JP5586671B2 - Power module and driving device using the same - Google Patents
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Description
この発明は、電動モータを駆動するパワーモジュール及びこれを用いた駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a power module for driving an electric motor and a driving device using the same.
従来、トランジスタ等の半導体素子のオンおよびオフを切り替えることで、直流電力から交流電力を作出するインバータ装置が知られている。例えば、特許文献1〜4に記載のように、3相交流電力を作出する半導体素子、正極直流端子、負極直流端子、出力端子等を一体化したパワーモジュールが公知であり、これらパワーモジュールは、損失やノイズを低減するため、インピーダンスおよびインダクタンスを低下する構造をとっている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an inverter device that generates AC power from DC power by switching on and off of semiconductor elements such as transistors is known. For example, as disclosed in
特許文献1では、モータ電流が流れる部分のインダクタンスを低減するために、電源、モータ、グランドの順でモジュール内部バスバーを並行に配線している。
In
特許文献2では、電源電流が流れる正極側バスバーと負極側バスバーを並行し、上下アームのループも小さく配線されており、端子配置もPNラインの逆側に配置されている。
In
特許文献3では、電源電流が流れる正極側バスバーと負極側バスバーを並行し、バスバーと電源側との間をつなぐ端子を2個並列接続にすることで、インピーダンスを低減している。
In
特許文献4では、電源電流が流れる正極側バスバーと負極側バスバーを並行し、インピーダンスを低減している。
In
しかしながら、上記の特許文献1〜4に記載の従来技術では、以下に示すような問題点があった。
However, the conventional techniques described in
特許文献1においては、モータ電流が流れる部分のインダクタンスを低減するため、電源、モータ、グランドの順でモジュール内部バスバーを並行に配線しているが、そのせいで、スイッチング素子の上下貫通電流が影響する上アームと下アームの間の配線は大きくなっている。また、モータ電流より周期の早い上アームと下アーム間の転流による磁束の変化は考慮されていない。
In
特許文献2においては、電源電流が流れる正極側バスバーと負極側バスバーを並行し、上下アームのループも小さく配線されており、端子配置もPNラインの逆側に配置されているが、正極側バスバーと負極側バスバーを流れる電流方向が同方向のため、インダクタンス低減効果が小さく、また、輻射によるノイズの影響も大きくなる。
In
特許文献3においては、電源電流が流れる正極側バスバーと負極側バスバーを並行し、バスバーと電源側との間をつなぐ端子を2個並列接続にすることで、インピーダンスを低減しているが、スイッチング素子の制御端子配置については考慮されていない。
In
特許文献4においては、電源電流が流れる正極側バスバーと負極側バスバーを並行し、インピーダンスを低減しているが、インバータ部のスイッチング素子の制御端子配置については考慮されていない。
In
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、損失やノイズを低減可能なパワーモジュールおよびこれを用いた駆動装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to obtain a power module capable of reducing loss and noise, and a driving device using the same.
この発明は、電動モータを駆動するためのパワーモジュールであって、直列接続された上側スイッチング素子と下側スイッチング素子とから構成された、少なくとも1つのスイッチング素子対と、前記パワーモジュールへの電力の供給を行うための電源に接続される電源端子と、前記電源端子に隣接配置され、グランドに接続されるグランド端子と、前記スイッチング素子対の前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子を制御するための制御信号が入力される制御用端子と、前記電源端子に電気的に接続され、前記パワーモジュール内部に配置された電源ブロックと、前記グランド端子に電気的に接続され、前記パワーモジュール内部に前記電源ブロックに隣接して配置されたグランドブロックとを備え、前記スイッチング素子対は、前記パワーモジュール内部に前記電源ブロックおよび前記グランドブロックに隣接して配置され、前記電源ブロックと前記スイッチング素子対の上側スイッチング素子とは電気的に接続され、前記グランドブロックと前記スイッチング素子対の下側スイッチング素子とは電気的に接続され、前記電源端子および前記グランド端子と、前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子のそれぞれの制御用端子とは、互いに離間して配置されていることを特徴とするパワーモジュールである。 The present invention is a power module for driving an electric motor, comprising at least one switching element pair composed of an upper switching element and a lower switching element connected in series, and the power to the power module. To control a power supply terminal connected to a power supply for supplying, a ground terminal adjacent to the power supply terminal and connected to ground, and the upper switching element and the lower switching element of the switching element pair A control terminal to which a control signal is input, electrically connected to the power supply terminal, and a power supply block arranged inside the power module, electrically connected to the ground terminal, and inside the power module, the power module And a ground block disposed adjacent to the power supply block, the switching The child pair is disposed inside the power module adjacent to the power supply block and the ground block, and the power supply block and the upper switching element of the switching element pair are electrically connected, and the ground block and the switching element The pair of lower switching elements are electrically connected, and the power supply terminal and the ground terminal, and the control terminals of the upper switching element and the lower switching element are spaced apart from each other. This is a power module.
この発明は、電動モータを駆動するためのパワーモジュールであって、直列接続された上側スイッチング素子と下側スイッチング素子とから構成された、少なくとも1つのスイッチング素子対と、前記パワーモジュールへの電力の供給を行うための電源に接続される電源端子と、前記電源端子に隣接配置され、グランドに接続されるグランド端子と、前記スイッチング素子対の前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子を制御するための制御信号が入力される制御用端子と、前記電源端子に電気的に接続され、前記パワーモジュール内部に配置された電源ブロックと、前記グランド端子に電気的に接続され、前記パワーモジュール内部に前記電源ブロックに隣接して配置されたグランドブロックとを備え、前記スイッチング素子対は、前記パワーモジュール内部に前記電源ブロックおよび前記グランドブロックに隣接して配置され、前記電源ブロックと前記スイッチング素子対の上側スイッチング素子とは電気的に接続され、前記グランドブロックと前記スイッチング素子対の下側スイッチング素子とは電気的に接続され、前記電源端子および前記グランド端子と、前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子のそれぞれの制御用端子とは、互いに離間して配置されていることを特徴とするパワーモジュールであるので、制御用端子と電源端子およびグランド端子とを離間させたことで、損失やノイズを低減可能なパワーモジュールを実現できる。 The present invention is a power module for driving an electric motor, comprising at least one switching element pair composed of an upper switching element and a lower switching element connected in series, and the power to the power module. To control a power supply terminal connected to a power supply for supplying, a ground terminal adjacent to the power supply terminal and connected to ground, and the upper switching element and the lower switching element of the switching element pair A control terminal to which a control signal is input, electrically connected to the power supply terminal, and a power supply block arranged inside the power module, electrically connected to the ground terminal, and inside the power module, the power module And a ground block disposed adjacent to the power supply block, the switching The child pair is disposed inside the power module adjacent to the power supply block and the ground block, and the power supply block and the upper switching element of the switching element pair are electrically connected, and the ground block and the switching element The pair of lower switching elements are electrically connected, and the power supply terminal and the ground terminal, and the control terminals of the upper switching element and the lower switching element are spaced apart from each other. Therefore, by separating the control terminal from the power supply terminal and the ground terminal, a power module capable of reducing loss and noise can be realized.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。各図において同一または相当する部分に付いては同一符号を付して説明する。
