(57)【要約】【課題】装置の小型化と配線の簡易化とを実現し得るインバータ回路を得る。【解決手段】モータの外周に沿って、リング状のバスバー１０，１１（１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ），１２が配設されている。バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ上には、それぞれ複数のＩＧＢＴ２ａ，２ｂ，２ｃが実装されている。ＩＧＢＴ２ａ，２ｂ，２ｃは、ボンディングワイヤ２８を介してバスバー１０に接続されている。バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗは、それぞれ接続電極２９ｕ，２９ｖ，２９ｗを介して、電磁コイル１５に接続されている。バスバー１２上には、ＩＧＢＴ２ａに対応してＩＧＢＴ１ａが、ＩＧＢＴ２ｂに対応してＩＧＢＴ１ｂが、ＩＧＢＴ２ｃに対応してＩＧＢＴ１ｃが、それぞれ実装されている。ＩＧＢＴ１ａ，１ｂ，１ｃは、ボンディングワイヤ２６を介して、それぞれバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに接続されている。【選択図】図２
2007089357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電磁コイルを有するモータと、
電源電圧と基準電圧との間に第１パワー素子と第２パワー素子とがこの順に直列に接続された直列接続体を複数組備え、前記第１パワー素子と前記第２パワー素子との接続点に前記電磁コイルが接続されたインバータ回路と、
前記モータの外周に沿って同心円状に配設された第１環状導体及び第２環状導体と
を備え、
複数の前記第１パワー素子は前記第１環状導体上に実装されており、
複数の前記第２パワー素子は前記第２環状導体上に実装されている、パワーモジュール。
【請求項２】
前記第１環状導体及び前記第２環状導体と同心円状に配設された第３環状導体をさらに備え、
前記第１環状導体には前記電源電圧が印加され、
前記第３環状導体には前記基準電圧が印加され、
前記第１パワー素子の電流流入電極は前記第１環状導体に接続されており、
前記第１パワー素子の電流流出電極は前記第２環状導体に接続されており、
前記第２パワー素子の電流流入電極は前記第２環状導体に接続されており、
前記第２パワー素子の電流流出電極は前記第３環状導体に接続されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第１パワー素子及び前記第２パワー素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタである、請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記電磁コイルは、分布巻きのステータ電磁コイルである、請求項１〜３のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記電磁コイルは、集中巻きのステータ電磁コイルである、請求項１〜３のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールに関し、特に、電機モータと、当該電機モータを駆動するためのインバータ回路とを備えるパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境意識の高まりから、ガソリンエンジンと電機モータとの双方を動力源として用いるハイブリッド自動車（ＨＥＶ）が注目されている。ＨＥＶにおいては、複数のパワースイッチング素子を備えるインバータ回路によって直流電源をスイッチングすることにより、電機モータが交流駆動されている。
【０００３】
図１は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電機モータ４を駆動するためのＰＷＭ制御インバータ回路の構成を示す回路図である。図１には、パワースイッチング素子としてＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが用いられた例が示されている。
【０００４】
なお、リング状のバスバーを備える車両用ブラシレスモータに関する技術が、例えば下記特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１３４７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１に示した従来のインバータ回路によると、インバータ回路と電機モータ４とが別体のユニットとして個別に構成されているため、全体として装置が大型化するという問題がある。
【０００７】
