JP6277433B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力電力を交流電力に変換してパワーラインに出力する電力変換装置に関す
る。

近年、太陽電池、燃料電池、あるいは蓄電池などの直流電源の出力する電力を直流ライ
ンに入力し、入力電力を昇圧回路やインバータ回路を介して所望の交流電力（例えば、商
用電力系統と同期する交流電力）に変換して交流のパワーラインに電力を供給する電力変
換装置が提供されている。電力変換装置の昇圧回路やインバータ回路には、通常スイッチ
素子が使用され、このスイッチ素子を所定の周期で導通／遮断することにより入力電力を
所望の交流電力に変換する。

このような電力変換装置は、動作中にスイッチ素子の導通／遮断に起因するノイズ等が
パワーラインに出力される電力加わることになる。このようなノイズが加わった電力が、
パワーラインを介して負荷に供給されると、負荷の動作不良の原因になる場合がある。

このようなノイズが電力変換装置から出力されないようにするために、電力変換装置の
出力側にノイズフィルタ回路を設けて対処している（下記特許文献１参照）。例えば、パ
ワーラインにコモンモードチョークコイルの挿入、パワーライン間を接続するＸコンデン
サの配置、或いはパワーラインとグランド間を接続するＹコンデンサの配置等を行うこと
で、パワーラインにノイズが流入することを抑制できる。

一方、電力変換装置は、直流ラインやパワーラインを複数の配線基板に設けられる導電
パターンと、配線基板を接続するリード線の様な細長い配線とにより接続して入力電力を
所望の交流電力に変換している（特許文献２）。

特開２０１１−１４７２３８号公報 特開２００４−６４９９２号公報

しかしながら、各種フィルタ回路を経た交流電力が出力されるパワーラインにリード線
などの様な配線を含んで構成していると、例えば、ノイズ除去前の導電パターンに重畳さ
れているノイズにより発生する磁束を配線のリアクトル成分が拾って、結果、配線にノイ
ズが重畳されてしまうという問題があった。

また、従来の電力変換装置では、特に交流ラインのリアクトル成分によって周囲の電磁
ノイズを拾うことに対する対処が実質的に行われていなかった。このため、例えば、ノイ
ズフィルタ回路を備えていても、パワーラインに再びノイズが重畳されて外部へ出力され
るので、ノイズが重畳されていない高品質な交流電力を得ることは困難であった。

本発明は、この様な従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、特に入力電力をスイ
ッチ素子によって所望の電力に変換してパワーラインに出力する電力変換装置において、
このパワーラインの出力にノイズが重畳され難くした電力変換装置を提供することを目的
とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、単一の筐体内に、第１配線基板
及び第２配線基板に設けられる導電パターンとこれら両導電パターンを接続する配線と、
接地電位に電気的に接続されたヒートシンクと、を備え、 前記筺体内で、第１配線基
板を前記ヒートシンクの上に配置し、第２配線基板を前記ヒートシンク横の領域に配置す
ることを特徴とする。

本発明によれば、パワーラインの出力にノイズが重畳され難くした電力変換装置を提供
することができる。

実施形態の電力変換装置の外観斜視図である。 実施形態の電力変換装置の分解斜視図である。 図２のヒートシンク部分が取り付けられている筐体部分の平面図である。 実施形態の電力変換装置の部品配置図である。 実施形態の電力変換装置の回路図である。 第１部材の斜視図である。 図７Ａは上面パネル側から見た概略正面図であり、図７Ｂは図７Ａに配線を加えた状態を示す図である。 図８Ａは第２配線基板側から見た概略正面図であり、図８Ｂは図８Ａに配線を加えた状態を示す図である。

以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて詳細に説明する。ただし、以下に示
す各実施形態は、本発明の技術思想を理解するために電力変換装置を例示するものであっ
て、本発明をこの電力変換装置に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請
求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し
得るものである。

