JP6970045B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の運転状態を有する電力変換装置に関する。

近年の電力変換装置は、その主要部品であるパワー半導体モジュールの技術革新によって、より高速なスイッチング動作を実現し、このパワー半導体から発する損失を低減させている。これにより、特に冷却器を小型化することができ、その結果、電力変換装置を小型化可能である。

例えば、ＵＰＳ（Uninterruptible Power-supply System）と呼ばれる無停電電源装置のような、コンバータとインバータとを有し、複数の運転状態を有するモジュールパラレル型電力変換装置においては、冷却器の小型化により装置全体の小型化が可能である。

冷却器の小型化は、冷却器の冷却流体を効率よく流す構造とすることにより、機器の発熱を抑制することが可能である。

特許文献１には、除熱流体の風上に位置する発熱体に対して傾斜する風向板を配置し、風上の発熱体を通過した冷却風と、発熱体を通過していない冷却風との混合風を風下の発熱体に吹き付ける構成の冷却機構体が開示されている。

また、特許文献２には、発熱体の発熱量に適した冷却を行うために、フィンの間隔が異なる２種類の放熱フィンを設けた空気調和装置が開示されている。

特開２０１３−１６５６９号公報 特開２０１３−１３７１３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、風向板を除熱流体に対して傾斜して配置しているため、除熱流体の圧損が増加するため、冷却効果が低減し、高効率な冷却を行うことができない。

また、特許文献２に記載の技術は、フィンの間隔が互いに異なる２種類の放熱フィンを設けているが、フィンの種類の増加は、冷却構造体のコストが上昇する要因となり、好ましいものではない。

本発明の目的は、冷却効率が向上化された、複数の運転状態を有する電力変換装置を実現することである。

本発明は、上記目的を達成するため次のように構成される。

複数の運転状態を有する電力変換装置において、第１の電力変換部と、上記第１の電力変換部を冷却する第１の冷却フィンと、第２の電力変換部と、上記第２の電力変換部を冷却する第２の冷却フィンと、冷却風を発生する冷却装置と、を備え、少なくとも第１の運転状態と第２運転状態を有し、上記第１の運転状態では、上記第１の電力変換部の発熱量は、上記第２の電力変換部の発熱量より大であり、上記第２運転状態では、上記第１の電力変換部の発熱量は、上記第２の電力変換部の発熱量より小であり、上記第１の冷却フィンの一部と上記第２の冷却フィンとは、上記冷却装置が発生する冷却風の風向に対して、互いに直列に配置され、上記第１の電力変換部は、交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータを有し、上記第２の電力変換部は、直流電源の直流電力を所定の直流電力に変換するチョッパを有し、少なくとも、上記コンバータの冷却フィンと上記チョッパの冷却フィンとが上記冷却装置が発生する冷却風の風向に対して、互いに直列に配置され、上記コンバータは、上記冷却風に対して、上記チョッパの風上側に配置され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる三相のコンバータであリ、第１のＵ相パワーデバイス及び上記第１のＵ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記の第１のＵ相パワーデバイスを駆動する第１のＵ相ゲートドライブ回路と、第１のＶ相パワーデバイス及び上記第１のＶ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記第１のＶ相パワーデバイスを駆動する第１のＶ相ゲートドライブ回路と、第１のＷ相パワーデバイス及び上記第１のＷ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記第１のＷ相パワーデバイスを駆動する第１のＷ相ゲートドライブ回路と、を有し、上記第１のＵ相ゲートドライブ回路と上記第１のＶ相ゲートドライブ回路とは互いに対向して配置され、上記第１のＶ相ゲートドライブ回路と上記第１のＷ相ゲートドライブ回路とは互いに対向して配置される。

本発明によれば、冷却効率が向上化された、複数の運転状態を有する電力変換装置を実現することができる。

実施例１が適用される電力変換装置の概略構成図である。 コンバータ、インバータ及びチョッパの概略内部構成図である。 コンバータの構成を示す等価回路図である。 インバータの構成を示す等価回路図である。 チョッパの構成を示す等価回路図である。 実施例１におけるパワーデバイスと冷却フィンとの外観を示す図である。 無停電電源装置における電力の流れを説明する図である。 実施例１における配置構成の説明図である。 実施例２における配置構成の説明図である。 実施例３における配置構成の説明図である。 実施例４における配置構成の説明図である。 実施例４における風向板の配置説明図である。 実施例５における配置構成の説明図である。 実施例６の回路構成を示す図である。 図１４に示した回路構成における配線レイアウトの一例を示す図である。 図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 実施例７における配置構成の説明図である。 実施例８における配置構成の説明図である。 実施例９における電力変換装置の概略外観斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

なお、以下の説明では、複数の運転状態を有する電力変換装置の一例として無停電電力変換装置について説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１が適用される電力変換装置１００の概略構成図である。

