(57)【要約】【課題】  電流線との絶縁が必要な非接触型の電流センサを効率的に配置可能な電力変換器を提供することである。【解決手段】  導体５１，５２は、スイッチンググ素子ＱＵ，ＱＤによってスイッチングされた電流が出力される出力導体５０を構成する。絶縁性物質で形成された回路基板９０は、出力導体５０を固定部材として配置される。回路基板９０上には、回路素子とともに、出力導体５０の通過電流を非接触で測定する電流センサ２５ａが配置される。電流センサ２５ａは、専用の絶縁用部材を設けることなく、回路基板９０を介して出力導体５０から絶縁される。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が流れる導体と、
絶縁性物質で形成された、回路素子を搭載するための回路基板と、
前記導体の通過電流を非接触で計測する電流センサとを備え、
前記電流センサは、前記回路基板を介して前記導体と絶縁されるように配置される、電力変換器。
【請求項２】
前記電流センサは磁束検出型センサである、請求項１記載の電力変換器。
【請求項３】
前記電流センサは、ホール素子で構成される、請求項２記載の電力変換器。
【請求項４】
電力用半導体素子をさらに備え、
前記導体は、前記電力用半導体素子と電気的に接続されて、前記電力用半導体素子の上面に配置され、
前記回路基板は、前記導体を固定部材として配置される、請求項１記載の電力変換器。
【請求項５】
前記電流センサは、前記回路基板上に予め形成された所定のパターン配線に従って取り付けられる、請求項４記載の電力変換器。
【請求項６】
前記導体は、前記電流が通過する第１の部分と、前記電流が通過しないが前記導体の固定に用いられる第２の部分とを有する、請求項４記載の電力変換器。
【請求項７】
前記導体の前記回路基板と接する部分は、平板形状を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換器に関し、より特定的には、非接触型の電流センサを備えた電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
内蔵される電流センサを効率的に配置するために、測定対象となる電流が流れる動力線と同一基板上に電流センサ（電流検出器）を配置した、サーボモータの駆動用制御装置が開示されている（たとえば特許文献１）。
【特許文献１】特開平５−１４６１５１号公報
【特許文献２】特開平９−４７０３４号公報
【特許文献３】特開平９−２１５３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に開示された構成では、電流検出器はプリント基板の実装面に固定されることにより小型化されるが、電力線からの絶縁を確保するための構造が明確化されていない。したがって、特許文献１に開示された構成では、絶縁の必要がない小電流測定用の電流検出器を効率的に配置することは可能であるが、測定電流が大きい場合には、専用の絶縁用部材をさらに設ける必要が生じてしまい、効率的な配置とすることができない。
【０００４】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、電流線との絶縁が必要な非接触型の電流センサを効率的に配置可能な電力変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に従う電力変換器は、導体と、回路基板と、電流センサとを備える。導体には、電流が流れる。回路基板は、絶縁性物質で形成されて回路素子を搭載する。電流センサは、導体の通過電流を非接触で計測する。電流センサは、回路基板を介して導体と絶縁されるように配置される。
【０００６】
好ましくは、電流センサは磁束検出型センサである。
【０００７】
さらに好ましくは、電流センサは、ホール素子で構成される。
【０００８】
また好ましくは、電力変換器は、電力用半導体素子をさらに備え、導体は、電力用半導体素子と電気的に接続されて、電力用半導体素子の上面に配置され、回路基板は、導体を固定部材として配置される。
【０００９】
さらに好ましくは、電流センサは、回路基板上に予め形成された所定のパターン配線に従って取り付けられる。
【００１０】
あるいは、さらに好ましくは、導体は、電流が通過する第１の部分と、電流が通過しないが導体の固定に用いられる第２の部分とを有する。
【００１１】
また好ましくは、導体の回路基板と接する部分は、平板形状を有する。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、この発明によれば、専用の絶縁用部材を新たに設けることなく回路基板によって、電流センサを測定対象の電流が流れる導体から絶縁できるので、電力変換器の小型化を図ることができる。
【００１３】
また、導体を固定部材として回路基板を配置することにより、回路基板の固定専用部材が省略可能となり、電力変換器がさらに小型化できる。
【００１４】
さらに、電流センサを回路基板上に予め形成されたパターン配線に従って取り付けることにより、電流センサの取付け作業が容易となり、かつ、電流センサの出力を他の回路へ容易に伝達できる。
【００１５】
また、回路基板を固定する導体に、電流が実際には通過せず導体の固定に用いられる部分が設けることで、安定的に固定可能な回路基板の面積を広くできる。
【００１６】
また、導体の回路基板と接する部分を平板形状とすることで、回路基板の固定を安定化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１８】
図１は、この発明による電力変換器の構成を示す図である。
【００１９】
図１を参照して、この発明による電力変換器１０は、制御装置１５からの指示に従って、バッテリ１１から供給される直流電力を交流電圧に変換して、負荷である交流モータ２０を駆動制御する。図１の例では、交流モータ２０は、三相モータである。
【００２０】
バッテリ１１は、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池で構成される。バッテリ１１の正側は電源ライン３０と接続され、負側はアースライン３１と接続されて接地される。
【００２１】
電力変換器１０は、平滑コンデンサ３３と、３相インバータを構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、電流検出部２５と、スイッチング制御回路３５と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ対応して設けられるゲート駆動回路４１〜４６とを含む。
