JP2001169560A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP2001169560A
JP2001169560A JP34346099A JP34346099A JP2001169560A JP 2001169560 A JP2001169560 A JP 2001169560A JP 34346099 A JP34346099 A JP 34346099A JP 34346099 A JP34346099 A JP 34346099A JP 2001169560 A JP2001169560 A JP 2001169560A
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Osamu Usui
修 碓井
Takeshi Oi
健史 大井
Masaya Inoue
正哉 井上
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力変換装置の小型化、軽量化、低コスト化
を図る。 【解決手段】 絶縁部材１１上に半導体素子とこの半導
体素子が接合された配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃと
を備えた主回路部、及び上記主回路部を制御する制御回
路部よりなり、交流を直流に変換した後、任意の周波数
の交流に変換し、電動機を静止状態から商用周波数に同
期引入れできる回転数まで駆動する電力変換部、並びに
上記電動機が商用周波数に同期引入れできる回転数に到
達後、上記電動機の駆動を商用交流電源による駆動へ切
換える切換部を備えた電力変換装置であって、始動時に
おける上記半導体素子の温度上昇を、配線電極１０ａ，
１０ｂ，１０ｃまたは絶縁部材１１の熱容量によって抑
制する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電動機等の電気機器
を駆動する電力変換装置、特に、大きさ、重量等が小さ
く、低コストの電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１１は、例えば特開平９−３１２３７
６号公報に示された、従来の電動機を駆動する電力変換
装置の構成を示す断面構成図であり、三相電力変換装置
のうち、一相分の主要部を示している。図１１におい
て、１ａ，１ｂはそれぞれ正、負極側整流ダイオード素
子、２ａ，２ｂは整流ダイオード素子１ａ，１ｂのアノ
ード電極、３ａ，３ｂは整流ダイオード素子１ａ，１ｂ
のカソード電極、４ａ，４ｂはそれぞれ正、負極側のス
イッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ
Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素
子、５ａ，５ｂはＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂのエミッタ電
極、６ａ，６ｂはＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂのコレクタ電
極、７ａ，７ｂはそれぞれ正、負極側還流ダイオード素
子、８ａ，８ｂは還流ダイオード素子７ａ，７ｂのアノ
ード電極、９ａ，９ｂは還流ダイオード素子７ａ，７ｂ
のカソード電極、４０ａ，４０ｂ，４０ｃはそれぞれ銅
箔等からなる配線パターンであり、４０ａは負極側整流
ダイオード素子１ｂの配線パターン、４０ｂは正極側整
流ダイオード素子１ａと正極側ＩＧＢＴ素子４ａと正極
側還流ダイオード素子７ａの配線パターン、４０ｃは負
極側ＩＧＢＴ素子４ｂと負極側還流ダイオード素子７ｂ
の配線パターンである。４１は表面に銅箔等からなる配
線パターン４０ａ，４０ｂ，４０ｃが接合された高熱伝
導絶縁基板、４２はアルミニウムや銅等からなる放熱用
ベース板、４３はアルミニウムや銅等からなる放熱フィ
ン、１２は電力変換装置の入力端子、１３は電力変換装
置の出力端子、１４は整流ダイオード素子１ａ，１ｂの
アノード電極２ａ，２ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂのエ
ミッタ電極５ａ，５ｂ、及び還流ダイオード素子７ａ，
７ｂのアノード電極８ａ，８ｂへの電気配線であるアル
ミニウムワイヤ、１５は直流平滑用コンデンサ、１６は
整流ダイオード素子、ＩＧＢＴ素子、還流ダイオード素
子等からなる主回路部を駆動、保護するＩＣ（Ｉｎｔｅ
ｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の駆動回路や駆動回
路部品の電源回路からなる制御部、１７は制御部１６が
搭載された制御回路基板、１８は電力変換装置を構成す
る部品を収納する筐体である。整流ダイオード素子１
ａ，１ｂのカソード電極３ａ，３ｂ、還流ダイオード素
子７ａ，７ｂのカソード電極９ａ，９ｂ、及びＩＧＢＴ
素子４ａ，４ｂのコレクタ電極６ａ，６ｂはハンダ等に
より高熱伝導絶縁基板４１上の配線パターン４０ａ，４
０ｂ，４０ｃに接合される。更に、高熱伝導絶縁基板４
１は放熱用ベース板４２にハンダ等で接合され、放熱用
ベース板４２は放熱フィン４３にグリース等の高熱伝導
材を介して圧接される。また、整流ダイオード１ａ，１
ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７
ａ，７ｂ等からなる主回路部の周囲には、シリコンゲル
等の絶縁封止材が封止される。周波数設定等の外部指令
に基づいてＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂを駆動する制御部１
６を搭載した制御回路基板１７は、ＩＧＢＴ素子４ａ，
４ｂ等が搭載された高熱伝導絶縁基板４１の上部に配置
され、制御部とＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等の配線パター
ンやゲート配線電極との電気的配線はピン等でなされる
（図示せず）。
【０００３】このような構成の電力変換装置における回
路の代表例として、図１２に示す三相電力変換回路を示
す。図１２において、２０は三相商用交流電源、２２は
電動機である。
【０００４】次に、図１１、１２を使用して、電動機を
駆動する従来の電力変換装置の動作を説明する。入力端
子１２から供給された三相商用交流電圧は、整流ダイオ
ード１ａ，１ｂで整流され、直流平滑用コンデンサ１５
により、電圧変動の少ない直流電圧に変換された後、周
波数設定等の外部指令に基づいて、ＩＧＢＴ素子４ａ，
４ｂ、還流ダイオード素子７ａ，７ｂで必要な回転数に
応じた周波数に逆変換され、所定の周波数に変換された
交流電圧が、出力端子１３から電動機２２に供給され、
電動機２２が運転される。
【０００５】このように、従来の電力変換装置は電動機
２２の回転数を変える用途に使用され、電動機２２が一
定回転数の場合でも、運転中は常に電力変換装置から電
動機２２に電力を供給していた。このため、電動機２２
の運転時に電力変換装置内の整流ダイオード１ａ，１
ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７
ａ，７ｂでは常に損失による熱が発生していた。ＩＧＢ
Ｔ素子４ａ，４ｂ等の半導体素子は、熱による素子破壊
を防ぐため、許容接合温度（Ｔｊｍａｘ）以下に抑える
必要があり、従来の電力変換装置では、半導体素子の発
熱を高熱伝導基板４１、放熱用ベース板４２を介して、
放熱フィン４３から外部に放熱する設計とし、半導体素
子の温度上昇を抑制していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の電力変換装置
は、以上のように構成されており、連続的に電動機を駆
動するため、半導体素子の損失（発熱）が常に発生し、
これを放熱するために高熱伝導絶縁基板や放熱用ベース
板、放熱フィン、更に容量の大きい電動機を駆動する場
合には冷却ファンを取付けた構造であった。このため、
従来の電力変換装置は部品点数が多く、また重量、容積
が大きく、コストも高いという問題があった。
【０００７】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、電力変換装置の小型化、軽量
化、低コスト化を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
る電力変換装置は、基材上に半導体素子とこの半導体素
子が接合された配線電極とを備えた主回路部、及び上記
主回路部を制御する制御回路部よりなり、交流を直流に
変換した後、任意の周波数の交流に変換し、電動機を静
止状態から商用周波数に同期引入れできる回転数まで駆
動する電力変換部、並びに上記電動機が商用周波数に同
期引入れできる回転数に到達後、上記電動機の駆動を商
用交流電源による駆動へ切換える切換部を備えた電力変
換装置であって、上記電動機の始動時における上記半導
体素子の温度上昇を、上記配線電極または上記基材の熱
容量によって抑制するようにしたものである。
【０００９】また、この発明の第２の構成による電力変
換装置は、第１の構成において、電力変換部の外部入出
力端子が配線電極と一体化されて構成されたものであ
る。
【００１０】また、この発明の第３の構成による電力変
換装置は、第１または第２の構成において、基材が断熱
部材よりなるものである。
【００１１】また、この発明の第４の構成による電力変
換装置は、第１ないし第３のいずれかの構成において、
基材が電力変換部の筐体の一部であるものである。
【００１２】また、この発明の第５の構成による電力変
換装置は、第１ないし第３のいずれかの構成において、
基材が電力変換部の内部に収納されているものである。
【００１３】また、この発明の第６の構成による電力変
換装置は、第５の構成において、電力変換部は、基材の
一方の面に主回路部を、他方の面に制御回路部を備えた
ものである。
【００１４】また、この発明の第７の構成による電力変
換装置は、第１ないし第４のいずれかの構成において、
電力変換部の、基材以外の筐体面に電動機を取付ける構
成としたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態１を図を用いて説明する。図１は、本発明の実
施の形態１による三相電力変換装置のうち、一相分の電
力変換部の主要構成を示す断面構成図である。図１にお
いて、１ａ，１ｂはそれぞれ正、負極側整流ダイオード
素子、２ａ，２ｂは整流ダイオード素子１ａ，１ｂのア
ノード電極、３ａ，３ｂは整流ダイオード素子１ａ，１
