JP5800071B2 - インバータ装置及びそれを備えた空気調和機 - Google Patents

Description

この発明は、直流電圧を任意の交流電圧に変換するインバータ装置及びそれを備えた空気調和機に関するものである。

従来の単相または三相の交流電源用のインバータ装置は、インバータ主回路の各スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）で構成し、このスイッチング素子がオン状態からオフ状態に状態変化する際にスイッチング素子に逆並列に接続したダイオードに流れる逆回復電流を抑えるために、インバータ主回路の上アーム各相に専用電源を有した逆電圧印加回路を設けている（例えば、特許文献１参照）。

また、インバータ主回路の下アームのスイッチング素子のみＭＯＳＦＥＴを用い、上アームのスイッチング素子にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いた空気調和機搭載用のインバータ装置がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１４１１６７号公報（第１図） 特開２００７−７４８５８号公報（第１図）

特許文献１に記載のインバータ装置が有する逆電圧印加回路はスイッチング素子に逆並列に接続したダイオードに逆電圧を印加するものであるが、この逆電圧を発生させるための駆動電源をインバータ主回路の上アーム各相に個別に設ける必要があった。この為、ＤＣ／ＤＣ電源回路が大型になり、コストも高くなるという問題点があった。

また、特許文献２に記載のインバータ装置は、インバータ主回路にＭＯＳＦＥＴとＩＧＢＴの両方の素子を併用している為、エアコンの暖房中間能力運転のような低回転運転(負荷電流が小さい)時や，冷蔵庫のような消費電流が小さい用途には、ＩＧＢＴよりも導通損が少ないＭＯＳＦＥＴのメリットを十分活用することができず、省エネ効果が十分期待できないという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、本発明の第１の目的は、逆電圧印加回路に用いる駆動電源を個別に設けることなく安価なＤＣ／ＤＣ電源回路で、低損失なインバータ装置を得るものである。また、本発明の第２の目的は、空気調和機搭載に好適な省エネ効果が高いインバータ装置を得ることである。

本発明のインバータ装置は、 基板の一方の実装面に、インバータ主スイッチ素子と、前記インバータ主スイッチ素子に並列接続した還流用ダイオードとを内蔵した半導体モジュールを実装し、前記基板の他方の実装面にハイブリッドＩＣを実装するとともに、 前記半導体モジュールの表面には前記半導体モジュールの放熱用にヒートシンクが実装され、 前記ヒートシンクの通風方向と前記ハイブリッドＩＣの長手方向とが略並行になるように、前記ハイブリッドＩＣと前記半導体モジュールを前記基板に実装したことを特徴とするものである。

本発明のインバータ装置は、ヒートシンクに対する通風方向とハイブリッドＩＣの長手方向とが略平行になるように実装されているので、半導体モジュールを放熱するために送る風の一部をハイブリッドＩＣの長手方向へ分流することができ、トランスから発生するわずかな熱も放熱することができる。この為、トランスに対して別に放熱部品を用意する必要がなく、１つの風源でインバータ装置全体を効率よく放熱することができるという効果を有する。

実施の形態１におけるインバータ装置を含むシステム構成を示す図。 インバータ装置の回路動作を説明する図。 インバータ装置の回路動作を説明する図。 インバータ装置の回路動作を説明する図。 インバータ装置の回路動作を説明する図。 インバータ装置の回路動作を説明する図。 実施の形態２におけるインバータ装置の半導体モジュールの構成を示す図。 実施の形態３におけるインバータ装置の半導体モジュールの構成を示す図。 実施の形態４におけるインバータ装置の基板への実装形態例を示す図。 実施の形態１〜４のインバータ装置を備えた空気調和機の室外ユニットの構成例を示す図。

