JP2015233375A - 力率改善モジュール及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、構成部品の位置を分散させつつ、大型化を抑制した力率改善モジュールを提供する。
【解決手段】カソードが出力の正極端部１０３に接続された第１の逆阻止ダイオード２ａと、コレクタが第１の逆阻止ダイオードのアノードに接続された第１のスイッチング素子３ａとを有する第１のスイッチング回路と、カソードが出力の正極端部に接続された第２の逆阻止ダイオード２ｂと、コレクタが第２の逆阻止ダイオードのアノードに接続された第２のスイッチング素子３ｂとを有する第２のスイッチング回路とを備え、第１の入力の正極端部１０１ａ及び第２の入力の正極端部１０１ｂは第２の側面７ｂよりも第１の側面７ａに近い位置に配置され、出力の正極端部、入力の負極端部１０１ｂ及び出力の負極端部１０２は第１の側面よりも第２の側面に近い位置に配置されている力率改善モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置を構成する力率改善モジュールに関する。

特許文献１には、互いの電流出力側が接続された整流素子にて構成された第１の整流手段と互いの電流入力側が接続された整流素子にて構成される第２の整流手段とを備え、第１の整流手段を第２の整流手段より逆回復時間が短い整流素子にて構成し第１の整流手段に接続されたスイッチング手段と第１の整流手段とが協調しスイッチングを行うパワーモジュールが記載されている。

特許文献１に記載のパワーモジュールによれば、交流電源の正の半サイクルと負の半サイクルで２つの半導体スイッチング素子に交互に電流が流れるので、半導体スイッチの損失を分担することができる。

特開２０１２−１２５０１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の力率改善モジュールは、内部の部品配置、配線端子の位置、形状等を考慮しておらず、構成部品の位置が偏っており、構成部品から発生する熱を適切に放熱することができないおそれがある。

本発明は、構成部品の位置を分散させつつ、大型化を抑制した力率改善モジュールを提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、力率改善モジュールは、カソードが出力の正極端部に接続され、アノードが第１の入力の正極端部に接続された第１の逆阻止ダイオードと、コレクタが第１の入力の正極端部及び第１の逆阻止ダイオードのアノードに接続され、エミッタが第１の電流検出手段に接続された第１のスイッチング素子とを有する第１のスイッチング回路と、カソードが出力の正極端部に接続され、アノードが第２の入力の正極端部に接続された第２の逆阻止ダイオードと、コレクタが第２の入力の正極端部及び第２の逆阻止ダイオードのアノードに接続され、エミッタが第２の電流検出手段に接続された第２のスイッチング素子とを有する第２のスイッチング回路とを備え、第１の入力の正極端部及び第２の入力の正極端部は第２の側面よりも第１の側面に近い位置に配置され、出力の正極端部、入力の負極端部及び出力の負極端部は第１の側面よりも第２の側面に近い位置に配置されている。

本発明によれば、構成部品の位置を分散させつつ、大型化を抑制した力率改善モジュールを提供することができる。

実施例１に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の結線図である。 実施例１に係る力率改善モジュールの外観構造図である。 実施例１に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の全体構成図である。 インターリーブ制御の動作説明図である。 実施例１に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置を備えた空気調和機のサイクル構成図である。 実施例２に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の全体構成図である。 実施例３に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の結線図である。 実施例３に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の全体構成図である。 比較例に係る力率改善モジュールの内部回路図である。 比較例に係る力率改善モジュールの内部回路図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は実施例１に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の結線図である。整流スタックは交流電源１１に接続されるコイル１２、キャパシタ１３、整流ダイオード１４ａ〜１４ｄから構成される。整流スタックはリアクタ１５ａ、リアクタ１５ｂ、力率改善モジュール１及び平滑キャパシタ１６を介して負荷１７に接続される。本実施例では、負荷７は電動機を駆動するインバータ装置を想定している。図１に示した電力変換装置はブースト型力率改善コンバータ等と呼ばれ、本実施例では力率改善モジュール１を電力変換装置に装着することで、ブースト型力率改善コンバータを構成している。なお、コイル１２とキャパシタ１３は力率改善モジュール１で発生する電源電流のリプル成分を抑制するフィルタ回路である。

