JP2009022111A

JP2009022111A - Power conversion apparatus

Info

Publication number: JP2009022111A
Application number: JP2007182926A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Harao; 則行原尾; Shinji Miyauchi; 伸二宮内; Keiichi Sato; 圭一佐藤; Gendo Kato; 玄道加藤; Masahiko Yamamoto; 昌彦山本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-01-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion apparatus improved in total efficiency as a whole system by using heat generated at the time of power generation while electricity is generated, and converting heat into hot water and storing it as hot water. <P>SOLUTION: The power conversion apparatus converts power by using at least a semiconductor rectifier 3 and a semiconductor switching element 4. The semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 are arranged at the side of a mounting board 2 in a row in a state that they are fitted to a heat sink 6. The heat sink 6 is fixed to cooling piping 8 installed at the side of the mounted board 2 through a heat-conducting sheet 7, and cooling water is made to flow in the cooling piping 8. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池で電気を発電する時に発生する熱を有効に利用し、かつ電力変換動作を行なう半導体整流器や半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制するための電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power converter for effectively using heat generated when electricity is generated by a fuel cell and for suppressing a temperature rise of a semiconductor rectifier and a semiconductor switching element that perform a power conversion operation.

現在、燃料電池で電気を発電しつつ、その時に発生する熱を有効に利用し、お湯として蓄え、給湯、暖房等に利用し、システム全体としての効率アップを図る燃料電池コージェネレーションシステム（熱電併給システム）の開発が進んでいる。 Currently, the fuel cell cogeneration system (both heat and power supply) is designed to increase the efficiency of the entire system by generating electricity with a fuel cell and effectively using the heat generated at that time, storing it as hot water, and using it for hot water supply and heating. System) is being developed.

燃料電池は直流電圧を発電するが、その電圧はそのままでは一般家庭用の電気機器へは使用できない。一般家庭用の電気機器で使用できるようにするには、燃料電池出力の直流電圧（たとえば、ＤＣ２０ＶとかＤＣ４０Ｖ）を半導体整流器や半導体スイッチング素子を使って、商用交流周波数である５０Ｈｚあるいは６０ＨｚのＡＣ１００Ｖ交流電圧に電力変換する必要がある。 The fuel cell generates a DC voltage, but the voltage cannot be used as it is for general household electrical equipment. In order to be able to be used in general household electrical equipment, direct current voltage (for example, DC20V or DC40V) of fuel cell output is AC100V AC at 50Hz or 60Hz, which is commercial AC frequency, using a semiconductor rectifier or semiconductor switching element. It is necessary to convert power to voltage.

一般に、このような電力変換を行なう装置を電力変換装置というが、この電力変換装置で電力変換動作を行なう半導体整流器や半導体スイッチング素子は電気的損失が発生し、最終的に熱となって半導体整流器や半導体スイッチング素子の温度を上昇させる。 In general, a device that performs such power conversion is referred to as a power conversion device. A semiconductor rectifier or semiconductor switching element that performs a power conversion operation in the power conversion device generates an electrical loss, and eventually becomes heat and becomes a semiconductor rectifier. And increase the temperature of the semiconductor switching element.

一方、半導体整流器や半導体スイッチング素子は接合部温度がある温度以上になると、素子が劣化し最終的には破壊に結びつき、そのスイッチング機能を失ってしまう（シリコン半導体の場合、最大接合部温度は、約１５０℃となる。）。 On the other hand, when the junction temperature of a semiconductor rectifier or semiconductor switching element exceeds a certain temperature, the element deteriorates and eventually leads to destruction, and loses its switching function (in the case of a silicon semiconductor, the maximum junction temperature is About 150 ° C.).

そのため電力変換装置では、電力変換動作を行なう半導体整流器や半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制するための工夫が必要となる。 Therefore, in the power conversion device, a device for suppressing the temperature rise of the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element that perform the power conversion operation is required.

この、具体的な対策として冷却ファンが発生する冷却用空気の流れにより電力変換装置を効率よく冷却するものや（特許文献１参照）、給電部を水冷するもの（特許文献２参照）が知られている。 As specific measures, there are known one that efficiently cools the power conversion device by the flow of cooling air generated by the cooling fan (see Patent Document 1) and one that cools the power feeding unit (see Patent Document 2). ing.

