JP2015015826A - 電力スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気絶縁素子を用いて信号伝達を行うときの、耐ノイズ性能を高めた電力スイッチング装置を提供する。
【解決手段】ゲート駆動基板２０は、上アーム基板３０及び下アーム基板３１と平行に配置されて、複数の磁気絶縁素子が実装されている。ゲート駆動基板２０において、出力バスバー５５，５６間に位置する磁気絶縁素子２１ｂは、磁気絶縁素子からゲート駆動信号が出力されるＩＧＢＴ５１ｂに接続された出力バスバー５５との間隔Ｗ１を、磁気絶縁素子２１ｂと他の出力バスバー５６との間隔Ｗ２よりも広くして実装されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、スイッチング素子により電力の供給と遮断とを切換える電力スイッチング装置に関する。

従来より、例えば、電動車両に搭載されるインバータ装置のように、電源から電気負荷（電動機等）への高圧電力の供給と遮断とを、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子により行う電力スイッチング装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された電力スイッチング装置においては、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ（導通状態／遮断状態）を制御する低圧系（５Ｖ等）の制御回路と、高圧系（数十〜数百Ｖ）のスイッチング素子のゲート駆動回路との間の制御信号の伝達を電気的に絶縁して行うために、フォトカプラが用いられている。

特開２００６−５４９３３号公報

特許文献１に記載された電力スイッチング装置においては、フォトカプラにより低圧系の回路と高圧系の回路との間の絶縁を行うことで、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ時に高圧系の回路で発生するノイズ信号が、低圧系の回路に伝播して低圧系の回路の誤動作や故障が生じることを抑制している。

ここで、フォトカプラは高価であるため、他の種類の絶縁素子として、比較的安価な磁気絶縁素子を採用することが考えられる。しかしながら、磁気絶縁素子は、フォトカプラよりも耐ノイズ性能が低いという不都合がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、磁気絶縁素子を用いて信号伝達を行うときの、耐ノイズ性能を高めた電力スイッチング装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、
直流電力出力回路の高電位出力部に接続された高電位バスバー、及び該直流電力出力回路の低電位出力部に接続された低電位バスバーと、
上アーム基板に実装されて前記高電位バスバーとの導通と遮断とを切換えるスイッチング素子と、下アーム基板に実装されて前記低電位バスバーとの導通と遮断とを切換えるスイッチング素子とから成り、互いに整列して配置される複数のスイッチング回路と、
前記スイッチング回路同士の間の近傍に設けられて互いに所定間隔をもって配置され、前記複数のスイッチング回路のいずれかにより、前記高電位バスバー及び前記低電位バスバーとの導通と遮断とが切換えられる複数の出力バスバーと、
前記複数のスイッチング素子に対して個別に接続して設けられ、所定の制御信号を磁気結合により電気的に絶縁して入力し、該制御信号に同期したゲート駆動信号を、接続されたスイッチング素子のゲート端子に出力する複数の磁気絶縁素子と、
前記上アーム基板及び前記下アーム基板と平行に配置されて、前記複数の磁気絶縁素子が実装され、前記複数の磁気絶縁素子のうちの少なくとも１個の特定磁気絶縁素子が、該特定磁気絶縁素子から前記ゲート駆動信号が出力されるスイッチング素子に接続された特定出力バスバーと、該特定出力バスバーに隣接する他の出力バスバーの間に位置する箇所に、該特定磁気絶縁素子と該特定出力バスバーとの間隔を、該特定磁気絶縁素子と該他の出力バスバーとの間隔よりも広くして実装されたゲート駆動基板と
を備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記高電位バスバー及び前記低電位バスバーと、前記複数の出力バスバーとの間の導通と遮断とが、各出力バスバーに対して個別に設けられた前記スイッチング回路のスイッチング素子によって切換えられる。そして、このように前記高電位バスバー及び前記低電位バスバーと、前記出力バスバーとの間の導通と遮断を切換える時には、前記出力バスバーにノイズが生じ易い。

