WO2017085832A1

WO2017085832A1 - 電力変換回路

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Publication number: WO2017085832A1
Application number: PCT/JP2015/082543
Authority: WO
Inventors: 卓也下麥; 篠本　洋介; 川久保　守; 真作楠部
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2017-05-26
Also published as: JP6491761B2; JPWO2017085832A1

Abstract

交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０を備えた電力変換回路であって、コンバータ１０は、交流電力を直流電力に変換して出力する直流電源部１と、スイッチング素子６のオンオフにより、直流電源部１で変換された直流電力の電圧を異なる値の電圧に変換する直流電圧変換部であるチョッパ部２と、を備え、チョッパ部２を構成するチョークコイル４は、巻線と巻線の全体を囲む磁性体のコアとで構成され、電力変換回路を備えた機器の風路に配置される。

Description

電力変換回路

　本発明は、交流電力を直流電力に変換するコンバータを備えた電力変換回路に関する。

　電力変換回路に使用される半導体は、低損失化が進められる一方でスイッチング周波数の高周波化が進んでいる。そのため半導体の周辺部品においては、スイッチング周波数の高周波化に伴う損失増加を抑制するための対策が必要となる。

　下記特許文献１に代表される従来の電力変換回路では、交流－直流変換または直流－直流変換に用いられるチョークコイルにおいて、リッツ線または平角線を用い、あるいは鉄損の小さいコア材を用いることで、巻線の高周波抵抗を低減することで損失増加を抑制する対策がなされている。

特開平１１－２０６１３０号公報

　上記特許文献１に代表される従来の電力変換回路には比較的損失が大きいスイッチング素子、逆流防止素子、またはチョークコイルが含まれる。特に大容量の電力変換回路ではこれらの電気部品における温度上昇により抵抗が増加し、損失が増大する。特にこれらの部品が不燃材で取り囲まれている場合、これらの電気部品で発生した熱の影響により、電力変換回路を構成する電解コンデンサ内部の電解液が蒸発し、電解コンデンサのインピーダンスが大きくなり、効率の低下を招くことになる。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電気部品の発熱を抑制して高効率化を図ることができる電力変換回路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、本発明は、交流電力を直流電力に変換するコンバータを備えた電力変換回路であって、前記コンバータは、交流電力を直流電力に変換して出力する直流電源部と、スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子のオンオフにより、前記直流電源部で変換された直流電力の電圧を異なる値の電圧に変換する直流電圧変換部と、を備え、前記チョークコイルは、巻線と前記巻線の全体を囲む磁性体のコアとで構成され、前記電力変換回路を備えた機器の風路に配置される。

　この発明によれば、電気部品の発熱を抑制して高効率化を図ることができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る電力変換回路を構成するチョッパ部の構成図電力変換回路を中心とする電動機の駆動回路の構成図空気調和機の構成図室外機の構成図室内機の構成図電気品箱の内観図電動機の断面図チョークコイルの分解斜視図チョークコイルの断面図２つの内周部コアが対向する部分に隙間を設けたチョークコイルの断面図チョッパ部の第一の変形例を示す図チョッパ部の第二の変形例を示す図チョッパ部の第三の変形例を示す図

　以下に、本発明に係る電力変換回路の実施の形態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係る電力変換回路８を構成するチョッパ部２の構成図である。図２は電力変換回路８を中心とする電動機１００の駆動回路の構成図である。図３は空気調和機２００の構成図である。図４は室外機２０２の構成図である。図５は室内機２０１の構成図である。図６は電気品箱５０の内観図である。図７は電動機１００Ｃの断面図である。図８はチョークコイル４の分解斜視図である。図９はチョークコイル４の断面図である。図１０は２つの内周部コアが対向する部分に隙間を設けたチョークコイル４の断面図である。

　図１に示すコンバータ１０は、直流電源部１と、直流電圧変換部であるチョッパ部２とを有する。直流電源部１は、交流電源７からの交流電力を直流電力に変換して出力する。チョッパ部２の出力端には、チョッパ部２の出力を平滑するコンデンサ３が並列に接続されている。図示例のチョッパ部２は、チョークコイル４と、チョークコイル４を介して直流電源部１に並列に接続されたスイッチング素子６と、コンデンサ３に充電された電荷のスイッチング素子６への逆流を防止する逆流防止素子５とを有して構成されている。

　図２に示す制御部１２からの駆動信号Ａによりスイッチング素子６がオンのとき、チョッパ部２のチョークコイル４にエネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子６がオフされたときに逆流防止素子５が導通してチョークコイル４に蓄積されたエネルギーが負荷側へ出力される。スイッチング素子６がオンオフを繰り返すことにより、直流電源部１で変換された直流電力の電圧が異なる値の電圧に変換される。

