JP2022179369A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を向上した電力変換装置を提供すること。【解決手段】電力変換装置１０は、放熱器７０と、放熱器７０に取り付けられた基板３１，３２と、基板３１，３２に取り付けられた電子部品３０とを備える。電子部品３０は、コンバータ回路に含まれるスイッチング素子４５と、インバータ回路に含まれるスイッチング素子４６と、を含む。コンバータ回路は、リアクトル４１，４２を含む。スイッチング素子４６は、放熱器７０の水平方向Ｘの両端部から距離を空けて配置されている。リアクトル４１，４２は、スイッチング素子４６の鉛直上方向に配置されている。【選択図】図５

Description

本開示は、電力変換装置に関するものである。

特許文献１には、太陽光電池パネルが発電した直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を交流電源や電気機器に供給する電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、放熱部材に複数のパワーモジュールおよびパワーモジュールのそれぞれに対応する複数のリアクトルが当接されている。

特開２０１４－６４３７４号公報

ところで、上記のように、パワーモジュールなどの発熱する部品を搭載した電力変換装置において、放熱性の向上について改善の余地がある。

本開示の一態様である電力変換装置は、放熱器と、前記放熱器に取り付けられ、鉛直方向に平行な主面を有する基板と、前記主面に取り付けられた電子部品と、を備え、前記電子部品は、コンバータ回路に含まれる第１スイッチング素子と、インバータ回路に含まれる第２スイッチング素子と、を含み、前記コンバータ回路は、第１リアクトルを含み、前記第２スイッチング素子は、前記放熱器の水平方向の両端部から距離を空けて配置され、前記第１リアクトルは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直上方向に配置されている。

本開示の一態様によれば、放熱性を向上した電力変換装置を提供することができる。

図１は、一実施形態の電力変換装置の正面図である。 図２は、一実施形態の電力変換装置の背面図である。 図３は、一実施形態の電力変換装置について、正面パネルを除いて内部構造の概略を示す説明図である。 図４は、一実施形態の電力変換装置のブロック回路図である。 図５は、電力変換装置の内部構造の一部を示し、ヒートシンク、リアクトル、基板、および電子部品を示す正面図である。 図６は、ヒートシンクに取り付けられたリアクトル、基板、電子部品について、筐体の内部側から視た斜視図である。 図７は、リアクトル、基板、電子部品が取り付けられたヒートシンクを、筐体の外部側（背面側）から視た斜視図である。 図８は、ヒートシンクに取り付けられ、発熱を考慮するリアクトル、電子部品および箇所を示す説明図である。 図９Ａは、モード１におけるリアクトル、スイッチング素子の温度を示す説明図である。 図９Ｂは、モード１における上部、中央部、および制御部の温度分布の説明図である。 図１０Ａは、モード２におけるリアクトル、スイッチング素子の温度を示す説明図である。 図１０Ｂは、モード２における上部、中央部、および制御部の温度分布の説明図である。 図１１Ａは、モード３におけるリアクトル、スイッチング素子の温度を示す説明図である。 図１１Ｂは、モード３における上部、中央部、および制御部の温度分布の説明図である。 図１２Ａは、モード４におけるリアクトル、スイッチング素子の温度を示す説明図である。 図１２Ｂは、モード４における上部、中央部、および制御部の温度分布の説明図である。 図１３Ａは、モード５におけるリアクトル、スイッチング素子の温度を示す説明図である。 図１３Ｂは、モード５における上部、中央部、および制御部の温度分布の説明図である。

以下、一実施形態を説明する。
なお、添付図面は、理解を容易にするために構成要素を拡大して示している場合がある。構成要素の寸法比率は実際のものと、または別の図面中のものと異なる場合がある。

図１～図４に示す電力変換装置１０は、図４に示す太陽電池２００が接続され、電力供給システムを構成する。この電力変換装置１０は、一般家屋、商業施設、工場等の施設に設置される。施設には、商用電力系統２１０から商用交流電力が供給される。つまり、電力供給システムは、商用電力系統２１０と連系する。

図１～図３に示すように、一実施形態の電力変換装置１０は、本体部１１、接続部１２を備えている。本体部１１は、電力変換装置１０を構成する各種の部品を収容する筐体２１を有している。図３は、筐体２１の正面パネル２２を外した状態を示す。接続部１２は、この電力変換装置１０に対して、図４に示す太陽電池２００、商用電力系統２１０と接続するための接続部材を収容する。

図３に示すように、本実施形態の本体部１１は、鉛直方向Ｚにおいて分割された２つの収容部１１ａ，１１ｂを有している。鉛直方向Ｚにおいて、重力が向かう方向を鉛直下方向、鉛直下方向と反対側を鉛直上方向とする。収容部１１ａは収容部１１ｂよりも鉛直上方向に配置されている。収容部１１ａには、基板と、基板に実装された電子部品３０と、図５に示すリアクトル４１，４２，４３，４４、等が収容される。本実施形態において、基板は、コンバータ制御基板３１、インバータ制御基板３２、フィルタ基板３３を含む。コンバータ制御基板３１は第１基板に相当する。インバータ制御基板３２は第２基板に相当する。本実施形態において、電子部品３０は、基板３１～３３に実装される複数の部品を含むものとする。そして、放熱器７０に直接取り付けられ、全ての基板３１～３３に実装されない部品は電子部品に含まれないものとする。電子部品３０は、図５に示すスイッチング素子４５，４６，４７、電解コンデンサ４８、等を含む。スイッチング素子４５は第１スイッチング素子に相当する。スイッチング素子４６は第２スイッチング素子に相当する。スイッチング素子４７は第３スイッチング素子に相当する。放熱器７０に直接取り付けられる部品は、リアクトル４１，４２，４３，４４を含む。リアクトル４１，４２は第１リアクトルに相当する。リアクトル４４は第２リアクトルに相当する。リアクトル４３は第３リアクトルに相当する。

