JP2012210153A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高温動作可能に構成されたスイッチング素子(130)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に電力変換を行う電力変換装置において、高温動作可能に構成されたコンデンサ(301)を有した高温動作可能に構成されたスナバ回路(300)を設ける。
【選択図】図1
Description
高温動作可能に構成されたスイッチング素子(130)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、
高温動作可能に構成されたコンデンサ(301)を有した高温動作可能に構成されたスナバ回路(300)を備えていることを特徴とする。
第1の発明の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)は、動作温度が150℃以上であることを特徴とする。
第1の発明又は第2の発明の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)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。
第1の発明から第3の発明のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)は、許容温度が150℃以上であることを特徴とする。
第4の発明の電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)のコンデンサ(301)は、セラミックコンデンサにより構成されていることを特徴とする。
第4の発明の電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)のコンデンサ(301)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。
第1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、
前記スナバ回路(300)は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料としたダイオードを備えていることを特徴とする。
第3の発明又は第7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。
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、
前記スイッチング素子(130)は、複数が直列に接続されて直列回路(170)を構成し、
前記直列回路(170)は、複数が並列に配置され、
前記スナバ回路(300)は、直列回路(170)毎に配置されていることを特徴とする。
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、
前記スナバ回路(300)は、前記スイッチング素子(130)毎に配置されていることを特徴とする。
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(130)と前記スナバ回路(300)とは、同一パッケージ内に配置されていることを特徴とする。
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、
前記スイッチング素子(130)とスナバ回路(300)とは、同一基板上に配置されていることを特徴とする。
第11の発明又は第12の発明の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)は、前記スナバ回路(300)の端子と直接接続されていることを特徴とする。
第11の発明から第13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(130)と電気的に接続される、前記スナバ回路(300)の全ての端子は、
前記スイッチング素子(130)、
もしくは前記スイッチング素子(130)に直接接続された配線部材、
もしくは前記スイッチング素子(130)とヒートスプレッダ(510)を介して直接接続された配線部材と、
直接接続されていることを特徴とする。
第1の発明から第14の発明のうちの何れか1つの電力変換装置において、
冷媒を圧縮する圧縮機構(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)が収容されるとともに内部に冷媒が満たされるケーシング(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。
第15の発明の電力変換装置において、
前記圧縮機構(50)は、前記ケーシング(30)内に高圧冷媒を吐出するように構成され、該ケーシング(30)には、その内部の高圧冷媒を該ケーシング(30)の外部に流出させる吐出管(35)が接続されていることを特徴とする。
第15の発明又は第16の発明の電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)及び前記スイッチング素子(130)は、前記ケーシング(30)内に配置されることを特徴とする。
第15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、
前記駆動モータ(40)は、ケーシング(30)の内壁に固定される固定子コア部(42a)と、該固定子コア部(42a)の軸方向端面に形成される絶縁部(42c)とを有し、
前記スイッチング素子(130)と前記スナバ回路(300)とは、前記絶縁部(42c)に支持されていることを特徴とする。
第15の発明から第18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(130)と前記スナバ回路(300)とは、前記圧縮機構(50)と吐出管(35)との間に配置されていることを特徴とする。
第15の発明から第19の発明のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記圧縮機(20)は、冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路(10)を備えたヒートポンプ回路に接続されていることを特徴とする。
本発明の実施形態1に係る電力変換装置の構成を図1に示す。この電力変換装置(100)は、平滑コンデンサ(150)とインバータ回路(120)を備え、制御装置(430)に制御されたインバータ回路(120)が、直流電源(410)から入力された直流を三相交流に変換して三相交流モータ(420)に供給するものである。この三相交流モータ(420)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。なお、直流電源(410)は、例えば商用交流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。
なお、スナバ回路(300)としては、上記のコンデンサ(301)のみで構成したものの他に、例えば図3の(b)〜(f)に示す構成も採用できる。なお、(a)には前記のコンデンサ(301)のみで構成したものを再掲している。これらの例では、コンデンサの他に、抵抗、ダイオードなどを含んでいるものがあるが、これらの構成部品は、何れも高温動作可能(例えばスイッチング素子(130)の動作温度と同等か、より高い温度で動作可能)に構成しておく。
