JP5527354B2

JP5527354B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5527354B2
Application number: JP2012115003A
Authority: JP
Inventors: 泰礼山中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: CN203301346U; JP2013243826A

Description

開示の実施形態は、電力変換装置に関する。

従来、太陽光などで発電された直流電力を交流電力に変換して供給する電力変換装置があり、一般家庭などにも普及してきている。

かかる電力変換装置では、通常、太陽光電池にて発電された直流電力を、交流電源系統の交流電力と略同一の交流電力に変換するインバータ回路が設けられている。そして、かかるインバータ回路と太陽光電池との間には、直流電力を昇圧する昇圧部が設けられている（例えば、特許文献１を参照）。

かかる昇圧部は、スイッチング回路の開閉動作により直流電源の電圧を昇圧するスイッチング素子を備えており、電力変換装置の中でも比較的に発熱量が多い。そこで、特許文献１をはじめとする従来の構成では、昇圧部を収納する筐体にヒートシンクを設け、かかるヒートシンクにスイッチング素子を取付けて放熱するようにしている。

特開２００２−５１５７１号公報

しかし、従来の電力変換装置では、筐体を壁に取付けることが多いものの、壁掛けに適した構成とするためには、未だ改善の余地があった。

すなわち、壁掛け式の電力変換装置であれば軽量化が望まれるが、筐体の略全面にヒートシンクが設けられているため、ヒートシンクによって重量が嵩んでしまう。また、ヒートシンクが筐体の略全面に設けられていると、スイッチング素子で発生する高温の熱が、相対的に発熱量の少ない電気部品に伝導されることになり、悪影響が生じるおそれがある。

実施形態の一態様は、壁掛けに適した電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る電力変換装置は、取付用壁面に設置可能であり、所定の発電装置と商用電力系統との間で電力変換を行うための電力変換部を収納した筐体を備える。筐体は、垂直中心線を挟み、互いに左右に離隔して配置された第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを有する。そして、前記第１のヒートシンクは、相対的に発熱量の大きな第１の電気部品に対応する一方、前記第２のヒートシンクは、相対的に発熱量の小さな第２の電気部品に対応する。

実施形態の一態様によれば、配線系統によって熱の分離を実現するとともに、重量バランスが良好な壁掛けに適した電力変換装置を提供することができる。

図１Ａは、本実施形態に係る電力変換装置の取付状態を側面視で示す説明図である。図１Ｂは、同電力変換装置の取付状態を平面視で示す説明図である。図２は、同電力変換装置の回路図である。図３は、同電力変換装置の分解斜視図である。図４は、同電力変換装置が備えるヒートシンクの説明図である。図５は、同電力変換装置の筐体の背面を示す説明図である。図６は、同電力変換装置の底面視による説明図である。図７Ａは、ヒートシンクの形状などの一例を示す説明図である。図７Ｂは、ヒートシンクの配置例を示す説明図である。図７Ｃは、ヒートシンクの配置例を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電力変換装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、本実施形態に係る電力変換装置１について、図１Ａ、図１Ｂおよび図２を用いて説明する。図１Ａは、電力変換装置１の取付状態を側面視で示す説明図、図１Ｂは、電力変換装置１の取付状態を平面視で示す説明図、図２は、電力変換装置１の回路図である。

電力変換装置１は、太陽光電池パネルなどの発電装置から供給される直流電圧を所定の電圧に調整する昇圧機能を有するユニットである。電力変換装置１により昇圧された直流電力は、例えば、パワーコンディショナに供給され、一般家庭などで利用できる交流電力に変換される。

本実施形態に係る電力変換装置１は、壁掛けタイプとして構成されており、所定の取付用壁面２００に取付可能に構成された略矩形形状の筐体１０を備えている。筐体１０の内部には、電力変換部２０が収納されている。

電力変換部２０は、図２に示す電力変換回路を有する。すなわち、図示するように、コントロール基板に設けられた制御回路３、電力変換用のパワー基板に設けられた昇圧回路４、ダイオード基板に設けられた逆流防止回路５、および外部接続用の端子台が設けられた端子部６を備えている。なお、回路の構成を説明する都合上、端子部６を分けて図示したが、実際の装置の構造では、同じ位置に配置されても良いし、異なる位置に配置されても構わない。

昇圧回路４は、直流電源の電圧を昇圧する昇圧部として機能し、電力変換用の半導体素子であるスイッチング素子を含むパワーモジュール４１を備える。パワーモジュール４１が備えるスイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。また、パワーモジュール４１の入力側には、昇圧用の直流リアクトル４３が設けられており、パワーモジュール４１の出力側には昇圧用ダイオード４２が設けられている。

