JP2011147197A - 家電機器用モータを駆動電源装置，空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置を大容量にする場合、絶縁樹脂ケースを具備するパワーモジュール１７を図２のように並列接続しなければならない。すると、電源装置のケースが大型化してしまう。従って本発明の目的は、大容量かつ小型の電源装置を実現することを目的とする。
【解決手段】絶縁樹脂ケースに第１のリアクタを接続する端子と第２のリアクタを接続する端子を具備し、第１の端子および第２の端子をそれぞれ絶縁金属基板上の第１および第２の半導体スイッチング素子と逆阻止ダイオードに接続して、第２の半導体スイッチング素子と逆阻止ダイオードを接続する印刷回路に面実装型ジャンパ線を用い、第１および第２の逆阻止ダイオードの他の電極を共通の直流出力電圧端子に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明はいわゆる家電機器（空気調和機を含む）のモータを駆動するための電源装置であって、電源力率の改善，電源高調波抑制，直流出力電圧制御等を行う電源装置に関する。

始めに、従来技術による電源装置について説明する。

このような電源装置は、交流電源を整流ダイオードで整流して平滑コンデンサで平滑して直流を得る電源装置であって、電流を断続する半導体スイッチング素子をリアクタに直列に接続して交流電源を短絡開放することによりリアクタにエネルギーを蓄積させ、蓄積したエネルギーをリアクタと半導体スイッチング素子の接続端に接続した逆阻止ダイオードを介して平滑コンデンサに開放する昇圧式のチョッパ回路を持っている。

また、平滑コンデンサの両端の電圧すなわち直流出力電圧を検出する電圧検出手段と電源電流を検出する電流検出手段を持っており、直流出力電圧が所定の電圧になるように電源電流の大きさを制御する制御回路も持っている。更に、電源電流の形状が正弦波になるように制御回路が上記の半導体スイッチング素子を断続させることにより電源力率の改善，電源高調波抑制，直流出力電圧制御等を行うものである。

外形は、成型された絶縁樹脂のケースにリード線を接続するための端子を有し、該端子端を絶縁金属基板上の印刷回路に半田付けして回路を構成している。

図２は従来技術による電源装置の全体構成図である。符号を参照しながら説明する。

１７は絶縁金属基板上に電源装置の構成要素である印刷回路を具備したパワーモジュールである。１は単相の交流電源、２はブリッジ接続された４つのダイオードによって構成される整流ダイオード、３はリアクタ、５は逆阻止ダイオード、６は平滑キャパシタで、以上で交流直流変換回路を構成している。

７は空気調和機の圧縮機駆動回路等の負荷である。単相の交流電源１から供給される交流電圧は、ブリッジ接続された４つのダイオードによって構成される整流ダイオード２の作用によって整流され、全波整流電圧となる。半導体スイッチング素子４が動作していない場合はこの全波整流電圧は、リアクタ３，逆阻止ダイオード５を通して平滑キャパシタ６で平滑されて、空気調和機の圧縮機駆動回路等の負荷７に供給される。以上が、交流電圧を全波整流して、平滑キャパシタ６で平滑して直流電圧を供給する交流直流変換回路の基本動作である。

８は接続端子であり、リアクタ３と印刷回路を有するパワーモジュール１７とを接続している。９は接続端子であり、整流ダイオード２の負極と印刷回路を有するパワーモジュール１７とを接続している。１０は直流出力電圧端子であり、印刷回路を有するパワーモジュール１７と平滑キャパシタ６を接続している。

次に、入力電流を正弦波状に制御する動作について説明する。４はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、１１はセメント抵抗等の電流検出手段、１２は分圧抵抗で構成される直流電圧検出回路、１３はマイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路を用いた制御回路、１４は電流検出手段１１で検出された電流信号、１５は直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号、１６は制御回路１３で作成された半導体スイッチング素子４の駆動信号である。

