JP2014054114A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】出力にノイズが重畳され難い、入力電力をスイッチ素子モジュールによって所望の交流電力に変換してパワーラインに出力する電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、ヒートシンク及びこのヒートシンクに隣接して第2配線基板26が、背面パネル3上に配置され、第1配線基板20がヒートシンクのスイッチ素子モジュール24が配置された面上にスペーサを介して配置され、第1配線基板20の端部20Aに配線42a、42bが接続されており、第1配線基板20の端部20Aは、ヒートシンク上の領域から第2配線基板26側に突出しているとともに、背面パネル3に沿って第1空間20Bが形成されており、配線42a、42bは、第1配線基板20の端部20Aから第1空間20Bを通ってヒートシンク側面横の領域に折り曲げられて第2配線基板26まで引き回されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、入力電力を交流電力に変換してパワーラインに出力する電力変換装置に関す
る。
近年、太陽電池、燃料電池、あるいは蓄電池などの直流電源の出力する電力を直流ライ
ンに入力し、入力電力を昇圧回路やインバータ回路を介して所望の交流電力(例えば、商
用電力系統と同期する交流電力)に変換して交流のパワーラインに電力を供給する電力変
換装置が提供されている。電力変換装置の昇圧回路やインバータ回路には、通常スイッチ
素子が使用され、このスイッチ素子を所定の周期で導通/遮断することにより入力電力を
所望の交流電力に変換する。
このような電力変換装置は、動作中にスイッチ素子の導通/遮断に起因するノイズ等が
パワーラインに出力される電力加わることになる。このようなノイズが加わった電力が、
パワーラインを介して負荷に供給されると、負荷の動作不良の原因になる場合がある。
このようなノイズが電力変換装置から出力されないようにするために、電力変換装置の
出力側にノイズフィルタ回路を設けて対処している(下記特許文献1参照)。例えば、パ
ワーラインにコモンモードチョークコイルの挿入、パワーライン間を接続するXコンデン
サの配置、或いはパワーラインとグランド間を接続するYコンデンサの配置等を行うこと
で、パワーラインにノイズが流入することを抑制できる。
一方、電力変換装置は、直流ラインやパワーラインを複数の配線基板に設けられる導電
パターンと、配線基板を接続するリード線の様な細長い配線とにより接続して入力電力を
所望の交流電力に変換している(特許文献2)。
特開2011−147238号公報 特開2004−64992号公報
しかしながら、各種フィルタ回路を経た交流電力が出力されるパワーラインにリード線
などの様な配線を含んで構成していると、例えば、ノイズ除去前の導電パターンに重畳さ
れているノイズにより発生する磁束を配線のリアクトル成分が拾って、結果、配線にノイ
ズが重畳されてしまうという問題があった。
また、従来の電力変換装置では、特に交流ラインのリアクトル成分によって周囲の電磁
ノイズを拾うことに対する対処が実質的に行われていなかった。このため、例えば、ノイ
ズフィルタ回路を備えていても、パワーラインに再びノイズが重畳されて外部へ出力され
るので、ノイズが重畳されていない高品質な交流電力を得ることは困難であった。
本発明は、この様な従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、特に入力電力をスイ
ッチ素子によって所望の電力に変換してパワーラインに出力する電力変換装置において、
このパワーラインの出力にノイズが重畳され難くした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、本発明の電力変換装置は、単一の筐体内に、第1配線基板
及び第2配線基板に設けられる導電パターンとこれら両導電パターンを接続する配線と、
接地電位に電気的に接続されたヒートシンクと、を備え、前記筺体内で、第1配線基板を
前記ヒートシンクの上に配置し、第2配線基板を前記ヒートシンクに隣接して配置すると
