JP4793225B2

JP4793225B2 - インバータ装置

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Publication number: JP4793225B2
Application number: JP2006301613A
Authority: JP
Inventors: 龍介井ノ下
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-11-07
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Description

本発明はインバータ装置に関し、詳しくはインバータ装置に用いられる制御電力給電トランスの配置及び構造の改良に関する。

たとえば三相インバータなどのインバータ装置では、各相の上アームの半導体スイッチング素子の制御電極には、この半導体スイッチング素子の交流出力端側の電極端子を基準電位とする制御電圧が印加される。このため、下アームの半導体スイッチング素子と各相の上アームの半導体スイッチング素子とに互いに電気絶縁された直流電源電圧をそれぞれ給電する制御電力給電トランスを採用することが一般的である。通常において、下アーム側の半導体スイッチング素子及び各相の上アーム側の半導体スイッチング素子はそれぞれ素子駆動回路（ドライバ回路）により駆動され、各素子駆動回路には、相数プラス１の二次コイルをもつ制御電力給電トランス（多出力型制御電力給電トランスとも言う）の各二次コイルからそれぞれ異なる整流回路を通じて制御用直流電源電力が給電される。この種の制御電力給電トランスに好適なトランス構造が、本出願人の出願になる下記の特許文献１に記載されている。

複数の多出力型制御電力給電トランスから制御電力がそれぞれ給電される複数の三相インバータを実装した複合三相インバータ装置の従来における平面配置例を図６を参照して説明する。

図６において、１００はプリント基板であり、その左側には縦方向へ一列に３つの多出力型制御電力給電トランスT1〜T3が配置されている。多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３はプリント基板１００に固定されている。プリント基板１００の下方には多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３の右方に位置して、３つの三相インバータ回路をなす上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０９及び下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１９が横方向へ各一列に配置されている。半導体モジュール１０１〜１０９、１１１〜１１９の直上に位置して素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９がプリント基板１００に実装され、素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９が出力する制御電圧はその直下の半導体モジュール１０１〜１０９、１１１〜１１９の制御電極端子に印加される。

上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３及び下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１３は三相インバータ回路１４１をなし、上アーム側の半導体モジュール１０４〜１０６及び下アーム側の半導体モジュール１１４〜１１６は三相インバータ回路１４２をなし、上アーム側の半導体モジュール１０７〜１０９及び下アーム側の半導体モジュール１１７〜１１９は三相インバータ回路１４３をなす。１２１〜１２３、１３１〜１３３は三相インバータ回路１４１用の素子駆動回路であり、１２４〜１２６、１３４〜１３６は三相インバータ回路１４２用の素子駆動回路であり、１２７〜１２９、１３７〜１３９は三相インバータ回路１４３用の素子駆動回路である。

多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３は４対の制御電力給電端子ペアをそれぞれもち、各制御電力給電端子ペアはプリント基板１００上の導体パターン群１５１〜１５３を通じて三相インバータ回路１４１〜１４３の素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９に制御電力を給電している。

更に詳しく説明すると、導体パターン群１５１は多出力型制御電力給電トランスＴ１から三相インバータ回路１４１用の素子駆動回路１２１〜１２３、１３１〜１３３に制御電力を給電し、導体パターン群１５２は多出力型制御電力給電トランスＴ２から三相インバータ回路１４２用の素子駆動回路１２４〜１２６、１３４〜１３６に制御電力を給電し、導体パターン群１５３は多出力型制御電力給電トランスＴ３から三相インバータ回路１４３用の素子駆動回路１２７〜１２９、１３７〜１３９に制御電力を給電している。各多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３はそれぞれ、下アーム側の半導体モジュール駆動用の３つの素子駆動回路に共通の下アーム制御電力を給電し、３相の上アーム側の半導体モジュール駆動用の３つの素子駆動回路に個別に上アーム制御電力を給電している。このため、多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３はそれぞれ４つの二次コイルを有している。なお、多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３に個別に近接配置された整流回路にて整流された直流電源電力を各素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９に独立に給電している。この整流回路はたとえば半波整流ダイオードとその整流電圧を平滑する整流回路用の平滑コンデンサとからなる。更に、素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９などのスイッチングにより生じて導体パターン群１５１〜１５３に重畳するスイッチングサージ電圧を低減するべく各素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９のうち所定の素子駆動回路の直流電源電圧入力端間には素子駆動回路側の平滑コンデンサが接続されている。
特開平１１―３５４３５２号公報

