JP2006197729A

JP2006197729A - 直流電源回路、半導体モジュール、モータ駆動装置及び空気調和機

Info

Publication number: JP2006197729A
Application number: JP2005006850A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yamashita; 哲司山下
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】サージによって直流電源回路に所定電圧以上の電圧がかかった場合であっても、スイッチング素子の両端に異常な電圧が印加されることを防止することが可能な直流電源回路、半導体モジュール及びこの直流電源回路又は半導体モジュールを利用したモータ駆動装置、空気調和機を提供する。
【解決手段】直流電源回路１は、単相交流電源２に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路４と、単相交流電源２と第１の整流回路４との間に挿入されたリアクタ３と、第１の整流回路４に並列に接続される第２の整流回路５と、第２の整流回路５で整流された電圧を所定の間隔で前記リアクタに強制的に通電して短絡するスイッチング素子６と、スイッチング素子６の両端間に接続したサージ保護部品１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相交流電源からの交流を直流に変換する直流電源回路、半導体モジュール及びこの直流電源回路又は半導体モジュールを利用したモータ駆動装置、空気調和機に関する。

近年組み立て作業性の向上、電磁波ノイズの低減を図ることを目的に、リアクタを介して単相交流電源を短絡し、力率を向上させる直流電源回路が提案されている（特許文献１参照）。

この特許文献１で提案されている直流電源回路１００は、図６に示すように、単相交流電源１０１に接続されたリアクタ１０２と、このリアクタ１０２を介して単相交流電源１０１に接続された第１の整流回路１０３と、この第１の整流回路１０３と並列に接続された第２の整流回路１０４と、この第２の整流回路１０４の出力側に接続されたスイッチング素子１０５とから構成されている。スイッチング素子１０５は、マイクロコンピュータ１０７によって制御される制御手段１０６に接続され、この制御手段１０６によってスイッチング素子１０５がオン、オフ制御される。このスイッチング素子１０５は、制御手段１０６からのオン信号に基づいて第２の整流回路１０４とリアクタ１０２を介して単相交流電源１０１の両端が短絡して力率を向上させるためのものである。

直流電源回路１では、第１の整流回路１０３の出力端には平滑用電解コンデンサ１０８を介して負荷１０９に接続されている。これにより単相交流電源１０１からの交流電圧が第１の整流回路１０３、平滑用電解コンデンサ１０８により直流電圧として負荷１０９に供給されるようになっている。

また、一般的な直流電源回路においては、電気回路や電気系統に通常の電圧を超えて瞬間的に、或いは断続的に発生する雷などによる過電圧（以下、サージともいう。）に対するサージ保護部品として、例えばバリアブルレジスタ(Variable Resistor)（以下、バリスタという。）やアレスタ(arrester)が交流電源側に設けられている。図６では、例えば、単相交流電源１０１の入力端子間に第１のバリスタ１１０が接続され、入力端子の一方とグランド間に第２のバリスタ１１１と、ガスチューブアレスタ１１２が直列に接続されている。これらバリスタ１１０等の働きにより、単相交流電源１０１の入力端子間の電圧が異常に上昇することはなく、また電源回路側の部品に異常な電圧が印加されることを防止している。
特開平１１−７５３７１号公報

しかしながら、発明者による種々の試験の結果、上述のように電源１０１側に第１のバリスタ１１０等のサージ保護部品が挿入されている場合であっても、スイッチング素子１０５の両端に異常な電圧が印加される場合があり、特定の条件下では、スイッチング素子１０５が過電圧によって不具合が生ずるという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、直流電源回路に所定電圧以上の電圧がかかった場合であっても、スイッチング素子の両端に異常な電圧が印加されることを防止することが可能な直流電源回路、半導体モジュール及びこの直流電源回路又は半導体モジュールを利用したモータ駆動装置、空気調和機を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態に係る特徴は、直流電源回路において、単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、この第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、この第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、このスイッチング素子の両端間に接続されたサージ保護部品とを備えたことである。

また、本発明の実施の形態に係る特徴は、モータ駆動装置において、単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、この第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、この第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、このスイッチング素子の両端間に接続されたサージ保護部品と、直流出力側にモータを駆動する複数のインバータ用スイッチング素子とを設けた。

