JP2007274773A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の昇圧回路を備えた電力変換装置において、1次側回路内にある複数の昇圧回路を構成する昇圧トランス、平滑コンデンサ及びスイッチ素子を最短経路かつ、均等に電力が供給されるように接続することが可能で、スイッチ素子のサージ電圧等を抑制して、損失や電磁ノイズを低減する。
【解決手段】インバータ装置1の昇圧部2は、昇圧回路B1、B2の各々の1次側回路の入力部である端子a乃至jが並列接続され、また各々の2次側回路の出力部である平滑コンデンサC3、C4の各端子が直列接続されている。1次側回路の電力供給端子が一対の平行に配設された導電体板BUS(+)、BUS(−)により構成され、昇圧回路B1、B2は順次、列状に並設されて、それら各々の1次側回路の電力供給端子が夫々導電体板BUS(+)、BUS(−)上に配設される。
【選択図】図1

Description

本発明は、比較的大電流を扱う太陽光発電システムや小型燃料電池発電システム等の電力変換装置に関する。
住宅用の小型の太陽光発電システムや小型燃料電池発電システムでは、電力変換に用いるインバータ装置の定格が1〜5kW程度であり、その一例としては、図9に示すようなインバータ装置が挙げられる。
図9は、従来のインバータ装置の概略回路構成を示す。このインバータ装置100は、入力電圧を昇圧する昇圧部200と、昇圧部200で昇圧された電圧を直流から交流に電力変換して出力する正弦波生成部300と、からなるものであり、その概略回路構成は次のようになっている。
昇圧部200を構成する昇圧回路B1は、1次側回路には、制御部(不図示)によって制御される一対のスイッチ素子Q1、Q2からなるプッシュプルインバータ回路4aと、平滑コンデンサC1と、昇圧トランスT1と、を備え、2次側回路には、複数のダイオードからなる整流回路D1と、チョークコイルL1と、平滑コンデンサC3及びC5とを備えた平滑回路と、を備える。
正弦波生成部300は、昇圧部200からの入力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路5と、インバータ回路5の出力を平滑して出力波形を正弦波状の波形とするフィルタ回路6と、を備える。インバータ回路5は、IGBT等のスイッチ素子Q5、Q6、Q7、Q8をフルブリッジ接続して構成され、制御部により各スイッチ素子Q5、Q6、Q7、Q8のオン/オフを制御することにより電力変換を行う。フィルタ回路6は、直列接続されたスイッチ素子Q5、Q7の接続点に一端が接続されたリアクトルL3と、直列接続されたスイッチ素子Q6、Q8の接続点に 一端が接続されたリアクトルL4と、これらリアクトルL3、L4の他端間に接続されたコンデンサC6と、で構成されるローパスフィルタからなり、インバータ回路5のスイッチング動作によるリップル成分の平滑化を行う。
ところで、電力の供給元である太陽光発電システムや小型燃料電池発電システム等の発電システムの種類や構成仕様等に起因して、インバータ装置への入力電圧が比較的低電圧である場合において、この入力電圧を高電圧へと電圧変換するにあたって、上記例示したような昇圧回路B1を備えたインバータ装置を用いることが一般的であるが、このインバータ装置のように一段の昇圧回路、一個の昇圧トランスにより高昇圧比を得ようとすると、昇圧トランスの1次巻線と2次巻線の線径や巻数に大きな差が生じることになり、結合度の高い昇圧トランスを構成することが非常に難しい。
従って、このような構成においては、結合度の低い昇圧トランスを使用することになり、電力変換の効率低下やスイッチング時のスイッチ素子へのサージ電圧の発生等が引き起こされる問題がある。上記昇圧部の回路構成における前記問題点を解消するために、図1に示すように、昇圧部に複数の昇圧回路を並列して設け、入力電圧を各昇圧回路の昇圧トランスに分散分担させて、昇圧トランスの巻線の均一化を図り、高い結合度を得て、電力変換の効率低下やサージ電圧の発生等を抑制する手法がある。
また、インバータ装置の昇圧部等におけるサージ電圧の抑制や配線インピーダンスを低減するために、コンデンサを直並列接続するブスバ等の構造や構成が提案されている。(例えば、特許文献1、2参照)。
特開2003−319665号公報 特開平11−055938号公報
しかし、上記の昇圧部に複数の昇圧回路を設けた1次側回路の回路構成においては、各構成部品がプリント基板上に任意に配置されていたり、各々の昇圧回路どうしを電線によって接続したりするような構成が取られているため、プリント基板上の銅箔パターンや回路間の接続電線による配線インピーダンス等によりコンデンサのサージ電圧抑制効果が阻害されてスイッチ素子に過大なストレスを与えてしまうといった問題点があった。
