JP6888269B2 - ゲート駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュールを駆動するためのゲート駆動装置に関する。
図8は、特許文献1に示された高電圧・大電流電力変換装置のパワーモジュールを駆動するゲート駆動回路の実装構造を示す側面図である。この図は、3相インバータのうち、1相分の構成を示している。
冷却体36上に実装されているパワーモジュール27は、2アーム分のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を1つのモジュールに搭載する2in1型のパワーモジュールである。
パワーモジュール27の中央上部には、高圧の主端子22と、グランドの主端子23が設けられている。
パワーモジュール27の中央上部を挟んで一方側には第1のゲート制御端子24と第1のグランド制御端子25が配置されており、他方側には、第2のゲート制御端子24と第2のグランド制御端子25が配置されている。
パワーモジュール27の上方には、電源端子32とグランド端子33を横向きにして、コンデンサ31が配置されている。
そのうえでコンデンサ31の電源端子32とパワーモジュール27の高圧の主端子22とがL字形状の主回路配線37で接続されている。また、コンデンサ31のグランド端子33とパワーモジュール27のグランド端子23とがL字形状の主回路配線38で接続されている。
そして、第1の制御基板11が、コンデンサ31の底面側(電源端子32、グランド端子33とは反対の側)に、冷却体36の上面に対して垂直方向に配置されている。
制御基板11には、信号入力部と電源入力部とロジック部と保護回路部とゲート駆動部とが搭載されている。
パワーモジュール27のゲート制御端子24とグランド制御端子25とには、それぞれ第2の制御基板12が接続されている。
第1の基板11と第2の基板12とは、絶縁シートを介してラミネート構造にした配線導体板13で接続されている。配線導体板13は、パワーモジュール27とコンデンサ31との間に配置されている。
特開2015−198545号公報(図22)
上記特許文献1に示された従来技術では、第1の基板11と、ゲート制御端子24とグランド端子25間に、第2の基板12を介挿させながら、絶縁シートを介してラミネート構造にした配線導体板13が配置されている。このようなゲート配線構造は、絶縁を確保するための構造が複雑であり、コストが高くなってしまうという課題があった。
また、第1の基板11を固定・保持する構造がないため、振動・衝撃により誤動作がおきる恐れがあった。
そこで本発明の目的は、ゲート駆動回路基板を絶縁カバーで覆って簡易に絶縁保護すると共に固定部材を用いて冷却体に固定することができるゲート駆動装置を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明の一態様は、パワーモジュールを駆動するためのゲート駆動装置であって、該ゲート駆動装置は、ゲート駆動回路基板と絶縁カバーとを備える。
ゲート駆動回路基板は、パワーモジュールのゲート制御端子と電気的に接続されるゲート制御端子、及びそのパワーモジュールのグランド制御端子と電気的に接続されるグランド制御端子を備える。
絶縁カバーは、ゲート駆動回路基板におけるゲート制御端子およびグランド制御端子以外の部分を覆うとともに、ゲート駆動回路基板を固定保持する。
絶縁カバーは、箱形状の第1の絶縁カバーと、箱形状の第2の絶縁カバーとを含み、第1の絶縁カバーと第2の絶縁カバーとは、ゲート駆動回路基板のゲート制御端子およびグランド制御端子以外の部分を挟んで第1の絶縁カバーの開口端と第2の絶縁カバーの開口端とを向かい合わせにした状態で第1の絶縁カバーと第2の絶縁カバーとを嵌合させるように形成される。
また、本発明の一態様によれば、上記ゲート駆動装置の絶縁カバーには、載置部材に支持固定するための取付部が備えられている。
また、本発明の一態様によれば、上記ゲート駆動回路基板のゲート制御端子は、パワーモジュールのゲート制御端子と機械的に接続・固定され、上記ゲート駆動回路基板のグランド制御端子は、パワーモジュールのグランド制御端子と機械的に接続・固定される。
また、本発明の一態様によれば、上記ゲート駆動装置を備える電力変換装置である。
