JP2020058129A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のパワーコンディショナに比べて、使用されているコンデンサの寿命の短縮を抑制したパワーコンディショナを提供する。【解決手段】パワーコンディショナ３は、スイッチング素子Ｑ３１とインダクタＬ３１１、Ｌ３１２とを有するＰＶコンバータ３１と、コンデンサＣ１１と、スイッチング素子Ｑ３２とインダクタＬ３２１とを有するインバータ３２と、これらを収容する筐体３０４とを備える。そして、パワーコンディショナ３の使用状態において、スイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２およびインダクタＬ３１１、Ｌ３１２、Ｌ３２１は、筐体３０４内における、コンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の鉛直下方への投影領域ＡＲＴを除く領域に配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、パワーコンディショナに関する。

ケースと、ケースに収納され太陽電池と商用電力系統との系統連系運転を行う電子回路ブロックと、を備えるパワーコンディショナが提案されている（例えば特許文献１参照）。ここで、電子回路ブロックは、太陽電池から出力される直流電圧を昇圧する昇圧回路と、直流電圧の平滑化のためのコンデンサと、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、を有し、ケース内において昇圧回路のスイッチング素子とインバータ回路のスイッチング素子との間にコンデンサが配置されている。より詳細には、パワーコンディショナの使用状態において、コンデンサの鉛直下方にインバータ回路のスイッチング素子が位置し、コンデンサの鉛直上方に昇圧回路のスイッチング素子が位置するように、コンデンサおよび各スイッチング素子が配置されている。

特開２０１６−１９２８９９号公報

ところで、インバータ回路のスイッチング素子は、発熱量が比較的大きいため、そのスイッチング素子の周囲に存在する空気が暖められ、暖められた空気が上昇していく。そして、特許文献１に記載されたパワーコンディショナでは、パワーコンディショナの使用状態において、コンデンサの鉛直下方にインバータ回路のスイッチング素子が位置するため、インバータ回路のスイッチング素子の周囲に存在する空気が暖められて上昇し、コンデンサの周囲に流れ込んでしまう。このようにして、コンデンサの温度が上昇してしまうと、コンデンサの寿命が短縮する虞がある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、従来のパワーコンディショナに比べて、使用されているコンデンサの寿命の短縮を抑制したパワーコンディショナ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、本発明に係るパワーコンディショナは、
第１スイッチング素子と第１インダクタとを有し、直流供給部から入力される直流電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から出力される前記直流電圧を平滑化する少なくとも１つのコンデンサと、
第２スイッチング素子と第２インダクタとを有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から出力され前記少なくとも１つのコンデンサにより平滑化されてなる直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路と前記少なくとも１つのコンデンサと前記インバータ回路とを収容する筐体と、を備え、
前記第１スイッチング素子、前記第１インダクタ、前記第２スイッチング素子および前記第２インダクタは、使用状態において、前記筐体内における前記少なくとも１つのコンデンサが配置される第１領域の鉛直下方への投影領域を除く第２領域に配置される。

また、本発明に係るパワーコンディショナは、
前記少なくとも１つのコンデンサが、使用状態において、前記筐体内における鉛直方向に直交する方向の前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間に配置される、ものであってもよい。

また、本発明に係るパワーコンディショナは、
前記第１インダクタと前記第２インダクタとが、使用状態において、前記筐体内における前記少なくとも１つのコンデンサの鉛直上方に配置される、ものであってもよい。

また、本発明に係るパワーコンディショナは、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを駆動する駆動回路と、
前記駆動回路に制御信号を出力する制御回路と、
前記駆動回路および前記制御回路へ電力を供給する電源回路と、を有し、
前記駆動回路、前記制御回路および前記電源回路は、使用状態において、前記筐体内における前記投影領域内に配置される、ものであってもよい。

また、本発明に係るパワーコンディショナは、
ＡＣラインフィルタを更に備え、
前記ＡＣラインフィルタが、使用状態において、前記筐体内における前記第２領域に配置される、ものであってもよい。

本発明によれば、第１スイッチング素子、第１インダクタ、第２スイッチング素子および第２インダクタが、パワーコンディショナの使用状態において、筐体内における少なくとも１つのコンデンサが配置される第１領域の鉛直下方への投影領域を除く第２領域に配置される。これにより、パワーコンディショナの使用中において、第１スイッチング素子、第１インダクタ、第２スイッチング素子および第２インダクタの周囲に存在する空気がこれらにより暖められて上昇し、少なくとも１つのコンデンサの周囲に流れ込むことに起因した少なくとも１つのコンデンサの温度上昇が抑制される。従って、コンデンサの温度上昇に起因したコンデンサの寿命短縮が抑制される。

