JP2006174566A - 電流制御素子、昇圧装置およびインバータ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 昇圧回路やインバータ回路などの電力制御回路を組立てることが容易な電流制御素子およびそれを備える昇圧装置およびインバータ装置を提供する。
【解決手段】 電流制御素子100は、正側の電圧を印加する電極Pと、負側の電圧を印加する電極Nと、電流制御用の制御信号を入力する制御電極G1,G2と、一方の主面にダイオード素子D1およびIGBT素子T1が搭載され、他方の主面にダイオード素子D2およびIGBT素子T2が搭載される基板Bと、出力電極Mとを含む。電流制御素子100は、フィルムコンデンサ中にIGBT素子T1,T2とダイオード素子D1,D2とを巻込んだものであり、ダイオード素子D1,D2およびIGBT素子T1,T2はコンデンサ部と一体として外部から接触不可能に被覆されている。
【選択図】 図1
【解決手段】 電流制御素子100は、正側の電圧を印加する電極Pと、負側の電圧を印加する電極Nと、電流制御用の制御信号を入力する制御電極G1,G2と、一方の主面にダイオード素子D1およびIGBT素子T1が搭載され、他方の主面にダイオード素子D2およびIGBT素子T2が搭載される基板Bと、出力電極Mとを含む。電流制御素子100は、フィルムコンデンサ中にIGBT素子T1,T2とダイオード素子D1,D2とを巻込んだものであり、ダイオード素子D1,D2およびIGBT素子T1,T2はコンデンサ部と一体として外部から接触不可能に被覆されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、電流制御素子、昇圧装置およびインバータ装置に関し、特に、コンデンサと一体化された電流制御素子およびそれを備える昇圧装置ならびにインバータ装置に関する。
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車等のように、車両推進用の駆動源として交流式モータを採用し、この交流式モータを駆動するインバータ装置を搭載する自動車が登場している。
このような自動車では、交流式モータをインバータ装置で駆動する駆動装置の小型化が要求されている。このようなインバータ装置は、一般にIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のスイッチング素子と整流用のダイオード素子で構成されている。
特開平11−18429号公報(特許文献1)には、IGBTチップと電解コンデンサチップとを直接冷却するために1つの冷却ヒートシンクの上にマウントした制御モジュールが開示されている。
特開平11−18429号公報
特開平11−103577号公報
特開2003−33044号公報
実開平6−38228号公報
たとえば、ハイブリッド自動車においては、コストおよびスペース上の制約が大きく、単品のIGBT素子やコンデンサ素子を組合せて使用するのであればコストやスペース的に難がある。
特開平11−18429号公報(特許文献1)に開示された技術では、IGBTなどのパワー素子にコンデンサを後付けしたり、またはパワーモジュールの中にコンデンサ素子を内蔵させたりしている。つまり、従来では、パワー素子とコンデンサの単品を組合せて用いたり、またはパワーモジュールの中にコンデンサ素子を組込んだりしているに過ぎない。このため、部品点数が多く、組立にコストがかかりパワーモジュールの大きさが大きいという問題がある。
またたとえば、ハイブリッド自動車においては、いっそうの燃費向上が要求されており、スイッチング損失を低減することが必須である。しかしながら、スイッチング損失を低減するためには従来よりも高速にスイッチングすることが必要となるが、高速スイッチングを行なうと、IGBT素子の両端に生ずるサージ電圧が大きくなり、追加的にスナバ回路を組込む必要があった。
スナバ回路は、電流の流れをオン/オフするスイッチング回路において,切り替わりの過渡状態で発生する高いスパイク電圧を防止する回路である。スパイク電圧は電流の流れる経路の配線などのインダクタンス分によって出るもので,とくにスイッチがオフした瞬間に大きく出るものである。
この発明は、昇圧回路やインバータ回路などの電力制御回路を組立てることが容易な電流制御素子およびそれを備える昇圧装置およびインバータ装置を提供することである。
この発明は、要約すると電流制御素子であって、外部から接触可能な第1の電極と、外部から接触可能な第2の電極と、外部から接触可能な第1の制御電極と、第1、第2の電極間に接続されるコンデンサ部と、第1の電極から第2の電極に電流が流れる経路上に設けられ、コンデンサ部と一体として外部から接触不可能に被覆され、第1の制御電極から与えられる信号に応じて電流制御を行なう第1の半導体素子とを備える。
