JP2008199796A - 電力スイッチングモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電力スイッチング回路をソフトウエア制御する場合の制御信号の遅延や信号ひずみ、またノイズの飛込みを抑制して、安定かつ正確なソフトウエア制御を実現する。
【解決手段】１あるいは複数の電力用スイッチング素子を含み、外部から入力された電力をスイッチングする電力スイッチング回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路を含み、電力スイッチング回路を制御プログラムに基づいてソフトウエア制御する制御部とを備え、電力スイッチング回路と制御部とが一体として所定の筐体内に実装されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力スイッチングモジュールに関する。

モータ駆動用のインバータは、自らを構成する電力用スイッチング素子のスイッチング動作が外部の制御回路から供給される駆動信号に基づいて制御されることによってモータを制御・駆動する。また、近年ではモータをソフトウエア制御することが一般的に行われており、このソフトウエア制御によって上記インバータを制御する場合、インバータとは別体として設けられた制御回路において所定の制御プログラムに基づいて上記駆動信号を生成し、当該駆動信号を信号線を介してインバータに供給する。すなわち、インバータは電力をスイッチングするものであり、一方、制御回路は制御プログラムに基づいて比較的省電力で動作するものなので、両者は別体として構成される。
このようなインバータ等の電力スイッチング回路を制御回路によって制御する従来技術として、下記特許文献１〜３等に開示されたものがある。
特開平０９−００９４０９号公報 特開平１１−３１７４９５号公報 特開平１１−２０４７０３号公報

しかしながら、上記従来のインバータの制御技術では、電力スイッチング回路であるインバータと制御回路とが別体として構成され、両者が信号線で相互に接続されているので、制御信号の遅延や波形歪みが発生し易く、またサージノイズの影響を受け易い。すなわち、信号線や実装環境に基づく静電容量やインダクタンスによって制御信号が遅延したり、または／及び制御信号が波形歪みを起こすことがあり、さらには信号線にサージノイズが飛び込むことによって制御信号に外乱が加わるので、安定かつ正確なソフトウエア制御を実現することができないという問題がある。
また、電力スイッチング回路と制御回路とが別体なので、ハードウエアとしての取り扱い性が悪いという問題もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）電力スイッチング回路をソフトウエア制御する場合の制御信号の遅延や信号ひずみ、またノイズの飛込みを抑制し、安定かつ正確なソフトウエア制御を実現する。
（２）電力スイッチング回路をソフトウエア制御する場合におけるハードウエアとしての取り扱い性を向上させる。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、１あるいは複数の電力用スイッチング素子を含み、外部から入力された電力をスイッチングして出力する電力スイッチング回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路を含み、前記電力スイッチング回路を前記制御プログラムに基づいてソフトウエア制御する制御部とを備え、前記電力スイッチング回路と制御部とが一体として所定の筐体内に実装されてなる、という手段を採用する。
第２の解決手段として、上記第１の手段において、筐体の一面には、内面に電力用スイッチングが熱結合状態で設けられた伝熱板が設けられている、という手段を採用する。
第３の解決手段として、上記第２の手段において、筐体内には、電力用スイッチング素子を駆動する駆動回路が実装された駆動回路基板が伝熱板に対向して配置され、該駆動回路基板を挟んで伝熱板の反対側に駆動回路を介して電力用スイッチング素子を制御する制御部が実装された制御回路基板が配置される、という手段を採用する。
第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、記憶回路に記憶させる制御プログラムを入力するための専用端子を備える、という手段を採用する。
第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、筐体内の隙間には樹脂が注入されている、という手段を採用する。
第６の解決手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、電力スイッチング回路はインバータである、という手段を採用する。

本発明によれば、電力スイッチング回路と制御部とが所定の筐体内に一体として実装されているので、従来のような電力スイッチング回路と制御部とを接続するための信号線が不要であり、よって制御信号の遅延や信号ひずみ、またノイズの飛込みを抑制することが可能であり、この結果として安定かつ正確なソフトウエア制御を実現することが可能である。
また、電力スイッチング回路と制御部とが筐体内に一体として実装されているので、ハードウエアとしての取り扱い性を向上させることが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る電力スイッチングモジュールＡの機械的構成を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。これら図１において、符号１は筐体、２はベースプレート、３は電力用スイッチングトランジスタ、４は駆動回路基板、５は制御回路基板、６は駆動回路電源、７は制御部電源、８は外部接続用コネクタ、９は電力入力端子、１０は電力出力端子である。

