(57)【要約】【課題】制御基板の小型化を図るとともに結線不良の発生リスクを低減できるスイッチ回路を提供する。【解決手段】スイッチ回路は、第１の基板と、第１の基板に設けられた複数のスイッチング素子と、第１の基板に設けられ、複数のスイッチング素子の各々を駆動する駆動信号を生成する複数の駆動回路と、第１の基板に、複数の駆動回路の各々に対応して設けられ、対応する駆動回路に電力を供給する複数の受電側コイルと、第１の基板との間に間隙を隔てて第１の基板に対向配置された第２の基板と、第２の基板の、複数の受電側コイルの各々と重なる位置に設けられた複数の給電側コイルと、を含む。【選択図】図２
2018164352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板に設けられた複数のスイッチング素子と、
前記第１の基板に設けられ、前記複数のスイッチング素子の各々を駆動する駆動信号を生成する複数の駆動回路と、
前記第１の基板に、前記複数の駆動回路の各々に対応して設けられ、対応する前記駆動回路に電力を供給する複数の受電側コイルと、
前記第１の基板との間に間隙を隔てて前記第１の基板に対向配置された第２の基板と、
前記第２の基板の、前記複数の受電側コイルの各々と重なる位置に設けられた複数の給電側コイルと、
を含むスイッチ回路。
【請求項２】
前記複数の給電側コイルは、連続する単一の導線によって構成されている
請求項１に記載のスイッチ回路。
【請求項３】
前記複数の給電側コイルは、それぞれ、前記導線を渦巻き状に旋回させて形成され、隣接する他の給電側コイルとの間で前記導線の旋回方向が逆方向とされている
請求項２に記載のスイッチ回路。
【請求項４】
前記第２の基板に、前記複数の駆動回路の各々に対応して設けられ、各々が対応する前記駆動回路を制御する制御信号を発信する複数の送信器を更に含む
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスイッチ回路。
【請求項５】
前記第２の基板は、複数の配線層を有し、
前記複数の給電側コイルの各々が、前記複数の配線層に亘って設けられている
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスイッチ回路。
【請求項６】
前記複数のスイッチング素子及び前記複数の駆動回路が、対応する前記受電側コイルの内側に配置されている
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のスイッチ回路。
【請求項７】
前記第１の基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面に設けられた第１の金属板と、を含み、
前記複数のスイッチング素子の各々が、前記第１の金属板の表面に接合され、
前記複数の受電側コイルの各々が、パターニングされた前記第１の金属板によって形成されている
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のスイッチ回路。
【請求項８】
前記第１の基板は、前記絶縁基板の前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられ、前記第１の金属板の厚さよりも厚い第２の金属板を更に含み、
前記第２の金属板は、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を有する
請求項７に記載のスイッチ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチ回路を含むインバータ等の電力変換装置に関する技術として、以下の技術が知られている。例えば、特許文献１には、半導体モジュール、半導体モジュールの両側に配置された２つのヒートシンク、及び半導体モジュールと２つのヒートシンクとを連結する連結装置を有する複数の半導体装置と、複数の半導体装置を収容するケースと、を含む電力変換装置が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、半導体装置を収納するとともに、内部に配置されたフィンに対して送風される空気の取り入れ口である複数個の通風口を側面に形成する通風路形成部材を備えるインバータ回路ユニットが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１６６９７３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６５９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エンジン及びモータを動力源として備えるハイブリッドシステムにおいて、電力制御を行うパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）は、インバータを構成するＩＧＢＴ及びダイオードを１パッケージにしたパワーモジュール（パワーカード）を、冷却器を間に挟んで複数枚積層したパワースタックと、各パワーカードを制御する制御基板と、を含んで構成されている。パワーカードの各々と制御基板とは、ワイヤーハーネスまたはリード端子の形態を有する駆動信号線、電源線、温度センス線、電流センス線によって接続されている。
【０００６】
上記した従来のＰＣＵの構成によれば、制御基板上には多数のコネクタ、及び電源用絶縁トランス等が配置されている。また、制御基板には高電圧部品が設けられ、絶縁を確保するために、高電圧部品と他の部品との間にある程度の距離を確保する必要がある。これらは、制御基板の小型化を阻害している。さらに、ハイブリッド車用途のＰＣＵは、トランスアクスル上に配置される場合もあり、パワーカードと制御基板との間を接続する配線の、振動による結線不良による信頼性低下が懸念される。
【０００７】
本発明は、制御基板の小型化を図るとともに結線不良の発生リスクを低減できるスイッチ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るスイッチ回路は、第１の基板と、前記第１の基板に設けられた複数のスイッチング素子と、前記第１の基板に設けられ、前記複数のスイッチング素子の各々を駆動する駆動信号を生成する複数の駆動回路と、前記第１の基板に、前記複数の駆動回路の各々に対応して設けられ、対応する前記駆動回路に電力を供給する複数の受電側コイルと、前記第１の基板との間に間隙を隔てて前記第１の基板に対向配置された第２の基板と、前記第２の基板の、前記複数の受電側コイルの各々と重なる位置に設けられた複数の給電側コイルと、を含む。
