JP2006197723A - Motor drive device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motor drive device for a vehicle capable of attaining space saving for wiring cables routed inside the vehicle and weight saving for the wiring cables. <P>SOLUTION: This motor drive device includes an energy storage source 2, a converter circuit 3 for DC-DC conversion for controlling DC voltage of the energy storage source, and an inverter circuit 7 for converting a DC output of the converter circuit for DC-DC conversion into AC and applying it to a motor 8. In this motor drive device, the energy storage source 2 and the converter circuit 3 for DC-DC conversion are formed into one body for formation of an integrated power module 1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、モータ駆動装置、例えばＨＥＶ（ハイブリッドカー）、ＥＰＳ（Electric Power Steering ）等に用いられる自動車用の昇圧機能付のモータ駆動装置、特にその電源と昇降圧
コンバータの構成に関するものである。 The present invention relates to a motor drive device with a boosting function for automobiles used in motor drive devices such as HEV (hybrid car), EPS (Electric Power Steering), etc., and more particularly to the configuration of the power supply and the buck-boost converter.

従来のモータ駆動装置は、バッテリと昇降圧チョッパ回路とインバータとで構成され、モータ駆動時には、バッテリ電圧を昇圧してインバータＰＮ間に電力供給し、電力回生時には、インバータＰＮ間に発生する電力を降圧してバッテリへ電力供給を行っていた。一方、インバータを構成する電力用半導体素子と昇降圧チョッパ回路を構成する電力用半導体素子は同じパッケージの中に実装する形態とされていた。（例えば特許文献１及び２参照）。   A conventional motor drive device is composed of a battery, a step-up / step-down chopper circuit, and an inverter. When the motor is driven, the battery voltage is boosted to supply power between the inverters PN, and during power regeneration, the power generated between the inverters PN is generated. The voltage was stepped down to supply power to the battery. On the other hand, the power semiconductor element constituting the inverter and the power semiconductor element constituting the step-up / step-down chopper circuit are configured to be mounted in the same package. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).

特開平８−２１４５９２号公報（段落００３８〜００４０、００４３〜００５２、図１〜図５）JP-A-8-214592 (paragraphs 0038 to 0040, 0043 to 0052, FIGS. 1 to 5) 特開２００４−６４９３４公報（段落００４１〜００４３、図７、図８）JP 2004-64934 A (paragraphs 0041 to 0043, FIGS. 7 and 8)

従来の昇圧機能付きのモータ駆動装置は、特許文献１の図１および特許文献２の図８に記載されているような電気回路構成であり、特許文献２の図７に記載されているように、インバータと昇降圧コンバータとが一体構成の形態になっていた。   The conventional motor drive device with a boosting function has an electric circuit configuration as described in FIG. 1 of Patent Document 1 and FIG. 8 of Patent Document 2, and as described in FIG. 7 of Patent Document 2. The inverter and the buck-boost converter are in the form of an integral configuration.

ハイブリッド自動車のモータ駆動装置においては、電磁ノイズの放射あるいは配線がＤＣライン２本と比較して３本と多いことから、インバータはモータの近くに配置され、また、バッテリは大形部品のため自動車車体の底部あるいは後部座席の裏部に配置されることが多い。   In the motor drive apparatus of a hybrid vehicle, since there are more electromagnetic noise radiations or wirings than three DC lines, the inverter is arranged near the motor, and the battery is a large part because the battery is a large part. It is often arranged at the bottom of the vehicle body or the back of the rear seat.

従来例のようなモータ駆動装置の形態であると、バッテリと昇降圧コンバータの間の配線ケーブルが長くなっていた。また、バッテリ−昇降圧コンバータ間電流は、昇降圧コンバータ−インバータ間電流のそれと比較して昇圧比倍だけ大きく、大電流の配線ケーブルを自動車内に引き回さなければならなかった。   In the case of the motor drive device as in the conventional example, the wiring cable between the battery and the buck-boost converter is long. Further, the current between the battery and the step-up / down converter is larger than that of the current between the step-up / step-down converter and the inverter, and a large current wiring cable has to be routed in the automobile.

