JP2006512040A - モータドライブのためのフレキシブルインバータパワーモジュール - Google Patents

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アルベルト グゥエラ，
ニラージ ケスカール，
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Abstract

電気モータを駆動するためのインバータパワーモジュールであって、前記モータを駆動するための少なくとも１つの出力を有する複数のモータ駆動パワースイッチと、前記複数のモータ駆動パワースイッチを駆動するためのドライバ集積回路とを備え、前記複数のスイッチは、前記モータを駆動するための出力として機能する前記スイッチ間の共通接続部を有する供給バスのレール間に接続されるようになっているハーフブリッジ形態で配置された少なくとも２つのパワースイッチを備え、前記スイッチがハイサイドスイッチとローサイドスイッチとを備え、前記ローサイドスイッチは、検出素子を介して低電位供給バスレールに接続されるようになっているモジュールの外部端子に接続され、これにより、モータ電流を外部接続で監視できるインバータパワーモジュール。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「Ａ ＮＥＷ ＬＯＷ−ＣＯＳＴ ＦＬＥＸＩＢＬＥ ＩＧＢＴ ＩＮＶＥＲＴＥＲ ＰＯＷＥＲ ＭＯＤＵＬＥ ＦＯＲ ＡＰＰＬＩＡＮＣＥ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された２００２年１２月１９日に提出された米国仮特許出願Ｓ．Ｎ．６０／４３４，９３２および「ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＴ ＰＯＷＥＲ ＭＯＤＵＬＥ ＦＯＲ ＡＣ ＭＯＴＯＲ ＤＲＩＶＥＳ」 と題された２００３年２月１４日に提出された米国仮特許出願Ｓ．Ｎ．６０／４４７，６３４の優先権および利益を主張する。これらの特許出願の開示内容全体は、これらを参照することにより本願に組み込まれる。
発明の背景
本発明は、モータドライブに関し、特に、ＡＣモータドライブのための電子パワーモジュールに関する。洗濯機や冷蔵庫等の一部の家庭電化製品は、これらの機械から最大の性能を得るために３相ａｃモータを有する。適切な相で適当な大きさの電力を生成してこれらのモータを駆動することは簡単な作業ではない。また、高い信頼性を確保し且つ放射を最小限に抑えてＥＭＩ（電磁妨害）制限を満たすという厳しい状況下で安全な動作を達成することに関しては課題がある。この全ては、良好なシステム理解を必要とするとともに、電力を正確に生成してモータを駆動するために必要な技術を要する。同時に、市場圧力は、低コストで小さいフットプリントから高い性能および耐久性を求めている。タイミングのいい機会が更に短くなり、製品化までの時間がしばしば重大となってくると、システム開発者は、開発時間を加速し且つ最終製品を市場にタイムリーに供給するために、非常なる圧力下に置かれる。
電気製品エンジニアは、効率的な洗濯機、冷蔵庫、エアコン、他の家庭電化製品のための３相変速モータドライブの開発を簡略化する設計手法を必要とする。変速モータドライブは、古い世代の電気製品で使用された信頼性の低い機械的速度変化の代わりにモータ速度を変えるため、電子回路を使用する。また、電子制御下で速度を変えると、高速が不要な時に速度を下げることにより、エネルギが節約される。例えば、冷蔵庫のＯＮ／ＯＦＦサイクルを繰り返して冷蔵庫の内部温度を調整する代わりに、速度を変えることにより一定の温度を維持することができる。電力消費量は、高速よりも低速での方が少ない。
ディスクリート部品および平面的な絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用する従来の手法は、電力要件を満たすことができるが、大きなプリント回路基板スペースを必要とする。また、従来のディスクリート手法は、高いコンポーネントカウントを必要とする。設計作業の複雑度に拍車をかける部品の数が多くなればなるほど、開発時間は、減るどころか、むしろ増大する。
電力の効率的な使用のための探求は、過去１０年間にわたって益々重要性を帯びてきており、世界の電気の過半数が電気モータによって消費されるため、近い将来にあっては、動作制御用途が節電の多くの機会を与える。特に、エレベータ、冷蔵庫、エアコン、洗濯機、ファクトリーオートメーション等の用途におけるモータドライブの効率を高めるために設計者には多大な圧力がかかっている。コストを理由に、これらの用途で使用されるモータの大部分は、電子制御装置を有していない。例えば、一般的な冷蔵庫は、温度が非常に高くなった時にモータをＯＮし且つ温度が非常に低くなった時にモータをＯＦＦするためにバイメタルスイッチを使用する。この制御方法は、一般に、用途のエネルギ消費量の最大で半分を浪費する。より効率的なモータドライブソリューションの極めて大きなエネルギ節約の可能性が与えられると、人は、高い効率レベルを得るための解決策の切なる大量採用を見込む。しかしながら、現在まで、これは、実際に問題とされてこなかった。この理由の中には、エネルギ効率およびコストを押し上げるパワークオリティ調整を満たすためにドライブ設計において必要な複雑度の増大がある。同時に、消費者は、高い複雑度および高いコストを意味する高レベルの性能を必要とする、より快適で安全な機能を求めている。
