JP2016146438A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体スイッチング素子やリアクタ等の発熱部品から筐体内部に放熱した熱により筐体の内部温度が上昇するという問題があった。【解決手段】ダイキャスト加工して得られる筐体１０外側の上部および背面に外側放熱フィン１０oを設け、筐体１０を冷却するとともに、筐体１０の上部の内側に筐体１０外側の上部および背面の外側放熱フィン１０oと同一位置に内側放熱フィン１０iを設け、半導体スイッチング素子４ａ、直流リアクタ３ａ、交流リアクタ５ａ等の発熱部品から筐体１０内部に放熱した熱を筐体上部に設けた内側放熱フィン１０iに熱伝達させる構造とする。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱構造を備えた電力変換装置に関する。

従来、太陽電池による太陽光発電、風力による風力発電、蓄電池、あるいは燃料電池等、直流電力を交流電力に変換して負荷もしくは電力系統に供給する電力変換装置が実用化されている。電力変換装置は、半導体スイッチング素子、リアクタ等の機能素子を有する電力変換回路によって直流電力を交流電力に変換している。

これらの電力変換装置が動作するとき、半導体スイッチング素子、あるいはリアクタ等の発熱性部品は多くの熱を発生するため適切な放熱構造を有する筐体に収納し、冷却させる必要がある。特許文献１にはこの冷却構造について記載されている。

特許文献１では、アルミ合金をダイキャスト（ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ）加工して得られる前面部分に開口を有する略立方体形状の筐体の背面に放熱フィンを設け、送風機により放熱フィンを冷却する構造により放熱が行われる。ダイキャストとは、金型鋳造法のひとつで、金型に溶融した金属を圧入することにより、高い寸法精度を有する鋳物を短時間に大量に生産する鋳造方式である。

特開２０１４−２０７８４５号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、筐体に熱伝導により伝熱した熱は、筐体の背面の放熱フィンにより冷却可能であるが、半導体スイッチング素子、リアクタ等の発熱部品から筐体内部に放熱した熱は有効に放熱することが出来ず、その熱により筐体の内部温度が上昇するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体スイッチング素子あるいはリアクタ等の発熱部品から筐体内部に放出した熱を有効に放熱することが出来、筐体内部の温度上昇を抑制することができる放熱構造を備えた電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、半導体スイッチング素子を用いて、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、直流リアクタ、および交流リアクタを有する電力変換回路部と、電力変換回路部を収納するとともに、前面部に開口を有する筐体と、筐体の開口部を覆う前面カバーとを有する。そして筐体の外側には外側放熱フィン、筐体の内側には内側放熱フィンが設けられており、外側放熱フィンおよび内側放熱フィンは、筐体を介して、筐体上で一直線上に位置することを特徴とする。

本発明によれば、半導体スイッチング素子、リアクタ等の発熱部品から筐体内部に放出した熱を有効に筐体に熱伝導させることにより筐体内部の温度上昇を抑制することができるという効果を奏効する。

実施の形態１の電力変換装置の前面図 実施の形態１の電力変換装置の要部拡大図 実施の形態１の電力変換装置の横断面であるＡ−Ａ断面図 実施の形態１の電力変換装置の縦断面であるＢ−Ｂ断面図 実施の形態１の電力変換装置の背面斜視図 実施の形態１の電力変換装置のブロック図 実施の形態２の電力変換装置の要部拡大図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の前面図、図２は、同電力変換装置の要部拡大図、図３は、図１の電力変換装置の横断面であるＡ−Ａ断面図、図４は、図１の電力変換装置の縦断面であるＢ−Ｂ断面図、図５は、同電力変換装置の背面斜視図である。図６は、同電力変換装置のブロック図である。なお、本来電力変換装置の前面は前面カバーで覆われているが、図１においては、前面カバーを透視した状態で見た図を示すものとする。本実施の形態の電力変換装置１００は、図１および図２に示すように、電力変換回路部２を収容する筐体１０の外側に設けられた外側放熱フィン１０oと、筐体１０の内側に設けられた内側放熱フィン１０iとが、筐体１０を介して、一直線上に位置し、矢印に沿った伝熱パスが形成され効率よく放熱が行われるようにしたことを特徴とする。なお外側放熱フィン１０oは背面Ｒでは背面外側放熱フィン１０rを構成する。

