JP5622043B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流と交流との間で電力を変換するインバータ装置に関する。

多くの場合、モータ（回転電機）は、そのモータに流れる電流の検出結果に基づいてフィードバック制御される。この電流は、例えば、モータに流れる電流により発生する磁束をホール素子などの磁気検出素子で検出して電流値を求める電流センサによって測定される。磁束は右ネジの法則により、電流路を周回するように発生する。そこで、環状に形成された磁性体の集磁コアの中に電流路（導体）を通して、当該電流路を流れる電流によって発生する磁束を当該コアにより集磁することによって検出精度の向上が図られてきた。しかし、近年、電流センサの小型化、省部品化、低コスト化などの要請を受けて、電流路を周回する集磁コアを用いないコアレス電流センサが実用化されてきている。

ところで、電気自動車やハイブリッド自動車などの動力に用いられる大出力のモータは、高い電圧で駆動される。また、このような自動車に搭載される電源は直流のバッテリ等であるので、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）などのスイッチング素子を用いたインバータ回路によって交流に変換される。インバータ回路を駆動する信号、例えばＩＧＢＴのゲートを駆動する駆動信号は、モータを駆動する高電圧回路の電圧よりも遥かに低電圧で動作する低電圧回路の制御回路において生成される。このため、モータの制御装置には、制御回路が生成した駆動信号をインバータ回路のＩＧＢＴに供給するためのドライバ回路が備えられる。

特開２００５−９４８８７号公報（特許文献１）には、上述したような非接触型のコアレス電流センサを備えた電力変換器（インバータ装置）の基板構造についての技術が開示されている。この電力変換器は、インバータ基板及び制御回路基板を有して構成され、インバータ回路の上面に配置された制御回路基板上に、非接触型の電流センサを備えた電流検出回路が配置される（特許文献１：図３等。）。一般的に、制御回路基板上には、インバータのスイッチング素子を駆動するためのドライバ回路やスイッチング素子の温度を検出する温度検出回路も形成される。ドライバ回路は、スイッチング素子の制御端子（ゲート端子やベース端子）に近い方が好ましく、温度検出回路もスイッチング素子に近い方が好ましい。さらに、電流検出回路の電流センサもバスバーなど、電流が流れる部位に対して適切に配置されなければ、電流によって生じる磁界を適切に捉えることができず、良好に電流を検出することができない。これら種々の回路を効率良くレイアウトしなければ、インバータ及び制御回路基板の規模が大きくなり、コストアップ要因となる。

特開２００５−９４８８７号公報

上記背景に鑑みて、装置規模が増大することを抑制しつつ、制御回路基板上に電流検出回路を効率良く配置することが望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係る、直流と交流との間で電力を変換するインバータ装置の特徴構成は、
正極側に接続される上段アームを構成する少なくとも１つのスイッチング素子と負極側に接続される下段アームを構成する少なくとも１つのスイッチング素子とを有する少なくとも１つのレッグを有するインバータ回路が平面的に配置されて形成されるインバータ回路ユニットと、前記インバータ回路ユニットに平行に設置される制御回路基板とを備え、
前記制御回路基板は、各スイッチング素子に対する制御信号を供給するドライバ回路と、前記レッグの前記上段アーム及び前記下段アームの何れか一方側の前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出回路と、前記レッグに接続される交流電力線に流れる交流電流を非接触で検出する電流検出回路とを備え、
前記ドライバ回路は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける各スイッチング素子の実装領域に重なるように配置され、
前記温度検出回路は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける各レッグの前記上段アーム及び前記下段アームの何れか一方の実装領域に重なるように配置され、
前記電流検出回路は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける各レッグの前記上段アーム及び前記下段アームの何れか他方の実装領域に重なるように配置され、
前記制御回路基板は、前記インバータ回路をスイッチング制御する制御回路を更に備えると共に、前記スイッチング素子の制御端子駆動電圧に対応する電源電圧が供給され、前記ドライバ回路及び前記温度検出回路が配置される高電圧回路領域と、前記制御端子駆動電圧よりも低い電圧である前記制御回路の電源電圧が供給され、前記制御回路及び前記電流検出回路が配置される低電圧回路領域とを有して構成され、
前記高電圧回路領域は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける前記上段アーム及び前記下段アームの実装領域に重なるように形成され、
前記低電圧回路領域は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける前記上段アームの実装領域と前記下段アームの実装領域との間の中間領域に重なるように形成され、
前記電流検出回路は、前記中間領域に重なる領域から前記上段アーム又は前記下段アームの実装領域に重なる領域に対して突出するように形成される前記低電圧回路領域に配置される点にある。尚、垂直方向視において重なる配置とは、一方の一部が他方の一部に重なる配置、一方の全部が他方の一部に重なる配置、一方の一部が他方の全部に重なる配置の何れをも含む。

この特徴構成によれば、制御回路基板において、上段アーム及び下段アームの何れか一方の実装領域に重なるようにドライバ回路と温度検出回路とが配置され、何れか他方の実装領域に重なるようにドライバ回路と電流検出回路とが配置される。即ち、制御回路基板において、温度検出回路が配置されずに余裕のある領域に、電流検出回路が配置されることになる。従って、制御回路基板に電流検出回路が配置されても、制御回路基板の基板面積が増大することを抑制することができる。また、基板面積の増大が抑制されれば、インバータ装置全体の規模の増大も抑制することができる。従って、本構成によれば、装置規模が増大することを抑制しつつ、制御回路基板上に電流検出回路を効率良く配置することが可能となる。

