JP6633433B2

JP6633433B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6633433B2
Application number: JP2016052288A
Authority: JP
Inventors: 岡田　誠司; 誠司岡田; 雄介天山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: JP2017169357A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

パワーコンディショナは、太陽電池、蓄電池等の直流電力を交流電力に変換する機能をもつ電力変換装置である。電力変換装置は、電力変換時に発熱するＭＯＳ‐ＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）、リアクトル、ダイオードなどの電子部品を筐体内に備えている。

これらの電子部品は、太陽電池または蓄電池の出力の上昇に伴って発生する熱量が増す。このため電力変換装置は、これらの電子部品の温度を定格内に抑制するための放熱構造を有している。このような電力変換装置では、放熱量を高めるために、大型化したヒートシンクを電子部品の基板として利用している。また、筐体の構造を簡素化するためにヒートシンクを外装の一部として利用している（例えば、下記の特許文献１を参照）。

特開２０１３−２５１３２８号公報

特許文献１に開示されたヒートシンクは、例えば約５００℃に加熱したアルミニウム合金を金型から高圧力で押し出す熱間加工によって形成される。また、押出成型後のアルミニウム合金は、歪みを矯正するために引張り加工を行う。

しかし、ヒートシンクが大型化すると反りの変位が大きくなる。このようなヒートシンクでは、ヒートシンクと電子部品との間に隙間が生じるため電子部品から十分に放熱できないおそれがある。

本発明の１つの目的は、ヒートシンクを外装の一部として用いて筐体の構造を簡素化しつつ、電子部品からの放熱性を高めた電力変換装置を提供することである。

本発明に係る一形態の電力変換装置は、第１面、該第１面の裏面に位置する第２面を有する板状の基体部と、前記第１面から突出している複数のフィン部とを有するヒートシンクと、前記第２面上に位置する第３面、該３面の裏面に位置する第４面および前記第３面から前記第４面に向かって設けられた貫通孔と、を有する基板と、前記第４面上に位置する複数の電子部品と、前記ヒートシンクおよび前記基板を固定する締結部材と、を備え、前記基板は平坦であるとともに、前記フィン部の長手方向に平行な方向と前記フィン部の突出方向に平行な方向とからなる平面に平行な断面において、前記基板の断面係数は、前記基体部の断面係数よりも大きく、該締結部材は、前記貫通孔を通って前記フィン部の内部に位置して固定されている。

上記構成の電力変換装置によれば、ヒートシンクの反りを低減することによって、ヒートシンクの放熱性を高めることができる。

図１は、本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示すための模式図である。図２は、本発明に係る電力変換装置の一実施形態の外観を示す斜視図である。図３は、図２の電力変換装置から外装板を取り外した状態を示す斜視図である。図４は、図３の電力変換装置を−Ｘ方向へ向かって視たときの上面図である。図５は、本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す図であり、図５（ａ）は電力変換装置からヒートシンクと板状体と締結部材を抜き出して示す分解斜視図、図５（ｂ）は組立後に電子部品を搭載した状態を示す断面図である。図６は、本発明に係る電力変換装置の他の実施形態を示す図であり、図５（ｂ）に相当する位置の端面を示す断面図であり、図６（ａ）は第１面における、隣り合うフィン部同士の間に対応する溝部が設けられている場合、図６（ｂ）は第１面における、隣り合うフィン部同士の間に対応する基体部の厚さが薄い部位を有する場合である。

以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図を参照しつつ詳細に説明する。なお、電力変換装置を構成する同一名称の部材については同一符号を付すものとし、重複した説明は省略する。

≪第１実施形態≫
電力変換装置１は、主として太陽電池２で発電された直流電力を交流電力に変換する機能を有する。電力変換装置１は、筐体１１内に直流電力を交流電力に変換する。

図１に示すように、電力変換装置１は、太陽電池２で発電された直流電力を昇圧する昇圧部１２を備える。また、電力変換装置１は、昇圧部１２で昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部１３と、直流電力から変換された交流電力を滑らかな正弦波に平滑し商用電力系統３および負荷に供給するフィルタ部１４とを備える。さらに、電力変換装置１は、昇圧部１２とインバータ部１３を制御する制御部１５とを備える。また、電力変換装置１は、複数の電子部品４を有する。電子部品４としては、図１に示すように、ＤＣリアクトル２１、ダイオード２２、コンデンサ２３、スイッチング素子２４、ＡＣリアクトル２５などの部品が挙げられる。なお、以下の説明では、上記部品を総称して、電子部品４とする。

