JP5842888B2 - 絶縁電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、上アーム用スイッチング素子及び下アーム用スイッチング素子の直列接続体を備える電力変換回路に適用され、直流電源から前記上アーム用スイッチング素子に対して駆動用電圧を供給可能な上アーム用トランスと、前記直流電源から前記下アーム用スイッチング素子に対して駆動用電圧を供給可能な下アーム用トランスとを備える絶縁電源装置に関する。
この種の絶縁電源装置としては、下記特許文献1に見られるものが知られている。詳しくは、この電源装置は、複数のトランスと、複数のトランスのそれぞれを構成する1次側コイル及び直流電源の間を導通状態又は遮断状態とすべく操作されるトランジスタと、トランスジスタを操作する制御回路とを備えている。
特開平11−178356号公報
ところで、絶縁電源装置を構成する複数のトランス及び制御回路等の電子部品は、基板に設けられている。本発明者らは、電子部品の以下に説明する配置手法を取り入れた絶縁電源装置を採用することとした。
詳しくは、絶縁電源装置を構成する基板には、複数の上アーム用接続部と、複数の下アーム用接続部とが設けられている。複数の上アーム用接続部は、複数の上アーム用スイッチング素子を基板に接続するために設けられ、具体的には、基板の板面の正面視において一列に並ぶように設けられている。また、複数の下アーム用接続部は、複数の下アーム用スイッチング素子を基板に接続するために設けられ、具体的には、基板の板面の正面視において、複数の上アーム用接続部が並ぶ方向に一列に並ぶように設けられている。そして、一列に並ぶ複数の上アーム用接続部と、一列に並ぶ複数の下アーム用接続部とは、基板の板面の正面視において、並列に設けられている。
一方、上アーム用トランス及び直流電源のそれぞれは、基板の板面の正面視において、複数の上アーム用接続部に対して複数の下アーム用接続部とは反対側の領域に設けられている。また、制御回路は、基板の板面の正面視において、上アーム用トランスに対して複数の上アーム用接続部とは反対側の領域、並びに基板の板面の正面視において、複数の上アーム用接続部が並ぶ方向で基板の一辺に最も近い上,下アーム用接続部の少なくとも一方と上記一辺とで挟まれる領域のうち少なくとも一方の領域に設けられている。さらに、下アーム用トランスは、基板の板面の正面視において、複数の下アーム用接続部に対して複数の上アーム用接続部とは反対側の領域に設けられている。
こうした構成において、上記特許文献1に記載された技術を適用すると、複数の下アーム用スイッチング素子のそれぞれに対応して下アーム用トランスを個別に設けることとなる。この場合、下アーム用トランスを構成する1次側コイルと直流電源とを接続するための配線パターンを、複数の下アーム用トランスのそれぞれに対応して基板に設けることとなる。このため、下アーム用トランスを構成する1次側コイル及び直流電源を接続する配線パターンが長くなったり、配線パターンの数が多くなったりする。
特に、本発明者らが採用する電子部品の配置手法では、上アーム用接続部及び下アーム用接続部を挟むように上,下アーム用トランスのそれぞれが設けられる。このため、配線パターン、直流電源、トランジスタ、1次側コイル、及び絶縁電源装置のグラウンドを含むループが大きくなったり、ループの数が多くなったりする懸念がある。ループが大きくなったり、ループの数が増えたりすると、トランジスタのスイッチングに起因した放射ノイズが増大するおそれがある。
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、放射ノイズを好適に抑制することのできる絶縁電源装置を提供することにある。
上記課題を解決すべく、本発明は、上アーム用スイッチング素子(Scp,S1¥p,S2¥p)及び下アーム用スイッチング素子(Scn,S1¥n,S2¥n)の直列接続体を備える電力変換回路(12,22,30)に適用され、前記電力変換回路は、複数の前記直列接続体の並列接続体を備え、直流電源(42)に接続可能な1次側コイル(60a,62a,64a,66a,90a,92a,94a)、及び前記上アーム用スイッチング素子の駆動用電圧を前記上アーム用スイッチング素子に対して供給可能な2次側コイル(60b,62b,64b,66b,90b,92b,94b)を有し、基板(150)に設けられた上アーム用トランス(60,62,64,66,90,92,94)と、前記直流電源に接続可能な1次側コイル(68a,96a)、及び前記下アーム用スイッチング素子の駆動用電圧を前記下アーム用スイッチング素子に対して供給可能な2次側コイル(68b,96b)を有し、前記基板に設けられた下アーム用トランス(68,96)と、前記上アーム用トランス及び前記下アーム用トランスのそれぞれを構成する前記1次側コイルに前記直流電源の電圧を印加すべくオンオフ操作される電圧制御用スイッチング素子(80,110)、並びに前記電圧制御用スイッチング素子をオンオフ操作する集積回路(52,54)を有し、前記基板に設けられた電源制御部(CT1,CT2)と、前記基板に設けられ、前記下アーム用トランスを構成する前記1次側コイル及び前記直流電源を接続する配線パターン(L1,L2,L3,L4)と、複数の前記上アーム用スイッチング素子を前記基板に接続するための複数の上アーム用接続部(Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wp,T2Up,T2Vp,T2Wp)であって、前記基板の板面の正面視において一列に並ぶように前記基板に設けられた複数の前記上アーム用接続部と、複数の前記下アーム用スイッチング素子を前記基板に接続するための複数の下アーム用接続部(Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wn,T2Un,T2Vn,T2Wn)であって、前記基板の板面の正面視において、複数の前記上アーム用接続部が並ぶ方向に一列に並ぶように前記基板に設けられた複数の前記下アーム用接続部と、を備え、前記電圧制御用スイッチング素子は、自身がオン操作されることにより、前記直流電源、前記上アーム用トランス及び前記下アーム用トランスのそれぞれを構成する複数の前記1次側コイル、前記配線パターン、並びに前記電圧制御用スイッチング素子を含む閉回路を形成可能なように設けられ、一列に並ぶ複数の前記上アーム用接続部と、一列に並ぶ複数の前記下アーム用接続部とは、前記基板の板面の正面視において、並列に設けられ、前記上アーム用トランス及び前記直流電源のそれぞれは、前記基板の板面の正面視において、複数の前記上アーム用接続部に対して複数の前記下アーム用接続部とは反対側の領域に設けられ、前記電源制御部は、前記基板の板面の正面視において、前記上アーム用トランスに対して複数の前記上アーム用接続部とは反対側の領域、並びに前記基板の板面の正面視において、複数の前記上アーム用接続部が並ぶ方向で、前記基板の一辺に最も近い前記上アーム用接続部及び前記下アーム用接続部の少なくとも一方と前記一辺とで挟まれる領域のうち少なくとも一方の領域に設けられ、前記下アーム用トランスは、前記基板の板面の正面視において、複数の前記下アーム用接続部に対して複数の前記上アーム用接続部とは反対側の領域に設けられ、前記下アーム用トランスは、複数の前記下アーム用スイッチング素子のうち少なくとも2つについての共通のトランスであることを特徴とする。
上記発明では、下アーム用トランスを、複数の下アーム用スイッチング素子のうち少なくとも一部に対して駆動用電圧を供給可能な共通のトランスとすることで、絶縁電源装置を構成する下アーム用トランスの数を減らすことができる。このため、下アーム用トランスを構成する1次側コイルと直流電源とを接続する配線パターンを短くしたり、配線パターンの数を減らしたりすることができる。これにより、配線パターン、直流電源、電圧制御用スイッチング素子、1次側コイル及び絶縁電源装置のグラウンドを含むループを小さくしたり、ループの数を減らしたりするような配線パターンを基板に設けることができる。したがって、電圧制御用スイッチング素子のスイッチングに起因した放射ノイズを好適に抑制することができる。
第1の実施形態にかかるモータ制御システムの全体構成図。 同実施形態にかかる半導体モジュールの構成を示す斜視図。 同実施形態にかかる半導体モジュールの内部構成を示す図。 同実施形態にかかる絶縁電源装置を示す図。 同実施形態にかかる絶縁電源装置を示す図。 同実施形態にかかるIGBT駆動回路を示す図。 同実施形態にかかるトランスの斜視図。 同実施形態にかかるトランスの平面図。 図8における環状部のA−A断面図。 第1の実施形態にかかる基板の平面図。 関連技術にかかる絶縁電源装置を示す図。 第2の実施形態にかかる基板の平面図。 第3の実施形態にかかる基板の平面図。
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる絶縁電源装置を車載主機として回転機及びエンジンを備えるハイブリッド車に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように、モータ制御システムは、第1のモータジェネレータ10、第2のモータジェネレータ20、第1のインバータ12、第2のインバータ22、昇圧コンバータ30、及び制御装置40を備えている。第1のモータジェネレータ10及び第2のモータジェネレータ20は、図示しない動力分割機構を介して駆動輪や車載主機としてのエンジンに連結されている。第1のモータジェネレータ10は、第1のインバータ12に接続され、エンジンのクランク軸に初期回転を付与するスタータや、車載機器に給電するための発電機等の役割を果たす。一方、第2のモータジェネレータ20は、第2のインバータ22に接続され、車載主機等の役割を果たす。第1のインバータ12及び第2のインバータ22は、3相インバータであり、昇圧コンバータ30を介して高電圧バッテリ50(例えば、リチウムイオン2次電圧やニッケル水素2次電池)に接続されている。なお、本実施形態において、第1のインバータ12、第2のインバータ22及び昇圧コンバータ30のそれぞれが「電力変換回路」に相当する。
