JP6144600B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体デバイスを有するＤＣ／ＡＣインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力変換装置に関する。

従来から、太陽電池のような直流電源から出力される直流電力を、ＤＣ／ＡＣインバータを含む電力変換装置により、商用の交流電力に変換して出力するソーラーシステムが知られている。この一例として、複数の直列・並列接続した太陽電池パネルを複数直列した太陽電池アレイと、太陽電池アレイの出力を直流から交流に変換し電力ケーブルに供給する小容量のインバータを含むインバータユニットとを有する太陽電池アレイユニットを複数備えた太陽光発電装置が挙げられる（例えば、特許文献１）。

ところで、ＤＣ／ＡＣインバータを構成するパワートランジスタのようなパワー半導体デバイスは、導通およびスイッチング動作に伴う電力損失により発熱する。また、ＤＣ／ＡＣインバータから発生する高調波を抑制するリアクトルは、電流が流れて導線内の電気抵抗および鉄損によって発熱する。この場合、ケース内に収納されたパワー半導体デバイスの近くに冷却ファンなどを設置して、発熱体に対して強制冷却を行うことが知られている（例えば、特許文献２）。

１ＭＷ（１０００ｋＷ）というようなメガソーラーシステムでは、多数の比較的大容量（例えば、太陽電池からの直流電力が２０ｋＷ）のＤＣ／ＡＣインバータ（電力変換回路部）が設けられる場合がある。例えば１ＭＷでは、２０ｋＷのＤＣ／ＡＣインバータを５０台使用する。通常、このような２０ｋＷ電力では、前記パワー半導体デバイスやリアクトルの発熱体の発熱量が大きいため、上記したケース内に送風用の冷却ファンを設けて、強制冷却を行っている。また、比較的大容量の直流電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力変換装置の場合も同様である。

特開２０１０−２７９２３４号公報 特開平７−３６５５６号公報

しかし、比較的大容量の直流電力を変換する電力変換装置において、冷却ファンを使用し強制冷却を行う場合、冷却ファンの駆動に直流電力の一部が消費されることとなり、その分だけ出力電力が減少し、エネルギー使用が効率的でない、という問題がある。

また、図７のように、パワー半導体デバイス４４、４５とリアクトル５１、５２を同じケース４０内に収納していたため、例えばリアクトル５１、５２からの発熱がパワー半導体デバイス４４、４５に伝播して、冷却の効果が向上しない場合もあった。この場合、パワー半導体デバイス４４、４５の後面に設置された図示しない冷却ファンの冷却を強くする必要があり、消費電力がより大きくなったり、冷却ファンを大型化したりする必要があった。また、冷却ファンには寿命の問題もあった。

本発明は、比較的大容量の直流電力を変換するものであっても、簡単な構成で、電力変換を自然冷却のみ（ファンレス）により実現できる電力変換装置を提供することを目的としている。また、電力変換装置の部品を収納するケースを良防塵防水性とすることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、パワー半導体デバイスを有するＤＣ／ＡＣインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換回路部と、前記パワー半導体デバイスの動作に起因する高調波を抑制するリアクトルと、前記電力変換回路部を収納する第１ケースと、第１ケースに取り付けられて、リアクトルを収納する熱伝導性の高い材料からなる第２ケースとを備えている。さらに、第１ケース内側のパワー半導体デバイスの位置に対向してその外側に隣接して設けられ、該パワー半導体デバイスを自然冷却するヒートシンクと、第１ケースおよび第２ケースにそれぞれ貫通孔が設けられて、この貫通孔内に前記パワー半導体デバイスとリアクトルとの接続線を通す配線部とを備え、第１ケース、第２ケースおよび第１ケースと第２ケースの間の配線部を含む接続部に、それぞれ防塵、防水処理がされるとともに、第２ケースが、第１ケース内側のパワー半導体デバイスおよびその外側のヒートシンクと離間して配置されている。

