JP5842233B1

JP5842233B1 - 直流電力変換装置

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Publication number: JP5842233B1
Application number: JP2014196767A
Authority: JP
Inventors: 大島　雅文; 雅文大島
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: JP2016073001A

Abstract

【課題】複数のチョッパ回路を並列接続して構成された直流電力変換装置における各チョッパ回路内の電流の帰還路となる回路導体の電流容量の増大を抑える。【解決手段】直流電源と負荷との間に複数のチョッパ回路を並列接続して構成した直流電力変換装置において、前記各チョッパ回路は、第１の直流入力端子および第２の直流入力端子と１つの直流出力端子を備え、前記各チョッパ回路の前記第１の直流入力端子と前記直流電源の正出力端子とを接続し、前記第２の直流入力端子と前記直流電源の負出力端子とを接続し、前記各チョッパ回路の前記直流出力端子と前記負荷の正入力端子とを接続し、前記直流電源の負出力端子と前記負荷の負入力端子とを接続する。【選択図】図１

Description

この発明は、直流電源と負荷の間に複数の並列に接続されたチョッパ回路により直流電源から直流電力を、その電圧を昇圧または降圧して負荷に供給するようにした直流電力変換装置に関する。

例えば、太陽光により発電する太陽光発電パネルで構成された直流電源から負荷へ供給する直流電力の電圧を変換するため、チョッパ回路で構成された直流電力変換装置が用いられる。

チョッパ回路を構成する半導体スイッチ素子は容量が制限されているため、大電力の直流電力を変換する場合は、特許文献１に示されるようにチョッパ回路を複数並列接続して使用する。

図７は、このようにチョッパ回路を複数並列接続して構成した直流電力変換装置の従来例を示すものである。

図７において、ＤＰは、例えば、太陽光発電パネルＳＰで構成された直流電源、ＬＤは、この電源から直流電力の供給される負荷装置である。Ｒは、交流の電力系統に連系する連系インバータ等を含む交流負荷である。ＣＨ１〜ＣＨ３は、直流電源ＤＰと負荷ＬＤとの間に並列接続された複数のチョッパ回路である。

チョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３は、ここでは昇圧チョッパを構成している。各チョッパ回路ＣＨ(１〜３)の正、負入力端子Ｐｉ（１〜３）、Ｎｉ（１〜３）間に、リアクトルＬ（１〜３）とＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴやトランジスタ等からなる半導体スイッチ素子Ｔ（１〜３）の直列回路を接続し、このリアクトルＬと半導体スイッチ素子Ｔの接続点と正出力端子Ｐｏ（１〜３）との間に、ダイオードＤ（１〜３）を出力端に向けて通流する極性にして接続する。また、各チョッパ回路の負入力端Ｎｉと負出力端Ｎｏとは互いに接続する。

このような各チョッパ回路ＣＨ（１〜３）は、その正、負入力端子Ｐｉ（１〜３）、Ｎｉ（１〜３）を、それぞれ直流電源ＤＰの正、負出力端子Ｐａ、Ｎａに並列に接続し、正、負出力端子Ｐｏ（１〜３）、Ｎｏ（１〜３）を、負荷装置ＬＤの正、負入力端子Ｐｂ，Ｎｂに並列に接続して直流電力変換装置ＤＰＣを構成する。

負荷装置ＬＤの入力端に平滑コンデンサＳＣが接続され、かつ、負荷装置ＬＤの入力電圧、すなわち直流電力変換装置の出力電圧Ｖｏを検出するための電圧検出器ＶＤが接続される。直流電源の正出力端子Ｐａと各チョッパ回路の正入力端子Ｐｉ（１〜３）を接続する線路中に各チョッパ回路の入力電流Ｉ（１〜３）を検出するためにそれぞれ電流検出器ＩＤ（１〜３）が挿入される。

制御回路ＣＮは、電圧検出器ＶＤによって検出される直流電力変換装置の出力電圧Ｖｏが所定の設定電圧ＶｓになるようにＰＷＭ制御信号ＧＣ（１〜３）を形成し、これによりチョッパ回路ＣＨ１〜３の導通を制御する。

このような直流電力変換装置は、直流電源ＤＰから負荷装置ＬＤへ供給される電流を複数の比較的小容量のチョッパ回路が分担することによる大きな直流電力を負担することができる。しかし、各チョッパ回路は、構成する素子（リアクトル、トランジスタ、ダイオードなど）の特性の不一致や、回路内のインピーダンスの相違により、各チョッパに流れる電流が均等にならない。この場合、回路インピーダンスの小さいチョッパ回路は、これに電流が偏って流れるため大電流になり、構成素子の破壊や劣化が生じる。

