JP2020061831A - 電力変換基板およびパワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】製品の小型化、製造コストの抑制、設計自由度の向上を図ることのできる電力変換基板を得ること。【解決手段】電力変換基板は、複数のダイオード１２と複数の第１のスイッチング素子１３とを有するコンバータ回路と、複数の第２のスイッチング素子を有するインバータ回路と、ゲート駆動回路部と、プリント基板２１と、を備える。ダイオード１２と第１のスイッチング素子１３とは、プリント基板２１の裏面２１ｂ側に設けられ、互いのボディ部２９，３２の間に互いの端子部３０，３１，３３，３４，３５が配置される姿勢で設けられる。第２のスイッチング素子は、プリント基板２１の裏面２１ｂ側に２列で設けられる。ゲート駆動回路部は、プリント基板２１の表面２１ａ側に設けられ、プリント基板２１の基板面と垂直な方向から見て第１のスイッチング素子１３または第２のスイッチング素子と重ねて配置される。【選択図】図５

Description

本発明は、太陽電池等の直流電圧源を交流電力へ変換するインバータ回路とコンバータ回路とが実装された電力変換基板およびパワーコンデョショナに関する。

太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナは、コンバータ回路と、平滑コンデンサと、インバータ回路と、フィルタ回路と、連系リレーとを備える。コンバータ回路は、太陽電池から出力される直流電力の電圧を昇圧する。平滑コンデンサは、コンバータ回路で昇圧された直流電力の出力を平滑化する。インバータ回路は、平滑コンデンサによって平滑化された直流電力を系統電源と同期が取れた交流電力に変換する。フィルタ回路は、インバータ回路からの出力電力に含まれる高調波成分を減少させる。連系リレーは、系統電源に交流電力を供給するために系統電源と交流側を連系させる。パワーコンディショナでは、コンバータ回路およびインバータ回路等がプリント基板に実装された電力変換基板が設けられる。

コンバータ回路は、ダイオード、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ：直流）リアクトル、スイッチング素子で構成され、スイッチング素子のデューティ比を調整することで昇圧レベルを調整する。デューティ比は、スイッチング素子のオン時間とオフ時間によって定められる値で、具体的には、「オン時間／（オン時間＋オフ時間）」によって求められる。

インバータ回路は、複数のスイッチング素子で構成され、デューティ比を調整することでＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御を行う。ＰＷＭ制御後の出力電圧は方形波となっているため、ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ：交流）リアクトル、およびフィルタ回路によって平滑化することで交流波形とし、系統電源側と連系を行う。

ＰＷＭ制御は、電圧を２つのレベルで出力する２レベルインバータが一般的に知られている。２レベルインバータの特長には、使用する部品数が少なく簡易な構成で実現できる点がある。一方で、出力電力に高調波が多く含まれるため、インダクタンス値を増やすためにＡＣリアクトルのサイズが大きくなるといった点、スイッチングに伴い多くの電磁ノイズが発生する点が課題に挙げられる。

２レベルインバータの課題を解決するため、電圧レベルを３つ以上としたマルチレベルインバータの開発が行われている。特許文献１には、充放電コンデンサおよびスイッチング素子を追加した５レベルインバータの技術が開示されている。

特許第５６２６２９３号公報

しかしながら、上記技術では、２レベルインバータと比較してスイッチング素子の追加が必要である。追加されたスイッチング素子の実装スペースを確保するためにプリント基板が大型化してしまう。また、追加されたスイッチング素子を冷却する冷却部も追加が必要となり、製品の大型化および製造コストの増加を招く。

ここで、プリント基板における実装スペースの縮小化を図るために、複数のスイッチング素子の機能が一体型とされたパワーモジュールを使用する場合がある。しかしながら、パワーモジュールは、機能が一体型とされていない素子単体のスイッチング素子と比較してコストが高くなる。また、駆動回路や保護回路が予め内蔵されているため、設計の自由度が低いといった問題もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、製品の小型化、製造コストの抑制、設計自由度の向上を図ることのできる電力変換基板を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数のダイオードと複数の第１のスイッチング素子とを有して、直流電源から供給された直流電力の電圧を昇圧するコンバータ回路と、複数の第２のスイッチング素子を有して、コンバータ回路で昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子のゲート信号を生成する複数のゲート駆動回路部と、複数のダイオードと、複数の第１のスイッチング素子と、複数の第２のスイッチング素子とが実装されるプリント基板と、を備える。複数のダイオードと、複数の第１のスイッチング素子と、複数の第２のスイッチング素子のそれぞれがボディ部とボディ部から突出された端子部とを有している。複数のダイオードと複数の第１のスイッチング素子とは、プリント基板の裏面側に設けられるとともに、互いのボディ部の間に互いの端子部が配置される姿勢で設けられる。複数の第２のスイッチング素子は、プリント基板の裏面側に２列で設けられるとともに、一方の列に配置されたボディ部と、他方の列に配置されたボディ部との間に、それぞれの端子部が配置される姿勢で設けられる。複数のゲート駆動回路部のそれぞれは、プリント基板の表面側に設けられるとともに、プリント基板の基板面と垂直な方向から見て第１のスイッチング素子または第２のスイッチング素子と重ねて配置される。

