JP7471504B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本開示は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置に関する。

インバータ装置は、小型化されることが望まれている。特許文献１に記載のインバータ装置は、筒状の正極側母線金属板と、筒状の負極側母線金属板との間に筒状の絶縁体を挟み、一対の正極側母線金属板と負極側母線金属板とを対向させる基板構造を実現している。

特開平９－２０５７７８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、正極側母線金属板、負極側母線金属板、および絶縁体を筒状にする必要があるので、インバータ装置を小型化することが困難であるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、容易に小型化されたインバータ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示のインバータ装置は、スイッチング動作によって圧縮機に通電する電流を制御するインバータモジュールと、インバータモジュールに供給される電流を平滑化する電解コンデンサとを備える。また、本開示のインバータ装置は、インバータモジュールおよび電解コンデンサに接続されるとともに負極側の電流が流される第１の電源ラインと、インバータモジュールおよび電解コンデンサに接続されるとともに正極側の電流が流される第２の電源ラインとを備える。第１の電源ラインは、第１の層上および第２の層上に配置されて二重化され、第２の電源ラインは、第３の層上および第４の層上に配置されて二重化されている。

本開示によれば、インバータ装置を容易に小型化することができるという効果を奏する。

実施の形態にかかるインバータ装置の構成を示す斜視図 実施の形態にかかるインバータ装置の構成を示す断面図 ＰラインおよびＮラインが二重化されていない比較例のインバータ装置における浮遊容量を説明するための図 ＰラインおよびＮラインが二重化されている実施の形態にかかるインバータ装置における浮遊容量を説明するための図

以下に、本開示の実施の形態にかかるインバータ装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかるインバータ装置の構成を示す斜視図である。図２は、実施の形態にかかるインバータ装置の構成を示す断面図である。実施の形態では、インバータ装置１００が備える基材１Ａの上面と平行な面内の２つの軸であって互いに直交する２つの軸をＸ軸およびＹ軸とする。また、Ｘ軸およびＹ軸に直交する軸をＺ軸とする。以下の説明では、プラスＺ軸方向をインバータ装置１００の上側といい、マイナスＺ軸方向をインバータ装置１００の下側という場合がある。

インバータ装置１００は、スイッチング動作によって直流電圧を交流電圧に変換する装置である。インバータ装置１００は、第１層目の基材である基材１Ａと、第２層目の基材である基材１Ｂと、第３層目の基材である基材１Ｃと、第４層目の基材である基材１Ｄとを備えている。基材１Ａが第１の基材であり、基材１Ｂが第２の基材である。基材１Ｃが第３の基材であり、基材１Ｄが第４の基材である。

図１では、基材１Ａ～１Ｄが接合される前のインバータ装置１００の状態を示している。図２では、インバータ装置１００をＸＺ平面に平行な面で切断した場合のインバータ装置１００の断面構成を示している。

基材１Ａ～１Ｄは、それぞれ矩形状の上面および底面を有した板状部材を用いて形成されている。基材１Ａ～１Ｄは、それぞれ同じ大きさで同じ形状の上面および底面を有している。基材１Ａ～１Ｄは、絶縁体である。基材１Ａ～１Ｄの例は、プリント基板である。

基材１Ａ，１Ｂは、基材１Ａの底面と基材１Ｂの上面とが重なるように接合される。また、基材１Ｂ，１Ｃは、基材１Ｂの底面と基材１Ｃの上面とが重なるように接合される。また、基材１Ｃ，１Ｄは、基材１Ｃの底面と基材１Ｄの上面とが重なるように接合される。基材１Ａ～１Ｄは、Ｚ軸方向から見た場合に、板状部材の各頂点が重なるように接合される。

基材１Ａには、電解コンデンサ２～５と、インバータモジュール８と、インバータモジュール８の低電位側の電力ラインであり、負極側の電流が流されるＤＣ（Direct Current）ライン（Ｎライン）９と、過電流遮断回路６と、ゲート電圧制御回路７とを有している。

