JP5864006B1 - 直流電力系の安全装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュールを多数直列接続した太陽電池ストリングのような高い電圧を発生する直流電力系の出力を安全かつ簡便に短絡／解放すること。【解決手段】直流電力系１の出力を短絡させるために、直流電力系１の出力端子間に安全装置を挿入する。その安全装置は、一つのＭＯＳＦＥＴ４と、ＭＯＳＦＥＴ４のドレイン−ゲート間に接続された抵抗器５と、ＭＯＳＦＥＴ４のソース−ゲート間に接続されたスイッチ６とを備えたことを特徴とする。スイッチ６をオフにすると、直流電力系１の出力電圧によってＭＯＳＦＥＴ４がオンになり、その結果、直流電力系１の出力が短絡され、ＭＯＳＦＥＴ４の閾値電圧（１０Ｖ以下）になる。その逆に、スイッチ６をオンにすると、ＭＯＳＦＥＴ４がオフとなり、直流電力系１の電圧が出力される。【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電力系の安全装置に関し、特に、太陽電池モジュールを多数直列接続した太陽電池ストリングのような高電圧の直流電池のような電源や、電気自動車、スマートハウス等の直流電力系の事故時に、それらの直流電流を安全に短絡又は遮断、解放させることが可能な安全装置に関する。

太陽電池モジュール（photovoltaic module）は、屋根や屋上等に設置され、太陽光を浴びることにより発電を行うものである。太陽電池モジュールには、１０ｃｍ角程度の太陽電池セル（以下単に「セル」という。）と呼ばれる小さな四角の物体が多数敷き詰められており、それらのセル一つ一つが太陽電池となっている。太陽電池モジュールは、強化や保護のためにガラスコーティングなどの加工が施され、単体で製品として販売されている。

複数の太陽電池モジュールを直列に配線して、まとまった電力が得られるよう互いに接続したものを、太陽電池ストリング（以下、単に「ストリング」という。）と呼ぶが、さらに十分な出力を得るため、複数のストリングを並列に配線し、架台などによって屋根などへ設置された太陽電池モジュールの集合は、太陽電池アレイと呼ばれる。
太陽電池アレイが所定の出力電圧を満足するように、各ストリングは逆流防止ダイオード（後述）を介して並列接続される。逆流防止ダイオードは、太陽電池アレイの一部が日影になった場合に、太陽電池アレイ間の電圧アンバランスによる太陽電池アレイ間の逆電流を防止するためのものである。

また、太陽電池モジュールに並列に接続されるバイパスダイオード（後述）は、日影になったり故障したりした太陽電池モジュールを保護する働きをしている。すなわち、日影になったり故障したりした太陽電池モジュールは、その不具合部分において電流が流れにくくなるので、それをバイパスさせるためにバイパスダイオードが設けられている。

太陽光発電設備は、小規模のものは住宅の屋根に１０枚程度、大規模のものは広い場所に数百枚から数万枚の太陽電池モジュールを直列・並列に接続して置かれる。太陽電池モジュールは、１枚では数十ボルト（Ｖ）、数アンペア（Ａ）程度の出力であるので、取り扱いに危険は少ないが、直列に接続されたストリングとなると数百Ｖ（４００Ｖ〜１０００Ｖ）にもなり、人体が感電すると生命に危険がある。

かかる太陽電池モジュールを設置施工する場合、太陽電池モジュールに光が当たると発電してしまうため、配線作業中に感電する危険性がある。そのため、配線作業時には絶縁手袋を使用して感電しないように注意したり、太陽電池モジュールに太陽光を遮蔽するシート等を被せ、発電しないようにする必要があった。
しかしながら、絶縁手袋を使用する作業は効率が悪く、また、遮光シートを用いる場合は、全ての太陽電池モジュールに被せる必要があり、また、風等によってシートが剥がれた場合には太陽電池モジュールが発電をしてしまう危険性があり、安全対策としては不十分であった。

そこで、予め太陽電池モジュールの出力の正電極と負電極をスイッチ等で短絡することにより、感電しても安全な低い電圧に保持し、設置作業終了後に、スイッチ等の短絡を解除するという方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特に、特許文献２に記載の方法は、特許文献１の図２のスイッチ１を半導体素子（トランジスタ）で置き換えたものであり、その動作を図１０を用いて説明する。図１０は、特許文献２の図１と同じであるが、説明の都合上、参照符号を変更している。

