JP6501360B2 - モジュール、そのモジュールを用いた電力変換装置及びモータ - Google Patents

モジュール、そのモジュールを用いた電力変換装置及びモータ Download PDF

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Description

本発明は、モジュール、そのモジュールを用いた電力変換装置及びモータに関する。
直流電力を交流電力に変換する電力変換装置は、モータのコイルに対して、電圧を印加するために用いられている。モータに使用される電力変換装置は、半導体素子及びダイオード素子によるブリッジ回路で構成される。ブリッジ回路には、ハーフブリッジ回路と、フルブリッジ回路と、３相ブリッジ回路と、が含まれる。例えば、特許文献１には、３相ブリッジ回路の１つのアームの回路構成が開示されている。
特許第３３７９４２９号公報
通常、３相同期モータを駆動するために、３相ブリッジ回路を構成するモジュールが使用される。一方で、集中巻きＳＲモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ）を駆動するためには、３相ハーフブリッジ回路が考えられる。３相ハーフブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路を３個並列に接続している回路である。しかしながら、３相ハーフブリッジを構成するモジュールは、現状、量産化されていない。そのため、集中巻きＳＲモータを駆動するために、ブリッジ回路の構成を３相ブリッジ回路とするモジュールを２つ接続して集中巻きＳＲモータ用の電力変換装置とする構成が一般的であった。しかしながら、３相ブリッジ回路のモジュールを２つ使用した電力変換装置が必要となるため、当該電力変換装置を含む集中巻きＳＲモータが高価になってしまう。
そこで、本発明は、上記の問題を解決するために、電力変換装置の少なくとも一部を構成するモジュールであって、集中巻き３相ＳＲモータ及び３相同期モータのいずれにも使用可能なモジュールを提供することを目的とする。
本発明のモジュールの一つの態様は、電力変換装置の少なくとも一部を構成するモジュールであって、パッケージと、パッケージの内部に配置される回路要素と、複数の端子と、を備える。回路要素は、上側スイッチング素子、下側スイッチング素子、上側ダイオード素子及び下側ダイオード素子を有する。上側スイッチング素子は、上側ドレインと上側ソースとを有する。上側ドレインが複数の端子のうちの電源の正極につながる第１端子に接続される。上側ソースが複数の端子のうちの第３端子に接続される。下側スイッチング素子は、下側ドレインと下側ソースとを有する。下側ドレインが複数の端子のうちの第４端子に接続される。下側ソースが複数の端子のうちの電源の負極につながる第２端子に接続される。上側ダイオード素子は、上側アノードと上側カソードとを有する。上側アノードが第４端子に接続される。上側カソードが複数の端子のうちの第５端子に接続される。下側ダイオード素子は、下側アノードと下側カソードとを有する。下側アノードが第２端子に接続される。下側カソードが第３端子に接続される。第３端子及び第４端子は、パッケージの外部において短絡可能に配置される。前記第３端子及び前記第４端子は、前記パッケージから外部に同一方向に延びる。
本発明のハーフブリッジ回路を構成するモジュールは、簡単な構成を追加することで、集中巻き３相ＳＲモータ及び３相同期モータのいずれにも使用可能な電力変換装置となる。そのため、本発明のモジュールが適用可能なモータの種類が増える。
したがって、ハーフブリッジ回路のモジュールを量産しやすくなり、量産による低廉化が可能となる。結果として、電力変換装置または集中巻きＳＲモータ及び３相同期モータを低廉化することができる。
実施形態のハーフブリッジ回路のモジュール１０の回路構成を示した図である。 実施形態のハーフブリッジ回路のモジュール１０の構造を示した図である。 集中巻き３相ＳＲモータ１００の構成を示す図である。 ３相同期モータ２００の構成を示す図である。 実施形態のハーフブリッジ回路のモジュール１０’の回路構成を示した図である。 実施形態のハーフブリッジ回路のモジュール１０の部品配置を示した図である。 モジュール１０の断面を示した図である。 モジュール１０の回路構成と部品配置との関係を示した図である。 実施形態の第１の変形例であるハーフブリッジ回路のモジュール２１０の部品配置を示した図である。 実施形態の第２の変形例であるハーフブリッジ回路のモジュール３１０の部品配置を示した図である。
以下、本発明の例示的な一実施形態のモジュールを、図面を参照して説明する。図１は、実施形態のモジュール１０の回路構成を示した図である。モジュール１０は、ひとつのハーフブリッジ回路を構成している。モジュール１０は、回路要素と複数の端子とを有する。回路要素は、上側スイッチング素子Ｑ１、下側スイッチング素子Ｑ２、上側ダイオード素子Ｄ１、及び下側ダイオード素子Ｄ２、を有する。この好ましい実施形態において、上側スイッチング素子Ｑ１及び下側スイッチング素子Ｑ２には、それぞれ、トランジスタが用いられている。なお、上側及び下側スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に用いられる素子は、トランジスタに限定されるものではない。また、モジュール１０の複数の端子は、第１端子Ａ、第２端子Ｂ，第３端子Ｃ、第４端子Ｄ，第６端子Ｆ、第７端子Ｇ、第８端子Ｈ、及び第９端子Ｅを有する。
上側スイッチング素子Ｑ１は、上側ドレインＱ１Ｄ、上側ゲートＱ１Ｇ及び上側ソースＱ１Ｓを有する。上側ダイオード素子Ｄ１は、上側アノードＤ１Ａと上側カソードＤ１Ｋとを有する。下側スイッチング素子Ｑ２は、下側ドレインＱ２Ｄ、下側ゲートＱ２Ｇ及び下側ソースＱ２Ｓを有する。下側ダイオード素子Ｄ２は、下側アノードＤ２Ａと下側カソードＤ２Ｋとを有する。