しかしながら、上記した従来の複合三相インバータ装置では、多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３から各素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９までの制御電力給電用の導体パターン群１５１〜１５３の配線長が長く、その電気抵抗及び配線インダクタンスが増大するという問題があった。このため、素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９の電源電圧がばらついたり、各アームの半導体モジュール内の電力用半導体スイッチング素子のスイッチングや素子駆動回路のスイッチングにより導体パターン群１５１〜１５３に生じるスイッチングサージ電圧が増大するという問題があった。

この問題を改善するためには、上記した整流回路用の平滑コンデンサや素子駆動回路側の平滑コンデンサを大型化してその容量を増大することが考えられるが、平滑コンデンサの大容量化は装置体格及び部品費用の増大を招いてしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、装置体格及び製造費用の増大を抑止しつつ制御電力給電線に重畳するスイッチングサージ電圧を低減可能なインバータ装置を提供することをその目的としている。

本発明は、半導体スイッチング素子を内蔵する半導体モジュールを必要数有し、各半導体モジュールは所定の面方向に配列されているインバータ回路と、自己が駆動する前記半導体モジュールに近接配置されて前記自己が駆動する前記半導体モジュールの制御電極端子に制御電圧を出力する所定数の素子駆動回路と、それぞれ異なる整流回路を通じて前記各素子駆動回路に制御用直流電源電力を個別に給電する所定数の二次コイルを有する制御電力給電トランスとを備えるインバータ装置に適用される。

半導体スイッチング素子は、IGBTやパワーＭＯＳトランジスタなど、制御電極端子をもつ電力用半導体スイッチング素子が採用される。半導体モジュールは内部に上記電力用半導体スイッチング素子の他に種々の周辺回路を集積することができる。この周辺回路は電力用半導体スイッチング素子と同一チップに集積されてもよく、あるいは別チップに集積されてもよい。モジュール形状としては既存の種々のものを採用することができる。たとえば、両主面に放熱板が露出するカード状の半導体モジュールを採用することができる。半導体モジュールはインバータ回路の一つのアームを構成しているが、複数アームを構成してもよい。素子駆動回路は、電力用半導体スイッチング素子の制御電極に入力する制御電圧を増幅するハーフブリッジ回路などの電流バッファなどにより構成することができる。インバータ回路の各相の上アーム側の半導体モジュールを個別に駆動制御する各上アーム駆動用の素子駆動回路は、互いに異なる（互いに独立の）制御電圧を各相の上アーム側の半導体モジュールに個別に出力する。一般に、上アーム駆動用の素子駆動回路は、自己が駆動制御する上アーム側の半導体モジュールの交流側の主電極端子の電圧を基準として制御電圧を形成する。インバータ回路の各相の下アーム側の半導体モジュールを個別に駆動制御する各下アーム駆動用の素子駆動回路は、下アーム側の半導体モジュールの低電位直流電源端をなす主電極端子を基準として制御電圧を形成する。このため、各相の下アーム駆動用の素子駆動回路は、制御電力給電トランスから共通電位の制御電力を給電されることができる。ただし、この明細書において、制御電力給電トランスから素子駆動回路側に給電される制御電力が整流回路により整流されている。この種のインバータ装置は広くモータ制御用などに実用されている。