本発明の実施の形態に係る特徴は、半導体モジュールにおいて、単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、この第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、この第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、直流出力側にモータを駆動する複数のインバータ用スイッチング素子とを備え、前記第１の整流回路、前記第２の整流回路、前記スイッチング素子及び前記複数のインバータ用スイッチング素子を１つの半導体モジュール内に配設し、この半導体モジュールに、前記スイッチング素子の両端を外部に引き出す端子を設けた。

本発明の実施の形態に係る特徴は、空気調和機において、単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、前記第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、前記第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の両端間に接続したサージ保護部品と前記直流電源回路の直流出力側にモータを駆動する複数のインバータ用スイッチング素子とを備えた。

本発明によれば、直流電源回路内のスイッチング素子の両端間にサージ保護部品を接続したので、直流電源回路に所定電圧以上の電圧がかかった場合であっても、スイッチング素子の両端に異常な電圧が印加されることを防止することが可能となる。

本発明によれば、第１の整流回路等の放熱を必要とする発熱部品を一つのモジュール内にまとめたので、発熱部品に対する放熱部品をまとめて配置することができ、また、取り付けが容易になり小型化も可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に示す直流電源回路１は、単相交流電源２にリアクタ３が直列に接続されており、このリアクタ３の他端は、４個のダイオードからなり導通の方向を揃えている第１の整流回路４と、導通の方向を揃えている２個のダイオードからなる第２の整流回路５のそれぞれ一方の入力端に接続されている。また第１、第２の整流回路４、５のそれぞれ他方の入力端は単相交流電源２に接続されている。

第２の整流回路５の出力端は、例えばバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)などからなるスイッチング素子６に接続されている。スイッチング素子６は、マイクロコンピュータ７によって制御される制御手段８に接続され、この制御手段８によってスイッチング素子６が電源周期に同期した所定のタイミングでオン、オフ制御されるようになっている。なお、実際には電源との同期信号を得るため、電源に並列接続された電源電圧検出回路が設けられるが、図中では省略している。スイッチング素子６は、制御手段８からのオン信号により第２の整流回路５とリアクタ３を介して単相交流電源２を短絡する。これにより、直流電源装置の力率が改善されるとともに、高調波も低減される。

第１の整流回路４の出力端には平滑用電解コンデンサ９を介して負荷１０に接続されている。これにより単相交流電源２からの交流電圧が第１の整流回路４、平滑用電解コンデンサ９により直流電圧として負荷１０に供給されるようになっている。

単相交流電源２側には、サージによる過電圧が印加された場合、この過電圧によって電気回路や部品に対して異常な電圧が印加されることを防止するために、従来同様に、第１のバリスタ１１、第２のバリスタ１２、及びガスチューブアレスタ１３といった保護部品が設けられている。第１のバリスタ１１は、単相交流電源２の入力端子間に接続され、入力端子の一方とグランド間に第２のバリスタ１２と、ガスチューブアレスタ１３が直列に接続されている。このような回路構成とすることで、サージによる過電圧が印加されると第１のバリスタ１１、第２のバリスタ１２と、ガスチューブアレスタ１３が短絡動作を行い、電圧の異常な上昇を防止して、電源回路側の部品に対して異常な電圧が印加されることを防止する。

第２の整流回路５の出力端と、スイッチング素子６を通って第１の整流回路４に電流が入力する入力端との間に、スイッチング素子６と並列にサージ保護部品である第３のバリスタ１４が接続されている。第１のバリスタ１１、第２のバリスタ１２とガスチューブアレスタ１３の短絡動作では逃がすことができずに直流電源回路１内に過電圧が発生してしまった場合に、この第３のバリスタ１４にバイパスして逃がすことで過電圧によって不具合が生じやすいスイッチング素子６に異常な電圧が印加されることを防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態の説明において、第１の実施形態に係る直流電源回路１の構成要素と同一の構成要素には同一符号を付け、その説明は重複するので省略する。