図１において、電力変換装置１００は、コンバータ１０２と、インバータ１０３と、チョッパ１０４と、これらを制御する上位制御回路１０５とを備える。

コンバータ１０２は、商用電源（交流電源）１０６から供給される三相交流電力を直流電力に変換して、インバータ１０３に供給する三相のコンバータである。

インバータ１０３は、コンバータ１０２から供給された直流電力を再び三相交流電力に変換して負荷１０８に供給する三相のインバータである。

チョッパ１３は、蓄電池（直流電源）１０７からの供給される直流電力を、所定電圧に昇圧または降圧し、所定の直流電力に変換して、インバータ１０３に供給する。

上位制御回路１０５は、コンバータ１０２と、インバータ１０３と、チョッパ１０４とを制御する。

商用電源１０６が何らかの理由で停電した場合、チョッパ１０４は、蓄電池１０７に蓄えた電力をインバータ１０３に直流電力として供給する。インバータ１０３は、チョッパ１０４から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷１０８に供給する。これにより、電力変換装置１００は、負荷１０８へ途切れることなく給電することができる。

図２は、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４の概略内部構成図である。図２に示すように、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４は、複数の整流素子及びスイッチング素子を備えている。

図３は、コンバータ１０２の内部構成における等価回路図である。

図３において、コンバータ１０２は、３つのハーフブリッジ回路２０１、２０２、２０３を備えており、これらハーフブリッジ回路２０１、２０２、２０３は、コンバータ制御部（電力変換ユニットの駆動部）２０４によって制御される。コンバータ１０２は、三相交流の商用電源１０６からの三相交流電力が、Ｒ、Ｓ、Ｔ端子から供給され、正側端子Ｐと負側端子Ｎと間の直流電力に変換する。

ハーフブリッジ回路２０１は、上アームのスイッチング素子２１および整流素子２３と、下アームのスイッチング素子２２および整流素子２４とを備えている。図３では、スイッチング素子２１、２２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられ、整流素子２３、２４は、ダイオードが用いられているが、これらに限定されるものではない。

整流素子２３は、スイッチング素子２１のエミッタからコレクタへの方向に接続される。スイッチング素子２１のエミッタは、スイッチング素子２２のコレクタと、交流端子Ｒとに接続される。コンデンサ２５と２６とは、スイッチング素子２１のコレクタとスイッチング素子２２のエミッタとの間に並列接続される。なお、図３の回路図では、コンデンサ２５とコンデンサ２６の並列接続を省略して、単一のコンデンサの記号で示している。スイッチング素子２１のゲートは、コンバータ制御部２０４に接続される。

整流素子２４は、スイッチング素子２２のエミッタからコレクタへの方向に接続される。スイッチング素子２２のゲートは、コンバータ制御部２０４に接続される。

ハーフブリッジ回路２０２は、スイッチング素子２１のエミッタとスイッチング素子２２のコレクタとの接続ノードが、交流端子Ｓに接続されることを除き、電力変換ユニット２０１と同様に構成されている。

ハーフブリッジ回路２０３は、スイッチング素子２１のエミッタとスイッチング素子２２のコレクタとの接続ノードが、交流端子Ｔに接続されることを除き、電力変換ユニット２０１と同様に構成されている。

以下、図３を適宜参照して、コンバータ１１の動作を説明する。

商用電源１０６から供給された三相の交流電力は、交流端子Ｒ、Ｓ、Ｔを介して、コンバータ１０２の各相のハーフブリッジ回路２０１、２０２、２０３に供給される。ハーフブリッジ回路２０１、２０２、２０３の上アームのスイッチング素子２１および整流素子２３と、下アームのスイッチング素子２２および整流素子２４は、コンバータ制御部２０４でスイッチングタイミングを制御されて、この交流電力を整流する。

図４は、インバータ１０３の構成を示す等価回路図である。

図４において、インバータ１０３は、３つのハーフブリッジ回路３０１、３０２、３０３を備えており、更にインバータ制御部（電力変換ユニットの駆動部）３０４によって制御される。インバータ１０３は、Ｐ端子及びＮ端子間の直流電力を三相交流電力に変換する。

ハーフブリッジ回路３０１は、スイッチング素子２１のエミッタとスイッチング素子２２のコレクタとの接続ノードが、交流端子Ｕに接続されることを除き、電力変換ユニット２０１（図３参照）と同様に構成されている。

ハーフブリッジ回路３０２は、スイッチング素子２１のエミッタとスイッチング素子２２のコレクタとの接続ノードが、交流端子Ｖに接続されることを除き、電力変換ユニット２０１（図３参照）と同様に構成されている。

ハーフブリッジ回路３０３は、スイッチング素子２１のエミッタとスイッチング素子２２のコレクタとの接続ノードが、交流端子Ｗに接続されることを除き、電力変換ユニット２０１（図３参照）と同様に構成されている。

以下、図４を適宜参照して、インバータ１０３の動作を説明する。

コンバータ１０２により変換された直流電力は、端子Ｐと端子Ｎとの間に供給される。ハーフブリッジ回路３０１、３０２、３０３の上アームのスイッチング素子２１および整流素子２３と、下アームのスイッチング素子２２および整流素子２４とは、インバータ制御部３０４でスイッチングタイミングを制御されて、この直流電力を交流電力に変換し、交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗに出力する。

図５は、チョッパ１０４の構成を示す等価回路図である。

図５において、チョッパ１０４は、ハーフブリッジ回路４０１とリアクトル４０６とを備えており、チョッパ制御部（電力変換ユニットの駆動部）４０５によって制御される。チョッパ１０４は、蓄電池１０７による低圧の直流電圧と、端子Ｐと端子Ｎとの間の高圧の直流電圧とを相互に変換するものである。