筐体１１は、昇圧部１２、インバータ部１３、フィルタ部１４および制御部１５を収容している。さらに、筐体１１は昇圧部１２、インバータ部１３およびフィルタ部１４を構成する各電子部品４からの発熱を外気に放熱する機能を有する。

図２から図４に示すように、このような筐体１１は、ヒートシンク１６、基板１７、締結部材１８および外装板１９を備える。

ヒートシンク１６は、筐体１１の裏面側に位置しており、筐体１１の外側を構成する部材である。ヒートシンク１６は、第１面１６ａ１、および第１面１６ａ１の裏面に位置する第２面１６ａ２を有する板状の基体部１６ａと、基体部１６ａの第１面１６ａ１から筐体１１の外側に突出するように形成された複数のフィン部１６ｂとを有する。

基体部１６ａの大きさは約７００ｍｍ×３００ｍｍ×４ｍｍであり、フィン部１６ｂの断面形状は約５０ｍｍ×２ｍｍである。

フィン部１６ｂは基体部１６ａの一辺に平行な方向に延びるように位置している。また、複数のフィン部１６ｂは、互いの長手方向と直交する方向に約１０ｍｍの間隔をあけて位置している。フィン部１６ｂは、筐体１１内に収容された電子部品４からの発熱を外気に放熱する役割を有する。

以下の説明では、フィン部１６ｂの長手方向に平行な座標軸をＸ軸とし、Ｘ軸に平行な方向をＸ方向とする。また、Ｘ軸に垂直で、フィン部１６ｂの突出する方向と垂直な座標軸をＹ軸とし、Ｙ軸に平行な方向をＹ方向する。Ｘ軸およびＹ軸の双方に垂直な座標軸をＺ軸とし、Ｚ軸に平行な方向をＺ方向とする。

このようなヒートシンク１６は、例えば、加熱したアルミニウム合金を金型から高圧力で押し出す熱間加工によって形成できる。ヒートシンク１６は、基体部１６ａの第１面１６ａ１側のみにフィン部１６ｂが設けられており、中立軸に対して非対称であることから押出成型後の冷却時の収縮によって反りを生じる。基板１７との固定によって矯正される前の状態のヒートシンク１６は、パイプを半分に割ったような形状に反り、ＹＺ平面で平面視して、第２面１６ａ２側へ凸状の変位δを有する。ヒートシンク１６の変位δの大きさは約１．３％である。例えば、基体部１６ａの第１面１６ａ１の短手方向の長さが３００ｍｍの場合、反りの大きさは約４ｍｍとなる。

また、図５に示すように、ヒートシンク１６はネジ等の締結部材１８を捩じ込む複数のネジ穴１６ｂ１を有する。これら複数のネジ穴１６ｂ１の内の一部は、基体部１６ａの第１面１６ａ１のフィン部１６ｂと相対する位置に設けられ、フィン部１６ｂの内部に至る深さを有する。

ここで、ネジ穴１６ｂ１を内部に有するフィン部１６ｂは、ネジ穴１６ｂ１を内部に有しないフィン部１６ｂよりも厚くしてもよい。例えば、ネジ穴１６ｂ１を内部に有しないフィン部１６ｂの厚みを２ｍｍとして、ネジ穴１６ｂ１を内部に有するフィン部１６ｂの厚みを５ｍｍとしてもよい。

フィン部１６ｂが内部にネジ穴１６ｂ１を有することで、基体部１６ａの厚さを薄くしても締結部材１８が十分螺合できる長さの雌ネジを容易に形成できる。よって、基体部１６ａの厚さを薄くして基板１７による矯正を容易にできるとともに、使用材料を低減できる。

さらに、ヒートシンク１６は、筐体１１の側面側に位置する側面部１６ｃを有してもよい。側面部１６ｃは基体部１６ａのＺ方向に平行な両辺から、フィン部１６ｂの突出する方向と逆方向へ張り出すように設けられる。ヒートシンク１６が、基体部１６ａとつながった側面部１６ｃを有することで、筐体１１の側面からも放熱して放熱量を高められるとともに、外装板１９を取り付け易くできる。

