JP2018061363A - Motor drive device, motor system and electric power steering device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング素子を備えたモータ駆動装置、及び、これを用いたモータシステム、電動パワーステアリング装置に関する。 The present invention relates to a motor drive device including a switching element, a motor system using the same, and an electric power steering device.
電力変換装置(インバータ)と電動モータとが一体的に組み合わされたモータシステムが知られている。例えば、電動パワーステアリング装置に用いられるモータシステムは、車両のハンドルに加えられた運転者の操舵トルクに応じた補助トルクを発生する電動モータと、この電動モータを駆動するモータ駆動装置とを備える。モータ駆動装置は、電動モータに電力を供給するパワースイッチング素子で構成された電力変換装置と、パワースイッチング素子を制御する制御回路とを備えており、電動モータに一体に固定される。
前記パワースイッチング素子の直近には、電圧サージ、ノイズまたはその両方を抑制するためのスナバ回路、FETと平滑コンデンサとの間の配線インダクタンスとFETの寄生容量との間で発生する共振を抑制するためのフィルタ回路等の、コンデンサを備えたスイッチング素子保護回路が接続される場合がある。
一方、動作中の電動モータは発熱し、電動モータの近傍に配置される部品は高温になる。スイッチング素子保護回路のコンデンサも同様に高温になるが、一般的なフィルムコンデンサ等では耐熱温度が低く、要求される動作特性を充分発揮できないという課題があった。
かかる課題に対して、特許文献1には、パワースイッチング素子の近傍に、高温動作可能に構成されたコンデンサを有するスナバ回路を接続した技術が開示されている。
A motor system in which a power converter (inverter) and an electric motor are combined together is known. For example, a motor system used for an electric power steering apparatus includes an electric motor that generates an auxiliary torque corresponding to a steering torque of a driver applied to a steering wheel of a vehicle, and a motor driving apparatus that drives the electric motor. The motor drive device includes a power conversion device configured with a power switching element that supplies power to the electric motor, and a control circuit that controls the power switching element, and is fixed integrally to the electric motor.
In the immediate vicinity of the power switching element, a snubber circuit for suppressing voltage surge, noise or both, and for suppressing resonance generated between the wiring inductance between the FET and the smoothing capacitor and the parasitic capacitance of the FET. In some cases, a switching element protection circuit having a capacitor, such as a filter circuit, is connected.
On the other hand, the electric motor in operation generates heat, and the components arranged in the vicinity of the electric motor become high temperature. Similarly, the capacitor of the switching element protection circuit has a high temperature, but a general film capacitor or the like has a problem that the heat resistance temperature is low and the required operating characteristics cannot be sufficiently exhibited.
In response to such a problem, Patent Document 1 discloses a technique in which a snubber circuit having a capacitor configured to be capable of high-temperature operation is connected in the vicinity of a power switching element.
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、高温動作可能なコンデンサは高価であるため、一般的な安価なコンデンサを使用するよりもモータ駆動装置のコストが高くなるという課題があった。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1, a capacitor capable of operating at high temperature is expensive, and thus there is a problem that the cost of the motor drive device is higher than when a general inexpensive capacitor is used.
本発明は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子保護回路への熱的負荷が低減され、より安価なコンデンサが使用可能となる結果、低コスト化が図れるモータ駆動装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and the thermal load on the switching element protection circuit is reduced, and a cheaper capacitor can be used. As a result, the motor can be reduced in cost. The object is to provide a drive device.
本発明のモータ駆動装置は、表面がモータに対向して配置される第一の基板と、前記第一の基板の裏面側に配置された第二の基板と、前記第一の基板に配置されたスイッチング素子と、コンデンサを含む少なくとも一部が前記第二の基板に配置され、前記スイッチング素子に並列に接続されたスイッチング素子保護回路とを備えている。 The motor drive device of the present invention is arranged on the first substrate, the second substrate disposed on the back surface side of the first substrate, and the first substrate disposed on the first substrate. A switching element protection circuit that is disposed on the second substrate and connected in parallel to the switching element.
スイッチング素子保護回路のうち少なくともコンデンサを含む一部を、表面がモータに対向する第一の基板の裏面側に配置された第二の基板上に配置したことにより、スイッチング素子保護回路のコンデンサへの熱的負荷が低減され、そのため一般的な安価なコンデンサを使用することが可能となる。その結果、スイッチング素子保護回路への熱的負荷が小さく、より低コストなモータ駆動装置を得ることができる。 By disposing at least a part of the switching element protection circuit including the capacitor on the second substrate disposed on the back surface side of the first substrate facing the motor, the switching element protection circuit is connected to the capacitor. The thermal load is reduced, so that a general inexpensive capacitor can be used. As a result, a thermal drive to the switching element protection circuit is small, and a motor drive device with a lower cost can be obtained.
実施の形態1.
以下、電動パワーステアリング装置を例にとり、本発明の実施の形態1によるモータ駆動装置について、図を用いて説明する。
<回路構成>
図1は、電動パワーステアリング装置の回路構成を示すブロック図である。図1において、モータシステム100は、電動モータ9と、モータ駆動装置としての電子制御ユニット20とを備えている。モータシステム100は、電源コネクタ11を介して車両に搭載されたバッテリ1に電気的に接続され、車載各種センサ用コネクタ12を介して車両側から車両の走行速度信号等の車載各種センサ14が入力され、トルクセンサ用コネクタ13を介してトルクセンサ15からの操舵トルク信号が入力される。トルクセンサ15は、車両のステアリングシャフト等に設けられ、運転者による操舵トルクを検出し、操舵トルク信号を出力する。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the motor drive apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings by taking an electric power steering apparatus as an example.
