WO2014002263A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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refrigerant
heat pipe
frozen
power conversion
pipe cooler
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藤井　洋介
伸広 高橋
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Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device using a heat pipe cooler.
  • a semiconductor element is used as a switching element in a power conversion device.
  • As one of the cooling methods for this semiconductor element there is an effect that heat energy is transferred from a high temperature part to a low temperature part via a refrigerant liquid (hereinafter referred to as a refrigerant) enclosed in the heat pipe due to a temperature difference between both ends of the heat pipe.
  • a refrigerant liquid hereinafter referred to as a refrigerant
  • An object of the present invention is to provide a power conversion device that can start operation even when a refrigerant of a heat pipe cooler is frozen.
  • a power converter determines an electric circuit including a heat source, a heat pipe cooler in which the heat source is cooled and encapsulated with refrigerant, and whether the refrigerant is frozen. Freezing determining means, and output limiting means for limiting the output when the freezing determining means determines that the refrigerant is frozen.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the power supply system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram illustrating the configuration of the heat pipe cooler mounted on the power conversion device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the heat pipe cooler mounted on the power conversion device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram which shows the structure of the heat pipe cooler mounted in the power converter device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a power supply system 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of the heat pipe cooler 9 mounted on the power conversion device 1 according to the present embodiment.
  • the arrows shown in FIG. 2 indicate natural convection.
  • symbol is attached
  • the power supply system 10 includes a power conversion device 1, a control device 2, and a DC power supply 11.
  • the power supply system 10 is linked to an AC power system 15 having an AC power supply.
  • the DC power supply 11 supplies DC power to the power conversion device 1.
  • the DC power supply 11 may be anything as long as it can supply DC power to the power conversion device 1.
  • the DC power source 11 is a secondary battery, a photovoltaic (PV, photovoltaic) cell (solar cell), a fuel cell, or the like.
  • the power converter 1 converts the DC power supplied from the DC power supply 11 into AC power synchronized with the AC power system 15.
  • the power conversion device 1 supplies AC power to the AC power system 15.
  • the control device 2 outputs the gate signal GT to the inverter circuit 3 to control the AC power output from the power conversion device 1.
  • the interconnection transformer 12 is built in the power conversion device 1 or arranged outside the power conversion device 1.
  • the interconnection transformer 12 is a device for linking AC power output from the inverter circuit 3 through the AC filter 5 to the AC power system 15.
  • the alternating current detector 13 is a detector for measuring the output current Iiv of the power conversion device 1.
  • the alternating current detector 13 outputs the detected output current Iiv to the control device 2 as a detection signal.
  • the alternating current detector 13 is provided inside the power conversion device 1.
  • the AC current detector 13 is disposed on the electric path between the interconnection transformer 12 and the AC power system 15.
  • the AC current detector 13 is arranged in an electric circuit between the AC filter 5 and the interconnection transformer 12.
  • the AC voltage detector 14 is a detector for measuring the output voltage Vr of the power conversion device 1.
  • the AC voltage detector 14 outputs the detected output voltage Vr of the power conversion device 1 to the control device 2 as a detection signal.
  • the power converter 1 includes an inverter circuit 3, a smoothing capacitor 4, an AC filter 5, a DC voltage detector 6, a DC current detector 7, a temperature sensor 8, a heat pipe cooler 9, an AC current detector 13, and an AC voltage detection.
  • a container 14 is provided.
  • the power converter device 1 may be provided with the interconnection transformer 12.
  • the inverter circuit 3 includes a semiconductor element 31 that is a switching element.
  • the inverter circuit 3 is an electric circuit controlled by PWM (Pulse Width Modulation, Pulse Width Modulation).
  • PWM Pulse Width Modulation, Pulse Width Modulation
  • the switching element is driven (switched) by the gate signal Gt output from the control device 2. Thereby, the inverter circuit 3 performs power conversion.
  • the smoothing capacitor 4 is provided on the DC side of the inverter circuit 3.
  • the smoothing capacitor 4 smoothes a DC voltage that varies due to the driving of the switching element of the inverter circuit 3.
  • the AC filter 5 is a filter circuit composed of a reactor 51 and a capacitor 52.
  • the AC filter 5 removes harmonics output from the inverter circuit 3.
  • the DC voltage detector 6 is a detector for measuring the DC voltage Vdc applied to the DC side of the inverter circuit 3.
  • the DC voltage detector 6 outputs the detected DC voltage Vdc to the control device 2 as a detection signal.
  • the DC current detector 7 is a detector for measuring the DC current Idc input to the DC side of the inverter circuit 3.
  • the DC current detector 7 outputs the detected DC current Idc to the control device 2 as a detection signal.
  • the temperature sensor 8 is provided in the vicinity of the radiation fin 93 or near the radiation fin 93 of the heat pipe cooler 9 for cooling the semiconductor element 31 constituting the inverter circuit 3.
  • the heat pipe cooler 9 has a lower temperature in the upper part where the radiation fins 93 are provided. Therefore, it is desirable that the temperature sensor 8 be provided on the side of the heat dissipating fin 93 where the refrigerant is easily frozen.
  • the temperature sensor 8 detects a temperature Td for determining whether or not the refrigerant sealed in the heat pipe cooler 9 is frozen.
  • the temperature sensor 8 outputs the detected temperature to the control device 2 as a detection signal.
  • the heat pipe cooler 9 includes a base plate 91, a heat pipe 92, and a plurality of radiating fins 93.