図１０において、太陽電池モジュール１０５は、多数接続されたセル１０１と、セル１０１のプラス側１０７とマイナス側１０８との間に接続されたトランジスタ１０２と、セル１０１のプラス側とトランジスタ１０２のベースとの間に挿入されたリードリレー１０３と、トランジスタ１０２と並列に接続されたバイパスダイオード１０４を備えている。また、リードリレー１０３はノーマリーオープンであるが、太陽電池モジュール１０５の外部から磁石１０６を用いて磁界をかけることによってオンすることができる。

まず、太陽電池モジュール１０５の外部から磁石１０６を用いて磁界をかけ、リードリレー１０３をオン状態にしておく。最初トランジスタ１０２はオフの状態であるが、セル１０１に光が当たると発電するため、トランジスタ１０２のベースは太陽電池モジュール１０５の出力電圧と同電位となる。このため、ベース電流が流れ、トランジスタ１０２はオン状態となり、太陽電池モジュール１０５の出力は短絡される。

従って、設置作業中に誤って太陽電池モジュール１０５の出力端子に接触しても、感電事故を起こす危険はなくなる。設置作業終了後、磁石１０６を取り去ることにより、リードリレー１０３はオープンとなり、トランジスタ１０２のベース電流が遮断されるため、トランジスタ１０２はオフ状態となり、通常の発電電力を出力することが可能となる。

一方、現在稼動中の太陽電池モジュールが故障等したりした場合、当該太陽電池モジュールを含むストリングをスイッチを用いてシステムから切り離す必要がある。
特に、１枚の太陽電池モジュールであれば、その出力は５０Ｖ以下であるので特に問題にはならないが、複数の太陽電池モジュールが直列接続されたストリングになると、出力が４００Ｖ〜１０００Ｖにもなるので、機械的スイッチでは、ストリングから電流が流れている状態で回路を切断すると、アークが発生してしまうといった問題があった。
アークを防ぐためには大型の直流リレー等のスイッチを使用する必要があり、回路の開閉に大きな設備を必要とする。

このため、ストリングをシステムから切り離す前に、流れる電流を止めて安全な電圧にまで下げておけば、保守や修理のための切り離しは容易である。
このような直流電流の開閉の問題は、太陽電池モジュールのストリングのみならず、例えば電気自動車やスマートハウスの蓄電池等の高圧の直流電流源の取り扱いにおいても同様に起こる問題である。

特開平５−２１８４８１号公報 特開平６−１２５１０４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の発明は、リードリレー３に太陽電池モジュール７の全電圧がかかるため、流れる電流は少ないが、電圧は最高電圧がかかるのでリードリレー３の耐電圧が問題となる。
一般のリードリレーの耐電圧は２００Ｖ程度が限度であるから、特許文献２に記載の短絡回路は、出力が４００Ｖ〜１０００Ｖにもなるストリング等の高圧直流電力系の短絡には使用できないという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み為されたものであり、ストリングのような高い電圧を発生する直流電力系の出力を安全かつ簡便に短絡／解放することが可能な直流電力系の安全装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る、直流電力系の出力を短絡させるために該直流電力系の出力端子間に挿入する安全装置は、一つのＭＯＳＦＥＴと、該ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間に接続された抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのソース−ゲート間に接続されたスイッチとを備え、さらに、前記ＭＯＳＦＥＴがＮチャンネルの場合は、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ドレインを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記ソースを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続し、或いは、前記ＭＯＳＦＥＴがＰチャンネルの場合は、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ソースを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記ドレインを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続することを特徴とする。

このような構成の直流電力系の安全装置によれば、ストリング等の高い電圧の太陽光発電装置の出力を安全かつ簡便に短絡及び解放することが可能となる。

本発明に係る直流電力系の安全装置の第１実施形態を示す回路図である。 本発明に係る直流電力系の安全装置の第１実施形態の変形例を示す回路図である。 本発明に係る直流電力系の安全装置の第２実施形態を示す回路図である。 本発明の第２実施形態におけるスイッチのインターロック機構について説明するための図である。 本発明に係る直流電力系の安全装置の第３実施形態を示す回路図である。 本発明に係る直流電力系の安全装置の第４実施形態を示す回路図である。 本発明に係る直流電力系の安全装置の第５実施形態を示す回路図である。 本発明に係る安全装置を内蔵した太陽電池モジュールの実施例を示す図である。 本発明に係る直流電力系の安全装置のシミュレーション回路（Ａ）と、その結果（Ｂ）を示す図である。 太陽電池モジュールの安全装置の従来技術を示す図である。

〔第１実施形態：図１〕
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第１実施形態を示す回路図である。
図１において、参照符号１で示すものは、高圧の直流電力系の実施例である太陽電池ストリングである。なお、ここでは直流電力系１が太陽電池ストリングである場合を示しているが、これに限定されないことは言うまでもない。
また、「太陽電池ストリング」を、説明の都合上、以下「ストリング」と呼ぶこととする。

