JP2021072701A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化できる電力変換装置を実現する。【解決手段】電力変換装置6は、冷却ファン41と、冷却ファン41に対して冷却風Wの下流側に配置された第1のプリント配線板30と、冷却ファン41に対して冷却風Wの下流側に、第1のプリント配線板30に対して対向して配置された第2のプリント配線板31と、第1および第2のプリント配線板30,31に対して、冷却風Wの下流側に配置されたヒートシンク40と、を備え、第1および第2のプリント配線板30,31は、冷却風Wをヒートシンク40に導く風路76を形成する。【選択図】図6

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
空気調和機には、冷媒の温度や圧力を変化させる圧縮機が搭載され、圧縮機にはモータが内蔵されている。このモータを駆動するために、インバータ等の電力変換装置が使われる。電力変換装置は、半導体スイッチング素子やリアクトル等の電気部品を備えており、その小型化や信頼性向上のためには電気部品の冷却が重要である。例えば、下記特許文献1には、「[課題]小型かつ安価な高調波抑制装置を実現する。[解決手段]図2(a)に示すように、リアクトル18と、蓄電部17と、スイッチング素子21を有し、リアクトル18を介して線路から電流を吸収し蓄電部17を充電するとともに、蓄電部17を放電させリアクトル18を介して線路に電流を供給する駆動回路12と、第1の面2aと、その裏面の第2の面2bとを有する板状に形成され、リアクトル18と、蓄電部17と、駆動回路12と、スイッチング素子21とを実装する回路基板2と、回路基板2を立設させつつ収納する筐体1と、第2の面2bに沿って送風する冷却ファン6と、を有し、リアクトル18は第2の面2bに実装され、スイッチング素子21はリアクトル18の上方において第2の面2bに実装され、蓄電部17は、リアクトル18の上方において第1の面2aに実装されている。」と記載されている(要約参照)。
特開2018−206032号公報
しかし、特許文献1に示された構成では、デッドスペースが多いため、高調波抑制装置等の機器を小型化することが難しかった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型化できる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の電力変換装置は、冷却ファンと、前記冷却ファンに対して冷却風の下流側に配置された第1のプリント配線板と、前記冷却ファンに対して前記冷却風の下流側に、前記第1のプリント配線板に対して対向して配置された第2のプリント配線板と、前記第1および第2のプリント配線板に対して、前記冷却風の下流側に配置されたヒートシンクと、を備え、前記第1および第2のプリント配線板は、前記冷却風を前記ヒートシンクに導く風路を形成することを特徴とする。
本発明によれば、電力変換装置を小型化できる。
本発明の第1実施形態による電源装置のブロック図である。 電源装置における各部の電流波形の一例を示す波形図である。 高調波抑制装置の一例を示す回路構成図である。 フィルタ回路の一例を示す回路構成図である。 第1実施形態における高調波抑制装置の模式的な斜視図である。 第1実施形態における高調波抑制装置の模式的な右側面図である。 図6における模式的なVII−VII断面図である。 第2実施形態による高調波抑制装置の模式的な右側面図である。 第3実施形態による高調波抑制装置の模式的な右側面図である。 第4実施形態による高調波抑制装置の模式的な縦断面図である。 図10における模式的なXI−XI断面図である。 図10における模式的なXII−XII断面図である。
[第1実施形態]
〈電源装置1の回路構成〉
図1は、本発明の第1実施形態による電源装置1のブロック図である。
図1において、電源装置1は、整流器3と、インバータ4と、高調波抑制装置6(電力変換装置)と、を備えている。整流器3は、商用電力系統2から入力された商用周波数の三相交流電力を直流電力に変換する。インバータ4は、その直流電力を任意の周波数の三相交流電力に変換し、モータ5に供給する。整流器3に入力される電流をIaと呼び、商用電力系統2から電源装置1に入力される電流をIcと呼ぶ。高調波抑制装置6は、接続点7に対して高調波電流Ibを出力することによって電流Icの高調波成分を抑制する。
図2は、電源装置1における各部の電流波形(何れも一相分)の一例を示す波形図である。
整流器3に入力される電流Iaは、図2に示すように、一般に商用電力系統(50Hzまたは60Hz)の正弦波に、それよりも高い周波数(高調波)が重畳した波形となる。高調波抑制装置6は、この高調波電流成分の商用電力系統2への漏洩を抑制するために設けられている。高調波抑制装置6は、整流器3の作用で発生する高調波電流と逆位相の高調波電流Ibを発生する。これにより、高調波抑制装置6は、商用電力系統2の電流Icを、高調波電流の少ない正弦波状の波形にし、商用電力系統2への高調波電流の漏洩を抑制する。