これらの課題に立ち向かい且つ全体の開発時間およびリスクをカットしつつエネルギを節約して効率を高めるとともにコストを低減する解決策をシステム設計者に与える、より新しい手法が必要とされる。したがって、半導体設計およびビルトインインテリジェンスを伴うパッケージングにおける進歩を使用することにより、ディスクリート部品を使用する古い３相インバータソリューションの限界を乗り越えるとともに、洗濯機、冷蔵庫、エアコン等の消費者電気製品における３相モータの駆動を簡略化する高性能パワーモジュールを提供することが望ましい。
発明の概要
したがって、本発明の目的は、モータ制御用途のための高性能な優れた（アドバンストインテリジェント）パワーモジュール（ＡＩＰＭ）を実現することである。本発明は、低損失で高電圧のＩＧＢＴおよびドライバＩＣにおける最新の改良と、コンパクトな電子モータ駆動ソリューションを実現させるためのパッケージング技術における進歩とを組み合わせる。全ての高電圧パワートランジスタおよび対応するドライバエレクトロニクスを１つの絶縁されたコンパクトパッケージ内に組み込むことに加え、本発明は、高レベルの危険防止動作およびシステム信頼性を確保するために、保護機能を組み込む。また、モジュールは、モータ制御用途におけるその利用を更に簡略化するために、単極電源から動作するように構成されており、これにより、最終製品の開発が加速され、製造メーカは、製品化に要する時間の要求を満たすことができる。
電磁互換性が重要であるため、レイアウトおよびシールドに適切な配慮を払ってＥＭＩ（電磁妨害）を最小限に抑えなければならない。これは、相互接続を短くし且つモジュール内の配線を少なくすることによって助けられる。露出したダイができる限り近接して実装され、高度集積ＩＣが本発明のモジュールで使用されるため、相互接続が実質的に短くされ、一方、ダイをパッドに接続し且つＩ／Ｏを外部ピンに接続するために必要な配線がかなり少なくなる。また、本発明のモジュールは、グランドバウンスまたはクロストークによって障害が引き起こされないように構成されている。つまり、１つのＡＩＰＭは、完全なモート制御システムを開発するエンジニアによる単調で骨の折れる作業を軽減する。その上、在庫要件が実質的に簡略化される。エンジニアがボード上の多くの構成部品のアカウントを維持してａｃモータのためのパワードライブを完了しなければならない離散的手法とは異なり、本発明は、１つのモジュールおよび対応するブートストラップコンデンサ（前述した実施形態では、３つのブートストラップコンデンサ）に対する作業を減らす。
好ましくは、１つの絶縁されたシングルインラインパッケージ（ＳＩＰ）におけるコンパクトで高性能な３相インバータを提供するために、本発明のモジュールは、低コストな絶縁金属基板技術（ＩＭＳＴ）を利用する。ＩＭＳＴは、パワーダイ、ドライバチップ、他の表面実装可能な受動および能動ディスクリート部品を含む幅広い構成部品のコンパクトな組み立てを容易にするために、高い熱伝導率を有するオーバーモールドされたプラスチックを使用する。適切なシールドを形成し且つＥＭＩを低減するために、この組立では、アルミニウム板がグランド電位に保持される。また、これにより、モジュールのダイは、熱を急速に広げるとともに、仕様の温度定格を維持することができる。
絶縁金属基板技術（ＩＭＳＴ）は、当初、露出チップを実装するための低コストな方法として開発された。高密度ソリューションにおいて高い性能および高い信頼性を確保することは有益である。ＩＭＳＴ基板は、ベースとしてアルミニウム板を使用する。基板の上側は、従来のプリント配線板と同様、高電圧誘電体と、その上で回路がエッチングされる銅外装材とのサンドイッチを形成する。これにより、アルミニウム基板の２つの主要な特徴、すなわち、高い熱伝導率および簡単なマッチングを活かすハイブリッドＩＣを形成することができる。
高まる複雑度と、低コスト、速い製品開発サイクル、高い効率という消費者の要求との間のギャップは、本発明の採用によって克服することができる。本発明による利点としては、全動作制御システムコストの低減が４０％を超えるとともに、動作制御製品開発時間の減少が５０％を超えるという点を挙げることができる。したがって、エネルギ効率が高い変速モータ制御を簡単に且つ高い費用効率で行なうための技術的挑戦を行なうことができ、最終的には、世界の電気モータを駆動するために使用されるエネルギのパーセンテージを減少することができる。
エレクトロニクス産業は、現在、驚異的な速度で進歩している「高密度実装」時代にある。高出力密度を得るために、本発明のパワーモジュールは、高度な集積ソリューションを示す。それにより、洗濯機、エネルギ効率が高い冷蔵庫、エアコン用コンプレッサドライブ等の様々な電気製品で使用される３相モータドライブの集積（組み込み）が可能になる。モジュールは、ＥＭＩの形成を最小限に抑えつつ超高速ダイオードとマッチされたノンパンチスルー（ＮＰＴ）ＩＧＢＴ技術を使用することが好ましい。ＩＧＢＴパワースイッチに加え、モジュールは、ノイズの生成を最小限に抑え且つ耐久性を最大に確保した最も効率的なパワースイッチを形成するため、ＩＧＢＴの駆動要件に適合された６−出力モノリシックゲートドライバチップを有する。これらの構成要素の全ては、絶縁金属基板（ＩＭＳ）上に実装されている。
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照する本発明の以下の説明から明らかとなろう。
以下、添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明において、本発明を更に詳細に説明する。
好ましい実施形態の詳細な説明
