KR101177719B1 - 모터 제어장치 - Google Patents

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야스시 나카무라
게이타 무츠우라
가즈오 아오키
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아이신에이더블류 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 저전압 회로와 고전압 회로의 절연을 확보하고, 또한 소형화가 가능한 교류모터 제어장치를 제공한다.
[해결수단] 모터 제어장치는, 교류모터로 전류를 공급하는 인버터 회로의 각 아암에 대하여 각각 설치되며, 각 아암이 가지는 스위칭 소자를 구동하는 구동회로(20)와, 구동회로(20)에, 전력을 공급하기 위한 전력공급회로의 제어를 행하는 전원제어회로(27)를 가진다. 저전압 회로 영역(7)은, 전원제어회로(27)를 가진다. 고전압 회로 영역(5)은, 하나의 구동회로(20)를 포함하고, 저전압 회로 영역(7)을 사이에 두고 양측에 나란히 배치됨과 함께, 저전압 회로 영역(7)과의 사이에 소정의 절연거리(d1)를 마련하여 배치된다. 전력공급회로로서, 저전압 회로 영역(7)과 각 고전압 회로 영역(20)을 각각 접속하는 트랜스(L)가 구비된다.

Description

모터 제어장치{Motor control device}
본 발명은, 교류모터를 제어하는 모터 제어장치에 관한 것이다.
전기 자동차나 하이브리드 자동차 등의 동력에 이용되는 대(大)출력의 모터는, 높은 전압으로 구동된다. 또한, 이와 같은 자동차에 탑재되는 전원은 직류의 배터리이므로, IGBT(insulated gate bipolar transistor) 등의 스위칭 소자를 이용한 인버터 회로에 의하여 3상(相) 교류로 변환된다. 인버터 회로를 구동하는 신호, 예컨대 IGBT의 게이트를 구동하는 구동신호는, 모터를 구동하는 고전압 회로와는 절연되며, 고전압 회로의 전압보다도 훨씬 저전압으로 동작하는 저전압 회로의 제어회로에 있어서 생성된다. 따라서, 모터를 구동하는 모터 제어장치에는, 구동신호에 근거하여 인버터 회로의 IGBT를 구동하기 위한 IGBT 구동회로가 구비된다. 즉, 모터 제어장치는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 저전압 회로 내에서 동작하는 모터 제어회로(300)와, 고전압 회로 내에서 동작하며, 모터 제어회로(300)가 생성한 구동신호에 근거하여 IGBT를 구동하는 IGBT 구동회로(200)와, 복수의 IGBT에 의하여 구성된 인버터 회로(100)를 가지고 구성된다.
3상 교류를 생성하는 인버터 회로(100)는 6개의 IGBT에 의하여 구성된다. 각각의 IGBT는 독립되어 동작하기 때문에, 각 IGBT의 게이트를 구동하기 위한 게이트 구동회로는, IGBT 구동회로(200)에 있어서 서로 독립되어 설치된다. 또한, 각 IGBT는 고전압이 되기 때문에, IGBT를 구동하는 각 게이트 구동회로는 적절한 절연거리를 가지고 배치될 필요가 있다.
하기에 나타내는 특허문헌 1에는, 복수의 IGBT를 구동하는 복수의 게이트 구동회로를 구비하는 전압제어장치의 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 따르면, 제어회로와 게이트 구동회로는, 적어도 트랜스의 입력 핀과 출력 핀의 거리에 상당하는 절연거리를 두고 배치된다. 또한, 각 게이트 구동회로도 소정의 절연거리를 두고 배치된다.
[특허문헌 1] 일본국 특허공개 제2006-280184호 공보(13, 15 단락, 도 1 등)
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
특허문헌 1에 개시된 전압제어장치는, 3개의 게이트 구동회로를 가진 것이지만, 3상 교류를 생성하는 인버터 회로에서는 6개의 게이트 구동회로를 설치할 필요가 있다. 단순히 특허문헌 1의 전압제어장치를 2개 나열하면, 부품을 마운트(실장(實裝))할 수 없는 절연 영역이 커져서, 쓸데없이 기판 면적을 증대시키게 된다.
본원 발명은, 상기 과제를 감안하여 창안된 것으로, 저전압 회로와 고전압 회로의 절연을 확보하고, 또한 소형화가 가능한 교류모터 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 관한 모터 제어장치의 특징 구성은,
교류모터로 전류를 공급하는 인버터 회로의 각 아암에 대하여 각각 설치되며, 각 아암이 가지는 스위칭 소자를 구동하는 구동회로와,
상기 구동회로에, 전력을 공급하기 위한 전력공급회로의 제어를 행하는 전원제어회로를 가지는 모터 제어장치로서,
상기 전원제어회로를 가지는 저전압 회로 영역과,
하나의 상기 구동회로를 포함하고, 상기 저전압 회로 영역을 사이에 두고 양측에 나란히 배치됨과 함께, 상기 저전압 회로 영역과의 사이에 소정의 절연거리를 마련하여 배치되는 고전압 회로 영역과,
상기 전력공급회로로서, 상기 저전압 회로 영역과 각 고전압 회로 영역을 각각 절연상태에서 결합하는 트랜스를 가지는 점에 있다.
이 특징 구성에 따르면, 전원제어회로를 가지는 저전압 회로 영역을 사이에 두고, 저전압 회로 영역의 양측에 구동회로가 나란히 배치된다. 구동회로로는, 저전압 회로 영역과 각 고전압 회로 영역을 각각 절연상태에서 결합하는 트랜스를 통하여 전력이 공급된다. 구동회로에 공급되는 전력은 고전압이지만, 이 고전압은, 각 트랜스의 고전압 회로 영역측에 나타나므로, 기판 내에 있어서 고전압의 배선이 긴 거리를 둘러 돌아가게 되지 않는다. 따라서, 절연거리를 확보하기 위하여 부품을 마운트할 수 없는 절연 영역의 면적을 좁게 할 수 있어, 기판을 효율적으로 이용할 수 있다. 각 구동회로에 접속되는 각 트랜스는, 저전압 회로 영역에 구성된 공통의 전원제어회로에 의하여 제어할 수 있다. 각 트랜스에 대하여 개별로 전원제어회로를 설치할 필요가 없어, 전원제어회로를 간소화할 수 있다. 따라서, 기판 면적을 억제하는 것이 가능하게 되어, 모터 제어장치를 소형화할 수 있다. 또한, 발열하는 부품인 트랜스를 각 구동회로에 대하여 분산시켜 설치함으로써, 발열의 집중이 발생하기 어려워져, 방열 대책이 용이하게 된다.
본 발명에 관한 모터 제어장치는, 또한, 상기 구동회로가, 서로 이웃하는 상기 구동회로와의 사이에 소정의 절연거리를 마련하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
인버터 회로의 각 아암이 가지는 스위칭 소자는, 각 아암마다 다른 타이밍으로 스위칭하도록 구동된다. 구동회로는, 스위칭 소자의 게이트 단자나 베이스 단자와, 소스 단자나 이미터 단자의 2단자 간의 전위차를 제어함으로써, 스위칭 소자를 구동한다. 인버터 회로의 직류 전원 전압은 매우 고압이므로, 스위칭 소자를 구동하기 위한 2단자 간의 전위차도, 저전압 회로 영역의 전원 전압보다 높은 전압이다. 또한, 스위칭 소자가 ON 상태가 되면, 스위칭 소자에 접속된 직류 전원 전압에 따라, 구동신호의 전압도 변화한다. 상술한 바와 같이 인접하는 구동회로로부터 출력되는 구동신호의 타이밍은 다르기 때문에, 구동신호의 전압의 변화도 달라서, 인접하는 구동회로로부터 출력되는 구동신호의 사이에는 큰 전위차가 생긴다. 따라서, 서로 이웃하는 구동회로와의 사이에 있어서 절연을 확보할 필요가 있어, 본 구성과 같이 서로 이웃하는 구동회로가 소정의 절연거리를 마련하여 배치되면 적절하다.