こうしたサージ電圧を抑制するために、特許文献1では、複数のコンデンサに並列接続される一対のバスバー(ブスバ)を平行に対向させて配置する等により、配線インダクタンスの低減を図っている。また、特許文献2では、多数のコンデンサを並列接続する際に、コンデンサをU字状に配置かつ、ブスバの断面形状をL字状等にして、ブスバ間の距離を確保して正負極間の配線インダクタンスのバランスを保って電流不平衡を低減している。
しかし、更に昇圧回路における素子等の部品の配置及び配線の取り回しに関連して、構成部品の配置の制約上、各部品間の配線長に不均衡を生じて各昇圧回路へ電力を均等に配分することができないといった問題もあり、上記のサージ電圧抑制のためのスイッチ素子やコンデンサ配置等の制約と合わせて、複合する配置や配線等の制約を総合的に満たすような1次側の昇圧回路の配置構成をすることが困難であった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、複数の昇圧回路の各々の1次側回路の入力部が並列接続される電力変換装置において、複数の昇圧回路を構成する昇圧トランス、平滑コンデンサ及びスイッチ素子を最短経路かつ、均等に電力が供給されるように接続することを可能とし、スイッチ素子のサージ電圧等を抑制して、損失や電磁ノイズの少ない高効率の電力変換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請求項1の発明は、大電流、低電圧入力を小電流、高電圧出力に変換する複数の昇圧回路の各々の1次側回路の入力部が並列接続され、前記複数の昇圧回路の各々の2次側回路の出力部が直列接続された電力変換装置において、前記昇圧回路の1次側回路の電力供給端子が一対の平行に配設された導電体板により構成され、前記複数の昇圧回路は順次、列状に並設され、それら各々の1次側回路の電力供給端子が前記一対の導電体板上に配設されていることとした。
請求項2の発明は、請求項1に記載の電力変換装置において、外部より電力が供給される正極及び負極の電力供給部を、前記一対の導電体板の互いに反対側となる一端に設けることとした。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置において、前記一対の導電体板には、複数のコンデンサが並列接続されており、正極側の導電体板と前記コンデンサの外殻ケースとの間に絶縁シートを設けることとした。
請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電力変換装置において、前記一対の導電体板の一方を、前記導電体板の他方に対して所定の段差を有して設けることとした。
請求項1の発明によれば、複数の昇圧回路の1次側回路の入力部を並列接続する際に、昇圧回路の1次側回路の電力供給端子を一対の導電体板によって構成したことにより、1次側回路の、例えば平滑コンデンサとスイッチ素子を最短距離にて低インピーダンスで接続することができる。このため、スイッチ素子のサージ電圧を抑制して、スイッチング時に発生する損失や電磁ノイズを抑制することができる。
請求項2の発明によれば、外部から各導電体板への電力供給が、互いに反対側となる一端より供給されるので、導電体板上の電力供給端子に接続された各々の昇圧回路への電力配分が均等になり、一部の昇圧回路への負担が増加して、その昇圧回路の素子耐量を超えて破壊に至らしめるというおそれを回避することができる。
請求項3の発明によれば、絶縁シートによってコンデンサの外殻と充電部との絶縁が確保できるので、短絡等に対する安全性を確保することができる。
請求項4の発明によれば、コンデンサの両極の端子は、異なる高さで夫々の導電体板の電力供給端子に接続されるので、コンデンサの両極の端子間及び各導電体板間の絶縁距離を確保することができ、短絡等に対する安全性を高めることができる。
以下、本発明の一実施の形態に係る電力変換装置としてのインバータ装置について、図1乃至図8を参照して説明する。
