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

電力変換装置、及び、これを備える冷凍サイクル装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電力損失や電磁ノイズの低減を図った電力変換装置等を提供する。【解決手段】電力変換装置100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と、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と、を有する。電力変換回路30の正極側の入力端子IP付近において、第1導体パターンk1に近接するように、第2導体パターンk2が設けられる。また、電力変換回路30の負極側の入力端子IN付近において、第1導体パターンh1に近接するように、第2導体パターンh2が設けられる。【選択図】図2

Description

本発明は、電力変換装置等に関する。
モータを駆動するインバータ等の電力変換装置が知られている。インバータは、半導体スイッチング素子のスイッチング動作を行うことで、負荷であるモータに電力を供給する。また、スイッチング動作によって、半導体スイッチング素子と直流電源とを接続する配線に電流変化が生じ、配線上の寄生インダクタンスによって逆起電力が生ずる。
その結果、半導体スイッチング素子の電流遮断時に、前記した逆起電力と電源電圧とを合成した電圧が半導体スイッチング素子に印加される。なお、逆起電力の発生期間は、半導体スイッチング素子のスイッチングパルス幅と比較して極めて短く、その電圧波形はスパイク状になる。したがって、半導体スイッチング素子の電圧は、電源電圧にスパイク状の電圧(以下、「スパイク電圧」という)が重畳した波形になる。このようなスパイク電圧による半導体スイッチング素子の破壊を防ぐために、通常、電源電圧とスパイク電圧の合成電圧値よりも耐圧の高い半導体スイッチング素子が用いられる。
なお、半導体スイッチング素子の耐圧と、そのオン電圧やオン抵抗との間には、一般的に比例関係がある。したがって、スパイク電圧による破壊を防ぐために耐圧の高いスイッチング素子を用いると、電力損失が増加する。さらにスパイク電圧は、電磁ノイズの発生を助長するため、機器の誤動作を誘発するおそれがある。このようなスパイク電圧を低減する技術として、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。
すなわち、特許文献1には、「第1板状導体と第2板状導体は、絶縁体との積層状態で、樹脂封止の表面から突出して駆動制御回路の側部を横切り、さらに第1板状導体と第2板状導体は、それぞれの先端部がパワーモジュールの電極と接続される」構成の電力変換装置について記載されている。
特開2011-239679号公報
ところで、寄生インダクタンスによる逆起電力を低減する素子として、スナバコンデンサが知られている。このスナバコンデンサを用いて逆起電力を効果的に低減するには、半導体スイッチング素子の近傍にスナバコンデンサを実装することが望ましい。
しかしながら、半導体スイッチング素子の形状や取付方法等の制約から、半導体スイッチング素子の近傍にスナバコンデンサを配置できないことがある。このような場合でも、逆起電力に伴う電力損失や電磁ノイズを低減することが求められているが、特許文献1には、そのような技術について記載されていない。
そこで、本発明は、電力損失や電磁ノイズの低減を図った電力変換装置等を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明は、電力変換回路の正極側・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導体パターンと、前記電力変換回路と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構成とした。
本発明によれば、電力損失や電磁ノイズの低減を図った電力変換装置等を提供できる。
本発明の第1実施形態に係る電力変換装置を含む構成図である。 本発明の第1実施形態に係る電力変換装置が備える寄生インダクタンス低減手段の等価回路を含む説明図である。 本発明の第1実施形態に係る電力変換装置のプリント配線板に実装される主な電子部品の配置を示す平面図・側面図である。 本発明の第1実施形態に係る電力変換装置が備えるプリント配線板の部品面の導体パターンを示す説明図である。 本発明の第1実施形態に係る電力変換装置が備えるプリント配線板の半田面の導体パターンを、部品面側から透視した場合の説明図である。 本発明の第1実施形態に係る電力変換装置において、図4A及び図4BにおけるII−II線矢視断面図である。 