【００２２】
スイッチング素子Ｑ１は電源ライン３０および出力導体５０Ｕの間に接続され、スイッチング素子Ｑ２は出力導体５０Ｕおよびアースライン３１の間に接続される。直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、Ｕ相アームを構成する。
【００２３】
スイッチング素子Ｑ３は電源ライン３０および出力導体５０Ｖの間に接続され、スイッチング素子Ｑ４は出力導体５０Ｖおよびアースライン３１の間に接続される。直列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４は、Ｖ相アームを構成する。
【００２４】
スイッチング素子Ｑ５は電源ライン３０および出力導体５０Ｗの間に接続され、スイッチング素子Ｑ６は出力導体５０Ｗおよびアースライン３１の間に接続される。直列接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、Ｗ相アームを構成する。
【００２５】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に代表されるパワー半導体素子が適用される。
【００２６】
さらに、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すためのダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。
【００２７】
なお、以下においては、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のうち、電源ライン３０と接続されるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５を上側アーム素子ＱＵとも総称し、アースライン３１と接続されるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６を下側アーム素子ＱＤとも総称する。
【００２８】
電流検出部２５は、出力導体５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの通過電流、すなわち相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する。詳細は後程説明するが、電流検出部２５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して設けられた電流センサを有する。この実施の形態では、出力導体５０（出力導体５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗを総称したものとする）の通過電流が比較的大きく、電流センサを出力導体５０から絶縁する必要があるものとする。すなわち、当該電流センサは、非接触で電流を測定するタイプのものである。
【００２９】
出力導体５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗは、外部引出し線６０によって、交流モータ２０の各相コイル（図示せず）と電気的に接続される。
【００３０】
制御装置１５は、電力変換器１０の外からのトルク指令値Ｔｒｅｆおよび電流検出部２５によって検出された相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ等に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン・オフタイミングを指示する制御信号を生成する。
【００３１】
スイッチング制御回路３５は、制御装置１５からの制御信号に応じて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン・オフさせるためのゲート信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。ゲート駆動回路４１〜４６は、スイッチング制御回路３５からのゲート信号Ｓ１〜Ｓ６にそれぞれ応答して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートを駆動する。
【００３２】
これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御によって生成された交流電圧が交流モータ２０へ印加され、交流モータ２０は、トルク指令値Ｔｒｅｆによって指定されたトルクを発生するように駆動される。
【００３３】
次に、電流検出回路を構成する電流センサの配置について詳細に説明する。
【００３４】
図２は、図１におけるインバータ部分の平面レイアウトを説明する図である。
【００３５】
図２を参照して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がケース（図示せず）上に配置される。上側アーム素子であるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のコレクタ電極（図示せず）は、電源ライン３０と接続され、エミッタ電極（図示せず）は、導電性の結合部８１を介して導体５２と接続される。
【００３６】
下側アーム素子であるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のエミッタ電極（図示せず）は、導電性の結合部８２を介してアースライン３１と接続され、コレクタ電極（図示せず）は、導体５１と接続される。結合部８１，８２は、ワイヤボンディングや金属電極等で構成され、導体５１および５２は、代表的には金属電極で構成される。
【００３７】
導体５１および５２は、高さ方向に電気的に接続され、図１に示した出力導体５０を構成する。導体５２は、ネジ等の固定部材１０１〜１０６によって、ケースに固定される。
【００３８】
さらに、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の配置領域を平面的に覆う様に、平板状の制御回路基板９０が配置される。制御回路基板９０は、絶縁性物質で作製される。制御回路基板９０上には、所定のパターン配線が予め形成されており、図１に示したスイッチング制御回路３５やゲート駆動回路４１〜４６を構成する回路素子が当該パターン配線に従って配置される。制御回路基板９０は、ネジ等の固定部材１１０〜１１３によって、導体５２に固定される。
【００３９】
