JP6421637B2

JP6421637B2 - インバータシステム

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Publication number: JP6421637B2
Application number: JP2015032388A
Authority: JP
Inventors: 翔太鈴木
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2035-02-23
Also published as: JP2016158307A

Description

本発明は、インバータシステムの構造、特に、パワーモジュール、コンデンサ並びに各種の回路基板を有するインバータシステムの構造に関する。

モータの径方向にインバータを配置した従来のインバータシステムとしては、パワーモジュールの上部に駆動基板、コンデンサ、制御基板を互いに平行に配置させた態様がある。駆動基板は、パワーモジュールを起動及び停止させるためのゲート電圧（例えば、±１５Ｖ）を生成する回路を実装している。制御基板は、ゲート電圧を生成するための低電圧レベル（例えば、＋５Ｖ）の信号を演算して生成する回路を実装している。

特許文献１に開示されたインバータシステムとしての回転電動機システムは、制御基板においてこの基板の駆動用電源（例えば、＋５Ｖ）を生成する電源回路を実装する。

また、制御基板内の演算部と電源生成部とを分離して個々の基板とする構成例もある。特許文献２に開示された電動工具のインバータシステムはその一例である。このインバータシステムにおいては制御基板と電源基板とが互いに平行に配置されている。

特開２０１１−１８２４８０号公報特開２０１０−１７３０４２号公報特開２０１３−１６３５０３号公報

特許文献１，２等の従来技術では、インバータシステムの構成要素であるパワーモジュール、駆動基板、制御基板が、当該システムの高さ方向に積み上げられており、このシステムの高さ寸法が大きくなる。また、制御基板上には電源回路と制御回路が存在し、電源回路から空間ノイズを制御回路が受けて誤動作することが懸念される。

さらに、駆動基板と制御基板をハーネスで接続する必要があるので、組立性が劣るものとなる。また、発熱部品であるパワーモジュールの上部に配置される制御基板は、インバータシステム内の気相の高温部に曝されて、制御基板を所定の温度以下に抑制するために過剰な冷却効果が求められる。このことはシステム全体の大型化につながる。

本発明は、以上の事情に鑑み、インバータシステムの小型化並びに組立作業性の向上を図ると共にインバータシステムにおける制御回路に対する電源回路の空間ノイズの影響を抑制することを課題とする。

そこで、本発明のインバータシステムは、モータを駆動させるパワーモジュールと、このパワーモジュールに印加される電圧を平滑化するコンデンサと、このコンデンサよりも幅広であり且つ前記パワーモジュールと当該コンデンサとの間に配置されて当該パワーモジュールに印加されるゲート電圧を生成する駆動基板と、前記コンデンサの一方の端面と対向して前記駆動基板の回路実装面に対して鉛直に電気的に接続されて当該駆動基板に前記パワーモジュールの制御信号を供給する制御基板と、前記コンデンサの他方の端面と対向して前記駆動基板の回路実装面に対して鉛直に電気的に接続されて当該駆動基板に電力を供給する電源基板とを備える。本態様によれば、駆動基板の幅径がコンデンサの幅径よりも広いので、コンデンサの両端面付近における駆動基板の回路実装面に対して制御基板、電源基板を各々接続させる空間が確保される。また、制御基板と電源基板とがコンデンサを介して離間して配置されるので、電源基板から制御基板への空間ノイズの伝播が遮断される。

前記インバータシステムにおいて、前記駆動基板と前記制御基板とを電気的に接続させる柔軟性の第一接続部材と、前記駆動基板と前記電源基板とを電気的に接続させる柔軟性の第二接続部材をさらに備えるとよい。本態様によれば、ハーネスを用いた駆動基板と制御基板と電源基板との接続作業が不要となる。さらには、制御基板と電源基板との距離を任意に設定できる。

前記インバータシステムにおいて、前記パワーモジュール、前記コンデンサ、前記制御基板並びに前記電源基板を収容する収容部と、この収容部内の底面部に立設されて前記制御基板を当該底面部に対して鉛直に支持する第一支持部材と、前記底面部に立設されて前記電源基板を当該底面部に対して鉛直に支持する第二支持部材をさらに備えるとよい。本態様によれば、制御基板、電源基板が安定的に支持される。

前記インバータシステムにおいて、前記第一支持部材並びに前記第二支持部材の立設部位に対応した前記収容部の底壁部内に、冷媒流路を形成するとよい。本態様によれば、冷媒流路と第一支持部材、第二支持部材とが近隣するので、冷媒流路と第一支持部材、第二支持部材との間の熱交換を効率的に行える。