本発明の第1実施形態に係る電力変換装置が備える電力変換回路のいずれかの半導体スイッチング素子がオンからオフに遷移したときの電流波形の説明図である 本発明の第2実施形態に係る電力変換装置が備えるプリント配線板の部品面の導体パターンを示す説明図である。 本発明の第2実施形態に係る電力変換装置が備えるプリント配線板の部品面の導体パターンにおける電流の流れを示す説明図である。 本発明の第3実施形態に係る電力変換装置が備える寄生インダクタンス低減手段の等価回路を含む説明図である。 本発明の第3実施形態に係る電力変換装置が備えるプリント配線板の部品面の導体パターンを示す説明図である。 本発明の第3実施形態に係る電力変換装置が備えるプリント配線板の半田面の導体パターンを、部品面側から透視した場合の説明図である。 本発明の第4実施形態に係る空気調和機の構成図である。 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。 比較例に係る電力変換装置が備える複合スナバコンデンサの配置を示す平面図である。
≪第1実施形態≫
<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1に示すように、電力変換装置100の入力側は、正極側電源線P(直流給電ライン)を介して直流電源Eの正極に接続されるとともに、負極側電源線N(直流給電ライン)を介して直流電源Eの負極に接続されている。そして、前記した「直流給電ライン」を介して、電力変換回路30の入力側に直流電圧が印加されるようになっている。なお、正極側電源線Pや負極側電源線Nは、プリント配線板60(図3参照)の銅箔パターンや電線等を含む配線である。
図1に示すように、正極側電源線Pには寄生インダクタンスLpが含まれ、また、負極側電源線Nには寄生インダクタンスLnが含まれている。寄生インダクタンスLp,Lnは、正極側電源線Pや負極側電源線N(つまり、直流給電ライン)に広く分布するものであって、一箇所に集中して存在するものではないが、図1では便宜上、寄生インダクタンスLp,Lnとして図示している。
図1に示すように、電力変換装置100は、平滑コンデンサ10と、寄生インダクタンス低減手段20と、電力変換回路30と、電流検出手段41,42と、制御手段50と、を備えている。
平滑コンデンサ10は、直流電源Eから印加される電圧(脈流状の直流電圧)を平滑化するコンデンサである。平滑コンデンサ10は、その正極が正極側電源線Pに接続され、負極が負極側電源線Nに接続されている。
寄生インダクタンス低減手段20は、正極側電源線Pや負極側電源線Nを含む配線の寄生インダクタンスを低減するものである。詳細については後記するが、寄生インダクタンス低減手段20は、スナバコンデンサ21等(図2参照)を備えている。図1に示すように、寄生インダクタンス低減手段20の入力側は、正極側電源線Pに接続されるとともに、負極側電源線Nに接続されている。一方、寄生インダクタンス低減手段20の出力側は、電力変換回路30に接続されている。
電力変換回路30は、3相インバータ回路であり、直流電圧(直流電力)をU相、V相、W相の3相交流電圧(3相交流電力)に変換し、この3相交流電圧をモータMに印加する。図1に示すように、電力変換回路30は、6つの半導体スイッチング素子31〜36を備えている。このような半導体スイッチング素子31〜36として、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられる。半導体スイッチング素子31〜36のオン/オフは、制御手段50によって制御される。
半導体スイッチング素子31,32は、レグを構成し、直流電圧をU相交流電圧に変換する。また、半導体スイッチング素子33,34は、別のレグを構成し、直流電圧をV相交流電圧に変換する。また、半導体スイッチング素子35,36は、さらに別のレグを構成し、直流電圧をW相交流電圧に変換する。これら3つのレグは並列接続され、U相・V相・W相の配線を介して、負荷であるモータMに接続されている。そして、電力変換回路30から印加される3相交流電圧によって、モータMが駆動されるようになっている。
図1に示すように、半導体スイッチング素子31〜36には、それぞれ、還流ダイオードDが接続されている。なお、半導体スイッチング素子に、IGBTの代わりにMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用してもよい。その場合は、MOSFETのソース・ドレイン間に存在するpn接合に形成される寄生ダイオード(図示せず)を前述の還流ダイオードDの代替えとして使用できる。
電流検出手段41は、U相・V相・W相の配線のうち、U相の配線における電流を検出するものである。別の電流検出手段42は、W相の配線における電流を検出するものである。電流検出手段41,42の検出値は、それぞれ、次に説明する制御手段50に出力される。
