JP6751696B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本件は、電力変換装置に関する。
特許文献1には、駆動回路と電源回路とを配置する強電系の駆動回路/電源回路配置配線領域を、弱電系の制御回路との間に絶縁領域を介在させてスイッチング素子毎に設けて対となる駆動回路/電源回路配置配線領域同士の間に間隔を確保した上で、制御回路からの供給電圧を変圧する給電トランスを、電源回路毎に絶縁領域を跨いで設けたことを特徴とする電力変換装置が開示されている。
国際公開第2016/088211号
本開示では、絶縁領域を跨いで設けられる給電トランスを必須としない電力変換装置が提案される。
本開示にかかる電力変換装置(100)の第1の態様は、積層された複数の配線層(101,102)を有する多層基板(10)と、前記多層基板(10)に搭載された第1回路群(701,703,801,803,901,902)と、前記多層基板(10)に搭載された第2回路群(210,310,702,802,903,904)とを備える。
前記第1回路群(701,703,801,803,901,902)は、第1電源電圧(Vc1)から少なくとも一つの第1動作電圧(Vc11,Vc12)を得る第1電圧変換回路(901,902)と、一の前記第1動作電圧(Vc11)によって電力が供給されて動作するパワーモジュール(803)とを有する。
前記第2回路群(210,310,702,802,903,904)は、第2電源電圧(Vc2,Vc3)から第2動作電圧(Vc21,Vc31)を得る第2電圧変換回路(903,904)と、前記第2動作電圧(Vc21,Vc31)によって電力が供給されて動作する負荷回路(210,310)とを有する。
前記第1電源電圧(Vc1)と前記第2電源電圧(Vc2,Vc3)とは、前記多層基板(10)の外部から互いに絶縁されて供給される。
前記複数の配線層(101,102)のいずれの配線層においても、前記第1回路群(701,703,801,803,901,902)に採用される配線パターンが配置される第1領域(101a,102a)と、前記第2回路群(210,310,702,802,903,904)に採用される配線パターンが配置される第2領域(101b,102b)とは、絶縁性の第3領域(101c,102c)によって分離される。
前記複数の配線層(101,102)の積層方向に沿って見て、前記複数の配線層(101,102)の全ての前記第1領域(101a,102a)は、前記複数の配線層(101,102)のいずれの前記第2領域(101b,102b)とも重ならない。
本開示にかかる電力変換装置(100)の第2の態様は、その第1の態様であって、前記第1電圧変換回路(901,902)は複数の前記第1動作電圧(Vc11,Vc12)を得る。前記第1回路群(701,703,801,803,901,902)は、他の前記第1動作電圧(Vc12)によって電力が供給され、前記パワーモジュール(803)を制御する第1制御信号(G1)を、第2制御信号(G2)に基づいて生成して、前記パワーモジュール(803)へ出力する第1制御回路(801)を更に有する。前記第2回路群(210,310,702,802,903,904)は、前記第2動作電圧(Vc31)によって電力が供給され、前記第2制御信号(G2)を出力する第2制御回路(802)を更に有する。電力変換装置(100)の第2の態様は、前記第3領域(101c,102c)を跨いで前記多層基板(10)に配置され、前記第2領域(102b)において前記第2制御信号(G2)を入力する入力端対(602b)と、前記第1領域(102a)において前記第2制御信号(G2)を出力する出力端対(602a)とを有し、前記第2制御信号(G2)を前記第2制御回路(802)から前記第1制御回路(801)へ中継する第1フォトカプラ(602)を更に備える。
本開示にかかる電力変換装置(100)の第3の態様は、その第2の態様であって、前記第2制御回路(802)は、前記第1電圧変換回路(901)の動作を一時停止させるスタンバイ信号(STB)を出力する。電力変換装置(100)の第3の態様は、前記第3領域(101c,102c)を跨いで前記多層基板(10)に配置され、前記第2領域(101b)において前記スタンバイ信号(STB)を入力する入力端対(601b)と、前記第1領域(101a)において前記スタンバイ信号(STB)を出力する出力端対(601a)とを有し、前記スタンバイ信号(STB)を前記第2制御回路(802)から前記第1電圧変換回路(901)へと中継する第2フォトカプラ(601)を更に備える。
本開示にかかる電力変換装置(100)の第4の態様は、その第2の態様または第3の態様であって、前記第2制御回路(802)は、前記第2電圧変換回路(903,904)の動作を休止させるスリープ信号(SL2,SL3)を、前記第2電圧変換回路(903,904)へ出力する。