  • the heat pipe cooler 9 cools the semiconductor element 31 that is a heat source constituting the inverter circuit 3.
  • the semiconductor element 31 is joined to the base plate 91.
  • the heat pipe 92 is inserted so that the lower part is buried in the base plate 91.
  • a volatile liquid refrigerant is sealed inside the heat pipe 92.
  • the refrigerant is pure water, a liquid in which a chemical component for preventing freezing is mixed in pure water, or a chemical substance such as chlorofluorocarbon.
  • a plurality of heat radiating fins 93 are provided on the upper portion of the heat pipe 92.
  • the base plate 91 absorbs heat generated from the semiconductor element 31.
  • the base plate 91 conducts the heat absorbed from the semiconductor element 31 to the heat pipe 92.
  • the liquid refrigerant stored in the lower part (high temperature side) of the heat pipe 92 is heated by the heat conducted from the heat sink 91 and becomes vapor.
  • the vaporized refrigerant moves to the upper part (low temperature side) of the heat pipe 92 having a low temperature.
  • the vapor refrigerant is cooled by cooling the heat dissipating fins 93.
  • the cooling air warmed by cooling the heat radiating fins 93 is discharged to the outside from the heat radiating exhaust port EX provided in the upper part of the power conversion device 1.
  • EX heat radiating exhaust port
  • the control device 2 detects the output current Iiv of the power conversion device 1 detected by the AC current detector 13, the output voltage Vr of the power conversion device 1 detected by the AC voltage detector 14, and the DC voltage detector 6. Based on the DC voltage Vdc, the DC current Idc detected by the DC current detector 7, and the temperature Td detected by the temperature sensor 8, the output power of the power converter 1 is controlled.
  • the control device 2 includes a current command calculation unit 21, a limiter 22, a current control unit 23, a gate signal generation unit 24, and a frozen state determination unit 25.
  • the current command calculation unit 21 calculates a current command value Ir0 based on the output current Iiv, the output voltage Vr, the DC voltage Vdc, and the DC current Idc.
  • the current command value Ir0 is a command value for the output current Iiv of the inverter circuit 3.
  • the current command calculation unit 21 outputs the calculated current command value Ir0 to the limiter 22.
  • the frozen state determination unit 25 determines whether or not the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is frozen based on the temperature Td detected by the temperature sensor 8.
  • the state in which the refrigerant is frozen means a state in which the heat pipe cooler 9 cannot sufficiently exhibit the cooling function.
  • a maximum temperature at which it is determined that the refrigerant is frozen is preset as a reference temperature.
  • the frozen state determination unit 25 determines that the refrigerant is frozen when the temperature Td detected by the temperature sensor 8 is lower than a preset reference temperature.
  • the frozen state determination unit 25 determines that the refrigerant is not frozen when the temperature Td detected by the temperature sensor 8 is higher than a preset reference temperature.
  • the frozen state determination unit 25 determines that the refrigerant is frozen, the frozen state determination unit 25 outputs a signal for limiting the current command value Ir0 calculated by the current command calculation unit 21 to the limiter 22. When it is determined that the refrigerant is not frozen, the frozen state determination unit 25 outputs a signal to the limiter 22 so as not to limit the current command value Ir0 calculated by the current command calculation unit 21. Note that the frozen state determination unit 25 may not output any signal either in the case where the limiter 22 limits or in the case where the limiter 22 does not limit.
  • the maximum current value that can be output when the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is frozen is set as the upper limit value.
  • the maximum current value that can be output is the maximum output current value of the inverter circuit 3 in which the heat pipe cooler 9 in which the refrigerant is frozen can sufficiently cool the semiconductor element 31 constituting the inverter circuit 3. .
  • the maximum current value that can be output is the maximum current value that the inverter circuit 3 can continue to output without causing the semiconductor element 31 to be destroyed by overheating in the heat pipe cooler 9 in which the refrigerant is frozen. is there.
  • the limiter 22 limits the current command value Ir0 calculated by the current command calculation unit 21 with the set upper limit value.
  • the limiter 22 outputs the limited current command value Ir1 to the current control unit 23.
  • the limiter 22 determines that the refrigerant is not frozen by the frozen state determination unit 25, the limiter 22 supplies a current command value Ir 1 that does not limit the current command value Ir 0 calculated by the current command calculation unit 21 to the current control unit 23. Output.
  • the current command value Ir1 output from the limiter 22 is the same as the current command value Ir0 calculated by the current command calculation unit 21.
  • the current command value Ir ⁇ b> 1 is input to the current control unit 23 from the current command calculation unit 21 via the limiter 22.
  • the current control unit 23 calculates a voltage command value Vivr for controlling the output current Iiv so that the output current of the inverter circuit 3 follows the current command value Ir1.
  • the voltage command value Vivr is a command value for the output voltage of the inverter circuit 3.
  • the current control unit 23 outputs the calculated voltage command value Vivr to the gate signal generation unit 24.
  • the gate signal generator 24 generates the gate signal Gt based on the voltage command value Vivr calculated by the current controller 23.
  • the gate signal generation unit 24 outputs the generated gate signal Gt to the inverter circuit 3.
  • the gate signal Gt drives the switching element of the inverter circuit 3. Thereby, the output voltage of the inverter circuit 3 is controlled.
  • the base plate 91 is provided and can be cooled to some extent. Moreover, since the inside of the power converter 1 is in a low temperature state that the refrigerant freezes, it can be suppressed to a temperature lower than the allowable temperature of the semiconductor element 31 of the inverter circuit 3.
