WO2021214846A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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WO2021214846A1
WO2021214846A1 PCT/JP2020/017118 JP2020017118W WO2021214846A1 WO 2021214846 A1 WO2021214846 A1 WO 2021214846A1 JP 2020017118 W JP2020017118 W JP 2020017118W WO 2021214846 A1 WO2021214846 A1 WO 2021214846A1
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史宏 佐藤
啓輔 田邉
晃嗣 濱埜
清隆 冨山
宏義 宮崎
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株式会社日立産機システム
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    • H05K2201/044—Details of backplane or midplane for mounting orthogonal PCBs

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device that supplies AC power to a motor.
  • the motor drive power converter receives a system voltage of several hundred V and outputs power of several hundred watts to several hundred kW depending on the application. Therefore, it has a high-power circuit section (hereinafter referred to as a high-power section) capable of withstanding these voltages and currents.
  • commands such as start / stop of the power conversion device are given from the outside of the power conversion device by the user of the device or an external device such as a PLC (programmable logic controller).
  • the low-power section As an interface between the user of the device and the high-power section, it has a low-power circuit section (hereinafter referred to as the low-power section), and while exchanging various signals between the high-power section and the low-power section, the power for driving the motor
  • the conversion device realizes the operation intended by the user.
  • Patent Document 1 describes how to take reinforced insulation in a power conversion device including two types of microcomputers, a current control microcomputer and a main control microcomputer.
  • the power supply circuit for control is arranged in the drive unit, and the power supply voltage generated by the power supply circuit is supplied to the current control microcomputer and the main control microcomputer.
  • the current control microcomputer and the main control microcomputer are reinforced and insulated by using an insulating element such as a photocoupler provided in the communication circuit.
  • Patent Document 1 Two types of microcomputers are mounted in Patent Document 1, and the current control microcomputer is arranged in the high electric part and the main control microcomputer is arranged in the low electric part, and they are reinforced and insulated from each other. Further, the power supply circuit is mounted on the drive unit. Here, at the output of the power supply circuit, both the power supply line for the high power section (microcomputer for current control) and the power supply line for the low power section (microcomputer for main control) are arranged, and the reinforced insulation boundary portion drives. It is arranged so as to straddle a unit, a current control unit, and a plurality of substrates. As described above, it is preferable to make the reinforced insulation boundary portion as small as possible, and the configuration in which the reinforced insulation boundary portion straddles the substrates has a problem that the size of the circuit board is increased.
  • an object of the present invention is to provide a power conversion device that realizes miniaturization of a circuit board by avoiding a configuration in which a reinforced insulation boundary portion straddles a plurality of substrates.
  • the power conversion device described in the present invention has a main circuit board, a first board, and a second board.
  • a rectifying circuit that rectifies the AC voltage and outputs the DC voltage and an inverter circuit that reversely converts the DC voltage and outputs the AC power are arranged in the strong electric section, and the second board is arranged in the weak electric section.
  • the first circuit is connected to the main circuit board and the second board, and the first circuit is provided.
  • Insulated transformer which is a component of the power supply circuit that is placed in the reinforced insulation area and receives DC voltage and supplies power to the first and second circuits, and the first circuit and the first circuit that are placed in the reinforced insulation area. It is provided with an insulating element for transmitting and receiving signals to and from two circuits.
  • the present invention it is possible to avoid a configuration in which the reinforced insulation boundary portion straddles a plurality of substrates, and it is possible to realize miniaturization of the circuit board.
  • FIG. It is a block diagram of the power conversion apparatus in Example 1.
  • FIG. It is a block diagram of another power conversion apparatus in Example 1.
  • FIG. It is a block diagram of another power conversion apparatus in Example 1.
  • FIG. It is a perspective view of the power conversion apparatus in Example 1.
  • FIG. It is a bottom view of the power conversion apparatus in Example 1.
  • FIG. It is a perspective view of another power conversion apparatus in Example 2.
  • FIG. It is a perspective view of the power conversion apparatus in Example 3.
  • FIG. It is a bottom view of the power conversion apparatus in Example 3.
  • FIG. 17 is a block diagram of the power conversion device described in Patent Document 1.
  • the conventional power conversion device is composed of three main circuit boards 101, a first board 102, and a second board 103.
  • the main circuit board 101 is mounted with main circuit components such as a rectifier circuit 111, a smoothing capacitor 112, and an inverter circuit 113, and a power supply circuit 123, and supplies a drive current from the terminal block 114 to the motor.
  • the first board 102 is mounted with a drive circuit 125 that detects the current of the inverter circuit 113 and outputs a drive signal to the inverter circuit 113.
  • a communication circuit 131 that carries out communication between the external device and the power conversion device is mounted on the second board 103.
  • the drive circuit 125 and the communication circuit 131 are reinforced and insulated from each other (dotted line region in the figure), and signals are passed to each other via the photocouplers 121 and 122 which are insulating elements. Further, the power supply circuit 123 receives the voltage Vdc1 across the smoothing capacitor 112, supplies the power supply voltage Vdc2 to the drive circuit 125, and supplies the power supply voltage Vdc3 to the communication circuit 131.
  • FIG. 18 shows a circuit diagram of a flyback converter generally used as a power supply circuit 123.
  • the power supply circuit 123 includes an isolation transformer 124, rectifier diodes 201 and 202, smoothing capacitors 203 and 204, and MOSFET 205.
  • the isolation transformer 124 the voltage Vdc1 is connected to one terminal of the primary winding 1241, and the drain terminal of the MOSFET 205 is connected to the other terminal.
  • a pulse voltage is input to the primary winding 1241 of the isolation transformer 124 by switching of the MOSFET 205, and a voltage corresponding to the turns ratio of the isolation transformer 124 is output from the secondary windings 1242 and 1243.
  • the electric power output from the secondary windings 1242 and 1243 is voltage-converted by the voltage conversion circuit as needed, and consumed by the load of the drive circuit 125, the communication circuit 131, and the like. Further, the primary winding 1241 and the secondary winding 1242 arranged in the high electric portion and the secondary winding 1243 arranged in the low electric portion are reinforced and insulated from each other.