図４は、前者の、冷却用空気の流れにより電力変換装置を効率よく冷却する従来の冷却方法を示した図であり、同図（ａ）はその横断面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は風取り込み口ふた１０７を端部に臨む横断面図ある。 4A and 4B are diagrams showing a conventional cooling method for efficiently cooling the power conversion device by the flow of cooling air. FIG. 4A is a transverse sectional view, and FIG. 4B is a longitudinal sectional view. (C) is a cross-sectional view of the wind intake port lid 107 facing the end.

図４において、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４は、熱伝導性の良い放熱板６に取り付けられ、外郭ケース１０６に覆われたてケース内に収められている。風取り込み口ふた１０７側に空冷ファン１０５が取り付けられ、放熱板６、半導体整流器３、半導体スイッチング素子４等へ強制的に空気の流れをつくることにより冷却するようにしている。空冷方式で熱を奪い暖められた空気は、電力変換装置の外部へ放出されてしまうことが一般的である。
特開平１０−１８５３８４号公報特開２００４−１７１８３５号公報 In FIG. 4, the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 are attached to a heat radiating plate 6 having good thermal conductivity and covered with an outer case 106 and housed in a case. An air-cooling fan 105 is attached to the air intake port lid 107 side to cool the heat sink 6, the semiconductor rectifier 3, the semiconductor switching element 4 and the like by forcibly creating an air flow. In general, air that has been deprived of heat by an air-cooling system is discharged outside the power converter.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-185384 JP 2004-171835 A

しかし、特許文献１のように冷却ファンで空冷する場合、上記のように、半導体スイッチング素子等で発生した熱は、一般に電力変換装置の外部へ無駄に放出されてしまう。 However, when the air is cooled by a cooling fan as in Patent Document 1, as described above, the heat generated in the semiconductor switching element or the like is generally discharged to the outside of the power converter.

また、特許文献２のように給電部を水冷するもので、燃料電池の冷却水や排熱回収水により給電部を水冷する構成は知られているが、実装基板上で如何に効率的に排熱回収するかについての開示は無く、より効率的に排熱回収することが必要である。 In addition, as in Patent Document 2, the power feeding unit is water-cooled, and a configuration in which the power feeding unit is water-cooled with fuel cell cooling water or exhaust heat recovery water is known. There is no disclosure of whether to recover heat, and it is necessary to recover exhaust heat more efficiently.

燃料電池コージェネレーションシステムは、電気を発電しつつ発電時に発生する熱をも利用し、熱をお湯に変換しお湯として貯湯することにより、システム全体としての総合効率のアップを図ろうとするものである。 The fuel cell cogeneration system is intended to increase the overall efficiency of the entire system by generating electricity while also using the heat generated during power generation, converting the heat into hot water and storing it as hot water. .

本発明は、上記課題を解決するもので、燃料電池等に用いられる電力変換装置であって、電力変換時に、半導体整流器や半導体スイッチング素子で発生する損失による素子の温度上昇を抑制すると同時に、その熱を捨ててしまうことなく、より効率的に排熱回収する電力変換装置を提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above problems, and is a power conversion device used for a fuel cell or the like, and at the same time suppressing an increase in the temperature of the element due to a loss generated in a semiconductor rectifier or a semiconductor switching element at the time of power conversion. An object of the present invention is to provide a power converter that recovers exhaust heat more efficiently without throwing away heat.

本発明の電力変換装置を用いることにより、燃料電池コージェネレーションシステムのシステム全体としての総合効率はさらにアップする。 By using the power conversion device of the present invention, the overall efficiency of the fuel cell cogeneration system as a whole is further improved.

前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、少なくとも半導体整流器と半導体スイッチング素子を使って電力変換を行なう電力変換装置であって、前記半導体整流器と前記半導体スイッチング素子を放熱板に取り付けた状態で実装基板の側部に列状に配置し、前記放熱板を、熱伝導シートを介して前記実装基板の側部に設けた冷却配管に固定し、前記冷却配管中には冷却水を流すものである。 In order to solve the conventional problems, a power converter of the present invention is a power converter that performs power conversion using at least a semiconductor rectifier and a semiconductor switching element, and the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element are connected to a heat sink. The heat sink is fixed to a cooling pipe provided on the side of the mounting board via a heat conductive sheet, and is cooled in the cooling pipe. It is a stream of water.

