JP6325802B2 - 逆流防止回路及び太陽光発電用接続箱 - Google Patents

Description

本発明は、直流電路において電流の逆流を防止するための逆流防止回路、及び太陽光発電用接続箱に関する。

太陽光発電では、複数の太陽電池ストリングから送られて来る直流電力が統合されてインバータに送られて交流電力が生成される。その際、電路の統合に接続箱が使用されている。
この太陽光発電用接続箱は、複数の太陽電池ストリングが並列接続されるため、日陰になって太陽光が当たらない太陽電池パネルと十分な太陽光が当たっている太陽電池パネルとが混在した状態で接続される状況が発生する。そのため、発電電圧が小さい太陽電池ストリングと発電電圧が大きな太陽電池ストリングとが単純に並列接続されると、高い発電電圧の太陽電池ストリングから低い発電電圧の太陽電池ストリングへ電流が流れ込む逆流が発生して太陽電池パネルが故障してしまう。
これを防止するために、接続箱において個々の太陽電池ストリングに逆流防止ダイオードを介在させ、このダイオードを介して並列接続した（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１８７８０７号公報

しかしながら、太陽電池が発電しているときは常に逆流防止ダイオードに電流が流れ続けることになり、そのダイオードの電圧降下によるエネルギー損失が常時発生していた。これが太陽光発電システムの発電効率低下の一因となっていた。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、ダイオードより低損失な素子を使用して逆流防止回路を構成することで、太陽光発電の発電効率を上げることを可能とした逆流防止回路及びこの逆流防止回路を備えた太陽光発電用接続箱を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明に係る逆流防止回路は、直流電源から電流を送出する正極側電路と負極側電路から成る一対の電路のうち、負極側電路の電路をオン／オフ操作するＦＥＴ素子と、ＦＥＴ素子を制御する制御ＩＣと、正極側電路から制御ＩＣに動作電源を供給する電源回路とを有し、制御ＩＣは、ＦＥＴ素子の３電極に対応する端子を有して、ＦＥＴ素子のソース極、ドレイン極の電圧を監視して所定の関係を満たせばゲート極に動作電圧を出力してＦＥＴ素子をオンさせ、満たしていなければオフさせる機能を具備し、電源回路は、正極側電路と負極側電路の間の電位差が所定値を下回ると、制御ＩＣへの電源供給を停止し、ＦＥＴ素子がオフすることを特徴とする。
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この構成によれば、電路間の電位差が所定値を下回ると電源回路から制御ＩＣへの電源の供給が停止するため、ＦＥＴ素子がオフして電路は遮断状態となる。よって、電路電流に逆流が発生するような状況では電路が遮断されて逆流の発生を防止できる。
そして、ＦＥＴ素子のオン動作状態の順方向電圧降下は、ダイオードの順方向電圧降下に比べて小さいため、逆流防止にダイオードを使用した場合に比べて損失を改善することができるし、電路に電流が流れないような状況では制御ＩＣにも電源が供給されないため制御ＩＣにおいて消費される電力も僅かで済む。

請求項２の発明は、太陽電池ストリングを並列接続して１回路にまとめて直流電力を出力する太陽光発電用接続箱であって、個々の太陽電池ストリングの電路に請求項１記載の逆流防止回路を接続したことを特徴とする。
この構成によれば、逆流防止にオン抵抗の小さいＦＥＴ素子を使用することで、電路の電圧降下を小さくでき発電効率を挙げることができる。

本発明に係る逆流防止回路によれば、電路電流に逆流が発生するような状況ではＦＥＴ素子がオフするため、電路が遮断されて逆流の発生を防止できる。そしてＦＥＴ素子のオン動作状態の順方向電圧降下は、ダイオードの順方向電圧降下に比べて小さいため、逆流防止にダイオードを使用した場合に比べて損失を改善することができる。
また、太陽光発電用接続箱の逆流防止手段にこの逆流防止回路を使用することで、電路の電圧降下を小さくでき、発電効率を挙げることができる。

本発明に係る太陽光発電用接続箱の一例を示す回路図である。 図１の逆流防止回路の動作説明図であり、（ａ）は発電電力がパワーコンディショナに送出されている正常な状態、（ｂ）は発電電圧が小さく他の太陽電池ストリングの発電電流が逆流しようとしている状態を示している。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る太陽光発電用接続箱の一例を示す回路図であり、１は複数の太陽電池パネル１ａを直列接続した太陽電池ストリング、２は接続箱、３は直流を交流に変換するパワーコンディショナ（ＰＣＳ）である。

接続箱２には、個々の太陽電池ストリング１に接続された正極側電路４ａ及び負極側電路４ｂの２本のケーブルで構成される電路４が複数導入され、それらの電路４を接続／遮断する開閉手段５、太陽電池ストリング１毎に電流の逆流を防止するための複数の逆流防止回路６、各電路４を並列接続してパワーコンディショナ３に出力する統合電路７が設けられている。尚、８は避雷回路である。

逆流防止回路６は、負極側電路４ｂに直列に接続したパワーＭＯＳＦＥＴから成る第１ＦＥＴ素子Ｍ１と、この第１ＦＥＴ素子Ｍ１を制御する制御ＩＣ９と、制御ＩＣ９に電源を供給する電源回路１０とで構成されている。
図２は逆流防止回路６の動作説明図であり、（ａ）は発電電力がパワーコンディショナ３に送出されている正常な状態、（ｂ）は発電電圧が小さく他の太陽電池ストリング１の発電電流が逆流しようとしている状態を示し、この図２を参照して以下説明する。尚、開閉手段５は通常閉路状態にある。