各アームの半導体モジュールをスイッチング制御する素子駆動回路は、その他の制御用の電子回路たとえばマイクロコンピュータなどとともに配線基板に実装される。これにより、インバータ装置の制御回路系をコンパクト化し、配線を簡素化することができる。この配線基板をすべてのアームの半導体モジュールに対して近接配置することが重要である。このため、列状に配列された各半導体モジュールから所定距離離れて各半導体モジュールの配列方向へ延在する配線基板配置が好適である。

上記課題を解決する本発明は、上記したインバータ装置において、制御電力給電トランスを、前記面方向において各半導体モジュールの間に介設されている点をその特徴としている。この場合、各半導体モジュールにはそれぞれ素子駆動回路が近接配置されている。このようにすれば、制御電力給電トランスから素子駆動回路を介しての各半導体モジュールへの制御電力の伝送経路の短縮、言い換えれば制御電力給電線の配線長の短縮が可能となる。この短縮により、各半導体モジュールへ給電する制御電源電圧の大きさがばらつくのを低減できるうえ、半導体モジュールや素子駆動回路のスイッチングにより制御電力給電線の配線インダクタンスに誘起されるスイッチングサージ電圧を大幅に低減することができる。このスイッチングサージ電圧は、電源線を通じてあるいは電磁波として外部に送出される高周波ノイズとなるため、大型の平滑コンデンサの設置を回避しつつこの発明によればEMCを許容レベルに抑制することができる。このため、また、インバータ装置の体格及び製造費用の低減が可能となる。

好適な態様において、前記制御電力給電トランスは、前記面方向において、上アーム側の前記半導体モジュール及び上アーム駆動用の前記素子駆動回路と、下アーム側の前記半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路との間に配置されている。このようにすれば、インバータ回路の各アームの半導体モジュールを近接配置された各素子駆動回路に対して、それぞれ非常に短い制御電力給電線により各トランスの各二次コイルからそれぞれ整流回路を介して給電することができるため、上記発明効果を一層向上することができる。

好適な態様において、前記制御電力給電トランスは、各相の前記上アーム側の半導体モジュールを駆動する前記上アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を個別に給電する少なくとも相数分の上アーム側給電端子と、前記下アーム側の半導体モジュールを駆動する前記下アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を給電する下アーム側給電端子とを備え、前記各相の上アーム側給電端子は、前記トランスの前記各相の上アーム側の半導体モジュール及び前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路の側に設置され、前記下アーム側給電端子は、前記トランスの前記下アーム側の半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路の側に設置されている。このようにすれば、上記配線長短縮を一層促進することができる。

好適な態様において、前記各上アーム側給電端子及び下アーム側給電端子は、自己が給電する前記素子駆動回路に対して自己が給電しない前記素子駆動回路に比べて近接配置されている。このようにすれば、一層の配線長短縮を実現できるため、それによる上記効果を一層向上することができる。

好適な態様において、前記上アーム側給電端子と前記下アーム側給電端子とは、前記トランスの両側に個別に配置されている。このようにすれば、トランスの上アーム側給電端子と下アーム給電端子との間の電気絶縁性能を向上することができるとともに、上記配線長短縮を一層促進することができる。

好適な態様において、前記インバータ回路は、三相インバータ回路からなり、前記制御電力給電トランスは、前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路と前記下アーム駆動用の素子駆動回路に個別に給電する４つの二次コイルを有する。このようにすれば、上記配線長短縮により、各相の半導体モジュールへ給電する制御電源電圧のばらつきを低減することができる。このことは、各相の半導体モジュールのスイッチングタイミングのばらつき低減効果を実現できる。

好適な態様において、上アーム側の半導体モジュール及び下アーム側の半導体モジュールを有する昇圧チョッパ回路と、前記昇圧チョッパ回路の前記上アーム側の半導体モジュールを駆動する上アーム駆動用の素子駆動回路と、前記昇圧チョッパ回路の前記下アーム側の半導体モジュールを駆動する下アーム駆動用の素子駆動回路とを備え、前記制御電力給電トランスは、前記各上アーム駆動用の素子駆動回路と前記下アーム駆動用の素子駆動回路とに個別に給電する５つの二次コイルを有する。これにより、昇圧型制御電力給電方式のインバータ装置において、トランス数と下アーム駆動用の素子駆動回路に給電する二次コイルの数を低減することができる。

