JPWO2011122279A1 - モータ駆動回路モジュール - Google Patents

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Abstract

このモータ駆動用回路モジュールは、第１電極の第１電極面と第３電極の第３電極面とが、互いに対向し、なおかつ前記第１電極に電流が流れた際の電流の流れる向きが前記第１電極及び前記第３電極とで逆向きとなるように配置されている。また、第２電極の第２電極面と前記第３電極の第３電極面とが、互いに対向し、なおかつ前記第２電極に電流が流れた際の電流の流れる向きが前記第２電極及び前記第３電極とで逆向きとなるように配置されている。

Description

この発明は、モータ駆動回路モジュールに関する。
本願は、２０１０年３月２９日に、日本に出願された特願２０１０−０７５７４３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
モータを駆動するために用いられるモータ駆動回路モジュールでは、スイッチングデバイスを切り換えてモータ駆動電流を電源からモータへ供給する場合に、駆動回路の配線のインダクタンスがサージ電圧の上昇の原因となる。サージ電圧が高いと電力損失を生じ、スイッチングデバイスの耐圧を超えたサージ電圧が印加されるとスイッチングデバイスの劣化の原因となる。これを抑制するために、インダクタンスに対して、同一時間に互いに逆方向の電流を流すことで相互効果により低減することが行われている。
特開２００５−２６１０３５号公報
しかしながら、上記従来のモータ駆動回路モジュールにおいては、スイッチングデバイスを平置きにしていたため、インダクタンスを十分に低減することができないという問題がある。
そこで、この発明は、相互インダクタンス効果を利用して効果的にインダクタンスの低減を図ることができるモータ駆動用回路モジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下を採用した。
（１）本発明の一態様は、電源の一方極に接続される第１電極線と前記電源の他方極に接続される第２電極線とを備え前記電源からの電力でモータを駆動するパワーコントロールユニットに設けられ、前記第１電極線及び前記第２電極線と前記モータとの間に配置されるモータ駆動回路モジュールであって、スイッチングデバイスをモールドした樹脂モールド部の内部に前記第１電極線に接続される第１電極と；前記第２電極線に接続される第２電極と；前記モータに接続される第３電極と；を備え、前記第１電極の第１電極面と前記第３電極の第３電極面とが、互いに対向し、なおかつ前記第１電極に電流が流れた際の電流の流れる向きが前記第１電極及び前記第３電極とで逆向きとなるように配置され；前記第２電極の第２電極面と前記第３電極の第３電極面とが、互いに対向し、なおかつ前記第２電極に電流が流れた際の電流の流れる向きが前記第２電極及び前記第３電極とで逆向きとなるように配置されている。
（２）上記（１）に記載のモータ駆動回路モジュールでは、前記第１電極の第１電極面と前記第３電極の第３電極面との対向している部分、及び前記第２電極の第２電極面と前記第３電極の第３電極面との対向している部分に、部分的に他の部分よりも前記第１電極面と前記第３電極面及び前記第２出力電極面と前記第３電極面の距離が狭くなっているインダクタンス相殺部が各々設けられている構成を採用してもよい。
（３）上記（２）に記載のモータ駆動回路モジュールの場合、前記各インダクタンス相殺部に対応する、前記第１電極の第１電極面と前記第３電極の第３電極面との間及び前記第２電極の第２電極面と前記第３電極の第３電極面との間に介装された絶縁材をさらに備えてもよい。
上記（１）に記載の態様によれば、第１電極の第１電極面と第３電極の第３電極面及び第２電極の第２電極面と第３電極の第３電極面とが対向し、かつ互いに電流が逆向きに流れるようになっているため、相互インダクタンスによって効果的にインダクタンスの低減を図ることができる。
上記（２）に記載の場合、第１電極の第１電極面と第３電極の第３電極面との距離、第２電極の第２電極面と第３電極の第３電極面との距離がより小さくなったインダクタンス相殺部を備えたことにより、インダクタンスを更に低減することができる。