まず、本実施形態のインバータ装置1の回路構成について図1を参照して説明する。図1は、本実施形態に係るインバータ装置1の概略回路構成を示す。インバータ装置1は、入力された電圧を昇圧する昇圧部2と、昇圧部2の出力を交流電圧に変換する正弦波生成部3と、を主要な構成要素としている。昇圧部2は、図9を用いて説明したものと同構成のプッシュプルインバータ回路4a、4bを備えた2個の昇圧回路B1、B2からなり、昇圧回路B1、B2の1次側回路の入力部である昇圧トランスT1、T2の1次側の正極端子(c、h)、平滑コンデンサC1、C2及びスイッチ素子Q1、Q2、Q3、Q4の各端子(a、b、f、g及びd、e、i、j)は、外部より電力の供給を受ける導電体板BUS(+)及びBUS(−)に設けられた各々の電力供給端子に並列に接続され、2次側回路の出力部である平滑コンデンサC3、C4の各極の端子は直列に接続されている。正弦波生成部3は、図9を用いて説明したものと同構成であり、昇圧部2からの供給された電圧をインバータ回路5で交流電圧に変換し、更に後段のフィルタ回路6でリップル成分の平滑化するようになっている。
上記インバータ装置1による電力変換は次にようにしてなされる。まず、太陽光発電システム等(不図示)から供給される大電流、低電圧の直流電力は、並列接続された夫々の昇圧回路B1、B2の1次側の入力部に供給される。そして、夫々の昇圧回路B1、B2において、供給された直流電圧は各々、平滑コンデンサC1、C2にて平滑化された後、プッシュプルインバータ回路4a、4bの一対のスイッチング素子Q1、Q2及びQ3、Q4によって駆動される昇圧トランスT1、T2によって昇圧され、2次側において整流回路D1、D2及びチョークコイルL1、L2と平滑コンデンサC3、C4により構成される平滑回路によって整流・平滑化されて出力される。夫々の昇圧回路B1、B2の2次側回路の出力部は、直列接続されているので、各出力電圧は足し合わされて、更に高圧化された直流電圧(DC350V)が平滑コンデンサC5で平滑化されて正弦波生成部3に供給される。正弦波生成部3では、制御部のPWM制御等に従ってインバータ回路5を構成する各スイッチ素子 Q5、Q6、Q7、Q8をスイッチングして、昇圧部2から供給された直流電圧を正弦波状の交流電圧に変換して出力する。そして、フィルタ回路6でリップル成分を平滑化して、変換した交流電圧を出力(AC200V)する。
次に、昇圧回路B1及びB2の1次側回路の具体的な構成について、図2乃至図8を参照して説明する。図2は、本発明の実施形態に係るインバータ装置1の昇圧部2を構成する昇圧回路B1及びB2の1次側回路の具体的構造を示す。図3は、1次側回路の分解状態の構成を示す。図4は、1次側回路の平面配置を示す。図5は、1次側回路内部において、平滑コンデンサC1、C2を取り除いた状態の平面配置を示す。図6及び図7は、1次側回路において、正、負極側の導電体板を取り除いた状態の平面配置及び斜視構成を示す。図8(a)、(b)は、夫々1次側回路を側面から見た概略構成を示す。
これらの図において、1次側回路は、放熱板7上に設けられた昇圧トランスT1及びT2と、同放熱板7上の金属ベースのプリント回路基板8上に設けられた電力供給端子と電力供給部とを夫々備えた正極側の導電体板BUS(+)(以下、正極ブスバという)及び負極側の導電体板BUS(−)(以下、負極ブスバという)と、2組(1組あたり2個、合計4個)の平滑用コンデンサC1、C2と、絶縁シート9と、正極及び負極ブスバBUS(+)、BUS(−)をプリント回路基板に固定する4本の支柱10a、10b、11a、11bと、スイッチ素子Q1、Q2、Q3、Q4と、を備える。
放熱板7上において、昇圧回路B1及びB2の各昇圧トランスT1及びT2は、平行に並設されており、夫々の昇圧トランスT1及びT2の前段側である入力側(1次側方向をいう)にはプリント回路基板8が固定されている。プリント回路基板上8において昇圧トランスT1及びT2側である後段側には、2対のスイッチ素子Q1、Q2及びQ3、Q4が設けられており、各昇圧トランスT1及びT2の1次側に備えた2個の負極端子T1a、T1b及びT2a、T2bが、スイッチ素子Q1、Q2及びQ3、Q4の夫々の出力端子Q1a、Q2a及びQ3a、Q4aに半田付けにより接続されている。
スイッチ素子Q1、Q2、Q3、Q4の上方には、これらのスイッチ素子を覆うように正極ブスバBUS(+)、負極ブスバBUS(−)が、昇圧トランス側からこの順で平行かつ水平に並設されている。正極及び負極ブスバBUS(+)、BUS(−)は、夫々銅等の導電性を有する金属板等の同一の厚みを有する同一材料からなり、スイッチ素子Q1、Q2、Q3、Q4の並び方向(以下、回路幅方向)を長辺とする長方形状の端子面12及び13を有する。なお、正極及び負極ブスバBUS(+)、BUS(−)の端子面12及び13の幅、長さは略同一としている。