ｂのカソード電極、４ａ，４ｂはそれぞれ正、負極側の
スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子、５ａ、５ｂはＩ
ＧＢＴ素子４ａ，４ｂのエミッタ電極、６ａ，６ｂはＩ
ＧＢＴ素子４ａ，４ｂのコレクタ電極、７ａ，７ｂはそ
れぞれ正、負極側還流ダイオード素子、８ａ，８ｂは還
流ダイオード素子７ａ，７ｂのアノード電極、９ａ，９
ｂは還流ダイオード素子７ａ，７ｂのカソード電極、１
０ａ，１０ｂ，１０ｃはそれぞれ銅等からなる配線電極
であり、１０ａは負極側整流ダイオード素子１ｂの配線
電極、１０ｂは正極側整流ダイオード素子１ａと正極側
ＩＧＢＴ素子４ａと正極側還流ダイオード素子７ａの配
線電極、１０ｃは負極側ＩＧＢＴ素子４ｂと負極側還流
ダイオード素子７ｂの配線電極である。１１は表面に銅
等からなる配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃが接合され
る絶縁部材（基材）、１２は電力変換装置の入力端子、
１３は電力変換装置の出力端子、１４は整流ダイオード
素子１ａ，１ｂのアノード電極２ａ，２ｂ、ＩＧＢＴ素
子４ａ，４ｂのエミッタ電極５ａ，５ｂ、及び還流ダイ
オード素子７ａ，７ｂのアノード電極８ａ，８ｂへの電
気配線であるアルミニウムワイヤ、１５は直流平滑用コ
ンデンサ、１６は整流ダイオード素子１ａ，１ｂ、ＩＧ
ＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７ａ，７ｂ等
からなる主回路部を駆動、保護するＩＣ等の駆動回路や
駆動回路部品の電源回路からなる制御部、１７は制御部
が搭載された制御回路基板、１８は電力変換装置を構成
する部品を収納する筐体である。整流ダイオード素子１
ａ，１ｂのカソード電極３ａ，３ｂ、還流ダイオード素
子７ａ，７ｂのカソード電極９ａ，９ｂ、及びＩＧＢＴ
素子４ａ，４ｂのコレクタ電極６ａ，６ｂはハンダ等に
より配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接合され、配線
電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃは接着剤等で絶縁部材１１
に固定される。また、整流ダイオード１ａ，１ｂ、ＩＧ
ＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７ａ，７ｂ等
からなる主回路部の周囲には、シリコンゲル等の絶縁封
止材が封止される。周波数設定等の外部指令に基づいて
ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂを駆動する制御部１６を搭載し
た制御回路基板１７は、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等が搭
載された絶縁部材１１の上部に配置され、制御部とＩＧ
ＢＴ素子４ａ，４ｂ等の配線電極やゲート配線電極との
電気的配線はピン等（図示せず）で行なわれる。
【００１６】このような構成の電力変換部を備えた三相
電力変換回路を図２に示す。図２において、２０は三相
商用交流電源、２１は切換スイッチ、２２は同期電動
機、２３は三相電力変換部である。
【００１７】次に、図１、２を用いて、本実施の形態の
電力変換装置の動作を説明する。同期電動機２２は、静
止状態から商用周波数に同期引入れできる回転数（４極
機の同期電動機で、商用周波数が５０Ｈｚならば１５０
０ｒｐｍ程度）までは電力変換部２３で駆動される。即
ち、同期電動機２２の始動時に電力変換部２３は、入力
端子１２から入力された商用交流電圧を、配線電極１０
ａ，１０ｂ及びアルミニウムワイヤ１４を介して、整流
ダイオード素子１ａ，１ｂで整流し、直流平滑用コンデ
ンサ１５で電圧変動の少ない直流電圧に変換し、更に配
線電極１０ｂ，１０ｃ及びアルミニウムワイヤ１４を介
してＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７
ａ，７ｂで低周波数から徐々に商用周波数に上昇させた
交流電圧を出力端子１３から同期電動機２２に供給し、
同期電動機２２を商用周波数に同期した回転数まで駆動
させる。この後、切換スイッチ２１により同期電動機２
２への入力電源は、電力変換部２３から商用交流電源２
０に切換えられ、電力変換部２３の運転は停止する。
【００１８】本発明において、電力変換部２３は、電動
機２２を静止状態から商用周波数に同期引入れできる回
転数まで駆動するためだけに使用されるため、電力変換
部２３の運転時間は短い。
【００１９】図３〜５を基に本実施の形態の放熱状態を
説明する。電動機２２の始動時に電力変換部２３の整流
ダイオード素子１ａ，１ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、
還流ダイオード素子７ａ，７ｂでは損失により熱が発生
し、配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃに伝熱される。図
３はＩＧＢＴ素子と配線電極の接合形態を示す図であ
る。図３においては、ＩＧＢＴ素子の大きさを５ｍｍ×
５ｍｍ×０．５ｍｍ、配線電極として銅を使用し、その
大きさをａｍｍ×ａｍｍ×ｄｍｍとし、周囲を断熱した