本開示にかかる電力変換装置の第1の態様では、絶縁領域を跨いで設けられる給電トランスは必須ではない。
本開示にかかる電力変換装置の第2の態様では、第1回路群と第2回路群との間の絶縁性を損なうことなく、第2回路群から第1回路群へ第2制御信号が伝達される。
本開示にかかる電力変換装置の第3の態様では、第1回路群と第2回路群との間の絶縁性を損なうことなく、第2回路群から第1回路群へスタンバイ信号が伝達される。
本開示にかかる電力変換装置の第3の態様、及び第4の態様は、電力消費の低減の観点で望ましい。
実施の形態で説明される電力変換装置の空間的な構成を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の電気的な構成を示す回路図である。 複数の電源電圧を互いに絶縁して供給するスイッチング電源の構成を例示する回路図である。
図1は実施の形態で説明される電力変換装置100の空間的な構成を模式的に示す平面図である。電力変換装置100は、多層基板10と、第1回路群と、第2回路群とを備える。第1回路群と、第2回路群はいずれも多層基板10に搭載されている。多層基板10は積層された複数の配線層を有しており、図1では配線層101,102が例示されている。
図1において配線層101は手前側に、配線層102は向こう側に、それぞれ位置する場合が例示されている。つまり、図1は配線層101,102の積層方向に沿って見た、より具体的には配線層101から配線層102へ向かう方向に沿って見た平面図である。図1において配線層101を示す引き出し線には実線が、配線層102を示す引き出し線には破線が、それぞれ採用されている。
配線層101,102のいずれもが、第1回路群に採用される配線パターンが配置される第1領域と、第2回路群に採用される配線パターンが配置される第2領域と、絶縁性の第3領域を有する。第3領域は第1領域と第2領域を分離する。ただし、簡単のため、配線パターンの図示は省略した。
具体的には、配線層101は、第1領域101aと、第2領域101bと、第3領域101cとを有する。配線層102は、第1領域102aと、第2領域102bと、第3領域102cとを有する。
図1において第1領域101aと、第2領域101bと、第3領域101cとを示す引き出し線には、配線層101と同様に実線が採用されている。図1において第1領域102aと、第2領域102bと、第3領域102cとを示す引き出し線には、配線層102と同様に破線が採用されている。
図1では、第1領域101aは第1領域102aと、第2領域102bは第2領域102bと、第3領域101cは第3領域102cと、それぞれ平面視上で一致する場合が例示されている。しかし電力変換装置100において、そのような一致は要求されない。電力変換装置100においては、配線層101,102の積層方向に沿って見て、第1領域101a,102aの全てが、第2領域101b,102bのいずれとも重ならないことが要求される。
図2は電力変換装置100の電気的な構成を示す回路図である。図2において仮想線Jは第3領域101c,102cに対応し、仮想線Jよりも図面上で上側に第1回路群が、下側に第2回路群が、それぞれ示される。仮想線Jよりも上側における接続関係は、第1領域101a,102aに配置される配線パターンによって実現される。仮想線Jよりも下側における接続関係は、第2領域101b,102bに配置される配線パターンによって実現される。
第1回路群は、電圧変換回路901,902と、パワーモジュール803とを有する。これらは例えば面実装部品である。これらは配線層102側に搭載されるので、図1において破線で示される。
電圧変換回路901,902は、電源電圧Vc1から動作電圧Vc11,Vc12を得る。より具体的には、電圧変換回路901は電源電圧Vc1から動作電圧Vc11を得て、電圧変換回路902は動作電圧Vc11から動作電圧Vc12を得る。パワーモジュール803は動作電圧Vc11によって電力が供給されて動作する。パワーモジュール803は例えばインテリジェントパワーモジュールである。
パワーモジュール803は例えば三相相補PWMで、三相負荷を駆動する三相電圧を出力する。かかる三相電圧は、コネクタ703を介して、電力変換装置100から三相負荷(不図示)に出力される。ここではコネクタ703は配線層101側に搭載されるので、図1において実線で示される。コネクタ703を第1回路群に含めて捉えることができる。コネクタ703は例えば面実装部品である。
第2回路群は、電圧変換回路903,904と、負荷回路210,310とを有する。これらは例えば面実装部品である。これらは配線層101側に搭載されるので、図1において実線で示される。
