JP4128645B2 - 回転電機内蔵用インバータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機、特に電気車の電動機に内蔵して用いられるための損失，冷却，小型化等の面を考慮した回転電機内蔵用インバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車、特に電気自動車においては、航続距離の向上から効率の良い駆動システムが要求されており、堅牢な誘導電動機に代わって小型化・高効率を図るために永久磁石を用いた同期電動機が多用されており、さらに、インバータが電動機に内蔵される方向に進んできている。そして、電動機を含む回転電機の小型化を損なわずにインバータを内蔵する技術が開発されている。
【０００３】
すなわち、内蔵して用いられる従来技術のインバータとしては、ＳｉＣ半導体の低損失化を活かしてＳｉＣ半導体からなる３相全波整流器を車両用交流発電機の後端壁以外の部位へ固定することができるようにして内蔵する車両用交流発電機用のインバータが、特開平８−３３６２６８公報に開示されている。
また、インバータを電動機に内蔵した従来技術のインバータ内蔵形回転電機としては、ヒートシンクを介して電動機とコントローラ(含むインバータ)を一体にして内蔵する技術が、特開平５−２９２７０３号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の回転電機内蔵用インバータおよびインバータ内蔵形回転電機には、小形化することが困難であるという共通の問題がある。
即ち、インバータとしては、インバータ主回路の素子としてＳｉ(シリコン)を用いた半導体が用いられており、その熱損失が大きく半導体の耐熱保護の面から設ける冷却フィン寸法に制約がある。具体的には、ＩＧＢＴと呼称されている半導体、または、上記特開平8-336268公報に記載のＳｉＣ半導体の接合部の許容温度値が１５５℃位にあるため、冷却フィンを小形化するには限度がある。逆に、インバータの使用温度環境が高くなればなるほど冷却フィン寸法は大きくなる。
【０００５】
一方、インバータを内蔵する回転電機としては、回転電機の内部が１５０℃〜１８０℃位になり、インバータ、即ち、半導体の冷却を考慮すると、小型化を損なわずに内蔵することが難しいという問題がある。特に、内燃機関と電動機を使用したハイブリッドシステムカーの場合の電動機では、エンジンの発熱の影響を受けるためインバータの温度環境は２００℃前後となるので、高温動作可能でかつ低損失なインバータが要望され、この点からも小型化を損なわずインバータを電動機に内蔵する技術の必要に迫られている。
【０００６】
従って、本発明の目的は、冷却フィンを小形化できる回転電機内蔵用インバータを提供することにある。
また、他の目的は、回転電機内蔵用インバータを内蔵しつつ小型化したインバータ内蔵形回転電機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明による回転電機内蔵用インバータの特徴は、複数個の半導体モジュールを含み形成されたインバータ回路を回転電機に内蔵して成る回転電機内蔵用インバータであって、前記半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している点にある。
そして、前記パワートランジスタは、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体から成り、前記ダイオードは、ＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ形ダイオードから成ることが望ましい。
【０００８】
また、本発明によるインバータ内蔵形回転電機の特徴は、複数個の半導体モジュールにより形成されたインバータを内蔵するインバータ内蔵形回転電機であって、前記インバータの前記半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有しているところにある。
そして、前記半導体モジュールの前記パワートランジスタおよび前記ダイオードの前記Ｔｊを、220℃以上〜300℃以下の範囲とすることが望ましい。更に、前記半導体モジュールは、前記インバータ内蔵形回転電機のステータコイルエンド近傍に配設されていることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、インバータ回路を形成する半導体モジュールのジャンクション温度特性が高いので、同一使用温度環境であれば冷却フィン寸法は従来より小さくすることができ小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
また、耐熱性を向上した回転電機内蔵用インバータを、回転電機内部の比較的空いている高温雰囲気スペースに、例えば、ステータコイルエンド近傍に内蔵することにより、スペース効率の向上を図ってインバータ内蔵形回転電機の小形化が達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本発明による回転電機内蔵用インバータの第１の実施例について、図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。回転電機内蔵用インバータの一例としてのインバータ１ａを示している。
図２は、図１の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。即ち、図１のＱ矢視図である。
【００１１】
図１，図２において、インバータ１ａは、ｕ,ｖ,ｗ端子をそれぞれ突き出している３個の半導体モジュールとしてのモジュール33(33a,33b,33c)と、 該各モジュール33をボルト20及びナット21を介して電気的に接続しつつ圧接挟持する円環形状の正極板15及び負極板16と、各モジュール33のゲート端子に電気接続している信号線(Ｇ端子)24aと、正・負極板15,16に電気接続している電源線(正極のＰ端子及び負極のＮ端子)26とから構成される。
【００１２】
尚、正・負極板15,16は、 モジュール33、即ち、半導体を冷却するために設けられる冷却フィンを兼用しているものである。そして、本実施例では冷却フィンとしての正・負極板15，16を一体形の円環形状としたが、冷却フィンを３個にそれぞれ分割し、即ち、正・負極板を３個にそれぞれ分割してなる３個の分割した半導体モジュールから構成して、該半導体モジュールから形成されるインバータ(図示省略)であっても可である。
【００１３】
一方、図３は、本発明による一実施例のモジュールを示す断面図である。そして、図４は、図３のモジュールの回路構成図である。
図３,図４において、モジュール33は、即ち、モジュール33a，33b，33cは、２個のパワートランジスタ38(以下、パワトラ38)と、２個のダイオード39と、コレクタ35と、エミッタ36と、中間端子体37と、２個のゲート32(含むゲート電線32a及びゲート電極32b)と、成形体31とから構成される。所謂、モジュール33は、２つのパワトランジスタと２つのダイオードからインバータ回路を形成する構造のものであり、図示した内部回路で構成されている。そして、コレクタ35と、一方のパワトラ38及びダイオード39の対と、中間端子体37と、他方のパワトラ38及びダイオード39の対と、エミッタ36とを順に積層し、成形体31にて一体に組付けた半導体モジュールの構造である。
【００１４】
なお、インバータ回路に用いられる半導体モジュールは、２つのダイオードを含まず２つのパワトランジスタだけにて構成することも可である。さらに、前述の分割した構成のインバータであれば、上記のコレクタ35及びエミッタ36を、冷却フィンとしての正・負極板と兼用した半導体モジュールから構成して、該半導体モジュールから形成されるインバータ(図示省略)とすることも可である。
【００１５】
更に、図１〜図３に示すように、 モジュール33a,33b,33cは、圧接挟持する導電体であり且つ熱良導体(例えば、アルミ板)としての正極板15及び負極板16に、コレクタ35の正極側接触面(点)15s及びエミッタ36の負極側接触面(点)16sを介して電気的に接続されていると同時に、モジュール33内の半導体としてのパワトラ38及びダイオード39で発生する熱をコレクタ35及びエミッタ36を経て正極板15及び負極板16から放散している。そして、該正極板15及び負極板16に接続された電源線26から、各電極のＰ端子及びＮ端子が取り出されている。また、モジュール33(33a,33b,33c)の信号線24aに接続されるゲート32から、Ｇ端子が取り出されている。 更に、２個のパワトラ38の中立点としての中間端子体37から、ｕ端子(及びｖ,ｗ端子)が取り出されている。
【００１６】
なお、本実施例のモジュール33の各ｕ，ｖ，ｗ端子は、後述する同期電動機30のステータコイル３との直接接続が可能である構造としている。また、３相交流の場合として、３個のモジュール33を用いている。さらに、インバータ１ａの形状は、ステータコイルエンドに沿って行われる配設が容易に可能とするために円環形状(含む半円環形状や馬蹄形状)から成っていて、同期電動機30の空きスペースの有効活用を促進している。
【００１７】
そして、本発明による回転電機内蔵用インバータの特徴とする構成は、半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードが、 Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している点にある。