ハーフブリッジ回路４０１は、スイッチング素子２１のエミッタとスイッチング素子２２のコレクタとの接続ノードが端子Ｃに接続されることを除き、ハーフブリッジ回路２０１（図３参照）と同様に構成されている。

リアクトル４０６は、蓄電池１０７の正極と端子Ｃとを接続する。

以下、図５を参照して、チョッパ１０４の動作を説明する。

ハーフブリッジ回路４０１の下アームのスイッチング素子２２がオンしている間に、蓄電池１０７と端子Ｃとの間に接続されたリアクトル４０６にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子２２がオフした際に、リアクトル４０６が発する逆起電圧により上アームの整流素子２３がオンする。これより、チョッパ１０４の出力端には、蓄電池１０７の直流電圧とリアクトル４０６の逆起電圧とを加算した電圧が生じる。これにより、チョッパ１０４は、蓄電池１０７の直流電圧を昇圧する。チョッパ制御部４０５は、ハーフブリッジ回路４０１のスイッチングタイミングを制御することにより、昇圧比を任意に設定可能である。

以上より、実施例１が適用される電力変換装置１００に搭載されるコンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４は、いずれも、上アームのスイッチング素子２１および整流素子２３と、下アームのスイッチング素子２２および整流素子２４とが直列に接続された２レベルのハーフブリッジ回路２０を基本構成としている。

なお、上記はパワーデバイスとしてＩＧＢＴとダイオードを例としたが、それに限らず、SiC-MOSFET等他のパワーデバイスでもよい。

図６は、実施例１におけるパワーデバイス（電力変換ユニット２０１〜２０３、３０１〜３０３、４０１におけるスイッチング素子と整流素子（２１と２３、２２と２４））３０と、このパワーデバイス３０に接続される冷却フィン４０との外観を示す図である。
図６のパワーデバイス３０は、例えばSiC-MOSFETであり、スイッチング素子とダイオードがひとつのパッケージに含まれたパッケージの形態を示している。
図６の（Ａ）はパワーデバイス３０の外観を示し、図６の（Ｂ）は、パワーデバイス３０に冷却フィン４０が接続された外観を示している。

次に、複数の運転状態を有する電力変換装置の一例である無停電電源装置における電力の流れについて図７を参照して説明する。図７において、実線の矢印は、通常時（停電が発生していない状態）における電力の流れであり、破線の矢印は、停電時における電力の流れである。

通常時は、商用電源からの電力が、コンバータ１０２及びインバータ１０３を介して負荷１０８に供給される。この通常時においては、動作しているコンバータ１０２とインバータ１０３が主に発熱する。

次に、停電時には、商用電源１０６からは電力が供給されないため、蓄電池１０７からの電力がチョッパ１０４及びインバータ１０３を介して負荷１０８に供給される。この場合、コンバータ１０２は動作していない。この停電時においては、動作しているチョッパ１０４とインバータ１０３が発熱する。

このように、無停電力変換装置においては、電力の運転状態が第１の運転状態（通常時）と第２の運転状態（停電時）とが存在し、発熱状態が変化する。

つまり、第１の運転状態では、コンバータ１０２とインバータ１０３とからなる第１の電力変換部の発熱量は、チョッパ１０４とインバータ１０３とからなる第２の電力変換部の発熱量より大となる。また、第２の運転状態では、コンバータ１０２とインバータ１０３とからなる第１の電力変換部の発熱量は、チョッパ１０４とインバータ１０３とからなる第２の電力変換部の発熱量より小となる。

本発明は、発熱状態の変化に着目し、冷却効率を向上する構成を実現したものである。

なお、図７に示した例においては、コンバータリアクトル５００がコンバータ１０２に接続され、インバータリアクトル７００がインバータ１０３に接続されている。また、Ｐ極３０００ＰとＮ極２０００Ｎとの間であって、コンバータ１０２とインバータ１０３との間にＤＣリンクコンデンサ６００が接続された例を示している。

図８は、本発明の実施例１における配置構成の説明図である。

図８において、後述する冷却ファン（冷却装置）が発生する冷却風が風向Ｗｉの方向（図８の下から上への方向）に流れる構成となっている。

コンバータ１０２のＵ相１０２Ｕ、Ｖ相１０２Ｖ及びＷ相１０２Ｗと、インバータ１０３のＵ相１０３Ｕ、Ｖ相１０３Ｖ及びＷ相１０３Ｗとは、風向Ｗｉ対して、並列となるように配置されている。

そして、チョッパ１０４−１及び１０４−２は、風向Ｗｉに対してコンバータ１０２Ｕ及び１０２Ｖと直列となるように配置されている。

また、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４のそれぞれにおいて、パワーデバイス３０と、このパワーデバイス３０に接続された冷却フィン４０とは、風向Ｗｉに対して並列となるように配置されている。

よって、コンバータ１０２の冷却フィン４０と、チョッパ１０４の冷却フィン１０４の冷却フィン４０とは、風向Ｗｉに対して直列となるように配置されている。つまり、コンバータ１０２の冷却フィン４０及びインバータの冷却フィン４０が第１の冷却フィンであり、チョッパ１０４の冷却フィン４０及びインバータの冷却フィン４０が第２の冷却フィンであるが、第１の冷却フィンの一部（コンバータ１０２の冷却フィン４０）と上記第２の冷却フィンとは、後述する冷却ファン（冷却装置）が発生する冷却風に対して、互いに直列に配置されている。