図６に示すように、本実施の形態の電力変換装置１００の電気回路では、直流電力を生成する、例えば太陽電池等の直流電源１は、電力変換回路部２の直流側入力２_inに接続される。電力変換回路部２の交流側出力２_outは商用電力系統８に接続される。商用電力系統８には家電機器等の負荷７が接続される。電力変換回路部２は、直流電源１に高周波雑音等が流出しないように直流フィルタ回路３を介してインバータ回路４に接続される。直流フィルタ回路３には、直流電源１の電圧をインバータ回路４が動作可能な電圧まで昇圧する図示しない昇圧回路が含まれる。インバータ回路４では、入力された直流電力をインバータ技術により交流に変換する。インバータ回路４の出力は、商用電力系統８、あるいは家電機器等の負荷７に高周波雑音等が流出しないように交流フィルタ回路５を介して商用電力系統８に接続され、連系リレー６により商用電力系統８への接続の開閉を行う。

図１は、本実施の形態の電力変換装置１００の前面図であり、アルミニウム合金をダイキャスト加工して得られる、前面部分に開口を有する略立法体形状の筐体１０の内側に電力変換回路部２を構成する各部品が取り付けられる。各部品は筐体１０内部全体に配されており、電力変換回路部２の発熱部品でありインバータ回路４の構成部品である半導体スイッチング素子４ａは、筐体１０に直接固定され、半導体スイッチング素子４ａから発生する熱を直接筐体１０に伝熱する。また、直流フィルタ回路３の直流リアクタ３ａ、交流フィルタ回路５の交流リアクタ５ａは、筐体１０の凹み部Ｏに取り付けられ、樹脂モールドまたは、絶縁性の熱伝導体により筐体１０と熱結合され、直流リアクタ３ａ、交流リアクタ５ａから発生する熱を直接筐体１０に伝熱する。

筐体１０は、図３に示すように、背面に筐体１０に伝熱された熱を放熱させるための背面外側放熱フィン１０rが複数設けられている。図３は、図１のＡ−Ａ断面図であるが、正確にはＡ−Ａ断面を矢印方向から見た図である。また、筐体１０の上部には図１に示すように上面の外側に複数の外側放熱フィン１０oが設けられ、筐体１０の内側にも、外側放熱フィン１０oと同一位置に複数の内側放熱フィン１０iが設けられている。

筐体１０内には、図６に示すように、直流リアクタ３ａを搭載した直流フィルタ回路３と、回路基板４ｂ上に半導体スイッチング素子４ａを搭載し、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路４と、交流リアクタ５ａを搭載した交流フィルタ回路５とを有する電力変換回路部２が収納されている。実施の形態１にかかる電力変換装置では、例えば太陽電池モジュールからなる直流電源１からの直流電力を昇圧または降圧する図示しない昇降圧回路および直流リアクタ３ａを含む直流フィルタ回路３を介して出力される直流電力をスイッチング制御して交流電力に変換する半導体スイッチング素子４ａと、直流電力により電荷を蓄積する電解コンデンサ４ｃと、半導体スイッチング素子４ａの出力から高周波成分を除去する交流リアクタ５ａとが配されている。制御回路Ｃは、Ｌ字型の基板で構成され、交流電力を電力系統に連系するための連系リレー６を備え、半導体スイッチング素子４ａあるいは連系リレー６を制御する。連系リレー６は、図６のブロック図には図示されているが、制御回路Ｃを構成する回路基板上で、図１のＡ−Ａ断面より下方に配されているため、図３では、図示されていない。また制御回路ＣのＬ字型の基板に囲まれた領域に入出力端子Ｔ_iを備えた端子台Ｔが配置されている。

図４は、本実施の形態の縦断面を示すＢ−Ｂ断面図であり、前面部分に開口を有する筐体１０の前面を覆う前面カバー１１は、屋外に設置された場合に雨水の侵入を防ぐためパッキン１２にて筐体１０との接触面を密閉した構造としている。筐体１０の内側放熱フィン１０iは、伝熱面積を増やし筐体１０の内部の熱を熱交換し易くするため、筐体１０の上部内側に略Ｌ字状に構成される。筐体１０は、立方体であり、内側放熱フィン１０iは、図４に示すように、筐体１０上部に、筐体１０の内壁に沿って筐体１０の上面Ｕから背面Ｒに至るＬ字状の当接面をもつ。