これを抑制するために、各チョッパ回路に流れる電流が均等になるように、チョッパ回路を制御することがすでに行われている。すなわち、例えば、特許文献１では、複数の並列接続されたチョッパ回路の入力電流のアンバランスを検出し、この入力電流のアンバランスに応じて、各チョッパ回路のスイッチング制御信号を調整することにより、各チョッパ回路に流れる電流が等しくなるように制御することが行われている。

特開２００９‐２１３２３９号公報

しかしながら、このように並列接続された複数のチョッパ回路の電流のアンバランスを抑制するように構成された直流電力変換装置においても、次のような各チョッパ回路の動作上の問題がある。

すなわち、図７の各チョッパ回路ＣＨには、チョッパ回路ＣＨ１にだけに示すが、半導体スイッチ素子Ｔ１がターンオン(導通)しているときは、実線矢印で示すように直流電源ＤＰ（Ｐａ）‐リアクトルＬ１‐半導体スイッチ素子Ｔ１‐直流電源ＤＰ（Ｎａ）の経路でターンオン電流ＩＡが流れる。そして、半導体スイッチ素子Ｔ１がターンオフ(不導通)すると、一点鎖線で示すように、直流電源ＤＰ（Ｐａ）‐リアクトルＬ１‐ダイオードＤ１‐平滑コンデンサＳＣ‐直流電源ＤＰ（Ｎａ）の経路でターンオフ電流ＩＢが流れる。

半導体スイッチ素子Ｔ１が導通しているとき流れるターンオン電流ＩＡは半導体スイッチ素子Ｔ１を通して流れるため、制御可能であるが、ターンオフ電流ＩＢは、半導体スイッチ素子Ｔ１を通らないため、電流検出器を設けたとしてもこれを制御することができず、ターンオフ電流ＩＢの流れる経路の回路定数によって決まる電流となる。

このため、負荷装置ＬＤにおいて短絡事故が生じた場合、短絡電流を遮断するまでの間は、短絡電流の負荷の負入力端子Ｎｂから直流電源ＤＰの負出力端子Ｎａに帰る電流は、どのチョッパ回路の帰還路を通流するかはそれぞれのインピーダンスに左右されることになる。このため、各チョッパ回路を通して電源側へ帰還する電流は、均一とならず、不均一となる。したがって、各チョッパ回路の帰還路となる回路導体は、予めこのことを想定して決められる電流分担率を加味して大きめの電流容量の導体を使用するので、チョッパ回路を構成するプリント基板の回路導体を必要以上に大きくなる。プリント基板の回路導体の電流容量には制限があるので、場合によっては、実際に必要な電流容量を確保することができないことがある。

この発明は、複数のチョッパ回路を並列接続して構成された直流電力変換装置における各チョッパ回路におけるこのような問題に解消するため、特にプリント基板に搭載してユニット化する際に、チョッパ回路内の電流の帰還路となる回路導体の電流容量の増大を抑えることのできる流電力変換装置を提供することを課題とするものである。

このような課題を解決するために、この発明は、直流電源と負荷との間に複数のチョッパ回路を並列接続して構成した直流電力変換装置において、
前記直流電源は、前記負荷の定格電圧を含む範囲で出力電圧が変動する太陽電池を含み、
前記各チョッパ回路は、第１の直流入力端子および第２の直流入力端子と１つの直流出力端子を備え、前記各チョッパ回路の前記第１の直流入力端子と前記直流電源の正出力端子とを接続し、前記第２の直流入力端子と前記直流電源の負出力端子とを接続し、前記各チョッパ回路の前記直流出力端子と前記負荷の正入力端子とを接続し、前記直流電源の負出力端子と前記負荷の負入力端子とを前記チョッパ回路の外部の導体で接続して構成されており、
さらに、前記各チョッパ回路は、前記直流電源の電圧が前記負荷の定格電圧よりも低いときは、前記負荷へ供給する電圧を前記定格電圧に維持するように動作し、前記直流電源の電圧が前記定格電圧より高いときは、その動作を停止する
ことを特徴とするものである(請求項１の発明)。

この請求項１の発明において、前記チョッパ回路は、リアクトルと半導体スイッチ素子と第１のダイオードとを含み、前記半導体スイッチ素子とダイオードの少なくとも一方をプリント基板に実装することができる(請求項２の発明)。