電圧変換回路903は電源電圧Vc2から動作電圧Vc21を得る。電圧変換回路904は電源電圧Vc3から動作電圧Vc31を得る。負荷回路210は動作電圧Vc21によって電力が供給されて動作し、負荷回路310は動作電圧Vc31によって電力が供給されて動作する。負荷回路210としては、ステッピングモータやセンサを例示することができる。負荷回路310としてはセンサを例示することができる。
第1回路群に与えられる電源電圧Vc1と、第2回路群に与えられる電源電圧Vc2,Vc3とは、多層基板10の外部から互いに絶縁されて供給される。図1ではコネクタ701を介して、電圧変換回路901に電源電圧Vc1が、第1回路群の接地電位として電位E1が、それぞれ与えられる。コネクタ702を介して、電圧変換回路903に電源電圧Vc2が、電圧変換回路904に電源電圧Vc3が、第2回路群の接地電位として電位E2が、それぞれ与えられる。ここではコネクタ701,702は配線層101側に搭載されるので、図1において実線で示される。コネクタ701,702を、それぞれ第1回路群、第2回路群に含めて捉えることができる。これらは例えば面実装部品である。
上述のように、第1回路群における接続関係は第1領域101a,102aに配置される配線パターンによって実現され、第2回路群における接続関係は第2領域101b,102bに配置される配線パターンによって実現される。第1領域101a,102aの全ては第2領域101b,102bのいずれとも重ならない。そして第1回路群と第2回路群とは互いに絶縁された経路で給電される。したがって第1回路群が有するパワーモジュール803のスイッチングノイズが第2回路群へ与える影響が低減される。同様に、第2回路群から第1回路群へのノイズの影響も低減される。また絶縁性の第3領域を跨ぐ昇圧トランスも必要ない。
なお、図2では仮想線Jを跨いで第1回路群と第2回路群との間に介在するフォトカプラ601,602も示されている。これらは例えば面実装部品である。フォトカプラ601は出力端対601aと入力端対601bとを有し、フォトカプラ602は出力端対602aと入力端対602bとを有する。
フォトカプラ601,602の機能については後述するが、出力端対601a,602aは第1回路群に、入力端対601b,602bは第2回路群に、それぞれ接続される。図1では出力端対601a,602aはそれぞれ第1領域101a,102aに配置され、入力端対601b,602bはそれぞれ第2領域101b,102bに配置される。フォトカプラ601は配線層101側に搭載されるので実線で示され、フォトカプラ602は配線層102側に搭載されるので破線で示される。
一般的にフォトカプラはその入力側と出力側とは絶縁されるので、フォトカプラ601,602は第1回路群と第2回路群との間の絶縁性を損なうことはない。
図3は、電源電圧Vc1と、電源電圧Vc2,Vc3とを互いに絶縁して供給するスイッチング電源の構成を例示する回路図である。
トランス3は一次巻線301,302と、中間タップ付の二次巻線303とを有する。ダイオードブリッジ2は交流電源1から得た交流電圧を入力する。ダイオードブリッジ2の出力はスイッチング素子Q1を介して一次巻線301に与えられる。スイッチング素子Q1のスイッチングによって一次巻線301には交流電流が流れる。一次巻線302の出力はダイオード501によって整流され、コンデンサ401によって平滑され、電源電圧Vc1が得られる。一次巻線301,302の接地電位、即ちトランス3の一次側の接地電位は電位E1である。
二次巻線303の全体からの出力は、ダイオード502とコンデンサ402によって整流され平滑され、電源電圧Vc2が得られる。また二次巻線303の中間タップからの出力は、ダイオード503とコンデンサ403によって整流され平滑され、電源電圧Vc3が得られる。二次巻線303の接地電位、即ちトランス3の二次側の接地電位は電位E2である。
スイッチング素子Q1のスイッチングは、電源電圧Vc2を所定値に維持するように、スイッチング制御回路600によって制御される。
例えば、電源電圧Vc1,Vc2,Vc3はそれぞれ17V,14V,7Vであり、動作電圧Vc11,Vc12,Vc21、Vc31はそれぞれ15V,5V,14V,5Vである。この例示ではVc2=Vc21であるので、電圧変換回路903によって変換された電圧の差はないものの、ここでは電圧差0での電圧変換が行なわれると捉える。また、後述するように、電圧変換回路903が休止して動作電圧Vc21を出力しないことによって、負荷回路210を動作させないことができる。
第1回路群は制御回路801を更に有し、第2回路群は制御回路802を更に有する。具体的には制御回路801,802は例えばマイクロコンピュータで実現される。これらは例えば面実装部品である。制御回路801は第1領域102aに、制御回路802は第2領域102bに、それぞれ搭載されるので、いずれも配線層102に搭載される。よって図1においてこれらは破線で示される。