또한, 본 발명에 관한 모터 제어장치의 상기 구동회로는, 상기 인버터 회로의 직류 전원의 플러스측에 접속되는 상단측 아암의 상기 스위칭 소자를 구동하는 상단측 구동회로가 상기 저전압 회로 영역의 일방측에 나란히 배치되고, 상기 인버터 회로의 직류 전원의 마이너스측에 접속되는 하단측 아암의 상기 스위칭 소자를 구동하는 하단측 구동회로가 상기 저전압 회로 영역의 타방측에 나란히 배치되는 것을 특징으로 한다.
인버터 회로에 있어서, 상단측 아암의 스위칭 소자는 직류 전원의 플러스측에 접속되고, 하단측 아암의 스위칭 소자는 직류 전원의 마이너스측에 접속된다. 이 때문에, 상단측 아암의 스위칭 소자, 및 하단측 아암의 스위칭 소자는 각각 나란히 배치한 쪽이 플러스측 전원 및 마이너스측 전원의 접속이 용이하다. 따라서, 스위칭 소자를 구동하는 구동회로도, 상단측 구동회로 및 하단측 구동회로의 각각을 나란히 배치한 쪽이 효율적인 배선을 행할 수 있다. 그 결과, 모터 제어장치를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 모터 제어장치는, 서로 이웃하는 상기 상단측 구동회로 사이에 마련되는 절연거리가, 서로 이웃하는 상기 하단측 구동회로 사이에 마련되는 절연거리보다도 길게 설정되는 것을 특징으로 한다.
인버터 회로의 직류 전원 전압의 플러스측과 접속되는 상단측 아암의 스위칭 소자는, ON 상태가 되었을 때에 이미터 단자나 소스 단자의 전위가 대략 플러스측 전위까지 상승한다. 하단측 아암의 스위칭 소자는, 전압이 낮은 마이너스측(일반적으로 그라운드)과 접속되기 때문에, ON 상태가 되었을 때에도 이미터 단자나 소스 단자는 마이너스측 전위이다. 일반적으로 구동회로는, 스위칭 소자의 게이트 단자나 베이스 단자와, 소스 단자나 이미터 단자의 2단자 간의 전위차를 제어함으로써, 스위칭 소자를 구동한다. 따라서, 상단측 아암의 스위칭 소자와 접속되는 상단측 구동회로의 전위는, 스위칭 소자가 ON 상태가 되었을 때에 인버터 회로의 플러스측의 전원 전압 근처까지 상승한다. 본 구성에 따르면, 서로 이웃하는 하단측 구동회로 사이에 마련되는 절연거리보다도, 서로 이웃하는 상단측 구동회로 사이에 마련되는 절연거리를 길게 취함으로써, 상단측 구동회로 사이에 충분한 절연거리가 확보된다. 한편, 하단측 구동회로는, 인버터 회로에 흐르는 대(大)전류가 유입되지 않는 정도의 최소한도의 절연에 그칠 수 있어, 기판 면적을 작게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 모터 제어장치는, 또한 적어도 하나의 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하는 온도센서의 검출결과에 근거하여, 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하는 온도검출회로가, 상기 하단측 구동회로와 함께 상기 고전압 회로 영역에 설치되면 적절하다.
절연거리가 짧은 하단측 구동회로의 고전압 회로 영역은, 상단측 구동회로의 고전압 회로 영역에 비하여 많은 부품을 마운트할 수 있다. 따라서, 하단측 구동회로의 고전압 회로 영역에 온도검출회로가 설치되면, 높은 마운트 효율로 기판을 구성할 수 있다. 그 결과, 모터 제어장치를 소형화할 수 있다.
본 발명에 관한 모터 제어장치는, 상기 온도검출회로의 검출결과를, 상기 고전압 회로 영역으로부터 상기 저전압 회로 영역으로 와이어리스 전송하는 신호전송용 절연부품을 더욱 구비하고,
상기 신호전송용 절연부품은, 상기 저전압 회로 영역과 상기 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서, 상기 온도검출회로가 구비되는 상기 고전압 회로 영역의 상기 트랜스와 나란히 배치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 저전압 회로 영역의 양측에 고전압 회로 영역이 나란히 배치되어, 저전압 회로 영역의 양측에 절연 영역이 형성된다. 즉, 절연 영역은, 저전압 회로 영역과 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서 형성되어, 이 경계선을 따라서 트랜스와 신호전송용 절연부품이 배치된다. 고전압 회로 영역과 저전압 회로 영역을 접속하는 절연부품은, 이미 마련되어 있는 절연 영역에 트랜스와 함께 1열로 나란히 배치된다. 따라서, 온도검출회로의 검출결과를 저전압 회로 영역으로 전송하기 위하여 기판의 면적을 넓힐 필요가 없어, 소형화가 가능한 교류모터 제어장치를 제공할 수 있다.
여기서, 본 발명에 관한 모터 제어장치는, 기판을 고정하기 위한 고정부재가 관통하는 관통구멍을 더욱 구비하고, 상기 관통구멍이, 상기 저전압 회로 영역 내에 있어서, 상기 상단측 구동회로측에 치우쳐서 마련되면 적절하다.
저전압 회로 영역의 양측에 고전압 회로 영역이 나열되므로, 저전압 회로 영역은 기판의 중앙부에 배치된다. 일반적으로 기판은 대략 직사각형의 형상을 하고 있고, 그 네 모서리에 기판을 고정하기 위한 볼트 등의 고정부재가 관통하는 관통구멍이 마련된다. 본 특징 구성에 따르면, 기판의 중앙부에 배치되는 저전압 회로 영역에도 또한 관통구멍이 마련된다. 고전압 회로 영역이나 트랜스 등에는 큰 전류가 흐르므로 기판이 뜨거워지기 쉬워, 과열에 의하여 기판에 휘어짐 등의 변형이 생길 가능성이 있다. 그러나, 본 특징 구성과 같이, 기판의 중앙부에도 관통구멍을 마련함으로써, 휘어짐을 억제하여 기판을 확실히 고정할 수 있다. 또한, 고정부재에는 금속제의 볼트가 이용되는 경우가 많지만, 저전압 회로 영역에 고정부재가 관통하는 관통구멍이 마련됨으로써, 짧은 절연거리로 절연성을 확보할 수 있으며, 또한 차량탑재(車載) 용도에 요구되는 높은 내진동(耐振動)성을 확보할 수 있다. 따라서, 관통구멍을 마련하는 것에 의한 기판 면적의 증대를 억제할 수 있다. 또한, 관통구멍은, 저전압 회로 영역을 사이에 두고 양측에 나란히 배치되는 고전압 회로 영역 내, 상단측 구동회로측에 치우쳐서 마련되므로, 저전압 회로 영역으로의 부품 마운트를 방해하지 않아, 전원제어회로 등이 적절한 위치에 배치된다.
또한, 상술한 바와 같이, 절연거리가 짧더라도 좋은 하단측 구동회로의 고전압 회로 영역은, 상단측 구동회로의 고전압 회로 영역에 비하여 많은 부품을 마운트할 수 있다. 예컨대, 온도검출회로 등의 부가 회로를 하단측 구동회로와 함께 고전압 회로 영역에 설치할 수 있다. 고전압 회로 영역의 부가 회로의 출력이 저전압 회로 영역으로 전송되면, 제어회로에 있어서 부가 회로의 처리 결과를 이용한 제어가 가능하게 된다. 이 때문에, 하단측 구동회로와 저전압 회로 영역 사이에 전송부품이 마운트되는 경우가 있다. 관통구멍이, 상단측 구동회로측에 치우쳐서 마련되면, 이와 같은 전송부품을 설치할 때의 스페이스를 하단측 구동회로와 저전압 회로 영역 사이에 확보할 수 있다. 그 결과, 부가 회로를 설치함으로써 기판의 면적이 증대하는 경우가 없어 적절하다.
또한, 본 발명에 관한 모터 제어장치는,
상기 인버터 회로의 전원 전압보다도 낮은 전원 전압에서 생성되어, 상기 각 아암이 가지는 상기 스위칭 소자를 구동하는 각 구동신호를, 상기 저전압 회로 영역으로부터 상기 고전압 회로 영역으로 각각 와이어리스 전송하는 신호전송용 절연부품을 구비하고,
각 신호전송용 절연부품은, 상기 저전압 회로 영역과 상기 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서 상기 각 트랜스와 나란히 배치되는 것을 특징으로 한다.
