JP6828516B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。
空気調和機等では、モータを駆動させるために、電力変換装置が設けられる。電力変換装置は、例えば、コンバータ回路とインバータ回路とを用いて構成すること多い（例えば特許文献１を参照）。このような電力変換装置では、コンバータ回路の出力に、高調波電流を低減する等の目的でリアクトルを設けられることが多い。
特開２０１３−２２４７８５号公報
しかしながら、前記特許文献の例では、リアクトルがプリント基板上には設けられていないので、リアクトルとプリント基板とを配線で繋ぐ必要があり、それにともなってノイズ対策が必要になる場合があると考えられる。具体的には、フェライトコアやスナバ回路の設置が必要になる場合があると考えられる。すなわち、従来例では、コストや装置の規模の増大に繋がる可能性があった。その一方で、リアクトルは、比較的、大型の部品であるので、プリント基板に搭載するのは容易ではない。
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、コンバータ回路とインバータ回路とを有した電力変換装置のレイアウトのコンパクト化を図ることを目的としている。
前記の課題を解決するため、第１の態様は、
交流を直流に変換するコンバータ回路（11）と、
前記コンバータ回路（11）の一方の出力端子に電気的に接続されたリアクトル（L）と、
前記コンバータ回路（11）の他方の出力端子と前記リアクトル（L）とに電気的に接続されたコンデンサ（12）と、
前記コンデンサ（12）と電気的に接続され、直流を交流に変換するインバータ回路（13）と、を備え、
前記コンデンサ（12）は、フィルムコンデンサで構成され、
前記コンデンサ（12）と前記リアクトル（L）とは、同一の回路基板（20）上に実装されていることを特徴とする電力変換装置である。
この構成では、フィルムコンデンサの採用によってコンデンサ（12）の小型化が可能になり、その結果、リアクトル（L）の回路基板（20）への搭載が容易になる。したがって、従来のように、回路基板外のリアクトルと回路基板とを配線で繋ぐ場合に必要であったノイズ対策（スナバ回路やフェライトコアの追加）が不要になる。
また、第１の態様は、
前記コンバータ回路（11）、前記コンデンサ（12）、前記リアクトル（L）、及び前記インバータ回路（13）は、前記回路基板（20）上において、２段のグリッド状に実装されており、
前記コンバータ回路（11）と前記リアクトル（L）とが前記グリッドにおける同段に実装され、
前記インバータ回路（13）と前記コンデンサ（12）とは、前記グリッドにおける、前記コンバータ回路（11）とは別の段に実装され、
前記グリッドにおいて、前記コンバータ回路（11）と前記インバータ回路（13）とが互いに隣接し、前記リアクトル（L）と前記コンデンサ（12）とが互いに隣接していることを特徴とする電力変換装置である。
この構成では、コンバータ回路（11）、コンデンサ（12）、インバータ回路（13）、及びリアクトル（L）の配線の簡素化を図ることが可能になる。
また、第２の態様は、第１の態様において、
前記コンデンサ（12）及び前記リアクトル（L）は、前記コンバータ回路（11）から出力された直流電流に含まれるリップル電流成分を通過させ、かつ、前記インバータ回路（13）のキャリア周波数と同じ周波数の電流成分を減衰させるように、前記コンデンサ（12）と前記リアクトル（L）による共振回路の共振周波数が設定されていることを特徴とする電力変換装置である。
この構成では、コンデンサ（12）として、比較的、小容量のものが採用された電力変換装置において、従来のように、回路基板外のリアクトルと回路基板とを配線で繋ぐ場合に必要であったノイズ対策（スナバ回路やフェライトコアの追加）が不要になる。
また、第３の態様は、第１または第３の態様において、
冷凍サイクルを行う冷媒回路（120）を流れる冷媒によって前記コンバータ回路（11）と前記インバータ回路（13）とを冷却する放熱器（50）が設けられていることを特徴とする電力変換装置である。
この構成では、コンバータ回路（11）やインバータ回路（13）が冷媒回路（120）の冷媒によって冷却される。
また、第４の態様は、第１の態様において、
冷凍サイクルを行う冷媒回路（120）を流れる冷媒によって前記コンバータ回路（11）と前記インバータ回路（13）とを冷却する放熱器（50）が設けられ、
前記コンバータ回路（11）よりも前段に、ノイズフィルタ部材（60）が設けられ、