また、インバータ回路のノード６ｕ，６ｖ，６ｗと電機モータ４の各相の電極５ｕ，５ｖ，５ｗとが、大電流用の配線ケーブルによって互いに接続されているため、配線が煩雑であるとともに、大きな配線スペースが必要になるという問題もある。
【０００８】
さらに、ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃからの発熱を放熱するための放熱構造を、各ＩＧＢＴごとに個別に配設する必要があり、しかも、ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃ用の放熱構造と電機モータ４用の放熱構造とを個別に配設する必要もあるため、装置が大型化するという問題もある。
【０００９】
本発明はかかる問題を解決するために成されたものであり、装置の小型化と配線の簡易化とを実現し得るインバータ回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明に係るパワーモジュールは、複数の電磁コイルを有するモータと、電源電圧と基準電圧との間に第１パワー素子と第２パワー素子とがこの順に直列に接続された直列接続体を複数組備え、第１パワー素子と第２パワー素子との接続点に電磁コイルが接続されたインバータ回路と、モータの外周に沿って同心円状に配設された第１環状導体及び第２環状導体とを備え、複数の第１パワー素子は第１環状導体上に実装されており、複数の第２パワー素子は第２環状導体上に実装されていることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて特に、第１環状導体及び第２環状導体と同心円状に配設された第３環状導体をさらに備え、第１環状導体には電源電圧が印加され、第３環状導体には基準電圧が印加され、第１パワー素子の電流流入電極は第１環状導体に接続されており、第１パワー素子の電流流出電極は第２環状導体に接続されており、第２パワー素子の電流流入電極は第２環状導体に接続されており、第２パワー素子の電流流出電極は第３環状導体に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明に係るパワーモジュールは、第１又は第２の発明に係るパワーモジュールにおいて特に、第１パワー素子及び第２パワー素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタであることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明に係るパワーモジュールは、第１〜第３のいずれか一つに係るパワーモジュールにおいて特に、電磁コイルは、分布巻きのステータ電磁コイルであることを特徴とする。
【００１４】
第５の発明に係るパワーモジュールは、第１〜第３のいずれか一つに係るパワーモジュールにおいて特に、電磁コイルは、集中巻きのステータ電磁コイルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１〜第５の発明に係るパワーモジュールによれば、モータの外周に沿って同心円状に配設された第１環状導体及び第２環状導体を備え、複数の第１パワー素子は第１環状導体上に実装されており、複数の第２パワー素子は第２環状導体上に実装されている。従って、モータ及びインバータ回路が構造的に一体化され、しかも、複数の第１パワー素子及び複数の第２パワー素子が第１環状導体及び第２環状導体をそれぞれ介して一体化されることにより、放熱構造を簡素化できるため、全体として装置の小型化を図ることができる。
【００１６】
また、第１環状導体上に複数の第１パワー素子が実装されており、第２環状導体上に複数の第２パワー素子が実装されているため、消費電力を分散することができる。
【００１７】
さらに、インバータ回路とモータとを接続するための大電流量の配線ケーブルが不要となるため、配線の簡素化を図ることもできる。
【００１８】
特に第３の発明に係るパワーモジュールによれば、高温で動作可能なワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタによって、第１パワー素子及び第２パワー素子が構成されている。従って、モータと同様に高温環境で動作可能なインバータ回路を実現することができる。
【００１９】
特に第４の発明に係るパワーモジュールによれば、分布巻きのステータ電磁コイルに適用することにより、複数の第１パワー素子及び複数の第２パワー素子をそれぞれ並列に動作させることができる。従って、各パワー素子の電流容量が小さい場合であっても、並列動作によって大電流を扱うことが可能となる。
【００２０】
特に第５の発明に係るパワーモジュールによれば、集中巻きのステータ電磁コイルに適用することにより、各相の電磁コイルに対応させて、第１パワー素子及び第２パワー素子を個別に配設することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、異なる図面において同一又は相応する符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。
