JP6873368B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

例えば、特許文献１に開示されているように、電気自動車等の車両には、バッテリとモータとの間に電力変換装置（ＰＣＵ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が設けられている。このような電力変換装置は、複数のパワーデバイス（パワー半導体チップ）を有するパワーモジュールや、これらのパワーデバイスを駆動するためのドライブ回路が実装された回路基板等を備えている。

特開２００７−３３６７９３号公報

ところで、近年においては、上述の回路基板に対してドライブ回路を制御するための制御回路を実装することが提案されている。このように制御回路を回路基板に実装することによって、制御回路とドライブ回路とを１つの基板上に設けることができるため、ワイヤハーネスによって制御回路とドライブ回路とを接続する必要がなくなり、制御回路とドライブ回路との間の通信ノイズの低減や電力変換装置の小型化を実現することができる。

ところが、電力変換装置には上述のように複数のパワーデバイスが備えられており、このため回路基板には複数のドライブ回路が設けられている。制御回路と各々のドライブ回路との間には当然に通信遅延が存在し、制御上、これらの通信遅延を管理する必要がある。例えば、１つのパワーデバイスがインバータ回路の１つのアームの上アームを形成し、他のパワーデバイスが同アームの下アームを形成している場合には、これらの上アームと下アームとの両方を電流が通過する貫通電流の発生を確実に防止する必要がある。このため、これらのパワーデバイスにおける通信遅延の管理は非常に重要なものとなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電力変換装置において、制御回路とドライブ回路と近づけて配置することで小型化を実現しつつ、制御回路とドライブ回路との間の通信遅延の管理を容易とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、複数のパワーデバイスを有するパワーモジュールと、上記パワーモジュールに接続された回路基板とを備える電力変換装置であって、上記回路基板が、上記パワーデバイスを駆動する複数のドライブ回路が配置されるドライブ回路配置領域と、上記ドライブ回路を制御する制御回路が配置される制御回路配置領域とを有し、上記制御回路配置領域を挟んで２つの上記ドライブ回路配置領域が設けられているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記回路基板が、上記制御回路配置領域から見て上記ドライブ回路配置領域の外側に、上記パワーモジュールへの入出力電流を検出する電流検出回路が配置される電流検出回路配置領域を有するという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記電流検出回路配置領域が、各々の上記ドライブ回路配置領域の外側に設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記回路基板が、上記制御回路配置領域から見て上記制御回路配置領域と２つの上記ドライブ回路配置領域との配列方向と直交する方向に配置されると共に、上記制御回路よりも高い電圧を扱う高圧回路が配置される高圧回路配置領域を有するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第４の発明において、平滑コンデンサを備え、上記高圧回路が、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電回路であり、上記回路基板が、上記高圧回路への入力電圧を検出すると共に上記制御回路に接続された電圧検出回路を備えるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第４または第５の発明において、上記高圧回路配置領域が、上記制御回路配置領域から見て上記制御回路配置領域と２つの上記ドライブ回路配置領域との配列方向と直交する方向の一方に配置され、上記回路基板が、上記制御回路配置領域から見て上記高圧回路配置領域と反対側に配置されると共に上記制御回路と外部とを接続する外部インタフェイスを備えるという構成を採用する。

本発明によれば、回路基板にて、制御回路配置領域を両側から挟み込むように２つのドライブ回路配置領域が設けられている。このため、ドライブ回路を不規則に回路基板上に配置する場合や、複数のドライブ回路を１つの領域に集めて配置する場合と比較して、制御回路から各々のドライブ回路までの配線長を均等化することが可能となる。このため、制御回路から各々のドライブ回路との間の通信遅延時間が均等化され、制御回路とドライブ回路との間の通信遅延の管理が容易となる。このような本発明によれば、制御回路とドライブ回路とが単一の基板に実装されるため電力変換装置を小型化することが可能となり、制御回路からドライブ回路までの配線長が均等化されるため制御回路とドライブ回路との間の通信遅延の管理が容易となる。

