(57)【要約】  ＭＯＳＦＥＴ（４ｕ，４ｖ，４ｗ）およびＩＧＢＴ（３ｕ，３ｖ，３ｗ）が、プリント（５０）上に、そのプリント基板（５０）の端縁に沿って直線状に、かつ互いに接近する状態に並んで配置されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ（４ｕ，４ｖ，４ｗ）およびＩＧＢＴ（３ｕ，３ｖ，３ｗ）に対し、１つのヒートシンク（５４）が取付けられている。
2007088660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、および蒸発器を備え、前記圧縮機をインバータ装置により駆動する冷凍サイクル装置であって、
前記インバータ装置は、スイッチング回路を有し、
前記スイッチング回路は、ＩＧＢＴと還流ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴとが上流側と下流側の関係に接続された複数の直列回路を有し、
前記各直列回路のＩＧＢＴのオンに先立って、その各ＩＧＢＴと同じ直列回路のＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードにそれぞれ逆電圧を印加する複数の逆電圧印加回路；と、
前記逆電圧印加回路が搭載され、前記各ＩＧＢＴが互いに隣り合う状態に搭載され、かつ前記各ＭＯＳＦＥＴが互いに隣り合う状態に搭載されたプリント基板；と、
前記各ＩＧＢＴおよび前記各ＭＯＳＦＥＴが取付けられた放熱部材；と、
を備えている。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、
前記逆電圧印加回路は、前記プリント基板上の前記ＭＯＳＦＥＴの近傍に搭載されている。
【請求項３】
請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、
前記プリント基板上の前記ＭＯＳＦＥＴと前記逆電圧印加回路との間に、直線状に設けられた配線パターン、をさらに備えている。
【請求項４】
請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、
前記インバータ装置は、交流電源の電圧を整流する整流素子を有し、この整流素子の出力を前記スイッチング回路に入力する、
前記整流素子は、前記各ＭＯＳＦＥＴおよび前記各ＩＧＢＴと共に、当該整流素子、各ＭＯＳＦＥＴ、各ＩＧＢＴの順に直線状に並んで、前記プリント基板に搭載され、かつ前記放熱部材に取付けられている、
【請求項５】
請求項４に記載の冷凍サイクル装置において、
前記逆電圧印加回路の動作用電圧を前記整流素子の出力から作る低電圧直流電源回路であって、前記プリント基板上の前記整流素子側に搭載されている；と、
前記プリント基板上の前記低電圧直流電源回路と前記逆電圧印加回路との間に設けられた動作電圧供給用の配線パターン；と、
をさらに備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧縮機をインバータ装置によって駆動する冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機や冷蔵庫などの冷凍サイクル装置の圧縮機に用いられるブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ装置は、電圧の印加方向に沿って上流側および下流側となる２つのスイッチング素子の直列回路を複数備え、これら直列回路の上流側スイッチング素子と下流側スイッチング素子の相互接続点がブラシレスＤＣモータの各相巻線に接続される。各スイッチング素子は、還流ダイオード（寄生ダイオードともいう）を有している。【０００３】
一般に、スイッチング素子としては、最近、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが多く採用されている。ＭＯＳＦＥＴを用いている場合、ＭＯＳＦＥＴのオン，オフ速度が速いため高周波スイッチングが可能というメリットがあり、また低電圧出力時のロスが小さいことからファンモータ等の出力の小さいモータを駆動する場合に多用される。【０００４】
ただし、ＭＯＳＦＥＴでは、素子製造の過程において同じ素子上に作られる還流ダイオードの逆回復特性が悪いという問題がある。近年、オン時の抵抗が低くてスイッチング特性にすぐれたスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴが開発されているが、このスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴにおいては、素子上に形成される還流ダイオードの逆回復特性がますます悪いものとなっている。【０００５】
還流ダイオードの逆回復特性が悪いと、次の不具合を生じる。すなわち、ＭＯＳＦＥＴがオフしたとき、誘導性負荷に蓄えられたエネルギによってＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードに順方向電流（還流電流ともいう）が流れるが、その状態で、同じ直列回路の他方のスイッチング素子がオンしてＭＯＳＦＥＴに直流電圧が加わると、還流ダイオードに蓄えられた電荷による大きな逆回復電流（スパイク電流ともいう）が還流ダイオードに流れる。この逆回復電流は、大きな電力損失となる。また、この電力損失の多くは、ＭＯＳＦＥＴと対となる他方のスイッチング素子のオン時の発熱となり、これが大きくなると他方のスイッチング素子がその熱によって破壊するという問題がある。【０００６】
このようなことから、圧縮機を駆動するような大きな電流が流れるインバータにＭＯＳＦＥＴを採用することは、非常に難しい。【０００７】
そこで、従来、上記他方のスイッチング素子のオンに先立ってＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードに逆電圧を印加する逆電圧印加回路を設け、この逆電圧の印加によって還流ダイオードに流れる逆回復電流を防止し、電力損失の低減を図るものがある（例えば、特開平１０−３２７５８５号公報）。この構成により、コンプレッサモータ駆動用などの大出力モータにも、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを採用することが可能となる。【０００８】
また、インバータ装置のすべての素子にＭＯＳＦＥＴを用いることも可能であるが、効率の改善度合や逆電圧印加回路を追加するためのコストを考慮すると、上流側のスイッチング素子としては従来どおりＩＧＢＴ等を用い、下流側のスイッチング素子のみＭＯＳＦＥＴとする案が考えられる。
【発明の開示】
【０００９】
インバータ装置では、各スイッチング素子をプリント基板上にどのように配置するか、また各スイッチング素子の発熱をどのように処理するかが、装置の小形化や動作の安定化を図る上で重要な要素となる。
【００１０】