制御回路801は、制御信号G2に基づいて制御信号G1を生成し、これをパワーモジュール803へ出力する。制御信号G1はパワーモジュール803を制御する。具体的には例えば、パワーモジュール803は制御信号G1に基づいてスイッチングを行なう。制御回路801は動作電圧Vc12によって電力が供給される。制御回路802は動作電圧Vc31によって電力が供給され、制御信号G2を出力する。
例えば制御信号G1はパワーモジュール803を三相相補PWMで動作させるためのオン/オフ動作を規定し、制御信号G2は制御信号G1の生成に必要なスイッチングパターンを規定する。このような制御信号G1,G2の生成については周知の技術によって容易に実現されるので、詳細な説明は省略する。
フォトカプラ602は、制御信号G2を制御回路802から制御回路801へと中継する。具体的には、第2領域102bにおいて入力端対602bに制御回路802から制御信号G2を入力し、第1領域102aにおいて出力端対602aから制御回路801へと制御信号G2を出力する。
入力端対602bの一方(フォトカプラ602がその入力側に有するフォトダイオードのアノード)には動作電圧Vc31が供給され、他方(当該フォトダイオードのカソード)にはスイッチング素子Q2を介して電位E2が供給される。スイッチング素子Q2のオン/オフは制御信号G2によって制御されるので、入力端対602bには、スイッチング素子Q2を介してはいるものの、制御信号G2が入力されるということができる。スイッチング素子Q2は第2領域101bまたは第2領域102bに搭載される。
このようにフォトカプラ602を用いることにより、第1回路群と第2回路群との間の絶縁性を損なうことなく、第2回路群から第1回路群へ制御信号G2を伝達することができる。
制御回路802は、電圧変換回路901の動作を一時停止させるスタンバイ信号STBをも出力する。スタンバイ信号STBによって電圧変換回路901の動作を一時停止させる技術は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
フォトカプラ601は、スタンバイ信号STBを制御回路802から電圧変換回路901へと中継する。具体的には、第2領域101bにおいて入力端対601bに制御回路802からスタンバイ信号STBを入力し、第1領域101aにおいて出力端対601aから電圧変換回路901へとスタンバイ信号STBを出力する。
入力端対601bの一方(フォトカプラ601がその入力側に有するフォトダイオードのアノード)には動作電圧Vc21が供給され、他方(当該フォトダイオードのカソード)にはスイッチング素子Q3を介して電位E2が供給される。スイッチング素子Q3のオン/オフはスタンバイ信号STBによって制御されるので、入力端対601bには、スイッチング素子Q3を介してはいるものの、スタンバイ信号STBが入力されるということができる。スイッチング素子Q3は第2領域101bまたは第2領域102bに搭載される。
このようにフォトカプラ601を用いることにより、第1回路群と第2回路群との間の絶縁性を損なうことなく、第2回路群から第1回路群へスタンバイ信号STBを伝達することができる。
制御回路802は、電圧変換回路903,904の動作をそれぞれ休止させるスリープ信号SL2,SL3を、電圧変換回路903,904へ出力する。スリープ信号SL2,SL3によって電圧変換回路903,904の動作を休止させる技術は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
スタンバイ信号STBによる電圧変換回路901の一時停止や、スリープ信号SL2,SL3による電圧変換回路903,904の休止は、電力消費の低減の観点で望ましい機能である。具体的には電圧変換回路903の休止によって動作電圧Vc21が出力しないことにより、負荷回路210が動作せず、負荷回路210における電力消費がなくなる。同様に、電圧変換回路904の休止によって動作電圧Vc31が出力しないことにより、負荷回路310が動作せず、負荷回路310における電力消費がなくなる。
多層基板10が配線層101,102以外に、これらと積層される配線層を有してもよい。これらのいずれの配線層においても、第1回路群に採用される配線パターンが配置される第1領域と、第2回路群に採用される配線パターンが配置される第2領域とは、絶縁性の第3領域によって分離される。そしてこれらの配線層の積層方向に沿って見て、配線層の全ての第1領域は、配線層のいずれの第2領域とも重ならない。これにより、第1回路群からのノイズが第2回路群へ与える影響を低減できる。配線層の各々における第3領域同士の形状は、積層方向に沿って見て一致する必要はない。
以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
10 多層基板
100 電力変換装置