好適な態様において、前記トランスに独立に巻装された出力電圧検出用の二次コイルから出力電圧検出用給電端子及び整流回路を通じて入力される出力電圧に基づいて前記トランスの一次電流をフィードバック制御する出力電圧安定化回路を有し、前記出力電圧検出用給電端子は、前記下アーム側給電端子の側に設置されている。これにより、安定したトランス出力制御とトランスの小型化とが可能となる。

好適な態様において、前記各素子駆動回路の入力電源電圧平滑コンデンサは、前記各素子駆動回路に出力する前記各整流回路の出力電圧平滑コンデンサを兼ねる。このようにすれば、許容EMCレベルを達成するために必要なコンデンサ数を減らすことができる。

好適な態様において、上記インバータ装置は複数セット配置され、各セットの前記各相の上アーム側の半導体モジュールは所定の一方向へ一列に配列され、各セットの前記各相の下アーム側の各相の半導体モジュールは前記上アーム側の半導体モジュール列に対して所定幅の間隙を隔てて前記上アーム側の半導体モジュール列と平行に一列に配列されている。このようにすれば、多数のインバータ装置をコンパクトに一体化することができるとともに、各半導体モジュールに対する対ＥＭＣ対策を一括して行うことができる。

好適な態様において、前記各セットの素子駆動回路は、前記上アーム側の半導体モジュール列及び下アーム側の半導体モジュール列の上方であって、前記上アーム側の半導体モジュール列及び下アーム側の半導体モジュール列が配置された配線基板に実装され、前記制御電力給電トランスは、各相の前記上アーム側の半導体モジュールを駆動する前記上アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を個別に給電する少なくとも相数分の上アーム側給電端子と、前記下アーム側の半導体モジュールを駆動する前記下アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を給電する下アーム側給電端子とを備え、前記上アーム側給電端子と前記下アーム側給電端子とは、前記トランスの端子台から上方へ突出して前記配線基板のピン孔を貫通し、はんだ付けされたピン端子からなる。このようにすれば、配線をコンパクトにまとめることができる。

好適な態様において、前記各相の上アーム側給電端子は、前記トランスの前記下アーム側の半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路よりも前記トランスの前記各相の上アーム側の半導体モジュール及び前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路に近接して設置され、前記下アーム側給電端子は、前記トランスの前記各相の上アーム側の半導体モジュール及び前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路よりも前記トランスの前記下アーム側の半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路に近接して設置されていることを特徴としている。

このようにすれば、上アーム側給電端子と上アーム側の素子駆動回路との間の制御電力給電線長と、下アーム側給電端子と下アーム側の素子駆動回路との間の制御電力給電線長とをそれぞれ短縮できるとともに、上アーム側給電端子と下アーム側給電端子との電気絶縁性を向上することができる。

本発明のインバータ装置の好適な実施形態を図面を参照して以下に説明する。

（実施形態１）
（基本回路構成）
この実施形態の回転電機駆動系を図１に示す回路図を参照して簡単に説明する。

図１において、１は三相インバータ、２はこの三相インバータ回路を制御するコントローラ、３は制御電源、４はたとえば三相同期機からなる発電電動機、５は高電圧バッテリ、６は高電圧バッテリ５と並列接続された平滑コンデンサ、７は昇圧チョッパ回路、８は発電電動機４の回転角度を検出する回転角センサ、９は三相インバータ１が出力する三相交流電流の２相分の電流を検出する電流センサである。