通常時においては、コンバータ１０２とインバータ１０３とが動作し、コンバータ１０２とインバータ１０３とは風向Ｗｉに対して並列に配置されているので、コンバータ１０２を通過した冷却風がインバータ１０３に熱影響を与えることはほとんどないと考えられる。

また、インバータ１０３を通過した冷却風がコンバータ１０２に熱影響を与えることはほとんどないと考えられ、コンバータ１０２と、インバータ１０３との互いのあおり熱の影響はほとんどなく、効率よく冷却される。

チョッパ１０４は、コンバータ１０２の風下に配置されているが、通常時においては、チョッパ１０４の発熱量は小さく、動作に影響を与えることはない。

停電時においては、チョッパ１０４とインバータ１０３とが動作し、チョッパ１０４とインバータ１０３とは風向Ｗｉに対して並列に配置されているので、チョッパ１０４を通過した冷却風がインバータ１０３に熱影響を与えることはほとんどないと考えられる。また、インバータ１０３を通過した冷却風がチョッパ１０４に熱影響を与えることはほとんどないと考えられ、チョッパ１０４と、インバータ１０３との互いのあおり熱の影響はほとんどなく効率よく冷却される。

チョッパ１０４は、コンバータ１０２の風下に配置されているが、停電時においては、コンバータ１０２は動作していないので、発熱の影響がチョッパ１０４に及ぶことはなく、動作に影響を与えることはない。

本発明の実施例１によれば、上記のような構成とすることにより、複数の運転状態を有する電力変換装置である無停電電力変換装置の冷却効率を価格の大幅上昇を伴うことなく実現することができる。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。

実施例２における電力変換装置の全体構成は図１に示した構成と同様であり、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４のそれぞれの内部構成は図３〜図５に示した構成と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。

図９は、本発明の実施例２における配置構成の説明図である。

図９において、図８に示した実施例１の配置構成との相違点は、コンバータ１０２及びインバータ１０３の冷却風の上流側（風上側）にＤＣリンクコンデンサ６００が配置され、チョッパ１０４の下流側（風下側）にＤＣＡＣリアクトル８００が配置されているところである。図９に示した他の配置構成は、図８の例と同様である。

実施例２によれば、実施例１と同様な効果が得られる他、コンバータ１０２及びインバータ１０３の冷却風の上流側にＤＣリンクコンデンサ６００が配置されているので、ＤＣリンクコンデンサ６００に対するコンバータ１０２及びインバータ１０３の動作による発熱の影響（あおり熱の影響）を除去することができる。

さらに、ＤＣＡＣリアクトル８００をコンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４の冷却風の下流側に配置したので、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４対するＤＣＡＣリアクトル８００による発熱の影響（あおり熱の影響）を除去することができる。

なお、図８に示した実施例１の配置構成では、ＤＣリンクコンデンサ６００及びＤＣＡＣリアクトル８００を省略したが、その配置構成は実施例２の配置構成に限定されない。

（実施例３）
次に、本発明の実施例３について説明する。

実施例３における電力変換装置の全体構成は図１に示した構成と同様であり、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４のそれぞれの内部構成は図３〜図５に示した構成と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。

図１０は、本発明の実施例３における配置構成の説明図である。

図１０において、図９に示した実施例２の配置構成との相違点は、コンバータ１０２Ｕ、１０２Ｖ、１０２Ｗの各デバイス３０を駆動するゲートドライブ回路１０２Ｕ１Ｄ、１０２Ｕ２Ｄ、１０２Ｖ１Ｄ、１０２Ｖ２Ｄ、１０２Ｗ１Ｄ及び１０２Ｗ２Ｄ（コンバータ制御部（電力変換ユニット駆動部）２０４）をそれぞれのデバイス３０の近傍に配置する。

そして、コンバータ１０２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、デバイス３０及び冷却フィン４０との組を２組有しているが、Ｕ相とＶ相とが互いに隣接する位置に配置されたデバイス３０及び冷却フィン４０との組は、それぞれのデバイス３０が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路１０２Ｕ２Ｄと１０２Ｖ１Ｄとが互いに対向して配置される。さらに、Ｖ相とＷ相とが互いに隣接する位置に配置されたデバイス３０及び冷却フィン４０との組は、それぞれのデバイス３０が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路１０２Ｖ２Ｄと１０２Ｗ１Ｄとが互いに対向して配置されている。

また、インバータ１０３Ｕ、１０３Ｖ、１０３Ｗの各デバイス３０を駆動するゲートドライブ回路１０３Ｕ１Ｄ、１０３Ｕ２Ｄ、１０３Ｖ１Ｄ、１０３Ｖ２Ｄ、１０３Ｗ１Ｄ及び１０３Ｗ２Ｄ（インバータ制御部（電力変換ユニット駆動部）３０４）をそれぞれのデバイス３０の近傍に配置する。そして、インバータ１０３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に、デバイス３０及び冷却フィン４０との組を２組有しているが、Ｕ相とＶ相とが互いに隣接する位置に配置されたデバイス３０及び冷却フィン４０との組は、それぞれのデバイス３０が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路１０３Ｕ２Ｄと１０３Ｖ１Ｄとが互いに対向して配置される。さらに、Ｖ相とＷ相とが互いに隣接する位置に配置されたデバイス３０及び冷却フィン４０との組は、それぞれのデバイス３０が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路１０３Ｖ２Ｄと１０３Ｗ１Ｄとが互いに対向して配置されている。

