WO2024095348A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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power conversion
conversion device
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拓己 萩原
義大 多和田
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
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    • H05K7/14325—Housings specially adapted for power drive units or power converters for cabinets or racks
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20909—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device.
  • PCS Power Conditioning System
  • the three-phase semiconductor units When multiple three-phase semiconductor units are arranged on a panel, it is preferable that the three-phase semiconductor units have the same structure from the viewpoint of manufacturability, etc.
  • the three-phase semiconductor units In a conventional model in which multiple three-phase semiconductor units are arranged on a panel, multiple three-phase semiconductor units of the same structure are stacked on the panel like a server rack (for example, see Patent Document 2).
  • a three-phase integrated semiconductor unit is mainly composed of a cooler, semiconductors, and a control board, and the semiconductors and control board need to be isolated as much as possible from outside air, where there is a risk of contamination.
  • the cooling flow path becomes complex and pressure loss becomes large.
  • you try to cool multiple three-phase integrated semiconductor units evenly the number of fans used will also increase.
  • the purpose of this disclosure is to reduce the amount of conductors used, simplify and optimize conductor connections while improving environmental resistance, ensuring cooling performance, simplifying cooling flow paths, and improving replaceability compared to conventional methods when multiple three-phase integrated semiconductor units are placed in the housing of a power conversion device.
  • a power conversion device is a power conversion device including a housing, and a first three-phase lumped semiconductor unit and a second three-phase lumped semiconductor unit, each of which has the same structure within the housing, and the first three-phase lumped semiconductor unit and the second three-phase lumped semiconductor unit each have a cooler, a semiconductor, a gate driver board, a first AC terminal, a second AC terminal, and a third AC terminal, and the first AC terminal and the second AC terminal are arranged within the housing such that the cooler is arranged on the outside of the housing, and the semiconductor, the gate driver board, the first AC terminal, the second AC terminal, and the third AC terminal are arranged on the inside of the housing.
  • the first three-phase semiconductor unit is configured such that a U-phase signal is sent to the first AC terminal, a V-phase signal is sent to the second AC terminal, and a W-phase signal is sent to the third AC terminal by a signal distribution board included in the power conversion device
  • the second three-phase semiconductor unit is configured such that the wiring is switched so that the U and W phases are inverted by the signal distribution board included in the power conversion device, and a W-phase signal is sent to the first AC terminal, a V-phase signal is sent to the second AC terminal, and a U-phase signal is sent to the third AC terminal.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a power conversion device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of an IGBT unit shown in FIG. 1 .
  • 2 is a diagram showing an example of an arrangement structure of each component inside a housing of the power conversion device shown in FIG. 1 .
  • 4 is a side view showing an example of division into a semiconductor cooling area and an electronic component area in the layout structure inside the housing of the power conversion device shown in FIG. 3.
  • 4 is a rear view showing an example of division into a semiconductor cooling area and an electronic component area in the layout structure inside the housing of the power conversion device shown in FIG. 3 .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a control configuration of the power conversion device illustrated in FIGS.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a control configuration of the power conversion device illustrated in FIGS. 1 to 5 .
  • 1 is a diagram showing an example of an arrangement structure of IGBT units in a power conversion device and a control configuration of a conventional signal distribution board
  • 3 is a diagram showing an example of an arrangement structure of IGBT units and a control configuration of a signal distribution board in the power conversion device according to the first embodiment
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of an arrangement structure of each component in a power conversion device according to a second embodiment and a division between a semiconductor cooling area and an electronic component area.
  • FIG. FIG. 11 is a diagram showing an example of an arrangement structure of IGBT units in a power conversion device according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an arrangement structure of IGBT units in a power conversion device according to a first comparative example
  • 11 is a diagram showing an example of an arrangement structure of IGBT units in a power conversion device according to a second comparative example
  • FIG. FIG. 11 is a diagram showing an example of an arrangement structure of IGBT units in a power conversion device according to a third comparative example.
  • First Embodiment 1 is a diagram showing an example of the configuration of a power conversion device 10 according to the first embodiment.
  • a solar power generation system 1 in which a DC power source is a solar panel 2 will be described as an example of a power conversion system in which the power conversion device 10 is used.
  • the present invention is not limited to this, and the power conversion system in which the power conversion device 10 of the present embodiment is used may be one in which the DC power source is a storage battery or a combination of a solar cell and a storage battery, for example.
  • the solar power generation system 1 has a solar panel 2, a transformer 3, an AC power system 4, a power conversion device 10, a DC bus 5, and an AC circuit 6.
  • the power conversion device 10 is connected to the solar panel 2 via the DC bus 5 at a DC end (input end) on the left side of FIG. 1, and is connected to the AC power system 4 via the AC circuit 6 and the transformer 3 at an AC end (output end) on the right side of FIG. 1.
  • the DC power generated by the solar panel 2 is converted to AC power via the power conversion device 10, and the converted AC power is supplied to the AC power system 4 via the transformer 3.
  • the solar panel (solar cell panel) 2 is connected to the DC end of the power conversion device 10 via a DC bus 5.
  • the solar panel 2 generates electricity from sunlight, and the generated DC power is supplied to the power conversion device 10 via the DC bus 5.
  • the solar panel 2 is also referred to as a "PV (Photovoltaics) panel 2.”
  • the PV panel 2 is an example of a “DC power source,” and the “DC power source” may be, for example, a “battery (ESS: Energy Storage System).”
  • the transformer 3 has one end connected to the AC end (output end) of the power conversion device 10 via the AC circuit 6, and the other end connected to the AC power grid 4.
  • the transformer 3 transforms the AC power output from the power conversion device 10 to a predetermined voltage level and outputs it to the AC power grid 4.
  • AC power system (system) 4 is connected to transformer 3 and is a system that integrates power generation, transformation, transmission, and distribution in order to supply AC power transformed by transformer 3 to consumers' power receiving equipment, and is connected to, for example, an unspecified load.
  • AC power system 4 is also referred to as "system 4.”
  • the DC bus 5 has one end connected to the solar panel 2 and the other end connected to the DC end (input end) of the three-phase integrated semiconductor unit 30 described below.
  • the DC bus 5 supplies the DC power generated by the solar panel 2 to the three-phase integrated semiconductor unit 30.
  • the AC circuit 6 is, for example, a three-phase, three-wire type three-phase AC circuit that uses three wires, cables, and conductors to supply three-phase AC power, which is a combination of three systems of single-phase AC with mutually shifted current or voltage phases.
  • the AC circuit 6 supplies the AC power converted by the three-phase integrated semiconductor unit 30 to the system 4.
  • the power conversion device (PCS: Power Conditioning System) 10 is, for example, a power conversion device (PV-PCS: Photovoltaics-Power Conditioning System) for photovoltaic power generation (PV: Photovoltaics).
  • the power conversion device (PCS) 10 converts DC power supplied from a solar panel 2 into AC power, and outputs the converted AC power to the grid 4 side via a transformer 3.
  • the power conversion device 10 is also referred to as "PCS 10.”
  • the PCS 10 may also be a power conversion device (ESS-PCS: Energy Storage System-Power Conditioning System) for a storage battery (ESS).
  • the PCS 10 has a housing (panel) 11, and inside the housing 11, there is a DC switch 21, a three-phase integrated semiconductor unit 30, an AC filter 24, an AC switch 25, and a control device 40.
  • a DC switch 21 and a three-phase lumped semiconductor unit 30 are arranged in this order from the solar panel 2 side toward the three-phase lumped semiconductor unit 30 on the DC bus 5 connected to the solar panel 2.
  • Various sensors are arranged between the solar panel 2 and the three-phase lumped semiconductor unit 30.
  • a three-phase integrated semiconductor unit 30, an AC filter 24, and an AC switch 25 are arranged in this order from the three-phase integrated semiconductor unit 30 toward the transformer 3 (system 4) side.
  • Various sensors are arranged between the AC filter 24 and the transformer 3.
  • the DC switch (DC circuit breaker) 21 is provided in series between the solar panel 2 and the three-phase integrated semiconductor unit 30 on the DC bus 5.
  • the DC switch 21 is also referred to as the “DC circuit breaker 21” or the “DC (Direct Current) switch 21.”
  • the AC filter 24 is also referred to as an AC (Alternating Current) filter, and is configured, for example, as an LC filter circuit (filter circuit) in which an AC reactor 24a and an AC capacitor 24b are connected in an L-shape.
  • the AC filter 24 is also referred to as the "AC filter 24”
  • the AC reactor 24a is also referred to as the “AC reactor 24a”
  • the AC capacitor 24b is also referred to as the "AC capacitor 24b”.
  • the AC switch (AC circuit breaker) 25 is provided in series between the AC filter 24 and the transformer 3 in the AC circuit 6.
  • the AC switch 25 is also referred to as the “AC circuit breaker 25" or the “AC switch 25.”
  • the three-phase lumped semiconductor unit 30 has a DC capacitor 22, a cooler 31, a semiconductor 32, and a gate driver board 33, which will be described later.
  • One end of the three-phase lumped semiconductor unit 30, which is the DC end, is connected to the DC switch 21 via the DC bus 5, and the other end, which is the AC end, is connected to the AC filter 24 via the AC circuit 6.
  • the three-phase lumped semiconductor unit 30 has a plurality of switching elements (semiconductor elements 32), such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
  • the three-phase lumped semiconductor unit 30 acquires DC power supplied from the solar panel 2 from the DC end, converts the acquired DC power to AC power under control of a pulse width modulation signal (gate signal), and outputs the AC power from the AC end for supply to the AC circuit 6.
  • gate signal pulse width modulation signal
  • the three-phase lumped semiconductor unit 30 is also referred to as the "IGBT unit 30."
  • the DC capacitor 22 is provided between the DC switch 21 and the semiconductor 32, and is charged by DC power from the solar panel 2, causing the voltage to rise.
  • the DC capacitor 22 is discharged, for example, by a discharge circuit or discharge resistor (not shown), causing the voltage to drop.
  • the DC capacitor 22 is also referred to as the "DC capacitor 22.”
  • the control device 40 has, for example, a control board 41 (described later) and is electrically connected to each element of the PCS 10, including the IGBT unit 30, by wire or wirelessly (although some of the wiring is omitted in the figure) (see FIG. 6, etc.).
  • the control device 40 has a processor (not shown), such as a CPU (Central Processing Unit) that operates by executing a program, and a memory (not shown).
  • the control device 40 generally controls the operation of the PCS 10 by operating the processor (not shown), for example, by executing a predetermined program stored in the memory (not shown).
  • the control device 40 may control the operation of the PCS 10 according to instructions received from a higher-level device (not shown) or instructions received from an operator (not shown) via an operation unit (not shown).
  • the control device 40 generates a pulse width modulation (PWM) signal, which is a gate drive signal (gate signal) for the switching element (semiconductor element 32), based on, for example, a three-phase output voltage command signal and a triangular carrier signal.
  • PWM pulse width modulation
  • the control device 40 controls the switching element (semiconductor element 32) of the IGBT unit 30 using the generated gate signal, thereby comprehensively controlling the operation of the IGBT unit 30.