また、請求項２の発明において、前記チョッパ回路は、前記半導体スイッチ素子と前記第１のダイオードとを１つのパッケージに収めた半導体モジュールで構成し、この半導体モジュールをプリント基板に実装するようにしてもよい(請求項３の発明)。

請求項３の発明おいて、前記の半導体モジュールは直方形状をなし、上面に外部回路と接続するための接続端子を備え、下面に前記半導体スイッチ素子および第１のダイオードで発生した熱を冷却体に伝導するための伝熱面を備える構成とすることができる(請求項４の発明)。

請求項１〜４の何れかの発明において、前記複数のチョッパ回路の半導体スイッチ素子は、異なる位相でスイッチング動作するようにしてもよい（請求項５の発明）。

さらに、請求項１〜５の何れかの発明において、前記半導体スイッチ素子と前記第１のダイオードの何れか一方を、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子としてもよい（請求項６の発明）。

また、前記の請求項１〜６の何れかの発明においては、前記直流電源の正出力端子と前記負荷の正入力端子とを第２のダイオードを介して接続することができる(請求項７の発明)。

さらに請求項７の発明において、前記第２のダイオードの順電圧は、前記直流電源の正出力端子と前記負荷の正入力端子の間に並列に接続される各チョッパ回路の第１のダイオードの順電圧より低くするのがよい(請求項８の発明)。

さらに、請求項２〜４の何れかの発明おいて、前記チョッパ回路を実装した前記プリント基板の回路パターン導体に冷却体を熱的に結合して、プリント基板を冷却するようにしてもよい(請求項９の発明)。

この発明によれば、直流電源と負荷との間に、複数のチョッパ回路を並列接続して構成した直流電力変換装置において、各チョッパ回路の正入力端子および負入力端子をそれぞれ前記直流電源の正出力端子および負出力端子に並列に接続し、各チョッパ回路の正出力端子を前記負荷の正入力端子に並列に接続し、前記負荷の負入力端子と前記直流電源の負出力端子とを外部の導体で接続することにより、前記複数の各チョッパ回路のターンオフ時に負荷を通して電源側へ帰還する電流が全てこの外部の導体を通流するので、各チョッパ回路の負入力端子から直流電源の負出力端子間を接続する電路には、各チョッパ回路のターンオン時の電流だけが通流する。このため、各チョッパ回路の負入力端子から直流電源の負出力端子間を接続する電路となる導体の電流容量を低減することができる。また、チョッパ回路をプリント基板に実装して構成した場合は、プリント基板の導電パターンの電流容量を低減することができる。

この発明の第１の実施例の直流電力変換装置の主回路を示す回路構成図。図１に示す制御回路の詳細な構成を示すブロック回路図。この発明の第２の実施例の直流電力変換装置の主回路を示す回路構成図。図３に示す制御回路の詳細な構成を示すブロック回路図。この発明の第３の実施例を示すもので、（ａ）は直流電力変換装置に使用するチョッパモジュールの外観構成を示す斜視図、（ｂ）は内部構成を示す縦断面図。この発明の第３の実施例の直流電力変換装置のチョッパモジュールをプリント基板に実装した状態を示す縦断面図。従来の直流電力変換装置の主回路を示す回路構成図

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１および図２に、この発明の第１の実施例を示す。図１はこの発明の直流電力変換装置の主回路の構成を示す回路構成図、図２にはこの発明に使用する制御回路の構成を示す回路構成図である。

図１および図２において、ＤＰは、例えば、太陽光発電パネルＳＰ等で構成された出力電圧の変動する直流電源、ＬＤは、この電源から直流電力の供給される負荷である。負荷ＬＤ内の負荷装置Ｒは、例えば、直流電流を交流電力に変換して交流電力系統に供給する連系用インバータで構成する。ＤＰＣは、直流電源ＤＰと負荷ＬＤとの間に並列接続された複数(ここでは３個を例示)のチョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３により構成された直流電力変換装置である。

チョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３は、ここでは入力電圧より高い電圧を出力することの可能な昇圧チョッパを構成している。各チョッパ回路の正入力端子Ｐｉ（１〜３）と負入力端子Ｎｉ（１〜３）との間にリアクトルＬ（１〜３）とＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等からなる半導体スイッチ素子Ｔ（１〜３）との直列回路を接続し、このリアクトルＬと半導体スイッチ素子Ｔの接続点と正出力端子Ｐｏ（１〜３）との間に出力端子に向けて通流する極性でダイオードＤ（１〜３）を接続する。また、各チョッパ回路の負入力端Ｎｉ（１〜３）負出力端Ｎｏ（１〜３）とは互いに接続するが、この負出力端子Ｎｏ（１〜３）は省くこともできる。