収容部１１ｂには、複数のバッテリモジュール８１およびバッテリ制御基板８２が収容される。
本体部１１には、放熱器７０が取り付けられている。放熱器７０は、搭載面７１を正面パネル２２に向くように取り付けられている。放熱器７０には、基板３１，３２，３３、リアクトル４１，４２，４３，４４、およびスイッチング素子４５，４６，４７が取り付けられている。放熱器７０は、電力変換装置１０の動作によって生じる熱を、本体部１１の外部へと放熱するものである。放熱器７０は、たとえばアルミニウムにより形成されている。

図５、図６、図７は、放熱器７０と、放熱器７０に取り付けられたリアクトル４１～４４と、基板３１，３２に実装された電子部品３０とを示す。なお、図５、図６では、内部の説明をし易くするため、図３に示すフィルタ基板３３が省略されている。放熱器７０は、搭載面７１と、搭載面７１と反対方向を向く裏面７２とを有している。裏面７２には、複数の放熱フィン７３が形成されている。放熱器７０は、搭載面７１を鉛直方向Ｚと平行となるように配置されている。言い換えると、放熱器７０は、鉛直方向Ｚに平行な搭載面７１を有するといえる。なお、本開示において使用される用語「平行」とは、２つの対象物が互いに完全に平行である場合だけでなく、部材の交差や組み立てのズレとして鉛直方向Ｚと搭載面７１との間の角度が±１０度以下の場合を含むものとする。

図２に示すように、放熱器７０は、筐体２１に取り付けられている。放熱器７０の放熱フィン７３は、筐体２１の外部へと突出している。放熱フィン７３は、鉛直方向Ｚに沿って延びる板状に形成されている。複数の放熱フィン７３は、鉛直方向Ｚと直交し且つ裏面７２と平行な水平方向Ｘに間隔を開けて配列されている。

図５、図６に示すように、放熱器７０の搭載面７１には、リアクトル４１～４４、スイッチング素子４５～４７が取り付けられている。コンバータ制御基板３１、インバータ制御基板３２、図３に示すフィルタ基板３３は、図示しないスペーサを介して放熱器７０の搭載面７１に取り付けられている。複数のリアクトル４１～４４およびスイッチング素子４５～４７は、放熱器７０の搭載面７１に取着されている。スイッチング素子４５，４６，４７と放熱器７０との間には、放熱シート５１，５２，５３が介在されている。放熱シート５１～５３は、たとえばシリコーン樹脂により形成されている。スイッチング素子４５～４７は、放熱シート５１～５３によって間接的に放熱器７０に取り付けられている。なお、各スイッチング素子４５～４７について絶縁性が確保されればよく、直接的に放熱器７０に取り付けられてもよい。

図５に示すように、スイッチング素子４５～４７は、鉛直方向Ｚにおいて、放熱器７０の中央部に配置されている。ここでいう放熱器７０の中央部とは、放熱器７０の端部を含まない領域をいう。スイッチング素子４５～４７は、水平方向Ｘに配列されている。リアクトル４１～４４は、放熱器７０の鉛直方向Ｚの上部において、水平方向Ｘに沿って配列されている。本実施形態において、リアクトル４１～４３は、直流リアクトル（ＤＣＬ）であり、リアクトル４４は、交流リアクトル（ＡＣＬ）である。リアクトル４４は、放熱器７０の上部において、水平方向Ｘの端部（図５では右端）に取り付けられている。リアクトル４１～４４は、放熱器７０に対して、直接的、またはシート等を介して間接的に取り付けられる。リアクトル４１，４２は、図５では同じ大きさとして示されているが、互いの大きさが異なっていてもよい。また、リアクトル４３は、リアクトル４１，４２と同じ大きさであってもよい。また、リアクトル４４の大きさは、リアクトル４１，４２またはリアクトル４３と同じ大きさであってもよい。リアクトル４１～４４は、水平方向Ｘにおいて、各リアクトル４１～４４の少なくとも一部が重なっていればよく、鉛直方向Ｚにずれて取り付けられていてもよい。

図５、図６に示すように、スイッチング素子４５は、コンバータ制御基板３１に実装、つまりコンバータ制御基板３１に接続されている。コンバータ制御基板３１は、放熱器７０の搭載面７１と同じ方向を向く基板主面３１ａと、基板主面３１ａと反対方向を向く基板裏面３１ｂとを有している。基板裏面３１ｂは、放熱器７０と対向する。基板主面３１ａは第２主面に対応する。基板裏面３１ｂは第１主面に対応する。コンバータ制御基板３１は、放熱器７０の搭載面７１に対して基板主面３１ａが平行となるように放熱器７０に取り付けられている。基板裏面３１ｂは搭載面７１と対向する。スイッチング素子４５は、基板裏面３１ｂの側に配置され、コンバータ制御基板３１に実装されている。

コンバータ制御基板３１には、各種の電子部品が実装されている。各種の電子部品は、コンバータ制御基板３１の基板主面３１ａに実装された電子部品と、コンバータ制御基板３１の基板裏面３１ｂに実装された電子部品とを含む。なお、基板主面３１ａと基板裏面３１ｂとのいずれか一方の面に各種の電子部品が実装されてもよい。

