JP5858800B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

図１は、一般的な大容量の電力変換装置（インバータ）２の回路図である。電力変換装置２は、モータをはじめとする負荷４を駆動するために利用される。ハイサイドスイッチＭＨ（Ｕ〜Ｗ）およびローサイドスイッチＭＬ（Ｕ〜Ｗ）は、各相（Ｕ〜Ｗ）ごとに設けられる。ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈは、各相のハイサイドスイッチＭＨ（Ｕ〜Ｗ）を駆動し、ローサイドゲートドライブ回路１０ＬはローサイドスイッチＭＬ（Ｕ〜Ｗ）を駆動する。コントローラ１２は、ゲートドライブ回路１０Ｈ、１０Ｌに対する制御指令Ｓ１を生成する。電源回路１４は、ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈ、ローサイドゲートドライブ回路１０Ｌそれぞれに対する電源電圧ＶＤＤＨ、ＶＤＤＬを生成する。電流・電圧検出回路１６は、電力変換装置２の各ノードの電圧、電流を検出する。Ａ／Ｄコンバータ１８は、電流・電圧検出回路１６によって検出された電流値、あるいは電圧値Ｓ３をデジタル値に変換する。コントローラ１２は、電流、電圧に応じたデジタル値に基づいて制御指令Ｓ１を生成する。

図２は、本発明者らが検討した電力変換装置２のレイアウトの断面図である。ハイサイドスイッチＭＨおよびローサイドスイッチＭＬは、いくつかのパワーモジュール３０にパッケージングされる。パワーモジュール３０はヒートシンク４０に密着して固定される。

ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈ、ローサイドゲートドライブ回路１０Ｌ、コントローラ１２は、パワーモジュール３０とは別のレイヤに実装される。具体的には、ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈ、ローサイドゲートドライブ回路１０Ｌは、ドライバカード５２に実装されており、コントローラ１２はコントロールカード５４に実装される。ドライバカード５２、コントロールカード５４は、カードプレート５０に装着される。

パワーモジュール３０内のハイサイドスイッチＭＨとハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈの間、パワーモジュール３０内のローサイドスイッチＭＬとローサイドゲートドライブ回路１０Ｌと間はそれぞれ、ツイスト線５６などの配線を介して接続される。

特開２００１−２８６１５６号公報 特開２００９−１７７３０号公報

こうした構成では、ゲートドライブ信号Ｓ２がツイスト線５６を介してパワーモジュール３０の近傍を伝搬することになる。大容量の電力変換装置２ｒでは、ハイサイドスイッチＭＨおよびローサイドスイッチＭＬのスイッチングにともない、スイッチングノイズが発生する。このスイッチングノイズがツイスト線５６を伝搬するゲートドライブ信号Ｓ２に混入すると、ハイサイドスイッチＭＨおよびローサイドスイッチＭＬが誤動作してしまう。かかる誤動作は、短絡保護機能による異常停止の原因となり、あるいはハイサイドスイッチＭＨやローサイドスイッチＭＬの信頼性を損なうおそれがあるため好ましくない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電力変換装置の誤動作の抑制にある。

本発明のある態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、上側電源ラインと、下側電源ラインと、それぞれが各相ごとに設けられ、対応する相の出力端子と上側電源ラインの間に設けられたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である複数のハイサイドスイッチと、それぞれが各相ごとに設けられ、対応する相の出力端子と下側電源ラインの間に設けられたＩＧＢＴである複数のローサイドスイッチと、コントローラからの制御信号に応じて、複数のハイサイドスイッチおよび複数のローサイドスイッチそれぞれのゲートに、ゲートドライブ信号を出力するゲートドライブ回路と、を備える。複数のハイサイドスイッチおよび複数のローサイドスイッチは、複数のパワーモジュールにパッケージングされ、複数のパワーモジュールはそれぞれ、そのパッケージ内に含まれるトランジスタごとに設けられた制御ピンであって、対応するトランジスタのゲートと接続され、そのパッケージの第１面から突起した制御ピンを備える。ゲートドライブ回路は、プリント基板に実装され、プリント基板は、制御ピンと対応する箇所に開口を有し、プリント基板とパワーモジュールは、各制御ピンが対応する開口を嵌合した状態でスタックされる。

この態様によると、プリント基板上のゲートドライブ回路から出力されるゲートドライブ信号は、対応するパワーモジュールの制御ピンを介して供給される。したがって、その伝搬距離は、ツイスト線などを用いる場合に比べて短くなり、ノイズが混入しにくくなるとともに、ゲートドライブ信号の信号経路を、他相の影響を受けにくいようにレイアウトすることが可能となるため、誤動作を抑制できる。