図1は、パワーモジュールを用いた駆動装置の回路構成の一例を示す。図1に示すように、電動モータ1(以下、モータ1とする。)は、コントローラ2を介して、車両のバッテリ32に接続されている。モータ1への電流供給源は車両のバッテリ32であり、その制御量の演算および出力はコントローラ2が担っている。コントローラ2は、モータ1を駆動する駆動電流が通電されるパワー部3、および、モータ1の駆動を制御する制御部20から構成される。なお、ここでモータ1は3相のブラシレスモータを採用している。
FIG. 1 shows an example of a circuit configuration of a driving device using a power module. As shown in FIG. 1, an electric motor 1 (hereinafter referred to as a motor 1) is connected to a
また、パワー部3には、ノイズ対策用チョークコイル6(以下、チョークコイル6とする。)、パワーモジュール19、および、平滑コンデンサ7が設けられている。パワーモジュール19は、電源リレー11とインバータ部5とを有したモジュールとなる。
The
インバータ部5は、直流から3相交流を出力するためのスイッチング素子21〜26を有し、それらのスイッチング素子21〜26をオンまたはオフすることによって、3相交流を出力する。また、インバータ部5は、スイッチング素子21〜26とモータ1を構成するモータ巻線との間を接続/遮断できるリレー機能を有したスイッチング素子として、モータリレー用スイッチング素子27〜29を有している。さらに、インバータ部5は、モータ電流をモニタするためのシャント抵抗12を有している。これらのスイッチング素子21〜29は、FET(電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor))を使用しているが、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor))、あるいは、SiC(炭化ケイ素)およびGaN(窒化ガリウム)等からなる半導体スイッチでもよい。
The
スイッチング素子21は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがスイッチング素子22のドレインに接続されている。
スイッチング素子22のソースはグランドに接続されており、スイッチング素子21とスイッチング素子22との接続点はモータ1のU相コイルに接続されている。
スイッチング素子23は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがスイッチング素子24のドレインに接続されている。
スイッチング素子24のソースはグランドに接続されており、スイッチング素子23とスイッチング素子24との接続点はモータ1のV相コイルに接続されている。
スイッチング素子25は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがスイッチング素子26のドレインに接続されている。
スイッチング素子26のソースはグランドに接続されており、スイッチング素子25とスイッチング素子26との接続点はモータ1のW相コイルに接続されている。
The
The source of the
The
The source of the
The switching
The source of the switching
電源ライン側に設けられたスイッチング素子21、23、25は、上側スイッチング素子、グランドライン側に設けられたスイッチング素子22、24、26は下側スイッチング素子と呼ぶ。
スイッチング素子21〜26とモータ1のモータ巻線との間を接続/遮断できるリレー機能を有したスイッチング素子として設けられたモータリレー用スイッチング素子27〜29は、各上側スイッチング素子21、23、25と各下側スイッチング素子22、24、26との間とモータ1のモータ巻線との間に設けられており、マイクロコンピュータ8の指令によって、プリドライバ9を介して、モータリレー用スイッチング素子27〜29のゲートがオン/オフされることで、通電/遮断を行う。
The motor
スイッチング素子27のソースがスイッチング素子21と22の接続点に接続され、スイッチング素子27のドレインがモータ1のU相巻線と接続される。
スイッチング素子28のソースがスイッチング素子23と24の接続点に接続され、スイッチング素子28のドレインがモータ1のV相巻線と接続される。
スイッチング素子29のソースがスイッチング素子25と26の接続点に接続され、スイッチング素子29のドレインがモータ1のW相巻線と接続される。
本実施の形態では、モータリレー用スイッチング素子27〜29のドレインとソースの向きを、上記の向きに接続したが、スイッチング素子27〜29が3素子ともに同じ向きであれば、ドレインとソースの向きは逆でも構わない。
モータリレー用スイッチング素子27〜29も、スイッチング素子と同様にFETを使用しているが、IGBTやSiC、GaN等の半導体スイッチでもよい。
The source of the switching
The source of the switching
The source of switching
In the present embodiment, the drain and source directions of the motor
The motor
モータ電流検出手段(モータ電流検出回路)としてのシャント抵抗12は、下側スイッチング素子22、24、26のソースとグランドとの間に電気的に接続されている。シャント抵抗12に電流が流れる際に発生する両端電圧を検出することで、モータ1の各U、V、W相に流れるモータ電流を検出する。
The
本実施の形態では、シャント抵抗12は、下側スイッチング素子22、24、26のドレインの接続点とグランドとの間に1個設けられている。このシャント方式を、すなわち、下側スイッチング素子22、24、26の各ドレインとグランドとの間にシャント抵抗1個を設ける方式を、3個シャントを使用する3シャント方式に対して、1シャント方式と呼ぶ。
In the present embodiment, one
1シャント方式では、シャント抵抗12に、平均すると3相の電流が合わさった母線電流が流れるが、PWMのスイッチング周期毎では、3相のスイッチング素子のスイッチングの状態によって、母線に流れる電流が切り替わっているため、これらスイッチング状態に応じて、モータ電流を検出することによって、モータ1の各相電流、すなわち、U相電流、V相電流、W相電流を検出することが可能となる。
In the one-shunt method, on average, a bus current in which three-phase currents are combined flows through the
電源リレー11は、モータリレー用スイッチング素子27〜29と同様に、電源リレー用スイッチング素子30、31で構成される。電源リレー用スイッチング素子30、31は、互いに直列接続されている。電源リレー11は、電源としてのバッテリ32と上側スイッチング素子21、23、25の間に設けられ、異常時に電流が流れるのを遮断することが可能である。なお、電源リレー用スイッチング素子30は、電源側に設けられ、断線故障やショート故障が生じた場合に、モータ1側へ電流が流れないように遮断することが可能である。電源リレー用スイッチング素子31は、平滑コンデンサ7側に設けられ、平滑コンデンサ7等の電子部品が誤って逆接された時や、電源が逆接された場合に、平滑コンデンサ7等の電子部品に逆向きの電流が流れないように、逆接保護のために設けられている。本実施の形態では、電源リレー用スイッチング素子30、31を両方設けているが、これに限定されるものではなく、用途によっては、電源リレー用スイッチング素子30、31のどちらか一方のみの設置でもよい。電源リレー用スイッチング素子30、31も、他のスイッチング素子と同様にFETを使用しているが、IGBTやSiC、GaN等の半導体スイッチでもよい。
Similarly to the motor
チョークコイル6は、電源としてのバッテリ32と電源リレー11の間に設けられ、コントローラ2からのノイズが、バッテリ32を共用する他の装置へ伝わるのを低減する。また、逆に、バッテリ32を共用する他の装置から伝わるノイズを低減する。
The
平滑コンデンサ7は、上側スイッチング素子21、23、25のドレインと下側スイッチング素子22、24、26のソースとの間に電気的に接続される。平滑コンデンサ7は電荷を蓄えることで、スイッチング素子21〜26への電力供給を補助したり、サージ電圧などのノイズ成分を低減する。
The smoothing
また、電流検出方式として1シャント方式をとる場合は、平滑コンデンサ7の接続位置としては、電源側は、電源リレー11とインバータ5の間に接続し、また、グランド側は、シャント抵抗12と電源32のグランドとの間に接続する。1シャント検出方式の場合に、正確に電流を検出するためにこの接続とする必要がある。これは、シャント抵抗12のインバータ側に平滑コンデンサ7を挿入すると、インバータ部5と平滑コンデンサ7間で電流がループしてしまい、シャント抵抗12に電流が流れなくなるのを避けるためである。
When the single shunt method is used as the current detection method, the connecting position of the smoothing
制御部20は、演算および処理の中枢となるマイクロコンピュータ8、インバータ部5の前段となるプリドライバ9、モータ1のモータ電流をモニタするための電流モニタI/F(インターフェース)10と、モータの回転位置を検出する回転センサ4とを有している。
The
マイクロコンピュータ8は、回転センサ4で得たモータ1のモータ回転位置に応じて、プリドライバ9を介して、インバータ部5を制御する。
The
具体的には、マイクロコンピュータ8は、プリドライバ9を介して、スイッチング素子21〜26のオン/オフを切り替えることにより、インバータ部5を制御する。すなわち、スイッチング素子21〜26のゲートがプリドライバ9の出力端子に接続されており、プリドライバ9がゲート電圧を変化させることによって、スイッチング素子21〜26のオン/オフを切り替える。
Specifically, the
また、電流モニタI/F10は、モータ1のモータ電流を検出するシャント抵抗12のための電流増幅用インターフェース回路が内蔵されており、この増幅された検出電流値をマイクロコンピュータ8へ出力し、マイクロコンピュータ8が、モータ1へ供給する電流を目標電流へ近づけるべく制御を行う。なお、電流モニタI/F10およびシャント抵抗12とは、モータ1へ供給する電流を検出するモータ電流検出手段(モータ電流検出回路)を構成している。なお、モータ電流検出手段は、各スイッチング素子対(21,22;23,24;25,26に対して必ずしも設ける必要はなく、複数のスイッチング素子対(符号21〜26)に対して少なくとも1個配置すればよい。
The current monitor I /
次に、パワーモジュール19の内部構造について、図3を用いて説明する。
Next, the internal structure of the
図3に示すように、パワーモジュール19は、熱伝導性の高い金属、例えば銅もしくは銅合金などによって、配線パターンが形成される。形成された配線パターンは、モジュールのリードフレームとして、バスバー、及び放熱部材となる。また、パターン形成の自由度を上げるために、放熱性の高い部材、例えばアルミやセラミックなどの基板上にパターンを形成してもよい。
スイッチング素子21〜29として用いているFETは、ドレインは各スイッチング素子の裏面に形成され、ソースとゲートは各スイッチング素子表面に形成されている。
As shown in FIG. 3, the
In the FET used as the switching
パワーモジュール19には、パワーモジュール19に電力を供給するための電源端子108とグランド端子107とが、その一部を外部に露出するように設けられている。また、電源端子108からパワーモジュール19内部に向かって延設するように電源バスバー110が設けられている。電源バスバー110は、略コの字形状を有し、パワーモジュール19の外形形状に沿うように、パワーモジュール19内に配置されている。また、さらに、パワーモジュール19には、略矩形の電源ブロック113,115が設けられ、電源ブロック113,115は電源バスバー110とクリップリード119を介して接続されている。本実施の形態では、電源バスバー110と電源ブロック113,115とが、広義の意味での、電源端子108からパワーモジュール19内部に向かって延設するように設けられた「電源ブロック」である。
