JP7281434B2 - インバータ回路および電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ回路および電気掃除機に関する。

本技術分野の背景技術として、下記特許文献１の明細書、段落００３３には、「……インバータ部ＩＧＢＴゲートドライバ２０が、インバータ用ＩＧＢＴ１６ａ～１６ｆを選択的にスイッチング制御することにより、ブラシレスモータ１８に交流電圧が供給される。この際、インバータ部の制御によって、ブラシレスモータ１８の可変速運転が可能であり、使用者の好みや、被掃除面の状況に応じて最適な吸い込み力となるよう、電動送風機の回転数を制御することで、使い勝手の良い電気掃除機とすることができる。」と記載されている。

特開２００２－５２４号公報

ところで、上述のゲートドライバとして、ピン配置の異なる複数種類のものが流通している。ここで、何れかのゲートドライバを選定しプリント基板を設計した後、異なるピン配置のゲートドライバに変更したい場合はプリント基板を再設計する必要が生じ、部品変更のための作業が煩雑になるという問題があった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、複数種類のゲートドライバに対応できるインバータ回路および電気掃除機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明のインバータ回路は、複数のスイッチング素子を備える電力変換部と、複数の前記スイッチング素子のオン／オフ状態を指示する駆動信号に基づいて、前記スイッチング素子をドライブするゲートドライバ部と、を備え、前記ゲートドライバ部は、所定のピン配置を有する第１のゲートドライバまたは前記第１のゲートドライバとはピン配置が異なる第２のゲートドライバと、前記第１および第２のゲートドライバに対して共通に適用可能なプリント基板と、前記プリント基板に実装される複数の抵抗器と、前記プリント基板に実装される複数のコンデンサと、を備え、前記電力変換部は、複数のハイサイド・スイッチング素子と、前記ハイサイド・スイッチング素子の低圧側にそれぞれ直列接続された複数のロウサイド・スイッチング素子と、を備え、前記第１および第２のゲートドライバは、それぞれ、制御用電圧またはロウサイド用駆動信号の一方が入力される第１のピンと、ハイサイド用駆動信号が入力される第２のピンと、前記制御用電圧または前記ロウサイド用駆動信号のうち他方が入力される第３のピンと、コモン電圧が入力される第４のピンと、を備え、前記プリント基板は、前記第１のピン、前記第２のピン、前記第３のピンおよび前記第４のピンがそれぞれ接続される第１の導体部、第２の導体部、第３の導体部および第４の導体部を備え、前記第４の導体部は、前記第２の導体部を跨ぐように架設されたジャンパと、前記ジャンパの両端に接続され、前記プリント基板の片面に形成された一対の導体パターンと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数種類のゲートドライバに対応できる。

好適な実施形態による電気掃除機の上面図である。 該電気掃除機の側面図である。 インバータ回路の回路図である。 ゲートドライバ部の一例の回路図である。 ゲートドライバ部の他の例の回路図である。 ゲートドライバ部に適用されるプリント基板の要部の平面図である。

［実施形態の構成］
図１は、好適な実施形態による電気掃除機１００の上面図である。
電気掃除機１００の筐体１０１には、ユーザによって把持される把持部１０２が形成されており、把持部１０２の上面には、各種の操作および表示を行う操作表示部１１０が設けられている。筐体１０１の前端部には、略円筒状の給気筒１０６が形成されており、該給気筒１０６には、電気掃除機１００の延長管（図示略）を介して電気掃除機１００の吸口部（図示略）が装着される。

図２は、電気掃除機１００の側面図である。
給気筒１０６の下方には、略円筒状のサイクロン１１４と、前端部を開閉可能な略円筒状のダストケース１１２と、が装着されている。サイクロン１１４は、吸入された塵混じりの空気から塵と空気を分離し、ダストケース１１２は分離した塵を蓄積する。また、筐体１０１の下端部には、排気口１１８が形成され、筐体１０１の後端部には、二次電池１１６が装着されている。また、筐体１０１の内部には、ファン１２２と、電動機１２４と、インバータ回路１３０と、が収納されている。インバータ回路１３０は電動機１２４を回転駆動し、ファン１２２は電動機１２４とともに回転する。