昇圧コンバータ30は、コンデンサ32、リアクトル34、上アーム昇圧スイッチング素子Scp、及び下アーム昇圧スイッチング素子Scnを備えている。詳しくは、これら昇圧スイッチング素子Scp,Scnは、互いに直列接続されている。上アーム昇圧スイッチング素子Scp及び下アーム昇圧スイッチング素子Scnの直列接続体は、コンデンサ32に並列接続され、上記直列接続体の接続点は、リアクトル34を介して高電圧バッテリ50の正極端子に接続されている。昇圧コンバータ30は、これら昇圧スイッチング素子Scp,Scnのオン操作(閉操作)及びオフ操作(開操作)によって、高電圧バッテリ50の出力電圧(例えば288V)を所定の電圧(例えば「650V」)を上限として昇圧する機能を有する。
第1のインバータ12は、第1の¥相上アームスイッチング素子S1¥p(¥=U,V,W)、及び第1の¥相下アームスイッチング素子S1¥nの直列接続体を3組備えている。一方、第2のインバータ22は、第2の¥相上アームスイッチング素子S2¥p、及び第2の¥相下アームスイッチング素子S2¥nの直列接続体を3組備えている。
ちなみに、本実施形態では、上記スイッチング素子Sc#,S1¥#,S2¥#(#=p,n)として、電圧制御形の半導体スイッチング素子が用いられ、より具体的には、IGBTが用いられている。そして、スイッチング素子Sc#,S1¥#,S2¥#には、フリーホイールダイオードDc#,D1¥#,D2¥#が逆並列に接続されている。
また、本実施形態において、上アーム昇圧スイッチング素子Scp、第1の¥相上アームスイッチング素子S1¥p及び第2の¥相上アームスイッチング素子S2¥pのそれぞれが「上アーム用スイッチング素子」に相当する。さらに、下アーム昇圧スイッチング素子Scn、第1の¥相下アームスイッチング素子S1¥n及び第2の¥相下アームスイッチング素子S2¥nのそれぞれが「下アーム用スイッチング素子」に相当する。
上アーム昇圧スイッチング素子Scp、これに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードDcp、下アーム昇圧スイッチング素子Scn、及びこれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードDcnは、モジュール化されて昇圧モジュールMcを構成している。
また、第1の¥相上アームスイッチング素子S1¥p、これに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードD1¥p、第1の¥相下アームスイッチング素子S1¥n、及びこれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードD1¥nは、モジュール化されて第1の¥相モジュールM1¥を構成している。
さらに、第2の¥相上アームスイッチング素子S2¥p、これに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードD2¥p、第2の¥相下アームスイッチング素子S2¥n、及びこれに逆並列に接続されたフリーホイールダイオードD2¥nは、モジュール化されて第2の¥相モジュールM2¥を構成している。
上記モジュールの構成について、図2及び図3を用いて、第1の¥相モジュールM1¥を例にして説明する。
第1の¥相モジュールM1¥は、第1の¥相上,下アームスイッチング素子S1¥p,S1¥n及びフリーホイールダイオードD1¥p,D1¥nを内蔵した本体部51と、本体部51から突出した複数の制御端子と、本体部51から突出した複数のパワー端子とを備えている。複数の制御端子は、第1の¥相上アームスイッチング素子S1¥pのゲート端子Gp、第1の¥相上アームスイッチング素子S1¥pのケルビンエミッタ端子KEp、第1の¥相下アームスイッチング素子S1¥nのゲート端子Gn、及び第1の¥相下アームスイッチング素子S1¥nのケルビンエミッタ端子KEnを含む。ここで、ケルビンエミッタ端子KEp,KEnとは、スイッチング素子S1¥p,S1¥nの出力端子(エミッタ)と同電位の端子である。
なお、実際には、複数の制御端子は、上記ゲート端子Gp,Gn及びケルビンエミッタ端子KEp,KEnに加えて、第1の¥相上,下アームスイッチング素子S1¥p,S1¥nの入力端子(コレクタ)及びエミッタ間を流れる電流(コレクタ電流)と相関を有する微小電流を出力するためのセンス端子等を備える。ただし、図2及び図3では、センス端子等の図示を省略している。
パワー端子は、第1の¥相上アームスイッチング素子S1¥pのコレクタに短絡されるコレクタ端子TC、第1の¥相下アームスイッチング素子S1¥nのエミッタに短絡されるエミッタ端子TE、並びに第1の¥相上アームスイッチング素子S1¥pのエミッタ及び第1の¥相下アームスイッチング素子S1¥nのコレクタの接続点に短絡された接続端子TAである。
本体部51は、扁平な直方体形状をなしている。本体部51の対向する一対の表面のうち一方の面には、この表面から垂直に突出するように複数の制御端子が設けられている。また、他方の面には、この表面から垂直に突出するようにパワー端子が設けられている。
先の図1に戻り、昇圧モジュールMc、第1の¥相モジュールM1¥及び第2の¥相モジュールM2¥のそれぞれのコレクタ端子TC同士は接続されている。また、昇圧モジュールMc、第1の¥相モジュールM1¥及び第2の¥相モジュールM2¥のそれぞれのエミッタ端子TEは、高電圧バッテリ50の負極端子に接続されている。
第1の¥相モジュールM1¥の接続端子TAは、第1のモータジェネレータ10の¥相に接続されている。一方、第2の¥相モジュールM2¥の接続端子TAは、第2のモータジェネレータ20の¥相に接続されている。他方、昇圧モジュールMcの接続端子TAは、リアクトル34の両端のうち、高電圧バッテリ50の正極端子が接続された側とは反対側に接続されている。
制御装置40は、低電圧バッテリ42を電源とし、マイコンを主体として構成されている。制御装置40は、第1,第2のモータジェネレータ10,20の制御量(トルク)をその指令値(以下、指令トルクTrq*)に制御すべく、第1,第2のインバータ12,22や昇圧コンバータ30を操作する。詳しくは、制御装置40は、第1のインバータ12を構成するスイッチング素子S1¥#をオンオフ操作すべく、操作信号g1¥#を生成してスイッチング素子S1¥#の駆動回路に対して出力する。また、制御装置40は、第2のインバータ22を構成するスイッチング素子S2¥#をオンオフ操作すべく、操作信号g2¥#を生成してスイッチング素子S2¥#の駆動回路に対して出力する。さらに、制御装置40は、昇圧コンバータ30を構成するスイッチング素子Sc#をオンオフ操作すべく、操作信号gc#を生成してスイッチング素子Sc#の駆動回路に対して出力する。
なお、以下の説明において、上,下アーム昇圧スイッチング素子Scp,Scnを駆動する駆動回路を上,下アーム昇圧駆動回路Drcp,Drcnと称し、第1の¥相上,下アームスイッチング素子S1¥p,S1¥nを駆動する駆動回路を第1の¥相上,下アーム駆動回路Dr1¥p,Dr1¥nと称すこととする。また、第2の¥相上,下アームスイッチング素子S2¥p,S2¥nを駆動する駆動回路を第2の¥相上,下アーム駆動回路Dr2¥p,Dr2¥nと称すこととする。
さらに、本実施形態において、駆動回路Drcp,Dr1¥p,Dr2¥pのそれぞれが「上アーム用駆動回路」に相当し、駆動回路Drcn,Dr1¥n,Dr2¥nのそれぞれが「下アーム用駆動回路」に相当する。すなわち、上アーム用駆動回路は、上アーム用スイッチング素子のそれぞれに対応して個別に設け、下アーム用駆動回路は、下アーム用スイッチング素子のそれぞれに対応して個別に設けられている。
ちなみに、上アーム用操作信号gcp,g1¥p,g2¥pと、対応する下アーム用操作信号gcn,g1¥n,g2¥nとは、互いに相補的な信号となっている。すなわち、上アーム用スイッチング素子Scp,S1¥p,S2¥pと、対応する下アーム用スイッチング素子Scn,S1¥n,S2¥nとは、交互にオン状態とされる。
低電圧バッテリ42(補機バッテリともいう)は、その出力電圧が高電圧バッテリ50の出力電圧よりも低い蓄電池(例えば鉛蓄電池)である。
インターフェース44は、高電圧バッテリ50、第1,第2のインバータ12,22、昇圧コンバータ30及び第1,第2のモータジェネレータ10,20を備える高電圧システムと、低電圧バッテリ42及び制御装置40を備える低電圧システムとの間を電気的に絶縁しつつ、これらシステム間の信号の伝達を行う機能を有する。本実施形態において、インターフェース44は、光絶縁素子(フォトカプラ)を備えている。なお、本実施形態において、低電圧システムの基準電位VstLと、高電圧システムの基準電位VstHとは相違している。特に、本実施形態では、高電圧システムの基準電位VstHが高電圧バッテリ50の負極端子の電位に設定され、低電圧システムの基準電位VstLが高電圧バッテリ50の正極端子の電位及び負極端子の電位との中央値である車体電位に設定されている。