　電力変換回路８を構成する部品の内、特にチョークコイル４、スイッチング素子６、および逆流防止素子５がコンデンサ３に熱の影響を与える。コンデンサ３が電界コンデンサである場合、電解コンデンサは、温度が１０℃上がるごとに寿命が半分になると言われている。チョークコイル４、スイッチング素子６、および逆流防止素子５で発生した熱の影響により電解コンデンサ内の電解液が蒸発すると、電解コンデンサのインピーダンスが大きくなる。特にチョークコイル４、スイッチング素子６、逆流防止素子５、およびコンデンサ３が筐体で取り囲まれている場合、チョークコイル４、スイッチング素子６、逆流防止素子５で発生した熱がコンデンサ３へ伝わりやすい。そのためコンデンサ３への熱の影響、すなわちインピーダンスがさらに大きくなり、電力変換回路８の効率の低下を招くことになる。ここで言う筐体とは、後述する電気品箱５０の筐体５２と電動機１００Ｃの筐体１１１である。

　チョークコイル４、スイッチング素子６、および逆流防止素子５で発生する熱としては以下のものが想定される。

　チョークコイル４は巻線とコアを組み合わせて構成される。チョークコイル４では、巻線の抵抗値をＲ、巻線に流れる電流をＩとしたとき、チョークコイル４の銅損がＲ＊Ｉ＾２で表される。抵抗値Ｒは、電流Ｉの直流成分に対しての直流抵抗と、高周波成分に対しての交流抵抗がある。交流抵抗は表皮効果により周波数が高くなるほど増加する。すなわち周波数が高くなるほど巻線の銅損が増加する。この対策として、巻線にリッツ線または平角線を用いることで、巻線の表皮深さ以下の部分に流れる電流の割合が増え、交流抵抗の増加を防止することができる。なお、巻線を平角線とする場合、エッジワイズあるいはフラットワイズといった巻き方を採用する。これにより、丸線に比べ、同一面積に対する巻数を多く取ることができ、チョークコイル４を大型化せずにインダクタンスを高めることができる。

　ところがコアには鉄損である渦電流損およびヒステリシス損が発生する。そのため巻線にリッツ線または平角線を用いた場合でも、チョークコイル４では鉄損による熱が生じる。

　スイッチング素子６では、スイッチング素子６である場合、導通時の順電圧降下をＶｆｓｗ、導通時に流れる電流をＩとしたとき、導通時の損失がＶｆｓｗ＊Ｉで表される。スイッチング素子６がＭＯＳＦＥＴである場合、導通時の抵抗をＲｏｎ、導通時に流れる電流をＩとしたとき、導通時の損失がＲｏｎ*Ｉ＾２で表される。またスイッチング素子６では、オンする瞬間とオフする瞬間にもスイッチング損失が発生する。そのためスイッチング素子６では、導通時の損失とスイッチング損失による熱が生じる。

　逆流防止素子５では、導通時の順電圧降下をＶｆｄ、導通時に流れる電流をIとしたとき、導通時の損失がＶｆｄ＊Ｉで表される。またスイッチング素子６がオンする瞬間、すなわち逆流防止素子５の導通が終了する瞬間にも、逆流防止素子５に逆電流が流れて損失が発生する。そのため逆流防止素子５では、導通時の損失と逆電流が流れる際の損失による熱が生じる。

　前述したようにコンデンサ３が電界コンデンサである場合、チョークコイル４、スイッチング素子６、逆流防止素子５で発生した熱がコンデンサ３へ影響を与える。一方、スイッチング素子６がオンした瞬間、すなわち逆流防止素子５の導通が終了する瞬間には、逆流防止素子５に逆電流が流れ、逆流防止素子５が逆回復動作をして損失が発生する。また、逆電流の大きさは逆電流が流れる経路が長くなるほど、経路長に起因したインダクタンスの増加が懸念される。ここで言う経路とは、コンデンサ３、逆流防止素子５、およびスイッチング素子の順で逆電流が流れる電流経路である。

　そこで本実施の形態では、チョッパ部２を構成する電気部品であるチョークコイル４、スイッチング素子６、逆流防止素子５の内、チョークコイル４のみをコンデンサ３から物理的に遠ざけて風路へ配置する。なお、本実施の形態では、図４に示す室外機２０２の送風室２０２ｅ、または図５に示す室内機２０１の送風室２０１ｃが「風路」に対応する。これにより、逆電流が流れる経路におけるインダクタンスを増加させることなくコンデンサ３への熱の影響を低減することができる。また、チョークコイル４を効果的に冷却することができるため、チョークコイル４を構成する巻線の放熱性が高まりチョークコイル４における損失の増加を抑制でき、またチョークコイル４を冷却することで、チョークコイル４を構成するコアの温度上昇が抑えられ、電流リプルを抑制でき、過電流に起因した故障を抑制することができる。