場合を示す。このような状態で、物体を３次元のｘ，
ｙ，ｚ直交座標系とした時の物体内での熱伝導方程式は
以下のように表される。
【００２０】
【数１】
【００２１】ここで、Ｔは温度、ｔは時間、ｋは熱伝導
率、ρは密度、ｃは比熱、Ｑは発熱量を示す。従来の電
力変換装置においては、電力変換部は連続的に運転され
るため半導体素子の温度が定常状態において許容値を超
えないよう放熱設計される。定常状態とは上記熱伝導方
程式の、∂Ｔ／∂ｔ＝０の場合である。しかし、本実施
の形態１の電力変換部の運転時間は、電動機を静止状態
から商用周波数に同期引き入れできる回転数までの数秒
であるので、半導体素子の温度が定常状態において許容
値を超えないとする従来の放熱設計にする必要はない。
【００２２】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に、配線電極とし
て銅を使用し、周囲を断熱とした場合の電力変換部の運
転時間と単位発熱量当たりのＩＧＢＴ素子の温度上昇の
関係を示す。図４より、短時間使用の電力変換部におい
て、その発熱量と運転時間に対してＩＧＢＴ素子の温度
を許容値以下に抑えるように放熱設計することができ
る。図５は、電力変換部運転前のＩＧＢＴ素子の温度を
６０℃、電力変換部の運転時間を１０秒とした時の、配
線電極の大きさと１．５ｋＷ同期電動機の始動時のＩＧ
ＢＴ素子の温度上昇の関係を示したものであり、図４に
基づいて得られたものである。ＩＧＢＴ素子の許容接合
温度が１２５℃の場合、図５より、配線電極が、例えば
１０ｍｍ×１０ｍｍ×４．４ｍｍや１５ｍｍ×１５ｍｍ
×２．４ｍｍの大きさであれば、ＩＧＢＴ素子の接合温
度を許容値以下に抑えることが可能であることがわか
る。
【００２３】従って、短時間使用の電力変換部２３にお
いて、配線電極１０ｂ，１０ｃの大きさを所定値とする
ことにより、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂは上記配線電極１
０ｂ，１０ｃの熱容量によって、接合温度を十分抑制す
ることができ、また、配線電極１０ｂ，１０ｃは絶縁部
材１１上に接合されるので、配線電極１０ｂ，１０ｃの
熱容量に加えて、絶縁部材１１の熱容量により、ＩＧＢ
Ｔ素子４ａ，４ｂの温度上昇を更に抑制することができ
る。また、整流ダイオード素子１ａ，１ｂ、還流ダイオ
ード素子７ａ，７ｂについても同様な効果がある。
【００２４】このため、従来の電力変換装置に比べ、半
導体素子の発熱を外部に放出するための放熱フィンや半
導体素子から外部までの熱抵抗を低減するための放熱用
ベース板、高熱伝導性の絶縁基板、絶縁基板と配線パタ
ーン等の金属部材間の接触熱抵抗をできる限り小さくす
るための接合プロセスは必要ない。絶縁部材１１は配線
電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃを固定し、充電露出部を外
部にさらさないための用途として使用するので、安価な
絶縁材料で良く、また配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
と絶縁部材１１の接合プロセスも簡素化できる。従っ
て、電力変換装置を小型化、軽量化、低コスト化するこ
とができる。
【００２５】また、絶縁部材１１は充電露出部を外部に
さらさないための用途として使用するため、絶縁部材１
１を、電力変換部２３の構成部品を収納する筐体１８の
一部とすることができるので、部品点数の削減により、
更に電力変換装置を低コスト化することができる。
【００２６】配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃの材料と
しては、導電率、熱伝導率、熱容量が大きく、安価な銅
等が適している。絶縁部材１１の材料としては、表面に
電気配線パターンを設けことができる安価なガラス／エ
ポキシ樹脂基板等が適している。
【００２７】なお、本実施の形態１では商用交流電源２
０を三相とし、整流部、逆変換部をフルブリッジ変換回
路とした電力変換部２３を示したが、これに限定したも
のではなく、単相電源、ハーフブリッジ変換回路で構成
される電力変換部でも同様な構造にすることができる。
【００２８】なお、本実施の形態１では始動時における
半導体素子の温度上昇を、主として配線電極１０ａ，１
０ｂ，１０ｃの熱容量によって抑制するようにしたが、
配線電極の大きさが制限され、始動時における半導体素
子の温度上昇を配線電極の熱容量のみによって抑制でき
ない時は、絶縁部材１１の材料、厚さ等を選定すること
により、絶縁部材１１の熱容量によって抑制するように
してもよい。
【００２９】実施の形態２．上記実施の形態１では、電
力変換部２３の入出力端子１２、１３を別部品として設
け、アルミニウムワイヤや配線パターンにより、上記入
出力端子１２、１３と配線電極との電気的配線を行った
が、図６に示すように、入出力端子１２，１３を配線電
極と一体的に構成することができる。即ち、図６に示す
ように、整流ダイオード素子１ａ，１ｂ、ＩＧＢＴ素子
４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７ａ，７ｂはハンダ等
で配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接合され、負極側
