JP2018107893A - パワーコントロールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】コスト、損失及び容積・重量の総合評価を最小化し得るパワーコントロールユニットを提供する。【解決手段】車両に搭載され、トランジスタにダイオードが逆並列接続された複数のスイッチングアームを備えるパワーコントロールユニットであって、一部のスイッチングアームは、トランジスタにダイオードが内蔵された複合型半導体チップにより形成され、他のスイッチングアームは、少なくとも１つの単独のトランジスタを備えた第１の単独型半導体チップと単独のダイオードを備えた第２の単独型半導体チップにより形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、パワーコントロールユニットに関する。

下記特許文献１には、絶縁基板上における半導体チップの配置を工夫することにより配線インダクタンスを低下させ、もって電圧耐量の小さな半導体チップの適用を可能とすることにより小型化と低コスト化を図るパワー半導体モジュールが開示されている。また、下記特許文献２には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）にシリコンダイオードが内蔵されたダイオード内蔵型ＩＧＢＴ（以下、Reverse-Conducting IGBT、ＲＣ-ＩＧＢＴと略記する。）を用いた半導体装置が開示されている。

特開２０１２−００５２９８号公報 特開２０１０−１８６８０５号公報

ところで、ハイブリッド車用のＰＣＵ（パワーコントロールユニット）に上記ＲＣ-ＩＧＢＴの適用を考えた場合、ＰＣＵを構成する３つの回路（昇降圧コンバータ、発電用インバータ、モータ駆動用インバータ）に対してＲＣ-ＩＧＢＴが適するか否かに違いがあることが分かる。すなわち、モータ駆動用インバータは、回生ブレーキ時においては整流動作モードになり、よってダイオードには大電流が比較的長時間に亘って流れることになる。このため、モータ駆動用インバータのダイオードは、大電流定格が要求され、この結果としてチップサイズが大きくなる。したがって、モータ駆動用インバータにＲＣ-ＩＧＢＴを適用した場合、ＲＣ-ＩＧＢＴにおけるダイオードの構成部分を大きくする必要が生じ、よってチップサイズが比較的大きくなり、コストも比較的高くなるという問題が発生する。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、コスト、損失及び容積・重量の総合評価を最小化し得るパワーコントロールユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、パワーコントロールユニットに係る第１の解決手段として、車両に搭載され、トランジスタにダイオードが逆並列接続された複数のスイッチングアームを備えるパワーコントロールユニットであって、一部の前記スイッチングアームは、前記トランジスタに前記ダイオードが内蔵された複合型半導体チップにより形成され、他の前記スイッチングアームは、少なくとも1つの単独の前記トランジスタを備えた第１の単独型半導体チップと単独の前記ダイオードを備えた第２の単独型半導体チップにより形成されている、という手段を採用する。

本発明では、パワーコントロールユニットに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、モータ駆動用インバータと、少なくとも昇降圧コンバータとを備える、という手段を採用する。

本発明では、パワーコントロールユニットに係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記モータ駆動用インバータを構成する全ての前記スイッチングアームが前記第１の単独型半導体チップと前記第２の単独型半導体チップで形成されている、という手段を採用する。

本発明では、パワーコントロールユニットに係る第４の解決手段として、上記第２または第３の解決手段において、前記昇降圧コンバータを構成する第１のスイッチングアームと第２のスイッチングアームのうち、前記第２のスイッチングアームが前記第１の単独型半導体チップと前記第２の単独型半導体チップで形成されている、という手段を採用する。

本発明では、パワーコントロールユニットに係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記トランジスタは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、前記ダイオードはシリコンダイオードである、という手段を採用する。

本発明では、パワーコントロールユニットに係る第６の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記トランジスタ及び前記ダイオードは、化合物半導体から形成される、という手段を採用する。

本発明では、パワーコントロールユニットに係る第７の解決手段として、上記第３の解決手段において、発電用インバータをさらに備え、前記昇降圧コンバータ及び前記発電用インバータを構成する全ての前記スイッチングアームが前記複合型半導体チップで形成されている、という手段を採用する。