ここで、図１を参照すると、本発明のモータ駆動モジュール１０の概略図が示されている。モジュールは、それぞれがそれ自体の別個のゲートレジスタＲＧ１，ＲＧ２，ＲＧ３，ＲＧ４，ＲＧ５，ＲＧ６をそれぞれ有する６つのＩＧＢＴダイ２０，３０，４０，５０，６０，７０と、６つの通信ダイオードダイ２０Ａ，３０Ａ，４０Ａ，５０Ａ，６０Ａ，７０Ａと、１つの三相モノリシック・レベルシフティングドライバチップ８０と、電流制限レジスタ（限流抵抗器）ＲＢを有する３つのブートストラップダイオード９０，１００，１１０と、過剰温度防止用のＮＴＣサーミスタ／レジスタ対ＮＴＣ−ＲＳとを有する。ＮＴＣ−ＲＳ対は入力Ｔ／ＩＴＲＩＰに対して接続されている。この入力は、過電流／過電圧防止用としても機能する。過電流／過電圧トリップ回路は、変流器またはセンスレジスタ等の外部センス素子によって生成される入力信号Ｔ／ＩＴＲＩＰに応答する。トリップ回路用の入力ピンＴ／ＩＴＲＩＰは、過電流／過電圧トリップ電圧のための入力ピンおよびモジュールアナログ温度検出サーミスタＮＴＣのための出力ピンとしての２つの機能を果たす。図１のモジュール概略図は、外部回路の設計を容易にするために、サーミスタの好ましい値と、その対応する構成要素とを含む。
レジスタＲＢは、特に、特定の動作状態下で必要となる大きな値のブートストラップコンデンサを使用する時にブートストラップダイオードのピーク電流を制限するため、ブートストラップ回路内に設けられている。ブートストラップダイオードは、モジュールボード上に一体的に実装されることが好ましい。ブートストラップダイオードとＲＢとをモジュールに一体的に組み込むと、Ｖｓスパイクを減少させることにより雑音排除性が高まる。ブートストラップダイオードは、低Ｖｆであり、ＶＣＣの電圧降下を制限するように最適化され且つコンデンサ充電・放電サイクル中にノイズを減少させるソフトリカバリー特性を有する。パワーモジュールは、ドライバおよびパワーステージを、タイミング、速度、方向ＰＷＭまたはＰＦＭ情報を生成してモータドライブ機能を完備するための複数の回路を含む単独のモジュールに組み入れる。雑音排除性の観点からは一般に５ボルト論理システムが好ましいが、モジュールは、３．３Ｖロジックまたは最大でＶＣＣ（＋１５Ｖ）までの任意の信号レベルを受け入れても良い。ドライバは、例えば、内部５Ｖ基準に対するプルアップレジスタを有し且つ出力を命令するために論理ローを必要とする入力を備えるタイプＩＲ２１３６５モノリシックドライバＩＣであっても良い。プルダウン電流は３００μＡ最大である。Ｔ／Ｉｔｒｉｐ入力は４．３Ｖ定常であり、低電圧ロックアウト電圧は１１Ｖである。
図１では、モータ位相出力がＵ，Ｖ，Ｗで示されている。過剰なリンギングを伴うことなく高速切り換えを行なうためには、パワーモジュールにおいてノンパンチスルー（ＮＰＴ）ＩＧＢＴおよび超高速ダイオードを使用することが好ましい。
図１の回路は、Ｖ＋バスレールに一緒に接続されたハイサイドＩＧＢＴ２０，３０，４０のコレクタを有する。ハイサイドＩＧＢＴのエミッタは、対応するローサイドＩＧＢＴ５０，６０，７０のコレクタに接続されている。モータドライブ位相出力Ｕ，Ｖ，Ｗとして、また、ドライバチップ８０の対応する入力に対して、各共通ポイントが設けられている。
ローサイドＩＧＢＴ５０，６０，７０のエミッタは、外部端子ＶＲＵ，ＶＲＶ，ＶＲＷに対して設けられている。この場合、これらは、モータ電流のフィードバックおよび監視のため、要望通りに例えばエミッタシャントレジスタ（分流器）に対して接続可能である。これにより、モジュールの接続の自由度が大きくなる。一般に、従来のモジュールにおいて、ローサイドエミッタは、互いに接続されるとともに、１つの端子としてモジュールの外側に設けられ、そのため、自由度が減少する。図１には、エミッタシャントＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３が示されている。これらは、フィードバック監視の目的で使用できる。
マイクロプロセッサ等のコントローラからの制御入力は、ラインＨＩＮ１〜ＨＩＮ３，ＬＩＮ１〜ＬＩＮ３によって与えられる。ＶＳＳは、基板グランドに結合されており、好ましくは前述したように絶縁金属基板（ＩＭＳ）に対して結合されている。
ＥＭＩ性能を高めるため、従来のモジュールは、切り換え時間が約１μｓである遅いＰＴ（パンチスルー）ＩＧＢＴを使用している。遅い切り換えに起因する高い切り換え損失は、ＰＴ ＩＧＢＴの低い導電損失によって相殺される。
本発明のモジュールおよび従来のモジュールのターンオンおよびターンオフ切り換え波形の比較が図１ａおよび図１ｂに示されている。本発明のモジュールにおいては、ターンオンｄｉ／ｄｔ率およびターンオフｄｉ／ｄｔ率の両方が高い。また、従来のモジュールは、いかにもＰＴ ＩＧＢＴらしく、ターンオフ中のテール電流が高い値を示している。
切り換え電流に関する切り換えｄＶ／ｄｔ率の変動を示すグラフが図２に示されている。ターンオフｄＶ／ｄｔは同様であるが、ターンオフｄＶ／ｄｔは、従来の装置においてはかなり低い（５Ａ、Ｔｊ＝２５℃での本発明のモジュールにおける６．３８Ｖ／ｎｓに対して、１．６３Ｖ／ｎｓ）。
順方向伝導電圧（ＶＣＥＯＮ）が図４に示されている。従来の装置は、本発明よりも低いＶＣＥＯＮを有する（５Ａ、Ｔｊ＝２５℃において１．６Ｖに対し、〜１Ｖ）。前述した測定結果に基づき、また、動作状態の知識に基づき、エアコン用コンプレッサを駆動するモジュールにおける全体のモジュール電力損失が計算された。この計算において使用される手順について簡単に説明する。
正確な物理学に基づくモデルを作ることに関連する複雑さは、より実際的なアプローチを使用できることを示唆している。これは、システムレベルモデルを使用して、基本的エネルギ損失を測定するとともに、全体の電力損失を計算することを含む。電流および電圧に応じて、ＩＧＢＴおよびダイオードにおける切り換え損失を測定して経験的にモデリングすることができる
ＥＯＮ＝（ｈ１＋ｈ２．１Ｘ）ＩＫ
ＥＯＦＦ＝（ｍ１＋ｍ２．１Ｙ）ＩＮ
ＶＣＥＯＮ＝ＶＴ＋ａｌｂ （１）