  • the photocouplers 121 and 122 are mounted on the first substrate 102, whereas the power supply circuit 123 is mounted on the main circuit board 101, so that the reinforced insulation boundary portion is provided. Is arranged so as to straddle the main circuit board 101 and the first board 102 as shown in FIG. Therefore, it is necessary to arrange the reinforced insulation boundary portion in a complicated manner, which causes an increase in the size of the circuit board.
  • FIG. 1 is a block diagram of the power conversion device according to the first embodiment.
  • the power conversion device described in the first embodiment is composed of three main circuit boards 101, a first board 102, and a second board 103.
  • the main circuit board 101 is mounted with main circuit components such as a rectifier circuit 111, a smoothing capacitor 112, and an inverter circuit 113. That is, the main circuit component is arranged in the high power section.
  • the first substrate 102 is mounted with a drive circuit 125 that outputs a drive signal to the inverter circuit 113 and an isolation transformer 124 that is a component of the power supply circuit 123.
  • the details of the power supply circuit 123 are as shown in FIG.
  • a communication circuit 131 that carries out communication between the external device and the drive circuit is mounted on the second substrate 103. That is, the communication circuit 131 is arranged in the light electric unit.
  • the first substrate 102 is provided with a reinforced insulation region (dotted line region in FIG. 1), and an isolation transformer which is a component of a power supply circuit that receives a DC voltage and supplies power to various loads in this reinforced insulation region.
  • the 124 and the photocouplers 121 and 122 which are insulating elements for transmitting and receiving signals between the drive circuit 125 and the communication circuit 131 are arranged.
  • the reinforced insulation region is formed on the first substrate 102 by taking a predetermined distance between the high electric portion and the low electric portion defined by each standard.
  • the isolation transformer 124, the photocoupler 121, and 122 which are the insulating elements for forming the reinforced insulation, are all mounted on the same substrate, so that the reinforced insulation is completed in the first substrate 102.
  • either the drive circuit 125 or the communication circuit 131 be configured to include a microcomputer.
  • a microcomputer may be mounted on the drive circuit 125, a communication signal with an external device may be processed by the communication circuit 131, and communication may be performed with the microcomputer mounted in the drive circuit 125 via the photocouplers 121 and 122.
  • a microcomputer is mounted on the communication circuit 131, the current of the inverter circuit is calculated by the drive circuit 125, and then transmitted to the microcomputer mounted in the communication circuit 131 via the photocouplers 121 and 122, and the photocoupler is transmitted from the microcomputer to the microcomputer mounted in the communication circuit 131.
  • a drive signal may be output to the inverter circuit via 121 and 122.
  • a microcomputer may be mounted on both the drive circuit 125 and the communication circuit 131.
  • the drive circuit 125 is not limited to the first substrate 102 but is a high electric unit. It should be implemented somewhere in. For example, as shown in FIG. 2, it may be mounted on the main circuit board 101, or as shown in FIG. 3, a third board 104 connected to the main circuit board 101 is provided and mounted on the third board 104. You may. Further, although not shown, the communication circuit 131 may be similarly mounted not only on the second substrate 103 but also somewhere in the light electric unit.
  • the isolation transformer 124, the photocoupler 121, and 122 which are the insulating elements for forming the reinforced insulation, are all mounted on the same substrate, the reinforced insulation is provided in the first substrate 102. It can be completed and the substrate can be miniaturized.
  • Example 2 will be described.
  • the basic board configuration is the same as that of the first embodiment described in FIGS. An example is given.
  • FIG. 4 and 5 are basic configuration diagrams of the power conversion device in this embodiment, FIG. 4 is a perspective view of the substrate configuration shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a bottom view.
  • the main circuit board 101 mainly has a power conversion function of receiving a system voltage and outputting AC power for driving a motor, and a terminal block 114 provided on the main circuit board 101. It receives the system voltage and outputs AC power from the terminal block 114 to the motor via the rectifying circuit 111 (see FIG. 5), the smoothing capacitor 112, and the inverter circuit 113.
  • the terminal block 114 and the smoothing capacitor 112 are arranged on the front side (front direction in FIG. 4) of the power conversion device of the main circuit board 101.
  • the display panel provided with the display unit 141 or the operation unit 142 is the front surface of the power conversion device. Further, the rectifier circuit 111 and the inverter circuit 113 are arranged on the rear side of the power conversion device and are joined to the heat radiation fins described later.
  • An isolation transformer 124 which is a component of the drive circuit 125, the photocouplers 121 and 122, and the power supply circuit 123, is mounted on the first substrate 102.
  • the main circuit board 101 and the first board 102 are erected substantially vertically.
  • the first board 102 is mounted on the surface of the main circuit board 101 opposite to the surface on which the rectifier circuit 111 and the inverter circuit 113 are mounted. That is, the first board 102 is mounted on the product side surface side of the main circuit board 101 so as to secure a space on the front side of the power conversion device in the portion where the rectifier circuit 111 and the inverter circuit 113 are mounted. Further, the first substrate 102 is arranged so as to face the side surface of the terminal block 114 of the main circuit board 101.
  • the airflow due to natural convection can be secured in the space on the front side of the product of the main circuit board 101, and rectification is performed.
  • the cooling performance of the circuit 111 and the inverter circuit 113 can be ensured.
  • the isolation transformer 124 is arranged on the inner surface of the power conversion device of the first substrate 102, and is cooled by the above-mentioned natural convection airflow. Further, if it is desired to expand the mounting area of the first substrate 102, the first substrate 102 may be provided at a position facing the side surface of the terminal block 114.
  • a plurality of connectors may be arranged according to the type of signal, such as providing the low voltage transmission connector 115 and the high voltage transmission connector 116.
  • the main circuit board 101 and the first board 102 are connected by board-to-board connectors (115, 116).
  • the power conversion device can be configured by inserting the first board 102 into the main circuit board 101 from the front side of the power conversion device, so that the power conversion device can be easily assembled without a soldering step.