本発明にかかる電力変換基板によれば、製品の小型化、製造コストの抑制、設計自由度の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるパワーコンディショナの回路ブロック図 実施の形態１にかかるパワーコンディショナの筐体内部構造を示す斜視図 実施の形態１におけるパワー基板の部分拡大正面図 図３に示した素子実装エリアを拡大した図 図３のＶ−Ｖ線に沿った矢視断面図 図１に示したコンバータ回路と平滑用電解コンデンサを抽出した回路ブロック図 図３に示す１回路素子実装エリア周辺の銅パターンを示す図 図１に示した平滑用電解コンデンサ、インバータ回路、およびＡＣリアクトル部分を抽出した回路ブロック図 図３に示すインバータ素子実装エリア周辺の銅パターンを示す図 実施の形態１の変形例を示す図であり、図３に相当する図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換基板およびパワーコンデョショナを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるパワーコンディショナの回路ブロック図である。パワーコンディショナ１は、４回路の太陽電池入力を備えている。パワーコンディショナ１は、入力フィルタ回路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ、コンバータ回路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ、平滑用電解コンデンサ４、インバータ回路５、ＡＣフィルタ回路６、出力フィルタ回路７、系統電源１８との接続と切断を切り替えるスイッチ回路８、各回路に供給する電源を生成する電源回路９、各回路の動作を制御する制御回路１０を備えている。

コンバータ回路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、エネルギーを電流として蓄えるＤＣリアクトル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ、コンバータ用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、第１のスイッチング素子であるコンバータ用ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのゲート駆動回路６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄを備えている。なお、以下の説明において、コンバータ回路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを区別せずにコンバータ回路３とも称する場合がある。また、ＤＣリアクトル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを区別せずにＤＣリアクトル１１とも称する場合がある。また、コンバータ用ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを区別せずにコンバータ用ダイオード１２とも称する場合がある。また、コンバータ用ＩＧＢＴ １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを区別せずにコンバータ用ＩＧＢＴ １３とも称する場合がある。また、ゲート駆動回路６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄを区別せずにゲート駆動回路６４とも称する場合がある。

インバータ回路５は、第２のスイッチング素子であるインバータ用ＩＧＢＴ １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ、およびインバータ用ＩＧＢＴ １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆのゲート駆動回路６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄ，６５ｅ，６５ｆを備えている。なお、以下の説明において、インバータ用ＩＧＢＴ １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆを区別せずにインバータ用ＩＧＢＴ １４とも称する場合がある。また、ゲート駆動回路６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄ，６５ｅ，６５ｆを区別せずにゲート駆動回路６５とも称する場合がある。

ＡＣフィルタ回路６は、ＡＣリアクトル１５、フィルタコンデンサ１６を備えている。第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子は、ＩＧＢＴに限らず、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：金属酸化物シリコン電界効果トランスミッタ）を使用してもよい。パワーコンディショナ１の入力側には、太陽電池１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが接続される。パワーコンディショナ１の出力側には、系統電源１８が接続される。なお、以下の説明において、太陽電池１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを区別せずに太陽電池１７とも称する場合がある。

コンバータ用ＩＧＢＴ １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのゲート駆動回路６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄは、コンバータ用ＩＧＢＴ １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄをオンオフ動作させるためのゲート信号となる電圧を生成し、コンバータ用ＩＧＢＴ １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄのゲートに生成した電圧を印加する。

インバータ用ＩＧＢＴ １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆのゲート駆動回路６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄ，６５ｅ，６５ｆはインバータ用ＩＧＢＴ １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆをオンオフ動作させるためのゲート信号である電圧を生成し、インバータ用ＩＧＢＴ １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆのゲートに生成した電圧を印加する。

なお、本実施の形態１では、４回路の太陽電池入力を備えている例を示し、入力フィルタ回路およびコンバータ回路がそれぞれ４つずつ設けられた構成としたが、太陽電池の入力数に応じて入力フィルタ回路およびコンバータ回路の数は適宜変更可能である。

図２は、実施の形態１にかかるパワーコンディショナの筐体内部構造を示す斜視図である。パワーコンディショナ１の筐体７０には、入出力基板１９と、電力変換基板であるパワー基板２０が収容されている。入出力基板１９は、入力フィルタ回路２、出力フィルタ回路７、およびスイッチ回路８を有しており、パワーコンディショナ１の入出力からノイズを除去する。

パワー基板２０は、コンバータ回路３、平滑用電解コンデンサ４、インバータ回路５を有している。なお、以下の図におけるｙ軸の＋方向は、パワーコンディショナの据え付け姿勢における鉛直方向の上側である。筐体７０内で発生した熱は上側へ移動するため、内部の構成部品の放熱を考慮すると、発熱量が多いＤＣリアクトル１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄおよびＡＣリアクトル１５は製品上部に配置し、他の部品に熱が伝わらないようにすることが好ましい。

