JP2007135252A

JP2007135252A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2007135252A
Application number: JP2005323005A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Ishikawa; 勝美石川; Hideki Miyazaki; 英樹宮崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-05-31
Also published as: US20070103951A1

Abstract

【課題】モータ絶縁の信頼性を高め、冷却系を簡素化し、高温でも動作可能な小型インバータを提供する。
【解決手段】本発明のインバータ装置は、パワーモジュールにＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップの電力半導体スイッチング素子を備え、パワーモジュールとパワーモジュールの駆動回路とが別々の筐体に収容し、パワーモジュールを収容した筐体を、変速機、エンジン、モータの筐体に固定して冷却し、駆動回路を温度条件が穏やかな場所に離間設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、動作温度が高い複数のスイッチング素子を内蔵したパワーモジュールと、該スイッチング素子のオン・オフを制御する駆動回路を備える電力変換装置に関する。

Ｓｉ半導体素子を用いたＩＧＢＴインバータにもちいる、ＩＧＢＴモジュールの動作保証温度の上限は、１２５℃程度である。一方、Ｓｉ半導体素子に比べて高温まで動作可能なデバイスとして、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンドなどのパワー半導体素子が知られている。特許文献１では、酸化膜を使用しない接合型トランジスタＳｉＣが記載されている。この接合型トランジスタＳｉＣは、ゲート酸化膜を使用しないパワーデバイスであり、デバイスの高温動作が可能である。一方、インバータに内蔵する部品、例えば、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサや、スイッチング素子のオン・オフを制御する駆動回路部品（電源トランス、フォトカプラ等）の動作保証温度の上限は、１２５℃程度である。そのため、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドなどのパワー半導体部品と同じ筐体内に配置すると、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサや、スイッチング素子のオン・オフを制御する駆動回路部品などの動作保証温度の上限を超えてしまう。

また、特許文献２では、動作保証温度がＳｉ半導体素子よりも高い半導体素子を用いて冷却機構を簡素化し、また、制御部及び変換部間を分離して配置することにより、変換部から制御部へ伝わる熱を減少させた電力変換装置を提供することが記載されている。

特開平１０−２９４４７１号公報（(００１５)段落から(００１８)段落の記載。）特開２００４−３５０３６０号公報（(００２２)段落から(００３０)段落の記載。）

ＳｉＣデバイスは、動作保証温度がＳｉ半導体よりも高いという利点がある。また、ＳｉＣを用いたデバイスは、接合型トランジスタＳｉＣや、ＭＯＳＦＥＴ−ＳｉＣのように、ユニポーラ型のデバイスが主流である。ユニポーラデバイスでは、スイッチング速度が非常に速いという特徴がある。スイッチング速度が速いと、スイッチング損失（ターンオン損失やターンオフ損失）は、非常に小さいという利点がある。

一方欠点として、インバータのスイッチングによって発生するサージ電圧がインバータの出力電圧に重畳され、モータの端子に印加される。このサージ電圧が高い場合は、モータの絶縁に影響を与え、モータ絶縁の信頼性を低下させる可能性がある。図２には、スイッチング速度（ターンオン立ち上がり時間：ｔｒ）をパラメータとし、インバータの出力端子からモータ端子間のケーブル長に対するサージ電圧倍率の実測結果を示す。これは、昭和６２年、電気学会誌１０７巻７号より抜粋したものである。従来のＳｉ素子を用いたＩＧＢＴデバイスでは、０.１〜０.３μｓのターンオン立ち上がり時間に対し、ＳｉＣのユニポーラ型のデバイスでは、０.１μｓ以下と高速にスイッチングするので、インバータと負荷のモータとを近接配置する必要がある。

本発明の目的は、モータ絶縁の信頼性を高め、冷却系を簡素化し、高温でも動作可能なインバータ装置を提供することである。

本発明のインバータ装置は、動作温度が高い複数のスイッチング素子を内蔵したパワーモジュールを、変速機、エンジン、モータの筐体に固定して冷却する。また、主回路で発生するサージ電圧を低減するためのソフトスイッチング回路やスナバ回路を設ける。

本発明によれば、モータ絶縁の高い信頼性を確保しながら、インバータを高温で動作させることができ、さらにインバータを小型化できる。

本発明の実施例を、図面を使用して詳細に説明する。

図１は、本実施例のインバータ装置の概要を示す構成図である。図１で符号３１は、原動機であるエンジンであり、このエンジン３１は水冷式の内燃機で、例えばガソリンエンジンである。３２はエンジン３１を始動させるスタータである。エンジン３１では、吸気管に設けられた電子制御スロットル３３により吸入空気量が制御され、前記空気量に見合う燃料量が燃料噴射装置から噴射される。また、前記空気量および燃料量から決定される空燃比、エンジン回転数などの信号から点火時期が決定され、点火装置により点火される。