インバータ回路の各アームが有するスイッチング素子は、アームごとに異なるタイミングでスイッチングするように駆動される。具体的には、ゲートやベースなどのスイッチング素子の制御端子と、ソースやエミッタなどの所定の基準端子との２端子間の電位差をドライバ回路を介して制御することによって、スイッチング素子が駆動される。スイッチングのための制御信号は、制御回路によって生成される。但し、インバータ回路の直流電源電圧が制御回路の電源電圧よりも高圧である場合には、制御回路で生成された制御信号の電圧ではスイッチング素子を制御することができない。このため、スイッチング素子の制御端子駆動電圧に対応する電源電圧が供給されるドライバ回路を介して、各スイッチング素子に制御信号が供給される。ドライバ回路は、各スイッチング素子の近傍に配置される方が配線距離も短くなるので、上段アーム及び下段アームの実装領域に重なるように形成される高電圧回路領域に配置されると好適である。また、スイッチング素子の温度は、スイッチング素子に内蔵、あるいはスイッチング素子の近傍に設置されたサーミスタやダイオードなどを温度センサとして検出される場合が多い。従って、温度センサの検出結果に基づいてスイッチング素子の温度を検出する温度検出回路もスイッチング素子の近傍に配置される方が好ましい。スイッチング素子に内蔵、あるいはスイッチング素子の近傍に設置された温度センサの検出結果に基づいて温度を検出する場合、温度検出回路は、ドライバ回路と同じ電源系で動作して問題はない。従って、温度検出回路は、ドライバ回路と同様に、上段アーム及び下段アームの実装領域に重なるように形成される高電圧回路領域に配置されると好適である。

一方、制御信号を生成する制御回路は、制御信号を上段アーム及び下段アームの実装領域に重なるように形成されたドライバ回路にその制御信号を供給する必要がある。従って、上段アームの実装領域と下段アームの実装領域との間の中間領域に重なるように形成される低電圧回路領域に配置されると好適である。つまり、制御回路は、両アームに対して均衡した位置に配置されると好適である。また、交流電力線に接触することなく電流を検出する電流検出回路は、制御回路と同じ電源系で動作すると、絶縁回路や電圧変換回路を介することなく検出結果を容易に制御回路へ伝達することができる。従って、電流検出回路は、低電圧回路領域に配置される。但し、電流検出回路は、上述したように、上段アーム及び下段アームの実装領域に重なる領域の内、温度検出回路が配置されずに余裕のある領域に配置される。従って、中間領域に重なる領域だけでなく、上段アーム又は下段アームの実装領域に重なる領域にも低電圧回路領域が形成されると好適である。電流検出回路が配置される低電圧回路領域は、中間領域に重なる領域から上段アーム又は下段アームの実装領域に重なる領域に対して突出するように形成される。中間領域に重なる領域から突出するように形成されることで、連続した低電圧回路領域が形成され、効率的に電流検出回路を配置することができる。

ここで、前記温度検出回路は、前記下段アームの実装領域に重なるように配置され、前記電流検出回路は、前記上段アームの実装領域に重なるように配置されると好適である。インバータ回路の直流電源電圧の正極側に接続される上段アームのスイッチング素子は、オン状態となった時にエミッタ端子やソース端子の電位が略正極電位まで上昇する。これに対し、下段アームのスイッチング素子は、電圧が低い負極側と接続されるため、オン状態となった時にもエミッタ端子やソース端子は略負極側電位である。上述したように、ドライバ回路は、スイッチング素子の制御端子と基準端子との２端子間の電位差を制御することによって、スイッチング素子を駆動する。従って、上段アームのドライバ回路の電位は、スイッチング素子がオン状態となった時にインバータ回路の略正極側電位となる。これに対して、下段アームのドライバ回路の電位は、スイッチング素子がオン状態となっても、ドライバ回路の電源電圧程度に留まる。このため、上段アームのドライバ回路を含む高電圧回路領域は、下段アームのドライバ回路を含む高電圧回路領域に比べて、低電圧回路領域などの他の回路との間に長い絶縁距離を設ける必要がある。近年、電流検出回路は、１つのＩＣチップによって実現可能なものも実用化されている。そのような電流検出回路に比べて、一般的に温度検出回路の回路規模は大きい。従って、より多くの実装面積を確保可能な下段アームの実装領域に重なる領域に温度検出回路が形成され、実装面積が制約される上段アームの実装領域に重なる領域に電流検出回路が形成されると、効率的に制御回路基板に種々の回路を配置することが可能となる。

また、本発明に係るインバータ装置の前記インバータ回路は、直流と３相交流との間で電力変換を行うものであり、前記上段アームが隣接すると共に前記下段アームが隣接した３レッグで構成され、各レッグの前記上段アームと前記下段アームとを結ぶ方向に沿って前記交流電力線が配置され、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記電流検出回路の検出部が前記交流電力線に重なるように配置されると好適である。上段アームと下段アームとを結ぶ方向に沿って交流電力線が配置されることにより、上段アーム及び下段アーム双方の実装領域において、又は実装領域に近接して交流電力線が配置されることになる。制御回路基板において、電流検出回路は上段アーム又は下段アームの実装領域に重なるように配置されるので、電流検出回路の検出部は、無理なく交流電力線に重なるように配置可能である。従って、検出部は交流電力線を流れる電流により生じる磁界を良好に検出することが可能となり、精度よく電流を検出することが可能となる。

また、本発明に係るインバータ装置の前記制御回路基板は、前記インバータ回路を制御する論理演算回路を備え、前記電流検出回路の検出結果を前記論理演算回路へ伝送する信号線の少なくとも前記論理演算回路の直前にノイズ抑制フィルタが備えられると好適である。制御基板は、制御回路に比べて高い電圧で動作し、多くの電流が流れるインバータ回路モジュールに対して平行に設置される。また、制御回路基板には、制御回路に比べて高い電圧で動作する高電圧回路領域も形成される。従って、制御回路などの低電圧回路領域に配置される回路は、高いエネルギーレベルのノイズを受け易い環境下にある。電流検出回路の検出結果も伝送線路上において、そのようなノイズの影響を受けることとなる。しかし、電流検出回路の検出結果を利用してインバータ回路を制御する論理演算回路の直前にノイズ抑制フィルタを設けることによってノイズが抑制される。これにより、論理演算回路は、精度の良い検出結果を利用してインバータ回路を制御することが可能となる。

