特許 6804543 電力変換装置、冷却構造、電力変換システム及び電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6804543

(24)【登録日】2020年12月4日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】電力変換装置、冷却構造、電力変換システム及び電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/04 20060101AFI20201214BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20201214BHJP

   H02M 7/483 20070101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/04 B

   H02M7/48 Z

   H02M7/48 R

   H02M7/483

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-537900(P2018-537900)

(86)(22)【出願日】2016年9月6日

(86)【国際出願番号】JP2016076150

(87)【国際公開番号】WO2018047229

(87)【国際公開日】20180315

【審査請求日】2018年9月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】乗松 泰明

(72)【発明者】

【氏名】叶田 玲彦

(72)【発明者】

【氏名】馬淵 雄一

(72)【発明者】

【氏名】嶋田 尊衛

(72)【発明者】

【氏名】門田 充弘

(72)【発明者】

【氏名】河口 祐樹

(72)【発明者】

【氏名】中原 瑞紀

(72)【発明者】

【氏名】米川 輝

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５３−００１８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３５７４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５５６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２３１００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／０４

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ７／４８３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力が直流である共振型コンバータの２次側に単相インバータを備えた電力変換ユニットについて、複数の電力変換ユニットの前記単相インバータの出力を直列接続して電力変換ユニット群を構成し直列接続の一方端を第１の端子、直列接続の他方端を第２の端子とし、電力変換装置筐体内に収納した３組の前記電力変換ユニット群により交流３相の各相を形成し、
前記電力変換ユニット群を構成する複数の前記電力変換ユニットは、前記電力変換装置筐体の長手方向に沿って配置され、かつ３組の前記電力変換ユニット群は、前記電力変換装置筐体の高さ方向の上段、中段、下段にそれぞれ配置され、
前記電力変換装置筐体の長手方向の一方端側で、３組の前記電力変換ユニット群の前記第１の端子が出力端子とされ、前記電力変換装置筐体の長手方向の他方端側で３組の前記電力変換ユニット群の前記第２の端子が共通接続されて接地されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

請求項１記載の電力変換装置であって、
前記電力変換ユニットの直流入力側に直流遮断器を有することを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換ユニット群の出力端子側に高圧気中負荷開閉器を有することを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記共振型コンバータは、共振トランスを備えており、２組の共振トランスの１次側を直列接続していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

請求項４に記載の電力変換装置であって、
２組の前記共振トランスの２次側にそれぞれ単相インバータを備え、２段分の階調接続としたことを特徴とする電力変換装置。

【請求項6】

請求項４に記載の電力変換装置であって、
前記共振トランスの２次側をそれぞれダイオード整流した後段を直列接続とし、その後段に３レベルインバータを備えたことを特徴とする電力変換装置。

【請求項7】

請求項４に記載の電力変換装置であって、
前記共振トランス２次側をそれぞれダイオード整流した後段を並列接続したことを特徴とする電力変換装置。

【請求項8】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換装置筐体は、太陽光発電サイトに設置され、架台に支持された太陽光パネルの日陰に配置可能な低背型構造としたことを特徴とする電力変換装置。

【請求項9】

入力が直流である共振型コンバータの２次側に単相インバータを備えた電力変換ユニットについて、複数の電力変換ユニットの前記単相インバータの出力を直列接続して電力変換ユニット群を構成し直列接続の一方端を第１の端子、直列接続の他方端を第２の端子とし、電力変換装置筐体内に収納した３組の前記電力変換ユニット群により交流３相の各相を形成し、
前記電力変換ユニット群を構成する複数の前記電力変換ユニットは、前記電力変換装置筐体の長手方向に沿って配置され、かつ３組の前記電力変換ユニット群は、前記電力変換装置筐体の高さ方向の上段、中段、下段にそれぞれ配置され、
前記電力変換装置筐体の長手方向の一方端側で、３組の前記電力変換ユニット群の前記第１の端子が出力端子とされ、前記電力変換装置筐体の長手方向の他方端側で３組の前記電力変換ユニット群の前記第２の端子が共通接続されて接地されているとともに、
前記電力変換装置筐体の長手方向左右にヒートパイプと連結したフィン構造を備えた熱交換器を配置し、前記電力変換装置筐体の前記電力変換ユニット群により加熱された内気に接触する第１のフィン領域と、外気と接触する第２のフィン領域がヒートパイプにより連結されることで冷却された前記内気が前記電力変換装置筐体内に循環されていることを特徴とする電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置、冷却構造、電力変換システム及び電源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー利用の発電設備による電力を電力系統に連系するためには、電力系統の電圧及び周波数に変換する電力変換装置が使用される。電力変換装置は、直流電力と交流電力の間で電力変換を行う複数の電力変換装置により構成されており、電力変換装置は絶縁トランスおよびＤＣ／ＤＣコンバータやインバータといった電力変換器を備えて構成されている。