コンバータ制御基板３１に実装された電子部品は、たとえば、スイッチング素子４５を駆動する駆動回路、電流や電圧を検出するためのセンサ、等を構成する部品を含む。センサは、たとえば、太陽電池２００（太陽電池パネル２０１）の発電電力を検出するためのセンサ、コンバータ回路１０１の動作を制御するためのセンサ、等を含む。また、コンバータ制御基板３１には、リアクトル４１，４２が接続されている。コンバータ制御基板３１に実装された電子部品とスイッチング素子４５とリアクトル４１，４２は、図４に示すコンバータ回路１０１を構成する。コンバータ制御基板３１は、コンバータ回路１０１の制御部を構成するといえる。

図５、図６に示すように、スイッチング素子４６，４７は、インバータ制御基板３２に実装、つまりインバータ制御基板３２に接続されている。インバータ制御基板３２は、放熱器７０の搭載面７１と同じ方向を向く基板主面３２ａと、基板主面３２ａと反対方向を向く基板裏面３２ｂとを有している。基板裏面３２ｂは、放熱器７０と対向する。基板主面３２ａは第２主面に対応する。基板裏面３２ｂは第１主面に対応する。インバータ制御基板３２は、放熱器７０の搭載面７１に対して基板主面３２ａが平行となるように放熱器７０に取り付けられている。基板裏面３２ｂは搭載面７１と対向する。つまり、インバータ制御基板３２は、搭載面７１と対向する基板裏面３２ｂを有するといえる。スイッチング素子４６，４７は、インバータ制御基板３２の基板裏面３２ｂの側に配置され、インバータ制御基板３２に実装されている。

インバータ制御基板３２には、各種の電子部品が実装されている。各種の電子部品は、インバータ制御基板３２の基板主面３２ａに実装された電子部品と、インバータ制御基板３２の基板裏面３２ｂに実装された電子部品とを含む。インバータ制御基板３２に実装された電子部品は、たとえば、スイッチング素子４６を駆動する駆動回路、各種のセンサ、等を構成する部品を含む。センサは、インバータ回路１０２の出力電力を検出するためのセンサ、等を含む。インバータ制御基板３２に実装されたスイッチング素子４６を含む電子部品は、図４に示すインバータ回路１０２を構成する。インバータ制御基板３２は、インバータ回路１０２の制御部を構成するといえる。

また、本実施形態のインバータ制御基板３２には、スイッチング素子４７を制御する電子部品が実装されている。インバータ制御基板３２に実装された電子部品は、たとえば、スイッチング素子４７を駆動する駆動回路を構成するトランジスタ等の部品を含む。また、インバータ制御基板３２には、リアクトル４３が接続されている。リアクトル４３と、インバータ制御基板３２に実装されたスイッチング素子４７を含む電子部品は、図４に示す双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路（図４では「ＢＤＤ」と表記する）１１０を構成する。インバータ制御基板３２は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０の制御部を構成するといえる。

図５、図６に示すように、インバータ制御基板３２には、複数の電解コンデンサ４８が実装、つまりインバータ制御基板３２に接続されている。電解コンデンサ４８は、アルミニウム電解コンデンサであり，電解質を含浸させた電解紙を含む。電解コンデンサ４８は、インバータ制御基板３２の基板主面３２ａの側に配置され、インバータ制御基板３２に実装されている。

図４は、本実施形態の電力変換装置１０の電気的構成を示すブロック図である。
電力変換装置１０は、コンバータ回路１０１、インバータ回路１０２、フィルタ回路１０３、リレー１０４，１０５，１０６、制御回路１０７、電源回路１０８を有している。

コンバータ回路１０１は、図５、図６に示すリアクトル４１，４２と、コンバータ制御基板３１に実装されたスイッチング素子４５を含む電子部品により構成される。
コンバータ回路１０１は、制御回路１０７により制御されるＤＣ－ＤＣコンバータである。本実施形態のコンバータ回路１０１は、昇圧回路である。なお、コンバータ回路１０１は、ＤＣ－ＤＣコンバータとして、降圧回路、昇降圧回路であってもよい。

コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５は、コンバータ制御基板３１の制御部によってオンオフ制御される。コンバータ回路１０１は、スイッチング素子４５のオンオフによって、太陽電池２００にて発電した電力を変換し、変換後の直流電力を直流電圧バス１０９に出力する。直流電圧バス１０９は、コンバータ制御基板３１等の配線パターン、基板間を接続するハーネス等により構成される。インバータ制御基板３２本実施形態において、太陽電池２００は、４つの太陽電池パネル２０１を含む。本実施形態の電力変換装置１０は、４つの太陽電池パネル２０１を接続可能に構成されている。つまり、コンバータ回路１０１は、４つのＰＶコンバータ（ＰＶＣ：photovoltaic convertor）を含む。

インバータ回路１０２は、図５、図６に示すインバータ制御基板３２に実装されたスイッチング素子４６を含む電子部品により構成される。
インバータ回路１０２は、たとえば、図５、図６に示すスイッチング素子４６を含むＤＣ－ＡＣインバータである。

インバータ回路１０２のスイッチング素子４６は、インバータ制御基板３２の制御部によってオンオフ制御される。
インバータ回路１０２は、スイッチング素子４６のオンオフにより、直流電圧バス１０９の直流電圧を交流電圧に変換する。また、インバータ回路１０２は、スイッチング素子４６のオンオフにより、商用電力系統２１０から供給される商用交流電圧を直流電圧に変換して直流電圧バス１０９に出力する。

直流電圧バス１０９には、電解コンデンサ４８が接続されている。電解コンデンサ４８は、直流電圧バス１０９の直流電圧を平滑化する。
フィルタ回路１０３は、図５、図６に示すリアクトル４４と、図３に示すフィルタ基板３３に実装された電子部品により構成される。フィルタ回路１０３は、インバータ回路１０２から出力される交流電圧の高周波成分を低減する。

