JP6019991B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、電力変換装置に関する。

近年、太陽光などから得られるエネルギを供給するシステムの開発がなされている。かかる発電システムのうち、たとえば、一般に利用される太陽光発電システムでは、太陽光によって発電された直流電力を交流電力に変換して一般家庭等に供給するための電力変換装置が必要となる。

かかる電力変換装置には、電力変換回路を構成するパワーモジュールやリアクトル、コンデンサといった多くの発熱部品が搭載される。このため、電力変換装置には、これら発熱部品を放熱させる機構を設ける必要があるが、一般家庭等の家屋に設置される点を鑑みれば、静音性に優れることが好ましい。

そこで、送風機といった比較的運転音の大きい部品を要する強制空冷方式ではなく、放熱フィン等を用いた自然空冷方式を採用することで静音性を高めた電力変換装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、特許文献１には、筐体内を仕切板で中央室と側室とに分割し、中央室には電力変換素子（パワーモジュール）および電子回路素子が取り付けられた基板を、側室にはリアクタ（リアクトル）を、それぞれ設けた電源装置（電力変換装置）が開示されている。

特開２００１−０２８８８４号公報

しかしながら、従来の電力変換装置は、一般家庭等の家屋への設置に適した、具体的には、耐ノイズ性および放熱性に優れたコンパクトな構成とするうえでさらなる改善の余地がある。

たとえば、パワーモジュールやリアクトル、コンデンサ間の配線からは、これを流れる大電流によってノイズが生じやすいが、従来の電力変換装置は、かかるノイズへの対策が不十分であった。また、パワーモジュールやリアクトルといった発熱部品が分散して配置されるため、効率的な放熱効果を得づらいうえに、省スペース化も図りづらかった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、耐ノイズ性および放熱性に優れたコンパクトな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、壁面に設置可能な筐体を備え、該筐体内には、複数のパワーモジュールおよび該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配置され、前記パワーモジュールは、該パワーモジュールに対応する前記リアクトルと所定の間隔を空けて配置され、前記パワーモジュールおよび前記リアクトルの組は、前記パワーモジュール同士および前記リアクトル同士がそれぞれ水平方向に沿って一列に揃うように並設される。

実施形態の一態様によれば、耐ノイズ性および放熱性に優れたコンパクトな電力変換装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置の使用状態を示す説明図である。 図２は、同電力変換装置の主回路構成を示す説明図である。 図３は、同電力変換装置の分解斜視図である。 図４は、同電力変換装置の内部構造を示す斜視図である。 図５は、同電力変換装置の側面視による説明図である。 図６は、同電力変換装置の内部構造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の概略について、図１および図２を用いて説明する。図１は実施形態に係る電力変換装置１の使用状態を示す説明図、図２は電力変換装置１の主回路構成を示す説明図である。

本実施形態に係る電力変換装置１は、所定の取付用壁面２００に保持可能な壁掛けタイプとして構成されており、たとえば、一般家庭の家屋内の取付用壁面２００に設置可能な筐体１０を備えている。

図１に示すように、筐体１０は、前面開口の矩形箱型のケース本体１００と、このケース本体１００に着脱自在に取付けられた前面パネル１１０とを有し、取付ベース板１２０を介して取付用壁面２００に取付けられる。

取付用壁面２００に取付けられた電力変換装置１は、直流電力の発電手段である太陽光電池パネル２と入力ケーブル２１を介して接続する一方、交流電力の交流電源４０と単相三線の出力ケーブル２２を介して接続している。なお、太陽光電池パネル２は、太陽光を受けて直流電力を発生する複数の太陽電池セルにより構成されており、例えば、家屋の屋根などに設けられる。

また、電力変換装置１の筐体１０の右側側面には、出力端子であるコンセント４１０を設けている。このコンセント４１０にコード２３を繋ぐことによって、例えば、停電時にも電気器具４３０に電力を供給することができる。

なお、以下において、電力変換装置１の各構成要素の相対的な位置関係を説明する場合、上下左右側、及び前後側あるいは手前側、奥側で方向を示す場合があるが、各方向の基準となるのは、電力変換装置１を壁掛けし、正対した状態とする。

こうして、電力変換装置１は、太陽光電池パネル２が太陽光を受けて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、切換スイッチ４１（図２）を介して交流電源４０や電気器具４３０に供給することができる。