【0003】

一般に、例えば、大規模向け太陽光ＰＣＳの場合は太陽光発電設備からの直流が入力となり、４００Ｖ程度の三相電力を出力する。太陽光ＰＣＳから高圧系統（６．６ｋＶ，２２ｋＶ等）への昇圧出力には高圧絶縁トランスを使用しており、系統の周波数と同じ数十Ｈｚの低周波で駆動せざるを得ないため大型化する。また、大容量向けＰＣＳの屋外設置を実現するためにコンテナ内への太陽光ＰＣＳ格納や太陽光ＰＣＳ自体を屋外盤仕様にする必要があり、設備が大型化する。

【0004】

また、直流配線や低圧交流配線の長さを短縮することで更なる低損失化が実現できるが、前述のように屋外仕様の太陽光ＰＣＳや連系トランスの体積・重量が大きく、太陽光パネル直近への配置は太陽光パネルへの日陰の影響から難しいため、太陽光パネルから離して配置することが一般的であった。

【0005】

なお電力変換装置を盤構成するに際し、変圧器盤と関連付けて配置した事例として特許文献１が知られている。

【0006】

特許文献１には、「複数個の２次巻線を有する入力変圧器１と、この入力変圧器１を収納する変圧器盤１０と、前記２次巻線に１対１で接続され、所望の周波数の単相交流電圧を出力する単位インバータ２を複数台直列接続した各相をＹ接続して構成した３相インバータと、前記３相インバータを構成する単位インバータ２を収納する変換器盤２０とを備え、前記変換器盤２０は、絶縁物からなる複数本の支柱２２と、この複数本の支柱２２の隣り合う支柱間を横方向に締結する複数個の金属製の棚板２３を有し、前記棚板２３上に前記単位インバータ２を夫々載置固定するように構成する。」ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００４−３５７４３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、変換器盤２０は、入出力共に高圧であるので、中性点をとる場合絶縁距離を取る必要があり、電力変換装置の小型化を実現するのは困難である。

【0009】

以上のことから本発明においては、電力変換装置の小型化を実現可能な電力変換装置、電力変換システム、電源装置および高効率な冷却構造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】

【0010】

以上のことから本発明は例えば、入力が直流である共振型コンバータの２次側に単相インバータを備えた電力変換ユニットについて、複数の電力変換ユニットの前記単相インバータの出力を直列接続して電力変換ユニット群を構成し、電力変換装置筐体内に収納した３組の前記電力変換ユニット群により交流３相の各相を形成し、前記電力変換ユニット群を構成する複数の前記電力変換ユニットは、前記電力変換装置筐体の長手方向に沿って配置され、かつ３組の前記電力変換ユニット群は、前記電力変換装置筐体の高さ方向の上段、中段、下段にそれぞれ配置され、前記電力変換装置筐体の長手方向の一方端側が、３組の前記電力変換ユニット群の出力端子とされ、前記電力変換装置筐体の長手方向の他方端側で３組の前記電力変換ユニット群の端子が共通接続されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、小型化を実現可能な電力変換装置、電力変換システムおよび高効率な冷却構造を提供することを目的とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係る電力変換装置の筐体と配置位置関係を示す図。

【図2】本発明の電力変換装置が適用される太陽光発電サイトの一例を示す図。

【図3】電力変換装置筐体１００内における複数の電力変換ユニットＵの接続例を示す図。

【図4】電力変換装置筐体１００内における複数の電力変換ユニットＵの他の接続例を示す図。

【図5】図３あるいは図４のように構成された電力変換装置筐体１００内の接続により実現される電力変換装置の電気回路の構成を示す図。

【図6】電力変換装置筐体１００と内部の三相電力変換ユニット群１Ａの実装関係を示す図。

【図7】電力変換装置筐体１００の内部における冷却構造例を示す図。

【図8】熱交換器６０のｘ軸方向におけるＡ−Ｂ間の熱分布を示す図。

【図9】電力変換装置筐体１００の全体における内気と外気の流れを示す図。

【図10】ヒートパイプ式の熱交換器の一例を示す図。

【図11】右側空間ＳＰＲについての具体的な配置例を示す外観図。

【図12】電力変換ユニットＵ内の回路構成について、入力電流が小さい場合を想定した２ｉｎ１ユニットの回路構成を示す図。

【図13】電力変換ユニットＵ内の回路構成について、単相インバータ２段分を３レベルインバータとした構成を示す図。

【図14】電力変換ユニットＵ内の回路構成について、ＩＧＢＴで構成した例を示す図。

【図15】実施例３を採用する場合の電力変換装置筐体１００内における複数の電力変換ユニットＵの接続例を示す図。

【図16】電力変換ユニットＵ内の回路構成について、トランスと整流回路を並列接続した構成を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の電力変換装置について、図を用いて説明する。

【実施例1】

【0014】

図１は、本発明に係る電力変換装置の筐体と配置位置関係を示した図である。本発明の電力変換装置筐体１００は、太陽光パネルＰＬと、太陽光パネルＰＬを搭載、支持するための架台ＢＢの間に形成される空間を利用して設置される。このため直射日光を受けず、かつ風通しのよい位置に配置される。箱型の筐体は長手方向に延伸する箱型の形状とされている。因みに筐体は、長手方向の長さは例えば２．５（ｍ）、短手方向の長さは例えば０．９（ｍ）、高さが例えば０．７（ｍ）といった大きさであり、太陽光パネルＰＬと架台ＢＢにより形成される日陰空間に配置可能である。

