電力変換装置
【課題】部品配置に対する自由度を増大することができる電力変換装置を得ること。
【解決手段】スイッチング素子１０を高温動作が可能なワイドバンドギャップ半導体によって形成し、筐体１内の上部の高温領域に配置できるようにした。スイッチング素子１０をリアクトル１２と共に筐体１内の上部の高温領域に配置することにより、筐体１内の温度分布がより明確となり、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品を配置する筐体１内の下部の低温領域の温度を低く保つようにした。
【解決手段】スイッチング素子１０を高温動作が可能なワイドバンドギャップ半導体によって形成し、筐体１内の上部の高温領域に配置できるようにした。スイッチング素子１０をリアクトル１２と共に筐体１内の上部の高温領域に配置することにより、筐体１内の温度分布がより明確となり、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品を配置する筐体１内の下部の低温領域の温度を低く保つようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置を構成する電気回路部品には、運転中に大きく発熱する部品（例えば半導体スイッチ素子、リアクトル）、発熱量は少ないが高温環境下で動作を続けると寿命が短くなる部品（例えば電解コンデンサ）、高温環境下では性能が劣化する部品、すなわち動作許容温度の低い部品（例えばリレー）が混在している。なお、これらの部品を熱的発生源であるか否かの観点から区分すれば、スイッチング素子およびリアクトルは発熱部品として区分され、電解コンデンサおよびリレーは低発熱部品として区分することができる。
【０００３】
一般に、屋外に設置される太陽光発電用パワーコンディショナ（パワコン）のような電力変換装置は、トラッキングの原因となる埃の侵入や雨水の浸入を防止するため、電気回路部が密閉された筐体内に収納される。このため、電力変換装置の運転中には、スイッチング素子やリアクトル等が発する熱により、筐体内部の温度が上昇し、これに伴い電解コンデンサやリレー等の温度も上昇する。
【０００４】
電解コンデンサやリレー等への熱的影響を軽減する技術として、電源部の発熱部分を収納する第１収納部と、電源部の非発熱部分と電源部以外の部品とを収納する第２収納部とを設け、これら２つの収納部を隔離、断熱した電子機器筐体が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、上記特許文献１と同様の構成がＲＥＦＵ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ社製のパワーコンディショナであるＲＥＦＵＳＯＬ１１ｋにおいて採用されている。このＲＥＦＵＳＯＬ１１ｋでは、発熱部品であるリアクトルとその他の部品とをそれぞれ異なる収納部に収納している（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２４４２１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】"PHOTON International" September 2008, "inverter tests", ｐ.88（http://reb2b-portal.xsite.be/public/uploads/files/Photon%20International%20-%20Testresultaat%20Refusol%2011%20K%20inverter.pdf：２０１０年７月２６日検索）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電力変換装置を構成するスイッチング素子としては、シリコン半導体により形成されたスイッチング素子を用いることが一般的である。しかしながら、シリコン半導体により形成されたスイッチング素子は、高温環境下では電力変換効率が低下するため、スイッチング素子自身を過熱から守るために充分な冷却が必要となる。このため、高温となる第１収納部内に発熱部品であるリアクトルと共にスイッチング素子を収納することは困難であり、比較的低温となる第２収納部内に電解コンデンサやリレー等と共に収納せざるを得なかった。
【０００９】
一方、スイッチング素子は、電力変換装置の運転中における発熱量が大きく、スイッチング素子の周囲の温度が上昇する。このため、上記従来技術の考え方では、スイッチング素子による発熱が電解コンデンサやリレー等の低発熱部品に与える熱的影響を考慮して部品配置を行う必要があり、部品配置に対する自由度が少ない、という問題があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品配置に対する自由度を増大することができる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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、各面が導体で構成された筐体と、を備え、前記各種部品は、前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、に区分され、前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成され、前記筐体内において、前記区分した発熱部品の全てが、前記区分した低発熱部品よりも上部に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、部品配置に対する自由度を増大することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図２】図２は、Ｓｉスイッチング素子を使用した電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態５にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態６にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態７にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
本実施の形態にかかる電力変換装置としては、太陽電池モジュールから供給される直流電力を交流電力に変換し、住宅内の電気機器等の負荷および電力系統に供給するパワーコンディショナに適用する例を示している。この例では、電力変換装置の出力電力は、住宅内の電気機器等の負荷で消費されるとともに、住宅内の電気機器等の負荷により消費できない余剰電力は、電力系統に逆潮流される。曇天時や夜間など、日射量が少なく太陽電池モジュールが発電できないときには、電力系統から住宅内の電気機器等の負荷に電力が供給される。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。図１（ａ）は、実施の形態１にかかる電力変換装置を構成する各部品が収納される筐体１の正面図であり、筐体１を構成する正面の電気伝導体（以下単に「導体」という）を透視した場合に見える部品の概観を示している。なお、筐体１は、各６面が全て導体で構成されている。また、図１（ｂ）は、筐体１を側面から見た側面図であり、筐体１を構成する側面導体を透視した場合に見える部品の概観（一部の部品は省略）を示している。
【００１７】
筐体１内の温度は、発熱部品によって熱せられた空気が上昇することにより、筐体１内の上部が高温となり、下部が低温となる温度分布が生じる。図１に示す例では、破線Ａよりも上部の領域を高温領域とし、破線Ａよりも下部の領域を低温領域として示している。
【００１８】
図１に示すように、実施の形態１にかかる電力変換装置は、例えば太陽電池モジュール（図示せず）からの直流電力を昇圧または降圧する昇降圧回路（図示せず）から出力された直流電力をスイッチング制御して交流電力に変換するスイッチング素子１０と、直流電力により電荷を蓄積する電解コンデンサ１１と、コンデンサ（図示せず）と共にスイッチング素子１０の出力から高周波成分を除去するリアクトル１２と、交流電力を電力系統（図示せず）に連系するためのリレー１３と、スイッチング素子１０やリレー１３等を制御する制御回路１４と、を備えている。
【００１９】
スイッチング素子１０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）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スイッチング素子１０は、高温動作（約２００℃以上）が可能であるため、筐体１内において高温領域となる破線Ａから上部に配置される。なお、これ以降、このスイッチング素子１０をＳｉＣスイッチング素子１０として説明する。
【００２０】
電解コンデンサ１１は、低発熱部品であり、高温環境下では寿命が短くなるため、筐体１内において低温領域となる破線Ａから下部に配置される。
【００２１】
リアクトル１２は、ＳｉＣスイッチング素子１０と同様に、動作中の発熱量が大きい発熱部品であるため、ＳｉＣスイッチング素子１０と共に破線Ａから上部の高温領域に配置される。
【００２２】
リレー１３は、電解コンデンサ１１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、電解コンデンサ１１と共に破線Ａから下部の低温領域に配置される。
【００２３】
制御回路１４は、動作中の発熱量は比較的小さいため、電解コンデンサ１１およびリレー１３と共に破線Ａから下部の低温領域に配置される。