【０００９】
前記複数の給電側コイルは、連続する単一の導線によって構成されていてもよい。また、前記複数の給電側コイルは、それぞれ、前記導線を渦巻き状に旋回させて形成され、隣接する他の給電側コイルとの間で前記導線の旋回方向が逆方向とされていてもよい。
【００１０】
本発明に係るスイッチ回路は、前記第２の基板に、前記複数の駆動回路の各々に対応して設けられ、各々が対応する前記駆動回路を制御する制御信号を発信する複数の送信器を更に含み得る。
【００１１】
前記第２の基板は、複数の配線層を有していてもよく、前記複数の給電側コイルの各々が、前記複数の配線層に亘って設けられていてもよい。
【００１２】
前記複数のスイッチング素子及び前記複数の駆動回路が、対応する前記受電側コイルの内側に配置されていてもよい。
【００１３】
前記第１の基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面に設けられた第１の金属板と、を含んでいてもよく、前記複数のスイッチング素子の各々が、前記第１の金属板の表面に接合され、前記複数の受電側コイルの各々が、パターニングされた前記第１の金属板によって形成されていてもよい。前記第１の基板は、前記絶縁基板の前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられ、前記第１の金属板の厚さよりも厚い第２の金属板を更に含み得る。前記第２の金属板は、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るスイッチ回路によれば、制御基板の小型化を図るとともに結線不良の発生リスクを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るスイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施形態に係るスイッチ回路の構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る第１の基板の部分的な構成を示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線に沿った断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る給電側コイルの構成を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る給電側コイルのパターンの一例を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る給電側コイルと、受電側コイルとの間の電力伝送、及び送信器と駆動回路との間の信号伝送の様子を示す断面図である。
【図７Ａ】１つの給電側コイルと、２つの受電側コイルとの間で電力伝送を行う場合に生じる磁束の向きを示す図である。
【図７Ｂ】互いに逆向きの磁束を発生させる２つの給電側コイルと、２つの受電側コイルとの間で電力伝送を行う場合に生じる磁束の向きを示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る給電側コイルの構成を模式的に示す図である
【図９】本発明の他の実施形態に係る給電側コイルのパターンの一例を示す斜視図である。
【図１０Ａ】本発明の他の実施形態に係る第１の基板の部分的な構成を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａにおける１０Ｂ−１０Ｂ線に沿った断面図である
【図１０Ｃ】本発明の実施形態に係るＡｌ板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係るスイッチ回路１を用いて構成される電力変換装置の回路ブロック図である。電力変換装置は、モータ４を駆動するインバータを構成している。スイッチ回路１は、パワーモジュール２と、パワーモジュール２を制御する制御部３とを含んで構成されている。
【００１８】
パワーモジュール２は、複数のスイッチング素子（パワーデバイス）１０ｕａ、１０ｕｂ、１０ｖａ、１０ｖｂ、１０ｗａ、１０ｗｂ（以降、１０ｕａ〜１０ｗｂと表記する）、複数の駆動回路３０ｕａ、３０ｕｂ、３０ｖａ、３０ｖｂ、３０ｗａ、３０ｗｂ（以降、３０ｕａ〜３０ｗｂと表記する）及び複数の受電側コイル２０ｕａ、２０ｕｂ、２０ｖａ、２０ｖｂ、２０ｗａ、２０ｗｂ（以降、２０ｕａ〜２０ｗｂと表記する）を含んでいる。モータ４は、例えば三相交流モータであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ接続されるスイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂが、所定のタイミングでオンオフすることによりモータ４が駆動される。
【００１９】
スイッチング素子１０ｕａは、Ｕ相の上アーム用のスイッチとして機能し、スイッチング素子１０ｕｂは、Ｕ相の下アームのスイッチとして機能する。スイッチング素子１０ｖａは、Ｖ相の上アーム用のスイッチとして機能し、スイッチング素子１０ｖｂは、Ｖ相の下アームのスイッチとして機能する。スイッチング素子１０ｗａは、Ｗ相の上アーム用のスイッチとして機能し、スイッチング素子１０ｗｂは、Ｗ相の下アームのスイッチとして機能する。本実施形態において、スイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂは、それぞれ、並列接続された３つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１１によって構成されている。各ＩＧＢＴ１１のコレクタ−エミッタ間には、還流用のダイオード１２が接続されている。なお、各スイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂを構成するＩＧＢＴ１１の数は、モータ４に流れる電流の大きさ等に応じて適宜変更することが可能であり、例えば１つまたは２つであってもよく４つ以上であってもよい。なお、スイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂとして、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Efect Transistor）またはバイポーラトランジスタ等の他のパワーデバイスを用いることも可能である。