三相インバータ１は、高電圧バッテリ５から昇圧チョッパ回路７を通じて給電される直流電力を三相交流電力に変換して発電電動機４に給電するとともに、発電電動機４が発電した三相交流電力を整流して昇圧チョッパ回路７を通じて高電圧バッテリ５に送電する。なお、この実施形態では昇圧チョッパ回路７を採用したがその省略も可能である。また、発電電動機４を単なる電動機に置換することは当然可能であり、これら交流回転電機として種々の方式をものを採用することも可能である。高電圧バッテリ５、昇圧チョッパ回路７、三相インバータ１、発電電動機４を接続する電力線系統は、対地絶縁されている。

コントローラ２は、低電圧バッテリ１０又は制御電源３から電源電力を給電されている。コントローラ２は、回転角センサ８、電流センサ９の検出情報及び外部ECUからのたとえばトルク指令に基づいて三相インバータ１及び昇圧チョッパ回路７に必要数のＰWM（パルス幅変調）信号を出力する。これらＰWM信号は、フォトカプラなどの対地絶縁バッファを介して対地絶縁されて三相インバータ１及び昇圧チョッパ回路７に出力されている。

制御電源３は、この実施例では低電圧バッテリ１０から給電された低電圧の直流電力を、それぞれ必要な大きさをもつ必要数の直流電源電圧（制御用電源電圧）に変換して三相インバータ１や昇圧チョッパ回路７に制御用の直流電力すなわち制御電力として給電している。その詳細については後述するものとする。

上記した発電電動機４を駆動制御する回転電機駆動系の基本的な回路構成及び基本動作自体は周知であるため、これ以上の説明は省略する。

（昇圧チョッパ回路７）
昇圧チョッパ回路７は、チョークコイル７１と、上アームの半導体モジュール７２と、下アームの半導体モジュール７３と、上アーム駆動用のドライバ（素子駆動回路）７４と、下アーム駆動用のドライバ７５とから構成されている。

半導体モジュール７２、７３は、それぞれＩＧＢＴと逆並列ダイオードとから構成され、互いに直列接続されてハーフブリッジを構成している。半導体モジュール７２、７３の接続点は、チョークコイル７１を通じて高電圧バッテリ５の正極端に接続されている。半導体モジュール７２の高電位側端子は昇圧チョッパ回路７の出力端として三相インバータ１の高電位側の直流電源端に接続されている。半導体モジュール７３の低電位側端子は昇圧チョッパ回路７の帰電端として三相インバータ１の低電位側の直流電源端に接続されている。

ドライバ７４、７５は、制御電源３からそれぞれ互いに独立する（基準電位が異なる）制御用電源電圧を受け取るとともに、コントローラ２から入力されたＰＷＭ信号を電力増幅するバッファからなる。上アーム側の半導体モジュール７２と下アーム側の半導体モジュール７３との基準電位を変更するのは、よく知られているように、半導体スイッチング素子である各IGBTのエミッタ端を基準としてそのゲート電圧（制御電圧）を形成するためである。

半導体モジュール７２、７３を所定周波数にて相補的に断続することにより、断続的に昇圧された直流電圧が半導体モジュール７２の出力端から三相インバータ１に電源電力として出力される。昇圧チョッパ回路７の動作自体は、よく知られているためこれ以上の説明は省略する。

（三相インバータ１）
三相インバータ１は、上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３、下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１３、上アーム駆動用のドライバ（素子駆動回路）１２１〜１２３、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、平滑コンデンサ６１からなる。上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３及び下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１３は、昇圧チョッパ回路７の半導体モジュール７２、７３と同一のハーフブリッジ回路構成をもつ。ドライバ１２１〜１２３、１３１〜１３３は、昇圧チョッパ回路７のドライバ７４、７５と同一回路構成をもつ。半導体モジュール１０１、１１１は直列接続されてU相ハーフブリッジを構成し、半導体モジュール１０２、１１２は直列接続されてV相ハーフブリッジを構成し、半導体モジュール１０３、１１３は直列接続されてW相ハーフブリッジを構成し、各ハーフブリッジの交流出力端は発電電動機４の三相端子に個別に接続されている。平滑コンデンサ６１は、昇圧チョッパ回路７から入力される直流電源電圧の電位変動を低減する。