続いて、図4及び図5を用いて、各スイッチング素子Sc#,S1¥#,S2¥#を駆動する駆動回路Drc#,Dr1¥#,Dr2¥#に対して駆動用電圧を供給する絶縁電源装置について説明する。
本実施形態では、第1のインバータ12、第2のインバータ22及び昇圧コンバータ30を、第1のインバータ12及び昇圧コンバータ30の組と、第2のインバータ22とに分ける。そして、第1のインバータ12及び昇圧コンバータ30の組に対応して第1の電源IC52を設け、第2のインバータ22に対応して第2の電源IC54を設ける。そして、第1の電源IC52によって上,下アーム昇圧駆動回路Drcp,Drcnと、第1の¥相上,下アーム駆動回路Dr1¥p,Dr1¥nとに供給される駆動用電圧を制御し、第2の電源IC54によって第2の¥相上,下アーム駆動回路Dr2¥p,Dr2¥nに供給される駆動用電圧を制御する。
まず、図4に、第1の電源IC52を制御主体とする絶縁電源装置を示す。
図4に示す絶縁電源装置は、第1〜第5のトランス60,62,64,66,68、第1〜第5のダイオード70a,72a,74a,76a,78a、第1〜第5のコンデンサ70b,72b,74b,76b,78b、1つのNチャネルMOSFET(以下、第1の電圧制御用スイッチング素子80)、及び第1のフィードバック回路82を備えるフライバック式のスイッチング電源である。なお、本実施形態では、第1〜第5のコンデンサ70b,72b,74b,76b,78bとして、電解コンデンサを用いている。また、本実施形態において、第1〜第4のトランス60,62,64,66のそれぞれが「上アーム用トランス」に相当し、第5のトランス68が「下アーム用トランス」に相当する。
上アーム用トランスは、複数の上アーム用スイッチング素子のそれぞれに対応して個別に設けられている。詳しくは、第1のトランス60は、上アーム昇圧駆動回路Drcpに対して駆動用電圧を供給し、第2のトランス62は、第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upに対して駆動用電圧を供給する。また、第3のトランス64は、第1のV相上アーム駆動回路Dr1Vpに対して駆動用電圧を供給し、第4のトランス66は、第1のW相上アーム駆動回路Dr1Wpに対して駆動用電圧を供給する。
一方、下アーム用トランスは、複数の下アーム用スイッチング素子のそれぞれについての共通のトランスであり、また、複数の下アーム用スイッチング素子のそれぞれに対して駆動用電圧を供給可能な共通の2次側コイルを有している。詳しくは、上記共通のトランスである第5のトランス68は、下アーム昇圧駆動回路Drcn及び第1のU,V,W相下アーム駆動回路Dr1Un,Dr1Vn,Dr1Wnに対して駆動用電圧を供給する。
低電圧バッテリ42の正極端子は、第1〜第5のトランス60,62,64,66,68を構成する第1〜第5の1次側コイル60a,62a,64a,66a,68aの並列接続体と、第1の電圧制御用スイッチング素子80とを介して低電圧バッテリ42の負極端子に接続されている。すなわち、第1の電圧制御用スイッチング素子80は、自身がオン操作されることにより、第1〜第5の1次側コイル60a,62a,64a,66a,68aの並列接続体、低電圧バッテリ42及び第1の電圧制御用スイッチング素子80を含む閉回路を形成可能なように設けられている。
第1のトランス60を構成する第1の2次側コイル60bは、第1のダイオード70a及び第1のコンデンサ70bを介して上アーム昇圧駆動回路Drcpに接続されている。また、第2のトランス62を構成する第2の2次側コイル62bは、第2のダイオード72a及び第2のコンデンサ72bを介して第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upに接続されている。さらに、第3のトランス64を構成する第3の2次側コイル64bは、第3のダイオード74a及び第3のコンデンサ74bを介して第1のV相上アーム駆動回路Dr1Vpに接続されている。加えて、第4のトランス66を構成する第4の2次側コイル66bは、第4のダイオード76a及び第4のコンデンサ76bを介して第1のW相上アーム駆動回路Dr1Wpに接続されている。
第4のトランス66は、さらに、「電圧検出用コイル」としての第1のフィードバックコイル66cを備えている。第1のフィードバックコイル66cは、第1のフィードバック回路82を介して第1の電源IC52に入力される。詳しくは、第1のフィードバック回路82は、第1の検出用ダイオード82a、第1の検出用コンデンサ82b、第1の抵抗体82c、及び第2の抵抗体82dを備えている。第1のフィードバック回路82は、第1のフィードバックコイル66cの出力電圧を直流電圧に変換する、いわゆる整流機能を有している。第1のフィードバックコイル66cの出力電圧は、第1の検出用ダイオード82aを通過した後、第1の抵抗体82c及び第2の抵抗体82dによって分圧される。第1の抵抗体82c及び第2の抵抗体82dによって分圧された電圧(以下、第1のフィードバック電圧Vfb1)は、第1の電源IC52の第1の検出端子Tfb1を介して第1の電源IC52に入力される。ちなみに、図4には、第4のトランス66の端子Ta1〜Ta4,Ta5,Ta8等が記載されている。これら端子については、後に詳述する。
第5のトランス68を構成する第5の2次側コイル68bは、第5のダイオード78a及び第5のコンデンサ78bを介して、下アーム昇圧駆動回路Drcnと、第1のU,V,W相下アーム駆動回路Dr1Un,Dr1Vn,Dr1Wnとに接続されている。
なお、本実施形態において、第1〜第5の2次側コイル60b,62b,64b,66b,68bの巻数と、第1のフィードバックコイル66cの巻数とは、互いに同一に設定されている。これは、第1のフィードバックコイル66cの出力電圧と、第1〜第5の2次側コイル60b,62b,64b,66b,68bの出力電圧とを同一とすることを狙った設定である。
第1の電源IC52は、1つの集積回路であり、第1のフィードバック電圧Vfb1を目標電圧Vtgtにフィードバック制御すべく、第1の電圧制御用スイッチング素子80をオンオフ操作する。本実施形態では、第1の電源IC52、第1の電圧制御用スイッチング素子80及び第1のフィードバック回路82を備えて第1の電源制御部CT1が構成されている。
ここで、本実施形態では、上アーム用トランスである第1〜第4のトランス60,62,64,66の巻数比(2次側コイルの巻数を1次側コイルの巻数で除算した値)が、下アーム用トランスである第5のトランス68の巻数比よりも小さく設定されている。これは、第1〜第5のトランス60,62,64,66,68の出力電圧のばらつきを小さくするための設定である。
つまり、本実施形態では、第1の2次側コイル60bから上アーム昇圧駆動回路Drcpへと供給される電流I1や、第2〜第4の2次側コイル62b,64b,66bから第1のU,V,W相上アーム駆動回路Dr1Up,Dr1Vp,Dr1Wpへと供給される電流I2よりも、第5の2次側コイル68bから第1のU,V,W相下アーム駆動回路Dr1Un,Dr1Vn,Dr1Wnへと供給される電流I3の方が大きい。ここで、2次側コイルの出力電圧は、ゲートに供給すべき充電電流が大きいほど低くなる。これは、例えば第1のU相上アームスイッチング素子S1Upを例にして説明すると、充電電流が大きいほど、第2の2次側コイル62bの出力電流が大きくなり、第2の2次側コイル62bの直流抵抗や第2のダイオード72a等による電圧降下量が大きくなるためである。
このため、第1〜第4のトランス60,62,64,66の巻数比を第5のトランス68の巻数比よりも小さく設定することで、第1〜第5のトランス60,62,64,66,68の出力電圧のばらつきを小さくする。
ちなみに、第1のトランス60の巻数比は、第2〜第4のトランス62,64,68の巻数比よりも大きく設定されている。これは、上,下アーム昇圧スイッチング素子Sc#をオン状態に切り替えるための上,下アーム昇圧スイッチング素子Sc#のゲートに供給すべき充電電流が、第1の¥相上,下アームスイッチング素子S1¥#をオン状態に切り替えるための第1の¥相上,下アームスイッチング素子S1¥#のゲートに供給すべき充電電流よりも大きく設定されているためである。すなわち、上,下アーム昇圧スイッチング素子Sc#のゲート充電電荷量Qg(Gate charge capacity)が、第1の¥相上,下アームスイッチング素子S1¥#のゲート充電電荷量Qgよりも大きく設定されているためである。
続いて、図5に、第2の電源IC54を制御主体とする絶縁電源装置を示す。
図5に示す絶縁電源装置は、第6〜第9のトランス90,92,94,96、第6〜第9のダイオード100a,102a,104a,106a、第6〜第9のコンデンサ100b,102b,104b,106b、1つのNチャネルMOSFET(以下、第2の電圧制御用スイッチング素子110)、及び第2のフィードバック回路112を備えるフライバック式のスイッチング電源である。なお、本実施形態では、第6〜第9のコンデンサ100b,102b,104b,106bとして、電解コンデンサを用いている。また、本実施形態において、第6〜第8のトランス90,92,94のそれぞれが「上アーム用トランス」に相当し、第9のトランス96が「下アーム用トランス」に相当する。
第6のトランス90は、第2のU相上アーム駆動回路Dr2Upに対して駆動用電圧を供給する。また、第7のトランス92は、第2のV相上アーム駆動回路Dr2Vpに対して駆動用電圧を供給する。さらに、第8のトランス94は、第2のW相上アーム駆動回路Dr2Wpに対して駆動用電圧を供給する。