大電流を流すためのケーブルは、抵抗による電力損失およびそれによる発熱を許容値以内に抑えるために、径の太いものを使用しなければならないことから、配線ケーブルスペースが大きくなり、配線ケーブルの重量が大きくなる、という問題点があった。   Cables for carrying large currents must be thicker in diameter in order to keep power loss due to resistance and heat generation caused by resistance to within the allowable value, increasing the wiring cable space and the weight of the wiring cable. There was a problem that became larger.

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、配線ケーブルの低コスト化、軽量化、省スペース化を図ることができ、また、エネルギー蓄積源とコンバータ回路の冷却を効率的に行ない、コンバータ回路の小型化および電源モジュールの高効率化を図ることができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and can reduce the cost, weight, and space of the wiring cable, and can efficiently cool the energy storage source and the converter circuit. Accordingly, an object of the present invention is to provide a motor drive device that can reduce the size of a converter circuit and increase the efficiency of a power supply module.

更に、電源モジュールの電力損失および発熱を小さくすることができると共に、端子間の配線バスバーの配置を適切にすることにより冷却性能を損なわせることがないモータ駆動装置を提供することを目的とする。   It is another object of the present invention to provide a motor drive device that can reduce power loss and heat generation of a power supply module and that does not impair cooling performance by appropriately arranging a wiring bus bar between terminals.

この発明に係るモータ駆動装置は、エネルギー蓄積源と、上記エネルギー蓄積源の直流電圧を制御する直流−直流変換用コンバータ回路と、上記直流−直流変換用コンバータ回路の直流出力を交流に変換してモータに印加するインバータ回路とを有するモータ駆動装置において、上記エネルギー蓄積源と上記直流−直流変換用コンバータ回路とを一体構造とし、一体形電源モジュールとして形成したものである。   The motor drive device according to the present invention converts an energy storage source, a DC-DC conversion converter circuit for controlling a DC voltage of the energy storage source, and a DC output of the DC-DC conversion converter circuit into an alternating current. In a motor drive device having an inverter circuit to be applied to a motor, the energy storage source and the DC-DC conversion converter circuit are formed into an integral structure and formed as an integrated power supply module.

この発明に係るモータ駆動装置は上記のように構成され、バッテリと昇降圧コンバータとを一体構成としているため、バッテリ−昇降圧コンバータ間の大電流配線が短くなると共に、昇降圧コンバータ−インバータ間の電流（バッテリ−昇降圧コンバータ間の電流／昇圧比）の配線が長くなり、従来装置と比較して、自動車内を引き回す配線ケーブルの太さが細くなり、重量が軽くなるので、配線ケーブルの低コスト化、省スペース化、軽量化が可能となる。   Since the motor drive device according to the present invention is configured as described above, and the battery and the buck-boost converter are integrated, the large current wiring between the battery and the buck-boost converter is shortened, and between the buck-boost converter and the inverter. The wiring of the current (current between the battery and the buck-boost converter / boost ratio) is longer and the wiring cable routed around the car is thinner and lighter than the conventional device, so the wiring cable is low. Cost reduction, space saving, and weight reduction are possible.