The
また、グランド端子107からパワーモジュール19内部に向かって延設するようにグランドバスバー111が設けられている。グランドバスバー111は、略L字形状を有し、電源バスバー110の内側に配置され、略コの字の電源バスバー110と並行するように配置されている。また、さらに、パワーモジュール19には、略L字型の中間ブロック112,114,116が電源ブロック1113,115に隣接して設けられている。中間ブロック112,114,116はグランドバスバー111とクリップリード118を介して接続されている。本実施の形態では、グランドバスバー111と中間ブロック112,114,116とが、広義の意味での、グランド端子107からパワーモジュール19内部に向かって延設するように設けられた「グランドブロック」である。
A
上側スイッチング素子21は電源ブロック115に搭載され、下側スイッチング素子22は中間ブロック116に搭載されている。
また、上側スイッチング素子23は電源ブロック113に搭載され、下側スイッチング素子24は中間ブロック114に搭載されている。
また、上側スイッチング素子25は電源バスバー110に搭載され、下側スイッチング素子26は中間ブロック112に搭載されている。
The
The
The
なお、モータリレー用スイッチング素子27〜29は、中間ブロック112,114,116に隣接して設けられ、上側スイッチング素子21、23、25と下側スイッチング素子22、24、26との両者の接続点に接続され、モータ1と上側スイッチング素子21、23、25および下側スイッチング素子22、24、26からなるスイッチング素子対との間を遮断/接続するためのスイッチング素子である。
モータリレー用スイッチング素子27〜29は、上側スイッチング素子21、23、25と下側スイッチング素子22、24、26との間、スイッチング素子対21〜26と電源ブロック113,115の間、および、スイッチング素子対21〜26と後述する中間ブロック112,114,116との間、スイッチング素子対21〜26と電源バスバー110の間、および、スイッチング素子対21〜26とグランドバスバー111との間を除く領域に配置される。これにより、モータリレー用スイッチング素子27〜29をパワーモジュール19に追加することができ、モータリレー用スイッチング素子27〜29が必要な場合も、駆動装置の小型化,低ノイズ化が可能になる。
The motor
The motor
また、図3においては、モータリレー用スイッチング素子27〜29は、スイッチング素子対21〜26の右側に隣接して配置されている。これにより、上側スイッチング素子21、23、25と下側スイッチング素子22、24、26のドレインと、モータリレー用スイッチング素子27〜29を、略直線で短く接続することが可能となり、損失やノイズ低減の効果がある。なお、図3においては、モータリレー用スイッチング素子27〜29をスイッチング素子対21〜26の右側に隣接して配置する例を示したが、右側に限らず、左側に配置してもよい。もしくは、モータリレー用スイッチング素子27〜29を、電源ブロック113,115および中間ブロック112,114,116が配置された側と反対側に隣接して配置するようにしてもよい。
In FIG. 3, the motor
また、図3のパワーモジュール19では、スナバコンデンサ103と、FETのドレインとソース間に挿入されるコンデンサ101,102(以下、DS間コンデンサと呼ぶ)とが、パワーモジュール19内に搭載されており、これらがパワーモジュール19内に配置されていることで、ノイズ源となるスイッチング素子の近くで、ノイズ低減を行うことが可能となり、より効果的な配置となっている。
Further, in the
DS間コンデンサ101、102には、上側DS間コンデンサ101と下側DS間コンデンサ102とがある。上側DS間コンデンサ101は、各上側スイッチング素子21、23、25に対して1つずつ設けられており、それぞれ、各上側スイッチング素子21、23、25のドレインとソースとの間に接続されている。また、下側DS間コンデンサ102は、下側スイッチング素子22、24、26に対して1つずつ設けられており、それぞれ、各下側スイッチング素子22、24、26のドレインとソースとの間に接続されている。また、これらDS間コンデンサ101、102は、必ずしも設ける必要はなく、ノイズ性能要求次第では削除することも可能である。
スナバコンデンサ103は、バッテリ32とグランドの間に挿入されており、ノイズを低減することが可能となる。
The
The
また、パワーモジュール19は、モジュール端面に複数の端子を有している。これらの端子について以下に説明する。
The
まず、パワーモジュール19の長手方向の1端面には、スイッチング素子21〜26とモータリレー用スイッチング素子27〜29とのためのゲート信号端子とソース信号端子とが配置されており、これらゲート信号端子とソース信号端子を纏めてスイッチング素子の制御用端子121と呼ぶ。
また、その同一面に、モータ1のモータ巻線へ電力を供給するための、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106が配置されている。
さらに、同一面に、シャント抵抗12の両端電圧を検出するためのシャント抵抗出力端子122が配置されている。
以上のように、スイッチング素子21〜29の制御用端子121と、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106と、シャント抵抗出力端子122とが、パワーモジュール19の同じ面(長手方向の1端面)にすべてまとめて配置されている。
First, on one end face in the longitudinal direction of the
Further, a
Further, a shunt
As described above, the
また、パワーモジュール19の長手方向の1端面に垂直に隣接する短手方向の1端面に、パワーモジュールへ供給される電源端子108と、グランド端子107とが配置されている。これらの電源端子108とグランド端子107は、図3に示すように、互いに隣接して設けられている。
また、その同一面に、電源リレー11のインバータ入力側の電源を外部へ延出するための電源リレー後端子109を有している。この電源リレー後端子109は、図1に示すように、電源リレー11とインバータ部5との間に位置し、平滑コンデンサ7を接続するための端子となる。
また、その同一面に、電源リレー11を構成する電源リレー用スイッチング素子30、31のゲート信号端子とソース信号端子を有しており、これら電源リレー用スイッチング素子30、31のゲート信号端子とソース信号端子とを、纏めて、電源リレー用スイッチング素子の制御用端子120と呼ぶ。
以上のように、電源端子108、グランド端子107、電源リレー後端子109、電源リレー用スイッチング素子の制御用端子120が、パワーモジュール19の同一面(短手方向の1端面)にすべてまとめて配置されている。
In addition, a
Further, on the same surface, there is a power relay
Further, the gate signal terminal and the source signal terminal of the power
As described above, the
従って、これらの短手方向の1端面に配置されている端子は、上述したスイッチング素子の制御用端子121、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106、シャント抵抗出力端子122が配置された面とは異なる面に配置されている。なお、上述の説明においては、長手方向の端面と短手方向の短面とが互いに隣接していると説明したが、その場合に限らず、スイッチング素子の制御用端子121、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106、シャント抵抗出力端子122が配置された面と、電源端子108、グランド端子107、電源リレー後端子109、電源リレー用スイッチング素子の制御用端子120が配置された面とが互いに異なる面であればよい。あるいは、スイッチング素子の制御用端子121、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106、および、シャント抵抗出力端子122が配置されている箇所と、電源端子108、グランド端子107、電源リレー後端子109、および、電源リレー用スイッチング素子の制御用端子120が配置されている箇所とが、互いに離間していればよい。
Therefore, the terminals arranged on one end face in the short direction are the above-described switching
なお、図3に示すように、モータリレー用スイッチング素子27〜29の制御用端子121は、他の制御用端子121,122と並置され、モータリレー用スイッチング素子27〜29と上側スイッチング素子21、23、25との少なくとも一方が、制御用端子121の近傍に配置されている。
As shown in FIG. 3, the
次に、パワーモジュール19内部の電流経路に基づいて各部品間や、各部品と端子間との接続について説明する。
Next, connections between components and connections between components and terminals will be described based on the current path inside the
図3に示すように、パワーモジュール19内部には、電源バスバー110が設けられている。このとき、まず、バッテリ32から、上述の短手方向の1端面に設けられた、隣接された電源端子108とグランド端子107を介して、パワーモジュール19へ電源供給される。電源端子108から入力された電力は電源リレー11を介して電源リレー後電圧を電源バスバー110を通してパワーモジュール19内部へ供給する。電源バスバー110から各U相、V相、W相のブリッジ回路へと電源が供給される。この電流経路について説明する。
As shown in FIG. 3, a
電源バスバー110には、図3に示すように、複数のクリップリード119が設けられている。U相のブリッジ回路は、電源バスバー110から、複数のクリップリード119の中の1つを介して電源ブロック115へと電流が供給される。クリップリード119は銅や銅合金のような金属から構成される。
As shown in FIG. 3, the
電源ブロック115上にU相上側スイッチング素子21が配置されており、U相上側スイッチング素子21の表面にあるソースパッドとU相下側スイッチング素子22のドレインと同電位となる中間ブロック116が電源ブロック115に隣接して設けられ、クリップリード117によって接続される。
このように、電源ブロック115と中間ブロック116とを隣接して配置することで、上側DS間コンデンサ101を電源ブロック115と中間ブロック116間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
U-phase
Thus, by arranging the
また、クリップリード117は、U相上側スイッチング素子21のソースとU相下側スイッチング素子22のドレインとを接続するだけでなく、クリップリード117は、電源ブロック115から、中間ブロック116を超えて、中間ブロック116に隣接して配置されているモータリレー用スイッチング素子27のソースパッドまで延設され、当該ソースパッドに接続される。モータリレー用スイッチング素子27のドレインはU相モータ端子104と同じリードフレームとなる。U相モータ端子104からモータ1のU相巻線へと電力が供給される。
In addition, the
U相下側スイッチング素子22のソースはグランドバスバー111にクリップリード118を介して接続される。中間ブロック116とグランドバスバー111が隣接して配置されることとなり、これにより、下側DS間コンデンサ102をグランドバスバー111と中間ブロック116間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
The source of the U-phase
また、大電流が流れる電源バスバー110とグランドバスバー111は隣接して並列するように配置することで、インダクタンスを低減させる。
Further, the power
また、U相上側スイッチング素子21のU相ゲートと上側スイッチング素子21のソースと、U相下側スイッチング素子のゲートと、U相モータリレー用スイッチング素子27のゲート、U相モータリレー用スイッチング素子のソースそれぞれと、制御信号端子121との間はワイヤーボンディングで接続する。
Also, the U-phase gate of the U-phase
同様に、V相ブリッジ回路について説明する。 Similarly, a V-phase bridge circuit will be described.
