JP2008154316A - 電気機器の搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】サージ電圧が低減されるとともに、装置の小型化を図ることが可能な電気機器の搭載構造を提供する。
【解決手段】電気機器の搭載構造は、コンデンサＣ２と、コンデンサＣ２と電気的に接続され、コンデンサＣ２に対して矢印ＤＲ１方向に位置するように配置されたインバータ１２０と、コンデンサＣ２と電気的に接続され、コンデンサＣ２に対して矢印ＤＲ１方向と異なる矢印ＤＲ２方向に位置するように配置されたインバータ１３０と、コンデンサＣ２と電気的に接続され、コンデンサＣ２に対して矢印ＤＲ１，ＤＲ２方向と異なる矢印ＤＲ３方向に位置するように配置されたコンバータ１１０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気機器の搭載構造に関し、特に、コンデンサと該コンデンサと電気的に接続された半導体モジュールとを含む電気機器の搭載構造に関する。

インバータなどの半導体モジュールと、コンデンサとを電気的に接続した電気機器の搭載構造が従来から知られている。たとえば、特開２００３−１１６２８１号公報（特許文献１）においては、複数のインバータ回路を１つのインバータ回路モジュールに格納し、そのモジュールに設けられた一対の回路端子を各インバータ回路の共通の直流側の端子とした構造が開示されている。

また、半導体モジュールとコンデンサとを接続する導体の長さを短縮してインダクタンスを低減し、サージ電圧を抑制したり、装置を小型化することが従来から行なわれている。このような技術は、たとえば、特開平７−３０３３８０号公報（特許文献２）、特開平１０−９８８８５号公報（特許文献３）および特開２００２−１５３０７８号公報（特許文献４）などに記載されている。
特開２００３−１１６２８１号公報 特開平７−３０３３８０号公報 特開平１０−９８８８５号公報 特開２００２−１５３０７８号公報

電気機器の駆動時の半導体モジュールのサージ電圧を低減することは重要である。各々のモジュールにおけるサージ電圧は、該モジュールの回路のインダクタンスが大きくなるにつれて増大する。各々のモジュールの回路のインダクタンスは、回路長が長くなるにつれて増大する。したがって、各々のモジュールの回路長を低減することで、サージ電圧の増大を抑制することができる。

特許文献１には、上記のような課題を解決するための構成は記載されていない。また、特許文献２〜４では、本願発明とは全く異なる構成によりサージ電圧の増大を抑制することが意図されており、これらの構成によっても、必ずしも十分にサージ電圧を抑制することができない場合が有り得るため、異なる観点から、サージ電圧を抑制することは重要である。

また、上記とは異なる観点では、電気機器の駆動時には、半導体モジュールのみならず、該半導体モジュールに接続されるコンデンサも発熱する。したがって、コンデンサおよび半導体モジュールの双方の冷却を促進することは重要である。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の１つの目的は、サージ電圧が低減されるとともに、装置の小型化を図ることが可能な電気機器の搭載構造を提供することにある。また、本発明の他の目的は、コンデンサおよび半導体モジュールの双方の冷却を促進することが可能な電気機器の搭載構造を提供することにある。

本発明に係る電気機器の搭載構造は、１つの局面では、互いに異なる方向に延在する第１と第２の面を有するコンデンサと、コンデンサと電気的に接続され、第１の面と対向するように配置された第１の半導体モジュールと、コンデンサと電気的に接続され、第２の面と対向するように配置された第２の半導体モジュールとを備える。

本発明に係る電気機器の搭載構造は、他の局面では、コンデンサと、コンデンサと電気的に接続され、該コンデンサに対して第１の方向に位置するように配置された第１の半導体モジュールと、コンデンサと電気的に接続され、該コンデンサに対して第１の方向と異なる第２の方向に位置するように配置された第２の半導体モジュールとを備える。

１つの例として、上記電気機器の搭載構造は、コンデンサと第１と第２の半導体モジュールとの間に冷却媒体路通路をさらに備える。

他の例として、上記電気機器の搭載構造は、コンデンサおよび第１と第２の半導体モジュールの外側に冷却媒体路通路をさらに備える。

本発明に係る電気機器の搭載構造は、さらに他の局面では、互いに異なる方向に延在する第１から第３の面を有するコンデンサと、第１と第２の回転電機と、第１の回転電機およびコンデンサと電気的に接続された第１の半導体素子を含み、第１の面と対向するように配置され、第１の回転電機の動作を制御する第１のインバータと、第２の回転電機およびコンデンサと電気的に接続された第２の半導体素子を含み、第２の面と対向するように配置され、第２の回転電機の動作を制御する第２のインバータと、バッテリと、バッテリおよびコンデンサと電気的に接続された第３の半導体素子を含み、第３の面と対向するように配置され、電圧を変換するコンバータとを備える。

