JP4989665B2

JP4989665B2 - 駆動回路一体型モーター、この駆動回路一体型モーターを用いた空気調和機の室内機、空気調和機、換気扇及びポンプ、並びにこのポンプを用いた機器及び給湯機

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Publication number: JP4989665B2
Application number: JP2009028541A
Authority: JP
Inventors: 倫雄山田; 東吾山崎; 博幸石井; 峰雄山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: JP2010187435A

Description

本発明は、駆動回路一体型モーター、この駆動回路一体型モーターを用いた空気調和機の室内機、空気調和機、換気扇及びポンプ、並びにこのポンプを用いた機器及び給湯機に関する。

商用交流電源の電圧を平滑整流した直流高電圧をモーターの電力源とした従来の電力変換装置において、加工費低減等を図ったものがある。このような従来の電力変換装置として、例えば「モーター駆動装置１は、高圧直流電源４の出力電圧から、モーター７への電力供給を行って、モーター７の回転速度を所望の速度にする作用を行うもので、プリドライブＩＣ５を含む周辺回路３と、ＭＯＳＦＥＴアレイ１２と、前記プリドライブＩＣ５の出力信号は、ゲートドライバＩＣ９にて、電力増幅して、前記ＭＯＳＦＥＴアレイ１２に内蔵された各ＭＯＳＦＥＴのゲートへ伝達される構成を有している。」（例えば特許文献１参照）というものが提案されている。

特開２００３−３３３８８０号公報（段落００２８、図１）

従来の電力変換装置（モーター駆動装置）は、６個のＭＯＳＦＥＴをモジュール化している。このようなＭＯＳＦＥＴモジュール（ＭＯＳＦＥＴアレイ）は、発熱源となる半導体素子が近接して配置されているため、半導体素子の損失が大きくなった場合、半導体素子が温度上昇により破壊しやすいという問題点があった。このため、従来の電力変換装置は、周囲が高温となる場合、最大出力を制限しなければならないという問題点があった。

例えば、近年、高層マンション等では、空気調和機の室外機はベランダに設置されることが多い。高層マンション等は、リビングの面積を広く確保するために、ベランダが狭い場合が多い。このため、室外機の周囲温度が高温化する傾向がある。このような場合、室外機のファンモーター等に接続された電力変換装置は最大出力を制限する必要がある。また、例えば、天井等に取り付けられるダクト用換気扇も、天井裏の温度が高くなりやすい。このため、ファンモーター等に接続された電力変換装置は最大出力を制限する必要がある。

また、ＭＯＳＦＥＴモジュールは、半導体素子と金属製リードフレームとの間を、アルミや金等のボンディングワイヤーで電気的に接続する構成となる。ＭＯＳＦＥＴモジュールには、高圧電圧が印加され、高電流が流れる。このため、ボンディングワイヤーを保護するために、ボンディングワイヤーにモールド樹脂を厚くかぶせる必要がある。したがって、半導体素子と金属製リードフレームとを直接接続する単品のＭＯＳＦＥＴのパッケージ厚み（例えば１ｍｍ〜２ｍｍ）に比べ、ＭＯＳＦＥＴモジュールはパッケージの厚み（例えば３ｍｍ〜５ｍｍ）が厚くなってしまう。さらに、ＭＯＳＦＥＴモジュールは単品のＭＯＳＦＥＴに比べてサイズが大きいので、金属製リードフレームのそり対策のために、金属製リードフレームの板厚も単品のＭＯＳＦＥＴに比べ厚い。したがって、電力変換装置の厚さを増加させてしまうという問題点があった。

例えば、従来の電力変換装置を駆動回路一体型モーターに用いる場合、電力変換装置は、ドーナツ形状のプリント基板上に実装されることが多い。このとき、ローター磁極位置検知用のホールセンサーは、プリント基板におけるステーター側の面に実装する必要がある。このため、サイズが大きいＭＯＳＦＥＴモジュールは、プリント基板におけるステーター側と反対面に実装しなければならない。したがって、電力変換装置をプリント基板の両面に実装することとなり、電力変換装置の厚さをさらに増加させてしまう。また、サイズが大きいＭＯＳＦＥＴモジュールが、プリント基板の最小寸法の制約事項となる。このため、従来の電力変換装置を内蔵した駆動回路一体型モーターを小型化することが難しい。近年、家庭用空気調和機の室内機は、意匠性向上のために薄型化の要求が高い。この要求を実現するためには、ファンモーター等を小型化することが求められる。しかしながら、電力変換装置を内蔵した駆動回路一体型モーターは、ＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージサイズが小型化する際の障害となっている。

また、ＭＯＳＦＥＴモジュールは、単品のＭＯＳＦＥＴに比べて生産数量が少ないため、金型や設備の償却費用がかかり、高コストになってしまうという問題点もあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、加工費低減等の効果を維持しつつ、能力向上、小型化、コストの削減等が可能な駆動回路一体型モーター、この駆動回路一体型モーターを用いた空気調和機の室内機、空気調和機、換気扇及びポンプ、並びにこのポンプを用いた機器及び給湯機を得ることを目的とする。

