JP2013074665A

JP2013074665A - 自動車用電力変換制御装置

Info

Publication number: JP2013074665A
Application number: JP2011210502A
Authority: JP
Inventors: Masashige Tsuji; 雅薫辻; Yasuo Noto; 康雄能登; Seiji Senba; 誠司船場
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-22
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: CN103765753A; DE112012004015T5; JP5639978B2; WO2013046880A1; CN103765753B; US9960710B2; US20140232181A1

Abstract

【課題】従来の自動車用電力変換制御装置においてはリンプホーム機能を備えてはいるが、各ＩＧＢＴ駆動回路の各ゲート回路にトランスを含む電源が６個必要なことから小型化や軽量化ができなく、上記した様に搭載性向上や燃費向上等の要請にこたえることができなかった。
【解決手段】パワー半導体モジュール及び駆動回路を３相の交流電流に対応して３個の単位半導体モジュールと３個の単位駆動回路より構成し、単位駆動回路の電源供給部をそれぞれ独立して設けたことによって、リンプホーム機能を備えた上に電源供給部を少なくでき小型化、軽量化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車に搭載されている電動機を制御する自動車用電力変換制御装置に係り、特にインバータ回路等の一部に故障を生じても電動機を駆動制御できる自動車用電力変換制御装置に関するものである。

電気自動車やハイブリッド自動車のように自動車の駆動用の動力に用いられる電動機等は数百ボルトの高い電圧で駆動される。

そして、このような自動車に搭載される電源は直流のバッテリであるので、電動機を駆動するためにはＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）などのパワー半導体素子よりなるスイッチング素子を用いたインバータ回路によって三相交流に変換する必要がある。

インバータ回路を駆動する信号、例えばＩＧＢＴのゲートを駆動する駆動信号は、電動機を駆動する高電圧回路とは絶縁され、高電圧回路の電圧よりも低電圧で動作する低電圧回路の制御回路において生成される。

従って、電動機を駆動する電力変換制御装置には、駆動信号に基づいてインバータ回路のＩＧＢＴを駆動するためのＩＧＢＴ駆動回路が備えられる。即ち、電動機の電力変換制御装置は、低電圧回路内で動作する電動機制御回路と、高電圧回路内で動作し電動機の制御回路が生成した駆動信号に基づいてＩＧＢＴを駆動するＩＧＢＴ駆動回路と、複数のＩＧＢＴにより構成されたインバータ回路とを有して構成されている。

このような自動車用電力変換制御装置で重要なのは安全性であり、特にＩＧＢＴ駆動回路や制御装置の故障が問題となっている。

例えば、現在提案されている自動車用電力変換制御装置では電動機が３相交流で駆動されるため６個のＩＧＢＴが使用されているが、短絡等の事象でＩＧＢＴの一個が壊れるとＩＧＢＴ駆動回路の電源が作動不能となって全ゲート回路が停止することがある。このため、電動機が回転を続けることが不可能になり、もはや自動車を動かすことができなくなる。

したがって、郊外や山間地でこのような故障を生じると自動車を動かせなくなり、運転者や同乗者の安全等に大きな悪影響を及ぼすことになる。このため、故障しても程度の差はあっても電動機を回転させて自動車を動かすことができるような、いわゆるリンプホーム機能が要求されている。

このようなリンプホーム機能を備えた自動車用電力変換制御装置としては、特開２００９−１３０９６７号公報（特許文献１）に記載されているようにＩＧＢＴ駆動回路の各ＩＧＢＴの各ゲート回路に独立した６個のトランスを含む電源を接続することで、ＩＧＢＴのいずれかが短絡したりして故障しても、残りの電源が生きているので少なくとのＵ相、Ｖ相及びＷ相の内の２相のコイルによって電動機を回転することができる構成となっている。

特開２００９−１３０９６７号公報

このようなリンプホーム機能を有する自動車用電力変換制御装置にあっては、この他にこの電力変換制御装置が自動車に搭載される環境であるため、その体格を小さくする、すなわち小型化して搭載性を向上することや、ハイブリッド車においてはガソリンエンジンの燃費を向上するため軽量化が求められている。

しかしながら、特許文献１に記載の自動車用電力変換制御装置においては確かにリンプホーム機能を備えてはいるが、各ＩＧＢＴ駆動回路の各ゲート回路にトランスを含む電源が６個必要なことから小型化や軽量化ができなく、上記した様に搭載性向上や燃費向上等の要請にこたえることができなかった。

本発明の目的は、リンプホーム機能を備えると共に、小型化及び軽量化を向上した自動車用電力変換制御装置を提供することにある。

本発明の特徴は、直流電流を３相の交流電流に変換して電動機を駆動するパワー半導体素子よりなるパワー半導体モジュールと、このパワー半導体モジュールを駆動する駆動回路を備えた自動車用電力変換制御装置において、パワー半導体モジュール及び駆動回路は３相の交流電流に対応して３個の単位半導体モジュールと３個の単位駆動回路より構成され、単位駆動回路の電源供給部をそれぞれ独立して設けたことを特徴とする自動車用電力変換制御装置、にある。

１相の半導体モジュールに故障が生じても他の２相は故障した１相とは独立した専用の直流電源を有しているので、この故障したＩＧＢＴの影響を受けることなく動作可能である。したがって、他の２相（Ｖ相及びＷ相）は故障した１相（Ｕ相）とは独立して動作が可能となり、電動機１０を継続して回転させることが可能となるものである。

また、トランスを含む電源供給部をＵ相、Ｖ相及びＷ相の個別に専用のトランスを含む直流電源を３個設けることによって、その体格が小型化され、且つ重量も軽減されるので、自動車として求められる搭載性向上や燃費向上等の要請にこたえることができる。

