JP2002291261A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】各種部品の精度や組立て精度を上げることな
く、パワーモジュールとヒートシンクとの密着性を良好
にし、構成要素に不要な応力がかからない実装構造を有
する電力変換装置提供することにある。 【解決手段】モジュールとヒートシンクは、モジュール
ケースを通してヒートシンクに直接ネジ等で固定するこ
とで密着をはかる。モジュール内部にインバータ回路の
他、整流回路やモータのローター磁極位置検出回路、保
護回路等を内蔵することで、布線の削除をはかってい
る。又、モジュールケース側に制御基板との接続および
固定に関わる機構を設けること、若しくはモジュール側
と制御基板収納ケース側で嵌め合う機構を設けること
で、モジュール取り付けにかかわる作業工程や支持金具
を省略してコストダウンをはかる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機等にお
いて、インバータ回路を使用して圧縮機モーターの駆動
環境を制御する電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の空気調和機は、省エネルギー、高
効率に空気調和を行うことが求められている。これを実
現するため、空気調和機の主たる動力源である圧縮機の
運転効率を向上させることが重要なポイントとなる。

【０００３】この為、一般的には圧縮機に直流モーター
（ブラシレスモーター）を採用し、その回転数をその時
に必要な負荷（設定温度と室内温度との偏差）にあわせ
て変動させ、負荷が小さい時には低速、負荷が大きい時
には高速で回転させるようにしている。

【０００４】圧縮機モーターの回転数を制御する方式と
しては、直流をモーターを駆動するための信号であるパ
ルス幅変調（以下、ＰＷＭという）された信号に変換す
るインバータ回路による制御が知られている。

【０００５】一般的に、空気調和機に用いられるモータ
駆動装置は大別して次の部品により成り立っている。す
なわち、モータ駆動装置は主に、商用電源から入力した
交流電力を整流する整流器（コンバータ）、整流器の出
力を平滑する主にコンデンサからなる平滑回路、平滑回
路の出力を電動機を駆動するためのＰＷＭ信号に変換す
るインバータ回路、インバータ回路を構成する６個のス
イッチング素子（トランジスタ、ゲート絶縁形バイポー
ラトランジスタ（ＩＧＢＴ））にスイッチング信号を供
給するためのマイコンを有する圧縮機駆動用制御回路
（以下マイコン制御回路）、インバータが発生するノイ
ズが商用交流電源側に流出することを抑制するリアクト
ルとコンデンサからなるノイズフィルタ、力率を改善す
るためのリアクトルとコンデンサからなる力率改善回
路、圧縮機を駆動するブラシレスモーター（電動機）の
ロータ磁極位置を検出する圧縮機ローター磁極位置検出
器を備えている。

【０００６】尚、整流回路とインバータ回路は構成する
半導体素子を高密度実装することで各々モジュール化さ
れ、汎用の電気電子部品、例えばダイオードスタックや
パワートランジスタモジュールとして製品化され、広く
用いられている。

【０００７】一般に空気調和機に用いられるインバータ
モジュールは、他の電子部品とは異なり、圧縮機モータ
ー駆動用であるため、それを構成するスイッチング素子
に例えば１００Ｖ〜３００Ｖもの高電圧がかかり、２０
Ａ近くの電流が流れる為、素子自信がもつ内部抵抗によ
って素子自体が発熱する。

【０００８】この為、これらスイッチング素子の温度上
昇による素子破壊を防ぐために複数のスイッチング素子
がパッケージされたモジュールにアルミニウム製の冷却
用放熱フィンを取付けて使用するのが一般的である。

【０００９】その他の放熱フィンを必要としない部品
（圧縮機駆動制御回路部品等）は１枚又は複数のプリン
ト配線基板上に実装されて基板組品を成すのであるが、
モジュールとの接続には、モジュールと放熱フィンを密
着固定しなければならない為、モジュールと前記基板組
品とは分離して配置し、夫々の端子間の接続には電線等
を用いて行われることが多い。

【００１０】製造コストを低減する目的で配線の省略と
放熱フィンとの密着固定を同時に満たすための従来技術
として、特開平６−１２３４４９号公報（以下、文献
１）特開平８−８６４７３号公報（以下、文献２）及び
特開平１０−２６７３２６号公報（以下、文献３）に記
載された実装構造が知られている。

【００１１】文献１に記載された実装構造について図８
を用いて説明する。パワープリント配線基板１０３上に
フォトカプラ、コンデンサ、ドライブ回路等を搭載し、
これら電子部品が搭載された基板面とは反対の基板面に
インバータモジュール１０２を配置し、このインバータ
モジュール１０２の接続端子１０４をパワープリント配
線基板１０３に実装してハンダ付け等により電気的接続
する。一方、別に設けた成形基板１０６をパワープリン
ト配線基板１０３と接続する。なお、符号を付していな
いが、パワープリント基板１０３の電子部品搭載面側に
設けられた基板はマイコン等が搭載された制御基板であ
る。そして、成形基板１０６を放熱フィン１００に固定
することで、パワープリント配線基板１０３に搭載され
たインバータモジュール１０２の反パワープリント配線
基板１０３側の放熱面が放熱フィンに密着固定される。
これにより、コンパクト化及び省配線（リード線レス）
を実現するものである。

