CN113632367A - 电力转换装置、驱动装置及动力转向装置 - Google Patents

电力转换装置、驱动装置及动力转向装置 Download PDF

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CN113632367A CN202080025306.6A CN202080025306A CN113632367A CN 113632367 A CN113632367 A CN 113632367A CN 202080025306 A CN202080025306 A CN 202080025306A CN 113632367 A CN113632367 A CN 113632367A
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大桥弘光
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Abstract

电力转换装置的一形态是将来自电源的电力转换并供给至电动机的电力转换装置，具备：逆变器，上述逆变器与上述电动机的绕组连接，且具备随着电力控制的动作而发热的第一开关元件以及随着电力控制的动作比该第一开关元件更多地发热的第二开关元件；以及基板，上述基板供上述第一开关元件及上述第二开关元件安装；由一个以上的上述第一开关元件构成的第一元件组和由一个以上的上述第二开关元件构成的第二元件组在上述基板上交替安装。

Description

电力转换装置、驱动装置及动力转向装置
技术领域
本发明涉及电力转换装置、驱动装置及动力转向装置。
背景技术
以往，已知利用逆变器驱动电动机的驱动系统。如此的驱动系统中，逆变器伴随电动机驱动而发热，因此，用于散热的构造被提出。
例如专利文献1中提出了以下结构：在对具有多组绕组集的旋转电机(电动机)的通电进行控制的旋转电机控制装置中，与绕组集对应地设置多个系统的电力转换电路，特定电路相对于通常电路，对应的部分的散热器的厚度不同。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国授权专利：特许第6056827号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，包括专利文献1的技术在内，现有技术中一般以多个逆变器之间、或逆变器内的开关元件之间处于相同的通电状态为前提，没有考虑在逆变器之间或逆变器内的开关元件之间发热量不同的情况下的高效散热结构。
因此，本发明的目的在于提供对于发热量不同的多个元件散热效率良好的新的构造的电力转换装置、驱动装置以及动力转向装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的电力转换装置的一形态是将来自电源的电力转换并供给至电动机的电力转换装置，具备：逆变器，上述逆变器与上述电动机的绕组连接，具备且随着电力控制的动作而发热的第一开关元件以及随着电力控制的动作比该第一开关元件更多地发热的第二开关元件；以及基板，上述基板供上述第一开关元件及上述第二开关元件安装；由一个以上的上述第一开关元件构成的第一元件组和由一个以上的上述第二开关元件构成的第二元件组在上述基板上交替安装。而且，本发明的驱动装置的一形态包括上述电力转换装置和被供给由上述电力转换装置转换的电力的电动机。
而且，本发明的动力转向装置的一形态包括：上述电力转换装置；电动机，上述电动机被供给由上述电力转换装置转换的电力；以及动力转向机构，上述动力转向机构由上述电动机驱动。
发明效果
根据本发明，可获得对于发热量不同的多个元件散热效率良好的新的构造的电力转换装置、驱动装置以及动力转向装置。
附图说明
图1是示意性示出本实施方式的电动机驱动单元的块(block)结构的图。
图2是示意性示出本实施方式的电动机驱动单元的电路结构的图。
图3是示出电动机的各相的各线圈中流通的电流值的图。
图4是示意性示出在PWM控制及常接通断开动作之下电流从电动机的绕组的一端侧流向另一端侧的状态的图。
图5是示意性示出在PWM控制及常接通断开动作之下电流从电动机的绕组的另一端侧流向一端侧的状态的图。
图6是示出电动机驱动单元中的各开关元件的发热状态的图。
图7是电动机驱动单元的分解立体图。
图8是电动机驱动单元的示意性剖视图。
图9是示意性示出开关元件的安装部位的图。
图10是示意性示出变形例的开关元件的安装部位的图。
图11是示意性示出另一变形例的开关元件的安装部位的图。
图12是示意性示出又一变形例的开关元件的安装部位的图。
图13是示出低发热的开关元件和高发热的开关元件的在电路上的位置不同的变形例的图。
图14是示意性示出图13所示变形例的开关元件的安装部位的一例的图。
图15是示意性示出图13所示变形例中的开关元件的直线安装部位的一例的图。
图16是示意性示出图13所示变形例中的开关元件的二维安装部位的一例的图。
图17是示意性示出图13所示变形例中的开关元件的二维安装部位的另一示例的图。
图18是示意性示出本实施方式的电动动力转向装置的结构的图。
具体实施方式
以下参照附图，对本公开的电力转换装置、驱动装置和动力转向装置的实施方式进行详细说明。但是，在以下说明中，为了避免不必要的冗长，使本领域技术人员容易理解，有时会省略除必须以外的详细说明。例如，有时会省略已广泛公知的事项的详细说明和对实质上相同的结构的重复说明。
在本说明书中，以对来自电源的电力进行转换并供给至具有三相(U相、V相、W相)的绕组(有时表述为“线圈”)的三相电动机的电力转换装置为例，对本公开的实施方式进行说明。但是，将来自电源的电力转换并供给至具有四相或五相等n相(n为4以上的整数)绕组的n相电动机的电力转换装置也属于本公开的范畴。(电动机驱动单元1000的电路结构)图1是示意性示出本实施方式的电动机驱动单元1000的块结构的图。电动机驱动单元1000具备逆变器101、102、电动机200及控制电路301、302。