整流ダイオード素子１ｂが接合された配線電極１０ａは
電力変換部の入力端子１２として、また、負極側ＩＧＢ
Ｔ素子４ｂと還流ダイオード素子７ｂが接合された配線
電極１０ｃは電力変換部の出力端子１３として一体的に
構成される。また、配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃは
絶縁部材１１上に固定される。
【００３０】従来の電力変換装置では、高熱伝導絶縁基
板上に形成される配線パターンは０．１〜０．２ｍｍ程
度の膜厚であり、極めて薄いため、強度の必要な入出力
端子は別部品として設け、入出力端子と配線パターン間
をハンダやアルミニウムワイヤ等で配線しなければなら
なかったが、本実施の形態２では、前述のように数ｍｍ
程度の厚みを有する配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃを
絶縁部材１１に固定する構造としているので、配線電極
１０ａ，１０ｂ，１０ｃを電力変換部の入出力端子１
２、１３として一体的に構成することができ、入出力端
子１２、１３を別部品とすることなく、またハンダ接合
やアルミニウムワイヤ等の配線をする必要がない。
【００３１】また、上記実施の形態１と同様に、電力変
換部２３が運転する時間は短いため、整流ダイオード素
子１ａ，１ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオー
ド素子７ａ，７ｂは、それぞれの配線電極１０ａ，１０
ｂ，１０ｃに接合するだけで、発熱温度を配線電極１０
ａ，１０ｂ，１０ｃまたは絶縁部材１１の熱容量によっ
て抑制することができる。
【００３２】また、上記実施の形態１と同様に絶縁部材
１１は充電露出部を外部にさらさないための用途として
使用するので、絶縁部材１１を電力変換部２３の構成部
品を収納する筐体１８の一部とすることができる。従っ
て、製造プロセスや部品点数を削減できるため、電力変
換装置を低コスト化することができる。
【００３３】実施の形態３．実施の形態１の図２で示し
たように、電力変換部２３は、電動機２２を静止状態か
ら商用周波数に同期引入れできる回転数まで駆動し、こ
の後、電動機２２は切換スイッチ２１により商用交流電
源２０による駆動に切換えられ、電力変換部２３の運転
は停止する。従って、電動機２２が商用交流電源２０で
駆動中、電力変換部２３内のＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等
の半導体素子は、半導体素子の発熱による温度上昇は起
こらない。しかし、電力変換部２３を電動機２２周辺部
に取付けた場合、電力変換部２３が運転していないにも
かかわらず、商用交流電源２０で駆動中の電動機２２の
発熱によって、電力変換部２３の温度が上昇し、半導体
素子と配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ間等の接合部に
熱応力を発生させる等の問題がある。本実施の形態は、
これを解決するための電力変換装置である。
【００３４】図７はこの発明の実施の形態３による電力
変換装置の主要部の構成を示す断面構成図である。図７
において、３０は断熱部材を示す。実施の形態１及び実
施の形態２における絶縁部材１１は配線電極１０ａ，１
０ｂ，１０ｃを固定し、充電部を外部に曝さないための
用途として使用したが、本実施の形態では絶縁部材１１
を断熱部材３０により構成し、上記用途以外に外部から
の熱を遮断する機能を持たせる。
【００３５】このように構成すると、電動機２２の始動
時、即ち電力変換部２３の運転時におけるＩＧＢＴ素子
４ａ，４ｂ等の半導体素子の温度上昇は、配線電極１０
ａ，１０ｂ，１０ｃの熱容量によって抑制され、定常
時、即ち商用交流電源駆動時における電動機２２の発熱
による半導体素子の温度上昇は、断熱部材３０によって
抑制することができる。このため、電動機２２を一旦停
止した直後に再始動する際、半導体素子の温度が低い状
態で電力変換部を運転することができ、電力変換部運転
中のＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等の半導体素子の温度上昇
を抑制することができる。また、電動機２２の発熱によ
る電力変換部の温度変化を低減し、半導体素子と配線電
極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ間等の接合部に発生する熱応
力を抑制できるので、電力変換装置の長期的な信頼性が
向上する。
【００３６】また、断熱部材３０は充電露出部を外部に
さらさないための用途としても使用するので、断熱部材
３０を電力変換装置の構成部品を収納する筐体１８の一
部とすることができる。更にまた、実施の形態２と同様
に、配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃを電力変換部の入
出力端子１２、１３として一体的に構成することができ
る。従って、製造プロセスや部品点数を削減できるた
め、電力変換装置を低コスト化することができる。
【００３７】実施の形態４．上記実施の形態３では、電
力変換部２３を電動機２２周辺部に取付けるものにおい
て、電力変換部の絶縁部材１１を断熱部材３０にするこ
