JP2014236562A - インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 パワー素子のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路への影響を抑制可能なインバータ装置を提供する。
【解決手段】 インバータ装置1は、所定の間隔を置いて対向して配置された主回路基板10及びコンデンサ基板20と、パワー素子30と、コンデンサ50と、制御回路60とを備える。コンデンサ基板20は、エリアA1とエリアA2とに区分けされている。コンデンサ50はエリアA1に配置されており、制御回路60はエリアA2に配置されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、所定の間隔を置いて互いに対向して配置された一対の基板を有するインバータ装置に関する。
特許文献1には、半導体パワーモジュールが記載されている。この半導体パワーモジュールは、順に積層された金属板、絶縁層、及び銅箔パターンからなる絶縁金属基板を備えている。銅箔パターンは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子が搭載された主回路パターン部と、制御半導体素子が搭載された制御回路パターン部とからなる。主回路パターン部と制御回路パターン部とは、直線状の分離帯より互いに分離されている。
特開2000−133768号公報
特許文献1に記載の半導体パワーモジュールは、上述したように、パワー半導体素子が搭載される主回路パターン部と制御半導体素子が搭載される制御回路パターン部とを直線状の分離帯によって互いに分離することにより、パワー半導体素子のスイッチング時に発生するノイズが金属板を介して制御半導体素子へ伝播することを抑制している。
ところで、半導体モジュールの1つであるインバータ装置においては、現在、小型化及び高出力化の要求が高まっており、例えば、複数のパワー素子や複数のコンデンサや制御系素子等の回路構成部品を、複数の基板上に分散配置すると共に、部品が搭載された複数の基板を上下方向に所定の間隔をあけて保持するといった構成が検討されている。そのようなインバータ装置においては、例えば、パワー素子やコンデンサによって構成される主回路には大電流が流れる一方で、主回路のスイッチングを制御する制御系素子によって構成される制御回路には主回路に比べて相対的に小さな電流が流れる。また、インバータ装置の構成部品はそれぞれ体格が異なるが、主回路構成部品と制御回路構成部品とを混在させて1つの基板内に配置させることにより、全体としての搭載密度を高めてインバータ装置を小型化することが行われている。
したがって、このようなインバータ装置においては、パワー素子のスイッチングに伴うノイズや、主回路に大電流が流れることにより生じる大きな発熱が、制御回路に伝播することを抑制することが望まれている。
本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、パワー素子のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路への影響を抑制可能なインバータ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係るインバータ装置は、所定の間隔を置いて互いに対向して配置されると共にそれぞれ主回路形成領域を有する第1及び第2の基板と、第1の基板における主回路形成領域に実装されて主回路を構成する複数のパワー素子と、前記複数のパワー素子に電気的に接続されると共に第2の基板における主回路形成領域に実装される複数のコンデンサと、前記主回路を制御する制御回路と、を備え、第2の基板は、前記第2の基板における主回路形成領域と分離区画された制御回路形成領域を有し、制御回路は、第2の基板における制御回路形成領域に形成された第1の制御回路を有することを特徴とする。
本発明に係るインバータ装置は、所定の間隔を置いて互いに対向して配置された第1及び第2の基板と、第1の基板に設けられたパワー素子と、第2の基板に設けられたコンデンサ及び第1の制御回路とを備えている。特に、第2の基板は、互いに分離区画された主回路形成領域と制御回路形成領域とを有しており、コンデンサ及び制御回路がそれぞれ第2の基板における主回路形成領域と制御回路形成領域とに分かれて配置されている。つまり、第2の基板の面内において、パワー素子と共に主回路の一部を構成して主電流が流れるコンデンサと、制御電流が流れる制御回路とが、混在することなく互いに分かれて配置されている。したがって、第2の基板上において、大電流が流れるエリアと小電流が流れるエリアとが分離されることとなる。このため、本発明に係るインバータ装置によれば、パワー素子、コンデンサ、及び制御回路を第1及び第2の基板に分散配置することにより小型化を図りつつ、パワー素子のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路への影響を抑制可能である。