図３は、実施の形態１におけるパワー基板の部分拡大正面図である。パワー基板２０は、プリント基板２１を備える。プリント基板２１には、パワー基板２０の各種部品が実装される。プリント基板２１には、コンバータ用ダイオード１２、コンバータ用ＩＧＢＴ １３、およびインバータ用ＩＧＢＴ １４を実装するエリアである素子実装エリア２２が設けられている。電源基板２３は、電源回路９が実装された基板である。制御基板２４は、制御回路１０が実装された基板である。電源基板２３および制御基板２４には、ボードｔｏボードコネクタ２５が設けられている。

プリント基板２１の素子実装エリア２２には、コンバータ用ダイオード１２とコンバータ用ＩＧＢＴ １３を実装するコンバータ素子実装エリア２６が設けられる。プリント基板２１の素子実装エリア２２には、インバータ用ＩＧＢＴ １４を実装するインバータ素子実装エリア２７が設けられる。また、プリント基板２１のコンバータ素子実装エリア２６には、コンバータ１回路あたりのコンバータ用ダイオード１２とコンバータ用ＩＧＢＴ １３とが実装される１回路素子実装エリア２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが設けられる。

本実施の形態１では、９個の平滑用電解コンデンサ４が並列に接続された例を示しているが、大容量コンデンサを用いて、平滑用電解コンデンサ４の数を削減してもよい。また、必要な容量に合わせて平滑用電解コンデンサ４の数を増減させてもよい。

電源基板２３には電源回路９が実装されており、制御基板２４には制御回路１０が実装されている。コンバータ素子実装エリア２６には、太陽電池１７からの入力回路を４回路とすると、図１に示すようにコンバータ用ダイオード１２が４個、コンバータ用ＩＧＢＴ １３が４個必要となる。

また、インバータ回路５は、６個のインバータ用ＩＧＢＴ １４を有して３レベルの電圧を出力するマルチレベルインバータである。そのため、インバータ素子実装エリア２７には６個のインバータ用ＩＧＢＴ １４が必要となる。つまり、合計１４個の素子を素子実装エリア２２に実装する。これらの素子数については、太陽電池１７からの入力数やインバータ回路５が分割する電圧レベルによって適宜設定される。電源基板２３はＩＧＢＴのゲート電源や制御回路１０に供給する電源を生成する。制御基板２４は指定の電圧および電流を出力するようにＩＧＢＴのＰＷＭ制御などを行う。

平滑用電解コンデンサ４は、インバータ用ＩＧＢＴ １４との距離が離れると配線インダクタンス成分が増え、スイッチングに伴う電圧の変動が大きくなるため、なるべくインバータ素子実装エリア２７の近くに配置される。

電源基板２３は、コンバータ用ＩＧＢＴ １３およびインバータ用ＩＧＢＴ １４との距離が離れると配線インダクタンス成分が増え、電源供給が遅れるおそれがあるため、ボードｔｏボードコネクタ２５等を用いて、素子実装エリア２２との距離が短くなるように実装される。

また、制御基板２４は、コンバータ用ＩＧＢＴ １３およびインバータ用ＩＧＢＴ １４との距離が離れると信号遅れによるＩＧＢＴのオン、オフの遅延が発生するため、電源基板２３と同様に、ボードｔｏボードコネクタ２５等を用いて、素子実装エリア２２との距離が短くなるように実装される。したがって、平滑用電解コンデンサ４と素子実装エリア２２との距離と、電源基板２３および制御基板２４の実装部と素子実装エリア２２との距離の両方の距離を短くするため、平滑用電解コンデンサ４と、電源基板２３および制御基板２４の実装部との中間位置にあるエリアに素子実装エリア２２が設けられている。

図４は、図３に示した素子実装エリアを拡大した図である。コンバータ用ダイオード１２のそれぞれは、ボディ部２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄと、アノード端子部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄと、カソード端子部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと、を有する。なお、以下の説明において、ボディ部２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄを区別せずにボディ部２９とも称する場合がある。また、アノード端子部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを区別せずにアノード端子部３０とも称する場合がある。また、カソード端子部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを区別せずにカソード端子部３１とも称する場合がある。

コンバータ用ＩＧＢＴ １３のそれぞれは、ボディ部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、エミッタ端子部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄと、コレクタ端子部３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄと、ゲート端子部３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄと、を有する。なお、以下の説明において、ボディ部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを区別せずにボディ部３２とも称する場合がある。また、エミッタ端子部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを区別せずにエミッタ端子部３３とも称する場合がある。また、ゲート端子部３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄを区別せずにゲート端子部３５とも称する場合がある。