【００１２】また、文献２には、パワーモジュールをヒ
ートシンクに取付けるために支持具を用いている。支持
具はパワーモジュールの反放熱面にネジ止めされる。こ
の支持具は、その両端がパワーモジュールの厚さ方向に
折り曲げられ、パワーモジュール厚さと同じ長さだけパ
ワーモジュール厚さ方向に延伸し、ここでパワーモジュ
ールの長手方向と反対の方向に両端が折り曲げられてネ
ジ代（ネジ穴を形成する領域）が形成される。そして、
ヒートシンクと支持具によって挟まれるようにパワーモ
ジュールがネジによってヒートシンクに取付けられる。

【００１３】一方、この支持具はプリント配線板も取付
ける構造となっている。すなわち、先のネジ代の部分を
パワーモジュールの短辺方向に延伸され、ここで反ヒー
トシンク側に折り曲げられる。この折り曲げられた部分
にネジ穴が形成され、ここにプリント配線板がネジ止め
される。パワーモジュールとプリント配線板との電気的
接続は、パワーモジュールの反ヒートシンク側に設けら
れ、支持具に取付けられたプリント配線板方向に延びた
複数の端子が、プリント配線板に開けられた孔に差し込
まれることで行われる。これにより文献１と同様の効果
を得るものである。

【００１４】また、文献３には、パワーモジュールと他
の電子制御部品をプリント配線基板の同一面に搭載し、
このプリント配線基板はシートシンクが取付けられたト
ップカバーに取付けられる。このトップカバーは絶縁材
料によって箱状に形成され、嵌め込み係合部によってプ
リント配線基板の外縁部に嵌め込み係合し、この嵌め込
み係合によって、プリント配線基板の電子部品取り付け
面が蓋されるようになっている。そして、パワーモジュ
ールは、トップカバーに取付けられたヒートシンクに、
プリント配線基板とヒートシンクとに挟まれるように取
付けられる。これにより文献１と同様の効果を奏するも
のである。

【００１５】ところで、最近、高効率化を狙って低損失
のスイッチング素子を搭載したインバータモジュールが
出現している。一般的にスイッチング素子を高効率化す
れば、例えば短絡事故のように素子の定格値を超える瞬
時の突入電流（ピーク電流）に対する耐量時間（短絡耐
量時間）が短くなる傾向にある。この為、短絡耐量時間
内（例えば２μ秒〜５μ秒）に素早くピーク電流を検出
し、インバータ回路の駆動を中止する保護回路システム
が求められている。

【００１６】保護動作を高速に行うには、配線自身がも
つ抵抗成分やリアクタンス成分も無視できないため、駆
動制御回路をインバータブリッジ回路の近傍に配置する
手法が一般的であり、最近では、モジュールの保護の他
に小型化、システム化を狙って、インバータ回路とその
駆動制御回路、ピーク電流保護回路等を集積化し、同一
ケース内におさめたモジュールも登場してきている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】文献１に記載された構
造では、図８に示すように、プリント配線基板１０３の
質量を支えるだけでなく、放熱フィン１００とモジュー
ル放熱面１０２ａを接触させるためにプリント配線基板
１０３を押さえつける構造になる。このため、電気的に
は必要としない接続端子１０４の径を太くするなどして
接続端子自身を強固にしなければならない。

【００１８】図８中の成形基板は他の電子部品を搭載す
ることと兼ねることで利点はあるが、結果的にはプリン
ト配線基板の支持具がやはり必要となり、モジュールの
取り付けに伴う部品点数は余り減っていない。

【００１９】特に、制御基板１０３を押さえつけること
で間接的にモジュール放熱面１０２ａと放熱フィン１０
０を接触させる構造なので、支持具の高さ寸法の誤差と
モジュールの高さ寸法の誤差によりモジュールと放熱フ
ィンの間に隙間が発生して、モジュールの熱を有効に放
熱フィンに伝達することができない。

【００２０】モジュール１０２の熱を放熱フィン１００
に有効に伝達する方法として、モジュール放熱面１０２
ａと放熱フィン１００間の隙間に例えばシリコングリー
スを塗布する方法があるが、一般的にシリコングリース
の方が配線部品よりもコストが高くなり、塗布工程も増
えるので必ずしも得策とはいえない。

【００２１】放熱フィンとの密着度を良くするため、プ
リント配線基板１０３をネジ等によって強く押さえつけ
ると、プリント配線基板１０３に応力がかかり、基板が
歪んで半田部に亀裂（半田クラック）が発生するか、パ
ワーモジュール１０２の端子とプリント配線基板１０３
間を電気接続する半田が外れてしまう恐れがある。

【００２２】換言すると、パワーモジュール１０２と放
熱フィン１００との密着度を良好に保ち、プリント配線
基板１０３やパワーモジュール１０２の半田部に対する
応力が発生しないようにするためには、プリント配線基
板１０３の支持具の寸法精度を上げ、取付け作業時の精
度を向上させる必要があった。