本発明によれば、一部のスイッチングアームは、トランジスタにダイオードが内蔵された第１の半導体チップにより形成され、他のスイッチングアームはトランジスタとダイオードとが個別の第２の半導体チップにより形成されているので、コスト、損失及び容積・重量の総合評価を最小化し得るパワーコントロールユニットを提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係るＰＣＵ（パワーコントロールユニット）の回路図である。 本発明の一実施形態に係るＰＣＵ（パワーコントロールユニット）における半導体チップの配置図である。 本発明の一実施形態に係るＰＣＵ（パワーコントロールユニット）の効果を示す特性図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
最初に、図１を参照して、本実施形態に係るＰＣＵ（パワーコントロールユニット）の回路構成を説明する。このＰＣＵは、ハイブリッド車や電気自動車等、モータ（電動機）を動力源として走行する車両に搭載される電力装置である。

また、このＰＣＵは、図１に示すように、直流入出力端子Ｔ１，Ｔ２、交流入力端子Ｔ３〜Ｔ５、交流入出力端子Ｔ６〜Ｔ８、制御端子Ｔ９、昇降圧コンバータＣ、発電用インバータＩｇ、モータ駆動用インバータＩｍを備えている。上記昇降圧コンバータＣ、発電用インバータＩｇ及びモータ駆動用インバータＩｍは、電力を処理するパワー回路（電力回路）であり、各々にパワー半導体モジュールとして構成されている。すなわち、本実施形態に係るＰＣＵは、３つのパワー半導体モジュールを備える。

直流入出力端子Ｔ１，Ｔ２は、外部の直流電源Ｅに接続された一対の電力端子である。一方の直流入出力端子Ｔ１は直流電源Ｅのプラス端子に接続され、他方の直流入出力端子Ｔ２は、直流電源Ｅのマイナス端子に接続されている。交流入力端子Ｔ３〜Ｔ５は、外部の発電機Ｇ（三相発電機）に接続された３つの電力端子である。この交流入力端子Ｔ３〜Ｔ５は、発電機Ｇの相数に応じて３つ設けられている。

交流入出力端子Ｔ６〜Ｔ８は、外部のモータＭ（三相電動機）に接続された３つの電力端子である。この交流入出力端子Ｔ６〜Ｔ８は、モータＭの相数に応じて３つ設けられている。制御端子Ｔ９は、車両における他の制御装置に接続されており、ＰＣＵが他の制御装置とシリアル通信を行うためのものである。

上記３つのパワー回路のうち、昇降圧コンバータＣは、第１コンデンサ１、インダクタ２、第１アーム３Ａ、第２アーム３Ｂ及び第２コンデンサ４を備えている。第１コンデンサ１は、一端が直流入出力端子Ｔ１に接続され、他端が直流入出力端子Ｔ２に接続されている。インダクタ２は、一端が直流入出力端子Ｔ１に接続され、他端が第１アーム３Ａのエミッタ端子及び第２アーム３Ｂのコレクタ端子に共通接続されている。

この昇降圧コンバータＣにおける２つのスイッチングアーム、つまり第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂは、図示するように同一の回路構成を有しており、各々にトランジスタの一種であるＩＧＢＴ３ａ（Insulated Gate Bipolar Transistor）にダイオードの一種であるシリコンダイオード３ｂを逆並列接続したものである。すなわち、第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂは、各々にＩＧＢＴ３ａのコレクタ端子にシリコンダイオード３ｂのカソード端子が接続され、またＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子にシリコンダイオード３ｂのアノード端子が接続されものである。

このような２つのスイッチングアームは、各々を構成するＩＧＢＴ３ａのコレクタ端子がスイッチングアームのコレクタ端子であり、ＩＧＢＴ３ａのエミッタ端子がスイッチングアームのエミッタ端子であり、またＩＧＢＴ３ａのゲート端子がスイッチングアームのゲート端子である。このような２つのスイッチングアームのうち、第１アーム３Ａは、上アームに相当するスイッチングアームであり、コレクタ端子が第２コンデンサ４の一端に接続され、エミッタ端子が第２アーム３Ｂのコレクタ端子及びインダクタ２の他端に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

