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技術 電力変換装置

出願人 日立アプライアンス株式会社
発明者 大場崇道内山利之
出願日 2015年2月3日 (6年0ヶ月経過) 出願番号 2015-018944
公開日 2016年8月8日 (4年6ヶ月経過) 公開番号 2016-144319
状態 未査定
技術分野 インバータ装置 DC‐DCコンバータ 電力変換一般
主要キーワード 背面窓 DCスイッチ ヒューズホルダ DC端子 防滴構造 DCリアクトル 方形波パルス パワーコンディショナ装置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年8月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

太陽光発電システム等に適用されるパワーコンディショナにおいて、不要輻射電力損失を抑制する。

解決手段

DCリアクトル4と、コンデンサ56aと、コンデンサ56を充電するコンバータ52と、交流電圧を出力するインバータ54と、コンデンサ56とコンバータ52とインバータ54とを搭載するDC/AC変換基板5と、ACリアクトル6と、入力された直流電圧から脈動成分を除去し、DCリアクトル4に供給するDCフィルタ基板3と、ACリアクトルが出力する交流電圧からさらに高調波成分を除去するACフィルタ基板7と、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体10とを有し、DCフィルタ基板3とACフィルタ基板7は、DC/AC変換基板5の左右に離れて配置し、DCフィルタ基板3と、ACフィルタ基板7には筺体10の側面10c側にアモルファスコイル34a、72aを縦列に配置して搭載した。

概要

背景

太陽光発電システム等に使用されるパワーコンディショナ電力変換装置)の背景技術として、下記特許文献1には、パワーコンディショナ装置102の内部には、メインキバン300、サブ基板301、ヒートシンク302、表示基板200、端子台103、が配置されている。メイン基板300には、フィルタ回路104、DC-DCコンバータ105、系統連係インバータ106、フィルタ回路107、系統連係リレー108、ゲートドライバ403が実装されている。フィルタ回路104の内部には、入力側の正負極間コモンモードチョークコイル104cが設けられ、フィルタ回路107の内部には、出力側の正負極間にコモンモードチョークコイル107cが設けられていると記載されている。

概要

太陽光発電システム等に適用されるパワーコンディショナにおいて、不要輻射電力損失を抑制する。DCリアクトル4と、コンデンサ56aと、コンデンサ56を充電するコンバータ52と、交流電圧を出力するインバータ54と、コンデンサ56とコンバータ52とインバータ54とを搭載するDC/AC変換基板5と、ACリアクトル6と、入力された直流電圧から脈動成分を除去し、DCリアクトル4に供給するDCフィルタ基板3と、ACリアクトルが出力する交流電圧からさらに高調波成分を除去するACフィルタ基板7と、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体10とを有し、DCフィルタ基板3とACフィルタ基板7は、DC/AC変換基板5の左右に離れて配置し、DCフィルタ基板3と、ACフィルタ基板7には筺体10の側面10c側にアモルファスコイル34a、72aを縦列に配置して搭載した。

目的

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、優れた電力変換装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

直流電圧が入力されるDCリアクトルと、コンデンサと、前記DCリアクトルの出力電圧スイッチングすることにより、前記コンデンサを充電するコンバータと、前記コンデンサの出力電圧をスイッチングすることにより、交流電圧を出力するインバータと、前記コンデンサと前記コンバータと前記インバータとを搭載するDC/AC変換基板と、前記交流電圧から高調波成分を除去するACリアクトルと、入力された直流電圧から脈動成分を除去し、前記DCリアクトルに供給するDCフィルタ基板と、前記ACリアクトルが出力する交流電圧からさらに高調波成分を除去するACフィルタ基板と、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体とを有し、前記DCフィルタ基板と前記ACフィルタ基板は、前記DC/AC変換基板の左右に離れて配置し、前記DCフィルタ基板と、前記ACフィルタ基板には前記筺体の側面側アモルファスコイル縦列に配置して搭載したことを特徴とする電力変換装置

