(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の入出力端における直流電力と、高周波トランスの一次巻線における交流電力とを変換可能な一次変換回路部と、
前記高周波トランスの二次巻線における交流電力と他方の入出力端における直流電力とを変換可能に設けられ、前記一次変換回路部の出力交流電力を直流電力に変換する二次変換回路部と、を備え、
前記二次変換回路部は、還流ダイオードを有するスイッチング素子からなる一群のスイッチング素子群を前記高周波トランスの二次側コイルに接続した構成を備え、前記一次変換回路部と前記二次変換回路部との間の双方向で電力を変換する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記二次変換回路部は、還流ダイオードを有するスイッチング素子を並列に設けたスイッチング素子組と該スイッチング素子組と直列に設けられたスナバコンデンサとからなるアクティブスナバ回路をさらに備え、該アクティブスナバ回路のスナバコンデンサの、前記スイッチング素子組と接続された一端と逆側の他端は、前記高周波トランスのセンタータップに接続されたことを特徴とする双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記二次変換回路部の入出力端における、正極側端子と負極側端子の間に平滑コンデンサが接続されており、
前記正極側端子及び前記平滑コンデンサにはエネルギー蓄積要素である平滑リアクトルの一端が接続されており、
前記高周波トランスの二次巻線においては、第一の二次巻線の一端と第二の二次巻線の一端とが接続されてセンタータップとされるとともに、該センタータップと、前記平滑リアクトルにおける前記一端と逆側の他端とが接続されており、
前記一群のスイッチング素子群は、第一スイッチング素子及び第二スイッチング素子の二つのスイッチング素子からなり、
前記スイッチング素子組は、第三スイッチング素子及び第四スイッチング素子の二つのスイッチング素子からなり、
前記第一スイッチング素子のドレインは、前記第三スイッチング素子のソース及び前記第一の二次巻線における前記センタータップの逆側の他端に接続され、
前記第二スイッチング素子のドレインは、前記第四スイッチング素子のソース及び前記第二の二次巻線における前記センタータップの逆側の他端に接続され、
前記第一スイッチング素子及び前記第二スイッチング素子のソースは前記負極側端子及び前記平滑コンデンサに接続され、
前記スナバコンデンサの前記一端は、前記第三スイッチング素子及び前記第四スイッチング素子のドレインに接続されるとともに、該スナバコンデンサの該一端と逆側の他端は前記高周波トランスのセンタータップ及び前記平滑リアクトルの他端に接続されることを特徴とする請求項１に記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
太陽電池などの直流電源の出力電圧を昇圧し双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータの直流出力を交流に変換し、電力系統または負荷との間で交流電力の授受を可能とする双方向ＤＣ−ＡＣコンバータと、
を備えたことを特徴とするパワーコンディショナ。
【請求項４】
前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるスイッチング素子のオン／オフを制御することで、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおける前記一方の入出力端及び前記他方の入出力端において入出力される直流電力の量を制御可能な制御装置をさらに備えることを特徴
とする請求項３に記載のパワーコンディショナ。
【請求項５】
請求項３または４に記載のパワーコンディショナと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータに電力を出力する発電手段と、
電力を貯蔵可能で、前記発電手段の発電量と電力負荷量との偏差に応じて前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して電力を充電され、または放電する蓄電池と、
を備えることを特徴とする分散型電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に蓄電池を併設して出力電力の変動を抑制する分散型電源システムにおいて、高周波トランスを備えた絶縁型でその高周波トランスの高圧側と低圧側との間で双方向の電力変換を可能にした双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題が注目される中、クリーンなエネルギーである自然エネルギーを利用して発電する、自然エネルギー発電装置の普及が進んでいる。この自然エネルギー発電装置においては、出力が天候の変化により大きく変動する場合がある。この出力変動を抑制する対策の一つとして、自然エネルギー発電装置と蓄電池とを組み合わせたシステムが提案されている。
【０００３】
このシステムでは、蓄電池でその充電レベルを適正に維持しつつ、システム全体としての急峻な出力変動を抑制することが検討されている。また、コジェネレーションシステムや燃料電池に蓄電池を併設し、同様の制御が行われる場合もある。なお、上記のように、自然エネルギー発電装置、コジェネレーションシステムまたは燃料電池などの発電装置と蓄電池とを組み合わせたシステムを、分散型電源システムとも呼ぶ。
【０００４】
上記の分散型電源システムの例としては、蓄電池を備えた太陽光発電システムが代表的である。太陽光発電システムは、直流電源である太陽電池をパワーコンディショナにより商用系統と連系させる。このパワーコンディショナは、太陽電池が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータと、商用系統に接続された双方向ＤＣ−ＡＣインバータと、高圧側がＤＣ−ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣインバータの接続点に接続され、低圧側が蓄電池に接続された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとで構成されている場合が多い。
【０００５】