本実施形態に係る電力変換装置１の筐体１０内には、図２に示すように、パワーモジュール６およびリアクトル７が配設されている。パワーモジュール６は、第１、第２、第３のパワーモジュール６１，６２，６３によって構成される。また、リアクトル７は、第１、第２、第３のパワーモジュール６１，６２，６３のそれぞれに対応する第１、第２、第３のリアクトル７１，７２，７３によって構成される。ここでは、第１のパワーモジュール６１と、直流リアクトルである第１のリアクトル７１とが組をなす。また、第２のパワーモジュール６２と、交流リアクトルである第２のリアクトル７２とが組をなすとともに、第３のパワーモジュール６３と、これも交流リアクトルである第３のリアクトル７３とが組をなす。

また、図示するように、パワーモジュール６およびリアクトル７の組にそれぞれ対応するコンデンサ５をさらに備えている。かかるコンデンサ５は、インバータ用平滑コンデンサとしての機能を有し、パワーモジュール６のスイッチングによって生じる電圧変動を平滑にする。また、副次的な機能として、サージ電圧の上昇を抑制することもできる。かかるコンデンサ５は、第１〜第３のインバータ用平滑コンデンサ５１，５２，５３によって構成されており、第１〜第３のパワーモジュール６１〜６３および第１〜第３のリアクトル７１〜７３の各組にそれぞれ対応して設けられる(図４参照)。

なお、上述のとおり、第１〜第３のインバータ用平滑コンデンサ５１，５２，５３を総称してコンデンサ５としたが、同様に、以下では、３つのパワーモジュール６１，６２，６３を総称してパワーモジュール６と記す場合がある。また、３つのリアクトル７１，７２，７３についても、総称してリアクトル７と記す場合がある。

また、図２に示すように、筐体１０内には、入力用基板３および出力用基板部４が収納されている。入力用基板３には、入力側ノイズフィルタ８４や入力平滑コンデンサ５０等を有し、直流電力を入力する入力回路が設けられている。入力平滑コンデンサ５０は、太陽光電池パネル２から出力される入力側の電圧変動を平滑にする機能を有する。また、出力用基板部４には、出力側ノイズフィルタ８５等を有し、交流電力を出力する出力回路が設けられている。

なお、図２は、あくまでも回路の説明図であり、回路を構成する要素などは、実際の物理的な配置とは異なる。たとえば、入力用基板３と出力用基板部４とは、図２ではパワーモジュール６やリアクトル７やコンデンサ５を有するパワー回路を挟んで左右に位置しているように示されているが、本実施形態では、後述する一例のように、筐体１０の前後方向に並設されている（図３参照）。

パワーモジュール６は、図示するように、スイッチング素子として機能する２つの半導体素子６０，６０を備えた回路を有し、３つのパワーモジュール６１，６２，６３が、筐体１０内において水平方向に沿って一列に並設されている。なお、パワーモジュール６１については、２つの半導体素子６０，６０のうち１つはダイオード(図示せず)が適用される場合がある。

なお、本実施形態に係る電力変換装置１では、３つのパワーモジュール６１，６２，６３は、それぞれ独立したパッケージを有する構成としている。しかし、このような独立した構成に限らず、たとえば、１つの共通パッケージに、半導体素子６０を２つずつ設けて３つのパワーモジュール６１，６２，６３を構成することもできる。

また、半導体素子６０を構成する材料として、たとえば、単元素半導体のシリコン、III−Ｖ族化合物半導体、III−ＶＩ族化合物半導体の中から好ましい材料を適宜設定することができる。

さらに、筐体１０内には、外部コントロール基板８１と、制御基板８２と、電源基板８３とが収納されている。電源基板８３は、外部コントロール基板８１と制御基板８２とに電力供給する制御電源が設けられている。

上述したように、入力用基板３には、入力回路の一部を構成する入力側ノイズフィルタ８４が設けられており、出力用基板部４には、出力回路の一部を構成する出力側ノイズフィルタ８５が設けられている。これら入力側ノイズフィルタ８４および出力側ノイズフィルタ８５は、いずれも高周波ノイズを除去するＥＭＩフィルタである。

また、出力用基板部４には、自立運転と系統運転とを切り換える切換スイッチ４１が設けられるとともに、電力変換用のパワー回路に対する入力端子および出力端子を備えた外部接続端子台４２が設けられている。

