JP7096231B2

JP7096231B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7096231B2
Application number: JP2019225593A
Authority: JP
Inventors: 大輔松元; 啓輔田邉; 晃嗣濱埜; 清隆冨山
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN114208016A; EP4075932A4; CN114208016B; EP4075932A1; WO2021117413A1; JP2021097444A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、電動機の速度制御装置として産業界に多く採用されている。

特許文献１には、整流器、変圧部、平滑コンデンサ、インバータ回路を備えた電力変換装置であって、インバータ回路を内蔵するパワーモジュールを実装した第１基板と、平滑コンデンサおよびリレーを実装した第２基板とを、放熱と導電の機能を兼用する２個の銅バーで接続する構成が開示されている。

ＷＯ２０１４／１０６８９４

電力変換装置には、電解コンデンサへの大きな充電電流から順変換器を構成する整流ダイオードを充電電流から保護する目的で突入防止回路が設けられている。この突入防止回路には、電流を抑制する抵抗とその抵抗に並列にリレーやサイリスタ等のスイッチング素子が接続される。電源の投入時には、電解コンデンサへの充電電流を抵抗で抑制し、電解コンデンサの容量が最大に充電される近傍でリレーをオンさせる。

リレーがオンされた後は、ほぼすべての電流がリレーに流れることになる。リレーの内部に抵抗成分が寄生するため、通流時に発熱を生じる。順変換器および逆変換器を構成する整流ダイオードやIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）は抵抗成分を持ち、かつ電力変換装置の主電流が流れることから装置全体で大きな割合を占めるジュール損失が生じる。このジュール損失は、適切な手段で放熱しなければ、所望の電力変換機能を維持できない。

特許文献１では、第１基板と第２基板の熱干渉を２個の銅バーで緩和する構造が開示されているが、突入防止回路と、コンデンサを備える平滑回路と、インバータ回路を効率的に冷却することについては配慮が十分ではないと思われる。

本発明の目的は、突入防止回路と平滑回路とインバータ回路を効率的に冷却する電力変換装置を提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路を冷却するヒートシンクと、突入電流を抑制する突入防止回路と、電圧を平滑化する平滑回路と、前記インバータ回路が配置された第１基板と、前記平滑回路と前記突入防止回路とが配置された第２基板と、前記ヒートシンクと前記突入防止回路と前記平滑回路を収納する本体ケースと、前記本体ケースの内部で、前記突入防止回路と前記平滑回路から前記ヒートシンクに向かって冷却風を送るファンと有する電力変換装置である。

本発明によれば、突入防止回路と平滑回路とインバータ回路を効率的に冷却できる。

実施例１の電力変換装置を示す回路図である。実施例１の電力変換装置の分解図である。電力変換装置を側面から見た内部構成図である。電力変換装置の第１PCB基板と第２PCB基板との接続関係を示す図である。外部の付加回路としてリアクトルを集合端子台に接続した場合を示す回路図である。外部の直流電源を集合端子台に接続した場合を示す回路図である。

以下に、図面を参照しながら、実施例を説明する。

図１は、実施例１の電力変換装置を示す回路図であり、図１を参照して電力変換装置１００について説明する。図１の電力変換装置１００は、コンバータ回路２００、突入防止回路３００、平滑回路４００、インバータ回路５００を備える。コンバータ回路２００は６個のダイオード２０１～２０６による三相全波整流回路を構成する。

コンバータ回路は三相交流電源７０１の交流電圧を線間電圧の1.35倍程度の直流電圧に変換する。変換された直流電圧は、三相交流電源７０１の周波数の６倍の脈動が重畳されている。コンデンサ４０１で構成される平滑回路４００は、その電圧の脈動の振幅を小さくして平滑にする。

コンバータ回路２００の受電開始時、突入防止回路３００のリレー３０１はオフ状態のため、リレー３０１に並列に接続した限流抵抗３０２を介してコンデンサ４０１に充電する。コンデンサ４０１の充電に伴い、直流電圧が上昇する。

制御回路８００は電圧センサ８０１で直流電圧を監視しており、直流電圧が所定の値を超過したら、制御回路８００はリレー駆動回路３０３に駆動信号を送出し、リレー３０１をオンする。

