WO2012060123A1 - 電動式パワーステアリング用パワーモジュールおよびこれを用いた電動式パワーステアリング駆動制御装置 - Google Patents

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大前　勝彦
浅尾　淑人
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三菱電機株式会社
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    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • the present invention relates to an electric power steering drive control device that applies an assist force to a vehicle steering device by the rotational force of an electric motor, for example.
  • the heat dissipation efficiency of the control device that drives and controls the electric motor is improved, and the size and cost are reduced.
  • the present invention relates to a power module that contributes to the realization of an electric power steering drive control device in which the power module is integrated.
  • a drive device for an electric power steering apparatus that includes an electric motor that outputs an auxiliary torque to a steering wheel of a vehicle and a control device that controls the drive of the electric motor is attached to the electric motor.
  • a plurality of semiconductor switching elements constituting a control device have been integrated into a module on a substrate.
  • the motor drive device of Patent Document 1 proposes a motor that can be shared by various motors, for example, a brush motor and a three-phase brushless motor, by forming a plurality of switching elements as an integrated power module. Yes.
  • the electric power steering device disclosed in Patent Document 2 includes a circuit board that includes a power board on which heat generating parts such as a plurality of switching elements that control electric power of the electric motor are mounted, and a control board on which small current parts such as a microcomputer are mounted.
  • the power board is assembled in close contact with the heat sink that also serves as the bracket on the counter-output side of the three-phase brushless motor to reduce radiation noise and power loss and reduce size. It is.
  • Patent Document 1 no consideration is given to the heat dissipation structure for heat generation from the power section, and unevenness occurs in the heat generation of the power module.
  • the thing of patent document 2 has laminated
  • the motor relay switching element includes Since about twice as much current flows as each power switching element, the temperature rise of the motor relay switching element becomes larger than that of the other switching elements, and the heat generation of the power module is uneven accordingly.
  • Japanese Patent No. 3957177 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-64934
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2002-34511 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-34511
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • the object of the present invention is to improve the heat dissipation performance of the power circuit components constituting the power module and to improve the heat generation balance and to improve the individual heat components.
  • a power module for an electric power steering and an electric power steering drive control device using the same that can reduce the size, cost, output, and life by efficiently dissipating heat against the heat resistance It is to provide.
  • a power module for electric power steering includes a plurality of power switching elements constituting a bridge circuit, and a motor relay switching element that controls on / off of a motor current supplied to the motor from each of the power switching elements. And mounting the power circuit component on the conductive member while maintaining a heat generation balance, placing the conductive member in contact with a heat sink for heat dissipation, and integrally forming the power circuit component and the heat sink with a mold resin. It is characterized by.
  • the heat generation of the power circuit components constituting the module is uniformly balanced, it is possible to dissipate heat to the heat sink without causing uneven heat generation.
  • a shunt resistor or snubber capacitor that is a heating element, heat generation and heat dissipation of the shunt resistor and snubber capacitor can be performed efficiently and in a balanced manner as in the semiconductor switching element.
  • the necessary and sufficient parts can be selected by using the heat resistance performance of each part in a well-balanced manner, and the size and cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a block circuit diagram showing an overall configuration of an electric power steering drive control device in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. It is sectional drawing of the electric power steering drive control apparatus in Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2. It is a top view which shows the detailed structure of the power module which integrally molded the power circuit component with mold resin with the heat sink. It is an expanded sectional view of the power module of FIG. It is a top view of the power module which carried out resin sealing in the same package collectively for three phases in Embodiment 3 of this invention. It is sectional drawing of the electric power steering drive control apparatus in Embodiment 4 of this invention.
  • FIG. 1 is a block circuit diagram showing the overall configuration of the electric power steering drive control device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the drive control device includes an electric motor 1 that outputs an auxiliary torque to a vehicle handle, a control device 20 that controls the drive of the electric motor 1, a reduction device 12 that reduces the rotational speed of the electric motor 1, A battery 60 for supplying a current for driving the electric motor 1 and a torque sensor 61 for detecting a steering torque of a handle (not shown) are provided. Further, the drive control device includes a power connector 32 in which the battery 60 and the control device 20 are electrically connected, and a vehicle-side signal connector 33 into which a vehicle signal such as a vehicle traveling speed signal is input from the vehicle side. The torque sensor connector 34 electrically connecting the torque sensor 61 and the control device 20 is provided.
  • the electric motor 1 is a three-phase brushless motor, and includes a rotor 4 and a stator 5 having an armature winding 10 composed of a U phase, a V phase, and a W phase.
  • the control device 20 includes a large-capacitance capacitor 41 (about 2200 ⁇ F ⁇ 3) for absorbing a ripple component of the motor current IM flowing in the electric motor 1, a snubber capacitor 111 for EMI countermeasures such as high-frequency noise, and the motor current IM.
  • Electromagnetic noise generated during the switching operation of the motor relay switching element 109 and the semiconductor switching elements 107 and 108 inserted into each phase power supply line from the switching elements 107 and 108 to the motor 1 flows out to radio noise.
  • a relay circuit 24 equipped with a power switching semiconductor switching element 22 which is a switch means for energizing and shutting off battery current supplied from 60 to the bridge circuit.
  • the power module 100 is configured by packaging a power circuit including at least the shunt resistor 110, the power switching elements 107 and 108, and the motor relay switching element 109.
  • a relay circuit including the semiconductor switching element 22 for power relay also constitutes the relay module 24.