本発明の一実施例になる自動車用電力変換制御装置の回路構成を示す図である。図１に示す回路構成からなる自動車用電力変換制御装置の分解斜視図である。図２の自動車用電力変換制御装置の回路構成部品の配置状態を示す回路基板の構成図である。本発明の他の実施例になる自動車用電力変換制御装置の分解斜視図である。図４の自動車用電力変換制御装置の回路構成部品の配置状態を示す回路基板の構成図である。本発明の更に他の実施例になる自動車用電力変換制御装置の分解斜視図である。図６の自動車用電力変換制御装置の回路構成部品の配置状態を示す回路基板の構成図である。従来の自動車用電力変換制御装置の回路構成を示す図である。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明の理解を助けるため現在提案されている自動車用電力変換制御装置の構成と故障の発生状況について図８を用いて説明する。

図８において、自動車用電力変換制御装置の主要な回路構成を示しており、参照番号１０は３相交流で動作する電動機であって、この電動機１０はＩＧＢＴモジュール１１と接続され、ＩＧＢＴモジュール１１からの駆動信号によって電動機１０を構成する固定側の誘導巻線に回転磁界を発生させて電動機１０を回転するようにしている。

このＩＧＢＴモジュール１１は６個のＩＧＢＴよりなるスイッチング素子Ｓｎ１〜スイッチング素子Ｓｎ６よりなっている。この６個のスイッチング素子Ｓｎ１〜Ｓｎ６はそれぞれ２個毎に対となって電動機１０のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各巻線に電力を供給するものである。

そして、スイッチング素子Ｓｎ１、スイッチング素子Ｓｎ３及びスイッチング素子Ｓｎ５のコレクタ側は直流電源１２に接続され、スイッチング素子Ｓｎ２、スイッチング素子Ｓｎ４及びスイッチング素子Ｓｎ６のエミッタはインダクタンスＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗを介してアースされている。このインダクタンスは配線のインダクタンスである。

スイッチング素子Ｓｎ１、スイッチング素子Ｓｎ３及びスイッチング素子Ｓｎ５のコレクタ側が接続された直流電源１２は例えば、複数個のリチウムイオン電池を直列接続して高電圧の直流電源を確保している。

そして、スイッチング素子Ｓｎ１のエミッタとスイッチング素子Ｓｎ２のコレクタが接続され、この対からなるスイッチング素子でＵ相の巻線の電力を制御し、同様に、スイッチング素子Ｓｎ３のエミッタとスイッチング素子Ｓｎ４のコレクタが接続され、この対からなるスイッチング素子でＶ相の巻線の電力を制御し、同様に、スイッチング素子Ｓｎ５のエミッタとスイッチング素子Ｓｎ６のコレクタが接続され、この対からなるスイッチング素子でＷ相の巻線の電力を制御しており、これらの構成は既に周知の構成である。

更に、スイッチング素子Ｓｎ１〜スイッチングＳｎ６のゲートにゲートドライバである駆動回路１３〜駆動回路１８が接続され、これらの駆動回路１３〜駆動回路１８によってＵ相、Ｖ相及びＷ相の巻線駆動信号が生成される。

駆動回路１３〜駆動回路１８の電源は共通の電源供給部１９によって供給されており、この電源供給部１９はトランス部２０と、このトランス部２０への電気的エネルギ供給を制御するＭＯＳ型ＦＥＴよりなるスイッチング素子２１と、電源ＩＣ２２及びコンデンサ２３より構成されている。

トランス部２０は１個の共通一次巻線２４と各駆動回路１３〜駆動回路１８に接続される６個の二次巻線２５Ａ〜二次巻線２５Ｆより構成されている。

これらの構成についても周知の構成であり、またその作動も周知であるのでここではその作動の説明は省略するが、故障の発生状況について以下に説明する。

例えば、Ｗ相のスイッチング素子Ｓｎ５が何らかの理由で破壊された場合、そのエネルギは容易にスイッチング素子Ｓｎ５のゲート酸化膜を破壊し、スイッチング素子Ｓｎ５のコレクタからベース側に矢印（１）（図面には丸付きで示している。）のように高電圧が印加される。

ここで、駆動回路１７は通常スイッチング素子Ｓｎ５の最大ゲート電圧程度で動作するように作られているため、前述した高電圧が印加されるとスイッチング素子Ｓｎ５に接続されている駆動回路１７が破壊され短絡電流が矢印（２）（図面には丸付きで示している。）のように流れる。この短絡電流はトランス部２０の駆動回路１７に接続された二次巻線２５Ａに矢印（３）（図面には丸付きで示している。）ように電流の流れを生じさせる。

一方、トランス部２０の共通一次巻線２４への電流は矢印（４）（図面には丸付きで示している。）で示されるように流れるが、二次巻線２５Ａの矢印（３）で示すような電流の流れによって大方の電気的エネルギが消費され、他の二次巻線２４Ｂ〜二次巻線２４Ｆ端子の出力が出なくなる。

この結果、駆動回路１３〜駆動回路１８が作動できなくなって電動機１０への電力供給が滞るようになる。このように、電動機１０の回転を続けるために必要な、壊れたスイッチング素子Ｓｎ５のＷ相以外の他のＵ相及びＶ相の電源も無くなり電動機１０は停止することになる。

したがって、郊外や山間地でこのような故障を生じると自動車を動かせなくなり、運転者や同乗者の安全等に大きな悪影響を及ぼすことになる。このため、電動機を回転させて自動車を動かすことができるような、いわゆるリンプホーム機能が要求されている。