一方、第２アーム３Ｂは、下アームに相当するスイッチングアームであり、コレクタ端子が第１アーム３Ａのエミッタ端子及びインダクタ２の他端に接続され、エミッタ端子が第２コンデンサ４の他端に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。第２コンデンサ４は、一端が第１アーム３Ａのコレクタ端子に接続され、他端が第２アーム３Ｂのエミッタ端子に接続されている。

ここで、昇降圧コンバータＣを構成する第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂは、図２に示すように、矩形の絶縁基板Ｐ上に矩形の半導体チップとして実装される。この半導体チップは、図２に示すようにＲＣ-ＩＧＢＴを備えた複合型半導体チップＨ１により形成されている。すなわち、第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂは、ＩＧＢＴ３ａにシリコンダイオード３ｂが内蔵された内部構造の半導体チップから形成されている。

なお、図２では、第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂが２つの複合型半導体チップＨ１から形成されているが、これは第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂに昇降圧コンバータＣの回路性能として要求される電流容量の関係で、第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂが各々に２つのＲＣ-ＩＧＢＴが並列接続された形態を採用しているためである。

このような昇降圧コンバータＣでは、第１コンデンサ１の両端が第１入出力端として機能し、また第２コンデンサ４の両端が第２入出力端として機能する。すなわち、この昇降圧コンバータＣは、ゲートドライバ７によって第１アーム３Ａ及び第２アーム３ＢのＯＮ／ＯＦＦ状態が適宜設定されることにより、直流入出力端子Ｔ１，Ｔ２を介して外部の直流電源Ｅから第１入出力端に入力される第１電圧の直流電力を第２電圧（＞第１電圧）に昇圧し、第２入出力端から発電用インバータＩｇ及びモータ駆動用インバータＩｍに出力する。

また、この昇降圧コンバータＣは、同じくゲートドライバ７によって第１アーム３Ａ及び第２アーム３ＢのＯＮ／ＯＦＦ状態が適宜設定されることにより、発電用インバータＩｇ及び／あるいはモータ駆動用インバータＩｍから第２入出力端に入力された第２電圧の発電電力及び／あるいは回生電力を第１電圧に降圧し、第１入出力端から直流入出力端子Ｔ１，Ｔ２を介して直流電源Ｅに出力する。

一方、発電用インバータＩｇは、６つのスイッチングアーム、つまり第１アーム５Ａ、第２アーム５Ｂ、第３アーム５Ｃ、第４アーム５Ｄ、第５アーム５Ｅ及び第６アーム５Ｆを備えている。これら６つのスイッチングアームのうち、互いに直列接続されている第１アーム５Ａと第２アーム５Ｂとは第１のスイッチングレグを構成し、同じく直列接続されている第３アーム５Ｃと第４アーム５Ｄとは第２のスイッチングレグを構成し、同じく直列接続されている第５アーム５Ｅと第６アーム５Ｆとは第３のスイッチングレグを構成している。また、第１アーム５Ａ、第３アーム５Ｃ及び第５アーム５Ｅは各スイッチングレグにおける上アームを構成し、第２アーム５Ｂ、第４アーム５Ｄ及び第６アーム５Ｆは、各スイッチングレグにおける下アームを構成する。

これら６つのスイッチングアームは、各々にＩＧＢＴ５ａ（Insulated Gate Bipolar Transistor）にシリコンダイオード５ｂを逆並列接続したもの、つまりＩＧＢＴ５ａのコレクタ端子にシリコンダイオード５ｂのカソード端子が接続され、またＩＧＢＴ５ａのエミッタ端子にシリコンダイオード５ｂのアノード端子が接続されものである。また、これら６つのスイッチングアームは、各々を構成するＩＧＢＴ５ａのコレクタ端子がスイッチングアームのコレクタ端子であり、ＩＧＢＴ５ａのエミッタ端子がスイッチングアームのエミッタ端子であり、またＩＧＢＴ５ａのゲート端子がスイッチングアームのゲート端子である。

