JP6139366B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

モータを駆動する電力変換装置に関する。

エアコンのコンプレッサや車両に搭載されたオイルポンプ等のモータを駆動するための電力変換装置は、パワー半導体素子を有してモータに三相電力を供給するパワーモジュール、パワーモジュールに駆動制御信号を出力する駆動制御回路、駆動制御回路に電源を供給する電源回路を備えている。それらの部品は同一プリント基板上に実装され、配線パターンで接続されている（例えば、特許文献１参照）。 特許文献１に記載の発明では、パワー半導体素子のスイッチング動作に伴って発生する熱を、放熱部材により放熱する構成が記載されている。

特開２００７−２１４４１４号公報

ところで、上述した電力変換装置においては、プリント基板の電力配線パターンにも、大きな電流が流れることにより熱が発生する。電力配線パターンで発生した熱は、プリント基板を介して基板上に実装された電源回路にも伝熱される。すなわち、電力配線パターンの発熱により電源回路に設けられている電子部品の温度上昇が問題となる。

本発明による電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子と、パワー半導体素子の熱を放熱する放熱部材と、パワー半導体素子が実装され、該パワー半導体素子からの主電流が流れる電力配線パターンが形成された第１の基板と、第１の基板に対して分離して設けられ、パワー半導体素子を駆動制御する駆動制御回路と該駆動制御回路に電力を供給する電源回路とが実装される第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に架け渡されるようにそれぞれに接続され、駆動制御回路からパワー半導体素子へ制御信号を伝達する配線部材と、を備え、パワー半導体素子と駆動制御回路とは、配線部材を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されており、電力配線パターンは、第１の基板において、第１の基板と配線部材とが接続された第１の接続領域に対してパワーモジュールよりも離れた位置に配置されており、電源回路は、第２の基板において、第２の基板と配線部材とが接続された第２の接続領域に対して駆動制御回路よりも離れた位置に配置されている。

本発明によれば、電源回路に対する電力配線パターンの発熱の影響を低減することができる。

図１は、本発明による電力変換装置の一実施の形態を示す斜視図である。 図２は、電力変換装置１の回路ブロック図である。 図３は、制御基板２０およびパワー基板２４を放熱部材２６に固定した状態を示す図である。放熱部材２６に固定された状態の電力変換装置１を示す図である。 図４は、制御基板２０における電源回路３０の配置、およびパワー基板２４における電力配線パターンの配置の一例を示す図である。 図５は、制御基板２０における電源回路３０の配置、およびパワー基板２４における電力配線パターンの配置の他の例を示す図である。 図６は、制御基板２０とパワー基板２４とを配線部材２５で接続する構成の他の例を示す図である。 図７は、制御基板２０およびパワー基板２４を平面状に配置した場合の磁界の影響を説明する図である。 図８は、制御基板２０を傾けて配置した場合の磁界の影響を説明する図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明による電力変換装置１の一実施の形態を示す斜視図である。図２は電力変換装置１の回路ブロック図である。なお、本発明の電力変換装置は、上述したようなオイルポンプやエアコンのコンプレッサ等のモータの電力変換装置に限らず、種々の用途のモータを駆動する電力変換装置に適用することができる。

電力変換装置１は、パワーモジュール３２９および電流センサ１８０が実装されたパワー基板２４と、駆動制御回路１７２および電源回路３０が実装された制御基板２０とを備えている。パワー基板２４と制御基板２０とは配線部材２５によって電気的に接続されている。

まず、図２を用いて電力変換装置１の回路構成について説明する。パワーモジュール３２９は、３相ブリッジ回路を構成する６つのパワー半導体素子３２８を備えている。半導体スイッチング素子である各パワー半導体素子３２８には、環流用のダイオード３２７がそれぞれ並列接続されている。上アーム側のパワー半導体素子３２８のコレクタ電極は直流電源のプラス側Ｐに接続され、下アーム側のパワー半導体素子３２８のエミッタ電極は直流電源のマイナス側Ｎに接続される。

Ｕ相上下アームの中点部（エミッタ−コレクタ接続点）には、Ｕ相用の電力配線パターン２９Ｕが接続される。Ｖ相上下アームの中点部（エミッタ−コレクタ接続点）には、Ｖ相用の電力配線パターン２９Ｖが接続される。Ｗ相上下アームの中点部（エミッタ−コレクタ接続点）には、Ｗ相用の電力配線パターン２９Ｗが接続される。電力配線パターン２９Ｕ，２９Ｖには、電流センサ１８０がそれぞれ設けられている。

各パワー半導体素子３２８のゲート電極には、駆動制御回路１７２からゲート駆動信号が入力される。駆動制御回路１７２は、不図示の制御装置から入力されるＰＷＭ制御信号に基づいて、各パワー半導体素子３２８をオンオフ制御する。ＰＷＭ制御信号は、制御基板２０に実装されたコネクタ２１を介して入力される。駆動制御回路１７２は、電源回路３０から供給される直流電力によって動作する。