上側ドレインＱ１Ｄは、第１端子Ａに接続される。好ましくは、第１端子Ａは、電源（図示省略）の正極につながる。上側ゲートＱ１Ｇは、第７端子Ｇに接続される。上側ソースＱ１Ｓは、第８端子Ｈ、第３端子Ｃ及び下側カソードＤ２Ｋに接続される。下側ドレインＱ２Ｄは、第４端子Ｄ及び上側アノードＤ１Ａに接続される。下側ゲートＱ２Ｇは、第９端子Ｅに接続される。下側ソースＱ２Ｓは、第２端子Ｂ及び第６端子Ｆに接続される。第２端子Ｂは、電源の負極につながる。上側アノードＤ１Ａは、第４端子Ｄ及び下側ドレインＱ２Ｄに接続される。上側カソードＤ１Ｋは、第１端子Ａに接続される。なお、上側カソードＤ１Ｋは、第５端子Ａ’に接続されてもよい。図１を用いて説明する実施形態においては、第１端子Ａ及び第５端子Ａ’は同一の端子である。下側アノードＤ２Ａは、第２端子Ｂ及び第６端子Ｆに接続される。下側カソードＤ２Ｋは、第３端子Ｃ、第８端子Ｈ及び上側ソースＱ１Ｓに接続される。なお、第６端子Ｆと第８端子Ｈとは、例えば、ケルビン接続用の端子として用いることができる。この場合、ケルビン接続により、ゲートとソース間の電圧を高精度に検査することができる。
ここで、上側スイッチング素子Ｑ１、下側スイッチング素子Ｑ２、上側ダイオード素子Ｄ１及び下側ダイオード素子Ｄ２は、スイッチング素子である。それぞれの素子は、ＳｉＣ（炭化珪素）により構成される素子であることが好ましい。従来のＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、オン（ＯＮ）抵抗が高いといった特性がある。また、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、高周波数領域においてテール電流が発生しやすいという特性がある。これらの特性は、例えば、永久磁石同期モータが高速回転状態となり、各素子のスイッチング回数が増える場合及びスイッチング周波数が高くなる場合などに、より顕著となる。スイッチング回数の増加及びスイッチング周波数が高くなると、スイッチング損失が増えてしまう。一方で、ＳｉＣ素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴと比較してＯＮ抵抗が低く、ＩＧＢＴのようなテール電流も発生しない。そのため、回路素子における発熱も少なくなる。したがって、ＳｉＣ素子は、高速スイッチングを行うことが求められる高回転領域でのモータの駆動、高電圧や高温での使用に適する。なお、上側スイッチング素子Ｑ１、下側スイッチング素子Ｑ２、上側ダイオード素子Ｄ１及び下側ダイオード素子Ｄ２には、ＳｉＣに代えて、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）により構成された素子が用いられてもよく、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴが用いられてもよい。
図２は、実施形態のハーフブリッジ回路のモジュール１０の構造を示した図である。図２に示すように、モジュール１０は、第１端子Ａ、第２端子Ｂ，第３端子Ｃ、第４端子Ｄ，第６端子Ｆ、第７端子Ｇ、第８端子Ｈ、第９端子Ｅ、回路要素１１、及びパッケージ１２を備える。図２において、各端子はパッケージ１２の表面から突出する。回路要素１１は、パッケージ１２の内部に配置される。この好ましい実施形態において、第１端子Ａ、第２端子Ｂ、第３端子Ｃ、及び第４端子Ｄは、それぞれ、板形状である。第１端子Ａ、第２端子Ｂ、第３端子Ｃ、及び第４端子Ｄは、板厚方向に貫通する貫通孔を、それぞれ有する。貫通孔は、例えば、各端子とパッケージ１２の外部へとつながる導電線とを接続する。図２に示すように、パッケージ１２は、平面視において、略矩形である。第１端子Ａ及び第２端子Ｂは、パッケージ１２の一辺から、パッケージ１２の外部である一方側（図２中の上側）に向かって、それぞれ伸びる。第３端子Ｃ及び第４端子Ｄは、パッケージ１２の他の一辺から、パッケージ１２の外部である他方側（図２中の下側）に向かって伸びる。なお、第３端子Ｃ及び第４端子Ｄは、パッケージ１２の他の一辺（図中の左辺）から、パッケージ１２の外部である他方側（図２中の左側）に向かって伸びる構成であってもよく、特に限定されるものではない。第７端子Ｇと第８端子Ｈは、パッケージ１２の一辺から、図２中の右側に向かって伸びる。第９端子Ｅと第６端子Ｆは、第７端子Ｇと第８端子Ｈの少なくとも一部配置されるパッケージ１２の一辺から、図２中の右側に向かって伸びる。第６端子Ｆ、第７端子Ｇ、第８端子Ｈ、及び第９端子Ｅの長手方向の寸法は、互いに、ほぼ等しい。なお、図２において、各端子は突出するように示しているが、露出していればよく、各端子の少なくとも一部がパッケージ１２の表面または内部に嵌め込まれていてもよい。
ここで、第３端子Ｃと第４端子Ｄとは、パッケージ１２の外部において短絡可能なように配置される。この好ましい実施形態においては、上述のように、第３端子Ｃ及び第４端子Ｄは、平面視において、パッケージ１２における同一の一辺に、それぞれ配置される。すなわち、第３端子Ｃと第４端子Ｄとが、パッケージ１２の一辺からパッケージ１２の外部に同一方向に延びる。第３端子Ｃは、第４端子Ｄに隣り合って配置される。
第３端子Ｃと第４端子Ｄとの間には、間隙がある。第３端子Ｃの長手方向（図２中の上下方向）の長さは、第４端子Ｄの長手方向の長さと、等しい。これにより、第３端子Ｃと第４端子Ｄとを導電線などにより電気的に接続することを容易に行うことができる。
