(第1実施形態)
以下、電力変換装置の第1実施形態について説明する。
本実施形態の電力変換装置10は、例えば車両200に搭載されており、車両200に設けられている電動モータ201を駆動するのに用いられる。
本実施形態の電動モータ201は、車両200の車輪を回転させるための走行用モータである。本実施形態の電動モータ201は、3相コイル202u,202v,202wを有している。3相コイル202u,202v,202wは例えばY結線されている。3相コイル202u,202v,202wが所定のパターンで通電されることにより、電動モータ201が回転する。なお、3相コイル202u,202v,202wの結線態様は、Y結線に限られず任意であり、例えばデルタ結線でもよい。
図1に示すように、車両200は蓄電装置203を有している。本実施形態の電力変換装置10は、蓄電装置203の直流電力を電動モータ201が駆動可能な交流電力に変換するインバータ装置である。換言すれば、電力変換装置10は、蓄電装置203を用いて電動モータ201を駆動させる駆動装置とも言える。なお、蓄電装置203の電圧を電源電圧Vdcとする。
電力変換装置10は、スイッチング素子11を有している。本実施形態の電力変換装置10は、スイッチング素子11を複数有しており、詳細には、u相コイル202uに対応するu相スイッチング素子11u1,11u2と、v相コイル202vに対応するv相スイッチング素子11v1,11v2と、w相コイル202wに対応するw相スイッチング素子11w1,11w2と、を備えている。
各スイッチング素子11u1,11u2,11v1,11v2,11w1,11w2(以下、「各スイッチング素子11u1~11w2」という。)は、例えばパワースイッチング素子であり、一例としてはMOSFETである。各スイッチング素子11u1~11w2が「スイッチング素子」に対応する。スイッチング素子11u1~11w2は、還流ダイオード(ボディダイオード)Du1~Dw2を有している。
各u相スイッチング素子11u1,11u2は接続線を介して互いに直列に接続されている。詳細には、u相上アームスイッチング素子11u1とu相下アームスイッチング素子11u2とが接続線を介して接続されており、その接続線はu相コイル202uに接続されている。u相上アームスイッチング素子11u1は、蓄電装置203の高圧側である正極端子(+端子)に接続されている。u相下アームスイッチング素子11u2は、蓄電装置203の低圧側である負極端子(-端子)に接続されている。
なお、他のスイッチング素子11v1,11v2,11w1,11w2の接続態様は、対応するコイルが異なる点を除いて、u相スイッチング素子11u1,11u2と同様である。
図1及び図2に示すように、電力変換装置10は、スイッチング素子11を駆動させるドライバ回路12と、スイッチング素子11が実装される駆動基板13と、を備えている。本実施形態では、ドライバ回路12は駆動基板13に実装されている。
本実施形態のドライバ回路12は所謂ゲートドライバ回路である。本実施形態の電力変換装置10は、複数のスイッチング素子11に対応させてドライバ回路12を複数有している。詳細には、電力変換装置10は、複数のスイッチング素子11u1~11w2に対応させて複数のドライバ回路12u1~12w2を有している。ドライバ回路12u1~12w2は、スイッチング素子11u1~11w2のゲートに接続されており、ゲート電圧を制御することによりスイッチング素子11u1~11w2をON/OFFさせる。
図1に示すように、車両200は、電力変換装置10を制御する変換制御装置14を備えている。本実施形態の変換制御装置14はインバータ制御装置である。変換制御装置14は、外部からの指令(例えば要求回転速度)に基づいて、電動モータ201に流れる目標電流を決定し、その目標電流が流れるための外部指令電圧Vpを導出する。そして、変換制御装置14は、外部指令電圧Vpをドライバ回路12に向けて出力する。
本実施形態では、変換制御装置14は、スイッチング素子11u1~11w2ごとに外部指令電圧Vpを導出し、各ドライバ回路12u1~12w2に外部指令電圧Vpを出力する。これにより、各スイッチング素子11u1~11w2が個別に制御される。
外部指令電圧Vpは所定のパルス幅を有するパルス電圧である。例えば、外部指令電圧Vpは、LOWからHIに切り替わり、一定期間HI状態を維持した後に、HIからLOWに切り替わる。以降の説明において、LOWからHIの切り替わりを「立ち上がり」といい、HIからLOWの切り替わりを「立ち下がり」という。
なお、本実施形態の変換制御装置14は、駆動基板13に実装されている。ただし、これに限られず、変換制御装置14は、駆動基板13とは別の基板に実装されていてもよい。
ドライバ回路12u1~12w2は、それぞれ個別に入力される外部指令電圧Vpに基づいて、スイッチング素子11u1~11w2に対してゲート電圧を印加する。これにより、各スイッチング素子11u1~11w2が周期的にON/OFFし、蓄電装置203の直流電力が3相の交流電力に変換されて電動モータ201に供給される。すなわち、変換制御装置14は、電力変換装置10をPWM制御するものである。
次にスイッチング素子11u1~11w2及びドライバ回路12u1~12w2について詳細に説明する。
ここで、各スイッチング素子11u1~11w2は基本的に同一構成であり、各ドライバ回路12u1~12w2は基本的に同一の構成である。このため、以下では、各スイッチング素子11u1~11w2のうち1つのスイッチング素子11(u相上アームスイッチング素子11u1)と、それに対応するドライバ回路12(上アームu相ドライバ回路12u1)とについて詳細に説明する。
図2に示すように、スイッチング素子11は、素子本体20と、素子本体20に取り付けられたゲート端子21、ドレイン端子22及びソース端子23と、を備えている。
