JP2015089244A

JP2015089244A - モータ用インバータ装置

Info

Publication number: JP2015089244A
Application number: JP2013226166A
Authority: JP
Inventors: 明生中島; Akio Nakajima
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-07
Also published as: WO2015064408A1

Abstract

【課題】小型化および重量の低減を図れ、設置面積の低減を図れるうえ、電気的性能等に優れたモータ用インバータ装置を提供する。
【解決手段】このモータ用インバータ装置１０は、複数のスイッチング素子を組合わせた各相のパワーモジュール１７〜１９からなりそれぞれモータを駆動する２つの３相のインバータ１３，１３を、１台の筐体１２に収容したモータ用インバータ装置である。直流電流を各インバータ１３，１３の各パワーモジュール１７〜１９に印加するバスバー１４と、スイッチング素子の過電圧を抑制するスナバコンデンサ１５とを中央に配置する。これらバスバー１４とスナバコンデンサ１５とを挟む両側に各インバータ１３，１３を、各パワーモジュール１７〜１９が対称に位置するように配置した。
【選択図】図２

Description

この発明は、モータ用インバータ装置に関し、例えば、電気自動車や、エンジンの他にモータを補助的に使用した自動車等において、車載用のモータ２台を駆動する２つのインバータを、１台の筐体に設けた場合の構造に関する。

図９は、従来例に係る１つのインバータ１００の基本回路図である。各相のスイッチング素子１０２は、ＩＧＢＴモジュールで構成される。インバータについての構造に関する文献は、１台のモータ１０１を駆動するためのものが主である。それ以外では、例えば、１つの筐体に、２種類の異なった作用を持つインバータを実装した技術が開示されている（特許文献１）。
インホイールモータを使用した電気自動車や、四輪駆動の電気自動車には、駆動用のモータを２台以上使用する場合があり、これらのモータの駆動にインバータがモータと同数必要になる。
また、パワー半導体の冷却構造として、複数のパワー半導体を並べて１つのケース内に収めたものが提案され（特許文献２）、前記パワー半導体は、複数の半導体素子が１パッケージになって１台のモータの駆動が可能なモジュールであることが記載されている。

特開２００４−２１５３３５号公報特開２０１３−１３１６６６号公報

電気自動車等の車両でモータを２台以上有する場合において、
（１）２つのインバータを車両に個別に搭載する構造では、これらインバータの設置面積、重量が大きくなる分、車両設計上制約が大きくなるうえ、電力消費量が増加するため、不利となる。
（２）図１０に示すように、１つの筐体１２内に２つのインバータ１３，１３を、例えば、並列に配置し、これらインバータ１３，１３をバスバー１４等により電気的に接続すると、２つのインバータを個別に設置する従来構造よりも、２つの筐体を１つの筐体にする分小型化を図れ重量の低減を図れると共に、設置面積を小さくすることができる。しかし、このように単に２つのインバータ１３，１３を並べて収容する構成では、２つのインバータ１３，１３間に接続されるバスバー１４の全長が長くなり、その分、バスバー１４のインダクタンス成分が大となるため、ノイズが発生する。バスバー１４が長いため、重量の低減や小型化において不十分である。
（３）前述の複数のパワー半導体を並べて１つのケース内に収めた構成では、ケース内のパワー半導体間の配線接続に関する記載がない。１台のモータ駆動用の半導体素子を１パッケージにしたものであるため、個々のパッケージ内での配線長さに問題はないが、３相交流における各相毎のパワーモジュールとした場合、前記２つのインバータを並べて収容する構成と同様に、２つのインバータ間に接続されるバスバーの全長が長くなり、その分、バスバーのインダクタンス成分が大となるため、ノイズが発生するおそれがある。バスバーが長くなると、重量の低減や小型化において不十分となる。

この発明の目的は、小型化および重量の低減を図れ、設置面積の低減を図れるうえ、電気的性能等に優れたモータ用インバータ装置を提供することである。

この発明のモータ用インバータ装置は、複数のスイッチング素子を組合わせた各相のパワーモジュールからなりそれぞれモータを駆動する２つの３相のインバータを、１台の筐体に収容したモータ用インバータ装置において、
直流電流を前記各インバータの前記各パワーモジュールに印加するバスバーと、前記スイッチング素子の過電圧を抑制するスナバコンデンサとを中央に配置し、これらバスバーとスナバコンデンサとを挟む両側に前記各インバータを、前記各パワーモジュールが対称に位置するように配置したことを特徴とする。