　図２に示す電力変換回路８は、コンバータ１０およびインバータ２０を有する。インバータ２０は、一例として３相ブリッジのインバータ回路であり、シリコンカーバイドを用いた６つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下「ＳｉＣ－ＩＧＢＴ」）２１ａから２１ｆと、還流素子である６つのシリコンカーバイドを用いたショットキーバリアダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｄｉｏｄｅ：以下「ＳｉＣ－ＳＢＤ」）２２ａから２２ｆとを備えている。ＳｉＣ－ＳＢＤ２２ａから２２ｆは、ＳｉＣ－ＩＧＢＴ２１ａから２１ｆが電流をＯＮからＯＦＦするときに生じる逆起電力を抑制する逆電流防止手段である。なお、ＳｉＣ－ＩＧＢＴ２１ａから２１ｆに代えて、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ-Ｏｘｉｄｅ-Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ-Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下「ＭＯＳＦＥＴ」）を用いてもよいし、ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴ（以下「ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ」）を用いてもよい。

　ワイドバンドギャップ半導体の一例であるシリコンカーバイドは、シリコンに比べて耐熱温度、絶縁破壊強度、および熱伝導率が大きい。本実施の形態ではシリコンカーバイドを絶縁ゲートバイポーラトランジスタとショットキーバリアダイオードに用いているが、シリコンカーバイドに代えて、窒化ガリウムまたはダイヤモンドを用いてもよい。

　コンバータ１０とインバータ２０との間には、直列に接続された２つの分圧抵抗１１ａ，１１ｂが設けられている。分圧抵抗１１ａ，１１ｂによる分圧回路によって高圧の直流電圧が低圧化され、低圧化された直流電圧である電圧検出値が制御部１２に入力される。

　電力変換回路８の動作を説明する。交流電源７からの交流電圧がコンバータ１０に印加され、コンバータ１０で変換された直流電圧は、インバータ２０で可変周波数の交流電圧に変換される。インバータ２０から供給される交流電力により電動機１００の回転子が回転する。回転数検出部１３では回転子の回転位置が検出され、回転数検出部１３からの位置情報が制御部１２に入力される。制御部１２では、外部から与えられる目標回転数Ｎの指令と、分圧抵抗１１ａ，１１ｂで検出された電圧検出値と、回転数検出部１３からの位置情報とに基づいて電動機１００を駆動するための出力電圧を演算する。制御部１２は、演算した出力電圧に対応するＰＷＭ信号を生成し、ＳｉＣ－ＩＧＢＴ２１ａから２１ｆへ出力する。なお、図示例のインバータ２０は３相ブリッジとしているが、３相ブリッジ以外のインバータ、一例としては単相インバータでもよい。

　図３の空気調和機２００は、図２に示す電力変換回路８を備えた機器の一例である。図３には、空気調和機２００を構成する室内機２０１と室外機２０２とが示される。図３では室外機２０２の内部に設けられる電気品箱５０と圧縮機２０２ｃと圧縮機２０２ｃに内蔵される電動機１００Ｂとを点線で示している。図４には、天面板２０２ｎから見た室外機２０２の内部構成が示される。図３では電気品箱５０の内部に設けられる制御基板５１と電力変換回路８とを点線で示している。図５には、図３の化粧パネル２０１ｂを取り外した状態の室内機２０１が示される。図６には、電気品箱５０の筐体５２の一部を取り外したときの状態が示される。電気品箱５０の筐体５２は、不燃材の一例である金属を加工して形成され、制御基板５１の全体を取り囲む構造である。制御基板５１には図２に示す電力変換回路８が設けられている。

　図３，５において、室内機２０１は、ケーシング２０１ａ、化粧パネル２０１ｂ、複数の吹出口２０１ｄ、送風ファン２０１ｅ、吸込口２０１ｇ、および電気品箱５０を有して構成されている。吸込口２０１ｇは、ケーシング２０１ａの下面中央に設けられ、複数の吹出口２０１ｄが吸込口２０１ｇの周囲に設けられている。吸込口２０１ｇの中央には電動機１００で回転する送風ファン２０１ｅが設けられている。電気品箱５０はケーシング２０１ａに設置される。図示例では、複数の吹出口２０１ｄの内、１つの吹出口２０１ｄと吸込口２０１ｇとの間に電気品箱５０が設置されている。室内機２０１のケーシング２０１ａには、これらの構成部品以外にもベルマウス、熱交換器、風向板が設けられているが、本実施の形態では図示を省略している。