この発明の冷凍サイクル装置の目的は、ＭＯＳＦＥＴを含む各スイッチング素子をプリント基板上にスペース効率よくしかも放熱効率よく配置することができ、これによりインバータ装置の小形化および動作の安定化などが図れることである。
【００１１】
この発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、および蒸発器を備え、その圧縮機をインバータ装置により駆動するものであって、
前記インバータ装置は、スイッチング回路を有し、
前記スイッチング回路は、ＩＧＢＴと還流ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴとが上流側と下流側の関係に接続された複数の直列回路を有し、
前記各直列回路のＩＧＢＴのオンに先立って、その各ＩＧＢＴと同じ直列回路のＭＯＳＦＥＴの還流ダイオードにそれぞれ逆電圧を印加する複数の逆電圧印加回路；と、
前記逆電圧印加回路が搭載され、前記各ＩＧＢＴが互いに隣り合う状態に搭載され、かつ前記各ＭＯＳＦＥＴが互いに隣り合う状態に搭載されたプリント基板；と、
前記各ＩＧＢＴおよび前記各ＭＯＳＦＥＴが取付けられた放熱部材；と、
を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、一実施形態の構成および冷凍サイクルの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、一実施形態におけるプリント基板上のＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴの配置状態を示す図である。
【図３】図３は、一実施形態におけるプリント基板上の各部品の配置および配線パターンを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［１］以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。  
図１において、Ｍは冷凍サイクル装置の一種である空気調和機のコンプレッサモータとして使用されるブラシレスＤＣモータ（負荷）で、星形結線された３つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有するステータ、および永久磁石を有するロータにより構成されている。相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との相互作用により、ロータが回転する。【００１４】
このブラシレスＤＣモータＭが、圧縮機構の動力源として、圧縮機２０に収容されている。冷房時は、圧縮機２０から吐出される冷媒が実線矢印で示すように四方弁２１を介して室外熱交換器２２に流れ、その室外熱交換器２２を経た冷媒が膨張弁２３を介して室内熱交換器２４に流れる。そして、室内熱交換器２４を経た冷媒が、上記四方弁２１を介して圧縮機２０に吸込まれる。これにより、室外熱交換器２２が凝縮器、室内熱交換器２４が蒸発器として機能する。暖房時は、四方弁２１が切換わることにより、破線矢印で示す方向に冷媒が流れ、室内熱交換器２４が凝縮器、室外熱交換器２２が蒸発器として機能する。【００１５】
上記ブラシレスＤＣモータＭに、インバータ装置１が接続されている。このインバータ装置１は、商用交流電源３０の電圧を整流する整流素子３１、この整流素子３１の出力端に接続された平滑コンデンサ３２、この平滑コンデンサ３２の両端に接続された直流端子Ｐ，Ｎ、この端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧（例えば直流２８０Ｖ）を受けて上記相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに電流を流すスイッチング回路２、このスイッチング回路２を駆動制御する制御部１０などにより、構成されている。【００１６】
スイッチング回路２は、２つのスイッチング素子が直流電圧の印加方向に沿って上流側と下流側の関係に接続された直列回路をＵ，Ｖ，Ｗの三相分有するもので、各直列回路の上流側のスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ以外の例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）がそれぞれ用いられ、下流側のスイッチング素子として低損失パワーＭＯＳＦＥＴ（スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ等）がそれぞれ用いられている。すなわち、Ｕ相の直列回路は、上流側にＩＧＢＴ３ｕ、下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｕを有している。Ｖ相の直列回路は、上流側にＩＧＢＴ３ｖ、下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｖを有している。Ｗ相の直列回路は、上流側にＩＧＢＴ３ｗ、下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｗを有している。【００１７】
ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗに対し、還流ダイオードＤｕ＋，Ｄｖ＋，Ｄｗ＋がそれぞれ逆並列接続されている。ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗに対し、還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−がそれぞれ逆並列接続されている。これら還流ダイオードは、寄生ダイオードとして、それぞれ対応するＭＯＳＦＥＴの素子本体に内蔵される。【００１８】
ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの駆動用として、駆動回路３４ｕ，３４ｖ，３４ｗが設けられている。これら駆動回路３４ｕ，３４ｖ，３４ｗは、制御部１０の出力端子Ｂｕ,Ｂｖ,Ｂｗからの指令に応じてＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗをオン，オフ駆動する。同様に、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの駆動用として、駆動回路３３ｕ，３３ｖ，３３ｗがオン，オフ駆動される。【００１９】
ＩＧＢＴ３ｕとＭＯＳＦＥＴ４ｕの相互接続点、ＩＧＢＴ３ｖとＭＯＳＦＥＴ４ｖの相互接続点、ＩＧＢＴ３ｗとＭＯＳＦＥＴ４ｗの相互接続点に、上記相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれ非結線端が接続されている。【００２０】
