JP2007082359A - インバータ装置および制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
超低インダクタンス構造のインバータ装置を提供する。
【解決手段】
本発明のインバータ装置は、電力を変換するための半導体スイッチング装置と、前記半導体スイッチング素子や回路素子等を搭載するための基板と、前記基板上に前記半導体スイッチング素子や回路素子,電力を供給するための電力線などを実装するための配線パターンと、前記基板と前記配線パターンを絶縁するための絶縁シートと、電源平滑用コンデンサから構成され、
前記基板の前記配線パターン上にチップコンデンサを実装することを特徴としたインバータ装置。
【選択図】図1
超低インダクタンス構造のインバータ装置を提供する。
【解決手段】
本発明のインバータ装置は、電力を変換するための半導体スイッチング装置と、前記半導体スイッチング素子や回路素子等を搭載するための基板と、前記基板上に前記半導体スイッチング素子や回路素子,電力を供給するための電力線などを実装するための配線パターンと、前記基板と前記配線パターンを絶縁するための絶縁シートと、電源平滑用コンデンサから構成され、
前記基板の前記配線パターン上にチップコンデンサを実装することを特徴としたインバータ装置。
【選択図】図1
Description
本発明は、電動式パワーステアリング装置等に用いられるインバータ装置及び制御装置に関し、基板上の配線パターン構造およびチップコンデンサの実装方法に関するものである。
インバータ装置において、低SW損失・低通電損失・低ノイズ化は重要な課題である。
SW損失において問題となるサージ(誘導)電圧ΔVは、電流変化率を(di/dt)、インバータ装置の主回路インダクタンスをLとすると、ΔV=−L(di/dt)によって求められる。よって、サージ電圧ΔVを低減するためには(1)Lを小さくする、
(2)(di/dt)を小さくする、すなわちスイッチング速度を遅くする、という対策が考えられる。しかし、インバータ装置においては高速スイッチングが求められ、(di/dt)を小さくすることは難しい。よって、スイッチングサージ電圧は主回路のインダクタンスLを低減することにより抑制することが望ましい。
(2)(di/dt)を小さくする、すなわちスイッチング速度を遅くする、という対策が考えられる。しかし、インバータ装置においては高速スイッチングが求められ、(di/dt)を小さくすることは難しい。よって、スイッチングサージ電圧は主回路のインダクタンスLを低減することにより抑制することが望ましい。
また、ノイズはインバータ装置内のインダクタンスLと静電容量Cの共振により発生する。その共振エネルギーはE=(1/2)LI2であるため、やはりノイズ低減の面においても主回路のインダクタンスLを小さくする必要がある。
主回路インダクタンス低減のためには、半導体素子の内部配線,電源平滑用コンデンサと素子の間の外部配線,電源平滑用コンデンサの内部配線などの寄生インダクタンスを小さくする必要があり、これまで低インダクタンス構造のインバータ装置や配線基板として様々な構造が提案されている。
特許文献1のインバータ装置を図11に示す。特許文献1のインバータ装置は、半導体モジュール26,コンデンサモジュール27,半導体モジュール26とコンデンサモジュール27を接続する正側導体28および負側導体29により構成されている。
ここで、コンデンサモジュール27と半導体モジュール26を接続する正側導体28と負側導体29を、絶縁したうえで積層することにより負の相互インダクタンスを発生させ、コンデンサモジュールから半導体モジュール間の外部配線の寄生インダクタンスを低減している。
特許文献2の回路図を図12に示す。ここでは、代表としてW相のみの回路図を示す。半導体素子30a,30b,P側配線ライン31,N側配線ライン32,W相配線ライン33からなるインバータ装置において、P側配線ライン31をN側配線ライン32で両側から挟み込む構造34を提供することにより、配線ラインの寄生インダクタンスを低減している。
特許文献1においては、半導体モジュールとコンデンサモジュール間の導体の寄生インダクタンスを低減することが可能である。特許文献2においては、P側配線をN側配線で両側を挟み込むことにより、配線の寄生インダクタンスを低減することが出来る。
しかしこの場合、基板へ電力を供給する導体のインダクタンスは低減されるが、インバータ装置内の基板上の配線パターンの主回路インダクタンスは全く低減されていない。基板上の主回路インダクタンスも低サージ電圧,低ノイズのインバータ装置を実現するためには小さくしなければならない要素である。
本発明の目的は、インバータ装置の基板上の配線パターンの寄生インダクタンスを低減させることであり、低損失,低ノイズのインバータ装置を提供するものである。
上述の課題を解決するため、請求項1では電力を変換するための半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子や回路素子等を搭載するための基板と、基板上に前記半導体スイッチング素子や回路素子,電力を供給するための電力線などを実装するための配線パターンと、前記基板と配線パターンを絶縁するための絶縁シートと、電源平滑用コンデンサから構成されるインバータ装置において、