電解コンデンサ２～５は、インバータモジュール８に供給される電流を平滑化する。電解コンデンサ２～５は、後述する電解コンデンサ３２として用いられる。過電流遮断回路６は、インバータモジュール８に流れる電流を制御することで、インバータモジュール８に流れる過電流を遮断する。

制御回路であるゲート電圧制御回路７は、インバータモジュール８に含まれる半導体スイッチング素子（後述する半導体スイッチング素子３３～３８）のゲート電圧を制御することで、インバータモジュール８に流れる電流を制御する。

インバータモジュール８は、後述するインバータ回路部３９に対応するモジュールである。インバータモジュール８は、スイッチング動作によって後述する圧縮機４０に通電する電流を制御し、圧縮機４０を駆動する。

また、基材１Ｂは、高電位側の電力ラインであり、正極側の電流が流されるＤＣライン（Ｐライン）１０を有し、基材１Ｃは、高電位側の電力ラインであり、正極側の電流が流されるＤＣライン（Ｐライン）１２を有している。また、基材１Ｄは、低電位側の電力ラインであり、負極側の電流が流されるＤＣライン（Ｎライン）１４を有している。

ＤＣライン９は、基材１Ａの上面に配線パターンとして配置され、ＤＣライン１０は、基材１Ｂの上面に配線パターンとして配置されている。ＤＣライン１２は、基材１Ｃの上面に配線パターンとして配置され、ＤＣライン１４は、基材１Ｄの上面に配線パターンとして配置されている。

ＤＣライン９，１４が第１の電源ラインであり、ＤＣライン１０，１２が第２の電源ラインである。ＤＣライン９が配置される基材１Ａ上の層が第１の層であり、ＤＣライン１４が配置される基材１Ｄ上の層が第２の層である。ＤＣライン１０が配置される基材１Ｂ上の層が第３の層であり、ＤＣライン１２が配置される基材１Ｃ上の層が第４の層である。ＤＣライン９が第１のラインであり、ＤＣライン１４が第２のラインである。ＤＣライン１０が第３のラインであり、ＤＣライン１２が第４のラインである。

ＰラインであるＤＣライン１０は、基材１Ｂの上面に配置されており、基材１Ａの底面と基材１Ｂの上面とが接合されることにより、基材１Ａ，１Ｂ間に内層化される。

また、ＰラインであるＤＣライン１２は、基材１Ｃの上面に配置されており、基材１Ｂの底面と基材１Ｃの上面とが接合されることにより、基材１Ｂ，１Ｃ間に内層化される。

また、ＮラインであるＤＣライン１４は、基材１Ｄの上面に配置されており、基材１Ｃの底面と基材１Ｄの上面とが接合されることにより、基材１Ｃ，１Ｄ間に内層化される。

ＤＣライン１４は、ＤＣライン９と同じ形状且つ同じ大きさのパターンであり、ＤＣライン９よりも下側に配置されている。ＤＣライン１２は、ＤＣライン１０と同じ形状且つ同じ大きさのパターンであり、ＤＣライン１０よりも下側に配置されている。

ＤＣライン９は、インバータモジュール８と電解コンデンサ２，４とを接続する。ＤＣライン１４は、インバータ装置１００をＺ軸方向から見た場合に、ＤＣライン９と同じ位置に配置されている。

ＤＣライン１０，１２は、インバータ装置１００をＺ軸方向から見た場合に、インバータモジュール８と電解コンデンサ３，５とを接続する位置に配置されている。ＤＣライン１２は、インバータ装置１００をＺ軸方向から見た場合にＤＣライン１０と同じ位置に配置されている。