そこで、前記ゲート駆動基板においては、前記特定出力バスバーと前記特定出力バスバーに隣接する他の出力バスバーとの間に位置する箇所に実装されて、前記特定出力バスバーに接続されたスイッチング素子に駆動信号を出力する前記特定磁気絶縁素子を、前記特定磁気絶縁素子と前記特定出力バスバーとの間隔を、前記特定磁気絶縁素子と前記他の出力バスバーとの間隔よりも広くして実装している。そして、これにより、前記特定磁気絶縁素子による前記特定出力バスバーと前記高電位バスバー又は前記低電位バスバー間の導通と遮断の切り替えに伴って前記特定出力バスバーで生じるノイズによる、前記特定磁気絶縁素子への影響を低減して、前記特定磁気絶縁素子により信号伝達を行う際の耐ノイズ性能を高めることができる。

また、前記直流電力出力回路は、直流電源から出力される電力をスイッチングすることにより昇圧して出力する昇圧回路であり、
前記複数の磁気絶縁素子は、前記昇圧回路から所定距離以上離間して配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、前記昇圧回路におけるスイッチングにより生じるノイズが前記磁気絶縁素子に与える影響を低減して、前記磁気絶縁素子により信号伝達を行う際の耐ノイズ性能を高めることができる。

電力スイッチング装置の構成図。 電力スイッチング装置の組立て態様の説明図。 高電位バスバー及び低電位バスバーと出力バスバーの接続態様の説明図（側面の一部断面図）。 ゲート駆動基板における磁気絶縁素子の配置態様の説明図。

本発明の電力スイッチング装置の実施形態の一例について、図１〜図３を参照して説明する。

図１を参照して、本実施形態の電力スイッチング装置１は、電動車両に搭載して使用されるものである。電力スイッチング装置１は、コントローラ２００から出力される制御信号に従って、バッテリ１０（本発明の直流電源に相当する）から出力される直流電力から、駆動用の電動機３００に出力する３相の駆動用電力を生成すると共に、発電機３１０で発生する回生電力をバッテリ１０に回収する。

電力スイッチング装置１は、バッテリ１０から出力される直流電力を昇圧して出力する昇圧回路４０（本発明の直流電力出力回路に相当する）と、バッテリ１０とバッテリバスバー８０，８２により接続された昇圧回路４０の高電位出力部４５に接続された高電位バスバー８１と、昇圧回路４０の低電位出力部４６に接続された低電位バスバー８３と、高電位バスバー８１及び低電位バスバー８３に接続された第１インバータ回路５０及び第２インバータ回路６０と、高電位バスバー８１及び低電位バスバー８３の間に接続されたコンデンサ７０と、コントローラ２００から出力される制御信号を、この制御信号に同期した第１インバータ回路５０及び第２インバータ回路６０用の駆動信号に変換して出力するゲート駆動基板２０とを備えている。

昇圧回路４０は、図示しない高電位側（ＨＩ−ＳＩＤＥ）のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と低電位側（ＬＯＷ−ＳＩＤＥ）のＩＧＢＴとを備えている。

第１インバータ回路５０は、Ｕ相用の出力バスバー５５、Ｖ相用の出力バスバー５６、及びＷ相用の出力バスバー５７により、発電機３１０と接続されている。第１インバータ回路５０は、出力バスバー５５〜５７に対して個別に設けられた、発電機３１０のＵ相用のスイッチング回路５１と、発電機３１０のＶ相用のスイッチング回路５２と、発電機３１０のＷ相用のスイッチング回路５３とを備えている。

発電機３１０のＵ相用のスイッチング回路５１、Ｖ相用のスイッチング回路５２、及びＷ相用のスイッチング回路５３は、互いに整列して配置されている。また、出力バスバー５５は、Ｕ相用のスイッチング回路５１とＶ相用のスイッチング回路５２の間の近傍に設けられて、出力バスバー５６と互いに所定間隔をもって配置されている。同様に、出力バスバー５６は、Ｖ相用のスイッチング回路５２とＷ相用のスイッチング回路５３との間の近傍に設けられて、出力バスバー５５，５７と互いに所定間隔をもって配置されている。

