(57)【要約】【課題】短絡保護回路の誤検知低減を図ることである。【解決手段】バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路と、前記スイッチング素子の電流をセンスするための電流センス用スイッチング素子と、前記電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、前記センス電圧を入力して所定期間だけセンス電圧を出力する検知許可回路と、前記所定期間を調整するため前記スイッチング素子の駆動信号電圧を使って検知許可回路の閾値を調整する閾値調整回路と、前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する電力変換装置。【選択図】  図１１
2010245910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換し、かつ少なくとも一つ電流センス用スイッチング素子で構成される複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路と、
前記電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、
前記センス電圧と前記スイッチング素子の駆動信号電圧を入力して所定期間だけセンス電圧を出力する検知許可回路と、
前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記所定期間を調整するため前記スイッチング素子の駆動信号電圧を使って検知許可回路の閾値を調整する閾値調整回路と、
前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記駆動回路は短絡保護機能を有し、前記短絡保護回路と併用して短絡保護動作する電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記検知許可回路は前記センス抵抗の両端を短絡するスイッチ素子と、
前記閾値調整回路の出力電圧を入力し論理反転する電圧反転回路を有する電力変換装置。
【請求項５】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記閾値調整回路は前記スイッチング素子のゲート電圧を分圧し、その分圧値を前記検知許可回路に出力する第１の抵抗と第２の抵抗を有する電力変換装置。
【請求項６】
車載電源から供給された電力を電動力に変換する車載用電機システムであって、
前記電動力を発生する電動機と、
前記車載電源と前記電動機との間に電気的に接続されて、前記車載電源と前記電動機と
の間における電力の授受を制御する電力変換装置とを有し、
前記電力変換装置は、
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換し、かつ少なくとも一つ電流センス用スイッチング素子で構成される複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
このパワーモジュールの前記車載電源側に電気的に並列に接続されたコンデンサモジュ
ールと、
前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路と、
前記電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、
前記センス電圧を入力して所定期間だけセンス電圧を出力する検知許可回路と、
前記所定期間を調整するため前記スイッチング素子の駆動信号電圧を使って検知許可回路の閾値を調整する閾値調整回路と、
前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する車載用電機システム。
【請求項７】
請求項６に記載の車載用電機システムであって、
前記駆動回路は短絡保護機能を有し、前記短絡保護回路と併用して短絡保護動作する車載用電機システム。
【請求項８】
請求項６または７に記載のいずれかの車載用電機システムであって、
前記検知許可回路は前記センス抵抗の両端を短絡するスイッチ素子と、
前記閾値調整回路の出力電圧を入力し論理反転する電圧反転回路を有する車載用電機システム。
【請求項９】
請求項６ないし８に記載のいずれかの車載用電機システムであって、
前記閾値調整回路は前記スイッチング素子のゲート電圧を分圧し、その分圧値を前記検知許可回路に出力する第１の抵抗と第２の抵抗を有する車載用電機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直流電力を交流電力に変換し、あるいは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。前記変換機能を果すため、電力変換装置は複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、前記スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。
【０００３】
前記スイッチング素子を駆動する回路では、電源短絡などの異常時に保護回路がないと前記スイッチング素子に過大な電流が流れ、素子の発熱やスイッチングサージ電圧で破壊してしまう。この短絡時過電流を抑える技術が、特許文献１（特開平８−３１６８０８号公報）に記載されている。前記特許文献１によれば、スイッチング素子が所定の閾値を超えるとゲート電圧値を所定電圧に保持して過電流を制限することが記載されている。
【０００４】
特に、電流センス付きのスイッチング素子で構成される電力変換装置では、スイッチング時に電流センス回路にサージ電圧が入り、短絡保護回路の誤検知が起こりやすい。このため誤検知をできるだけ低減することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３１６８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は短絡保護回路の誤検知を低減する電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電力変換装置は、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換し、かつ少なくとも一つ電流センス用スイッチング素子で構成される複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路と、前記電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、前記センス電圧と前記スイッチング素子の駆動信号電圧を入力して所定期間だけセンス電圧を出力する検知許可回路と、前記所定期間に前記スイッチング素子を短絡保護する短絡保護回路を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スイッチング時に発生するサージ電圧が短絡保護回路に入らないため、短絡保護回路の誤検知を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置，インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサからなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に関する筐体、及び冷却水流路内の冷却水流れを示す図である。