制御回路基板９０上には、所定のパターン配線に従って、電流検出部を構成する非接触型の電流センサ２５ａが各相に対応して設けられる。電流センサ２５ａとしては、磁束検出型センサ、代表的にはホール素子が適用される。なお、三相電流の瞬時値の和について、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０が成立するので、電流センサ２５ａをＵ相，Ｖ相，Ｗ相のうちの２相のみに対応して設け、残りの１相は演算によって算出する構成とすることも可能である。
【００４０】
次に図３を用いて、電流センサの配置構造をより詳細に説明する。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図であり、１相分の構造を代表的に示しているが、各相において同様の構造が備えられる。
【００４１】
図３を参照して、電力変換器１０は、ケース７０およびカバー８０によって格納される。ケース７０は、伝熱性の高いアルミ等で構成される。ケース７０には、水等の冷却媒体が通過する冷却路７０♯が形成されている。
【００４２】
ケース７０およカバー８０の側面には、導体５１および５２で構成される出力導体５０
を流れる電流ｉを取出すための外部引出し線６０が設けられる。外部引出し線６０は、絶縁ブッシュ７１によって、ケース７０およびカバー８０から絶縁される。
【００４３】
ケース７０の上面には高熱伝導性の絶縁樹脂層７４が設けられ、絶縁樹脂層７４上に、導電性物質で形成される、電源ライン３０、アースライン３１および導体５１が形成される。
【００４４】
上側アーム素子ＱＵ（スイッチング素子Ｑ５）は、コレクタ電極（図示せず）が電源ライン３０と電気的に接続されるように、電源ライン３０の上に配置される。上側アーム素子ＱＵ（スイッチング素子Ｑ５）のエミッタ電極（図示せず）は、結合部８１を介して導体５１と電気的に接続される。
【００４５】
同様に、下側アーム素子ＱＤ（スイッチング素子Ｑ６）は、コレクタ電極（図示せず）が導体５１と電気的に接続されるように、導体５１の上に配置される。下側アーム素子ＱＤ（スイッチング素子Ｑ６）のエミッタ電極（図示せず）は、結合部８２を介してアースライン３１と電気的に接続される。
【００４６】
導体５２は、平面方向に形成された平板形状部分５２ａ，５２ｂと、高さ方向に形成された垂直部分５２ｃとを有する。垂直部分５２ｃによって、導体５１および５２が電気的に結合されて、一体的に出力導体５０を形成可能となる。
【００４７】
平板形状部分５２ａ，５２ｂは、その上面に制御回路基板９０を載せて、支持・固定するために平坦形状で形成される。平板形状部分５２ａ，５２ｂは、固定部材１０３，１０６によって、絶縁部材７２，７３を介して、ケース７０に固定される。絶縁部材７２，７３は、導体５２を支持し、かつ、出力導体５０およびケース７０間の絶縁を確保するために設けられる。固定部材１０６は、出力導体５０および外部引出し線６０の電気的な結合を確保する役割をも果たしている。
【００４８】
導体５２の平板形状部分５２ａ，５２ｂの上面には、両面に接着剤が塗布されたフィルム状の絶縁膜９１が設けられ、かつ、絶縁膜９１の上面に制御回路基板９０が固定される。
【００４９】
導体５２および外部引出し線６０の配置関係から、平板形状部分５２ａ，５２ｂのうち、外部引出し線６０側の平板形状部分５２ａには電流ｉが流れるが、反対側の平板形状部分５２ｂには電流は流れない。したがって、電流センサ２５ａは、平板形状部分５２ａの上面に位置するように配置される。
【００５０】
これにより、電流センサ専用の絶縁用部材を新たに設けることなく、電流センサ２５ａを測定対象の電流が流れる出力導体５０（厳密には導体５２）から絶縁できる。また、図２からも理解されるように、制御回路基板９０を導体５２に対して位置決めして固定するので、制御回路基板９０と平板形状部分５２ａとの間の平面的な位置関係を固定し易い。このため、制御回路基板９０上に予めプリントされたパターン配線に従って電流センサ２５ａを配置しても、電流センサ２５ａが平板形状部分５２ａの上面に正確に位置させることができる。この結果、電流センサ２５ａの取付け作業が容易となる。
【００５１】
さらに、出力導体５０を構成する導体５２について、実際に電流が流れない領域についても平板形状部分５２ｂを設けるので、安定的に固定可能な制御回路基板９０の面積を広くできる。
【００５２】
また、検出電流値を示す電流センサ２５ａからの出力信号についても、制御回路基板９０上のパターン配線を用いて、他の回路へ容易に伝達することができる。
【００５３】
なお、本発明の実施の形態においては、三相モータを負荷として、直流−交流変換を行なうインバータを電力変換器の代表例として示したが、本願発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。すなわち、本願発明は、負荷の種類および電力変換方式を限定することなく、非接触型の電流センサを備えた電力変換器に共通に適用可能である。
【００５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】この発明による電力変換器の構成を示す図である。
【図２】図１におけるインバータ部分の平面レイアウトを説明する図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  電力変換器、１１  バッテリ、１５  制御装置、２０  交流モータ、２５  電流検出部、２５ａ  電流センサ、３０  電源ライン、３１  アースライン、３３  平滑コンデンサ、３５  スイッチング制御回路、４１  ゲート駆動回路、５０，５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗ  出力導体、５１，５２  導体、５２ａ，５２ｂ  平板形状部分（導体）、５２ｃ  垂直部分（導体５２）、７０  ケース、７０♯  冷却路、７１  絶縁ブッシュ、７２，７３  絶縁部材、７４  絶縁樹脂層、８０  カバー、８１，８２  結合部、９０  制御回路基板、９１  絶縁膜、１０１〜１０６，１１０〜１１３  固定部材、Ｑ１〜Ｑ６  スイッチング素子、ＱＤ  下側アーム素子、ＱＵ  上側アーム素子、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ  相電流。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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