変速機４１は、入力軸４２と出力軸４３とを備えている。変速機４１の入力軸４２には、噛合い歯車を有するギア４４、ギア４５、ハブスリーブ４６が設けられている。ギア４５は入力軸４２に固着して設けられており、噛合い歯車を有するギア４４は入力軸４２の軸方向に移動しない構造になっている。ハブスリーブ４６は入力軸４２の軸方向に移動可能で回転方向に拘束される噛合い機構により入力軸４２と結合している。変速機４１の出力軸４３には、噛合い歯車を有するギア４４、ギア４５、ハブスリーブ４６が設けられている。ギア４５は出力軸４３に固着して設けられており、噛合い歯車を有するギア４４は出力軸４３の軸方向に移動しない構造になっている。ハブスリーブ４６は出力軸４３の軸方向に移動可能で回転方向に拘束される噛合い機構により出力軸４３と結合している。入力軸のギアと出力軸のギアはそれぞれ噛合しており、入力軸４２から出力軸４３へトルク伝達する際に異なるギア比の組合せを構成するものである。ギアの組合せによって、１速〜５速と、リバースを実現する。

前記エンジン３１のクランク軸３４と前記入力軸４２の間にはクラッチ３５が介装され、クラッチ３５を連結することによりエンジン３１から入力軸４２へ動力を伝達することができる。また、クラッチ３５を解放することによりエンジン３１から入力軸４２への動力伝達を遮断することができる。前記クラッチ３５は、通常のガソリンエンジン車においても用いられており、クラッチ３５を徐々に押し付けていくことにより車両を発進させることができる。なお、エンジン３１と変速機４１との間にトルクコンバータを配置しても同様である。前記変速機４１の出力軸４３にはファイナルギア３６が設けられており、ファイナルギア３６とタイヤ３７が車両駆動軸３８を介して接続されている。

モータ５１では、モータの出力軸５２にギア５３が固着して設けられており、ギア５３は変速機４１のギア４５と噛合している。よって、モータ５１のトルクを変速機の入力軸４２に伝達することが可能である。このモータ５１は、パワーモジュール１１が出力する周波数可変で電圧可変の３相交流電力を入力して回転する交流モータである。

本実施例では、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１を、変速機４１の筐体に接続する。変速機４１の筐体には、油が充填されており、この油の循環により動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１を冷却する。また、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１は、モータ５１に近接して配置されるので、パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなり、モータ５１の端子に発生するサージ電圧を低減できる。このため、モータ絶縁の高い信頼性を確保することができる。また、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ１４と、平滑コンデンサ１４からパワーモジュール１１までの配線１５により、このパワーモジュール１１の主回路を構成している。この平滑コンデンサ１４からパワーモジュール１１までの配線１５が長いと、スイッチング時に（数１）式で示す跳上り電圧（ΔＶ）を発生するため、平滑コンデンサからパワーモジュールまでの配線１５はできるだけ短いことが望ましい。

ΔＶ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔ …（数１）
（数１）式で、Ｌは平滑コンデンサからパワーモジュールまでの配線１２のインダクタンス、ｄｉ／ｄｔは電力半導体スイッチング素子のターンオフ時の電流変化である。

また、パワーモジュール１１の中の動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子としては、高温まで動作可能なデバイスである、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンドなどの何れかを半導体基板としたパワー半導体スイッチング素子が望ましい。これらのＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンドは、バンドギャプエネルギーが２ｅＶ以上とＳｉより大きい、ワイドバンドギャップ半導体である。高温での高い信頼性を確保するためには、これらのワイドバンドギャップ半導体のなかでもゲート酸化膜を使用しない接合型トランジスタＳｉＣが、最も適している。

この動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１のオン・オフを制御する駆動回路は、制御回路基板２２と、抵抗２３、コンデンサ２４、ドライバＩＣ２５等の電子部品を備えている。また、この制御回路基板２２と、動作温度が高い複数のパワー半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１との間には、制御信号を伝送する配線２１によって、パワーモジュール１１の制御電圧や、駆動信号を伝送している。このように、本実施例では、パワーモジュール１１を変速機４１の筐体に接続して冷却し、駆動回路を温度条件が穏やかな場所に離間設置した。

これらの構成により、本実施例ではモータ絶縁の高い信頼性を確保しながら、インバータを高温で動作させ、冷却装置を簡素にすることができ、インバータを小型化することができる。

図３は、本実施例のインバータ装置の回路図を示す。実施例１と同じものには、同一符号を記載している。変速機４１の筐体に接続されている、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１は、動作温度が高い電力半導体スイッチング素子６１から構成されている。パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなる一方で、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ１４からパワーモジュール１１までの配線２１は長くなる。そのため、前記（数１）式に示すような、電力半導体スイッチング素子６１のオフ時の電流減少率（ｄｉ／ｄｔ）と、配線１２のインダクタンス（Ｌ）の積で決まる跳上り電圧（ΔＶ）を発生する。