インバータ装置の回路構成を模式的に示すブロック図 インバータ回路ユニットと制御回路基板との絶縁回路を介した信号接続形態を模式的に示すブロック図 ドライバ回路へ供給する電源生成回路の構成を模式的に示すブロック図 インバータ回路モジュールの分解斜視図 バスバーモジュールの透視斜視図 インバータ回路の構成をインバータ回路モジュールのレイアウトに応じて模式的に示すブロック図 インバータ回路ユニットを取り付けたインバータ装置の平面図 インバータ回路ユニットに制御回路基板を取り付けたインバータ装置の平面図 コアレス電流センサによる非接触電流検出原理を示す図 電流検出回路の構成を模式的に示すブロック図

以下、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両の駆動源となる３相交流回転電機を制御するシステムにおけるインバータ装置を例として本発明の実施形態を説明する。この回転電機は、永久磁石埋込型の同期機であり、状況に応じて電動機又は発電機として機能する。以下、回転電機を適宜モータと称して説明するが、これは電動機及び発電機として機能する回転電機を指す。はじめに、図１〜図３を参照して、インバータ装置の回路構成について説明する。図１に示すように、モータ９を制御するモータ制御装置としてのインバータ装置は、制御回路基板１及びインバータ回路ユニット３を有して構成される。

インバータ回路ユニット３には、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）を用い、直流と３相交流との間で電力を変換するインバータ回路が構成されている。インバータ回路は、図１に示すように、６つのＩＧＢＴ３１（３１ａ〜３１ｆ）、各ＩＧＢＴ３１に並列接続されるフリーホイールダイオード３２を備えて構成される。尚、スイッチング素子はＩＧＢＴに限らず、バイポーラ型、電界効果型、ＭＯＳ型など種々の構造のパワートランジスタを用いることが可能である。インバータ回路は、図４等を用いて後述するように、本実施形態ではモジュール構造を有している。また、図２等を用いて後述するように、インバータ回路には、ＩＧＢＴ３１の温度や過電流を検出するためのセンサ回路３７も構成されている。

インバータ回路ユニット３は、モータ９が力行する際、例えば１００〜２００Ｖの高圧電源としての高圧バッテリ２１から供給される正極電圧Ｐ、負極電圧Ｎを３相交流に変換する。インバータ回路は、モータ９の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれに対応するＵ相レッグ、Ｖ相レッグ、及びＷ相レッグを備えている。各レッグは、それぞれ直列に接続された上段アームのＩＧＢＴ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと下段アームのＩＧＢＴ３１ｄ，３１ｅ，３１ｆとにより構成される１組２個のスイッチング素子を備えている。具体的には、Ｕ相上段アームのＩＧＢＴ３１ａとＵ相下段アームのＩＧＢＴ３１ｄによりＵ層レッグが構成され、Ｖ相上段アームのＩＧＢＴ３１ｂとＶ相下段アームのＩＧＢＴ３１ｅによりＶ層レッグが構成され、Ｗ相上段アームのＩＧＢＴ３１ｃとＷ相下段アームのＩＧＢＴ３１ｆによりＷ層レッグが構成される。各レッグの上段アームと下段アームとの接続点から、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のモータ駆動電流が出力される。図４〜図６などを用いて後述するように、これらのモータ駆動電流は、交流電力線５２としてのバスバー５０（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）を介してモータ９へと出力される。バスバー５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、それぞれモータ９のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイルと接続される。モータ９が回生する際はこの逆であり、当業者には自明であるから説明は省略する。

図１において、インバータ回路の各アームは、１つのＩＧＢＴ３１によって構成されている。しかし、ＩＧＢＴの電流容量などの制限により、複数のＩＧＢＴを並列させて１つのアームが構成される場合もある。特にモジュール構造のインバータ回路の場合には、ベアチップをセラミックス系の絶縁基板を介して金属ベース上に実装することによって回路が構成される場合もある。この際、複数のベアチップを並列させて１つのアームが構成される場合もある。従って、１つのアームのＩＧＢＴ（スイッチング素子）は、必ずしも図１に示すような単一のＩＧＢＴを示すのではなく、１つのアームにおいて並列接続されているＩＧＢＴの全てを示す場合もある。

制御回路基板１には、インバータ回路の電源電圧よりも遥かに低電圧、さらにはインバータ回路を構成するＩＧＢＴのゲート駆動電圧よりも低電圧で動作する制御回路５が構成されている。制御回路基板１へは、低圧電源としての低圧バッテリ２２から、例えば１２ボルト程度の直流電圧が供給される。尚、低圧電源は、低圧バッテリ２２に限らず、高圧バッテリ２１の電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータなどによって構成されてもよい。

制御回路５は、車両の運行を制御する不図示のＥＣＵ（electronic control unit）などからＣＡＮ（controller area network）などの車内ネットワークを介して取得する指令に従って、モータ９を制御する。制御回路５は、マイクロコンピュータなどの論理演算回路を中核として構成され、モータ９を制御するためにインバータ回路の各アームのＩＧＢＴ３１を駆動する駆動信号を生成する。本実施形態では、スイッチング素子がＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴの制御端子はゲート端子であるので、駆動信号をゲート駆動信号と称する。

