JP2008061404A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いても装置全体のコストアップを抑えられるような電力変換装置を得る。
【解決手段】主スイッチング素子（13）をＳｉＣ半導体からなるチップによって構成する。そして、そのチップサイズは、オン電圧降下が従来のＳｉ半導体からなるチップと同等以上になるようなサイズにする。これにより、チップの小型化を図ることができ、装置全体の小型化及びコストの低減を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータや交流電圧を直流電圧に変換するコンバータなどの電力変換装置に関する。

従来より、直流電圧を交流電圧に変換するインバータや交流電圧を直流電圧に変換するコンバータなどの電力変換装置として、例えば特許文献１に開示されるように複数のスイッチング素子によって電力変換動作を行うものが知られている。また、上記特許文献１には、主スイッチング素子としてＳｉＣ半導体からなる素子を用いることで、ＰＷＭ制御のキャリア周波数を高くすることができ、従来の構成に比べて効率改善できる点が開示されている。

上述のＳｉＣ半導体などのようなワイドバンドギャップ半導体は、絶縁破壊電界が従来のＳｉ半導体に比べて約１０倍高いため、素子の高耐圧化が容易になり、同じ耐圧であれば、Ｓｉ半導体の場合に比べてデバイスの厚みを薄くできるため、導通損失が小さく且つ小型の素子にすることができる。

また、上記ワイドバンドギャップ半導体は、高速動作や高温での動作が可能であるため、高速動作により装置全体の高効率化を図れるとともに、チップの小型化に伴う高温条件下でも動作することができ、これにより装置の小型化を図れる。
特開２００６−４２５２９号公報

ところで、上述のようなワイドバンドギャップ半導体は高価であるため、電力変換装置内のスイッチング素子などに用いると、装置全体のコストアップを招くという問題があった。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いても装置全体のコストアップを抑えられるような電力変換装置を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置では、主スイッチング素子（13）をワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成するとともに、ＳｉＣ半導体のチップの場合には、同じチップサイズでもオン電圧降下が小さくなる点に着目し、オン電圧降下が従来のＳｉ半導体のチップの場合と同等以上になるようにチップサイズを小さくした。

具体的には、第１の発明では、電力変換用の主スイッチング素子（13）は、２００Ｖ以上の耐圧を有するワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成され、上記チップは、オン電圧降下がＳｉ半導体からなるチップの場合と同等以上になるように、該Ｓｉ半導体のチップよりも小さいサイズに形成されているものとする。

この構成により、Ｓｉ半導体の場合よりもオン電圧降下が小さいＳｉＣ半導体を用いて、該ＳｉＣ半導体のチップのサイズを、従来のＳｉ半導体のチップと同等以上のオン電圧降下になるような大きさにすることで、全体として損失を大幅に悪化させることなく、チップサイズの小型化を図ることができる。

したがって、高価なＳｉＣ半導体のチップサイズを小さくすることで、装置全体のコストアップを抑えることができるとともに、チップサイズの小型化によって装置全体の小型化も図ることができる。

また、第２の発明では、上述の第１の発明と同様、主スイッチング素子（13）をワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成するとともに、ＳｉＣ半導体のチップの場合には同じチップサイズでも損失が小さくなる点に着目し、損失が従来のＳｉ半導体のチップの場合と同等以上になるようにチップサイズを小さくした。

具体的には、第２の発明では、電力変換用の主スイッチング素子（13）は、２００Ｖ以上の耐圧を有するワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成され、上記主スイッチング素子（13）は、スイッチング周波数１５ＫＨｚ以上で動作し、上記チップは、損失がＳｉ半導体からなるチップと同等以上になるように、該Ｓｉ半導体のチップよりも小さいサイズに形成されているものとする。

上述の構成により、Ｓｉ半導体の場合よりも損失の小さいＳｉＣ半導体を用いて、該ＳｉＣ半導体のチップのサイズを従来のＳｉ半導体のチップと同等以上の損失になるような大きさにすることで、損失を大幅に悪化させることなく、チップサイズの小型化を図ることができる。

したがって、高価なＳｉＣ半導体のチップサイズを小さくすることができ、装置全体のコストアップを抑えることができる。また、チップサイズの小型化によって装置全体の小型化も図れる。

また、第３の発明では、ワイドバンドギャップ半導体のチップをパッケージングすることによって主スイッチング素子（13）を構成し、該ワイドバンドギャップ半導体の高耐熱性に着目してヒートシンクを省略した。