本実施例では、この跳上り電圧を抑制するソフトスイッチング回路部７１を設けている。このソフトスイッチング回路部７１は、ソフトスイッチング用の動作温度が高いスイッチング素子７３と、ソフトスイッチング制御回路７２とによって構成されている。

図４は、さらに詳細なソフトスイッチングの回路図を示す。ソフトスイッチング回路部７１は、ソフトスイッチング用の動作温度が高いスイッチング素子７３と、ソフトスイッチング制御回路用の抵抗７４とコンデンサ７５によって構成されている。動作温度が高い電力半導体スイッチング素子６１のターンオフのタイミングに合わせて、ソフトスイッチング回路用のスイッチング素子７６がオンする。これにより、スイッチング素子のオフｄｉ／ｄｔと、配線のインダクタンスの積で決まる跳上り電圧を低減する。その後、ソフトスイッチング回路用のスイッチング素子７６をソフトに遮断する。

このソフトスイッチング回路部７１を設けることによって、スイッチング素子のオフｄｉ／ｄｔと、配線のインダクタンスの積で決まる跳上り電圧を低減でき、さらに、パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなり、モータの端子に発生するサージ電圧を低減することができる。本実施例でも実施例１と同様に、モータ絶縁の高い信頼性を確保できる。

図５は、本実施例のインバータ装置の回路図を示す。実施例１や実施例２と同じものには、同一符号を記載している。変速機の筐体に接続されている、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１は、動作温度が高い電力半導体スイッチング素子６１から構成されている。本実施例では、跳上り電圧を抑制するために、スナバコンデンサ８１を設けている。このスナバコンデンサ８１は、モジュールに近接して設置するか、モジュール内に実装しているので、跳上り電圧を効果的に抑制できる。本実施例のスナバコンデンサ８１には、耐熱性に優れ、耐振動性に優れているセラミックコンデンサや、フィルムコンデンサを用いることが望ましい。

このスナバコンデンサ８１を設けることによって、電力半導体スイッチング素子のオフｄｉ／ｄｔと、配線のインダクタンスの積で決まる跳上り電圧を低減でき、さらに、パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなり、モータの端子に発生するサージ電圧を低減することができる。このため、モータ絶縁の高い信頼性を確保することができる。

図６は、本実施例のインバータ装置の回路図を示す。実施例１から実施例３と同じものには、同一符号を記載している。本実施例で、変速機の筐体に接続されている、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１は、動作温度が高い電力半導体スイッチング素子６１から構成されている。本実施例では、跳上り電圧を抑制するために、スナバコンデンサ８１、及びスナバコンデンサ８１に直列に接続したスナバ抵抗８２を設けている。このスナバコンデンサ８１とスナバ抵抗８２は、モジュールに近接して設置するか、モジュール内に実装する。これにより、跳上り電圧を効果的に抑制することが可能になる。本実施例のスナバコンデンサ８１、及びスナバ抵抗８２は、耐熱性に優れ、耐振動性に優れていることが望ましい。

このスナバコンデンサ８１、及びスナバ抵抗８２を設けることによって、電力半導体スイッチング素子のオフｄｉ／ｄｔと、配線のインダクタンスの積で決まる跳上り電圧を低減でき、さらに、パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなり、モータの端子に発生するサージ電圧を低減することができる。このため、モータ絶縁の高い信頼性を確保することができる。

図７は、本実施例のインバータの回路図を示す。実施例１から実施例４と同じものには、同一符号を記載している。変速機の筐体に接続されている、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１は、動作温度が高い電力半導体スイッチング素子６１から構成されている。本実施例では、跳上り電圧を抑制するために、スナバコンデンサ８１と、スナバコンデンサ８１に直列に接続したスナバ抵抗８２と、スナバ抵抗８２に並列に接続したスナバ用ダイオード８３とを設けている。このスナバコンデンサ８１、及びスナバ抵抗８２、スナバ用ダイオード８３は、モジュールに近接して設置するか、モジュール内に実装することで、跳上り電圧を効果的に抑制することが可能になる。従って、このスナバコンデンサ８１、スナバ抵抗８２、スナバ用ダイオード８３は、耐熱性に優れ、耐振動性に優れていることが望ましい。

このスナバコンデンサ８１、スナバ抵抗８２、スナバ用ダイオード８３を設けることによって、スイッチング素子のオフｄｉ／ｄｔと、配線のインダクタンスの積で決まる跳上り電圧を低減でき、さらに、パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなり、モータの端子に発生するサージ電圧を低減することができる。このため、モータ絶縁の高い信頼性を確保することができる。