図１において、ストリングを構成する各太陽電池モジュールのプラスとマイナスの間には、コンデンサ２及びバイパスダイオード３がそれぞれ並列に接続されている。コンデンサ２は、日光や温度変化による発電電力の変化の影響を和らげ、太陽電池モジュールの発電電力を安定化させる働きをする。また、バイパスダイオード３は、上述の通り、日影になったり故障したりした太陽電池モジュールにおいて、電流をバイパスさせることにより、ストリング１の発電を維持する働きをする。

また、ストリング１の出力のプラスとマイナスの間には、ストリング１の出力を短絡するための半導体スイッチの一種であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）４が並列接続されるとともに、ＭＯＳＦＥＴ４のドレインＤ−ゲートＧ間には抵抗器５が接続され、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートＧ−ソースＳ間にはスイッチ６（ＳＷ１）が接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ４は、図の抵抗器５の下端の電圧Ｖｇによってオン／オフを制御するようになっている。
また、スイッチ６（ＳＷ１）は、ＭＯＳＦＥＴ４のオン／オフを制御する電圧Ｖｇを切り換える目的で設けられているものであり、ＳＷ１が開放（オフ）の時は、Ｖｇはストリング１の出力電圧（＝ドレインＤの電位）にほぼ等しくなり、ＳＷ１が短絡（オン）の時はＶｇはゼロ電圧になる。

ＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート電流がほとんど流れず、オン時のドレインＤ−ソースＳ間電圧も低い（約２．５Ｖ）ことから、出力短絡用のスイッチとして好適である。
なお、逆流防止ダイオード７は、上述の通り、ストリング１の一部が日影になった場合に、他のストリングとの間の電圧アンバランスによる逆電流の流入を防止するためのものである。

また、ＳＷ１がオフになっている時は、Ｖｇは略ＭＯＳＦＥＴ４の閾値に等しい低い電圧になっており、また、流れる電流もわずか（数１０ｍＡ）であるため、ＳＷ１は微小電流用のスイッチを用いる必要がある。逆に言えば、微小電流用のスイッチで済むため、低電圧用の手動スイッチを用いても安全に操作できる。
また、ＳＷ１としては、一般的なトグルスイッチのような手動スイッチや、リードスイッチ、後述のリレーを採用することもできる。
なお、抵抗器５の抵抗値はＭＯＳＦＥＴ４のベータ値（トランスコンダクタンス値）に応じて決定するが、数ｋΩで十分である。なお、ここでは１０ｋΩとした。

以上の構成において、本発明に係る直流電力系１の安全装置の第１実施形態の動作について説明する。
ストリング１の設置時にＳＷ１をオフにしておくと、太陽電池モジュールに太陽光が当たると太陽電池モジュールが発電を開始する。そうすると、図１のＶｇの電圧が上がり、ＭＯＳＦＥＴ４の閾値電圧を超えるとＭＯＳＦＥＴ４がオンになる。

すると、Ｖｇが下がり、ＭＯＳＦＥＴ４のオン電圧（≒Ｖｇ）はＭＯＳＦＥＴ４の閾値付近（１０Ｖ以下）に収束する。太陽電池モジュールは、光の強さに比例した定電流源であるため、太陽電池モジュールには最大短絡電流以上は流れない。

また、ＭＯＳＦＥＴ４の短絡によりストリング１の電圧が他のストリングの電圧より低くなっても、逆流防止ダイオード７によって逆電流の流入を防止できるので安全である。
これにより、作業者が万一ストリング１の出力に感電したとしても、ストリング１の出力電圧は１０Ｖ以下であるため、全く人体には影響がない。

次に、すべての太陽電池モジュールの設置工事が完了し、ストリング１の通常発電を開始する場合は、ＳＷ１をオンにする。すると、Ｖｇがゼロ電圧になるため、ＭＯＳＦＥＴ４がオフとなり、ストリング１の通常発電が開始される。
一方、保守作業、建物等の火災又は大規模地震等の発生時や、ストリング１の一部の太陽電池モジュールに不具合等が発生した場合には、ストリング１の出力を短絡させて危険のない電圧に下げる必要がある。そのような場合には、ＳＷ１をオフにすることによりストリング１の出力を短絡することができる。
また、ＳＷ１がオフのときが安全サイド（ＭＯＳＦＥＴ４が短絡状態）であるため、ＳＷ１がオン状態の時に、ＳＷ１が接点不良又は破損してオフになっても安全であるという特長がある。