図３は、インバータ回路１３０の回路図である。
インバータ回路１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３２と、制御部１３４と、３個のゲートドライバ部１３６Ｕ，１３６Ｖ，１３６Ｗと、３個のレグ１３８Ｕ，１３８Ｖ，１３８Ｗ（電力変換部）と、を備えている。以下、３個のゲートドライバ部１３６Ｕ，１３６Ｖ，１３６Ｗを総称して「ゲートドライバ部１３６」と呼ぶことがあり、３個のレグ１３８Ｕ，１３８Ｖ，１３８Ｗを総称して「レグ１３８」と呼ぶことがある。

二次電池１１６は、所定の電源電圧ＶＰを出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３２は、この電源電圧ＶＰを所定の制御用電圧ＶＣＣ（但しＶＰ＞ＶＣＣ）に変換する。３個のレグ１３８は、それぞれハイサイドのＦＥＴ１３Ｈ（スイッチング素子、ハイサイド・スイッチング素子）と、ロウサイドのＦＥＴ１３Ｌ（スイッチング素子、ロウサイド・スイッチング素子）とを直列接続し、各ＦＥＴ１３Ｈ，１３Ｌに還流用ダイオード（符号なし）を逆並列接続したものである。

各レグ１３８においてＦＥＴ１３Ｈ，１３Ｌの接続点の電圧を接続点電圧ＶＳと呼ぶ。各レグ１３８の接続点電圧ＶＳは、電動機１２４に印加される。これにより、各ＦＥＴ１３Ｈ，１３Ｌをオン／オフすることによって、各レグ１３８は電動機１２４に三相交流電力を供給する。すなわち、各レグは、電力変換部として機能する。また、これら接続点電圧ＶＳは、ゲートドライバ部１３６にも入力される。

制御部１３４は、例えばマイクロコンピュータであり、３系統のハイサイド用の駆動信号ＨＩＮ（ハイサイド用駆動信号）と、３系統のロウサイド用の駆動信号ＬＩＮ（ロウサイド用駆動信号）と、を出力する。ここで、ハイサイド用の駆動信号ＨＩＮは、３個のＦＥＴ１３Ｈのオン／オフ状態をそれぞれ指定する信号であり、ロウサイド用の駆動信号ＬＩＮは、３個のＦＥＴ１３Ｌのオン／オフ状態をそれぞれ指定する信号である。ゲートドライバ部１３６は、対応するレグ１３８に対する駆動信号ＨＩＮ，ＬＩＮを、ハイサイドおよびロウサイド用のゲート電圧ＨＯ，ＬＯに変換して出力する。

図４は、ゲートドライバ部１３６の一例であるゲートドライバ部１３６Ａの回路図である。
ここで、ゲートドライバ部１３６Ａは、集積回路であるゲートドライバ１４Ａ（第１のゲートドライバ）を含むことを特徴の一つとしている。
すなわち、ゲートドライバ部１３６Ａは、ゲートドライバ１４Ａと、抵抗器２０，２２，３０，３２と、コンデンサ２１，２４，３４，３５と、ダイオード２３と、を備えている。但し、図４において破線で示す抵抗器３１，３３は、ゲートドライバ部１３６Ａには含まれていない。これら抵抗器３１，３３は、他のゲートドライバ部１３６Ｂ（図５参照）に含まれる要素であるが、参考までに破線で図示したものである。

ゲートドライバ１４Ａは第１のピン１～第８のピン８まで８個のピンを備えている。ここで、第１のピン１は、ロウサイド用の駆動信号ＬＩＮ用の入力端子であり、第２のピン２は、ハイサイド用の駆動信号ＨＩＮ用の入力端子であり、第３のピン３は、制御用電圧ＶＣＣ用の入力端子であり、第４のピン４は、コモン電圧ＣＯＭ（例えば０Ｖ）の入力端子である。また、第５のピン５はロウサイド用のゲート電圧ＬＯの出力端子であり、第６のピン６は接続点電圧ＶＳの入力端子であり、第７のピン７はハイサイド用のゲート電圧ＨＯの出力端子であり、第８のピン８はハイサイド用のフローティング電圧ＶＢ（詳細は後述する）の入力端子である。

