JP6857821B2 - 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、インバータ回路を複数の半導体素子（パワーモジュール）を
単相または多相のブリッジ状に接続して構成、これらの半導体素子をＰＷＭ制御に基づい
て周期的にＯＮ／ＯＦＦ動作させて交流電力を生成していた。この際に、半導体素子（パ
ワーモジュール）や大きな電流が流れるリアクトル（例えば、昇圧回路の直流リアクトル
や、フィルタ回路の交流リアクトル）が発熱するため、電力変換装置には放熱構造が必要
となっていた。

この様な放熱構造として、「取付用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に記載のように、左右に離隔した第１のヒートシンク及び第
２のヒートシンクを用いたものでは、発熱量が相対的に大きい順に２つの電気部品の配置
を行うものであり、発熱量の大きい電気部品が増えた場合は充分に対応できないものであ
った。また、第１のヒートシンクと第２のシートシンクとの離隔を保つためには、この間
に発熱する電気部品を配置できないものであり、相対的に発熱量の大きい電気部品の使用
数が制限されるものであった。

従って、特許文献１に記載のものは比較的に出力が小さい電力変換装置、又は発熱量の
大きい電気部品を多く含まない電力変換装置に適したものであり、例えば、数ＫＷ以上の
出力を有する電力変換装置の昇圧回路、インバータ回路、高周波成分対応のフィルタなど
発熱性の電気部品を多用する場合は従来の離間の構造では対応が難しいものであった。

本発明はこの様な課題に鑑みて成された発明であり、多数の発熱性の電気部品を単一の
容器内に収納する際に、電気部品どうしの熱干渉を抑制できる電力変換装置を提供するこ
とを目的とする。

本発明の電力変換装置は、前面側を開口した有底状の容器を有し、当該容器の底壁にこ
の容器の外側に向かって昇圧回路を成すリアクトルの放熱に寄与する第１の放熱部、イン
バータ回路を成す半導体素子の放熱に寄与する第２の放熱部、及び交流電力を得る際のフ
ィルタを成すリアクトルの放熱に寄与する第３の放熱部を夫々設け、第２の放熱部を底壁
の外側のほぼ中央に上下にわたる風路を有して構成すると共に、底壁の外側の第２の放熱
部の左右の上側に第１の放熱部及び第３の放熱部を構成するものである。

本発明の電力変換装置は、複数の発熱部品を用いる際に熱干渉を抑制し放熱性能を確保
する事ができるものである。

実施例１を示す電力変換装置の回路図である。 実施例１を示す電力変換装置の正面図である。 実施例１を示す電力変換装置の底壁外側から見た斜視図である。 実施例２を示す電力変換装置の前面側から見た斜視図である。

本実施形態は、インバータ回路を成す半導体素子の放熱とリアクトルの放熱とを分ける
ことにより、リアクトルの熱が半導体素子へ伝わりづらくなり、半導体素子の放熱とリア
クトルの放熱とを確保することができる。

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
される。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操作されて接点を開き、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（ＭＯＳＦＥＴやＩＧ
ＢＴのような半導体素子）４ａ、ダイオード（半導体素子）４ｂ、コンデンサ４ｃから非
絶縁型のチョッパ回路を構成している。昇圧回路４は、スイッチ素子４ａ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 Ｐｏｗｅ
ｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）動作を行うように制御される。

インバータ回路５は、複数のスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのような半導体素
子）５ａ〜５ｄを単相のブリッジ状に接続した回路からなり、これらのスイッチ素子５ａ
〜５ｄ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（Ｐ
ｕｌｓｅ 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との間を接続する出力線
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。

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４ａのオン／オフに応じて電流が流れその電流量に
応じてリアクトルＤＣＬを成すコイル（銅線）及びコア（電気鉄板や電磁鋼板など）が発
熱する。例えば、太陽電池２ａ〜２ｄから供給される直流電力が５．５Ｋｗ程度の場合で
は、放熱対策を行い発熱温度を約１１０度程度に抑制する放熱部を用いている。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し、同様に発熱温
度を約１１０度程度に抑制する放熱部を用いている。これらリアクトルＤＣＬ、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）によって変化し、
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。

インバータ回路５はスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのような半導体素子）５ａ
〜５ｄで構成されており、これらのスイッチ素子は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５ａ〜５ｄは回生電流制御用のダイオ
ードと共にＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）化され単一の
パッケージ製品で構成されているのでインバータ回路５は実質的にインテリジェントモジ
ュールＩＰＭ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５ａ〜５ｄ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。

従って、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、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の放熱部へ熱が伝達しイ
ンバータ回路５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の放熱部の温度を約１１０度程度に抑制して、高温の熱がインテリジェントモ
ジュールＩＰＭへ伝達されないように設定している。

図２は容器（筐体）１０の正面図（前面側の開口から見た図）であり、図３（ａ）は容
器１０を底壁外側（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。図３（ｂ
）はケース４０（後述）を容器１０から分離した際の同底壁外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５ａ〜５ｄ等を包含するインテリジェントモジ
ュールＩＰＭは、底壁１５の外側に構成される第２の放熱部に直接取り付けられ、そのほ
かの電子部品は、複数の基板１６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（放
熱部に相当）４０ａ、４０ｂに配置される（詳細は後述）。

