JP2018174652A - パワーコンポーネント - Google Patents

Abstract

【課題】構造を簡素化したパワーコンポーネントを提供する。【解決手段】パワーコンポーネント２００は、パワーモジュール３１０、ドライバカード３３０、コントロールカード３９０を備えて一体に構成される。パワーモジュール３１０は、パワー半導体素子を内蔵するとともに、上面に交流端子およびＰ極直流端子、Ｎ極直流端子を有する。ドライバカード３３０は、パワーモジュール３１０の上層に設けられる。コントロールカード３９０は、ドライバカード３３０の上層に設けられる。ドライバカード３３０には、パワー部の配線が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、パワーコンポーネントに関する。

パワーエレクトロニクスの分野において、コンバータやインバータなどのパワーコンポーネントが用いられる。パワーコンポーネントは一般的に、スイッチング素子（パワー半導体素子）を含むパワーモジュールと、パワーモジュールを駆動するドライバやコントローラを備え、それらの構成部品が３次元的に配置されて構造を有している。

特開２００７−１２９８３８号公報 特開２００６?２３８６５１号公報

このようなパワーコンポーネントでは、各構成部品を電気的に接続するために、多くのブスバーが使用されるが、それらは複雑に入り組んだ構造を有する。この構造的複雑さが、製造時の組み立てやメンテナンスの作業性を悪化させる要因のひとつとなっていた。

射出成形機では、複数軸に対応する複数のパワーコンポーネントが、ひとつの制御盤に収容される。ここでパワーコンポーネントの内部に収容しきれない構成部品（たとえばカレントセンサ、ノイズ対策用のフェライトコアやリアクトル）があると、それらを制御盤内にちりばめて配置せざるを得ず、装置内の配線の引き回しが複雑となり、ノイズの問題を引き起こす場合もあった。

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、構造を簡素化したパワーコンポーネントの提供にある。

本発明のある態様はパワーコンポーネントに関する。パワーコンポーネントは、パワー半導体素子を内蔵するとともに、上面に交流端子およびＰ極直流端子、Ｎ極直流端子を有するパワーモジュールと、パワーモジュールの上層に設けられるドライバカードと、ドライバカードの上層に設けられるコントロールカードと、を備えて一体化され、ドライバカードにパワー部の配線が形成される。

この態様によると、パワー部の配線をドライバカードに形成することにより、複雑なブスバーの一部あるいは全部を省略することができ、パワーコンポーネントの構造を簡素化できる。

ドライバカードおよびコントロールカードの占有面積は、パワーモジュールのフットプリントと実質的に同等か小さくてもよい。これによりパワーコンポーネントを小型化できる。

ドライバカードは、交流端子とオーバーラップする箇所に設けられた開口と、開口の周部に設けられたビアホールと、を備えてもよい。
ビアホールがパワー部の配線の一部として機能するため、損失を低減できる。

パワーコンポーネントは、開口を挿通してパワーモジュールの交流端子と螺合するスタッド端子をさらに備えてもよい。

電流センサは、ドライバカードに実装されてもよい。これによりパワーモジュールを収容する制御盤に、電流センサを配置する必要がなくなり、配線を簡素化できる。

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。

本発明によれば、パワーコンポーネントの構造を簡素化できる。

実施の形態に係るパワーコンポーネントを備えるサーボシステムの等価回路図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るパワーコンポーネントの斜視図である。 パワーモジュールの斜視図である。 パワーモジュールおよびドライバカードの斜視図である。 パワー配線の構造を示す図である。 パワーモジュールおよびドライバカードの斜視図である。 射出成形機を示す図である。 射出成形機の電気系統を示すブロック図である。 射出成形機の制御盤を示す図である。 建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。 ショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。 ショベルの電気系統のブロック図である。

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。

図１は、実施の形態に係るパワーコンポーネント２００を備えるサーボシステム１００の等価回路図である。サーボシステム１００は、モータ１０２、エンコーダ１０４およびパワーコンポーネント２００を備える。

エンコーダ１０４は、モータ１０２の位置情報もしくは回転数を検出する回転センサである。パワーコンポーネント２００は、回転センサ１０４の出力にもとづいてモータ１０２を制御する。