저전압 회로 영역과 고전압 회로 영역은, 소정의 절연거리를 통하여 이간되며, 그 사이에는 절연 영역이 형성된다. 상술한 바와 같이, 고전압 회로 영역은, 저전압 회로 영역을 사이에 두고, 저전압 회로 영역의 양측에 나란히 배치된다. 따라서, 절연 영역은, 저전압 회로 영역을 사이에 두고 저전압 회로 영역의 양측에 형성된다. 즉, 절연 영역은, 저전압 회로 영역과 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서 형성되고, 이 경계선을 따라서 트랜스와 신호전송용 절연부품이 배치된다. 저전압 회로 영역과 고전압 회로 영역을 절연상태에서 결합하는 절연부품이 1열로 나란히 배치되므로, 필요 최저한의 절연 영역을 마련하는 것으로 족하다. 그 결과, 저전압 회로 영역과 고전압 회로 영역의 절연을 확보하고, 또한 소형화가 가능한 교류모터 제어장치를 제공할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 온도검출회로의 검출결과를 전송하는 신호전송용 절연부품이 구비되는 경우에는, 구동신호를 전송하는 신호전송용 절연부품과, 온도검출회로의 검출결과를 전송하는 신호전송용 절연부품과, 트랜스를 이미 설치되어 있는 절연 영역 상의 상기 경계선을 따라서 1열로 나열할 수 있다. 그 결과, 기판의 면적을 증대시키지 않아, 모터 제어장치를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 모터 제어장치는,
상기 인버터 회로로부터 각 구동회로로의 피드백 신호를, 상기 고전압 회로 영역으로부터 상기 저전압 회로 영역으로 와이어리스 전송하는 신호전송용 절연부품을 구비하고,
상기 신호전송용 절연부품은, 상기 저전압 회로 영역과 상기 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서, 상기 각 트랜스와 나란히 배치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 고전압 회로 영역은, 저전압 회로 영역의 양측에 나란히 배치되고, 절연 영역은, 저전압 회로 영역의 양측에 형성된다. 즉, 절연 영역은, 저전압 회로 영역과 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서 형성되고, 이 경계선을 따라서 트랜스와 신호전송용 절연부품이 배치된다. 고전압 회로 영역과 저전압 회로 영역을 접속하는 절연부품은, 이미 마련되어 있는 절연 영역에 있어서 트랜스와 함께 1열로 나란히 배치된다. 따라서, 피드백 신호를 저전압 회로 영역으로 전송하기 위하여 기판의 면적을 넓힐 필요가 없어, 소형화가 가능한 교류모터 제어장치를 제공할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 구동신호를 전송하는 신호전송용 절연부품이나, 온도검출회로의 검출결과를 전송하는 신호전송용 절연부품이 구비되는 경우에는, 이들 신호전송용 절연부품과, 상기 피드백 신호를 전송하는 신호전송용 절연부품과, 트랜스를 이미 마련되어 있는 절연 영역 상의 상기 경계선을 따라서 1열로 나열할 수 있다. 그 결과, 기판의 면적을 증대시키지 않고, 모터 제어장치를 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 모터 제어장치는, 또한, 상기 전원제어회로가, 복수의 상기 트랜스 간의 대략 중심부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 전원제어회로와 각 트랜스를 접속하는 배선 중의 최대 배선 길이를 짧게 할 수 있으며, 또한, 총 배선 길이도 억제할 수 있다. 배선이 길어지면, 노이즈가 발생하기 쉬워지는데, 최대 배선 길이를 짧게 억제할 수 있으므로 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 배선의 양이 많아지면 노이즈를 발생시키기 쉬워지는데, 총 배선 길이를 억제함으로써, 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 전원제어회로로부터 각 트랜스로의 배선 길이가 균일화되기 때문에, 각 트랜스의 2차측 전압의 전원 특성을 균일화할 수 있어, 구동회로 및 인버터 회로의 동작을 안정화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 모터 제어장치는, 기판을 고정하기 위한 고정부재가 관통하는 관통구멍을 구비하고, 상기 관통구멍은, 상기 저전압 회로 영역 내에 있어서, 상기 저전압 회로 영역을 사이에 두고 양측에 나란히 배치되는 상기 고전압 회로 영역 중 어느 일방측에 치우쳐서 마련되는 것을 특징으로 한다.
저전압 회로 영역의 양측에 고전압 회로 영역이 나열되므로, 저전압 회로 영역은 기판의 중앙부에 배치된다. 일반적으로 기판은 대략 직사각형의 형상을 하고 있고, 그 네 모서리에 기판을 고정하기 위한 볼트 등의 고정부재가 관통하는 관통구멍이 마련된다. 본 특징 구성에 따르면, 기판의 중앙부에 배치되는 저전압 회로 영역에도 또한 관통구멍이 마련된다. 고전압 회로 영역이나 트랜스 등에는 큰 전류가 흐르므로 기판이 뜨거워지기 쉬워, 과열에 의하여 기판에 휘어짐 등의 변형이 생길 가능성이 있다. 그러나, 본 특징 구성과 같이, 기판의 중앙부에도 관통구멍을 마련함으로써, 휘어짐을 억제하여 기판을 확실히 고정할 수 있다. 또한, 고정부재에는 금속제의 볼트가 이용되는 경우가 많은데, 저전압 회로 영역에 고정부재가 관통하는 관통구멍이 마련됨으로써, 짧은 절연거리로 절연성을 확보할 수 있으며, 또한 차량탑재 용도에 요구되는 높은 내진동성을 확보할 수 있다. 따라서, 관통구멍을 마련함에 의한 기판 면적의 증대를 억제할 수 있다. 또한, 관통구멍은, 저전압 회로 영역을 사이에 두고 양측에 나란히 배치되는 고전압 회로 영역 중 어느 일방측에 치우쳐서 마련되므로, 저전압 회로 영역으로의 부품 마운트를 방해하지 않아, 전원제어회로 등이 적절한 위치에 배치된다.
도 1은, 본 발명의 모터 제어회로의 회로 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는, IGBT 제어기판에 있어서의 와이어리스 결합의 형태를 모식적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은, 전력공급회로의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.
도 4는, IGBT 제어기판의 회로 배치예를 나타내는 배치도이다.
도 5는, IGBT 제어기판으로의 부품 배치예를 나타내는 배치도이다.
도 6은, 일반적인 모터 제어장치의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 동력용 모터를 제어하는 모터 제어장치를 예로 들어, 본 발명의 실시예를 설명한다. 먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 모터 제어장치의 회로 구성에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 모터 제어회로의 회로 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 3상 교류모터(9)(이하, 적당히 「모터」라 칭함)를 제어하는 모터 제어장치는, IGBT 모듈(1), IGBT 제어기판(2), 모터 제어기판(3)을 가지고 구성된다.
IGBT 모듈(1)에는, 스위칭 소자로서 IGBT를 이용하여, 직류를 3상 교류로 변환하는 인버터 회로가 구성되어 있다. 인버터 회로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 6개의 IGBT(10(11～16)), 각 IGBT(10)에 병렬 접속되는 플라이 휠 다이오드(10a)를 구비하여 구성된다. 여기서, 스위칭 소자는 IGBT에 한정되지 않고, 바이폴라(bipolar)형, 전계(電界)효과형, MOS형 등 다양한 구조의 파워 트랜지스터를 이 용하여 인버터 회로를 구성하는 것도 가능하다. 인버터 회로는, 본 실시예에서는, 예컨대, 금속 베이스 상에 세라믹스계의 절연 기판을 통하여 IGBT(10)나 플라이 휠 다이오드(10a)가 재치(載置; 올려 놓음)되어 일체화된 모듈구조를 가지고 있다. 인버터 회로에는, IGBT(10)의 과전류나 과열을 검출하기 위한 센서 회로(10b)(도 2 참조)도 구성되어 있으며, 일체화되어 IGBT 모듈(1)을 구성하고 있다. 여기서, 인버터 회로는, 통상의 기판 상에 IGBT(10)나 플라이 휠 다이오드(10a)를 마운트함으로써 구성되어도 좋다.
