JP5152526B2 - 車載電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載操舵装置のアクチュエータとしての電動機に接続される車載電力変換装置に関する。

この種の電力変換装置としては、３相電動機の各端子とインバータの各端子との電気的な接続を遮断すべく、機械式のリレーを備えるものも実用化されている。しかし、機械式のリレーを用いる場合、異物の噛みこみ等により、その動作の信頼性が低下する等の問題がある。そこで従来、例えば下記特許文献１に見られるように、こうした機械式のリレーに代えて、パワーＭＯＳ型電界効果トランジスタを用いることも提案されている。すなわちこの場合、トランジスタを３相電動機とインバータとの間に接続することで、これらの間の電気的な開閉がゲートへの印加電圧によって操作されることとなる。

特開２００６−２１６４５号公報

ところで、上記電動機に要求される電流量が大きくなる場合、インバータと電動機とを電気的に接続すべく上記トランジスタをオン状態とする期間において、トランジスタの発熱量が過度に大きくなるおそれがある。トランジスタの発熱量が過度に大きくなると、その信頼性の低下を招く懸念が生じる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車載操舵装置のアクチュエータとしての電動機と電力変換回路との間に接続されるトランジスタの信頼性の低下を好適に抑制することのできる車載電力変換装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、車載操舵装置のアクチュエータとしての電動機に接続される車載電力変換装置において、電力変換回路と、前記電力変換回路の出力端子と前記電動機の端子とをソース及びドレインを介して接続するパワートランジスタとを備え、前記パワートランジスタは、ゲート端子及びドレイン端子間にソース端子を備えて且つ、前記ゲート端子、前記ドレイン端子及び前記ソース端子が、１のトランジスタを構成する半導体チップに接続され、パワートランジスタのドレイン端子が電動機の端子に接続されることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、車載操舵装置のアクチュエータとしての電動機に接続される車載電力変換装置において、電力変換回路と、前記電力変換回路の出力端子と前記電動機の端子とをソース及びドレインを介して接続するパワートランジスタとを備え、前記パワートランジスタは、ゲート端子及びドレイン端子間にソース端子を備えて且つ、前記ゲート端子および前記ドレイン端子が、前記ソース端子に隣接し、パワートランジスタのドレイン端子が電動機の端子に接続されていることを特徴とする。

パワートランジスタに大電流が流れる場合、その発熱量が大きくなる。このため、パワートランジスタのソース端子及びドレイン端子には、放熱性能を高めることが望まれる。ここでは、特にソース領域における発熱への対策が特に問題となる。一方、ソース領域とソース端子とを接続する電気経路は、ソース端子と比較してその表面積が小さくなる傾向がある。上記発明では、この点に鑑み、上記パワートランジスタとして、敢えて、ゲート端子及びドレイン端子間にソース端子が位置するものを用いる。これにより、半導体チップのソース領域とソース端子とを接続する電気経路の経路長を極力低減することができる。このため、上記電気経路と比較して放熱性能の高いソース端子へとソース領域で生じた熱を迅速に放出させることができる。このため、パワートランジスタの温度上昇を抑制することができ、ひいてはトランジスタの信頼性の低下を好適に抑制することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記パワートランジスタを構成する半導体チップのドレイン領域が絶縁手段を介して放熱手段に対向配置されていることを特徴とする。

上記発明では、ドレイン領域が絶縁手段を介して放熱手段に対向配置されるために、ドレイン領域で生じた熱を、放熱手段に迅速に放出させることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記電力変換回路の出力端子のそれぞれとこれに対応する前記電動機の端子のそれぞれとは、各１つのパワートランジスタを介して接続され、前記パワートランジスタのソース端子及びドレイン端子のうち前記電動機の端子と接続されるものが、前記電動機の各端子に接続されるパワートランジスタ同士で互いに同一とされることを特徴とする。

パワートランジスタは、通常、ボディーダイオードを備える。このため、パワートランジスタを電子制御によってオフ状態としたとしても、ボディーダイオードを介して電動機と電力変換回路との間に電流が流れるおそれがある。一方、電動機に電流が流れるためには、電力変換回路から電動機へと進む方向の電流を許容する電気経路と、電動機から電力変換回路へと進む方向の電流を許容する電気経路との双方が必要となる。上記発明では、この点に鑑み、電力変換回路と電動機との間に接続される複数のボディーダイオードの向きが互いに同一となるようにする。これにより、電動機に電流を流すために必須となる上記双方の電気経路がボディーダイオードによって形成されることを回避することができる。このため、電力変換回路の各端子と電動機の各端子との間に接続されるパワートランジスタを１つずつとしても、電力変換回路と電動機との電気的な遮断制御を適切に行うことができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記電力変換回路の出力端子のそれぞれとこれに対応する前記電動機の端子のそれぞれとは、各一対のパワートランジスタを介して接続され、前記一対のパワートランジスタのうちの一方のドレインが前記電動機の端子に接続されて且つ、他方のドレインが前記電力変換回路の出力端子に接続されることを特徴とする。

