JP2008141949A - 常時オンスイッチを含む電流型電力コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＶインバータの各段階の効率を上げるための装置を提供する。
【解決手段】システム（１０）は、電流制限源として動作するように構成されたエネルギー源（１２）ならびに前記エネルギー源から電流を受けるように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ（１４）または電流スイッチ型インバータ（３０）を含み、常時オンスイッチ（１５）を備える。他の実施形態では、電力コンバータシステムは、調整されたＤＣ電圧をもたらすように構成された常時オンスイッチを含む電流型ＤＣ−ＤＣコンバータおよびその調整されたＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するように構成された電圧型インバータを備える。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示されている主題は、全体的に、半導体スイッチを含む電力コンバータシステムに関する。

光起電力（ＰＶ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）セルは、直流（ＤＣ）電力を発生するが、その直流（ＤＣ）電流のレベルは日照に依存し、その直流（ＤＣ）電圧のレベルは温度に依存する。交流（ＡＣ）電力が求められるときにはＤＣエネルギーをＡＣエネルギーに変換するためにインバータが使用される。一般的なＰＶインバータは、電力を処理するために２つの段階を使用し、第１の段階は一定のＤＣ電圧をもたらすように構成されており、２番目の段階はその一定のＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するように構成されている。第１の段階は昇圧型コンバータを含み、第２の段階は単相または三相のインバータシステムを含むことがしばしばである。２段階インバータの効率は、ＰＶシステム効率に影響を与える重要なパラメータであり、個々の段階の効率の複合であるが、一般的にその各段階がシステム損失の半分を引き起こす。
米国特許出願第２００４０１２５６１８号 国際公開第０１６７８７号パンフレット 欧州特許第１３０６９０３号明細書

したがってＰＶインバータの各段階の効率を上げることが望ましい。第１の段階の昇圧型コンバータは、一般的に常時オフのシリコンＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）またはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のスイッチング装置を含む。

一実施形態によれば、システムは、電流制限源として動作するように構成されたエネルギー源およびそのエネルギー源からの電流を受けるように構成され、常時オンスイッチを含むＤＣ−ＤＣコンバータを備える。

他の実施形態では、電力コンバータシステムは、調整されたＤＣ電圧をもたらすように構成された常時オンスイッチを含む電流型ＤＣ−ＤＣコンバータおよびその調整されたＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するように構成された電圧型インバータを備える。

他の実施形態によれば、光起電力インバータは、常時オンスイッチ、ダイオード、およびインダクタを含み、太陽光発電によるエネルギー源から一定のＤＣ電圧をもたらすように構成されたＤＣ−ＤＣ電流型昇圧コンバータ、およびそのＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するように構成されたインバータを備える。

他の実施形態によれば、電力コンバータシステムは、調整されたＤＣ電圧をもたらすように構成されたＤＣ−ＤＣ電流型コンバータおよびその調整されたＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するように構成された電流スイッチ型インバータを備え、その電流スイッチ型インバータは常時オンスイッチを含む。

他の実施形態によれば、電力コンバータシステムは、電流制限エネルギー源のフィルタ処理された電圧をＡＣ電流に変換するように構成された電流スイッチ型インバータを備え、その電流スイッチ型インバータは常時オンスイッチを含む。

本発明のこれらのおよびその他の特徴、態様、および利点は、下記の詳細説明を、その図面全体を通して同じ符号が同じ部品を表わす添付図面を参考に読めばより良く理解されるようになるであろう。

図１は、一実施形態によるブロック図であり、システム１０は、電流制限源として作動するように構成されたエネルギー源１２および常時オンスイッチ１５を含むＤＣ−ＤＣコンバータ１４を備える。図２は、図１の実施形態のより具体的な態様で使用するためのＤＣ−ＤＣコンバータの図である。