<Circuit configuration>
FIG. 1 is a block diagram showing a circuit configuration of the electric power steering apparatus. In FIG. 1, a
電動モータ9は、3相ブラシレスモータで、例えば永久磁石からなる界磁磁極を備えた回転子92と、U相、V相、W相からなる三相電機子巻線を有する固定子91を備えている。図1では、電機子巻線をΔ結線で示しているがY結線でも良い。なお、ブラシレスモータは一例であって、誘導機であっても良い。
電動モータ9の回転子92の回転角(電動モータの回転角と称する場合もある)は、電子制御ユニット20によって検出される。3相ブラシレスモータである電動モータ9の回転子92は、前述のように永久磁石で構成された界磁磁極を備えており、後述するように電子制御ユニット20は、その界磁磁極の動きを回転センサ84で検出することができる。回転センサ84は、磁気センサ、またはレゾルバにより構成されている。
The
The rotation angle of the
電子制御ユニット20は、ノイズフィルタ2と、バッテリ電流を通電、遮断するスイッチ手段である電源リレー部3と、電力変換回路を構成する3相ブリッジ回路4と、3相ブリッジ回路4の後述するU相アームとV相アームとW相アームにそれぞれ並列接続された平滑コンデンサ6u、6v、6wと、電動モータ9への電流を通電、遮断するスイッチ手段であるモータリレー部5と、電動モータ9の電機子巻線流れる電流を検出するためのシャント抵抗回路7と、マイクロコンピュータ81と、スイッチング素子駆動回路82と、電流検出手段83と、回転センサ84とを備えている。シャント抵抗回路7は、後述するシャント抵抗7u、7v、7wを備える。
The
3相ブリッジ回路4は、直列接続されたU相上アームとU相下アームとからなるU相アームと、直列接続されたV相上アームとV相下アームとからなるV相アームと、直列接続されたW相上アームとW相下アームとからなるW相アームとを有している。
各アームには、パワースイッチング素子としてのn型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FIELD-EFFECT-Transistor)が接続される。高電位側であるU相上アーム、V相上アーム、及びW相上アームには、高電位側FET41u、41v、41wがそれぞれ接続されており、低電位側であるU相下アーム、V相下アーム、及びW相下アームには、低電位側FET42u、42v、42wがそれぞれ接続されている。
The three-phase bridge circuit 4 includes a U-phase arm composed of a U-phase upper arm and a U-phase lower arm connected in series, a V-phase arm composed of a V-phase upper arm and a V-phase lower arm connected in series, It has a W-phase arm composed of a connected W-phase upper arm and a W-phase lower arm.
Each arm is connected with an n-type MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FIELD-EFFECT-Transistor) as a power switching element. High-
高電位側FET41uは、U相上アームとU相下アームとの接続点から導出されているU相出力線ULと正極側入力線PLとの間を開閉する。高電位側FET41vは、V相上アームとV相下アームとの接続点から導出されているV相出力線VLと正極側入力線PLとの間を開閉する。高電位側FET41wは、W相上アームとW相下アームとの接続点から導出されているW相出力線WLと正極側入力線PLとの間を開閉する。低電位側FET42uは、U相出力線ULと負極側入力線NLとの間を開閉する。低電位側FET42vは、V相出力線VLと負極側入力線NLとの間を開閉する。低電位側FET42wは、W相出力線WLと負極側入力線NLとの間を開閉する。
The high-potential side FET 41u opens and closes between the U-phase output line UL and the positive-side input line PL derived from the connection point between the U-phase upper arm and the U-phase lower arm. The high-
U相の高電位側FET41uの負極側と低電位側FET42uの正極側が接続され、その接続部に接続されたU相出力線ULがモータリレー部5のU相のモータリレー用FET5uの基準電位側に接続されており、モータリレー用FET5uの他端は、電動モータ9の固定子91におけるU相巻線端子UTに接続されている。低電位側FET42uの負極側とシャント抵抗7uの一端が接続されており、シャント抵抗7uの他端は平滑コンデンサ6uの負極側に接続されている。
The negative phase side of the U-phase high potential side FET 41u and the positive side of the low
V相の高電位側FET41vの負極側と低電位側FET42vの正極側が接続され、その接続部に接続されたV相出力線VLがモータリレー部5のV相のモータリレー用FET5vの基準電位側に接続されており、モータリレー用FET5vの他端は、電動モータ9の固定子91におけるV相巻線端子VTに接続されている。低電位側FET42vの負極側とシャント抵抗7vの一端が接続されており、シャント抵抗7vの他端は平滑コンデンサ6vの負極側に接続されている。
The negative phase side of the V phase high
W相の高電位側FET41wの負極側と低電位側FET42wの正極側が接続され、その接続部に接続されたW相出力線WLがモータリレー部5のW相のモータリレー用FET5wの基準電位側に接続されており、モータリレー用FET5wの他端は、電動モータ9の固定子91におけるW相巻線端子WTに接続されている。低電位側FET42wの負極側とシャント抵抗7wの一端が接続されており、シャント抵抗7wの他端は平滑コンデンサ6wの負極側に接続されている。高電位側FET41u、41v、41wの正極側は、平滑コンデンサ6u、6v、6wの正極側にそれぞれ接続されている。
The negative phase side of the W-phase high
各相の平滑コンデンサ6u、6v、6wと、各相の上アーム及び下アームに接続された高電位側FET41u、41v、41w、及び低電位側FET42u、42v、42wとの間に、FETがスイッチングしたときのサージ電圧を抑制するスナバ回路、または、FETがスイッチングしたときにFETと平滑コンデンサ間の配線インダクタンスとFETの寄生容量との間で発生する共振を抑制するためのフィルタ回路が設けられる。スナバ回路及び共振抑制用フィルタ回路は同時に設けられていても良い。以下、スナバ回路の場合について説明する。
FETs are switched between the smoothing
第1のスナバ回路接続位置について図1を用いて説明する。U相において、高電位側FET41uのドレイン端子とスナバ回路41usの高電位側が接続され、高電位側FET41uのソース端子とスナバ回路41usの低電位側が接続される。同様に低電位側FET42uのドレイン端子とスナバ回路42usの高電位側が接続され、低電位側FET42uのソース端子とスナバ回路42usの低電位側が接続される。スナバ回路42usの低電位側は負極側入力線NLに接続しても良い。V相、W相も同様にスナバ回路が接続される。
The first snubber circuit connection position will be described with reference to FIG. In the U phase, the drain terminal of the high
第2のスナバ回路接続位置について図2を用いて説明する。U相において、スナバ回路6usの高電位側が正極側入力線PLに接続され、スナバ回路6usの低電位側が負極側入力線NLに接続されている。V相、W相も同様である。
図2では、各相に対してそれぞれ1個のスナバ回路を接続しているが、U相、V相、W相の3相に対して1個のスナバ回路を設けても良い(第3の接続位置)。
The second snubber circuit connection position will be described with reference to FIG. In the U phase, the high potential side of the snubber circuit 6us is connected to the positive input line PL, and the low potential side of the snubber circuit 6us is connected to the negative input line NL. The same applies to the V phase and the W phase.