技術分野

0001

本発明は、電力変換装置に関する。

背景技術

0002

太陽光発電システム等に使用されるパワーコンディショナ(電力変換装置)の背景技術として、下記特許文献1には、パワーコンディショナ装置102の内部には、メインキバン300、サブ基板301、ヒートシンク302、表示基板200、端子台103、が配置されている。メイン基板300には、フィルタ回路104、DC-DCコンバータ105、系統連係インバータ106、フィルタ回路107、系統連係リレー108、ゲートドライバ403が実装されている。フィルタ回路104の内部には、入力側の正負極間コモンモードチョークコイル104cが設けられ、フィルタ回路107の内部には、出力側の正負極間にコモンモードチョークコイル107cが設けられていると記載されている。

先行技術

0003

特開2014−11865号公報

発明が解決しようとする課題

0004

ところで、パワーコンディショナを屋外に設置できるよう、防滴構造にする要望がある。これにより、開放構造のものと比較して、排熱が難しくなる。ここで、メイン基板に入力側のフィルタ機能と出力側のフィルタ機能を単純にメイン基板に搭載し筺体内に配置すると、その他の部品間を接続するケーブルが複雑な経路を辿って長くなるため、組立性が悪く損失が増大する。更に、冷却空気が流れにくくなるため、発熱部品の排熱が難しくなる。また、パワーコンディショナは、大電力スイッチングを行うため、電波障害を抑制することも望まれている。

0005

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、優れた電力変換装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するため本発明にあっては、直流電圧が入力されるDCリアクトルと、コンデンサと、前記DCリアクトルの出力電圧をスイッチングすることにより、前記コンデンサを充電するコンバータと、前記コンデンサの出力電圧をスイッチングすることにより、交流電圧を出力するインバータと、前記コンデンサと前記コンバータと前記インバータとを搭載するDC/AC変換基板と、前記交流電圧から高調波成分を除去するACリアクトルと、前記DC/AC変換基板からの高調波成分を太陽電池パネル側に流出を低減するDCフィルタ基板と、前記ACリアクトルが出力する交流電圧からさらに高調波成分を除去するACフィルタ基板と、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体とを有し、前記DCフィルタ基板と前記ACフィルタ基板は、前記DC/AC変換基板の左右に離れて配置し、前記DCフィルタ基板と、前記ACフィルタ基板には前記筺体の側面側アモルファスコイル縦列に配置して搭載したものである。

発明の効果

0007

本発明によれば、優れた電力変換装置を実現できる。

図面の簡単な説明

0008

本発明の一実施形態のパワーコンディショナの回路図である。
該パワーコンディショナの分解斜視図である。
該パワーコンディショナの斜視図である。

実施例

0009

電気的構成
次に、本発明の一実施形態によるパワーコンディショナ1の電気的構成を図1を参照し説明する。

0010

このパワーコンディショナ1は、太陽光発電システム等に使用され、太陽光パネルから供給された直流電力交流電力に変換し、外部の負荷または商用電源系統に供給するものである。

0011

パワーコンディショナ1の内部において、端子台部2には、DC端子台22とAC端子台28とが設けられている。DC端子台22は、複数の太陽光パネル(図示せず)に接続され、AC端子台28は商用電源系統の配電盤(図示せず)に接続される。ヒューズホルダ26には図示せぬヒューズが装着される。DCスイッチ部24には、各太陽光パネル毎に電流オンオフする複数のスイッチが設けられている。接続箱機能部32は、DCスイッチ部24を介して供給された直流電流逆流防止用ダイオード(図示せず)を介して合成する。DCフィルタ部34は、DC/AC変換基板からの高調波成分を低減する。接続箱機能部32とDCフィルタ部34とは、DCフィルタ基板3に搭載されている。

