(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記放熱シートは熱抵抗が０．５〜３．５℃／Ｗであることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
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。
【請求項４】
絶縁基板は、０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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７】
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８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インバータ装置、インバータ装置でモータの回転数を変更される圧縮機、及び圧縮機を有する空調機器や冷熱機器等の冷媒サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）などの半導体素子のスイッチング特性改善により、ＰＷＭ制御でのキャリア周波数を高くすることが可能になったが、反面、入出力配線およびモータ等に静電容量が存在するため、これらを通じて流れる漏洩電流が発生している。
【０００３】
特に、ＩＰＭでは半導体素子のスイッチング動作により発生する熱を放出するため、銅やアルミナ等からなる放熱板等を設置しているが、この放熱板とＩＰＭとの間の浮遊静電容量を介した漏洩電流が増加する傾向がある。これを防止するため、例えば、特許文献１では、ＰＮＰトランジスタを使用することでコレクタを安定した負電位とし、特許文献２に記載のインバータでは、半導体素子の下面に、シリコングリースを付加して、放熱板に対する電位変動を抑制することで漏洩電流抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３２２２６３号公報
【特許文献２】特開２００３−１０１２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
今後も、半導体素子のキャリア周波数を向上させることが必要となるが、これに応じて漏洩電流もさらに大きくなる状況になる。この場合、ＰＮＰトランジスタは漏洩電流対策には優れるが、製造工程が複雑になり、実用的でない面がある。また、単に、半導体素子と放熱板との間に配置する絶縁基板やシリコングリースを厚くしただけでは、半導体素子から放熱板への伝熱特性が低下し、半導体素子自体が損傷する怖れがある。
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。
【０００６】
この発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、半導体素子の熱損傷を起こすことなく、効率的に漏洩電流の防止を行うことができるインバータ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、パワーモジュールの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、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、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い、０．７５ｍｍ〜１．２５ｍｍのシリコーンゴムとした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＳｉＣスイッチング素子を用い、放熱シートを厚くするという簡易な方法で、漏洩電流を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１における空気調和機の冷媒回路図である。
【図２】実施の形態１におけるインバータ装置の電気回路図である。
【図３】インバータ装置の出力電圧と対地間電位を示す図である。
【図４】実施の形態１における室外機の制御箱内部構成を示す図である。
【図５】実施の形態１におけるＩＰＭと放熱フィンとの接続構成を示す縦断面図である。
【図６】絶縁物の厚さと静電容量の関係を示す図である。
【図７】実施の形態１におけるＩＰＭと放熱フィンとの接続構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
実施の形態１.
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。
【００１２】
この空気調和機では、冷房運転時には、圧縮機１から吐き出されたガス冷媒は、四方弁２を通り、室外熱交換器３で外気に熱を放出して液冷媒となり、液配管９を通って室内機７に送られ、室内機７では、膨張弁５を通過した際に、低圧の気液二相状態となり、室内熱交換器６で、冷媒が室内の空気から熱を吸収することで蒸発してガス冷媒となり、ガス
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。
【００１３】
図２は、圧縮機１の容量を制御するインバータ装置の電気回路を示す図である。
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。
【００１４】
なお、図２に示す電気回路では、逆変換回路５と対地（アースマーク付与）の間には浮遊容量が存在しており、この対地間電位に応じて漏洩電流が流れてしまう。
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。
【００１５】
室外機３では、圧縮機１のインバータ装置や、ファンの回転を制御する制御装置等はまとめて、制御箱という金属の箱内に配置されている。
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。
【００１６】
なお、ＩＰＭとは、スイッチング素子であるパワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどからなる逆変換回路と駆動回路とを組み込んで構成したパワーモジュールであり、ＩＰＭ２０には、図２の逆変換回路５は配置されている。
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。
【００１７】
図５は、ＩＰＭ２０と放熱フィン２７との接続構成部分で、１個のスイッチング素子が設置されている、図４でのＩ−Ｉでの縦断面図である。
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０．６〜１．０ｍｍ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０．６〜１．０ｍｍ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。
【００１８】
放熱シート３６は、窒化珪素粉末あるいはシリカ粉末、アルミナ粉末、窒化アルミナ粉末、黒鉛粉末をシリコーンゴムに分散含有させもので、熱抵抗が０．５〜３．５℃／Ｗの素材であり、厚さは１ｍｍのものを使用している。
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。
【００１９】
ところで、一般に、金属に挟まれた絶縁物は固有の誘電率εrをもっているため、金属板間には、次式の静電容量Ｃが発生する。
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。
【００２０】
また、ＳｉＣスイッチング素子はＳｉスイッチング素子に比較して高温に耐えられることは既に知られている。Ｓｉスイッチング素子では１２５℃程度の動作温度に対して、ＳｉＣスイッチング素子では２００℃程度でも動作可能である。また、Ｓｉスイッチング素子に対し、ＳｉＣスイッチング素子では電力損失が小さく、同じ駆動条件での温度上昇が１／２になる。よって、放熱フィンの設計上で一般的に使用される上限の温度である７５℃を設定した場合、スイッチング素子と放熱板間での使用可能な温度は、Ｓｉスイッチング素子の場合には、１２５℃−７５℃＝５０℃、ＳｉＣスイッチング素子の場合には、２００℃−７５℃＝１２５℃となり、ＳｉＣスイッチング素子ではＳｉスイッチング素子より２．５倍の動作温度を持つことになる。よって、Ｓｉスイッチング素子では放熱シートの厚さを最大で０．２５ｍｍ程度としていたものを、ＳｉＣスイッチング素子では、０．２５ｍｍ×２×２．５＝１．２５ｍｍと最大で５倍の厚さ程度とすることが可能である。このように、ＳｉＣスイッチング素子にすることで、放熱シートを厚くすることができ、漏洩電流を少なくすることができる。
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。
【００２１】
なお、ＳｉＣスイッチング素子の温度上昇と、放熱シートの厚さとの関係として、放熱シートを１ｍｍにてＳｉＣスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作をＳｉスイッチング素子と同様レベルで動作させたところ、ＳｉＣスイッチング素子の平均的な温度は１５０℃程度となり、十分に動作可能であった。
【００２２】
このように、本実施の形態１では、スイッチング素子としてＳｉＣスイッチング素子を用いたが、これに限定されるものではなく、バンドギャップが大きいため同等の高温に耐えられる、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド素子等のいわゆるワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子でも良い。
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。
【００２３】
実施の形態２.
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。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上のように、本発明は、インバータ装置、インバータ式圧縮機、及び冷媒サイクル装置に適用する場合に有用である。
【符号の説明】
【００２５】
１  圧縮機
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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