また、バッテリセル用の冷却風の方向と昇降圧コンバータ用の冷却風の方向が一致するように、バッテリセルと昇降圧コンバータユニットとを並列に配置し、また、バッテリセルの端子面と昇降圧コンバータユニットの端子面の法線方向を一致させ、上記バッテリと昇降圧コンバータとのー体形の電圧可変形電源モジュールを構成しているため、電圧可変形電源モジュール内の配線を最短にすることができ、かつ、上記配線がバッテリセルの冷却を損なわすことなく、バッテリセル用の冷却風を有効に利用し昇降圧コンバータの冷却が可能となるものである。   Further, the battery cell and the step-up / down converter unit are arranged in parallel so that the direction of the cooling air for the battery cell and the direction of the cooling air for the step-up / step-down converter coincide with each other. Since the normal direction of the terminal surface of the converter unit is matched to form the body-type voltage variable power supply module of the battery and the buck-boost converter, the wiring in the voltage variable power supply module can be minimized. In addition, the step-up / step-down converter can be cooled by effectively using the cooling air for the battery cell without damaging the cooling of the battery cell.

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１によるモータ駆動装置の概略構成を示す回路図である。図示のように、電圧可変形電源モジュール１と、インバータ７と、このインバータ７のＤＣ電圧端子（Ｐ端子、Ｎ端子）間の直近に配置された平滑コンデンサ６と、自動車の車軸に結合された電気モータ８とから構成されている。 Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the motor driving apparatus according to the first embodiment. As shown in the figure, the voltage variable power supply module 1, the inverter 7, the smoothing capacitor 6 disposed in the immediate vicinity between the DC voltage terminals (P terminal and N terminal) of the inverter 7 and the axle of the automobile are coupled. An electric motor 8 is included.

電圧可変形電源モジュール１は、エネルギー蓄積源としてのバッテリ２と、直流−直流変換用の昇降圧コンバータ３とで構成されている。昇降圧コンバータ３は、バッテリ側の平滑コンデンサＣin、インバータ側の平滑コンデンサＣout、チョークコイルＬ、２素子がワンパッケージ化されたパワー半導体モジュール４、および半導体モジュールの各素子を制御するための制御信号を形成する制御回路５で構成されている。   The variable voltage power supply module 1 includes a battery 2 as an energy storage source and a step-up / down converter 3 for DC-DC conversion. The step-up / down converter 3 includes a smoothing capacitor Cin on the battery side, a smoothing capacitor Cout on the inverter side, a choke coil L, a power semiconductor module 4 in which two elements are packaged in one package, and a control signal for controlling each element of the semiconductor module. It is comprised by the control circuit 5 which forms.

次に、昇降圧コンバータ３の接続について説明する。パワー半導体モジュール４は、半導体素子ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとの並列体を２組、直列接続した構成となっている。ダイオードのカソードはＩＧＢＴのコレクタに、また、ダイオードのアノードはＩＧＢＴのエミッタに接続されて並列体が構成され、図１で上側に位置するＩＧＢＴのエミッタと、同じく下側に位置するＩＧＢＴのコレクタとが接続されて２組の直列体が構成されている。   Next, connection of the step-up / down converter 3 will be described. The power semiconductor module 4 has a configuration in which two sets of parallel bodies of a semiconductor element IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a diode are connected in series. The cathode of the diode is connected to the collector of the IGBT, and the anode of the diode is connected to the emitter of the IGBT to form a parallel body. In FIG. Are connected to form two sets of serial bodies.

上下のＩＧＢＴの接続点は、チョークコイルＬの一方の端子に接続され、上側ＩＧＢＴのコレクタ端子は、平滑コンデンサＣoutの一方の端子と、電圧可変形電源モジュール１のＰ端子とに接続され、下側ＩＧＢＴのエミッタは、平滑コンデンサＣoutの他方の端子と、Ｃinの一方の端子と、電圧可変形電源モジュール１のＮ端子とに接続されている。チョークコイルＬの他方の端子は、平滑コンデンサＣinの他方の端子と、電圧可変形電源モジュール１のＶＢ端子に接続されている。   The connection point of the upper and lower IGBTs is connected to one terminal of the choke coil L, the collector terminal of the upper IGBT is connected to one terminal of the smoothing capacitor Cout and the P terminal of the voltage variable power supply module 1, The emitter of the side IGBT is connected to the other terminal of the smoothing capacitor Cout, one terminal of Cin, and the N terminal of the voltage variable power supply module 1. The other terminal of the choke coil L is connected to the other terminal of the smoothing capacitor Cin and the VB terminal of the voltage variable power supply module 1.