かかるスイッチング素子や、スイッチング素子を含むパワーモジュール４１は、本実施形態に係る電力変換部２０が具備する電気部品の中で、相対的に発熱量の大きな第１の電気部品に相当し、動作時には約１５０℃程度まで温度上昇する。

ところで、電力変換部２０は、相対的に発熱量の大きな第１の電気部品を備えた昇圧系統と、相対的に発熱量の小さな第２の電気部品を備える非昇圧系統とに大別できる。

本実施形態に係る電力変換装置１においては、相対的に発熱量の小さな第２の電気部品として、非昇圧系統に属する逆流防止回路５に設けられた逆流防止ダイオード５１が相当する。逆流防止ダイオード５１の動作時には、約１００℃程度まで温度上昇する。なお、上述したスイッチング素子の上昇温度および逆流防止ダイオード５１の上昇温度は、相対的な高低二つの温度の一例である。

上述した構成において、本実施形態に係る電力変換装置１の筐体１０は、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とを備えている。すなわち、図１Ｂに示すように、筐体１０の背面側に、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とが、垂直中心線１００を挟んで互いに左右に離隔して配置されている。なお、図示するように、筐体１０と取付用壁面２００との間には、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とが直接取付用壁面２００に接しないだけの放熱空間２１０が形成されている。

第１、第２のヒートシンク１１，１２は、いずれも、例えばアルミニウムなどのように熱伝導性の良好な金属製であり、放熱性能をより高めるために、複数のフィンが一面に形成されている。

図３は、電力変換装置１の分解斜視図、図４は、電力変換装置１が備える第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２との配置を示す説明図である。また、図５は、電力変換装置１の筐体１０の内部から背面側を見た説明図、図６は、電力変換装置１の底面視による説明図である。

筐体１０は、図３に示すように、本体ケース１０１とフェイスプレート１０２とにより構成される。そして、かかる筐体１０内に上述した複数の基板からなる電力変換部２０が配設されている。なお、はバー状の押さえ部材１０３により支持される。

図３〜図６に示すように、本体ケース１０１は、前面がフェイスプレート１０２の取付面として開口された箱型形状に形成されている。すなわち、本体ケース１０１は、ヒートシンク取付孔１１０，１２０および所定のケーブル挿通孔１０４が形成された背面１０５と、同じくケーブル挿通孔１０４が形成された底面１０６と、天井面１０７および左右側面１０８，１０８とから構成されている。なお、ケーブル挿通孔１０４にはケーブルを保護するブッシュ１０９が嵌着される。

本体ケース１０１の背面１０５に形成されたヒートシンク取付孔１１０，１２０は、垂直中心線１００を挟み、互いに左右に離隔して形成されている。ヒートシンク取付孔１１０は、第１のヒートシンク１１に対応して略正方形に、ヒートシンク取付孔１２０は、第２のヒートシンク１２に対応して横長の長方形形状に形成されている。

そして、本実施形態に係る電力変換装置１では、相対的に発熱量の大きな第１の電気部品であるパワーモジュール４１を第１のヒートシンク１１に対応させている。一方、相対的に発熱量の小さな第２の電気部品である逆流防止ダイオード５１を第２のヒートシンク１２に対応させている。

すなわち、第１のヒートシンク１１に、絶縁性を有する第１の放熱層１３を介してスイッチング素子を有するパワーモジュール４１を圧着して放熱可能とするとともに、第２のヒートシンク１２に、第２の放熱層１４を介して逆流防止ダイオード５１を圧着して放熱可能としている。なお、第１、第２の放熱層１３，１４は、絶縁処理された放熱用のシートおよびコンパウンド(あるいはグリース等)で構成されている。

図３および図４に示すように、パワーモジュール４１は、素子取付ブラケット７０と押圧部材７１とを備えた取付モジュール７を介して第１のヒートシンク１１に圧着されている。

素子取付ブラケット７０は、枠状に形成されてパワーモジュール４１の側面の少なくとも一部を当接させて収容し、当該パワーモジュール４１の主放熱面を第１のヒートシンク１１側に露出させて保持可能に形成される。他方、押圧部材７１は、素子取付ブラケット７０の略中央にねじなどで取付けられ、当該素子取付ブラケット７０とパワーモジュール４１とを第１ヒートシンク１１側に同時に押圧できるように構成される。なお、本実施形態に係る電力変換装置１では、素子取付ブラケット７０は、昇圧回路４に設けられる昇圧用ダイオード４２についても収容し、保持できるように構成されている。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１では、従来であれば筐体１０の略全面に設けられていたヒートシンクを第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とに左右に分割して配置して軽量化を図ることにより、壁掛け式により適した構成としている。

