JP4647266B2 - インバータ装置、集積回路チップ及び車両駆動装置 - Google Patents
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Description
図7は、従来のHEVに採用されているインバータ装置を示す図である。
従来のHEV用のインバータ装置800は、MCU(Micro Controller Unit)810、PDU(Pre Drive Unit)820、保護・絶縁回路830、3相のインバータ回路840、平滑コンデンサ850とから構成されている(例えば、非特許文献1参照)。
保護・絶縁回路830は、PDU820と3相のインバータ回路840を保護、絶縁するための回路であり、異常を検出するセンサを有する。この回路により、インバータ回路840の誤動作などで発生したノイズがPDU820に侵入することを防ぐ。
PDU820は、インバータ回路を構成するIGBT841のスイッチングを制御するための回路部であり、基本的にはIGBT841の動作タイミングを制御する回路部と、そのタイミングに応じてIGBT841を駆動するための駆動信号を出力する回路部に分かれる。動作タイミングを制御する回路部は、CPU(Central Processing Unit)821として1つのICで構成されている。また、IGBT841へ駆動信号(以下ゲート信号と表記する場合もある)を出力する回路部はVLSI(Very Large Scale Integrated circuit)822で構成され、この回路部は、各IGBT841に必要となる。
IGBT841に異常が発生したときにはインバータ回路840の動作を停止するようにしなければならない。そのため、PDU820では、温度検出センサ831、過電流検出センサ832からの、温度検出結果と電流検出結果をフィードバックして、駆動信号の出力を制御している。この部分の回路機能が図7の保護・絶縁回路830に相当する。また、IGBT841の動作タイミングはMCU810からの信号によって制御されるが、このMCU810には、過電流検出センサ901a、回転速度検出センサ901b、温度検出センサ901cによる、ACモータ900の電流検出結果、回転速度検出結果及び温度検出結果がフィードバックされている。
また、フォトカプラを削除する手法として、モータ駆動用のIGBTの制御装置において、フォトカプラに置き換わるインターフェイス回路が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
三菱電機技報 2000 Vol.74 No.9 P.31−34(図4)
また、特許文献2では、下アーム側(低圧側アーム)のIGBTのゲート信号を出力する回路部と、IGBTの動作タイミングを制御する回路部の電源が共通化されている。そのため、この方式では電源系を介したノイズの侵入を防止することができず、これを採用したPDUではその信頼性が低下するという問題があった。
また、本発明の他の目的は、インバータ装置に用いるインバータ回路を駆動する、低コストで高信頼性を有した集積回路チップを提供することである。
図1は、インバータ装置の概略の構成図である。
インバータ装置100は、MCU110、PDU120、センサ130a、130b、インバータ回路部140を有している。
すなわち集積回路チップ150は、高耐圧半導体素子141a、141bの動作タイミングを制御する制御回路部151と、動作タイミングに応じて高耐圧半導体素子を駆動する駆動信号を出力するとともに、インバータ回路部140の異常を制御回路部151にフィードバックする駆動・異常検出回路部152a、152bとがSOI基板に形成された構成となっている。SOI基板は絶縁のための酸化膜を垂直に形成できるので、素子面積を小さくでき、前述のような回路部の集積化が容易である。
MCU110は、外部からHEVの運動制御信号や図示しないACモータの回転数を検出する図示しないセンサからの回転信号を受けて、PDU120にインバータ制御用信号を出力する。インバータ制御用信号は、PDU120の集積回路チップ150において、レベルシフタ154aを介して制御回路部151に入力される。制御回路部151は、入力されたインバータ制御信号に応じて、高耐圧半導体素子141a、141bの動作タイミングを制御する制御信号を生成し、レベルシフタ154b、154cを介して、駆動・異常検出回路部152a、152bに送信する。これを受けて、駆動・異常検出回路部152a、152bは、駆動信号を生成して、高耐圧半導体素子141a、141bを駆動し、交流信号を発生させる。これによって得られた電圧により、図示しないACモータを駆動する。
次にインバータ装置に用いる、PDUの詳細を説明する。
なお、ここでは、図8で示した従来のインバータ装置のPDUを用いて、本実施の形態で集積化する領域を示している。
図3は、本実施の形態において集積化する回路ユニット群とその電源を示す図である。
図の外枠上には電源端子ならびに外部入出力端子を示している。図中のGNDL、GNDMCU、GNDHは、基準電位を供給する端子またはその基準電位を示す。また、図中の「×3」はインバータ3相分が必要であることを示す。
回路部210は、図1のレベルシフタ154aに相当する。ここでは、回路部210は、レベルシフタ211、212からなり、従来のフォトカプラ823−1、823−2の代わりに用いる(図2、または図8参照)。HIGH端子とLOW端子から入力されるMCU(図示を省略している)からのインバータ制御信号を回路部220に伝送する機能を有する。また、回路部210は、MCUの基準電位GNDMCUを基準として5Vの電圧で駆動する。本実施の形態では、MCUからの信号を回路部210内のレベルシフタ212と、回路部220内のバッファ224を介して回路部260内のレベルシフタ261に入力している。これはGNDMCUを基準電位とする信号を一旦、GNDL基準に変換するために実施している。その目的は、グランドを介したノイズがMCUに侵入することを確実に防止することにある。
