ２）、ダイオード４４を介してキャパシタ４３の充電が開始される（ＳＴＥＰ３）。
【００２５】
キャパシタ４３の充電電圧ＶＣが第１の基準値ＶＣＨよりも低いとき、バイパス素子４１は、第２の方向の電圧を阻止することで電位ＶＤと電位ＶＳとの電位差を高く維持する。キャパシタ４３の充電電圧ＶＣが第１の基準値ＶＣＨよりも高くなる（ＳＴＥＰ４）と、制御器４２ａが駆動可能となり、第１のコンパレータＣＭＰ１の出力が反転し、ゲートドライバＤＲＶはバイパス素子４１をオンさせる（ＳＴＥＰ５）。電位ＶＤと電位ＶＳとがほぼ等しくなることで、キャパシタ４３の充電電圧ＶＣが徐々に低下する。
【００２６】
その後、太陽光発電素子３に再び太陽光が照射され第１の主端子Ｄの電位ＶＤが第２の主端子Ｓの電位ＶＳよりも低くなる（ＳＴＥＰ６）と、第２のコンパレータＣＭＰ２の出力が反転し、ゲートドライバＤＲＶはバイパス素子４１をオフさせる（ＳＴＥＰ１）。
【００２７】
また、太陽光が照射されない状況が続く場合であっても、キャパシタ４３の充電電圧ＶＣが第２の基準値ＶＣＬより低くなる（ＳＴＥＰ７）と、第１のコンパレータＣＭＰ１の出力が反転し、ゲートドライバＤＲＶはバイパス素子４１をオフさせる（ＳＴＥＰ１）。
【００２８】
本実施形態に係るバイパスモジュール４ａは、太陽光発電素子３の非発電時に少なくとも第１の主端子Ｄから第２の主端子Ｓに向かう方向（第１の方向）の電圧を阻止できるバイパス素子４１を備えるため、バイパス素子４１の両端電圧を従来よりも高く維持できる。そのため、制御器４２ａを動作させる駆動電源を得るための昇圧回路を省くことができ、簡易且つ安価な構成により駆動電源を得ることができるバイパスモジュール４ａ、太陽光発電モジュール２ａ及び太陽光発電装置１を提供できる。
【００２９】
また、バイパス素子４１は第２の主端子Ｓが太陽光発電素子３のアノードＡに接続されるため、制御器４２ａはブートストラップ回路を用いること無くバイパス素子４１をオンさせることができる。そのため、簡易且つ安価な構成によりバイパスモジュール４ａ、太陽光発電モジュール２ａ及び太陽光発電装置１を提供できる。
【００３０】
また、バイパス素子４１は、太陽光発電素子３の発電時に第２の主端子Ｓから第１の主端子Ｄに向かう方向（第２の方向）の電圧を阻止できるため、発電エネルギーをバイパスモジュール４ａ内で消費することがなく、高効率な太陽光発電モジュール２ａ及び太陽光発電装置１を提供できる。
【００３１】
また、バイパス素子４１は、その内部に第１の方向の電圧を阻止する第１の整流領域と第２の方向の電圧を阻止する第２の整流領域とを備えるため、バイパス素子４１の外部に逆阻止ダイオードを設ける場合に比べバイパスモジュールをより小型にすることができ、バイパス動作時の損失を低減することができる。
【００３２】
（第１の変形例）
図６は、本発明の実施形態の第１の変形例に係る太陽光発電モジュール２ｂの構成を示す回路図である。本変形例に係る太陽光発電モジュール２ｂは、バイパス素子４１の接続方法と制御器４２ｂの構成とに関して図２の太陽光発電モジュール２ａと異なる。
【００３３】
バイパス素子４１は、第２の主端子Ｓが第１の端子Ｔ１に接続され、第１の主端子Ｄが第２の端子Ｔ２に接続される。バイパス素子４１は、制御端子Ｇに印加される制御電圧が閾値以上の場合に第２の主端子Ｓから第１の主端子Ｄに向かう方向（第１の方向）の電流を流すとともに、制御端子Ｇに印加される制御電圧が閾値未満の場合に第２の主端子Ｓと第１の主端子Ｄとの間に印加される第１の方向及び第１の主端子Ｄから第２の主端子Ｓに向かう方向（第２の方向）の電圧を阻止する。また、バイパス素子４１をオンさせるために、制御器４２ｂは図示しないブートストラップ回路を含む。そのため、制御器４２ｂの構成は制御器４２ａの構成よりも複雑になってしまうが、上述されるその他の作用効果を奏することができる。
【００３４】
（第２の変形例）
図７は、本発明の実施形態の第２の変形例に係る太陽光発電モジュール２ｃの構成を示す回路図である。本変形例に係る太陽光発電モジュール２ｃは、制御器４２ａを保護するダイオード４５を設け、バイパスモジュール４ｃを構成した点に関して図２の太陽光発電モジュール２ａと異なる。
【００３５】
太陽光発電素子３の発電時及び非発電時において、制御器４２ａには第１の方向及び第２の方向の交流的な電力が印加されることになる。ダイオード４５は、一方の電圧が制御器４２ａに印加されることを妨げ、特に制御器４２ａがモノリシックＩＣで構成される場合に生じる不具合を抑制することができる。
【００３６】
ｓ
（第３の変形例）
図８は、本発明の実施形態の第３の変形例に係る太陽光発電モジュール２ｄの構成を示す回路図である。本変形例に係る太陽光発電モジュール２ｄは、制御器４２ａを保護するダイオード４５及びダイオード４６をさらに設け、バイパスモジュール４ｄを構成した点に関して図２の太陽光発電モジュール２ａと異なる。
【００３７】
本変形例に係る太陽光モジュール２ｄによっても、変形例２に係る太陽光モジュール２ｃと同様の効果が得られる。
【００３８】
上記のように、本発明は実施形態及び変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、太陽光発電装置１は、複数の太陽光発電モジュール２が互いに並列接続又は直並列接続されて構成されても良い。また、バイパス素子４１は上述のようにＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴに限らず、本来備わっている寄生ダイオードが相殺され実質的に寄生ダイオードを有しない構造からなるオン／オフ制御可能な半導体素子により構成されても良い。
【符号の説明】
【００３９】
１        太陽光発電装置
２        太陽光発電モジュール
３        太陽光発電素子
４        バイパスモジュール
４１      バイパス素子
４２      制御器
４３      キャパシタ
４４      ダイオード
【図１】
2015046504.tif 000003
【図２】
2015046504.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015046504.tif 000008
【図７】
2015046504.tif 000009
【図８】
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