  • the pulse width modulation signal is also referred to as a "PWM signal”
  • the control based on the pulse width modulation signal is also referred to as "PWM control.”
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of the IGBT unit 30 shown in FIG. 1.
  • FIG. 2(a) is a side view showing an example of the configuration of a portion of the IGBT unit 30.
  • FIG. 2(b) is a perspective view showing an example of the configuration of a portion of the IGBT unit 30.
  • FIG. 2(c) is a side view showing an example of the overall configuration of the IGBT unit 30.
  • FIG. 2(d) is a perspective view showing an example of the overall configuration of the IGBT unit 30.
  • the IGBT unit 30 has multiple DC capacitors 22, a cooler 31, and multiple semiconductors 32.
  • the cooler 31 has a plurality of semiconductors 32 arranged in contact with its upper surface, and a plurality of DC capacitors 22 arranged adjacent to its front surface.
  • the cooler 31 has, for example, a plurality of fins arranged in the flow of the refrigerant and a fan for circulating the refrigerant, and transfers heat radiated from the plurality of semiconductor elements 32 to the refrigerant, thereby cooling the plurality of semiconductor elements 32 in contact with it and other elements within the IGBT unit 30.
  • the multiple semiconductors (semiconductor elements) 32 are arranged so as to abut against one surface of the cooler 31.
  • the multiple semiconductors 32 are, for example, multiple switching elements such as IGBTs, and convert DC power into AC power according to control by gate signals from a control device 40 (control board 41) via a gate driver board 33 described below.
  • the IGBT unit 30 further includes a gate driver board 33, a main circuit conductor 34, a support member 35, a DC terminal 36, and an AC terminal 37.
  • the gate driver board 33 is disposed on top of a support member 35 disposed on the upper surface of the multiple semiconductors 32 in Figs. 2(c) and (d).
  • the gate driver board 33 transmits gate signals output from a control device 40 (control board 41) to the gates of the multiple semiconductors (semiconductor elements) 32 to control the semiconductors 32.
  • the main circuit conductor 34 (laminated bus bar) is disposed above the DC capacitor 22 and the semiconductor 32 in Figs. 2(c) and (d), with a DC terminal 36 provided on the cooler 31 side and an AC terminal 37 provided on the DC capacitor 22 side.
  • the main circuit conductor 34 is, for example, a laminated bus bar in which multiple conductive layers and insulating layers are laminated in a predetermined arrangement from the DC terminal 36 to the AC terminal 37.
  • the support member 35 is supported by the cooler 31 and is disposed above the main circuit conductor 34, and the gate driver board 33 is disposed above the support member 35.
  • the DC terminal 36 is provided on the cooler 31 side of the main circuit conductor 34 in Figures 2(c) and (d), and is connected to the DC bus 5 outside the IGBT unit 30 (see Figure 1, etc.).
  • the AC terminal 37 is provided on the DC capacitor 22 side of the main circuit conductor 34, and is connected to the AC circuit 6 outside the IGBT unit 30 (see FIG. 1, etc.). As described below, the AC terminal 37 has three terminals, AC terminal 37a, AC terminal 37b, and AC terminal 37c (see FIG. 9, etc.). Note that AC terminal 37a is an example of a "first AC terminal”, AC terminal 37b is an example of a "second AC terminal”, and AC terminal 37c is an example of a "third AC terminal”.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the arrangement of each component inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 1.
  • FIG. 3(a) is a front view showing an example of the arrangement of each component inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 1.
  • FIG. 3(b) is a side view showing an example of the arrangement of each component inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 1.
  • FIG. 3(c) is a rear view showing an example of the arrangement of each component inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 1.
  • FIG. 3(b) is a right side view of FIG. 3(a).
  • the power conversion device 10 has, inside the housing 11, an air intake 12 in the upper section, a DC circuit breaker 21 in the middle left section, an AC circuit breaker 25 in the middle right section, a DC input unit 5a in the lower left section, and a control board 41, etc. in the lower right section when viewed from the front.
  • the power conversion device 10 has an AC circuit breaker 25 in the middle front section in a side view, and a control board 41 and the like in a lower front section.
  • the power conversion device 10 has an air intake 12 in the upper center section in a side view, an IGBT unit 30 in the middle center section, and an AC reactor 24a in the lower center section.
  • the power conversion device 10 has a fan 13 in the lower rear section in a side view.
  • the power conversion device 10 has an intake port 12 in the upper stage when viewed from the rear, an IGBT unit 30 on each side of the middle stage, and a fan 13 on each side of the lower stage.
  • the two IGBT units 30 arranged on each side have the same structure from the viewpoint of manufacturability, etc.
  • control board 41 etc. implements the main control board 42 and the signal distribution board 43 described below (see Figure 6 etc.).
  • FIG. 4 is a side view showing an example of the division between a semiconductor cooling area A and an electronic component area B in the layout structure inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 3.
  • FIG. 4(a) is a side view showing an example of the semiconductor cooling area A in the layout structure inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 3.
  • FIG. 4(b) is a side view showing an example of the electronic component area B in the layout structure inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 3. Note that, like FIG. 3(b), FIGS. 4(a) and (b) are right side views of FIG. 3(a).
  • the semiconductor cooling area A is, for example, the area on the outside left and right of the IGBT unit 30 and the AC reactor 24a when viewed from the front and rear, and outside air is taken in through the intake port 12 and expelled from the fan 13 (see FIG. 5, etc.).
  • the air intake 12 is made of, for example, punched sheet metal, and actively takes in outside air to cool the semiconductors 32 (for the cooler 31 that cools the semiconductors 32).
  • the semiconductor cooling area A is an area where improving cooling performance is more important than reducing the risk of contamination by outside air.
  • the cooler 31 of the IGBT unit 30, for which improving cooling performance is more important than reducing the risk of contamination by outside air, is placed in the semiconductor cooling area A (see Figure 5, etc.).
  • the air intake 12 is an example of a "first air intake".
  • Fan (cooling fan) 13 is provided on the rear side of the lower part of the housing 11. As shown by the arrows indicating the air flow in FIG. 4(a), outside air is taken in through the air intake 12, passes through the semiconductor cooling area A, and is exhausted from fan (cooling fan) 13.
  • electronic component area B is, for example, the inner area when viewed from the front and rear (see FIG. 5, etc.), and air is taken in from an air intake 14 dedicated to electronic component area B provided on the front side of the housing 11.
  • air intake 14 dedicated to electronic component area B provided on the front side of the housing 11.
  • the air intake 14 has, for example, an air filter 14a, and takes in clean air through the air filter 14a.
  • the electronic component area B is an area where minimizing the risk of contamination by outside air is more important than improving cooling performance.
  • the semiconductor 32 and gate driver board 33 of the IGBT unit 30, which need to be isolated from the outside air that poses the risk of contamination, are arranged facing each other (see Figure 5, etc.).
  • the air intake 14 is an example of a "second air intake".
  • the IGBT unit 30 is designed in advance so that the areas are physically separated, for example, by partitions or sheet metal of the cooler 31, so that the semiconductors 32 and gate driver board 33 are not exposed to the outside air.
  • the semiconductor cooling area A and the electronic component area B are designed so that they have different intake parts, intake port 12 and intake port 14, and are structurally separated inside the housing 11.
  • clean air taken in from air intake 14 passes through electronic component area B and is exhausted from fan (cooling fan) 13. That is, in this embodiment, the exhaust section is common to semiconductor cooling area A and electronic component area B, and the outside air that has flowed through semiconductor cooling area A and the clean air that has flowed through electronic component area B join together and are exhausted from the same fan 13.
  • the outside air that has flowed through semiconductor cooling area A and the clean air that has flowed through electronic component area B may be exhausted separately without joining together.
  • FIG. 5 is a rear view showing an example of the division of the semiconductor cooling area A and the electronic component area B in the layout structure inside the housing 11 of the power conversion device 10 shown in FIG. 3.
  • the housing (panel) 11 of the power conversion device 10 has an air intake 12 in the upper section when viewed from the rear, an IGBT unit 30 on each of the left and right sides of the middle section, and a fan (cooling fan) 13 on each of the left and right sides of the lower section.
  • the outer left and right sides are semiconductor cooling area A
  • the inner side is electronic component area B.
  • the two IGBT units 30 on the left and right sides have the same structure from the standpoint of manufacturability, etc.
  • the semiconductor cooling area A is an area where outside air is actively taken in from the air intake 12, and the cooler 31 and AC reactor 24a, which are parts of the IGBT unit 30 that do not need to be isolated from the outside air that may be at risk of contamination, are arranged in this area.
  • the cooler 31 is arranged on the outside of the left and right sides of the IGBT unit 30.
  • the outside of the IGBT unit 30 and AC reactor 24a in the power conversion device 10 (housing 11) can be divided into a semiconductor cooling area A, and the inside into an electronic component area B.
  • This improves environmental resistance by arranging the semiconductor 32 and gate driver board 33, which are at risk of contamination and need to be isolated from the outside air, facing each other in the electronic component area B.
  • the cooling flow path for the IGBT unit 30 is simplified, making it possible to create a layout with less pressure loss.
  • FIGS. 6 and 7 are diagrams showing an example of the control configuration of the power conversion device 10 shown in FIGS. 1 to 5.
  • the control board 41 in the control device 40 has a main control board 42 and a signal distribution board 43.
  • each IGBT unit 30 arranged on the left and right sides of the housing 11 of the power conversion device 10 when viewed from the front and back has a gate driver board 33.
  • the main control board 42 is the board that actually performs the control, and generates and outputs gate signals that turn on and off the gates of the semiconductors (semiconductor elements) 32 of the IGBT units 30.
  • the signal distribution board 43 is a board that rearranges (distributes) the wiring in order to transmit the signal output from the main control board 42 to each gate driver board 33.
  • the signal distribution board 43 divides (distributes) the signal output from the main control board 42 and outputs it to each gate driver board 33.
  • the gate driver board 33 is a board that transmits electrical signals output from the control board 41 to the gates of multiple semiconductors (semiconductor elements) 32 after isolating them with, for example, a photocoupler, thereby controlling the semiconductors 32 (see Figure 2, etc.).
  • the IGBT unit 30 converts the DC power supplied from the DC terminal 36 into AC power based on the gate signal output from the main control board 42 and distributed by the signal distribution board 43 to each gate driver board 33, and outputs it from the AC terminal 37. At this time, as shown in FIG. 7, the DC power is branched into two and supplied to the two IGBT units 30, and the AC powers converted and output by the two IGBT units 30 are output from the two IGBT units 30 and then merged into one.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the arrangement of the IGBT units 30 in the power conversion device 10 and the control configuration of a conventional signal distribution board 43'.
  • FIG. 8(a) is a diagram showing an example of the arrangement of the IGBT units 30 in the power conversion device 10.
  • FIG. 8(b) is a diagram showing an example of the control configuration of a conventional signal distribution board 43' in the power conversion device 10.
  • the semiconductor 32 and the gate driver board 33 are arranged facing each other in the electronic component area B (see Fig. 5, etc.).
  • the two IGBT units 30 on the left and right sides have the same structure from the viewpoint of manufacturability, etc.
  • the U phases must be connected to each other, the V phases must be connected to each other, and the W phases must be connected to each other.