【００２３】同様に、文献２に記載された実装構造で
は、前述した支持具とヒートシンクとの間にパワーモジ
ュールを固定する構造となっているため、支持具をパワ
ーモジュールの厚さ方向に折り曲げる寸法が短いと、パ
ワーモジュールに圧力がかかってしまい、反対にこの寸
法が長いとパワーモジュールの放熱面とヒートシンクと
の密着度が悪くなり放熱が良好に行われなくなるといっ
た問題がある。

【００２４】更にパワーモジュールの接続端子とプリン
ト配線基板との電気的接続について、このパワーモジュ
ールの接続端子はφ0.8mm程度と弱いので、支持金具で
接続端子およびプリント配線基板との接続部（特に半田
付け部）に応力が掛からないように保護している。

【００２５】しかし、電線等の配線コスト低減やパワー
モジュール接続端子の保護には利点があるが、支持具の
プリント配線基板への取り付け作業の精度、パワーモジ
ュールと支持具との取り付け作業の精度及び放熱フィン
（ヒートシンク）とパワーモジュールとの取り付け作業
の精度が要求されるといった問題がある。

【００２６】同様に、文献３に記載された実装構造にお
いても、トップカバーの厚みを規定する側壁の高さの精
度とパワーモジュールの半田付けの深さ（端子のどの位
置で半田付けするか）精度によって、パワーモジュール
放熱面とヒートシンクとの密着度が悪くなったり、パワ
ーモジュールが搭載されたプリント板への応力が発生す
るといった問題がある。

【００２７】また、上記文献１及び３に記載された実装
構造では、図８に示すように、２列の接続端子１０４で
プリント配線基板１０３の質量を支えるような構造にな
っている。このため、パワーモジュール端子を２列に配
置するので、パワーモジュール設計の自由度が制限さ
れ、電気的には必要としない接続端子１０４の強化でコ
スト増につながってしまうといった問題がある。

【００２８】本発明の目的は、各種部品の精度や組立て
精度を上げることなく、パワーモジュールとヒートシン
クとの密着性を良好にし、構成要素に不要な応力がかか
らない実装構造を有する電力変換装置提供することにあ
る。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の半導
体スイッチング素子により構成されるインバータ回路が
搭載され、このインバータ回路と電気的に接続された端
子を有するモジュールと、前記インバータブリッジ回路
を駆動する制御回路が搭載され、この制御回路と電気的
に接続されたピンコネクタとを有する制御基板とを備
え、前記端子と前記ピンコネクタとが結合されることで
前記インバータ回路と前記制御回路とが電気的に接続さ
れるようにしたことで達成される。

【００３０】上記目的は、複数の半導体スイッチング素
子により構成されるインバータ回路が搭載され、このイ
ンバータ回路と電気的に接続されたピンコネクタを有す
るモジュールと、前記インバータブリッジ回路を駆動す
る制御回路が搭載され、この制御回路と電気的に接続さ
れた端子とを有する制御基板とを備え、前記ピンコネク
タと前記端子とが結合されることで前記インバータ回路
と前記制御回路とが電気的に接続されるようにしたこと
で達成される。

【００３１】上記目的は、熱伝導体によって形成された
基板上に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子
により構成されるインバータ回路が搭載され、このイン
バータ回路と電気的に接続された端子を有するモジュー
ルと、このモジュールが取り付けられたヒートシンク
と、前記インバータブリッジ回路を駆動する制御回路が
搭載され、この制御回路と電気的に接続されたピンコネ
クタとを有する制御基板とを備え、前記端子と前記ピン
コネクタとが結合されることで前記インバータ回路と前
記制御回路とが電気的に接続されるようにしたことで達
成される。

【００３２】上記目的は、熱伝導体によって形成された
基板上に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子
により構成されるインバータ回路が搭載され、このイン
バータ回路と電気的に接続されたピンコネクタを有する
モジュールと、このモジュールが取り付けられたヒート
シンクと、前記インバータブリッジ回路を駆動する制御
回路が搭載され、この制御回路と電気的に接続された端
子とを有する制御基板とを備え、前記ピンコネクタと前
記端子とが結合されることで前記インバータ回路と前記
制御回路とが電気的に接続されるようにしたことで達成
される。

【００３３】上記目的は、熱伝導体によって形成された
基板上に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子
により構成されるインバータ回路が搭載され、このイン
バータ回路と電気的に接続された端子を有するモジュー
ルと、このモジュールが取り付けられたヒートシンク
と、前記インバータブリッジ回路を駆動する制御回路が
搭載され、この制御回路と電気的に接続されたピンコネ
クタとを有する制御基板と、前記モジュールに固定する
機構を有し、前記制御基板を搭載する制御基板載置部材
とを備え、前記端子と前記ピンコネクタとが結合される
ことで前記インバータ回路と前記制御回路とが電気的に
接続されるようにしたことで達成される。

【００３４】上記目的は、熱伝導体によって形成された
基板上に取り付けられた複数の半導体スイッチング素子
により構成されるインバータ回路が搭載され、このイン
バータ回路と電気的に接続されたピンコネクタを有する
モジュールと、このモジュールが取り付けられたヒート
シンクと、前記インバータブリッジ回路を駆動する制御
回路が搭載され、この制御回路と電気的に接続された端
子とを有する制御基板と、前記モジュールに固定する機
構を有し、前記制御基板を搭載する制御基板載置部材と
を備え、前記ピンコネクタと前記端子とが結合されるこ
とで前記インバータ回路と前記制御回路とが電気的に接
続されるようにしたこてで達成される。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の１実施の形態を図
を用いて説明する。

