JP2017212774A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の電力変換器の構造では電力用磁気デバイスの冷却性能の確保と、電力用磁気デバイスと金属ケースの沿面距離の確保の両立が困難であった。本発明は、電力用磁気デバイスの冷却性能の確保と、電力用磁気デバイスと金属ケースの沿面距離の確保の両立を図った電力変換器を提供することを目的とする。
【解決手段】 上記課題を解決するため、本発明の電力変換器は、電力用磁気デバイスと、該電力用磁気デバイスの側面を囲む金属ケース側壁、および、前記電力用磁気デバイスの底面を覆うとともに前記金属ケース側壁より外側に延伸する金属ケース底からなる金属ケースと、前記電力用磁気デバイスと前記金属ケースの隙間に充填されたポッティング樹脂と、前記金属ケース側壁の外側において前記金属ケース側壁と前記金属ケース底を覆う絶縁部材と、を具備した。
【選択図】 図８

Description

本発明は、変圧器やリアクトルなどの電力用磁気デバイスの冷却と絶縁構造を備えた絶縁型の電力変換器に関する。

絶縁型の電力変換器に用いられる電力用磁気デバイスの変圧器は、小型化の観点から一般的に数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の高周波で駆動される。変圧器を高周波で駆動する場合、巻線の交流抵抗に起因する導通損失の増加が課題となる。自動車などに搭載される電力変換器に用いられる変圧器では、巻線に大電流が流れ高温となるため巻線の冷却が課題となる。また、近年、数ｋＶ以上の高圧系統連系に用いられる商用変圧器を、高周波化することで変圧器を小型化するソリッドステートトランス（以下、ＳＳＴという）の適用が検討されている。

ＳＳＴは、数ｋＨｚ〜数百Ｈｚの高周波で駆動される高周波トランスと、高周波トランスを駆動するコンバータと、コンバータの出力電圧を電源とし系統の周波数と同じ数十Ｈｚの交流電圧を出力するインバータなどの電力変換器から構成することで従来の商用変圧器を代替するものである。

ＳＳＴの構成によれば、従来の絶縁トランス単体にコンバータやインバータなどの電力変換器を追加することになるが、変圧器を数十〜数百ｋＨｚの高周波で駆動することによる小型化は、電力変換器を追加したＳＳＴの構成においても従来の数十Ｈｚで駆動されていた商用変圧器単体と比較して大幅な小型・軽量化を実現できる。このようにＳＳＴは商用変圧器の機能を果たすものであるとともに、ＳＳＴ自体が電力変換器としても機能するものである。

まず、巻線を内蔵する電力用磁気デバイスの放熱性を向上させる技術として、特許文献１が開示されている。ここでは、従来例としてアルミケース内に磁性コアとコイルを固定し、放熱性と内部の保護を目的に注型樹脂（ポッティング材）を充填する構造開示されるが、コイルとアルミケースとの絶縁をポッティング材に頼っており、絶縁を確保するためにある程度の厚みが必要なため、放熱性を低下させる要因となっているとある。

次に非特許文献１には、リアクトルの新構造として、接着剤を使ってコイルとコアと樹脂ケースをアルミ板に固定し、その後にポッティングをする構造を開示している。ポッティング材に比べて接着剤の熱伝導率は１．５倍以上にできるため、放熱性がよくなり、その結果として、そこで従来構造で採用していたアルミケースを廃止し、新構造では底面をアルミ板、側面を樹脂ケースとした。底面をアルミにすることで放熱性を確保し、放熱性が必要でない側面を樹脂にすることで軽量化できると解説されている。