本発明に係るインバータ装置においては、第1の基板は、第1の基板における主回路形成領域と分離区画された制御回路形成領域を有し、制御回路は、前記第1の基板における制御回路形成領域に形成された第2の制御回路を有することができる。この場合には、第1の基板にも制御回路を設けることにより、搭載密度を高めて装置のさらなる小型化を図ることが可能となる。また、第1の基板上においても、大電流が流れるエリアと小電流が流れるエリアとが分けられるので、パワー素子のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路への影響を抑制可能である。
本発明に係るインバータ装置においては、第1の基板における主回路形成領域と制御回路形成領域とは、略直線状の第1の境界領域によって互いに分離区画されており、第2の基板における主回路形成領域と制御回路形成領域とは、第1の境界領域の延在方向と同じ方向に延在する略直線状の第2の境界領域によって互いに分離区画されているものとすることができる。この場合、第1及び第2の基板上において、大電流が流れるエリアと小電流が流れるエリアとを確実に分離することができる。
本発明に係るインバータ装置においては、第1の基板における主回路形成領域と第2の基板における主回路形成領域とは、それぞれ、当該インバータ装置の同じ側に設けられているものとすることができる。この場合には、大電流が流れるエリアと小電流が流れるエリアとが、同一基板の面内だけでなく、装置全体としてみた場合にも分離されることとなるため、パワー素子のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路への影響を確実に抑制可能である。
本発明に係るインバータ装置は、出力電流を検出するための電流検出部をさらに備え、電流検出部の電流検出用素子は、第2の基板における制御回路形成領域に配置されているものとすることができる。この場合、出力電流を検出するための電流検出用素子を制御回路形成領域に配置することで、ノイズの影響を低減した感度のよい電流検出部を構成することができる。
本発明によれば、パワー素子のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路への影響を抑制可能なインバータ装置を提供することができる。
本実施形態に係るインバータ装置の分解斜視図である。 図1に示されたインバータ装置の主回路の等価回路を示す図である。 図1に示された主回路基板及びコンデンサ基板の平面図である。 変形例に係るインバータ装置の主経路基板及びコンデンサ基板の平面図である。
以下、本発明の一実施形態に係るインバータ装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一の要素同士、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図における寸法比率は、実際のものと異なる場合がある。
図1は、本実施形態に係るインバータ装置の分解斜視図である。図2は、図1に示されたインバータ装置の主回路の等価回路を示す図である。本実施形態においては、インバータ装置1は、例えば3相モータ等を駆動するための3相インバータ装置である。
図2に示されるように、電源ラインP及びN間から給電されるインバータ装置1の主回路は、3相ブリッジ接続された6つのパワー素子(例えばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor))Q1〜Q6と、各パワー素子Q1〜Q6に逆並列に接続されたフライホイールダイオードD1〜D6とを備えている。なお、パワー素子Q1〜Q6としては、例えばIGBTを用いてもよい。
パワー素子Q1とパワー素子Q2とは、電源ラインの正極側入力Pと負極側入力Nとの間に直列接続されており、その接続点にはU相出力Uが接続されている。パワー素子Q3とパワー素子Q4とは、正極側入力Pと負極側入力Nとの間に直列接続されており、その接続点にはV相出力Vが接続されている。パワー素子Q5とパワー素子Q6とは、正極側入力Pと負極側入力Nとの間に直列接続されており、その接続点にはW相出力Wが接続されている。
正極側入力Pと負極側入力Nとの間には、コンデンサCが接続されている。さらに、各パワー素子Q1〜Q6には、各素子のスイッチング(ON・OFF)を制御する駆動回路Aが接続されている。なお、図2においては、並列接続された複数(例えば4つ)のパワー素子を含む素子群を、パワー素子Q1〜Q6として等価的に表している。
引き続いて、図1,3を参照して、インバータ装置1の具体的な構成について説明する。なお、図3は、図1に示された主回路基板及びコンデンサ基板の平面図である。図1,3に示されるように、インバータ装置1は、主回路基板(第1の基板)10、コンデンサ基板(第2の基板)20、複数のパワー素子30、複数のコンデンサ50、制御回路(第1の制御回路)60、複数の出力端子70、複数の中継電極80、及び、電流検出部90を備えている。