基材１Ａ～１Ｃには基材１Ａ～１Ｃを貫通するスルーホール４７，４９が設けられており、ＤＣライン９，１４がスルーホール４７，４９を介して接続されている。また、基材１Ｂには基材１Ｂを貫通するスルーホール４８，５０が設けられており、ＤＣライン１０，１２がスルーホール４８，５０を介して接続されている。これにより、ＤＣライン９，１０，１２，１４の全てがインバータモジュール８に接続されている。このように、ＤＣライン９，１４は、インバータ装置１００内で二重化されている。また、ＤＣライン１０，１２は、インバータ装置１００内で二重化されている。スルーホール４７，４９が第１のスルーホールであり、スルーホール４８，５０が第２のスルーホールである。

このように、インバータ装置１００は、基材１Ａ～１Ｄが積層されることで４層化されている。これにより、ＤＣライン９，１４を二重化することができるとともに、ＤＣライン１０，１２を二重化することができる。したがって、Ｐラインの１層分のパターン幅を半減できるとともに、Ｎラインの１層分のパターン幅を半減できる。基材１Ａにおける空きスペースが増える。また、基材１Ａ～１Ｄの内層部でもＤＣライン９，１０，１２，１４のパターンを引き回しできる。この結果、インバータ装置１００では、ＤＣライン９，１０，１２，１４のパターン引き回しの自由度が向上する。

ＤＣライン９，１０，１２，１４のパターン引き回しの自由度が向上することにより、ＤＣライン９，１０，１２，１４に接続される部品間の距離を短くすることができる。具体的には、ＤＣライン９，１４に接続されるインバータモジュール８と電解コンデンサ２，４との間の距離を短くすることができる。また、ＤＣライン１０，１２に接続されるインバータモジュール８と電解コンデンサ３，５との間の距離を短くすることができる。これにより、ＤＣライン９，１０，１２，１４のパターン配線の長さが短くなり、線路インピーダンスを低減することができる。

ＤＣライン９，１０，１２，１４がコーティングされていない状態で、基材１Ａ～１Ｄ上に、電流を流すことが可能な不純物（硫黄、塩分等）が付着すると、湿度等の影響によって不純物が吸湿し水溶液化する。この場合において基材１Ａ～１Ｄ内で通電すると、水溶液を介して、ＤＣライン９，１０，１２，１４のパターン間に電位差が生じて電流が流れる。これにより、パターンが電気分解されてパターンに腐食が発生する。

本実施の形態のインバータ装置１００は、高電位側のＰラインであるＤＣライン１０，１２が内層化されており、絶縁体である基材１Ｂを挟んで二重化されている。これにより、ＰラインであるＤＣライン１０，１２は、ＮラインであるＤＣライン９，１４との間の電位差の発生が抑えられるとともに、不純物の付着を防ぐことができる。また、Ｐラインの方がＮラインよりも電位が高いので、電位差が発生しやすく不純物が付着しやすいが、Ｐラインが内層化されているので、防腐効果が得られる。また、ＮラインであるＤＣライン１４が内層化されているので、ＤＣライン１４に対しても不純物の付着を防ぐことができ、防腐効果が得られる。インバータ装置１００へは、ＤＣライン９に対してのみ腐食防止用のコーティングが行なわれればよい。

ここで、ＰラインおよびＮラインが二重化されていない場合のＰラインとＮラインとの間の浮遊容量と、ＰラインおよびＮラインが二重化されている場合のＰラインとＮラインとの間の浮遊容量とについて説明する。

図３は、ＰラインおよびＮラインが二重化されていない比較例のインバータ装置における浮遊容量を説明するための図である。図４は、ＰラインおよびＮラインが二重化されている実施の形態にかかるインバータ装置における浮遊容量を説明するための図である。なお、図３および図４では、浮遊容量４１，４２をコンデンサとして図示している。また、図４では、浮遊容量４５，４６をコンデンサとして図示している。

図３では、比較例のインバータ装置１０１の回路図と、インバータ装置１０１に発生する浮遊容量とを示している。図４では、実施の形態にかかるインバータ装置１００の回路図と、インバータ装置１００に発生する浮遊容量とを示している。なお、図３および図４では、過電流遮断回路６およびゲート電圧制御回路７の図示を省略している。