この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、高圧側は、太陽電池が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータの高電圧の直流電力が入出力される。また、低圧側には低電圧の蓄電池が接続され、高圧側の直流電力をスイッチング回路によって一旦交流電力に変換し、高周波トランスによって電圧変換した後、やはりスイッチング回路によって直流電力に再変換することで、高圧側と低圧側の双方向ＤＣ−ＤＣ変換を実現している。そして、太陽電池からの電力を蓄電池に充電すると共にその蓄電池の貯蔵電力を負荷に放電する充放電動作を行う機能を有する。
【０００６】
ところで、上記の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、高圧側と低圧側との間の電力変換にスイッチング回路が使用されており、スイッチング回路を構成するスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作時には、逆回復電流やサージ電圧が発生する場合がある。この逆回復電流やサージ電圧が発生した場合には、スイッチング素子に瞬間的に過負荷が生じ素子自体が破壊する虞があった。そのような逆回復電流やサージ電圧の影響を抑制し、且つ回路の電力効率を低下させないために、サージ電流を一時的にコンデンサに充電し、電力転送時の転送電流に追加で放電して回生するアクティブスナバが用いられる場合がある。
【０００７】
このようなアクティブスナバを用いた例としては、二次側変換回路部が、逆並列ダイオードおよび並列キャパシタを持つ一組のスイッチング素子を高周波トランスの二次側に接続すると共に高周波トランスのセンタータップにエネルギー蓄積要素を接続した構成を備え、高周波トランスと二次側変換回路部のスイッチング素子との間に、逆並列ダイオードを持つスイッチング素子とキャパシタとからなる一組の直列回路を相互に逆極性で並列接
続した電圧クランプ回路を設ける技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、低電圧側スイッチング回路が、第２の直流電源及び変圧器の二次巻線に接続された第１のスイッチング素子群と、第１のスイッチング素子群及び／又は変圧器の二次巻線に接続された平滑リアクトルと、一端を第１のスイッチング素子群に含まれるスイッチング素子の一端に接続され、他端を平滑リアクトルの一端に接続されるとともに、第２の直流電源に並列接続された第２の平滑コンデンサと、第１のスイッチング素子群に含まれるスイッチング素子に接続された、少なくとも１つのスイッチング素子を含む第２のスイッチング素子群とクランプコンデンサとを備えた電圧クランプ回路と、を含む構成が公知である（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
しかしながら、前者の公知技術においては、アクティブスナバ（電圧クランプ回路）を構成するコンデンサが複数個必要となっており、装置が複雑化し、コストダウンの妨げとなる場合があった。一方、後者の公知技術においては、アクティブスナバ（電圧クランプ回路）を構成するクランプコンデンサが、第２の直流電源の負極側と第２のスイッチング素子群との間に配置されているためクランプコンデンサに印加される電圧が高くなり、クランプコンデンサの耐圧、容量を大きくする必要が生じ、やはりコストダウンの妨げとなる場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第５４４５９１５号公報
【特許文献２】特許第４３７８４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の背景技術に鑑みて発明されたものであり、その目的は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング回路において発生する逆回復電流やサージ電圧による、スイッチング素子の劣化または破壊を抑制可能なアクティブスナバの構成を、より簡略化し、またはコストをより低減できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するための本発明は、一次変換回路部と二次変換回路部を備えており、両回路部の間の双方向で高周波トランスを介して電力を変換する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。また、二次変換回路部は、一次変換回路部の出力交流電力を直流電力に変換する機能を有する。また、還流ダイオードを有するスイッチング素子を並列に設けたスイッチング素子組とスイッチング素子組と直列に設けられたスナバコンデンサとからなるアクティブスナバ回路を備えている。そして、アクティブスナバ回路のスナバコンデンサの、スイッチング素子組と接続された一端と逆側の他端は、高周波トランスのセンタータップに接続されたことを最大の特徴とする。
【００１３】
より詳しくは、一方の入出力端における直流電力と、高周波トランスの一次巻線における交流電力とを変換可能な一次変換回路部と、
前記高周波トランスの二次巻線における交流電力と他方の入出力端における直流電力とを変換可能に設けられ、前記一次変換回路部の出力交流電力を直流電力に変換する二次変換回路部と、を備え、
前記二次変換回路部は、還流ダイオードを有するスイッチング素子からなる一群のスイッチング素子群を前記高周波トランスの二次側コイルに接続した構成を備え、前記一次変換回路部と前記二次変換回路部との間の双方向で電力を変換する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記二次変換回路部は、還流ダイオードを有するスイッチング素子を並列に設けたスイッチング素子組と該スイッチング素子組と直列に設けられたスナバコンデンサとからなるアクティブスナバ回路をさらに備え、該アクティブスナバ回路のスナバコンデンサの、前記スイッチング素子組と接続された一端と逆側の他端は、前記高周波トランスのセンタータップに接続されたことを特徴とする。
【００１４】
これによれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング回路において発生する逆回復電流やサージ電圧による、スイッチング素子の劣化または破壊を抑制するアクティブスナバを、１個のスナバコンデンサを用いて構成することが可能となる。また、スナバコンデンサの一端を、上述の他方の入出力端の負極側ではなく、高周波トランスのセンタータップに接続することができるので、スナバコンデンサに印加される電圧を低減することができ、より低耐圧のスナバコンデンサを使用することが可能となる。