　図示例のチョークコイル４は、電気品箱５０の側面、具体的には電気品箱５０の送風室２０１ｃ側の面に固定された状態で送風室２０１ｃに配置される。ただしチョークコイル４の配置場所はこれに限定されず、送風室２０１ｃの側面でもよい。

　室内機２０１の動作を説明する。冷房運転または暖房運転の指令が出力されたとき、図２に示す制御部１２が電力変換回路８を駆動することで送風ファン２０１ｅが回転する。送風ファン２０１ｅの回転により負圧が生じて送風室２０１ｃに外気が取り込まれ、チョークコイル４と図示しない熱交換器に風が通流し、吹出口２０１ｄを介して室内に吹出される。これによってチョークコイル４の冷却を促すことができる。なお、本実施の形態では一例で４方向カセット形の室内機２０１を用いているが、本実施の形態に係る電力変換回路８は４方向カセット形以外の形式の室内機にも適用可能である。

　図３，４において、室外機２０２は、熱交換器２０２ｉ、ファン固定部２０２ｈ、電動機１００Ａ、電動機１００Ｂ、送風ファン２０２ｄ、機械室２０２ｆ、圧縮機２０２ｃ、および電気品箱５０を有して構成されている。電気品箱５０は、機械室２０２ｆの天面板２０２ｎと圧縮機２０２ｃとの間に配置される。熱交換器２０２ｉはケーシング２０２ａの内部に設けられる。ファン固定部２０２ｈは熱交換器２０２ｉの背面部中央に設けられる。送風室２０２ｅはケーシング２０２ａの正面２０２ｊ側の吹出口２０２ｍと熱交換器２０２ｉとの間に設けられる。送風ファン２０２ｄの駆動源である電動機１００Ａは、ファン固定部２０２ｈによってケーシング２０２ａの送風室２０２ｅに配置される。送風ファン２０２ｄは電動機１００Ａの回転軸１０１に取り付けられる。圧縮機２０２ｃは機械室２０２ｆの内部に配置される。圧縮機２０２ｃの駆動源には電動機１００Ｂが用いられる。機械室２０２ｆは、仕切り板２０２ｇによって送風室２０２ｅと隔てられた防雨構造である。

　図４の例では、チョークコイル４が、熱交換器２０２ｉの背面部と送風ファン２０２ｄとの間に位置し、かつ、電気品箱５０の送風室２０２ｅ側の面に固定されている。チョークコイル４の配置場所はこれに限定されず、送風室２０２ｅ上であればファン固定部２０２ｈ、ケーシング２０２ａの側面部、または仕切り板２０２ｇでもよい。

　室外機２０２の動作を説明する。冷房運転または暖房運転の指令が出力されたとき、図２に示す制御部１２が電力変換回路８を駆動することで、圧縮機２０２ｃと送風ファン２０２ｄが駆動する。圧縮機２０２ｃが駆動することで熱交換器２０２ｉに冷媒が循環し、熱交換器２０２ｉの周囲の空気と冷媒との間で熱交換が行われる。また送風ファン２０２ｄの回転により負圧が生じるため、室外機２０２の側面および背面の空気が送風室２０２ｅに取り込まれる。このとき生じる風が熱交換器２０２ｉの背面部および側面部に流れることで、熱交換器２０２ｉにおける熱交換が促される。また、風がチョークコイル４に流れるため、チョークコイル４の冷却を促すことができる。

　図３から図６では、電気品箱５０の内部に電力変換回路８を配置した例を説明した。図７では電動機１００Ｃの内部に電力変換回路８を配置した例を説明する。

　図７に示す電動機１００Ｃは、回転軸１０１、回転子１０２、固定子１０３、制御基板１０４、およびブラケット１０５を有して構成されている。制御基板１０４には、制御ＩＣ１０７、ホールＩＣ１０８、パワーＩＣ１０９、およびコンデンサ１１２が配置されている。パワーＩＣ１０９には、図２に示すコンバータ１０およびインバータ２０が実装される。コンデンサ１１２は電力変換回路８のコンデンサ３に相当する。ホールＩＣ１０８は、図２に示す回転数検出部１３に相当する。なお、図２に示すチョークコイル４は、一例として前述した送風室２０１ｃまたは送風室２０２ｅに配置されているものとする。

　固定子１０３および制御基板１０４は、モールド樹脂１０６により機械的に結合され、一体的に成形される。固定子１０３の制御基板１０４側の端部にはハウジング１１０が形成されている。モールド樹脂１０６の外周部は、筐体１１１で取り囲まれている。筐体１１１は、不燃材の一例である金属を加工して形成され、ハウジング１１０からブラケット１０５までを取り囲んでいる。