第１アーム５Ａは、コレクタ端子が上記第２入出力端の一方（第２コンデンサ４の一端）に接続され、エミッタ端子が第２アーム５Ｂのコレクタ端子及び交流入力端子Ｔ３に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第２アーム５Ｂは、コレクタ端子が第１アーム５Ａのエミッタ端子及び交流入力端子Ｔ３に接続され、エミッタ端子が上記第２入出力端の他方（第２コンデンサ４の他端）に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第３アーム５Ｃは、コレクタ端子が上記第２入出力端の一方（第２コンデンサ４の一端）に接続され、エミッタ端子が第４アーム５Ｄのコレクタ端子及び交流入力端子Ｔ４に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第４アーム５Ｄは、コレクタ端子が第３アーム５Ｃのエミッタ端子及び交流入力端子Ｔ４に接続され、エミッタ端子が上記第２入出力端の他方（第２コンデンサ４の他端）に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第５アーム５Ｅは、コレクタ端子が上記第２入出力端の一方（第２コンデンサ４の一端）に接続され、エミッタ端子が第６アーム５Ｆのコレクタ端子及び交流入力端子Ｔ５に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第６アーム５Ｆは、コレクタ端子が第５アーム５Ｅのエミッタ端子及び交流入力端子Ｔ５に接続され、エミッタ端子が上記第２入出力端の他方（第２コンデンサ４の他端）に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

このような発電用インバータＩｇでは、第１アーム５Ａのコレクタ端子、第３アーム５Ｃのコレクタ端子及び第５アーム５Ｅのコレクタ端子が一方の直流出力端として機能し、第２アーム５Ｂのエミッタ端子、第４アーム５Ｄのエミッタ端子及び第６アーム５Ｆのエミッタ端子が他方の直流出力端として機能する。

また、この発電用インバータＩｇでは、交流入力端子Ｔ３に共通接続された第１アーム５Ａのエミッタ端子及び第２アーム５Ｂのコレクタ端子、交流入力端子Ｔ４に共通接続された第３アーム５Ｃのエミッタ端子及び第４アーム５Ｄのコレクタ端子並びに交流入力端子Ｔ５に共通接続された第５アーム５Ｅのエミッタ端子及び第６アーム５Ｆのコレクタ端子は、交流入力端として機能する。

すなわち、この発電用インバータＩｇは、ゲートドライバ７によって６つのスイッチングアームのＯＮ／ＯＦＦ状態が適宜設定されることにより、発電機Ｇから交流入力端子Ｔ３〜Ｔ５を介して交流入力端に入力される発電電力（交流電力）を直流電力に変換し、当該直流電力を直流出力端から昇降圧コンバータＣの第２入出力端に出力する。

ここで、このような発電用インバータＩｇを構成する６つのスイッチングアームは、図２に示すようにＲＣ-ＩＧＢＴを備える複合型半導体チップＨ１によって形成されている。すなわち、発電用インバータＩｇの各スイッチングアームは、ＩＧＢＴ５ａにシリコンダイオード５ｂが内蔵された内部構造の半導体チップから形成されている。

一方、モータ駆動用インバータＩｍは、６つのスイッチングアーム、つまり第１アーム６Ａ、第２アーム６Ｂ、第３アーム６Ｃ、第４アーム６Ｄ、第５アーム６Ｅ及び第６アーム６Ｆを備えている。これら６つのスイッチングアームのうち、互いに直列接続されている第１アーム６Ａと第２アーム６Ｂとは第１のスイッチングレグを構成し、同じく直列接続されている第３アーム６Ｃと第４アーム６Ｄとは第２のスイッチングレグを構成し、同じく直列接続されている第５アーム６Ｅと第６アーム６Ｆとは第３のスイッチングレグを構成している。また、第１アーム６Ａ、第３アーム６Ｃ及び第５アーム６Ｅは各スイッチングレグにおける上アームを構成し、第２アーム６Ｂ、第４アーム６Ｄ及び第６アーム６Ｆは、各スイッチングレグにおける下アームを構成している。