【００２４】
つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置との比較対象として、汎用的なスイッチング素子であるシリコン製のスイッチング素子（以下「Ｓｉスイッチング素子」という）を用いた電力変換装置について、図２を参照して説明する。なお、シリコンは、ＳｉＣなどと比較して、バンドギャップが狭いため、ナローバンドギャップ（ＮＢＧ）半導体と呼ばれるグループに属する。
【００２５】
図２は、Ｓｉスイッチング素子を使用した電力変換装置の一構成例を示す図である。図２（ａ）は、電力変換装置を構成する各部品が収納される筐体１の正面図であり、実施の形態１と同様に、筐体１を構成する正面導体を透視した場合に見える部品の概観を示している。図２（ｂ）は、筐体１を側面から見た側面図であり、筐体１を構成する側面導体を透視した場合に見える部品の概観（一部の部品は省略）を示している。また、図２（ｃ）は、筐体１の高さに対する温度分布の相対値を示している。なお、図２に示す例では、便宜上、破線Ａよりも上部の領域を高温領域とし、破線Ａの下方側に引かれた破線Ｂよりも下部の領域を低温領域としている。
【００２６】
Ｓｉスイッチング素子１５は、動作中の発熱量が大きい発熱部品でありながら、高温環境下では電力変換効率が低下するため、Ｓｉスイッチング素子１５自身を過熱から守るために充分な冷却が必要である。このため、図２に示す例では、Ｓｉスイッチング素子１５は、筐体１内において、破線Ｂによって区分される低温領域の上部側に配置されている。
【００２７】
これに対して、電解コンデンサ１１、リレー１３、および制御回路１４は、Ｓｉスイッチング素子１５よりも上部側の高温領域と低温領域とに挟まれた領域に配置されている。また、図２に示すように、筐体１の外部に、ヒートシンク１６や、ヒートシンク１６に送風するファン１７を設け、Ｓｉスイッチング素子１５が発する熱を外部へ放熱する構造としている。
【００２８】
しかしながら、このような配置構成の場合、図２（ｃ）に示すように、Ｓｉスイッチング素子１５を配置した付近、すなわち低温領域の上部側では、Ｓｉスイッチング素子１５の発する熱により温度が高くなる。また、これに伴い、高温領域と低温領域とに挟まれる領域、すなわち電解コンデンサ１１やリレー１３が配置された領域の温度が上昇する。したがって、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品への熱的影響の軽減を考慮して部品配置を行ったり、耐熱性能を強化した特殊な部品（例えば、高温環境下で動作可能な高温仕様のリレー）を選定したりする必要がある。
【００２９】
一方、ＳｉＣに代表されるワイドバンドギャップ半導体は、ナローバンドギャップ半導体と比較して耐熱性が高く、高温動作が可能である。このため、図１にも示したように、破線Ａから上部の高温領域にＳｉＣスイッチング素子１０を配置することが可能となる。このとき、ＳｉＣスイッチング素子１０とリアクトル１２とは、共に筐体１内の高温領域に配置されることとなり、筐体１内の温度分布がより明確となる。また、高温領域の温度が従来よりも高温になるのと引き換えに、破線Ａから下部の領域の温度をより低く保つことができるので、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品の配置に対する自由度が大きくなる。
【００３０】
例えば、図１に示す例では、電解コンデンサ１１をリレー１３よりも下部に配置しているが、電解コンデンサ１１をリレー１３よりも上部に配置することも可能である。一方、図２に示す例では、電解コンデンサ１１とリレー１３を横並びで配置しているが、配置を変更する自由度は殆ど残っていないと言うことができる。
【００３１】
また、実施の形態１の場合、高温領域における発熱部品の配置に対する自由度も大きくなる。例えば、図１に示す例では、リアクトル１２の上部にＳｉＣスイッチング素子１０を配置しているが、リアクトル１２の下部あるいは、リアクトル１２の近傍にＳｉＣスイッチング素子１０を配置することも可能である。
【００３２】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、スイッチング素子を高温動作が可能なＷＢＧ半導体によって形成するようにしたので、スイッチング素子を筐体内上部の高温領域に配置することが可能となる。
【００３３】
また、実施の形態１の電力変換装置によれば、スイッチング素子をリアクトルと共に筐体内上部の高温領域に配置することにより、筐体内の温度分布をより明確にすることができ、筐体内の下部の低温領域の温度を低く保つことができる。この作用により、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品に対する配置の自由度を増大することができるという効果が得られる。
【００３４】
また、実施の形態１の電力変換装置によれば、電解コンデンサの温度を低く保つことが可能となるので、電解コンデンサの長寿命化を図ることができる。
【００３５】
さらに、実施の形態１の電力変換装置によれば、耐熱性能を強化した特殊な部品を選定する必要がなくなるので、電力変換装置を構成する部品の選択範囲を広げることができる。
【００３６】
なお、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、この小型化されたスイッチング素子を用いることにより、このスイッチング素子を組み込んだ電力変換装置の小型化が可能となる。
【００３７】
また、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐熱性が高いことにより、ヒートシンクの削除あるいはヒートシンクの放熱フィンの小型化が可能であるので、電力変換装置のさらなる小型化が可能になる。
【００３８】
さらに、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子は、電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、延いては電力変換装置の高効率化が可能になる。
【００３９】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
図３に示すように、実施の形態２にかかる電力変換装置では、筐体１内の上部にＳｉＣスイッチング素子１０が配置された第１収納部２と、ＳｉＣスイッチング素子１０以外の構成部品が配置された第２収納部３とが、破線Ａに沿って断熱機能を有する内部断熱壁１８で仕切られている。これにより、第１収納部２と第２収納部３とが熱的に隔離され、第２収納部３内の温度分布の最高温度が低下し、第２収納部３内に配置される電解コンデンサ１１やリレー１３等は、ＳｉＣスイッチング素子１０が発する熱の影響を受け難くなるという効果が得られる。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、筐体内の上部にスイッチング素子を配置して、そのスイッチング素子と他の構成部品とを、断熱機能を有する内部断熱壁で仕切るようにしたので、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品は、スイッチング素子が発する熱の影響を受け難くなる。その結果、例えば電解コンデンサやリレー等の低発熱部品を第２収納部の上部側に配置することも可能となるので、実施の形態１よりもさらに電解コンデンサやリレー等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサのさらなる長寿命化を図ることができる。
【００４２】
なお、図３に示す例では、ＳｉＣスイッチング素子１０のみを第１収納部２に配置するようにしたが、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２を第１収納部２に配置し、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２以外の構成部品を第２収納部３に収納するようにすることも可能である。このようにすれば、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２と、電解コンデンサ１１やリレー１３等が配置された第２収納部３とが熱的に隔離され、第２収納部２内の温度分布の最高温度はさらに低下し、第２収納部３内に配置される電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品は、リアクトル１２が発する熱の影響をも受け難くなるので、図３に示す例よりもさらに電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサ１１のさらなる長寿命化を図ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図４は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１および２と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
図４に示すように、実施の形態３にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０が配置された第１収納部２と、ＳｉＣスイッチング素子１０以外の構成部品が配置された第２収納部３とが、破線Ａに沿って断熱機能を有する導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切られている。
