JP2013115870A - Power conversion device - Google Patents

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Yasuhisa Tasaka
泰久 田坂
Kenichi Kimijima
健一 君島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device that supports high frequency drive by stabilizing supply voltages.SOLUTION: A plurality of high side transistor units mh are provided for each phase, and are disposed between an output terminal OUT of the corresponding phase and a higher power line LP electrically in parallel and with independent control terminals. A plurality of high side gate drive circuits 10H_U1-U3 output gate drive signals to a plurality of corresponding high side transistor units mhu1-3. A plurality of high side power circuits 14H_U1-U3 feed supply voltages VDDH_U1-U3 to the corresponding high side gate drive circuits 10H_U1-U3. A lower arm is similarly divided into a plurality of low side transistor units.

Description

本発明は、電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device.

図1は、一般的な電力変換装置(インバータ)2rの回路図である。電力変換装置2rは、モータをはじめとする負荷4を駆動するために利用される。電力変換装置2は、各相(U〜W)ごとに設けられたハイサイドトランジスタMH(U〜W)およびローサイドトランジスタML(U〜W)と、各相のハイサイドトランジスタMH(U〜W)を駆動するゲートドライブ回路10H、ローサイドトランジスタML(U〜W)を駆動するゲートドライブ回路10L、ゲートドライブ回路10H、10Lに対して電源電圧VDDH、VDDLを供給する電源回路14と、ゲートドライブ回路10H、10Lに対する制御指令S1を生成するコントローラ12と、を備える。   FIG. 1 is a circuit diagram of a general power converter (inverter) 2r. The power converter 2r is used for driving a load 4 including a motor. The power conversion device 2 includes a high side transistor MH (U to W) and a low side transistor ML (U to W) provided for each phase (U to W), and a high side transistor MH (U to W) of each phase. A gate drive circuit 10H for driving the low-side transistor ML (U to W), a power supply circuit 14 for supplying power supply voltages VDDH and VDDL to the gate drive circuits 10H and 10L, and a gate drive circuit 10H And a controller 12 that generates a control command S1 for 10L.

図2は、本発明者らが検討した電力変換装置2rのレイアウトの断面図である。電力変換装置2rは、3つのカードに分けて構成される。コントローラカード30には、主としてコントローラ12および電源回路14が搭載される。ゲートドライブカード32には、ゲートドライブ回路10H、10Lが搭載される。出力段カード34には、U,V,W相のハイサイドトランジスタMHおよびローサイドトランジスタMLが搭載される。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the layout of the power conversion device 2r examined by the present inventors. The power conversion device 2r is divided into three cards. The controller card 30 mainly includes the controller 12 and the power supply circuit 14. Gate drive circuits 10H and 10L are mounted on the gate drive card 32. The output stage card 34 is equipped with U-, V-, and W-phase high-side transistors MH and low-side transistors ML.

コントローラカード30とゲートドライブカード32それぞれにはコネクタCN1、CN2が設けられ、コントローラカード30とゲートドライブカード32は、配線WR1を介して電気的に接続される。制御指令S1および電源電圧VDDH、VDDLは、この配線WR1を介して伝送される。   Connectors CN1 and CN2 are provided on the controller card 30 and the gate drive card 32, respectively, and the controller card 30 and the gate drive card 32 are electrically connected via the wiring WR1. Control command S1 and power supply voltages VDDH and VDDL are transmitted through this wiring WR1.

ゲートドライブ回路10HとハイサイドトランジスタMHU〜MHWの間、ゲートドライブ回路10LとローサイドトランジスタMLU〜MLWの間は、制御信号ピン36を介して接続される。ゲートドライブ回路10から出力されるゲートドライブ信号S2は、制御信号ピン36を介してハイサイドトランジスタMHおよびローサイドトランジスタMLのゲートに入力される。   The gate drive circuit 10H and the high side transistors MHU to MHW and the gate drive circuit 10L and the low side transistors MLU to MLW are connected via a control signal pin 36. The gate drive signal S2 output from the gate drive circuit 10 is input to the gates of the high side transistor MH and the low side transistor ML via the control signal pin 36.

特開2003−125588号公報JP 2003-125588 A

図2のレイアウトでは、コントローラ12とハイサイドトランジスタMH、ローサイドトランジスタMLとの電気的な距離が離れているため、コントローラ12とゲートドライブ回路10H、10Lとの間の電源電圧VDDH、VDDLの供給経路(電源ラインともいう)に、無視できない寄生インピーダンス成分、すなわちインダクタンス成分や抵抗成分が存在する。電源電圧VDDH、VDDLは、寄生インピーダンス成分が大きいほど不安定になる。   In the layout of FIG. 2, since the electrical distance between the controller 12 and the high-side transistor MH and the low-side transistor ML is large, supply paths of the power supply voltages VDDH and VDDL between the controller 12 and the gate drive circuits 10H and 10L. (Also referred to as a power supply line) has a parasitic impedance component that cannot be ignored, that is, an inductance component and a resistance component. The power supply voltages VDDH and VDDL become unstable as the parasitic impedance component increases.

近年、フォークリフトをはじめとする産業用車両では、インバータの高周波化(高速化)がトレンドとなっているが、そのためにはゲートドライブ回路10に対する電源電圧VDDH、VDDLが安定化される必要がある。図2のレイアウトを採用する場合、電源電圧VDDH、VDDLを安定化するために、ゲートドライブ回路10H、10Lの電源端子それぞれの直近に、大容量の平滑化コンデンサを接続する必要がある。大容量の平滑化コンデンサは、コスト、面積、発熱等の観点から望ましくない。   In recent years, industrial vehicles such as forklifts have been trending toward higher frequency (higher speed) of inverters. For this purpose, power supply voltages VDDH and VDDL for the gate drive circuit 10 need to be stabilized. When the layout of FIG. 2 is adopted, in order to stabilize the power supply voltages VDDH and VDDL, it is necessary to connect a large-capacity smoothing capacitor in the immediate vicinity of the power supply terminals of the gate drive circuits 10H and 10L. A large-capacity smoothing capacitor is not desirable from the viewpoint of cost, area, heat generation, and the like.