【００２０】
駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂは、それぞれ、スイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂの各々に対応して設けられている。すなわち、各相の各アーム毎に１つの駆動回路が設けられている。駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂは、それぞれ、対応するスイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂの３つＩＧＢＴ１１の各々のゲートに駆動信号を供給することで、当該３つのＩＧＢＴ１１を同時にオンオフさせる。
【００２１】
受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂは、それぞれ、駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに対応して設けられている。すなわち、各相の各アーム毎に１つの受電側コイルが設けられている。受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂは、それぞれ、対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂを動作させるための電力を発生させ、発生させた電力を対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに供給する。なお、受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂが発生させる交流電力は、図示しないＡＣ／ＤＣ変換回路によって直流電力に変換された後、駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに供給される。
【００２２】
制御部３は、複数の送信器５０ｕａ、５０ｕｂ、５０ｖａ、５０ｖｂ、５０ｗａ、５０ｗｂ（以降、５０ｕａ〜５０ｗｂと表記する）及び複数の給電側コイル４０ｕａ、４０ｕｂ、４０ｖａ、４０ｖｂ、４０ｗａ、４０ｗｂ（以降、４０ｕａ〜４０ｗｂと表記する）を含んでいる。送信器５０ｕａ〜５０ｗｂは、それぞれ、駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂの各々に対応して設けられている。すなわち、各相の各アーム毎に１つの送信器が設けられている。送信器５０ｕａ〜５０ｗｂは、それぞれ、対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂを制御する制御信号を、対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに送信する。送信器５０ｕａ〜５０ｗｂから発信される制御信号は、例えば、近接場電磁界結合（数百ＭＨｚ〜十数ＧＨｚ）を利用したワイヤレス方式によって対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに伝送される。駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂは、それぞれ、対応する送信器５０ｕａ〜５０ｗｂから発信される制御信号を受信するための受信器（図示せず）を有しており、受信器によって受信した制御信号に応じて、自身に対応するスイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂを駆動するための駆動信号を生成する。なお、制御信号をワイヤレスで伝送する方式として、例えば、電磁誘導方式等の近接場電磁界結合方式以外の他の方式を用いることも可能である。
【００２３】
給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、それぞれ、受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂに対応して設けられている。すなわち、各相の各アーム毎に１つの給電側コイルが設けられている。給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、それぞれ、対応する受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂとの間で、例えば、電磁界共鳴結合（数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ）を形成して、対応する受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂに電力を伝送する。すなわち、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、対応する受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂに対してワイヤレスで電力伝送を行う。
【００２４】
このように、本実施形態に係るスイッチ回路１において、制御部３とパワーモジュール２との間の信号伝送及び電力伝送は、ワイヤレスで行われる。
【００２５】
図２は、スイッチ回路１の構成を示す斜視図である。スイッチ回路１は、パワーモジュール２を搭載する第１の基板６１と、制御部３を搭載し、制御基板として機能する第２の基板６２とを含んで構成されている。
【００２６】