  • control device 20 includes a resolver 29 that is a rotational position sensor that detects the rotational position of the rotor 4, a current detection unit 28 that is connected to the shunt resistor 110 and detects a current flowing through the electric motor 1, and a torque sensor 61.
  • the auxiliary torque is calculated based on the steering torque signal from the motor, and the motor current detected by the current detector 28 and the rotational position of the rotor of the electric motor 1 detected by the resolver 29 are fed back to correspond to the auxiliary torque.
  • a microcomputer 26 that calculates current, a drive circuit 27 that outputs a drive signal for controlling the operation of the power switching elements 107 and 108 according to a command from the microcomputer 26, the current detection means 28, the microcomputer 26, and the drive circuit 27 is provided with a control board 25 on which 27 are mounted.
  • the microcomputer 26 further includes a well-known self-diagnosis function in addition to an AD converter, a PWM timer circuit, etc., and always performs self-diagnosis as to whether the system is operating normally.
  • the current IM is cut off.
  • the microcomputer 26 receives steering torque information from the torque sensor 61, and information on the rotational position of the rotor of the electric motor 1 from the resolver 29.
  • the vehicle-side signal connector 33 receives a traveling speed as one of the vehicle signals. A signal is input.
  • the motor current IM is fed back to the microcomputer 26 through the current detecting means 28 by the shunt resistor 110.
  • the current control amount corresponding to the rotation direction command of the power steering and the auxiliary torque is generated from these information and signals, and the respective drive signals are input to the drive circuit 27.
  • the drive circuit 27 When the rotation direction command and the current control amount are input, the drive circuit 27 generates a PWM drive signal and applies it to the power switching elements 107 and 108. As a result, the current from the battery 60 flows to the electric motor 1 through the power connector 32, the coil 40, and the semiconductor switching elements 107 to 109, and a required amount of auxiliary torque is output in the required direction. Further, the motor relay switching element 109 turns on the FET during normal operation to flow an appropriate control current to the electric motor 1, and turns off the FET during abnormal operation to prevent the electric motor 1 from being energized. This is a fail-safe FET that prevents current from flowing into the electric motor 1, and the microcomputer 26 determines whether it is abnormal.
  • the motor current detected through the shunt resistor 110 and the current detecting means 28 is fed back to the microcomputer 26 so that it is controlled to coincide with the motor current command sent from the microcomputer 26 to the drive circuit 27.
  • the motor current includes a ripple component due to the switching operation at the time of PWM driving of the power switching elements 107 and 108, but is smoothed and controlled by the large-capacitance capacitor 41.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the electric power steering drive control device, in which the electric motor 1, the control device 20, and the speed reduction device 12 are arranged coaxially with the motor shaft, that is, between the electric motor 1 and the speed reduction device 12, that is, The example which has arrange
  • positioned the control apparatus 20 to the motor shaft front is shown.
  • reference numeral 150 denotes an electric power steering drive control device.
  • a drive motor 1 includes a rotor shaft 2 rotatably supported by bearings 3a and 3b, and a permanent magnet 6 mounted around the rotor shaft 2.
  • a stator 5 provided around the rotor 4, and an iron yoke 7 that fixes the stator 5.
  • the control device 20 for controlling the driving of the electric motor includes a power module 100, a relay module 24 equipped with a semiconductor switching element 22 for power relay (all refer to FIG. 3), the above-described microcomputer 26, drive circuit 27, current detection means.
  • the control board 25 loaded with 28 and the like, the bearing 3b, the resolver 29, the heat sink 30 made of die-cast aluminum to which the coil 40 and the like for removing electromagnetic noise are mounted, and the like.
  • the speed reducer 12 is a gear case 13 that is a housing that contacts the heat sink 30, a worm gear 14 that is provided inside the gear case 13 and that decelerates the rotation of the rotor shaft 2, and a worm wheel that meshes with the worm gear 14. 15.
  • a coupling 16 is fixed to the end of the worm gear 14 on the rotor shaft side, and torque is transmitted from the electric motor 1 to the worm gear 14 by coupling the coupling 16 and the rotor shaft side coupling 17. It is like that.
  • the control device 20 which is a heating element and the motor housing 49 of the electric motor 1 are fixed by screws 45, and the entire circumference is thermally coupled.
  • a power module 100 and a relay module 24, which will be described later, are equally arranged with respect to the heat sink 30 in consideration of the thermal balance, and the temperature distribution due to heat generation is made uniform.
  • the heat sink 30 of the control device 20 is fixed to the gear case 13 with screws (not shown), and the entire circumference is thermally coupled. Since the heat generated from the electric motor 1 and the control device 20 is efficiently radiated to the gear case 13, the temperature including the gear case 13 can be made uniform. Furthermore, depending on the heat dissipation effect to the gear case 13, the thickness of the heat sink 30 can be reduced or the mass can be reduced.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 2, and the power module 100 for three phases is substantially equally distributed in three directions on the circular heat sink 30 around the rotor shaft 2 inside (front) of the control board 25. Is arranged.
  • the relay module 24 is disposed in the remaining space around the rotor shaft 2.
  • FIGS. 4 and 5 are views showing a detailed structure of a power module 100 in which the power circuit component is integrally formed with a conductive resin together with a mold resin.
  • power circuit components that is, FETs including power switching elements 107 and 108 and a motor relay switching element 109, a shunt resistor 110, and a snubber capacitor 111 are soldered on a base electrode 102 (102a to 102e) that is a conductive member.
  • the upper electrode (not shown) of the FET is joined to another FET or the base electrode 102 by a jumper electrode 112 with solder (not shown).