【００４５】
ＳｉＣスイッチング素子１０は、スイッチング動作に伴い、高周波の放射ノイズを発生する。この放射ノイズは、リレー１３や制御回路１４等の誤動作の要因となる。したがって、第１収納部２内に放射ノイズの発生源となるＳｉＣスイッチング素子１０を配置し、第１収納部２と第２収納部３とを内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切ることにより、リレー１３や制御回路１４等がＳｉＣスイッチング素子１０を発生源とする放射ノイズによる影響を受け難くしている。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置によれば、筐体内の上部にスイッチング素子を配置して、そのスイッチング素子と他の構成部品とを、断熱機能を有する導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁で仕切るようにしたので、実施の形態２の効果に加えて、リレーや制御回路等は、スイッチング素子を発生源とする放射ノイズによる影響を受け難くなり、リレーや制御回路等の誤動作を抑制することができる。
【００４７】
実施の形態４．
図５は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至３と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
図５に示すように、実施の形態４にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２と、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２以外の構成部品が配置された第２収納部３とが、破線Ａに沿って実施の形態３と同様の内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切られている。
【００４９】
リアクトル１２は、ＳｉＣスイッチング素子１０の出力波形を整形する際に、ＳｉＣスイッチング素子１０と同様に、高周波の放射ノイズを発生する。したがって、第１収納部２内にノイズ発生源となるＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２を配置し、第１収納部２と第２収納部３とを内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切ることにより、リレー１３や制御回路１４等がリアクトル１２を発生源とする放射ノイズによる影響をも受け難くしている。
【００５０】
また、第１収納部２内に配置されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、共に発熱部品であるので、これらＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２と、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品が配置された第２収納部３とが熱的に隔離されることにより、第２収納部２内の温度分布の最高温度はさらに低下する。つまり、第２収納部３内に配置される電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品は、リアクトル１２が発する熱の影響をも受け難くなる。
【００５１】
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置によれば、筐体内の上部にスイッチング素子およびリアクトルを配置して、それらのスイッチング素子およびリアクトルと他の構成部品とを、断熱機能を有する導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁で仕切るようにしたので、実施の形態３の効果に加えて、リアクトルを発生源とする放射ノイズによる影響をも受け難くなり、リレーや制御回路等の誤動作をさらに抑制することができる。
【００５２】
また、放射ノイズの発生源となるスイッチング素子およびリアクトルが導体である筐体および内部断熱ＥＭＣシールド壁で隔離されるので、電力変換装置の外部への放射ノイズの伝搬を低減することができる。
【００５３】
また、実施の形態２と同様に、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品は、リアクトルが発する熱の影響をも受け難くなり、実施の形態１よりもさらに電解コンデンサやリレー等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサのさらなる長寿命化を図ることができる。
【００５４】
実施の形態５．
図６は、実施の形態５にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至４と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
図６（ａ）は、電力変換装置の正面図を示し、図６（ｂ）は、電力変換装置の側面図を示している。図６に示すように、実施の形態５にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、各面が導体で覆われた第１筐体４内に収納され、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２以外の構成部品は、同様に各面が導体で覆われた第２筐体５内に収納され、第１筐体４内に配置された部品と第２筐体５内に配置された部品との間は、信号線２０により接続されている。また、第１筐体４と第２筐体５との間は、外気が通気可能なように離されて設置されている。
【００５６】
第１筐体４内に収納されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、共に発熱部品である。これらのＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が収納された第１筐体４と、電解コンデンサ１１、リレー１３、および制御回路１４等の部品が収納された第２筐体５とが、外気が通気可能なように離されて配置されることにより、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２と電解コンデンサ１１およびリレー１３等との間の断熱が強化され、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品は、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱の影響をさらに受け難くなる。また、上述した実施の形態１乃至４では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱は、筐体１を構成する上面導体および側面導体から排熱していたが、実施の形態５にかかる電力変換装置では、第１筐体４を構成する全ての外壁面導体から排熱することができ、実施の形態１乃至４よりもＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２の温度を低下させることができる。
【００５７】
また、第１筐体４内に収納されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、共に高周波の放射ノイズの発生源でもある。一方、リレー１３および制御回路１４は、放射ノイズによる影響を受け易い部品である。放射ノイズの発生源であるＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が第１筐体４内に隔離され、放射ノイズによる影響を受け易いリレー１３や制御回路１４等が第２筐体５内に隔離されることにより、実施の形態４よりもさらにリレー１３や制御回路１４等への放射ノイズによる影響を低減することができる。また、第１筐体４と第２筐体５とが非接触状態で配置されることにより、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２からリレー１３や制御回路１４等への高周波の伝導ノイズも低減される。さらに、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が第１筐体４で隔離されるので、電力変換装置の外部への放射ノイズの伝搬を低減することができる。
【００５８】
以上説明したように、実施の形態５の電力変換装置によれば、発熱部品であるスイッチング素子およびリアクトルを、各面が導体で覆われた第１筐体内に収納し、スイッチング素子およびリアクトル以外の構成部品を、同様に各面が導体で覆われた第２筐体内に収納して、第１筐体と第２筐体との間を、外気が通気可能なように離して設置するようにしたので、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品は、スイッチング素子およびリアクトルが発する熱の影響をさらに受け難くなり、実施の形態４よりもさらに電解コンデンサやリレー等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサのさらなる長寿命化を図ることができる。
【００５９】
また、第１筐体を構成する全ての外壁面導体からスイッチング素子およびリアクトルが発する熱を排熱することができるので、実施の形態１乃至４よりもスイッチング素子およびリアクトルの温度を低下させることができる。
【００６０】