図１に示すように、パワー半導体素子３２８が設けられたパワーモジュール３２９、および電流センサ１８０は、パワー基板２４の裏面側に実装されている。なお、図１では、部品配置が分かりやすいようにパワー基板２４は二点鎖線で示した。パワーモジュール３２９からは複数の端子（交流出力端子、直流入力端子、制御端子等）１９０が突出しており、それらの端子１９０は、パワー基板２４に接続される。パワー基板２４には上述したＵ相、Ｖ相およびＷ相用の電力配線パターンが形成されており、交流出力端子のＵ相端子はＵ相用の電力配線パターン２９Ｕに接続され、Ｖ相端子はＶ相用の電力配線パターン２９Ｖに接続され、Ｗ相端子はＷ相用の電力配線パターン２９Ｗに接続される。パワーモジュール３２９の底面側（端子１９０が設けられている面とは反対側の面）には、放熱部材２６が密着して設けられている。なお、図１では、放熱部材２６を模式的に示している。

制御基板２０には、電源回路３０、駆動制御回路１７２およびコネクタ２１が実装されている。図１では、駆動制御回路１７２および電源回路３０の詳細な部品構成は省略しており、破線で囲まれた矩形領域（符号１７２，３０で示す）の基板両面に、駆動制御回路１７２および電源回路３０を構成する電子部品が実装される。コネクタ２１は、符号Ａで示す領域の裏面側に固定されている。パワー基板２４と制御基板２０とを接続する配線部材２５は、駆動制御回路１７２で生成されたゲート駆動信号をパワーモジュール３２９に伝達する。配線部材２５は、どのような構成の配線部材を用いるかは限定されず、例えば、フレキシブルプリント基板やリジッドなプリント基板等のプリント基板を用いても良いし、フラットケーブルなどの配線部材を用いても良い。

図３は、図１に示す電力変換装置１を放熱部材２６に固定した状態を示す図であり、電力変換装置１を側方から見た図である。なお、パワーモジュール３２９については、一部を破断面とした。図３に示す例では、制御基板２０およびパワー基板２４は、それらの基板面がほぼ同一平面上となるように配線部材２５によって接続されている。例えば、配線部材２５をプリント基板で構成し、そのプリント基板のスルーホールと制御基板２０のスルーホールとを接続ピンにて接続する。パワー基板２４に関しても同様の方法で配線部材２５に接続する。

制御基板２０およびパワー基板２４を、放熱部材２６に立設された支柱２６ａにビス固定すると、パワー基板２４の裏面側に実装されたパワーモジュール３２９の底面が放熱部材の上面に接触する。パワーモジュール３２９内に設けられたパワー半導体素子３２８は、パワーモジュール３２９の底面部に配置された金属ベース板１１上に絶縁層を介して固着されている。そのため、金属ベース板１１の裏面は放熱部材２６の上面に密着し、パワー半導体素子３２８で発生した熱は、金属ベース板１１を介して効率良く放熱部材２６へ放熱される。ヒートシンクとして機能する放熱部材２６は、水冷や空冷によって放熱する。放熱部材２６の構成は図３の構成に限られるものではなく、例えば、放熱フィンが形成された空冷タイプのヒートシンクをパワーモジュール３２９の底面（放熱面）に固定する構造であっても良い。

図１では、制御基板２０に実装された回路部品の図示を省略したが、図３に示す例では、電源回路３０の一部品であるトランス１８２、および駆動制御回路１７２の一部品であるパワー半導体駆動用ＩＣ１８１が図示されている。トランス１８２および上述したコネクタ２１は制御基板２０の裏面側に実装され、パワー半導体駆動用ＩＣ１８１は制御基板２０の表面側に実装されている。パワー半導体駆動用ＩＣ１８１はパワー半導体素子３２８を駆動するＩＣであり、上述したゲート駆動信号を生成する。

図４，５は、制御基板２０における電源回路３０、およびパワー基板２４における電力配線パターンの配置を説明する図である。本実施の形態では、回路部品が実装される基板を、第１の基板（パワー基板２４）と第１の基板から分離した第２の基板（制御基板２０）とで構成し、それらの基板２０，２４を配線部材２５で電気的に接続している。パワー基板２４には発熱量の大きなパワー半導体素子３２８を有するパワーモジュール３２９と、主電流が流れた際に熱を発生する電力配線パターン２９（２９Ｕ〜２９Ｗ）とが設けられている。一方、制御基板２０には、電源回路３０および駆動制御回路１７２が実装されている。配線部材２５は、制御基板２０に実装された駆動制御回路１７２から、パワー基板２４に設けられたパワー半導体素子３２８に制御信号（ゲート駆動信号）を伝達する。