すなわち、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とに分割したことで、熱的な分離を図ることができ、必要な部分のみにヒートシンクの配置が可能となって、小型軽量化が実現される。

また、熱的に分離したことで、パワーモジュール４１からの高温の熱が逆流防止ダイオード５１などに伝導されることが抑制される。したがって、発熱量の少ない電気部品に高温の熱が伝導されることにより生じる悪影響が抑制され、電力変換装置１としての信頼性も向上する。

しかも、左右に分割配置された第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２は、垂直中心線１００に対して略線対称の位置に設けられている。そのため、重量バランスも良好となり、取付用壁面２００に対して固定するビスなどの固定具に対しても、局部的に荷重が集中することが抑制され、電力変換装置１を壁面にしっかりと保持することができる。

なお、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とを分離する場合、上下ではなく、あくまでも左右に分離したのは、電気部品からの熱は上方へ移動するからである。例えば、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とを上下に分離した場合、下方のヒートシンクの熱は空中に放熱されて上方へ移動することになり、上方に位置するヒートシンクの放熱環境を悪化させてしまうことになるため好ましくない。

（変形例）
図７Ａは、第１のヒートシンク１１、第２のヒートシンク１２の各形状などの一例を示す説明図、図７Ｂおよび図７Ｃは、第１のヒートシンク１１、第２のヒートシンク１２の配置例を示す説明図である。

本実施形態に係る電力変換装置１では、図３および図４に示すように、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２との形状や大きさを放熱量などを勘案して異ならせているが、図７Ａに示すように、両者とも略同形、同サイズとすることもできる。なお、サイズを異ならせる場合、たとえば、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とで厚みを変えて、重量的には左右略同一にすることもできる。

また、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２は、垂直中心線１００に対して左右に離隔して配置されており、しかも、本実施形態に係る電力変換装置１では、図４に示すように、両方とも背面１０５の上部側に位置させている。しかし、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２の垂直方向の位置としては、図７Ｂや図７Ｃに示すように、いずれかが他方よりも上部側に位置するような配置であっても構わない。

要は、第１のヒートシンク１１と第２のヒートシンク１２とが、筐体１０を取付用壁面２００に取付けた状態で、垂直中心線１００を挟んで左右に分離していればよい。

なお、上述してきた電力変換装置１を、パワーコンディショナとは分離して配置された構成として説明したが、１つの筐体内に一体的に配設されていても構わない。

また、本実施形態では、相対的に発熱量の小さな第２の電気部品を逆流防止ダイオード５１として説明したが、これに限定されるものではなく、パワーモジュール４１が備えるスイッチング素子よりも発熱量の小さな電気部品であればよい。例えば、昇圧用ダイオード４２を第２の電気部品として第２のヒートシンクに取り付けてもよい。

また、本実施形態では、直流電圧を昇圧する２つの回路と、昇圧しない直流電圧を使用する２つの回路で構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、直流電圧を昇圧する１つの回路のみで構成されてもよい。この場合、パワーモジュール４１は第１の電気部品として第１のヒートシンク１１上に取り付けられ、昇圧用ダイオード４２は第２の電気部品として第２のヒートシンク１２上に取り付けられる。

以上、電力変換装置１を、上述してきた実施形態を通して説明したが、さらなる効果や変形例などは、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１電力変換装置
３制御部
４昇圧回路
５逆流防止回路
６端子部
１０筐体
１１第１のヒートシンク
１２第２のヒートシンク
１３第１の放熱層
１４第２の放熱層
２０電力変換部
４１パワーモジュール
５１逆流防止ダイオード
１００垂直中心線
２００取付用壁面

Claims

取付用壁面に設置可能であり、所定の発電装置と商用電力系統との間で電力変換を行うための電力変換部を収納した筐体を備え、
前記筐体は、
垂直中心線を挟み、互いに左右に離隔して配置された第１のヒートシンクと第２のヒートシンクとを有し、前記第１のヒートシンクは、相対的に発熱量の大きな第１の電気部品に対応する一方、前記第２のヒートシンクは、相対的に発熱量の小さな第２の電気部品に対応する
ことを特徴とする電力変換装置。
前記第１の電気部品は、前記電力変換部の電力変換回路に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電力変換回路は、直流電源の電圧を昇圧する昇圧部を有し、当該昇圧部に前記第１の電気部品が設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記第１の電気部品は、
直流電源の電圧を昇圧するための昇圧回路を構成する半導体素子である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
前記第２の電気部品は、逆流防止用ダイオードであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。