リレー１０４は、フィルタ回路１０３と系統連系端子Ｔ１との間に接続されている。リレー１０５は、フィルタ回路１０３と自立運転用出力端子Ｔ２との間に接続されている。リレー１０６は、系統連系端子Ｔ１と自立運転用出力端子Ｔ２との間に接続されている。リレー１０４～１０６は、開閉器（スイッチ）であり、たとえば、半導体スイッチ、機械式リレースイッチ、等を用いることができる。

系統連系端子Ｔ１は、交流電力線２１１を介して商用電力系統２１０に接続されている。交流電力線２１１は、屋内配線、引き込み線等の電線を含む。なお、交流電力線２１１には、図示しない分電盤、電力量計、等が接続されている。交流電力線２１１には、負荷２２１が接続される。

自立運転用出力端子Ｔ２には、電力線２１２が接続される。電力線２１２は、屋内配線、屋内配線のアウトレット、屋内配線のアウトレットに接続された延長ケーブル、等を含む。電力線２１２には、負荷２２２が接続される。

また、電力変換装置１０は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路（図４には「ＢＤＤ」と表記）１１０、蓄電池１１１を有している。蓄電池１１１は、図２に示す複数のバッテリモジュール８１、バッテリ制御基板８２を含む。バッテリ制御基板８２は、バッテリ管理部（ＢＭＵ：バッテリマネジメントユニット）を含む。バッテリ管理部は、蓄電池１１１の蓄電量を算出する。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０は、蓄電池１１１と直流電圧バス１０９との間に接続される。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０は、蓄電池１１１に蓄えられた電力を直流電圧バス１０９に放電する。また、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０は、直流電圧バス１０９の直流電圧により蓄電池１１１を充電する。

制御回路１０７は、電源回路１０８から供給される動作電源により動作する。たとえば、電源回路１０８は、直流電圧バス１０９に接続されて商用電力系統２１０の交流電圧により直流電圧を生成する電源部と、直流電圧バス１０９の直流電圧により動作電源を生成する電源部とを含む。

制御回路１０７は、たとえば、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）を有する。ＭＣＵは、内蔵または外部接続されたメモリが記憶するプログラムを実行することにより、コンバータ回路１０１、インバータ回路１０２、リレー１０４～１０６、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０を制御する。

制御回路１０７は、コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５（図５、図６参照）に制御信号を供給する。スイッチング素子４５は、制御信号によりオンオフする。制御回路１０７は、スイッチング素子４５に供給する制御信号のパルス幅を、たとえばパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式により調整する。

制御回路１０７は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６（図５、図６参照）に制御信号を供給する。スイッチング素子４６は、制御信号によりオンオフする。制御回路１０７は、スイッチング素子４６に供給する制御信号のパルス幅を、たとえばパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式により調整する。

制御回路１０７は、リレー１０４～１０６に制御信号を供給する。リレー１０４～１０６は、制御信号によりオンオフする。
たとえば、制御回路１０７は、リレー１０４，１０６を閉状態（オン状態）とし、リレー１０５を開状態（オフ状態）とする。インバータ回路１０２から出力される交流電圧は、オン状態（閉状態）のリレー１０４を介して交流電力線２１１に出力される。交流電力線２１１に接続される負荷２２１は、商用電力系統２１０から供給される商用交流電圧、電力変換装置１０から出力される交流電圧によって動作する。また、商用電力系統２１０から供給される商用交流電圧、またはインバータ回路１０２から出力されフィルタ回路１０３を通過した交流電圧は、オン状態（閉状態）のリレー１０６と自立運転用出力端子Ｔ２とを介して電力線２１２に出力される。電力線２１２に接続される負荷２２２は、供給される交流電圧により動作する。

制御回路１０７は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０のスイッチング素子４７（図５、図６）に制御信号を供給する。
制御回路１０７は、電力変換装置１０の動作状態に応じて制御信号を出力する。たとえば、蓄電池１１１から放電するように、制御信号を出力する。また、制御回路１０７は、蓄電池１１１の蓄電量により、蓄電池１１１を充電するように、制御信号を出力する。スイッチング素子４７は、制御信号によりオンオフする。制御回路１０７は、スイッチング素子４７に供給する制御信号のパルス幅を、たとえばパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式により調整する。

次に、上記の電力変換装置１０の作用を説明する。
電力変換装置１０は、スイッチング素子４５，４６、４７を有している。制御回路１０７は、図示しないコントローラからの制御信号、各種のセンサによる検出結果、蓄電池１１１の蓄電量、等に応じてスイッチング素子４５，４６，４７のオンオフを制御する。コンバータ回路１０１は、スイッチング素子４５のオンオフにより、太陽電池２００（太陽電池パネル２０１）にて発電した電力を直流電圧に変換する。インバータ回路１０２は、スイッチング素子４６のオンオフにより、直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する。双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０は、スイッチング素子４７のオンオフにより、蓄電池１１１の電力を放電、または蓄電池１１１を充電する。

電力変換装置１０を構成するスイッチング素子４５～４７は、電力変換装置１０の動作モードに応じて制御される。電力変換装置１０の動作モードは、モード１～５を含む。なお、動作モードは、モード１～５以外を含んでいてもよい。

モード１は、蓄電池１１１を充電する動作モードである。
蓄電池１１１に対する充電は、例えば深夜等の負荷２２１，２２２が使用されない期間に行われる。例えば、夜間では、太陽電池２００が発電しないため、制御回路１０７はスイッチング素子４５をオフ状態とする。そして、制御回路１０７は、インバータ回路１０２において、交流電圧を直流電圧に変換するように、スイッチング素子４６を制御する。また、制御回路１０７は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０において、蓄電池１１１を充電する電圧を蓄電池１１１に供給するように、スイッチング素子４７を制御する。

