JP2007228747A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】倍電圧整流する整流ブリッジの入力端子の電流値を低減できるインバータ装置を提供する。
【解決手段】整流ブリッジ３０の２つの入力端子３０Ｂ、３０Ｃは共通に接続して単相の交流電源２１の一方の端子に接続し、直列接続した２個のコンデンサ３５、３６同士の接続点は交流電源２１の他方の端子に接続することにより、１つの入力端子の電流を抑えて信頼の高いインバータ装置を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、業務用、或いは一般家庭で使用される洗濯機、洗濯乾燥機、エアコンなどに使用されるインバータ装置に関するものである。

従来、この種の衣類乾燥機は、蒸発器で除湿された空気を凝縮器を通し、乾燥空気として回転ドラムに循環させて乾燥を行うようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

図５は、上記特許文献１に記載された従来の電気洗濯機として動作するインバータ装置の回路図を示すもので、単相の交流電源１に接続される、整流回路２、整流回路２から直流電圧を供給されて動作するインバータ回路３、インバータ回路３から交流電力が供給されて駆動される電動機４が設けられたものとなっている。

インバータ回路３は、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせた６個のスイッチング素子を、駆動回路５に入力されるオンオフ信号に従ってゲート電圧をコントロールするものであり、制御回路６は駆動回路５に、そのオンオフ信号を発生させるものである。

整流回路２は、整流ブリッジ７、整流ブリッジ７の出力に接続したコンデンサ８、９の直列回路を有しており、整流ブリッジ７は、４本のダイオード１０、１１、１２、１３により構成されたものとなっている。

以上の構成により、従来のインバータ装置は交流電源１から入力された交流電圧を倍電圧整流した直流電圧ＶＤＣを、インバータ回路３に供給し、電動機４を回転駆動して洗濯、脱水などの動作を行うものであった。
特開２００１−２５９２８１号公報

しかしながら、上記従来のインバータ装置では、倍電圧整流となっていることから、直流電圧ＶＤＣが、交流電源１の電圧に対して高いものとすることができるので、インバータ回路３を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子の電流定格がその分、小さくて安価なものとすることができるという効果があるが、パワーが大きいインバータ回路３を設ける場合には、交流電源１から電力供給を行う際の電流が大きな値となり、例えば１ｋＷ程度の電力を、実効値が１００Ｖの交流電源１から供給しようとする場合、図５において太い線で記した部分については、１０Ａを越える実効値の電流が流れるものとなる。

発明者らの検討によると、プリント基板に銅箔で形成された配線（パタン）について、７Ａを越える実効値を有する電流を流そうとした場合には、無風の状態におけるパタン面および実装される部品のリード線ハンダ付け部分での発熱による温度上昇を効果的に抑えることができず、信頼性が低くなるという傾向があるものとなっており、図５において整流ブリッジ７の一方の入力端子であるＢ端子について、電流値の実効値が１０Ａ以上となり、信頼性の課題を有しているものとなる。

また、さらに整流ブリッジ７を構成する４本のダイオード１０、１１、１２、１３の内のダイオード１２、１３については、コンデンサ８、９への過渡的な逆電圧の印加を防ぐ作用はあるものの、定常動作期間中については、逆阻止状態を保った状態となり、整流素子としては働かない休止状態となっており、一方ダイオード１０、１１には大きな電流が集中するものとなり、一般的に同等の電流容量を有する４本のダイオード１０、１１、１２、１３で構成されている整流ブリッジ７が、有効に活用されていないという不合理があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、大きいパワーで動作するインバータ回路を使用する場合でも、倍電圧整流を行う整流ブリッジの端子への流入電流の実効値を低減し、さらに４本のダイオードを有効に活用して、高い信頼性を確保できるインバータ装置を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、２つの入力端子と２本の出力端子と４個のダイオードを有する整流ブリッジと、前記出力端子に接続した２個のコンデンサの直列回路と、前記２個のコンデンサのそれぞれに並列に接続した２個の逆電圧保護ダイオードと、前記２個のコンデンサの直列回路から直流電圧が供給されて動作するインバータ回路を有し、前記２つの入力端子は共通に接続して単相の交流電源の一方の端子に接続し、直列接続した前記２個のコンデンサ同士の接続点は前記交流電源の他方の端子に接続したもので、交流電源から共通に接続した２つの入力端子を通じての整流ブリッジへの電流の供給を、２つの入力端子に分流させて行うことにより、電流の集中を防ぐことができ、入力端子を通過する電流の実効値を、インバータ装置への入力パワー（入力電力）に対して低く抑えることができるものとなり、信頼性の高いインバータ装置が実現できるものとなる。