In FIG. 2, one snubber circuit is connected to each phase, but one snubber circuit may be provided for three phases of the U phase, the V phase, and the W phase. Connection position).
スナバ回路は、サージ電圧を抑制するためにコンデンサで構成したCスナバ、または高周波の振動を抑制するためのコンデンサと抵抗を直列接続したCRスナバが接続されるが、スナバ回路の回路構成はこれらに限定されるものではない。
また、第1、第2、第3のスナバ回路接続位置を組み合わせて使用しても良い。また、例えば、第2のスナバ回路接続位置にCスナバを接続し、第1のスナバ回路接続位置にCRスナバを接続するなど、スナバ回路の構成と接続位置はサージ電圧の抑制、またはノイズ抑制の用途で組み合わせることが可能である。
The snubber circuit is connected to a C snubber configured with a capacitor to suppress a surge voltage, or a CR snubber in which a capacitor and a resistor are connected in series to suppress high-frequency vibration. It is not limited.
Further, the first, second, and third snubber circuit connection positions may be used in combination. In addition, for example, the snubber circuit configuration and connection position can suppress surge voltage or noise suppression, such as connecting a C snubber to the second snubber circuit connection position and connecting a CR snubber to the first snubber circuit connection position. It is possible to combine with the application.
図1の電子制御ユニット20に設けられた、3相ブリッジ回路4と、回転子92の回転位置を検出する回転センサ84と、シャント抵抗7u、7v、7wに接続されて電動モータ9の電機子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段83と、マイクロコンピュータ81と、マイクロコンピュータ81からの指令によりFETの動作を制御する駆動信号を出力するスイッチング素子駆動回路82と、電流検出手段83と、マイクロコンピュータ81と、スイッチング素子駆動回路82とは、後述するように積層基板200に搭載されている。
The armature of the
マイクロコンピュータ81は、トルクセンサ15からの操舵トルク信号に基づいて電動モータ9が出力すべき補助トルクを演算すると共に、電流検出手段83により検出されたモータ電流、及び回転センサ84により検出された回転子92の回転位置をフィードバックして補助トルクを発生させるための目標電流を演算する。
電源リレー部3は、互いに直列接続された2個の電源リレー用FET31、32で構成されており、電源リレー用FET31のソース端子と電源リレー用FET32のソース端子が接続されている。電源リレー用FET31のドレイン端子はノイズフィルタ2に接続されており、電源リレー用FET32のドレイン端子は平滑コンデンサ6u、6v、6wの正極側に接続されている。電源リレー用FET31と電源リレー用FET32のゲート端子は、スイッチング素子駆動回路82に接続されている。
マイクロコンピュータ81は、AD変換器とPWMタイマ回路等の他に、周知の自己診断機能を含み、システムが正常に動作しているか否かを常に自己診断しており、異常が発生すると、電源リレー部3の電源リレー用FET31、32と、モータリレー部5のモータリレー用FET5u、5v、5wを全てオフし、3相ブリッジ回路4と電動モータ9との接続を遮断するようにスイッチング素子駆動回路82に指令を与える。
スイッチング素子駆動回路82は、マイクロコンピュータ81からの指令に基づいて、電源リレー部3の電源リレー用FET31、32と、モータリレー部5のモータリレー用FET5u、5v、5wを駆動すると共に、パワースイッチング素子としての高電位側FET41u、41v、41w、及び低電位側FET42u、42v、42wを駆動する。
マイクロコンピュータ81には、前述のようにトルクセンサ15から操舵トルク情報、回転センサ84から電動モータ9の回転子92の回転位置の情報がそれぞれ入力され、また、車載各種センサ用コネクタ12からは車載各種センサ14の一つとして走行速度信号が入力される。さらに、シャント抵抗7u、7v、7wの両端間電圧値に基づいてモータ電流が電流検出手段83により検出され、その検出されたモータ電流がマイクロコンピュータ81にフィードバック入力される。マイクロコンピュータ81は、これらの情報、信号に基づいてパワーステアリングの回転方向指令、及び補助トルクに相当する電流制御量がそれぞれ生成され、それぞれの駆動信号がスイッチング素子駆動回路82に入力される。
The
The power relay unit 3 is composed of two
The
The switching
As described above, the
スイッチング素子駆動回路82は、マイクロコンピュータ81からパワーステアリングの回転方向指令及び電流制御量が入力されると、PWM駆動信号を生成し、パワースイッチング素子である高電位側FET41u、41v、41w、及び低電位側FET42u、42v、42wに電圧を印加する。これにより電動モータ9にはバッテリ1からの電流が、電源コネクタ11、ノイズフィルタ2、電源リレー部3、3相ブリッジ回路4、及びモータリレー部5を通じて流れ、所要方向に所要量の補助トルクが電動モータ9から出力される。
このとき、マイクロコンピュータ81には、シャント抵抗及び電流検出手段を通じて検出されたモータ電流がフィードバックされ、マイクロコンピュータ81からスイッチング素子駆動回路52に送られるモータ電流指令と一致するよう制御される。
The switching
At this time, the motor current detected through the shunt resistor and the current detecting means is fed back to the
図1では平滑コンデンサ6u、6v、6wの負極側を直接GNDに接続していない。これは平滑コンデンサ6u、6v、6wと各相の上アーム及び下アームとの閉ループを最小限にして、寄生インダクタンスを低減し、高電位側FET41u、41v、41wと低電位側FET42u、42v、42wがスイッチングしたときに発生するサージ電圧を抑制するためである。
In FIG. 1, the negative electrodes of the smoothing
ノイズフィルタ2の構成としては、一般的には、ノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタを併用することで所定の性能を得る設計を行うが、ノイズフィルタ2はノーマルモードフィルタのみ、またはコモンモードフィルタのみであっても良く、あるいは、ノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタの両方を設けても良く、ノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタの機能を統合したフィルタでも良いのであって、要求仕様に応じ設計すれば良い。
