JP2014007811A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】電流共振型のソフトスイッチング方式で駆動される昇圧コンバータ３を備え、その昇圧コンバータ３の動作周波数を調整して、昇圧コンバータ３の電力変換効率を測定し、電力変換効率が最大となる動作周波数で昇圧コンバータ３を駆動するように制御を行う電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムに関する。

従来の電力変換装置について図面を参照しながら説明する。図４は従来の電力変換装置の構成の一例を示すブロック図である。

図４に示すように、電力変換装置は、例えば燃料電池５１から直流電力を入力し、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流に変換して系統５２に交流電力を供給している。

そして、電力変換装置は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧する昇圧コンバータ５３と、昇圧された電圧の高周波成分を除去する中間段コンデンサ５４と、出力電流を正弦波に波形成形するインバータ回路５５と、インバータ回路５５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ５６とを備え、系統５２に接続されている。

このとき、昇圧コンバータ５３は、入力電圧を平滑する平滑コンデンサ５３１、スイッチング素子Ｑ５３３〜Ｑ５３６を４石使用したフルブリッジ構成のコンバータ回路５３２と、コンバータ回路５３２の出力に一次側が接続された高周波昇圧トランス５３７と、高周波昇圧トランス５３７の二次側には、コイル５３９とコンデンサ５４０で構成された電流共振回路５３８が接続され、電流共振回路５３８の出力に接続された整流回路５４１とで構成されている。

さらに、インバータ回路５５は、パワー・スイッチング素子Ｑ５４２〜Ｑ５４５を４石使用したフルブリッジ構成からなる。

通常、電力の供給元である燃料電池の場合、電力変換装置への入力電圧は比較的低電圧である。そのため、入力電圧を高電圧へと電圧変換する昇圧コンバータ５３を備えた電力変換装置を用いることが一般的である。

なお、昇圧コンバータ５３を電流共振形のソフトスイッチング方式で動作させ、コンバータ回路５３２のパワー・スイッチング素子Ｑ５３３〜Ｑ５３６がスイッチングする際のスイッチング損失を低減させている。

すなわち、電流共振回路５３８は、直列に接続されたコイル５３９とコンデンサ５４０で構成された電流共振回路で構成されており、コイル５３９のインダクタンスをＬとし、コンデンサ５４０のキャパシタンスをＣとすると、電流共振回路５３８の共振周波数は、
ｆｑ ＝ １／（２π√ＬＣ）
で表され、コンバータ回路５３２の高周波スイッチング動作を共振周波数ｆｑでスイッチングすることにより、コンバータ回路５３２ではパワー・スイッチング素子Ｑ５３３〜Ｑ５３６のターン・オンの際、電流共振回路５３８により電流が緩やかに立ち上がり、オフになる前に零になるいわゆる零電流スイッチングが達成され、スイッチング損失は極めて小さくなる。

特開２００５−２２４０１２号公報

しかしながら、昇圧コンバータの電力変換効率が最大となる様に、昇圧コンバータを電流共振形のソフトスイッチング方式で動作させるためには、電流共振回路のコイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスの値から決定される共振周波数ｆｑと、コンバータ回路を駆動するスイッチング周波数ｆｓを一致させる必要があった。

２つの周波数ｆｑとｆｓを一致させる為、コイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスの定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、精度の高いコイルとコンデンサが必要となり、価格を上昇させるという課題があった。

また、電力変換装置への入力電圧が低電圧の場合、高電圧へと電圧変換するために、高周波昇圧トランスの巻線比を大きくするため、高周波昇圧トランスの一次側の巻線数が少なくなり、高周波昇圧トランスのリーケージインダクタンスが高周波昇圧トランスと他の部品の配線の長さや不均衡に起因して、高周波昇圧トランスのリーケージインダクタンスがバラつきやすくなる。よって、コイルのインダクタンスと高周波昇圧トランスのリーケージインダクタンスの合成インダクタンスがバラつき、共振周波数ｆｑがずれて、共振周波数ｆｑが製品ごとに一定にならないという課題もあった。

さらに、電流共振回路を構成するコイルは、コイルに流れる電流の大きさにより、インダクタンスが変化（直流重畳特性）するため、電力変換装置の定格出力時の効率が最大になる共振周波数では、出力の全域において電力変換効率を最大に出来ない課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、水素を含む燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、電流共振回路を含み、電流共振型のソフトスイッチング方式で駆動され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータが出力する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整することによって検査工程において予め測定された前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する。

これによって、電流共振回路の動作周波数を決定する、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コイルが不要で、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムである。