インバータ装置１０１とインバータ装置１００とは、ＤＣラインの二重化以外は同様の回路構成となっているので、ここではインバータ装置１００の回路構成について説明する。

インバータ装置１００は、交流電源１６および圧縮機４０に接続されている。インバータ装置１００は、ノイズフィルタ回路部２１と、抵抗２２と、リレー２３と、ダイオードブリッジ２４と、リアクタ２５，２６と、コンバータ回路部３１と、電解コンデンサ３２と、インバータ回路部３９とを備えている。

ノイズフィルタ回路部２１は、コイル１７，１８およびコンデンサ１９，２０を有している。ノイズフィルタ回路部２１では、コイル１７がコンデンサ１９に接続され、コンデンサ１９がコイル１８に接続され、コイル１８がコンデンサ２０に接続されコンデンサ２０がコイル１７に接続されている。交流電源１６は、コイル１７とコンデンサ１９との接続点に接続されるとともに、コイル１８とコンデンサ１９との接続点に接続されている。

コンデンサ２０とコイル１７との接続点には、抵抗２２の一端およびリレー２３の一端が接続されている。抵抗２２の他端とリレー２３の他端とを接続する接続点は、ダイオードブリッジ２４に接続されている。また、コイル１８とコンデンサ２０との接続点は、ダイオードブリッジ２４に接続されている。

ダイオードブリッジ２４は、リアクタ２５の一端およびリアクタ２６の一端に接続されている。また、ダイオードブリッジ２４は、電解コンデンサ３２とインバータ回路部３９との接続点に接続されている。

コンバータ回路部３１は、ダイオード２７，２８および半導体スイッチング素子２９，３０を有している。半導体スイッチング素子２９，３０は、それぞれトランジスタとダイオードとが並列に接続されて構成されている。

ダイオード２７のアノードは、リアクタ２５の他端および半導体スイッチング素子３０が備えるトランジスタのコレクタおよびダイオードのカソードに接続されている。ダイオード２８のアノードは、リアクタ２６の他端および半導体スイッチング素子２９が備えるトランジスタのコレクタおよびダイオードのカソードに接続されている。また、ダイオード２７のカソードとダイオード２８のカソードとを接続する接続点は、電解コンデンサ３２に接続されている。

半導体スイッチング素子２９，３０が備えるトランジスタのエミッタおよびダイオードのアノードは、それぞれダイオードブリッジ２４と電解コンデンサ３２とを接続する接続線に接続されている。

インバータ回路部３９は、半導体スイッチング素子３３～３８を有している。インバータ回路部３９は、複数のトランジスタとダイオードとをそれぞれ並列に接続し、かつ三相ブリッジにした回路である。具体的には、インバータ回路部３９は、３つのレグを有しており、各レグが、母線４３と母線４４との間で並列に接続されている。母線４３が二重化されたＰライン、すなわちＤＣライン１０，１２であり、母線４４が二重化されたＮライン、すなわちＤＣライン９，１４である。

なお、インバータ装置１０１は、母線４３，４４の代わりに母線５１，５２を有している。母線５１が二重化されていないＰラインであり、母線５２が二重化されていないＮラインである。

第１のレグは、Ｕ相の上アームスイッチング素子である半導体スイッチング素子３３と、Ｕ相の下アームスイッチング素子である半導体スイッチング素子３４とが直列に接続された回路部である。

第２のレグは、Ｖ相の上アームスイッチング素子である半導体スイッチング素子３５と、Ｖ相の下アームスイッチング素子である半導体スイッチング素子３６とが直列に接続された回路部である。

第３のレグは、Ｗ相の上アームスイッチング素子である半導体スイッチング素子３７と、Ｗ相の下アームスイッチング素子である半導体スイッチング素子３８とが直列に接続された回路部である。

母線４３は、ダイオード２７，２８と電解コンデンサ３２との接続点に接続されている。また、母線４３には、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の上アームスイッチング素子が接続されている。具体的には、半導体スイッチング素子３３，３５，３７のそれぞれが備える、トランジスタのコレクタおよびダイオードのカソードが、母線４３に接続されている。

