JP2020099124A - 電力変換装置、及び、これを備える冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
<電力変換装置の構成>
図1は、第1実施形態に係る電力変換装置100を含む構成図である。
図1に示す電力変換装置100は、直流電源Eから入力される直流電力を三相交流電力に変換し、この三相交流電力をモータMに出力するインバータである。なお、図1に示す直流電源Eとして、交流電源(図示せず)、及び、交直変換を行うコンバータ(図示せず)が用いられてもよい。
図11は、比較例に係る電力変換装置が備える半導体スイッチング素子の電圧波形の一例を示す説明図である。
なお、比較例に係る電力変換装置(図示せず)は、寄生インダクタンス低減手段20(図1参照)を備えていない点を除いて、本実施形態の電力変換装置100(図1参照)と同様の構成であるものとする。
図2は、電力変換装置100が備える寄生インダクタンス低減手段20の等価回路を含む説明図である。
図2に示すように、寄生インダクタンス低減手段20は、スナバコンデンサ21と、第1導体パターンk1,h1と、第2導体パターンk2,h2と、を備えている。
他方の第1導体パターンh1は、負極側電源線N(直流給電ライン)の一部としてプリント配線板60(図3参照)に実装される導体パターンである。図2に示すように、第1導体パターンh1は、電力変換回路30の負極側の入力端子INに接続されている。
このように、プリント配線板60(図3参照)は、電力変換回路30の正極側・負極側のそれぞれに接続されて「直流給電ライン」の一部をなす第1導体パターンk1,h1を有している。
このように、プリント配線板60(図3参照)は、電力変換回路30とスナバコンデンサ21とを正極側・負極側のそれぞれで接続する第2導体パターンk2,h2を有している。なお、図2に示す寄生インダクタンスLa1,Lb1,La2,Lb2等については、後記する。
なお、図3の上図は、プリント配線板60等の平面図である。一方、図3の下図は、プリント配線板60等の側面図である。
図3に示す例では、プリント配線板60と放熱器70とが組み合わされてなる基板組として、電力変換装置100が構成されている。前記した基板組(つまり、電力変換装置100)は、所定のケース(図示せず)に収納された状態で使用されることが多い。
入力端子INは、プリント配線板60に実装された負極側の第1導体パターンh1(図3では図示を省略、図2参照)に接続されている。
なお、工具(図示せず)を用いてネジGa,Gbを締めたり緩めたりする際、この工具が挿入されるネジ孔Ha,Hbが、プリント配線板60に設けられている。すなわち、プリント配線板60においてネジGa,Gbに対応する位置には、ネジ孔Ha,Hbが設けられている。さらに、プリント配線板60の四隅にも、それぞれ、ネジ孔(図示せず)が設けられている。これらのネジ孔を介して挿入された4つのネジGcが、スペーサScを介して、放熱器70に螺合している。
なお、図4Aでは、第1導体パターンk1,h1において、実際にはスナバコンデンサ21で隠れて見えない部分も透視して図示している。
なお、「半田面」とは、プリント配線板60において半田付けがなされる面(部品面の裏側の面)であり、放熱器70(図3参照)に臨んでいる。また、図4Bでは、プリント配線板60を部品面側から見た場合において、実際には見えない半田面側の第1導体パターンk1a,h1aや第2導体パターンk2,h2を透視して破線で図示している。
図2に示す寄生インダクタンスLpは、第1導体パターンk1(図4A参照)において、直流電源E(図1参照)からスルーホールjk(図4A参照)までの部分の寄生インダクタンスである。
なお、半導体スイッチング素子31〜36(図1参照)のいずれかがオンからオフに遷移し、直流側の入力端子IPへの電流が減少しているときの電流の向きを、図5では矢印で示している。また、第1導体パターンk1や第2導体パターンk2における磁束の向きを別の矢印で示している。
なお、図6の横軸は時間であり、縦軸は電流値である。
図6(及び図2)に示す電流IDCは、第1導体パターンk1に流れる電流である。また、電流IINV_INは、電力変換回路30の直流側の入力端子IPに流れる電流である。電流ISCは、第2導体パターンk2やスナバコンデンサ21の正極に流れる電流である。
なお、負極側の第1導体パターンh1(図2参照)及び第2導体パターンh2(図2参照)に関しても、同様の作用が奏される。