この構成によれば、発熱体であるパワー半導体デバイスとリアクトルとを離間させて配置するとともに、パワー半導体デバイスの発熱を放熱する自然冷却のヒートシンクを有することにより、パワー半導体デバイスの発熱を効果的に放熱するので、電力が比較的大容量であっても、簡単な構成で冷却ファンの不使用（ファンレス）を実現できる。また、各ケースを良防塵防水性とすることができる。さらに、故障の発生頻度が比較的高いパワー半導体デバイスを含む第１ケースを、リアクトルを含む第２ケースと分けてメインテナンスがしやすい位置に配置することにより、パワートランジスタのメインテナンスも容易となる。

本発明では、第１ケースの後面に前記ヒートシンクが設けられ、第２ケースが、当該ヒートシンクの横方または上方に配置されていること、または、第２ケースが、第１ケースの側面または上面に配置されていることが好ましい。これにより、パワー半導体デバイスの発熱を効果的に放熱するとともに、リアクトルの発熱がパワー半導体デバイスに影響を及ぼさないようにできる。また、前面側から第１ケース内のパワートランジスタのメインテナンスもより容易となる。さらに、装置を前後の厚さ方向に小型化できる。

好ましくは、第１ケースと第２ケースの間に、および／または第１ケースとヒートシンクの間に、熱伝導性の低い部材が挿入されてなる。この場合、第２ケースに発生する熱および／またはヒートシンクに発生する熱が第１ケース内に侵入するのをより防止することができる。また、第２ケースに熱伝導性の低い材料からなる蓋が設けられて、第１ケースと第２ケースの間に前記蓋が挿入されていてもよい

好ましくは、さらに、第２ケースの表面に自然冷却用のフィンを形成している。したがって、第２ケースの熱伝導性をより高くすることができる。

また、好ましくは、前記ヒートシンクに形成されたフィンが、装置を設置した状態で上向きとなるように形成されている。ヒートシンクをより効果的に放熱することができる。

本発明では、発熱体であるパワー半導体デバイスとリアクトルとを離間させて配置するとともに、パワー半導体デバイスを放熱する自然冷却のヒートシンクを有することにより、パワー半導体デバイスの発熱を効果的に放熱するので、直流電力が比較的大容量であっても、簡単な構成で冷却ファンの不使用を実現できる。また、第１ケースと第２ケースの間に、および／または第１ケースとヒートシンクの間に、熱伝導性の低い部材が挿入されてなるので、第２ケースに発生する熱および／またはヒートシンクに発生する熱が第１ケース内に侵入するのを防止することができる。さらに、各ケースを良防塵防水性とすることができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を示す正面図、（Ｂ）は側面から見た斜視図である。 図１の電力変換装置を示す背面図である。 図１の電力変換装置を示す回路図である。 （Ａ）、（Ｂ）は第２実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は第２実施形態に係る電力変換装置のリアクトルを示す斜視図である。 第３実施形態に係る電力変換装置を示す正面図である。 従来の電力変換装置を示す正面図である。

図１（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１を示す正面図である。（Ｂ）は側面から見た斜視図である。電力変換装置１は、ソーラーパネルからなる太陽電池Ｓの例えば２０ｋＷの直流電力を昇圧して商用の交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータを含むものである。この電力変換装置１と複数のソーラーパネルからなる太陽電池Ｓを複数並列に接続した設備を複数集合することにより、所望電圧の電力を出力するメガソーラーシステムのような所望の出力のソーラーシステムを構成することができる。

図１（Ａ）の電力変換装置１は、第１パワートランジスタ（パワー半導体デバイス）３のスイッチング動作により昇圧を行う昇圧回路４、第２パワートランジスタ（パワー半導体デバイス）５のスイッチング動作により電力変換を行うＤＣ／ＡＣインバータ（電力変換回路部）６、およびパワートランジスタ３、５のスイッチング動作により発生するノイズを抑制するノイズフィルタ８を収納する第１ケース２と、第１ケース２の後面側に配置されて、パワートランジスタ３、５のスイッチング動作により発生する熱を放熱する自然冷却の放熱フィンのようなヒートシンク７と、ＤＣ／ＡＣインバータ６から発生する高調波を抑制するＤＣリアクトル１１、第１ケース２に取り付けられて、ＡＣリアクトル１２を収納するアルミニウムや銅のような熱伝導性の高い材料からなる第２ケース１０とを備えている。