　このように電動機１００Ｃは、パワーＩＣ１０９とコンデンサ１１２を配置した制御基板１０４を筐体１１１で取り囲む構成である。そのため、パワーＩＣ１０９で発生した熱の影響がコンデンサ１１２へ伝わりやすく、コンデンサ１１２が電解コンデンサである場合、コンデンサ１１２への熱の影響が懸念される。

　本実施の形態では、チョークコイル４が送風室２０１ｃまたは送風室２０２ｅに配置されるため、チョークコイル４の冷却が促されると共に、コンデンサ１１２への熱の影響が低減される。

　次にチョークコイル４の構成例を説明する。図８から図１０に示すチョークコイル４は、巻線部４０と、巻線部４０の一端側を覆う磁性体の第一のコア４１と、巻線部４０の他端側を覆う磁性体の第二のコア４２とを組み合わせて構成される。巻線部４０を構成する巻線４０ａは、第一のコア４１と第二のコア４２の内部に収納される。第一のコア４１と第二のコア４２で構成されるコアは、巻線４０ａの内周部に配置される内周部コアと、巻線４０ａの外周部を取り囲む外周部コア４１ｂ，４２ｂと、巻線４０ａの両端に配置され、内周部コアおよび外周部コア４１ｂ，４２ｂと一体に形成される端部コア４１ａ，４２ａとを有する。なお、内周部コアは、巻線４０ａの一端側に配置される第一の内周部コア４１ｄと、巻線４０ａの他端側に配置される第二の内周部コア４２ｄとを有する。

　第一のコア４１および第二のコア４２は、粒子状金属と樹脂との混合材を有底円筒状に成形したものを加圧および焼結して得られる。これにより、コアの形状の自由度が高まる。また巻線部４０の放熱性および取り付けやすさを考慮した形状のコアが得られる。その他、ケイ素鋼板を特定の形状に打ち抜き、積層してかしめることでコアを形成してもよい。この形成方法はモータの固定子の製造あるいは既存部品の製造に一般に採用されており、特に既存部品の形状を流用することで安価なコアを得ることができる。

　第一のコア４１の外周部コア４１ｂの内側には、端部コア４１ａの中心部に筒状の第一の内周部コア４１ｄが配置される。第一の内周部コア４１ｄは端部コア４１ａと一体に形成される。第二のコア４２も同様に構成され、第二のコア４２の外周部コア４２ｂの内側には、端部コア４２ａの中心部に筒状の第二の内周部コア４２ｄが配置される。第二の内周部コア４２ｄは端部コア４２ａと一体に形成される。

　図９の例では、第一の内周部コア４１ｄの端部４１ｅと第二の内周部コア４２ｄの端部４２ｅが巻線４０ａの内周側に位置し、外周部コア４１ｂの端部４１ｃと外周部コア４２ｂの端部４２ｃとが接触すると共に、第一の内周部コア４１ｄの端部４１ｅと第二の内周部コア４２ｄの端部４２ｅが接触する。この状態で第一のコア４１と第二のコア４２を、図示しない締結部材を用いて固定することで、チョークコイル４が得られる。なお、巻線４０ａと内周部コアとの接触を防止するため、巻線４０ａと内周部コアとの間に絶縁部材の一例である絶縁紙４３が設けられている。巻線４０ａの一方の端末４０ｂと他方の端末４０ｃは、凹部４１ｆ，４２ｆから引き出される。端末４０ｂは、図１の直流電源部１に接続され、端末４０ｃは逆流防止素子５とスイッチング素子６との接続部に接続される。

　図１０の例では、第一のコア４１および第二のコア４２の内部に樹脂４４が充填されている。樹脂４４を充填することで、チョークコイル４の内部に水が浸入し難くなり、チョークコイル４の信頼性を高めることができる。また樹脂４４を充填することで、第一のコア４１および第二のコア４２の内側面と巻線４０ａとの間における隙間がなくなる。そのため、巻線部４０で発生した熱が樹脂４４を介して第一のコア４１および第二のコア４２へ効率的に伝達され、巻線４０ａの放熱性が高まる。一般に巻線４０ａに用いられる材料の一例である銅およびアルミは、温度上昇により抵抗が増加する傾向が高い。そのため巻線４０ａの放熱性を高めることで、チョークコイル４における損失の増加を抑制できる。