このようなモータ駆動用インバータＩｍにおける６つのスイッチングアームは、図示するようにＩＧＢＴ６ａ（Insulated Gate Bipolar Transistor）にシリコンダイオード６ｂを逆並列接続したもの、つまりＩＧＢＴ６ａのコレクタ端子にシリコンダイオード６ｂのカソード端子が接続され、またＩＧＢＴ６ａのエミッタ端子にシリコンダイオード６ｂのアノード端子が接続されものである。また、これら６つのスイッチングアームは、各々を構成するＩＧＢＴ６ａのコレクタ端子がスイッチングアームのコレクタ端子であり、ＩＧＢＴ６ａのエミッタ端子がスイッチングアームのエミッタ端子であり、またＩＧＢＴ６ａのゲート端子がスイッチングアームのゲート端子である。

第１アーム６Ａは、コレクタ端子が昇降圧コンバータＣの第２入出力端の一方（第２コンデンサ４の一端）に接続され、エミッタ端子が第２アーム６Ｂのコレクタ端子及び交流入出力端子Ｔ６に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第２アーム６Ｂは、コレクタ端子が第１アーム６Ａのエミッタ端子及び交流入出力端子Ｔ６に接続され、エミッタ端子が昇降圧コンバータＣの第２入出力端の他方（第２コンデンサ４の他端）に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第３アーム６Ｃは、コレクタ端子が上記第２入出力端の一方（第２コンデンサ４の一端）に接続され、エミッタ端子が第４アーム６Ｄのコレクタ端子及び交流入出力端子Ｔ７に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第４アーム６Ｄは、コレクタ端子が第３アーム６Ｃのエミッタ端子及び交流入出力端子Ｔ７に接続され、エミッタ端子が上記第２入出力端の他方（第２コンデンサ４の他端）に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第５アーム６Ｅは、コレクタ端子が上記第２入出力端の一方（第２コンデンサ４の一端）に接続され、エミッタ端子が第６アーム６Ｆのコレクタ端子及び交流入出力端子Ｔ８に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

第６アーム６Ｆは、コレクタ端子が第５アーム６Ｅのエミッタ端子及び交流入出力端子Ｔ８に接続され、エミッタ端子が上記第２入出力端の他方（第２コンデンサ４の他端）に接続され、ゲート端子がゲートドライバ７の出力端子に接続されている。

このようなモータ駆動用インバータＩｍでは、第１アーム６Ａのコレクタ端子、第３アーム６Ｃのコレクタ端子及び第５アーム６Ｅのコレクタ端子が一方の直流入出力端として機能し、第２アーム６Ｂのエミッタ端子、第４アーム６Ｄのエミッタ端子及び第６アーム６Ｆのエミッタ端子が他方の直流入出力端として機能する。

また、このモータ駆動用インバータＩｍでは、交流入出力端子Ｔ６に共通接続された第１アーム６Ａのエミッタ端子及び第２アーム６Ｂのコレクタ端子、交流入出力端子Ｔ７に共通接続された第３アーム６Ｃのエミッタ端子及び第４アーム６Ｄのコレクタ端子並びに交流入出力端子Ｔ８に共通接続された第５アーム６Ｅのエミッタ端子及び第６アーム６Ｆのコレクタ端子は交流入出力端として機能する。

すなわち、このモータ駆動用インバータＩｍは、ゲートドライバ７によって６つのスイッチングアームのＯＮ／ＯＦＦ状態が適宜設定されることにより、昇降圧コンバータＣから直流入出力端に入力される第２電圧の直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を交流入出力端から交流入出力端子Ｔ６〜Ｔ８を介してモータＭに出力する。

また、このモータ駆動用インバータＩｍは、同じくゲートドライバ７によって６つのスイッチングアームのＯＮ／ＯＦＦ状態が適宜設定されることにより、モータＭから交流入出力端子Ｔ６〜Ｔ８を介して交流入出力端に入力される交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力を直流入出力端から昇降圧コンバータＣの第２入出力端に出力する。

ここで、このような６つのスイッチングアームは、図２に示すように、ＩＧＢＴ６ａとシリコンダイオード６ｂとを個別に備える半導体チップによって形成されている。すなわち、モータ駆動用インバータＩｍの各スイッチングアームは、上述した昇降圧コンバータＣ及び発電用インバータＩｇが採用している複合型半導体チップＨ１ではなく、単独のＩＧＢＴ６ａを備えた第１の単独型半導体チップＨ２と単独のシリコンダイオード６ｂを備えた第２の単独型半導体チップＨ３とを備える。

