JP2008220060A - 電力変換装置及び電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】車載用など振動や温度変化の厳しい環境での使用に対応できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電源から交流電力負荷を駆動する電力変換装置の直流電源と交流電力負荷との間にパワーモジュール１を接続し、このパワーモジュール１を駆動する第1の半導体素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆを搭載したパワーモジュール駆動基板１２に、パワーモジュール１の電流を検出する電流センサの回路を構成する第２の半導体素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃを搭載した。
【選択図】図２

Description

この発明は、直流電源から交流電力負荷を駆動する電力変換装置及び電流センサに関するものである。

近時、内燃機関、電動機、およびバッテリなどの蓄電装置などを搭載したハイブリッド車両が種々提案されている。かかるハイブリッド車両においては、車両の走行状態に応じて内燃機関と電動機を制御して走行するようにしている。

このようなハイブリッド車両における電動機は、一般に、蓄電装置から出力される直流電流が電力変換装置、より正確には電力変換装置内のパワーモジュールによって交流電流に変換され、その交流電流が電動機に供給されることで作動させられる。

前記電力変換装置においては、パワーモジュール（３相インバータ回路モジュール）から延びるバスバーを流れる交流電流が電流センサによって検出され、その検出された信号などに基づいて電力変換装置を制御するように構成されている。

ところで、従来、電流センサ基板と、パワーモジュールの駆動回路を構成する半導体素子を搭載したパワーモジュール駆動基板とを別体構造とした車載用電力変換装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−８１３１１号公報（要約の欄、図１１）

しかし、上記特許文献１に開示された車載用電力変換装置においては、パワーモジュール駆動基板と電流センサ基板とを別体構造としているため、小型化するにも限界があり、また、電流センサ基板に搭載された半導体素子と、パワーモジュール駆動基板に搭載された半導体素子の接続のためのリードピンが必要となったり、組み立て工数が増えるなど、車載用電力変換装置を製造するコストの増加要因になっていた。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、第１の目的とするところは、小型化と低コスト化を実現する電力変換装置を提供することにある。

また、第２の目的とするところは、車載用など振動や温度変化の厳しい環境での使用に対応できる電力変換装置を提供することにある。

また、第３の目的とするところは、車載用など振動や温度変化の厳しい環境での使用に対応できる電流センサを提供することにある。

この発明に係る電力変換装置は、直流電源から交流電力負荷を駆動する電力変換装置であって、上記直流電源と上記交流電力負荷との間に接続されるパワーモジュールと、上記パワーモジュールを駆動する第1の半導体素子を搭載したパワーモジュール駆動基板と、上記パワーモジュールの電流を検出する電流センサとを備え、上記パワーモジュール駆動基板に、上記電流センサの回路を構成する第２の半導体素子を搭載したものである。

この発明によれば、パワーモジュールを駆動する第１の半導体素子を搭載したパワーモジュール駆動基板に、電流センサの回路を構成する第２の半導体素子を搭載したので、第１の半導体素子を搭載する基板と第２の半導体素子を搭載する基板の共用化が図れ、小型化と低コスト化を併せ持つ電力変換装置を得ることができる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電力変換装置及び電流センサについて好適な実施の形態を説明する。なお、説明の便宜上、車載用電力変換装置を例に挙げて説明する。

実施の形態１．
図１〜図３はこの発明の実施の形態１を説明する図で、図１は車載用電力変換装置のパワーモジュール部分を説明する平面図である。図１において、符号１はパワーモジュールを示し、このパワーモジュール１は樹脂等でモールドされたスイッチング素子１ａ，１ｂ，１ｃから構成され、これらのスイッチング素子１ａ，１ｂ，１ｃを適宜制御することにより電力変換を行う３相インバータ回路を構成している。

パワーモジュール１は、ケース２内に配置され、ケース２に設けられた直流側端子３、及び交流側端子４にバスバー５，６により接続されている。パワーモジュール１とバスバー５，６はそれぞれネジ７，８により固定されている。また、ケース２の所望箇所（図では８箇所）には、後述するパワーモジュール駆動基板を保持するホルダ９が形成されている。なお、直流側端子３は図示しない直流電源に接続され、交流側端子４は図示しない交流負荷に接続されている。

パワーモジュール１の交流側端子４の近傍には、パワーモジュール１の電流を検出する電流センサ用の鉄心１０が配置されており、この鉄心１０がバスバー６の周囲を取り囲むように配置される構成になっている。換言すれば、バスバー６が鉄心１０を貫通するように構成されている。また、パワーモジュール１を構成するスイッチング素子１ａ，１ｂ，１ｃにはそれぞれ信号端子１１ａ，１１ｂ，１１ｃが設けられ、後述するパワーモジュール駆動基板に搭載された第１の半導体素子に接続される。

