JP2010187435A - 電力変換装置、この電力変換装置を用いた駆動回路一体型モーター、この駆動回路一体型モーターを用いた空気調和機の室内機、空気調和機、換気扇及びポンプ、並びにこのポンプを用いた機器及び給湯機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モーター8の回転子を検出するセンサー5と、モーター8の回転数を制御するインバーター(HVIC9及びスイッチ素子12〜17)と、インバーターを制御する周辺回路(ゲート信号生成回路6)とを備え、周辺回路を一体構造とし、インバーターに設けられたスイッチ素子12〜17は、それぞれ別のパッケージで構成された面実装タイプのスイッチ素子が用いられている。
【選択図】図1
Description
また、電力変換装置を例えばプリント基板等に実装した場合でも、電力変換装置の薄型化が可能となる。この電力変換装置を用いられた各機器は、小型化することが可能となる。
また、生産数量の多い面実装タイプのスイッチ素子を用いているので、電力変換装置のコストを削減することができる。また、この電力変換装置を用いられた各機器のコストを削減することが可能となる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の回路図である。電力変換装置100は、モーターの回転を検出するセンサー5、ゲート信号生成回路6、HVIC9(ゲートドライブ回路)、チャージポンプダイオード11、及びスイッチ素子12〜17等から構成されている。この電力変換装置100には、高圧電源1、低圧電源2、指令入力線3、FG信号出力線4等が接続されている。ここで、ゲート信号生成回路6が周辺回路に相当する。HVIC9(ゲートドライブ回路)及びスイッチ素子12〜17がインバーターに相当する。
近年、家庭用空気調和機のファンモーターに使用されているΦ100mm以下のステーターコアを、業務用空気調和機のファンモーターに流用することが多くなっている。家庭用空気調和機のファンモーターに使用されているΦ100mm以下のステーターコアは、多くの数が市場に流通しており、低コストだからである。この場合、業務用空気調和機のファンモーターに接続される電力変換装置100には、家庭用空気調和機のファンモーターに接続されていたときよりも多くの電流が流れる。このため、スイッチ素子12〜17を通過する電流も増加する。
I<VCEsat/Ron
ここで、Iはスイッチ素子電流、VCEsatはIGBTのON電圧、RonはMOSFETのON抵抗を表す。
したがって、
I≧VCEsat/Ron
の条件ではIGBTを用いた方が良いことになる。
このため、本実施の形態1では、I<VCEsat/Ronの場合はMOSFETを用い、I≧VCEsat/Ronの場合はIGBTを用いる。このようにスイッチ素子を使い分けることによって、スイッチ素子12〜17の定常損失を抑制している。
より詳しくは、面実装タイプのセンサー5は、プリント基板21のステーター側で、貫通孔26の左側から下側にかけて実装されている。面実装タイプのゲート信号生成・ゲートドライブIC7は、プリント基板21のステーター側で、上側に実装されている。面実装タイプのチャージポンプダイオード11は、プリント基板21のステーター側で、貫通孔26の右上側に実装されている。薄型面実装タイプ(詳細は、図4で後述)のスイッチ素子12〜17は、プリント基板21のステーター側で、右側に実装されている。リード部品19は、基板からの入出力線をまとめたものである。本実施の形態1では、リード部品19は、高圧電源1、低圧電源2、指令入力線3及びFG信号出力線4と接続される。リード部品19は、プリント基板21の反ステーター側で、下側に実装される。なお、貫通孔26は、基板内蔵型のモーター(例えば図3)にプリント基板21を用いた際に、ベアリング等を貫通させるための孔である。
例えば、家庭用空気調和機等に用いられている駆動回路一体型モーターに従来の電力変換装置(例えば特許文献1参照)を内蔵した場合、MOSFETモジュールをプリント基板21の反ステーター側に実装しなければならない。このMOSFETモジュールのパッケージ厚みは例えば4mm程度である。しかしながら、本実施の形態1に係る電力変換装置100はプリント基板21のステーター側に全ての面実装部品を集めているので、MOSFETモジュールのパッケージ厚み分、ステーター20のステーターコアの幅を大きくすることができる。従来の電力変換装置を内蔵した駆動回路一体型モーターのステーターコアの幅が10mm程度だった場合、MOSFETモジュールのパッケージ厚み4mm分ステーターコアの幅を大きくすると、同一の外形にもかかわらず40%も出力が向上した駆動回路一体型モーターを得ることができる。
