JP6424333B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関す
るものである。

従来の電力変換装置では、発熱性の部品（半導体素子など）を用いて直流電力を交流電
力に変換していた。

この様な放熱構造として、取り付けの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容器を備え、前記容器は、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
するようにしたものがあった。（特許文献１）

特開２０１３−２４３８２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、第１のヒートシンク及び第２のヒートシン
クの温度が１００度、又は１５０度と高温になることがあり設置状態によっては安全性に
問題があるものであった。

本発明はこの様な課題に鑑みて成された発明であり、温度が高くなるヒートシンクなど
の放熱部に利用者等が容易に触れない構成を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、少なくとも下壁、右壁、左壁、上壁、及び底壁（背壁）を有
する容器の中に直流電力を交流電力に変換する部品を収納しかつ当該部品のうち発熱の大
きい部品を底壁から容器の外側に構成される部品収納部に配置する電力変換措置において
、容器の下壁側に部品収納部と相対向するように通風孔を有する側板を取り外し自在に設
けることを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置は、複数の発熱部品を用いる際にも安全性が向上するものである
。

本発明の実施例を示す電力変換装置の回路図である。 本発明の実施例を示す電力変換装置の正面図である。 本発明の実施例を示す電力変換装置の背面側の斜視図である。 本発明の実施例を示す電力変換装置の背面側の斜視図である。 本発明の実施例を示す電力変換装置の上面図である。 本発明の実施例を示す電力変換装置の下面図である。 本発明の実施例を示す電力変換装置の左側面図である。 本発明の実施例を示す電力変換装置の右側面図である。

本実施形態は、高温になる発熱部品に容易に触れない構成を得ることができる。

図１に示すように電力変換装置１は、開閉器３ａ〜３ｄ、昇圧回路４、インバータ回路
５、フィルタ６、系統連系用のリレー７、及び制御回路９を備えている。複数の太陽電池
（パネルもしくはストリング）２ａ〜２ｄの出力する直流電力は開閉器３ａ〜３ｄを介し
て入力された後、商用電力の系統８に実質的に同期する周波数の交流電力に変換して出力
する。この交流電力は系統８へ重畳もしくは交流負荷（図示せず）へ直接供給することが
できる。

太陽電池２ａ〜２ｄが出力する直流電力は、夫々開閉器３ａ〜３ｄ及び逆流防止のダイ
オード（符号を付せず）を介した後まとめられて昇圧回路４へ入力される。開閉器３ａ〜
３ｄは、メンテナンスなどを行う場合に解放されて接点を開き、太陽電池２ａ〜２ｄから
供給される直流電力を遮断する。

昇圧回路４は、少なくとも直流リアクトルＤＣＬ、スイッチ素子４ａ（ＭＯＳＦＥＴや
ＩＧＢＴのような半導体素子）、ダイオード４ｂ（半導体素子）、コンデンサ４ｃから非
絶縁型のチョッパ回路を有している。昇圧回路４は、スイッチ素子を所定の周波数でオン
デューティを制御することにより入力された直流電力の電圧を所望の電圧に昇圧してイン
バータ回路５へ出力する。このオンデューティは太陽電池２ａ〜２ｄの出力する直流電力
が最大もしくは最大に至るように制御されるＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐ
ｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）動作を行う。

インバータ回路５は、複数のスイッチ素子５ａ〜５ｄ（ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのよう
な半導体素子）を単相のブリッジ状に接続した回路からなる。これらのスイッチ素子を系
統８と実質的に同期する変調波と所定の周波数の搬送波とを用いたＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ
Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりオンデューティを変動させながら周期的
にオン／オフ動作させることにより直流電力を変調波と同じ周波数の交流電力に変換する
。

変換された交流電力は、インバータ回路５と系統８とを接続する出力線Ｌへ供給される。
尚、インバータ回路５の構成は単相のブリッジ状の接続に限らず中性点クランプ方式など
を用いることも可能であり、また多相のブリッジ回路とすることも可能である。また、ス
イッチ素子５ａ〜５ｄをオン／オフさせる信号の生成はこれに限るものではなく三角関数
を用いて直接算出することもできる。

フィルタ６は、出力線Ｌに介在する交流リアクトルＡＣＬ及びコンデンサ６ａからＬ型
のフィルタを構成し、インバータ回路５の出力から高周波成分を減衰させるものである。
高周波成分が減衰もしくは実質的に除去された交流電力は系統連系用のリレー７を介して
系統８へ重畳もしくは交流負荷（図示せず）へ出力される。