  • the signal distribution board 43' distributes a signal to two IGBT units 30, it sends the same signal to each of the AC terminals 37a to 37c of the two IGBT units 30.
  • the signal distribution board 43' sends a U-phase signal to each of the AC terminals 37a of the two IGBT units 30, a V-phase signal to each of the AC terminals 37b, and a U-phase signal to each of the AC terminals 37a via the gate driver board 33.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the arrangement of the IGBT units 30 in the power conversion device 10 according to the first embodiment and the control configuration of the signal distribution board 43.
  • FIG. 9(a) is a diagram showing an example of the arrangement of the IGBT units 30 in the power conversion device 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 9(b) is a diagram showing an example of the control configuration of the signal distribution board 43 in the power conversion device 10 according to the first embodiment.
  • the AC terminals 37a, 37b, 37c of one IGBT unit 30 are U-phase, V-phase, and W-phase, respectively, and the AC terminals 37a, 37b, 37c of the other IGBT unit 30 are W-phase, V-phase, and U-phase, respectively. Therefore, as shown in FIG. 9(a), even if two IGBT units 30 having the same structure are arranged facing each other from the viewpoint of manufacturability, etc., the U-phase AC terminal 37a and the U-phase AC terminal 37c are arranged facing each other.
  • the V-phase AC terminal 37b and the V-phase AC terminal 37b are arranged facing each other, and similarly, the W-phase AC terminal 37c and the W-phase AC terminal 37a are arranged facing each other.
  • the connections do not cross (intersect), and the U-phases, the V-phases, and the W-phases are connected to each other at the shortest distance.
  • the signal distribution board 43 when the signal distribution board 43 according to this embodiment distributes signals to two IGBT units 30, it sends U-phase, V-phase, and W-phase signals to AC terminals 37a, 37b, and 37c, respectively, to one IGBT unit 30.
  • the signal distribution board 43 switches the wiring so that the U-phase and W-phase signals are inverted, and sends W-phase, V-phase, and U-phase signals to AC terminals 37a, 37b, and 37c, respectively, to the other IGBT unit 30.
  • the connections of the U-phase, V-phase, and W-phase do not become intertwined, and the connection distance of each conductor does not become long. Furthermore, because the U-phases, V-phases, and W-phases are connected at the shortest distance, the amount of conductors used can be reduced compared to conventional methods, and the conductor connections can be simplified and optimized.
  • One IGBT unit 30 is an example of a "first three-phase integrated semiconductor unit,” and the other IGBT unit 30 is an example of a "second three-phase integrated semiconductor unit.”
  • the outside of the power conversion device 10 (housing 11) is divided into a semiconductor cooling area A and the inside is divided into an electronic component area B, and the IGBT units 30 are arranged facing each other.
  • the cooling flow path becomes simple, and a layout with less pressure loss can be achieved.
  • the cooler 31 of the IGBT unit 30 is placed in the semiconductor cooling area A, where outside air is actively taken in and where improving cooling performance is more important than reducing the risk of contamination by outside air.
  • the cooling performance of the semiconductor 32 is guaranteed even when two (multiple) IGBT units 30 are placed inside the housing 11.
  • the semiconductor 32 and gate driver board 33 of the two (multiple) IGBT units 30 that need to be isolated from the outside air that may be contaminated are arranged facing each other in the electronic component area B.
  • the semiconductor 32 and gate driver board 33 that need to be isolated from the outside air that may be contaminated are arranged in the electronic component area B, where clean air is taken in, although the air volume is less than that of the semiconductor cooling area A. Therefore, according to this embodiment, environmental resistance can be improved.
  • the signal distribution board 43 when the signal distribution board 43 distributes signals to two (multiple) IGBT units 30, it sends U-phase, V-phase, and W-phase signals to AC terminals 37a, 37b, and 37c in that order to one IGBT unit 30.
  • the signal distribution board 43 switches the wiring so that the U-phase and W-phase signals are inverted to send W-phase, V-phase, and U-phase signals to AC terminals 37a, 37b, and 37c in that order to the other IGBT unit 30.
  • the control configuration of the signal distribution board 43 is changed, and the wiring of one of the opposing IGBT units 30 is not swapped, but the wiring of only the other IGBT unit 30 is swapped so that the U-phase and W-phase signals are inverted.
  • the structure of the two IGBT units 30 can remain the same, thereby improving manufacturability and interchangeability.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the arrangement of each component in the power conversion device 10A according to the second embodiment and the division between the semiconductor cooling area A and the electronic component area B.
  • FIG. 10(a) is a side view showing an example of the arrangement of each component in the power conversion device 10A according to the second embodiment and the division between the semiconductor cooling area A and the electronic component area B.
  • FIG. 10(b) is a rear view showing an example of the arrangement of each component in the power conversion device 10A according to the second embodiment and the division between the semiconductor cooling area A and the electronic component area B.
  • the same reference numerals are used for the same or similar components as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 7 and 9, and detailed description thereof will be omitted or simplified.
  • an air intake 14 having an air filter 14a is provided on the front side of the housing 11 for use only with the electronic component area B (see Figure 4, etc.).
  • clean air is taken in from the air intake 14 through the air filter 14a, passes through the electronic component area B, then merges with the outside air in the semiconductor cooling area A and is exhausted from a shared fan 13.
  • a heat exchanger 15 is provided on the front side of the housing 11A instead of the air filter 14a, and a partition wall 16, for example, is disposed between the electronic component area B and the fan 13.
  • the heat exchanger 15 absorbs heat from the clean air (internal air) that has been heated by heat radiation from the semiconductors 32 and other components in the electronic component area B, and cools it.
  • the partition wall 16 is, for example, a metal plate, and blocks the exhaust section on the electronic component area B side inside the housing (panel) 11A (between electronic component area B and the fan 13). Note that what blocks the exhaust section on the electronic component area B side is not limited to the partition wall 16.
  • the power conversion device 10A (housing 11) may originally have a structure in which the exhaust section on the electronic component area B side is blocked.
  • the second embodiment shown in FIG. 10 has the same effects as the first embodiment shown in FIGS. 1 to 7 and 9.
  • the inside and outside air can be completely separated, so the electronic component area B can be kept cleaner than in the first embodiment, and environmental resistance can be improved.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of an arrangement structure of the IGBT units 30 in a power conversion device 10B according to the third embodiment.
  • the same or similar configurations as those in the first embodiment shown in Figs. 1 to 7 and 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified.
  • the IGBT units 30 are arranged inside the housing 11B.
  • the IGBT units 30 are arranged facing each other, with pairs of two IGBT units 30 arranged facing each other being arranged above and below.
  • the U-phases, V-phases, and W-phases of the pairs of IGBT units 30 arranged facing each other are connected at the shortest distance on the opposing fronts, and further the upper and lower U-phases, V-phases, and W-phases are connected in the vertical direction, respectively.
  • the signal distribution board 43 has the same configuration as in the first embodiment, so the control configuration of the signal distribution board 43 has been changed.
  • the wiring of one of the IGBT units 30 arranged opposite each other is not swapped by the signal distribution board 43, and the wiring of the other IGBT unit 30 is swapped by the signal distribution board 43 so that the U-phase and W-phase signals are inverted by the signal distribution board 43.
  • the U-phases, V-phases, and W-phases of the IGBT units 30 arranged opposite each other are connected at the shortest distance on the opposing front sides, and further the upper and lower U-phases, V-phases, and W-phases can be connected vertically.
  • the number of IGBT units 30 in the third embodiment is not limited to four, and may be any even number, such as six.
  • pairs of two IGBT units 30 arranged facing each other are arranged two by two in the vertical direction.
  • the conductors of the U-phases, V-phases, and W-phases of the IGBT units 30 arranged in the vertical direction are connected face-to-face in the horizontal direction, and are then further connected in the vertical direction.
  • the U-phase and W-phase of one IGBT unit 30 can be inverted to facilitate connection of the conductors of the phases facing each other, as well as connection of the conductors of the phases above and below.
  • Fig. 12 is a diagram showing an example of an arrangement of the IGBT units 130 in the power conversion device 110 according to the first comparative example.
  • Fig. 12(a) is a perspective view showing an example of an arrangement of the IGBT units 130 in the power conversion device 110 according to the first comparative example.
  • Fig. 12(b) is a side view showing an example of an arrangement of the IGBT units 130 in the power conversion device 110 according to the first comparative example.
  • the power conversion device 110 according to the first comparative example is, for example, an outdoor unit of a side-by-side panel model, and as shown in Figs. 12(a) and (b), one IGBT unit 130 is arranged for one panel (housing) 111, and a fan 113 is arranged below the IGBT unit 130.
  • the number of semiconductor elements such as IGBTs has been increasing with the expansion of inverter capacity, and there is a need to arrange multiple IGBT units 130 for one panel 111.
  • Fig. 13 is a diagram showing an example of an arrangement of the IGBT units 230 in the power conversion device 210 according to the second comparative example.
  • Fig. 13(a) is a perspective view showing an example of an arrangement of the IGBT units 230 in the power conversion device 210 according to the second comparative example.
  • Fig. 13(b) is a side view showing an example of an arrangement of the IGBT units 230 in the power conversion device 210 according to the second comparative example.
  • the power conversion device 210 is, for example, an indoor unit, and a plurality of IGBT units 230 are arranged in a multi-layered manner on a single board (housing) 211, like a server rack.
  • a plurality of fans 213 must be arranged in a single board 211 in a horizontal direction with the IGBT units 230 according to the number of IGBT units 230. This is because, for example, when the fan 213 is arranged at the bottom, as in the first comparative example shown in FIG. 12, the upper IGBT units 230 and the lower IGBT units 230 stacked in a multi-layered manner, like a server rack, cannot be uniformly cooled. For this reason, in the structure of the second comparative example shown in FIG. 13, a large number of fans 213 are used when attempting to uniformly cool a plurality of IGBT units 230.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of an arrangement structure of IGBT units 330 in a power conversion device 310 according to a third comparative example.
  • multiple IGBT units 330 are arranged in multiple layers on a panel (housing) 311 like a server rack.
  • electronic component area B where, for example, semiconductors 32 and gate driver boards 33 are arranged
  • semiconductor cooling area A where, for example, coolers 31 are arranged.
  • the electronic component area B when the areas are divided, the electronic component area B has a smaller air volume and is less susceptible to contamination from the outside air than the semiconductor cooling area A, so a structure as simple as possible is advantageous in terms of cooling with less pressure loss.
  • the IGBT units 330 are stacked in a vertical line in multiple tiers as in the third comparative example, if the area is divided (separated into inside and outside air), the electronic component area B will have a complex structure because it is equipped with precision machinery such as the gate driver board 33.
  • the IGBT units 30 are arranged facing each other, so the structure of the electronic component area B is simpler than that of the third comparative example shown in Figure 14, and pressure loss is reduced, allowing for efficient cooling.
  • the first to third embodiments shown in Figures 1 to 7 and 9 to 11 while improving environmental resistance, ensuring cooling performance, simplifying the cooling flow path, and improving replaceability compared to the third comparative example, it is possible to reduce the amount of conductor used, simplify and optimize conductor connections.