In general, the
<装置構成>
図3は、この発明の実施の形態1による電動パワーステアリング装置用モータシステムの装置構成を示す概略断面図である。モータシステム100は、前述の図1に示すブロック回路構成を備え、図3に示すように構成されている。図3において、三相ブラシレスモータで構成される電動モータ9の軸方向の反出力側端部にヒートシンクの機能を有する金属筐体101が配置され、その金属筐体101の軸方向の上方部に積層基板200が配置され、その積層基板200の軸方向の上方部に平滑コンデンサ6u、6v、6wとノイズフィルタ2が配置され、さらにそれらの上部に樹脂ケース102が配置されている。
また、樹脂ケース102には、外部の直流電源である車両に搭載されたバッテリ1が接続されるパワー系の電源コネクタ11と、トルクセンサ15と車載各種センサ14が接続される制御系のトルクセンサ用コネクタ13(図示せず)、車載各種センサ用コネクタ12(図示せず)が樹脂ケース102に一体化されて成型されている。平滑コンデンサ6u、6v、6wは、電解コンデンサ、導電性高分子コンデンサ、あるいはハイブリッドコンデンサが使用される。
<Device configuration>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a device configuration of the motor system for the electric power steering device according to Embodiment 1 of the present invention. The
The
積層基板200は、モータ側から順にパワー基板23(第一の基板)と、放熱部材22と、制御基板21(第二の基板)とが配置され、互いに一体に組み合わされて構成されている。パワースイッチング素子41u、41v、41w、42u、42v、42wはパワー基板23に配置され、スナバ回路41us、41vs、41ws、42us、42vs、42wsはコンデンサを含む少なくとも一部が制御基板21に配置されており、パワースイッチング素子とスナバ回路とは積層基板200を貫通するスルーホール411、412を介して接続されている。
The
放熱部材22の外周方向の端部は、パワー基板23と制御基板21の径方向の端部よりも径方向に延出した延出部221を備えており、この放熱部材22の延出部221のモータ側の端面がヒートシンクの機能を有する金属筐体101に接触している。積層基板200で発生した熱は、放熱部材22の延出部221から金属筐体101へと伝熱する。
An end portion in the outer peripheral direction of the
パワー基板23は、100μmを超える大きな厚みの銅配線を有する多層基板である。一方、制御基板21は、100μm以下の薄い厚みの銅配線を有する多層基板である。したがって、制御基板21とパワー基板23の層構成は同一ではない。なお、これ等の銅配線の厚さの数値は一例である。また、使用している銅配線の厚みは異なるが、制御基板21とパワー基板23のそれぞれの厚みは同程度でも良いし異なっても良い。
通常、制御基板21とパワー基板23のように層構成、厚みが異なる基板を一体に構成すると、基板の反りが問題となる。かかる問題に対し、図3の装置構成ではパワー基板23と制御基板21との間に放熱部材22を挿入しているので大幅に基板の反りが緩和される。放熱部材22は、パワー基板23を構成する多層基板の一層に設けられた銅配線と同程度かさらに大きな厚みの銅板により構成されている。また放熱部材22は、スイッチング素子保護回路に対して、モータからの熱及びパワースイッチング素子からの熱を遮熱する効果もある。
The
Usually, when substrates having different layer configurations and thicknesses, such as the
平滑コンデンサ6u、6v、6wの端子とノイズフィルタ2の端子の一方は、制御基板21と放熱部材22を貫通してパワー基板23に接続されている。磁気センサにより構成された回転センサ84は、パワー基板23に接続されている。なお、回転センサ84としての磁気センサは、電動モータ9の回転子92の磁極位置を検出できれば良く、必ずしもパワー基板23へ接続する必要はない。
One of the terminals of the smoothing
前述のように構成された積層基板200は、パワー基板23と制御基板21をそれぞれ個別に製作し、しかる後に放熱部材22の両面にプリプレグを介してパワー基板23と制御基板21を固着して一体化させることで製作される。その後、制御基板21とパワー基板23の配線が行われる。
パワー基板23のみで結線される貫通スルーホール(図示せず)は、その片側端部が制御基板21の表層に現れることがないため、制御基板21の部品実装面積が増え、小型化が可能である。また、制御基板21のみで結線される貫通スルーホール(図示せず)は、その片側端部がパワー基板23に現れることがないため、パワー基板23の部品実装面積が増え、小型化が可能である。さらに、制御基板21の配線は、1層あたり100μm以下の薄い銅板のみで構成されるため、制御基板21の厚みを薄くでき、その結果制御基板21内を配線するスルーホールの径を小さくできる特徴もある。
In the
A through-through hole (not shown) connected only by the
マイクロコンピュータ81とスイッチング素子駆動回路82は、制御基板21の表層に配置されている。マイクロコンピュータ81とスイッチング素子駆動回路82との接続は、制御基板21内の貫通スルーホールにより接続されている。パワースイッチング素子としての高電位側FET41u、41v、41wと低電位側FET42u、42v、42wは、パワー基板23の表層に配置されている。高電位側FET41u、41v、41w及び低電位側FET42u、42v、42wのゲート、ソース間とスイッチング素子駆動回路82とは各基板を貫通するスルーホールで接続されている。
The
<パワースイッチング素子およびスナバ回路の接続>
図4は、積層基板200の構成を示す概略断面図である。図4を用いて、U相をもとにパワースイッチング素子およびスナバ回路の接続を説明する。
パワー基板23のモータ側の表層にパワースイッチング素子41uが実装されている。パワースイッチング素子41uの裏側にあたる制御基板21の表層には、スナバ回路41usが実装されている。パワースイッチング素子41uとスナバ回路41usはスルーホール411、412を介して互いに電気的に接続されている。パワースイッチング素子42およびスナバ回路42usについても同様である。
スルーホール411、412は、円形で内側にメッキ処理が施されたものであり、放熱部材22を貫通する部分は、スルーホール411、412と放熱部材22とが接触しないように穴があけられている。なお、スルーホールの種類はこれに限定されず、パワースイッチング素子とスナバ回路とを電気的に接続できれば良く、例えば銅インレイを埋め込む形式を用いても良い。
なお、図4ではスナバ回路全体を制御基板21に搭載しているが、コンデンサと抵抗が直列接続されたCRスナバの場合、コンデンサのみ制御基板21に配置し、抵抗はパワー基板23に配置しても良い。
<Connection of power switching element and snubber circuit>
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
A
The through
In FIG. 4, the entire snubber circuit is mounted on the
通常、パワースイッチング素子の最大許容ジャンクション温度は150℃程度であるが、スナバ回路に使用される一般的なフィルムコンデンサは、パワースイッチング素子の最大許容ジャンクション温度よりも使用温度範囲の上限値が低く、通常125℃以下である。