図４および図５のいずれに示す配置例においても、配線部材２５は、制御基板２０の周辺部に設けられた接続領域２０ａとパワー基板２４の周辺部に設けられた接続領域２４ａとに接続されるとともに、パワーモジュール３２９は接続領域２４ａに隣接して配置され、駆動制御回路１７２は接続領域２０ａに隣接して配置される。すなわち、配線部材２５は、制御基板２０とパワー基板２４との間に架け渡されるようにそれぞれに接続され、駆動制御回路１７２からパワー半導体素子３２８へ制御信号を伝達する。パワー半導体素子３２８と駆動制御回路１７２とは、配線部材２５を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されている。

ところで、パワーモジュール３２９で発生した熱は放熱部材２６を経由して放熱することができるが、電力配線パターン２９で発生した熱の放熱経路は基板のみである。そのため、従来のように、電源回路３０，駆動制御回路１７２，パワーモジュール３２９および電力配線パターン２９を一枚の基板上に配置した場合、電力配線パターン２９で発生した熱は基板を介して電源回路３０や駆動制御回路１７２に伝達され、それらの温度上昇を招くことになる。回路部品にとって温度上昇は好ましくなく、特に電源回路３０を構成するスイッチングＦＥＴは許容温度（温度定格）が他の部品に比べて低いため、従来の基板構成の場合には温度定格を満たせなくなるおそれがある。

一方、本実施の形態では、基板を制御基板２０とパワー基板２４とに分離し、図４や図５に示すように、パワー半導体素子３２８と駆動制御回路１７２とを配線部材２５を挟んで対向する位置にそれぞれ配置したので、電力配線パターン２９から電源回路３０までの伝熱経路を従来よりも長くすることができ、電力配線パターン２９から電源回路３０への熱伝達を低減することができる。

また、パワーモジュール３２９に設けられたパワー半導体素子３２８とそれにゲート駆動信号を送信する駆動制御回路１７２との配線距離は、電源及び信号波形品位の点から短いほど良い。図４，５に示す例では、駆動制御回路１７２とパワーモジュール３２９とを配線部材２５を挟んで対向する位置に配置しているので、駆動制御回路１７２とパワーモジュール３２９とを最短距離で接続することができる。

さらに、図４に示す構成では、配線部材２５を介して接続された基板２０，２４は、制御基板２０の一辺２０ｂとパワー基板２４の一辺２４ｂとが対向するように配置され、パワーモジュール３２９と電力配線パターン２９は一辺２４ｂの延在方向（図示左右方向）に並設され、電源回路３０および駆動制御回路１７２は、電源回路３０が電力配線パターン２９と対向するように、制御基板２０の一辺２０ｂの延在方向（図示左右方向）に並設されている。

このような配置とすることで、上述のように電力配線パターン２９から電源回路３０への熱伝達を低減できると共に、駆動制御回路１７２とパワーモジュール３２９とが最短距離で接続され、かつ、制御基板２０とパワー基板２４とから成る基板全体の配置スペースを小さく抑えることができる。例えば、図５に示すように電源回路３０と電力配線パターン２９とを配置した場合、図示左右方向の配置スペースが図４の場合に比べて大きくなる。

図６は、制御基板２０とパワー基板２４とを配線部材２５で接続する構成の他の例を示す図である。図６では、配線部材２５をＬ字形状に折れ曲がった形状とすることで、パワー基板２４の基板面に対してほぼ垂直な方向に、制御基板２０の基板面が延在するようにした。二点差線で示す制御基板２０は、図４に示すように基板２０，２４がほぼ同一面上に配置した場合を示しており、図示左右方向の配置スペースはｄ２となる。一方、図６のようにＬ字形状に配置した場合には、図示左右方向の配置スペースはｄ１のように小さくなる。このように、前記制御基板２０基板面がパワー基板２４の基板面に対して傾くように、基板２０，２４を配線部材２５で接続することで、基板２０，２４の配置スペースを小さくすることができる。なお、図６に示す例では、制御基板２０とパワー基板２４とのなす角度をほぼ９０度としたが、９０度に限らず、例えば、９０度よりも大きくても良い。

また、図６に示すように、制御基板２０をパワー基板２４の方向に折り曲げるように傾斜配置させた場合には、制御基板２０に実装される複数の回路部品の内の背の高い部品（高背部品）、例えば、コネクタ２１や電源回路３０に含まれるトランス１８２等を、パワー基板２４側とは反対側の面、すなわち制御基板２０の裏面側（図示左側の面）に実装するのが好ましい。図６に示すようにパワーモジュール３２９をパワー基板２４に実装する際には、パワー基板２４の表面（図示上側の面）側から半田接続することになる。その場合、前記高背部品が制御基板２０の表面側に実装されていると、半田装置（半田ごてやロボット半田）で半田作業をする際に、それらの高背部品が干渉して作業が困難となる。そのため、上述のように、高背部品を制御基板の裏面側（パワー基板２４側とは反対側の面）に実装するのが好ましく、半田作業を効率良く行うことができる。