図4は、スナバ回路をスイッチング素子(130)の相毎に設けた例である。この例では、これらのスナバ回路として、図3の(b)に示すスナバ回路を使用している。なお、この図では駆動回路などを省略している。このインバータ回路(120)においてもやはり、各構成要素は、150℃以上で動作可能な部品のみで構成してある。
本発明の実施形態3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。
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3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5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5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。
図6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。
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。
この変形例では、スイッチング素子(130)とスナバ回路(300)を絶縁部であるインシュレータ(42c)に支持させる。こうすることで、インシュレータ(42c)をスイッチング素子(130)とスナバ回路(300)の基板として利用することができる。また、スイッチング素子(130)とスナバ回路(300)から発生した熱は、インシュレータ(42c)を介して固定子コア部(42a)へ伝わるため、この熱は固定子コア部(42a)の周囲を流れる高圧冷媒に放出され易くなる。したがって、この変形例では、スイッチング素子(130)とスナバ回路(300)の冷却効果を更に高めることができる。
実施形態4では、スナバ回路(300)とスイッチング素子(130)とを同一パッケージ(トランスファモールドなど)にて構成した例を説明する。これらを同一パッケージに組み込むことで、配線インダクタンスの影響をより小さくすることができるようになる。
10 冷媒回路
20 圧縮機
30 ケーシング
35 吐出管
40 駆動モータ
42a 固定子コア部
42c インシュレータ(絶縁部)
50 圧縮機構
100 電力変換装置
130 スイッチング素子
170 直列回路
300 スナバ回路
301 コンデンサ
510 ヒートスプレッダ
520 ボンディングワイヤ
スイッチング素子(130)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、
コンデンサ(301)を有したスナバ回路(300)を備え、
前記スイッチング素子(130)は、前記スナバ回路(300)の端子と直接接続されていることを特徴とする。
第1の発明の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)は、複数が直列に接続されて直列回路(170)を構成し、
前記直列回路(170)は、複数が並列に配置され、
前記スナバ回路(300)は、直列回路(170)毎に配置されていることを特徴とする。
第1又は第2の発明の電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)は、前記スイッチング素子(130)毎に配置されていることを特徴とする。
第1から第3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(130)と前記スナバ回路(300)とは、同一パッケージ内に配置されていることを特徴とする。
第1から第4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(130)と前記スナバ回路(300)とは、同一基板上に配置されていることを特徴とする。
第1から第5のうちの何れか1つの発明の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)と電気的に接続される、前記スナバ回路(300)の全ての端子は、
前記スイッチング素子(130)、
もしくは前記スイッチング素子(130)に直接接続された配線部材、
もしくは前記スイッチング素子(130)とヒートスプレッダ(510)を介して直接接続された配線部材と、
直接接続されていることを特徴とする。
本発明の実施形態1に係る電力変換装置の構成を図1に示す。この電力変換装置(100)は、平滑コンデンサ(150)とインバータ回路(120)を備え、制御装置(430)に制御されたインバータ回路(120)が、直流電源(410)から入力された直流を三相交流に変換して三相交流モータ(420)に供給するものである。この三相交流モータ(420)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。なお、直流電源(410)は、例えば商用交流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。
なお、スナバ回路(300)としては、上記のコンデンサ(301)のみで構成したものの他に、例えば図3の(b)〜(f)に示す構成も採用できる。なお、(a)には前記のコンデンサ(301)のみで構成したものを再掲している。これらの例では、コンデンサの他に、抵抗、ダイオードなどを含んでいるものがあるが、これらの構成部品は、何れも高温動作可能(例えばスイッチング素子(130)の動作温度と同等か、より高い温度で動作可能)に構成しておく。
図4は、スナバ回路をスイッチング素子(130)の相毎に設けた例である。この例では、これらのスナバ回路として、図3の(b)に示すスナバ回路を使用している。なお、この図では駆動回路などを省略している。このインバータ回路(120)においてもやはり、各構成要素は、150℃以上で動作可能な部品のみで構成してある。
本発明の実施形態3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。
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3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5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5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。
図6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。
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。
この変形例では、スイッチング素子(130)とスナバ回路(300)を絶縁部であるインシュレータ(42c)に支持させる。こうすることで、インシュレータ(42c)をスイッチング素子(130)とスナバ回路(300)の基板として利用することができる。また、スイッチング素子(130)とスナバ回路(300)から発生した熱は、インシュレータ(42c)を介して固定子コア部(42a)へ伝わるため、この熱は固定子コア部(42a)の周囲を流れる高圧冷媒に放出され易くなる。したがって、この変形例では、スイッチング素子(130)とスナバ回路(300)の冷却効果を更に高めることができる。