第１のピン１は、第１の導体部６１を介して、コンデンサ３５の一端と、抵抗器３０の一端とに接続されている。抵抗器３０の他端は、導体部７１に接続され、導体部７１には、制御部１３４（図３参照）からロウサイド用の駆動信号ＬＩＮが供給される。また、第２のピン２は、第２の導体部６２を介して、コンデンサ２１の一端と、抵抗器２０の一端とに接続されている。抵抗器２０の他端は、導体部７２に接続され、導体部７２には、制御部１３４からハイサイド用の駆動信号ＨＩＮが供給される。

また、第３のピン３は、第３の導体部６３を介して、コンデンサ３４の一端と、抵抗器３２の一端とに接続されている。抵抗器３２の他端は第９の導体部６９に接続され、第９の導体部６９には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３２（図３参照）によって制御用電圧ＶＣＣが印加される。また、第４のピン４は、第４の導体部６４を介してアース電位に接続されている。第４の導体部６４には、上述したコンデンサ２１，３４，３５の他端も接続されている。

また、第５のピン５は、第５の導体部６５に接続され、第６のピン６は第６の導体部６６に接続され、第７のピン７は第７の導体部６７に接続されている。これら導体部は、対応するレグ１３８（図３参照）において、ロウサイドのＦＥＴ１３Ｌのゲート端子、ハイサイドのＦＥＴ１３Ｈのソース端子、およびハイサイドのＦＥＴ１３Ｈのゲート端子に各々接続されている。

また、第８のピン８は、第８の導体部６８に接続されている。第６の導体部６６と第８の導体部６８との間には、コンデンサ２４が接続されている。また、第９の導体部６９と、第８の導体部６８との間には、導体部７４を介して、抵抗器２２とダイオード２３とが直列接続されている。上述した抵抗器２０，３０の抵抗値は例えば１００Ωであり、コンデンサ２１，３５の容量は例えば１０００ｐＦであり、これらは、駆動信号ＨＩＮ，ＬＩＮ用の信号フィルタを構成する。また、コンデンサ３４の容量は、例えば０．１ｕＦであり、これは制御用電圧ＶＣＣの電源フィルタとして機能する。また、抵抗器３２の抵抗値は、例えば０Ωである。

何れかのレグ１３８（図３参照）において、ロウサイドのＦＥＴ１３Ｌがオン状態になったとすると、そのレグ１３８の接続点電圧ＶＳは０Ｖになる。すると、抵抗器２２、ダイオード２３およびコンデンサ２４に電流が流れ、コンデンサ２４の端子電圧は、制御用電圧ＶＣＣにほぼ等しくなる。その後、ロウサイドのＦＥＴ１３Ｌがオフ状態になると、接続点電圧ＶＳは制御用電圧ＶＣＣよりも高くなるが、コンデンサ２４の端子電圧は、制御用電圧ＶＣＣにほぼ等しい電圧に維持される。これにより、第８のピン８に印加されるフローティング電圧ＶＢは、ＶＳ＋ＶＣＣにほぼ等しくなる。

図５は、ゲートドライバ部１３６の他の例であるゲートドライバ部１３６Ｂの回路図である。
ゲートドライバ部１３６Ｂは、図４に示したゲートドライバ１４Ａに代えて、集積回路であるゲートドライバ１４Ｂ（第２のゲートドライバ）を含むことを特徴の一つとしている。
すなわち、ゲートドライバ部１３６Ｂは、ゲートドライバ１４Ｂと、抵抗器２０，２２，３１，３３と、コンデンサ２１，２４，３４，３５と、ダイオード２３と、を備えている。