一方、第9のトランス96は、第2のU,V,W相下アーム駆動回路Dr2Un,Dr2Vn,Dr2Wnに対して駆動用電圧を供給する。
低電圧バッテリ42の正極端子は、第6〜第9のトランス90,92,94,96を構成する第6〜第9の1次側コイル90a,92a,94a,96aの並列接続体と、第2の電圧制御用スイッチング素子110とを介して低電圧バッテリ42の負極端子に接続されている。すなわち、第2の電圧制御用スイッチング素子110は、自身がオン操作されることにより、第6〜第9の1次側コイル90a,92a,94a,96aの並列接続体、低電圧バッテリ42及び第2の電圧制御用スイッチング素子110を含む閉回路を形成可能なように設けられている。
第6のトランス90を構成する第6の2次側コイル90bは、第6のダイオード100a及び第6のコンデンサ100bを介して第2のU相上アーム駆動回路Dr2Upに接続されている。また、第7のトランス92を構成する第7の2次側コイル92bは、第7のダイオード102a及び第7のコンデンサ102bを介して第2のV相上アーム駆動回路Dr2Vpに接続されている。さらに、第8のトランス94を構成する第8の2次側コイル94bは、第8のダイオード104a及び第8のコンデンサ104bを介して第2のW相上アーム駆動回路Dr2Wpに接続されている。
第8のトランス94は、さらに、「電圧検出用コイル」としての第2のフィードバックコイル94cを備えている。第2のフィードバックコイル94cは、第2のフィードバック回路112を介して第2の電源IC54に入力される。詳しくは、第2のフィードバック回路112は、第2の検出用ダイオード112a、第2の検出用コンデンサ112b、第3の抵抗体112c、及び第4の抵抗体112dを備えている。第2のフィードバックコイル96cの出力電圧は、第2の検出用ダイオード112aを通過した後、第3の抵抗体112c及び第4の抵抗体112dによって分圧される。第3の抵抗体112c及び第4の抵抗体112dによって分圧された電圧(以下、第2のフィードバック電圧Vfb2)は、第2の電源IC54の第2の検出端子Tfb2を介して第2の電源IC54に入力される。
第9のトランス96を構成する第9の2次側コイル96bは、第9のダイオード106a及び第9のコンデンサ106bを介して、第2のU,V,W相下アーム駆動回路Dr2Un,Dr2Vn,Dr2Wnに接続されている。
なお、本実施形態において、第6〜第9の2次側コイル90b,92b,94b,96bの巻数と、第2のフィードバックコイル94cの巻数とは、互いに同一に設定されている。これは、第2のフィードバックコイル94cの出力電圧と、第6〜第9の2次側コイル90b,92b,94b,96bの出力電圧とを同一とすることを狙った設定である。
第2の電源IC54は、1つの集積回路であり、第2のフィードバック電圧Vfb2を目標電圧Vtgtにフィードバック制御すべく、第2の電圧制御用スイッチング素子110をオンオフ操作する。本実施形態では、第2の電源IC54、第2の電圧制御用スイッチング素子110及び第2のフィードバック回路112を備えて第2の電源制御部CT2が構成されている。
ここで、本実施形態では、上アーム用トランスである第6〜第8のトランス90,92,94の巻数比が、下アーム用トランスである第9のトランス96の巻数比よりも小さく設定されている。これは、第6〜第9のトランス90,92,94,96の出力電圧のばらつきを小さくするための設定である。つまり、本実施形態では、第6〜第8の2次側コイル90b,92b,94bから第2のU,V,W相上アーム駆動回路Dr2Up,Dr2Vp,Dr2Wpへと供給される電流I4よりも、第9の2次側コイル96bから第2のU,V,W相下アーム駆動回路Dr2Un,Dr2Vn,Dr2Wnへと供給される電流I5の方が大きい。
続いて、図6を用いて、本実施形態にかかる駆動回路Drc#,Dr1¥#,Dr2¥#の詳細について説明する。本実施形態では、これら駆動回路Drc#,Dr1¥#,Dr2¥#の構成が同一である。このため、駆動回路の構成について、第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upを例にして説明する。
第2のダイオード72a及び第2のコンデンサ72bの接続点は、図6に示す第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upの第1の端子T1に接続されている。一方、第2の2次側コイル62b及び第2のコンデンサ72bの接続点は、第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upの第2の端子T2に接続されている。
第1の端子T1は、PチャネルMOSFET(以下、充電用スイッチング素子120)、充電用抵抗体122、及び第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upの第3の端子T3を介して、第1のU相上アームスイッチング素子S1Upのゲートに接続されている。また、第1のU相上アームスイッチング素子S1Upのゲートは、第3の端子T3、放電用抵抗体124、NチャネルMOSFET(以下、放電用スイッチング素子126)、及び第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upの第4の端子T4を介して第1のU相上アームスイッチング素子S1Upのエミッタに接続されている。さらに、第2の端子T2は、第1のU相上アーム駆動回路Dr1Up内において、第4の端子T4に短絡されている。
第1のU相上アーム駆動回路Dr1Upは、駆動制御部128を備えている。駆動制御部128は、制御装置40からインターフェース44を介して入力される操作信号g1Upに基づき、充電用スイッチング素子120及び放電用スイッチング素子126の操作による充電処理及び放電処理を交互に行うことで第1のU相上アームスイッチング素子S1Upを駆動する。詳しくは、充電処理は、操作信号g1Upがオン操作指令になったと判断された場合、放電用スイッチング素子126をオフ操作し、また、充電用スイッチング素子120をオン操作する処理である。一方、放電処理は、操作信号g1Upがオフ操作指令になったと判断された場合、放電用スイッチング素子126をオン操作に切り替え、また、充電用スイッチング素子120をオフ操作に切り替える処理である。これにより、第1のU相上アームスイッチング素子S1Upを駆動する。
続いて、図7〜図9を用いて、本実施形態にかかるトランス60,62,64,66,68,90,92,94,96の構成について、第4のトランス66を例にして説明する。なお、図7は、第4のトランス66の斜視図であり、図8は、第4のトランス66の平面図である。また、図9は、図8のA−A断面図の一部を示す図である。なお、図7及び図8では、第4の1次側コイル66a及び第4の2次側コイル66bの図示を省略している。
図示されるように、トランス66は、コア132及びボビン134等を備えている。コア132は、一対の同一形状の部材からなる。これら同一形状の部材のそれぞれは、長尺状の底壁部132aと、この底壁部132aから離間する方向に底壁部132aの長手方向の一端及び他端のそれぞれから延びる一対の側壁部132bと、底壁部132aから離間する方向に底壁部132aの長手方向の中央部から延びる中央壁部132cとを備えている。すなわち、コア132は、略E字形状をなしている。
上記一対の同一形状の部材のうち、一方の備える一対の側壁部132bの端面は、他方の備える側壁部132bの端面に当接している。また、上記一対の同一形状の部材のうち、一方の備える中央壁部132cの端面は、他方の備える中央壁部132cの端面とは当接せず、これら端面は離間している。
ボビン134は、絶縁樹脂により構成され、第1の端子台136a、第2の端子台136b及び環状部138を備えている。環状部138は、その軸方向(中央壁部132cの挿入方向)に垂直な面で切った断面形状が環状をなしている。環状部138の内周面により形成された空間には、コア132の中央壁部132cが挿入されている。
環状部138の周面には複数の仕切版(第1〜第4の仕切板138a〜138d)が設けられている。第1〜第4の仕切板138a〜138dは、環状部138の周面の周方向に沿って全周に渡り板状をなして立設されている。第1〜第4の仕切板138a〜138dによって環状部138の周面は、その軸方向において3つのセクションに仕切られている。本実施形態では、図8に示すように、各セクションを図の左側から右側へ向かって、第1セクション140a、第2セクション140b、第3セクション140cと称すこととする。
環状部138の軸方向両端のうち一方には、第1の端子台136aが設けられ、他方には第2の端子台136bが設けられている。第1の端子台136a及び第2の端子台136bは、環状部138と同一の絶縁樹脂により構成されることにより、環状部138と一体で設けられている。
第1の端子台136aには、第1〜第4のトランス端子Ta1〜Ta4が設けられている。これら端子Ta1〜Ta4は、第1の端子台136aにおいて第1の端子台136aの長手方向に沿って所定の間隔を隔てて配置されている。また、第2の端子台136bには、第5〜第8のトランス端子Ta5〜Ta8が設けられている。これら端子Ta5〜Ta8は、第2の端子台136bにおいて第2の端子台136bの長手方向に沿って所定の間隔を隔てて配置されている。
