JP2009219269A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング素子を有した電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device having a switching element.
従来、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、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。そして、このようなインバータのスイッチング素子をＳｉＣ半導体ディバイスにより構成した例がある（例えば特許文献１を参照）。 DESCRIPTION OF RELATED ART Conventionally, what performs power conversion operation | movement by a some switching element is known as power converters, such as an inverter which converts a DC voltage into an AC voltage, and a converter which converts an AC voltage into a DC voltage. And there exists an example which comprised the switching element of such an inverter by the SiC semiconductor device (for example, refer patent document 1).
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（Ｓｉの結晶を使った半導体）に比べて高いため（ＳｉＣ半導体では約１０倍高い）、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ィ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。 Wide bandgap semiconductors such as the above-described SiC semiconductors have a higher breakdown voltage than conventional Si semiconductors (semiconductors using Si crystals) (about 10 times higher for SiC semiconductors), so the device has a high breakdown voltage. If the same breakdown voltage is obtained, the thickness of the device can be reduced as compared with the case of a Si semiconductor, so that a device having a small conduction loss and a small size can be obtained.
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（例えば２００℃）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、高温での動作が可能であることにより冷却構造を簡略化でき、これにより装置の小型化を図れる。 In addition, since the wide band gap semiconductor can operate at high speed or at high temperature (for example, 200 ° C.), it is possible to improve the efficiency of the entire apparatus by high speed operation and to operate at high temperature. The cooling structure can be simplified, and the size of the apparatus can be reduced.
また、このような、電力変換装置では、前記の半導体以外にもコンデンサなどの素子も使用される。例えばスイッチング素子を駆動する駆動回路には、電圧の平滑やノイズを除去するためのコンデンサが配置される。具体的には、周波数特性の良いセラミックコンデンサと電解コンデンサを並列に配置する構成が広く用いられている。 Further, in such a power conversion device, an element such as a capacitor is used in addition to the semiconductor. For example, a capacitor for smoothing voltage and removing noise is arranged in a drive circuit that drives a switching element. Specifically, a configuration in which a ceramic capacitor having good frequency characteristics and an electrolytic capacitor are arranged in parallel is widely used.
また、インバータには、スイッチング素子を６つ備えたいわゆる６素子インバータがあり、６素子インバータでは、スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源として、一般に基準電位の異なる４個の電源が必要となる。しかしながら、４個の独立電源を用意するのはコストアップにつながるので、下アームのスイッチング素子の駆動回路に電力を供給する１個の電源により、上アームの３個のスイッチング素子の駆動回路に電力を供給する、ブートストラップ回路が広く使われている。ブートストラップ回路は、上アームのスイッチング素子を駆動する駆動回路に接続されたコンデンサにダイオードを接続して構成され、ダイオードはシリコンを主材料とした高速リカバリダイオードなどが使われている。
上述の通り、上記ワイドバンドギャップ半導体は、高速動作や高温（例えば２００℃）での動作が可能であるため、その高速動作により、電力変換装置においても高効率化を図れるとともに、高温条件下でも動作させることができると考えられる。現在広く使われているＳｉディバイスの動作温度は１５０℃程度が上限だが、ＳｉＣディバイスは２００℃以上でも動作する。そのため、ＳｉＣディバイスの近くには既存の駆動回路は配置できない。従来の駆動回路を使用するには、ＳｉＣディバイスと駆動回路間を断熱する必要がある。 As described above, the wide band gap semiconductor can operate at a high speed or at a high temperature (for example, 200 ° C.). Therefore, the high speed operation can improve the efficiency of the power conversion device, and even under a high temperature condition. It is thought that it can be operated. The upper limit of the operating temperature of Si devices that are widely used at present is about 150 ° C., but SiC devices can operate even at 200 ° C. or higher. Therefore, an existing drive circuit cannot be arranged near the SiC device. In order to use the conventional drive circuit, it is necessary to insulate between the SiC device and the drive circuit.
このようにＳｉＣディバイスと駆動回路間を断熱するには、断熱材を使用する、距離を離すといった方法が考えられる。しかしながら、断熱材を使用するとコストアップとなる。また、断熱材を使用しても断熱材を設置する空間が必要であり、直近に配置する事はできない。断熱材の有無に依らず配線長は長くなり、配線長が長くなると配線インダクタンスが大きくなるため、ｄｖ／ｄｔによるスイッチング素子の誤動作や、ｄｉ／ｄｔによるスイッチング素子のゲート入力へのサージ電圧の発生などの問題が生じる。 Thus, in order to insulate between the SiC device and the drive circuit, a method of using a heat insulating material or separating a distance can be considered. However, using a heat insulating material increases the cost. Moreover, even if it uses a heat insulating material, the space which installs a heat insulating material is required, and it cannot arrange | position to the nearest. The wiring length becomes long regardless of the presence or absence of the heat insulating material, and the wiring inductance increases as the wiring length becomes longer. Therefore, malfunction of the switching element due to dv / dt and generation of surge voltage to the gate input of the switching element due to di / dt Problems arise.
これらの問題への対策として、駆動回路を高温で動作させる方法が考えられる。駆動回路を高温動作させるため、駆動回路に使用する制御ＩＣのＳｉＣディバイス化が進められている。しかしながら、高温動作に対応した駆動回路への給電方法については検討されていない。 As a countermeasure against these problems, a method of operating the drive circuit at a high temperature can be considered. In order to operate the drive circuit at a high temperature, SiC devices for control ICs used in the drive circuit are being developed. However, a method for supplying power to the drive circuit corresponding to high temperature operation has not been studied.
上記の通り、駆動回路にはコンデンサが設置される。一般的に入手できる電解コンデンサの許容温度は約１００℃が上限であり、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサなどの許容温度は約１５０℃程度が上限である。スイッチング素子または駆動回路と、コンデンサとの間を断熱し、配線長が長くなると以下の問題が生じる。 As described above, the capacitor is installed in the drive circuit. The allowable temperature of generally available electrolytic capacitors is about 100 ° C., and the maximum allowable temperature of ceramic capacitors, film capacitors, etc. is about 150 ° C. When the switching element or drive circuit and the capacitor are insulated and the wiring length becomes long, the following problems occur.
まず、高速動作させる際に、スイッチング素子を駆動するためのゲート電流によりサージ電圧を発生させるなど、配線インダクタンスの影響が増大する。また、高速動作によりｄｖ／ｄｔが大きくなると、スイッチング素子の誤動作を招き、また、上アームの電源としてブートストラップ回路を使用する場合にはブートストラップ回路により発生するノイズが増大する。 First, when operating at high speed, the influence of wiring inductance increases, for example, a surge voltage is generated by a gate current for driving the switching element. Further, if dv / dt increases due to high-speed operation, the switching element malfunctions, and noise generated by the bootstrap circuit increases when the bootstrap circuit is used as the power supply for the upper arm.
本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、コンデンサと駆動回路とスイッチング素子とを近接して配置できるようにすることを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above problem, and has an object to allow a capacitor, a drive circuit, and a switching element to be arranged close to each other.
上記の課題を解決するため、第１の発明は、
高温動作可能に構成されたスイッチング素子（140）と、前記スイッチング素子（140）を駆動する駆動回路（160）と、前記駆動回路（160）に電力を供給するコンデンサ（170）を備えて、交流電源から供給された交流電力または直流電源から供給された直流電力を所定の電圧及び周波数の交流電力または直流電力に電力変換を行う電力変換装置であって、
前記コンデンサ（170）は、高温動作可能に構成されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the first invention is
A switching element (140) configured to be operable at high temperature, a drive circuit (160) for driving the switching element (140), and a capacitor (170) for supplying power to the drive circuit (160) A power conversion device that performs power conversion of AC power supplied from a power source or DC power supplied from a DC power source into AC power or DC power having a predetermined voltage and frequency,
The capacitor (170) is configured to be operable at a high temperature.
これにより、コンデンサ（170）が高温雰囲気で動作できるようになる。 This allows the capacitor (170) to operate in a high temperature atmosphere.
また、第２の発明は、
第１の発明の電力変換装置において、
前記コンデンサ（170）は、インダクタンス成分を有する素子（121）を介して電力が供給されることを特徴とする。
In addition, the second invention,
In the power converter of the first invention,
The capacitor (170) is supplied with electric power through an element (121) having an inductance component.
これにより、インダクタンス成分を有する素子（210）が、コンデンサ（170）に流入する電流を平滑し、ノイズを抑制する。 Thereby, the element (210) having an inductance component smoothes the current flowing into the capacitor (170) and suppresses noise.
また、第３の発明は、
第１の発明又は第２の発明の電力変換装置において、
電源（110）をさらに備え、
前記スイッチング素子（140）は、２つが直列に接続されて直列回路（150）を構成し、
前記直列回路（150）内の一方のスイッチング素子（140）を駆動する駆動回路（160）である上アーム側駆動回路（161）は、前記コンデンサ（170）から電力を供給され、もう一方のスイッチング素子（140）を駆動する駆動回路（160）である下アーム側駆動回路（162）は、前記電源（110）に接続され、
前記電源（110）と前記コンデンサ（170）との間には、ダイオード（180）が接続されていることを特徴とする。
In addition, the third invention,
In the power converter of the first invention or the second invention,
A power supply (110)
Two of the switching elements (140) are connected in series to form a series circuit (150),
The upper arm side drive circuit (161), which is a drive circuit (160) for driving one switching element (140) in the series circuit (150), is supplied with power from the capacitor (170), and the other switching element A lower arm side drive circuit (162) which is a drive circuit (160) for driving the element (140) is connected to the power source (110),
A diode (180) is connected between the power source (110) and the capacitor (170).
これにより、基準電位の異なる上アーム側コンデンサ（170）と下アーム側駆動回路（162）に対し、ひとつの電源（110）より電力を供給できる。 Thereby, electric power can be supplied from one power source (110) to the upper arm side capacitor (170) and the lower arm side drive circuit (162) having different reference potentials.
また、第４の発明は、
第３の発明の電力変換装置において、
前記コンデンサ（170）とダイオード（180）の間にはインダクタンス成分を有する素子（210）が設置されていることを特徴とする。
In addition, the fourth invention is
In the power converter of the third invention,
An element (210) having an inductance component is installed between the capacitor (170) and the diode (180).
