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公開番号2021090328
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210610
出願番号2019220961
出願日20191206
発明の名称インバータ制御装置
出願人アイシン・エィ・ダブリュ株式会社
代理人特許業務法人R&C
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210514BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】スイッチング素子ユニットからの電磁ノイズの影響を受けにくい状態で電流検出用センサが設置されたインバータ制御装置を簡単な構成で実現する。
【解決手段】インバータ制御装置20は、スイッチング素子ユニット5に第1面1aが対向するように配置された制御基板1と、電流を検出するセンサ素子2と、バスバー50の周囲を囲うと共にセンサ素子2に対して規定の位置関係となる状態で制御基板1とスイッチング素子ユニット5との間に配置されるセンサコア3と、制御基板1とスイッチング素子ユニット5との間に配置されるシールドプレート4とを備え、センサ素子2は、制御基板1に実装されていると共に制御基板1の第1面1aから突出するように配置され、センサコア3は、シールドプレート4に固定され、シールドプレート4は、センサコア3に対してスイッチング素子ユニット5の側に配置されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
直流と交流との間で電力を変換するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
前記インバータをスイッチング制御する制御回路を備え、前記インバータを形成するスイッチング素子ユニットに一方の基板面である第1面が対向するように配置された制御基板と、
電流を検出するセンサ素子と、
前記スイッチング素子ユニットに接続されたバスバーの周囲を囲うと共に、前記センサ素子に対して規定の位置関係となる状態で前記制御基板と前記スイッチング素子ユニットとの間に配置されるセンサコアと、
前記制御基板と前記スイッチング素子ユニットとの間に配置されるシールドプレートと、を備え、
前記センサ素子は、前記制御基板に実装されていると共に前記制御基板の前記第1面から突出するように配置され、
前記センサコアは、前記シールドプレートに固定され、
前記シールドプレートは、前記センサコアに対して前記スイッチング素子ユニットの側に配置されている、インバータ制御装置。
続きを表示(約 630 文字)【請求項2】
前記シールドプレートは、前記制御基板の基板面に直交する方向に見た平面視で、前記スイッチング素子ユニット及び前記制御基板の何れか小さい方の全体を覆うように形成されている、請求項1に記載のインバータ制御装置。
【請求項3】
前記インバータは、直流の正極に接続される上段側スイッチング素子と直流の負極に接続される下段側スイッチング素子とが直列に接続されたアームを備え、
前記制御基板は、前記バスバーが貫通するバスバー貫通孔と、
前記上段側スイッチング素子の接続端子である上段側接続端子が接続される上段側接続部と、
前記下段側スイッチング素子の接続端子である下段側接続端子が接続される下段側接続部と、を備え、
前記バスバー貫通孔は、前記下段側接続部よりも前記上段側接続部に近い位置に配置されている、請求項1又は2に記載のインバータ制御装置。
【請求項4】
前記制御基板の基板面に沿った方向に見て、前記上段側接続部及び前記下段側接続部と、前記センサ素子とは、前記バスバーを挟んで互いに反対側に配置されている、請求項3に記載のインバータ制御装置。
【請求項5】
前記シールドプレートは、前記バスバーが貫通するプレート側バスバー貫通孔と、前記上段側接続端子及び前記下段側接続端子が貫通する接続端子貫通孔と、を備えている、請求項3又は4の何れか一項に記載のインバータ制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、直流と交流との間で電力を変換するインバータを制御するインバータ制御装置に関する。
続きを表示(約 8,900 文字)【背景技術】
【0002】
インバータは、例えば交流機器と直流電源との間で電力を変換し、直流電源からの電力に基づいて交流機器を駆動する。インバータを制御するインバータ制御回路は、例えば、交流機器に流れる交流電流を検出して、インバータをフィードバック制御する。この際、交流電流は、電流センサによって検出される。交流センサには、交流電流が流れる導電線に対して直列に設置されてセンサに流れる電流を直接検出する接触型と、導電線の近傍に設置されて導電線を流れる電流によって生じる磁界を検出してこの磁界の大きさに応じて電流を検出する非接触型とがある。非接触型の場合には、磁界を検出するセンサ素子と、磁束の通り道となる磁気コアとを備えて構成されることが多い。