上記（３）に記載の場合、絶縁材を設けることで第１電極の第１電極面と第３電極の第３電極面との距離、第２電極の第２電極面と第３電極の第３電極面との距離を最小限にすることができ、インダクタンスを最も低くすることができる。
本発明の一実施形態におけるモータ駆動回路装置の回路図である。 同実施形態におけるモータ駆動回路モジュールの斜視図である。 同モータ駆動回路モジュールの分解斜視図である。 同モータ駆動回路モジュールの回路図である。 同モータ駆動回路モジュールの断面図である。 同実施形態におけるスイッチング時のサージ電圧の変化を示すグラフであって、サージ電圧が抑制されている状況を示している。 本発明の他の実施形態におけるモータ駆動回路モジュールを示す図であって、図５に相当する断面図である。 同実施形態における、電極間距離と相互インダクタンス効果との関係を示すグラフである。
本発明の各実施形態を図面に基づいて以下に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）を含む回路１の構成を示している。この回路１は、高圧系のバッテリ２とパワーコントロールユニット３とモータ４とを備えて構成されている。ハイブリッド車両では、例えば、エンジンルーム内にエンジンとこれに直結されたモータ４とが配置されている。ハイブリッド車両の車室後部には、パワーコントロールユニット３及びバッテリ２が配置されている。モータ４とパワーコントロールユニット３との間は、三相ケーブル５により接続されている。
パワーコントロールユニット３の正極電極線Ｐはバッテリ２の正極に接続され、パワーコントロールユニット３の負極電極線Ｎはバッテリ２の負極に接続されている。これによって、バッテリ２よりパワーコントロールユニット３へ電力が供給され、パワーコントロールユニット３の電力電圧を昇圧した状態でモータ４を駆動する。モータ４が回生作動する場合には、パワーコントロールユニット３の電力電圧が降圧して正極電極線Ｐと負極電極線Ｎとによりバッテリ２が充電される。パワーコントロールユニット３は、パワードライブユニット（ＰＤＵ）９で構成されている。パワードライブユニット（ＰＤＵ）９は、平滑コンデンサ６とゲートドライブ基板７と、ブリッジ回路８とを備えている。
パワードライブユニット９のブリッジ回路８は、ハイ側（高電位側）Ｕ相スイッチングデバイス（ＵＨ）１１，ロー側（低電位側）Ｕ相スイッチングデバイス（ＵＬ）１２及びハイ側Ｖ相スイッチングデバイス（ＶＨ）２１，ロー側Ｖ相スイッチングデバイス（ＶＬ）２２及びハイ側Ｗ相スイッチングデバイス（ＷＨ）３１，ロー側Ｗ相スイッチングデバイス（ＷＬ）３２をブリッジ接続して構成されている。ここで、ハイ側Ｕ相スイッチングデバイス（ＵＨ）１１，ロー側Ｕ相スイッチングデバイス（ＵＬ）１２は、配線で接続されており、その配線は、三相ケーブル５のＵ相に接続されている。ハイ側Ｖ相スイッチングデバイス（ＶＨ）２１とロー側Ｖ相スイッチングデバイス（ＶＬ）２２は配線で接続されており、その配線は、三相ケーブル５のＶ相に接続されている。ハイ側Ｗ相スイッチングデバイス（ＷＨ）３１とロー側Ｗ相スイッチングデバイス（ＷＬ）３２は、配線で接続されており、その配線は、三相ケーブル５のＷ相に接続されている。ここで、スイッチングデバイスとしては、トランジスタやＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などが用いられる。
ハイ側スイッチングデバイスであるハイ側Ｕ相スイッチングデバイス１１、ハイ側Ｖ相スイッチングデバイス２１、ハイ側Ｗ相スイッチングデバイス３１は正極電極線Ｐに接続されており、これらはハイサイドアームを構成している。ロー側スイッチングデバイスであるロー側Ｕ相スイッチングデバイス１２、ロー側Ｖ相スイッチングデバイス２２、ロー側Ｗ相スイッチングデバイス３２は負極電極線Ｎに接続されており、これらはローサイドアームを構成している。
バイポーラトランジスタをスイッチングデバイスとして用いた例を示す。各スイッチングデバイス１１，１２，２１，２２，３１，３２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、ダイオード（ＤＵＨ）１３，ダイオード（ＤＵＬ）１４，ダイオード（ＤＶＨ）２３，ダイオード（ＤＶＬ）２４，ダイオード（ＤＷＨ）３３，ダイオード（ＤＷＬ）３４が各々接続されている。