半導体整流器と半導体スイッチング素子を実装基板の側部に設けたことにより、半導体整流器と半導体スイッチング素子の熱が実装基板に伝わることを極力防止することができるとともに、半導体整流器と半導体スイッチング素子を実装基板の側部に列状に固定することにより整流器と半導体スイッチング素子の熱を回収する冷却配管の配置も複雑とならず、かつ列状に固定された半導体整流器と半導体スイッチング素子全てから熱回収することが可能となり、熱回収効率を高くすることができる。 By providing the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element on the side of the mounting substrate, heat from the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element can be prevented from being transmitted to the mounting substrate as much as possible, and the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element are mounted on the mounting substrate. The arrangement of cooling pipes for recovering the heat of the rectifier and the semiconductor switching element is fixed to the side portion of the rectifier in a row, and the heat recovery from all of the semiconductor rectifier and the semiconductor switching device fixed in a row is not required. This makes it possible to increase the heat recovery efficiency.

本発明は、上記課題を解決するために、半導体整流器と半導体スイッチング素子を放熱板に取り付けた状態で実装基板の側部に列状に配置し、放熱板を、熱伝導シートを介して実装基板の側部に設けた冷却配管に固定し、冷却配管中には冷却水を流すものである。 In order to solve the above problems, the present invention arranges the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element in a row on the side of the mounting board in a state of being attached to the heat sink, and the heat sink is mounted on the mounting board via the heat conductive sheet. It fixes to the cooling piping provided in the side part of this, and a cooling water is poured in cooling piping.

そして、本発明の電力変換装置を燃料電池コージェネレーションシステムに用いた場合、熱回収効率が高く廃熱利用が十分に行えることから、システム全体として総合効率を上げることができる。 And when the power converter device of this invention is used for a fuel cell cogeneration system, since heat recovery efficiency is high and waste heat utilization can fully be performed, overall efficiency can be raised as the whole system.

また、本発明は、実装基板、半導体整流器、半導体スイッチング素子および放熱板を一体構成として回路基板ブロック部を形成し、回路基板ブロック部を冷却配管に着脱可能としたものである。 In the present invention, a circuit board block part is formed by integrating a mounting board, a semiconductor rectifier, a semiconductor switching element, and a heat sink, and the circuit board block part can be attached to and detached from a cooling pipe.

この構成により、電気系回路部である回路基板ブロックが、冷却配管部分から分離着脱可能となり、メンテナンス性の向上を図ることができる。 With this configuration, the circuit board block, which is an electric circuit unit, can be detached and attached from the cooling pipe portion, and maintenance can be improved.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水冷型電力変換装置を示す図であり、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。また、図２は図１（ｂ）を拡大した断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
1A and 1B are diagrams showing a water-cooled power converter according to Embodiment 1 of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view thereof. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of FIG.

図１に示すように、本実施の形態１における電力変換装置は、実装基板２を有し、その実装基板２には抵抗、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、トランス、コイル等の各種電気電子部品５とともに、電力変換動作を行なう半導体整流器３や半導体スイッチング素子４が搭載されている。 As shown in FIG. 1, the power conversion device according to the first embodiment includes a mounting substrate 2, and the mounting substrate 2 includes various electric and electronic components 5 such as resistors, transistors, diodes, capacitors, transformers, and coils. A semiconductor rectifier 3 and a semiconductor switching element 4 that perform a power conversion operation are mounted.

そして、この半導体整流器３や半導体スイッチング素子４は、放熱板６に取り付けられた状態で実装基板２の両端側部に列状にまとめて配置されている。 The semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 are arranged in a row on both side portions of the mounting substrate 2 while being attached to the heat sink 6.

一方、実装基板２の両端側部に沿って２本の冷却配管８が設けられている。この２本の冷却配管８は、連結管９によって両端が結合され、通水経路を形成している。半導体整流器３や半導体スイッチング素子４が取り付けられた放熱板６は、冷却配管８に熱がより伝導されるように、点接触でなく面接触で接触する熱伝導シート７を介して、冷却配管８に固定される。冷却配管８は、往き・戻り配管１０に接続され、冷却配管８内を冷却水が流れる構成となっている。 On the other hand, two cooling pipes 8 are provided along both ends of the mounting substrate 2. Both ends of the two cooling pipes 8 are connected by a connecting pipe 9 to form a water passage. The heat radiating plate 6 to which the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 are attached is connected to the cooling pipe 8 via a heat conductive sheet 7 that is contacted not by point contact but by surface contact so that heat is more conducted to the cooling pipe 8. Fixed to. The cooling pipe 8 is connected to the forward / return pipe 10 so that the cooling water flows through the cooling pipe 8.