【図６】本実施形態に関するパワーモジュールの上方からの斜視図である。
【図７】本実施形態に係るパワーモジュールと駆動回路基板２２を各構成要素に分解した斜視図である。
【図８】本実施形態に関するパワーモジュールの断面図である。
【図９】本実施形態に関するパワーモジュールに放熱板７００を組付けたときの斜視図である。
【図１０】本実施形態に関する駆動回路基板の平面図である。
【図１１】本実施形態に関する短絡保護の回路ブロック図である。
【図１２】本実施形態に関する短絡保護の回路図である。
【図１３】本実施形態に関する短絡保護回路の動作時のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図２は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置，インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサモジュールを備えた電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
【００１１】
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
【００１２】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１３】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
【００１４】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００１５】
前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００１６】
動力分配機構１２２は歯車１２３〜１３０から構成された差動機構である。歯車１２５〜１２８は傘歯車である。歯車１２３，１２４，１２９，１３０は平歯車である。モータジェネレータ１９２の動力は変速機１１８に直接に伝達される。モータジェネレータ１９２の軸は歯車１２９と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ１９２に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車１２９に伝達された動力がそのまま変速機１１８の入力側に伝達される。
【００１７】
エンジン１２０の作動によって歯車１２３が駆動されると、エンジン１２０の動力は歯車１２３から歯車１２４に、次に、歯車１２４から歯車１２６及び歯車１２８に、次に、歯車１２６及び歯車１２８から歯車１３０にそれぞれ伝達され、最終的には歯車１２９に伝達される。モータジェネレータ１９４の作動によって歯車１２５が駆動されると、モータジェネレータ１９４の回転は歯車１２５から歯車１２６及び歯車１２８に、次に、歯車１２６及び歯車１２８から歯車１３０のそれぞれに伝達され、最終的には歯車１２９に伝達される。尚、動力分配機構１２２としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。
【００１８】
モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４０，１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。
【００１９】
本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００２０】
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００２１】
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６から補機用インバータ装置４３に直流電力が供給され、補機用インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。補機用インバータ装置４３はインバータ装置１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このような補機用インバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、補機用インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、補機用インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。
【００２２】
インバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置は、インバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
【００２３】
またインバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
【００２４】
次に、図２を用いてインバータ装置１４０や１４２あるいは補機用インバータ装置４３の電気回路構成を説明する。尚、図１，図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０や１４２あるいは補機用インバータ装置４３をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４０や１４２あるいは補機用インバータ装置４３は同様の構成で同様の作用をためし、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。
【００２５】
本実施形態に係る電力変換装置２００はインバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ装置１４０はインバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。また、インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０）、それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する構成である。また、制御部１７０はインバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。
【００２６】
上アームと下アームのＩＧＢＴ３２８や３３０は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。上述のとおり、インバータ装置１４０はモータジェネレータ１９２が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
