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JP5627697B2 - 電力変換装置、それを内蔵したモーター、そのモーターを搭載した空気調和機、及びそのモーターを搭載した換気送風機器 - Google Patents

電力変換装置、それを内蔵したモーター、そのモーターを搭載した空気調和機、及びそのモーターを搭載した換気送風機器 Download PDF

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Description

本発明は、半導体モジュールを用いた電力変換回路基板によって構成された電力変換装置、それを内蔵したモーター、そのモーターを搭載した空気調和機、及びそのモーターを搭載した換気送風機器に関する。
近年、集積回路（以下、ＩＣと略す）を封止するパッケージは小型化が進み、面実装に対応するパッケージも多く使われるようになった。特に、モーター内部の電力変換装置に実装されるＩＣは小型化の要求から上記の面実装対応のパッケージが使われる例が増えている。しかし、モーターで使われるＩＣは比較的大きな許容消費電力が要求されるため、その放熱のために実装に工夫が必要であった（例えば、特許文献１参照）。
また、これらの面実装のＩＣはリフロー半田によって、プリント基板に実装されることを前提としている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−２５９６６６号公報（第２頁、図１） 特開２００５−３３３０９９号公報（第３−４頁、図１）
しかしながら、特許文献１で示される電力変換装置は、放熱用に板金部品を必要とし、さらに、プリント基板のＧＮＤ端子と半田付けを実施する必要があり、基板作成時の半田作業とは、別に半田作業が必要となり、加工費が多くかかるという問題点があった。
また、プリント基板上のＩＣの配置位置は、金属板との位置関係を考慮する必要があり、実装位置に制約が出てしまい、ＩＣの面実装化による電力変換回路基板、モーター及びそれを搭載した機器の小型化の効果が充分得られていないという問題点もあった。
また、ホール素子を用いてローターの回転位置を検出するために、そのホール素子をプリント基板のステーター側（ローター側）に実装している場合で、そのステーターに電流を供給するパワー素子（ＩＣ）を同じプリント基板に実装するとき、ステーターの発熱によるパワー素子（ＩＣ）の破壊を回避するため、反ステーター側に設置することになり、その結果、プリント基板の表裏の実装面に主要な素子が混載することになり、電力変換回路基板としての小型化が充分に実現できていないという問題点もあった。
また、特許文献２で示される電力変換装置は、ＩＣ及び基板がリフロー半田によって結合されるため、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎ−ｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）又は手半田付けによる半田の機械強度と比較して弱くなる。また、電力変換回路基板上のパワー部品（ＩＣ）の場合、マイコン等のデバイスに比べて発熱量が大きく、パワー部品（ＩＣ）の周囲の温度上昇は高くなり、半田部の歪みも大きくなる。このとき、半田の機械強度の低下及び半田部の歪みの増加によって、ＩＣリード部周辺の熱収縮による半田部の電気的接合寿命が、そのまま電力変換回路基板の寿命となるという問題点があった。
また、面実装ＩＣはパッケージサイズが小さくなるため、同一の発熱量に対し放熱をしない場合、素子の温度上昇が大きくなり、その温度上昇による素子破壊を回避するため電力変換装置としての運転範囲が狭くなる。このとき、金属の放熱フィンを用いることによって、素子の温度を下げようとした場合、高圧のリードと、放熱フィンとの絶縁距離が必要となり、そのためには、パッケージの厚みを厚くする必要が生じ、面実装ＩＣの小型化に逆行することになるという問題点がある。
また、放熱フィンの取り付けには、通常ねじ締め等の作業を必要とし、その加工のためのコストが上昇することになり、さらに、ＩＣのパッケージ上にねじ締め用の穴が必要となるので、さらにパッケージサイズが大きくなってしまうという問題点もある。
また、面実装ＩＣをモーターによる放熱により周囲温度が高いステーター側に実装した場合、さらに、面実装ＩＣの温度上昇による素子破壊を回避するため運転範囲が狭くなるといった問題点がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体素子の温度上昇による素子破壊を抑制しつつ、モーターの運転範囲の低下を防ぎ、かつ、実装する基板を小型化することが可能な電力変換装置、それを内蔵したモーター及びそのモーターを搭載した空気調和機を得ることを目的とする。
本発明に係る電力変換装置は、モーターを構成する円環状のステーターが構成する円環面に対して実装面が対向し、該円環面から所定距離を隔てて配置され、かつ、前記ステーター側の実装面に前記モーターのローターの回転位置を検出するホール素子が実装された基板と、前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記ステーターに高周波電流を供給する半導体モジュールと、前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記半導体モジュールの過熱状態を検知する過熱検知手段と、を備え、前記半導体モジュールは、前記過熱検知手段によって当該半導体モジュールの過熱状態が検知された場合、前記ステーターに供給する電流を制限又は停止するとを特徴とする。
本発明によれば、半導体モジュール等をモーターのステーター側に実装し、その半導体モジュールの過熱状態を検知することによって、電力変換装置を小型化し、駆動するモーターの運転範囲の低下を防ぐことができる、という効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０及びそれを内蔵したモーター６１の側断面図及び上面透視図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０に実装されたインバーターＩＣ２の構成図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０のインバーターＩＣ２におけるＩＣチップ２０の構造図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０のインバーターＩＣ２におけるＩＣチップ２０周辺の回路構成図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０の断面図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０におけるプリント基板１の材料取りを示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機１００の全体外観図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機１００における室内機７０の横断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係るモーターに内蔵される駆動回路の過熱保護回路３０およびシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。 図１０は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置６０のインバーターＩＣ２におけるＩＣチップ２０周辺の回路構成図である。 図１１は、本発明の実施の形態３に係るモーターに内蔵される駆動回路の基板の断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態３に係るモーターに内蔵される駆動回路の基板のインバーターＩＣ２および過熱検知素子１４周辺の上面図である。 図１３は、本発明の実施の形態４に係るモーターに内蔵される駆動回路の過熱保護回路３０およびシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。 図１４は、本発明の実施の形態４に係るモーターに内蔵される駆動回路の基板のインバーターＩＣ２および過熱検知素子１４周辺の上面図である。
