JP2009247042A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 基板が小型化できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電力変換装置1は、基板4と、基板4に実装される電力変換用スイッチング素子3と、電力変換用スイッチング素子3を駆動し、基板4の法線方向に積層される2以上の駆動素子21〜23と、を有することを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に電力変換装置で用いられる電力変換用スイッチング素子を駆動する駆動素子の配置に特徴を有する電力変換装置に関する。
MOSFETやIGBTなどのパワーデバイスを用いた装置、例えば電力変換装置において、パワーデバイス(電力変換用スイッチング素子)が適切に電力を制御するためには、パワーデバイスの駆動を制御する駆動回路の設計が重要となる。駆動回路は、パワーデバイスの用途、設置環境、使用条件などを考慮して設計される。駆動回路は、パワーデバイスの端子に接続される駆動素子及びその駆動素子とパワーデバイスの端子とを電気的に接続する導体パターンからなる。駆動回路には、パワーデバイスのスイッチング動作を制御するためのゲート駆動回路やパワーデバイスの温度を検出する温度検出回路やパワーデバイスの電流を検出する電流検出回路などがある。これらの駆動素子及び導体パターンは、パワーデバイスの端子が貫通する基板上の決められた範囲内で基板の両面に配置されるのが一般的である。例えば、特許文献1に示される駆動回路は、1つのパワーデバイスに対する駆動回路を1つの基板の両面に配置し、基板と基板とを所定の間隔離して配置される。現在では、複数のパワーデバイスを1つの基板上に集積し、所定の間隔を確保した上で、パワーデバイス毎の導体パターンを所定の間隔離して配置するのが主流である。
特開2006−81309号公報
上記に示されるように、基板上に全ての駆動回路及び導体パターンをレイアウトする必要があるため、基板の面積を狭くできず、基板を小型化する阻害要因となっている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、基板が小型化できる電力変換装置を提供することを解決すべき課題とする。
上記課題を解決するための請求項1に係る発明の構成上の特徴は、
基板と、
前記基板に実装される電力変換用スイッチング素子と、
前記電力変換用スイッチング素子を駆動し、前記基板の法線方向に積層される2以上の駆動素子と、
を有することである。
また請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1において、前記電力変換用スイッチング素子は、複数からなり、積層される前記駆動素子は、それぞれの前記電力変換用スイッチング素子を駆動する駆動素子であることである。
また請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項1又は2において、積層される前記駆動素子は、隣り合う前記電力変換用スイッチング素子間に形成される絶縁ギャップの前記基板の法線方向領域に配設されることである。
また請求項4に係る発明の構成上の特徴は、請求項1〜4何れか1項において、積層される前記駆動素子は、前記駆動素子間が所定距離隔てて絶縁した状態で積層されることである。
また請求項5に係る発明の構成上の特徴は、積層される前記駆動素子は、前記駆動素子間に絶縁性樹脂を介在するように一体化された一体駆動素子を構成することである。
また請求項6に係る発明の構成上の特徴は、前記一体駆動素子を構成する第一の前記駆動素子の端子は、前記一体駆動素子の第一面側に設けられ、前記一体駆動素子を構成する第二の前記駆動素子の端子は、前記一体駆動素子の前記第一面とは反対側に設けられることである。
また請求項7に係る発明の構成上の特徴は、前記駆動素子は、前記電力変換用スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのゲート信号が入力されるゲート端子に前記ゲート信号を出力するゲート駆動回路、前記電力変換用スイッチング素子の温度を検出する温度検出回路、及び前記電力変換用スイッチング素子の電流を検出する電流検出回路の何れか1つであることである。