【００１５】
その結果、アクティブスナバ回路の構成をより簡略化でき、コストを低減することが可能となる。
【００１６】
また、本発明においては、前記二次変換回路部の入出力端における、正極側端子と負極側端子の間に平滑コンデンサが接続されており、
前記正極側端子及び前記平滑コンデンサにはエネルギー蓄積要素である平滑リアクトルの一端が接続されており、
前記高周波トランスの二次巻線においては、第一の二次巻線の一端と第二の二次巻線の一端とが接続されてセンタータップとされるとともに、該センタータップと、前記平滑リアクトルにおける前記一端と逆側の他端とが接続されており、
前記一群のスイッチング素子群は、第一スイッチング素子及び第二スイッチング素子の二つのスイッチング素子からなり、
前記スイッチング素子組は、第三スイッチング素子及び第四スイッチング素子の二つのスイッチング素子からなり、
前記第一スイッチング素子のドレインは、前記第三スイッチング素子のソース及び前記第一の二次巻線における前記センタータップの逆側の他端に接続され、
前記第二スイッチング素子のドレインは、前記第四スイッチング素子のソース及び前記第二の二次巻線における前記センタータップの逆側の他端に接続され、
前記第一スイッチング素子及び前記第二スイッチング素子のソースは前記負極側端子及び前記平滑コンデンサに接続され、
前記スナバコンデンサの前記一端は、前記第三スイッチング素子及び前記第四スイッチング素子のドレインに接続されるとともに、該スナバコンデンサの該一端と逆側の他端は前記高周波トランスのセンタータップ及び前記平滑リアクトルの他端に接続されるようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明は、上記の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
太陽電池などの直流電源の出力電圧を昇圧し双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに入力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータの直流出力を交流に変換し、電力系統または負荷との間で交流電力の授受を可能とする双方向ＤＣ−ＡＣコンバータと、
を備えたパワーコンディショナであってもよい。
【００１８】
また、本発明は、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるスイッチング素子のオン／オフを制御することで、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおける前記一方の入出力端及び前記他方の入出力端において入出力される直流電力の量を制御可能な制御装置をさらに備えたパワーコンディショナであってもよい。
【００１９】
また、本発明は、上記のパワーコンディショナと、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータに電力を出力する発電手段と、
電力を貯蔵可能で、前記発電手段の発電量と電力負荷量との偏差に応じて前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して電力を充電され、または放電する蓄電池と、
を備えた分散型電源システムであってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング回路において発生する逆回復電流やサージ電圧による、スイッチング素子の劣化または破壊を抑制可能なアクティブスナバの構成を、より簡略化しまたはコストをより低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例に係る太陽光発電システムのブロック図である。
【図２】実施例に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータのブロック図である。
【図３】半導体素子の逆回復時の電圧及び電流の変化を示すグラフである。
【図４】双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側回路の充電時の基本動作を説明するための図である。
【図５】双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側回路の放電時の基本動作を説明するための図である。
【図６】実施例に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側回路の充電時動作におけるフェーズ１〜３について説明するための図である。
【図７】実施例に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側回路の充電時動作におけるフェーズ４〜６について説明するための図である。
【図８】実施例に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側回路の充電時動作におけるフェーズ７〜９について説明するための図である。
【図９】実施例に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側回路の放電時動作におけるフェーズ１〜４について説明するための図である。
【図１０】実施例に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低圧側回路の放電時動作におけるフェーズ５〜８について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。
【００２３】
＜実施例１＞