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
（電力変換装置６０及びモーター６１の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０及びそれを内蔵したモーター６１の側断面図及び上面透視図である。
図１で示されるように、モーター６１の内部に、そのモーター６１を回転駆動させるための電力変換回路を実装したプリント基板１が内蔵されている。この電力変換回路のうち、モーター６１の後述するステーター３の銅線又はアルミ線等である巻線に電圧を印加するための電圧型インバーターの主回路を内蔵するインバーターＩＣ２が、プリント基板１に実装されている。また、モーター６１の内部において、プリント基板１に対してインバーターＩＣ２が実装された側には、ステーターコアに巻線を巻いた円環状のステーター３が配置されている。そして、モールド樹脂４によって、このステーター３及びプリント基板１を機械的に結合し、かつ、後述するベアリングハウジング９ａを構成して、モーター６１の外形が形成されている。
また、プリント基板１及びステーター３は、プリント基板１からステーター３に電圧が印加されるように、半田付けによりモーター端子５によって電気的に接続されている。また、ステーター３に囲われるように配置された後述するローター１６の回転位置を検出するホール素子６が、プリント基板１のステーター３側の実装面に実装されている。また、電力変換回路が実装されたプリント基板１とモーター６１の外部とを電気的に結合するために、モーター外部接続リード７が、プリント基板１上に設置されている。このモーター外部接続リード７から、高圧入力線１７及び低圧入力線１８が延びている。
また、円環状のステーター３の内部に位置し、モールド樹脂４によって充填されずに円筒状に中空となっているローター貫通用穴８には、モーター６１の回転子であるローター１６が配置されている。さらに、このローター貫通用穴８から連通し、ローター１６の主軸（図示せず）がプリント基板１に対して略垂直にモールド樹脂４内をベアリングハウジング９ａまで貫通するベアリング貫通穴１０が形成されている。このベアリング貫通穴１０には、ベアリング９が収納されており、このベアリング９は、ローター１６の主軸と勘合している。さらに、インバーターＩＣ２の過熱状態を検知する過熱検知素子１４が、プリント基板１上のインバーターＩＣ２近傍に設置されている。
また、インバーターＩＣ２のデュアルインライン電極として、一方を高圧電極１１、そして、他方を低圧電極１２として形成されている。高圧電極１１は、モーター６１外部で商用電源を全波整流あるいは倍電圧整流された直流電圧を入力し、その直流電圧をインバーターＩＣ２内部で高周波電圧としてモーター端子５に出力する。高圧電極１１は、モーター端子５側となるように配置され、プリント基板１上の配線量が短くなるようにしている。
以上の構成のように、電力変換装置６０は、少なくとも、プリント基板１、並びに、そのプリント基板１上に実装されたインバーターＩＣ２、モーター端子５、ホール素子６、モーター外部接続リード７及び過熱検知素子１４によって構成されている。そして、モーター６１は、少なくとも、モールド樹脂４によって機械的に結合されたこの電力変換装置６０及びステーター３、並びに、ローター１６、ベアリング９、及び、このベアリング９とローター１６とを結合する主軸（図示せず）によって構成されている。
なお、インバーターＩＣ２及び過熱検知素子１４は、それぞれ本発明の「半導体モジュール」及び「過熱検知手段」に相当する。
（インバーターＩＣ２の構成）
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０に実装されたインバーターＩＣ２の構成図である。
図２で示されるように、シリコン又はＳｉＣ等のワイドギャップ半導体によって構成されるＩＣチップ２０において、その上面に形成された金属電極（図３によって後述するアルミ配線２５）と、金属リードフレーム２２によって構成される高圧電極１１及び低圧電極１２とが、ボンディングワイヤー２１によって電気的に結合されている。このボンディングワイヤー２１は、金又はアルミニウム等の金属線材で構成され、超音波溶融によって、ＩＣチップ２０上の金属電極と、金属リードフレーム２２との間の電気的接合がなされる。
なお、金属リードフレーム２２は、直接、半導体チップと接触して電気的接合をとるダイレクトボンディング結合によってＩＣチップ２０に接続される構成としてもよい。また、ＩＣチップ２０は、板厚の厚いヒートスプレッダー１３上に半田付け又は銀ペーストによって、電気的、熱的及び機械的な結合がなされている。
上記のＩＣチップ２０、ボンディングワイヤー２１及び金属リードフレーム２２は、高熱伝導性の樹脂で構成されるＩＣパッケージ２３によって覆われて、インバーターＩＣ２の本体を形成している。そしてインバーターＩＣ２の本体は、その本体から延びているデュアルインライン電極である高圧電極１１及び低圧電極１２、並びに、ヒートスプレッダー１３と共に、インバーターＩＣ２を形成している。
以上の構成のように、インバーターＩＣ２では、ＩＣチップ２０はヒートスプレッダー１３にマウントされているので、ＩＣチップ２０の半導体チップからの発熱のうち過渡的なものは、ヒートスプレッダー１３に蓄熱され、半導体チップの過渡的な温度上昇を抑制することができる。また、インバーターＩＣ２では、ＩＣチップ２０と強い熱的結合を持つヒートスプレッダー１３は、金属リードフレーム２２に近接配置され、さらに、高熱伝導性の樹脂であるＩＣパッケージ２３によって熱的に結合されているので、ＩＣチップ２０の定常的な発熱については、金属リードフレーム２２を介して、高圧電極１１及び低圧電極１２からＩＣチップ２０の外部に放熱される。
なお、ＩＣチップ２０、ボンディングワイヤー２１及びＩＣパッケージ２３は、それぞれ本発明の「半導体チップ」、「金属配線」及び「熱伝導性樹脂」に相当する。
（ＩＣチップ２０の構成）
図３は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０のインバーターＩＣ２におけるＩＣチップ２０の構造図である。また、図４は、同ＩＣチップ２０周辺の回路構成図である。
図３で示されるように、ＩＣチップ２０上には、蒸着によってシリコン若しくはＳｉＣ等のワイドギャップ半導体チップ上に素子が形成され、その素子間、又は、その素子と外部電極とを電気的に結合するアルミ配線２５が形成されている。さらに、ＩＣチップ２０上には、このアルミ配線２５同士、又は、半導体チップ素子間の絶縁をとるための酸化シリコン膜２６が形成されている。
また、このＩＣチップ２０本体においては、ＰＮ接合等によりスイッチング素子等を形成する半導体単結晶島２７が複数形成され、その周囲を覆う多結晶シリコン２８、そして、半導体単結晶島２７と多結晶シリコン２８との電気的絶縁をとるための絶縁分離層２９が形成されている。
アルミ配線２５は、前述のように、ボンディングワイヤー２１によって、金属リードフレーム２２と電気的に接続されている。
また、ＩＣチップ２０における多結晶シリコン２８は、前述のように、ヒートスプレッダー１３と電気的、熱的及び機械的な結合がなされている。
この絶縁分離層２９は、薄膜でも絶縁性能が充分確保できる酸化シリコン（ＳｉＯ2）によって構成されている。