在本说明书中，对具备作为构成要素的电动机200的电动机驱动单元1000进行说明。具备电动机200的电动机驱动单元1000相当于本发明的驱动装置的一例。但是，电动机驱动单元1000也可以是省略作为构成要素的电动机200的、用于驱动电动机200的装置。省略电动机200的电动机驱动单元1000相当于本发明的电力转换装置的一例。
电动机驱动单元1000利用两个逆变器101、102将来自电源(图2的403、404)的电力转换并向电动机200供给。例如，逆变器101、102能够将直流电力转换成U相、V相及W相的模拟正弦波即三相交流电力。两个逆变器101、102分别具备电流传感器401、402。
电动机200例如是三相交流电动机。电动机200具有U相、V相和W相的线圈。线圈的卷绕方式例如为集中卷绕或分布卷绕。
第一逆变器101与电动机200的一端210连接并对该一端210施加驱动电压，第二逆变器102与电动机200的另一端220连接并对该另一端220施加驱动电压。在本说明书中，部件(构成要素)彼此的“连接”只要没有特别限定，则表示电连接。
控制电路301、302如之后详述地具备微型控制器341、342等。控制电路301、302基于来自电流传感器401、402及角度传感器321、322的输入信号对电动机200的驱动电流进行控制。具体而言，控制电路301、302通过控制两个逆变器101、102的动作来控制电动机200的驱动电流。作为控制电路301、302对驱动电流的控制方法，例如使用选自矢量控制、直接转矩控制(DTC)的控制方法。参照图2说明电动机驱动单元1000的具体电路结构。图2是示意性示出本实施方式的电动机驱动单元1000的电路结构的图。
电动机驱动单元1000分别与独立的第一电源403和第二电源404连接。电源403、404生成规定的电源电压(例如12V)。作为电源403、404，例如使用直流电源。但是，电源403、404可以是AC-DC转换器或DC-DC转换器，也可以是电池(蓄电池)。在图2中，作为一例，示出了第一逆变器101用的第一电源403和第二逆变器102用的第二电源404，但也可以是电动机驱动单元1000的第一逆变器101及第二逆变器102与共同的单一电源连接。而且，电动机驱动单元1000也可以在内部具备电源。
电动机驱动单元1000具备与电动机200的一端210侧对应的第一系统以及与电动机200的另一端220侧对应的第二系统。第一系统包括第一逆变器101和第一控制电路301。第二系统包括第二逆变器102和第二控制电路302。从第一电源403对第一系统的逆变器101和控制电路301供给电力。从第二电源404对第二系统的逆变器102和控制电路302供给电力。
在图2中，作为一例，示出了第一逆变器101用的第一控制电路301和第二逆变器102用的第二控制电路302，但也可以是电动机驱动单元1000的第一逆变器101和第二逆变器102由单一的控制电路控制。
第一逆变器101具备具有三个支路的电桥电路。第一逆变器101的各支路具备连接在电源与电动机200之间的高侧开关元件以及连接在电动机200与地之间的低侧开关元件。具体而言，U相用支路具备高侧开关元件113H和低侧开关元件113L。V相用支路具备高侧开关元件114H和低侧开关元件114L。W相用支路具备高侧开关元件115H和低侧开关元件115L。
作为开关元件，例如使用场效应晶体管(MOSFET等)或绝缘栅双极晶体管(IGBT等)。而且，作为开关元件也可以使用硅材料以外的功率晶体管。另外，在开关元件是IGBT的情况下，与开关元件反向并联地连接有二极管(续流)。
第一逆变器101中，作为用于检测例如U相、V相和W相各相的绕组中流通的电流的电流传感器401(参照图1)，在各支路具备分流电阻113R、114R和115R。电流传感器401具备对各分流电阻中流通的电流进行检测的电流检测电路(未图示)。例如，分流电阻可连接于低侧开关元件113L、114L及115L与地之间。分流电阻的电阻值例如为0.5mΩ～1.0mΩ左右。
分流电阻的数量也可以是三个以外。例如，可使用U相、V相用的两个分流电阻113R、114R、V相、W相用的两个分流电阻114R、115R或者U相、W相用的两个分流电阻113R、115R。考虑产品成本和设计规格等而适当决定使用的分流电阻的数量和分流电阻的配置。
第二逆变器102具备具有三个支路的电桥电路。第二逆变器102的各支路具备连接在电源与电动机200之间的高侧开关元件以及连接在电动机200与地之间的低侧开关元件。具体而言，U相用支路具备高侧开关元件116H和低侧开关元件116L。V相用支路具备高侧开关元件117H和低侧开关元件117L。W相用支路具备高侧开关元件118H和低侧开关元件118L。与第一逆变器101相同地，第二逆变器102具备例如分流电阻116R、117R和118R。
电动机驱动单元1000具备电容器105、106。电容器105、106是所谓的平滑电容器，通过吸收由电动机200产生的环流电流来使电源电压稳定化，从而抑制转矩脉动。电容器105、106例如是电解电容器，容量和使用的个数根据设计规格等适当决定。
再次参照图1。控制电路301、302例如具备电源电路311、312、角度传感器321、322、输入电路331、332、微型控制器341、342、驱动电路351、352和ROM361、362。控制电路301、302与逆变器101、102连接。而且，第一控制电路301控制第一逆变器101，第二控制电路302控制第二逆变器102。