  • the configuration is not limited, and soldering may be performed using, for example, a pin header, or the main circuit board 101 and the first board 102 may be directly connected to each other. It may be connected by soldering.
  • the first board 102 is physically connected to the main circuit board 101 by the board-to-board connectors 115 and 116, but if the earthquake resistance is further improved, the boards are fixed.
  • Parts 117 and 118 may be provided.
  • the inter-board fixing portions 117 and 118 are fixed to the main circuit board 101 by screwing or soldering, and are soldered to the first substrate 102 or to a clip provided on the inter-board fixing portions 117 and 118. It is contacted and fixed by a method such as sandwiching a substrate.
  • FIG. 6 and 7 are basic configuration diagrams of the power conversion device according to the second embodiment
  • FIG. 6 is a perspective view of the substrate configuration shown in FIG. 2
  • FIG. 7 is a perspective view of the substrate configuration shown in FIG.
  • the first substrate 102 is erected with respect to the main circuit board 101 and the drive circuit 125 is the main circuit board, as in the configurations shown in FIGS. 4 and 5. It is mounted on the circuit board 101.
  • the first substrate 102 is erected with respect to the main circuit board 101 as in the configurations shown in FIGS. 4 to 6, and the third substrate 102 is further erected.
  • the board 104 is erected with respect to the main circuit board 101 by the board-to-board connector 119.
  • the drive circuit 125 can be mounted on the high power section without reducing the space through which the airflow due to natural convection on the front side of the product of the inverter circuit 113 passes.
  • the board-to-board connector 119 may be soldered using, for example, a pin header regardless of the configuration as long as it is electrically connected, or the main circuit board 101 and the third board 104 are directly connected by soldering. You may.
  • the isolation transformer 124, the photocoupler 121, and 122 which are the insulating elements for forming the reinforced insulation, are all mounted on the same substrate, the reinforced insulation is completed in the first substrate 102, and the substrate Can be miniaturized.
  • the first board 102 since the first board 102 is connected substantially perpendicular to the main circuit board 101, the heat of the rectifier circuit 111 and the inverter circuit mounted on the main circuit board 101 can be convoluted. , The cooling efficiency can be improved.
  • Example 3 will be described.
  • the basic substrate configuration is the same as that of the first embodiment described in FIGS. 1 to 3, and in this embodiment, a specific example is provided regarding the connection portion between the first substrate 102 and the second substrate 103 using FIGS. 8 and 9. To state.
  • FIGS. 8 and 9 are basic configuration diagrams of the power conversion device according to the third embodiment, FIG. 8 is a perspective view, and FIG. 9 is a bottom view.
  • the second board 103 is arranged substantially in parallel with the main circuit board 101, and the second board 103 is placed between the main circuit board 101 and the second board 103.
  • the first substrate 102 is arranged substantially perpendicular to both the main circuit board 101 and the second substrate 103.
  • the second board 103 is mounted with a communication circuit 131 that is responsible for communication between the external device and the power conversion device, and a terminal block 132 that is an interface between the external device and the power conversion device.
  • the user connects the external device and the terminal block 132 with an electric wire to construct a desired communication system.
  • both the main circuit board 101 and the second board 103 are provided with terminal blocks (114, 132), both boards are on the front side of the product (front side of the power converter) in consideration of the workability of the user. It is desirable to arrange them in parallel with each other. Further, since the first board 102 is responsible for sending and receiving signals between the main circuit board 101 and the second board 103, the signal transmission means between the main circuit board 101 and the second board 103 can be simplified, and thus the signal transmission means between the main circuit board 101 and the second board 103 can be simplified as a whole. It is possible to configure a small power conversion device.
  • the main circuit board 101 and the first board 102 were fixed by the method described in the second embodiment, and the first board 102 and the second board 103 were soldered and fixed by a pin header, a board-to-board connector, or the like.
  • the external force is transmitted to the first substrate 102 and the main circuit board 101 via the second substrate 103, there is a concern that the connection portion between the substrates may be damaged or the substrate may be damaged.
  • the signal between the first board 102 and the second board 103 is transmitted by using the board-to-cable connector 126, 133 and the cable 127.
  • the external force applied to the second substrate 103 does not affect the first substrate 102, so that a power conversion device having excellent durability is configured as compared with the case where the first substrate 102 and the second substrate 103 are fixed. It becomes possible.
  • a cable for the connection portion between the first substrate 102 and the second substrate 103 as long as it is configured to escape external force, and for example, a substrate-to-board movable (floating) connector may be applied.
  • the arrangement of the third substrate 104 has been described based on the substrate configuration shown in FIG. 1 and the configurations of the main circuit board 101 and the first substrate 102 shown in FIG. 4, but FIGS. 2 and 3 show. Even when the third substrate 104 is provided with respect to the substrate configuration shown in FIG. 5 and the basic configuration diagrams shown in FIGS. 5 and 6, the same effect can be obtained by arranging the third substrate 104 substantially perpendicular to the first substrate 102.
  • Example 4 will be described with reference to FIGS. 10 to 12.
  • FIG. 10 is a block diagram of the power conversion device in this embodiment.
  • a fourth substrate 105 provided with a display unit 141 or an operation unit 142 is further added to the power conversion devices described in the first to third embodiments.
  • the display unit 141 is composed of a 7-segment LED that displays data such as frequency and set value, an operating lamp that lights up during operation of the inverter, and the operation unit 142 is a RUN that is pressed when the inverter is operated. It consists of a key, a stop key to be pressed when decelerating / stopping the inverter, and the like.
  • FIGS. 1, 4, 5, 8 and 9 are basic configuration diagrams of a power conversion device when a fourth substrate is added to the configurations shown in FIGS. 1, 4, 5, 8 and 9, and FIG. 11 is a perspective view.
  • FIG. 12 is a bottom view.
  • the display unit 141 and the operation unit 142 are arranged in parallel with the front surface of the product in the same manner as the main circuit board 101 and the second board 103.
  • the fourth substrate 105 is connected to the second substrate 103 substantially in parallel via the substrate-to-board connector 134.