好ましくは、電流制御素子は、第2の電極から第1の電極に電流が流れる方向を順方向として第1の半導体素子と並列に接続され、コンデンサ部および第1の半導体素子と一体として外部から接触不可能に被覆される第1のダイオード素子をさらに備える。
好ましくは、電流制御素子は、外部から接触可能な第2の制御電極と、第1の電極から第2の電極に電流が流れる経路上に第1の半導体素子と直列に設けられ、コンデンサ部および第1の半導体素子と一体として外部から接触不可能に被覆され、第2の制御電極から与えられる信号に応じて電流制御を行なう第2の半導体素子と、第1の半導体素子と第2の半導体素子との接続ノードに設けられる出力電極とをさらに備える。
より好ましくは、電流制御素子は、第2の電極から第1の電極に電流が流れる方向を順方向として第1、第2の半導体素子とそれぞれ並列に接続され、コンデンサ部および第1、第2の半導体素子と一体として外部から接触不可能に被覆される第1、第2のダイオード素子をさらに備える。
さらに好ましくは、電流制御素子は、第1の半導体素子および第1のダイオード素子が、第1の主面に配置され、第2の半導体素子および第2のダイオード素子が第2の主面に配置される基板をさらに備える。
さらに好ましくは、コンデンサ部は、第1の絶縁フィルムと、第1の絶縁フィルム上に形成され第1の電極に電気的に接続される第1の導電層と、第1の絶縁フィルムに積層される第2の絶縁フィルムと、第2の絶縁フィルム上に形成され第2の電極に電気的に接続される第2の導電層とを含む。基板は、第1、第2の絶縁フィルム間に挟まれて配置される。
好ましくは、コンデンサ部は、第1の絶縁フィルムと、第1の絶縁フィルム上に形成され第1の電極に電気的に接続される第1の導電層と、第1の絶縁フィルムに積層される第2の絶縁フィルムと、第2の絶縁フィルム上に形成され第2の電極に電気的に接続される第2の導電層とを含む。
より好ましくは、第1の半導体素子は、積層された第1、第2の絶縁フィルムの間に配置される。
より好ましくは、第1、第2の絶縁フィルムは、積層されて巻回され、第1の半導体素子は、第1、第2の絶縁フィルムの間に巻き込まれて配置される。
さらに好ましくは、コンデンサ部は、第1の絶縁フィルム上の第1の導電層が形成される面と反対の面に部分的に形成され、第1の電極に電気的に接続される第3の導電層をさらに含む。第1の半導体素子は、第1の制御電極と電気的に接続される制御端子と、主電流が流れる第1、第2の主電極とを含む。第1の主電極は、第3の導電層に当接する。
この発明の他の局面に従う昇圧装置は、上記いずれかの電流制御素子を備える。
この発明のさらに他の局面に従うインバータ装置は、上記いずれかの電流制御素子を備え、モータ制御を行なう。
本発明によれば、昇圧回路やインバータ等の電力制御回路をコンパクトに構成することが可能となり、電力制御回路の組立てが容易でかつ省スペース化を図ることができる。
また、高速スイッチング化が可能でかつ定格電圧が大きくなった、昇圧コンバータやインバータを実現することが可能となる。
以下、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、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、本発明の電流制御素子100の形状を示した斜視図である。
図1を参照して、電流制御素子100は、正側の電圧を印加する電極Pと、負側の電圧を印加する電極Nと、電流制御用の制御信号を入力する制御電極G1,G2と、一方の主面にダイオード素子D1およびIGBT素子T1が搭載され、他方の主面にダイオード素子D2およびIGBT素子T2が搭載される基板Bと、出力電極Mとを含む。
電流制御素子100は、フィルムコンデンサ中にIGBT素子T1,T2とダイオード素子D1,D2とを巻込んだものであり、ダイオード素子D1,D2およびIGBT素子T1,T2はコンデンサ部と一体として外部から接触不可能に被覆されている。なお、防湿性を高めるために、さらに樹脂モールド等を施してもよい。
図2は、図1に示した電流制御素子100の等価回路図である。
図2を参照して、IGBT素子T1は、正の電源電位が結合される電極Pにコレクタが接続され、出力電極Mにエミッタが接続され制御電極G1にゲートが接続される。IGBT素子T2は、出力電極Mにコレクタが接続され、負の電源電位が結合される電極Nにエミッタが接続され、制御電極G2にゲートが接続される。