それゆえ、従来は、コンデンサをパワー基板23の表層に実装する場合は、モータからの発熱により高温になる雰囲気温度に耐えられるように高温に対応した特殊な材料で構成された高価なコンデンサを使用しなければならず、コストが高かった。
これに対して、本発明では、スナバ回路41usが接続される制御基板21は、モータ側からパワー基板23および放熱部材22を介して位置するため、雰囲気温度がパワー基板23と比較して低い。そのため、スナバ回路41usのコンデンサへの熱的負荷を低減することができ、使用温度範囲の上限値の低いより安価なコンデンサをスナバ回路41usに使用することが可能となる。
スナバ回路41usのコンデンサには主としてフィルムコンデンサが使用されるが、これに限定されず、低減された熱的負荷に耐え得るものであれば、いずれの種類のコンデンサを使用してもよい。
Normally, the maximum allowable junction temperature of the power switching element is about 150 ° C., but a general film capacitor used for a snubber circuit has a lower upper limit of the operating temperature range than the maximum allowable junction temperature of the power switching element, Usually 125 ° C. or lower.
Therefore, conventionally, when a capacitor is mounted on the surface layer of the
On the other hand, in the present invention, the
A film capacitor is mainly used as the capacitor of the snubber circuit 41us. However, the present invention is not limited to this, and any type of capacitor may be used as long as it can withstand a reduced thermal load.
また、動作中はパワースイッチング素子41u自体も発熱するが、本発明では、スナバ回路41usが、パワースイッチング素子41uが配置されるパワー基板23の裏面側に設けられた制御基板21上に配置されているため、スナバ回路41usへのパワースイッチング素子41uからの熱の影響も抑制することができる。
また、パワースイッチング素子とスナバ回路とを基板の同一面上に配置する場合と比較して、実効的な配線長が短くなるために、配線インダクタンスおよび配線抵抗が低減される結果、ノイズを小さくできる効果もある。
In addition, the
Also, compared to the case where the power switching element and the snubber circuit are arranged on the same surface of the substrate, the effective wiring length is shortened, so that the wiring inductance and the wiring resistance are reduced, resulting in a reduction in noise. There is also an effect.
さらに、制御基板21の配線パターンはパワー基板23の配線パターンと比べて薄いため、配線パターンの凹凸を埋めるためのプリプレグの樹脂の厚みを薄くできる。そのため、スナバ回路を制御基板21に配置した場合の方が、パワー基板23に配置した場合よりも効率的に冷却ができるという効果もある。
Furthermore, since the wiring pattern of the
また、パワースイッチング素子41uと42uの直下に、銅インレイPINが設けられている。銅インレイPINは、パワー基板の最下位層まで延出しており、プリプレグを介して、放熱部材にパワースイッチング素子で発生した熱を効率的に伝熱できる。この銅インレイPINは表層の銅パターンと複数の層との電気的接続にも使用しても良い。
また、スナバ回路41usと42usの配置部の直下に熱伝導部材としてのサーマルビアTVを埋設して、スナバ回路の発熱を放熱部材22に放熱するように構成しても良い。
Further, a copper inlay PIN is provided immediately below the
Further, a thermal via TV as a heat conducting member may be embedded immediately below the arrangement portion of the snubber circuits 41us and 42us so that the heat generated by the snubber circuit is radiated to the
パワースイッチング素子41uとスナバ回路41usとを接続するスルーホール411、412は、高電位側411と低電位側412とが並走されている。並走させることでスルーホールの高電位側411と低電位側412で磁界をキャンセルするために、配線インダクタンスを低減することが可能である。パワースイッチング素子42uとスナバ回路42usとの接続も同様である。
In the through
図5に、パワー基板23の上面図を示す。図5では、パワースイッチング素子42uのゲート端子423uとソース端子422uとスイッチング素子駆動回路とを接続する一組の第二スルーホール426u、427uは、スナバ回路とパワースイッチング素子を接続する一組の第一スルーホール424u、425uからパワースイッチング素子を介して対向する位置に配置されている。すなわち、一組の第一スルーホール424u、425uのパワースイッチング素子との接続点と、一組の第二スルーホール426u、427uのパワースイッチング素子との接続点とが、パワースイッチング素子42uを介して対向して配置されている。
スナバ回路にはパワースイッチング素子がスイッチングしたときに高周波の電流が流れるために、スナバ回路を接続するスルーホールがゲート・ソース間のスルーホールへと及ぼす電磁干渉を防ぐ必要があるが、第一スルーホールと第二スルーホールとをパワースイッチング素子を介して対向する位置に配置することで、スナバ回路を接続するスルーホールからゲート・ソース間のスルーホールへの電磁干渉を抑制することが可能である。
FIG. 5 shows a top view of the
Since high-frequency current flows in the snubber circuit when the power switching element is switched, it is necessary to prevent the electromagnetic interference that the through-hole connecting the snubber circuit has on the through-hole between the gate and source. By disposing the hole and the second through hole at positions facing each other through the power switching element, it is possible to suppress electromagnetic interference from the through hole connecting the snubber circuit to the through hole between the gate and the source. .