図２はケース２のホルダ９にパワーモジュール駆動基板を取り付けた状態を示す平面図である。この図から理解されるように、パワーモジュール駆動基板１２はホルダ９に保持され、ネジ１３により固定されている。このパワーモジュール駆動基板１２がケース２のホルダ９に固定されることにより、ケース２内にパワーモジュール１が収納されることになる。

パワーモジュール駆動基板１２の一側部には、側辺から中央部に向かって並行する複数のスリット１４ａ〜１４ｆが形成されると共に、スリット１４ａ〜１４ｆが形成されていないパワーモジュール駆動基板１２のエリアには、パワーモジュール１を駆動する第１の半導体素子１５ａ〜１５ｆが搭載されている。また、パワーモジュール駆動基板１２に形成されたスリット１４ａ〜１４ｆの相互間で形成されるエリアには、電流センサの回路を構成する第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃが搭載される。

図３は図２の矢印Ａ方向からの断面図である。図３に示すように、バスバー６は鉄心１０を貫通し、バスバー６を流れる電流による磁束を鉄心１０で集磁する。鉄心１０にはギャップＧが形成されており、このギャップＧに挿入されたホール素子１８により、鉄心１０で集磁した磁束を電気信号に変換している。そして、このホール素子１８からの電気信号は第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃに出力される。

ところで、一般的に半導体素子は、機械的応力を受けると半導体素子の抵抗が変わるピエゾ効果が発生し、特性が変化するものである。従って、電流センサなどのアナログ信号を扱う回路は、機械的ストレスを受けないように工夫する必要がある。特に環境の厳しい車載用では、振動や温度変化により基板を固定するねじがゆるんだりして基板ひずみを生じ、この基板ひずみにより機械的応力が発生しやすい。この傾向は基板のサイズが大きいほど、基板ひずみも大きくなり、基板に搭載している半導体素子に機械的応力がかかりやすいことが知られている。

ここで、実施形態１によるスリット１４ａ〜１４ｆの相互間で形成されたエリアの基板、即ち、電流センサ基板１７ａ〜１７ｃは、パワーモジュール駆動基板１２と共用化されると共に、基板がスリット１４ａ〜１４ｆにより分割されて形成されたことになる。従って、このエリアに搭載された第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃは、サイズの小さい基板に搭載されているのと同じ効果が得られる。即ち、パワーモジュール駆動基板１２はサイズが大きいため、基板ひずみを生じやすいが、基板全体がひずんでも、スリット１４ａ〜１４ｆで基板本体とは区画されている電流センサ基板１７ａ〜１７ｃはひずむことはない。そのため、電流センサ基板１７ａ〜１７ｃとパワーモジュール駆動基板１２を同一の基板により構成し、共用化しているにもかかわらず、この基板に搭載された電流センサの回路を構成する第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃは機械的応力をうけないので、特性が変化することはない。

以上のように、実施の形態１による車載用電力変換装置は、パワーモジュール駆動基板１２と電流センサ基板１７を同一基板により構成し、共用化しているにもかかわらず、電流センサの回路を構成する第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃには、機械的応力がかからない構成の電力変換装置となり、車載用などの振動や温度変化の厳しい環境にでも適用可能である。また、パワーモジュール駆動基板１２と電流センサ基板１７ａ〜１７ｃを同一基板により構成し、共用化することで、電力変換装置の小型化や、組み立て工数が少なく低コストにも寄与できる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。図４は実施の形態２に係る車載用電力変換装置を示す平面図である。図４において、パワーモジュール駆動基板１２には、パワーモジュール１を駆動する第１の半導体素子１５ａ〜１５ｆが搭載されると共に、電流センサの回路を構成する第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃが搭載されている。また、このパワーモジュール駆動基板１２の一側部には、パワーモジュール駆動基板１２の一側辺から中央部に向かう第１のスリット４０ａと、これと交差する第２のスリット４０ｂから構成したスリット４０が形成されている。即ち、パワーモジュール駆動基板１２には、Ｔ字形状のスリット４０が一部に形成されている。このＴ字形状のスリット４０で区画されたパワーモジュール駆動基板１２の一部分に、第２の半導体素子を搭載し、この区画部分を電流センサ基板１７ａ〜１７ｃとして機能させている。なお、その他の部分は実施の形態１と同様であるので、同一符号を付すことにより、説明を省略する。

ここで、電流センサの回路を構成する第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃは、Ｔ字形状のスリット４０で区画された基板部、換言すれば電流センサ基板１７ａ〜１７ｃに搭載されていることにより、サイズが小さい基板に搭載されているのと同じ効果が得られる。従って、パワーモジュール駆動基板１２が歪んでも、Ｔ字形状のスリット４０で区画された基板部は、接続されている部分が小さいため歪むことはない。なお、接続部分が小さいことによる振動耐性低下を防ぐため、Ｔ字形状部の両端は、ネジ４１により固定されている。

