JP6550858B2

JP6550858B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6550858B2
Application number: JP2015072856A
Authority: JP
Inventors: 健一郎植木
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016192875A; CN106026684A; CN106026684B

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

回路基板にＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の大きな電力を制御する半導体モジュールやバランス抵抗が実装される電力変換装置では、これらの電子部品からの発熱による影響を防止するため、種々の冷却構造が施されている。例えば、特許文献１では、回路基板を収容する筐体に通気孔を形成することによって筐体内部の冷却を図るようにしている。この電力変換装置によれば、通気孔を介して筐体の内部と外部とで通気が行われるため、筐体の内部が高温状態に維持される事態を防止することができるようになる。

特開２００８−９２６３２号公報

筐体に通気孔を設ける場合には、自然対流を利用することができるため、筐体の上面に設けることが好ましい。しかしながら、筐体の上面に通気孔を設けた電力変換装置にあっては、筐体の内部に塵埃が進入し易くなるばかりでなく、比較的形状の大きな異物が進入するおそれもある。従って、筐体の上面に通気孔を有した電力変換装置では、筐体の内部の冷却を図る上で、異物の進入に起因した電子部品への影響を如何に防止するかがきわめて重要な課題となる。

本発明は、上記実情に鑑みて、異物の進入に起因した電子部品への影響を招来することなく筐体内部の冷却を図ることのできる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、複数のコンデンサ及び制御回路を構成する電子部品を実装した回路基板と、上面に通気孔を有し、内部に前記回路基板を収容した筐体とを備える電力変換装置であって、前記回路基板の実装面において前記制御回路を構成する電子部品よりも上方となり、かつ前記筐体の上面に設けた通気孔の下方域となる部位に前記コンデンサを実装したことを特徴とする。

また、本発明は、上述した電力変換装置において、前記回路基板の実装面において上縁となる部分に前記コンデンサを実装したことを特徴とする。

また、本発明は、上述した電力変換装置において、前記コンデンサは、インバータ回路に電源電圧を供給する一対の電源ラインの間に直列に接続されたものであり、前記コンデンサには、前記一対の電源ラインの間に直列に接続されたバランス抵抗がそれぞれに並列に接続してあり、前記バランス抵抗は、前記回路基板に前記コンデンサを実装することによって前記筐体の内部に構成される空気の通過領域に実装したことを特徴とする。

また、本発明は、上述した電力変換装置において、前記コンデンサは、互いに実装高さの異なるものを前記回路基板に２組以上実装したものであることを特徴とする。

本発明によれば、制御回路を構成するための電子部品よりもコンデンサを上方に実装しているため、たとえ筐体の上面に設けた通気孔から異物が進入したとしてもコンデンサによってさらなる下方への進入が阻止される。このため、この電力変換装置によれば、電子部品に影響が及ぶおそれがなく、筐体の内部を効率良く冷却することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態である電力変換装置において筐体に回路基板を収容した状態を示す斜視図である。図２は、図１に示した電力変換装置の断面側面図である。図３は、図１に示した電力変換装置の平面図である。図４は、図１に示した電力変換装置の回路図ある。図５は、図１に示した電力変換装置において筐体の内部を模式的に示した図である。図６は、図１に示した電力変換装置の変形例１において筐体の内部を模式的に示した図である。図７は、図１に示した電力変換装置の変形例２において筐体の内部を模式的に示した図である。図８は、図１に示した電力変換装置の変形例３において筐体の内部を模式的に示した図である。図９は、図１に示した電力変換装置の変形例４において筐体の内部を模式的に示した図である。図１０は、図１に示した電力変換装置の変形例５において筐体の内部を模式的に示した図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１、図２、図３は、本発明の実施の形態である電力変換装置を示したものである。ここで例示する電力変換装置は、図４の回路図に示すように、誘導モータや同期モータ等の負荷１に交流電力を出力するもので、平板状を成す回路基板１０にコンバータ回路２、インバータ回路３及び制御回路４を備えている。コンバータ回路２は、商用電源等の電源５から入力された交流電圧を直流電圧に変換するものである。インバータ回路３は、コンバータ回路２で変換された直流電圧を交流電圧に変換するものである。制御回路４は、インバータ回路３に駆動制御信号を出力するためのものである。