ダイオード素子D1は、電極Pから電極Nに電流が流れる経路上においてIGBT素子T1と並列に接続され、電極Nから電極Pに向かう方向が順方向になるように配置されている。ダイオード素子D2は電極Pから電極Nに電流が流れる経路上にIGBT素子T2と並列に接続され、電極Nから電極Pに向かう方向が順方向となるように配置されている。コンデンサC1は、電極Pと電極Nとの間に接続されている。
図3は、図1に示した電流制御素子100の正面図である。
図4は、図3におけるIV−IVでの断面図である。
図3、図4を参照して、アルミニウム等の蒸着金属層ENが片面に形成されたポリエチレンテレフタレート(PET)またはポリプロピレン(PP)等の絶縁フィルムFNと、片面にアルミニウム等の蒸着金属層EPが形成されたポリPETまたはPP等の絶縁フィルムFPとが重ねられ巻回されており、断面は絶縁フィルムFPと絶縁フィルムFNとが交互に積層されているように見える。
絶縁フィルムFN上には蒸着金属層ENが設けられ、絶縁フィルムFP上には蒸着金属層EPが設けられている。
絶縁フィルムが巻回された後に両端面にメタリコンと呼ばれる金属が溶射され電極端子TN,TPが形成される。図4を見てわかるように、絶縁フィルムFN上には図の右側に蒸着金属層ENを設けないマージン部分が設けられており、蒸着金属層ENは電極端子TPと絶縁されている。また、絶縁フィルムFP上には図の左側に蒸着金属層EPを設けないマージン部分が設けられており、蒸着金属層EPは電極端子TPと絶縁されている。
絶縁フィルムの巻回しの外周部(図4の下部)には、絶縁フィルムFNと絶縁フィルムFPとの間に、両面にダイオード素子およびIGBT素子が搭載された基板Bが挟まれる。絶縁フィルムFPの外周の所定部分には、後に説明するように、一方の面に蒸着金属層EPが設けられており、反対面に蒸着金属層EP2が設けられている。また、基板Bの両面には金属層E1が形成されている。なお、基板Bと金属層E1を導電性の金属板に変えても良い。
基板Bの上面には金属層E1の上にダイオード素子D1およびIGBT素子T1が配置されている。一方、基板Bの下面には金属層E1の下部に、ダイオード素子D2およびIGBT素子T2が配置されている。またダイオード素子D1,D2,IGBT素子T1,T2からはみ出た金属層E1の部分が、金属層ENや金属層EP2と接触しないように絶縁層K1,K2が設けられている。絶縁層K1,K2は絶縁フィルムであっても良いし、絶縁コーティングであっても良い。
図5は、ダイオード素子およびIGBT素子が搭載される基板Bについてより詳細に説明するための図である。
図5において、説明の便宜のために基板Bとその上下に配置されている絶縁フィルムFP,FNとを離して配置しているが、実際には図4に示すように、ダイオード素子D1,IGBT素子T1は蒸着金属層EP2に接触しており、またダイオード素子D2,IGBT素子T2は蒸着金属層ENに接触している。
図5を用いて図2の等価回路図と図4の断面図との対応を説明する。絶縁フィルムFP上に形成された蒸着金属層EP2は図2の電極Pに対応する。絶縁フィルムFN上に形成された蒸着金属層ENは図2の電極Nに対応する。基板Bの両面に形成された金属層E1は図2の電極Mに対応する。
ダイオード素子D1は金属層E1にアノード面が接触している。またダイオード素子D1のカソード面は蒸着金属層EP2に接触している。IGBT素子T1のチップのエミッタ面は金属層E1に接触している。またIGBT素子T1のコレクタ面は蒸着金属層EP2に接触している。
ダイオード素子D2は蒸着金属層ENにアノード面が接触している。またダイオード素子D1のカソード面は金属層E1に接触している。IGBT素子T2のチップのエミッタ面は蒸着金属層ENに接触している。またIGBT素子T2のコレクタ面は金属層E1に接触している。
このような配置とすることにより、図2のコンデンサC1の両電極間にスイッチング素子と整流素子が組み込まれる。コンデンサがスイッチング素子と整流素子のすぐ近くに配置されるため、このコンデンサはスナバ回路として用いることができる。
図6は、本発明の電流制御素子の製造方法について説明するための図である。
図6を参照して、絶縁フィルムFN,FPが巻回されて外周の部分に基板Bが配置される。絶縁フィルムFPはその一方の面に蒸着金属層EPが蒸着されており、他方の面にはダイオード素子D2のカソード電極部およびIGBT素子T2のエミッタ電極部に当接する部分に蒸着金属層EP2が設けられている。なお、図示しないが、蒸着金属層EP2はIGBT素子T2のゲート電極部分には当接しないように切り欠いた形状となっている。