正極ブスバBUS(+)の端子面12(図4に仮想的に破線枠で示す)には、図4、図5に示されるように、電力供給端子として、前段側に2個の突起部14a、14b(これらを総称して突起部14と記す)及び後段側に4個の小孔15a、15b、15c、15d(これらを総称して小孔15と記す)が回路幅方向に平行かつ夫々が直線状に所定間隔で設けられている。これらの突起部14及び小孔15には、正極側の入力部として前段側より昇圧トランスT1、T2の1次側の正極端子T1c、T2c及び上部に設けられた2組の平滑コンデンサC1、C2の端子の一端が絶縁シート9を介して、夫々半田付けにより接続されている。また、端子面12の回路幅方向の両端部には、固定用穴16a及び16bが設けられており、これらがプリント回路基板8に固定された支柱10a及び10bと夫々係合することによって、正極ブスバBUS(+)はプリント回路基板8に固定されている。そして、端子面12の固定用穴16a近傍の上方には、正極ブスバBUS(+)の端部の曲げ加工等により形成された正極電力供給部17が設けられている。
負極ブスバBUS(−)の端子面13(図4に仮想的に破線枠で示す)には、図4〜図6に示されるように、電力供給端子として、前段側に4個の小孔18a、18b、18c、18d(これらを総称して小孔18と記す)が、後段側に4個の突起部19a(図2に示す)、19b、19c、19d(これらを総称して突起部19と記す)が、回路幅方向に平行かつ夫々が直線状に所定間隔で設けられている。小孔18には上部に設けられた4個の平滑コンデンサC1、C2の端子の他端が、突起部19には下面よりスイッチ素子Q1、Q2、Q3、Q4の各入力端子に半田付けにより接続された補助端子20a、20b、20c、20dが、負極側の入力部として夫々半田付けにより接続されている。また、端子面13の回路幅方向の両端部には、固定用穴21a、21bが設けられており、これらがプリント回路基板8に固定された支柱11a、11bと係合することによって、負極ブスバBUS(−)は、プリント回路基板8に固定されている。そして、端子面13の固定用穴21b近傍の上方には、負極ブスバBUS(−)の端部の曲げ加工等により形成された負極電力供給部22が設けられている。なお、コンデンサC1、C2は、上記のように正極ブスバBUS(+)の小孔15及び負極ブスバBUS(−)の小孔18に半田付け接続されることにより、正、負極ブスバBUS(+)、BUS(−)に支持されている。
図4乃至図6に示すように、放熱板7又はプリント回路基板8上に回路幅方向に平行かつ直線の列状に配置された平滑コンデンサC1及びC2、昇圧トランスT1及びT2、スイッチ素子Q1乃至Q4、及び夫々の端子は、昇圧トランスT1及びT2の放熱板7上の中間点を通り、回路幅方向に直交する中心線23について対称になるように配置されている。従って、これらに接続される正極及び負極ブスバBUS(+)、BUS(−)の端子面12及び13に設けられた夫々の電力供給端子も同様の配置構成となっている。図5に示すように、絶縁シート9は、正極ブスバBUS(+)と略同幅の長方形状のシートであり、小孔15と同位置に同数の穴が設けられており、この上に直線状に配置された平滑コンデンサC1、C2の外殻ケースの下面が収まる長さとなるように構成されている。
また、図8(a)に示すように、正極ブスバBUS(+)を支持する支柱10a、10bは、負極ブスバBUS(−)を支持する支柱11a、11bより低く構成されているので、正極ブスバBUS(+)の端子面12は、負極ブスバ(−)の端子面13に対して低い位置に配置されて、端子面12及び13間には段差を有するようになっている。
また、端子面12及び13間に段差を設ける別の構成として、図8(b)に示すように、絶縁シート9の短辺方向の長さを負極ブスバBUS(−)の方向に伸ばし、正極ブスバBUS(+)側では、プリント回路基板8側から支柱10a及び10b、正極ブスバBUS(+)、絶縁シート9の順で、負極ブスバBUS(−)側では、支柱11a及び11b、絶縁シート9、負極ブスバBUS(−)の順で、積層して構成することにより、支柱10a及び10bと支柱11a及び11bの夫々の長さを変えることなく同一の支柱を使用しながら、絶縁シート9の厚みを利用して正極ブスバBUS(+)と負極ブスバBUS(−)の端子面12及び13間に段差を設けることもできる。
以上のように、インバータ装置1の昇圧部2の1次側回路を構成することにより、昇圧回路B1、B2の1次側回路の入力部を並列接続する際に、正極ブスバBUS(+)及び負極ブスバBUS(−)に設けた各電力供給端子によって平滑コンデンサC1及びC2とスイッチ素子Q1〜Q4の端子が最短距離で接続されるので、両者の接続は低インピーダンス接続となり、スイッチ素子Q1〜Q4のサージ電圧を抑えて、スイッチング時に発生する損失や電磁ノイズを低減することが可能となる。また、複数のスイッチ素子Q1〜Q4は夫々、負極ブスバBUS(−)へ個別に接続点をもって接続されているので、インピーダンスを下げることができる。