【００２７】
本実施形態に係る電力変換装置２００は図１に記載の如くインバータ装置１４０と１４２さらに補機用インバータ装置４３とコンデンサモジュール５００を有しているが、上述のとおりインバータ装置１４０と１４２さらに補機用インバータ装置４３は同様の回路構成であるのでインバータ装置１４０を代表として記載し、インバータ装置１４２と補機用インバータ装置４３は、既に上述したとおり省略した。
【００２８】
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６の間に電気的に並列に接続されている。ここで、上下アーム直列回路１５０はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子３２８及びダイオード１５６と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子３３０及びダイオード１６６を備えている。
【００２９】
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ３２８や３３０を用いることを例示している。ＩＧＢＴ３２８や３３０は、コレクタ電極１５３，１６３，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５），ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。この場合は上アームのダイオード１５６や下アームのダイオード１６６は不要となる。
【００３０】
上下アーム直列回路１５０は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とＩＧＢＴ３３０の下アームのコレクタ電極１６３を接続する中間電極１６９，交流端子１５９を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１６９は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。
【００３１】
コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３とバッテリ１３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。
【００３２】
制御部１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路１７４とを備えている。
【００３３】
制御回路１７２はＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流検出部１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００３４】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００３５】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
【００３６】
また、制御部１７０は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子１５５，１６５からは各ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１５０（引いては、この回路１５０を含む半導体モジュール部）を過温度或いは過電圧から保護する。
【００３７】
図２において、上下アーム直列回路１５０は、上アームのＩＧＢＴ３２８及び上アームのダイオード１５６と、下アームのＩＧＢＴ３３０及び下アームのダイオード１６６との直列回路であり、ＩＧＢＴ３２８，３３０はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路１４４の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。
【００３８】
上下アーム直列回路１５０は、図示するように、Positive端子（Ｐ端子，正極端子）１５７，Negative端子（Ｎ端子１５８，負極端子），上下アームの中間電極１６９からの交流端子１５９，上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１５５，上アームのゲート電極端子１５４，下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１６５，下アームのゲート電極端子１６４、を備えている。また、電力変換装置２００は、入力側に直流コネクタ１３８を有し、出力側に交流コネクタ１８８を有して、それぞれのコネクタ１３８と１８８を通してバッテリ１３６とモータジェネレータ１９２にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続する回路構成の電力変換装置であってもよい。
【００３９】
次に、図１および図２に記載した電力変換装置２００の全体構成について、図３〜図５及び図６を参照しながら以下説明する、尚図１乃至図２と同じ参照符号は同じ部品を示し、既に説明した内容については説明を省略する。図３は電力変換装置２００の全体構成の外観斜視図である。
【００４０】
図４は本実施形態に係る電力変換装置２００の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。図５は図３及び図４に示す電力変換装置のハウジングである筐体と前記筐体の内部に設けられた冷却水流路を示す説明図である。図６はパワーモジュールの上方から見た斜視図である。
【００４１】
図３〜図５及び図６において、２００は電力変換装置、１０は上部ケース、１１は金属ベース板、１２は筐体、１３は冷却水入口配管、１４は冷却水出口配管、４２０はカバー、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１９は冷却水流路、２０は制御回路基板で図２に示す制御回路１７２を保持している。２１は外部との接続のためのコネクタ、２２は駆動回路基板で図２に示すドライバ回路１７４を保持している。２３は基板間コネクタで前記制御回路基板２０に設けられた制御回路１７２と電気的に接続されるために設けられており、図２に示す信号線１７６の接続に使用される、尚信号線の図示は省略する。３００はパワーモジュール（半導体モジュール部）で２個設けられており、３０２はパワーモジュールケース、３０４は金属ベース、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、４９は鋳造肉盗み、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は負極側コンデンサ端子、５０６は正極側コンデンサ端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
【００４２】