また、図２は、本電力スイッチングモジュールＡを用いた電動機付ターボチャージャの機能構成を示すブロック図である。この図２において、符号Ｂは永久磁石同期モータ、Ｃはターボチャージャ、Ｄは車両バッテリ、またａ1は制御部、ａ2は制御回路、ａ3はＲＯＭ、ａ4は駆動回路、ａ5はインバータである。なお、この図２において、図１に示した構成要素と同一の構成要素には同一符号を付している。

説明の都合上、図２の構成要素から先に説明すると、電力スイッチングモジュールＡは、外部の車両バッテリＤから供給された所定電圧の直流電力（バッテリ電力）を交流電力に変換して永久磁石同期モータＢを制御・駆動するものである。この電力スイッチングモジュールＡは、後述するように所定の制御プログラムに基づいて永久磁石同期モータＢを駆動するためのモータ駆動信号を生成するもの、つまり永久磁石同期モータＢを制御プログラムに基づいてソフトウエア制御するものである。

永久磁石同期モータＢは、回転子（ロータ）が永久磁石で構成された三相駆動タイプの同期モータであり、図示するようにターボチャージャＣに軸結合している。ターボチャージャＣは、車両のエンジンが排気する排気ガスによって回転駆動するものである。上記永久磁石同期モータＢは、通常は排気ガスによって回転駆動するターボチャージャＣを、電力スイッチングモジュールＡの制御に基づいて補助（アシスト）する。車両バッテリＤは、車両に搭載されたバッテリであり、所定電圧の直流電力（バッテリ電力）を電力スイッチングモジュールＡに供給する。

すなわち、本電力スイッチングモジュールＡを構成要素とする電動機付ターボチャージャは、エンジンによって駆動する車両等に実装されるものであり、本電力スイッチングモジュールＡによって制御・駆動される永久磁石同期モータＢがターボチャージャＣをアシストすることによりエンジン性能を向上させるものである。

続いて、筐体１は、アルミダイキャスト製の略箱型の容器であり、一面（底面）にベースプレート２が、また側部には外部接続用コネクタ８、電力入力端子９及び電力出力端子１０がそれぞれ設けられている。この筐体１は、上面が着脱自在な蓋になっており、内部に電力用スイッチングトランジスタ３、駆動回路基板４、制御回路基板５、駆動回路電源６及び制御部電源７等を収納する。

ベースプレート２は、平板状の金属板であり、一面が筐体１の外部に露出する一方、他面（内面）には複数の電力用スイッチングトランジスタ３が熱結合状態かつ絶縁状態で固定されている。このベースプレート２は、電力用スイッチングトランジスタ３の熱を効果的に外部に伝導するための伝熱板であり、熱伝導率の高い金属（例えばアルミ合金、銅合金等）から形成されている。

複数の電力用スイッチングトランジスタ３は、本実施形態における電力スイッチング素子であり、例えばパワーＭＯＳトランジスタである。各電力用スイッチングトランジスタ３は、全体としてインバータａ5を構成するように相互接続されると共に、各々のゲート端子が駆動回路ａ4の出力端と接続されている。インバータａ5は、図示するようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる交流電力（モータ駆動信号）を出力する三相インバータである。このインバータａ5は、車両バッテリＤから入力されたバッテリ電力をゲート駆動信号に基づいてスイッチングすることにより永久磁石同期モータＢを駆動するためのモータ駆動信号（交流電力）に変換する一種の電力スイッチング回路である。

駆動回路基板４は、駆動回路ａ4が実装されたプリント配線板であり、図示するように筐体１内においてベースプレート２に対向するように配置・固定されている。駆動回路ａ4は、インバータａ5を構成する各電力用スイッチングトランジスタ３を駆動するための増幅回路であり、制御回路ａ2から入力されるゲート信号を電力増幅することにより各電力用スイッチングトランジスタ３のゲート端子に供給するゲート駆動信号を生成する。

制御回路基板５は、制御部ａ1が実装されたプリント配線板であり、図示するように筐体１内において駆動回路基板４を挟んでベースプレート２の反対側に配置・固定されている。制御部ａ1は、制御回路ａ2及びＲＯＭａ3から構成されており、ＲＯＭａ3に予め記憶された制御プログラムに基づいて制御回路ａ2が動作することにより上記ゲート信号を生成して駆動回路ａ4に出力する。制御回路ａ2は、ＣＰＵ及び当該ＣＰＵをＲＯＭａ3、駆動回路ａ4及び外部装置と接続するための各種インタフェース回路、ＲＡＭ等から構成されている。