この第１実施形態では、ＳＷ１がオンの状態だと抵抗器５にはストリング１の発電電圧（例えば約６００Ｖとする。）がかかるので、ＳＷ１に流れる電流は、６００Ｖ÷１０ｋΩ＝６０ｍＡとなる。また、ＳＷ１がオフの状態であれば、ＳＷ１の接点間には約２．５Ｖしかかからない。従って、上述の通りＳＷ１は微小電流用のスイッチでよい。
また、図１では、ＭＯＳＦＥＴ４がＮチャンネルの場合を図示しているが、ＭＯＳＦＥＴ４がＰチャンネルの場合はプラスとマイナスが逆になるだけであるので、図示は省略した。

次に、本発明の第１実施形態の変形例を図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１実施形態の変形例を示す図である。図２が図１と異なる点は、図１のＭＯＳＦＥＴ４をバイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（ＢＪＴ）に代えた点のみである。
図２のＢＪＴ４は、ＮＰＮ型トランジスタ２個をダーリントン接続したものであるが、トランジスタ１個でも勿論構わない。ダーリントン接続したトランジスタの直流電流増幅率（ｈＦＥ）は、各トランジスタのｈＦＥの積に等しくなるので、ダーリントン接続によってｈＦＥを大きくすることができ、ベース電流を小さくすることができるという利点がある。一般に、ダーリントン接続されたトランジスタのｈＦＥは１０００以上になるので、ベース電流はわずかである（１ｍＡ未満）。

これ以外の点の説明は、上記図１の説明における「ドレインＤ」を「コレクタＣ」と、「ゲートＧ」を「ベースＢ」と、「ソースＳ」を「エミッタＥ」と、それぞれ置き換えれば同様である。ただし、ダーリントン接続の場合のオン時のコレクタＣ−エミッタＥ間電圧は、一般的には、ＭＯＳＦＥＴのオン時のドレインＤ−ソースＳ間の電圧よりも低い。
また、ＢＪＴの代わりに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」という。）を用いてもよい。ＩＧＢＴは大電力の高速スイッチングに適している。なお、ＩＧＢＴを用いた場合の動作説明は、上記図１の説明における「ドレインＤ」を「コレクタＣ」と、「ソースＳ」を「エミッタＥ」と、それぞれ置き換えれば同様である。

〔第２実施形態：図３及び図４〕
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第２実施形態を示す回路図である。
図３に示す第２実施形態が第１実施形態（図１）と異なるのは、第２実施形態が、ストリング１と他のストリング又は機器等との接続／遮断を切り換える第２スイッチ８（ＳＷ２）を逆流防止ダイオード７に直列に接続した点と、ＳＷ１とＳＷ２とが“インターロック機構”になっていることである。その他の点は第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
なお、インターロック機構とは、一般には、ある一定の条件が整わないと他の動作ができなくなるような機構のことを意味するが、本発明の場合は、ＳＷ１とＳＷ２の操作順が所定の順序に設定されていることを意味している。

図４は、本発明の第２実施形態におけるスイッチのインターロック機構について説明するための図である。インターロック機構によるＳＷ１及びＳＷ２の動作について、図４を用いて説明する。
（１）切換動作が「遮断時」の場合
最初にＳＷ１をオフしてからＳＷ２をオフする。この順序でしないと操作ができないようにしてある。何故この順序で操作をするのかを説明する。
ＳＷ１及びＳＷ２がオンの状態では、ストリング１では通常の発電が行われており、その出力電流（直流）がＳＷ２を介して外部に流出している。この電流が数十Ａになると、ＳＷ２をオフしようとしても空気中でアーク放電して電流を遮断できないという問題がある。

そこで、まずＳＷ１を先にオフすることによってＭＯＳＦＥＴ４をオン状態にし、ストリング１の出力を短絡する。短絡によってストリング１の電圧が直流母線の電圧より低くなれば逆流防止ダイオード７によって逆電流はゼロになるので、ＳＷ２は無電流で遮断することができる。

（２）切換動作が「接続時」の場合
最初にＳＷ２をオンしてからＳＷ１をオンする。この順序でしないと操作ができないようにしてある。何故この順序で操作をするのかを説明する。もし、先にＳＷ１をオンしてしまうと、その瞬間にＭＯＳＦＥＴ４がオフとなり、ストリング１の発電が開始されて、ＳＷ２には大きな電圧がかかる。この状態でＳＷ２の接点に触れてしまうと危険であるので、まだＳＷ１がオフである状態（ストリング１の出力が短絡状態）の時に先にＳＷ２をオンすれば安全だからである。このインターロック機構によって安全性がさらに向上する。