直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号１５は、マイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路で構成された制御回路１３において予め設定された目標とする出力である直流電圧の目標値と比較され、偏差に比例した電流指令を作成する。作成された電流指令はマイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路で構成された制御回路１３において電流検出手段１１で検出された電流信号１４と比較される。

電流指令および電流信号１４より制御回路１３に具備されたマイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路の作用によって、入力電流を正弦波状に制御するように半導体スイッチング素子４の駆動信号１６が作成される。

直流電圧の目標値と直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号１５の偏差が大きい場合は負荷が大きいので電流指令を大きくする。逆に、直流電圧の目標値と直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号１５の偏差が小さい場合は負荷が小さいので電流指令を小さくする。

半導体スイッチング素子４の駆動信号１６がオン信号を出力している期間は、交流電源１から供給される交流電圧を整流ダイオード２で整流してリアクタ３を介して半導体スイッチング素子４で短絡回路を形成して、短絡電流によってリアクタ３に磁気エネルギーを蓄積する。

半導体スイッチング素子４の駆動信号１６がオフ信号を出力している期間は、蓄積されている磁気エネルギーに応じた逆起電力が発生して逆阻止ダイオード５を通して平滑キャパシタ６を充電する電流が流れる。この動作を繰り返すことにより出力である直流電圧を目標の直流電圧に昇圧させる。

大容量の電源装置の例として特許文献１が知られている。

特開２００２−３３０５８８号公報

電源装置を大容量にする場合、絶縁樹脂ケースを具備するパワーモジュール１７を図２のように並列接続しなければならない。すると、電源装置のケースが大型化してしまう。

従って本発明の目的は、大容量かつ小型の電源装置を実現することを目的とする。

絶縁樹脂ケースに第１のリアクタを接続する端子と第２のリアクタを接続する端子を具備し、第１の端子および第２の端子をそれぞれ絶縁金属基板上の第１および第２の半導体スイッチング素子と逆阻止ダイオードに接続して、第２の半導体スイッチング素子と逆阻止ダイオードを接続する印刷回路に面実装型ジャンパ線を用い、第１および第２の逆阻止ダイオードの他の電極を共通の直流出力電圧端子に接続する。

つまり、以下のように構成する
絶縁樹脂ケースに第１，第２のリアクタを各々接続する第１，第２の接続端子と、
第１，第２の接続端子と各々接続された第１，第２の半導体スイッチング素子と、
第１，第２の接続端子と一端が各々接続された第１，第２の逆阻止ダイオードと、
絶縁樹脂ケースに第１，第２の逆阻止ダイオードの他端が各々接続された直流出力電圧端子と、を備え、
第１の半導体スイッチング素子のエミッタ側配線と交わらないように、第２の接続端子と第２の逆阻止ダイオードとを面実装型ジャンパ線を用いて配線する。

本発明によれば、大容量かつ小型の電源装置を実現することができる。

本発明による電源装置の全体構成図。 従来技術による電源装置の全体構成図。

図１は、本発明に係る電源装置の全体構成図である。図２で用いた符号と同じものは、図１でも基本的に同じものを表す。

１は単相の交流電源、２はブリッジ接続された４つのダイオードによって構成される整流ダイオード、３（３−ａ，３−ｂ）はリアクタ、５（５−ａ，５−ｂ）は逆阻止ダイオード、６は平滑キャパシタで、以上で交流直流変換回路を構成している。

７は空気調和機の圧縮機駆動回路等の負荷である。単相の交流電源１から供給される交流電圧は、ブリッジ接続された４つのダイオードによって構成される整流ダイオード２の作用によって整流され全波整流電圧となる。半導体スイッチング素子４が動作していない場合はこの全波整流電圧は、リアクタ３，逆阻止ダイオード５を通して平滑キャパシタ６で平滑されて、空気調和機の圧縮機駆動回路等の負荷７に供給される。交流電圧を全波整流して、平滑キャパシタ６で平滑して直流電圧を供給する交流直流変換回路の基本動作は従来技術による電源装置と同様である。