Ｕ相用のスイッチング回路５１は、高電位バスバー８１とＵ相用の出力バスバー５５との間に接続されたＩＧＢＴ５１ａ（本発明のスイッチング素子に相当する）と、低電位バスバー８３とＵ相用の出力バスバー５５との間に接続されたＩＧＢＴ５１ｂ（本発明のスイッチング素子に相当する）とを備えている。

ＩＧＢＴ５１ａのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２１ａに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２１ａを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ５１ａのＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）が制御される。同様に、ＩＧＢＴ５１ｂのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２１ｂに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２１ｂを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ５１ｂのＯＮ／ＯＦＦが制御される。

Ｖ相用のスイッチング回路５２は、高電位バスバー８１とＶ相用の出力バスバー５６との間に接続されたＩＧＢＴ５２ａ（本発明のスイッチング素子に相当する）と、低電位バスバー８３とＶ相用の出力バスバー５６との間に接続されたＩＧＢＴ５２ｂ（本発明のスイッチング素子に相当する）とを備えている。

ＩＧＢＴ５２ａのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２２ａに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２２ａを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ５２ａのＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）が制御される。同様に、ＩＧＢＴ５２ｂのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２２ｂに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２２ｂを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ５２ｂのＯＮ／ＯＦＦが制御される。

Ｗ相用のスイッチング回路５３は、高電位バスバー８１とＷ相用の出力バスバー５７との間に接続されたＩＧＢＴ５３ａ（本発明のスイッチング素子に相当する）と、低電位バスバー８３とＷ相用の出力バスバー５７との間に接続されたＩＧＢＴ５３ｂ（本発明のスイッチング素子に相当する）とを備えている。

ＩＧＢＴ５３ａのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２３ａに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２３ａを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ５３ａのＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）が制御される。同様に、ＩＧＢＴ５３ｂのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２３ｂに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２３ｂを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ５３ｂのＯＮ／ＯＦＦが制御される。

次に、第２インバータ回路６０は、Ｕ相用の出力バスバー６５、Ｖ相用の出力バスバー６６、及びＷ相用の出力バスバー６７により電動機３００と接続されている。第２インバータ回路６０は、出力バスバー６５〜６７に対して個別に設けられた、電動機３００のＵ相用のスイッチング回路６１と、電動機３００のＶ相用のスイッチング回路６２と、電動機３００のＷ相用のスイッチング回路６３とを備えている。

電動機３００のＵ相用のスイッチング回路６１、Ｖ相用のスイッチング回路６２、及びＷ相用のスイッチング回路６３は、互いに整列して配置されている。また、出力バスバー６５は、Ｕ相用のスイッチング回路６１とＶ相用のスイッチング回路６２の間の近傍に設けられて、出力バスバー６６と互いに所定間隔をもって配置されている。同様に、出力バスバー６６は、Ｖ相用のスイッチング回路６２とＷ相用のスイッチング回路６３との間の近傍に設けられて、出力バスバー６５，６７と互いに所定間隔をもって配置されている。

Ｕ相用のスイッチング回路６１は、高電位バスバー８１とＵ相用の出力バスバー６５との間に接続されたＩＧＢＴ６１ａ（本発明のスイッチング素子に相当する）と、低電位バスバー８３とＵ相用の出力バスバー６５との間に接続されたＩＧＢＴ６１ｂ（本発明のスイッチング素子に相当する）とを備えている。

ＩＧＢＴ６１ａのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２４ａに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２４ａを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ６１ａのＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）が制御される。同様に、ＩＧＢＴ６１ｂのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２４ｂに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２４ｂを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ６１ｂのＯＮ／ＯＦＦが制御される。

Ｖ相用のスイッチング回路６２は、高電位バスバー８１とＶ相用の出力バスバー６６との間に接続されたＩＧＢＴ６２ａ（本発明のスイッチング素子に相当する）と、低電位バスバー８３とＶ相用の出力バスバー６６との間に接続されたＩＧＢＴ６２ｂ（本発明のスイッチング素子に相当する）とを備えている。