本発明に係る駆動回路一体型モーターは、モーターの回転子を検出するセンサーと、モーターの回転数を制御するインバーターと、該インバーターを制御する周辺回路と、を備え、前記周辺回路を一体構造とし、前記インバーターに設けられた複数のスイッチ素子は、それぞれ別のパッケージで構成された面実装タイプのスイッチ素子である電力変換装置を有し、該電力変換装置をプリント基板に実装して、該プリント基板上の前記電力変換装置とステーターとを電気的に接続し、前記電力変換装置、前記プリント基板及び前記ステーターを樹脂により封止し、前記プリント基板は、ローターの回転軸が貫通する貫通孔が形成されたドーナツ形状又は半月形状に形成され、前記インバーターは、前記周辺回路から出力されたゲート信号を増幅させて前記スイッチ素子のそれぞれに出力するゲートドライブ回路を備え、前記スイッチ素子、前記ゲートドライブ回路及び前記周辺回路は、前記プリント基板の前記ステーター側の面に実装されているものである。

また、本発明に係る駆動回路一体型モーターは、モーターの回転子を検出するセンサーと、モーターの回転数を制御するインバーターと、該インバーターを制御する周辺回路と、を備え、前記周辺回路を一体構造とし、前記インバーターの複数のスイッチ素子は、それぞれ別のパッケージで構成された面実装タイプのスイッチ素子である電力変換装置を有し、該電力変換装置をプリント基板に実装して、該プリント基板上の前記電力変換装置とステーターとを電気的に接続し、前記電力変換装置、前記プリント基板及び前記ステーターを樹脂により封止し、前記プリント基板は、ローターの回転軸が貫通する貫通孔が形成されたドーナツ形状又は半月形状に形成され、前記インバーターは、前記周辺回路から出力されたゲート信号を増幅させて前記スイッチ素子のそれぞれに出力するゲートドライブ回路を備え、前記スイッチ素子は、前記プリント基板における前記ステーター側とは反対の面に実装され、前記ゲートドライブ回路及び前記周辺回路は、前記プリント基板の前記ステーター側の面に実装されているものである。

また、本発明に係る空気調和機の室内機は、上記の駆動回路一体型モーターを搭載したものである。

また、本発明に係る空気調和機は、上記の駆動回路一体型モーターを搭載したものである。

また、本発明に係る換気扇は、上記の駆動回路一体型モーターを搭載したものである。

また、本発明に係るポンプは、上記の駆動回路一体型モーターを搭載したものである。

また、本発明に係る機器は、上記のポンプを搭載したものである。

また、本発明に係る給湯機は、上記のポンプを搭載したものである。

本発明においては、周辺回路を一体構造とし、インバーターに設けられた複数のスイッチ素子を、それぞれ別のパッケージで構成された面実装タイプのスイッチ素子を用いた。このため、各スイッチ素子を近接させずに配置することが可能となる。したがって、周囲温度が高温となる場合でも、最大出力を発揮することが可能となる。
また、電力変換装置を例えばプリント基板等に実装した場合でも、電力変換装置の薄型化が可能となる。この電力変換装置を用いられた各機器は、小型化することが可能となる。
また、生産数量の多い面実装タイプのスイッチ素子を用いているので、電力変換装置のコストを削減することができる。また、この電力変換装置を用いられた各機器のコストを削減することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構造図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置及びモーターステーターの構造図である。本発明の実施の形態１に係るスイッチ素子の構造説明図である。本発明の実施の形態１に係るプリント基板の平面図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構造図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置及びステーターの構造図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構造図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の回路図である。家庭用空気調和機の室内機及び室外機を示す外観図である。図１０に示す室内機の縦断面模式図である。プリント基板サイズとＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージサイズとの関係を示す説明図である。本発明の実施の形態４に係る換気扇の縦断面模式図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。電力変換装置１００は、モーターの回転を検出するセンサー５、ゲート信号生成回路６、ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）、チャージポンプダイオード１１、及びスイッチ素子１２〜１７等から構成されている。この電力変換装置１００には、高圧電源１、低圧電源２、指令入力線３、ＦＧ信号出力線４等が接続されている。ここで、ゲート信号生成回路６が周辺回路に相当する。ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）及びスイッチ素子１２〜１７がインバーターに相当する。

センサー５は、例えばホール素子を用いたセンサーであり、ローターの磁極位置に応じたパルスを出力する。ゲート信号生成回路６は、センサー５の出力及び指令入力線３からの指令に基づき、スイッチ素子１２〜１７のＯＮ／ＯＦＦの状態を決定する低圧ゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。ゲート信号生成回路６は、例えば、ロジックゲートで構成される専用ＩＣやマイクロコンピューター等である。ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）は、ゲート信号生成回路６からの低圧ゲート信号を基に、高電位に接続されるスイッチ素子１２〜１７のゲート信号を生成する。チャージポンプダイオード１１はＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）の高電位側であるゲート駆動電圧を生成する。

スイッチ素子１２〜１７のゲートは、ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）に接続されている。スイッチ素子１２〜１４のドレインは、高圧電源１の正側出力端子に接続されている。スイッチ素子１５〜１７のソースは、高圧電源１の負側出力端子に接続されている。また、スイッチ素子１２のソース及びスイッチ素子１５のドレイン、スイッチ素子１３のソース及びスイッチ素子１６のドレイン、スイッチ素子１３のソース及びスイッチ素子１７のドレインは、それぞれモーター巻き線（モーター駆動巻線となるステーター巻き線）と接続されている。