0012

DCリアクトル4は鉄心を有するリアクトルであり、DCフィルタ基板3から出力された直流電流が通過する。コンバータ52は、DCリアクトル4から供給された直流電圧によって所定の直流電圧を生成し、電解コンデンサ56を充電する。ここで、DCリアクトル4およびコンバータ52は、昇圧チョッパ回路を構成しており、電解コンデンサ56の端子電圧は、300〜400V程度になる。

0013

インバータ54は、電解コンデンサ56の端子電圧をスイッチングすることにより、PWM変調波である交流電圧を出力する。すなわち、この交流電圧は、方形波パルス状の波形を有し、そのデューティ比正弦波状に変動する。コンバータ52、インバータ54、電解コンデンサ56は、DC/AC変換基板5に搭載されている。

0014

ACリアクトル6は鉄心を有するリアクトルであり、インバータ54の出力電圧から高調波成分を除去する。但し、ACリアクトル6のみでは高調波成分を充分に除去しきれないため、後段のACフィルタ部72において、さらに高調波成分が除去される。ACリレー部74は、ACフィルタ部72と商用電源系統との接続状態(オン/オフ状態)を切り替える。すなわち、ACフィルタ部72と商用電源系統とを接続するためには、両者の電圧差位相差等について所定の条件が満たされている必要がある。ACリレー部74とACフィルタ部72とは、ACフィルタ基板7に搭載されている。

0015

電圧差、位相差等の条件が満たされた場合は、ACリレー部74はオン状態に設定され、これにより、ACフィルタ部72の出力電力は、ACリレー部74、ヒューズホルダ26、AC端子台28を介して商用電源系統に供給される。制御部8は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等を有し、メモリに格納された制御プログラムに基づいて、パワーコンディショナ1内の各部を制御する。
機械的構成
次に、パワーコンディショナ1の機械的構成を、図2を参照し説明する。なお、図2はパワーコンディショナ1の分解斜視図である。

0016

図2において本体ケース10は、横長の略直方体枠状に形成され、左右に側面10cを備え、その前面の全体が開放されるとともに、背面の上部部分が開放され、長方形状背面窓10bが形成されている。また、本体ケース10の下部には、ケーブル配線用の円形貫通孔10aが複数形成されている。

0017

ヒートシンク14は、背面窓10bよりもやや小サイズの略長方形板状に形成され、その前面は平面状に形成されるとともに、背面には複数のフィンが形成されている。ヒートシンク14は、その前面が背面窓10bから露出し、後面は背面カバー16によって覆われる。ヒートシンク14の前面中央部分には、DC/AC変換基板5が装着される。DC/AC変換基板5の裏面には、IGBT絶縁ゲートバイポーラトランジスタ,Insulated Gate Bipolar Transistor)等の複数のパワー半導体素子(図示せず)が搭載されており、これらパワー半導体素子がヒートシンク14に衝合しつつ取り付けられる。この結果、DC/AC変換基板5は、ヒートシンク14に対して前方に若干(数mm程度)隔てた位置に固定される。

0018

なお、図1に示した電解コンデンサ56は、実際には複数の電解コンデンサ56aを直並列接続して構成されている。これら電解コンデンサ56aは、DC/AC変換基板5の下辺および右辺に沿って装着されている。上述したパワー半導体素子は、電解コンデンサ56aの装着位置を除いた領域の裏面に装着されている。また、ヒートシンク14の左上隅および右上隅には、DCリアクトル4およびACリアクトル6が絶縁シート(図示せず)を介して装着される。

0019

パワー半導体素子、DCリアクトル4、ACリアクトル6は、発熱量が大きいためにヒートシンク14に装着されているが、これらの部品から放出される熱は、パワーコンディショナ1の筺体内にも放射され、対流によって他の部品にも伝搬される。「他の部品」のうち、電解コンデンサ56aは熱による劣化が特に生じやすいため、パワー半導体素子、DCリアクトル4、ACリアクトル6の上方には位置しないように配置されている。