本発明に係る電気機器の搭載構造は、さらに他の局面では、コンデンサと、第１と第２の回転電機と、第１の回転電機およびコンデンサと電気的に接続された第１の半導体素子を含み、コンデンサに対して第１の方向に位置するように配置され、第１の回転電機の動作を制御する第１のインバータと、第２の回転電機およびコンデンサと電気的に接続された第２の半導体素子を含み、コンデンサに対して第１の方向と異なる第２の方向に位置するように配置され、第２の回転電機の動作を制御する第２のインバータと、バッテリと、バッテリおよびコンデンサと電気的に接続された第３の半導体素子を含み、コンデンサに対して第１および第２の方向と異なる第３の方向に位置するように配置され、電圧を変換するコンバータとを備える。

本発明に係る電気機器の搭載構造は、さらに他の局面では、コンデンサと、コンデンサと電気的に接続された半導体モジュールと、コンデンサおよび半導体モジュールの双方を冷却する冷却媒体が流れる冷却媒体通路とを備える。

本発明によれば、１つの効果として、半導体モジュールのサージ電圧を低減するとともに、電気機器の搭載構造の小型化を図ることがことができる。また、他の効果として、コンデンサおよび半導体モジュールの双方の冷却を促進することが可能な電気機器の搭載構造を得ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る電気機器の搭載構造が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。なお、図１に示されるＰＣＵ１００は、「車両を駆動する回転電機の制御装置」である。

図１を参照して、ＰＣＵ１００は、コンバータ１１０と、インバータ１２０，１３０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含んで構成される。コンバータ１１０は、バッテリＢとインバータ１２０，１３０との間に接続され、インバータ１２０，１３０は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と接続される。

コンバータ１１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は直列に接続され、制御装置１４０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリＢの正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ１１０は、リアクトルＬを用いてバッテリＢから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ１１０は、インバータ１２０，１３０から受ける直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

インバータ１２０，１３０は、それぞれ、Ｕ相アーム１２１Ｕ，１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗを含む。Ｕ相アーム１２１Ｕ、
Ｖ相アーム１２１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１３１ＶおよびＷ相アーム１３１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１２１Ｕは、直列接続された２つのＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４を含む。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのＮＰＮトランジスタＱ５〜Ｑ１４を含む。また、各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ１４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。

インバータ１２０，１３０の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。そして、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

インバータ１２０，１３０は、制御装置１４０からの駆動信号に基づいて、コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する。

制御装置１４０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相電流値、およびインバータ１２０，１３０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ１２０，１３０へ出力する。

また、制御装置１４０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１２０，１３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１１０へ出力する。

さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。

図５は、本実施の形態に係る電気機器の搭載構造に対する比較例に係る電気機器の搭載構造を示す図である。図５を参照して、本比較例に係る搭載構造は、コンバータ１１００と、インバータ１２００と、冷却器１５００と、コンデンサＣ２０と、バスバーＢＵＳとを含んで構成される。

コンバータ１１００は、上述したコンバータ１１０と同様の構造を有する。また、インバータ１２００は、上述したインバータ１２０，１３０に相当するインバータを含む。冷却器１５００は、コンバータ１１００およびインバータ１２００と隣接し、それらを冷却するように設けられる。コンデンサＣ２０は、コンバータ１１００、インバータ１２００およびコンデンサＣ２０と離間して設けられる。バスバーＢＵＳは、コンデンサＣ２０と、コンバータ１１００およびインバータ１２００とを接続するように設けられる。

図５の例では、コンデンサＣ２０の下方側の空間のみを利用して、コンバータ１１００およびインバータ１２００が配置されている。このような場合、コンバータ１１００およびインバータ１２００に含まれる各半導体素子と、コンデンサＣ２０とを接続するためのバスバーＢＵＳが長くなり、その結果として、インダクタンスが増大する場合がある。インダクタンスが増大した場合、インバータ１２００におけるサージ電圧が増大することになる。

また、上記とは別の観点では、図５の例では、冷却器１５００は、コンバータ１１００およびインバータ１２００のみを冷却しており、コンデンサＣ２０を冷却するための冷却器は設けられていない。しかしながら、ＰＣＵの動作時には、コンバータ１１００およびインバータ１２００のみならず、コンデンサＣ２０からも一定量の発熱が生じているため、コンデンサＣ２０用の冷却器を設けることが好ましい。