【００３６】まず、図１を用いて空気調和機の冷凍サイ
クルの一部を構成する圧縮機モーターの回転数を制御す
るインバータ回路を説明する。

【００３７】図１において、この実施の形態に係る電力
変換装置は、商用交流電源５から入力した交流電力を整
流する整流器２（コンバータ）、整流器２の出力を平滑
する主にコンデンサからなる平滑回路１、平滑回路１の
出力を電動機１０を駆動するためのＰＷＭ信号に変換す
るインバータ回路３、インバータ回路３を構成する６個
のスイッチング素子３ａ（トランジスタ、ゲート絶縁形
バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））にスイッチング
信号を供給するためのマイコンを有する圧縮機駆動用制
御回路４（以下マイコン制御回路）、インバータ３が発
生するノイズが商用交流電源側に流出することを抑制す
るリアクトルとコンデンサからなるノイズフィルタ６、
力率を改善するためのリアクトルとコンデンサからなる
力率改善回路７、圧縮機を駆動するブラシレスモーター
（電動機）のロータ磁極位置を検出する圧縮機ローター
磁極位置検出器９を備えている。

【００３８】商用交流電源５（家庭用空気調和機の場
合、電源プラグをコンセントに接続することで電源と接
続される）は、ノイズフィルタ６、力率改善回路７を介
して整流回路２に接続され、この整流回路２によって交
流が直流に変換され、整流回路２に接続された平滑回路
１の図中のＡ−Ｂ間に直流電圧（Ｖｄ）を得る。この直
流電圧は、インバータ回路３の直流側に入力される。こ
のインバータ回路３は、６個の半導体スイッチング素子
３ａ及び夫々の半導体スイッチング素子３ａに逆並列に
接続された還流ダイオードによって構成されている。イ
ンバータ回路３のスイッチングタイミングによって圧縮
機直流モーター１０に印加される平均直流電圧を調整す
ることで圧縮機回転数を可変速制御される。

【００３９】インバータ回路３におけるスイッチングタ
イミングは、マイコン制御回路４により決定され、圧縮
機モーター１０のローター（図示せず）磁極位置を磁極
位置検出器９で検出し、その磁極位置信号を基にマイコ
ンが演算してその時の運転状況に応じた圧縮機駆動信号
を決定し、これをインバータ回路３に指令することでイ
ンバータ回路３の構成スイッチング素子３ａのオン・オ
フが行われる。そして、この信号は圧縮機モーター１０
のステータ巻線に印加され、圧縮機モーターを可変速制
御する。

【００４０】なお、図１中の圧縮機ローター磁極位置検
出回路９は、回転する圧縮機ローター（磁石）の磁極位
置（方向）を検出するもので、その検出信号をマイコン
制御回路４が受信すると、マイコンが現在のローター磁
極位置を推定して次に送るインバータ回路素子３ａのス
イッチング指令信号を送信する。

【００４１】インバータ回路素子３ａはマイコンからの
指令に従い、オン・オフを行い圧縮機ステータに流す電
流方向を切り替える（転流動作）ことよってローターと
ステータとの間で誘導あるいは反発が繰り返されて連続
した回転が行われる。

【００４２】以上のような圧縮機回転数制御システムを
構成する為、本発明において、具体的には整流回路素子
としてダイオードを、インバータ回路素子として高速ス
イッチングが可能なＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar-
transistor)のようなダイオードを用いて実現しようと
している。

【００４３】尚、整流回路２とインバータ回路３は構成
する半導体素子を高密度実装することで各々モジュール
化され、汎用の電気電子部品、例えばダイオードスタッ
クやパワートランジスタモジュールとして製品化され、
広く用いられている。

【００４４】次に図１に示した電力変換装置の実装につ
いて説明する。図２及び図３は図１に示した空気調和機
の電力変換装置における基板分割方法を示した例であ
り、図４は図３に示したモジュール構造の一例であり、
図５は本実施形態に係るモジュールとその他の回路基板
支えとの接続固定構造の一例であり、図６及び図７はモ
ジュールとその他回路基板との接続も含めた本実施形態
の一例である。

【００４５】以下、図２及び図３を用いて図１に示した
電力変換装置に係る電気回路を実装に際して、組み立て
精度や放熱を考慮しつつ個々の構成要素を組にしていく
考え方を説明する。

【００４６】図２に示す実施の形態では、別個のプリン
ト配線基板を用いて整流・インバータ回路部８（以下パ
ワー部と呼ぶ）とマイコン制御他回路のメイン制御部１
１に分離し、パワー部を構成する半導体素子は同一基板
上に集約実装し、外部接続端子と組込ケースを取り付け
てモジュール製作することで、発熱素子との分離を図っ
ている。尚、この分離の仕方のもう一つの特徴は、主回
路におけるコンデンサ、すなわち、ノイズフィルタ６を
構成するコンデンサ、力率改善回路７を構成するコンデ
ンサおよび平滑回路１を構成するコンデンサを纏めたこ
とである。また、力率改善回路７を構成するリアクトル
は独立させた。