また、第３端子Ｃと第４端子Ｄとを電気的に接続されている状態から、接続を切断することも容易に行うことができる。図３に示すように、モジュール１０が、第３端子Ｃと第４端子Ｄとが短絡されない場合は、集中巻き３相ＳＲモータに使用可能になる。一方、図４に示すように、モジュール１０が、第３端子Ｃと第４端子Ｄとが短絡される場合は、３相同期モータに使用可能になる。以上のように、モジュール１０は、簡単な構成を追加することで、集中巻き３相ＳＲモータ及び３相同期モータのいずれにも使用可能な電力変換装置となる。したがって、モジュール１０は、広範なモータに適用できるため、量産に向いている。そのため、モジュール１０は、量産によるコスト低減の効果を得られやすい。また、好ましい実施形態においては、第３端子Ｃと第４端子Ｄは、板厚方向の高さが同じ高さに配置される。これにより、第３端子Ｃと第４端子Ｄとをつなげる導電線を、板厚方向に折り曲げることなく配置することができる。よって、第３端子Ｃと第４端子Ｄとを電気的に接続することを容易に行うことができる。また、好ましい実施形態においては、第３端子Ｃの貫通孔と第４端子Ｄの貫通孔とは、パッケージ１２の一辺からの距離が等しい。これにより、第３端子Ｃと第４端子Ｄとをつなげる導電線を、平面方向に折り曲げることなく配置することができる。よって、第３端子Ｃと第４端子Ｄとを電気的に接続することを容易に行うことができる。
また、図２においては、第１端子Ａと第２端子Ｂとが、パッケージ１２の一辺からパッケージ１２の外部に同一方向に伸びる。第１端子Ａと第２端子Ｂとの間には、例えば、バイパスコンデンサを配置することができる。バイパスコンデンサは、第１端子Ａと第２端子Ｂに、それぞれ接続される。この構成により、回路要素１１が動作する際に、直流電源の電圧が変動するのを避けることができる。その結果、ノイズ輻射を抑制することができる。
続いて、上述のモジュール１０が用いられる電力変換装置及びその電力変換装置に接続されるモータについて、図３及び図４を参照して説明する。図３は、集中巻き３相ＳＲモータ１００の構成を示す図である。集中巻き３相ＳＲモータ１００は、電力変換装置５０を有する。電力変換装置５０は、３つのモジュール１０（すなわち、第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を有する。それぞれのモジュール１０において、第１端子Ａは、電源７０の正極につながる配線１５に、接続される。第２端子Ｂは、電源７０の負極につながる配線１６に接続される。電力変換装置５０において、３つのモジュール１０は、互いに並列に接続される。すなわち、電力変換装置５０は、３つのハーフブリッジ回路を並列に接続した構成である。
集中巻き３相ＳＲモータ１００は、ステータ２０、ロータ３０及び回路基板４０を有する。ロータ３０は、ステータ２０に対して、中心軸を中心として相対的に回転可能である。回路基板４０は、ステータ２０に接続される。ステータ２０は、中心軸を規準とする径方向内側に突出した３ｎ（ｎは自然数）個のティース部と、それぞれのティース部に導線が集中巻きによって巻回されて構成される複数のコイルと、を有する。ロータ３０は、径方向外側に突出した２ｎ個の突極部を有する。各突極部は、ティース部と、径方向に対向する。この好ましい実施形態においては、ティース部の数は３個であり、突極部の数は４個である。しかしながら、ティース部の数および突極部の数は、これらに限定されるものではない。
回路基板４０は、複数の端子Ｐ１〜Ｐ６を有する。各端子Ｐ１〜Ｐ６は、電力変換装置５０の各端子に、それぞれ接続される。この好ましい実施形態においては、端子Ｐ１と端子Ｐ２はＵ相のコイルに接続される。端子Ｐ３と端子Ｐ４は、Ｖ相のコイルに接続される。端子Ｐ５と端子Ｐ６は、Ｗ相のコイルに接続される。より詳細には、Ｕ相のコイルの巻き終わりの部位は、端子Ｐ１に接続される。Ｕ相のコイルの巻き始めの部位は、端子Ｐ２に接続される。Ｖ相のコイルの巻き終わりの部位は、端子Ｐ３に接続される。
Ｖ相のコイルの巻き始めの部位は、端子Ｐ４に接続される。Ｗ相のコイルの巻き終わりの部位は、端子Ｐ５に接続される。Ｗ相のコイルの巻き始めの部位は、端子Ｐ６に接続される。なお、端子Ｐ１〜Ｐ６には、それぞれ他の相のコイルが接続されてもよい。
上述のように、電力変換装置５０は、３つのモジュール１０を有する。モジュール１０は、第１モジュール１０Ａ、第２モジュール１０Ｂ、及び第３モジュール１０Ｃを有する。第１モジュール１０Ａ、第２モジュール１０Ｂ、及び第３モジュール１０Ｃは、集中巻き３相ＳＲモータ１００の３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）に、それぞれ対応する。第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、それぞれ回路要素１１を含み、同一の構成である。第１モジュール１０Ａは、第４端子Ｄが端子Ｐ１に接続される。第３端子Ｃが端子Ｐ２に接続される。すなわち、第１モジュール１０Ａの第３端子Ｃは、回路基板４０を介して、対応するＵ相のコイルの巻き始めの部位に接続される。第４端子Ｄは、回路基板４０を介して、対応するＵ相のコイルの巻き終わりの部位に接続される。第２モジュール１０Ｂでは、第４端子Ｄが回路基板４０の端子Ｐ３に接続され、第３端子Ｃが端子Ｐ４に接続される。すなわち、第２モジュール１０Ｂの第３端子Ｃは回路基板４０を介して、対応するＶ相のコイルの巻き始めの部位に接続される。第４端子Ｄは、回路基板４０を介して、Ｖ相のコイルの巻き終わりの部位に接続される。第３モジュール１０Ｃでは、第４端子Ｄが回路基板４０の端子Ｐ５に接続され、第３端子Ｃが端子Ｐ６に接続される。すなわち、第３モジュール１０Ｃの第３端子Ｃは回路基板４０を介して、対応するＷ相のコイルの巻き始めの部位に接続され、第４端子Ｄは回路基板４０を介して、Ｗ相のコイルの巻き終わりの部位に接続される。すなわち、電力変換装置５０が備える３つのモジュール１０のそれぞれの第３端子Ｃは、回路基板４０を介して対応する相のコイルの巻き始めの部位に接続される。また、モジュール１０のそれぞれの第４端子Ｄは、回路基板４０を介して対応する相のコイルの巻き終わりの部位に接続される。
