JPH10229681A - 電動車用スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バッテリフォークリフトに交流モータを適用す
るとき、バッテリ電圧が低いのでインバータの通電電流
を大きくする。そのため、損失，発熱が大きくなる。 【解決手段】オン抵抗の小さな電解効果トランジスタを
多数個並列に使用する。電解効果トランジスタの耐電圧
を小さくすると、オン抵抗の小さいものが使用でき、損
失を小さくできる。スイッチング時のはね上がり電圧を
小さくするため、電圧をはね上げるエネルギをコンデン
サに吸収させるため、リード線の長さを短く、吸収量を
大きくできるようスペースを大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電動車用スイッチン
グ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】数百アンペアを通電するインバータに
は、普通絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧ
ＢＴ）が用いられる。

【０００３】一般的にＩＧＢＴの順方向電圧降下（ＦＶ
Ｄ）は、通電開始電圧は、１ないし２ボルトである。

【０００４】通電による損失は、（ＦＶＤ）×通電電流
（Ｉ）となるので、通電電流（Ｉ）が小さくても、損失
は大きな値となる。

【０００５】そこで、特公昭58−38066 号公報に見られ
るように、順方向電圧降下(ＦＶＤ)の小さな少電流用の
トランジスタを多数個並列にし、スイッチング速度を揃
える方法がとられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】バッテリフォークリフ
トに交流モータを適用するとき、バッテリ電圧が低いの
でインバータの通電電流を大きくする必要がある。その
ため、損失が大きくなり発熱が大きくなる。

【０００７】公知例では、トランジスタの順方向電圧降
下（ＦＶＤ）は、０.２ から１Ｖ近くになり損失は低減
されるが、調整の作業性が良いとはいえない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで順方向電圧降下
(ＦＶＤ）が、通電電流０では順方向電圧降下(ＦＶＤ）
が０ボルトを示す電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を多
数個並列接続する方法がとられる。

【０００９】そして多数個並列接続するのは、大電流を
通電できるようにするためである。通電時の抵抗、つま
りオン抵抗の小さいＦＥＴを用いれば、さらに損失を低
減することができる。それには、耐電圧の小さな電界効
果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用できるようにすること
にある。

【００１０】耐電圧Ｖｄｓは、電源電圧Ｖｂとスイッチ
オフ時のはね上がり電圧Ｖａによって決まる。

【００１１】

【数１】 Ｖｄｓ＝Ｖｂ＋Ｖａ＝Ｖｂ＋Ｌ＊(ｄｉ／ｄｔ) …（数１） 数１でＬは構成や配線によるインダクタンスであり、ｄ
ｉ／ｄｔは電流減少率を示す。

【００１２】ｄｔは下降時間で、電界効果トランジスタ
（以下ＦＥＴという）の下降時間と回路による下降時間
を加えたものである。

【００１３】インダクタンスを小さくするには、電流が
通電しているループの面積を、小さくすることである。

【００１４】そこで、電源コンデンサの電極から、導電
板をインバータ本体の取付板とフィンの間に配置する。

【００１５】その他バッテリからインバータまでのイン
ダクタンスによる電圧増加をなくするため一般的に、電
源コンデンサを用いる。電源コンデンサの内部インダク
タンスは０で、容量は無限大が理想である。

【００１６】もう一方の対処として、回路による下降時
間を追加させることで、はね上がり電圧Ｖａを、小さく
していくことも可能であるがスイッチングロスが増え
る。

【００１７】このようにして、はね上がり電圧Ｖａの増
加を少なくする方法にも限度がある。そこで、はね上が
り電圧Ｖａを吸収するスナバ回路が用いられる。

【００１８】簡単な回路として、プラス，マイナス電源
に高周波用フィルムコンデンサを接続するものがある。

【００１９】普通高周波用フィルムコンデンサの電極
は、リード線である。使用に当たり、リード線を短くし
て高周波用フィルムコンデンサのリアクタンスを小さく
することが望ましい。いま高周波用フィルムコンデンサ
の容量をＣとしリアクタンスを０としたとき、はね上が
り電圧Ｖａはほぼ次式のようになる。

【００２０】

【数２】

【００２１】となり、コンデンサの容量が大きければ、
はね上がり電圧Ｖａを低減できる。

【００２２】またプラス，マイナス電源の抵抗を小さく
し、均一に電圧が印加されるよう導電板とするかあるい
はフィンのブロックを導電体とする。本発明はフィンの
ブロックをプラス電源とし、導電板をマイナス電源とす
る。