第1実施形態によれば、プリント配線板60の絶縁層60sを挟んで近接している第1導体パターンk1及び第2導体パターンk2において、互いに逆向きの電流が流れる(図5参照)。これによって、第1導体パターンk1に発生する磁束と、第2導体パターンk2に発生する磁束と、が打ち消されるため、寄生インダクタンスに伴う逆起電力(スパイク電圧)が低減される。なお、負極側の第1導体パターンh1や第2導体パターンh2についても同様である。
第2実施形態は、プリント配線板60A(図7A参照)の片面に所定の導体パターンk,h(図7A参照)が実装されている点が、第1実施形態とは異なっている。なお、その他については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
図7Aに示すように、寄生インダクタンス低減手段20Aは、正極側の導体パターンkと、負極側の導体パターンhと、スナバコンデンサ21と、を備えている。正極側の導体パターンkには、第1導体パターンk1(図7B参照)と、第2導体パターンk2(図7B参照)と、が含まれている。なお、負極側の導体パターンhについても同様である。これらの導体パターンk,hは、平面視において所定に折れ曲がった形状を呈し、プリント配線板60Aの片面(部品面)に設けられている。
なお、図7Bには、電流の流れる向きを矢印として図示した他、第1導体パターンk1,h1や第2導体パターンk2,h2を示す符号を記載している。また、図7Bの符号等を見やすくするために、スナバコンデンサ21(図7A参照)や電力変換回路30(図7A参照)の図示を省略している。なお、その他については、図7Bは、図7Aと同一である。
第2実施形態によれば、プリント配線板60Aの部品面に設けられた第1導体パターンk1と第2導体パターンk2とにおいて、互いに逆向きの電流が流れる。これによって、寄生インダクタンスに伴う逆起電力(スパイク電圧)が低減される。
第3実施形態は、電力変換装置100B(図8参照)が2つのスナバコンデンサ22,23(図8参照)を備えている点が、第1実施形態とは異なっている。なお、その他については、第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
図8に示すように、寄生インダクタンス低減手段20Bは、並列接続された2つのスナバコンデンサ22,23を備えている。スナバコンデンサ22,23の正極は、第2導体パターンk2を介して、入力端子IPに接続されている。一方、スナバコンデンサ22,23の負極は、第2導体パターンh2を介して、入力端子INに接続されている。すなわち、電力変換回路30と、スナバコンデンサ22,23と、は第2導体パターンk2,h2を介して、正極側・負極側のそれぞれで接続されている。
図12に示す白抜き矢印は、電力変換装置の回路部品を冷却するための冷却風の向きである。なお、プリント配線板60に冷却風を送り込むファンFが設置されていてもよい。
また、図12に示す破線矢印は、複合スナバコンデンサTに含まれるスナバコンデンサ22,23の配置方向である。この比較例では、冷却風の方向、直流給電ライン(図12では図示を省略)の方向、及び、スナバコンデンサ22,23の配置方向の全てが略平行になっている。
図9Aに示す寄生インダクタンス低減手段20Bは、第1導体パターンk1,h1と、第2導体パターンk2,h2(図9B参照)と、スナバコンデンサ22,23と、を備えている。
第1導体パターンk1,h1は、直流電源E(図1参照)と電力変換回路30とを接続する配線である。第1導体パターンk1,h1において、スナバコンデンサ22,23の各端子に対応する箇所には、それぞれ、切欠きfが設けられている。したがって、第1導体パターンk1,h1と、スナバコンデンサ22,23と、はプリント配線板60の部品面上では電気的に接続されていない。
別の観点から説明すると、スナバコンデンサ22,23は、それぞれ、扁平状を呈し、その扁平面22z,23zが平行となるようにプリント配線板60に実装されている。そして、第1導体パターンk1,h1及び第2導体パターンk2,h2が延びている方向と、前記した扁平面22z,23zと、が平行になっている。
第2導体パターンk2,h2は、スナバコンデンサ21と電力変換回路30とを接続する配線である。第2導体パターンk2には、スナバコンデンサ22,23の正極側の端子22a,23aが電気的に接続されている。他方の第2導体パターンh2には、スナバコンデンサ22,23の負極側の端子22b,23bが電気的に接続されている。
第3実施形態によれば、プリント配線板60の絶縁層(図示せず)を挟んで近接している第1導体パターンk1と第2導体パターンk2において、互いに逆向きの電流が流れる。これによって、寄生インダクタンスに伴う逆起電力が抑制され、スパイク電圧が低減される。