図3は、高調波抑制装置6の一例を示す回路構成図である。
図3において高調波抑制装置6は、半導体モジュール10と、平滑コンデンサ20と、制御部21と、電流センサ22〜25と、フィルタ回路26と、を備えている。また、半導体モジュール10は、ブリッジ接続された6個の半導体スイッチング素子11〜16と、これらに逆並列接続された還流ダイオード(符号なし)と、を備えている。なお、半導体スイッチング素子11〜16は、図示の例においてはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
制御部21は、例えばマイクロコンピュータ(Microcomputer)であり、図示はしないが、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェース等の電子回路を含んで構成されている。そして、ROMに記憶されたプログラムを読み出してRAMに展開し、CPUが各種処理を実行するようになっている。
制御部21は、電流センサ24,25によって、整流器3に流れる高調波電流を検出し、電流センサ22,23によって、半導体モジュール10に流れる電流を検出する。また、制御部21は、商用電力系統2の各相の電圧も検出する。制御部21は、これら検出した電圧および電流に基づいて、半導体スイッチング素子11〜16を制御する。すなわち、制御部21は、商用電力系統2から整流器3に流れる高調波電流に対して逆位相となる電流を高調波抑制装置6に発生させ、商用電力系統2に漏洩する高調波電流を抑制する。
図4は、フィルタ回路26の一例を示す回路構成図である。
図4においてフィルタ回路26は、リアクトル260〜265(第1のリアクトル)と、コモンモードリアクトル266,267(第2のリアクトル)と、コンデンサ270〜278と、を備えている。なお、コモンモードリアクトル266,267は、U相、V相、W相の銅線を共通の磁性体コアに巻回した物である。
〈高調波抑制装置6の構造〉
図5は、高調波抑制装置6の模式的な斜視図である。
高調波抑制装置6は、略直方体箱状の筐体60を備えている。そして、筐体60は、前面下板62と、前面上板64と、右側面板66と、左側面板67と、後面板68と、天板69と、を備えている。前面上板64と、右側面板66と、左側面板67と、後面板68と、天板69と、は、何れも長方形板状に形成されている。
前面下板62は、長方形板の上部をクランク状に折り曲げた形状を有しており、上部が後方に向かって凹んでいる。これにより、前面上板64の下端部と、前面下板62の上端部との間には、略長方形の開口部である排気口74が形成されている。前面下板62、右側面板66および後面板68の下端部には、下方向に向かって開口する矩形枠状の吸気口72が形成されている。このように、筐体60は、縦長な形状を有することにより、床面に対する投影面積を小さくし、必要な設置スペースを小さくしている。
図6は、右側面板66を除去した状態における高調波抑制装置6の模式的な右側面図である。
図示のように、高調波抑制装置6は、図3および図4に示した構成要素に加えて、プリント配線板30(第1のプリント配線板)と、プリント配線板31(第2のプリント配線板)と、プリント配線板32と、ヒートシンク40と、冷却ファン41と、を備えている。プリント配線板30,31,32は、長方形板状に形成されている。また、ヒートシンク40は、アルミニウム等によって形成され、上下方向に沿って複数のスリット(図示略)を形成した物である。プリント配線板30,31の左右方向の幅は、右側面板66(図5参照)および左側面板67の距離よりも若干狭い幅になっている。これにより、右側面板66と、左側面板67と、プリント配線板30,31とに囲まれた領域は、角柱状の風路76になっている。
また、筐体60の下端部には吸気口72が開口しており、吸気口72の一部を覆うように冷却ファン41が設けられている。冷却ファン41は、下から上に向かって送風する。プリント配線板30,31は、冷却ファン41の上方において、後面板68と平行になるように配置されている。プリント配線板30の下部前面には、リアクトル260〜262が左右方向(紙面に垂直な方向)に沿って実装され、その上方には、リアクトル263〜265が左右方向に沿って実装されている。
また、プリント配線板31の前面には、コモンモードリアクトル266,267が左右方向に沿って実装されている。図示のように、冷却ファン41は、プリント配線板31の前面よりも前方向に若干はみ出している。これにより、冷却ファン41から送風される冷却風Wは、風路76を介して流れるとともに、プリント配線板31の前面に沿っても流れる。図6においてコンデンサ270〜278(図4参照)の図示は省略するが、コンデンサ270〜278は、プリント配線板30,31のうち何れか一方または双方に実装される。
また、プリント配線板32は、プリント配線板31の上方に配置されている。プリント配線板32には、半導体モジュール10が実装され、半導体モジュール10にはヒートシンク40が装着されている。また、図6において制御部21(図3参照)を構成するマイクロコンピュータの図示は省略するが、該マイクロコンピュータは、プリント配線板32に実装されている。