また、特許文献１によれば、リアクトルを収納するケースと電力変換器のケースが一体化された構造が開示され、リアクトルの熱をケース内に放熱できると解説されている。

また、特許文献２によれば、金属製のケースに密閉されたパワーコンディショナに内蔵するリアクトルは、柔軟性の熱伝導シートと、電気絶縁シートを介して、金属ケースの内側に露出したヒートシンクの基盤部に熱伝導的に取り付けた例が開示されている。また、同金属製ケース内部は、リアクトルが収容される第一室とプリント配線基板及びその他電気回路部分が収容される第二室があり、両室は区画壁（磁性体の金属製）で分離され、リアクトルの熱と電磁ノイズが他の回路素子が不良になることを防止していると解説されている。

特開２００８−１９８９８１号公報 特開２０１２−１６５５９７号公報

山本伸一郎、草別和嗣、他４名：小型・軽量昇圧コンバータ用リアクトル、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１８５号、２０１４年７月

しかしながら、非特許文献１に開示された構造では、ＳＳＴを用いた電力変換器の場合、放熱と沿面距離の両立を解決できない。すなわち、従来構造では、リアクトルは側面までアルミケースに収納されるため熱的な問題はないが、アルミの側面がむき出しで沿面距離が不足するため、磁気デバイス近傍に電位差が数ｋＶ異なる回路基板を配置できない。

一方、非特許文献１の新構造はケース側面が樹脂のため、沿面距離は確保できるが、磁気デバイスが変圧器であった場合、ケース上部の巻線の熱を下部へ伝導することが難しく熱的に問題がある。

また、特許文献１、２についても、熱的な解決は可能であるが、ＳＳＴの場合は、ヒートシンクは金属部座からなり、筺体等に接続されて対地電位になるため、変圧器に接続した場合は、変圧器周囲とケース内部の回路基板を絶縁する必要があり、本構成を適用できない。

以上を鑑み、本発明は、電力用磁気デバイスの冷却性能の確保と、電力用磁気デバイスと他の電子部品との沿面距離の確保の両立を図った電力変換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電力変換器は、電力用磁気デバイスと、該電力用磁気デバイスの側面を囲む金属ケース側壁、および、前記電力用磁気デバイスの底面を覆うとともに前記金属ケース側壁より外側に延伸する金属ケース底からなる金属ケースと、前記電力用磁気デバイスと前記金属ケースの隙間に充填されたポッティング樹脂と、前記金属ケース側壁の外側において前記金属ケース側壁と前記金属ケース底を覆う絶縁部材と、を具備した。

本発明によれば、金属ケースに収納された電力用磁気デバイスからの放熱は、金属ケース側壁を通じて行われ、かつ、金属ケースの外側を絶縁部材で覆うことで十分な沿面距離を確保できるため、近傍に電位差が大きく異なる回路基板を配置でき、実装密度を向上させて、電力変換器を小型化できる。

実施例１の電力用磁気デバイスを搭載した電力変換器の要部断面図である。 実施例２の電力用磁気デバイスを搭載した電力変換器の要部断面図である。 電力用磁気デバイスとして変圧器の断面構造の例である。 電力用磁気デバイスに冷却板を装着した構造の断面の例である。 変圧器内部の温度解析結果の例である。 変圧器を搭載した電力変換器の電気回路図の例である。 変圧器を搭載した電力変換器の構造の例である。 変圧器を搭載した電力変換器の組み立て図の例である。

以下、本発明の実施例を説明する。ただし、本発明は以下の実施例の構成に制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。

図１に、実施例１の電力用磁気デバイス１を搭載した電力変換器８の要部断面図を示す。ここでは、電力用磁気デバイス１の内部構造は省略する。

ここに示すように、電力用磁気デバイス１は、金属ケース側壁２０１と金属ケース底２０２からなる金属ケース２００に収納され、金属ケース２００との隙間やデバイス内部の空間は絶縁部材であるポッティング樹脂３００が充填されている。金属ケース側壁２０１は、電力用磁気デバイス１を十分に収容する深さをもつ。また、金属ケース底２０２は、金属ケース側壁２０１を超えて四方に延伸している。また、金属ケース側壁２０１の外側において、金属ケース側壁２０１の外表面と金属ケース底２０２の上面は、絶縁部材４００に覆われている。