制御回路９は、マイコンなどからなり、昇圧回路４やインバータ回路５のスイッチ素子
のオン／オフ動作の制御を行う。

リアクトルＤＣＬにはスイッチ素子のオン／オフに応じて電流が流れて発熱する。リア
クトルＡＣＬにはインバータ回路５からの出力が連続して流れて同様に発熱する。リアク
トルＡＣＬからの発熱は電力変換装置の変換容量（入力容量、出力容量）によって増減し
、一般に容量が増えれば発熱量が増加するので放熱対策は発熱量に合わせて個別に設計さ
れる。

また、これらリアクトルＤＣＬ、リアクトルＡＣＬの耐熱温度は特別な部材や構造を施し
ていなければ通常約１５０度程度であるが、例えば、１１０度程度になるように放熱部が
構成されている。

インバータ回路５のスイッチ素子５ａ〜５ｄはＰＷＭ制御でオン／オフ制御されるがオ
ンの時に電流が流れ発熱する。尚、スイッチ素子は回生電流制御用のダイオードと共にＩ
ＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）化された単一のパッケージ
製品で構成されており、インバータ回路５は実質的に当該インテリジェントモジュールＩ
ＰＭを示すものである。

回生制御用のダイオードも回生電流が流れているときは同様に発熱しスイッチ素子の温度
は実質的にインバータ回路５の温度又はインテリジェントモジュールＩＰＭの温度を示す
。

スイッチ素子５ａ〜５ｄ（インテリジェントモジュールＩＰＭ）の温度は半導体の保護
から約１００度を超えないように放熱部を構成している。

少なくともスイッチ素子５ａ〜５ｄ、リアクトルＤＣＬ、リアクトルＡＣＬを単一の容器
内に収納した時、特に容器が金属部材から構成されている場合、リアクトルＤＣＬ、リア
クトルＡＣＬの放熱部からインバータ回路５の放熱部へ熱が容器を介して伝達しインバー
回路５（インテリジェントモジュールＩＰＭ）の温度が設定温度を超える可能性があるの
でリアクトルＤＣＬ、リアクトルＡＣＬの放熱部の温度は約１１０度を超えないように制
御が設定されている。

図２は前面側を開口した容器（筐体）１０の正面図であり、図３は容器１０を底壁（背
壁）側（建屋等又は架台等へ取り付ける側）から見た斜視図である。

インバータ回路５の複数のスイッチ素子等を包含するインテリジェントモジュールＩＰ
Ｍは、直接、容器１０の底壁１５に取り付けられ、そのほかの電子部品は、複数の基板１
６に分けて実装され容器１０に収納されている。また、直流リアクトルＤＣＬや交流リア
クトルＡＣＬは、容器１０の外側へ突出させたケース４０内に配置される。

容器１０は、略直方体形状を有しており、上壁１１、下壁１２、左壁１３、右壁１４、
底壁１５が金属板の絞り加工により前面側が開口するように形成され、上壁１１を上にし
て建屋の壁面や架台に取り付けられる。容器１０の上壁１１、下壁１２、左壁１３、右壁
１４に構成される正面側（前面側）の端部には、ゴム製のパッキン１９が取り付けられた
正面蓋のこのパッキン１９を押し付けて閉じることにより容器１０と正面蓋との間の密閉
性を確保する。

また、上壁１１、下壁１２、左壁１３、右壁１４の外周、すなわち容器１０の上下左右の
壁面の外側を覆うように、側板Ｇ１乃至側板Ｇ４が夫々、上壁１１、下壁１２、左壁１３
、右壁１４、に螺子止めされて取り付けられている。

側板Ｇ１乃至側板Ｇ４には容器１０から建屋側もしくは架台側に向かって構成されるスリ
ット状の複数の通風孔が設けられている。この側板Ｇ１乃至側板Ｇ４は容器１０（電力変
換装置）を建屋の壁面や架台に取り付けた後、螺子止めすることが可能に螺子の位置が決
められている。

図３は、側板Ｇ１乃至側板Ｇ４を取り外した図を示している。尚、図４は側板Ｇ１乃至側
板Ｇ４を取り付けた状態の図である（一部部品を取り外した図である）。また、側板Ｇ１
乃至側板Ｇ４は容器１０の上下左右の上壁１１、下壁１２、左壁１３、右壁１４と面一に
成るように取り付けられても良いものである。

容器１０の内側の底壁１５の中央にはインテリジェントモジュールＩＰＭ（基板１６に
隠れているため図２では点線で示す）が配置され、その外側にはインテリジェントモジュ
ールＩＰＭ（インバータ回路５を成す半導体素子等）の放熱用のフィンＦ１（放熱部）が
設けられている。例えば、このフィンＦ１は上壁１１を上として底壁１５の外側のほぼ中
央に位置し上下に複数の風路を構成している。