  • IGBT Three-phase integrated semiconductor unit
  • IGBT Semiconductor element
  • GAT Semiconductor element
  • GAT Gate driver board
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  • PCS Power conversion system
  • Housing panel
  • 113... Fan cooling fan
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Abstract

電力変換装置は、筐体と、筐体内にそれぞれ同一構造の第１の三相一括半導体ユニットと第２の三相一括半導体ユニットと、を備える電力変換装置であって、第１の三相一括半導体ユニットと第２の三相一括半導体ユニットとは、それぞれ冷却器と、半導体と、ゲートドライバ基板と、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子とを有し、それぞれ筐体内の外側に冷却器が配され、筐体内の内側に半導体と、ゲートドライバ基板と、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子とが配されるように、筐体内で、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子とが向かい合わせに配置され、第１の三相一括半導体ユニットは、電力変換装置が有する信号分配基板によって、第１交流端子にはＵ相の信号が送信され、第２交流端子にはＶ相の信号が送信され、第３交流端子にはＷ相の信号が送信されるよう構成され、第２の三相一括半導体ユニットは、電力変換装置が有する信号分配基板によって、Ｕ相とＷ相とが反転するように配線が入れ替えられ、第１交流端子にはＷ相の信号が送信され、第２交流端子にはＶ相の信号が送信され、第３交流端子にはＵ相の信号が送信されるよう構成される。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力変換装置に関する。
　従来、電力変換装置（ＰＣＳ：Power Conditioning System）では、盤（筐体）一つに対して一つの三相一括半導体ユニットが配置されていた（例えば、特許文献１参照）。
　しかし、近年、例えば太陽光発電用や蓄電池用の電力変換装置では、インバータの容量拡大に伴い、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子の個数が増加傾向にある。このため、近年では、電力変換装置において、三相一括半導体ユニットが一つの盤に複数配置されることがある。
　ところで、三相一括半導体ユニットが盤に複数配置される場合、当該三相一括半導体ユニットは、製造性等の観点から同一構造であることが好ましい。例えば、三相一括半導体ユニットが盤に複数配置されている従来機種では、同一構造の複数の三相一括半導体ユニットがサーバーラックのように盤に多段積みとされている（例えば、特許文献２参照）。
日本特開２０１７－２０４９０１号公報 国際公開第２０１９／２０７７２３号
　しかし、近年の電力変換装置（インバータ）の容量増大に伴い、半導体素子の使用個数がさらに増加する傾向にあり、また、インバータの容量拡大に伴い、半導体素子一個当たりの発熱量も増加する傾向にある。これにより、冷却器の責務も増加し、冷却器のサイズも大きくなる傾向にある。そのため、従来よりも、三相一括半導体ユニットのサイズも大きくなる傾向にあり、冷却効率や交換性を考慮した場合、従来のように、複数の三相一括半導体ユニットを盤に多段積みするようなレイアウトが困難となってきている。
　また、三相一括半導体ユニットは、主に冷却器と半導体と制御基板とで構成されているが、半導体と制御基板とは、汚損のリスクがある外気からなるべく隔離する必要がある。しかし、複数の三相一括半導体ユニットを盤に多段積みするようなレイアウトでは、半導体と制御基板とを外気からなるべく隔離させようとする場合、冷却流路が複雑となり圧損が大きくなってしまう。あるいは、複数の三相一括半導体ユニットを均等に冷却させようとする場合、使用するファンの個数も多くなってしまう。
　そこで、本件開示は、電力変換装置の筐体に三相一括半導体ユニットを複数配置する場合において、従来よりも、耐環境性の向上、冷却性の担保、冷却流路の単純化、交換性の向上を図りつつ、導体使用量の削減、導体接続の簡易化、最適化を図ることを目的とする。
　一態様に係る電力変換装置は、筐体と、筐体内にそれぞれ同一構造の第１の三相一括半導体ユニットと第２の三相一括半導体ユニットと、を備える電力変換装置であって、第１の三相一括半導体ユニットと第２の三相一括半導体ユニットとは、それぞれ冷却器と、半導体と、ゲートドライバ基板と、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子とを有し、それぞれ筐体内の外側に冷却器が配され、筐体内の内側に半導体と、ゲートドライバ基板と、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子とが配されるように、筐体内で、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子とが向かい合わせに配置され、第１の三相一括半導体ユニットは、電力変換装置が有する信号分配基板によって、第１交流端子にはＵ相の信号が送信され、第２交流端子にはＶ相の信号が送信され、第３交流端子にはＷ相の信号が送信されるよう構成され、第２の三相一括半導体ユニットは、電力変換装置が有する信号分配基板によって、Ｕ相とＷ相とが反転するように配線が入れ替えられ、第１交流端子にはＷ相の信号が送信され、第２交流端子にはＶ相の信号が送信され、第３交流端子にはＵ相の信号が送信されるよう構成される。
　本件開示によれば、電力変換装置の筐体に三相一括半導体ユニットを複数配置する場合において、従来よりも、耐環境性の向上、冷却性の担保、冷却流路の単純化、交換性の向上を図りつつ、導体使用量の削減、導体接続の簡易化、最適化を図ることができる。
第１実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。 図１に示すＩＧＢＴユニットの構成の一例を示す図である。 図１に示す電力変換装置の筐体内部における各構成の配置構造の一例を示す図である。 図３に示す電力変換装置の筐体内部の配置構造における半導体冷却エリアと電子部品エリアとの区分けの一例を示す側面図である。 図３に示す電力変換装置の筐体内部の配置構造における半導体冷却エリアと電子部品エリアとの区分けの一例を示す背面図である。 図１から図５に示す電力変換装置の制御構成の一例を示す図である。 図１から図５に示す電力変換装置の制御構成の一例を示す図である。 電力変換装置におけるＩＧＢＴユニットの配置構造及び従来の信号分配基板の制御構成の一例を示す図である。 第１実施形態に係る電力変換装置におけるＩＧＢＴユニットの配置構造及び信号分配基板の制御構成の一例を示す図である。 第２実施形態に係る電力変換装置における各構成の配置構造及び半導体冷却エリアと電子部品エリアとの区分けの一例を示す図である。 第３実施形態に係る電力変換装置におけるＩＧＢＴユニットの配置構造の一例を示す図である。 第１比較例に係る電力変換装置におけるＩＧＢＴユニットの配置構造の一例を示す図である。 第２比較例に係る電力変換装置におけるＩＧＢＴユニットの配置構造の一例を示す図である。 第３比較例に係る電力変換装置におけるＩＧＢＴユニットの配置構造の一例を示す図である。
　以下、本件開示に係る三相一括半導体ユニットの配置構造、三相一括半導体ユニット、及び電力変換装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
　＜第１実施形態＞
　図１は、第１実施形態に係る電力変換装置１０の構成の一例を示す図である。なお、本実施形態では、電力変換装置１０が用いられる電力変換システムの一例として、直流電源が太陽光パネル２である太陽光発電システム１について説明する。しかし、これには限られず、本実施形態の電力変換装置１０が用いられる電力変換システムは、例えば、直流電源が、蓄電池であっても、太陽電池と蓄電池とが組み合わされたものであってもよい。
　図１に示すとおり、太陽光発電システム１は、太陽光パネル２と、変圧器３と、交流電力系統４と、電力変換装置１０と、直流母線５と、交流回路６とを有する。電力変換装置１０は、図１中左側の直流端（入力端）で直流母線５を介して太陽光パネル２と接続され、図１中右側の交流端（出力端）で交流回路６及び変圧器３を介して交流電力系統４と接続される。太陽光発電システム１において、太陽光パネル２で発電された直流電力は、電力変換装置１０を介して交流電力に変換され、変換された交流電力は、変圧器３を介して交流電力系統４に供給される。
　太陽光パネル（太陽電池パネル）２は、直流母線５を介して電力変換装置１０の直流端と接続される。太陽光パネル２は、太陽光によって発電を行い、発電された直流電力は、直流母線５を介して電力変換装置１０に供給される。以下、本明細書において、太陽光パネル２は、「ＰＶ（Photovoltaics）パネル２」とも称される。なお、ＰＶパネル２は、「直流電源」の一例であり、「直流電源」は、例えば、「蓄電池（ＥＳＳ：Energy Storage System）」であってもよい。
　変圧器３は、交流回路６を介して一端が電力変換装置１０の交流端（出力端）と接続され、他端が交流電力系統４と接続される。変圧器３は、電力変換装置１０から出力される交流電力を所定の電圧の高さに変圧して交流電力系統４に出力する。
　交流電力系統（系統）４は、変圧器３と接続され、変圧器３によって変圧された交流電力を需要家の受電設備に供給するための、発電・変電・送電・配電を統合したシステムであり、例えば、不特定の負荷が接続されている。以下、本明細書において、交流電力系統４は、「系統４」とも称される。
　直流母線５は、一端が太陽光パネル２と接続され、他端が後述の三相一括半導体ユニット３０の直流端（入力端）と接続される。直流母線５は、太陽光パネル２によって発電された直流電力を三相一括半導体ユニット３０に供給する。
　交流回路６は、一端が後述の三相一括半導体ユニット３０の交流端（出力端）と接続され、他端が変圧器３を介して系統４と接続される。交流回路６は、例えば、電流又は電圧の位相を互いにずらした３系統の単相交流を組み合わせた三相交流電力を３本の電線・ケーブル・導体を用いて供給する三相三線式の三相交流回路である。交流回路６は、三相一括半導体ユニット３０によって変換された交流電力を系統４側に供給する。
　電力変換装置（ＰＣＳ：Power Conditioning System）１０は、例えば、太陽光発電（ＰＶ：Photovoltaics）用の電力変換装置（ＰＶ－ＰＣＳ：Photovoltaics-Power Conditioning System）である。電力変換装置（ＰＣＳ）１０は、太陽光パネル２から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換された交流電力を、変圧器３を介して系統４側に出力する。以下、本明細書において、電力変換装置１０は、「ＰＣＳ１０」とも称される。なお、ＰＣＳ１０は、蓄電池（ＥＳＳ）用の電力変換装置（ＥＳＳ－ＰＣＳ：Energy Storage System-Power Conditioning System）であってもよい。
