JP2010124570A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で製造容易かつＩＰＭの温度を的確に検知できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】本電力変換装置は、プリント基板と、駆動回路とこの駆動回路によって駆動される複数のスイッチング素子を内部に収納し、プリント基板に半田付けされるパワーモジュールと、パワーモジュールの最も高温となる位置に対向するプリント基板の位置にチップタイプの温度検出素子を取り付ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力変換装置に係り、特にパワーモジュールの温度を検知する温度検出素子の取付構造を改良した電力変換装置に関する。

従来、空気調和機等に用いられるインバータ装置において、駆動回路と主スイッチング素子が一体となって樹脂モールドでパッケージされるパワーモジュールが多用されている。

このようなパワーモジュールでは、運転負荷が重く、大量の電流が流れる状態では、主スイッチング素子の温度が上昇し、ひいては熱暴走や熱破壊を招く。

これに対処するため、パワーモジュールやこのパワーモジュールが取り付けられるヒートシンクの温度を検出する温度検出素子を設け、この温度検出素子の検出温度が所定値以上になれば、スイッチングが停止したり、出力周波数を低減し、それ以上温度が上昇しないように制御している。

例えば、温度検出素子は、特許文献１に記載されるようにパワーモジュールが取り付けられるプリント基板に設けられた開口に跨るように温度センサを取付け、この温度センサをパワーモジュールに接触した状態でシリコン樹脂によりコーティングしている。

しかしながら、特許文献１に記載のものは、温度検出素子は、パワーモジュールを取り付けた状態でプリント基板の裏面から温度センサを位置決めしながらその端子を半田付けしなければならず、製造性が劣るという問題がある。
特開２００４−１５１００９号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、安価で製造容易かつパワーモジュールの温度を的確に検知できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、プリント基板と、駆動回路とこの駆動回路によって駆動される複数のスイッチング素子を内部に収納し、前記プリント基板に間隙をもって半田付けされるパワーモジュールと、前記プリント基板と前記パワーモジュールとの間の間隙で、前記パワーモジュールの最も高温となる位置に対向する前記プリント基板の位置に取り付けられたチップタイプの温度検出素子とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換装置は、プリント基板と、駆動回路とこの駆動回路によって駆動される複数のスイッチング素子を内部に収納し、前記プリント基板に間隙をもって半田付けされるパワーモジュールと、前記プリント基板と前記パワーモジュールとの間の間隙で、前記パワーモジュール内の前記スイッチング素子と対向する前記プリント基板の位置に取り付けられたチップタイプの温度検出素子とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る電力変換装置によれば、安価で製造容易かつパワーモジュールの温度を的確に検知できる電力変換装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概念図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１は、プリント基板２と、このプリント基板２に半田付けされるパワーモジュール（以下、ＩＰＭという。）３と、温度検出素子４を備える。

プリント基板２は、例えば、空気調和機の室外機の制御回路用であり、ＩＰＭ３をはじめ、他の回路素子７、マイクロコントローラ・ユニット（図示省略）を含む各種の回路や素子が取り付けられる。

ＩＰＭ３のプリント基板２への取り付けは、ＩＰＭ３の配線端子３ａをプリント基板２に設けた挿入孔２ａに挿通して行われ、ＩＰＭ３とプリント基板２間に間隙Ｇが設けられる。

さらに、ＩＰＭ３の反基板側には距離（高さ）調整用のアルミ板５が取り付けられ、さらに、このアルミ板５の反ＩＰＭ側面には放熱用のヒートシンク６が取り付けられる。

プリント基板２とヒートシンク６の距離は、プリント基板２に載置されている他の回路素子７のヒートシンク６側への端子７ａの突き出しに対する絶縁距離ｈの確保や、その他の構造的な要因によって決められ、ＩＰＭ３とヒートシンク６間のアルミ板５の厚みを適切に設定することで適切な距離に調整することができる。また、プリント基板２とＩＰＭ３の間の間隙Ｇを利用してチップタイプの温度検出素子４がプリント基板２上に設けられている。この温度検出素子４は、両端から延びる端子４ａがプリント基板２に設けられている配線パターン（図示せず）に接続される。

図２はＩＰＭ内部の構造を示す概念図であり、図３はＩＰＭを備えたインバータ装置の回路構成図である。

図２および図３に示すように、ＩＰＭ３は、駆動回路３１と、この駆動回路３１によって制御される多数の、ＩＧＢＴまたはＭＯＳ−ＦＥＴ等からなるスイッチング素子３２を備え、駆動回路３１とスイッチング素子３２は、一体に樹脂モールド３３でパッケージされる。

そして、ＩＰＭ３は、室外機の制御回路に組み込まれ、商用電源Ｐ、整流回路８に接続して使用され、例えば圧縮機用のモータ９に周波数制御された交流電流を印加する。このモータ９への電流は電流検知手段１０によって検知され、電流情報信号は、３相電流算出手段１１、ベクトル演算手段１２を介して駆動回路３１に入力される。温度検出素子４の検出温度出力はベクトル演算手段１２に入力される。

ベクトル演算手段１２は、温度検出素子４の検出温度が、所定値、例えば８０℃、を超えるとＩＰＭ３の出力周波数を低減させ、より高い温度、例えば９０℃、を超えた場合にはＩＰＭ３の出力を停止させてＩＰＭ３内のスイッチング素子３２を保護する。