  • the power converter 1 determines whether or not the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is frozen, and when it is determined that the refrigerant is frozen, the upper limit of the current command value Ir1 is limited by the limiter 22. Thus, even if the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is frozen, it can be safely operated.
  • the power conversion device 1 is suitable for a power conversion device that requires a quick start even with a small output, such as a power conditioner for photovoltaic power generation (PCS, “Power Conditioning System”).
  • the heat pipe cooler 9 is warmed by various devices mounted on the semiconductor element 31 or the power conversion device 1, so that the refrigerant is thawed.
  • the power conversion device 1 uses the temperature sensor 8 to detect that the refrigerant has been thawed, thereby releasing the restriction on the current command value Ir1 by the limiter 22. Thereby, the power converter device 1 can switch to the normal driving
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration of the heat pipe cooler 9 mounted on the power conversion device 1A according to the second embodiment of the present invention.
  • the arrows shown in FIG. 3 indicate natural convection.
  • This embodiment is the same as the first embodiment except that the power conversion device 1 according to the first embodiment shown in FIG. 2 is replaced with the power conversion device 1A shown in FIG.
  • the power converters 1 which concern on 1st Embodiment shown in FIG. 2, arrange
  • the power conversion device 1 ⁇ / b> A has the same configuration as the power conversion device 1 according to the first embodiment.
  • the reactor 51 is provided on the windward side of the natural convection that flows from the lower part to the upper part generated in the power converter 1 with respect to the heat pipe cooler 9.
  • the reactor 51 serves as a heat source for heating the heat pipe cooler 9.
  • the partition plate DV is provided to partition between the semiconductor element 31 that is a heat generation source and the reactor 51 in order to classify the degree of air pollution.
  • the operation is initially performed with the current command value Ir1 limited by the limiter 22.
  • the reactor 51 is heated by the current output from the inverter circuit 3. As the air heated by the heating of the reactor 51 rises, convection occurs from the lower part to the upper part of the power converter 1A.
  • the heat pipe cooler 9 provided above the reactor 51 is warmed by the convection of the warmed air. When the heat pipe cooler 9 is warmed, thawing of the frozen refrigerant enclosed is promoted.
  • the temperature of the air heated by the heat generated by the reactor 51 is sufficiently smaller than the temperature of the semiconductor element 31. Therefore, even the air warmed by the reactor 51 has little influence on the effect of cooling the radiating fins 93 of the heat pipe cooler 9.
  • the reactor 51 By disposing the reactor 51 on the convection of the air generated inside the power conversion device 1 so as to heat the heat pipe cooler 9, the thawing of the frozen refrigerant in the heat pipe cooler 9 is promoted. be able to.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of the heat pipe cooler 9 mounted on the power conversion device 1B according to the third embodiment of the present invention.
  • the arrows shown in FIG. 4 indicate natural convection.
  • This embodiment is the same as the second embodiment except that the power conversion device 1A according to the second embodiment shown in FIG. 3 is replaced with the power conversion device 1B shown in FIG.
  • the power conversion device 1B is a power conversion device 1A according to the second embodiment shown in FIG. 3, in which a shutter 16 is provided so as to close the exhaust port EX.
  • the power conversion device 1B has the same configuration as the power conversion device 1A according to the second embodiment.
  • the shutter 16 is a bimetal shutter that opens and closes the exhaust port EX according to the temperature inside the power conversion device 1B.
  • a bimetal shutter is a device that automatically opens and closes according to temperature using two kinds of metals having different coefficients of thermal expansion. The shutter 16 closes the exhaust port EX at a temperature at which the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is estimated to be frozen, and the exhaust port at a temperature at which the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is estimated not to be frozen. Free EX.
  • the operation is initially performed with the current command value Ir1 restricted by the limiter 22.
  • various devices including the reactor 51 mounted inside the power conversion device 1B generate heat. Thereby, the internal temperature of power converter device 1B rises.
  • warmed air tends to exit from the exhaust port EX.
  • the shutter 16 blocks the exhaust port EX, so that heat is not radiated. Accordingly, the internal temperature of the power conversion device 1B further increases. Thereby, the thawing
  • the shutter 16 opens the exhaust port EX. Thereby, the inside of power converter 1B is radiated.
  • the power conversion device 1B releases the restriction on the current command value Ir1 by the limiter 22. Thereby, the power converter device 1 ⁇ / b> B switches to a normal operation that is not limited by the limiter 22.
  • the power conversion devices 1 to 1B are not limited to the configuration described.
  • the control device 2 is described as a configuration different from the power conversion devices 1 to 1B. However, the control device 2 may be incorporated in the power conversion devices 1 to 1B.
  • the power supply system 10 may not include the interconnection transformer 12. Regardless of the presence or absence of the interconnection transformer 12, the power conversion devices 1 to 1B may be provided with either an interconnection transformer or an interconnection reactor, or both. These interconnection transformers and interconnection reactors may be integrated with the reactor 51 of the AC filter 5.
  • the AC voltage detector 14 may be provided anywhere as long as the system voltage Vr of the system bus 15 can be measured.
  • a chopper circuit for adjusting a DC voltage or a DC reactor may be provided on the DC side of the power conversion devices 1 to 1B.
  • the temperature sensor 8 is provided on the heat radiation fin 93, but may be provided anywhere on the power conversion device 1.