実施の形態１.
実施の形態１におけるインバータ装置について、図に基づいて構成及び動作を説明する。図１に本実施の形態のインバータ装置を含むシステム構成を示す。本システムは、コンバータ装置とインバータ装置で構成されるので、最初にコンバータ装置の構成から説明する。 コンバータ装置１は、まず交流電源２からの電力信号をリアクトル３、ダイオードブリッジで構成した整流回路４、及び平滑コンデンサ５ａ，５ｂにより直流電圧に変換する。スイッチ素子６はトランジスタ等の半導体スイッチング素子であり、交流電源２の１つ信号線と２つの平滑コンデンサ５ａ，５ｂの相互接続点の間に接続され、全波整流と倍電圧整流の整流動作のモード切り替えを行う。リアクトル３は交流・直流変換時の力率を改善するためのものである。また、リアクトル３と交流電源２の一方の出力側の間にダイオードブリッジ７とスイッチ素子８（例えばＩＧＢＴ素子）で構成された電源短絡回路を設けている。この電源短絡回路はＰＡＭ方式コンバータ動作（ＰＡＭ：Pulse Amplitude Modulation：パルス振幅変調）に用いられるものである。ここで説明したコンバータ装置の構成は周知のものであるので詳細動作の説明は省略する。なお、コンバータ装置の構成はこれに限るものではなく、その他の公知技術の方式・構成を用いたもの（例えば特開２０１１−１１５００７号公報）であってもかまわない。

次に、本システムのインバータ装置の構成を説明する。インバータ装置は、インバータ主回路９、インバータ制御部１０、及びインバータ装置の母線電流検出用の抵抗１１で構成され、平滑コンデンサ５ａ，５ｂの両端間に発生する直流電圧を３相交流電圧に変換して、モータ１２を駆動する。インバータ制御部１０は、抵抗１１に流れるインバータ装置の母線電流を検出し、図示していない運転指令信号に基づいて、インバータ主回路９を制御する。

インバータ主回路９はＵ，Ｖ，Ｗ各相対応で上アームと下アームの対を一対ずつ備えた３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）構成である。なお、各相の回路は同一構成であるので、まとめて説明する。まず、上アームの回路構成から説明する。上アーム回路には、インバータ主スイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチ素子１３(Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対応して符号には添え字ａ，ｂ，ｃが付くが、これ以降の説明では適宜添え字は省略する。)があり、スイッチ素子１３の還流用ダイオードであるダイオード１４とこのダイオード１４に流す電流を制御する駆動回路１５とを直列接続したものをスイッチ素子１３に並列接続した構成を有する。ダイオード１４は、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチ素子１３の寄生容量によるダイオード（寄生ダイオード：図示していない。）の逆回復時間よりも短い逆回復時間を有するダイオードを用いる。

駆動回路１５は２次側巻線が還流用ダイオードであるダイオード１４に直列に接続されるトランス１９と、トランス１９の１次側巻線への直流供給を行う直流電源２２と、トランス１９の１次側巻線への電流供給を制御するトランス駆動用スイッチ素子であるスイッチ素子２１と、後述するバイパス経路用のダイオード２０で構成される。スイッチ素子２１にはトランジスタなどの半導体スイッチング素子を用いる。

下アームの回路も基本的に上アームの回路と同一構成であり、ダイオード１７と駆動回路１８を直列接続したものを、インバータ主スイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチ素子１６に並列接続した構成である。ここで、スイッチ素子１６、ダイオード１７、駆動回路１８は上アームのスイッチ素子１３、ダイオード１４、駆動回路１５にそれぞれ対応する。

直流電源２２は各相、各アーム計６個の駆動回路１５毎に個別に設けても良いが、ここでは上アーム及び下アームの全ての対に共通に１つだけ電源を設け、各相の駆動回路１５はこの電源を共用する構成とする。この場合、直流電源２２のグランド端子（ＧＮＤ)はインバータ主回路のＧＮＤ端子と共通とすることができる。ダイオード２０はトランス１９の一次側巻線に蓄えられたエネルギーを直流電源２２に回生させ、巻線に発生した磁束をリセットする為のバイパス経路を形成する。

インバータ制御部１０はインバータ主回路９に含まれる上アームのスイッチ素子１３、及び各駆動回路１５内のスイッチ素子２１のオン／オフ制御と、下アームの対応するスイッチ素子、駆動回路内のスイッチ素子のオン／オフ制御とを行うことにより、所望の交流電圧をモータ１２に与える。

次にインバータ主回路９の動作について、図２〜６を用いて説明する。図２は図１におけるインバータ主回路９の１相分の上アームと下アームの回路を抜粋して示したものである。図１で示したものと同一部分には、同一符号を付すとともに、動作説明の都合上スイッチ素子１３が内蔵する寄生ダイオード２３と、スイッチ素子１６が内蔵する寄生ダイオード２４とを明示してある。