スイッチ素子１２〜１７は、電力変換装置１００の使用条件に応じて、ＭＯＳＦＥＴとＩＧＢＴとを使い分けている。
近年、家庭用空気調和機のファンモーターに使用されているΦ１００ｍｍ以下のステーターコアを、業務用空気調和機のファンモーターに流用することが多くなっている。家庭用空気調和機のファンモーターに使用されているΦ１００ｍｍ以下のステーターコアは、多くの数が市場に流通しており、低コストだからである。この場合、業務用空気調和機のファンモーターに接続される電力変換装置１００には、家庭用空気調和機のファンモーターに接続されていたときよりも多くの電流が流れる。このため、スイッチ素子１２〜１７を通過する電流も増加する。

特許文献１では、スイッチ素子にＭＯＳＦＥＴを用いることにより、ＩＧＢＴに比べ低損失となるとの記載がある。しかしながら、実際にそれが成り立つのは以下の条件である。
Ｉ＜ＶＣＥｓａｔ／Ｒｏｎ
ここで、Ｉはスイッチ素子電流、ＶＣＥｓａｔはＩＧＢＴのＯＮ電圧、ＲｏｎはＭＯＳＦＥＴのＯＮ抵抗を表す。
したがって、
Ｉ≧ＶＣＥｓａｔ／Ｒｏｎ
の条件ではＩＧＢＴを用いた方が良いことになる。
このため、本実施の形態１では、Ｉ＜ＶＣＥｓａｔ／Ｒｏｎの場合はＭＯＳＦＥＴを用い、Ｉ≧ＶＣＥｓａｔ／Ｒｏｎの場合はＩＧＢＴを用いる。このようにスイッチ素子を使い分けることによって、スイッチ素子１２〜１７の定常損失を抑制している。

なお、スイッチ素子１２〜１７は、スイッチ素子毎にＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを選択してもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ＯＮ時（ゲート信号入力時）には、トランジスタに電流が流れる。また、ＯＦＦ時にはダイオードに電流が流れる。このため、ＯＮ時間の長いスイッチ素子にＭＯＳＦＥＴを用いることによっても、スイッチ素子１２〜１７の定常損失を抑制することができる。例えば、高圧電源１の正側出力端子に接続されているスイッチ素子１２〜１４が、高圧電源１の負側出力端子に接続されているスイッチ素子１５〜１７よりもＯＮ時間が長いとする。この場合、スイッチ素子１２〜１４にＭＯＳＦＥＴを用いることにより、スイッチ素子１２〜１４の定常損失を抑制することができる。このとき、スイッチ素子の種類による定常損失の差が少ないスイッチ素子１５〜１７には、ＩＧＢＴを用いてもよい。これにより、電力変換装置１００のコストを低減することができる。

モーター８の電力供給源である高圧電源１からは、商用電源を整流した、例えば１００Ｖ〜３５０Ｖの直流電圧が印加される。低圧電源２からは、低圧安定化電源で低電圧化された、例えばＤＣ２０Ｖ〜３．３Ｖの直流電圧が印加される。指令入力線３には、制御用マイコン（図示せず）から、モーター８への出力電圧指令やモーター８の回転数指令が入力される。ＦＧ信号出力線４からは、モーター８の回転数に応じたパルスが出力される。

本実施の形態１においては、ゲート信号生成回路６は、例えば低耐圧ＰＮプロセスで形成される。ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）は、例えば高耐圧ＰＮプロセスで形成される。これらゲート信号生成回路６及びＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）は、ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７内部の金属リードフレームに実装され樹脂により封止されている（一体化されている）。ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）の絶縁部は、ＰＮ接合分離構造や誘電体分離構造となっている。ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）の絶縁部をＰＮ接合分離構造とした場合は、誘電体分離構造とした場合に比べて、安価にゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７を製作することができる。また、ＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）の絶縁部を誘電体分離構造とした場合は、ＰＮ接合分離構造とした場合に比べて、例えばラッチアップを防止することができるといった信頼性の高いゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７が得られる。

このようにゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７を形成すると、例えば後述の図２のようにプリント基板上にゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７を実装した場合、従来（例えば特許文献１参照）のようにゲート信号生成回路６とＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）とを接続するプリント配線が不要となる。このため、電力変換装置１００（プリント基板）を小さく製作することができる。

また、ゲート信号生成回路６及びＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）は、ＰＮプロセスで形成されるため、同一の半導体素子上に形成することも可能である。同一の工程でゲート信号生成回路６及びＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）を形成でき、コスト削減が可能となる。また、ゲート信号生成回路６を低耐圧ＰＮプロセスで形成することにより、ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７を小型化できる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構造図である。図２（ａ）は、図３に示す駆動回路一体型モーターのステーター２０側（以下、ステーター側という）から電力変換装置１００を見た図である。図２（ｂ）は、図３に示すステーター２０の反対側（以下、反ステーター側という）から電力変換装置１００を見た図である。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）で各部品の位置関係がわかりやすいように、図２（ａ）は左右を反転させて記載している。以下、図２（ｂ）の上下左右方向を上下左右方向として説明する。