パワーコンポーネント２００は、コントローラ２０２、ラインドライバ２１０Ｕ〜２１０Ｗ、三相インバータ２２０、電流センサ２２２、電流検出回路２２４、電圧検出回路２２６、Ａ／Ｄコンバータ２２８を備える。後述のようにパワーコンポーネント２００は、パワーモジュール３１０、ドライバカード３３０、コントロールカード３９０の３つのブロックで構成される。図１には、各構成部品がいずれのブロックに設けられるかが示される。

電流検出回路２２４は電流センサ１０６と接続されており、モータ１０２に流れる相電流を示す電流検出信号Ｖ_ＩＳを生成する。電圧検出回路２２６はモータ１０２に印加される相電圧を示す電圧検出信号Ｖ_ＶＳを生成する。図１では、三相分の電圧検出信号Ｖ_ＶＳを１本の配線で示す。電流検出信号Ｖ_ＩＳ、電圧検出信号Ｖ_ＶＳは、Ａ／Ｄコンバータ２２８によってデジタルの電流検出値Ｄ_ＩＳ、電圧検出値Ｄ_ＶＳに変換される。

コントローラ２０２は、電流検出値Ｄ_ＩＳ、電圧検出値Ｄ_ＶＳおよびエンコーダ１０４からの回転情報Ｄ_ＥＮＣにもとづいて、三相インバータ２２０を制御するＰＷＭ信号Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｕ}〜Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｗ}を生成する。コントローラ２０２は、ＣＰＵ２０４とＰＬＤ（プログラマブルロジックデバイス）２０６を含む。ＰＬＤ２０６は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）であってもよい。ＣＰＵ２０４は、ソフトウェアプログラムを実行することにより、さまざまな処理を実行する。ＣＰＵ２０４により実現される機能としては、ベクトル制御の機能、異常検出および保護機能などが例示される。

ＰＬＤ２０６は、ＣＰＵ２０４からの指令値ＲＥＦおよび電流検出値Ｄ_ＩＳ、電圧検出値Ｄ_ＶＳにもとづいてＰＷＭ信号Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｕ}，Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｖ}，Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｗ}を生成する。ＰＬＤ２０６は電流検出値Ｄ_ＩＳをしきい値と比較することにより電流異常を検出可能であり、電圧検出値Ｄ_ＶＳをしきい値と比較することにより電圧異常を検出可能である。

ラインドライバ２１０Ｕ〜２１０Ｖは、コントローラ２０２が生成したＰＷＭ信号Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｕ}〜Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｗ}を受け、三相インバータ２２０を駆動する。三相インバータ２２０は、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどのパワーデバイスと、その駆動回路、保護回路などを含むインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）である。

ラインドライバ２１０Ｕ〜２１０Ｗには、ＰＷＭ信号Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｕ}〜Ｓ_{ＰＷＭ＿Ｗ}を遮断する機能が実装されている。コントローラ２０２によって異常が検出されると、ラインドライバ２１０によってＰＷＭ信号が遮断され、モータ１０２が停止する。

以上がサーボシステム１００の基本構成である。続いてパワーコンポーネント２００の構成を説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るパワーコンポーネント２００の斜視図である。図２（ａ）に示すように、主として、パワーモジュール３１０、ドライバカード３３０、コントロールカード３９０、スタッド端子３７０Ｕ〜３７０Ｗを備え、それらが積層された構造となっており、一体化（モジュール化）されている。図２には、主要な構成部品のみが示される。スタッド端子３７０Ｕ〜３７０Ｗは、パワーコンポーネント２００の出力ＯＵＴＵ〜ＯＵＴＷに対応する。図２（ｂ）に示すように、パワーコンポーネント２００は筐体４００で覆ってもよい。筐体４００には、ＤＣリンク（たとえば図８の７０８Ｐ，７０８Ｎ）を介してＤＣリンク電圧（図８のＶ_ＤＣ２）を受けるためのＰ極端子（Ｐ）とＮ極端子（Ｎ）が設けられる。Ｐ極端子とＮ極端子は、筐体４００に埋め込まれた金属端子であり、それぞれは、後述のパワー配線３５０Ｐ，３５０Ｎ（図４）を介して、パワーモジュール３１０のＰ極直流端子およびＮ極直流端子（図３）と電気的に接続される。