インバータ用ＩＧＢＴ １４のそれぞれは、ボディ部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆと、エミッタ端子部３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆと、コレクタ端子部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅ，３８ｆと、ゲート端子部３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ，３９ｆと、を有する。なお、以下の説明において、ボディ部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆを区別せずにボディ部３６とも称する場合がある。また、エミッタ端子部３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ，３７ｅ，３７ｆを区別せずに、エミッタ端子部３７とも称する場合がある。また、コレクタ端子部３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅ，３８ｆを区別せずにコレクタ端子部３８とも称する場合がある。また、ゲート端子部３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ，３９ｆを区別せずにゲート端子部３９とも称する場合がある。

パワー基板２０には、コンバータ用ダイオード１２、コンバータ用ＩＧＢＴ １３、およびインバータ用ＩＧＢＴ １４の各素子の放熱を行う素子放熱用ヒートシンク４０が設けられる。

図３に示す平滑用電解コンデンサ４、電源基板２３および制御基板２４を実装する面をプリント基板２１の表面２１ａとした場合、図４に示した各素子は、プリント基板２１の裏面２１ｂ側に実装される。図３は、プリント基板２１を表面２１ａ側から見た図であり、裏面２１ｂ側に実装された各素子は、プリント基板２１を透過した状態で図示されている。なお、表面２１ａおよび裏面２１ｂはプリント基板２１の基板面であり、互いに平行な面となっている。

上述したように、素子実装エリア２２には、コンバータ用ダイオード１２、コンバータ用ＩＧＢＴ １３、およびインバータ用ＩＧＢＴ １４を合わせて１４個の素子が実装される。素子実装エリア２２では、それぞれの素子が２列に並べて配置される。より具体的には、それぞれの素子の端子部が同じ向きとなるように半数の７個を一方の列上に並べて配置し、別の半数の７個の素子はすでに配置した素子と端子部同士が向き合うように他方の列上に並べて配置する。この配置によって、各素子が２列７行に分けた構成の配置となる。このような配置とすることで、素子同士の接続距離の短縮化を図ることができる。これにより、素子間の配線長に比例する配線インダクタンス成分が減り、各素子のスイッチングに伴うサージ電圧を小さく抑えることができる。

２列に分けて配置された素子は、コンバータ素子実装エリア２６で４行と、インバータ素子実装エリア２７で３行とに分けた配置とする。

コンバータ素子実装エリア２６に関しては、太陽電池１７の１回路につき、コンバータ用ダイオード１２とコンバータ用ＩＧＢＴ １３をセットで１行分となるように実装する。より具体的には、１回路分のコンバータ用ダイオード１２とコンバータ用ＩＧＢＴ １３とが互いの端子部を向き合わせて配置される。

インバータ素子実装エリア２７に関しては、３レベルインバータに必要となる６個のインバータ用ＩＧＢＴ １４を２列３行に分けて実装する。スイッチング動作によって素子に発生した熱を放熱するために素子放熱用ヒートシンク４０が使用される。

素子放熱用ヒートシンク４０は、素子実装エリア２２に設けられた素子の列ごとに対応して設けられる。したがって、素子が２列に設けられた本実施の形態１では、素子放熱用ヒートシンク４０は２つ設けられている。また、それぞれの素子放熱用ヒートシンク４０には、１列分の素子、すなわち７個の素子が当接されている。２つの素子放熱用ヒートシンク４０は、どちらも同じ数の素子の放熱を担当するため、同一形状で形成することが可能となる。そのため、同じ金型を用いて生産可能となり、金型費の抑制を図ることができる。

図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿った矢視断面図である。図５では、コンバータ用ダイオード１２およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３での断面構造が示されているが、インバータ部ＩＧＢＴ １４についても端子数以外は同様の構造となっている。

プリント基板２１の裏面２１ｂ側には、製品全体放熱用ヒートシンク４５が設けられている。プリント基板２１は、製品全体放熱用ヒートシンク４５に対してネジ４９で固定されている。プリント基板２１と製品全体放熱用ヒートシンク４５との間は、支柱スペーサ４８によって一定の隙間が設けられている。

素子放熱用ヒートシンク４０は、製品全体放熱用ヒートシンク４５に固定されている。固定の方法は、ねじを用いた固定でもよいし、接着剤を用いた接着であってもよい。素子放熱用ヒートシンク４０には、クリップ４１がネジ４２を用いて固定されている。コンバータ用ダイオード１２およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３は、ボディ部２９，３２がクリップ４１と素子放熱用ヒートシンク４０との間に挟まれて、素子放熱用ヒートシンク４０に固定される。クリップ４１は、コンバータ用ダイオード１２およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３を弾性力で固定する。

コンバータ用ダイオード１２およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３のボディ部２９，３２と、素子放熱用ヒートシンク４０との間には、放熱性を高める放熱シート４３と、絶縁性の絶縁シート４４とが挟み込まれる。また、コンバータ用ダイオード１２およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３のボディ部２９，３２と、クリップ４１との間にも絶縁シート４４が挟み込まれる。

プリント基板２１は、素子放熱用ヒートシンク４０にもネジ４７で固定される。プリント基板２１と素子放熱用ヒートシンク４０との間は、支柱スペーサ４６によって一定の隙間が設けられている。