素子本体20は例えば直方体形状である。素子本体20は、駆動基板13の厚さ方向と直交するX方向の両端面である第1側面20a及び第2側面20bを有している。第2側面20bは、第1側面20aとは反対側の側面である。X方向は、両側面20a,20bと交差(本実施形態では直交)する方向ともいえる。
ドレイン端子22は、第1側面20aに設けられている。本実施形態では、ドレイン端子22は1つであり、第1側面20aの一方向、詳細にはY方向に亘ってタブ状に形成されている。Y方向は、駆動基板13の厚さ方向及びX方向の双方に直交する方向である。
本実施形態では、ソース端子23は複数設けられている。ゲート端子21及び複数のソース端子23は、スイッチング素子11におけるドレイン端子22とは反対側の部分に設けられている。詳細には、ゲート端子21及び複数のソース端子23は、第2側面20bに設けられている。この場合、ゲート端子21及び複数のソース端子23は、素子本体20を介してドレイン端子22とX方向に対向しているともいえる。すなわち、X方向は、ドレイン端子22とソース端子23との対向方向ともいえる。
ゲート端子21及び複数のソース端子23は、第2側面20bにおいて所定のピッチでY方向に配列されている。換言すれば、Y方向は、複数のソース端子23の配列方向ともいえる。
ゲート端子21に所定の閾値以上のゲート電圧が印加されると、ドレイン端子22及び複数のソース端子23に印加電流としてのドレイン電流Idが流れる。ドレイン電流Idは、スイッチング素子11のソース-ドレイン間に流れる電流である。
本実施形態では、ドレイン電流Idは、ドレイン端子22から素子本体20内を通って複数のソース端子23に向けて流れる。このため、ドレイン電流Idは、スイッチング素子11内をX方向に流れることとなる。すなわち、X方向は、スイッチング素子11内を流れる電流の方向ともいえる。なお、ソース端子23の数は任意である。本実施形態では、ゲート端子21が「制御端子」に対応し、ソース端子23及びドレイン端子22が「印加端子」に対応する。特に、ドレイン端子22が「第1印加端子」に対応し、ソース端子23が「第2印加端子」に対応する。
ここで、スイッチング素子11のソース-ドレイン間には、スイッチング素子11にドレイン電流Idを流すための電圧であるソース-ドレイン間電圧Vdsが印加される。本実施形態のソース-ドレイン間電圧Vdsは、スイッチング素子11がOFF状態である場合には電源電圧Vdcとなり、スイッチング素子11がON状態である場合には0Vとなる。
電力変換装置10は、ドレイン電流Idが流れる第1インダクタンス成分L1を有している。第1インダクタンス成分L1は、ドレイン電流Idが流れる電流経路上に設けられている。
本実施形態では、図3に示すように、第1インダクタンス成分L1は、スイッチング素子11の素子本体20内の寄生インダクタンスLsを含む。寄生インダクタンスLsは、例えば素子本体20内の配線パターン、ワイヤー及びソース端子23などによって構成されている。
かかる構成によれば、スイッチング素子11がON状態となり、ドレイン電流Idが流れると、第1インダクタンス成分L1から磁束が発生する。本実施形態では、第1インダクタンス成分L1には寄生インダクタンスLsが含まれているため、当該磁束はスイッチング素子11の周囲に発生している。上記磁束は、ドレイン電流Idが変化することによって変化する。
本実施形態における電力変換装置10は、第1インダクタンス成分L1から発生する磁束が貫く位置に設けられた第2インダクタンス成分L2を有している。第2インダクタンス成分L2は、ドレイン電流Idの変化に伴う磁束の変化によってフィードバック電圧Vfを誘起する。この場合、第2インダクタンス成分L2は、第1インダクタンス成分L1と磁気結合しているとも言えるし、第1インダクタンス成分L1と協働してトランスを構成するものとも言える。
本実施形態の第2インダクタンス成分L2は、駆動基板13に実装された配線パターンによって構成されている。詳細には、図2に示すように、電力変換装置10は、駆動基板13に形成され、第2インダクタンス成分L2を構成するフィードバックパターン31を含む。フィードバックパターン31は、駆動基板13に形成される配線パターンの1つである。
フィードバックパターン31は、駆動基板13における磁束が貫く位置に設けられており、本実施形態ではスイッチング素子11の隣に配置されている。詳細には、フィードバックパターン31は、スイッチング素子11に対してY方向の隣に配置されている。このため、フィードバックパターン31とスイッチング素子11とはY方向に並んで配置されている。
ここで、既に説明した通り、ドレイン電流Idは、スイッチング素子11(詳細には素子本体20)内をX方向に流れるものであり、Y方向は、X方向に対して直交する方向である。このため、フィードバックパターン31とスイッチング素子11とは、ドレイン電流Idが流れる方向とは直交する方向に並んで配置されているといえる。本実施形態では、X方向が「第1方向」に対応し、Y方向が「第2方向」に対応する。
本実施形態のフィードバックパターン31は、1本のラインを引き回したものであり、第1端部31aと第2端部31bとを有している。フィードバックパターン31は、例えば渦巻状に形成されている。詳細には、フィードバックパターン31は、第1端部31aから第2端部31bに向けて渦巻状に延びている。この場合、第1端部31aは外周端部ともいえるし、第2端部31bは内周端部ともいえる。
フィードバックパターン31は、X方向に延びた第1パーツ部31c及び第2パーツ部31dを有している。ここで、フィードバックパターン31において第1端部31aから第2端部31bに向かう方向をフィードバックパターン31の延設方向とすると、第1パーツ部31cは、フィードバックパターン31の延設方向とドレイン電流Idが流れる方向とが一致している。一方、第2パーツ部31dは、フィードバックパターン31の延設方向とドレイン電流Idが流れる方向とが反対となっている。本実施形態では、第2パーツ部31dは、第1パーツ部31cよりもスイッチング素子11の近くに配置されている。第2パーツ部31dは、Y方向に複数並んで配置されている。第1パーツ部31cは、第2パーツ部31dよりもスイッチング素子11から離れた位置においてY方向に並んで配置されている。