図２は、上アームのスイッチ素子１３、下アームのスイッチ素子１６のいずれともインバータ制御部１０の制御によりオフ状態にあり、回生モードで回生電流がモータ１２側からインバータ主回路９側へ流れている状態を示している。また、上アームの駆動回路１５のスイッチ素子２１もインバータ制御部１０の制御によりオフ状態に設定されているとする。この為、回生電流は上アームのスイッチ素子１３の寄生ダイオード２３を経由して平滑コンデンサ５ａの正側へ流れている。

次に、回生電流がこのように流れている時に、上アームの駆動回路１５のスイッチ素子２１をオフからオンに切替える。そうすると、トランス１９の１次側巻線に直流電源２２による電流が流れる為、トランス１９の２次側巻線に電圧が誘起する。この為、寄生ダイオード２３に逆バイアスが印加され、寄生ダイオード２３に流れていた回生電流をトランス１９の２次側巻線とダイオード１４の経路に転流させることができる。図３はスイッチ素子２１のオン後、転流動作の途中状態を示し、回生電流が寄生ダイオード２３とトランス１９側に分流している状態を示している。そして転流が完了すると、回生電流はトランス１９の２次側巻線とダイオード１４の経路にのみ流れるようになる（図４）。

次に、転流が完了したタイミングで下アームのスイッチ素子１６をオン状態にする。そうすると、モータ１２側からの回生電流は下アームのスイッチ素子１６に流れるとともに、スイッチ素子１６のオン直後の短い時間の間だけダイオード１４に逆回復電流が流れる（図５）。ダイオード１４の逆回復動作が完了すると、下アームのスイッチ素子１６にはモータ１２側からの電流のみが流れるようになる（図６）。

逆回復動作完了後、スイッチ素子２１をオン状態からオフ状態に切替えると、トランス１９の一次側巻線に蓄えられたエネルギーがダイオード２０を経由して直流電源２２に回生するので、トランス１９の磁気飽和を防止することができる。

以上説明したように、実施の形態１では、インバータ主回路９のスイッチ素子１３のオン・オフ状態をインバータ制御部１０の制御により切替える際に、ＭＯＳＦＥＴで構成したスイッチ素子１３に内蔵されている寄生ダイオード２３に流れる逆回復電流を抑制することができる。一方、転流側のダイオード１４，１７は寄生ダイオード２３よりも逆回復時間が短いダイオードを使用している為ダイオードにおける損失を低減でき、インバータ装置の総損失を低減することができる。

また、駆動回路１５でトランス１９を介して電圧を印加するようにしたことにより、トランス１９の１次側の直流電源２２を３相全体の共用の電源回路で構成することができるので、電源回路を安価なＤＣ／ＤＣ電源回路で構成することができる。

また、トランス１次側の直流電源２２をすべて共用電源で構成することにより、直流電源２２のＧＮＤとインバータ主回路９のＧＮＤを共通にすることができる。この為、インバータ制御部１０からの制御信号は絶縁回路を介することなく駆動回路１５に伝えることができるので、回路規模を低減できる。

さらに、ダイオード１４には、良好な逆回復特性を有する炭化珪素(ＳｉＣ)、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドによるワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、さらにインバータ装置の総損失を低減することができ、省エネ効果が高いインバータ装置を得ることができる。

なお、以上の説明では、駆動回路１５を上アーム及び下アームのスイッチ素子対応で個別に設けるようにしたが、下アームについては駆動回路１５を１つだけにして、Ｕ，Ｖ，Ｗ相で兼用することも可能である。

また、以上の説明ではダイオード１４，１７を寄生ダイオード２３，２４のカソード側に接続した構成を示したが、ダイオード１４，１７を寄生ダイオード２３，２４のアノード側に接続するようにしても同様な回路動作となり、同様な効果を得ることができるのは言うまでもない。

特に、上アームのダイオード１４を寄生ダイオード２３のアノード側に接続するようにした場合、上アームのトランス１９を各相対応に設けることはせずに、１つのトランスで兼用することが可能である。これにより上アームの駆動回路１５は１つだけ設ければよくなるので、基板スペースの省スペース化、コスト低減が実現できる。

実施の形態２.
図７は、実施の形態１で説明したインバータ装置の一部を内蔵した半導体モジュールの内部回路を示した図である。半導体モジュール２５は、トランスファーモールド型のパワー半導体モジュールであって、インバータ主回路９の上アームのスイッチ素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、下アームのスイッチ素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、還流用ダイオードであるダイオード１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃを各スイッチ素子（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）に対応して内蔵している。また、これら上アームのスイッチ素子（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）のゲート信号駆動を行う制御ＩＣ２６ａ，２６ｂ，２６ｃと、下アームのスイッチ素子（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）のゲート信号駆動を行う制御ＩＣ２７を内蔵している。