コンバータ用ダイオード１２のボディ部２９と、コンバータ用ＩＧＢＴ １３のボディ部３２とは、最も面積の広い部分が素子放熱用ヒートシンク４０に当接するように設置される。ボディ部２９，３２は、クリップ４１によって素子放熱用ヒートシンク４０に押し当てられることで、放熱性の向上が図られている。素子放熱用ヒートシンク４０は製品全体放熱用ヒートシンク４５に接触してアース電位となる。そのため、コンバータ用ダイオード１２のボディ部２９またはコンバータ用ＩＧＢＴ １４のボディ部３２の表面に導電部が露出している場合は、上述したように絶縁シート４４を設けて、インバータ電位とアース電位が通電することを防止する。

プリント基板２１の表面には、コンバータ用ＩＧＢＴ １３のゲート駆動回路６４が実装されるゲート駆動回路実装部５８が設けられる。ゲート駆動回路実装部５８は、ｚ軸上においてコンバータ用ＩＧＢＴ １４のボディ部３２の同一線上にある配置とする。

コンバータ用ダイオード１２のアノード端子部３０、カソード端子部３１、およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３のエミッタ端子部３３、コレクタ端子部３４、ゲート端子部３５は、ボディ部２９，３２からプリント基板２１の裏面２１ｂと平行に導出される。ボディ部２９，３２から導出されたアノード端子部３０、カソード端子部３１、エミッタ端子部３３、コレクタ端子部３４、およびゲート端子部３５は、プリント基板２１側に９０°折り曲げられ、プリント基板２１に形成された銅パターンと接続される。

詳細な図示は省略するが、インバータ用ＩＧＢＴ １４も、図５に示したコンバータ用ダイオード１２およびコンバータ用ＩＧＢＴ １３の手前で、ボディ部３６がクリップ４１によって素子放熱用ヒートシンク４０に固定される。また、ボディ部３６と素子放熱用ヒートシンク４０との間には放熱シート４３と絶縁シート４４とが挟み込まれ、ボディ部３６とクリップ４１との間には絶縁シート４４が挟み込まれる。また、インバータ用ＩＧＢＴ １４の各端子部３７，３８，３９もプリント基板２１の裏面２１ｂと平行に導出された後に、プリント基板２１側に９０°折り曲げられ、プリント基板２１に形成された銅パターンと接続される。

図６は、図１に示したコンバータ回路と平滑用電解コンデンサを抽出した回路ブロック図である。図６では、プリント基板２１に設けられるスルーホール部を、回路ブロック図に仮想的に重ねて表示する。プリント基板２１には、コンバータ用ダイオード１２ａのアノード端子用スルーホール部５０、カソード端子用スルーホール部５１が形成されている。プリント基板２１には、コンバータ用ＩＧＢＴ １３ａのコレクタ端子用スルーホール部５２、エミッタ端子用スルーホール部５３、ゲート端子用スルーホール部５４が形成されている。各スルーホール部に各素子の端子を挿入し、はんだ付けすることで、各素子の端子がプリント基板２１に形成された銅パターンと接続される。コンバータ回路３ａによる昇圧動作は、ＤＣリアクトル１１ａ、コンバータ用ダイオード１２ａ、コンバータ用ＩＧＢＴ １３ａを用いた回路構成で実現でき、入力側に太陽電池１７、出力側に平滑用電解コンデンサ４が接続される構成となる。

図７は、図３に示す１回路素子実装エリア周辺の銅パターンを示す図である。図７では、プリント基板２１に設けられるスルーホール部を、銅パターンを示す図に仮想的に重ねて表示する。プリント基板２１には、銅パターンである表側銅パターン５５と裏側銅パターン５６とが形成されている。なお、図において表側銅パターン５５は実線で示し、裏側銅パターン５６は破線で示す。プリント基板２１には、ＤＣリアクトル１１のリード線を接続する基板実装端子５７、コンバータ用ＩＧＢＴ １３のゲート駆動回路実装部５８が形成される。

図２にも示すように、ＤＣリアクトル１１はプリント基板２１の外に取り付ける配置とする。ＤＣリアクトル１１からの配線は、基板実装端子５７に接続される。基板実装端子５７からは基板上において裏側銅パターン５６を、コンバータ用ダイオードのアノード端子用スルーホール部５０を介して、コンバータ用ＩＧＢＴのコレクタ端子用スルーホール部５２まで配線する。同様に、裏側銅パターン５６をコンバータ用ダイオード１２のカソード端子用スルーホール部５１から平滑用電解コンデンサ４の正側端子につながるエリアまで配線する。

平滑用電解コンデンサ４の負側端子は表側銅パターン５５上に実装し、表側銅パターン５５はコンバータ用ＩＧＢＴ １３のエミッタ端子用スルーホール部５３まで配線をつなげる。