ちなみに、本実施形態では、フィードバックパターン31は、素子本体20からX方向に一部はみ出している。ただし、ドレイン端子22及びソース端子23などを含めたスイッチング素子11の全体との関係で見た場合、フィードバックパターン31は、スイッチング素子11のX方向の範囲内に収まっており、スイッチング素子11よりもX方向にはみ出していない。すなわち、本実施形態のフィードバックパターン31は、その全体がスイッチング素子11の隣に配置されているといえる。
図2に示すように、電力変換装置10は、フィードバックパターン31とドライバ回路12とを接続する接続部32を備えている。接続部32は、第1端部31aとドライバ回路12とを接続する第1接続部33と、第2端部31bとドライバ回路12とを接続する第2接続部34と、を有している。
第1接続部33は、駆動基板13に形成された配線パターンによって構成されている。本実施形態では、第1接続部33と第1端部31aとは連続して繋がっており、両者の間に境界は存在しない。第1接続部33は、ドライバ回路12の1端子(本実施形態では第1フィードバック入力端子53)に接続されている。
第2接続部34は、フィードバックパターン31と干渉しないように第2端部31bとドライバ回路12とを接続している。詳細には、第2接続部34は、フィードバックパターン31(詳細には第1パーツ部31c)を跨ぐようにアーチ状に形成されたアーチ部34aと、アーチ部34aとドライバ回路12とを接続する接続パターン34bと、を有している。
アーチ部34aは、例えばワイヤー等によって構成されている。アーチ部34aは、X方向から見て逆U字状に形成されており、第1パーツ部31cを跨いでいる。アーチ部34aは、第2端部31bに接合された第1アーチ端部34aaと、フィードバックパターン31の外側に配置された第2アーチ端部34abとを有している。
接続パターン34bは、例えば駆動基板13に形成された配線パターンによって構成されている。接続パターン34bは、第2アーチ端部34abに接続されているとともに、ドライバ回路12の1端子(詳細には第2フィードバック入力端子54)に接続されている。
かかる構成によれば、スイッチング素子11に流れるドレイン電流Idが変化した場合に、第1インダクタンス成分L1から発生する磁束が変化する。すると、磁束が貫く位置に設けられた第2インダクタンス成分L2にてフィードバック電圧Vfが誘起される。フィードバック電圧Vfは、接続部32を介してドライバ回路12に印加される。なお、ドレイン電流Idの変化とは、ドレイン電流Idが流れ始める場合と、ドレイン電流Idが停止する場合とを含む。
本実施形態では、フィードバック電圧Vfは、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力よりも大きい。詳細には、第2インダクタンス成分L2は、フィードバック電圧Vfが逆起電力よりも大きくなるように構成されている。すなわち、本実施形態の第2インダクタンス成分L2は、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力よりも大きなフィードバック電圧Vfを発生させるものである。
換言すれば、本実施形態の第2インダクタンス成分L2は、第1インダクタンス成分L1と磁気結合しており、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力を増幅してフィードバック電圧Vfを生成するものであるともいえる。
図2に示すように、本実施形態では、u相上アームスイッチング素子11u1とu相下アームスイッチング素子11u2とはX方向に離間して配列されている。X方向は、u相上アームスイッチング素子11u1とu相下アームスイッチング素子11u2との配列方向ともいえ、Y方向は、両u相スイッチング素子11u1,11u2の配列方向及び駆動基板13の厚さ方向の双方に対して直交する方向ともいえる。
第2インダクタンス成分L2(本実施形態ではフィードバックパターン31)は、u相上アームスイッチング素子11u1とu相下アームスイッチング素子11u2とのそれぞれに対応させて設けられている。詳細には、電力変換装置10は、フィードバックパターン31として、u相上アームスイッチング素子11u1のY方向の隣に配置されたu相上アームフィードバックパターン31u1と、u相下アームスイッチング素子11u2のY方向の隣に配置されたu相下アームフィードバックパターン31u2と、を備えている。両フィードバックパターン31u1,31u2は、X方向に離間して配置されており、本実施形態では、両フィードバックパターン31u1,31u2の離間距離は、両u相スイッチング素子11u1,11u2の離間距離よりも大きい。
本実施形態では、u相上アームスイッチング素子11u1及びu相上アームフィードバックパターン31u1が「第1スイッチング素子」及び「第1フィードバックパターン」に対応する。そして、u相下アームスイッチング素子11u2及びu相下アームフィードバックパターン31u2が「第2スイッチング素子」及び「第2フィードバックパターン」に対応する。
v相上アームスイッチング素子11v1及びv相下アームスイッチング素子11v2と、w相上アームスイッチング素子11w1及びw相下アームスイッチング素子11w2とについても同様である。
電力変換装置10は、駆動基板13に形成された複数の駆動パターン41~43を備えている。各駆動パターン41~43は、スイッチング素子11と蓄電装置203とを電気的に接続するのに用いられているとともに、スイッチング素子11と負荷としての電動モータ201とを電気的に接続するのに用いられている。駆動パターン41~43は、寄生インダクタンスを含む。