ブートストラップ300は、インバータ回路の中点(U、V、W)電位を基準とした15Vの電圧を供給するための回路部であり、これは外付け回路で構成される。
図4は、図3の回路をSOI基板に集積したときの平面配置図である。
この図では、図3の3つのレベルシフタ231、232が誘電体分離領域350を介して形成されている例を示している。
なお、ここでは、電極や表面酸化膜など、半導体基板表面より上部の堆積層を省略している。
以上のように、本実施の形態によれば、小型化、低コスト化、高信頼性化、高機能化、そして優れた温度特性を備えたHEV用のインバータ装置が提供される。
110 MCU
120 PDU
130a、130b センサ
140 インバータ回路部
141a 高耐圧半導体素子(高圧側)
141b 高耐圧半導体素子(低圧側)
150 集積回路チップ
151 制御回路部
152a、152b 駆動・異常検出回路部
153 誘電体
154a、154b、154c レベルシフタ
Claims (17)
- ACモータを制御するインバータ装置において、
複数の高耐圧半導体素子を有したインバータ回路部と、
前記高耐圧半導体素子の動作タイミングを制御する第1の回路部と、前記動作タイミングに応じて前記高耐圧半導体素子を駆動する駆動信号を出力するとともに前記インバータ回路部の異常を前記第1の回路部にフィードバックする第2の回路部とがSOI基板に形成された集積回路チップと、
前記第2の回路部からの信号を受け前記高耐圧半導体素子へ出力する、前記集積回路チップとは別に設けられたバッファ回路と、
を備え、
前記第2の回路部が、高圧側の前記高耐圧半導体素子に接続される高圧側回路部と、低圧側の前記高耐圧半導体素子に接続される低圧側回路部からなり、前記高圧側回路部と、前記低圧側回路部と、前記第1の回路部とが、それぞれ誘電体により分離された基準電位の異なる回路形成領域に形成されており、
前記高圧側回路部と前記低圧側回路部が、それぞれレベルシフタを介して前記第1の回路部との間で信号の伝送を行い、
前記集積回路チップは、入力される信号を1ショットパルスに変換するパルス発生回路を有し、高い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を低い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合、または、低い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を高い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合に、前記パルス発生回路を介して前記レベルシフタに前記信号が入力され、低い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を高い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合に介される前記パルス発生回路は、入力される前記信号の基準電圧と異なる基準電圧の前記1ショットパルスに変換することを特徴とするインバータ装置。 - 分離された前記回路形成領域内の基準電位の電圧は、前記回路形成領域ごとに前記電圧の供給用パッドまたは端子から直接引き出され、前記回路形成領域間で前記電圧の供給用配線を共有することなく、独立していることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
- 分離された前記回路形成領域が平面上に配置される場合に、隣接する前記回路形成領域間に所定の基準電位に固定された領域が配置されていることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
- 分離された前記回路形成領域内の最外周領域に基準電位が印加された拡散層を有し、前記拡散層によって前記回路形成領域内が囲まれていることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
- 前記インバータ回路部と、前記集積回路チップとが、1つのモジュール内に組み込まれていることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
- 前記第1の回路部、前記高圧側回路部、前記低圧側回路部または前記レベルシフタにおいて、15V以下で駆動されるデバイスのみで構成されるデバイス群は、まとめて1つの誘電体分離された前記回路形成領域内に形成されていることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
- 前記第1の回路部、前記高圧側回路部、前記低圧側回路部または前記レベルシフタにおいて、15V以下で駆動されるデバイスのみで構成されるデバイス群は、まとめて1つの誘電体分離された他の回路形成領域内に形成されていることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
- 複数の高耐圧半導体素子を有したインバータ回路を駆動する集積回路チップにおいて、
前記高耐圧半導体素子の動作タイミングを制御する第1の回路部と、
前記動作タイミングに応じて前記高耐圧半導体素子を駆動する駆動信号を出力するとともに前記インバータ回路の異常を前記第1の回路部にフィードバックする第2の回路部と、
入力される信号を1ショットパルスに変換するパルス発生回路と、
を有し、