第１の基板６１の表面Ｓ１には、各相及び各アーム毎に領域が区画されており、各相及び各アームに対応するスイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂを構成するＩＧＢＴ１１が、第１の基板６１の表面Ｓ１の、対応する領域内に配置されている。また、各相及び各アームに対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂが、第１の基板６１の表面Ｓ１の、対応する領域内に配置されている。
【００２７】
また、各相および各アームに対応する受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂが、第１の基板６１の表面Ｓ１の、対応する領域内に配置されている。受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂは、それぞれ、導線を渦巻き状に旋回させた形態を有する。受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂは、互いに分離して設けられ、互いに電気的に絶縁されている。受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂは、それぞれ、第１の基板６１の表面Ｓ１において、対応するスイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂ及び駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂを囲む位置に配置されている。換言すれば、スイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂ及び駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂは、対応する受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂの内側に配置されている。なお、図２において、ダイオード１２の図示が省略されているが、ダイオード１２は、第１の基板６１の表面Ｓ１において、対応するＩＧＢＴ１１に隣接して設けられている（図３Ａ参照）。
【００２８】
第１の基板６１の裏面には、冷却器６０が接合されている。冷却器６０は、熱伝導率が比較的高いＡｌ等の金属によって構成されている。
【００２９】
図３Ａは、第１の基板６１の部分的な構成を示す平面図であり、各相及び各アーム毎に区画された領域の１つが示されている。図３Ｂは、図３Ａにおける３Ｂ−３Ｂ線に沿った断面図である。図３Ａ及び図３Ｂには、一例として、第１の基板６１の、Ｕ相の上アームに対応する領域が示されている。第１の基板６１の他の領域も図３Ａ及び図３Ｂに示す構成と同様の構成を有する。
【００３０】
第１の基板６１は、ベースプレート１２０と、ＤＢＡ（Direct Bonded Aluminum）基板１００と、を含んで構成されている。ベースプレート１２０は、例えばＣｕＭｏ等の熱伝導率の比較的高い材料で構成されている。ベースプレート１２０の裏面には、グリス１２１を介して冷却器６０が接合されている。
【００３１】
ＤＢＡ基板１００は、セラミックス等の絶縁体からなる絶縁基板１０１と、絶縁基板１０１の両面に設けられたＡｌ（アルミ）板１０２、１０３と、を有する。絶縁基板１０１の下面に設けられたＡｌ板１０３は、はんだ１３０を介してベースプレート１２０に接合されている。絶縁基板１０１の上面には、ＤＢＡ基板１００のＡｌ板１０２をパターニングすることにより形成された受電側コイル２０ｕａ及びチップ搭載部１１０が設けられている。チップ搭載部１１０には、スイッチング素子１０ｕａを構成する３つのＩＧＢＴ１１及び３つのダイオード１２が、はんだ１３１を介して接合されている。駆動回路３０ｕａは、絶縁基板１０１上において、チップ搭載部１１０の近傍に設けられている。受電側コイル２０ｕａは、３つのＩＧＢＴ１１、３つのダイオード１２及び駆動回路３０ｕａを囲むようにパターニングされている。なお、受電側コイル２０ｕａは、ＤＢＡ基板１００の上面のＡｌ板１０２をパターニングすることにより形成された第１の巻き線部分と、ＤＢＡ基板１００の下面のＡｌ板１０３をパターニングすることにより形成され、且つ第１の巻き線部分にビアを介して接続された第２の巻き線部分と、を含んでいてもよい。このように、ＤＢＡ基板１００の両面のＡｌ板を用いて受電側コイル２０ｕａを形成することで、受電側コイル２０ｕａのターン数を稼ぐことができる。
【００３２】
図２に示すように、第２の基板６２は、第１の基板６１との間に、間隙を隔てて第１の基板６１に対向配置されている。間隙の幅は、例えば１ｃｍ以下であり、好ましくは数ｍｍ程度である。第２の基板６２として、例えばガラスエポキシ樹脂等の絶縁体で構成された基体の表面及び内部に複数の配線層を有するプリント基板を用いることができる。
【００３３】
第２の基板６２の、第１の基板６１の表面Ｓ１と向かい合う表面Ｓ２には、送信器５０ｕａ〜５０ｗｂが設けられている。送信器５０ｕａ〜５０ｗｂは、それぞれ、駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに対応しており、第２の基板６２の表面Ｓ２において、対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂとの距離が最短となるように、平面視において対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂと重なる位置（向い合う位置）に配置されている。送信器５０ｕａ〜５０ｗｂ及び受信器は、それぞれ、マイクロストリップ線路を含んで構成されており、送信器側のマイクロストリップ線路と受信器側のマイクロストリップ線路との間に近接場電磁界結合を形成することで、送信器５０ｕａ〜５０ｗｂから対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂの受信器に制御信号がワイヤレスで伝送される。
【００３４】