第1駆動パターン41は、u相上アームスイッチング素子11u1と蓄電装置203の高圧側である正極端子(+端子)とを接続するのに用いられる。第1駆動パターン41は、u相上アームスイッチング素子11u1のX方向の両側のうちドレイン端子22がある方に配置されており、詳細には駆動基板13における第1側面20aの側方に形成されている。u相上アームスイッチング素子11u1のドレイン端子22は、第1駆動パターン41に接続されている。
第2駆動パターン42は、u相上アームスイッチング素子11u1とu相下アームスイッチング素子11u2とを接続している。第2駆動パターン42は、u相上アームスイッチング素子11u1のX方向の両側のうち複数のソース端子23がある方に配置されており、詳細には駆動基板13における第2側面20bの側方に形成されている。第2駆動パターン42は、u相上アームスイッチング素子11u1とu相下アームスイッチング素子11u2との間に配置されている。u相上アームスイッチング素子11u1の複数のソース端子23が第2駆動パターン42に接続されているとともに、u相下アームスイッチング素子11u2のドレイン端子22が第2駆動パターン42に接続されている。また、第2駆動パターン42は、電動モータ201(詳細にはu相コイル202u)に接続される。
第3駆動パターン43は、u相下アームスイッチング素子11u2と蓄電装置203の低圧側である負極端子(-端子)とを接続するのに用いられる。第3駆動パターン43は、u相下アームスイッチング素子11u2のX方向の両側のうち複数のソース端子23がある方に配置されており、詳細には駆動基板13における第2側面20bの側方に形成されている。u相下アームスイッチング素子11u2の複数のソース端子23は第3駆動パターン43に接続されている。
かかる構成によれば、u相上アームスイッチング素子11u1がON状態である場合、u相上アームスイッチング素子11u1を介して第1駆動パターン41から第2駆動パターン42に向けてドレイン電流Idが流れる。また、u相下アームスイッチング素子11u2がON状態である場合、u相下アームスイッチング素子11u2を介して第2駆動パターン42から第3駆動パターン43に向けてドレイン電流Idが流れる。
本実施形態では、u相上アームスイッチング素子11u1のX方向の両側に第1駆動パターン41及び第2駆動パターン42が配置されており、u相下アームスイッチング素子11u2のX方向の両側に第2駆動パターン42及び第3駆動パターン43が配置されているともいえる。つまり、本実施形態の電力変換装置10は、スイッチング素子11のX方向の両側に駆動パターンを有している。
次にドライバ回路12について説明する。
図3に示すように、ドライバ回路12は、外部入力端子51と、出力端子52と、フィードバック入力端子53,54と、を備えている。
外部入力端子51は、変換制御装置14と電気的に接続されている。外部入力端子51には、変換制御装置14からの外部指令電圧Vpが入力される。
出力端子52は、ドライバ回路12からゲート電圧(換言すればゲート電流)を出力するための端子である。図2に示すように、駆動基板13には、出力端子52とゲート端子21とを電気的に接続するゲートパターンが形成されており、出力端子52から出力されるゲート電圧は、ゲートパターンを介してゲート端子21に入力される。
フィードバック入力端子53,54は、フィードバック電圧Vfが入力される端子である。本実施形態では、フィードバック入力端子53,54は2つ設けられており、両フィードバック入力端子53,54は第2インダクタンス成分L2に接続されている。詳細には、図2に示すように、両フィードバック入力端子53,54は、接続部32を介してフィードバックパターン31に接続されている。これにより、両フィードバック入力端子53,54間に、第2インダクタンス成分L2にて発生したフィードバック電圧Vfが印加される。
ドライバ回路12は、外部入力端子51から入力される外部指令電圧Vpと、フィードバック入力端子53,54に入力されるフィードバック電圧Vfとに基づいて、加算電圧Vadを生成し、その加算電圧Vadをゲート電圧として出力端子52から出力するように構成されている。
加算電圧Vadを出力するドライバ回路12の一例について以下に説明する。
本実施形態のドライバ回路12は、外部指令電圧Vpを変換指令電圧Vptに変換する指令変換回路55と、フィードバック電圧Vfを変換フィードバック電圧Vftに変換するフィードバック変換回路56と、変換指令電圧Vpt及び変換フィードバック電圧Vftを加算する加算回路57と、を備えている。
指令変換回路55は、外部入力端子51から入力された外部指令電圧Vpに含まれるノイズを低減させつつ、所定の増幅率で外部指令電圧Vpを増幅させることにより外部指令電圧Vpを変換指令電圧Vptに変換する。そして、指令変換回路55は、変換指令電圧Vptを加算回路57に向けて出力する。なお、増幅率は「1」を含む。指令変換回路55の具体的な構成は任意であり、例えばオペアンプを有する非反転増幅回路でもよい。
フィードバック変換回路56は、例えばフィードバック電圧Vfを所定の増幅率で増幅させることによりフィードバック電圧Vfを変換フィードバック電圧Vftに変換し、その変換フィードバック電圧Vftを加算回路57に向けて出力する。
本実施形態では、変換フィードバック電圧Vftは、フィードバック電圧Vfよりも高い。すなわち、本実施形態におけるフィードバック変換回路56の増幅率は「1」よりも大きい。ただし、これに限られず、フィードバック変換回路56の増幅率は「1」でもよいし、「1」よりも小さくてもよい。
ここで、変換フィードバック電圧Vftの極性は、ドレイン電流Idの変化態様に応じて異なる。詳細には、ドレイン電流Idが増加する場合には変換フィードバック電圧Vftは負電圧となる一方、ドレイン電流Idが減少する場合には変換フィードバック電圧Vftは正電圧となる。