ＲＯＭａ3は、上記制御プログラムを記憶する記憶回路であり、制御回路ａ2の制御の下に制御プログラムを構成する命令を読み出して制御回路ａ2に出力する。上記制御プログラムは、例えばインバータａ5をＰＷＭ制御するためのもの、つまりインバータａ5を駆動するゲート信号としてＰＷＭ信号を生成するものであり、また当該ＰＷＭ信号をベクトル制御方式に基づく演算処理によって生成するものである。

駆動回路電源６は、図示するように筐体１内の角部に配置されている。駆動回路電源６は、その入力端が電力入力端子９に接続されており、該電力入力端子９に入力された所定電圧の直流電力を上記駆動回路ａ4の電源電圧に変換して当該駆動回路ａ4に供給する。制御部電源７は、図示するように制御回路基板５上に実装されている。制御部電源７は、その入力端が電力入力端子９に接続されており、該電力入力端子９に入力された所定電圧の直流電力を上記制御部ａ1の電源電圧に変換して当該制御部ａ1に供給する。

外部接続用コネクタ８は、筐体１内において上記制御部ａ1と接続されており、当該制御部ａ1が制御処理において必要とする各種の設定信号や検出信号を外部から入力するため、また制御部ａ1のメンテナンスに必要なメンテナンス信号を外部装置から入力するための外部接続端子である。なお、上記メンテナンス信号には、上記ＲＯＭａ3に記憶される制御プログラムも含まれる。上記設定信号は、例えばＥＣＵ（エンジン自動制御装置）から入力される角速度指令値であり、検出信号は、例えば永久磁石同期モータＢの回転子の回転位置の検出値である。

電力入力端子９は、図示するように筐体１の側部に突出するように設けられており、外部に設けられた車両バッテリＤに接続されている。この電力入力端子９は、車両バッテリＤから供給された所定電圧の直流電力（バッテリ電力）を受電するためのものである。なお、電力入力端子９は、冗長性を確保するために＋端子及び−端子ともに一対設けられている。電力出力端子１０は、上記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ駆動信号に対応して３つ設けられており、当該Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ駆動信号を外部に出力するためのものである。

なお、図示していないが、筐体１内の隙間には非導電性の樹脂（例えばシリコンゲル等）が充満状態に注入されており、筐体１内の各構成要素は上記樹脂によって車両に作用する加速度等から保護されている。

次に、このように構成された本電力スイッチングモジュールＡの作用・効果について説明する。

本電力スイッチングモジュールＡは、制御回路ａ2がＲＯＭａ3に記憶された制御プログラム及び外部接続用コネクタ８を介して外部から入力された検出信号や設定信号に基づいてゲート信号を生成し、該ゲート信号を駆動回路ａ4で増幅しゲート駆動信号としてインバータａ5に入力することにより、車両バッテリＤから入力されたバッテリ電力（直流電力）を三相交流であるモータ駆動信号に変換して永久磁石同期モータＢを制御・駆動する。

すなわち、本電力スイッチングモジュールＡは、検出信号として永久磁石同期モータＢから入力されるロータの回転位置に基づいて算出された角速度が設定信号としてＥＣＵから入力される角速度指令値に一致するようにモータ駆動信号を生成して永久磁石同期モータＢに供給する。

このような本電力スイッチングモジュールＡによれば、図１に示すように電力スイッチング回路であるインバータａ5と制御部ａ1とが一体として筐体１内に実装されているので、従来のような電力スイッチング回路と制御部とを接続するための信号線、つまりゲート駆動信号をインバータａ5に供給するための信号線が不要であり、よってゲート駆動信号の遅延や信号ひずみ、またノイズの飛込みを抑制することが可能である。したがって、本電力スイッチングモジュールＡによれば、安定かつ正確に永久磁石同期モータＢをソフトウエア制御することが可能である。
また、インバータａ5と制御部ａ1とが筐体１内に一体として実装されているので、ハードウエアとしての取り扱い性を従来よりも向上させることが可能である。

また、本電力スイッチングモジュールＡによれば、最も発熱量の大きなインバータａ5（つまり電力用スイッチングトランジスタ３）がベースプレート２の内面に熱結合状態で固定されているので、インバータａ5で発生した熱を効果的に外部に放熱することができる。