控制电路301、302能对作为目标的转子的位置(旋转角)、旋转速度和电流等进行控制而实现闭环控制。旋转速度例如通过对旋转角(rad)进行时间微分获得，以单位时间(例如一分钟)内转子旋转的转速(rpm)表示。控制电路301、302也能控制作为目标的电动机转矩。控制电路301、302可以为了转矩控制而具备转矩传感器，但省去转矩传感器也能进行转矩控制。
而且，也可以代替角度传感器321、322而具备无传感器算法。本实施方式中，由两个控制电路301、302中的一方(例如第二控制电路302)进行转矩控制。电源电路311、312生成控制电路301、302内的各块所需的DC电压(例如3V、5V)。
角度传感器321、322例如是解析器或霍尔IC。角度传感器321、322也可以通过具有磁阻(MR)元件的MR传感器和传感器磁体的组合来实现。角度传感器321、322检测电动机200的转子的旋转角，将表示检测出的旋转角的旋转信号向微型控制器341、342输出。根据电动机控制方法(例如无传感器控制)，角度传感器321、322有时被省去。
输入电路331、332接收由电流传感器401、402检测出的电动机电流值(以下，表述为“实际电流值”)。输入电路331、332根据需要将实际电流值的电平转换为微型控制器341、342的输入电平，将实际电流值向微型控制器341、342输出。输入电路331、332是模拟数字转换电路。
微型控制器341、342接收由角度传感器321、322检测出的转子的旋转信号，并接收从输入电路331、332输出的实际电流值。两个微型控制器341、342中，进行转矩控制的例如第二控制电路302的微型控制器342根据实际电流值及转子的旋转信号等设定目标电流值而生成PWM信号，将生成的PWM信号输出至驱动电路352。第二控制电路302的微型控制器342生成用于控制第二逆变器102中的各开关元件的开关动作(导通或关断)的PWM信号。
另一方面，两个微型控制器341、342中，例如第一控制电路301生成对第一逆变器101中的各开关元件的开关动作进行控制的接通断开信号并向驱动电路351输出。通过根据该接通断开信号的控制，第一逆变器101的开关元件在第二逆变器102中的开关元件通过PWM控制进行多次开关动作期间，维持接通状态和断开状态中的任意一方，第一逆变器101的多个开关元件的一部分成为接通状态，另一部分成为断开状态。以下，将第一逆变器101的开关元件的这种动作称为常接通断开动作(日文：ベタオンオフ動作)。
两个控制电路301、302及两个微型控制器341、342中的控制的分担、以及两个逆变器101、102中的动作的分担可在第一系统和第二系统中调换，以下，为了便于说明，在第一系统侧进行常接通断开动作且第二系统侧进行PWM控制的前提下进行说明。
典型地，驱动电路351、352为栅极驱动器。驱动电路351、352根据PWM信号和接通断开信号生成对第一逆变器101和第二逆变器102中的各开关元件的开关作进行控制的控制信号(例如，栅极控制信号)，并且将生成的控制信号赋予各开关元件。微型控制器341、342也可以具备驱动电路351、352的功能。该情况下，省去驱动电路351、352。
ROM 361、362例如是能写入的存储器(例如PROM)、能改写的存储器(例如闪存)或只读存储器。ROM 361、362存储包括用于使微型控制器341、342控制逆变器101、102等的命令组的控制程序。例如，控制程序在启动时在RAM(未图示)中暂时展开。以下，对电动机驱动单元1000的动作的具体示例进行说明，并且主要对逆变器101、102的动作的具体示例进行说明。
控制电路301、302使用第一逆变器101及第二逆变器102进行三相通电控制，从而驱动电动机200。具体而言，控制电路301、302通过对第一逆变器101的开关元件和第二逆变器102的开关元件进行开关控制来进行三相通电控制。图3是示出电动机200的各相的各线圈中流通的电流值的图。
图3例示了根据三相通电控制来控制第一逆变器101及第二逆变器102时，将电动机200的U相、V相及W相的各线圈中流通的电流值绘制而得到的电流波形(正弦波)。图3的横轴表示电动机电角度(deg)，纵轴表示电流值(A)。Ipk表示各相的最大电流值(峰值电流值)。另外，逆变器101、102除了图3所例示的正弦波之外，例如还能够使用矩形波来驱动电动机200。
图3例示的电流波形通过将与该电流波形相应的波形的电压施加于电动机200而产生。而且，关于电压波形的振幅，通过利用PWM控制使第二逆变器102的开关元件例如以20kHz的高速进行开关来产生。而且，电压波形的正负通过第一逆变器101的各开关元件中的常接通断开动作的接通状态和断开状态发生调换以及第二逆变器102的开关元件中基于PWM控制进行开关的元件发生调换而产生。
图4及图5是示意性示出在PWM控制及常接通断开动作下的开关动作的图，图4示出电流从电动机的绕组的一端侧流向另一端侧的状态，图5示出电流从电动机的绕组的另一端侧流向一端侧的状态。
图4及图5中，示出逆变器101、102所具有的支路中的例如U相的支路。如上所述U相的支路包括：第一逆变器101侧的高侧开关元件113H及低侧开关元件113L；以及第二逆变器102侧的高侧开关元件116H及低侧开关元件116L。
第一逆变器101侧的高侧开关元件113H及低侧开关元件113L不会同时成为接通状态，在一方为接通状态的情况下另一方为断开状态。第二逆变器102侧的高侧开关元件116H及低侧开关元件116L也同样不会同时成为接通状态。
如图4中的箭头，在电流从电动机200的绕组的一端侧流向另一端侧的情况下，第一逆变器101中，高侧开关元件113H成为接通状态且低侧开关元件113L成为断开状态。而且，第二逆变器102中，高侧开关元件116H成为断开状态，低侧开关元件116L进行根据PWM控制的开关动作。