主回路基板10とコンデンサ基板20とは、基板間隔保持部材Mを介在させることによって、所定の間隔を置いて互いに対向して近接配置されている。基板間隔保持部材Mは、例えば樹脂やセラミック等の絶縁材料によって環状(枠状)に形成されており、主回路基板10及びコンデンサ基板20の外縁に沿って配置されている。基板間隔保持部材Mは、主回路基板10とコンデンサ基板20とを互いに対向して配置した際に、主回路基板10とコンデンサ基板20との間隔を一定に保つ。主回路基板10は、例えば絶縁金属基板(IMS)等である。主回路基板10は、例えばアルミニウムや銅等の金属により平板状に形成されたヒートシンクHの上に配置されている。コンデンサ基板20としては、例えば周知のプリント基板が使用される。
パワー素子30は、主回路基板10に実装されている。ここでは、複数(例えば4つ)のパワー素子30が並列接続されて、各相の上アーム素子又は下アーム素子を構成している。パワー素子30は、例えば図2に示されたパワー素子Q1〜Q6に相当する。したがって、主回路基板10は主回路形成領域を有し、複数のパワー素子30は、主回路基板10における主回路形成領域に実装されて主回路を構成する。コンデンサ50は、コンデンサ基板20に実装されている。コンデンサ50は、パワー素子30に電気的に接続されている。コンデンサ50は、例えば図2に示されたコンデンサCに相当する。したがって、コンデンサ基板20は主回路形成領域(後述するエリアA1)を有し、複数のコンデンサ50は、コンデンサ基板20における主回路形成領域に実装されている。
制御回路60は、コンデンサ基板20に設けられている。制御回路60は、種々の制御を行うことができるが、一例として、主回路を構成する各パワー素子30のスイッチングを制御する(すなわち、主回路を制御する)ことができる。したがって、制御回路60は、例えば図2に示された駆動回路Aに部分的に相当する場合がある。U相、V相、及びW相の各出力端子70は、主回路基板10に設けられており、コンデンサ基板20に形成された孔部20hから突出する。出力端子70は、例えば、図2に示されたU相出力端子U、V相出力端子V及びW相出力端子Wに相当する。
中継電極80は、主回路基板10に設けられており、主回路基板10とコンデンサ基板20とを互いに対向して配置したときに、コンデンサ基板20の所定の配線パターンに電気的に接続される。中継電極80は、例えば、図2に示された正極側入力P及び負極側入力Nに相当する。
電流検出部90は、コンデンサ基板20に設けられている。電流検出部90は、主回路からの出力電流を検出する。電流検出部90は、例えば電磁鋼板によって、出力端子70を取り囲むようにU字状に形成されたコア91と、コア91のU字の開放部分に設けられた電流検出用素子92とを含む。電流検出用素子92は、例えばホール素子等が用いられる。
ここで、図3に示されるように、コンデンサ基板20は、略長方形板状を呈している。コンデンサ基板20は、コンデンサ基板20の長手方向に交差する方向に配列されたエリアA1(主回路形成領域)とエリアA2(制御回路形成領域)とに分離区画(区分け)されている。エリアA1は、コンデンサ基板20の長手方向に交差する方向における一方の側部21を含む略長方形のエリアである。エリアA2は、コンデンサ基板20の長手方向に交差する方向における他方の側部22を含む略長方形のエリアである。
エリアA1とエリアA2とは、コンデンサ基板20の長手方向に沿って延在する略直線状の境界領域(第2の境界領域)B2によって互いに区分けされている。境界領域B2は、例えば、コンデンサ基板20の表面上の配線パターンに略直線状の切れ目を設けることにより形成することができる。なお、コンデンサ基板20の孔部20hは、エリアA1に形成されている。
コンデンサ50は、コンデンサ基板20のエリアA1に配置されている。また、上述したように、コンデンサ基板20の孔部20hがエリアA1に形成されていることから、孔部20hから突出する出力端子70も、コンデンサ基板20のエリアA1に位置することとなる。さらに、中継電極80に電気的に接続される外部接続用の端子電極(不図示)もコンデンサ基板20のエリアA1に配置される。一方、制御回路60は、コンデンサ基板20のエリアA2に配置されている。
このように、コンデンサ基板20上においては、コンデンサ50や出力端子70といった相対的に大きな電流が流れる主回路を構成する要素は、エリアA1にまとめて配置される。一方、相対的に小さな電流が流れる制御回路60は、コンデンサ基板20のエリアA2に配置されている。つまり、コンデンサ基板20上においては、主回路と制御回路とが互いに分離されてレイアウトされている。
以上説明したように、インバータ装置1は、所定の間隔を置いて互いに対向して配置された主回路基板10及びコンデンサ基板20と、主回路基板10に設けられたパワー素子30と、コンデンサ基板20に設けられたコンデンサ50及び制御回路60とを備えている。特に、コンデンサ基板20は、互いに分離区画されたエリアA1とエリアA2とを有しており、コンデンサ50及び制御回路60がそれぞれコンデンサ基板20におけるエリアA1とエリアA2とに分かれて配置されている。
つまり、コンデンサ基板20の面内において、パワー素子30と共に主回路を構成して主電流が流れるコンデンサ50と、制御電流が流れる制御回路60とが、混在することなく互いに分かれて配置されている。したがって、コンデンサ基板20において、大電流が流れるエリア(エリアA1)と小電流が流れるエリア(エリアA2)とが分離されることとなる。このため、インバータ装置1によれば、パワー素子30、コンデンサ50、及び制御回路60を主回路基板10及びコンデンサ基板20に分散配置することにより小型化を図りつつ、パワー素子30のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路60への影響を抑制可能である。