モード２は、蓄電池１１１から放電を最大とする動作モードである。
制御回路１０７は、蓄電池１１１から放電する電力を最大とするように、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０のスイッチング素子４７を制御する。そして、制御回路１０７は、蓄電池１１１から放電する電力と太陽電池２００にて発電した電力とにより交流電力を出力するようにインバータ回路１０２のスイッチング素子４６を制御する。

モード３は、太陽電池２００の発電電力を最大とするとともに、蓄電池１１１を充電する動作モードである。
制御回路１０７は、たとえば最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御を実行し、スイッチング素子４５を制御する。さらに、制御回路１０７は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０において、蓄電池１１１を充電する電圧を蓄電池１１１に供給するように、スイッチング素子４７を制御する。

モード４は、過積載状態における動作モードである。
過積載状態は、電力変換装置１０の出力可能な電力に対して、太陽電池２００の発電可能電力が大きい状態である。過積載状態は、たとえば、電力変換装置１０の定格出力電力よりも太陽電池２００の発電可能電力が大きい状態を含む。なお、出力可能な電力量は、電力変換装置１０の動作において、温度等の要因によって変動することもある。このように変動する電力量に対して、太陽電池２００の発電電力が大きい状態も過積載状態に含まれる。

制御回路１０７は、たとえば、電力変換装置１０の出力可能な電力を得るようにインバータ回路１０２のスイッチング素子４６を制御するとともに、必要な電力を太陽電池２００から得るように、コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５を制御する。なお、制御回路１０７は、蓄電池１１１の蓄電量によって、蓄電池１１１を充電するように双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０のスイッチング素子４７を制御することもある。

モード５は、発電電力を最大とする動作モードである。このとき、制御回路１０７は、太陽電池２００の発電電力を最大電力とするように、たとえば最大電力点追従制御にてスイッチング素子４５を制御する。また、制御回路１０７は、インバータ回路１０２の出力を最大とするように、スイッチング素子４６を制御する。

電力変換装置１０を構成する各種の部品は、電力変換装置１０の運転中に動作に応じて発熱する。発熱量の多い部品は、放熱器７０によって放熱するように、放熱器７０に取り付けられる。本実施形態において、発熱量の多い部品は、スイッチング素子４５～４７、リアクトル４１～４４である。

図８に示すように、鉛直方向Ｚにおいて、放熱器７０の中央部にはスイッチング素子４５～４７が配置されている。インバータ回路１０２を構成する複数のスイッチング素子４６は、水平方向Ｘにおいて、放熱器７０の中央部に配置されるとともに水平方向Ｘに配列されている。コンバータ回路１０１を構成する複数のスイッチング素子４５と、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０を構成する複数のスイッチング素子４７は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６を挟むように配置されるとともに、水平方向Ｘに配列されている。リアクトル４１～４４は、スイッチング素子４５～４７の鉛直上方向に配置されている。リアクトル４１～４４は、水平方向Ｘに配列されている。フィルタ回路１０３を構成するリアクトル４４は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６の鉛直上方向を避けるように配置されている。つまり、フィルタ回路１０３のリアクトル４４は、鉛直方向Ｚから視て、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６と水平方向Ｘにずれた位置に配置されている。

次に、図５に示すリアクトル４１～４４およびスイッチング素子４５～４７と、各基板３１～３３に実装された電子部品の発熱量（損失）について説明する。
図８に示すように、放熱器７０に取り付けられたリアクトル４１～４４およびスイッチング素子４５～４７と、コンバータ制御基板３１とインバータ制御基板３２とに実装されたスイッチング素子４５～４７以外の電子部品について説明する。なお、コンバータ制御基板３１、インバータ制御基板３２にそれぞれ実装されたスイッチング素子４５～４７以外の電子部品は、リアクトル４１～４４やスイッチング素子４５～４７と比べて発熱量（損失）が少ない。このため、コンバータ制御基板３１とインバータ制御基板３２に実装されたスイッチング素子４５～４７以外の電子部品を纏めて制御部９０とする。

図５、図６、図８に示すように、スイッチング素子４６は、鉛直方向Ｚにおいて、放熱器７０の中央部に配置されている。また、スイッチング素子４６は、水平方向Ｘにおいて、放熱器７０の中央部に配置されている。そして、スイッチング素子４６の周囲には、スイッチング素子４６よりも発熱量の小さい部材が配置されている。

図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ、図１２Ａ、図１３Ａは、リアクトル４１～４４、スイッチング素子４５～４７について、モード１，２，３，４，５における発熱量（損失）を相対的に示す。なお、図９Ａ～図１３Ａにおいて、リアクトル４１～４３をＤＣＬ４１～４３、リアクトル４４をＡＣＬ４４、スイッチング素子４５～４７をＳＷ４５～４７として表記する。図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ、図１２Ｂ、図１３Ｂは、リアクトル４１～４４および電子部品３０について、モード１，２，３，４，５における鉛直方向Ｚにおける温度分布を、「上部」、「中央部」、「制御部」に分けて示す。各図において、「上部」は主にリアクトル４１～４４における温度を示し、「中央部」は主にスイッチング素子４５～４７の温度を示し、「制御部」は主に制御部９０の温度を示す。

モード１～５において、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６における発熱量が最も大きいことが判る。また、鉛直方向Ｚにおいて、スイッチング素子４５～４７を配置した中央部における発熱量が、モード１～５のいずれにおいても最も大きいことが判る。