コンバータ回路２からインバータ回路３に電源電圧を供給する一対の電源ライン６の間には、複数のコンデンサ７が直列に接続してあるとともに、抵抗８が直列に接続してある。コンデンサ７は、コンバータ回路２からの出力電圧を平滑化するものである。抵抗８は、それぞれのコンデンサ７に並列に接続してあり、個々のコンデンサ７に印加される電圧が均等となるようにバランス抵抗として機能する。

図１、図２、図３に示すように、上述の回路基板１０は、筐体２０の内部に収容してある。筐体２０は、それぞれ樹脂、板金あるいはアルミダイカスト等によって成形したフレーム体２１、周壁体２２及び正面壁体２３を備えて構成してある。

フレーム体２１は、図には明示していないが、上面２１ａ、下面２１ｂ及び後面２１ｃが開口する箱体状を成すものである。フレーム体２１の後面２１ｃは、平坦状に構成してあり、配電盤等の上下方向に沿った支持板Ｂに取り付ける場合の取付面となる。フレーム体２１の前面には、適宜箇所にボス部２１ｄが設けてある。ボス部２１ｄは、フレーム体２１の前面から立設した部分であり、個々の突出端面がフレーム体２１の前面とほぼ平行となる同一の平面上に位置している。このボス部２１ｄには、突出端面に回路基板１０の裏面１０ｒを当接させた状態でネジｓを螺合することにより、フレーム体２１の前面と平行となるように回路基板１０が支持させてある。尚、このフレーム体２１の内部には、ヒートシンク３０及び冷却ファン４０が配設してある。ヒートシンク３０は、回路基板１０の裏面１０ｒに実装したＩＧＢＴモジュール１１を冷却するためのものである。冷却ファン４０は、ヒートシンク３０に対して通風を行うものである。

周壁体２２は、フレーム体２１の前面に支持させた回路基板１０の周囲を取り囲むように設けたものである。本実施の形態では、上壁部２２ａ、左右の側壁部２２ｂ及び底壁部２２ｃを有して周壁体２２が構成してある。周壁体２２の上壁部２２ａ及び底壁部２２ｃには、それぞれ通気孔２２ｄが設けてある。通気孔２２ｄは、周壁体２２を貫通するように形成した切欠であり、図３に示すように、上壁部２２ａ及び底壁部２２ｃにおいて回路基板１０の表面（実装面）１０ｆよりも前方側となる部位に形成してある。同図からも明らかなように、上壁部２２ａの通気孔２２ｄは、その幅方向のほぼ全域となる部位に形成してある。

正面壁体２３は、図２に示すように、周壁体２２の前面全域を覆う大きさを有したもので、周壁体２２に対して着脱可能となるように配設してある。この正面壁体２３は、フレーム体２１を介して支持板Ｂに取り付けた場合に電力変換装置の前面となるものである。図には明示していないが、この正面壁体２３には、操作部や表示部等のインターフェースが設けてある。