第4実施形態は、第1実施形態で説明した電力変換装置100(図10参照)を備える空気調和機W(冷凍サイクル装置:図10参照)について説明する。なお、電力変換装置100の構成については第1実施形態と同様であるから、その説明を省略する。
図10に示す空気調和機Wは、例えば、ビル用マルチエアコンであり、所定の空調を行う機能を有している。第4実施形態では、一例として、空気調和機Wが主に冷房運転を行う場合について説明する。
図10に示すように、空気調和機Wは、圧縮機1と、室外熱交換器2と、室外ファン3と、膨張弁4と、室内熱交換器5と、室内ファン6と、電力変換装置100と、を備えている。また、図10に示す冷媒回路Qは、圧縮機1、室外熱交換器2、膨張弁4、及び室内熱交換器5が、配管qを介して環状に順次接続された構成になっている。
室外ファン3は、室外熱交換器2に外気を送り込むファンであり、室外熱交換器2の付近に設置されている。
室内ファン6は、室内熱交換器5に室内空気を送り込むファンであり、室内熱交換器5の付近に設置されている。
第4実施形態によれば、空気調和機Wが、第1実施形態と同様の構成の電力変換装置100を備えている。これによって、エネルギ効率(APF:Annual Performance Factor)が高く、また、信頼性の高い空気調和機Wを提供できる。
以上、本発明に係る電力変換装置100や空気調和機W等について各実施形態で説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第1実施形態や第3実施形態では、プリント配線板60の部品面・半田面の2層にパターン層が形成される構成について説明したが、パターン層は3層以上であってもよい。すなわち、プリント配線板60が、複数のパターン層を有し、複数のパターン層の間に絶縁層が介在していてもよい。そして、第1導体パターンk1,h1と第2導体パターンk2,h2とが、互いに異なるパターン層に設けられる構成であってもよい。
第1実施形態に係る電力変換回路30(図1参照)では、半導体スイッチング素子31〜36がIGBTである構成について説明したが、これに限定されない。例えば、半導体スイッチング素子31〜36として、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、スーパージャンクションMOSFET、BiCMOS(Bipolar:CMOS)、サイリスタ(Silicon Controlled Rectifier)、GTO(Gate Turn-Off Thyrisor)等が用いられてもよい。
各実施形態では、電力変換回路30(図1参照)が、直流電圧を3相交流電圧に変換する3相インバータ回路である構成について説明したが、これに限らない。例えば、直流電圧を単相交流電圧に変換する単相インバータ回路(電力変換回路)が用いられる場合にも、各実施形態を適用できる。また、直流電圧を異なる大きさの直流電圧に変換するDC−DCコンバータ回路(電力変換回路)が用いられる場合にも、各実施形態を適用できる。その他、所定のインバータ回路を備えるアクティブフィルタ(インバータ装置等から交流電源側に漏洩する高調波電流を抑制する装置)にも、各実施形態が適用可能である。
第1実施形態では、直流電源E(図1参照)の具体的な構成については説明しなかったが、太陽電池やバッテリの他、交流電圧を整流して平滑して得られる直流電源等が用いられてもよい。
第4実施形態では、室外機Wo及び室内機Wiが1台ずつ設けられる空気調和機W(図10参照)について説明したが、これに限らない。例えば、一系統の空気調和機において、複数台の室内機が設けられるマルチ型の空気調和機にも各実施形態を適用できる。
また、前記した機構や構成は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての機構や構成を示しているとは限らない。
2 室外熱交換器(凝縮器/蒸発器)
3 室外ファン
4 膨張弁
5 室内熱交換器(蒸発器/凝縮器)
6 室内ファン
10 平滑コンデンサ
20,20A,20B 寄生インダクタンス低減手段
21,22,23 スナバコンデンサ
22z,23z 扁平面
30 電力変換回路
31,32,33,34,35,36 半導体スイッチング素子
50 制御手段
60,60A プリント配線板
60s 絶縁層
70 放熱器
100,100B 電力変換装置
E 直流電源
F ファン
Ga,Gb ネジ
Ha,Hb ネジ孔
IP 入力端子(正極側の入力端子)
IN 入力端子(負極側の入力端子)
Lp 寄生インダクタンス
M モータ
N 負極側電源線(直流給電ライン)