本実施形態に係る電力変換装置２００は、大きく構成要素を分けると、直流電力と交流電力との変換を行うパワーモジュール（半導体モジュール部）３００と、直流電源の電圧平滑用のコンデンサモジュール５００と、パワーモジュール３００などを冷却するための冷却水流路１９とから構成される。図３に示すように、本実施形態に係る電力変換装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、前記筐体１２の短辺側の外周の１つに設けられた冷却水入口配管１３および冷却水出口配管１４と、前記筐体１２の上部開口を塞ぐための上部ケース１０と、前記筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを固定して形成されたものである。前記電力変換装置２００の長辺側の外周には図１に示されたモータジェネレータ１９２，１９４との接続を助けるための３組の交流ターミナルケース１７が設けられている。筐体１２の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。
【００４３】
図４に示すように、筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口部４００と４０２が形成されている。前記２組の開口部４００と４０２がそれぞれパワーモジュール３００で塞がれる様に２個のパワーモジュール３００が前記冷却水流路１９の上面に固定されている。各パワーモジュール３００には放熱のためのフィン（図７）が設けられており、各パワーモジュール３００のフィン３０５はそれぞれ前記冷却水流路１９の開口部４００と４０２から冷却水の流れの中に突出している。
【００４４】
前記冷却水流路１９の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口部４０４が形成されており、前記開口部４０４（図５Ｂ）はカバー４２０で塞がれている。また前記冷却水流路１９の下側には補機用インバータ装置４３が取り付けられている。補機用インバータ装置４３は、図２に示すインバータ回路１４４と同様の回路が内蔵されており、前記インバータ回路１４４を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用インバータ装置４３（図１）は前記内蔵している前記パワーモジュールの放熱金属面が前記冷却水流路１９の下面に対向するようにして、前記冷却水流路１９の下面に固定されている。
【００４５】
さらに前記冷却水流路１９の下部に放熱作用をためす下部ケース１６が設けられ、前記下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が、コンデンサモジュール５００の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース１６の面に対向するようにして前記下部ケース１６の面に固定されている。この構造により冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
【００４６】
入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のパワーモジュール３００が有する放熱フィンが冷却され、前記２個のパワーモジュール３００全体が冷却される。冷却水流路１９の下面に設けられた補機用インバータ装置４３も同時に冷却する。
【００４７】
さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。
【００４８】
詳細は後述するが、本実施形態では、パワーモジュール３００の直流正極端子３１４，直流負極端子３１６は、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ端子５０４，正極側コンデンサ端子５０６にそれぞれ直接に電気的及び機械的に筐体１２内で接続されている。
【００４９】
パワーモジュール３００の上方には、２つのパワーモジュール３００を覆うように制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置され、駆動回路基板２２には図２に示すドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には図２に示すＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載される。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置され、金属ベース板１１は両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
【００５０】
このように筐体１２の中央部に冷却水流路１９を設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール３００を配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路１９の主構造を筐体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体１２と冷却水流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
【００５１】
駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ７１２が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。コネクタ２１により電力変換装置の外の、例えばバッテリ１３６（図１）として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板２０に保持されている制御回路１７２との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ７１２が設けられており、図示を省略しているが図２に示す信号線１７６が設けられ、この信号線１７６と基板間コネクタ７１２を介して制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、パワーモジュールのゲート電極にそれぞれ印加される。
【００５２】
筐体１２の上部と下部には開口が形成され、これら開口はそれぞれ上部ケース１０と下部ケース１６が例えばネジ等で筐体１２に固定されることにより塞がれる。筐体１２の中央に冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９にパワーモジュール３００やカバー４２０を固定する。このようにして冷却水流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行うことができる。このように中央に冷却水流路１９配置し、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造をためしており、生産性が向上する。また冷却水流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。