力率改善モジュール１は逆阻止ダイオード２ａ、２ｂ、スイッチング手段である半導体スイッチング素子３ａ、３ｂ、電流検出手段４ａ、４ｂおよび制御回路５を内蔵し、それらの構成要素は内部配線にて接続される。

交流電源１１から供給される交流電圧は、ブリッジ接続された４つの整流ダイオード１４ａ〜１４ｄによって構成される整流スタックの作用によって整流され、全波整流電圧となる。力率改善モジュール１の半導体スイッチング素子３ａ、３ｂが動作していない場合、この全波整流電圧は、リアクタ１５ａ、１５ｂ、逆阻止ダイオード２ａ、２ｂを通して平滑キャパシタ１６で平滑されて、電動機を駆動するインバータ装置等の負荷１７に供給される。

このような交流電源１１を全波整流して、平滑キャパシタ１６で平滑して負荷１７に直流電圧を供給する回路（動作）は、一般にキャパシタインプット整流平滑回路と呼ばれ、電源電流波形は正弦波とは異なる高調波成分を多く含むひずみ波電流となる。そのため、電力変換装置の力率は概ね０．６〜０．７程度と低く、電源電力を有効に利用できないという問題がある。また、電源電流波形に含まれる高調波成分は送電系に戻るため、他の電力機器に影響を与える等の問題がある。

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。電流を断続する半導体スイッチング素子３ａ、３ｂをリアクタ１５ａ、１５ｂに直列に接続し、交流電源を短絡開放することによりリアクタ１５ａ、１５ｂ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１５ａ、１５ｂと半導体スイッチング素子３ａ、３ｂの接続端に接続した逆阻止ダイオード２ａ、２ｂを介して平滑コンデンサ１６に開放する。この動作を昇圧式チョッパ動作といい、制御回路５によって電源電流の形状が正弦波になるように半導体スイッチング素子３ａ、３ｂ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ことができる。力率改善モジュール１を有する電力変換装置における力率は０．９９程度で、電源高調波も規制値以下とすることが可能である。

力率改善モジュール１は、逆阻止ダイオード２ａ、２ｂ、スイッチング手段である半導体スイッチング素子３ａ、３ｂ、電流検出手段４ａ、４ｂおよび制御回路５を内蔵し、それらの構成要素は内部配線にて接続され、外部回路接続用の接続端子１０１〜１０４に接続されている。

逆阻止ダイオード２ａ、２ｂは逆回復時間が短いシリコンダイオード、半導体スイッチング素子３ａ、３ｂは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、電流検出手段はセメント抵抗である。

力率改善モジュール１は、カソードが出力の正極端子１０３（出力の正極端部）に接続され、アノードが第１の入力の正極端子１０１ａ（第１の入力の正極端部）に接続された第１の逆阻止ダイオード２ａと、コレクタが第１の入力の正極端子１０１ａ（第１の入力の正極端部）及び第１の逆阻止ダイオード２ａのアノードに接続され、エミッタが第１の電流検出手段４ａに接続された第１のスイッチング素子３ａとを有する第１のスイッチング回路１ａと、カソードが出力の正極端子１０３（出力の正極端部）に接続され、アノードが第２の入力の正極端子１０１ｂ（第２の入力の正極端部）に接続された第２の逆阻止ダイオード２ｂと、コレクタが第２の入力の正極端子１０１ｂ（第２の入力の正極端部）及び第２の逆阻止ダイオード２ｂのアノードに接続され、エミッタが第２の電流検出手段４ｂに接続された第２のスイッチング素子３ｂとを有する第２のスイッチング回路１ｂと、第１の入力の負極端子１０２ａ（第１の入力の負極端部）及び第２の入力の負極端子１０２ｂ（第２の入力の負極端部）と出力の負極端子１０４（出力の負極端部）とを接続する第３の回路３ｃを備えている。

ここで、比較例として、図９に記載の力率改善モジュールでは、第１のスイッチング回路１ａと第２のスイッチング回路１ｂの位置が近く、第１の逆阻止ダイオード２ａ、第２の逆阻止ダイオード２ｂ、第１のスイッチング素子３ａ及び第２のスイッチング素子３ｂの位置が力率改善モジュールの上方に偏っているため、力率改善モジュール１の上方から発生する熱を適切に放熱できないおそれがあり、又、力率改善モジュール１へ取り付ける放熱フィンをより大きく設計する必要がある。