特許文献1には、インバータなどのゲート駆動回路が開示されている。特許文献1の技術では、スイッチング素子(ハイサイドトランジスタ、ローサイドトランジスタ)、ゲート駆動回路、保護回路、それらに電源電圧を供給する電源回路が、単一モジュール化されている。この構成によれば電源回路とゲート駆動回路の電気的な距離が近くなるため、寄生インピーダンスは低減することができる。しかしながら、単一の電源回路によって、ゲート駆動回路、保護回路等すべてのブロックに対する電源電圧を生成する必要があるため、やはり大容量の平滑化コンデンサが必要となる。また、産業用車両を用途とするインバータでは、大容量化(高出力化)が求められるところ、すべてのユニットを単一モジュール化することは、熱設計の観点から困難である。さらに、単一モジュール化すると、トランジスタのスイッチングノイズが大きくなり、誤動作が問題となる。   Patent Document 1 discloses a gate drive circuit such as an inverter. In the technique of Patent Document 1, a switching element (high-side transistor, low-side transistor), a gate drive circuit, a protection circuit, and a power supply circuit that supplies a power supply voltage to them are formed into a single module. According to this configuration, since the electrical distance between the power supply circuit and the gate drive circuit is reduced, the parasitic impedance can be reduced. However, since it is necessary to generate the power supply voltage for all the blocks such as the gate drive circuit and the protection circuit by a single power supply circuit, a large-capacity smoothing capacitor is still necessary. In addition, in an inverter that uses an industrial vehicle, a large capacity (high output) is required. However, it is difficult to make all units into a single module from the viewpoint of thermal design. Further, when a single module is used, the switching noise of the transistor increases, and malfunctions become a problem.

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、特許文献1とは別のアプローチによって、電源電圧を安定化して高周波駆動に対応可能な電力変換装置の提供にある。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and one of exemplary purposes of an aspect thereof is power conversion that can stabilize power supply voltage and cope with high-frequency driving by an approach different from Patent Document 1. In providing equipment.

本発明のある態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、上側電源ラインと、下側電源ラインと、複数のハイサイドトランジスタユニットと、複数のローサイドトランジスタユニットと、それぞれがハイサイドトランジスタユニットごとに設けられ、対応するハイサイドトランジスタユニットにゲートドライブ信号を出力する複数のハイサイドゲートドライブ回路と、それぞれがローサイドトランジスタユニットごとに設けられ、対応するローサイドトランジスタユニットにゲートドライブ信号を出力する複数のローサイドゲートドライブ回路と、それぞれがハイサイドゲートドライブ回路ごとに設けられ、対応するハイサイドゲートドライブ回路に電源電圧を供給する複数のハイサイド電源回路と、それぞれがローサイドゲートドライブ回路ごとに設けられ、対応するローサイドゲートドライブ回路に電源電圧を供給する複数のローサイド電源回路と、を備える。
複数のハイサイドトランジスタユニットは、各相ごとに設けられ、対応する相の出力端子と上側電源ラインの間に、電気的に並列に、かつ制御端子が独立して設けられる。複数のローサイドトランジスタユニットは、各相ごとに設けられ、対応する相の出力端子と下側電源ラインの間に、電気的に並列に、かつ制御端子が独立して設けられる。
One embodiment of the present invention relates to a power converter. The power conversion device includes an upper power supply line, a lower power supply line, a plurality of high-side transistor units, and a plurality of low-side transistor units, each provided for each high-side transistor unit, and gated to the corresponding high-side transistor unit. Multiple high-side gate drive circuits that output drive signals, each provided for each low-side transistor unit, and multiple low-side gate drive circuits that output gate drive signals to the corresponding low-side transistor units, each of which is a high-side gate drive A plurality of high-side power supply circuits that are provided for each circuit and supply a power supply voltage to the corresponding high-side gate drive circuit, each provided for each low-side gate drive circuit, and corresponding low-side gate drive circuits And a plurality of low-side power supply circuit for supplying a power supply voltage to over preparative drive circuit.
The plurality of high-side transistor units are provided for each phase, and the control terminals are provided independently in parallel between the output terminals of the corresponding phases and the upper power supply lines. The plurality of low-side transistor units are provided for each phase, and the control terminals are provided independently in parallel between the output terminals of the corresponding phases and the lower power supply line.

この態様によると、ハイサイドトランジスタ、ローサイドトランジスタをそれぞれ複数のトランジスタユニットに分割し、トランジスタユニットごとに、ゲートドライブ回路および電源回路を分割して構成することにより、分割しない場合に比べて柔軟なレイアウトが可能となる。その結果、電源回路からゲートドライブ回路に供給される電源電圧の供給経路(電源ライン)のインピーダンスを小さくでき、また電源回路もトランジスタユニットごとに分割されているため、小さな平滑化コンデンサでも電源電圧を安定化することが可能となり、ひいては高周波駆動に対応できる。   According to this aspect, the high-side transistor and the low-side transistor are each divided into a plurality of transistor units, and the gate drive circuit and the power supply circuit are divided and configured for each transistor unit, thereby providing a flexible layout as compared with the case where the transistor is not divided. Is possible. As a result, the impedance of the supply path (power supply line) of the power supply voltage supplied from the power supply circuit to the gate drive circuit can be reduced, and the power supply circuit is divided for each transistor unit, so the power supply voltage can be reduced even with a small smoothing capacitor. It becomes possible to stabilize, and as a result, it can respond to a high frequency drive.