基板１７は、第３面１７ａおよび第４面１７ｂを有し、後述の昇圧部１２、インバータ部１３、フィルタ部１４および制御部１５を保持する板体である。基板１７の第３面１７ａは、基体部１６ａの第１面１６ａ１と略同じ大きさを有する。基板１７は、例えば７００ｍｍ×２７０ｍｍ×５ｍｍとすることができる。基板１７は、中立軸に対して対称な形状であることから、筐体１１を組み立てる前の状態で反りを有さず平坦である。また、ヒートシンク１６のネジ穴１６ｂ１と相対する位置に設けられた、基板１７を貫通する孔である貫通孔１７ｃを有する。基板１７は、アルミニウム合金の規格品の板体を所定の寸法に切断すること等によって形成できる。

また、基板１７および基体部１６ａにおける、ＸＺ平面に平行な断面において、基板１７の断面係数は、ヒートシンク１６の基体部１６ａの断面係数よりも大きくてもよい。これにより、基板１７とヒートシンク１６とを締結部材１８で固定した際に、基板１７がヒートシンク１６を矯正することに伴う基板１７の変形を低減できるため、基板１７と電子部品４との密着性を確保しやすい。

締結部材１８は、例えばボルトまたは木ネジ等のネジである。ヒートシンク１６と基板１７は、ヒートシンク１６の第２面１６ａ２と基板１７の第３面１７ａとを当接させた状態で、締結部材１８を貫通孔１７ｃに挿入し、ネジ穴１６ｂ１に捩じ込むことで固定される。一部の締結部材１８は、フィン部１６ｂの内部に至るネジ穴１６ｂ１に位置した状態で固定される。よって、締結部材１８は、貫通孔１７ｃを通ってフィン１６ｃの内部に位置することとなる。

締結部材１８は基体部１６ａのＹ方向の両端側に位置している。さらに、締結部材１８は、Ｙ方向に並ぶように、両端側にそれぞれ複数個ずつ位置するとよい。これにより、基体部１６ａと基板１７の両端が固定端となる。このため、Ｙ方向においても基体部１６ａが基板１７に沿って矯正されて、基体部１６ａと基板１７との接触面積を増すことで伝熱性が向上する。

外装板１９は、筐体１１の前面、上面および底面を覆う部材である。外装板１９は、例えば、樹脂成型品または板金をプレス成形したもの等を用いることができる。

昇圧部１２は、日射強度または温度で変化する太陽電池２の最大出力動作電圧を追従制御し、太陽電池２から得られる電力を最大にするＭＰＰＴ制御を行う機能を有する。また、昇圧部１２は、太陽電池２からの入力電圧の変化に対して、スイッチング素子２４のＯＮとＯＦＦの比率を変えるＰＷＭ制御によって安定した２００〜３００Ｖの直流電圧に昇圧変換する機能も有する。

このような昇圧部１２は、例えば、スイッチング素子２４、ＤＣリアクトル２１、ダイオード２２およびコンデンサ２３等の電子部品４で構成される。

ＤＣリアクトル２１は、太陽電池２から入力された直流を平滑するとともに、スイッチング素子２４をＯＮまたはＯＦＦにした際に、エネルギーを蓄積と送出とをする機能を有する。コンデンサ２３は、ＤＣリアクトル２１と協働してエネルギーを蓄積する機能を有する。ダイオード２２は、ＤＣリアクトル２１に蓄積された電流を高圧側であるインバータ部１３に注入する機能を有する。

昇圧部１２における昇圧変換の動作に伴って、昇圧部１２のＤＣリアクトル２１、ダイオード２２、スイッチング素子２４、コンデンサ２３は大きな発熱をする。

ダイオード２２とスイッチング素子２４は、３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍ（縦×横×高さ）程度の形状を有する。ＤＣリアクトル２１は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×３０ｍｍから１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１００ｍｍ（縦×横×高さ）程度の形状を有する。

スイッチング素子２４、ダイオード２２は、昇圧部１２の回路基板に実装され、主面が基板１７と当接するように位置する。

インバータ部１３は、制御部１５からの信号に従いＰＷＭ制御によって一組のスイッチング素子２４を他の一組のスイッチング素子２４と交互に切り替えることで、昇圧部１２から入力された直流電力を交流電力に変換して出力する機能を有する。

インバータ部１３は、電子部品４として例えば４つのＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチング素子２４を用いたブリッジ回路で構成される。

スイッチング素子２４は、制御部１５からの信号である電圧をゲートへ入力することで、ドレインとソースの間に電流を流す開閉のスイッチング動作をする。スイッチング素子２４は、切り替えの動作に伴って大きな発熱をするものであって、３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍ程度の形状を有する。スイッチング素子２４は、インバータ部１３の回路基板に、主面が基板１７と当接するように位置する。