複数のパワーモジュールはそれぞれ、相ごとに設けられてもよい。各パワーモジュールは、対応する相のハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを内蔵してもよい。
この場合、各相間のアイソレーションを高めることができ、他相からのノイズによる誤動作をより防止できる。

プリント基板は、パワーモジュールごとに分割して構成されてもよい。
パワーモジュール同士はある程度の間隔を隔てて配置されるため、プリント基板をすべてのパワーモジュールを覆うサイズの１枚で形成すると、プリント基板上に無駄なスペースが生まれ、プリント基板のコストが無駄になる。これに対して、プリント基板を分割することにより、プリント基板一枚当たりの面積を最小限にでき、全体のコストを下げることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電力変換装置の誤動作を抑制できる。

一般的な電力変換装置（インバータ）のレイアウトの回路図である。 本発明者らが検討した電力変換装置の断面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、スイッチとパワーモジュールの関係を示す図である。 実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

実施の形態に係る電力変換装置２の等価回路図は、図１と同様である。本実施の形態では、三相の場合を説明するが、相数は特に限定されない。

ハイサイドスイッチＭＨ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）ごとに設けられたＩＧＢＴであり、対応する相の出力端子ＯＵＴ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と上側電源ラインＬＰの間に設けられる。具体的には、そのコレクタは上側電源ラインＬＰに接続され、そのエミッタが出力端子ＯＵＴ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と接続される。

ローサイドスイッチＭＬ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）は、相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）ごとに設けられたＩＧＢＴであり、対応する相の出力端子ＯＵＴ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と下側電源ラインＬＮの間に設けられる。具体的には、そのコレクタは出力端子ＯＵＴ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と接続され、そのエミッタが下側電源ラインＬＮと接続される。上側電源ラインＬＰと出力端子ＯＵＴ（Ｕ
、Ｖ、Ｗ）の間には、ハイサイドスイッチＭＨ（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と直列に電流検出用の抵抗が挿入されてもよい。同様に出力端子ＯＵＴＵ（Ｖ、Ｗ）と下側電源ラインＬＮの間には、ローサイドスイッチＭＬＵ（Ｖ、Ｗ）と直列に電流検出用の抵抗が挿入されてもよい。

ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈは、コントローラ１２からの制御信号Ｓ１に応じてハイサイドスイッチＭＨＵ〜ＭＨＷそれぞれのゲートにゲートドライブ信号Ｓ２を出力する。ローサイドゲートドライブ回路１０Ｌは、制御指令Ｓ１に応じてローサイドスイッチＭＬＵ〜ＭＬＷそれぞれのゲートに、ゲートドライブ信号Ｓ２を出力する。

電源回路１４は、ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈ、ローサイドゲートドライブ回路１０Ｌそれぞれに対する電源電圧ＶＤＤＨ、ＶＤＤＬを生成する。電流・電圧検出回路１６は、電力変換装置２の各ノードの電圧、電流を検出する。Ａ／Ｄコンバータ１８は、電流・電圧検出回路１６によって検出された電流値、あるいは電圧値Ｓ３をデジタル値に変換する。コントローラ１２は、電流、電圧に応じたデジタル値に基づいて制御指令Ｓ１を生成する。

複数のハイサイドスイッチＭＨＵ〜ＭＨＷおよび複数のローサイドスイッチＭＬＵ〜ＭＬＷは、複数のパワーモジュール３０にパッケージングされる。図３（ａ）〜（ｄ）は、スイッチとパワーモジュール３０の関係を示す図である。破線に囲まれた各領域は、ひとつのモジュールに対応する。

図３（ａ）に示すように、各スイッチＭＨＵ〜ＭＨＷ、ＭＬＵ〜ＭＬＷは、それぞれが個別のパワーモジュール３０に内蔵されてもよい。
図３（ｂ）に示すように、Ｕ相のスイッチＭＨＵとＭＬＵが第１のパワーモジュール３０に、Ｖ相のスイッチＭＨＶとＭＬＶが第２のパワーモジュール３０に、Ｗ相のスイッチＭＨＷとＭＬＷが第３のパワーモジュール３０に内蔵されてもよい。
図３（ｃ）に示すように、図３（ａ）のパワーモジュール３０を複数個、並列に配置することにより、各相のスイッチを構成してもよい。図４（ｄ）に示すように、図３（ｂ）のパワーモジュール３０を複数個、並列に配置することにより、各相のスイッチを構成してもよい。
このように、本発明においてパッケージの構成は特に限定されるものではないが、以下の説明では、図３（ｂ）のようにパッケージングされるものとする。