コンバータ１０２のＷ相とインバータ１０３のＵ相とは、互いに隣接して配置されており、互いに隣接する位置に配置されたデバイス３０及び冷却フィン４０との組は、それぞれのデバイス３０が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路１０２Ｗ２Ｄと１０３Ｕ１Ｄとが互いに対向して配置される。

また、チョッパ１０４−１、１０４−２の各デバイス３０を駆動するゲートドライブ回路１０４−１Ｄ１、１０４−１Ｄ２、１０４−２Ｄ１、１０４−２Ｄ２（チョッパ制御部（電力変換ユニット駆動部）４０５）をそれぞれのデバイス３０の近傍に配置する。

チョッパ１０４は、デバイス３０及び冷却フィン４０との組を有し、チョッパ１０４−１と１０４−２のそれぞれが２組有している。チョッパ１０４−１と１０４−２とが互いに隣接する位置に配置されたデバイス３０及び冷却フィン４０との組は、それぞれのデバイス３０が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路１０４−１Ｄ２と１０４−２Ｄ１とが互いに対向して配置される。

実施例３によれば、実施例２と同様な効果が得られる他、デバイス３０とそのゲートドライブ回路（１０２Ｕ１Ｄ〜１０２Ｗ１Ｄ、１０３Ｕ１Ｄ〜１０３Ｗ２Ｄ、１０４−１Ｄ１〜１０４−２Ｄ２）とを互いに近傍に配置したので、ゲートドライブ回路の不要共振を抑制でき、かつ、デバイス３０を高速に駆動することができる。

（実施例４）
次に、本発明の実施例４について説明する。

実施例４における電力変換装置の全体構成は図１に示した構成と同様であり、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４のそれぞれの内部構成は図３〜図５に示した構成と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。

図１１は、本発明の実施例４における配置構成の説明図である。

図１１において、図１０に示した実施例３の配置構成との相違点は、コンバータ１０２及びインバータ１０３の冷却風の下流側（風下側）に風向板９００を配置したこところである。この風向板９００の冷却風の下流側（風下側）にチョッパ１０４が配置されている。風光板９００コンバータ１０２、インバータ１０３の冷却フィン４０の下流側は開口部９００Ａが形成されている。つまり、開口部９００Ａは、コンバータ１０２の冷却フィン４０及びチョッパ１０４の冷却フィン４０が冷却風に対して直列して配置される方向に対して開口されている。

図１２は、実施例４における風向板９００の配置説明図である。

図１２の（Ａ）は、図１１のＡ−Ａ‘線に沿った断面図であり、図１２の（Ｂ）は、実施例４における電力変換装置の概略斜視図である。

図１２の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、風向板９００は、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４、コンデンサ６００を搭載する基板１０００に対して略直交するように形成されている。そして、風向板９００の開口部９００Ａは、冷却フィン４０の下流側（風下側）に形成されている。

図１２の（Ａ）に示した開口部９００Ａ以外の開口部９００Ａも、冷却フィン４０の下流側（風下側）に形成されている。

風向板９００により、コンバータ１０２の風下側に位置するチョッパ１０４の冷却フィン４０に流入する風量と、チョッパ１０４の風上側に位置するコンバータ１０２の冷却フィン４０に流入する風量とを均等化することができ、冷却効果を向上することができる。

実施例４によれば、実施例３と同様な効果が得られる他、上述した効果を得ることができる。

なお、風向板９００の材質は、絶縁性の問題から樹脂とすることが好ましい。

（実施例５）
次に、本発明の実施例５について説明する。

実施例５における電力変換装置の全体構成は図１に示した構成と同様であり、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４のそれぞれの内部構成は図３〜図５に示した構成と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。

図１３は、本発明の実施例５における配置構成の説明図である。

図１３において、図１１に示した実施例４の配置構成との相違点は、インバータ１０４のうちのＶ相のインバータ１０３Ｖが、Ｕ相のインバータ１０３Ｕ及びＷ相のインバータ１０３Ｗより、冷却風の風下側に配置されている。

つまり、インバータ１０３Ｖは、インバータ１０３Ｕ及びインバータ１０３Ｗに対してオフセットされた位置に配置され、インバータ１０３全体として千鳥配置されている。

風向板９００の開口部９００Ａは、インバータ１０３Ｕの冷却フィン４０からインバータ１０３Ｖの冷却フィン４０及びインバータ１０３Ｗの冷却フィン４０に至るまで開放するように形成されている。

インバータ１０３を千鳥配置することにより、インバータ１０３Ｕとインバータ１０３Ｗとの間隔を狭めることができ、電力変換装置１００全体の幅方向寸法を縮小することができ、小型化することが可能となる。