【００２３】リード線を短くして使用するため、コンデ
ンサを電源コンデンサのプラス側に接続したスイッチン
グモジュールＵＰと、電源コンデンサのマイナス側に接
続したスイッチングモジュールＵＮの間に設置した構成
とする。スイッチングモジュールＵＰとスイッチングモ
ジュールＵＮとでアームＵを構成する。

【００２４】同じように、アームＶ，アームＷにも適用
する。

【００２５】アームＵ，アームＶおよびアームＷでイン
バータを構成する。

【００２６】つまり、スイッチング時のはね上がり電圧
を小さくするため、電圧をはね上げるエネルギをコンデ
ンサに吸収させる。そして、コンデンサが吸収しやすい
ようにリード線の長さを短く、吸収量を大きくできるよ
うスペースを大きくすることである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に従って説明す
る。

【００２８】図２は本発明を説明するための回路図であ
る。

【００２９】バッテリ１からの配線は、インバータ６の
電源コンデンサ(Ｃ１)２に接続する。この配線や、バッ
テリ１の内部配線などの総合インダクタンスをＬａとす
る。インダクタンスＬａによる電圧増加を、電源コンデ
ンサ２で防止している。

【００３０】電源コンデンサＣ１のプラス電源ライン３
およびマイナス電源ライン４にパワー素子５を接続し
て、インバータ６を構成する。

【００３１】プラス電源ライン３からプラス導電板７を
介し、フィンベース１８−１に取り付けたパワー素子５
などからなるスイッチングモジュール１０に、接続す
る。プラス導電板７のインダクタンスをＬｂとする。

【００３２】スイッチングモジュール１０のフィンベー
ス１８−１側をＦＥＴ(パワー素子)のドレインとし、Ｆ
ＥＴ（パワー素子）のソースリード線１１を銅板からな
る通電板１２を介して、他のモジュール１３に接続す
る。通電板１２のインダクタンスをＬｄとする。

【００３３】スイッチングモジュール１０のＦＥＴ（パ
ワー素子）のゲート１４は、各抵抗Ｒ１−１・・・Ｒ１
−ｎを介して、ゲート信号端子Ｇ１に接続される。

【００３４】スイッチングモジュール１３のフィンベー
ス１８−２側をＦＥＴ(パワー素子）のドレインとし、
ＦＥＴ（パワー素子）のソースリード線１１を銅板から
なる通電板１５を介して、マイナス導電板８に接続す
る。通電板１５とマイナス導電板８からなるインダクタ
ンスをＬｃとする。

【００３５】スイッチングモジュール１３のフィンベー
ス１８−２側を負荷（交流モータ）１６に接続する。

【００３６】スイッチングモジュール１０とスイッチン
グモジュール１３は、直列に、プラス電源ライン３とマ
イナス電源ライン４に接続され、アームＵ相１７−１を
構成している。

【００３７】アームＵ相１７−１と同じように、アーム
Ｖ相１７−２およびアームＷ相１７−３を設け、インバ
ータ６を構成する。

【００３８】スイッチングモジュール１０や、スイッチ
ングモジュール１３がオフしたとき影響するインダクタ
ンスは、ＬｂとＬｃとＬｄを加えたＬ値となる。

【００３９】

【数３】 Ｌ＝Ｌｂ＋Ｌｃ＋Ｌｄ …（数３） 図３は、図１の平面図を示す。

【００４０】取付板２４に電源コンデンサ（Ｃ１)２が
取り付けられる。フィンベース１８−１，フィンベース
１８−２などはフィン固定ねじ１９を絶縁して取付板２
４に固定される。

【００４１】１点鎖線で示したプラス導電板７は電源コ
ンデンサ(Ｃ１)２とフィンベース１８−１に接続され
る。Ａ点よりバッテリ１に接続する。

【００４２】２点鎖線で示したマイナス導電板８は、図
１に示すようにフィンベース１８−１，１８−２の下に
設置し、導電板１５に接続する。Ｂ点よりバッテリに接
続する。

【００４３】コンデンサ（Ｃ２）５２は、導電板１２と
導電板１５の間に設置される。

【００４４】図１は、本発明からなるインバータの側面
図を示す。

【００４５】取付板２４に固定された電源コンデンサ
(Ｃ１)２から、銅板製のプラス導電板７はスイッチング
モジュール１０のフィンベース１８−１にある接続板固
定用ねじ２１で固定する。