一般的に、リアクトル260〜265およびコモンモードリアクトル266,267は、主として鉄を主成分とする磁性体コアと、銅の巻線とで構成される。また、ヒートシンク40は、主として熱伝導に優れ、かつ比較的安価なアルミニウムで構成される。このため、リアクトル260〜265およびコモンモードリアクトル266,267は、ヒートシンク40よりも重くなる場合が多い。
そこで、本実施形態においては、リアクトル260〜265およびコモンモードリアクトル266,267を、ヒートシンク40よりも下方に配置するとともに、筐体60の上下方向の中心位置CLよりも下方に配置している。このような構成により、ヒートシンクよりもリアクトル等を上方に配置する構成(図示せず)と比較して、本実施形態の高調波抑制装置6は、その重心を低くすることができ、設置時の安定性を向上させることができる。
上述のように、冷却ファン41は、筐体60の底部に形成された吸気口72の一部を覆うように配置されており、筐体60の底部から上方向に冷却風Wを発生させる。すなわち、冷却ファン41には、リアクトル260〜265や半導体モジュール10等の発生熱によって昇温していない風が通過し、高調波抑制装置6を構成する部品の中で最も温度の低い状態が保たれる。これにより、冷却ファン内の軸受部やブラシ等(図示せず)の消耗が抑制され、冷却ファン41の寿命を長くすることができる。
一方、冷却ファン41とヒートシンク40との間にプリント配線板30,31を配置することにより、冷却ファン41とヒートシンク40との間に距離が生じ、ヒートシンク40にかかる風圧が弱まる可能性があった。これにより、半導体モジュール10の冷却が弱まると、半導体モジュール10の温度が許容値を超過する可能性が生じる。この課題を解決するために、本実施形態では、プリント配線板30,31と、右側面板66(図1参照)と左側面板67とによって冷却ファン41とヒートシンク40とを結ぶ風路76を形成している。
すなわち、冷却風Wの上流にあたる筐体60の底部から、冷却ファン41、風路76およびヒートシンク40が順次配置されている。この風路76によって、冷却ファン41とヒートシンク40との間に距離が生じることによる風圧の低減を、抑制できる。これにより、半導体モジュール10を冷却するために充分な風量をヒートシンク40に通過させることができ、半導体モジュール10の冷却を促進することができる。
図7は、図6における模式的なVII−VII断面図である。図7において、風路76の断面形状は略矩形状であるが、3個のリアクトル260〜262の投影面積だけ風路76の断面積が削られ、風路76の断面形状は略櫛歯状になっている。
〈第1実施形態の効果〉
以上のように本実施形態によれば、冷却ファン(41)に対して冷却風(W)の下流側に配置された第1のプリント配線板(30)と、冷却ファン(41)に対して冷却風(W)の下流側に、第1のプリント配線板(30)に対して対向して配置された第2のプリント配線板(31)と、第1および第2のプリント配線板(30,31)に対して、冷却風(W)の下流側に配置されたヒートシンク(40)と、を備え、第1および第2のプリント配線板(30,31)は、冷却風(W)をヒートシンク(40)に導く風路(76)を形成する。これにより、ヒートシンク(40)に搭載された半導体モジュール10と、第1および第2のプリント配線板(30,31)に配置された部品とを少ないスペースで共に冷却できるため、電力変換装置(6)を小型化できる。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態による高調波抑制装置について説明する。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図8は、本実施形態による高調波抑制装置102(電力変換装置)の模式的な右側面図であり、図6と同様に、右側面板66を除去した状態における右側面図である。
本実施形態による高調波抑制装置102の回路構成は、第1実施形態のもの(図3、図4参照)と同様である。また、高調波抑制装置102の筐体60も、第1実施形態のもの(図5、図6参照)と同様である。但し、高調波抑制装置102のプリント配線板30,31の配置は、第1実施形態のもの(図6参照)とは異なっている。その内容を以下説明する。
図8に示すように、本実施形態において、プリント配線板30,31は、上部に向かうほど相互に接近するように傾斜している。本実施形態において、プリント配線板30,31、右側面板66(図5参照)および左側面板67によって形成される風路を風路122と呼ぶ。すなわち、風路122は、上に向かうほど狭くなる。また、プリント配線板31の下端は、冷却ファン41よりも前方に位置している。
これによって、ヒートシンク40における風圧、すなわち風路122の上端部側における開口面の風圧は、風路122の下端部側における開口面の風圧と比較して高くなる。これにより、第1実施形態のもの(図6参照)と比較して、ヒートシンク40を通過する風量を大きくすることができ、半導体モジュール10の冷却を促進することができる。また、半導体モジュール10に対する冷却の度合いが第1実施形態のものと同等でよい場合には、ヒートシンク40を小型化することが可能である。