【００２２】
本実施の形態に係るインバータ回路の回路構成は、図１に示した構成と同様である。但し、本実施の形態に係るインバータ回路は、後述するように、インバータ回路と電機モータ４とが構造的に一体化されている点で、インバータ回路と電機モータ４とが別体のユニットとして個別に構成されている従来のインバータ回路とは相違する。
【００２３】
図１を参照して、ＩＧＢＴ１ａ，２ａは、正の直流電源電圧ＶＨと、基準電圧ＶＬ（例えば０Ｖ）との間で、ノード６ｕを介して直列に接続されている。具体的に、ＩＧＢＴ１ａのコレクタ電極（電流流入電極）は電源電圧ＶＨに接続され、エミッタ電極（電流流出電極）はノード６ｕに接続されている。また、ＩＧＢＴ２ａのコレクタ電極はノード６ｕに接続され、エミッタ電極は基準電圧ＶＬに接続されている。同様に、ＩＧＢＴ１ｂ，２ｂは、電源電圧ＶＨと基準電圧ＶＬとの間でノード６ｖを介して直列に接続されており、ＩＧＢＴ１ｃ，２ｃは、電源電圧ＶＨと基準電圧ＶＬとの間でノード６ｗを介して直列に接続されている。
【００２４】
ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各々には、フリーホイールダイオード３が逆並列に接続されている。例えばＩＧＢＴ１ａに関し、フリーホイールダイオード３のアノード電極はＩＧＢＴ１ａのエミッタ電極に接続され、カソード電極はＩＧＢＴ１ａのコレクタ電極に接続されている。
【００２５】
ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極（制御電極）は、制御回路７に接続されている。制御回路７は、ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極に電圧パルスを印加することにより、ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃをそれぞれ駆動する。
【００２６】
ノード６ｕ，６ｖ，６ｗは、電機モータ４の各相の電極５ｕ，５ｖ，５ｗにそれぞれ接続されている。制御回路７によってＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ及びＩＧＢＴ２ａ〜２ｃのいずれを駆動するかによって、電機モータ４が備える電磁コイルに流れる電流の向きを制御することができる。また、制御回路７からＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極に印加される電圧パルスのパルス幅によって、電磁コイルに流れる電流の大きさを制御することができる。
【００２７】
なお、図１には、パワースイッチング素子としてＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが用いられた例が示されているが、ＩＧＢＴの代わりにパワーＭＯＳＦＥＴ等の他のパワースイッチング素子を用いてもよい。あるいは、ＳｉＣ，ＧａＮ，Ｃ等のワイドバンドギャップ半導体を用いた、高温動作可能なトランジスタを使用してもよい。ワイドバンドギャップデバイスを用いた場合には、電機モータ４と同様に高温環境で動作可能なインバータ回路を実現することができる。
【００２８】
図２は、本実施の形態に係るインバータ回路の構造を、電機モータ４が備える複数の電磁コイル１５とともに模式的に示す平面図である。また、図５は、本実施の形態に係るインバータ回路の全体構造を模式的に示す斜視図である。図２には、本発明が分布巻きのステータ電磁コイルに適用された例が示されている。電磁コイル１５は、電機モータ４が備える回転機構の外輪上に配設されている。
【００２９】
モータの外周に沿って、リング状のバスバー１０が配設されている。バスバー１０には、大電流用の配線ケーブルを介して基準電圧ＶＬが印加されている。
【００３０】
バスバー１０の外側には、バスバー１０と同心円状に、リング状のバスバー１１（図２における符号１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ）が配設されている。バスバー１１は、電機モータ４のＵ相に対応するバスバー１１ｕと、Ｖ相に対応するバスバー１１ｖと、Ｗ相に対応するバスバー１１ｗとに分割されている。バスバー１１ｕ上には、複数のＩＧＢＴ２ａが実装されている。ＩＧＢＴ２ａは、ボンディングワイヤ２８を介してバスバー１０に接続されている。同様に、バスバー１１ｖ，１１ｗ上には、複数のＩＧＢＴ２ｂ，２ｃがそれぞれ実装されており、ＩＧＢＴ２ｂ，２ｃは、ボンディングワイヤ２８を介してバスバー１０に接続されている。また、バスバー１１ｕは、接続電極２９ｕを介して電磁コイル１５に接続されている。同様に、バスバー１１ｖ，１１ｗは、それぞれ接続電極２９ｖ，２９ｗを介して、電磁コイル１５に接続されている。