前記基板の前記配線パターン上にチップコンデンサを実装することを特徴とする。
前記基板の前記配線パターン上にチップコンデンサを実装することを特徴とする。
上述の解決手段により、超低インダクタンス構造のインバータ装置を実現し、低ノイズ,低損失のインバータ装置を提供する。
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
図1は本発明の実施例1を、図3は実施例1の回路図を示す。実際には、半導体スイッチング素子への指令信号等を伝送するための信号用の配線パターンも基板上に実装されているが、ここでは省略している。
U相へ電力を供給するための半導体スイッチング素子1a,1bの間にはチップコンデンサ7が接続されている。同様に、V相,W相の半導体スイッチング素子の間にもチップコンデンサ8,9が接続されている。ここで代表として図5のようにV相を選択し説明する。図5において、チップコンデンサ8を基板上の配線パターンに実装し、8cから8dの電流経路は曲線18で表されるようにループを描いている。これにより、ループ18とは逆向きの電流がループ19のように基板11に現れる。電流がループ18とループ19のように逆向きに流れることにより渦電流キャンセル効果が働き、基板上の配線パターンの寄生インダクタンスを低減する。U相,W相に関しても同様であり、各相の基板上の寄生インダクタンスを低減することが可能である。
また、チップコンデンサの一端側8cから他端側8dへの通電ループが短くなるように各相の配線パターン12が形成されている。これにより、電流経路が短くなるため、基板上の寄生インダクタンスをより低減する。
また、半導体スイッチング素子の上アーム側と下アーム側で各相に共通する部分を基板上の配線パターンにより形成するのではなくバスバにより供給することが、さらに基板上の配線パターンの低インダクタンス化を実現している。これにより、基板の面積も小さくすることが可能なため、インバータ装置の小型化および低コスト化が可能となる。これらの効果により、チップコンデンサを実装しない場合では50[nH]のインダクタンスを有していたのに対し、本発明においては10[nH]以下という超低インダクタンスのインバータ装置を実現する。
図2は本発明の実施例2を、図4は実施例2の回路図を示す。基板上の信号用の配線パターンは省略している。実施例1と同様の素子は、符号に′をつけることにより区別した。
チップコンデンサ16は、半導体スイッチング素子1a′,1b′,2a′,2b′,3a′,3b′へ電力を供給するP側,N側の配線パターン間に接続されている。
代表として、図6に示すW相に関して説明する。チップコンデンサ16を基板上の配線パターンに実装し、主回路電流は曲線20で表されるようにループを描いている。これにより、ループ20とは逆向きの電流がループ21のように基板11′に現れる。電流がループ20とループ21のように逆向きに流れることにより渦電流キャンセル効果が働き、基板上の寄生インダクタンスが低減するようにしている。U相,V相に関しても同様である。
また、チップコンデンサの一端側から他端側への通電ループが短くなるように配線パターン12′が形成されている。これにより、主回路の寄生インダクタンスをさらに低減するようにしている。これにより、チップコンデンサを実装しない場合においては50
[nH]のインダクタンスを有していたのに対し、本発明に置いては10[nH]以下という超低インダクタンスのインバータ装置を実現する。
[nH]のインダクタンスを有していたのに対し、本発明に置いては10[nH]以下という超低インダクタンスのインバータ装置を実現する。
本発明の実施例3を図7に示す。
実施例3は、IGBTなど高電圧の環境において用いられるインバータ装置に関するものである。高電圧系のインバータ装置においても、実施例1や2のようにチップコンデンサまたはフィルムコンデンサ22,23,24を基板上の各相の半導体スイッチング素子間に実装することにより、基板上の配線パターンの寄生インダクタンスを低減することが可能である。このとき、コンデンサを配線パターン上に実装することがインダクタンス低減には効果的であるが、それが困難な場合には配線パターンに近接した位置において、バスバなどの導体に接続することによっても効果を得ることが可能である。
また、基板上の配線パターン12″にフィルムコンデンサ22,23,24を実装することは信頼性の面で不安が残るが、図8に示すようにインバータ装置を樹脂などによりトランスファーモールド25をすることにより、信頼性の課題は解決する。
実施例4を図9に示す。実施例1においては、直流電流を検出するための電流検出用抵抗器4およびV相,W相の交流電流を検出するための電流検出用抵抗器5,6が接続されている。そのため、図1を見て分かるようにU相の配線パターンとV相,W相の配線パターンは異なる形状をしている。これにより、各相の寄生インダクタンスの値に違いが生じる。また実施例2においても、各相の寄生インダクタンスは各電流ループの距離が等しくないため、異なる値となる。
実施例4では、半導体素子のU相,V相,W相の各相が同じ通電ループとなるように配線パターン12′′′を構成している。これにより、各相における寄生インダクタンスの値が同じとなる。よって、インバータ装置の設計などを行う際にはインダクタンスの大きな相に合わせて設計する必要が無く、最適な設計を行うことが可能である。