なお、スイッチング素子２４としては、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いてもよい。また、インバータ部１３の複数のスイッチング素子２４を１つのパッケージに収容しモジュール化したＩＰＭ（Intelligent Power Module）を用いても良く、さらに昇圧部１２のスイッチング素子２４も含めてモジュール化したＩＰＭを用いてもよい。ＩＰＭは、例えば約８０ｍｍ×４０ｍｍ×２０ｍｍの形状を有し、主面がヒートシンク１６の第２面１６ａ２と当接するように位置する。

フィルタ部１４は、インバータ部１３から入力された交流電力の高周波成分を遮断して、商用電力系統３の周波数に相当する正弦波へと平滑化し出力する機能を有する。フィルタ部１４から出力された交流電力は、商用電力系統３へと入力される。

フィルタ部１４は、電子部品４であるＡＣリアクトル２５とコンデンサ２３を組み合わせたローパスフィルタ回路で構成される。

ＡＣリアクトル２５は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×３０ｍｍから１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１００ｍｍ程度の形状を有する。ＡＣリアクトル２５の底面は平坦となっており、基板１７と当接して固定される。ＡＣリアクトル２５は、電力を平滑化する動作に伴って大きく発熱するため、放熱が求められる。

制御部１５は、主に昇圧部１２における最大電力追従制御のためのスイッチング素子２４のスイッチング制御をする機能を有する。また、制御部１５は、インバータ部１３から出力される交流電圧の正弦波のピーク値を調整し商用電力系統３に重畳するためのスイッチング素子２４のスイッチング制御をする機能を有する。制御部１５はＣＰＵ等を実装した回路基板によって構成される。

電力変換装置１の動作に伴って発生した電子部品４の熱は、熱伝導によって基板１７を介してヒートシンク１６に伝達される。その後、上記熱は、対流熱伝達によってヒートシンク１６から外気に放熱される。特に発熱量の大きい電子部品４は、それぞれ基板１７に当接して位置するようにしてもよい。

基板１７は中立軸に対して対称な構造であり、製造時の圧延からの冷却時に生じる収縮が中立軸に対称であることから形成に伴う反りが小さく、基体部１６ａの第２面１６ａ２よりも平坦である。これにより、電子部品４が局所的に基板１７から離間しにくくなる。これにより、電力変換装置１では、電子部品４と基板１７との接触面積を大きくできることから、電子部品４から基板１７への熱伝導性を向上できる。

さらに、基板１７は筐体１１の裏面側の全面に相当する面積を持つヒートシンク１６の基体部１６ａと略同じ大きさを有していてもよい。基板１７の熱容量は比較的大きいため、電子部品４から基板１７に移動した熱は基板１７の中で拡散する。基板１７の温度の上昇は小さくなり、電子部品４と基板１７との温度差を大きく保てる。これにより、電子部品４から基板１７への単位時間当たりの放熱量を高く保つことができる。

さらに、基板１７およびヒートシンク１６は、電子部品４と相対する部位以外でも接触し易くなるため、基板１７からヒートシンク１６への放熱量を高くできる。

さらに、ヒートシンク１６に基板１７を複数の締結部材１８で固定することで、ヒートシンク１６の反りを矯正できる。これにより、ヒートシンク１６の反りに伴うネジ穴１６ｂ１位置のズレを低減したり、部材を嵌め込むことができないなどの組立不良を低減できる。

さらに、締結部材１８が、ヒートシンク１６のフィン部１６ｂの内部に位置した状態で固定されていることによって、容易に締結部材１８の雄ネジと雌ネジとが螺合するネジ山の数を確保できる。このため、基体部１６ａの板厚を低減して、基体部１６ａのＸＺ平面を断面とした断面係数を小さくできる。これにより、基体部１６ａの反りを矯正しやすい。

さらに、締結部材１８の先端が第１面１６ａ１から外側へ露出しないようにすれば、締結部材１８とネジ穴１６ｂ１の間から筐体１１内へ水または湿気が浸入することを低減できる。これにより、屋外に設置された電力変換装置１の防水性を向上できる。

≪第２実施形態≫
本実施形態は、図６（ａ）に示すように、第２面１６ａ２におけるフィン部１６ｂ同士の間に溝部１６ｄが設けられている点で第１実施形態と相違する。具体的には隣接するフィン部１６ｂの間に、Ｘ方向へ延びる溝部１６ｄが設けられている。