【0003】
特開2018−121418号公報には、そのようなセンサ素子(ホール素子(41))と磁気コア(42)とを備えた電流センサ(40)を備えた電力変換装置(10)が開示されている(背景技術において括弧内の符号は参照する文献のもの。)。磁気コア(42)は、インバータを構成するスイッチング素子が一体化されたスイッチング素子ユニット(パワーモジュール)を収納するパワーモジュールケース(20)の中に配置されている。ホール素子(41)はギャップを有したC型環状の磁気コア(42)のギャップに配置されている。パワーモジュールケース(20)には、冷媒が流れる冷却器(50)が取り付けられている。冷却器(50)には磁気コア(42)に接触するようにパワーモジュールケース(20)の内部に向けて突出した突出部(54)が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2018−121418号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記のように、電流センサ(40)(磁気コア(42)及びホール素子(41))がパワーモジュールケース(20)に配置されている場合、ホール素子(41)が高圧のパワーモジュールによる電磁ノイズの影響を受け易く、電流の検出精度が低下する可能性がある。また、パワーモジュールケース(20)に磁気コア(42)を収納するスペースを設けたり、冷却器(50)に突出部(54)を設けたりするなど、磁気コア(42)の取り付け構造が複雑となり、コストが上昇し易い。
【0006】
上記背景に鑑みて、簡単な構成であって、インバータを構成するスイッチング素子ユニットからの電磁ノイズの影響を受けにくい状態で、電流を検出するセンサが設置されたインバータ制御装置を実現することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記に鑑みた、直流と交流との間で電力を変換するインバータを制御するインバータ制御装置は、前記インバータをスイッチング制御する制御回路を備えて前記インバータを形成するスイッチング素子ユニットに一方の基板面である第1面が対向するように配置された制御基板と、電流を検出するセンサ素子と、前記スイッチング素子ユニットに接続されたバスバーの周囲を囲うと共に、前記センサ素子に対して規定の位置関係となる状態で前記制御基板と前記スイッチング素子ユニットとの間に配置されるセンサコアと、前記制御基板と前記スイッチング素子ユニットとの間に配置されるシールドプレートと、を備え、前記センサ素子は、前記制御基板に実装されていると共に前記制御基板の前記第1面から突出するように配置され、前記センサコアは、前記シールドプレートに固定され、前記シールドプレートは、前記センサコアに対して前記スイッチング素子ユニットの側に配置されている。
【0008】
この構成によれば、センサコア及びセンサ素子と、スイッチング素子ユニットとの間に、シールドプレートが配置されているので、センサコア及びセンサ素子は、スイッチング素子ユニットからの電磁ノイズの影響を受けにくい。従って、センサ素子による電流検出の精度が電磁ノイズによって低下することを抑制することができる。また、多くの場合、電磁ノイズを遮蔽するシールドプレートは、金属によって構成されているため、比較的高い剛性を備えている。センサコアがシールドプレートに固定されることで、センサコアの耐振性を向上させることができる。また、シールドプレートへセンサコアを固定するので、センサコアをスイッチング素子ユニットやスイッチング素子ユニットを収納するケースに取り付ける場合に比べて、センサコアの取り付け構造を簡素化できる。このように、本構成によれば、簡単な構成であって、インバータを構成するスイッチング素子ユニットからの電磁ノイズの影響を受けにくい状態で、電流を検出するセンサが設置されたインバータ制御装置を実現することができる。
【0009】
インバータ制御装置のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
インバータ制御装置の分解斜視図
回転電機駆動装置の模式的なブロック図
制御基板の模式的平面図
インバータ制御装置の模式的側面図
シールドプレートの模式的平面図
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、例えば電気自動車やハイブリッド車などの車両の駆動力源となる交流の回転電機を駆動制御する回転電機駆動装置に用いられる形態を例として、インバータ制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、インバータ制御装置20の分解斜視図であり、図2は、インバータ制御装置20が用いられる回転電機駆動装置100の模式的なブロック図である。