パワートランジスタは、通常、ボディーダイオードを備える。このため、パワートランジスタを電子制御によってオフ状態としたとしても、ボディーダイオードを介して電動機と電力変換回路との間に電流が流れるおそれがある。この点、上記発明によれば、一対のパワートランジスタのボディーダイオード同士が互いの順方向が逆となるように接続されることとなるため、パワートランジスタによって、電力変換回路と電動機との電気的な遮断制御を適切に行うことができる。更に、この場合、放熱性能の高いドレイン端子の放熱性能を、電動機側及び電力変換回路側の双方の発熱対策として好適に利用することもできる。

なお、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記電動機は、３相ブラシレスＤＣモータであることを特徴としてもよい。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる半導体リレーの配置及び構成を示す平面図。 第２の実施形態にかかるシステム構成図。 上記各実施形態の変形例における半導体リレーを示す回路図。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる車載電力変換装置を、電動パワーステアリングの備える電動機に接続される電力変換装置に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態のシステム構成を示す。

図示されるハンドル１０は、ユーザが車両の操舵角を指示すべく操作対象とする被操作部材である。ハンドル１０の回転操作に連動して入力軸１２が回転される。入力軸１２には、互いの回転軸を共有するようにしてメインギア１４が機械的に連結されている。メインギア１４には、アシストギア１６が係合されている。アシストギア１６は、電動機１８の出力軸１８ａに、互いの回転軸を共有するようにして機械的に連結されている。上記入力軸１２は、ハンドル１０に連結される側に対向する側の端部が、変速機２０に機械的に連結されている。変速機２０は、入力軸１２の回転を所定に変速して駆動輪２２に伝達させるものである。このように、ハンドル１０は、駆動輪２２と機械的に連結されている。

上記電動機１８、アシストギア１６等は、電動パワーステアリング装置を構成する。すなわち、ユーザがハンドル１０を操作することで車両の操舵角を手動で操作するに際し、電動機１８によってその操作がアシストされる。

上記電動機１８は、３相電動機である。電動機１８には、インバータＩＶを介して、バッテリ３０の電力が供給される。ここで、インバータＩＶは、スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎの直列接続体と、スイッチング素子Ｓｖｐ，Ｓｖｎの直列接続体と、スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎの直列接続体とを備えており、これら各直列接続体の接続点が電動機１８のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ接続されている。これらスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｐ，Ｓｖｎ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎとして、本実施形態では、ＮチャネルのパワーＭＯＳ電界効果トランジスタが用いられている。そして、これらはそれぞれ、ボディーダイオードとしてのダイオードＤｕｐ，Ｄｕｎ，Ｄｖｐ，Ｄｖｎ，Ｄｗｐ，Ｄｗｎを備えている。

ところで、上記電動パワーステアリング装置による操舵角のアシスト処理に際して、インバータＩＶのスイッチング素子が短絡故障するなどする場合には、電動機１８にアシストトルクを生じさせることができなくなるおそれがある。しかし、この場合であっても、インバータＩＶの短絡箇所や上記ダイオードが電動機１８に電流を流すための経路となり得る。そしてこの場合には、電動機１８が発電機として機能することとなるため、ハンドル１０の手動操作に抗するトルクがハンドル１０に加わることとなる。このため、電動パワーステアリング装置の異常時においては、ユーザが手動で操舵角を操作することが困難なものとなるおそれがある。

こうした事態を回避するなどの目的で、インバータＩＶの各出力端子と電動機１８の各相（端子）との間に、半導体リレーＴｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗを備える。これら半導体
リレーＴｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗは、ＮチャネルのパワーＭＯＳ電界効果トランジスタである。これらには、そのソース端子側からドレイン端子側に進む方向を順方向とするボディーダイオード（ダイオードＢｄｕ，Ｂｄｖ，Ｂｄｗ）が形成されている。なお、以下では、半導体リレーＴｒｕ，Ｔｒｖ，ＴｒｗやダイオードＢｄｕ，Ｂｄｖ，Ｂｄｗを総括する場合、半導体リレーＴｒ、ダイオードＢｄと記載する。

