JPWO2019171515A1 - コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

コンバータ装置（１００）は、電源回路基板（１０）と、電源回路基板（１０）とは別の基板である別基板（２０）と、リアクタ群（３１）とを備え、電源回路基板（１０）は、交流電源（１）から出力される交流電圧を整流する整流回路（１３）と、整流回路（１３）の出力電圧を昇圧する昇圧部（４０）の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ（１４）とを備え、別基板（２０）は、リアクタ群（３１）とともに、昇圧部（４０）を構成する、ＭＯＳＦＥＴ群（２１）と、リアクタ群（３１）およびＭＯＳＦＥＴ群（２１）とともに、昇圧部（４０）を構成する、ダイオード群（２２）とを備える。

Description

本発明は、複数のリアクタを備えたコンバータ装置に関する。

特許文献１に開示される電源装置には、整流回路の出力が複数の電流経路に分岐され、リアクタおよびスイッチング素子で構成される複数の直列回路が互いに並列に設けられる。スイッチング素子がオフのときに、複数の直列回路のそれぞれに設けられたリアクタから出力される電流は、逆流防止ダイオードを介して平滑コンデンサに供給される。また、複数の直列回路のそれぞれに設けられたスイッチング素子は、それぞれが異なる位相で駆動される。これにより、複数のスイッチング素子のそれぞれに流れる電流が抑制されるとともに、リアクタから出力される電流のリプル成分が抑制される。

特開２００７−１９５２８２号公報

しかしながら、従来のリアクタおよびスイッチング素子で構成される昇圧回路では、スイッチング素子としてシリコン（Ｓｉ）またはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いて構成されたスイッチング素子が用いられている。ＳｉまたはＳｉＣを用いて構成されたスイッチング素子では、スイッチング素子のサイズが大きくなり、また動作時の発熱量が多いためヒートシンクを設けるといった放熱対策を講じる必要がある。このため、電源回路基板において昇圧回路の実装面積が大きくなり、電源回路基板において昇圧回路の実装面積が大きな割合を占めて、昇圧回路以外の素子の実装可能面積が小さくなってしまうといった問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電源回路基板において、昇圧回路を構成する素子以外の他の素子などの実装可能面積を拡大させることができるコ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、本発明にかかるコンバータ装置は、第１の基板と、第１の基板とは別の基板である第２の基板と、リアクタとを備える。第１の基板は、交流電源から出力される交流電圧を整流する整流回路と、整流回路の出力電圧を昇圧する昇圧部の出力電圧を平滑する平滑コンデンサとを備える。第２の基板は、リアクタとともに、昇圧部を構成する、スイッチング素子と、リアクタおよびスイッチング素子とともに、昇圧部を構成する、逆流防止素子とを備える。

本発明にかかるコンバータ装置は、電源回路基板において、昇圧回路を構成する素子以外の他の素子などの実装可能面積を拡大させることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態にかかるコンバータ装置の一例を示す構成図

以下に、本発明の実施の形態にかかるコンバータ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるコンバータ装置の一例を示す構成図である。本実施の形態にかかるコンバータ装置１００は、単相交流電源である交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換し、負荷２に供給する装置である。コンバータ装置１００は、たとえばモータ駆動装置、空気調和装置、冷蔵庫およびヒートポンプ給湯装置の電力変換装置に適用可能である。

図１に示す、コンバータ装置１００は、電源回路基板１０と、電源回路基板１０とは別の基板である別基板２０と、リアクタ群３１とを備える。電源回路基板１０は、第１の基板に対応する。別基板２０は、第２の基板に対応する。別基板２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて構成されたスイッチング素子群であるＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）群２１と、ダイオード群２２とを備える。リアクタ群３１と、ＭＯＳＦＥＴ群２１と、ダイオード群２２とは、昇圧部４０を構成する。