【0012】
図2に示すように、回転電機80は、複数相(一例として、U相,V相,W相からなる3相)の交流で駆動される交流回転電機である。インバータ30は、定格電圧が48〜400ボルト程度の直流電源81及び回転電機80に接続されて、直流と複数相(ここでは3相)の交流との間で電力を変換する。直流電源81とインバータ30との間には、インバータ30の直流側の電圧(直流リンク電圧)を平滑する直流リンクコンデンサ82(平滑コンデンサ)が備えられている。
【0013】
インバータ30は、複数のスイッチング素子33を備えて構成されている。スイッチング素子33は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、SiC−MOSFET(Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET)、SiC−SIT(SiC - Static Induction Transistor)、GaN−MOSFET(Gallium Nitride - MOSFET)等である。図2に示すように、本実施形態では、スイッチング素子33としてIGBTを例示している。また、各スイッチング素子33には、フリーホイールダイオード35が並列に接続されている。
【0014】
本実施形態では、スイッチング素子33及びフリーホイールダイオード35が1つの半導体チップに集積され、後述する他の回路(センス端子36、温度検出ダイオード37)と共に1つの半導体モジュール39として構成されている。複数の半導体モジュール39により構成されるインバータ30は、スイッチング素子ユニット5として構成されている。図2に示すように、本実施形態では、フリーホイールダイオード35の他、電流検出用のセンス端子36、温度検出ダイオード37も一体化されて半導体モジュール39が形成されている。温度検出ダイオード37は、スイッチング素子33の温度を検出する温度検出センサとして機能する。センス端子36は、入出力端子間(ドレイン−ソース間)を流れる素子電流(ドレイン−ソース間電流)に比例する微小な電流(センス電流)を流して素子電流を検出する。
【0015】
1つの半導体モジュール39には、少なくとも4つの端子が備えられている。4つの端子は、スイッチング素子33のゲート端子(制御端子)に接続される第1端子、エミッタ端子(ソース端子)に接続される第2端子、センス端子に接続される第3端子、温度検出ダイオード37のアノード端子に接続される第4端子である。半導体モジュール39の第1端子、第2端子、第3端子、第4端子には、それぞれスイッチング素子ユニット5の第1接続端子、第2接続端子、第3接続端子、第4接続端子が接続されている。これらを総称して接続端子6と称する。図1に示すように、本実施形態では、接続端子6は、スイッチング素子ユニット5において第1水平方向Xに沿って直線上に並んで配置されている。
【0016】
図2に示すように、インバータ30は、直流の正極Pに接続される上段側スイッチング素子31と直流の負極Nに接続される下段側スイッチング素子32とが直列に接続されたアーム34を備えている。上述したように、本実施形態ではインバータ30は、直流と3相の交流との間で電力を変換するので、3相に対応して3本のアーム34を備えている。本実施形態では、各アーム34について、上段側スイッチング素子31の接続端子6である上段側接続端子61と、下段側スイッチング素子32の接続端子6である下段側接続端子62とが、スイッチング素子ユニット5において第1水平方向Xに沿って直線上に8本並んで配置されている。
【0017】
3相の各相(U相,V相,W相)において、上段側スイッチング素子31と下段側スイッチング素子32とが直列に接続されて1つのアーム34が構成されるとともに、各アームの中間点が、回転電機80の各相のステータコイルに接続されている。スイッチング素子ユニット5における各アーム34の中間点には、図1及び図2に示すように、交流電流が流れるバスバー50(U相バスバー51,V相バスバー52,W相バスバー53)が接続されている。
【0018】
図2に示すように、インバータ30は、制御回路10(CTRL)により制御される。制御回路10は、より上位の不図示の制御装置(例えば車両制御装置)から提供される回転電機80の目標トルクに基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行う。回転電機80の各相のステータコイルを流れる実電流は、交流の電流センサ83により検出され、回転電機80のロータの各時点での磁極位置は、レゾルバなどの回転センサ84により検出される。制御回路10は、電流センサ83及び回転センサ84の検出結果を用いて電流フィードバック制御を実行し、各スイッチング素子33を個別にスイッチング制御する制御信号を生成する。制御信号は、定格電圧が3.3〜5ボルト程度のマイクロコンピュータなどのプロセッサを中核とした論理演算回路によって生成される。