この構成によると、モータ用インバータ装置にトルク指令が与えられると、例えば、バッテリからの直流電流をバスバー、スナバコンデンサを介して各インバータの各パワーモジュールに印加する。各パワーモジュールにおける複数のスイッチング素子にオンオフ指令が与えられ、これにより、モータ用インバータ装置は、直流電流をトルク指令に基づいた３相交流に変換して、それぞれのモータを駆動制御する。パワーモジュールにスナバコンデンサを接続することで、スイッチング素子の過電圧が抑制される。

２つのインバータを１台の筐体に収容したため、２つのインバータを個別に設置する従来構造よりも、装置全体の小型化を図れ重量の低減を図れると共に、設置面積を小さくすることができる。
特に、バスバーとスナバコンデンサとを中央に配置し、これらバスバーとスナバコンデンサとを挟む両側に各インバータを、各パワーモジュールが対称に位置するように配置したため、スナバコンデンサと各パワーモジュールの距離を最短にできて、バスバーのインダクタンス成分が最小となるため、ノイズ抑制効果が高い。バスバーを短くできるため、その分、より一層の小型化を図れ重量の低減を図れる。またバスバーとスナバコンデンサとを中央に集約して配置することで、これらを実装する作業を、他の部品に干渉することなく迅速かつ容易に行うことができる。

前記モータは車両を駆動するモータであっても良い。この場合、例えば、モータ用インバータ装置の上位制御手段が、運転者によるアクセル操作に基づく操作角度を読み取り、その操作角度をトルク指令に換算して、このトルク指令をモータ用インバータ装置に与える。よって、それぞれのモータが駆動され車両を走行させ得る。

前記スナバコンデンサを前記２つのインバータで共有するものとしても良い。この場合、スナバコンデンサを２つのインバータで共有しない構成よりも、部品点数、重量、および設置面積をそれぞれ低減することができる。
前記筐体に、前記各パワーモジュールをそれぞれ冷却する２箇所の水冷部を設け、これら２箇所の水冷部の間に前記スナバコンデンサを設けてこのスナバコンデンサも冷却させるものとしても良い。この場合、スナバコンデンサの両側に、パワーモジュール冷却用の水冷部がそれぞれ設けられ、これら水冷部にてそれぞれ冷却水が循環する。循環する冷却水により、水冷部の周辺部の温度が下がり、スナバコンデンサの冷却効果も期待できる。

この発明のモータ用インバータ装置は、複数のスイッチング素子を組合わせた各相のパワーモジュールからなりそれぞれモータを駆動する２つの３相のインバータを、１台の筐体に収容したモータ用インバータ装置において、直流電流を前記各インバータの前記各パワーモジュールに印加するバスバーと、前記スイッチング素子の過電圧を抑制するスナバコンデンサとを中央に配置し、これらバスバーとスナバコンデンサとを挟む両側に前記各インバータを、前記各パワーモジュールが対称に位置するように配置したため、小型化および重量の低減を図れ、設置面積の低減を図れるうえ、電気的性能等に優れたモータ用インバータ装置を得ることができる。

この発明の第１の実施形態に係るモータ用インバータ装置を搭載した車両の駆動部等を概略示すブロック図である。同モータ用インバータ装置の要部の構造を示す平面図である。同モータ用インバータ装置の側面図である。同モータ用インバータ装置の回路図である。この発明の他の実施形態に係るモータ用インバータ装置の要部の構造を示す平面図である。同モータ用インバータ装置の側面図である。同モータ用インバータ装置の回路図である。この発明のさらに他の実施形態に係るモータ用インバータ装置の回路図である。従来例に係る１つのインバータの基本回路図である。従来のインバータ装置の構造を概略示す平面図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。
図１は、実施形態に係るモータ用インバータ装置を搭載した車両の駆動部等を概略示すブロック図である。この車両は、車体１の左右の後輪２，２が駆動輪とされ、左右の前輪３，３が従動輪とされた二輪駆動の電気自動車である。前輪３，３は操舵輪とされている。車両は、左右の各駆動輪に駆動力を与えるモータ４，４を備えている。各モータ４は、例えば、３相の同期モータからなる。モータ４の回転は、減速機５および車輪用軸受６を介して駆動輪に伝達される。このモータ４は、一部または全体が駆動輪内に配置されて、モータ４、減速機５、および車輪用軸受６を含むインホイールモータ駆動装置７を構成している。