【００４７】モジュールに使用するプリント配線基板は
放熱性を高める為、基板ベースに例えばアルミニウムを
使用した金属基板を採用することで基板パターン面に実
装された半導体素子の発熱はこの金属プレートを通して
放熱される。

【００４８】また、整流回路２とインバータ回路３とを
同一基板上に実装することで、電線等による配線作業の
省略でコスト低減につながり、熱発生源を一箇所に集約
できるので、ヒートシンクの共用化を図ることができる
ので無駄のない基板配置が可能である。

【００４９】一方、モジュール以外のメイン制御部の電
子部品は２つのプリント配線基板１１（以下メイン基板
と呼ぶ）に実装し、分割によって発生する電線等の布線
費用を極力抑制するようにしている。

【００５０】尚、前記モジュール８とメイン基板１１は
後に説明する各々の取付構造によって従来よりも安価に
接続固定を実現している。

【００５１】ここで、図２の場合は、布線の省略による
コスト低減を主眼として基板分割を行っているが、前述
したように、メイン基板１１には１つの基板上にノイズ
フィルタ６や力率改善回路７のような高電圧を扱う回路
（強電回路）と、例えば５Ｖ動作するマイコン等の電子
回路（弱電回路）を混在させている。しかし、ノイズの
影響や安全性を考慮して強電回路部と弱電回路部を分離
して３分割、即ちパワー部、ノイズフィルターなどの入
力電源部、マイコン制御部に分けてもよい。

【００５２】また、汎用性を高める為、モジュール８か
ら整流回路部２を分離してもよく、更に図３の如くイン
バータ駆動回路やインバータ保護回路、マイコン等を前
記モジュール８内に組み込んだりしてもよい。

【００５３】要は後に述べるモジュールの構造を工夫さ
えすれば、基板分割方法には関係なく、電気品の収納空
間や求める性能にあわせてシステムを設計すればよい。

【００５４】図３で示した本発明に係る分割の仕方の一
実施の形態は、ただ単純に汎用性の面に有利なだけでは
なく、過電流のようなインバータ保護回路をインバータ
回路近傍に配置することになり、従来例で挙げた高速の
保護動作が実現できるので信頼性向上の面でも有利なも
のとなっている。電源入力回路基板１３にはノイズフィ
ルタ６、力率改善回路７の構成要素の一つであるコンデ
ンサ及び平滑回路１が搭載され、モジュール基板１２ａ
には整流回路２、インバータ回路３及びロータ磁極位置
検出器９が搭載され、マイコン制御基板１２ｂには前述
の保護回路を含むマイコン制御回路４が搭載されてい
る。

【００５５】図４は、図３で示した基板分割構成におい
て、本発明に係る一実施の形態であるモジュール構造と
その他制御基板との接続の一例を表す断面図である。

【００５６】図４において、１２ａはアルミ基板、１４
はＰＰＳ等の樹脂成型加工したモジュールケース、１２
ｂはマイコン搭載したマイコン制御基板、１５はマイコ
ン制御基板１２ｂの質量を支える為のＡＢＳ等の樹脂成
型加工したマイコン基板ケース、１３はノイズフィルタ
や５Ｖ出力のようにマイコン駆動のための制御用直流電
圧源を供給する電源回路を搭載した基板であり、ここで
は、ケーブル２１を使ってマイコン基板１２ｂと電気的
接続している。

【００５７】このうち、アルミ基板１２ａの上部表面は
絶縁層を挟んで導電部となる銅箔が任意のプリントパタ
ーンで施してあり、基板の部品実装面としている。

【００５８】このアルミ基板１２ａの部品実装面上にイ
ンバータおよび整流回路の構成半導体素子１６を実装、
銅箔パターンを介して各々結線して接続用入出力端子１
７ａ、１７ｂを組み込んだモジュールケース１４でモジ
ュールを形成している。

【００５９】一方、モジュールの放熱にはアルミ基板１
２ａの放熱面とアルミ製放熱フィン１８平面とを合わ
せ、ネジ等を使用してモジュールケース１４を介してモ
ジュールをアルミ製放熱フィン１８に直接固定すること
で行う。

【００６０】これにより、従来のようにモジュール専用
支持金具を使用しないで、さらにインバータ回路３を構
成するスイッチング素子３ａとマイコン制御基板１２ｂ
とを積層していないので、マイコン制御基板１２ｂやス
イッチング素子３ａに不要な応力がかかることなく、さ
らにモジュールと放熱フィン１８を直接に接触させてい
るので、高さ寸法等の誤差によりモジュールと放熱フィ
ン１８との間に隙間ができるということがなく、モジュ
ールの熱を確実に放熱フィン１８に伝え、効果的に放熱
することができ、モジュール即ち構成素子１６の温度上
昇による破壊を防止することができる。

【００６１】ところで、本実施の形態においては、図４
中のモジュールケース１４の接続端子は、図に示したよ
うに圧縮機モータ１０と接続するような高電圧、大電流
を扱う大型端子１７ａと、インバータ素子へのスイッチ
ング指令信号を送る小信号系端子１７ｂに分けて施し
て、大型端子１７ａは、圧縮機から延びるケーブル１９
を直接接続できるようにしている。