以上説明したように、図３に示される構成においては、第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃがそれぞれ並列接続される。並列接続されたモジュール１０各々において、第３端子Ｃと第４端子Ｄとの間に、ステータ２０の対応するコイルをつなぐことができる。第３端子Ｃと第４端子Ｄとが接続されることにより３相ハーブリッジ回路の一部が構成され、この３相ハーブリッジ回路を有する電力変換装置５０へ用いることができる。その結果、電力変換装置５０を集中巻き３相ＳＲモータ１００へ適用することが可能となる。
図４は、３相同期モータ２００の構成を示す図である。本実施形態によると、３相ブリッジ回路を構成する電力変換装置５０を構成する。本実施形態では、モジュール１０における第３端子Ｃと第４端子Ｄとが接続されることにより、電力変換装置５０は、３相ブリッジ回路の一部を構成する。３相同期モータ２００は、電力変換装置５０を有する。電力変換装置５０は、３つのモジュール１０（すなわち、第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を有する。それぞれのモジュール１０において、第１端子Ａは、電源７０の正極につながる配線１５に接続される。第２端子Ｂは、電源７０の負極につながる配線１６に接続される。３つのモジュール１０は、並列に接続される。また、３つのモジュール１０のそれぞれの第３端子Ｃは、回路構成の外部、すなわちモジュール１０のパッケージ１２の外部で、各モジュールの第４端子Ｄに接続される。
３相同期モータ２００は、ステータ２５、ロータ３５及び回路基板４５を有する。ステータ２５は３相のコイルを含むステータである。ステータ２５は、複数のコイルを有する。回路基板４５は、ステータ２５に電気的に接続される。ロータ３５は、ステータ２５に対して、中心軸を中心として、相対的に回転可能である。ロータ３５は、ステータ２５と、中心軸を規準とする径方向に対向して配置される。
回路基板４５は、複数の端子Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３を有する。
この好ましい実施形態においては、端子Ｐ１１は、Ｕ相のコイルに接続される。端子Ｐ１２は、Ｖ相のコイルに接続される。端子Ｐ１３は、Ｗ相のコイルに接続される。回路基板４５の各端子Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３は、それぞれ、電力変換装置５０の各端子に接続される。そのため、例えば、コイルがスター結線の場合、Ｕ相のコイルの中性点の反対側は、端子Ｐ１１に接続される。Ｖ相のコイルの中性点の反対側は、端子Ｐ１２に接続される。Ｗ相のコイルの中性点の反対側は、端子Ｐ１３に接続される。
また、コイルがデルタ結線の場合、Ｕ相のコイルとＷ相のコイルとの結合点は、回路基板４５の端子Ｐ１１に接続される。Ｖ相のコイルとＵ相のコイルとの結合点は、端子Ｐ１２に接続される。Ｗ相のコイルとＶ相のコイルとの結合点は、端子Ｐ１３に接続される。
上述のように、電力変換装置５０は、３つのモジュール（第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を有する。第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、３相同期モータ２００の３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）に対応する。第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、それぞれ回路要素１１を含み、同一の構成である。第１モジュール１０Ａでは、第３端子Ｃ及び第４端子Ｄが第１モジュール１０Ａの外部で接続される。第３端子Ｃと第４端子Ｄとの接続点が、端子Ｐ１１に接続される。すなわち、第１モジュール１０Ａの第３端子Ｃ及び第４端子Ｄは、回路基板４５を介して、対応するＵ相のコイルに接続される。第２モジュール１０Ｂでは、第３端子Ｃ及び第４端子Ｄがモジュール１０の外部で接続される。第２モジュール１０Ｂの第３端子Ｃと第４端子Ｄの接続点が、端子Ｐ１２に接続される。すなわち、第２モジュール１０Ｂの第３端子Ｃ及び第４端子Ｄは、回路基板４５を介して、Ｖ相のコイルに接続される。第３モジュール１０Ｃでは、第３端子Ｃ及び第４端子Ｄがモジュール１０の外部で接続される。第３モジュール１０Ｃの第３端子Ｃと第４端子Ｄの接続点が、端子Ｐ１３に接続される。すなわち、第３モジュール１０Ｃの第３端子Ｃ及び第４端子Ｄは、回路基板４５を介して、対応するＷ相のコイルに接続される。すなわち、電力変換装置５０が備える３つのモジュール１０のそれぞれの第３端子Ｃは、各モジュールの第４端子Ｄにそれぞれ接続される。それぞれの第３端子Ｃ及び第４端子Ｄは、回路基板４５を介して対応する相のコイルと接続される。
以上説明したように、図４に示される構成においては、第１、第２、第３モジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃがそれぞれ並列接続される。各モジュール１０各々の外部において、各第３端子Ｃ及び各第４端子Ｄが接続される。各第３端子Ｃと各第４端子Ｄとは、それぞれリード線または導電性を有する金属部材等を用いて、電気的に接続される。