とによって、電動機２２の発熱による電力変換部の温度
上昇を抑制し、半導体素子の温度変化を低減する構造と
したが、図８に示すように、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等
を搭載した絶縁部材１１を電力変換部の内部に収納する
構造としても良い。
【００３８】図８に示すように、ＩＧＢＴ素子４ａ，４
ｂ等を搭載した絶縁部材１１は電力変換部の内部に配置
し、制御部１６を搭載した制御回路基板１７を電動機２
２の周辺部に取付ける構造にする。このような構造にす
ることで、実施の形態３のような絶縁部材１１を断熱部
材３０にする必要はなく、制御部１６内部の空気等によ
って、商用交流電源駆動時の電動機２２の発熱によるＩ
ＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等からなる主回路部の温度上昇を
抑制することができる。またこれにより、半導体素子と
配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ間等の接合部に発生す
る熱応力を抑制できるので、電力変換装置の長期的な信
頼性が向上する。
【００３９】また、上記実施の形態１と同様に、電動機
２２の始動時における半導体素子の温度上昇は、整流ダ
イオード素子１ａ，１ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、還
流ダイオード素子７ａ，７ｂをそれぞれの配線電極１０
ａ，１０ｂ，１０ｃに接合するだけで、配線電極１０
ａ，１０ｂ，１０ｃまたは絶縁部材１１の熱容量によっ
て上記温度上昇を抑制することができる。
【００４０】更に、上記実施の形態２と同様に、配線電
極１０ａ，１０ｃを電力変換部の入出力端子１２、１３
と一体的に構成すれば、製造プロセスや部品点数を削減
し、電力変換装置を低コスト化することができる。
【００４１】また、本発明の実施の形態４では、制御部
１６を搭載した制御回路基板１７を電動機２２の周辺部
に取付ける構造としたが、図８に示す電力変換部の上部
を電動機２２の周辺部に、すなわち図８に示す電力変換
部を逆さまに取付けても、主回路部に封止された絶縁封
止材によって、同様な効果が得られる。
【００４２】実施の形態５．図９はこの発明の実施の形
態５による電力変換装置の主要部の構成を示す断面構成
図である。絶縁部材１１の上面には主回路部を構成する
整流ダイオード素子１ａ，１ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４
ｂ、還流ダイオード素子７ａ，７ｂが接合された配線電
極１０ａ，１０ｂ，１０ｃを搭載し、下面には制御部１
６を配置する。主回路部と制御部１６との電気的配線は
すべて絶縁部材１１上に接合された配線パターン等によ
ってなされる。
【００４３】このように絶縁部材１１の両面にＩＧＢＴ
素子４ａ，４ｂ等の主回路部と制御部１６とを配置する
ことによって、制御回路基板１７を絶縁部材１１に一体
化することができ、従来の主回路部と制御部１６とを電
気的に接続するために使用していたピン等は不必要とな
る。
【００４４】また、上記実施の形態１と同様に、電動機
２２の始動時において、整流ダイオード素子１ａ，１
ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７
ａ，７ｂより発生する熱は、それぞれの配線電極１０
ａ，１０ｂ，１０ｃに伝熱され、その熱容量により上記
素子の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００４５】また、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等を搭載し
た絶縁部材１１を電力変換部の内部に収納しているの
で、図９に示す電力変換部の上面、下面のどちらを電動
機２２の外周部に配置しても、制御部１６内の空気や主
回路部内の絶縁封止材によって、電動機２２の発熱によ
る主回路部の温度上昇を抑制することができる。このた
め、半導体素子と配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ間等
の接合部に発生する熱応力を抑制できるので、電力変換
装置の長期的な信頼性が向上する。
【００４６】なお、図９では絶縁部材１１の上部にＩＧ
ＢＴ素子４ａ，４ｂ等の主回路部を、下部に制御部１６
を取付ける構造としたが、主回路部、制御部１６を逆に
配置する構造としても同様な効果が得られる。また、主
回路部、制御部１６をそれぞれ絶縁部材１１の両面に分
割して配置してもよい。
【００４７】実施の形態６．図１０はこの発明の実施の
形態６による電力変換装置の主要部の構成を示す断面構
成図である。本実施の形態においては、図１０に示すよ
うに、制御部１６を搭載した制御回路基板１７を電動機
２２の周辺部に取付け、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等を搭
載した絶縁部材１１を制御回路基板１７の上部に配置す
ると共に、絶縁部材１１の、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ等
の搭載面と、制御回路基板１７の、制御部１６等の搭載