以上の構成のように、ＩＣチップ２０では、絶縁性の高い酸化シリコンによって構成された絶縁分離層２９によって、スイッチング素子等の半導体素子を構成する半導体単結晶島２７が、同一チップ上に島状に分離して配置することができ、高圧絶縁が必要なスイッチング素子を混載することが可能となる。また、通常の複数の半導体チップを所定の絶縁距離をとりながら、複数の金属リードフレームに実装するＩＣと比較して、インバーターＩＣ２本体を小型化することができる。さらに、ＩＣチップ２０では、低圧の回路も同一チップ上に構成できることから、外部に制御用低圧チップ、又は、高低圧分離のためのチップが不要となり、また、それらを金属リードフレーム２２及びプリント基板１上の配線によって電気的に結合させる必要がない。これにより、電力変換回路、延いては、電力変換装置６０全体を著しく小さくすることができる。
また、外部電極との電気的結合を得るためのアルミ配線２５は、ＩＣチップ２０上に構成された絶縁性能の高い酸化シリコン膜２６によって絶縁できる。そのため、通常の複数の半導体チップを金属リードフレーム上に配置し、ボンディングワイヤーによって半導体チップ間の電気的結合をとるＩＣと比較して、電極であるアルミ配線２５の配置に自由度があり、高圧電極１１と低圧電極１２との分離も、非常に小さいスペースにおいて実現可能となる。
なお、半導体単結晶島２７は、本発明の「半導体素子」に相当する。
つぎに、図４で示されるように、モーター６１の外部において、高圧直流電源３８が商用電源を全波整流又は倍電圧整流して生成した直流電圧は、高圧電極１１を介して、ＩＣチップ２０に入力される。ＩＣチップ２０内では、前述の半導体単結晶島２７によってそれぞれ形成され、上アーム駆動回路３５ａ及び下アーム駆動回路３５ｂによってＯＮ／ＯＦＦ駆動される６個のＩＧＢＴ３４によって高周波電圧に変換され、その高周波電圧は、高圧電極１１からモーター端子５を介して、ステーター３の巻線に印加される。各ＩＧＢＴ３４には逆並列に還流ダイオードが接続されている。
また、ホール素子６によって検出されたローター１６の回転位置信号は、ＩＣチップ２０内部のロジック回路によって、低圧のパルス信号に変換され、回転数出力線３１から外部に出力される。また、ＩＣチップ２０では、外部から出力電圧指令入力線３２を介して入力される低圧のアナログ信号電圧に基づいて、高圧直流電源３８から供給される直流電圧を、前述の６個のＩＧＢＴ３４のスイッチングパルス幅を変化させてインバーターの出力電圧を調整する。このとき、６個のＩＧＢＴ３４によって構成されるインバーターのうち、上アームのＩＧＢＴ３４を駆動させる上アーム駆動回路３５ａの電源は、チャージポンプダイオード３３並びに外部コンデンサーＣ１及びＣ２によって生成される。また、モーター６１における各相の入力端子であるモーター端子５と接続されるステーター３の巻線の反対側は、中性点結線３９によって電気的に接続され、スター結線モーターを形成するものである。
過熱検知素子１４は、温度に対する抵抗特性が急峻な正特性の温度抵抗素子を用い、検出した温度を抵抗値に変換する。過熱検知素子１４は、その抵抗値を出力として、ＩＣチップ２０の過電流保護端子ＲＳに入力させ、過電流保護レベルに温度特性を持たせることによって、インバーターＩＣ２の過熱状態を検知して、インバーターＩＣ２及びステーター３が過熱状態になったことを検出する。この場合、インバーターＩＣ２は、高圧電極１１を介してステーター３に供給される電流を制限又は停止して、過熱によるインバーターＩＣ２等の破壊を防止する。
ここで、この温度特性に優れる正特性熱抵抗素子である過熱検知素子１４は、セラミック材料によって構成されることから、ＩＣチップ２０上に構成することはできない。また、ＩＣチップ２０上に半導体を用いた過熱検知素子を構成することも考えられるが、半導体を用いた素子では温度特性が悪く、ばらつきもあり、それを考慮した場合、保護レベルの設計値を低めに設定しなければならず、低い設計値においてはモーター６１の出力範囲が著しく従来の構成と比較して狭くなる。さらに、本実施の形態に係る電力変換装置６０において、インバーターＩＣ２は、プリント基板１上において銅損及び鉄損を有する発熱源であるステーター３側に配置されており、ステーター３の逆側に配置されるよりも温度的に不利である。
そこで、本実施の形態に係る電力変換装置６０における過熱検知素子１４は、インバーターＩＣ２におけるＩＧＢＴ３４の熱的に強い結合をもつヒートスプレッダー１３に近接配置される。また、図５において後述する銅箔５０を介して低圧電極１２と電気的及び熱的に結合される。また、図１で示されるように、熱抵抗が低いモールド樹脂４によってインバーターＩＣ２と熱的に結合される。さらに、この低圧電極１２である金属リードフレーム２２は、ボンディングワイヤー２１によってＩＣチップ２０と電気的及び熱的に結合された構成としている。このような構成によって、過熱検知素子１４は、インバーターＩＣ２のＩＣチップ２０において、回路損失のほとんどを発生し過熱による破壊に至る可能性の最も高いＩＧＢＴ３４の温度を、精度良く検出することが可能となる。
また、インバーターを構成する６個のＩＧＢＴ３４は、同一のシリコンチップであるＩＣチップ２０上に絶縁分離層２９に隔てられた態様で島状に配置され、さらに、このＩＣチップ２０はヒートスプレッダー１３と強い熱的結合を有する。そのため、ＩＣチップ２０上の各素子における発熱にばらつきがあっても、各素子は同一固体上にあるため、ほぼ同一の温度となり温度分布を平滑化することができる。また、上記の構成によって、ＩＧＢＴ等が別チップで構成される場合におけるＩＧＢＴ等の各素子における温度分布のばらつきによる温度検知性能の劣化を回避することができ、さらに、各素子における温度のばらつきを検知するために複数の過熱検知素子を配置する必要もなく、コストを低減することができる。
以上のように、プリント基板１上のステーター３側に配置された過熱検知素子１４による温度検知性能の向上によって、インバーターＩＣ２は、プリント基板１上においてステーター３側に配置されることによる周囲温度の上昇によって招来するモーター６１の運転範囲の低下をカバーすることができる。特に、インバーターＩＣ２のような１チップＩＣでは、単体のＩＧＢＴ（例えば、６００Ｖ耐圧クラスで１．６Ｖ）よりＯＮ電圧が高く（同２．０Ｖ）定常損失が大きいことから、ＩＧＢＴの温度上昇による破壊防止のための運転範囲制限によるモーターの出力低下をカバーすることができる上記の効果は大きい。
なお、ＩＣチップ２０におけるＩＧＢＴ３４を構成する半導体単結晶島２７を、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）又はダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体によって構成するものとしてもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、耐熱性及び耐電圧が高く、許容電流密度も高いので、ＩＣチップ２０上に成形されるＩＧＢＴ３４を小型化することができ、インバーターＩＣ２を小型化することができる。また、電力損失が小さいので高効率に動作が可能なＩＧＢＴ３４を構成することができる。
（電力変換装置６０におけるプリント基板１上の各素子の配置構成）
図５は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０の断面図である。
図５で示されるように、電力変換装置６０における銅箔５０は、プリント基板１上の回路配線パターン、又は、プリント基板１と部品とを半田により電気的、熱的及び機械的に結合させるためのランドによって形成されるものである。プリント基板１上のステーター側には、この銅箔５０を介して、ホール素子６、過熱検知素子１４及びインバーターＩＣ２が配置されている。また、インバーターＩＣ２は、具体的には、そのデュアルインライン電極である高圧電極１１及び低圧電極１２が半田により銅箔５０に結合している。また、前述したように、過熱検知素子１４は、同一の銅箔５０を介して低圧電極１２と電気的及び熱的に結合されている。