本発明の実施の形態に係るパワーコンディショナの構成を示す図である。 実施の形態に係るパワーコンディショナの斜視図である。 実施の形態に係るパワーコンディショナの図２のＡ−Ａ線における断面矢視図である。 実施の形態に係るパワーコンディショナの図２のＢ−Ｂ線における断面矢視図である。 実施の形態に係るパワーコンディショナの図２のＣ−Ｃ線における断面矢視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係るパワーコンディショナは、系統電源と連系して、太陽光発電設備、蓄電池等の直流供給部から交流負荷へ電力を供給する。本実施の形態に係るパワーコンディショナは、ＤＣ−ＤＣコンバータと、コンデンサと、インバータと、ＡＣラインフィルタと、これらを収容する筐体と、を備える。ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１スイッチング素子と第１インダクタとを有し、直流供給部から入力される直流電圧を電圧値の異なる直流電圧に変換する。コンデンサは、ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧を平滑化する。インバータは、第２スイッチング素子と第２インダクタとを有し、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から出力され少なくとも１つのコンデンサにより平滑化されてなる直流電圧を交流電圧に変換して出力する。ＡＣラインフィルタは、インバータと系統電源との間に電気的に接続されている。そして、第１スイッチング素子、第１インダクタ、第２スイッチング素子および第２インダクタは、パワーコンディショナの使用状態において、筐体内におけるコンデンサが配置される第１領域の鉛直下方への投影領域を除く第２領域に配置されている。これにより、第１スイッチング素子、第１インダクタ、第２スイッチング素子または第２インダクタにより暖められた空気が、コンデンサの周囲へ流入するのを抑制するというものである。ここで、本実施の形態に係るパワーコンディショナを含む電源システムの構成について説明する。

本実施の形態に係る電源システムは、図１に示すように、直流供給部である太陽電池１と、太陽電池１および系統電源２に接続されたパワーコンディショナ３と、を備える。また、系統電源２には、交流電力が供給されることにより動作する家庭用電化製品のような交流負荷（図示せず）が接続されている。パワーコンディショナ３は、ＰＶコンバータ３１と、コンデンサＣ１１と、インバータ３２と、ＡＣラインフィルタ３３と、を備える。また、パワーコンディショナ３は、ＰＶコンバータ３１とコンデンサＣ１１とインバータ３２とが共通に接続されるＨＶＤＣバス（図示せず）を備える。

ＰＶコンバータ３１は、太陽電池１から入力される直流電圧を昇圧してＨＶＤＣへ出力するＤＣ−ＤＣコンバータである。インバータ３２は、双方向型ＤＣ−ＡＣインバータであり、ＨＶＤＣバスから入力される直流電力を交流電力に変換して系統電源２に接続された交流負荷へ供給するとともに、系統電源２から供給される交流電力を直流電力に変換してＨＶＤＣバスへ供給する。ＡＣラインフィルタ３３は、インバータ３２と系統電源２との間のＡＣラインに生じるコモンモードノイズを除去するためのものであり、インバータ３２と系統電源２との間に電気的に接続されている。ＡＣラインフィルタ３３は、インダクタ（図示せず）を有する。

また、パワーコンディショナ３は、図２に示すように、モジュール３０１、３０３と、インダクタＬ３１１、Ｌ３１２、Ｌ３２１とを収容する筐体３０４を備える。ここで、モジュール３０１は、コンデンサＣ１１と、ＰＶコンバータ３１の一部を構成する回路とインバータ３２の一部を構成する回路と、を有する。また、モジュール３０３は、ＡＣラインフィルタ３３を構成する回路を有する。インダクタＬ３１１、Ｌ３１２は、ＰＶコンバータ３１の一部を構成する第１インダクタである。また、インダクタＬ３２１は、インバータ３２の一部を構成する第２インダクタである。このパワーコンディショナ３は、＋Ｚ方向が鉛直上方となる姿勢で使用される。なお、パワーコンディショナ３は、コンデンサＣ１１を１つだけ備えるものであってもよいし、複数のコンデンサＣ１１を備えるものであってもよい。また、パワーコンディショナ３は、図２における＋Ｚ方向が鉛直上向きとなる姿勢で使用される。