共に、第1配線基板の端部を前記ヒートシンク上の位置から第2配線基板側に突出させか
つ前記配線の一端を当該端部に接続し、この配線を前記ヒートシンクに沿って反端部側へ
引き回して前記配線の他端を第2配線基板へ接続するための第1空間を設けることを特徴
とする。
本発明によれば、パワーラインの出力にノイズが重畳され難くした電力変換装置を提供
することができる。
実施形態の電力変換装置の外観斜視図である。 実施形態の電力変換装置の分解斜視図である。 図2のヒートシンク部分が取り付けられている筐体部分の平面図である。 実施形態の電力変換装置の部品配置図である。 実施形態の電力変換装置の回路図である。 第1部材の斜視図である。 図7Aは上面パネル側から見た概略正面図であり、図7Bは図7Aに配線を加えた状態を示す図である。 図8Aは第2配線基板側から見た概略正面図であり、図8Bは図8Aに配線を加えた状態を示す図である。
以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて詳細に説明する。ただし、以下に示
す各実施形態は、本発明の技術思想を理解するために電力変換装置を例示するものであっ
て、本発明をこの電力変換装置に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請
求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し
得るものである。
実施形態の電力変換装置の構成を図1及び図2を用いて説明する。実施形態の電力変換
装置1は、表面パネル2、背面パネル3、上面パネル4、下面主パネル5、下面補助パネ
ル6、右側面パネル7及び左側面パネル8によって周囲を覆われた略直方体状の形状の筺
体を有している。なお、この電力変換装置1は、表面パネル2側が前面となるように、背
面パネル3が壁面(図示省略)に取り付けられている。ただし、図1及び図2においては
、作図の都合上、表面パネル2が上方向となるように図示してある。
表面パネル2は、金属製又はプラスチック製であり、前方に向かって表示部9が設けら
れている。また、表面パネル2は、上面パネル4、下面主パネル5、下面補助パネル6、
右側面パネル7及び左側面パネル8が枠体を構成し、この枠体に表面パネル2は取り付け
及び取り外しが可能なように成されている。また、この枠体は鉄板等の金属で形成されて
おり、同じく鉄板等の金属で形成されている背面パネル3にネジ止めや溶接等によって取
り付けられている。
そして、下面主パネル5には通気孔5a及び通気スリット5bが形成されており、夫々
上面パネル4の通気孔4a及び通気スリット(図示省略)に対応して冷却空気の流れを作
っている。両通気スリット間には、ヒートシンク21が配置されこのヒートシンク21の
フィン21aの間を通気スリット5bから入った空気が上面パネル4の通気スリットへ向
かって流れるようになっている。また、下面補助パネル6は、下面主パネル5から取り外
し可能である。なお、右側面パネル7には、適宜電源スイッチ7bやACコンセント7c
等が設けられている。
また、下面補助パネル6の上部側には、直流入力端子及び交流出力端子を有する端子台
17が配置されている。端子台17は、背面パネル3に取り付けられた端子台保持板18
と右側面パネル7との間に固定されている。この端子台17には、背面パネル3に形成さ
れた切り欠き3aを通して電力変換装置1の内部に導入されるDC入力配線やAC出力配
線(何れも図示省略)が接続されるようになっている。
筺体内部には、第1配線基板20がヒートシンク21上及びヒートシンク21とは別構
成に設けられた第1部材22上に、サポート23(スペーサ)を介して所定間隔で取り付
けられている。ここで用いたサポート23は、一方の端部側がオスネジ状に加工されてお
り、ヒートシンク21及び第1部材22に形成されたメスネジ状の孔にネジ止めされてい
る。
ヒートシンク21は、背面パネル3にネジ止め等によって固定されており、グランド電
位(接地電位)に維持されている(電気的に接続されている)。
スイッチ素子モジュール24は、スイッチ素子固定用ホルダ25に複数のスイッチ素子