複数のハイサイドトランジスタユニット、複数のローサイドトランジスタユニット、複数のハイサイドゲートドライブ回路、複数のローサイドゲートドライブ回路、複数のハイサイド電源回路、複数のローサイド電源回路は、同一のレイヤにレイアウトされてもよい。
この場合、ゲートドライブ回路と対応する電源回路を同一レイヤに隣接して配置することができ、プリント基板上の短い配線で電源電圧を供給することができる。
Multiple high-side transistor units, multiple low-side transistor units, multiple high-side gate drive circuits, multiple low-side gate drive circuits, multiple high-side power supply circuits, and multiple low-side power supply circuits may be laid out on the same layer Good.
In this case, the power supply circuit corresponding to the gate drive circuit can be arranged adjacent to the same layer, and the power supply voltage can be supplied by a short wiring on the printed circuit board.

レイヤは、複数の基板に分割されてもよい。各基板には、ハイサイドトランジスタユニット、それと対応するハイサイドゲートドライブ回路、それと対応するハイサイド電源回路、ローサイドトランジスタユニット、それと対応するローサイドゲートドライブ回路、それと対応するローサイド電源回路のセットが少なくともひとつ搭載されてもよい。   The layer may be divided into a plurality of substrates. Each substrate has at least one set of a high-side transistor unit, a corresponding high-side gate drive circuit, a corresponding high-side power supply circuit, a low-side transistor unit, a corresponding low-side gate drive circuit, and a corresponding low-side power supply circuit. It may be mounted.

レイヤは、複数の基板に分割されてもよい。各基板には、(1)同相の複数のハイサイドトランジスタユニット、それらと対応する複数のハイサイドゲートドライブ回路、それらと対応する複数のハイサイド電源回路のセットと、(2)同相の複数のローサイドトランジスタユニット、それらと対応する複数のローサイドゲートドライブ回路、それらと対応する複数のローサイド電源回路のセットの少なくとも一方が搭載されてもよい。
基板を複数に分割すると、それを増減することができ、負荷に応じて電力変換装置の容量を設計するのが容易となる。
The layer may be divided into a plurality of substrates. Each substrate includes (1) a plurality of high-side transistor units in phase, a plurality of high-side gate drive circuits corresponding to them, a set of a plurality of high-side power supply circuits corresponding to them, and (2) a plurality of in-phase At least one of a low-side transistor unit, a plurality of low-side gate drive circuits corresponding to them, and a set of a plurality of low-side power supply circuits corresponding to them may be mounted.
When the substrate is divided into a plurality of parts, it can be increased or decreased, and the capacity of the power conversion device can be easily designed according to the load.

基板は、金属ベース基板であってもよい。金属ベース基板を用いることで放熱性を高めることができる。   The substrate may be a metal base substrate. Heat dissipation can be improved by using a metal base substrate.

複数のハイサイドトランジスタユニット、複数のローサイドトランジスタユニット、複数のハイサイドゲートドライブ回路、複数のローサイドゲートドライブ回路は、第1レイヤに搭載され、複数のハイサイド電源回路、複数のローサイド電源回路は、第2レイヤに搭載されてもよい。各ハイサイド電源回路からそれぞれに対応するハイサイドゲートドライブ回路に対する電源電圧、各ローサイド電源回路からそれぞれに対応するローサイドゲートドライブ回路に対する電源電圧は、第1レイヤと第2レイヤを接続する低インピーダンス配線を介して供給されてもよい。ハイサイド電源回路およびローサイド電源回路はそれぞれ、対応する低インピーダンス配線の近傍に配置され、ハイサイドゲートドライブ回路およびローサイドゲートドライブ回路はそれぞれ、対応する低インピーダンス配線の近傍に配置されてもよい。
2つのレイヤに分けて構成した場合であっても、ゲートドライブ回路と電源回路を互いにオーバーラップする位置に配置して低インピーダンス配線で接続すれば、電源電圧の供給経路、つまり電源ラインのインピーダンスを下げることができる。
The plurality of high-side transistor units, the plurality of low-side transistor units, the plurality of high-side gate drive circuits, and the plurality of low-side gate drive circuits are mounted on the first layer, and the plurality of high-side power supply circuits and the plurality of low-side power supply circuits are It may be mounted on the second layer. The low-impedance wiring that connects the first layer and the second layer is supplied from each high-side power supply circuit to the corresponding high-side gate drive circuit, and from each low-side power supply circuit to the corresponding low-side gate drive circuit. It may be supplied via. The high-side power supply circuit and the low-side power supply circuit may be arranged in the vicinity of the corresponding low-impedance wiring, respectively, and the high-side gate drive circuit and the low-side gate drive circuit may be arranged in the vicinity of the corresponding low-impedance wiring, respectively.
Even when the configuration is divided into two layers, the power supply voltage supply path, that is, the impedance of the power supply line can be reduced if the gate drive circuit and the power supply circuit are arranged at positions overlapping each other and connected by a low impedance wiring. Can be lowered.

上述の電流変換装置の利点によって、産業用車両に好適に利用することが可能となる。そこである態様において、電力変換装置はフォークリフトに搭載され、モータに電力を供給してもよい。   Due to the advantages of the above-described current converter, it can be suitably used for industrial vehicles. Therefore, in one aspect, the power conversion device may be mounted on a forklift and supply power to the motor.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、電源電圧を安定化することができ、高周波駆動に対応できる。   According to the present invention, the power supply voltage can be stabilized and high frequency driving can be supported.

一般的な電力変換装置(インバータ)のレイアウトの回路図である。It is a circuit diagram of the layout of a general power converter (inverter). 本発明者らが検討した電力変換装置の断面図である。It is sectional drawing of the power converter device which the present inventors examined. 実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the structure of the power converter device which concerns on embodiment. 図4(a)〜(c)は、電力変換装置のレイアウトを示す図である。4A to 4C are diagrams illustrating a layout of the power conversion device. 図5(a)、(b)は、フォークリフトの構成を示す図である。FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the configuration of the forklift. 変形例に係る電力変換装置の断面図である。It is sectional drawing of the power converter device which concerns on a modification.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are electrically connected to each other in addition to the case where the member A and the member B are physically directly connected. It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as their electric It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.