式（１）において、ＶＴは、ゼロ電流におけるＩＧＢＴ／ダイオードにわたる電圧降下であり、ｈ１、ｈ２、ｘ、ｋ、ｍ１、ｍ２，ｎは、測定値と計算値との間で良好な曲線適合を確保するために得られる経験的パラメータである。
用途における切り換え周波数が周知でれば、切り換えサイクル毎にエネルギ損失を平均化して、切り換えサイクル毎の電力損失を得ることができる。１つの切り換えサイクル内で電流が直線的に変化し且つその変化が小さいとすると、切り換えサイクルにおける平均電流は、切り換え期間全体にわたって一定であると見なすことができる。これが図５に示されている。この平均切り換え電流の値は、出力電流波形、例えば正弦波電流における正弦波にしたがっている。
ターンオンおよびターンオフにおける切り換えエネルギおよび伝導降下は、式（１）を使用して各切り換えサイクル毎に計算して平均化することができ、これにより、図６に示されるような経時的に変化する電力損失を得ることができる。この図は、変調サイクルの半分における、すなわち、１つのＩＧＢＴにおける、正弦波電流に伴う電力損失変化を示している。この変化が分かれば、ＩＧＢＴ（またはダイオード）毎に、また、３相インバータシステムにおいて、平均電力損失を計算することができる。
一般に、インバータパワーモジュールは、強制空冷ヒートシンク上に装着されており、したがって、モジュールワット損の変化に伴うヒートシンクの温度変化は小さい。最大コンプレッサ負荷状態下において、すなわち、ＶＢＵＳ＝３９０Ｖ、ｆＳＷ＝７．８ＫＨｚ、モータ電流＝４Ａ ＲＭＳ（正弦波）ＰＦ＝０．７、２５℃および１２５℃の接合部温度における変調指数＝０．８において、前述した方法論を使用して、電力損失を評価することができる。実際の用途において、接合部温度は、７５〜８０℃を超えないと推定され、そのため、２つの評価された限界同士の間のほぼ中央にある数が、実際の電力損失を表わす。
前述した状態下で且つ３０Ｈｚ変調周波数での経時的な電力損失変化が図７ａおよび図７ｂに示されている。ＩＧＢＴ毎の平均電力損失およびインバータ全体の平均電力損失が表１（ａ）および表１（ｂ）に示されている。なお、全電力損失はダイオード電力損失を含む。本発明のモジュールにおいては、切り換え速度が非常に速く、その結果、切り換え損失が低いため、電力損失がかなり低いことが明らかに分かる。
Figure 2006512040
Figure 2006512040
前述した従来のモジュールは、伝導損失が本発明よりも低い。従来の装置は２０Ａ定格のＰＴ装置であるため、伝導損失が温度に反比例する。一方、ＮＰＴ ＩＧＢＴを使用する本発明のモジュールにおいては、伝導損失が温度に伴って増大する。しかしながら、著しい違いは、特に従来のモジュールが本発明のモジュールよりも高い感度を示す高い接合部温度での切り換え損失に起因している。実際の動作温度は７５℃〜８０℃よりも高いと考えられるため、従来の装置における全体の電力損失は約２７〜２８Ｗである。これに対し、本発明における全体の電力損失は１９〜２０Ｗである。
図８は、本発明のモジュールのＩＭＳＴ構造を示している。前述したＩＭＳＴに起因して、図８のアルミニウム層１００は、良好な導電体でもあり、ワイヤボンディング接続により、等電位グランド面（ＥＧＰ）としての機能を果たす内部グランド層として使用することができる。これは、グランド面として機能するが、パワーモジュール内部回路のための等電位点として機能しない。
家電工業における一般的なＰＣＢ基板は、コスト的な理由から、１層または２層である。これにより、設計者は、一点グランディング技術を実施しなければならない。一点グランド接続は、複数のグランドリターンが１つの基準点に拘束される接続である。この一点グランド位置の目的は、電源部分からの電流が共通の電流経路を介してシステムの論理グランド部分へ流れることを防止することである。
図８Ａはモジュール構造の詳細を示している。この構造は、アルミニウムプレート１００と、絶縁層１００と、ＩＧＢＴ２０〜７０およびゲートドライバ８０のための半田バンプ１２０と、銅箔パターン１４０に対して半田付けされた受動素子１３０とを備えるＩＭＳＴ基板を使用している。ゲートドライバＩＣ８０およびＩＧＢＴは、ワイヤボンディングされている（１５０，１６０）。パッケージがオーバーモールドされており（１７０）、接続のために外部端子１８０が設けられている。オーバーモールドされたパッケージは、図８に示されるヒートシンク２００上に設けられている。
家電用途で一般に使用されるグランディング方式が図１１に示されている。回路およびグランドの中には分布キャパシタンスも存在する。インダクタンスおよびキャパシタンスの両方が存在する場合、回路内の高速ｄＶ／ｄｔにより引き起こされるリンギングによってノイズ過渡が引き起こされる。
放射性ＲＦＩを減少させるために、高周波ループをできる限り小さく維持しなければならない。高周波コンデンサをＲＦ経路と並列に加えることにより高周波ループのインピーダンスを減少させると、ＲＦＩが大きく減少する。
ＥＧＰとプラス入力との組み合わせは、パワーモジュールの内部に配置され分散高周波コンデンサを与える。これは、インバータによって生成される高周波電流のための低インピーダンス経路を形成するバルクスムージングコンデンサと並列に接続される。また、これは、モータドライブの伝導ノイズを減少させる差動モードＲＦＩ減衰に寄与する。ＩＧＢＴダイは、ハイサイドエミッタおよびローサイドコレクタが切り換えノードを形成するＩＭＳ基板上に実装されている。このノードは、ＤＣバス電圧を切り換えるとともに、形成された広帯域ＲＦＩのソースである。このノードからグランド面Ｃｂまでの等価コンデンサが図８に示されている。このコンデンサは、差動モードノイズおよび共通モードノイズの両方を伝導する。