インバータ７の構成およびインバータ７と昇降圧コンバータ３の動作については、特許文献１および２に詳述されているため、ここでの説明は省略する。   Since the configuration of the inverter 7 and the operation of the inverter 7 and the step-up / down converter 3 are described in detail in Patent Documents 1 and 2, description thereof is omitted here.

次に、昇降圧コンバータ３の構造を図２に示す概略斜視図にもとづいて説明する。
放熱フィン１０のフィンが形成されていない側に昇降圧コンバータ３を構成する電気部品が実装されている。電気部品のうち積極的に冷却する必要がある部品であるパワー半導体モジュール４およびチョークコイルＬが放熱フィン１０上に配置され、放熱フィンに固定されている。平滑コンデンサＣinおよびＣoutは、パターン配線が形成された基板２０（以下、平滑コンデンサ基板という）上にハンダ付け等で固定され、パワー半導体モジュール４の上部に配置され、図示しない固定治具で固定されている。 Next, the structure of the step-up / down converter 3 will be described based on a schematic perspective view shown in FIG.
The electric component which comprises the buck-boost converter 3 is mounted in the side in which the fin of the thermal radiation fin 10 is not formed. The power semiconductor module 4 and the choke coil L, which are components that need to be positively cooled among the electrical components, are disposed on the radiation fin 10 and fixed to the radiation fin. The smoothing capacitors Cin and Cout are fixed on a substrate 20 (hereinafter referred to as a smoothing capacitor substrate) on which pattern wiring is formed by soldering or the like, disposed on the power semiconductor module 4, and fixed by a fixing jig (not shown). ing.

パワー半導体モジュール４の上側ＩＧＢＴのコレクタ端子および下側ＩＧＢＴのエミッタ端子は、上記平滑コンデンサ基板２０上の平滑コンデンサＣoutの両端子と図示しない固定用治具を利用して接続されている。外部配線接続用のＰ端子、Ｎ端子もまた、固定用治具を利用して上記平滑コンデンサ基板２０のパターン配線を介してＣoutの両端子に接続されている。   The collector terminal of the upper IGBT and the emitter terminal of the lower IGBT of the power semiconductor module 4 are connected to both terminals of the smoothing capacitor Cout on the smoothing capacitor substrate 20 by using a fixing jig (not shown). The P terminal and N terminal for external wiring connection are also connected to both terminals of Cout through the pattern wiring of the smoothing capacitor substrate 20 using a fixing jig.

パワー半導体モジュール４の残りの端子（２つのＩＧＢＴの接続点の端子）は、バスバー配線１５によりチョークコイルＬの一方の端子に接続され、チョークコイルＬの他方の端子は、平滑コンデンサ基板２０に接続されたパターン配線を介して、平滑コンデンサＣinのＶＢ端子側の端子に接続されている。   The remaining terminals of the power semiconductor module 4 (terminals of connection points of the two IGBTs) are connected to one terminal of the choke coil L by the bus bar wiring 15, and the other terminal of the choke coil L is connected to the smoothing capacitor substrate 20. The smoothing capacitor Cin is connected to the terminal on the VB terminal side through the patterned wiring.

外部配線接続用のＶＢ端子は、固定用治具を利用して平滑コンデンサ基板２０のＣinの端子に接続されている。制御回路５は、それを形成する基板が立った状態で固定され、パワー半導体モジュール４の信号線にハンダ付け等で接続されている。図示されていないが、制御回路５の基板には駆動用の電圧ケーブルおよび制御信号ケーブルが外部から接続されている。
蓋１１は、各電気部品を覆い隠すように配設され、放熱フィン１０に固定されている。 The VB terminal for external wiring connection is connected to the Cin terminal of the smoothing capacitor substrate 20 using a fixing jig. The control circuit 5 is fixed in a state where the substrate that forms the control circuit 5 stands, and is connected to the signal line of the power semiconductor module 4 by soldering or the like. Although not shown, a voltage cable for driving and a control signal cable are connected to the substrate of the control circuit 5 from the outside.
The lid 11 is disposed so as to cover each electrical component, and is fixed to the heat radiation fin 10.