電力変換装置１００は、略円形状の左側側面を切り欠いた略半月形状のプリント基板２１に実装されている。
より詳しくは、面実装タイプのセンサー５は、プリント基板２１のステーター側で、貫通孔２６の左側から下側にかけて実装されている。面実装タイプのゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７は、プリント基板２１のステーター側で、上側に実装されている。面実装タイプのチャージポンプダイオード１１は、プリント基板２１のステーター側で、貫通孔２６の右上側に実装されている。薄型面実装タイプ（詳細は、図４で後述）のスイッチ素子１２〜１７は、プリント基板２１のステーター側で、右側に実装されている。リード部品１９は、基板からの入出力線をまとめたものである。本実施の形態１では、リード部品１９は、高圧電源１、低圧電源２、指令入力線３及びＦＧ信号出力線４と接続される。リード部品１９は、プリント基板２１の反ステーター側で、下側に実装される。なお、貫通孔２６は、基板内蔵型のモーター（例えば図３）にプリント基板２１を用いた際に、ベアリング等を貫通させるための孔である。

つまり、電力変換装置１００は、センサー５、ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７、チャージポンプダイオード１１及びスイッチ素子１２〜１７がプリント基板２１のステーター側に実装されている。また、リード部品１９が、プリント基板２１の反ステーター側に実装される。

このように、プリント基板２１のステーター側に全ての面実装部品を集めているので、一回の半田工程のみで電力変換装置１００（プリント基板２１）を製造することができる。このため、Φ１００ｍｍ以下の小径モーターに本実施の形態１に係る電力変換装置１００（プリント基板２１）を用いることにより、両面に面実装部品が配置されていたために２回の半田工程が必要であった従来の電力変換装置と比べ、電力変換装置１００（プリント基板２１）及びモーターの製造コストを安くできる。

また、本実施の形態１に係る電力変換装置１００（プリント基板２１）は、一回の半田工程のみで電力変換装置１００（プリント基板２１）を製造することができるため、半田の不濡れによる製造不良が発生しやすいフロー半田工程でなく、リフロー半田工程で基板と面実装部品とを電気的に接続することができる。このため、電力変換装置１００（プリント基板２１）の信頼性も高めることができる。

また、薄型面実装タイプのスイッチ素子１２〜１７及び面実装タイプのゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７を用いてプリント基板２１のステーター側に全ての面実装部品を集めたことにより、プリント基板２１は、片面のみに配線用銅箔を形成した片面プリント基板を使用できる。片面プリント基板は、銅箔が片面で済むだけでなく、両面の銅配線の電気的接続を行うための基板メッキ工程も削減できる。片面プリント基板を使用することにより、基板コストを低減できることが公知となっている。電力変換装置１００（プリント基板２１）を本実施の形態１に示す構成とすることで、片面プリント基板の使用が可能となる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置及びステーターの構造図である。この図３は、電力変換装置１００を駆動回路とした駆動回路一体型モーターの一部を示している。なお、図３（ａ）は、電力変換装置１００及びステーター２０の縦断面模式図を示している。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）の平面図を示している。

ステーター２０は、電磁鋼板を積層したステーターコアに銅線やアルミ線を巻いて形成されている。このステーター２０の上方には、所定の間隔を介して、電力変換装置１００を実装したプリント基板２１が設けられている。この電力変換装置１００（プリント基板２１）とステーター２０とは、モーター端子２２によって電気的に接続されている。また、電力変換装置１００（プリント基板２１）とステーター２０とを一体構造とするため、電力変換装置１００（プリント基板２１）とステーター２０とは、モールド樹脂２３で封止されている。このモールド樹脂２３の上部には、ベアリング（図示せず）を保持するためのベアリングハウジング２４が、モールド樹脂によって形成されている。ベアリングハウジング２４に保持されるベアリングは、ローター（図示せず）の回転軸を回動自在に保持するためのものである。また、モールド樹脂２３の下部には、ローターを配置するための、ローター貫通穴２５が形成されている。このローター貫通穴２５にローターを配置等することにより、電力変換装置１００を駆動回路とした駆動回路一体型モーターが得られる。

このような駆動回路一体型モーターでは、プリント基板２１の反ステーター側に位置するモールドは、モーター（モールド樹脂２３）の上面に近いために低温となる。一方、プリント基板２１のステーター側に位置するモールドは、モーターの発熱により高温となる。また、反ステーター側に位置するモールドとステーター側に位置するモールドとの間には、熱抵抗の大きいプリント基板２１が介在している。このため、反ステーター側に位置するモールドとステーター側に位置するモールドとの間に温度差が生じた場合、反ステーター側に位置するモールドは、他の範囲のモールドよりも温度勾配が大きくなってしまう。これにより、反ステーター側に位置するモールドとステーター側に位置するモールドとの間に温度差が生じた場合、プリント基板２１の反ステーター側に実装された電子部品は、モールド樹脂の熱収縮により受ける応力が大きくなる。しかしながら、本実施の形態１に係るプリント基板２１は、応力に対して半田の接合強度が弱い面実装部品を全てステーター側に配置している。このため、熱履歴に対して信頼性の高い電力変換装置１００（プリント基板２１）及び駆動回路一体型モーターを得ることができる。