また、コンバータ用ＩＧＢＴ １３のゲート端子用スルーホール部５４はゲート駆動回路実装部５８へと接続される。ゲート駆動回路実装部５８はプリント基板２１の表面２１ａに実装され、コンバータＩＧＢＴ １３ａはプリント基板２１の裏面２１ｂ側に配置されるため、ｘｙ面に垂直な方向、すなわちプリント基板２１の表面２１ａに垂直な方向から見るとコンバータ用ＩＧＢＴのボディ部３２とゲート駆動回路実装部５８が重なる配置となる。

上記の銅パターンを通し、各スルーホールにコンバータ用ダイオード１２ａおよびコンバータ用ＩＧＢＴ １３ａの各端子を挿入後はんだ付けすることで、図５に示したコンバータ回路を実現し、昇圧動作を行う。また、他のコンバータ用ダイオード１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとコンバータ用ＩＧＢＴ １３ｂ，１３ｃ，１３ｄのスルーホール、および構成部品を素子配列と同様に縦方向に４回路分実装することで４回路分のコンバータ回路が実装される。

図８は、図１に示した平滑用電解コンデンサ、インバータ回路、およびＡＣリアクトル部分を抽出した回路ブロック図である。図８では、プリント基板２１に設けられるスルーホール部を、回路ブロック図に仮想的に重ねて表示する。プリント基板２１には、インバータ用ＩＧＢＴ １４のコレクタ端子用スルーホール部５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅ，５９ｆと、エミッタ端子用スルーホール部６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆと、ゲート端子用スルーホール部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆと、が形成される。スルーホール部は各素子の端子を挿入し、はんだ付けすることによって配線を行う。３レベルインバータによる電力変換はインバータ用ＩＧＢＴ １４を６個用いた回路構成で実現でき、入力側に平滑用電解コンデンサ４、出力側にＡＣリアクトル１５がつながる構成となる。なお、以下の説明において、コレクタ端子用スルーホール部５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅ，５９ｆを区別せずにコレクタ端子用スルーホール部５９とも称する場合がある。また、エミッタ端子用スルーホール部６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆを区別せずにエミッタ端子用スルーホール部６０とも称する場合がある。また、ゲート端子用スルーホール部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆを区別せずにゲート端子用スルーホール部６１とも称する場合がある。

図９は、図３に示すインバータ素子実装エリア周辺の銅パターンを示す図である。図９では、プリント基板２１に設けられるスルーホール部を、銅パターンを示す図に仮想的に重ねて表示する。プリント基板２１には、インバータ用ＩＧＢＴ １４のエミッタ端子用スルーホール部５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅ，５９ｆと、コレクタ端子用スルーホール部６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆと、ゲート端子用スルーホール部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆと、が形成される。また、プリント基板２１には、ＡＣリアクトル１５のリード線を接続する基板実装端子６２ａ，６２ｂと、インバータ用ＩＧＢＴ １４のゲート駆動回路実装部６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６３ｅ，６３ｆが形成される。

平滑用電解コンデンサ４の正側端子を実装する裏側銅パターン５６はインバータ用ＩＧＢＴ １４のコレクタ端子用スルーホール部５９ａ，５９ｃまで配線を行う。インバータ用ＩＧＢＴ １４のエミッタ端子実装用スルーホール６０ａからの表側銅パターン５５は、インバータ用ＩＧＢＴ １４のエミッタ端子用スルーホール部６０ｅ、およびインバータ用ＩＧＢＴ １４のコレクタ端子用スルーホール部５９ｂを通して、ＡＣリアクトル１５のリード線を接続する基板実装端子６２ａまで配線を行う。

平滑用電解コンデンサ４の負側端子を実装する表側銅パターン５５はインバータ用ＩＧＢＴ １４のエミッタ端子用スルーホール部６０ｂ，６０ｄまで配線を行う。インバータ用ＩＧＢＴ １４のコレクタ端子用スルーホール部５９ｄからの表側銅パターン５５は、インバータ用ＩＧＢＴ １４のエミッタ端子用スルーホール部６０ｃを通して、インバータ用ＩＧＢＴ １４のエミッタ端子実装用スルーホール６０ｆまで接続、かつＡＣリアクトル１５のリード線を接続する基板実装端子６２ｂまで配線を行う。

また、インバータ用ＩＧＢＴ １４のコレクタ端子用スルーホール部５９ｅとインバータ用ＩＧＢＴ １４のコレクタ端子用スルーホール部５９ｆ間は裏側銅パターン５６にて配線を行う。ＡＣリアクトル１５はサイズが大きいため基板外に取り付ける配置とする。ＡＣリアクトル１５からの配線ケーブルは基板実装端子６２ａ，６２ｂに接続し、インバータ用ＩＧＢＴ １４の各スルーホール部まで配線をつなげる。