図３は、パワーモジュール３１０の斜視図である。パワーモジュール３１０は、ＩＧＢＴやＦＥＴ、バイポーラトランジスタなどのパワー半導体素子を内蔵する。パワーモジュール３１０のパッケージの上面には、Ｕ相、Ｖ相、Ｖ相の交流端子（ＯＵＴＵ〜ＯＵＴＷ）およびＰ極直流端子（Ｐ）、Ｎ極直流端子（Ｎ）が設けられる。パワーモジュール３１０はＩＰＭであり、パワー半導体素子の駆動回路や保護回路を備える。パワーモジュール３１０の上面には、ゲート駆動信号を初めとする信号や、電源電圧を受けるためのＩ／Ｏピン３１２が設けられる。さらに図３のパワーモジュール３１０は、回生放電抵抗器（ＤＢＲ）およびＤＢＲの経路をオン、オフするためのトランジスタを含む。パワーモジュール３１０のパッケージの上面には、ＤＢＲ端子が設けられ、ＤＢＲ端子に与える信号に応じて、トランジスタのオン、オフが制御される。図２に戻る。

ドライバカード３３０は、パワーモジュール３１０の上層に設けられる。ドライバカード３３０には、電流センサ２２２、電流検出回路２２４（図２に不図示）、電圧検出回路２２６（図２に不図示）、Ａ／Ｄコンバータ２２８（図２に不図示）等が実装される。

コントロールカード３９０は、ドライバカード３３０の上層に設けられる。コントロールカード３９０は２層構造となっており、上層のカード３９０Ａには、ＣＰＵ２０４およびＰＬＤ２０６が実装される。下層のカード３９０Ｂには、ＣＰＵ２０４と外部の上位コントローラを接続するための通信用コネクタ３９２や、ＵＳＢポート３９４などが設けられる。またコントロールカード３９０（下層のカード３９０Ｂ）には、アナログ回路用あるいはデジタル回路用の電源電圧（５Ｖ，１２Ｖ）を生成する制御電源が搭載される。トランス３９６は、制御電源の構成部品である。なおスペースに余裕がある場合には、コントロールカード３９０を１層で構成してもよい。

パワーコンポーネント２００の特徴のひとつは、ドライバカード３３０にパワー部（強電部）の配線が形成されることである。これにより従来のパワーコンポーネントで必要であったブスバーが削減されており、小型化が実現されている。すなわちドライバカード３３０はブスバーとしての機能も果たすため、ブスバーカードとも称する。

またパワーコンポーネント２００の特徴の別のひとつは、ドライバカード３３０およびコントロールカード３９０の占有面積は、パワーモジュール３１０のフットプリントと実質的に同等か、それよりも小さいことである。これによりパワーコンポーネント２００のサイズは、非常に小さくなる。

図４は、パワーモジュール３１０およびドライバカード３３０の斜視図である。ドライバカード３３０は、パワーモジュール３１０に密着して設けられる。ドライバカード３３０は、開口３３２Ｕ〜３３２Ｗ，３３４Ｐ，３３４Ｎ，３３５を有する。開口３３２Ｕ〜３３２Ｗは、パワーモジュール３１０のＵ相、Ｖ相、Ｖ相の交流端子（ＯＵＴＵ〜ＯＵＴＷ）それぞれとオーバーラップする箇所に設けられ、開口３３４Ｐ，３３４Ｎは、Ｐ極直流端子（Ｐ）、Ｎ極直流端子（Ｎ）それぞれとオーバーラップする箇所に設けられ、開口３３５はＤＢＲ端子とオーバーラップする箇所に設けられる。

ドライバカード３３０には、コンデンサ３３６、トランス３３８、コンデンサ３４０、接続ピン３４２、コネクタ３４４、オペアンプ３４６，３４８、サポート３４９が設けられる。コンデンサ３３６はたとえばノイズ除去のために設けられるスナバコンデンサである。トランス３３８は制御電源用である。コンデンサ３４０は、パワーモジュール３１０に内蔵される駆動回路に対する電源電圧を安定化する。接続ピン３４２は、その下側においてパワーモジュール３１０のＩ／Ｏピン３１２と接続され、その上側は、図示しないコントロールカード３９０と接続される。コネクタ３４４は図示しないコントロールカード３９０との通信インタフェースである。オペアンプ３４６は図１の電流検出回路２２４を構成しており、オペアンプ３４８は図１の電圧検出回路２２６を構成する。

