JP2016111802A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電システム等に適用されるパワーコンディショナにおいて、不要輻射や電力損失を抑制しつつ、各要素の温度上昇を抑制する。【解決手段】直流電圧が入力される第１のリアクトル（４）と、コンデンサ（５６ａ）と、第１のリアクトル（４）の出力電圧をスイッチングすることにより、コンデンサ（５６）を充電するコンバータ（基板５）と、コンデンサ（５６ａ）の出力電圧をスイッチングすることにより、交流電圧を出力するインバータ（基板５）と、交流電圧から高調波成分を除去する第２のリアクトル（６）と、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体（１０）とを設け、第１のリアクトル（４）を、筺体（１０）の横方向の一方の端の上端部に配置し、第２のリアクトル（６）を、筺体（１０）の横方向の他方の端の上端部に配置した。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

太陽光発電システム等に使用されるパワーコンディショナ（電力変換装置）の背景技術として、下記特許文献１の要約書には、「筐体は裏側壁の少なくとも一部がヒートシンクで構成され、前記フィルタ部に備えたリアクトルが、柔軟性の熱伝導シートと電気絶縁シートを介して前記筐体の内側に露出したヒートシンクに熱伝導的に取り付けた」と記載されている。

特開２０１２−１６５５９７号公報

ところで、パワーコンディショナを屋外に設置できるよう、防滴構造にする要望がある。これにより、開放構造のものと比較して、排熱が難しくなる。ここで、発熱量の大きい部品を単純に筺体内の上部に配置し、その他の部品を下部に配置すると、部品間を接続するケーブルが複雑な経路を辿って長くなるため、組立性が悪く損失が増大する。また、パワーコンディショナは、大電力のスイッチング等を行うため、電波障害を抑制することも望まれている。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、優れた電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明にあっては、直流電圧が入力される第１のリアクトルと、コンデンサと、前記第１のリアクトルの出力電圧をスイッチングすることにより、前記コンデンサを充電するコンバータと、前記コンデンサの出力電圧をスイッチングすることにより、交流電圧を出力するインバータと、前記交流電圧から高調波成分を除去する第２のリアクトルと、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体とを有し、前記第１のリアクトルを、前記筺体の横方向の一方の端の上端部に配置し、前記第２のリアクトルを、前記筺体の横方向の他方の端の上端部に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、優れた電力変換装置を実現できる。

本発明の一実施形態のパワーコンディショナの回路図である。 該パワーコンディショナの分解斜視図である。 該パワーコンディショナの斜視図である。

＜電気的構成＞
次に、本発明の一実施形態によるパワーコンディショナ１の電気的構成を図１を参照し説明する。
このパワーコンディショナ１は、太陽光発電システム等に使用され、太陽光パネルから供給された直流電力を交流電力に変換し、外部の負荷または商用電源系統に供給するものである。

パワーコンディショナ１の内部において、端子台部２には、ＤＣ端子台２２とＡＣ端子台２８とが設けられている。ＤＣ端子台２２は、複数の太陽光パネル（図示せず）に接続され、ＡＣ端子台２８は商用電源系統の配電盤（図示せず）に接続される。ヒューズホルダ２６には図示せぬヒューズが装着される。ＤＣスイッチ部２４には、各太陽光パネル毎に電流をオン／オフする複数のスイッチが設けられている。接続箱機能部３２は、ＤＣスイッチ部２４を介して供給された直流電流を逆流防止用のダイオード（図示せず）を介して合成する。ＤＣフィルタ部３４は、合成された直流電圧・電流から脈動成分を除去する。接続箱機能部３２とＤＣフィルタ部３４とは、ＤＣフィルタ基板３に搭載されている。

ＤＣリアクトル４は鉄心を有するリアクトルであり、ＤＣフィルタ基板３から出力された直流電流が通過する。コンバータ５２は、ＤＣリアクトル４から供給された直流電圧によって所定の直流電圧を生成し、電解コンデンサ５６を充電する。ここで、ＤＣリアクトル４およびコンバータ５２は、昇圧チョッパ回路を構成しており、電解コンデンサ５６の端子電圧は、３００〜４００Ｖ程度になる。

インバータ５４は、電解コンデンサ５６の端子電圧をスイッチングすることにより、ＰＷＭ変調波である交流電圧を出力する。すなわち、この交流電圧は、方形波パルス状の波形を有し、そのデューティ比は正弦波状に変動する。コンバータ５２、インバータ５４、電解コンデンサ５６は、ＤＣ／ＡＣ変換基板５に搭載されている。