差動モードノイズにおいて、Ｃｂは重要な役割を果たす。Ｃｂは、ターンオンおよびターンオフ過渡のための緩衝ネットワークとしての機能を果たして、放射性ノイズを低減する。パワーモジュールの内部に配置された分散高周波バスコンデンサがＣａによって示されている。Ｃａは、高周波ループサイズを減少させ、したがって、ＲＦ電流をノイズ源に非常に近い部分に制限する。図９は、１つのインバタータレッグに関する差動モード電流を示している。
共通モードノイズは、ヒートシンクと入力レールとの間の分布回路キャパシタンスを介してヒートシンク中に注入される。ある場合には、ヒートシンクが機器外装体に接地され、この経路は、共通モードノイズを注入するための接続部を形成する。金属基板は、接地され或いは浮かされる代わりにＤＣリターンバスに対して接続されると、ソースをシールドすることにより共通モードノイズの減衰を向上させる。共通モード経路は、図１０に示されるＣｍコンデンサによって表わされる。破線は、共通モード電流経路を示している。図１０において、グランド面（ＩＭＳアルミニウム層）は、図示のようにグランドに接続されており、それにより、ノイズをブロックするためのシールドとして機能している。
本発明のモジュールは、ＩＭＳＴ構造のために作られた仮定を検証するために、変速エアコン用コンプレッサドライブ内で検査された。検査用の機器は、２３０Ｖ、５０／６０Ｈｚ１相電源（ｍａｉｎｓ）によって動作する市販の１．４ｋＷスプリットシステムエアコンである。ＰＴ ＩＧＢＴを使用する従来の技術も検査した。図１２および図１３は、従来のモジュールと本発明のモジュールとの間のＥＭＩ検査比較を示している。検査は、この技術の有効性を検証するために、グランド面接続があるモジュールおよびグランド面接続が無いモジュールを比較した。
ＥＭＩ検査は、仕様ＥＮ５５０１４「家庭電化製品、電気ツールおよび同様の装置のための要件」に記載されているように行なわれた。組み込み受動入力ｐｉフィルタを用いて、また、組み込み受動入力ｐｉフィルタを用いないで、伝導ＥＭＩ（伝導電磁妨害）測定が行なわれた。図１２は、アルミニウム基板が接地され又接地されていない従来のモジュールの性能を示している。グランド面接続の利点が図１２に示されている。その高速切り換えにもかかわらず、本発明によって生成されるノイズは、＜１ＭＨｚ範囲において従来のモジュールよりも約５ｄＢμＶ低い。また、図１２は、最大コンプレッサ速度で入力ＥＭＩフィルタが無い結果を示している。これは、ＥＭＩ生成に関する限りでは、最悪の場合である。本発明は、グランド面接続により、従来のモジュールよりも低いノイズを生成する。
エアコンは、最大速度で連続的に動作することはめったにない。そのため、より現実的な比較を行なうべく、入力ＥＭＩフィルタが再接続されるとともに、平均コンプレッサ速度で更なる検査が行なわれた。図１３は、本来の構造のシステムにおける伝導ノイズ性能を示している。図１３から分かるように、アルミニウム板は、差動モードでは最大で１ＭＨｚまでノイズを低減しており、また、部分的には共通モードで最大５ＭＨｚまでノイズを低減している。５ＭＨｚを超えると、基板の接地が殆ど効力を成さなくなるため、本発明におけるノイズが僅かに大きくなる。
したがって、実際の用途における本発明のモジュールの性能は、切り換え速度が高い場合であっても、従来技術と比較して全体の電力損失が低く、そのため、良好な効率をもたらす。ｄＶ／ｄｔが高いにもかかわらず、パワーモジュールの構造内に組み込まれたグランド面により、優れた伝導ＥＭＩ性能が実証された。本発明のモジュールで使用されるダイは、従来のモジュールで使用されるダイよりも小さかった。そのため、優れた性能を維持しつつ、コストを更に低減できる。要約すると、本発明のモジュールは、他の電気製品のモータドライブ用途および他の軽工業ドライブ用途における実行可能な交換代替物を与える。
この構造で使用されるＩＣドライバは、優れているため、過剰温度および過電流の防止を可能にする統合的な温度監視を行なうとともに、統合的な不足電圧ロックアウト機能を果たす（ＵＶＬＯ）。また、ＩＣドライバは、電流を連続的に監視して短絡検出および短絡防止を可能にするために、高度な電流検出技術を組み込んでいる。要約すると、ドライバは、高レベルの保護および危険防止動作を実現させる。ハイサイドドライバ部分のための集積ブートストラップダイオードは、トランジスタおよびドライバＩＣのための単極電源と共に、パワーモジュールの使用を更に簡略化する。前記ダイオードは、マイナス電源を必要としないプラスゲート駆動のＩＧＢＴを使用して装置を完全にＯＦＦにするため、３相インバータパワーモジュールは、単極電源により動作する。
ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴの高い入力インピーダンスを与えるという利点と、バイポーラトランジスタの低いＯＮ状態伝導損失を与えるという利点とを組み合わせる。従来、ＩＧＢＴは、１０００Ｖまたは更に高い絶縁破壊電圧を必要とする支配的な用途を有する。しかしながら、最近実施されているＮＰＴ技術は、６００Ｖ程度の低い電圧でＩＧＢＴの切り換え特性および組立コストを高めてきており、そのため、動作周波数が２５Ｈｚ以下の６００Ｖ構造においては魅力的である。この構造で使用されるＩＧＢＴダイは、全定格電流で最大２５ｋＨｚまで切り換えできる国際整流器の第５世代ＩＧＢＴであっても良い。これらは、図１４に示されるように、平方逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）を有する極めて厳格なスイッチである。
これらのＩＧＢＴは、少なくとも１０マイクロ秒（μｓ）の間だけ短絡に耐えることができる。このモジュール中に組み込まれたＩＧＢＴの他の魅力的な特徴は、装置のＯＮ／ＯＦＦ（ターンオンおよびターンオフ）の良好なゲート制御である。