なお、図２では、第１アーム６Ａ、第２アーム６Ｂ、第３アーム６Ｃ、第４アーム６Ｄ、第５アーム６Ｅ及び第６アーム６Ｆが各々に２つの第１の単独型半導体チップＨ２により形成されているが、これは第１アーム６Ａ、第２アーム６Ｂ、第３アーム６Ｃ、第４アーム６Ｄ、第５アーム６Ｅ及び第６アーム６Ｆに回路性能として要求される電流容量の関係で、第１アーム６Ａ、第２アーム６Ｂ、第３アーム６Ｃ、第４アーム６Ｄ、第５アーム６Ｅ及び第６アーム６Ｆが各々に２つのＩＧＢＴ６ａが並列接続された形態を採用しているためである。

このように、本実施形態におけるＰＣＵは、合計１４個（複数）のスイッチングアームを備え、この１４個の一部であり、昇降圧コンバータＣ及び発電用インバータＩｇを構成する合計８つのスイッチングアームが複合型半導体チップＨ１によって形成され、他のスイッチングアームであり、モータ駆動用インバータＩｍを構成する６つのスイッチングアームが第１、第２の単独型半導体チップＨ２，Ｈ３によって形成されている。

さらに、本実施形態におけるＰＣＵは、上記３つのパワー回路を駆動する駆動回路としてゲートドライバ７を備え、また当該ゲートドライバ７を制御する制御回路としてＥＣＵ８（Electronic Control Unit）を備えている。ゲートドライバ７は、昇降圧コンバータＣにおける２つのスイッチングアーム、発電用インバータＩｇにおける６つのスイッチングアーム及びモータ駆動用インバータＩｍにおける６つのスイッチングアームのＯＮ／ＯＦＦ状態を適宜設定するパルス信号を生成する。すなわち、このゲートドライバ７は、合計で１４個の出力端子を備えており、個別に生成したパルス信号を各出力端子から昇降圧コンバータＣ子、発電用インバータＩｇ及びモータ駆動用インバータＩｍに出力する。

ＥＣＵ８は、上記ゲートドライバ７に各パルス信号を生成するために必要な制御指令を出力する制御装置である。すなわち、このＥＣＵ８は、制御端子Ｔ９を介して他の制御装置から受信した車両情報に基づいてゲートドライバ７を制御することにより、３つのパワー回路を統括的に制御する。このようなＥＣＵ８は、３つのパワー回路をゲートドライバ７を介して適宜作動させることによって、モータＭを回転駆動したり、あるいは発電機Ｇの発電電力あるいは／及びモータＭの回生電力を直流電源Ｅに供給する。

このように構成された本実施形態のＰＣＵでは、車両情報に応じてＥＣＵ８がゲートドライバ７に出力する制御指令を切替えることにより、パワー半導体モジュールの１つである昇降圧コンバータＣが昇圧動作あるいは降圧動作を行い、また他のパワー半導体モジュールである発電用インバータＩｇが整流動作を行う。

これに対して、パワー半導体モジュールの１つであるモータ駆動用インバータＩｍは、車両情報に応じて力行動作あるいは回生動作を行う。そして、モータ駆動用インバータＩｍの力行動作と回生動作では、６つのスイッチングアームにおける電流経路が異なる。すなわち、モータ駆動用インバータＩｍの力行動作では、６つのスイッチングアームを各々構成するＩＧＢＴ及びダイオードのうちＩＧＢＴに主電流が流れ、一方、回生動作ではダイオードに主電流が流れる。

したがって、モータ駆動用インバータＩｍを構成する第１アーム６Ａ、第２アーム６Ｂ、第３アーム６Ｃ、第４アーム６Ｄ、第５アーム６Ｅ及び第６アーム６Ｆについては、図２に示すように、ダイオードの半導体チップとして電流容量が比較的大きなもの、つまりチップサイズが比較的大きなものを採用する必要がある。しかしながら、このような大電流容量のダイオードがＩＧＢＴに内蔵されたＲＣ-ＩＧＢＴは、チップコストが高い。