電流制限源（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｍｉｔｔｅｄ ｓｏｕｒｃｅ）は、短絡が発生したとき電流を自然にシステムの動作範囲内のレベルまたはシステムの動作範囲を僅かに超えるが装置の破壊が起こる程ではないレベルに制限する電源である。電流制限源は、一般的に規定の最大電流値を有し、その端子間で高いインピーダンスを示す。電流制限源はその上に電圧制限式であることがしばしばである。一実施形態では、エネルギー源１２は太陽光発電によるエネルギー源であることがしばしばである。しかしその他のタイプのエネルギー源が使用されることもあり、その１つの例は燃料電池である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、一般的に電流型コンバータを備える。本明細書で使用されている電流型コンバータとは電流制限源によって給電されるコンバータを意味する。他のより具体的な実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は一定のＤＣ電圧レベルを保持するために昇圧用コンバータを備える。

スイッチ１５は、一般的に広いバンドギャップの半導体材料、例えば炭化ケイ素またはガリウムヒ素を備える。その他の潜在的なスイッチ材料に窒化ガリウム、ダイヤモンド、およびカーボンナノチューブがある。例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）のスイッチング装置は、シリコンスイッチング装置に比較して優れた伝導およびスイッチング動作を有することがしばしばであり、したがってＤＣ−ＤＣコンバータ１４の効率を向上させることもある。

スイッチ１５は任意の適切なタイプの常時オンスイッチを備える。常時オンスイッチの１つの例は接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）である。いくつかのタイプの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、例えばデプリーションモードＭＯＳＦＥＴも常時オンスイッチである。

より具体的な例では、ＳｉＣ ＪＦＥＴが光起電力インバータ１０のブースト段階１４でスイッチ１５として使用されている。常時オンのスイッチング特性をもつ装置は、故障の場合に装置の端子が短絡するという懸念からパワーエレクトロニックシステムで一般的に使用されることはない。しかし光起電力エネルギー源（例えば太陽電池）は電流制限源なのでＳｉＣ ＪＦＥＴの常時オン特性は安全上重大な問題ではない。ＤＣ−ＤＣコンバータ１４が故障する場合、ＳｉＣ ＪＦＥＴスイッチ１５は太陽光発電によるエネルギー源１２を短絡するが電流は、通常動作電流をある％超えるだけである。短絡電流は、一般的にエネルギー源の通常動作電流より２０または３０％高い値に等しいかその値より少ない。より具体的な実施形態では短絡電流は、エネルギー源の通常動作電流より１０％高い値に等しいかその値より少ない。太陽光発電によるエネルギー源ならびに関連するケーブルおよびコネクタ（図示せず）は、故障が長引いている最中でもオーバーヒートせずに増加した電流を伝送することができる。この電流を制限する特徴は、より従来式のＤＣ電源、例えばバッテリおよび発電機に照らすと光起電力エネルギー源と燃料電池電源の間の違いである。図２の実施形態では、スイッチ１５がオンにされるとスイッチ１５の両端にかかる電圧はゼロに落ち、ダイオード２２は逆バイアスされてＤＣリンク上のキャパシタ（例に挙げたキャパシタは図３でＤＣリンク３６上のキャパシタ４４として示されている）の電圧をブロックする。したがってスイッチ１５が短絡されてもグリッド２０を短絡しない。

炭化ケイ素のスイッチが使用されるときには、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４に炭化ケイ素のダイオード２２含むことも便利である。１つの例では、ダイオード２２はショットキーダイオードを含む。ショットキーダイオードは逆回復損失を殆ど有さず、したがってＤＣ−ＤＣコンバータではスイッチング損失が小さくなり好都合である。ＳｉＣショットキーダイオードは、例えば標準のＰＮ接合シリコンダイオードより若干高い伝導損失を有するがその純損失は低い。さらにＳｉＣデバイスはシリコンデバイスより高い温度で動作することができる。本明細書では炭化ケイ素ダイオードが例として説明されているがその他の材料を使用することもでき、その一例に窒化ガリウムがある。