ドライバカード３３０はさらに、複数の出力配線３５０Ｕ〜３５０Ｗ、複数のＤＣ配線３５０Ｐ，３５０Ｎ（以下、これらをパワー配線３５０と総称する）を備える。これらはパワー部の配線であり、従来のパワーモジュールにおけるブスバーの代替である。パワー配線３５０における電流の向きは主として基板と垂直方向であるが、平面方向に電流が流れるように構成してもよい。

図５は、パワー配線３５０の構造を示す図である。ドライバカード３３０は、配線層３６２，３６４および絶縁層３６６からなるプリント基板３６０を含む。ここでは単層のプリント基板を示すが、多層であってもよい。

パワー配線３５０は、上部ランド３５２、下部ランド３５４、ビアホール（スルーホール）３５６を備える。下部ランド３５４は、配線層３６４にパワーモジュール３１０の端子（ＯＵＴＵ〜ＯＵＴＷ，Ｐ，Ｎ）とオーバーラップして設けられ、パワーモジュール３１０の端子の表面とのコンタクトの機能を果たす。上部ランド３５２は、配線層３６２に下部ランド３５４とオーバーラップして設けられる。上部ランド３５２、下部ランド３５４およびドライバカード３３０の絶縁層３６６には開口３３２（３３４）が設けられる。上部ランド３５２、下部ランド３５４は、導電性を高めるために厚膜配線とすることが望ましい。一般的なプリント基板の配線層の厚みは３０〜５０μｍ程度であるのに対して、パワー配線に用いる配線層の厚みは、１００μｍ以上、好ましくは１５０〜２５０μｍ程度とするのが好ましい。

複数のビアホール３５６は、開口３３２（３３４）の周部に開口３３２を取り囲むように設けられる。ビアホール３５６は、上部ランド３５２と下部ランド３５４を電気的に接続する。

詳しくは後述するが、開口３３２にはスタッド端子などが挿通し、このスタッド端子がパワー部の配線としての機能を果たすが、パワー配線３５０を設けることで、ブスバーと比べて遜色のないレベルまで導電率を高めることができる。

図６は、パワーモジュール３１０およびドライバカード３３０の斜視図である。各相のスタッド端子３７０は、対応する開口３３２を挿通して、パワーモジュール３１０の交流端子それぞれと螺合している。図２の電流センサ２２２はたとえばカレントトランスであり、スタッド端子３７０Ｕ〜３７０Ｗを取り囲むように設けられる。
図６のドライバカード３３０の上に、コントロールカード３９０が取り付けられ、図２のパワーコンポーネント２００が完成する。

以上がパワーコンポーネント２００の構成である。

（用途）
続いてパワーコンポーネントの用途を説明する。パワーコンポーネントは、射出成形機やプレスなどの産業用機械に用いることができる。

図７は、射出成形機６００を示す図である。射出成形機６００は主として、射出装置６１１、型締装置６１２、金型装置６４３、エジェクタ装置６７１を備える。これらはベースフレーム６１３の上に支持されている。

（１）金型装置
金型装置６４３は固定金型６４４および可動金型６４５を含む。射出装置６１１は、樹脂を加熱して溶かし、金型装置６４３の内部空間に流し込む（射出）。型締装置６１２は、固定金型６４４と可動金型６４５とを締結し、内部の樹脂に圧力を加え、冷却し、樹脂を金型に応じた形状に成形する。エジェクタ装置６７１は、成形された樹脂を金型装置６４３から取り出す。

（２）射出装置
射出成形機６００の具体的な構成を説明する。射出装置６１１は、射出装置フレーム６１４によって支持されている。ガイド６８１は、射出装置フレーム６１４の長手方向に配設される。そして、射出装置フレーム６１４によってボールねじ軸６２１が回転自在に支持され、ボールねじ軸６２１の一端が可塑化移動用モータ６２２に連結される。また、ボールねじ軸６２１とボールねじナット６２３とが螺合させられ、ボールねじナット６２３と射出装置６１１とがスプリング６２４およびブラケット６２５を介して連結される。したがって、可塑化移動用モータ６２２を正方向あるいは逆方向に駆動すると、可塑化移動用モータ６２２の回転運動は、ボールねじ軸６２１とボールねじナット６２３との組合せ、すなわち、ねじ装置６９１によって直線運動に変換され、この直線運動がブラケット６２５に伝達される。そして、ブラケット６２５がガイド６８１に沿って矢印Ａ方向に移動させられ、射出装置６１１が進退させられる。