このような事象の対応策として特許文献１にあるように、各ＩＧＢＴの各ゲート回路に独立した６個のトランスを含む電源を接続することで、ＩＧＢＴのいずれか１個が短絡したりして故障しても、残りの電源が生きているので少なくとのＵ相、Ｖ相及びＷ相の内の２相の巻線によって電動機を回転することができる構成としている。

このようなリンプホーム機能を有する自動車用電力変換制御装置にあっては、上述したようにこの電力変換制御装置が自動車に搭載される環境であるため、その体格を小さくする、すなわち小型化して搭載性を向上することや、ハイブリッド車においてはガソリンエンジンの燃費を向上するため軽量化が要請されている。

しかしながら、特許文献１に記載の自動車用電力変換制御装置においては確かにリンプホーム機能を備えてはいるが、各ゲート回路にトランスを含む電源が６個必要なことから小型化や軽量化ができなく、上記した様な搭載性向上や燃費向上等の要請にこたえることができなかった。

次にこのようなリンプホーム機能を備えると共に、小型化及び軽量化の要請に対応する自動車用電力変換制御装置の一実施例について説明する。

本発明の一実施例になる自動車用電力変換制御装置の回路構成を図１に示しているが、図１に示す構成部品と共通する符号は同一物、或いは機能が均等のものを示している。

図１において、参照番号３０はＵ相の電力を制御する一対のスイッチング素子Ｓｎ１及びスイッチング素子Ｓｎ２よりなる単位半導体モジュール（以下、単位ＩＧＢＴモジュールという。）であり、同様に、Ｖ相の電力を制御する一対のスイッチング素子Ｓｎ３及びスイッチング素子Ｓｎ４よりなる単位ＩＧＢＴモジュール３１、Ｗ相の電力を制御する一対のスイッチング素子Ｓｎ５及びスイッチング素子Ｓｎ６よりなる単位ＩＧＢＴモジュール３２が備えられている。

単位ＩＢＧＴモジュール３０のスイッチング素子Ｓｎ１は駆動回路１３に接続され、またスイッチング素子Ｓｎ２は駆動回路１４に接続されており、この単位ＩＧＢＴモジュール３０に対応して駆動回路１３と駆動回路１４が単位駆動回路として構成されている。

また、単位ＩＢＧＴモジュール３１のスイッチング素子Ｓｎ３とスイッチング素子Ｓｎ４の駆動回路１５と駆動回路１６と、単位ＩＢＧＴモジュール３２のスイッチング素子Ｓｎ５とスイッチング素子Ｓｎ６の駆動回路１７と駆動回路１８も単位駆動回路として構成されていることはもちろんである。

そして、本発明では各単位ＩＧＢＴモジュール３０〜単位ＩＧＢＴモジュール３２のそれぞれの単位駆動回路に個別に独立した電源供給部３３を備えたことが特徴となっている。

尚、図１においてはＩＧＢＴモジュール３０の単位駆動回路専用の独立した電源供給部３３を示し、ＩＧＢＴモジュール３１、ＩＧＢＴモジュール３２の単位駆動回路専用の独立した電源供給部はその図示を省略しているが全て同じ構成となっている。

この電源供給部３３はトランス部３４と、このトランス部３４への電気的エネルギ供給を制御するＭＯＳ型ＦＥＴよりなるスイッチング素子３５と、電源ＩＣ３６及びコンデンサ３７より構成されている。

また、トランス部３４は鉄心と、この鉄心と電磁結合された１個の一次巻線３８と、この鉄心と電磁結合され駆動回路１３に接続される二次巻線３９、及びこの鉄心と電磁結合され駆動回路１４に接続される二次巻線４０より構成されている。これによって駆動回路１３及び駆動回路１４の電源が専用に独立して確保されている。

インダクタンスＬｕは配線のインダクタンスであり、これにより駆動回路１４の電源が変化しないようにスイッチング素子Ｓｎ２のエミッタを一点アースとして駆動回路１４のアース点を決定している。他のＩＧＢＴモジュール３１、ＩＧＢＴモジュール３２も同様である。

駆動回路１４の入力側の二次巻線４０とアースの間にフィードバック信号用の分割抵抗Ｒ１及びＲ２が設けられ、この分割抵抗Ｒ１及びＲ２の間の中間電圧信号により電源ＩＣ３６はＭＯＳ型ＦＥＴ３５を駆動し駆動回路１４への電圧が一定になるように制御している。

直流電源１２から入力される電気エネルギはコンデンサ３７に蓄えられ、トランス部３４を介して駆動回路１３及び駆動回路１４に電圧変換されて電圧が印加される。そして、駆動回路１３及び駆動回路１４はスイッチング素子Ｓｎ１及びスイッチング素子Ｓｎ２を駆動して電動機１０のＵ相の巻線に電力を供給するものである。

ここで、駆動回路１３に接続されたトランス部３４の二次巻線３９の一次巻線に対する巻線比は、駆動回路１４に接続された二次巻線４０の巻線比と同じにすることにより同一の電圧が出るように設定されている。

以上において、スイッチング素子Ｓｎ１〜スイッチング素子Ｓｎ６のいずれかの１個が故障しても電動機１０を回転させ続けるためには、故障したスイッチング素子で制御されていた１相（例えば、Ｕ相）以外の２相（例えば、Ｖ相及びＷ相）が動作可能で、かつ故障したスイッチング素子Ｓｎ１と対の関係にある正常なスイッチング素子Ｓｎ２がＯＦＦになる必要がある。