図１を再度参照すると、１つの例では、ＤＣリンク１６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４をインバータ（ＤＣ−ＡＣコンバータ）１８に接続しており、ＤＣリンクキャパシタまたはキャパシタバンク（図１に図示せず）を含むのが一般的である。インバータ１８は、グリッド２０またはその他の負荷（図示せず）に給電するためにＤＣ電圧をＡＣ電流に変換する。電流型コンバータがＤＣ−ＤＣコンバータ１４として使用されている実施形態では、インバータ１８は一般的に電圧型インバータを備える。

図２にはインダクタンス２４も示されている。インダクタンス２４は、電流の形態でエネルギーを蓄えるために使用され、その電流がコンバータでＤＣリンクキャパシタをソースするのに使用される。ＰＶインバータ用として一般的なインダクタは電力レベル、電圧範囲、およびスイッチング周波数に基づいて選択される。例えば２０ｋＨｚで動作する２．５ＫＷの昇圧型コンバータ用として一般的なインダクタは２ｍＨから１０ｍＨの範囲にある。インダクタと組み合わせてＳｉＣ ＪＦＥＴが使用されるときには、ＪＦＥＴは、例えば効率を損なうことなく１００キロヘルツから３００キロヘルツの範囲の高いスイッチング周波数で動作することができる。これがインダクタのインダクタンスを減少させ、コンバータの効率を向上させる。

図１は、１つの電源１２、１つのＤＣ−ＤＣコンバータ１４、および１つのインバータ１８を図示しているが、要すれば電源、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータ、またはこれらを任意に組み合わせたものを追加して使用することができる。１つの例では、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第２００４０１２５６１８号に説明されているように、多数のエネルギー源および多数のＤＣ−ＤＣコンバータが単一のインバータに接続されている。

図３は、他の実施形態による電力コンバータシステムの図であり、電力コンバータシステム２６は、調整されたＤＣ電圧をもたらすように構成されたＤＣ−ＤＣ電流型コンバータ２８およびその調整されたＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するように構成された電流スイッチ型インバータ３０を備え、その電流スイッチ型インバータは常時オンスイッチ３２を含む。

図２〜３の実施形態では、故障状態の下でインバータをコンバータから分離し、グリッド２０からのエネルギーがエネルギー源１２に到達して潜在的にそのエネルギー源を破損するのを阻止するためにコンバータダイオード２２が有用である。このようなダイオードは、一般的にインバータには存在しないが、図３でダイオード３８および４０で図示されているように追加することができる。それに加えてまたは代替としてインバータインダクタンス３４を含み、例えばインバータ３０およびＤＣリンク３６を接続することができる。このようなインダクタンスの実施形態で、常時オンスイッチを使用するとゲート信号の欠如が１つまたは複数のスイッチをオン状態にさせる。何らかの理由でゲートドライバが電力を失うか故障するとその結果１つまたは複数のスイッチがオン状態になる。グリッド２０の両端にわたる電流経路が現れ、その結果負荷インダクタンスがＤＣリンクキャパシタ４４を通してグリッドの両端にわたって直接接続される状況が発生し、電源電流は、インダクタンスを伴わないときよりも低い速度になる方式で上昇する。したがってシステムは、電流が特定の閾値を越えて上昇し続けるとき故障を検知するための時間を有する。閾値が越えられると、ＡＣ接触器（図示せず）を開いてシステムをエネルギー源から切り離すなどの対策を取ることができる。２つのスイッチが同時に故障した場合のシステム保護にさらなるインバータインダクタンス（図示せず）が有益であることもある。図３の実施形態で、要すれば、コンバータ２８は、図１および２に関して上述したのと同様の方式でさらなる常時オンスイッチ４２を含むこともできる。