を内蔵して成る。スイッチ素子固定用ホルダ25を開口20cを介してヒートシンク21
上に固定することにより、スイッチ素子のヒートシンク21への放熱を可能にしている。
この第1配線基板20の具体的構成及び第1配線基板20とヒートシンク21との電気的
接続状態の詳細については、後述する。
第1部材22は、前記ヒートシンクと同じ高さになされており、図3に示したように、
ヒートシンク21に隣接して、ヒートシンク21に沿って下面主パネル5側から上面パネ
ル4側にわたって延在され、背面パネル3に取り付けられている。そして、第1部材22
の右側面パネル7に沿った方向の長さはヒートシンク21の対応する部分の長さよりも短
く、第1部材22と上面パネル4との間には第2空間22aが形成されている。なお、第
1部材22のより具体的な構成については後述する。
さらに、第1配線基板20の上面パネル4に沿った方向(図3の左右方向)の長さはヒ
ートシンク21の対応する長さよりも長くなっており、第1配線基板20の端部20Aは
ヒートシンク21の端よりも突き出された状態となっている。そして、第1配線基板20
の端部20Aは、第1部材22とスペーサ23を介して固定されている。すなわち、ヒー
トシンク21と第1部材22とは同じ高さに維持されているので、第1配線基板20はヒ
ートシンク21及び第1部材22にスペーサ23を介して固定されている。
また、ヒートシンク21の左側面パネル8側には、直流用リアクトルDCLと、交流用
リアクトルACLとが並んで配置されている。さらに、第1配線基板20の右側面パネル
7側、すなわち、第1部材22の右側面パネル側には第2配線基板26が配置されている
。そして、この第2配線基板26には第1配線基板20からの交流出力と系統との間の電
気的接続及び遮断を行う連系リレーRLYが複数個(ここでは4個)設けられている。こ
の第2配線基板26は、一方の端部側がオスネジ状に加工されたサポート(図示省略)に
よって、背面パネル3に取り付けられている。
次に、実施形態の電力変換装置1における第1配線基板20の具体的構成について図4
及び図5を用いて説明する。太陽電池モジュール30からの直流電力は、端子台17の直
流入力端子17a、17bに入力され、この直流入力端子17a、17bからはそれぞれ
リード線19a、19bを経て第1配線基板20の入力端子20a、20bに入力される
。入力端子20a、20bは、それぞれ、第1配線基板20に形成された一対の直流パワ
ーライン31、32に接続されている。一対の直流パワーライン31、32は、大電流が
流れるため、第1配線基板20の裏面側に厚膜パターンとして形成されている。
また、一対の直流パワーライン31、32には、電力変換装置1に入力される太陽電池
モジュール30の直流電力に含まれるノイズを減衰するためのコモンモードチョークコイ
ルL1、XコンデンサX1、YコンデンサY1〜Y4が適宜配置され、第1のノイズフィ
ルタ回路CMF1を成している。
第1のノイズフィルタ回路CMF1からの直流出力は、直流用リアクトルDCLを経て
インバータを形成するスイッチ素子モジュール24に入力されている。スイッチ素子モジ
ュール24は、それぞれトランジスタ及び還流ダイオードの並列回路を直列接続した第1
〜第3のアーム回路を3つ並列に接続したものであり、ノイズフィルタ回路CMF1側の
アーム回路の負極側のトランジスタと直流用リアクトルDCLと平滑コンデンサCONを
用いて昇圧回路36を構成し、残りの2つのアーム回路を用いてインバータ回路37用を
構成している。
直流用リアクトルDCLの入力側は第1のノイズフィルタ回路CMF1を介して太陽電
池モジュール30の正極に接続され、出力側はアーム回路の入力側A点(アーム回路の2
つのスイッチ素子の接続点)に接続される。また、アーム回路の両端B点、C点を平滑コ
ンデンサCONに並列に接続すると共に、このB点、C点をインバータ回路37の入力側
(直流側)に接続する。また、インバータ回路37の出力点D点及びE点(交流側)はそ
れぞれ交流用リアクトルACLに接続されている。
なお、これらの昇圧回路36及びインバータ回路37は、それぞれ制御回路基板(不図
示)に設けられた制御回路からの信号によって制御されているが、これらの具体的な制御