制御手段50は、例えば、マイコン(Microcomputer)であり、図示はしないが、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェース等の電子回路を含んで構成されている。そして、ROMに記憶されたプログラムを読み出してRAMに展開し、CPUが各種処理を実行するようになっている。
制御手段50は、平滑コンデンサ10の正極・負極間の電圧や、電流検出手段41,42の検出値等に基づいて、所定の回転速度やトルクでモータMが駆動するように半導体スイッチング素子31〜36を制御する。次に、半導体スイッチング素子31〜36のスイッチングに伴うスパイク電圧について、簡単に説明する。
<スパイク電圧について>
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。
比較例では、半導体スイッチング素子31〜36のスイッチング動作に伴い、半導体スイッチング素子31〜36と直流電源Eとを接続する配線に逆起電力が生じる。そして、前記した逆起電力と電源電圧とを合成した電圧が、半導体スイッチング素子31〜36に印加される。すなわち、図11に示すように、所定のスパイク電圧Vが電源電圧Vに重畳した波形の電圧が、半導体スイッチング素子31〜36に印加される。
そこで、本実施形態では、スナバコンデンサ21(図2参照)を備える寄生インダクタンス低減手段20(図2参照)を設けることで、寄生インダクタンスに伴う逆起電力(スパイク電圧V)を抑制するようにしている。
<寄生インダクタンス低減手段>
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。
スナバコンデンサ21は、寄生インダクタンスに伴う逆起電力を抑制するためのコンデンサであり、後記するプリント配線板60(図3参照)に実装されている。スナバコンデンサ21は、電力変換回路30の入力側に接続されている。より詳しく説明すると、スナバコンデンサ21の正極は、第2導体パターンk2を介して、電力変換回路30の正極側の入力端子IPに接続されている。一方、スナバコンデンサ21の負極は、第2導体パターンh2を介して、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。
第1導体パターンk1は、正極側電源線P(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k1は、電力変換回路30の正極側の入力端子IPに接続されている。
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。
なお、直流電源E(図1参照)の正極と電力変換回路30とを接続する正極側電源線Pには、第1導体パターンk1が含まれるとともに、直流電源Eの正極とプリント配線板60(図示せず)とを接続する電線が含まれている。また、負極側電源線Nについても同様である。
第2導体パターンk2は、前記したように、電力変換回路30とスナバコンデンサ21とを正極側で接続する導体パターンであり、プリント配線板60(図3参照)に実装されている。他方の第2導体パターンh2は、前記したように、電力変換回路30とスナバコンデンサ21とを負極側で接続する導体パターンであり、プリント配線板60(図3参照)に実装されている。
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。
図3は、電力変換装置100のプリント配線板60に実装される主な電子部品の配置を示す平面図・側面図である。
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。
また、半導体スイッチング素子31〜36(図1参照)が一つのパッケージに収容されてなる半導体モジュールとして、電力変換回路30が構成されている。そして、この電力変換回路30が、放熱器70に固定された状態で、プリント配線板60と放熱器70との間に配置されている。
図3に示すように、電力変換回路30は、自身とプリント配線板60とを電気的に接続するための端子IP,IN,IU,IV,IWを備えている。これらの端子IP,IN,IU,IV,IWは、それぞれ、プリント配線板60に向かって上側に延びており、プリント配線板60の部品面・半田面に実装された所定の導体パターンと電気的に接続されている。このような構成も、電力変換回路30がプリント配線板60に「実装されている」という事項に含まれるものとする。なお、「部品面」とは、プリント配線板60において、平滑コンデンサ10(図3参照)等の電子部品が実装される面である。本実施形態では、「部品面」と、その裏面の「半田面」と、が「パターン層」(導体パターン等が設けられる層)になっている。