V相のブリッジ回路は、電源バスバー110から、別のクリップリード119を介して、電源ブロック113へと電流が供給される。
In the V-phase bridge circuit, current is supplied from the power
電源ブロック113上にV相上側スイッチング素子23が配置されており、V相上側スイッチング素子の表面にあるソースパッドとV相下側スイッチング素子のドレインと同電位となる中間ブロック114が、上記とは別のクリップリード117によって接続される。このとき、電源ブロック113と中間ブロック114は隣接して配置する。
隣接して配置することで、上側DS間コンデンサ101が電源ブロック113と中間ブロック114間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
The V-phase
By disposing them adjacent to each other, the
また、クリップリード117はV相上側スイッチング素子23のソースとV相下側スイッチング素子24のドレインを接続するだけでなく、そのままクリップリード117を延長し、モータリレー用スイッチング素子28のソースパッドへと接続される。V相モータリレー用スイッチング素子28のドレインはV相モータ端子105と同じリードフレームとなる。V相モータ端子105からモータ1のV相巻線へと電力が供給される。
The
V相下側スイッチング素子24のソースはグランドバスバー111にクリップリード118を介して接続される。中間ブロック114とグランドバスバー111が隣接して配置されることとなり、これにより、下側DS間コンデンサ102がグランドバスバー111と中間ブロック114間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
The source of the V-phase
また、V相上側スイッチング素子23のゲートとV相上側スイッチング素子23のソースと、V相下側スイッチング素子24のゲートと、V相モータリレー用スイッチング素子28のゲート、V相モータリレー用スイッチング素子28のソースの、それぞれと、制御信号端子121との間はワイヤーボンディングで接続する。
Further, the gate of the V-phase
同様に、W相ブリッジ回路について説明する。 Similarly, a W-phase bridge circuit will be described.
図3に示すように、パワーモジュール19の中で、U相ブリッジ回路部、V相ブリッジ回路部、W相ブリッジ回路部とは並べて配置されているが、中でも、W相ブリッジ回路はパワーモジュール19内部の端に位置するため、電源バスバー110が直接、W相上側スイッチング素子25を実装可能なリードフレームとなる。従って、W相ブリッジ回路においては、電源ブロックが設けられておらず、電源バスバー110が電源ブロックの役割を果たしている。
As shown in FIG. 3, in the
電源バスバー110上にW相上側スイッチング素子25が配置されており、W相上側スイッチング素子の表面にあるソースパッドとW相下側スイッチング素子のドレインと同電位となる中間ブロック112がクリップリード117によって接続される。この時、電源バスバー110と中間ブロック112は隣接して配置する。
隣接して配置することで、上側DS間コンデンサ101が電源バスバー110と中間ブロック112間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
The W-phase
By disposing them adjacent to each other, the
また、クリップリード117はW相上側スイッチング素子25のソースとW相下側スイッチング素子26のドレインを接続するだけでなく、そのままクリップリード117を延長し、モータリレー用スイッチング素子29のソースパッドへと接続される。W相モータリレー用スイッチング素子29のドレインはW相モータ端子106と同じリードフレームとなる。W相モータ端子106からモータ1のW相巻線へと電力が供給される。
The
W相下側スイッチング素子26のソースはグランドバスバー111へとクリップリード118を介して接続される。中間ブロック112とグランドバスバー111が隣接して配置されることとなり、これにより、下側DS間コンデンサ102がグランドバスバー111と中間ブロック112間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
The source of the W-phase
また、W相上側スイッチング素子25のゲートとW相上側スイッチング素子25のソースと、W相下側スイッチング素子26のゲートと、W相モータリレー用スイッチング素子29のゲート、W相モータリレー用スイッチング素子29のソースの、それぞれと、制御信号端子121との間はワイヤーボンディングで接続する。
Further, the gate of the W-phase
また、下側スイッチング素子22、24、26のソース信号は、シャント抵抗12と同電位のため、共用し、パワーモジュール19に配置させる端子数を削減し小型化を図っている。
Further, since the source signals of the
上述したように、バッテリ32から、隣接された電源端子108とグランド端子107を介してパワーモジュール19へ電源供給され、その後、電源端子108から入力された電源は電源リレー11を介して電源リレー後電圧を電源バスバー110を通してパワーモジュール19内部へ供給され、電源バスバー110から各U相、V相、W相のブリッジ回路へと電源が供給されることになる。
さらに、各相へ電力が供給された後は、各U相、V相、W相のブリッジ回路はグランドバスバー111に接続されており、このグランドバスバー111は、電源バスバー110と隣接して配置され、シャント抵抗12へと接続される。シャント抵抗12とグランド端子107が接続され、バッテリ32へと戻る。
また、グランド端子と電源リレー後端子109の間にノイズ低減用にスナバコンデンサ103を配置する。パワーモジュール19内に配置することで、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
As described above, power is supplied from the
Further, after power is supplied to each phase, the bridge circuit of each U phase, V phase, and W phase is connected to the
Further, a
ここで、図3では、UVWの3相のブリッジ回路を1モジュールとしていたが、各ブリッジ毎に分割しても良い。その場合を、図5を用いて説明する。 In FIG. 3, the three-phase UVW bridge circuit is a single module, but may be divided for each bridge. Such a case will be described with reference to FIG.
図5におけるパワーモジュール19は、図3におけるパワーモジュール19のU相、V相、W相を分割したものになる。ここでは、仮に、図5が、U相のブリッジ回路部を図示しているものとして説明する。V相、W相においても同じものとなるため説明を省く。
The
電源ブロック115上にU相上側スイッチング素子21が配置されており、U相上側スイッチング素子21の表面にあるソースパッドとU相下側スイッチング素子22のドレインと同電位となる中間ブロック116がクリップリード117によって接続される。この時、電源ブロック115と中間ブロック116は隣接して配置する。
なお、隣接して配置することで、上側DS間コンデンサ101が電源ブロック115と中間ブロック116間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
The U-phase
In addition, by arranging them adjacent to each other, the upper
また、クリップリード117は、U相上側スイッチング素子21のソースとU相下側スイッチング素子22のドレインを接続するだけでなく、そのままクリップリード117を延長し、モータリレー用スイッチング素子27のソースパッドへと接続される。U相モータリレー用スイッチング素子27のドレインはU相モータ端子104と同じリードフレームとなる。U相モータ端子104からモータ1のU相巻線へと電力が供給される。
The
U相下側スイッチング素子22のソースはグランドバスバー111へとクリップリード118を介して接続される。中間ブロック116とグランドバスバー111が隣接して配置されることとなり、これにより、下側DS間コンデンサ102がグランドバスバー111と中間ブロック116間に直接配置することができ、インピーダンスを無駄に増加させることなく効果的にノイズ低減することが可能となる。
The source of the U-phase
また、U相上側スイッチング素子22のゲートとU相上側スイッチング素子22のソースと、U相下側スイッチング素子23のゲートと、U相モータリレー用スイッチング素子27のゲート、U相モータリレー用スイッチング素子27のソースの、それぞれと、制御信号端子121との間はワイヤーボンディングで接続する。
Further, the gate of the U-phase
上側スイッチング素子21および下側スイッチング素子22との接続点からU相モータ端子104が延出され、U相モータ端子104からモータ1のU相巻線へと電力が供給されるが、その場合に、U相モータ端子104は電源ブロック115やグランドバスバー111と反対方向へ延出される。これにより、モータ端子を設けた場合も、パワーモジュール19の小型化を可能にする。
The
これらの分割したブリッジ回路のパワーモジュールを用いることで、レイアウト性が向上する場合は、当該分割したパワーモジュールを用いるようにすればよい。 When the layout performance is improved by using these divided bridge circuit power modules, the divided power modules may be used.