図１（Ｂ）のように、第１ケース２は一部後面が突出しており、上部中央に放熱フィン７、その下方の中央端部（左端）にノイズフィルタ８が収納されている。放熱フィン７は、例えば上下貫通孔７ａが左右方向（幅方向）に所定間隔で複数設けられたものであり、図１（Ａ）のように、パワートランジスタ３、５の後面領域をカバーするように配置されている（破線部）。放熱フィン７は、例えばアルミニウムや銅のような熱伝導性の高い材料により作製されている。第１ケース２の前面側は開口しており、図示しない開閉カバーが設けられている。第１ケース２の後面板２ａと、リアクトル１１、１２を収納する第２ケース１０の前面板１０ａには、パワートランジスタ３、５とリアクトル１１、１２との接続線Ｌを通すための配線用の貫通孔９をもつ配線部１４が設けられている。配線部１４には例えばケーブ保護可撓管が使用される。

第１ケース２内に収納されたパワートランジスタ３、５と、第２ケース１０に収納されたリアクトル１１、１２とは放熱フィン７の前後方向の厚み分だけ離間して配置されており、パワートランジスタ３、５は、リアクトル１１、１２からの発熱が伝播することなく、放熱フィン７による冷却の効果が弱められないようにできる。また、第１ケース２内で、パワートランジスタ３、５とノイズフィルタ８とが離間して配置されているので、発熱体であるノイズフィルタ８の発熱の影響を抑制して、放熱フィン７によりパワートランジスタ３、５を効果的に放熱することができる。

この例では、図１（Ｂ）のように、第２ケース１０は第１ケース２の放熱フィン７を介した後面側に配置されている。つまり、放熱フィン７を前後に挟んで第１ケース２と第２ケース１０が分離して配置されている。これにより、パワートランジスタ３、５が放熱フィン７の前面側から、リアクトル１１、１２が放熱フィン７の後面側から放熱され、これらの発熱体３、５、１１、１２が放熱フィン７の両面からより効果的に放熱される。また、第１ケース２は前面側に配置されているので、前面側から第１ケース２内のパワートランジスタ３、５をメインテナンスでき、メインテナンスも容易となる。さらに、放熱フィン７に形成されたフィンが、装置を設置した状態で上向きとなるように形成されているので、放熱フィン７をより効果的に放熱することができる。

また、第１ケース２、第２ケース１０の図示しない隙間部、および第１ケース２と第２ケース１０の間の配線部１４などには、それぞれコーキング処理のような防塵、防水処理２１が施されている。図１（Ｂ）のように、第１ケース２と第２ケース１０の間、および第１ケース２と放熱フィン７の取付板１７の間には、第１ケース２に第２ケース２および放熱フィン７の熱が伝わらないようにする熱伝導性の低い部材２２がそれぞれ挿入されている。前記部材２２は薄板とする場合もある。さらに、第１ケース２と第２ケース１０の間において、第２ケース１０内のリアクトル１０、１１と対向する第１ケース２の部分のみの例えば内壁に熱伝導性の低い部材を貼り付けるようにすることもできる。

なお、第２ケース１０の表面に図示しない自然冷却用のフィンを形成してもよい。この場合、第２ケース１０の熱伝導性をより高くすることができる。

なお、リアクトル１１、１２はパワートランジスタと比べて故障しにくく、メインテナンスがほぼ不要であるので、第２ケース１０を後面側に配置しても支障はない。また、第２ケース１０内でリアクトルを樹脂などにより練り固めてもよい。

図２は、図１の背面図を示す。この図のように、第１ケース２の後面板２ａと第２ケース１０の前面板１０ａとを貫通する貫通孔９により接続線Ｌが通され、第１ケース２内の回路要素と第２ケース１０内のＤＣリアクトル１１およびＡＣリアクトル１２が電気的に接続されている。