一方、図１０に示すように、力率改善モジュールの第１のスイッチング回路１ａと第２のスイッチング回路１ｂの位置を離すことで、熱の発生源を分散させることができるが、その分、力率改善モジュールをより大きく設計しなければならず、設置スペースが増大する課題がある。

そこで、本実施例に係る力率改善モジュールでは、図１に示すように、第１の入力の正極端子１０１ａ（第１の入力の正極端部）及び第２の入力の正極端子１０１ｂ（第２の入力の正極端部）は第２の側面７ｂよりも第１の側面７ａに近い位置（以下「第１の側面７ａ側」という。）に配置され、出力の正極端子１０３（出力の正極端部）、入力の負極端子１０２（入力の負極端部）及び出力の負極端子１０４（出力の負極端部）は第１の側面よりも第１の側面７ａに相対する第２の側面７ｂに近い位置（以下「第２の側面７ｂ側」という。）に配置される構成としている。

すなわち、図９及び図１０に記載の力率改善モジュールは、第１のスイッチング回路１ａ、第２のスイッチング回路１ｂ及び第３の回路１ｃが並列に並んでおり、両端が第１の側面７ａ及び第２の側面７ｂに位置するのに対し、本実施例に係る力率改善モジュール１は、第３の回路１ｃの両端は第２の側面７ｂのみに位置し、第１の側面７ａには位置していない。

本実施例に係る力率改善モジュール１によれば、第３の回路１ｃの長さを減らすことができるため、力率改善モジュール１の設置スペースの増大を抑制しつつ、第１のスイッチング回路１ａ及び第２のスイッチング回路１ｂを離す基板上の自由度を確保でき、熱の発生源を分散させることができる。

なお、本実施例では、モジュール基板の内部配線を外部回路接続用の接続端子に接続し、接続端子と外部配線とを接続する構成を採用しているが、接続端子以外の他の部品を介してモジュール基板の内部配線と外部配線とを接続する構成にしてもよい。

本実施例において、端部とは、接続端子等に接続されるモジュール基板の内部配線の端部を意味する。例えば、第１の入力の正極端部とは、第１の入力の正極端子１０１ａに接続するモジュール基板上の内部配線の第１の入力の正極端部を意味する。以下、本実施例では、端子を用いて説明するが、本実施例は端子を端部に置き換えた内容を含むものとする。

入力の負極端子１０２（第１の入力の負極端子１０２ａ及び第２の入力の負極端子１０２ｂ）は１つの入力の負極端子で構成することも可能である。但し、入力の正極端子１０１は、少なくとも第１の入力の正極端子１０１ａと第２の入力の正極端子１０１ｂから構成され、入力の負極端子１０２は、入力の正極端子１０１の端子数と同数の負極端子によって構成することが望ましい。

第１のスイッチング素子３ａを第１の逆阻止ダイオード２ａと第１の入力の正極端子１０１ａの間に配置し、第２のスイッチング素子３ｂを第２の逆阻止ダイオード２ｂと第２の入力の正極端子１０１ｂの間に配置している。

さらに、第１の逆阻止ダイオード２ａ及び第２の逆阻止ダイオード２ｂを第２の側面７ｂ側に配置し、第１のスイッチング素子３ａ及び第２のスイッチング素子３ｂを第１の側面７ａ側に配置している。

本実施例に係る力率改善モジュール１によれば、第１の側面７ａと第２の側面７ｂとを接続する方向（以下「左右方向」という。）における熱の発生源の位置を分散させることができる。

さらに、第１の逆阻止ダイオード２ａ及び第１のスイッチング素子３ａを第４の側面７ｄよりも第３の側面７ｃに近い位置（以下「第３の側面７ｃ側」という。）に配置し、第２の逆阻止ダイオード２ｂ及び第２のスイッチング素子３ｂを第３の側面７ｃよりも第４の側面７ｄに近い位置（以下、「第４の側面７ｄ側」という。）に配置している。

本実施例に係る力率改善モジュール１によれば、第３の側面７ｃと４の側面７ｄとを接続する方向（以下「上下方向」という。）において、基板の特定の位置に集中することなく、基板上に分散させて熱の発生源を配置することができるため、熱の発生源の集中を防ぐことができる。

第１の逆阻止ダイオード２ａはアノードを第１の入力の正極端子１０１ａに、カソードを出力の正極端子１０３に略直線のパターンで接続し、第２の逆阻止ダイオード２ｂはアノードを第２の入力の正極端子１０１ｂに略直線のパターンで接続している。