リレー３０１の寄生抵抗は限流抵抗３０２に比べて小さいため、ほぼ全ての電流がリレー３０１を通流する。リレー３０１に電流が通流するまでの過程を初充電と呼ぶ。

インバータ回路５００はコンデンサ４０１に蓄えられた直流電力を交流電力に変換する回路である。一つのスイッチング素子５０１と一つの整流素子５１１は反並列に接続され回路を構成し、この回路をアームと呼ぶ。他の５個のスイッチング素子５０２～５０６、および５個の整流素子５１２～５１６で５個のアームを構成する。

インバータ回路５００は６個のアームをブリッジして構成する。インバータ回路５００にはモータ等の負荷７０２が接続される。制御回路８００は所望の出力周波数に応じた制御信号を演算し、インバータ駆動回路５２０へ制御信号を送出し、インバータ駆動回路５２０駆動信号に基づきインバータ回路５００におけるスイッチング素子５０１～５０６のスイッチングは制御される。

以上の動作により、コンデンサ４０１に蓄えられた直流電力が動力に変換される。インバータ５００の動作に伴いコンデンサ４０１から電力が放電される一方、三相交流電源７０１、コンバータ回路２００、リレー３０１を経由してコンデンサ４０１に電力が供給され続ける。

このように、電力変換装置１００が稼働状態にあるとき、コンバータ回路２００、リレー３０１、インバータ回路５００には電流が流れ、寄生抵抗成分によるジュール損失が発生する。コンバータ回路２００およびインバータ回路５００の整流素子２０１～２０６、５１１～５１６、スイッチング素子５０１～５０６は所定の温度を超過すると、その整流特性、スイッチング特性が失われ、所望の電力変換を行えなくなる故障が生じる。このような故障が生じないまでも、高温での繰り返し使用により寿命が劣化するため、電力変換装置１００に期待される寿命に応じた温度上昇抑制の処置が必要になる。

コンデンサ４０１では充放電が繰り返され、コンデンサ４０１内部の寄生抵抗成分によるジュール損失が発生する。ジュール損失によるコンデンサ４０１内部の温度上昇が過剰な場合、コンデンサ４０１の内圧が上昇し破裂する等の故障や、コンデンサ４０１を構成する有機材料の寿命劣化が促進される。そのため、電力変換装置１００に期待される寿命に応じたコンデンサ４０１の温度上昇抑制の処置が必要になる。

リレー３０１は所定の温度を超過すると、内蔵するコイルの開閉力が弱まり、スイッチング特性が劣化するため、より健全な動作を担保するためには温度上昇抑制の処置が必要である。リレー３０１を複数個並列に構成し、電力変換装置の出力容量を大きくしたい場合がある。

しかし、リレー３０１を複数個並列に接続した構成では、それぞれのリレーの自己発熱が、互いに干渉するため、周囲温度が単独で利用する場合よりも大きくなる。その結果、リレー１個あたりに通流可能な電流が制限され、尤度をもったリレーを選択することになり、自由度が限られる課題がある。

制御回路８００、リレー駆動回路３０３、インバータ駆動回路５２０、電源回路６００は自己発熱が小さく、自冷可能なことが一般的である。しかし、上記自己発熱が大きい部品が近傍に配置されることによる熱干渉により、不具合を生じる場合がある。そのため、熱干渉を抑制する処置が必要である。

以上に説明した自己発熱や熱干渉に対する処置は、送風やヒートシンクの設置、および各部品の配置により行う。一方、ヒートシンク自体が大型であり、部品を電気的に接続するための配線が要することから、十分な熱的処置を行いつつ、コンパクトに部品を配置することに課題がある。本実施例はこのような事情に鑑みなされたもので、以下にその詳細を説明する。

図２は、実施例１の電力変換装置の分解図である。図３は、電力変換装置を側面から見た内部構成図である。図４は、電力変換装置の第１PCB基板と第２PCB基板との接続関係を示す図である。

図２～図４を参照して電力変換装置１００について説明する。図２の電力変換装置１００は、図１で示した回路、部品に加え、ファン９０４、第１プリント配線基板９０６（以下プリント配線基板はPCB基板（Printed Circuit Board）という）、第２PCB基板９０７、本体ケース９０８、ヒートシンク９０９を備える。