実施形態の電力変換装置の構成を図１及び図２を用いて説明する。実施形態の電力変換
装置１は、表面パネル２、背面パネル３、上面パネル４、下面主パネル５、下面補助パネ
ル６、右側面パネル７及び左側面パネル８によって周囲を覆われた略直方体状の形状の筺
体を有している。なお、この電力変換装置１は、表面パネル２側が前面となるように、背
面パネル３が壁面（図示省略）に取り付けられている。ただし、図１及び図２においては
、作図の都合上、表面パネル２が上方向となるように図示してある。

表面パネル２は、金属製又はプラスチック製であり、前方に向かって表示部９が設けら
れている。また、表面パネル２は、上面パネル４、下面主パネル５、下面補助パネル６、
右側面パネル７及び左側面パネル８が枠体を構成し、この枠体に表面パネル２は取り付け
及び取り外しが可能なように成されている。また、この枠体は鉄板等の金属で形成されて
おり、同じく鉄板等の金属で形成されている背面パネル３にネジ止めや溶接等によって取
り付けられている。

そして、下面主パネル５には通気孔５ａ及び通気スリット５ｂが形成されており、夫々
上面パネル４の通気孔４ａ及び通気スリット（図示省略）に対応して冷却空気の流れを作
っている。両通気スリット間には、ヒートシンク２１が配置されこのヒートシンク２１の
フィン２１ａの間を通気スリット５ｂから入った空気が上面パネル４の通気スリットへ向
かって流れるようになっている。また、下面補助パネル６は、下面主パネル５から取り外
し可能である。なお、右側面パネル７には、適宜電源スイッチ７ｂやＡＣコンセント７ｃ
等が設けられている。

また、下面補助パネル６の上部側には、直流入力端子及び交流出力端子を有する端子台
１７が配置されている。端子台１７は、背面パネル３に取り付けられた端子台保持板１８
と右側面パネル７との間に固定されている。この端子台１７には、背面パネル３に形成さ
れた切り欠き３ａを通して電力変換装置１の内部に導入されるＤＣ入力配線やＡＣ出力配
線（何れも図示省略）が接続されるようになっている。

筺体内部には、第１配線基板２０がヒートシンク２１上及びヒートシンク２１とは別構
成に設けられた第１部材２２上に、サポート２３（スペーサ）を介して所定間隔で取り付
けられている。ここで用いたサポート２３は、一方の端部側がオスネジ状に加工されてお
り、ヒートシンク２１及び第１部材２２に形成されたメスネジ状の孔にネジ止めされてい
る。

ヒートシンク２１は、背面パネル３にネジ止め等によって固定されており、グランド電
位（接地電位）に維持されている（電気的に接続されている）。

スイッチ素子モジュール２４は、スイッチ素子固定用ホルダ２５に複数のスイッチ素子
を内蔵して成る。スイッチ素子固定用ホルダ２５を開口２０ｃを介してヒートシンク２１
上に固定することにより、スイッチ素子のヒートシンク２１への放熱を可能にしている。
この第１配線基板２０の具体的構成及び第１配線基板２０とヒートシンク２１との電気的
接続状態の詳細については、後述する。

第１部材２２は、前記ヒートシンクと同じ高さになされており、図３に示したように、
ヒートシンク２１に隣接して、ヒートシンク２１に沿って下面主パネル５側から上面パネ
ル４側にわたって延在され、背面パネル３に取り付けられている。そして、第１部材２２
の右側面パネル７に沿った方向の長さはヒートシンク２１の対応する部分の長さよりも短
く、第１部材２２と上面パネル４との間には第２空間２２ａが形成されている。なお、第
１部材２２のより具体的な構成については後述する。