また、本発明の一態様によれば、上記電力変換装置は、パワーモジュールが取り付けられる冷却体を更に備え、上記載置部材は、冷却体であり、上記絶縁カバーの取付部は、絶縁カバーを冷却体に支持固定するための取付部である
また、本発明の一態様によれば、上記電力変換装置は、パワーモジュールが取り付けられる冷却体と、冷却体に冷却風を導く風洞を形成する部材を更に備え、上記載置部材は、風洞を形成する部材であり、上記絶縁カバーの取付部は、絶縁カバーを、風洞を形成する部材に支持固定するための取付部である
また、本発明の一態様によれば、上記ゲート駆動装置を備える鉄道車両用電力変換装置である。
本発明のゲート駆動装置によれば、ゲート駆動回路基板が絶縁カバーに覆われることにより、主回路部との絶縁を確保することができる。
また絶縁カバー内でゲート駆動回路基板が保持されているので、ゲート駆動回路基板を振動・衝撃から保護することができる。
本発明の実施形態に係るゲート駆動装置10の構成を示す斜視図である。 2in1形式のパワーモジュールの回路構成及び入出力端子例を示す図である。 本発明の実施形態に係るゲート駆動回路基板の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るカバー103L,カバー103Uの構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るゲート駆動装置10の構成を示す上面斜視図及び底面斜斜視図である。 本発明の実施形態に係るゲート駆動回路基板がパワーモジュール20に取り付けられた状態を示す斜視図および側面図である。 本発明の実施形態に係るゲート駆動装置10(カバー103Uなし)がパワーモジュール20に取り付けられた状態を示す斜視図および側面図である。 特許文献1に示された電力変換装置の構成を示す側面図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るゲート駆動装置10の構成を示す図である。図2は、パワーモジュール20の回路構成を説明するための図である。図3は、ゲート駆動回路基板の構成を説明するための図である。
図1には、冷却体105上で、パワーモジュール20と一体に取付けられたゲート駆動装置10が示されている。
ゲート駆動装置10は、ゲート駆動回路基板101とゲート駆動回路基板101の全体を覆うカバー103U,103Lとで構成されている。カバー103Uは、絶縁材料で形成され、底面が開口した中空箱形状のカバーである。カバー103Lは、絶縁材料で形成され、上面が開口した中空箱形状のカバーである。ゲート駆動回路基板101は、長方形状であって、その4辺がカバー103U,103Lの開口部よって上下から挟み込まれている。ゲート駆動回路基板101に設けられた制御端子部は、接続ねじ106で直接、パワーモジュール20の制御端子部に接続されている。ゲート駆動装置10の詳細については、後述する。
パワーモジュール20は、MOSFET1とMOSFET2の2つのスイッチング素子を1つのパッケージに収納した2in1型パワーモジュールである。
図2に示すように、パワーモジュール20内では、MOSFET1とMOSFET2とが直列接続されている。パワーモジュール20は、主端子として、MOSFET1のドレイン端子と接続される高電位端子D1(202)と、MOSFET2のソース端子と接続される低電位端子S2(203)と、MOSFET1のソース端子とMOSFET2のドレイン端子の接続点に接続される出力端子D2S1(208)とを備えている。また、パワーモジュール20は、制御端子として、MOSFET1のゲート端子とソース端子に接続されるゲート制御端子G1(204a1)とグランド制御端子S1(205a1)、およびMOSFET2のゲート端子とソース端子に接続されるゲート制御端子G2(204a2)とグランド制御端子S2(205a2)を備える。
なお、パワーモジュールは2in1型に限定されるものではなく、1つのスイッチング素子のみを内蔵する1in1型であっても良く、4つのスイッチング素子を内蔵する4in1型など、複数のスイッチング素子を内蔵するタイプのものであっても良い。
また、スイッチング素子はMOSFETに限られず、IBGTやバイポーラトランジスタであっても良い。