도 1에 있어서, 인버터 회로의 각 아암은, 하나의 IGBT(10)에 의하여 구성되어 있다. 그러나, IGBT의 전류용량 등의 제한에 의하여, 복수의 IGBT를 병렬시켜서 하나의 아암이 구성되는 경우도 있다. 특히 모듈구조의 인버터 회로의 경우에는, 베어 칩(bare chip)을 세라믹스계의 절연 기판을 통하여 금속 베이스 상에 재치함으로써 회로가 구성되는 경우도 있으며, 종종, 복수의 IGBT의 베어 칩을 병렬시켜서, 하나의 아암이 구성된다. 따라서, 하나의 아암의 IGBT(스위칭 소자)란, 반드시 도 1에 나타내는 바와 같은 단일의 IGBT를 나타내는 것이 아니라, 하나의 아암에 있어서 병렬 접속되어 있는 IGBT 모두를 나타내는 경우도 있다. 또한, 하나의 아암이 병렬 접속된 2개의 IGBT로 구성되어 있는 경우, 하나의 구동신호로 2개의 IGBT를 제어하여도 좋고, 2개의 구동신호로 각각의 IGBT를 제어하여도 좋다.
IGBT 모듈(1)에는, 고압 전원으로서의 고압 배터리(55)로부터, 플러스측 전압(PV), 마이너스측 전압(NV)(일반적으로 그라운드)의 직류 전압이 인가(印加)되어, 3상 교류(U, V, W)로 변환된다. 모터(9)가 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 동력용 모터인 경우, IGBT 모듈(1)에는 수백 볼트의 직류 전압이 입력된다. 도 1에 나타내는 바와 같이, IGBT 모듈(1)로부터는, U상, V상, W상의 3상의 모터 구동전류가 출력된다. 이들 모터 구동전류는, 케이블을 통하여 모터(9)로 출력되어, 모터(9)의 U상, V상, W상의 스테이터 코일과 접속된다.
모터 제어기판(3)에는, 인버터 회로의 전원 전압보다도 훨씬 저전압으로 동작하는 모터 제어회로가 구성되어 있다. 모터 제어기판(3)으로는, 저압 전원으로서의 저압 배터리(75)로부터, 예컨대 12볼트 정도의 직류 전압이 공급된다. 여기서, 저압 전원은, 저압 배터리(75)에 한정되지 않고, 고압 배터리(55)의 전압을 강압(降壓)하는 DC­DC 컨버터 등에 의하여 구성되어도 좋다.
모터 제어기판(3)에는, 차량의 운행을 제어하는 미도시의 ECU(electronic control unit) 등으로부터 CAN(controller area network) 등의 통신에 의하여 취득하는 지령(외부 지령)에 따라서, 모터(9)를 제어하는 모터 제어회로(30)가 구성되어 있다. 모터 제어회로(30)는, 모터(9)를 제어하기 위하여 인버터 회로의 각 아암의 IGBT(10)를 구동하는 구동신호를 생성한다. 본 실시예에서는, 스위칭 소자가 IGBT이며, IGBT의 제어 단자는 게이트 단자이므로, 구동신호를 게이트 구동신호라 칭한다. 또한, 모터 제어회로(30)는, 모터(9)의 거동을 검출하는 전류 센서(91)나 회전 센서(92)로부터의 검출신호를 받아, 모터(9)의 동작상태에 따른 피드백 제어를 실행한다.
도 1에서는 전류 센서(91)는, IGBT 모듈(1)과 모터(9) 사이에 구비되어 있지만, IGBT 모듈(1)에 내장되어 있어도 좋다. 또한, 도 1에서는, U상, V상의 2상만의 전류를 측정하고 있다. U상, V상, W상의 3상 전류는 평형 상태에 있고, 순간의 총 합은 0이므로, 2상의 전류를 측정하고 나머지 1상의 전류는 연산에 의하여 구해진다. 회전 센서(92)는, 예컨대 리졸버가 이용된다.
모터 제어회로(30)는, 마이크로 컴퓨터나 DSP(digital signal processor) 등을 중핵부품으로 하여 구성된다. 또한, 마이크로 컴퓨터나 DSP 등의 동작 전압은, 일반적으로 3.3볼트나 5볼트이기 때문에, 모터 제어회로(30)에는, 저압 배터리(75)로부터 공급되는 12볼트의 전원 전압으로부터 동작 전압을 생성하는 레귤레이터 회로도 구성되어 있다.
IGBT 제어기판(2)에는, 모터 제어회로(30)에 있어서 생성된 게이트 구동신호에 근거하여 인버터 회로의 각 아암이 가지는 IGBT(10)를 구동하는 게이트 구동회로(20)가 구성되어 있다. 또한, IGBT 제어기판(2)에는, 모터 제어회로(30)에 있어서 생성된 저전압의 직류 전원의 전력을 게이트 구동회로에 공급하는 전력공급회로가 구비되어 있다. 전력공급회로는, 절연부품(IS)으로서의 트랜스(L)에 의하여 구성된다(도 2 참조). 상세한 것은 후술하지만, 절연부품(IS)으로서, 모터 제어회로(30)가 생성한 게이트 구동신호를 게이트 구동회로로 전송하는 포토 커플러(P)도 IGBT 제어기판(2)에 마운트되어 있다(도 2 참조). 또한, IGBT 제어기판(2)에는, 전력공급회로로서의 트랜스(L)를 제어하기 위한 전원제어회로(27)도 구성되어 있다.
도 1을 참조하여 상술한 바와 같이, IGBT 모듈(1)에 구성된 인버터 회로는 고전압으로 동작하는 고전압 회로(50)이고, 모터 제어기판(3)에 구성된 모터 제어회로(30)는 저전압으로 동작하는 저전압 회로(70)이다. 그리고, IGBT 제어기판(2)은, IGBT 모듈(1)에 접속되는 고전압 회로(50)와, 모터 제어기판(3)에 접속되는 저전압 회로(70)의 쌍방을 가지고 있다. 상세한 것은 후술하지만, 고전압 회로(50)와 저전압 회로(70)는, IGBT 제어기판(2)에 있어서 소정의 절연거리를 가지고 이격하여 배치된다. 고전압 회로(50)와 저전압 회로(70)는, 상술한 바와 같은 절연부품(IS)에 의하여 와이어리스로 결합된다.
도 2는, IGBT 제어기판(2)에 있어서의 와이어리스 결합의 형태를 모식적으로 나타내는 블록도이다. 여기서는, 인버터 회로의 하나의 아암 회로군(群)(10A)에 대응시킨 와이어리스 결합의 형태를 나타내고 있다. 한편, 도 2에서는, 하나의 아암이 하나의 회로군(10A)를 가지고 구성되는 경우를 예시하고 있지만, 상술한 바와 같이, 하나의 아암이 복수의 IGBT(10)를 포함하여, 복수의 회로군(10A)를 가지고 구성되어 있는 경우도 있다.
저전압 회로(70)에 속하는 모터 제어회로(30)에 있어서 생성된 게이트 구동신호는, IGBT 제어기판(2)에 마운트된 절연부품(IS)인 포토 커플러(P)의 입력 단자에 접속된다. 포토 커플러(P)의 출력 단자는, 고전압 회로(50)에 속하는 IGBT 제어기판(2)의 고전압 회로 영역(5)에 마운트된 게이트 구동회로(20)의 드라이버(20a)에 접속된다. IGBT 제어기판(2)의 고전압 회로 영역(5)에 대해서는, 후술한다. 포토 커플러(P)는, 입력측에 발광 다이오드, 출력측에 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터를 구비하여, 입력측으로부터 출력측으로 빛에 의하여 신호를 와이어리스 전송하는 공지(公知)의 절연부품이다. 포토 커플러(P)에 의하여, 저전압 회로(70)와 고전압 회로(50)의 절연이 유지된 상태에서, 모터 제어회로(30)로부터 게이트 구동회로(20)로 게이트 구동신호가 전송된다. 그리고, 게이트 구동회로(20)의 드라이버(20a)에 의하여, 고전압 회로(50)에 속하는 IGBT 모듈(1)의 IGBT(10)가 구동 제어된다.