各第３端子Ｃと各第４端子Ｄとの各接続点は、ステータ２５の対応するコイルと電気的に接続する。各接続点からコイルの電気的な接続は、リード線またはコネクタ線等が用いられる。モジュール１０において、第３端子Ｃと第４端子Ｄとが接続されることにより、３相ブリッジ回路の一部が構成される。第３端子Ｃと第４端子Ｄとが接続されたモジュール１０を３つ用いることで、３相ブリッジ回路を有する電力変換装置５０を構成することできる。その結果、電力変換装置５０を３相同期モータ２００へ適用することが可能となる。
以上説明した例示的な一実施形態によれば、第３端子Ｃと第４端子Ｄとを短絡しない場合、第３端子Ｃと第４端子Ｄとの間にコイルをつなぐことができるため、集中巻き３相ＳＲモータ１００に使用可能なモジュール１０を提供することができる。また、第３端子Ｃと第４端子Ｄとを短絡する場合、３相同期モータ２００に使用可能なモジュール１０を提供することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。図５は、実施形態のモジュール１０’の回路構成を示した図である。図１で示された構成と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。モジュール１０’においては、図５に示すように、上側ドレインＱ１Ｄは第１端子Ａに接続される。しかしながら、上側カソードＤ１Ｋは、第１端子Ａとは別の第５端子Ａ’に接続される。すなわち、第１端子Ａ及び第５端子Ａ’は互いに別の端子である。第５端子Ａ’はコンデンサに接続される。この構成により、上側ダイオード素子Ｄ１を通る還流電流が、配線１５に悪影響を与えることを避けることができる。
図５に対して、図１に示したモジュール１０においては、上側ドレインＱ１Ｄ及び上側カソードＤ１Ｋは、同一の第１端子Ａに接続されている。
すなわち、第１端子Ａ及び第５端子Ａ’は同一の端子である。
モジュール１０では、上側ダイオード素子Ｄ１を通る還流電流が、電源７０の正極につながる配線１５に帰還する場合、配線１５と上側スイッチング素子Ｑ１との間に負荷がかかる。モジュール１０’では、上側ダイオード素子Ｄ１が配線１５から離れ、コンデンサにつながる。これにより、上側ダイオード素子Ｄ１を通る還流電流が、配線１５に悪影響を与えることを避けることができる。また、上記構成により、還流電流のノイズを除去することができる。なお、この変形例のように構成した場合には、第１端子Ａと第５端子Ａ’とを短絡させることにより、モジュール１０と同じ回路構成にすることもできる。
［モジュール内部の部品配置］
以下、図６から図８を参照して、モジュール１０のパッケージの内部構造について説明する。
図６は、実施形態のハーフブリッジ回路のモジュール１０の部品配置を示した図である。図７は、モジュール１０の断面を示した図である。図８は、モジュール１０の回路構成と部品配置との関係を示した図である。
図６に示すように、上述した各素子は、モジュール１０のパッケージの内部に配置される。このパッケージの内部には、絶縁部ＩＮＳ１と、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４とが配置される。導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４とは、例えば、銅箔やアルミ箔などの金属箔である。なお、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４を、第１導電領域〜第４導電領域とも称する。
図７に示すように、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４は、絶縁部ＩＮＳ１上に積層される。絶縁部ＩＮＳ１は、セラミックスなどの絶縁物であり、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４どうしを絶縁する。すなわち、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４は、絶縁部ＩＮＳ１によって相互に絶縁されている。なお、以下の説明において、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４を区別しない場合には、導電領域ＰＣＡと総称する。また、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ４のうち、導電領域ＰＣＡ４は、必須ではない。例えば、パッケージの内部の各部と、第２端子Ｂとの接続が、導電領域ＰＣＡ４を介さない他の構成によって可能であれば、導電領域ＰＣＡ４は、必須ではない。
絶縁部ＩＮＳ１には、導電領域ＰＣＡが積層される面の裏面に、導電領域ＰＣＢが積層される。すなわち、導電領域ＰＣＢ、絶縁部ＩＮＳ１及び導電領域ＰＣＡは、この記載順に積層される。導電領域ＰＣＢ、絶縁部ＩＮＳ１及び導電領域ＰＣＡには、セラミックスの表裏面に銅箔やアルミ箔が接着された、セラミックス両面基板が用いられてもよい。
さらに、導電領域ＰＣＢには、冷却部材ＨＳが付されてもよい。冷却部材ＨＳとは、例えばヒートシンクやペルチェ素子などの吸熱を行う部材である。この冷却部材ＨＳを備えることにより、モジュール１０は、スイッチング素子やダイオード素子などから発生する熱を吸収して、モジュール１０の温度を低減することができる。
なお、この冷却部材ＨＳは、導電領域ＰＣＢに絶縁性接着剤や、はんだ又は焼結性金属を介して付される。絶縁性接着剤や、はんだ又は焼結性金属の熱伝導率が比較的高い場合には、モジュール１０の温度をさらに低減することができる。