〔第３実施形態：図５〕
次に、本発明の第３実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第３実施形態を示す回路図である。
第３実施形態が第１実施形態と異なる点は、第３実施形態では、抵抗器５に直列に発光ダイオード９を接続した点である。

図５において、ＳＷ１をオンすると、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートがソースと同電位となるので、ＭＯＳＦＥＴ４はオフとなり、ストリング１の出力電流が抵抗器５を通して発光ダイオード９に流れる。抵抗器５は発光ダイオード９の電流制限抵抗として機能するが、発光ダイオードは数ｍＡの順電流で点灯させることができるので、抵抗器５は数ｋΩで十分である。発光ダイオード９が点灯することにより、ストリング１が発電中（直流電力系１が稼動中）であることを作業者に知らせ、注意を喚起することができるという効果がある。

〔第４実施形態：図６〕
次に、本発明の第４実施形態について、図６を用いて説明する。図６は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第４実施形態を示す回路図である。
第４実施形態が第１実施形態と異なる点は、第４実施形態では、図１のスイッチ６を単極双投スイッチ６で置き換え、ＭＯＳＦＥＴ４のゲート−ソース間にｂ接点（ノーマリークローズ）を接続し、ＭＯＳＦＥＴ４のドレイン−ソース間にａ接点（ノーマリーオープン）を接続した点である。このスイッチ６は例えば単極双投のリレーを利用すれば、外部から遠隔制御をすることができるので好ましい。

この単極双投スイッチ６としてリレーを用いた場合の安全装置の動作を図６を用いて説明する。図６（Ａ）は、ｂ接点がオンしているので、ＭＯＳＦＥＴ４のゲートがソースと同電位となり、ＭＯＳＦＥＴ４はオフとなっていることを示している。
ここでリレーの電源をオンすると、リレーのコイルが電磁石となり、ｂ接点に接触していた可動片が磁石の力でａ接点側に吸い寄せられてａ接点がオンになる（図６（Ｃ））。
ａ接点がオンになると、ドレイン−ソース間（すなわち、直流電力系１の出力間）が短絡され、直流電力系１からの電流はａ接点を流れる。

しかしながら、図６の（Ａ）から（Ｃ）に遷移するまでには、約１ｍｓ〜２ｍｓのタイムラグがあり、その間は図６（Ｂ）の状態になる。
すなわち、この時間内は、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになり、直流電力系１が短絡され、直流電力系１からの電流がＭＯＳＦＥＴ４を通して流れる。しかし、約１ｍｓ〜２ｍｓ経過後にａ接点がオンになり（図６（Ｃ））、電流はオン抵抗の小さいａ接点を通して流れるため、ＭＯＳＦＥＴ４の発熱はほとんどない。

図６（Ｃ）の状態から、逆に、リレーの電源をオフすると、可動片は通電接点のａ接点から離れ、一時的に図６（Ｂ）の状態になる。そうすると、ＭＯＳＦＥＴ４はまだオンのままであり、オン電圧は１０Ｖ以下であるからアークは発生せずに、ａ接点を流れていた電流はＭＯＳＦＥＴ４に転流する。１ｍｓ〜２ｍｓ後にｂ接点がオンになると（図６（Ａ））、ＭＯＳＦＥＴ４はオフになり、遮断は終了する。

高電圧、大電流の開閉器の場合、一般的には短絡スイッチとして利用する半導体スイッチの発熱による損失が問題となるが、この回路を利用すればＭＯＳＦＥＴ４の導通による発熱は短時間であり問題とならないので放熱器が不要となる。また、a接点とｂ接点との間の空間距離があるため、a接点を十分離れた後に、ｂ接点に到達してから電流オフで電圧が発生する。主電極が開極した後、時間遅れで半導体スイッチを遮断する必要があったのが、これによりその動作が自動的に確実に行われるので、この安全装置は高電圧の直流遮断器として好適である。
なお、単極双投スイッチ６がリレーである場合を例として説明したが、補助接点付のリレーや単極双投の手動スイッチでも同様の効果が得られることは勿論である。
また、ＭＯＳＦＥＴ４の代わりに、高電圧、大電流用のＩＧＢＴを用いれば、１５００Ｖ、数百Ａ程度の直流遮断器を実現することが可能であり、電気自動車の保護用遮断器等として小型軽量なので有用である。

