JPWO2012035791A1 - 電力変換装置、それを内蔵したモーター、そのモーターを搭載した空気調和機、及びそのモーターを搭載した換気送風機器 - Google Patents
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Abstract
Description
また、プリント基板上のICの配置位置は、金属板との位置関係を考慮する必要があり、実装位置に制約が出てしまい、ICの面実装化による電力変換回路基板、モーター及びそれを搭載した機器の小型化の効果が充分得られていないという問題点もあった。
また、ホール素子を用いてローターの回転位置を検出するために、そのホール素子をプリント基板のステーター側(ローター側)に実装している場合で、そのステーターに電流を供給するパワー素子(IC)を同じプリント基板に実装するとき、ステーターの発熱によるパワー素子(IC)の破壊を回避するため、反ステーター側に設置することになり、その結果、プリント基板の表裏の実装面に主要な素子が混載することになり、電力変換回路基板としての小型化が充分に実現できていないという問題点もあった。
また、放熱フィンの取り付けには、通常ねじ締め等の作業を必要とし、その加工のためのコストが上昇することになり、さらに、ICのパッケージ上にねじ締め用の穴が必要となるので、さらにパッケージサイズが大きくなってしまうという問題点もある。
(電力変換装置60及びモーター61の構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置60及びそれを内蔵したモーター61の側断面図及び上面透視図である。
図1で示されるように、モーター61の内部に、そのモーター61を回転駆動させるための電力変換回路を実装したプリント基板1が内蔵されている。この電力変換回路のうち、モーター61の後述するステーター3の銅線又はアルミ線等である巻線に電圧を印加するための電圧型インバーターの主回路を内蔵するインバーターIC2が、プリント基板1に実装されている。また、モーター61の内部において、プリント基板1に対してインバーターIC2が実装された側には、ステーターコアに巻線を巻いた円環状のステーター3が配置されている。そして、モールド樹脂4によって、このステーター3及びプリント基板1を機械的に結合し、かつ、後述するベアリングハウジング9aを構成して、モーター61の外形が形成されている。
図2は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置60に実装されたインバーターIC2の構成図である。
図2で示されるように、シリコン又はSiC等のワイドギャップ半導体によって構成されるICチップ20において、その上面に形成された金属電極(図3によって後述するアルミ配線25)と、金属リードフレーム22によって構成される高圧電極11及び低圧電極12とが、ボンディングワイヤー21によって電気的に結合されている。このボンディングワイヤー21は、金又はアルミニウム等の金属線材で構成され、超音波溶融によって、ICチップ20上の金属電極と、金属リードフレーム22との間の電気的接合がなされる。
図3は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置60のインバーターIC2におけるICチップ20の構造図である。また、図4は、同ICチップ20周辺の回路構成図である。
図3で示されるように、ICチップ20上には、蒸着によってシリコン若しくはSiC等のワイドギャップ半導体チップ上に素子が形成され、その素子間、又は、その素子と外部電極とを電気的に結合するアルミ配線25が形成されている。さらに、ICチップ20上には、このアルミ配線25同士、又は、半導体チップ素子間の絶縁をとるための酸化シリコン膜26が形成されている。
また、ICチップ20における多結晶シリコン28は、前述のように、ヒートスプレッダー13と電気的、熱的及び機械的な結合がなされている。
この絶縁分離層29は、薄膜でも絶縁性能が充分確保できる酸化シリコン(SiO2)によって構成されている。
図5は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置60の断面図である。
図5で示されるように、電力変換装置60における銅箔50は、プリント基板1上の回路配線パターン、又は、プリント基板1と部品とを半田により電気的、熱的及び機械的に結合させるためのランドによって形成されるものである。プリント基板1上のステーター側には、この銅箔50を介して、ホール素子6、過熱検知素子14及びインバーターIC2が配置されている。また、インバーターIC2は、具体的には、そのデュアルインライン電極である高圧電極11及び低圧電極12が半田により銅箔50に結合している。また、前述したように、過熱検知素子14は、同一の銅箔50を介して低圧電極12と電気的及び熱的に結合されている。
図6は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置60におけるプリント基板1の材料取りを示す図である。図6においては、1枚の基板上に8枚のプリント基板1を成形し、面実装部品を実装した場合の例を示している。
図6で示されるプリント基板1上において、ステーター3における中性点結線39を実装しないこと、及び、1チップ半導体であるICチップ20上に複数の高圧素子を集積したインバーターIC2を用いてパッケージを小型化した。これによって、プリント基板1をステーター3の断面積の1/2以下とする円弧状の基板とすることができ、このとき、ベアリング貫通穴10も半円弧状に形成することができる。