  • the temperature sensor 8 may be provided on the heat sink 91. That is, the temperature sensor 8 only needs to be able to measure a temperature at which it can be determined whether or not the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is frozen.
  • the temperature sensor 8 does not necessarily need to measure temperature.
  • the temperature sensor 8 may simply output a contact signal indicating whether the temperature of the refrigerant in the heat pipe cooler 9 is higher or lower than the freezing temperature.
  • the power conversion devices 1 to 1B have been described as performing natural air cooling by natural convection, but forced air cooling using a cooling fan may be employed.
  • forced air cooling using a cooling fan
  • the power converters 1 to 1B using forced air cooling can be configured in the same manner.
  • the limit of the current command value Ir0 by the limiter 22 may be limited stepwise or proportionally according to the temperature. The same applies to the restriction release of the current command value Ir0 by the limiter 22 after the refrigerant has been thawed.
  • the output current of the power converters 1 to 1B is limited, but the output from the power converters 1 to 1B May be limited by an electric quantity other than current such as output power or output voltage.
  • the power conversion devices 1 to 1B have been described as inverters that convert DC power into AC power, but may be converters that convert AC power into DC power. Moreover, when the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is frozen with a converter, the output on the DC side may be limited.
  • the reactor 51 is used as a heat source, but the present invention is not limited to this. It is a device that constitutes an electric circuit (inverter circuit 3), generates heat by the operation of the power conversion devices 1A and 1B, and does not hinder the cooling function of the heat pipe cooler 9 after the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is thawed. Anything that generates heat may be used.
  • an interconnection transformer or an interconnection reactor may be mounted on the power conversion devices 1A and 1B, and these may be used as a heat source.
  • the reactor 51 is arranged to warm the refrigerant of the heat pipe cooler 9 and the shutter 16 is provided at the exhaust port EX.
  • the arrangement of the reactor 51 may not be considered. Even by providing the shutter 16, the thawing of the frozen refrigerant can be promoted.
  • the shutter 16 is a bimetal shutter, but is not limited thereto. Any device may be used as long as the refrigerant closes the exhaust port EX at a temperature at which the refrigerant of the heat pipe cooler 9 is frozen.
  • the exhaust port EX itself may have such a blocking function.
  • it is not limited to the one that opens and closes itself such as a bimetal shutter, but may be a device that opens and closes in response to a signal from a temperature sensor or the like.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
  • constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