【0015】

図２は、本発明の電力変換装置が適用される太陽光発電サイトの一例を示している。

【0016】

図２の太陽光発電サイトは、架台Ｂ上に搭載、支持された複数の太陽光パネルＰＬにより形成されており、各太陽光パネルＰＬの直流出力は端子ＴＤ１，ＴＤ２間に得られている。またこの太陽光発電サイトには、架台ＢＢの下部空間を利用して太陽光パネルＰＬの直流出力を電力系統の三相交流に変換する図１の電力変換装置筐体１００が設置されている。後述するが、箱型形状の電力変換装置筐体１００は複数の電力変換ユニットＵ（図示ではＵ１，Ｕ２）を収納しており、各電力変換ユニットＵは、各太陽光パネルＰＬの直流出力端子ＴＬ１，ＴＬ２に接続される直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２と、交流出力端子ＴＡ１，ＴＡ２を備えている。なお、太陽光パネルＰＬ１の直流出力端子ＴＬ１，ＴＬ２は、例えば電力変換ユニットＵ１の直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２と対応付けて接続され、太陽光パネルＰＬ２の直流出力端子ＴＬ１，ＴＬ２は例えば電力変換ユニットＵ２の直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２と対応付けて接続される。あるいは複数の太陽光パネルＰＬの直流出力端子ＴＬ１，ＴＬ２がそれぞれ共通接続されて電力変換ユニットＵの直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２と接続される。

【0017】

図３は、電力変換装置筐体１００内における複数の電力変換ユニットＵの接続例を示している。

【0018】

電力変換装置筐体１００についての対外部接続は、複数の太陽光パネルＰＬの直流出力端子ＴＬ１，ＴＬ２に接続された直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２と、高圧三相の電力系統の各相に接続される三相交流出力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷで行われる。直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２には、低圧直流入力が印加され、三相交流出力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷからは高圧三相出力が与えられる。

【0019】

また三相交流出力は、中性点Ｎにおいてアース接続されるＹ結線とされ、箱型形状の電力変換装置筐体１００の長手方向の一方端側に三相交流出力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷが集約配置され、立方体状の電力変換装置筐体１００の長手方向の他方端側に中性点Ｎが配置されている。なお直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２の配置位置について、特に限定をしないが、図示の例では箱型形状の電力変換装置筐体１００の長手方向の他方端の中性点Ｎ側に配置した例を示している。また図示の例では、直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２に直流遮断器ＭＣＣＢを設置した例を示している。また図示の例では、複数の太陽光パネルＰＬの直流出力端子ＴＬ１，ＴＬ２がそれぞれ共通接続されて、電力変換ユニットＵの共通に設けられた直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２と接続されている。

【0020】

電力変換装置筐体１００内では、三相交流出力端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷと中性点Ｎの間の各相をそれぞれ複数の電力変換ユニットＵで構成している。図の例では各相は８台の電力変換ユニットＵで構成されており、Ｗ相で例示すると、中性点Ｎ側から順次ＵＷＩ，ＵＷ２，ＵＷ３，ＵＷ４，ＵＷ５，ＵＷ６，ＵＷ７，ＵＷ８を配置している。この配置は他の相も同じである。

【0021】

また電力変換装置筐体１００内では、各相が８台の電力変換ユニットＵで構成された電力変換ユニット群が、電力変換装置筐体１００の高さ方向に多段配置されている。図示の例では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電力変換ユニット群について、Ｕ相を下段，Ｖ相を中間段，Ｗ相を上段に配置した３段重ね構造を採用している。

【0022】

図３では、電力変換ユニットＵの具体的な回路構成としてＵＷ５の構成例を例示している。他の電力変換ユニットＵも同じ構成であるので、ここではＵＷ５の構成のみ説明する。電力変換ユニットＵＷ５は、ＬＬＣ共振コンバータＬＬＣと、インバータＩＮにより構成されている。

【0023】

このうちＬＬＣ共振コンバータＬＬＣは、入力側コンデンサＣｉと、半導体素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４で構成されたフルブリッジ構成のインバータ回路１１と、励磁インダクタンス１とリーケージインダクタンス２と共振コンデンサ３が直列接続された絶縁トランス１２と、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４で構成されたフルブリッジ構成の整流回路１３とで構成され、太陽光パネルＰＬからの直流入力を高周波数の交流に変換した後に再度直流に変換している。

【0024】

インバータＩＮは、コンデンサＣと半導体素子Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８で構成されたフルブリッジ構成のインバータ回路１４とで構成されている。これによりＬＬＣ共振コンバータＬＬＣが与える直流電圧Ｖｄ１を電源として交流電圧を発生する。このように、電力変換ユニットＵＷ５は、その入力が太陽光パネルＰＬからの直流に接続され、その出力が高圧系統側に接続される構成である。