さらに、第１配線基板２０の上面パネル４に沿った方向（図３の左右方向）の長さはヒ
ートシンク２１の対応する長さよりも長くなっており、第１配線基板２０の端部２０Ａは
ヒートシンク２１の端よりも突き出された状態となっている。そして、第１配線基板２０
の端部２０Ａは、第１部材２２とスペーサ２３を介して固定されている。すなわち、ヒー
トシンク２１と第１部材２２とは同じ高さに維持されているので、第１配線基板２０はヒ
ートシンク２１及び第１部材２２にスペーサ２３を介して固定されている。

また、ヒートシンク２１の左側面パネル８側には、直流用リアクトルＤＣＬと、交流用
リアクトルＡＣＬとが並んで配置されている。さらに、第１配線基板２０の右側面パネル
７側、すなわち、第１部材２２の右側面パネル側には第２配線基板２６が配置されている
。そして、この第２配線基板２６には第１配線基板２０からの交流出力と系統との間の電
気的接続及び遮断を行う連系リレーＲＬＹが複数個（ここでは４個）設けられている。こ
の第２配線基板２６は、一方の端部側がオスネジ状に加工されたサポート（図示省略）に
よって、背面パネル３に取り付けられている。

次に、実施形態の電力変換装置１における第１配線基板２０の具体的構成について図４
及び図５を用いて説明する。太陽電池モジュール３０からの直流電力は、端子台１７の直
流入力端子１７ａ、１７ｂに入力され、この直流入力端子１７ａ、１７ｂからはそれぞれ
リード線１９ａ、１９ｂを経て第１配線基板２０の入力端子２０ａ、２０ｂに入力される
。入力端子２０ａ、２０ｂは、それぞれ、第１配線基板２０に形成された一対の直流パワ
ーライン３１、３２に接続されている。一対の直流パワーライン３１、３２は、大電流が
流れるため、第１配線基板２０の裏面側に厚膜パターンとして形成されている。

また、一対の直流パワーライン３１、３２には、電力変換装置１に入力される太陽電池
モジュール３０の直流電力に含まれるノイズを減衰するためのコモンモードチョークコイ
ルＬ１、ＸコンデンサＸ１、ＹコンデンサＹ１〜Ｙ４が適宜配置され、第１のノイズフィ
ルタ回路ＣＭＦ１を成している。

第１のノイズフィルタ回路ＣＭＦ１からの直流出力は、直流用リアクトルＤＣＬを経て
インバータを形成するスイッチ素子モジュール２４に入力されている。スイッチ素子モジ
ュール２４は、それぞれトランジスタ及び還流ダイオードの並列回路を直列接続した第１
〜第３のアーム回路を３つ並列に接続したものであり、ノイズフィルタ回路ＣＭＦ１側の
アーム回路の負極側のトランジスタと直流用リアクトルＤＣＬと平滑コンデンサＣＯＮを
用いて昇圧回路３６を構成し、残りの２つのアーム回路を用いてインバータ回路３７用を
構成している。

直流用リアクトルＤＣＬの入力側は第１のノイズフィルタ回路ＣＭＦ１を介して太陽電
池モジュール３０の正極に接続され、出力側はアーム回路の入力側Ａ点（アーム回路の２
つのスイッチ素子の接続点）に接続される。また、アーム回路の両端Ｂ点、Ｃ点を平滑コ
ンデンサＣＯＮに並列に接続すると共に、このＢ点、Ｃ点をインバータ回路３７の入力側
（直流側）に接続する。また、インバータ回路３７の出力点Ｄ点及びＥ点（交流側）はそ
れぞれ交流用リアクトルＡＣＬに接続されている。

なお、これらの昇圧回路３６及びインバータ回路３７は、それぞれ制御回路基板（不図
示）に設けられた制御回路からの信号によって制御されているが、これらの具体的な制御
方式は周知であるので、その詳細な説明は省略する。

直流用リアクトルＤＣＬ及び交流用リアクトルＡＣＬは、周波数５０Ｈｚないし６０Ｈ
ｚの低周波数交流に対するリアクタンスが大きいものが要求されるため、サイズが大きく
、重くなる。なお、本実施形態のような家庭用の電力変換装置１（出力が４Ｋｗ〜６Ｋｗ
程度）の場合でも、夫々２Ｋｇ〜３Ｋｇ程度の重量を有している。同様に、平滑コンデン
サＣＯＮも大容量が必要である。