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Description

電力変換装置
　本発明は、ヒートパイプ冷却器を用いた電力変換装置に関する。
　一般に、電力変換装置には、スイッチング素子として半導体素子が用いられる。この半導体素子の冷却方法の一つとして、ヒートパイプ両端の温度差により、熱エネルギーがヒートパイプに封入された冷媒液（以下、冷媒という。）を介して高温部から低温部へ移動する作用を利用して冷却するヒートパイプ冷却器を用いた冷却方法が知られている。
　ヒートパイプ冷却器を寒冷地域の屋外などの寒冷環境下で用いる場合、ヒートパイプ内の低温側温度が冷媒凝固点以下になると低温側の冷媒が凍結する。ヒートパイプ冷却器は、冷媒が凍結すると、熱エネルギーの移動が著しく妨げられ、十分に冷却効果を発揮することができない。従って、ヒートパイプ冷却器の冷媒が凍結した状態で、電力変換装置を運転した場合、半導体素子が十分に冷却できずに、許容温度超過で破壊する恐れがある。このため、ヒートパイプの冷媒を凍結させないように様々な工夫がなされている。この工夫の一例としてヒートパイプ冷却器にヒータを取り付けた電力変換装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
　しかし、ヒートパイプ冷却器にヒータを取り付けた電力変換装置では、運転中におけるヒートパイプ冷却器の冷却能力が低下するため、ヒータにより冷媒が解凍するまで、運転することができない。
特開平６－２７６７４２号公報
　本発明の目的は、ヒートパイプ冷却器の冷媒が凍結していても、運転開始することのできる電力変換装置を提供することにある。
　本発明の観点に従った電力変換装置は、発熱源を含む電気回路と、前記発熱源を冷却し、冷媒が封入されたヒートパイプ冷却器と、前記冷媒が凍結しているか否かを判定する凍結判定手段と、前記凍結判定手段により前記冷媒が凍結していると判定された場合、出力を制限する出力制限手段とを備える。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力供給システムの構成を示す構成図である。 図２は、第１の実施形態に係る電力変換装置１に実装されたヒートパイプ冷却器の構成を示す構成図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置に実装されたヒートパイプ冷却器の構成を示す構成図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置に実装されたヒートパイプ冷却器の構成を示す構成図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力供給システム１０の構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係る電力変換装置１に実装されたヒートパイプ冷却器９の構成を示す構成図である。図２中に示す矢印は、自然対流を示している。なお、図中における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
　電力供給システム１０は、電力変換装置１、制御装置２、及び直流電源１１を備える。電力供給システム１０は、交流電源を備える交流電力系統１５に連系する。
　直流電源１１は、電力変換装置１に直流電力を供給する。直流電源１１は、電力変換装置１に直流電力を供給できるものであれば何でも良い。例えば、直流電源１１は、２次電池、光起電力(PV, photovoltaic）セル（太陽電池）、又は燃料電池などである。
　電力変換装置１は、直流電源１１から供給される直流電力を交流電力系統１５と同期する交流電力に変換する。電力変換装置１は、交流電力系統１５に交流電力を供給する。
　制御装置２は、インバータ回路３にゲート信号ＧＴを出力して、電力変換装置１から出力される交流電力を制御する。
　連系トランス１２は、電力変換装置１に内蔵されるか、又は電力変換装置１の外部に配置される。連系トランス１２は、インバータ回路３から、交流フィルタ５を介して出力される交流電力を交流電力系統１５に連系させるための機器である。
　交流電流検出器１３は、電力変換装置１の出力電流Ｉｉｖを計測するための検出器である。交流電流検出器１３は、検出した出力電流Ｉｉｖを制御装置２に検出信号として出力する。交流電流検出器１３は、電力変換装置１の内部に設けられている。連系トランス１２が電力変換装置１に内蔵される場合は、交流電流検出器１３は、連系トランス１２と交流電力系統１５との間の電路に配置する。連系トランス１２が電力変換装置１の外部に配置される場合は、交流電流検出器１３は、交流フィルタ５と連系トランス１２との間の電路に配置する。
　交流電圧検出器１４は、電力変換装置１の出力電圧Ｖｒを計測するための検出器である。交流電圧検出器１４は、検出した電力変換装置１の出力電圧Ｖｒを制御装置２に検出信号として出力する。
　電力変換装置１は、インバータ回路３、平滑コンデンサ４、交流フィルタ５、直流電圧検出器６、直流電流検出器７、温度センサ８、ヒートパイプ冷却器９、交流電流検出器１３、及び交流電圧検出器１４を備える。また、電力変換装置１は、連系トランス１２を備える場合もある。
　インバータ回路３は、スイッチング素子である半導体素子３１で構成されている。インバータ回路３は、ＰＷＭ(パルス幅変調, Pulse Width Modulation)制御される電気回路である。インバータ回路３は、制御装置２から出力されるゲート信号Ｇｔによりスイッチング素子が駆動（スイッチング）される。これにより、インバータ回路３は、電力変換を行う。
　平滑コンデンサ４は、インバータ回路３の直流側に設けられている。平滑コンデンサ４は、インバータ回路３のスイッチング素子の駆動により変動する直流電圧を平滑化する。
　交流フィルタ５は、リアクトル５１及びコンデンサ５２で構成されたフィルタ回路である。交流フィルタ５は、インバータ回路３から出力される高調波を除去する。
　直流電圧検出器６は、インバータ回路３の直流側に印加される直流電圧Ｖｄｃを計測するための検出器である。直流電圧検出器６は、検出した直流電圧Ｖｄｃを制御装置２に検出信号として出力する。
　直流電流検出器７は、インバータ回路３の直流側に入力される直流電流Ｉｄｃを計測するための検出器である。直流電流検出器７は、検出した直流電流Ｉｄｃを制御装置２に検出信号として出力する。
　温度センサ８は、インバータ回路３を構成する半導体素子３１を冷却するためのヒートパイプ冷却器９の放熱フィン９３側又は放熱フィン９３の近傍に設けられている。ヒートパイプ冷却器９は、放熱フィン９３が設けられている上部の方が低温になる。従って、温度センサ８は、冷媒が凍結し易い放熱フィン９３側に設けることが望ましい。温度センサ８は、ヒートパイプ冷却器９に封入されている冷媒が凍結しているか否かを判定するための温度Ｔｄを検出する。温度センサ８は、検出した温度を制御装置２に検出信号として出力する。