〈第2実施形態の効果〉
以上のように本実施形態によれば、風路(122)は、冷却ファン(41)側の開口面積よりも、ヒートシンク(40)側の開口面積が狭くなるように形成されている。これにより、電力変換装置(102)の冷却性能を一層向上させることができ、または、ヒートシンク(40)を小型化した電力変換装置(102)を実現できる。
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態による高調波抑制装置について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図9は、本実施形態による高調波抑制装置103(電力変換装置)の模式的な右側面図であり、図6と同様に、右側面板66を除去した状態における右側面図である。
高調波抑制装置103の回路構成は、第1実施形態のもの(図3、図4参照)と同様である。また、高調波抑制装置103の筐体60も、第1実施形態のもの(図5、図6参照)と同様である。また、高調波抑制装置103において、プリント配線板30,31の配置は、第2実施形態のもの(図8参照)と同様である。すなわち、プリント配線板30,31は、上部に向かうほど相互に接近するように傾斜している。但し、本実施形態においては、コモンモードリアクトル266,267の配置が、第2実施形態とは異なっている。その内容を以下説明する。
図9に示すように、本実施形態において、コモンモードリアクトル266,267は、プリント配線板31の後面に実装されている。換言すれば、コモンモードリアクトル266,267は、風路122に沿うようにプリント配線板31に実装されている。また、これによって、フィルタ回路26(図4参照)に含まれる全てのリアクトルが風路122に沿って実装されていることになる。リアクトル260〜265およびコモンモードリアクトル266,267は、大きな電流が流れるため、比較的発熱しやすいが、本実施形態によれば、これらを効果的に冷却できる。
〈第3実施形態の効果〉
以上のように本実施形態によれば、第1のプリント配線板(30)は、風路(122)に沿って実装された複数の第1のリアクトル(260〜265)を有するものであり、第2のプリント配線板(31)は、風路(122)に沿って実装された第2のリアクトル(266,267)を有する。このように、本実施形態によれば、これら全てのリアクトルが風路(122)に沿って実装され、冷却風に当たるため、これらリアクトルを効果的に冷却することが可能となり、電力変換装置(103)の信頼性をさらに向上させることができる。
[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態による高調波抑制装置について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図10は、本発明の第4実施形態による高調波抑制装置104(電力変換装置)の模式的な縦断面図である。
高調波抑制装置104の回路構成は、第1実施形態のもの(図3、図4参照)と同様である。また、高調波抑制装置104の筐体60は、第3実施形態のもの(図9参照)と同様である。但し、本実施形態において、プリント配線板30、プリント配線板31(図9参照)右側面板66および風路76(図9参照)に囲まれた領域を「風路124」と呼ぶ。
図10は、筐体60から前面下板62(図6参照)、前面上板64、プリント配線板31、コモンモードリアクトル266,267を除外した状態の縦断面を示している。但し、本実施形態において、プリント配線板30に実装されているリアクトル260〜265の配置状態は、第3実施形態のもの(図9参照)とは異なっている。その内容を以下説明する。
図10において、リアクトル261は、プリント配線板30の下端付近中央に配置されている。また、リアクトル260,262は、リアクトル261よりも若干上方に、左右対称に配置されている。また、リアクトル260,262よりも若干上方中央にリアクトル264が配置され、リアクトル264よりも若干上方にリアクトル263,265が、左右対称に配置されている。ここで、リアクトル260〜265の上下方向の間隔は、略均等である。また、リアクトル260〜265は、風路124の内部で千鳥状に配置されている。
図11は、図10における模式的なXI−XI断面図である。図11において、風路124の断面形状は略矩形状であるが、リアクトル260,262の投影面積だけ風路124の断面積が削られている。
また、図12は、図10における模式的なXII−XII断面図である。図11において、風路124の断面形状は略矩形状であるが、リアクトル261の投影面積だけ風路124の断面積が削られている。
ところで、先に図7に示したように、第1実施形態における風路76の断面形状は略櫛歯状である。また、第2,第3実施形態における風路122の断面形状も、図示は省略するが、第1実施形態の風路76の断面形状と同様である。これにより、本実施形態によれば、図11および図12の何れの箇所においても、風路124の断面積は、第1〜第3実施形態の風路76,122の断面積よりも広くすることができる。従って、本実施形態における風路124は、第1〜第3実施形態のものと比較して、通風抵抗を低く抑えることができる。