如图5中的箭头，在电流从电动机200的绕组的另一端侧流向一端侧的情况下，第一逆变器101中，高侧开关元件113H成为断开状态且低侧开关元件113L成为接通状态。而且，第二逆变器102中，高侧开关元件116H进行根据PWM控制的开关动作，低侧开关元件116L成为断开状态。
在例如使用图3所示的电流波形的情况下，重复图4所示的状态和图5所示的状态。而且，各开关元件113H、113L、116H、116L随着电力控制的开关动作而发热。因此，根据PWM控制频繁进行开关动作的第二逆变器102的开关元件116H、116L中，就通常运转时的平均发热而言，与进行常接通断开动作的第一逆变器101的开关元件113H、113L相比发热要多。
如图4所示，利用常接通断开动作成为接通状态的高侧开关元件113H经由电动机200的绕组与低侧开关元件116L连接，流通有由低侧开关元件116L的开关控制的电流。而且，如图5所示，利用常接通断开动作成为接通状态的低侧开关元件113L经由电动机200的绕组与高侧开关元件116H连接，流通有由高侧开关元件116H的开关控制的电流。通过在隔着电动机200的绕组的一方和另一方使开关动作不同来实现开关元件间的发热分担。
以往的PWM控制中，与电动机200的绕组两端连接的双方的开关元件根据PWM控制频繁地进行开关动作，与之相比，本实施方式中，在电动机200的绕组的一方侧进行常接通断开动作，因此，电动机驱动单元1000的发热量比以往少。图6是示出电动机驱动单元1000中的各开关元件的发热状态的图。
本实施方式的电动机驱动单元1000中，与电动机200的两端连接的两个逆变器101、102中的第二逆变器102具备的六个开关元件116H、117H、118H、116L、117L、118L是根据PWM控制进行动作的、图中斜线示出的高发热的开关元件132。而且，两个逆变器101、102中的第一逆变器101具备的六个开关元件113H、114H、115H、113L、114L、115L是进行常接通断开动作的、图中以白色示出的低发热的开关元件131。
换言之，第一逆变器101及第二逆变器102中的一方具备低发热的开关元件131，相对于该一方的另一方具备高发热的开关元件132。如此，本实施方式的电动机驱动单元1000中，以逆变器为单位分担发热。
而且，本实施方式的电动机驱动单元1000具备考虑了包括高发热的开关元件132和低发热的开关元件131双方的情况的散热效率良好的硬件构造。
另外，作为开关元件中发热量相异的原因，不仅可想到如上所述开关的频率不同的情况，还可想到施加电压不同的情况、组成不同的情况、环流二极管的电阻不同的情况等。而且，在开关元件的发热量因任一原因相异的情况下，均可应用以下说明的散热效率良好的硬件构造。
(电动机驱动单元1000的硬件构造)
以下，对电动机驱动单元1000的硬件构造进行详细说明。图7是电动机驱动单元1000的分解立体图，图8是电动机驱动单元1000的示意性剖视图。
电动机驱动单元1000具备下部外壳1001、电动机200、轴承保持件1002、基板1003和上部外壳1004。
下部外壳1001和上部外壳1004将电动机200、轴承保持件1002和基板1003容纳于内部而进行一体化。由此，电动机驱动单元1000组装成所谓的机电一体型电动机。在基板1003上装设两个逆变器101、102和控制各逆变器101、102的两个控制电路301、302。
上部外壳1004兼作与低发热的开关元件131和高发热的开关元件132双方直接或间接接触而从开关元件131、132全体进行散热的散热器。通过该散热器，谋求开关元件131、132全体的高效散热。轴承保持件1002为保持电动机200的旋转轴的轴承的保持件。
本实施方式中，上部外壳1004兼作散热器，但更通常而言，理想的是，容纳电动机200的外壳和保持电动机200的旋转轴的轴承的保持件中的至少一方兼作与低发热的开关元件131和高发热的开关元件132双方直接或间接接触而进行散热的散热器。通过外壳及轴承保持件中的至少一方兼作散热器，从而有助于零件件数的抑制和节省空间。接着，说明开关元件131、132的安装部位的具体示例。图9是示意性示出开关元件131、132的安装部位的图。
图9中示出基板1003的表面，U相的开关元件131、132集中安装于U相用的安装部位Ru，V相的开关元件131、132集中安装于V相用的安装部位Rv，W相的开关元件131、132集中安装于W相用的安装部位Rw。而且，各相的相互间为各向同性安装配置。
三个安装部位Ru、Rv、Rw沿基板1003的外缘环状配置。而且，安装于各安装部位Ru、Rv、Rw的各四个开关元件131、132中，低发热的开关元件131彼此的排列和高发热的开关元件132彼此的排列均朝向从基板1003的外缘侧向中央部的方向。而且，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的排列朝向沿着基板1003的外缘的环状的方向。
在以沿基板1003的外缘经三个安装部位Ru、Rv、Rw绕行的环状的方向观察时，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132交替安装。无论是观察个别的开关元件131、132，还是观察各相中的低发热的开关元件131的组以及高发热的开关元件132的组，环状方向上的安装顺序均为交替的安装。
低发热的开关元件131的组是隔着电动机线圈的一端210与基板1003连接的连接点安装的高侧开关元件和低侧开关元件的组。而且，高发热的开关元件132的组是隔着电动机线圈的另一端220与基板1003连接的连接点安装的高侧开关元件和低侧开关元件的组。