図3は、実施の形態に係る電力変換装置2の構成を示す等価回路図である。電力変換装置2は、フォークリフトをはじめとする産業用車両に搭載され、荷役用のモータや、車輪用のモータを駆動する。   FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing a configuration of the power conversion device 2 according to the embodiment. The power conversion device 2 is mounted on an industrial vehicle such as a forklift, and drives a motor for cargo handling and a motor for wheels.

電力変換装置2は、上側電源ラインLPと、下側電源ラインLNと、複数のハイサイドトランジスタユニットmhと、複数のローサイドトランジスタユニットmlと、複数のハイサイドゲートドライブ回路10Hと、複数のローサイドゲートドライブ回路10Lと、コントローラ12と、複数のハイサイド電源回路14H、複数のローサイド電源回路14Lと、主電源回路16と、を備える。   The power conversion device 2 includes an upper power line LP, a lower power line LN, a plurality of high side transistor units mh, a plurality of low side transistor units ml, a plurality of high side gate drive circuits 10H, and a plurality of low side gates. A drive circuit 10L, a controller 12, a plurality of high-side power supply circuits 14H, a plurality of low-side power supply circuits 14L, and a main power supply circuit 16 are provided.

本実施の形態では、三相モータが負荷の例を説明するが、負荷は特に限定されない。U相、V相、W相は同様に構成されるため、以下ではU相に着目して説明する。   In this embodiment, an example in which a three-phase motor is a load will be described, but the load is not particularly limited. Since the U phase, the V phase, and the W phase are configured in the same manner, the following description focuses on the U phase.

複数のハイサイドトランジスタユニットmhu1〜mhu3のセットは、各相ごとに設けられる。各ハイサイドトランジスタユニットmhuは、対応する相(U)の出力端子OUTUと上側電源ラインLPの間に、電気的に並列に、かつ制御端子(ゲート、ベース)が独立して設けられる。ハイサイドトランジスタユニットmhは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、FET(Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタなどで構成される。各トランジスタには、環流ダイオード(フライホイールダイオード、フリーホイールダイオード、ともいう)が設けられる。   A set of a plurality of high side transistor units mhu1 to mhu3 is provided for each phase. Each high-side transistor unit mhu is electrically provided in parallel and independently with a control terminal (gate, base) between the corresponding phase (U) output terminal OUTU and the upper power supply line LP. The high side transistor unit mh is configured by an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), an FET (Field Effect Transistor), a bipolar transistor, and the like. Each transistor is provided with a free-wheeling diode (also referred to as a flywheel diode or a freewheel diode).

複数のローサイドトランジスタユニットmlu1〜mlu3のセットも同様に、各相ごとに設けられる。各ローサイドトランジスタユニットmluは、対応する相(U)の出力端子OUTUと下側電源ラインLNの間に、電気的に並列に、かつ制御端子(ゲート、ベース)が独立して設けられる。各相のトランジスタユニットの個数は3個に限定されず、モータ4に応じて決めればよい。   Similarly, a set of a plurality of low side transistor units mlu1 to mlu3 is provided for each phase. Each low-side transistor unit mlu is provided electrically in parallel and independently with a control terminal (gate, base) between the output terminal OUTU of the corresponding phase (U) and the lower power supply line LN. The number of transistor units in each phase is not limited to three, and may be determined according to the motor 4.

コントローラ12は、ハイサイドトランジスタユニットmhおよびローサイドトランジスタユニットmlを駆動するための制御指令S1H、S1Lを生成する。主電源回路16は、安定化された電源電圧VDDを生成する。この電源電圧VDDは、コントローラ12に供給されるとともに、複数のハイサイド電源回路14H、ローサイド電源回路14Lそれぞれに供給される。   The controller 12 generates control commands S1H and S1L for driving the high side transistor unit mh and the low side transistor unit ml. The main power supply circuit 16 generates a stabilized power supply voltage VDD. The power supply voltage VDD is supplied to the controller 12, and is also supplied to each of the plurality of high-side power supply circuits 14H and low-side power supply circuits 14L.

複数のハイサイドゲートドライブ回路10H_U1〜U3はそれぞれ、ハイサイドトランジスタユニットmhu1〜3ごとに設けられる。i番目のハイサイドゲートドライブ回路10H_Uiは、コントローラ12からの制御指令S1Hに応じて、対応するハイサイドトランジスタユニットmhhiの制御端子に、ゲートドライブ信号S2Hを出力する。   The plurality of high-side gate drive circuits 10H_U1 to U3 are provided for the high-side transistor units mhu1 to mhu1 to 3 respectively. The i-th high-side gate drive circuit 10H_Ui outputs the gate drive signal S2H to the control terminal of the corresponding high-side transistor unit mhi in response to the control command S1H from the controller 12.

複数のローサイドゲートドライブ回路10L_U1〜U3はそれぞれ、ローサイドトランジスタユニットmlu1〜3ごとに設けられる。i番目のローサイドゲートドライブ回路10L_Uiは、コントローラ12からの制御指令S1Lに応じて、対応するローサイドトランジスタユニットmluiの制御端子に、ゲートドライブ信号S2Lを出力する。   The plurality of low side gate drive circuits 10L_U1 to U3 are provided for the low side transistor units mlu1 to mlu3, respectively. The i-th low-side gate drive circuit 10L_Ui outputs a gate drive signal S2L to the control terminal of the corresponding low-side transistor unit mlui in response to the control command S1L from the controller 12.