0020

DCフィルタ基板3は、略L字状に形成され、DCリアクトル4の下方に配置される。DCフィルタ基板3の前面には、アモルファスコイル34a等、DCフィルタ部34(図1参照)の構成部品が配置されている。アモルファスコイル34aはDCフィルタ基板3の前面に本体ケース10の側面10c側に縦列に配置されている。また、DCフィルタ基板3には、縦長形状のヒートシンク32aが装着されている。このヒートシンク32aは、接続箱機能部32(図1参照)に含まれる逆流防止用のダイオードを冷却するものである。ACフィルタ基板7は、略逆L字状に形成され、ACリアクトル6の下方に配置される。ACフィルタ基板7の前面には、アモルファスコイル72a等、ACフィルタ部72(図1参照)の構成部品が配置されている。アモルファスコイル72aはACフィルタ基板7の前面に本体ケース10の側面10c側に縦列に配置されている。また、ACフィルタ基板7の下部には、ACリレー部74(図1参照)を構成するリレー74aが搭載されている。DCフィルタ基板3とACフィルタ基板7は、DC/AC変換基板5の左右に離れて配置されている。

0021

DCリアクトル4およびACリアクトル6の下方にDCフィルタ基板3およびACフィルタ基板7を取り付けた後、本体ケース10の前面には、その左右端を繋ぐように、補強板12と端子台部2とが装着される。端子台部2の中央部分には、後側に凹んだ凹部が形成されており、その凹部にDCスイッチ部24とヒューズホルダ26とが装着されている。さらに、補強板12には、制御部8が取り付けられる。そして、本体ケース10の前面に、図示せぬフロントパネルを装着すると、防滴構造を有し屋外設置可能なパワーコンディショナ1が完成する。

0022

以上のようにして組み立てられたパワーコンディショナ1の斜視図を図3に示す。なお、図3においても、フロントパネルは図示を省略する。図3において、DCスイッチ部24の後方には、DCフィルタ基板3に装着されたヒートシンク32aが位置している。図3に示すように、ヒートシンク32aは、電解コンデンサ56aよりも若干左側に配置されている。これにより、ヒートシンク32aにて発生した熱気は、電解コンデンサ56aには当たらないように上方向に上昇する。

0023

本実施形態においては、DCフィルタ基板3とACフィルタ基板7は、DC/AC変換基板5の左右に離れて配置し、DCフィルタ基板3と、ACフィルタ基板7には筺体10の側面10c側にアモルファスコイル34a、72aを縦列に配置して搭載した事を一つの特徴としている。そのため、DC/AC変換基板5の左側に配置したDCフィルタ基板3の筺体10の側面10a側にアモルファスコイル34aを配置し、DC/AC変換基板5の右側に配置したACフィルタ基板7の筺体10の側面10c側にアモルファスコイル72aを配置することによりパワーコンディショナ1は、各要素間を接続するケーブルを短くすることができるから、コストダウンを図れるとともに、不要輻射電力損失を抑制でき、さらに組立性を向上させることができる。 さらに、パワーコンディショナ1の中央側に形成する空間を発熱部品を冷却する空気流路として冷却性能を向上することができる。

0024

また、横長の(上下方向の幅よりも、左右方向の幅が長い)本体ケース10を適用し、その左上隅および右上隅に、DCリアクトル4およびACリアクトル6を配置している。DCリアクトル4およびACリアクトル6は、それぞれ強い磁束を発生するため、両者を近接させると、相互インダクタンスにより影響を及ぼし合い、電波障害を起こす原因になり得る。この場合、電波障害を軽減するためには、DCフィルタ部34およびACフィルタ部72として高性能なものを適用せざるを得なくなり、コストアップにつながる。従って、DCリアクトル4およびACリアクトル6の距離をなるべく離すことが、安価に電波障害を軽減するために有効な手段であると考えられる。

0025

また、DCリアクトル4およびACリアクトル6は、発熱量が大きいため、他の部品の温度上昇を抑制するためには、本体ケース10内でなるべく上部に配置することが望ましい。このような事情に鑑みれば、本体ケース10として横長のものを採用し、その左上隅および右上端にDCリアクトル4およびACリアクトル6を配置することが最適であると考えられる。