このように構成された各チョッパ回路ＣＨ（１〜３）は、正、負入力端子Ｐｉ（１〜３）、Ｎｉ（１〜３）を、それぞれ直流電源ＤＰの正、負出力端子Ｐａ、Ｎａに並列に接続し、正出力端子Ｐｏ（１〜３）を、負荷ＬＤの正力端子Ｐｂに並列に接続する。そして、負荷ＬＤの負入力端子Ｎｂと直流電源ＤＰの負出力端子Ｎａとを外部の導体ＲＣにより接続して、各チョッパ回路に共通の帰還路を構成する。

負荷ＬＤの正、負入力端子間には、平滑コンデンサＳＣと負荷ＬＤの入力電圧、すなわち直流電力変換装置ＤＰＣの出力電圧Ｖｏを検出するための電圧検出器ＶＤを接続する。直流電源ＤＰの正出力端子Ｐａと各チョッパ回路の正入力端子Ｐｉ（１〜３）とを接続する線路中に各チョッパ回路の入力電流Ｉ(１〜３)を検出するための電流検出器ＩＤ（１〜３）をそれぞれ挿入する。

制御回路ＣＮは、予め、負荷ＬＤの定格電圧が設定出力電圧Ｖｓとして設定された出力電圧設定器ＣＮ２を備える。制御回路ＣＮは、また、この設定出力電圧Ｖｓに対する電圧検出器ＶＤによって検出される直流電力変換装置の出力電圧Ｖｏの偏差を求め、この偏差に対応した電圧指令信号ＶＩを生成する電圧指令信号生成手段ＣＮ１を備える。平均電流算出手段ＣＮ３は、電流検出器ＩＤ１〜ＩＤ３から入力されたたチョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３の入力電流Ｉ１〜Ｉ３の平均値Ｉ_AVを求め電圧補正信号生成手段ＣＮ４１〜ＣＮ４３の一方の入力に加える。電圧補正信号生成手段ＣＮ４１〜ＣＮ４３は、他方の入力にそれぞれ電流検出器ＩＤ１〜ＩＤ３で検出されたチョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３の入力電流Ｉ１〜Ｉ３が加えられ、平均電流Ｉ_AVに対する入力電流Ｉ１〜Ｉ３の偏差を求め、この偏差に対応した電圧補正信号Ｖｃ１〜Ｖｃ３を生成する。

電圧指令信号補正手段ＣＮ５１〜ＣＮ５３には、それぞれ電圧指令信号生成手段ＣＮ１で生成された電圧指令信号ＶＩと各電圧補正信号生成手段ＣＮ４１〜ＣＮ４３で生成された電圧補正信号Ｖｃ１〜Ｖｃ３が入力され、それぞれにおいて電圧指令信号ＶＩと電圧補正信号Ｖｃ（１〜３）を加算して、補正電圧指令信号ＶＣ１〜ＶＣ３を生成し、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号形成手段ＣＮ６１〜ＣＮ６３に入力する。

ＰＷＭ制御信号形成手段ＣＮ６１〜ＣＮ６３は、入力され補正電圧指令信号ＶＣ１〜ＶＣ３に対応してパルス幅変調されたパルス制御信号ＰＣ１〜ＰＣ３を形成し、それぞれチョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３のゲート制御入力端子Ｇ１〜Ｇ３に入力し、チョッパ回路の導通を制御する。

このように構成されている直流電力変換装置ＤＰＣにおいては、制御回路ＣＮにより、負荷ＬＤに加える出力電圧Ｖｏが出力電圧設定器ＣＮ２に設定された設定出力電圧Ｖｓと一致するように直流電力変換装置ＤＰＣを構成する複数のチョッパ回路の半導体スイッチ素子Ｔ(１〜３)の導通が制御されるので負荷ＬＤに加わる電圧Ｖｏが設定された一定の出力電圧Ｖｓに保たれるようになる。