上述してきた構成により、太陽光電池パネル２で発電された直流電力は、筐体１０の右側下部に設けられた外部接続端子台４２の入力端子を経由して入力側ノイズフィルタ８４から入力平滑コンデンサ５０および第１のリアクトル７１を介して半導体素子６０，６０を備えたパワーモジュール６に至る。そして、パワーモジュール６により直流から変換された交流電力は、第２、第３のリアクトル７２，７３、およびフィルタ用コンデンサ５４を介して出力側ノイズフィルタ８５に至る。第２、第３のリアクトル７２，７３およびフィルタ用コンデンサ５４は、高調波抑制用のフィルタとして機能する。交流電力は、さらに、出力側ノイズフィルタ８５から外部接続端子台４２の出力端子を介して、交流電源４０に供給されることになる。

ここで、図３〜図６を参照しながら、電力変換装置１の内部構造について説明する。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の内部構造を示す斜視図、図５は、電力変換装置１の側面視による説明図、図６は、電力変換装置１の内部構造を示す説明図である。

本実施形態に係る電力変換装置１は、図６に示すように、筐体１０を、高発熱部１１と低発熱部１２とに区画している。すなわち、ノイズや熱の発生源となるパワーモジュール６およびリアクトル７と、ノイズや熱を殆ど発生することのない入力用基板３および出力用基板部４とを、筐体１０の内部で物理的に分離している（図３参照）。こうして、筐体１０内を、高ノイズ発生部ともなる高発熱部１１と、低ノイズ発生部ともなる低発熱部１２とに区画することにより、入力回路および出力回路へのノイズや熱による悪影響を可及的に抑制するようにしている。

本実施形態に係る電力変換装置１では、筐体１０の左右長手方向に沿って、高発熱部１１および低発熱部１２が水平方向に並列に形成されている。かかる構成により、電力変換装置１の各種構成要素を、高熱を発生する要素と発生しない要素とに分離しつつ筐体１０内にコンパクトに収めることができ、電力変換装置１の小型化に寄与することができる。

図３〜図６に示すように、高ノイズ発生部ともなる高発熱部１１は、第１〜第３のパワーモジュール６１〜６３および第１〜第３のリアクトル７１〜７３を、筐体１０の奥側、すなわち、取付用壁面２００側に設けた放熱部材９に当接させつつ配置して形成される。なお、本実施形態における放熱部材９は、実質的には、ヒートシンク９１と、このヒートシンク９１とパワーモジュール６およびリアクトル７との間に介在させる熱伝導シートやシリコンコンパウンド（いずれも不図示）などから構成される。ヒートシンク９１には複数のフィン９１０が形成されている（図３）。

一方、低ノイズ発生部ともなる低発熱部１２は、入力用基板３に設けられた前述の入力回路と、出力用基板部４に設けられた前述の出力回路が配置されて形成される。図３に示すように、入力用基板３は、筐体１０の奥側（取付用壁面２００側）に、絶縁シート１６０を介して配設されており、出力用基板部４は、入力用基板３に対して筐体１０の前側に、所定間隔をあけて重合状態に配置されている。

本実施形態における出力用基板部４は、図６に示すように、パワー回路が設けられたパワー基板部６００と一体形成されており、図示するように、隔壁１３０を介して高発熱部１１と低発熱部１２とに区画されている。なお、隔壁１３０は、金属板により形成されており、出力用基板部４の各回路などに対してリアクトル７からの熱のみならず、放射ノイズによる影響をも回避できるようにしている。また、本実施形態では、図示することは省略しているが、出力用基板部４とパワー基板部６００とが形成された基板裏側の空間についても、隔壁を介して高発熱部１１と低発熱部１２とに区画している。なお、図示した隔壁１３０と基板裏側に設けた隔壁とは別体であってもよいし、たとえば、一体の隔壁を用いて、基板を貫通させた状態で配設してもよい。

図６に示すように、パワーモジュール６は、当該パワーモジュール６に対応するリアクトル７の鉛直下方に所定の間隔を空けて配置されている。そして、パワーモジュール６およびリアクトル７の各組（第１のパワーモジュール６１と第１のリアクトル７１、第２のパワーモジュール６２と第２のリアクトル７２、第３のパワーモジュール６３と第３のリアクトル７３）は、第１〜第３のパワーモジュール６１〜６３同士および第１〜第３のリアクトル７１〜７３同士がそれぞれ水平方向に沿って一列に揃うように並設されている。