このとき各素子に印加させる電圧に応じた絶縁距離を確保した銅パターン配置としつつ、かつ各素子間が最短距離となるように銅パターンを引く。また、インバータ用ＩＧＢＴ １４のゲート端子用スルーホール６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆはゲート駆動回路実装部６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６３ｅ，６３ｆへと接続する。ゲート駆動回路実装部６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６３ｅ，６３ｆはプリント基板２１上に実装され、コンバータと同様にインバータ用ＩＧＢＴ １４も図５で示したようにプリント基板２１の裏面２１ｂ側に実装されるため、ｘｙ面に垂直な方向から見ると、インバータ用ＩＧＢＴ １４のボディ部３６とゲート駆動回路実装部６３が重なる配置となる。

上記の銅パターンを通し、各スルーホールに各素子の各端子を挿入後はんだ付けすることで、図８に示すインバータ回路がパワーコンディショナ１に実現され、電力変換動作が行われる。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、コンバータ用ＩＧＢＴ １３のボディ部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ、およびインバータ用ＩＧＢＴ １４のボディ部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆを、プリント基板２１の裏面２１ｂ側に配置することで、ｘｙ面と垂直な方向から見てプリント基板２１の表面２１ａに設けられたゲート駆動回路実装部６３と重ねた配置が可能となる。そのため、プリント基板２１上にボディ部３２，３６を配置するための領域と、ゲート駆動回路実装部６３と別々に確保する必要がなく、プリント基板２１の小型化を図ることができる。

また、コンバータ用ダイオード１２と、コンバータ用ＩＧＢＴ １３およびインバータ用ＩＧＢＴ １４とを２列に分けてはんだ付け用スルーホール同士を近づける配置により銅パターンを短くすることができるため、配線インダクタンス成分を小さく抑えることができ、スイッチングに伴う電圧変動を減少させることができる。これにより、ＩＧＢＴの耐圧が上がり、過電圧による故障も防止することができる。

また、２列に分けた列ごとの素子の数量が同一であるため、２つ使用する素子放熱用ヒートシンク４０をそれぞれ同部品とすることで、量産時における金型費の削減を図ることができる。

また、コンバータ用ダイオード１２と、コンバータ用ＩＧＢＴ １３およびインバータ用ＩＧＢＴ １４を１枚の素子放熱用ヒートシンク４０に取り付けた場合、製造段階において、端子のはんだ付け状態の確認が困難となる。そのため、接触不良を引き起こすおそれのあるはんだ不足等の不具合の発見できない場合がある。本実施の形態１では、素子放熱用ヒートシンク４０を列ごとに２つ使用することで、素子放熱用ヒートシンク４０の間の隙間から、端子のはんだ付け状態が確認しやすくなるため、はんだ不足等の不具合を発見しやすくなる。

実施の形態２．
図１０は、実施の形態１の変形例を示す図であり、図３に相当する図である。本変形例では、図３に示した構成に対して、平滑用電解コンデンサ４の位置を素子実装エリア２２より鉛直（ｙ方向）に対する下方向の位置になるように配置を変更したものである。

素子実装エリア２２内におけるコンバータ用ダイオード１２、コンバータ用ＩＧＢＴ １３、およびインバータ用ＩＧＢＴ １４の配置は図３に示した例と変わらないが、素子実装エリア２２全体を、図３に示した例から９０°回転させている。各はんだ付け用スルーホール間の銅パターンも同様に引く。

ＤＣリアクトル１１、およびＡＣリアクトル１５は実施の形態１同様に製品上部に取り付ける配置とし、ＤＣリアクトル１１から基板実装端子５７、またはＡＣリアクトル１５から基板実装端子６２に配線するリード線の距離が短くなるようにそれぞれの位置を入れ替えても良い。

平滑用電解コンデンサ４は基板上において、素子実装エリア２２の鉛直下側になるように配置する。一般的にパワーコンディショナの内部は、コンバータ回路３やインバータ回路５等が通電し、コンバータ用ＩＧＢＴ １３およびインバータ用ＩＧＢＴ １４がスイッチング動作を行うことで発熱する。このとき、熱伝導によって下側の温度が低く、鉛直上側にいくほど温度が上昇するため、鉛直下側に実装した平滑用電解コンデンサ４周辺は実施の形態１のように中段に設置する場合と比較して温度が低くなる。