図１には、本実施例における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが組み込まれた太陽光発電システム１の概略構成を示す。太陽光発電システム１においては、太陽光エネルギーを利用して発電する直流電源である太陽電池２が設けられている。太陽電池２の出力は、太陽電池２の直流出力を電圧変換して昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ３に入力される。このＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力は２００Ｖ〜４００Ｖの高圧となる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電力は、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ４によって交流に変換される。この双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ３の出力は、系統８及び負荷９に接続されている。
【００２４】
系統８が正常に作動している場合には、太陽光発電システム１は、系統８と連系した連系運転状態になる。そのとき、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ４は系統８と負荷９に交流電力を出力する。双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ４からの出力電力が負荷９の消費電力よりも少ないときには、不足分が系統８から負荷９に自動的に供給される場合がある。逆に、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ４からの出力電力が負荷９の消費電力よりも多いときには、余剰分が系統８に自動的に供給される場合がある。
【００２５】
また、本実施例における太陽光発電システム１は、蓄電池５を備えている。蓄電池５の直流出力は３０Ｖ〜６０Ｖの低圧となる。この蓄電池５の直流出力は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６に接続され電圧変換される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力に接続されている。
【００２６】
これにより、負荷９の消費電力が太陽電池２による発電電力より多い場合には、蓄電池５から放電される直流電力が双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６で昇圧され、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力を補完し、負荷９の消費電力を充足させる。また、前述のように、太陽電池２による発電量は天候の影響を受けて出力が大きく変動し、系統８の電圧変動や周波数変動といった電力品質への悪影響を与える虞があるので、蓄電池５からの電力供給によって、太陽電池２と蓄電池５の組み合わせにおける発電電力の変動を抑制するようになっている。
【００２７】
また、負荷９の消費電力が太陽電池２による発電電力より少なく、蓄電池５の充電量が不充分な場合は、太陽電池２で発電された電力のうち負荷９に供給されない分は、蓄電池５の充電のためにＤＣ−ＤＣコンバータ３から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６に入力され降圧された後に蓄電池５に供給される。また、蓄電池５の充電量が不充分であって太陽電池２で発電された電力のうち、負荷９に供給されない分の電力が蓄電池５の充電のための電力として不充分な場合には、系統８からの交流出力が双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ４で直流に変換され、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６で降圧された後に、蓄電池５に供給される場合もある。
【００２８】
この蓄電池５からの充放電量の制御は、制御装置７が有する図示しないマイクロプロセッサ及び、マイクロプロセッサ上で実行されるプログラムによって双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６が制御されることにより実現される。制御装置７は、ＰＶ発電量センサーによってＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電力を計測するとともに、負荷量センサーによって負荷９における負荷電力を計測し、その偏差の量に応じて、蓄電池５の充放電量を制御する。
【００２９】
なお、図１において破線で示す範囲、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ３、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ４、制御装置７、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６を、パワーコンディショナ１ａという形で一筐体内に配置してもよい。あるいは、制御装置７だけを独立の装置とし、点線で示す範囲、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ３、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ４、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６をパワーコンディショナ１ｂという形で一筐体内に配置してもよい。
【００３０】
次に、本実施例における双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の詳細について説明する。本実施例では、スイッチング素子としてＮ型のＭＯＳＦＥＴを用いるものとして説明するが、スイッチング素子の種類はこれらに限られるものではない。Ｐ型のＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、その他トランジスタを採用しても何ら問題はない。
【００３１】
図２は、本発明の実施例に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の回路構成図である。図２において、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、トランス４０を挟んで図中左側の一次変換回路部としての高圧側回路６ａと、図中右側の二次変換回路部としての低圧側回路６ｂとからなる。高圧側回路６ａの入出力端２０には、平滑コンデンサ２２、スイッチング素子３１のソースとスイッチング素子３２のドレインとを接続して成る第１のスイッチングアーム、スイッチング素子３４のソースとスイッチング素子３３のドレインとを接続して成る第２のスイッチングアームが並列に接続されている。なお、入出力端２０には、図１に示したようにＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力端子が接続されている。