次に、本実施の形態1に係るパワーモジュール19の外部構造について図7を用いて説明する。
Next, the external structure of the
図3に示した内部構造を有するパワーモジュール19の外部構造は、図7に示すような略直方体の筐体(モジュール)から構成されている。当該パワーモジュール19において、長手方向(長辺側)の1端面に、制御用信号端子121、シャント抵抗出力端子122、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106が、それらの一部を筐体から外部に突出させるように配置され、また、異なる1端面(ここでは、短手方向(短辺側)の1端面)に、電源端子108、グランド端子107、電源リレー後端子109、電源リレー用スイッチング素子の制御用端子120が、それらの一部を筐体から外部に突出させるように配置されている。
The external structure of the
また、小信号である制御用信号端子121およびシャント抵抗出力端子122と、大電流が流れる大電流端子であるU相モータ端子104、V相モータ端子105、および、W相モータ端子106とが並列している。この場合、これらの端子を1端面にまとめられるため、小型化できるという利点もあるが、小信号端子が大電流端子の影響を受けてしまう可能性がある。この影響は小信号端子と大電流端子が隣接して並行した場合に受けることになるため、図7のように、大電流端子のU相モータ端子104、V相モータ端子105、および、W相モータ端子106は、パワーモジュール19から外に出た後で、小信号端子の制御用信号端子121およびシャント抵抗出力端子122と同方向に延長させないようにする。図7においては、小信号端子が上方向にL字型に折曲されて延設され、大電流端子が下方向にL字型に折曲されて延設されている。すなわち、大電流端子であるU相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106が、小信号端子である制御用信号端子121およびシャント抵抗出力端子122に対して、逆向きの方向に設けられている。
Further, a
なお、図7に示すように、パワーモジュール19の外側において、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106自身を、制御用信号端子121とシャント抵抗出力端子122に対して、逆方向に延長するようにしたので、モータ端子104,105,106を設けた場合に小型化したパワーモジュール19においても、大電流が流れるモータ端子104、105、106と制御用信号端子121とが隣り合って並行することがなく、制御用信号端子121へのモータ端子によるノイズを低減することが可能となる。
As shown in FIG. 7, outside the
あるいは、図19のように、モータ1のモータ巻線から延長されてきた端子131〜133と接続した後において、制御用信号端子121およびシャント抵抗出力端子122に対して逆方向に延長してもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 19, after connecting to the
また、図19に示すように、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106を、モータ1のモータ巻線から延長されてきた端子131〜133と接続する場合は、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106が、制御用信号端子121およびシャント抵抗出力端子122に対して同じ側に延設する部分は、モータ端子104〜106と端子131〜133の接続部分のみとして平行する距離を短くする。これによって、小信号端子が受ける大電流端子の影響を低減可能となる。
Further, as shown in FIG. 19, when connecting the
なお、これまでの説明では、電源バスバー110とグランドバスバー111とをパワーモジュール19内部で接続していた。パワーモジュール19内部で接続することで、パワーモジュール19外部で接続する必要がないので工作上はコスト削減となるが、一方で、パワーモジュール19のサイズが大きくなってしまう。そこで、パワーモジュール19のサイズを小型にするために、電源バスバー110とグランドバスバー111とをパワーモジュール19の外部で接続するようにしてもよい。パワーモジュール19外部で接続する場合は、電源バスバー110とグランドバスバー111とをパワーモジュール19の筐体から両方出してもよいが、どちらか片方でも良い。電源バスバー110とグランドバスバー111とがパワーモジュール19内部、または外部、または内部と外部で、隣接して並行に配置されていることで、インダクタンス低減となる。
In the above description, the
電源バスバー110とグランドバスバー111とをパワーモジュール19外部で接続した場合の内部構造を図18を用いて説明する。
外部で電源バスバー110とグランドバスバー111とを接続した点以外は、図3と同じであるため、図3からの変更点のみを説明する。図18の構成においては、電源バスバー110とグランドバスバー111とがパワーモジュール19内部に設けられておらず、かつ、U相電源ブロック115と、V相電源ブロック113とが、それぞれ各相ブリッジ回路から、パワーモジュール19外部に、端子として、その一部が突出されている。また、図3の構成では設けられていない、U相グランドブロック125、V相グランドブロック126、W相電源ブロック128と、W相グランドブロック127が設けれ、それらのU相グランドブロック125、V相グランドブロック126、W相電源ブロック128と、W相グランドブロック127が、それぞれ各相ブリッジ回路から、パワーモジュール19外部に、端子として、その一部が突出されている。また、シャント抵抗12の電源端子107とは逆側のシャント抵抗12前段の入力端子124も、パワーモジュール19外部に、端子として、その一部が突出されている。
The internal structure when the
Except that the
ここで、電源バスバー110とグランドバスバー111をパワーモジュール19外部で接続した場合の外部構造を図9を用いて説明する。
外部で、電源バスバー110とグランドバスバー111を接続した点以外は、図7と同じであるため、図7からの変更点のみを説明する。U相電源ブロック115と、U相グランドブロック125、V相電源ブロック113と、V相グランドブロック126、W相電源ブロック128と、U相グランドブロック127が、それぞれ、各相ブリッジ回路からパワーモジュール19外部に端子として突出されている。また、U相電源ブロック115と、V相電源ブロック113と、W相電源ブロック128とが、電源バスバー110に接続され、U相グランドブロック125と、V相グランドブロック126と、U相グランドブロック127とが、グランドバスバー111に接続されている。
また、図9においては、電源リレー後電圧端子109が、U相電源ブロック115に並設されている。また、その近傍には、シャント抵抗12のシャント抵抗出力端子122とは逆側のシャント抵抗12前段の入力端子124が設けられている。図9に示すように、電源リレー後電圧端子109を電源バスバー110に接続されることで、3相のブリッジ回路に電源系が供給され、シャント抵抗12前段の入力端子124とグランドバスバー111が接続されることで、3相ブリッジ回路からの母線電流がシャント抵抗12へと流れ込むようになる。
このように、複数配置された電源ブロック113,115およびグランドブロック125、126、127のうち、少なくともいずれか一方を、パワーモジュール19外部で、それぞれ、電源バスバー110またはグランドバスバー111に接続する(あるいは、複数配置された電源端子108およびグランド端子107のうち、少なくともいずれか一方をパワーモジュール19外部で接続する)ようにしたので、その分だけ、パワーモジュール19が小型化可能となる。
Here, the external structure when the
Since it is the same as FIG. 7 except that the
In FIG. 9, the post-power
Thus, at least one of the plurality of power supply blocks 113 and 115 and ground blocks 125, 126, and 127 is connected to the power
また、UVWの3相のブリッジ回路を、各ブリッジ毎に分割した場合のパワーモジュール19の外部構造について、図11を用いて説明する。ここでは先の説明と合わせて、仮にU相とした場合の説明とするが、V相、W相においても同じものとなる。
The external structure of the
図5に示した内部構造を有するパワーモジュール19の外部構造は、図11に示すような略直方体の筐体(モジュール)となる。当該パワーモジュール19において、長辺側(長手方向の1端面)に制御用信号端子121およびU相モータ端子104が配置され、また、離間されて異なる面に、電源端子115およびグランド端子111が配置されている。
また、小信号端子の制御用信号端子121と、大電流が流れる大電流端子のU相モータ端子104とが並列している。この場合、端子をまとめられるため、小型化できるという利点もあるが、小信号端子が大電流端子の影響を受けてしまう可能性がある。この影響は小信号端子と大電流端子が隣接して並行した場合に受けることになるため、図11のように、大電流が流れるU相モータ端子104は、パワーモジュール19から外に出た後で、小信号の制御用信号端子121と同方向に延長させないようにする。具体的には、制御用信号端子121がL字型に上方向に折曲され、U相モータ端子104はL字型に下方向に折曲されている。これによって、小信号端子が受ける大電流端子の影響を低減可能となる。
The external structure of the
In addition, a
ここで、上記の配置及び接続を行ったパワーモジュール19の効果について説明する。
Here, the effect of the
図3のように配置することで、大電流が流れる電源バスバー110とグランドバスバー111と小信号端子である制御用信号端子121およびシャント抵抗出力端子122とを分離することが可能となる。また、これら電源バスバー110とグランドバスバー111はパワーモジュール19への入力から隣接しており、流れる電流の向きが逆向きとなる。これによってそれぞれの大電流バスバーが作り出す磁界を打ち消すことができ、インダクタンス低減が可能となる。
By arranging as shown in FIG. 3, it is possible to separate the power
また、各UVW相のブリッジ回路において、電源バスバー110から、上側スイッチング素子21、23、25を介して下側スイッチング素子22、24、26に繋がり、そこからグランドバスバー111に戻る経路が最短距離となり、かつ、ループ面積を小さくできている。
PWMでスイッチング素子をスイッチングする際に、スイッチング素子の寄生ダイオードに起因して電源であるバッテリ32とグランド間に貫通電流が発生することがある。本実施の形態によれば、電源であるバッテリ32とグランド間のループを最短にしていることより、インピーダンスを低減できており、貫通電流によって発生するノイズを低減することが可能となる。また、電源であるバッテリ32とグランド間のループが小さくできているため、これらループから放射するノイズも低減可能となる。
In each UVW-phase bridge circuit, the shortest distance is the path from the power
When switching a switching element by PWM, a through current may be generated between the
また、PWMスイッチング動作させる場合は、各PWMの1周期において、例えばU相上側オン、U相下側オフから、U相上側オフ、U相下側オンの状態へと入れ替わる。この時の電流の流れに着目すると、モータ電流の向きは同じ向きでモータへ電流を供給しているとすると、U相上側オン、U相下側オフでは、U相上側からモータへ供給しており、U相上側オフ、U相下側オンでは、U相下側からモータへ電流供給している。 Further, in the case of performing the PWM switching operation, in one cycle of each PWM, for example, the state is switched from the U-phase upper side on and the U-phase lower side off to the U-phase upper side off and the U-phase lower side on. Focusing on the current flow at this time, assuming that the motor current is supplied in the same direction, the current is supplied to the motor from the U-phase upper side when the U-phase upper side is on and the U-phase lower side is off. When the U-phase upper side is off and the U-phase lower side is on, current is supplied to the motor from the U-phase lower side.