　また図１０のコアでは、コアの磁気飽和を防止するため、第一の内周部コア４１ｄと第二の内周部コア４２ｄとが対向する部分に隙間４５が設けられている。ただし隙間４５は、磁気特性を持たないため、第一の内周部コア４１ｄの端部４１ｅと第二の内周部コア４２ｄの端部４２ｅから漏れ磁束が発生する。漏れ磁束は他の電子回路に影響を与えるノイズとなるためノイズ対策が必要となる。図示のチョークコイル４では、巻線４０ａと外周部コア４１ｂ，４２ｂがシールドとなり、漏れ磁束の放出を防ぐことができる。そのため、ノイズ対策のための新たな電気部品を設ける必要がなく、コスト低減が可能となる。ノイズ対策のための新たな電気部品の一例としてはノイズフィルタである。

　このようにチョークコイル４の必須構成要素であるコアにエンクロージャの機能を持たせることで、チョークコイル用のエンクロージャを新たに設ける必要がない。従って、コストアップすることなくコンデンサ３への熱の影響を軽減することができる。またチョークコイル４を送風室２０１ｃまたは送風室２０２ｅに配置することで巻線４０ａの放熱性が高まり、巻線４０ａにおける損失の増加を抑制できる。チョークコイル４を構成するコアは温度上昇により磁気飽和を起こしやすく、コアの磁気飽和が起こるとインダクタンスが低下し、電流リプルが増加し、あるいは過電流に起因した故障を引き起こす可能性がある。チョークコイル４を送風室２０１ｃまたは送風室２０２ｅに配置することでコアの温度上昇を抑えることができるため、電流リプルを抑制でき、過電流に起因した故障を抑制することができる。また、この構成により巻線４０ａの放熱性が向上するため、チョークコイル４に放熱治具、具体的には放熱用の放熱体を付ける必要がある場合でも、巻線４０ａの内部にコアを持つ従来のチョークコイルに比べて、放熱治具の小型化と低コスト化を図ることができる。

　また、チョークコイル４を送風室２０１ｃまたは送風室２０２ｅに配置することで、以下の効果も得ることができる。

　空気調和機２００の暖房運転時には、外気が低温であるため室外機２０２の熱交換器２０２ｉが着霜して目詰まりを起こす。これを防ぐため定期的に除霜運転が行われるが、除霜運転中は暖房運転が停止し、室内機２０１から冷風が排出されユーザに冷風感を与える場合がある。

　そこで室外機２０２の送風室２０２ｅにチョークコイル４を配置することで、除霜運転により送風ファン２０２ｄが回転した際、室外機２０２の吹出口２０２ｍから吸い込まれた空気が送風室２０２ｅを通流し、チョークコイル４の熱で温められた空気を熱交換器２０２ｉに当てることができる。そのため除霜運転時間を短縮することができる。

　また、室内機２０１の送風室２０１ｃにチョークコイル４を配置することで、除霜運転中に送風ファン２０１ｅを回転させることで、チョークコイル４の熱で温められた空気を吹出口２０１ｄから排出することができる。これによって除霜運転時に室内機２０１を通流する空気が暖められ、冷風感を緩和することができる。

　また、シリコンカーバイドを用いたスイッチング素子（以下「ＳｉＣ素子」）において以下の効果が得られる。ＳｉＣ素子の導通抵抗の温度特性はシリコンを用いたスイッチング素子（以下「Ｓｉ素子」）の導通抵抗の温度特性と逆となり、ＳｉＣ素子では低温で高抵抗となる傾向がある。またＳｉＣ素子では、Ｓｉ素子に比べてスイッチングの閾値電圧が低いという特徴があり、ＳｉＣ素子の閾値電圧は、ＳｉＣ素子が高温になるほど低くなる傾向がある。ここで、ＳｉＣ素子自体の発熱で中温および高温となったときの運転状態を想定してスイッチング素子の制御定数である閾値電圧が設定されている場合、以下のような問題が生じる。高負荷で運転していた機器が停止した直後に再起動したとき、ＳｉＣ素子の温度が高いため、閾値電圧が低い状態で再起動することになる。従って、ノイズにより意図しないタイミングでＳｉＣ素子がオン状態となり、電源短絡が生じて異常停止、再起動不可、または素子破損が生じる可能性がある。本実施の形態によれば、チョークコイル４で発生した熱がＳｉＣ素子に影響し難くなる。そのため、高負荷で運転していた機器が停止した場合でも、予め想定した閾値電圧に近い状態でＳｉＣ素子が再起動されるため、意図しないタイミングでＳｉＣ素子がオン状態となることを回避できる。

　なお、チョッパ部２は図１１から図１３に示す構成でもよい。図１１に示すチョッパ部２は、スイッチング素子６の一端が直流電源部１に接続され、スイッチング素子６の他端が逆流防止素子５とチョークコイル４との接続部に接続される。この構成の場合、コンデンサ３、逆流防止素子５、およびスイッチング素子６における経路長さに影響がなく、インダクタンスの増加が懸念される。