ＩＧＢＴ６２ａのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２５ａに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２５ａを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ６２ａのＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）が制御される。同様に、ＩＧＢＴ６２ｂのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２５ｂに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２５ｂを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ６２ｂのＯＮ／ＯＦＦが制御される。

Ｗ相用のスイッチング回路６３は、高電位バスバー８１とＷ相用の出力バスバー６７との間に接続されたＩＧＢＴ６３ａ（本発明のスイッチング素子に相当する）と、低電位バスバー８３とＷ相用の出力バスバー６７との間に接続されたＩＧＢＴ６３ｂ（本発明のスイッチング素子に相当する）とを備えている。

ＩＧＢＴ６３ａのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２６ａに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２６ａを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ６３ａのＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）が制御される。同様に、ＩＧＢＴ６３ｂのゲート端子はゲート駆動基板２０の磁気絶縁素子２６ｂに接続されており、コントローラ２００から磁気絶縁素子２６ｂを介して出力されるゲート駆動信号によって、ＩＧＢＴ６３ｂのＯＮ／ＯＦＦが制御される。

磁気絶縁素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂは、電気的に絶縁した入出力間の信号伝達を、コイルを使用した磁気結合方式やＧＭＲ（Giant Magneto Resistive effect）センサを使用した磁気結合方式により行うものである。

なお、高電位バスバー８１、低電位バスバー８３、出力バスバー５５〜５７，６５〜６７は、導電性の金属等により形成される。

次に、図２を参照して、電力スイッチング装置１は、冷却用のウォータジャケット３４にケース３３を装着し、ケース３３に、上述した昇圧回路４０と第１インバータ回路５０及び第２インバータ回路６０とが実装された上アーム基板３０及び下アーム基板３１と、シールド板３２と、ゲート駆動基板２０とを順に積層して組み込んで形成される。

また、図３は、上アーム基板３０及び下アーム基板３１の上にシールド板３２とゲート駆動基板２０を重ねた状態を、出力バスバー６５の側面方向から見た状態を示した一部断面図である。図３に示したように、上アーム基板３０と下アーム基板３１は、平行に配置された高電位バスバー８１及び低電位バスバー８３を挟んで配置されている。ＩＧＢＴ６１ａは、接続片１１０を介してコレクタ端子が高電位バスバー８１に接続されると共に、接続片１１１を介してエミッタ端子が出力バスバー６５に接続されている。また、ＩＧＢＴ６１ｂは、コレクタ端子が出力バスバー６５に接続されると共に、接続片１１３を介してエミッタ端子が低電位バスバー８３に接続されている。

次に、図４は、ゲート駆動基板２０における出力バスバー５５〜５７及び６５〜６７の配置と磁気絶縁素子の実装位置を示したものである。

出力バスバー５５〜５７及び６５〜６７は、ゲート駆動基板２０の左端と右端間に延びた高電位バスバー８１及び低電位バスバー８３の配置箇所から下側に延びる方向に、所定間隔をもって互いに平行に配置されている。この場合、出力バスバー５５，５６，５７，６５，６６，６７は、高電位バスバー８１及び低電位バスバー８３とほぼ垂直に配置されている。

第１インバータ回路５０のＩＧＢＴ５１ｂにゲート駆動信号を出力する磁気絶縁素子２１ｂ（特定磁気絶縁素子）は、ＩＧＢＴ５１ｂに接続された出力バスバー５５（本発明の特定出力バスバーに相当する）と、出力バスバー５５に隣接した他の出力バスバー５６との間に配置されている。

そして、磁気絶縁素子２１ｂと出力バスバー５５の間隔Ｗ１を、磁気絶縁素子２１ｂと出力バスバー５６の間隔Ｗ２よりも広くして（磁気絶縁素子２１ｂを出力バスバー５６側に寄せて）実装されている。このような位置に磁気絶縁素子２１ｂを実装することによって、ＩＧＢＴ５１ｂ（図１参照）により高電位バスバー８１と出力バスバー５５間の導通と遮断を切換える際に生じるノイズが磁気絶縁素子２１ｂに与える影響を低減することができる。