また、一対の交流用リアクトルＡＣＬからの交流出力は、一対の交流パワーライン３８
、３９を経て、第２配線基板２６の連系リレーＲＬＹ１〜ＲＬＹ４に接続されている。一
対の交流パワーライン３８、３９は、大電流が流れるため、第１配線基板２０の裏面側に
厚膜パターンとして形成されている。

また、一対の交流パワーライン３８、３９にも、直流パワーラインと同様に、パワーラ
イン３８、３９に含まれるノイズを減衰するためのコモンモードチョークコイルＬ２、Ｌ
３、ＸコンデンサＸ２〜Ｘ４、ＹコンデンサＹ５〜Ｙ８が適宜配置され、第２のノイズフ
ィルタ回路ＣＭＦ２を成している。これらの一対の交流パワーライン、及び第２のノイズ
フィルタ回路ＣＭＦは第１配線基板２０に実装される。

次に、第１配線基板２０をヒートシンク及び第１部材への取り付けについて説明する。
図２及び図３を参照して説明する。図２及び図３に示したように、ヒートシンク２１上に
は複数個の同一高さのサポート２３が立設されている。サポート２３は、第１配線基板２
０を所定高さに維持した状態でヒートシンク２１及び第１部材を形成する第１部材２２上
に固定することを目的としている。

すなわち、第１配線基板２０には、サポート２３に対応する位置にネジ止め用の開孔が
形成されている。サポート２３に対応する位置の第１配線基板２０に形成された開孔から
第１配線基板２０をサポート２３の頂部にネジ止めする。これにより、第１配線基板２０
がサポート２３によってヒートシンク２１上に一定の高さに保持・固定される。

なお、第２のコモンモードフィルタ回路ＣＭＦ２からの出力は、第１配線基板２０の端
部２０Ａに設けられた出力端子２０ｄ及び２０ｅから引き回されたリード線の様な細長い
一対の配線４２ａ、４２ｂ（交流配線）を介して第２配線基板２６の入力端子２６ａ、２
６ｂに接続されている。

第２配線基板２６は、厚膜パターンからなる一対の交流パワーライン４３、４４が両側
端側に沿って形成されている。そして、交流パワーライン４３は、第２配線基板２６に配
置された２個の連系リレーＲＬＹ１及びＲＬＹ２の直列回路を経て交流出力端子１７ｃに
接続されており、同じく交流パワーライン４４は、第２配線基板２６に配置された２個の
連系リレーＲＬＹ３及びＲＬＹ４の直列回路を経て交流出力端子１７ｄに接続されている
。

これらの連系リレーＲＬＹ１〜ＲＬＹ４は、直流用リアクトルＤＣＬ、昇圧回路３６、
平滑コンデンサＣＯＮ、インバータ回路３７及び一対の交流用リアクトルＡＣＬによって
形成されるＤＣ／ＡＣインバータ回路の異常時ないし系統異常時にインバータ装置を系統
から切り離したり、復旧時に感電等が生じたりしないようにするために設けられるもので
ある。

この様に、第１配線基板２０及び第２配線基板２６に設けられる導電パターンと第１配
線基板２０及び第２配線基板２６に設けられる導電パターンとを接続する配線４２ａ、４
２ｂとにより出力のパワーラインを成している。

次に、第１部材２２の具体的構成、第１配線基板２０と第１部材２２との間の接続状態
及び一対の配線４２ａ、４２ｂの配置について、図３、図６〜図７を用いて説明する。

第１配線基板２０の端部２０Ａは、ヒートシンク２１上の領域から第２配線基板２６側
に突出しているとともに、第１配線基板２０の端部２０Ａから最も近い側壁面である上面
パネル４（本発明の第１側壁に対応）との間に第１配線基板２０の端部２０Ａ上面パネル
４とにより第１空間２０Ｂが形成されている。