入力端子IPは、プリント配線板60に実装された正極側の第1導体パターンk1(図3では図示を省略、図2参照)に接続されている。
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。
端子IUは、モータM(図1参照)のU相の配線(図1参照)に接続されている。同様に、端子IV,IWは、それぞれ、モータMのV相,W相の配線に接続されている。
その他、平滑コンデンサ10や、寄生インダクタンス低減手段20(図2参照)に含まれるスナバコンデンサ21が、プリント配線板60に実装されている。平滑コンデンサ10やスナバコンデンサ21は、プリント配線板60に設けられた所定の銅箔パターンを介して、電力変換回路30と電気的に接続されている。図3に示す例では、平面視において、平滑コンデンサ10と電力変換回路30との間にスナバコンデンサ21が配置されている。
放熱器70は、電力変換回路30を放熱させるためのヒートシンクである。放熱器70は、板状部71と、この板状部71から下方に延びる複数のフィン72と、を備えている。放熱器70は、ネジGa,Gbを介して電力変換回路30に固定されている。
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、メンテナンスの際に電力変換回路30が放熱器70から取り外されることを考慮すると、図3に示すように、ネジ孔Ha,Hbから外れた位置にスナバコンデンサ21が実装されることが望ましい。このような制約から、電力変換回路30の近傍にスナバコンデンサ21を配置することが困難な場合がある。具体的には、電力変換回路30の直流側の入力端子IP,INの近傍にスナバコンデンサ21を配置できない場合がある。
なお、プリント配線板60の部品面の左右方向において、ネジ孔Ha,Hbの間の領域には、スイッチング素子31〜36を駆動するためのドライバ回路等(図示せず)が実装される。したがって、この領域にスナバコンデンサ21を実装することが困難であることが多い。
仮に、スナバコンデンサ21と入力端子IP,INとを接続する導体パターンの寄生インダクタンスが低減されなければ、所定のスパイク電圧が生じる(図11参照)。その結果、電力損失が増加したり、電磁ノイズが発生したりする可能性がある。このようなスパイク電圧や電磁ノイズを低減するために、本実施形態では、寄生インダクタンス低減手段20(図4A、図4B参照)が設けられている。
図4Aは、電力変換装置が備えるプリント配線板60の部品面の導体パターンを示す説明図である(図2、図3も適宜に参照)。
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。
図4Aに示す第1導体パターンk1,h1は、前記したように、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。なお、第1導体パターンk1の孔fkには、スナバコンデンサ21の端子21aが挿通されている。この孔fkの周縁と、端子21aとの間には、所定の間隔が設けられている。また、他方の第1導体パターンh1についても同様である。したがって、第1導体パターンk1,h1と、スナバコンデンサ21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。なお、スルーホールjk,jhについては後記する。
図4Bは、電力変換装置が備えるプリント配線板60の半田面の導体パターンを、部品面側から透視した場合の説明図である。
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4Bに示す半田面側の第1導体パターンk1aは、スルーホールjkを介して、部品面側の第1導体パターンk1(図4A参照)と電気的に接続されている。同様に、半田面側の第1導体パターンh1aは、スルーホールjhを介して、部品面側の第1導体パターンh1(図4A参照)と電気的に接続されている。
そして、部品面側の第1導体パターンk1、及び、半田面側の第1導体パターンk1aが、いずれも平滑コンデンサ10(図3参照)の正極と電気的に接続されている。また同様に、他方の第1導体パターンh1,h1aが、平滑コンデンサ10の負極と電気的に接続されている。このように、プリント配線板60の部品面・半田面の両面を使って、直流電源E(図1参照)と電力変換回路30とが電気的に接続されている。これによって、「直流給電ライン」である第1導体パターンk1,h1等の電気抵抗を低減し、ひいては電力損失を低減できる。
第2導体パターンk2,h2は、前記したように、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。そして、電力変換回路30の正極側の入力端子IP付近において、正極側の第1導体パターンk1(図4A参照)に近接するように、正極側の第2導体パターンk2(図4B参照)が設けられている。すなわち、第1導体パターンk1と、第2導体パターンk2と、がプリント配線板60の絶縁層60s(図5参照)を挟んで互いに近接している。