モータ1のモータ巻線へ電流供給している時で考えると、各PWM1周期毎に、電源側からU相上側を介してU相モータ巻線へと電流が流れるモードと、グランド側からU相下側を介して、モータ巻線へと電流が流れる二つのモードを繰り返すことになり、これを転流と呼ぶ。
Considering when the current is supplied to the motor winding of the
本実施の形態ではPWM周期を20KHzとしており、その場合各PWM周期の時間は50usとなる。50us毎に転流を繰り返すのがPWMとなる。
転流も、モータ電流も振幅は同じだが、周期は、転流の方が、モータ電流の周期に比べてはるかに大きくなる。電流の時間微分量に応じて磁束が発生するため、転流による磁束の発生量はモータ電流によって生じる磁束の影響より大きくなってしまう。
In this embodiment, the PWM cycle is 20 KHz, and in this case, the time of each PWM cycle is 50 us. PWM repeats commutation every 50 us.
The commutation and the motor current have the same amplitude, but the commutation is much larger in the commutation than in the motor current. Since the magnetic flux is generated according to the time differential amount of the current, the amount of magnetic flux generated by commutation becomes larger than the influence of the magnetic flux generated by the motor current.
今、電源側からU相上側を介してU相モータ巻線へと電流が流れているとして、次にグランド側からU相下側を介して、モータ巻線へと電流が流れるモードへと転流すると、電源側からU相上側を介してU相モータ巻線への電流は減る方向で、グランド側からU相下側を介して、モータ巻線への電流は増える方向となる。電源バスバー110からモータ端子までの電流経路と、グランドバスバー111からモータ端子までの電流経路が隣接して平行していることによって、これら平行した電流経路に流れる電流の変化の向きは逆向きとなっており、電流の変化に応じて発生する磁束を打ち消す方向になっており、磁束の変化に伴う誘導起電力を低減可能となる。つまり、転流のノイズへの影響を低減可能となる。
Now, assuming that a current flows from the power supply side to the U-phase motor winding via the U-phase upper side, then the mode is changed to a mode in which current flows from the ground side to the motor winding via the U-phase lower side. When flowing, the current from the power supply side to the U-phase motor winding through the U-phase upper side decreases, and the current from the ground side to the motor winding through the U-phase lower side increases. Since the current path from the
また、モータリレー用スイッチング素子27、28、29を配置する場合に、上側スイッチング素子21,23,25と下側スイッチング素子22、24、26とのスイッチング素子対間と、電源ブロックおよびグランドブロック間以外に、モータリレー用スイッチング素子27、28、29を配置することで、上記の電源であるバッテリ32とグランド間のループを小さくするという効果を失うことなく、モータリレーを追加することが可能となる。
Further, when the motor
また、モータリレー用スイッチング素子27、28、29を上側スイッチング素子21、23、25と並べて配置したことで、クリップリード117は上側スイッチング素子21、23、25のソースと下側スイッチング素子22、24、26のドレインを接続するだけでなく、そのままクリップリード117を延長し、モータリレー用スイッチング素子27、28、29のソースパッドへと接続可能となりコストとスペース削減となる。
Further, since the switching
また、上側スイッチング素子21、23、25と、モータリレー用スイッチング素子27、28、29は、制御用端子121が配置されたモジュール端近傍となるため、上側スイッチング素子21、23、25のゲート、上側スイッチング素子21、23、25のソース、モータリレー用スイッチング素子27、28、29のゲート、モータリレー用スイッチング素子27、28、29のソースの、それぞれと、制御信号端子121との間を接続しているワイヤーボンディングが短くすることができる。ワイヤーは細く、ノイズを受け易いので短くすることで、ノイズを極力拾いにくくし、ノイズを低減することとなる。
Further, since the
次に、これらパワーモジュールを用いた駆動装置について図13および図14を用いて説明する。図13は、モータ1の出力軸側(すなわち、モータ1の出力軸の延出する方向に)コントローラ2を配置したものである。また、図14は、モータ1の出力軸側の反対側(すなわち、モータ1の出力軸の延出する方向の反対方向)にコントローラ2を配置したものである。どちらの場合もモータ1とコントローラ2を一体化して小型化が可能となる駆動装置である。
Next, a driving device using these power modules will be described with reference to FIGS. FIG. 13 shows the
図13および図14において、構成部品について説明する。
コントローラ2は、パワーモジュール19と、ヒートシンク203と、カバー204と、フレーム部201と、制御部20と、コネクタ202とを有する。
パワーモジュール19はヒートシンク203の主面に配置されている。ヒートシンク203は、パワーモジュール19が発生する熱を放熱させる働きを持つ。
コネクタ202は、電源であるバッテリ32との接続部であり、かつ、外部の信号、例えば、トルクセンサ信号や、CAN等の通信用信号との接続部でもある。
コネクタ202からの入力電力と信号とを基に制御部20にてパワーモジュール19を介してモータ1を制御することになる。
フレーム部201は、コネクタ202からの入力電力が通るバスバーを内蔵している。また、図9のように、外部で電源バスバー110やグランドバスバー111を接続する場合は、これらのバスバーをフレーム部201に内蔵させてもよい。
The components will be described with reference to FIGS.
The
The
The
The
The
また、図14に示すようなモータ駆動装置においては、パワーモジュール19に対して、制御部20とモータ1は異なる方向にあるため、本実施の形態のように、パワーモジュール19外部で、モータ端子123と制御信号端子121を異なる方向に延出させることで、モータ端子123と制御信号端子121は平行することがない。この場合、大電流が流れるモータ端子によって、制御信号端子が受ける影響を小さくし、ノイズ発生や誤動作を低減可能となる。
Further, in the motor driving device as shown in FIG. 14, the
以上のように、本実施の形態1においては、モータ1を駆動するためのパワーモジュール19であって、直列接続された上側スイッチング素子21,23,25と下側スイッチング素子22,24,26とから構成された、少なくとも1つのスイッチング素子対21〜26と、パワーモジュール19への電力の供給を行うための電源であるバッテリ32に接続される電源端子108と、電源端子108に隣接配置され、グランドに接続されるグランド端子107と、スイッチング素子対21〜26の上側スイッチング素子および下側スイッチング素子を制御するための制御信号が入力される制御用端子121と、電源端子108に電気的に接続され、パワーモジュール19内部に配置された電源ブロック115,113と、グランド端子に電気的に接続され、パワーモジュール19内部に電源ブロックに隣接して配置されたグランドブロック112,114,116とを備え、スイッチング素子対21〜26は、パワーモジュール19内部に電源ブロックおよびグランドブロックに隣接して配置され、電源ブロックとスイッチング素子対の上側スイッチング素子21、23、25とは電気的に接続され、グランドブロックとスイッチング素子対の下側スイッチング素子22、24、26とは電気的に接続され、電源端子108およびグランド端子107と、上側スイッチング素子および下側スイッチング素子のそれぞれの制御用端子121とは、互いに離間して配置されている構成にしたので、大電流が流れるラインにおいて、電流の向きが逆向きで、かつ、常に隣接するようになっており、大電流が流れるバスバーに起因するノイズ低減が可能となる。
また,電源ブロックおよびグランドブロックの近傍にスイッチング素子対も隣接して配置され、電源ブロックとスイッチング素子対の上側スイッチング素子は電気的に接続され、上側スイッチング素子と下側スイッチング素子間は直列接続され、下側スイッチング素子と前記グランドブロックが電気的に接続されていることによって,電源からグランドまでのループが小さくできており、スイッチング素子としてFETを使用した場合等の寄生ダイオードの逆回復時のノイズを低減可能となる。
また、PWM等のスイッチング動作時の上側スイッチング素子から下側スイッチング素子への転流に起因するノイズも低減可能となる。
また、電源端子およびグランド端子と、スイッチング素子のそれぞれの制御用端子は、離間して配置、又は、パワーモジュールの異なる辺へ配置されているため、制御用端子が大電流が流れる部位と離れており,ノイズが低減可能となる。
As described above, in the first embodiment, the
A switching element pair is also arranged adjacent to the power supply block and the ground block, the upper switching element of the power supply block and the switching element pair is electrically connected, and the upper switching element and the lower switching element are connected in series. Since the lower switching element and the ground block are electrically connected, the loop from the power supply to the ground can be made small, and the noise during reverse recovery of the parasitic diode when using an FET as the switching element, etc. Can be reduced.
