JP2011176974A - インバータ装置、圧縮機、及び冷媒サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 パワーモジュールに、ワイドギャップ半導体のスイッチング素子を用い、放熱板とパワーモジュールとの間に設置される放熱シートの厚さを、従来のSiスイッチング素子で使用していた放熱シートよりも厚く形成することで、漏洩電流を抑制する。
【選択図】 図5
Description
また、放熱板からの放熱効率を上げるために、空冷ではなく水冷にすることも考えられるが、装置が複雑化するという問題がある。
図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷媒回路図である。
図1に示すように、空気調和機は、容量制御が可能なインバータ式の圧縮機1、四方弁2、室外熱交換器3を有する室外機4と、膨張弁5、室内熱交換器6を有する室内機7と、室外機4と室内機7とを接続するガス配管8、液配管9とで主に構成されている。
配管8、四方弁2を介して圧縮機1に吸入される。
また、暖房運転時には、圧縮機1から吐き出されたガス冷媒は、四方弁2を通り、ガス配管8を通って室内機7に送られ、室内機7では、室内熱交換器6で、冷媒が室内の空気に熱を放出して液冷媒になり、膨張弁5を通過した際に、低圧の気液二相状態となり、液配管9を通って、室外機7に送られ、室外熱交換器3で、冷媒が外気から熱を吸収することで蒸発してガス冷媒となり、四方弁2を介して圧縮機1に吸入される。
なお、圧縮機1は、例えば、冷房運転で外気温度が高いなど、負荷が高い場合には回転数を上げて冷媒循環量を増やし、逆に、負荷が低い場合には回転数を下げて冷媒循環量を減らすような容量制御がなされている。
図2に示すように、1相が接地された3相の電源10と、6個のダイオード11で構成される整流回路12と、直流リアクトル13と、直流平滑コンデンサ14と、6個のスイッチング素子15とダイオード16とが逆並列に接続されて構成された逆変換回路17とで主に構成され、スイッチング素子15のON/OFFを変えることで、圧縮機1内に配置された三相交流のモータ18の三相コイルに流れる電流を変え、モータ15を回転させる。また、スイッチング素子15のON/OFFは、制御部(図示せず)からの信号により、PWM制御でなされている。
図3は、インバータ装置の出力電圧を対地電位として例示したものである。アース電位0vに対して、+−Vdc(おおむね交流電圧のピーク値)で図示する電位の幅の中でPWM制御により高速で上下変動していることを示している。この電位変動によりc×dv/dtの漏洩電流が発生することになる(cは浮遊容量)。式より、漏洩電流は電位変動が早いほど大きく、浮遊容量が大きいほど大きくなる傾向がある。
図4は、室外機3の制御箱の内部構成を示す図であり、図4(a)は部品の配置された板状の壁部材の内側から見た正面図、図4(b)は壁部材の反対側から見た裏面図である。
図4(a)に示す様に、IPM20が壁部材側面に設置されたインバータ基板21の他に、伝送電源基板22、ファンインバータ基板23、電源端子板24、四方弁他の制御基板25、アース端子26が配置されている。
また、図4(b)に示すように、壁部材の外側には、IPM20の熱を逃がすための放熱フィン27が外部に突出して壁部材と一体に形成されている。室外機4の内部では、室外熱交換器3に外気を送るためのファン(図示です)が動作しているため、制御箱の壁面から突出した放熱フィン27の周囲に形成される空気の流れにより、IPM20の熱も逃げるようになっている。また、放熱フィン27は、制御箱の壁部材を介してアース端子26に電気的に接続されている。
図5に示すように、IPM20では、スイッチング素子として、SiC(炭化ケイ素)のMOFSETであるSiCスイッチング素子30が銅フレーム配線31の一方面にはんだ32で接着され、銅フレーム配線31の他方面には、セラミックなどの0.6〜1.0μmの厚さの絶縁基板33と銅などのベース板34が重ね合わされた形で構成されている。なお、汎用性を有するIPMでは配置場所や製造工程の均一化を図るために大きさに制約があり、絶縁基板の厚さは0.6〜1.0μmにするのが適している。SiCスイッチング素子30のゲート電極と銅フレーム配線31とが、端子35を介してインバータ基板23に電気的に接続されている。
また、IPM20のベース板34は、放熱シート36を挟んで放熱フィン27に設置している。これにより、IPM20のインバータ基板23と対向する面の反対側の面に放熱フィン27が設置されることになる。
SiCスイッチング素子30の熱は、絶縁基板33、ベース板34を介して放熱シート36に伝わり、放熱フィン27で周囲空気に放熱されることになる。なお、SiCスイッチング素子30からの漏洩電流も、熱と同じような流れで放熱フィン27に伝わることになる。
C=εS/d