  • the control terminal 106 is similarly joined by solder (not shown) for extracting a signal from the gate electrode of the FET or the shunt resistor 110.
  • the power circuit section including the upper and lower arm FETs 108 and 107, the motor relay FET 109, the shunt resistor 110, and the snubber capacitor 111 shown in FIG. 1 is configured as a power module together with the base electrode 102 that is a conductive member. Note that the snubber capacitor 111 may be omitted depending on use conditions.
  • one side of the base electrode 102 is exposed on the bottom surface of the power module 100 and is thermally coupled to the heat sink 30 via a high thermal conductive material 113 made of silicone resin.
  • a protrusion is provided on a part of the resin on the bottom side of the power module 100, and a uniform gap is formed between the heat sink 30 and the exposed base electrode 102.
  • This uniform gap is filled with silicone resin.
  • this silicone resin also makes the temperature distribution in the planar direction more uniform.
  • the high thermal conductive material is not limited to silicone resin.
  • the structure integrally molded with the mold resin and the structure in which the silicone resin is interposed between the conductive member exposed on one side and the heat sink allow the heat of each electronic component that is a heating element and the conductive member to be molded resin and silicone. It is made uniform in the mold module 100 through the resin, and can be radiated to the outside uniformly from the bottom surface.
  • the use efficiency can be improved (performance improvement), and as a result, necessary and sufficient parts can be selected, and miniaturization and cost reduction can be achieved. Can do.
  • control device 20 is arranged in front of the transmission motor shaft 2, and the power module 100 and the relay module 24 for three phases are arranged evenly on the heat sink 30,
  • the entire electric power steering drive control device can be dissipated very efficiently.
  • the conductive member is exposed on one side. However, if there is a margin in temperature, the entire power module may be covered with a mold resin.
  • Embodiment 2 FIG. The second embodiment is intended to further improve the heat dissipation efficiency of the first embodiment, and will be described in detail using the circuit of FIG. In FIG. 1, first, the PWM drive operation of the electric motor 1 by the control device 20 will be described.
  • the on-resistance of the relay FET 109 is set to be smaller than that of the arm FETs 107 and 108 and to reduce it to about 1 ⁇ 2 in consideration of the heat balance. Further, in order to reduce the temperature rise of the motor relay FET 109 having a large heat generation amount, the chip size of the motor relay FET 109 is set larger than that of the upper and lower arms 107 and 108, and approximately doubled in consideration of the heat radiation efficiency. Is desirable.
  • the area of the base electrode 102c positioned below the motor relay FET 109 is set larger than the base electrodes 102b and 102d of the upper and lower arms to improve the heat radiation efficiency. I am trying.
  • the base electrode is also a heating element, but also serves as a part of the heat sink. By increasing the area, the heat dissipation to the heat sink can be improved, the heat capacity near the FET can be increased, and a transient temperature rise can also be suppressed.
  • there are methods for increasing the heat capacity such as increasing the thickness or soldering a copper plate or the like as a separate member on the base electrode near the FET.
  • the shunt resistor 110 is inserted into the upper and lower arms or the motor line in order to detect the motor current.
  • the shunt resistor 110 is inserted into the lower arm.
  • the shunt resistor has a resistance value of about 1 m ⁇ .
  • the shunt resistor 110 is also built in the power module 100 and integrated with the resin 101. Similar to the above-described FET, the temperature distribution can be made uniform and heat can be efficiently radiated.
  • the inverter circuit normally drives the motor by the PWM method, but is required to be switched as fast as possible in order to reduce the switching loss of the FET.
  • a high-frequency current flows between the upper and lower arms 108 and 107 and the power source, causing EMI such as radio noise.
  • a snubber capacitor 111 (for example, a ceramic capacitor) with good high frequency characteristics is inserted in parallel with the upper and lower arms 108 and 107, and high frequency current is circulated between the upper and lower arms 108 and 107 and the snubber capacitor 111 to reduce the influence on the outside. Measures are taken. In this case, it is desirable that the physical distance between the upper and lower arms 108 and 107 and the snubber capacitor 111 is small.
  • the snubber capacitor 111 since the snubber capacitor 111 is built in the power module 100, high-frequency current can be efficiently circulated in the module. In other words, this means that a large amount of high-frequency current flows through the snubber capacitor 111, and the snubber capacitor 111 itself generates a large amount of heat, and heat dissipation must be taken into consideration.
  • the snubber capacitor 111 attached to the base electrodes 102d and 102e can achieve uniform temperature distribution and efficiently dissipate heat for the same reason as the shunt resistor 110. It has two advantages of improvement and heat dissipation performance.
  • Embodiment 3 In the first embodiment, an example in which one phase of the bridge arm is used as one power module is shown. However, the three phases may be collectively sealed in the same package.
  • FIG. 6 shows the power module in this case.
  • the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same or corresponding parts.
  • a three-phase brushless motor is often used, and if the arm three-phase portion is sealed as one power module 200, the internal temperature distribution can be made uniform as in the first and second embodiments. As a result, the heat radiation efficiency is expected to improve as a whole for the three-phase arm.
  • further miniaturization of the control device 20 can be achieved by sealing the arm three-phase portion as one power module.
  • FIG. 7 shows an example in which the control device 20 is arranged behind the electric motor 1 in the same direction as the motor shaft 2.
  • the electric motor 1 as a heating element and the heat sink 30 of the control device 20 are fixed by screws (not shown), and the entire circumference is thermally coupled.
  • the control device 20 is arranged behind the electric motor 1 (opposite output side).