以上の構成のように、インバーターIC2では、プリント基板1に実装されたインバーターIC2におけるICチップ20はヒートスプレッダー13にマウントされているので、ICチップ20の半導体チップからの発熱のうち過渡的なものは、ヒートスプレッダー13に蓄熱され、半導体チップの過渡的な温度上昇を抑制することができる。
(空気調和機100の構成)
図7は、本発明の実施の形態2に係る空気調和機100の全体外観図であり、図8は、同空気調和機100における室内機70の横断面図である。
次に、室内機70の基本的な動作について説明する。使用者がリモコン等を操作することによって空気調和機100が運転開始されると、室内送風機71に連結されたモーター61が回転駆動し、その回転に連動して室内送風機71が回転駆動する。この室内送風機71の回転によって室内空気が吸込口73から吸い込まれる。吸い込まれた室内空気は、室内送風機71の連続的な回転によってさらに室内熱交換器72を通過し、この室内熱交換器72内部を流通する冷媒と熱交換される。この室内熱交換器72は、空気調和機100が冷房運転を実施している場合は蒸発器として機能し、室内熱交換器72の内部の冷媒が蒸発するため、通過する室内空気は冷却される。一方、空気調和機100が暖房運転を実施している場合は、凝縮器として機能し、通過する室内空気は加熱される。このように、室内機70に吸い込まれた室内空気は、室内熱交換器72を通過する際に、室内熱交換器72によって熱交換され、使用者が要求する調和空気となる。室内熱交換器72を通過した調和空気は、室内送風機71の連続的な回転によって、吹出風路74を通過して吹出口75から室内に吹き出される。また、この室内送風機71に連結されたモーター61の回転数が変化することによって、吹き出される調和空気の風量が調整される。
以上の構成のように、空気調和機100、特に室内機70における室内送風機71に実施の形態1に係る電力変換装置60を内蔵し小型化されたモーター61を連結し搭載することによって、室内熱交換器72のサイズを大きくすることができ、省エネ性能が高い空気調和機を得ることができる。
また、上記の説明において、実施の形態1に係る電力変換装置60を内蔵したモーター61は、室内機70における室内送風機71に連結される構成を説明したが、これに限定されるものではなく、室外機80における室外送風機81に連結され使用される構成としてもよい。
図9は、本発明の実施の形態3に係るモーターに内蔵される駆動回路の過熱保護回路30およびシャント抵抗RSの周辺回路図である。また、図10は、本発明の実施の形態3に係る電力変換装置60のインバーターIC2におけるICチップ20周辺の回路構成図である。図10に示す回路構成図は、図4に示す回路構成図の過熱検知素子14を過熱保護回路30に置き換えたものであり、他の構成は同一である。
図13は、本発明の実施の形態4に係るモーターに内蔵される駆動回路の過熱保護回路30およびシャント抵抗RSの周辺回路図である。実施の形態3で説明したものとは異なるが、本発明の実施の形態4に係る電力変換装置60のインバーターIC2におけるICチップ20周辺の回路構成図は、図10と同一である。
Claims (25)
- モーターを構成する円環状のステーターが構成する円環面に対して実装面が対向し、該円環面から所定距離を隔てて配置され、かつ、前記ステーター側の実装面に前記モーターのローターの回転位置を検出するホール素子が実装された基板と、
前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記ステーターに高周波電流を供給する半導体モジュールと、
前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記半導体モジュールの過熱状態を検知する過熱検知手段と、
を備え、
前記半導体モジュールは、前記過熱検知手段によって当該半導体モジュールの過熱状態が検知された場合、前記ステーターに供給する電流を制限又は停止する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記半導体モジュールは、前記基板上に機械的に結合して配置されたヒートスプレッダーと、複数の半導体素子を有し、前記ヒートスプレッダー上にマウントされて熱的に結合した半導体チップと、を有した
ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記半導体モジュールは、前記ヒートスプレッダーが前記半導体モジュールの電極に近接するように配置されて構成された
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記ヒートスプレッダー、及び、前記半導体モジュールの電極は、熱伝導性樹脂によって熱的に結合され、
該熱伝導性樹脂は、前記半導体モジュールの外形を形成した
ことを特徴とする請求項2又は請求項3記載の電力変換装置。 - 前記半導体チップは、1チップで構成され、複数の前記半導体素子を形成した
ことを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれかに記載の電力変換装置。 - 複数の前記各半導体素子は、前記半導体チップにおいて、絶縁分離層によって他の前記半導体素子から絶縁された
ことを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。 - 複数の前記各半導体素子の電極は、前記半導体チップ表面に配置され、該半導体チップ表面に形成された酸化シリコン膜によって、互いに絶縁された