上アームのダイオード１４のカソードは上アームの寄生ダイオード２３のカソードに接続され、下アームのダイオード１７のカソードは下アームの寄生ダイオード２４のカソードに接続される。

半導体モジュール２５の入力端子ＩＮ１〜ＩＮ６には、インバータ制御部１０からの制御信号が接続される。接続端子Ｐはインバータ主回路９の正側直流母線に接続され、接続端子ＮＵ，ＮＶ，ＮＷはいずれもインバータ主回路９の負側直流母線に接続される。接続端子Ｕ，Ｖ，Ｗはモータ１２のＵ，Ｖ，Ｗ相端子にそれぞれ接続される。接続端子Ａ１〜Ａ６には、各スイッチ素子（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）対応の駆動回路１５のトランス２次側端子の正側が接続される。駆動回路１５のトランス２次側端子の負側は、上アームの駆動回路１５については各相対応でＵ，Ｖ，Ｗ端子に接続され、下アームの駆動回路１５については各相対応でＮＵ，ＮＶ，ＮＷ端子に接続される。

実施の形態２では、インバータ装置の一部を単一の半導体モジュールに内蔵させたことにより、素子間の配線インダクタンスを大幅に低減でき、回路を安定して動作させることができる。また、転流用のダイオードも半導体モジュールに内蔵することにより、他のスイッチ素子と一括して同一のヒートシンクで放熱することが可能になるので、部品の実装面積をトータルで減らすことができ、基板の省スペース化を実現することができる。

実施の形態３.
図８は、実施の形態１で説明したインバータ装置の一部を内蔵した半導体モジュールの他の構成例を示した図である。なお、図７に示した構成要素と同一もしくは対応する構成要素については符号を同一とし、実施の形態２との相違点を中心に説明する。

実施の形態３の半導体モジュール２８では、上アームのダイオード１４ａ，１４ｂ，１４ｃが寄生ダイオード２３ａ，２３ｂ，２３ｃのアノード側にそれぞれ接続されている。そして、ダイオード１４ａ，１４ｂ，１４ｃのカソードを共通に接続して、接続端子Ａ１として半導体モジュール２３の外部端子としている。一方、下アームのダイオード１７ａ，１７ｂ，１７ｃは寄生ダイオード２４ａ，２４ｂ，２４ｃのカソード側にそれぞれ接続し、ダイオード１７ａ，１７ｂ，１７ｃのアノードを共通接続して、接続端子Ａ２として半導体モジュール２８の外部端子としている。

半導体モジュール２８の接続端子Ｐと接続端子Ａ１を介して、半導体モジュール２８外部に上アーム用の駆動回路１５を１つ接続し、接続端子Ａ２と接続端子ＮＷを介して、下アーム用の駆動回路１８を１つ接続することにより、インバータ主回路９を構成することができる。この為、インバータ主回路９には駆動回路を各アーム対応に１つずつ設ければよいので、部品の実装面積をトータルで減らすことができ、基板の省スペース化を実現することができる。

実施の形態４.
実施の形態１〜３で説明したインバータ装置の基板への実装形態例を図９の（ａ）正面図と（ｂ）側面図に基づいて説明する。

ハイブリッドＩＣ２９はトランス１９を除く駆動回路１５と、同様にトランス部分を除いた駆動回路１８を内蔵している。トランス３０は、駆動回路１５，１８内のトランスに対応する。トランス３０はハイブリッドＩＣ２９のＩＣ表面に実装されている。パワーモジュール３１は実施の形態２，３で説明した半導体モジュール２５もしくは半導体モジュール２８であって、インバータ主回路９に含まれる６個のスイッチ素子（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）と６個のダイオード（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）、及びスイッチ素子（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）を制御する制御ＩＣ（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２７）を内蔵している。

パワーモジュール３１の表面には放熱用のヒートシンク３２がネジ３３で固定されている。ハイブリッドＩＣ２９とパワーモジュール３１はプリント基板３４に実装されるが、ハイブリッドＩＣ２９はプリント基板３４の一方の実装面に実装され、パワーモジュール３１はハイブリッドＩＣ２９が実装された面とは反対側の基板実装面に実装されている。