これにより、基体部１６ａの溝部１６ｄの位置における、ＸＺ平面を断面とした断面係数は小さくなる。このため、ヒートシンク１６と基板１７とを締結部材１８で固定した際に、ヒートシンク１６が曲げ変形を生じ易くなり、ヒートシンク１６を矯正し易くするとともに、ヒートシンク１６からの反力を抑制して、基板１７を平面に保ち、基板１７と電子部品４とをより密着し易くできる。

このような溝部１６ｄは、全てのフィン部１６ｂ同士の間に設けられなくてもよく、例えば３箇所のフィン部１６ｂの間に１つの割合で設けられてもよい。

なお、溝部１６ｄの幅は、フィン部１６ｂ同士の間隔よりも狭いものに限られない。図６（ｂ）に示すように、フィン部１６ｂ同士の間の基体部１６ａの厚さが薄くなっている形態であってもよい。

また、図６に示すように、ヒートシンク１６のネジ穴１６ｂ１と基板１７の貫通孔とは、発熱量の大きいＤＣリアクトル２１、またはダイオード２２、またはスイッチング素子２４、またはＡＣリアクトル２５などの電子部品４と対向する位置に設けてもよい。これにより、電子部品４と対向する位置でヒートシンク１６と基板１７がより確実に接触することから、基板１７とヒートシンク１６の間の熱伝導をし易くして、より多くの熱量をヒートシンク１６から放熱できる。

また、ヒートシンク１６と基板１７は直接、接触する形態に限られない。例えば、ヒートシンク１６の第２面１６ａ２と基板１７の第３面１７ａとの間に、ヒートシンク１６および基板１７よりも軟らかい材料からなり、空気よりも熱伝導率が高い熱伝導性体が位置してもよい。熱伝導性体としては、例えばフェルト状に成型した炭素繊維、またはシリコーンとセラミックスを混合したシート、またはシリコーングリスなどを用いることができる。これにより、基板１７からヒートシンク１６への熱伝導向上できる。

上述の実施形態では、電力変換装置１は太陽電池２からの直流電力を交流電力へ変換する装置として示したが、これに限られない。例えば、蓄電池からの電力を変換する装置に用いることもできる。

１：電力変換装置
２：太陽電池
３：商用電力系統
４：電子部品
１１：筐体
１２：昇圧部
１３：インバータ部
１４：フィルタ部
１５：制御部
１６：ヒートシンク
１６ａ：基体部
１６ａ１：第１面
１６ａ２：第２面
１６ｂ：フィン部
１６ｂ１：ネジ穴
１６ｃ：側面部
１６ｄ：溝部
１７：基板
１７ａ：第３面
１７ｂ：第４面
１７ｃ：貫通孔
１８：締結部材
１９：外装板
２１：ＤＣリアクトル
２２：ダイオード
２３：コンデンサ
２４：スイッチング素子
２５：ＡＣリアクトル

Claims

第１面、該第１面の裏面に位置する第２面を有する板状の基体部と、前記第１面から突出している複数のフィン部とを有するヒートシンクと、
前記第２面上に位置する第３面、該３面の裏面に位置する第４面および前記第３面から前記第４面に向かって設けられた貫通孔と、を有する基板と、
前記第４面上に位置する複数の電子部品と、
前記ヒートシンクおよび前記基板を固定する締結部材と、を備え、
前記基板は平坦であるとともに、前記フィン部の長手方向に平行な方向と前記フィン部の突出方向に平行な方向とからなる平面に平行な断面において、前記基板の断面係数は、前記基体部の断面係数よりも大きく、
該締結部材は、前記貫通孔を通って前記フィン部の内部に位置して固定されている、
電力変換装置。
前記第１面に沿った、前記フィン部の長手方向から視たときにおいて、
前記締結部材が内部に位置する前記フィン部の厚さは、前記締結部材が内部に位置していない前記フィン部の厚さよりも厚い、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記複数のフィン部は、前記第１面に沿った長尺状であって、
前記締結部材は、前記フィン部の長手方向と直交する方向において、前記基体部の両端側に位置している、
請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記第１面における、隣り合う前記フィン部同士の間に対応する溝部が設けられている、
請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
前記第２面と前記第３面との間に空気よりも熱伝導率が高い熱伝導性体が位置している、
請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。