さらに、放射ノイズの発生源となるスイッチング素子およびリアクトルが第１筐体内に隔離され、放射ノイズによる影響を受け易いリレーや制御回路等が第２筐体内に隔離されるので、実施の形態４よりもさらにリレーや制御回路等への放射ノイズによる影響を低減することができ、さらには、第１筐体と第２筐体とが非接触状態で配置されることにより、伝導ノイズによる影響をも低減することができるので、リレーや制御回路等の誤動作をさらに抑制することができる。また、スイッチング素子およびリアクトルが第１筐体内に隔離されるので、電力変換装置の外部への放射ノイズの伝搬を低減することができる。
【００６１】
実施の形態６．
図７は、実施の形態６にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至５と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
図７（ａ）は、電力変換装置の正面図を示し、図７（ｂ）は、電力変換装置を側面から見た側面図を示している。なお、図７（ｂ）に示すように、実施の形態６にかかる電力変換装置では、実施の形態５で説明した第１筐体４を構成する外壁面導体にヒートシンク２１を配置している。
【００６３】
ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱は、第１筐体４を構成する外壁面導体を介して外部に排熱されるが、例えば、電力変換装置が設置される地域、あるいは供給する電力量によっては、ＳｉＣスイッチング素子１０やリアクトル１２の発する熱を十分に排熱できない場合がある。このような場合に、第１筐体４を構成する外壁面導体にヒートシンク２１を配置することにより、排熱面積を拡大することができ、実施の形態５よりも第１筐体４内の温度を低下させることができる。なお、図７に示す例では、第１筐体４の背面導体にヒートシンク２１を配置しているが、ヒートシンク２１を配置する外壁面導体はこれに限らず、上面導体あるいはその他の側面導体にヒートシンク２１を配置してもよく、さらには複数の外壁面導体にそれぞれ対応する複数個のヒートシンクを配置してもよい。
【００６４】
以上説明したように、実施の形態６の電力変換装置によれば、発熱部品であるスイッチング素子およびリアクトルが配置された第１筐体を構成する外壁面導体に一つあるいは複数のヒートシンクを配置するようにしたので、排熱面積を拡大することができ、実施の形態５よりも第１筐体内の温度を低下させることができる。
【００６５】
なお、実施の形態６では、実施の形態５の構成に示した第１筐体の外壁面導体にヒートシンクを配置する構成について説明したが、実施の形態１において説明した筐体の上面導体、あるいは側面導体の上部にヒートシンクを配置しても、同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２乃至４において説明した第１収納部の上面導体、あるいは側面導体にヒートシンクを配置しても、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
実施の形態７．
図８は、実施の形態７にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至６と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
図８に示すように、実施の形態７にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁２２で覆われている。なお、図８では、第１収納部２と第２収納部３とを、破線Ａに沿って内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切る構成としているが、内部断熱壁１８で仕切る構成とすることも可能である。
【００６８】
筐体１の外壁面導体の温度は、第１収納部２内に収納されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱により上昇するが、例えば、電力変換装置の設置状態によっては、筐体１の外壁面導体の温度が筐体１の外部に設置された物体に影響を及ぼす場合がある。このような場合に、第１収納部２の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁２２で覆うことにより、外部断熱壁２２の温度は、外気温度付近の温度を維持することができ、筐体１の外壁面導体の温度が筐体１の外部に設置された物体に影響することを防ぐことができる。
【００６９】
以上説明したように、実施の形態７の電力変換装置によれば、スイッチング素子およびリアクトルが配置された第１収納部の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆い、外部断熱壁の温度が外気温度付近の温度を維持するようにしたので、筐体の外壁面導体の温度が筐体の外部に設置された物体に影響することを防ぐことができる。
【００７０】
なお、実施の形態７では、実施の形態２乃至４の構成に示した第１収納部の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成について説明したが、実施の形態１において説明した筐体の上面導体、および側面導体の上部の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成としても、同様の効果を得ることができる。また、実施の形態５において説明した第１筐体の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成としても、同様の効果を得ることができる。さらには、実施の形態６において説明したヒートシンクの外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成としても、同様の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、部品配置に対する自由度を増大することができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 筐体、２ 第１収納部、３ 第２収納部、４ 第１筐体、５ 第２筐体、１０ （ＳｉＣ）スイッチング素子、１１ 電解コンデンサ、１２ リアクトル、１３ リレー、１４ 制御回路、１５ Ｓｉスイッチング素子、１６ ヒートシンク、１７ ファン、１８ 内部断熱壁、１９ 内部断熱ＥＭＣシールド壁、２０ 信号線、２１ ヒートシンク、２２ 外部断熱壁。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置を構成する電気回路部品には、運転中に大きく発熱する部品（例えば半導体スイッチ素子、リアクトル）、発熱量は少ないが高温環境下で動作を続けると寿命が短くなる部品（例えば電解コンデンサ）、高温環境下では性能が劣化する部品、すなわち動作許容温度の低い部品（例えばリレー）が混在している。なお、これらの部品を熱的発生源であるか否かの観点から区分すれば、スイッチング素子およびリアクトルは発熱部品として区分され、電解コンデンサおよびリレーは低発熱部品として区分することができる。
【０００３】
一般に、屋外に設置される太陽光発電用パワーコンディショナ（パワコン）のような電力変換装置は、トラッキングの原因となる埃の侵入や雨水の浸入を防止するため、電気回路部が密閉された筐体内に収納される。このため、電力変換装置の運転中には、スイッチング素子やリアクトル等が発する熱により、筐体内部の温度が上昇し、これに伴い電解コンデンサやリレー等の温度も上昇する。
【０００４】
電解コンデンサやリレー等への熱的影響を軽減する技術として、電源部の発熱部分を収納する第１収納部と、電源部の非発熱部分と電源部以外の部品とを収納する第２収納部とを設け、これら２つの収納部を隔離、断熱した電子機器筐体が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、上記特許文献１と同様の構成がＲＥＦＵ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ社製のパワーコンディショナであるＲＥＦＵＳＯＬ１１ｋにおいて採用されている。このＲＥＦＵＳＯＬ１１ｋでは、発熱部品であるリアクトルとその他の部品とをそれぞれ異なる収納部に収納している（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２４４２１４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】"PHOTON International" September 2008, "inverter tests", ｐ.88（http://reb2b-portal.xsite.be/public/uploads/files/Photon%20International%20-%20Testresultaat%20Refusol%2011%20K%20inverter.pdf：２０１０年７月２６日検索）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電力変換装置を構成するスイッチング素子としては、シリコン半導体により形成されたスイッチング素子を用いることが一般的である。しかしながら、シリコン半導体により形成されたスイッチング素子は、高温環境下では電力変換効率が低下するため、スイッチング素子自身を過熱から守るために充分な冷却が必要となる。このため、高温となる第１収納部内に発熱部品であるリアクトルと共にスイッチング素子を収納することは困難であり、比較的低温となる第２収納部内に電解コンデンサやリレー等と共に収納せざるを得なかった。