また、本発明の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、前記制御器は、前記電力変換装置の出力範囲毎に、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定し、前記電力変換装置の出力範囲毎に異なる前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する。

これによって、電流共振回路の動作周波数を決定する、定数バラツキ（容量許容差）が
小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムである。

本発明の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック図 本発明の実施の形態２における電力変換装置のブロック図 本発明の実施の形態３における電力変換装置のブロック図 従来の電力変換装置のブロック図

第１の発明は、水素を含む燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、電流共振回路を含み、電流共振型のソフトスイッチング方式で駆動され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータが出力する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記昇圧コンバータの電力変換効率が最大となる動作周波数である最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、電力変換装置。

上記構成において、電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記制御器は、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整することによって検査工程において予め測定された前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、第１の発明に記載の電力変換装置である。

上記構成において、電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、前記制御器は、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定し、その後、前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、第１の発明に記載の電力変換装置である。

上記構成において、電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃
料電池システムとすることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明において、前記制御器は、前記電力変換装置の起動の際、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定する、第３の発明に記載の電力変換装置である。

上記構成において、電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

第５の発明は、特に、第３〜４の発明において、前記制御器は、前記電力変換装置を所定時間駆動した後、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定する、第３〜４の発明に記載の電力変換装置である。

上記構成において、電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

第６の発明は、特に、第３〜５の発明において、前記制御器は、前記電力変換装置の出力範囲毎に、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定し、前記電力変換装置の出力範囲毎に異なる前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、第３〜５の発明のいずれか１項に記載の電力変換装置である。

上記構成において、電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

第７の発明は、特に、第１〜７の発明において、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整する範囲を予め設定される所定範囲内とする、第１〜７の発明のいずれか１項に記載の電力変換装置である。

上記構成において、電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック図である。

図１において、電力変換装置は、水素を含む燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１から出力される直流電力を入力し、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流に変換して系統２に交流電力を供給している。

そして、電力変換装置は、入力電圧Ｖｉｎを昇圧する昇圧コンバータ３と、昇圧された電圧の高周波成分を除去する中間段コンデンサ４と、出力電流を正弦波に波形成形するインバータ回路５と、インバータ回路５の出力から高周波ノイズを除去するフィルタ６とを備え、系統２に接続されている。

このとき、昇圧コンバータ３は、入力電圧を平滑する平滑コンデンサ３１、スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６を４石使用したフルブリッジ構成のコンバータ回路３２と、コンバータ回路３２の出力に一次側が接続された高周波昇圧トランス３７と、高周波昇圧トランス３７の二次側には、コイル３９とコンデンサ４０で構成された電流共振回路３８が接続され、電流共振回路３８の出力に接続された整流回路４１とで構成されている。

さらに、インバータ回路５は、パワー・スイッチング素子Ｑ４２〜Ｑ４５を４石使用したフルブリッジ構成されている。

コンバータ回路３２は、４個のパワー・スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６で構成されたフル・ブリッジ・コンバータ回路で構成されており、４個のパワー・スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６を高周波スイッチングで動作させ、燃料電池１の直流電圧Ｖｉｎを高周波交流に変換している。また、高周波昇圧トランス３７の一次側に高周波交流が印加されるため、高周波昇圧トランス３７の二次側に高周波交流が発生する。

なお、コンバータ回路３２は、ハーフ・ブリッジ・コンバータ回路もしくは、プッシュプル・コンバータ回路で構成されても同じ動作を実現できる。

なお、昇圧コンバータ３を電流共振形のソフトスイッチング方式で動作させ、コンバータ回路３２のパワー・スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６がスイッチングする際のスイッチング損失を低減させている。

すなわち、電流共振回路３８は、直列に接続されたコイル３９とコンデンサ４０で構成された電流共振回路で構成されており、コイル３９のインダクタンスをＬとし、コンデンサ４０のキャパシタンスをＣとすると、電流共振回路３８の共振周波数は、
ｆｑ ＝ １／（２π√ＬＣ）
で表され、コンバータ回路３２の高周波スイッチング動作を共振周波数ｆｑでスイッチングすることにより、コンバータ回路３２ではパワー・スイッチング素子Ｑ３３〜Ｑ３６のターン・オンの際、電流共振回路５３８により電流が緩やかに立ち上がり、オフになる前に零になるいわゆる零電流スイッチングが達成され、スイッチング損失は極めて小さくなる。

整流回路４１は、４個のダイオードで構成されたブリッジ・ダイオード回路で構成されており、電流共振回路３８で発生する高周波交流電流が入力されるため、整流回路４１の出力に昇圧された直流電圧が発生する。