請求項1に係る発明においては、電力変換用スイッチング素子を駆動するための駆動素子の2以上が基板の法線方向に積層されるため、基板の平面に駆動素子を並べて配置するより、基板の面積を縮小でき、基板を小型化できる。積層される駆動素子同士は、接触状態あるいは非接触状態での積層ができる。そのため、同電位であり絶縁を不要とするものは接触状態で積層することができる。
請求項2に係る発明においては、駆動素子間を絶縁できる距離隔てて積層することで、電位の異なる駆動素子の積層化が可能となり、より多くの駆動素子同士を積層できるため、より確実に基板の面積を縮小でき、基板を小型ができる。
請求項3に係る発明においては、積層する駆動素子が1つの電力変換用スイッチング素子のための駆動素子に限られず、異なる電力変換用スイッチング素子のための駆動素子を積層することで、より確実に基板の面積を減少させることができ、基板の小型化が可能になる。つまり、電力変換用スイッチング素子のための駆動素子が1つずつであっても、異なる電力変換用スイッチング素子のための駆動素子を積層し、また駆動素子が複数であっても1カ所に積層することで、より基板の面積を縮小できるため、基板が小型化できる。
請求項4に係る発明においては、1つの基板に配置される電力変換用スイッチング素子やそれを駆動するための駆動素子とは、異なる電力変換用スイッチング素子間で絶縁に必要な絶縁ギャップを隔てて配置されるため、この絶縁ギャップの法線方向領域に積層される駆動素子を配置することで、通常使用されない絶縁ギャップ上を有効利用でき、基板をさらに小型化することができる。
請求項5に係る発明においては、駆動素子間に絶縁できる絶縁性樹脂を介在させて駆動素子を積層することで駆動素子間の絶縁が確実に行える上、素子間の距離も縮めることができ、小型化できる。そして、素子同士が接触しているため、1つの塊として取り扱え、配置も安定してでき、また部品点数を減らせて、製造コストを抑制することができる。
請求項6に係る発明においては、複数の積層された駆動素子が一体化された一体駆動素子から出るそれぞれの駆動素子の端子を両側に配置することで、両持ち梁の状態となり、一体駆動素子を基板上に安定して配置することができる。特に、一体駆動素子の駆動素子が絶縁ギャップを隔てて隣り合う電力変換用スイッチング素子に対応する場合に有効である。つまり、一方の電力変換用スイッチング素子のための駆動素子をその電力変換用スイッチング素子が配置される第一面側に、他方の電力変換用スイッチング素子のための駆動素子を第一面の反対側に設けることができ、基板上に配置しやすい。
請求項7に係る発明においては、ゲート駆動回路、温度検出回路、及び電流検出回路は何れも電力変換用スイッチング素子を駆動するために通常基板に配置される回路であるため、その回路を積層することで基板の面積を縮小でき、基板を小型化できる。
以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。
(実施形態1)
本実施形態1の電力変換装置1の回路図を図1に示す。本実施形態1の電力変換装置1は、バッテリー11、昇降圧コンバータ12、モータジェネレータMG1、モータジェネレータMG2、MG1用インバータ13、MG2用インバータ14及びサージ電圧吸収用コンデンサ17を備える。
バッテリー11は、昇降圧コンバータ12に接続されており、昇降圧コンバータ12に直流電力を供給し、また昇降圧コンバータ12から回生される直流電力を蓄電する。
昇降圧コンバータ12は、バッテリー11から供給された直流電力を昇圧して後述するインバータ13及び14に出力し、またインバータ13及び14から出力された直流電力を降圧してバッテリー11に出力する。昇降圧コンバータ12は、コンデンサ123、リアクトル124、高圧側の半導体素子である上アーム用スイッチング素子(電力変換用スイッチング素子)121及び高圧GND側の半導体素子である下アーム用スイッチング素子(電力変換用スイッチング素子)122、ダイオードD1、D2を含む。バッテリー11の正極側にコンデンサ123及びリアクトル124の一端が接続され、負極側にコンデンサ123の他端と下アーム用スイッチング素子122のエミッタ端子が接続されている。上アーム用スイッチング素子121と下アーム用スイッチング素子122とは直列に接続されており、リアクトル124の他端は、その間、つまり上アーム用スイッチング素子121のエミッタ端子及び下アーム用スイッチング素子122のコレクタ端子に接続されている。上アーム用スイッチング素子のコレクタ端子は、後述するMG1用インバータ13及びMG2用インバータ14の一端側に接続されている。下アーム用スイッチング素子122のエミッタ端子は、MG1用インバータ13及びMG2用インバータ14の他端側に接続されている。スイッチング素子121、122のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードD1、D2が配置されている。そして、スイッチング素子121、122のゲート端子には、スイッチング素子の駆動を制御するための駆動回路201、202がそれぞれ接続される。