また、ブラケット６２５には、前方（図における左方）に向けて加熱シリンダ６１５が固定され、加熱シリンダ６１５の前端（図における左端）に射出ノズル６１６が配設される。そして、加熱シリンダ６１５にホッパ６１７が配設されるとともに、加熱シリンダ６１５の内部にはスクリュ６２６が進退（図における左右方向に移動）自在に、かつ、回転自在に配設され、スクリュ６２６の後端（図における右端）が支持部材６８２によって支持される。

支持部材６８２には計量装置駆動用サーボモータ（以下、計量用サーボモータと略称する）６８３が取り付けられ、この計量用サーボモータ６８３を駆動することによって発生させられた回転がタイミングベルト６８４を介してスクリュ６２６に伝達されるようになっている。

射出装置フレーム６１４には、スクリュ６２６と平行にボールねじ軸６８５が回転自在に支持されるとともに、ボールねじ軸６８５と射出装置駆動用サーボモータ（以下、射出用サーボモータと略称する）６８６とがタイミングベルト６８７を介して連結される。そして、ボールねじ軸６８５の前端は、支持部材６８２に固定されたボールねじナット６７４と螺合させられる。したがって、射出用サーボモータ６８６を駆動すると、その回転運動は、ボールねじ軸６８５とボールねじナット６７４との組合せ、すなわち、ねじ装置６９２によって直線運動に変換され、直線運動が支持部材６８２に伝達される。

次に、射出装置６１１の動作について説明する。まず、計量工程においては、計量用サーボモータ６８３を駆動し、タイミングベルト６８４を介してスクリュ６２６を回転させ、スクリュ６２６を所定の位置まで後退（図における右方に移動）させる。このとき、ホッパ６１７から供給された樹脂は、加熱シリンダ６１５内において加熱されて溶融させられ、スクリュ６２６の後退に伴ってスクリュ６２６の前方に溜められる。

次に、射出工程においては、射出ノズル６１６を固定金型６４４に押し付け、射出用サーボモータ６８６を駆動し、タイミングベルト６８７を介してボールねじ軸６８５を回転させる。このとき、支持部材６８２はボールねじ軸６８５の回転に伴って移動させられ、スクリュ６２６を前進（図における左方に移動）させるので、スクリュ６２６の前方に溜められた樹脂は射出ノズル６１６から射出され、固定金型６４４と可動金型６４５との間に形成されたキャビティ空間６４７に充填される。

（３） 型締装置
次に、型締装置６１２について説明する。型締装置６１２は、射出装置６１１と対向するようにしてベースフレーム６１３に支持される。型締装置６１２は、固定プラテン６５１、トグルサポート６５２、固定プラテン６５１とトグルサポート６５２との間に架設されたタイバー６５３、固定プラテン６５１と対向して配設され、タイバー６５３に沿って進退自在に配設された可動プラテン６５４、および、可動プラテン６５４とトグルサポート６５２との間に配設されたトグル機構６５６を備える。そして、固定プラテン６５１および可動プラテン６５４に、互いに対向させて固定金型６４４および可動金型６４５がそれぞれ取り付けられる。

トグル機構６５６は、図示されない型締用サーボモータによってクロスヘッド６５８をトグルサポート６５２と可動プラテン６５４との間で進退させることによって、可動プラテン６５４をタイバー６５３に沿って進退させ、可動金型６４５を固定金型６４４に対して接離させて、型閉、型締および型開を行うようになっている。

そのために、トグル機構６５６は、クロスヘッド６５８に対して揺動自在に支持されたトグルレバー６６１、トグルサポート６５２に対して揺動自在に支持されたトグルレバー６６２、可動プラテン６５４に対して揺動自在に支持されたトグルアーム６６３から成り、トグルレバー６６１とトグルレバー６６２との間、およびトグルレバー６６２とトグルアーム６６３との間がそれぞれリンク結合される。