そこで、Ｕ相側の故障したスイッチング素子Ｓｎ１のゲートが短絡されると、この故障したスイッチング素子Ｓｎ１の駆動回路１３に接続された二次巻線３９に短絡電流が流れて一次巻線に入力された電気エネルギが消費され、対の関係にある正常なスイッチング素子Ｓｎ２に接続された駆動回路１４に電力が供給されないように作動する。すなわち、一方のスイッチング素子Ｓｎ１が故障して短絡すると、対の関係にある正常なスイッチング素子Ｓｎ２がＯＦＦとなるものである。

一方、他の２相は故障した１相とは独立した専用の直流電源を有しているので、この故障したＩＧＢＴの影響を受けることなく動作可能である。したがって、他の２相（Ｖ相及びＷ相）は故障した１相（Ｕ相）とは独立して動作が可能となり、電動機１０を継続して回転させることが可能となるものである。

このように、郊外や山間地で故障を生じても電動機を回転させて自動車を動かすことができるようにあり、運転者や同乗者の安全向上に大きく貢献できるものである。

また、トランスを含む電源供給部をＵ相、Ｖ相及びＷ相の個別に専用のトランスを含む直流電源を３個設けることによって、各スイッチング素子のゲートの駆動する駆動回路毎に６個の電源を設ける場合に比べてその体格が小型化され、且つ重量も軽減されるので、自動車として求められる搭載性向上や燃費向上等の要請にこたえることができる。

以上は、本発明の基本的な回路構成を説明したものであるが、本回路構成よりなる自動車用電力変換制御装置を実際に自動車に搭載する場合のより有利な回路構成部品の配置について説明する。

図２は自動車用電力変換制御装置を分解して斜め方向から見た斜視図であり、特に実装回路を収納するケースの内部を示している。

図２において、金属製のケース４１の内部には電動機１０を駆動するＩＧＢＴモジュールや、高電圧を電動機１０に送電するバスバーや、ＩＧＢＴモジュールを冷却する冷却機構等が配置されているが、これらは本発明とはさほど関連しないので詳細な説明は省略する。

ケース４１の互いに対向する外壁４２の内周壁面にはスイッチング素子Ｓｎ1とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ２よりなるＩＧＢＴモジュール３０、スイッチング素子Ｓｎ３とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ４よりなるＩＧＢＴモジュール３１、及びスイッチング素子Ｓｎ５とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ６よりなるＩＧＢＴモジュール３２がヒートシンク可能なように取り付けられている。

それぞれのスイッチング素子Ｓｎ1〜スイッチング素子Ｓｎ６には制御端子４３が設けられており、この制御端子４３はケース４１の外壁方向に沿って延びている。そしてこれらのそれぞれの制御端子４３は制御基板４４の端子孔４５に挿入されてハンダ付け等の方法で制御基板の回路構成部品と電気的に接続されている。

図３は制御基板４４の回路構成部品の配置状態を示した実装面を表しているが、この実装面は図２においてケース４１の内部側に面するものである。すなわち、制御基板４４の回路構成部品がケース４１に収納される構成となっている。

図３において、制御基板４４の中央付近には電動機１０の制御信号を生成するための低電圧制御回路部４６が配置され、この低電圧制御回路部４６の互いに対向する一辺の外方向側に各ＩＧＢＴモジュールの駆動回路と電源供給部が配置されている。

具体的には、図３に示す低電圧制御回路部４６の一辺である上方左側の外方向側には、Ｕ相のスイッチング素子Ｓｎ１を駆動する駆動回路１３と、このスイッチング素子Ｓｎ１と対をなすスイッチング素子Ｓｎ２を駆動する駆動回路１４が配置されている。各駆動回路１３及び駆動回路１４にはスイッチング素子Ｓｎ１及びスイッチング素子Ｓｎ２であるＩＧＢＴの制御端子が電気的に接続されている。

そして、駆動回路１３及び駆動回路１４の間に電源供給部３３を構成するトランス部３４と、ＭＯＳ型ＦＥＴのスイッチング素子３５を内蔵した電源ＩＣ３６が配置されている。尚、電源ＩＣ３６はスイッチング素子３５と別体であっても良く、この場合、スイッチング素子３５は電源ＩＣ３６の近くに配置されるようになる。

ここで、電源供給部３３を構成するトランス部３４と電源ＩＣ３６は低電圧制御回路部４６に隣接して配置されている。

同様に、図３に示す低電圧制御回路部４６の一辺である上方右側の外方向側には、Ｖ相のスイッチング素子Ｓｎ３を駆動する駆動回路１５と、このスイッチング素子Ｓｎ３と対をなすスイッチング素子Ｓｎ４を駆動する駆動回路１６が配置されている。各駆動回路１５及び駆動回路１６にはスイッチング素子Ｓｎ３及びスイッチング素子Ｓｎ４であるＩＧＢＴの制御端子が電気的に接続されている。

そして、駆動回路１５及び駆動回路１６の間にＶ相専用の電源供給部３３を構成するトランス部３４と、ＭＯＳ型ＦＥＴのスイッチング素子３５を内蔵した電源ＩＣ３６が配置されている。尚、電源ＩＣ３６はスイッチング素子３５と別体であっても良く、この場合、スイッチング素子３５は電源ＩＣ３６の近くに配置されるようになる。

ここでも、電源供給部３３を構成するトランス部３４と電源ＩＣ３６は低電圧制御回路部４６に隣接して配置されている。

したがって、低電圧制御回路部４６の一辺にＵ相とＶ相の２相の駆動回路と電源供給部が配置されるようになっており、ケース４１の形状が長方形である実装形状に適している。残りはＷ相の１相であるため当然長方形のケースに収めることができる。