方式は周知であるので、その詳細な説明は省略する。
直流用リアクトルDCL及び交流用リアクトルACLは、周波数50Hzないし60H
zの低周波数交流に対するリアクタンスが大きいものが要求されるため、サイズが大きく
、重くなる。なお、本実施形態のような家庭用の電力変換装置1(出力が4Kw〜6Kw
程度)の場合でも、夫々2Kg〜3Kg程度の重量を有している。同様に、平滑コンデン
サCONも大容量が必要である。
また、一対の交流用リアクトルACLからの交流出力は、一対の交流パワーライン38
、39を経て、第2配線基板26の連系リレーRLY1〜RLY4に接続されている。一
対の交流パワーライン38、39は、大電流が流れるため、第1配線基板20の裏面側に
厚膜パターンとして形成されている。
また、一対の交流パワーライン38、39にも、直流パワーラインと同様に、パワーラ
イン38、39に含まれるノイズを減衰するためのコモンモードチョークコイルL2、L
3、XコンデンサX2〜X4、YコンデンサY5〜Y8が適宜配置され、第2のノイズフ
ィルタ回路CMF2を成している。これらの一対の交流パワーライン、及び第2のノイズ
フィルタ回路CMFは第1配線基板20に実装される。
次に、第1配線基板20をヒートシンク及び第1部材への取り付けについて説明する。
図2及び図3を参照して説明する。図2及び図3に示したように、ヒートシンク21上に
は複数個の同一高さのサポート23が立設されている。サポート23は、第1配線基板2
0を所定高さに維持した状態でヒートシンク21及び第1部材を形成する第1部材22上
に固定することを目的としている。
すなわち、第1配線基板20には、サポート23に対応する位置にネジ止め用の開孔が
形成されている。サポート23に対応する位置の第1配線基板20に形成された開孔から
第1配線基板20をサポート23の頂部にネジ止めする。これにより、第1配線基板20
がサポート23によってヒートシンク21上に一定の高さに保持・固定される。
なお、第2のコモンモードフィルタ回路CMF2からの出力は、第1配線基板20の端
部20Aに設けられた出力端子20d及び20eから引き回されたリード線の様な細長い
一対の配線42a、42b(交流配線)を介して第2配線基板26の入力端子26a、2
6bに接続されている。
第2配線基板26は、厚膜パターンからなる一対の交流パワーライン43、44が両側
端側に沿って形成されている。そして、交流パワーライン43は、第2配線基板26に配
置された2個の連系リレーRLY1及びRLY2の直列回路を経て交流出力端子17cに
接続されており、同じく交流パワーライン44は、第2配線基板26に配置された2個の
連系リレーRLY3及びRLY4の直列回路を経て交流出力端子17dに接続されている
これらの連系リレーRLY1〜RLY4は、直流用リアクトルDCL、昇圧回路36、
平滑コンデンサCON、インバータ回路37及び一対の交流用リアクトルACLによって
形成されるDC/ACインバータ回路の異常時ないし系統異常時にインバータ装置を系統
から切り離したり、復旧時に感電等が生じたりしないようにするために設けられるもので
ある。
この様に、第1配線基板20及び第2配線基板26に設けられる導電パターンと第1配
線基板20及び第2配線基板26に設けられる導電パターンとを接続する配線42a、4
2bとにより出力のパワーラインを成している。
次に、第1部材22の具体的構成、第1配線基板20と第1部材22との間の接続状態
及び一対の配線42a、42bの配置について、図3、図6〜図7を用いて説明する。
第1配線基板20の端部20Aは、ヒートシンク21上の領域から第2配線基板26側
に突出しているとともに、第1配線基板20の端部20Aから最も近い側壁面である上面
パネル4(本発明の第1側壁に対応)との間に第1配線基板20の端部20A上面パネル
4とにより第1空間20Bが形成されている。
第1部材22は、鉄板ないしアルミニウム板を折り曲げ成形することにより、図6に示
した形状に作成されている。この第1部材22は、縦断面が縦長の「コ」字状をしており
、ヒートシンク21のスイッチモジュール24が配置された面と略平行な面を有する第1