第4の1次側コイル66a、第4の2次側コイル66b及び第1のフィードバックコイル66cは、電気的絶縁性の高い絶縁皮膜が施された銅線からなる絶縁線である。第4の2次側コイル66bは、第1の巻線部66b1と、第2の巻線部66b2とで構成されている。第4の1次側コイル66a、第1の巻線部66b1、第2の巻線部66b2及び第1のフィードバックコイル66cは、図9に示すように、第1〜第3セクション140a〜140cのそれぞれにおいて環状部138の外周面に積層されるように巻きつけられている。なお、こうした巻きつけ手法を採用するのは、第4の1次側コイル66a、第4の2次側コイル66b及び第1のフィードバックコイル66c同士の結合係数を高めることで、目標電圧Vtgtに対する第1〜第3,第5の2次側コイル60b,62b,64b,68bのそれぞれの出力電圧のばらつきを小さくするためである。
第4の2次側コイル66bの一端としての第1の巻線部66b1の一端は、第8のトランス端子Ta8に接続されている。第8のトランス端子Ta8は、第4のダイオード76aのアノードに接続されている。一方、第1の巻線部66b1の他端は、第7のトランス端子Ta7に接続されている。第7のトランス端子Ta7は、基板150に形成された配線パターン151によって第6のトランス端子Ta6に接続されている。第6のトランス端子Ta6は、第2の巻線部66b2の一端に接続されている。第2の巻線部66b2の他端は、第4の2次側コイル66bの他端であり、第5のトランス端子Ta5に接続されている。第5のトランス端子Ta5は、第4のコンデンサ76bの負極端子に接続されている。
第1のフィードバックコイル66cの一端は、第3のトランス端子Ta3に接続され、他端は、第4のトランス端子Ta4に接続されている。第3のトランス端子Ta3は、第1の検出用ダイオード82aのアノードに接続され、第4のトランス端子Ta4は、接地されている。
ちなみに、本実施形態において、第1〜第3のトランス60,62,64、第5〜第7のトランス68,90,92及び第9のトランス96は、上述したように、フィードバックコイルを備えていない。このため、これらトランス60,62,64,68,90,92,96の構造は、図7及び図8に示した第4のトランス66から第3のトランス端子Ta3及び第4のトランス端子Ta4を除去するとともに、図9に示した第1のフィードバックコイル66cが除去されたものとなる。
続いて、図10を用いて、基板150におけるトランス等の配置手法について説明する。なお、図10では、第1のフィードバック回路82及び第2のフィードバック回路112、並びにトランスの備える第5〜第8のトランス端子Ta5〜Ta8等の図示を省略している。
図示されるように、基板150は、矩形状をなす多層基板であり、一対の外層(第1面及び第1面の裏面である第2面)と、一対の外層で挟まれた複数の内層とを有している。昇圧上アーム接続部Tcp及び第1のU,V,W相上アーム接続部T1Up,T1Vp,T1Wp(以下、第1の上アーム用接続部)は、基板150の第1面の正面視において、一列に並ぶように基板150に設けられている。また、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpは、基板150の板面に平行な面において延びる方向であって、これら接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpが並ぶ方向と直交する方向における基板150の中央部に設けられている。
一方、第2のU,V,W相上アーム接続部T2Up,T2Vp,T2Wp(以下、第2の上アーム用接続部)は、基板150の第1面の正面視において、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpが並ぶ方向に一列に並ぶように基板150に設けられている。また、第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpは、基板150の板面に平行な面において延びる方向であって、これら接続部T2Up,T2Vp,T2Wpが並ぶ方向と直交する方向における基板150の中央部に設けられている。そして、第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpと、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpとは、基板150の第1面の正面視において、一列に並ぶように設けられている。
昇圧下アーム接続部Tcn及び第1のU,V,W相下アーム接続部T1Un,T1Vn,T1Wn(以下、第1の下アーム用接続部)は、基板150の第1面の正面視において、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpが並ぶ方向に一列に並ぶように設けられている。また、第1の下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnは、基板150の第1面の正面視において、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpと並列に設けられている。また、第2のU,V,W相下アーム接続部T2Un,T2Vn,T2Wn(以下、第2の下アーム用接続部)は、基板150の第1面の正面視において、第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpが並ぶ方向に一列に並ぶように設けられている。また、第2の下アーム用接続部T2Un,T2Vn,T2Wnは、基板150の第1面の正面視において、第1の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpと並列に設けられている。そして、第2の下アーム用接続部T2Un,T2Vn,T2Wnと、第1の下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnとは、基板150の第1面の正面視において、一列に並ぶように設けられている。
昇圧上,下アーム接続部Tcp,Tcnには、基板150の第2面側から昇圧モジュールMcが取り付けられることにより、上,下アーム昇圧スイッチング素子Scp,Scnのゲートが接続されている(図3参照)。また、第1の¥相上,下アーム接続部T1¥p,T1¥nには、基板150の第2面側から第1の¥相モジュールM1¥が取り付けられることにより、第1の¥相上,下アームスイッチング素子S1¥p,S1¥nのゲートが接続されている。さらに、第2の¥相上,下アーム接続部T2¥p,T2¥nには、基板150の第2面側から第2の¥相モジュールM2¥が取り付けられることにより、第2の¥相上,下アームスイッチング素子S2¥p,S2¥nのゲートが接続されている。これにより、各スイッチング素子Sc#,S1¥#,S2¥#のゲート,エミッタと、対応する各駆動回路Drc#,Dr1¥#の第3の端子T3,第4の端子T4とが接続されることとなる。
第1の電源制御部CT1に対応する第1〜第4のトランス60,62,64,66は、基板150の第1面の正面視において、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpに対して、第1の下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnとは反対側の領域に設けられている。第1〜第4のトランス60,62,64,66は、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpが並ぶ方向に一列に並ぶように設けられている。
第1の電源制御部CT1は、基板150の第1面の正面視において、一列に並ぶ第1〜第4のトランス60,62,64,66に対して、一列に並ぶ第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpとは反対側の領域に設けられている。ここで、第1〜第4のトランス60,62,64,66は、第1のトランス端子Ta1及び第2のトランス端子Ta2が第1の電源制御部CT1と隣り合うように設けられている。
なお、基板150の第1面の正面視において、一列に並ぶ第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpと、一列に並ぶ第1〜第4のトランス60,62,64,66との間の領域には、第1の電源制御部CT1に対応する上アーム用駆動回路Drcp,Dr1Up,Dr1Vp,Dr1Wpが、第1の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpが並ぶ方向に一列に設けられている。
第5のトランス68は、基板150の第1面の正面視において、第1の下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnのうち、これら接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnが並ぶ方向で基板150の一辺(図中、低電圧バッテリ42の位置を基板150の上側とした場合における基板150の左側の一辺)に最も近い昇圧下アーム接続部Tcn付近に設けられている。具体的には、第5のトランス68は、基板150の第1面の正面視において、昇圧下アーム接続部Tcnに対して昇圧上アーム接続部Tcpとは反対側の領域に設けられている。ここで、第5のトランス68は、第1のトランス端子Ta1及び第2のトランス端子Ta2が下アーム用接続部Tcnとは反対側を向くように設けられている。