これにより、インダクタンス成分を有する素子（210）によりスイッチングに伴う電圧の変動を吸収する。そのため、高速動作ができるとともにダイオード（180）を離して配置できる。 Thereby, the fluctuation | variation of the voltage accompanying switching is absorbed by the element (210) which has an inductance component. Therefore, it is possible to operate at high speed and to dispose the diode (180) apart.
また、第５の発明は、
第３の発明の電力変換装置において、
前記ダイオード（180）は、高温動作可能に構成されていることを特徴とする。
In addition, the fifth invention,
In the power converter of the third invention,
The diode (180) is configured to be operable at a high temperature.
これにより、ダイオード（180）が高温雰囲気で動作するので、コンデンサ（170）および上アーム側駆動回路（161）に近接してダイオード（180）を配置できる。そのため、スイッチングに伴う電圧の変動をダイオード（180）により吸収でき、高速動作が可能となる。 Thereby, since the diode (180) operates in a high temperature atmosphere, the diode (180) can be disposed close to the capacitor (170) and the upper arm side drive circuit (161). Therefore, voltage fluctuations accompanying switching can be absorbed by the diode (180), and high-speed operation is possible.
また、第６の発明は、
第３の発明から第５の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記ダイオード（180）は、ショットキーバリアダイオードにより構成されていることを特徴とする。
In addition, the sixth invention,
In any one of the power converters according to the third to fifth aspects of the invention,
The diode (180) is a Schottky barrier diode.
これにより、ダイオード（180）での電圧降下を低減できる。そのため、ダイオード（180）での損失を低減すると共に、コンデンサ（170）と電源（110）の電圧差を低減できる。 Thereby, the voltage drop at the diode (180) can be reduced. Therefore, the loss in the diode (180) can be reduced, and the voltage difference between the capacitor (170) and the power source (110) can be reduced.
また、第７の発明は、
第３の発明から第６の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記下アーム側駆動回路（162）は、前記ダイオード（180）と同等の電圧降下を生じさせる電圧降下素子（220）を介して前記電源（110）と接続されていることを特徴とする。
In addition, the seventh invention,
In any one of the power converters of the third invention to the sixth invention,
The lower arm drive circuit (162) is connected to the power supply (110) via a voltage drop element (220) that causes a voltage drop equivalent to that of the diode (180).
これにより、電圧降下素子（220）が、下アーム側駆動回路に供給される電圧を降下させて、下アーム側駆動回路と上アーム側駆動回路との電圧のバランスを保つ。 As a result, the voltage drop element (220) drops the voltage supplied to the lower arm side drive circuit, and maintains the voltage balance between the lower arm side drive circuit and the upper arm side drive circuit.
また、第８の発明は、
第１の発明から第７の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記コンデンサ（170）の許容温度は、１５０℃以上であることを特徴とする。
Further, the eighth invention is
In any one of the power converters of the first invention to the seventh invention,
The allowable temperature of the capacitor (170) is 150 ° C. or higher.
これにより、コンデンサ（170）が１５０℃以上で動作可能となる。 This allows the capacitor (170) to operate at 150 ° C. or higher.
また、第９の発明は、
第１の発明から第８の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記コンデンサ（170）は、セラミックコンデンサ、または誘導体材料として高耐熱材料を用いたフィルムコンデンサにより構成されていることを特徴とする。
In addition, the ninth invention,
In any one of the power converters according to the first to eighth aspects of the invention,
The capacitor (170) is a ceramic capacitor or a film capacitor using a high heat-resistant material as a derivative material.
これにより、セラミックコンデンサ、またはフィルムコンデンサに蓄積された電荷が電源として使用される。 Thereby, the electric charge accumulated in the ceramic capacitor or the film capacitor is used as a power source.
また、第１０の発明は、
第１の発明から第９の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記スイッチング素子（140）と前記コンデンサ（170）との間の配線長は、５ｃｍ以下であることを特徴とする。
The tenth aspect of the invention is
In any one of the power converters of the first invention to the ninth invention,
The wiring length between the switching element (140) and the capacitor (170) is 5 cm or less.
これにより、スイッチング素子（140）とコンデンサ（170）との間の配線インダクタンスを所定値以下にすることができる。 Thereby, the wiring inductance between the switching element (140) and the capacitor (170) can be reduced to a predetermined value or less.
また、第１１の発明は、
第１の発明から第１０の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記スイッチング素子（140）は、６つ設けられていることを特徴とする。
The eleventh invention
In any one of the power converters of the first invention to the tenth invention,
Six switching elements (140) are provided.
これにより、いわゆる６素子インバータにおいて、コンデンサ（170）が高温雰囲気で動作できるようになる。 As a result, in the so-called 6-element inverter, the capacitor (170) can operate in a high temperature atmosphere.
また、第１２の発明は、
第１の発明から第１１の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
該電力変換装置は、キャリア周波数が１５ｋＨｚ以上であることを特徴とする。
In addition, the twelfth invention
In any one of the power converters of the first invention to the eleventh invention,
The power converter has a carrier frequency of 15 kHz or more.
これにより、キャリア周波数が可聴音の高音側にシフトする。 As a result, the carrier frequency shifts to the higher sound side of the audible sound.
また、第１３の発明は、
第１の発明から第１２の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
圧縮機構（50）と、該圧縮機構（50）を駆動する駆動モータ（40）と、該圧縮機構（50）と駆動モータ（40）が収容されるケーシング（30）からなる圧縮機（20）における、前記駆動モータ（40）を駆動することを特徴とする。
The thirteenth invention
In any one of the power converters of the first invention to the twelfth invention,
A compressor (20) comprising a compression mechanism (50), a drive motor (40) for driving the compression mechanism (50), and a casing (30) in which the compression mechanism (50) and the drive motor (40) are accommodated And driving the drive motor (40).
これにより、駆動モータを駆動する電力変換装置において、コンデンサ（170）が高温下（例えばスイッチング素子（140）の動作温度と同等または同等以上の高温）で動作可能となる。 As a result, in the power converter that drives the drive motor, the capacitor (170) can operate at a high temperature (for example, a high temperature equal to or higher than the operating temperature of the switching element (140)).
また、第１４の発明は、
第１３の発明の電力変換装置において、
前記スイッチング素子（140）、駆動回路（160）、及びコンデンサ（170）は、前記ケーシング（30）内に配置されることを特徴とする。
In addition, the fourteenth invention
In the power converter of the thirteenth invention,
The switching element (140), the drive circuit (160), and the capacitor (170) are disposed in the casing (30).
これにより、前記スイッチング素子（140）、駆動回路（160）、及びコンデンサ（170）を密閉できる。 Thereby, the said switching element (140), a drive circuit (160), and a capacitor | condenser (170) can be sealed.
また、第１５の発明は、
第１４の発明の電力変換装置において、
さらに、インダクタンス成分を有する素子（210）または高温動作可能に構成されたダイオード（180）も前記ケーシング（30）内に配置されることを特徴とする。
The fifteenth invention
In the power converter of the fourteenth invention,
Furthermore, an element (210) having an inductance component or a diode (180) configured to be operable at a high temperature is also disposed in the casing (30).
これにより、さらにインダクタンス成分を有する素子（210）または高温動作可能に構成されたダイオード（180）を密閉できる。 As a result, the element (210) having an inductance component or the diode (180) configured to be operable at a high temperature can be sealed.
また、第１６の発明は、
第１の発明から第１５の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記スイッチング素子（140）、又は前記ダイオード（180）は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料とした半導体ディバイスであることを特徴とする。
In addition, the sixteenth invention
In any one of the power converters of the first to fifteenth inventions,
The switching element (140) or the diode (180) is a semiconductor device whose main material is a wide band gap semiconductor.
また、第１７の発明は、
第１６の発明の電力変換装置において、
前記ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム、及びダイヤモンドの何れかであることを特徴とする。
In addition, the seventeenth invention
In the power converter of the sixteenth invention,
The wide band gap semiconductor is any one of silicon carbide, gallium nitride, and diamond.
これらにより、ワイドバンドギャップ半導体により構成されたスイッチング素子（140）、駆動回路（160）、及びダイオード（180）がそれぞれ動作して、電力変換装置において電力変換が行われる。 As a result, the switching element (140), the drive circuit (160), and the diode (180) each formed of a wide band gap semiconductor operate, and power conversion is performed in the power converter.
また、第１８の発明は、
第１の発明から第１７の発明のうちの何れか１つの電力変換装置において、
前記駆動回路（160）に対して前記スイッチング素子（140）のオンオフ制御のパターンを指示する信号を入力する入力線と、前記駆動回路（160）が前記スイッチング素子（140）に対してオンオフを制御する出力線とは、電気的に絶縁されていることを特徴とする。
The eighteenth invention
In any one power converter of the 1st invention to the 17th invention,
An input line for inputting a signal designating an on / off control pattern of the switching element (140) to the driving circuit (160), and the driving circuit (160) controlling on / off of the switching element (140) The output line is electrically insulated from the output line.
これにより、スイッチング素子（140）からのノイズが遮断される。 Thereby, the noise from the switching element (140) is cut off.
第１の発明によれば、コンデンサ（170）が高温雰囲気で動作できるようになるので、例えばスイッチング素子（140）をワイドバンドギャップ半導体で構成して該スイッチング素子（140）が動作中に高温になる場合でも、コンデンサ（170）と駆動回路（160）とスイッチング素子（140）とを近接して配置できる。そのため、コンデンサ（170）からスイッチング素子（140）までの配線長を短くでき、この間の配線インダクタンスを低減できる。これにより、スイッチング素子（140）の高速動作も可能になる。 According to the first invention, since the capacitor (170) can operate in a high temperature atmosphere, for example, the switching element (140) is formed of a wide band gap semiconductor, and the switching element (140) is heated to a high temperature during operation. Even in this case, the capacitor (170), the drive circuit (160), and the switching element (140) can be arranged close to each other. Therefore, the wiring length from the capacitor (170) to the switching element (140) can be shortened, and the wiring inductance during this period can be reduced. Thereby, the switching element (140) can be operated at high speed.
また第２の発明によれば、インダクタンス成分を有する素子（121）が、コンデンサ（170）へ流入する電流を平滑し、ノイズを抑制するので、スイッチング素子の駆動によって発生するノイズの影響を低減できる。 According to the second invention, since the element (121) having an inductance component smoothes the current flowing into the capacitor (170) and suppresses noise, the influence of noise generated by driving the switching element can be reduced. .