このような部品配置により、力率改善モジュール１内部を流れる電流の向きが同一方向になるのでノイズを低減することができる。

第２の逆阻止ダイオード２ｂのカソードは入力の負極端子１０２ａ、１０２ｂのパターンを跨いで出力の正極端子１０３に接続される。

なお、第２の逆阻止ダイオード２ｂはアノードを第２の入力の正極端子１０１ｂに、カソードを出力の正極端子１０３に略直線のパターンで接続し、第１の逆阻止ダイオード２ａはアノードを第１の入力の正極端子１０１ａに略直線のパターンで接続する構成にしてもよい。

半導体スイッチング素子３ａ、３ｂ及び電流検出手段４ａ、４ｂは、上下方向において、第１の入力の正極端子１０１ａと第２の入力の正極端子１０１ｂの間に配置され、第１のスイッチング回路１ａと第２のスイッチング回路１ｂの間に配置され、第４の回路１ｄによって電流検出手段４ａ、４ｂ及び第３の回路１ｃとを接続している。このようなパターンによれば、第４の回路１ｄを流れる電流の向きが、第１のスイッチング回路１ａ及び第２のスイッチング回路１ｂを流れる電流の向きと同一の方向になるので、ノイズを低減することができる。

なお、電流検出手段４ａ、４ｂの接続点と第３の回路１ｃとを接続する第４の回路１ｄが、第１のスイッチング回路１ａ及び第２のスイッチング回路１ｂに並行とすることが望ましい。このような構成によって内部配線を流れる電流の向きを同一方向にし、後述する外部配線を流れる電流の向きを内部配線と逆方向にすることで、磁界を打ち消し合って、ノイズを低減することができる。

図２は力率改善モジュールの外観構造図である。力率改善モジュール１の筐体６は必要かつ十分な強度を有する絶縁樹脂で成型加工されたものである。上述した通り、筐体６の第１の側面７ａに第１の入力の正極端子１０１、第２の入力の正極端子１０１を配置し、第２の側面７ｂに第１の入力の負極端子１０２ａ、第２の入力の負極端子１０２ｂ、出力の正極端子１０３及び出力の負極端子１０４を配置している。それぞれの端子はタブ端子であり、力率改善モジュール１の筐体６と一体構造となっており、ファストンリセプタクルにより容易に配線ができる構造としている。

力率改善モジュール１は、実装に要する面積を小さくするために、半導体スイッチング素子（第１のスイッチング素子３ａ、第２のスイッチング素子３ｂ）、逆阻止ダイオード（第１の逆阻止ダイオード２ａ、第２の逆阻止ダイオード２ｂ）等の構成部品をパッケージ内部に予め導電性の配線パターンで作成した配線基板に実装している。配線基板はアルミナ板８に絶縁膜を介してプリントされている。つまり、配線基板で発生した熱は主にアルミナ板８を介して外部に放熱される。
また、構成部品を実装した配線基板とパッケージ外郭に設けた外部回路との接続端子（入力の正極端子１０１、入力の負極端子１０２、出力の正極端子１０３、出力の負極端子１０４）とを導電性のワイヤーまたは直接はんだ付けすることで力率改善モジュール１を構成し、接続端子以外を絶縁性の樹脂材料で封止して作成される。

図３は力率改善モジュールを用いた電力変換装置の全体構成図である。図１で説明した電力変換装置を部品の形状や配線を実写的に表したものである。

整流スタックと力率改善モジュール１の入力の正極端子１０１ａ、１０１ｂおよび入力の負極端子１０２ａ、１０２ｂとを接続する配線は正極と負極の端子を束ね、又は、近接して布線されている。

さらに、本実施例に係る電力変換装置は、力率改善モジュール１の出力の負極端子１０４を出力の正極端子１０３と入力の負極端子１０２（第１の入力の負極端子１０２ａ、第２の入力の負極端子１０２ｂ）の間に配置し、出力の正極端子１０３及び出力の負極端子１０４に接続された平滑キャパシタ１６を備え、出力の正極端子１０３と平滑キャパシタ１６とを接続する配線と、出力の負極端子１０４と平滑キャパシタ１６とを接続する配線とを束ね、又は、近接して布線している。