  • the power module 100 and the relay module 24 are evenly arranged with respect to the heat sink 30, and the temperature distribution due to heat generation is made uniform.
  • the heat sink 30 of the control device 20 is thermally coupled to the motor housing 49 of the electric motor 1.
  • the motor housing 49 of the electric motor 1 is screwed to the gear case 13 and is thermally coupled to the entire circumference. Since the heat generated from the electric motor 1 and the control device 20 is efficiently radiated to the gear case 13, the temperature including the gear case 13 can be made uniform. Further, the motor housing 49 is exposed to the entire circumference of the motor, and high heat transfer characteristics with the air can be expected. In addition to the heat generation of the motor, the heat generation of the control device 20 is transmitted from the motor housing 49 via the heat sink 30. Heat is dissipated.
  • the temperature distribution of the electric motor 1 and the control device 20 can be made uniform, and the entire temperature distribution can be made uniform as an electric power steering drive device. Can be planned.
  • the power module 100 has been mainly described.
  • the relay module 24 can have the same thermal design and configuration.

Abstract

パワーモジュール１００を構成するパワー回路部品の放熱性能を向上し、かつ発熱バランスを向上して部品個々の耐熱能力に対して効率良く放熱させるようにすることを目的とするものであり、ブリッジ回路を構成するパワースイッチング素子１０７、１０８と、モータリレー用スイッチング素子１０９とからなるパワー回路部品を導電部材１０２上に発熱バランスを維持して実装し、上記導電部材１０２を放熱用のヒートシンク３０に当接配置し、前記パワー回路部品とヒートシンク３０をモールド樹脂１０１にて一体成形した。

Description

電動式パワーステアリング用パワーモジュールおよびこれを用いた電動式パワーステアリング駆動制御装置
　この発明は、例えば電動モータの回転力によって車両の操舵装置にアシスト力を付与する電動式パワーステアリング駆動制御装置に関し、特に電動モータを駆動制御する制御装置の放熱効率の向上ならびに小型化、低コスト化に資するパワーモジュールおよびこれを一体的に組み込んだ電動式パワーステアリング駆動制御装置に関するものである。
　従来、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータと、この電動モータを駆動制御する制御装置とを備え、制御装置が電動モータに取り付けられている電動式パワーステアリング装置の駆動装置が知られており、また制御装置を構成する複数の半導体スイッチング素子を基板上に一体的にモジュール化することが行われてきている。（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）
　特許文献１のモータ駆動装置は、複数のスイッチング素子を一体型パワーモジュールとして形成することにより、各種のモータ、例えばブラシ付きモータと三相ブラシレスモータの両方で共用できるようにしたものを提案している。
　また、特許文献２の電動式パワーステアリング装置は、電動モータの電力を制御する複数のスイッチング素子などの発熱部品を搭載するパワー基板と、マイコンなどの小電流部品を搭載する制御基板とを回路ケースを介して積層状態になるように組み付け、パワー基板を三相のブラシレスモータの反出力側のブラケットを兼ねるヒートシンクに密着して組み付けることにより、放射ノイズ、電力ロスの低減ならびに小型化を図ったものである。
　しかしながら、上記特許文献１ではパワー部からの発熱に対する放熱構造に対する考慮がなされておらず、パワーモジュールの発熱にムラが発生していた。
　また、特許文献２のものは、制御装置をモータの背面に積層してその放熱性を改善しているが、積層構造のため大型化、高コスト化せざるを得ず、また熱的効率を改善するためのパワー素子の配置構成については何等言及されていない。
　更に、ブリッジ回路を構成する複数個のパワースイッチング素子とモータとの間にモータへの電力供給をオン・オフするモータリレー用スイッチング素子を挿入するものにあっては、モータリレー用スイッチング素子には各パワースイッチング素子の約２倍の電流が流れることになるため、それだけモータリレー用スイッチング素子の温度上昇が他のスイッチング素子より大きくなり、この分パワーモジュールの発熱にムラが発生していた。
特許第３９５７１７７号（特開２００４－６４９３４号公報） 特開２００２－３４５２１１号公報）
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、パワーモジュールを構成するパワー回路部品の放熱性能を向上し、かつ発熱バランスを向上して部品個々の耐熱能力に対して効率良く放熱せしめることで、小型・低コスト化、高出力化、ならびに高寿命化を可能とする電動パワーステアリング用パワーモジュールおよびこれを用いた電動式パワーステアリング駆動制御装置を提供するものである。
　この発明になる電動パワーステアリング用パワーモジュールは、ブリッジ回路を構成する複数個のパワースイッチング素子と、上記パワースイッチング素子のそれぞれからモータに供給されるモータ電流をオン・オフ制御するモータリレー用スイッチング素子と、からなるパワー回路部品を導電部材上に発熱バランスを維持して実装し、上記導電部材を放熱用のヒートシンクに当接配置し、前記パワー回路部品とヒートシンクをモールド樹脂にて一体成形したことを特徴とするものである。
　この発明のパワーモジュールによれば、モジュールを構成するパワー回路部品の発熱が一様にバランスされるので、発熱ムラが発生することなくヒートシンクへの放熱が可能となる。
また、発熱体であるシャント抵抗やスナバコンデンサを内蔵することによりシャント抵抗やスナバコンデンサの発熱、放熱が前記半導体スイッチング素子と同様に効率良くかつバランスよく行われる。
　また、構成部品の放熱がバランス良く行われるため、部品間の温度上昇がバランスされ、個別部品に熱集中が起こることなく、発熱に対する性能低減が抑えられ電動パワーステアリング駆動装置としての駆動能力が向上する。この発明によれば、個々の部品に対する耐熱性能を限界までバランス良く使うことによって必要十分な部品選定が可能となり小型化、低コスト化が図れるものである。
本発明の実施の形態１における電動式パワーステアリング駆動制御装置の全体構成を示すブロック回路図である。 本発明の実施の形態１における電動式パワーステアリング駆動制御装置の断面図である。 図２のIII―III線断面図である。 パワー回路部品をヒートシンクと共にモールド樹脂にて一体成形したパワーモジュールの詳細構造を示す平面図である。 図４のパワーモジュールの拡大断面図である。 本発明の実施の形態３における、三相分を纏めて同一パッケージに樹脂封止したパワーモジュールの平面図である。 本発明の実施の形態４における電動式パワーステアリング駆動制御装置の断面図である。
　実施の形態１.