上記のＴｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有する半導体モジュールについて説明する。図５は、本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータに用いられる半導体モジュールのジャンクション温度特性を示す図である。縦軸はもれ電流(Ａ)を、横軸はジャンクション温度Ｔｊ(℃)を示し、モジュール温度に対するもれ電流の変化状態を表わしている。
【００１８】
図５において、図３に示した本発明品(例えば、ＳiＣ-ＳＩＴ)の半導体モジュール(すなわち、内部の半導体としてのパワートランジスタ及びダイオード)は、約230℃の近辺においてもれ電流値が急増し、 所謂、もれ電流が発生していることが分かる。 これに対して、従来品(例えば、Ｓi−ＩＧＢＴ，ＳiＣ−ＭＯＳＦＥＴ)の半導体モジュールは、約155℃の近辺からもれ電流が発生していることが分かる。従って、半導体モジュールの接合部の許容温度値(保証温度値)としてのジャンクション温度Ｔｊが高くなっていて、図５に示す本発明品の半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、 Ｔｊ＝230℃のジャンクション温度特性を有している。 これに対し従来品は、Ｔｊ＝155℃のジャンクション温度特性を有している。尚、現時点の従来品のＴｊは、160℃未満である。
【００１９】
さらに、具体的な例として、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有する半導体モジュールのパワートランジスタ38は、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体から構成される。また、ダイオード39は、ＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ形ダイオードから構成されている。従って、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体のパワートランジスタ38と、ＳｉＣ形ダイオードのダイオード39とから構成される半導体モジュールとしての、本第１の実施例に取り上げたモジュール33は、ＳiＣ形モジュールである。
【００２０】
なお、最近の各種検討によって、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下の範囲にある半導体としてのパワートランジスタ及びダイオードが得られている。 さらに、Ｔj＝300℃ を越える半導体(含む半導体モジュール)を得ることも可能であるが回転電機用の半導体(含む半導体モジュール)としては、 (1)回転電機の実用限界温度を越える、 (2)ウェハーの歩留まりが悪化する、 (3)生産性が悪く高価になる、(4)大形化するなどの点から、Ｔｊ＝300℃を越えることは好ましくない。
また、ＳｉＣ組成材以外の他の材料を採用したワイドギャップ形半導体にて、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下の範囲にある半導体モジュールを作成できることを把握している。
【００２１】
そして、上記のＴｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有したパワートランジスタ及びダイオード(または、パワートランジスタのみ)から構成された半導体モジュールによって形成されたインバータ回路を有する回転電機内蔵用インバータは、同一使用温度環境の場合においては、冷却フィン寸法を従来より小さくすることができる。 換言すれば、従来品のＴｊ＝155℃に比べて、Ｔｊ＝230℃とした本実施例のインバータの場合であれば、 冷却フィン寸法を小さくした分だけ温度上昇しても耐えられることになり、冷却フィンとしての正・負極板15,16が小形化されることになる。さらに、Ｔｊ＝230℃である本実施例の半導体モジュールを用いた回転電機内蔵用インバータであれば、耐熱性を有しているので、回転電機の内部が１５０℃〜１８０℃位になる場合であっても内蔵することが十分に可能であり、さらにまた、例えば、回転電機の冷却ファンを大きくすることもなく内蔵することができるという効果が得られる。
【００２２】
従って、複数個の半導体モジュールを含み形成されたインバータ回路を回転電機に内蔵して成る回転電機内蔵用インバータであって、半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している本発明による回転電機内蔵用インバータの構成であれば、耐熱性が向上し、冷却フィン寸法や回転電機の小形化に結び付けることができる。また、複数個の半導体モジュールを含み形成されたインバータ回路を回転電機に内蔵して成る回転電機内蔵用インバータであって、半導体モジュールを構成するパワートランジスタは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している回転電機内蔵用インバータであっても、上記と同様な効果が得られることは明らかである。
【００２３】
一方、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体のパワートランジスタ38は、前述のように高温動作可能であることに加えて、低損失である、即ち、発熱量が少ないことが判明した。図６は、本発明による一実施例の半導体モジュールを構成するパワートランジスタの定格電圧ＶCE(コレクタ・エミッタ間の定格電圧)に対するオン抵抗特性を示す図である。 縦軸はオン抵抗(mΩ・cm2)を、横軸は定格電圧ＶCE(Ｖ)を示し、 図５に示した本発明品(ＳｉＣ−ＳＩＴ)のＴｊ＝230℃のジャンクション温度特性を有しているパワートランジスタのオン抵抗特性を、従来品(Ｓi−ＩＧＢＴ，ＳiＣ−ＭＯＳＦＥＴ)のオン抵抗特性と比べて表わしている。
【００２４】
図６において、本発明品のＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体としてのパワートランジスタは、従来品のパワートランジスタに比べて、定格電圧ＶCEの広い範囲に亘って、オン抵抗が小さいことが分かる。
具体的には、本実施例の回転電機内蔵用インバータを電気車用の永久磁石形同期電動機に用いて、定格電圧ＶCE＝６００Ｖ〜3000Ｖの範囲と、スイッチング周波数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲とで動作させると、半導体モジュールの順方向飽和電圧が、従来形半導体モジュール(例えば、ＩＧＢＴモジュール)の１／６の０．３Ｖとすることができて、低熱損失化されることが判明した。
また、 本実施例の回転電機内蔵用インバータを、車両用交流発電機(定格電圧ＶCE＝24〜100Ｖの範囲)に採用しても、同様の低熱損失効果が得られることは、図６から明らかに理解できる。
【００２５】
したがって、パワートランジスタ38が、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体から成る半導体モジュールにより形成されたインバータ回路を有する回転電機内蔵用インバータは、高耐熱性と低熱損失性とを備えるので、さらに、冷却フィンを小形化すると言える。即ち、回転電機の小型化を損なわずインバータを該回転電機に内蔵することができ、回転電機の小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
【００２６】
次に、図７〜図９を参照して第２の実施例について説明する。
図７は、本発明による他の実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。回転電機内蔵用インバータとしての一体型インバータ１ｂを示している。図８は、図７の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。即ち、図７のＲ矢視図である。
【００２７】
図７,図８において、一体型インバータ１bは、ｕ,ｖ,ｗ端子をそれぞれに有する３個の半導体モジュールとしてのモジュール13(13a,13b,13c)と、 ３個のコンデンサ14(14a,14b,14c)と、 各モジュール13と各コンデンサ14をボルト20及びナット21を介して電気的に接続しつつ圧接挟持する円環形状の正極板15及び負極板16と、各モジュール13に電気接続している信号線(Ｃo端子)24bと、正・負極板15,16に電気接続している電源線(Ｐ及びＮ端子)26とから構成される。尚、第１と第２の実施例にて表示した同一符号は、同一構成を表わしている。
【００２８】
また、図９は、図７の一体型インバータ１ｂのモジュール13の回路構成図である。図９において、モジュール13は、所謂２素子イン１インテリジェントモジュールと呼称される構造のものであり、 ３個のうちの一つのモジュール13aは、２個のパワートランジスタ(以下、パワトラ)18aと、２個のダイオード19aと、１個のインテリジェントドライバ(以下、ドライバ)17aとから、 図示した内部回路で構成されている。
【００２９】