本願発明者らは、ＰＣＵ１００に含まれるコンデンサＣ２に対してそれぞれ異なる方向に位置する空間を利用して複数の半導体モジュールを配置することを考案した。図２は、本実施の形態に係る電気機器の搭載構造の一例を示す図である。図２を参照して、本実施の形態に係る電気機器の搭載構造は、コンデンサＣ２と、コンデンサＣ２と電気的に接続された「第１の半導体素子」としてのダイオードＤ３〜Ｄ８およびパワートランジスタＱ３〜Ｑ８を含み、コンデンサＣ２に対して「第１の方向」としての矢印ＤＲ１方向に位置するように配置され、「第１の回転電機」としてのモータジェネレータＭＧ１の動作を制御する「第１のインバータ（第１の半導体モジュール）」としてのインバータ１２０と、コンデンサＣ２と電気的に接続された「第２の半導体素子」としてのダイオードＤ９〜Ｄ１４およびパワートランジスタＱ９〜Ｑ１４を含み、コンデンサＣ２に対して矢印ＤＲ１方向と異なる「第２の方向」としての矢印ＤＲ２方向に位置するように配置され、「第２の回転電機」としてのモータジェネレータＭＧ２の動作を制御する「第２のインバータ（第２の半導体モジュール）」としてのインバータ１３０と、コンデンサＣ２と電気的に接続された「第３の半導体素子」としてのダイオードＤ１，Ｄ２およびパワートランジスタＱ１，Ｑ２を含み、コンデンサＣ２に対して矢印ＤＲ１，ＤＲ２方向と異なる「第３の方向」としての矢印ＤＲ３方向に位置するように配置され、電圧を変換するコンバータ１１０（第３の半導体モジュール）とを備える。

上記の内容を換言すると、コンデンサＣ２は、互いに異なる方向に延在する第１の面１０、第２の面２０および第３の面３０を有し、インバータ１２０は、第１の面１０に対向するように配置され、インバータ１３０は、第２の面２０に対向するように配置され、コンバータ１１０は、第３の面３０に対向するように配置される。

図２に示す構造においては、コンデンサＣ２に対して複数方向（矢印ＤＲ１〜ＤＲ３方向）に位置する空間を有効に活用してコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０の配置を行なうことで、コンデンサＣ２とコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０とをそれぞれ接続するバスバーの長さを短くすることが可能になる。この結果、コンデンサＣ２と各半導体モジュールとを接続する回路のインダクタンスが減少し、インバータ１２０，１３０におけるサージ電圧が低減される。また、ＰＣＵ１００を小型化することも可能である。

なお、図２の搭載構造においては、コンデンサＣ２は、冷却器１５０の内部に設けられ、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０は、冷却器１５０の外面上に設けられている。冷却器１５０内には、冷却媒体が矢印ＩＮの方向に流入し、該冷却媒体は、冷却器１５０から矢印ＯＵＴの方向に流出する。すなわち、図２の構造においては、コンデンサＣ２とコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０との間に冷却媒体通路１５１が形成されている。換言すると、本実施の形態に係る電気機器の搭載構造は、コンデンサＣ２と、コンデンサＣ２と電気的に接続されたコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０と、コンデンサＣ２およびコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０の双方を冷却する冷却媒体が流れる冷却媒体通路１５１とを備える。このような冷却媒体通路１５１が設けられることにより、コンデンサＣ２およびコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０の双方の冷却を促進することが可能になる。

図２に示す構造においては、コンデンサＣ２とコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０とを接続するバスバーが冷却媒体通路１５１内に形成されている。バスバーにおける冷却媒体通路１５１内に設けられる部分の表面には、絶縁処理が施される。

図３は、図２の変形例に係る電気機器の搭載構造を示す図である。図３の搭載構造においては、コンデンサＣ２およびコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０は、ケース１６０の内部に設けられ、ケース１６０が冷却器１５０に収納されている。冷却器１５０内には、図２の場合と同様に、冷却媒体が矢印ＩＮの方向に流入し、該冷却媒体は、冷却器１５０から矢印ＯＵＴの方向に流出する。すなわち、図３の構造においては、コンデンサＣ２およびコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０の外側に冷却媒体通路１５１が形成されている。この場合も、冷却媒体通路１５１内を流れる冷媒は、コンデンサＣ２およびコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０の双方を冷却するので、コンデンサＣ２およびコンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０の双方の冷却を促進することが可能である。なお、ケース１６０の外面には、冷却を促進するための冷却フィン１７０が設けられている。

図３に示す構造においては、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０に接続される電源ラインＰＬ２，ＰＬ３および出力ライン１２２Ｕ，１２２Ｖ，１２２Ｗ，１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗが冷却媒体通路１５１内に形成されている。電源ラインＰＬ２，ＰＬ３および出力ライン１２２Ｕ，１２２Ｖ，１２２Ｗ，１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗにおける冷却媒体通路１５１内に設けられる部分の表面には、絶縁処理が施される。