本発明のインバータ装置は、高い信頼性を確保することができるものである。

第１の発明は、２つの入力端子と２本の出力端子と４個のダイオードを有する整流ブリッジと、前記出力端子に接続した２個のコンデンサの直列回路と、前記２個のコンデンサのそれぞれに並列に接続した２個の逆電圧保護ダイオードと、前記２個のコンデンサの直列回路から直流電圧が供給されて動作するインバータ回路を有し、前記２つの入力端子は共通に接続して単相の交流電源の一方の端子に接続し、直列接続した前記２個のコンデンサ同士の接続点は前記交流電源の他方の端子に接続した構成とすることにより、交流電源から共通に接続した２つの入力端子を通じての整流ブリッジへの電流の供給を、２つの入力端子に分流させて行うことにより、電流の集中を防ぐことができ、入力端子を通過する電流の実効値を、インバータ装置への入力パワー（入力電力）に対して低く抑えることができるものとなる。

第２の発明は、第１の発明の整流ブリッジは、プリント基板に実装し、前記整流ブリッジの１方の入力端子の第１のパタンと、前記整流ブリッジの他方の入力端子の第２のパタンを有し、前記第１のパタンと前記第２のパタンが接続される部分に交流電源の一方の端子が接続され、前記交流電源から入力された電流は即前記第１のパタンと前記第２のパタンに分流されて前記整流ブリッジに供給される構成とすることにより、プリント基板のパタンを通過する電流の実効値を効果的に低減しパタンの発熱を防止し、信頼性の確保に強い効果があげられるものとなる。

第３の発明は、第２の発明の交流電源の一方の端子に接続されたリアクタを整流ブリッジが実装されるプリント基板の外に有し、前記リアクタの一方の端子は、プリント基板の第１のパタンと第２のパタンが接続される部分に設けたコネクタによって接続した構成とすることにより、リアクタによる力率改善効果によって、大きいパワーをインバータ回路に供給する場合にあっても、交流電源からの電流の実効値を低減し、かつプリント基板に実装した整流ブリッジに電流供給されるコネクタの温度上昇を抑え、信頼性の確保に関して、多大なる効果をもたらすものとなる。

第４の発明は、第１の発明にリアクタを有し、前記リアクタは複数の巻線を有し、整流ブリッジの一方の入力端子は、前記リアクタの第１の巻線に接続し、整流ブリッジの他方の入力端子は、前記リアクタの第２の巻線に接続した構成とすることにより、交流電源から整流ブリッジの２つの入力端子に分かれて供給される際のバランスを改善し、極めて信頼性の高いものとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置の回路図を示したものである。なお、本実施の形態は、ヒートポンプを有する乾燥機能付のドラム式洗濯機として動作するインバータ装置を示しているものとなっている。

図１において、２つの入力端子３０Ｂ、３０Ｃと、２本の出力端子３０Ａ、３０Ｄ、４個のダイオード３１、３２、３３、３４を有する整流ブリッジ３０と、出力端子３０Ａ、３０Ｄ間に接続した２個の電解式のコンデンサ３５、３６の直列回路、２個のコンデンサ３５、３６のそれぞれに並列に接続した２個の逆電圧保護ダイオード３７、３８、２個のコンデンサ３５、３６の直列回路から直流電圧ＶＤＣが出力されるものとなっている。

直流電圧ＶＤＣは、インバータ回路２３に供給され、負荷となる電動機２４を回転駆動するものとなっている。

なお、本実施の形態においては、電動機２４は、洗濯物と水を入れて回転するドラムの回転駆動用となる。

インバータ回路２３は、６個のＩＧＢＴおよび逆導通ダイオードによるスイッチング素子を、駆動回路２５によってオンオフさせて、電動機２４への交流電流の供給を行い、駆動するものとなっており、制御回路２６が６つのスイッチング素子に対応した駆動回路２５へのオンオフ指令を出すものとなっている。

同様に、インバータ回路２７は、負荷として電動機２８を接続しているが、電動機２８は、本実施の形態においては、ヒートポンプと呼ばれる冷媒の圧縮動作用として働くものを構成している。