ハイサイド電源回路14H_U1〜U3はそれぞれ、ハイサイドゲートドライブ回路10H_U1〜U3ごとに設けられる。i番目のハイサイド電源回路14H_Uiは、電源電圧VDDにもとづき、対応するハイサイドゲートドライブ回路10H_Uiに供給すべき電源電圧VDDH_Uiを生成する。
ローサイド電源回路14L_U1〜U3はそれぞれ、ローサイドゲートドライブ回路10L_U1〜U3ごとに設けられる。i番目のローサイド電源回路14L_Uiは、電源電圧VDDにもとづき、対応するローサイドゲートドライブ回路10L_Uiに供給すべき電源電圧VDDL_Uiを生成する。
The high side power supply circuits 14H_U1 to U3 are provided for the high side gate drive circuits 10H_U1 to U3, respectively. The i-th high side power supply circuit 14H_Ui generates the power supply voltage VDDH_Ui to be supplied to the corresponding high side gate drive circuit 10H_Ui based on the power supply voltage VDD.
The low side power supply circuits 14L_U1 to U3 are provided for the low side gate drive circuits 10L_U1 to U3, respectively. The i-th low side power supply circuit 14L_Ui generates the power supply voltage VDDL_Ui to be supplied to the corresponding low side gate drive circuit 10L_Ui based on the power supply voltage VDD.

V相、V相も同様に構成される。以上が電力変換装置2の回路構成である。続いてそのレイアウトについて説明する。   The V phase and the V phase are similarly configured. The circuit configuration of the power conversion device 2 has been described above. Next, the layout will be described.

図4(a)〜(c)は、電力変換装置2のレイアウトを示す図である。図4(a)は、電力変換装置2の断面図である。電力変換装置2は、2つのレイヤで構成される。第2レイヤL2の基板には、コントローラ12が搭載される。残りのユニット、つまり複数のハイサイドトランジスタユニットmh、複数のローサイドトランジスタユニットml、複数のハイサイドゲートドライブ回路10H、複数のローサイドゲートドライブ回路10L、複数のハイサイド電源回路14H、複数のローサイド電源回路14Lは、第1レイヤL1にレイアウトされる。放熱等の観点から、第1レイヤL1の基板18は、金属ベース基板とすることが好ましい。   4A to 4C are diagrams illustrating a layout of the power conversion device 2. FIG. FIG. 4A is a cross-sectional view of the power conversion device 2. The power conversion device 2 is composed of two layers. The controller 12 is mounted on the substrate of the second layer L2. The remaining units, that is, a plurality of high-side transistor units mh, a plurality of low-side transistor units ml, a plurality of high-side gate drive circuits 10H, a plurality of low-side gate drive circuits 10L, a plurality of high-side power supply circuits 14H, and a plurality of low-side power supply circuits 14L is laid out in the first layer L1. From the viewpoint of heat dissipation or the like, the substrate 18 of the first layer L1 is preferably a metal base substrate.

第1レイヤL1は単一の基板18で構成されてもよいが、複数の基板18に分割されてもよい。図4(b)、(c)は、分割された基板18のレイアウトを示す図である。図4(b)では、ひとつの基板18には、ハイサイドトランジスタユニットmh、それと対応するハイサイドゲートドライブ回路10H、それと対応するハイサイド電源回路14H、ハイサイドトランジスタmhと対をなすローサイドトランジスタユニットml、それと対応するローサイドゲートドライブ回路10L、それと対応するローサイド電源回路14Lのセットが搭載される。ひとつの基板18に複数のセットが搭載されてもよい。たとえばひとつの基板18に、同相の3つのハイサイドトランジスタユニットmh、3つのローサイドトランジスタユニットmlと、それらに対応するゲートドライブ回路、電源回路を搭載してもよい。   The first layer L1 may be composed of a single substrate 18, but may be divided into a plurality of substrates 18. 4B and 4C are diagrams showing the layout of the divided substrate 18. In FIG. 4B, one substrate 18 has a high side transistor unit mh, a high side gate drive circuit 10H corresponding to the high side transistor unit mh, a high side power supply circuit 14H corresponding to the high side transistor drive unit 10H, and a low side transistor unit that forms a pair with the high side transistor mh. ml, a corresponding low-side gate drive circuit 10L, and a corresponding low-side power supply circuit 14L are mounted. A plurality of sets may be mounted on one substrate 18. For example, three high-side transistor units mh, three low-side transistor units ml having the same phase, a gate drive circuit corresponding to them, and a power supply circuit may be mounted on one substrate 18.

図4(c)では、ひとつの基板18には、(1)同相の複数のハイサイドトランジスタユニットmh、それらと対応する複数のハイサイドゲートドライブ回路10H、それらと対応する複数のハイサイド電源回路14Hのセットが搭載される。または、ひとつの基板18には、(2)同相の複数のローサイドトランジスタユニットml、それらと対応する複数のローサイドゲートドライブ回路10L、それらと対応する複数のローサイド電源回路14Lのセットが搭載される。   In FIG. 4C, one substrate 18 includes (1) a plurality of high-side transistor units mh in phase, a plurality of high-side gate drive circuits 10H corresponding to them, and a plurality of high-side power supply circuits corresponding to them. A 14H set is installed. Alternatively, (1) a set of a plurality of low-side transistor units ml in phase, a plurality of low-side gate drive circuits 10L corresponding to them, and a plurality of low-side power supply circuits 14L corresponding to them are mounted on one substrate 18.

同相のローサイドトランジスタユニットmlの個数が多い場合、図4(c)の基板18をさらに分割してもよい。   When the number of in-phase low-side transistor units ml is large, the substrate 18 in FIG. 4C may be further divided.