具体的には、第３の発明では、電力変換用の主スイッチング素子（13）は、２００Ｖ以上の耐圧を有するワイドバンドギャップ半導体のチップがパッケージングされてなり、放熱手段を介さずに直接、空気中に放熱するように構成されているものとする。

このように、高温動作可能なワイドバンドギャップ半導体のチップがパッケージングされてなる主スイッチング素子を、パワー素子として用いることで、放熱手段を省略してチップが高温状態になっても該チップは正常に機能することができる。したがって、放熱手段の省略によってコスト低減を図ることができる。

上述の各構成のように、主スイッチング素子（13）をワイドバンドギャップ半導体によって構成して装置の小型化を図ったり、放熱手段を省略すると、該素子（13）は高温になる。そこで、上記主スイッチング素子（13）の熱を有効利用して装置全体の効率向上を図ることが考えられる。

すなわち、上記主スイッチング素子（31）で発生した熱が、空気調和機の冷媒回路（30）に供給されるように構成されているのが好ましい（第４の発明）。

これにより、上記主スイッチング素子（13）の熱は空気調和機の冷媒回路（30）に与えられるため、該主スイッチング素子（13）の熱を有効利用することが可能になる。すなわち、例えば空気調和機の冷媒回路（30）における圧縮機（31）の吐出側に、上記主スイッチング素子（13）の熱を与えることで該主スイッチング素子（13）の熱を空気調和機で回収することができ、装置全体の効率向上を図れる。

さらに、上記主スイッチング素子（13）で発生した熱が、１次冷媒回路（50）と２次冷媒回路（60）との間で熱交換を行うヒートポンプ装置の該１次冷媒回路（50）または該２次冷媒回路（60）のいずれか一方に供給されるように構成されていてもよい（第５の発明）。

こうすることで、主スイッチング素子の熱を、１次冷媒回路（50）及び２次冷媒回路（60）を備えたヒートポンプ装置の該１次冷媒回路（50）または該２次冷媒回路（60）で回収して、装置全体の効率向上を図れる。

上記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ半導体であるのが好ましい（第６の発明）。ワイドバンドギャップ半導体としてＳｉＣ半導体を用いることで、低損失で且つ高耐熱性の半導体チップ（13）が得られる。

以上のような構成の電力変換装置は、冷凍装置の圧縮機（31,51）に電力を供給するように構成されているのが好ましい（第７の発明）。

本発明に係る電力変換装置によれば、主スイッチング素子（13）をワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成し、従来のＳｉ半導体からなるチップのオン抵抗と同等以上になるようなチップサイズにしたため、チップサイズを極小化することができ、装置全体の小型化及びコストの低減を図れる。

また、第２の発明によれば、主スイッチング素子（13）をワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成し、従来のＳｉ半導体からなるチップの損失と同等以上になるようなチップサイズにしたため、チップサイズを極小化することができ、装置全体の小型化及びコストの低減を図れる。

また、第３の発明によれば、ワイドバンドギャップ半導体の素子をパッケージングして主スイッチング素子（13）を構成し、該主スイッチング素子（13）で発生した熱を放熱手段を介さずに直接、空気中に放熱するように構成したため、放熱手段の分、コストの低減を図れる。

また、第４の発明によれば、上記主スイッチング素子（13）で発生した熱を空気調和機の冷媒回路（30）に与えるようにしたため、上記主スイッチング素子（13）の熱を有効利用して装置全体の効率を向上できる。

また、第５の発明によれば、上記主スイッチング素子（13）で発生した熱を１次冷媒回路（50）及び２次冷媒回路（60）を有するヒートポンプ装置の該１次冷媒回路（50）または該２次冷媒回路（60）に与えるようにしたため、上記主スイッチング素子（13）の熱を有効利用することができ、システム全体の効率を向上できる。

また、第６の発明によれば、上記ワイドバンドギャップ半導体はＳｉＣ半導体であるため、小型で且つ高温動作可能な主スイッチング素子（13）を得ることができる。

さらに、第７の発明によれば、電力変換装置は、冷凍装置の圧縮機（31,51）に電力を供給するためのものであるため、上述のような構成にすることで、冷凍装置の小型化、コスト低減及び効率向上を図れる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
−全体構成−
図１に本発明の実施形態１に係る電力変換装置（10）の回路の一例を示す。この電力変換装置（10）は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ部（11）と、該コンバータ部（11）で変換された直流電圧を三相交流電圧に変換するためのインバータ部（12）とを備えていて、上記コンバータ部（11）が交流電源（1）に、上記インバータ部（12）が負荷としてのモータ（2）にそれぞれ接続されている。