比較例を図6に示す。図6では、パワースイッチング素子42uのゲート端子423uとソース端子422uとスイッチング素子駆動回路とを接続する一組の第二スルーホール(426u、427u)と、スナバ回路とパワースイッチング素子とを接続する一組の第一スルーホール(424ua、425ua)が、パワースイッチング素子の片側に集中している。片側に集中すると、スナバ回路とパワースイッチング素子を接続するスルーホールがゲート・ソース端子とスイッチング素子駆動回路を接続するスルーホールに電磁干渉を起こしてパワースイッチング素子42uにノイズを与える。また、誤動作を起こす可能性もある。
A comparative example is shown in FIG. In FIG. 6, a pair of second through holes (426u, 427u) connecting the
<装置の組立>
モータシステム100の組立手順としては、樹脂ケース102の平滑コンデンサ6u、6v、6wが配置される部位1021に第1の緩衝部材6aを配置し、樹脂ケース102のノイズフィルタ2が配置される部位1022に第2の緩衝部材2aを配置し、次に、平滑コンデンサ6u、6v、6wとノイズフィルタ2を、樹脂ケース102のそれぞれの所定の部位1021、1022に配置し、平滑コンデンサ6u、6v、6wとノイズフィルタ2の軸方向の高さ、及び端子位置を確定する。平滑コンデンサ6u、6v、6wの上面は、防爆弁の開封を考慮して、樹脂ケース102との間にスペースが確保されている。
<Assembly of equipment>
As an assembly procedure of the
次に外部電源であるバッテリ1との接続部を構成する電源コネクタ11の一端と、ノイズフィルタ2の入力端211を接続する。その接続は溶接でも良いし、はんだ付け、ねじ止め、プレスフィットでも良い。電源コネクタ11の他端は、外部電源であるバッテリ1のコネクタ(図示せず)に接続される。
積層基板200を樹脂ケース102に配置する前に、第3の緩衝部材24を樹脂ケース102に挿入する。この第3の緩衝部材24は、放熱部材22とヒートシンクとしての金属筐体101の熱抵抗を低減出来れば良く、リング状に配置しても良いし、部分的に配置しても良い。
Next, one end of the
Prior to placing the
次に、平滑コンデンサ6u、6v、6wとノイズフィルタ2のリード線を積層基板200に設けられた所定の貫通スルーホールに通し、積層基板200のパワー基板23に予めはんだ付けされたL字端子4bに接続する。この接続部分は溶接でも良いし、はんだ付け、ねじ止め、プレスフィットでも良い。なお、積層基板200に設けられた貫通スルーホールは、制御基板21と放熱部材22とパワー基板23を貫通して設けられており、前述の制御基板のみに設けられている貫通スルーホールとパワー基板のみに設けられている貫通スルーホールとは別体である。
なお、実施の形態1では、予めL字端子4bをはんだ付けした積層基板200に平滑コンデンサ6u、6v、6wとノイズフィルタ2の端子を接続しているが、L字端子4bを設けずに直接積層基板200のランドにはんだ付けしても良い。
Next, the smoothing
In the first embodiment, the smoothing
次に、金属筐体101と積層基板200の放熱部材22とが接触するように、金属筐体101と樹脂ケース102とを接合する。ヒートシンクとしての金属筐体101と樹脂ケース102との接合は、接着剤でも良いし、ねじ止め、プレスフィットでも良い。
Next, the
以上説明したように、実施の形態1によれば、スナバ回路を、パワースイッチング素子が配置されるパワー基板(モータ側)の裏面側に設けられた制御基板上に配置したことにより、スナバ回路のコンデンサへの熱的負荷が低減され、一般的な安価なコンデンサを使用することが可能となる。その結果、スナバ回路への熱的負荷が小さく、コストの低いモータ駆動装置を得ることができる。 As described above, according to the first embodiment, the snubber circuit is arranged on the control board provided on the back side of the power board (motor side) on which the power switching element is arranged. The thermal load on the capacitor is reduced, and a general inexpensive capacitor can be used. As a result, it is possible to obtain a motor drive device that has a low thermal load on the snubber circuit and is low in cost.
なお、スナバ回路を一例として説明したが、これに限定されるものではなく、共振抑制用フィルタ回路のような、パワースイッチング素子の直近に配置されるスイッチング素子保護回路であれば同様に適用することができる。
また、電動パワーステアリング装置を一例として説明したが、これに限定されず、電力変換装置を含むモータ駆動装置とモータとが一体に組み合わされたモータシステムであれば同様に適用することができる。
Although the snubber circuit has been described as an example, the present invention is not limited to this, and the same applies to a switching element protection circuit arranged in the immediate vicinity of the power switching element, such as a resonance suppression filter circuit. Can do.