制御回路５は、回転センサ２３によるモータ９の磁極位置の検出結果や電流検出回路２による交流電流の検出結果に基づいて、モータ９の動作状態に応じたフィードバック制御を実行する。回転センサ２３は、例えばレゾルバが用いられる。本実施形態においては、電流検出回路２は、シャント抵抗などを用いることなく、バスバー５０などの交流電力線５２に対して非接触で交流電流を検出する非接触電流検出回路である。さらに、電流検出回路２は、バスバー５０を周回するコアを用いずに交流電流を検出するコアレス電流センサを用いて交流電流を検出する。詳細については後述する。また、本実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対して１つずつ電流検出回路２ａ，２ｂ，２ｃが備えられているが、３相交流電流は平衡しており、瞬時値はゼロであるから、２相の電流だけを検出してもよい。

ところで、特にモータ９が車両の駆動装置である場合などでは、高圧バッテリ２１は１００Ｖ以上の高電圧である。各ＩＧＢＴ３１はパルス状のゲート駆動信号に基づいて高電圧をスイッチングする。このようなＩＧＢＴのゲート駆動信号のハイレベルとローレベルとの電位差は、ゲート駆動信号を生成するマイクロコンピュータなどの一般的な電子回路の動作電圧（通常５Ｖ以下）よりも遥かに高い電圧である。従って、ゲート駆動信号は、ドライバ回路６を介して電圧変換された後、各ＩＧＢＴ３１に入力される。この際、ドライバ回路６の電源電圧は絶縁回路であるトランスＬを介して供給され、ゲート駆動信号は制御回路５から絶縁回路であるフォトカプラＳを介してドライブ回路６へ伝達される。即ち、絶縁回路を介することによって、高電圧系のインバータ回路と、低電圧系の制御回路５とは、共通する基準電圧を持たない異なる電源系として構成される。

図８を用いて後述するように、制御回路基板１は、低電圧回路領域１１と高電圧回路領域１３と、両者の間に設けられた絶縁領域１２とを有して構成される。高電圧回路領域１３は、ＩＧＢＴ３１のゲート端子の駆動電圧に対応する電源電圧がトランスＬを介して供給され、ドライバ回路６及び温度検出回路７が配置される領域である。低電圧回路領域１１は、ＩＧＢＴ３１のゲート端子の駆動電圧よりも低い電圧である制御回路５の電源電圧が供給され、制御回路５及び電流検出回路２が配置される領域である。低電圧回路領域１１には、図２に示すように、トランスＬを制御する電源制御回路２７も配置される。トランスＬやフォトカプラＳは、互いに絶縁された１次側（入力側）端子及び２次側（出力側）端子を有し、一方の端子が低電圧回路領域１１に配置され、他方の端子が高電圧回路領域１３に配置される形態で、絶縁領域１２上に配置される。

図２に示すように、制御回路５において生成されたゲート駆動信号は、フォトカプラＳを介してワイヤレスでドライバ回路６に伝達される。ドライバ回路６は、トランスＬを介してワイヤレスで供給された電源電圧に基づいて、ゲート駆動信号をＩＧＢＴ３１に供給する。本実施形態のＩＧＢＴ３１は、ＩＧＢＴとしてのコアパーツ３６と共に、チップ温度や過電流などのチップ異常を検出するためのセンサ回路３７が設けられた複合素子である。ここでは、センサ回路３７として、温度センサ３８と過電流検出器３９とを例示している。温度センサ３８は、サーミスタやダイオードであり、温度によって変化する端子間電圧が温度検出回路７や診断回路２５によって検出される。過電流検出器３９は、例えばＩＧＢＴ３１のコレクタ−エミッタ間を流れる大電流に比例し、かつその比が１００万分の１〜１０万分の１程度となる微小電流をシャント抵抗の両端電圧などより検出する。そして、ＩＧＢＴ３１に流れる電流が所定値を超えた場合には、その検出結果を診断回路２５に出力する。

診断回路２５は、温度センサ３８の端子間電圧に基づいて過熱状態であると判定した場合や、過電流検出器３９から異常との検出結果を受け取った場合には短絡などにより過電流発生状態であると判定して、異常診断信号を出力する。例えば、この異常診断信号に基づいて、ドライバ回路６はフォトカプラＳを介して受け取るゲート駆動信号の状態に拘らず、ＩＧＢＴ３１をオフ状態に制御することが可能である。異常診断信号は、フォトカプラＳを介して制御回路５にも伝達される。制御回路５へは、過熱、過電流などの異常の原因は伝達されなくとも異常状態が発生していることが伝達されるので、制御回路５はモータ９の停止処理などの異常対応処理を実行することができる。本実施形態では、診断回路２５に加えて温度検出回路７が備えられており、温度検出回路７の検出結果がフォトカプラＳを介して制御回路５へ伝達される。従って、制御回路５は、検出された温度に基づいた判定を実施することも可能である。尚、当然ながら、診断回路２５と温度検出回路７とは分けることなく同一回路で構成されていてもよい。

３相各相を流れる電流は、３相何れかのレッグの上段アームと下段アームとを経由する。従って、ＩＧＢＴ３１の温度を検出する温度検出回路７は、全てのアームに対応して設けられていなくてもよく、各レッグに対して１つずつ設けられていてもよい。特に、診断回路２５が各アームに対応して設けられていれば、過熱を含めた異常の発生は検出可能であるから、通常状態におけるＩＧＢＴ３１の温度を検出する温度検出回路７は、各レッグに対して１つずつ設けられていれば充分である。本実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各レッグに対して１つずつ温度検出回路７が設けられる。具体的には、各レッグの一方のアームのＩＧＢＴ３１の温度を検出する温度検出回路７が設けられる。本実施形態では、下段アームのＩＧＢＴ３１の温度を検出する温度検出回路７が設けられる。