このように、対となる電線を束ね、又は、近接して布線することにより、さらにノイズを抑制することができる。また、入力である整流ダイオード１４ａ〜１４ｄより構成される整流スタックと力率改善モジュール１を接続する配線と、出力である力率改善モジュール１と平滑キャパシタ１６を接続する配線とを交差することなく、分離して配線することが可能となり、ノイズを抑制することができる。

なお、図３において、発熱部品である力率改善モジュール１、整流ダイオード１４ａ〜１４ｄにより構成される整流スタック等の放熱のための放熱フィンは図示していないが、適切な放熱構造が必要であることは言うまでもない。

図４は本実施例に係る力率改善モジュール１でインターリーブ制御を行った場合の動作説明図である。図４には、第１のスイッチング回路を構成する第１のスイッチング素子３ａのゲート駆動信号、第１のスイッチング素子３ａのコレクタ電位（以下「第１のコレクタ電位」という。）、第２のスイッチング回路を構成する第２のスイッチング素子３ｂのゲート駆動信号、第２のスイッチング素子３ｂのコレクタ電位（以下「第２のコレクタ電位」という。）の電圧波形と、リアクタ１５ａ、１５ｂを流れる電流の電流波形を記載している。

第１のコレクタ電位は第１の入力の正極端子１０１と第１の逆阻止ダイオード２ａのアノードの電位と同じであり、第１のコレクタ電位は第１の入力の正極端子１０１と第１の逆阻止ダイオード２ｂのアノードの電位と同じである。

第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂがオンオフ動作をすると、第１のコレクタ電位は図４に示すように変化する。第１のコレクタ電位が変化すると、静電容量で結合された回路には変位電流が流れる。その結果、静電容量で結合された回路（第１のスイッチング素子３ａのコレクタと第２のスイッチング素子３ｂのゲート、及び、第１のスイッチング素子３ａのゲートと第２のスイッチング素子３ｂのコレクタ間）の電位が変動する。第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング回路１ｂ、及び、第２のスイッチング素子３ｂと第１のスイッチング回路１ａを離すことで、静電容量の結合を減らすことができる。

第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂに絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのような電圧駆動素子を使用した場合、静電容量で結合された回路の電位が変動すると、第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂのゲート信号に影響を与えて誤動作するおそれがある。

第１のスイッチング素子３ａがオフするとコレクタ電位が上昇する。その結果、第２のスイッチング素子３ｂとの静電容量の結合が大きいと、大きな変位電流が流れて第２のスイッチング素子のゲート電位が変動し、その結果、第２のスイッチング素子３ｂが誤動作する可能性がある。第１のスイッチング素子３ａがオンするとコレクタ電位が低下する。これにより、変位電流が流れて第１のスイッチング素子３ａのゲート電位が変動して第２のスイッチング素子３ｂが誤動作するおそれがある。第２のスイッチング素子３ｂがオンオフした場合も同様に第１のスイッチング素子３ａが誤動作する可能性がある。

そこで、本実施例に係る力率改善モジュールは、図１に示すように、第１のスイッチング回路１ａのうち第１の逆阻止ダイオード２ａのアノード側に位置する部分を力率改善モジュール１の筐体６の第３の側面７ｃ側に配置し、第２のスイッチング回路１ｂのうち第２の逆阻止ダイオード２ｂのアノード側に位置する部分を力率改善モジュール１の筐体６の第３の側面７ｄ側に配置し、第１のスイッチング素子３ａを第３の側面７ｃ側に配置し、第２のスイッチング素子３ｂを第４の側面７ｄ側に配置している。

本実施例に係る力率改善モジュールによれば、第１のスイッチング素子３ａと第２のスイッチング素子３ｂのゲート回路の静電容量の結合を小さくすることができ、その結果、第１のスイッチング素子３ａ及び第２のスイッチング素子３ｂが誤動作する可能性を低減することができる。