本発明の第１実施形態における電力変換装置の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態における電力変換装置が備える回路基板の模式図であり、（ａ）が、回路基板が備える機能構成のレイアウトを示す模式図であり、（ｂ）が、（ａ）に示す配置領域のみを抽出した模式図である。 本発明の第２実施形態における電力変換装置が備える回路基板の模式図であり、（ａ）が、回路基板が備える機能構成のレイアウトを示す模式図であり、（ｂ）が、（ａ）に示す配置領域のみを抽出した模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の電力変換装置１の概略構成を示す分解斜視図である。本実施形態の電力変換装置１は、電気自動車等の車両に搭載され、不図示のモータ（負荷）とバッテリとの間に設けられている。このような本実施形態の電力変換装置１は、図１に示すように、インテリジェントパワーモジュール２と、コンデンサ３と、本体ケース４とを備えている。

インテリジェントパワーモジュール２は、パワーモジュール１０、回路基板１１及び不図示の電流センサ及び電圧センサ等を備えている。パワーモジュール１０は、パワー半導体素子を有する不図示の複数のパワーデバイス、これらのパワーデバイスを保持するパワーモジュールケース、パワーデバイスに接続されたバスバー、及び、冷却用のウォータジャケット等を備えている。回路基板１１は、パワーモジュール１０に積層されており、後述するように、パワーデバイスを駆動する複数のドライブ回路や、これらのドライブ回路を制御するための制御回路を備えている。不図示の電流センサは、バスバーを流れる電流を検出するセンサであり例えばパワーモジュールケースに保持されている。また、不図示の電圧センサは、バスバーに印加される電圧を検出するセンサであり例えばパワーモジュールケースに保持されている。

コンデンサ３は、インテリジェントパワーモジュール２と接続されており、パワーモジュール１０を挟んで回路基板１１と反対側に配置されている。本体ケース４は、インテリジェントパワーモジュール２及びコンデンサ３を収容するケースであり、上部ケース４ａと、中央ケース４ｂと、下部ケース４ｃとを備えている。これらの上部ケース４ａ、中央ケース４ｂ及び下部ケース４ｃは、パワーモジュール１０と回路基板１１との積層方向に分割可能に接続されている。上部ケース４ａは、回路基板１１側からインテリジェントパワーモジュール２を覆っており、中央ケース４ｂと締結されている。中央ケース４ｂは、リアクトルが内蔵されると共に、インテリジェントパワーモジュール２の周囲を覆っている。下部ケース４ｃは、インテリジェントパワーモジュール２とモータとを接続するための接続コネクタが設けられており、中央ケース４ｂに締結されている。

この電力変換装置１は、パワーデバイス、コンデンサ３及びリアクトル等で構成される昇降圧回路や、インバータ回路を備えており、バッテリから供給された電力を三相交流電力に変換してモータに供給したり、モータからの回生電力をバッテリに回送したりする。

図２は、回路基板１１の模式図であり、（ａ）が、回路基板が備える機能構成のレイアウトを示す模式図であり、（ｂ）が、（ａ）に示す配置領域のみを抽出した模式図である。本実施形態の回路基板１１は、電圧の昇降を行う昇降圧回路の制御を行うドライブ回路や、電力を直流電力と三相交流電力とに変換するインバータ回路を制御するドライブ回路や、これらのドライブ回路を制御する制御回路が形成された電子基板である。

この回路基板１１は、図２（ａ）に示すように、単一の制御回路１２と、複数のドライブ回路１３と、電流センサ回路１４（電流検出回路）と、外部コネクタ１５とを備えている。

制御回路１２は、外部からの入力信号に基づいてドライブ回路１３を制御する回路であり、例えばワンチップマイコン等を備えている。ドライブ回路１３は、パワーモジュール１０に設けられたパワーデバイスを駆動するための回路である。例えば、パワーモジュールが、インバータのスイッチング素子を形成するパワーデバイスと、昇圧回路のスイッチング素子を形成するパワーデバイスとを備える場合には、ドライブ回路１３はこれらのスイッチング素子の数と同数設けられている。これらのドライブ回路１３の各々は、制御回路１２と回路基板１１内にて接続されており、制御回路１２の制御の下に例えばパワーデバイスのオンオフを制御する。