スルーホール５１は、プリント基板１においてステーター３側から反ステーター３側に貫通している穴であり、その穴の表面は銅箔のメッキが施され、プリント基板１のステーター３側の面における銅箔５０と、反ステーター３側の面の銅箔５０との電気的及び熱的に結合するものである。
モーター端子５は、プリント基板１上の反ステーター３側の銅箔５０からスルーホール５１を介して、糸状の半田を溶融してステーター３側のインバーターＩＣ２の高圧電極１１と電気的に接続されたものである。
モーター外部接続リード７は、プリント基板１と、モーター６１の外部とを電気的に結合するためのもので、プリント基板１上にコネクターではなくリード線として実装されている。これによって、例えば、モーター６１が空気調和機等に搭載された場合、モーター６１の外郭に水分が付着する可能性があり、コネクターの場合における高低圧電極間の水分付着によるショートを回避することができ、モーター６１の信頼性を確保することができる。
なお、銅箔５０は、本発明の「金属パターン」に相当する。
また、インバーターＩＣ２におけるヒートスプレッダー１３も、そのデュアルインライン電極である高圧電極１１及び低圧電極１２と同様に、半田によって銅箔５０に電気的、熱的及び機械的に結合しており、さらに、スルーホール５１の銅箔を介して、プリント基板１上の反ステーター３側の銅箔５０と熱的に結合されている。ここで、面実装のインバーターＩＣ２は、パッケージサイズがホール素子６及び過熱検知素子１４と比較して大きいことから、周囲のモールド樹脂４の成形時及び成形後の熱収縮応力を大きく受けて半田切れが発生しやすい。しかしながら、インバーターＩＣ２において、ヒートスプレッダー１３を半田により銅箔５０と機械的に強く結合したことによって、プリント基板１との機械的結合強度が、通常の回路電極（高圧電極１１及び低圧電極１２等）のみの半田による結合と比較して、飛躍的に向上させることができる。これによって、モールド樹脂４によって成形されたモーター６１に電力変換装置６０を内蔵させることを可能としている。また、プリント基板１上のステーター３側において、ヒートスプレッダー１３は、銅箔５０と半田によって熱的に結合され、さらに、スルーホール５１を介して、反ステーター３側の銅箔５０にも熱的に結合されている。これにより、インバーターＩＣ２によって発生した熱を、プリント基板１の反ステーター３側に放熱することができる。
また、従来のインバーターＩＣは、反ステーター側のプリント基板上に実装されていたため、インバーターＩＣの周囲温度については有利であったが、この場合、インバーターＩＣ又はヒートスプレッダーがベアリングの近傍に配置されることになる。そのため、インバーターＩＣの高周波スイッチング動作による高速の電流変化及び電圧変化による高周波ノイズによりベアリングの内外輪間に電圧が発生し、それによる放電によって軸受け損傷（電食現象）によるモーター騒音の発生という問題点があった。しかし、本実施の形態に係る電力変換装置６０のインバーターＩＣ２のように、ステーター３側に配置されることによって、インバーターＩＣ２のヒートスプレッダー１３が、ベアリング９から遠い位置に配置されるので、電食現象が発生しにくいモーター６１を得ることができる。
また、前述したように、本実施の形態１に係る電力変換装置６０において、ローター１６の磁極位置を検知するためにホール素子６を配置しなければならないプリント基板１のステーター３側の面に、過熱検知素子１４及びインバーターＩＣ２が面実装されている。このように、プリント基板１のステーター３側の面に部品を面実装させることによって、銅箔５０に塗布されたクリーム半田の再溶融による結合（リフロー半田）によって、一度に電気的及び機械的に結合させることができる。また、上記のように、プリント基板１のステーター３側に部品を面実装することによって、図６において後述するプリント基板１の分割後に半田を施すモーター外部接続リード７及びモーター端子５の接続用ランドには、半田をメタルマスクにより塗布しないことが可能となる。また、半田の再溶融時にその半田によってスルーホール５１が埋まってしまうことがなく、また、そのために別途スルーホール５１が半田で埋まってしまわないようなマスキングテープの貼り付け及びはがしの工程を削減できるという利点がある。このように、基板上における半導体素子等の半田付け作業を容易にして加工費を削減することができ、かつ、基板と半導体素子等との強い結合を得る。
また、前述のように、過熱検知素子１４の温度検知性能の向上によって、プリント基板１の実装部品のうち、もっとも厚さのあるヒートスプレッダー１３を伴ったインバーターＩＣ２を、ステーター３側のプリント基板上に面実装させることが可能となっている。これによって、プリント基板１の反ステーター３側のモールド空間に余裕ができるので、その余裕分ステーター３を厚くし、出力の大きいモーター６１を得ることができる。あるいは、その余裕分を薄肉化すれば、同一出力で薄いコンパクトなモーター６１を得ることができる。
なお、プリント基板１に対して、ホール素子６、過熱検知素子１４及びインバーターＩＣ２等の面実装部品をリフロー半田によって半田付けする場合を説明したが、フロー半田によって実装するものとしてもよい。
（プリント基板１の材料取りについて）
図６は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置６０におけるプリント基板１の材料取りを示す図である。図６においては、１枚の基板上に８枚のプリント基板１を成形し、面実装部品を実装した場合の例を示している。
図６で示されるプリント基板１上において、ステーター３における中性点結線３９を実装しないこと、及び、１チップ半導体であるＩＣチップ２０上に複数の高圧素子を集積したインバーターＩＣ２を用いてパッケージを小型化した。これによって、プリント基板１をステーター３の断面積の１／２以下とする円弧状の基板とすることができ、このとき、ベアリング貫通穴１０も半円弧状に形成することができる。
また、従来においては、ベアリング貫通穴１０に対応する基板部分を廃棄していた。これに対し、本実施の形態においては、プリント基板１を成形する基板において、２枚のプリント基板１のそれぞれの半円弧状のベアリング貫通穴１０をクロスさせて対向して配置する。これによって、複数のプリント基板１を効率よく配置することができ、プリント基板１を成形するための基板の利用効率を向上させることができる。
また、従来のプリント基板のように円形のベアリング貫通穴を有する場合、フロー半田を用いてプリント基板に電子部品を結合させるとき、半田槽の半田がベアリング貫通穴を通して吹き上がる。この吹き上がりを防止するために、フロー半田工程前にベアリング貫通穴をふさぎ、そして、その半田工程後にはふさぐための板を外す工程が必要であった。これに対し、本実施の形態においては、フロー半田により半田付けする場合、円形のベアリング貫通穴ではなく、半円弧状のベアリング貫通穴１０とすることができるので前述の工程が削減でき経済的である。
（本実施の形態１の効果）
以上の構成のように、インバーターＩＣ２では、プリント基板１に実装されたインバーターＩＣ２におけるＩＣチップ２０はヒートスプレッダー１３にマウントされているので、ＩＣチップ２０の半導体チップからの発熱のうち過渡的なものは、ヒートスプレッダー１３に蓄熱され、半導体チップの過渡的な温度上昇を抑制することができる。
また、インバーターＩＣ２では、ＩＣチップ２０と強い熱的結合を持つヒートスプレッダー１３は、金属リードフレーム２２に近接配置され、さらに、高熱伝導性の樹脂であるＩＣパッケージ２３によって熱的に結合されているので、ＩＣチップ２０の定常的な発熱については、金属リードフレーム２２を介して、高圧電極１１及び低圧電極１２からＩＣチップ２０の外部に放熱させることができる。