  • Example 5 will be described with reference to FIGS. 13 to 16.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of the power conversion device according to the fifth embodiment.
  • cases 206 to 208 and heat dissipation fins 209 that protect the substrates 101 to 105 are added to the power conversion device described in the fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the heat radiation fin 209 and the module case 208 extracted from FIG.
  • the heat dissipation fins 209 are arranged for the purpose of releasing heat generated from the rectifier circuit 111 and the inverter circuit 113 mounted on the main circuit board 101, and the rectifier circuit 111 and the inverter circuit 113 are fixed to the heat dissipation fins 209. .
  • the module case 208 is provided with an opening in advance in a portion where the rectifier circuit 111 and the inverter circuit 113 are mounted so that the mounting position can be easily determined when the rectifier circuit 111 and the inverter circuit 113 are mounted on the heat radiation fins 209. It is fixed to the heat radiation fin 209.
  • the module case 208-radiation fin 209 is fixed with a screw
  • the inter-board fixing portions 117, 118 and the first substrate described in the second embodiment are fixed by screwing
  • the inter-board fixing portions 117, 118, the first substrate 102, the module case 208, and the heat radiation fin 209 are the same.
  • the number of screws can be reduced by fastening with screws.
  • a cooling fan may be further added to the heat dissipation fins 209.
  • FIG. 15 is a diagram showing the main body case 207 extracted from FIG.
  • the main body case 207 protects each of the substrates 101 to 103 from the outside, and is configured to be joined to the module case 208 or the heat radiation fin 209.
  • the first board 102 is fixed to the main circuit board 101 by the board-to-board connectors 115, 116 or the board-to-board fixing portions 117, 118, but when the earthquake resistance is further reinforced, the main body case The 207 may be provided with a fixing portion 2071 for fixing the first substrate 102. Specifically, the first substrate 102 is brought into contact with and fixed by a method such as screwing it to the main body case 207 or sandwiching it in a gap provided in the fixing portion 2071. Further, the second substrate 103 is fixed to the main body case 207 by a method such as screwing it or sandwiching it in a gap provided in the fixing portion 2072.
  • FIG. 16 is an illustration of the front cover 206 extracted from FIG.
  • the front cover 206 protects the fourth substrate 105, the display unit 141, and the operation unit 142 from the outside, and is configured to be joined to the main body case 207. Further, the fourth substrate 105 is fixed in contact with the front cover 206, and is configured so that the connector 134 fits when the front cover 206 is joined to the main body cover 207.

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Abstract