ここで本実施形態では、インバータＩＶの出力端子側に半導体リレーＴｒのソース端子を接続し、電動機１８の端子側に半導体リレーＴｒのドレイン端子を接続する。換言すれば、ダイオードＢｄｕ，Ｂｄｖ，Ｂｄｗの全てがインバータＩＶ側から電動機１８側に進む方向を順方向とする。

これは、半導体リレーＴｒをオフ状態とした場合に、インバータＩＶ及び電動機１８間を確実に電気的に遮断するための設定である。すなわち、半導体リレーＴｒにはダイオードＢｂが形成されるため、半導体リレーＴｒをオフ状態としたとしても、インバータＩＶの出力端子と電動機１８の端子との間には、ダイオードＢｄを介して電流が流れ得る。しかし、キルヒホッフの法則により電動機１８の３相電流の和がゼロとなることから、電動機１８に電流が流れるためには、電動機１８に電流が流入する相と、電動機１８から電流が流出する相とが必要となる。これは、インバータＩＶから電動機１８へと流れる電流を許容する電気経路と、電動機１８からインバータＩＶへと流れる電流を許容する電気経路との双方の電気経路が必要となることを意味する。このため、上述したように、ダイオードＢｄｕ，Ｂｄｖ，Ｂｄｗの全ての順方向を統一することで、半導体リレーＴｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗの全てをオフ状態とする状況下、電動機１８を電流が流れることを確実に回避することができる（インバータＩＶ及び電動機１８間を確実に電気的に遮断することができる）。

ここで、半導体リレーＴｒのドレイン端子を電動機１８の端子に接続するのは、半導体リレーＴｒのゲート端子及びドレイン端子間の耐圧の方が、ゲート端子及びソース端子間の耐圧よりも高いことに鑑みたものである。すなわち、インバータＩＶのスイッチング素子を開閉する際には、電流量の変化が生じるため、電動機１８のインダクタンス成分によってサージが生じる。そして、このサージは、半導体リレーＴｒにも印加される。このため、半導体リレーＴｒとしては、サージに耐え得る耐圧のものが要求されることとなる。ここで、半導体リレーＴｒの要求耐圧を極力低減する上では、電動機１８側のサージ対策として、ゲート端子及びドレイン端子間の耐圧を利用することが有効である。本実施形態では、こうした理由から半導体リレーＴｒのドレイン端子を電動機１８の端子に接続した。

上記半導体リレーＴｒは、少なくとも操舵角の手動操作をアシストする期間にわたってオン状態とされるものである。ここで、本実施形態では、電動機１８に流れる電流が比較的大きいため（例えば数十〜百数十Ａ、特にここでは、９０Ａ以上を想定）、半導体リレーＴｒの発熱が大きくなり得る。このため、本実施形態では、半導体リレーＴｒの配置及び構造を図２に示すようにして対策している。

図２（ａ）は、半導体リレーＴｒの配置態様を示す。図示されるように、半導体リレーＴｒは、裏面側がドレイン端子ＴＤとなっている。そして、ドレイン端子ＴＤ側は、絶縁層ＩＦを介してヒートシンクＨＳに対向配置されている。ここで、ヒートシンクＨＳは、アルミ等によって構成されるものである。

上記半導体リレーＴｒを構成する半導体チップ３２は、縦型のものである。すなわち、半導体チップ３２の主面側にソース領域及びゲートが形成されて且つこれとは反対側（裏面側）にドレイン領域が形成されている。これにより、図２（ｂ）に示すように、裏面側の大部分をドレイン端子ＴＤとすることが容易となる。特に、図２（ｂ）には、ドレイン端子ＴＤがむき出しになっていることが示されている。こうした構成によれば、まず第１に、半導体チップ３２のドレイン領域を大きくすることができるため、ドレイン領域自体の放熱性能を高めることができる。更に、ドレイン端子ＴＤの面積を大きくすることができるため、ドレイン領域における発熱を十分に放熱させることができる。特に、ドレイン端子ＴＤをヒートシンクＨＳに対向配置することで、ドレイン端子ＴＤの放熱性能は更に高まる。

これに対し、半導体チップ３２のソース領域は、ドレイン領域と同一量の電流が流れるにもかかわらず、ドレイン領域よりも小さくなる傾向にある。更に、半導体チップ３２の主面側は、ソース領域のみならずゲートとのコンタクトをも取る必要があるため、半導体チップ３２のソース領域に接触する導体（熱伝導性の高い部材）とソース領域との接触面積は制限される。