ＡＣリアクトル６は鉄心を有するリアクトルであり、インバータ５４の出力電圧から高調波成分を除去する。但し、ＡＣリアクトル６のみでは高調波成分を充分に除去しきれないため、後段のＡＣフィルタ部７２において、さらに高調波成分が除去される。ＡＣリレー部７４は、ＡＣフィルタ部７２と商用電源系統との接続状態（オン／オフ状態）を切り替える。すなわち、ＡＣフィルタ部７２と商用電源系統とを接続するためには、両者の電圧差、位相差等について所定の条件が満たされている必要がある。

電圧差、位相差等の条件が満たされた場合は、ＡＣリレー部７４はオン状態に設定され、これにより、ＡＣフィルタ部７２の出力電力は、ＡＣリレー部７４、ヒューズホルダ２６、ＡＣ端子台２８を介して商用電源系統に供給される。制御部８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等を有し、メモリに格納された制御プログラムに基づいて、パワーコンディショナ１内の各部を制御する。

＜機械的構成＞
次に、パワーコンディショナ１の機械的構成を、図２を参照し説明する。なお、図２はパワーコンディショナ１の分解斜視図である。
図２において本体ケース１０は、横長の略直方体枠状に形成され、その前面の全体が開放されるとともに、背面の上部部分が開放され、長方形状の背面窓１０ｂが形成されている。また、本体ケース１０の下部には、ケーブル配線用の円形の貫通孔１０ａが複数形成されている。

ヒートシンク１４は、背面窓１０ｂよりもやや小サイズの略長方形板状に形成され、その前面は平面状に形成されるとともに、背面には複数のフィンが形成されている。ヒートシンク１４は、その前面が背面窓１０ｂから露出し、後面は背面カバー１６によって覆われる。ヒートシンク１４の前面中央部分には、ＤＣ／ＡＣ変換基板５が装着される。ＤＣ／ＡＣ変換基板５の裏面には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ，Insulated Gate Bipolar Transistor）等の複数のパワー半導体素子（図示せず）が搭載されており、これらパワー半導体素子がヒートシンク１４に衝合しつつ取り付けられる。この結果、ＤＣ／ＡＣ変換基板５は、ヒートシンク１４に対して前方に若干（数ｍｍ程度）隔てた位置に固定される。

なお、図１に示した電解コンデンサ５６は、実際には複数の電解コンデンサ５６ａを直並列接続して構成されている。これら電解コンデンサ５６ａは、ＤＣ／ＡＣ変換基板５の下辺および右辺に沿って装着されている。上述したパワー半導体素子は、電解コンデンサ５６ａの装着位置を除いた領域の裏面に装着されている。また、ヒートシンク１４の左上隅および右上隅には、ＤＣリアクトル４およびＡＣリアクトル６が絶縁シート（図示せず）を介して装着される。

パワー半導体素子、ＤＣリアクトル４、ＡＣリアクトル６は、発熱量が大きいためにヒートシンク１４に装着されているが、これらの部品から放出される熱は、パワーコンディショナ１の筺体内にも放射され、対流によって他の部品にも伝搬される。「他の部品」のうち、電解コンデンサ５６ａは熱による劣化が特に生じやすいため、パワー半導体素子、ＤＣリアクトル４、ＡＣリアクトル６の上方には位置しないように配置されている。

ＤＣフィルタ基板３は、略Ｌ字状に形成され、ＤＣリアクトル４の下方に配置される。ＤＣフィルタ基板３の前面には、インダクタ３４ａ等、ＤＣフィルタ部３４（図１参照）の構成部品が配置されている。また、ＤＣフィルタ基板３には、縦長形状のヒートシンク３２ａが装着されている。このヒートシンク３２ａは、接続箱機能部３２（図１参照）に含まれる逆流防止用のダイオードを冷却するものである。ＡＣフィルタ基板７は、略逆Ｌ字状に形成され、ＡＣリアクトル６の下方に配置される。ＡＣフィルタ基板７の前面には、インダクタ７２ａ等、ＡＣフィルタ部７２（図１参照）の構成部品が配置されている。また、ＡＣフィルタ基板７の下部には、ＡＣリレー部７４（図１参照）を構成するリレー７４ａが搭載されている。