ε:誘電率(ε=ε0×εr ε0は空気の誘電率、εrは絶縁物の誘電率)
S:絶縁物の面積 (mm2)
d:絶縁物の厚み (mm)
この式から、絶縁物dの厚さと、静電容量Cとの関係は、図6に示すグラフのようになり、絶縁物dを厚くすればするほど、静電容量は増え、漏洩電流を少なく出来るが、厚くすれば絶縁物の熱伝熱性能は落ちることになる。
この原理は、放熱シート36にも適用されるものである。
さらに、放熱シートを厚くすることで漏洩電流の効果を得るためには、10dBのノイズ抑制のために、漏洩電流を3分の1以下にするように、厚みを0.75mm以上にすることが好ましい。
また、放熱シートも同等の放熱特性を有するものであれば、他の素材からなる放熱シートでも良い。
さらに、ここではIPMとしたが、SiCスイッチング素子をモジュール化したものであれば、例えば、IGBT等でもよい。
図7は、この発明の実施の形態2におけるインバータ装置である。なお、図5と同一の構成のものは同一の符号をつけ、説明を省略する。
放熱板37は、図7(b)の放熱シート36と放熱フィン37との接触部分の拡大図にも示すように、放熱フィン37の接触面は、凹凸が形成されるように面祖度が粗くなっており、放熱シート36とは凸で接触するようになっている。
Siスイッチング素子では、放熱フィンと放熱シートとの接触面積を上げ、放熱効率を上げるために放熱フィンの接触面と磨いていたが、SiCスイッチング素子では、高温度にも耐えられるため、磨く工程を不要と出来、作業効率を向上させることができる。
また、接触性を上げるために、放熱グリース、又は、放熱シートの両面或いは片面に放熱グリースを塗布するようにしたり、モジュールと放熱フィンとをネジ締めで押し付けるようにしていたが、SiCスイッチング素子は高温に耐えられるために密着性を上げることが不要となり、グリースを使用でのたれ洩れ、ネジ締めでの応力によるモジュール破壊を抑制できる。
2 四方弁
3 室外熱交換器
4 室外機
5 膨張弁
6 室内熱交換器
7 室内機
8 ガス配管
9 液配管
10 電源
11 ダイオード
12 整流回路
13 直流リアクトル
14 直流平滑コンデンサ
15 スイッチング素子
16 ダイオード
17 逆変換回路
18 モータ
20 IPM
21 インバータ基板
22 伝送電源基板
23 ファンインバータ基板
24 電源端子板
25 制御基板
26 アース端子
27 放熱フィン
30 SiCスイッチング素子
31 銅フレーム配線
32 はんだ
33 絶縁基板
34 ベース板
35 端子
36 放熱シート
37 放熱フィン
Claims (8)
- 基板と、前記基板に接続される端子、及び少なくとも1つのワイドギャップ半導体からなるスイッチング素子とを有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールの前記基板と対向する面の反対側の面に放熱シートを介して設置される放熱板とを備えたインバータ装置であって、前記放熱シートはシリカ粉末、アルミナ粉末、窒化アルミナ粉末、黒鉛粉末の少なくとも1つを含有し、厚さが0.75mm〜1.25mmのシリコーンゴムであることを特徴とするインバータ装置。
- 基板と、前記基板に接続される端子、及び少なくとも1つのワイドギャップ半導体からなるスイッチング素子とを有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールの前記基板と対向する面の反対側の面に放熱シートを介して設置される放熱板とを備えたインバータ装置であって、前記放熱シートは熱抵抗が0.5〜3.5℃/Wで、厚さが0.75mm〜1.25mmの素材で構成されていることを特徴とするインバータ装置。
- パワーモジュールは、ワイドギャップ半導体からなるスイッチング素子に重ねるように設置されたセラミックの絶縁基板、及びベース板を有することを特徴とする請求項1または2に記載のインバータ装置。
- 絶縁基板は、0.6μm〜1.0μmであることを特徴とする請求項3に記載のインバータ装置。
- 放熱板の放熱シート接触面には凹凸が形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のインバータ装置。
- ワイドギャップ半導体はSiCであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のインバータ装置。
- 請求項1から6のいずれかに記載のインバータ装置と、前記インバータ装置によりPWM制御されるモータとを有することを特徴とする圧縮機。
- 請求項7に記載の圧縮機と、室外側熱交換器とを有する室外機と、室内熱交換器と膨張弁とを有する室内機と、前記室外機及び前記室内機を接続するガス配管、及び液配管とを備えたことを特徴とする冷媒サイクル装置。
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