この構成により、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４の電力変換時に発生する熱が、冷却配管８内を流れる冷却水により排熱回収され、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４の温度上昇が抑制される。 With this configuration, heat generated during power conversion of the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 is recovered as exhaust heat by the cooling water flowing in the cooling pipe 8, and the temperature rise of the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 is suppressed. .

そして排熱回収した冷却水は、燃料電池１３の蓄熱系の熱交換器１１へ循環され、熱交換器１１により冷却水の熱が回収される。それにより、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４で発生した排熱を貯湯タンク１４の温水の加熱源として有効利用できるようにしている。 Then, the recovered cooling water is circulated to the heat exchanger 11 of the heat storage system of the fuel cell 13, and the heat of the cooling water is recovered by the heat exchanger 11. Thereby, the exhaust heat generated in the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 can be effectively used as a heating source of hot water in the hot water storage tank 14.

なお、冷却配管８を流れる冷却水は、冷却ポンプ１２の働きで循環し、貯湯タンク１４の湯水は貯湯ポンプ１５により循環する。 The cooling water flowing through the cooling pipe 8 is circulated by the action of the cooling pump 12, and the hot water in the hot water storage tank 14 is circulated by the hot water storage pump 15.

図２は、図１（ｂ）の拡大断面図である。実装基板２を収納する基板ケース１、実装基板２、半導体整流器３、半導体スイッチング素子４、そして放熱板６を一体構成とした回路基板ブロック部を形成するようにし、この回路基板ブロック部の放熱板６を放熱板取り付けねじ１６により冷却配管８に取り付けるようにしている。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of FIG. A circuit board block portion is integrally formed of a substrate case 1 for housing the mounting substrate 2, the mounting substrate 2, the semiconductor rectifier 3, the semiconductor switching element 4, and the heat sink 6, and the heat sink of the circuit board block portion 6 is attached to the cooling pipe 8 by means of a heat sink mounting screw 16.

この放熱板取り付けねじ１６の取り付け、あるいは取り外しにより回路基板ブロック部が冷却配管８から着脱可能となり、回路基板ブロック部の電気系回路部を熱伝導シート７と冷却配管８と連結管９と往き・戻り配管１０とで構成される冷却系配管部から分離できるようにしている。 By attaching or removing the heat sink mounting screws 16, the circuit board block part can be detached from the cooling pipe 8, and the electric circuit part of the circuit board block part is routed between the heat conductive sheet 7, the cooling pipe 8, and the connecting pipe 9. It is made possible to separate from the cooling system piping portion constituted by the return piping 10.

その結果、燃料電池用電力変換装置に何らかの問題が発生した場合に、回路基板ブロック部のみを取り外して、交換して持ち帰り、別の場所で解析を行う等、メンテナンス性の向上を図ることができる。又、冷却系配管部のメンテナンスもし易くなる。 As a result, when any problem occurs in the fuel cell power conversion device, it is possible to improve the maintainability by removing only the circuit board block unit, replacing it, taking it home, and performing analysis at another location. . In addition, maintenance of the cooling system piping portion is facilitated.

以上のように構成された水冷型電力変換装置について、以下その動作、作用を説明する。まず、燃料電池用電力変換装置の概要について図を用いて説明する。 The operation and action of the water-cooled power converter configured as described above will be described below. First, the outline of the fuel cell power converter will be described with reference to the drawings.

図３は、燃料電池用電力変換装置の概略の回路構成を示した図である。燃料電池１３は直流電圧を発電するが、その電圧はそのままでは一般家庭用の電気機器には使用できない。一般家庭用の電気機器に使用できるようにするには、燃料電池出力の直流電圧を商用周波数５０Ｈｚあるいは、６０ＨｚのＡＣ１００Ｖ交流電圧に電力変換する必要がある。 FIG. 3 is a diagram showing a schematic circuit configuration of the fuel cell power converter. Although the fuel cell 13 generates a DC voltage, the voltage cannot be used as it is for general household electrical equipment. In order to be able to be used for general household electrical equipment, it is necessary to convert the DC voltage of the fuel cell output into an AC 100V AC voltage with a commercial frequency of 50 Hz or 60 Hz.