前記ノイズフィルタ部材（60）と前記リアクトル（L）との間に、前記放熱器（50）が配置されていることを特徴とする電力変換装置である。
この構成では、ノイズフィルタ部材（60）が、コンバータ回路（11）やリアクトル（L）と、前記グリッドにおける同段に配置される。
第１の態様によれば、電力変換装置のレイアウトのコンパクト化を図ることが可能になる。
また、第１の態様によれば、コンバータ回路、コンデンサ、インバータ回路、及びリアクトルをこのように配置したことによって、電力変換装置のレイアウトのコンパクト化に貢献できる。
また、第２の態様によれば、比較的小容量のコンデンサを有した電力変換装置において、前記効果を得ることが可能になる。
また、第３の態様によれば、コンバータ回路やインバータ回路を冷媒によって冷却する電力変換装置において、前記効果を得ることが可能になる。
また、第４の態様によれば、ノイズフィルタ部材からリアクトルまでの配線パターンを簡素化できる。
図１は、本発明の実施形態の電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施形態における、電力変換装置の構成部品の実装状態を模式的に示す。 図３は、放熱器の配置例を示す。 図４は、冷媒回路の構成例を示す。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《発明の実施形態》
図１は、本発明の実施形態の電力変換装置（10）の構成例を示すブロック図である。電力変換装置（10）は、コンバータ回路（11）、コンデンサ（12）、リアクトル（L）、及び制御部（14）を備えている。この電力変換装置（10）には三相の交流電源（30）（例えば三相の商用交流電源）が接続されており、交流電源（30）が出力した交流を三相交流に変換し、負荷であるモータ（40）に供給する。この例では、モータ（40）は、後述する空気調和装置（100）の冷媒回路（120）に設けられた圧縮機（121）に組み込まれている。モータ（40）は、圧縮機（121）が備える圧縮機構を駆動する。この例では、モータ（40）には、永久磁石埋込型のモータ(Interior Permanent Magnet Motor、略称ＩＰＭモータ）が採用されている。
コンバータ回路（11）は、ブリッジ接続された６つのダイオード（D1〜D6）を備え、交流電源（30）から入力された交流を全波整流する。この例では、コンバータ回路（11）は、コモンモードコイル（60）を介して、交流電源（30）に接続されている。すなわち、コモンモードコイル（60）は、コンバータ回路（11）よりも前段に設けられている。コモンモードコイル（60）は、コモンモードノイズを低減する目的で設けたものであり、本発明のノイズフィルタ部材の一例である。コモンモードコイル（60）は、３相分が１つのフェライトコアに巻回されている。すなわち、コモンモードコイル（60）は、回路図上では３つのコイルであるが、後述する回路基板（20）上には、１つの部品として実装されている。
コンデンサ（12）は、コンバータ回路（11）の正及び負の出力ノードの間に接続され、該コンデンサ（12）の両端に生じた直流電圧がインバータ回路（13）の入力ノードに印可されている。また、図１に示すように、コンバータ回路（11）の正極側の出力ノードとコンデンサ（12）の間にはリアクトル（L）が挿入されている。
本実施形態のコンデンサ（12）には、フィルムコンデンサが採用されている。コンデンサ（12）は、インバータ回路（13）のスイッチング素子（後述）がスイッチング動作する際に生じるリプル電圧（電圧変動）のみを平滑化可能な静電容量を有している。すなわち、コンデンサ（12）は、コンバータ回路（11）によって整流された電圧（電源電圧に応じて変動する電圧）を平滑化するような静電容量を有さない小容量のコンデンサである。より詳しくは、コンデンサ（12）とリアクトル（L）によって形成される共振回路が、コンバータ回路（11）から出力された直流電流に含まれるリップル電流成分を通過させ、かつ、後述のインバータ回路（13）のキャリア信号の周波数（キャリア周波数）と同じ周波数の電流成分を減衰させるように、該共振回路の共振周波数が設定、すなわちコンデンサ（12）の静電容量とリアクトル（L）のインダクタンスが設定されている。