図1に戻って、パワーモジュール20は、平面視四角形状であって、4隅に設けられた取付部201で、冷却体105にねじ止め固定される。なお、パワーモジュール20を冷却体に取り付けるためのねじの記載は省略している。
パワーモジュール20の上面には、高電位端子202と、低電位端子203と、出力端子208とが突出するように設けられている。高電位端子202,低電位端子203は、不図示の主回路導体を介して、電源に並列接続されたコンデンサと電気的に接続される。出力端子208は、不図示の主回路導体を介して、負荷と電気的に接続される。それぞれの主回路導体は、パワーモジュール20の上部で積層配置される。
またパワーモジュール20の上面の一方側には、MOSFET1,2それぞれのゲート制御端子204a1,204a2とグランド制御端子205a1,205a2とが設けられている。これらの制御端子204a1,204a2,205a1,205a2は、金属製の雌ねじで構成されている。この雌ねじで構成された制御端子は、MOSFET1とMOSFET2のゲート制御端子G1、G2およびグランド制御端子S1、S2と電気的に接続されている。
これらの制御端子には、ゲート駆動装置10の対応する制御端子部が重ねられて、接続ねじ106で機械的・電気的に接続される。すなわち、パワーモジュールの各制御端子には後述するゲート駆動回路基板101の対応するゲート制御端子204b1,204b2とグランド制御端子205b1,205b2が重ねられて、ねじ止め固定される。
また、ゲート駆動装置10は、カバー103U,103Lの背面側に設けられた挿通孔107D,107Lに挿通した固定ねじで冷却体105にねじ止め固定される。
図3に示すように、ゲート駆動回路基板101は、長方形状であって、基板の一方端に、MOSFET1のゲート制御端子204a1とグランド制御端子205a1とに接続するためのゲート制御端子204b1とグランド制御端子205b1とを備えるとともに、MOSFET2のゲート制御端子204a2とグランド制御端子205a2とに接続するためのゲート制御端子204b2とグランド制御端子205b2とを備えている。ゲート駆動回路基板101には、スイッチング素子の数に応じて2組のゲート駆動回路が形成されている。
MOSFET1に対してゲート電圧を出力するためのゲート制御端子204b1とグランド制御端子205b1とは、ゲート駆動回路基板101の前部であって、一方の辺に寄せて配置される。MOSFET2に対してゲート電圧を出力するためのゲート制御端子204b2とグランド制御端子205b2とは、ゲート駆動回路基板101の前部であって、他方の辺に寄せて配置される。そして、ゲート制御端子204b1,グランド制御端子205b1とゲート制御端子204b2,グランド制御端子205b2との間には、U字形状の切欠部121が設けられている。切欠部121は、ゲート制御端子204b1,グランド制御端子205b1とゲート制御端子204b2,グランド制御端子205b2との間の電気的絶縁を確保するために設けられる。
また、ゲート駆動回路基板101は、基板の他方端の中央部に、制御装置(不図示)からの制御信号を入力するためのコネクタ104を備える。また、ゲート駆動回路基板101は、コネクタ104の両側であって、絶縁カバー103U,103Lの挿通孔107D,107Lに対応する位置に、一対の貫通孔120を備える。
また、ゲート駆動回路基板101は、コネクタ104から入力された制御信号をMOSFET1,2のゲート電圧に変換するための電気部品110を備える。電気部品110は、ゲート駆動回路基板101の信号入力部、電源入力部、ロジック部、及びゲート駆動部を構成する部品であり、ゲート駆動回路基板101上において、コネクタ104と同じ面に実装されている。
ゲート駆動回路基板101の側辺部には、切欠部109が各辺2箇所設けられている。この切欠部には、カバー103U及びカバー103Lの係合爪114U,114Lの爪部以外の中間部が当接する。この当接により、嵌合後のカバー103の上下方向及び前後方向のズレを防ぐことが可能となる。