図４は、他の変形例に係る電気機器の搭載構造を示す図である。本変形例に係る構造は、図３に示される構造と基本的には同様の構成を有するが、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０に接続される電源ラインＰＬ２，ＰＬ３および出力ライン１２２Ｕ，１２２Ｖ，１２２Ｗ，１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗを、矢印ＤＲ１〜ＤＲ３方向とは異なる矢印ＤＲ４方向に延在させたことを特徴としている。このようにすることで、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０に接続される電源ラインＰＬ２，ＰＬ３および出力ライン１２２Ｕ，１２２Ｖ，１２２Ｗ，１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗを冷却媒体通路１５１を流れる冷却媒体に曝すことなくＰＣＵ１００とバッテリＢおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とを接続することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係る電気機器の搭載構造が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。 本発明の１つの実施の形態に係る電気機器の搭載構造の一例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係る電気機器の搭載構造の他の例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係る電気機器の搭載構造のさらに他の例を示す図である。 比較例に係る電気機器の搭載構造を示す図である。

符号の説明

１００ ＰＣＵ、１１０，１１００ コンバータ、１２０，１３０，１２００ インバータ、１２１Ｕ，１３１Ｕ Ｕ相アーム、１２１Ｖ，１３１Ｖ Ｖ相アーム、１２１Ｗ，１３１Ｗ Ｗ相アーム、１２２Ｕ，１２２Ｖ，１２２Ｗ，１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗ 出力ライン、１４０ 制御装置、１５０，１５００ 冷却器、１５１ 冷却媒体通路、１６０ ケース、１７０ 冷却フィン、Ｂ バッテリ、ＢＵＳ バスバー、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２０ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ１４ パワートランジスタ。

Claims (7)

1. 互いに異なる方向に延在する第１と第２の面を有するコンデンサと、
   前記コンデンサと電気的に接続され、前記第１の面と対向するように配置された第１の半導体モジュールと、
   前記コンデンサと電気的に接続され、前記第２の面と対向するように配置された第２の半導体モジュールとを備えた、電気機器の搭載構造。
2. コンデンサと、
   前記コンデンサと電気的に接続され、該コンデンサに対して第１の方向に位置するように配置された第１の半導体モジュールと、
   前記コンデンサと電気的に接続され、該コンデンサに対して前記第１の方向と異なる第２の方向に位置するように配置された第２の半導体モジュールとを備えた、電気機器の搭載構造。
3. 前記コンデンサと前記第１と第２の半導体モジュールとの間に冷却媒体路通路をさらに備えた、請求項１または請求項２に記載の電気機器の搭載構造。
4. 前記コンデンサおよび前記第１と第２の半導体モジュールの外側に冷却媒体路通路をさらに備えた、請求項１または請求項２に記載の電気機器の搭載構造。
5. 互いに異なる方向に延在する第１から第３の面を有するコンデンサと、
   第１と第２の回転電機と、
   前記第１の回転電機および前記コンデンサと電気的に接続された第１の半導体素子を含み、前記第１の面と対向するように配置され、前記第１の回転電機の動作を制御する第１のインバータと、
   前記第２の回転電機および前記コンデンサと電気的に接続された第２の半導体素子を含み、前記第２の面と対向するように配置され、前記第２の回転電機の動作を制御する第２のインバータと、
   バッテリと、
   前記バッテリおよび前記コンデンサと電気的に接続された第３の半導体素子を含み、前記第３の面と対向するように配置され、電圧を変換するコンバータとを備えた、電気機器の搭載構造。
6. コンデンサと、
   第１と第２の回転電機と、
   前記第１の回転電機および前記コンデンサと電気的に接続された第１の半導体素子を含み、前記コンデンサに対して第１の方向に位置するように配置され、前記第１の回転電機の動作を制御する第１のインバータと、
   前記第２の回転電機および前記コンデンサと電気的に接続された第２の半導体素子を含み、前記コンデンサに対して前記第１の方向と異なる第２の方向に位置するように配置され、前記第２の回転電機の動作を制御する第２のインバータと、
   バッテリと、
   前記バッテリおよび前記コンデンサと電気的に接続された第３の半導体素子を含み、前記コンデンサに対して前記第１および第２の方向と異なる第３の方向に位置するように配置され、電圧を変換するコンバータとを備えた、電気機器の搭載構造。
7. コンデンサと、
   前記コンデンサと電気的に接続された半導体モジュールと、
   前記コンデンサおよび前記半導体モジュールの双方を冷却する冷却媒体が流れる冷却媒体通路とを備えた、電気機器の搭載構造。

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