【0025】

また電力変換ユニットＵＷ５は、その交流出力端子ＴＡ１，ＴＡ２のうち高圧側の端子ＴＡ１を隣接する高圧側の電力変換ユニットＵＷ６の交流出力端子ＴＡ２に接続し、低圧側の端子ＴＡ２を隣接する低圧側の電力変換ユニットＵＷ４の交流出力端子ＴＡ１に接続する。かくして、各相を形成する複数の電力変換ユニットＵは、その入力側は並列接続され、出力側は直列接続されることで電力系統の高電圧を分担負担している。

【0026】

電力変換装置筐体１００内には、図３に例示したような構成の電力変換ユニットＵが複数、相毎に３段重ね構造を採用して配置されている。図４もまた、電力変換装置筐体１００内における電力変換ユニットＵの配置例を示しているが、電力変換装置の出力側の各相に交流遮断器を設けている点でのみ図３と相違している。

【0027】

図５は、図３あるいは図４のように構成された電力変換装置筐体１００内の複数ユニットの接続により実現される電力変換装置の電気回路の構成を示している。この構成によれば、各電力変換ユニットＵの直流入力端子ＴＤ１，ＴＤ２は並列に接続され、各電力変換ユニットＵの交流出力端子ＴＡ１，ＴＡ２は直列に接続されることで、電力系統の電圧として例えば線間電圧の６．６（ｋＶ）を達成している。この例では、各相は８台の電力変換ユニットＵにより線間電圧の６．６（ｋＶ）を分担しているので、各電力変換ユニットＵは８００（Ｖ）程度の電圧を出力していることになる。なお、制御装置１００は、各相の複数の電力変換ユニットＵ内の半導体素子に対する点弧タイミングを制御している。図２に図示した電力変換装置筐体１００内には、複数の電力変換ユニットＵとともに、制御装置１００も収納することができる。

【0028】

図１の電力変換装置筐体１００内には、複数の電力変換ユニットを収納するが、小スペースでの配置を実現するために以下の対策が有効である。

【0029】

まず電力変換ユニットＵ自体を小型化することに関して、電力変換ユニットＵは図３などに示したようにＬＬＣ共振コンバータＬＬＣと単相インバータＩＮを主要な部品としている。なお、ＬＬＣ共振コンバータである必要はなく、共振コンバータであってもよい。このことからこれらの部品を配置するに際して、ＬＬＣトランス１２と絶縁材を介し、下側にＬＬＣトランス１２の１次側回路を構成する部品を搭載した下側基板，上側に２次側回路を構成する部品を搭載した上側基板とすることで低圧側と高圧側を分離し、電力変換ユニットＵの高さ方向を短縮して低背型の電力変換装置筐体１００に適した構造とするのがよい。この構成では、１次側基板と２次側基板の間は支持部材により支持し、ＬＬＣトランス１２は１次側基板と２次側基板の間に適宜固定御配置されることで、これらの部品により発生した熱は、上下の１次側基板と２次側基板の間に形成された空間を利用して外部排出することが可能である。

【0030】

また、図３において、各相を形成する複数の電力変換ユニットＵについて電力変換装置筐体１００の水平方向に配置し、かつ相毎に３段に高さ方向に配置し、単相インバータ側を左右で電気的に接続することで階調構成を実現する。８ユニットを１相とし、電力変換装置筐体１００の縦方向にＵ，Ｖ，Ｗ相を構成する。各相の電力変換ユニットＵ群の片側が系統への高圧三相出力、逆側がＹ接続における中性点となる。中性点は高抵抗を介して接地し、低圧の電位となる。中性点側に太陽光からの直流入力とブレーカ（ＭＣＣＢ）を配置することで絶縁距離の短縮が可能となる。図４に示すように高圧三相出力側には高圧気中負荷開閉器（ＬＢＳ）を配置することが可能であるが、図３のように高圧気中負荷開閉器（ＬＢＳ）を電力変換装置筐体１００内に備えず別構造としても良い。

【0031】

以上の構成を採用することにより、図１に示すように太陽光パネルＰＬの下に設置可能な低背型の盤構造を実現することができる。図１の構成を採用する本発明に係るパワーコンディショニングシステムＰＣＳによれば、高圧への昇圧と連系を可能とするトランスの機能を備えたパワーコンディショニングシステムＰＣＳが太陽光パネルＰＬ近傍に設置可能となるため、従来と比較して太陽光パネルからの直流配線の短縮による配線の損失低減が実現できる。高圧出力配線は従来よりも長くなるが、高圧三相出力であるため高圧配線損失の上昇は直流配線損失の低減効果と比較して十分に小さく抑えることができる。

【0032】

図１に示す本発明の電力変換装置筐体１００は、太陽光パネルの下に設置可能であるため、従来の屋外盤やコンテナで考慮が必要であった日射に対する冷却は緩和可能となる。

【0033】

本発明では屋外設置であることからさらに、高圧端子が存在する電力変換装置筐体１００内の汚損を防ぐために盤内（筐体内）と盤外（筐体外）との熱交換器を設け、盤内の外気との密閉を実現することで盤内の絶縁距離の短縮を実現する。