【００４６】スイッチングモジュール１０の通電板１２
は、スイッチングモジュール１３のフィンベース１８−
２にある接続板固定用ねじ２１で固定する。

【００４７】スイッチングモジュール１３の通電板１５
は、マイナス導電板８に接続される。

【００４８】マイナス導電板８は、電源コンデンサ２か
ら、スイッチングモジュール１０とスイッチングモジュ
ール１３のフィンベース１８−１，１８−２の下を、絶
縁シート２５，絶縁シート２６を挟んで取付板２４に固
定する。

【００４９】ＦＥＴのゲートリード線３０は、スイッチ
ングモジュール別になったゲートドライブプリント基板
３２に接続する。それでコンデンサ(Ｃ２)５２の設置場
所の上側のスペースが大きく使用できるため、コンデン
サ(Ｃ２)５２の容量を大きくできる。つまり、はね上が
り電圧を小さくできるという効果がある。

【００５０】コンデンサ(Ｃ２)５２のリード線は、フィ
ンベース１８−１にねじ(Ｃ)５３で接続し、他のリード
線は通電板１５にハンダ付け３１される。このように、
リード線を短くできるので、はね上がり電圧を小さくで
きる効果がある。

【００５１】スイッチングモジュール１３のフィンベー
ス１８−２から、負荷接続ターミナル２７−１を設け、
外部の負荷１６に接続する。

【００５２】図４は通電板１２，通電板１５とパワー素
子５の接続詳細図を示す。

【００５３】ＦＥＴ（パワー素子）５のドレイン端子の
リード線２８を短くしておく。パワー素子５のソース端
子のリード線１１を通電板１２の穴部でハンダ３１付け
する。ソース端子のリード線１１に、曲げ部Ｒを設け温
度による変形ストレスを吸収する。

【００５４】図５はゲート端子を接続する図を示す。

【００５５】ゲート端子１４にゲートドライブプリント
基板３２を、ハンダ付けする。ゲートドライブプリント
基板３２は、ゲート回路（図示無し）の１部をなしてい
る。ゲート回路はゲート信号を発生し、負荷の回転数あ
るいは電流を制御する。

【００５６】

【発明の効果】本発明によればスイッチングのオフ時の
はね上がり電圧が小さくなり、低電圧のＦＥＴが使用で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明からなるインバータの側面図。

【図２】インバータ回路図。

【図３】図１の平面図。

【図４】パワー素子リード線の接続図。

【図５】パワー素子のゲート接続図。

【符号の説明】

５…パワー素子、７…プラス導電板、８…マイナス導電
板、９…フィン、１０…スイッチングモジュール、１
２，１５…通電板、１８−１，１８−２…フィンベー
ス、２１…接続板固定用ねじ、２４…取付板、２５，２
６…絶縁シート、３０…ゲートリード線、３１…ハン
ダ、３２…ゲートドライブプリント基板、５２…コンデ
ンサ、５３…ねじ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊田 英雄 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バッテリ，電源コンデンサ，パワー素子を
   多数個並列にフィンに取り付けて接続しフィンを通電用
   の導電体とするスイッチングモジュールを構成し、上記
   電源コンデンサのプラス側に接続した第一スイッチング
   モジュールと上記電源コンデンサのマイナス側に接続し
   た第二スイッチングモジュールをアームＵとし、同じよ
   うにアームＶ，アームＷを構成し、アームの中間出力端
   子から負荷を接続し、フィンベースや上記電源コンデン
   サを固定する取付板、上記第一，第二スイッチングモジ
   ュールのフィン以外の電極を通電板とし、上記第一スイ
   ッチングモジュールからの第一通電板は上記第二スイッ
   チングモジュールのフィンに接続し、上記第二スイッチ
   ングモジュールの通電板は上記電源コンデンサのマイナ
   ス側に接続されたマイナス導電板に接続し、取付板とフ
   ィンベースの間にマイナス導電板を配置し、絶縁シート
   でマイナス導電板を絶縁したスイッチング装置におい
   て、上記第一スイッチングモジュールと上記第二スイッ
   チングモジュールの間にサージ吸収用のコンデンサを設
   置し、同じように上記アームＶ，上記アームＷにもサー
   ジ吸収用コンデンサを設置したことを特徴とする電動車
   用スイッチング装置。
2. 【請求項２】請求項１において、上記サージ吸収用コン
   デンサの部分で、ゲートドライブ回路の基板を二分割し
   た電動車用スイッチング装置。