このとき、各チョッパ回路を構成する回路素子の特性や、回路インピーダンスの相違により、各チョッパ回路に流れる半導体スイッチ素子Ｔのターンオン(導通)時に流れるターンオン電流ＩＡ１〜ＩＡ３(図１の実線矢印参照)およびターンオフ(不導通)時に流れるターンオフ電流ＩＢ１〜ＩＢ３（図１の一点鎖線矢印参照）が不均等となり、各チョッパ回路の電流Ｉ１〜Ｉ３にアンバランスが生じることがある。このように各チョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３に流れる電流Ｉ１〜Ｉ３にアンバランスが生じた場合は、制御回路ＣＮにおいて、電圧補正信号生成手段ＣＮ４１〜ＣＮ４１により全チョッパ回路の平均電流Ｉ_AVに対する各チョッパ回路電流の偏差に対応する電圧補正信号Ｖｃ１〜Ｖｃ３を生成し、この信号により電圧指令信号補正手段ＣＮ５１〜ＣＮ５３で出力電圧Ｖｏの設定電圧Ｖｓに対する偏差に応じて生成された電圧指令信号ＶＩを補正する。電圧指令信号補正手段ＣＮ５１〜ＣＮ５３で補正された電圧指令信号ＶＣ１〜ＶＣ３により、ＰＷＭ制御信号回生手段ＣＮ６１〜ＣＮ６３を介して各チョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３の導通を制御する。これにより、各チョッパ回路に流れる電流にアンバランスが生じても、各チョッパ回路においてそれぞれのアンバランス分の電流が補正され、各チョッパ回路に流れる電流が均一にされる。これにより複数のチョッパ回路の１つだけに大きな電流が偏って流れることがなくなるので、チョッパ回路の構成素子、特に半導体スイッチ素子ＴおよびダイオードＤが過電流によって焼損したり、寿命低下を招いたりすることがなくなる。

この発明おいては、さらに、各チョッパ回路の負荷側から電源側に電流の帰還する帰還路が、負荷ＬＤの負入力端子Ｎｂと直流電源ＤＰの負出力端子Ｎａを接続する外部の帰還路導体ＲＣにより共通に形成されている。

このように構成すると、各チョッパ回路の負入力端子Ｎｉ(１〜３)と直流電源ＤＰの負出力端Ｎａを接続する回路には、チョッパ回路の半導体スイッチ素子のターンオン時のターンオン電流ＩＡのみが流れ、ターンオフ時のターンオフ電流ＩＢは共通の帰還路導体ＲＣに流れるので、各チョッパ回路の負入力端子Ｎｉ(１〜３)と直流電源ＤＰの負出力端Ｎａを接続する回路導体の電流許容量を低減することができる。

また、各チョッパ回路における内部インピーダンスによって大きさの左右される負荷側から直流電源側に帰還するターンオフ電流ＩＢが各チョッパ回路の外部に設けた帰還路導体ＲＣを共通に流すことができる。この結果、帰還路導体ＲＣのインピーダンスは各チョッパ回路に対して均等となるため、各チョッパ回路に流れるターンオン電流ＩＢのアンバランスを低減することが可能となる。

また、この帰還路導体ＲＣは、複数のチョッパ回路に共通になるため、複数のチョッパ回路電流容量を合計した電流容量に対応する電流容量とする必要があるが、各チョッパ回路の外部に別に設けるので、導体の種類の選択が自由にできるので、電流容量に応じて電流容量の大きなバー状導体を選択したり、電流容量の小さな通常の電線を選択したりすることにより電流容量の増減に容易に対応することができる。そして、各チョッパ回路の負荷側で、短絡事故が生じた場合、共通の帰還回路導体ＲＣを電流耐量の大きなバー状導体で構成することにより、この導体ＲＣに大きな短絡電電流を流すことができ、各チョッパ回路内の負入力端子Ｎｉ(１〜３)と負出力端子Ｎｏ(１〜３)を接続する導体には流さないで済むようになる。このため、各チョッパ回路内の回路導体の電流容量を比較的小容量とすることができる。さらに、各チョッパ回路負出力端子Ｎｏ(１〜３)は省略可能となるので、チョッパ回路のコストを低減することができる。

前記のようにこの発明によれば、チョッパ回路内の導体の電流容量を小さく抑えることができるので、チョッパ回路を、プリント回路導体の電流容量の制限がされているプリント基板へ搭載することが容易となり、ユニット化またはモジュール化を促進することができる。

なお、この発明の直流電力変換装置おいては、複数のチョッパ回路ＣＨの導通制御を相互に位相をずらして多重に行うことができる。このように複数のチョッパ回路ＣＨの導通制御を位相をずらして多重に行うようにすると、直流電力変換装置の出力電圧のリプルを小さくすることができるので、平滑コンデンサＳＣの容量を低減することが可能となる。