ブリッジ回路８とモータ４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルは、三相ケーブル５によって接続されている。三相ケーブル５は、第３Ｕ電極線ＵＯＵＴ、第３Ｖ電極線ＶＯＵＴ、第３Ｗ電極線ＷＯＵＴの３本の電極線によって構成されている。
ここで、第３Ｕ電極線ＵＯＵＴ、第３Ｖ電極線ＶＯＵＴ、第３Ｗ電極線ＷＯＵＴはモータ４を回生作動させる場合には、電流が流れ込むことから、符号「ＯＵＴ」だけではなく、符号「ＩＮ」の記載も付すべきであるが、煩雑になるので「ＯＵＴ」という記載のみを各部の名称に使用した。
ここで、ハイ側Ｕ相スイッチングデバイス１１とロー側Ｕ相スイッチングデバイス１２とダイオード１３とダイオード１４は樹脂によりＵ相モータ駆動回路モジュール１５として一体でモールド成形されている。ハイ側Ｖ相スイッチングデバイス２１とロー側Ｖ相スイッチングデバイス２２とダイオード２３とダイオード２４は樹脂によりＶ相モータ駆動回路モジュール２５として一体でモールド成形されている。ハイ側Ｗ相スイッチングデバイス３１とロー側Ｗ相スイッチングデバイス３２とダイオード３３とダイオード３４は樹脂によりＷ相モータ駆動回路モジュール３５として一体でモールド成形されている。
したがって、これらＵ相モータ駆動回路モジュール１５とＶ相モータ駆動回路モジュール２５とＷ相モータ駆動回路モジュール３５が、正極電極線Ｐと負極電極線Ｎとモータ４との間に配置されている。
図２は、本発明の実施形態におけるモータ駆動回路モジュールの斜視図である。図３はＵ相モータ駆動回路モジュール１５の分解斜視図を示している。尚、Ｖ相モータ駆動回路モジュール２５とＷ相モータ駆動回路モジュール３５もＵ相モータ駆動回路モジュール１５と同様の構成であるので説明は省略する。
図４は、モータ駆動回路モジュールの回路図である。図５は、モータ駆動回路モジュールの断面図である。
図２〜図５に示すように、Ｕ相モータ駆動回路モジュール１５は上側に正極電極線Ｐに接続される正極電極３８と下側に負極電極線Ｎに接続される負極電極３９と、これら正極電極３８と負極電極３９との間に配置され、第３Ｕ電極線ＵＯＵＴに接続されるＯＵＴ電極４０とが上面から見て重なるように積層されている。これらは、樹脂モールド部４１によってモールドされている。尚、符号３８Ｔ，３９Ｔ，４０Ｔは、各々、正極電極３８と負極電極３９とＯＵＴ電極４０の端子部を示しており、樹脂モールド部４１の外側に突出している。
図３に示すように、樹脂モールド部４１の内部には、ハイ側Ｕ相スイッチングデバイス１１とダイオード１３と信号端子４３が共に、ハンダ層４２を介して正極電極３８とＯＵＴ電極４０との間に実装されている。信号端子４３の信号線４４は樹脂モールド部の外側に突出している。
樹脂モールド部４１の内部には、ロー側Ｕ相スイッチングデバイス１２とダイオード１４と信号端子４５が、ハンダ層４２を介してＯＵＴ電極４０と負極電極３９との間に実装されている。信号端子４５の信号線４６も樹脂モールド部４１の外側に突出している。
樹脂モールド部４１の内部であって、ハイ側Ｕ相スイッチングデバイス１１とダイオード１３、ロー側Ｕ相スイッチングデバイス１２とダイオード１４とが配置されていない部分には、正極電極３８とＯＵＴ電極４０間と、ＯＵＴ電極４０と負極電極３９間には、樹脂モールド部４１のみが介在している。その部分では、正極電極３８の正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄ、ＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄと負極電極３９の負極電極面３９Ｄとが互いに対向している。
また、図４に示すように、正極電極３８とＯＵＴ電極４０、および負極電極３９は、正極電極３８に電流が流れた際、正極電極３８に流れる電流の向きとＯＵＴ電極４０に流れる電流の向きが逆向き（実線矢印）となるように配置されている。更に、負極電極３９に電流が流れた際、負極電極３９に流れる電流の向きと、ＯＵＴ電極４０に流れる電流の向きが逆向き（破線矢印）となるように配置されている。