また第３の発明によれば、コンデンサ（170）とダイオード（180）からなるブートストラップ回路により、上アーム側駆動回路に電力を供給できる。そのため、スイッチング素子の駆動回路の電源を１個にできる。 According to the third invention, power can be supplied to the upper arm side drive circuit by the bootstrap circuit including the capacitor (170) and the diode (180). Therefore, the power source of the switching element drive circuit can be made one.
また第４の発明によれば、例えば駆動回路（160）をワイドバンドギャップ半導体で構成して該駆動回路（160）が動作中に高温になる場合でも、コンデンサ（170）に加え、インダクタンス成分を有する素子（210）を近接して配置できる。これによりスイッチングに伴う電圧の変動をインダクタンス成分を有する素子（210）により吸収でき、高速動作が可能となる。 According to the fourth invention, for example, even when the drive circuit (160) is formed of a wide band gap semiconductor and the drive circuit (160) becomes high temperature during operation, the inductance component is added to the capacitor (170). The element (210) it has can be placed in close proximity. As a result, voltage fluctuations accompanying switching can be absorbed by the element (210) having an inductance component, and high-speed operation is possible.
また、第５の発明によれば、コンデンサ（170）とともにダイオード（180）が高温雰囲気で動作できるようになるので、例えば駆動回路（160）をワイドバンドギャップ半導体で構成して該駆動回路（160）が動作中に高温になる場合でも、コンデンサ（170）に加え、ダイオード（180）も駆動回路（160）と近接して配置できる。これによりスイッチングに伴う電圧の変動をダイオード（180）により吸収でき、高速動作が可能となる。 According to the fifth aspect of the invention, since the diode (180) can be operated together with the capacitor (170) in a high temperature atmosphere, for example, the drive circuit (160) is formed of a wide band gap semiconductor and the drive circuit (160 ) Can be placed in close proximity to the drive circuit (160) in addition to the capacitor (170) even when it becomes hot during operation. As a result, voltage fluctuations accompanying switching can be absorbed by the diode (180), and high-speed operation becomes possible.
また、第６の発明によれば、順方向電圧の低いショットキーバリアダイオードをダイオード（180）とするので、電圧降下を低減できる。そのため、ダイオード（180）での損失を低減すると共に、コンデンサ（170）と電源（110）の電圧差を低減できる
また、第７の発明によれば、下アーム側駆動回路と上アーム側駆動回路との電圧のバランスを保つことができるので、上アーム側駆動回路回路およびスイッチング素子の電圧不足や、下アーム側駆動回路およびスイッチング素子の過電圧といった問題を防止できる。
According to the sixth aspect of the invention, since the Schottky barrier diode having a low forward voltage is the diode (180), the voltage drop can be reduced. Therefore, the loss in the diode (180) can be reduced, and the voltage difference between the capacitor (170) and the power source (110) can be reduced. According to the seventh invention, the lower arm side drive circuit and the upper arm side drive circuit Therefore, problems such as insufficient voltage of the upper arm side drive circuit circuit and the switching element and overvoltage of the lower arm side drive circuit and the switching element can be prevented.
また、第８の発明によれば、コンデンサ（170）が１５０℃以上で動作できるので、例えばスイッチング素子（140）が高温（１５０℃以上）で動作する場合でも、コンデンサ（170）と駆動回路（160）とスイッチング素子（140）とを近接して配置できる。 Further, according to the eighth invention, since the capacitor (170) can operate at 150 ° C. or higher, for example, even when the switching element (140) operates at a high temperature (150 ° C. or higher), the capacitor (170) and the drive circuit ( 160) and the switching element (140) can be arranged close to each other.
また、第９の発明によれば、セラミックコンデンサ、またはフィルムコンデンサに蓄積された電荷が使用されるので、コンデンサ（170）の高温動作を実現できる。これにより、例えばスイッチング素子（140）が高温（１５０℃以上）で動作する場合でも、コンデンサ（170）と駆動回路（160）とスイッチング素子（140）とを近接して配置できる。 According to the ninth aspect of the invention, since the electric charge accumulated in the ceramic capacitor or the film capacitor is used, the high temperature operation of the capacitor (170) can be realized. Thereby, for example, even when the switching element (140) operates at a high temperature (150 ° C. or higher), the capacitor (170), the drive circuit (160), and the switching element (140) can be disposed close to each other.
また、第１０の発明によれば、スイッチング素子（140）とコンデンサ（170）との間の配線インダクタンスを所定値以下にすることができるので、駆動回路（160）の高速動作が可能になる。その結果、スイッチング素子（140）の高速動作も可能になる。 In addition, according to the tenth aspect, the wiring inductance between the switching element (140) and the capacitor (170) can be reduced to a predetermined value or less, so that the drive circuit (160) can be operated at high speed. As a result, the switching element (140) can be operated at high speed.
また、第１１の発明によれば、いわゆる６素子インバータにおいて、コンデンサ（170）が高温雰囲気で動作できるようになるので、６素子インバータにおいて、コンデンサ（170）と駆動回路（160）とを近接して配置できる。 According to the eleventh aspect, in the so-called six-element inverter, the capacitor (170) can be operated in a high temperature atmosphere. Therefore, in the six-element inverter, the capacitor (170) and the drive circuit (160) are placed close to each other. Can be arranged.
また、第１２の発明によれば、キャリア周波数が可聴音の高音側にシフトするので、不快な騒音を低減できる。さらに、キャリア周期が短くなるので、必要となるコンデンサの容量を低減できる。 According to the twelfth aspect, since the carrier frequency is shifted to the higher sound side of the audible sound, unpleasant noise can be reduced. Furthermore, since the carrier cycle is shortened, the required capacitance of the capacitor can be reduced.
また、第１３の発明によれば、駆動モータを駆動する電力変換装置において、コンデンサ（170）が高温下で動作するので、駆動回路（160）の高速動作が可能になり、その結果、スイッチング素子（140）の高速動作も可能になる。 According to the thirteenth aspect of the invention, in the power conversion device for driving the drive motor, the capacitor (170) operates at a high temperature, so that the drive circuit (160) can be operated at high speed. (140) high-speed operation is also possible.
また、第１４の発明又は第１５の発明によれば、電力変換装置からの電磁ノイズをケーシング（30）によって絶縁できる。また、空気調和装置全体として小型化も可能になる。 According to the fourteenth or fifteenth invention, electromagnetic noise from the power converter can be insulated by the casing (30). Further, the entire air conditioner can be downsized.
また、スイッチング素子（140）と駆動回路（160）とが近接して配置されるので、配線インダクタンスの低減等が可能になり、電力変換装置の高速動作を実現できる。 In addition, since the switching element (140) and the drive circuit (160) are arranged close to each other, the wiring inductance can be reduced and the high-speed operation of the power conversion device can be realized.
また、圧縮機構（50）の運転時には、ケーシング（30）内の高圧冷媒が電力変換装置の駆動回路（160）及びスイッチング素子（140）を冷却する。そのため、電力変換装置においてより効率的に電力変換装置（すなわち空気調和装置）を動作させることができる。また、スイッチング素子（140）等の熱を暖房用に回収することも可能になる。 Further, during the operation of the compression mechanism (50), the high-pressure refrigerant in the casing (30) cools the drive circuit (160) and the switching element (140) of the power converter. Therefore, the power converter (that is, the air conditioner) can be operated more efficiently in the power converter. Moreover, it becomes possible to collect | recover heat | fever for heating, such as a switching element (140).
また、第１６の発明又は第１７の発明によれば、スイッチング素子（140）、またはダイオード（180）がワイドバンドギャップ半導体により構成されているので、これらの高温下での動作、或いは高速動作が可能になる。 Further, according to the sixteenth or seventeenth invention, since the switching element (140) or the diode (180) is composed of a wide band gap semiconductor, the operation at a high temperature or the high speed operation can be performed. It becomes possible.
また、第１８の発明によれば、スイッチング素子（140）からのノイズが遮断されるので、安定した動作が可能になる。 In addition, according to the eighteenth aspect, since noise from the switching element (140) is cut off, stable operation is possible.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。また、以下の各実施形態の説明において、一度説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use. In the following description of each embodiment, constituent elements having the same functions as those described once will be assigned the same reference numerals and description thereof will be omitted.
《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１に係る電力変換装置の基本構成（一部分）を図１に示す。同図に示すように、この電力変換装置は、電源（110）、コンデンサ（170）、駆動回路（160）、及びスイッチング素子（140）を備え、スイッチング素子（140）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子によって構成されている。なお、ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）の他に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドなどが挙げられる。
Embodiment 1 of the Invention
FIG. 1 shows a basic configuration (a part) of the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the power conversion device includes a power source (110), a capacitor (170), a drive circuit (160), and a switching element (140). The switching element (140) is a wide band gap semiconductor. It is comprised by the used switching element. Examples of the wide band gap semiconductor include gallium nitride (GaN) and diamond in addition to SiC (silicon carbide).
スイッチング素子（140）は、詳しくは、トランジスタ（141）と還流ダイオード（142）とを備える。 Specifically, the switching element (140) includes a transistor (141) and a free wheeling diode (142).
電源（110）は、コンデンサ（170）に電力を供給し、コンデンサ（170）は駆動回路（160）に電力を供給する。駆動回路（160）は、スイッチング素子（140）内のトランジスタ（141）のゲートと基準電位の間の電位を制御してオンオフを切り替える。基準電位は、トランジスタ（141）がＩＧＢＴではエミッタの電位、ＭＯＳＦＥＴではソースの電位となる。 The power source (110) supplies power to the capacitor (170), and the capacitor (170) supplies power to the drive circuit (160). The drive circuit (160) switches on and off by controlling the potential between the gate of the transistor (141) in the switching element (140) and the reference potential. The reference potential is the emitter potential when the transistor (141) is IGBT, and the source potential when the transistor is MOSFET.
この基本構成において、コンデンサ（170）には、高温動作可能なコンデンサ（170）を使用する。こうすることで、スイッチング素子（140）が動作中に高温になる場合でも、コンデンサ（170）と駆動回路（160）とスイッチング素子（140）とを近接して配置できる。そのため、コンデンサ（170）からスイッチング素子（140）までの配線長を短くでき、この間の配線インダクタンスを低減できる。これにより、スイッチング素子（140）の高速動作も可能になる。すなわち、効率的な電力変換が可能になる。以下、この点を、６素子インバータを有した電力変換装置を例に詳しく説明する。 In this basic configuration, a capacitor (170) capable of operating at a high temperature is used as the capacitor (170). By doing so, the capacitor (170), the drive circuit (160), and the switching element (140) can be disposed close to each other even when the switching element (140) becomes hot during operation. Therefore, the wiring length from the capacitor (170) to the switching element (140) can be shortened, and the wiring inductance during this period can be reduced. Thereby, the switching element (140) can be operated at high speed. That is, efficient power conversion becomes possible. Hereinafter, this point will be described in detail by taking a power conversion device having a six-element inverter as an example.