図５は実施例１に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置を備えた空気調和機のサイクル構成図である。冷房運転時は、圧縮機３４より吐出された高温且つ高圧の冷媒は、四方弁３５を介して室外熱交換機３７に流入する。室外熱交換機３７に流入した冷媒は、室外送風ファン３８によって送られる室外の空気と熱交換することで、凝縮されて液冷媒となる。液冷媒は、膨張弁３６を通過することで低温低圧の二相冷媒になり、室内熱交換器３９に流入する。室内熱交換器３９に流入した低温低圧の二相冷媒は、室内送風ファン４０によって送られる室内の空気と熱交換する。このとき、室内熱交換器３９に送られた室内の空気は、室内熱交換器３９に流入した低温低圧の二相冷媒によって冷却され、吹出口３から室内に吐出される。吹出口３から室内に吐出される空気は、吸込口２における空気の温度よりも低いため、室内の温度を下げることができる。室内熱交換器３９で熱交換された冷媒は四方弁３５を介して再び圧縮機３４に戻る。圧縮機３４と室外熱交換器２と室外送風ファン３８と膨張弁３６は室外機１に配置され、室内熱交換器３９と室内送風ファン４０は室内機４１に配置されている。本実施例に係る電力変換装置（図示せず）はインバータを介して圧縮機３４のモータに接続されている。

なお、本実施例に係る電力変換装置は、空気調和機以外にも、冷凍機や他の電気機器に用いることもできる。

本実施例では、逆阻止ダイオード２ａ、２ｂに逆回復時間が短いシリコンダイオードを使用しているが、代わりに、ワイドギャップ半導体で構成されたダイオードを使用してもよい。ワイドギャップ半導体は炭化ケイ素あるいは窒化ガリウムが実用化されているが、これに限らない。

第１のスイッチング回路１ａ及び第２のスイッチング回路１ｂは、所定の周波数でオンオフ動作を繰り返しており、逆回復時間が短い場合でも、逆阻止ダイオード２ａ、２ｂには逆回復電流が流れて、逆回復損失が発生する。この逆回復損失はスイッチング周波数に比例して増大する。そのため、逆阻止ダイオード２ａ、２ｂに逆回復時間が短いシリコンダイオードを使用した場合、力率改善モジュール１のスイッチング周波数には上限があり、一般的に２０ｋＨｚ程度が上限とされている。

ここで、ワイドギャップ半導体とは電気機器の電力変換回路およびコンバータ回路の半導体素子として現在広く使用されているシリコンと比較して大きなエネルギーバンドギャップを持つ半導体の総称である。ワイドギャップ半導体はシリコンと比較してエネルギーバンドギャップが大きいことにより、素子の約１０倍の絶縁破壊電圧強度があり、高耐圧化が可能であり、同じ耐圧であれば電流経路が短くなる。また、キャリア移動度も大きいので、ワイドギャップ半導体スイッチング素子はシリコン半導体スイッチング素子に比較してオン抵抗が小さく、同じスイッチング周波数であれば低損失である。言い換えれば、高いスイッチング周波数で使用可能という特徴がある。

そのため、逆阻止ダイオード２ａ、２ｂにワイドギャップ半導体で構成されたダイオードを用いることで、ワイドギャップ半導体の逆阻止ダイオードは逆回復電荷の蓄積がほとんどなく、その結果、逆回復電流がほとんど流れないため、逆回復損失を小さくすることができる。逆回復損失が小さいので、スイッチング周波数を上げることが可能であり、リアクタを小型化できる。また、逆回復電流の振動によるノイズの発生を抑制することもできる。また、ワイドギャップ半導体は、シリコンと比較して高い温度条件下での動作が可能であるので放熱構造の簡素化、低コスト化の可能性がある。

図２に記載の力率改善モジュール１の半導体スイッチング素子はシリコン半導体スイッチング素子のうち絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用したものである。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは現時点においてはパワー半導体スイッチング素子としてもっともバランスのとれた素子として広く使用されている。しかしながら、大電流動作を可能とするため、コレクタに伝導度変調を行うｐｎ接合を形成しているので、電流が小さい領域においても飽和電圧が小さくならず、低電力領域での損失の低減に限界があるという問題がある。

一方、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は少数キャリアによるチャネル伝導であるため、半導体スイッチング素子は抵抗として見え、電流が小さい領域においては比例してオン電圧が小さくなり、損失が低減する。しかしながら、大電力領域においてはオン電圧が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの飽和電圧を超えるため、損失が大きくなってしまう。

このように、使用する電力の領域により、適切な半導体スイッチング素子を使い分ける方法が考えられる。さらに、パワーＭＯＳＦＥＴにおいては内部構造を３次元的に構成して従来のパワーＭＯＳＦＥＴに比較してオン抵抗を低減したスーパージャンクション−ＭＯＳＦＥＴ（Ｓｕｐｅｒ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ＭＯＳＦＥＴ）が開発されている。本実施例においても、スーパージャンクション−ＭＯＳＦＥＴの適用は極めて有効である。