更に、図３に示す低電圧制御回路部４６の他方の一辺である下方右側の外方向側には、Ｗ相のスイッチング素子Ｓｎ５を駆動する駆動回路１７と、このスイッチング素子Ｓｎ５と対をなすスイッチング素子Ｓｎ６を駆動する駆動回路１８が配置されている。各駆動回路１７及び駆動回路１８にはスイッチング素子Ｓｎ５及びスイッチング素子Ｓｎ６であるＩＧＢＴの制御端子が電気的に接続されている。

そして、駆動回路１７及び駆動回路１８の間にＷ相専用の電源供給部３３を構成するトランス部３４と、ＭＯＳ型ＦＥＴのスイッチング素子３５を内蔵した電源ＩＣ３６が配置されている。尚、電源ＩＣ３６はスイッチング素子３５と別体であっても良く、この場合、スイッチング素子３５は電源ＩＣ３６の近くに配置されるようになる。

図３からわかるように、駆動回路１３と駆動回路１４は紙面に対して平面視でほぼ同形状でしかもトランス３４と電源ＩＣ３６を境に対称に配置されている。同様に、駆動回路１５と駆動回路１６、及び駆動回路１７と駆動回路１８も紙面に対して平面視でほぼ同形状でしかもトランス３４と電源ＩＣ３６を境に対称に配置されている。

また、各ＩＧＢＴモジュール３０、３１、３２の接続端子４３は各駆動回路１３〜駆動回路１８の外周で接続されるように構成されている。

そして、低電圧制御回路部４６と各駆動回路１３〜駆動回路１８との電気的な制御信号のやり取りは、低電圧制御回路部４６と各駆動回路１３〜駆動回路１８の間に介装されたＵ相側フォトカプラ４７、Ｖ相側フォトカプラ４８、Ｗ相側フォトカプラ４９によって行われている。

このような制御基板４４の回路構成部品の配置の主な特徴は、（１）低電圧制御回路部４６の互いに対向する側に各駆動回路１３〜駆動回路１８を配置したこと、（２）各相で対となるスイッチング素子の駆動回路の間に各相専用の電源供給部であるトランス部と電源ＩＣ（ＭＯＳ型ＦＥＴ内臓でない場合はＭＯＳ型ＦＥＴは別体に配置される）を配置したこと、（３）各相専用の電源供給部であるトランス部と電源ＩＣを低電圧制御回路部４６に隣接して配置したこと、（４）ＩＧＢＴよりなるスイッチング素子との接続部を各駆動回路１３〜駆動回路１８の外側に配置したこと、（５）各相の対となる駆動回路が実質同形状で、トランス部と電源ＩＣを境にして対称に配置されていること、である。

このような配置構成を採用したので、各相毎に独立して電源供給部や駆動回路を合理的に配置することが可能となる。

また、低電圧制御回路４６、フォトカプラ４７〜フォトカプラ４９、各駆動回路１３〜駆動回路１８及びＩＧＢＴモジュールの接続端子といった方向に順次その電位が高くなる方向に配置しているので電気的な絶縁確保の上で有利な配置となっている。

更に２相の駆動回路等を並べて配置したので、自動車への搭載上のレイアウトで長方形のケースが求められたときに適用が容易である。

更に、各相の対となる駆動回路が実質同形状で、トランス部と電源ＩＣを境にして対称とされる構成としたので生産性に優れている。

次に、自動車用電力変換制御装置を実際に自動車に搭載する場合の別の有利な回路構成部品の配置について説明する。

図４は図２と同様に自動車用電力変換制御装置を分解して斜め方向から見た斜視図であり、特に実装回路を収納するケースの内部を示している。

図４において、金属製のケース５０の内部には電動機１０を駆動するＩＧＢＴモジュールや、高電圧を電動機１０に送電するバスバーや、ＩＧＢＴモジュールを冷却する冷却機構等が配置されているが、詳細な説明は省略する。

ケース５０の三辺の外壁５１の内周壁面にはそれぞれ一辺毎に、スイッチング素子Ｓｎ1とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ２よりなるＩＧＢＴモジュール３０、スイッチング素子Ｓｎ３とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ４よりなるＩＧＢＴモジュール３１、及びスイッチング素子Ｓｎ５とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ６よりなるＩＧＢＴモジュール３２がヒートシンク可能なように取り付けられている。

それぞれのスイッチング素子Ｓｎ1〜スイッチング素子Ｓｎ６には制御端子４３が設けられており、この制御端子４３はケース５０の外壁方向に沿って延びている。そしてこれらのそれぞれの制御端子４３は制御基板５２の端子孔５３に挿入されてハンダ付け等の方法で制御基板の回路構成部品と電気的に接続されている。

図５は制御基板５２の回路構成部品の配置状態を示した実装面を表しているが、この実装面は図４においてケース５０の内部側に面するものである。すなわち、制御基板５２の回路構成部品がケース５０に収納される構成となっている。

図５において、制御基板５２の一辺側に寄せて電動機１０の制御信号を生成するための形状がほぼ矩形状の低電圧制御回路部５４が配置され、この外側の三辺の周囲に各ＩＧＢＴモジュールの駆動回路と電源供給部が配置されている。

具体的には、図５に示す制御基板５２に配置された低電圧制御回路部５４の左側の一辺側には、Ｕ相のスイッチング素子Ｓｎ１を駆動する駆動回路１３と、このスイッチング素子Ｓｎ１と対をなすスイッチング素子Ｓｎ２を駆動する駆動回路１４が配置されている。各駆動回路１３及び駆動回路１４の外周側にはスイッチング素子Ｓｎ１及びスイッチング素子Ｓｎ２であるＩＧＢＴの制御端子４３が電気的に接続されている。