図３は、電力変換装置１を示す回路図である。ＩＧＢＴのような第１パワートランジスタ５のスイッチング動作により、太陽電池Ｓの直流電力を商用の交流電力に変換する電力変換を行うＤＣ／ＡＣインバータ６、およびＤＣ／ＡＣインバータ６と例えば４００Ｖの系統連系１５との間にＡＣリアクトル１２が設けられている。

また、ＤＣリアクトル１１とＤＣ／ＡＣインバータ６との間には、太陽電池Ｓの直流電力をＩＧＢＴのようなパワートランジスタ３のスイッチング動作により昇圧を行う昇圧回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４が設けられている。

昇圧回路４のパワートランジスタ３およびＤＣ／ＡＣインバータ６のパワートランジスタ５は、放熱フィン７（後面側）により放熱される。

このように、パワートランジスタ３、５の発熱は、他の発熱体であるリアクトル１１、１２およびノイズフィルタ８が離間して配置されているので、これらの発熱の影響が抑制されて、比較的大容量のインバータ回路６の温度上昇が低減されることから、冷却ファンを設ける必要がなく、パワートランジスタ３、５の後面側に設置された自冷式の放熱フィン７により十分に放熱することができる。

こうして、本発明では、発熱体であるパワートランジスタとリアクトルとを離間させて配置するとともに、パワートランジスタの発熱を放熱する自然冷却のヒートシンク（放熱フィン）を有することにより、パワートランジスタの発熱を効果的に放熱するので、直流電力が比較的大容量であっても、簡単な構成で冷却ファンの不使用（ファンレス）を実現できる。また、各ケースを良防塵防水性とすることができる。さらに、故障の発生頻度が比較的高いパワートランジスタを含む第１ケースを、リアクトルを含む第２ケースと分けてメインテナンスがしやすい位置に配置することにより、パワートランジスタのメインテナンスも容易となる。

図４は、第２実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図である。図４（Ａ）は前面側から見た図、図４（Ｂ）は後面側から見た図である。図４（Ａ）のように、第１ケース２内にパワートランジスタ３、５を有するＤＣ／ＡＣインバータ６が収納されている。この第２実施形態では、第１実施形態と異なり、複数の第２ケース１０が、第１ケース２の後面に設けられた放熱フィン７の横方に配置されている。つまり、図４（Ｂ）のように、複数の第２ケース１０と放熱フィン７とが所定間隔をおいて配置されている。これにより、第１ケース２内のパワートランジスタ３、５の発熱を効果的に放熱することができる。また、放熱フィン７を第１ケース２に取り付ける取付板１７と第１ケース２との間に、第１ケース２に放熱フィン７の熱が伝わらないようにする熱伝導性の低い部材２２が挿入されるなど、その他の構成は、第１実施形態と同様である。前記部材２２は薄板とする場合もある。

図５（Ａ）は、ＡＣリアクトル１２およびこれを収納する熱伝導性の高い材料からなる第２ケース１０、図５（Ｂ）はＤＣリアクトル１１およびこれを収納する同様の第２ケース１０を示す斜視図である。各第２ケース１０にはそれぞれ蓋１５、１６が設けられている。第１ケース２に蓋１５、１６を介して各第２ケース１０を取り付ける場合、この蓋１５、１６を、第１ケース２に各第２ケース１０の熱が伝わらないように、それぞれ熱伝導性の低い材料で形成する。各第２ケース１０の隙間部には、コーキング処理のような防塵、防水処理２１が施されている。

これにより、第２実施形態は、第１実施形態と同様に、パワートランジスタの発熱を放熱する自然冷却のヒートシンクを有することにより、パワートランジスタの発熱を効果的に放熱するので、直流電力が比較的大容量であっても、簡単な構成で冷却ファンの不使用（ファンレス）を実現できる。また、各ケースを良防塵防水性とすることができる。