電流センサ回路１４は、パワーモジュール１０への入出力電流を検出するための回路であり、例えばパワーモジュールケースに保持されたコアと回路基板１１に実装されたホール素子とからなる電流センサから入力される信号から制御回路１２へ入力する電流値を示す信号を生成する。なお、本実施形態においては、パワーモジュールケースにて離れた位置に電流センサが配置されており、回路基板１１には電流センサ回路１４が２つ設けられている。これらの電流センサ回路１４は、ドライブ回路１３が配置された領域を避けて制御回路１２に回路基板１１内にて接続されている。

外部コネクタ１５（外部インタフェイス）は、制御回路１２と外部とを接続するインタフェイスであり、回路基板１１の端部近くに配置されている。このような外部コネクタ１５は、回路基板１１の実装面（上面）から本体ケース４の外部まで突出して設けられている。

本実施形態の電力変換装置１では、回路基板１１の実装面（パワーモジュール１０と反対側の面）にて、回路基板１１の中央位置に制御回路１２が配置される制御回路配置領域Ｒ１が設けられている。また、本実施形態の電力変換装置１では、上記実装面にて、同数のドライブ回路１３が配置されるドライブ回路配置領域Ｒ２が２つ設けられている。これらの２つのドライブ回路配置領域Ｒ２は、図２（ｂ）に示すように、上記実装面にて、制御回路配置領域Ｒ１を両側から挟み込むようにして配置されている。つまり、本実施形態においては、回路基板１１が、制御回路１２が配置される制御回路配置領域Ｒ１と、ドライブ回路１３が配置されるドライブ回路配置領域Ｒ２とを有し、制御回路配置領域Ｒ１を挟んで２つのドライブ回路配置領域Ｒ２が設けられている。

また、回路基板１１の実装面には、電流センサ回路１４が配置される電流センサ回路配置領域Ｒ３（電流検出回路配置領域）が２つ設けられている。電流センサ回路配置領域Ｒ３は、図２（ｂ）に示すように、上記実装面にて、制御回路配置領域Ｒ１から見てドライブ回路配置領域Ｒ２の外側に配置されている。つまり、ドライブ回路配置領域Ｒ２は、制御回路配置領域Ｒ１と電流センサ回路配置領域Ｒ３との間に配置されている。このように、本実施形態においては、回路基板１１は、制御回路配置領域Ｒ１から見てドライブ回路配置領域Ｒ２の外側に、パワーモジュール１０への入出力電流を検出する電流センサ回路１４が配置される電流センサ回路配置領域Ｒ３を有している。また、本実施形態においては、電流センサ回路配置領域Ｒ３は、各々のドライブ回路配置領域Ｒ２の外側に設けられている。

以上のような本実施形態の電力変換装置１は、複数のパワーデバイスを有するパワーモジュール１０と、パワーモジュール１０に接続された回路基板１１とを備えている。さらに、本実施形態の電力変換装置１は、回路基板１１が、パワーデバイスを駆動する複数のドライブ回路１３が配置されるドライブ回路配置領域Ｒ２と、ドライブ回路１３を制御する制御回路１２が配置される制御回路配置領域Ｒ１とを有し、制御回路配置領域Ｒ１を挟んで２つのドライブ回路配置領域Ｒ２が設けられている。