同様に、電力変換回路30の負極側の入力端子IN付近において、負極側の第1導体パターンh1(図4A参照)に近接するように、負極側の第2導体パターンh2(図4B参照)が設けられている。すなわち、第1導体パターンh1と、第2導体パターンh2と、がプリント配線板60の絶縁層60s(図5参照)を挟んで互いに近接している。
ここで、再び図2に戻って、寄生インダクタンス低減手段20について詳細に説明する。なお、図2では、プリント配線板60の第1導体パターンk1a,h1a(図4B参照)が、第1導体パターンk1,h1に含まれるものとして図示している。
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。
また、寄生インダクタンスLa1は、第1導体パターンk1において(図4A参照)、平面視で第2導体パターンk2(図4B参照)と重なっている部分の寄生インダクタンスである。また、寄生インダクタンスLa2は、第2導体パターンk2の寄生インダクタンスである。なお、負極側の第1導体パターンh1の寄生インダクタンスLn,Lb1や、第2導体パターンh2の寄生インダクタンスLb2についても同様である。
図5は、図4A及び図4BにおけるII−II線矢視断面図である。
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。
前記したように、第1導体パターンk1と第2導体パターンk2とは、プリント配線板60の絶縁層60sを挟んで互いに近接し、磁気的に結合した状態になっている。例えば、絶縁層60sの厚みが1.5mmのプリント配線板60を用いて磁界のシミュレーションを行ったところ、第1導体パターンk1と第2導体パターンk2との間の結合係数は約0.8であり、比較的高い値であった。なお、負極側の第1導体パターンh1と第2導体パターンh2についても同様である。次に、前記した磁気結合による寄生インダクタンス低減手段20の作用について説明する。
図6は、電力変換装置が備える電力変換回路のいずれかの半導体スイッチング素子がオンからオフに遷移したときの電流波形の説明図である(適宜、図2、図5を参照)。
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。
図6に示す時刻t0から時刻t1の直前までは、電力変換回路30の半導体スイッチング素子31〜36(図1参照)がオン又はオフの状態であり、電流IDC及び電流IINV_INは略一定の電流値Iaになっている。一方、時刻t0から時刻t1の直前までは、スナバコンデンサ21には電流ISCが流れないため、電流ISCの値はゼロである。
時刻t1において半導体スイッチング素子31〜36のうちいずれかがオンからオフに遷移すると、電流IINV_INが減少する。これに伴って電流IDCも減少に転じるが、第1導体パターンk1の寄生インダクタンスLp,La1(図2参照)によって、電流IINV_INよりも電流IDCの減少速度が小さくなっている。そして、電流IINV_INと電流IDCとの差分に相当する電流ISCが、第2導体パターンk2を介してスナバコンデンサ21の正極に流れる。
以上の動作から、図5に示す第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、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、が互いに打ち消し合い、第1導体パターンk1及び第2導体パターンk2の全体的なインダクタンス値が低減される。その結果、スナバコンデンサ21が効果的に機能し、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(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。
<効果>
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。
これによって、半導体スイッチング素子31〜36として、耐圧が低いものを使用できる。なお、半導体スイッチング素子31〜36の耐圧と、そのオン抵抗との間には、一般的に比例関係がある。したがって、耐圧の低い半導体スイッチング素子31〜36を用いることで、電力変換回路30における電力損失を低減できる。このように、第1実施形態によれば、電力損失や電磁ノイズの低減を図った電力変換装置100を提供できる。
また、電力変換回路30における電力損失が低減されるため、放熱器70として、大きさが比較的小さいものを用いることができる。したがって、第1実施形態によれば、放熱器70を含む電力変換装置100の小型化を図ることができる。