モータジェネレータMG1及びモータジェネレータMG2は、それぞれMG1用インバータ13、MG2用インバータ14に接続されており、バッテリー11から供給される電力により駆動する。そして、発電機として働く場合は、交流電力をそれぞれに接続されるインバータ13及び14に出力する。
MG1用インバータ13及びMG2用インバータ14は、並列に接続されており、昇降圧コンバータ12によって昇圧された直流電力を三相交流に変換して、モータジェネレータMG1及びMG2に出力する。そして、モータジェネレータMG1及びMG2が発電機として働く場合は、モータジェネレータMG1及びMG2から出力される交流電力を直流に変換して昇降圧コンバータ12に出力する。
MG1用インバータ13は、U相131とV相132とW相133とからなり、U相131、V相132及びW相133は、昇降圧コンバータ12に並列に接続されている。U相131は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子134と高圧GND側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子135とが直列に接続されている。同様に、V相は上アーム用スイッチング素子136と下アーム用スイッチング素子137、W相は上アーム用スイッチング素子138と下アーム用スイッチング素子139が直列に接続されている。そして、各スイッチング素子134〜139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D3〜8がそれぞれ接続されている。各スイッチング素子134〜139のゲート端子には、スイッチング素子の駆動を制御するための駆動回路203〜208が接続される。各相の中間点は、モータジェネレータMG1の各相コイル(図示略)の各相端に接続されている。
MG2用インバータ14は、U相141とV相142とW相143とからなり、U相141、V相142及びW相143は、昇降圧コンバータ12及びMG1用インバータ14に並列に接続されている。U相141は、高圧側の半導体素子の上アーム用スイッチング素子144と高圧GND側の半導体素子の下アーム用スイッチング素子145とが直列に接続されている。同様に、V相は上アーム用スイッチング素子146と下アーム用スイッチング素子147、W相は上アーム用スイッチング素子148と下アーム用スイッチング素子149が直列に接続されている。そして、各スイッチング素子144〜149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D9〜14がそれぞれ接続されている。各スイッチング素子144〜149のゲート端子には、スイッチング素子の駆動を制御する駆動回路209〜214が接続されている。各相の中間点は、モータジェネレータMG2の各相コイル(図示略)の各相端に接続されている。ここで、昇降圧コンバータ12及びインバータ13、14にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、IGBT、MOSFET等のパワーデバイスを用いる。
本発明の電力変換装置1は、バッテリー11の直流電力を昇降圧コンバータ12で昇圧してインバータ13及び14で三相交流に変換し、モータジェネレータMG1及びMG2を駆動する。そして、モータジェネレータMG1及びMG2が発電機として働く場合は、モータジェネレータMG1及びMG2から出力される交流電力がインバータ13及び14で直流電力に変換され、昇降圧コンバータ12で降圧し、バッテリー11に回生される。