そして、図７〜図９に示すように、モジュール13aとコンデンサ14aとは、圧接挟持する導電体としての正極板15及び負極板16自体を介して、 正極側接触点15s及び負極側接触点16sにて電気的に接続し、 正極板15及び負極板16に接続した電源線26を介してそれぞれのＰ端子及びＮ端子が取り出されている。本実施例の場合も、正・負極板15,16は、半導体を冷却するために設けられる冷却フィンを兼用しているものである。また、ドライバ17aからは、信号線24のＣo端子が取り出され、更に、２個のＳＩＴ18aの中立点からは、ｕ端子が取り出されている。
尚、モジュール13b及び13cの構成はモジュール13aと同様である。
【００３０】
すなわち、第２の実施例の一体型インバータ１ｂの第１の実施例のインバータ１ａとの構成の違いは、パワトラ18とダイオード19とドライバ17とを一体に成形したモジュール13と、平滑用のコンデンサ14とを、正極板15及び負極板16によって圧接挟持して、一体にして組み立てた点にある。
尚、ドライバ17は、１チップドライバＩＣ(集積回路)から構成されていて、このドライバ17を、２つのパワトランジスタ(本実施例ではパワトラ18)及び２つのダイオード(本実施例ではダイオード19)と一体にしてインバータ回路を形成した構成のそのものは、公知技術であり、図示説明は省略する。また、一体型インバータ１ｂは一体形状であるので、ドライバ17及びコンデンサ14は、パワトラ18やダイオード19と同等の耐熱性(即ち、同じ使用環境温度で正常に作動する機能)を有することが望ましい。例えば、ドライバ17内部の半導体はＳｉＣ組成材を用いたものであり、コンデンサ14は、セラミック形コンデンサである。
【００３１】
一方、本実施例の３個のモジュールの各ｕ，ｖ，ｗ端子は、ステータコイル３との直接接続が可能である構造と成っている。耐熱性を向上した本実施例のモジュールを、回転電機内部の比較的空いている高温雰囲気スペースとしてのステータコイルエンド近傍に配設することによって、スペース効率の向上を図りインバータ内蔵形回転電機の小形化を達成することができる。
従って、上記３個のモジュール13ａ,13ｂ,13ｃからなる一体型インバータ１ｂの形状は、空きスペースの有効活用を促進し、かつ、ステータコイルエンドに沿って行われる配設が容易に可能とするために、 円環形状(含む半円環形状や馬蹄形状)から成っていることが好ましい。
【００３２】
そして、本第２の実施例の一体型インバータ１ｂに用いられている半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、第１の実施例のインバータ１ａに用いられている半導体モジュールと同様に、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している。すなわち、半導体モジュールのパワートランジスタ18は、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体素子から成り、ダイオード19は、ＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ形ダイオード素子から成っている。
従って、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体素子のパワートランジスタ18とＳｉＣ形ダイオード素子のダイオード19から構成される半導体モジュールとしての第２の実施例のモジュール13も、ＳiＣ形モジュールである。
【００３３】
従って、本第２の実施例の一体型インバータ１ｂは、第１の実施例のインバータ１ａと同様の効果を発揮し、即ち、冷却フィン寸法を従来より小さくすることができる。また、低熱損失化される効果によって、さらに、冷却フィンを小形化すると言える。そして、ドライバ17やコンデンサ14をも含めて一体化したので、更に、回転電機の小型化を損なわずインバータを該回転電機に内蔵することができ、回転電機の小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
【００３４】
ところで、第１の実施例に示すインバータ１ａに用いた半導体モジュールは、一体型インバータ１ｂからコンデンサ14とドライバ17とを分離し、パワトラ38及びダイオード39だけをモジュール化した分離型のモジュール33である。
従って、図１に示した３個のモジュール33を用いたインバータ１ａの場合は、コンデンサ14は、例えば、同期電動機30の外に設置し、該モジュール33のドライバ制御を実行するドライバ17は、例えば、後掲する図１１に示すように、コントローラ35の一部として、同期電動機30の外に設置することになる。従って、インバータ１ａを採用する場合は、別に設けられるコンデンサ14やドライバ17の耐熱性は、従来品と同等で十分である。尚、インバータ１ａを採用する場合であっても、コンデンサ14やドライバ17の耐熱性に問題が起きないならば、同期電動機30の内部に該コンデンサ14やドライバ17を設置するも可である。
【００３５】
次に、本発明によるインバータ内蔵形回転電機について、回転電機の一種類としてのハイブリッドシステムカーや電気自動車に用いられる永久磁石形同期電動機を例示した、図１０を参照して説明する。まず、インバータ内蔵形回転電機としての永久磁石形同期電動機の構成について説明する。
図１０は、本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の構成を示す半断面図である。即ち、前述のインバータ１ａまたはインバータ１ｂを内蔵した同期電動機30を示している。図１０に示す本実施例の同期電動機30は、インバータ１ｃ(例えば前述のインバータ１aまたは１b)と、リアブラケット６，アルミブレーム７及びフロントブラケット８などを含むモータボデイ10と、ロータコア４や永久磁石５などを含むロータ11と、ステータコア２やステータコイル３などを含むステータ12とを含んで構成される。
【００３６】
即ち、永久磁石５は、ロータコア４の内部に分割して挿入されており、ステータコア２に巻かれたステータコイル３に印加する３相電圧・電流を制御することにより、 同期電動機30からハイブリッドシステムカーや電気自動車の駆動力(トルクや回転速度)を得ている。 ステータコア２は、リアブラケット６とアルミブラケット７の内部水路を流れる冷却水により冷却されている。フロントブラケット８は、電気自動車の架台やハイブリッドシステムカーの内燃機関に取り付けられる構造である。
【００３７】
そして、インバータ１ｃを、高温雰囲気であるが同期電動機30の内部にあっては比較的空いているスペースであって、かつ、インバータ１ｃとの直結構造による電気接続の簡素化することが可能な、耐絶縁許容温度(MAX220℃)を満たすステータコイル３に近接して配設する構成とする。例えば、インバータ１ｃのｕ,ｖ,ｗ端子を同期電動機30のステータコイル３に直接接続する構成とする。
【００３８】
一般的に、図１０に示したように同期電動機30においては、その内部空間はほとんど隙間がない位に有効に使われており、内蔵されるインバータに対する要求として、(1)インバータを小形化する、(2)内部空間を有効に利用する等がある。
そして、比較的空いているスペース部分として、例えば、高温雰囲気ではあるが耐絶縁許容温度(MAX220℃)以下を満たすように設計されているステータコイル３のエンドコイル近傍がある。従って、耐熱性が向上した回転電機内蔵用インバータであれば、スペースの有効利用によって回転電機の小形化が図られると考えられる。
【００３９】
即ち、本発明によるインバータ内蔵形回転電機の特徴とする構成は、半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードがＴｊ＝220℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している該半導体モジュールにより形成されたインバータを内蔵している点にある。更に、半導体モジュールをステータコイルエンドに直結する構造によって電気接続の簡素化にも繋がるので、インバータが電動機のステータコイルエンドに直結されていることが好ましいと言える。
【００４０】
次に、上記構成のインバータ内蔵形回転電機の動作について、回転電機内蔵用インバータの動作を絡めて、図１，図７ならびに図１０〜図１２を参照して説明する。図１１は、図１のインバータ１ａを、同期電動機30の駆動回路に実装した場合の回路構成を示している。図１２は、図７の一体型インバータ１ｂを、同期電動機30の駆動回路に実装した場合の回路構成を示している。
図１０に示す同期電動機30の駆動回路は、インバータ１ａと、電源40と、コンデンサ14と、ドライバ17を含むコントローラ35と、 各種センサ(エンコーダ９や電流センサ23など)と、同期電動機30とを含み構成される。 そして、インバータ１ａのインバータ回路(の主回路部分)は、前述したような３個のモジュール33から構成される。また、図１１に示す同期電動機30の駆動回路は、一体型インバータ１ｂと、電源40と、コントローラ25と、 各種センサ(エンコーダ９や電流センサ23など)と、同期電動機30とを含み構成される。 そして、一体型インバータ１ｂは、前述したような３個のモジュール13と、 ３個のコンデンサ14a,14b,14c(ただし、３個を１つ纏めて図示)とから構成される。
【００４１】
上記のインバータの動作は、次の通りである。インバータ１ａ，１ｂは、電源40から電源線26を介して直流電源を入力する。コンデンサ14は、直流電源を平滑化する。それぞれのパワトラ18,38及びダイオード19,39からなるインバータ主回路は、信号線24a,24bを介してコントローラ25,35から受けた制御信号に基づき、ドライバ17が実行するドライバ制御に従って、直流電源を交流電源に変換する。