图9所示的安装配置相当于由一个以上的低发热的开关元件131构成的第一元件组和由一个以上的高发热的开关元件132构成的第二元件组在基板1003上交替安装的配置的一例。通过第一元件组和第二元件组交替安装，从而基板1003上热分布被均等化，经由散热器等效率良好地散热。而且，图9所示的安装配置相当于第一元件组和第二元件组沿着基板1003上的环状的排列方向交替排列地安装的配置的一例。如此的环状排列的安装使得基板1003上成为各向同性发热分布，散热效率良好。尤其，在构成第二元件组的高发热的开关元件132为利用PWM控制进行开关的开关元件的情况下，伴随PWM控制的开关的发热被效率良好地散发。而且，由于相当于电力转换装置的基板1003上的电路的散热效率高，因此相当于驱动装置的机电一体型电动机的小型化和高输出化得以实现。
(变形例)
以下说明开关元件131、132的安装部位的变形例。以下说明的变形例中的任一个均相当于第一元件组和第二元件组在基板1003上交替安装的配置的一例。图10是示意性示出变形例的开关元件131、132的安装部位的图。
图10所示的变形例中，也是U相的开关元件131、132集中安装于U相用的安装部位Ru，V相的开关元件131、132集中安装于V相用的安装部位Rv，W相的开关元件131、132集中安装于W相用的安装部位Rw。三个安装部位Ru、Rv、Rw在基板1003上沿直线方向(即图中左右方向)配置。
安装于各安装部位Ru、Rv、Rw的各四个开关元件131、132中，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的排列朝向三个安装部位Ru、Rv、Rw排列的直线方向。而且，低发热的开关元件131彼此的排列和高发热的开关元件132彼此的排列均朝向与该直线方向相交的方向(即图中上下方向)。
在以上述直线方向观察时，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132交替安装。无论是观察个别的开关元件131、132，还是观察各相中的低发热的开关元件131的组以及高发热的开关元件132的组，该直线方向上的安装顺序均为交替的安装。即，图10所示的变形例相当于第一元件组和第二元件组沿基板1003上的直线状的排列方向交替排列地安装的配置的一例。如此的直线状排列的安装使得直线方向上散热量被均匀化。
另外，图10所示的变形例中，也是低发热的开关元件131的组是隔着电动机线圈的一端210与基板1003连接的连接点安装的高侧开关元件和低侧开关元件的组。而且，高发热的开关元件132的组是隔着电动机线圈的另一端220与基板1003连接的连接点安装的高侧开关元件和低侧开关元件的组。
在如图10所示的变形例那样沿直线方向排列的情况下，也是通过低发热的开关元件131和高发热的开关元件132在基板1003上交替安装，从而基板1003上热分布被均等化，经由散热器等效率良好地散热。图11是示意性示出另一变形例的开关元件131、132的安装部位的图。
图11所示的变形例中，也是U相的开关元件131、132集中安装于U相用的安装部位Ru，V相的开关元件131、132集中安装于V相用的安装部位Rv，W相的开关元件131、132集中安装于W相用的安装部位Rw。而且，图11所示的变形例中，与图10的变形例同样地，三个安装部位Ru、Rv、Rw在基板1003上沿直线方向(即图中左右方向)配置。
图11所示的变形例中也是，安装于各安装部位Ru、Rv、Rw的各四个开关元件131、132中，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的排列朝向三个安装部位Ru、Rv、Rw排列的直线方向。另一方面，各相中的低发热的开关元件131彼此的排列和高发热的开关元件132彼此的排列均朝向与该直线方向相交的倾斜方向。其结果是，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132在图中左右方向上交替安装，在图中上下方向上低发热的开关元件131与高发热的开关元件132相邻。
在图中倾斜方向上排列的低发热的开关元件131的组是隔着电动机线圈的一端与基板1003连接的连接点安装的高侧开关元件和低侧开关元件的组。而且，在图中倾斜方向上排列的高发热的开关元件132的组是隔着电动机线圈的另一端与基板1003连接的连接点安装的高侧开关元件和低侧开关元件的组。
在以三个安装部位Ru、Rv、Rw排列的上述直线方向观察时，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132交替安装。无论是观察个别的开关元件131、132，还是观察各相中的低发热的开关元件131的组以及高发热的开关元件132的组，该直线方向上的安装顺序均为交替的安装。即，图11所示的变形例也相当于第一元件组和第二元件组沿基板1003上的直线状的排列方向交替排列地安装的配置的一例。
图11所示的变形例中，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132在图中左右方向上交替安装于基板1003上，且低发热的开关元件131与高发热的开关元件132在图中上下方向上相邻，因此，基板1003上热分布与图10所示的变形例相比更为均匀。图12是示意性示出又一变形例的开关元件131、132的安装部位的图。
图12所示的变形例中，U相、V相、W相各自的开关元件131、132的安装部位Ru、Rv、Rw在基板1003上并不均等，但着眼于各个开关元件131、132时，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132在图中左右方向以及上下方向上分别交替安装。即，相当于第一元件组和第二元件组在基板1003上的二维布置中相互交替布置地安装的安装配置的一例，该示例中，第一元件组和第二元件组均由一个开关元件131、132构成。如此的二维布置的安装配置使得整个布置中热被效率良好地均匀化。