以上が実施の形態に係る電力変換装置2の構成である。
電力変換装置2では、ハイサイドトランジスタ、ローサイドトランジスタはそれぞれ複数のトランジスタユニットmh、mlに分割され、トランジスタユニットmh、mlごとに、ハイサイドゲートドライブ回路10H、ローサイドゲートドライブ回路10Lが複数に分割され、またハイサイド電源回路14H、ローサイド電源回路14Lも複数に分割される。これにより分割しない場合に比べて柔軟なレイアウトが可能となり、図4(a)に示すように、ハイサイド電源回路14H_U1〜U3からハイサイドゲートドライブ回路10H_U1〜U3に供給される電源電圧VDDH_U1〜U3それぞれの電源ラインのインピーダンスを小さくできる。同様にローサイド電源回路14L_U1〜U3からローサイドゲートドライブ回路10L_U1〜U3に供給される電源電圧VDDL_U1〜U3それぞれの電源ラインのインピーダンスを小さくできる。これにより、小さな平滑化コンデンサでも、電源電圧VDDH_U1〜U3、VDDL_U1〜U3を安定化でき、ひいては高周波駆動に対応できる。V相、W相についても同様である。
The above is the configuration of the power conversion device 2 according to the embodiment.
In the power conversion device 2, the high-side transistor and the low-side transistor are each divided into a plurality of transistor units mh and ml, and the high-side gate drive circuit 10H and the low-side gate drive circuit 10L are divided into a plurality for each transistor unit mh and ml. The high side power supply circuit 14H and the low side power supply circuit 14L are also divided into a plurality of parts. As a result, a flexible layout is possible as compared with the case of not dividing, and as shown in FIG. 4A, power supply voltages VDDH_U1 to U3 supplied from the high side power supply circuits 14H_U1 to U3 to the high side gate drive circuits 10H_U1 to U3. The impedance of each power line can be reduced. Similarly, the impedances of the power supply lines of the power supply voltages VDDL_U1 to U3 supplied from the low side power supply circuits 14L_U1 to U3 to the low side gate drive circuits 10L_U1 to U3 can be reduced. As a result, even with a small smoothing capacitor, the power supply voltages VDDH_U1 to U3 and VDDL_U1 to U3 can be stabilized, and as a result, high frequency driving can be supported. The same applies to the V phase and the W phase.

またトランジスタユニットごとに電源回路14が分割されるため、各電源回路14ごとの消費電力を、図1の構成にくらべて大幅に低減でき、発熱を分散させることができる。これにより図1の構成で必要であった大型なヒートシンクを小型化、あるいは無くすことができる。   Further, since the power supply circuit 14 is divided for each transistor unit, the power consumption of each power supply circuit 14 can be greatly reduced as compared with the configuration of FIG. 1, and heat generation can be distributed. Thereby, the large heat sink required in the configuration of FIG. 1 can be reduced in size or eliminated.

また、複数のトランジスタユニットに分割されるため、各トランジスタユニットで発生するスイッチングノイズを、分割されない場合よりも小さくできる。したがって、特許文献1に記載の技術に比べて、ノイズによる誤動作を抑制できる。   Moreover, since it is divided into a plurality of transistor units, the switching noise generated in each transistor unit can be made smaller than when it is not divided. Therefore, compared with the technique described in Patent Document 1, malfunction due to noise can be suppressed.

さらに、図2では3層構造であったものが2層構造となるため、振動に対する耐性を高めることができる。また、一番下のレイヤにコントローラ12と主電源回路16以外の大部分のユニットが搭載されるため、重心を低くでき、振動に対する耐性を高めることができる。   Further, since the three-layer structure in FIG. 2 becomes a two-layer structure, resistance to vibration can be increased. In addition, since most units other than the controller 12 and the main power supply circuit 16 are mounted on the bottom layer, the center of gravity can be lowered and the resistance to vibration can be increased.

続いて上述の電力変換装置2の用途を説明する。上述の利点によって、電力変換装置2は、産業用車両に要求される仕様を満たすことが可能となる。たとえば電力変換装置2は、高周波化が進み、かつ耐振動性が要求されるフォークリフトに好適に利用できる。   Then, the use of the above-mentioned power converter 2 is explained. With the above-described advantages, the power conversion device 2 can satisfy the specifications required for industrial vehicles. For example, the power conversion device 2 can be suitably used for a forklift that requires high frequency and vibration resistance.

図5(a)、(b)は、フォークリフトの構成を示す図である。図5(a)に示すように、フォークリフト1は、本体60、フォーク62、昇降体64、マスト66、車輪68を備える。マスト66は本体60の全方に設けられる。昇降体64は、油圧ポンプ(不図示)などの動力源によって駆動され、マスト66に沿って昇降する。昇降体64には、荷物を支持するためのフォーク62が取り付けられている。   FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the configuration of the forklift. As shown in FIG. 5A, the forklift 1 includes a main body 60, a fork 62, an elevating body 64, a mast 66, and wheels 68. The mast 66 is provided on all sides of the main body 60. The elevating body 64 is driven by a power source such as a hydraulic pump (not shown) and moves up and down along the mast 66. A fork 62 for supporting a load is attached to the elevating body 64.

図5(b)は、フォークリフト1の電気系統の構成を示す図である。フォークリフト1は、2系統のモータM1、M2を備える。第1モータM1は、車輪68を回転させるための車輪用モータであり、第2モータM2は、昇降体64を昇降させる油圧アクチュエータを制御するための荷役用モータである。電力変換装置2_1、2_2はそれぞれ、電池80から直流電圧を受け、それを3相交流信号に変換し、対応するモータM1、M2へと供給する。電池80、電力変換装置2_1、2_2、モータM1、M2は、本体60に固定される。電力変換装置2_1、2_2は、別個のモジュールであってもよいし、単一のモジュールとして構成されてもよい。   FIG. 5B is a diagram illustrating a configuration of the electric system of the forklift 1. The forklift 1 includes two systems of motors M1 and M2. The first motor M1 is a wheel motor for rotating the wheels 68, and the second motor M2 is a cargo handling motor for controlling a hydraulic actuator that raises and lowers the elevating body 64. Each of the power conversion devices 2_1 and 2_2 receives a DC voltage from the battery 80, converts it into a three-phase AC signal, and supplies it to the corresponding motors M1 and M2. The battery 80, the power conversion devices 2_1 and 2_2, and the motors M1 and M2 are fixed to the main body 60. The power conversion devices 2_1 and 2_2 may be separate modules or may be configured as a single module.