図２は、６素子インバータを有した電力変換装置（100）の構成例である。この電力変換装置（100）は、駆動回路（160）のコンデンサ（170）に電力を供給する電源（110）、及びインバータ回路（130）を備え、制御装置（図示せず）に制御されたインバータ回路（130）が、端子P,Nに接続された直流電源（図示せず）から入力された直流を三相交流に変換して、端子U,V,Wに接続された三相交流モータ（図示せず）に供給するものである。なお、この三相交流モータは空気調和機の冷媒回路に設けられる圧縮機を駆動するものである。また、直流電源は、例えば商用電源等の交流電源を整流するコンバータ回路などによって構成できる。 FIG. 2 is a configuration example of a power conversion device (100) having a six-element inverter. The power converter (100) includes a power supply (110) that supplies power to the capacitor (170) of the drive circuit (160) and an inverter circuit (130), and is an inverter controlled by a control device (not shown). A circuit (130) converts a direct current input from a direct current power source (not shown) connected to terminals P and N into a three-phase alternating current, and a three-phase alternating current motor connected to terminals U, V, and W ( (Not shown). This three-phase AC motor drives a compressor provided in the refrigerant circuit of the air conditioner. The DC power supply can be constituted by a converter circuit that rectifies an AC power supply such as a commercial power supply.
インバータ回路（130）は、スイッチング素子（140）、駆動回路（160）、コンデンサ（170）、及びダイオード（180）より構成されている。これらの各構成要素は、何れも高温（例えば１５０℃以上）で動作する部品のみで構成してある。 The inverter circuit (130) includes a switching element (140), a drive circuit (160), a capacitor (170), and a diode (180). Each of these components is composed of only parts that operate at a high temperature (for example, 150 ° C. or higher).
スイッチング素子（140）は、このインバータ回路（130）内に６つ設けられ、それぞれのスイッチング素子（140）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子によって構成されている。 Six switching elements (140) are provided in the inverter circuit (130), and each switching element (140) is constituted by a switching element using a wide band gap semiconductor.
なお、インバータ回路（130）において、スイッチング素子（140）同士が直列に接続されている部分を直列回路（150）と呼ぶことにする。また、前記直列回路（150）内の一方のスイッチング素子（140）を上アーム、もう一方のスイッチング素子（140）を下アームと呼ぶことにする。なお、図２では、上段側のスイッチング素子（140）が上アーム、下段側が下アームであるものとする。 In the inverter circuit (130), a portion where the switching elements (140) are connected in series is referred to as a series circuit (150). One switching element (140) in the series circuit (150) is referred to as an upper arm, and the other switching element (140) is referred to as a lower arm. In FIG. 2, it is assumed that the switching element (140) on the upper stage side is the upper arm and the lower stage side is the lower arm.
上記の駆動回路（160）は、各スイッチング素子（140）に対応して設けられている。すなわち、駆動回路（160）もインバータ回路（130）内に６つ設けられている。それぞれの駆動回路（160）は、各スイッチング素子（140）内のトランジスタ（141）のゲートと基準電位に接続されており、制御装置の制御に応じて、それぞれの駆動回路（160）に接続されたトランジスタ（141）のゲート電位を制御してオンオフを切り替える。ここで、上アームのスイッチング素子（140）に対応した駆動回路（160）を上アーム側駆動回路（161）と呼び、下アームのスイッチング素子（140）に対応した駆動回路（160）を下アーム側駆動回路（162）と呼ぶことにする。 The drive circuit (160) is provided corresponding to each switching element (140). That is, six drive circuits (160) are also provided in the inverter circuit (130). Each drive circuit (160) is connected to the gate of the transistor (141) in each switching element (140) and a reference potential, and is connected to each drive circuit (160) according to the control of the control device. The gate potential of the transistor (141) is controlled to be turned on / off. Here, the drive circuit (160) corresponding to the switching element (140) of the upper arm is referred to as an upper arm side driving circuit (161), and the driving circuit (160) corresponding to the switching element (140) of the lower arm is referred to as the lower arm. This will be referred to as a side drive circuit (162).
各駆動回路（160）は、既述の通り、高温動作可能に構成する。具体的には、スイッチング素子（140）と同様に、各駆動回路（160）は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子によって構成されている。 Each drive circuit (160) is configured to be operable at a high temperature as described above. Specifically, like the switching element (140), each drive circuit (160) is configured by a switching element using a wide band gap semiconductor.
また、コンデンサ（170）は、各駆動回路（160）に電力を供給する電源として機能する。 The capacitor (170) functions as a power source for supplying power to each drive circuit (160).
下アーム側の３つのスイッチング素子（140）および駆動回路（162）は、端子Ｎの電位が基準電位となる。下アーム側駆動回路（162）には、個別にコンデンサを配置できるが、基準電位が同じなので、図２の構成のように、１つのコンデンサ（170）より電力を供給することもできる。 In the three switching elements (140) and the drive circuit (162) on the lower arm side, the potential of the terminal N becomes the reference potential. Capacitors can be individually arranged in the lower arm side drive circuit (162), but since the reference potential is the same, power can be supplied from one capacitor (170) as in the configuration of FIG.
一方、上アーム側の３つのスイッチング素子（140）および駆動回路（161）の基準電位は、それぞれ端子U,V,Wの電位となる。スイッチング素子（140）のオンオフ動作により、それぞれの基準電位（端子U,V,Wの電位）が変化するので、各スイッチング素子（140）および駆動回路（161）ごとにコンデンサ（170）を設置しなければならない。 On the other hand, the reference potentials of the three switching elements (140) and the drive circuit (161) on the upper arm side are the potentials of the terminals U, V, and W, respectively. Each reference potential (terminal U, V, W potential) changes due to the on / off operation of the switching element (140), so a capacitor (170) is installed for each switching element (140) and drive circuit (161). There must be.
このように、インバータ回路（130）のスイッチング素子（140）および駆動回路（160）には、少なくとも下アーム側に１つのコンデンサ（170）、上アーム側に基準電位の異なる３つのコンデンサ（170）、および上記のコンデンサ（170）に電力を供給する電源（110）が必要となる。 Thus, the switching element (140) and the drive circuit (160) of the inverter circuit (130) include at least one capacitor (170) on the lower arm side and three capacitors (170) having different reference potentials on the upper arm side. And a power source (110) for supplying power to the capacitor (170).
それぞれのコンデンサ（170）に電力を供給する電源には、それぞれ絶縁された独立電源を４個用意する構成（図１と同様の構成）が考えられるが、このインバータ回路（130）では、それぞれの上アーム側のコンデンサ（170）は、ダイオード（180）を介して、下アーム用電源（110）によって充電される回路を構成している。すなわち、このインバータ回路（130）では、下アーム用電源（110）から上アーム側コンデンサ（170）に対して電力を供給するいわゆるブートストラップ回路が構成されている。 As a power source for supplying power to each capacitor (170), a configuration in which four isolated independent power sources are prepared (same configuration as in FIG. 1) can be considered. In this inverter circuit (130), The capacitor (170) on the upper arm side constitutes a circuit charged by the lower arm power supply (110) via the diode (180). That is, the inverter circuit (130) constitutes a so-called bootstrap circuit that supplies power from the lower arm power supply (110) to the upper arm capacitor (170).
ここで、ブートストラップ回路について説明する。図３は、図２からブートストラップ回路の基本構成部分を抜き出した図である。このブートストラップ回路では、次のようにして各コンデンサ（170）が充電されて、上アーム側駆動回路（161）によって上アームのスイッチング素子（140）が駆動される。 Here, the bootstrap circuit will be described. FIG. 3 is a diagram in which the basic components of the bootstrap circuit are extracted from FIG. In this bootstrap circuit, each capacitor (170) is charged in the following manner, and the upper arm switching circuit (161) drives the upper arm switching element (140).
すなわち、このブートストラップ回路では、まず、下アームのスイッチング素子（140）をオンにする。下アームのスイッチング素子（140）がオンになると、図３に示すように、下アーム用電源（110）から、ダイオード（180）、上アーム側コンデンサ（170）、下アームのスイッチング素子（140）の経路で電流が流れる。図３では、電流の経路を矢印で示してある。このような経路で電流が流れると、上アーム側コンデンサ（170）が充電される。そして、この上アーム側コンデンサ（170）に充電された電荷により上アーム側駆動回路（161）が駆動される。すなわち、上アーム側コンデンサ（170）が上アーム側の電源となる。 That is, in this bootstrap circuit, first, the lower arm switching element (140) is turned on. When the lower arm switching element (140) is turned on, as shown in FIG. 3, the lower arm power supply (110) is connected to the diode (180), the upper arm side capacitor (170), and the lower arm switching element (140). Current flows through the path. In FIG. 3, the current path is indicated by an arrow. When current flows through such a path, the upper arm side capacitor (170) is charged. Then, the upper arm side drive circuit (161) is driven by the electric charge charged in the upper arm side capacitor (170). That is, the upper arm side capacitor (170) serves as the power supply for the upper arm side.
また、コンデンサ（170）は、スイッチング素子（140）の動作温度と同等もしくは同等以上の高温で動作可能に構成する。スイッチング素子（140）の動作温度を考慮すると、コンデンサ（170）の許容温度は、例えば１５０℃以上であることが望ましいと考えられる。 Further, the capacitor (170) is configured to be operable at a high temperature equal to or higher than the operating temperature of the switching element (140). Considering the operating temperature of the switching element (140), it is considered desirable that the allowable temperature of the capacitor (170) is, for example, 150 ° C. or higher.