但し、図５において破線で示す抵抗器３０，３２は、ゲートドライバ部１３６Ｂには含まれていない。これら抵抗器３０，３２は、上述したゲートドライバ部１３６Ａ（図４参照）に含まれる要素であるが、参考までに破線で図示したものである。上述した抵抗器２０，３１の抵抗値は例えば１００Ωであり、コンデンサ２１，３４の容量は例えば１０００ｐＦであり、これらは、駆動信号ＨＩＮ，ＬＩＮ用の信号フィルタを構成する。また、コンデンサ３５の容量は、例えば０．１ｕＦであり、これは制御用電圧ＶＣＣの電源フィルタとして機能する。また、抵抗器３３の抵抗値は、例えば０Ωである。

ゲートドライバ１４Ｂは、ゲートドライバ１４Ａ（図４参照）と同様の機能を有しているが、第１のピン１および第３のピン３の機能が入れ替わっている。すなわち、ゲートドライバ１４Ｂにおいて第１のピン１は、制御用電圧ＶＣＣ用の入力端子であり、第３のピン３は、ロウサイド用の駆動信号ＬＩＮ用の入力端子になっている。そして、抵抗器３３は第１の導体部６１と第９の導体部６９とに接続され、抵抗器３１は第３のピン３と導体部７１とに接続されている。上述した以外のゲートドライバ部１３６Ｂの構成は、ゲートドライバ部１３６Ａのもの（図４参照）と同様である。

図６は、上述したゲートドライバ部１３６Ａ，１３６Ｂに適用されるプリント基板８０の要部の平面図である。
プリント基板８０は、略平板状の絶縁体板（符号なし）に対して、ドットを付した導体パターン（第１の導体部６１等）を形成したものである。本実施形態において、導体パターンは、プリント基板８０の片面のみに形成されている。

また、プリント基板８０に実装され得る各種部品の実装位置は破線で図示している。上述したように、これら部品のうち、抵抗器３０，３１，３２，３３は、ゲートドライバ部１３６Ａ，１３６Ｂ（図４および図５参照）の一方にのみ適用される部品である。従って、プリント基板８０は、ゲートドライバ部１３６Ａ，１３６Ｂの双方に対して共通に適用されるものである。

図４および図５に示した第１の導体部６１～第３の導体部６３、第５の導体部６５～第８の導体部６８、導体部７１，７２，７４は、図６において、全体が導体パターン（ドットを付した領域）によって構成されている。一方、図６において、第４の導体部６４は、導体パターン６４ａ，６４ｃと、これら導体パターン６４ａ，６４ｃを接続するジャンパ６４ｂと、を備えている。ここで、ジャンパ６４ｂは、例えば矩形状の導体板であり、第２の導体部６２を跨ぐように、第２の導体部６２の上方（紙面より手前側）に架設される。また、第２の導体部６２の上面には絶縁膜（図示せず）が形成され、これによって第２の導体部６２とジャンパ６４ｂとの絶縁状態が確保されている。

また、図６において、第９の導体部６９は、導体パターン６９ａ，６９ｃと、これら導体パターン６９ａ，６９ｃを接続するジャンパ６９ｂと、を備えている。ジャンパ６９ｂは、上述したジャンパ６４ｂと同様に、例えば矩形状の導体板であり、導体部７１を跨ぐように、導体部７１の上方（紙面より手前側）に架設される。また、導体部７１の上面には絶縁膜（図示せず）が形成され、これによって導体部７１とジャンパ６９ｂとの絶縁状態が確保されている。但し、抵抗器３２のサイズを大きくして、抵抗器３２の下方に導体部７１を通すことにより、ジャンパ６９ｂを省略してもよい。