電源回路基板１０は、突入電流を防止するための突入電流防止回路１１と、交流電源１と突入電流防止回路１１との間に設けられ、交流電源１から出力される電流に重畳している高周波ノイズを低減するノイズフィルタ１２と、ノイズフィルタ１２および突入電流防止回路１１を介して交流電源１から出力される交流電圧を整流する整流回路１３とを備える。電源回路基板１０は、昇圧部４０で昇圧された電圧を平滑する平滑コンデンサ１４と、母線電流検出用のシャント抵抗１５とを備える。電源回路基板１０は、整流回路１３の負側出力端子１３ｂに接続された電流検出回路である母線電流検出回路１６と、制御部１７とを備える。

整流回路１３としては、４つのダイオードを組み合わせて構成される全波整流回路を例示できる。整流回路１３は、ダイオード以外にもＭＯＳＦＥＴを組み合わせて構成したものでもよい。

平滑コンデンサ１４の正極端子は、正側直流母線Ｐに接続される。平滑コンデンサ１４の負極端子は、負側直流母線Ｎに接続される。

昇圧部４０は、整流回路１３で整流された電圧を昇圧する。ＭＯＳＦＥＴ群２１は、３つのスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成される。ダイオード群２２は、３つの逆流防止ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃで構成される。逆流防止ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、逆流防止素子の一例である。

ＭＯＳＦＥＴ２１ａのドレインは、逆流防止ダイオード２２ａのアノードに接続され、ＭＯＳＦＥＴ２１ａのソースは、シャント抵抗１５の一端に接続される。シャント抵抗１５の他端は負側直流母線Ｎに接続される。ＭＯＳＦＥＴ２１ａのゲートには、制御部１７で生成されたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動信号Ｘが入力される。ＰＷＭ駆動信号Ｘは、ＭＯＳＦＥＴ２１ａをオンオフ動作させる信号である。逆流防止ダイオード２２ａのカソードは、電源回路基板１０の正側直流母線Ｐに接続される。

ＭＯＳＦＥＴ２１ｂのドレインは、逆流防止ダイオード２２ｂのアノードに接続され、ＭＯＳＦＥＴ２１ｂのソースは、シャント抵抗１５の一端に接続される。ＭＯＳＦＥＴ２１ｂのゲートには、制御部１７で生成されたＰＷＭ駆動信号Ｙが入力される。ＰＷＭ駆動信号Ｙは、ＭＯＳＦＥＴ２１ｂをオンオフ動作させる信号である。逆流防止ダイオード２２ｂのカソードは、電源回路基板１０の正側直流母線Ｐに接続される。

ＭＯＳＦＥＴ２１ｃのドレインは、逆流防止ダイオード２２ｃのアノードに接続され、ＭＯＳＦＥＴ２１ｃのソースは、シャント抵抗１５の一端に接続される。ＭＯＳＦＥＴ２１ｃのゲートには、制御部１７で生成されたＰＷＭ駆動信号Ｚが入力される。ＰＷＭ駆動信号Ｚは、ＭＯＳＦＥＴ２１ｃをオンオフ動作させる信号である。逆流防止ダイオード２２ｃのカソードは、電源回路基板１０の正側直流母線Ｐに接続される。

リアクタ群３１は、並列接続された３つのリアクタ３１ａ，３１ｂ，３１ｃで構成される。３つのリアクタ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのそれぞれの一端は整流回路１３の正側出力端子１３ａに接続される。リアクタ３１ａの他端は、ＭＯＳＦＥＴ２１ａおよび逆流防止ダイオード２２ａに接続される。リアクタ３１ｂの他端は、ＭＯＳＦＥＴ２１ｂおよび逆流防止ダイオード２２ｂに接続される。リアクタ３１ｃの他端は、ＭＯＳＦＥＴ２１ｃおよび逆流防止ダイオード２２ｃに接続される。３つのリアクタ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのそれぞれには高調波鉄損が小さいコアが用いられるが、当該コアは、制御部１７による昇圧部４０の制御方法と、コンバータ装置１００の電力変換効率と、昇圧部４０で発生する熱量と、コンバータ装置１００の重量と、コンバータ装置１００の体積といった要素を考慮して選定したものであればよい。リアクタ群３１は、電源回路基板１０および別基板２０とは別の場所に設けられていてもよく、別基板２０に実装されていてもよい。