　以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
　図１は、本発明の実施の形態1における電動式パワーステアリング駆動制御装置の全体構成を示すブロック回路図である。
　この駆動制御装置は、車両のハンドルに対して補助トルクを出力する電動モータ１と、この電動モータ１の駆動を制御する制御装置２０と、電動モータ1の回転速度を減速させる減速装置１２と、電動モータ１を駆動するための電流を供給するバッテリ６０と、ハンドル(図示せず)の操舵トルクを検出するトルクセンサ６１とを備えている。また、この駆動制御装置には、バッテリ６０と制御装置２０とを電気的に接続したパワーコネクタ３２と、車両側から車両の走行速度信号等の車両信号が入力される車両側信号用コネクタ３３と、トルクセンサ６１と制御装置２０とを電気的に接続したトルクセンサ用コネクタ３４を備えている。また、上記電動モータ１は、３相ブラシレスモータであり、回転子４とＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる電機子巻線１０を備えた固定子５を備えている。
　上記制御装置２０は、電動モータ１に流れるモータ電流ＩＭのリップル成分を吸収するための大容量のコンデンサ４１（２２００μＦ×３程度）と、高周波ノイズ等ＥＭＩ対策用スナバコンデンサ１１１と、モータ電流ＩＭを検出するためのシャント抵抗器１１０と、補助トルクの大きさ及び方向に応じてモータ電流ＩＭを切り替える３相ブリッジ回路を構成するパワースイッチング素子１０７、１０８と、上記ブリッジ回路を構成する複数個のパワースイッチング素子１０７、１０８からモータ１への各相電力供給ラインに挿入されたモータリレー用スイッチング素子１０９と、半導体スイッチング素子１０７、１０８のスイッチング動作時に発生する電磁ノイズが外部へ流出しラジオノイズになることを防止するコイル４０と、バッテリ６０からブリッジ回路に供給されるバッテリ電流を通電・遮断するスイッチ手段である電源リレー用半導体スイッチング素子２２を搭載したリレー回路２４を備えている。なお、少なくとも上記シャント抵抗器１１０、パワースイッチング素子１０７、１０８およびモータリレー用スイッチング素子１０９からなるパワー回路をパッケージにして、パワーモジュール１００を構成する。また、同様に、電源リレー用半導体スイッチング素子２２からなるリレー回路もリレーモジュール２４を構成する。
　また、制御装置２０は、回転子４の回転位置を検出する回転位置センサであるレゾルバ２９と、シャント抵抗器１１０に接続され電動モータ１に流れる電流を検出する電流検出手段２８と、トルクセンサ６１からの操舵トルク信号に基づいて補助トルクを演算するとともに、電流検出手段２８で検出されたモータ電流及びレゾルバ２９で検出された電動モータ１の回転子の回転位置をフィードバックして補助トルクに相当する電流を演算するマイクロコンピュータ２６と、このマイクロコンピュータ２６からの指令によりパワースイッチング素子１０７、１０８の作動を制御する駆動信号を出力する駆動回路２７と、上記電流検出手段２８、マイクロコンピュータ２６及び駆動回路２７をそれぞれ搭載した制御基板２５を備えている。
　上記マイクロコンピュータ２６は、さらにＡＤ変換器やＰＷＭタイマ回路等の他に、周知の自己診断機能を含み、システムが正常に動作しているか否かを常に自己診断しており、異常が発生するとモータ電流ＩＭを遮断するようになっている。マイクロコンピュータ２６には、トルクセンサ６１から操舵トルク情報、レゾルバ２９から電動モータ１の回転子の回転位置の情報がそれぞれ入力され、また車両側信号用コネクタ３３からは車両信号の一つとして走行速度信号が入力される。
　また、マイクロコンピュータ２６には、モータ電流ＩＭがシャント抵抗器１１０により電流検出手段２８を通じてフィードバック入力される。マイクロコンピュータ２６では、これらの情報、信号から、パワーステアリングの回転方向指令、及び補助トルクに相当する電流制御量がそれぞれ生成され、それぞれの駆動信号が駆動回路２７に入力される。
　駆動回路２７では、回転方向指令及び電流制御量が入力されると、ＰＷＭ駆動信号を生成し、パワースイッチング素子１０７、１０８に印加する。これにより、電動モータ１には、バッテリ６０からの電流が、パワーコネクタ３２、コイル４０及び半導体スイッチング素子１０７～１０９を通じて流れ、所要方向に所要量の補助トルクが出力される。
　また、上記モータリレー用スイッチング素子１０９は、正常動作時はＦＥＴをＯＮして電動モータ１に適正な制御電流を流し、異常時はＦＥＴをＯＦＦして電動モータ１への通電を阻止し、危険な電流が電動モータ１に流れないようにするフェールセーフ用のＦＥＴであり、異常かどうかの判定はマイクロコンピュータ２６で行われる。
　このとき、マイクロコンピュータ２６には、シャント抵抗器１１０及び電流検出手段２８を通じて検出されたモータ電流がフィードバックされることにより、マイクロコンピュータ２６から駆動回路２７に送られるモータ電流指令と一致するよう制御される。また、モータ電流は、パワースイッチング素子１０７、１０８のＰＷＭ駆動時のスイッチング動作によりリップル成分を含むが、大容量のコンデンサ４１により平滑されて制御される。