【００５３】
図５は冷却水流路１９を有する筐体１２のアルミ鋳造品を示す図であり、図５（Ａ）は筐体１２の斜視図、図５（Ｂ）は筐体１２の上面図、図５（Ｃ）は筐体１２の下面図である。図５に示す如く筐体１２と前記筐体１２の内部に設けられた冷却水流路１９が一体に鋳造されている。筐体１２の上面あるいは下面は略長方形の形状をためし、長方形の短辺の一方側筐体側面に冷却水を取り入れるための入口孔４０１が設けられ、同じ側面に出口孔４０３が設けられている。
【００５４】
前記入口孔４０１から冷却水流路１９に流入した冷却水は、矢印４１８の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側側面の手前近傍で矢印４２１のように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印４２２の方向に流れ、出口孔４０３から流出する。冷却水流路１９の行き側と帰り側にそれぞれ２個ずつの開口部４００と４０２とが形成されている。前記開口には後述する図１３に示すパワーモジュール３００がそれぞれ固定され、各パワーモジュール３００の放熱のためのフィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する構造となっている。前記筐体１２の流れの方向すなわち長辺の沿った方向にパワーモジュール３００が並べて固定され、この固定により前記各パワーモジュール３００により冷却水流路１９の開口を完全に塞ぐことができるように、支持部４１０が筐体と一体成形されている。この支持部４１０は略中央に位置し、支持部４１０に対して冷却水の出入り口側の方に１つのパワーモジュール３００が固定され、また前記支持部４１０に対して冷却水の折り返し側の方に他の１つのパワーモジュール３００が固定される。
図５（Ｂ）に示すねじ穴４１２は前記出入り口側のパワーモジュール３００を冷却水流路１９に固定するために使用され、この固定により開口部４００が密閉される。またねじ穴４１４は前記折り返し側のパワーモジュール３００を冷却水流路１９に固定するために使用され、この固定により開口部４０２が密閉される。
【００５５】
前記出入り口側のパワーモジュール３００は入口孔４０１からの冷たい冷却水と出口側に近いため暖められた冷却水で冷やされることとなる。一方前記折り返し側のパワーモジュール３００は少し温められた冷却水により冷却されるが、出口孔４０３近くの冷却水より温度が低くなる。結果として折り返し冷却通路と２つのパワーモジュール３００の配置関係は、２つのパワーモジュール３００の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。
【００５６】
前記支持部４１０はパワーモジュール３００の固定のために使用され、開口部４００や４０２の密閉のために必要である。さらに前記支持部４１０は筐体１２の強度の強化に大きな効果がある。冷却水流路１９は上述の通り折り返し形状であり、行き側流路と帰り側流路を隔てる隔壁４０８が設けられ、この隔壁４０８が前記支持部４１０と一体に作られている。隔壁４０８は単に行き側流路と帰り側流路を隔てる作用の他に、筐体の機械的な強度を高める作用をしている。また折り返し通路間の熱の伝達通路としての作用をためし、冷却水の温度を均一化する作用をためす。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなる。ある程度の温度差は仕方ないが、前記隔壁４０８が前記支持部４１０と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果がある。
【００５７】
図５（Ｃ）は前記冷却水流路１９の裏面を示しており、前記支持部４１０に対応した裏面に開口部４０４が形成されている。この開口部４０４は、筐体の鋳造により形成する前記支持部４１０と筐体１２一体構造の歩留まりを向上するためのものである。開口部４０４の形成により、鋳造品では、前記支持部４１０と冷却水流路１９の底部との二重構造が無くなり、鋳造し易く、生産性が向上する。
【００５８】
前記冷却水流路１９の側部と長方形の長辺との間に通路の上側と下側とを貫通する貫通孔４０６を形成している。前記冷却水流路１９を挟んで両側に電気部品が取り付けられるため、前記両側の電気部品の電気的な接続が必要となる。貫通孔４０６は冷却水流路１９の両側の電気部品の電気的な接続を行うための孔である。
【００５９】
図５に示す筐体構造は鋳造生産特にアルミダイキャスト生産に適した構造をしている。
すなわち冷却水流路１９と筐体１２との一体構造を完成に近い形状で製造できる効果がある。矢印４２１で示す水路の折り返し部分を開口部４０２の一部としていることで折り返し部分の一体鋳造が可能となった。すなわち開口部４０２にパワーモジュール３００を固定することで折り返し通路が完成する。さらに折り返し通路を冷却に利用できることで、良い小型化が可能となっている。冷却水流路１９周辺は開口面に対して略垂直であり、前記隔壁４０８の側面も略垂直である。このような形状とすることで、上面に開口部４００および４０２にパワーモジュール３００を固定子、裏面にカバー４２０を固定することで水路が完成する。この時点で水路の水漏れの検査を行い、次に部品の取り付けを行うことで不良品を早く取り除き生産性を向上できる効果がある。
【００６０】
冷却水流路１９の上面開口にパワーモジュール３００を固定し、裏面開口にカバー４２０を固定した状態を図６に示す。筐体１２の長方形の一方の長辺側において、筐体１２の外に交流電力線１８６および交流コネクタ１８８が突出している。なお、図７の断面図は電力変換装置２００の交流コネクタ１８８側に、モータジェネレータ１９２や１９４の交流端子と前記交流コネクタ１８８とを繋ぐための交流ターミナルケース１７を取り付けた状態を示している。
【００６１】
次に、本実施形態に係る電力変換装置におけるパワーモジュール３００の詳細構造について、図６〜図９を参照しながら以下説明する。
【００６２】
図６は本実施形態に関するパワーモジュールの上方からの斜視図である。図７は本実施形態に係るパワーモジュールと駆動回路基板２２を各構成要素に分解した斜視図である。
図８は本実施形態に関するパワーモジュールの断面図である。図９は本実施形態に関するパワーモジュールに放熱板７００を組付けたときの斜視図である。
【００６３】
図６〜図９を用いてパワーモジュール３００の構造を説明する。
【００６４】
上記図で、３００はパワーモジュール（半導体モジュール部）、３０２はパワーモジュールケース、３０４は金属ベース、３０５はフィン（図８参照）、１８６は断面が略長方形の交流電力線、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、３１８は薄い絶縁材（絶縁紙）、３２６はＩＧＢＴ、３３４は絶縁基板、３２７はダイオード、３２０は制御端子、３４２はパワーモジュールケース突起部、３５０はステー、７００は放熱板、７０２は放熱板開口部、７０４は熱伝導シートをそれぞれ表す。
【００６５】