図４は、実施の形態に係る電力変換装置２の構成を示す斜視図である。図４にはＵ相の構成のみを示す。
Ｕ相のパワーモジュール３０には、ハイサイドスイッチＭＨＵおよびローサイドスイッチＭＬＵが内蔵される。パワーモジュール３０は、そのパッケージ内に含まれるトランジスタＭＨＵ、ＭＬＵごとに設けられた制御ピン３２Ｈ、３２Ｌを備える。制御ピン３２Ｈ、３２Ｌはそれぞれ、対応するトランジスタＭＨＵ、ＭＬＵのゲートと接続され、パワーモジュール３０のパッケージの第１面（上面）から突起している。

電力変換装置２は、図１の等価回路図の構成に加えて、ヒートシンク４０およびプリント基板２０をさらに備える。
パワーモジュール３０は、ヒートシンク４０上に、その第２面（下面）がヒートシンク４０と接するように設置される。

ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈおよびローサイドゲートドライブ回路１０Ｌは、相ごとに独立して構成される。同相のハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈとローサイドゲートドライブ回路１０Ｌのペアは、同じモジュールに内蔵されてもよいし、別々のモジュールで構成されてもよい。

プリント基板２０は、パワーモジュール３０ごとに分割して構成される。本実施の形態では、パワーモジュール３０は、相ごとに設けられるため、プリント基板２０も、相ごとに分割されている。Ｕ相のプリント基板２０Ｕには、Ｕ相のハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈ、ローサイドゲートドライブ回路１０Ｌが実装される。図４には図示しないが、プリント基板２０には、電源回路１４および電流・電圧検出回路１６が搭載されてもよい。

プリント基板２０Ｕは、制御ピン３２Ｈ、３２Ｌと対応する箇所に開口２２Ｈ、２２Ｌを有し、プリント基板２０Ｕとパワーモジュール３０Ｕは、制御ピン３２Ｈ、３２Ｌがそれぞれ、対応する開口２２Ｈ、２２Ｌを貫通して嵌合した状態でスタック可能となっている。

プリント基板２０Ｕの第１面（上面）には、開口２２Ｈから露出する制御ピン３２Ｈと、ハイサイドゲートドライブ回路１０Ｈの間を接続するための配線パターン２４Ｈが形成される。同様に開口２２Ｌから露出する制御ピン３２Ｌと、ローサイドゲートドライブ回路１０Ｌの間を接続するための配線パターン２４Ｌが形成される。プリント基板２０Ｕには、コントローラ（不図示）からの制御指令Ｓ１を受けるためのコネクタ２６が設けられる。コネクタ２６とゲートドライブ回路１０Ｈ、１０Ｌの間には、制御指令Ｓ１を伝送するための配線パターン２８が形成される。

図５は、実施の形態に係る電力変換装置２の構成を示す断面図である。プリント基板２０の開口２２Ｈ、２２Ｌを貫通した制御ピン３２Ｕ、３２Ｌは、対応する配線２４Ｈ、２４Ｌとはんだによって電気的、機械的に接続される。上側電源ラインＬＰおよび下側電源ラインＬＮは、ブスバー（バスバーともいう）などの低インピーダンスのライン（不図示）で構成される。

以上が電力変換装置２の構成である。
この電力変換装置２によれば、プリント基板２０上のゲートドライブ回路１０Ｈ、１０Ｌから出力されるゲートドライブ信号Ｓ２は、対応するスイッチＭＨＵ、ＭＬＵに対して、それらを内蔵するパワーモジュール３０Ｕの制御ピン３２Ｈ、３２Ｌを介して供給される。配線２４Ｈ、２４Ｌを短く形成すれば、ゲートドライブ信号Ｓ２の伝搬距離は、図２に示すようなツイスト線５６を用いる場合に比べて短くなる。また、各相のゲートドライブ信号Ｓ２の信号経路を、他相のスイッチングノイズの影響を受けにくくレイアウトすることが可能となるため、その結果、ゲートドライブ信号Ｓ２に混入するノイズを低減することができ、電力変換装置２の誤動作を抑制することができる。

さらに電力変換装置２では、図３（ｂ）のように、パワーモジュール３０が相ごとに設けられ、各パワーモジュール３０が、対応する相のハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを内蔵している。その結果、各相間のアイソレーションを高めることができ、他相からのノイズによる誤動作をより防止できる。

加えて、プリント基板２０は、パワーモジュール３０ごとに分割して構成される。パワーモジュール同士はある程度の間隔を隔てて配置されるため、プリント基板をすべてのパワーモジュールを覆うサイズで１枚で形成すると、プリント基板２０上に無駄なスペースが生まれ、プリント基板２０のコストが無駄になる。これに対して、パワーモジュール３０ごとにプリント基板２０を分割することにより、プリント基板２０一枚当たりの面積を最小限にでき、全体のコストを下げることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