而且，图12所示的变形例中，相比于不同相间的高发热的开关元件132彼此的距离，不同相间的低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的距离较短。因此，高发热侧的热与附近的低发热侧的热高效地均匀化。
图12所示的变形例中的开关元件131、132的安装配置使得基板1003上热分布与图10及图11所示的变形例相比更为均匀。图13是示出低发热的开关元件131和高发热的开关元件132在电路上的位置不同的变形例的图。
图13所示的变形例中，低发热的开关元件131及高发热的开关元件132中的一方(例如高发热的开关元件132)为高侧开关元件113H、……、118H，相对于该一方的另一方(例如低发热的开关元件131)为低侧开关元件113L、……、118L。在如此的变形例的情况下，开关元件的发热以侧(side)为单位被分担。
在图13所示的变形例的情况下，也是低发热的开关元件131进行常接通断开动作，高发热的开关元件132进行根据PWM控制的开关动作。而且，在该变形例的情况下，也是进行常接通断开动作的开关元件131经由电动机200的绕组与高发热的开关元件132连接，流通有由高发热的开关元件132的开关控制的电流。通过在隔着电动机200的线圈的一方和另一方使开关动作不同来实现开关元件间的发热分担。而且，在电动机200的绕组的一方侧进行常接通断开动作，因此，电动机驱动单元1000的发热量比以往少。以下说明如此的变形例中的开关元件131、132的安装部位。图14是示意性示出图13所示变形例的开关元件131、132的安装部位的一例的图。
在图14所示的情况下，也与图9所示的变形例同样地，U相的开关元件131、132集中安装于U相用的安装部位Ru，V相的开关元件131、132集中安装于V相用的安装部位Rv，W相的开关元件131、132集中安装于W相用的安装部位Rw。而且，各相的相互间为各向同性安装配置。
三个安装部位Ru、Rv、Rw沿基板1003的外缘环状配置。而且，安装于各安装部位Ru、Rv、Rw的各四个开关元件131、132中，低发热的开关元件131彼此的排列和高发热的开关元件132彼此的排列均朝向从基板1003的外缘侧向中央部的方向。而且，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的排列朝向沿着基板1003的外缘的环状的方向。
在以沿基板1003的外缘经三个安装部位Ru、Rv、Rw绕行的环状的方向观察时，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132交替安装。无论是观察个别的开关元件131、132，还是观察各相中的低发热的开关元件131的组以及高发热的开关元件132的组，环状方向上的安装顺序均为交替的安装。
在图14所示的情况下，与图9所示的变形例不同，在隔着电动机线圈的一端210与基板1003连接的连接点的两侧安装低发热的开关元件131和高发热的开关元件132。而且，关于电动机线圈的另一端220与基板1003连接的连接点，也是在隔着该连接点的两侧安装低发热的开关元件131和高发热的开关元件132。
如此，即便低发热的开关元件131和高发热的开关元件132在电路上的位置不同，低发热的开关元件131和高发热的开关元件132在基板1003上的安装部位也能采用与图9所示的情况相同的安装配置。通过低发热的开关元件131和高发热的开关元件132在基板1003上交替安装，从而基板1003上热分布被均等化，经由散热器等效率良好地散热。图15是示意性示出图13所示变形例的开关元件131、132的直线安装部位的一例的图。
在图15所示的情况下，与图10所示的变形例同样地，U相的开关元件131、132集中安装于U相用的安装部位Ru，V相的开关元件131、132集中安装于V相用的安装部位Rv，W相的开关元件131、132集中安装于W相用的安装部位Rw。三个安装部位Ru、Rv、Rw在基板1003上沿直线方向(即图中左右方向)配置。
安装于各安装部位Ru、Rv、Rw的各四个开关元件131、132中，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的排列朝向三个安装部位Ru、Rv、Rw排列的直线方向。而且，低发热的开关元件131彼此的排列和高发热的开关元件132彼此的排列均朝向与该直线方向相交的方向(即图中上下方向)。
在以上述直线方向观察时，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132交替安装。无论是观察个别的开关元件131、132，还是观察各相中的低发热的开关元件131的组以及高发热的开关元件132的组，该直线方向上的安装顺序均为交替的安装。
在图15所示的情况下，与图10所示的变形例不同，在隔着电动机线圈的一端210与基板1003连接的连接点的两侧安装低发热的开关元件131和高发热的开关元件132。而且，关于电动机线圈的另一端220与基板1003连接的连接点，也是在隔着该连接点的两侧安装低发热的开关元件131和高发热的开关元件132。
在如图15所示的情况那样沿直线方向排列的情况下，也是通过低发热的开关元件131和高发热的开关元件132在基板1003上交替安装，从而基板1003上热分布被均等化，经由散热器等效率良好地散热。图16是示意性示出图13所示变形例的开关元件131、132的二维安装部位的一例的图。
在图16所示的情况下，与图12所示的变形例相同地，U相、V相、W相各自的开关元件131、132的安装部位Ru、Rv、Rw在基板1003上并不均等，但着眼于各个开关元件131、132时，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132在图中左右方向以及上下方向上分别交替安装。即，低发热的开关元件131和高发热的开关元件132呈二维交替地安装。