【０００９】
一方、スイッチング素子は、電力変換装置の運転中における発熱量が大きく、スイッチング素子の周囲の温度が上昇する。このため、上記従来技術の考え方では、スイッチング素子による発熱が電解コンデンサやリレー等の低発熱部品に与える熱的影響を考慮して部品配置を行う必要があり、部品配置に対する自由度が少ない、という問題があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品配置に対する自由度を増大することができる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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、各面が導体で構成された筐体と、を備え、前記各種部品は、前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、に区分され、前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成され、前記筐体内において、前記区分した発熱部品の全てが、前記区分した低発熱部品よりも上部に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、部品配置に対する自由度を増大することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図２】図２は、Ｓｉスイッチング素子を使用した電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態５にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態６にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態７にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
本実施の形態にかかる電力変換装置としては、太陽電池モジュールから供給される直流電力を交流電力に変換し、住宅内の電気機器等の負荷および電力系統に供給するパワーコンディショナに適用する例を示している。この例では、電力変換装置の出力電力は、住宅内の電気機器等の負荷で消費されるとともに、住宅内の電気機器等の負荷により消費できない余剰電力は、電力系統に逆潮流される。曇天時や夜間など、日射量が少なく太陽電池モジュールが発電できないときには、電力系統から住宅内の電気機器等の負荷に電力が供給される。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。図１（ａ）は、実施の形態１にかかる電力変換装置を構成する各部品が収納される筐体１の正面図であり、筐体１を構成する正面の電気伝導体（以下単に「導体」という）を透視した場合に見える部品の概観を示している。なお、筐体１は、各６面が全て導体で構成されている。また、図１（ｂ）は、筐体１を側面から見た側面図であり、筐体１を構成する側面導体を透視した場合に見える部品の概観（一部の部品は省略）を示している。
【００１７】
筐体１内の温度は、発熱部品によって熱せられた空気が上昇することにより、筐体１内の上部が高温となり、下部が低温となる温度分布が生じる。図１に示す例では、破線Ａよりも上部の領域を高温領域とし、破線Ａよりも下部の領域を低温領域として示している。
【００１８】
図１に示すように、実施の形態１にかかる電力変換装置は、例えば太陽電池モジュール（図示せず）からの直流電力を昇圧または降圧する昇降圧回路（図示せず）から出力された直流電力をスイッチング制御して交流電力に変換するスイッチング素子１０と、直流電力により電荷を蓄積する電解コンデンサ１１と、コンデンサ（図示せず）と共にスイッチング素子１０の出力から高周波成分を除去するリアクトル１２と、交流電力を電力系統（図示せず）に連系するためのリレー１３と、スイッチング素子１０やリレー１３等を制御する制御回路１４と、を備えている。
【００１９】
スイッチング素子１０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）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スイッチング素子１０は、高温動作（約２００℃以上）が可能であるため、筐体１内において高温領域となる破線Ａから上部に配置される。なお、これ以降、このスイッチング素子１０をＳｉＣスイッチング素子１０として説明する。
【００２０】
電解コンデンサ１１は、低発熱部品であり、高温環境下では寿命が短くなるため、筐体１内において低温領域となる破線Ａから下部に配置される。
【００２１】
リアクトル１２は、ＳｉＣスイッチング素子１０と同様に、動作中の発熱量が大きい発熱部品であるため、ＳｉＣスイッチング素子１０と共に破線Ａから上部の高温領域に配置される。
【００２２】
リレー１３は、電解コンデンサ１１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、電解コンデンサ１１と共に破線Ａから下部の低温領域に配置される。
【００２３】
制御回路１４は、動作中の発熱量は比較的小さいため、電解コンデンサ１１およびリレー１３と共に破線Ａから下部の低温領域に配置される。
【００２４】
つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置との比較対象として、汎用的なスイッチング素子であるシリコン製のスイッチング素子（以下「Ｓｉスイッチング素子」という）を用いた電力変換装置について、図２を参照して説明する。なお、シリコンは、ＳｉＣなどと比較して、バンドギャップが狭いため、ナローバンドギャップ（ＮＢＧ）半導体と呼ばれるグループに属する。
【００２５】
図２は、Ｓｉスイッチング素子を使用した電力変換装置の一構成例を示す図である。図２（ａ）は、電力変換装置を構成する各部品が収納される筐体１の正面図であり、実施の形態１と同様に、筐体１を構成する正面導体を透視した場合に見える部品の概観を示している。図２（ｂ）は、筐体１を側面から見た側面図であり、筐体１を構成する側面導体を透視した場合に見える部品の概観（一部の部品は省略）を示している。また、図２（ｃ）は、筐体１の高さに対する温度分布の相対値を示している。なお、図２に示す例では、便宜上、破線Ａよりも上部の領域を高温領域とし、破線Ａの下方側に引かれた破線Ｂよりも下部の領域を低温領域としている。
【００２６】
Ｓｉスイッチング素子１５は、動作中の発熱量が大きい発熱部品でありながら、高温環境下では電力変換効率が低下するため、Ｓｉスイッチング素子１５自身を過熱から守るために充分な冷却が必要である。このため、図２に示す例では、Ｓｉスイッチング素子１５は、筐体１内において、破線Ｂによって区分される低温領域の上部側に配置されている。
【００２７】
これに対して、電解コンデンサ１１、リレー１３、および制御回路１４は、Ｓｉスイッチング素子１５よりも上部側の高温領域と低温領域とに挟まれた領域に配置されている。また、図２に示すように、筐体１の外部に、ヒートシンク１６や、ヒートシンク１６に送風するファン１７を設け、Ｓｉスイッチング素子１５が発する熱を外部へ放熱する構造としている。
【００２８】
しかしながら、このような配置構成の場合、図２（ｃ）に示すように、Ｓｉスイッチング素子１５を配置した付近、すなわち低温領域の上部側では、Ｓｉスイッチング素子１５の発する熱により温度が高くなる。また、これに伴い、高温領域と低温領域とに挟まれる領域、すなわち電解コンデンサ１１やリレー１３が配置された領域の温度が上昇する。したがって、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品への熱的影響の軽減を考慮して部品配置を行ったり、耐熱性能を強化した特殊な部品（例えば、高温環境下で動作可能な高温仕様のリレー）を選定したりする必要がある。
【００２９】
一方、ＳｉＣに代表されるワイドバンドギャップ半導体は、ナローバンドギャップ半導体と比較して耐熱性が高く、高温動作が可能である。このため、図１にも示したように、破線Ａから上部の高温領域にＳｉＣスイッチング素子１０を配置することが可能となる。このとき、ＳｉＣスイッチング素子１０とリアクトル１２とは、共に筐体１内の高温領域に配置されることとなり、筐体１内の温度分布がより明確となる。また、高温領域の温度が従来よりも高温になるのと引き換えに、破線Ａから下部の領域の温度をより低く保つことができるので、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品の配置に対する自由度が大きくなる。
【００３０】
例えば、図１に示す例では、電解コンデンサ１１をリレー１３よりも下部に配置しているが、電解コンデンサ１１をリレー１３よりも上部に配置することも可能である。一方、図２に示す例では、電解コンデンサ１１とリレー１３を横並びで配置しているが、配置を変更する自由度は殆ど残っていないと言うことができる。
【００３１】
また、実施の形態１の場合、高温領域における発熱部品の配置に対する自由度も大きくなる。例えば、図１に示す例では、リアクトル１２の上部にＳｉＣスイッチング素子１０を配置しているが、リアクトル１２の下部あるいは、リアクトル１２の近傍にＳｉＣスイッチング素子１０を配置することも可能である。