また、外部から電力供給を受ける正極電力供給部17及び正極電力供給部22が、正極ブスバBUS(+)及び負極ブスバBUS(−)の互いに反対側となる一端に設けられているので、正極ブスバBUS(+)及び負極ブスバBUS(−)上の各電力供給端子に接続された各々の昇圧回路B1、B2への電力配分は均等になり、一方の昇圧回路への負担が増加して、その昇圧回路の素子耐量を超えて破壊に至らしめるというおそれを回避することができる。
また、絶縁シート9を正極ブスバBUS(+)の端子面12と平滑コンデンサC1、C2との間に設けることによって、平滑コンデンサC1、C2の外殻と充電部との絶縁が確保できるので、これらの短絡等に対する安全性を確保することができる。
また、平滑コンデンサC1、C2の両極の端子は、異なる高さで夫々正極ブスバBUS(+)及び負極ブスバBUS(−)の端子面12及び13に設けられた各電力供給端子に接続されるので、平滑コンデンサC1、C2の両極の端子間、及び正極ブスバBUS(+)と負極ブスバBUS(−)との間の絶縁距離を確保することができ、短絡等に対する安全性を高めることができる。
また、一対の導電体板である正極ブスバBUS(+)及び負極ブスバBUS(−)は、支柱10a、10b、11a、11bによりプリント回路基板8の上方に浮かした状態で水平に並べて設けられ、これら一対の導電体板間にコンデンサC1、C2が支持される構成としており、さらに、コンデンサC1、C2の下方空間に、スイッチ素子Q1〜Q4を配設したので、スペースを有効活用している。
また、導電体板とスイッチ素子Q1〜Q4とは、導電体板から突き出した突起部19a〜19dと別途介在する補助端子20a〜20dとを半田付けすることにより接続している。このように、各端子の接続位置について、コンデンサC1、C2の直下からずらすようにしたことにより、組立時の接続作業がし易くなる。
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。
本発明の実施形態に係るインバータ装置の回路図。 同上装置における昇圧部を構成する1次側回路の斜視図。 同上回路の分解状態の斜視図。 同上回路における平面図。 同上回路における平滑コンデンサC1、C2を取り除いた状態の平面図。 同上回路における正、負極側の導電体板を取り除いた状態の平面図。 同上回路における正、負極側の導電体板を取り除いた状態の斜視図。 (a)、(b)は、夫々同上回路の側面図。 従来のインバータ装置の回路図。
符号の説明
1 インバータ装置(電力変換装置)
2 昇圧部
3 正弦波生成部
7 放熱板
8 プリント回路基板
9 絶縁シート
10a、10b 支柱
11a、11b 支柱
14a、14b 突起部(電力供給端子)
15a、15b、15c、15d 小孔(電力供給端子)
17 正極電力供給部
18a、18b、18c、18d 小孔(電力供給端子)
19a、19b、19c、19d 突起部(電力供給端子)
22 負極電力供給部
a乃至j 端子(入力部)
B1、B2 昇圧回路
C1、C2 コンデンサ
BUS(+) 正極ブスバ(導電体板)
BUS(−) 負極ブスバ(導電体板)

Claims (4)

  1. 大電流、低電圧入力を小電流、高電圧出力に変換する複数の昇圧回路の各々の1次側回路の入力部が並列接続され、前記複数の昇圧回路の各々の2次側回路の出力部が直列接続された電力変換装置において、
    前記昇圧回路の1次側回路の電力供給端子が一対の平行に配設された導電体板により構成され、
    前記複数の昇圧回路は順次、列状に並設され、それら各々の1次側回路の電力供給端子が前記一対の導電体板上に配設されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 外部より電力が供給される正極及び負極の電力供給部が、前記一対の導電体板の互いに反対側となる一端に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記一対の導電体板には、複数のコンデンサが並列接続されており、正極側の導電体板と前記コンデンサの外殻ケースとの間に絶縁シートが設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
  4. 前記一対の導電体板の一方は、前記導電体板の他方に対して所定の段差を有して設けられていること特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の電力変換装置。
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