【００６２】これにより、低電圧で作動する電子部品の
近傍には高電圧、高電流回路を通さないで済むので、ノ
イズによる誤作動を防止することができる。

【００６３】また、図４中の１２ｂはマイコンおよびイ
ンバータ駆動制御回路を搭載したマイコン制御基板であ
り、本基板にモジュールへの制御信号ピン１７ｂと接合
するピンコネクター２０を実装し、マイコン基板ケース
１５に組み込んでいる。

【００６４】この時、モジュールケース１４にはマイコ
ン制御基板１２ｂを固定する機構１４ｂが施してあり、
この取付機構１４ｂによってモジュールとマイコン制御
基板１２ｂは連結固定されるようにしてある。

【００６５】この為、先述の従来例のように専用支持金
具やモジュール端子で基板固定を兼ねる必要もないの
で、モジュールの信号接続端子１７ｂも本図のように１
列のみで配列することも可能である。

【００６６】本実施の形態では、モジュールケース１４
とマイコン基板ケース１５とを独立させて、モジュール
ケース１４にてスイッチング素子の質量を差さえ固定す
ると共に、マイコン基板ケース１５にてマイコン制御基
板１２ｂの質量を支える構造となっているため、マイコ
ン制御基板１２ｂ及び半導体スイッチ素子を支持する支
持具の加工精度の善し悪しで、文献１乃至３にて説明し
た不要な応力がかかることや、半導体スイッチング素子
とヒートシンクとの熱的接触不良といった問題の発生を
防止することができる。また、組立性てについては、下
記図５及び図６にて詳説するように、電気的接続及び機
構的結合を簡単に行えるようにした。

【００６７】また、本実施の形態ではマイコン基板ケー
ス１５がモジュールケース１４と独立して分離可能なよ
うにしているのでマイコン制御回路が変更になっても、
さらにモジュール以外の基板構成が変わっても設計変更
が少なくできるようにして、汎用性を持たせるようにし
ている。

【００６８】勿論、基板ケース１５は、モジュールケー
ス１４と独立した形で設けているが、モジュールケース
１４と一体化構造にしてもよく、一体化することで汎用
性は犠牲になるが、組み込む作業工数が減ってコスト低
減につながる。

【００６９】この時一体化構造にしてもマイコン制御基
板１５を支え、固定する為の機構がモジュール側に施さ
れる形となる。

【００７０】図５、図６および図７はモジュールケース
の取付機構とマイコン制御基板ケースの取付機構の構造
詳細を示した本発明に係る実施の形態である。

【００７１】図５では、モジュールケース１４とマイコ
ン基板ケース１５は嵌めあい方式になっているので、そ
れぞれの凹凸部２２ａ、２２ｂを上下スライドさせるこ
とにより簡単に組み立てるようになっている。このと
き、モジュールケース１４側の複数のモジュール接続端
子１７ｂはマイコン基板ケース１５側に設けられたピン
コネクタ２０に無理な力を加えることなく差し込まれ
る。

【００７２】通常、モジュールケース１４、制御基板ケ
ース１５とも樹脂成形で生産される為、自由な形状で設
計できることや形状の微調整がし易いという樹脂成形の
特長を生かした実施の形態である。

【００７３】図６の実施の形態の場合は、モジュールケ
ース１４とマイコン基板ケース１５を上下に重ね、予め
双方に施したネジ穴２３ａ、２３ｂを通してネジ止め固
定出来るようになっている。

【００７４】マイコン制御基板１２ｂを、前記マイコン
基板ケース１５に組み込む一方で、図で示したように上
下方向に移動してモジュール接続端子１７ｂとをコネク
ターピン２４を用いて接続するようにしている。

【００７５】図６の場合は、ネジ等で強固に固定する形
となるので、モジュール及びマイコン基板を接続したま
までの部品の供給が可能（ブロック毎の生産）という点
で有利である。

【００７６】図７に示した実施の形態では図６において
マイコン制御基板１２ｂを上下方向に接続していたのに
対し、モジュール接続端子１７ｂを左右方向に配置し、
マイコン基板１２ｂも左右方向にスライドして接続する
例を示している。

【００７７】尚、上記説明した実施の形態においては、
モジュール側にモジュール接続端子(入出力端子)を設
け、マイコン制御基板側にピンコネクタを設けている
が、モジュール側にピンコネクタを設け、マイコン制御
基板側に接続端子を設けても同様の効果を得ることがで
きる。

【００７８】以上説明したように本実施の形態によれば
少なくともモジュールケースに基板固定の為の支持機構
を施すことでモジュール配置上の制約が緩和され、モジ
ュール接続端子の方向も自由に配置することが出来る。

【００７９】また、モジュールの制御信号用接続端子１
７ｂは、マイコン制御基板１２ｂのピンコネクタ２４に
よって接続して、わざわざ半田付けによって固定しなく
ても容易に固定を実現出来ている。勿論、ピンコネクタ
２４を使用せず、マイコン制御基板に穴を設けて半田付
けして接続してもよい。但しこの場合、先述の従来例の
ようにモジュールの信号用接続端子１７ｂ自体をさほど
強固にしなくてもよく、方向、配列を自由に配置するこ
とが出来るので従来例に比べて大きなメリットを有す
る。