　ＰＣＳ１０は、筐体（盤）１１を有し、筐体１１の内部において、直流スイッチ２１と、三相一括半導体ユニット３０と、交流フィルタ２４と、交流スイッチ２５と、制御装置４０とを有する。
　ＰＣＳ１０は、太陽光パネル２と接続される直流母線５において、太陽光パネル２側から三相一括半導体ユニット３０に向けて順に、直流スイッチ２１と、三相一括半導体ユニット３０とが配置される。太陽光パネル２と三相一括半導体ユニット３０との間には、各種センサが配置される。
　ＰＣＳ１０は、変圧器３を介して系統４と接続される交流回路６において、三相一括半導体ユニット３０から変圧器３（系統４）側に向けて順に、三相一括半導体ユニット３０と、交流フィルタ２４と、交流スイッチ２５とが配置される。交流フィルタ２４と変圧器３との間には、各種センサが配置される。
　なお、ＰＣＳ１０における筐体１１内部の具体的な配置構造は、後述する（図３～５等参照）。
　直流スイッチ（直流遮断器）２１は、直流母線５において、太陽光パネル２と三相一括半導体ユニット３０との間に直列に設けられる。以下、本明細書において、直流スイッチ２１は、「直流遮断器２１」又は「ＤＣ（Direct Current）スイッチ２１」とも称される。
　交流フィルタ２４は、ＡＣ（Alternating Current）フィルタとも称され、例えば、交流リアクトル２４ａと交流コンデンサ２４ｂとがＬ型に接続されたＬＣフィルタ回路（フィルタ回路）として構成される。以下、本明細書において、交流フィルタ２４は、「ＡＣフィルタ２４」とも称され、交流リアクトル２４ａは、「ＡＣリアクトル２４ａ」とも称され、交流コンデンサ２４ｂは、「ＡＣコンデンサ２４ｂ」とも称される。
　交流スイッチ（交流遮断器）２５は、交流回路６において、交流フィルタ２４と変圧器３との間に直列に設けられる。以下、本明細書において、交流スイッチ２５は、「交流遮断器２５」又は「ＡＣスイッチ２５」とも称される。
　三相一括半導体ユニット３０は、後述の直流コンデンサ２２と、冷却器３１と、半導体３２と、ゲートドライバ基板３３とを有する。三相一括半導体ユニット３０は、直流端である一端側が直流母線５を介してＤＣスイッチ２１と接続され、交流端である他端側が交流回路６を介して交流フィルタ２４と接続される。
　三相一括半導体ユニット３０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の複数のスイッチング素子（半導体素子３２）を有する。三相一括半導体ユニット３０は、太陽光パネル２から供給される直流電力を直流端から取得し、パルス幅変調信号（ゲート信号）による制御に従い、取得した直流電力を交流電力に変換して、交流端から出力して交流回路６に供給する。以下、本明細書において、三相一括半導体ユニット３０は、「ＩＧＢＴユニット３０」とも称される。
　直流コンデンサ２２は、直流スイッチ２１と半導体３２との間に設けられ、太陽光パネル２からの直流電力により充電されて電圧が上昇し、ＤＣスイッチ２１が開放されているときは、例えば、不図示の放電回路や放電抵抗等により放電されて電圧が低下する。以下、本明細書において、直流コンデンサ２２は、「ＤＣコンデンサ２２」とも称される。
　なお、三相一括半導体ユニット（ＩＧＢＴユニット）３０のその他の具体的な構成及び配置構造は、後述する（図２等参照）。
　制御装置４０は、例えば、後述の制御基板４１等を有し、図中配線等は一部省略されているが、ＩＧＢＴユニット３０を始めとするＰＣＳ１０の各要素と、有線又は無線によって電気的に接続されている（図６等参照）。
　制御装置４０は、例えば、プログラムを実行することにより動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）等の不図示のプロセッサと不図示のメモリとを有する。制御装置４０は、例えば、不図示のメモリに記憶された所定のプログラムを実行することにより不図示のプロセッサを動作させてＰＣＳ１０の動作を統括的に制御する。なお、制御装置４０は、不図示の上位装置から受け付けた指示や、不図示のオペレータから不図示の操作部を介して受け付けた指示に従って、ＰＣＳ１０の動作を制御してもよい。
　制御装置４０は、例えば、三相の出力電圧指令信号と三角波状のキャリア信号とに基づいてスイッチング素子（半導体素子３２）のゲート駆動信号（ゲート信号）であるパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号を発生させる。制御装置４０は、発生させたゲート信号により、ＩＧＢＴユニット３０のスイッチング素子（半導体素子３２）を制御して、ＩＧＢＴユニット３０の動作を統括的に制御する。以下、本明細書において、パルス幅変調信号は、「ＰＷＭ信号」とも称され、パルス幅変調信号に基づく制御は、「ＰＷＭ制御」とも称される。
　図２は、図１に示すＩＧＢＴユニット３０の構成の一例を示す図である。図２（ａ）は、ＩＧＢＴユニット３０の一部の構成の一例を示す側面図である。図２（ｂ）は、ＩＧＢＴユニット３０の一部の構成の一例を示す斜視図である。図２（ｃ）は、ＩＧＢＴユニット３０全体構成の一例を示す側面図である。図２（ｄ）は、ＩＧＢＴユニット３０の全体構成の一例を示す斜視図である。
　図２（ａ）、（ｂ）に示すとおり、ＩＧＢＴユニット３０は、複数のＤＣコンデンサ２２と、冷却器３１と、複数の半導体３２とを有する。
　冷却器３１は、図２（ａ）、（ｂ）中、上面に複数の半導体３２が当接して配置され、前面に複数のＤＣコンデンサ２２が隣接して配置される。冷却器３１は、例えば、冷媒の流れの中に配置された複数のフィンと、冷媒を循環させるファン等を有し、複数の半導体素子３２から放熱される熱を冷媒に伝達することで、当接する複数の半導体素子３２や、ＩＧＢＴユニット３０内のその他の要素を冷却する。
　複数の半導体（半導体素子）３２は、冷却器３１の一つの面に当接するように配置される。複数の半導体３２は、例えば、ＩＧＢＴ等の複数のスイッチング素子であり、後述のゲートドライバ基板３３を介した制御装置４０（制御基板４１）からのゲート信号による制御に従い、直流電力を交流電力に変換する。
　図２（ｃ）、（ｄ）に示すとおり、ＩＧＢＴユニット３０は、さらに、ゲートドライバ基板３３と、主回路導体３４と、支持部材３５と、直流端子３６と、交流端子３７とを有する。
　ゲートドライバ基板３３は、図２（ｃ）、（ｄ）中、複数の半導体３２の上面に配置された支持部材３５の上部に配置される。ゲートドライバ基板３３は、制御装置４０（制御基板４１）から出力されるゲート信号を、複数の半導体（半導体素子）３２のゲートに送信して半導体３２を制御する。
　主回路導体３４（積層ブスバー）は、図２（ｃ）、（ｄ）中、ＤＣコンデンサ２２及び半導体３２の上部に配置され、冷却器３１側に直流端子３６が設けられ、ＤＣコンデンサ２２側に交流端子３７が設けられる。主回路導体３４は、例えば、直流端子３６から交流端子３７に至るまでに、複数の導電層と絶縁層とが所定の配列で積層される積層ブスバーである。
　支持部材３５は、図２（ｃ）、（ｄ）中、冷却器３１に支持されて主回路導体３４の上部に配置され、支持部材３５の上部には、ゲートドライバ基板３３が配置される。
　直流端子３６は、図２（ｃ）、（ｄ）中、主回路導体３４の冷却器３１側に設けられ、ＩＧＢＴユニット３０の外部で直流母線５と接続される（図１等参照）。
　交流端子３７は、図２（ｃ）、（ｄ）中、主回路導体３４のＤＣコンデンサ２２側に設けられ、ＩＧＢＴユニット３０の外部で交流回路６と接続される（図１等参照）。交流端子３７は、後述のとおり、交流端子３７ａと、交流端子３７ｂと、交流端子３７ｃとの３つの端子を有する（図９等参照）。なお、交流端子３７ａは、「第１交流端子」の一例であり、交流端子３７ｂは、「第２交流端子」の一例であり、交流端子３７ｃは、「第３交流端子」の一例である。
　図３は、図１に示す電力変換装置１０の筐体１１内部における各構成の配置構造の一例を示す図である。図３（ａ）は、図１に示す電力変換装置１０の筐体１１内部における各構成の配置構造の一例を示す正面図である。図３（ｂ）は、図１に示す電力変換装置１０の筐体１１内部における各構成の配置構造の一例を示す側面図である。図３（ｃ）は、図１に示す電力変換装置１０の筐体１１内部における各構成の配置構造の一例を示す背面図である。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）の右側面図である。
　図３（ａ）に示すとおり、電力変換装置１０は、正面視において、筐体１１の内部に、上段に吸気口１２を有し、中段左側に直流遮断器２１を有し、中段右側に交流遮断器２５を有し、下段左側に直流入力部５ａを有し、下段右側に制御基板４１等を有する。
　また、図３（ｂ）に示すとおり、電力変換装置１０は、側面視において、正面側中段に交流遮断器２５を有し、正面側下段に制御基板４１等を有する。また、電力変換装置１０は、側面視において、中央部上段に吸気口１２を有し、中央部中段にＩＧＢＴユニット３０を有し、中央部下段に交流リアクトル２４ａを有する。また、電力変換装置１０は、側面視において、背面側下段にファン１３を有する。
　また、図３（ｃ）に示すとおり、電力変換装置１０は、背面視において、上段に吸気口１２を有し、中段の左右両側にそれぞれＩＧＢＴユニット３０を有し、下段の左右両側にそれぞれファン１３を有する。なお、左右両側にそれぞれ配置される２つのＩＧＢＴユニット３０は、製造性等の観点からそれぞれ同一構造である。
　なお、図３（ａ）～（ｃ）において、制御基板４１等は、後述のメイン制御基板４２と、信号分配基板４３とを実装する（図６等参照）。
　図４は、図３に示す電力変換装置１０の筐体１１内部の配置構造における半導体冷却エリアＡと電子部品エリアＢとの区分けの一例を示す側面図である。図４（ａ）は、図３に示す電力変換装置１０の筐体１１内部の配置構造における半導体冷却エリアＡの一例を示す側面図である。図４（ｂ）は、図３に示す電力変換装置１０の筐体１１内部の配置構造における電子部品エリアＢの一例を示す側面図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）は、図３（ｂ）と同様に、図３（ａ）の右側面図である。
　図４（ａ）において、半導体冷却エリアＡは、例えば、正面視及び背面視におけるＩＧＢＴユニット３０と、交流リアクトル２４ａとの左右の外側のエリアであり、吸気口１２から外気が取り入れられ、ファン１３から外気が排出される（図５等参照）。
　吸気口１２は、例えば、パンチ加工された板金等で構成され、半導体３２を冷却するために（半導体３２を冷却する冷却器３１のために）積極的に外気を取り入れる。半導体冷却エリアＡは、外気による汚損のリスクの抑制よりも、冷却性能の向上の方が重視されるエリアである。半導体冷却エリアＡには、ＩＧＢＴユニット３０のうち、外気による汚損のリスクよりも、冷却性能の向上の方が重視される冷却器３１が配置される（図５等参照）。なお、吸気口１２は、「第１吸気口」の一例である。
　ファン（冷却ファン）１３は、筐体１１の下部の背面側に設けられる。図４（ａ）中、風の流れを示す矢印で示されるとおり、吸気口１２から取り入れられ、半導体冷却エリアＡを通った外気は、ファン（冷却ファン）１３から排気される。