仮にドレイン電流Idが増加する場合にフィードバック電圧Vfが負電圧としてドライバ回路12に入力される場合には、フィードバック変換回路56は、フィードバック電圧Vfを反転させることなく変換フィードバック電圧Vftに変換する。一方、仮にドレイン電流Idが増加する場合にフィードバック電圧Vfが正電圧としてドライバ回路12に入力される場合には、フィードバック変換回路56は、フィードバック電圧Vfを反転させて変換フィードバック電圧Vftに変換する。なお、ドライバ回路12に入力されるフィードバック電圧Vfの極性は、例えばフィードバックパターン31とフィードバック入力端子53,54との接続態様に応じて変えることができる。
フィードバック変換回路56の具体的な構成は任意である。例えば、フィードバック変換回路56は、フィードバック電圧Vfを分圧する分圧回路と、分圧された電圧を増幅する電圧増幅回路と、を備えている構成でもよい。
加算回路57は、指令変換回路55とフィードバック変換回路56とに接続されているとともに出力端子52に接続されている。加算回路57には、変換指令電圧Vptと変換フィードバック電圧Vftとが入力される。加算回路57は、変換指令電圧Vptと変換フィードバック電圧Vftとを加算し、その加算された加算電圧Vadを出力端子52に向けて出力する。これにより、ゲート端子21にゲート電圧としての加算電圧Vadが入力される。
加算回路57の具体的な構成は任意である。例えば、加算回路57は、変換指令電圧Vptが伝送されるラインと、変換フィードバック電圧Vftが伝送されるラインとが接続されるように構成されているとよい。また、加算回路57は、変換指令電圧Vptと変換フィードバック電圧Vftとが合わさった電圧を増幅することにより加算電圧Vadを生成する電圧増幅回路を有しているとよい。
なお、加算回路57は、加算電圧Vadを維持しつつ、ゲート端子21に必要な電流を供給するために電流増幅回路を有していてもよい。また、加算回路57は、ゲート抵抗を有していてもよい。
次に本実施形態の作用について説明する。
まず、スイッチング素子11のターンオン時について説明する。
外部指令電圧Vpが立ち上がることに伴って、ソース-ドレイン間電圧Vdsが立ち下がり始める一方、ドレイン電流Idが流れ始める。これにより、第1インダクタンス成分L1にて磁束が発生する。そして、ドレイン電流Idが変化(詳細には増加)することに起因して磁束が変化することにより、第2インダクタンス成分L2からフィードバック電圧Vfが発生する。本実施形態では、フィードバック電圧Vfは、ドライバ回路12に入力され、変換フィードバック電圧Vftに変換される。
そして、変換指令電圧Vptと変換フィードバック電圧Vftとが加算され、その加算電圧Vadがスイッチング素子11のゲート端子21に入力される。この場合、変換フィードバック電圧Vftが加算されているため、加算電圧VadにおけるLOWからHIへの立ち上がり角度(換言すれば加算電圧Vadの傾き)は、変換指令電圧Vptと比較して、緩やかになる。これにより、ドレイン電流Idが立ち上がる際のサージが抑制される。
次に、スイッチング素子11のターンオフ時について説明する。
外部指令電圧Vpが立ち下がることに伴って、ソース-ドレイン間電圧Vdsが立ち上がり始める一方、ドレイン電流Idが小さくなり始める。これにより、第1インダクタンス成分L1にて発生している磁束が変化する。これにより、第2インダクタンス成分L2からフィードバック電圧Vfが発生する。本実施形態では、フィードバック電圧Vfは、ドライバ回路12に入力され、変換フィードバック電圧Vftに変換される。そして、変換指令電圧Vptと変換フィードバック電圧Vftとが加算された加算電圧Vadがスイッチング素子11のゲート端子21に入力される。
この場合、変換フィードバック電圧Vftが加算されているため、加算電圧VadにおけるHIからLOWへの立ち下がり角度(換言すれば加算電圧Vadの傾き)は、変換指令電圧Vptと比較して、緩やかになる。これにより、ソース-ドレイン間電圧Vdsが立ち上がる際のサージが抑制される。
以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を奏する。
(1-1)電力変換装置10は、スイッチング素子11と、第1インダクタンス成分L1と、第2インダクタンス成分L2と、スイッチング素子11を駆動させるドライバ回路12と、を備えている。
スイッチング素子11は、制御端子としてのゲート端子21と、印加電流としてのドレイン電流Idが流れるドレイン端子22及びソース端子23を有する。第1インダクタンス成分L1には、ドレイン電流Idが流れるため、第1インダクタンス成分L1から磁束が発生する。第2インダクタンス成分L2は、第1インダクタンス成分L1から発生する磁束が貫く位置に設けられており、ドレイン電流Idの変化に伴う磁束の変化によってフィードバック電圧Vfを誘起するものである。
ドライバ回路12は、外部指令電圧Vpが入力される外部入力端子51と、フィードバック電圧Vfが入力されるフィードバック入力端子53,54と、を備えている。ドライバ回路12は、外部指令電圧Vpを変換することによって得られる変換指令電圧Vptと、フィードバック電圧Vfを変換することによって得られる変換フィードバック電圧Vftとを加算し、その加算された加算電圧Vadをゲート端子21に向けて出力する加算回路57を備えている。
かかる構成によれば、第1インダクタンス成分L1に流れるドレイン電流Idの変化に伴って磁束が変化することにより第2インダクタンス成分L2からフィードバック電圧Vfが誘起される。そして、フィードバック電圧Vfに対応する変換フィードバック電圧Vftが変換指令電圧Vptに加算され、その加算された加算電圧Vadがゲート端子21に入力される。これにより、スイッチング素子11のターンオン時又はターンオフ時におけるサージを抑制できる。
特に、本構成によれば、ドライバ回路12にフィードバックさせる電圧として、第1インダクタンス成分L1にて生じる逆起電力ではなく、第2インダクタンス成分L2によって誘起されるフィードバック電圧Vfを用いている。これにより、ドレイン電流Idの変化によって生じる電圧を好適にフィードバックさせることができ、所望のフィードバック効果を得ることができる。