なお、本実施形態において、第1の電源制御部CT1に対応する下アーム用駆動回路Drcn,Dr1Un,Dr1Vn,Dr1Wnは、基板150の第1面の正面視において、第1の下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnが並ぶ方向に一列にかつ、これら接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnと隣り合うように設けられている。ここで、下アーム昇圧駆動回路Drcnは、基板150の第1面の正面視において、第5のトランス68及び下アーム用接続部Tcnの間の領域に設けられている。
一方、第2の電源制御部CT2に対応する第6〜第8のトランス90,92,94は、基板150の第1面の正面視において、第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpに対して、第2の下アーム用接続部T2Un,T2Vn,T2Wnとは反対側の領域に設けられている。第6〜第8のトランス90,92,94は、第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpが並ぶ方向に一列に並ぶように設けられている。
第2の電源制御部CT2は、基板150の第1面の正面視において、一列に並ぶ第6〜第8のトランス90,92,94に対して、一列に並ぶ第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpとは反対側の領域に設けられている。ここで、第6〜第8のトランス90,92,94は、第1のトランス端子Ta1及び第2のトランス端子Ta2が第2の電源制御部CT2と隣り合うように設けられている。
なお、基板150の第1面の正面視において、一列に並ぶ第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpと、一列に並ぶ第6〜第8のトランス90,92,94との間の領域には、第2の電源制御部CT2に対応する上アーム用駆動回路Dr2Up,Dr2Vp,Dr2Wpが、第2の上アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wpが並ぶ方向に一列に設けられている。
第9のトランス96は、基板150の第1面の正面視において、第2の下アーム用接続部T2Un,T2Vn,T2Wnのうち、これら接続部T2Un,T2Vn,T2Wnが並ぶ方向で基板150の一辺(図中、低電圧バッテリ42の位置を基板150の上側とした場合における基板150の右側の一辺)に最も近い第2のW相下アーム接続部T2Wn付近に設けられている。具体的には、第9のトランス96は、基板150の第1面の正面視において、第2のW相下アーム接続部T2Wnに対して第2のW相上アーム接続部T2Wpとは反対側の領域に設けられている。ここで、第9のトランス96は、第1のトランス端子Ta1及び第2のトランス端子Ta2が第2のW相下アーム接続部T2Wnとは反対側を向くように設けられている。
なお、本実施形態において、第2の電源制御部CT2に対応する下アーム用駆動回路Dr2Un,Dr2Vn,Dr2Wnは、基板150の第1面の正面視において、第2の下アーム用接続部T2Un,T2Vn,T2Wnが並ぶ方向に一列にかつ、これら接続部T2Un,T2Vn,T2Wnと隣り合うように設けられている。ここで、第2のW相下アーム駆動回路Dr2Wnは、基板150の第1面の正面視において、第9のトランス96及び第2のW相下アーム接続部T2Wnの間の領域に設けられている。
低電圧バッテリ42は、基板150の第1面の正面視において、第1,第2の上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wp,T2Up,T2Vp,T2Wpに対して、第1,第2の下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wn,T2Un,T2Vn,T2Wnとは反対側の領域に設けられている。本実施形態では、特に、第1の電源制御部CT1及び第2の電源制御部CT2の間に低電圧バッテリ42が設けられている。
ちなみに、本実施形態では、第1の電源IC52の第1の検出端子Tfb1と、第4のトランス66の第3のトランス端子Ta3とが第1の電気経路Lfb1によって接続されている。第1の電気経路Lfb1は、第1のフィードバック回路82及び基板150に形成された配線パターンからなり、第1のフィードバック電圧Vfb1を第1の電源IC52に伝達する役割を果たす。具体的には、第1の電気経路Lfb1は、第4のトランス66の第3のトランス端子Ta3から第1のフィードバック回路82を介して第1の検出端子Tfb1に至るまでの経路である。
また、本実施形態では、第2の電源IC54の第2の検出端子Tfb2と、第8のトランス94の第3のトランス端子Ta3とが第2の電気経路Lfb2によって接続されている。第2の電気経路Lfb2は、第2のフィードバック回路112及び基板150に形成された配線パターンからなり、第2のフィードバック電圧Vfb2を第2の電源IC54に伝達する役割を果たす。具体的には、第2の電気経路Lfb2は、第8のトランス94の第3のトランス端子Ta3から第2のフィードバック回路112を介して第2の検出端子Tfb2に至るまでの経路である。
第1〜第5のトランス60,62,64,66,68の第1のトランス端子Ta1同士と、低電圧バッテリ42とは、基板150に設けられた第1の配線パターンL1(図中一点鎖線にて記載)によって接続されている。詳しくは、第1の配線パターンL1は、基板150の第1面の正面視において、低電圧バッテリ42から、第1の領域及び第2の領域を通って第5のトランス68の第1のトランス端子Ta1まで延びるように形成されている。ここで、第1の領域とは、基板150の第1面の正面視において、第1の電源制御部CT1と、一列に並ぶ第1〜第4のトランス60,62,64,66とに挟まれた領域のことである。また、第2の領域とは、基板150の第1面の正面視において、第1の上,下アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wp,Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wnのうち、これら接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wp,Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wpが並ぶ方向において基板150の一辺(図中、低電圧バッテリ42の位置を基板150の上側とした場合における基板150の左側の一辺)に最も近い昇圧上,下アーム接続部Tcp,Tcnと、上記一辺とで挟まれる領域のことである。第1の領域において、第1〜第4のトランス60,62,64,66のそれぞれの第1のトランス端子Ta1と低電圧バッテリ42とが第1の配線パターンL1によって接続されている。
第1〜第5のトランス60,62,64,66,68の第2のトランス端子Ta2同士は、基板150に設けられた第2の配線パターンL2(図中破線にて記載)によって接続されている。詳しくは、第2の配線パターンL2は、基板150の第1面の正面視において、第5のトランス68の第2のトランス端子Ta2から、第2の領域及び第1の領域を通って第1〜第4のトランス60,62,64,66の第2のトランス端子Ta2のそれぞれまで延びるように形成されている。ちなみに、本実施形態において、第1の配線パターンL1及び第2の配線パターンL2が「第1の配線部」に相当する。
一方、第6〜第9のトランス90,92,94,96の第1のトランス端子Ta1同士と、低電圧バッテリ42とは、基板150に設けられた第3の配線パターンL3(図中一点鎖線にて記載)によって接続されている。詳しくは、第3の配線パターンL3は、基板150の第1面の正面視において、低電圧バッテリ42から、第3の領域及び第4の領域を通って第9のトランス96の第1のトランス端子Ta1まで延びるように形成されている。ここで、第3の領域とは、基板150の第1面の正面視において、第2の電源制御部CT2と、一列に並ぶ第6〜第8のトランス90,92,94とに挟まれた領域のことである。また、第4の領域とは、基板150の第1面の正面視において、第2の上,下アーム用接続部T2Up,T2Vp,T2Wp,T2Un,T2Vn,T2Wnのうち、これら接続部T2Up,T2Vp,T2Wp,T2Un,T2Vn,T2Wnが並ぶ方向において基板150の一辺(図中、基板150の右側の一辺)に最も近い第2のW相上,下アーム接続部T2Wp,T2Wnと、上記一辺とで挟まれる領域のことである。第3の領域において、第6〜第8のトランス90,92,94のそれぞれの第1のトランス端子Ta1と低電圧バッテリ42とが第3の配線パターンL3によって接続されている。
第6〜第9のトランス90,92,94,96の第2のトランス端子Ta2同士は、基板150に設けられた第4の配線パターンL4(図中破線にて記載)によって接続されている。詳しくは、第4の配線パターンL4は、基板150の第1面の正面視において、第9のトランス96の第2のトランス端子Ta2から、第4の領域及び第3の領域を通って第6〜第8のトランス90,92,94の第2のトランス端子Ta2のそれぞれまで延びるように形成されている。ちなみに、本実施形態において、第3の配線パターンL3及び第4の配線パターンL4が「第2の配線部」に相当する。