上記コンバータ部（11）及びインバータ部（12）は、複数の主スイッチング素子（13,13,…）を有していて、該主スイッチング素子（13,13,…）のスイッチング動作によって上記コンバータ部（12）で交流電圧から直流電圧への整流動作及び上記インバータ部（13）で直流電圧から三相交流電圧への電力変換動作が行われるようになっている。

また、上記電力変換装置（10）には、上記コンバータ部（11）の出力電圧を平滑化するための２つのコンデンサ（14,14）が直列につながった状態で、該コンバータ部（11）及びインバータ部（12）に対して並列に設けられている。

上記コンバータ部（11）は、上記主スイッチング素子（13,13）によってハーフブリッジ型に組まれた回路を備えていて、上記直列に接続された２つのコンデンサ（14,14）の間に、交流電源（1）の一端が接続されている。これにより、上記コンバータ部（11）及びコンデンサ（14,14）は倍電圧回路を構成している。なお、本実施形態では、ハーフブリッジ型の倍電圧回路としているが、この限りではなく、フルブリッジ型の回路であってもよいし、同期整流を行う同期整流回路であってもよい。

上記主スイッチング素子（13）は、導通損失が低く、高速動作及び高温動作が可能なＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体によって構成されている。上記主スイッチング素子（13）は、スイッチング動作できるものであれば、例えば図１に示すようなＩＧＢＴであってもよいし、ユニポーラ型トランジスタのＭＯＳＦＥＴなどであってもよい。上記各主スイッチング素子（13）には、それぞれ、ダイオード（15）が逆並列に設けられている。

なお、上記電力変換装置（10）は、上述のような構成に限らず、例えば、交流電圧から直流電圧への整流動作のみを行うコンバータ装置であってもよいし、直流電圧から交流電圧への電力変換のみを行うインバータ装置であってもよい。

−主スイッチング素子のチップ面積−
上述のような電力変換装置（10）の主スイッチング素子（13）をＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体によって構成することで、従来のＳｉ半導体によって構成された素子に比べてオン電圧降下及び損失を低減することができる。

一般的に、素子のオン抵抗は、チップの面積に反比例するため、図２に示すように、オン電圧降下もチップの面積に反比例する。そして、ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉ半導体よりもオン抵抗が小さく、同じチップサイズの場合にはオン電圧降下が小さくなる。ここで、チップとは、パッケージングされる前の状態を意味する。

そこで、上記図２に示すように、従来のＳｉ半導体によって構成されたチップとオン電圧降下が同等以上になるように、ＳｉＣ半導体からなるチップの面積を決める。すなわち、オン電圧降下が小さくなる分、ＳｉＣ半導体からなるチップの面積をＳｉ半導体からなるチップの面積よりも小さくする。

これにより、チップを小型化することができ、装置の小型化及びコストの低減を図れる。

−冷却構造−
次に、上記主スイッチング素子（13）の冷却構造について説明する。該主スイッチング素子（13）は、約３００度の高温条件下での動作が可能なワイドバンドギャップ半導体によって構成されているため、従来のＳｉ半導体からなる素子に比べて放熱構造を簡略化することができる。

例えば、図３（ａ）に示すように、従来、Ｓｉ半導体のチップをパッケージングしたＳｉパッケージ（21）には、放熱手段としてのヒートシンク（22）を設けて、該ヒートシンク（22）から外部へ放熱させることでＳｉ半導体のチップの温度が高温にならないようにしている。これに対し、本実施形態では、高耐熱性のＳｉＣ半導体を用いているため、従来ほどの冷却性能は要求されない。そのため、図３（ｂ）に示すように、上述のようなヒートシンクを省略してＳｉＣパッケージ（23）から直接、放熱するような構成にする。

なお、上記図３のようなタイプのパッケージに限らず、例えば図４に示すようなタイプのパッケージに関し、ＳｉＣ半導体のパッケージ（23'）についてヒートシンク（22'）を省略するようにしてもよい。

このように上記ヒートシンク（22）を省略できるため、さらなるコストの低減を図れる。なお、上記図３及び図４において符号24はプリント基板である。

−熱回収システム−
上述のように、主スイッチング素子（13）をＳｉＣ半導体によって構成したものにおいて、該素子（13）で発生した熱を冷凍機の冷媒回路に回収することで、システム全体の効率改善を図ることができる。