　次に、上述した電動式パワーステアリング駆動制御装置の構造について図２に基づいて説明する。
図２は電動式パワーステアリング駆動制御装置の断面図であり、電動モータ１と制御装置２０と減速装置１２とをモータ軸と同軸方向に配置し、電動モータ１と減速装置１２との間、すなわちモータ軸前方に制御装置２０を配置した例を示している。
　図において符号１５０は電動式パワーステアリング駆動制御装置を示し、駆動モータ１は軸受３a、３bにより回転可能に支承された回転子軸２とこの回転子軸２の周りに装着された永久磁石６とからなる回転子４と、この回転子４の周囲に設けられた固定子５と、この固定子５を固定する鉄製のヨーク７とから構成されている。
　電動モータの駆動を制御する制御装置２０は、パワーモジュール１００、電源リレー用半導体スイッチング素子２２を搭載するリレーモジュール２４（何れも図３参照）、前述のマイクロコンピュータ２６、駆動回路２７、電流検出手段２８等を装填した制御基板２５、軸受３b、レゾルバ２９、電磁ノイズを除去するためのコイル４０等が装着されたアルミダイキャスト製のヒートシンク３０、等から構成されている。
　また減速装置１２はヒートシンク３０と接触する筐体であるギヤケース１３と、このギヤケース１３の内部に設けられ回転子軸２の回転を減速する手段であるウオームギヤ１４と、ウオームギヤ１４に歯合したウオームホイール１５を有している。ウオームギヤ１４の回転子軸側端部にはカップリング１６が固定されており、このカップリング１６と回転子軸側カップリング１７と連結することにより、電動モータ１からウオームギヤ１４にトルクが伝達されるようになっている。
　発熱体である制御装置２０と電動モータ１のモータハウジング４９はネジ４５で固定されており、全周が熱的に結合されている。制御装置２０は後で説明するパワーモジュール１００とリレーモジュール２４がヒートシンク３０に対して熱的バランスを考慮した均等配置とされており、発熱による温度分布は均一化が図られている。また制御装置２０のヒートシンク３０はギアケース１３とネジ（図示せず）で固定され全周が熱的に結合されている。電動モータ１及び制御装置２０から発生した熱はギアケース１３へも効率よく放熱するためギアケース１３を含めて温度の均一化が図れる。
　更に、ギアケース１３への放熱効果次第でヒートシンク３０の厚さを薄くしたり、質量を小さくすることができる。制御装置２０を電動モータ軸２の前方に配置することにより、発熱体である電動モータ１と制御装置２０の温度分布が軸方向にも均一化が図れ、電動パワーステアリング駆動装置として全体の温度分布の均一化が図れる。
　図３は図２のIII―III線断面図であり、制御基板２５の内側（前方）に３相分のパワーモジュール１００が回転子軸２の周りに円形のヒートシンク３０上に３方向に略均等に配置されている。なお、リレーモジュール２４は回転子軸２の周りの残された空間に配置されている。
このように配置することにより、制御装置２０における主たる発熱体である３相分のパワーモジュール１００とリレーモジュール２４の発熱が、ヒートシンク３０へ均等に放熱され、パワーモジュール１００、リレーモジュール２４および制御装置２０の温度分布の均一化が図れる。
　図４、図５は上記パワー回路部品を導電部材と共にモールド樹脂にて一体成形したパワーモジュール１００の詳細構造を示す図である。
　先ず、導電部材であるベース電極１０２（１０２a～１０２e）の上に、パワー回路部品、すなわち、パワースイッチング素子１０７、１０８およびモータリレー用スイッチング素子１０９からなるＦＥＴ、シャント抵抗１１０、スナバコンデンサ１１１が半田等で接合・配置されており、上記ＦＥＴの上面電極（図示せず）はジャンパ電極１１２によって他のＦＥＴまたはベース電極１０２と図示しない半田で接合されている。一方制御用端子１０６はＦＥＴのゲート電極やシャント抵抗１１０の信号取り出し用として、同様に図示しない半田で接合されている。
　これらの構成部品はモールド樹脂１０１によって封止されており、電源端子１０５、ＧＮＤ端子１０４、モータ出力端子１０３、及び制御用端子１０６が外部に出ている。このようにして図１に示す上下アームＦＥＴ１０８、１０７、モータリレーＦＥＴ１０９、シャント抵抗１１０、スナバコンデンサ１１１からなるパワー回路部が導電部材であるベース電極１０２と共にパワーモジュールとして構成されている。なお、スナバコンデンサ１１１は使用条件によっては省略されることがある。
　ここでベース電極１０２の片面側は、パワーモジュール１００の底面に露出しており、シリコーン樹脂製の高熱伝導材１１３を介してヒートシンク３０に熱的結合を行っている。
　ここでは、図示してはいないが、パワーモジュール１００の底面側の樹脂の一部には突起が設けられており、ヒートシンク３０と露出したベース電極１０２は均一の隙間が形成される構成となっており、この均一の隙間にシリコーン樹脂は充填される。