左右の従動輪および左右の駆動輪には、運転者によるブレーキ操作によりこれら従動輪および駆動輪にそれぞれ制動力を与える従動輪用のブレーキ機構８，８、駆動輪用のブレーキ機構９，９が設けられている。モータ用インバータ装置１０の上位制御手段であるＥＣＵ（ＶＣＵという場合もある）１１は、運転者によるアクセル操作に基づく操作角度を読み取り、その操作角度をトルク指令に換算して、このトルク指令をモータ用インバータ装置１０に指令する。モータ用インバータ装置１０は、車両に搭載されたバッテリＢｔからの電力を、トルク指令に基づいた３相交流に変換してそれぞれのモータ４，４を制御する。これにより、左右のモータ４，４が駆動され車両を走行させ得る。

図２は、このモータ用インバータ装置１０の要部の構造を示す平面図であり、図３は、このモータ用インバータ装置１０の側面図である。図２，図３に示すように、このモータ用インバータ装置１０は、筐体１２と、３相のインバータ１３，１３を含む各パワー回路部２０，２０と、これらパワー回路部２０，２０を制御する図示外のモータコントロール部と、バスバー１４と、スナバコンデンサ１５と、水冷部１６，１６と、後述の平滑コンデンサとを有する。前記モータコントロール部は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成され、上位制御手段であるＥＣＵから与えられるトルク指令等による加速・減速指令に従い、電流指令に変換して、前記各パワー回路部２０，２０に電流指令を与える。前記モータコントロール部は、筐体１２に収容されても良いし、筐体外に設けられても良い。

１台の筐体１２には、２つの３相のインバータ１３，１３が収容される。これら２つのインバータ１３，１３は、複数のスイッチング素子（後述する）を組み合わせたＵ，Ｖ，Ｗ各相のパワーモジュール１７〜１９からなりそれぞれモータ４，４を駆動する。図２に示すように、この例では、同図上半部のインバータ１３により右駆動輪用のモータが駆動され、同図下半部のインバータ１３により左駆動輪用のモータが駆動される。

バスバー１４は、＋電源のバスバー１４ａと−電源のバスバー１４ｂとを有し、バッテリからの直流電流を各インバータ１３，１３の各パワーモジュール１７〜１９に印加する。スナバコンデンサ１５は、前記スイッチング素子の過電圧を抑制する。この例では、各インバータ１３，１３に対して、それぞれ３つのスナバコンデンサ１５が設けられ、インバータ装置全体で計６つのスナバコンデンサ１５が設けられる。各スナバコンデンサは例えば直方体形状に構成される。１つのインバータ１３において、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相のパワーモジュール１７〜１９にそれぞれスナバコンデンサ１５が並列接続される。

バスバー１４とスナバコンデンサ１５とを筐体１２における中央に配置している。これらバスバー１４とスナバコンデンサ１５とを挟む両側に、各インバータ１３，１３を、各パワーモジュール１７〜１９が対称に位置するように配置している。１つのインバータ１３に接続される３つのスナバコンデンサ１５は、前記インバータ１３の各相のパワーモジュール１７〜１９の並び方向に平行な方向に沿って所定間隔おきに配置され、且つ、前記インバータ１３のＵ，Ｖ，Ｗ相のパワーモジュール１７、１８、１９にそれぞれ隣接して接続される。

一方のインバータ１３におけるＵ相のパワーモジュール１７に接続される１つのスナバコンデンサ１５と、他方のインバータ１３におけるＵ相のパワーモジュール１７に接続される１つのスナバコンデンサ１５とが、互いに隣接して筐体１２の中央の左側部に配置される。Ｖ相のパワーモジュール１８にそれぞれ接続されるスナバコンデンサ１５，１５も互いに隣接して筐体１２の中央の中央部に配置され、Ｗ相のパワーモジュール１９にそれぞれ接続されるスナバコンデンサ１５，１５も互いに隣接して筐体１２の中央の右側部に配置される。

図２および図３に示すように、バスバー１４における−電源のバスバー１４ｂは、各スナバコンデンサ１５の上面にわたって架設されて各スナバコンデンサ１５に電気的に接続されると共に、各パワーモジュール１７〜１９の端子端に電気的に接続される。＋電源のバスバー１４ａは、各スナバコンデンサ１５の上面にそれぞれスペーサ２３を介して架設されて各スナバコンデンサ１５に電気的に接続されると共に、各パワーモジュール１７〜１９の端子端にスペーサ２３を介して配置されて電気的に接続される。＋電源のバスバー１４ａをスペーサ２３を介して各部に架設することで、この＋電源のバスバー１４ａは−電源のバスバー１４ｂよりも上方に配置される。よって、バスバー１４全体を筐体１２の中央に集約し得る。