ここで、電源供給部３３を構成するトランス部３４と電源ＩＣ３６は低電圧制御回路部５４の左側の一辺に隣接して配置されている。

同様に、図５に示す制御基板５２に配置された低電圧制御回路部５４の上方中央側の一辺側には、Ｖ相のスイッチング素子Ｓｎ３を駆動する駆動回路１５と、このスイッチング素子Ｓｎ３と対をなすスイッチング素子Ｓｎ４を駆動する駆動回路１６が配置されている。各駆動回路１５及び駆動回路１６の外周側にはスイッチング素子Ｓｎ３及びスイッチング素子Ｓｎ４であるＩＧＢＴの制御端子４３が電気的に接続されている。

ここでも、電源供給部３３を構成するトランス部３４と電源ＩＣ３６は低電圧制御回路部５４の上方中央側の一辺側に隣接して配置されている。

更に、図５に示す制御基板５２に配置された低電圧制御回路部５４の右側の一辺側には、Ｗ相のスイッチング素子Ｓｎ５を駆動する駆動回路１７と、このスイッチング素子Ｓｎ５と対をなすスイッチング素子Ｓｎ６を駆動する駆動回路１８が配置されている。各駆動回路１７及び駆動回路１８の外周側にはスイッチング素子Ｓｎ５及びスイッチング素子Ｓｎ６であるＩＧＢＴの制御端子４３が電気的に接続されている。

ここでも、電源供給部３３を構成するトランス部３４と電源ＩＣ３６は低電圧制御回路部５４の右側の一辺側に隣接して配置されている。

そして、低電圧制御回路部５４と各駆動回路１３〜駆動回路１８との電気的な制御信号のやり取りは、低電圧制御回路部５４と各駆動回路１３〜駆動回路１８の間に介装されたＵ相側フォトカプラ４７、Ｖ相側フォトカプラ４８、Ｗ相側フォトカプラ４９によって行われている。

このような制御基板５２の回路構成部品の配置の主な特徴は、（１）低電圧制御回路部５４の三辺側のそれぞれに各相の駆動回路１３〜駆動回路１８を配置したこと、（２）各相で対となるスイッチング素子の駆動回路の間に各相専用の電源供給部であるトランス部と電源ＩＣ（ＭＯＳ型ＦＥＴ内臓でない場合はＭＯＳ型ＦＥＴは別体に配置される）を配置したこと、（３）各相専用の電源供給部であるトランス部と電源ＩＣを低電圧制御回路部５４に隣接して配置したこと、（４）ＩＧＢＴよりなるスイッチング素子との接続部を各駆動回路１３〜駆動回路１８の外側に配置した、ことである。

尚、この実施例においても実施例２で示したように、駆動回路１３と駆動回路１４、駆動回路１５と駆動回路１６、及び駆動回路１７と駆動回路１８を紙面に対して平面視でほぼ同形状でしかもトランス３４と電源ＩＣ３６を境に対称に配置するように構成しても良い。

また、低電圧制御回路部５４、フォトカプラ４７〜フォトカプラ４９、各駆動回路１３〜駆動回路１８及びＩＧＢＴモジュールの接続端子といった方向に順次その電位が高くなる方向に配置しているので電気的な絶縁確保の上で有利な配置となっている。

更に、３相の駆動回路等を低電圧制御回路部５４の一辺ごとに三辺に分けて配置したので、自動車への搭載上のレイアウトで正方形のケースが求められたときに適用が容易である。

更に、低電圧制御回路部５４からの駆動信号配線が各相の駆動回路毎に均等かつ短縮できるので、制御信号や駆動信号の配線長が長くなることによる信号の劣化や信号伝達の遅延及び駆動回路毎による信号遅延の差を防ぐことができるといった効果が期待できる。

次に、自動車用電力変換制御装置を実際に自動車に搭載する場合の更に別の有利な回路構成部品の配置について説明する。

図６は図２と同様に自動車用電力変換制御装置を分解して斜め方向から見た斜視図であり、特に実装回路を収納するケースの内部を示している。

図６において、金属製のケース６０の内部には電動機１０を駆動するＩＧＢＴモジュールや、高電圧を電動機１０に送電するバスバーや、ＩＧＢＴモジュールを冷却する冷却機構等が配置されているが、詳細な説明は省略する。

ケース６０の左側の内部空間領域には、スイッチング素子Ｓｎ1とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ２よりなるＩＧＢＴモジュール３０、スイッチング素子Ｓｎ３とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ４よりなるＩＧＢＴモジュール３１、及びスイッチング素子Ｓｎ５とこれと対になるスイッチング素子Ｓｎ６よりなるＩＧＢＴモジュール３２が並べて取り付けられている。

それぞれのスイッチング素子Ｓｎ1〜スイッチング素子Ｓｎ６には前述したように制御端子４３が設けられており、この制御端子４３はケース６０開口端方向に沿って延びている。そしてこれらのそれぞれの制御端子４３は制御基板６１の端子孔６２に挿入されてハンダ付け等の方法で制御基板６１の回路構成部品と電気的に接続されている。

図７は制御基板６１の回路構成部品の配置状態を示した実装面を表しているが、この実装面は図６においてケース６０の内部側に面するものである。すなわち、制御基板６１の回路構成部品がケース６０に収納される構成となっている。

図７において、制御基板６１の右側の領域に寄せて電動機１０の制御信号を生成するための低電圧制御回路部６３が配置され、この低電圧制御回路部６３の左側領域に各ＩＧＢＴモジュールの駆動回路と電源供給部が配置されている。