また、本電力スイッチングモジュールＡによれば、筐体１内において、駆動回路基板４がベースプレート２に対向して配置され、該駆動回路基板４を挟んでベースプレート２の反対側に制御回路基板５が配置されているので、最も発熱量の大きなインバータａ5の輻射熱が制御回路基板５上に実装された制御部ａ1に直接放射されることがなく、よって制御部ａ1の熱による誤動作を効果的に防止することができる。

さらには、本電力スイッチングモジュールＡによれば、ＲＯＭａ3に記憶された制御プログラムを入力するための外部接続用コネクタ８を備えているので、本電力スイッチングモジュールＡの製造時やメンテナンス時に外部接続用コネクタ８を介して制御プログラムをＲＯＭａ3に容易に記憶させたり、あるいは既にＲＯＭａ3に記憶された制御プログラムを容易に書き換えることが可能である。
すなわち、外部接続用コネクタ８を介して制御プログラムを容易に変更することができるので、制御回路ａ2による制御処理の内容を容易に変更可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態における筐体１は略箱型に形状設定されているが、本電力スイッチングモジュールＡは車両内のエンジン近傍の比較的狭い場所に装着されるものなので、当該装着場所の事情に適した形状に設定されるべきである。装着場所の事情に応じて、例えばピラミッド型や円柱形、あるいは円錐形等の箱型以外の形状としても良い。

（２）上記実施形態は本願発明を永久磁石同期モータＢを制御駆動するためのモータ制御駆動装置に適用したものであり、電力スイッチング回路はインバータａ5ですが、本願発明はこのようなモータ制御駆動装置に限定されるものではない。電力スイッチング回路についても、インバータ以外の電力回路であっても良い。

（３）上記実施形態では電力スイッチングモジュールＡの駆動対象（負荷）を電動機付ターボチャージャとしたが、この駆動対象は電動機付ターボチャージャに限定されるものではない。例えば、スーパーチャージャ等の各種圧縮機や各種の回転機械に適用することができる。
（４）また、上記実施形態ではインバータａ5（電力スイッチング回路）への電力供給源を車両バッテリＤとしたが、この電力供給源は車両バッテリＤに限定されるものではない。種々の直流電源を電力供給源として採用することができる。

本発明の一実施形態に係わる電力スイッチングモジュールＡの機械的構成を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態に係わる電力スイッチングモジュールＡを用いた電動機付ターボチャージャの機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…筐体、２…ベースプレート、３…電力用スイッチングトランジスタ（電力スイッチング素子）、４…駆動回路基板、５…制御回路基板、６…は駆動回路電源、７…制御部電源、８…外部接続用コネクタ、９…電力入力端子、１０…電力出力端子、Ａ…モータ制御駆動部、ａ1…制御部、ａ2…制御回路、ａ3…ＲＯＭ（記憶回路）、ａ4…駆動回路、ａ5…インバータ（電力スイッチング回路）、Ｂ…永久磁石同期モータ、Ｃ…ターボチャージャ、Ｄ…車両バッテリ

Claims (6)

1. １あるいは複数の電力用スイッチング素子を含み、外部から入力された電力をスイッチングして出力する電力スイッチング回路と、
   制御プログラムを記憶する記憶回路を含み、前記電力スイッチング回路を前記制御プログラムに基づいてソフトウエア制御する制御部とを備え、
   前記電力スイッチング回路と制御部とが一体として所定の筐体内に実装されてなることを特徴とする電力スイッチングモジュール。
2. 筐体の一面には、内面に電力用スイッチングが熱結合状態で設けられた伝熱板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力スイッチングモジュール。
3. 筐体内には、電力用スイッチング素子を駆動する駆動回路が実装された駆動回路基板が伝熱板に対向して配置され、該駆動回路基板を挟んで伝熱板の反対側に駆動回路を介して電力用スイッチング素子を制御する制御部が実装された制御回路基板が配置されることを特徴とする請求項２記載の電力スイッチングモジュール。
4. 記憶回路に記憶させる制御プログラムを入力するための外部接続端子を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の電力スイッチングモジュール。
5. 筐体内の隙間には樹脂が注入されていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の電力スイッチングモジュール。
6. 電力スイッチング回路はインバータであることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の電力スイッチングモジュール。

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