トランスＬは、図１及び図３に示すように、インバータ回路の６つのアームのそれぞれに対応して６つ備えられる。図３に示すように、各トランスＬは同じ構成であり、ほぼ同電圧の２次電圧が出力される。トランスＬへの１次電圧は、低電圧回路領域１１に配置された制御回路５が有する定電圧回路において一定の電圧に安定化された電圧である。例えば定格が１２Ｖの低圧バッテリ２２の電圧は負荷によって変動する。しかし、定電圧回路としての昇圧レギュレータや降圧レギュレータなどにより、例えば１５〜１８ボルト程度への昇圧や、８〜１０ボルト程度への降圧により安定化される。制御回路基板１の低電圧回路領域１１には、電源制御回路２７が構成されており、電力供給回路としてのトランスＬを制御する。本実施形態の電源制御回路２７は、プッシュ−プル型の構成を例示している。トランスＬは、インバータ回路の６つのアームに対応して６つ設けられているが、電源制御回路２７は全てのトランスＬを一括して制御する。また、上述したように、トランスＬの１次電圧は、安定化されているので、２次電圧を１次側にフィードバックすることなく、トランスＬの変圧比によって安定した２次電圧が得られる。

このように、制御回路基板１は、高電圧回路領域１３と低電圧回路領域１１とを有して構成され、種々の回路が配置される。従って、効率良く各回路を配置しなければ、基板面積が増大し、インバータ装置の規模を増大させることにつながる。本実施形態の制御回路基板１は、規模が増大することを抑制しつつ、制御回路基板１上にさらに電流検出回路２も効率良く配置されている。以下、電流検出回路２の詳細説明を含め、制御回路基板１の効率的なレイアウトについて説明する。その説明に先立って、図４〜図６を用いてインバータ回路ユニット３の構造及びレイアウトについて説明する。

インバータ回路ユニット３は、ＩＧＢＴモジュール（スイッチングモジュール）３３とバスバーモジュール３５とを有して構成される。図４に示すように、バスバーモジュール３５は、ＩＧＢＴモジュール３３の図示上側からＩＧＢＴモジュール３３に一部を接触させて配置される。バスバーモジュール３５は、ＩＧＢＴモジュール３３と正極Ｐ及び負極Ｎよりなる直流電源（高圧バッテリ２１）との間の直流電流の経路（５０ｄ，５０ｅ）を形成するとともに、ＩＧＢＴモジュール３３とモータ９との間の交流電流の経路（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ）を形成する。

図４及び図５に示すように、バスバーモジュール３５は、バスバー５０と、バスバー５０を支持する支持体６０とを備えている。バスバー５０は、例えば、銅やアルミニウム等の金属材料に代表される導電性の材料で形成される。支持体６０は、各種樹脂に代表される絶縁性の材料で形成される。本実施形態では、バスバーモジュール３５は、Ｕ相バスバー５０ａ、Ｖ相バスバー５０ｂ、Ｗ相バスバー５０ｃ、正極バスバー５０ｄ、及び負極バスバー５０ｅの５つのバスバー５０を備えている。これら５つのバスバー５０は、支持体６０により一体的に支持されている。また、各バスバー５０は、ＩＧＢＴモジュール３３が備える各電極部材８０の接合面８０ａに面接触する平板状の接合部５１を有して構成されている。それぞれの接合部５１は、ＩＧＢＴモジュール３３が備える各電極部材８０に対して所定の押圧方向であるＺ方向に押圧された状態で、それぞれ対応する電極部材８０に接合される。

ＩＧＢＴモジュール３３は、図４に示すように、ベースプレート４１と、絶縁部材４３と、素子基板４２とを備えている。ベースプレート４１、絶縁部材４３、素子基板４２は、互いに平行或いは略平行な状態でＺ方向に沿う方向に積層される。ベースプレート４１は、絶縁部材４３及び素子基板４２を設置するためのベースとなる板状の部材である。ベースプレート４１は、銅やアルミニウム等の金属材料で形成され、下面には放熱フィン４１ｂが形成されている。ベースプレート４１の上面４１ａは、図示Ｚ方向に直交する。

素子基板４２は、ベースプレート４１の上面４１ａに設置された絶縁部材４３の上面に設置され、素子基板４２の上面には、ＩＧＢＴ３１及びダイオード３２が実装される。素子基板４２は、例えば、銅やアルミニウム等の金属材料に代表される導電性の材料で形成され、ヒートスプレッダとしても機能する。上述したように、素子基板４２は、電気的絶縁性及び熱伝導性の双方を備える絶縁部材４３を介してベースプレート４１に固定される。従って、素子基板４２とベースプレート４１との間の電気的絶縁性を確保しつつ、スイッチング素子３１の熱を放熱フィン４１ｂに効率良く伝達させることが可能である。

本実施形態では、図４に示すように、絶縁部材４３の上面に６つの素子基板４２が、Ｘ方向に３つ並び、Ｙ方向に２つ並んで配置されている。そして、本実施形態では、各素子基板４２の上面に、ＩＧＢＴ３１及びダイオード３２がそれぞれ１つずつ実装されている。ＩＧＢＴ３１は、図示上面にエミッタ電極及びゲート電極を備え、下面にコレクタ電極を備えている。また、ダイオード３２は、図示上面にアノード電極を備え、下面にカソード電極を備えている。ＩＧＢＴ３１は、半田により素子基板４２に固定され、下面のコレクタ電極が素子基板４２と導通する。ダイオード３２は、半田により素子基板４２に固定され、下面のカソード電極が素子基板４２と導通する。すなわち、素子基板４２は、ＩＧＢＴ３１のコレクタ電極とダイオード３２のカソード電極と同電位となる。