〔第５実施形態：図７〕
上述の第１乃至第４実施形態においては、ＭＯＳＦＥＴ４のボディダイオードの存在により、逆方向の電流に対しては阻止できないので、電圧が逆転すると常に導通状態となる。太陽光発電設備の故障若しくは事故の状況によっては、電流が逆に流れる故障モードになる可能性も否定できない。例えば、ストリングが接続されるＤＣ母線の電圧が異常になる場合や、極性が反転する場合等である。
次に説明する第５実施形態は、遮断時に電流の方向が定まらない、あるいは逆方向に流れる場合でも遮断することが可能な安全装置である。

図７は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第５実施形態を示す回路図であり、本発明の第５実施形態について、図７を用いて説明する。なお、図中、ａは「ａ接点」を、ｂは「ｂ接点」を表している。
図７において、４個のダイオード（ｄ１〜ｄ４）をそれぞれ２個ずつ直列に順接続した２組のダイオード列（ｄ１，ｄ２）と（ｄ３，ｄ４）とＭＯＳＦＥＴ４とを、ｄ１及びｄ３のカソード側をＭＯＳＦＥＴ４のドレイン側に、ｄ２及びｄ４のアノード側をＭＯＳＦＥＴ４のソース側にそれぞれ接続する。そして、ＭＯＳＦＥＴ４のドレイン−ゲート間にさらに抵抗器５を接続する。

さらに、２極双投スイッチ６の一方の双投スイッチのｂ接点をＭＯＳＦＥＴ４のソース−ゲート間に接続し、２極双投スイッチ６の他方の双投スイッチのａ接点を、前記各ダイオード列の一方の中点に接続し、そのコモン接点を他方の中点に接続することによって、安全装置（１点鎖線で囲った部分）が構成される。
そして、各ダイオード列の各中点を直流電力系１の端子間に接続して使用するものである。

この第５実施形態の安全装置の特徴は、電流を図７の上から下でも、下から上でも双方向に流せる直流電流双方向型であるという点である。
例えば、上側がプラスで、下側がマイナスの場合、スイッチ６をｂ接点からａ接点に切り換えると、接点の接続は一時的に図６（Ｂ）と同様の状態になり、図７のＭＯＳＦＥＴ４がオンとなる。
その結果、直流電力系１のプラス側（上）から流れ出た電流は、上からダイオードｄ１を通り、ＭＯＳＦＥＴ４からダイオードｄ４を通ってマイナス側（下）に流れ、直流電力系１が短絡される。そして、１ｍｓ〜２ｍｓ後には右側の双投スイッチのａ接点が導通するため、電流はａ接点を通して上から下へと流れる。

その逆に、スイッチ６を元に戻すと、接点の接続は一時的に図６（Ｂ）と同様の状態になり、図７のＭＯＳＦＥＴ４はオンの状態を維持している。
電圧は１０Ｖ以下であるからアークは発生せずに、ａ接点を流れていた電流はダイオードｄ１を通してＭＯＳＦＥＴ４に転流し、さらにダイオードｄ４を通ってマイナス側に流れる。１ｍｓ〜２ｍｓ後にｂ接点がオンになると（図７の状態）、ＭＯＳＦＥＴ４はオフになり、遮断は終了する。この時は、電流は、ダイオードｄ１から抵抗器５を通り、さらに左側の双投スイッチのｂ接点からダイオードｄ４を通ってマイナス側に流れる。

この回路は上下対称であるから、下側がプラスで、上側がマイナスの場合も全く同様に動作する。この場合、上記説明において、「ダイオードｄ１」を「ダイオードｄ３」に、「ダイオードｄ４」を「ダイオードｄ２」に置き換えて読めばよい。
従って、この安全装置は、直流の電流双方向のスイッチとして機能する。直流配電では電流がどちら方向に流れるかわからないので、この安全装置を直流電流電１に挿入しておけば安全性がさらに向上する。
また、この回路はＭＯＳＦＥＴが一つだけで直流電流双方向スイッチとして機能するところが優れている。なお、２極双投スイッチ６は、手動スイッチでも電動リレースイッチでもどちらでもよい。

図８は、本発明に係る安全装置を内蔵した太陽電池モジュールの実施例を示す図である。
（Ａ）は図１の第１実形態の安全装置を太陽電池セルの出力に並列に接続して太陽電池モジュールとして構成したものである。また、（Ｂ）は図５の第３実形態の安全装置を太陽電池セルの出力に並列に接続して太陽電池モジュールとして構成したものである。
なお、この図では、短絡用の半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを使用しているが、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードがバイパスダイオードとして利用できる利点がある。近年のＭＯＳＦＥＴのボディダイオードのオン電圧は、１．２Ｖ程度であり、一般のダイオードと遜色ないレベルである。
太陽電池モジュールに初めから安全装置が組み込まれていれば、設置時の作業の安全性向上に寄与することができる。