【００３２】
スイッチング素子３１〜３４のソース−ドレイン間には、ソース側からドレイン側に電
流を流すように、還流ダイオード３１ａ〜３４ａがそれぞれ接続されている。スイッチング素子３１のソースとスイッチング素子３２のドレインとの接続点と、スイッチング素子３３のドレインとスイッチング素子３４のソースとの接続点との間に、トランス４０の一次巻線４１が接続されている。
【００３３】
低圧側回路６ｂの入出力端５０には、正極側端子と負極側端子の間に平滑コンデンサ５２が接続されている。また、正極側端子にはエネルギー蓄積要素の一例としての平滑リアクトル５６が接続されている。また、トランス４０においては、第一の二次巻線４２と第二の二次巻線４３とが直列に接続されている。この二つの二次巻線の接続点（センタータップ）と、平滑リアクトル５６における入出力端５０の逆側とが接続されている。二次巻線４２の他端はスイッチング素子６３のドレイン及びスイッチング素子６４のソースに接続されている。二次巻線４３の他端はスイッチング素子６１のソース及びスイッチング素子６２のドレインに接続されている。スイッチング素子６２のソースとスイッチング素子６３のソースとが入出力端５０の負極側に接続されている。なお、入出力端５０には、図１に示すように蓄電池５の端子が接続されている。
【００３４】
また、スイッチング素子６１のドレインと、スイッチング素子６４のドレインは、スナバコンデンサ５８の一端に接続されている。このスイッチング素子６１、スイッチング素子６３及びスナバコンデンサ５８は、後述のようにアクティブスナバを構成する。スイッチング素子６１のソースはスイッチング素子６２のドレインに接続され、スイッチング素子６４のソースはスイッチング素子６３のドレインに接続され、スナバコンデンサ５８の他端は第一の二次巻線４２と第二の二次巻線４３の接続点（センタータップ）及び、平滑リアクトル５６における入出力端子５０とは逆側に接続されている。
【００３５】
スイッチング素子６１〜６４のドレイン−ソース間には、ソース側からドレイン側へ電流を流すように、還流ダイオード６１ａ〜６４ａがそれぞれ接続されている。ここで、還流ダイオード６１ａ〜６４ａとしてスイッチング素子６１〜６４のボディダイオードを利用することもできる。スイッチング素子３１〜３４と、スイッチング素子６１〜６４は、制御装置７によってスイッチング制御される。なお、上記においてスイッチング素子６２及び６３はスイッチング素子群に相当し、スイッチング素子６１及び６４はスイッチング素子組に相当する。また、スイッチング素子６２は第一スイッチング素子に、スイッチング素子６３は第二スイッチング素子に、スイッチング素子６１は第三スイッチング素子に、スイッチング素子６４は第四スイッチング素子に相当する。
【００３６】
ここで、スイッチング素子３１〜３４、６１〜６４及び、還流ダイオード３１ａ〜３４ａ、６１ａ〜６４ａにおいて、素子を流れる電流をオフとして素子に印加される電圧が変化する場合に、電流が直ちに零になるのでなく、一旦逆極性の逆回復電流が流れるとともに、サージ電圧が生じてしまう現象が知られている。
【００３７】
図３には半導体素子において電流をオフする場合の電流及び電圧の挙動を示す。図３において、左端の状態で素子の両端の電圧がＶＦ、素子を流れている電流値がＩＦである。この状態から時刻ｔ０において素子をオフとした場合、電流値は直ちに零になるのでなく、一旦逆極性の逆回復電流ＩｒＭが流れ、その後に零に漸近する。一方電圧値は、ＶＦから直ちに電源電圧に変化するのではなく、逆回復電流の減少率ｄｉｒ／ｄｔに比例した高さのピークであるサージ電圧が発生し、その後電源電圧に漸近する。ここで、比例定数Ｌ´は、回路内に設けられた実際のリアクトルのインダクタンスの他、回路構成によって生じる寄生インダクタンスを含むものである。この逆回復電流やサージ電圧が素子に印加された際には素子に瞬間的に過負荷が生じ素子が破壊に至る場合がある。本実施例では、この逆回復電流及びサージ電圧を抑制するために、アクティブスナバを導入することとした。
【００３８】
詳細な動作説明に先立って、図２の回路図における電流の向きについて定義する。スイッチング素子３１〜３４及び６１〜６４と、それぞれ並列に接続された還流ダイオード３１ａ〜３４ａ及び６１ａ〜６４ａとに流れる電流は、スイッチング素子３１〜３４及び６１〜６４のドレインからソースへ流れる方向を正とする。また、一次巻線４１の電流は、第１のスイッチングアームから第２のスイッチングアームへ流れる方向を正とする。スナバコンデンサ５８に流れる電流は、スイッチング素子６１及び６４のドレイン側から平滑リアクトル５６または二次巻線４２及び二次巻線４３の接続点へ流れる向きを正とする。
【００３９】
二次巻線４２、二次巻線４３及び平滑リアクトル５６の電流の向きは、入出力端２０から入力される電気エネルギーを入出力端５０へ送る充電動作の場合には、二次巻線４２または二次巻線４３を通過し、二次巻線４２または二次巻線４３の接続点から平滑リアクトル５６を通過して入出力端５０の正極側へ流れる向きを正とし、入出力端５０から入力される電気エネルギーを入出力端２０へ送る放電動作の場合には、入出力端５０の正極側から二次巻線４２と二次巻線４３との接続点へ流れ、接続点から二次巻線４２または二次巻線４３に流れる方向を正とする。
【００４０】
以下、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の動作を詳細に説明する。ここで、入出力端２０から入力される電気エネルギーを入出力端５０へ送る動作を充電動作とし、入出力端５０のエネルギーを入出力端２０へ送る動作を放電動作とする。
【００４１】
［充電動作］
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６による充電時の動作について説明する。ここでは先ず、図４を用いてアクティブスナバの機能を考慮しない場合のＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂの充電時の基本動作について説明する。