図２に示すように、第２の実施形態に係る直流電源回路１は、第１の整流回路４、第２の整流回路５及びスイッチング素子６を一つのモジュール２０内に配設している。このスイッチング素子６のコレクタ及びエミッタの両端子からモジュール２０外にそれぞれ外部端子２１、２２が引き出されている。この外部端子２１、２２に第３のバリスタ１４を接続することで、直流電源回路１内に過電圧が発生してしまった場合であっても、この過電圧を第３のバリスタ１４にバイパスして逃がすことでスイッチング素子６に異常な電圧が印加されることを防止することができる。

さらに、第１の整流回路４、第２の整流回路５及びスイッチング素子６はいずれも発熱部品であり、発熱部品がまとめてモジュール化されていることで直流電源回路１内における放熱部品の配置等もまとめて行うことができる。その結果、過電圧がスイッチング素子６に印加されることを防止すると共に、直流電源回路１への取り付けが容易になり、この回路全体の小型化も図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、第３の実施形態の説明において、第１の実施形態に係る直流電源回路１の構成要素と同一の構成要素には同一符号を付け、その説明は重複するので省略する。

図３に示すように、第３の実施形態に係る直流電源回路１は、第１及び第２の実施形態と異なり、４個のダイオードからなり導通の方向を揃えている第２の整流回路５ａを備えている。このようにダイオードの数を増やすことで、第２の整流回路５ａの負側が独立することになり、力率改善のスイッチング動作により、例えば負荷１０の部分をモータ駆動素子とし、その先にモータを設けた場合に、モータ駆動側の交流電圧がふれずに安定できる。それとともに、外部端子２１、２２に第３のバリスタ１４を接続することで、直流電源回路１内に過電圧が発生してしまった場合であっても、この過電圧を第３のバリスタ１４にバイパスして逃がすことでスイッチング素子６に異常な電圧が印加されることを防止することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図４に示すように、本実施形態に係るモータ駆動装置３０は、単相交流電源２、リアクタ３、第１の整流回路４、第２の整流回路５、スイッチング素子６、マイクロコンピュータ７、制御装置８、平滑用電解コンデンサ９、第１のバリスタ１１、第２のバリスタ１２、ガスチューブアレスタ１３、第３のバリスタ１４を備える直流電源回路１と、複数のインバータ用スイッチング素子３１と、インバータ駆動装置３２とから構成されている。モータ３３は、いわゆるインバータ装置としての役割を有している複数のインバータ用スイッチング素子３１により、直流電源回路１から出力された直流は可変電圧、可変周波数の交流に変換されて供給される。マイクロコンピュータ７からの指令に基づいて動作する複数のインバータ用スイッチング素子３１によってインバータ駆動装置３２は駆動される。

本実施形態にかかるモータ駆動装置３０において、第１の整流回路４、第２の整流回路５、スイッチング素子６及び複数のインバータ用スイッチング素子３１は一つのモジュール３４内に配設されている。第１の整流回路４、第２の整流回路５、スイッチング素子６及び複数のインバータ用スイッチング素子３１はいずれも発熱部品であり、発熱部品がまとめてモジュール化されていることでモータ駆動装置３０内における放熱部品の配置等もまとめて行うことができる。その結果、モータ駆動装置３０全体の小型化も図ることができる。

さらに、モジュール３４内に配設されているスイッチング素子６のコレクタ及びエミッタの両端子からモジュール３４外にそれぞれ外部端子２１、２２が引き出されている。発熱部品をモジュール内にまとめて配設した上で、この外部端子２１、２２に第３のバリスタ１４を接続することで、直流電源回路１内に過電圧が発生してしまった場合であっても、この過電圧を第３のバリスタ１４にバイパスして逃がすことでスイッチング素子６に異常な電圧が印加されることを防止することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態は、上述の説明に係る直流電源回路１を含むモータ駆動装置３０を空気調和機４０の室外機に適用したものである。なお、図４には第２ないし第４の実施形態の説明にあるようなモジュール２０、モジュール３４及びモジュール２０、モジュール３４内から引き出された外部端子２１、２２、増設されたダイオードは記載していないが、これらを設けることが可能であることは言うまでもない。