前述したように、内側放熱フィン１０iおよび外側放熱フィン１０oは、筐体１０とともに、ダイキャストにより一体成型されている。そして、内側放熱フィン１０iおよび外側放熱フィン１０oは、厚さが等しい。また内側放熱フィン１０iおよび外側放熱フィン１０oで挟まれた領域の筐体１０の厚さは、内側放熱フィン１０iおよび外側放熱フィン１０oの厚さに等しいかまたは小さい。これにより、内側放熱フィン１０iから背面外側放熱フィン１０rを含む外側放熱フィン１０oへの良好な放熱パスを確保しつつ、筐体１０を構成する材料をより少なくできる。

半導体スイッチング素子４ａは、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンド等のワイドバンドギャップ（ＷＢＧ：ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）半導体により形成される。これらのＷＢＧ半導体によって形成された半導体スイッチング素子４ａは、約２００℃以上の高温動作が可能であるため、図４に示すように筐体１０内において高温領域となる上部に配置される。そしてこの半導体スイッチング素子４ａとインバータ回路４の回路基板４ｂとの電気的接続は、ボンディングワイヤ４ｗを介してワイヤボンディングにより達成される。なお、半導体スイッチング素子４ａをＷＢＧ半導体で形成した場合は高温動作可能であるため、ＳｉなどＷＢＧ半導体以外の材料で構成する場合に比べて筐体のサイズを小さくすることができる。ただし、その場合は筐体の内部温度が上昇し易くなる。

電解コンデンサ４ｃは、低発熱部品である。高温環境下では寿命が短くなるため、筐体１０内において低温となる領域に配置することが望ましいが、インバータ回路４の構成部品であり、半導体スイッチング素子４ａの近傍に配置する必要もあるため、本実施の形態では、比較的低温となる領域である、筐体１０の内壁の近傍に配置されている。可能であれば、電解コンデンサ４ｃは、筐体１０の下部に配置されてもよい。

直流リアクタ３ａおよび交流リアクタ５ａは、半導体スイッチング素子４ａと同様に、動作中の発熱量が大きい発熱部品であるため、半導体スイッチング素子４ａと共に筐体１０の内壁の近傍で放熱性の良好な位置に配置されるのが望ましい。

連系リレー６は、電解コンデンサ４ｃと同様に動作中の発熱量が小さい低発熱部品であり、高温環境下では使用電圧範囲が狭くなるため、発熱部品である半導体スイッチング素子４ａよりも下方でかつ離れた位置に配されている。また電解コンデンサ４ｃと共に放熱性の良好な領域に配置されるのが望ましい。

以上のように、制御回路Ｃには連系リレー６など比較的低発熱部品が搭載されているため、動作中の発熱量は比較的小さい。

図５は、本実施の形態の背面斜視図で、筐体１０の背面Ｒには複数の背面外側放熱フィン１０rを設け、背面Ｒの空気の流れをより良くするため、背面外側放熱フィン１０rは高さ方向で３段に分割されている。分割数は３段に限定されるものではなく、適宜変更可能である。なお、本実施の形態では、外部の放熱を自然対流方式にて行っているが、背面外側放熱フィン１０rを冷却出来るように図示しない送風機を取り付け、強制対流方式とすることもできる。

次に、本実施の形態の電力変換装置の放熱構造の動作について説明する。電力変換回路部２が動作すると、直流フィルタ回路３の直流リアクタ３ａ、および交流フィルタ回路５の交流リアクタ５ａが発熱する。これらの発熱した熱は、筐体１０の凹み部Ｏから筐体１０に伝熱される。しかし、直流リアクタ３ａ、交流リアクタ５ａは、厚みがあり、一部が前面に突出し、全体を筐体１０の凹み部Ｏに埋め込むことは出来ないため、筐体１０の内部にも放熱する。また、同様に電力変換回路部２が動作すると半導体スイッチング素子４ａも発熱し、筐体１０との接触面より筐体１０に伝熱されるが、筐体１０内部にも放熱する。そのほか、直流フィルタ回路３、インバータ回路４、交流フィルタ回路５の部品、例えば、電解コンデンサ４ｃの他、図示しないコイル部品、配線等の部品からも発熱し筐体１０の内部に放熱する。