ゲート駆動回路基板101のゲート制御端子204b1,204b2とグランド制御端子205b1,205b2は、それぞれスルーホール117とその周囲に設けられたランド118とで形成されている。ランド118は、ゲート駆動回路基板101上に載置された電気部品110と基板内配線で電気的に接続されている。スルーホール117に接続ねじ106を挿通してパワーモジュール20に固定することで、ゲート制御端子204b1,204b2及びグランド制御端子205b1,205b2は、パワーモジュール20の対応する各制御端子に電気的に接続される。
このゲート駆動回路基板101は、箱形状のカバー103U,103Lに挟み込まれることで、カバー103U,103L内に保持される。ゲート駆動回路基板101を挟持したカバー103U,103Lは一体となってゲート駆動装置10を構成する。したがってこのカバー103U,103Lの嵌合・保持によりゲート駆動回路基板101全体を絶縁体で覆うことが可能な構造となる。
前述のとおり、ゲート駆動装置10の前面部は、ゲート駆動回路基板101の制御端子がパワーモジュール20の制御端子にねじ止めされることにより、固定される。また、ゲート駆動装置10の背面部は、カバー103U,103Lの挿通孔107D,107Lに挿通した固定ねじで冷却体105に固定される。
次に、カバー103U,カバー103Lの構成について説明する。図4(a)は、本発明の実施形態に係るカバー103Lの構造を示す斜視図である。図4(b)は、本発明の実施形態に係るカバー103Uの構造を示す斜視図である。
カバー103Lは、前面壁103La、背面壁103Lb、底面壁103Lc、一対の側面壁103Ldを有する。カバー103Lは、上面部が開口された箱形状であって、絶縁性を有するポリカーボネートやポリブチレンテレフタレートなどの合成樹脂によって形成されている。そして、背面壁103Lbの中央部には、制御装置からの制御信号をゲート駆動回路基板101のコネクタ104に受けるための開口部123(図5(a)参照)が設けられている。また、それぞれの側面壁103Ldには、カバー103Uの係合孔115Uに係合するための係合爪114Lと、カバー103Uの係合爪114Uが係合するための係合孔115Lと、が設けられている。また、底面壁103Lcには、背面側の両端に円筒形状であって底面壁から外に突出する一対の座122と、この座122を補強するリブ119が備えられている。座122には挿通孔107Lが形成されている。
カバー103Uは、前面壁103Ua、背面壁103Ub、上面壁103Uc、一対の側面壁103Udを有する。カバー103Uは、底面部が開口された箱形状であって、絶縁性を有するポリカーボネートやポリブチレンテレフタレートなどの合成樹脂によって形成されている。そして、上面壁103Ucの背面壁103Ub側の両端に、底面側の開口部に向かって、カバー103Lの挿通孔107Lに対応する位置に一対の挿通部107Uが設けられている。各挿通部107Uの底面側には円形状の挿通孔107Dが設けられている。また、それぞれの側面壁103Udには、カバー103Lの係合孔115Lに係合するための係合爪114Uと、カバー103Lの係合爪114Lが係合するための係合孔115Uと、が設けられている。また、前面壁103Uaの底面側に、底面に沿って前面側(背面壁103Ubとは反対側)に延在するフランジ116が設けられている。
次に、ゲート駆動回路基板101,カバー103U,103Lによって構成されるゲート駆動装置10の構成について説明する。図5(a)は、本発明の実施形態に係るゲート駆動装置10を示す上面斜視図である。図5(b)は、本発明の実施形態に係るゲート駆動装置10を示す底面斜視図である。
図5(a)(b)において、カバー103Uおよびカバー103Lの両側面で、カバー103Uの係合爪114Uが、カバー103Lの係合孔115Lと係合し、カバー103Lの係合爪114Lが、カバー103Uの係合孔115Uに係合する。これにより、ゲート駆動回路基板101の後部および両側部の3辺は、カバー103Uの底面外周およびフランジ116とカバー103Lの上面外周部とで挟持・固定される。ゲート駆動回路基板101の前部は、また、ゲート駆動回路基板101上の電気部品110は、カバー103Uとカバー103Lとで覆われる。
一方、ゲート駆動回路基板101のゲート制御端子204b1,204b2とグランド制御端子205b1,205b2は、カバー103Uとカバー103Lに覆われない。これらの端子は、パワーモジュール20のゲート制御端子204a1,204a2及びグランド制御端子205a1,205a2と電気的に接続されるために、ゲート駆動装置10の前面側に突出している。