　図４（ｂ）において、電子部品エリアＢは、例えば、正面視及び背面視における内側のエリアであり（図５等参照）、筐体１１の正面側に設けられる電子部品エリアＢ専用の吸気口１４から空気が取り入れられる。電子部品エリアＢは、半導体冷却エリアＡよりも風量は少ないものの、半導体冷却エリアＡよりもクリーンな空気が取り入れられる。
　吸気口１４は、例えば、エアフィルタ１４ａを有し、エアフィルタ１４ａを介してクリーンな空気を取り入れる。電子部品エリアＢは、冷却性能の向上よりも、外気による汚損のリスクの抑制の方が重視されるエリアである。電子部品エリアＢには、ＩＧＢＴユニット３０のうち、汚損のリスクのある外気から隔離する必要のある半導体３２とゲートドライバ基板３３とが向かい合わせに配置される（図５等参照）。なお、吸気口１４は、「第２吸気口」の一例である。
　なお、ＩＧＢＴユニット３０は、例えば、図２に示すとおり、半導体３２やゲートドライバ基板３３が外気に触れないよう、例えば、冷却器３１が有する隔壁や板金等により、エリアが物理的に分けられるように予め設計されている。また、半導体冷却エリアＡと電子部品エリアＢとは、吸気部分が吸気口１２と吸気口１４とで異なり、筐体１１の内部において、構造的に分離されるように設計されている。
　図４（ｂ）中、風の流れを示す矢印で示されるとおり、吸気口１４から取り入れられたクリーンな空気は、電子部品エリアＢを通って、ファン（冷却ファン）１３から排気される。すなわち、本実施形態では、排気部分は、半導体冷却エリアＡと電子部品エリアＢとで共通しており、半導体冷却エリアＡを流れた外気と電子部品エリアＢを流れたクリーンな空気とが合流して、同じファン１３から排気される。しかし、これには限られず、半導体冷却エリアＡを流れた外気と電子部品エリアＢを流れたクリーンな空気とが合流せずに、別々に排気されてもよい。
　図５は、図３に示す電力変換装置１０の筐体１１内部の配置構造における半導体冷却エリアＡと電子部品エリアＢとの区分けの一例を示す背面図である。
　図５において、図３（ｃ）で説明したとおり、電力変換装置１０の筐体（盤）１１は、背面視において、上段に吸気口１２を有し、中段の左右両側にそれぞれＩＧＢＴユニット３０を有し、下段の左右両側にそれぞれファン（冷却ファン）１３を有する。図５に示すとおり、左右の外側が半導体冷却エリアＡであり、内側が電子部品エリアＢである。なお、図３（ｃ）で説明したとおり、左右両側の２つのＩＧＢＴユニット３０は、製造性等の観点からそれぞれ同一構造である。
　半導体冷却エリアＡは、図４（ａ）で説明したとおり、吸気口１２から積極的に外気が取り入れられるエリアであり、ＩＧＢＴユニット３０のうち汚損のリスクのある外気から隔離する必要の少ない冷却器３１と、交流リアクトル２４ａとが配置される。これにより、ＩＧＢＴユニット３０の左右の外側に冷却器３１が配置される。
　一方、電子部品エリアＢは、図４（ｂ）で説明したとおり、筐体１１の正面側に設けられるエアフィルタ１４ａを有する電子部品エリアＢ専用の吸気口１４からクリーンな空気が取り入れられる。電子部品エリアＢは、半導体冷却エリアＡよりも風量は少ないものの、半導体冷却エリアＡよりもクリーンな空気が取り入れられるエリアである。電子部品エリアＢには、ＩＧＢＴユニット３０のうち汚損のリスクのある外気から隔離する必要のある半導体３２とゲートドライバ基板３３とが配置される。これにより、ＩＧＢＴユニット３０の内側に半導体３２とゲートドライバ基板３３とが向かい合わせに配置される。
　図５中、風の流れを示す矢印で示されるとおり、吸気口１２から取り入れられた外気は、半導体冷却エリアＡを通って、ファン（冷却ファン）１３から排気される。また、図５では図示されていないが、吸気口１４から取り入れられたクリーンな空気は、電子部品エリアＢを通って、外気と合流し、ファン（冷却ファン）１３から排気される（図４（ｂ）等参照）。
　上記の構成によれば、電力変換装置１０（筐体１１）におけるＩＧＢＴユニット３０及び交流リアクトル２４ａの外側を半導体冷却エリアＡ、内側を電子部品エリアＢとして区分けすることができる。これにより、汚損のリスクがあり外気から隔離する必要のある半導体３２とゲートドライバ基板３３とを電子部品エリアＢに向かい合わせに配置することで、耐環境性の向上を図ることができる。また、上記の構成によれば、ＩＧＢＴユニット３０に対しての冷却流路が単純になり、圧損の少ないレイアウトを可能にすることができる。
　図６及び図７は、図１から図５に示す電力変換装置１０の制御構成の一例を示す図である。
　図６及び図７に示すとおり、電力変換装置１０の筐体１１の内部において、制御装置４０における制御基板４１は、メイン制御基板４２と、信号分配基板４３とを有する。また、電力変換装置１０の筐体１１の正面視及び背面視において左右に配置された各ＩＧＢＴユニット３０は、それぞれゲートドライバ基板３３を有する。
　メイン制御基板４２は、実際に制御を行う基板であり、ＩＧＢＴユニット３０の半導体（半導体素子）３２のゲートをオンオフさせるゲート信号を生成して出力する。
　信号分配基板４３は、メイン制御基板４２から出力された信号を各ゲートドライバ基板３３に送信するために配線を入れ換える（分配する）基板である。信号分配基板４３は、メイン制御基板４２から出力された信号を分割（分配）して各ゲートドライバ基板３３に出力する。
　ゲートドライバ基板３３は、制御基板４１から出力された電気信号を、例えばフォトカプラ等で絶縁した上で複数の半導体（半導体素子）３２のゲートに送信して半導体３２を制御する基板である（図２等参照）。
　ＩＧＢＴユニット３０は、メイン制御基板４２から出力され、信号分配基板４３で各ゲートドライバ基板３３に分配されたゲート信号に基づいて、直流端子３６から供給された直流電力を交流電力に変換して、交流端子３７から出力する。このとき、図７に示すように、直流電力は、２つに分岐して２つのＩＧＢＴユニット３０に供給され、２つのＩＧＢＴユニット３０でそれぞれ変換されて出力された交流電力は、２つのＩＧＢＴユニット３０から出力された後で１つに合流する。
　図８は、電力変換装置１０におけるＩＧＢＴユニット３０の配置構造及び従来の信号分配基板４３’の制御構成の一例を示す図である。図８（ａ）は、電力変換装置１０におけるＩＧＢＴユニット３０の配置構造の一例を示す図である。図８（ｂ）は、電力変換装置１０における従来の信号分配基板４３’の制御構成の一例を示す図である。
　図１から図５で説明したとおり、本実施形態では、２つのＩＧＢＴユニット３０を筐体１１に配置する場合、半導体３２とゲートドライバ基板３３とが電子部品エリアＢに向かい合わせに配置される（図５等参照）。また、上述のとおり、左右両側の２つのＩＧＢＴユニット３０は、製造性等の観点からそれぞれ同一構造である。このため、図６及び図７で説明したとおり、２つのＩＧＢＴユニット３０から出力された交流電力を１つに合流させるためには、Ｕ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士が接続されなければならない。
　しかし、図８（ａ）に示すとおり、それぞれ同一構造である２つのＩＧＢＴユニット３０が単純に向かい合わせに配置されると、Ｕ相の交流端子３７ａとＷ相の交流端子３７ｃとが向かい合わせに配置される。このため、Ｕ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士が接続される場合、交流端子３７ａと交流端子３７ｃとが接続されなければならず、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の接続が交錯（交差）してしまう。
　これは、図８（ｂ）の中段に示すとおり、従来、信号分配基板４３’が２つのＩＧＢＴユニット３０に信号を分配する場合、２つのＩＧＢＴユニット３０それぞれの交流端子３７ａ～３７ｃにそれぞれ同一の信号を送っているためである。すなわち、信号分配基板４３’は、ゲートドライバ基板３３を介して、２つのＩＧＢＴユニット３０のそれぞれの交流端子３７ａにＵ相の信号を送り、それぞれの交流端子３７ｂにＶ相の信号を送り、それぞれの交流端子３７ａにＵ相の信号を送っている。
　このため、図８（ｂ）の上段に示すとおり、Ｕ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士が接続されると、交流端子３７ａと交流端子３７ｃとが接続されなければならず、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の接続が交錯してしまう問題があった。Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の接続が交錯してしまう場合、各導体の接続距離が長くなり、最短距離で接続するよりも導体の使用量が多くなってしまう。
　図９は、第１実施形態に係る電力変換装置１０におけるＩＧＢＴユニット３０の配置構造及び信号分配基板４３の制御構成の一例を示す図である。図９（ａ）は、第１実施形態に係る電力変換装置１０におけるＩＧＢＴユニット３０の配置構造の一例を示す図である。図９（ｂ）は、第１実施形態に係る電力変換装置１０における信号分配基板４３の制御構成の一例を示す図である。
　図９（ａ）に示すとおり、本実施形態では、一方のＩＧＢＴユニット３０は、交流端子３７ａ、３７ｂ、３７ｃが順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相となっており、他方のＩＧＢＴユニット３０は、交流端子３７ａ、３７ｂ、３７ｃが順にＷ相、Ｖ相、Ｕ相となっている。このため、図９（ａ）に示すとおり、製造性等の観点からそれぞれ同一構造である２つのＩＧＢＴユニット３０が向かい合わせに配置された場合であっても、Ｕ相の交流端子３７ａとＵ相の交流端子３７ｃとが向かい合わせに配置される。同様に、Ｖ相の交流端子３７ｂとＶ相の交流端子３７ｂとが向かい合わせに配置され、同様に、Ｗ相の交流端子３７ｃとＷ相の交流端子３７ａとが向かい合わせに配置される。これにより、Ｕ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士が接続された場合、接続が交錯（交差）せずに、Ｕ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士が最短距離で接続される。
　すなわち、図９（ｂ）の中段に示すとおり、本実施形態に係る信号分配基板４３は、２つのＩＧＢＴユニット３０に信号を分配する場合、一方のＩＧＢＴユニット３０には、交流端子３７ａ、３７ｂ、３７ｃに順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の信号を送っている。一方、信号分配基板４３は、他方のＩＧＢＴユニット３０には、Ｕ相とＷ相との信号が反転するように配線を入れ替えて、交流端子３７ａ、３７ｂ、３７ｃに順にＷ相、Ｖ相、Ｕ相の信号を送っている。
　これにより、図９（ｂ）の上段に示すとおり、Ｕ相同士が接続される場合、Ｕ相の交流端子３７ａと、当該Ｕ相の交流端子３７ａの正面に向かい合わせに対向して配置されるＵ相の交流端子３７ｃとが交錯せずに、最短距離で、対面で接続される。同様に、Ｖ相同士が接続される場合、Ｖ相の交流端子３７ｂと、当該Ｖ相の交流端子３７ｂの正面に向かい合わせに対向して配置されるＶ相の交流端子３７ｂとが交錯せずに、最短距離で、対面で接続される。同様に、Ｗ相同士が接続される場合、Ｗ相の交流端子３７ｃと、当該Ｗ相の交流端子３７ｃの正面に向かい合わせに対向して配置されるＷ相の交流端子３７ａとが交錯せずに、最短距離で、対面で接続される。