パワーモジュール３００は、大きく分けて、例えば樹脂材料のパワーモジュールケース３０２内の配線を含めた半導体モジュール部と、金属材料、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣなどからなる金属ベース３０４と、外部との接続端子（直流正極端子３１４や制御端子３２０等）と、からなる。そして、外部と接続する端子として、パワーモジュール３００は、モータと接続するためのＵ，Ｖ，Ｗ相の交流端子１５９と、コンデンサモジュール５００と接続する直流正極端子３１４及び直流負極端子３１６とを有している。
【００６６】
また、半導体モジュール部は、絶縁基板３３４の上に上下アームのＩＧＢＴ３２６，ダイオード３２７が設けられている。絶縁基板３３４はセラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シートであってもよい。金属ベース３０４は、冷却水流路に浸されて冷却水へ効率良く放熱するために、絶縁基板３３４の反対側にフィン３０５を有している。
【００６７】
なお、図８に示されたフィン３０５の形状はピン型であるが、他の実施形態として、冷却水の流れ方向に沿って形成されたストレート型であってもよい。フィン３０５の形状にストレート型を用いた場合には、冷却水を流すための圧力を低減させることができ、一方ピン型を用いた場合には冷却効率を向上させることができる。
【００６８】
コンデンサモジュール５００と接続する直流端子３１４と３１６は、図示例では絶縁基板３３４の中央部分において、接続すべき部位で半田又は超音波接合で固着され、直流端子３１４と３１６の間に薄い絶縁材３１８を介在させて両者の絶縁を取っている。
【００６９】
絶縁基板３３４は、セラミックを挟んでその両側にＣｕ又はＡｌの膜を形成したものであり、絶縁基板３３４の下側に半田によってフィン又はピン付き金属ベース３０４（Ｃｕ，Ａｌ又はＡｌＳｉＣ）が固着され、その上側には半田によってＩＧＢＴ３２６やダイオード３２７が、半田又は超音波接合によって直流端子３１４，３１６が固着される。また、図６において、パワーモジュールの制御端子３２０が図示されているが、これらは、図２で説明した上・下アームのゲート電極端子１５４，１６４や、エミッタ電極端子１５５，１６５であり、ＩＧＢＴのスイッチング動作を制御するための信号が印加される。
【００７０】
パワーモジュールケース突起部３４２がパワーモジュールケース３０２上に複数個形成され、この突起部３４２内部にはステー３５０が挿入されている。ステー３５０は駆動回路基板２２を支持すると同時に、駆動回路基板２２が発生する熱をパワーモジュールケース３０２を介して金属ベースに伝導する役目がある。ステー３５０と駆動回路基板２２はネジなどの固定手段７２１で固定されている。尚、ステー３５０は例えば真鍮，鉄，アルミなど熱伝導率の良い金属が望ましい。
【００７１】
また、図７において、パワーモジュール３００と駆動回路基板２２との間に、放熱板７００と、熱伝導シート７０４が挟まれている。熱伝導シート７０４は駆動回路基板２２に密着し、更に熱伝導シート７０４は放熱板７００にも密着している。放熱板７００は筐体１２にも密着し、熱が筐体１２側に流れる構造となっている。放熱板７００は、例えば、アルミ，銅などの熱伝導率の良い金属が望ましい。
【００７２】
図８は図６の一点鎖線ＡＡの断面図である。ステー３５０はモジュールケース突起部３４２とモジュールケース３０２に挿入されている。ステー３５０は金属ベース３０４に接していてもよいが、図８のように出来る限りステー３５０と金属ベースは接していないことが望ましい。
【００７３】
電力変換装置は安全上、金属ベースとアースが繋がっており、ステー３５０と金属ベースが接するとステー３５０がアース電位となり、駆動回路基板２２の高電圧の制御端子３２０と近くなり、絶縁が保てなくなる。そこで、ステー３５０と金属ベース３０４をある一定の距離を離し、絶縁を保つ。また、ＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）の観点から、駆動回路基板２２の固定手段７２１をグランドにするケースがあり、ステー３５０と金属ベースが接すると複数のグランドループ電流が流れ、ＥＭＣ特性が悪くなるのを回避する理由もある。
【００７４】
すなわち、ステー３５０下部と金属ベース３０４のステー下方領域３５２は、駆動回路基板２２の熱を金属ベース３０４に逃がすという意味では、出来るだけ近い方が望ましいが、絶縁という観点では一定の距離（例えば数ミリメートル）が望ましい。
【００７５】
駆動回路基板２２が発生する熱の放熱経路には２種類ある。ひとつは駆動回路基板２２から熱伝導シート７０４，放熱板７００を通って筐体１２へ流れる第一の放熱経路７３０である。もうひとつは駆動回路基板２２からステー３５０，ステー下方領域３５２を介して金属ベース３０４に流れる第二の放熱経路７３１である。当然、第一の放熱経路７３０だけ、あるいは第二の放熱経路７３１だけでも放熱効果はあるが、本実施形態のように両方の放熱経路がある方が、最も効果的である。
【００７６】
図９は２個のパワーモジュールに放熱板７００と熱伝導シート７０４を組付けた場合のパワーモジュールの斜視図である。７０２はパワーモジュール突起部３４２との干渉を防ぐための放熱板開口部である。２個のパワーモジュールの内、一方のパワーモジュールがスイッチング動作し、他方が動作しない場合、放熱板７００による放熱効果は更に良くなる。また、パワーモジュール突起部３４２とステー３５０が複数個あり、それらのモジュールケース３０２での配置は一定の間隔で均等に配置されたり、駆動回路基板２２の熱分布に応じて配置されてもよい。例えば、駆動回路基板２２のある領域に例えば電源回路用トランス７０６，ドライバＩＣ７０８などの発熱部品が実装されている場合、この領域の近傍に放熱ステー３５０を複数個配置すれば、放熱効果が改善される。更に、この領域直下に熱伝導シート７０４と放熱板７００を追加すれば、更なる放熱効果が期待できる。このような駆動回路基板２２の発熱分布について、図１０を用いて詳細を説明する。
【００７７】
図１０は電子部品を実装した駆動回路基板２２の平面図である。７０６は電源回路用トランス、７０８はパワーモジュール３００のＩＧＢＴ３２６のゲートを駆動するためのドライバＩＣ、７１０は電源回路の平滑用電解コンデンサ、７１２は制御回路基板２０と駆動回路基板２２との基板間コネクタ、７１４は電源回路用１次側スイッチング素子のパワートランジスタ、７１８は交流端子１５９と干渉を避けるための交流端子用切欠部、７２２はパワーモジュール３００の制御端子３２０を駆動回路基板に貫通させるための制御端子穴、７２４はコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ端子５０４と正極側コンデンサ端子５０６との干渉を避けるための切欠部、７２１は駆動回路基板２２とステー３５０とを固定するための固定手段である。
【００７８】