モジュール３０１は、図３に示すように、基板３１０と、ＰＶコンバータ３１の一部を構成する第１スイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ３１と、スイッチング素子Ｑ３１を駆動する駆動回路３１２と、を有する。また、モジュール３０１は、インバータ３２の一部を構成する第２スイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ３２と、スイッチング素子Ｑ３２を駆動する駆動回路３２２と、を有する。スイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２は、例えばＦＥＴである。更に、モジュール３０１は、駆動回路３１２、３２２それぞれに制御信号を出力することにより駆動回路３１２、３２２の動作を制御する制御回路３１１と、駆動回路３１２、３２２および制御回路３１１へ直流電力を供給する電源回路３１３と、を有する。ここで、スイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２とは、コンデンサＣ１１とともに基板３１０に実装されている。

ここで、スイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２およびインダクタＬ３１１、Ｌ３１２は、図４および図５に示すように、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１が配置される第１領域である領域ＡＲ１の−Ｚ方向への投影領域ＡＲＴを除く領域（第２領域）に配置されている。即ち、スイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２およびインダクタＬ３１１、Ｌ３１２は、パワーコンディショナ３の使用状態における、領域ＡＲ１の鉛直下方への投影領域ＡＲＴを除く領域に配置されている。また、コンデンサＣ１１は、筐体３０４内におけるＹ軸方向のスイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２の間に配置されている。これにより、筐体３０４内において図３における左側から右側への自然なエネルギフローが実現できる。インダクタＬ３１１、Ｌ３１２は、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１の＋Ｚ方向側、即ち、パワーコンディショナ３の使用状態におけるコンデンサＣ１１の鉛直上方に配置されている。このように、インダクタＬ３１１、Ｌ３１２も、領域ＡＲ１の−Ｚ方向への投影領域ＡＲＴを除く領域に配置されている。

一方、駆動回路３１２、３２２、制御回路３１１および電源回路３１３は、筐体３０４内における、コンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の−Ｚ方向側、即ち、領域ＡＲ１の−Ｚ方向への投影領域ＡＲＴ内に配置されている。ここで、投影領域ＡＲＴに配置される駆動回路３１２、３２２、制御回路３１１および電源回路３１３の発熱量は、ＰＶコンバータ３１、コンデンサＣ１１、インバータ３２およびＡＣラインフィルタ３３を含むパワーコンディショナ３の全ての構成要素から発せられる熱量の２０％以下となるように設定されている。

また、モジュール３０３は、図４および図５に示すように、筐体３０４内において、モジュール３０１に対して＋Ｙ方向側に離間した位置に配置されている。即ち、モジュール３０３が有するＡＣラインフィルタ３３全体が、領域ＡＲ１の−Ｚ方向への投影領域ＡＲＴを除く領域に配置されている。

以上説明したように、本実施の形態に係るパワーコンディショナ３によれば、スイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２およびインダクタＬ３１１、Ｌ３１２が、パワーコンディショナ３の使用状態において、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の鉛直下方への投影領域ＡＲＴを除く領域に配置される。これにより、パワーコンディショナ３の使用中において、スイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２およびインダクタＬ３１１、Ｌ３１２の周囲に存在する空気がこれらによって暖められて上昇し、コンデンサＣ１１の周囲に流れ込むことに起因したコンデンサＣ１１の温度上昇が抑制される。従って、コンデンサの温度上昇に起因したコンデンサの寿命短縮が抑制され、コンデンサを交換するためのメンテナンス頻度が低減されるという利点がある。

また、本実施の形態に係るパワーコンディショナ３では、インダクタＬ３１１、Ｌ３１２が、パワーコンディショナ３の使用状態において、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１の鉛直上方に配置される。また、ＡＣラインフィルタ３３を有するモジュール３０３も、パワーコンディショナ３の使用状態において、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の鉛直下方への投影領域ＡＲＴを除く領域に配置される。これにより、インダクタＬ３１１、Ｌ３１２またはＡＣラインフィルタ３３を有するモジュール３０３の周囲に存在する空気がこれらによって暖められて上昇し、コンデンサＣ１１の周囲へ流れ込むことが抑制されるので、その分、コンデンサＣ１１の温度上昇が抑制される。