【００３１】
バスバー１１の外側には、バスバー１０，１１と同心円状に、リング状のバスバー１２が配設されている。バスバー１２には、大電流用の配線ケーブルを介して電源電圧ＶＨが印加されている。バスバー１２上には、ＩＧＢＴ２ａに対応してＩＧＢＴ１ａが、ＩＧＢＴ２ｂに対応してＩＧＢＴ１ｂが、ＩＧＢＴ２ｃに対応してＩＧＢＴ１ｃが、それぞれ実装されている。ＩＧＢＴ１ａ，１ｂ，１ｃは、ボンディングワイヤ２６を介して、それぞれバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに接続されている。
【００３２】
バスバー１０〜１２の材質は例えば銅であり、バスバー１０〜１２はいずれも導電性を有している。
【００３３】
図２に示した例によると、電機モータ４のＵ相に対応して４組のＩＧＢＴ１ａ，２ａが配設されており、これら４組のＩＧＢＴ１ａ，２ａが並列に動作することにより、Ｕ相の電磁コイル１５に流れる電流が制御される。同様に、４組のＩＧＢＴ１ｂ，２ｂが並列に動作することにより、Ｖ相の電磁コイル１５に流れる電流が制御され、４組のＩＧＢＴ１ｃ，２ｃが並列に動作することにより、Ｗ相の電磁コイル１５に流れる電流が制御される。従って、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの電流容量が小さい場合であっても、並列動作によって大電流を扱うことが可能となる。
【００３４】
図５を参照して、コネクタ５０は、図１に示した制御回路７からＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極に印加される制御信号を入力するためのコネクタである。端子５１は電源電圧ＶＨが入力される端子であり、端子５２は基準電圧ＶＬが入力される端子である。バスバー１０〜１２は、絶縁樹脂製の封止保護体４７によって封止されている。
【００３５】
図３は、図２に対応させて、本実施の形態に係るインバータ回路の他の構造を模式的に示す平面図である。図３には、本発明が集中巻きのステータ電磁コイルに適用された例が示されている。
【００３６】
図２と同様に、電磁コイル１５は、電機モータ４が備える回転機構の外輪上に配設されている。また、モータの外周に沿ってリング状のバスバー１０が配設されており、バスバー１０には基準電圧ＶＬが印加されている。
【００３７】
バスバー１０の外側には、バスバー１０と同心円状に、リング状のバスバー１１（図３における符号１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ）が配設されている。バスバー１１は、電機モータ４のＵ相に対応する複数のバスバー１１ｕと、Ｖ相に対応する複数のバスバー１１ｖと、Ｗ相に対応する複数のバスバー１１ｗとに分割されている。
【００３８】
各バスバー１１ｕ上には１個のＩＧＢＴ２ａが実装されており、ＩＧＢＴ２ａはボンディングワイヤ２８を介してバスバー１０に接続されている。同様に、各バスバー１１ｖ，１１ｗ上には１個のＩＧＢＴ２ｂ，２ｃがそれぞれ実装されており、ＩＧＢＴ２ｂ，２ｃはボンディングワイヤ２８を介してバスバー１０に接続されている。また、各バスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗは、それぞれ接続電極２９ｕ，２９ｖ，２９ｗを介して、電磁コイル１５に接続されている。
【００３９】
図２と同様に、バスバー１１の外側にはリング状のバスバー１２が配設されており、バスバー１２には電源電圧ＶＨが印加されている。また、バスバー１２上には、ＩＧＢＴ２ａに対応してＩＧＢＴ１ａが、ＩＧＢＴ２ｂに対応してＩＧＢＴ１ｂが、ＩＧＢＴ２ｃに対応してＩＧＢＴ１ｃが、それぞれ実装されている。ＩＧＢＴ１ａ，１ｂ，１ｃは、ボンディングワイヤ２６を介して、それぞれバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに接続されている。
【００４０】
図３に示した例によると、本発明を集中巻きのステータ電磁コイルに適用することにより、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の電磁コイル１５の各々に対応させて、ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃとＩＧＢＴ２ａ〜２ｃとの直列接続体を個別に配設することができる。
【００４１】
図４は、本実施の形態に係るバスバー１０〜１２の構造を示す断面図である。基板２０の上面上に、バスバー１０〜１２が形成されている。バスバー１１の上面上にＩＧＢＴ２（図１〜３に示したＩＧＢＴ２ａ〜２ｃに相当する）が実装されており、バスバー１２の上面上にＩＧＢＴ１（図１〜３に示したＩＧＢＴ１ａ〜１ｃに相当する）が実装されている。
【００４２】