スイッチング素子４６の熱は、スイッチング素子４６から放熱器７０へと伝わる。その熱は、放熱器７０において、スイッチング素子４６が取り付けられた位置から、スイッチング素子４６の周囲へと伝わる。スイッチング素子４６は、放熱器７０において、鉛直方向Ｚおよび水平方向Ｘにおける中央部に取り付けられている。したがって、スイッチング素子４６から放熱器７０に伝わった熱は、鉛直方向Ｚの上下、および水平方向Ｘの左右に伝わる。つまり、放熱器７０において、熱は、スイッチング素子４６から放射状に伝わる。そして、熱は、放熱器７０の裏面７２の放熱フィン７３から空中へと放熱される。

比較例として、スイッチング素子４６を放熱器７０の上部に取り付けた場合を考える。この場合、スイッチング素子４６から放熱器７０へと伝わった熱は、放熱器７０において、スイッチング素子４６の取り付け位置から、鉛直下方向と水平方向Ｘとに伝わる。つまり、比較例の場合、本実施形態と比べ、熱が拡散する領域の面積が狭くなる。言い換えると、本実施形態は、放熱器７０の上端にスイッチング素子４６を取り付けた比較例と比べ、放熱器７０における放熱経路が増えるため、熱が拡散しやすくなる。つまり、スイッチング素子４６から放熱器７０への熱が伝わりやすい。そして、熱が拡散した領域の放熱フィン７３から、空気中へと放熱されるため、拡散した領域が容易に冷却される。つまり、スイッチング素子４６の放熱性を向上できる。なお、スイッチング素子４６が放熱器７０の下部、右部、または左部に取り付けた場合も同様である。

図１０Ａ、図１１Ａ、図１２Ａ、図１３Ａに示すように、コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６の次に発熱量が多い電子部品である。コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６に対して、水平方向Ｘに並べて配置されている。したがって、コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６の熱の影響を受け難く、放熱できる。

図１０Ａ、図１１Ａ、図１２Ａ、図１３Ａに示すように、フィルタ回路１０３のリアクトル４４は、コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５の次に発熱量が多い。リアクトル４４は、鉛直方向Ｚから視て、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６と全く重ならない位置、すなわち鉛直方向Ｚと直交する水平方向Ｘにずれた位置に配置されている。このため、リアクトル４４をスイッチング素子４６と鉛直方向Ｚにおいて重なるように配置した場合と比べ、スイッチング素子４６からの距離が長くなる。したがって、リアクトル４４は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６の熱の影響を受け難い。

図５、図６、図８に示すように、インバータ制御基板３２には複数の電解コンデンサ４８が実装されている。複数の電解コンデンサ４８は、インバータ制御基板３２の基板主面３２ａの側に配置されている。インバータ制御基板３２に実装されたスイッチング素子４６は、インバータ制御基板３２の基板裏面３２ｂの側に配置されている。そして、複数の電解コンデンサ４８は、スイッチング素子４６よりも鉛直下方向に配置されている。

複数の電解コンデンサ４８は、平滑コンデンサとして用いられるアルミニウム電解コンデンサである。アルミニウム電解コンデンサは、部品の構造上、内部の電解液の蒸発（ドライアップ）が製品寿命に直接関係する。複数の電解コンデンサ４８は、高温環境下では、ドライアップが生じ易い。この点、本実施形態において、複数の電解コンデンサ４８は、高発熱部品であるスイッチング素子４６よりも鉛直下方向に配置されている。したがって、複数の電解コンデンサ４８における熱上昇が抑制される。このため、複数の電解コンデンサ４８におけるドライアップを抑制できる。

また、複数の電解コンデンサ４８は、インバータ制御基板３２の基板主面３２ａの側に配置され、スイッチング素子４６は、インバータ制御基板３２の基板裏面３２ｂの側に配置されている。このため、電解コンデンサ４８とスイッチング素子４６とを同じ面の側に配置する場合と比べ、電解コンデンサ４８をスイッチング素子４６から離すことができ、スイッチング素子４６の熱の影響をより低減できる。

図３、図５に示す測定位置Ｐ１～Ｐ１８について、上述したモード３にて電力変換装置１０を稼動させたときの温度を測定した結果を以下の表１に示す。表１において、「正位置」は、電力変換装置１０を図１～３に示す状態に配置した状態である。「逆位置」は、「正位置」に対して上下を反転させた状態である。また、表１には、「正位置」における温度と「逆位置」における温度との差を示している。

「正位置」の測定結果と「逆位置」の測定結果とを比較した場合、測定位置Ｐ１３の電解コンデンサ４８の温度が「正位置」の温度に対して「逆位置」の温度が高くなっている。図３、図５、図６に示す「正位置」において、電解コンデンサ４８は、スイッチング素子４６およびリアクトル４２，４３の鉛直下方向に配置されている。一方「逆位置」では、電解コンデンサ４８は、スイッチング素子４６およびリアクトル４２，４３の鉛直上方向に配置されることになる。これは、スイッチング素子４６およびリアクトル４２，４３の発熱により暖められた空気が鉛直上方向に移動することによるものであると考えられる。

上述したように、アルミニウム電解コンデンサが用いられる電解コンデンサ４８は、部品の構造上、内部の電解液の蒸発（ドライアップ）が製品寿命に直接関係する。この点、本実施形態の電力変換装置１０において、図３、図５、図６の「正位置」に示すように、電解コンデンサ４８はスイッチング素子４６およびリアクトル４２，４３の鉛直下方向に配置されている。このため、電解コンデンサ４８は、スイッチング素子４６およびリアクトル４２，４３により暖められた空気の影響を受け難い。したがって、電力変換装置１０は、電解コンデンサ４８のドライアップを抑制できる。