燃料電池１３の直流電圧を一般家庭用の電気機器で使用できる電圧に変換するには、直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣ変換回路１０１、低電圧の交流電圧を昇圧する昇圧トランス５ａ、昇圧された交流電圧を整流し平滑することにより、電圧の高い直流電圧を得るようにする整流・回路及び平滑回路１０２、整流・平滑された直流電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）でスイッチングし、５０Ｈｚ、あるいは６０ＨｚのＡＣ１００Ｖ出力電圧が得られるようにスイッチング駆動するインバータ回路１０３、インバータ回路１０３のスイッチング出力電圧を平滑化し、ＡＣ１００Ｖの商用交流電圧が得られるようにするフィルター回路１０４、これらの回路部を通して行なっている。 In order to convert the DC voltage of the fuel cell 13 into a voltage that can be used in general household electrical equipment, a DC-AC conversion circuit 101 that converts the DC voltage into an AC voltage, a step-up transformer 5a that boosts a low-voltage AC voltage, Rectifying and smoothing the boosted AC voltage to obtain a high DC voltage, the rectifying circuit and smoothing circuit 102, switching the rectified and smoothed DC voltage by pulse width modulation (PWM), 50Hz Alternatively, the inverter circuit 103 that is switched and driven so as to obtain an AC100V output voltage of 60 Hz, the filter circuit 104 that smoothes the switching output voltage of the inverter circuit 103 and obtains a commercial AC voltage of AC100V, and these circuit parts Is doing.

前述したように、燃料電池１３は直流電圧を発電するが、燃料電池１３の出力電圧は低電圧（例えばＤＣ２０Ｖとか、ＤＣ４０Ｖ）であり、家庭で使用する５０Ｈｚ／６０Ｈｚの商用交流電圧ＡＣ１００Ｖ電圧と同等の交流電圧を得るには、まずこの低電圧の直流電圧を、一旦、例えばＤＣ２００Ｖ位の高い直流電圧に変換する必要がある。 As described above, the fuel cell 13 generates a DC voltage, but the output voltage of the fuel cell 13 is a low voltage (for example, DC 20V or DC 40V), which is equivalent to a commercial AC voltage AC100V of 50 Hz / 60 Hz used at home. In order to obtain the AC voltage, it is necessary to first convert the low-voltage DC voltage into a high DC voltage of about 200 V DC, for example.

上記ＤＣ−ＡＣ変換回路１０１（直流―交流変換回路）は、燃料電池１３の直流出力電圧を高周波数の交流電圧に変換し、この高周波数の交流電圧を昇圧トランス５ａで昇圧し、その昇圧された交流電圧を整流回路及び平滑回路１０２へ入力することにより、高い直流電圧（例えばＤＣ２００Ｖ位）を得るようにしている。 The DC-AC conversion circuit 101 (DC-AC conversion circuit) converts the DC output voltage of the fuel cell 13 into a high-frequency AC voltage, and boosts the high-frequency AC voltage with the boost transformer 5a. By inputting the AC voltage to the rectifier circuit and smoothing circuit 102, a high DC voltage (for example, about DC 200V) is obtained.

また、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０１は、半導体スイッチング素子４（具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはＩＧＢＴ等）で構成されており、この半導体スイッチング素子４を交互にスイッチングすることにより、燃料電池１３の直流出力電圧を高周波（例えば、約６０ｋＨｚ）の交流電圧に変換している。 Further, the DC-AC conversion circuit 101 is composed of a semiconductor switching element 4 (specifically, a power MOSFET, an IGBT, or the like). By switching the semiconductor switching element 4 alternately, the fuel cell 13 The DC output voltage is converted into an AC voltage having a high frequency (for example, about 60 kHz).

昇圧トランス５ａは高周波用の電力トランスであり、１次巻線と２次巻線の巻数比（１：ｎ）に応じて２次巻線側にｎ倍の電圧を発生させることができる。この昇圧トランス５ａは、高周波数タイプのトランスであり、外形形状を小さくすることができる。昇圧トランス５ａによって昇圧された交流電圧は整流回路及び平滑回路１０２によって、電圧の高い直流電圧（例えば、ＤＣ２００Ｖ）に変換している。 The step-up transformer 5a is a high-frequency power transformer, and can generate n times the voltage on the secondary winding side in accordance with the turn ratio (1: n) between the primary winding and the secondary winding. The step-up transformer 5a is a high-frequency type transformer, and can reduce the outer shape. The AC voltage boosted by the step-up transformer 5a is converted into a high DC voltage (for example, DC 200V) by the rectifier circuit and smoothing circuit 102.