変換された交流電源は、各ｕ,ｖ,ｗ端子から出力される。そして、本実施例のインバータ１ａ，１ｂは、耐絶縁許容温度(MAX220℃)以下を満たしつつ高温雰囲気に置かれたステータコイル３のエンドコイル近傍に直結されているが、その耐熱性によって正常に動作することができる。
【００４２】
一方、同期電動機30の駆動回路の動作は、コントローラ25が、電源40の直流電源を交流電源に変換するインバータ１ｃのドライバ17を介した変換制御を実行すると同時に、エンコーダ９や電流センサ23などからの各種センサ信号を用いて、ＰＷＭ駆動制御を実行して同期電動機30を駆動するものである。即ち、電流センサ23を用いて各Ｕ、Ｖ，Ｗ電流を検出し、マイコンなどから構成されるコントローラ25により所定値となるようデジタル制御し、更に、エンコーダ９によりＡ，Ｂ相信号と位置信号を取り込んでベクトル制御を行い、最も効率が良くなるように同期電動機30のＰＷＭ運転を実行している。
【００４３】
上記の構成と動作によって、該インバータを、高温雰囲気であるが電動機の内部にあっては比較的空いているスペースであって、また、インバータとの直結構造による電気接続の簡素化に繋がる、耐絶縁許容温度(MAX220℃)のステータコイルに近接して配設することができるようになり、スペース効率の向上を図り電動機の小形化を達成することができる。即ち、高耐熱や低熱損失の回転電機内蔵用インバータを内蔵し小形化したインバータ内蔵形回転電機が提供される。
【００４４】
ところで、ハイブリッドシステムカーや電気自動車に用いられる同期電動機30の各部の環境温度は、永久磁石の許容温度150℃,ステータコイルの耐絶縁許容温度温度220℃,他の内部雰囲気温度150℃〜200℃などから定められるものである。
この環境温度に依り、同期電動機30において、Ｔｊ＝220℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している複数個の半導体モジュールにより形成されたインバータ回路を有するインバータを内蔵した。
【００４５】
しかしながら、インバータ内蔵形回転電機が、例えば、車両用交流発電機であっても、該車両用交流発電機の比較的空いている高温雰囲気スペースに本発明による回転電機内蔵用インバータを内蔵することが可能となり、スペース効率の向上によって車両用交流発電機の小形化が図られることは明らかである。
即ち、従来のＳi−ＩＧＢＴまたはＳiＣ−ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度特性から定まる温度限界としての約155℃を、ＳiＣ−ＳＩＴ形半導体の特長を活かして、約155℃より高い範囲の160℃〜300℃までに温度限界を上げて、 より高温度で作動可能とした本発明によるインバータであれば、回転電機内の比較的空いたスペースに実装できて回転電機の小形化に有効である。 尚、約155℃よりも５℃だけ高い場合であっても、半導体の自己発熱による温度上昇分だけ耐熱性が向上し有効であり、インバータならびにインバータを内蔵する回転電機を小型化できる効果がある。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によって、耐熱性や低熱損失性が向上し冷却フィン寸法や回転電機の小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
また、耐熱性や低熱損失性に優れたインバータを比較的スペースの空いた高温雰囲気空間に配設することによって、回転電機の小形化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。
【図２】図１の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。
【図３】本発明による一実施例のモジュールを示す断面図である。
【図４】図３のモジュールの回路構成を示す図である。
【図５】本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータに用いられる半導体モジュールのジャンクション温度特性を示す図である。
【図６】本発明による一実施例の半導体モジュールを構成するパワートランジスタの定格電圧ＶCEに対するオン抵抗特性を示す図である。
【図７】本発明による他の実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。
【図８】図７の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。
【図９】図７の回転電機内蔵用インバータのモジュールの回路構成を示す図である。
【図１０】本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の構成を示す半断面図である。
【図１１】図１の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の駆動回路構成を示す図である。
【図１２】図７の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の駆動回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ａ…インバータ、１ｂ…一体型インバータ、２…ステータコア、
３…ステータコイル、４…ロータコア、５…永久磁石、６…リアブラケット、
７…アルミブレーム、８…フロントブラケット、９…エンコーダ、
10…モータボデイ、11…ロータ、12…ステータ、
13,13a,13b,13c,33,33a,33b,33c…ＳｉＣ形モジュール(モジュール)、
14,14a,14b,14c…コンデンサ、15…正極板、15s…正極側接触点、16…負極板、
16s…負極側接触点、17,17a,17b,17c…インテリジェントドライバ(ドライバ)、
18,18a,18b,18c,38…ＳｉＣ−ＳＩＴ(ＳＩＴ)、
19,19a,19b,19c,39…ＳｉＣ−ダイオード(ダイオード)、20…ボルト、
21…ナット、23…電流センサ、24a…信号線(Ｇ端子)、
24b…信号線(Ｃo端子)、25，35…コントローラ、26…電源線(Ｐ及びＮ端子)、
30…同期電動機、31…成形体、32…ゲート、32a…ゲート電線、
32b…ゲート電極、35…コレクタ、36…エミッタ、37…中間端子体、40…電源。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機、特に電気車の電動機に内蔵して用いられるための損失，冷却，小型化等の面を考慮した回転電機内蔵用インバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車、特に電気自動車においては、航続距離の向上から効率の良い駆動システムが要求されており、堅牢な誘導電動機に代わって小型化・高効率を図るために永久磁石を用いた同期電動機が多用されており、さらに、インバータが電動機に内蔵される方向に進んできている。そして、電動機を含む回転電機の小型化を損なわずにインバータを内蔵する技術が開発されている。
【０００３】
すなわち、内蔵して用いられる従来技術のインバータとしては、ＳｉＣ半導体の低損失化を活かしてＳｉＣ半導体からなる３相全波整流器を車両用交流発電機の後端壁以外の部位へ固定することができるようにして内蔵する車両用交流発電機用のインバータが、特開平８−３３６２６８公報に開示されている。
また、インバータを電動機に内蔵した従来技術のインバータ内蔵形回転電機としては、ヒートシンクを介して電動機とコントローラ(含むインバータ)を一体にして内蔵する技術が、特開平５−２９２７０３号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の回転電機内蔵用インバータおよびインバータ内蔵形回転電機には、小形化することが困難であるという共通の問題がある。
即ち、インバータとしては、インバータ主回路の素子としてＳｉ(シリコン)を用いた半導体が用いられており、その熱損失が大きく半導体の耐熱保護の面から設ける冷却フィン寸法に制約がある。具体的には、ＩＧＢＴと呼称されている半導体、または、上記特開平8-336268公報に記載のＳｉＣ半導体の接合部の許容温度値が１５５℃位にあるため、冷却フィンを小形化するには限度がある。逆に、インバータの使用温度環境が高くなればなるほど冷却フィン寸法は大きくなる。
【０００５】
一方、インバータを内蔵する回転電機としては、回転電機の内部が１５０℃〜１８０℃位になり、インバータ、即ち、半導体の冷却を考慮すると、小型化を損なわずに内蔵することが難しいという問題がある。特に、内燃機関と電動機を使用したハイブリッドシステムカーの場合の電動機では、エンジンの発熱の影響を受けるためインバータの温度環境は２００℃前後となるので、高温動作可能でかつ低損失なインバータが要望され、この点からも小型化を損なわずインバータを電動機に内蔵する技術の必要に迫られている。
【０００６】
従って、本発明の目的は、冷却フィンを小形化できる回転電機内蔵用インバータを提供することにある。
また、他の目的は、回転電機内蔵用インバータを内蔵しつつ小型化したインバータ内蔵形回転電機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明による回転電機内蔵用インバータの特徴は、複数個の半導体モジュールを含み形成されたインバータ回路を回転電機に内蔵して成る回転電機内蔵用インバータであって、前記半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している点にある。