リードフレーム41は、半導体素子40の高電位側とダイボンディングで電気的に接続されている。ドレイン側リードフレーム42は、アルミストラップ43を介して半導体素子40のドレイン電極と電気的に接続されている。ゲート側リードフレーム44は、ワイヤーボンディングにより、ワイヤー45を介して半導体素子40のゲート電極と電気的に接続されている。ソース側リードフレーム47は、半導体素子40のソース電極と電気的に接続されている。なお、ドレイン側リードフレーム42は、アルミストラップ43を介さずに、半導体素子40のドレイン電極と直接接続されていてもよい。
ただし、スイッチ素子12は、従来のスイッチ素子に比べ表面積は低減している。また、金属製のヒートスプレッダーやフィンを用いた場合、スイッチ素子12は従来のスイッチ素子のように絶縁距離が確保できないといった課題も懸念される。しかしながら、本実施の形態1では、スイッチ素子12の周囲にモールド樹脂46を充填することにより、半導体素子40が発する熱を効率的に放熱している。これにより、放熱と絶縁の課題を一度に解決している。
図6は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構造図である。図6(a)は、図7に示す駆動回路一体型モーターのステーター側から電力変換装置100を見た図である。図6(b)は、図7に示すステーター20の反ステーター側から電力変換装置100を見た図である。図6(a)及び図6(b)で各部品の位置関係がわかりやすいように、図6(a)は左右を反転させて記載している。なお、本実施の形態2において、特に記述しない項目については実施の形態1と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
また、本実施の形態2に係る電力変換装置100は、センサー5、ゲート信号生成・ゲートドライブIC7及びチャージポンプダイオード11が、プリント基板21のステーター側に実装されている。そして、スイッチ素子12〜17及びリード部品19がプリント基板21の反ステーター側に実装されている。つまり、高圧部品のスイッチ素子12〜17と高圧配線が接続されたリード部品19をプリント基板21の反ステーター側に実装し、プリント基板21のステーター側には主として低圧部品が実装されている。このため、実施の形態1と比べて、プリント基板21の両面を有効に利用することができる。
なお、ヒートポンプ給湯機の送風機やポンプにこの電力変換装置100を内蔵した駆動回路一体型モーターを用いた場合においても、同じ効果が得られることは言うまでもない。
図9は、本発明の実施の形態3に係る電力変換装置の回路図である。本実施の形態3に係る電力変換装置100は、モーター8の相毎に分かれた3つのHVIC9(ゲートドライブ回路)を用いている。これらHVIC9(ゲートドライブ回路)のそれぞれは、モーター8の同一相に接続される一組の上下スイッチ素子(例えばスイッチ素子12とスイッチ素子15)毎に接続されている。
電力変換装置100は、ドーナツ形状のプリント基板21に実装されている。
また、本実施の形態2に係る電力変換装置100は、センサー5、ゲート信号生成・ゲートドライブIC7、チャージポンプダイオード11、スイッチ素子12〜17及びリード部品19が、プリント基板21のステーター側に実装されている。
MOSFETモジュール201のパッケージサイズにより、プリント基板202の最小半径は、次式のようになる。
r22 = (L2/2)2 +(r1+L1)2
ここで、r2はプリント基板202の半径、r1はプリント基板202の中心部に形成された貫通孔の半径、L2はMOSFETモジュールの長手方向のパッケージ長さ、L1はMOSFETモジュールの短手方向のパッケージ長さを示す。
図13は、本発明の実施の形態4に係る換気扇の縦断面模式図である。図13に示す換気扇は、電力変換装置100を内蔵した駆動回路一体型モーターを用いた換気扇である。この換気扇は、電力変換装置100を内蔵した駆動回路一体型モーター、金属筐体33、シロッコファン34及び換気扇グリル36等から構成されている。
本実施の形態4では、この交流直流変換部は、ゲート信号生成回路6やHVIC9と共に、ゲート信号生成・ゲートドライブIC7内に配置されている。つまり、交流直流変換部も、プリント基板21のステーター側に実装されている。このため、交流直流変換部も内蔵した駆動回路一体型モーターを得ることができる。つまり、交流直流変換部の実装スペースがとれない換気扇等の機器にも搭載可能な駆動回路一体型モーターを得ることができる。