상술한 바와 같이 IGBT(10)에 부수(付隨)하여, 과전류나 과열을 검출하기 위한 센서 회로(10b)가 설치되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 예에서는 센서 회로(10b)는 온도센서(10c)와 과전류 검출기(10d)를 가지고 구성되어 있다. 온도센서(10c)는, 서미스터(thermistor)나 다이오드이며, 온도에 의하여 변화되는 단자 간 전압이 게이트 구동회로(20)의 진단 회로(20b)에 의하여 검출된다. 과전류 검출기(10d)는, 예컨대 IGBT(10)에 흐르는 대전류에 비례하고, 또한 그 비가 100만 분의 1～10만 분의 1 정도가 되는 미소(微小) 전류를 검출함으로써 IGBT(10)에 흐르는 대전류가 소정값을 넘는 것을 검출하는 것이며, 그 검출결과를 진단 회로(20b)가 받는다.
진단 회로(20b)는, 온도센서(10c)의 단자 간 전압이 소정의 값을 하회(下回)한 경우에는 과열상태라고 판정한다. 또한, 과전류 검출기(10d)로부터 이상(異常)이라는 검출결과를 받은 경우에는 단락(短絡) 등에 의하여 과전류 발생상태라고 판정한다. 그리고, 진단 회로(20b)는, 과열상태 및 과전류 발생상태 중 적어도 일방인 것을 판정하면, 진단신호를 출력한다. 진단신호에 의하여, 드라이버(20a)는, 모터 제어회로(30)로부터 포토 커플러(P)를 통하여 받는 게이트 구동신호의 상태에 관계없이, IGBT(10)를 OFF 상태로 제어한다.
진단신호는, 모터 제어회로(30)에도 전달된다. 진단 회로(20b)는, IGBT 제어 기판(2)의 고전압 회로 영역(5)에 구성되는 고전압 회로(50)이다. 따라서, 진단신호는, 절연부품(IS)으로서의 포토 커플러(P)를 통하여 와이어리스로 모터 제어회로(30)로 전송된다. 모터 제어회로(30)로는, 과열, 과전류 등, 이상의 원인은 전달되지 않지만, 적어도 이상상태가 발생하고 있는 것은 알 수 있다. 그리고, 모터 제어회로(30)는, 모터(9)의 정지 처리 등, 이상 대응 처리를 실행한다.
상술한 바와 같이 온도센서(10c)의 단자 간 전압은 진단 회로(20b)에서 측정가능하므로, 진단 회로(20b)에 있어서, 또는 진단 회로(20b)의 근방에 있어서 온도를 검출하는 온도검출회로(20c)를 설치하는 것이 가능하다. 도 2에는, 진단 회로(20b)의 근방에 온도검출회로(20c)가 설치되는 경우를 예시하고 있다. 온도검출회로(20c)는, 인버터 회로의 모든 아암에 대응하는 게이트 구동회로(20)에 부수하여 설치될 필요는 없으므로, 도 2에서는 파선으로 나타내고 있다. 온도검출회로(20c)는, IGBT 제어기판(2)의 고전압 회로 영역(5)에 설치되므로, 진단신호와 마찬가지로 절연부품(IS)으로서의 포토 커플러(P)를 통하여 와이어리스로 모터 제어회로(30)로 전송된다.
상술한 바와 같이, IGBT 제어기판(2)에는, 모터 제어회로(30)에 있어서 생성된 저전압의 직류 전원의 전력을 게이트 구동회로에 공급하는 전력공급회로가 구비되어 있다. 도 3은, 전력공급회로의 구성을 모식적으로 나타내는 블록도이다. 이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 전력공급회로에 대하여 설명한다.
전력공급회로는, 절연부품(IS)으로서의 트랜스(L)에 의하여 구성된다. 트랜스(L)로의 1차 전압(V1)은, 저전압 회로(70)인 모터 제어회로(30)(모터 제어기 판(3))의 정전압 회로에 있어서 일정한 전압으로 안정화되어 공급된다. 상술한 바와 같이 모터 제어기판(3)에는, 예컨대 12볼트의 전원 전압이 공급되지만, 배터리(75)의 전압은 부하에 의하여 변동된다. 그래서, 정전압 회로로서의 승압(昇壓) 레귤레이터나 강압 레귤레이터 등에 의하여, 예컨대 15～18볼트 정도로 승압되거나, 8～10볼트 정도로 강압되어, 정전압의 1차 전압(V1)이 트랜스(L)로 공급된다.
트랜스(L)는, 본 실시예에 있어서는, 인버터 회로의 6개의 아암의 각각에 대응하여, 트랜스 L1 내지 L6의 6개가 구비되어 있다. 각 트랜스(L1～L6)로부터는, 각각 2차 전압(V21～V26)이 출력된다. 각 트랜스(L1～L6)는 같은 구성이며, 거의 동(同) 전압의 2차 전압(V2)이 출력된다. 도 3 중의 다이오드(D1～D12)는 정류(整流)용 다이오드이며, 콘덴서(C1～C6)는 평활용 콘덴서, 콘덴서(C7)는 1차 전압 안정화용 콘덴서이다.
IGBT 제어기판(2)에는, 저전압 회로(70)에 속하는 전원제어회로(27)가 구성되어 있어, 전력공급회로로서의 트랜스(L)를 제어한다. 전원제어회로(27)는, 1차측 코일에 인가되는 전압을 제어하는 트랜지스터(27b 및 27c)와, 트랜지스터(27b 및 27c)를 제어하는 제어회로(27a)를 가지고 구성되어 있다. 본 실시예의 전원제어회로(27)는, 푸쉬­풀형의 구성을 채용하고 있다. 트랜스(L)는, 인버터 회로의 6개의 아암에 대응하여 6개 설치되어 있지만, 전원제어회로(27)는 모든 트랜스(L1～L6)를 일괄하여 제어한다. 또한, 상술한 바와 같이, 트랜스(L)로의 1차 전압(V1)은, 안정화되어 있으므로, 2차 전압(V2)을 1차측으로 피드백하지 않고, 트랜스(L)의 변압비에 의하여 2차 전압(V2)이 결정된다.
트랜스(L)는, 1차측 코일과 2차측 코일 사이를 전자(電磁) 결합하여 신호나 에너지를 전송하는 공지의 절연부품이다. 따라서, 저전압 회로(70)와 고전압 회로(50)의 절연을 유지하여, 게이트 구동회로(20) 등으로 전원 전압을 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, IGBT 제어기판(2)은, 고전압 회로(50)와 저전압 회로(70)의 양 회로를 가지며, 양 회로를 절연부품(IS)으로 와이어리스로 결합함으로써, 절연을 유지하고 있다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, IGBT 제어기판(2)의 구체적인 레이아웃에 대하여 설명한다. 도 4는, IGBT 제어기판(2)의 회로 배치예를 나타내는 배치도이며, 도 5는, IGBT 제어기판(2)으로의 구체적인 부품 배치예를 나타내는 배치도이다.
도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, IGBT 제어기판(2)에는, 두부(頭部)를 도시 좌측으로 하여 대략 T자 형상으로 저전압 회로 영역(7)이 형성되어 있다. T자 형상의 두부, 도시 좌측 위의 저전압 회로 영역(7)에는, 커넥터(48)가 구비되어 있다. 이 커넥터(48)는, 상술한 모터 제어기판(3)과 미도시의 하네스(harness)에 의하여 접속되어 있다. IGBT 제어기판(2)의 저전압 회로 영역(7)에는, 커넥터(48)를 통하여, 모터 제어회로(30)로부터 인버터 회로의 각 아암에 대응한 게이트 구동신호가 전달된다. 또한, 전원제어회로(27)를 동작시키는 전원 전압이나, 트랜스(L)의 1차측 전압(V1)도, 커넥터(48)를 통하여 모터 제어기판(3)으로부터 전달된다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 커넥터(48)의 도시 하방(下方)에는, 저전압 회로(28)가 구성되어 있고, 커넥터(48)를 통하여 입출력되는 신호의 드라이버 회로나 리시버 회 로가 구성된다. 또한, 이 저전압 회로(28)에 있어서, 트랜스(L)의 1차 전압을 생성하여도 좋다.