【0034】

図６は、電力変換装置筐体１００と内部の三相電力変換ユニット群１Ａの実装関係を示した図である。電力変換装置筐体１００の内部に配置される三相電力変換ユニット群１Ａは、各相の電力変換ユニット群１ＡＵ，１ＡＶ，１ＡＷを高さ方向に配置した３段重ね構造のものである。三相電力変換ユニット群１Ａは、電力変換装置筐体１００内に収納された時に、外殻である電力変換装置筐体１００との間で、前後左右に空間を形成するように配置されている。この時に形成される空間は長手方向に対して右側空間ＳＰＲ、左側空間ＳＰＬ、前側空間ＳＰＦ、後側空間ＳＰＢである。なお上側空間、下側空間を形成することは適宜行われてよい。

【0035】

図７は、これらの空間を利用した電力変換装置筐体１００の内部における冷却構造のうち、左側空間ＳＰＬの構造例を例示している。また説明の都合上、左側空間ＳＰＬと前側空間ＳＰＦおよび後側空間ＳＰＢの間を離して記述している。なお、冷却構造は左側空間ＳＰＬや右側空間ＳＰＲに設けられる以外にも、三相電力変換ユニット群１Ａのｙ軸方向の任意の場所に挿入されている構成でもよいが、メンテナンス性や冷却効率を考慮すると左側空間ＳＰＬや右側空間ＳＰＲに設けることが好ましい。

【0036】

図７において、左側空間ＳＰＬには、ｘｚ平面にハッチングを付して示した外気導入口７０と、ｙｚ平面にハッチングを付して示した外気排出口７１が設けられている。また、熱交換器６０に隣接する領域に、風胴７３が形成されている。外気導入口７０は風胴７３のｘｚ平面に形成されており、風胴７３が熱交換器６０と接するｙｚ平面上の薄墨を付した面は熱交換器６０に空気が導入されるよう開口部７４にされている。

【0037】

熱交換器６０はヒートパイプ式とされている。ヒートパイプ式の熱交換器６０は、図１０で詳述するようにｚ軸方向に設けられた仕切り板２３により、上下に分かれており、上フィン２１と下フィン２２で構成されている。上フィン２１（第２のフィン領域）および下フィン２２（第１のフィン領域）は、仕切り板２３によって上フィン２１および下フィン２２をそれぞれ通る空気が互いに拡散することを防いでいる。

【0038】

仕切り板２３による本実施例の冷却構造によれば、図示のように外気ＷＯおよび内気ＷＩの２つの空気流路が形成される。

【0039】

このうち外気ＷＯに関して、図７の実線で示す領域７３は風洞を形成しており、領域７３の上フィン２１に面するｚｙ平面は薄墨で示すように開口部７４となっている。これにより、内気ＷＩは外気導入口７０から風洞７３、開口部７４、上フィン２１（第２のフィン領域）を介して外気排出口７１に至る。

【0040】

つまり外気ＷＯは、−Ｙ方向から＋Ｙ方向に向かって外気導入口７０に導入され、その後風胴７３内で＋ｘ軸方向に風向を変え、開口部７４を介してヒートパイプ式の熱交換器６０の上フィン２１に導入される。上フィン２１を通過した外気は、外気排出口７１から排出される。なお、風胴７４は左側空間ＳＰＬのーｘ軸方向端面のｙｚ平面まで延伸して設けられていてもよく、その場合、外気導入口７０はｘｚ平面以外にもｙｚ平面に設けられ、外気ＷＯがーｘ軸方向から＋ｘ軸方向に風胴７４内を流れるようにしてもよい。

【0041】

他方、後側空間ＳＰＢには三相電力変換ユニット群１Ａを冷却して加熱された内気ＷＩ１があり、内気ＷＩ１は後側空間ＳＰＢの下フィン２２と接する領域から下フィン２２に進入する。内気ＷＩは、下フィン２２によって冷却された後、左側空間ＳＰＬ内の熱交換器６０および風胴７３以外の空間を横断して前側空間ＳＰＦに流れる。本実施例では、三相電力変換ユニット群１Ａの側面側に冷却構造が設けられ、後側空間ＳＰＢから熱源となる空気が冷却構造に導入され、冷却された空気を前側空間ＳＢＦに導入するために、上述のような内気ＷＩの風路となるが、熱源となる空気が導入される方向および冷却後の空気が排出される方向は、下フィン２２に対してどの方向であってもよい。

【0042】

なお、左側空間ＳＰＬに対して熱交換器６０および風胴７３を図７のように前側空間ＳＰＦ側でなく後側空間ＳＰＢ側に設けているのは、前側空間ＳＰＦ側には種々の配線等を行う必要があり、空間を確保するのに適しているという理由があるが、前側空間ＳＰＦ側に設けても本発明の冷却効果は得られる。

【0043】

ここで、本実施例の冷却構造において、熱交換器６０のｘ軸方向におけるＡ−Ｂ間の熱分布を図８に示す。図７に示したようにＡおよびＢは、熱交換器６０のｘ軸方向における端部を示している。