実施例５によれば、実施例４と同様な効果が得られる他、上述した効果を得ることができる。

（実施例６）
次に、本発明の実施例６について説明する。

図１４は、本発明の実施例６の回路構成を示す図である。図７に示した実施例１の回路構成と比較すると、図７のＤＣリンクコンデンサ６００が互いに直列接続された２つのコンデンサ６０１とコンデンサ６０２となり、コンデンサ６０１と６０２との接続点が、交流電源側に接続されるコンデンサ２１００（第１のＡＣフィルタコンデンサ）を介して、Ｒ、Ｓ、Ｔ端子に接続されるとともに、インバータ１０３の出力側（負荷１０８側）に接続されるコンデンサ２０００（第２のＡＣフィルタコンデンサ）を介して、Ｕ、Ｖ、Ｗ端子に接続される。コンデンサ６０１と６０２との接続点は、コンデンサ２０００及びコンデンサ２１００に接続され、中間電位４０００となっている。また、チョッパ１０４の上アームスイッチング素子１０４−１Ｂと下アームスイッチング素子１０４−２Ｂとの接続中点にリアクトル４０６Ａが接続され、上アームスイッチング素子１０４−１Ａと下アームスイッチング素子１０４−２Ａとの接続中点にリアクトル４０６Ｂが接続されている。

図１４に示した回路構成により、ＡＣフィルタコンデンサ２０００、２００１の耐圧仕様を緩和でき、電力変換装置全体として小型化を図ることができる。

図１５は、図１４に示した回路構成における配線レイアウトの一例を示す図である。

図１５に示した配線例は、Ｌ１層（コンバータ１０２とインバ−タ１０３のＡＣ配線）、Ｌ２層（Ｐ極配線）、Ｌ３層（Ｎ極配線）、Ｌ４層（チョッパ１０４のＡＣ配線、中間電位４０００の中間電極配線）の多層構造となっている。

図１５の（Ａ）に示すように、Ｌ１層は、コンバータ１０２の配線１０２１、１０２２、１０２３が形成されている。さらに、インバータ１０３のＡＣ配線１０３１、１０３２、１０３３が形成されている。

また、図１５の（Ｂ）に示すように、Ｌ２層は、Ｐ極配線３０００Ｐが形成されている。

また、図１５の（Ｃ）に示すように、Ｌ３層は、Ｎ極配線２０００Ｎが形成されている。

さらに、図１５の（Ｄ）に示すように、Ｌ４層は、チョッパＡＣ配線１０４１、１０４２が形成されるとともに、中間電位配線４０００Ｌが形成されている。

図１６は、図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。

図１６において、Ｌ４層は、ゲートドライブ配線５０００ＧＬ４、及びＡＣ中間電位配線５０００ＭＬ４が形成され、Ｌ３層は、ゲートドライブ配線５０００ＧＬ３、及びＮ極配線５０００ＭＬ３が形成されている。

また、Ｌ２層は、ゲートドライブ配線５０００ＧＬ２、及びＰ極配線５０００ＭＬ２が形成され、Ｌ１層は、ゲートドライブ配線５０００ＧＬ１、ＡＣ配線５０００ＭＬ１が形成されている。

各層の間は、絶縁層５０００Ｉが配置され、互いに絶縁が図られている。また、Ｌ１層〜Ｌ４層を通じてビア６２００が形成され、ビア６２００内にリード６１００が配置されている。Ｌ１層の上方には、リード６１００に接続された下アームデバイス３０Ｌ、上ア−ムデバイス３０Ｈが接続されている。また、Ｌ１層のゲートドライブ配線５０００ＧＬ１の上部には、ゲートドライブＩＣ６０００が配置されている。

上記構成とすることにより、ゲートドライブ配線５０００Ｇと、主回路配線５０００Ｍとを層方向に分離し、低ノイズ化を図ることができる。また、主回路配線５０００Ｍを多層配線構造（ラミネート配線構造）とすることで、低インダクタンス化して、スイッチング動作に伴う主回路電圧の跳ね上がりを抑制することができる。

さらに、ＡＣ配線５０００ＭＬ１は表層であるＬ１層又は最下層であるＬ４層に配置し、温度上昇を低減し、高効率冷却を行うことができる。

実施例６によれば、実施例５と同様な効果が得られる他、上述した効果を得ることができる。

なお、実施例６の多層構造は、実施例１〜５にも適用可能である。

（実施例７）
次に、本発明の実施例７について説明する。

実施例７における電力変換装置の全体構成は図１に示した構成と同様であり、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４のそれぞれの内部構成は図３〜図５に示した構成と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。

図１７は、本発明の実施例７における配置構成の説明図である。

図１７に示した例は、図１３に示した実施例５からＤＣＡＣリアクトル８００とＤＣリンクコンデンサ６００を省略した図と、図としては同一の図となるが、図１７に示すように、コンバータ１０２の互いに対向するデバイス３０は、共に下アームデバイス３０Ｌとなっている。同様に、チョッパ１０４の互いに対向するデバイス３０は、共に下アームデバイス３０Ｌとなっている。

このように構成することにより、各下アームデバイス３０Ｌのゲート駆動回路配線の絶縁距離を短縮することができ、高密度実装が可能となる。

本発明の実施例７によれば、実施例５と同様な効果が得られる他、上述したような効果を得ることができる。

（実施例８）
次に、本発明の実施例８について説明する。

実施例８における電力変換装置の全体構成は図１に示した構成と同様であり、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４のそれぞれの内部構成は図３〜図５に示した構成と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。