上記実施形態によれば、図５に示すように、正極電極３８の正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄ、ＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄと負極電極３９の負極電極面３９Ｄとが樹脂モールド部４１内で互いに対向し、かつ正極電極３８に電流が流れた際の電流の流れる向きが正極電極３８及びＯＵＴ電極４０とで逆向きとなるように配置され（図４の実線）、負極電極３９に電流が流れた際の電流の流れる向きが負極電極３９とＯＵＴ電極４０とで逆向きとなるように配置されているため（図４の破線）、相互インダクタンス効果によって効果的にインダクタンスの低減を図ることができる。
図６は、従来の駆動モジュールにおけるスイッチング波形の例と本発明の実施形態における駆動モジュールのスイッチング波形を示す。縦軸は相対的な電圧値および相対的な電流値を示す。横軸は時間を示す。
従来のように正極電極３８とＯＵＴ電極４０とが対向せずに別方向に延びているような配置を採用した場合（図５で言えばＯＵＴ電極４０が右側に延びている場合）、配線のインダクタンスは正極端子３８ＴとＯＵＴ電極端子４０Ｔとの距離に比例して発生し、スイッチング動作の際に電流Ｉ（実線）が急激に減少すると電圧が急激に立ち上がるサージ電圧の上昇（図６中の鎖線）が生じる。これに対して、発明の実施形態によれば、このサージ電圧の上昇を実線の電圧Ｖとして抑えることができるので、損失やスイッチングデバイスの耐圧オーバー（スイッチングデバイスの耐圧を超えた電圧印加）などを防止できる。
つまり、図５における正極電極３８の正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄとを例にすると、正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極面４０Ｄとは対向配置されることによって相互誘導が生じる。これによって、正極電極３８の正極電極面３８Ｄに電流が流れると相互インダクタンスで決まる誘導起電力が発生し、ＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄに正極電極面３８Ｄの電流とは逆向きに流れる電流により生ずる相互インダクタンスで決まる誘導起電力によって互いに打ち消し合うため(相互インダクタンス効果)、その結果として全体のインダクタンスを低減することができる。
次に、図７、図８に基づいて、この発明の他の実施形態を説明する。
図７に示すように、この実施形態は第１実施形態において対向している正極電極３８の正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄ、ＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄと負極電極３９の負極電極面３９Ｄにおいて、部分的に他の部分よりも正極電極３８の正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄの距離が狭くなっているインダクタンス相殺部４７、及び部分的に他の部分よりもＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄと負極電極３９の負極電極面３９Ｄの距離が狭くなっているインダクタンス相殺部４７が各々設けられている。具体的には、正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極面４０Ｄが図７の左右方向中央部分がＯＵＴ電極面４０Ｄに近づいてきて、ＯＵＴ電極面４０Ｄに近接するインダクタンス相殺部４７を形成している。
そして、このインダクタンス相殺部４７に対応する、正極電極３８の正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄとの間、ＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄと負極電極３９の負極電極面３９Ｄとの間には絶縁材４８が介装されている。具体的にはＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄの上下面を覆うように絶縁材４８が設けられている。