また、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとパワーＭＯＳＦＥＴを並列接続して使用する方法がある。低電力領域ではパワーＭＯＳＦＥＴに電流が流れて損失を抑え、大電力領域においては絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに電流が流れることによって、損失の増大を抑制した力率改善モジュール１を構成することが可能である。

なお、内部の配線基板の材料としては種々あるが、実装部品の放熱性を高めるために高価なアルミナ基板を使用してもよい。アルミナ基板は熱伝導性が良いので、半導体スイッチング素子（第１のスイッチング素子３ａ、第２のスイッチング素子３ｂ）、逆阻止ダイオード（第１の逆阻止ダイオード２ａ、第２の逆阻止ダイオード２ｂ）等を高密度に実装することが可能である。

さらに、力率改善モジュールはタブ端子による配線で実装可能としている。端子をタブ端子としたことによりネジ止め端子と比較して配線の敷設を容易に行うことができる。

本実施例では、入力の正極端子１０１に流れる電流は、２００Ｖ、４０Ａ、出力の正極端子１０３に流れる電流は、４００Ｖ、２０Ａ程度を想定している。又、本実施例では、２０Ａ用端子を使用している為、４０Ａの電流が流れる入力の正極端子１０１は端子を２つに分け、２０Ａの電流が流れる出力の正極端子１０３は１つの端子で構成している。なお、他の３０Ａ用や２０Ａ用等の他の力率改善モジュールに適用することができることは言うまでもない。

第１実施例と異なる部分について説明し、第１実施例と重複する部分については説明を省略する。図６を用いて力率改善モジュールを用いた電力変換装置の他の実施例を説明する。図６は実施例２に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の全体構成図である。

本実施例に係る電力変換装置は、入力の負極端子１０２に接続された整流ダイオード１４ａ〜１４ｄとを備え、入力の負極端子１０２と整流ダイオード１４ａ〜１４ｄとを接続する配線２２の一部を力率改善モジュール１の上方に配置している。本実施例に係る電力変換装置によれば、力率改善モジュール１の内部の第１のスイッチング回路１ａ及び第２のスイッチング回路１ｂと配線２２が近づくため、発生する磁界を打ち消し合い、ノイズを低減することができる。

さらに、力率改善モジュール１と整流ダイオード１４ａ〜１４ｄとを接続する正極配線と負極配線全体を近接して付線することで、さらにノイズを低減することができる。

入力の負極端子１０２と整流ダイオード１４ａ〜１４ｄとを接続する配線２２の一部を第１のスイッチング回路１ａと第２のスイッチング回路１ｂの間に配置している。このような配置によれば、第１のスイッチング回路１ａ及び第２のスイッチング回路１ｂと配線２２を近づけて、ノイズを低減することができる。

なお、図６において発熱部品である力率改善モジュール１、整流ダイオード１４ａ〜１４ｄにより構成される整流スタック等の放熱のための放熱フィンは図示していないが、適切な放熱構造が必要であることは言うまでもない。

第１実施例と異なる部分について説明し、第１実施例と重複する部分については説明を省略する。図７及び図８を用いて力率改善モジュールを用いた電力変換装置の他の実施例を説明する。図７は実施例３に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の結線図である。図８は実施例３に係る力率改善モジュールを用いた電力変換装置の全体構成図である。

本実施例に係る電力変換装置は、第１のスイッチング回路１ａと第２のスイッチング回路１ｂに接続する整流スタックをそれぞれに設けることにより、整流スタックの小型化によって、基板搭載実装が可能となり、小型化、低コスト化、組み立て工数の低減等の効果がある。平滑キャパシタ１６についても同様である。

本実施例では、大電流に対応する為、整流スタック１４ａ〜１４ｄを並列に２つ設置している。このような構成において、仮にリアクタ１５が１つだけの場合、整流スタック１４ａ〜１４ｄの特性のバラツキによって、第１のスイッチング回路１ａ及び第２のスイッチング回路１ｂに流れる電流がアンバランスとなる。