第１ＦＥＴ素子Ｍ１は、ドレイン極Ｄが負極側電路４ｂの太陽電池ストリング１側に接続され、ソース極Ｓがパワーコンディショナ３側に接続されている。

制御ＩＣ９は、第１ＦＥＴ素子Ｍ１の３電極に対応する端子を有し、ソース極Ｓ、ドレイン極Ｄの電圧を監視して所定の関係を満たしていればゲート極Ｇに動作電圧を出力してオン動作させ、満たしていなければ出力せずオフさせる。

電源回路１０は、ＭＯＳＦＥＴから成る第２ＦＥＴ素子Ｍ２と、ツェナーダイオードＺＤと、電流制限のための抵抗素子Ｒ１，Ｒ２とを有している。第２ＦＥＴ素子Ｍ２が正極側電路４ａと制御ＩＣ９の間に配置され、第２ＦＥＴ素子Ｍ２を介して制御ＩＣ９に電源が供給される。
この第２ＦＥＴ素子Ｍ２は、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧により設定され一定電圧でオン／オフが制御され、電路４の電圧（正極側電路４ａと負極側電路４ｂの間の電位差）が所定の電圧以上となるとオン動作して第１ＦＥＴ素子Ｍ１にゲート電圧が供給される。逆に所定の電圧に満たなければ、電源回路１０はオフして制御ＩＣ９がオフする。この結果、ゲート電圧が供給されず第１ＦＥＴ素子Ｍ１がオフする。

具体的に、ソース極Ｓの電圧がドレイン極Ｄの電圧より高ければゲート極Ｇに動作電圧を出力し、ソース極Ｓ電圧がドレイン極Ｄ電圧より低ければゲート極Ｇに動作電圧を出力しない。従って、電路４に順方向電流が流れている間はオン状態にあるが、太陽電池ストリング１が発電していても逆方向電流が流れようとすると、第１ＦＥＴ素子Ｍ１はオフして電流の流れを阻止する。図２（ｂ）はこの状態を示している。
こうして、ソース−ドレイン間電圧の状態からゲート電圧が制御されるため、太陽電池ストリング１の発電状態に関わらず、確実に逆流を防止できる。

また、夜間等発電していない状態では第２ＦＥＴ素子Ｍ２がオフするため、制御ＩＣ９に電源が供給されない。従って、発電していない時は制御ＩＣ９に待機電力が発生せず、電力は全く消費されない。

ここで、ＦＥＴとダイオードの損失の差について説明する。電路４の状態が直流４００ボルト，１０アンペアが通電されているとした場合、例えばダイオードの損失は１２ワットであるのに対してＦＥＴでは１．６ワットであり、７分の１以下に削減される。尚、この値は、例えば品番ＤＧ２０ＡＡ１２０のダイオードデータ、ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴ（ＳＣＴ２１６０ＫＥ）のデータを使用したものである。

このように、正極側電路４ａと負極側電路４ｂとの間の電位差が所定値を下回ると電源回路１０から制御ＩＣ９への電源の供給が停止するため、第１ＦＥＴ素子Ｍ１がオフして電路４は遮断状態となる。よって、電路電流に逆流が発生するような状況では電路４が遮断されて逆流の発生を防止できる。
そして、第１ＦＥＴ素子Ｍ１のオン動作状態の順方向電圧降下は、ダイオードの順方向電圧降下に比べて小さいため、ダイオードを使用した場合に比べて損失を改善することができるし、電路４に電流が流れないような状況では制御ＩＣ９にも電源が供給されないため制御ＩＣ９において消費される電力も僅かで済む。よって、接続箱２内の逆流防止回路にオン抵抗の小さいＦＥＴ素子を使用することで、電路の電圧降下を小さくでき発電効率を挙げることができる。

尚、第１ＦＥＴ素子Ｍ１は、ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴに限定するものではなく、シリコン系、炭化シリコン系、窒化ガリウム系の何れのパワーＭＯＳＦＥＴであっても良く、ダイオードに比べてオン抵抗を下げることができるため、発電効率の向上に有効である。

上記実施形態は、太陽光発電用接続箱で使用する場合を説明したが、これに限るものではなく、本発明の逆流防止回路は例えば蓄電池などの直流配線用直流開閉器においても好適である。

１・・太陽電池ストリング（直流電源）、２・・接続箱（太陽光発電用接続箱）、３・・パワーコンディショナ、４・・電路、４ａ・・正極側電路、４ｂ・・負極側電路、６・・逆流防止回路、９・・制御ＩＣ、１０・・電源回路、Ｍ１・・第１ＦＥＴ素子（ＦＥＴ素子）。

Claims (2)

1. 直流電源から電流を送出する正極側電路と負極側電路から成る一対の電路のうち、負極側電路の電路をオン／オフ操作するＦＥＴ素子と、前記ＦＥＴ素子を制御する制御ＩＣと、前記正極側電路から前記制御ＩＣに動作電源を供給する電源回路とを有し、
   前記制御ＩＣは、前記ＦＥＴ素子の３電極に対応する端子を有して、前記ＦＥＴ素子のソース極、ドレイン極の電圧を監視して所定の関係を満たせばゲート極に動作電圧を出力して前記ＦＥＴ素子をオンさせ、満たしていなければオフさせる機能を具備し、
   前記電源回路は、前記正極側電路と前記負極側電路の間の電位差が所定値を下回ると、前記制御ＩＣへの電源供給を停止し、前記ＦＥＴ素子がオフすることを特徴とする逆流防止回路。
2. 太陽電池ストリングを並列接続して１回路にまとめて直流電力を出力する太陽光発電用接続箱であって、
   個々の太陽電池ストリングの電路に請求項１記載の逆流防止回路を接続したことを特徴とする太陽光発電用接続箱。

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