金属ケース２００の材料は熱伝導性の高いアルミが望ましく、底面が広い容器を製造するには鋳造が望ましい。鋳造アルミの熱伝導率は１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、十分な熱伝導性を有する。このため、電力用磁気デバイス１上部で発生した熱も金属ケース側壁２０１を介して金属ケース底２０２に効率的に伝達できる。

また、絶縁部材４００も型を用いて立体成型すると、金属ケース２００の表面を隙間なく覆うことができる。さらに、金属ケース側壁２０１を覆う絶縁部材４００を金属ケース側壁２０１よりもｈ１高くすることで、金属ケース側壁２０１の外側に設けた他の電子部品との沿面距離をより長くすることができ、安全性をより高めることができる。

図３に、電力用磁気デバイス１の一例である変圧器１０の断面構造を示す。この変圧器１０は、上半分の一次側が、コア１１ａ、ボビン１２ａ、一次側巻線Ｎ１から構成され、下半分の二次側が、コア１１ｂ、ボビン１２ｂと、二次側巻線Ｎ２から構成されており、両ボビンを巻線カバー１６で覆っている。また、両コアの中心には所定量のコア間隙１５を設けている。この変圧器１０によって、一次側巻線Ｎ１側から入力された低電圧電力を、二次側巻線Ｎ２側に高電圧電力として出力することができる。

変圧器１０の熱損失は、両コアと両巻線で発生するが、これらは熱伝導率の低いボビン１２で隔離されている。また、巻線カバー１６を付けているため、変圧器１０内部の巻線間隙１４やコア間隙１５には、ポッティング樹脂３００が注入されず、熱伝導率が０．０２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低い空気が残されたままになるため、コアや巻線から外部への放熱が難しい。巻線カバー１６を外しても、巻線間隙１４は狭く十分にポッティング樹脂３００が流入できず放熱が難しい。一般に、電力用磁気デバイス１は巻線があるため放熱し難い構造である。しかしながら、本実施例では、電力用磁気デバイス１の熱が金属ケース側壁２０１を介して金属ケース底２０２に伝達されるので、十分な放熱性能を確保することができる。

図４に、電力用磁気デバイス１に冷却板６０を装着した構造の断面例を示す。金属ケース底２０２に熱伝導部材５０を介して冷却板６０を搭載する。冷却板６０は、内部を液体が流れて冷却する液冷板などである。また、熱伝導部材５０は、熱伝導シートや熱伝導グリスなどでよい。特に熱伝導シートの片面が非粘着性だと、金属ケース底２０２と冷却板６０との着脱が容易になり、故障時の交換に都合がよい。

このようにすることで、電力用磁気デバイス１で発生する熱を効率的に冷却板６０へ放熱できる。また、図５を用いて後述するように金属ケース側壁２０１を設けることで、金属ケース底２０２からの放熱効果をさらに高めている。

金属ケース側壁２０１の有無による効果の相違を示す、変圧器１０内部の温度解析結果例を図５に示す。これは、冷却板６０を現実的な熱伝達率範囲に置き換え、またポッティング樹脂３００の熱伝導率も現実的な範囲でパラメータ解析したものである。図の横軸はポッティング樹脂３００の熱伝導率、縦軸は変圧器内部の最大温度上昇を示す。本例のように許容温度上昇が５５℃の場合、ポッティング樹脂３００および冷却板６０の熱伝導率の大小に拘らず、金属ケース側壁２０１がないと（図中の●、▲）、許容温度上昇５５℃を超える結果となったが、アルミ製の金属ケース側壁２０１を設けると（図中の○、△）、許容温度上昇５５℃を超えることはなかった。以上より、変圧器１０の冷却に、アルミ製の金属ケース側壁２０１が大きく寄与していることがわかる。