上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３は、制御電源３からそれぞれ互いに独立する（基準電位が異なる）制御用電源電圧を受け取るとともに、コントローラ２から入力されたＰＷＭ信号を電力増幅して上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３をＰＷＭ制御する。下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３は、制御電源３から共通の制御用電源電圧を受け取るとともに、コントローラ２から入力されたＰＷＭ信号を電力増幅して下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１３をＰＷＭ制御する。なお、この実施形態では、三相インバータ１の下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３が受け取る制御用電源電圧は、昇圧チョッパ回路７の下アーム駆動用のドライバ７５が受け取る制御用電源電圧とは共通とされている。

結局、制御電源３は、昇圧チョッパ回路７及び三相インバータ１に互いに独立する合計５つの制御用電源電圧Vgon1、Vgon２、Vgon３、Vgon４、Vgon５を給電していることが理解されるであろう。なお、昇圧チョッパ回路７を用いない場合には、制御電源３は、合計４つの制御用電源電圧Ｖｇｏｎ２、Ｖｇｏｎ３、Ｖｇｏｎ４、Ｖｇｏｎ５を出力すればよい。なお、上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３を一体に集積してもよく、上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３、７４を一体に集積してもよい。同様に、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３を一体に集積してもよく、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、７５を一体に集積してもよい。更には、上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３を一体に集積してもよい。更には、上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３、７４、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、７５を一体に集積してもよい。

（制御電源３）
制御電源３について、図２に示す回路図を参照して説明する。

制御電源３は、トランス３０、インバータ回路３１、整流回路３２〜３７、出力電圧安定化回路３８からなる。トランス３０は、一つの一次コイルと６つの二次コイルとをもち、各二次コイルは整流回路３２〜３７により個別に整流される。整流回路３２〜３７はこの実施形態では簡単な整流ダイオードと平滑コンデンサとにより構成したが他の公知の整流回路形式を採用してもよく、インバータ回路３１として他の公知のインバータ回路形式を採用してもよい。整流回路３７は、出力電圧安定化回路３８を通じてインバータ回路３１のMOSトランジスタをＰＷＭフィードバック制御する。すなわち、出力電圧安定化回路３８は、整流回路３７の出力直流電圧と所定記憶値とを比較し、比較結果によりインバータ回路３１のMOSトランジスタのＰＷＭデューティ比を調整することにより、整流回路３７の出力電圧を一定化する。

（トランス３０の端子配置）
トランス３０の端子配置を図３を参照して説明する。

既述したように、トランス３０は、三相インバータ１及び昇圧チョッパ回路７の上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３、７４に個別に出力する上アーム側の端子対TP１〜TP４と、三相インバータ１及び昇圧チョッパ回路７の下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、７５に共通に出力する下アーム側の端子対TP５と、フィードバック制御用の電圧を出力する端子対TP６と、入力端子対ＴＰ７とをもつ。

端子対ＴＰ１〜ＴＰ４は整流回路３２〜３５を介して個別に制御用電源電圧Ｖｇｏｎ１、Ｖｇｏｎ３、Ｖｇｏｎ４、Ｖｇｏｎ５を出力する。端子対ＴＰ５は共通の整流回路３６を介して制御用電源電圧Ｖｇｏｎ２を出力する。端子対ＴＰ６は整流回路３７を介してフィードバック制御用の出力直流電圧を出力する。入力端子対ＴＰ７には、図示しないインバータ回路３１から断続電流が給電される。

この実施形態では、上アーム側の端子台３０１は、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、７５よりも上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３及び上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３、７４に近接配置されている。下アーム側の端子台３０２は、上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３及び上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３、７４よりも下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、７５に近接配置されている。