【0044】

下フィン２２においては、Ｂ端側から内気ＷＩが導入され、内気ＷＩは下フィン２２により冷却されてＡ端から左側空間ＳＰＬ内の熱交換器６０および風胴７３以外の空間に導出される。よって、下フィン２２においては、Ｂ端側からＡ端側に向かって温度が低くなるような温度勾配を示す。

【0045】

一方、上フィン２１においては、下フィン２２が受熱した熱を受け温度が上昇しているが、外気ＷＯによって冷却されるため、Ａ端側の温度がＢ端側の温度より低くなる温度勾配を示す。

【0046】

つまり、外気ＷＯが上フィン２１を通過するときにヒートパイプ２４（不図示）の上部を冷却し、他方内気ＷＩが下フィン２２を通過するときにヒートパイプ２４（不図示）の下部を加熱することにより、内気ＷＩを冷却している。

【0047】

上フィン２１および下フィン２２が、図８に示すような温度勾配を有することで、上フィンおよび下フィン２２間でのヒートパイプを介した熱交換の温度差がｘ軸上の場所によらず略一定であるため、効率よく冷却することが可能となる。

【0048】

なお、外気ＷＯと内気ＷＩは、図７に示す風向以外にも、外気ＷＯが外気排出口７４に＋ｘ軸方向から導入され風胴７３内において風路が変更され、外気導入口７０から排出されるとともに、内気ＷＩは前側空間ＳＰＦから下フィン２２を介して後側空間ＳＰＢに導入される風向であってもよい。すなわち、上フィン２１および下フィン２２に流れるｘ軸方向における風向が互いに逆であればよく、この場合、Ａ−Ｂ間の温度勾配は、図８に示した２つの直線の勾配がいずれもマイナスとなり（一点破線２１’、２２’）、上述のように効率よく冷却することができる。

【0049】

なお、ヒートパイプの設置方法として、上述のボトムヒート以外にも、トップヒートや水平ヒートに対しても適用可能であり、その場合には、上述のようにヒートパイプに冷却および加熱領域が形成されるように外気ＷＯおよび内気ＷＩの風路を形成すればよく、そのための冷却構造の構成を採用すればよい。ここでは、詳細な構成の説明は省く。

【0050】

以上の冷却構造により、冷却フィンに導入した空気を、冷却フィンを介して効率よく冷却することが可能となる。

【0051】

図９は、電力変換装置筐体１００の全体における内気と外気の流れを示している。左側空間ＳＰＬから前側空間ＳＰＦに流れた内気ＷＩは、その後前側空間ＳＰＦから冷却対象である三相電力変換ユニット群１Ａの間を後側空間ＳＰＢに向かって流れることで三相電力変換ユニット群１Ａを冷却するとともに、過熱空気となって再度ヒートパイプ式の熱交換器６０に流れる。ここでは図示していないが、前側空間ＳＰＦから三相電力変換ユニット群１Ａの間を通して後ろ側空間ＳＰＢに空気を効率的に循環させるために適宜強制循環させるものであってもよい。
なお右側空間ＳＰＲは基本的に左側空間ＳＰＬと同じであるので開示を省略している。

【0052】

このように本発明においては、ヒートパイプ式の熱交換器を電力変換装置筐体１００の長手方向両側に配置する構造とし、低背型に適した盤内冷却構造を提案している。三相電力変換ユニット群１Ａを空冷した内気が左右の熱交換器で冷却されて循環する構成を採用している。なお、上述したように、外気ＷＯおよび内気ＷＩの風向は互いに逆方向であればよい。

【0053】

この場合に採用して好適なヒートパイプ式の熱交換器の一例を図１０に示している。ヒートパイプ式の熱交換器６０は、ヒートパイプ２４で熱的に連結された上フィン２１と下フィン２２がその間の仕切り板２３によって空気的に断絶された構造となっている。仕切り板２３は、熱交換器６０をｚ軸方向において二分するようにｘｙ平面に設けられており、その大きさは熱交換器６０のｘｙ平面面積と略同じ又は大きくてもよい。図示の例では、外気ＷＯが上フィン２１を通過するときにヒートパイプ２４の上部を冷却し、他方内気ＷＩが下フィン２２を通過するときにヒートパイプ２４の下部を加熱することにより、内気ＷＩを冷却している。なお、上フィン２１のフィン間隔を下フィンよりも狭いピッチとし、下フィンの圧損を下げる構造としている。これは、下フィン２２を通過した空気は、再度三相電力変換ユニット群１Ａに導入され三相電力変換ユニット群１Ａを冷却する必要があるため、出来るだけ圧損を低減した方が望ましいからである。なお、圧損に問題ないならば同ピッチでもよい。