なお、本実施形態において、第1の配線パターンL1、第2の配線パターンL2及び第1の電気経路Lfb1のそれぞれは、基板150の互いに異なる内層に形成されている。このため、図10において、第1の配線パターンL1や、第2の配線パターンL2、第1の電気経路Lfb1の交差部分があるが、この交差部分においてこれら配線パターンL1,L2,Lfb1が電気的に接続されているわけではない。このことは、第3の配線パターンL3、第4の配線パターンL4及び第2の電気経路Lfb2についても同様である。
このように、本実施形態では、第1の電源制御部CT1(第2の電源制御部CT2)に対応する複数の下アーム用スイッチング素子Scn,S1Un,S1Vn,S1Wn(S2Un,S2Vn,S2Wn)のそれぞれについての共通の第5のトランス68(第9のトランス96)を備えるとともに、第1,第2の配線パターンL1,L2(第3,第4の配線パターンL3,L4)の基板150における配置手法を上述した手法とした。以下、第1の電源IC52を制御主体とする絶縁電源装置を例にして、共通のトランスを備えること、及び上記配置手法のそれぞれの技術的意義について順に説明する。
まず、共通の第5のトランス68を備えた技術的意義について説明する。
共通の第5のトランス68を備えることで、絶縁電源装置を構成する下アーム用トランスの数を減らすことができる。このため、下アーム用トランスを構成する1次側コイルと低電圧バッテリ42とを接続する配線パターンを短くしたり、配線パターンの数を減らしたりすることができる。これにより、低電圧バッテリ42、第1の配線パターンL1、1次側コイル60a,62a,64a,66a,68a、第2の配線パターンL2、第1の電圧制御用スイッチング素子80、及び低電圧システムの基準電位を有する部位(基板150のグラウンドパターン)を含むループを小さくしたり、ループの数を減らしたりすることが可能な第1,第2の配線パターンL1,L2を基板150に設けることができる。したがって、第1の電圧制御用スイッチング素子80のスイッチングに起因した放射ノイズを好適に抑制することができる。
続いて、第1,第2の配線パターンL1,L2の配置手法を、図10に示した配置手法とした技術的意義について、図11に示す関連技術と比較しつつ説明する。
まず、図11を用いて、関連技術について説明する。なお、図11において、先の図10に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。
図示されるように、関連技術では、第6〜第8のトランス90,92,94のそれぞれの第1のトランス端子Ta1は、第2の電源制御部CT2及び第6〜第8のトランス90,92,94で挟まれる上記第3の領域を通る第5の配線パターンL5(図中一点鎖線にて記載)によって接続されている。また、第5のトランス68の第1のトランス端子Ta1と、第9のトランス96の第1のトランス端子Ta1とは、第5の領域を通る第6の配線パターンL6(図中一点鎖線にて記載)によって接続されている。ここで、第5の領域とは、基板150の第1面の正面視において、第1,第2の下アーム用駆動回路Drcn,Dr1Un,Dr1Vn,Dr1Wn,Dr2Un,Dr2Vn,Dr2Wnに対して、第1,第2の下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wn,T2Un,T2Vn,T2Wnとは反対側の領域のことである。
さらに、第6〜第9のトランス90,92,94,96の第2のトランス端子Ta2同士は、基板150に設けられた第7の配線パターンL7(図中二点鎖線にて記載)によって接続されている。詳しくは、第7の配線パターンL7は、基板150の第1面の正面視において、第9のトランス96の第2のトランス端子Ta2から、上記第5の領域、上記第2の領域、上記第1の領域及び上記第3の領域を通って第6〜第8のトランス90,92,94の第2のトランス端子Ta2のそれぞれまで延びるように形成されている。
こうした配線パターンの配置手法では、例えば第7の配線パターンL7が長くなり、ループが大きくなって放射ノイズが増大する。
これに対し、先の図10に示した本実施形態にかかる配置手法によれば、配線パターンの長さを短くすることができる。これにより、放射ノイズの抑制効果を高めることができる。
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)第1の電源IC52(第2の電源IC54)を制御主体とする絶縁電源装置において、図10に示すように、下アーム用スイッチング素子Scn,S1¥n(S2¥n)の全てに対して駆動用電圧を供給可能な共通のトランスを設けた。こうした構成によれば、ループを小さくしたり、ループの数を減らすことができる。これにより、第1の電圧制御用スイッチング素子80(第2の電圧制御用スイッチング素子110)のスイッチングに起因した放射ノイズを好適に抑制することができる。
特に、本実施形態では、下アーム用トランスを、複数の下アーム用スイッチング素子の全てに対して駆動用電圧を供給可能な共通のトランスとしたことが、配線パターンの長さの短縮効果及び配線パターンの数の減少効果をより高め、放射ノイズの抑制効果を増大させることに大きく寄与している。
(2)第1,第2の配線パターンL1,L2を第1,第2の領域に設けるとともに、第3,第4の配線パターンL3,L4を第1,第2の領域とは反対側の第3,第4の領域に設けた。このため、配線パターンを短くすることによってループを小さくでき、放射ノイズの抑制効果を高めることができる。
特に、本実施形態では、第5のトランス68を昇圧下アーム接続部Tcn付近に設けるとともに、第9のトランス96を第2のW相下アーム接続部T2Wn付近に設けたことが、ループを小さくし、放射ノイズの抑制効果を高めることに大きく寄与している。
(3)第5のトランス68(第9のトランス96)の巻数比を、第1〜第4のトランス60,62,64,66(第6〜第8のトランス90,92,94)の巻数比よりも大きく設定した。これにより、第1〜第5の2次側コイル60b,62b,64b,66b,68b(第6〜第9の2次側コイル90b,92b,94b,96b)の出力電圧のばらつきを小さくすることができる。
(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。
本実施形態では、基板150における第2の電源制御部CT2の配置位置を変更する。
図12に、本実施形態にかかる基板150の平面図を示す。なお、図12において、先の図10に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。
図示されるように、第2の電源制御部CT2は、基板150の第1面の正面視において、第2の上,下アーム接続部T2Up,T2Vp,T2Wp,T2Un,T2Vn,T2Wnのうち、これら接続部が並ぶ方向において基板150の一辺(図中、基板150の右端の一辺)に最も近い第2のW相上,下アーム接続部T2Wp,T2Wnと、上記一辺とで挟まれる領域に設けられている。また、第2の電源制御部CT2は、第8のトランス94及び第9のトランス96と隣り合うように基板150に設けられている。
以上説明した本実施形態によっても、上記第1の実施形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態について、先の第2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。
本実施形態では、図13に示すように、基板150における第8のトランス94及び第9のトランス96の配置位置を第2の電源制御部CT2に近づける。ここで、図13は、本実施形態にかかる基板150の平面図である。なお、図13において、先の図12に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。
以上説明した本実施形態によっても、上記第1の実施形態で得られる効果と同様の効果を得ることができる。
(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。
・「下アーム用トランス」としては、電力変換回路を構成する複数の下アーム用スイッチング素子のそれぞれについての共通のトランスに限らない。例えば、第1の電源制御部CT1に対応する複数の下アーム用スイッチング素子Scn,S1Un,S1Vn,S1Wnを例にして説明すると、第1のU,V,W相下アームスイッチング素子S1Un,S1Vn,S1Wnのそれぞれに対応する共通のトランスであってもよい。この場合、下アーム昇圧スイッチング素子Scnに対応する下アーム用トランスは、個別に設けられることとなる。
・トランスの備える第1〜第8のトランス端子Ta1〜Ta8に対する1次側コイル、2次側コイル、及び基板150に形成された配線パターン等の接続手法としては、先の図10、図12及び図13に示したものに限らない。例えば、第1のトランス端子Ta1に第2の配線パターンL2を接続し、第2のトランス端子Ta2に第1の配線パターンL1又は第3の配線パターンL3を接続してもよい。
・上記各実施形態において、上アーム用トランス及び下アーム用トランスのそれぞれを構成する1次側コイルが直列接続される構成を採用してもよい。
・第1の電源IC52に2次側コイルの出力電圧をフィードバックするトランスとしては、第4のトランス66に限らない。例えば、第1〜第3,第5のトランス60,62,64,68のいずれかであってもよい。なお、第2の電源IC54についても同様である。