（複合インバータ装置の平面配置）
図１〜図３に説明した回転電機駆動系の三相インバータ１及び制御電源３のペアを３ペア一体配置した複合インバータ装置の平面配置を図４を参照して説明する。なお、この実施形態では昇圧チョッパ回路７は省略されている。昇圧チョッパ回路７を用いる場合には、その上アーム側の半導体モジュール７２は後述する三相インバータ１の上アーム側の半導体モジュール近傍にあたかも４相インバータの４つの上アーム側の半導体モジュールを横一列に配列するごとく配列され、その下アーム側の半導体モジュール７３は後述する三相インバータ１の下アーム側の半導体モジュール近傍にあたかも４相インバータの４つの下アーム側の半導体モジュールを横一列に配列するごとく配列される。

図４において、１００は方形のプリント基板であり、３つの多出力型制御電力給電トランスT1〜T3がプリント基板１００に固定されている。多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３は、既述したトランス３０に対してTP1が削除された構造を有しており、図４に示すように横方向一列に配列されている。プリント基板１００の下方には、３つの三相インバータ回路をなす上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０９及び下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１９がそれぞれ横方向へ一列に配置されている。上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０９は、両面に放熱板が露出するカード形状の半導体モジュールであって、液冷ラジエータの各冷却フィンと交互にサンドイッチされて積層構造体となっている。

上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３及び下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１３は第１の三相インバータ回路１４１を構成し、上アーム側の半導体モジュール１０４〜１０６及び下アーム側の半導体モジュール１１４〜１１６は第２の三相インバータ回路１４２を構成し、上アーム側の半導体モジュール１０７〜１０９及び下アーム側の半導体モジュール１１７〜１１９は第３の三相インバータ回路１４３を構成している。これら三相インバータ回路１４１〜１４３は、互いに異なる三相交流回転電機に給電している。上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０３と下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１３との間にトランスT1が、上アーム側の半導体モジュール１０４〜１０６と下アーム側の半導体モジュール１１４〜１１６との間にトランスT２が、上アーム側の半導体モジュール１０７〜１０９と下アーム側の半導体モジュール１１７〜１１９との間にトランスT３が配置されている。

半導体モジュール１０１〜１０９、１１１〜１１９の直上に個別に位置して上アーム駆動用のドライバ（素子駆動回路）１２１〜１２９、及び下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３９がプリント基板１００に実装されている。素子駆動回路１２１〜１２９、１３１〜１３９が出力するＰＷＭ制御電圧はその直下の半導体モジュール１０１〜１０９、１１１〜１１９の制御電極端子と低電位側の主電極端子（この実施形態ではエミッタ端子）との間に印加される。すなわち、１２１〜１２３、１３１〜１３３は三相インバータ回路１４１用のドライバであり、１２４〜１２６、１３４〜１３６は三相インバータ回路１４２用のドライバであり、１２７〜１２９、１３７〜１３９は三相インバータ回路１４３用のドライバである。

上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２９は自己が制御する上アーム側の半導体モジュールにできるだけ近接位置にて好適にはその直上に位置してプリント基板１００に実装される。下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３９は自己が制御する下アーム側の半導体モジュールにできるだけ近接位置にて好適にはその直上に位置してプリント基板１００に実装される。ただし、複数の上アーム駆動用のドライバを集積回路として一体化する場合には、同一の三相インバータの各上アーム側のドライバを一体に集積して、この三相インバータ１の上アーム側の半導体モジュールの直上に位置してプリント基板１００に実装される。同じく、複数の下アーム駆動用のドライバを集積回路として一体化する場合には、同一の三相インバータの各下アーム側のドライバを一体に集積して、この三相インバータ１の下アーム側の半導体モジュールの直上に位置してプリント基板１００に実装される。また、任意の三相インバータの任意の１相の上下アーム駆動用の各ドライバを一体に集積して、当該の上アーム側あるいは下アーム側の半導体モジュールの直上、あるいは上下アームの半導体モジュールの中間に位置してプリント基板１００に実装される。また、任意の三相インバータの上下アーム駆動用の各ドライバを一体に集積して、当該の上アーム側あるいは下アーム側の半導体モジュールの直上、あるいは上下アームの半導体モジュールの中間に位置してプリント基板１００に実装される。