実施例5を図10に示す。実施例1においては三相インバータ装置であったのに対し、実施例5においては単相フルブリッジのインバータ装置を示している。実施例1のようにチップコンデンサ7′′′′,8′′′′を基板上の各相の半導体スイッチング素子間に実装することにより、基板上の配線パターンの寄生インダクタンスを低減することが可能である。
同様に、ここでは図示しないが上述各実施形態に限定されるものではなく、例えばDC−DCコンバータなど半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置において本発明は効果が得られる。
以上説明したように、本発明はインバータ装置の基板の配線パターン上にチップコンデンサを実装するものであり、本発明により超低インダクタンス構造のインバータ装置を提供する。これにより、低ノイズ,低損失のインバータ装置が実現可能である。
1a,1b,2a,2b,3a,3b…半導体スイッチング素子、4〜6,13〜15…シャント抵抗、7〜9,16…チップコンデンサ、8c,8d,16c,16d…チップコンデンサ端子、10…絶縁シート、11…基板、12…配線パターン、17…モータ、18,20…主回路電流ループ、19,21…基板に現れるループ、22,23,24…フィルムコンデンサ、25…トランスファーモールド、26…半導体モジュール、27…コンデンサモジュール、28…正側導体、29…負側導体、30a,30b…半導体素子、31…P側配線ライン、32…N側配線ライン、33…W相配線ライン、34…P側配線挟み込み部。
Claims (13)
- 電力を変換するための半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子及び回路素子を搭載するための基板と、前記基板上に前記半導体スイッチング素子及び回路素子、電力を供給するための電力線などを実装するための配線パターンと、前記基板と前記配線パターンを絶縁するための絶縁シートと、電源平滑用コンデンサから構成されるインバータ装置において、
前記基板の前記配線パターン上にチップコンデンサを実装することを特徴としたインバータ装置。 - 請求項1において、前記チップコンデンサは半導体スイッチング素子のU相,V相,W相にそれぞれに実装されることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項1又は2において、前記チップコンデンサは各相の上アーム側の半導体スイッチング素子の正極側の端子と、下アーム側の半導体スイッチング素子の負極側の端子との間に実装されることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項1,2又は3において、前記チップコンデンサと前記半導体スイッチング素子間の通電ループを短くするように基板上の配線パターンが形成されていることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項1において、前記チップコンデンサを半導体スイッチング素子へ電力を供給するための配線パターン上に実装することを特徴とするインバータ装置。
- 請求項1又は5において、前記チップコンデンサは上アーム側の半導体スイッチング素子の正極側の端子と、下アーム側の半導体スイッチング素子の負極側の端子との間に実装されることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項1,5又は6において、前記チップコンデンサと前記半導体スイッチング素子間の通電ループを短くするように基板上の配線パターンが形成されていることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項1において、前記電力線はワイヤーボンディング又はバスバで構成されることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項1において、前記チップコンデンサは50V程度の耐電圧を有し、10μF程度の容量を有することを特徴とするインバータ装置。
- 電力を変換するための半導体スイッチング素子および回路素子と、前記半導体スイッチング素子や回路素子等を搭載するための基板と、基板上に前記半導体スイッチング素子や回路素子、電力を供給するための電力線などを実装するための配線パターンと、前記基板と配線パターンを絶縁するための絶縁シートと、電源平滑用コンデンサから構成されるインバータ装置において、
基板の配線パターン上に高耐電圧のチップコンデンサ又はフィルムコンデンサを実装し、樹脂等によりモールドし固めることを特徴としたインバータ装置。 - 請求項10において、前記チップコンデンサまたはフィルムコンデンサは半導体スイッチング素子のU相,V相,W相、それぞれに実装されることを特徴とするインバータ装置またはそれを用いたインバータ装置。
- 請求項10又は11において、前記チップコンデンサまたはフィルムコンデンサと前記半導体スイッチング素子間の通電ループを短くするように基板上の配線パターンが形成されていることを特徴とするインバータ装置。
- 請求項11又は12に記載のインバータ装置を用いた制御装置。
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