そして、前記パワートランジスタは、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体から成り、前記ダイオードは、ＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ形ダイオードから成ることが望ましい。
【０００８】
また、本発明によるインバータ内蔵形回転電機の特徴は、複数個の半導体モジュールにより形成されたインバータを内蔵するインバータ内蔵形回転電機であって、前記インバータの前記半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有しているところにある。
そして、前記半導体モジュールの前記パワートランジスタおよび前記ダイオードの前記Ｔｊを、220℃以上〜300℃以下の範囲とすることが望ましい。更に、前記半導体モジュールは、前記インバータ内蔵形回転電機のステータコイルエンド近傍に配設されていることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、インバータ回路を形成する半導体モジュールのジャンクション温度特性が高いので、同一使用温度環境であれば冷却フィン寸法は従来より小さくすることができ小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
また、耐熱性を向上した回転電機内蔵用インバータを、回転電機内部の比較的空いている高温雰囲気スペースに、例えば、ステータコイルエンド近傍に内蔵することにより、スペース効率の向上を図ってインバータ内蔵形回転電機の小形化が達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本発明による回転電機内蔵用インバータの第１の実施例について、図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。回転電機内蔵用インバータの一例としてのインバータ１ａを示している。
図２は、図１の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。即ち、図１のＱ矢視図である。
【００１１】
図１，図２において、インバータ１ａは、ｕ,ｖ,ｗ端子をそれぞれ突き出している３個の半導体モジュールとしてのモジュール33(33a,33b,33c)と、 該各モジュール33をボルト20及びナット21を介して電気的に接続しつつ圧接挟持する円環形状の正極板15及び負極板16と、各モジュール33のゲート端子に電気接続している信号線(Ｇ端子)24aと、正・負極板15,16に電気接続している電源線(正極のＰ端子及び負極のＮ端子)26とから構成される。
【００１２】
尚、正・負極板15,16は、 モジュール33、即ち、半導体を冷却するために設けられる冷却フィンを兼用しているものである。そして、本実施例では冷却フィンとしての正・負極板15，16を一体形の円環形状としたが、冷却フィンを３個にそれぞれ分割し、即ち、正・負極板を３個にそれぞれ分割してなる３個の分割した半導体モジュールから構成して、該半導体モジュールから形成されるインバータ(図示省略)であっても可である。
【００１３】
一方、図３は、本発明による一実施例のモジュールを示す断面図である。そして、図４は、図３のモジュールの回路構成図である。
図３,図４において、モジュール33は、即ち、モジュール33a，33b，33cは、２個のパワートランジスタ38(以下、パワトラ38)と、２個のダイオード39と、コレクタ35と、エミッタ36と、中間端子体37と、２個のゲート32(含むゲート電線32a及びゲート電極32b)と、成形体31とから構成される。所謂、モジュール33は、２つのパワトランジスタと２つのダイオードからインバータ回路を形成する構造のものであり、図示した内部回路で構成されている。そして、コレクタ35と、一方のパワトラ38及びダイオード39の対と、中間端子体37と、他方のパワトラ38及びダイオード39の対と、エミッタ36とを順に積層し、成形体31にて一体に組付けた半導体モジュールの構造である。
【００１４】
なお、インバータ回路に用いられる半導体モジュールは、２つのダイオードを含まず２つのパワトランジスタだけにて構成することも可である。さらに、前述の分割した構成のインバータであれば、上記のコレクタ35及びエミッタ36を、冷却フィンとしての正・負極板と兼用した半導体モジュールから構成して、該半導体モジュールから形成されるインバータ(図示省略)とすることも可である。
【００１５】
更に、図１〜図３に示すように、 モジュール33a,33b,33cは、圧接挟持する導電体であり且つ熱良導体(例えば、アルミ板)としての正極板15及び負極板16に、コレクタ35の正極側接触面(点)15s及びエミッタ36の負極側接触面(点)16sを介して電気的に接続されていると同時に、モジュール33内の半導体としてのパワトラ38及びダイオード39で発生する熱をコレクタ35及びエミッタ36を経て正極板15及び負極板16から放散している。そして、該正極板15及び負極板16に接続された電源線26から、各電極のＰ端子及びＮ端子が取り出されている。また、モジュール33(33a,33b,33c)の信号線24aに接続されるゲート32から、Ｇ端子が取り出されている。 更に、２個のパワトラ38の中立点としての中間端子体37から、ｕ端子(及びｖ,ｗ端子)が取り出されている。
【００１６】
なお、本実施例のモジュール33の各ｕ，ｖ，ｗ端子は、後述する同期電動機30のステータコイル３との直接接続が可能である構造としている。また、３相交流の場合として、３個のモジュール33を用いている。さらに、インバータ１ａの形状は、ステータコイルエンドに沿って行われる配設が容易に可能とするために円環形状(含む半円環形状や馬蹄形状)から成っていて、同期電動機30の空きスペースの有効活用を促進している。
【００１７】
そして、本発明による回転電機内蔵用インバータの特徴とする構成は、半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードが、 Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している点にある。
上記のＴｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有する半導体モジュールについて説明する。図５は、本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータに用いられる半導体モジュールのジャンクション温度特性を示す図である。縦軸はもれ電流(Ａ)を、横軸はジャンクション温度Ｔｊ(℃)を示し、モジュール温度に対するもれ電流の変化状態を表わしている。
【００１８】
図５において、図３に示した本発明品(例えば、ＳiＣ-ＳＩＴ)の半導体モジュール(すなわち、内部の半導体としてのパワートランジスタ及びダイオード)は、約230℃の近辺においてもれ電流値が急増し、 所謂、もれ電流が発生していることが分かる。 これに対して、従来品(例えば、Ｓi−ＩＧＢＴ，ＳiＣ−ＭＯＳＦＥＴ)の半導体モジュールは、約155℃の近辺からもれ電流が発生していることが分かる。従って、半導体モジュールの接合部の許容温度値(保証温度値)としてのジャンクション温度Ｔｊが高くなっていて、図５に示す本発明品の半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、 Ｔｊ＝230℃のジャンクション温度特性を有している。 これに対し従来品は、Ｔｊ＝155℃のジャンクション温度特性を有している。尚、現時点の従来品のＴｊは、160℃未満である。
【００１９】
さらに、具体的な例として、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有する半導体モジュールのパワートランジスタ38は、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体から構成される。また、ダイオード39は、ＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ形ダイオードから構成されている。従って、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体のパワートランジスタ38と、ＳｉＣ形ダイオードのダイオード39とから構成される半導体モジュールとしての、本第１の実施例に取り上げたモジュール33は、ＳiＣ形モジュールである。
【００２０】
なお、最近の各種検討によって、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下の範囲にある半導体としてのパワートランジスタ及びダイオードが得られている。 さらに、Ｔj＝300℃ を越える半導体(含む半導体モジュール)を得ることも可能であるが回転電機用の半導体(含む半導体モジュール)としては、 (1)回転電機の実用限界温度を越える、 (2)ウェハーの歩留まりが悪化する、 (3)生産性が悪く高価になる、(4)大形化するなどの点から、Ｔｊ＝300℃を越えることは好ましくない。