図６に示すように、上側スイッチング素子Ｑ１及び上側ダイオード素子Ｄ１は、導電領域ＰＣＡ１に配置される。第１端子Ａは、導電領域ＰＣＡ１に接続される。下側スイッチング素子Ｑ２は、導電領域ＰＣＡ２に配置される。第４端子Ｄは、導電領域ＰＣＡ２に接続される。下側ダイオード素子Ｄ２は、導電領域ＰＣＡ３に配置される。第３端子Ｃは、導電領域ＰＣＡ３に接続される。また、第２端子Ｂは、導電領域ＰＣＡ４に接続される。つまり、導電領域ＰＣＡ１〜ＰＣＡ３のうち、導電領域ＰＣＡ２及び導電領域ＰＣＡ３には、スイッチング素子及びダイオード素子のうち、いずれか一種類の素子が配置される。
上側スイッチング素子Ｑ１は、複数のスイッチング素子が並列に接続された構成であってもよい。図６に示す具体例では、上側スイッチング素子Ｑ１において、３つのスイッチング素子が並列に接続されている。上側スイッチング素子Ｑ１を構成する複数のスイッチング素子は、ジャンパ線ＪＰ１によって相互に接続される。また、上側スイッチング素子Ｑ１は、ジャンパ線ＪＰ１３によって導電領域ＰＣＡ３に接続される。
下側スイッチング素子Ｑ２も、上側スイッチング素子Ｑ１と同様に、複数のスイッチング素子が並列に接続された構成であってもよい。下側スイッチング素子Ｑ２を構成する複数のスイッチング素子は、ジャンパ線ＪＰ２によって相互に接続される。また、下側スイッチング素子Ｑ２は、ジャンパ線ＪＰ２４によって導電領域ＰＣＡ４に接続される。
上側ダイオード素子Ｄ１及び下側ダイオード素子Ｄ２も、複数のダイオード素子が並列に接続された構成であってもよい。
下側ダイオード素子Ｄ２を構成する複数のダイオード素子は、ジャンパ線ＪＰ３によって相互に接続される。また、下側ダイオード素子Ｄ２は、ジャンパ線ＪＰ２３によって下側スイッチング素子Ｑ２に接続される。
上側ダイオード素子Ｄ１は、ジャンパ線ＪＰ１２によって導電領域ＰＣＡ２に接続される。すなわち、上側ダイオード素子Ｄ１を構成する複数のダイオード素子は、導電領域ＰＣＡ２を介してジャンパ線ＪＰ１２によって相互に接続される。
図７に示すように、上側スイッチング素子Ｑ１は、はんだや焼成銀などの接合部材ＳＬＤによって、導電領域ＰＣＡ１に接合される。なお、上側ダイオード素子Ｄ１、下側ダイオード素子Ｄ２、及び下側スイッチング素子Ｑ２も、上側スイッチング素子Ｑ１と同様に、はんだや焼成銀などの接合部材ＳＬＤによって、各導電領域に接合される。
図８に示すように、導電領域ＰＣＡ１には、上側スイッチング素子Ｑ１の上側ドレインＱ１Ｄが接続される。また、導電領域ＰＣＡ１には、上側ダイオード素子Ｄ１の上側カソードＤ１Ｋが接続される。
導電領域ＰＣＡ２には、下側スイッチング素子Ｑ２の下側ドレインＱ２Ｄが接続される。また、導電領域ＰＣＡ２には、ジャンパ線ＪＰ１２を介して上側ダイオード素子Ｄ１の上側アノードＤ１Ａが接続される。
導電領域ＰＣＡ３には、下側ダイオード素子Ｄ２の下側カソードＤ２Ｋが接続される。また、導電領域ＰＣＡ３には、ジャンパ線ＪＰ１３を介して上側ソースＱ１Ｓが接続される。
導電領域ＰＣＡ４には、ジャンパ線ＪＰ２４及びジャンパ線ＪＰ２を介して下側スイッチング素子Ｑ２の下側ソースＱ２Ｓが接続される。また、導電領域ＰＣＡ４には、ジャンパ線ＪＰ２３及びジャンパ線ＪＰ３を介して、下側ダイオード素子Ｄ２の下側アノードＤ２Ａが接続される。
ここで、モジュール１０の端子と、導電領域ＰＣＡとの関係について説明する。上述したように、導電領域ＰＣＡ２は、第４端子Ｄに接続されている。また、導電領域ＰＣＡ３は、第３端子Ｃに接続されている。また、導電領域ＰＣＡ２と導電領域ＰＣＡ３とは、絶縁部ＩＮＳ１によって相互に絶縁されている。つまり、モジュール１０のパッケージの内部において、第３端子Ｃと、第４端子Ｄとは、導電領域ＰＣＡによっては接続されていない。
仮に、モジュールのパッケージの内部において、第３端子Ｃと、第４端子Ｄとが、導電領域ＰＣＡによって接続されている場合には、図４に示す３相同期モータ２００を構成することは可能である。しかしながら、モジュールのパッケージの内部において、第３端子Ｃと、第４端子Ｄとが、導電領域ＰＣＡによって接続されている場合には、図３に示す集中巻き３相ＳＲモータ１００を構成することはできない。つまり、モジュールのパッケージの内部において、第３端子Ｃと、第４端子Ｄとが、導電領域ＰＣＡによって接続されている場合には、集中巻き３相ＳＲモータ１００と、３相同期モータ２００とに使用可能なモジュールを提供することができない。
一方、上述したモジュール１０は、モジュール１０のパッケージの内部において、第３端子Ｃと、第４端子Ｄとが、導電領域ＰＣＡによって接続されていない。このような構成により、モジュール１０は、集中巻き３相ＳＲモータ１００と、３相同期モータ２００とに使用可能なモジュールを提供することができる。
すなわち、上述した例示的な一実施形態によれば、パッケージの外部において第３端子Ｃと第４端子Ｄとを短絡しない場合、第３端子Ｃと第４端子Ｄとの間にコイルをつなぐことができるため、集中巻き３相ＳＲモータ１００に使用可能なモジュール１０を提供することができる。また、パッケージの外部において第３端子Ｃと第４端子Ｄとを短絡する場合、３相同期モータ２００に使用可能なモジュール１０を提供することができる。
以下、図９及び図１０を参照して、モジュール１０の変形例について説明する。なお、以下の説明において、上述したモジュール１０と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
図９は、実施形態の第１の変形例であるハーフブリッジ回路のモジュール２１０の部品配置を示した図である。
モジュール２１０は、導電領域ＰＣＡ３に代えて、導電領域ＰＣＡ３ａを備えている。導電領域ＰＣＡ３ａは、第３端子Ｃに接続されている。また、導電領域ＰＣＡ３ａは、導電領域ＰＣＡ２上に、絶縁部ＩＮＳ２を介して積層されている。すなわち、導電領域ＰＣＡ２と、導電領域ＰＣＡ３ａとは、モジュール２１０のパッケージの内部において、絶縁されている。