図３および図４にこの発明の第２の実施例を示す。図３は直流電力変換装置の主回路構成を示す回路構成図であり、図４はこの発明に使用する制御回路の回路構成図である。

直流電源ＤＰを太陽光発電パネルのように太陽光量や温度等により出力電圧が変動する発電要素で構成した場合は、直流電源ＤＰの出力電圧Ｖｄが、直流電力変換装置ＤＰＣの設定出力電圧Ｖｓより大きくなることがある。この第２の実施例は、このような状態になった場合に、チョッパ回路ＣＨを介することなく、直流電源ＤＰから直接負荷ＬＤへ給電可能にするものである。

この第２の実施例の主回路構成は、前記第１の実施例の主回路構成(図１)とは、直流電源ＤＰの正出力端子Ｐａと負荷ＬＤの正入力端子Ｐｂとを、バイパスダイオードＤ０を介してバイパス導体ＢＣで接続した点、および直流電源ＤＰの出力端子Ｐａ，Ｎａ間に直流電源ＤＰの出力電圧Ｖｄを検出する電圧検出器ＶＤｄを接続した点が異なるだけで、その他の構成は同じである。なお、バイパスダイオードＤ０は、各チョッパ回路のダイオードＤ（１〜３）より順電圧の低い特性のもの使用する。

また、第２の実施例の制御回路は、電圧比較器ＣＮ７とゲート回路ＣＮ８１〜ＣＮ８３と設けた点が、前記第１の実施例の制御回路(図２)とは異なるだけである。電圧比較器ＣＮ７は、電圧検出器ＶＤｄで検出された直流電源ＤＰの出力電圧Ｖｄと直流電力変換装置の出力設定電圧Ｖｓとを比較し、出力電圧Ｖｄが出力設定電圧Ｖｓより小さい（Ｖｄ＜Ｖｓ）ときは、Ｌレベルの比較出力Ｃｏを発生し、出力電圧Ｖｄが出力設定電圧Ｖｓより大きく（Ｖｄ＞Ｖｓ）なると、Ｈレベルの比較出力Ｃｏを発生する。ＰＷＭ制御信号形成手段ＣＮ６１〜ＣＮ６３の出力側に設けたゲート回路ＣＮ８１〜ＣＮ８３は、電圧比較器ＣＮ７から加わる比較出力ＣｏがＬレベルのときはゲートを開いてＰＷＭ制御信号形成手段ＣＮ６１〜ＣＮ６３の出力信号ＧＣ１〜ＧＣ３を通過させるが、Ｈレベルとなるとゲートを閉じて出力信号ＧＣ１〜ＧＣ３の出力を遮断する動作をする。

したがって、直流電源ＤＰの出力電圧Ｖｄが、設定出力電圧Ｖｓより小さい通常の状態においては、制御回路ＣＮのゲート回路ＣＮ８１〜ＣＮ８３は、電圧比較回器ＣＮ７からＬレベルの出力信号Ｃｏが与えられてゲートが開かれている。このため、この状態では、直流電力変換装置ＤＰＣにおいて、並列に設けられた複数のチョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３は、制御回路ＣＮからゲート回路Ｇ１〜Ｇ３に出力電圧Ｖｏが設定出力電圧Ｖｓになるように調節されたＰＷＭ制御信号ＧＣ１〜ＧＣ３が与えられることによりチョッパ動作を行う。これにより、直流電力変換装置は、直流電源ＤＰの出力電圧Ｖｄを昇圧して設定電圧Ｖｓに一定に保たれた出力電圧Ｖｏを負荷ＬＤに出力する。この中で、チョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３の電流調整動作も行われ、各チョッパ回路の電流Ｉ１〜Ｉ３は均等に保たれる。各チョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３から負荷ＬＤへ供給され、負荷ＬＤから直流電源ＤＰへ帰還する電流は、共通の帰還路導体ＲＣを通って直流電源へ戻る。

このとき、バイパス回路導体ＢＣは、これに挿入されたバイパスダイオードＤＢは、直流電源出力電圧Ｖｄが負荷ＬＤの入力電圧Ｖｏより小さいので不導通となっているため、このバイパス回路導体ＢＣを通して流れるバイパス電流は阻止される。

直流電源ＤＰの出力電圧Ｖｄが、設定出力電圧Ｖｓより大きくなると、図４の制御回路ＣＮの電圧比較器ＣＮ７からゲート回路ＣＮ８１〜８３にＨレベルの出力信号Ｃｏが加わるため、ゲート回路ＣＮ８１〜８３のゲートが閉じられる。これにより、ＰＷＭ制御信号形成手段ＣＮ６１〜ＣＮ６３からチョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３へ与えられるＰＷＭ制御信号ＧＣ１〜ＧＣ３が遮断される。このため、チョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３はスイッチング動作を停止し、直流電力変換装置ＤＰＣの変換動作が停止される。