また、ゲート駆動回路基板101のコネクタ104は、カバー103Lの背面壁103Lbに設けられた開口部123に位置し、外部からゲート信号線の接続が可能となっている。
カバー103Uの上面壁103Ucには、背面壁103Ub側両端であってカバー103Uの座122に対応する位置に、一対の挿通部107Uが設けられている。挿通部107Uは、上面視四角形状であって底面部を備える。この底面部に、固定ねじ(不図示)を挿通するための円形状の挿通孔107Dが設けられている。
ゲート駆動装置10を、冷却体105に取り付けるための固定ねじ(不図示)は、カバー103Uの上方から挿通部107Uの挿通孔107D,ゲート駆動回路基板101の貫通孔120,カバー103Lの座122(挿通孔107L)の順に挿通される。固定ねじ(不図示)の頭は、挿通部107Uの底面部(挿通孔107Dの上面位置)に止まり、カバー103Uの表面には現れない。したがって、冷却体105と同電位となる固定ねじ(不図示)とパワーモジュール20の上部に配置される主回路部との絶縁が確保される。
図6は、ゲート駆動回路基板101がパワーモジュール20に取り付けられた状態を示す斜視図および側面図である。すなわち、この図は、図1に示すゲート駆動装置10において、カバー103U、103Lが取り外された状態を示している。
ゲート駆動回路基板101のゲート制御端子204b1,204b2およびグランド制御端子205b1,205b2は、パワーモジュール20の対応するゲート制御端子204a1,204a2及びグランド制御端子205a1,205a2と、接続ねじ106により、電気的,機械的に接続される。すなわち、パワーモジュール20の制御端子とゲート駆動回路基板の制御端子とが直接接続されるので、本ゲート駆動装置10は主回路ノイズの影響を受けにくい。したがって、本ゲート駆動装置10は、SiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)といった高dv/dt,di/dtでオンオフ動作を行うワイドバンドギャップ半導体素子のゲート駆動に適している。
ゲート駆動回路基板101は、コネクタ104と電気部品110が配置された面(一方面)が冷却体105側となるように、パワーモジュール20に取り付けられる。すなわち、コネクタ104と複数の電気部品110の高さは、パワーモジュール20の高さよりも低い。これにより、ゲート駆動回路基板101と冷却体105の間のスペースを有効に活用することができる。
なお、ゲート駆動回路基板101の他方面側に部品を配置することもできる。ゲート駆動回路基板101の他方面側に配置する部品の高さは、パワーモジュール20の高電位端子202,低電位端子203,出力端子208よりも低いものであるのが好ましい。背の低い部品をゲート駆動回路基板101の他方面側に配置すれば、パワーモジュール20の主端子に接続される主回路導体との物理的な干渉を避けることができる。
また、ゲート駆動回路各部の電圧を測定するための測定端子をゲート駆動回路基板101の他方面側に配置するのが良い。カバー103Uを外せば、容易にゲート駆動回路各部の電圧を測定して、ゲート駆動回路の動作を検査することができる。
図7は、ゲート駆動装置10のカバー103Uを取り外した状態を示す図である。ゲート駆動回路基板101は、座122が冷却体105に当接したカバー103Lとパワーモジュール20の制御端子部に螺着されたゲート制御端子204b1,204b2およびグランド制御端子205b1,205b2とで支えられている。
本実施形態では、冷却体105に取り付けた図面を参照してゲート駆動装置10の説明をしたが、ゲート駆動装置10は冷却体105以外の部材に取り付けられていても良い。例えば、ゲート駆動装置10は風洞形成部材に取り付けられていても良い。この場合、冷却体105は、その一方端(ゲート駆動装置10の側端部)がゲート駆動装置10の中央部あたりに位置するように形成される。そして、ゲート駆動装置10の下部には風洞部材が配置される。この風洞部材の上面にカバー103Lの座122が当接し、ゲート駆動装置10が固定ねじ(不図示)で取り付けられる。