　ヒートパイプ冷却器９は、ベース板９１、ヒートパイプ９２、及び複数の放熱フィン９３を備えている。ヒートパイプ冷却器９は、インバータ回路３を構成する発熱源である半導体素子３１を冷却する。
　ベース板９１には、半導体素子３１が接合されている。ヒートパイプ９２は、下部がベース板９１に埋まるように挿し込まれている。ヒートパイプ９２の内部には、揮発性の液体冷媒が封入されている。冷媒は、純水、凍結を防止するための化学成分が純水に混入された液体、又はフロン等の化学物質などである。ヒートパイプ９２の上部には、複数の放熱フィン９３が設けられている。
　次に、ヒートパイプ冷却器９により半導体素子３１が冷却される原理について説明する。
　ベース板９１は、半導体素子３１から発生した熱を吸収する。ベース板９１は、半導体素子３１から吸収した熱をヒートパイプ９２に伝導させる。このとき、ヒートパイプ９２の下部(高温側)に溜まっている液体状態の冷媒は、ヒートシンク９１から伝導した熱により温められて、蒸気になる。蒸気になった冷媒は、温度の低いヒートパイプ９２の上部(低温側)に移動する。
　温められた蒸気状態の冷媒がヒートパイプ９２の上部(低温側)に移動すると、ヒートパイプ９２の上部の温度(低温側)が周囲の温度より高くなる。ヒートパイプ９２の上部の温度が周囲の温度より高くなると、ヒートパイプ９２の上部(低温側)に設けられた放熱フィン９３から熱エネルギーが放出される。
　蒸気状態の冷媒は、放熱フィン９３が冷却されることにより、冷却される。放熱フィン９３を冷却することにより温められた冷却風は、電力変換装置１の上部に設けられた放熱用の排気口ＥＸから外部に排出される。冷媒は、冷却されると、蒸気から液体に戻る。液体に戻った冷媒は、温度差によりヒートパイプ９内部を伝わり、ヒートパイプ９２の上部(低温側)からヒートパイプ９２の下部(高温部)に戻る。これらの一連の動作を繰り返すことにより、ヒートパイプ冷却器９は、半導体素子３１を冷却する。
　制御装置２は、交流電流検出器１３により検出された電力変換装置１の出力電流Ｉｉｖ、交流電圧検出器１４により検出された電力変換装置１の出力電圧Ｖｒ、直流電圧検出器６により検出された直流電圧Ｖｄｃ、直流電流検出器７により検出された直流電流Ｉｄｃ、温度センサ８により検出された温度Ｔｄに基づいて、電力変換装置１の出力電力を制御する。
　制御装置２は、電流指令演算部２１、リミッタ２２、電流制御部２３、ゲート信号生成部２４、及び凍結状態判定部２５を備えている。
　電流指令演算部２１は、出力電流Ｉｉｖ、出力電圧Ｖｒ、直流電圧Ｖｄｃ、及び直流電流Ｉｄｃに基づいて、電流指令値Ｉｒ０を演算する。電流指令値Ｉｒ０は、インバータ回路３の出力電流Ｉｉｖに対する指令値である。電流指令演算部２１は、演算した電流指令値Ｉｒ０をリミッタ２２に出力する。
　凍結状態判定部２５は、温度センサ８により検出された温度Ｔｄに基づいて、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結しているか否かを判定する。冷媒が凍結している状態とは、ヒートパイプ冷却器９が充分に冷却機能を発揮できない状態を意味する。凍結状態判定部２５には、冷媒が凍結していると判断される最高温度が基準温度として予め設定されている。凍結状態判定部２５は、温度センサ８により検出された温度Ｔｄが予め設定されている基準温度よりも低い場合、冷媒が凍結していると判定する。凍結状態判定部２５は、温度センサ８により検出された温度Ｔｄが予め設定されている基準温度よりも高い場合、冷媒が凍結していないと判定する。
　凍結状態判定部２５は、冷媒が凍結していると判定した場合、電流指令演算部２１により演算された電流指令値Ｉｒ０に制限を掛けるための信号をリミッタ２２に出力する。凍結状態判定部２５は、冷媒が凍結していないと判定した場合、電流指令演算部２１により演算された電流指令値Ｉｒ０に制限を掛けないための信号をリミッタ２２に出力する。なお、凍結状態判定部２５は、リミッタ２２による制限を掛ける場合又はリミッタ２２による制限を掛けない場合のいずれか一方で、何ら信号を出力しないようにしてもよい。
　リミッタ２２には、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結している場合に出力可能な最大電流値が上限値として設定されている。この出力可能な最大電流値とは、冷媒が凍結状態のヒートパイプ冷却器９が、インバータ回路３を構成する半導体素子３１を充分に冷却することのできるインバータ回路３の最大の出力電流値である。換言すれば、出力可能な最大電流値とは、冷媒が凍結状態のヒートパイプ冷却器９で、半導体素子３１が過熱による破壊をすることなく、インバータ回路３が出力し続けられる最大の電流値である。
　リミッタ２２は、凍結状態判定部２５により冷媒が凍結していると判定された場合、設定されている上限値で、電流指令演算部２１により演算された電流指令値Ｉｒ０を制限する。リミッタ２２は、制限した電流指令値Ｉｒ１を電流制御部２３に出力する。一方、リミッタ２２は、凍結状態判定部２５により冷媒が凍結していないと判定された場合、電流指令演算部２１により演算された電流指令値Ｉｒ０を制限しない電流指令値Ｉｒ１を電流制御部２３に出力する。この場合、リミッタ２２から出力される電流指令値Ｉｒ１は、電流指令演算部２１により演算された電流指令値Ｉｒ０と同じになる。
　電流制御部２３には、電流指令演算部２１からリミッタ２２介して電流指令値Ｉｒ１が入力される。電流制御部２３は、インバータ回路３の出力電流が電流指令値Ｉｒ１に追従するように、出力電流Ｉｉｖを制御するための電圧指令値Ｖｉｖｒを演算する。電圧指令値Ｖｉｖｒは、インバータ回路３の出力電圧に対する指令値である。電流制御部２３は、演算した電圧指令値Ｖｉｖｒをゲート信号生成部２４に出力する。
　ゲート信号生成部２４は、電流制御部２３により演算された電圧指令値Ｖｉｖｒに基づいて、ゲート信号Ｇｔを生成する。ゲート信号生成部２４は、生成したゲート信号Ｇｔをインバータ回路３に出力する。ゲート信号Ｇｔは、インバータ回路３のスイッチング素子を駆動させる。これにより、インバータ回路３の出力電圧が制御される。
　本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。
　ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結していても、ベース板９１が設けられており、ある程度冷却することができる。また、電力変換装置１の内部は冷媒が凍結する程の低温状態であることから、インバータ回路３の半導体素子３１の許容温度以下に抑えることができる。
　従って、電力変換装置１は、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結しているか否かを判定し、冷媒が凍結していると判定した場合は、電流指令値Ｉｒ１の上限をリミッタ２２により制限することで、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結状態でも、安全に運転することができる。このように、電力変換装置１は、太陽光発電用パワーコンディショナー(PCS, Power Conditioning System)のように、小さい出力でも早い起動が要求される電力変換装置に適している。