また、ＳｉＣ組成材以外の他の材料を採用したワイドギャップ形半導体にて、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下の範囲にある半導体モジュールを作成できることを把握している。
【００２１】
そして、上記のＴｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有したパワートランジスタ及びダイオード(または、パワートランジスタのみ)から構成された半導体モジュールによって形成されたインバータ回路を有する回転電機内蔵用インバータは、同一使用温度環境の場合においては、冷却フィン寸法を従来より小さくすることができる。 換言すれば、従来品のＴｊ＝155℃に比べて、Ｔｊ＝230℃とした本実施例のインバータの場合であれば、 冷却フィン寸法を小さくした分だけ温度上昇しても耐えられることになり、冷却フィンとしての正・負極板15,16が小形化されることになる。さらに、Ｔｊ＝230℃である本実施例の半導体モジュールを用いた回転電機内蔵用インバータであれば、耐熱性を有しているので、回転電機の内部が１５０℃〜１８０℃位になる場合であっても内蔵することが十分に可能であり、さらにまた、例えば、回転電機の冷却ファンを大きくすることもなく内蔵することができるという効果が得られる。
【００２２】
従って、複数個の半導体モジュールを含み形成されたインバータ回路を回転電機に内蔵して成る回転電機内蔵用インバータであって、半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している本発明による回転電機内蔵用インバータの構成であれば、耐熱性が向上し、冷却フィン寸法や回転電機の小形化に結び付けることができる。また、複数個の半導体モジュールを含み形成されたインバータ回路を回転電機に内蔵して成る回転電機内蔵用インバータであって、半導体モジュールを構成するパワートランジスタは、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している回転電機内蔵用インバータであっても、上記と同様な効果が得られることは明らかである。
【００２３】
一方、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体のパワートランジスタ38は、前述のように高温動作可能であることに加えて、低損失である、即ち、発熱量が少ないことが判明した。図６は、本発明による一実施例の半導体モジュールを構成するパワートランジスタの定格電圧ＶCE(コレクタ・エミッタ間の定格電圧)に対するオン抵抗特性を示す図である。 縦軸はオン抵抗(mΩ・cm2)を、横軸は定格電圧ＶCE(Ｖ)を示し、 図５に示した本発明品(ＳｉＣ−ＳＩＴ)のＴｊ＝230℃のジャンクション温度特性を有しているパワートランジスタのオン抵抗特性を、従来品(Ｓi−ＩＧＢＴ，ＳiＣ−ＭＯＳＦＥＴ)のオン抵抗特性と比べて表わしている。
【００２４】
図６において、本発明品のＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体としてのパワートランジスタは、従来品のパワートランジスタに比べて、定格電圧ＶCEの広い範囲に亘って、オン抵抗が小さいことが分かる。
具体的には、本実施例の回転電機内蔵用インバータを電気車用の永久磁石形同期電動機に用いて、定格電圧ＶCE＝６００Ｖ〜3000Ｖの範囲と、スイッチング周波数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲とで動作させると、半導体モジュールの順方向飽和電圧が、従来形半導体モジュール(例えば、ＩＧＢＴモジュール)の１／６の０．３Ｖとすることができて、低熱損失化されることが判明した。
また、 本実施例の回転電機内蔵用インバータを、車両用交流発電機(定格電圧ＶCE＝24〜100Ｖの範囲)に採用しても、同様の低熱損失効果が得られることは、図６から明らかに理解できる。
【００２５】
したがって、パワートランジスタ38が、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体から成る半導体モジュールにより形成されたインバータ回路を有する回転電機内蔵用インバータは、高耐熱性と低熱損失性とを備えるので、さらに、冷却フィンを小形化すると言える。即ち、回転電機の小型化を損なわずインバータを該回転電機に内蔵することができ、回転電機の小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
【００２６】
次に、図７〜図９を参照して第２の実施例について説明する。
図７は、本発明による他の実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。回転電機内蔵用インバータとしての一体型インバータ１ｂを示している。図８は、図７の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。即ち、図７のＲ矢視図である。
【００２７】
図７,図８において、一体型インバータ１bは、ｕ,ｖ,ｗ端子をそれぞれに有する３個の半導体モジュールとしてのモジュール13(13a,13b,13c)と、 ３個のコンデンサ14(14a,14b,14c)と、 各モジュール13と各コンデンサ14をボルト20及びナット21を介して電気的に接続しつつ圧接挟持する円環形状の正極板15及び負極板16と、各モジュール13に電気接続している信号線(Ｃo端子)24bと、正・負極板15,16に電気接続している電源線(Ｐ及びＮ端子)26とから構成される。尚、第１と第２の実施例にて表示した同一符号は、同一構成を表わしている。
【００２８】
また、図９は、図７の一体型インバータ１ｂのモジュール13の回路構成図である。図９において、モジュール13は、所謂２素子イン１インテリジェントモジュールと呼称される構造のものであり、 ３個のうちの一つのモジュール13aは、２個のパワートランジスタ(以下、パワトラ)18aと、２個のダイオード19aと、１個のインテリジェントドライバ(以下、ドライバ)17aとから、 図示した内部回路で構成されている。
【００２９】
そして、図７〜図９に示すように、モジュール13aとコンデンサ14aとは、圧接挟持する導電体としての正極板15及び負極板16自体を介して、 正極側接触点15s及び負極側接触点16sにて電気的に接続し、 正極板15及び負極板16に接続した電源線26を介してそれぞれのＰ端子及びＮ端子が取り出されている。本実施例の場合も、正・負極板15,16は、半導体を冷却するために設けられる冷却フィンを兼用しているものである。また、ドライバ17aからは、信号線24のＣo端子が取り出され、更に、２個のＳＩＴ18aの中立点からは、ｕ端子が取り出されている。
尚、モジュール13b及び13cの構成はモジュール13aと同様である。
【００３０】
すなわち、第２の実施例の一体型インバータ１ｂの第１の実施例のインバータ１ａとの構成の違いは、パワトラ18とダイオード19とドライバ17とを一体に成形したモジュール13と、平滑用のコンデンサ14とを、正極板15及び負極板16によって圧接挟持して、一体にして組み立てた点にある。
尚、ドライバ17は、１チップドライバＩＣ(集積回路)から構成されていて、このドライバ17を、２つのパワトランジスタ(本実施例ではパワトラ18)及び２つのダイオード(本実施例ではダイオード19)と一体にしてインバータ回路を形成した構成のそのものは、公知技術であり、図示説明は省略する。また、一体型インバータ１ｂは一体形状であるので、ドライバ17及びコンデンサ14は、パワトラ18やダイオード19と同等の耐熱性(即ち、同じ使用環境温度で正常に作動する機能)を有することが望ましい。例えば、ドライバ17内部の半導体はＳｉＣ組成材を用いたものであり、コンデンサ14は、セラミック形コンデンサである。
【００３１】
一方、本実施例の３個のモジュールの各ｕ，ｖ，ｗ端子は、ステータコイル３との直接接続が可能である構造と成っている。耐熱性を向上した本実施例のモジュールを、回転電機内部の比較的空いている高温雰囲気スペースとしてのステータコイルエンド近傍に配設することによって、スペース効率の向上を図りインバータ内蔵形回転電機の小形化を達成することができる。
従って、上記３個のモジュール13ａ,13ｂ,13ｃからなる一体型インバータ１ｂの形状は、空きスペースの有効活用を促進し、かつ、ステータコイルエンドに沿って行われる配設が容易に可能とするために、 円環形状(含む半円環形状や馬蹄形状)から成っていることが好ましい。
【００３２】
そして、本第２の実施例の一体型インバータ１ｂに用いられている半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードは、第１の実施例のインバータ１ａに用いられている半導体モジュールと同様に、Ｔｊ＝160℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している。すなわち、半導体モジュールのパワートランジスタ18は、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体素子から成り、ダイオード19は、ＳｉＣ組成材を用いたＳｉＣ形ダイオード素子から成っている。
従って、ＳｉＣ組成材を用いたＳＩＴ形半導体素子のパワートランジスタ18とＳｉＣ形ダイオード素子のダイオード19から構成される半導体モジュールとしての第２の実施例のモジュール13も、ＳiＣ形モジュールである。
【００３３】