【0054】

図１１は、右側空間ＳＰＲについての具体的な配置例を示した外観図である。右側空間ＳＰＲの電力変換装置図１０において、電力変換装置筐体１００内にヒートパイプ式の熱交換器６０を組み付けた外観を示す。なお、右側空間ＳＰＲにおける電力変換装置１００側と反対側端部のｘｚ平面には、板が設けられていてもよいが、この図では板を外した状態を記載している。電力変換装置筐体１００内側である下フィン２２に、三相電力変換ユニット群１Ａ冷却後の温度上昇した空気（内気ＷＩ）が入気し、ヒートパイプ２４を通して外気側である上フィン２１に熱を伝達することによって電力変換装置筐体１００内の空気を冷却する構造である。外気ＷＯ側である上フィン２１は、入気側の外気導入口７０がダクトによって外気を断絶して導入し、外気排出口７１側にファン７５を配置することによって強制空冷の冷却構造としている。下フィン２２は三相電力変換ユニット群１Ａの強制空冷用のファンにより風が流れる構造を想定しているが、圧損が高い構造となるため、下フィン２２部分にもファンを追加する構造としてもよい。また、いずれのファンも軸流ファンを使用する構成を想定しているが、より圧損を大きく許容できる遠心ファンを使用してもよいし、同様の機能を有するものであればよい。また、図示したファンの個数についても、前述したファンの種類や実際の用途に応じて増減させても構わない。

【0055】

なお、本構造では三相電力変換ユニット群１Ａを冷却した後の温度上昇した空気が盤背面に当たって、左右のヒートパイプフィンに向かう構造であるため、盤背面及び盤側面も盤外との熱交換の機能を有することで盤内冷却を実現する。

【実施例2】

【0056】

実施例１では、本発明の電力変換装置構成について基本的な事項を代表事例として説明した。実施例２では、電力変換装置の構成や仕様についてのさらなる変形事例について説明する。

【0057】

本発明に係る電力変換装置は、電力変換装置筐体１００内に収納されて図３、図４のような構成例とされるのがよいが、さらに以下のように変更され、使用されるものであってもよい。

【0058】

まず図３、図４に図示の例は、入力が並列接続となるフルブリッジ型ＬＬＣ共振コンバータＬＬＣの後段に単相インバータＩＮを適用し、単相インバータＩＮを階調構成として高圧出力する構成である。階調構成としてはＹ接続型を想定しており、階調段数は８段を想定しているがそれに限るものではない。Ｙ接続の中性点Ｎは接地または高抵抗接地しても良いし、これに限るものではない。また、８段階調構成による高圧出力は６．６ｋＶ出力を想定しているが、構成数を変更する等その他の電圧にしてもよい。

【0059】

フルブリッジ型のＬＬＣ共振コンバータＬＬＣが与える直流電圧Ｖｄ１は１５００Ｖ以下の直流電圧であるため、半導体素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４としては高周波駆動に適したＭＯＳ ＦＥＴを適用することを想定している。スイッチング周波数は数十ｋＨｚから数百ｋＨｚを想定している。使用するＭＯＳ ＦＥＴには高耐圧・高周波スイッチングに適したＳｉＣ ＭＯＳ ＦＥＴを適用してもよいし、その他同様の機能を有するものであってもよい。ＬＬＣ共振コンバータＬＬＣの２次側は、ダイオードによる整流、平滑回路を想定している。Ｓｉダイオードの他に、導通損失を低減させるためにＳｉ型のショットキーバリアダイオードやＳｉＣ ショットキーバリアダイオードを適用してもよいし、ＳｉＣ ＭＯＳ ＦＥＴを同期させて使用することで損失低減させてもよいし、その他同様の機能を有するものであればよい。

【0060】

ＬＬＣ共振型の絶縁トランス１２は系統電圧との絶縁機能を有し、ＬＬＣ共振とするために高周波トランスの励磁インダクタンス１に共振対応させたリーケージインダクタンス２と共振コンデンサ３とが直列接続される構成である。リーケージインダクタンス２は高周波トランス内の漏れ磁束の定数の調整が可能となる構造として高周波トランス内で一体化した構成を想定しているがそれに限るものではない。共振コンデンサ３はフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを使用することを想定しているが、同様の機能を有するものであればよい。

【0061】

ＬＬＣ共振コンバータＬＬＣの後段の単相インバータＩＮは、ＬＬＣ共振コンバータＬＬＣとは異なり、スイッチング周波数は低いがハードスイッチングであるため、半導体素子Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８としてスイッチング損失の小さいＭＯＳ ＦＥＴの適用を想定している。使用するＭＯＳ ＦＥＴは高耐圧・高周波スイッチングに適したＳｉＣ ＭＯＳ ＦＥＴを適用してもよいし、高周波駆動用のＩＧＢＴやその他同様の機能を有するものであってもよい。

【実施例3】

【0062】

さらに実施例３として、電力変換ユニットＵ内の回路構成については、図１２から図１４に例示する各種の回路構成を採用することが可能である。

【0063】

まず図１２の電力変換ユニットＵ内の回路構成について、この回路構成は入力電圧が１５００Ｖ定格時のように入力電流が小さい場合を想定した２ｉｎ１ユニットの回路構成である。