［実施形態の効果］
以上のように好適な実施形態によれば、電気掃除機１００またはインバータ回路１３０は、複数のスイッチング素子（１３Ｈ，１３Ｌ）を備える電力変換部（１３８Ｕ，１３８Ｖ，１３８Ｗ）と、複数のスイッチング素子（１３Ｈ，１３Ｌ）のオン／オフ状態を指示する駆動信号（ＨＩＮ，ＬＩＮ）に基づいて、スイッチング素子（１３Ｈ，１３Ｌ）をドライブするゲートドライバ部（１３６Ｕ，１３６Ｖ，１３６Ｗ）と、を備え、ゲートドライバ部（１３６Ｕ，１３６Ｖ，１３６Ｗ）は、所定のピン配置を有する第１のゲートドライバ（１４Ａ）または第１のゲートドライバ（１４Ａ）とはピン配置が異なる第２のゲートドライバ（１４Ｂ）と、第１および第２のゲートドライバ（１４Ａ，１４Ｂ）に対して共通に適用可能なプリント基板８０と、プリント基板８０に実装される複数の抵抗器２０，２２，３０，３１，３２，３３と、プリント基板８０に実装される複数のコンデンサ２１，２４，３４，３５と、を備える。

これにより、好適な実施形態による電気掃除機１００またはインバータ回路１３０は、複数種類のゲートドライバに対応できる。すなわち、選択したゲートドライバが第１および第２のゲートドライバ（１４Ａ，１４Ｂ）のうち何れであるかに応じて、複数の抵抗器２０，２２，３０，３１，３２，３３の実装／未実装状態を選択し、コンデンサ２１，２４，３４，３５の容量を、選択したゲートドライバに応じた容量に設定することにより、第１および第２のゲートドライバ（１４Ａ，１４Ｂ）の何れが選択された場合においても、選択したゲートドライバを適切に動作させることができる。

また、電力変換部（１３８Ｕ，１３８Ｖ，１３８Ｗ）は、複数のハイサイド・スイッチング素子（１３Ｈ）と、ハイサイド・スイッチング素子（１３Ｈ）の低圧側にそれぞれ直列接続された複数のロウサイド・スイッチング素子（１３Ｌ）と、を備え、第１および第２のゲートドライバ（１４Ａ，１４Ｂ）は、それぞれ、制御用電圧（ＶＣＣ）またはロウサイド用駆動信号（ＬＩＮ）の一方が入力される第１のピン（１）と、ハイサイド用駆動信号（ＨＩＮ）が入力される第２のピン（２）と、制御用電圧（ＶＣＣ）またはロウサイド用駆動信号（ＬＩＮ）のうち他方が入力される第３のピン（３）と、コモン電圧（ＣＯＭ）が入力される第４のピン（４）と、を備え、プリント基板８０は、第１のピン（１）、第２のピン（２）、第３のピン（３）および第４のピン（４）がそれぞれ接続される第１の導体部（６１）、第２の導体部（６２）、第３の導体部（６３）および第４の導体部（６４）を備え、第４の導体部（６４）は、第２の導体部（６２）を跨ぐように架設されたジャンパ（６４ｂ）と、ジャンパ（６４ｂ）の両端に接続され、プリント基板８０の片面に形成された一対の導体パターン（６４ａ，６４ｃ）と、を備えると、さらに好ましい。
これにより、片面に導体パターンを形成したプリント基板８０を適用することができ、電気掃除機１００またはインバータ回路１３０を安価に構成できる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記実施形態の構成に他の構成を追加してもよく、構成の一部について他の構成に置換をすることも可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態におけるインバータ回路１３０は、電気掃除機１００のみならず、空気調和機、換気扇、冷蔵庫、洗濯機等の様々な電気機器に適用してもよい。

１ 第１のピン
２ 第２のピン
３ 第３のピン
４ 第４のピン
１３Ｈ ＦＥＴ（スイッチング素子、ハイサイド・スイッチング素子）
１３Ｌ ＦＥＴ（スイッチング素子、ロウサイド・スイッチング素子）
１４Ａ ゲートドライバ（第１のゲートドライバ）
１４Ｂ ゲートドライバ（第２のゲートドライバ）
２０，２２，３０，３１，３２，３３ 抵抗器
２１，２４，３４，３５ コンデンサ
６１ 第１の導体部
６２ 第２の導体部
６３ 第３の導体部
６４ 第４の導体部
６４ｂ ジャンパ
６４ａ，６４ｃ 導体パターン
８０ プリント基板
１００ 電気掃除機
１１２ ダストケース
１２２ ファン
１２４ 電動機
１３０ インバータ回路
１３６Ｕ，１３６Ｖ，１３６Ｗ ゲートドライバ部
１３８Ｕ，１３８Ｖ，１３８Ｗ レグ（電力変換部）
ＣＯＭ コモン電圧
ＨＩＮ 駆動信号（ハイサイド用駆動信号）
ＬＩＮ 駆動信号（ロウサイド用駆動信号）
ＶＣＣ 制御用電圧