上記効果について、第1インダクタンス成分L1にて生じる逆起電力をフィードバックさせる構成を比較例として詳述すると、比較例では、例えば第1インダクタンス成分L1が小さい場合、逆起電力も小さくなるため、フィードバック効果(詳細にはサージ抑制効果)が小さくなり、所望のフィードバック効果が得られない場合があり得る。かといって、第1インダクタンス成分L1にはドレイン電流Idが流れる関係上、逆起電力を大きくしようとして第1インダクタンス成分L1を大きくすると、損失やサージが大きくなる。
この点、本構成によれば、フィードバック電圧Vfは第2インダクタンス成分L2に依存するため、第2インダクタンス成分L2を調整することにより、所望のフィードバック電圧Vfを得ることができる。また、第2インダクタンス成分L2にはドレイン電流Idが流れないため、第2インダクタンス成分L2にて生じる損失は小さくて済む。これにより、損失を抑制しつつ所望のフィードバック効果を得ることができる。
(1-2)ここで、比較例において所望のフィードバック効果を得るために、例えばドライバ回路12が逆起電力を増幅させる増幅回路を有する構成も考えられる。しかしながら、増幅回路による増幅では、逆起電力に含まれるノイズも増幅される。このため、増幅回路による過度な増幅は誤動作の要因になり得る。
この点、本構成によれば、第2インダクタンス成分L2を設けることによって、所望の大きさのフィードバック電圧Vfを得ることができるため、過度な増幅を行う必要がない。したがって、ノイズに起因する誤動作を抑制できる。
(1-3)電力変換装置10は、スイッチング素子11が実装される駆動基板13を備えている。第1インダクタンス成分L1は、スイッチング素子11内にある寄生インダクタンスLsを含む。第2インダクタンス成分L2は、駆動基板13に実装されたフィードバックパターン31によって構成されている。フィードバックパターン31の少なくとも一部(本実施形態では全部)は、スイッチング素子11の隣に配置されている。
かかる構成によれば、第2インダクタンス成分L2を構成するフィードバックパターン31がスイッチング素子11の隣に配置されているため、両者の離間距離が短くなり易い。これにより、フィードバックパターン31とスイッチング素子11内の寄生インダクタンスLsとの間で相互作用が生じ易い。したがって、フィードバック電圧Vfを大きくすることができる。
(1-4)フィードバックパターン31とスイッチング素子11とは、スイッチング素子11内におけるドレイン電流Idが流れる方向(詳細にはX方向)と駆動基板13の厚さ方向との双方に直交する方向(詳細にはY方向)に並んで配置されている。そして、フィードバックパターン31は、X方向に延びた両パーツ部31c,31dを有している。
かかる構成によれば、スイッチング素子11内の寄生インダクタンスLsによって生じる磁束が両パーツ部31c,31dを貫くことにより、フィードバックパターン31における磁束が貫く面積を向上させることができる。したがって、フィードバック電圧Vfを大きくすることができる。
(1-5)フィードバックパターン31は、渦巻状に形成されている。これにより、フィードバックパターン31の長さを長くすることができ、第2インダクタンス成分L2を大きくすることができる。したがって、フィードバック電圧Vfを大きくすることができる。
(1-6)ドライバ回路12は、外部指令電圧Vpを変換指令電圧Vptに変換する指令変換回路55と、フィードバック電圧Vfを変換フィードバック電圧Vftに変換するフィードバック変換回路56と、を備えている。加算回路57は、変換指令電圧Vptと変換フィードバック電圧Vftとを加算するものである。フィードバック電圧Vfは、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力よりも大きく、変換フィードバック電圧Vftは、フィードバック電圧Vfよりも大きい。
かかる構成によれば、外部指令電圧Vpとフィードバック電圧Vfとで電圧が大きく異なる場合であっても、適切な加算電圧Vadを生成することができる。これにより、適切なフィードバック効果を得ることができる。
特に、本構成によれば、第2インダクタンス成分L2によって誘起されたフィードバック電圧Vfを変換する構成であり、当該フィードバック電圧Vfは、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力よりも大きい。これにより、フィードバック変換回路56による変換比を小さくすることができるため、ノイズの影響を低減できる。
(1-7)電力変換装置10は、スイッチング素子11として、X方向に離間して配列されたu相上アームスイッチング素子11u1及びu相下アームスイッチング素子11u2を備えている。電力変換装置10は、フィードバックパターン31として、u相上アームスイッチング素子11u1のY方向の隣に配置されたu相上アームフィードバックパターン31u1と、u相下アームスイッチング素子11u2のY方向の隣に配置されたu相下アームフィードバックパターン31u2と、を備えている。
かかる構成において、フィードバックパターン31u1,31u2は、u相スイッチング素子11u1,11u2のX方向の範囲内に収まっており、両フィードバックパターン31u1,31u2の離間距離は、両u相スイッチング素子11u1,11u2の離間距離よりも大きい。かかる構成によれば、フィードバックパターン31u1,31u2に起因する誤動作を抑制できる。
詳述すると、両u相スイッチング素子11u1,11u2がX方向に並んで配置されている場合、u相上アームスイッチング素子11u1に対応するu相上アームフィードバックパターン31u1と、u相下アームスイッチング素子11u2に対応するu相下アームフィードバックパターン31u2とがX方向に並んで配置される。この場合、u相上アームフィードバックパターン31u1から発生する磁束によって、u相下アームフィードバックパターン31u2にて意図しない電圧が発生し、当該電圧によってu相下アームスイッチング素子11u2が誤動作する場合があり得る。特に、磁束は、フィードバックパターン31に近い位置ほど大きくなり易いため、両フィードバックパターン31u1,31u2が近づくほど、誤動作が生じやすい。