図９は、本発明に係る直流電力系の安全装置のシミュレーション回路（Ａ）と、その結果（Ｂ）を示す図である。
図９（Ａ）において、太陽電池モジュールは、４００Ｖ、４Ａの発電電力を出力する等価回路で表している。

図９（Ｂ）は、シミュレーション結果を表すチャートである。（１）Ｖｐｖは、太陽電池モジュールの出力電圧を表しており、スタートから０．０５秒後までは４００Ｖが出力されていることを示している。
また、（２）Ｉｏｕｔは、外部に出力される電流の大きさを表しているのに対し、Ｉｐｖは、太陽電池モジュールで発電した電流の大きさを示している。Ｉｐｖは４Ａ一定であることが分かる。

（３）Ｐｏｗｅｒは、太陽電池モジュールの発電電力を表しており、スタートから０．０５秒後までは４００Ｖ×４Ａ＝１６００Ｗが出力されていることを示している。
また、（４）Ｖｇａｔｅ＝１Ｖの時にＳＷ１がオンになり、その結果としてＭＯＳＦＥＴのゲートＧが接地されるため、ＭＯＳＦＥＴはオフとなり、（Ｂ）の一番上のチャート（１）に示すように、太陽電池モジュールの出力電圧Ｖｐｖは、０〜０．０５ｓまでは４００Ｖに保持されている。

また、（４）ＶｇａｔｅはＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御するスイッチＳＷ１を駆動する電圧信号である。Ｖｇａｔｅ＝１Ｖの時、ＳＷ１がオンになり、その結果、ＭＯＳＦＥＴのゲートが接地されるためＭＯＳＦＥＴはオフとなる。このため、Ｖｇａｔｅ＝１Ｖが維持される０〜０．０５秒までは太陽電池モジュールで発電した電力がそのまま出力される。

０．０５秒後にＶｇａｔｅ＝０Ｖになると、ＳＷ１がオフとなり、その結果ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧がＶｐｖになるため、ＭＯＳＦＥＴがオンになり、（１）に示すように、Ｖｐｖは略０Ｖまで下がる。
また、ＩｐｖはＭＯＳＦＥＴを通って流れるため、外部には流出せず、Ｉｏｕｔはゼロとなる（（２）参照）。その結果、（３）Ｐｏｗｅｒもゼロとなる。
以上のシミュレーションの結果、本発明に係る直流電力系の安全装置の動作及び効果が確認された。

本発明の安全装置をストリングに適用した場合、特別な制御用電源も要らず、太陽電池モジュールで発電した電圧を利用してＭＯＳＦＥＴ等のゲートをオンすることで、ストリングの電圧を短絡させて出力をゼロにすることができる。また、手動でスイッチをオンし、ＭＯＳＦＥＴ等のゲートを接地することでＭＯＳＦＥＴ等をオフすることができる。
ゲートの電流を手動スイッチで開閉するための電圧、電流は数Ｖ、数十ｍＡであり、アークなど存在しないので電極寿命も問題ない。この安全装置は部品数が少なく低コストである部品で構成され、小型で接続ボックス内に収納できるのも特徴である。

本発明の利点は、太陽発電中、ストリング毎に無電圧にして、接続／遮断スイッチ（ＳＷ２）で離脱できることである。１０年以上の寿命を想定している太陽光発電装置は運転保守が重要である。その場合、ストリング毎に本発明の安全装置で短絡して電圧を落とし、その後、接続／遮断スイッチ（ＳＷ２）をオフにして、短絡電流や解放電圧をストリング毎に測定したり、水洗いなど清掃を行うことも可能になる。

この発明の実施形態においては、直流電力系１は太陽電池ストリングを例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば電気自動車の事故時の電池や、スマートハウスの火災時の蓄電池等の高圧の直流電力系にも同様に適用可能である。
そこでは、遮断する電流が流れる回路にインダクタンスがある場合、遮断時にサージ電圧が発生するので、その対策として必要に応じてバリスタなどの過電圧保護装置を付加する。

また、スイッチ６（ＳＷ１）のオン／オフ制御を、手動ではなく、外部からの信号によって遠隔制御するようにしてもよい。スイッチの数が数百もあるような大規模が太陽光発電設備の場合は、緊急時に一斉にオフすることによって、全ての太陽電池モジュールの運転を停止させることが可能となる。
以上で実施形態の説明を終了するが、以上説明した各実施形態、動作及び変形例の構成は、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施可能であることはもちろんである。