IGBT 제어기판(2)에는, 고전압 회로 영역(5)도 형성되어 있다. 고전압 회로 영역(5)은, 인버터 회로의 각 아암에 대응하여, 6개 형성되어 있다. 상술한 바와 같이 각 고전압 회로 영역(5)은, 각 아암이 가지는 IGBT(10)를 구동하는 게이트 구동회로(20)를, 적어도 하나 가지고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 예에서는, 게이트 구동회로(20)와 하나의 아암의 하나의 회로군(10A)은 5개의 신호선으로 접속된다. IGBT 모듈(1)은, 이들 신호선에 상당하는 단자 접속용 핀을 가지고 있다. 도 4 및 도 5에 나타내는 IGBT 제어기판(2)의 스루 홀(through-hole)(4)에 이 핀을 납땜 용접함으로써, 게이트 구동회로(20)와 회로군(10A)이 접속된다. 또한, 본 실시예에서는, 인버터 회로의 하나의 아암은, 2개의 IGBT(10)를 병렬 접속하여 구성되어 있다. 즉, 하나의 아암에는 2개의 회로군(10A)이 구비되어, 하나의 게이트 구동회로(20)는 2개의 회로군(10A)과 접속된다. 이 때문에, 하나의 게이트 구동회로(20)에는, 10개의 스루 홀(4)이 마련되어 있다.
고전압 회로 영역(5)은, T자 형상의 동체(胴體)부에 상당하는 저전압 회로 영역(7)을 사이에 두고, 그 양측에 복수(본 예에서는 3개씩) 나란히 배치된다. 이때, 게이트 구동회로(20)는, 저전압 회로 영역(7)과의 사이에 소정의 절연거리(d1)를 마련하여 배치된다. 또한, 게이트 구동회로(20)는, 서로 이웃하는 게이트 구동회로(20)와의 사이에 소정의 절연거리(d2 또는 d3)를 마련하여 배치된다. 게이트 구동회로(20)와 저전압 회로 영역(7) 사이에 소정의 절연거리(d1)를 마련함으로써, 저전압 회로 영역(7)을 따라서 절연 영역(6)이 형성된다. 또한, 서로 이웃하는 게이트 구동회로(20)의 사이에 소정의 절연거리(d2, d3)를 더욱 마련함으로써, T자 형상의 저전압 회로 영역(7)의 동체부측을 베이스부로 하여, 저전압 회로 영역(7)의 양측에 빗 형상의 절연 영역(6)이 형성된다.
T자 형상의 저전압 회로 영역(7)의 동체부를 따라서 형성된 절연 영역(6)을 가로질러서, 전력공급회로로서의 트랜스(L1～L6)가 구비되어, 저전압 회로 영역(7)과 각 고전압 회로 영역(5)이 각각 절연상태로 결합된다. 즉, 각 트랜스(L1～L6)의 저전압 회로 영역(7)에는 1차측 전압(V1)이 인가되고, 각 트랜스(L1～L6)의 고전압 회로 영역(5)에는 2차측 전압(V2)이 출력된다. 고전압의 2차측 전압(V2)은, 각 트랜스(L1～L6)에 대응하는 고전압 회로 영역(5)의 게이트 구동회로(21～26)측에만 나타나므로, IGBT 제어기판(2) 내에 있어서 고전압의 배선이 긴 거리를 둘러 돌아가게 되지 않는다. 따라서, 절연거리를 확보하기 위하여 부품을 마운트할 수 없는 절연 영역(6)의 면적을 넓힐 필요가 없어, 기판을 효율적으로 이용할 수 있다.
각 트랜스(L1～L6)는, 저전압 회로 영역(7)에 구성된 공통의 전원제어회로(27)에 의하여 제어된다. 따라서, IGBT 제어기판(2)의 면적을 억제하는 것이 가능하게 되어, 모터 제어장치를 소형화할 수 있다. 또한, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 전원제어회로(27)는, 복수의 트랜스(L1～L6) 사이의 대략 중심부에 배치된다. 따라서, 전원제어회로(27)와 각 트랜스(L1～L6)를 접속하는 배선 중의 최대 배선 길이, 예컨대 트랜스 L4나 L3으로의 배선 길이를 짧게 할 수 있다. 배선이 길어지면, 노이즈가 발생하기 쉬워지는데, 최대 배선 길이를 짧게 억제할 수 있으므로 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 당연히, 트랜스(L1～L6)로의 배선 길이를 적산(積算)한 총 배선 길이도 억제할 수 있다. 배선의 양이 많아지면 노이즈를 발생시키기 쉬워지는데, 총 배선 길이를 억제함으로써, 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 전원제어회로(27)로부터 각 트랜스(L1～L6)로의 배선 길이가 균일화되기 때문에, 각 트랜스(L1～L6)의 2차측 전압(V2(V21～V26))의 전원 특성을 균일화할 수 있어, 게이트 구동회로(20) 및 인버터 회로의 동작을 안정화시킬 수 있다.
또한, T자 형상의 저전압 회로 영역(7)의 동체부를 따라서 형성된 절연 영역(6)을 가로질러서, 신호전송용 절연부품으로서의 포토 커플러(P(P11, P21, P31, P41, P51, P61))가 구비된다. 이들 포토 커플러(P)는, 저전압 회로 영역(7)과 고전압 회로 영역(5)이 대향하는 경계선을 따라서 각 트랜스(L1～L6)와 나란히 배치된다. 저전압 회로 영역(7)과 고전압 회로 영역(5)을 접속하는 절연부품(IS)이 1열로 나란히 배치되므로, IGBT 제어기판(2)에는 필요 최저한의 절연 영역(6)을 마련하는 것으로 족하다.
이들 포토 커플러(P)에 의하여, 모터 제어회로(30)가 생성한 각 아암에 대응하는 게이트 구동신호가, 저전압 회로 영역(7)과 각 고전압 회로 영역(5)(게이트 구동회로(21～26)) 사이에 있어서 절연상태로 결합된다. 즉, 인버터 회로의 전원 전압보다도 낮은 전원 전압에서 생성된 각 게이트 구동신호가 저전압 회로 영역(7)으로부터 고전압 회로 영역(5)의 각 게이트 구동회로(21～26)로 각각 와이어리스 전송된다. 그리고, 각 게이트 구동신호는, 각 게이트 구동회로(21～26)로부터 각 IGBT(10)로 전송되어, 각 IGBT(10)를 제어한다.
또한, T자 형상의 저전압 회로 영역(7)의 동체부를 따라서 형성된 절연 영역(6)을 가로질러서, 다른 포토 커플러(P(P12, P22, P32, P42, P52, P62))가 신호전송용 절연부품으로서 구비된다. 이들 포토 커플러(P)에 의하여, 인버터 회로로부터 각 구동회로(21～26)로 전달된 피드백 신호가, 고전압 회로 영역(5)으로부터 저전압 회로 영역(7)으로 와이어리스 전송된다.
이들 포토 커플러(P)는, 저전압 회로 영역(7)과 고전압 회로 영역(5)이 대향하는 경계선을 따라서 각 트랜스(L1～L6), 및 게이트 구동신호를 전송하는 포토 커플러(P(P11, P21, P31, P41, P51, P61))와 나란히 배치된다. 저전압 회로 영역(7)과 고전압 회로 영역(5)을 접속하는 절연부품(IS)이 1열로 나란히 배치되므로, IGBT 제어기판(2)에는 필요 최저한의 절연 영역(6)을 마련하는 것으로 족하다. 또한, IGBT 제어기판(2)의 절연 영역(6)에 슬릿을 설치함으로써 절연 성능을 향상시킬 때에, 트랜스(L) 및 포토 커플러(P)의 하면(下面), 즉 상기 경계선을 따른 절연 영역(6)을 직선적으로 가공하여 슬릿을 형성하는 것이 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 게이트 구동회로(20)는, 인버터 회로의 각 아암에 대응하여 설치되어 있다. 도 1에 나타내는 인버터 회로의 직류 전원의 플러스측 전압(PV)에 접속되는 아암을 상단측 아암, 마이너스측 전압(NV)에 접속되는 아암을 하단측 아암이라 칭하고, 이하, 각 아암과 게이트 구동회로(20)의 대응을 설명한다.