ＩＧＢＴ３１の上面のエミッタ電極とダイオード３２の上面のアノード電極とは、第１電極部材８１（電極部材８０）により接続される。また、ＩＧＢＴ３１及びダイオード３２が実装された素子基板４２の上面には、第２電極部材８２（電極部材８０）が配置され、素子基板４２を介して、ＩＧＢＴ３１の下面のコレクタ電極及びダイオード３２の下面のカソード電極と導通する。電極部材８０は、銅やアルミニウム等の導電性の材料で形成された一定幅の帯状部材（板状部材）が屈曲成形されたものであり、Ｚ方向に直交する面で構成された接合面８０ａが図示上面に形成される。ＩＧＢＴ３１のエミッタ電極及びダイオード３２のアノード電極は、第１電極部材８１の接合面８０ａを介してバスバー５０に接続される。また、ＩＧＢＴ３１のコレクタ電極及びダイオード３２のカソード電極は、第２電極部材８２の接合８０ａを介してバスバー５０に接続される。

また、図６に示すように、ＩＧＢＴモジュール３３と共にインバータ回路ユニット３を構成する平滑回路モジュール９２は、直流電源の正極Ｐとバスバー５０とを接続するための電極部材８０（正極側電極部材８３）、及び負極Ｎとバスバー５０とを接続するための電極部材８０（負極側電極部材８４）を備えている。正極側電極部材８３及び負極側電極部材８４にも、Ｚ方向に直交する面と平行となるように接合面８０ａが形成されている。そして、図４、図５及び図７に示す正極バスバー５０ｄ及び負極バスバー５０ｅが、それぞれ正極側電極部材８３及び負極側電極部材８４の接合面８０ａに応圧接触されて接続される。

図６は、図４及び図５に示すインバータ回路ユニット３におけるＩＧＢＴ３１の配置に対応したインバータ回路を示している。インバータ回路は、上段アームが隣接すると共に下段アームが隣接した３レッグで構成されている。図６に示すように、上段アームが図示下側に配置され下段アームが図示上側に配置されており、上段アームと下段アームとの間には正極バスバー５０ｄ及び負極バスバー５０ｅが並走している。３相各相の交流電力線５２に相当するバスバー５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、それぞれ各相のレッグの上段アームと下段アームとを結ぶ方向に沿って配置されている。そして、バスバー５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、インバータ回路ユニット３の同一方向に突出した先端部にモータ９への接続端子９１ｕ，９１ｖ，９１ｗを有している。この接続端子９１ｕ，９１ｖ，９１ｗを介してモータ９の各相のコイルと各相バスバー５０ａ，５０ｂ，５０ｃとが接続される。また、ＩＧＢＴモジュール（スイッチングモジュール）３３とバスバーモジュール３５とに隣接して、平滑回路モジュール９２が備えられている。

図７は、上述したように、インバータ回路が平面的に配置されて形成されるインバータ回路ユニット３が、平滑回路モジュール９２を含めてインバータ装置の筐体に取り付けられた状態を示す平面図である。そして、図８は、インバータ回路ユニット３に平面的に配置されたインバータ回路に平行して制御回路基板１が設置された状態を示す平面図である。図８においては、接続端子９１ｕ，９１ｖ，９１ｗの側において各相のバスバー５０ａ，５０ｂ，５０ｃの一部を透視仮想線として破線により示している。また、図７における符号ＣＮはインバータ回路ユニット３に設けられたコネクタを示し、図８において符号ＣＰで示された制御回路基板１のコネクタと接続される。これらコネクタＣＮ，ＣＰは、図１及び図２を用いて上述したように、インバータ回路ユニット３のＩＧＢＴ３１と、制御回路基板１の高電圧回路領域１３に配置されたドライバ回路６や温度検出回路７、診断回路２５とを接続する。上述したように、ＩＧＢＴ３１は、図４における図示上面（素子基板４２とは反対側の面）に不図示のゲート電極を備える。コネクタＣＰ及びＣＮを介して制御回路基板１からインバータ回路ユニット３へ供給されたゲート駆動信号は、不図示の配線を介してゲート電極及びエミッタ電極に入力される。

図８に示すように、制御回路基板１には、高電圧回路領域１３と低電圧回路領域１１とが形成される。高電圧回路領域１３は、制御回路基板１の基板面に対する垂直方向視において、インバータ回路ユニット３における各レッグの各上段アーム及び各下段アームの実装領域に重なるように形成される。尚、垂直方向視において重なる配置とは、一方の一部が他方の一部に重なる配置、一方の全部が他方の一部に重なる配置、一方の一部が他方の全部に重なる配置の何れをも含む。従って、各上段アーム及び各下段アームの実装領域の一部又は全部が、高電圧回路領域１３の一部又は全部と重なる配置の全てが含まれる。低電圧回路領域１１は、制御回路基板１の基板面に対する垂直方向視において、インバータ回路ユニット３における上段アームの実装領域と下段アームの実装領域との間の中間領域に重なるように形成される。中間領域に重なるように形成される低電圧回路領域１１には、制御回路５や電源制御回路２７が配置される。

全ての高電圧回路領域１３には、ドライバ回路６が配置されるドライバ回路配置領域１４が設けられる。即ち、ドライバ回路６は、制御回路基板１の基板面に対する垂直方向視において、インバータ回路ユニット３における各ＩＧＢＴ３１の実装領域に重なるように配置される。また、上段アーム及び下段アームの何れか一方の実装領域に重なるように形成された高電圧回路領域１３には、温度検出回路７が配置される温度検出回路配置領域１５が設けられる。即ち、温度検出回路７は、制御回路基板１の基板面に対する垂直方向視において、インバータ回路ユニット３における各レッグの上段アーム及び下段アームの何れか一方の実装領域に重なるように配置される。