上記のように構成した筐体２０に収容する回路基板１０には、図１及び図５に示すように、上述したコンデンサ７、抵抗８、制御回路４を構成するＩＣチップ等の電子部品１２が実装してある。コンデンサ７は、比較的大径の円柱状を成すものであり、互いに実装高さの異なるもの２組が回路基板１０の表面１０ｆ、つまり電子部品１２が実装された面と同一面の上縁となる部分に配置してある。実装高さの大きなコンデンサ（以下、「高コンデンサ７Ｈ」という）及び高コンデンサ７Ｈよりも実装高さの小さいコンデンサ（以下、「低コンデンサ７Ｌ」という）は、いずれも周壁体２２の上壁部２２ａにおいて通気孔２２ｄを設けた位置よりも前方に突出するだけの寸法を有している。図５においては便宜上、高コンデンサ７Ｈを二重の円で描き、低コンデンサ７Ｌを一重の円で描いてある。すなわち、実施の形態においては、回路基板１０の上縁において上壁部２２ａの中央に対応する位置に高コンデンサ７Ｈを２つ左右に並べて配置し、高コンデンサ７Ｈの両側において高コンデンサ７Ｈよりもわずかに下方となる位置にそれぞれ低コンデンサ７Ｌが配置してある。回路基板１０においてこれらのコンデンサ７Ｈ，７Ｌよりも下方となる表面には、制御回路４を構成する電子部品１２が実装してある。バランス抵抗として機能する抵抗８については、発熱量が大きいため、底壁部２２ｃの通気孔２２ｄから上壁部２２ａの通気孔２２ｄへ至る空気の通過領域に配置してある。本実施の形態においては、上述したように、回路基板１０の上縁において中央部分に高コンデンサ７Ｈを配置し、かつその両側に低コンデンサ７Ｌを配置してあるため、底壁部２２ｃの通気孔２２ｄから吸入された空気は、高コンデンサ７Ｈに衝突して左右に分岐し、低コンデンサ７Ｌと正面壁体２３の内表面との間の隙間を通過して上壁部２２ａの通気孔２２ｄから外部に排出されることになる（図５中の矢印Ａ）。従って、抵抗８は、高コンデンサ７Ｈの真下となる部分及び低コンデンサ７Ｌの真上のとなる部分にそれぞれ配置してある。尚、本実施の形態では、回路基板１０にコンバータ回路２，インバータ回路３及び制御回路４を搭載しているが、回路基板１０には少なくともコンデンサ７と制御回路４とが搭載されていれば良く、回路基板１０とは別の回路基板にコンバータ回路２、インバータ回路３を搭載するようにしても良い。

上記のように構成した電力変換装置では、動作している間に筐体２０の内部で熱が発生すると、自然対流によって上壁部２２ａの通気孔２２ｄから外部に排出される一方、底壁部２２ｃの通気孔２２ｄから外部の空気が筐体２０の内部に吸入されることになる。従って、筐体２０の内部が高温の状態に維持される事態が招来されることがない。特に、高温状態となる抵抗８については、空気の通過領域に配置してあるため、効率的に冷却が図られることになる。しかも、この電力変換装置によれば、上壁部２２ａに設けた通気孔２２ｄの下方域に高コンデンサ７Ｈ及び低コンデンサ７Ｌが配置されているため、仮に通気孔２２ｄからネジや針金等の金属製の異物が進入したとしても、これらのコンデンサ７Ｈ，７Ｌよりも下方に実装した電子部品１２に影響が及ぶおそれがない。

尚、コンデンサ７及び抵抗８の配置態様は、実施の形態に限られるものではなく、図６〜図１０に示す変形例のように適宜変更することが可能である。

すなわち、図６に示す変形例１では、回路基板１０の上縁において両隅となる部位に高コンデンサ７Ｈが配置してある。低コンデンサ７Ｌは、高コンデンサ７Ｈよりも中央となる位置において高コンデンサ７Ｈよりもわずかに下方となる部位である。このようにコンデンサ７Ｈ，７Ｌを配置した場合には、底壁部２２ｃの通気孔２２ｄから吸入された空気が、高コンデンサ７Ｈを避け、低コンデンサ７Ｌが配置された中央部分を通過して上壁部２２ａの通気孔２２ｄから外部に排出されることになる（図６中の矢印Ａ）。従って、抵抗８は、低コンデンサ７Ｌの真上となる部分にのみ配置してある。

図７に示す変形例２では、回路基板１０の上縁に互いに間隔をおいて高コンデンサ７Ｈが配置してある。低コンデンサ７Ｌは、図７において各高コンデンサ７Ｈの右斜め下となる部分に配置してある。このようにコンデンサ７Ｈ，７Ｌを配置した場合には、底壁部２２ｃの通気孔２２ｄから吸入された空気が、変形例１と同様、高コンデンサ７Ｈを避け、低コンデンサ７Ｌが配置された部分を通過して上壁部２２ａの通気孔２２ｄから外部に排出されることになる（図７中の矢印Ａ）。従って、抵抗８は、低コンデンサ７Ｌの真上となる部分にのみ配置してある。