主回路基板と、第１基板と、第２基板とを有する電力変換装置を小型化するため、主回路基板は、交流電圧を整流し直流電圧を出力する整流回路と、直流電圧を逆変換し交流電力を出力するインバータ回路とを、強電部に配置し、第２基板は、弱電部に配置された第２回路を備え、第１基板は、主回路基板と第２基板に接続され、強電部に配置された第１回路と、強電部と弱電部とを強化絶縁するための強化絶縁領域と、強化絶縁領域に配置され、直流電圧を受電し、第１回路および第２回路に電力を供給する電源回路の構成部品である絶縁トランスと、強化絶縁領域に配置され、第１回路と第２回路との間で信号を授受させる絶縁素子とを備える。

Description

電力変換装置
　本発明は、モータに交流電力を供給する電力変換装置に関する。
　モータ駆動用電力変換装置は、数百Ｖの系統電圧を受電し、用途に応じて数百Ｗ～数百ｋＷの電力を出力する。このため、これらの電圧、電流に耐えることが可能な強電系の回路部（以降強電部と呼称する）を有する。一方、当該電力変換装置の運転・停止等の指令は、装置の使用者やＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）等の外部装置により、当該電力変換装置の外部から与えられる。そのため、装置の使用者と強電部のインターフェースとして、弱電系の回路部（以降弱電部と呼称する）を有しており、種々の信号を強電部と弱電部で授受しながら、モータ駆動用電力変換装置は、使用者の意図した動作を実現する。
　ここで、モータ駆動用電力変換装置には、当該装置の運用に関わる人々の安全を確保するための処置を講じる必要がある。種々の安全規格（例えばＩＥＣ規格やＵＬ規格）では、電気的安全性の一部として、系統電圧やモータの電圧といった強電部と、人が接触する可能性がある弱電部との間に、感電を防止するための措置として強化絶縁と称する電気的絶縁の要求事項が定義されている。強化絶縁を実現するためには、実装基板上では各規格で定められた所定の絶縁距離を設ける必要があるため、基板面積を増大させる要因となっている。そのため、強化絶縁境界部分の面積を可能な限り低減し、電力変換装置を構成することが、基板面積の省スペース化、装置の小型化を実現する上で有効である。
　特許文献１には、電流制御用マイクロコンピュータ、主制御用マイクロコンピュータの２種のマイコンを備えた電力変換装置における強化絶縁の取り方が記されている。特許文献１の図１によると、制御用の電源回路はドライブ部に配置され、電源回路で生成された電源電圧が、電流制御用マイクロコンピュータと主制御用マイクロコンピュータに供給されている。また、電流制御用マイクロコンピュータと主制御用マイクロコンピュータ間は、通信回路に設けられたフォトカプラなどの絶縁素子を用いて強化絶縁されている。
特開２００７－３００６９４号公報
　特許文献１には２種のマイコンが実装されており、電流制御用マイクロコンピュータは強電部に、主制御用マイクロコンピュータは弱電部に、それぞれ配置され、互いに強化絶縁されている。また、電源回路はドライブ部に実装されている。ここで、電源回路の出力には、強電部（電流制御用マイクロコンピュータ）用の電源ラインと、弱電部（主制御用マイクロコンピュータ）用の電源ラインの双方が配置され、強化絶縁境界部がドライブ部、電流制御部と複数の基板を跨いで配置されている。先に述べた様に強化絶縁境界部は可能な限り小さくするのが好ましく、強化絶縁境界部が基板間を跨ぐ構成は、回路基板の大型化を招くという課題があった。
　そこで、本発明の目的は、強化絶縁境界部が複数の基板を跨ぐ構成を回避し、回路基板の小型化を実現した電力変換装置を提供することにある。
　上記課題を解決する為本発明で述べる電力変換装置では、主回路基板と、第１基板と、第２基板とを有する。主回路基板は、交流電圧を整流し直流電圧を出力する整流回路と、直流電圧を逆変換し交流電力を出力するインバータ回路とを、強電部に配置し、第２基板は、弱電部に配置された第２回路を備え、第１基板は、主回路基板と第２基板に接続され、強電部に配置された第１回路と、強電部と弱電部とを強化絶縁するための強化絶縁領域と、強化絶縁領域に配置され、直流電圧を受電し、第１回路および第２回路に電力を供給する電源回路の構成部品である絶縁トランスと、強化絶縁領域に配置され、第１回路と第２回路との間で信号を授受させる絶縁素子とを備える。
　本発明によれば、強化絶縁境界部が複数の基板を跨ぐ構成を回避することが可能となり、回路基板の小型化を実現することができる。
実施例１における電力変換装置のブロック図である。 実施例１における、他の電力変換装置のブロック図である。 実施例１における、他の電力変換装置のブロック図である。 実施例１における電力変換装置の斜視図である。 実施例１における電力変換装置の下面図である。 実施例２における電力変換装置の斜視図である。 実施例２における他の電力変換装置の斜視図である。 実施例３における電力変換装置の斜視図である。 実施例３における電力変換装置の下面図である。 実施例４における電力変換装置のブロック図である。 第４基板を追加した場合の電力変換装置の斜視図である。 第４基板を追加した場合の電力変換装置の下面図である。 電力変換装置の斜視図である。 放熱フィンとモジュールケースを示した図である。 本体ケースを示した図である。 前面カバーを示した図である。 従来の電力変換装置のブロック図である。 電源回路に用いられるフライバックコンバータの回路図である。
　以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１７は、特許文献１に記載された電力変換装置のブロック図である。図１７に示す様に従来の電力変換装置は、主回路基板１０１、第１基板１０２、第２基板１０３の３枚で構成される。主回路基板１０１は、整流回路１１１、平滑コンデンサ１１２、インバータ回路１１３といった主回路部品と、電源回路１２３が実装され、端子台１１４からモータへ駆動電流を供給する。第１基板１０２は、インバータ回路１１３の電流を検出し、駆動信号をインバータ回路１１３に出力する駆動回路１２５が実装される。第２基板１０３は、外部装置と電力変換装置間の通信を担う通信回路１３１が実装される。
　駆動回路１２５、通信回路１３１は互いに強化絶縁（図の点線領域）されており、絶縁素子であるフォトカプラ１２１、１２２を介して信号を互いに受け渡している。また、電源回路１２３は、平滑コンデンサ１１２の両端電圧Ｖｄｃ１を受電し、駆動回路１２５に電源電圧Ｖｄｃ２を、通信回路１３１に電源電圧Ｖｄｃ３を供給している。
　図１８に、電源回路１２３として一般的に用いられるフライバックコンバータの回路図を示す。図１８に示す様に電源回路１２３は、絶縁トランス１２４、整流ダイオード２０１、２０２、平滑コンデンサ２０３、２０４、ＭＯＳＦＥＴ２０５で構成される。絶縁トランス１２４は、１次巻線１２４１の一方の端子に電圧Ｖｄｃ１が接続され、他方の端子にＭＯＳＦＥＴ２０５のドレイン端子が接続される。絶縁トランス１２４の１次巻線１２４１には、ＭＯＳＦＥＴ２０５のスイッチングによりパルス電圧が入力され、絶縁トランス１２４の巻き数比に応じた電圧を２次巻線１２４２、１２４３から出力する。２次巻線１２４２、１２４３から出力された電力は、必要に応じて電圧変換回路によって電圧変換され、駆動回路１２５、通信回路１３１等の負荷によって消費される。また、強電部に配置されている１次巻線１２４１、２次巻線１２４２と、弱電部に配置されている２次巻線１２４３は互いに強化絶縁される。