この点、本構成によれば、フィードバックパターン31u1,31u2は、u相スイッチング素子11u1,11u2のX方向の範囲内に収まっており、u相スイッチング素子11u1,11u2からX方向にはみ出していない。これにより、両フィードバックパターン31u1,31u2の離間距離を、両u相スイッチング素子11u1,11u2の離間距離よりも大きく確保できる。したがって、両フィードバックパターン31u1,31u2のうち一方の磁束の変化に起因して他方において電圧が発生することを抑制でき、当該他方のフィードバックパターンに対応するスイッチング素子が誤動作することを抑制できる。
(第2実施形態)
本実施形態では、ドライバ回路12及びフィードバックパターン31の配置態様が第1実施形態と異なっている。その異なる点について図4及び図5を用いて説明する。なお、図4及び図5についてはスイッチング素子11、ドライバ回路12及びコネクタ101を模式的に示す。
図4及び図5に示すように、本実施形態の電力変換装置10は、スイッチング素子11が実装される駆動基板13とは別に、ドライバ回路12が実装される制御基板100を備えている。駆動基板13と制御基板100とは、互いに対向するように両基板13,100の厚さ方向に積層されている。両基板13,100の積層方向は、駆動基板13又は制御基板100の厚さ方向ともいえる。変換制御装置14は、制御基板100に実装されている。
本実施形態のフィードバックパターン31は、制御基板100に形成されている。詳細には、フィードバックパターン31は、両基板13,100の積層方向から見て、その少なくとも一部がスイッチング素子11と重なるように配置されている。
例えば、図4に示すように、フィードバックパターン31の一部が素子本体20と重なるように配置されている。詳細には、フィードバックパターン31のうち第2パーツ部31dが素子本体20と重なる位置に配置される一方、第1パーツ部31cが素子本体20に対してずれた位置に配置されている。
ただし、これに限られず、第1パーツ部31cが素子本体20と重なる位置に配置される一方、第2パーツ部31dが素子本体20に対してずれた位置に配置されてもよい。すなわち、第1パーツ部31c又は第2パーツ部31dのいずれか一方が素子本体20と重なる位置に配置される一方、他方が素子本体20に対してずれた位置に配置されてもよい。また、フィードバックパターン31の全体が素子本体20と重なる位置に配置されていてもよい。
第1実施形態と同様に、フィードバックパターン31とドライバ回路12とは、接続部32によって接続されている。これにより、フィードバックパターン31によって誘起されたフィードバック電圧Vfは、ドライバ回路12に入力される。
電力変換装置10は、駆動基板13と制御基板100とを電気的に接続するコネクタ101を備えている。本実施形態では、スイッチング素子11及びドライバ回路12、詳細にはゲート端子21と出力端子52とは、コネクタ101及び基板13,100に形成されたゲートパターン102a,102bを介して電気的に接続されている。
一方、本実施形態では、フィードバックパターン31は、ドライバ回路12と同じ制御基板100に形成されているため、フィードバック電圧Vfの伝送に係る構成が簡素になっている。具体的には、コネクタ101及び駆動基板13において、フィードバック電圧Vfを伝送するための構成(詳細にはピンや配線パターン)が省略されている。
以上詳述した本実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
(2-1)電力変換装置10は、互いに対向するように積層された駆動基板13及び制御基板100を備えている。スイッチング素子11は駆動基板13に実装され、ドライバ回路12は制御基板100に実装される。第2インダクタンス成分L2は、制御基板100に形成されたフィードバックパターン31によって構成されており、フィードバックパターン31の少なくとも一部は、両基板13,100の積層方向から見てスイッチング素子11と重なる位置に配置されている。
かかる構成によれば、フィードバックパターン31の少なくとも一部が両基板13,100の積層方向から見てスイッチング素子11と重なる位置に配置されているため、スイッチング素子11内の寄生インダクタンスLsから発生する磁束はフィードバックパターン31を貫く。これにより、第2インダクタンス成分L2からフィードバック電圧Vfが誘起される。したがって、(1-1)の効果を奏する。
また、本構成によれば、フィードバックパターン31が、ドライバ回路12が実装されている制御基板100に形成されているため、異なる基板13,100間でフィードバック電圧Vfを伝送する必要がない。これにより、フィードバックパターン31とドライバ回路12とを電気的に接続するための構成を簡素にすることができる。
なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。また、技術的に矛盾が生じない範囲内で、上記各実施形態と下記別例とを適宜組み合わせてもよい。
○ 第1インダクタンス成分L1は、各駆動パターン41~43の少なくとも1つに含まれる寄生インダクタンスを含んでいてもよい。この場合、フィードバックパターン31は、スイッチング素子11よりもX方向に延びていてもよい。例えば、フィードバックパターン31は、スイッチング素子11と、スイッチング素子11のX方向の両側にある駆動パターンの少なくとも一方とに跨るように延びていてもよい。この場合、フィードバックパターン31の一部がスイッチング素子11の隣に配置され、別の一部が駆動パターンの隣に配置されることとなる。要は、フィードバックパターン31の少なくとも一部がスイッチング素子11の隣に配置されていればよい。なお、本別例においては、両フィードバックパターン31u1,31u2の離間距離は、両u相スイッチング素子11u1,11u2の離間距離よりも小さくなる。