面とが対向するようにしたものである。また、配線電極
１０ａ，１０ｃは絶縁部材１１の上部に引き出されてお
り、電力変換部の入出力端子１２、１３と一体的に構成
されている。
【００４８】このように、制御部１６を搭載した制御回
路基板１７を電動機２２の周辺部に取付けることで、、
電力変換部の内部を封止する絶縁封止材等によって、商
用電源駆動時の電動機２２の発熱による半導体素子の温
度上昇を抑制することができる。またこのため、半導体
素子と配線電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ間等の接合部に
発生する熱応力を抑制できるので、電力変換装置の長期
的な信頼性が向上する。
【００４９】また、上記実施の形態１と同様に、電動機
２２の始動時において、整流ダイオード素子１ａ，１
ｂ、ＩＧＢＴ素子４ａ，４ｂ、還流ダイオード素子７
ａ，７ｂより発生する熱は、それぞれの配線電極１０
ａ，１０ｂ，１０ｃに伝熱され、その熱容量により上記
素子の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００５０】また、絶縁部材１１は充電露出部を外部に
さらさないための用途として使用するので、絶縁部材１
１を電力変換部の構成部品を収納する筐体１８の一部と
することができる。従って、製造プロセスや部品点数を
削減できるため、電力変換装置を低コスト化することが
できる。また、絶縁部材１１を断熱部材とする必要も無
い。さらに、配線電極１０ａ，１０ｃを絶縁部材１１の
上部に引き出し、電力変換部の入出力端子１２、１３と
一体的に構成することができる。
【００５１】なお、電動機２２の発熱により半導体素子
が温度上昇することを抑制するために、電動機２２を、
半導体素子等を搭載する絶縁部材以外の筐体面に取付け
る構成としては、上記実施の形態４、５、６に示す構成
の他、上記実施の形態２で示した図６の電力変換部の上
部を電動機２２の周辺部に取付けても良い。
【００５２】
【発明の効果】以上のように、この発明の第１の構成に
よれば、基材上に半導体素子とこの半導体素子が接合さ
れた配線電極とを備えた主回路部、及び上記主回路部を
制御する制御回路部よりなり、交流を直流に変換した
後、任意の周波数の交流に変換し、電動機を静止状態か
ら商用周波数に同期引入れできる回転数まで駆動する電
力変換部、並びに上記電動機が商用周波数に同期引入れ
できる回転数に到達後、上記電動機の駆動を商用交流電
源による駆動へ切換える切換部を備えた電力変換装置で
あって、上記電動機の始動時における上記半導体素子の
温度上昇を、上記配線電極または上記基材の熱容量によ
って抑制するようにしたので、部品点数と作業工程の削
減により電力変換装置を小型化、軽量化、低コスト化す
ることができる。
【００５３】また、この発明の第２の構成によれば、第
１の構成において、電力変換部の外部入出力端子が配線
電極と一体化されて構成されているので、部品点数と作
業工程の削減により電力変換装置を低コスト化すること
ができる。
【００５４】また、この発明の第３の構成によれば、第
１または第２の構成において、基材を断熱部材としたの
で、電力変換部を電動機の周辺部に取付けた場合に、電
動機の発熱による半導体素子の温度上昇を低減でき、ま
た電力変換部の温度変化を低減し、半導体素子と配線電
極間等の接合部に発生する熱応力を抑制できるため、電
力変換装置の長期的な信頼性が向上する。
【００５５】また、この発明の第４の構成によれば、第
１ないし第３のいずれかの構成において、基材が電力変
換部の筐体の一部であるので、部品点数の削減により電
力変換装置を低コスト化することができる。
【００５６】また、この発明の第５の構成によれば、第
１ないし第３のいずれかの構成において、基材が電力変
換部の内部に収納されているので、絶縁部材を断熱部材
にすることなく、電動機の発熱による半導体素子の温度
上昇を低減でき、また電力変換部の温度変化を低減し、
半導体素子と配線電極間等の接合部に発生する熱応力を
抑制できるため、電力変換装置の長期的な信頼性が向上
する。
【００５７】また、この発明の第６の構成によれば、第
５の構成において、電力変換部は、基材の一方の面に主
回路部を、他方の面に制御回路部を備えたので、制御回
路基板を絶縁部材に一体的に構成することができ、また
主回路部と制御部を電気的に接続するために使用してい
たピン等も必要ないため、部品点数の削減により電力変
換装置を低コスト化することができる。
【００５８】また、この発明の第７の構成によれば、第
１ないし第４のいずれかの構成において、電力変換部
の、基材以外の筐体面に電動機を取付ける構成としたの
で、絶縁部材を断熱部材にすることなく、電動機の発熱
による半導体素子の温度上昇を低減し、また電力変換部
の温度変化を低減でき、半導体素子と配線電極間等の接
合部に発生する熱応力を抑制できるため、電力変換装置
の長期的な信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による電力変換装置
の主要部の構成を示す断面構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１による電力変換装置