U상 상단측 아암의 IGBT(11)는, 게이트 구동회로(21)에 의하여,
V상 상단측 아암의 IGBT(12)는, 게이트 구동회로(22)에 의하여,
W상 상단측 아암의 IGBT(13)는, 게이트 구동회로(23)에 의하여,
U상 하단측 아암의 IGBT(14)는, 게이트 구동회로(24)에 의하여,
V상 하단측 아암의 IGBT(15)는, 게이트 구동회로(25)에 의하여,
W상 하단측 아암의 IGBT(16)는, 게이트 구동회로(26)에 의하여,
구동된다. 이하, 적당히, 게이트 구동회로(21～23)를 상단측 게이트 구동회로(상단측 구동회로)라 칭하고, 게이트 구동회로(24～26)를 하단측 게이트 구동회로(하단측 구동회로)라 칭한다.
그리고, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 게이트 구동회로(21～26) 중, 상단측 아암의 IGBT(11～13)를 구동하는 상단측 게이트 구동회로(21～23)는, 저전압 회로 영역(7)의 일방측, 도시 상측에 나란히 배치된다. 또한, 하단측 아암의 IGBT(14～16)를 구동하는 하단측 게이트 구동회로(24～26)는, 저전압 회로 영역(7)의 타방측, 도시 하측에 나란히 배치된다
도 1에 나타낸 바와 같이, 인버터 회로에 있어서, 상단측 아암의 IGBT(11～13)는 직류 전원의 플러스측 전압(PV)에 접속되고, 하단측 아암의 IGBT(14～16)는 직류 전원의 마이너스측 전압(NV)에 접속된다. 이 때문에, 상단측 아암의 IGBT(11～13), 및 하단측 아암의 IGBT(14～16)는, 각각 1열로 나란히 배치한 쪽이 플러스측 전압(PV) 및 마이너스측 전압(NV)의 접속이 용이하다. 따라서, IGBT(10)를 구동하는 구동회로(20)도, 상단측 게이트 구동회로(21～23) 및 하단측 게이트 구동회로(24～26)의 각각을 1열로 나란히 배치한 쪽이 효율적인 배선을 행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 게이트 구동회로(20)는, 서로 이웃하는 게이트 구동회로(20) 사이에 소정의 절연거리(d2 또는 d3)를 마련하여 배치된다. 구체적으로는, 상단측 게이트 구동회로(21～23)는, 서로 이웃하는 게이트 구동회로 사이에 소정의 절연거리(d2)를 마련하여 배치되고, 하단측 게이트 구동회로(24～26)는, 서로 이웃하는 게이트 구동회로 사이에 소정의 절연거리(d3)를 마련하여 배치된다. 여기서, 절연거리(d2)는, 절연거리(d3)에 비하여 긴 거리이다(도 4 참조). 즉, 서로 이웃하는 상단측 게이트 구동회로(21～23) 사이에 마련되는 절연거리(d2)는, 서로 이웃하는 하단측 게이트 구동회로(24～26) 사이에 마련되는 절연거리(d3)보다도 길게 설정된다.
인버터 회로의 직류 전원 전압 중, 전압이 높은 플러스측 전압(PV)과 접속되는 상단측 아암의 IGBT(11～13)는, ON 상태가 되었을 때에 이미터 단자의 전위가 전압(PV)의 근처까지 상승한다. 하단측 아암의 IGBT(14～16)는, 전압이 낮은 마이너스측 전압(NV)(일반적으로 그라운드)과 접속되기 때문에, ON 상태가 되었을 때에도 이미터 단자는 마이너스측 전압(NV)이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 게이트 구동회로(20)는, IGBT(10)의 게이트 단자와, 이미터 단자의 2단자 간의 전위차를 제어함으로써, IGBT(10)를 구동한다. 따라서, 상단측 아암의 IGBT(11～13)와 접속되는 상단측 게이트 구동회로(21～23)의 전위는, IGBT(11～13)가 ON 상태가 되었을 때에 전압(PV) 근처까지 상승한다. 그래서, 절연거리(d3)에 비하여 절연거리(d2)를 긴 거리로 설정함으로써, 상단측 게이트 구동회로 21과 22 사이, 22와 23 사이에 충분한 절연거리를 확보한다. 여기서, 하단측 게이트 구동회로(24～26)는, IGBT 모듈(1)의 전위(NV)의 배선에 흐르는 대전류가 스루 홀(4) 경유로 유입하지 않을 정도의 최소한도의 절연거리를 확보하면 좋다.
도 4 및 도 5에 나타내는 부호 8은, IGBT 제어기판(2)을 고정하기 위한 고정부재가 관통하는 관통구멍이다. 고정부재에는, 예컨대 금속성의 볼트가 이용된다. 일반적인 구성으로서, IGBT 제어기판(2)의 네 모서리에는, 이 기판을 고정하기 위한 관통구멍(81～84)이 마련된다. 본 실시예에 있어서는, 4개의 관통구멍(85～88)이 더욱 마련된다. 이들 4개의 관통구멍(85～88)은, 직사각형 형상의 이 기판의 중심선의 근방에 마련된다. 고전압 회로 영역(5)이나 트랜스(L) 등에는 큰 전류가 흐르므로, IGBT 제어기판(2)은 뜨거워지기 쉬워, 과열에 의하여 기판에 휘어짐 등의 변형이 생길 가능성이 있다. 그러나, 기판의 네 모서리의 관통구멍(81～84)에 더하여, 기판의 중앙부에도 관통구멍(85～88)을 마련함으로써, 휘어짐을 억제하여 IGBT 제어기판(2)이 확실히 고정되고, 또한 차량탑재 용도에 요구되는 높은 내진동성을 확보할 수 있다.
관통구멍(85～87)은, 저전압 회로 영역(7) 내에 있어서 소정의 절연거리를 확보하여 마련된다. 고정부재에 금속제의 볼트가 이용되는 경우, 볼트가 관통하는 관통구멍(8)을 고전압 회로 영역(5) 내에 마련하는 것보다도, 저전압 회로 영역(7) 내에 마련하는 쪽이 짧은 절연거리로 절연성을 확보할 수 있다. 즉, 관통구멍(8)을 통상보다도 많이 마련하여도, 기판 면적의 증대를 억제할 수 있다. 또한, 관통구멍(86 및 87)은, 저전압 회로 영역(7) 내에 있어서, 저전압 회로 영역(7)을 사이에 두고 양측에 나란히 배치되는 고전압 회로 영역(5)의 어느 일방측에 치우쳐서 마련된다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 저전압 회로 영역(7)에의 부품 마운트를 방해하지 않아, 전원제어회로(27) 등을 적절한 위치에 배치하는 것이 가능하게 된다.
도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 있어서는, 관통구멍(86 및 87)이, 저전압 회로 영역(7) 내에 있어서, 상단용 게이트 구동회로(21～23)측에 치우쳐서 마련되어 있다. 이하, 그 이유에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 하단측 게이트 구동회로(24～26)가 구비되는 고전압 회로 영역(5)은, 상단측 게이트 구동회로(21～23)보다도 절연거리가 짧더라도 좋다. 따라서, 이 고전압 회로 영역(5)은, 절연 영역이 작아지는 만큼, 상단측 게이트 구동회로(21～23)가 구비되는 고전압 회로 영역(5)에 비하여 많은 부품을 마운트할 수 있다. 예컨대, 온도검출회로(20c) 등의 부가 회로를 하단측의 게이트 구동회로(24～26)와 함께 고전압 회로 영역(5)에 설치할 수 있다.
고전압 회로 영역(5)의 부가 회로의 출력이, 저전압 회로 영역(7)으로 전송되고, 커넥터(48)를 통하여 모터 제어회로(30)로 전달되면, 모터 제어회로(30)에 있어서 부가 회로의 처리결과를 이용한 제어가 가능하게 된다. 하단측 게이트 구동회로(24～26)로부터 저전압 회로 영역(7)으로 부가 회로의 출력을 전송하기 위해서는, 절연 영역(6)을 가로질러서 포토 커플러 등의 신호전송용 절연부품이 마운트될 필요가 있다. 관통구멍(86이나 87)이, 하단측 게이트 구동회로(24～26)측에 치우쳐서 구비되면, 이와 같은 추가적인 신호전송용 절연부품을 마운트할 스페이스가 빼앗겨진다. 그러나, 관통구멍(86 및 87)이, 상단측의 게이트 구동회로(21～23)측에 치우쳐서 마련되면, 추가적인 신호전송용 절연부품을 마운트할 스페이스가 확보된다.