本実施例に係る電力変換装置は２つの整流スタックを備え、２つのスイッチング回路（第１のスイッチング回路１ａ、第２のスイッチング回路１ｂ）それぞれに整流スタック１４ａ〜１４ｄを接続している。このような本実施例によれば、整流スタック１４ａ〜１４ｄの特性のアンバランスを薄めることができる。リアクタ１５は特性のバランスが少ないという特徴があるため、精度よく電流のアンバランスを抑制することができる。

なお、図８において発熱部品である力率改善モジュール１、整流ダイオード１４ａ〜１４ｄ、１８ａ〜１８ｄにより構成される整流スタック等の放熱のための放熱フィンは図示していないが、適切な放熱構造が必要であることは言うまでもない。

１ 力率改善モジュール
１ａ 第１のスイッチング回路
１ｂ 第２のスイッチング回路
１ｃ 第３の回路
２ａ、２ｂ 逆阻止ダイオード
３ａ、３ｂ 半導体スイッチング素子
４ａ、４ｂ 電流検出手段
５ 制御回路
６ 力率改善モジュールの筐体
７ａ 力率改善モジュールの筐体の第１の側面
７ｂ 力率改善モジュールの筐体の第２の側面
７ｃ 力率改善モジュールの筐体の第３の側面
７ｄ 力率改善モジュールの筐体の第４の側面
８ アルミナ板
１１ 交流電源
１２ コイル
１３ キャパシタ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 整流ダイオード
１５ａ、１５ｂ リアクタ
１６ 平滑キャパシタ
１７ 負荷
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 第２の整流ダイオード
１０１ａ、１０１ｂ 第１の入力の正極端子、第２の入力の正極端子
１０２ａ、１０２ｂ 第１の入力の負極端子、第２の入力の負極端子
１０３ａ、１０４ｂ 出力の正極端子、出力の負極端子

Claims (7)

1. カソードが出力の正極端部に接続され、アノードが第１の入力の正極端部に接続された第１の逆阻止ダイオードと、コレクタが前記第１の入力の正極端部及び前記第１の逆阻止ダイオードのアノードに接続され、エミッタが第１の電流検出手段に接続された第１のスイッチング素子とを有する第１のスイッチング回路と、
   カソードが出力の正極端部に接続され、アノードが第２の入力の正極端部に接続された第２の逆阻止ダイオードと、コレクタが前記第２の入力の正極端部及び前記第２の逆阻止ダイオードのアノードに接続され、エミッタが第２の電流検出手段に接続された第２のスイッチング素子とを有する第２のスイッチング回路とを備え、
   前記第１の入力の正極端部及び前記第２の入力の正極端部は第２の側面よりも第１の側面に近い位置に配置され、前記出力の正極端部、入力の負極端部及び出力の負極端部は前記第１の側面よりも前記第２の側面に近い位置に配置されている力率改善モジュール。
2. 前記第１の逆阻止ダイオード及び前記第２の逆阻止ダイオードは前記第１の側面よりも前記第２の側面に近い位置に配置され、
   前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子は前記第２の側面よりも前記第１の側面に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の力率改善モジュール。
3. 前記第１の逆阻止ダイオード及び前記第１のスイッチング素子は第４の側面よりも第３の側面に近い位置に配置され、
   前記第２の逆阻止ダイオード及び前記第２のスイッチング素子は前記第３の側面よりも前記第４の側面に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の力率改善モジュール。
4. 入力の正極端部は、少なくとも前記第１の入力の正極端部と前記第２の入力の正極端部から構成され、
   前記入力の負極端部は、前記入力の正極端部と同数の負極端部から構成されることを特徴とする請求項１に記載の力率改善モジュール。
5. 前記出力の負極端部は前記出力の正極端部と前記入力の負極端部の間に配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載の力率改善モジュールと、
   前記出力の正極端部及び前記出力の負極端部に接続された平滑キャパシタとを備え、
   前記出力の正極端部と前記平滑キャパシタとを接続する配線と、前記出力の負極端部と前記平滑キャパシタとを接続する配線とは束ねられ、又は、近接して配置されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の力率改善モジュールと、
   前記入力の負極端部に接続された整流ダイオードとを備え、
   前記入力の負極端部と前記整流ダイオードとを接続する配線の一部は前記力率改善モジュールの上方に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
7. 前記入力の負極端部と前記整流ダイオードとを接続する配線の一部は前記第１のスイッチング回路と前記第２のスイッチング回路の間に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。