また、本実施の形態１に係るプリント基板２１は、同時にＯＮしない上下段のスイッチ素子（例えば、スイッチ素子１２とスイッチ素子１５）は近接しているが、上段のスイッチ素子のそれぞれ（スイッチ素子１２，１３，１４）は離れて実装されている。同様に、下段のスイッチ素子のそれぞれ（スイッチ素子１５，１６，１７）は離れて実装されている。このため、６個のスイッチ素子を内蔵した従来のＭＯＳＦＥＴモジュール（スイッチ素子となる半導体スイッチ間の距離がｍｍオーダーとなっている）と異なり、プリント基板２１は、各スイッチ素子間の距離をｃｍオーダーとすることができる。したがって、発熱素子であるスイッチ素子１２〜１７の熱集中を低減することができる。

また、電力変換装置１００は、薄型面実装タイプのスイッチ素子１２〜１７を用いている。さらに、その他のほとんどの部品も面実装タイプのＩＣとしている。そして、これらをプリント基板２１のステーター側に集約している。このため、従来のＭＯＳＦＥＴモジュールを用いた電力変換装置と比べて、電力変換装置１００を薄くすることができる。

また、電力変換装置１００が薄くなった分、ステーター２０のステーターコアの幅（図３における上下方向の幅）を大きくすることができる。これにより、同一体積で高出力のモーターを得ることができる。
例えば、家庭用空気調和機等に用いられている駆動回路一体型モーターに従来の電力変換装置（例えば特許文献１参照）を内蔵した場合、ＭＯＳＦＥＴモジュールをプリント基板２１の反ステーター側に実装しなければならない。このＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージ厚みは例えば４ｍｍ程度である。しかしながら、本実施の形態１に係る電力変換装置１００はプリント基板２１のステーター側に全ての面実装部品を集めているので、ＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージ厚み分、ステーター２０のステーターコアの幅を大きくすることができる。従来の電力変換装置を内蔵した駆動回路一体型モーターのステーターコアの幅が１０ｍｍ程度だった場合、ＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージ厚み４ｍｍ分ステーターコアの幅を大きくすると、同一の外形にもかかわらず４０％も出力が向上した駆動回路一体型モーターを得ることができる。

また、例えば、電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーターを図１０及び図１１に示す家庭用空気調和機６０の室内機６１に用いると、室内機６１の高さ（図１１における上下方向）や幅（図１１における左右方向）を小さくすることができる。つまり、室内機６１には、熱交換器６４に室内の空気を送風する送風ファン６３が設けられている。この送風ファン６３を駆動するファンモーターの外径は、送風ファン６３の外径と同程度となっている。このため、ファンモーターの外径を小さくすることにより、室内機６１の高さや幅を小さくすることが可能となる。したがって、このファンモーターとして電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーターを用いることにより、室内機６１の高さや幅を小さくすることができる。室内機６１の高さを小さくすることにより、窓上と天井間が狭い住宅にも設置可能な空気調和機６０の室内機６１を得ることができる。室内機６１の幅を小さくすることにより、威圧感を感じさせない、意匠性の高い空気調和機６０の室内機６１を得ることができる。

図４は、本発明の実施の形態１に係るスイッチ素子の構造説明図である。図４（ａ）は、スイッチ素子１２〜１７の外観図である。図４（ｂ）は、スイッチ素子１２〜１７の内部構造図である。スイッチ素子１２〜１７は同一の構造となっているため、以下の図４の説明では、スイッチ素子１２について説明する。

スイッチ素子１２は、半導体素子４０、金属製のリードフレーム４１、ドレイン側リードフレーム４２、アルミストラップ４３、ゲート側リードフレーム４４、ワイヤー４５、エポキシ樹脂材料等のモールド樹脂４６及びソース側リードフレーム４７等から構成されている。
リードフレーム４１は、半導体素子４０の高電位側とダイボンディングで電気的に接続されている。ドレイン側リードフレーム４２は、アルミストラップ４３を介して半導体素子４０のドレイン電極と電気的に接続されている。ゲート側リードフレーム４４は、ワイヤーボンディングにより、ワイヤー４５を介して半導体素子４０のゲート電極と電気的に接続されている。ソース側リードフレーム４７は、半導体素子４０のソース電極と電気的に接続されている。なお、ドレイン側リードフレーム４２は、アルミストラップ４３を介さずに、半導体素子４０のドレイン電極と直接接続されていてもよい。

このように構成されたスイッチ素子１２は、電流容量の小さいゲート電極のみをワイヤーボンディングで接続しているので、ドレイン電極もワイヤーボンディングで接続した場合に比べ、ワイヤー４５の高さが低減している。これにより、封止用のモールド樹脂４６の使用量、つまりスイッチ素子１２のパッケージ厚みも低減している。
ただし、スイッチ素子１２は、従来のスイッチ素子に比べ表面積は低減している。また、金属製のヒートスプレッダーやフィンを用いた場合、スイッチ素子１２は従来のスイッチ素子のように絶縁距離が確保できないといった課題も懸念される。しかしながら、本実施の形態１では、スイッチ素子１２の周囲にモールド樹脂４６を充填することにより、半導体素子４０が発する熱を効率的に放熱している。これにより、放熱と絶縁の課題を一度に解決している。

また、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗Ｒｏｎは、半導体素子の温度に対して単調増加となることが一般的に知られている。スイッチ素子１２にＭＯＳＦＥＴを用いた場合、特に損失の低い電力変換装置１００を得ることができる。

