JP6915890B2 - 駆動回路装置 - Google Patents
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Description
本発明は駆動回路装置を提供する。第1発明の駆動回路装置は、回路基板を駆動対象の外部機器に実装した状態で使用可能であり、駆動回路装置は、回路基板に形成された駆動回路で生成した駆動信号を外部機器に対して印加する。外部機器は、例えばIGBT等のパワー半導体素子を用いて比較的大電流(例えば発電電流)をスイッチングするものであり、駆動回路装置との関係で見れば外部機器全体が出力側となり、駆動回路装置の一部は入力側となる。したがって、駆動回路装置の入力側部分は、出力側である外部機器との間の絶縁を確実になされている必要がある。
第2発明の駆動回路装置は、回路基板を複数備える。複数の回路基板は、回路面同士を互いに対向させた状態で駆動対象の外部機器に実装可能である。駆動回路を形成する回路基板を複数備えることで、全体としての実装面積をさらに縮小することができる。駆動回路装置は、複数の回路基板に形成された駆動回路で生成した駆動信号を外部機器に対して印加するものであるが、このうち特定の回路基板に入力側回路が形成されているものとすると、その他の回路基板は外部機器と同じく出力側となるため、この間でも絶縁が必要となる。このため第2発明では、回路面同士の間に空間を保持することで入力側回路と出力側との間を絶縁しているが、入力側回路が形成された回路基板については、その周縁を取り囲むように絶縁性の囲繞部材を配置する。これにより、駆動回路装置と外部機器との間に確保すべき物理的な空間距離を縮小しつつ、絶縁距離を充分に確保することができる。また同様に、外部機器と駆動回路装置とを組み合わせた状態でも全体を小型化することができ、省スペースかつ高密度配置が可能となる。
ゲートドライバ100は、上下(図2,3のZ軸方向)に分かれて配置された2枚のドライバ基板102,104を有しており、これらドライバ基板102,104には図示しないゲート駆動回路が形成されている。各ドライバ基板102,104は、それぞれ単体でも多層構造をなしているが、2枚のドライバ基板102,104はそれぞれの回路面同士を対向させた状態で積層するようにして配置されている。また、2枚のドライバ基板102,104の間には空間が保持されているが、詳細は別の図面を用いてさらに後述する。
より詳細には、一方のドライバ基板104は、一方向(図2,3のX軸方向)で対をなす両縁部が直線形状をなしているが、他方向(図2,3のY軸方向)で対をなす両縁部はクランク形状(折れ曲がり形状)をなしている。このため、絶縁部材120はそれぞれ対応するドライバ基板104の縁部形状に沿った形状の平面壁122及び屈曲壁124を一対ずつ有している。このような絶縁部材120は、他方のドライバ基板102の回路面上に立てた状態で配置(いわゆる立設)されている。
また、絶縁部材120は、一方のドライバ基板104の下面を覆う領域に平板状の隔壁126を有しており、この隔壁126の周縁は平面壁122及び屈曲壁124の内壁面に連結されている。また、隔壁126には適宜位置に開口128,129が形成されており、上記のリードピン112やサポートピン114の配列は、開口128,129内に挿通されている。なお、図2及び図3では示されていないが、隔壁126の下面の位置は平面壁122及び屈曲壁124の下端から僅かに上方に位置しており、隔壁126と他方のドライバ基板102の上側回路面との間には空間が確保されている。
図5は、ゲートドライバ100とIGBTモジュール130との接続関係を示す回路図である。上記のようにゲートドライバ100がIGBTモジュール130に実装されると、接続端子136を通じてIGBTモジュール130と電気的に接続された状態となる。
このとき、ゲートドライバ100内では入力側(1次側)回路と出力側(2次側)回路とが電気的に絶縁された状態にあり、その入力側回路PIには入力コネクタ110やDC/DCコンバータ106内の1次側回路、各ゲート駆動回路141,142内の1次側回路及びこれらの抵抗、配線パターン、接続端子等が含まれる。
上記を入力側回路PIとすると、ゲートドライバ100の実装状態でみたIGBTモジュール130全体が出力側回路POとなるが、このとき出力側回路POには、入力側回路PIから絶縁されたDC/DCコンバータ106内の2次側回路や各ゲート駆動回路141,142内の2次側回路及びこれらの抵抗R1,R2、配線パターン、接続端子等も含まれることになる。