ことを特徴とする請求項5又は請求項6記載の電力変換装置。 - 前記半導体チップ表面に配置された前記各半導体素子の電極のうち、少なくとも一部は、金属配線によって、前記半導体モジュールの電極に電気的に接続された
ことを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。 - 複数の前記各半導体素子のうち、少なくとも一部は、前記ステーターに高周波電流を供給するインバーターを構成するスイッチング素子である
ことを特徴とする請求項2〜請求項8のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記ヒートスプレッダーは、前記基板のステーター側の実装面に形成された金属パターンに熱的に結合した
ことを特徴とする請求項2〜請求項9のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記基板は、前記ステーター側の実装面から前記ステーターと反対側の実装面まで貫通し、内部に金属膜が形成されたスルーホールを有し、
前記ヒートスプレッダーと熱的に結合された前記ステーター側の実装面に形成された金属パターンは、前記スルーホールを介して、前記ステーターと反対側の実装面に形成された金属パターンに熱的に結合した
ことを特徴とする請求項10記載の電力変換装置。 - 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって構成された
ことを特徴とする請求項2〜請求項11のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記過熱検知手段は、前記基板上に、前記半導体モジュールの前記ヒートスプレッダーに近接して実装された
ことを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記過熱検知手段は、前記基板のステーター側の実装面に形成された金属パターンを介して、前記半導体モジュールの電極と熱的に結合した
ことを特徴とする請求項13記載の電力変換装置。 - 前記過熱検知手段、及び、前記半導体モジュールを含む半導体回路は、前記基板のステーター側の実装面に実装された
ことを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記ヒートスプレッダーが結合される金属パターンと、前記過熱検知手段が結合される金属パターンが近接配置される
ことを特徴とする請求項1〜請求項15のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記ヒートスプレッダーおよび前記過熱検知手段が同一の金属パターンと結合される
ことを特徴とする請求項1〜請求項15のいずれかに記載の電力変換装置。 - 円環状のステーターと、
前記ステーターの内側に配置されたローターと、
請求項1〜請求項17のいずれかに記載の電力変換装置と、
を備え、
前記ステーター及び前記電力変換装置は、モーターの外郭を形成するモールド樹脂によって一体化された
ことを特徴とするモーター。 - 前記過熱検知手段及び前記半導体モジュールは、前記モールド樹脂によって、熱的に結合された
ことを特徴とする請求項18記載のモーター。 - 前記ローターの主軸と勘合し、前記基板に対して、前記ステーター及び前記ローターが配置された側とは反対側に配置されたベアリングを備えた
ことを特徴とする請求項18又は請求項19記載のモーター。 - 前記ステーターは、前記基板上において、その中性点の結線が実装されない
ことを特徴とする請求項18〜請求項20のいずれかに記載のモーター。 - 円環状のステーターが構成する円環面に対して実装面が対向し、該円環面から所定距離を隔てて配置され、かつ、前記ステーター側の実装面にローターの回転位置を検出するホール素子が実装された基板と、
前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記ステーターに電流を供給する半導体モジュールと、
を備え、
前記半導体モジュールは、前記基板上に機械的に結合して配置されたヒートスプレッダーと、半導体素子を有し、前記ヒートスプレッダー上にマウントされて機械的に結合した半導体チップと、を有し、
前記ステーター、及び、前記ホール素子及び前記半導体モジュールが実装された前記基板は、モールド樹脂によって覆われて一体化された
ことを特徴とするモーター。 - 調和空気を設置室内に吹き出す室内機と、
該室内機内に設置され、その吹出口から前記調和空気を送り出す室内送風機と、
前記室内機と冷媒配管によって接続され、外気と熱交換を実施する室外機と、
を備え、
前記室内送風機は、請求項18〜請求項22のいずれかに記載のモーターを搭載した
ことを特徴とする空気調和機。 - 調和空気を設置室内に吹き出す室内機と、
前記室内機と冷媒配管によって接続され、外気と熱交換を実施する室外機と、
該室外機内に設置され、外気を該室外機内に送り込む室外送風機と、
を備え、
前記室外送風機は、請求項18〜請求項22のいずれかに記載のモーターを搭載した
ことを特徴とする空気調和機。 - 室内空気を室外に吹き出す換気送風機器であって、請求項18〜請求項22のいずれかに記載のモーターを搭載した
ことを特徴とする換気送風機器。
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