第２の基板６２の表面Ｓ２には、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂが形成されている。給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、それぞれ、受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂに対応しており、第２の基板の表面Ｓ２において、対応する受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂとの距離が最短となるように、平面視において対応する受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂと重なる位置（向かい合う位置）に配置されている。送信器５０ｕａ〜５０ｗｂは、それぞれ、対応する給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂの内側に配置されている。
【００３５】
図４は、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂの構成を模式的に示す図であり、図５は、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂのパターンの一例を示す平面図である。給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、それぞれ、導線４１を渦巻き状に旋回させた形態を有している。また、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、それぞれ、図４に示すＸ方向及びＹ方向において隣接する他の給電側コイルとの間で、導線４１の旋回方向が逆方向となるように形成されている。例えば、給電側コイル４０ｖａの旋回方向は、反時計回りであり、給電側コイル４０ｖａに対してＸ方向に隣接する給電側コイル４０ｕａ及び４０ｗａ並びに給電側コイル４０ｖａに対してＹ方向に隣接する給電側コイル４０ｖｂの旋回方向は、いずれも時計回りである。給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、連続する単一（１本）の導線４１で形成されている。換言すれば、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、一筆書きで形成されており、直列に接続されている。従って、端子４２から流入した電流は、給電側コイル４０ｕａ、４０ｖａ、４０ｗａ、４０ｗｂ、４０ｖｂ及び４０ｕｂをこの順で経由して、端子４３に至る。給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂを上記のように構成することで、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂに電流を流すと、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂの内側を貫く磁束の向きは、図４に示すように、互いに隣接する給電側コイルとの間で逆向きとなる。給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂを構成する導線４１として、例えば、第２の基板６２として用いられるプリント基板の配線層に配置された配線を用いることができる。給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、所望のターン数を確保するべく、プリント基板に設けられた複数の配線層に亘って形成されていてもよい。
【００３６】
以下に、スイッチ回路１の動作について説明する。はじめに、第２の基板６２に設けられた給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂを構成する導線４１の一方の端子４２と他方の端子４３との間に、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの交流電力を印加する。これにより、第１の基板６１に設けられた受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂと、第２の基板６２に設けられた給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂとの間に磁界共鳴結合が形成され、受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂは、それぞれ、電力を発生させる。すなわち、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂから受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂへの電力伝送がワイヤレスで行われる。受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂによって発生した交流電力は、図示しないＡＣ−ＤＣ変換回路によって直流電力に変換され、対応する駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに供給される。
【００３７】
次に、第２の基板６２に設けられた送信器５０ｕａ〜５０ｗｂから、それぞれ、周波数が数百ＭＨｚから十数ＧＨｚの制御信号を発信させる。これにより、第１の基板６１に設けられた駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに設けられた受信器（図示せず）と第２の基板６２に設けられた送信器５０ｕａ〜５０ｗｂとの間に近接場電磁界結合が形成され、送信器５０ｕａ〜５０ｗｂから発信された制御信号が、駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂに供給される。すなわち、送信器５０ｕａ〜５０ｗｂから駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂへの信号伝送がワイヤレスで行われる。駆動回路３０ｕａ〜３０ｗｂは、受信した制御信号に応じて、対応するスイッチング素子１０ｕａ〜１０ｗｂのオンオフを制御する。
【００３８】
