JP2021072701A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
〈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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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