かかる構成により、パワーモジュール６とリアクトル７との距離Ｄ２を可及的に縮めることができるとともに、両者を等間隔で配置することが可能となる。したがって、安定的にノイズの発生を抑制することができ、かつ、電力変換装置１の小型化に寄与することができる。

また、図６に示すように、高発熱部１１内における上側にリアクトル７が、下側にパワーモジュール６が配置されることになる。そして、発熱量の大きい各パワーモジュール６は、図５に示すように、放熱部材９に当接した状態で配設されている。

すなわち、パワーモジュール６の熱は、主にヒートシンク９１を介して放熱されるが、当該パワーモジュール６を、発熱する部品の中でも最下方位置に配設したため、筐体１０の外部のフレッシュな空気を受けやすくなり、冷却効果をより高めることができる。他方、筐体１０における高発熱部１１の上側に配置されたリアクトル７の熱は、自然対流などにより、筐体１０の内部を流れる空気によって冷却される。なお、筐体１０の内部に空気が円滑に流れるように、筐体１０のケース本体１００上面および底面には、多数のスリット群１５０が形成されている（図１および図３を参照）。

なお、互いに前後方向に重なるように配設されたパワーモジュール６とパワー基板部６００とは、図５に示すように、リード６４０により接続している。

ところで、リアクトル７は、図６に示すように、第１〜第３のリアクトル７１〜７３のいずれも、その外周径Ｄ１を略同一とする略円筒状に形成されている。そして、円筒の中心軸を共有し、かつ、中心軸が水平方向に略平行となるように配置されている。

したがって、図３〜図５に示すように、第１〜第３のリアクトル７１〜７３は、共通の固定ホルダ７５によって固定することが可能となり、リアクトル７の設置および固定に要する余分なスペースを排除することができる。したがって、筐体１０内におけるデッドスペースの発生を抑制できるため、筐体１０をサイズダウンすることができ、結果的に電力変換装置１の小型化に寄与することができる。

固定ホルダ７５は、すべてのリアクトル７（第１〜第３のリアクトル７１〜７３）を保持したまま放熱部材９と一体に連結可能に構成されており、図５に示すように、リアクトル７の外周と略同じ曲率の湾曲面７５１を有する。そして、同様な湾曲面７６１を有し、ヒートシンク９１に密着して取付けられたリアクトルベース７６との間でリアクトル７を抱持可能としている。なお、図３に示すように、固定ホルダ７５とリアクトルベース７６とは、連結杆７７によって連結されている。

また、固定ホルダ７５の外側面上半部には、複数のフィン７５２が長手方向に列設されており、リアクトル７に対する冷却効果をより高めている。すなわち、リアクトル７は、固定ホルダ７５とリアクトルベース７６との間から進入する下方からの自然対流によって冷却されるとともに、リアクトルベース７６からヒートシンク９１を介して放熱される。さらに、リアクトル７の外周面手前側は、複数のフィン７５２を有する固定ホルダ７５を介して放熱されることになる。

なお、リアクトル７の少なくとも１つは、直流リアクトルであり、当該直流リアクトルにより、パワー基板部６００に供給される直流電力を所要の電圧に昇圧している。そして、他の交流リアクトルにより、パワー基板部６００で発生する高調波の外部流出を抑制している。

ここでは、図２に示すように、第１のリアクトル７１を直流リアクトルとしている。そして、この第１のリアクトル７１は、入力用基板３に寄せて配置されている。これに伴い、第１のリアクトル７１に対応して組をなす第１のパワーモジュール６１も入力用基板３に近接する位置に設けられることになる。

直流リアクトルである第１のリアクトル７１は、交流リアクトルである第２、第３のリアクトル７２，７３に比べ、巻線数が多く、軸方向の丈が長くなっているため、重量的にも嵩む。このように、相対的に重量のある第１のリアクトル７１を入力用基板３に寄せて配置したため、結果的には筐体１０の中央寄りに配置されることになり、筐体１０を取付用壁面２００に掛けたときの重量バランスが良好となる。

また、本実施形態に係る電力変換装置１は、パワーモジュール６およびリアクトル７の組にそれぞれ対応するコンデンサ５、すなわち、第１、第２、第３のインバータ用平滑コンデンサ５１，５２，５３を備えている。

かかるコンデンサ５（第１〜第３のインバータ用平滑コンデンサ５１〜５３）は、図６に示すように、対応する組のパワーモジュール６およびリアクトル７の間に、他の組のコンデンサ５と水平方向に沿って一列に揃うように配置されている。