【００４２】
（フェーズ１）
フェーズ１では、図２に示す高圧側回路６ａにおいて、スイッチング素子３１と３３がオン状態であり、一次巻線４１において正方向（図中上から下）に電流が流れているとする。その場合、図４（ａ）に示すように、低圧側回路６ｂでは、二次巻線４２を正方向（図中下から上）へ電流が流れる。このとき、入出力端５０の負極側からスイッチング素子６３の還流ダイオード６３ａを電流が流れ整流が実施される。また、二次巻線４２を通過した電流は平滑リアクトル５６を通過する。
【００４３】
（フェーズ２）
フェーズ２では、図２に示す高圧側回路６ａにおいて、スイッチング素子３２と３４がオン状態であり、一次巻線４１において負方向（図中下から上）に電流が流れているとする。このとき、低圧側回路６ｂでは、図４（ｂ）に示すように、トランス４０における電流の流れる方向が逆転し、二次巻線４３を正方向（図中上から下）に電流が流れる。このフェーズでは、スイッチング素子６２の還流ダイオード６２ａを電流が流れ整流が実施される。このように、低圧側回路６ｂにおける充電動作時には、上記のフェーズ１及びフェーズ２における動作を繰り返しながら、トランス４０によって入出力端２０からの入力電圧の電圧値を降下して入出力端５０に電気エネルギーを転送し、その先にある蓄電池５を充電する。
【００４４】
上記で説明した充電動作では、フェーズ１からフェーズ２に移行する際に、還流ダイオード６３ａを流れる電流がオフとされる。また、その後フェーズ２からフェーズ１に移行する際には、還流ダイオード６２ａを流れる電流がオフとされる。そうすると、フェーズの移行時に各還流ダイオードにおいて逆回復電流が流れるとともにサージ電圧が発生する。このことにより、還流ダイオード６２ａまたは６３ａが破壊される虞があった。
【００４５】
[放電動作]
次に同様に、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６による放電時の動作について説明する。ここでは先ず、図５を用いてアクティブスナバの機能を考慮しない場合の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂの放電時の基本動作について説明する。
【００４６】
（フェーズ１）
図５（ａ）には、入出力端５０に接続された蓄電池５から放電する動作のフェーズ１における電流の状態について示す。この場合には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂにおいて、先ずスイッチング素子６２及びスイッチング素子６３が同時にＯＮされる。このとき、平滑リアクトル５６及びトランス４０の二次巻線４２、４３には正方向の電流が流れる。すなわち、図５（ａ）に示すように、二次巻線４３には図中下から上へ、二次巻線４２には図中上から下へ向かう電流が流れる。
【００４７】
この際、二次巻線４２及び４３には接続点を挟んで逆向きの電力が流れるため電力転送は行われない。従って、この期間中に蓄電池５から放電された電気エネルギーは、平滑リアクトル５６に蓄積される。なお、このときスイッチング素子６２、６３に並列に電流が流れる構造となっているため、一つのスイッチング素子に電流が流れる構造と比較して各スイッチング素子６２、６３を流れる電流が半減する。よって、各スイッチング素子６２、６３における損失が減少し、回路としてのエネルギー効率は向上する。
【００４８】
（フェーズ２）
図５（ｂ）には、入出力端５０に接続された蓄電池５から放電する動作のフェーズ２における電流の状態について示す。図に示すように、このフェーズではスイッチング素子６３がオフとなる。そうすると、トランス４０の二次巻線４２を流れる電流が零になり二次巻線４３にのみ電流が流れる。従って、二次巻線４３を流れる電流により蓄電池５から放電した電気エネルギーが高圧側回路６ａに転送される。その際、フェーズ１で平滑リアクトル５６に蓄えられた電気エネルギーも一緒にトランス４０を介して高圧側回路６ａに転送され、より効率的に昇圧することが可能となる。
【００４９】
（フェーズ３）
次に、図５（ｃ）には、フェーズ３における電流の状態について示す。図から分かるように、フェーズ３においては、再度スイッチング素子６３がオンされ、スイッチング素子６２及び６３が同時にオンとされた状態となる。これにより、スイッチング素子６２及びスイッチング素子６３が同時にオンとされる。このとき、平滑リアクトル５６及びトランス４０の二次巻線４２、４３には正方向の電流が流れる。そうすると、再び電気エネルギーの転送が行われなくなり、平滑リアクトル５６に電気エネルギーが蓄積される。なお、この時も、スイッチング素子６２、６３が並列になるため各々にスイッチング素子を流れる電流が半減し、回路としてのエネルギー効率は向上する。
【００５０】
（フェーズ４）
図５（ｄ）には、フェーズ４における電流の状態について示す。図から分かるように、フェーズ４においては、スイッチング素子６２がオフとされる。そうすると、トランス４０の二次巻線４３を流れる電流が零になり二次巻線４２にのみ電流が流れる。従って、二次巻線４２を流れる電流により蓄電池５から放電した電気エネルギーが高圧側回路６ａに転送される。その際、フェーズ３で平滑リアクトル５６に蓄えられた電気エネルギーも一緒にトランス４０を介して高圧側回路６ａに転送され、より効率的に昇圧することが可能となる。
【００５１】
このように、入出力端５０に接続された蓄電池５から放電する動作においては、以上の
フェーズ１〜フェーズ４が繰り返し実行される。しかしながら、上記において、フェーズ１からフェーズ２に移行する時に、スイッチング素子６３がオフとされ流れる電流が零になるので、その際に、スイッチング素子６３に逆回復電流及びサージが発生する場合があった。また同様に、フェーズ３からフェーズ４に移行する時に、スイッチング素子６２がオフとされ流れる電流が零になるので、その際に、スイッチング素子６２に逆回復電流及びサージが発生する場合があった。そうすると、スイッチング素子６２及び６３が破壊されてしまう危険性があった。
【００５２】
上記のような不都合に対し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６を用いた蓄電池５への充電動作及び蓄電池５からの放電動作において、アクティブスナバを機能させた場合の、低圧側回路６ｂにおける電流の状態について以下に説明する。
【００５３】
［充電動作］