　また、運転開始後は、半導体素子３１又は電力変換装置１に実装されている各種機器などによりヒートパイプ冷却器９が温められことで、冷媒が解凍される。電力変換装置１は、温度センサ８を用いて冷媒が解凍されたことを検出することで、リミッタ２２による電流指令値Ｉｒ１の制限を解除する。これにより、電力変換装置１は、リミッタ２２による制限のない出力をする通常の運転に切り替えることができる。
（第２の実施形態）
　図３は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａに実装されたヒートパイプ冷却器９の構成を示す構成図である。図３中に示す矢印は、自然対流を示している。
　本実施形態は、図２に示す第１の実施形態に係る電力変換装置１を図３に示す電力変換装置１Ａに代えた点以外は、第１の実施形態と同様である。
　電力変換装置１Ａは、図２に示す第１の実施形態に係る電力変換装置１において、交流フィルタ５のリアクトル５１をヒートパイプ冷却器９の放熱フィン９３の下側に配置し、仕切り板ＤＶを設けたものである。その他の点は、電力変換装置１Ａは、第１の実施形態に係る電力変換装置１と同様の構成である。
　リアクトル５１は、ヒートパイプ冷却器９に対して、電力変換装置１の内部で発生する下部から上部に向けて流れる自然対流の風上に設けられている。リアクトル５１は、ヒートパイプ冷却器９を温めるための発熱源となる。
　仕切り板ＤＶは、空気の汚染度などを区分けするために、発熱源である半導体素子３１とリアクトル５１との間を仕切るために設けられている。
　次に、リアクトル５１の配置位置によるヒートパイプ冷却器９への作用について説明する。
　ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結している状態で、電力変換装置１を始動した場合、最初は、リミッタ２２による制限がされた電流指令値Ｉｒ１により運転される。電力変換装置１の始動後、インバータ回路３から出力される電流によりリアクトル５１が加熱する。リアクトル５１の加熱により温められた空気が上昇することで、電力変換装置１Ａの下部から上部に向かって対流が発生する。この温められた空気の対流により、リアクトル５１の上方に設けられたヒートパイプ冷却器９が温められる。ヒートパイプ冷却器９が温められることにより、封入されている凍結状態の冷媒の解凍が促進される。電力変換装置１Ａが、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が解凍されたと判定すると、リミッタ２２による電流指令値Ｉｒ１の制限が解除される。これにより、電力変換装置１Ａは、リミッタ２２による制限がされない通常の運転に切り替わる。
　ここで、リアクトル５１の発熱によって温められる空気の温度は、半導体素子３１の温度と比較すれば充分に小さい。従って、リアクトル５１により温められた空気でも、ヒートパイプ冷却器９の放熱フィン９３を冷却する効果にほとんど影響はない。
　本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
　ヒートパイプ冷却器９を加熱するように、リアクトル５１を電力変換装置１の内部で発生する空気の対流の風上に配置することで、ヒートパイプ冷却器９の凍結状態の冷媒の解凍を促進することができる。
　このように、ヒートパイプ冷却器９を加熱する機器として、リアクトル５１のように電気回路を構成する機器を用いることで、ヒータのような電力損失がなく、ヒータのようにヒートパイプ冷却器９の冷却機能を阻害するほどに加熱する恐れもない。
（第３の実施形態）
　図４は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置１Ｂに実装されたヒートパイプ冷却器９の構成を示す構成図である。図４中に示す矢印は、自然対流を示している。
　本実施形態は、図３に示す第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａを図４に示す電力変換装置１Ｂに代えた点以外は、第２の実施形態と同様である。
　電力変換装置１Ｂは、図３に示す第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａにおいて、排気口ＥＸを塞ぐようにシャッター１６を設けたものである。その他の点は、電力変換装置１Ｂは、第２の実施形態に係る電力変換装置１Ａと同様の構成である。
　シャッター１６は、電力変換装置１Ｂの内部の温度に応じて排気口ＥＸを開閉するバイメタルシャッターである。バイメタルシャッターは、熱膨張率の異なる２種類の金属を用いて、温度に応じて自動的に開閉する機器である。シャッター１６は、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結していると推定される温度では、排気口ＥＸを塞ぎ、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結していないと推定される温度では、排気口ＥＸを空ける。
　次に、シャッター１６によるヒートパイプ冷却器９への作用について説明する。
　ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結している状態で、電力変換装置１Ｂを始動した場合、最初は、リミッタ２２による制限がされた電流指令値Ｉｒ１により運転される。電力変換装置１Ｂの始動後、電力変換装置１Ｂの内部に実装されているリアクトル５１を含む各種機器が発熱する。これにより、電力変換装置１Ｂの内部温度が上昇する。電力変換装置１Ｂの内部温度が上昇すると、温められた空気が排気口ＥＸから出ようとする。
　電力変換装置１Ｂの内部温度がヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結する温度である場合、シャッター１６が排気口ＥＸを塞いでいるため、放熱されない。従って、電力変換装置１Ｂの内部温度は更に上昇する。これにより、ヒートパイプ冷却器９の冷媒の解凍が促進される。
　電力変換装置１Ｂの内部温度が上昇し、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が完全に解凍される温度に達すると、シャッター１６は、排気口ＥＸを開ける。これにより、電力変換装置１Ｂの内部は、放熱される。電力変換装置１Ｂは、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が解凍されたと判定すると、リミッタ２２による電流指令値Ｉｒ１の制限を解除する。これにより、電力変換装置１Ｂは、リミッタ２２による制限がされない通常の運転に切り替わる。
　本実施形態によれば、第２の実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