以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）電力変換装置１０は、放熱器７０と、放熱器７０に取り付けられた基板３１，３２と、基板３１，３２に取り付けられた電子部品３０とを備える。電子部品３０は、コンバータ回路１０１に含まれるスイッチング素子４５と、インバータ回路１０２に含まれるスイッチング素子４６と、を含む。コンバータ回路１０１は、リアクトル４１，４２を含む。スイッチング素子４６は、放熱器７０の水平方向Ｘの両端部から距離を空けて配置されている。リアクトル４１，４２は、スイッチング素子４６の鉛直上方向に配置されている。

電力変換装置１０において、スイッチング素子４６は、高発熱部品である。このスイッチング素子４６は、放熱器７０の中央部に取り付けられる。スイッチング素子４６の熱は、放熱器７０において、スイッチング素子４６から放射状に伝わる。そして、熱は、放熱器７０の裏面７２の放熱フィン７３から空中へと放熱される。このため、拡散した領域が容易に冷却される。つまり、スイッチング素子４６の放熱性を向上できる。

（２）コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６の次に発熱量が多い。コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６に対して、水平方向Ｘに並べて配置されている。したがって、コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５は、インバータ回路１０２のスイッチング素子４６の熱の影響を受け難く、放熱できる。

（３）フィルタ回路１０３のリアクトル４４は、コンバータ回路１０１のスイッチング素子４５の次に発熱量が多い。リアクトル４４は、水平方向Ｘにおいてスイッチング素子４５，４６とずれた位置に配置されている。したがって、リアクトル４４は、スイッチング素子４５，４６の熱の影響を受け難い。

（４）複数の電解コンデンサ４８は、スイッチング素子４６よりも鉛直下方向に配置されている。したがって、複数の電解コンデンサ４８における熱上昇が抑制される。このため、複数の電解コンデンサ４８におけるドライアップを抑制できる。

（５）複数の電解コンデンサ４８は、インバータ制御基板３２の基板主面３２ａの側に配置され、スイッチング素子４６は、インバータ制御基板３２の基板裏面３２ｂの側に配置されている。したがって、電解コンデンサ４８とスイッチング素子４６とを同じ面の側に配置する場合と比べ、電解コンデンサ４８をスイッチング素子４６から離すことができ、スイッチング素子４６の熱の影響をより低減できる。

（変更例）
上記実施形態は例えば以下のように変更できる。上記実施形態と以下の各変更例は、技術的な矛盾が生じない限り、互いに組み合せることができる。なお、以下の変更例において、上記実施形態と共通する部分については、上記実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

・蓄電池１１１は、外部蓄電池ユニットとして、電力変換装置１０に接続される構成としてもよい。その場合、電力変換装置１０に蓄電池１１１が搭載されていてもよく、搭載されていなくてもよい。蓄電池１１１が搭載されない場合、電力変換装置１０の筐体のサイズは適宜変更されてもよい。

・双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０を電力変換装置１０の外部に設ける構成としてもよい。また、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０を省略してもよい。
・上記実施形態では、インバータ制御基板３２に、インバータ回路１０２を構成する電子部品と、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０を構成する電子部品とを実装した。これに対し、インバータ回路を構成する電子部品を実装したインバータ制御基板と、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１１０を構成する電子部品を実装したコンバータ制御基板とを搭載する構成としてもよい。

本開示から把握できる技術的思想を以下に記載する。
［１］
放熱器と、
前記放熱器に取り付けられ、鉛直方向と平行な主面を有する基板と、
前記主面に取り付けられた電子部品と、
を備え、
前記電子部品は、コンバータ回路に含まれる第１スイッチング素子と、インバータ回路に含まれる第２スイッチング素子と、を含み、
前記コンバータ回路は、第１リアクトルを含み、
前記第２スイッチング素子は、前記放熱器の水平方向の両端部から距離を空けて配置され、
前記第１リアクトルは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直上方向に配置されている、
電力変換装置。

［２］
前記第１リアクトルは前記放熱器に取り付けられる、［１］に記載の電力変換装置。
［３］
前記電子部品および前記基板を内蔵する筐体を更に備える、［１］または［２］に記載の電力変換装置。

［４］
複数の前記第１リアクトルを備え、
複数の前記第１リアクトルは、少なくとも一部が重なるように前記水平方向に並べられている、
［１］に記載の電力変換装置。

［５］
前記第１スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子に対して前記水平方向に配置されている、
［１］から［４］のいずれか一つに記載の電力変換装置。

［６］
第２リアクトルを含み、
前記第２リアクトルは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直上方向に配置されるとともに、前記水平方向において前記第２スイッチング素子とずれた位置に配置されている、
［１］から［５］のいずれか一つに記載の電力変換装置。

［７］
前記電子部品は複数の電解コンデンサを含み、
前記複数の電解コンデンサは、前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に配置され、
前記複数の電解コンデンサは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直下方向に配置されている、
［１］から［４］のいずれか一つに記載の電力変換装置。

［８］
前記複数の電解コンデンサは、前記主面と直交する方向から視て、前記放熱器の中央部と重なるように配置されている、［７］に記載の電力変換装置。

［９］
前記主面は、前記放熱器と対向する第１主面と、前記第１主面に対して反対方向を向く第２主面とを含み、
前記第２スイッチング素子は、前記第１主面に配置され、
前記複数の電解コンデンサは、前記第２主面に配置されている、
［７］または［８］に記載の電力変換装置。

［１０］
前記第１スイッチング素子は、前記第１主面に配置されている、［９］に記載の電力変換装置。

［１１］
前記基板は、第１基板と第２基板とを含み、
前記第２スイッチング素子は前記第２基板に実装され、
前記第１スイッチング素子は前記第１基板に実装される、
［１］から［１０］のいずれか一つに記載の電力変換装置。