図７，８は、電源回路３０により発生する磁界の電流センサ１８０への影響を説明する図である。図７は、図１，４に示すように制御基板２０およびパワー基板２４を平面状に配置した場合を示す。電流センサ１８０は、電力配線パターン２９を流れる電流により形成される磁界の内、パワー基板２４に垂直な方向（法線方向）の成分を検出して電流値を測定する方式の電流センサである。すなわち、矢印３１は、電流センサ１８０の磁界検知方向を示している。

符号３４で示す破線は、電源回路３０による磁界の内、電流センサ１８０に影響を与える磁界を模式的に示したものである。電源回路３０はスイッチング電源であって、スイッチングに伴って大きな電流が流れたり停止したりしており、それに伴って磁界が発生する。それらの磁界の内、図７に示す磁界３４は電流センサ１８０の磁界検知方向と一致している。このような磁界は、紙面に素直な方向に流れる電流成分によって形成される。磁界３４の方向は電流センサ１８０の近傍ではパワー基板２４に対して垂直となっているので、電流センサ１８０の電流値検出値に影響を与えることになる。

一方、図８に示すように、パワー基板２４に対して制御基板２０を傾けて配置すると、電流センサ１８０の近傍における磁界３４の方向は、パワー基板２４の垂直方向に対して傾くようになる。その結果、電流センサ１８０の電流値検出への影響を低減させることができる。なお、図８では、パワー基板２４に対する制御基板２０の傾きがほぼ９０度の場合を示しているが、９０度以外の傾きでも、低減効果は得られる。

なお、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。また、上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。

１：電力変換装置、２０：制御基板、２１：コネクタ、２４：パワー基板、２９，２９Ｕ，２９Ｖ，２９Ｗ：電力配線パターン、３０：電源回路、１７２：駆動制御回路、１８０：電流センサ、３２８：パワー半導体素子、３２９：パワーモジュール

Claims (6)

1. 直流電力を交流電力に変換するパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子の熱を放熱する放熱部材と、
   前記パワー半導体素子が実装され、該パワー半導体素子からの主電流が流れる電力配線パターンが形成された第１の基板と、
   前記第１の基板に対して分離して設けられ、前記パワー半導体素子を駆動制御する駆動制御回路と該駆動制御回路に電力を供給する電源回路とが実装される第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に架け渡されるようにそれぞれに接続され、前記駆動制御回路から前記パワー半導体素子へ制御信号を伝達する配線部材と、を備え、
   前記パワー半導体素子と前記駆動制御回路とは、前記配線部材を挟んで対向する位置にそれぞれ配置されており、
   前記電力配線パターンは、前記第１の基板において、前記第１の基板と前記配線部材とが接続された第１の接続領域に対して前記パワー半導体素子よりも離れた位置に配置されており、
   前記電源回路は、前記第２の基板において、前記第２の基板と前記配線部材とが接続された第２の接続領域に対して前記駆動制御回路よりも離れた位置に配置されている、電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記配線部材を介して接続された前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の一辺と前記第２の基板の一辺とが対向するように配置され、
   前記第１の基板に設けられた前記パワー半導体素子と前記電力配線パターンは、前記第１の基板の一辺の延在方向に並設され、
   前記第２の基板に設けられた前記電源回路および前記駆動制御回路は、前記電源回路が前記電力配線パターンと対向するように、前記第２の基板の一辺の延在方向に並設されている、電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記配線部材を介して接続された前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の一辺と前記第２の基板の一辺とが対向するように配置され、
   前記第１の基板に設けられた前記パワー半導体素子と前記電力配線パターンは、前記第１の基板の一辺の延在方向に並設され、
   前記第２の基板に設けられた前記電源回路および前記駆動制御回路は、前記第２の基板の一辺の延在方向に並設され、
   前記電力配線パターンと前記電源回路とは、前記配線部材に対して前記延在方向で互いに反対側に配置されている、電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記第２の基板の基板面が前記第１の基板の基板面に対して傾くように、前記第１及び第２の基板は前記配線部材で接続されている、電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記第１の基板に実装されて、前記電力配線パターンを流れる電流により形成される磁界の前記第１の基板の基板面に垂直な成分を検知して電流を測定する電流センサを備える、電力変換装置。
6. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記第２の基板に実装される複数の回路部品に含まれる高背部品は、傾けて配置された前記第２の基板の、前記第１の基板側とは反対側の基板面に実装されている、電力変換装置。

Images