整流回路は全波整流回路になっており、半導体整流素子３（具体的には、パワーショットキーバリアーダイオード）が用いられている。この電圧アップされた直流電圧（例えば、ＤＣ２００Ｖ）は、インバータ回路１０３及びフィルター回路１０４によって商用周波数５０Ｈｚ／６０ＨｚのＡＣ１００Ｖの交流電圧に変換される。インバータ回路１０３には、半導体スイッチング素子４（具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはＩＧＢＴ）が用いられている。 The rectifier circuit is a full-wave rectifier circuit, and a semiconductor rectifier element 3 (specifically, a power Schottky barrier diode) is used. This increased DC voltage (for example, DC 200 V) is converted into an AC 100 V AC voltage having a commercial frequency of 50 Hz / 60 Hz by the inverter circuit 103 and the filter circuit 104. For the inverter circuit 103, a semiconductor switching element 4 (specifically, a power MOSFET or IGBT) is used.

上記のような電力変換動作により、燃料電池の低電圧の直流電圧は、一般家庭用の電気機器で使用できる商用周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧ＡＣ１００Ｖに変換することができる。 Through the power conversion operation as described above, the low DC voltage of the fuel cell can be converted into an AC voltage AC100V having a commercial frequency of 50 Hz or 60 Hz that can be used in general household electrical equipment.

ここで、燃料電池１３の発電電力が例えば１ｋＷである場合、燃料電池１３の出力電圧がＤＣ２０Ｖであるとすると、最大出力電流はＤＣ５０Ａと、非常に大きな電流となる。図３のＤＣ−ＡＣ変換回路１０１の半導体スイッチング素子４はこの大きな５０Ａの電流をスイッチングする必要があり、前期記半導体スイッチング素子４のオン時順方向電圧降下が例えば、０．１Ｖ程度と小さくても、半導体スイッチング素子４での損失は５Ｗ程度と大きな値となる。 Here, when the generated power of the fuel cell 13 is 1 kW, for example, if the output voltage of the fuel cell 13 is DC 20 V, the maximum output current is DC 50 A, which is a very large current. The semiconductor switching element 4 of the DC-AC conversion circuit 101 in FIG. 3 needs to switch this large 50 A current, and the forward voltage drop when the semiconductor switching element 4 is turned on is as small as about 0.1 V, for example. However, the loss in the semiconductor switching element 4 is as large as about 5 W.

その他に素子が、ＯＮ→ＯＦＦあるいは、ＯＦＦ→ＯＮにスイッチングする時の立ち上がり・立ち下り時のスイッチング損失も加わる。各素子でのこれらの損失は素子自身を発熱させ、大きな温度上昇をもたらす。従って、素子の温度上昇を抑制する何らかの手段が必要となる。 In addition, switching loss at the time of rising / falling when the element is switched from ON to OFF or from OFF to ON is also added. These losses in each element cause the element itself to generate heat, resulting in a large temperature rise. Therefore, some means for suppressing the temperature rise of the element is required.

昇圧トランス５ａによって電圧を昇圧（（例えば、ＤＣ２００Ｖ）することにより、流れる回路電流は小さくなるが、電圧が高くなった分、逆にスイッチング損失が大きくなり、整流回路及び平滑回路１０２に用いられている半導体整流器３においても、かなりの損失が発生し、その損失は素子に大きな温度上昇をもたらす。これらの半導体整流器３の温度上昇を抑制する何らかの手段が必要となる。 By boosting the voltage by the step-up transformer 5a (for example, DC 200V), the flowing circuit current is reduced, but the switching loss is increased by the amount of the increased voltage, which is used for the rectifier circuit and the smoothing circuit 102. Even in the semiconductor rectifier 3, considerable loss occurs, and the loss causes a large temperature rise in the element, and some means for suppressing the temperature rise of these semiconductor rectifiers 3 is required.