IGBT素子T2のゲートには、絶縁被覆された電線L2がはんだ付けされている。このL2は制御電極G2に対応する。基板Bの反対側の面には図示されていないダイオード素子D1,IGBT素子T1が配置されており、同様に蒸着金属層ENに接続されている。またIGBT素子T1のゲートには絶縁被覆された電線L1がはんだ付けされる。電線L1は制御電極G1に対応する。
このような形で絶縁フィルムを重ねて巻回し、その後両端面にメタリコンが溶射されてそして図1に示すように電極N,電極Pがはんだ付けされる。防湿および耐震性を向上させるためにその後耐水性の樹脂などでモールドやディッピングが行なわれてもよい。電流制御素子100がモールドされておれば、冷却が必要な場合は電流制御素子100を冷却水に直接浸して冷却することも可能となる。
なお、図6では、フィルムコンデンサのフィルムの巻回の最後の部分に基板Bを挟み込んだ場合を示したが、巻回の最初の部分に基板Bを挟み込んでフィルムを巻回してもよい。
また、巻回したフィルムコンデンサの例を示したが、積層型のフィルムコンデンサに基板Bを挟み込んでも良い。
[変形例]
図7は、電流制御素子の変形例について説明するための図である。
図7は、電流制御素子の変形例について説明するための図である。
図7に示すように、電流制御素子300は、中央部に冷却水通路となる空洞が設けられている。
絶縁フィルムを巻回する際に内部を空洞としてモールドしてその空洞部分に冷却水を流すことによりIGBT素子、ダイオード素子およびコンデンサを含んだ電流制御素子を冷却するようにしてもよい。また、モールドしていなくても、内部が空洞となっておれば冷却水を通した金属製のチューブを空洞に通して内部から冷却することができる。
図6に示した場合には、外周部分に近い部分にIGBT素子およびダイオード素子を設けたが、図7に示す場合には冷却水通路に近い内側部分にIGBT素子等を配置するとさらに効果的である。
[応用例]
図8は、本発明の電流制御素子が応用されるモータ駆動回路の一例を示した図である。
図8は、本発明の電流制御素子が応用されるモータ駆動回路の一例を示した図である。
図8を参照して、モータ駆動回路200は、バッテリBATTと、バッテリBATTの電圧を昇圧する昇圧コンバータ202と、昇圧コンバータ202によって昇圧された電圧を三相交流に変換してモータM1を駆動するインバータ204とを含む。
昇圧コンバータ202は、バッテリBATTの正極に接続されるリアクトルLと、リアクトルLに図2で示した出力電極Mが接続され、電源線LPに図2における電極Pが接続されバッテリBATTの負極に接続される電源線LNに図2の電極Nが接続された電流制御素子206を含む。
インバータ204は、電源線LPに図2の電極Pが接続され、電源線LNに図2の電極Nが接続され、配線LUに図2の出力電極Mが接続される電流制御素子208と、電源線LPに図2の電極Pが接続され、電源線LNに図2の電極Nが接続され、配線LVに図2の出力電極Mが接続される電流制御素子210と、電源線LPに図2の電極Pが接続され、電源線LNに図2の電極Nが接続され、配線LWに図2の出力電極Mが接続される電流制御素子212とを含む。配線LUはモータM1のU相コイルに接続され、配線LVはV相コイルに接続され配線LWはW相コイルに接続される。
本発明によれば、昇圧コンバータ202はリアクトルLと電流制御素子206の2素子で構成することができる。また、インバータ204は電流制御素子208,210,212の3素子で構成することができる。
各電流制御素子においては、IGBT素子の直近にフィルムコンデンサが配置されているため、このコンデンサを高速スイッチング時のサージ電圧を吸収するためのスナバ回路として使用することができる。
従来、ハイブリッド自動車のモータ駆動系では、平滑用コンデンサとしてアルミニウム電解コンデンサが使用されていたが、定格電圧を大きくする必要があり、平滑コンデンサをフィルムコンデンサに変更する検討が行なわれている。このフィルムコンデンサはスナバ回路としても使用可能である。したがって、平滑用のコンデンサを本願発明の電流制御素子を用いて実現すると、耐圧が大きい平滑用コンデンサが実現でき、かつスナバ回路用のコンデンサを兼用させることができる。
したがって、スイッチング損失が低減されることにより高速スイッチング化が可能で、かつフィルムコンデンサを用いることにより定格電圧が大きくなった、昇圧コンバータやインバータを実現することが可能となる。
また、本発明によれば、従来のコンデンサの後付けや、パワーモジュール中にコンデンサを内蔵させることに比べて昇圧回路やインバータの構成がコンパクトになり、省スペース化を図ることができる。特に、車のように車載スペースが問題となる場合には効果を発揮する。