このような本実施形態の電力変換装置１によれば、回路基板１１にて、制御回路配置領域Ｒ１を両側から挟み込むように２つのドライブ回路配置領域Ｒ２が設けられている。このため、ドライブ回路１３を不規則に回路基板１１上に配置する場合や、複数のドライブ回路１３を１つの領域に集めて配置する場合と比較して、制御回路１２から各々のドライブ回路１３までの配線長を均等化することが可能となる。このため、制御回路１２から各々のドライブ回路１３との間の通信遅延時間が均等化され、制御回路１２とドライブ回路１３との間の通信遅延の管理が容易となる。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、制御回路１２とドライブ回路１３とが単一の基板に実装されるため電力変換装置１を小型化することが可能となり、さらに制御回路１２からドライブ回路１３までの配線長が均等化されるため制御回路１２とドライブ回路１３との間の通信遅延の管理が容易となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、回路基板１１が、制御回路配置領域Ｒ１から見てドライブ回路配置領域Ｒ２の外側に、パワーモジュール１０への入出力電流を検出する電流センサ回路１４が配置される電流センサ回路配置領域Ｒ３を有している。このような本実施形態の電力変換装置１においては、電流センサ回路１４を制御回路１２の外部に出し、電流センサ回路１４が制御回路１２から見てドライブ回路１３の外側に配置されている。このため、制御回路１２とドライブ回路１３とをより短距離で接続することが可能となる。なお、本実施形態の電力変換装置１においては、電流センサがパワーモジュールケースに保持されたコアと回路基板１１に実装されたホール素子とを有している。このため、電流センサから電流センサ回路１４までの距離、さらに電流センサから制御回路１２までの距離を短くすることができ、電流センサと制御回路１２との間の信号伝達を高速化することが可能となる。このため、電力変換装置１をよち安定的に作動させることが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、電流センサ回路配置領域Ｒ３が、各々のドライブ回路配置領域Ｒ２の外側に設けられている。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、電流センサ回路１４を分散して配置することができ、パワーモジュール１０において複数の電流センサを分散して配置することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図３を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。図３は、本実施形態の電力変換装置が備える。回路基板１１の模式図であり、（ａ）が、回路基板が備える機能構成のレイアウトを示す模式図であり、（ｂ）が、（ａ）に示す配置領域のみを抽出した模式図である。

図３に示すように、本実施形態において回路基板１１は、放電回路１６及び電圧センサ回路１７（電圧検出回路）を備えている。放電回路１６は、電力変換装置１が備えるコンデンサ３（平滑コンデンサ）に蓄えられた電荷を放出（放電）する回路である。この放電回路１６は、制御回路１２よりも高い電圧を扱う高圧回路であり、制御回路１２の制御の下で、コンデンサ３の放電を行う。

電圧センサ回路１７は、放電回路１６及びパワーモジュール１０への入力電圧を検出するための回路であり、例えばパワーモジュールケースに保持された電圧検出用の端子部１８から回路基板１１に実装された電圧センサへ接続している。この電圧センサ回路１７は、電圧センサから入力される信号から制御回路１２へ入力する電圧値を示す信号を生成する。この電圧センサ回路１７は、制御回路１２に接続されている。

本実施形態において、回路基板１１には、放電回路１６が配置される放電回路配置領域Ｒ４が設けられている。この放電回路配置領域Ｒ４は、図３（ｂ）に示すように、制御回路配置領域Ｒ１から見て制御回路配置領域Ｒ１と２つのドライブ回路配置領域Ｒ２との配列方向と直交する方向に配置されている。つまり、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、放電回路配置領域Ｒ４は、制御回路配置領域Ｒ１から見て制御回路配置領域Ｒ１と２つのドライブ回路配置領域Ｒ２との配列方向と直交する方向の一方に配置され、外部コネクタ１５は、制御回路配置領域Ｒ１から見て放電回路配置領域Ｒ４と反対側に配置されている。

このような本実施形態においては、高い電圧を扱うドライブ回路配置領域Ｒ２と放電回路配置領域Ｒ４が低い電圧を扱う領域を挟むことなく図３の回路基板１１の右側の領域を介して隣接した状態で配置されている。また、低い電圧を扱う制御回路配置領域Ｒ１と電流センサ回路配置領域Ｒ３とが、高い電圧を扱う領域を挟むことなく図３の回路基板１１の左側の領域を介して隣接した状態で配置されている。つまり、本実施形態においては、高い電圧を扱う領域同士が隣接して配置され、低い電圧を扱う領域同士が隣接して配置されている。このため、本実施形態の電力変換装置によれば、上述のように制御回路１２から各々のドライブ回路１３までの配線長を均等化できると共に、高い電圧を扱う領域同士と低い電圧扱う領域同士とを各々一体化させた状態でレイアウトすることができる。

このような本実施形態のように、制御回路１２の指示に対する応答性が高い水準で求められない放電回路１６は、ドライブ回路１３から離して配置することができる。このような本実施形態のように、ドライブ回路配置領域Ｒ２と異なる領域に高い電圧を扱う回路を設置することができる。ドライブ回路１３から離して配置することできる。このように、本実施形態のように、ドライブ回路配置領域Ｒ２と異なる領域に高い電圧を扱う回路を設置することができる。これによって１つの回路基板１１に多数の機能を集約することができ、電力変換装置１をより多機能でかつ小型化することが可能となる。