ＤＣリアクトル４およびＡＣリアクトル６の下方にＤＣフィルタ基板３およびＡＣフィルタ基板７を取り付けた後、本体ケース１０の前面には、その左右端を繋ぐように、補強板１２と端子台部２とが装着される。端子台部２の中央部分には、後側に凹んだ凹部が形成されており、その凹部にＤＣスイッチ部２４とヒューズホルダ２６とが装着されている。さらに、補強板１２には、制御部８が取り付けられる。そして、本体ケース１０の前面に、図示せぬフロントパネルを装着すると、防滴構造を有し屋外設置可能なパワーコンディショナ１が完成する。

以上のようにして組み立てられたパワーコンディショナ１の斜視図を図３に示す。なお、図３においても、フロントパネルは図示を省略する。図３において、ＤＣスイッチ部２４の後方には、ＤＣフィルタ基板３に装着されたヒートシンク３２ａが位置している。図３に示すように、ヒートシンク３２ａは、電解コンデンサ５６ａよりも若干左側に配置されている。これにより、ヒートシンク３２ａにて発生した熱気は、電解コンデンサ５６ａには当たらないように上方向に上昇する。

本実施形態においては、横長の（上下方向の幅よりも、左右方向の幅が長い）本体ケース１０を適用し、その左上隅および右上隅に、ＤＣリアクトル４およびＡＣリアクトル６を配置した事を一つの特徴としている。ＤＣリアクトル４およびＡＣリアクトル６は、それぞれ強い磁束を発生するため、両者を近接させると、相互インダクタンスにより影響を及ぼし合い、電波障害を起こす原因になり得る。この場合、電波障害を軽減するためには、ＤＣフィルタ部３４およびＡＣフィルタ部７２として高性能なものを適用せざるを得なくなり、コストアップにつながる。従って、ＤＣリアクトル４およびＡＣリアクトル６の距離をなるべく離すことが、安価に電波障害を軽減するために有効な手段であると考えられる。

また、ＤＣリアクトル４およびＡＣリアクトル６は、発熱量が大きいため、他の部品の温度上昇を抑制するためには、本体ケース１０内でなるべく上部に配置することが望ましい。このような事情に鑑みれば、本体ケース１０として横長のものを採用し、その左上隅および右上端にＤＣリアクトル４およびＡＣリアクトル６を配置することが最適であると考えられる。

また、コンバータ５２およびインバータ５４は、電解コンデンサ５６に対する充放電を行うものであるため、これらの要素をなるべく近接させると、不要輻射や電力損失を抑制できる。従って、これらの要素をＤＣ／ＡＣ変換基板５として、まとめて実装することが望ましいことが解る。そして、ＤＣ／ＡＣ変換基板５をＤＣリアクトル４とＡＣリアクトル６との間に配置すると、電流が流れる順序（ＤＣリアクトル４→ＤＣ／ＡＣ変換基板５→ＡＣリアクトル６）に従って、これらの構成要素４，５，６を配置することができる。これにより、構成要素４，５，６間を接続するケーブルを短くすることができるから、ケーブルのコストを削減できるとともに、組立性を高めることができ、ケーブルにおける不要輻射や電力損失も抑制することができる。

また、ＤＣリアクトル４の下方にＤＣフィルタ基板３を配置し、ＡＣリアクトル６の下方にＡＣフィルタ基板７を配置すると、それぞれを接続するためのケーブルを短くすることができ、不要輻射や電力損失を一層抑制できる点で望ましい。以上のように、ＤＣフィルタ基板３、ＤＣリアクトル４、ＤＣ／ＡＣ変換基板５、ＡＣリアクトル６、ＡＣフィルタ基板７を略コ字状をなすように配置することにより、不要輻射や電力損失を抑制しつつ、各要素の温度上昇（特に電解コンデンサ５６ａの温度上昇）を抑制できることが解る。

＜実施形態の効果＞
以上のように、本実施形態のパワーコンディショナ１は、直流電圧が入力される第１のリアクトル（４）と、コンデンサ（５６）と、前記第１のリアクトル（４）の出力電圧をスイッチングすることにより、前記コンデンサ（５６）を充電するコンバータ（５２）と、前記コンデンサ（５６）の出力電圧をスイッチングすることにより、交流電圧を出力するインバータ（５４）と、前記交流電圧から高調波成分を除去する第２のリアクトル（６）と、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体（１０）とを有し、前記第１のリアクトル（４）を、前記筺体（１０）の横方向の一方の端の上端部に配置し、前記第２のリアクトル（６）を、前記筺体（１０）の横方向の他方の端の上端部に配置したものである。