の回路構成を示す回路図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係わる配線電極を
説明する図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係わる電力変換部
の運転時間とＩＧＢＴ素子の上昇温度との関係を示す図
である。
【図５】 この発明の実施の形態１に係わる配線電極の
大きさとＩＧＢＴ素子の温度上昇の関係を示す図であ
る。
【図６】 この発明の実施の形態２による電力変換装置
の主要部の構成を示す断面構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態３による電力変換装置
の主要部の構成を示す断面構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態４による電力変換装置
の主要部の構成を示す断面構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態５による電力変換装置
の主要部の構成を示す断面構成図である。
【図１０】 この発明の実施の形態６による電力変換装
置の主要部の構成を示す断面構成図である。
【図１１】 従来の電力変換装置の主要部の構成を示す
断面構成図である。
【図１２】 従来の電力変換装置の回路構成を示す回路
図である。
【符号の説明】
１ａ 正極側整流ダイオード素子、１ｂ 負極側整流ダ
イオード素子、２ａ正極側整流ダイオード素子のアノー
ド電極、２ｂ 負極側整流ダイオード素子のアノード電
極、３ａ 正極側整流ダイオード素子のカソード電極、
３ｂ 負極側整流ダイオード素子のカソード電極、４ａ
正極側ＩＧＢＴ素子、４ｂ 負極側ＩＧＢＴ素子、５
ａ 正極側ＩＧＢＴ素子のエミッタ電極、５ｂ 負極側
ＩＧＢＴ素子のエミッタ電極、６ａ 正極側ＩＧＢＴ素
子のコレクタ電極、６ｂ 負極側ＩＧＢＴ素子のコレク
タ電極、７ａ 正極側還流ダイオード素子、７ｂ 負極
側還流ダイオード素子、８ａ 正極側還流ダイオード素
子のアノード電極、８ｂ負極側還流ダイオード素子のア
ノード電極、９ａ 正極側還流ダイオード素子のカソー
ド電極、９ｂ 負極側還流ダイオード素子のカソード電
極、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 配線電極、１１ 絶縁部
材、１２ 入力端子、１３ 出力端子、１４ アルミニ
ウムワイヤ、１５ 直流平滑用コンデンサ、１６ 制御
部、１７制御回路基板、１８ 筐体、２０ 三相商用交
流電源、２１ 切換スイッチ、２２ 電動機、２３ 電
力変換部、３０ 断熱部材、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ配
線パターン、４１ 高熱伝導絶縁基板、４２ 放熱用ベ
ース板、４３ 放熱フィン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 正哉 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H007 BB06 CA01 CB05 CC03 DB01 HA03 HA05 5H576 CC01 DD02 DD04 HB01

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基材上に半導体素子とこの半導体素子が
    接合された配線電極とを備えた主回路部、及び上記主回
    路部を制御する制御回路部よりなり、交流を直流に変換
    した後、任意の周波数の交流に変換し、電動機を静止状
    態から商用周波数に同期引入れできる回転数まで駆動す
    る電力変換部、並びに上記電動機が商用周波数に同期引
    入れできる回転数に到達後、上記電動機の駆動を商用交
    流電源による駆動へ切換える切換部を備えた電力変換装
    置であって、上記電動機の始動時における上記半導体素
    子の温度上昇を、上記配線電極または上記基材の熱容量
    によって抑制するようにしたことを特徴とする電力変換
    装置。
  2. 【請求項２】 電力変換部の外部入出力端子が配線電極
    と一体化されて構成されていることを特徴とする請求項
    １記載の電力変換装置。
  3. 【請求項３】 基材が断熱部材であることを特徴とする
    請求項１または２記載の電力変換装置。
  4. 【請求項４】 基材が電力変換部の筐体の一部であるこ
    とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電
    力変換装置。
  5. 【請求項５】 基材が電力変換部の内部に収納されてい
    ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
    の電力変換装置。
  6. 【請求項６】 電力変換部は、基材の一方の面に主回路
    部を、他方の面に制御回路部を備えたことを特徴とする
    請求項５記載の電力変換装置。
  7. 【請求項７】 電力変換部の、基材以外の筐体面に電動
    機を取付ける構成としたことを特徴とする請求項１ない
    し４のいずれかに記載の電力変換装置。
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