更に、本実施の形態に係るパワーコンディショナ３では、駆動回路３１２、３２２、制御回路３１１および電源回路３１３が、パワーコンディショナ３の使用状態において、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の鉛直下方への投影領域ＡＲＴ内に配置される。これにより、筐体３０４内の小型化を図ることができる。

また、本実施の形態に係るパワーコンディショナ３では、コンデンサＣ１１が、筐体３０４内におけるＹ軸方向のスイッチング素子Ｑ３１、Ｑ３２の間に配置される。これにより、筐体３０４内において図３における左側から右側への自然なエネルギフローが実現でき、電源回路３１３とコンデンサＣ１１およびＨＶＤＣバスとの間の距離を短縮できる。従って、ＰＶコンバータ３１とコンデンサＣ１１とインバータ３２と電源回路３１３との間での配線の引き回し構造を簡素化することができる。また、配線の長さを短縮することができるので、例えば配線を流れる電流に起因して駆動回路３１２、３２２で生じるノイズを低減することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば直流供給部が、蓄電池であってもよい。この場合、ＰＶコンバータ３１は、例えば双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

実施の形態では、インダクタＬ３１１、Ｌ３１２が筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１の＋Ｚ方向側に配置される例について説明したが、インダクタＬ３１１、Ｌ３１２の配置はこれに限定されない。インダクタＬ３１１、Ｌ３１２は、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の−Ｚ方向への投影領域ＡＲＴを除く領域であれば他の場所に配置されてもよい。インダクタＬ３１１、Ｌ３１２が、例えばパワーコンディショナ３の使用状態において、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の鉛直方向に直交する側方、斜め上方または斜め下方に配置されるものであってもよい。

実施の形態では、ＡＣラインフィルタ３３を有するモジュール３０３が、筐体３０４内において、モジュール３０１に対して＋Ｙ方向側に離間した位置に配置されている例について説明した。但し、ＡＣラインフィルタ３３の配置はこれに限定されない。ＡＣラインフィルタ３３は、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１が配置される領域ＡＲ１の−Ｚ方向への投影領域ＡＲＴを除く領域であれば他の場所に配置されてもよい。ＡＣラインフィルタ３３を有するモジュール３０３が、例えばパワーコンディショナ３の使用状態において、筐体３０４内におけるコンデンサＣ１１の鉛直上方に配置されるものであってもよい。

以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態および変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。

本発明は、系統連系を行うパワーコンディショナとして好適である。

１：太陽電池、２：系統電源、３：パワーコンディショナ、３１：ＰＶコンバータ、３２：インバータ、３３：ＡＣラインフィルタ、３０１，３０３：モジュール、３０４：筐体、３１０：基板、３１１：制御回路、３１２，３２２：駆動回路、３１３：電源回路、ＡＲ１：領域、ＡＲＴ：投影領域、Ｃ１１：コンデンサ、Ｌ３１１，Ｌ３１２，Ｌ３２１：インダクタ、Ｑ３１，Ｑ３２：スイッチング素子

Claims (5)

1. 第１スイッチング素子と第１インダクタとを有し、直流供給部から入力される直流電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から出力される前記直流電圧を平滑化する少なくとも１つのコンデンサと、
   第２スイッチング素子と第２インダクタとを有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路から出力され前記少なくとも１つのコンデンサにより平滑化されてなる直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路と前記少なくとも１つのコンデンサと前記インバータ回路とを収容する筐体と、を備え、
   前記第１スイッチング素子、前記第１インダクタ、前記第２スイッチング素子および前記第２インダクタは、使用状態において、前記筐体内における前記少なくとも１つのコンデンサが配置される第１領域の鉛直下方への投影領域を除く第２領域に配置される、
   パワーコンディショナ。
2. 前記少なくとも１つのコンデンサは、使用状態において、前記筐体内における鉛直方向に直交する方向の前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間に配置される、
   請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記第１インダクタと前記第２インダクタとは、使用状態において、前記筐体内における前記少なくとも１つのコンデンサの鉛直上方に配置される、
   請求項１または２に記載のパワーコンディショナ。
4. 前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを駆動する駆動回路と、
   前記駆動回路に制御信号を出力する制御回路と、
   前記駆動回路および前記制御回路へ電力を供給する電源回路と、を有し、
   前記駆動回路、前記制御回路および前記電源回路は、使用状態において、前記筐体内における前記投影領域内に配置される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。
5. ＡＣラインフィルタを更に備え、
   前記ＡＣラインフィルタは、使用状態において、前記筐体内における前記第２領域に配置される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。

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