実施形態4では、スナバ回路(300)とスイッチング素子(130)とを同一パッケージ(トランスファモールドなど)にて構成した例を説明する。これらを同一パッケージに組み込むことで、配線インダクタンスの影響をより小さくすることができるようになる。
10 冷媒回路
20 圧縮機
30 ケーシング
35 吐出管
40 駆動モータ
42a 固定子コア部
42c インシュレータ(絶縁部)
50 圧縮機構
100 電力変換装置
130 スイッチング素子
170 直列回路
300 スナバ回路
301 コンデンサ
510 ヒートスプレッダ
520 ボンディングワイヤ
Claims (20)
- 高温動作可能に構成されたスイッチング素子(130)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、
高温動作可能に構成されたコンデンサ(301)を有した高温動作可能に構成されたスナバ回路(300)を備えていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)は、動作温度が150℃以上であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は請求項2の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)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。 - 請求項1から請求項3のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)は、許容温度が150℃以上であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4の電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)のコンデンサ(301)は、セラミック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。 - 請求項4の電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)のコンデンサ(301)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。 - 請求項1から請求項6のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料としたダイオードを備えていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3又は請求項7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電力変換装置。 - 請求項1から請求項8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(130)は、複数が直列に接続されて直列回路(170)を構成し、
前記直列回路(170)は、複数が並列に配置され、
前記スナバ回路(300)は、直列回路(170)毎に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項9のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)は、前記スイッチング素子(130)毎に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項10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(130)と前記スナバ回路(300)とは、同一パッケージ内に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項11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(130)と前記スナバ回路(300)とは、同一基板上に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項11又は請求項12の電力変換装置において、
前記スイッチング素子(130)は、前記スナバ回路(300)の端子と直接接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項11から請求項13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(130)と電気的に接続される、前記スナバ回路(300)の全ての端子は、
前記スイッチング素子(130)、
もしくは前記スイッチング素子(130)に直接接続された配線部材、
もしくは前記スイッチング素子(130)とヒートスプレッダ(510)を介して直接接続された配線部材と、
直接接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項14のうちの何れか1つの電力変換装置において、
冷媒を圧縮する圧縮機構(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)が収容されるとともに内部に冷媒が満たされるケーシング(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。 - 請求項15の電力変換装置において、
前記圧縮機構(50)は、前記ケーシング(30)内に高圧冷媒を吐出するように構成され、該ケーシング(30)には、その内部の高圧冷媒を該ケーシング(30)の外部に流出させる吐出管(35)が接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項15又は請求項16の電力変換装置において、
前記スナバ回路(300)及び前記スイッチング素子(130)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。 - 請求項15から請求項17のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記駆動モータ(40)は、ケーシング(30)の内壁に固定される固定子コア部(42a)と、該固定子コア部(42a)の軸方向端面に形成される絶縁部(42c)とを有し、
前記スイッチング素子(130)と前記スナバ回路(300)とは、前記絶縁部(42c)に支持されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項15から請求項18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(130)と前記スナバ回路(300)とは、前記圧縮機構(50)と吐出管(35)との間に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項15から請求項19のうちの何れか1つの電力変換装置において、
前記圧縮機(20)は、冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路(10)を備えたヒートポンプ回路に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
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