また、ＩＣチップ２０では、絶縁性の高い酸化シリコンによって構成された絶縁分離層２９によって、スイッチング素子等の半導体素子を構成する半導体単結晶島２７が、同一チップ上に島状に分離して配置することができるので、高圧絶縁が必要なスイッチング素子を混載することが可能となる。また、通常の複数の半導体チップを所定の絶縁距離をとりながら、複数の金属リードフレームに実装するＩＣと比較して、インバーターＩＣ２本体を小型化することができる。さらに、ＩＣチップ２０では、低圧の回路も同一チップ上に構成できることから、外部に制御用低圧チップ、又は、高低圧分離のためのチップが不要となり、また、それらを金属リードフレーム２２及びプリント基板１上の配線によって電気的に結合させる必要がない。これにより、電力変換回路、延いては、電力変換装置６０全体を著しく小さくすることができる。
また、外部電極との電気的結合を得るためのアルミ配線２５は、ＩＣチップ２０上に構成された絶縁性能の高い酸化シリコン膜２６によって絶縁できる。そのため、通常の複数の半導体チップを金属リードフレーム上に配置し、ボンディングワイヤーによって半導体チップ間の電気的結合をとるＩＣと比較して、電極であるアルミ配線２５の配置に自由度があり、高圧電極１１と低圧電極１２との分離も、非常に小さいスペースにおいて実現可能となる。
また、過熱検知素子１４は、インバーターＩＣ２におけるＩＧＢＴ３４の熱的に強い結合をもつヒートスプレッダー１３に近接配置され、銅箔５０を介して低圧電極１２と電気的及び熱的に結合される。また、熱抵抗が低いモールド樹脂４によってインバーターＩＣ２と熱的に結合される。さらに、この低圧電極１２である金属リードフレーム２２は、ボンディングワイヤー２１によってＩＣチップ２０と電気的及び熱的に結合された構成としている。これにより、過熱検知素子１４は、インバーターＩＣ２のＩＣチップ２０において、回路損失のほとんどを発生し過熱による破壊に至る可能性の最も高いＩＧＢＴ３４の温度を、精度良く検出することが可能となる。
このような、プリント基板１上のステーター３側に配置された過熱検知素子１４による温度検知性能の向上によって、インバーターＩＣ２は、プリント基板１上においてステーター３側に配置されることによる周囲温度の上昇によって招来するモーター６１の運転範囲の低下をカバーすることができる。
また、インバーターを構成する６個のＩＧＢＴ３４は、同一のシリコンチップであるＩＣチップ２０上に絶縁分離層２９に隔てられた態様で島状に配置され、さらに、このＩＣチップ２０はヒートスプレッダー１３と強い熱的結合を有する。そのため、ＩＣチップ２０上の各素子における発熱にばらつきがあっても、各素子は同一固体上にあるため、ほぼ同一の温度となり温度分布を平滑化することができる。また、上記の構成によって、ＩＧＢＴ等が別チップで構成される場合におけるＩＧＢＴ等の各素子における温度分布のばらつきによる温度検知性能の劣化を回避することができ、さらに、各素子における温度のばらつきを検知するために複数の過熱検知素子を配置する必要もなく、コストを低減することができる。
モーター外部接続リード７は、プリント基板１上にコネクターではなくリード線として実装されているので、例えば、モーター６１が空気調和機等に搭載された場合、モーター６１の外郭に水分が付着する可能性があり、コネクターの場合における高低圧電極間の水分付着によるショートを回避することができ、モーター６１の信頼性を確保することができる。
また、インバーターＩＣ２におけるヒートスプレッダー１３も、そのデュアルインライン電極である高圧電極１１及び低圧電極１２と同様に、半田によって銅箔５０に電気的、熱的及び機械的に結合しており、さらに、スルーホール５１の銅箔を介して、プリント基板１上の反ステーター３側の銅箔５０と熱的に結合されている。そのため、パッケージサイズが大きく、周囲のモールド樹脂４の成形時及び成形後の熱収縮応力を大きく受けて半田切れが発生しやすい面実装のインバーターＩＣ２について、プリント基板１との機械的結合強度が、通常の回路電極（高圧電極１１及び低圧電極１２等）のみの半田による結合と比較して、飛躍的に向上させることができる。これによって、モールド樹脂４によって成形されたモーター６１に電力変換装置６０を内蔵させることが可能となる。また、プリント基板１上のステーター３側において、ヒートスプレッダー１３は、銅箔５０と半田によって熱的に結合され、さらに、スルーホール５１を介して、反ステーター３側の銅箔５０にも熱的に結合されている。これにより、インバーターＩＣ２によって発生した熱を、プリント基板１の反ステーター３側に放熱することができる。
また、インバーターＩＣ２がステーター３側のプリント基板１上に配置されることによって、ヒートスプレッダー１３が、ベアリング９から遠い位置に配置されるので、電食現象が発生しにくいモーター６１を得ることができる。
また、ローター１６の磁極位置を検知するためにホール素子６を配置しなければならないプリント基板１のステーター３側の面に、過熱検知素子１４及びインバーターＩＣ２が面実装されていることによって、銅箔５０に塗布されたクリーム半田の再溶融による結合（リフロー半田）によって、一度に電気的及び機械的に結合させることができる。また、上記のように、プリント基板１のステーター３側に部品を面実装することによって、プリント基板１の分割後に半田を施すモーター外部接続リード７及びモーター端子５の接続用ランドには、半田をメタルマスクにより塗布しないことが可能となる。また、半田の再溶融時にその半田によってスルーホール５１が埋まってしまうことがなく、また、そのために別途スルーホール５１が半田で埋まってしまわないようなマスキングテープの貼り付け及びはがしの工程を削減できるという利点がある。このように、基板上における半導体素子等の半田付け作業を容易にして加工費を削減することができ、かつ、基板と半導体素子等との強い結合を得る。
また、過熱検知素子１４の温度検知性能の向上によって、プリント基板１の実装部品のうち、もっとも厚さのあるヒートスプレッダー１３を伴ったインバーターＩＣ２を、ステーター３側のプリント基板上に面実装させることが可能なので、プリント基板１の反ステーター３側のモールド空間に余裕ができる。その余裕分ステーター３を厚くし、出力の大きいモーター６１を得ることができ、あるいは、その余裕分を薄肉化すれば、同一出力で薄いコンパクトなモーター６１を得ることができる。
また、プリント基板１上において、ステーター３における中性点結線３９を実装しないこと、及び、１チップ半導体であるＩＣチップ２０上に複数の高圧素子を集積したインバーターＩＣ２を用いてパッケージを小型化した。これによって、プリント基板１をステーター３の外径断面積の１／２以下とする円弧状の基板とすることができ、ベアリング貫通穴１０も半円弧状に形成することができる。また、これによって、プリント基板１を成形する基板において、２枚のプリント基板１のそれぞれの半円弧状のベアリング貫通穴１０をクロスさせて対向配置させることができるので、複数のプリント基板１を効率よく配置することができ、プリント基板１を成形するための基板の利用効率を向上させることができる。
実施の形態２．
（空気調和機１００の構成）
図７は、本発明の実施の形態２に係る空気調和機１００の全体外観図であり、図８は、同空気調和機１００における室内機７０の横断面図である。
図７で示される空気調和機１００において、室内の壁に掛けられた室内機７０は冷媒配管９０を介して、屋外に設置された室外機８０に接続されている。また、室内機７０には、後述する室内送風機７１が内蔵されており、室外機８０には、室外送風機８１が設置されている。
また、図８で示されるように、室内機７０の内部には、室内空気と冷媒との間で熱交換を実施する室内熱交換器７２、及び、室内機７０の上面に備えられた吸込口７３から室内空気を室内機７０内部に吸込み室内熱交換器７２を通過させて熱交換した調和空気とし、その調和空気を室内に吹出す室内送風機７１が固定されている。室内熱交換器７２は、折り曲げられた構成となっており、室内送風機７１を囲うように設置されている。室内送風機７１は、室内機７０の長手方向に延びる態様で固定されているラインフローファンである。そして、室内送風機７１には、その回転駆動をさせるため実施の形態１に係る電力変換装置６０が内蔵されたモーター６１が連結されている。また、室内送風機７１の下部は、前述した調和空気が流通する吹出風路７４が形成されており、その吹出風路７４を流通してきた調和空気を外部に排出するための吹出口７５が、室内機７０の下部に備えられている。