インバータ回路２７についても、同様に駆動回路２９を設けており、やはり制御回路２６からのオンオフ指令を受けて働くものとなっている。

また、本実施の形態においては、整流ブリッジ３０の２つの入力端子３０Ｂ、３０Ｃは共通に接続した上で、リアクタ４５、およびコモンモードチョークコイル４６、電流ヒューズ４７を経た上で、１００Ｖの実効値電圧を有する交流電源２１の一方の端子に接続している。

また、直列接続した２個のコンデンサ３５とコンデンサ３６の接続点からは、コモンモードチョークコイル４６を経た上で、やはり交流電源２１の他方の端子に接続している。

図２は、本実施の形態におけるインバータ装置の整流ブリッジ３０のピン配置および破線Ｐよりも下側の部分に、プリント基板のパタンを示した図となっている。

図２に示されるように、４本のダイオード３１、３２、３３、３４は１つの樹脂パッケージ内に封入されたものとなっており、アルミニウム製の放熱器（ヒートシンク）にも取り付けられる樹脂パッケージングとなっていたものを使用している。

１列に並んで配置された４本の端子は、交流が入力される２本の入力端子３０Ｂ、３０Ｃが、整流された直流電流を出力する２本の出力端子３０Ａ、３０Ｄによって挟まれた形となっている。なお、３０Ａはプラス側端子、３０Ｄはマイナス側端子となっている。

このようなピン配置とした整流ブリッジ３０を使用する場合には、２本の入力端子３０Ｂ、３０Ｃが４本の内の内側の２本となっているため、パタン幅を確保することが難しくなっており、絶縁のためのパタン間隔も確保する設計が必要であることから、発明者らの試験によれば、１本の端子の電流実効値が７Ａを越える状態で運転を続けた場合には、特に冷却のための風が無いとした際には、ハンダ付部分付近の温度の上昇が大きくなり、信頼性の確保を行う上で困難なものとなってくる。

また、図２に示しているように、整流ブリッジ３０は、プリント基板４８に実装しており、整流ブリッジ３０の１方の入力端子３０Ｂからの第１のパタン５０と、整流ブリッジ３０の他方の入力端子３０Ｃの第２のパタン５１を別々に設けたものとなっている。

さらに本実施の形態においては、第１のパタン５０と、第２のパタン５１が接続される部分に、コネクタ５４のハウジングを設けており、交流電源２１の一方の端子へと接続されている。

ただし、本実施の形態においては、１本のエナメル線を鉄心（コア）に巻いて構成したリアクタ４５、およびフェライトコアに２本のエナメル線を巻いて実現したコモンモードチョークコイル４６を間に挿入した上での交流電源２１の接続という接続順としている。

特にリアクタ４５は、重量が大であり、また発熱も大きいことからプリント基板４８には実装せず、別の場所に取り付けている。

このようなリアクタが十分なインダクタンスを有するものとなっていることから、交流電源２１から見た力率は、８５パーセント程度にまで改善されたものとなり、よって同一の入力パワーであっても、その分交流電源２１からの入力電流の実効値、ならびにピーク値も低減できるものとなり、交流電源２１への負担を減らせるほか、インバータ装置内に流れる電流も小さくなることから発熱が抑えられ高効率での運転ができるものとなり、電流定格の小さい部品でも十分な信頼性の下で働かせることができるものとなる。

本実施の形態では、リアクタ４５による力率改善効果によって、交流電源２１から入力される電流の実効値が抑えられた上で、コネクタ５４からは即第１のパタン５０と第２のパタン５１に分流され、整流ブリッジ３０のそれぞれの入力端子３０Ｂ、３０Ｃに供給されるものとなり、ダイオード３１、３３が並列接続された形となることから、電流がダイオード３１、３３にほぼ半分ずつに分担されて流れるものとなる。

よってダイオード３１、３３は、各としては、従来の技術の場合よりも小さい電流での整流動作が可能となり、合理的に動作するものとなる。

同様に、ダイオード３２、３４に関しても、並列に接続された状態となり、電流が分担される。

ここで、本実施の形態においては、第１のパタン５０と第２のパタン５１とを別々にしていることから、それぞれの電流値を７Ａ以下に抑えることができ、十分な信頼性をあげることができるものとなっている。