Further, noise due to commutation from the upper switching element to the lower switching element during a switching operation such as PWM can be reduced.
In addition, since the control terminal of the power supply terminal and the ground terminal and the switching element are arranged apart from each other or on different sides of the power module, the control terminal is separated from the portion where a large current flows. Therefore, noise can be reduced.
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2に係るパワーモジュール19の内部構造を示した図である。図4に示すように、本実施の形態では、パワーモジュール19の内部配線が、上記の図3に示した実施の形態1とは異なる。そこで、以下の説明においては、実施の形態1と異なる点のみを説明する。
FIG. 4 is a diagram showing an internal structure of the
まず、図4にて、パワーモジュール19の内部配線を説明する。
図3との違いは、本実施の形態においては、制御信号端子121等が設けられている端面側に、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106が設けられておらず、その端面に対向する(反対側の)端面に、3つのモータ端子123が設けられている点である。これら3つのモータ端子123は、パワーモジュール19内部で、3つのクリップリード130を介して、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106に、それぞれ、1つずつ接続されている。以下、詳細に説明する。
First, the internal wiring of the
The difference from FIG. 3 is that in this embodiment, the
本実施の形態においては、モータリレー用スイッチング素子27のドレインが配置されているU相モータ端子104は、このままモータ1のU相巻線へと延長されるのではなく、ここで、クリップリード130を介して、電源バスバー110とグランドバスバー111を越えて、モータ端子123へと接続される。同様に、V相、W相においても、V相モータ端子105からクリップリード130を介して、電源バスバー110とグランドバスバー111を越えて、モータ端子123へと接続され、W相モータ端子106からクリップリード130を介して、電源バスバー110とグランドバスバー111を越えて、モータ端子123へと接続される。
In the present embodiment, the
これにより、大電流が流れる大電流端子であるモータ端子123を、小信号端子である制御信号端子121と離間することが可能となる。
Thereby, the
図13に示すようなモータ駆動装置の場合、パワーモジュール19に対して、制御部20とモータ1は同じ方向にいるため、パワーモジュール19から延出されたモータ端子123も制御信号端子121も平行して延出されることになる。この場合、大電流が流れるモータ端子123によって、制御信号端子121が影響を受けてしまい、ノイズ発生や誤動作へと繋がることがある。
In the case of the motor driving device as shown in FIG. 13, since the
本実施の形態によって、モータ端子123および制御信号端子121を離間することで、これらが平行することがなく、上記の問題を回避できる。
According to the present embodiment, by separating the
ここで、図4では、UVWの3相のブリッジ回路を1モジュールとしていたが、各ブリッジ毎に分割しても良い。その場合を、図6を用いて説明する。 In FIG. 4, the UVW three-phase bridge circuit is a single module, but may be divided for each bridge. Such a case will be described with reference to FIG.
図6におけるパワーモジュール19は、図4におけるパワーモジュール19のU相、V相、W相を分割したものになる。仮に、U相のブリッジ回路部として説明する。V相、W相においても同じものとなるため説明を省く。
The
また、図6は、図5と内部配線が異なるため、異なる部分のみ説明する。 FIG. 6 differs from FIG. 5 in internal wiring, so only the different parts will be described.
U相モータ端子104からモータ1のU相巻線へと電力が供給されるが、その場合に、U相モータ端子104は、電源ブロック115およびグランドバスバー111と同じ方向へ延出する。大電流端子のモータ端子104と小信号端子の制御信号端子121とを離間することで、これらが平行することがなく、大電流端子によるノイズや誤動作の問題を回避できる。
Electric power is supplied from the
これらの分割したブリッジ回路のパワーモジュールを用いることで、レイアウト性が向上する場合は、分割したパワーモジュールを用いるようにすればよい。 If layout power is improved by using these divided bridge circuit power modules, the divided power modules may be used.
本実施の形態のパワーモジュール19の外部構造を図8を用いて説明する。
The external structure of the
図4に示す内部構造を有するパワーモジュール19の外部構造は、図8のような略直方体である。図8のパワーモジュール19において、長辺側の1端面(長手方向の1端面)に、制御用信号端子121およびシャント抵抗出力端子122が設けられ、当該端面に対向する他の長辺側の端面(長手方向の他の1端面)に、U相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106にそれぞれ接続されている3つのモータ端子123が配置されている。また、それらの長辺側の端面とは異なる面(図8では、短辺側の1端面(短手方向の1端面)に、電源端子108、グランド端子107、電源リレー後端子109、電源リレー用スイッチング素子の制御用端子120が配置されている。
The external structure of the
このように、本実施の形態においては、小信号端子の制御用信号端子121とシャント抵抗出力端子122とが並列しており、これらの端子121,122は、大電流が流れるU相モータ端子104、V相モータ端子105、W相モータ端子106およびそれに接続されたモータ端子123とから離間して配置されている。これによって、小信号端子が受ける大電流端子の影響を低減可能となり、ノイズ低減が可能となる。
Thus, in the present embodiment, the small signal terminal
また、モータリレー用スイッチング素子27、28、29と上側スイッチング素子21、23、25との少なくとも一方を、制御用端子121の近傍に配置したので、制御用端子121とこれらの各スイッチング素子21、23、25、27、28、29との間の接続を短くすることができ、制御信号がノイズを受けにくくなるという効果がある。
In addition, since at least one of the motor
また、上記の実施の形態1と同様に、モジュールを小型化するために、図10に示すように、電源バスバー110とグランドバスバー111とをパワーモジュール19の外部で接続してもよい。パワーモジュール19外部で接続する場合は、電源バスバー110とグランドバスバー111を両方出してもよいが、どちらか片方でも良い。電源バスバー110とグランドバスバー111が、共にパワーモジュール19内部または外部、あるいは、内部と外部(一方が内部で、他方が外部)で、隣接して並行に配置されていることで、インダクタンス低減となる。
Similarly to the first embodiment, the
電源バスバー110とグランドバスバー111をパワーモジュール19外部で接続した場合の外部構造は、図10に示した通りで、接続構造については、図9と同じとなるため、ここでは説明を省略する。
The external structure when the
また、UVWの3相のブリッジ回路を、各ブリッジ毎に分割した場合のパワーモジュールの外部構造について図12を用いて説明する。ここでは先の説明と合わせて、仮にU相とした場合の説明とするが、V相、W相においても同じものとなる。 The external structure of the power module when the UVW three-phase bridge circuit is divided for each bridge will be described with reference to FIG. Here, in conjunction with the previous description, the description will be made assuming that the phase is the U phase, but the same applies to the V phase and the W phase.
図12について、図11と異なる部分のみ説明する。
図6のパワーモジュール19の外部構造は、図12のような略直方体である。図12のパワーモジュール19において、長辺側(長手方向の1端面)に、制御用信号端子121、U相モータ端子104が配置され、また、離間されて異なる面(ここでは、当該長手方向の1端面に対して対向した他の長手方向の1端面)に、電源端子115およびグランド端子111が配置されている。
また、U相モータ端子104が、電源端子115およびグランド端子111が配置されている面と同じ端面に配置されている。従って、小信号の制御用信号端子121が、大電流が流れるU相モータ端子104から離間して配置されている。これによって、小信号端子が受ける大電流端子の影響を低減可能となる。
Only parts different from FIG. 11 will be described with reference to FIG.
The external structure of the
以上のように、本実施の形態2によれば、上記の実施の形態1と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態2においては、スイッチング素子対21〜26の両者接続点からモータ1へのモータ端子104,105,106が延出され、これらのモータ端子104,105,106は、クリップリード130を介して、モータ端子123まで延設され、電源ブロック113、115および中間ブロック112,114,116が配置された側へ延出したことで、モータ電流が流れる大電流端子を制御用端子と離せるため、ノイズ低減可能となる。
As described above, according to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, in the second embodiment, from the connection points of the switching element pairs 21 to 26.
実施の形態3.