第１部材２２は、鉄板ないしアルミニウム板を折り曲げ成形することにより、図６に示
した形状に作成されている。この第１部材２２は、縦断面が縦長の「コ」字状をしており
、ヒートシンク２１のスイッチモジュール２４が配置された面と略平行な面を有する第１
板材部２２ｂと、第１板材部２２ｂに略垂直に形成された第２板材部２２ｃと、第２板材
部２２ｃに略垂直で第１板材部２２ｂに平行に形成された第３板材部２２ｄを有している
。

また、第１板材部２２ｂには、第１部材２２を背面パネル３に取り付けるために第３板
材部２２ｄに形成されたネジを通すための貫通孔（図示省略）に相対向する位置に、切り
欠き２２ｅが形成されている。この切り欠き２２ｅは、第１部材２２を背面パネル３にネ
ジ止めするためのドライバーを挿通するための開口である。これにより、貫通孔にネジを
通して背面パネル４に第１部材２２をネジ止めすることができる。また、第１板状部２２
ｂには、サポート２３をネジ止めするためのメスネジ状のネジ孔２２ｆが複数箇所に形成
されている。

第１部材２２は、ヒートシンク２１と所定間隔を隔てて、ヒートシンク２１と平行に第
１配線基板２０と第２配線基板２６との間にねじ止めして取り付ける。これにより、第１
部材２２は、筺体の上面パネル４側からヒートシンク２１に沿って筺体の下面パネル５、
６側に向かって延在することになる。また、この際に、第１板材部２２ｂと上面パネル４
との間には、第１板材部２２ｂと上面パネル４とにより第２空間２２ａが形成される。そ
して、第２板材部２２ｃと上面パネル４との間には、第２板材部２２ｃと上面パネル４と
により第３空間２２ｇが形成される。また、第１部材２２の取り付けの際には、第２板材
部２２ｃが、第２配線基板２６側になるように配置する。

第１部材２２の第１板材部２２ｂに形成されたメスネジ状のネジ孔２２ｆにはサポート２
３が取り付けられ、このサポート２３上に第１配線基板の２０の端部２０Ａが平面視で第
１板材部２２ｂからはみ出ないようにネジ止め固定されている。

配線４２ａ、４２ｂは、第１配線基板２０の端部２０Ａから第１空間２０Ｂを通ってヒ
ートシンク２１側に折り曲げられ、ヒートシンク２１側面に沿って反端部２０Ａ側へ引き
回される。そして、配線４２ａ、４２ｂは、第１板材部２２と上面パネル４との間の第２
空間２２ａ、及び第２板材部２２ｃと上面パネル４との間の第３空間２２ｇを通って、第
２配線基板２６の入力端子２６ａ、２６ｂまで引き回されている。また、この際に、配線
４２ａ、４２ｂは、ヒートシンク側面横の領域を通り、筺体の上面パネル４に沿って第２
配線基板２６まで引き回される。

これにより、配線４２ａ、４２ｂは、第１配線基板２０の大部分からヒートシンクの側
面に隠れる形となる。このため、第１基板回路の導電パターンに重畳されるノイズにより
発生する磁束が、配線４２ａ、４２ｂに伝わるのをヒートシンクにより防ぐ（シールドす
る）ことができる（電磁ノイズを防ぐことができる）。これにより、配線４２ａ、４２ｂ
に重畳されるノイズを減衰する（少なくする）ことができる。このように、本実施形態で
は、スイッチ素子を冷却するヒートシンク２１をシールドとして兼用でき、例えば、ノイ
ズ除去前の導電パターンに重畳されているノイズ等の電磁ノイズを配線４２ａ、４２ｂの
リアクタ成分により拾い難くなっている。このため、ノイズの少ない高品質の交流電力が
得られるようになる。