以上説明したように、本変形例によれば、上記回路が動作する際に平滑用電解コンデンサ４周辺の温度を低く保つことができる。一般的に、電解コンデンサは周囲温度が高温であるほど内部の電解液が抜けやすく、容量値が減少し短寿命になりやすい傾向にあるが、本変形例では平滑用電解コンデンサ４の周囲温度上昇を抑制し、容量抜けを低速化することで長寿命化を図ることができる。これによって、従来よりも少ない容量の平滑用電解コンデンサ４とすることができ、平滑用電解コンデンサ４の数量を減らすことでさらなるプリント基板２１の小型化を図ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ パワーコンディショナ、２ 入力フィルタ回路、３ コンバータ回路、４ 平滑用電解コンデンサ、５ インバータ回路、６ ＡＣフィルタ回路、７ 出力フィルタ回路、８ スイッチ回路、９ 電源回路、１０ 制御回路、１１ ＤＣリアクトル、１２ コンバータ用ダイオード、１３ コンバータ用ＩＧＢＴ、１４ インバータ用ＩＧＢＴ、１５ ＡＣリアクトル、１６ フィルタコンデンサ、１７ 太陽電池、１８ 系統電源、１９ 入出力基板、２０ パワー基板、２１ プリント基板、２２ 素子実装エリア、２３ 電源基板、２４ 制御基板、２５ ボードｔｏボードコネクタ、２６ コンバータ素子実装エリア、２７ インバータ素子実装エリア、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ １回路素子実装エリア、２９ ボディ部、３０ アノード端子部、３１ カソード端子部、３２ ボディ部、３３ エミッタ端子部、３４ コレクタ端子部、３５ ゲート端子部、３６ ボディ部、３７ エミッタ端子部、３８ コレクタ端子部、３９ ゲート端子部、４０ 素子放熱用ヒートシンク、４１ クリップ、４２ ネジ、４３ 放熱シート、４４ 絶縁シート、４５ 製品全体放熱用ヒートシンク、４６ 支柱スペーサ、４７ ネジ、４８ 支柱スペーサ、４９ ネジ、５０ アノード端子用スルーホール部、５１ カソード端子用スルーホール部、５２ コレクタ端子用スルーホール部、５３ エミッタ端子用スルーホール部、５４ ゲート端子用スルーホール部、５５ 表側銅パターン、５６ 裏側銅パターン、５７ 基板実装端子、５８ ゲート駆動回路実装部、５９ コレクタ端子用スルーホール部、６０ エミッタ端子用スルーホール部、６１ ゲート端子用スルーホール部、６２ 基板実装端子、６３ ゲート駆動回路実装部、６４ ゲート駆動回路、６５ ゲート駆動回路、７０ 筐体。

Claims (7)

1. 複数のダイオードと複数の第１のスイッチング素子とを有して、直流電源から供給された直流電力の電圧を昇圧するコンバータ回路と、
   複数の第２のスイッチング素子を有して、前記コンバータ回路で昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記第１のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子のゲート信号を生成する複数のゲート駆動回路部と、
   複数の前記ダイオードと、複数の前記第１のスイッチング素子と、複数の前記第２のスイッチング素子とが実装されるプリント基板と、を備え、
   複数の前記ダイオードと、複数の前記第１のスイッチング素子と、複数の前記第２のスイッチング素子のそれぞれがボディ部と前記ボディ部から突出された端子部とを有しており、
   複数の前記ダイオードと複数の前記第１のスイッチング素子とは、前記プリント基板の裏面側に設けられるとともに、互いの前記ボディ部の間に互いの前記端子部が配置される姿勢で設けられ、
   複数の前記第２のスイッチング素子は、前記プリント基板の裏面側に２列で設けられるとともに、一方の列に配置された前記ボディ部と、他方の列に配置されたボディ部との間に、それぞれの前記端子部が配置される姿勢で設けられ、
   複数の前記ゲート駆動回路部のそれぞれは、前記プリント基板の表面側に設けられるとともに、前記プリント基板の基板面と垂直な方向から見て前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子と重ねて配置されることを特徴とする電力変換基板。
2. 複数の前記ダイオードは、２列で設けられた複数の前記第２のスイッチング素子のうち、前記一方の列上に並べて設けられ、
   複数の前記第１のスイッチング素子は、２列で設けられた複数の前記第２のスイッチング素子のうち、前記他方の列上に並べて設けられることを特徴とする請求項１に記載の電力変換基板。
3. 前記一方の列上に並べられた複数の前記ダイオードと複数の前記第２のスイッチング素子とを冷却する第１のヒートシンクと、
   前記他方の列上に並べられた複数の前記第１のスイッチング素子と複数の前記第２のスイッチング素子とを冷却する第２のヒートシンクと、をさらに備え、
   前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクは同一の材質および同一の形状で構成することを特徴とする請求項２に記載の電力変換基板。
4. 複数の前記ダイオードの前記ボディ部と、複数の前記第１のスイッチング素子の前記ボディ部と、複数の前記第２のスイッチング素子の前記ボディ部の表面は、複数の平面を有しており、前記複数の平面のうち最も広い面が前記第１のヒートシンクまたは前記第２のヒートシンクに接触するように固定されることを特徴とする請求項３に記載の電力変換基板。
5. 複数の前記ダイオードのボディ部と、複数の前記第１のスイッチング素子のボディ部と、複数の前記第２のスイッチング素子のボディ部は、前記第１のヒートシンクまたは前記第２のヒートシンクにねじで固定されたクリップによって、前記第１のヒートシンクまたは前記第２のヒートシンクに固定されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換基板。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電力変換基板を備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
7. 前記電力変換基板は前記コンバータ回路で昇圧された直流電力を平滑化するコンデンサをさらに備え、
   前記パワーコンディショナの据え付け姿勢において、複数の前記コンデンサが、複数の前記コンバータ回路および複数の前記インバータ回路の鉛直上方に配置されることを特徴とする請求項６に記載のパワーコンディショナ。

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