インバータ回路１０３に用いられている半導体スイッチング素子４（具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはＩＧＢＴ等）においても、電圧が高くなった分、回路電流は小さくなるが、電圧が高くなったことによるスイッチング損失が逆に大きくなり、インバータ回路１０３に用いられている半導体スイッチング素子４においてもかなりの損失が発生し、その損失は素子に大きな温度上昇をもたらす。これらの半導体スイッチング素子４の温度上昇を抑制する何らかの手段が必要となる。 Also in the semiconductor switching element 4 (specifically, a power MOSFET or IGBT) used in the inverter circuit 103, the circuit current becomes smaller as the voltage becomes higher, but switching due to the higher voltage. On the contrary, the loss increases, and a considerable loss occurs in the semiconductor switching element 4 used in the inverter circuit 103. The loss causes a large temperature rise in the element. Some means for suppressing the temperature rise of these semiconductor switching elements 4 is required.

以上のように、電力変換装置で用いられる半導体整流器３や、半導体スイッチング素子４は電力変換動作により損失が発生し、その損失は素子に大きな温度上昇をもたらす。 As described above, the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 used in the power conversion device cause a loss due to the power conversion operation, and the loss causes a large temperature increase in the element.

一方、半導体整流器３や、半導体スイッチング素子４は、接合部温度がある温度以上になると素子が劣化し最終的には破壊に結びつき、そのスイッチング機能を失ってしまう（シリコン半導体の場合、最大接合部温度は、約１５０℃）。そのため電力変換装置では、半導体の温度上昇を抑制するよう、何らかの工夫を施す必要がある。 On the other hand, in the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4, when the junction temperature exceeds a certain temperature, the element deteriorates and eventually leads to destruction and loses its switching function (in the case of a silicon semiconductor, the maximum junction part). The temperature is about 150 ° C.). For this reason, in the power conversion device, it is necessary to make some contrivance so as to suppress the temperature rise of the semiconductor.

図４は、従来の冷却方法を示した図である。 FIG. 4 is a diagram showing a conventional cooling method.

図４において、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４は、熱伝導性の良い放熱板６に取り付けられ、外郭ケース１０６に覆われたケース内に収められている。風取り込み口ふた１０７側に空冷ファン１０５が取り付けられ、放熱板６、半導体整流器３、半導体スイッチング素子４等へ強制的に空気の流れをつくることにより冷却するようにしている。 In FIG. 4, the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 are attached to a heat radiating plate 6 having good thermal conductivity and housed in a case covered with an outer case 106. An air-cooling fan 105 is attached to the air intake port lid 107 side to cool the heat sink 6, the semiconductor rectifier 3, the semiconductor switching element 4 and the like by forcibly creating an air flow.

空冷方式で熱を奪い暖められた空気は、電力変換装置の外部へ放出されてしまうことが一般的である。 In general, air that has been deprived of heat by an air-cooling system is discharged outside the power converter.

ところで、燃料電池コージェネレーションシステムは、電気を発電しつつ発電時に発生する熱をも利用し、熱をお湯に変換しお湯として貯湯することによりシステム全体としての総合効率のアップを図ろうとするものである。 By the way, the fuel cell cogeneration system is intended to improve the overall efficiency of the entire system by generating electricity while also using the heat generated during power generation, converting the heat into hot water and storing it as hot water. is there.

そこで、燃料電池電力変換装置の変換時に半導体整流器３や半導体スイッチング素子４で発生する損失による、素子の温度上昇を抑制すると同時に、その熱を捨ててしまうことなく排熱回収するようにしたものが、本発明の燃料電池用水冷型電力変換装置の冷却構成である。 In view of this, an element that suppresses the temperature rise of the element due to the loss generated in the semiconductor rectifier 3 and the semiconductor switching element 4 at the time of conversion of the fuel cell power conversion device, and at the same time, recovers exhaust heat without discarding the heat. 1 is a cooling configuration of a water-cooled power conversion device for a fuel cell according to the present invention.

以上のように、本発明の燃料電池用冷却型電力変換装置の冷却構成は、電力変換装置の電力変換動作に伴って発生する半導体整流器や半導体スイッチング素子の損失による温度上昇を抑制すると同時に、冷却配管中に冷却水を通流通すさせることにより排熱回収することができ、燃料電池コージェネレーションシステムのシステム全体としての総合効率をアップすることができる。 As described above, the cooling configuration of the cooling type power converter for a fuel cell according to the present invention suppresses the temperature rise due to the loss of the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element generated along with the power conversion operation of the power converter, and at the same time, The exhaust heat can be recovered by circulating cooling water through the pipe, and the overall efficiency of the fuel cell cogeneration system as a whole can be improved.