電流共振回路のコイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスの値から決定される共振周波数ｆｑと、コンバータ回路を駆動するスイッチング周波数ｆｓを一致させて零電流スイッチングで動作できた時、昇圧コンバータ３の電力変換効率は最大となる。

なお、整流回路４１の昇圧された直流電圧出力を入力とするインバータ回路５は、４個のパワー・スイッチング素子Ｑ４２〜Ｑ４５で構成されたフル・ブリッジ・インバータ回路で構成されており、４個のパワー・スイッチング素子Ｑ４２〜Ｑ４５をスイッチングで動作さし、整流回路４１の昇圧された直流電圧出力を商用周波数の交流に変換している。

以上のように構成された電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。

電力変換装置の製品検査工程の検査機の指令に基づいて、製品一台ずつ、電力変換装置の出力レベル毎に、コンバータ回路３２の動作周波数ｆｓを可変しつつ電力変換装置の効率を測定し、最大効率の動作周波数ｆｑｍａｘを記憶して、その値ｆｑｍａｘを製品に記憶さし、以降、電力変換装置の出力レベル毎に、その最大効率周波数で電力変換装置を動作させる。

なお、前記昇圧コンバータの動作周波数を可変する範囲を予め設定される所定範囲内とする。

これによって、制御器に高機能の演算回路を必要とせずに、最大効率の動作周波数ｆｑｍａｘを検出できる。

よって、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置として製品を出荷することができる。

さらに、電力変換装置が使用状態において、前記制御器は、前記電力変換装置の起動の際、前記電力変換装置を所定時間駆動した後、電力変換装置の出力レベル毎に、コンバータ回路３２の動作周波数をｆｓ可変しつつ電力変換装置の効率を測定し、最大効率の動作周波数ｆｑｍａｘを記憶して、その値ｆｑｍａｘを製品に記憶し、以降、電力変換装置の出力レベル毎に、その最大効率周波数で電力変換装置を動作させる。

なお、前記昇圧コンバータの動作周波数を可変する範囲を予め設定される所定範囲内とする。

これによって、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とすることができる。

また、電流共振回路３８のコイル３９は、高周波昇圧トランス３７のリーケージインダクタンスで実現することが可能で、さらに安価で高効率の電力変換装置とすることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック図である。

図２において、昇圧コンバータは、複数で構成され、昇圧コンバータの出力が直列に接続構成されている。なお、動作は実施の形態１と同一である。

これによって、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態１における電力変換装置のブロック図である。

図３において、昇圧コンバータは、複数で構成され、昇圧コンバータの出力が並列に接続構成される。なお、動作は実施の形態１と同一である。

これによって、電流共振回路の動作周波数を決定する定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性の良い、コンデンサと、定数バラツキ（容量許容差）が小さく、温度特性と直流重畳特性の良い、コイルが不要で、さらに、配線の長さや不均衡に影響も受けない、安価で高効率の電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムとすることができる。

以上のように、本発明にかかる電力変換装置とそれを用いた燃料電池システムは、高効率の昇圧コンバータにより、省エネルギーが要望される、分散型電源システムの技術分野において有用である。

１，５１ 燃料電池
２，５２ 系統
３，５３ 昇圧コンバータ
４，５４ 中間段コンデンサ
５，５５ インバータ回路
６，５６ フィルタ
３１，５３１ 平滑コンデンサ
３２，５３２ コンバータ回路
３７，５３７ 高周波昇圧トランス
３８，５３８ 電流共振回路
３９，５３９ コイル
４０，５４０ コンデンサ
４１，５４１ 整流回路

Claims (7)

1. 水素を含む燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
   電流共振回路を含み、電流共振型のソフトスイッチング方式で駆動され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
   前記昇圧コンバータが出力する直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記昇圧コンバータの電力変換効率が最大となる動作周波数である最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、電力変換装置。
2. 前記制御器は、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整することによって検査工程において予め測定された前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御器は、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定し、その後、前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記制御器は、前記電力変換装置の起動の際、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定する、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記制御器は、前記電力変換装置を所定時間駆動した後、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定する、請求項３又は４に記載の電力変換装置。
6. 前記制御器は、前記電力変換装置の出力範囲毎に、前記昇圧コンバータの動作周波数を調整して前記昇圧コンバータの電力変換効率を測定し、前記電力変換装置の出力範囲毎に異なる前記最大効率動作周波数で、前記昇圧コンバータを駆動する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記昇圧コンバータの動作周波数を調整する範囲を予め設定される所定範囲内とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。