その上、第１のパタン５０と第２のパタン５１が有するインピーダンスをほぼ同一値になるようにパタン設計を行うことにより、並列に接続される２つのダイオード３１とダイオード３３への電流バランスを保つことが比較的容易に実現できるものとなる。ダイオード３２、３４の電流バランスに関しても同様である。

ただし、必ずしも第１のパタン５０と第２のパタン５１を別々に引く必要があるというものではなく、十分なパタン幅が確保できる場合には、整流ブリッジ３０の、並んでピン配置がなされている２つの入力端子３０Ｂを３０Ｃと直に接続してしまう構成でも良い。

なお、逆電圧保護ダイオード３７、３８は、それぞれ極性を有する電解式のコンデンサ３５、３６に対して、プラス側にカソード端子を接続し、マイナス側にアノード端子を接続することにより、特に電源投入時などにおける過渡的な逆電圧がコンデンサ３５、３６に印加されようとする際の保護となる。

一方、定常の動作条件下にては、逆電圧保護ダイオード３７、３８は逆阻止状態で電流は全く流れないものとなることから、リード線をアキシャル式などに構成した小型のダイオードで、十分な保護動作ができるものとなる。

また、本実施の形態においては、整流回路２２の直流電圧出力端子間には、電解式のコンデンサ３９を接続した構成となっており、これによって出力電圧ＶＤＣの電圧リプル分を効果的に抑えながら、交流電源２１から見た力率も確保しやすい構成となっている。

コンデンサ３９を設けた本実施の形態において、前記力率を高く保つには、コンデンサ３５、３６の静電容量を、２００〜４００マイクロファラッド程度という比較的小さな値とし、かつコンデンサ３５、３６としては静電容量に対しての耐リプル電流が大きい仕様のものが適している。

しかし、必ずしもコンデンサ３９を設けることが、本発明を実現する上で必要となるというものではなく、例えばコンデンサ３５、３６を共に１０００マイクロファラッド以上の大容量のものとして、コンデンサ３５、３６の電圧リプルを十分に抑えたものとしてコンデンサ３９を接続しない構成などであってもよく、その場合についても、リアクタ４５のインダクタンス値を適切に設計するなどすれば、交流電源２１から見た力率も、十分に高めることも可能であり、これらは自由に設計できる要素となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ装置の回路図を示したものである。本実施の形態においても、負荷となるインバータ回路２３、２７などの構成は、実施の形態１と全く同等のものとなっており、整流回路２２内のリアクタ６０のみが実施の形態１と異なったものとなっている。

本実施の形態においては、リアクタ６０は、磁路としてギャップを有する珪素鋼板を積層したコアに巻いた２本の巻線６１、６２を有しており、この２本の巻線をちょうどコモンモードチョークコイル４６と同様に、図３では交流電源２１の側に共に黒丸印がくるように接続がなされたものとしている。

整流ブリッジ３０の一方の入力端子３０Ｂは、リアクタ３０の第１の巻線６１が接続され、整流ブリッジ３０の他方の入力端子３０Ｃは、リアクタ３０の第２の巻線６２に接続されたものとなっている。

実施の形態１と比較すると、リアクタ６０の巻線６１、６２間にも、直流抵抗分および磁気結合漏れによるインダクタンス成分も入ってくることから、リアクタ６０の巻線６１、６２がそれぞれインダクタンスを含む、かなり大きなインピーダンスを持っているものとなる。

よって、並列に接続されることになるダイオード３１とダイオード３３への分流のアンバランス（ダイオード３２とダイオード３４への分流のアンバランスも同様）をより小さく抑えることができるものとなり、例えば各ダイオード間の順方向の電圧降下の特性に差があったりした場合でも、電流のバランスを良好に保つことができるものとなる。

また、さらにリアクタ６０の巻線６１、６２が整流ブリッジ３０の入力端子３０Ｂ、３０Ｃそれぞれに接続されていく部分においても、１ｋＷ入力時には電流が７Ａ以下とすることが容易に実現できることから、プリント基板上にリアクタを実装しても、信頼性の高いものを比較的簡単に実現することができるものとなり、効果が大きい。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態におけるインバータ装置の回路図を示したものである。図４においては、整流回路２２の出力に接続され、直流電圧を受ける負荷なる回路の部分については回路図に示していないが、実施の形態１に示したものと同等のものを接続して構成したものとなっている。