　図１２に示すチョッパ部２は、２つのチョークコイル４ａ，４ｂと、２つの逆流防止素子５ａ，５ｂと、二つのスイッチング素子６ａ，６ｂとを有する。チョークコイル４ａ，４ｂは、チョークコイル４ａの一端とチョークコイル４ｂの他端とが接続されている。チョークコイル４ａの他端とチョークコイル４ｂの他端は、スイッチング素子６ａ，６ｂを介して接続される。

　チョークコイル４ａ，４ｂのインダクタンス値が同一の値Ｌ１の場合、２つのスイッチング素子６ａ，６ｂがオンのときには、チョークコイル４ａ，４ｂが直列に接続され、Ｌ１の２倍のインダクタンス値を得ることができる。一方、２つのスイッチング素子６ａ，６ｂの一方のみオンのときには、Ｌ１と同値のインダクタンス値を得ることができる。なお、図１２では２つのチョークコイル４ａ，４ｂと２つのスイッチング素子６ａ，６ｂを用いた構成例を説明したが、３つ以上のチョークコイル４およびスイッチング素子６を用いてもよい。この構成により、電流容量が小さく高インダクタンスである製品にはチョークコイル４ａ，４ｂを直列に接続して用いることができ、電流容量が大きく低インダクタンスである製品にはチョークコイル４ａ，４ｂを並列に接続して用いることができる。すなわちチョークコイル４ａ，４ｂの接続態様を変更することで様々なインダクタンス値と電流容量に対応できる。またインダクタンス値が異なる複数種類のチョークコイル４を使う必要がなく、同一仕様のチョークコイル４ａ，４ｂを用いて電力変換回路８を製造することができ、コスト低減を図ることができる。

　図１３の回路では図１のコンデンサ３が２つのコンデンサ３ａ，３ｂに区分され、チョッパ部２は、チョークコイル４と、直列に接続された２つの逆流防止素子５ａ，５ｂと、二つのスイッチング素子６ａ，６ｂと、コンデンサ３ａとを有する。コンデンサ３ａは、一端が逆流防止素子５ａと逆流防止素子５ｂとの接続部に接続され、他端がスイッチング素子６ａとスイッチング素子６ｂとの接続部に接続されている。コンデンサ３ｂはチョッパ部２の出力に並列に接続されている。

　コンデンサ３ａ，３ｂの静電容量が各々同一の値Ｃ１の場合、スイッチング素子６ａがオフでありスイッチング素子６ｂがオンのときには、コンデンサ３ａ，３ｂが並列に接続され、Ｃ１の２倍の静電容量を得ることができる。一方、２つのスイッチング素子６ａ，６ｂが共にオフのときには、Ｃ１と同値の静電容量値を得ることができる。なお、図１３では２つのコンデンサ３ａ，３ｂと２つのスイッチング素子６ａ，６ｂを用いた構成例を説明したが、３つ以上のコンデンサ３およびスイッチング素子６を用いてもよい。図１３の回路では、コンデンサ３ａ，３ｂの接続態様を変更することで静電容量を容易に変更可能である。そのため、静電容量が異なる複数種類のコンデンサ３を使う必要がなく、同一仕様のコンデンサ３を用いて電力変換回路８を製造することができ、コスト低減を図ることができる。

　なお、本実施の形態では、室内機２０１、室外機２０２、または電動機１００Ｃに電力変換回路８を搭載した例を説明したが、電力変換回路８を備えた機器は室内機２０１、室外機２０２、または電動機１００Ｃに限定されず、冷蔵庫、扇風機にも適用可能である。また、本実施の形態の端部コア４１ａ，４２ａは、内周部コアおよび外周部コア４１ｂ，４２ｂと一体に形成され、内周部コアは、第一の内周部コア４１ｄと第二の内周部コア４２ｄとを有し、第一の内周部コア４１ｄと第二の内周部コア４２ｄとが対向する部分には隙間４５が設けられているが、これに限定されるものではない。端部コア４１ａ，４２ａは、内周部コアおよび外周部コア４１ｂ，４２ｂと別体で形成されてもよい。また内周部コアは、第一の内周部コア４１ｄと第二の内周部コア４２ｄとを有さずに、一体的に形成されたものでもよい。また第一の内周部コア４１ｄと第二の内周部コア４２ｄとが対向する部分には隙間４５を設けずに接触させる構成でもよい。また隙間４５の位置は、巻線４０ａの内周部以外の部分、詳細には第一の内周部コア４１ｄと端部コア４１ａとの間、または第二の内周部コア４２ｄと端部コア４２ａとの間でもよい。すなわち、コアは、巻線４０ａの内周部に配置される内周部コアと、巻線４０ａの外周部を取り囲む外周部コア４１ｂ，４２ｂと、巻線４０ａの両端に配置される端部コア４１ａ，４２ａとを有する。このように構成しても、内周部コアと外周部コア４１ｂ，４２ｂと端部コア４１ａ，４２ａとによって磁路が形成されると共に、漏れ磁束が低減されノイズ対策のための新たな電気部品を設ける必要がない。