図５に示すように、本実施形態に係る空気調和機４０は、単相交流電源２、リアクタ３、第１の整流回路４、第２の整流回路５、スイッチング素子６、マイクロコンピュータ７、制御装置８、平滑用電解コンデンサ９、第１のバリスタ１１、第２のバリスタ１２、ガスチューブアレスタ１３、第３のバリスタ１４を備える直流電源回路１と、複数のインバータ用スイッチング素子３１と、インバータ駆動装置３２、室内機３４から構成されている。モータ３３は、いわゆるインバータ装置としての役割を有している複数のインバータ用スイッチング素子３１により、直流電源回路１から出力された直流は可変電圧、可変周波数の交流に変換されて供給される。マイクロコンピュータ７からの指令に基づいて動作するインバータ駆動装置３２の出力によって複数のインバータ用スイッチング素子３１は個々にＯＮ／ＯＦＦ駆動され、所定の周波数出力を行なう。

室内機３４には、例えば、図示しないリモートコントローラからの指令を受信する受信部、室内温度を検出する温度センサ等が設けられており、室内制御部においてこれら室内機の各部が制御されている。

空気調和機４０を以上のような構成とすることにより、サージによって直流電源回路に所定電圧以上の電圧がかかった場合であっても、スイッチング素子の両端に異常な電圧が印加されることを防止することが可能となり、空気調和機への影響を避けることができる。

なお、上述の各実施形態においては、バリスタの種類については特に明示しなかったが、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＯ）バリスタ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系バリスタ等、各直流電源回路において最適と思われる素子の種類を選択することができる。

本発明の第１の実施形態に係る直流電源回路を示す電子回路図である。本発明の第２の実施形態に係る直流電源回路を示す電子回路図である。本発明の第３の実施形態に係る直流電源回路を示す電子回路図である。本発明の第４の実施形態を示す電子回路図であり、第１ないし第３の実施形態に係る直流電源回路を備えるモータ駆動装置の例を示す電子回路図である。本発明の第５の実施形態を示す電子回路図であり、第１ないし第４の実施形態に係る直流電源回路、モータ駆動装置を空気調和機に適用した例を示す電子回路図である。従来技術に係る直流電源回路を示す電子回路図である。

符号の説明

１…直流電源回路、２…単相交流電源、３…リアクタ、４…第１の整流回路、５…第２の整流回路、６…スイッチング素子、７…マイクロコンピュータ、８…制御手段、９…電解コンデンサ、１０…負荷、１１…第１のバリスタ、１２…第２のバリスタ、１３…ガスチューブアレスタ、１４…第３のバリスタ、２０…モジュール、２１、２２…外部端子

Claims

単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、この第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、この第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、このスイッチング素子の両端間に接続されたサージ保護部品とを備えたことを特徴とする直流電源回路。
前記第１の整流回路と、前記第２の整流回路と、前記スイッチング素子とを１つの半導体モジュール内に配設し、この半導体モジュールに、前記スイッチング素子の両端を外部に引き出す端子を設け、この端子に前記サージ保護部品を半導体モジュール外で接続可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の直流電源回路。
単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、この第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、この第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、このスイッチング素子の両端間に接続されたサージ保護部品と、直流出力側にモータを駆動する複数のインバータ用スイッチング素子と、を設けたことを特徴とするモータ駆動装置。
単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、この第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、この第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、直流出力側にモータを駆動する複数のインバータ用スイッチング素子とを備え、前記第１の整流回路、前記第２の整流回路、前記スイッチング素子及び前記複数のインバータ用スイッチング素子を１つの半導体モジュール内に配設し、この半導体モジュールに、前記スイッチング素子の両端を外部に引き出す端子を設けたことを特徴とする半導体モジュール。
単相交流電源に接続され、交流を直流に整流する第１の整流回路と、前記第１の整流回路と前記単相交流電源との間に挿入されたリアクタと、前記第１の整流回路に並列に接続された第２の整流回路と、前記第２の整流回路で整流された電圧を前記リアクタに通電させて短絡させるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の両端間に接続したサージ保護部品と前記直流電源回路の直流出力側にモータを駆動する複数のインバータ用スイッチング素子とを備えたことを特徴とする空気調和機。