而且，在图16所示的情况下，相比于不同相间的高发热的开关元件132彼此的距离，不同相间的低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的距离较短。图16所示的开关元件131、132的安装配置使得基板1003上热分布比图14及图15所示的情况更为均匀。图17是示意性示出图13所示变形例的开关元件131、132的二维安装部位的另一示例的图。
在图17所示的情况下，U相的开关元件131、132在U相用的安装部位Ru中沿图中左右方向直线地安装，V相的开关元件131、132在V相用的安装部位Rv中沿图中左右方向直线地安装，W相的开关元件131、132在W相用的安装部位Rw中沿图中左右方向直线地安装。三个安装部位Ru、Rv、Rw在基板1003上沿上下方向排列地定位。
而且，马达线圈的一端210与基板1003连接的连接点彼此在图中上下方向上排列，马达线圈的另一端220与基板1003连接的连接点彼此也在图中上下方向上排列。
安装于各安装部位Ru、Rv、Rw的各四个开关元件131、132中，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132在各安装部位Ru、Rv、Rw内交替安装。而且，在彼此相邻的安装部位Ru、Rv、Rw之间，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的排列为相反顺序，因此，在以三个安装部位Ru、Rv、Rw排列的图中上下方向观察的情况下，低发热的开关元件131与高发热的开关元件132也交替安装。
即，在图17所示的情况下，低发热的开关元件131和高发热的开关元件132也呈二维交替地安装。而且，相比于不同相间的高发热的开关元件132彼此的距离，不同相间的低发热的开关元件131与高发热的开关元件132的距离较短。通过图17所示的开关元件131、132的安装配置，基板1003上热分布被均等化，并且相之间的相对结构呈直线且规则。
以上说明的各变形例及各安装配置示例中的任一个均通过使各开关元件131、132交替安装而实现高散热效率。而且，由于相当于电力转换装置的基板1003上的电路的散热效率高，因此相当于驱动装置的机电一体型电动机的小型化和高输出化得以实现。
(动力转向装置的实施方式)
汽车等车辆一般具备动力转向装置。动力转向装置生成辅助转矩，其用于对通过驾驶员操作方向盘而产生的转向系统的操舵转矩进行辅助。辅助转矩通过辅助转矩机构来生成，能够减轻驾驶员的操作负担。例如，辅助转矩机构由操舵转矩传感器、ECU、电动机以及减速机构等构成。操舵转矩传感器对转向系统中的操舵转矩进行检测。ECU基于操舵转矩传感器的检测信号来生成驱动信号。电动机基于驱动信号来生成与操舵转矩对应的辅助转矩，并且经由减速机构将辅助转矩传递至转向系统。
上述实施方式的电动机驱动单元1000可合适地用于动力转向装置。图18是示意性示出本实施方式的电动动力转向装置2000的结构的图。电动动力转向装置2000包括转向系统520以及辅助转矩机构540。
转向系统520例如具备方向盘521、转向轴522(也称为“转向柱”)、万向联轴器523A、523B以及旋转轴524(也称为“小齿轮轴”或“输入轴”)。
而且，转向系统520例如具备齿条及小齿轮机构525、齿条轴526、左右的球形接头552A、552B、拉杆527A、527B、转向节528A、528B以及左右的操舵车轮(例如左右的前轮)529A、529B。
方向盘521经由转向轴522及万向联轴器523A、523B与旋转轴524连接。在旋转轴524上经由齿条及小齿轮机构525连接有齿条轴526。齿条及小齿轮机构525具有设置于旋转轴524的小齿轮531和设置于齿条轴526的齿条532。在齿条轴526的右端依次经由球形接头552A、拉杆527A及转向节528A而连接有右操舵车轮529A。与右侧相同，在齿条轴526的左端依次经由球形接头552B、拉杆527B及转向节528B而连接有左操舵车轮529B。在此，右侧和左侧分别与从坐在座位上的驾驶员观察的右侧和左侧一致。
根据转向系统520，通过驾驶员操作方向盘521而产生操舵转矩，并且经由齿条及小齿轮机构525传递至左右的操舵车轮529A、529B。由此，驾驶员能够对左右的操舵车轮529A、529B进行操作。
辅助转矩机构540例如包括操舵转矩传感器541、ECU 542、电动机543、减速机构544以及电力供给装置545。辅助转矩机构540对从方向盘521至左右的操舵车轮529A、529B的转向系统520赋予辅助转矩。另外，辅助转矩有时称为“附加转矩”。
作为ECU 542，例如使用图1等所示的控制电路301、302。而且，作为电力供给装置545，例如使用图1等所示的逆变器101、102。而且，作为电动机543，例如使用图1等所示的电动机200。在ECU 542、电动机543及电力供给装置545构成一般被称为“机电一体型电动机”的单元的情况下，可合适地采用图7及图8所示的结构。
由图18所示的各要素中的、除了ECU 542、电动机543及电力供给装置545之外的要素构成的机构相当于通过电动机543驱动的动力转向机构的一例。
操舵转矩传感器541对通过方向盘521赋予的转向系统520的操舵转矩进行检测。ECU 542基于来自操舵转矩传感器541的检测信号(以下，表述为“转矩信号”)来生成用于驱动电动机543的驱动信号。电动机543基于驱动信号产生与操舵转矩对应的辅助转矩。辅助转矩经由减速机构544传递至转向系统520的旋转轴524。减速机构544例如是蜗轮机构。辅助转矩进一步从旋转轴524传递至齿条及小齿轮机构525。
动力转向装置2000根据辅助转矩施加于转向系统520的部位，分类为小齿轮协助型、齿条协助型以及柱协助型等。图18示出了小齿轮协助型的动力转向装置2000。但是，动力转向装置2000也可以应用于齿条协助型、柱协助型等。