【００３２】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、スイッチング素子を高温動作が可能なＷＢＧ半導体によって形成するようにしたので、スイッチング素子を筐体内上部の高温領域に配置することが可能となる。
【００３３】
また、実施の形態１の電力変換装置によれば、スイッチング素子をリアクトルと共に筐体内上部の高温領域に配置することにより、筐体内の温度分布をより明確にすることができ、筐体内の下部の低温領域の温度を低く保つことができる。この作用により、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品に対する配置の自由度を増大することができるという効果が得られる。
【００３４】
また、実施の形態１の電力変換装置によれば、電解コンデンサの温度を低く保つことが可能となるので、電解コンデンサの長寿命化を図ることができる。
【００３５】
さらに、実施の形態１の電力変換装置によれば、耐熱性能を強化した特殊な部品を選定する必要がなくなるので、電力変換装置を構成する部品の選択範囲を広げることができる。
【００３６】
なお、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、この小型化されたスイッチング素子を用いることにより、このスイッチング素子を組み込んだ電力変換装置の小型化が可能となる。
【００３７】
また、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐熱性が高いことにより、ヒートシンクの削除あるいはヒートシンクの放熱フィンの小型化が可能であるので、電力変換装置のさらなる小型化が可能になる。
【００３８】
さらに、ＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子は、電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、延いては電力変換装置の高効率化が可能になる。
【００３９】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
図３に示すように、実施の形態２にかかる電力変換装置では、筐体１内の上部にＳｉＣスイッチング素子１０が配置された第１収納部２と、ＳｉＣスイッチング素子１０以外の構成部品が配置された第２収納部３とが、破線Ａに沿って断熱機能を有する内部断熱壁１８で仕切られている。これにより、第１収納部２と第２収納部３とが熱的に隔離され、第２収納部３内の温度分布の最高温度が低下し、第２収納部３内に配置される電解コンデンサ１１やリレー１３等は、ＳｉＣスイッチング素子１０が発する熱の影響を受け難くなるという効果が得られる。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、筐体内の上部にスイッチング素子を配置して、そのスイッチング素子と他の構成部品とを、断熱機能を有する内部断熱壁で仕切るようにしたので、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品は、スイッチング素子が発する熱の影響を受け難くなる。その結果、例えば電解コンデンサやリレー等の低発熱部品を第２収納部の上部側に配置することも可能となるので、実施の形態１よりもさらに電解コンデンサやリレー等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサのさらなる長寿命化を図ることができる。
【００４２】
なお、図３に示す例では、ＳｉＣスイッチング素子１０のみを第１収納部２に配置するようにしたが、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２を第１収納部２に配置し、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２以外の構成部品を第２収納部３に収納するようにすることも可能である。このようにすれば、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２と、電解コンデンサ１１やリレー１３等が配置された第２収納部３とが熱的に隔離され、第２収納部２内の温度分布の最高温度はさらに低下し、第２収納部３内に配置される電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品は、リアクトル１２が発する熱の影響をも受け難くなるので、図３に示す例よりもさらに電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサ１１のさらなる長寿命化を図ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図４は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１および２と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
図４に示すように、実施の形態３にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０が配置された第１収納部２と、ＳｉＣスイッチング素子１０以外の構成部品が配置された第２収納部３とが、破線Ａに沿って断熱機能を有する導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切られている。
【００４５】
ＳｉＣスイッチング素子１０は、スイッチング動作に伴い、高周波の放射ノイズを発生する。この放射ノイズは、リレー１３や制御回路１４等の誤動作の要因となる。したがって、第１収納部２内に放射ノイズの発生源となるＳｉＣスイッチング素子１０を配置し、第１収納部２と第２収納部３とを内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切ることにより、リレー１３や制御回路１４等がＳｉＣスイッチング素子１０を発生源とする放射ノイズによる影響を受け難くしている。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置によれば、筐体内の上部にスイッチング素子を配置して、そのスイッチング素子と他の構成部品とを、断熱機能を有する導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁で仕切るようにしたので、実施の形態２の効果に加えて、リレーや制御回路等は、スイッチング素子を発生源とする放射ノイズによる影響を受け難くなり、リレーや制御回路等の誤動作を抑制することができる。
【００４７】
実施の形態４．
図５は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至３と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
図５に示すように、実施の形態４にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２と、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２以外の構成部品が配置された第２収納部３とが、破線Ａに沿って実施の形態３と同様の内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切られている。
【００４９】
リアクトル１２は、ＳｉＣスイッチング素子１０の出力波形を整形する際に、ＳｉＣスイッチング素子１０と同様に、高周波の放射ノイズを発生する。したがって、第１収納部２内にノイズ発生源となるＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２を配置し、第１収納部２と第２収納部３とを内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切ることにより、リレー１３や制御回路１４等がリアクトル１２を発生源とする放射ノイズによる影響をも受け難くしている。
【００５０】
また、第１収納部２内に配置されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、共に発熱部品であるので、これらＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２と、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品が配置された第２収納部３とが熱的に隔離されることにより、第２収納部２内の温度分布の最高温度はさらに低下する。つまり、第２収納部３内に配置される電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品は、リアクトル１２が発する熱の影響をも受け難くなる。
【００５１】
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置によれば、筐体内の上部にスイッチング素子およびリアクトルを配置して、それらのスイッチング素子およびリアクトルと他の構成部品とを、断熱機能を有する導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁で仕切るようにしたので、実施の形態３の効果に加えて、リアクトルを発生源とする放射ノイズによる影響をも受け難くなり、リレーや制御回路等の誤動作をさらに抑制することができる。
【００５２】