図５は、本発明の実施の形態１に係るプリント基板の平面図である。本実施の形態１では、基板３０から、電力変換装置１００が実装された半月形状のプリント基板２１を６枚材料取りしている。図５を見れば一目瞭然であるが、半月形状のプリント基板２１は、円形のプリント基板に比べ、材料取りが良い。また、スイッチ素子１２〜１７となるＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを同じ位置に乗せかえるだけで、スイッチ素子の種類が異なる電力変換装置１００を得ることができる。このため、電流容量の小さな家庭用空気調和機用から電流容量の大きな業務用空気調和機用まで、効率の高い電力変換装置１００及び駆動回路一体型モーターを得ることができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構造図である。図６（ａ）は、図７に示す駆動回路一体型モーターのステーター側から電力変換装置１００を見た図である。図６（ｂ）は、図７に示すステーター２０の反ステーター側から電力変換装置１００を見た図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）で各部品の位置関係がわかりやすいように、図６（ａ）は左右を反転させて記載している。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。

電力変換装置１００は、略円形状の左側側面を切り欠いた略半月形状のプリント基板２１に実装されている。本実施の形態２に係るプリント基板２１は、実施の形態１に係るプリント基板２１よりも大きく切り欠かれている。つまり、本実施の形態２に係るプリント基板２１は、実施の形態１に係るプリント基板２１よりも小さく形成されている。
また、本実施の形態２に係る電力変換装置１００は、センサー５、ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７及びチャージポンプダイオード１１が、プリント基板２１のステーター側に実装されている。そして、スイッチ素子１２〜１７及びリード部品１９がプリント基板２１の反ステーター側に実装されている。つまり、高圧部品のスイッチ素子１２〜１７と高圧配線が接続されたリード部品１９をプリント基板２１の反ステーター側に実装し、プリント基板２１のステーター側には主として低圧部品が実装されている。このため、実施の形態１と比べて、プリント基板２１の両面を有効に利用することができる。

図７は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置及びステーターの構造図である。この図７は、電力変換装置１００を駆動回路とした駆動回路一体型モーターの一部を示している。なお、図７（ａ）は、電力変換装置１００及びステーター２０の縦断面模式図を示している。また、図７（ｂ）は、図３（ａ）の平面図を示している。

本実施の形態２では、スイッチ素子１２〜１７がプリント基板２１の反ステーター側に実装されている。このため、モーター（モールド樹脂２３）の上面に近く低温となるモールド樹脂２３範囲に、スイッチ素子１２〜１７を配置することができる。したがって、駆動回路一体型モーターの運転条件を同一とした場合、実施の形態１と比べて、スイッチ素子１２〜１７の温度上昇を抑制することができる。換言すると、スイッチ素子１２〜１７の温度を同一とした場合、実施の形態１と比べて、高出力の駆動回路一体型モーターを得ることができる。

例えば、図１０に示す家庭用空気調和機６０の室外機６２は、高層マンション等のベランダに設置されることが多い。高層マンション等は、リビングの面積を広く確保するために、ベランダが狭い場合が多い。このため、室外機の周囲温度が高温化する傾向がある。このような場合、室外機のファンモーター等に接続された電力変換装置がスイッチ素子の温度上昇が起きやすいものであるならば、この電力変換装置の最大出力を制限する必要がある。また、例えば、天井等に取り付けられるダクト用換気扇も、天井裏の温度が高くなりやすい。このため、ファンモーター等に接続された電力変換装置がスイッチ素子の温度上昇が起きやすいものであるならば、この電力変換装置の最大出力を制限する必要がある。

しかしながら、本実施の形態２に係る電力変換装置１００及びこの電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーターは、上述のように、スイッチ素子１２〜１７の温度上昇を抑制することができる。このため、最大出力を発揮できる電力変換装置１００及びこの電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーターを得ることができる。したがって、高性能な空気調和機や換気扇を得ることができる。

特に、オン抵抗Ｒｏｎが半導体素子の温度に対して単調増加となるＭＯＳＦＥＴをスイッチ素子１２〜１７に用いた場合、実施の形態１よりもさらに損失の低い電力変換装置１００を得ることができる。
なお、ヒートポンプ給湯機の送風機やポンプにこの電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーターを用いた場合においても、同じ効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の回路図である。本実施の形態３に係る電力変換装置１００は、モーター８の相毎に分かれた３つのＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）を用いている。これらＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）のそれぞれは、モーター８の同一相に接続される一組の上下スイッチ素子（例えばスイッチ素子１２とスイッチ素子１５）毎に接続されている。

図８は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構造図である。図８（ａ）は、駆動回路一体型モーターのステーター側から電力変換装置１００を見た図である。図８（ｂ）は、ステーター２０の反ステーター側から電力変換装置１００を見た図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）で各部品の位置関係がわかりやすいように、図８（ａ）は左右を反転させて記載している。なお、本実施の形態３において、特に記述しない項目については実施の形態１又は実施の形態２と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
電力変換装置１００は、ドーナツ形状のプリント基板２１に実装されている。
また、本実施の形態２に係る電力変換装置１００は、センサー５、ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７、チャージポンプダイオード１１、スイッチ素子１２〜１７及びリード部品１９が、プリント基板２１のステーター側に実装されている。