また、図１および図２のＩＰＭ３上の位置４０に向かい合ったプリント基板２上の位置にチップタイプの温度検出素子４が取り付けられる。この温度検出素子４の取り付け位置は、ＩＰＭ３の最も高温となる位置４０に対向している。ＩＰＭ３のカタログなどには部品温度測定点が明記されている場合が多く、これらのデータを見れば最も高温となる位置が分かるため、それに対向して温度検出素子４を設ける。データが不明な場合には、ＩＰＭ３の様々な位置で運転中の温度を測定し、最も高温となる位置を決定しても良い。

また、一般的に、ＩＰＭ３が高温となる位置は、ＩＰＭ３の略中央で内部のスイッチング素子３２と対向する位置であり、この位置に対応させて取り付けても良い。この位置４０としては、好ましくは、中央の２個のスイッチング素子３２のどちらか一方に対向する位置である。

以上のように温度検出素子４のプリント基板２上の取り付け位置はＩＰＭ３の過熱防止の観点から、ＩＰＭ３の最も高温となる位置と対向する場所が好ましいが、一般的にＩＰＭ３のほぼ中央に位置する素子の上部でもそれほど大きな差は生じない。

ＩＰＭ３と温度検出素子４との間隔ｇは１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であるのが好ましい。

間隔ｇが１ｍｍ以下であると、熱的影響などでプリント基板２が撓んだ場合、ＩＰＭ３が温度検出素子４に接触するおそれがある。接触すると、ＩＰＭ３の温度そのものが温度検出素子４で検出され、間隔ｇを設けて温度検出をする場合の正常な状態よりも高めの温度を示してしまう。この結果、本来保護が必要な温度に到達していないにもかかわらず、不要にスイッチング素子３２の動作を停止させたり、出力（周波数）を低下させてしまい、本来の能力が発揮できなくなる。

一方、間隔が２ｍｍを超えると温度検出素子４とＩＰＭ３との距離が離れ過ぎてしまい、本来検出したいＩＰＭ３の温度よりも、周囲環境温度等の外乱の影響が大きくなり、的確な温度検出ができなくなる。一般的にヒートシンク６とプリント基板２の位置は、それぞれが他の構造物に取り付けられるため、その固定位置が決まってしまう。このため、間隔ｇは、アルミ板５の厚みで調整することが望ましい。

ＩＰＭ３および温度検出素子４のプリント基板２への取付けは、最初にチップタイプの温度検出素子４を所定の位置に位置決めして、その端子４ａを半田付けし、その後、温度検出素子４の上からＩＰＭ３をプリント基板２に取付け、プリント基板２の裏面に突出するＩＰＭ３の配線端子３ａを半田付けするという極めて簡単な工程で行うことができ、製造が容易である。

温度検出素子４による温度検知の仕組みは、次のとおりである。電力変換装置１の動作時、この電力変換装置１には商用電源Ｐ、整流回路８を介して直流が印加され、ＩＰＭ３により所定の周波数の交流に変換されると、ＩＰＭ３が発熱し、ＩＰＭ３の表面からの輻射熱を発する。この輻射熱は、ＩＰＭ３の表面に近接して設置された温度検出素子４で効率良く検出され、また、温度検出素子４が配置されるプリント基板２とＩＰＭ３の狭い間隙Ｇでは空気流が生じにくくなり熱が籠るため、ＩＰＭ３の温度を的確に検知（推定）できる。

本実施例では、温度検出素子４に安価なチップタイプの温度センサを用いるので、管形の温度センサに比べて安価に構成できる。また、チップタイプの温度センサでは、高さが低くいため、プリント基板２とＩＰＭ３の間隙Ｇに組み込むことが容易である。

さらに、温度検出素子４に用いるチップ温度センサは、ＩＰＭ３に流れる電流パターンと非接触であるため、ノイズの影響を受けにくいという利点がある。

なお、実際の制御では、ＩＰＭ３の表面温度と温度検出素子４の検出温度との温度差が考慮される。すなわち、ＩＰＭ３の表面温度と温度検出素子４の検出温度との温度差が１０ｄｅｇあると実験的に確かめられ、ＩＰＭ３の温度が１００℃になったら異常停止させたい場合は、温度検出素子４の検出温度が９０℃になったら異常停止させることになる。

本実施形態の電力変換装置によれば、安価で製造容易かつＩＰＭの温度を的確に検知できる電力変換装置が実現される。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概念図。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置に用いるＩＰＭ内部の構造を示す概念図。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置に用いるインバータ装置の回路構成図。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ プリント基板
２ａ 挿入孔
３ パワーモジュール（ＩＰＭ）
３ａ 配線端子
３１ 駆動回路
３２ スイッチング素子
３３ 樹脂モールド
４ 温度検出素子
５ アルミ板
６ ヒートシンク
７ 回路素子
８ 整流回路
９ モータ
１０ 電流検知手段
１１ ３相電流算出手段
１２ ベクトル演算手段
Ｇ 間隙
ｇ 間隔
Ｐ 商用電源

Claims (3)

1. プリント基板と、
   駆動回路とこの駆動回路によって駆動される複数のスイッチング素子を内部に収納し、前記プリント基板に間隙をもって半田付けされるパワーモジュールと、
   前記プリント基板と前記パワーモジュールとの間の間隙で、前記パワーモジュールの最も高温となる位置に対向する前記プリント基板の位置に取り付けられたチップタイプの温度検出素子とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. プリント基板と、
   駆動回路とこの駆動回路によって駆動される複数のスイッチング素子を内部に収納し、前記プリント基板に間隙をもって半田付けされるパワーモジュールと、
   前記プリント基板と前記パワーモジュールとの間の間隙で、前記パワーモジュール内の前記スイッチング素子と対向する前記プリント基板の位置に取り付けられたチップタイプの温度検出素子とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記パワーモジュールと前記温度検出素子との間の間隔を１ｍｍ以上、２ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

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