また、放射ノイズの発生源となるスイッチング素子およびリアクトルが導体である筐体および内部断熱ＥＭＣシールド壁で隔離されるので、電力変換装置の外部への放射ノイズの伝搬を低減することができる。
【００５３】
また、実施の形態２と同様に、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品は、リアクトルが発する熱の影響をも受け難くなり、実施の形態１よりもさらに電解コンデンサやリレー等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサのさらなる長寿命化を図ることができる。
【００５４】
実施の形態５．
図６は、実施の形態５にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至４と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
図６（ａ）は、電力変換装置の正面図を示し、図６（ｂ）は、電力変換装置の側面図を示している。図６に示すように、実施の形態５にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、各面が導体で覆われた第１筐体４内に収納され、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２以外の構成部品は、同様に各面が導体で覆われた第２筐体５内に収納され、第１筐体４内に配置された部品と第２筐体５内に配置された部品との間は、信号線２０により接続されている。また、第１筐体４と第２筐体５との間は、外気が通気可能なように離されて設置されている。
【００５６】
第１筐体４内に収納されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、共に発熱部品である。これらのＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が収納された第１筐体４と、電解コンデンサ１１、リレー１３、および制御回路１４等の部品が収納された第２筐体５とが、外気が通気可能なように離されて配置されることにより、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２と電解コンデンサ１１およびリレー１３等との間の断熱が強化され、電解コンデンサ１１やリレー１３等の低発熱部品は、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱の影響をさらに受け難くなる。また、上述した実施の形態１乃至４では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱は、筐体１を構成する上面導体および側面導体から排熱していたが、実施の形態５にかかる電力変換装置では、第１筐体４を構成する全ての外壁面導体から排熱することができ、実施の形態１乃至４よりもＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２の温度を低下させることができる。
【００５７】
また、第１筐体４内に収納されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２は、共に高周波の放射ノイズの発生源でもある。一方、リレー１３および制御回路１４は、放射ノイズによる影響を受け易い部品である。放射ノイズの発生源であるＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が第１筐体４内に隔離され、放射ノイズによる影響を受け易いリレー１３や制御回路１４等が第２筐体５内に隔離されることにより、実施の形態４よりもさらにリレー１３や制御回路１４等への放射ノイズによる影響を低減することができる。また、第１筐体４と第２筐体５とが非接触状態で配置されることにより、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２からリレー１３や制御回路１４等への高周波の伝導ノイズも低減される。さらに、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が第１筐体４で隔離されるので、電力変換装置の外部への放射ノイズの伝搬を低減することができる。
【００５８】
以上説明したように、実施の形態５の電力変換装置によれば、発熱部品であるスイッチング素子およびリアクトルを、各面が導体で覆われた第１筐体内に収納し、スイッチング素子およびリアクトル以外の構成部品を、同様に各面が導体で覆われた第２筐体内に収納して、第１筐体と第２筐体との間を、外気が通気可能なように離して設置するようにしたので、電解コンデンサやリレー等の低発熱部品は、スイッチング素子およびリアクトルが発する熱の影響をさらに受け難くなり、実施の形態４よりもさらに電解コンデンサやリレー等の低発熱部品の部品配置に対する自由度を増大することができ、電解コンデンサのさらなる長寿命化を図ることができる。
【００５９】
また、第１筐体を構成する全ての外壁面導体からスイッチング素子およびリアクトルが発する熱を排熱することができるので、実施の形態１乃至４よりもスイッチング素子およびリアクトルの温度を低下させることができる。
【００６０】
さらに、放射ノイズの発生源となるスイッチング素子およびリアクトルが第１筐体内に隔離され、放射ノイズによる影響を受け易いリレーや制御回路等が第２筐体内に隔離されるので、実施の形態４よりもさらにリレーや制御回路等への放射ノイズによる影響を低減することができ、さらには、第１筐体と第２筐体とが非接触状態で配置されることにより、伝導ノイズによる影響をも低減することができるので、リレーや制御回路等の誤動作をさらに抑制することができる。また、スイッチング素子およびリアクトルが第１筐体内に隔離されるので、電力変換装置の外部への放射ノイズの伝搬を低減することができる。
【００６１】
実施の形態６．
図７は、実施の形態６にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至５と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
図７（ａ）は、電力変換装置の正面図を示し、図７（ｂ）は、電力変換装置を側面から見た側面図を示している。なお、図７（ｂ）に示すように、実施の形態６にかかる電力変換装置では、実施の形態５で説明した第１筐体４を構成する外壁面導体にヒートシンク２１を配置している。
【００６３】
ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱は、第１筐体４を構成する外壁面導体を介して外部に排熱されるが、例えば、電力変換装置が設置される地域、あるいは供給する電力量によっては、ＳｉＣスイッチング素子１０やリアクトル１２の発する熱を十分に排熱できない場合がある。このような場合に、第１筐体４を構成する外壁面導体にヒートシンク２１を配置することにより、排熱面積を拡大することができ、実施の形態５よりも第１筐体４内の温度を低下させることができる。なお、図７に示す例では、第１筐体４の背面導体にヒートシンク２１を配置しているが、ヒートシンク２１を配置する外壁面導体はこれに限らず、上面導体あるいはその他の側面導体にヒートシンク２１を配置してもよく、さらには複数の外壁面導体にそれぞれ対応する複数個のヒートシンクを配置してもよい。
【００６４】
以上説明したように、実施の形態６の電力変換装置によれば、発熱部品であるスイッチング素子およびリアクトルが配置された第１筐体を構成する外壁面導体に一つあるいは複数のヒートシンクを配置するようにしたので、排熱面積を拡大することができ、実施の形態５よりも第１筐体内の温度を低下させることができる。
【００６５】
なお、実施の形態６では、実施の形態５の構成に示した第１筐体の外壁面導体にヒートシンクを配置する構成について説明したが、実施の形態１において説明した筐体の上面導体、あるいは側面導体の上部にヒートシンクを配置しても、同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２乃至４において説明した第１収納部の上面導体、あるいは側面導体にヒートシンクを配置しても、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
実施の形態７．
図８は、実施の形態７にかかる電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１乃至６と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
図８に示すように、実施の形態７にかかる電力変換装置では、ＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が配置された第１収納部２の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁２２で覆われている。なお、図８では、第１収納部２と第２収納部３とを、破線Ａに沿って内部断熱ＥＭＣシールド壁１９で仕切る構成としているが、内部断熱壁１８で仕切る構成とすることも可能である。
【００６８】
筐体１の外壁面導体の温度は、第１収納部２内に収納されたＳｉＣスイッチング素子１０およびリアクトル１２が発する熱により上昇するが、例えば、電力変換装置の設置状態によっては、筐体１の外壁面導体の温度が筐体１の外部に設置された物体に影響を及ぼす場合がある。このような場合に、第１収納部２の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁２２で覆うことにより、外部断熱壁２２の温度は、外気温度付近の温度を維持することができ、筐体１の外壁面導体の温度が筐体１の外部に設置された物体に影響することを防ぐことができる。