また、ヒートシンク３２に対する通風方向とハイブリッドＩＣ２９の長手方向とが略平行になるように実装する。このような実装形態をとることにより、パワーモジュール３１を放熱するために送る風の一部をハイブリッドＩＣ２９の長手方向へ分流することができ、トランス３０から発生するわずかな熱も放熱することができる。この為、トランス３０に対して別に放熱部品を用意する必要がなく、１つの風源でインバータ装置全体を効率よく放熱することができる。

実施の形態５.
図１０は、実施の形態１〜４のいずれかに記載のインバータ装置を備える空気調和機の室外ユニット内部の構成例を示す図である。図１０において、室外ユニット３５は、室内ユニットの送風用ファン３６、インバータ装置３７、及び冷媒を圧縮する圧縮機３８を備え、図示していない室内ユニット等とともに空気調和機を構成する。

インバータ装置３７は、実施の形態１〜実施の形態４で説明したインバータ装置であり、室外ユニット３５内の上部に取り付けられ、圧縮機３８内のモータや送風用ファン３６用のモータ等を制御する。なお、図１０では、概観の概念を示しているため、配線等を図示していないが、インバータ装置３７は、圧縮機３８や送風ファン３６等と配線等により接続されている。インバータ装置３７の構成および動作は、実施の形態１〜実施の形態４で説明したインバータ装置と同様である。この為、逆回復時間が短い転流用のダイオードを用いたことによる損失低減効果が得られるとともに、インバータ装置内の主スイッチ素子を上アーム、下アームともＭＯＳＦＥＴで構成したことにより、空気調和機の暖房中間能力運転のような低回転運転（負荷電流が小さい）の場合に、ＭＯＳＦＥＴの導通損の少ない利点を利用することができ、より省エネ効果が空気調和機を得ることができる。

以上より、本実施の形態によれば、実施の形態１〜実施の形態４のインバータ装置を空気調和機に適用するようにしたので、低損失で、かつ発生する熱を効率よく放熱し、大容量化した場合のサイズやコスト増を抑え、より安価で信頼性の高い空気調和機を得ることができる。

１ コンバータ装置
２ 交流電源
３ リアクトル
４ 整流回路
５ 平滑コンデンサ
６、８、１３、１６、２１ スイッチ素子
７ ダイオードブリッジ
９ インバータ主回路
１０ インバータ制御部
１１ 抵抗
１２ モータ
１４、１７、２０ ダイオード
１５、１８ 駆動回路
１９ トランス
２２ 直流電源
２３、２４ 寄生ダイオード
２５、２８ 半導体モジュール
２６、２７ 制御ＩＣ
２９ ハイブリッドＩＣ
３０ トランス
３１ パワーモジュール
３２ ヒートシンク
３３ ネジ
３４ プリント基板
３５ 室外ユニット
３６ 送風用ファン
３７ インバータ装置
３８ 圧縮機

Claims (6)

1. 基板の一方の実装面に、インバータ主スイッチ素子と、前記インバータ主スイッチ素子に並列接続した還流用ダイオードとを内蔵した半導体モジュールを実装し、前記基板の他方の実装面にハイブリッドＩＣを実装するとともに、
   前記半導体モジュールの表面には前記半導体モジュールの放熱用にヒートシンクが実装され、
   前記ヒートシンクの通風方向と前記ハイブリッドＩＣの長手方向とが略並行になるように、前記ハイブリッドＩＣと前記半導体モジュールを前記基板に実装したことを特徴とするインバータ装置。
2. ２次側巻線が前記還流用ダイオードに直列に接続されるトランスと、前記トランスの１次側巻線への直流供給を行う直流電源と、前記トランスの１次側巻線への電流供給を制御するトランス駆動用スイッチ素子とを有し、前記還流用ダイオードに直列接続され、前記還流用ダイオードに流す電流を制御する駆動回路を備え、
   前記トランスを除く前記駆動回路は、前記ハイブリッドＩＣに内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記ハイブリッドＩＣの表面には前記トランスが実装されていることを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記還流用ダイオードはワイドギャップ半導体素子によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３に記載のインバータ装置。
5. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項４に記載のインバータ装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のインバータ装置により、室外ユニットに内蔵された圧縮機のモータ若しくは送風用ファンのモータが駆動されることを特徴とする空気調和機。

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