図６〜図８に、本実施例におけるアクティブスナバを機能させた場合の、低圧側回路６ｂにおける充電動作時の電流の状態について示す。
【００５４】
（フェーズ１）
先ず、図６（ａ）に示すフェーズ１は、図４（ａ）における状態と同等の状態である。すなわち、高圧側回路６ａにおいて、スイッチング素子３１と３３がオン状態、スイッチング素子３２と３４がオフ状態であり、一次巻線４１において正方向（図中上から下）に電流が流れている。そして、低圧側回路６ｂでは、二次巻線４２を正方向（図中下から上）へ電流が流れ、入出力端５０の負極側からスイッチング素子６３の還流ダイオード６３ａを電流が流れ整流が実施されている。
【００５５】
（フェーズ２）
次に、フェーズ２では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の高圧側回路６ａのスイッチング素子３２、３４がオンとされ、スイッチング素子３１、３３がオフとされた状態となり、入出力端２０から入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧が、スイッチング素子３２、３４を介してトランス４０の一次巻線４１に印加され、一次巻線４１には負方向（図２中下から上への方向）の電流が流れる。この動作により、トランス４０に発生する磁界が反転すると、低圧側回路６ｂにおいては還流ダイオード６３ａを流れる電流はオフとされ、図６（ｂ）に点線の矢印で示すように、還流ダイオード６３ａに対して逆回復電流が流れ出し、増加する。
【００５６】
（フェーズ３）
次に、フェーズ３では、図６（ｃ）に示すように、逆回復電流が流れている期間の後半で、逆回復電流の絶対値が急激に減少し零になる。その時にｄｉｒ／ｄｔと寄生Ｌ´により還流ダイオード６３ａに磁束の減少を抑制する方向のサージ電圧が発生する。このとき、図６（ｃ）の白抜き矢印に示すように、スイッチング素子６１の還流ダイオード６１ａを経由してアクティブスナバのスナバコンデンサ５８に充電される。
【００５７】
（フェーズ４）
次に、図７（ａ）に示すフェーズ４においては、高圧側回路６ａにおいて、スイッチング素子３２と３４がオンとされた状態が継続し、一次巻線４１において負方向（図中下から上）に電流が継続して流れている。このフェーズにおいて低圧側回路６ｂでは、スイッチング素子６３の還流ダイオード６３ａを流れていた逆回復電流が零となっている。また、図７（ａ）に黒矢印で示すように、二次巻線４３を正方向（図中上から下）に電流が継続して流れ、スイッチング素子６２の還流ダイオード６２ａで整流が行われる。この時に制御装置７は、二次巻線４３に同相の電流が流れるようにスイッチング素子６１をオンする。そして、その際に、図７（ａ）に白抜き矢印で示すように、アクティブスナバのスナ
バコンデンサ５８に蓄積された電気エネルギーを放出して回生する。
【００５８】
（フェーズ５）
次に、フェーズ５において、高圧側回路６ａにおいて、スイッチング素子３１と３３がＯＮ状態となり、一次巻線４１の電流の向きが再び反転して正方向（図中上から下）に電流が流れる。その場合、低圧側回路６ｂでは、スイッチング素子６２の還流ダイオード６２ａを流れる電流がオフとされるので、図７（ｂ）に点線で示すように、還流ダイオード６２ａを流れる逆回復電流が増加し、二次巻線４３を正方向（図中下から上）へ電流が流れる。
【００５９】
（フェーズ６）
次に、フェーズ６においては、図７（ｃ）に示すように、逆回復電流が流れる期間の後半において、還流ダイオード６２ａを流れる逆回復電流の絶対値が急激に減少し零に近づく。その際、ｄｉｒ／ｄｔと寄生Ｌ´により還流ダイオード６２ａにおいて、磁束の減少を抑制する方向のサージ電圧が発生する。この時に生じる電力はスイッチング素子６４の還流ダイオード６４ａを経由してアクティブスナバのスナバコンデンサ５８に充電される。
【００６０】
（フェーズ７）
次に、図８（ａ）に示すフェーズ７においては、高圧側回路６ａにおいて、スイッチング素子３１と３３がオンとされる状態が継続し、一次巻線４１において正方向（図中上から下）に電流が継続して流れており、且つ、スイッチング素子６２の還流ダイオード６２ａを流れていた逆回復電流が零となっている。このフェーズでは、低圧側回路６ｂでは、図８（ａ）に黒矢印で示すように、二次巻線４２を負方向（図中下から上）に電流が継続して流れ、スイッチング素子６３の還流ダイオード６３ａで整流が行われる。この時に制御装置７は、二次巻線４２に同相の電流が流れるようにスイッチング素子６４をオンする。そして、その際に、図８（ａ）に白抜き矢印で示すように、アクティブスナバのスナバコンデンサ５８に蓄積された電気エネルギーを放出して回生する。その後、図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、フェーズ１〜７が繰り返される。
【００６１】
［放電時の動作］
図９及び図１０に、本実施例におけるアクティブスナバを機能させた場合の、低圧側回路６ｂにおける放電動作時の電流の状態について示す。
【００６２】
（フェーズ１）
図９（ａ）には、入出力端５０に接続された蓄電池５から放電する動作のフェーズ１における電流の状態について示す。この場合は、図５（ａ）に示した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂの放電動作時の基本動作におけるフェーズ１と同等の状態となる。すなわち、スイッチング素子６２及びスイッチング素子６３が同時にオンとされ、平滑リアクトル５６及びトランス４０の二次巻線４２、４３に正方向の電流が流れる。この際、二次巻線４２及び４３には接続点を挟んで逆向きの電力が流れるため電力転送は行われず、この期間中に蓄電池５から放電された電気エネルギーは、平滑リアクトル５６に蓄積される。
【００６３】
（フェーズ２）
図９（ｂ）には、フェーズ２における電流の状態について示す。この場合は、図５（ｂ）に示したＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂの放電動作時の基本動作におけるフェーズ２と同等の状態となる。すなわち、このフェーズではスイッチング素子６３がオフとされ、トランス４０の二次巻線４２を流れる電流が零になり二次巻線４３にのみ電流が流れる。従って、二次巻線４３を流れる電流により蓄電池５から放電した電気エネルギー
が高圧側回路６ａに転送される。その際、フェーズ１で平滑リアクトル５６に蓄えられた電気エネルギーも一緒にトランス４０を介して高圧側回路６ａに転送される。
