JP2010098831A - 車両用回転電機の電力変換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却性の均一化を図ることができ、簡素な構造で小型・薄形化が可能な車両用回転電機の電力変換器を提供すること。
【解決手段】電力変換器1は、発電電動機11に搭載されて電機子14と接続されており、ブリッジ回路を構成する6個のハイサイドスイッチング素子3b等および6個のローサイドスイッチング素子3a等と、これらのハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子が一方の主面上に配置されて単一の板材からなる金属基板5とを備えている。
【選択図】図1
【解決手段】電力変換器1は、発電電動機11に搭載されて電機子14と接続されており、ブリッジ回路を構成する6個のハイサイドスイッチング素子3b等および6個のローサイドスイッチング素子3a等と、これらのハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子が一方の主面上に配置されて単一の板材からなる金属基板5とを備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機の電力変換器に関する。
近年の環境問題に対する燃費規制やCO2排出量削減規制の強化、原油高騰による市場ニーズに対応するため、一部の車両カテゴリにおいては、信号待ちなどの一時停止時にエンジンを停止させるアイドルストップ機能を備えた車両が普及し始めている。
このアイドルストップを行う手段の一つとして、車両用交流発電機にモータ機能を追加し、一時停止後のエンジン始動を行う始動用電動機と発電を行う発電機能を一つにまとめた電動機兼発電機としての回転電機が必要となる。アイドルストップを行う回転電機に必要な機能としては、エンジンを再始動させるための起動トルク特性はもちろんのこと、近年の自動車のエレクトロニクス化に伴う車両負荷の増加により、走行時の発電特性においても高効率化、高出力化が望まれており、さらに構造面では回転電機本体とインバータ部を一体構造化した小型の回転電機のニーズが高まっている。
自動車のアイドルストップ動作を行うISG(インテグレーテッド・スタータ・ジェネレータ)またはMG(モータ・ジェネレータ)において、回転電機本体と電力変換器を一体構造とする一つの方法として、電力変換器のハイサイドスイッチング素子群とローサイドスイッチング素子群とを別々に構成して回転電機に搭載した構造が知られている(例えば、特許文献1〜3参照。)。
三相ブリッジ回路を構成する上で、ハイサイドスイッチング素子群とローサイドスイッチング素子群は、互いに基準となる電位が異なることから、別々の構成とする方が電気的に扱いやすく、車両用交流発電機でも多くの場合にこの手法がとられている。
特開2007−49840号公報(第3−6頁、図1−4)
特開2007−49841号公報(第3−6頁、図1−4)
特開2007−166857号公報(第4−14頁、図1−19)
ところで、特許文献1、2に開示されているように、ハイサイドスイッチング素子群とローサイドスイッチング素子群とが別々に構成されていると、被熱量または放熱量の違いから素子群間に温度差が生じやすくなる。理想的には、ハイサイドスイッチング素子群とローサイドスイッチング素子群の温度は均一であることが望ましい。しかし、ハイサイドスイッチング素子群は、電気的にフローティングしているため、回転電機本体や冷却フィンと直接的な接続はできず、熱伝導・熱伝達による冷却性は低下する。このため、ハイサイドスイッチング素子群とローサイドスイッチング素子群とで冷却性が不均一になるという問題があった。温度差から電流の分流アンバランスが生じると、冷却性が悪いハイサイドスイッチング素子群側のみ素子の絶対定格を超えてしまうおそれがある。また、ハイサイドスイッチング素子群とローサイドスイッチング素子群を別々に構成する構造では、それらを結合するための端子台が必要になったり、バスバーによる配線の引き回しが必要になり、構造が複雑になるとともに小型・薄形化が難しいという問題があった。
また、特許文献3に開示された構造では、電力変換器が同一平面上に配置されているが、ハイサイドスイッチング素子群とローサイドスイッチング素子群が別々に構成されている点に変わりはなく、端子台やバスバーによる配線の引き回しが必要になって構造が複雑になる。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、冷却性の均一化を図ることができ、簡素な構造で小型・薄形化が可能な車両用回転電機の電力変換器を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機の電力変換器は、車両用回転電機に搭載されて電機子と接続されており、ブリッジ回路を構成する複数のハイサイドスイッチング素子および複数のローサイドスイッチング素子と、複数のハイサイドスイッチング素子および複数のローサイドスイッチング素子が一方の主面上に配置されて単一の板材からなる金属基板とを備えている。
ローサイドスイッチング素子とハイサイドスイッチング素子のそれぞれを同一の金属基板上に配置することにより、別々(例えば2段)に構成する場合に比べて冷却性の均一化を図ることができる。これにより、発生電流の分流アンバランスや、冷却性の悪化からハイサイドスイッチング素子側のみ定格を超えてしまう事態を回避することができる。また、単一の金属基板上に部品を配置するだけであるため、簡素な構造で小型・薄形化が可能な電力変換器を実現することができる。また、製造時における工程の簡略化と部品数低減により、安価な電力変換器を実現することができる。