また、スイッチング回路１は、誘導性負荷である相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに蓄えられたエネルギによって還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に順方向電流（還流電流）が流れた場合に、上流側のＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのオンに伴って還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に流れる逆回復電流Ｉｒｒを抑制するため、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのそれぞれオンに先立ってＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に逆電圧を印加する逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗを備えている。【００２１】
逆電圧印加回路６ｕは、低電圧直流電源回路４０の出力電圧（例えば１５Ｖ）を抵抗４１を介して逆電圧印加用コンデンサ４２に印加し、その逆電圧印加用コンデンサ４２の電圧を逆電圧印加用ＭＯＳＦＥＴ４３のドレイン・ソース間、およびダイオード４４を介して、ＭＯＳＦＥＴ４ｕの還流ダイオードＤｕ−に対し逆電圧として印加する。また、逆電圧印加回路６ｕは、逆電圧印加用ＭＯＳＦＥＴ４３の駆動用として、ゲート駆動回路４６を有している。ゲート駆動回路４６は、制御部１０の出力端子Ａｕ，Ａｖ，Ａｗからの指令に応じて逆電圧印加用のパルス信号を生成して出力する。この出力が逆電圧印加用ＭＯＳＦＥＴ４３のゲートに供給される。【００２２】
他の逆電圧印加回路６ｖ，６ｗも、逆電圧印加回路６ｕと同じ構成である。よって、その説明は省略する。【００２３】
また、ＩＧＢＴ３ｕおよびＭＯＳＦＥＴ４ｕの直列回路におけるＭＯＳＦＥＴの下流側に、電流検出用の抵抗７ｕが挿入接続されている。ＩＧＢＴ３ｖおよびＭＯＳＦＥＴ４ｖの直列回路におけるＭＯＳＦＥＴ４ｖの下流側に、電流検出用の抵抗７ｖが挿入接続されている。ＩＧＢＴ３ｗおよびＭＯＳＦＥＴ４ｗの直列回路におけるＭＯＳＦＥＴ４ｗの下流側に、電流検出用の抵抗７ｗが挿入接続されている。ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗを通して流れる電流に応じたレベルの電圧が、それぞれ抵抗７ｕ，７ｖ，７ｗに生じる。これら抵抗７ｕ，７ｖ，７ｗに生じる電圧が、制御部１０に供給される。【００２４】
制御部１０は、抵抗７ｕ，７ｖ，７ｗに生じる電圧からブラシレスＤＣモータＭの各相巻線に流れる電流を検出し、検出した電流からブラシレスＤＣモータＭのロータの回転速度やロータ位置を検出し、検出した回転に基づく所定のタイミングでスイッチング回路１の各ＩＧＢＴ、各ＭＯＳＦＥＴ、および各逆電圧印加回路を駆動するもので、主要な機能として、スイッチング回路１における各直列回路のうち少なくとも１つの直列回路の上流側のＩＧＢＴおよび別の少なくとも１つの直列回路の下流側のＭＯＳＦＥＴによる各相巻線への通電を順次に切換える制御手段を有している。【００２５】
このように構成された回路の各ＩＧＢＴおよび各ＭＯＳＦＥＴの配置および取付け構造を、図２および図３により説明する。図２に示すように、プリント基板５０の端部に板金で形成されたフレーム５１が立設され、そのフレーム５１に３つの保持部材５２および１つの保持部材５３が設けられている。このうち、３つの保持部材５２に、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗおよびＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗが、それぞれグループ化されて、プリント基板５０の端縁に沿うように直線状に、かつ互いに接近する状態に並んで、２つずつ保持されている。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗはＭＯＳＦＥＴのグループとしてそれぞれ隣り合うように配置され、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗはＩＧＢＴのグループとしてそれぞれ隣り合うように配置されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗおよびＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのそれぞれ端子ピンが、プリント基板５０上の配線パターン（図示しない）に半田付け接続されている。【００２６】
上記保持部材５３に上記整流素子３１が保持され、その整流素子３１の配線がプリント基板５０上の配線パターン（図示しない）に半田付け接続されている。この整流素子３１も、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗのグループおよびＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのグループと共に、プリント基板５０の端縁に沿って直線状に並んで配置されている。【００２７】
また、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗ、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗ、および整流素子３１の背面部に、放熱部材たとえば熱伝導性の良いアルミ製のヒートシンク（フィン付き放熱板）５４が取付けられている。このヒートシンク５４は、上記フレーム５４に保持されて、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗ、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗ、および整流素子３１のそれぞれ背面部に密着している。【００２８】
整流素子３１、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗ、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗがプリント基板５０の端縁に沿って直線状に並んで配置されているので、その整流素子３１、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗ、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの全てに対して１つのヒートシンク５４を容易にしかも省スペースで密着させることができる。したがって、１つのヒートシンク５４だけで、整流素子３１、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗ、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの熱を効率よく放出することができる。この放熱効率の向上により、インバータ装置１としての動作の安定化が図れる。【００２９】