図３に電圧可変形電源モジュール１の全体構造を示す。電圧可変形電源モジュール１は、冷却風を矢印Ａで示すように、外部から取り込むと共に、冷却後の風を図３の後方から外部に送り出す構成とされている。また、複数個のバッテリセルの直列体で構成されたバッテリセル群２と並列に、図２で説明した昇降圧コンバータユニット３が配設され、それぞれの冷却風取り込み方向が共に矢印Ａとなるように配置されている。   FIG. 3 shows the overall structure of the voltage variable power supply module 1. The variable voltage power supply module 1 is configured to take in cooling air from the outside as indicated by an arrow A and to send the cooled air to the outside from the rear in FIG. Further, the step-up / step-down converter unit 3 described with reference to FIG. 2 is arranged in parallel with the battery cell group 2 formed of a series body of a plurality of battery cells so that the cooling air intake directions are both indicated by arrows A. Is arranged.

また、昇降圧コンバータユニット３の接続端子であるＰ端子、Ｎ端子の上面と、バッテリセルの正負電極端子２Ａ、２Ｂ面の法線方向とが一致するようにされている。かつ、両者の端子２Ａ、２Ｂ、Ｐ端子、Ｎ端子面の法線方向は、矢印Ａで示す冷却風の方向とほぼ９０度の角度をなすようにされている。   Further, the upper surfaces of the P terminal and N terminal, which are connection terminals of the step-up / down converter unit 3, and the normal directions of the positive and negative electrode terminals 2A and 2B of the battery cell are made to coincide with each other. In addition, the normal directions of the terminals 2A, 2B, P terminal, and N terminal surfaces of the two terminals are at an angle of approximately 90 degrees with the direction of the cooling air indicated by the arrow A.

バッテリセル群２と昇降圧コンバータユニット３とを並列関係に配設して、それぞれの冷却風の取り込み方向が一致するようにしたことにより、冷却風をバッテリセル群２と昇降圧コンバータユニット３との両方の冷却用に共用することが可能となる。また、バッテリセル群２の電極端子面と昇降圧コンバータユニットの接続端子面の法線方向を一致させたことにより、大電流のバスバー配線を最も短くすることが可能となり、バスバーによる電力損失および発熱を抑えることができる。   The battery cell group 2 and the step-up / step-down converter unit 3 are arranged in a parallel relationship so that the cooling air intake directions coincide with each other. It can be shared for both cooling. In addition, by matching the normal direction of the electrode terminal surface of the battery cell group 2 and the connection terminal surface of the buck-boost converter unit, it becomes possible to make the bus bar of a large current the shortest, and the power loss and heat generated by the bus bar. Can be suppressed.

さらに、バッテリの電極端子および昇降圧コンバータユニットの端子面の法線方向が、冷却風の方向とほぼ９０度の角度をなすようにしたことにより、端子間の配線バスバーが冷却風の経路に配置されることがなく、冷却性能を損なわせることがない。   In addition, the normal direction of the battery electrode terminals and the terminal surface of the buck-boost converter unit is at an angle of approximately 90 degrees with the direction of the cooling air, so that the wiring bus bar between the terminals is arranged in the path of the cooling air The cooling performance is not impaired.