このように、コンデンサ５を含むパワー回路では、それぞれ組をなすパワーモジュール６、リアクトル７、およびコンデンサ５が、等間隔に整然と配置されることになり、高発熱部１１内において各要素を集中配置することが可能となっている。したがって、筐体１０の小型化、さらには配線長さも短くなるためノイズ発生の抑制にも貢献することができる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る電力変換装置１は、筐体１０内の長手方向の一側に、発熱する複数のパワーモジュール６および各パワーモジュール６のそれぞれに対応する複数のリアクトル７を集中配置して高発熱部１１を形成している。一方、他側には、直流電力を入力する入力回路および交流電力を出力する出力回路を配置して低発熱部１２を形成している。このように、筐体１０内を高発熱部１１と低発熱部１２とに、水平方向に並列的に区画したため、小型でコンパクトな筐体１０を採用しながら、耐ノイズ性および放熱性に優れた電力変換装置１とすることができる。

なお、上述してきた電力変換装置１は、高発熱部１１と低発熱部１２とを隔壁１３０によって区画したが、必ずしも隔壁１３０を設ける必要はない。また、隔壁１３０を設ける場合でも、上述したように、出力用基板部４とパワー基板部６００とを一体形成した基板の裏面側の空間にも設けるのではなく、基板の表面側にのみ立設してもよい。あるいは、基板の裏面側の空間のみに設けても構わない。

また、上述してきた電力変換装置１は、筐体１０内を、高発熱部１１と低発熱部１２とに二分したが、たとえば、低発熱部１２を第１の低発熱部と第２の低発熱部とに分離し、中央に高発熱部１１を形成し、これを挟むように、第１の低発熱部と第２の低発熱部とを配置することもできる。

この場合、一体形成されたパワー基板部６００と出力用基板部４とを分離形成し、前後方向に所定間隔をあけて重なるように配設していた入力用基板３と出力用基板部４とをそれぞれ第１の低発熱部と第２の低発熱部として、高発熱部１１を挟むように左右に配置すればよい。かかる構成とすれば、筐体１０をより薄くすることができる。また、かかる構成とした場合でも、高発熱部１１と第１の低発熱部および第２の低発熱部とを、隔壁１３０でそれぞれ区画することができる。

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 入力用基板
４ 出力用基板部
５ コンデンサ
６ パワーモジュール
７ リアクトル
９ 放熱部材
１０ 筐体
１１ 高発熱部
１２ 低発熱部
７５ 固定ホルダ
１３０ 隔壁
２００ 取付用壁面

Claims (8)

1. 壁面に設置可能な筐体を備え、
   該筐体内には、
   複数のパワーモジュールおよび該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配置され、
   前記パワーモジュールは、
   該パワーモジュールに対応する前記リアクトルと所定の間隔を空けて配置され、
   前記パワーモジュールおよび前記リアクトルの組は、
   前記パワーモジュール同士および前記リアクトル同士がそれぞれ水平方向に沿って一列に揃うように並設される
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記筐体内は、
   前記複数のパワーモジュールおよび前記複数のリアクトルが前記筐体の前記壁面側に具備された放熱部材に当接されつつ配置される高発熱部と、
   入力回路および出力回路が配置される低発熱部と、
   に区画され、
   前記パワーモジュールは、前記リアクトルの鉛直下方に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記高発熱部および前記低発熱部は、
   水平方向に並列に配置されること
   を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記リアクトルは、
   外周径を略同一とする略円筒状にそれぞれ形成されるとともに、該円筒の中心軸を共有し、かつ、前記中心軸が水平方向に略平行となるように配置されること
   を特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
5. すべての前記リアクトルを保持したまま前記放熱部材と一体に連結されるホルダ
   をさらに備えること
   を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記リアクトルの少なくとも１つは、直流用の直流リアクトルであって、
   前記直流リアクトルは、
   前記入力回路を備える基板に寄せて配置されること
   を特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の電力変換装置。
7. 前記高発熱部および前記低発熱部は、
   隔壁によって区画されていること
   を特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の電力変換装置。
8. 前記パワーモジュールおよび前記リアクトルの組にそれぞれ対応するコンデンサをさらに備え、
   該コンデンサは、
   対応する組の前記パワーモジュールおよび前記リアクトルの間に、他の組の前記コンデンサと水平方向に沿って一列に揃うように配置されること
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の電力変換装置。

Images