すなわち、図５に示すように、圧縮機（31）、凝縮器（32）、膨張弁（33）及び蒸発器（34）を備えた空気調和機などの冷凍装置の冷媒回路（30）において、該圧縮機（31）に供給する電力を変換するための電力変換装置（35）内で発生した熱を上記圧縮機（31）の吐出側に与える。これにより、冷媒回路（30）内を循環する冷媒流量を少なくすることができるため、上記圧縮機（31）の吐出量を抑えることができ、該圧縮機（31）に供給する電力を低減できる。したがって、空気調和機を運転効率を向上することができる。

また、図６に示すように、圧縮機（51）、凝縮器（52）、膨張弁（53）及び蒸発器（54）を備えた１次冷媒回路（50）と、タンク（61）を有し、上記凝縮器（52）で１次冷媒と熱交換するように構成された２次冷媒回路（60）と、を備えたチラーシステム（本発明におけるヒートポンプ装置）において、上記圧縮機（51）に供給する電力を変換するための電力変換装置（55）内で発生した熱を回収するように構成してもよい。

具体的には、上記電力変換装置（55）内で発生した熱を、上記２次冷媒回路（60）の高温側、すなわち２次冷媒回路（60）における上記１次冷媒回路（50）の凝縮器（52）出口側に与えることで、該２次冷媒回路（60）における冷媒温度を上昇させて、上記タンク（61）で、温水器や床暖房などに利用される水に対してより多くの熱量を与えることができる。これにより、システム全体の効率向上を図れる。

なお、上記図６に示すように、２次冷媒回路（60）に熱を回収させるのではなく、温水器や床暖房に流れる水に直接、熱を与えるようにしてもよいし、該２次冷媒回路（60）の冷媒と温水器や床暖房などに利用される水との両方に熱を与えるようにしてもよい。

また、上記図６のように、電力変換装置（55）の熱を２次冷媒回路（60）で回収するものに限らず、上記図５と同様、１次冷媒回路（50）の圧縮機（51）吐出側で熱を回収するようにしてもよい。この場合には、上述のとおり、圧縮機（51）の吐出量を抑えることができるため、冷凍機や空気調和機などとして機能する場合にもシステム全体の運転効率の向上を図れる。

−実施形態１の効果−
上記実施形態１では、主スイッチング素子（13）をＳｉＣ半導体によって構成し、Ｓｉ半導体によって構成されたチップに比べてオン電圧降下が小さくなる点に着目して、該Ｓｉ半導体によって構成されたチップと同等以上のオン電圧降下になるように、ＳｉＣ半導体によって構成されたチップのサイズを決めることで、チップの小型化を図ることができ、これにより、装置全体の小型化及びコストの低減を図れる。

また、上記主スイッチング素子（13）は、高温動作可能なＳｉＣ半導体によって構成されているため、従来のＳｉ半導体からなる素子では必要なヒートシンク（22,22'）を省略して、直接、放熱する構成にすることができ、これにより、さらなるコスト低減を図れる。

さらに、上記主スイッチング素子（13）などを備えた電力変換装置（35,55）で発生した熱を、空気調和機の冷媒回路（30）や、１次冷媒回路（50）と２次冷媒回路（60）とを備えたチラーシステムの該冷媒回路（50,60）に回収させることで、上記電力変換装置（35,55）の熱を有効利用することができ、装置全体の効率を向上することができる。

《実施形態２》
この実施形態２では、上述の実施形態１と異なり、素子の損失に基づいて主スイッチング素子のチップサイズを決める。なお、電力変換装置（10）の構成は上述の実施形態１と同じなので説明を省略する。

図７に素子の損失とチップ面積との関係を示す。ここで、素子の損失は、素子に通電している際に発生する導通損失と、スイッチング動作を行う際に発生するスイッチング損失との和で求められる。一般的に、上記導通損失は、チップ面積に反比例する一方、上記スイッチング損失は、チップ面積に関係なく一定である。すなわち、上記実施形態１の図２に示すとおり、チップの面積に対してオン電電圧降下、すなわちオン抵抗が反比例するため、導通損失はチップの面積に反比例する一方、スイッチング損失は素子の材質によって決まるためである。

このように、導通損失は、チップ面積に対して反比例し、スイッチング損失はチップ面積に関係なくほぼ一定であるため、上記図７に示すように、素子の全損失はチップの面積と反比例の関係になる。

そして、上記図２のとおり、同じチップ面積の場合、ＳｉＣ半導体によって構成された素子は、Ｓｉ半導体によって構成された素子に比べてオン電圧降下（すなわちオン抵抗）が小さいため、定常オン損失が小さくなる。加えて、ＳｉＣ半導体からなる素子は、従来のＳｉ半導体からなる素子に比べてスイッチングの高速化が可能になるため、ＳｉＣ半導体からなる素子のほうがＳｉ半導体からなる素子に比べてスイッチング損失が小さくなる。