８（８−ａ，８−ｂ）はリアクタ３と絶縁金属基板上の印刷回路を接続する端子、９（９−ａ，９−ｂ）は整流ダイオード２の負極と絶縁金属基板上の印刷回路を接続する端子、１０は絶縁金属基板上の印刷回路と平滑キャパシタ６を接続する直流出力電圧端子である。

次に、入力電流を正弦波状に制御する動作について説明する。４（４−ａ，４−ｂ）はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、１１はセメント抵抗等の電流検出手段、１２は分圧抵抗で構成される直流電圧検出回路、１３はマイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路を用いた制御回路、１４は電流検出手段１１で検出された電流信号、１５は直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号、１６は制御回路１３で作成された半導体スイッチング素子４の駆動信号である。

分圧抵抗で構成される直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号１５は、マイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路で構成された制御回路１３において予め設定された目標とする出力である直流電圧の目標値と比較され、偏差に比例した電流指令を作成する。作成された電流指令はマイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路で構成された制御回路１３において電流検出手段１１で検出された電流信号１４と比較される。

電流指令および電流信号１４より制御回路１３に具備されたマイクロコンピュータあるいは専用の制御用集積回路の作用によって、入力電流を正弦波状に制御するように半導体スイッチング素子４の駆動信号１６が作成される。

直流電圧の目標値と直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号１５の偏差が大きい場合は負荷が大きいので電流指令を大きくする。逆に、直流電圧の目標値と直流電圧検出回路１２で検出された直流電圧信号１５の偏差が小さい場合は負荷が小さいので電流指令を小さくする。

半導体スイッチング素子４の駆動信号１６がオン信号を出力している期間は、交流電源１から供給される交流電圧を整流ダイオード２で整流してリアクタ３を介して半導体スイッチング素子４で短絡回路を形成して、短絡電流によってリアクタ３に磁気エネルギーを蓄積する。

半導体スイッチング素子４の駆動信号１６がオフ信号を出力している期間は、蓄積されている磁気エネルギーに応じた逆起電力が発生して逆阻止ダイオード５を通して平滑キャパシタ６を充電する電流が流れる。この動作を繰り返すことにより出力である直流電圧を目標の直流電圧に昇圧させる。

大容量にする場合について説明する。

図１に示すようにリアクタ３−ａおよびリアクタ３−ｂを具備し、絶縁樹脂ケースの第１のリアクタを接続する端子８−ａと第２のリアクタを接続する端子８−ｂに接続する。耐圧などの関係でリアクタを１つの大容量の部品で済ませることも考えられるが、部品自体のコストと管理コスト，組み立てコストが高くなるため従来のものを複数、ここでは２つ用いることとした。また、接続端子８−ａ，８−ｂについても同様である。更に、電流検出手段１１側に接続する接続端子９−ａ，９−ｂについても同様である。

第１のリアクタを接続する端子８−ａと第２のリアクタを接続する端子８−ｂは、絶縁金属基板上の第１の半導体スイッチング素子４−ａおよび第２の半導体スイッチング素子４−ｂと第１の逆阻止ダイオード５−ａおよび第２の逆阻止ダイオード５−ｂに接続されている。

また、第１の半導体スイッチング素子４−ａおよび第２の半導体スイッチング素子４−ｂのコレクタ側は、それぞれ第１の逆阻止ダイオード５−ａおよび第２の逆阻止ダイオード５−ｂを介して共通の直流出力電圧端子１０（図中上側の１０）に接続されている。

一方、第１の半導体スイッチング素子４−ａおよび第２の半導体スイッチング素子４−ｂのエミッタ側は、それぞれ共通の直流出力電圧端子１０（図中下側の１０）に接続されている。

ここで、制御回路１３とＸ１〜Ｘ３との関係について説明する。Ｘ１〜Ｘ３は図中、線同士が直交しているが、実際には制御回路１３の配置を工夫することで、交わることを簡単に回避できる。制御回路１３を印刷回路上にまで張り出していけば制御回路１３内で結線が可能だからである。