Claims (2)

1. 複数のスイッチング素子を備える電力変換部と、
   複数の前記スイッチング素子のオン／オフ状態を指示する駆動信号に基づいて、前記スイッチング素子をドライブするゲートドライバ部と、を備え、
   前記ゲートドライバ部は、所定のピン配置を有する第１のゲートドライバまたは前記第１のゲートドライバとはピン配置が異なる第２のゲートドライバと、
   前記第１および第２のゲートドライバに対して共通に適用可能なプリント基板と、
   前記プリント基板に実装される複数の抵抗器と、
   前記プリント基板に実装される複数のコンデンサと、を備え、
   前記電力変換部は、複数のハイサイド・スイッチング素子と、前記ハイサイド・スイッチング素子の低圧側にそれぞれ直列接続された複数のロウサイド・スイッチング素子と、を備え、
   前記第１および第２のゲートドライバは、それぞれ、制御用電圧またはロウサイド用駆動信号の一方が入力される第１のピンと、ハイサイド用駆動信号が入力される第２のピンと、前記制御用電圧または前記ロウサイド用駆動信号のうち他方が入力される第３のピンと、コモン電圧が入力される第４のピンと、を備え、
   前記プリント基板は、前記第１のピン、前記第２のピン、前記第３のピンおよび前記第４のピンがそれぞれ接続される第１の導体部、第２の導体部、第３の導体部および第４の導体部を備え、
   前記第４の導体部は、前記第２の導体部を跨ぐように架設されたジャンパと、前記ジャンパの両端に接続され、前記プリント基板の片面に形成された一対の導体パターンと、を備える
   ことを特徴とするインバータ回路。
2. 複数のスイッチング素子を備える電力変換部と、複数の前記スイッチング素子のオン／オフ状態を指示する駆動信号に基づいて、前記スイッチング素子をドライブするゲートドライバ部と、を備えたインバータ回路と、
   前記インバータ回路によって回転駆動される電動機と、
   前記電動機とともに回転するファンと、前記ファンによって集められた塵を蓄積するダストケースと、を備え、
   前記ゲートドライバ部は、所定のピン配置を有する第１のゲートドライバまたは前記第１のゲートドライバとはピン配置が異なる第２のゲートドライバと、
   前記第１および第２のゲートドライバに対して共通に適用可能なプリント基板と、
   前記プリント基板に実装される複数の抵抗器と、
   前記プリント基板に実装される複数のコンデンサと、を備え、
   前記電力変換部は、複数のハイサイド・スイッチング素子と、前記ハイサイド・スイッチング素子の低圧側にそれぞれ直列接続された複数のロウサイド・スイッチング素子と、を備え、
   前記第１および第２のゲートドライバは、それぞれ、制御用電圧またはロウサイド用駆動信号の一方が入力される第１のピンと、ハイサイド用駆動信号が入力される第２のピンと、前記制御用電圧または前記ロウサイド用駆動信号のうち他方が入力される第３のピンと、コモン電圧が入力される第４のピンと、を備え、
   前記プリント基板は、前記第１のピン、前記第２のピン、前記第３のピンおよび前記第４のピンがそれぞれ接続される第１の導体部、第２の導体部、第３の導体部および第４の導体部を備え、
   前記第４の導体部は、前記第２の導体部を跨ぐように架設されたジャンパと、前記ジャンパの両端に接続され、前記プリント基板の片面に形成された一対の導体パターンと、を備える
   ことを特徴とする電気掃除機。

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