101,102 配線層
101a,102a 第1領域
101b,102b 第2領域
101c,102c 第3領域
210,310 負荷回路
601,602 フォトカプラ
801,802 制御回路
803 パワーモジュール
901,902,903,904 電圧変換回路
G1,G2 制御信号
SL2,SL3 スリープ信号
STB スタンバイ信号
Vc1,Vc2,Vc3 電源電圧
Vc11,Vc12,Vc21,Vc31 動作電圧

Claims (4)

  1. 積層された複数の配線層(101,102)を有する多層基板(10)と、
    前記多層基板(10)に搭載された第1回路群(701,703,801,803,901,902)と、
    前記多層基板(10)に搭載された第2回路群(210,310,702,802,903,904)と
    を備える電力変換装置(100)であって、
    前記第1回路群(701,703,801,803,901,902)は、
    第1電源電圧(Vc1)から少なくとも一つの第1動作電圧(Vc11)を得る第1電圧変換回路(901,902)と、
    の前記第1動作電圧(Vc11)によって電力が供給されて動作するパワーモジュール(803)と
    を有し、
    前記第2回路群(210,310,702,802,903,904)は、
    第2電源電圧(Vc2,Vc3)から第2動作電圧(Vc21,Vc31)を得る第2電圧変換回路(903,904)と、
    前記第2動作電圧(Vc21,Vc31)によって電力が供給されて動作する負荷回路(210,310)と
    を有し、
    前記第1電源電圧(Vc1)と前記第2電源電圧(Vc2,Vc3)とは、前記多層基板(10)の外部から互いに絶縁されて供給され、
    前記複数の配線層(101,102)のいずれの配線層においても、前記第1回路群(701,703,801,803,901,902)に採用される配線パターンが配置される第1領域(101a,102a)と、前記第2回路群(210,310,702,802,903,904)に採用される配線パターンが配置される第2領域(101b,102b)とは、絶縁性の第3領域(101c,102c)によって分離され、
    前記複数の配線層(101,102)の積層方向に沿って見て、前記複数の配線層(101,102)の全ての前記第1領域(101a,102a)は、前記複数の配線層(101,102)のいずれの前記第2領域(101b,102b)とも重ならない、電力変換装置(100)
  2. 前記第1電圧変換回路(901,902)は複数の前記第1動作電圧(Vc11,Vc12)を得て、
    前記第1回路群(701,703,801,803,901,902)は、
    他の前記第1動作電圧(Vc12)によって電力が供給され、前記パワーモジュール(803)を制御する第1制御信号(G1)を、第2制御信号(G2)に基づいて生成して、前記パワーモジュール(803)へ出力する第1制御回路(801)
    を更に有し、
    前記第2回路群(210,310,702,802,903,904)は、前記第2動作電圧(Vc31)によって電力が供給され、前記第2制御信号(G2)を出力する第2制御回路(802)
    を更に有し、
    前記第3領域(101c,102c)を跨いで前記多層基板(10)に配置され、前記第2領域(102b)において前記第2制御信号(G2)を入力する入力端対(602b)と、前記第1領域(102a)において前記第2制御信号(G2)を出力する出力端対(602a)とを有し、前記第2制御信号(G2)を前記第2制御回路(802)から前記第1制御回路(801)へ中継する第1フォトカプラ(602)
    を更に備える、請求項1記載の電力変換装置(100)
  3. 前記第2制御回路(802)は、前記第1電圧変換回路(901)の動作を一時停止させるスタンバイ信号(STB)を出力し、
    前記第3領域(101c,102c)を跨いで前記多層基板(10)に配置され、前記第2領域(101b)において前記スタンバイ信号(STB)を入力する入力端対(601b)と、前記第1領域(101a)において前記スタンバイ信号(STB)を出力する出力端対(601a)とを有し、前記スタンバイ信号(STB)を前記第2制御回路(802)から前記第1電圧変換回路(901)へと中継する第2フォトカプラ(601)
    を更に備える、請求項2記載の電力変換装置(100)
  4. 前記第2制御回路(802)は、前記第2電圧変換回路(903,904)の動作を休止させるスリープ信号(SL2,SL3)を、前記第2電圧変換回路(903,904)へ出力する、請求項2又は請求項3に記載の電力変換装置(100)
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