（空気調和機１００の室内機７０の基本動作）
次に、室内機７０の基本的な動作について説明する。使用者がリモコン等を操作することによって空気調和機１００が運転開始されると、室内送風機７１に連結されたモーター６１が回転駆動し、その回転に連動して室内送風機７１が回転駆動する。この室内送風機７１の回転によって室内空気が吸込口７３から吸い込まれる。吸い込まれた室内空気は、室内送風機７１の連続的な回転によってさらに室内熱交換器７２を通過し、この室内熱交換器７２内部を流通する冷媒と熱交換される。この室内熱交換器７２は、空気調和機１００が冷房運転を実施している場合は蒸発器として機能し、室内熱交換器７２の内部の冷媒が蒸発するため、通過する室内空気は冷却される。一方、空気調和機１００が暖房運転を実施している場合は、凝縮器として機能し、通過する室内空気は加熱される。このように、室内機７０に吸い込まれた室内空気は、室内熱交換器７２を通過する際に、室内熱交換器７２によって熱交換され、使用者が要求する調和空気となる。室内熱交換器７２を通過した調和空気は、室内送風機７１の連続的な回転によって、吹出風路７４を通過して吹出口７５から室内に吹き出される。また、この室内送風機７１に連結されたモーター６１の回転数が変化することによって、吹き出される調和空気の風量が調整される。
（実施の形態２の効果）
以上の構成のように、空気調和機１００、特に室内機７０における室内送風機７１に実施の形態１に係る電力変換装置６０を内蔵し小型化されたモーター６１を連結し搭載することによって、室内熱交換器７２のサイズを大きくすることができ、省エネ性能が高い空気調和機を得ることができる。
また、空気調和機１００、特に室内機７０における室内送風機７１に実施の形態１に係る電力変換装置６０を内蔵し高出力化したモーター６１を連結し搭載することによって、立ち上がり時の熱交換性能を高く取ることができ、短時間で設定温度に到達し、使用者の快適性をより向上することができる。また、モーター６１の高出力化によって風速が上げられるので、室内の温度ムラを解消でき、使用者の快適性をより向上することができる。
なお、上記で説明した図７及び図８で示されるモーター６１を搭載した空気調和機１００、特に室内機７０の構成は、例示であり、これらによってその構成が限定されるものではない。
また、上記の説明において、実施の形態１に係る電力変換装置６０を内蔵したモーター６１は、室内機７０における室内送風機７１に連結される構成を説明したが、これに限定されるものではなく、室外機８０における室外送風機８１に連結され使用される構成としてもよい。
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係るモーターに内蔵される駆動回路の過熱保護回路３０およびシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。また、図１０は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置６０のインバーターＩＣ２におけるＩＣチップ２０周辺の回路構成図である。図１０に示す回路構成図は、図４に示す回路構成図の過熱検知素子１４を過熱保護回路３０に置き換えたものであり、他の構成は同一である。
図９において、インバーターＩＣ２と接続する母線電源ライン８３９は、抵抗Ｒ１３および抵抗Ｒ１４が並列に接続されて構成される電流検出用抵抗８４１と接続されている。電流検出用抵抗８４１は、他端が接地されており、図１０に示すシャント抵抗ＲＳに相当する。電流検出用抵抗８４１と電源ライン８３９との間の電位Ｖ１は、抵抗Ｒ１５（８０９）を介して電位Ｖ０となり、比較回路８３６に接続される。電位Ｖ０の地点はコンデンサーＣ１５（８１２）を介して接地されている。
感温抵抗素子ＲＴ１（８４２）は、一端が基準電圧ＶＢ（８０２）と接続され、他端が電位Ｖ３であって、分圧抵抗Ｒ１７（８０１）およびコンデンサーＣ１８（８１１）と接続されている。感温抵抗素子ＲＴ１（８４２）は、面実装タイプの正特性の感温抵抗素子であり、図１に示す過熱検知素子１４に相当する。抵抗内蔵トランジスタ（ディジタルトランジスタ）Ｑ７（８０５）は、ベース側は感温抵抗素子ＲＴ１（８４２）を介して基準電圧ＶＢ（８０２）と接続され、コレクタ側は抵抗Ｒ１６（８０４）を介して基準電圧ＶＢ（８０３）と接続され、エミッタ側は接地されている。
なお、基準電圧ＶＢ（８０２）と基準電圧ＶＢ（８０３）は同電圧である。このとき、基準電圧ＶＢ（８０３）は、抵抗Ｒ１６（８０４）および抵抗Ｒ１２（８０７）を介して電位Ｖ０に接続され、電位Ｖ０が比較回路８３６に取り込まれる。また、比較回路８３６の他方の入力端子には、基準電位Ｖｒｅｆの基準電源８３７が接続されている。なお、比較回路８３６および基準電源８３７は、インバーターＩＣ２に内蔵されている。
図１１は、本発明の実施の形態３に係るモーターに内蔵される駆動回路の基板の断面図である。図９および図１０で説明した過熱保護回路３０等を含むものであり、各部の名称は図５と同一である。図１１では、過熱検知素子１４の実装面と反対側に、銅箔５０およびスルーホール５１を介してインバーターＩＣ２のヒートスプレッダー１３と熱的に強く結合された銅箔５０が配置される。さらに、過熱検知素子１４の実装面と反対側の銅箔５０から、スルーホール５１を介して熱的に強く結合された銅箔５０を、過熱検知素子１４と同面の側にも配置している。
図１２は、本発明の実施の形態３に係るモーターに内蔵される駆動回路の基板のインバーターＩＣ２および過熱検知素子１４周辺の上面図である。図９および図１０で説明した過熱保護回路３０等を含むものである。インバーターＩＣ２のヒートスプレッダー１３は、リフロー半田（図示せず）により銅箔５０と熱的および電気的に強い結合を持つ。また、過熱検知素子１４を取り囲むように銅箔５０が配置される。さらに、スルーホール５１→背面の銅箔５０（図１１に図示、本図には図示せず）→スルーホール５１の経路により熱的および電気的にインバーターＩＣ２のヒートスプレッダー１３と強い結合をもつ銅箔５０（図１２において過熱検知素子１４の左側にある銅箔５０）が過熱検知素子１４の側面に配置される。
以上の構成のように、図１１、図１２で示すとおり、面実装のインバーターＩＣ２のヒートスプレッダー１３と強い熱的結合を持つ銅箔５０およびスルーホール５１によって、温度特性が対数的な特性をもつ正特性感温抵抗素子を用いた過熱検知素子１４を取り囲む構成とする。さらに、過熱検知素子１４の出力を、ディジタルトランジスタＱ７（８０５）を用いて増幅する。これにより、検出時間差や検出温度誤差なく温度保護がかけられ、パッケージやヒートスプレッダー１３が小さな面実装パッケージを用いた高耐圧のインバーターＩＣ２を、プリント基板１上で発熱体であるステーター３側に実装でき、従来の反ステーター３側の面にリードタイプのインバーターを配置しステーター３側の面に過熱検知素子１４を配置した場合と同等のモーターおよび機器の運転範囲を得ることができる。
また、インバーターＩＣ２のＩＣチップ２０に対し、モールド樹脂４が薄くなりがちな反ステーター３側において、ヒートスプレッダー１３および銅箔５０で二重の金属バリアを構成することとした。これにより、ＩＣチップ２０破壊時のエネルギーで薄い反ステーター３側のモールド樹脂４が破れることがなくなり、使用者が安心感を得られる。
なお、本実施の形態では、スルーホールタイプのプリント基板１を使用したことで、同一箔厚の基材を用いたノンスルー基板に比べ、スルーホール時メッキにより銅箔が厚くなるため、より強い熱的結合および金属バリアが得られる。また、スルーホール５１が存在することで、より強い熱的結合および金属バリアが得られる。また、銅箔を厚くするほど、その効果が高いことは言うまでもない。また、スルーホールが単数よりも複数、サイズが小さいよりも大きいほうが、効果が高いことはいうまでもない。