このように高温動作可能なコンデンサとしては、例えば、セラミックコンデンサや、誘導体材料として高耐熱材料を用いたフィルムコンデンサが考えられる。なお、高耐熱材料の例としては、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などが考えられる。なお、一般的に入手できる電解コンデンサの許容温度は約１００℃が上限であり、また高温動作に適した構造ではないので、電解コンデンサは使用できない。また、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサは、同じ体積の電解コンデンサに比べ容量が小さいので、スイッチング素子の駆動に必要な電力を供給し、かつ必要な電圧を維持できる容量のコンデンサを選定する必要がある。 As a capacitor capable of operating at such a high temperature, for example, a ceramic capacitor or a film capacitor using a high heat-resistant material as a derivative material can be considered. Examples of high heat-resistant materials include polyamide (PA), polyamideimide (PAI), polyarylate (PAR), polyimide (PI), polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone. (PES), polysulfone (PSF), polyphenylene sulfide (PPS), polybenzimidazole (PBI), liquid crystal polymer (LCP), and the like are considered. Note that the allowable temperature of generally available electrolytic capacitors is about 100 ° C., and the structure is not suitable for high-temperature operation, so that electrolytic capacitors cannot be used. In addition, ceramic capacitors and film capacitors have a smaller capacity than electrolytic capacitors of the same volume, so it is necessary to select a capacitor having a capacity capable of supplying power necessary for driving the switching element and maintaining a necessary voltage.
以上のように、本実施形態によれば、コンデンサ（170）が高温雰囲気で動作できるようになるので、例えばスイッチング素子（140）をワイドバンドギャップ半導体で構成して該スイッチング素子（140）が動作中に高温になる場合でも、コンデンサ（170）と駆動回路（160）とスイッチング素子（140）とを近接して配置できる。そのため、コンデンサ（170）からスイッチング素子（140）までの配線長を短くでき、この間の配線インダクタンスを低減できる。これにより、スイッチング素子（140）の高速動作も可能になる。すなわち、効率的な電力変換が可能になる。 As described above, according to the present embodiment, the capacitor (170) can operate in a high temperature atmosphere. For example, the switching element (140) is formed of a wide band gap semiconductor, and the switching element (140) operates. Even when the temperature is high, the capacitor (170), the drive circuit (160), and the switching element (140) can be arranged close to each other. Therefore, the wiring length from the capacitor (170) to the switching element (140) can be shortened, and the wiring inductance during this period can be reduced. Thereby, the switching element (140) can be operated at high speed. That is, efficient power conversion becomes possible.
なお、冒頭で説明した本実施形態の基本構成（図１を参照）の適用は、ブートストラップ回路を備えた電力変換装置には限定されない。つまり、ブートストラップ回路を使用しない、またはブートストラップ回路では電源を供給できないインバータ回路においても、駆動回路に接続されたコンデンサを高温雰囲気で動作できるように構成すれば、上記の６素子インバータの例と同様の効果を得ることができる。 Note that the application of the basic configuration (see FIG. 1) of the present embodiment described at the beginning is not limited to a power conversion device including a bootstrap circuit. In other words, even in an inverter circuit that does not use a bootstrap circuit or cannot supply power to the bootstrap circuit, if the capacitor connected to the drive circuit can be operated in a high temperature atmosphere, Similar effects can be obtained.
《その他の変形例》
なお、電源と、該電源と繋がるコンデンサとは、配線長が長くても問題ないため、該電源と該コンデンサとを離して配置すれば容易に断熱ができる。
<< Other modifications >>
Note that the power source and the capacitor connected to the power source do not have a problem even if the wiring length is long. Therefore, if the power source and the capacitor are arranged apart from each other, heat insulation can be easily performed.
また、電源から流れる電流がパルス状となり、ノイズが問題になる場合には、図４に示すように、電源とコンデンサとの間にインダクタンス成分（インダクタンス（121））（例えば、チョークコイル、トロイダルコア、フェライトビーズ、インダクタンス成分を含む抵抗など）を挿入すればよい。 Further, when the current flowing from the power source becomes a pulse and noise becomes a problem, as shown in FIG. 4, an inductance component (inductance (121)) (for example, a choke coil, a toroidal core) is provided between the power source and the capacitor. , Ferrite beads, resistors including inductance components, etc.) may be inserted.
《発明の実施形態２》
実施形態２では、コンデンサ（170）等の諸元を具体的に求めてみる。ここでは、ブートストラップ回路のダイオード（180）としてＳｉＣ ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）を使用する場合を例にする。このようにダイオード（180）としてＳＢＤを用いて、該ダイオード（180）が高温動作可能な場合には、上アーム側コンデンサ（170）および上アーム側駆動回路（161）に近接してダイオード（180）を配置できる。これにより、スイッチングに伴う電圧の変動をダイオード（180）により吸収でき、高速動作が可能となる。また、上アーム側コンデンサ（170）としては、セラミックコンデンサや、誘導体材料として高耐熱材料を用いたフィルムコンデンサを想定している。
<< Embodiment 2 of the Invention >>
In the second embodiment, specifications of the capacitor (170) and the like are specifically obtained. Here, a case where an SiC SBD (Schottky barrier diode) is used as the diode (180) of the bootstrap circuit is taken as an example. In this way, when the SBD is used as the diode (180) and the diode (180) can be operated at a high temperature, the diode (180) is placed close to the upper arm side capacitor (170) and the upper arm side drive circuit (161). ) Can be placed. As a result, voltage fluctuations associated with switching can be absorbed by the diode (180), and high-speed operation is possible. As the upper arm side capacitor (170), a ceramic capacitor or a film capacitor using a high heat resistant material as a derivative material is assumed.
（上アーム側コンデンサ（170）の容量）
上アーム側コンデンサ（170）の容量は、次の条件を満たすように選定する。
(Capacitance of upper arm side capacitor (170))
The capacity of the upper arm side capacitor (170) is selected to satisfy the following conditions.
ただし、各パラメータの意味は以下の通りである。 However, the meaning of each parameter is as follows.
Ｑｏｎ：スイッチング素子を１回オンするのに必要な電荷量（ゲート電荷容量）
ｉ１：ドライブ回路が定常的に消費する電流量（オン時またはオフ時の消費電流のいずれか大きい方）
Ｔ：キャリア一周期の時間
ＶＤ：下アーム側電源（110）の電圧値
ＶＬ：上アーム側駆動回路を駆動するのに必要な電源電圧の最小値
Ｖｆ：ブートストラップ回路のダイオード（180）の順方向電圧
ここで、キャリア周波数１５ｋＨｚ（Ｔ＝６７μｓ）、Ｑｏｎ＝１００ｎＣ、ｉ１＝１ｍＡ、ＶＤ＝１５Ｖ、ＶＬ＝１３Ｖ、Ｖｆ＝１Ｖとすれば、０．１７μＦ以上のコンデンサを使用すればよい。これは、最低限必要な容量であり、この２倍以上の容量のコンデンサを選定すること望ましい。また、この容量は毎周期充電されるものとして算出しており、毎周期ごとに必ず下アーム側スイッチング素子を導通させる必要がある。下アーム側スイッチング素子が導通しない周期が存在する場合には、導通しない周期を考慮して上アーム側コンデンサの容量を選定する必要がある。
Q on : amount of charge necessary to turn on the switching element once (gate charge capacity)
i 1 : Amount of current that is steadily consumed by the drive circuit (current consumption at ON or OFF, whichever is greater)
T: Time of one carrier cycle V D : Voltage value of lower arm side power supply (110) V L : Minimum value of power supply voltage required to drive upper arm side drive circuit V f : Diode of bootstrap circuit (180 Here, if the carrier frequency is 15 kHz (T = 67 μs), Q on = 100 nC, i 1 = 1 mA, V D = 15 V, V L = 13 V, V f = 1V, 0.17 μF or more A capacitor may be used. This is the minimum required capacity, and it is desirable to select a capacitor having a capacity more than twice this. This capacity is calculated as being charged every cycle, and it is necessary to make the lower arm side switching element conductive every cycle. When there is a period in which the lower arm side switching element is not conductive, it is necessary to select the capacitance of the upper arm side capacitor in consideration of the period in which the lower arm side switching element is not conductive.
このように、キャリアを１５ｋＨｚ以上とすることで、キャリア周期が短くなり、必要となるコンデンサの容量を低減できる。さらに、キャリアによる騒音を可聴域の高音側にシフトさせることできる。 Thus, by setting the carrier to 15 kHz or more, the carrier cycle is shortened, and the required capacitance of the capacitor can be reduced. Furthermore, the noise caused by the carrier can be shifted to the higher sound side of the audible range.
また、ブートストラップ回路のダイオード（180）としてＳｉＣ ＳＢＤを使用すれば、高温動作が可能になるだけでなく、ユニポーラ動作による高速動作と、Ｖｆの低減が期待できる。ｐｎダイオードの順方向電圧は材料の物性値に依存しており、ワイドバンドギャップ半導体では順方向電圧が高くなる。ＳｉＣ ｐｎダイオードではおよそ３Ｖであり、上アーム側コンデンサ（170）の電圧値が低くなる。ＳｉＣ ＳＢＤの順方向電圧は約１Ｖと低く、ダイオード（180）による電圧降下の影響を減らすことできる。この効果は、他のワイドバンドギャップ半導体でも同様である。 Further, if the SiC SBD is used as the diode (180) of the bootstrap circuit, not only high-temperature operation is possible, but also high-speed operation by unipolar operation and reduction of Vf can be expected. The forward voltage of the pn diode depends on the physical property value of the material, and the forward voltage becomes high in the wide band gap semiconductor. In the SiC pn diode, the voltage is about 3 V, and the voltage value of the upper arm side capacitor (170) becomes low. The forward voltage of the SiC SBD is as low as about 1 V, and the influence of the voltage drop due to the diode (180) can be reduced. This effect is the same in other wide band gap semiconductors.
（コンデンサ（170）と駆動回路（160）と間の配線距離）
また、配線インダクタンスの影響を小さくするには、電流が流れる経路を短くすればよい。例えば、上アーム側のスイッチング素子（140）がオン状態に切り換わるときには、図５に示すように、コンデンサ（170）と上アーム側駆動回路（161）との間で電流が流れる。図５では、電流の経路を矢印で示してある。
(Wiring distance between capacitor (170) and drive circuit (160))
In order to reduce the influence of the wiring inductance, the path through which the current flows may be shortened. For example, when the switching element (140) on the upper arm side switches to the on state, a current flows between the capacitor (170) and the upper arm side driving circuit (161) as shown in FIG. In FIG. 5, the current path is indicated by an arrow.
現在市販されているＳｉ ＭＯＳＦＥＴでは、数十ｎｓでの駆動が可能なディバイスが存在する。高周波動作に適したＳｉＣディバイスの特性を考えると、ｄｉ／ｄｔ＝１Ａ／１０ｎｓ程度、もしくはそれ以上の速度でのゲート駆動は十分に考えられる。 Currently available Si MOSFETs have devices that can be driven in several tens of ns. Considering the characteristics of an SiC device suitable for high-frequency operation, gate driving at a speed of about di / dt = 1 A / 10 ns or more is sufficiently conceivable.