【００６９】
以上説明したように、実施の形態７の電力変換装置によれば、スイッチング素子およびリアクトルが配置された第１収納部の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆い、外部断熱壁の温度が外気温度付近の温度を維持するようにしたので、筐体の外壁面導体の温度が筐体の外部に設置された物体に影響することを防ぐことができる。
【００７０】
なお、実施の形態７では、実施の形態２乃至４の構成に示した第１収納部の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成について説明したが、実施の形態１において説明した筐体の上面導体、および側面導体の上部の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成としても、同様の効果を得ることができる。また、実施の形態５において説明した第１筐体の上面導体、および側面導体の外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成としても、同様の効果を得ることができる。さらには、実施の形態６において説明したヒートシンクの外側を外気が通気可能なように外部断熱壁で覆う構成としても、同様の効果を得ることができる。
【００７１】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、部品配置に対する自由度を増大することができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 筐体、２ 第１収納部、３ 第２収納部、４ 第１筐体、５ 第２筐体、１０ （ＳｉＣ）スイッチング素子、１１ 電解コンデンサ、１２ リアクトル、１３ リレー、１４ 制御回路、１５ Ｓｉスイッチング素子、１６ ヒートシンク、１７ ファン、１８ 内部断熱壁、１９ 内部断熱ＥＭＣシールド壁、２０ 信号線、２１ ヒートシンク、２２ 外部断熱壁。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、
前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、
に区分され、
前記筐体は、断熱機能を有する内部断熱壁で上部の第１収納部と下部の第２収納部とに仕切られ、
前記第１収納部内に前記スイッチング素子が収納され、前記第２収納部内に前記スイッチング素子以外の前記発熱部品および前記区分した低発熱部品が収納され、
前記第２収納部内において、前記スイッチング素子以外の前記発熱部品が、前記区分した低発熱部品の全てよりも上部に配置される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、
前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、
に区分され、
前記筐体は、断熱機能を有する内部断熱壁で上部の第１収納部と下部の第２収納部とに仕切られ、
前記第１収納部内に前記区分した発熱部品の全てが収納され、前記第２収納部内に前記区分した低発熱部品の全てが収納される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記内部断熱壁は、導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁である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。
【請求項４】
前記第１収納部の上面導体、あるいは側面導体に一つあるいは複数のヒートシンクを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された第１筐体と、
各面が導体で構成された第２筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、
前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、
に区分され、
前記第１筐体と前記第２筐体とは、上部の前記第１筐体と下部の前記第２筐体との間を外気が通気可能に離されて設置され、
前記区分した発熱部品の全てが前記第１筐体内に収納され、
前記区分した低発熱部品の全てが前記第２筐体内に収納される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記第１筐体の外壁面導体に一つあるいは複数のヒートシンクを配置したことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された第１筐体と、
各面が導体で構成された第２筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、高周波ノイズの発生源となる複数種のノイズ源部品と、
前記ノイズ源部品以外の複数種の非ノイズ源部品と、
に区分され、
前記第１筐体と前記第２筐体とは、非接触状態で設置され、
前記区分したノイズ源部品の全てが前記第１筐体内に収納され、
前記区分した非ノイズ源部品の全てが前記第２筐体内に収納される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、
前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、
に区分され、
前記筐体は、断熱機能を有する内部断熱壁で上部の第１収納部と下部の第２収納部とに仕切られ、
前記第１収納部内に前記スイッチング素子が収納され、前記第２収納部内に前記スイッチング素子以外の前記発熱部品および前記区分した低発熱部品が収納され、
前記第２収納部内において、前記スイッチング素子以外の前記発熱部品が、前記区分した低発熱部品の全てよりも上部に配置される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、
前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、
に区分され、
前記筐体は、断熱機能を有する内部断熱壁で上部の第１収納部と下部の第２収納部とに仕切られ、
前記第１収納部内に前記区分した発熱部品の全てが収納され、前記第２収納部内に前記区分した低発熱部品の全てが収納される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記内部断熱壁は、導体で製作された内部断熱ＥＭＣシールド壁である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。
【請求項４】
前記第１収納部の上面導体、あるいは側面導体に一つあるいは複数のヒートシンクを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された第１筐体と、
各面が導体で構成された第２筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、動作中の発熱量が大きい複数種の発熱部品と、
前記発熱部品よりも動作中の発熱量が小さい複数種の低発熱部品と、
に区分され、
前記第１筐体と前記第２筐体とは、上部の前記第１筐体と下部の前記第２筐体との間を外気が通気可能に離されて設置され、
前記区分した発熱部品の全てが前記第１筐体内に収納され、
前記区分した低発熱部品の全てが前記第２筐体内に収納される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記第１筐体の外壁面導体に一つあるいは複数のヒートシンクを配置したことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング素子を含む各種部品と、
各面が導体で構成された第１筐体と、
各面が導体で構成された第２筐体と、
を備え、
前記各種部品は、
前記スイッチング素子を含み、高周波ノイズの発生源となる複数種のノイズ源部品と、
前記ノイズ源部品以外の複数種の非ノイズ源部品と、
に区分され、
前記第１筐体と前記第２筐体とは、非接触状態で設置され、
前記区分したノイズ源部品の全てが前記第１筐体内に収納され、
前記区分した非ノイズ源部品の全てが前記第２筐体内に収納される
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１０２６９６（Ｐ２０１３−１０２６９６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−４５９１７（Ｐ２０１３−４５９１７）
【出願日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【分割の表示】特願２０１２−５３２８１９（Ｐ２０１２−５３２８１９）の分割
【原出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【分割の表示】特願２０１２−５３２８１９（Ｐ２０１２−５３２８１９）の分割
【原出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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