≪第2実施形態≫
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は、電力変換装置が備えるプリント配線板60Aの部品面の導体パターンk,hを示す説明図である。
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。
図7Bは、電力変換装置が備えるプリント配線板60Aの部品面の導体パターンk,hにおける電流の流れを示す説明図である。
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。
図7Bに示す例では、入力端子IPの付近において、正極側の第1導体パターンk1が一直線状に延びている。一方、正極側の第2導体パターンk2は、第1導体パターンk1と平行に並んで設けられ、この第1導体パターンk1に近接している。なお、第1導体パターンk1と、第2導体パターンk2と、の間には、所定の隙間が設けられている。これよって、第1導体パターンk1と第2導体パターンk2とが磁気的に結合している。
このようにプリント配線板60Aは、1層のパターン層(部品面側の導体パターン)を有し、第1導体パターンk1と第2導体パターンk2とは、前記したパターン層に並んで設けられている。なお、負極側の第1導体パターンh1及び第2導体パターンh2についても同様である。
また、第1導体パターンk1における入力端子IP側の端部と、第2導体パターンk2における入力端子IP側の端部と、が電気的に接続されている。そして、半導体スイッチング素子31〜36のうちいずれかがオンからオフに遷移すると、第1導体パターンk1及び第2導体パターンk2を順次に介して、折り返すように電流が流れる(図7Bの矢印を参照)。したがって、第1導体パターンk1と第2導体パターンk2には、互いに逆向きの電流が流れる。
その結果、第1導体パターンk1における磁束と、第2導体パターンk2における磁束と、が互いに打ち消し合う。すなわち、第1導体パターンk1及び第2導体パターンk2を全体として見た場合の寄生インダクタンスが低減される。なお、負極側の第1導体パターンh1及び第2導体パターンh2についても同様のことがいえる。
<効果>
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。
また、第2実施形態では、第1導体パターンk1,h1及び第2導体パターンk2,h2が、プリント配線板60Aの部品面(片面)に設けられている。一般に、片面のみに導体パターンが設けられたプリント配線板60Aは、両面に導体パターンが設けられたものよりも安価である。したがって、第2実施形態によれば、第1実施形態よりも電力変換装置の低コスト化を図ることができる。
≪第3実施形態≫
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は、電力変換装置が備える寄生インダクタンス低減手段20Bの等価回路を含む説明図である。
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。
また、スナバコンデンサ22,23の内部には、図示はしないが、誘電体と外部電極とを結ぶ内部配線があり、その内部配線上には寄生インダクタンスが存在している。この内部配線の寄生インダダクタンスの低減は、導体パターンの寄生インダクタンスの低減と同様に、スパイク電圧の低減に有効である。そこで、第2実施形態では、2つのスナバコンデンサ22,23を並列接続することで、それらの寄生インダクタンスも等価的に並列接続された状態にしている。これによって、スナバコンデンサ22,23の全体的な寄生インダクタンスが低減されるため、スパイク電圧の低減効果がさらに高められる。
前述の並列接続されたスナバコンデンサ22,23を「複合スナバコンデンサ」と定義する。次に、このような「複合スナバコンデンサ」が設けられる場合の問題点について簡単に説明する。
図12は、比較例に係る電力変換装置が備える複合スナバコンデンサTの配置を示す平面図である。
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。
また、冷却風の風上側から見ると、一方のスナバコンデンサ23が、他方のスナバコンデンサ22に隠れている。このような配置では、風上側のスナバコンデンサ22の方が冷却されやすくなり、その一方で、風下側のスナバコンデンサ23が発熱しやすくなる。その結果、風上側のスナバコンデンサ22よりも、風下側のスナバコンデンサ23の寿命が短くなる。このような問題点を考慮して、第3実施形態では、2つのスナバコンデンサ22,23が次のように配置されている。
図9Aは、第3実施形態に係る電力変換装置が備えるプリント配線板60の部品面の導体パターンを示す説明図である。