駆動回路基板２２上に実装されている電子部品の内、電源回路用トランス７０６，ドライバＩＣ７０８，パワートランジスタ７１４などは、他の電子部品に比べて発熱する部品であり、これら部品近傍の基板領域も発熱する。特に、駆動回路基板２２を小型化するため、電源回路用トランス７０６を小型にするには、パワートランジスタ７１４を高速でスイッチングするため更に発熱は激しくなる。また、電力変換装置２００を大電流出力にするため、ＩＧＢＴ３２６の素子面積を上げていくと、ドライバＩＣ７０８の駆動電流が大きくなり、ドライバＩＣ７０８の発熱が大きくなる。更に、電力変換装置２００の制御を高精度化するためにキャリア周波数を上げると、ドライバＩＣの駆動電流は更に大きくなり、発熱が大きくなる。これら発熱部品近傍の基板領域を効果的に放熱するため、発熱部品を実装している基板直下に熱伝導シートを密着させたり、発熱部品を実装している基板近傍に金属ステー３５０を配置することにより、基板の発熱を効果的に抑えることができる。
【００７９】
次に本発明に係る駆動回路基板の短絡保護動作について、図１１〜図１３と用いて説明する。
【００８０】
図１１は本実施形態に関する短絡保護の回路ブロック図である。図１２は本実施形態に関する短絡保護の回路図である。図１３は本実施形態に関する短絡保護回路の動作時のタイムチャートである。
【００８１】
図１１で、３３０は下アームＩＧＢＴ、１６６は下アームダイオード、８００はＩＧＢＴ３３０の電流の一部を分流するセンスＩＧＢＴ、８０１はセンス抵抗、８０２はＩＧＢＴ３３０のゲート電圧を入力して所定の閾値に調整する閾値調整回路、８０３はセンス抵抗８０１の電圧と閾値調整回路８０２の出力電圧を入力して、ＩＧＢＴ３３０の所定のターン期間のみセンス抵抗８０１の電圧を出力する検知許可回路、８０４は検知許可回路の出力を入力して所定の閾値を超えるとＩＧＢＴ３３０のゲート電圧を所定の電圧に保持する短絡保護回路、７０８はＩＧＢＴ３３０のゲートを駆動するドライバＩＣである。以下に、図１１の回路動作を説明する。
【００８２】
ドライバＩＣ７０８がＩＧＢＴ３０３のゲート電圧パルスを出力すると、ＩＧＢＴ３０３がターンオンし、ＩＧＢＴ３０３にコレクタ電流Ｉｃが流れる。同時にセンスＩＧＢＴ８００にはＩｃの分流電流Ｉｓが流れ、センス抵抗８０１に流れ込む。センス抵抗８０１にセンス電圧Ｖｓが発生し、検知許可回路８０３に入力する。検知許可回路８０３はゲート電圧が所定の閾値電圧Ｖｇ１以下ではセンス電圧Ｖｓを遮断し、Ｖｇ１より大きいときにセンス電圧Ｖｓを出力する回路機能をもつ。閾値調整回路８０２は閾値電圧Ｖｇ１を調整する回路で、例えば抵抗値調整でＶｇ１を変えることができる。短絡保護回路８０４はセンス電圧Ｖｓを入力し、短絡などの異常時にセンス電圧Ｖｓが第１の所定の閾値Ｖｓ１を超えると、ゲート電圧を所定の電圧値に保持し、ＩＧＢＴ３０３の飽和電流を抑制する回路機能をもつ。また、センス電圧Ｖｓが第１の所定の閾値Ｖｓ１以下では短絡保護回路８０４は動作しない。
【００８３】
更に、別の実施形態として、短絡保護回路８０４の回路機能と併せてドライバＩＣ７０８の異常時ソフト遮断機能と併用する場合も有り得る。その場合、センス電圧ＶｓはドライバＩＣ７０８にも入力する。センス電圧Ｖｓが第２の閾値Ｖｓ２を越えると、ドライバＩＣ７０８はＩＧＢＴ３０３のソフト遮断動作を始める。センス電圧Ｖｓが第２の閾値Ｖｓ２以下では、ドライバＩＣ７０８は通常のスイッチング動作を維持する。
【００８４】
図１２は本実施形態に関する短絡保護の具体的な回路図の一例であり、同じ回路機能でその他の回路図も有り得る。閾値調整回路８０２は第１の抵抗８１０と第２の抵抗８１１で構成され、ゲート電圧の分圧値が検知許可回路８０３に入力されている。検知許可回路８０３は電圧反転回路８０８と第１のｎＭＯＳスイッチ８０９で構成され、前記ゲート電圧の分圧値が電圧反転回路８０８に入力され、電圧反転回路８０８の出力が第１のｎＭＯＳスイッチ８０９のゲートに入力され、第１のｎＭＯＳスイッチ８０９のドレインがセンス抵抗８０１に接続されている。短絡保護回路８０４は第２のｎＭＯＳスイッチ８０７と定電圧ダイオード（ツエナーダイオード）８０６で構成され、第２のｎＭＯＳスイッチ８０７のゲートはセンス抵抗８０１に接続され、第２のｎＭＯＳスイッチ８０７のドレインは定電圧ダイオード（ツエナーダイオード）８０６のアノードに接続され、定電圧ダイオード（ツエナーダイオード）８０６のカソードはＩＧＢＴ３０３のゲートに接続されている。以下に、図１２の回路動作を説明する。
【００８５】
ドライバＩＣ７０８がＩＧＢＴ３０３のゲート電圧パルスを出力すると、ＩＧＢＴ３０３がターンオンし、ＩＧＢＴ３０３にコレクタ電流Ｉｃが流れる。同時にセンスＩＧＢＴ８００にはＩｃの分流電流Ｉｓが流れ、センス抵抗８０１に流れ込み、センス抵抗８０１にセンス電圧Ｖｓが発生する。閾値調整回路８０２はゲート電圧を分圧する回路であり、その分圧値が検知許可回路８０３の電圧反転回路８０８に入る。ゲート電圧が所定の閾値電圧Ｖｇ１以下では電圧反転回路８０８はＨｉｇｈレベルを出力し、第１のｎＭＯＳスイッチ８０９はオン状態となり、センス電圧Ｖｓはほぼ０ボルトとなる。つまり、ゲート電圧が所定の閾値電圧Ｖｇ１以下ではセンス電圧Ｖｓの検知を許可しない状態となる。一方、ゲート電圧がＶｇ１より大きいときには電圧反転回路８０８はＬｏｗレベルを出力し、第１のｎＭＯＳスイッチ８０９はオフ状態（ｎＭＯＳスイッチ８０９のドレインがオープン状態）となり、センス電圧Ｖｓがそのまま第２のｎＭＯＳスイッチ８０７のゲートに入る。つまり、ゲート電圧が所定の閾値電圧Ｖｇ１より大きいときにはセンス電圧Ｖｓの検知が許可状態となる。閾値電圧Ｖｇ１を調整するためには、第１の抵抗８１０又は第２の抵抗８１１の抵抗値を変える。検知許可回路８０３が許可状態のとき、すなわちゲート電圧がＶｇ１より大きいとき、電源短絡などの異常でセンス電圧Ｖｓが第１の所定の閾値Ｖｓ１を超えると、第２のｎＭＯＳスイッチ８０７はオン状態となり、定電圧ダイオード（ツエナーダイオード）８０６のアノードはほぼ０ボルトとなる。定電圧ダイオード（ツエナーダイオード）８０６のカソード側にはツエナー電圧Ｖｚ以上の電圧が掛かり、ゲート電圧を所定の電圧値（ツエナー電圧Ｖｚ）に保持し、ＩＧＢＴ３０３の飽和電流を抑制する。また、センス電圧Ｖｓが第１の所定の閾値Ｖｓ１以下では第２のｎＭＯＳスイッチ８０７はオフ状態となり、定電圧ダイオード（ツエナーダイオード）８０６のアノードはオープン状態となり、短絡保護回路８０４は動作しない。尚、閾値調整回路８０２が無い場合でも本発明の効果は実現できる。つまり、ＩＧＢＴ３０３のゲート電圧を直接電圧反転回路８０８に入れても良い。この場合、通常ゲート電圧は１５Ｖ程度であるので、電圧反転回路８０８も１５Ｖ動作が可能な回路にする必要がある。
【００８６】
更に、別の実施形態として、短絡保護回路８０４の回路機能と併せてドライバＩＣ７０８の異常時ソフト遮断機能と併用する場合も有り得る。その場合、センス電圧ＶｓはドライバＩＣ７０８にも入力する。センス電圧Ｖｓが第２の閾値Ｖｓ２を越えると、ドライバＩＣ７０８はＩＧＢＴ３０３のソフト遮断動作を始める。センス電圧Ｖｓが第２の閾値Ｖｓ２以下では、ドライバＩＣ７０８は通常のスイッチング動作を維持する。センス電圧Ｖｓの第１の閾値Ｖｓ１と第２の閾値Ｖｓ２の大小関係はＩＧＢＴ３０３の短絡耐量、ドライバＩＣ７０８のソフト遮断動作に至る遅延時間などに依存する。例えば、第１の閾値Ｖｓ１が第２の閾値Ｖｓ２より大きい場合、短絡などの異常時に最初にドライバＩＣ７０８のソフト遮断動作が開始された後、短絡保護回路８０４が動作する。ただ、ドライバＩＣ７０８のソフト遮断動作に至る遅延時間が長い場合はこの動作が逆転する。最終的にはＩＧＢＴ３０３の短絡耐量を考慮し、これら閾値Ｖｓ１，Ｖｓ２の大小関係を決める必要がある。