　以上に説明したように本実施の形態では、コンバータ１０が、直流電源部１と、スイッチング素子６のオンオフにより、直流電源部１で変換された直流電力の電圧を異なる値の電圧に変換する直流電圧変換部であるチョッパ部２と、を備え、チョッパ部２を構成するチョークコイル４は、巻線と巻線の全体を囲む磁性体のコアとで構成され、電力変換回路８を備えた機器の風路に配置される。この構成によりチョークコイル４を効果的に冷却することができるため、チョークコイル４における損失の増加を抑制できる。また、コンデンサ３またはコンデンサ１１２が電界コンデンサであり、かつ、スイッチング素子６および逆流防止素子５と共に筐体で取り囲まれている場合でも、チョークコイル４の熱が電界コンデンサに影響することがない。その結果、電力変換回路８を構成する電気部品の発熱が抑制され、高効率化を図ることができる。また、チョークコイル４を風路に配置することで、チョークコイル４を構成するコアの温度上昇が抑えられ、電流リプルを抑制でき、過電流に起因した故障を抑制することができる。

　１　直流電源部、２　チョッパ部、３　コンデンサ、４　チョークコイル、５　逆流防止素子、６　スイッチング素子、７　交流電源、８　電力変換回路、１０　コンバータ、１２　制御部、１３　回転数検出部、２０　インバータ、４０　巻線部、４１　第一のコア、４２　第二のコア、４３　絶縁紙、４４　樹脂、４５　隙間、５０　電気品箱、５１　制御基板、５２　筐体、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ　電動機、１０１　回転軸、１０２　回転子、１０３　固定子、１０４　制御基板、１０５　ブラケット、１０６　モールド樹脂、１０７　制御ＩＣ、１０８　ホールＩＣ、１０９　パワーＩＣ、１１０　ハウジング、１１１　筐体、１１２　コンデンサ、２００　空気調和機、２０１　室内機、２０２　室外機。

Claims

　交流電力を直流電力に変換するコンバータを備えた電力変換回路であって、
　前記コンバータは、
　交流電力を直流電力に変換して出力する直流電源部と、
　スイッチング素子およびチョークコイルを有し、前記スイッチング素子のオンオフにより、前記直流電源部で変換された直流電力の電圧を異なる値の電圧に変換する直流電圧変換部と、
　を備え、
　前記チョークコイルは、巻線と前記巻線の全体を囲む磁性体のコアとで構成され、前記電力変換回路を備えた機器の風路に配置される電力変換回路。
　前記コアは、
　前記巻線の内周部に配置される内周部コアと、
　前記巻線の外周部を取り囲む外周部コアと、
　前記巻線の両端に配置される端部コアと、
　を有する請求項１に記載の電力変換回路。
　前記内周部コアと前記外周部コアと前記端部コアとは磁路を形成する請求項２に記載の電力変換回路。
　前記磁路内に隙間が形成されている請求項３に記載の電力変換回路。
　前記内周部コアは、前記巻線の一端側に配置される第一の内周部コアと、前記巻線の他端側に配置される第二の内周部コアとを有し、
　前記第一の内周部コアと前記第二の内周部コアとが対向する部分に前記隙間が設けられている請求項４に記載の電力変換回路。
　前記風路は、前記電力変換回路を備えた機器である空気調和機の送風ファンによる風が流れる送風室であり、
　前記チョークコイルは、前記送風室に配置される請求項１または請求項２に記載の電力変換回路。
　前記チョークコイルは、前記空気調和機の室内機に形成された前記送風室に配置される請求項６に記載の電力変換回路。
　前記チョークコイルは、前記空気調和機の室外機に形成された前記送風室に配置される請求項６に記載の電力変換回路。
　前記コンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、
　前記インバータは、前記送風ファンの駆動源である電動機を駆動する請求項６から請求項８の何れか一項に記載の電力変換回路。
　前記コンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、
　前記インバータは、圧縮機に内蔵された電動機を駆動する請求項１から請求項８の何れか一項に記載の電力変換回路。
　前記インバータを構成するスイッチング素子または還流素子がワイドバンドギャップ半導体で形成されている請求項９または請求項１０に記載の電力変換回路。
　前記コンバータを構成する前記スイッチング素子または逆流防止素子がワイドバンドギャップ半導体で形成されている請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の電力変換回路。