また、第１部材２２によって第１配線基板２０の端部２０Ａを支持することができるの
で、第１配線基板２０の固定強度が向上し、配線４２ａ、４２ｂを折り曲げて引き回す際
に、第１配線基板の端部が折れてしまうことを抑制することができる。

また、配線４２ａ、４２ｂは、第２空間２２ａを通って引き回されるため、第１板材部
２２ｂにより第１配線基板２０から隠れる形となるため、ヒートシンク２１のシールドと
同様に、第１基板回路から発せられる電磁ノイズを第１板材部２２により防ぐ（シールド
する）ことができる。さらに、配線４２ａ、４２ｂは、第３空間２２ｇを通って引き回さ
れるため、第２板材部２２ｃにより第１配線基板２０から隠れる形となるため、ヒートシ
ンク２１のシールドと同様に、第１基板回路２０から発せられる電磁ノイズを第２板材部
２２ｃにより防ぐ（シールドする）ことができる。これらによっても、電磁ノイズを配線
４２ａ、４２ｂのリアクタ成分により拾い難くなっているため、ノイズの少ない高品質の
交流電力が得られるようになる。

また、第２板材部２２ｃを第２配線基板２６側に配置することにより、第２板部材によ
り、配線４２ａ、４２ｂがより多く第１配線基板２０から隠れる形となる。これにより、
配線４２ａ、４２ｂの電磁ノイズからのシールド効果が向上するようになる。尚、このこ
とは、第２板材部２２ｃがヒートシンク２１側になるように第１部材２２を取り付けるこ
とを否定するものではない。

また、第１配線基板２０は第１板材部２２ｂから第２配線基板２６側にはみ出ないよう
にしている。これにより、第１板材部２２ｂから配線４２ａ、４２ｂが第１配線基板２０
からより多く隠れる形となるため、第１基板回路２０から発せられる電磁ノイズを第２板
材部２２ｃにより防ぐ（シールドする）ことができる。

１…電力変換装置 ２…表面パネル ３…背面パネル ４…上面パネル ４ａ…通気孔
５…下面主パネル ６…下面補助パネル ７…右側面パネル ８…左側面パネル ９…
表示部 １７…端子台 １８…端子台保持板 １９ａ、１９ｂ…リード線 ２０…第１配
線基板 ２０Ａ…端部 ２０Ｂ…第１空間 ２１…ヒートシンク ２１ａ…フィン部分
２２…第１部材 ２２ａ…第２空間 ２２ｇ…第３空間 ２２ｂ〜２２ｃ…板材部 ２３
…サポート ２６…第２配線基板 ３０…太陽電池モジュール ３８、３９…交流パワ
ーライン ４２ａ、４２ｂ…配線 ４３、４４…交流パワーライン

Claims (4)

1. 単一の筐体内に、
   導電パターンが設けられ、直流電源から入力された直流電力を交流電力に変換する電力
   変換部が当該導電パターンに接続された第１配線基板と、
   導電パターンが設けられ、第１配線基板からの交流出力と系統との間の電気的接続及び
   遮断を行うリレーが設けられた第２配線基板と、
   第１配線基板及び第２配線基板に設けられる導電パターンと、を接続する配線と、
   接地電位に電気的に接続されたヒートシンクと、を備え、
   前記筺体内で、
   第１配線基板を前記ヒートシンクの上に配置し、第２配線基板を前記ヒートシンク上面
   の高さより低い領域に配置することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記筐体は、前記ヒートシンクが配置される背面パネル、左右の側面パネル、上面パネル
   、及び下面パネルを有し、
   前記領域は前記ヒートシンクの前記側面パネル側であることを特徴とする請求項１に記載
   の電力変換装置。
3. 前記配線を前記ヒートシンク横の領域を通して引き回して第２配線基板へ接続することを
   特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記ヒートシンクと第２配線基板との間には金属材料で形成されている第１部材が配置
   されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電力変換装置。

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