図１８は、本発明の実施例８における配置構成の説明図である。

図１８において、図１３に示した実施例５の配置構成との相違点は、ＤＣリンクコンデンサ６００の各コンデンサ６００Ａ〜６００Ｊの配置位置が千鳥配置又はオフセット配置となっている点である。

つまり、コンデンサ６００Ａと６００Ｂとは、それぞれの中心点を結ぶ線が風向Ｗｉに対して、傾斜する配置となっている。また、コンデンサ６００Ｃと６００Ｄ、コンデンサ６００Ｅと６００Ｆ、コンデンサ６００Ｇと６００Ｈ、コンデンサ６００Ｉと６００Ｊも、コンデンサ６００Ａと６００Ｂと同様な配置関係となっている。

ＤＣリンクコンデンサ６００を上記構成とすることにより、コンデンサ６００と、冷却フィン４０との空間を確保し、圧損を低減し、冷却効果を向上することができる。

本発明の実施例８によれば、実施例５と同様な効果が得られる他、上述したような効果を得ることができる。

（実施例９）
次に、本発明の実施例９について説明する。

実施例９における電力変換装置の全体構成は図１に示した構成と同様であり、コンバータ１０２、インバータ１０３及びチョッパ１０４のそれぞれの内部構成は図３〜図５に示した構成と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。

図１９は、本発明の実施例９における電力変換装置の概略外観斜視図である。

図１９において、主回路基板１００Ｂに、コンデンサ６００、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４が配置され、リアクトル基板８００Ｂに重量が大であるリアクトル４０６、５００、７００が配置されている。これらコンデンサ６００、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４、リアクトル４０６、５００、７００は、筐体１２０により覆われ、この筐体１２０の後方壁に冷却ファン１１０が配置されている。筐体１２０の前方は開放されている。

実施例９によれば、主回路基板１００Ｂと、リアクトル基板８００Ｂとの二つに分け、リアクトル基板８００Ｂに重量が大であるリアクトル４０６、５００、７００が配置される構成としたので、基板のたわみを防止することができる。

実施例９によれば、実施例１〜８の効果が得られる他、上述した効果も得ることができる。

なお、上述した例においては、冷却風Ｗｉに対して、コンバータ１０２がチョッパ１０４の上流側（風上側）に配置する構成としたが、冷却風Ｗｉに対して、チョッパ１０４がコンバータ１０２の上流側（風上側）に配置する構成とすることも可能である。

また、上述した例は、本発明を無停電電力変換装置に適用した場合の例であるが、無停電電力変換装置に限らず、例えば、汎用インバータシステム、エレベータシステム、太陽光発電システム等に用いられる電力変換装置のように、複数の運転状態を有する電力変換装置に適用することができる。

太陽光発電システムに適用される場合は、日中の太陽光発電が可能な場合は、チョッパ１０４とインバータ１０３とが駆動され、夜間等の太陽光発電が不可能な場合は、コンバータ１０２とインバータ１０３とが駆動される。

また、上述した例は、コンバータ１０２と、インバータ１０３と、チョッパ１０４とを備える例であるが、本発明は、コンバータ１０２と、チョッパ１０４を備えるが、インバータ１０３を省略した電力変換装置にも適用可能である。

つまり、商用電力をコンバータ１０２により、直流電力に変換し、直流電力を消費する負荷に供給し、蓄電池１０７の直流電力をチョッパ１０４により変換し、直流電力を消費する負荷に供給する電力変換装置にも本発明は適用可能である。

この場合、第１の電力変換部は、コンバータ１０２となり、第２の電力変換部チョッパ１０４となる。

２１・・・上アームのスイッチング素子、 ２２・・・下アームのスイッチング素子、 ２３・・・上アームの整流素子、 ２４・・・下アームの整流素子、 ２５、２６、６００、６０１、６０２、２０００、２１００・・・コンデンサ、 ３０・・・パワーデバイス、 ３０Ｈ・・・上アームデバイス、 ３０Ｌ・・・下アームデバイス、 ４０・・・冷却フィン、 １００・・・電力変換装置、 １００Ｂ・・・主回路基板、 １０２・・・コンバータ、 １０３・・・インバータ、 １０４・・・チョッパ、 １０５・・・上位制御回路、 １０６・・・商用電源、 １０７・・・蓄電池、 １０８・・・負荷、 １１０・・・冷却ファン、 １２０・・・筐体、 ２０１、２０２、２０３、３０１、３０２、３０３・・・ハーフブリッジ回路、 ２０４・・・コンバータ制御部、 ３０４・・・インバータ制御部、 ４０５・・・チョッパ制御部、 ４０６、５００、７００、８００・・・リアクトル、 ８００Ｂ・・・リアクトル基板、 ９００・・・風向板、 ９００Ａ・・・開口部、 １０００・・・基板、 １０２１、１０２２、１０２３、１０３１、１０３２、１０３３、１０４１、１０４２・・・配線、 ２０００Ｎ・・・Ｎ極、 ３０００Ｐ・・・Ｐ極、 ４０００Ｌ・・・中間電位配線、 ５０００ＧＬ１〜５０００ＧＬ４・・・ゲートドライブ配線、 ５０００ＭＬ１・・・ＡＣ配線、５０００ＭＬ２・・・Ｐ極配線、 ５０００ＭＬ３・・・Ｎ極配線、５０００ＭＬ４・・・ＡＣ中間電位配線、 ６０００・・・ゲートドライブＩＣ、 ６１００・・・リード、 ６２００・・・ビア、Ｗｉ・・・風向