第１PCB基板９０６に、制御回路８００、電源回路６００、電圧センサ８０１、インバータ駆動回路５２０が配置される。第２PCB基板９０７に、コンデンサ４０１、リレー３０１、限流抵抗３０２、３個の端子台９０１～９０３が配置される。

本体ケース９０８は上部にファン９０４を、正面にパワーモジュール９１０の配置孔９１３、コンデンサ４０１、リレー３０１、限流抵抗３０２の配置孔９１２を、下部に冷却風吸入口を備える。背面の四角に備える据え付け穴にボルト等の固定具を通し、壁面に電力変換装置１００を設置する。設置状態では電力変換装置１００の背面が設置面と接し密閉される。ヒートシンク９０９のベースプレート四角の固定穴と、本体ケース９０８の固定穴にボルトを通し固定し、配置孔９１３を閉塞する。

第２PCB基板９０７の四角に設けた固定穴と本体ケース９０８の固定穴にボルトを通し固定し、配置孔９１２を閉塞する。以上のように、ヒートシンク９０９と第２PCB基板９０７を組み立てることで、本体ケースの正面は密閉される。

図３を参照して本実施例である電力変換装置１００の冷却構造を説明する。図３のＡは電力変換装置１００の正面側を示し、Ｂは電力変換装置１００の背面側を示す。

この例では、本体ケース９０８は、据え付面９４０と接触するように配置している。上述のように本体ケース９０８の上面、下面のみが開放されるので、ファン９０４による冷却風９０５は下部から上部へ送られる。コンデンサ４０１、リレー３０１、限流抵抗３０２は冷却風９０５に直接的に晒されるため、それぞれの熱９１５は冷却風９０５に放散される。

次いで、冷却風９０５はヒートシンク９０９に送られるため、ヒートシンク９０９に取り付けられた、コンバータ回路２００、インバータ回路５００を内蔵するパワーモジュール９１０の熱９１５は冷却風９０５に放散される。各部品の放熱で温められた冷却風９０５は本体ケース９０８の上部に取り付けたファン９０４を経由して電力変換装置１００の外部に排気されるため、常に冷たい冷却風が電力変換装置１００の下面より供給される。

リレー３０１は本体ケース９０８内に収容され強制空冷される。そのため、冷却風が流れない第１PCB基板上にリレー３０１を配置する場合に比べて、効率的に冷却できる。特に複数のリレー３０１を並列に接続し、それらリレー３０１を近接に配置しなければならない場合、リレー３０１の周囲温度を低減する効果が大きく、利用率の縮退を緩和し、リレー３０１および電力変換装置１００の小型化に効果がある。

さらに、ヒートシンク９０９、コンデンサ４０１、リレー３０１等の電力変換装置１００の主たる発熱部品を本体ケース９０８内に収容することで、第１PCB基板と熱的な絶縁を強化できる。第１PCB基板に搭載される制御回路や駆動回路、その他の電気回路部品（図示略）に与える熱干渉を抑制できるので、電力変換装置１００の小型化に効果がある。

本実施例の対象とする部品の中で、パワーモジュール９１０の発熱が最も大きいことから、冷却風の温度上昇はヒートシンク９０９の通過前後が最も大きい。そのため、パワーモジュール９１０、ヒートシンク９０９より下部に、コンデンサ４０１、リレー３０１、限流抵抗３０２を配置することで、逆の配置とする場合よりコンデンサ４０１、リレー３０１を、効率的に冷却できる。そして、ファン９０４やファンを駆動する回路等の送風装置を簡易にでき、電力変換装置１００を小型化する効果がある。

本実施例では、ファン９０４を本体ケース９０８の上部に配置したが、本体ケース９０８の下部に配置し、冷却風９０５を下から上に流すようにしてもよい。

また、本実施例では、冷却風９０５が流れる方向を、下から上にしたが、上から下にしてもよい。その場合には、ヒートシンク９０９より上部に、コンデンサ４０１、リレー３０１、限流抵抗３０２を配置する。