モーター８の同一相に接続される一組の上下スイッチ素子（例えばスイッチ素子１２とスイッチ素子１５）は、同時にＯＮせず、なるべく高速に切り替える必要がある。このためには、上下スイッチ素子（例えばスイッチ素子１２とスイッチ素子１５）のゲート駆動時間にバラツキがないことが求められる。特に、スイッチ素子の温度特性は重要な要素である。このため、本実施の形態３では、モーター８の同一相に接続される一組の上下スイッチ素子（例えばスイッチ素子１２とスイッチ素子１５）には、同じ種類のスイッチ素子を用いる。また、ゲート配線の長さも同様に重要な要素となるため、モーター８の同一相に接続される一組の上下スイッチ素子（例えばスイッチ素子１２とスイッチ素子１５）の近傍に、これらに接続されるＨＶＩＣ９（ゲートドライブ回路）を配置する。なお、本実施の形態３では、上段側のスイッチ素子１２〜１４を駆動するための電源としてブートストラップ電源を用いている。また、ブートストラップ電源用の部品として、チャージポンプダイオード１１をブートストラップダイオードとしている。

課題のところでも述べたように、ＭＯＳＦＥＴモジュールは、そのパッケージサイズが単品のＭＯＳＦＥＴに比べ大きい。このため、駆動回路一体型モーターに内蔵されるドーナツ形状のプリント基板に電力変換装置を実装する場合、ＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージサイズがプリント基板サイズの制約事項となる。

図１２は、プリント基板サイズとＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージサイズとの関係を示す説明図である。
ＭＯＳＦＥＴモジュール２０１のパッケージサイズにより、プリント基板２０２の最小半径は、次式のようになる。
ｒ２²＝（Ｌ２／２）²＋（ｒ１＋Ｌ１）²
ここで、ｒ２はプリント基板２０２の半径、ｒ１はプリント基板２０２の中心部に形成された貫通孔の半径、Ｌ２はＭＯＳＦＥＴモジュールの長手方向のパッケージ長さ、Ｌ１はＭＯＳＦＥＴモジュールの短手方向のパッケージ長さを示す。

本実施の形態３では、電力変換装置１００の各部品を小型の面実装部品とし、これらをドーナツ形状のプリント基板２１上にほぼ均等に配置している。これにより、ＭＯＳＦＥＴモジュールのパッケージサイズがプリント基板サイズの制約事項となるという、従来の課題を解決している。したがって、ドーナツ形状のプリント基板２１を用いても、従来よりも小型の駆動回路一体型モーターを構成することができる。

例えば、この駆動回路一体型モーターを図１０及び図１１に示す家庭用空気調和機６０の室内機６１に用いると、室内機６１の高さ（図１１における上下方向）や幅（図１１における左右方向）を小さくすることができる。したがって、室内機６１の高さを小さくすることにより、窓上と天井間が狭い住宅にも設置可能な空気調和機６０の室内機６１を得ることができる。室内機６１の幅を小さくすることにより、威圧感を感じさせない、意匠性の高い空気調和機６０の室内機６１を得ることができる。

なお、本実施の形態３では電力変換装置１００の面実装部品をプリント基板２１のステーター側のみに実装したが、電力変換装置１００の面実装部品をプリント基板２１の両面に実装してももちろんよい。これにより、駆動回路一体型モーターをさらに小型化することが可能となる。また、発熱部品であるスイッチ素子１２〜１７のプリント基板２１における実装位置により、実施の形態１又は実施の形態２と同様の効果が得られることも言うまでもない。

実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４に係る換気扇の縦断面模式図である。図１３に示す換気扇は、電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーターを用いた換気扇である。この換気扇は、電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーター、金属筐体３３、シロッコファン３４及び換気扇グリル３６等から構成されている。

本実施の形態４に係る電力変換装置１００は、電力変換装置１００の面実装部品をプリント基板２１のステーター側に実装している。この電力変換装置１００（プリント基板２１）とステーター２０とは、モーター端子２２によって電気的に接続されている。また、電力変換装置１００（プリント基板２１）とステーター２０とを一体構造とするため、電力変換装置１００（プリント基板２１）とステーター２０とは、モールド樹脂２３で封止されている。このモールド樹脂２３の上部には、ベアリングを保持するためのベアリングハウジング２４が、モールド樹脂によって形成されている。また、モールド樹脂２３の下部には、ローターを配置するための、ローター貫通穴２５が形成されている。ローター３１の回動軸の一端をベアリングハウジング２４内のベアリングに挿入し、ローター貫通穴２５にローター３１を配置することにより、電力変換装置１００を駆動回路とした駆動回路一体型モーターが構成されている。

この駆動回路一体型モーターは、下部が開口した箱形形状の金属筐体３３の上面部に設けられている。また、ローター３１の回動軸の他端には、シロッコファン３４が取り付けられている。このような換気扇は、金属筐体３３の開口部（下面部）が天井壁３５の開口部と対向して、天井裏に設けられる。天井壁３５の開口部は、換気扇グリル３６によって覆われている。

換気扇には、商用電源からの交流電圧を整流するダイオードや、この整流された電圧を平滑化するコンデンサ等（図示せず）を備えた交流直流変換部を設ける必要がある。
本実施の形態４では、この交流直流変換部は、ゲート信号生成回路６やＨＶＩＣ９と共に、ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ７内に配置されている。つまり、交流直流変換部も、プリント基板２１のステーター側に実装されている。このため、交流直流変換部も内蔵した駆動回路一体型モーターを得ることができる。つまり、交流直流変換部の実装スペースがとれない換気扇等の機器にも搭載可能な駆動回路一体型モーターを得ることができる。