上述の電力変換装置は、その耐振動性、高周波サージの耐性などに鑑みて、このようなフォークリフト1に好適に利用できる。   The power converter described above can be suitably used for such a forklift 1 in view of its vibration resistance, high-frequency surge resistance, and the like.

実施の形態では、三相モータを駆動する電力変換装置2について説明したが、本発明は駆動対象のモータは三相に限定されず、DCモータや多相モータに適用可能である。また、実施の形態では、電力変換装置2に直接的にモータ4が接続される場合を説明したが、電力変換装置2とモータ4の間に、別の変換装置あるいはその他の回路ブロックが挿入されていてもよい。   In the embodiment, the power conversion device 2 that drives a three-phase motor has been described. However, the present invention is not limited to a three-phase motor, and can be applied to a DC motor or a multiphase motor. In the embodiment, the case where the motor 4 is directly connected to the power conversion device 2 has been described. However, another conversion device or other circuit block is inserted between the power conversion device 2 and the motor 4. It may be.

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。   In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. By the way. Hereinafter, such modifications will be described.

図6は、変形例に係る電力変換装置2aの断面図である。この変形例では、ハイサイド電源回路14H、ローサイド電源回路14Lが、第2レイヤL2にレイアウトされる。
各ハイサイド電源回路14Hから、それぞれに対応するハイサイドゲートドライブ回路10Hに対する電源電圧VDDH、ならびに、各ローサイド電源回路14Lからそれぞれに対応するローサイドゲートドライブ回路10Lに対する電源電圧VDDLは、第1レイヤL1と第2レイヤL2を接続する低インピーダンス配線40を介して供給される。低インピーダンス配線40としては、ブスバー、ピン、リード、コネクタ、ケーブルなど、大きな断面積を有する低インピーダンスの導体が利用できる。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a power conversion device 2a according to a modification. In this modification, the high-side power supply circuit 14H and the low-side power supply circuit 14L are laid out in the second layer L2.
The power supply voltage VDDH from each high side power supply circuit 14H to the corresponding high side gate drive circuit 10H, and the power supply voltage VDDL from each low side power supply circuit 14L to the corresponding low side gate drive circuit 10L are the first layer L1. And the second layer L2 is supplied via a low impedance wiring 40. As the low impedance wiring 40, a low impedance conductor having a large cross-sectional area such as a bus bar, a pin, a lead, a connector, or a cable can be used.

ハイサイド電源回路14Hおよびローサイド電源回路14Lはそれぞれ、対応する低インピーダンス配線40の近傍に配置される。またハイサイドゲートドライブ回路10Hおよびローサイドゲートドライブ回路10Lもそれぞれ、対応する低インピーダンス配線40の近傍に配置される。レイアウトの効率の観点から、対応するハイサイドゲートドライブ回路10Hとハイサイド電源回路14H同士は、少なくとも部分的にオーバーラップして配置することが望ましい。対応するローサイドゲートドライブ回路10Lとローサイド電源回路14L同士も同様である。   Each of the high-side power supply circuit 14H and the low-side power supply circuit 14L is disposed in the vicinity of the corresponding low impedance wiring 40. Further, the high side gate drive circuit 10H and the low side gate drive circuit 10L are also arranged in the vicinity of the corresponding low impedance wiring 40, respectively. From the viewpoint of layout efficiency, it is desirable that the corresponding high-side gate drive circuit 10H and high-side power supply circuit 14H be arranged to at least partially overlap each other. The same applies to the corresponding low-side gate drive circuit 10L and low-side power supply circuit 14L.

この変形例によれば、電源ラインとしてプリント基板上の配線よりも低いインピーダンスを有する導体を利用することにより、図4(a)のレイアウトと同様に、電源電圧VDDH、VDDLの電源ラインのインピーダンスを下げることができる。   According to this modification, by using a conductor having a lower impedance than the wiring on the printed circuit board as the power supply line, the impedance of the power supply lines of the power supply voltages VDDH and VDDL can be reduced as in the layout of FIG. Can be lowered.

1…フォークリフト、2…電力変換装置、4…モータ、6…電源、10H…ハイサイドゲートドライブ回路、10L…ローサイドゲートドライブ回路、12…コントローラ、14H…ハイサイド電源回路、14L…ローサイド電源回路、16…主電源回路、18…基板、30…コントローラカード、32…ゲートドライブカード、34…出力段カード、36…制御信号ピン、40…低インピーダンス配線、mh…ハイサイドトランジスタユニット、ml…ローサイドトランジスタユニット、LP…上側電源ライン、LN…下側電源ライン、S1…制御指令、S2…ゲートドライブ信号。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Forklift, 2 ... Power converter device, 4 ... Motor, 6 ... Power supply, 10H ... High side gate drive circuit, 10L ... Low side gate drive circuit, 12 ... Controller, 14H ... High side power supply circuit, 14L ... Low side power supply circuit, DESCRIPTION OF SYMBOLS 16 ... Main power supply circuit, 18 ... Board | substrate, 30 ... Controller card, 32 ... Gate drive card, 34 ... Output stage card, 36 ... Control signal pin, 40 ... Low impedance wiring, mh ... High side transistor unit, ml ... Low side transistor Unit, LP ... upper power supply line, LN ... lower power supply line, S1 ... control command, S2 ... gate drive signal.