そして、本実施形態に係るＰＣＵでは、力行動作と回生動作とで主電流の電流経路が異なるモータ駆動用インバータＩｍの各スイッチングアームが第１、第２の単独型半導体チップＨ２，Ｈ３により形成され、これに対して昇降圧コンバータＣ及び発電用インバータＩｇのスイッチングアームが複合型半導体チップＨ１により形成されている。

このような本実施形態によれば、３つのパワー半導体モジュールを備えたＰＣＵにおいて、図３に示すようにチップコスト、損失（回路損失）及び容積・重量を最適化することが可能である。すなわち、本実施形態によれば、複合型半導体チップＨ１と第１、第２の単独型半導体チップＨ２，Ｈ３との混成を採用するので、全てのスイッチングアームを第１、第２の単独型半導体チップＨ２、Ｈ３で形成した場合（別体）、全てのスイッチングアームを複合型半導体チップＨ１で形成した場合（複合）との比較において、チップコスト、損失（回路損失）及び容積・重量の総合評価を最小化することが可能である。したがって、本実施形態によれば、低コスト、低損失かつ小型軽量なＰＣＵを実現することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、昇降圧コンバータＣを構成する第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂを複合型半導体チップＨ１で形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂのうち、第２アーム３Ｂを第１、第２の単独型半導体チップＨ２，Ｈ３で形成しても良い。

モータ駆動用インバータＩｍが回生動作をする場合、第１アーム３ＡのＩＧＢＴと第２アーム３Ｂのダイオードとに主に電流が流れるので、第２アーム３Ｂのダイオードはチップサイズとして比較的大きなものが好ましい。このような事情から、ダイオードに主電流が流れるモータ駆動用インバータＩｍと同様に昇降圧コンバータＣの第２アーム３Ｂについても第１、第２の単独型半導体チップＨ２，Ｈ３を採用することが考えられる。

（２）上記実施形態では、各スイッチングアームを構成するトランジスタとしてＩＧＢＴを採用し、またダイオードとしてシリコンダイオードを採用したが、本発明はこれに限定されない。トランジスタ及びダイオードとして、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の化合物半導体から形成されたトランジスタ及びダイオードを採用しても良い。

例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）から形成されたＳｉＣ ＭＯＳＥＦＴやＧａＮ ＦＥＴをトランジスタとして採用した場合、ＩＧＢＴよりも低損失化、高速化、小型化が実現できる。また、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）から形成されたＳｉＣショットキーダイオードやＧａＮダイオードを採用することによっても低損失化、高速化、小型化が実現できる。

（３）上記実施形態では、全てのスイッチングアームをシリコン系のトランジスタ（ＩＧＢＴ、ＲＣ-ＩＧＢＴ）及びシリコンダイオードで構成したが、本発明はこれに限定されない。必要に応じて一部のトランジスタを化合物半導体系のトランジスタに置き換えても良く、また一部のダイオードを化合物半導体系のダイオードに置き換えても良い。

（４）上記実施形態では、ＰＣＵを３つのパワー半導体モジュールを用いて構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、昇降圧コンバータＣと発電用インバータＩｇとを１つのパワー半導体モジュールとして構成しても良く、あるいは昇降圧コンバータＣとモータ駆動用インバータＩｍとを１つのパワー半導体モジュールとして構成しても良い。また、発電用インバータＩｇとモータ駆動用インバータＩｍとを１つのパワー半導体モジュールとして構成しても良く、さらには昇降圧コンバータＣ、発電用インバータＩｇ及びモータ駆動用インバータＩｍを１つのパワー半導体モジュールとして構成しても良い。

（５）上記実施形態では、図２に示すように発電用インバータＩｇを挟んで昇降圧コンバータＣとモータ駆動用インバータＩｍとを左右に配置する回路レイアウトを採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、昇降圧コンバータＣを挟んで発電用インバータＩｇとモータ駆動用インバータＩｍとを左右に配置しても良い。