上段アーム及び下段アームの何れか他方の実装領域に重なる領域では、温度検出回路７が設けられないために、高電圧回路領域１３が縮小される。そして、高電圧回路領域１３の縮小によって生じた領域に、電流検出回路２が配置される電流検出回路配置領域１６となる低電圧回路領域１１が形成される。具体的には、図８に示すように、温度検出回路７が配置されない側のアームの実装領域に重なる領域において、中間領域に重なる領域から桟橋状に突出するように低電圧回路領域１１が形成される。この突出した低電圧回路領域１１は、電流検出回路２が配置される電流検出回路配置領域１６となる。より具体的には、制御回路基板１の基板面に対する垂直方向視において、交流電力線５２に重なるように低電圧回路領域１１が形成され、その低電圧回路領域１１に電流検出回路２が配置される。これにより、電流検出回路２の検出部は、交流電力線５２に重なるように配置されることが可能となる。

ここで、本実施形態における電流検出の原理について補足する。導体を流れる電流により発生する磁束をホール素子などの磁気検出素子で検出することにより、導体に接触することなく電流値を求めることが可能であり、本実施形態の電流検出回路２もこの方式を採用している。さらに、図９に示すように、電流検出回路２は、交流電力線５２などの導体を周回して磁束Ｈを集める集磁コアを用いることなく、磁束Ｈを検出して電流Ｉを検出するコアレス方式を採用している。本実施形態の電流検出回路２は、図１０に示すように、ホール素子２１とホール素子２１の出力を少なくともインピーダンス変換するバッファアンプ２２とが集積された集積回路（ＩＣ）チップとして構成される。このＩＣチップあるいは、ＩＣチップに内蔵されたホール素子２１は、本発明の検出部に相当する。また、交流電力線５２などの導体を周回することなく、磁束の方向を変えたり、ホール素子２１に対して磁束を収束させたりするコアを備える場合には、そのようなコアも本発明の検出部に相当する。図８に示すように、制御回路基板１の基板面に対する垂直方向視において、電流検出回路２の検出部が交流電力線５２に重なるように配置されると、交流電力線５２を流れる電流により発生する磁束Ｈが良好に検出部に入力され、高精度に電流を検出することができる。

交流電力線５２を流れる電流により発生する磁束Ｈの磁束密度は、交流電力線５２に近いほど強くなる。従って、電流検出回路２の検出部は交流電力線５２の近くに配置される方が、高いＳ／Ｎ比で磁束Ｈを検出できて好適である。従って、少なくとも検出部が、図８における制御回路基板１の裏面側、即ちインバータ回路ユニット３側においてバスバー５０に対向するように電流検出回路２が実装されると好適である。但し、単一の部品だけが異なる面に実装されると、生産コストの上昇につながる。また、回路部品の耐熱性など、その他の理由によりインバータ回路ユニット３側への実装が好ましくない場合も有り得る。従って、裏面への実装は必須ではなく、必要とされる磁束Ｈが得られるのであれば、制御回路基板１の上面に検出部が実装されてもよい。

上述したように、制御回路基板１に実装され、インバータ回路を制御する制御回路５は、マイクロコンピュータなどの論理演算回路を中核として構成される。図８に示すように、そのようなマイクロコンピュータ４は、インバータ回路の各アームに均衡する位置に実装されると好適である。但し、突出して形成される電流検出回路配置領域１６から電流検出回路２の検出結果をマイクロコンピュータ４（論理演算回路）へ伝送する信号線の距離は比較的長くなる。このため、この信号線には、図８及び図１０に示すようにノイズ抑制フィルタＦが備えられる。

制御回路基板１は、スイッチング制御されて制御回路５に比べて高い電圧で動作して多くの電流が流れるインバータ回路モジュール３に対して平行に設置されている。また、制御回路基板１には、制御回路５に比べて高い電圧で動作する回路が配置された高電圧回路領域１３も形成されている。このため、電流検出回路２の検出結果を伝送する信号線も、高いエネルギーを持つノイズを受けることになる。従って、少なくとも、マイクロコンピュータ４（論理演算回路）の直前にノイズ抑制フィルタＦ１（Ｆ）が備えられると、伝送線路上で受けたノイズのマイクロコンピュータ４への侵入を抑制することができる。その結果、マイクロコンピュータ４は、信頼性の高い電流検出結果を利用することができる。さらに、電流検出回路２から信号線へ出力された直後にもノイズ抑制フィルタＦ２（Ｆ）が備えられると、伝送線路上で受けたノイズによる電流検出回路２への影響も抑制することができる。その結果、電流検出回路２は安定して信頼性の高い検出結果を出力することができる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態においては、温度検出回路７が、下段アームの実装領域に重なるように配置され、電流検出回路２が、上段アームの実装領域に重なるように配置される例を示した。インバータ回路の直流電源電圧の正極Ｐ側に接続される上段アームのＩＧＢＴ３１は、オン状態となった時にエミッタ端子の電位がほぼ正極Ｐの電位となる。図１に示したようなＮＰＮ型のトランジスタ構造を有したＩＧＢＴ３１は、ゲート端子とエミッタ端子との間に所定の電位差を与えた場合にターンオンする。従って、ゲート駆動信号のローレベルの電位は、ほぼ正極Ｐの電位となる。その結果、高電圧回路領域１３の負側の電位もほぼ正極Ｐの電位となり、高電圧回路領域１３の正側の電位は正極ＰにトランスＬの２次側電位を加えた電位となる。これに対し、下段アームのＩＧＢＴ３１は、負極Ｎ側と接続されるため、オン状態となった時にもエミッタ端子の電位は負極Ｎの電位である。従って、ゲート駆動信号のローレベルの電位は、ほぼ負極Ｎの電位となる。高電圧回路領域１３の負側の電位もほぼ負極Ｎの電位であり、高電圧回路領域１３の正側の電位はトランスＬの２次側電位となる。