　特許文献１に記載された電力変換装置では、フォトカプラ１２１、１２２が第１基板１０２に実装されているのに対し、電源回路１２３が主回路基板１０１に実装されているため、強化絶縁境界部は図１７に示す様に、主回路基板１０１と第１基板１０２を跨ぐ形で配置される。従って、強化絶縁境界部を複雑に配置する必要があり、回路基板の大型化を招の要因となっている。
　図１は、実施例１における電力変換装置のブロック図である。図１に示す様に実施例１で述べる電力変換装置は、主回路基板１０１、第１基板１０２、第２基板１０３の３枚で構成される。主回路基板１０１は、整流回路１１１、平滑コンデンサ１１２、インバータ回路１１３といった主回路部品が実装される。つまり、主回路部品は強電部に配置される。第１基板１０２は、駆動信号をインバータ回路１１３に出力する駆動回路１２５、電源回路１２３の構成部品である絶縁トランス１２４が実装される。電源回路１２３の詳細は、図１８に記載した通りであり、電源回路１２３の構成部品に絶縁トランス１２４がある。第２基板１０３は、外部装置と駆動回路間の通信を担う通信回路１３１が実装される。つまり、通信回路１３１は、弱電部に配置される。第１基板１０２には、強化絶縁領域(図１の点線領域)が設けられ、この強化絶縁領域に、直流電圧を受電し、種々の負荷に電力を供給する電源回路の構成部品である絶縁トランス１２４と、駆動回路１２５と通信回路１３１との間で信号を授受させる絶縁素子であるフォトカプラ１２１、１２２とが配置される。強化絶縁領域は、第１基板１０２上で、強電部と弱電部とを各規格で定められた所定の距離をとることで形成される。
　これにより、強化絶縁を構成する為の絶縁素子である絶縁トランス１２４、フォトカプラ１２１、１２２が全て同一基板に実装されるため、第１基板１０２内で強化絶縁が完結する。
　尚、駆動回路１２５、通信回路１３１のいずれか一方は、マイコンを含んで構成する事が望ましい。例えば、駆動回路１２５にマイコンを実装し、外部装置との通信信号を通信回路１３１にて処理し、フォトカプラ１２１、１２２を介して駆動回路１２５内に実装されたマイコンと通信しても良い。また、通信回路１３１にマイコンを実装し、インバータ回路の電流を駆動回路１２５で演算した後、フォトカプラ１２１、１２２を介して通信回路１３１内に実装されたマイコンに伝達し、当該マイコンからフォトカプラ１２１、１２２を介してインバータ回路へ駆動信号を出力しても良い。また、特許文献１と同様に、駆動回路１２５、通信回路１３１の双方にマイコンを実装しても良い。
　また、実施例１の特徴である第１基板上に絶縁トランス１２４、フォトカプラ１２１、１２２が設けられた構成を満足していれば、駆動回路１２５は、第１基板１０２上に限らず強電部の何処かに実装されていれば良い。例えば、図２に示す様に、主回路基板１０１上に実装しても良いし、図３に示す様に、主回路基板１０１に接続される第３基板１０４を設け、第３基板１０４に実装しても良い。また、図示しないが通信回路１３１も同様に、第２基板１０３上に限らず弱電部の何処かに実装されていれば良い。
　以上の通り、実施例１によれば、強化絶縁を構成する為の絶縁素子である絶縁トランス１２４、フォトカプラ１２１、１２２が全て同一基板に実装されるため、第１基板１０２内で強化絶縁が完結し、基板を小型化することができる。
　次に、実施例２について述べる。基本的な基板構成は、図１～３に説明された実施例１と同じであり、本実施例では図４～図７を用いて、主回路基板１０１と第１基板１０２の接続部に関し具体例を述べる。
　図４、図５は本実施例における電力変換装置の基本構成図であり、図４は図１に示す基板構成における斜視図、図５は下面図である。実施例１と同様に、主回路基板１０１は主に、系統電圧を受電しモータ駆動用の交流電力を出力する電力変換機能を担っており、主回路基板１０１上に設けられた端子台１１４で系統電圧を受電し、整流回路１１１(図５参照)、平滑コンデンサ１１２、インバータ回路１１３を経て端子台１１４から交流電力をモータに出力する。端子台１１４と平滑コンデンサ１１２は主回路基板１０１の電力変換装置の前面側(図４の前方向)に配置される。図１３に電力変換装置の斜視図を示しているが、表示部１４１または操作部１４２を備えた表示パネルが電力変換装置の前面となる。また、整流回路１１１とインバータ回路１１３は電力変換装置の後部側に配置され、後述する放熱フィンと接合される。第１基板１０２は、駆動回路１２５、フォトカプラ１２１、１２２、電源回路１２３の構成部品である絶縁トランス１２４が実装される。
　本実施例で述べる電力変換装置では、主回路基板１０１と第１基板１０２が概ね垂直に立設される。第１基板１０２は、主回路基板１０１の整流回路１１１、インバータ回路１１３が実装された面と反対側の面に実装される。つまり、第１基板１０２は、整流回路１１１、インバータ回路１１３が実装された部分の電力変換装置前面側に空間を確保する様に、主回路基板１０１の製品側面側に実装される。また、第１基板１０２は、主回路基板１０１の端子台１１４の側面に対面するように配置される。これにより、主回路基板１０１に重ねるように平行に、第１基板１０２を実装する場合と比較し、主回路基板１０１の製品前面側の空間に、自然対流による気流を確保することができ、整流回路１１１、インバータ回路１１３の冷却性能を確保できる。
　絶縁トランス１２４は、第１基板１０２の電力変換装置内側面に配置され、先に述べた自然対流の気流により冷却される。また、第１基板１０２の実装面積を拡大したい場合は、端子台１１４の側面に対面する箇所にも、第１基板１０２を設けても良い。
　また、主回路基板１０１と第１基板１０２間は平滑コンデンサ１１２の電圧Ｖｄｃ１（数百Ｖ）と、駆動回路１２５からインバータ回路１１３に出力される駆動信号等（数Ｖ程度）を同時に伝達する必要がある。これらの配線が近接した場合、低電圧ラインへのノイズの重畳による回路の誤動作が懸念される。そのため、図４に示す様に、低電圧伝送用コネクタ１１５と高電圧伝送用コネクタ１１６を設ける等、信号の種類に応じて複数のコネクタを配置しても良い。
　また、図４、図５では主回路基板１０１と第１基板１０２間を基板対基板コネクタ（１１５、１１６）で接続している。これにより、主回路基板１０１に対し電力変換装置前面側から第１基板１０２を差し込むことで電力変換装置を構成できるため、はんだ付けの工程が無く容易に組み立てることができる。しかしながら、主回路基板１０１と第１基板１０２が電気的に接続されていれば構成は問わず、例えばピンヘッダを用いてはんだ付けしても良いし、主回路基板１０１と第１基板１０２間を直接はんだ付けで接続しても良い。
　また、図４、図５に示す様に、第１基板１０２は主回路基板１０１と基板対基板コネクタ１１５、１１６で物理的に接続されるが、耐震性を更に向上させる場合は、基板間固定部１１７、１１８を設けても良い。具体的には、基板間固定部１１７、１１８は、主回路基板１０１とねじ止め若しくははんだ付けで固定され、第１基板１０２とはんだ付け、若しくは基板間固定部１１７、１１８に設けられたクリップに基板を挟み込む、等の手法により接触して固定される。