（６）上記実施形態では、モータＭを動力源として走行する車両用ＰＭＵとして、昇降圧コンバータＣ、発電用インバータＩｇ及びモータ駆動用インバータＩｍという３つの電力回路を備えるＭＰＵについて説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、電力回路の構成を限定するものではない。

（７）上記実施形態では、昇降圧コンバータＣを構成する第１アーム３Ａ及び第２アーム３Ｂが各々に２つの複合型半導体チップＨ１を備えているが、本発明はこれに限定されない。複合型半導体チップＨ１の個数は、１つあるいは３つ以上であっても良い。また、モータ駆動用インバータＩｍを構成する６つのスイッチングアームは、各々に２つの単独型半導体チップＨ２を備えているが、当該単独型半導体チップＨ２の個数は１つあるいは３つ以上であっても良い。さらには、発電用インバータＩｇを構成する６つのスイッチングアームは、各々に１つの複合型半導体チップＨ１を備えているが、当該複合型半導体チップＨ１の個数は２以上であっても良い。

Ｔ１，Ｔ２ 直流入出力端子
Ｔ３〜Ｔ５ 交流入力端子
Ｔ６〜Ｔ８ 交流入出力端子
Ｔ９ 制御端子
Ｃ 昇降圧コンバータ
Ｉｇ 発電用インバータ
Ｉｍ モータ駆動用インバータ
１ 第１コンデンサ
２ インダクタ
３Ａ 第１アーム（スイッチングアーム）
３ａ ＩＧＢＴ
３ｂ シリコンダイオード
３Ｂ 第２アーム
４ 第２コンデンサ
５Ａ 第１アーム（スイッチングアーム）
５ａ ＩＧＢＴ
５ｂ シリコンダイオード
５Ｂ 第２アーム（スイッチングアーム）
５Ｃ 第３アーム（スイッチングアーム）
５Ｄ 第４アーム（スイッチングアーム）
５Ｅ 第５アーム（スイッチングアーム）
５Ｆ 第６アーム（スイッチングアーム）
６Ａ 第１アーム（スイッチングアーム）
６ａ ＩＧＢＴ
６ｂ シリコンダイオード
６Ｂ 第２アーム（スイッチングアーム）
６Ｃ 第３アーム（スイッチングアーム）
６Ｄ 第４アーム（スイッチングアーム）
６Ｅ 第５アーム（スイッチングアーム）
６Ｆ 第６アーム（スイッチングアーム）
７ ゲートドライバ
８ ＥＣＵ
Ｈ１ 複合型半導体チップ
Ｈ２ 第１の単独型半導体チップ
Ｈ３ 第２の単独型半導体チップ

Claims (7)

1. 車両に搭載され、トランジスタにダイオードが逆並列接続された複数のスイッチングアームを備えるパワーコントロールユニットであって、
   一部の前記スイッチングアームは、前記トランジスタに前記ダイオードが内蔵された複合型半導体チップにより形成され、他の前記スイッチングアームは、少なくとも1つの単独の前記トランジスタを備えた第１の単独型半導体チップと単独の前記ダイオードを備えた第２の単独型半導体チップにより形成されていることを特徴とするパワーコントロールユニット。
2. モータ駆動用インバータと、少なくとも昇降圧コンバータとを備えることを特徴とする請求項１に記載のパワーコントロールユニット。
3. 前記モータ駆動用インバータを構成する全ての前記スイッチングアームが前記第１の単独型半導体チップと前記第２の単独型半導体チップで形成されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーコントロールユニット。
4. 前記昇降圧コンバータを構成する第１のスイッチングアームと第２のスイッチングアームのうち、前記第２のスイッチングアームが前記第１の単独型半導体チップと前記第２の単独型半導体チップで形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のパワーコントロールユニット。
5. 前記トランジスタは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、前記ダイオードはシリコンダイオードであ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パワーコントロールユニット。
6. 前記トランジスタ及び前記ダイオードは、化合物半導体から形成され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パワーコントロールユニット。
7. 発電用インバータをさらに備え、
   前記昇降圧コンバータ及び前記発電用インバータを構成する全ての前記スイッチングアームが前記複合型半導体チップで形成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワーコントロールユニット。

Images