Claims (10)

1. 第１の電力変換部と、
   上記第１の電力変換部を冷却する第１の冷却フィンと、
   第２の電力変換部と、
   上記第２の電力変換部を冷却する第２の冷却フィンと、
   冷却風を発生する冷却装置と、
   を備え、少なくとも第１の運転状態と第２運転状態を有し、上記第１の運転状態では、上記第１の電力変換部の発熱量は、上記第２の電力変換部の発熱量より大であり、上記第２運転状態では、上記第１の電力変換部の発熱量は、上記第２の電力変換部の発熱量より小であり、上記第１の冷却フィンの一部と上記第２の冷却フィンとは、上記冷却装置が発生する冷却風の風向に対して、互いに直列に配置され、
   上記第１の電力変換部は、交流電源の交流電力を直流電力に変換するコンバータを有し、上記第２の電力変換部は、直流電源の直流電力を所定の直流電力に変換するチョッパを有し、少なくとも、上記コンバータの冷却フィンと上記チョッパの冷却フィンとが上記冷却装置が発生する冷却風の風向に対して、互いに直列に配置され、
   上記コンバータは、上記冷却風に対して、上記チョッパの風上側に配置され、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる三相のコンバータであリ、第１のＵ相パワーデバイス及び上記第１のＵ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記の第１のＵ相パワーデバイスを駆動する第１のＵ相ゲートドライブ回路と、第１のＶ相パワーデバイス及び上記第１のＶ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記第１のＶ相パワーデバイスを駆動する第１のＶ相ゲートドライブ回路と、第１のＷ相パワーデバイス及び上記第１のＷ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記第１のＷ相パワーデバイスを駆動する第１のＷ相ゲートドライブ回路と、を有し、上記第１のＵ相ゲートドライブ回路と上記第１のＶ相ゲートドライブ回路とは互いに対向して配置され、上記第１のＶ相ゲートドライブ回路と上記第１のＷ相ゲートドライブ回路とは互いに対向して配置されることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   上記コンバータが変換した直流電力及び上記チョッパが変換した直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、該インバータは冷却フィンを有し、上記コンバータの冷却フィンと上記インバータの冷却フィンとは上記冷却装置が発生する上記冷却風の風向に対して、互いに並列に配置され、
   上記インバータは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる三相のインバータであり、第２のＵ相パワーデバイス及び上記第２のＵ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記第２のＵ相パワーデバイスを駆動する第２のＵ相ゲートドライブ回路と、第２のＶ相パワーデバイス及び上記第２のＶ相パワーデバイスの近傍に配置され上記第２のＶ相パワーデバイスを駆動する第２のＶ相ゲートドライブ回路と、第２のＷ相パワーデバイス及び上記第２のＷ相パワーデバイスの近傍に配置され、上記第２のＷ相パワーデバイスを駆動する第２のＷ相ゲートドライブ回路とを有し、上記第２のＵ相ゲートドライブ回路と上記第２のＶ相ゲートドライブ回路とは互いに対向して配置され、上記第２のＶ相ゲートドライブ回路と上記第２のＷ相ゲートドライブ回路とは互いに対向して配置されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   上記コンバータ及び上記インバータに接続されるＤＣリンクコンデンサと、リアクトルとを備え、上記ＤＣリンクコンデンサは、上記冷却風に対して、上記コンバータの風上側に配置され、上記リアクトルは、上記冷却風に対して、上記チョッパの風下側に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   上記コンバータと上記チョッパとの間に開口部を有する風向板を備え、上記開口部は、上記コンバータの上記冷却フィン及び上記チョッパの上記冷却フィンとが上記冷却風の風向に対して直列して配置される方向に対して開口されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   上記インバータの複数の上記パワーデバイス及び複数の上記ゲートドライブ回路のうちの一部が、上記インバータの他の上記パワーデバイス及び上記ゲートドライブ回路に対してオフセット配置されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   上記コンバータの上記交流電源に接続される第１のＡＣフィルタコンデンサと、上記インバータの出力側に接続される第２のＡＣフィルタコンデンサとを備え、上記ＤＣリンクコンデンサは互いに直列に接続された２つのコンデンサであり、これら２つのコンデンサの互いの接続点と、上記第１のＡＣフィルタコンデンサ及び上記第２のＡＣフィルタコンデンサとが接続されていることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   上記コンバータ及び上記インバータの配線と、上記チョッパの配線及び中間電極配線と、正極配線と、Ｎ配線とは、多層配線により構成されることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   上記コンバータ及び上記チョッパのそれぞれにて、複数の上記パワーデバイスのうちの一部の下アームデバイスが互いに対向して配置されることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   上記ＤＣリンクコンデンサは、複数のコンデンサを有し、これら複数のコンデンサは、千鳥配置されていることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項３又は９に記載の電力変換装置において、
    上記ＤＣリンクコンデンサ、上記コンバータ、上記チョッパは主回路基板に搭載され、上記リアクトルはリアクトル基板に搭載されていることを特徴とする電力変換装置。

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