そこで本実施形態では、図示されるように、半導体リレーＴｒとして、ゲート端子ＴＧとドレイン端子ＴＤとの間にソース端子ＴＳを備える構成のものを用いる。すなわち、ゲート端子ＴＧ、ドレイン端子ＴＤ及びソース端子ＴＳのうちの（同一平面状において）互いに略平行に伸びる部分について、ゲート端子ＴＧ及びドレイン端子ＴＤ間にソース端子ＴＳが設けられるものを用いる。これにより、ゲート端子ＴＧ及びソース端子ＴＳ間にドレイン端子ＴＤを設けるものと比較して、半導体チップ３２とソース端子ＴＳとの距離を低減することができる。図２（ｃ）には、半導体チップ３２のゲートとゲート端子ＴＧとを接続するボンディングワイヤ３６のうち、ゲート及びゲート端子ＴＧ間の長さよりも、半導体チップ３２のソース領域とソース端子ＴＳとを電気的に接続するためのボンディングワイヤ３４のうちソース領域及びソース端子ＴＳ間の長さの方が短いことが示されている。ここで、ボンディングワイヤ３４のうちソース領域及びソース端子ＴＳ間の部分は、熱伝導性の高い部材に接触することも無く、また、表面積も小さい。このため、この部分は、ソース端子ＴＳ等と比較して放熱性が劣る。このため、この長さを極力短くすることがソース領域における発熱の放熱性能を高めるうえで重要である。本実施形態では、このことに鑑み、ゲート端子ＴＧとドレイン端子ＴＤとの間にソース端子ＴＳを備える構成のものを用いた。

なお、上述したように、ドレイン端子ＴＤの放熱性能が高いことから、ドレイン端子ＴＤに近い部材における発熱は、ドレイン端子ＴＤの放熱機能によって対策することができる。このため、先の図１に示す構成の場合、電動機１８側において生じた熱を、ドレイン端子ＴＤを介してヒートシンクＨＳに放熱させることができる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）半導体リレーＴｒとして、ゲート端子ＴＧ及びドレイン端子ＴＤ間にソース端子ＴＳを備えるものを用いた。これによりソース領域で生じた熱をソース端子ＴＳへと迅速に放出させることができるため、半導体リレーＴｒの温度上昇を抑制することができ、ひいては半導体リレーＴｒの信頼性の低下を好適に抑制することができる。

（２）半導体リレーＴｒを構成する半導体チップ３２のドレイン領域を、絶縁層ＩＦを介してヒートシンクＨＳに対向配置した。これにより、ドレイン領域で生じた熱を、ヒートシンクＨＳに迅速に放出させることができる。

（３）インバータＩＶの出力端子のそれぞれとこれに対応する電動機１８の端子のそれぞれとを、各１つの半導体リレーＴｒを介して接続して且つ、半導体リレーＴｒのドレイン端子ＴＤを電動機１８に接続した。これにより、半導体リレーＴｒのゲートへの印加電圧の操作によって、インバータＩＶと電動機１８との電気的な導通及び遮断の制御を適切に行うことができる。また、電動機１８側のサージに対する耐圧を高めることもできる。更に、電動機１８側において生じる熱をヒートシンクＨＳに好適に放出させることができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図３に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。なお、図３において、先の図１に示した部材に対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。

図示されるように、本実施形態では、半導体リレーＴｒｕ，Ｔｒｖ，ＴｒｗのそれぞれのドレインをインバータＩＶの出力端子側に接続する。この場合、半導体リレーＴｒと電動機１８との間の電気経路がグランドとショートした場合であっても、バッテリ３０から半導体リレーＴｒのダイオードＢｄを介して短絡電流が流れることを回避することができる。また、放熱性能の高いドレイン側をインバータＩＶ側とすることで、インバータＩＶ側の放熱を促進することもできる。

以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）、（２）の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。

（４）インバータＩＶの出力端子のそれぞれとこれに対応する電動機１８の端子のそれぞれとを、各１つの半導体リレーＴｒを介して接続して且つ、半導体リレーＴｒのドレイン端子ＴＤをインバータＩＶに接続した。これにより、半導体リレーＴｒのゲートへの印加電圧の操作によって、インバータＩＶと電動機１８との電気的な導通及び遮断の制御を適切に行うことができる。また、電動機１８側がグランドとショートした場合であっても、半導体リレーＴｒのダイオードＢｄを介した短絡電流を回避することができる。更に、インバータＩＶ側において生じる熱をヒートシンクＨＳに好適に放出させることができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記各実施形態では、電動機１８の各相とインバータＩＶとの間を電気的に開閉する開閉器として、トランジスタを１つずつ備えたがこれに限らない。例えば、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、各一対ずつ備えるようにしてもよい。これら図４（ａ）及び図４（ｂ）には、一対のトランジスタのボディーダイオードのカソード同士又はアノード同士が短絡されるように一対のトランジスタを接続することで、電動機１８及びインバータＩＶ間をより確実に電気的に遮断可能とする構成を例示している。なお、図４（ａ）に示す例では、一対のトランジスタのうちの一方のドレインが電動機１８側に接続されて且つ、他方のドレインがインバータＩＶ側に接続される構成である。このため、電動機１８やインバータＩＶの発熱に対し、これら一対のトランジスタのドレイン端子の放熱機能を特に有効に利用することができる。

