双方向ＤＣ－ＤＣコンバータのソフトスイッチング回路

• 千住 智信
• 金城 達人

• 国立大学法人　琉球大学

近年、パワーエレクトロニクス技術の進歩を背景に、種々の大容量電力貯蔵装置が開発されている。現状で実用化されている大容量電力貯蔵装置に揚水発電所があるが、今後の建設は難しく発展性がない。また二次電池は環境への影響などが心配される。
近年、数１０００μＦオーダー以上という驚異的な静電容量を持つ電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）素子が出現し、これにパワーエレクトロニクス技術を利用することにより、二次電池に匹敵するエネルギ密度や出力密度を有する大容量電力貯蔵装置が開発されている。

一般に、電気二重層キャパシタバンクを利用した電力貯蔵装置（ＥＣａＳＳ）には電圧形インバータが用いられるが、単セルの耐電圧が３Ｖ以下でエネルギ放電に伴う端子電圧の低下が無視できないＥＤＬＣ固有の特性に伴う直流リンク電圧の低下、出力低下、出力制御の困難性などの欠点が存在する。
発明者らは、ＥＣａＳＳに電流形インバータを適用することによりこれらの欠点を解消する研究を行ってきた。電流形インバータは、過電流保護が容易、分散型電源に使用するときに単独運転の危険性が無いなど、電圧形インバータにない利点を有する。電流形インバータでは、直流電流の方向が変化せず、直流リンク電圧の極性を変化させることで電力の授受を行うため、充放電を行うには直流部に双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを設ける。

電流形インバータを用いる利点として、（１）比較的小さい直流入力電圧で大容量の電力を出力できる、（２）エネルギ放電に伴うＥＤＬＣの端子電圧が低下して直流リンク電圧が変動した場合でも低出力を維持できる、（３）直流部に接続する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを用いて直流電流制御を行うことによってＥＤＬＣの内部抵抗損失を低減することができる、などを挙げることができる。
このように、電力貯蔵装置には電流形インバータの使用が好ましく、電流形インバータの汎用性の向上と変換効率の向上が求められている。特に、分散型電源には電流形インバータをパワーコンデショナーとして利用することが有利で、電力業界でも電流形インバータの需要がますます増大すると予測される。

しかし、自励式半導体素子を用いてハードスイッチングする電流形インバータでは、スイッチングによる電力損失が大きいためエネルギ変換効率が低く、また急峻な電圧・電流波形を生じるため装置ストレスが大きく製造コストが高くついた。さらに、電磁妨害（ＥＭＩ）を発生するため、環境性にも問題があった。
スイッチング損失を低減し電磁妨害を抑制するため、共振を用いて、電流あるいは電圧がゼロのときにスイッチング素子をオン・オフするソフトスイッチング手法が用いられる。しかし、半導体素子および共振素子からなる回路構成が複雑となる。また、簡単な回路としては、双方向性を持たない無効電力制御に限定するものしかなかった。さらに、電力貯蔵装置に適用するには、電力の充放電を可能とする双方向性の共振回路構成が難しいため、大電力を扱う分野において、このような共振回路が実用化された例はなかった。

特許文献１には、電流形インバータに相当するＤＣリンク・ＬＣ直列共振形の高周波共振リンクを持つ電力変換装置において、ソフトスイッチングを利用し直流電源への電力回生が可能な回路が開示されている。
開示された回路は、ＬＣ直列共振回路中に共振コンデンサの充放電を制御するスイッチ素子を備えると共に、直流電流供給用インダクタと磁気的に密結合したフィードバック用インダクタとダイオードの直列回路を直流電源に並列接続したもので、電源装置から供給される直流電流がゼロになるとレンツの法則に従ってフィードバック用インダクタに大きなフィードバック電流が流れてバッテリに余剰電力が回生される。

開示された電流形インバータは、インバータのサイリスタがソフトスイッチングを行うためスイッチング損失が小さくなりインバータ効率が向上し、またスイッチングによるＥＭＩが発生しない。
しかし、開示回路では共振回路部に双方向性を与えることができないため、バッテリから供給される電流によってフィードバック用インダクタに発生する起電力による電流を電力回生するだけで、系統側で発生する余剰電力を吸収する機構になっていない。

特許文献２には、商用電源の配電網から離れた離島などで利用できる発電設備が開示されている。この開示装置は、太陽光や風力など自然エネルギを利用する主発電装置の出力が不足する毎に起動されて主発電装置の出力が回復するまで運転する化石燃料で運転される補助発電装置を組み合わせたもので、補助発電装置の起動過渡期間の電力補償エネルギを保持するキャパシタバンクと双方向コンバータを備える。

自然エネルギを利用する主発電装置の出力不足を検知すると、双方向コンバータのインバータ運転によりキャパシタバンクの直流出力を定電圧制御して交流化し、配電線に供給して出力を補うことができる。また、主発電装置の出力に余剰があるときは、コンバータ運転して配電線の交流電力の一部を充電用の直流電力に変換してキャパシタバンクを充電する。双方向コンバータ内部の回路は開示されていないが、放電と充電を切り換えるために、充電路ダイオードと放電路スイッチを並列に組んだ回路が用いられる。この切り換え回路は電流共振形でなく、放電路スイッチは放電期間中は常時オンにすればよいので、ソフトスイッチングする要請は少ない。
なお、補助発電装置の起動過渡期間は数秒であるので、キャパシタバンクは大きな電力貯蔵を必要としない。
【特許文献１】
特開平８－５１７８１号公報
【特許文献２】
特開２００１－１３６６８１号公報

本発明は、電流形インバータに接続する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータのソフトスイッチング回路に関し、特に充電可能な電力貯蔵装置に最適に用いることができる双方向ＤＣ－ＤＣコンバータのソフトスイッチング回路に関する。

• H02M   3/135     半導体装置のみを用いるもの

• 5H007BB01 回生用
• 5H007BB06 電動機駆動
• 5H007CA03 サイリスタ
• 5H007CB05 ブリッジ
• 5H007CC12 可制御直流電源を有する
• 5H730AA14 変換効率向上，損失低減
• 5H730BB06 双方向型
• 5H730DD05 サイリスタ（ＳＣＲ）
• 5H770AA01
• 5H770AA05
• 5H770BA01
• 5H770CA01
• 5H770CA06
• 5H770DA03
• 5H770DA09
• 5H770DA10
• 5H770DA41
• 5H770EA23
• 5H770KA01