従って、本第２の実施例の一体型インバータ１ｂは、第１の実施例のインバータ１ａと同様の効果を発揮し、即ち、冷却フィン寸法を従来より小さくすることができる。また、低熱損失化される効果によって、さらに、冷却フィンを小形化すると言える。そして、ドライバ17やコンデンサ14をも含めて一体化したので、更に、回転電機の小型化を損なわずインバータを該回転電機に内蔵することができ、回転電機の小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
【００３４】
ところで、第１の実施例に示すインバータ１ａに用いた半導体モジュールは、一体型インバータ１ｂからコンデンサ14とドライバ17とを分離し、パワトラ38及びダイオード39だけをモジュール化した分離型のモジュール33である。
従って、図１に示した３個のモジュール33を用いたインバータ１ａの場合は、コンデンサ14は、例えば、同期電動機30の外に設置し、該モジュール33のドライバ制御を実行するドライバ17は、例えば、後掲する図１１に示すように、コントローラ35の一部として、同期電動機30の外に設置することになる。従って、インバータ１ａを採用する場合は、別に設けられるコンデンサ14やドライバ17の耐熱性は、従来品と同等で十分である。尚、インバータ１ａを採用する場合であっても、コンデンサ14やドライバ17の耐熱性に問題が起きないならば、同期電動機30の内部に該コンデンサ14やドライバ17を設置するも可である。
【００３５】
次に、本発明によるインバータ内蔵形回転電機について、回転電機の一種類としてのハイブリッドシステムカーや電気自動車に用いられる永久磁石形同期電動機を例示した、図１０を参照して説明する。まず、インバータ内蔵形回転電機としての永久磁石形同期電動機の構成について説明する。
図１０は、本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の構成を示す半断面図である。即ち、前述のインバータ１ａまたはインバータ１ｂを内蔵した同期電動機30を示している。図１０に示す本実施例の同期電動機30は、インバータ１ｃ(例えば前述のインバータ１aまたは１b)と、リアブラケット６，アルミブレーム７及びフロントブラケット８などを含むモータボデイ10と、ロータコア４や永久磁石５などを含むロータ11と、ステータコア２やステータコイル３などを含むステータ12とを含んで構成される。
【００３６】
即ち、永久磁石５は、ロータコア４の内部に分割して挿入されており、ステータコア２に巻かれたステータコイル３に印加する３相電圧・電流を制御することにより、 同期電動機30からハイブリッドシステムカーや電気自動車の駆動力(トルクや回転速度)を得ている。 ステータコア２は、リアブラケット６とアルミブラケット７の内部水路を流れる冷却水により冷却されている。フロントブラケット８は、電気自動車の架台やハイブリッドシステムカーの内燃機関に取り付けられる構造である。
【００３７】
そして、インバータ１ｃを、高温雰囲気であるが同期電動機30の内部にあっては比較的空いているスペースであって、かつ、インバータ１ｃとの直結構造による電気接続の簡素化することが可能な、耐絶縁許容温度(MAX220℃)を満たすステータコイル３に近接して配設する構成とする。例えば、インバータ１ｃのｕ,ｖ,ｗ端子を同期電動機30のステータコイル３に直接接続する構成とする。
【００３８】
一般的に、図１０に示したように同期電動機30においては、その内部空間はほとんど隙間がない位に有効に使われており、内蔵されるインバータに対する要求として、(1)インバータを小形化する、(2)内部空間を有効に利用する等がある。
そして、比較的空いているスペース部分として、例えば、高温雰囲気ではあるが耐絶縁許容温度(MAX220℃)以下を満たすように設計されているステータコイル３のエンドコイル近傍がある。従って、耐熱性が向上した回転電機内蔵用インバータであれば、スペースの有効利用によって回転電機の小形化が図られると考えられる。
【００３９】
即ち、本発明によるインバータ内蔵形回転電機の特徴とする構成は、半導体モジュールを構成するパワートランジスタ及びダイオードがＴｊ＝220℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している該半導体モジュールにより形成されたインバータを内蔵している点にある。更に、半導体モジュールをステータコイルエンドに直結する構造によって電気接続の簡素化にも繋がるので、インバータが電動機のステータコイルエンドに直結されていることが好ましいと言える。
【００４０】
次に、上記構成のインバータ内蔵形回転電機の動作について、回転電機内蔵用インバータの動作を絡めて、図１，図７ならびに図１０〜図１２を参照して説明する。図１１は、図１のインバータ１ａを、同期電動機30の駆動回路に実装した場合の回路構成を示している。図１２は、図７の一体型インバータ１ｂを、同期電動機30の駆動回路に実装した場合の回路構成を示している。
図１０に示す同期電動機30の駆動回路は、インバータ１ａと、電源40と、コンデンサ14と、ドライバ17を含むコントローラ35と、 各種センサ(エンコーダ９や電流センサ23など)と、同期電動機30とを含み構成される。 そして、インバータ１ａのインバータ回路(の主回路部分)は、前述したような３個のモジュール33から構成される。また、図１１に示す同期電動機30の駆動回路は、一体型インバータ１ｂと、電源40と、コントローラ25と、 各種センサ(エンコーダ９や電流センサ23など)と、同期電動機30とを含み構成される。 そして、一体型インバータ１ｂは、前述したような３個のモジュール13と、 ３個のコンデンサ14a,14b,14c(ただし、３個を１つ纏めて図示)とから構成される。
【００４１】
上記のインバータの動作は、次の通りである。インバータ１ａ，１ｂは、電源40から電源線26を介して直流電源を入力する。コンデンサ14は、直流電源を平滑化する。それぞれのパワトラ18,38及びダイオード19,39からなるインバータ主回路は、信号線24a,24bを介してコントローラ25,35から受けた制御信号に基づき、ドライバ17が実行するドライバ制御に従って、直流電源を交流電源に変換する。
変換された交流電源は、各ｕ,ｖ,ｗ端子から出力される。そして、本実施例のインバータ１ａ，１ｂは、耐絶縁許容温度(MAX220℃)以下を満たしつつ高温雰囲気に置かれたステータコイル３のエンドコイル近傍に直結されているが、その耐熱性によって正常に動作することができる。
【００４２】
一方、同期電動機30の駆動回路の動作は、コントローラ25が、電源40の直流電源を交流電源に変換するインバータ１ｃのドライバ17を介した変換制御を実行すると同時に、エンコーダ９や電流センサ23などからの各種センサ信号を用いて、ＰＷＭ駆動制御を実行して同期電動機30を駆動するものである。即ち、電流センサ23を用いて各Ｕ、Ｖ，Ｗ電流を検出し、マイコンなどから構成されるコントローラ25により所定値となるようデジタル制御し、更に、エンコーダ９によりＡ，Ｂ相信号と位置信号を取り込んでベクトル制御を行い、最も効率が良くなるように同期電動機30のＰＷＭ運転を実行している。
【００４３】
上記の構成と動作によって、該インバータを、高温雰囲気であるが電動機の内部にあっては比較的空いているスペースであって、また、インバータとの直結構造による電気接続の簡素化に繋がる、耐絶縁許容温度(MAX220℃)のステータコイルに近接して配設することができるようになり、スペース効率の向上を図り電動機の小形化を達成することができる。即ち、高耐熱や低熱損失の回転電機内蔵用インバータを内蔵し小形化したインバータ内蔵形回転電機が提供される。
【００４４】
ところで、ハイブリッドシステムカーや電気自動車に用いられる同期電動機30の各部の環境温度は、永久磁石の許容温度150℃,ステータコイルの耐絶縁許容温度温度220℃,他の内部雰囲気温度150℃〜200℃などから定められるものである。
この環境温度に依り、同期電動機30において、Ｔｊ＝220℃以上〜300℃以下のジャンクション温度特性を有している複数個の半導体モジュールにより形成されたインバータ回路を有するインバータを内蔵した。
【００４５】
しかしながら、インバータ内蔵形回転電機が、例えば、車両用交流発電機であっても、該車両用交流発電機の比較的空いている高温雰囲気スペースに本発明による回転電機内蔵用インバータを内蔵することが可能となり、スペース効率の向上によって車両用交流発電機の小形化が図られることは明らかである。
即ち、従来のＳi−ＩＧＢＴまたはＳiＣ−ＭＯＳＦＥＴのジャンクション温度特性から定まる温度限界としての約155℃を、ＳiＣ−ＳＩＴ形半導体の特長を活かして、約155℃より高い範囲の160℃〜300℃までに温度限界を上げて、 より高温度で作動可能とした本発明によるインバータであれば、回転電機内の比較的空いたスペースに実装できて回転電機の小形化に有効である。 尚、約155℃よりも５℃だけ高い場合であっても、半導体の自己発熱による温度上昇分だけ耐熱性が向上し有効であり、インバータならびにインバータを内蔵する回転電機を小型化できる効果がある。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によって、耐熱性や低熱損失性が向上し冷却フィン寸法や回転電機の小形化に結び付く回転電機内蔵用インバータが提供される。
また、耐熱性や低熱損失性に優れたインバータを比較的スペースの空いた高温雰囲気空間に配設することによって、回転電機の小形化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。