　これにより電子部品から発生する熱を効率的に外部へ放熱できるようになっている。無論、このシリコーン樹脂によって平面方向の温度分布もより均一化されることは言うまでもない。なお、高熱伝導材はシリコーン樹脂製に限定されるものではないことはもちろんである。
　このようにモールド樹脂にて一体成形した構造と、片面露出の導電部材とヒートシンク間にシリコーン樹脂を介在する構成とすることで、発熱体である各電子部品と導電部材の熱がモールド樹脂およびシリコーン樹脂を介して、モールドモジュール１００内で均一化され、更に、底面から一様に外部に放熱することができる。また、構成部品の一部品だけ温度上昇が大きくなることを避けられるため使用効率の向上（性能向上）が図れ、その結果必要十分な部品選定が可能となると共に小型化、低コスト化を図ることができる。
　加えて本実施の形態では、前述したように、制御装置２０を伝導モータ軸２の前方に配置することと、３相分のパワモジュール１００とリレーモジュール２４をヒートシンク３０へ均等配置することで、電動式パワーステアリング駆動制御装置全体をきわめて効率よく放熱することができる。
　なお、本実施の形態では、導電部材を片面露出させたが、温度的に余裕がある場合は、パワーモジュールをモールド樹脂にて全体を覆っても良い。
実施の形態２．
　実施の形態２は実施の形態１の放熱効率の更なる改善を図ったものであり、図１の回路を利用して詳しく説明する。
　図１において、先ず、制御装置２０による電動モータ１のＰＷＭ駆動の動作を説明する。今、三相ブリッジ回路の上側アームＦＥＴ１０８がオンの場合は、バッテリ６０の電源端子→上側アームＦＥＴ１０８→モータリレー用ＦＥＴ１０９→電動モータ１→他相アームへ、
　また、下側アームＦＥＴ１０７がオンの場合は、ＧＮＤ電極→シャント抵抗１１０→下側ＦＥＴ１０７→モータリレーＦＥＴ１０９→電動モータ１→他相アームへ、
のルートでモータ電流が流れ、１周期あたりに各ＦＥＴに流れる時間は、リレーＦＥＴ１０９は上下側アームＦＥＴ１０８、１０７の２倍である（リレーＦＥＴ１０９に対して上下側アーム１０８、１０７は１／２の時間）。各ＦＥＴのオン抵抗が同じ場合、電力損失比は、
　　アームＦＥＴ１０７、１０８：リレーＦＥＴ１０９＝１：２
となる。従って各ＦＥＴの放熱効率が同じ場合、温度上昇はリレーＦＥＴ１０９がアームの２倍となる。
　この問題を解決するためにリレー用ＦＥＴ１０９のオン抵抗をアーム用ＦＥＴ１０７、１０８より小さく設定し、熱バランスを考慮して略１／２にするのが望ましい。
　また、発熱量の大きいモータリレー用ＦＥＴ１０９の温度上昇を低減するため、モータリレー用ＦＥＴ１０９のチップサイズを上下側アーム１０７、１０８のそれより大きく設定し、放熱効率を考慮して略２倍にするのが望ましい。
　更に、発熱量の大きいモータリレー用ＦＥＴ１０９の温度上昇を低減するため、モータリレー用ＦＥＴ１０９の下側に位置するベース電極１０２cの面積を上下側アームのベー
ス電極１０２b、１０２dより大きく設定し放熱効率向上を図っている。なお、ベース電極は発熱体でもあるが、ヒートシンクの役割を一部兼ねていることは言うまでもない。面積を大きくすることで、ヒートシンクへの放熱性を高めると共に、当該ＦＥＴ近辺の熱容量を大きくでき、過渡的な温度上昇も抑制することができる。
　なお、熱容量を大きくする手段として、ベース電極の面積以外にも、厚みを厚くしたり、ＦＥＴ近傍のベース電極上に別部材の銅板等を半田付けする等の手法がある。
　また、シャント抵抗１１０はモータ電流を検出するため上下アームまたはモータラインに挿入されるが、本例では下側アームに挿入している。通常シャント抵抗は１ｍΩ程度の抵抗値を使うが、上下アーム用ＦＥＴと同様、通電による電力損失が発熱となり効率よく放熱する必要がある。図１はこのシャント抵抗１１０もパワーモジュール１００に内蔵し樹脂１０１で一体化している。前述のＦＥＴ同様、温度分布の均一化が図れ、かつ効率的に放熱することが可能となる。
　インバータ回路は、通常ＰＷＭ方式でモータを駆動するが、ＦＥＴのスイッチング損失を低減するため、できるだけ高速でスイッチングすることが要求される。このとき上下アーム１０８、１０７と電源間に高周波電流が流れラジオノイズ等ＥＭＩの原因となる。対策としては上下アーム１０８、１０７に並列に高周波特性のよいスナバコンデンサ１１１（例えばセラミックコンデンサ）を挿入し、高周波電流を上下アーム１０８、１０７とスナバコンデンサ１１１間で循環させて外部への影響を低減する策が取られる。この場合、上下アーム１０８、１０７とスナバコンデンサ１１１間の物理的距離は小さいことが望ましい。
　本例ではスナバコンデンサ１１１をパワーモジュール１００に内蔵したため効率的に高周波電流をモジュール内で循環させることができる。これは言い換えると多くの高周波電流がスナバコンデンサ１１１に流れることを意味しており、スナバコンデンサ１１１自体の発熱も大きく、放熱にも配慮しなければならない。前述のシャント抵抗１１０同様、ベース電極１０２d、１０２eに装着されたスナバコンデンサ１１１は、シャント抵抗１１０と同様の理由で温度分布の均一化が図れ、かつ効率的に放熱することができるので、ＥＭＩ性能向上と放熱性能向上の２つの利点を兼ね備えている。
実施の形態３.