これら、筐体１０の内部に放熱された熱は、内部の対流により筐体１０の上部に伝達され、内側放熱フィン１０iにより筐体１０に伝熱される。また、内側放熱フィン１０iと外側放熱フィン１０oは、図２に示すように、筐体１０に対して垂直方向に複数個配列されており、内側放熱フィン１０iと外側放熱フィン１０oとが、同一位置に設けられているため、内側放熱フィン１０iと外側放熱フィン１０o間の熱伝導パスが短くなり、熱伝達された内側放熱フィン１０iの熱は、外側放熱フィン１０oに熱伝導し易くなる。同様に、外側放熱フィン１０oのうち背面外側放熱フィン１０rを内側放熱フィン１０iと同一位置に設けることにより、内側放熱フィン１０iから背面外側放熱フィン１０rへも熱伝導し易くなる。

筐体１０の内部は、上部の方が温度が高くなるため、内側放熱フィン１０iは、筐体１０内の上部に設けると効果が大きい。しかし、筐体１０内には、直流フィルタ回路３、インバータ回路４、交流フィルタ回路５の多数の部品を内蔵する必要があり、かつ、筐体１０は、出来るだけ小さくすることが望ましい。内側放熱フィン１０iは、インバータ回路４の回路基板４ｂの底面部と上面との間に略Ｌ字に設けることにより、放熱面積を広くすることが出来、より放熱し易くすることができる。

また、筐体１０の背面Ｒに設けられた背面外部放熱フィン１０rは、図５に示すように、高さ方向で一部が、３段に分割されている。上方の半導体スイッチング素子４ａ等、高発熱体の熱が均一に背面外部放熱フィン１０rに伝熱しなかった場合は、図５に示すＨ部の温度が上昇する。背面外部放熱フィン１０rが、３段に分割されていることにより、このような場合でも、背面外部放熱フィン１０rの空気の流れは、矢印Ａｒに示すように低温部にも流れ、効率よく放熱することができる。

なお、本実施の形態では、内側放熱フィン１０iの熱を外側放熱フィン１０o、背面外側放熱フィン１０rに熱伝導させるとして説明したが、直流フィルタ回路３、インバータ回路４、交流フィルタ回路５の発熱が少ない場合は、外側放熱フィン１０oまたは背面外側放熱フィン１０rのいずれか、あるいは一部を省略することも可能である。この場合も、内側放熱フィン１０iに対して、筐体１０の壁面を介して対向する領域の背面外部放熱フィン１０rを残しておくことにより、効率よい放熱が実現される。

また、本実施の形態では、屋外に設置するため、前面カバー１１により筐体１０内を外部と密閉とした構造にて説明したが、屋内設置機器の場合は、密閉構造とする必要はない。しかし、電力変換回路部２は高電圧回路を有するため、感電を防止するため密閉に近い構造とする必要があり、屋内設置の場合にも同様に適用できる。

このような構造により、半導体スイッチング素子４ａ、直流リアクタ３ａ、交流リアクタ５ａ等の発熱部品から筐体１０内部に放熱した熱を内側放熱フィン１０iにより筐体１０に熱伝導させることにより筐体１０内部の温度上昇を抑制することができる効果がある。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の要部拡大図である。本実施の形態の電力変換装置１００は、電力変換回路部２を収容する筐体１０の外側に設けられた外側放熱フィン１０oが、筐体１０と離れたところで、方向を変化し外側に向かうにつれて広がるように配置されたことを特徴とする。筐体１０の外側に設けられた外側放熱フィン１０oは筐体１０と当接する領域の近傍では、筐体の内側に設けられた内側放熱フィン１０iとが、筐体１０を介して、一直線上に位置している。そして、筐体の外側では外方に広がるように構成されている。

実施の形態２の電力変換装置によれば、内側放熱フィン１０iから外側放熱フィン１０oに向かう領域では、矢印に沿った効率の良い伝熱パスが形成され、さらに外側では外側放熱フィン１０oが外側に広がるように曲がることで、さらに効率よい放熱が実現される。