また、上述した金属基板は、アルミニウム材により形成されていることが望ましい。これにより、電力変換器の軽量化と高い熱伝導率、熱放射率を確保することが容易となる。
また、上述したハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子は、NチャネルMOS−FETであることが望ましい。これにより、導通時の損失を低減することができ、電力変換器としての発熱量を抑えることができる。
また、上述したNチャネルMOS−FETは、ゲート、ドレイン、ソースの順でリード端子が配列された汎用パッケージ素子であることが望ましい。これにより、部品コストを下げることができる。
また、上述した主面上には、電機子の複数の引出線を接続する複数の引出線接続端子が配置されていることが望ましい。特に、上述した複数の引出線接続端子は、主面の外周部に配置されていることが望ましい。また、上述した引出線接続端子が主面の外周部に配置可能なように、主面上に配置されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子の向きを設定することが望ましい。これにより、各引出線接続端子と電機子の引出線との接続がしやすくなる。特に、電力変換器を組み付けた後での接続作業が容易となる。
また、上述した主面上には、ハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子のそれぞれに対して断続指示を行う制御信号が入力されるリード端子が接続されるリード端子接続部が配置されていることが望ましい。特に、上述したリード端子接続部は、主面の外周部に配置されていることが望ましい。また、上述したリード端子接続部が主面の外周部に配置可能なように、主面上に配置されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子の向きを設定することが望ましい。これにより、各リード端子接続部とこれに制御信号を入力する制御装置から延びる信号線との接続がしやすくなる。
また、上述した主面上には、出力端子と、複数のローサイドスイッチング素子のそれぞれと出力端子とを接続する出力端子配線とが配置されていることが望ましい。特に、上述した出力端子および出力端子配線は、主面の内周部に配置されていることが望ましい。また、上述した出力端子および出力端子配線が主面の内周部に配置可能なように、主面上に配置されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子の向きを設定することが望ましい。これにより、金属基板内周部に出力端子側の配線を統一的に引き出して行うことができるため、制御装置や車両用回転電機本体との接続が容易になる。
また、上述した複数のハイサイドスイッチング素子および複数のローサイドスイッチング素子によってブリッジ回路を形成する配線は、主面上に形成された一層パターン配線であることが望ましい。一層パターン配線を用いることにより、配線層による熱だまりをなくすことができ、冷却性を向上させることができる。また、多層パターン配線に比べてパターン配線の厚さを厚くすることができるため、パターン配線の電流容量を大きくして大電力に対応することができ、しかも、導体パターンでの発熱量を抑えることができる。
また、上述した複数のハイサイドスイッチング素子および複数のローサイドスイッチング素子のそれぞれのパッケージ筐体は、金属基板の主面上に半田接合されていることが望ましい。これにより、各スイッチング素子の固定が容易となる。
また、上述した複数の引出線接続端子のそれぞれは、互いに周方向に離間して設けられていることが望ましい。これにより、接続の作業スペースの確保が容易となり、接続作業の効率化を図ることができる。
以下、本発明を適用した一実施形態の発電電動機について、図面を参照しながら説明する。図1および図2は、一実施形態の発電電動機に搭載された電力変換器の斜視図である。図3は、電力変換器の正面図である。図4は、電力変換器の裏面図である。
本実施形態の電力変換器1は、出力端子2a、出力バスバー2b、複数(例えば6個)のローサイドスイッチング素子3a、3c、3e、3g、3i、3k、複数(例えば6個)のハイサイドスイッチング素子3b、3d、3f、3h、3j、3m、複数の(例えば6個)の引出線接続端子4a、4b、4c、4d、4e、4fと、金属基板5とを含んで構成されている。
金属基板5は、馬蹄形状を有し、例えば軽量化と高い熱伝導率・熱放射率を実現するために単一の板材としてのアルミニウム材により形成されている。出力バスバー2bは、例えば銅板を用いて出力端子2aと一体形成されており、出力端子2aから延びて6個のハイサイドスイッチング素子3b、3d、3f、3h、3j、3mが接続される出力端子配線であって、金属基板5の内周形状に沿ったU字形状を有している。出力端子2aおよび出力バスバー2bは、ともに金属基板5の内周部に配置されている。
6個のローサイドスイッチング素子3a、3c、3e、3g、3i、3kおよび6個のハイサイドスイッチング素子3b、3d、3f、3h、3j、3mのそれぞれは、例えばNチャネル型MOS−FETが用いられており、金属基板5の一方の主面上に配置されている。具体的には、NチャネルMOS−FETとしては、上面からリード端子が下向きとなる向きにして見たときに、リード端子が左側からゲートG、ドレインD、ソースSの順で配列された汎用小型パッケージング素子が用いられる。