図６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームに対応する、給電側コイル４０ｕａ、４０ｖａ、４０ｗａと、受電側コイル２０ｕａ、２０ｖａ、２０ｗａとの間の電力伝送、及び送信器５０ｕａ、５０ｖａ、５０ｗａと駆動回路３０ｕａ、３０ｖａ、３０ｗａとの間の信号伝送の様子を示す断面図である。図６に示すように、給電側コイル４０ｕａ、４０ｖａ、４０ｗａにおいて生じる磁束が、対応する受電側コイル２０ｕａ、２０ｖａ、２０ｗａの内側を貫くことで、受電側コイル２０ｕａ、２０ｖａ、２０ｗａにおいて、電力が発生する。
【００３９】
ここで、図７Ａは、１つの給電側コイル４０と、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂとの間で電力伝送を行う場合に生じる磁束の向きを示す図である。この場合、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの内側を貫く磁束の向きは互いに同じ向きになる。給電側コイル４０に生じる磁束φ１１によって、受電側コイル２０Ｂが、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの隣接部分を跨いで発生させる磁束φ２１の向きは、反時計周りとなる。一方、給電側コイル４０に生じる磁束φ１１によって、受電側コイル２０Ａが、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの隣接部分を跨いで発生させる磁束φ２２の向きは、時計周りとなる。このように、隣接する２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの内側を貫く磁束の向きが互いに同じ向きになると、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの隣接部分を跨ぐ磁束φ２１及びφ２２の向きが互いに逆向きとなる。その結果、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂ同士で、磁界を打ち消し合うので、給電側コイル４０と受電側コイル２０Ａ、２０Ｂとの間の電力伝送における伝送効率が低下する。
【００４０】
一方、図７Ｂは、互いに逆向きの磁束φ１１、φ１２を発生させる２つの給電側コイル４０Ａ、４０Ｂと、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂとの間で電力伝送を行う場合に生じる磁束の向きを示す図である。この場合、給電側コイル４０Ａに生じる磁束φ１１によって、受電側コイル２０Ａが、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの隣接部分を跨いで発生させる磁束φ２１の向きは、反時計周りとなる。一方、給電側コイル４０Ｂに生じる磁束φ１２によって、受電側コイル２０Ｂが、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの隣接部分を跨いで発生させる磁束φ２２の向きも反時計周りとなる。このように、隣接する２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂを貫く磁束の向きが互いに逆向きになると、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂの隣接部分を跨ぐ磁束φ２１及びφ２２の向きが互いに同じ向きとなる。その結果、２つの受電側コイル２０Ａ、２０Ｂ同士で、磁界を強め合うので、図７Ａに示す場合と比較して、電力伝送効率が向上する。
【００４１】
本実施形態に係るスイッチ回路１において、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、隣接する他の給電側コイルとの間で、導線４１の旋回方向が逆方向とされている。これにより、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂに生じる磁束の向きは、図４に示すように、互いに隣接するコイル間で逆向きとなる。従って、受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂの内側を貫く磁束の向きも、図７Ｂに示す場合と同様、隣接するコイル間で逆向きとなる。このように、受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂの内側を貫く磁束の向きを隣接するコイル間で逆向きとすることで、電力伝送効率を高めることができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態に係るスイッチ回路１によれば、パワーモジュール２を搭載した第１の基板６１と、制御部３を搭載し、制御基板として機能する第２の基板６２との間での電力伝送及び信号伝送をワイヤレスで行うことができる。これにより、制御基板として機能する第２の基板６２において、コネクタ、電源絶縁用トランス、フォトカプラ等の搭載が不要となり、第２の基板６２の大きさを、従来のＰＣＵの制御基板よりも小さくすることができる。また、第２の基板６２において高電圧部品を排除することができるので、第２の基板６２に搭載される部品において絶縁距離を確保する等の制約がなくなり、第２の基板６２の設計が容易となる。また、第１の基板６１と第２の基板６２との間を接続する配線が不要となり、振動による結線不良の発生リスクを低減することができる。
【００４３】
また、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、連続する一本の導線４１によって形成されている。これにより、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂへの電力の印加を、単一の電源を用いて、一括で行うことができ、電源の構成を簡略化することができる。また、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、隣接する他の給電側コイルとの間で、導線４１の旋回方向が逆方向とされている。これにより、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂと受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂとの間の電力伝送における伝送効率を高めることができる。