○ インダクタンス成分L1は寄生インダクタンスLsを含んでいなくてもよい。この場合、フィードバックパターン31は、駆動パターン41~43の1つの隣に選択的に配置されている一方、スイッチング素子11の隣には配置されていなくてもよい。
○ 第1インダクタンス成分L1は、スイッチング素子11又は各駆動パターン41~43のインダクタンス以外の他のインダクタンスを含んでいてもよいし、含まなくてもよい。
○ 第1インダクタンス成分L1は、専用のコイルによって構成されてもよい。
○ フィードバック電圧Vfは、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力よりも小さくてもよい。つまり、第2インダクタンス成分L2は、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力よりも小さいフィードバック電圧Vfを発生させるものであってもよい。これにより、第1インダクタンス成分L1にて発生する逆起電力が所望の値よりも大きい場合に対応できる。
○ 第2インダクタンス成分L2は、第1インダクタンス成分L1から発生する磁束が貫く位置に設けられていれば、その具体的な位置は任意である。例えば、第1実施形態において、第2インダクタンス成分L2を構成するフィードバックパターン31は、第1駆動パターン41のX方向の隣に配置されていてもよい。また、第2実施形態において、制御基板100が駆動基板13の下方に配置され、フィードバックパターン31がスイッチング素子11の下方に配置されてもよい。
○ フィードバックパターン31の具体的な形状は、渦巻状に限られず任意であり、例えばジグザグ状でもよい。また、フィードバックパターン31は、X方向に延びた1本のライン状でもよい。
○ 第2インダクタンス成分L2を構成するものは、駆動基板13に形成される配線パターンに限られず、インダクタンスを有するものであれば任意である。例えば、第2インダクタンス成分L2は、駆動基板13又は制御基板100に実装される専用のコイルによって構成されていてもよい。
○ 指令変換回路55及びフィードバック変換回路56の少なくとも一方を省略してもよい。
例えば、指令変換回路55を省略してもよい。この場合、加算回路57には、外部指令電圧Vpが入力される。加算回路57は、外部指令電圧Vpと、フィードバック電圧Vf又はフィードバック電圧Vfを変換することによって得られる変換フィードバック電圧Vftとを加算する。
例えば、フィードバック変換回路56を省略してもよい。この場合、加算回路57には、フィードバック電圧Vfが入力される。加算回路57は、外部指令電圧Vp又は外部指令電圧Vpを変換することによって得られる変換指令電圧Vptと、フィードバック電圧Vfとを加算する。
すなわち、加算回路57は、外部指令電圧Vp又は変換指令電圧Vptのいずれか一方と、フィードバック電圧Vf又は変換フィードバック電圧Vftのいずれか一方とが入力されればよい。つまり、加算回路57は、外部指令電圧Vp又は変換指令電圧Vptと、フィードバック電圧Vf又は変換フィードバック電圧Vftとを加算するものであればよい。
○ 図6に示すように、ドライバ回路12は、基準電位端子111を有していてもよい。基準電位端子111は、当該ドライバ回路12内において基準電位V0に接続されている。
これに対応させて、電力変換装置10は、複数のソース端子23のうちの1つと基準電位端子111とを接続する信号配線112を有していてもよい。信号配線112は、例えば駆動基板13に形成された配線パターンによって構成されているとよい。説明の便宜上、複数のソース端子23のうち第2駆動パターン42に接続されるものをメインソース端子23aとし、信号配線112に接続されるものを信号ソース端子23bとする。
かかる構成によれば、信号配線112及び信号配線112に接続された信号ソース端子23bには、ドレイン電流Idが流れにくい。このため、信号配線112及び信号ソース端子23bは、寄生インダクタンスLsの影響を受けにくい。したがって、信号ソース端子23bは、等価的に、スイッチング素子11における寄生インダクタンスLsよりも上流側の部分に接続されているとみなすことができる。
○ スイッチング素子11は、MOSFETに限られず任意であり、例えばIGBTでもよい。この場合、スイッチング素子11のゲート端子が「制御端子」に対応し、スイッチング素子11のコレクタ-エミッタ間を流れるコレクタ電流が「印加電流」に対応し、コレクタ端子及びエミッタ端子が「印加端子」に対応する。
○ 各スイッチング素子11u1~11w2はインバータを構成していたが、これに限られず、任意であり、例えば蓄電装置203の直流電力を異なる電圧の直流電力に変換するDC/DCコンバータを構成してもよい。すなわち、電力変換装置10は、インバータに限られず、DC/DCコンバータ、AC/ACコンバータ、AC/DCインバータ等任意である。換言すれば、電力変換装置10は、直流電力又は交流電力を直流電力又は交流電力に変換するものでもよい。
○ 負荷は電動モータ201に限られず任意である。
○ 電力変換装置10は、車両200以外に搭載されてもよい。すなわち、電力変換装置10は、車両200に設けられた負荷以外の負荷を駆動させるものでもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる好適な一例について以下に記載する。
(イ)前記スイッチング素子は、素子本体を備え、前記素子本体は、前記第1方向の両端面である第1側面及び第2側面を有し、前記印加端子は、前記第1側面に設けられた第1印加端子と、前記第1側面に設けられた第2印加端子と、を含み、前記印加電流は、前記第1印加端子から前記第2印加端子に向けて前記スイッチング素子内を流れるものであるとよい。