【0019】
一方、定格電圧が48〜400ボルトの直流電源81に接続されるインバータ30を構成するスイッチング素子33をスイッチングするためには、波高値が15〜20ボルト程度の制御信号を与える必要がある。このため、論理演算回路によって生成された制御信号は、電圧や電流を増幅して駆動能力を高めるドライブ回路(本実施形態では制御回路10に含む)を経由し、スイッチング制御信号SWとして各スイッチング素子33に提供される。図2に示すように、スイッチング制御信号SWは、スイッチング素子33のゲート端子に接続される第1端子と、エミッタ端子に接続される第2端子との間に印可される。このため、本実施形態の制御回路10は、論理演算回路を含む低電圧回路と、ドライブ回路を含む高電圧回路とを有し、制御基板1は、低電圧回路が形成される低電圧領域と、高電圧回路が形成される高電圧領域とを有する。
【0020】
図1の分解斜視図に示すように、インバータ制御装置20は、制御基板1と、センサ素子2と、センサコア3と、シールドプレート4と、スイッチング素子ユニット5とを備えている。制御基板1は、インバータ30をスイッチング制御する制御回路10が形成された基板であり、一方の基板面である第1面1aが、インバータ30を形成するスイッチング素子ユニット5に対向するように配置されている。本実施形態では、制御基板1が長方形の板状に形成されている。そして、制御基板1の基板面に沿った方向(基板水平方向H)のうち、基板面の長辺に沿う方向を第1水平方向Xとし、当該第1水平方向Xに直交する方向を第2水平方向Yとしている。センサ素子2は、バスバー50を流れる交流の電流を検出する素子であり、例えばホール素子である。センサ素子2は、バスバー50の近傍に設置されてバスバー50を流れる交流電流によって生じる磁界(磁束)を検出してこの磁界(磁束)の大きさに応じてバスバー50を流れる電流を検出する。センサコア3は、磁束の通り道となる磁性体コアである。
【0021】
シールドプレート4は、金属などの導電体により形成されており、例えばアルミニウム又は銅等によって形成されている。シールドプレート4は、制御基板1とスイッチング素子ユニット5との間に配置されて、スイッチング素子ユニット5のスイッチング動作に伴う電磁ノイズが制御基板1に放射されることを抑制する。即ち、制御回路10がスイッチング素子ユニット5からの電磁ノイズの影響を受けにくくなり、制御回路10の信頼性やスイッチング制御信号SW等の信頼性が電磁ノイズによって低下することを抑制することができる。
【0022】
尚、このような電磁ノイズの遮蔽効果に鑑みれば、シールドプレート4は、制御基板1の基板面に直交する基板直交方向Zに見た平面視で、スイッチング素子ユニット5及び制御基板1の何れか小さい方の全体を覆うように形成されていることが好ましい。しかし、コストやインバータ制御装置20の大きさの制約等により、シールドプレート4が、制御回路10の一部やセンサ素子2及びセンサコア3を含む電流センサ83に遮蔽効果が及ぶような大きさに留まることを妨げるものではない。また、シールドプレート4が、スイッチング素子ユニット5及び制御基板1の何れか大きい方の全体を覆うように形成されていても良く、或いは、シールドプレート4が、スイッチング素子ユニット5及び制御基板1の双方よりも大きく形成されていても良い。
【0023】
以下、さらに、制御基板1の模式的平面図を示す図3、インバータ制御装置20の模式的側面図を示す図4、シールドプレート4の模式的平面図を示す図5も参照して説明する。図1及び図5に示すように、センサコア3は、スイッチング素子ユニット5に接続されたバスバー50の周囲を囲うと共に、センサ素子2に対して規定の位置関係となる状態で制御基板1とスイッチング素子ユニット5との間に配置されている。図1及び図5に示すように、センサコア3は、基板直交方向Zに見た平面視での形状がC字状の環状(筒状)に形成されており、周方向の一部に切り欠き(間隙)が形成されている。バスバー50が筒状のセンサコア3の内側を通るように、センサコア3はバスバー50の周囲を囲って配置されている。センサ素子2は、センサコア3の周方向の一部に形成された切り欠き(間隙)に、センサコア3に接触しないように配置されている。この位置関係が規定の位置関係である。尚、図1等には、センサコア3の形状が、周方向の一部に形成された間隙以外の部分の平面視での形状が矩形環状である構成を例示しているが、センサコア3の形状が、周方向の一部に切り欠き(間隙)を有する円筒状であってもよい。
【0024】