【００８０】一方、製品保守サービスの面をみれば、従
来のように半田付け部を加熱して溶融し、半田が溶融し
ている内にモジュールから接続していた制御基板を取り
外すという、面倒で時間のかかる作業をする必要がなく
なり、更に制御基板をモジュールから取り外さなくとも
放熱フィンに固定しているモジュールのネジ２５を外す
だけで、それぞれの部品を分離することができるので簡
単に保守サービスをすることができるようになる。

【００８１】また、文献３に示されたように制御基板の
支持具で放熱フィンの支持を兼ねている実装構造に対し
て、２重構造若しくはそれに準じた複雑な支持具の構造
設計が必要なく、コストを低減することができるといっ
た効果もある。更に文献３においては制御基板の部品面
と同一面上にモジュールと放熱フィンが配置されるの
で、他の電子部品に接触しないようにモジュール取り付
け高さ調整や制御基板上の電子部品配置調整、放熱フィ
ン形状の変更を施さねばならないが、本実施形態によれ
ば、モジュール基板とマイコン制御基板１２ｂが独立し
ているので設計自由度を確保することができる。

【００８２】また、図８に示した文献１及び文献３に示
された実装構造の何れの場合にもモジュールの上部若し
くは下部に制御用基板を配置する為、モジュールのスイ
ッチング動作によって発生する電気的ノイズが制御回路
に誤動作を引き起こさないように制御基板の耐ノイズ性
を高める工夫が必要である。これに対して本実施の形態
によれば両基板が独立しているのノイズ対策を低減する
ことができる。

【００８３】以上述べたように、従来の方式では何らか
の形でモジュールおよび放熱フィンを支持する専用支持
金具若しくはそれに準じた機構を別途設ける必要があっ
た。

【００８４】この為、部分組立てによる平行生産ができ
なかったり、実装方式によっては２面半田付けとなり半
田付け工程の複雑化によって作業性を悪くしてコスト増
の要因にもなっていた。

【００８５】従って、設計者にとってモジュール接続端
子や制御用基板の応力に対する保護や耐ノイズ性等に対
する製品信頼性を確保すると共に、モジュールの取り付
けに係る費用を低コストで実現することは大きな課題で
あり、全てを満たす有効な方法は未だ確立されていなか
った。

【００８６】これに対して本実施の形態では、モジュー
ル基板１２ａ及びマイコン制御基板１２ｂを個別のライ
ンで生産することができ、両者の結合も簡単に行うこと
ができるという効果がある。

【００８７】以上詳細に説明したように、本実施形態に
よれば、インバータ回路を一枚の基板に実装し、あるい
はさらに整流回路部分をも含めて一枚の基板に実装し
て、それをモジュールケースに組み込んでモジュール化
することにより、インバータ回路部をメインの制御基板
から独立させることができる。

【００８８】そして、モジュールと一枚の基板にマイコ
ン制御回路を組み込んだマイコン制御基板との接続は、
半田付けによらず機械的に組み合わせることができるよ
うになるので、基板相互の組み立て作業が手工具等の簡
便な道具で簡単にできるようになる。

【００８９】したがって保守サービスにおける点検が容
易になり、分解、組み立てにかかる時間、部品の交換等
の作業性を改善することができる。

【００９０】また、モジュールを支持する支持金具を必
要としないので部品数が少なくなり、生産性が向上する
とともに、基板の生産工程においても一度組み立てたイ
ンバータ回路部をも一度メイン基板に組み込むという直
列的な生産工程を省略でき、インバータ基板部とその他
の基板部を平行して生産できるので、基板の生産におい
ても生産性を向上させることができる。

【００９１】さらに、高電圧、高電流が流れ、ノイズを
発生し易いインバータ回路部分と低電圧で作動する電子
部品を組み込んだメイン基板分離できることにより、メ
イン基板の電子部品がノイズに影響されることが少なく
なるので、機器部品の運転の信頼性が向上する。

【００９２】総合すれば、高い信頼性を保ちつつ、安価
に基板接続が行える上に、基板接続にかかる不要な空間
いわゆるデッドスペースも減らすことが出来、かつモジ
ュール設計が自由に行えるという効果が得られる。

【００９３】

【発明の効果】以上本発明によれば、各種部品の精度や
組立て精度を上げることなく、パワーモジュールとヒー
トシンクとの密着性を良好にし、構成要素に不要な応力
がかからない電力変換装置の実装構造を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮機回転数制御のシステム構成図。