以上説明してきたように、実施の形態１および２の電力変換装置によれば、筐体の外側に設けられた外側放熱フィンと、筐体の内側に設けられた内側放熱フィンは、筐体を介して、一直線上に位置することで、筐体内部で発生した熱を、内側放熱フィンから外側放熱フィンに一直線上を伝達することができ、熱抵抗を最小限に抑えることができ、放熱性を高めることが可能となる。

また、内側放熱フィンは、筐体上部に、筐体の内壁に沿って筐体の上面から背面に至るＬ字状の当接面を有するため、上方への熱を上面および背面の２面に効率よく導き、かつ、相対向して設けられた外側放熱フィンに伝達することで、極めて効率よく放熱を実施することが可能となる。

内側放熱フィンおよび外側放熱フィンは、筐体と一体成型により形成されているため、極めて製造が容易でかつ放熱性も良好である。

内側放熱フィンおよび外側放熱フィンで挟まれた領域の筐体の厚さは、内側放熱フィンおよび外側放熱フィンの厚さに等しいことから、鋳造法による製造が容易でかつ、放熱特性も良好である。あるいは内側放熱フィンおよび外側放熱フィンで挟まれた領域の筐体の厚さは、内側放熱フィンおよび外側放熱フィンの厚さよりも小さいか等しくすることで、筐体に沿った方向の熱抵抗を大きくしている。従って、筐体部分で横方向ではなく、内側放熱フィンおよび外側放熱フィンとを結ぶ方向に放熱パスを確保しつつ、筐体１０を構成する材料をより少なくできる。

電力変換回路部の交流出力は、商用電力系統に接続され、電力変換回路部の発熱量が高い場合にも、本実施の形態の電力変換装置によれば、効率よい放熱が実現可能である。また、半導体スイッチング素子としてワイドバンドギャップ半導体を使用して筐体のサイズを小さくした場合、筐体内の温度が高くなって他の部品に影響を及ぼすことを防ぐためにも、本実施の形態による効率よい放熱構造が有効である。

なお、前記実施の形態では、筐体、外側放熱フィン、内側放熱フィンをアルミニウム合金を用いたダイキャスト法で形成したが、アルミニウム合金の他、亜鉛合金等、融点の低い材料で構成するのが望ましい。熱伝導性の高い材料であれば、金属に限定されることなく樹脂材料を用いても良い。

また、筐体内部のレイアウトについては適宜変更可能であることはいうまでもない。

１ 直流電源、２ 電力変換回路部、３ 直流フィルタ回路、３ａ 直流リアクタ、４ インバータ回路、４ａ 半導体スイッチング素子、５ 交流フィルタ回路、５ａ 交流リアクタ、６ 連系リレー、７ 負荷、８ 商用電力系統、１０ 筐体、１０r 背面外側放熱フィン、１０o 外側放熱フィン、１０i 内側放熱フィン、１１ 前面カバー、１２ パッキン、Ｕ 上面、Ｒ 背面、１００ 電力変換装置。

Claims (9)

1. 半導体スイッチング素子を用いて、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、直流リアクタ、および交流リアクタを有する電力変換回路部と、
   前記電力変換回路部を収納するとともに、前面部に開口を有する筐体と、
   前記筐体の開口部を覆う前面カバーと、
   前記筐体の外側に設けられた外側放熱フィンと、
   前記筐体の内側に設けられた内側放熱フィンとを有し、
   前記外側放熱フィンおよび前記内側放熱フィンは、前記筐体上で、前記筐体を介して、
   一直線上に位置することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記内側放熱フィンは、前記筐体上部に、前記筐体の内壁に沿って前記筐体の上面から背面に至るＬ字状の当接面をもつことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記内側放熱フィンおよび前記外側放熱フィンは、前記筐体に対して垂直方向に複数個配列されており、前記筐体と一体成型により形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記内側放熱フィンおよび前記外側放熱フィンは、厚さが等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記内側放熱フィンおよび前記外側放熱フィンで挟まれた領域の前記筐体の厚さは、前記内側放熱フィンおよび前記外側放熱フィンの厚さよりも小さいかあるいは等しいことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記内側放熱フィン、前記外側放熱フィンおよび前記筐体は、ダイキャストにより成形されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記外側放熱フィンは、前記筐体上の面から離れた位置で外方に広がることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
8. 前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記電力変換回路部の交流出力は、商用電力系統に接続されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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