このため、上段アームのドライバ回路６を含む高電圧回路領域１３は、下段アームのドライバ回路６を含む高電圧回路領域１３に比べて、低電圧回路領域１１などの他の回路との間に長い絶縁距離を設ける必要がある。図８〜図１０を利用して上述したように、近年、電流検出回路は、１つのＩＣチップによって実現可能なものも実用化されている。本実施形態においても、電流検出回路２は、そのような小規模な回路構成である。従って、このように小規模に実現可能な電流検出回路２に比べて、温度検出回路７の回路規模が大きくなる場合には、上述したように、広い実装スペースを確保可能な温度検出回路７が下段アームの実装領域に重なるように配置されると好適である。効率的に制御回路基板２に種々の回路を配置することが可能となる。

しかし、このような配置に限定されることなく、温度検出回路７が、上段アームの実装領域に重なるように配置され、電流検出回路２が、下段アームの実装領域に重なるように配置されてもよい。つまり、制御回路基板２において、上段アーム及び下段アームの何れか一方の実装領域に重なるようにドライバ回路６と温度検出回路７とが配置され、何れか他方の実装領域に重なるようにドライバ回路６と電流検出回路２とが配置されてもよい。即ち、制御回路基板１において、上段アーム及び下段アームの実装領域に重なる領域の内、温度検出回路７が配置されずに余裕のある領域に、電流検出回路２が配置されることになる。従って、制御回路基板１に電流検出回路２を配置しても、制御回路基板１の基板面積の増大を抑制することは可能である。

特に、電流検出回路２と温度検出回路７との回路の規模の差が問題ではないような場合には、何れのアームに重なるように配置されても制御回路基板１の基板面積の増大させることはほとんどない。また、電流検出回路２の回路規模の方が大きい場合には、積極的に、温度検出回路７を上段アームの実装領域に重なるように配置し、電流検出回路２を下段アームの実装領域に重なるように配置してもよい。

また、上記実施形態においては、インバータ回路が３レッグで構成され、直流と３相交流との間で電力変換を行うインバータ装置を例として説明したが、当然ながらその構成に限定されるものではない。少なくとも１つのレッグを有して構成され、直流と交流との間で電力変換を行うインバータ装置においても本発明を適用可能である。

本発明は、直流と交流との間で電力を変換するインバータ装置や、インバータ装置を介して交流回転電機を制御する回転電機制御装置に適用することができる。

１：制御回路基板
２：電流検出回路
３：インバータ回路ユニット
４：マイクロコンピュータ（論理演算回路）
５：制御回路
６：ドライバ回路
７：温度検出回路
８：電流検出回路の検出結果を論理演算回路へ伝送する信号線
５２：交流電流線
１１：低電圧回路領域
１３：高電圧回路領域
１４：ドライバ回路配置領域
１５：温度検出回路配置領域
１６：電流検出回路配置領域
２１：電流検出回路の検出部
３１：ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ：ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
５２：交流電力線
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２：ノイズ抑制フィルタ
Ｎ：負極
Ｐ：正極

Claims (4)

1. 直流と交流との間で電力を変換するインバータ装置であって、
   正極側に接続される上段アームを構成する少なくとも１つのスイッチング素子と負極側に接続される下段アームを構成する少なくとも１つのスイッチング素子とを有する少なくとも１つのレッグを有するインバータ回路が平面的に配置されて形成されるインバータ回路ユニットと、前記インバータ回路ユニットに平行に設置される制御回路基板とを備え、
   前記制御回路基板は、各スイッチング素子に対する制御信号を供給するドライバ回路と、前記レッグの前記上段アーム及び前記下段アームの何れか一方側の前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出回路と、前記レッグに接続される交流電力線に流れる交流電流を非接触で検出する電流検出回路とを備え、
   前記ドライバ回路は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける各スイッチング素子の実装領域に重なるように配置され、
   前記温度検出回路は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける各レッグの前記上段アーム及び前記下段アームの何れか一方の実装領域に重なるように配置され、
   前記電流検出回路は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける各レッグの前記上段アーム及び前記下段アームの何れか他方の実装領域に重なるように配置され、
   前記制御回路基板は、前記インバータ回路をスイッチング制御する制御回路を更に備えると共に、前記スイッチング素子の制御端子駆動電圧に対応する電源電圧が供給され、前記ドライバ回路及び前記温度検出回路が配置される高電圧回路領域と、前記制御端子駆動電圧よりも低い電圧である前記制御回路の電源電圧が供給され、前記制御回路及び前記電流検出回路が配置される低電圧回路領域とを有して構成され、
   前記高電圧回路領域は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける前記上段アーム及び前記下段アームの実装領域に重なるように形成され、
   前記低電圧回路領域は、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記インバータ回路ユニットにおける前記上段アームの実装領域と前記下段アームの実装領域との間の中間領域に重なるように形成され、
   前記電流検出回路は、前記中間領域に重なる領域から前記上段アーム又は前記下段アームの実装領域に重なる領域に対して突出するように形成される前記低電圧回路領域に配置されるインバータ装置。
2. 前記温度検出回路は、前記下段アームの実装領域に重なるように配置され、前記電流検出回路は、前記上段アームの実装領域に重なるように配置される請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記インバータ回路は、直流と３相交流との間で電力変換を行うものであり、前記上段アームが隣接すると共に前記下段アームが隣接した３レッグで構成され、各レッグの前記上段アームと前記下段アームとを結ぶ方向に沿って前記交流電力線が配置され、前記制御回路基板の基板面に対する垂直方向視において、前記電流検出回路の検出部が前記交流電力線に重なるように配置される請求項１又は２に記載のインバータ装置。
4. 前記制御回路基板は、前記インバータ回路を制御する論理演算回路を備え、前記電流検出回路の検出結果を前記論理演算回路へ伝送する信号線の少なくとも前記論理演算回路の直前にノイズ抑制フィルタが備えられる請求項１から３の何れか一項に記載のインバータ装置。

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