【００４４】
なお、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、互いに分離して設けられ、互いに電気的に絶縁されていてもよい。この場合、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂへの電力供給を、各給電側コイルに対応する複数の電源を用いて行ってもよい。また、電力伝送効率が問題とならない場合には、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂの旋回方向は、互いに同じ方向であってもよい。
【００４５】
［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態に係る給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂの構成を模式的に示す図であり、図９は、第２の実施形態に係る給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂのパターンの一例を示す斜視図である。
【００４６】
第２の実施形態に係る給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、第２の基板６２として用いられるプリント基板の２つの配線層に亘って形成されている。すなわち、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂは、それぞれ、プリント基板の第１の配線層に形成された導線を渦巻き状に旋回させて形成された第１の巻線部分ｐ１と、プリント基板の第２の配線層に形成された導線を渦巻き状に旋回させて形成された第２の巻線部分ｐ２とを有する。第１の巻線部分ｐ１と、第２の巻線部分ｐ２とは、配線層間の接続に用いられるビア４５によって接続されている。
【００４７】
このように、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂを、プリント基板の複数の配線層に亘って形成することで、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂにおいて、所望のターン数を確保することができ、受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂに伝送する電力の大きさを大きくすることができる。なお、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂを、プリント基板の３つ以上の配線層に亘って形成してもよい。
【００４８】
［第３の実施形態］
図１０Ａは、本発明の第３の実施形態に係る第１の基板６１の部分的な構成を示す平面図であり、各相及び各アーム毎に区画された領域の１つが示されている。図１０Ｂは、図１０Ａにおける１０Ｂ−１０Ｂ線に沿った断面図である。図１０Ａ及び図１０Ｂには、一例として、第１の基板６１の、Ｕ相の上アームに対応する領域が示されている。第１の基板６１の他の領域も図１０Ａ及び図１０Ｂに示す構成と同様の構成を有する。
【００４９】
第３の実施形態に係る第１の基板６１は、ベースプレート１２０（図３Ｂ参照）を有しない点が、第１の実施形態に係る第１の基板６１とは異なる。第３の実施形態に係る第１の基板６１は、絶縁基板１０１の下面に設けられたＡｌ板１０３の厚さが、絶縁基板１０１の上面に設けられたＡｌ板１０２の厚さよりも厚いＤＢＡ基板１００Ａによって構成されている。絶縁基板１０１の上面には、ＤＢＡ基板１００のＡｌ板１０２をパターニングすることにより形成された受電側コイル２０ｕａ及びチップ搭載部１１０が設けられている。チップ搭載部１１０には、スイッチング素子１０ｕａを構成する３つのＩＧＢＴ１１及び３つのダイオード１２が、はんだ１３１を介して接合されている。駆動回路３０ｕａは、絶縁基板１０１上において、チップ搭載部１１０の近傍に設けられている。受電側コイル２０ｕａは、３つのＩＧＢＴ１１、３つのダイオード１２及び駆動回路３０ｕａを囲むようにパターニングされている。絶縁基板１０１の下面に設けられたＡｌ板１０３には、Ａｌ板１０３を厚さ方向において貫通する複数の貫通孔１４０が設けられているすなわち、Ａｌ板１０３は、パンチングメタル層として構成されている。図１０Ｃは、Ａｌ板１０３の平面図である。図１０Ｃに示すように、複数の貫通孔１４０が、Ａｌ板１０３の全域に亘って設けられている。Ａｌ板１０３の下面には、冷却器６０が接合されている。
【００５０】
第３の実施形態に係る第１の基板６１の構成によれば、ベースプレートが排除されたことにより、第１の基板６１の放熱性能を高めることができる。一方、ＤＢＡ基板１００Ａの下面に設けられたＡｌ板１０３を厚くした場合には、渦電流の発生により、給電側コイル４０ｕａ〜４０ｗｂと受電側コイル２０ｕａ〜２０ｗｂとの間の電力伝送において、伝送効率が低下することが懸念される。しかしながら、Ａｌ板１０３に複数の貫通孔１４０を形成することで、渦電流の経路が遮断され、渦電流の発生を抑制することができる。さらに、Ａｌ板１０３に複数の貫通孔１４０を形成することで、応力緩和効果も期待でき、パワーモジュール２の信頼性の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  スイッチ回路
２  パワーモジュール
３  制御部
１０ｕａ〜１０ｗｂ  スイッチング素子
１１  ＩＧＢＴ
１２  ダイオード
２０ｕａ〜２０ｗｂ  受電側コイル
３０ｕａ〜３０ｗｂ  駆動回路
４０ｕａ〜４０ｗｂ  給電側コイル
４１  銅線
５０ｕａ〜５０ｗｂ  送信器
６１  第１の基板
６２  第２の基板
１００、１００Ａ  ＤＢＡ基板
１０２、１０３  Ａｌ板
１４０  貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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