また、ボールねじ軸６６４がトグルサポート６５２に対して回転自在に支持され、ボールねじ軸６６４と、クロスヘッド６５８に固定されたボールねじナット６６５とが螺合させられる。そして、ボールねじ軸６６４を回転させるために、トグルサポート６５２の側面に型締用サーボモータ（図示省略）が取り付けられる。

したがって、型締用サーボモータを駆動すると、型締用サーボモータの回転運動が、ボールねじ軸６６４とボールねじナット６６５との組合せ、すなわち、ねじ装置６９３によって直線運動に変換され、直線運動がクロスヘッド６５８に伝達され、クロスヘッド６５８は矢印Ｃ方向に進退させられる。すなわち、クロスヘッド６５８を前進（図における右方に移動）させると、トグル機構６５６が伸展して可動プラテン６５４が前進させられ、型閉および型締が行われ、クロスヘッド６５８を後退（図における左方に移動）させると、トグル機構６５６が屈曲して可動プラテン６５４が後退させられ、型開が行われる。

（４）電気系統
図８は、射出成形機６００の電気系統を示すブロック図である。整流器７０２は交流電源と接続され、交流電圧を整流する。ＤＣリンク７０５には平滑コンデンサ７０３が接続されており、整流器７０２の出力電圧が平滑化される。コンバータ７０４は、平滑コンデンサ７０３に生ずる直流電圧（ＤＣリンク電圧）Ｖ_ＤＣ１を、所定の電圧レベルに安定化し、ＤＣリンク７０８Ｐ，７０８Ｎ間にＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣ２を発生する。ＤＣリンク７０８Ｐ，７０８Ｎには平滑コンデンサ７０６が接続される。またＤＣリンク７０８Ｐ，７０８Ｎには、複数のインバータ７２０が接続される。各インバータ７２０は対応するモータ７２２を駆動する。モータ７２２Ａ〜７２２Ｃは、上述の可塑化移動用モータ６２２、計量用サーボモータ６８３、射出用サーボモータ６８６、型締用サーボモータであってもよい。そのほか射出成形機６００にはさまざまなサーボ機構が設けられており、各軸に、インバータ７２０とモータ７２２が設けられる。

双方向コンバータ７１０は、ＤＣリンク７０８と蓄電モジュール７１２の間に設けられる。蓄電モジュール７１２は主としてバックアップ電源として機能し、交流電源が遮断された場合などに、双方向コンバータ７１０は、コンバータ７０４に変わって、蓄電モジュール７１２の電力を平滑コンデンサ７０６に供給する。また、インバータ７２０が回生運転を行い、余剰なエネルギーが発生した場合には、双方向コンバータ７１０はその余剰なエネルギーで蓄電モジュール７１２を充電する。

実施の形態に係るパワーコンポーネント２００は、図８のインバータ７２０に用いることができる。図９は、射出成形機６００の制御盤９００を示す図である。制御盤９００は、複数のパワーコンポーネント２００（図８のインバータ７２０）、平滑コンデンサ９０２（図８の７０６）、ヒートシンク９０４、ＤＣリンク９０６Ｐ，９０６Ｎ（図８の７０８Ｐ，７０８Ｎ）などを収容する。制御盤９００には、図８の整流器７０２やコンバータ７０４も収容される。

従来の制御盤では、電流センサが図９に示す空きスペース９１０にちりばめて配置されていた。これに対して、図９の制御盤９００では、電流センサはパワーコンポーネント２００に内蔵されているため、パワー配線の引き回しが短くなり、ノイズを低減できる。また制御盤９００を小型化できる。

図９では、ブスバー９０６Ｐとパワーコンポーネント２００のＰ極直流端子を直接接続し、ブスバー９０６Ｎとパワーコンポーネント２００のＮ極直流端子を直接接続したが、その限りではなく、小型ブスバー（ブスバー片）を介して接続してもよい。

パワーコンポーネントは、ショベルやクレーンなどの建設機械にも用いることができる。図１０は、建設機械の一例であるショベル５００の外観を示す斜視図である。ショベル５００は、主として下部走行体（クローラ）５０２と、下部走行体５０２の上部に旋回機構５０３を介して回動自在に搭載された上部旋回体５０４とを備えている。