各スイッチング素子121、122、134〜139、144〜149(以下、説明のため、1つのスイッチング素子を用いて説明するときは「スイッチング素子3」とする。)は、図2に示されるように、端子31を備えており、その端子31が第1表面41と第2表面42とを有する基板4を貫通し、基板4に保持される。また基板4には、スイッチング素子3をそれぞれ駆動する駆動回路201〜214(以下、1つの駆動回路を用いて説明するときは「駆動回路2」とする。)が配置され、伝導性物質の導体パターン5によってスイッチング素子3の端子31と電気的に接続される。つまり、導体パターン5は、端子31と駆動回路2とを電気的に接続する配線である。基板4には、第2表面42から第1表面41に端子31が貫通するランド43が形成されている。端子31がランド43に貫通し、全てのスイッチング素子3の本体32は基板4の第2表面42側に位置する。なお、スイッチング素子3の本体32には、図3に示されるように、スイッチング素子3以外にスイッチング素子3の温度を検出するためのダイオード6が一体的に含まれていることとし、以後、ダイオード6の端子もスイッチング素子3の端子31として説明する。
スイッチング素子3の端子31と接続される駆動回路2は、様々な駆動素子21〜23を含む。スイッチング素子3の複数の端子31のうち、ゲート端子はゲート駆動回路21に、センスエミッタ端子は電流検出回路22に、エミッタ端子は基準電位に、ダイオード6のアノード端子は温度ケイン出回路23に、カソード端子は基準電位に接続される。これらの接続が導体パターン5によってなされる。ゲート駆動回路21はスイッチング素子3の動作を制御するためのゲート電圧を印加する。電流検出回路22は、スイッチング素子3の許容量を超える過電流から保護するための回路で、スイッチング素子3が異常動作したり破壊されたりする短絡や過電流から保護するための回路である。電流検出回路22は電流を検出し、検出結果をゲート駆動回路21に送信する。そして、温度検出回路23は、スイッチング素子3の温度を検出するための回路で、ダイオード6の基に温度を検出する。また、駆動回路2は、MG1及びMG2を制御するための中央制御装置(MGECU)とも信号を送受信しスイッチング素子3を制御する。
図2に戻って、本実施形態1の電力変換装置1は、1つのスイッチング素子3の駆動素子21〜23のうちゲート駆動回路21と電流検出回路22とが基板4の第1表面41の法線方向で積層されている(積層する回路の組み合わせは、これに限られない。)。ゲート駆動回路21と電流検出回路22とは、その間とそれぞれの周りを絶縁性樹脂7で覆われた状態で一体化された一体駆動素子20を構成しており、対応するスイッチング素子3のための導体パターンの法線方向範囲内に位置される。なお、1つのスイッチング素子3のためのゲート駆動回路21と電流検出回路22とは絶縁するために距離を隔てて配置される必要はないため、回路同士は接触状態で一体化することもできる。図2において、スイッチング素子3の端子31が直列に並ぶ延長上の導体パターン5の法線方向の空間に位置する。そして、ゲート駆動回路(第一の駆動素子)21の端子が一体駆動素子20の第一面20a側、電流検出回路(第二の駆動素子)22の端子が第1面20aの反対の第二面20b側に設けられて、導体パターン5に接続されている。
本実施形態1の電力変換装置1によれば、1つのスイッチング素子3の駆動素子21〜23のうち、2つのゲート駆動回路21と電流検出回路22とが、基板4の第1表面41の法線方向で積層されるため、第1表面41の接線方向に並べて配置するより、基板4の面積を縮小できる。つまり、基板4を小型化できる。
通常、基板4の第2表面42側はスイッチング素子3の本体32が位置し、基板4の表面方向は電力変換装置1の別の部材あるは関連部材が配置するなどして拡張することができない。ところが、基板4の第1表面41の法線方向の空間は通常何も配置されない。そこで本実施形態1のように基板4の第1表面41の法線方向に駆動素子21〜23を積層して配置することで、基板4の表面積を縮小でき、小型化ができる。
また、積層されるゲート駆動回路21と電流検出回路22とを絶縁性樹脂7で一体化した一体駆動素子20とすることで、空間上に配置される素子同士が安定して基板4に配置することができる。さらに、一体化することで、部品点数が減るため、製造コストも抑制することが可能である。
また、ゲート駆動回路2と電流検出回路22との端子を一体駆動素子20から両側に出すことで一体駆動素子20が両持ち梁状態となり、安定した状態で基板4に配置できる。
(変形形態1)
本発明の変形形態1について具体的に説明する。本変形形態1は実施形態1と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