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が板金の絞り加工により形成され、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、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が確保されている。また、
上壁１１、下壁１２、左壁１３、右壁１４の外周には通気が可能なスリット状の複数の孔
を有するガードＧが取り付けられている。尚、図３は、分かりやすくするためにガードＧ
を取り外した図を示している。

容器１０の内側の底壁１５の中央にはこの底壁１５の孔を介して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に点線で示す）が第２の放熱部に取り付け
られ、この第２の放熱部は放熱用の複数のフィンＦ１を有しインテリジェントモジュール
ＩＰＭ（半導体素子などの放熱部品）の放熱（冷却）に寄与する。このフィンＦ１（第２
の放熱部に相当）は上壁１１を上として底壁１５の外側のほぼ中心に上下に複数の風路を
構成しており、この風路を空気が下から上へ流れてインテリジェントモジュールＩＰＭの
放熱（冷却）を行うものである。これら風路の内左右両端の風路は以下に説明するケース
４０ａ、４０ｂからの放熱（輻射熱）に対する断熱効果とインテリジェントモジュールＩ
ＰＭの放熱との両方に寄与している。

底壁１５の外側にフィンＦ１（第２の放熱部に相当）を挟んで左右の上側に底壁１５を
貫通する孔１７ａ（図示せず）、１７ｂが２つ設けられている。左壁１３側の孔１７ａ（
図示せず）を覆うようにケース４０ａ（第１の放熱部）を設け、右壁１４側の孔１７ｂを
覆うようにケース４０ｂ（第３の放熱部）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、４０ｂを底壁１５の上側に構成
することによって、ケース４０ａ、４０ｂからの放熱がフィンＦ１(第２の放熱部)に伝達
される熱量を抑制している。

容器１０の底壁１５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。

次に、交流用のリアクトルＡＣＬの具体的な配置について述べる。尚、直流リアクトル
ＤＣＬは交流リアクトルＡＣＬと同様に配置するため説明を省略する。

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されている。また、ケース４０ｂの外側には複数のフィン
Ｆ２を設けても良く、リアクトルの発する熱が樹脂、ケース４０ｂ、及びこのフィンＦ２
を介して放熱される。

このケース４０ｂと容器１０との間には板状の取付部材３０が配置される。取付部材３
０はケース４０ｂの開口を覆うと共に、ケース４０ｂと一緒に容器１０にネジ止めにより
取り付けられる。ケース４０ｂと取付部材３０との間には、厚さ１ｍｍ程度の熱伝導性の
低く断熱性を有するシリコンゴムなどのゴム製の第１パッキン３３を挟み込んでいる。

取付部材３０には交流リアクトルＡＣＬの配線（出力線Ｌ）を通すための円形の孔３２
が設けられ、孔３２の周囲は、ケース４０ｂから容器１０側へ約５ｍｍほど突出する凸部
３６（スペーサ）が形成されている。また、凸部３６の内側縁部には凸部３６より高いリ
ブ３７が形成されている。

取付部材３０を容器１０に配置する際には、リブ３７が孔１７ｂへ嵌め込まれ取付部材
３０の位置決めがなされる。また、この凸部３６と容器１０との間には、厚さ１ｍｍ程度
の熱伝導性の低いシリコンゴムなどのゴム製の第２パッキン３４が挟み込まれて配置され
る。尚、凸部３６（スペーサ）は容器１０側に設けられていても良いし、別部材で設けら
れても良い。

この様に、本実施形態では、凸部３６及び第２パッキン３４により容器１０と取付部材
３０（ケース４０ｂ）との間に約５ｍｍ〜６ｍｍ程度の隙間Ｓ（空気の断熱層）ができる
（図５参照）ため、容器１０とケース４０ｂとの間に空気による断熱効果が得られる。従
って、交流リアクトルＡＣＬの熱が他の放熱要素（例えば、インバータ回路を構成するス
イッチ素子など）へ伝わりづらくなり、他の放熱要素の放熱を確保することができる。ま
た、交流リアクトルＡＣＬの放熱はケース４０ｂのフィンＦ２から確保される。

ケース４０ｂと容器１０との間に取付部材３０を配置し、ケース４０ｂと取付部材３０
との間、及び取付部材３０と容器との間に夫々第１パッキン３３、第２パッキン３４を配
置したため、ケース４０ｂと容器との間を密閉し防水性を高めることができる。

また、本実施形態では、ケース４０ｂに交流リアクトルＡＣＬが取り付けられるため、
交流リアクトルＡＣＬの熱が隙間Ｓの断熱効果により容器１０へ伝わりづらくなり、イン
テリジェントモジュールＩＰＭの取り付けられる容器１０の部分が交流リアクトルＡＣＬ
の発熱の影響を受けにくくなってインテリジェントモジュールＩＰＭの放熱が確保される
。