この場合、左側の領域と右側の領域の広さはそれぞれ低電圧制御回路部６３や各相の駆動回路、電源供給部の大きさによって適宜選択されるものである。

具体的には、図７に示す制御基板６１の左側の領域には、Ｕ相のスイッチング素子Ｓｎ１を駆動する駆動回路１３と、このスイッチング素子Ｓｎ１と対をなすスイッチング素子Ｓｎ２を駆動する駆動回路１４が配置されている。各駆動回路１３及び駆動回路１４にはスイッチング素子Ｓｎ１とスイッチング素子Ｓｎ２であるＩＧＢＴの制御端子４３が電気的に接続されている。

ここで、駆動回路１３と駆動回路１４は図面上では横に並べて配置されている。つまり、低電圧制御回路部６３に対していずれか一個の駆動回路が対向するように長手方向に２段に配置されている。

同様に、図７に示す制御基板６１の左側の領域には、Ｖ相のスイッチング素子Ｓｎ３を駆動する駆動回路１５と、このスイッチング素子Ｓｎ３と対をなすスイッチング素子Ｓｎ４を駆動する駆動回路１６が配置されている。各駆動回路１５及び駆動回路１６にはスイッチング素子Ｓｎ３及びスイッチング素子Ｓｎ４であるＩＧＢＴの制御端子が電気的に接続されている。

ここで、駆動回路１５と駆動回路１６は図面上では横に並べて配置されている。つまり、低電圧制御回路部６３に対していずれか一個の駆動回路が対向するように長手方向に２段に配置されている。

更に、図７に示す制御基板６１の左側の領域には、Ｗ相のスイッチング素子Ｓｎ５を駆動する駆動回路１７と、このスイッチング素子Ｓｎ５と対をなすスイッチング素子Ｓｎ６を駆動する駆動回路１８が配置されている。各駆動回路１７及び駆動回路１８にはスイッチング素子Ｓｎ５及びスイッチング素子Ｓｎ６であるＩＧＢＴの制御端子が電気的に接続されている。

ここで、駆動回路１７と駆動回路１８は図面上では横に並べて配置されている。つまり、低電圧制御回路部６３に対していずれか一個の駆動回路が対向するように長手方向に２段に配置されている。また、各相毎に駆動回路、電源供給部、駆動回路の組み合せで３列にわたって取り付けられている。

そして、低電圧制御回路部６３と各駆動回路１３〜駆動回路１８との電気的な制御信号のやり取りは、低電圧制御回路部６３と各駆動回路１３〜駆動回路１８の間に介装されたＵ相側フォトカプラ４７、Ｖ相側フォトカプラ４８、Ｗ相側フォトカプラ４９によって行われている。

ここで、Ｕ相側フォトカプラ４７、Ｖ相側フォトカプラ４８、Ｗ相側フォトカプラ４９は実質同一線上に位置されている。つまり、低電圧制御回路部６３の一辺側に対向して各相の駆動回路が対向配置されているため、低電圧制御回路部６３の一辺に沿ってすべてのフォトカプラ４７〜４９を配置することができる。もちろん、フォトカプラと各駆動回路１３〜駆動回路１８とは配線によって接続されている。

このような制御基板６１の回路構成部品の配置の主な特徴は、（１）低電圧制御回路部６３の一辺側に対向して各相の駆動回路１３〜駆動回路１８を長手方向に２段にしてその半分を配置したこと、（２）各相で対となるスイッチング素子の駆動回路の間に各相専用の電源供給部であるトランス部と電源ＩＣ（ＭＯＳ型ＦＥＴ内臓でない場合はＭＯＳ型ＦＥＴは別体に配置される）を配置したこと、（３）Ｕ相側フォトカプラ４７、Ｖ相側フォトカプラ４８及びＷ相側フォトカプラ４９を低電圧制御回路部６３の一辺に沿って同一線上に配置した、ことである。

この実施例においても実施例２で示したように、駆動回路１３と駆動回路１４、駆動回路１５と駆動回路１６、及び駆動回路１７と駆動回路１８を紙面に対して平面視でほぼ同形状でしかもトランス３４と電源ＩＣ３６を境に対称に配置するように構成しても良い。

また、低電圧制御回路部６３、フォトカプラ４７〜フォトカプラ４９、各駆動回路１３〜駆動回路１８及びＩＧＢＴモジュールの接続端子といった方向に順次その電位が高くなる方向に配置しているので電気的な絶縁確保の上で有利な配置となっている。

また、フォトカプラを同一線上にすべて配置したので、図３及び図５にあるようにフォトカプラの設置面積を縮小でき、結果として基板面積を縮小できる効果が期待できる。

１０…電動機、Ｓｎ１〜Ｓｎ６…ＩＧＢＴよりなるスイッチング素子、１３〜１８…駆動回路、３０〜３２…単位ＩＧＢＴモジュール、３３…電源供給部、３４…トランス部、３５…ＭＯＳ型ＦＥＴよりなるスイッチング素子、３６…電源ＩＣ、３８…一次巻線、３９、４０…二次巻線、４１…ケース、４２…外壁、４３…制御端子、４４…制御基板、４５…端子孔、４６…低電圧制御回路部、４７…Ｕ相側フォトカプラ、４８…Ｖ相側フォトカプラ、４９…Ｗ相側フォトカプラ、５０…ケース、５１…外壁、５２…制御基板、５３…端子孔、５４…低電圧制御回路部、６０…ケース、６１…制御基板、６２…端子孔、６３…低電圧制御回路部。