上記のように入力側回路PIには、入力コネクタ110やDC/DCコンバータ106の1次側回路、各ゲート駆動回路141,142(図5,6には示していない)内の1次側回路等が含まれており、これらは構造上、図6及び図7に太い破線で示す範囲内に配置されている。なお、ドライバ基板104には絶縁素子135が実装されており、ドライバ基板104内での絶縁距離Id1(規格要求:14mm程度)は、絶縁素子135そのものの大きさ(規格寸法)によって確保されている。
そこで本実施形態では、2枚のドライバ基板102,104の間(空間内)を絶縁性の隔壁126で区画することにより、物理的な空間距離を縮小(絶縁距離Id1より縮小)しつつ必要な絶縁距離Id2を確保している。具体的には、入力側回路PIとドライバ基板102の回路面との間に隔壁126が存在することで絶縁性能が向上するため、その分、物理的な空間距離を縮小することができる。これにより、ゲートドライバ100全体としての実装高さを低く抑え、コンパクト化に寄与することができる。
そこで本実施形態では、入力側回路PIを搭載するドライバ基板104の周縁に絶縁部材120を配置し、これを平面壁122及び屈曲壁124で取り囲むことにより、物理的な空間距離を縮小(絶縁距離Id1より縮小)しつつ、入力側回路PIとIGBTモジュール130内の出力側回路POとの間に充分な絶縁距離Id3を確保している。
本実施形態のゲートドライバ100は、実装先のIGBTモジュール130に駆動信号を出力(印加)して半導体素子を駆動することができるが、実装先以外である他のIGBTモジュール131,133に対しても並列に駆動信号を出力(印加)し、複数のIGBTモジュール130,131,133を並列に駆動することができる。以下、並列駆動について説明する。
図8は、複数のIGBTモジュール130,131,133の連結形態を示す平面図である。
先ず、IGBTモジュール130とIGBTモジュール131との連結関係について説明する。2つのIGBTモジュール131は、ゲートドライバ100が実装されたIGBTモジュール130を中心として両側に1台ずつ配置されている。また、各IGBTモジュール131には中継基板150が実装されており、中継基板150にはそれぞれ中継コネクタ107,109や図示しないチップ部品(駆動用抵抗)が実装されている他、中継用の配線パターンが形成されている。なお、中継コネクタ107,109には図示しない中継端子が配列されており、中継基板150には、中継端子から入力した駆動信号を実装先のIGBTモジュール131に印加する回路(図示しない)が形成されている。
ゲートドライバ100の出力コネクタ108には、各ゲート駆動回路141,142からの駆動信号を外部出力可能な外部出力端子(並列駆動端子)が配列されており、出力コネクタ108と各中継基板150の中継コネクタ107との間がそれぞれ中継配線152で接続されることにより、ゲートドライバ100と各中継基板150との間での接続関係が形成されている。このようにして、IGBTモジュール130と両側各1台のIGBTモジュール131との連結が行われる。
図9は、複数台のIGBTモジュール130,131(133)を連結した回路構成を示す図である。
これにより、ゲートドライバ100のゲート駆動回路141,142は、出力コネクタ108の外部出力端子から中継配線152を通じて中継コネクタ107の中継端子に駆動信号を外部出力することにより、これを用いて中央のIGBTモジュール130とともに両側各1台のIGBTモジュール131の各半導体素子Q1,Q2を並列に駆動することができる。
また、両側各1台のIGBTモジュール131に対し、それぞれ隣接して他のIGBTモジュール133を配置して上記の中継配線152による接続を行えば、ゲート駆動回路141,142から外部出力した駆動信号が複数台のIGBTモジュール130,131,133に対して並列に印加される。これにより、ゲート駆動回路141,142は、中央のIGBTモジュール130及び両側各1台のIGBTモジュール131に加え、それぞれに隣接した他のIGBTモジュール133の各半導体素子Q1,Q2を並列に駆動することができる。なお、連結されるIGBTモジュール133は1台ずつとは限らず、さらに別のIGBTモジュール133を数珠連にして連結してもよい(駆動信号の減衰が閾値以上の範囲内で何台でも連結可能)。
また、図9に示されているように、複数台のIGBTモジュール130,131(133)を連結した状態では、他のIGBTモジュール131(133)が出力側回路POに含まれることとなるが、この場合でも、入力側回路PIとの間の絶縁距離Idが充分に確保されていることは明らかである。
ここで、本実施形態の有用性を比較例との比較をもって説明する。
図10は、比較例のゲートドライバ10の構成を示す斜視図(図10中(A))及び側面図(図10中(B))である。
(1)入力側回路PIと出力側回路POとの間の絶縁距離Id2,Id3を充分に確保しつつ、物理的な空間距離を短縮して実装高さ(容積)を抑えることができる。