つまり、本体ケース内部で、突入防止回路３００と平滑回路４００からヒートシンクに向かってファンによる冷却風が送られるような構成となっている。

また、冷却風９０５が流れる方向を、水平方向になるようにファン９０４、本体ケース９０８を配置してもよい。その場合も、パワーモジュール９１０、ヒートシンク９０９に対する平滑回路４００や突入防止回路３００の位置関係は、上述したとおりである。

図４を参照して各回路の電気的接続を説明する。図３に示すように第１PCB基板９０６は、第２PCB基板９０７に対して電力変換装置１００の正面側に配置されるが、図４では第１PCB基板９０６と第２PCB基板９０７は、それぞれ電力変換装置１００の正面から見た図にしている。そのため第１PCB基板９０６と第２PCB基板９０７との間の配線は、実際には紙面に垂直に延びているが、図４では紙面で横方向に記している。

端子台９０２を介して第１PCB基板９０６のインバータ回路５００の正極５３０と、第２PCB基板９０７の平滑回路４００の正極４３０とを電気的に接続する。配線９１６は実線にて図示するように、短くなるように経路をとることが好ましい。

端子台９０３は、コンバータ回路２００の負極（図示を省略）およびインバータ回路５００の負極５４０と、平滑回路４００の負極４４０と電気的に接続する。配線経路９１６、９１７を短くし、配線経路に寄生するインダクタンスを小さくすることが好ましい。実際には、配線９１６や配線９１７は第１PCB基板９０６から、紙面の奥に向かって延びる構成になるので、配線９１６や配線９１７は短くできる。

例えば、本実施例の電力変換装置において、インバータ回路５００と平滑回路４００の距離が最小になるよう、第２PCB基板９０７の右上に端子台９０２、９０３に配置する。そうすることでコンデンサ４０１と端子台９０２、９０３とは近接して配置できる。

さらに、配線９１６と配線９１７の配線は第１PCB基板９０６、および第２PCB基板９０７内に形成される層間で対向するように配置し、インダクタンス成分を小さくすることが好ましい。これにより、経路長に比例する両者間のインピーダンスを小さくでき、スイッチング素子の損失を抑制、およびインバータ回路の温度上昇を抑制できる。

集合端子台１０１は、コンバータ回路２００の正極２３０と、リレー３０１とを接続させる機能を有する。コンバータ回路２００の正極２３０とリレー３０１とは、集合端子台１０１のPc端子（正極の直流出力端子）、Pi端子（正極の直流入力端子）、および端子台９０１を経由して、電気的に接続する（配線経路を実線にて図示）。ここで、集合端子台１０１は上段に６端子、下段に少なくとも３端子備える。ここでは、集合端子台１０１は２段にしたが、集合端子台１０１を３段以上にしてもかまわない。そうすることで、横方向の幅を短くすることができ、第１PCB基板９０６内の回路の配置の自由度もしくはコンパクト化が可能になる。

配線経路９１８は、コンバータ回路２００の正極２３０と集合端子台１０１のPc端子とを接続する。配線経路９１８は、電力変換装置１００内で最も大きな電流が流れる配線であるため、配線経路９１８は短いことが好ましい。そのため、リレー３０１を第２PCB基板に配置する。

この構成により、リレー３０１と接続する端子台９０１は、集合端子台１０１のPi端子近傍に配置できる。図４では、互いに横に記しているが、実際には、集合端子台１０１のPi端子の奥に、端子台９０１を配置できるので互いに近傍に配置できる。そのため、配線のジュール発熱を小さくし、電力変換装置１００を小型化できる効果がある。

２段の集合端子台１０１を用いる構成は、横一列に端子台を配置する１段の場合に比べて、電力変換装置１００の幅寸法を小さくできる利点がある。リレー３０１を第２PCB基板に搭載する構成は、第１PCB基板に搭載する構成に比べて、電力変換装置１００の縦寸法を小さくできる利点がある。

集合端子台１０１は三相交流電源７０１、負荷７０２等と電力変換装置１００を接続するための端子台（R、S、T、U、V、W）を備える。ここで、R、S、T端子は、三相交流入力用の端子であり、U、V、W端子は、三相交流出力用の端子である。