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。
100 電流制御素子、200 モータ駆動回路、202 昇圧コンバータ、204 インバータ、206,208,210,212,300 電流制御素子、BATT バッテリ、B 基板、C1 コンデンサ、D1,D2 ダイオード素子、E1 金属層、EN,EP,EP2 蒸着金属層、FN,FP 絶縁フィルム、G1,G2 制御電極、K1,K2 絶縁層、L リアクトル、L1,L2 電線、LN,LP 電源線、LU,LV,LW 配線、M 出力電極、M1 モータ、N,P 電極、T1,T2 IGBT素子、TN,TP 電極端子。
Claims (12)
- 外部から接触可能な第1の電極と、
外部から接触可能な第2の電極と、
外部から接触可能な第1の制御電極と、
前記第1、第2の電極間に接続されるコンデンサ部と、
前記第1の電極から前記第2の電極に電流が流れる経路上に設けられ、前記コンデンサ部と一体として外部から接触不可能に被覆され、前記第1の制御電極から与えられる信号に応じて電流制御を行なう第1の半導体素子とを備える、電流制御素子。 - 前記第2の電極から前記第1の電極に電流が流れる方向を順方向として前記第1の半導体素子と並列に接続され、前記コンデンサ部および前記第1の半導体素子と一体として外部から接触不可能に被覆される第1のダイオード素子をさらに備える、請求項1に記載の電流制御素子。
- 外部から接触可能な第2の制御電極と、
前記第1の電極から前記第2の電極に電流が流れる経路上に前記第1の半導体素子と直列に設けられ、前記コンデンサ部および前記第1の半導体素子と一体として外部から接触不可能に被覆され、前記第2の制御電極から与えられる信号に応じて電流制御を行なう第2の半導体素子と、
前記第1の半導体素子と前記第2の半導体素子との接続ノードに設けられる出力電極とをさらに備える、請求項1に記載の電流制御素子。 - 前記第2の電極から前記第1の電極に電流が流れる方向を順方向として前記第1、第2の半導体素子とそれぞれ並列に接続され、前記コンデンサ部および前記第1、第2の半導体素子と一体として外部から接触不可能に被覆される第1、第2のダイオード素子をさらに備える、請求項3に記載の電流制御素子。
- 前記第1の半導体素子および前記第1のダイオード素子が、第1の主面に配置され、前記第2の半導体素子および前記第2のダイオード素子が第2の主面に配置される基板をさらに備える、請求項4に記載の電流制御素子。
- 前記コンデンサ部は、
第1の絶縁フィルムと、
前記第1の絶縁フィルム上に形成され前記第1の電極に電気的に接続される第1の導電層と、
前記第1の絶縁フィルムに積層される第2の絶縁フィルムと、
前記第2の絶縁フィルム上に形成され前記第2の電極に電気的に接続される第2の導電層とを含み、
前記基板は、前記第1、第2の絶縁フィルム間に挟まれて配置される、請求項5に記載の電流制御素子。 - 前記コンデンサ部は、
第1の絶縁フィルムと、
前記第1の絶縁フィルム上に形成され前記第1の電極に電気的に接続される第1の導電層と、
前記第1の絶縁フィルムに積層される第2の絶縁フィルムと、
前記第2の絶縁フィルム上に形成され前記第2の電極に電気的に接続される第2の導電層とを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電流制御素子。 - 前記第1の半導体素子は、積層された前記第1、第2の絶縁フィルムの間に配置される、請求項7に記載の電流制御素子。
- 前記第1、第2の絶縁フィルムは、積層されて巻回され、
前記第1の半導体素子は、前記第1、第2の絶縁フィルムの間に巻き込まれて配置される、請求項7に記載の電流制御素子。 - 前記コンデンサ部は、
前記第1の絶縁フィルム上の前記第1の導電層が形成される面と反対の面に部分的に形成され、前記第1の電極に電気的に接続される第3の導電層をさらに含み、
前記第1の半導体素子は、
前記第1の制御電極と電気的に接続される制御端子と、
主電流が流れる第1、第2の主電極とを含み、
前記第1の主電極は、前記第3の導電層に当接する、請求項8または9に記載の電流制御素子。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の電流制御素子を備える昇圧装置。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の電流制御素子を備え、モータ制御を行なうインバータ装置。
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