図８は、本実施例のインバータ装置の概要を示す構成図である。実施例１から実施例５と同じものには、同一符号を記載している。

本実施例では、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１を、エンジン３１の筐体に接続する。エンジン３１の筐体には、エンジン冷却水が充填されており、この冷却水の循環により動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１を冷却する。また、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１は、モータ５１に近接して配置されるので、パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなり、モータの端子に発生するサージ電圧を低減することができる。

これらの構成により、モータ絶縁の高い信頼性を確保しながら、インバータを高温で動作させ、冷却装置を簡素にすることができ、インバータを小型化することができる。

図９は、本実施例のインバータの概要を示す構成図を示す。実施例１から実施例６と同じものには、同一符号を記載している。本実施例では、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１を、負荷のモータ５１の筐体に接続する。モータ５１の筐体は、熱容量が大きな鉄やアルミニウムなどの金属でできている。この熱容量により、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１を冷却する。また、動作温度が高い複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュール１１は、モータ５１に近接して配置されるので、パワーモジュール１１からモータ５１までの配線１２の配線長が短くなり、モータの端子に発生するサージ電圧を低減することができる。

実施例１のインバータの概要を示す構成図。スイッチング速度をパラメータとし、ケーブル長に対するサージ電圧倍率の説明図。実施例２のインバータの回路図。実施例２のインバータのソフトスイッチング回路の詳細回路図。実施例３のインバータの回路図。実施例４のインバータの回路図。実施例５のインバータの回路図。実施例６のインバータの概要を示す構成図。実施例７のインバータの概要を示す構成図。

符号の説明

１１…パワーモジュール、１２、１５、２１…配線、１３…バスバー、１４…平滑コンデンサ、２２…制御回路基板、２３、７４、８２…抵抗、２４、７５、８１…コンデンサ、２５…ドライバＩＣ、３１…エンジン、３２…スタータ、３３…電子制御スロットル、３４…クランク軸、３５…クラッチ、３６…ファイナルギア、３７…タイヤ、３８…車両駆動軸、４１…変速機、４２…入力軸、４３…出力軸、４４、４５、５３…ギア、４６…ハブスリーブ、５１…モータ、５２…モータの出力軸、６１…電力半導体スイッチング素子、６２…配線インダクタンス、６３…電源（バッテリー）、７１…ソフトスイッチング回路部、７２…ソフトスイッチング制御回路、７３、７６…スイッチング素子、８３…ダイオード。

Claims

直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュールと、該電力半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する駆動回路とを備える電力変換装置において、
前記パワーモジュールが前記駆動回路とは別の筐体に収容されており、
該パワーモジュールを収容した筐体を、原動機の変速機筐体に固定したことを特徴とする電力変換装置。
直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵したパワーモジュールと、該電力半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する駆動回路とを備える電力変換装置において、
前記パワーモジュールが前記駆動回路とは別の筐体に収容されており、
該パワーモジュールを収容した筐体を、原動機の筐体に固定したことを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、前記パワーモジュールを収容した筐体を固定する原動機の筐体が、水冷式内燃機の筐体であることを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、前記パワーモジュールを収容した筐体を固定する原動機の筐体が、電動機の金属筐体であることを特徴とする電力変換装置。
直流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、複数の電力半導体スイッチング素子を内蔵し負荷の電動機を駆動するパワーモジュールと、該電力半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する駆動回路とを備える電力変換装置において、
前記パワーモジュールは、
前記複数の電力半導体スイッチング素子が、バンドギャップエネルギが２ｅＶ以上のワイドバンドギャップ半導体素子であって、前記駆動回路とは別の筐体に収容されており、
該パワーモジュールを収容した筐体を、原動機の筐体あるいは原動機の変速機の筐体の何れかに固定したことを特徴とする電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置において、前記パワーモジュールのワイドバンドギャップ半導体素子が、ＳｉＣあるいは、ＧａＮあるいは、ダイヤモンドの何れかを半導体基板とした半導体素子であることを特徴とする電力変換装置。
請求項５記載の電力変換装置において、前記パワーモジュールのワイドバンドギャップ半導体素子が、接合型ＦＥＴであることを特徴とする電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールが、ソフトスイッチング回路を備え、該ソフトスイッチング回路が、半導体スイッチング素子と抵抗との直列接続体と該半導体スイッチング素子の制御回路部とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールの電源供給端子に、スナバ回路を設けることを特徴とする電力変換装置。
請求項９に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールの電源供給端子に設けたスナバ回路が、コンデンサと抵抗との直列接続体であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１０に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールの電源供給端子に設けたスナバ回路の抵抗にダイオードを並列に接続したことを特徴とする電力変換装置。