このときは、直流電源の出力電圧Ｖｄが負荷ＬＤに入力される直流出力電圧Ｖｏより大きくなるので、バイパス回路中のバイパスダイオードＤ０が導通し、直流電源ＤＰからバイパス回路導体ＢＣを通して直接負荷ＬＤへ直流電力が供給される。

このように複数のチョッパ回路で構成された直流電力変換装置を介することなく、直接直流電源ＤＰから負荷ＬＤへ直流電力を供給するようにすると、直流電力変換装置の効率の影響がなくなるので、負荷への直流電力の供給効率を高くすることができる。

直流電源ＤＰの出力電圧Ｖｄが低下し、設定電圧Ｖｓより小さくなると、制御回路ＣＮから、再び、チョッパ回路ＣＨのゲート回路へのＰＷＭ制御信号ＧＣの供給が開始されるので、チョッパ回路ＣＨがこの制御信号ＧＣに応じたスイッチング動作を開始し、直流電力変換装置の電力変換動作が再開され、直流電源ＤＰから負荷ＬＤへの直流電力の供給が直流電力変換装置ＤＰＣを介して行われる。

図５および図６にこの発明における第３の実施例を示す。この実施例は、この発明おけるチョッパ回路をモジュール化した例を示すものである。図５の（ａ）は、この発明に従ってモジュール化したチョッパモジュールＣＭの外観構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、その内部構成を示す縦断面図である。また、図６は、チョッパモジュールをプリント基板に搭載した際の冷却構造を示す縦断面図である。

図５に示すように、チョッパモジュールＣＭは、放熱基板ＣＭ４上に接合した絶縁基板ＣＭ５上に導体パターンＣＭ６を形成し、この導体パターンＣＭ６上に図１に示すチョッパ回路ＣＨを構成する半導体スイッチ素子ＴとダイオードＤを結合し、これらを絶縁樹脂で形成した封止体ＣＭ１で封止して、全体が直方体状に構成される。チョッパモジュールＣＭの上面には、外部回路と接続を行うためにチョッパ回路の正、負入力端子Ｐｉ、Ｎｉ、正、負出力端子Ｐｏ、Ｎｏおよびゲート端子Ｇが形成され、下面には放熱基板ＣＭ４の一部が露出されている。さらに、チョッパモジュールＣＭの長手方向の両端部にモジュールをプリント回路板等に取付けるための取付孔ＣＭ２が設けられている。

なお、ここでは、チョッパ回路を構成するリアクトルＬが一体に封止されていないので、このチョッパモジュールＣＭの外側でリアクトルを接続することになるが、予め、半導体スイッチ素子ＴおよびダイオードＤと一体に封止するようすると、より取り扱いの利便性が向上する。

このようなチョッパモジュールＣＭを複数並列接続して図１に示すような直流電力変換装置を構成する際に、チョッパモジュールＣＭを１つのプリント基板に搭載して相互の接続を行うようにすると、直変電力換装置の組み立てが簡易となり、製造コストの低減することができる。

また、チョッパ回路を構成する半導体スイッチ素子ＴやダイオードＤを、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドを主材料とするワイドバンドギャップ半導体材料で構成したワイドバンドギャップ半導体素子とすることにより、小形の素子で電流容量を大きくすることができるので、チョッパモジュールＣＭを小形に構成することができる。

図６は、このようにチョッパモジュールＣＭをプリント基板に搭載して構成した直流電力変換装置ＤＰＣを示すものである。この図６において、ＰＳが絶縁基板上にプリント導体パターンＣＰを設けたプリント基板である。このプリント基板ＰＳ上に、チョッパモジュールＣＭを、上面に形成した接続端子をプリント導体パターンＣＰに接続するために上面を下方に向けて搭載し、電気的よび機械的に結合する。上下面を反転してプリント基板ＰＣ上に搭載されたチョッパモジュールＣＭの上方に露出した放熱基板ＣＭ４上に複数の放熱フィンを備えた冷却体ＲＦ１を載置し、熱的に接合する。さらに、プリント基板ＰＣのプリント導体パターンＣＰの一部を延長した部分に別の冷却体ＲＦ２を載置結合する。これにより、プリント基板ＰＣ上のチョッパモジュールＣＭは、冷却体ＲＦ１を通して良好に冷却することができる。また、チョッパモジュールＣＭの搭載されたプリント基板のプリント導体パターンＣＰは、これに結合された冷却体ＲＦ２により直接的に冷却することができる。