前記インバータシステムにおいて、前記第一支持部材並びに前記第二支持部材は、前記収容部と同種の材料から成るようにするとよい。本態様によれば、第一支持部材並びに第二支持部材と収容部との間の熱交換性及び導通性が高まる。

前記インバータシステムにおいて、前記第一支持部材、前記第二支持部材に前記制御基板、前記電源基板を各々固定させる固定具をさらに備え、この固定具は前記第一支持部材及び前記第二支持部材と同種の材料から成るようにするとよい。本態様によれば、固定具が第一支持部材、第二支持部材を介して収容部と導通状態となるので、収容部をアース電位とした場合に制御基板、電源基板もアース電位となる。

本発明によればインバータシステムの小型化並びに組立作業性が向上すると共にインバータシステムにおける制御回路に対する電源回路の空間ノイズの影響を抑制できる。

本発明の第一実施形態におけるインバータシステムの側面図。本発明の第二実施形態におけるインバータシステムの側面図。第二実施形態における接続部材の他の態様を備えたインバータシステムの側面図。本発明の第三実施形態におけるインバータシステムの縦断面図。本発明の第四実施形態におけるインバータシステムの縦断面図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［第一実施形態］
図１に例示された第一実施形態のインバータシステム１は、パワーモジュール２、コンデンサ３、駆動基板４、制御基板５及び電源基板６を備える。

パワーモジュール２は、図示省略のモータを駆動させる。パワーモジュール２は、例えば、上アーム（正極側アーム）として動作するＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子およびダイオードと、下アーム（負極側アーム）として動作するＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子及びダイオードと備える。さらに、この上下アームの直列回路を３相に備えることにより、３相電圧型インバータの態様を成す。この３相電圧型インバータは、パワーモジュールの一例であり、他の構成を採ってもよい。

コンデンサ３は、パワーモジュール２に印加される電圧を平滑化するコンデンサであって、例えば、直方体、円柱の形状の態様を成す。コンデンサ３は、樹脂などの非導電性物質で覆われたコンデンサ本体と、パワーモジュール２と電気的に接続される図示省略のコンデンサ端子を備える。

駆動基板４は、制御基板５からの制御信号によってパワーモジュール２の起動とその停止を制御するゲート電圧を生成してパワーモジュール２に印加する回路を実装した基板であって、パワーモジュール２とコンデンサ３との間に配置されている。尚、駆動基板４の幅径Ｌ１はコンデンサ３の幅径Ｌ２よりも広く設定されている。

駆動基板４の回路実装面４０には、制御基板５のコネクタ部５１が着脱自在に電気的に接続されるコネクタ部４１と、電源基板６のコネクタ部６１が着脱自在に電気的に接続されるコネクタ部４２が具備されている。特に、コネクタ部４１，４２は回路実装面４０において対向する両縁付近に各々配置されている。尚、コネクタ部４１，４２，５１，６１は例えば特許文献３に開示された周知の仕様のコネクタ部を適用すればよい。

制御基板５は、駆動基板４にパワーモジュール２の制御信号を供給する演算回路を実装した基板であって、駆動基板４のコネクタ部４１に着脱自在に電気的に接続されるコネクタ部５１を備える。制御基板５は、コネクタ部５１が駆動基板４の回路実装面４０上のコネクタ部４１に接続されることにより、コンデンサ３の一方の端面３１と対向して回路実装面４０に対して鉛直に配置される。

電源基板６は、駆動基板４に電力を供給する電源回路を実装した基板であって、駆動基板４のコネクタ部４２に着脱自在に電気的に接続されるコネクタ部６１を備える。電源基板６は、コネクタ部６１が駆動基板４の回路実装面４０上のコネクタ部４２に接続されることにより、コンデンサ３の一方の端面３１と反対する他方の端面３２と対向して回路実装面４０に対して鉛直に配置される。

以上のインバータシステム１によれば、駆動基板４の幅径Ｌ１がコンデンサ３の幅径Ｌ２よりも広いので、コンデンサ３の端面３１，３２の近辺における駆動基板４の回路実装面４０に対して制御基板５、電源基板６を各々接続させる空間が確保される。つまり、インバータシステム１の高さに影響のない駆動基板４の回路実装面４０におけるコンデンサ３の端面３１，３２の近辺空間において制御基板５、電源基板６を各々鉛直に配置できるようになっている。

したがって、従来（例えば、特許文献１，２）のパワーモジュールと駆動基板と制御基板とを互いに平行に配置させた態様と比べて、パワーモジュール，コンデンサ間の距離が短縮化するので、インバータシステムの小型化に寄与する。

また、本態様においては、制御基板５と電源基板６とがコンデンサ３を介して離間して配置されているので、電源基板６において発生した空間ノイズの制御基板５への伝播がコンデンサ３によって遮断される。したがって、演算回路を実装した制御基板５のノイズ誤動作に対する抑制効果が高まる。