【図２】図１の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。
【図３】本発明による一実施例のモジュールを示す断面図である。
【図４】図３のモジュールの回路構成を示す図である。
【図５】本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータに用いられる半導体モジュールのジャンクション温度特性を示す図である。
【図６】本発明による一実施例の半導体モジュールを構成するパワートランジスタの定格電圧ＶCEに対するオン抵抗特性を示す図である。
【図７】本発明による他の実施例の回転電機内蔵用インバータを示す正面図である。
【図８】図７の回転電機内蔵用インバータを示す側面図である。
【図９】図７の回転電機内蔵用インバータのモジュールの回路構成を示す図である。
【図１０】本発明による一実施例の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の構成を示す半断面図である。
【図１１】図１の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の駆動回路構成を示す図である。
【図１２】図７の回転電機内蔵用インバータを用いたインバータ内蔵形回転電機の駆動回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ａ…インバータ、１ｂ…一体型インバータ、２…ステータコア、
３…ステータコイル、４…ロータコア、５…永久磁石、６…リアブラケット、
７…アルミブレーム、８…フロントブラケット、９…エンコーダ、
10…モータボデイ、11…ロータ、12…ステータ、
13,13a,13b,13c,33,33a,33b,33c…ＳｉＣ形モジュール(モジュール)、
14,14a,14b,14c…コンデンサ、15…正極板、15s…正極側接触点、16…負極板、
16s…負極側接触点、17,17a,17b,17c…インテリジェントドライバ(ドライバ)、
18,18a,18b,18c,38…ＳｉＣ−ＳＩＴ(ＳＩＴ)、
19,19a,19b,19c,39…ＳｉＣ−ダイオード(ダイオード)、20…ボルト、
21…ナット、23…電流センサ、24a…信号線(Ｇ端子)、
24b…信号線(Ｃo端子)、25，35…コントローラ、26…電源線(Ｐ及びＮ端子)、
30…同期電動機、31…成形体、32…ゲート、32a…ゲート電線、
32b…ゲート電極、35…コレクタ、36…エミッタ、37…中間端子体、40…電源。
Claims (6)
- 一方の面と他方の面とを有する正極板と、
前記正極板と並べて配置され、前記正極板と同様の向きで一方の面と他方の面とを有する負極板と、
発生した熱が前記正極板の他方の面から前記正極板に伝達されて前記正極板の一方の面を介して放熱されるように、前記正極板の他方の面に高電位側が密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第１のＳＩＴ型半導体と、
発生した熱が前記負極板の一方の面から前記負極板に伝達されて前記負極板の他方の面を介して放熱されるように、前記負極板の一方の面に低電位側が密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第２のＳＩＴ型半導体と、
前記第１の半導体の低電位側と前記第２の半導体の高電位側とを接続する導体と、
前記第１の半導体の低電位側と前記第２の半導体の高電位側とを接続する前記導体を回転電機に接続するための端子とを備え、この構成により前記第１と第２の半導体が直列回路を構成し、
前記直列回路が３組並列に接続され、
並列接続された前記３組の直列回路にさらに並列接続されるコンデンサを備えている回転電機内蔵用インバータ。 - 一方の面と他方の面とを有する正極板と、
前記正極板と並べて配置され、前記正極板と同様の向きで一方の面と他方の面とを有する負極板と、
前記正極板の他方の面にコレクタが密着して配置され、これにより発生した熱が前記正極板の他方の面から前記正極板に伝達されて前記正極板の一方の面を介して放熱される熱伝導路が形成されると共に、前記正極板の他方の面とコレクタとが電気的に接続されるＳｉＣ組成材を用いた第１のＳＩＴ型トランジスタと、
前記負極板の一方の面にエミッタが密着して配置され、これにより発生した熱が前記負極板の一方の面から前記負極板に伝達されて前記負極板の他方の面を介して放熱される熱伝導路が形成されると共に、前記負極板の一方の面とエミッタとが電気的に接続されるＳｉＣ組成材を用いた第２のＳＩＴ型トランジスタと、
前記第１のトランジスタのエミッタと前記第２のトランジスタのコレクタとを接続する導体と、
前記第１のトランジスタのエミッタと前記第２のトランジスタのコレクタとを接続する前記導体を回転電機に接続するための端子とを備え、この構成により前記第１と第２のトランジスタが直列回路を構成し、
前記直列回路が３組並列に接続され、
並列接続された前記３組の直列回路にさらに並列接続されるコンデンサを備えている回転電機内蔵用インバータ。 - 一方の面と他方の面とを有する正極板と、
前記正極板と対向し、前記正極板側が一方の面でその反対側が他方の面となる位置関係で配置された負極板と、
前記正極板と前記負極板との間に配置され回転電機に接続するための中間端子体と、
前記正極板の他方の面に高電位側が密着し、前記中間端子体に低電位側が密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第１のＳＩＴ型半導体と、
前記負極板の一方の面に低電位側が密着し、前記中間端子体に高電位側が密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第２のＳＩＴ型半導体とを備え、この構成により前記第１と第２の半導体が直列回路を構成し、
前記直列回路が３組並列に接続され、
並列接続された前記３組の直列回路にさらに並列接続されるコンデンサを備えている回転電機内蔵用インバータ。 - 一方の面と他方の面とを有する正極板と、
前記正極板と対向し、前記正極板側が一方の面でその反対側が他方の面となる位置関係で配置された負極板と、
前記正極板と前記負極板との間に配置され回転電機に接続するための中間端子体と、
前記正極板の他方の面にコレクタが密着し、前記中間端子体にエミッタが密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第１のＳＩＴ型トランジスタと、
前記負極板の一方の面にエミッタが密着し、前記中間端子体にコレクタが密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第２のＳＩＴ型トランジスタとを備え、この構成により前記第１と第２のトランジスタが直列回路を構成し、
前記直列回路が３組並列に接続され、
並列接続された前記３組の直列回路にさらに並列接続されるコンデンサを備えている回転電機内蔵用インバータ。 - 一方の面と他方の面とを有する正極板と、
前記正極板と並べて配置され、一方の面と他方の面とを有する負極板と、
発生した熱が前記正極板の他方の面から前記正極板に伝達されて前記正極板の一方の面を介して放熱されるように、前記正極板の他方の面に高電位側が密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第１の半導体と、
発生した熱が前記負極板の一方の面から前記負極板に伝達されて前記負極板の他方の面を介して放熱されるように、前記負極板の一方の面に低電位側が密着して配置されたＳｉＣ組成材を用いた第２の半導体と、
前記第１の半導体の低電位側と前記第２の半導体の高電位側とを接続する導体と、
前記第１の半導体の低電位側と前記第２の半導体の高電位側とを接続する前記導体を回転電機に接続するための端子とを備え、この構成により前記第１と第２の半導体が直列回路を構成し、
前記直列回路が３組並列に接続され、
並列接続された前記３組の直列回路にさらに並列接続されるコンデンサを備えている回転電機内蔵用インバータ。 - 一方の面と他方の面とを有する正極板と、
前記正極板と並べて配置され、一方の面と他方の面とを有する負極板と、
前記正極板の他方の面にコレクタが密着して配置され、これにより発生した熱が前記正極板の他方の面から前記正極板に伝達されて前記正極板の一方の面を介して放熱される熱伝導路が形成つれると共に、前記正極板の他方の面とコレクタとが電気的に接続されるＳｉＣ組成材を用いた第１のトランジスタと、
前記負極板の一方の面にエミッタが密着して配置され、これにより発生した熱が前記負極板の一方の面から前記負極板に伝達されて前記負極板の他方の面を介して放熱される熱伝導路が形成されると共に、前記負極板の一方の面とエミッタとが電気的に接続されるＳｉＣ組成材を用いた第２のトランジスタと、
前記第１のトランジスタのエミッタと前記第２のトランジスタのコレクタとを接続する導体と、
前記第１のトランジスタのエミッタと前記第２のトランジスタのコレクタとを接続する前記導体を回転電機に接続するための端子とを備え、この構成により前記第１と第２のトランジスタが直列回路を構成し、
前記直列回路が３組並列に接続され、
並列接続された前記３組の直列回路にさらに並列接続されるコンデンサを備えている回転電機内蔵用インバータ。
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