Moreover, although the electric power steering apparatus has been described as an example, the present invention is not limited to this, and the present invention can be similarly applied to any motor system in which a motor driving apparatus including a power conversion apparatus and a motor are integrally combined.
実施の形態2.
この発明の実施の形態2によるモータ駆動装置について説明する。図7は、この発明の実施の形態2によるモータ駆動装置の構成を示す図である。実施の形態2は、放熱部材が無いこと以外は、実施の形態1と同様である。
放熱部材が無くても、スナバ回路を、パワースイッチング素子が配置されるパワー基板(モータ側)の裏面側に設けられた制御基板上に配置したことにより、スナバ回路へのモータからの熱の影響を抑制することができる。
A motor drive apparatus according to
Even if there is no heat dissipation member, the snubber circuit is arranged on the control board provided on the back side of the power board (motor side) where the power switching element is arranged, so that the effect of heat from the motor on the snubber circuit Can be suppressed.
実施の形態3.
この発明の実施の形態3によるモータ駆動装置について説明する。図8は、この発明の実施の形態3によるモータ駆動装置の構成を示す図である。発明の実施の形態3によるモータ駆動装置の回路構成は、図1と同様である。また、図8では、図4に示した構成と同一ないし同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、実施の形態3に関わる部分を中心に説明する。
前述の実施の形態1では、制御基板21の表層にスナバ回路を実装するようにしていたが、実施の形態3では、制御基板21aの内部にスナバ回路41us、42usを埋設した構成である。
制御基板21a内にスナバ回路を埋設することで、制御基板21aの表層の実装面積が増えるため、基板を小型化することができ、結果としてモータシステムを小型化することができる。また、表層に配置する場合と比較してスルーホール長が短くなるために、配線インダクタンス、配線抵抗を小さくすることができる。また、基板内に部品を埋設することで部品が樹脂で固定され、振動に対する強度が増すという効果もある。
Embodiment 3 FIG.
A motor drive apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a motor drive device according to Embodiment 3 of the present invention. The circuit configuration of the motor driving apparatus according to the third embodiment of the invention is the same as that shown in FIG. In FIG. 8, the same reference numerals are given to the same or equivalent components as those shown in FIG. 4. Here, the description will be focused on the portion related to the third embodiment.
In the first embodiment described above, the snubber circuit is mounted on the surface layer of the
By embedding the snubber circuit in the
実施の形態4.
この発明の実施の形態4によるモータ駆動装置について説明する。図9は、この発明の実施の形態4による、スナバ回路とパワースイッチング素子とを接続するスルーホールとゲート・ソース端子間とスイッチング素子駆動回路とを接続するスルーホールとの位置関係を示す図である。発明の実施の形態4によるモータシステムの回路構成は、図1と同様である。なお、図9では、図5に示した構成と同一ないし同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、実施の形態4に関わる部分を中心に説明する。
実施の形態4では、ゲート抵抗RG42をパワースイッチング素子42uのゲート端子423uの直近のパワー基板の表層に実装している。ゲート抵抗RG42をパワースイッチング素子42uの直近に接続することで、ゲート抵抗RG42とパワースイッチング素子の寄生容量(図示しない)が低域通過フィルタの役割を果たすために、スルーホールに電磁干渉の影響で重畳された高周波のノイズ成分が除去されるために、パワースイッチング素子42uのゲート電圧に与える電磁干渉の影響を抑制することができる。その結果、パワースイッチング素子のゲート・ソース間のノイズの影響によるパワースイッチング素子の誤動作を防止することができる。
Embodiment 4 FIG.
A motor drive apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described. FIG. 9 is a diagram showing the positional relationship between a through hole that connects a snubber circuit and a power switching element, a through hole that connects a gate-source terminal, and a switching element drive circuit according to Embodiment 4 of the present invention. is there. The circuit configuration of the motor system according to the fourth embodiment of the invention is the same as that shown in FIG. In FIG. 9, the same or similar components as those shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. Here, the description will be focused on the portion related to the fourth embodiment.
In the fourth embodiment, the gate resistor RG42 is mounted on the surface layer of the power substrate closest to the
実施の形態5.
この発明の実施の形態5について図10を用いて説明する。実施の形態5は、実施の形態1のモータ駆動装置20を電動パワーステアリング装置に適用したものである。
図10の電動パワーステアリング装置は、実施の形態1のモータ駆動装置20およびモータ9からなるモータシステム100を備える。モータ駆動装置20は、運転者のハンドル操作のトルクを検出するトルクセンサ15および車載各種センサからの信号に応じてモータ9を駆動し、車両のステアリング機構に補助トルクを付与する。
実施の形態1のモータ駆動装置を使用したことにより、スイッチング素子保護回路への熱的負荷が小さく、コストの低い電動パワーステアリング装置を得ることができる。
なお、図10はコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置を示したものであるが、これに限らず、ピニオンアシスト式、ラックアシスト式いずれの電動パワーステアリング装置に関しても同様に適用することができる。
Embodiment 5. FIG.
Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG. In the fifth embodiment, the
The electric power steering apparatus of FIG. 10 includes a
By using the motor drive device of the first embodiment, an electric power steering device with a low thermal load on the switching element protection circuit and a low cost can be obtained.
FIG. 10 shows the column assist type electric power steering apparatus, but the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to any of the pinion assist type and rack assist type electric power steering apparatuses.
以上、各実施の形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施することができる。 While the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the spirit of the invention.