また、磁気絶縁素子２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ，２５ｂについても、ゲート駆動信号を出力するＩＧＢＴに接続された出力バスバーから離間させて実装することにより、ノイズの影響を低減させている。

また、磁気絶縁素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂは、昇圧回路４０から所定距離（バッテリバスバー８０から磁気絶縁素子２１ｂまでの距離）以上離間した位置に実装されている。そして、これにより、昇圧回路４０のＩＧＢＴのスイッチング動作に伴って、バッテリバスバー８０で発生するノイズが、磁気絶縁素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂに与える影響を低減している。

なお、本実施形態では、本発明の電力スイッチング装置として、電動車両に搭載された電動機及び発電機との電力の導通と遮断を切換える装置を示したが、本発明の適用対象はこれに限られず、複数の出力バスバーの間に磁気絶縁素子を配置する構成とする場合に、本発明を適用することができる。

また、本実施形態では、昇圧回路４０を備えて昇圧回路４０の出力部を高電位バスバー８１と低電位バスバー８３に接続したが、昇圧回路４０を備えずに、バッテリ１０の出力部を高電位バスバー８１及び低電位バスバー８３に接続する場合にも、本発明の適用が可能である。

また、本実施形態では、本発明のＩＧＢＴとしてＩＧＢＴを用いたが、ＭＳＯＦＥＴやリレー等の他の種類のスイッチング素子を用いてもよい。

１…電力スイッチング装置、１０…バッテリ、２０…ゲート駆動基板、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ…磁気絶縁素子、３０…上アーム基板、３１…下アーム基板、４０…昇圧回路、５０…第１インバータ回路、５１，５２，５３…スイッチング回路、５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂ…ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、５５，５５，５７…出力バスバー、６０…第２インバータ回路、６１，６２，６３…スイッチング回路、６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ…ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、６５，６６，６７…出力バスバー、８１…高電位バスバー、８３…低電位バスバー、３００…電動機、３１０…発電機。

Claims (2)

1. 直流電力出力回路の高電位出力部に接続された高電位バスバー、及び該直流電力出力回路の低電位出力部に接続された低電位バスバーと、
   上アーム基板に実装されて前記高電位バスバーとの導通と遮断とを切換えるスイッチング素子と、下アーム基板に実装されて前記低電位バスバーとの導通と遮断とを切換えるスイッチング素子とから成り、互いに整列して配置される複数のスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路同士の間の近傍に設けられて互いに所定間隔をもって配置され、前記複数のスイッチング回路のいずれかにより、前記高電位バスバー及び前記低電位バスバーとの導通と遮断とが切換えられる複数の出力バスバーと、
   前記複数のスイッチング素子に対して個別に接続して設けられ、所定の制御信号を磁気結合により電気的に絶縁して入力し、該制御信号に同期したゲート駆動信号を、接続されたスイッチング素子のゲート端子に出力する複数の磁気絶縁素子と、
   前記上アーム基板及び前記下アーム基板と平行に配置されて、前記複数の磁気絶縁素子が実装され、前記複数の磁気絶縁素子のうちの少なくとも１個の特定磁気絶縁素子が、該特定磁気絶縁素子から前記ゲート駆動信号が出力されるスイッチング素子に接続された特定出力バスバーと、該特定出力バスバーに隣接する他の出力バスバーの間に位置する箇所に、該特定磁気絶縁素子と該特定出力バスバーとの間隔を、該特定磁気絶縁素子と該他の出力バスバーとの間隔よりも広くして実装されたゲート駆動基板と
   を備えたことを特徴とする電力スイッチング装置。
2. 請求項１に記載された電力スイッチング装置において、
   前記直流電力出力回路は、直流電源から出力される電力をスイッチングすることにより昇圧して出力する昇圧回路であり、
   前記複数の磁気絶縁素子は、前記昇圧回路から所定距離以上離間して配置されていることを特徴とする電力スイッチング装置。