ECU 542不仅能够输入有转矩信号，例如还能够输入有车速信号。ECU542的微型控制器能够基于转矩信号、车速信号等对电动机543进行PWM控制。
ECU 542至少基于转矩信号来设定目标电流值。较为理想的是，ECU 542考虑由车速传感器检测出的车速信号，进而考虑由角度传感器检测出的转子的旋转信号来设定目标电流值。ECU 542能够以使由电流传感器(参照图1)检测出的实际电流值与目标电流值一致的形式，对电动机543的驱动信号、即驱动电流进行控制。
根据动力转向装置2000，能够利用将驾驶员的操舵转矩与电动机543的辅助转矩相加而得到的复合转矩，通过齿条轴526对左右的操舵车轮529A、529B进行操作。尤其，通过利用上述实施方式的电动机驱动单元1000，可谋求电动机驱动单元1000的小型化和高输出化，动力转向装置2000内的节省空间和协助动力的稳定化得以实现。
另外，上述说明中，示出了对于各相的绕组之间无接线的电动机，利用与绕组的两端连接的逆变器供给电力的示例，但本发明的电力转换装置、驱动装置也可以例如利用单逆变器向电动机供给电力，或者也可以例如将电力供给至双星形的电动机。在将电力供给至双星形的电动机的情况下，例如可想到高发热的开关元件将电力供给至双星形的一方而低发热的开关元件将电力供给至双星形的另一方的形态。
而且，上述中，作为本发明的电力转换装置、驱动装置中的使用方法的一例，举出动力转向装置，但是本发明的电力转换装置、驱动装置的使用方法不限定于上述，能够在泵、压缩机等广泛范围内使用。
应当理解，上述实施方式在所有方面均为例示而非限制。本发明的范围是由权利要求书而非由上述实施方式来表示的，并且旨在包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。
符号说明
101：第一逆变器；102：第二逆变器；131：低发热的开关元件；132：高发热的开关元件；200：电动机；301、302：控制电路；311、312：电源电路；321、322：角度传感器；331、332：输入电路；341、342：微型控制器；351、352：驱动电路；361、362：ROM；401、402：电流传感器；403、404：电源；1000：电动机驱动单元；1003：基板；2000：动力转向装置。

Claims (12)

1.一种电力转换装置，其将来自电源的电力转换并供给至电动机，
具备：逆变器，所述逆变器与所述电动机的绕组连接，且具备随着电力控制的动作而发热的第一开关元件以及随着电力控制的动作比该第一开关元件更多地发热的第二开关元件；以及基板，所述基板供所述第一开关元件及所述第二开关元件安装；由一个以上的所述第一开关元件构成的第一元件组和由一个以上的所述第二开关元件构成的第二元件组在所述基板上交替安装。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
所述第二开关元件通过PWM控制进行开关，所述第一开关元件在所述第二开关元件进行多次开关动作期间维持接通状态及断开状态中的任一方。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，
作为所述逆变器，具备：与所述电动机的绕组的一端连接的第一逆变器；以及与相对于该一端的另一端连接的第二逆变器；所述第一开关元件经由所述绕组与所述第二开关元件连接，且供由所述第二开关元件的开关来控制的电流流通。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，
作为所述逆变器，具备：与所述电动机的绕组的一端连接的第一逆变器；以及与相对于该一端的另一端连接的第二逆变器；所述第一逆变器和所述第二逆变器中的一方具备所述第一开关元件，相对于该一方的另一方具备所述第二开关元件。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述第一开关元件及所述第二开关元件中的一方是与所述绕组和电源端连接的高侧开关元件，相对于所述一方的另一方是与所述绕组和地端连接的低侧开关元件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电力转换装置，其中，
具备与所述第一开关元件及所述第二开关元件双方直接或间接接触并进行散热的散热器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述第一元件组和所述第二元件组沿着所述基板上的环状的排列方向交替排列地安装。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述第一元件组和所述第二元件组沿着所述基板上的直线状的排列方向交替排列地安装。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述第一元件组和所述第二元件组在所述基板上的二维布置中相互交替布置地安装。
10.一种驱动装置，
具备：权利要求1至9中任一项所述的电力转换装置；以及电动机，所述电动机被供给由所述电力转换装置转换的电力。
11.根据权利要求10所述的驱动装置，其中，
容纳所述电动机的外壳以及对所述电动机的旋转轴进行保持的轴承的保持件中的至少一方兼作与所述第一开关元件及所述第二开关元件双方直接或间接接触并进行散热的散热器。
12.一种动力转向装置，
具备：权利要求1至9中任一项所述的电力转换装置；电动机，所述电动机被供给由所述电力转换装置转换的电力；以及动力转向机构，所述动力转向机构由所述电动机驱动。
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