　このため、本実施形態によれば、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の接続が交錯してしまうことも、各導体の接続距離が長くなることもない。また、Ｕ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士が最短距離で接続されるため、従来よりも導体の使用量を削減することができ、導体の接続の簡易化、最適化を図ることができる。なお、一方のＩＧＢＴユニット３０は、「第１の三相一括半導体ユニット」の一例であり、他方のＩＧＢＴユニット３０は、「第２の三相一括半導体ユニット」の一例である。
　＜第１実施形態の作用効果＞
　以上、図１～図７及び図９に示す第１実施形態によれば、電力変換装置１０（筐体１１）の外側を半導体冷却エリアＡ、内側を電子部品エリアＢとして区分けし、ＩＧＢＴユニット３０を向かい合わせに配置することとした。これにより、本実施形態によれば、２つの（複数の）ＩＧＢＴユニット３０が筐体１１内に配置された場合であっても、冷却流路が単純になり、圧損の少ないレイアウトを可能にすることができる。
　また、図１～図７及び図９に示す第１実施形態によれば、積極的に外気が取り入れられ、外気による汚損のリスクの抑制よりも冷却性能の向上の方が重視される半導体冷却エリアＡには、ＩＧＢＴユニット３０のうち、冷却器３１が配置される。これにより、本実施形態によれば、２つの（複数の）ＩＧＢＴユニット３０が筐体１１内に配置された場合であっても、半導体３２の冷却性が担保される。
　また、図１～図７及び図９に示す第１実施形態によれば、電子部品エリアＢには、２つの（複数の）ＩＧＢＴユニット３０のうち、汚損のリスクのある外気から隔離する必要のある半導体３２とゲートドライバ基板３３とが向かい合わせに配置される。これにより、汚損のリスクのある外気から隔離する必要のある半導体３２とゲートドライバ基板３３とが、半導体冷却エリアＡよりも風量は少ないもののクリーンな空気が取り入れられる電子部品エリアＢに配置されることになる。このため、本実施形態によれば、耐環境性を向上させることができる。
　また、図１～図７及び図９に示す第１実施形態によれば、信号分配基板４３は、２つの（複数の）ＩＧＢＴユニット３０に信号を分配する場合、一方のＩＧＢＴユニット３０には、交流端子３７ａ、３７ｂ、３７ｃに順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の信号を送ることとした。その一方で、信号分配基板４３は、他方のＩＧＢＴユニット３０には、Ｕ相とＷ相との信号が反転するように配線を入れ替えて、交流端子３７ａ、３７ｂ、３７ｃに順にＷ相、Ｖ相、Ｕ相の信号を送ることとした。これにより、本実施形態によれば、２つの（複数の）ＩＧＢＴユニット３０が筐体１１内に配置された場合であっても、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の接続が交錯（交差）して複雑となることがなく、各導体の接続距離が長くなることが抑制される。このため、本実施形態によれば、Ｕ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士が向かい合わせとなり、導体が最短距離で接続されるため、従来よりも導体の使用量を削減することができ、導体の接続の簡易化、最適化を図ることができる。
　また、図１～図７及び図９に示す第１実施形態によれば、信号分配基板４３の制御構成を変更し、向かい合わせの一方のＩＧＢＴユニット３０は配線を入れ替えず、他方のＩＧＢＴユニット３０のみＵ相とＷ相との信号が反転するように配線を入れ替えることとした。これにより、本実施形態によれば、２つの（複数の）ＩＧＢＴユニット３０が筐体１１内に配置された場合であっても、２つのＩＧＢＴユニット３０の構造は同一構造のままとすることができるため、製造性の向上や交換性の向上を図ることができる。
　＜第２実施形態＞
　図１０は、第２実施形態に係る電力変換装置１０Ａにおける各構成の配置構造及び半導体冷却エリアＡと電子部品エリアＢとの区分けの一例を示す図である。図１０（ａ）は、第２実施形態に係る電力変換装置１０Ａにおける各構成の配置構造及び半導体冷却エリアＡと電子部品エリアＢとの区分けの一例を示す側面図である。図１０（ｂ）は、第２実施形態に係る電力変換装置１０Ａにおける各構成の配置構造及び半導体冷却エリアＡと電子部品エリアＢとの区分けの一例を示す背面図である。なお、図１０において、図１～図７及び図９に示す第１実施形態の構成と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。
　上述のとおり、図１～図７及び図９に示す第１実施形態に係る電力変換装置１０では、筐体１１の正面側に、エアフィルタ１４ａを有する電子部品エリアＢ専用の吸気口１４が設けられていた（図４等参照）。そして、第１実施形態に係る電力変換装置１０では、吸気口１４からエアフィルタ１４ａを介して取り入れられたクリーンな空気は、電子部品エリアＢを通過した後、半導体冷却エリアＡの外気と合流し、共通のファン１３から排気されていた。
　一方、図１０に示すとおり、第２実施形態に係る電力変換装置１０Ａでは、筐体１１Ａの正面側には、エアフィルタ１４ａの代わりに熱交換器１５が設けられ、電子部品エリアＢとファン１３との間には、例えば、隔壁１６等が配置されている。
　熱交換器１５は、電子部品エリアＢ内の半導体３２等の放熱により加熱されたクリーンな空気（内気）の熱を吸熱して冷却する。
　隔壁１６は、例えば、板金等であり、筐体（盤）１１Ａ内部にある電子部品エリアＢ側の排気部分（電子部品エリアＢとファン１３との間）を塞いでいる。なお、電子部品エリアＢ側の排気部分を塞ぐものは、隔壁１６には限られない。例えば、電力変換装置１０Ａ（筐体１１）は、元々電子部品エリアＢ側の排気部分が塞がれている構造を有するものであってもよい。
　図１０（ａ）中、風の流れを示す矢印で示されるとおり、電子部品エリアＢ内で加熱されたクリーンな空気（内気）は、熱交換器１５によって冷却される。そして、隔壁１６によって、筐体（盤）１１Ａ内部にある電子部品エリアＢ側の排気部分が塞がれていることにより、電子部品エリアＢの内気は、半導体冷却エリアＡの外気と合流することはなく、ファン１３からの外気の排気とは分離される。これにより、第２実施形態に係る電力変換装置１０Ａでは、内気と外気とは完全に分離され、電子部品エリアＢには熱交換器１５により吸熱されて冷却された内気の冷却風のみが循環して流れる。そして、ファン１３からは外気のみが排気される。
　＜第２実施形態の作用効果＞
　以上、図１０に示す第２実施形態では、図１～図７及び図９に示す第１実施形態と同様の効果を有する。
　また、図１０に示す第２実施形態によれば、内外気を完全に分離することができるため、第１実施形態よりも、電子部品エリアＢ内をよりクリーンに保つことができ、より耐環境性を向上させることができる。
　また、図１０に示す第２実施形態によれば、内外気を完全に分離することができるため、第１実施形態よりも、汚損のリスクを気にせず、より積極的に半導体冷却エリアＡ内に外気を取り入れることが可能である。これにより、本実施形態によれば、第１実施形態よりも、より冷却性能の向上や冷却性の担保を図ることができる。
　＜第３実施形態＞
　図１１は、第３実施形態に係る電力変換装置１０ＢにおけるＩＧＢＴユニット３０の配置構造の一例を示す図である。なお、図１１において、図１～図７及び図９に示す第１実施形態の構成と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。
　図１１に示すとおり、第３実施形態に係る電力変換装置１０Ｂでは、筐体１１Ｂ内部にＩＧＢＴユニット３０が４台配置されている。そして、図１～図７及び図９に示す第１実施形態と同様に、ＩＧＢＴユニット３０は、向かい合わせに配置され、向かい合わせに配置された２台のＩＧＢＴユニット３０の組が上下にそれぞれ配置されている。そして、第１実施形態と同様に、向かい合わせに配置されたＩＧＢＴユニット３０の組のＵ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士がそれぞれ対向する正面において最短距離で接続され、さらに上下のＵ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士がそれぞれ上下方向で接続される。
　すなわち、第３実施形態においても、信号分配基板４３は第１実施形態と同様の構成を有するため、信号分配基板４３の制御構成が変更されている。換言すれば、向かい合わせに配置された一方のＩＧＢＴユニット３０は、信号分配基板４３によって配線が入れ替えられておらず、他方のＩＧＢＴユニット３０は、信号分配基板４３によってＵ相とＷ相との信号が反転するように配線が入れ替えられている。このため、第３実施形態では、向かい合わせに配置されたＩＧＢＴユニット３０のＵ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士がそれぞれ対向する正面において最短距離で接続され、さらに上下のＵ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士がそれぞれ縦方向で接続することができる。
　なお、第３実施形態におけるＩＧＢＴユニット３０は、４台には限られず、例えば６台等、偶数台であれば、何台であってもよい。この場合、向かい合わせに配置された２台のＩＧＢＴユニット３０の組が上下方向（縦方向）に２台ずつ配置される。そして、上下方向に複数配置されたＩＧＢＴユニット３０のＵ相同士、Ｖ相同士、及びＷ相同士の導体が水平方向に対面で接続されさらにそれぞれ上下方向（垂直方向）で接続されていく。
　＜第３実施形態の作用効果＞
　以上、図１１に示す第３実施形態では、ＩＧＢＴユニット３０が筐体１１Ｂ内に４台以上の偶数台配置された場合であっても、図１～図７及び図９に示す第１実施形態と同様の効果を有する。
　また、図１１に示す第３実施形態では、ＩＧＢＴユニット３０が２台配置された場合と同様に、片側のＩＧＢＴユニット３０のＵ相とW相とを反転させることで対面同士の各相の導体接続が容易になるとともに、上下の各相の導体接続も容易となる。
　＜第１比較例＞
　図１２は、第１比較例に係る電力変換装置１１０におけるＩＧＢＴユニット１３０の配置構造の一例を示す図である。図１２（ａ）は、第１比較例に係る電力変換装置１１０におけるＩＧＢＴユニット１３０の配置構造の一例を示す斜視図である。図１２（ｂ）は、第１比較例に係る電力変換装置１１０におけるＩＧＢＴユニット１３０の配置構造の一例を示す側面図である。
　第１比較例に係る電力変換装置１１０は、例えば、列盤機種の屋外機等であり、図１２（ａ）、（ｂ）に示すとおり、一台の盤（筐体）１１１に対して、一台のＩＧＢＴユニット１３０が配置され、ＩＧＢＴユニット１３０の下部にはファン１１３が配置されている。近年、例えば、太陽光発電用や蓄電池用の電力変換装置１１０では、インバータの容量拡大に伴い、ＩＧＢＴ等の半導体素子の個数が増加傾向にあり、一台の盤１１１に対して、複数のＩＧＢＴユニット１３０を配置する必要性が生じている。しかし、図１２に示す第１比較例の構造では、一台の盤１１１に対して、複数のＩＧＢＴユニット１３０を配置することができない。