例えば、燃料電池出力が１ｋＷ程度の場合、本特許の実施形態における燃料電池用水冷型電力変換装置の冷却構成で排熱回収した場合、約５０Ｗ程度排熱回収でき、総合効率を約５％程度アップすることが可能となる。 For example, when the output of the fuel cell is about 1 kW, when the exhaust heat recovery is performed with the cooling configuration of the water-cooled power conversion device for the fuel cell in the embodiment of the present patent, the exhaust heat can be recovered about 50 W, and the total efficiency is about 5%. It becomes possible to up.

又、実装基板を収納する基板ケース、実装基板、半導体整流器、半導体スイッチング素子、放熱板を一体構成とした回路基板ブロック部を形成することにより、電気系回路部を冷却系配管部から分離着脱可能となり、燃料電池用電力変換装置に何かの問題が発生した場合等に、回路基板ブロック部のみを取り外し、交換して持ち帰り、別の場所で解析を行う等、メンテナンス性の向上を図ることができる。又、冷却系配管部のメンテナンスもし易くなるというメリットがある。 In addition, by forming a circuit board block unit that integrates a substrate case that houses the mounting substrate, mounting substrate, semiconductor rectifier, semiconductor switching element, and heat sink, the electrical circuit unit can be separated from the cooling system piping unit. If there is any problem with the fuel cell power conversion device, the maintenance can be improved by removing only the circuit board block, replacing it, taking it back, and performing analysis at another location. it can. In addition, there is an advantage that the maintenance of the cooling system piping part is facilitated.

本発明の水冷型電力変換装置は、電力変換装置の電力変換動作に伴って発生する半導体整流器や半導体スイッチング素子の損失による温度上昇を抑制すると同時に、冷却配管中に冷却水を通流させることにより排熱を回収することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの用途に適用することができる。 The water-cooled power conversion device of the present invention suppresses a temperature rise due to the loss of the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element generated in accordance with the power conversion operation of the power conversion device, and at the same time allows the cooling water to flow through the cooling pipe. The exhaust heat can be recovered and can be applied to the use of a fuel cell cogeneration system.

（ａ）は本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成図、（ｂ）は同要部断面図(A) is a block diagram of the power converter device in Embodiment 1 of this invention, (b) is the principal part sectional drawing. 図１（ｂ）の拡大断面図Enlarged sectional view of FIG. 本発明の実施の形態１における電力変換装置の概略回路図Schematic circuit diagram of the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention 従来の空冷による電力変換装置の構成図Configuration diagram of a conventional power converter using air cooling

Explanation of symbols

１基板ケース
２実装基板
３半導体整流器
４半導体スイッチング素子
５電気電子部品
５a 昇圧トランス
６放熱板
７熱伝導シート
８冷却配管
９連結管
１０往き・戻り配管
１１熱交換器
１２冷却ポンプ
１３燃料電池
１４貯湯タンク
１５貯湯ポンプ
１６放熱板取り付けねじ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board case 2 Mounting board 3 Semiconductor rectifier 4 Semiconductor switching element 5 Electrical and electronic component 5a Boost transformer 6 Heat sink 7 Heat conduction sheet 8 Cooling pipe 9 Connection pipe 10 Outward / return pipe 11 Heat exchanger 12 Cooling pump 13 Fuel cell 14 Hot water storage Tank 15 Hot water storage pump 16 Heat sink mounting screw

Claims

A power conversion device that performs power conversion using at least a semiconductor rectifier and a semiconductor switching element, wherein the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element are arranged in a row on a side of a mounting board in a state where the semiconductor rectifier and the semiconductor switching element are attached to a heat sink, A power conversion device in which a heat radiating plate is fixed to a cooling pipe provided on a side portion of the mounting substrate via a heat conductive sheet, and cooling water flows through the cooling pipe.

2. The circuit board block part is formed by integrally forming the mounting board, the semiconductor rectifier, the semiconductor switching element, and the heat sink, and the circuit board block part can be attached to and detached from the cooling pipe. The power converter described.