これらのことから、電流センサ基板１７ａ〜１７ｃとパワーモジュール駆動基板１２を同一基板により構成し、共用化しているにもかかわらず、電流センサの回路を構成する第２の半導体素子１６ａ〜１６ｃは機械的応力をうけない構成の電力変換装置とすることができる。このため、車載用などの振動や温度変化の厳しい環境にでも適用可能であり、また、小型で低コストの電力変換装置が実現でき、その効果は実施例１と同等以上のものがある。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。図５〜図７は電流センサを説明する図であって、３個の電流センサを一体形状に構成した例を示している。図５は電流センサの平面図で、この図おいて、符号５０は３個一体の電流センサ基板を示し、この電流センサ基板５０にはスリット５１ａ〜５１ｆが設けられており、電流センサの回路を構成する半導体素子５２ａ〜５２ｃが搭載されている。

図６は図５の矢印Ｂ方向から見た図で、この図が示すように、実施の形態３の電流センサは、磁束を集磁する鉄心１０、磁束を電気信号に変換するホール素子１８、電流センサ基板５０や鉄心１０を固定するためのケース５３を備えており、電流センサ基板５０はネジ５４でケース５３に固定されている。また、電流センサ基板５０と、外部基板例えばパワーモジュール駆動基板などに接続するためのリード５５を備えている。

図７は図６の矢印Ｃ方向から見た図で、この図に示すようにリード５５はケース５３にインサートモールドされている。

ここで、電流センサの回路を構成する半導体素子５２ａ〜５２ｃが、スリット５１ａ〜５１ｆの間に搭載されていることにより、実施の形態１で説明したとおりの効果が得られ、電流センサの回路を構成する半導体素子５２ａ〜５２ｃには、機械的応力がかからないようにしているため、車載などの振動や温度変化の厳しい環境に搭載可能となる。また、３個の電流センサを一体構造としているため、電力変換装置への組み立て工数が減り、低コスト化にも寄与する。

この発明は、小型化と低コスト化を併せ持つ電力変換装置に利用可能であり、また、車載用などの振動や温度変化の厳しい環境で使用される電力変換装置へ利用可能である。

この発明の実施の形態１に係る車載用電力変換装置のパワーモジュール部分を説明する平面図である。 図１で示すパワーモジュール部分にパワーモジュール駆動基板を取り付けた状態を示す平面図である。 図２の矢印Ａ方向からの断面図である。 実施の形態２に係る車載用電力変換装置を示す平面図である。 実施の形態３に係る電流センサの平面図である。 図５の矢印Ｂ方向からの断面図である。 図６の矢印Ｃ方向からの断面図である。

符号の説明

１ パワーモジュール
１ａ〜１ｃ スイッチング素子
２，５３ ケース
３ 直流側端子
４ 交流側端子
５，６ バスバー
７，８，１３，５４ネジ
９ ホルダ
１０ 鉄心
１１ａ〜１１ｃ 信号端子
１２ パワーモジュール駆動基板
１４ａ〜１４ｆ，４０，５１ａ〜５１ｆ スリット
１５ａ〜１５ｆ 第１の半導体素子
１６ａ〜１６ｃ 第２の半導体素子
１７ａ〜１７ｃ，５０ 電流センサ基板
１８ ホール素子
４０ａ 第１のスリット
４０ｂ 第２のスリット
５２ａ〜５２ｃ 半導体素子
５５ リード

Claims (4)

1. 直流電源から交流電力負荷を駆動する電力変換装置であって、
   上記直流電源と上記交流電力負荷との間に接続されるパワーモジュールと、
   上記パワーモジュールを駆動する第1の半導体素子を搭載したパワーモジュール駆動基板と、
   上記パワーモジュールの電流を検出する電流センサと、を備え、
   上記パワーモジュール駆動基板に、上記電流センサの回路を構成する第２の半導体素子を搭載したことを特徴とする電力変換装置。
2. 上記パワーモジュール駆動基板に複数のスリットを形成し、上記第２の半導体素子を上記スリットの間に搭載したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 上記スリットは、上記パワーモジュール駆動基板の一側辺から中央部に向かう第１のスリットと、上記第１のスリットと交差する第２のスリットから構成したことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 複数の電流センサを一体形状に構成すると共に、上記電流センサの回路を構成する半導体素子が搭載された基板を備え、
   上記基板に複数のスリットを形成し、上記半導体素子を上記スリットの間に搭載したことを特徴とする電流センサ。

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