Claims

電動機のＵ相巻線と接続された一対のＵ相側パワー半導体素子と、前記電動機のＶ相巻線と接続された一対のＶ相側パワー半導体素子と、前記電動機のＷ相巻線と接続された一対のＷ相側パワー半導体素子と、前記Ｕ相側パワー半導体素子を駆動する一対のＵ相側駆動回路と、前記Ｖ相側パワー半導体素子を駆動する一対のＶ相側駆動回路と、前記Ｗ相側パワー半導体素子を駆動する一対のＷ相側駆動回路と、前記一対のＵ相側駆動回路に電源を供給するＵ相側電源供給部と、前記Ｕ相側直流電源とは独立して前記一対のＶ相側駆動回路に電源を供給するＶ相側電源供給部と、前記Ｕ相側直流電源及び前記Ｖ相側直流電源とは独立して前記一対のＷ相側駆動回路に電源を供給するＷ相側電源供給部とを備えたことを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項１に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記一対のＵ相側パワー半導体素子の一方のエミッタと他方のコレクタとが前記Ｕ相側巻線に接続され、前記一対のＶ相側パワー半導体素子の一方のエミッタと他方のコレクタとが前記Ｖ相側巻線に接続され、前記一対のＷ相側パワー半導体素子の一方のエミッタと他方のコレクタとが前記Ｗ相側巻線に接続され、
前記一対のＵ相側パワー半導体素子の夫々のゲートが前記一対のＵ相側駆動回路と接続され、前記一対のＶ相側パワー半導体素子の夫々のゲートが前記一対のＶ相側駆動回路と接続され、前記一対のＷ相側パワー半導体素子の夫々のゲートが前記一対のＷ相側駆動回路と接続され、
前記一対のＵ相側駆動回路が少なくともトランス部と電源ＩＣを含むＵ相側直流電源と接続され、前記一対のＶ相側駆動回路が少なくともトランス部と電源ＩＣを含むＶ相側直流電源と接続され、前記一対のＷ相側駆動回路が少なくともトランス部と電源ＩＣを含むＷ相側直流電源と接続されていることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項２に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記Ｕ相側直流電源、Ｖ相側直流電源、及びＷ相側直流電源は少なくとも鉄心と一次巻線と夫々の駆動回路に接続された二次巻線とを含んでいることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
直流電流を３相の交流電流に変換して電動機を駆動するパワー半導体素子よりなるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを駆動する駆動回路を備えた自動車用電力変換制御装置において、
前記パワー半導体モジュール及び前記駆動回路は前記３相の交流電流に対応して３個の単位半導体モジュールと３個の単位駆動回路より構成され、前記単位駆動回路の電源供給部をそれぞれ独立して設けたことを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
直流電流を３相の交流電流に変換するため一相毎に一対のパワー半導体素子を備えた３個の単位半導体モジュールが収容された金属製のケースと、前記単位半導体モジュールの一対のパワー半導体素子を駆動する３個の単位駆動回路、前記単位駆動回路にそれぞれ独立して電力を供給する３個の電源供給装置、及び前記単位駆動回路を制御する低電圧制御回路部を設けた制御基板を備え、
制御基板には、その中央部付近に前記低電圧制御回路部が配置され、前記低電圧制御回路部の対向する一方の一辺の外方向側に２相の単位駆動回路とこれの電源供給装置を配置し、前記低電圧制御回路部の対向する他方の一辺側に残りの１相の単位駆動回路とこれの電源供給装置を配置したことを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項５に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記単位駆動回路を構成する一対の駆動回路は並べて配置されており、前記一対の駆動回路の間に少なくとも共通の電源供給装置が配置されていることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項６に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記共通の電源供給装置を境にして、ほぼ同形状の前記駆動回路が対称に配置されていることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
直流電流を３相の交流電流に変換するため一相毎に一対のパワー半導体素子を備えた３個の単位半導体モジュールが収容された金属製のケースと、前記単位半導体モジュールの一対のパワー半導体素子を駆動する３個の単位駆動回路、前記単位駆動回路にそれぞれ独立して電力を供給する３個の電源供給装置、及び前記単位駆動回路を制御する低電圧制御回路部を設けた制御基板を備え、
制御基板には、その一辺に寄せてほぼ矩形状の前記低電圧制御回路部が配置され、前記低電圧制御回路部の三辺に夫々１相毎に単位駆動回路とこれの電源供給装置を配置したことを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項８に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記単位駆動回路を構成する一対の駆動回路は並べて配置されており、前記一対の駆動回路の間に少なくとも共通の電源供給装置が配置されていることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項９に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記共通の電源供給装置を境にして、ほぼ同形状の駆動回路が対称に配置されていることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
直流電流を３相の交流電流に変換するため一相毎に一対のパワー半導体素子を備えた３個の単位半導体モジュールが収容された金属製のケースと、前記単位半導体モジュールの一対のパワー半導体素子を駆動する３個の単位駆動回路、前記単位駆動回路にそれぞれ独立して電力を供給する３個の電源供給装置、及び前記単位駆動回路を制御する低電圧制御回路部を設けた制御基板を備え、
制御基板には、一方の領域に寄せて前記低電圧制御回路部が配置され、前記低電圧制御回路部の他方の領域に１相毎に単位駆動回路とこれの電源供給装置を対として３列に配置したことを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項１１に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記単位駆動回路を構成する一対の駆動回路は並べて配置されており、前記一対の駆動回路の間に少なくとも共通の電源供給装置が配置されていることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。
請求項１２に記載の自動車用電力変換制御装置において、
前記共通の電源供給装置を境にして、ほぼ同形状の駆動回路が対称に配置されていることを特徴とする自動車用電力変換制御装置。