インバータ回路（13）は、複数のスイッチング素子（13a）のスイッチング状態（オンオフ状態）をそれぞれ変化させて、コンバータ回路（11）が出力した直流を交流に変換してモータ（40）に供給する。具体的には、インバータ回路（13）は、図１に示すように、ブリッジ接続された６つのスイッチング素子（13a）を有し、スイッチング素子（13a）のそれぞれには、還流ダイオード（13b）が接続されている。インバータ回路（13）では、所定周波数のキャリア信号に同期して、スイッチング素子（13a）のオンオフが制御される。スイッチング素子（13a）のオンオフの制御は、制御部（14）が行う。
制御部（14）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのソフトウエアを格納したメモリディバイス（前記マイクロコンピュータが内蔵するものでもよい）を用いて構成されている。制御部（14）は、モータ（40）を所望の運転状態に制御するために、スイッチング素子（13a）への指令（以下、スイッチング指令（G）と呼ぶ）を生成して各スイッチング素子（13a）に出力する。スイッチング指令（G）は、各スイッチング素子（13a）のオンオフを切り換えるための信号であり、例えば、モータ（40）の目標回転速度と現在の回転速度の偏差に応じて生成される。
〈電力変換装置における構成部品の実装〉
図２は、本実施形態における、電力変換装置（10）の構成部品の実装状態を模式的に示す。電力変換装置（10）では、回路基板（20）として４層基板を採用し、該回路基板（20）に主要な構成図品を実装している。
本実施形態では、コンバータ回路（11）を構成するダイオード（D1〜D6）は、１つのパッケージに封入されている。このパッケージには、三相の交流電源（30）が入力される３つの端子（T1〜T3）と、直流を出力する２つの端子（T4,T5）が設けられている。
また、インバータ回路（13）の６つのスイッチング素子（13a）及び６つの還流ダイオード（13b）も、１つのパッケージに封入されている。この例では、インバータ回路（13）の構成部品（スイッチング素子（13a）等）を封入したパッケージは、コンバータ回路（11）を封入したパッケージとは別のものである。インバータ回路（13）を封入したパッケージには、配線のために複数の端子が設けられており、それらの端子には、直流を受ける端子（T6,T7）が含まれている。
また、本実施形態のリアクトル（L）は、トロイダルコアに被覆電線が巻回されて形成されている。そのため、本実施形態のリアクトル（L）は、いわゆるＥＩコアを用いて構成したリアクトルよりも小型化できる。なお、このように、比較的小型のリアクトル（L）を用いることができるのは、コンデンサ（12）として、比較的小容量のものを採用したためである。リアクトル（L）の小型化によって、該リアクトル（L）を回路基板（20）に実装することが容易になる。本実施形態では、図２に示すように、コンデンサ（12）とリアクトル（L）とは、同一の回路基板（20）上に実装されている。
詳しくは、コンバータ回路（11）（パッケージ）、コンデンサ（12）、リアクトル（L）、及びインバータ回路（13）（パッケージ）は、回路基板（20）上において、２段のグリッド状に実装されている。図２には、説明の便宜のために、仮想グリッドの段を示す仮想線を表示してある。コンバータ回路（11）とリアクトル（L）とは、前記グリッドにおける同段に実装されている（図２に示した仮想グリッドの上段を参照）。
また、インバータ回路（13）とコンデンサ（12）とは、前記グリッドにおける、コンバータ回路（11）とは別の段に実装されている（図２に示した仮想グリッドの下段を参照）。そして、前記グリッドにおいては、コンバータ回路（11）とインバータ回路（13）とが互いに隣接し、リアクトル（L）とコンデンサ（12）とが互いに隣接している。また、コモンモードコイル（60）とコンバータ回路（11）とは前記グリッドにおける同段に配置されている。これにより、回路基板（20）における、コモンモードコイル（60）からリアクトル（L）までの配線パターンを簡素化できる。
配線については、図２における左方から交流電源（30）の３相分の電源ラインが伸びてきており、それらの電源ラインは、３つのコモンモードコイル（60）の一端にそれぞれ接続されている。各コモンモードコイル（60）の他端は、回路基板（20）に形成された配線パターンによって、コンバータ回路（11）の端子（T1〜T3）に接続されている。コンバータ回路（11）において直流の出力に用いる正極側の端子（ここでは端子（T4））は、回路基板（20）に形成された配線パターンによって、リアクトル（L）の一方の端子（T8）に接続されている。また、コンバータ回路（11）において直流の出力に用いる負極側の端子（ここでは端子（T5））は、回路基板（20）に形成された配線パターンによって、コンデンサ（12）の一方の端子（T10）に接続されている。また、コンデンサ（12）のもう一方の端子（T11）は、回路基板（20）に形成された配線パターンによって、リアクトル（L）のもう一方の端子（T9）に接続されている。