100 モータシステム、
20 電子制御ユニット、
200 積層基板、
21 制御基板、
22 放熱部材、
221 延出部、
23 パワー基板、
1 バッテリ、
2 ノイズフィルタ、
3 電源リレー部、
31、32 電源リレー用FET、
4 3相ブリッジ回路、
41u、41v、41w 高電位側FET、
41us、41vs、41ws スナバ回路、
42u、42v、42w 低電位側FET、
42us、42vs、42ws スナバ回路、
4b L字端子、
5 モータリレー部、
5u、5v、5w モータリレー用FET、
6u、6v、6w 平滑コンデンサ、
6us スナバ回路
7u、7v、7w シャント抵抗、
8 制御部、
81 マイクロコンピュータ、
82 スイッチング素子駆動回路、
83 電流検出手段、
84 回転センサ、
9 電動モータ、
91 固定子、
92 回転子、
6a 第1の緩衝部材、
2a 第2の緩衝部材、
24 第3の緩衝部材、
11 電源コネクタ、
12 車載各種センサ用コネクタ、
13 トルクセンサ用コネクタ、
14 車載各種センサ、
15 トルクセンサ、
101 金属筐体、
102 樹脂ケース、
UL U相出力線、
VL V相出力線、
WL W相出力線、
PL 正極側入力線、
NL 負極側出力線、
UT U相巻線端子、
VT V相巻線端子、
WT W相巻線端子、
TV サーマルビア、
PIN 銅インレイ
100 motor system,
20 electronic control unit,
200 laminated substrate,
21 control board,
22 heat dissipation member,
221 extension part,
23 Power board,
1 battery,
2 noise filter,
3 Power relay section,
31, 32 FET for power relay,
4 3-phase bridge circuit,
41u, 41v, 41w high potential side FET,
41us, 41vs, 41ws snubber circuit,
42u, 42v, 42w low potential side FET,
42us, 42vs, 42ws snubber circuit,
4b L-shaped terminal,
5 Motor relay part,
5u, 5v, 5w Motor relay FET,
6u, 6v, 6w smoothing capacitor,
8 control unit,
81 microcomputer,
82 switching element drive circuit,
83 current detection means,
84 Rotation sensor,
9 Electric motor,
91 Stator,
92 rotors,
6a 1st buffer member,
2a second buffer member,
24 3rd buffer member,
11 Power connector,
12 In-vehicle sensor connectors,
13 Torque sensor connector,
14 Vehicle-mounted sensors,
15 torque sensor,
101 metal housing,
102 resin case,
UL U-phase output line,
VL V-phase output line,
WL W phase output line,
PL positive side input line,
NL Negative output line,
UT U-phase winding terminal,
VT V phase winding terminal,
WT W phase winding terminal,
TV thermal via,
PIN copper inlay
Claims (13)
ことを特徴とする請求項1に記載されたモータ駆動装置。 The switching element and the switching element protection circuit are connected through a set of first through holes.
The motor driving apparatus according to claim 1, wherein
ことを特徴とする請求項1又は2に記載されたモータ駆動装置。 The set of first through holes are arranged in parallel,
The motor driving apparatus according to claim 1 or 2, wherein the motor driving apparatus is provided.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載されたモータ駆動装置。 The switching element protection circuit is a snubber circuit or a resonance suppression filter circuit.
The motor driving device according to any one of claims 1 to 3, wherein the motor driving device is provided.
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載されたモータ駆動装置。 Between the first substrate and the second substrate, a heat dissipation member made of a material having higher thermal conductivity than the first substrate and the second substrate,
The motor drive device according to any one of claims 1 to 4, wherein the motor drive device is provided.
ことを特徴とする請求項5に記載されたモータ駆動装置。 A metal housing disposed around the first substrate, the second substrate, and the heat dissipation member; and an end portion of the heat dissipation member from an end portion of the first substrate and the second substrate. Also extends in the outer circumferential direction and contacts the metal casing,
The motor driving apparatus according to claim 5, wherein
ことを特徴とする請求項5又は6に記載されたモータ駆動装置。 The switching element protection circuit is embedded in a second substrate in a region where at least a part including the capacitor is disposed, and is made of a material having a higher thermal conductivity than the second substrate, and the heat of the capacitor A heat conducting member that conducts heat to the heat radiating member,
The motor drive device according to claim 5 or 6, wherein the motor drive device is provided.
ことを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載されたモータ駆動装置。 The first substrate and the heat dissipation member, and the second substrate and the heat dissipation member are fixed via a prepreg, and the thickness of the prepreg between the second substrate and the heat dissipation member is , Smaller than the thickness of the prepreg between the first substrate and the heat dissipation member,
The motor driving apparatus according to claim 5, wherein the motor driving apparatus is provided.
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載されたモータ駆動装置。 At least a part of the switching element protection circuit including the capacitor is embedded in the second substrate.
The motor drive device according to claim 1, wherein the motor drive device is a motor drive device.
前記スイッチング素子駆動回路と前記スイッチング素子のゲート端子及びソース端子を接続する一組の第二スルーホールとを備え、
前記一組の第一スルーホールの前記スイッチング素子との接続点と、前記一組の第二スルーホールの前記スイッチング素子との接続点とが、前記スイッチング素子を介して対向して配置される、
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載されたモータ駆動装置。 A switching element driving circuit disposed on the second substrate;
A set of second through holes connecting the switching element drive circuit and the gate terminal and source terminal of the switching element;
A connection point of the set of first through holes with the switching element and a connection point of the set of second through holes with the switching element are arranged to face each other through the switching element.
The motor drive device according to claim 1, wherein the motor drive device is provided.
前記スイッチング素子駆動回路と前記スイッチング素子のゲート端子及びソース端子を接続する一組の第二スルーホールとを備え、
前記スイッチング素子の前記ゲート端子と前記第二スルーホールとの間にゲート抵抗が接続された、
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載されたモータ駆動装置。 A switching element driving circuit disposed on the second substrate;
A set of second through holes connecting the switching element drive circuit and the gate terminal and source terminal of the switching element;
A gate resistor is connected between the gate terminal of the switching element and the second through hole,
The motor drive device according to claim 1, wherein the motor drive device is provided.
を備えたモータシステム。 A motor drive device according to any one of claims 1 to 11, a motor disposed adjacent to the motor drive device and driven by the motor drive device,
Motor system equipped with.
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