図８〜図１０に示す変形例３、変形例４及び変形例５では、いずれも回路基板１０の上縁に沿って高コンデンサ７Ｈ及び低コンデンサ７Ｌが並設してある。図８に示す変形例３では、中央に高コンデンサ７Ｈを配置し、両隅に低コンデンサ７Ｌが配置してある。図９に示す変形例４では、変形例３とは逆に中央に低コンデンサ７Ｌを配置し、両隅に高コンデンサ７Ｈが配置してある。図１０に示す変形例５では、高コンデンサ７Ｈと低コンデンサ７Ｌとが交互に配置してある。これらの変形例においては、底壁部２２ｃの通気孔２２ｄから吸入された空気が、高コンデンサ７Ｈを避け、低コンデンサ７Ｌが配置された部分を通過して上壁部２２ａの通気孔２２ｄから外部に排出されることになる（それぞれの図中の矢印Ａ）。従って、抵抗８は、低コンデンサ７Ｌの真下となる部分にのみ配置してある。

尚、上述した実施の形態及び変形例１〜変形例５では、いずれも回路基板１０の表面１０ｆにおいて上縁となる部分にコンデンサ７を実装するようにしているが、回路基板１０の表面１０ｆにおいて制御回路４を構成する電子部品１２よりも上方となり、かつ筐体２０の通気孔２２ｄの下方域となる部位であれば、必ずしも上縁である必要はない。

また、上述した実施の形態、変形例３〜変形例５では、コンデンサ７よりも通気の上流側となる部位に抵抗８を実装するようにしているが、コンデンサ７への熱の影響を考慮した場合、変形例１及び変形例２のように、コンデンサ７よりも通気の下流側となる部位に抵抗８を配置することが好ましい。尚、コンデンサ７として互いに互いに実装高さの異なるもの７Ｈ，７Ｌを実装するようにしているため、筐体の内部における空気の通過領域を任意に設定することが可能であるが、本発明はこれに限定されない。

さらに、上述した実施の形態では、筐体２０の底壁部２２ｃに設けた通気孔２２ｄを介して筐体２０の内部に空気を吸入させるようにしているが、筐体２０の側壁部２２ｂにおいて下方となる位置に吸入用の通気孔を設けるようにしても良い。この場合、通気孔は２つの側壁部に設ける必要はなく、一方の側壁部に設ければ十分である。

また、上述した実施の形態では、４個のコンデンサ７を回路基板１０に実装しているが、コンデンサ７は２個以上であれば良い。さらに、複数のコンデンサ７は直列に接続されている必要はなく、２個以上のコンデンサ７を並列接続するものや、直並列接続するものであっても良い。また、実装高さの異なる３組以上のコンデンサ７を回路基板に適宜配置するようにしても良い。

３インバータ回路
４制御回路
５電源
６電源ライン
７コンデンサ
８抵抗
１０回路基板
１０ｆ表面
１２電子部品
２０筐体
２２ａ上壁部
２２ｄ通気孔

Claims

複数のコンデンサ及び制御回路を構成する電子部品を実装した回路基板と、内部に前記回路基板を収容した筐体とを備え、前記筐体の上面を構成する上壁部には、前記筐体の内部と外部とを連通する通気孔が設けられた電力変換装置であって、
前記回路基板の実装面において前記制御回路を構成する電子部品よりも上方となる部位には、左右方向に沿ってのみ並設するように前記複数のコンデンサを実装し、前記筐体の上壁部に設けられた通気孔の下方域全域が前記複数のコンデンサによって覆われていることを特徴とする電力変換装置。
前記回路基板の実装面において上縁となる部分に前記コンデンサを実装したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記コンデンサは、インバータ回路に電源電圧を供給する一対の電源ラインの間に直列に接続されたものであり、
前記コンデンサには、前記一対の電源ラインの間に直列に接続されたバランス抵抗がそれぞれに並列に接続してあり、
前記バランス抵抗は、前記回路基板に前記コンデンサを実装することによって前記筐体の内部に構成される空気の通過領域に実装したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記コンデンサは、互いに実装高さの異なるものを前記回路基板に２組以上実装したものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の電力変換装置。