0026

また、コンバータ52およびインバータ54は、電解コンデンサ56に対する充放電を行うものであるため、これらの要素をなるべく近接させると、不要輻射や電力損失を抑制できる。従って、これらの要素をDC/AC変換基板5として、まとめて実装することが望ましいことが解る。そして、DC/AC変換基板5をDCリアクトル4とACリアクトル6との間に配置すると、電流が流れる順序(DCリアクトル4→DC/AC変換基板5→ACリアクトル6)に従って、これらの構成要素4,5,6を配置することができる。これにより、構成要素4,5,6間を接続するケーブルを短くすることができるから、ケーブルのコストを削減できるとともに、組立性を高めることができ、ケーブルにおける不要輻射や電力損失も抑制することができる。

0027

また、DCリアクトル4の下方にDCフィルタ基板3を配置し、ACリアクトル6の下方にACフィルタ基板7を配置すると、それぞれを接続するためのケーブルを短くすることができ、不要輻射や電力損失を一層抑制できる点で望ましい。以上のように、DCフィルタ基板3、DCリアクトル4、DC/AC変換基板5、ACリアクトル6、ACフィルタ基板7を略コ字状をなすように配置することにより、不要輻射や電力損失を抑制しつつ、各要素の温度上昇(特に電解コンデンサ56aの温度上昇)を抑制できることが解る。
<実施形態の効果>
以上のように、本実施形態のパワーコンディショナ1は、直流電圧が入力されるDCリアクトル4と、コンデンサ56と、DCリアクトル4の出力電圧をスイッチングすることにより、コンデンサ56を充電するコンバータ52と、コンデンサ56の出力電圧をスイッチングすることにより、交流電圧を出力するインバータ54と、コンデンサ56とコンバータ52とインバータ54とを搭載するDC/AC変換基板5と、前記交流電圧から高調波成分を除去するACリアクトル6と、DC/AC変換基板からの高調波成分を太陽電池パネル側に流出を低減するDCフィルタ基板と、DCフィルタ基板3と、ACリアクトル6が出力する交流電圧からさらに高調波成分を除去するACフィルタ基板7と、縦方向の幅よりも横方向の幅が長い筺体10とを有し、DCフィルタ基板3とACフィルタ基板7は、DC/AC変換基板5の左右に離れて配置し、DCフィルタ基板3と、ACフィルタ基板7には筺体10の側面10a側にアモルファスコイル34a、72aを縦列に配置して搭載したものである。

0028

これらの特徴により、本実施形態のパワーコンディショナ1は、各要素間を接続するケーブルを短くすることができるから、コストダウンを図れるとともに、不要輻射や電力損失を抑制でき、さらに組立性を向上させることができる。

0029

さらに、パワーコンディショナ1の中央側に空間を発熱部品を冷却する空気流路として冷却性能を向上することができる。
<変形例>
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
(1)上記実施形態においては、本体ケース10の左側にDCフィルタ基板3およびDCリアクトル4を配置し、右側にACリアクトル6およびACフィルタ基板7を配置したが、これらの左右の配置関係を逆にしてもよい。
(2)上記実施形態においては、パワー半導体素子としてIGBTを適用したが、パワー半導体素子は、MOS・FETサイリスタゲートターンオフサイリスタトライアック等であってもよい。

0030

1パワーコンディショナ
2端子台部
3 DCフィルタ基板
4DCリアクトル
5 DC/AC変換基板
6ACリアクトル
7 ACフィルタ基板
8 制御部
10 本体ケース(筺体)
10c 側面
12補強板
14ヒートシンク
32接続箱機能部(合成部)
32a ヒートシンク(ダイオード用ヒートシンク)
34 DCフィルタ部
34aアモルファスコイル
52コンバータ
54インバータ
56,56a電解コンデンサ
72 ACフィルタ部
72a アモルファスコイル

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