そして、インバータ回路（13）を封入したパッケージには、三相の交流（U,V,W）を出力するための端子（図示は省略）が設けられており、これらの端子は、回路基板（20）に形成された配線パターンによって、回路基板（20）上に設けられた端子（Tu,Tv,Tw）に接続されている。これらの端子（Tu,Tv,Tw）とモータ（40）とが配線で接続されることで、モータ（40）に電力が供給される。
電力変換装置（10）では、コンバータ回路（11）やインバータ回路（13）が、作動中に発熱するので、放熱器（50）によって冷却されるようになっている。図３に、放熱器（50）の配置例を示す。この放熱器（50）は、冷却対象（すなわち、コンバータ回路（11）、インバータ回路（13））に接して、冷却対象からの熱を受ける本体部材（51）を備えている。本体部材（51）は、アルミニウム等の金属で形成されている。本体部材（51）には、冷媒が流れる冷媒配管（52）が固定されている。この冷媒配管（52）は、空気調和装置（100）が備えている冷媒回路（120）を構成する配管の一部である。
ここで、簡単に冷媒回路（120）について説明しておく。図４は、冷媒回路（120）の構成例を示す。冷媒回路（120）は、冷媒が充填された閉回路であり、冷媒回路（120）では、冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。冷媒回路（120）には、圧縮機（121）、四方切換弁（122）、室外熱交換器（123）、膨張弁（124）、及び室内熱交換器（125）が設けられている。なお、冷媒回路（120）の動作を制御するためには制御装置が必要であるが、図４では、制御装置の記載を省略してある。
圧縮機（121）には、種々の圧縮機を採用できる。圧縮機（121）の一例としては、スクロール型圧縮機やロータリ型圧縮機などが挙げられる。室外熱交換器（123）及び室内熱交換器（125）は、いわゆるクロスフィン型の熱交換器である。室外熱交換器（123）は、室外空気を冷媒と熱交換させ、室内熱交換器（125）は、室内空気を冷媒と熱交換させる。膨張弁（124）は、いわゆる電子膨張弁である。
四方切換弁（122）は、第１〜第４のポートを有している。四方切換弁（122）は、第１のポートが第３のポートと連通し且つ第２のポートが第４のポートと連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートが第４のポートと連通し且つ第２のポートが第３のポートと連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換えることができる。
冷媒回路（120）では、圧縮機（121）の吐出ポートが四方切換弁（122）の第１のポートに接続され、吸入ポートが四方切換弁（122）の第２のポートに接続されている。また、冷媒回路（120）では、四方切換弁（122）の第３のポートから第４のポートへ向かって順に、室外熱交換器（123）と、膨張弁（124）と、室内熱交換器（125）とが配置されている。空気調和装置（100）では、四方切換弁（122）を切り換えることによって、冷房運転と暖房運転とを切り換える。そして、冷媒回路（120）では、放熱器（50）の本体部材（51）には、室外熱交換器（123）と膨張弁（124）とを繋ぐ冷媒配管（52）（図４参照）が固定されている。すなわち、本体部材（51）は、室外熱交換器（123）と膨張弁（124）の間を流れる冷媒に放熱する。
コンバータ回路（11）等の電力変換装置（10）の構成部品を回路基板（20）上に、既述のように配置すると、コンバータ回路（11）とインバータ回路（13）とは、概ね、同一ライン上に並ぶことになる（図２参照）。そこで、この例では、図３に示すように、放熱器（50）の本体部材（51）は、平面視で長方形状に形成されている。そして、本体部材（51）は、コンバータ回路（11）とインバータ回路（13）との両方に跨がるように、これらの冷却対象上に配置されている。これにより、放熱器（50）は、コモンモードコイル（60）とリアクトル（L）との間に配置されることになる。
〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態では、従来は電解コンデンサが用いられていたコンデンサ（12）をフィルムコンデンサによって構成しつつ、コンデンサ（12）とリアクトル（L）とを同一の回路基板（20）上に実装した。そのため、従来のように、回路基板外のリアクトルと回路基板とを配線で繋ぐ場合に必要であったノイズ対策（スナバ回路やフェライトコアの追加）が不要になる。すなわち、本実施形態では、電力変換装置（10）のレイアウトのコンパクト化を図ることが可能になる。
また、コンデンサ（12）、リアクトル（L）、及びインバータ回路（13）は、回路基板（20）上において、２段のグリッド状に実装されている。この配置も、電力変換装置（10）のレイアウトのコンパクト化に貢献している。
また、回路基板（20）として４層基板を採用したので、回路基板（20）の更なる小型化が可能になる。
《その他の実施形態》
なお、コンバータ回路（11）とインバータ回路（13）とを同じパッケージに封入する構成を採用してもよい。それにより、電力変換装置（10）（回路基板（20））の一層の小型化を期待できる。
また、冷媒回路（120）における放熱器（50）の固定位置は例示である。すなわち、放熱器（50）の本体部材（51）に固定される冷媒配管（52）は、室外熱交換器（123）と膨張弁（124）とを繋ぐ冷媒配管には限定されない。
また、放熱器（50）の構成は例示である。例えば、放熱器（50）として、空冷用のヒートシンクを採用してもよい。
本発明は、電力変換装置として有用である。
１０ 電力変換装置
１１ コンバータ回路
１２ コンデンサ
１３ インバータ回路
２０ 回路基板
５０ 放熱器
６０ コモンモードコイル（ノイズフィルタ部材）
１２０ 冷媒回路

Claims (4)

  1. 交流を直流に変換するコンバータ回路（11）と、
    前記コンバータ回路（11）の一方の出力端子に電気的に接続されたリアクトル（L）と、
    前記コンバータ回路（11）の他方の出力端子と前記リアクトル（L）とに電気的に接続されたコンデンサ（12）と、
    前記コンデンサ（12）と電気的に接続され、直流を交流に変換するインバータ回路（13）と、を備え、
    前記コンデンサ（12）は、フィルムコンデンサで構成され、
    前記コンデンサ（12）と前記リアクトル（L）とは、同一の回路基板（20）上に実装され、
    前記コンバータ回路（11）、前記コンデンサ（12）、前記リアクトル（L）、及び前記インバータ回路（13）は、前記回路基板（20）上において、２段のグリッド状に実装されており、
    前記コンバータ回路（11）と前記リアクトル（L）とが前記グリッドにおける同段に実装され、
    前記インバータ回路（13）と前記コンデンサ（12）とは、前記グリッドにおける、前記コンバータ回路（11）とは別の段に実装され、
    前記グリッドにおいて、前記コンバータ回路（11）と前記インバータ回路（13）とが互いに隣接し、前記リアクトル（L）と前記コンデンサ（12）とが互いに隣接していることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１において、
    前記コンデンサ（12）及び前記リアクトル（L）は、前記コンバータ回路（11）から出力された直流電流に含まれるリップル電流成分を通過させ、かつ、前記インバータ回路（13）のキャリア周波数と同じ周波数の電流成分を減衰させるように、前記コンデンサ（12）と前記リアクトル（L）による共振回路の共振周波数が設定されていることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    冷凍サイクルを行う冷媒回路（120）を流れる冷媒によって前記コンバータ回路（11）と前記インバータ回路（13）とを冷却する放熱器（50）が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１において、
    冷凍サイクルを行う冷媒回路（120）を流れる冷媒によって前記コンバータ回路（11）と前記インバータ回路（13）とを冷却する放熱器（50）が設けられ、
    前記コンバータ回路（11）よりも前段に、ノイズフィルタ部材（60）が設けられ、
    前記ノイズフィルタ部材（60）と前記リアクトル（L）との間に、前記放熱器（50）が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
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