6個の引出線接続端子4a、4b、4c、4d、4e、4fは、電機子から引き出される複数(例えば6本)の引出線を接続するためのものである。これらの引出線接続端子4a、4b、4c、4d、4e、4fは、金属基板5の一方の主面上であって、接続を容易にするために金属基板5の外周部に、互いに周方向に離間して配置されている。
ところで、実際には、金属基板5の一方の主面上には銅材を用いた基板配線パターンが絶縁膜を介して形成されており、金属基板5の主面上にこの基板配線パターンを介して上述した出力端子2a、出力バスバー2b、ローサイドスイッチング素子3a、3c、3e、3g、3i、3k、ハイサイドスイッチング素子3b、3d、3f、3h、3j、3m、引出線接続端子4a、4b、4c、4d、4e、4fが配置されている。
図5は、電力変換器の基板配線パターン図である。図5に示すように、基板配線パターンには、出力バスバー2bが接続される出力バスバー接続部6と、引出線接続端子4a、4b、4c、4d、4e、4fのそれぞれが接続される引出線接続端子接続部7(7a〜7f)と、発電電動機のフレームに接続されるグランド接続部8と、ローサイドスイッチング素子あるいはハイサイドスイッチング素子が接続されるスイッチング素子接続部9(9a〜9m)と、ローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子のそれぞれのゲート・リード端子にゲート入力信号を入力するために用いられるゲート・リード端子接続部10(10a〜10m)とが含まれている。この基板配線パターンを用いて、6個のローサイドスイッチング素子3a、3c、3e、3g、3i、3kと6個のハイサイドスイッチング素子3b、3d、3f、3h、3j、3mによるブリッジ回路が形成される。上述したゲート・リード端子接続部10a〜10mは、制御装置から延びる信号線の接続を容易にするために、金属基板5の一方の主面の外周部に配置されている。また、上述した基板配線パターンは、1枚の金属層からなる一層パターン配線が用いられている。
図6は、スイッチング素子の配線の具体例を示す部分的な正面図である。例えば、ローサイドスイッチング素子3aに着目すると、ゲート・リード端子(G)がゲート・リード端子接続部10aが一部に形成された配線パターンに接続され、ドレイン・リード端子(D)が引出線接続端子接続部7aが一部に形成された配線パターンに接続され、ソース・リード端子(S)がグランド接続部8が一部に形成された配線パターンに接続される。また、このローサイドスイッチング素子3aのパッケージ筐体は、ドレイン・リード端子が接続された配線パターンに半田接合されている。他のローサイドスイッチング素子3c、3e、3g、3i、3kも基本的に同じ接続形態で配線パターンとの接続が行われている。また、ハイサイドスイッチング素子3b、3d、3f、3h、3j、3mについても基本的に同じであり、ドレイン・リード端子およびパッケージ筐体が出力バスバー接続部6が一部に形成された配線パターンに接続(半田接合)されている点が異なっている。
本実施形態の電力変換器1では、引出線接続端子4a〜4fとゲート・リード端子接続部10a〜10mのそれぞれが主面の外周部に、出力端子2aと出力バスバー2bが主面の内周部に配置可能なように、ローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子の向き(パッケージ筐体やリード端子の向き)が設定されている。
このように、本実施形態の電力変換器1では、ローサイドスイッチング素子とハイサイドスイッチング素子のそれぞれを同一の金属基板5上に配置することにより、別々(例えば2段)に構成する場合に比べて冷却性の均一化を図ることができる。これにより、発生電流の分流アンバランスや、冷却性の悪化からハイサイドスイッチング素子側のみ定格を超えてしまう事態を回避することができる。また、単一の金属基板5上に部品を配置するだけであるため、簡素な構造で小型・薄形化が可能な電力変換器1を実現することができる。また、製造時における工程の簡略化と部品数低減により、安価な電力変換器を実現することができる。また、金属基板5をアルミニウム材で形成することにより、電力変換器1の軽量化と高い熱伝導率、熱放射率を確保することが容易となる。
また、引出線接続端子4a〜4fを金属基板5の主面の外周部に配置するとともに、この配置が可能なようにハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子の向きを設定することにより、各引出線接続端子4a〜4fと電機子の引出線との接続がしやすくなる。特に、電力変換器1を組み付けた後での接続作業が容易となる。
また、ゲート・リード端子接続部10a〜10mを金属基板5の主面の外周部に配置するとともに、この配置が可能なようにハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子の向きを設定することにより、各ゲート・リード端子接続部とこれに制御信号を入力する制御装置から延びる信号線との接続がしやすくなる。
また、出力端子2aおよび出力バスバー2bを金属基板5の主面の内周部に配置するとともに、この配置が可能なようにハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子の向きを設定することにより、金属基板5内周部に出力端子2a側の配線を統一的に引き出して行うことができるため、制御装置や車両用回転電機本体との接続が容易になる。
また、ブリッジ回路を形成する配線として一層パターン配線を用いることにより、配線層による熱だまりをなくすことができ、冷却性を向上させることができる。また、多層パターン配線に比べてパターン配線の厚さを厚くすることができるため、パターン配線の電流容量を大きくして大電力に対応することができ、しかも、導体パターンでの発熱量を抑えることができる。