１ 直流電力系（太陽電池ストリング）
２ コンデンサ
３ バイパスダイオード
４ 半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ）
５ 抵抗器
６ 第１スイッチ
７ 逆流防止ダイオード
８ 第２スイッチ
９ 発光ダイオード

Claims (11)

1. 直流電力系の出力を短絡させるために、該直流電力系の出力端子間に挿入する安全装置であって、該安全装置は、
   一つのＭＯＳＦＥＴと、該ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間に接続された抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのソース−ゲート間に接続されたスイッチとを備え、さらに、
   前記ＭＯＳＦＥＴがＮチャンネルの場合は、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ドレインを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記ソースを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続し、或いは
   前記ＭＯＳＦＥＴがＰチャンネルの場合は、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ソースを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記ドレインを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続することを特徴とする直流電力系の安全装置。
2. 前記ＭＯＳＦＥＴを絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」という。）で置換したものであって、前記ドレインが前記ＩＧＢＴのコレクタであり、かつ、前記ソースが前記ＩＧＢＴのエミッタであることを特徴とする請求項１に記載の直流電力系の安全装置。
3. 直流電力系の出力を短絡させるために、該直流電力系の出力端子間に挿入する安全装置であって、該安全装置は、
   一つのバイポーラジャンクショントランジスタ（以下「ＢＪＴ」という。）と、該ＢＪＴのコレクタ−ベース間に接続された抵抗器と、前記ＢＪＴのエミッタ−ベース間に接続されたスイッチとを備え、さらに、
   前記ＢＪＴがＮＰＮ型の場合は、前記ＢＪＴの前記コレクタを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記エミッタを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続し、或いは、
   前記ＢＪＴがＰＮＰ型の場合は、前記ＢＪＴの前記エミッタを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記コレクタを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続することを特徴とする直流電力系の安全装置。
4. 前記抵抗器に直列に発光ダイオードを挿入し、前記直流電力系が放電又は発電中である時に点灯させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力系の安全装置。
5. 前記直流電力系の出力端子のいずれかに、前記直流電力系の電力の接続／遮断を切り換える第２スイッチをさらに備え、
   該第２スイッチをオンした後に前記スイッチのオンを許可し、前記スイッチをオフした後に前記第２スイッチのオフを許可するインターロック機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流電力系の安全装置。
6. 前記スイッチを双投スイッチで置き換えるとともに、該双投スイッチのｂ接点を前記ゲートに接続し、前記双投スイッチのａ接点を前記ドレインに接続するとともに、前記双投スイッチのコモン接点を前記ソースに接続したことを特徴とする請求項１に記載の直流電力系の安全装置。
7. 前記スイッチを双投スイッチで置き換えるとともに、該双投スイッチのｂ接点を前記ゲートに接続し、前記双投スイッチのａ接点を前記コレクタに接続するとともに、前記双投スイッチのコモン接点を前記エミッタに接続したことを特徴とする請求項２に記載の直流電力系の安全装置。
8. 前記スイッチを双投スイッチで置き換えるとともに、該双投スイッチのｂ接点を前記ベースに接続し、前記双投スイッチのａ接点を前記コレクタに接続するとともに、前記双投スイッチのコモン接点を前記エミッタに接続したことを特徴とする請求項３に記載の直流電力系の安全装置。
9. 前記スイッチのオン／オフ制御を外部からの信号によって遠隔制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流電力系の安全装置。
10. 請求項１乃至４のいずれかに記載の安全装置が内蔵されていることを特徴とする安全装置内蔵型太陽電池モジュール。
11. 直流電流双方向の電源の電流を開閉させるため、該電流の短絡・解放を行う直流電力系の安全装置であって、該安全装置は、
    ４個のダイオードをそれぞれ２個ずつ直列に順接続した２組のダイオード列と、１個のＭＯＳＦＥＴと、２極双投スイッチとを備え、
    前記２組のダイオード列のカソード側を１個のＭＯＳＦＥＴのドレイン側に、前記２組のダイオード列のアノード側を１個のＭＯＳＦＥＴのソース側にそれぞれ接続し、
    前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間にさらに抵抗器を接続し、
    前記２極双投スイッチの一方の双投スイッチのｂ接点（ａ接点は無接続）を前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続し、そのコモン接点を前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続し、
    さらに、
    前記２極双投スイッチの他方の双投スイッチのａ接点（ｂ接点は無接続）を、前記各ダイオード列の一方の中点に接続し、そのコモン接点を他方の中点に接続するとともに、
    前記各ダイオード列の各中点を前記直流電流双方向の直流電力系の端子間に接続して使用することを特徴とする直流電力系の安全装置。
    

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