　図６、図７は実施例２における電力変換装置の基本構成図であり、図６は、図２に示す基板構成における斜視図、図７は、図３に示す基板構成における斜視図である。図６に示す様に、図２に示した基板構成では、図４、図５に示す構成と同様に、第１基板１０２が主回路基板１０１に対し立設されており、駆動回路１２５は主回路基板１０１に実装されている。また、図７に示す様に、図３に示した基板構成では、図４～図６に示す構成と同様に、第１基板１０２が主回路基板１０１に対し立設されており、更に第３基板１０４は基板対基板コネクタ１１９により、主回路基板１０１に対し立設される。これにより、インバータ回路１１３の製品前面側の自然対流による気流が通る空間を削減せずに駆動回路１２５を強電部に実装できる。
　尚、基板対基板コネクタ１１９は電気的に接続されていれば構成は問わず、例えばピンヘッダを用いてはんだ付けしても良いし、主回路基板１０１と第３基板１０４間を直接はんだ付けで接続しても良い。
　実施例２によれば、強化絶縁を構成する為の絶縁素子である絶縁トランス１２４、フォトカプラ１２１、１２２が全て同一基板に実装されるため、第１基板１０２内で強化絶縁が完結し、基板を小型化することができる。
　また、実施例２によれば、第１基板１０２が主回路基板１０１に対して概ね垂直に接続されるため、主回路基板１０１実装される整流回路１１１、インバータ回路の熱を対流させることができ、冷却効率を向上させることができる。
　次に、実施例３について述べる。基本的な基板構成は図１～図３に説明された実施例１と同じであり、本実施例では図８、図９を用いて第１基板１０２と第２基板１０３の接続部に関し具体例を述べる。
　図８、図９は、実施例３における電力変換装置の基本構成図であり、図８は斜視図、図９は下面図である。図８、図９に示す様に、本実施例で述べる電力変換装置は、第２基板１０３を主回路基板１０１に対し概ね並行に配置させ、主回路基板１０１と第２基板１０３の間に、第１基板１０２を主回路基板１０１、第２基板１０３の双方に対し概ね垂直に配置する。
　第２基板１０３は、外部装置と電力変換装置の間の通信を担う通信回路１３１と、外部装置と電力変換装置のインターフェースである端子台１３２が実装される。使用者は外部装置と端子台１３２を電線で接続し、所望の通信系を構築する。
　ここで、主回路基板１０１と第２基板１０３はいずれも端子台（１１４、１３２）を備えていることから、使用者の作業性を考慮すると、いずれの基板も製品前面（電力変換装置前面）に対し並行に配置するのが望ましい。また、主回路基板１０１、第２基板１０３の間の信号の授受を、第１基板１０２が担うことで、主回路基板１０１と第２基板１０３間の信号伝送手段を簡素化できるため、全体として小型な電力変換装置を構成することが可能となる。
　また、使用者が端子台１３２に電線を接続する際、製品前面から後方に向けて外力が加わる。ここで、主回路基板１０１と第１基板１０２間を実施例２で述べた手法により固定し、且つ第１基板１０２と第２基板１０３間を半田付け、ピンヘッダ、基板対基板コネクタ等で固定した場合、当該外力が第２基板１０３を介して第１基板１０２、主回路基板１０１に伝達されるため、基板間の接続部の破損若しくは基板の破損が懸念される。
　そこで、図９に示す様に、第１基板１０２と第２基板１０３間の信号を、基板対ケーブルコネクタ１２６、１３３及びケーブル１２７を用いて伝送する。これにより第２基板１０３に加わる外力は第１基板１０２に影響を及ぼさないため、第１基板１０２と第２基板１０３間を固定した場合に比べて、耐久性に優れた電力変換装置を構成することが可能となる。
　尚、第１基板１０２と第２基板１０３間の接続部は、外力を逃げる構成であればケーブルを用いる必要は無く、例えば基板対基板可動（フローティング）コネクタを適用しても良い。
　また、本実施例では図１に示した基板構成、図４に示した、主回路基板１０１、第１基板１０２の構成を基に第３基板１０４の配置について説明したが、図２、図３に示した基板構成、図５、図６に示した基本構成図に対し第３基板１０４を設けた場合でも、第１基板１０２に対し概ね垂直に配置することで同様の効果を得る。
　次に、実施例４について、図１０～図１２を用いて述べる。
　図１０は、本実施例における電力変換装置のブロック図である。実施例４で述べる電力変換装置では、実施例１～３に述べた電力変換装置に対し、更に表示部１４１または操作部１４２を備えた第４基板１０５が追加されている。
　表示部１４１は、周波数、設定値等のデータを表示する７セグＬＥＤ、インバータが運転中に点灯する運転中ランプ等で構成され、また、操作部１４２は、インバータを運転する際に押下するＲＵＮキー、インバータを減速・停止する際に押下する停止キー等で構成される。表示部１４１、操作部１４２を備えることにより、装置の使用者の作業性が向上する。
　図１１、図１２は、図１、図４、図５、図８、図９に示す構成に対し、第４基板を追加した場合の電力変換装置の基本構成図であり、図１１は斜視図、図１２は下面図である。使用者の作業性を考慮すると、表示部１４１及び操作部１４２は、主回路基板１０１、第２基板１０３と同様に製品前面に対し並行に配置するのが望ましいことから、図１１、図１２に示す様に第４基板１０５は第２基板１０３に対し基板対基板コネクタ１３４を介して概ね並行に接続される。
　次に、実施例５について、図１３～図１６を用いて述べる。
　図１３は、実施例５における電力変換装置の構成図である。本実施例で述べる電力変換装置では、実施例４に述べた電力変換装置に対し、各基板１０１～１０５を保護するケース２０６～２０８及び放熱フィン２０９が追加されている。
　図１４は、図１３から放熱フィン２０９とモジュールケース２０８を抜き出し図示した物である。放熱フィン２０９は、主回路基板１０１に実装された整流回路１１１、インバータ回路１１３から生じた熱を放出する目的で配置されており、整流回路１１１、インバータ回路１１３は、放熱フィン２０９に固定される。また、モジュールケース２０８は整流回路１１１、インバータ回路１１３を放熱フィン２０９に取り付ける際、取り付け位置を簡単に確定できる様、予め整流回路１１１、インバータ回路１１３が実装される部分に開口部が設けられており、放熱フィン２０９に固定される。
　ここで、モジュールケース２０８－放熱フィン２０９間をねじで固定した場合、当該ねじで他の部品と共締めすることも可能である。例えば、実施例２で述べた基板間固定部１１７、１１８と第１基板をねじ止めにより固定する場合、基板間固定部１１７、１１８、第１基板１０２、モジュールケース２０８、放熱フィン２０９を同一のねじで締結することでねじ本数を削減できる。
　尚、図１３、図１４には図示していないが、電力変換装置の放熱性能を更に向上させるため、放熱フィン２０９に対し、冷却ファンを更に追加しても良い。