［第二実施形態］
図２，３に例示された第二実施形態のインバータシステム１は、駆動基板４に対して制御基板５，電源基板６を電気的に接続させる柔軟性の接続部材７，８を備えたこと以外は、第一実施形態と実質的に同じ態様となっている。

図２に例示された第一接続部材７ａ，第二接続部材７ｂはフレキシブルプリント基板コネクタ仕様のものである。すなわち、第一接続部材７ａ，第二接続部材７ｂは、コネクタ部７１，７２と、このコネクタ部７１，７２を導通させる柔軟性を有する板状のプリント基板部７３を備える。

特に、第一接続部材７ａにおいて、コネクタ部７１は駆動基板４上のコネクタ部４１に着脱自在に電気的に接続される。コネクタ部７２は制御基板５上のコネクタ部５１に着脱自在に電気的に接続される。

また、第二接続部材７ｂにおいて、コネクタ部７１は駆動基板４上のコネクタ部４２に着脱自在に電気的に接続される。コネクタ部７２は電源基板６上のコネクタ部６１に着脱自在に電気的に接続される。

図３に例示された第一接続部材８ａ，第二接続部材８ｂは基板対基板コネクタ（いわゆる、ボードトゥボートコネクタ）仕様のものである。すなわち、第一接続部材８ａ，第二接続部材８ｂは、コネクタ部８１，８２と、このコネクタ部８１，８２を導通させる柔軟性を有する板状の導通部８３を備える。

特に、第一接続部材８ａにおいて、コネクタ部８１は駆動基板４上のコネクタ部４１に着脱自在に電気的に接続される。コネクタ部８２は制御基板５上のコネクタ部５１に着脱自在に電気的に接続される。

また、第二接続部材８ｂにおいて、コネクタ部８１は駆動基板４上のコネクタ部４２に着脱自在に電気的に接続される。コネクタ部８２は電源基板６上のコネクタ部６１に着脱自在に電気的に接続される。

以上の接続部材７，８のいずれかを用いた本実施形態のインバータシステム１によれば、第一実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。

本実施形態においては、従来のハーネスを用いた駆動基板と制御基板，電源基板との接続作業が不要となり、インバータシステムの組立の容易性が向上する。また、接続部材７，８のプリント基板部７３，導通部８３は柔軟性を有するので、制御基板５と電源基板６との距離を任意に設定できる。したがって、制御基板５に対する電源基板６の空間ノイズの影響をさらに効果的に抑制できる。

［第三実施形態］
図４に例示された第三実施形態のインバータシステム１は、パワーモジュール２，コンデンサ３，駆動基板４，制御基板５及び電源基板６を収容する収容部９を備えたこと以外は、第二実施形態と実質的に同じ態様となっている。

収容部９内の底面部９０にはパワーモジュール２が設置固定されている。また、底面部９０には、制御基板５を底面部９０に対して鉛直に支持する第一支持部材９１と、電源基板６を底面部９０に対して鉛直に支持する第二支持部材９２とが立設されている。

第一支持部材９１、第二支持部材９２は断面Ｌ字型の周知の基板固定用ステーの態様を採っている。制御基板５，電源基板６は図示省略の固定具によって第一支持部材９１、第二支持部材９２に各々固定されている。

第一支持部材９１，第二支持部材９２は、パワーモジュール２を介して対向して、図示省略の固定具によって収容部９の底面部９０に固定されている。第一支持部材９１、第二支持部材９２は底面部９０において立設位置が選択可能に固定できるとなお良い。

また、収容部９の底面部９０には、パワーモジュール２の放熱部２１のフィン２２を収容するフィン収容部９３が形成されている。さらに、第一支持部材９１，第二支持部材９２の立設部位に対応した収容部９の底壁部９４内においては、冷却水、冷却空気等の冷媒を流通させる冷媒流路９５が形成されている。そして、第一支持部材９１及び第二支持部材９２は収容部９と同種の材料で構成するとなお良い。

以上の本実施形態のインバータシステム１によれば、第二実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。

本実施形態において、駆動基板４に第一接続部材７ａ，第二接続部材７ｂを介して接続された制御基板５，電源基板６は、収容部９の底面部９０に立設された第一支持部材９１、第二支持部材９２に各々固定された状態となっている。したがって、収容部９内でコンデンサ３を介して離間して配置された制御基板５並びに電源基板６は安定的に支持される。