センサ素子2は、図1及び図4に示すように、センサ本体部2Bからセンサ端子2Pが突出したディスクリート部品である。センサ素子2は、制御基板1に実装されていると共に制御基板1の第1面1aから突出するように配置されている。本実施形態では、センサ端子2Pを90度折り曲げることによって制御基板1の第1面1aにおいて半田付けされる形態(表面実装される形態)を例示している。このように、表面実装されることによって、制御基板1の第1面1aからセンサ本体部2Bまでの長さを規定し易い。当然ながら、センサ端子2Pを折り曲げることなく、制御基板1に端子挿入孔を設けて、制御基板1の第2面1bにおいて半田付けされる形態を妨げるものではない。
【0025】
センサコア3は、シールドプレート4に固定されている。上述したように、シールドプレート4は、アルミニウムなどの金属によって構成されているため、比較的高い剛性を備えている。センサコア3がシールドプレート4に固定されることで、センサコア3の耐振性を向上させることができる。尚、制御基板1及びシールドプレート4は、例えば、不図示のケースに固定される。
【0026】
図1及び図4に示すように、シールドプレート4は、センサコア3に対してスイッチング素子ユニット5の側に配置されている。これにより、センサコア3及びセンサ素子2により構成される電流センサの全体が、シールドプレート4を挟んで電磁ノイズの発生源であるスイッチング素子ユニット5とは反対側に配置されることになる。即ち、電流センサがスイッチング素子ユニット5からの電磁ノイズの影響を受けにくくなり、電流検出の精度が電磁ノイズによって低下することを抑制することができる。
【0027】
図1及び図3に示すように、本実施形態に係る制御基板1には、バスバー50が貫通するバスバー貫通孔15と、スイッチング素子33の接続端子6が貫通して、制御基板1に接続される(半田付けされる)端子接続孔16とが形成されている。端子接続孔16は、上段側スイッチング素子31の接続端子6である上段側接続端子61が接続される上段側接続部71と、下段側スイッチング素子32の接続端子6である下段側接続端子62が接続される下段側接続部72とのそれぞれ形成されている。図1及び図3に示すように、本実施形態では、バスバー貫通孔15は、下段側接続部72よりも上段側接続部71に近い位置に配置されている。
【0028】
上述したように、交流電流が流れるバスバー50は、アーム34の中間点、即ちアーム34において上段側スイッチング素子31と下段側スイッチング素子32との接続点に接続されている。図2を参照して上述したように、上段側スイッチング素子31のスイッチング制御信号SWは、上段側スイッチング素子31の制御端子(ゲート端子)と負極Nの側(下段側スイッチング素子32の側)の端子(エミッタ端子)との間に印可される。下段側スイッチング素子32のスイッチング制御信号SWは、下段側スイッチング素子32の制御端子(ゲート端子)と負極N(エミッタ端子)との間に印可される。従って、アーム34の中間点と、制御端子との間の電位差は、下段側スイッチング素子32に比べて上段側スイッチング素子31の方が小さくなる。このため、交流電流が流れるバスバー50と、制御端子との間の制御基板1における絶縁距離は、上段側スイッチング素子31の方が下段側スイッチング素子32に比べて短くすることができる。本実施形態のように、バスバー貫通孔15が、下段側接続部72よりも上段側接続部71に近い位置に配置されていると、絶縁距離を考慮しても制御基板1が大きくなることを抑制してインバータ制御装置20を小型化することができる。
【0029】
尚、本実施形態では省略しているが、バスバー貫通孔15の開口の内壁を覆うように、ゴムなどの非導電体により形成された絶縁部材(ブッシュ等)が配置されていてもよい。このようなブッシュによってインバータ制御装置20に振動や衝撃が加わった場合の絶縁性を確保することができる。後述するように、シールドプレート4に、バスバー50が貫通するプレート側バスバー貫通孔45が形成される場合には、プレート側バスバー貫通孔45にもそのような絶縁部材が配置されていてもよい。
【0030】
図1及び図4に示すように、シールドプレート4は、制御基板1とスイッチング素子ユニット5との間に配置されている。また、バスバー50は、スイッチング素子ユニット5からセンサ素子2が実装された制御基板1の方向に延伸するように配置されている。また、接続端子6(上段側接続端子61及び下段側接続端子62)は、制御基板1と接続されている。従って、本実施形態では、図1及び図4に示すように、シールドプレート4は、バスバー50が貫通するプレート側バスバー貫通孔45と、上段側接続端子61及び下段側接続端子62が貫通する接続端子貫通孔46とを備えている。尚、本実施形態では、接続端子6が貫通する接続端子貫通孔46が、各アーム34の全ての接続端子6が貫通可能な長孔として形成されている形態を例示しているが、図3に示した端子接続孔16と同様に、各接続端子6が1本ずつ貫通する孔であってもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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