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４に係るモーターに内蔵される駆動回路の過熱保護回路３０およびシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。実施の形態３で説明したものとは異なるが、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置６０のインバーターＩＣ２におけるＩＣチップ２０周辺の回路構成図は、図１０と同一である。
インバーターＩＣ２と接続する母線電源ライン８３９は、抵抗値Ｒの電流検出用抵抗８４１と接続されている。電流検出用抵抗８４１は、他端が接地されており、図１０に示すシャント抵抗ＲＳに相当する。
また、電流検出用抵抗８４１と並列に抵抗値Ｒ０の感温抵抗素子８４２が配置されている。感温抵抗素子８４２は、面実装タイプの正特性の感温抵抗素子であり、図１に示す過熱検知素子１４に相当する。電流検出用抵抗８４１と電源ライン８３９との間の電位Ｖ１は、抵抗値Ｒ０の感温抵抗素子８４２を介して電位Ｖ０となり、比較回路８３６に接続される。また、電位Ｖ０の地点は、抵抗値Ｒ１の抵抗８４３を介して基準電位Ｅの共通電源８４４に接続される。また、比較回路８３６の他方の入力端子には、基準電位Ｖｒｅｆの基準電源８３７が接続されている。なお、比較回路８３６および基準電源８３７は、インバーターＩＣ２に内蔵されている。
本実施の形態では、インバーターＩＣ２の金属のヒートスプレッダー１３は、クリーム半田もしくはフロー半田を用い（図示せず）、母線電源ライン８３９と熱的および電気的に強い結合をもつ。
図１４は、本発明の実施の形態４に係るモーターに内蔵される駆動回路の基板のインバーターＩＣ２および過熱検知素子１４周辺の上面図である。インバーターＩＣ２のヒートスプレッダー１３は、クリーム半田もしくはフロー半田（図示せず）により銅箔５０と熱的および電気的に強い結合を持つ。また、過熱検知素子１４の一方の端子は、ヒートスプレッダー１３と同電位の銅箔５０と半田（図示せず）により熱的および電気的に結合される。さらに、銅箔５０の一部は、過熱検知素子１４の下部に配置される。
以上の構成のように、図１４に示される面実装のインバーターＩＣ２のヒートスプレッダー１３と強い熱的結合を持つ銅箔５０やスルーホール５１と、図１３に示される温度特性が対数的な特性をもつ正特性感温抵抗素子を用いた過熱検知素子１４を熱的および電気的に直接強く結合する。これにより、検出時間差や検出温度誤差なく温度保護がかけられ、パッケージやヒートスプレッダー１３が小さな面実装パッケージを用いた高耐圧のインバーターＩＣ２を、プリント基板１上で発熱体であるステーター３側に実装でき、従来の反ステーター３側の面にリードタイプのインバーターを配置しステーター３側の面に過熱検知素子１４を配置した場合と同等のモーターおよび機器の運転範囲を得ることができる。
また、本発明の高圧直流電源３８は、先に述べたように、商用電源を全波整流もしくは倍電圧整流した高圧系の電源を用いる。そのため、降圧電源を用いた３０Ｖ以下の低圧電源を用いた回路内蔵モーターと比較して、Ｓｉ素子チップの短絡故障の時の破壊エネルギーは桁違いに大きい。短絡故障時の抵抗値をＲ、直流電源電圧をＶとすると、破壊時の発生熱量はＶ2／Ｒとなる。短絡故障時の抵抗はチップ断面積の大きな高圧パワー素子の方が小さくなる方向であり、仮に同じとしても電源電圧は５〜１０倍以上の差があり、破壊のエネルギーは２５〜１００倍以上となる。その結果、モーターや機器の外部で発煙・発光・発音しやすく、使用者に不安を与えやすい。そのため、まず、熱破壊を起こさないことが求められる。また、万が一素子破壊が発生した場合にも、機器の外部にいる使用者が発煙・発光・発音を認知されないことが、より安心な機器である。
また、本実施の形態では、インバーターＩＣ２のＩＣチップ２０に対し、モールド樹脂４が薄くなりがちな反ステーター３側において、ヒートスプレッダー１３および銅箔５０で二重の金属バリアを構成することとした。これにより、商用電源を整流した高圧直流電圧３８で用いられる高耐圧のＩＣチップ２０破壊時のエネルギーで薄い反ステーター３側のモールド樹脂４が破れて外部に発煙・発光・発音することがなくなり、使用者が安心な機器が得られる。
前記の金属バリアによる効果は、プリント基板１の銅箔５０とインバーターＩＣ２内部の金属が機械的に結合していればよく、熱的または電気的に結合していなくても得られることはいうまでもない。
また、本実施の形態では、スルーホールタイプのプリント基板１を使用したことで、同一箔厚の基材を用いたノンスルー基板に比べ、スルーホール時メッキにより銅箔が厚くなるため、より強い熱的結合および金属バリアが得られる。また、スルーホール５１が存在することで、より強い熱的結合および金属バリアが得られる。また、銅箔を厚くするほど、その効果が高いことは言うまでもない。また、スルーホールが単数よりも複数、サイズが小さいよりも大きいほうが、効果が高いことはいうまでもない。
また、本実施の形態では、増幅用のトランジスタを省略できる分、実施の形態３より安価に回路・モーター・機器を構成することができる。
なお、実施の形態３では、ヒートスプレッダー１３は、他の回路パターンと電気的結合を持たないため、実施の形態４と比較してパワー素子と低圧回路との絶縁性能が向上する。
また、実施の形態３，４では、インバーターの主回路に１チップインバータＩＣを用いているが、高圧面実装タイプのマルチチップのインバーターＩＣおよびディスクリート主素子を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
また、実施の形態３，４において、主素子に耐熱温度の高いＳｉＣやＣ等の高耐熱低損失のワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、検知温度差や検知時間遅れに対し従来のＳｉを用いた主素子に対し余裕ができ、過熱検知素子１４に温度抵抗特性変化の小さな負特性感温抵抗素子（サーミスタ）等を用いても良い。また、正特性感温抵抗素子を用いる場合は、銅箔やスルーホールによる熱的結合度合いを図示したより小さくしても同一の効果が得られる。
また、ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。
また、耐熱性も高いため、ヒートスプレッダー１３の小型化が可能である。また、例えば、水冷による冷却方式を空冷化することが可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。さらに、電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。
なお、スイッチング素子やダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、この実施の形態に記載の効果を得ることができる。
これまでの実施の形態において、素子と各金属との熱的・電気的・機械的結合を半田により行う場合について説明したが、他の金属や導電性樹脂等の素材を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
また、これまでの実施の形態において、プリント基板１に銅箔５０を用いた両面スルーホール基板を用いたが、素子と各金属との熱的・電気的・機械的結合を、他金属や絶縁素材で構成された基材やエッチング等により回路を構成しない基板を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
また、これまでの実施の形態において、モーター搭載機器として空気調和機について説明したが、換気用送風機に搭載しても、機器の薄型化や送風性能の向上等について同様の効果が得られることはいうまでもない。前記送風性能の向上は、浴室やトイレ等で使用され、特に、短時間で湿気や臭気を排出したい場合等に特に有効である。