実施の形態1〜実施の形態4に示す電力変換装置100及びこの電力変換装置100を内蔵した駆動回路一体型モーターをポンプに用いても、実施の形態1〜実施の形態4に記載の効果を有するポンプを得ることができる。また、このポンプを給湯機に搭載することにより、実施の形態1〜実施の形態4に記載の効果を有する給湯機が得られることは言うまでもない。また、このポンプは、給湯機以外の機器にももちろん搭載可能である。実施の形態1〜実施の形態4に記載の効果を有する機器を得ることができる。
Claims (16)
- モーターの回転子を検出するセンサーと、
モーターの回転数を制御するインバーターと、
該インバーターを制御する周辺回路と、
を備え、
前記周辺回路を一体構造とし、
前記インバーターの複数のスイッチ素子は、それぞれ別のパッケージで構成された面実装タイプのスイッチ素子が用いられていることを特徴とする電力変換装置。 - 前記周辺回路は、
前記スイッチ素子のそれぞれに出力するゲート信号を形成するゲート信号生成回路を備え、
前記インバーターは、
前記ゲート信号生成回路のゲート信号を増幅させて前記スイッチ素子のそれぞれに出力するゲートドライブ回路を備え、
前記ゲート信号生成回路及び前記ゲートドライブ回路は、一体構造となっていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記ゲート信号生成回路及び前記ゲートドライブ回路は、PN接合プロセスで形成されていることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチ素子は、
モーターの電力供給源となる高圧電源の正側出力端子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続され、
前記高圧電源の正側出力端子に接続された前記スイッチ素子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続された前記スイッチ素子のうち、前記ゲートドライブ回路からのゲート信号の入力時間が長い方の前記スイッチ素子には、MOSFETを用いることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記スイッチ素子は、
モーターの電力供給源となる高圧電源の正側出力端子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続され、
前記高圧電源の正側出力端子に接続された前記スイッチ素子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続された前記スイッチ素子のうち、前記ゲートドライブ回路からのゲート信号の入力時間が短い方の前記スイッチ素子には、IGBTを用いることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の電力変換装置をプリント基板に実装し、
該プリント基板上の前記電力変換装置とステーターとを、
電気的に接続し、
樹脂により封止したことを特徴とする駆動回路一体型モーター。 - 前記プリント基板を半月形状に形成したことを特徴とする請求項6に記載の駆動回路一体型モーター。
- 前記スイッチ素子は、前記プリント基板の前記ステーター側の面に実装されることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の駆動回路一体型モーター。
- 前記スイッチ素子は、前記プリント基板における前記ステーター側とは反対の面に実装されることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の駆動回路一体型モーター。
- 前記ステーターの外形がΦ100mm以下であることを特徴とする請求項6〜請求項9のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーター。
- 請求項6〜請求項10のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とする空気調和機の室内機。
- 請求項6〜請求項10のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とする空気調和機。
- 請求項6〜請求項10のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とする換気扇。
- 請求項6〜請求項10のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とするポンプ。
- 請求項14に記載のポンプを用いたことを特徴とする機器。
- 請求項14に記載のポンプを用いたことを特徴とする給湯機。
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