〈第4実施形態の効果〉
以上のように本実施形態によれば、複数の第1のリアクトル(260〜265)は、風路(124)に沿って等間隔の千鳥状に配置されている。これにより、風路(124)における通風抵抗を低く抑え、ヒートシンク(40)等を一層効率的に冷却することができる。
[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、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削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。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)<半導体スイッチング素子>
上記各実施形態においては、半導体モジュール10(図3参照)において、半導体スイッチング素子11〜16としてIGBTを適用した例について説明した。しかし、半導体スイッチング素子11〜16は、IGBTに限定されるものではない。例えば、半導体スイッチング素子11〜16として、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を適用してもよい。その場合は、MOSFETのソース・ドレイン間に存在するpn接合に形成される寄生ダイオード(図示せず)を、前述の還流ダイオード(符号なし)に代えて使用できる。
(2)<電力変換装置>
上記各実施形態においては、電力変換装置として、高調波抑制装置6,102〜104を適用した例を説明した。しかし、本発明の「電力変換装置」は、これに限定されるものではない。例えば、整流器3とインバータ4(図1参照)とを組み合わせたものを「電力変換装置」としてもよく、整流器3とインバータ4と高調波抑制装置6とを備えた電源装置1を「電力変換装置」としてもよい。また、整流器3および高調波抑制装置6は、三相用のものに限られず、単相用のものであってもよい。
(3)<風路>
上記各実施形態においては、プリント配線板30,31、右側面板66および左側面板67(図5、図6参照)によって風路76,122,124を形成した。しかし、風路を構成するために適用されるプリント配線板は3枚以上であってもよい。また、リアクトル260〜265およびコモンモードリアクトル266,267は、プリント配線板30,31に実装される物に限られない。例えば右側面板66や左側面板67の風路に面する箇所に、これらリアクトルを装着してもよい。これにより、上述した各実施形態と同様の効果が得られる。
(4)上記各実施形態においては、吸気口72が形成されている面を高調波抑制装置6の「下面」として説明したが、高調波抑制装置6の配置方法はこれに限定されるわけではない。例えば、右側面板66、左側面板67または後面板68が「下面」になるように高調波抑制装置6を配置してもよい。
(5)第1,第2実施形態において、リアクトル260〜265を、第4実施形態のもの(図10〜図12参照)と同様に配置してもよい。
6,102〜104 高調波抑制装置(電力変換装置)
30 プリント配線板(第1のプリント配線板)
31 プリント配線板(第2のプリント配線板)
40 ヒートシンク
41 冷却ファン
76,122,124 風路
260〜265 リアクトル(第1のリアクトル)
266,267 コモンモードリアクトル(第2のリアクトル)
W 冷却風

Claims (4)

  1. 冷却ファンと、
    前記冷却ファンに対して冷却風の下流側に配置された第1のプリント配線板と、
    前記冷却ファンに対して前記冷却風の下流側に、前記第1のプリント配線板に対して対向して配置された第2のプリント配線板と、
    前記第1および第2のプリント配線板に対して、前記冷却風の下流側に配置されたヒートシンクと、を備え、
    前記第1および第2のプリント配線板は、前記冷却風を前記ヒートシンクに導く風路を形成する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記風路は、前記冷却ファン側の開口面積よりも、前記ヒートシンク側の開口面積が狭くなるように形成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記第1のプリント配線板は、前記風路に沿って実装された複数の第1のリアクトルを有するものであり、
    前記第2のプリント配線板は、前記風路に沿って実装された第2のリアクトルを有する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
  4. 複数の前記第1のリアクトルは、前記風路に沿って等間隔の千鳥状に配置されている
    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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