結果として、上記図７に示すように、同じチップ面積であれば、ＳｉＣ半導体からなる素子の損失は、Ｓｉ半導体からなる素子の損失に比べて小さくなる。

そのため、本実施形態では、従来のＳｉ半導体によって構成されたチップと損失が同等以上になるように、ＳｉＣ半導体によって構成されるチップの面積を決める。すなわち、損失が小さくなる分、ＳｉＣ半導体からなるチップの面積をＳｉ半導体からなるチップの面積よりも小さくする。

これにより、スイッチング損失の差を考慮して、チップをより小型化することができ、装置の小型化及びコストの低減を図れる。

なお、この実施形態２においても、上述の実施形態１と同様、上記主スイッチング素子（13）はＳｉＣ半導体によって構成されるため、該素子（13）の放熱手段としてのヒートシンク（22,22'）を省略して、直接放熱するような構成にすることができ、これにより、さらなるコスト低減を図れる。

また、上記実施形態１と同様、上記主スイッチング素子（13）を含む電力変換装置（35,55）で発生した熱を、空気調和機の冷媒回路（30）や、チラーシステムの１次冷媒回路（50）若しくは２次冷媒回路（60）などに回収させることで、装置全体の効率を向上することができる。

−実施形態２の効果−
上記実施形態２では、主スイッチング素子（13）をＳｉＣ半導体によって構成するとともに、Ｓｉ半導体のチップに比べて損失が小さくなる点に着目して、該Ｓｉ半導体のチップと同等以上の損失になるように、ＳｉＣ半導体のチップのサイズを決めることで、チップの小型化を図ることができ、これにより、装置全体の小型化及びコストの低減を図れる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記各実施形態について、以下のような構成としてもよい。

上記各実施形態では、ワイドバンドギャップ半導体としてＳｉＣを用いるようにしているが、この限りではなく、ＧａＮなどＳｉよりも大きいバンドギャップの値の材料であればよい。

以上説明したように、本発明における電力変換装置は、ワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成された主スイッチング素子を有するものに特に有用である。

本発明の実施形態１に係る電力変換装置の主回路の一例を示す回路図である。 チップ面積と素子のオン電圧降下との関係を示すグラフである。 パッケージの（ａ）従来の冷却構造、（ｂ）本実施形態の冷却構造を示す図である。 別のタイプのパッケージの図３相当図である。 電力変換装置で発生した熱を空気調和機の冷媒回路で回収する構成を示す図である。 電力変換装置で発生した熱をチラーシステムの冷媒回路で回収する構成を示す図である。 チップ面積と素子の損失との関係を示すグラフである。

符号の説明

10,35,55 電力変換装置
13 主スイッチング素子
22,22' ヒートシンク（放熱手段）
23,23' パッケージ
30 空気調和機の冷媒回路
31,51 圧縮機
50 １次冷媒回路
60 ２次冷媒回路

Claims (7)

1. 電力変換用の主スイッチング素子（13）は、２００Ｖ以上の耐圧を有するワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成され、
   上記チップは、オン電圧降下がＳｉ半導体からなるチップと同等以上になるように、該Ｓｉ半導体のチップよりも小さいサイズに形成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 電力変換用の主スイッチング素子（13）は、２００Ｖ以上の耐圧を有するワイドバンドギャップ半導体のチップによって構成され、
   上記主スイッチング素子（13）は、スイッチング周波数１５ＫＨｚ以上で動作し、
   上記チップは、損失がＳｉ半導体からなるチップと同等以上になるように、該Ｓｉ半導体のチップよりも小さいサイズに形成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 電力変換用の主スイッチング素子（13）は、２００Ｖ以上の耐圧を有するワイドバンドギャップ半導体のチップがパッケージングされてなり、放熱手段を介さずに直接、空気中に放熱するように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または２において、
   上記主スイッチング素子（31）で発生した熱が、空気調和機の冷媒回路（30）に供給されるように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１または２において、
   上記主スイッチング素子（13）で発生した熱が、１次冷媒回路（50）と２次冷媒回路（60）との間で熱交換を行うヒートポンプ装置の該１次冷媒回路（50）または該２次冷媒回路（60）のいずれか一方に供給されるように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つにおいて、
   上記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ半導体であることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１から６のいずれか一つにおいて、
   冷凍装置の圧縮機（31,51）に供給する電力を変換するように構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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