また、ＮＰＴ技術は、ターンオン時間およびターンオフ時間等の装置パラメータの更に厳格な制御も確保する。その結果、インバータにおけるターンオン遅延時間は４７０ｎｓであり、ターンオフ遅れは６１５ｎｓである。同様に、高い効率を維持するため、ＩＧＢＴ切り換えエネルギ損失も最小限に維持される。ターンオンおよびターンオフ損失を合わせたインバータの全体の切り換えエネルギ損失は、Ｉｃ＝５Ａ、Ｖｃｃ＝４００Ｖ、２５℃の温度で、２２５μＪである。同様の状況において、切り換えエネルギ損失は、１００℃で３１０μＪまで上がる。
このコンパクトモジュールの他の主要な促進要素は、６００Ｖ程度の高い電圧に絶える能力を有する高度に集積された３相ドライバである。３つの独立のハーフブリッジドライバ回路および対応する論理入力と、３相全てのための必要な保護機能を組み込むことにより、モノリシック高電圧ドライバＩＣは、外部部品の必要性を劇的にカットする。このレベルの集積オンチップを用いると、モジュール内の配線および相互接続経路が著しく減少して、寄生的損失が減少し、３相インバータの効率が更に高まる。つまり、ａｃモータのための３相インバータの構造を簡略化する優れたパワーモジュールが可能になる。
高電圧３相ドライバＩＣの幾つか顕著な特徴としては、ブートストラップ動作のためのフローティングチャンネル、マイナス過渡電圧に対する耐性、ｄＶ／ｄｔ耐性、幅広いゲートドライブ範囲（１０〜２０Ｖ）、全てのチャンネルのためのＵＶＬＯ、６つの全てのドライバにおける過電流シャットダウン、全てのチャンネルにおける整合された伝搬遅延、相互伝導防止論理、雑音排除性のための低ｄｉ／ｄｔゲートドライバ、自動障害クリアのための外部からプログラム可能な遅延、を挙げることができる。６つの全ての出力を終わらせるその電流トリップ機能は、外部電流センスレジスタから得られる。開示された構造においては、過剰温度防止のために、マイナス温度係数サーミスタが使用される。また、ブリッジドライバは、高周波切り換えを許容するために、２００ｎｓという不感時間を確保する。
モジュールの性能を最大にするために、コンデンサは、ブートストラップであろうとＤＣバスであろうと、リンギング問題およびＥＭＩ問題を減少させるために、モジュールピンにできる限り近接して実装しなければならない。位相レッグ電流検出のために低インダクタンスのシャントレジスタを使用しなければならないが、ピン１２，１３，１４（ＶＲＵ，ＶＲＶ，ＶＲＷ）間のトレース（図１）の対応するシャントレジスタに対する長さは、できる限り短く維持しなければならない。
モジュールを評価するため、アプリケーションソフトウェアを有するデモボードを設けることができる。このボードは、モータのためのパルス幅変調された（ＰＷＭ）出力電流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を生成するモジュールにおいて制御ループを実施するために使用される８ビットマイクロコントローラに基づいていても良い。このデモボード上のモータドライブインバータモジュールは、３相、２３０Ｖ入力、０．５馬力（３５０Ｗ）ａｃＰＷＭドライブであっても良い。また、ＲＳ−２３２を介した光遮断シリアルリンクインタフェースＧＵＩを設けても良い。更に、短絡、障害、過剰温度に対する保護、高周波入力ＥＭＩフィルタ、ｏｎ／ｏｆｆスイッチ、＋１５Ｖ電源、＋５Ｖ電源も設けられる。図１５は、一般的な接続を伴うこのボード上の機能ブロックを示している。
本発明のモジュールは、過剰温度および過電流を防止できる集積サーミスタ温度センサと、集積低電圧ロックアウト機能（ＵＶＬＯ）とを与える。また、モジュールは、電流を連続的に監視し且つ短絡を検出して防止できるように、各モータ相で外部シャントを使用する高度な電流検出技術におけるローサイドエミッタ出力ピンを特徴とする。要するに、ＩＰＭは、危険防止動作をサポートする高度な保護を与える。
その特定の実施携帯に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、多くの他の変形および改良並びに他の用途が明らかとなる。したがって、本発明は、ここに開示された特定の内容に限定されるべきではなく、添付の請求項によってのみ限定されるべきである。
本発明の優れたパワーモジュールの概略図である。 図１の回路および従来のシステムにおけるＩＧＢＴターンオン（ＯＮ時）での切り換え電流波形を示している。 図１の回路および従来のシステムにおけるＩＧＢＴターンオフ（ＯＦＦ時）での切り換え電流波形を示している。 図１の回路および従来技術における切り換えｄｖ／ｄｔを示している。 本発明および従来技術における切り換えエネルギ比較を示している。 本発明および従来技術におけるＯＮ状態電圧降下ＶＣＥＯＮを示している。 正弦波電流における電流加算平均を示している。 サインサイクルの半期内の１つのＩＧＢＴ／ダイオードの平均電力損失変動を示している。 ＮＰＴおよびＰＴ ＩＧＢＴにおける２５℃の接合部温度でのＩＧＢＴ電力損失を示している。 ＮＰＴおよびＰＴ ＩＧＢＴにおける１２５℃の接合部温度でのＩＧＢＴ電力損失を示している。 物理的なパワーモジュール構造を概略的に示している。 パワーモジュール構造の更なる詳細を示している。 本発明のモジュールにおける差動モードノイズ経路を示している。 本発明のモジュールにおける共通モードノイズ経路を示している。 一般的なシングルポイントパラレルグランド接続を示している。 本発明および従来の回路における入力ＥＭＩフィルタが取り外されたエアコン用途の伝導ＥＭＩを示している。 本発明および従来の回路における入力ＥＭＩフィルタが接続されたエアコン用途の伝導ＥＭＩを示している。 使用されるＩＧＢＴの逆バイアスＳＯＡ（安全動作領域）を示している。 本発明のパワーモジュールを評価システムにおける評価のために接続できる方法を示している。