　図１５は、図１３から本体ケース２０７を抜き出し図示した物である。本体ケース２０７は、各基板１０１～１０３を外部から保護しており、モジュールケース２０８若しくは放熱フィン２０９と接合されるように構成されている。
　先に述べた様に第１基板１０２は、主回路基板１０１と基板対基板コネクタ１１５、１１６若しくは基板間固定部１１７、１１８により固定されているが、更に耐震性を補強する場合は、本体ケース２０７に、第１基板１０２を固定する固定部２０７１を設けても良い。具体的には、第１基板１０２を本体ケース２０７にねじ止め、若しくは固定部２０７１に設けられた隙間に挟み込む、等の手法により接触して固定される。また、第２基板１０３は、本体ケース２０７にねじ止め、若しくは固定部２０７２に設けられた隙間に挟み込む、等の手法により固定される。
　図１６は、図１３から前面カバー２０６を抜き出し図示した物である。前面カバー２０６は第４基板１０５、表示部１４１、操作部１４２を外部から保護しており、本体ケース２０７と接合されるように構成されている。また、第４基板１０５は、前面カバー２０６に接触して固定され、前面カバー２０６を本体カバー２０７に接合した際に、コネクタ１３４が嵌合する様に構成される。
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５：基板
１１１：整流回路
１１２：平滑コンデンサ
１１３：インバータ回路
１１４、１３２：端子台
１１５、１１６、１１９、１２６、１３３、１３４：基板間接続部
１１７、１１８：基板間固定部
１２１、１２２：フォトカプラ
１２３：電源回路
１２４：絶縁トランス
１２４１：１次巻線
１２４２、１２４３：２次巻線
１２５：駆動回路
１２７：ケーブル
１３１：通信回路
１４１：表示部
１４２：操作部
２０１、２０２：整流ダイオード
２０３、２０４：平滑コンデンサ
２０６、２０７、２０８：ケース
２０９：放熱フィン
２０７１、２０７２：ケース２０７に設けられた基板固定部

Claims (15)

  1. 　主回路基板と、第１基板と、第２基板とを有する電力変換装置であって、
    　前記電力変換装置は、強電部に配置された第１回路を有し、
    　前記主回路基板は、
    　交流電圧を整流し直流電圧を出力する整流回路と、
    　前記直流電圧を逆変換し交流電力を出力するインバータ回路と、を前記強電部に配置し、
    　前記第２基板は、
    　弱電部に配置された第２回路を備え、
    　前記第１基板は、
    　前記主回路基板と前記第２基板に接続され、
    　前記強電部と前記弱電部とを強化絶縁するための強化絶縁領域と、
    　前記強化絶縁領域に配置され、前記直流電圧を受電し、前記第１回路および前記第２回路に電力を供給する電源回路の構成部品である絶縁トランスと、
    　前記強化絶縁領域に配置され、前記第１回路と前記第２回路との間で信号を授受させる絶縁素子とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１基板に、前記第１回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１回路は、前記インバータ回路に駆動信号を出力する駆動回路であることを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第２回路は、外部装置との間で信号を授受する通信回路であることを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記主回路基板に接続された第３基板を備え、
    　前記第１回路は、前記第３基板に実装され、前記インバータ回路に駆動信号を出力する駆動回路であることを特徴とする電力変換装置。
  6. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１基板は、前記主回路基板に立設されることを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項６に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１基板は、前記主回路基板の、前記インバータ回路が実装された面と反対側の面に配置されることを特徴とする電力変換装置。
  8. 　請求項６に記載の電力変換装置であって、
    　前記主回路基板は、前記交流電圧を受電する端子台を備え、
    　前記第１基板は、前記端子台の側面に対面することを特徴とする電力変換装置。
  9. 　請求項６に記載の電力変換装置であって、
    　前記主回路基板と前記第１基板の双方と接触し互いに固定する第１固定手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
  10. 　請求項６に記載の電力変換装置であって、
    　前記第１基板と前記第２基板は略垂直に配置され、前記第２基板は前記主回路基板と対面することを特徴とする電力変換装置。
  11. 　請求項１０に記載の電力変換装置であって、
    　前記第２基板に対し略水平に接続された第４基板を備え、
    　前記第４基板は、前記インバータ回路を操作するための操作部、若しくは前記インバータ回路の動作状態を出力する表示部の内少なくともひとつを備えることを特徴とする電力変換装置。
  12. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記インバータ回路を冷却する放熱フィンと、
    　前記放熱フィンに固定され、前記インバータ回路の形状に合わせた開口部を備えるモジュールケースを備えることを特徴とする電力変換装置。
  13. 　請求項１２に記載の電力変換装置であって、
    　前記主回路基板と前記第１基板の双方と接触し互いに固定する第１固定手段を備え
    　前記放熱フィン、前記モジュールケース、前記第１固定手段、前記主回路基板のうちいずれか３つ以上の部品が、同一ねじで共締めされることを特徴とする電力変換装置。
  14. 　請求項１２に記載の電力変換装置であって、
    　前記モジュールケースに接合されるように構成された本体ケースを備え、
    　前記本体ケースは、前記第１基板を固定する第２固定手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
  15. 　請求項１２に記載の電力変換装置であって、　前記第２基板に対し略水平に接続された第４基板と、
    　前記放熱フィンに固定され、前記インバータ回路の形状に合わせた開口部を備えるモジュールケースと、
    　前記モジュールケースに接合されるように構成された本体ケースと、
    　前記本体ケースに接合されるように構成された前面カバーを備え、
    　前記前面カバーは、前記第４基板を固定する第３固定手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
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