また、インバータ装置1においては、エリアA1とエリアA2とが、略直線状の境界領域B2によって互いに分離区画されている。このため、コンデンサ基板20上において、大電流が流れるエリア(エリアA1)と小電流が流れるエリア(エリアA2)とを確実に分離することができる。さらに、電流検出用素子92をエリアA2に配置することで、ノイズの影響を低減した感度のよい電流検出部90を構成することができる。
以上の実施形態は、本発明に係るインバータ装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係るインバータ装置は、上述したインバータ装置1に限定されない。本発明に係るインバータ装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述したインバータ装置1を任意に変更したものとすることができる。
図4は、変形例に係るインバータ装置の主回路基板及びコンデンサ基板の平面図である。図4に示されるように、変形例に係るインバータ装置1は、主回路基板10に代えて主回路基板10Aを備えると共に、上述の実施形態でコンデンサ基板20に形成されていた制御回路60の一部を、第2の制御回路40として主回路基板10A上に形成したものである。制御回路40は、例えば、主回路を構成する各パワー素子30のスイッチングを制御する駆動回路Aであるとしてもよい。
主回路基板10Aは、コンデンサ基板20と同様に、略長方形板状を呈している。主回路基板10Aは、主回路基板10Aの長手方向に交差する方向に配列されたエリアA3(主回路形成領域)とエリアA4(制御回路形成領域)とに区分けされている。エリアA3は、主回路基板10Aの長手方向に交差する方向における一方の側部11を含む略長方形状のエリアである。エリアA4は、主回路基板10Aの長手方向に交差する方向における他方の側部12を含む略長方形状のエリアである。エリアA3とエリアA4とは、主回路基板10Aの長手方向(及び境界領域B2の延在方向)に沿って延在する略直線状の境界領域(第1の境界領域)B1によって互いに分離区画されている。
パワー素子30、出力端子70、及び中継電極80は、主回路基板10AのエリアA3に配置されている。より具体的には、各アームを構成する4つのパワー素子30は、主回路基板10Aの長手方向に交差する方向に沿って配列されてエリアA3に配置されている。出力端子70及び中継電極80は、上記のように配列された4つのパワー素子30の略中央部分に(すなわち、4つのパワー素子30を2つずつに分けるように)エリアA3に配置されている。その一方で、制御回路40は、主回路基板10のエリアA4に配置されている。
このように、主回路基板10A上においては、パワー素子30、出力端子70、及び中継電極80といった相対的に大きな電流が流れる主回路を構成する要素は、エリアA3にまとめて配置される。一方、相対的に小さな電流が流れる制御回路40は、主回路基板10AのエリアA4に配置されている。つまり、主回路基板10A上においても、主回路と制御回路とが、互いに分離されてレイアウトされている。
ここで、コンデンサ基板20のエリアA1は、主回路基板10Aとコンデンサ基板20とが互いに対向して配置された状態において、主回路基板10AのエリアA3に対向するように配置される。コンデンサ基板20のエリアA2は、主回路基板10Aとコンデンサ基板20とが互いに対向して配置された状態において、主回路基板10AのエリアA4に対向するように配置される。したがって、エリアA1及びエリアA2は、主回路基板10AにおけるエリアA3及びエリアA4の配列方向に沿って配列されている。これにより、主回路基板10におけるエリアA3とコンデンサ基板20におけるエリアA1とは、それぞれ、当該インバータ装置1の同じ側に設けられる。なお、コンデンサ基板20におけるエリアA1とエリアA2とは、境界領域B1の延在方向と同じ方向に延在する略直線状の境界領域B2によって互いに分離区画されている。
上述したように、コンデンサ50は、コンデンサ基板20のエリアA1に配置されている。したがって、主回路基板10A上のパワー素子30とコンデンサ基板20上のコンデンサ50とは、主回路基板10とコンデンサ基板20とを互いに対向して近接配置した状態において、主回路基板10Aからコンデンサ基板20に向かう方向について互いに対向するように近接して配置される。
以上説明した変形例に係るインバータ装置1は、所定の間隔を置いて互いに対向して配置された主回路基板10A及びコンデンサ基板20と、主回路基板10Aに設けられたパワー素子30及び制御回路40と、コンデンサ基板20に設けられたコンデンサ50及び制御回路60とを備えている。特に、主回路基板10Aは、互いに分離区画されたエリアA3とエリアA4とを有しており、コンデンサ基板20は、互いに分離区画されたエリアA1とエリアA2とを有している。