旋回体５０４には、アタッチメント５１０が取り付けられる。アタッチメント５１０は、ブーム５１２と、ブーム５１２の先端にリンク接続されたアーム５１４と、アーム５１４の先端にリンク接続されたバケット５１６とを備える。ブーム５１２、アーム５１４、およびバケット５１６は、それぞれブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２、およびバケットシリンダ５２４によって油圧駆動される。また、旋回体５０４には、オペレータを収容するための運転室５０８や、油圧を発生するためのエンジン５０６といった動力源が設けられている。

図１１は、ショベル５００の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図１１では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。

エンジン５０６および電動発電機５３０の回転軸は、共に減速機５３２の入力軸に接続され、互いに連結されている。エンジン５０６の負荷が大きいときには、電動発電機５３０が自身の駆動力によりエンジン５０６の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機５３０の駆動力が減速機５３２の出力軸を経てメインポンプ５３４に伝達される。一方、エンジン５０６の負荷が小さいときには、エンジン５０６の駆動力が減速機５３２を経て電動発電機５３０に伝達されることにより、電動発電機５３０が発電を行う。

電動発電機５３０はアシスト用インバータ５３１の２次側（出力）端に接続される。アシスト用インバータ５３１は、コントローラ５４０（アシスト用インバータコントローラ）からの指令にもとづき、電動発電機５３０の運転制御を行う。電動発電機５３０の駆動と発電との切りかえは、ショベル５００における電気系統の駆動制御を行うコントローラ５４０により、エンジン５０６の負荷等に応じて行われる。

減速機５３２の出力軸にはメインポンプ５３４およびパイロットポンプ５３６が接続されており、メインポンプ５３４には高圧油圧ライン５４２を介してコントロールバルブ５４４が接続されている。コントロールバルブ５４４は、ショベル５００における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ５４４には、図１０に示した下部走行体５０２を駆動するための油圧モータ５５０Ａおよび５５０Ｂの他、ブームシリンダ５２０、アームシリンダ５２２およびバケットシリンダ５２４が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ５４４は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

パイロットポンプ５３６には、パイロットライン５５２を介して操作手段５５４が接続されている。操作手段５５４は、旋回用電動機５６０、下部走行体５０２、ブーム５１２、アーム５１４およびバケット５１６を操作するためのレバーやペダルであり、オペレータによって操作される。

操作手段５５４には、油圧ライン５５６を介してコントロールバルブ５４４が接続され、また、油圧ライン５５８を介して圧力センサ５５９が接続される。操作手段５５４は、パイロットライン５５２を通じて供給される油圧（１次側の油圧）をオペレータの操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作手段５５４から出力される２次側の油圧は、油圧ライン５５６を通じてコントロールバルブ５４４に供給されるとともに、圧力センサ５５９によって検出される。

圧力センサ５５９は、操作手段５５４に対して旋回機構５０３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン５５８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ５５９は、油圧ライン５５８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、旋回指令としてコントローラ５４０に入力され、旋回用電動機５６０の駆動制御に用いられる。

コントローラ５４０（旋回用インバータコントローラ）は、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ５６２により検出される旋回用電動機５６０の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ５６１を制御する。たとえば旋回用電動機５６０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ５６１によって交流駆動される。

コントローラ５４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ５４０は、各種センサおよび操作手段５５４等からの操作入力を受けて、アシスト用インバータ５３１、旋回用インバータ５６１および蓄電手段５７０等の駆動制御を行う。

旋回用電動機５６０は、図１０の旋回機構５０３に設けられ、上部旋回体５０４を回動させる交流電動機である。旋回用電動機５６０の回転軸５６６には、レゾルバ５６２、メカニカルブレーキ５６３および旋回減速機５６４が接続される。

旋回用電動機５６０が力行運転を行う際には、旋回用電動機５６０の回転駆動力の回転力が旋回減速機５６４にて増幅され、旋回体５０４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体５０４の慣性回転により、旋回減速機５６４にて回転数が増加されて旋回用電動機５６０に伝達され、回生電力を発生させる。

レゾルバ５６２は、旋回用電動機５６０と機械的に連結され、旋回用電動機５６０の回転軸５６６の回転位置および回転角度を検出する。メカニカルブレーキ５６３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ５４０からの指令によって、旋回用電動機５６０の回転軸５６６を機械的に停止させる。旋回減速機５６４は、旋回用電動機５６０の回転軸５６６の回転速度を減速して旋回機構５０３に機械的に伝達する。