さらに、パワーコンディショナ１にあっては、前記コンバータ（５２）と前記インバータ（５４）とは、それぞれ半導体素子を含むとともに、前記第１のリアクトル（４）と前記第２のリアクトル（６）との間に配置され、前記コンバータ（５２）と前記インバータ（５４）と前記半導体素子とを装着するヒートシンク（１４）を有するものであり、
前記コンバータ（５２）と前記インバータ（５４）と前記コンデンサ（５６）とを搭載し、前記ヒートシンク（１４）に対して所定距離隔てて対向する基板（５）をさらに有し、前記半導体素子を、前記基板（５）の前記ヒートシンク（１４）に対向する面に配置したものである。

さらに、パワーコンディショナ１は、入力された直流電圧から脈動成分を除去し、前記第１のリアクトル（４）に供給する第１のフィルタ（３４）と、前記第２のリアクトル（６）が出力する交流電圧からさらに高調波成分を除去する第２のフィルタ（７２）とをさらに有し、前記第１のフィルタ（３４）を、前記第１のリアクトル（４）の下方に配置し、前記第２のフィルタ（７２）を、前記第２のリアクトル（６）の下方に配置したものであり、
複数系統の直流電源から供給された直流電流を、複数のダイオードを介して合成し前記第１のフィルタ（３４）に供給する合成部（３２）と、前記ダイオードに装着されたダイオード用ヒートシンク（３２ａ）とをさらに有し、前記ダイオード用ヒートシンク（３２ａ）を、その上方に前記コンデンサ（５６）が設けられていない位置に配置したものである。

これらの特徴により、本実施形態のパワーコンディショナ１は、各要素間を接続するケーブルを短くすることができるから、コストダウンを図れるとともに、不要輻射や電力損失を抑制でき、さらに組立性を向上させることができる。また、本実施形態においては、各要素の温度上昇を抑制できる。特に、電解コンデンサ５６ａに対する熱伝導を抑制しているため、電解コンデンサ５６ａの劣化を抑え、長寿命化を図ることができる。

＜変形例＞
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態においては、本体ケース１０の左側にＤＣフィルタ基板３およびＤＣリアクトル４を配置し、右側にＡＣリアクトル６およびＡＣフィルタ基板７を配置したが、これらの左右の配置関係を逆にしてもよい。

（２）上記実施形態においては、パワー半導体素子としてＩＧＢＴを適用したが、パワー半導体素子は、ＭＯＳ・ＦＥＴ、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ、トライアック等であってもよい。

１ パワーコンディショナ
２ 端子台部
３ ＤＣフィルタ基板
４ ＤＣリアクトル（第１のリアクトル）
５ ＤＣ／ＡＣ変換基板（基板）
６ ＡＣリアクトル（第２のリアクトル）
７ ＡＣフィルタ基板
８ 制御部
１０ 本体ケース（筺体）
１２ 補強板
１４ ヒートシンク
３２ 接続箱機能部（合成部）
３２ａ ヒートシンク（ダイオード用ヒートシンク）
３４ ＤＣフィルタ部（第１のフィルタ）
５２ コンバータ
５４ インバータ
５６，５６ａ 電解コンデンサ
７２ ＡＣフィルタ部（第２のフィルタ）

Claims (4)

1. 直流電圧が入力される第１のリアクトルと、
   コンデンサと、
   前記第１のリアクトルの出力電圧をスイッチングすることにより、前記コンデンサを充電するコンバータと、
   前記コンデンサの出力電圧をスイッチングすることにより、交流電圧を出力するインバータと、
   前記交流電圧から高調波成分を除去する第２のリアクトルと、
   縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体と
   を有し、
   前記第１のリアクトルを、前記筺体の横方向の一方の端の上端部に配置し、
   前記第２のリアクトルを、前記筺体の横方向の他方の端の上端部に配置した
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記コンバータと前記インバータとは、それぞれ半導体素子を含むとともに、前記第１のリアクトルと前記第２のリアクトルとの間に配置され、
   前記コンバータと前記インバータと前記半導体素子とを装着するヒートシンクをさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記コンバータと前記インバータと前記コンデンサとを搭載し、前記ヒートシンクに対して所定距離隔てて対向する基板をさらに有し、
   前記半導体素子を、前記基板の前記ヒートシンクに対向する面に配置した
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 入力された直流電圧から脈動成分を除去し、前記第１のリアクトルに供給する第１のフィルタと、
   前記第２のリアクトルが出力する交流電圧からさらに高調波成分を除去する第２のフィルタと
   をさらに有し、
   前記第１のフィルタを、前記第１のリアクトルの下方に配置し、
   前記第２のフィルタを、前記第２のリアクトルの下方に配置した
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。

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