また、ハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子のそれぞれのパッケージ筐体を金属基板5の主面上に半田接合することにより、各スイッチング素子の固定が容易となる。
図7は、電力変換器1の搭載例を示す発電電動機11の平面図である。図8は、発電電動機11の斜視図である。図7および図8ではリアカバーが外された状態が示されている。これらの図に示す発電電動機11は、プーリ17によって回転駆動される回転子とその外周に配置された電機子14を収容するフレーム12と、リア側のフレーム12の軸方向端面外側であって回転子の回転軸に設けられたスリップリングに摺接するブラシを収納するブラシホルダ13と、電力変換器1の出力端子2aに接続されて外部との間で電力の入出力を行う出力端子15と、出力端子15の出力電圧の調整や電力変換器1内の各スイッチング素子をオンオフ制御する制御装置16とを含んで構成されている。
電機子14からは、6本の引出線14a、14b、14c、14d、14e、14fが回転軸に沿って後方に引き出されており、それぞれの先端が、電力変換器1の対応する引出線接続端子4a〜4fのいずれかに接続される。本実施形態では、各引出線接続端子4a〜4fは、金属基板5の外周部に配置されているため、加圧変形や半田付けによる接合に必要な作業スペースの確保が容易となる。なお、出力端子15の形状は発電電動機11や出力ハーネスの取付位置等の応じて適宜変更され、例えば、その端部に出力ハーネス取り付け用のボルトを配置するなどの構成が考えられる。
図9は、発電電動機11の結線図である。図9に示す例では、電力変換器1は、3個のローサイドスイッチング素子3a、3c、3eと3個のハイサイドスイッチング素子3b、3d、3fからなる第1の三相ブリッジ回路と、3個のローサイドスイッチング素子3g、3i、3kと3個のハイサイドスイッチング素子3h、3j、3mからなる第2の三相ブリッジ回路とを含んでいる。これに対応して電機子14には2つの三相巻線14A、14Bが含まれており、一方の三相巻線14Aが第1の三相ブリッジ回路に接続され、他方の三相巻線14Bが第2のブリッジ回路に接続される。
第1および第2のブリッジ回路のそれぞれは、発電動作時には同期整流を行って三相巻線14A、14Bに誘起された交流電圧を直流に変換する整流動作を行う三相全波整流器として動作する。第1および第2のブリッジ回路のそれぞれは、電動動作時には6個のスイッチング素子を三相巻線14A、14Bの各相毎に120度ずらしたタイミングでオンオフ制御することにより、バッテリ18から印加される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路として動作する。
制御装置16は、発電電動機11に発電動作あるいは電動動作を行わせる制御を行っており基準電圧調整回路16Aとインバータ制御回路16Bとを含んで構成されている。基準電圧調整回路16Aは、発電動作時に、回転子の界磁巻線に通電する界磁電流を調整することにより発電電動機11の出力電圧を制御する。
インバータ制御回路16Bは、発電動作時には、電力変換器1に含まれる12個のスイッチング素子3a〜3mをオンオフ制御して電力変換器1に同期整流を行わせる同期整流制御信号を生成する。また、電動動作時には、電力変換器1に含まれる12個のスイッチング素子3a〜3mをオンオフ制御して電力変換器1によって三相交流を発生する制御信号(ゲート入力信号)を生成する。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、電動動作と発電動作を行う発電電動機に用いられる電力変換器について説明したが、発電動作のみを行う車両用交流発電機に用いられる電力変換器(整流器)についても本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、図9に示すように、2つのブリッジ回路を備える電力変換器について説明したが、ブリッジ回路の数は1つあるいは3つ以上であってもよい。
また、上述した実施形態では、金属基板5をアルミニウム材により形成したが、他の金属材料(例えば銅材)により形成するようにしてもよい。
1 電力変換器
2a 出力端子
2b 出力バスバー
3a、3c、3e、3g、3i、3k ローサイドスイッチング素子
3b、3d、3f、3h、3j、3m ハイサイドスイッチング素子
4a、4b、4c、4d、4e、4f 引出線接続端子
5 金属基板
6 出力バスバー接続部
7a〜7f 引出線接続端子接続部
8 グランド接続部
9a〜9m スイッチング素子接続部
10a〜10m ゲート・リード端子接続部
11 発電電動機
12 フレーム
13 ブラシホルダ
14a、14b、14c、14d、14e、14f 引出線
2a 出力端子
2b 出力バスバー
3a、3c、3e、3g、3i、3k ローサイドスイッチング素子
3b、3d、3f、3h、3j、3m ハイサイドスイッチング素子
4a、4b、4c、4d、4e、4f 引出線接続端子
5 金属基板
6 出力バスバー接続部
7a〜7f 引出線接続端子接続部
8 グランド接続部
9a〜9m スイッチング素子接続部
10a〜10m ゲート・リード端子接続部
11 発電電動機
12 フレーム
13 ブラシホルダ
14a、14b、14c、14d、14e、14f 引出線
Claims (16)
- 車両用回転電機に搭載されて電機子と接続される車両用回転電機の電力変換器であって、
ブリッジ回路を構成する複数のハイサイドスイッチング素子および複数のローサイドスイッチング素子と、