蓄電手段５７０は、旋回用インバータ５６１の電源であり、ＤＣリンク電圧を供給する。蓄電手段５７０は、蓄電手段を含み、アシスト用インバータ５３１や旋回用インバータ５６１が回生運転を行う際には、それらからの回生エネルギーを蓄電可能に構成される。

図１２は、ショベル５００の電気系統のブロック図である。蓄電手段５７０は、蓄電モジュール５７２と、蓄電モジュール５７２の充放電を制御する双方向コンバータ５７４と、正極および負極の直流配線からなるＤＣリンク５７６とを備えている。ＤＣリンク５７６には、平滑コンデンサ５７８が接続される。蓄電モジュール５７２としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いることができる。ＤＣリンク５７６には、アシスト用インバータ５３１、旋回用インバータ５６１それぞれの１次側（直流入力）が接続されている。双方向コンバータ５７４は、コントローラ５４０によって、ＤＣリンク５７６に生ずるＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが所定の電圧レベルとなるように制御される。たとえば双方向コンバータ５７４は昇降圧コンバータであり、電動発電機５３０や旋回用電動機５６０が力行運転する際には、双方向コンバータ５７４を昇圧動作させ、それらに電源を供給する。反対に電動発電機５３０や旋回用電動機５６０が回生運転する際には、双方向コンバータ５７４を降圧動作させ、電動発電機５３０が発生した電力を蓄電器に回収する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣリンク電圧値、バッテリ電圧値およびバッテリ電流値にもとづき、コントローラ５４０によって行われる。

以上がショベル５００の全体構成である。図１２の双方向コンバータ（昇降圧コンバータ）５７４および平滑コンデンサ５７８に、上述したパワーコンポーネント２００のアーキテクチャを採用してもよい。

図１２のアシスト用インバータ５３１や旋回用インバータ５６１に、パワーコンポーネント２００のアーキテクチャを採用してもよい。

そのほか、実施の形態に係るパワーコンポーネント２００は、電気自動車や電動フォークリフト、ＡＧＶ（無人搬送車）にも採用することができる。

実施の形態では主としてインバータを例にパワーコンポーネント２００を説明したが、コンバータにも本発明は適用可能である。

１００…サーボシステム、１０２…モータ、１０４…回転センサ、２００…パワーコンポーネント、２０２…コントローラ、２０４…ＣＰＵ、２０６…ＰＬＤ、２１０…ラインドライバ、２２０…三相インバータ、２２２…電流センサ、２２４…電流検出回路、２２６…電圧検出回路、２２８…Ａ／Ｄコンバータ、３１０…パワーモジュール、３３０…ドライバカード、３３２，３３４，３３５…開口、３３６…コンデンサ、３３８…トランス、３４０…コンデンサ、３４２…接続ピン、３４４…コネクタ、３４６，３４８…オペアンプ、３５０…パワー配線、３５２…上部ランド、３５４…下部ランド、３５６…ビアホール、３９０…コントロールカード、３９２…通信用コネクタ、３９４…ＵＳＢポート、３９６…トランス、９００…制御盤、９０２…平滑コンデンサ、９０４…ヒートシンク。

Claims (5)

1. パワー半導体素子を内蔵するとともに、上面に交流端子およびＰ極直流端子、Ｎ極直流端子を有するパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールの上層に設けられるドライバカードと、
   前記ドライバカードの上層に設けられるコントロールカードと、
   を備えて一体化され、前記ドライバカードにパワー部の配線が形成されることを特徴とするパワーコンポーネント。
2. 前記ドライバカードおよび前記コントロールカードの占有面積は、前記パワーモジュールのフットプリントと実質的に同等か、小さいことを特徴とする請求項１に記載のパワーコンポーネント。
3. 前記ドライバカードは、
   前記交流端子とオーバーラップする箇所に設けられた開口と、
   前記開口の周部に設けられたビアホールと、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーコンポーネント。
4. 前記開口を挿通して前記パワーモジュールの前記交流端子と螺合するスタッド端子をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のパワーコンポーネント。
5. 電流センサが前記ドライバカードに実装されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパワーコンポーネント。

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