駆動回路（160）をｄｉ／ｄｔ＝１Ａ／１０ｎｓで動作させると、配線インダクタンス１００ｎＨの端子電圧は、ＶＬ＝Ｌｄｉ／ｄｔより１０Ｖとなる。１５Ｖ電源で駆動する素子は２５Ｖ程度の耐圧のものが多く、これ以上の配線インダクタンスでは駆動回路（160）内の素子の破壊につながる。そこで、駆動回路（160）内の素子を破壊させないようにするための配線インダクタンスを設定してやる必要がある。
When the drive circuit (160) is operated at di / dt = 1 A / 10 ns, the terminal voltage of the
ここで、配線のインダクタンスは、次の式で表せる。 Here, the inductance of the wiring can be expressed by the following equation.
この式をもとに、直径１ｍｍの配線の配線インダクタンスを、１００ｎＨ以下とするための配線長を求めると、配線長を５ｃｍ以下とする事が望ましいことがわかる。 Based on this formula, when the wiring length for obtaining the wiring inductance of a wiring having a diameter of 1 mm is 100 nH or less, it is found that the wiring length is preferably 5 cm or less.
なお配線インダクタンスを低減するため、ツイストペアにする、電流のループをできる限り小さくするなどの対策もまた重要である。 In order to reduce the wiring inductance, measures such as making a twisted pair and making the current loop as small as possible are also important.
《発明の実施形態３》
本実施形態では、ブートストラップ回路のダイオード（180）として、許容温度が低い素子（例えばＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ等の動作温度よりも許容温度が低い素子）を使用する。
<< Embodiment 3 of the Invention >>
In the present embodiment, an element having a low allowable temperature (for example, an element having a lower allowable temperature than the operating temperature such as a SiC MOSFET) is used as the diode (180) of the bootstrap circuit.
実施形態２で説明したようにダイオード（180）が高温動作に構成して該ダイオード（180）をコンデンサ（170）および上アーム側駆動回路（161）に近接して配置すると、スイッチングに伴う電圧の変動をダイオード（180）により吸収でき、高速動作が可能となる。これに対し、ダイオード（180）として許容温度が低い素子を使用すると、ダイオード（180）を近接して配置できないため、コンデンサ（170）の近傍で電圧の変動を吸収する別の手段が必要になる。そこで、本実施形態では、図６に示すように、ダイオード（180）とコンデンサ（170）との間にインダクタンス（210）を設ける。この場合、効果的に電圧の変動を吸収するには、インダクタンス（210）は、コンデンサ（170）及び駆動回路（160）と近接して配置する必要がある。 As described in the second embodiment, when the diode (180) is configured to operate at a high temperature and the diode (180) is disposed close to the capacitor (170) and the upper arm side drive circuit (161), the voltage associated with switching is reduced. Fluctuations can be absorbed by the diode (180), enabling high-speed operation. On the other hand, when an element having a low allowable temperature is used as the diode (180), the diode (180) cannot be disposed close to the diode (180), so that another means for absorbing voltage fluctuations near the capacitor (170) is required. . Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, an inductance (210) is provided between the diode (180) and the capacitor (170). In this case, in order to effectively absorb the voltage fluctuation, the inductance (210) needs to be disposed close to the capacitor (170) and the drive circuit (160).
上アーム側駆動回路（161）は、スイッチング素子（140）のオンオフにより、大きく電圧が変化する。そして、コンデンサ（170）とダイオード（180）との配線長が長くなると、浮遊容量が増大し、ｄｖ／ｄｔの影響により、ノイズを発生させる。そこで、駆動回路（160）の近くに、このようにインダクタンス（210）を挿入すると、インダクタンス（210）とダイオード（180）と間のｄｖ／ｄｔを抑えることができる。そのため、インダクタンス（210）とダイオード（180）との配線長を長くできる。特に、スイッチング素子（140）の高速スイッチング時には、インダクタンス（210）の容量は小さくてもよく、例えば、トロイダルコアや、フェライトビーズ、インダクタンス成分を含む抵抗などを採用できる。 The voltage of the upper arm side drive circuit (161) changes greatly depending on whether the switching element (140) is on or off. When the wiring length between the capacitor (170) and the diode (180) is increased, the stray capacitance increases, and noise is generated due to the influence of dv / dt. Therefore, when the inductance (210) is inserted in the vicinity of the drive circuit (160), dv / dt between the inductance (210) and the diode (180) can be suppressed. Therefore, the wiring length between the inductance (210) and the diode (180) can be increased. In particular, during high-speed switching of the switching element (140), the capacitance of the inductance (210) may be small. For example, a toroidal core, a ferrite bead, a resistor including an inductance component, or the like can be employed.
《発明の実施形態４》
図７は、本発明の実施形態４に係る電力変換装置の構成を示す図である。この図では、１つの直列回路（150）のみを示してあり、他は図示を省略している。この電力変換装置は、下アーム側駆動回路と上アーム側駆動回路との電圧のアンバランスを防ぐようになっている。
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FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the power conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. In this figure, only one series circuit (150) is shown, and the others are not shown. This power converter prevents voltage imbalance between the lower arm side drive circuit and the upper arm side drive circuit.
具体的には、図７に示すように、下アーム用電源（110）と下アーム側駆動回路（162）との間に、ブートストラップ回路のダイオード（180）と同等の電圧降下を生じさせる素子（電圧降下素子）として電圧降下用ダイオード（220）を設置する。なお、ここではダイオードとしているが、ツェナーダイオードなどでも良い。 Specifically, as shown in FIG. 7, an element that causes a voltage drop equivalent to that of the diode (180) of the bootstrap circuit between the lower arm power supply (110) and the lower arm drive circuit (162). A voltage drop diode (220) is installed as a (voltage drop element). Although a diode is used here, a Zener diode or the like may be used.
上アーム側コンデンサ（170）の電圧は、
（下アーム用電源（110）の電圧）−（ブートストラップ回路のダイオード（180）の順方向電圧）−（下アーム側スイッチング素子での電圧降下）
となる。
The voltage of the upper arm side capacitor (170) is
(Voltage of power supply (110) for lower arm)-(Forward voltage of diode (180) of bootstrap circuit)-(Voltage drop at lower arm side switching element)
It becomes.
例えば、ブートストラップ回路のダイオード（180）としてＳｉＣ ｐｎダイオードを使用し、下アーム側のスイッチング素子（140）での電圧降下が２Ｖとすると、上アーム側コンデンサ（170）の電圧は、おおよそ（下アーム用電源（110）の電圧−５）Ｖとなる。 For example, when a SiC pn diode is used as the diode (180) of the bootstrap circuit and the voltage drop at the switching element (140) on the lower arm side is 2 V, the voltage of the upper arm side capacitor (170) is approximately (lower The voltage of the arm power supply (110) is −5) V.
上下アームを駆動する駆動回路に供給される電圧値でアンバランスが生じると、上アーム側の駆動回路やスイッチング素子の電圧不足や、下アーム側の駆動回路やスイッチング素子の過電圧といった問題が起こる。本実施形態では、ブートストラップ回路のダイオード（180）と同等の電圧降下を生じさせる素子（電圧降下用ダイオード（220））により、下アーム側駆動回路（162）に掛かる電圧値を下げることができる。これにより、上下アームを駆動する駆動回路に供給される電圧値のアンバランスを防ぐことができる。 When an imbalance occurs in the voltage value supplied to the drive circuit that drives the upper and lower arms, problems such as insufficient voltage of the drive circuit and switching element on the upper arm side and overvoltage of the drive circuit and switching element on the lower arm side occur. In this embodiment, the voltage value applied to the lower arm side drive circuit (162) can be lowered by the element (voltage drop diode (220)) that causes a voltage drop equivalent to the diode (180) of the bootstrap circuit. . Thereby, the imbalance of the voltage value supplied to the drive circuit which drives the upper and lower arms can be prevented.
《発明の実施形態５》
図８は、本発明の実施形態５に係る駆動回路の構成を示す図である。この駆動回路（160）は、該駆動回路（160）に対してスイッチング素子（140）のオンオフ制御のパターンを指示する信号（以下、制御信号と呼ぶ）を入力する入力線と、スイッチング素子（140）に対してオンオフを制御する出力線とが、電気的に絶縁されている。具体的には、この駆動回路（160）は、ＬＥＤ（160a）とフォトトランジスタ（160b）とを備えている。ＬＥＤ（160a）は、前記の制御信号が入力され（例えば、実施形態１で説明した制御回路から入力される）、この制御信号に応じて発光する。フォトトランジスタ（160b）は、ＬＥＤ（160a）の発光に応じてスイッチング素子（140）をオンオフする。
<< Embodiment 5 of the Invention >>
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a drive circuit according to the fifth embodiment of the present invention. The drive circuit (160) includes an input line for inputting a signal (hereinafter referred to as a control signal) for instructing the on / off control pattern of the switching element (140) to the drive circuit (160), and the switching element (140). ) Is electrically insulated from the output line that controls on / off. Specifically, the drive circuit (160) includes an LED (160a) and a phototransistor (160b). The LED (160a) receives the control signal (for example, input from the control circuit described in the first embodiment), and emits light according to the control signal. The phototransistor (160b) turns on and off the switching element (140) in accordance with the light emission of the LED (160a).
このように構成することで、制御信号の入力側と、スイッチング素子（140）に対する出力側とが電気的に分離されるので、スイッチング素子（140）からのノイズの影響を低減できる。なお、ＬＥＤ（160a）とフォトトランジスタ（160b）の間の光の経路を光ファイバとすると、フォトトランジスタ（160b）との距離を離すことが容易であり、断熱が容易になる。 With this configuration, the control signal input side and the output side with respect to the switching element (140) are electrically separated, so that the influence of noise from the switching element (140) can be reduced. If the light path between the LED (160a) and the phototransistor (160b) is an optical fiber, it is easy to increase the distance from the phototransistor (160b), and heat insulation is facilitated.
《発明の実施形態６》
本発明の実施形態６では、電力変換装置をヒートポンプ装置に使用する例を説明する。
Embodiment 6 of the Invention
Embodiment 6 of this invention demonstrates the example which uses a power converter device for a heat pump apparatus.