実施の形態５．
実施の形態１〜実施の形態４に示す電力変換装置１００及びこの電力変換装置１００を内蔵した駆動回路一体型モーターをポンプに用いても、実施の形態１〜実施の形態４に記載の効果を有するポンプを得ることができる。また、このポンプを給湯機に搭載することにより、実施の形態１〜実施の形態４に記載の効果を有する給湯機が得られることは言うまでもない。また、このポンプは、給湯機以外の機器にももちろん搭載可能である。実施の形態１〜実施の形態４に記載の効果を有する機器を得ることができる。

１高圧電源、２低圧電源、３指令入力線、４ＦＧ信号出力線、５センサー、６ゲート信号生成回路、７ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ、８モーター、９ＨＶＩＣ、１１チャージポンプダイオード、１２〜１７スイッチ素子、１９リード部品、２０ステーター、２１プリント基板、２２モーター端子、２３モールド樹脂、２４ベアリングハウジング、２５ローター貫通穴、２６貫通孔、３０基板、３１ローター、３３金属筐体、３４シロッコファン、３５天井壁、３６換気扇グリル、４０半導体素子、４１リードフレーム、４２ドレイン側リードフレーム、４３アルミストラップ、４４ゲート側リードフレーム、４５ワイヤー、４６モールド樹脂、４７ソース側リードフレーム、６０家庭用空気調和機、６１室内機、６２室外機、６３送風ファン、６４熱交換器、１００電力変換装置、２０１ＭＯＳＦＥＴモジュール、２０２プリント基板。

Claims

モーターの回転子を検出するセンサーと、モーターの回転数を制御するインバーターと、該インバーターを制御する周辺回路と、を備え、前記周辺回路を一体構造とし、前記インバーターの複数のスイッチ素子は、それぞれ別のパッケージで構成された面実装タイプのスイッチ素子である電力変換装置を有し、
該電力変換装置をプリント基板に実装して、該プリント基板上の前記電力変換装置とステーターとを電気的に接続し、
前記電力変換装置、前記プリント基板及び前記ステーターを樹脂により封止し、
前記プリント基板は、ローターの回転軸が貫通する貫通孔が形成されたドーナツ形状又は半月形状に形成され、
前記インバーターは、前記周辺回路から出力されたゲート信号を増幅させて前記スイッチ素子のそれぞれに出力するゲートドライブ回路を備え、
前記スイッチ素子、前記ゲートドライブ回路及び前記周辺回路は、前記プリント基板の前記ステーター側の面に実装されていることを特徴とする駆動回路一体型モーター。
モーターの回転子を検出するセンサーと、モーターの回転数を制御するインバーターと、該インバーターを制御する周辺回路と、を備え、前記周辺回路を一体構造とし、前記インバーターの複数のスイッチ素子は、それぞれ別のパッケージで構成された面実装タイプのスイッチ素子である電力変換装置を有し、
該電力変換装置をプリント基板に実装して、該プリント基板上の前記電力変換装置とステーターとを電気的に接続し、
前記電力変換装置、前記プリント基板及び前記ステーターを樹脂により封止し、
前記プリント基板は、ローターの回転軸が貫通する貫通孔が形成されたドーナツ形状又は半月形状に形成され、
前記インバーターは、前記周辺回路から出力されたゲート信号を増幅させて前記スイッチ素子のそれぞれに出力するゲートドライブ回路を備え、
前記スイッチ素子は、前記プリント基板における前記ステーター側とは反対の面に実装され、前記ゲートドライブ回路及び前記周辺回路は、前記プリント基板の前記ステーター側の面に実装されていることを特徴とする駆動回路一体型モーター。
前記周辺回路は、
前記スイッチ素子のそれぞれに出力するゲート信号を形成するゲート信号生成回路を備え、
前記ゲート信号生成回路及び前記ゲートドライブ回路は、一体構造となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の駆動回路一体型モーター。
前記ゲート信号生成回路及び前記ゲートドライブ回路は、ＰＮ接合プロセスで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の駆動回路一体型モーター。
前記スイッチ素子は、
モーターの電力供給源となる高圧電源の正側出力端子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続され、
前記高圧電源の正側出力端子に接続された前記スイッチ素子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続された前記スイッチ素子のうち、前記ゲートドライブ回路からのゲート信号の入力時間が長い方の前記スイッチ素子には、ＭＯＳＦＥＴを用いることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーター。
前記スイッチ素子は、
モーターの電力供給源となる高圧電源の正側出力端子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続され、
前記高圧電源の正側出力端子に接続された前記スイッチ素子又は前記高圧電源の負側出力端子に接続された前記スイッチ素子のうち、前記ゲートドライブ回路からのゲート信号の入力時間が短い方の前記スイッチ素子には、ＩＧＢＴを用いることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーター。
前記プリント基板を半月形状に形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーター。
前記ステーターの外形がΦ１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーター。
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とする空気調和機の室内機。
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とする空気調和機。
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とする換気扇。
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の駆動回路一体型モーターを搭載したことを特徴とするポンプ。
請求項１２に記載のポンプを用いたことを特徴とする機器。
請求項１２に記載のポンプを用いたことを特徴とする給湯機。