図６に、変圧器１０を搭載した電力変換器８の電気回路図の例を示す。この電力変換器８は、４つのセル変換器８０〜８３を備え、それらの入力端を並列接続、出力端を直列接続した構成とし、電源６を入力とし、任意の交流電圧を出力することで系統７に交流電力を供給する。各セル変換器は、一次回路基板８０１１ａ、変圧器１０、二次回路基板８０１１ｂから構成される。一次回路基板８０１１ａに示すＣ１は平滑コンデンサ、Ｑ１〜Ｑ４はブリッジ接続された４つスイッチング素子、ＤＱ１〜ＤＱ４はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に逆並列接続されたダイオード、Ｃｒは共振コンデンサである。変圧器１０に示すＬｒは共振インダクタ、Ｎ１は一次側巻線、Ｎ２は二次側巻線である。また、Ｔ１は両巻線を結合させるコアであり、上述したコア１１ａと１１ｂの両者から構成される。二次回路基板８０１１ｂに示すＤｒ１〜Ｄｒ４は整流ダイオード、Ｃｍはフィルタコンデンサ、Ｈ１〜Ｈ４はブリッジ接続されたスイッチング素子、ＤＨ１〜ＤＨ４はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に逆並列接続されたダイオードである。

このように構成された複数のセル変換器８０〜８３を冷却板６０等とともに金属製筐体に収納することで本実施例の電力変換器８が構成される。なお、この電力変換器８が屋外に設置される場合は、内部にゴミやほこりや雨の侵入を防ぐために密閉した筐体内で複数のセル変換器８０〜８３を冷却する構成としても良い。

図７に、変圧器１０を搭載したセル変換器を代表してセル変換器８０の構造例を示す。セル変換器８０は、変圧器１０と一次回路基板８０１１ａと二次回路基板８０１１ｂを備えており、絶縁性樹脂製のセルケース本体８００２とセルケース蓋８００１によって密閉される。回路基板８０１１には、スイッチング素子としてパワー半導体８０１２を用いた。本図では、一次回路基板８０１１ａ上の部品の符号にａを、二次回路基板８０１１ｂ上の部品の符号にｂを付ける。変圧器１０を収納した金属ケース２００の金属ケース底２０２下方には熱伝導部材５０を介して冷却板６０が設置されている。セルケース本体８００２には、回路基板８０１１を固定するネジ止め部８０２０ａ、８０２０ｂがある。また、セルケース本体８００２の下部には開口部８０１７があり、回路基板８０１１の下面に実装されたパワー半導体８０１２が絶縁シート８０１３を介して、金属ケース底２０２に熱的に接続される。また、回路基板８０１１には、変圧器１０からの配線８０１６を接続する端子台８０１５が設けられている。セルケース本体８００２と金属ケース底２０２は、外部のネジ止め部８０１４でネジ止めする。

このように構成することで、セル変換器８０を密閉し、回路基板８０１１と金属ケース２００の沿面距離の確保と高効率冷却の両立が可能となる。また、金属ケース底２０２は、セル変換器８０の土台となる。また、セルケース蓋８００１とセルケース本体８００２のネジ止め部８０１４を金属ケースより上方に離すことで、セルケース外側経由の沿面距離も確保できる。

図８に、図７の構成の組み立て図の例を示す。内部をわかりやすくするため、セルケースの前面側は省略した。変圧器１０を収納した金属ケース２００の上面に、絶縁シート８０１３を貼る。その上からセルケース本体８００２を被せ、金属ケース底２０２とセルケース本体８００２をネジ止め部８０１４でネジ止めする。開口部８０１７からパワー半導体８０１２が露出するように、回路基板８０１１をセルケース本体８００２に設置し、図示しないネジ（図７のネジ止め部８０２０に相当）で止める。回路基板８０１１には、バスバー８０１８がついていて、図示しない部位からセルケース外部と電気接続できる。セルケース蓋８００１をセルケース本体８００２に被せ、ネジ止め部でネジ止めする。このネジ止め部８０１４ａは、金属ケースとのネジ止め部８０１４ｂとは水平位置がずらして設置すると、上方のみからネジで組み立てが可能となる。最後に、冷却板６０に熱伝導部材５０を設置し、その上から金属ケース底２０２を搭載する。