　上記実施の形態１では、ブリッジアームの一相分を１個のパワーモジュールとした例を示したが、三相分を纏めて同一パッケージに樹脂封止してもよい。図６はこの場合のパワーモジュールを示している。図中、図４と同一符号は同一又は相当部分を表している。
　電動パワーステアリング装置では、三相ブラシレスモータを使う場合が多く、アーム三相分を１個のパワーモジュール２００として封止すれば、実施の形態１、２と同様に、内部温度分布の均一化が図れ、アーム三相分全体として、より放熱効率の改善が期待される。また、アーム三相分を１個のパワーモジュールとして封止すれば、制御装置２０の更なる小型化が図れることは言うまでもない。
実施の形態４.
　図７は制御装置２０をモータ軸２と同軸方向で電動モータ１の後方に配置した例を示す。
発熱体である電動モータ１と制御装置２０のヒートシンク３０はネジ（図示せず）で固定されており、全周が熱的に結合されている。ここで制御装置２０は電動モータ１の後方（反出力側）に配置されている。制御装置２０は実施の形態１～３で示したように、パワーモジュール１００とリレーモジュール２４がヒートシンク３０に対して均等配置されており、発熱による温度分布は均一化が図られている。
　また、制御装置２０のヒートシンク３０は電動モータ１のモータハウジング４９に熱的に結合されている。
　更に、電動モータ１のモータハウジング４９はギアケース１３とネジ止めされており全周が熱的に結合されている。電動モータ１及び制御装置２０から発生した熱はギアケース１３へも効率よく放熱するためギアケース１３を含めて温度の均一化が図れる。
　また、モータハウジング４９はモータ全周が空気に晒されており、空気との高い熱伝達特性が期待でき、モータの発熱だけでなく、制御装置２０の発熱はヒートシンク３０を介してモータハウジング４９から放熱される。
　このように、制御装置２０を電動モータ１と同軸に後方配置することにより、電動モータ１と制御装置２０の温度分布の均一化が図れ、電動パワーステアリング駆動装置として全体の温度分布の均一化を図ることができる。
　なお、上記の実施の形態は、主にパワーモジュール１００について述べてきたが、リレーモジュール２４についても同様の熱的設計、構成とすることができる。
　１　　伝導モータ、　１２　　減速装置、　２０　　制御装置、
　２４　　リレーモジュール、　３０　　ヒートシンク、
　１００　　パワーモジュール、　１０１　　モールド樹脂、
　１０７、１０８　　パワースイッチング素子、
　１０９　　モータリレー用スイッチング素子、
　１１０　　シャント抵抗、　１１１　　スナバコンデンサ、
　１１３　　高熱伝導材。

Claims (12)

  1. ブリッジ回路を構成する複数個のパワースイッチング素子と、上記パワースイッチング素子のそれぞれからモータに供給されるモータ電流をオン・オフ制御するモータリレー用スイッチング素子と、からなるパワー回路部品を導電部材上に実装し、前記パワー回路部品と前記導電部材とをモールド樹脂にて一体成形し、ヒートシンク上に当接配置したことを特徴とする電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  2. 前記モータリレー用スイッチング素子のオン抵抗は、前記ブリッジ回路を構成するパワースイッチング素子のオン抵抗より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  3. 前記モータリレー用スイッチング素子のチップサイズは、前記ブリッジ回路を構成するパワースイッチング素子のチップサイズより大きいことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  4. 前記モータリレー用スイッチング素子が実装された導電部材の熱容量は、前記ブリッジ回路を構成するパワースイッチング素子が実装された導電部材の熱容量より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  5. 前記パワーモジュールに少なくとも１個の電流検出用シャント抵抗を実装したことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  6. 前記パワーモジュールに少なくとも１個のノイズ除去用スナバコンデンサを実装したことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  7. 前記パワーモジュールとヒートシンクの間に高熱伝導材を介してヒートシンク上に当接配置したことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  8. 前記パワーモジュールの導電部材１０２の片面側は露出しており、当該露出面と前記ヒートシンクとの間に高熱伝導材を介してヒートシンク上に当接配置したことを特徴とする請求項７に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  9. 多相分を纏めて同一パッケージに樹脂封止したことを特徴とする請求項１に記載の電動式パワーステアリング用パワーモジュール。
  10. 電動モータとこの電動モータの駆動を制御する制御装置とを備え、請求項１～９のいずれかに記載のパワーモジュールを構成するパワー回路部品をヒートシンク上に放熱効率が均等になるように配置したことを特徴とする電動式パワーステアリング駆動制御装置。
  11. 電動モータと制御装置はモータ軸と同軸上に配置され、前記制御装置はモータ軸前方に配置したことを特徴とする請求項１０に記載の電動式パワーステアリング駆動制御装置。
  12. 電動モータと制御装置はモータ軸と同軸上に配置され、前記制御装置はモータ軸後方に配置したことを特徴とする請求項１０に記載の電動式パワーステアリング駆動制御装置。
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