１ プリント基板、２ インバーターＩＣ、３ ステーター、４ モールド樹脂、５ モーター端子、６ ホール素子、７ モーター外部接続リード、８ ローター貫通用穴、９ ベアリング、９ａ ベアリングハウジング、１０ ベアリング貫通穴、１１ 高圧電極、１２ 低圧電極、１３ ヒートスプレッダー、１４ 過熱検知素子、１６ ローター、１７ 高圧入力線、１８ 低圧入力線、２０ ＩＣチップ、２１ ボンディングワイヤー、２２ 金属リードフレーム、２３ ＩＣパッケージ、２５ アルミ配線、２６ 酸化シリコン膜、２７ 半導体単結晶島、２８ 多結晶シリコン、２９ 絶縁分離層、３０ 過熱保護回路、３１、回転数出力線、３２ 出力電圧指令入力線、３３ チャージポンプダイオード、３４ ＩＧＢＴ、３５ａ 上アーム駆動回路、３５ｂ 下アーム駆動回路、３８ 高圧直流電源、３９ 中性点結線、５０ 銅箔、５１ スルーホール、６０ 電力変換装置、６１ モーター、７０ 室内機、７１ 室内送風機、７２ 室内熱交換器、７３ 吸込口、７４ 吹出風路、７５ 吹出口、８０ 室外機、８１ 室外送風機、９０ 冷媒配管、１００ 空気調和機、８０１ 分圧抵抗Ｒ１７、８０２ 基準電圧ＶＢ、８０３ 基準電圧ＶＢ、８０４ 抵抗Ｒ１６、８０５ ディジタルトランジスタＱ７、８０７ 抵抗Ｒ１２、８０９ 抵抗Ｒ１５、８１１ コンデンサーＣ１８、８１２ コンデンサーＣ１５、８３６ 比較回路、８３７ 基準電源、８３９ 母線電源ライン、８４１ 電流検出用抵抗、８４２ 感温抵抗素子、８４３ 抵抗、８４４ 共通電源。

Claims (15)

  1. モーターを構成する円環状のステーターが構成する円環面に対して実装面が対向し、該円環面から所定距離を隔てて配置され、かつ、前記ステーター側の実装面に前記モーターのローターの回転位置を検出するホール素子が実装された基板と、
    前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記ステーターに高周波電流を供給する半導体モジュールと、
    前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記基板のステーター側の実装面に形成された金属パターンを介して前記半導体モジュールの電極と電気的及び熱的に結合し、前記半導体モジュールの過熱状態を検知する過熱検知手段と、
    を備え、
    前記半導体モジュールは、前記過熱検知手段によって当該半導体モジュールの過熱状態が検知された場合、前記ステーターに供給する電流を制限又は停止する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記半導体モジュールは、前記基板上に機械的に結合して配置されたヒートスプレッダーと、複数の半導体素子を有し、前記ヒートスプレッダー上にマウントされて熱的に結合した半導体チップと、を有した
    ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記半導体モジュールは、前記ヒートスプレッダーが前記半導体モジュールの電極に近接するように配置されて構成された
    ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
  4. 前記ヒートスプレッダー、及び、前記半導体モジュールの電極は、熱伝導性樹脂によって熱的に結合され、
    該熱伝導性樹脂は、前記半導体モジュールの外形を形成した
    ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電力変換装置。
  5. 前記ヒートスプレッダーは、前記基板のステーター側の実装面に形成された金属パターンに熱的に結合した
    ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
  6. 前記基板は、前記ステーター側の実装面から前記ステーターと反対側の実装面まで貫通し、内部に金属膜が形成されたスルーホールを有し、
    前記ヒートスプレッダーと熱的に結合された前記ステーター側の実装面に形成された金属パターンは、前記スルーホールを介して、前記ステーターと反対側の実装面に形成された金属パターンに熱的に結合した
    ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
  7. 前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって構成された
    ことを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれかに記載の電力変換装置。
  8. 前記過熱検知手段は、前記基板上に、前記半導体モジュールの前記ヒートスプレッダーに近接して実装された
    ことを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれかに記載の電力変換装置。
  9. 前記過熱検知手段は、前記基板のステーター側の実装面に形成された金属パターンを介して、前記半導体モジュールの電極と熱的に結合した
    ことを特徴とする請求項８記載の電力変換装置。
  10. 前記過熱検知手段、及び、前記半導体モジュールを含む半導体回路は、前記基板のステーター側の実装面に実装された
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の電力変換装置。
  11. 円環状のステーターと、
    前記ステーターの内側に配置されたローターと、
    請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の電力変換装置と、
    を備え、
    前記ステーター及び前記電力変換装置は、モーターの外郭を形成するモールド樹脂によって一体化された
    ことを特徴とするモーター。
  12. 円環状のステーターが構成する円環面に対して実装面が対向し、該円環面から所定距離を隔てて配置され、かつ、前記ステーター側の実装面にローターの回転位置を検出するホール素子が実装された基板と、
    前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記ステーターに電流を供給する半導体モジュールと、
    前記基板のステーター側の実装面に実装され、前記基板のステーター側の実装面に形成された金属パターンを介して前記半導体モジュールの電極と電気的及び熱的に結合し、前記半導体モジュールの過熱状態を検知する過熱検知手段と、
    を備え、
    前記半導体モジュールは、前記基板上に機械的に結合して配置されたヒートスプレッダーと、半導体素子を有し、前記ヒートスプレッダー上にマウントされて機械的に結合した半導体チップと、を有し、
    前記ステーター、及び、前記ホール素子及び前記半導体モジュールが実装された前記基板は、モールド樹脂によって覆われて一体化された
    ことを特徴とするモーター。
  13. 調和空気を設置室内に吹き出す室内機と、
    該室内機内に設置され、その吹出口から前記調和空気を送り出す室内送風機と、
    前記室内機と冷媒配管によって接続され、外気と熱交換を実施する室外機と、
    を備え、
    前記室内送風機は、請求項１２に記載のモーターを搭載した
    ことを特徴とする空気調和機。
  14. 調和空気を設置室内に吹き出す室内機と、
    前記室内機と冷媒配管によって接続され、外気と熱交換を実施する室外機と、
    該室外機内に設置され、外気を該室外機内に送り込む室外送風機と、
    を備え、
    前記室外送風機は、請求項１２に記載のモーターを搭載した
    ことを特徴とする空気調和機。
  15. 室内空気を室外に吹き出す換気送風機器であって、請求項１２に記載のモーターを搭載した
    ことを特徴とする換気送風機器。
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