この発明の実施の形態１によるモータ駆動装置の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows schematic structure of the motor drive device by Embodiment 1 of this invention. 実施の形態１において電圧可変形電源モジュールを構成する昇降圧コンバータの構成を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a configuration of a buck-boost converter that constitutes a voltage variable power supply module in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１における電圧可変形電源モジュールの構成を示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a configuration of a voltage variable power supply module according to Embodiment 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ 電圧可変形電源モジュール、 ２ バッテリ、 ３ 昇降圧コンバータ、 ４ パワー半導体モジュール、 ５ 制御回路、 ６ 平滑コンデンサ、 ７ インバータ、 ８ 電気モータ、 Ｃin バッテリ側平滑コンデンサ、 Ｃout インバータ側平滑コンデンサ、 Ｌ チョ−クコイル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Voltage variable power supply module, 2 Battery, 3 Buck-boost converter, 4 Power semiconductor module, 5 Control circuit, 6 Smoothing capacitor, 7 Inverter, 8 Electric motor, Cin Battery side smoothing capacitor, Cout Inverter side smoothing capacitor, L cho Kukoil.

Claims (4)

エネルギー蓄積源と、上記エネルギー蓄積源の直流電圧を制御する直流−直流変換用コンバータ回路と、上記直流−直流変換用コンバータ回路の直流出力を交流に変換してモータに印加するインバータ回路とを有するモータ駆動装置において、上記エネルギー蓄積源と上記直流−直流変換用コンバータ回路とを一体構造とし、一体形電源モジュールとして形成したことを特徴とするモータ駆動装置。   An energy storage source; a DC-DC conversion converter circuit that controls a DC voltage of the energy storage source; and an inverter circuit that converts a DC output of the DC-DC conversion converter circuit into an alternating current and applies it to a motor. In the motor drive apparatus, the energy storage source and the DC-DC conversion converter circuit are integrally structured to form an integrated power supply module. 上記一体形電源モジュールは、冷却風を内部に取り込むと共に、冷却後の風を外部に送り出す構成を有し、上記直流−直流変換用コンバータ回路は、その電気回路部品が所定方向の風路を形成する複数個のフィンを備えた冷却ブロック上に実装され、複数のエネルギー蓄積セルを並設して構成される上記エネルギー蓄積源は、上記直流−直流変換用コンバータ回路の冷却ブロックと並設されると共に、上記冷却ブロックのフィンによって形成される風路が上記冷却風の取り込み方向と一致するように配設されたことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。   The integrated power supply module has a configuration in which the cooling air is taken in and the cooled air is sent to the outside, and the DC-DC conversion converter circuit has an electric circuit component that forms a wind path in a predetermined direction. The energy storage source, which is mounted on a cooling block having a plurality of fins and configured by arranging a plurality of energy storage cells in parallel, is provided in parallel with the cooling block of the converter circuit for DC-DC conversion. The motor drive device according to claim 1, wherein an air passage formed by fins of the cooling block is disposed so as to coincide with a direction of taking in the cooling air. 上記一体形電源モジュールは、上記直流−直流変換用コンバータ回路の外部との接続端子の端子面の法線方向と、上記エネルギー蓄積源の正負電極端子の端子面の法線方向とが一致するように配設されたことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。   In the integrated power supply module, the normal direction of the terminal surface of the connection terminal to the outside of the converter circuit for DC-DC conversion and the normal direction of the terminal surface of the positive and negative electrode terminals of the energy storage source are matched. The motor driving device according to claim 1, wherein the motor driving device is disposed on the motor. 上記一体形電源モジュールは、上記直流−直流変換用コンバータ回路の冷却ブロックの冷却風の取り込み方向と、上記直流−直流変換用コンバータ回路の外部接続端子面の法線方向とがほぼ９０度の角度をなすようにされたことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。   In the integrated power module, the direction in which cooling air is taken in the cooling block of the converter circuit for DC-DC conversion and the normal direction of the external connection terminal surface of the converter circuit for DC-DC conversion are at an angle of approximately 90 degrees. The motor driving apparatus according to claim 1, wherein the motor driving apparatus is configured as follows.
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