板材部22bと、第1板材部22bに略垂直に形成された第2板材部22cと、第2板材
部22cに略垂直で第1板材部22bに平行に形成された第3板材部22dを有している
また、第1板材部22bには、第1部材22を背面パネル3に取り付けるために第3板
材部22dに形成されたネジを通すための貫通孔(図示省略)に相対向する位置に、切り
欠き22eが形成されている。この切り欠き22eは、第1部材22を背面パネル3にネ
ジ止めするためのドライバーを挿通するための開口である。これにより、貫通孔にネジを
通して背面パネル4に第1部材22をネジ止めすることができる。また、第1板状部22
bには、サポート23をネジ止めするためのメスネジ状のネジ孔22fが複数箇所に形成
されている。
第1部材22は、ヒートシンク21と所定間隔を隔てて、ヒートシンク21と平行に第
1配線基板20と第2配線基板26との間にねじ止めして取り付ける。これにより、第1
部材22は、筺体の上面パネル4側からヒートシンク21に沿って筺体の下面パネル5、
6側に向かって延在することになる。また、この際に、第1板材部22bと上面パネル4
との間には、第1板材部22bと上面パネル4とにより第2空間22aが形成される。そ
して、第2板材部22cと上面パネル4との間には、第2板材部22cと上面パネル4と
により第3空間22gが形成される。また、第1部材22の取り付けの際には、第2板材
部22cが、第2配線基板26側になるように配置する。
第1部材22の第1板材部22bに形成されたメスネジ状のネジ孔22fにはサポート2
3が取り付けられ、このサポート23上に第1配線基板の20の端部20Aが平面視で第
1板材部22bからはみ出ないようにネジ止め固定されている。
配線42a、42bは、第1配線基板20の端部20Aから第1空間20Bを通ってヒ
ートシンク21側に折り曲げられ、ヒートシンク21側面に沿って反端部20A側へ引き
回される。そして、配線42a、42bは、第1板材部22と上面パネル4との間の第2
空間22a、及び第2板材部22cと上面パネル4との間の第3空間22gを通って、第
2配線基板26の入力端子26a、26bまで引き回されている。また、この際に、配線
42a、42bは、ヒートシンク側面横の領域を通り、筺体の上面パネル4に沿って第2
配線基板26まで引き回される。
これにより、配線42a、42bは、第1配線基板20の大部分からヒートシンクの側
面に隠れる形となる。このため、第1基板回路の導電パターンに重畳されるノイズにより
発生する磁束が、配線42a、42bに伝わるのをヒートシンクにより防ぐ(シールドす
る)ことができる(電磁ノイズを防ぐことができる)。これにより、配線42a、42b
に重畳されるノイズを減衰する(少なくする)ことができる。このように、本実施形態で
は、スイッチ素子を冷却するヒートシンク21をシールドとして兼用でき、例えば、ノイ
ズ除去前の導電パターンに重畳されているノイズ等の電磁ノイズを配線42a、42bの
リアクタ成分により拾い難くなっている。このため、ノイズの少ない高品質の交流電力が
得られるようになる。
また、第1部材22によって第1配線基板20の端部20Aを支持することができるの
で、第1配線基板20の固定強度が向上し、配線42a、42bを折り曲げて引き回す際
に、第1配線基板の端部が折れてしまうことを抑制することができる。
また、配線42a、42bは、第2空間22aを通って引き回されるため、第1板材部
22bにより第1配線基板20から隠れる形となるため、ヒートシンク21のシールドと
同様に、第1基板回路から発せられる電磁ノイズを第1板材部22により防ぐ(シールド
する)ことができる。さらに、配線42a、42bは、第3空間22gを通って引き回さ
れるため、第2板材部22cにより第1配線基板20から隠れる形となるため、ヒートシ
ンク21のシールドと同様に、第1基板回路20から発せられる電磁ノイズを第2板材部
22cにより防ぐ(シールドする)ことができる。これらによっても、電磁ノイズを配線
42a、42bのリアクタ成分により拾い難くなっているため、ノイズの少ない高品質の
交流電力が得られるようになる。
また、第2板材部22cを第2配線基板26側に配置することにより、第2板部材によ