【００８７】
図１３は本実施形態に関する短絡保護回路の動作時のタイムチャートである。
【００８８】
図１３で、８１２はサージ電圧が乗ったセンス抵抗８０１の電圧波形、８１３は検知許可回路８０３の第１の許可期間、８１４は検知許可回路８０３の第２の許可期間、８１５は第１のセンス電圧閾値レベルＶｓ１、８１６は短絡異常時の検知タイミング、８１７はＩＧＢＴ３０３のゲート電圧波形、８１８は前記第１の許可期間及び第２の許可期間を決めるゲート電圧閾値レベルＶｇ１、８１９はＩＧＢＴ３０３が第１のターンオン時にセンス電圧波形に発生する第１のターンオンサージ電圧、８２０はＩＧＢＴ３０３が第１のターンオフ時にセンス電圧波形に発生する第１のターンオフサージ電圧、８２１はＩＧＢＴ３０３が第２のターンオン時にセンス電圧波形に発生する第２のターンオンサージ電圧、８２２はＩＧＢＴ３０３が第２のターンオフ時にセンス電圧波形に発生する第２のターンオフサージ電圧、８２３は検知許可回路８０３の出力電圧波形、８２４は第２のセンス電圧閾値レベルＶｓ２である。尚、本図では第２のセンス電圧閾値レベルＶｓ２が第１のセンス電圧閾値レベルＶｓ１より小さいが、同じ或いは大きい場合も有り得る。
【００８９】
検知許可回路８０３が無い場合、第２のターンオンサージ電圧８２１が第１のセンス電圧閾値レベルＶｓ１を超えているため、ここで短絡保護回路８０４が誤検知してしまう。検知許可回路８０３がある場合、第１のターンオンサージ電圧８１９，第１のターンオフサージ電圧８２０，第２のターンオンサージ電圧，第２のターンオフサージ電圧が除去され、これらサージ電圧による誤検知は無くなる。
【００９０】
更に、別の実施形態として、短絡保護回路８０４の回路機能と併せてドライバＩＣ７０８の異常時ソフト遮断機能と併用する場合、もし検知許可回路８０３が無いと、第１のターンオフサージ電圧８２０が第２のセンス電圧閾値レベルＶｓ２を超えているため、ここでドライバＩＣ７０８のソフト遮断回路が誤検知してしまう。ところが、検知許可回路８０３がある場合、第１のターンオンサージ電圧８１９，第１のターンオフサージ電圧８２０、第２のターンオンサージ電圧，第２のターンオフサージ電圧が除去され、これらサージ電圧による誤検知は無くなる。
【符号の説明】
【００９１】
９  冷却部
１０  上部ケース    
１１  金属ベース板
１２  筐体
１３  冷却水入口配管
１４  冷却水出口配管
１６  下部ケース
１７  交流ターミナルケース
１８  交流ターミナル
１９  冷却水流路
２０  制御回路基板
２１  コネクタ
２２  駆動回路基板
２３，７１２  基板間コネクタ
４３  補機用インバータ装置（パワーモジュールを含む）
４９  鋳造肉盗み
１１０  ハイブリッド電気自動車
１１２  前輪
１１４  前輪車軸
１１６  前輪側ＤＥＦ
１１８  変速機
１２０  エンジン
１２２  動力分配機構
１２３，１２４，１２５，１２６，１２７，１２８，１２９，１３０  歯車
１３６  バッテリ
１３８  直流コネクタ
１４０，１４２  インバータ装置
１４４  インバータ回路
１５０  上下アームの直列回路
１５３  上アームのコレクタ電極
１５４  上アームのゲート電極端子
１５５  上アームの信号用エミッタ電極端子
１５６  上アームのダイオード
１５７  正極（Ｐ）端子
１５８  負極（Ｎ）端子
１５９  交流端子
１６３  下アームのコレクタ電極
１６４  下アームのゲート電極端子
１６５  下アームの信号用エミッタ電極端子
１６６  下アームのダイオード
１６９  中間電極
１７０  制御部
１７２  制御回路
１７４  ドライバ回路
１７６，１８２  信号線
１８０  電流検出部
１８６  交流電力線
１８８  交流コネクタ
１９２，１９４  モータジェネレータ
１９５  モータ（補機用＝エアコン，オイルポンプ，冷却ポンプ）
２００  電力変換装置
３００  パワーモジュール（半導体モジュール部）
３０２  パワーモジュールケース
３０４  金属ベース
３０５  フィン
３０８  Ｕ相交流バスバー
３１０  Ｖ相交流バスバー
３１２  Ｗ相交流バスバー
３１４  直流正極端子
３１５，５０７  正極導体板
３１６  直流負極端子
３１７，５０５  負極導体板
３１８  絶縁紙
３２０  パワーモジュール制御端子
３２６  ＩＧＢＴ
３２７  ダイオード
３３４  絶縁基板
３４１  接合部（直流負極バスバー用）
３４２  パワーモジュールケース突起部
３５０  ステー
３５２  ステー下方領域
４００，４０２，４０４  開口部
４０１  入口孔
４０３  出口孔
４０６  貫通孔
４０８  隔壁
４１０  支持部
４１２，４１４  ねじ穴（パワーモジュール固定用）
４１６  ねじ穴（水路カバー固定用）
４１８  冷媒の流れ（流入方向）
４２０  カバー
４２１  冷媒の流れ（Ｕターン部）
４２２  冷媒の流れ（流出方向）
５００  コンデンサモジュール
５０２  コンデンサケース
５０４  負極側コンデンサ端子
５０６  正極側コンデンサ端子
５０８  導電材
５０９，５１１  開口部（端子固定用）
７００  放熱板
７０２  放熱板開口部  
７０４  熱伝導シート
７０６  電源回路用トランス
７０８  ドライバＩＣ
７１０  電解コンデンサ
７１４  パワートランジスタ
７１８  交流端子用切欠部
７２０，７２１  固定手段
７２２  制御端子穴
７２４  切欠部  
７３０  第一の放熱経路
７３１  第二の放熱経路
８００  センスＩＧＢＴ
８０１  センス抵抗
８０２  閾値調整回路
８０３  検知許可回路
８０４  短絡保護回路
８０６  定電圧ダイオード（ツエナーダイオード）
８０７  第２のｎＭＯＳスイッチ
８０８  電圧反転回路
８０９  第１のｎＭＯＳスイッチ
８１０  第１の抵抗
８１１  第２の抵抗
８１２  検知許可回路が無い場合のセンス抵抗の電圧波形
８１３  第１の許可期間
８１４  第２の許可期間
８１５  第１のセンス電圧閾値レベルＶｓ１
８１６  短絡異常時の検知タイミング
８１７  ＩＧＢＴ３０３のゲート電圧波形
８１８  ゲート電圧閾値レベルＶｇ１
８１９  第１のターンオンサージ電圧
８２０  第１のターンオフサージ電圧
８２１  第２のターンオンサージ電圧
８２２  第２のターンオフサージ電圧
８２３  検知許可回路がある場合のセンス抵抗の電圧波形
８２４  第２のセンス電圧閾値レベルＶｓ２
【図１】
2010245910.tif 000003
【図２】
2010245910.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010245910.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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