［１２］
複数の前記電子部品は、蓄電池に接続される双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路に含まれる第３リアクトルおよび第３スイッチング素子を含み、
前記第３リアクトルは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直上方向に配置され、
前記第３スイッチング素子は、前記第１スイッチング素子に対して前記水平方向に配置されている、
［１］から［１１］のいずれか一つに記載の電力変換装置。

［１３］
前記放熱器は、前記鉛直方向に平行な搭載面と、前記搭載面に対して反対方向を向く裏面と、前記裏面に設けられた複数の放熱フィンと、を有し、
前記複数の放熱フィンは、前記鉛直方向に延びるように形成され、前記水平方向に間隔を開けて配列されている、
［１］から［１２］のいずれか一つに記載の電力変換装置。

以上の説明は単に例示である。本開示の技術を説明する目的のために列挙された構成要素および方法（製造プロセス）以外に、より多くの考えられる組み合わせおよび置換が可能であることを当業者は認識し得る。本開示は、特許請求の範囲を含む本開示の範囲内に含まれるすべての代替、変形、および変更を包含することが意図される。

１０ 電力変換装置
１１ 本体部
１１ａ 収容部
１１ｂ 収容部
１２ 接続部
２１ 筐体
２２ 正面パネル
３０ 電子部品
３１ コンバータ制御基板
３１ａ 基板主面
３１ｂ 基板裏面
３２ インバータ制御基板
３２ａ 基板主面
３２ｂ 基板裏面
３３ フィルタ基板
４１ リアクトル（ＤＣＬ）
４２ リアクトル（ＤＣＬ）
４３ リアクトル（ＤＣＬ）
４４ リアクトル（ＡＣＬ）
４５ スイッチング素子（第１スイッチング素子）
４６ スイッチング素子（第２スイッチング素子）
４７ スイッチング素子（第３スイッチング素子）
４８ 電解コンデンサ
５１～５３ 放熱シート
７０ 放熱器
７１ 搭載面
７２ 裏面
７３ 放熱フィン
８１ バッテリモジュール
８２ バッテリ制御基板
９０ 制御部
１０１ コンバータ回路
１０２ インバータ回路
１０３ フィルタ回路
１０４～１０６ リレー
１０７ 制御回路
１０８ 電源回路
１０９ 直流電圧バス
１１０ 双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路
１１１ 蓄電池
２００ 太陽電池
２０１ 太陽電池パネル
２１０ 商用電力系統
２１１ 交流電力線
２１２ 電力線
２２１，２２２ 負荷
Ｔ１ 系統連系端子
Ｔ２ 自立運転用出力端子
Ｘ 水平方向
Ｚ 鉛直方向

Claims (13)

1. 放熱器と、
   前記放熱器に取り付けられ、鉛直方向と平行な主面を有する基板と、
   前記主面に取り付けられた電子部品と、
   を備え、
   前記電子部品は、コンバータ回路に含まれる第１スイッチング素子と、インバータ回路に含まれる第２スイッチング素子と、を含み、
   前記コンバータ回路は、第１リアクトルを含み、
   前記第２スイッチング素子は、前記放熱器の水平方向の両端部から距離を空けて配置され、
   前記第１リアクトルは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直上方向に配置されている、
   電力変換装置。
2. 前記第１リアクトルは前記放熱器に取り付けられる、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電子部品および前記基板を内蔵する筐体を更に備える、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 複数の前記第１リアクトルを備え、
   複数の前記第１リアクトルは、少なくとも一部が重なるように前記水平方向に並べられている、
   請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記第１スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子に対して前記水平方向に配置されている、
   請求項１に記載の電力変換装置。
6. 第２リアクトルを含み、
   前記第２リアクトルは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直上方向に配置されるとともに、前記水平方向において前記第２スイッチング素子とずれた位置に配置されている、
   請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記電子部品は複数の電解コンデンサを含み、
   前記複数の電解コンデンサは、前記コンバータ回路と前記インバータ回路との間に配置され、
   前記複数の電解コンデンサは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直下方向に配置されている、
   請求項１に記載の電力変換装置。
8. 前記複数の電解コンデンサは、前記主面と直交する方向から視て、前記放熱器の中央部と重なるように配置されている、請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記主面は、前記放熱器と対向する第１主面と、前記第１主面に対して反対方向を向く第２主面とを含み、
   前記第２スイッチング素子は、前記第１主面に配置され、
   前記複数の電解コンデンサは、前記第２主面に配置されている、
   請求項７に記載の電力変換装置。
10. 前記第１スイッチング素子は、前記第１主面に配置されている、請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記基板は、第１基板と第２基板とを含み、
    前記第２スイッチング素子は前記第２基板に実装され、
    前記第１スイッチング素子は前記第１基板に実装される、
    請求項１に記載の電力変換装置。
12. 複数の前記電子部品は、蓄電池に接続される双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路に含まれる第３リアクトルおよび第３スイッチング素子を含み、
    前記第３リアクトルは、前記第２スイッチング素子よりも鉛直上方向に配置され、
    前記第３スイッチング素子は、前記第１スイッチング素子に対して前記水平方向に配置されている、
    請求項１に記載の電力変換装置。
13. 前記放熱器は、前記鉛直方向に平行な搭載面と、前記搭載面に対して反対方向を向く裏面と、前記裏面に設けられた複数の放熱フィンと、を有し、
    前記複数の放熱フィンは、前記鉛直方向に延びるように形成され、前記水平方向に間隔を開けて配列されている、
    請求項１に記載の電力変換装置。

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