一方、１８の部分については、パワーモジュール１７内の独自の配線、つまり印刷回路（１３）上の線同士の関係であり、制御回路１３とは無関係なため、斯様なことでは線同士が交わることを容易に回避できない。従って、空中配線などの工夫が必要となる。従って、この箇所だけはジャンパ線を用いて配線を行っている。第２の半導体スイッチング素子４−ｂと第２の逆阻止ダイオード５−ｂを接続する絶縁基板上の印刷回路に面実装型のジャンパ線１８を用いる。

以上のように構成することにより、１つのパワーモジュールの形態でありながら複数個のリアクタを接続した電源装置を構成することができ、１つのパワーモジュール１７に相当する箱、つまり１つの絶縁樹脂ケースの大きさで大容量化が可能である。

このように本実施例によれば、絶縁樹脂ケースに第１のリアクタを接続する端子と第２のリアクタを接続する端子を具備して、絶縁金属基板上の第１および第２の半導体スイッチング素子を逆阻止ダイオードを介して、共通の直流出力電圧端子に接続できるので、１つの絶縁樹脂ケースに大容量の電源装置を構成できる。

従来は、大容量にすると絶縁樹脂ケースを具備するパワーモジュールの数が複数になってしまっていたので、例えば、ルームエアコン用の圧縮機駆動回路に適用しているとすれば、容量が４０Ａなどの大容量のパワーモジュール（例えば４.０kwクラス）とすると電源装置の全体が大きくなってしまっていた。これを１つのパワーモジュールで済ませようとすると部品コスト等が嵩むとともに部品が大型化されるため、電源装置全体も大きくなってしまう。しかし、実施例によれば、小型化することができる。また、それだけでなく、大容量の電源装置と小容量の電源装置の大きさ形状なども統一し得る。具体的には２０Ａ級の電源装置（例えば２.８kwクラス）と４０Ａ級の電源装置、その他の電源装置の大きさ形状などを規格化し得る。つまり、普及機から高級機まで全ての部品を規格化することが可能となる。

電源力率の改善，電源高調波抑制，直流出力電圧制御等を行う電源装置において、小型で大容量の電源装置を実現できる方法である。

１ 交流電源
２ 整流ダイオード
３ リアクタ
４ 半導体スイッチング素子
５ 逆阻止ダイオード
６ 平滑キャパシタ
７ 負荷
８，９ 接続端子
１０ 直流出力電圧端子
１１ 電流検出手段
１２ 直流電圧検出回路
１３ 制御回路
１４ 電流信号
１５ 直流電圧信号
１６ 半導体スイッチング素子の駆動信号
１７ パワーモジュール
１８ 面実装型ジャンパ線

Claims (3)

1. 絶縁樹脂ケースを有するパワーモジュールを備えた家電機器のモータを駆動する家電機器用モータ駆動電源装置において、
   前記絶縁樹脂ケースに第１，第２のリアクタを各々接続する第１，第２の接続端子と、
   前記第１，第２の接続端子と各々接続された第１，第２の半導体スイッチング素子と、
   前記第１，第２の接続端子と一端が各々接続された第１，第２の逆阻止ダイオードと、
   前記絶縁樹脂ケースに前記第１，第２の逆阻止ダイオードの他端が各々接続された直流出力電圧端子と、を備え、
   前記第１の半導体スイッチング素子のエミッタ側配線と交わらないように、前記第２の接続端子と前記第２の逆阻止ダイオードとを面実装型ジャンパ線を用いて配線した家電機器用モータ駆動電源装置。
2. 請求項１において、
   前記半導体スイッチング素子にＩＧＢＴを使用したことを特徴とする家電機器用モータ駆動電源装置。
3. 請求項１の電源装置を、圧縮機駆動回路に適用したことを特徴とする空気調和機。

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