上述のとおり、本実施形態に係るゲート駆動装置10では、上下に分離可能な2つのカバー103U,103Lで制御基板101を上下方向から嵌合・保持して絶縁することが可能となる。また、主回路部との絶縁を確実に確保できるとともに、塵などの侵入による汚損を防ぐことが可能となる。なお、カバー103U,103Lは、上下に分離可能な構成に限定されず、左右に分離可能に構成されていても良い。
またカバー103U,103Lでゲート駆動回路基板を挟持・固定することにより、ゲート駆動回路基板を振動・衝撃から保護することができる。
本発明のゲート駆動装置は、パワーモジュールと一体に冷却体に取り付けられて、チョッパ装置、インバータ装置、コンバータ装置などの電力変換装置を構成することが可能である。特に鉄道車両用電力変換装置に適用すれば、ゲート駆動装置の絶縁耐力向上、耐振性向上、汚損防止に効果的である。
10 ゲート駆動装置
101 ゲート駆動回路基板
103U,103L カバー
105 冷却体
20 パワーモジュール

Claims (8)

  1. パワーモジュールを駆動するためのゲート駆動装置であって、該ゲート駆動装置は、
    前記パワーモジュールのゲート制御端子と電気的に接続されるゲート制御端子、及び前記パワーモジュールのグランド制御端子と電気的に接続されるグランド制御端子を備えたゲート駆動回路基板と、
    前記ゲート駆動回路基板における、該ゲート駆動回路基板の前記ゲート制御端子及び前記グランド制御端子以外の部分を覆うとともに、前記ゲート駆動回路基板を固定保持する絶縁カバーと、
    を備え、
    前記絶縁カバーは、箱形状の第1の絶縁カバーと、箱形状の第2の絶縁カバーとを含み、
    前記第1の絶縁カバーと前記第2の絶縁カバーとは、前記ゲート駆動回路基板の前記部分を挟んで前記第1の絶縁カバーの開口端と前記第2の絶縁カバーの開口端とを向かい合わせにした状態で前記第1の絶縁カバーと前記第2の絶縁カバーとを嵌合させるように形成されている、
    ことを特徴とするゲート駆動装置。
  2. 請求項1に記載のゲート駆動装置であって、
    前記ゲート駆動回路基板の前記ゲート制御端子は、前記パワーモジュールの前記ゲート制御端子と電気的かつ機械的に接続固定され、前記ゲート駆動回路基板の前記グランド制御端子は、前記パワーモジュールの前記グランド制御端子と電気的かつ機械的に接続固定される、
    ことを特徴とするゲート駆動装置。
  3. 請求項1に記載のゲート駆動装置であって、
    前記絶縁カバーは、載置部材に支持固定するための取付部を備える、ことを特徴とするゲート駆動装置。
  4. 請求項1又は2に記載のゲート駆動装置を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項4に記載の電力変換装置であって、
    前記絶縁カバーは、載置部材に支持固定するための取付部を備える、ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項に記載の電力変換装置であって、
    前記パワーモジュールが取り付けられる冷却体を更に備え、
    前記載置部材は、前記冷却体であり、
    前記絶縁カバーの前記取付部は、前記絶縁カバーを前記冷却体に支持固定するための取付部である
    ことを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項に記載の電力変換装置であって、
    前記パワーモジュールが取り付けられる冷却体と、
    前記冷却体に冷却風を導く風洞を形成する部材を更に備え、
    前記載置部材は、前記風洞を形成する前記部材であり、
    前記絶縁カバーの前記取付部は、前記絶縁カバーを、前記風洞を形成する前記部材に支持固定するための取付部である
    ことを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項1又は2に記載のゲート駆動装置を備えたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
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