Claims (46)

  1. 電気モータを駆動するためのインバータパワーモジュールであって、
    前記モータを駆動するための少なくとも１つの出力を有する複数のモータ駆動パワースイッチと、
    前記複数のモータ駆動パワースイッチを駆動するためのドライバ集積回路と、
    を備え、
    前記複数のスイッチは、前記モータを駆動するための出力として機能する前記スイッチ間の共通接続部を有する供給バスのレール間に接続されるようになっているハーフブリッジ形態で配置された少なくとも２つのパワースイッチを備え、前記スイッチがハイサイドスイッチとローサイドスイッチとを備え、前記ローサイドスイッチは、検出素子を介して低電位供給バスレールに接続されるようになっているモジュールの外部端子に接続され、これにより、モータ電流を外部接続で監視できるインバータパワーモジュール。
  2. 前記複数のスイッチが３対のスイッチを備え、各スイッチ対は、ハーフブリッジで配置されるとともに、前記供給バスレール間に接続されるようになっており、各スイッチ対は、モータの対応する相を駆動するための対応するモータ駆動出力として機能する共通接続部を有し、各ローサイドスイッチは、モジュールの外部端子に接続されるとともに、検出素子に接続されるようになっている、請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記検出素子は、対応するモータ相のモータ電流を監視するための外部シャントレジスタまたは変流器を備える、請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記スイッチがＩＧＢＴである、請求項２に記載のパワーモジュール。
  5. 前記ＩＧＢＴがノンパンチスルーＩＧＢＴである、請求項４に記載のパワーモジュール。
  6. 前記ドライバ集積回路に結合されたモジュールと一体で且つブートストラップキャパシタに結合するための外部端子に結合される少なくとも１つのブートストラップダイオードを更に備える、請求項１に記載のパワーモジュール。
  7. 前記スイッチおよびドライバＩＣは、絶縁金属基板（ＩＭＳ）上に実装されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
  8. 前記ＩＭＳは、前記ローサイドスイッチの外部端子に結合されるグランド面を形成する、請求項７に記載のパワーモジュール。
  9. 前記ＩＭＳは、ＥＭＩのためのシールドとして機能する、請求項８に記載のパワーモジュール。
  10. 前記ＩＭＳは、パワーモジュールのためのヒートシンクから直流絶縁されている、請求項９に記載のパワーモジュール。
  11. モジュールが予め設定された温度を超えたかどうかを検出し且つモータへの電流が現在の電流を越えたかどうかを検出するための過電流／過剰温度検出回路と、前記ドライバＩＣに接続され且つ温度または電流が予め設定されたレベルを超えた場合に前記スイッチをＯＦＦにするためモジュールのトリップ端子とを更に備える、請求項１に記載のパワーモジュール。
  12. 前記ドライバＩＣに接続された前記トリップ端子は、過電流信号を受けるとともに、過剰温度信号を外部監視回路に対して供給するように機能する、請求項１１に記載のパワーモジュール。
  13. 前記トリップ端子は、過電圧状態を検出するように機能する、請求項１１に記載のパワーモジュール。
  14. 前記過電流／過剰温度検出回路が温度感知部品を備える、請求項１１に記載のパワーモジュール。
  15. 前記温度感知部品がサーミスタを備える、請求項１３に記載のパワーモジュール。
  16. 前記少なくとも１つのブートストラップダイオードがモジュールと一体である、請求項６に記載のパワーモジュール。
  17. 電気モータを駆動するためのインバータパワーモジュールであって、
    前記モータを駆動するための少なくとも１つの出力を有する複数のモータ駆動パワースイッチと、
    前記複数のモータ駆動パワースイッチを駆動するためのドライバ集積回路と、
    を備え、
    前記複数のスイッチは、前記モータを駆動するための出力として機能する前記スイッチ間の共通接続部を有する供給バスのレール間に接続されるようになっているハーフブリッジ形態で配置された少なくとも２つのパワースイッチを備え、前記スイッチがハイサイドスイッチとローサイドスイッチとを備え、前記モータに組み込まれ且つモジュールの外部端子に接続された１つのダイオード端子を有する少なくとも１つのブートストラップダイオードを更に備え、前記外部端子がブートストラップキャパシタに接続されるようになっているインバータパワーモジュール。
  18. 前記ローサイドスイッチは、検出素子を介して低電位供給バスレールに接続されるようになっているモジュールの外部端子に接続され、これにより、モータ電流を外部接続で監視できる、請求項１７に記載のパワーモジュール。
  19. 前記複数のスイッチが３対のスイッチを備え、各スイッチ対は、ハーフブリッジで配置されるとともに、前記供給バスレール間に接続されるようになっており、各スイッチ対は、モータの対応する相を駆動するための対応するモータ駆動出力として機能する共通接続部を有し、各ローサイドスイッチは、モジュールの外部端子に接続されるとともに、検出素子に接続されるようになっている、請求項１７に記載のパワーモジュール。
  20. 前記検出素子は、対応するモータ相のモータ電流を監視するための外部シャントレジスタまたは変流器を備える、請求項１９に記載のパワーモジュール。
  21. 前記スイッチがＩＧＢＴである、請求項１９に記載のパワーモジュール。