すなわち、モジュール２１０が備える複数の導電領域ＰＣＡのうち少なくとも２つの導電領域ＰＣＡは、一方の導電領域ＰＣＡの一部に、他方の導電領域ＰＣＡが、絶縁部ＩＮＳ２を介して積層されることにより、互いに絶縁される構成である。
ここで、３相同期モータ２００を構成するモジュールは、パッケージの内部において、第３端子Ｃと、第４端子Ｄとが、導電領域ＰＣＡ２によって接続されている場合がある。
３相同期モータ２００を構成するモジュールを基にしてモジュール２１０を作成する場合、導電領域ＰＣＡ２に絶縁部ＩＮＳ２及び導電領域ＰＣＡ３ａを積層し、第３端子Ｃを導電領域ＰＣＡ３ａに接続すればよい。つまり、モジュール２１０によれば、３相同期モータ２００を構成するモジュールを、簡易な手順によって集中巻き３相ＳＲモータ１００に使用可能なモジュールに変更することができる。
図１０は、実施形態の第２の変形例であるハーフブリッジ回路のモジュール３１０の部品配置を示した図である。このモジュール３１０は、導電領域ＰＣＡ２及び導電領域ＰＣＡ４に代えて、導電領域ＰＣＡ２ａ及び導電領域ＰＣＡ５を備える点で、上述したモジュール１０と異なる。
導電領域ＰＣＡ２が第４端子Ｄに接続されるのに対し、導電領域ＰＣＡ２ａは、第２端子Ｂに接続される。また、導電領域ＰＣＡ２には、下側スイッチング素子Ｑ２の下側ドレインＱ２Ｄが接続されるのに対し、導電領域ＰＣＡ２ａには、下側スイッチング素子Ｑ２の下側ソースＱ２Ｓが接続される。
導電領域ＰＣＡ５は、第４端子Ｄに接続される。また、導電領域ＰＣＡ５には、下側スイッチング素子Ｑ２の下側ドレインＱ２Ｄが、ジャンパ線ＪＰ２及びジャンパ線ＪＰ２５を介して接続される。
このように構成しても、モジュール３１０は、集中巻き３相ＳＲモータ１００と、３相同期モータ２００とに使用可能なモジュールを提供することができる。
上記実施形態及び各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせられてよい。
１０，１０’，２１０，３１０…モジュール、１０Ａ…第１モジュール、１０Ｂ…第２モジュール、１０Ｃ…第３モジュール、１１…回路要素、１２…パッケージ、１５，１６…配線、２０，２５…ステータ、３０，３５…ロータ、４０，４５…回路基板、５０…電力変換装置、７０…電源、１００…集中巻き３相ＳＲモータ、２００…３相同期モータ、Ａ…第１端子、Ａ’…第５端子、Ｂ…第２端子、Ｃ…第３端子、Ｄ…第４端子、Ｅ…第９端子、Ｆ…第６端子、Ｇ…第７端子、Ｈ…第８端子、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３…端子、Ｑ１，Ｑ２…スイッチング素子、Ｑ１Ｄ…上側ドレイン、Ｑ１Ｇ…上側ゲート、Ｑ１Ｓ…上側ソース、Ｑ２Ｄ…下側ドレイン、Ｑ２Ｇ…下側ゲート、Ｑ２Ｓ…下側ソース、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード素子、Ｄ１Ａ…上側アノード、Ｄ１Ｋ…上側カソード、Ｄ２Ａ…下側アノード、Ｄ２Ｋ…下側カソード、ＰＣＡ１，ＰＣＡ２，ＰＣＡ３…導電領域、ＩＮＳ１，ＩＮＳ２…絶縁部

Claims (16)

  1. 電力変換装置の少なくとも一部を構成するモジュールであって、
    パッケージと、
    前記パッケージの内部に配置される回路要素と、複数の端子と、を備え、
    前記回路要素は、上側スイッチング素子、下側スイッチング素子、上側ダイオード素子及び下側ダイオード素子を有し、
    前記上側スイッチング素子は、上側ドレインと上側ソースとを有し、
    前記上側ドレインが前記複数の端子のうちの電源の正極につながる第１端子に接続され、前記上側ソースが前記複数の端子のうちの第３端子に接続され、
    前記下側スイッチング素子は、下側ドレインと下側ソースとを有し、
    前記下側ドレインが前記複数の端子のうちの第４端子に接続され、前記下側ソースが前記複数の端子のうちの電源の負極につながる第２端子に接続され、
    前記上側ダイオード素子は、上側アノードと上側カソードとを有し、前記上側アノードが前記第４端子に接続され、前記上側カソードが前記複数の端子のうちの第５端子に接続され、
    前記下側ダイオード素子は、下側アノードと下側カソードとを有し、前記下側アノードが前記第２端子に接続され、前記下側カソードが前記第３端子に接続され、
    前記第３端子及び前記第４端子は、前記パッケージの外部において短絡可能に配置され、
    前記第３端子及び前記第４端子は、前記パッケージから外部に同一方向に延びる
    ことを特徴とするモジュール。
  2. 前記複数の端子において、前記第１端子及び前記第５端子は同一の端子である
    ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
  3. 前記第１端子及び前記第５端子は互いに別の端子である
    ことを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
  4. 前記回路要素を構成する各素子はＳｉＣ素子により構成されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項３いずれか１項に記載のモジュール。
  5. 請求項１から請求項４に記載のいずれかのモジュールを３つ有し、それぞれのモジュールにおいて、前記第１端子は正極につながる配線に接続され、前記第２端子は負極につながる配線に接続され、３つのモジュールが並列に接続されている
    ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項５に記載された電力変換装置と、径方向内側に突出した３ｎ（ｎは自然数）個のティース部と、それぞれのティース部に集中巻きによって巻回されたコイルと、を有するステータ、径方向外側に突出した２ｎ個の突極部を有するロータ、及び前記電力変換装置の端子に接続される回路基板を含むスイッチドリラクタンスモータと、を備え、前記電力変換装置が備える３つのモジュールのそれぞれの前記第３端子は、前記回路基板を介して対応する相のコイルの巻き始めの部位に接続され、それぞれの前記第４端子は、前記回路基板を介して前記対応する相のコイルの巻き終わりの部位に接続される
    スイッチドリラクタンスモータ。
  7. 請求項５に記載された電力変換装置と、３相のコイルを有するステータ、前記ステータと径方向に対向するロータ、及び前記電力変換装置の端子に接続される回路基板を含む３相同期モータと、を備え、前記電力変換装置が備える３つのモジュールのそれぞれの前記第３端子は、各モジュールの前記第４端子にそれぞれ接続され、それぞれの前記第３端子及び前記第４端子は、前記回路基板を介して対応する相のコイルと接続される
    ３相同期モータ。
  8. 電力変換装置の少なくとも一部を構成するモジュールであって、
    パッケージと、
    前記パッケージの内部に配置されるスイッチング素子及びダイオード素子と、
    前記パッケージの内部に配置される複数の導電領域と、
    前記導電領域どうしを絶縁する絶縁部と、
    電源の正極につながる第１端子と、
    電源の負極につながる第２端子と、
    前記パッケージの外部において短絡可能に配置されると共に、前記パッケージから外部に同一方向に延びる第３端子及び第４端子と
    を備え、
    前記複数の導電領域のうち、少なくとも一つの導電領域には、前記スイッチング素子及び前記ダイオード素子のうち、いずれか一種類の素子が配置される
    モジュール。
  9. 前記複数の導電領域は、前記第１端子に接続される第１導電領域と、前記第２端子又は前記第４端子のいずれか一方の端子に接続される第２導電領域と、前記第３端子に接続される第３導電領域とを含む
    請求項８に記載のモジュール。
  10. 前記スイッチング素子は、上側スイッチング素子及び下側スイッチング素子を含み、
    前記ダイオード素子は、上側ダイオード素子及び下側ダイオード素子を含み、
    前記第１導電領域には、前記上側スイッチング素子及び前記下側ダイオード素子が配置され、
    前記第２導電領域には、前記下側スイッチング素子が配置され、
    前記第３導電領域には、前記上側ダイオード素子が配置される
    請求項９に記載のモジュール。
  11. 前記上側スイッチング素子は、前記第１導電領域を介して前記第１端子に接続される上側ドレインと、前記第３導電領域を介して前記第３端子に接続される上側ソースとを有し、
    前記下側スイッチング素子は、前記第４端子に接続される下側ドレインと、前記第２端子に接続される下側ソースとを有し、前記第２導電領域が前記第４端子に接続される場合には、前記下側ドレインが前記第２導電領域を介して前記第４端子に接続され、前記第２導電領域が前記第２端子に接続される場合には、前記下側ソースが前記第２導電領域を介して前記第２端子に接続され、
    前記上側ダイオード素子は、前記第３導電領域を介して前記第３端子に接続される上側アノードと、前記第２端子に接続される上側カソードとを有し、
    前記下側ダイオード素子は、前記第４端子に接続される下側アノードと、前記第１導電領域を介して前記第１端子に接続される下側カソードとを有する
    請求項１０に記載のモジュール。
  12. 前記複数の導電領域のうち、少なくとも２つの導電領域は、一方の導電領域の一部に、他方の導電領域が、前記絶縁部を介して積層されることにより、互いに絶縁される
    請求項８から請求項１０いずれか一項に記載のモジュール。
  13. 前記導電領域が配置される基板と、
    前記基板の面のうち、前記スイッチング素子及び前記ダイオード素子が配置される面の裏面に、絶縁性接着剤、はんだ又は焼結性金属を介して付される冷却部材と
    をさらに備える請求項８から請求項１１いずれか一項に記載のモジュール。
  14. 請求項８から請求項１３に記載のいずれかのモジュールを３つ有し、それぞれのモジュールにおいて、前記第１端子は正極につながる配線に接続され、前記第２端子は負極につながる配線に接続され、３つのモジュールが並列に接続されている
    ことを特徴とする電力変換装置。
  15. 請求項１４に記載された電力変換装置と、径方向内側に突出した３ｎ（ｎは自然数）個のティース部と、それぞれのティース部に集中巻きによって巻回されたコイルと、を有するステータ、径方向外側に突出した２ｎ個の突極部を有するロータ、及び前記電力変換装置の端子に接続される回路基板を含むスイッチドリラクタンスモータと、を備え、前記電力変換装置が備える３つのモジュールのそれぞれの前記第３端子は、前記回路基板を介して対応する相のコイルの巻き始めの部位に接続され、それぞれの前記第４端子は、前記回路基板を介して前記対応する相のコイルの巻き終わりの部位に接続される
    スイッチドリラクタンスモータ。
  16. 請求項１４に記載された電力変換装置と、３相のコイルを有するステータ、前記ステータと径方向に対向するロータ、及び前記電力変換装置の端子に接続される回路基板を含む３相同期モータと、を備え、前記電力変換装置が備える３つのモジュールのそれぞれの前記第３端子は、各モジュールの前記第４端子にそれぞれ接続され、それぞれの前記第３端子及び前記第４端子は、前記回路基板を介して対応する相のコイルと接続される
    ３相同期モータ。
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