り、配線42a、42bがより多く第1配線基板20から隠れる形となる。これにより、
配線42a、42bの電磁ノイズからのシールド効果が向上するようになる。尚、このこ
とは、第2板材部22cがヒートシンク21側になるように第1部材22を取り付けるこ
とを否定するものではない。
また、第1配線基板20は第1板材部22bから第2配線基板26側にはみ出ないよう
にしている。これにより、第1板材部22bから配線42a、42bが第1配線基板20
からより多く隠れる形となるため、第1基板回路20から発せられる電磁ノイズを第2板
材部22cにより防ぐ(シールドする)ことができる。
1…電力変換装置 2…表面パネル 3…背面パネル 4…上面パネル 4a…通気孔
5…下面主パネル 6…下面補助パネル 7…右側面パネル 8…左側面パネル 9…
表示部 17…端子台 18…端子台保持板 19a、19b…リード線 20…第1配
線基板 20A…端部 20B…第1空間 21…ヒートシンク 21a…フィン部分
22…第1部材 22a…第2空間 22g…第3空間 22b〜22c…板材部 23
…サポート 26…第2配線基板 30…太陽電池モジュール 38、39…交流パワ
ーライン 42a、42b…配線 43、44…交流パワーライン

Claims (8)

  1. 単一の筐体内に、第1配線基板及び第2配線基板に設けられる導電パターンとこれら両
    導電パターンを接続する配線と、
    接地電位に電気的に接続されたヒートシンクと、を備え、
    前記筺体内で、
    第1配線基板を前記ヒートシンクの上に配置し、第2配線基板を前記ヒートシンクに隣
    接して配置すると共に、
    第1配線基板の端部を前記ヒートシンク上の位置から第2配線基板側に突出させかつ前
    記配線の一端を当該端部に接続し、この配線を前記ヒートシンクに沿って反端部側へ引き
    回して前記配線の他端を第2配線基板へ接続するための第1空間を設けることを特徴とす
    る電力変換装置。
  2. 第1空間は、前記筺体の前記一面から立設されている側壁面の内第1配線基板の端部か
    ら最も近い第1側壁面と第1配線基板の端部との間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. 前記ヒートシンクと第2配線基板との間には前記ヒートシンクの前記スイッチ素子が配
    置された面と略平行面を有する第1部材が配置され、
    第1部材と第1側壁面との間に前記配線が引き回し可能な第2空間を設けることを特徴
    とする請求項2に記載の電力変換装置。
  4. 第1部材は、前記平行面をなす第1板材部と、前記平行面と略直角な面を有する第2板
    材部からなり、
    第2空間は、第1板材部と第1側壁面との間に設けられ、
    第2板材部と第1側壁面との間には前記配線が引き回し可能な第3空間を設けることを
    特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
  5. 第1配線基板が前記ヒートシンクの前記スイッチ素子が配置された面上にスペーサを介
    して配置されるとともに、第1配線基板の端部は、第1部材とスペーサを介して固定され
    ていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の電力変換装置。
  6. 第1部材は金属材料で形成されていることを特徴とする請求項3〜5の何れかに記載の
    電力変換装置。
  7. 第1部材は、前記筺体の第1側壁面側から前記ヒートシンクに沿って前記筺体の第1側
    壁面に対向する側壁面側に向かって延在していることを特徴とする請求項3〜6の何れか
    に記載の電力変換装置。
  8. 前記配線は、前記筺体の第1側壁面に沿って第2配線基板まで引き回されていることを
    特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の電力変換装置。
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