本実施形態に係るヒートポンプ装置は、室内の冷房と暖房とを切り換えて行う空気調和装置（1）を構成している。図９に示すように、空気調和装置（1）は、冷媒回路（10）を備えている。冷媒回路（10）には、冷媒としてフロン冷媒が充填されている。この冷媒回路（10）では、冷媒が循環することで蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。 The heat pump device according to the present embodiment constitutes an air conditioner (1) that performs switching between indoor cooling and heating. As shown in FIG. 9, the air conditioner (1) includes a refrigerant circuit (10). The refrigerant circuit (10) is filled with a chlorofluorocarbon refrigerant as a refrigerant. In the refrigerant circuit (10), a refrigerant is circulated to perform a vapor compression refrigeration cycle.
＜冷媒回路の構成＞
冷媒回路（10）には、圧縮機（20）と室内熱交換器（21）と膨張弁（22）と室外熱交換器（23）と四路切換弁（24）とが接続されている。実施形態６の圧縮機（20）は、ロータリー型の圧縮機であり、本発明の流体機械を構成している。この圧縮機（20）の詳細は後述する。室内熱交換器（21）は、室内に設置されている。室内熱交換器（21）では、冷媒と室内空気との間で熱交換が行われる。室外熱交換器（23）は、室外に設置されている。室外熱交換器（23）では、冷媒と室外空気との間で熱交換が行われる。膨張弁（22）は、冷媒を減圧する減圧手段であり、例えば電子膨張弁で構成されている。四路切換弁（24）は、第１から第４までの４つのポートを備えている。四路切換弁（24）は、第１ポートが圧縮機（20）の吐出側と、第２ポートが室内熱交換器（21）と、第３ポートが圧縮機（20）の吸入側と、第４ポートが室外熱交換器（23）とそれぞれ繋がっている。四路切換弁（24）は、第１ポートと第２ポートとが繋がると同時に第３ポートと第４ポートとが繋がる状態（図９の実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートとが繋がると同時に第２ポートと第３ポートとが繋がる状態（図９の破線で示す状態）とに設定が切り換わるように構成されている。
<Configuration of refrigerant circuit>
The refrigerant circuit (10) is connected to a compressor (20), an indoor heat exchanger (21), an expansion valve (22), an outdoor heat exchanger (23), and a four-way switching valve (24). The compressor (20) of Embodiment 6 is a rotary type compressor and constitutes the fluid machine of the present invention. Details of the compressor (20) will be described later. The indoor heat exchanger (21) is installed indoors. In the indoor heat exchanger (21), heat is exchanged between the refrigerant and the room air. The outdoor heat exchanger (23) is installed outdoors. In the outdoor heat exchanger (23), heat is exchanged between the refrigerant and the outdoor air. The expansion valve (22) is a pressure reducing means for reducing the pressure of the refrigerant, and is constituted by, for example, an electronic expansion valve. The four-way selector valve (24) has four ports from first to fourth. The four-way switching valve (24) has a first port on the discharge side of the compressor (20), a second port on the indoor heat exchanger (21), a third port on the suction side of the compressor (20), The fourth port is connected to the outdoor heat exchanger (23). The four-way switching valve (24) includes a state in which the first port and the second port are connected and at the same time the third port and the fourth port are connected (indicated by a solid line in FIG. 9), the first port and the fourth port. At the same time that the second port and the third port are connected to each other (the state indicated by the broken line in FIG. 9).
＜圧縮機の構成＞
図１０に示すように、圧縮機（20）は、中空で密閉型のケーシング（30）を備えている。ケーシング（30）は、円筒状の胴部（31）と、胴部（31）の上端部に設けられる天板部（32）と、胴部（31）の下端部に設けられる底板部（33）とを備えている。ケーシング（30）では、胴部（31）の下側寄りに吸入管（34）が接続され、天板部（32）に吐出管（35）が接続されている。吐出管（35）は、天板部（32）を上下に貫通しており、その下端部がケーシング（30）の内部空間に開口している。なお、ケーシング（30）は、例えば鉄等の金属材料で構成されている。
<Compressor configuration>
As shown in FIG. 10, the compressor (20) includes a hollow and sealed casing (30). The casing (30) includes a cylindrical barrel (31), a top plate (32) provided at the upper end of the barrel (31), and a bottom plate (33) provided at the lower end of the barrel (31). ). In the casing (30), the suction pipe (34) is connected to the lower side of the body part (31), and the discharge pipe (35) is connected to the top plate part (32). The discharge pipe (35) penetrates the top plate part (32) up and down, and the lower end thereof opens into the internal space of the casing (30). The casing (30) is made of a metal material such as iron.
ケーシング（30）内には、駆動モータ（40）と駆動軸（45）と圧縮機構（50）とが収容されている。 A drive motor (40), a drive shaft (45), and a compression mechanism (50) are accommodated in the casing (30).
駆動モータ（40）は、ケーシング（30）内の上部寄りの空間に配置されている。駆動モータ（40）は、ロータ（41）とステータ（42）とを備えている。ロータ（41）は、駆動軸（45）の周囲に固定されている。ステータ（42）は、ロータ（41）の外周側に設けられている。ステータ（42）は、ケーシング（30）の胴部（31）の内壁に固定される固定子コア部（42a）と、固定子コア部（42a）の上側及び下側にそれぞれ設けられるコイル部（42b）とを有している。また、固定子コア部（42a）には、その軸方向における上下両端面に、それぞれインシュレータ（42c）が設けられている。インシュレータ（42c）は、絶縁材料から成り、固定子コア部（42a）とコイル部（42b）とを絶縁するための絶縁部を構成している。 The drive motor (40) is arranged in a space near the upper part in the casing (30). The drive motor (40) includes a rotor (41) and a stator (42). The rotor (41) is fixed around the drive shaft (45). The stator (42) is provided on the outer peripheral side of the rotor (41). The stator (42) includes a stator core portion (42a) that is fixed to the inner wall of the body portion (31) of the casing (30), and coil portions that are respectively provided on the upper side and the lower side of the stator core portion (42a). 42b). The stator core portion (42a) is provided with insulators (42c) on both upper and lower end surfaces in the axial direction. The insulator (42c) is made of an insulating material and constitutes an insulating part for insulating the stator core part (42a) and the coil part (42b).
駆動軸（45）は、ケーシング（30）の軸心を上下方向に延びて形成されている。駆動軸（45）には、下側寄りの部位に偏心部（46）が形成されている。偏心部（46）は、駆動軸（45）よりも大径であり、且つ駆動軸（45）の軸心から所定量偏心している。また、駆動軸（45）には、その下端部に油ポンプ（47）が設けられている。油ポンプ（47）は、ケーシング（30）の底部に溜まった油を遠心力によって汲み上げる構造となっている。油ポンプ（47）で汲み上げられた油は、駆動軸（45）に形成された油供給通路（図示省略）を介して、圧縮機構（50）の内部や駆動軸（45）の軸受け等の各摺動部へ供給される。 The drive shaft (45) is formed by extending the axis of the casing (30) in the vertical direction. The drive shaft (45) is formed with an eccentric portion (46) at a lower portion. The eccentric part (46) has a larger diameter than the drive shaft (45) and is eccentric by a predetermined amount from the axis of the drive shaft (45). The drive shaft (45) is provided with an oil pump (47) at its lower end. The oil pump (47) has a structure for pumping up oil accumulated at the bottom of the casing (30) by centrifugal force. The oil pumped up by the oil pump (47) is passed through an oil supply passage (not shown) formed in the drive shaft (45) to the interior of the compression mechanism (50), the bearing of the drive shaft (45), etc. Supplied to the sliding part.
圧縮機構（50）は、ケーシング（30）内の下部寄りの空間に配置されている。圧縮機構（50）は、シリンダ（51）とフロントヘッド（52）とリヤヘッド（53）とピストン（54）とを備えている。 The compression mechanism (50) is arranged in a space near the lower part in the casing (30). The compression mechanism (50) includes a cylinder (51), a front head (52), a rear head (53), and a piston (54).
シリンダ（51）は、円環状に形成されており、その外周面がケーシング（30）の内壁に固定されている。シリンダ（51）の内側には、円柱状のシリンダ室（55）が形成されている。また、シリンダ（51）には、径方向に延びる吸入通路（51a）が形成されている。吸入通路（51a）は、シリンダ室（55）と上記吸入管（34）とを連通させている。 The cylinder (51) is formed in an annular shape, and its outer peripheral surface is fixed to the inner wall of the casing (30). A cylindrical cylinder chamber (55) is formed inside the cylinder (51). The cylinder (51) is formed with a suction passage (51a) extending in the radial direction. The suction passage (51a) connects the cylinder chamber (55) and the suction pipe (34).
フロントヘッド（52）は、シリンダ（51）の上側に、リヤヘッド（53）は、シリンダ（51）の下側にそれぞれ取り付けられている。そして、フロントヘッド（52）はシリンダ室（55）の上端開口部を、リヤヘッド（53）はシリンダ室（55）の下端開口部をそれぞれ閉塞している。更に、フロントヘッド（52）には上部軸受け（56）が、リヤヘッド（53）には下部軸受け（57）がそれぞれ設けられている。駆動軸（45）は、フロントヘッド（52）及びリヤヘッド（53）を貫通しながら、上部軸受け（56）及び下部軸受け（57）に回転自在に支持されている。 The front head (52) is attached to the upper side of the cylinder (51), and the rear head (53) is attached to the lower side of the cylinder (51). The front head (52) closes the upper end opening of the cylinder chamber (55), and the rear head (53) closes the lower end opening of the cylinder chamber (55). The front head (52) is provided with an upper bearing (56), and the rear head (53) is provided with a lower bearing (57). The drive shaft (45) is rotatably supported by the upper bearing (56) and the lower bearing (57) while penetrating the front head (52) and the rear head (53).
フロントヘッド（52）には、シリンダ室（55）とケーシング（30）の内部空間とを連通させる吐出ポート（52a）が形成されている。吐出ポート（52a）には、図示しない吐出弁が設けられている。更に、フロントヘッド（52）には、吐出ポート（52a）を覆うように消音マフラー（58）が取り付けられている。 The front head (52) is formed with a discharge port (52a) that allows communication between the cylinder chamber (55) and the internal space of the casing (30). The discharge port (52a) is provided with a discharge valve (not shown). Furthermore, a muffler muffler (58) is attached to the front head (52) so as to cover the discharge port (52a).