図2は、本発明の実施の形態3に係るパワーモジュール19を用いた駆動装置の回路構成を示した図である。図2に示すように、本発明の実施の形態3では、電動モータがモータ1とモータ18との2組あり、これらを駆動させるために、パワーモジュールも、パワーモジュール19とパワーモジュール33との2組に分かれている。
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of a drive device using the
ここでの2組のモータ1,18はロータを共有し、2組のステータ側巻線を有するブラシレスモータである。なお、モータ18の内部構成は、モータ1と同じであるため、ここでは図示および説明を省略している。また、図2の構成では、図1と比較して、平滑コンデンサ16とパワーモジュール33とが追加されている。また、パワーモジュール33は、電源リレー15とインバータ部17とを有しているが、その内部構成は、パワーモジュール19の電源リレー11とインバータ部5と同等であるため、説明は省略する。
制御部20では、プリドライバ13と電流モニタI/F14が追加になっている。これらの内部構成は、制御部20に設けられたプリドライバ9と電流モニタI/F10と同等である。
また、ここでは、モータ2組はロータを共有するため、回転センサ4は共用となる。
The two sets of
In the
Here, since the two motor sets share the rotor, the
本発明の実施の形態3の場合における本発明の効果について説明する。この発明の実施の形態3の駆動装置においては、上記の実施の形態1,2と同様の効果が得られるが、本実施の形態3では、モータを2組設けた関係で、パワーモジュール19を小型化することが重要となり、本実施の形態3を実施することによって、小型なパワーモジュールを用いて駆動装置を構成することはもちろん、制御用信号端子の位置を低ノイズに注意しながら、近傍にまとめて配置しているため、信号端子が多方向から延出しているパワーモジュールにくらべ、制御部20を制御基板とした場合、この制御基板への接続点を近傍に固めることができ、制御基板の面積を有効に利用することが可能となる。
The effect of the present invention in the case of
実施の形態4.
図15は、本発明の実施の形態4に係るパワーモジュールの内部構成を示した図である。図15に示すように、この発明の実施の形態4では、上記の図3に示した実施の形態1のパワーモジュール19に比べて、モータリレー用スイッチング素子27、28、29が内蔵されていない。
FIG. 15 is a diagram showing an internal configuration of a power module according to
クリップリード117は、U相上側スイッチング素子21のソースとU相下側スイッチング素子22のドレインを接続するだけでなく、そのままクリップリード117を延長し、U相モータ端子104のリードフレームへと接続することとなる。U相モータ端子104からモータ1のU相巻線へと電力が供給される。
これにより、パワーモジュール19にモータリレーが不要な場合は、これまでの本発明の効果を失うことなくモータリレーを削除することが可能となる。この場合、モータリレー用スイッチング素子27、28、29を削除することで、パワーモジュール19の端子数を減らせ、また、パワーモジュール19自体の体格も小型化可能となりコスト、スペース共に削減可能となる。
The
Thereby, when a motor relay is unnecessary for the
実施の形態5.
図16は、本発明の実施の形態4に係るパワーモジュールの内部構成を示した図である。図16に示すように、この発明の実施の形態5では、上記の図3に示した実施の形態1のパワーモジュール19に比べて、電源リレー用スイッチング素子30、31が内蔵されていない。
FIG. 16 is a diagram showing an internal configuration of a power module according to
電源であるバッテリ32から、互いに隣接された電源端子108とグランド端子107を介してパワーモジュール19へ電源供給される。電源端子108から入力された電源は電源バスバー110を通してパワーモジュール19内部へ供給する。電源バスバー110から各U相、V相、W相のブリッジ回路へと電源が供給される。
これにより、パワーモジュール19に電源リレーが不要な場合は、これまでの本発明の効果を失うことなく電源リレーを削除することが可能となる。この場合、電源リレー用スイッチング素子30、31を削除することで、パワーモジュール19の端子数を減らせ、また、パワーモジュール19自体の体格も小型化可能となりコスト、スペース共に削減可能となる。
Power is supplied from the
Thereby, when a power supply relay is unnecessary for the
実施の形態6.
図17は、本発明の実施の形態4に係るパワーモジュールの内部構成を示した図である。図17に示すように、本発明の実施の形態6では、上記の図3に示した実施の形態1のパワーモジュール19に比べて、電源リレー用スイッチング素子30、31と、モータリレー用スイッチング素子27、28、29が内蔵されていない。
FIG. 17 is a diagram showing an internal configuration of a power module according to
電源であるバッテリ32から、互いに隣接された電源端子108とグランド端子107を介してパワーモジュール19へ電源供給される。電源端子108から入力された電源は電源バスバー110を通してパワーモジュール19内部へ供給する。電源バスバー110から各U相、V相、W相のブリッジ回路へと電源が供給される。
Power is supplied from the
また、クリップリード117はU相上側スイッチング素子21のソースとU相下側スイッチング素子22のドレインを接続するだけでなく、そのままクリップリード117を延長し、U相モータ端子104のリードフレームへと接続することとなる。U相モータ端子104からモータ1のU相巻線へと電力が供給される。
The
これにより、パワーモジュール19に、電源リレーとモータリレーが不要な場合は、これまでの本発明の効果を失うことなく電源リレーとモータリレーを削除することが可能となる。この場合、電源リレー用スイッチング素子30、31とモータリレー用スイッチング素子27、28、29を削除することで、パワーモジュール19の端子数を減らせ、また、パワーモジュール19自体の体格も小型化可能となりコスト、スペース共に削減可能となる。
Thereby, when a power supply relay and a motor relay are unnecessary for the
1 モータ(電動モータ)、2 コントローラ、3 パワー部、4 回転センサ、5 インバータ部、6 ノイズ対策用チョークコイル、7 平滑コンデンサ、8 マイクロコンピュータ、9 プリドライバ、10 電流モニタインターフェース(電流モニタI/F)、11 電源リレー、12 シャント抵抗、13 プリドライバ2、14 電流モニタインターフェース2(電流モニタI/F)2、15 電源リレー2、16 平滑コンデンサ2、17 インバータ部2、18 モータ2、19 パワーモジュール、20 制御部、21,23,25 上側スイッチング素子、22,24,26 下側スイッチング素子、27,28,29 モータリレー用スイッチング素子、30,31 電源リレー用スイッチング素子、32 バッテリ、33 パワーモジュール2。
1 motor (electric motor), 2 controller, 3 power section, 4 rotation sensor, 5 inverter section, 6 choke coil for noise suppression, 7 smoothing capacitor, 8 microcomputer, 9 pre-driver, 10 current monitor interface (current monitor I / F), 11 power relay, 12 shunt resistor, 13
Claims (14)
直列接続された上側スイッチング素子と下側スイッチング素子とから構成された、少なくとも1つのスイッチング素子対と、
前記パワーモジュールへの電力の供給を行うための電源に接続される電源端子と、
前記電源端子に隣接配置され、グランドに接続されるグランド端子と、
前記スイッチング素子対の前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子を制御するための制御信号が入力される制御用端子と、
前記電源端子に電気的に接続され、前記パワーモジュール内部に配置された電源ブロックと、
前記グランド端子に電気的に接続され、前記パワーモジュール内部に前記電源ブロックに隣接して配置されたグランドブロックと
を備え、
前記スイッチング素子対は、前記パワーモジュール内部に前記電源ブロックおよび前記グランドブロックに隣接して配置され、
前記電源ブロックと前記スイッチング素子対の上側スイッチング素子とは電気的に接続され、
前記グランドブロックと前記スイッチング素子対の下側スイッチング素子とは電気的に接続され、
前記電源端子および前記グランド端子と、前記上側スイッチング素子および前記下側スイッチング素子のそれぞれの制御用端子とは、互いに離間して配置されている
ことを特徴とするパワーモジュール。 A power module for driving an electric motor,
At least one switching element pair composed of an upper switching element and a lower switching element connected in series;
A power supply terminal connected to a power supply for supplying power to the power module;
A ground terminal disposed adjacent to the power supply terminal and connected to the ground;
A control terminal to which a control signal for controlling the upper switching element and the lower switching element of the pair of switching elements is input;
A power supply block electrically connected to the power supply terminal and disposed inside the power module;
A ground block electrically connected to the ground terminal and disposed adjacent to the power block inside the power module;
The switching element pair is disposed adjacent to the power supply block and the ground block inside the power module,
The power supply block and the upper switching element of the switching element pair are electrically connected,
The ground block and the lower switching element of the switching element pair are electrically connected,
The power module, wherein the power supply terminal and the ground terminal, and the control terminals of the upper switching element and the lower switching element are spaced apart from each other.
前記パワーモジュールへ制御量指令を出力する制御部と、
電動モータと
を備え、
前記パワーモジュールを前記電動モータの出力軸近傍に配置し、
前記電動モータと、前記パワーモジュールと、前記制御部とを一体化して構成した
ことを特徴とする駆動装置。 A power module according to any one of claims 1 to 11,
A control unit that outputs a control amount command to the power module;
With an electric motor,
The power module is arranged near the output shaft of the electric motor,
The drive device, wherein the electric motor, the power module, and the control unit are integrated.
前記ヒートシンクと制御部とは、前記電動モータの出力軸側に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の駆動装置。 It further comprises a heat sink in which the power module is disposed in close contact with the main surface,
The drive device according to claim 12, wherein the heat sink and the control unit are arranged on an output shaft side of the electric motor.
前記ヒートシンクと制御部とは、前記電動モータの出力軸側の反対側に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の駆動装置。 It further comprises a heat sink in which the power module is disposed in close contact with the main surface,
The drive device according to claim 12, wherein the heat sink and the control unit are arranged on a side opposite to an output shaft side of the electric motor.
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