前記複数のハイサイドスイッチング素子および前記複数のローサイドスイッチング素子が一方の主面上に配置されて単一の板材からなる金属基板と、
を備えることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項1において、
前記金属基板は、アルミニウム材により形成されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項1または2において、
前記ハイサイドスイッチング素子および前記ローサイドスイッチング素子は、NチャネルMOS−FETであることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項3において、
前記NチャネルMOS−FETは、ゲート、ドレイン、ソースの順でリード端子が配列された汎用パッケージ素子であることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項1または2において、
前記主面上には、前記電機子の複数の引出線を接続する複数の引出線接続端子が配置されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項5において、
前記複数の引出線接続端子は、前記主面の外周部に配置されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項6において、
前記引出線接続端子が前記主面の外周部に配置可能なように、前記主面上に配置された前記ハイサイドスイッチング素子と前記ローサイドスイッチング素子の向きを設定することを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項1または2において、
前記主面上には、前記ハイサイドスイッチング素子および前記ローサイドスイッチング素子のそれぞれに対して断続指示を行う制御信号が入力される前記リード端子が接続されるリード端子接続部が配置されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項8において、
前記リード端子接続部は、前記主面の外周部に配置されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項9において、
前記リード端子接続部が前記主面の外周部に配置可能なように、前記主面上に配置された前記ハイサイドスイッチング素子と前記ローサイドスイッチング素子の向きを設定することを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項1または2において、
前記主面上には、出力端子と、前記複数のローサイドスイッチング素子のそれぞれと前記出力端子とを接続する出力端子配線とが配置されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項11において、
前記出力端子および前記出力端子配線は、前記主面の内周部に配置されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項12において、
前記出力端子および前記出力端子配線が前記主面の内周部に配置可能なように、前記主面上に配置された前記ハイサイドスイッチング素子と前記ローサイドスイッチング素子の向きを設定することを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項1〜13のいずれかにおいて、
前記複数のハイサイドスイッチング素子および前記複数のローサイドスイッチング素子によって前記ブリッジ回路を形成する配線は、前記主面上に形成された一層パターン配線であることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項1〜14のいずれかにおいて、
前記複数のハイサイドスイッチング素子および前記複数のローサイドスイッチング素子のそれぞれのパッケージ筐体は、前記金属基板の主面上に半田接合されていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。 - 請求項5〜7のいずれかにおいて、
前記複数の引出線接続端子のそれぞれは、互いに周方向に離間して設けられていることを特徴とする車両用回転電機の電力変換器。
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JP2008266965A JP2010098831A (ja) | 2008-10-16 | 2008-10-16 | 車両用回転電機の電力変換器 |
DE102009044240A DE102009044240A1 (de) | 2008-10-16 | 2009-10-13 | Elektrischer Leistungsformer und rotierende elektrische Maschine für Fahrzeuge, welche mit einem elektrischen Leistungsumformer ausgestattet ist |
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ID=42260109
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JP (1) | JP2010098831A (ja) |
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