本変形形態1の電力変換装置1は、図4に示されるように、1つのスイッチング素子3のゲート駆動回路21、電流検出回路22、及び温度検出回路23が基板4の第1表面41の法線方向で積層されている。図4に示されるように、各駆動素子21〜23との間及び各駆動素子21〜23の周りは絶縁性樹脂7で覆われており、一体駆動素子20αを構成する。その一体駆動素子20αは、対応するスイッチング素子3の導体パターン5の法線方向の空間に位置する。ゲート駆動回路(第一の駆動素子)21と温度検出回路(第一の駆動素子)23の端子は一体駆動素子20αの第1面20a側、電流検出回路(第二の駆動素子)22の端子は一体駆動素子20αの第2面20b側に設けられており、両持ち梁状態で基板4に設置される。
本変形形態1の電力変換装置1によれば、1つのスイッチング素子3のための駆動素子21〜23が、基板4の第1表面41の法線方向で積層されるため、実施形態1に比べて、さらに基板4を小型化できる。
(実施形態2)
本発明の実施形態2について具体的に説明する。本実施形態2は実施形態1及び変形形態1と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
本実施形態2の電力変換装置1は、図5に示されるように、基板4上で絶縁ギャップdを隔てて隣り合うスイッチング素子3の駆動素子21〜23のうち一方のゲート駆動回路21と他方のゲート駆動回路21とが、基板4の第1表面41の法線方向で積層されている(積層する回路の組み合わせは、これに限られない)。2つのゲート駆動回路21は、その間とそれぞれの周りとを絶縁性樹脂7に覆われた一体駆動素子20βを構成している。そして、一体駆動素子20βは、隣り合うスイッチング素子3間の絶縁ギャップdの法線方向領域(上方)に配置される。一方のゲート駆動回路(第一の駆動素子)21の端子は一方側(第一面20a)、他方のゲート駆動回路(第一の駆動素子)21の端子は他方側(第二面20b)に設けられている。よって、それぞれの端子が、対応するスイッチング素子3が位置する側に出るように絶縁ギャップdの上方に配置される。
本実施形態2の電力変換装置1によれば、異なるスイッチング素子3のための駆動素子21〜23を基板4の第1表面4の法線方向に積層されるため、1つのスイッチング素子3のための駆動素子21〜23を積層することに限られず、基板を小型化できる。そして、一体駆動素子20βを、隣り合うスイッチング素子3間の絶縁ギャップdの上方に配置することで、通常デットスペースとして何も配置できないエリアを有効活用することができるため、基板をより小型化できる。
(変形形態2)
本発明の変形形態2について具体的に説明する。本変形形態2は実施形態1、実施形態2、及び変形形態1と基本的には同様の構成及び同様の作用効果を有する。以下、異なる部分を中心に説明する。
本実施形態2の電力変換装置1は、図6に示されるように、基板4上で絶縁ギャップdを隔てて隣り合うスイッチング素子3の駆動素子21〜23の全てが、基板4の第1表面41の法線方向で積層されている。積層される層の第1表面41側の層(下の層)に、一方のスイッチング素子3のための駆動素子21〜23が配置され、その上の層に、他方のスイッチング素子3のための駆動素子21〜23が配置され、絶縁性樹脂7で一体化した一体駆動素子20γが構成される。一体駆動素子20γは、隣り合うスイッチング素子3間の絶縁ギャップdの法線方向領域に配置される。そして、一体駆動素子20γは、下の層の駆動素子(第一の駆動素子)21〜23の端子は、対応するスイッチング素子3側に出るように、上の層の駆動素子(第二の駆動素子)21〜23の端子は、絶縁ギャップを挟んだスイッチング素子3側に出るように、構成される。
本変形形態2の電力変換装置1によれば、隣り合うスイッチング素子3の複数の駆動素子21〜23を一体駆動素子20γとして、第1表面41の法線方向に積層しているため、実施形態2で用いられる基板4に比べ、さらに基板4を小型化できる。本変形形態2に示されるように、積層される駆動素子21〜23は、全てを法線方向に積層するのではなく、並列に並べた駆動素子21〜23を1層として、法線方向に多層にすることで、より多くの駆動素子21〜23を一体駆動素子20γとすることができる。隣り合うスイッチング素子3は絶縁ギャップdを隔てて配置されるため、絶縁ギャップdの範囲も考慮し、全てを法線方向に積層するか、並列に配置した上でそれを積層するか、決定することでより効果的に絶縁ギャップdの上方空間を利用でき、基板4を小型化できる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、スイッチング素子3を駆動する駆動素子は、ゲート駆動回路21、電流検出回路22、温度検出回路23に限られず、基板4に配置される部材を積層することもできる。また、積層される駆動素子21〜23を絶縁性樹脂7で一体化した一体駆動素子20とせず、絶縁が必要な駆動素子間に絶縁ギャップdを確保して積層したものでもよい。