図６は、第３実施形態に係る電力変換装置を示す正面図である。第２ケース１０は、ＤＣリアクトル１１とＡＣリアクトル１２とをそれぞれ収納した２つのケース１０Ａ、１０Ｂからなり、第１ケース２の両側面に隣接して２つのケース１０Ａ、１０Ｂがそれぞれ配置されている。第１ケース２の両側面とケース１０Ａ、１０Ｂの側面とが図示しないボルトにより連結されている。貫通孔９Ａ、９Ｂを介して、第１ケース２内の回路要素とケース１０Ａ内のＤＣリアクトル１１およびケース１０Ｂ内のＡＣリアクトル１２とがそれぞれ電気的に接続されている。第２ケース１０は、第１ケース２ではなく放熱フィン７の両側面に配置してもよく、またＤＣリアクトル１１およびＡＣリアクトル１２を収納する単一のケースで、第１ケース２の側部の一方に隣接して配置してもよい。したがって、第１ケース２の側面に第２ケース１０が配置されるので、前後の厚さ方向に装置を小型化できる。

なお、単一のケースからなる第２ケース１０を、第１ケース２の側面ではなく、放熱フィン７の放熱を妨げない上方（図６の二点鎖線）に配置してもよい。この場合も、前後の厚さ方向に装置を小型化できる。

また、各実施形態では、ＤＣ／ＡＣインバータを含む電力変換装置に適用しているが、ＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力変換装置に適用してもよい。

なお、各実施形態では、ＡＣリアクトル１２およびノイズフィルタ８を設けているが、必要に応じて省略してもよい。

１：電力変換装置
２：第１ケース
３：パワー半導体デバイス（パワートランジスタ）
４：昇圧回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
５：パワー半導体デバイス（パワートランジスタ）
６：ＤＣ／ＡＣインバータ（電力変換回路部）
７：ヒートシンク（放熱フィン）
８：ノイズフィルタ
９：貫通孔
１０：第２ケース
１１：ＤＣリアクトル
１２：ＡＣリアクトル
１４：配線部
２２：熱伝導性の低い部材
Ｓ：太陽電池

Claims (7)

1. パワー半導体デバイスを有するＤＣ／ＡＣインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換回路部と、前記パワー半導体デバイスの動作に起因する高調波を抑制するリアクトルと、前記電力変換回路部を収納する第１ケースと、第１ケースに取り付けられて、リアクトルを収納する熱伝導性の高い材料からなる第２ケースとを備えた電力変換装置であって、
   第１ケース内側のパワー半導体デバイスの位置に対向してその外側に隣接して設けられ、該パワー半導体デバイスを自然冷却するヒートシンクと、
   第１ケースおよび第２ケースに貫通孔が設けられて、この貫通孔内に前記パワー半導体デバイスとリアクトルとの接続線を通す配線部とを備え、
   第１ケースおよび第２ケースにそれぞれ防塵、防水処理がされて、第１ケースおよび第２ケース内部が外部と粉塵および水を遮断されるとともに、
   第２ケースが、第１ケース内側のパワー半導体デバイスおよびその外側のヒートシンクと離間して配置されている、電力変換装置。
2. 請求項１において、
   第１ケースの後面に前記ヒートシンクが設けられ、第２ケースが、当該ヒートシンクの横方または上方に配置されている、電力変換装置。
3. 請求項１において、
   第１ケースの後面に前記ヒートシンクが設けられ、第２ケースが、第１ケースの側面または上面に配置されている、電力変換装置。
4. 請求項１において、
   第１ケースと第２ケースの間に、および／または第１ケースとヒートシンクの間に、熱伝導性の低い部材が挿入されてなる、電力変換装置。
5. 請求項４において、
   第２ケースに熱伝導性の低い材料からなる蓋が設けられて、第１ケースと第２ケースの間に前記蓋が挿入されてなる、電力変換装置。
6. 請求項１において、さらに、
   第２ケースの表面に自然冷却用のフィンを形成した、電力変換装置。
7. 請求項６において、
   前記ヒートシンクに形成されたフィンが、装置を設置した状態で上向きとなるように形成されている、電力変換装置。

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