Claims (7)

上側電源ラインと、
下側電源ラインと、
各相ごとに設けられ、対応する相の出力端子と前記上側電源ラインの間に、電気的に並列に、かつ制御端子が独立して設けられた複数のハイサイドトランジスタユニットと、
各相ごとに設けられ、対応する相の出力端子と前記下側電源ラインの間に、電気的に並列に、かつ制御端子が独立して設けられた複数のローサイドトランジスタユニットと、
それぞれが前記ハイサイドトランジスタユニットごとに設けられ、対応するハイサイドトランジスタユニットにゲートドライブ信号を出力する複数のハイサイドゲートドライブ回路と、
それぞれが前記ローサイドトランジスタユニットごとに設けられ、対応するローサイドトランジスタユニットにゲートドライブ信号を出力する複数のローサイドゲートドライブ回路と、
それぞれが前記ハイサイドゲートドライブ回路ごとに設けられ、対応するハイサイドゲートドライブ回路に電源電圧を供給する複数のハイサイド電源回路と、
それぞれが前記ローサイドゲートドライブ回路ごとに設けられ、対応するローサイドゲートドライブ回路に電源電圧を供給する複数のローサイド電源回路と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
An upper power line;
The lower power line,
A plurality of high-side transistor units provided for each phase, electrically connected in parallel between the corresponding phase output terminal and the upper power supply line, and independently provided with a control terminal;
A plurality of low-side transistor units provided for each phase, electrically connected in parallel between the output terminal of the corresponding phase and the lower power supply line, and independently provided with a control terminal;
A plurality of high-side gate drive circuits each provided for each of the high-side transistor units and outputting a gate drive signal to the corresponding high-side transistor unit;
A plurality of low-side gate drive circuits each provided for each low-side transistor unit and outputting a gate drive signal to the corresponding low-side transistor unit;
A plurality of high-side power supply circuits, each provided for each of the high-side gate drive circuits, for supplying a power supply voltage to the corresponding high-side gate drive circuit;
A plurality of low-side power supply circuits, each provided for each low-side gate drive circuit, for supplying a power supply voltage to the corresponding low-side gate drive circuit;
A power conversion device comprising:
前記複数のハイサイドトランジスタユニット、前記複数のローサイドトランジスタユニット、前記複数のハイサイドゲートドライブ回路、前記複数のローサイドゲートドライブ回路、前記複数のハイサイド電源回路、前記複数のローサイド電源回路は、同一のレイヤにレイアウトされることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。   The plurality of high-side transistor units, the plurality of low-side transistor units, the plurality of high-side gate drive circuits, the plurality of low-side gate drive circuits, the plurality of high-side power supply circuits, and the plurality of low-side power supply circuits are the same The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is laid out in a layer. 前記レイヤは、複数の基板に分割されており、
各基板には、ハイサイドトランジスタユニット、それと対応するハイサイドゲートドライブ回路、それと対応するハイサイド電源回路、ローサイドトランジスタユニット、それと対応するローサイドゲートドライブ回路、それと対応するローサイド電源回路のセットが少なくともひとつ搭載されることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
The layer is divided into a plurality of substrates,
Each substrate has at least one set of a high-side transistor unit, a corresponding high-side gate drive circuit, a corresponding high-side power supply circuit, a low-side transistor unit, a corresponding low-side gate drive circuit, and a corresponding low-side power supply circuit. The power converter according to claim 2, wherein the power converter is mounted.
前記レイヤは、複数の基板に分割されており、
各基板には、(1)複数のハイサイドトランジスタユニット、それらと対応する複数のハイサイドゲートドライブ回路、それらと対応する複数のハイサイド電源回路のセットと、(2)複数のローサイドトランジスタユニット、それらと対応する複数のローサイドゲートドライブ回路、それらと対応する複数のローサイド電源回路のセットの少なくとも一方が搭載されることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
The layer is divided into a plurality of substrates,
Each substrate includes (1) a plurality of high-side transistor units, a plurality of high-side gate drive circuits corresponding to them, a set of a plurality of high-side power supply circuits corresponding to them, and (2) a plurality of low-side transistor units, The power converter according to claim 2, wherein at least one of a plurality of low-side gate drive circuits corresponding to them and a set of a plurality of low-side power supply circuits corresponding to them is mounted.
前記基板は、金属ベース基板であることを特徴とする請求項3または4に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 3 or 4, wherein the substrate is a metal base substrate. 前記複数のハイサイドトランジスタユニット、前記複数のローサイドトランジスタユニット、前記複数のハイサイドゲートドライブ回路、前記複数のローサイドゲートドライブ回路は、第1レイヤに搭載され、
前記複数のハイサイド電源回路、前記複数のローサイド電源回路は、第2レイヤに搭載され、
各ハイサイド電源回路からそれぞれに対応するハイサイドゲートドライブ回路に対する電源電圧、各ローサイド電源回路からそれぞれに対応するローサイドゲートドライブ回路に対する電源電圧は、前記第1レイヤと前記第2レイヤを接続する低インピーダンス配線を介して供給され、
前記ハイサイド電源回路および前記ローサイド電源回路はそれぞれ、対応する前記低インピーダンス配線の近傍に配置され、
前記ハイサイドゲートドライブ回路および前記ローサイドゲートドライブ回路はそれぞれ、対応する前記低インピーダンス配線の近傍に配置されることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
The plurality of high side transistor units, the plurality of low side transistor units, the plurality of high side gate drive circuits, and the plurality of low side gate drive circuits are mounted on a first layer,
The plurality of high-side power supply circuits and the plurality of low-side power supply circuits are mounted on a second layer,
The power supply voltage from each high-side power supply circuit to the corresponding high-side gate drive circuit and the power supply voltage from each low-side power supply circuit to the corresponding low-side gate drive circuit are low, respectively, connecting the first layer and the second layer. Supplied through impedance wiring,
The high side power supply circuit and the low side power supply circuit are each disposed in the vicinity of the corresponding low impedance wiring,
The power converter according to claim 1, wherein each of the high-side gate drive circuit and the low-side gate drive circuit is disposed in the vicinity of the corresponding low-impedance wiring.
フォークリフトに搭載され、モータに電力を供給することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の電力変換装置。   The power conversion apparatus according to claim 1, wherein the power conversion apparatus is mounted on a forklift and supplies electric power to a motor.
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