・基板150の第1面の正面視において、上アーム用接続部Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wp,T2Up,T2Vp,T2Wpや、下アーム用接続部Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wn,T2Un,T2Vn,T2Wnの並び順は、先の図10に示したものに限らない。
・第2の電源制御部CT2を、先の図12又は図13に示した基板150の第1面の正面視において、第2のW相上アーム接続部T2Wp及び第2のW相下アーム接続部T2Wnのうちいずれか一方と、基板150の図中右側の一辺とで挟まれる領域に設けてもよい。
・上記各実施形態において、先の図1に示したモータ制御システムから昇圧コンバータ30を除去してもよい。
・モータ制御システムとしては、2モータ制御システムに限らず、1モータ制御システムであってもよい。この場合、第1のモータジェネレータ10及び第1のインバータ12の組、並びに第2のモータジェネレータ20及び第2のインバータ22の組のうちいずれか1組と、昇圧コンバータ30とを先の図1に示したモータ制御システムから除去することとなる。
・「絶縁電源装置」としては、図4及び図5に示したフライバックコンバータに限らず、例えばフォワードコンバータであってもよい。また、「絶縁電源装置」としては、電圧制御用スイッチング素子を1つ備えるものに限らず、4つの電圧制御用スイッチング素子を備えるフルブリッジコンバータや、2つの電圧制御用スイッチング素子を備えるプッシュプルコンバータであってもよい。なお、上記フルブリッジコンバータや、プッシュプルコンバータは、例えば「馬場清太郎著、“電源回路設計成功のかぎ”、第4版、CQ出版株式会社、2012年2月1日、p141」に記載されている。
・「電力変換回路」としては、昇圧コンバータや3相インバータに限らない。例えば、ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路等、他の電力変換回路であってもよい。また、「電力変換回路」を構成する「上アーム用スイッチング素子」及び「下アーム用スイッチング素子」としては、IGBTに限らず、例えばMOSFETであってもよい。
12…第1のインバータ、22…第2のインバータ、30…昇圧コンバータ、42…低電圧バッテリ、52…第1の電源IC、54…第2の電源IC、60,62,64,66,68…第1〜第5のトランス、90,92,94…第6〜第9のトランス。

Claims (6)

  1. 上アーム用スイッチング素子(Scp,S1¥p,S2¥p)及び下アーム用スイッチング素子(Scn,S1¥n,S2¥n)の直列接続体を備える電力変換回路(12,22,30)に適用され、
    前記電力変換回路は、複数の前記直列接続体の並列接続体を備え、
    直流電源(42)に接続可能な1次側コイル(60a,62a,64a,66a,90a,92a,94a)、及び前記上アーム用スイッチング素子の駆動用電圧を前記上アーム用スイッチング素子に対して供給可能な2次側コイル(60b,62b,64b,66b,90b,92b,94b)を有し、基板(150)に設けられた上アーム用トランス(60,62,64,66,90,92,94)と、
    前記直流電源に接続可能な1次側コイル(68a,96a)、及び前記下アーム用スイッチング素子の駆動用電圧を前記下アーム用スイッチング素子に対して供給可能な2次側コイル(68b,96b)を有し、前記基板に設けられた下アーム用トランス(68,96)と、
    前記上アーム用トランス及び前記下アーム用トランスのそれぞれを構成する前記1次側コイルに前記直流電源の電圧を印加すべくオンオフ操作される電圧制御用スイッチング素子(80,110)、並びに前記電圧制御用スイッチング素子をオンオフ操作する集積回路(52,54)を有し、前記基板に設けられた電源制御部(CT1,CT2)と、
    前記基板に設けられ、前記下アーム用トランスを構成する前記1次側コイル及び前記直流電源を接続する配線パターン(L1,L2,L3,L4)と、
    複数の前記上アーム用スイッチング素子を前記基板に接続するための複数の上アーム用接続部(Tcp,T1Up,T1Vp,T1Wp,T2Up,T2Vp,T2Wp)であって、前記基板の板面の正面視において一列に並ぶように前記基板に設けられた複数の前記上アーム用接続部と、
    複数の前記下アーム用スイッチング素子を前記基板に接続するための複数の下アーム用接続部(Tcn,T1Un,T1Vn,T1Wn,T2Un,T2Vn,T2Wn)であって、前記基板の板面の正面視において、複数の前記上アーム用接続部が並ぶ方向に一列に並ぶように前記基板に設けられた複数の前記下アーム用接続部と、
    を備え、
    前記電圧制御用スイッチング素子は、自身がオン操作されることにより、前記直流電源、前記上アーム用トランス及び前記下アーム用トランスのそれぞれを構成する複数の前記1次側コイル、前記配線パターン、並びに前記電圧制御用スイッチング素子を含む閉回路を形成可能なように設けられ、
    一列に並ぶ複数の前記上アーム用接続部と、一列に並ぶ複数の前記下アーム用接続部とは、前記基板の板面の正面視において、並列に設けられ、
    前記上アーム用トランス及び前記直流電源のそれぞれは、前記基板の板面の正面視において、複数の前記上アーム用接続部に対して複数の前記下アーム用接続部とは反対側の領域に設けられ、
    前記電源制御部は、前記基板の板面の正面視において、前記上アーム用トランスに対して複数の前記上アーム用接続部とは反対側の領域、並びに前記基板の板面の正面視において、複数の前記上アーム用接続部が並ぶ方向で前記基板の一辺に最も近い前記上アーム用接続部及び前記下アーム用接続部の少なくとも一方と前記一辺とで挟まれる領域のうち少なくとも一方の領域に設けられ、
    前記下アーム用トランスは、前記基板の板面の正面視において、複数の前記下アーム用接続部に対して複数の前記上アーム用接続部とは反対側の領域に設けられ、
    前記下アーム用トランスは、複数の前記下アーム用スイッチング素子のうち少なくとも2つについての共通のトランスであることを特徴とする絶縁電源装置。
  2. 前記下アーム用トランスは、複数の前記下アーム用スイッチング素子の全てについての共通のトランスであることを特徴とする請求項1記載の絶縁電源装置。
  3. 前記電力変換回路は、複数であり、
    前記電源制御部は、複数の前記電力変換回路を2つに分けた場合のそれぞれに対応して個別に設けられた第1の電源制御部(CT1)及び第2の電源制御部(CT2)であり、
    前記第1の電源制御部に対応する複数の前記上アーム用接続部と、前記第2の電源制御部に対応する複数の前記上アーム用接続部とは、前記基板の板面の正面視において、一列に並ぶように設けられ、
    前記第1の電源制御部に対応する前記下アーム用トランスは、前記第1の電源制御部に対応する複数の前記下アーム用スイッチング素子の全てについての共通のトランスであり、
    前記第2の電源制御部に対応する前記下アーム用トランスは、前記第2の電源制御部に対応する複数の前記下アーム用スイッチング素子の全てについての共通のトランスであり、
    前記配線パターンは、前記第1の電源制御部に対応する前記下アーム用トランスを構成する前記1次側コイル及び前記直流電源を接続する第1の配線部(L1,L2)と、前記第2の電源制御部に対応する前記下アーム用トランスを構成する前記1次側コイル及び前記直流電源を接続する第2の配線部(L3,L4)とを備え、
    前記第1の配線部は、前記基板の板面の正面視において、前記第1の電源制御部に対応する複数の前記上アーム用接続部のうち、複数の前記上アーム用接続部が並ぶ方向で前記基板の一辺に最も近い接続部と前記一辺とで挟まれる領域を通って前記直流電源及び前記下アーム用トランスを構成する前記1次側コイルを接続し、
    前記第2の配線部は、前記基板の板面の正面視において、前記第2の電源制御部に対応する複数の前記上アーム用接続部のうち、複数の前記上アーム用接続部が並ぶ方向で前記基板の一辺に最も近い接続部と前記一辺とで挟まれる領域を通って前記直流電源及び前記下アーム用トランスを構成する前記1次側コイルを接続することを特徴とする請求項2記載の絶縁電源装置。
  4. 前記下アーム用トランスは、前記基板の板面の正面視において、複数の前記下アーム用接続部のうち、これら接続部が並ぶ方向で前記基板の一辺に最も近い接続部付近に設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の絶縁電源装置。
  5. 前記上アーム用トランスは、複数の前記上アーム用スイッチング素子のそれぞれに対応して個別に設けられ、
    前記下アーム用トランスは、複数の前記下アーム用スイッチング素子のそれぞれについての共通のトランスであり、
    前記下アーム用トランスを構成する前記1次側コイル及び前記2次側コイルの巻数比は、前記上アーム用トランスを構成する前記1次側コイル及び前記2次側コイルの巻数比よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の絶縁電源装置。
  6. 前記上アーム用トランス及び前記下アーム用トランスのそれぞれを構成する前記1次側コイルは、互いに並列接続されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の絶縁電源装置。
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