【図２】本発明に係る基板分割実施例。

【図３】本発明に係る基板分割実施例。

【図４】モジュールと基板の組み合わせの実施例。

【図５】モジュールと基板の組み合わせの別な実施例。

【図６】モジュールと基板の組み合わせの別な実施例。

【図７】モジュールと基板の組み合わせの別な実施例。

【図８】従来のモジュールと基板の組み合わせの実施
例。

【符号の説明】

１…平滑回路、２…整流回路、３…インバータ回路、４
…マイコン及び圧縮機モーター駆動用制御回路（マイコ
ン制御回路）、５…商用交流電源、６…ノイズフィル
タ、７…力率改善回路、８…モジュール、９…ローター
磁極位置検出器、１０…圧縮機モーター（ステータ）、
１１…メイン基板、１２ａ…モジュール基板（アルミ基
板）、１２ｂ…マイコン制御基板、１３…電源入力回路
基板（モジュール、マイコン制御基板以外の回路）、１
４…モジュールケース１４ａ…基板固定機構、１５…マ
イコン基板ケース、１６…半導体素子（発熱半導体素
子）、１７ａ…モジュール接続端子（大型端子）、１７
ｂ…モジュール接続端子（制御信号用端子）、１８…モ
ジュール冷却用放熱フィン、１９…圧縮機接続用ケーブ
ル、２０…ピンコネクタ、２１…接続ケーブル、２２ａ
…基板ケース側固定機構、２２ｂ…モジュール側固定機
構、２３ａ…基板ケース側固定機構、２３ｂ…モジュー
ル側固定機構、２４…ピンコネクタ、２５…モジュール
＝放熱フィン固定用ネジ、１００…冷却用放熱フィン、
１０２…インバータモジュール、１０３…制御用プリン
ト配線基板、１０４…モジュール接続端子、１０６…成
形基板。

フロントページの続き (72)発明者 井上 徹 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 三浦 靖仁 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 Ｆターム(参考） 5H006 AA02 AA05 BB05 CA01 CA07 CB04 CC02 DB01 HA01 HA05 HA08 5H007 AA02 AA06 BB06 CA01 CC23 DA06 DC02 DC04 DC05 EA02 HA03 HA04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の半導体スイッチング素子により構成
   されるインバータ回路が搭載され、このインバータ回路
   と電気的に接続された端子を有するモジュールと、前記
   インバータブリッジ回路を駆動する制御回路が搭載さ
   れ、この制御回路と電気的に接続されたピンコネクタと
   を有する制御基板とを備え、前記端子と前記ピンコネク
   タとが結合されることで前記インバータ回路と前記制御
   回路とが電気的に接続されるようにした電力変換装置。
2. 【請求項２】複数の半導体スイッチング素子により構成
   されるインバータ回路が搭載され、このインバータ回路
   と電気的に接続されたピンコネクタを有するモジュール
   と、前記インバータブリッジ回路を駆動する制御回路が
   搭載され、この制御回路と電気的に接続された端子とを
   有する制御基板とを備え、前記ピンコネクタと前記端子
   とが結合されることで前記インバータ回路と前記制御回
   路とが電気的に接続されるようにした電力変換装置。
3. 【請求項３】熱伝導体によって形成された基板上に取り
   付けられた複数の半導体スイッチング素子により構成さ
   れるインバータ回路が搭載され、このインバータ回路と
   電気的に接続された端子を有するモジュールと、このモ
   ジュールが取り付けられたヒートシンクと、前記インバ
   ータブリッジ回路を駆動する制御回路が搭載され、この
   制御回路と電気的に接続されたピンコネクタとを有する
   制御基板とを備え、前記端子と前記ピンコネクタとが結
   合されることで前記インバータ回路と前記制御回路とが
   電気的に接続されるようにした電力変換装置。
4. 【請求項４】熱伝導体によって形成された基板上に取り
   付けられた複数の半導体スイッチング素子により構成さ
   れるインバータ回路が搭載され、このインバータ回路と
   電気的に接続されたピンコネクタを有するモジュール
   と、このモジュールが取り付けられたヒートシンクと、
   前記インバータブリッジ回路を駆動する制御回路が搭載
   され、この制御回路と電気的に接続された端子とを有す
   る制御基板とを備え、前記ピンコネクタと前記端子とが
   結合されることで前記インバータ回路と前記制御回路と
   が電気的に接続されるようにした電力変換装置。
5. 【請求項５】熱伝導体によって形成された基板上に取り
   付けられた複数の半導体スイッチング素子により構成さ
   れるインバータ回路が搭載され、このインバータ回路と
   電気的に接続された端子を有するモジュールと、このモ
   ジュールが取り付けられたヒートシンクと、前記インバ
   ータブリッジ回路を駆動する制御回路が搭載され、この
   制御回路と電気的に接続されたピンコネクタとを有する
   制御基板と、前記モジュールに固定する機構を有し、前
   記制御基板を搭載する制御基板載置部材とを備え、前記
   端子と前記ピンコネクタとが結合されることで前記イン
   バータ回路と前記制御回路とが電気的に接続されるよう
   にした電力変換装置。
6. 【請求項６】熱伝導体によって形成された基板上に取り
   付けられた複数の半導体スイッチング素子により構成さ
   れるインバータ回路が搭載され、このインバータ回路と
   電気的に接続されたピンコネクタを有するモジュール
   と、このモジュールが取り付けられたヒートシンクと、
   前記インバータブリッジ回路を駆動する制御回路が搭載
   され、この制御回路と電気的に接続された端子とを有す
   る制御基板と、前記モジュールに固定する機構を有し、
   前記制御基板を搭載する制御基板載置部材とを備え、前
   記ピンコネクタと前記端子とが結合されることで前記イ
   ンバータ回路と前記制御回路とが電気的に接続されるよ
   うにした電力変換装置。