P 正極側電源線(直流給電ライン)
Q 冷媒回路
W 空気調和機(冷凍サイクル装置)
k1 第1導体パターン(正極側の第1導体パターン)
h1 第1導体パターン(負極側の第1導体パターン)
k2 第2導体パターン(正極側の第2導体パターン)
h2 第2導体パターン(負極側の第2導体パターン)
Claims (8)
- プリント配線板と、
前記プリント配線板に実装され、直流給電ラインを介して直流電源から直流電圧が印加される電力変換回路と、
前記プリント配線板に実装され、前記電力変換回路の入力側に接続されるスナバコンデンサと、を備え、
前記プリント配線板は、
前記電力変換回路の正極側・負極側のそれぞれに接続されて前記直流給電ラインの一部をなす第1導体パターンと、
前記電力変換回路と前記スナバコンデンサとを正極側・負極側のそれぞれで接続する第2導体パターンと、を有し、
前記電力変換回路の正極側の入力端子付近において、正極側の前記第1導体パターンに近接するように、正極側の前記第2導体パターンが設けられ、
前記電力変換回路の負極側の入力端子付近において、負極側の前記第1導体パターンに近接するように、負極側の前記第2導体パターンが設けられている電力変換装置。 - ネジを用いて前記電力変換回路に固定される放熱器をさらに備え、
前記プリント配線板と前記放熱器との間に前記電力変換回路が配置され、
前記プリント配線板において、前記ネジに対応する位置にネジ孔が設けられ、前記ネジ孔から外れた位置に前記スナバコンデンサが実装されていること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記プリント配線板は、複数のパターン層を有し、
複数の前記パターン層の間には、絶縁層が介在し、
前記第1導体パターンと前記第2導体パターンとは、互いに異なる前記パターン層に設けられること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記プリント配線板は、1層のパターン層を有し、
前記第1導体パターンと前記第2導体パターンとは、1層の前記パターン層に並んで設けられること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 並列接続された複数の前記スナバコンデンサが、前記プリント配線板に実装され、
前記電力変換回路と、複数の前記スナバコンデンサと、が前記第2導体パターンを介して、正極側・負極側のそれぞれで接続されていること
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記プリント配線板に冷却風を送り込むファンをさらに備え、
隣り合う前記スナバコンデンサの間の隙間を介して、前記ファンからの冷却風が通流するように、複数の前記スナバコンデンサが配置されていること
を特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。 - 複数の前記スナバコンデンサは、それぞれ、扁平状を呈し、その扁平面が平行となるように前記プリント配線板に実装され、
前記第1導体パターン及び前記第2導体パターンが延びている方向と、前記扁平面と、が平行であること
を特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。 - 圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を順次に介して冷媒が循環する冷媒回路と、
所定の電力変換を行い、電力変換後の電力を前記圧縮機のモータに出力する電力変換装置と、を含み、
前記電力変換装置は、
プリント配線板と、
前記プリント配線板に実装され、直流給電ラインを介して直流電源から直流電圧が印加される電力変換回路と、
前記プリント配線板に実装され、前記電力変換回路の入力側に接続されるスナバコンデンサと、を備え、
前記プリント配線板は、
前記電力変換回路の正極側・負極側のそれぞれに接続されて前記直流給電ラインの一部をなす第1導体パターンと、
前記電力変換回路と前記スナバコンデンサとを正極側・負極側のそれぞれで接続する第2導体パターンと、を有し、
前記電力変換回路の正極側の入力端子付近において、正極側の前記第1導体パターンに近接するように、正極側の前記第2導体パターンが設けられ、
前記電力変換回路の負極側の入力端子付近において、負極側の前記第1導体パターンに近接するように、負極側の前記第2導体パターンが設けられている冷凍サイクル装置。
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