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。
スナバコンデンサ22,23は、それぞれ、平面視で細長い矩形状(つまり、扁平状)を呈し、プリント配線板60に実装されている。
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。
図9Aに示すように、スナバコンデンサ22,23の配置方向(破線矢印)と、第1導体パターンk1,h1が延びている方向と、は互いに垂直になっている。また、スナバコンデンサ22,23の配置方向と、冷却風の方向と、は互いに垂直になっている。
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。
そして、隣り合うスナバコンデンサ22,23の間の隙間を介して、ファンFからの冷却風が通流するように、複数のスナバコンデンサ22,23が配置されている。このような構成によれば、スナバコンデンサ22,23の間にファンFからの冷却風が通流する隙間が設けられる。その結果、スナバコンデンサ22,23の両方が適度に冷却され、これらの寿命が略等しくなる。
なお、スナバコンデンサ22,23のぞれぞれの扁平面22z,23zと、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、が「平行」であるという事項は、厳密な意味での「平行」に限定されるものではない。すなわち、ファンFからの冷却風がスナバコンデンサ22,23の間の隙間を通流する構成であればよく、スナバコンデンサの扁平面22z,23zと、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、の間の角度が、例えば、15°以下であれば、前記した「平行」という事項に含まれる。
図9Bは、プリント配線板60の半田面の導体パターンを、部品面側から透視した場合の説明図である。
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。
そして、電力変換回路30の正極側の入力端子IP付近における第1導体パターンk1(図9A参照)と、正極側の第2導体パターンk2(図9B参照)と、がプリント配線板60の絶縁層(図示せず)を挟んで互いに近接している。同様に、電力変換回路30の負極側の入力端子IN付近における第1導体パターンh1(図9A参照)と、負極側の第2導体パターンh2(図9B参照)と、がプリント配線板60の絶縁層(図示せず)を挟んで互いに近接している。
そして、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とで(実線矢印を参照)、第1導体パターンk1の磁束と、第2導体パターンk2の磁束と、が互いに打ち消し合う。その結果、寄生インダクタンスに伴う逆起電力が低減される。なお、逆起電力が低減される原理については第1実施形態と同様であるから、その説明を省略する。
<効果>
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。
また、互いに並列接続されたスナバコンデンサ22,23を設けることで、スナバコンデンサ22,23の全体的な寄生インダクタンスが低減される。したがって、スパイク電圧の低減効果が、第1実施形態よりもさらに高められる。
また、スナバコンデンサ22,23の配置方向と、第2導体パターンk2,h2が延びている方向と、が互いに垂直になっている。したがって、第1実施形態に比べると、特に正極側の第2導体パターンk2(図9B参照)の長さが、第1実施形態(図4B参照)よりも長くなっている。このように第2導体パターンk2の長さが比較的長くても、前記したように、全体として寄生インダクタンスが低減されるため、スパイク電圧も低減される。このように第3実施形態によれば、スパイク電圧を低減しつつ、複数のスナバコンデンサ22,23を配置する際の自由度を高めることができる。
さらに、第3実施形態によれば、スナバコンデンサ22,23に当たる冷却風の風量が略等しくなるため、両者の発熱量が略均等になる。これによって、スナバコンデンサ22,23の寿命が略等しくなるため、これらの部品交換に要する手間やコストを削減できる。
≪第4実施形態≫
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は、第4実施形態に係る空気調和機Wの構成図である。
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。
圧縮機1は、ガス状の冷媒を圧縮する機器であり、駆動源であるモータMを備えている。なお、図10では省略しているが、圧縮機1の吸入側には、冷媒を気液分離するためのアキュムレータが設けられている。