筐体１２における、スナバコンデンサ１５を挟む両側に、各パワーモジュール１７〜１９をそれぞれ冷却する２箇所の水冷部１６，１６を設けている。換言すると、２箇所の水冷部１６，１６の間にスナバコンデンサ１５を設けている。各箇所の水冷部１６は、例えば、それぞれ筐体内部を通る流路１６ａと、筐体１２の流路付近に設けられる冷却フィン１６ｂとを有する。２箇所の水冷部１６，１６の流路１６ａ，１６ａは連通され、図示外の水冷部駆動源により流路１６ａ，１６ａに沿って冷却水を循環させ得る。循環する冷却水により、水冷部１６，１６の周辺部の温度が下がり、スナバコンデンサ１５の冷却効果も期待し得る。

図４は、このモータ用インバータ装置１０の回路図である。
１つのインバータ１３における各相パワーモジュール１７〜１９は、例えば、それぞれ２個のインシュレーテッド・ゲート・バイポーラ・トランジスタ（略称：ＩＧＢＴ）を含み、１つのインバータ１３につき計６個のＩＧＢＴを有する。６個のＩＧＢＴは、通常６ｉｎ１または２ｉｎ１と呼ばれるパッケージに収められたＩＧＢＴモジュールとして供給される。この実施形態では、例えば、２ｉｎ１のＩＧＢＴモジュールが適用される。

前記６ｉｎ１は、１つのインバータ１３における６個のＩＧＢＴと、各ＩＧＢＴにそれぞれ接続される６個のダイオード２４とを１パッケージにしたＩＧＢＴモジュールであり、モータ１台を駆動できる。前記２ｉｎ１は、例えば、１つのインバータ１３における２個のＩＧＢＴと、これらＩＧＢＴにそれぞれ接続される２個のダイオード２４とを１パッケージにしたＩＧＢＴモジュールであり、前記インバータ１３における他の各相のＩＧＢＴにも同じＩＧＢＴモジュールが使用される。この場合、モータ１台に対し、３個の２ｉｎ１のＩＧＢＴモジュールが使用される。なお６ｉｎ１または２ｉｎ１以外のＩＧＢＴモジュールを適用しても良い。

１つのインバータ１３におけるＵ，Ｖ，Ｗ各相パワーモジュール１７〜１９に、それぞれスナバコンデンサ１５が並列接続されている。各インバータ１３におけるＵ相パワーモジュール１７の上段にそれぞれ接続されたスナバコンデンサ１５，１５の上段に、平滑コンデンサ２５が並列接続されている。２つのインバータ１３，１３を、１台の筐体１２に収容したモータ用インバータ装置１０では、１つの平滑コンデンサ２５を共有し得る。

このように２つのインバータ１３，１３で１つの平滑コンデンサ２５を共有した構成において、平滑コンデンサ２５の容量を２倍にする場合でも、平滑コンデンサ２５を共有せず各インバータ１３にそれぞれ平滑コンデンサを設けるよりも、重量、コスト、設置面積で有利になる。なお２つのインバータ１３，１３で１つの平滑コンデンサ２５を共有した場合でも、平滑コンデンサ２５の容量を必ずしも２倍にする必要はない。平滑コンデンサ２５の容量が２倍未満の場合、さらに重量、コスト、設置面積で有利になる。
平滑コンデンサ２５は、例えば、電解コンデンサまたはフィルムコンデンサからなり、大容量で比較的低い周波数を平滑する。そのため、平滑コンデンサ２５をＩＧＢＴからやや離れて設置することも可能である。

１つのインバータ１３において、スナバコンデンサ１５は、各相パワーモジュール１７〜１９に対応する３個のフィルムコンデンサが使用され、平滑コンデンサ２５に比べて小容量で比較的高い周波数を受け持つ。コンデンサからＩＧＢＴまでのインダクタンスにより、高周波特性が阻害されるため、各スナバコンデンサ１５はＩＧＢＴのなるべく近くに設置して両者間の配線長を短くするべきである。