  22. 前記ＩＧＢＴがノンパンチスルーＩＧＢＴである、請求項２１に記載のパワーモジュール。
  23. 前記ドライバ集積回路に結合され且つブートストラップキャパシタに結合するための外部端子に結合される複数の組み込みブートストラップダイオードを更に備える、請求項１７に記載のパワーモジュール。
  24. 前記スイッチおよびドライバＩＣは、絶縁金属基板（ＩＭＳ）上に実装されている、請求項１７に記載のパワーモジュール。
  25. 前記ＩＭＳは、前記ローサイドスイッチの外部端子に結合されるグランド面を形成する、請求項２４に記載のパワーモジュール。
  26. 前記ＩＭＳは、ＥＭＩのためのシールドとして機能する、請求項２４に記載のパワーモジュール。
  27. 前記ＩＭＳは、パワーモジュールのためのヒートシンクから直流絶縁されている、請求項２６に記載のパワーモジュール。
  28. モジュールが予め設定された温度を超えたかどうかを検出し且つモータへの電流が現在の電流を越えたかどうかを検出するための過電流／過剰温度検出回路と、前記ドライバＩＣに接続され且つ温度または電流が予め設定されたレベルを超えた場合に前記スイッチをＯＦＦにするためモジュールのトリップ端子とを更に備える、請求項１７に記載のパワーモジュール。
  29. 前記ドライバＩＣに接続された前記トリップ端子は、過電流信号を受けるとともに、過剰温度信号を外部監視回路に対して供給するように機能する、請求項２８に記載のパワーモジュール。
  30. 前記過電流／過剰温度検出回路が温度感知部品を備える、請求項２８に記載のパワーモジュール。
  31. 前記温度感知部品がサーミスタを備える、請求項３０に記載のパワーモジュール。
  32. 電気モータを駆動するためのインバータパワーモジュールであって、
    前記モータを駆動するための少なくとも１つの出力を有する複数のモータ駆動パワースイッチと、
    前記複数のモータ駆動パワースイッチを駆動するためのドライバ集積回路と、
    を備え、
    前記複数のスイッチは、前記モータを駆動するための出力として機能する前記スイッチ間の共通接続部を有する供給バスのレール間に接続されるようになっているハーフブリッジ形態で配置された少なくとも２つのパワースイッチを備え、前記スイッチがハイサイドスイッチとローサイドスイッチとを備え、
    モジュールが予め設定された温度を超えたかどうかを検出し且つモータへの電流が現在の電流を越えたかどうかを検出するための過電流／過剰温度検出回路と、前記ドライバＩＣに接続され且つ温度または電流が予め設定されたレベルを超えた場合にモジュールを停止するためモジュールのトリップ端子とを更に備えるインバータパワーモジュール。
  33. 前記ローサイドスイッチは、検出素子を介して低電位供給バスレールに接続されるようになっているモジュールの外部端子に接続され、これにより、モータ電流を外部接続で監視できる、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  34. 前記複数のスイッチが３対のスイッチを備え、各スイッチ対は、ハーフブリッジで配置されるとともに、前記供給バスレール間に接続されるようになっており、各スイッチ対は、モータの対応する相を駆動するための対応するモータ駆動出力として機能する共通接続部を有し、各ローサイドスイッチは、モジュールの外部端子に接続されるとともに、検出素子に接続されるようになっている、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  35. 前記検出素子は、対応するモータ相のモータ電流を監視するための外部シャントレジスタまたは変流器を備える、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  36. 前記スイッチがＩＧＢＴである、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  37. 前記ＩＧＢＴがノンパンチスルーＩＧＢＴである、請求項３６に記載のパワーモジュール。
  38. 前記ドライバ集積回路に結合されたモジュールと一体で且つブートストラップキャパシタに結合するための外部端子に結合される少なくとも１つのブートストラップダイオードを更に備える、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  39. 前記スイッチおよびドライバＩＣは、絶縁金属基板（ＩＭＳ）上に実装されている、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  40. 前記ＩＭＳは、前記ローサイドスイッチの外部端子に結合されるグランド面を形成する、請求項３９に記載のパワーモジュール。
  41. 前記ＩＭＳは、ＥＭＩのためのシールドとして機能する、請求項３９に記載のパワーモジュール。
  42. 前記ＩＭＳは、パワーモジュールのためのヒートシンクから直流絶縁されている、請求項４１に記載のパワーモジュール。
  43. 前記ドライバＩＣに接続された前記トリップ端子は、過電流信号を受けるとともに、過剰温度信号を外部監視回路に対して供給するように機能する、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  44. 前記過電流／過剰温度検出回路が温度感知部品を備える、請求項３２に記載のパワーモジュール。
  45. 前記温度感知部品がサーミスタを備える、請求項４４に記載のパワーモジュール。
  46. 前記トリップ端子は、過電圧状態を検出するように機能する、請求項３２に記載のパワーモジュール。
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