　一方、図１～図７及び図９～図１１に示す第１～第３実施形態によれば、複数のＩＧＢＴユニット３０を配置することができる。また、図１～図７及び図９～図１１に示す第１～第３実施形態によれば、第１比較例よりも、耐環境性の向上、冷却性の担保、冷却流路の単純化、交換性の向上を図りつつも、導体使用量の削減、導体接続の簡易化、最適化を図ることができる。
　＜第２比較例＞
　図１３は、第２比較例に係る電力変換装置２１０におけるＩＧＢＴユニット２３０の配置構造の一例を示す図である。図１３（ａ）は、第２比較例に係る電力変換装置２１０におけるＩＧＢＴユニット２３０の配置構造の一例を示す斜視図である。図１３（ｂ）は、第２比較例に係る電力変換装置２１０におけるＩＧＢＴユニット２３０の配置構造の一例を示す側面図である。
　図１３（ａ）、（ｂ）に示すとおり、電力変換装置２１０は、例えば、屋内機等であり、一台の盤（筐体）２１１に対して、複数台のＩＧＢＴユニット２３０がサーバーラックのように盤２１１に多段積みで配置されている。この場合、一台の盤２１１において、ＩＧＢＴユニット２３０の台数に応じてＩＧＢＴユニット２３０と水平方向に、複数のファン２１３が配置されなければならない。これは、例えば、図１２に示す第１比較例のように、下部にファン２１３が配置された場合、サーバーラックのように多段積みされた上方のＩＧＢＴユニット２３０と、下方のＩＧＢＴユニット２３０とを均一に冷却することができないためである。このため、図１３に示す第２比較例の構造では、複数のＩＧＢＴユニット２３０を均等に冷却させようとする場合、使用するファン２１３の個数が多くなってしまう。
　一方、図１～図７及び図９～図１１に示す第１～第３実施形態によれば、複数のＩＧＢＴユニット３０を配置した場合であっても、図１３に示す第２比較例よりも、使用するファン１３の個数を少なくすることができる。さらに、図１～図７及び図９～図１１に示す第１～第３実施形態によれば、第２比較例よりも、耐環境性の向上、冷却性の担保、冷却流路の単純化、交換性の向上を図りつつも、導体使用量の削減、導体接続の簡易化、最適化を図ることができる。
　＜第３比較例＞
　図１４は、第３比較例に係る電力変換装置３１０におけるＩＧＢＴユニット３３０の配置構造の一例を示す図である。
　図１４に示すとおり、電力変換装置３１０は、図１３に示す第２比較例のように、複数台のＩＧＢＴユニット３３０がサーバーラックのように盤（筐体）３１１に多段積みで配置されている。図１４において、ＩＧＢＴユニット３３０の上方が、例えば、半導体３２やゲートドライバ基板３３等が配置される電子部品エリアＢであり、下方が、例えば、冷却器３１等が配置される半導体冷却エリアＡである。
　例えば、図１４に示す第３比較例の構造において、エリアを区分けする場合、電子部品エリアＢは、半導体冷却エリアＡと比べて外気の汚損をできる限り抑えており風量が小さいため、できる限り単純な構造の方が、圧損が少なく冷却面で有利である。しかし、第３比較例のように、ＩＧＢＴユニット３３０が縦一列に多段積みされた場合において、エリアを区分け（内外気を分離）した場合、電子部品エリアＢは、ゲートドライバ基板３３等の精密機械が搭載されるため、構造が複雑になってしまう。また、そもそも、第３比較例のように、ＩＧＢＴユニット３３０が縦一列に多段積みされる配置構造では、ＩＧＢＴユニット３３０内で外気からの汚損を保護したいゲートドライバ基板３３等が配置される電子部品エリアＢと半導体冷却エリアＡとの区分けが難しい。
　一方、図１～図７及び図９～図１１に示す第１～第３実施形態によれば、ＩＧＢＴユニット３０が向い合わせの配置構造であるため、図１４に示す第３比較例の構造と比べて電子部品エリアＢの構造が単純であり、圧損が少なく、効率的な冷却をすることができる。そして、図１～図７及び図９～図１１に示す第１～第３実施形態によれば、第３比較例よりも、耐環境性の向上、冷却性の担保、冷却流路の単純化、交換性の向上を図りつつも、導体使用量の削減、導体接続の簡易化、最適化を図ることができる。
　＜実施形態の補足事項＞
　以上、図１～図７及び図９～図１１に示す第１～第３実施形態によれば、図１～図７及び図９に示す第１実施形態と、図１０に示す第２実施形態と、図１１に示す第３実施形態とに分かれているが、これらの実施形態が直列に又は並列に組み合わされてもよい。組み合わされた実施形態もまた、組み合わされる前の各実施形態が奏する各作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
　以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。
　１…太陽光発電システム（電力変換システム）；２…太陽光パネル；３…変圧器；４…交流電力系統（系統）；５…直流母線；５ａ…直流入力部；６…交流回路；１０，１０Ａ，１０Ｂ…電力変換装置（ＰＣＳ）；１１，１１Ａ，１１Ｂ…筐体（盤）；１２…吸気口（第１吸気口）；１３…ファン（冷却ファン）；１４…吸気口（第２吸気口）；１４ａ…エアフィルタ；１５…熱交換器；１６…隔壁（板金）；２１…直流スイッチ（直流遮断器，ＤＣスイッチ）；２２…直流コンデンサ（ＤＣコンデンサ）；２４…交流フィルタ（ＡＣフィルタ）；２４ａ…交流リアクトル（ＡＣリアクトル）；２４ｂ…交流コンデンサ（ＡＣコンデンサ）；２５…交流スイッチ（交流遮断器，ＡＣスイッチ）；３０…三相一括半導体ユニット（ＩＧＢＴユニット，第１の三相一括半導体ユニット，第２の三相一括半導体ユニット）；３１…冷却器；３２…半導体（半導体素子，ＩＧＢＴ）；３３…ゲートドライバ基板；３４…主回路導体（積層ブスバー）；３５…支持部材；３６…直流端子；３７…交流端子；３７ａ…交流端子（第１交流端子）；３７ｂ…交流端子（第２交流端子）；３７ｃ…交流端子（第３交流端子）；４０…制御装置；４１…制御基板；４２…メイン制御基板；４３，４３’…信号分配基板；１１０…電力変換装置（ＰＣＳ）；１１１…筐体（盤）；１１３…ファン（冷却ファン）；１３０…三相一括半導体ユニット（ＩＧＢＴユニット）；２１０…電力変換装置（ＰＣＳ）；２１１…筐体（盤）；２１３…ファン（冷却ファン）；２３０…三相一括半導体ユニット（ＩＧＢＴユニット）；３１０…電力変換装置（ＰＣＳ）；３１１…筐体（盤）；３３０…三相一括半導体ユニット（ＩＧＢＴユニット）；Ａ…半導体冷却エリア；Ｂ…電子部品エリア

Claims (5)

  1. 　筐体と、前記筐体内にそれぞれ同一構造の第１の三相一括半導体ユニットと第２の三相一括半導体ユニットと、を備える電力変換装置であって、
    　前記第１の三相一括半導体ユニットと前記第２の三相一括半導体ユニットとは、
    　それぞれ冷却器と、半導体と、ゲートドライバ基板と、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子とを有し、
    　それぞれ前記筐体内の外側に前記冷却器が配され、前記筐体内の内側に前記半導体と、前記ゲートドライバ基板と、前記第１交流端子と、前記第２交流端子と、前記第３交流端子とが配されるように、前記筐体内で、前記第１交流端子と、前記第２交流端子と、前記第３交流端子とが向かい合わせに配置され、
    　前記第１の三相一括半導体ユニットは、前記電力変換装置が有する信号分配基板によって、前記第１交流端子にはＵ相の信号が送信され、前記第２交流端子にはＶ相の信号が送信され、前記第３交流端子にはＷ相の信号が送信されるよう構成され、
    　前記第２の三相一括半導体ユニットは、前記電力変換装置が有する前記信号分配基板によって、Ｕ相とＷ相とが反転するように配線が入れ替えられ、前記第１交流端子にはＷ相の信号が送信され、前記第２交流端子にはＶ相の信号が送信され、前記第３交流端子にはＵ相の信号が送信されるよう構成される
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
    　前記信号分配基板によって、それぞれ前記Ｕ相の信号が送信される前記第１の三相一括半導体ユニットの前記第１交流端子と、前記第２の三相一括半導体ユニットの前記第３交流端子とは、前記筐体内の内側で向かい合わせに正面で接続され、
    　前記信号分配基板によって、それぞれ前記Ｖ相の信号が送信される前記第１の三相一括半導体ユニットの前記第２交流端子と、前記第２の三相一括半導体ユニットの前記第２交流端子とは、前記筐体内の内側で向かい合わせに正面で接続され、
    　前記信号分配基板によって、それぞれ前記Ｗ相の信号が送信される前記第１の三相一括半導体ユニットの前記第３交流端子と、前記第２の三相一括半導体ユニットの前記第１交流端子とは、前記筐体内の内側で向かい合わせに正面で接続される
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
    　前記筐体は、
    　前記筐体内の外側の半導体冷却エリアを冷却する外気を取り入れる第１吸気口と、
    　前記筐体内の内側の電子部品エリアを冷却するクリーンな空気を、エアフィルタを介して取り入れる第２吸気口と、
    　冷却ファンと、
    　を備え、
    　前記半導体冷却エリアには前記第１吸気口から取り入れられた前記外気のみが流れ、前記電子部品エリアには前記エアフィルタを介して前記第２吸気口から取り入れられた前記クリーンな空気のみが流れるよう、前記半導体冷却エリアと前記電子部品エリアとは、前記筐体内で分離されており、
    　前記冷却ファンは、前記筐体内を別々に流れた後に合流した前記外気と前記クリーンな空気とを排気するよう構成される
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
    　前記筐体は、
    　前記筐体内の外側の半導体冷却エリアを冷却する外気を取り入れる第１吸気口と、
    　前記筐体内の内側の電子部品エリアを冷却する内気の熱を吸熱する熱交換器と、
    　冷却ファンと、
    　を備え、
    　前記半導体冷却エリアには前記第１吸気口から取り入れられた前記外気のみが流れ、前記電子部品エリアには前記熱交換器により吸熱されて冷却された前記内気のみが循環して流れるよう、前記半導体冷却エリアと前記電子部品エリアとは、前記筐体内で分離されており、
    　前記冷却ファンは、前記外気のみを排気するよう構成される
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項２に記載の電力変換装置において、
    　前記筐体内には、前記第１の三相一括半導体ユニットと前記第２の三相一括半導体ユニットとの組が上下方向に複数配置され、
    　前記筐体内の内側で向かい合わせに正面で接続された複数組の前記第１の三相一括半導体ユニットの前記第１交流端子と、前記第２の三相一括半導体ユニットの前記第３交流端子とは、上下方向でさらに接続され、
    　前記筐体内の内側で向かい合わせに正面で接続された複数組の前記第１の三相一括半導体ユニットの前記第２交流端子と、前記第２の三相一括半導体ユニットの前記第２交流端子とは、上下方向でさらに接続され、
    　前記筐体内の内側で向かい合わせに正面で接続された複数組の前記第１の三相一括半導体ユニットの前記第３交流端子と、前記第２の三相一括半導体ユニットの前記第１交流端子とは、上下方向でさらに接続される
    　ことを特徴とする電力変換装置。
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