【００６４】
（フェーズ３）
上記のフェーズ２では、図９（ｂ）に示したように、オンとされた状態であったスイッチング素子６３をオフとしたので、トランス４０の磁束が急速に減少する。フェーズ３においては、図９（ｃ）に示したように、そのことにより磁束の変化を妨げる方向のサージ電圧が発生しスイッチング素子６４の還流ダイオード６４ａを経由して、アクティブスナバのスナバコンデンサ５８に電気エネルギーが蓄積される。
【００６５】
（フェーズ４）
フェーズ４では、図９（ｄ）に示すように、磁束の減少の最後に、制御装置７はスイッチング素子６４をオンとする。このことにより、フェーズ３においてアクティブスナバのスナバコンデンサ５８に蓄積された電気エネルギーを同相でトランス４０の二次巻線４２に流し、回生する。
【００６６】
（フェーズ５）
次に、図１０（ａ）には、フェーズ５における電流の状態について示す。図から分かるように、フェーズ５においては、図５（ｃ）に示したＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂの放電動作時の基本動作におけるフェーズ３と同等の状態となる。すなわち、再度スイッチング素子６３がオンとされ、スイッチング素子６２及び６３が同時にオンとされた状態となる。このとき、平滑リアクトル５６及びトランス４０の二次巻線４２、４３には正方向の電流が流れ、再び電気エネルギーの転送が行われなくなるので、平滑リアクトル５６に電気エネルギーが蓄積される。
【００６７】
（フェーズ６）
図１０（ｂ）には、フェーズ６における電流の状態について示す。図から分かるように、フェーズ６においては、図５（ｄ）に示したＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂの放電動作時の基本動作におけるフェーズ４と同等の状態になる。すなわち、スイッチング素子６２がオフとされ、トランス４０の二次巻線４３を流れる電流が零になり二次巻線４２にのみ電流が流れる。従って、二次巻線４２を流れる電流により蓄電池５から放電した電気エネルギーが高圧側回路６ａに転送される。その際、フェーズ５で平滑リアクトル５６に蓄えられた電気エネルギーも一緒にトランス４０を介して高圧側回路６ａに転送される。
【００６８】
（フェーズ７）
フェーズ６では、図１０（ｂ）に示すように、オン状態であったスイッチング素子６２をオフとしたので、トランス４０の磁束が急速に減少した。フェーズ７においては、図１０（ｃ）に示したように、そのことにより磁束の変化を妨げる方向のサージ電圧が発生しスイッチング素子６１の還流ダイオード６１ａを経由して、アクティブスナバのスナバコンデンサ５８に電気エネルギーが蓄積される。
【００６９】
（フェーズ８）
フェーズ８では、図１０（ｄ）に示すように、磁束の減少の最後に、制御装置７はスイッチング素子６１をオンとする。このことにより、フェーズ７においてアクティブスナバのスナバコンデンサ５８に蓄積された電気エネルギーを同相でトランス４０の二次巻線４２及び４３に流し、回生する。
【００７０】
以上、説明したように、本実施例においては、アクティブスナバを、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の低圧側回路６ｂに設けることとしたため、スイッチング素子またはその還
流ダイオードのオフ時に発生する逆回収電流及びサージ電圧の影響を抑制することができる。その結果、スイッチング素子またはその還流ダイオードの素子破壊を抑制することが可能となる。
【００７１】
また、本実施例においては、アクティブスナバのスナバコンデンサ５８の一端を、アクティブスナバを構成するスイッチング素子６１及び６４のドレイン側と接続し、他端をトランスの二つの二次巻線４２と４３との接続点及び、平滑リアクトル５６における入出力端５０と反対側に接続することとした。これによれば、アクティブスナバをスイッチング素子６１及び６４と１個のスナバコンデンサ５８で構成することができる。また、スナバコンデンサ５８を、スイッチング素子６１及び６４のドレイン側と、入出力端５０の負極側とに接続した場合と比較して、スナバコンデンサ５８に印加される電圧を軽減し、スナバコンデンサ５８として容量の小さいものを使用することができる。このことによっても装置としてのコストダウンを図ることが可能となる。
【００７２】
なお、本実施例において、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の高圧側回路６ａは、フルブリッジ回路によって構成した。しかしながら、本発明では、高圧側回路６ａの構成は上記の実施の形態に限定されるものではなく、回路構成は問わない。また、本実施例においては、一次変換回路部の一例として高圧側回路６ａ、二次変換回路部の一例として低圧側回路６ｂを挙げ、一次変換回路部の入出力端における直流電力を昇圧して二次変換回路部における入出力端から出力する構成としたが、本発明は、一次変換回路部の入出力端における直流電力を降圧して二次変換回路部における入出力端から出力する構成に適用しても構わない。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・太陽光発電システム
２・・・太陽電池
５・・・蓄電池
６・・・双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
６ａ・・・高圧側回路
６ｂ・・・低圧側回路
７・・・制御装置
２０、５０・・・入出力端
３１〜３４・・・スイッチング素子
３１ａ〜３４ａ・・・還流ダイオード
４０・・・トランス
４１・・・一次巻線
４２、４３・・・二次巻線
５８・・・スナバコンデンサ
６１〜６４・・・スイッチング素子
６１ａ〜６４ａ・・・還流ダイオード
【図１】
0006349265.tif 000002
【図２】
0006349265.tif 000003
【図３】
0006349265.tif 000004
【図４】
0006349265.tif 000005
【図５】
0006349265.tif 000006
【図６】
0006349265.tif 000007
【図７】
0006349265.tif 000008
【図８】
0006349265.tif 000009
【図９】
0006349265.tif 000010
【図１０】
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