(2)また、駆動対象(実装先)のIGBTモジュール130で実装領域が既定されている場合でも、限られた実装領域を最大限に活用して充分な性能の回路構成とすることができる。
(3)平面視でゲートドライバ100がIGBTモジュール130の外側にはみ出さない大きさであるため、図8に示すような複数台の連結時でも、IGBTモジュール130,131同士の配置間隔を最小限に狭めることができ、空間効率を向上することができる。
(4)絶縁部材120の構成として平面壁122、屈曲壁124及び隔壁126を有しており、それぞれに固有の絶縁機能を持たせているが、全体を一体に成形しているため、製造時及び組み立て時の容易性を図り、生産コストを抑えて生産効率を向上させることができる。
(5)また、絶縁部材120は絶縁距離が必要な箇所だけに配置しており、ドライバ基板104やその実装部品を含めて全体をパッケージする形態としていないため、使用する材料や重量の軽減を図り、生産コストを抑えて生産効率を高めることができる。
(6)複数台のIGBTモジュール130,131の連結時に使用する出力コネクタ108の実装範囲に絶縁部材120及びドライバ基板104が干渉しないため、限られた基板面積内に必要な実装部品を有効に収めることができ、また、実装密度の向上が図られる。
図11は、別実施形態のゲートドライバ200を用いた例を示す平面図である。別実施形態のゲートドライバ200は、一方のドライバ基板204の周縁形状が先のドライバ基板104と異なり、そのため絶縁部材220の形状も異なる点で一実施形態のゲートドライバ100と相違する。
102,104 ドライバ基板
106 DC/DCコンバータ
108 出力コネクタ
110 入力コネクタ
120 絶縁部材
122 平面壁
124 屈曲壁
126 隔壁
141,142 ゲート駆動回路
Q1,Q2 半導体素子(駆動対象、外部機器)
Claims (6)
- 駆動対象の外部機器に実装可能な回路基板と、
前記回路基板に形成され、入力側回路に外部入力された電源及び信号を用いて生成した駆動信号を前記入力側回路と絶縁された出力側回路から出力し、前記外部機器内の出力側回路に印加する駆動回路と、
前記回路基板の周縁を取り囲んで配置され、前記入力側回路と前記外部機器内の出力側回路との間の絶縁距離を確保する絶縁性の囲繞部材と
を備えた駆動回路装置。 - 互いに対向させた回路面同士の間に空間を保持した状態で、駆動対象の外部機器に実装可能な複数の回路基板と、
複数の前記回路基板にわたって形成され、複数のうち第1の回路基板に入力側回路が形成されるとともに別の第2の回路基板に前記入力側回路と絶縁された出力側回路が形成されることで、前記入力側回路に外部入力された電源及び信号を用いて生成した駆動信号を前記第2の回路基板の出力側回路と接続される前記外部機器内の出力側回路に印加する駆動回路と、
前記第1の回路基板の周縁を取り囲んで配置され、前記入力側回路と前記外部機器内の出力側回路との間の絶縁距離を確保する絶縁性の囲繞部材と
を備えた駆動回路装置。 - 請求項2に記載の駆動回路装置において、
前記空間内に前記回路面同士の間を区画して配置された絶縁性の区画部材
をさらに備えた駆動回路装置。 - 請求項3に記載の駆動回路装置において、
前記囲繞部材と前記区画部材とは、
前記区画部材の周縁が前記囲繞部材と連結された状態で一体化されていることを特徴とする駆動回路装置。 - 請求項1から4のいずれかに記載の駆動回路装置において、
前記回路基板に配置され、実装先となる前記外部機器とは別に配置される他の前記外部機器に対して並列に前記駆動信号を外部出力可能な並列駆動端子をさらに備え、
前記駆動回路は、
所定の中継端子から入力した前記駆動信号を他の前記外部機器に印加する回路を有した中継基板が他の前記外部機器に実装された状態で、前記並列駆動端子から配線を通じて前記中継端子に外部出力した前記駆動信号を用いて他の前記外部機器を並列に駆動可能であることを特徴とする駆動回路装置。 - 請求項5に記載の駆動回路装置において、
前記中継基板には、実装先の他の前記外部機器に対して前記駆動信号を印加しつつ他の前記外部機器に対して並列に外部出力可能な別の中継端子が配置されており、
前記駆動回路は、
他の前記外部機器である第1の外部機器及び第2の外部機器にそれぞれ前記中継基板が実装されており、前記並列駆動端子が前記第1の外部機器に実装された前記中継基板の前記中継端子に配線接続され、かつ、前記第1の外部機器と前記第2の外部機器との間はそれぞれの前記中継端子間が配線接続された状態で、前記並列駆動端子から外部出力した前記駆動信号を用いて前記第1及び第2の外部機器を並列に駆動可能であることを特徴とする駆動回路装置。
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