従って、ケース４０ｂの放熱（冷却）能力を抑制してリアクトルの温度が耐熱の１５０
度近くに至るように構成（リアクトルＡＣＬのための放熱量を少なく構成）してもリアク
トルＡＣＬの発熱が容器１０の底壁１５を介して直接フィンＦ１（インテリジェントモジ
ュールＩＰＭ）へ伝わることを抑制し、フィンＦ１のインテリジェントモジュールＩＰＭ
に対する放熱量を確保してインテリジェントモジュールＩＰＭのリアクトルの放熱による
温度上昇を抑制している。
すなわち、リアクトルとインテリジェントモジュールＩＰＭ（半導体素子等）との放熱
温度による熱干渉を抑制し、夫々の温度設定の自由度が増し、限られたスペース内でイン
テリジェントモジュールＩＰＭの冷却を主体とした構成が可能となる。

また、本実施形態では、ケース４０ｂに設けられる凸部３６が容器１０と接するが、こ
の接触面積が小さく容器１０へ伝達する交流リアクトルＡＣＬの熱の影響は実質的にない
。尚、断熱性のパッキンを設けても良い。

また、本実施形態では、ケース４０ｂと容器１０とが相対向する間に空気の断熱層を設
けて断熱したが、この空気の断熱層に断熱部材を配置するようにしても良いし、取付部材
３０を、断熱性を有する部材としても良い。

実施例１では、ケース４０ａ及びケース４０ｂを底壁１５の外側に取付部材３０と第１
パッキン３３、第２パッキン３４を介して取り付けたが、図４に示すように、底壁１５の
内側（容器１０の内側）に取付けられるようなケース５０を用いても良い。説明では簡単
のため直流リアクトルＤＣＬ側のケースについて説明するが、交流リアクトルＡＣＬ側の
ケースも同様の構成を採用することができる。

ケース５０は、開口にフランジ５１が形成され、ケース５０の外側には実施例１のケー
ス４０ａ、４０ｂとは異なりフィンＦ２が形成されていない。ケース５０は金属性の部材
からなり、ケース内に直流リアクトルＤＣＬが螺子止め配置され、ケース５０内に熱導電
性の良い樹脂が充填されている。これによりリアクトルＤＣＬの熱が樹脂を解してケース
５０に伝わり、ケース５０から放熱される。即ち、ケース５０は、フィンＦ２は有してい
ないもののケース４０ａ、及びケース４０ｂと同様に放熱材として機能する。

ケース５０は、厚さ１ｍｍ程度の熱伝導性の低く断熱性を有するシリコンゴムなどのゴ
ム製のパッキン５３をフランジ５１と底壁１５の内側とに挟み込んで取付けられる。ケー
ス５０のフランジ５１、及び第３パッキンには、ネジを通す孔が形成され、ケース５０は
、このネジ孔にネジを通して底壁１５にネジ孔止めされる。また、ケース５０の開口側は
蓋５２が取り付けられている。

このように構成しても、ケース５０と容器１０との間の断熱効果により容器１０へリア
クトルの熱が伝わりづらくなり、インテリジェントモジュールＩＰＭの取り付けられる容
器１０の部分が交流リアクトルＡＣＬの発熱の影響を受けにくくなってインテリジェント
モジュールＩＰＭの放熱が確保される。

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
１６ 基板
１７ａ 孔
１７ｂ 孔
１９ パッキン
２１ 端子
３０ 取付部材
３２ 孔
３３ 第１パッキン
３４ 第２パッキン
３６ 凸部
３７ リブ
４０ａ ケース
４０ｂ ケース
５０ ケース
５１ フランジ
５２ 蓋
５３ パッキン
ＩＰＭ インテリジェントモジュール
Ｆ１、Ｆ２ フィン
Ｌ 出力線
Ｇ ガード
Ｈ 開口
Ｓ 隙間

Claims (4)

1. 太陽電池から出力される直流電力をインバータ回路で系統と同等の周波数を有する交流電
   力に変換して出力する電力変換装置であって、
   前面側を開口し、底壁を有する有底状の容器と、
   前記インバータ回路をなす半導体素子の放熱に寄与する第２の放熱部と、
   前記交流電力を得る際のフィルタを成すリアクトルの放熱に寄与する第３の放熱部と、
   を備え、前記第２の放熱部と前記第３の放熱部は、前記容器の前記底壁に前記容器の外側
   に向かってそれぞれ別体に設けられ、
   前記第２の放熱部及び前記第３の放熱部は前記底壁の外側に上下に延びる風路を備え、
   前記第２の放熱部及び前記第３の放熱部は、前記第２の放熱部の風路の幅よりも大きな間
   隔を開けて設けられ、
   前記第３の放熱部と前記底壁との間には断熱に寄与する部材が設けられている電力変換装
   置。
2. 前記第３の放熱部は、前記容器とは別体に構成されるケースであり、前記ケースには前
   記リアクトルが収納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. 前記第３の放熱部は、前記底壁と取付部材を介して前記底壁の外側に取付けられ、前記
   取付け部材と前記底壁との間には空気層が設けら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. 前記第３の放熱部は、前記ケースの開口にフランジが設けられ、前記フランジと前記底
   壁との間に前記断熱に寄与する部材を介して取付けられていることを特徴とする請求項２
   に記載の電力変換装置。

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