本実施の形態においては、リアクタ７０が、ギャップのある珪素鋼板のコアに巻いた３本の巻線７１、７２、７３を有したものとなっている。

３本の巻線の内の巻線７１、７２については、実施の形態２で示したものと同様に、巻線７１を整流ブリッジ３０の一方の入力端子３０Ｂに接続し、巻線７２は整流ブリッジ３０の他方の入力端子３０Ｃへと接続している。

巻線７３については、直列に接続したコンデンサ３５、３６の接続点に一端を接続、巻線７３の他端をコモンモードチョークコイル４６を経て交流電源２１のもう一方の端子へと接続した構成となっている。

なお、各巻線７１、７２、７３の極性に関しては、図４の黒丸印がついた端子からの電流流入により、同一方向の磁束を磁路内に発生させる向きとなることから、巻線７３には巻線７１と巻線７２の合計電流が流れるものとなり、ノーマルモードのリアクタとして動作するものとなる。

よって、実施の形態２と同様に、リアクタ７０の持つノーマルモードインダクタンスによって、交流電源２１から見た力率を改善し、同一パワーでの電流実効値を低減させる効果があり、かつ往復共に巻線を通過するもの、すなわち往路では巻線７１、または巻線７２を通過し、復路では巻線７３を通過するという電流の流れ方となることから、負荷となるインバータ回路２３、２７が発生するノイズが交流電源２１に逆流するのを効果的に抑えるのに有利となる。

以上の各実施の形態においては、インバータ装置として、乾燥機能付きの洗濯機とし、２つのインバータ回路２３、２７たものを示しているが、特にこのようなインバータ装置に限定されるものではなく、例えばエアコンの圧縮機を駆動するものや、誘導加熱のためのインバータ回路を有するもの、また電力変換器として直流、交流、高周波などの電力を出力するインバータ回路を用いたものであってもよく、またインバータ回路の数についても様々なものが使用できるものである。

以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、整流ブリッジへの入力電流を２つの入力端子に分担させて流して信頼性を高めることができ、各種のインバータ装置に広く適用できる。

本発明の実施の形態１におけるインバータ装置の回路図 同インバータ装置の整流ブリッジ実装でのピン配置およびパタン図 本発明の実施の形態２におけるインバータ装置の回路図 本発明の実施の形態３におけるインバータ装置の整流回路の回路図 従来の技術におけるインバータ装置の回路図

符号の説明

２１ 交流電源
２３、２７ インバータ回路
３０ 整流ブリッジ
３０Ｂ、３０Ｃ 入力端子
３０Ａ、３０Ｄ 出力端子
３１、３２、３３、３４ ダイオード
３５、３６ コンデンサ
３７、３８ 逆電圧保護ダイオード
４５、６０、７０ リアクタ
４８ プリント基板
５０ 第１のパタン
５１ 第２のパタン
５４ コネクタ
６１、７１ 第１の巻線
６２、７２ 第２の巻線

Claims (4)

1. ２つの入力端子と２本の出力端子と４個のダイオードを有する整流ブリッジと、前記出力端子に接続した２個のコンデンサの直列回路と、前記２個のコンデンサのそれぞれに並列に接続した２個の逆電圧保護ダイオードと、前記２個のコンデンサの直列回路から直流電圧が供給されて動作するインバータ回路を有し、前記２つの入力端子は共通に接続して単相の交流電源の一方の端子に接続し、直列接続した前記２個のコンデンサ同士の接続点は前記交流電源の他方の端子に接続したインバータ装置。
2. 整流ブリッジはプリント基板に実装し、前記整流ブリッジの一方の入力端子の第１のパタンと、前記整流ブリッジの他方の入力端子の第２のパタンを有し、前記第１のパタンと前記第２のパタンが接続される部分に交流電源の一方の端子が接続され、前記交流電源から入力された電流は即前記第１のパタンと前記第２のパタンに分流されて前記整流ブリッジに供給される請求項１記載のインバータ装置。
3. 交流電源の一方の端子に接続されたリアクタを整流ブリッジが実装されるプリント基板の外に有し、前記リアクタの一方の端子は、プリント基板の第１のパタンと第２のパタンが接続される部分に設けたコネクタによって接続した請求項２記載のインバータ装置。
4. リアクタを有し、前記リアクタは複数の巻線を有し、整流ブリッジの一方の入力端子は、前記リアクタの第１の巻線に接続し、整流ブリッジの他方の入力端子は、前記リアクタの第２の巻線に接続した請求項１記載のインバータ装置。