その他、一体駆動素子20から出る各駆動素子21〜23の端子は、1つの駆動素子21〜23について両側から出るものでもよく、その場合、1つのスイッチング素子3のための駆動素子21〜23について積層化する場合に好適である。
また、積層する駆動素子21〜23は、隣り合うスイッチング素子3、つまり2つのスイッチング素子3のための駆動素子21〜23に限られず、3つ以上のスイッチング素子3のための駆動素子21〜23を一体化して一体駆動素子20とすることもできる。
本実施形態1の電力変換装置1の回路図である。 本実施形態1の電力変換装置1に用いられる基板4の上面図及び側面図である。 本実施形態1の電力変換装置1に用いられる1つのスイッチング素子3とその駆動回路2の構成図である。 本変形形態1の電力変換装置1に用いられる基板4の上面図及び側面図である。 本実施形態2の電力変換装置1に用いられる基板4の上面図及び側面図である。 本変形形態2の電力変換装置1に用いられる基板4の上面図及び側面図である。
符号の説明
1:電力変換装置、11:バッテリー、12:昇降圧コンバータ、
13:MG1用インバータ、14:MG2用インバータ、
17:サージ電圧吸収用コンデンサ、
121,122,134〜139,144〜149:スイッチング素子、
123:コンデンサ、124:リアクトル、
2:駆動回路、20:一体駆動素子、20a:第一面、20b:第二面、21:ゲート駆動回路、22:電流検出回路、23:温度検出回路、201〜214:駆動回路、
3、121、122、134〜139、144〜149:スイッチング素子、31:端子、32:本体、
4:基板、41:第1表面、42:第2表面、43:ランド、
5:導体パターン、
6:ダイオード、
7:絶縁性樹脂、
D1〜D14:ダイオード、MG1,MG2:モータジェネレータ。

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板に実装される電力変換用スイッチング素子と、
    前記電力変換用スイッチング素子を駆動し、前記基板の法線方向に積層される2以上の駆動素子と、
    を有することを特徴とする電力変換装置。
  2. 積層される前記駆動素子は、前記駆動素子間が所定距離隔てて絶縁した状態で積層される請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記電力変換用スイッチング素子は、複数からなり、
    積層される前記駆動素子は、それぞれの前記電力変換用スイッチング素子を駆動する駆動素子である請求項1又は2に記載の電力変換装置。
  4. 積層される前記駆動素子は、隣り合う前記電力変換用スイッチング素子間に形成される絶縁ギャップの前記基板の法線方向領域に配設される請求項1〜3の何れか1項に記載の電力変換装置。
  5. 積層される前記駆動素子は、前記駆動素子間に絶縁性樹脂を介在するように一体化された一体駆動素子を構成する請求項4に記載の電力変換装置。
  6. 前記一体駆動素子を構成する第一の前記駆動素子の端子は、前記一体駆動素子の第一面側に設けられ、
    前記一体駆動素子を構成する第二の前記駆動素子の端子は、前記一体駆動素子の前記第一面とは反対側に設けられる請求項5に記載の電力変換装置。
  7. 前記駆動素子は、
    前記電力変換用スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのゲート信号が入力されるゲート端子に前記ゲート信号を出力するゲート駆動回路、
    前記電力変換用スイッチング素子の温度を検出し、検出結果に基づき前記ゲート駆動回路に信号を送出する温度検出回路、
    及び前記電力変換用スイッチング素子の電流を検出し、検出結果に基づき前記ゲート駆動回路に信号を送出する電流検出回路の何れか1つである請求項1〜6の何れか1項に記載の電力変換装置。
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