・上記各実施形態では、電動機１８の各相とインバータＩＶとの間を電気的に開閉する開閉器として、ＮチャネルのパワーＭＯＳ電界効果トランジスタを用いたがこれに限らず、例えばＰチャネルのパワーＭＯＳ電界効果トランジスタであってもよい。こうした場合であっても、ボディーダイオードを備えるパワートランジスタであるなら、電動機１８の各相と接続されるボディーダイオードの端子をボディーダイオード同士で互いに同一とすることで、上記第１の実施形態の上記（３）の効果や上記第２の実施形態の上記（４）の効果を得ることができる。

・電動機１８としては、３相ブラシレスＤＣモータに限らない。例えばブラシ付ＤＣモータであってもよい。この場合、電力変換回路としては、先の図１及び図３に例示したインバータＩＶに代えて、周知のブリッジ回路を用いればよい。この場合であっても、電動機の各端子と電力変換回路の各端子とをパワートランジスタを介して接続するに際し、電動機の各端子に接続されるパワートランジスタのボディーダイオードの端子を同一とすることで、上記第１の実施形態の上記（３）の効果や上記第２の実施形態の上記（４）の効果に準じた効果を得ることができる。

・電動パワーステアリングとしては、上記のものに限らず、例えばギア比可変装置（ＶＧＳ７５）を備えるものであってもよい。この場合であっても、手動による操舵角の操作をアシストするための電動機に接続される電力変換装置には、電力変換回路と電動機との電気的な接続を遮断する機能を備えることが要請されるため、本発明の適用は有効である。

１８…電動機、ＩＶ…インバータ、Ｔｒｕ，Ｔｒｖ，Ｔｒｗ…半導体リレー。

Claims (5)

1. （ａ）車載操舵装置のアクチュエータとしての電動機に接続される車載電力変換装置において、
   （ｂ）電力変換回路と、
   （ｃ）前記電力変換回路の出力端子と前記電動機の端子とをソース及びドレインを介して接続するパワートランジスタとを備え、
   （ｄ）前記パワートランジスタは、ゲート端子及びドレイン端子間にソース端子を備えて且つ、前記ゲート端子、前記ドレイン端子及び前記ソース端子が、１のトランジスタを構成する半導体チップに接続され、
   （ｅ）前記パワートランジスタのドレイン端子が前記電動機の端子に接続されることを特徴とする車載電力変換装置。
2. （ｆ）車載操舵装置のアクチュエータとしての電動機に接続される車載電力変換装置において、
   （ｇ）電力変換回路と、
   （ｈ）前記電力変換回路の出力端子と前記電動機の端子とをソース及びドレインを介して接続するパワートランジスタとを備え、
   （ｉ）前記パワートランジスタは、ゲート端子及びドレイン端子間にソース端子を備えて且つ、前記ゲート端子および前記ドレイン端子が、前記ソース端子に隣接し、
   （ｊ）前記パワートランジスタのドレイン端子が前記電動機の端子に接続されることを特徴とする車載電力変換装置。
3. 前記パワートランジスタを構成する半導体チップのドレイン領域が絶縁手段を介して放熱手段に対向配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の車載電力変換装置。
4. 前記電力変換回路の出力端子のそれぞれとこれに対応する前記電動機の端子のそれぞれとは、各１つのパワートランジスタを介して接続され、
   前記パワートランジスタのソース端子及びドレイン端子のうち前記電動機の端子と接続されるものが、前記電動機の各端子に接続されるパワートランジスタ同士で互いに同一とされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車載電力変換装置。
5. 前記電力変換回路の出力端子のそれぞれとこれに対応する前記電動機の端子のそれぞれとは、各一対のパワートランジスタを介して接続され、
   前記一対のパワートランジスタのうちの一方のドレインが前記電動機の端子に接続されて且つ、他方のドレインが前記電力変換回路の出力端子に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車載電力変換装置。
   

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