　電力変換装置１Ｂの内部温度がヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結する温度以下で、排気口ＥＸを塞ぐシャッター１６を設けることで、ヒートパイプ冷却器９の凍結状態の冷媒の解凍を促進することができる。
　なお、各実施形態において、電力変換装置１～１Ｂは説明した構成に限らない。各実施形態では、制御装置２を電力変換装置１～１Ｂと別の構成として説明したが、制御装置２は、電力変換装置１～１Ｂに組み込まれていてもよい。
　各実施形態において、電力供給システム１０に連系トランス１２が無くてもよい。電力変換装置１～１Ｂには、連系トランス１２の有無に関係なく、連系トランス又は連系リアクトルのいずれか一方が設けられていてもよいし、両方設けられていてもよい。これらの連系トランス及び連系リアクトルは、交流フィルタ５のリアクトル５１と一体化されていてもよい。交流電圧検出器１４は、系統母線１５の系統電圧Ｖｒを計測できれば、何処に設けてもよい。電力変換装置１～１Ｂの直流側に直流電圧を調整するチョッパ回路又は直流リアクトルが設けられていてもよい。
　各実施形態では、温度センサ８を放熱フィン９３に設けたが、電力変換装置１の何処に設けてもよい。例えば、温度センサ８は、ヒートシンク９１に設けてもよい。即ち、温度センサ８は、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結しているか否かを判定できる温度を測定できればよい。また、温度センサ８は、必ずしも温度を計測できなくてもよい。例えば、温度センサ８は、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結する温度よりも高いか低いかを示す接点信号を出力するだけでもよい。
　各実施形態において、電力変換装置１～１Ｂは、自然対流による自然風冷を行うものとして説明したが、冷却ファンを用いた強制風冷を採用してもよい。強制風冷により生じる対流を、自然風冷における自然対流と同様に考慮することで、強制風冷による電力変換装置１～１Ｂを同様に構成することができる。
　各実施形態において、リミッタ２２による電流指令値Ｉｒ０の制限は、温度に合わせて段階的又は比例的などで制限をしてもよい。また、冷媒の解凍後のリミッタ２２による電流指令値Ｉｒ０の制限解除についても同様である。
　各実施形態において、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結していると判定される場合に、電力変換装置１～１Ｂの出力電流を制限する構成としたが、電力変換装置１～１Ｂからの出力を制限するのであれば、出力電力又は出力電圧などの電流以外の電気量で制限してもよい。
　各実施形態では、電力変換装置１～１Ｂは、直流電力を交流電力に変換するインバータとして説明したが、交流電力を直流電力に変換するコンバータでもよい。また、コンバータによる構成で、ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結している場合に、直流側の出力を制限するようにしてもよい。
　第２の実施形態及び第３の実施形態では、発熱源としてリアクトル５１を用いたが、これに限らない。電気回路（インバータ回路３）を構成する機器であり、電力変換装置１Ａ，１Ｂの運転により発熱し、ヒートパイプ冷却器９の冷媒の解凍後、ヒートパイプ冷却器９の冷却機能を阻害しない程度に発熱するものであれば、何でもよい。例えば、連系トランス又は連系リアクトルを電力変換装置１Ａ，１Ｂに実装し、これらを発熱源としてもよい。
　第３の実施形態では、リアクトル５１をヒートパイプ冷却器９の冷媒を温めるように配置し、排気口ＥＸにシャッター１６を設けたが、リアクトル５１の配置は考慮しなくてもよい。シャッター１６を設けるだけでも、凍結状態の冷媒の解凍を促進することができる。
　第３の実施形態では、シャッター１６をバイメタルシャッターとしたが、これに限らない。ヒートパイプ冷却器９の冷媒が凍結する温度で、排気口ＥＸを塞ぐ機器であれば、何でも良い。排気口ＥＸ自身に、このような塞ぐ機能を持たせても良い。また、バイメタルシャッターのように自身で開閉するものに限らず、温度センサなどの信号に応じて開閉する機器でもよい。また、制御装置２に、このような機器に対して、開閉するための指令を出力する機能を持たせてもよい。
　なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
　本発明によれば、ヒートパイプ冷却器の冷媒が凍結していても、運転開始することのできる電力変換装置を提供することができる。

Claims (7)

  1. 　発熱源を含む電気回路と、
    　前記発熱源を冷却し、冷媒が封入されたヒートパイプ冷却器と、
    　前記冷媒が凍結しているか否かを判定する凍結判定手段と、
    　前記凍結判定手段により前記冷媒が凍結していると判定された場合、出力を制限する出力制限手段と
    を備えることを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記電気回路を構成する少なくとも一つの機器が前記ヒートパイプ冷却器を加熱するように配置されたこと
    を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記機器が前記ヒートパイプ冷却器に対して空気の対流の風上に配置されたこと
    を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記冷媒が凍結する温度以下の場合、熱を排出する排気口を塞ぐ開閉手段
    を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記開閉手段は、バイメタルシャッターであること
    を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 　発熱源を含む電気回路を備え、前記発熱源を冷媒が封入されたヒートパイプ冷却器により冷却する電力変換装置を制御する制御装置であって、
    　前記冷媒が凍結しているか否かを判定する凍結判定手段と、
    　前記凍結判定手段により前記冷媒が凍結していると判定された場合、出力を制限する出力制限手段と
    を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
  7. 　発熱源を含む電気回路を備え、前記発熱源を冷媒が封入されたヒートパイプ冷却器により冷却する電力変換装置を制御する制御方法であって、
    　前記冷媒が凍結しているか否かを判定し、
    　前記冷媒が凍結していると判定した場合、出力を制限すること
    を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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