底壁１５の外側にフィンＦ１を挟んで左右の上側の内、左壁１３側にケース４０ａを設
け、右壁１４側にケース４０ｂが設けられている。

ケース４０ａには昇圧回路４を成す直流用のリアクトルＤＣＬが収納され、ケース４０ｂ
にはフィルタ６を成す交流用のリアクトルＡＣＬが収納されている。ケース４０ａ、ケー
ス４０ｂはいずれも放熱部品を収納した放熱部に該当する。フィンＦ１、ケース４０ａ、
ケース４０ｂ（放熱部）の上下左右は上壁１１、下壁１２、左壁１３、右壁１４で囲まれ
ている。

容器１０の底壁１５の左壁１３側のリアクトルＤＣＬの下側には、開閉器３ａ〜３ｄが
配置され、底壁１５の右壁１４側のリアクトルＡＣＬの下側には交流電力を出力用の端子
２１が配置されている。

交流リアクトルＡＣＬは、ケース４０ｂの中にネジ止めなどにより取り付けられる。ケ
ース４０ｂは開口を有する略直方体状の形状をしており、この開口Ｈから交流リアクトル
ＡＣＬを収容し、ケース４０ｂへ交流リアクトルＡＣＬを螺子止めした後、ケース４０ｂ
内に熱導電性の良い樹脂が充填している。リアクトルの発する熱が樹脂及びこのケース４
０ｂを介して放出される。

図５は上面図、図６は下面図、図７は左側面図、図８は右側面図であり、合成樹脂製の
４枚の側板Ｇ１乃至側板Ｇ４は夫々が上壁１１、下壁１２、左壁１３、右壁１４に螺子Ｎ
１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４で取り外し自在に螺子止めされて容器１０の底壁１５の外側を囲む
ように取り付けられている。

尚、側板Ｇ１乃至側板Ｇ４は四角枠型に一体に構成したものであっても良く、いくつかの
側板を結合させたものであっても良いものである。側板が底壁１５の外側を囲むように取
り付けられることによって夫々の側板はケース４０ａ、４０ｂに相対向している。

側板Ｇ１乃至側板Ｇ４は容器１０を建屋や架台等の取り付け位置に取り付けた後、上壁
１１、下壁１２、左壁１３、右壁１４に夫々螺子止めされる。従って、夫々の側板により
相対向して囲まれるのでケース４０ａ、ケース４０ｂに利用者は容易に触れることができ
ず、ケース４０ａ、ケース４０ｂが高温になった際の事故を抑制できるものである。

側板Ｇ１乃至側板Ｇ４は螺子止めした状態で建屋や架台等の取り付け位置との隙間に利
用者の指などが入らない程度の長さがあり、また複数のスリット形状を有する通風孔Ｓ１
乃至Ｓ４を有している。これらの通風孔Ｓ１乃至Ｓ４を介して容器１０の底壁１５の外側
やケース４０ａ、ケース４０ｂの表面を空気が流れて冷却を行うものである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

本実施形態の電力変換装置１は、太陽電池２ａ〜２ｄ等の直流電源を含む電力変換シス
テム等としても利用することができる。

１ 電力変換装置
２ａ〜２ｄ 太陽電池
３ａ〜３ｄ 開閉器
４ 昇圧回路
５ インバータ回路
６ フィルタ
７ リレー
８ 系統
９ 制御回路
１０ 容器
１１ 上壁
１２ 下壁
１３ 左壁
１４ 右壁
１５ 底壁
Ｇ１〜Ｇ４ 側板
Ｎ１〜Ｎ４ 螺子
Ｓ１〜Ｓ４ 通風孔

Claims (4)

1. 少なくとも下壁、右壁、左壁、上壁、及び底壁（背壁）を有する容器の中に直流電力を
   交流電力に変換する部品を収納しかつ当該部品のうち発熱の大きい部品を前記底壁から前
   記容器の外側に構成される部品収納部に配置する電力変換装置において、前記容器の下壁
   側に前記部品収納部と相対向するように通風孔を有する側板を取り外し自在に設けること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記容器を金属部材で構成すると共に、前記側板は合成樹脂製でありかつ前記通風孔は
   スリット形状を有して前記容器の下壁に螺子止めされることを特徴とする請求項１に記載
   の電力変換装置。
3. 前記底壁側を建屋もしくは架台に取り付けることを特徴とする請求項２に記載の電力変
   換装置。
4. 少なくとも下壁、右壁、左壁、上壁、及び底壁（背壁）を有する容器の中に直流電力を
   交流電力に変換する部品を収納しかつ当該部品のうち発熱の大きい部品を前記底壁から前
   記容器の外側に構成される部品収納部に配置する電力変換装置において、前記容器の下壁
   、右壁、左壁、上壁に前記部品収納部と相対向して当該部品収納部を囲うように通風孔を
   有する複数の側板を取り外し自在に設けることを特徴とする電力変換装置。