【0064】

ここでは、入力が並列接続となるフルブリッジ型のＬＬＣ共振コンバータＬＬＣの１次側絶縁トランス１２を２直列とし、２つの絶縁トランス１２の二次側を並列２系統の整流回路１３及びインバータ回路ＩＮとしたものである。具体的には、それぞれの絶縁トランスの出力を受ける整流回路の後段にそれぞれ単相インバータを適用し、単相インバータ２段分を１つのユニットとした構成である。この回路構成によれば、構造部材の共通化が可能となり、ユニット構造の小型・軽量化が可能となる。また、２つの絶縁トランスの１次側電流が同一となるため、２段分の電力バランスのばらつきも小さく抑えられる。

【0065】

図１３の電力変換ユニットＵ内の回路構成について、この回路構成は単相インバータ２段分を３レベルインバータとした構成であり、図１２と同様の効果を奏することが可能となる。また、インバータの駆動周波数はＬＬＣ共振コンバータＬＬＣと比較して１／１０以下であるため、ＳｉＣ ＭＯＳ ＦＥＴではなく、図１４に示すように３レベルインバータのＭＯＳ ＦＥＴの部分（図１２のＱ５ａ，Ｑ６ａ，Ｑ７ａ，Ｑ８ａ，Ｑ５ｂ，Ｑ６ｂ，Ｑ７ｂ，Ｑ８ｂ）にＩＧＢＴ（図１４のＨ５ａ，Ｈ６ａ，Ｈ７ａ，Ｈ８ａ，Ｈ５ｂ，Ｈ６ｂ，Ｈ７ｂ，Ｈ８ｂ）を使用することができる。また、半導体素子が２倍の耐圧に耐えられるならば新３レベルインバータ構成を使用してもよい。

【0066】

実施例３を採用する場合の電力変換装置筐体１００内における複数の電力変換ユニットＵの接続例について、図１５を用いて説明する。この場合には、各相の電力変換ユニットを盤水平方向に配置し、単相インバータ側を左右で電気的に接続することで階調構成を実現する。このため２ｉｎ１ユニットを適用する実施例３では、実施例１とは異なり、電力変換ユニット４直列を１相とし、電力変換装置筐体１００の高さ方向にＵ，Ｖ，Ｗ相を構成する。ユニットセル間のパワー線の接続数や信号線等のユニットの外の接続数を低減可能な構成である。

【実施例4】

【0067】

さらに実施例４として、電力変換ユニットＵ内の回路構成例を図１６に示す。図１６の回路構成は、入力電圧が１５００Ｖ定格時のように入力電流が小さい場合を想定したユニットの回路構成である。

【0068】

図１６では、整流回路１３を二重化しているが、インバータＩＮは共通としている。この場合には、入力が並列接続となるフルブリッジ型ＬＬＣ共振コンバータＬＬＣのトランス１２をその一次側で２直列とし、それぞれのＬＬＣトランス１２後段の整流回路１３を並列構成とし、インバータＩＮは共通とることで、１ユニットでトランス２つ分の電力出力を可能とした構成である。この構成によれば、大容量化が可能となり、大容量化の効果として容量当たりの小型・軽量化が可能となる。また、２つのトランスの１次側電流が同一となるため、２段分の電力バランスのばらつきも小さく抑えられる。

【0069】

なおＬＬＣ共振コンバータＬＬＣの後段の単相のインバータＩＮは、ＬＬＣ共振コンバータＬＬＣとは異なり、スイッチング周波数は低いがハードスイッチングであるため、スイッチング損失の小さいＭＯＳ ＦＥＴの適用を想定している。使用するＭＯＳ ＦＥＴには高耐圧・高周波スイッチングに適したＳｉＣ ＭＯＳ ＦＥＴを適用してもよいし、高周波駆動用のＩＧＢＴやその他同様の機能を有するものであれば適用可能である。

【0070】

電力変換装置筐体１００の盤構造は、実施例１と同様の８ユニット構成を想定しているが、これに限るものではない。以上、多くの実施例を挙げて説明したが、用途に応じて前記実施例に記述した内容を組み合わせて使用してもよい。

【符号の説明】

【0071】

１：励磁インダクタンス，２：リーケージインダクタンス，３：共振コンデンサ，１１：インバータ回路，１２：絶縁トランス，１３：整流回路，１４：インバータ回路，２１：上フィン，２２：下フィン，２３：仕切り板，２４：ヒートパイプ，６０：ヒートパイプ式の熱交換器，７０：外気導入口，７１：外気排出口，７５：ファン，１００：電力変換装置筐体，Ｂ，ＢＢ：架台，Ｃ：コンデンサ，Ｃｉ：入力側コンデンサ，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４：ダイオード，ＩＮ：インバータ，ＬＬＣ：ＬＬＣ共振コンバータ，ＰＬ：太陽光パネル，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４、Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８：半導体素子，ＳＰＲ、ＳＰＬ、ＳＰＦ、ＳＰＢ：空間，ＴＤ１，ＴＤ２：直流入力端子，ＴＬ１，ＴＬ２：直流出力端子，ＴＡ１，ＴＡ２：交流出力端子，ＴＵ，ＴＶ，ＴＷ：三相交流出力端子，Ｕ：電力変換ユニット，ＷＩ：内気，ＷＯ：外気

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】