以上で説明したように、本実施例によれば、電力用磁気デバイスの冷却性能の確保と、電力用磁気デバイスと他の電子部品との沿面距離の確保の両立を図った電力変換器を提供することができる。

図２に、実施例２の電力用磁気デバイス１を搭載した電力変換器８の要部断面図を示す。実施例１との違いは、一体成型された絶縁部材４００に代え、複数の絶縁部材を用いる点であり、その他の共通する点は説明を省略する。実施例２では、金属ケース側壁を絶縁部材４０１で覆い、金属ケース底の上面を絶縁部材４０２で覆う。

絶縁部材を複数使用することにより、平板材の組み合わせや、塗装で代用できる。このため、金属ケースの大きさが変更になっても、絶縁部材の成形金型を変更する必要がない。

１ 電力用磁気デバイス、
１０ 変圧器、
２００ 金属ケース、
２０１ 金属ケース側壁、
２０２ 金属ケース底、
３００ ポッティング樹脂、
４００、４０１、４０２ 絶縁部材、
５０ 熱伝導部材、
６０ 冷却板、
６ 電源、
７ 系統、
８ 電力変換器
１１ａ、１１ｂ、Ｔ１ コア、
１２、１２ａ、１２ｂ ボビン、
Ｎ１ 一次側巻線、
Ｎ２ 二次側巻線、
１４ 巻線間隙、
１５ コア間隙、
１６ 巻線カバー、
８０、８１、８２、８３ セル変換器
８００１ セルケース蓋、
８００２ セルケース本体、
８０１１ 回路基板
８０１１ａ 一次回路基板、
８０１１ｂ 二次回路基板、
８０１２ パワー半導体、
８０１３ 絶縁シート、
８０１４、８０１４ａ、８０１４ｂ ネジ止め部、
８０１５ 端子台、
８０１６ 配線、
８０１７ 開口部、
８０１８ バスバー、
８０１９ フィルタコンデンサ
８０２０、８０２０ａ、８０２０ｂ ネジ止め部、
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ スイッチング素子

Claims (5)

1. 電力用磁気デバイスと、
   該電力用磁気デバイスの側面を囲む金属ケース側壁、および、前記電力用磁気デバイスの底面を覆うとともに前記金属ケース側壁より外側に延伸する金属ケース底からなる金属ケースと、
   前記電力用磁気デバイスと前記金属ケースの隙間に充填されたポッティング樹脂と、
   前記金属ケース側壁の外側において前記金属ケース側壁と前記金属ケース底を覆う絶縁部材と、
   を具備することを特徴とする電力変換器。
2. 請求項１に記載の電力変換器において、
   前記絶縁部材は、前記金属ケース側壁の上端よりも上方に突出していることを特徴とする電力変換器。
3. 請求項１に記載の電力変換器において、
   前記絶縁部材は、前記金属ケース側壁を覆う第一の絶縁部材と、前記金属ケース底を覆う第二の絶縁部材とからなることを特徴とする電力変換器。
4. 請求項１に記載の電力変換器において、
   前記金属ケース底を覆う絶縁部材には開口部が設けられており、
   該開口部を介して、前記電力用磁気デバイスに接続された回路基板に搭載された電子部品が、前記金属ケース底と熱的に接続されていることを特徴とする電力変換器。
5. 請求項１から４何れか一項に記載の電力変換器において、
   さらに、前記金属ケース底と熱的に接続された熱伝導部材と、
   該熱伝導部材と熱的に接続された冷却板と、
   を具備することを特徴とする電力変換器。

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