母線４４は、ダイオードブリッジ２４と電解コンデンサ３２との接続点に接続されている。また、母線４４には、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の下アームスイッチング素子が接続されている。具体的には、半導体スイッチング素子３４，３６，３８のそれぞれが備える、トランジスタのエミッタおよびダイオードのアノードが、母線４４に接続されている。

そして、半導体スイッチング素子３３，３４の接続点、半導体スイッチング素子３５，３６の接続点、および半導体スイッチング素子３７，３８の接続点が、圧縮機４０に接続されている。

インバータ装置１００に対し、交流電源１６から交流電圧が出力されると、交流電圧がノイズフィルタ回路部２１と、コンバータ回路部３１とに印加され、交流電圧が順変換されてインバータ回路部３９に直流電圧が印加される。これにより、インバータ回路部３９は、直流電圧を逆変換して交流電流を出力し、圧縮機４０を駆動する。

この場合において、インバータ装置１０１では、ＤＣラインのＰラインとＮラインとの間、すなわち母線５１，５２間には浮遊容量４１，４２が含まれることとなる。

同様に、インバータ装置１００では、ＤＣラインのＰラインとＮラインとの間、すなわち母線４３，４４間には浮遊容量４１，４２が含まれることとなる。さらに、インバータ装置１００では、ＤＣラインが二重化されたことによって母線４３，４４間には浮遊容量４５，４６が含まれることになる。浮遊容量４５は、ＤＣライン９とＤＣライン１０との間の浮遊容量であり、浮遊容量４６は、ＤＣライン１２とＤＣライン１４との間の浮遊容量である。インバータ装置１００では、ＤＣラインが二重化されているので、二重化されていない場合よりもＰラインとＮラインとの間の浮遊容量が増加する。

このように、インバータ装置１００では、浮遊容量は、ＰラインとＮラインとの間、すなわち母線４３，４４間に含まれることとなる。このため、インバータ装置１００では、ＤＣラインが二重化されることによって、ＰラインとＮラインが重なる部分が増えるので、ＰラインとＮライン間の浮遊容量も増加する。すなわち、ＤＣラインが二重化されることによって、ＤＣライン９とＤＣライン１０との間に浮遊容量が発生し、ＤＣライン１２とＤＣライン１４との間に浮遊容量が発生する。

このように、インバータ装置１００，１０１は、ノイズフィルタ回路部２１に実装されているコンデンサ１９，２０と、ＰラインとＮラインとの間のパターンに含まれる浮遊容量４１，４２に対応するコンデンサとを有していることになる。さらに、インバータ装置１００は、ＤＣラインが二重化されたことにより増加した浮遊容量４５，４６に対応するコンデンサを有していることになる。

このように、インバータ装置１００は、ＤＣラインが二重化されたことによって浮遊容量４５，４６が発生するので、基材１Ａ～１Ｄ上のノイズを吸収しやすくなる。したがって、インバータ装置１００は、耐ノイズ性が向上する。

インバータ装置１００は、正極側の母線および負極側の母線を筒状の金属板で構成する必要がないので小型化が容易である。正極側の母線および負極側の母線が筒状の金属板で構成されたインバータ装置の場合、ＤＣラインが空気と触れる面積が大きくなるので、ＤＣラインのコーティング面積が増加してしまい、インバータ装置の作製コストが高くなる。

一方、インバータ装置１００は、基材１Ａ～１Ｄが積層されてＤＣライン１０，１２，１４が内層化されているので、ＤＣライン９に対してコーティングが行われればよい。ＤＣライン９の面積は、インバータ装置１０１が備えるＤＣラインよりも、面積が小さいので、腐食防止用のコーティングコストを低く抑えることができる。