また、底面部９０上にて第一支持部材９１、第二支持部材９２の立設位置を選択できるようにすれば、制御基板５に対する電源基板６の空間ノイズの影響を任意に抑制できる。

さらに、第一支持部材９１、第二支持部材９２の立設位置に対応した底壁部９４内に冷媒流路９５が形成されたことにより、第一支持部材９１，第二支持部材９２と冷媒流路９５とが近隣している。この態様により、第一支持部材９１，第二支持部材９２と冷媒流路９５との間の熱交換を効率的に行えるので、制御基板５、電源基板６の冷却効果が高まる。

そして、第一支持部材９１及び第二支持部材９２が収容部９と同種の材料から成ることにより、第一支持部材９１，第二支持部材９２と収容部９との間の熱交換性及び導電性がさらに高まる。したがって、制御基板５，電源基板６の冷却効果がさらに向上する。また、制御基板５，電源基板６のアース電位の確保が容易となる。

［第四実施形態］
図５に例示された第四実施形態のインバータシステム１は、制御基板５，電源基板６を第一支持部材９１，第二支持部材９２に対して固定具１０によって各々固定すること以外は、第三実施形態と実質的に同じ態様となっている。

固定具１０は、収容部９，第一支持部材９１及び第二支持部材９２と同種の材料から成る。例えば、収容部９，第一支持部材９１及び第二支持部材９２が同種の金属材料から成る場合、固定具１０としては当該材料から成る金属ネジが用いられる。

以上の本実施形態のインバータシステム１によれば、第三実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。

本実施形態において、制御基板５、電源基板６は、固定具１０によって、第一支持部材９１、第二支持部材９２に対して各々固定されている。これにより、制御基板５及び電源基板６は固定具１０、第一支持部材９１及び第二支持部材９２を介して収容部９と導通状態となる。

したがって、収容部９をアース電位とした場合に制御基板５及び電源基板６の電位もアース電位となる。これにより制御基板５及び電源基板６の電位が確立されるので、制御基板５、電源基板６の耐ノイズ性能が向上する。また、これにより制御基板５及び電源基板６専用のアース線が不要となり、インバータシステム１の組立容易性がさらに向上する。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変更等が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変更等が本発明の技術的範囲に属することは当然のことである。

例えば、本発明に適用される接続部材は、駆動基板４と制御基板５並びに電源基板６とを電気的に接続する柔軟性を有する接続部材であればよいので、上述のフレキシブルプリント基板コネクタ仕様、基板対基板コネクタ仕様のものに限定されるものではない。

１…インバータシステム
２…パワーモジュール
３…コンデンサ、３１…一方の端面、３２…他方の端面、Ｌ２…幅径
４…駆動基板、４０…回路実装面、Ｌ１…幅径
５…制御基板
６…電源基板
７ａ，８ａ…第一接続部材
７ｂ，８ｂ…第二接続部材
９…収容部、９０…底面部、９１…第一支持部材、９２…第二支持部材、９４…底壁部、９５…冷媒流路
１０…固定具

Claims

モータを駆動させるパワーモジュールと、
このパワーモジュールに印加される電圧を平滑化するコンデンサと、
このコンデンサよりも幅広であり且つ前記パワーモジュールと当該コンデンサとの間に配置されて当該パワーモジュールに印加されるゲート電圧を生成する駆動基板と、
前記コンデンサの一方の端面と対向して前記駆動基板の回路実装面に対して鉛直に電気的に接続されて当該駆動基板に前記パワーモジュールの制御信号を供給する制御基板と、
前記コンデンサの他方の端面と対向して前記駆動基板の回路実装面に対して鉛直に電気的に接続されて当該駆動基板に電力を供給する電源基板と
を備えたことを特徴とするインバータシステム。
前記駆動基板と前記制御基板とを電気的に接続させる柔軟性の第一接続部材と、
前記駆動基板と前記電源基板とを電気的に接続させる柔軟性の第二接続部材と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のインバータシステム。
前記パワーモジュール、前記コンデンサ、前記制御基板並びに前記電源基板を収容する収容部と、
この収容部内の底面部に立設されて前記制御基板を当該底面部に対して鉛直に支持する第一支持部材と、
前記底面部に立設されて前記電源基板を当該底面部に対して鉛直に支持する第二支持部材と
をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のインバータシステム。
前記第一支持部材並びに前記第二支持部材の立設部位に対応した前記収容部の底壁部内には、冷媒流路が形成されたことを特徴とする請求項３に記載のインバータシステム。
前記第一支持部材並びに前記第二支持部材は、前記収容部と同種の材料から成ることを特徴とする請求項３または４に記載のインバータシステム。
前記第一支持部材、前記第二支持部材に前記制御基板、前記電源基板を各々固定させる固定具をさらに備え、この固定具は前記第一支持部材及び前記第二支持部材と同種の材料から成ることを特徴とする請求項５に記載のインバータシステム。