また、図３に示すように、電圧検出用の端子部１８を介して放電回路１６と電圧センサ回路１７とを接続することで、放電回路１６が作動した際の熱が電圧センサ回路１７及び制御回路１２に伝わることを抑制し、放電回路１６が作動した際の熱が電圧センサ回路１７及び制御回路１２に影響を与えることを抑制することができる。

また、本実施形態においては、外部コネクタ１５と放電回路配置領域Ｒ４とが制御回路配置領域Ｒ１を挟んで反対の位置に配置されている。このため、外部コネクタ１５を高い電圧を扱う領域から遠ざけることができ、外部と制御回路１２との間で行われる通信にノイズが発生することを抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、２つの電流センサ回路配置領域Ｒ３が回路基板１１に設けられた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものであない。電流センサ回路配置領域Ｒ３を設けない構成や、電流センサ回路配置領域Ｒ３を１つのみ設ける構成を採用することも可能である。

また、上記第２実施形態においては、高圧回路配置領域が、放電回路１６が設置される放電回路配置領域Ｒ４とされた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の高電圧を扱う回路を高圧回路配置領域に配置する構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、１つのドライブ回路配置領域Ｒ２に４つのドライブ回路１３が配置された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、１つのドライブ回路配置領域Ｒ２に対して、７つのドライブ回路１３を設置したり、３つのドライブ回路１３を設置したりする構成を採用することも可能である。

１……電力変換装置、２……インテリジェントパワーモジュール、３……コンデンサ（平滑コンデンサ）、４……本体ケース、１０……パワーモジュール、１１……回路基板、１２……制御回路、１３……ドライブ回路、１４……電流センサ回路（電流検出回路）、１５……外部コネクタ（外部インタフェイス）、１６……放電回路（高圧回路）、１７……電圧センサ回路（電圧検出回路）、１８……端子部、Ｒ１……制御回路配置領域、Ｒ２……ドライブ回路配置領域、Ｒ３……電流センサ回路配置領域（電流検出回路配置領域）、Ｒ４……放電回路配置領域（高圧回路配置領域）

Claims (3)

1. 複数のパワーデバイスを有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールに接続された回路基板とを備える電力変換装置であって、
   前記回路基板は、前記パワーデバイスを駆動する複数のドライブ回路が配置されるドライブ回路配置領域と、前記ドライブ回路を制御する制御回路が配置される制御回路配置領域とを有し、
   前記制御回路配置領域を挟んで２つの前記ドライブ回路配置領域が設けられ、
   前記回路基板は、前記制御回路配置領域から見て前記ドライブ回路配置領域の外側に、前記パワーモジュールへの入出力電流を検出する電流検出回路が配置される電流検出回路配置領域を有し、
   前記電流検出回路配置領域は、各々の前記ドライブ回路配置領域の外側に設けられ、
   前記電流検出回路は、前記ドライブ回路配置領域を避けて前記制御回路に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記回路基板は、前記制御回路配置領域から見て前記制御回路配置領域と２つの前記ドライブ回路配置領域との配列方向と直交する方向に配置されると共に、前記制御回路よりも高い電圧を扱う高圧回路が配置される高圧回路配置領域を有し、
   平滑コンデンサを備え、
   前記高圧回路は、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電回路であり、 前記回路基板は、前記高圧回路への入力電圧を検出すると共に前記制御回路に接続された電圧検出回路を備え、
   前記電圧検出回路と前記放電回路とは、前記パワーモジュールに保持された電圧検出用の端子部を介して接続されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記高圧回路配置領域が、前記制御回路配置領域から見て前記制御回路配置領域と２つの前記ドライブ回路配置領域との配列方向と直交する方向の一方に配置され、
   前記回路基板は、前記制御回路配置領域から見て前記高圧回路配置領域と反対側に配置されると共に前記制御回路と外部とを接続する外部インタフェイスを備え、
   当該外部インタフェイスと前記高圧回路配置領域とは、前記制御回路配置領域を挟んで反対の位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
   

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