このため、この実施例によれば、チョッパモジュールＣＭおよびこれを搭載するプリント基板ＰＣを良好に冷却することができるので、チョッパモジュールＣＭおよびプリント基板の電流容量をより増大することができるので、全体が小形の大容量の直流電力変換装置を得ることができる。

なお、この実施例ではチョッパ回路モジュール化したものを示したが、図１に点線枠で示すチョッパ回路ＣＨ１〜ＣＨ３のそれぞれをプリント基板上に実装してユニット化するようにしても、組み立を簡便にする効果を享受することができる。

ＤＰＣ：直流電力変換装置
ＤＰ：直流電源
Ｐａ：直流電源正出力端子
Ｎａ：直流電源負出力端子
ＣＨ（１〜３）：チョッパ回路
Ｐｉ（１〜３）：チョッパ回路正入力端子
Ｎｉ（１〜３）：チョッパ回路負入力端子
Ｌ（１〜３）：チョッパ回路リアクトル
Ｔ（１〜３）：チョッパ回路半導体スイッチ素子
Ｄ（１〜３）：チョッパ回路ダイオード
Ｐｏ（１〜３）：チョッパ回路正出力端子
Ｎｏ（１〜３）：チョッパ回路負出力端子
ＬＤ：負荷
Ｐｂ：負荷正入力端子
Ｎｂ：負荷負入力端子
ＳＣ：平滑コンデンサ
ＶＤ：電圧検出器
ＣＮ：チョッパ制御回路

Claims

直流電源と負荷との間に複数のチョッパ回路を並列接続して構成した直流電力変換装置において、
前記直流電源は、前記負荷の定格電圧を含む範囲で出力電圧が変動する太陽電池を含み、
前記各チョッパ回路は、第１の直流入力端子および第２の直流入力端子と１つの直流出力端子を備え、前記各チョッパ回路の前記第１の直流入力端子と前記直流電源の正出力端子とを接続し、前記第２の直流入力端子と前記直流電源の負出力端子とを接続し、前記各チョッパ回路の前記直流出力端子と前記負荷の正入力端子とを接続し、前記直流電源の負出力端子と前記負荷の負入力端子とを前記チョッパ回路の外部の導体で接続して構成されており、
さらに、前記各チョッパ回路は、前記直流電源の電圧が前記負荷の定格電圧よりも低いときは、前記負荷へ供給する電圧を前記定格電圧に維持するように動作し、前記直流電源の電圧が前記定格電圧より高いときは、その動作を停止する
ことを特徴とする直流電力変換装置。
請求項１に記載の直流電力変換装置において、前記チョッパ回路は、リアクトルと半導体スイッチ素子と第１のダイオードとを含み、前記半導体スイッチ素子とダイオードの少なくとも一方をプリント基板に実装することを特徴とする直流電力変換装置。
請求項２に記載の直流電力変換装置において、前記チョッパ回路は、前記半導体スイッチ素子と前記第１のダイオードとを１つのパッケージに収めた半導体モジュールで構成し、この半導体モジュールをプリント基板に実装することを特徴とする直流電力変換装置。
請求項３に記載の直流電力変換装置において、前記の半導体モジュールは直方形状をなし、上面に外部回路と接続するための接続端子を備え、下面に前記半導体スイッチ素子および第１のダイオードで発生した熱を冷却体に伝導するための伝熱面を備える構成とすることを特徴とする直流電力変換装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載の直流電力変換装置において、前記複数のチョッパ回路の半導体スイッチ素子は、異なる位相でスイッチング動作することを特徴とする直流電力変換装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載の直流電力変換装置において、前記半導体スイッチ素子と前記第１のダイオードの何れか一方を、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子とすることを特徴とする直流電力変換装置。
請求項１〜６の何れか１項に記載の直流電力変換装置において、前記直流電源の正出力端子と前記負荷の正入力端子とを第２のダイオードを介して接続することを特徴とする直流電力変換装置。
請求項７に記載の直流電力変換装置において、前記第２のダイオードの順電圧は、前記直流電源の正出力端子と前記負荷の正入力端子の間に並列に接続される各チョッパ回路の第１のダイオードの順電圧より低くすることを特徴とする直流電力変換装置。
請求項２〜４の何れか１項に記載の直流電力変換装置において、前記チョッパ回路を実装した前記プリント基板の回路パターン導体に冷却体を熱的に結合して、プリント基板を冷却することを特徴とする直流電力変換装置。