前記第1及び第2の回路部がSOI基板に形成されており、
前記第2の回路部が、高圧側の前記高耐圧半導体素子に接続される高圧側回路部と、低圧側の前記高耐圧半導体素子に接続される低圧側回路部からなり、前記高圧側回路部と、前記低圧側回路部と、前記第1の回路部とが、それぞれ誘電体により分離された基準電位の異なる回路形成領域に形成されており、
前記高圧側回路部と前記低圧側回路部が、それぞれレベルシフタを介して前記第1の回路部との間で信号の伝送を行い、
高い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を低い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合、または、低い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を高い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合に、前記パルス発生回路を介して前記レベルシフタに前記信号が入力され、低い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を高い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合に介される前記パルス発生回路は、入力される前記信号の基準電圧と異なる基準電圧の前記1ショットパルスに変換することを特徴とする集積回路チップ。 - 分離された前記回路形成領域内の基準電位の電圧は、前記回路形成領域ごとに前記電圧の供給用パッドまたは端子から直接引き出され、前記回路形成領域間で前記電圧の供給用配線を共有することなく、独立していることを特徴とする請求項8記載の集積回路チップ。
- 分離された前記回路形成領域が平面上に配置される場合に、隣接する前記回路形成領域間に所定の基準電位に固定された領域が配置されていることを特徴とする請求項8記載の集積回路チップ。
- 分離された前記回路形成領域内の最外周領域に基準電位が印加された拡散層を有し、前記拡散層によって前記回路形成領域内が囲まれていることを特徴とする請求項8記載の集積回路チップ。
- 前記第1の回路部、前記高圧側回路部、前記低圧側回路部または前記レベルシフタにおいて、15V以下で駆動されるデバイスのみで構成されるデバイス群は、まとめて1つの誘電体分離された前記回路形成領域内に形成されていることを特徴とする請求項8記載の集積回路チップ。
- 前記第1の回路部、前記高圧側回路部、前記低圧側回路部または前記レベルシフタにおいて、15V以下で駆動されるデバイスのみで構成されるデバイス群は、まとめて1つの誘電体分離された他の回路形成領域内に形成されていることを特徴とする請求項8記載の集積回路チップ。
- 前記第2の回路部からの信号を受け前記高耐圧半導体素子へ出力するバッファ回路をチップ内に備えないことを特徴とする請求項8記載の集積回路チップ。
- 車両のタイヤをACモータによって駆動する車両駆動装置において、
前記ACモータを制御するインバータ装置を有し、
前記インバータ装置は、複数の高耐圧半導体素子を有したインバータ回路部と、
前記高耐圧半導体素子の動作タイミングを制御する第1の回路部と、前記動作タイミングに応じて前記高耐圧半導体素子を駆動する駆動信号を出力するとともに前記インバータ回路部の異常を前記第1の回路部にフィードバックする第2の回路部とがSOI基板に形成された集積回路チップと、
前記第2の回路部からの信号を受け前記高耐圧半導体素子へ出力する、前記集積回路チップとは別に設けられたバッファ回路と、
を備え、
前記第2の回路部が、高圧側の前記高耐圧半導体素子に接続される高圧側回路部と、低圧側の前記高耐圧半導体素子に接続される低圧側回路部からなり、前記高圧側回路部と、前記低圧側回路部と、前記第1の回路部とが、それぞれ誘電体により分離された基準電位の異なる回路形成領域に形成されており、
前記高圧側回路部と前記低圧側回路部が、それぞれレベルシフタを介して前記第1の回路部との間で信号の伝送を行い、
高い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を低い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合、または、低い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を高い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合に、入力される信号を1ショットパルスに変換するパルス発生回路を介して前記レベルシフタに前記信号が入力され、低い電源電圧が印加される前記回路形成領域の信号を高い電源電圧が印加される前記回路形成領域に伝送する場合に介される前記パルス発生回路によって、入力される前記信号の基準電圧と異なる基準電圧の前記1ショットパルスに変換された前記信号が前記レベルシフタに入力されることを特徴とする車両駆動装置。 - 前記第1の回路部、前記高圧側回路部、前記低圧側回路部または前記レベルシフタにおいて、15V以下で駆動されるデバイスのみで構成されるデバイス群は、まとめて1つの誘電体分離された前記回路形成領域内に形成されていることを特徴とする請求項15記載の車両駆動装置。
- 前記第1の回路部、前記高圧側回路部、前記低圧側回路部または前記レベルシフタにおいて、15V以下で駆動されるデバイスのみで構成されるデバイス群は、まとめて1つの誘電体分離された他の回路形成領域内に形成されていることを特徴とする請求項15記載の車両駆動装置。
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