또한, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 관통구멍(86 및 87)이, 저전압 회로 영역(7) 내의 상단측 게이트 구동회로(21～23)측에 치우쳐서 배치됨과 함께, 게이트 구동회로 21과 22 사이의 절연 영역(6), 및 게이트 구동회로 22와 23 사이의 절연 영역(6)을 따른 위치에 배치되면 적절하다. 관통구멍(86 및 87)이 상단측 게이트 구동회로(21～23)측에 치우쳐서 배치되어도, 상단측 게이트 구동회로(21～23) 사이에 충분한 절연거리가 확보된다.
본 실시예에서는, 적어도 하나의 IGBT(15)의 온도를 검출하는 온도센서(10c)의 검출결과에 근거하여, IGBT(15)의 온도를 검출하는 온도검출회로(20c)가, 하단측 게이트 구동회로(25)와 함께 고전압 회로 영역(5)에 설치되는 예를 나타내고 있다. 이상한 과열상태가 발생하지 않는 상태에 있어서는, 모든 IGBT(10)가 마찬가지의 온도상승 경향을 나타내므로, 어느 하나의 IGBT(10)의 온도를 측정해 두면 충분하다. 또한, IGBT(10)의 배치에 따라서 차이는, 미리 배치에 의한 오차 수정 지도 등을 작성해 둠으로써, 모터 제어회로(30)에 있어서 보정하는 것도 가능하다.
온도검출회로(20c)의 검출결과는, 고전압 회로 영역(5)의 게이트 구동회로(25)로부터 저전압 회로 영역(7)으로 전송된다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 저전압 회로 영역(7)을 따라서 형성된 절연 영역(6)을 가로질러서, 신호전송용 절연부품으로서의 포토 커플러(P(P53))가 구비된다. 이 포토 커플러(P53)는, 저전압 회로 영역(7)과 고전압 회로 영역(5)이 대향하는 경계선을 따라서, 온도검출회로(20c)가 구비되는 게이트 구동회로(25)의 트랜스(L5) 및 포토 커플러(P51, P52)와 나란히 배치된다. 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 있어서는, 관통구멍(86 및 87)이, 저전압 회로 영역(7) 내에 있어서, 상단측의 게이트 구동회로(21～23)측에 치우쳐서 마련되어 있다. 이 때문에, 추가적인 신호전송용 절연부품인 포토 커플러(P53)를 마운트하는 스페이스가 양호하게 확보된다.
이와 같이, 저전압 회로 영역(7)과 고전압 회로 영역(5)을 접속하는 4개의 절연부품(IS)이 1열로 나란히 배치된다. 따라서, 포토 커플러(P53)를 탑재함으로써, IGBT 제어기판(2)의 절연 영역(6)의 면적을 증대시키지는 않는다. 또한, 상술한 바와 같이, IGBT 제어기판(2)의 절연 영역(6)에 슬릿을 설치함으로써 절연 성능을 향상시킬 때에, 트랜스(L) 및 포토 커플러(P)의 하면, 즉 상기 경계선을 따른 절연 영역(6)을 직선적으로 가공하여 슬릿을 형성하는 것도 가능하게 된다.
이상, 구체적인 레이아웃도 나타내어 설명한 바와 같이, 고전압 회로(50)와 저전압 회로(70)의 양 회로를 가진 IGBT 제어기판(2)은, 양 회로를 절연부품(IS)으로 와이어리스로 결합함으로써, 적은 절연 영역(6)으로 절연이 확보되어, 소형화가 실현되고 있다. 따라서, 저전압 회로와 고전압 회로의 절연을 확보하고, 또한 소형화가 가능한 교류모터 제어장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
본 발명은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차 등의 동력에 이용되는 교류모터를 제어하는 모터 제어장치에 이용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 교류모터에 전류를 공급하는 인버터 회로의 각 아암에 대하여 각각 설치되고, 각 아암이 가지는 스위칭 소자를 구동하는 구동회로와,
    상기 구동회로에, 전력을 공급하기 위한 전력공급회로의 제어를 행하는 전원제어회로
    를 가지는 모터 제어장치로서,
    상기 전원제어회로를 가지는 저전압 회로 영역과,
    하나의 상기 구동회로를 포함하고, 상기 저전압 회로 영역을 사이에 두고 양측에 나란히 배치됨과 함께, 상기 저전압 회로 영역과의 사이에 소정의 절연거리를 마련하여 배치되는 고전압 회로 영역
    을 가지고,
    상기 전력공급회로로서, 상기 저전압 회로 영역과 각 고전압 회로 영역 사이의 절연영역을 가로질러서 배치되고, 상기 저전압 회로 영역과 각 고전압 회로 영역을 각각 절연상태로 결합하는 트랜스를 가지고,
    상기 전원제어회로는, 각 트랜스에 인가하는 전압을 일괄하여 제어하도록, 모든 트랜스에 대하여 공통하여 하나만 설치되어 있는 모터 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동회로는, 서로 이웃하는 상기 구동회로와의 사이에 소정의 절연거리를 마련하여 배치되는 모터 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동회로는, 상기 인버터 회로의 직류 전원의 플러스측에 접속되는 상단측 아암의 상기 스위칭 소자를 구동하는 상단측 구동회로가 상기 저전압 회로 영역의 일방측에 나란히 배치되고, 상기 인버터 회로의 직류 전원의 마이너스측에 접속되는 하단측 아암의 상기 스위칭 소자를 구동하는 하단측 구동회로가 상기 저전압 회로 영역의 타방측에 나란히 배치되는 모터 제어장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    서로 이웃하는 상기 상단측 구동회로 사이에 마련되는 절연거리는, 서로 이웃하는 상기 하단측 구동회로 사이에 마련되는 절연거리보다도 길게 설정되는 모터 제어장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    적어도 하나의 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하는 온도센서의 검출결과에 근거하여, 상기 스위칭 소자의 온도를 검출하는 온도검출회로가, 상기 하단측 구동회로와 함께 상기 고전압 회로 영역에 설치되는 모터 제어장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 온도검출회로의 검출결과를, 상기 고전압 회로 영역으로부터 상기 저전압 회로 영역으로 와이어리스 전송하는 신호전송용 절연부품을 구비하고,
    상기 신호전송용 절연부품은, 상기 저전압 회로 영역과 상기 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서, 상기 온도검출회로가 구비되는 상기 고전압 회로 영역의 상기 트랜스와 나란히 배치되는 모터 제어장치.
  7. 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    기판을 고정하기 위한 고정부재가 관통하는 관통구멍을 구비하고, 상기 관통구멍은, 상기 저전압 회로 영역 내에 있어서, 상기 상단측 구동회로측에 치우쳐서 마련되는 모터 제어장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 회로의 전원 전압보다도 낮은 전원 전압에서 생성되며, 상기 각 아암이 가지는 상기 스위칭 소자를 구동하는 각 구동신호를, 상기 저전압 회로 영역으로부터 상기 고전압 회로 영역으로 각각 와이어리스 전송하는 신호전송용 절연부품을 구비하고,
    각 신호전송용 절연부품은, 상기 저전압 회로 영역과 상기 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서 상기 각 트랜스와 나란히 배치되는 모터 제어장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터 회로로부터 각 구동회로로의 피드백 신호를, 상기 고전압 회로 영역으로부터 상기 저전압 회로 영역으로 와이어리스 전송하는 신호전송용 절연부품을 구비하고,
    상기 신호전송용 절연부품은, 상기 저전압 회로 영역과 상기 고전압 회로 영역이 대향하는 경계선을 따라서, 상기 각 트랜스와 나란히 배치되는 모터 제어장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원제어회로는, 복수의 상기 트랜스 사이의 중심부에 배치되는 모터 제어장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    기판을 고정하기 위한 고정부재가 관통하는 관통구멍을 구비하고, 상기 관통구멍은, 상기 저전압 회로 영역 내에 있어서, 상기 저전압 회로 영역을 사이에 두고 양측에 나란히 배치되는 상기 고전압 회로 영역 중 어느 일방측에 치우쳐서 마련되는 모터 제어장치.
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