作用効果について説明する。
ＥＣＵ１１は、運転者によるアクセル操作に基づく操作角度を読み取り、その操作角度をトルク指令に換算して、このトルク指令をモータ用インバータ装置１０に指令する。モータ用インバータ装置１０にトルク指令が与えられると、バッテリＢｔからの直流電流をバスバー１４、スナバコンデンサ１５を介して各インバータ１３の各パワーモジュール１７〜１９に印加する。各パワーモジュール１７〜１９における複数のスイッチング素子にオンオフ指令が与えられ、これにより、モータ用インバータ装置１０は、直流電流をトルク指令に基づいた３相交流に変換して、それぞれのモータ４，４を駆動制御する。よって、それぞれのモータ４，４が駆動され車両を走行させ得る。パワーモジュール１７〜１９にスナバコンデンサ１５を接続することで、スイッチング素子の過電圧が抑制される。

２つのインバータ１３を１台の筐体１２に収容したため、２つのインバータを個別に設置する従来構造よりも、装置全体の小型化を図れ重量の低減を図れると共に、設置面積を小さくすることができる。
特に、バスバー１４とスナバコンデンサ１５とを中央に配置し、これらバスバー１４とスナバコンデンサ１５とを挟む両側に各インバータ１３，１３を、各パワーモジュール１７〜１９が対称に位置するように配置したため、スナバコンデンサ１５と各パワーモジュール１７〜１９の距離を最短にできて、バスバー１４のインダクタンス成分が最小となるため、ノイズ抑制効果が高い。バスバー１４を短くできるため、その分、より一層の小型化を図れ重量の低減を図れる。またバスバー１４とスナバコンデンサ１５とを中央に集約して配置することで、これらを実装する作業を、他の部品に干渉することなく迅速かつ容易に行うことができる。

他の実施形態について説明する。
以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

図５は、他の実施形態に係るモータ用インバータ装置１０Ａの要部の構造を示す平面図であり、図６は、同モータ用インバータ装置１０Ａの側面図であり、図７は、同モータ用インバータ装置１０Ａの回路図である。図５〜図７に示すように、３つのスナバコンデンサ１５を２つのインバータ１３，１３で共有しても良い。つまり６ｉｎ１のＩＧＢＴモジュールで、その電源入力端子が３組の場合と、２ｉｎ１のＩＧＢＴモジュールを６個使用する場合、第１の実施形態で使用していた６個のスナバコンデンサ１５を３個に省略することができる。

この例では、２つのインバータ１３，１３のＵ相パワーモジュール１７に対して１つのスナバコンデンサ１５が並列接続され、２つのＶ相パワーモジュール１８に対して１つのスナバコンデンサ１５が並列接続され、２つのＷ相パワーモジュール１９に対して１つのスナバコンデンサ１５が並列接続される。
この構成によると、第１の実施形態よりもさらに部品点数、重量、および設置面積をそれぞれ低減することができる。

図８は、さらに他の実施形態に係るモータ用インバータ装置１０Ｂの回路図である。６ｉｎ１のＩＧＢＴモジュールで、その電源入力端子が１組の場合、１つのスナバコンデンサ１５を２つのインバータ１３，１３で共有しても良い。この場合、インバータ装置全体で１つのスナバコンデンサ１５とするため、図７の構成よりもさらに部品点数、重量、および設置面積をそれぞれ低減することができる。

図５〜図７の形態において、スナバコンデンサの代わりに、スナバコンデンサと平滑コンデンサの両方の機能を持ったコンデンサを配置し、このコンデンサを２つのインバータで共有する構造としても良い。

４…モータ
１０，１０Ａ，１０Ｂ…モータ用インバータ装置
１２…筐体
１３…インバータ
１４…バスバー
１５…スナバコンデンサ
１６…水冷部
１７〜１９…パワーモジュール
２５…平滑コンデンサ

Claims

複数のスイッチング素子を組合わせた各相のパワーモジュールからなりそれぞれモータを駆動する２つの３相のインバータを、１台の筐体に収容したモータ用インバータ装置において、
直流電流を前記各インバータの前記各パワーモジュールに印加するバスバーと、前記スイッチング素子の過電圧を抑制するスナバコンデンサとを中央に配置し、これらバスバーとスナバコンデンサとを挟む両側に前記各インバータを、前記各パワーモジュールが対称に位置するように配置したことを特徴とするモータ用インバータ装置。
請求項１記載のモータ用インバータ装置において、前記モータは車両を駆動するモータであるモータ用インバータ装置。
請求項１または請求項２記載のモータ用インバータ装置において、前記スナバコンデンサを前記２つのインバータで共有するモータ用インバータ装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のモータ用インバータ装置において、前記筐体に、前記各パワーモジュールをそれぞれ冷却する２箇所の水冷部を設け、これら２箇所の水冷部の間に前記スナバコンデンサを設けてこのスナバコンデンサも冷却させるモータ用インバータ装置。