上記ピストン（54）は、シリンダ室（55）に配置されている。ピストン（54）には、その内部に上記偏心部（46）が嵌り込んでいる。駆動軸（45）が回転すると、ピストン（54）は、駆動軸（45）の軸心から偏心しながらシリンダ室（55）内を回転する。その結果、圧縮機構（50）では、シリンダ室（55）に形成される圧縮室の容積が変化し、冷媒の圧縮動作が行われる。 The piston (54) is disposed in the cylinder chamber (55). The eccentric part (46) is fitted into the piston (54). When the drive shaft (45) rotates, the piston (54) rotates in the cylinder chamber (55) while being eccentric from the axis of the drive shaft (45). As a result, in the compression mechanism (50), the volume of the compression chamber formed in the cylinder chamber (55) is changed, and the refrigerant is compressed.
圧縮機構（50）は、圧縮した後の高温（例えば１２０℃）の高圧冷媒を上記吐出ポート（52a）を介してケーシング（30）内に吐出するように構成されている。つまり、実施形態３の圧縮機（20）は、ケーシング（30）の内部空間が高圧冷媒で満たされる、いわゆる高圧ドーム型の圧縮機を構成している。 The compression mechanism (50) is configured to discharge high-pressure (for example, 120 ° C.) high-pressure refrigerant after compression into the casing (30) through the discharge port (52a). That is, the compressor (20) of the third embodiment constitutes a so-called high pressure dome type compressor in which the internal space of the casing (30) is filled with the high pressure refrigerant.
＜電力変換装置の構成＞
圧縮機（20）は、上記駆動モータ（40）を駆動制御するための電力変換装置（60）を備えている。電力変換装置（60）は、上記の何れかの実施形態の電力変換装置である。
<Configuration of power converter>
The compressor (20) includes a power conversion device (60) for driving and controlling the drive motor (40). The power conversion device (60) is the power conversion device according to any one of the above embodiments.
図１０に示すように、電力変換装置（60）は、ケーシング（30）の上部に設けられている。電力変換装置（60）は、基板（61）を有し、この基板（61）上にインバータ回路（130）が設置されている。そして、本実施形態では、インバータ回路（130）が、圧縮機構（50）と吐出管（35）の間の空間に配置されている。 As shown in FIG. 10, the power conversion device (60) is provided on the upper portion of the casing (30). The power converter (60) has a substrate (61), and an inverter circuit (130) is installed on the substrate (61). In this embodiment, the inverter circuit (130) is disposed in the space between the compression mechanism (50) and the discharge pipe (35).
上記のように構成された空気調和装置（1）では、電力変換装置からの電磁ノイズをケーシング（30）によって絶縁できる。また、空気調和装置（1）全体として小型化も可能になる。 In the air conditioner (1) configured as described above, electromagnetic noise from the power converter can be insulated by the casing (30). In addition, the overall size of the air conditioner (1) can be reduced.
また、スイッチング素子（140）と駆動回路（160）とコンデンサ（170）とが近接して配置されるので、配線インダクタンスの低減等が可能になり、電力変換装置の高速動作を実現できる。 Further, since the switching element (140), the drive circuit (160), and the capacitor (170) are arranged close to each other, the wiring inductance can be reduced, and the high-speed operation of the power converter can be realized.
また、圧縮機構（50）の運転時には、ケーシング（30）内の高圧冷媒が電力変換装置の駆動回路（160）及びスイッチング素子（140）を冷却する。そのため、電力変換装置においてより効率的に電力変換装置（すなわち空気調和装置）を動作させることができる。また、スイッチング素子（140）等の熱を暖房用に回収することも可能になる。 Further, during the operation of the compression mechanism (50), the high-pressure refrigerant in the casing (30) cools the drive circuit (160) and the switching element (140) of the power converter. Therefore, the power converter (that is, the air conditioner) can be operated more efficiently in the power converter. Moreover, it becomes possible to collect | recover heat | fever for heating, such as a switching element (140).
本発明は、スイッチング素子を有した電力変換装置として有用である。 The present invention is useful as a power conversion device having a switching element.
１ 空気調和装置
２０ 圧縮機
３０ ケーシング
４０ 駆動モータ
５０ 圧縮機構
１００ 電力変換装置
１１０ 下アーム用電源（電源）
１４０ スイッチング素子
１５０ 直列回路
１６０ 駆動回路
１６１ 上アーム側駆動回路
１６２ 下アーム側駆動回路
１７０ コンデンサ
１８０ ダイオード
２１０ インダクタンス
２２０ 電圧降下用ダイオード（電圧降下素子）
1 Air conditioner
20 Compressor
30 casing
40 Drive motor
50
140
Claims (18)
前記コンデンサ（170）は、高温動作可能に構成されていることを特徴とする電力変換装置。 A switching element (140) configured to be operable at high temperature, a drive circuit (160) for driving the switching element (140), and a capacitor (170) for supplying power to the drive circuit (160) A power conversion device that performs power conversion of AC power supplied from a power source or DC power supplied from a DC power source into AC power or DC power having a predetermined voltage and frequency,
The said capacitor | condenser (170) is comprised so that high temperature operation | movement is possible, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記コンデンサ（170）には、インダクタンス成分を有する素子（121）を介して電力が供給されることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device of Claim 1,
Power is supplied to the capacitor (170) through an element (121) having an inductance component.
電源（110）をさらに備え、
前記スイッチング素子（140）は、２つが直列に接続されて直列回路（150）を構成し、
前記直列回路（150）内の一方のスイッチング素子（140）を駆動する駆動回路（160）である上アーム側駆動回路（161）は、前記コンデンサ（170）から電力を供給され、もう一方のスイッチング素子（140）を駆動する駆動回路（160）である下アーム側駆動回路（162）は、前記電源（110）に接続され、
前記電源（110）と前記コンデンサ（170）との間には、ダイオード（180）が接続されていることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter of Claim 1 or Claim 2,
A power supply (110)
Two of the switching elements (140) are connected in series to form a series circuit (150),
The upper arm side drive circuit (161), which is a drive circuit (160) for driving one switching element (140) in the series circuit (150), is supplied with power from the capacitor (170), and the other switching element A lower arm side drive circuit (162) which is a drive circuit (160) for driving the element (140) is connected to the power source (110),
A diode (180) is connected between the power supply (110) and the capacitor (170).
前記コンデンサ（170）とダイオード（180）の間にはインダクタンス成分を有する素子（210）が設置されていることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device of Claim 3,
A power conversion device, wherein an element (210) having an inductance component is installed between the capacitor (170) and the diode (180).
前記ダイオード（180）は、高温動作可能に構成されていることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device of Claim 3,
The said diode (180) is comprised so that high temperature operation is possible, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記ダイオード（180）は、ショットキーバリアダイオードにより構成されていることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter device in Claim 3-5,
The power converter according to claim 1, wherein the diode (180) is a Schottky barrier diode.
前記下アーム側駆動回路（162）は、前記ダイオード（180）と同等の電圧降下を生じさせる電圧降下素子（220）を介して前記電源（110）と接続されていることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter device in Claim 3-6,
The lower arm side drive circuit (162) is connected to the power source (110) through a voltage drop element (220) that causes a voltage drop equivalent to that of the diode (180). apparatus.
前記コンデンサ（170）の許容温度は、１５０℃以上であることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter in any one of Claims 1-7,
An allowable temperature of the capacitor (170) is 150 ° C. or higher.
前記コンデンサ（170）は、セラミックコンデンサ、または誘導体材料として高耐熱材料を用いたフィルムコンデンサにより構成されていることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter device in any one of Claims 1-8,
The capacitor (170) is constituted by a ceramic capacitor or a film capacitor using a high heat resistant material as a derivative material.
前記スイッチング素子（140）と前記コンデンサ（170）との間の配線長は、５ｃｍ以下であることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter in any one of Claims 1-9,
The power converter according to claim 1, wherein a wiring length between the switching element (140) and the capacitor (170) is 5 cm or less.
前記スイッチング素子（140）は、６つ設けられていることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter device in any one of Claims 1-10,
The switching device (140) includes six switching devices (140).
該電力変換装置は、キャリア周波数が１５ｋＨｚ以上であることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter in any one of Claims 1-11,
The power conversion device has a carrier frequency of 15 kHz or more.
圧縮機構（50）と、該圧縮機構（50）を駆動する駆動モータ（40）と、該圧縮機構（50）と駆動モータ（40）が収容されるケーシング（30）からなる圧縮機（20）における、前記駆動モータ（40）を駆動することを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter device in any one of Claims 1-12,
A compressor (20) comprising a compression mechanism (50), a drive motor (40) for driving the compression mechanism (50), and a casing (30) in which the compression mechanism (50) and the drive motor (40) are accommodated And driving the drive motor (40).
前記スイッチング素子（140）、駆動回路（160）、及びコンデンサ（170）は、前記ケーシング（30）内に配置されることを特徴とする電力変換装置。 The power converter of claim 13,
The power conversion device, wherein the switching element (140), the drive circuit (160), and the capacitor (170) are disposed in the casing (30).
さらに、インダクタンス成分を有する素子（210）または高温動作可能に構成されたダイオード（180）も前記ケーシング（30）内に配置されることを特徴とする電力変換装置。 The power converter of claim 14,
Furthermore, the power conversion device characterized in that an element (210) having an inductance component or a diode (180) configured to operate at high temperature is also disposed in the casing (30).
前記スイッチング素子（140）、又は前記ダイオード（180）は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料とした半導体ディバイスであることを特徴とする電力変換装置。 In any one power converter in any one of Claims 1-15,
The switching element (140) or the diode (180) is a semiconductor device whose main material is a wide band gap semiconductor.
前記ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンカーバイト、窒化ガリウム、及びダイヤモンドの何れかであることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 16, wherein
The power converter according to claim 1, wherein the wide band gap semiconductor is any one of silicon carbide, gallium nitride, and diamond.
前記駆動回路（160）に対して前記スイッチング素子（140）のオンオフ制御のパターンを指示する信号を入力する入力線と、前記駆動回路（160）が前記スイッチング素子（140）に対してオンオフを制御する出力線とは、電気的に絶縁されていることを特徴とする電力変換装置。 In any 1 power converter device in any one of Claims 1-17,
An input line for inputting a signal designating an on / off control pattern of the switching element (140) to the driving circuit (160), and the driving circuit (160) controlling on / off of the switching element (140) A power converter characterized in that the output line is electrically insulated.
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