図４は、他の実施形態による電力コンバータの図であり、電力コンバータシステム４６は、電流制限エネルギー源１２のフィルタ処理された電圧をＡＣ電流に変換するように構成され、常時オンスイッチ５０を含む電流スイッチ型インバータ４８を備える。より具体的な実施形態では、電力コンバータシステム４６は、フィルタキャパシタ５２およびインバータをフィルタキャパシタに接続しているフィルタインダクタンス５４をさらに含む。

図１および２に関して上記で討議された実施形態の態様の多くは、図３および４の例にも適用可能である。例えば、電力コンバータシステム２６および４６は、電流制限源として、より具体的には光起電力エネルギー源として動作するように構成されたエネルギー源１２から電流を受けるように構成することができる。他の例としては、スイッチ３２および５０は、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、あるいは炭化ケイ素およびＪＦＥＴまたはデプリーションモードＭＯＳＦＥＴのようなデバイスからできているグループから選択された材料を備えることもある。

本明細書では、本発明の特定の特徴のみが図示され説明されてきたが、当業者にとっては多くの改変および変更が思いつかれることであろう。したがって添付の特許請求の範囲は、本発明の本来の精神に収まるような改変および変化をカバーするものとすることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

一実施形態による電力コンバータシステムのブロック図である。 図１の実施形態のより具体的な態様で使用するためのＤＣ−ＤＣコンバータの図である。 他の実施形態による電力コンバータシステムの図である。 他の実施形態による電力コンバータシステムの図である。

符号の説明

１０ システム
１２ エネルギー源
１４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５ スイッチ
１６ ＤＣリンク
１８ インバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
２０ グリッド
２２ ダイオード
２４ インダクタンス
２６ システム
２８ コンバータ
３０ インバータ
３２ スイッチ
３４ インダクタンス
３６ ＤＣリンク
３８ ダイオード
４０ ダイオード
４２ スイッチ
４４ キャパシタ
４６ システム
４８ インバータ
５０ スイッチ
５２ キャパシタ
５６ インダクタ

Claims (10)

1. 電流制限源として動作するように構成されたエネルギー源（１２）と、
   前記エネルギー源から電流を受けるように構成され、常時オンスイッチ（１５）を含むＤＣ−ＤＣコンバータ（１４）とを備える
   システム（１０）。
2. 前記スイッチが炭化ケイ素スイッチを備える請求項１記載のシステム。
3. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータが炭化ケイ素ダイオード（２２）をさらに含む請求項２記載のシステム。
4. 前記エネルギー源が光起電力エネルギー源を備え、前記スイッチがＪＦＥＴを含み、前記ＤＣ−ＤＣコンバータがショットキーダイオードをさらに含む請求項１記載のシステム。
5. 調整されたＤＣ電圧をもたらすように構成された常時オンスイッチ（１５）を含むＤＣ−ＤＣ電流型コンバータ（１４）と、
   前記調整されたＤＣ電圧をＡＣ電流に変換するように構成された電圧型インバータ（１８）を備える
   電力コンバータシステム（１０）。
6. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型コンバータを備える請求項５記載のシステム。
7. 調整されたＤＣ電圧をもたらすように構成された電流型ＤＣ−ＤＣコンバータ（２８）と、
   前記調整されたＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するように構成され、常時オンスイッチ（３２）を含む電流スイッチ型インバータ（３０）を備える
   電力コンバータシステム（２６）。
8. ＤＣリンク（３６）をさらに備え、前記インバータが、前記インバータを前記ＤＣリンクに接続するインダクタンス（３４）をさらに含む請求項７に記載のシステム。
9. 前記インバータの前記常時オンスイッチがインバータ常時オンスイッチを備え、前記コンバータがコンバータ常時オンスイッチ（４２）をさらに含む請求項７記載のシステム。
10. 電流制限エネルギー源（１２）のフィルタ処理された電圧をＡＣ電流に変換するように構成された電流スイッチ型インバータ（４８）を備え、前記電流スイッチ型インバータが常時オンスイッチ（５０）を含む電力コンバータシステム（４６）。