具体的に、ＩＧＢＴ２の上面にはゲート電極２Ｇ及びエミッタ電極２Ｅが形成されており、底面にはコレクタ電極２Ｃが形成されている。そして、コレクタ電極２Ｃがバスバー１１の上面上にボンディングされている。同様に、ＩＧＢＴ１の上面にはゲート電極１Ｇ及びエミッタ電極１Ｅが形成されており、底面にはコレクタ電極１Ｃが形成されている。そして、コレクタ電極１Ｃがバスバー１２の上面上にボンディングされている。
【００４３】
エミッタ電極２Ｅは、ボンディングワイヤ２８を介してバスバー１０の上面に接続されており、エミッタ電極１Ｅは、ボンディングワイヤ２６を介してバスバー１１の上面に接続されている。
【００４４】
基板２０の上面上には、バスバー１０〜１２及びＩＧＢＴ１，２を覆って、基板２１が形成されている。基板２１の上面上には、電極２３，２４が形成されている。電極２３，２４は、図１に示した制御回路７に接続されている。また、電極２４にはボンディングワイヤ２７が接続されており、ボンディングワイヤ２７は、基板２１に形成された貫通孔を介して、ゲート電極２Ｇに接続されている。同様に、電極２３にはボンディングワイヤ２５が接続されており、ボンディングワイヤ２５は、基板２１に形成された貫通孔を介して、ゲート電極１Ｇに接続されている。
【００４５】
また、基板２１の上面上には接続電極２９（図２，３に示した接続電極２９ｕ〜２９ｗに相当する）が形成されており、接続電極２９の一端は、基板２１に形成された貫通孔を介して、バスバー１１の上面に接続されている。接続電極２９の他端は、溶接等によって電機モータ４の電磁コイル１５に接続される。
【００４６】
なお、基板２１の上面上には、電機モータ４を駆動するための駆動回路の一部を実装することも可能である。
【００４７】
基板２１の上面上には、電極２３，２４及び接続電極２９を覆って、基板２２が形成されている。
【００４８】
基板２０〜２２は、絶縁性でしかも熱伝導率の高い材質、例えばセラミック等を用いて形成されている。基板２０〜２２によって規定される内部空間は、樹脂等の絶縁材３０によって封止されている。
【００４９】
本実施の形態に係るパワーモジュールによれば、図２，３に示したように、電機モータ４の外周に沿ってリング状のバスバー１１，１２が同心円状に配設されており、複数のＩＧＢＴ１ａ〜１ｃはバスバー１２上に、複数のＩＧＢＴ２ａ〜２ｃはバスバー１１上に、それぞれ実装されている。従って、電機モータ４及びインバータ回路が構造的に一体化され、しかも、複数のＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ及び複数のＩＧＢＴ２ａ〜２ｃがバスバー１２，１１をそれぞれ介して一体化されることにより、放熱構造を簡素化できるため、全体として装置の小型化を図ることができる。加えて、複数のＩＧＢＴ１ａ〜１ｃがバスバー１２上に実装され、複数のＩＧＢＴ２ａ〜２ｃがバスバー１１上に実装されているため、各ＩＧＢＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃからの発熱を分散させることができ、放熱効果を高めることもできる。
【００５０】
また、バスバー１２上に複数のＩＧＢＴ１ａ〜１ｃが実装されており、バスバー１１上に複数のＩＧＢＴ２ａ〜２ｃが実装されているため、消費電力を分散することができる。
【００５１】
さらに、図４に示したように、バスバー１１と電磁コイル１５とは接続電極２９によって互いに接続されるため、インバータ回路と電機モータ４とを接続するための大電流量の配線ケーブルが不要となる。そのため、配線の簡素化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】三相の電機モータを駆動するためのＰＷＭ制御インバータ回路の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るインバータ回路の構造を、電機モータが備える複数の電磁コイルとともに模式的に示す平面図である。
【図３】図２に対応させて、本発明の実施の形態に係るインバータ回路の他の構造を模式的に示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るバスバーの構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るインバータ回路の全体構造を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃ  ＩＧＢＴ
４  電機モータ
６ｕ〜６ｗ  ノード
１０，１１ｕ〜１１ｗ，１２  バスバー
１５  電磁コイル
【図１】
2007089357.tif 000003
【図２】
2007089357.tif 000004
【図３】
2007089357.tif 000005
【図４】
2007089357.tif 000006
【図５】
2007089357.tif 000007