しかも、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗのグループとＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのグループに分けて並んで配置する構成であるから、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗおよびＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗをプリント基板５０上にスペース効率よく配置することができる。これにより、プリント基板５０上のスペースを他の部品の取付けに有効活用できるとともに、インバータ装置１の小形化が図れる。【００３０】
すなわち、図３に示すように、プリント基板５０上のＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの近傍に、かつＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの列に対向する状態に、上記逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗを１つにまとめたハイブリッドＩＣ６０が搭載されている。そして、プリント基板５０の上面において、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗとハイブリッドＩＣ６０との間に、直線状の配線パターン５５ｕ，５５ｖ，５５ｗが設けられている。この配線パターン５５ｕ，５５ｖ，５５ｗにより、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗと逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗとの間の通電路が形成されている。【００３１】
ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗと逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗとが近くて、しかも両者間の配線パターン５５ｕ，５５ｖ，５５ｗが直線状であることにより、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗと逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗとの間の通電路が極力短縮される。これにより、逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗからＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗに印加される電圧に外部のノイズが重畳し難くなり、この耐ノイズ性能の向上により、動作の安定化および信頼性の向上が図れる。【００３２】
プリント基板５０には、ほかに、上記した平滑コンデンサ３２、駆動回路３３ｕ，３３ｖ，３３ｗ，３４ｕ，３４ｖ，３４ｗ、低電圧直流電源回路４０、および温度センサ７０などが搭載され、それぞれ配線パターンによって接続されている。実線はプリント基板５０の上面側の配線パターンを示し、破線はプリント基板５０の下面側の配線パターンを示している。【００３３】
一般に配線パターンを短くするために、プリント基板５０上の整流素子３１側に低電圧直流電源回路４０が搭載される。この低電圧直流電源回路４０は、逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗの動作用電圧（直流低電圧）を上記整流素子３１の出力から作るもので、プリント基板５０上の整流素子３１側に搭載されている。そして、プリント基板５０上の低電圧直流電源回路４０とハイブリッドＩＣ（逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗ）６０との間に、動作電圧供給用の配線パターン５６ａ，５６ｂが設けられている。低電圧直流電源回路４０がプリント基板５０上の整流素子３２側に搭載され、その整流素子３２の隣り位置にＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗのグループが配置され、そのＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗと対向する位置にハイブリッドＩＣ（逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗ）６０が搭載されているので、結果的に、上記配線パターン５６ａ，５６ｂを短くすることができる。【００３４】
上記温度センサ７０は、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの近傍に設けられ、そのＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの温度を検知する。この温度検知は、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの大きな温度上昇を逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗの異常（故障や誤動作）として的確に検出するためのものである。【００３５】
なお、上記実施形態では、整流素子３１の隣りにＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗのグループを配置し、その隣りにＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのグループを配置したが、若干逆電圧印加回路６ｕ，６ｖ，６ｗへの電源供給の配線が複雑化するが、整流素子３１の隣りにＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのグループを配置し、その隣りにＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗのグループを配置する構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
この発明の冷凍サイクル装置は、空気調和機や冷蔵庫などの圧縮機をインバータ装置によって駆動する場合に、利用できる。
【図１】
2007088660.tif 000003
【図２】
2007088660.tif 000004
【図３】
2007088660.tif 000005
【国際調査報告】
2007088660.tif 000006
2007088660.tif 000007
2007088660.tif 000008
2007088660.tif 000009