そして、パワー素子30及び制御回路40が主回路基板10AにおいてエリアA3及びエリアA4に分かれて配置されており、コンデンサ50及び制御回路60がコンデンサ基板20においてエリアA1及びエリアA2に分かれて配置されている。つまり、主回路基板10A及びコンデンサ基板20のそれぞれにおいて、主回路を構成するパワー素子30及びコンデンサ50と、制御回路40及び制御回路60とが、混在することなく互いに分かれて配置されている。したがって、この変形例に係るインバータ装置1にあっては、主回路において発生するノイズや熱が制御回路に影響することを抑制可能である。
また、変形例に係るインバータ装置1においては、主回路基板10Aとコンデンサ基板20とを対向して近接配置した状態において、主回路基板10A上のパワー素子30とコンデンサ基板20上のコンデンサ50とが互いに対向するように近接して配置される。また、出力端子70及び中継電極80が、主回路基板10A及びコンデンサ基板20の一方の側のエリアA3,A1に配置される。このように、変形例に係るインバータ装置1にあっては、主回路が集中して配置されるので、インダクタンスが低減される。また、主回路の配線パターンが短縮されるので、主回路におけるノイズや熱の発生を抑制することができる。
また、変形例に係るインバータ装置1においては、主回路基板10Aにも制御回路の一部(制御回路40)を形成することにより、部品の搭載密度を高めて装置のさらなる小型化を図ることが可能となる。つまり、コンデンサ基板20のみに制御回路を形成する場合に比較して、コンデンサ基板20と主回路基板10とに制御回路を分散配置できるので、コンデンサ基板20及び主回路基板10を小さくすることができる。また、変形例に係るインバータ装置1においては、主回路基板10AのエリアA3とエリアA4とが、略直線状の境界領域B1によって互いに区分けされている。このため、主回路基板10A上においても、大電流が流れるエリア(エリアA3)と小電流が流れるエリア(エリアA4)とを確実に分離することができる。
さらに、変形例に係るインバータ装置1においては、大電流が流れるエリア(エリアA1,A3)と小電流が流れるエリア(A2,A4)とが、同一基板の面内だけでなく、装置全体としてみた場合にも分離されることとなるため、パワー素子30のスイッチングに伴うノイズや主回路の発熱の制御回路への影響を確実に抑制可能である。
1…インバータ装置、10…主回路基板(第1の基板)、20…コンデンサ基板(第2の基板)、30…パワー素子、40…制御回路(第2の制御回路)、50…コンデンサ、60…制御回路(第1の制御回路)、90…電流検出部、92…電流検出用素子、A1…エリア(主回路形成領域)、A2…エリア(制御回路形成領域)、A3…エリア(主回路形成領域)、A4…エリア(制御回路形成領域)、B1…境界領域(第1の境界領域)、B2…境界領域(第2の境界領域)。

Claims (5)

  1. 所定の間隔を置いて互いに対向して配置されると共にそれぞれ主回路形成領域を有する第1及び第2の基板と、
    前記第1の基板における主回路形成領域に実装されて主回路を構成する複数のパワー素子と、
    前記複数のパワー素子に電気的に接続されると共に前記第2の基板における主回路形成領域に実装される複数のコンデンサと、
    前記主回路を制御する制御回路と、を備え、
    前記第2の基板は、前記第2の基板における主回路形成領域と分離区画された制御回路形成領域を有し、
    前記制御回路は、前記第2の基板における制御回路形成領域に形成された第1の制御回路を有する、
    ことを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記第1の基板は、前記第1の基板における主回路形成領域と分離区画された制御回路形成領域を有し、
    前記制御回路は、前記第1の基板における制御回路形成領域に形成された第2の制御回路を有する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。
  3. 前記第1の基板における主回路形成領域と制御回路形成領域とは、略直線状の第1の境界領域によって互いに分離区画されており、
    前記第2の基板における主回路形成領域と制御回路形成領域とは、前記第1の境界領域の延在方向と同じ方向に延在する略直線状の第2の境界領域によって互いに分離区画されている、
    ことを特徴とする請求項2に記載のインバータ装置。
  4. 前記第1の基板における主回路形成領域と前記第2の基板における主回路形成領域とは、それぞれ、当該インバータ装置の同じ側に設けられている、
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のインバータ装置。
  5. 出力電流を検出するための電流検出部をさらに備え、
    前記電流検出部の電流検出用素子は、前記第2の基板における制御回路形成領域に配置されている、
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のインバータ装置。
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