昇圧部４０は、リアクタ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、ＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、逆流防止ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃとで構成される昇圧回路４１ａ，４１ｂ，４１ｃがそれぞれ並列に接続されて構成される。

このように構成されたコンバータ装置１００では、交流電源１から供給される交流電力がノイズフィルタ１２および突入電流防止回路１１を介して整流回路１３に入力され、整流回路１３に入力された交流電力が全波整流される。整流回路１３で全波整流された電力は昇圧部４０で昇圧され、昇圧部４０で昇圧された電力は平滑コンデンサ１４で平滑されて負荷２に供給される。

本実施の形態によれば、昇圧部４０を構成する、ＭＯＳＦＥＴ群２１と、ダイオード群２２とは、電源回路基板１０とは別の基板である別基板２０が備えている。これにより、ＭＯＳＦＥＴ群２１と、ダイオード群２２とを、電源回路基板１０に実装する必要がないため、電源回路基板１０において、昇圧部４０を構成する素子以外の他の素子などの実装可能面積を拡大させることができる。

本実施の形態によれば、電源回路基板１０と、別基板２０とを別の基板としている。これにより、昇圧部４０が必要な場合と不要な場合とで、電源回路基板１０の配線パターンなどを大幅に変更する必要がなく、電源回路基板１０の共通化が容易となる。

本実施の形態によれば、ＭＯＳＦＥＴ群２１は、ＧａＮを用いて構成されたスイッチング素子群である。ＧａＮを用いて構成されたスイッチング素子では、ＳｉまたはＳｉＣを用いて構成されたスイッチング素子と比較して、スイッチング素子のサイズが小さくなり、また動作時の発熱量が少ない。これにより、スイッチング素子の小型化、およびヒートシンクの小型化またはヒートシンクが不要となり、別基板２０の小型化を図ることができる。さらに、別基板２０に設けるヒートシンクを、小型化することができるとともに、たとえばインバータ装置に設けるヒートシンクとは別のヒートシンクとすることができるため、別基板２０に設けるヒートシンクの配置の自由度を高めることができる。

なお、本実施の形態にかかる昇圧部４０は、リアクタ、スイッチング素子および逆流防止ダイオードで構成される昇圧回路が３つ並列に設けられたものであるが、リアクタ、スイッチング素子および逆流防止ダイオードで構成される昇圧回路が１つ設けられたもの、または、リアクタ、スイッチング素子および逆流防止ダイオードで構成される昇圧回路が２つ、または４つ以上並列に設けられたものであってもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の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、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略および変更することも可能である。

１ 交流電源、２ 負荷、１０ 電源回路基板、１１ 突入電流防止回路、１２ ノイズフィルタ、１３ 整流回路、１３ａ 正側出力端子、１３ｂ 負側出力端子、１４ 平滑コンデンサ、１５ シャント抵抗、１６ 母線電流検出回路、１７ 制御部、２０ 別基板、２１ ＭＯＳＦＥＴ群、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ ＭＯＳＦＥＴ、２２ ダイオード群、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 逆流防止ダイオード、３１ リアクタ群、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ リアクタ、４０ 昇圧部、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 昇圧回路、１００ コンバータ装置。

Claims (3)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板とは別の基板である第２の基板と、
   リアクタとを備え、
   前記第１の基板は、
   交流電源から出力される交流電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路の出力電圧を昇圧する昇圧部の出力電圧を平滑する平滑コンデンサとを備え、
   前記第２の基板は、
   前記リアクタとともに、前記昇圧部を構成する、スイッチング素子と、
   前記リアクタおよび前記スイッチング素子とともに、前記昇圧部を構成する、逆流防止素子とを備える
   コンバータ装置。
2. 複数の前記リアクタを備え、
   前記第２の基板は、
   複数の前記スイッチング素子と、
   複数の前記逆流防止素子とを備え、
   前記昇圧部は、前記リアクタと前記スイッチング素子と前記逆流防止素子とで構成される昇圧回路が複数段並列に接続されて構成される
   請求項１に記載のコンバータ装置。
3. 前記スイッチング素子は、窒化ガリウムを用いて構成されたスイッチング素子である
   請求項１または２に記載のコンバータ装置。

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