電力変換装置100は、所定の電力変換を行い、電力変換後の電力を圧縮機1のモータMに出力する装置であり、第1実施形態と同様の構成を備えている。すなわち、電力変換装置100は、直流電源Eから印加される直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧を圧縮機1のモータMに印加する。
室外熱交換器2は、その伝熱管(図示せず)を通流する冷媒と、室外ファン3から送り込まれる外気と、の間で熱交換が行われる熱交換器である。
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。
膨張弁4は、室外熱交換器2(凝縮器)で凝縮した冷媒を減圧する弁である。そして、膨張弁4で減圧された冷媒が、室内熱交換器5(蒸発器)に導かれるようになっている。
室内熱交換器5は、その伝熱管(図示せず)を通流する冷媒と、室内ファン6から送り込まれる室内空気(空調対象空間の空気)と、の間で熱交換が行われる熱交換器である。
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。
図10に示す例では、圧縮機1、室外熱交換器2、室外ファン3、膨張弁4、及び電力変換装置100が、室外機Woに設けられている。一方、室内熱交換器5や室内ファン6は、室内機Wiに設けられている。
そして、例えば、冷房運転中には、冷媒回路Qにおいて圧縮機1、室外熱交換器2(凝縮器)、膨張弁4、及び室内熱交換器5(蒸発器)を順次に介して、冷凍サイクルで冷媒が循環する。
なお、空気調和機Wの構成は、図10の例に限定されるものではない。例えば、冷媒の流路を切り替える四方弁(図示せず)が、冷媒回路Qに設けられていてもよい。このような構成において、暖房運転時には、圧縮機1、室内熱交換器5(凝縮器)、膨張弁4、及び室外熱交換器2(蒸発器)を順次に介して、冷凍サイクルで冷媒が循環する。
すなわち、圧縮機1、「凝縮器」、膨張弁4、及び「蒸発器」を順次に介して冷媒が通流する冷媒回路Qにおいて、「凝縮器」及び「蒸発器」の一方は室外熱交換器2であり、他方は室内熱交換器5である。
<効果>
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。
≪変形例≫
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。
また、第3実施形態(図8参照)では、2つのスナバコンデンサ22,23が並列接続される構成について説明したが、これに限らない。すなわち、3つ以上のスナバコンデンサが並列接続される構成であってもよい。
<半導体スイッチング素子>
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。
<電力変換回路>
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。
<直流電源>
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3実施形態(図9A参照)では、その扁平面22z,23zが平行になるようにスナバコンデンサ22,23が配置される構成について説明したが、扁平面22z,23zが平行でなくてもよい。このような構成でも、電力損失や電磁ノイズの低減の効果が奏される。また、スナバコンデンサ22,23が、平面視で扁平な矩形状(図9A参照)とは異なる形状であってもよい。
<冷凍サイクル装置>
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、第4実施形態では、電力変換装置100を備える空気調和機W(冷凍サイクル装置:図10参照)について説明したが、これに限らない。例えば、冷蔵庫、給湯機、空調給湯装置といった他の「冷凍サイクル装置」にも、第4実施形態を適用可能である。
また、各実施形態は、適宜に組み合わせることが可能である。例えば、第2実施形態(図7A、図7B参照)と第3実施形態(図8参照)とを組み合わせ、スナバコンデンサ22,23が並列接続された構成(第3実施形態)において、プリント配線板60の片面に導体パターンが実装される構成(第2実施形態)であってもよい。その他、例えば、第2実施形態と第4実施形態とを組み合わせてもよいし、また、第3実施形態と第4実施形態とを組み合わせてもよい。
また、各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
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。
1 圧縮機
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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