このように実施の形態によれば、ＤＣライン１０，１２およびＤＣライン９，１４が二重化されるとともに、基材１Ａ～１Ｄが積層されているので、ＤＣラインのパターン幅が半減する。これにより、ＤＣライン９のパターンの引き回しの自由度が上がり、インバータモジュール８、電解コンデンサ２～５、およびその他の電子部品を配置できるエリアが広くなる。これにより、基材１Ａ上の部品の距離を近づけることができるとともに、基材１Ａに配置されるＤＣラインがＤＣライン９だけでよいので、基材１Ａの上面の面積を狭くすることが可能となる。したがって、小型化されたインバータ装置１００を実現することができる。

また、ＤＣライン１０，１２およびＤＣライン９，１４が二重化されているので、ＤＣライン間の浮遊容量が増大し、ノイズを吸収しやすくなり、耐ノイズ性が向上する。

また、基材１Ａ～１Ｄを積層することでＤＣライン１０，１２，１４を内層化しているので、ＤＣライン１０，１２，１４に対して腐食防止用のコーティングが不要となる。したがって、腐食防止用のコーティングコストを低く抑えることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１Ａ～１Ｄ 基材、２～５，３２ 電解コンデンサ、６ 過電流遮断回路、７ ゲート電圧制御回路、８ インバータモジュール、９，１０，１２，１４ ＤＣライン、１６ 交流電源、１７，１８ コイル、１９，２０ コンデンサ、２１ ノイズフィルタ回路部、２２ 抵抗、２３ リレー、２４ ダイオードブリッジ、２５，２６ リアクタ、２７，２８ ダイオード、２９，３０，３３～３８ 半導体スイッチング素子、３１ コンバータ回路部、３９ インバータ回路部、４０ 圧縮機、４１，４２，４５，４６ 浮遊容量、４３，４４，５１，５２ 母線、４７～５０ スルーホール、１００，１０１ インバータ装置。

Claims (5)

1. スイッチング動作によって圧縮機に通電する電流を制御するインバータモジュールと、
   前記インバータモジュールに供給される電流を平滑化する電解コンデンサと、
   前記インバータモジュールおよび前記電解コンデンサに接続されるとともに負極側の電流が流される第１の電源ラインと、
   前記インバータモジュールおよび前記電解コンデンサに接続されるとともに正極側の電流が流される第２の電源ラインと、
   を備え、
   前記第１の電源ラインは、第１の層上および第２の層上に配置されて二重化され、
   前記第２の電源ラインは、第３の層上および第４の層上に配置されて二重化されている、
   インバータ装置。
2. 前記インバータモジュールおよび前記電解コンデンサが配置された第１の基材と、
   前記第１の基材の底面に接合された第２の基材と、
   前記第２の基材の底面に接合された第３の基材と、
   前記第３の基材の底面に接合された第４の基材と、
   をさらに備え、
   前記第１の層は、前記第１の基材上の層であり、
   前記第２の層は、前記第４の基材上の層であり、
   前記第３の層は、前記第２の基材上の層であり、
   前記第４の層は、前記第３の基材上の層である、
   請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記第１の電源ラインは、前記第１の層上に配置された第１のラインと、前記第２の層上に配置された第２のラインとを用いて二重化され、
   前記第２の電源ラインは、前記第３の層上に配置された第３のラインと、前記第４の層上に配置された第４のラインとを用いて二重化され、
   前記第１のラインと前記第２のラインとは、同じ形状且つ同じ大きさのパターンであり、
   前記第３のラインと前記第４のラインとは、同じ形状且つ同じ大きさのパターンである、
   請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記第１のラインと、前記第２のラインとは、第１のスルーホールを介して接続され、
   前記第３のラインと、前記第４のラインとは、第２のスルーホールを介して接続されている、
   請求項３に記載のインバータ装置。
5. 前記第１の基材には、前記インバータモジュールに流れる過電流を遮断する過電流遮断回路と、前記インバータモジュールに流れる電流を制御する制御回路とが配置されている、
   請求項２から４の何れか１つに記載のインバータ装置。

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