集合端子台１０１の下部にはリレー３０１等の高背部品を配置しない、すなわちリレー３０１を第２PCB基板に配置することで、電線９３０の延伸方向９１４に空間を設けることができる。これにより、外部機器と接続（ハーネス等による）する電線９３０を集合端子台１０１と容易に接続できる。

図５は、外部の付加回路としてリアクトル１０２を集合端子台１０１に接続した場合を示す回路図である。集合端子台１０１にリアクトル１０２を接続することで、入力力率の改善を図ることができる。

図６は、外部の直流電源１０３を集合端子台１０１に接続した場合を示す回路図である。Pi端子は正極の直流入力端子であり、Ｎ端子は負極の直流端子である。集合端子台１０１に直流電源１０３を接続することで、コンバータ回路２００を駆動することなく、電力変換装置１００に直流電力を供給することができる。

特許文献１が開示する２個の銅バーの構成では、順変換器の直流出力(正極)と逆変換器の入力(正極)の外部接続可能な構造を備えず、電力変換装置の外部に付加回路を設けることや、直流電力を受電することについては問題がある。本実施例では、そのような問題を回避することができる。

パワーモジュール９１０のR、S、T、U、V、Wの各端子と集合端子台１０１との配線方法は任意である。例えば、第１PCB基板内に銅配線を設ける、基板上空を銅線などでジャンパーして配線してもよい。

実施例１において、コンデンサ４０１を４並列で構成する例を示したが、並列数は任意である。また、コンデンサ４０１を直列に接続することで、より大きな直流電圧への耐性を備えてもよい。コンデンサ４０１は、例えば容量密度が大きく、大容量化が可能な電解コンデンサ、フィルムコンデンサ等が好適である。

実施例１において、コンバータ回路２００をダイオードによる三相全波整流回路で例示したが、その他の交直変換回路でもよい。

実施例１において、スイッチング素子にIGBTを例示したが、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等、その他のスイッチングデバイスでもよい。スイッチングデバイスの材料はSi（シリコン、ケイ素）、SiC(シリコンカーバイド、炭化ケイ素)等がある。

実施例１において、以上に説明した部品は基板にはんだづけ、またはボルト等の固定具を用いて電気的に接続される。

１００電力変換装置
１０１集合端子台
１０２リアクトル
２００コンバータ回路
３００突入防止回路
３０１リレー
３０２限流抵抗
３０３リレー駆動回路
４００平滑回路
４０１コンデンサ

Claims

直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路を冷却するヒートシンクと、
突入電流を抑制する突入防止回路と、
電圧を平滑化する平滑回路と、
前記インバータ回路が配置された第１基板と、
前記平滑回路と前記突入防止回路とが配置された第２基板と、
前記ヒートシンクと前記突入防止回路と前記平滑回路を収納する本体ケースと、
前記本体ケースの内部で、前記突入防止回路と前記平滑回路から前記ヒートシンクに向かって冷却風を送るファンと有する電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第１基板には、制御回路が配置され、
前記ヒートシンクの下方に、前記平滑回路と前記突入防止回路が配置された電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第１基板には、複数段の集合端子台が配置された電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第２基板には、
前記インバータ回路の正極と接続する第１の端子台と、
前記インバータ回路の負極と接続する第２の端子台とが配置された電力変換装置。
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記第１の端子台は、
前記平滑回路の正極と前記インバータ回路の正極とを接続し、
前記第２の端子台は、
前記平滑回路の負極と前記インバータ回路の負極とを接続する電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記集合端子台は、
リアクトルと接続可能である電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記集合端子台は、
直流電源と接続可能である電力変換装置。
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記第１基板には、
交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路が配置され、
前記第２基板には、
前記突入防止回路と接続する第３の端子台を有する電力変換装置。
請求項８に記載の電力変換装置において、
前記第２基板の正面側には、前記第１基板が配置され、
前記コンバータ回路の正極と接続する配線と接続され、前記第１基板に配置された集合端子台を有し、
前記集合端子台と前記第３の端子台とが接続された電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
外部電源もしくは負荷と接続する集合端子台が、前記第１基板に配置され、
前記第１基板は、前記第２基板より正面側に配置された電力変換装置。