実施の形態では、パワーモジュール３０ごとにプリント基板２０を分割して構成する場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、パワーモジュール３０に内蔵されるスイッチを単位としてプリント基板２０を分割してもよい。あるいは、複数のパワーモジュール３０のうち、いくつかを単位として、プリント基板２０を分割してもよい。

実施の形態では、三相モータを駆動する電力変換装置２について説明したが、本発明は駆動対象のモータは三相に限定されず、ＤＣモータや多相モータに適用可能である。また、実施の形態では、電力変換装置２に直接的にモータ４が接続される場合を説明したが、電力変換装置２とモータ４の間に、別の変換装置あるいはその他の回路ブロックが挿入されていてもよい。

２…電力変換装置、４…モータ、６…電源、ＭＨ…ハイサイドスイッチ、ＭＬ…ローサイドスイッチ、１０Ｈ…ハイサイドゲートドライブ回路、１０Ｌ…ローサイドゲートドライブ回路、１２…コントローラ、１４…電源回路、１６…電流・電圧検出回路、１８…Ａ／Ｄコンバータ、２０…プリント基板、２２…開口、２４…配線、２６…コネクタ、３０…パワーモジュール、３２…制御ピン、４０…ヒートシンク、ＬＰ…上側電源ライン、ＬＮ…下側電源ライン、Ｓ１…制御指令、Ｓ２…ゲートドライブ信号、５０…カードプレート、５２…ドライバカード、５４…コントロールカード、５６…ツイスト線。

Claims (3)

1. 上側電源ラインと、
   下側電源ラインと、
   複数相に対応する複数のパワーモジュールであり、それぞれが、対応する相の出力端子と前記上側電源ラインの間に設けられたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるハイサイドスイッチと、対応する相の出力端子と前記下側電源ラインの間に設けられたＩＧＢＴであるローサイドスイッチと、を含んでパッケージングされ、かつ前記ハイサイドスイッチのＩＧＢＴのゲートと接続され、そのパッケージの上面から突起した第１制御ピンと、前記ローサイドスイッチのＩＧＢＴのゲートと接続され、そのパッケージの上面から突起した第２制御ピンと、を有している、複数のパワーモジュールと、
   前記複数相に対応する複数のゲートドライブ回路であって、それぞれが、コントローラからの制御信号に応じて、対応する相の前記パワーモジュールに含まれる前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチそれぞれのゲートに、ゲートドライブ信号を出力する、複数のゲートドライブ回路と、
   を備え、
   前記複数のゲートドライブ回路は、相ごとに独立したプリント基板に実装され、
   各相のプリント基板は、前記制御ピンと対応する箇所に開口を有し、同じ相の前記プリント基板と前記パワーモジュールは、各制御ピンが対応する開口と嵌合した状態でスタックされることを特徴とする電力変換装置。
2. 上側電源ラインと、
   下側電源ラインと、
   複数相に対応する複数のパワーモジュールであり、それぞれが、対応する相の出力端子と前記上側電源ラインの間に設けられたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるハイサイドスイッチと、対応する相の出力端子と前記下側電源ラインの間に設けられたＩＧＢＴであるローサイドスイッチと、を含んでパッケージングされ、かつ前記ハイサイドスイッチのＩＧＢＴのゲートと接続され、そのパッケージの上面から突起した第１制御ピンと、前記ローサイドスイッチのＩＧＢＴのゲートと接続され、そのパッケージの上面から突起した第２制御ピンと、を有している、複数のパワーモジュールと、
   前記複数相に対応する複数のゲートドライブ回路であって、それぞれが、コントローラからの制御信号に応じて、対応する相の前記パワーモジュールに含まれる前記ハイサイドスイッチおよび前記ローサイドスイッチのゲートに、ゲートドライブ信号を出力する、複数のゲートドライブ回路と、
   を備え、
   前記複数のゲートドライブ回路は、プリント基板に実装され、
   前記プリント基板は、前記複数のパワーモジュールの前記制御ピンと対応する箇所に開口を有し、前記プリント基板と前記複数のパワーモジュールは、各制御ピンが対応する開口と嵌合した状態でスタックされ、
   同じ相の前記パワーモジュールと前記ゲートドライブ回路は、オーバーラップして配置されることを特徴とする電力変換装置。
3. 各相のパワーモジュールの前記第１制御ピンと前記第２制御ピンは、第１方向に離間して配置され、各相のゲートドライブ回路は、対応する相の前記第１制御ピンと前記第２制御ピンに挟まれる領域に実装されることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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