したがって、この実施形態においては、絶縁材４８を設けることで、正極電極３８の正極電極面３８ＤとＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄ及びＯＵＴ電極４０のＯＵＴ電極面４０Ｄと負極電極３９の負極電極面３９Ｄの距離を最小限にすることができるので、相互インダクタンスが増加して、全体のインダクタンスを低くすることができる。
つまり、図８に示すように、電極間距離と相互インダクタンス効果とは反比例の関係があるが、絶縁材４８を設けない場合（樹脂モールド部のみ）には、短絡を防止するため例えば３ｍｍ程度が限界であった電極間距離が、絶縁材４８を追加することで、電極間距離を１ｍｍ以下に小さくできる。これによって、相互効果の大きい範囲を使用することができる。
尚、この発明は上記実施形態のみに限られるものではなく、例えば、ハイブリッド車両以外に、電気自動車、燃料電池自動者等のモータを走行駆動力に使用する車両に適用することができる。
相互インダクタンスによって効果的にインダクタンスの低減を図ることができるモータ駆動用回路モジュールを提供することができる。
２ バッテリ（電源）
Ｐ 正極電極線（第１電極線）
Ｎ 負極電極線（第２電極線）
４ モータ
３ パワーコントロールユニット
１５ Ｕ相モータ駆動回路モジュール
２５ Ｖ相モータ駆動回路モジュール
３５ Ｗ相モータ駆動回路モジュール
１１ ハイ側Ｕ相スイッチングデバイス
１２ ロー側Ｕ相スイッチングデバイス
２１ ハイ側Ｖ相スイッチングデバイス
２２ ロー側Ｖ相スイッチングデバイス
３１ ハイ側Ｗ相スイッチングデバイス
３２ ロー側Ｗ相スイッチングデバイス
４１ 樹脂モールド部
３８ 正極電極（第１電極）
３９ 負極電極（第２電極）
４０ ＯＵＴ電極（第３電極）
３８Ｄ 正極電極面（第１電極面）
３９Ｄ 負極電極面（第２電極面）
４０Ｄ ＯＵＴ電極面（第３電極面）
４７ インダクタンス相殺部
４８ 絶縁材

Claims (3)

  1. 電源の一方極に接続される第１電極線と前記電源の他方極に接続される第２電極線とを備え前記電源からの電力でモータを駆動するパワーコントロールユニットに設けられ、前記第１電極線及び前記第２電極線と前記モータとの間に配置されるモータ駆動回路モジュールであって、
    スイッチングデバイスをモールドした樹脂モールド部の内部に前記第１電極線に接続される第１電極と；
    前記第２電極線に接続される第２電極と；
    前記モータに接続される第３電極と；
    を備え、
    前記第１電極の第１電極面と前記第３電極の第３電極面とが、互いに対向し、なおかつ前記第１電極に電流が流れた際の電流の流れる向きが前記第１電極及び前記第３電極とで逆向きとなるように配置され；
    前記第２電極の第２電極面と前記第３電極の第３電極面とが、互いに対向し、なおかつ前記第２電極に電流が流れた際の電流の流れる向きが前記第２電極及び前記第３電極とで逆向きとなるように配置されている；
    ことを特徴とするモータ駆動回路モジュール。
  2. 前記第１電極の第１電極面と前記第３電極の第３電極面との対向している部分、及び前記第２電極の第２電極面と前記第３電極の第３電極面との対向している部分に、
    部分的に他の部分よりも前記第１電極面と前記第３電極面及び前記第２出力電極面と前記第３電極面の距離が狭くなっているインダクタンス相殺部が各々設けられている
    ことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動回路モジュール。
  3. 前記各インダクタンス相殺部に対応する、前記第１電極の第１電極面と前記第３電極の第３電極面との間及び前記第２電極の第２電極面と前記第３電極の第３電極面との間に介装された絶縁材をさらに備えることを特徴とする請求項２記載のモータ駆動回路モジュール。
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