プリント基板１００には、上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２９、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３９の他に、コントローラ２、制御電源３のインバータ回路３１、出力電圧安定化回路３８、整流回路３３〜３６などが配置されている。更に、昇圧チョッパ回路７を設ける場合には、その上アーム側の半導体モジュール７２の直上に位置して上アーム駆動用のドライバ７４が、その下アーム側の半導体モジュール７３の直上に位置して下アーム駆動用のドライバ７５が、それぞれプリント基板１００に実装される。つまり、昇圧チョッパ回路７を用いる場合には、それに応じてプリント基板１００には必要な回路が実装される。多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３は、それぞれ図３に示すトランス３０からＴＰ１を除いた端子台３０１と端子台３０２とをもち、端子台３０１は上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２９側に、端子台３０２は下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３９の側に配置されている。

プリント基板１００は、多出力型制御電力給電トランスＴ１の端子台３０１の端子対ＴＰ２〜ＴＰ４と上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３とを図略の整流回路３３〜３５を介して接続する導体パターン群をもつ。プリント基板１００は、多出力型制御電力給電トランスＴ１の端子台３０２の端子対ＴＰ５と下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３とを図略の整流回路３６を介して接続する導体パターン群をもつ。その他、プリント基板１００は、多出力型制御電力給電トランスＴ１のフィードバック用の端子対ＴＰ６、入力端子対ＴＰ７を接続する導体パターン群ももつが、その詳細説明は省略する。多出力型制御電力給電トランスＴ２、T３の端子台３０１、３０２の接続も上記した多出力型制御電力給電トランスＴ１の端子対ＴＰ１〜ＴＰ４の場合と同じであるため、説明を省略する。これにより、多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３はそれぞれ上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２９に個別に、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３９に共通の制御用電源電圧を印加する。これにより、上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２９及び下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３９は、それらの直下の半導体モジュール１０１〜１０９、１１１〜１１９を個別にＰＷＭ制御する。

図４において、４０１〜４０９は端子台３０１から上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２９に個別に給電するための制御用電源電圧Ｖｇｏｎ３、Ｖｇｏｎ４、Ｖｇｏｎ５を配電する導体パターン対群であり、５０１〜５０９は端子台３０２から下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３９に共通に給電するための制御用電源電圧Ｖｇｏｎ２を配電する導体パターン対群である。導体パターン対群４０１〜４０３、５０１〜５０３は多出力型制御電力給電トランスＴ１から整流回路を介して三相インバータ回路１４１用のドライバ１２１〜１２３、１３１〜１３３に制御用電源電圧Ｖｇｏｎ２、Ｖｇｏｎ３、Ｖｇｏｎ４、Ｖｇｏｎ５を給電している。導体パターン対群４０４〜４０６、５０４〜５０６は多出力型制御電力給電トランスＴ２から三相インバータ回路１４２用のドライバ１２４〜１２６、１３４〜１３６に制御用電源電圧Ｖｇｏｎ２、Ｖｇｏｎ３、Ｖｇｏｎ４、Ｖｇｏｎ５を給電している。導体パターン対群４０７〜４０９、５０７〜５０９は多出力型制御電力給電トランスＴ３から三相インバータ回路１４３用のドライバ１２７〜１２９、１３７〜１３９に制御用電源電圧Ｖｇｏｎ２、Ｖｇｏｎ３、Ｖｇｏｎ４、Ｖｇｏｎ５を給電している。

なお、この実施形態では、多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３の端子台３０１、３０２の各端子は上方に突出するピン形状を有しており、各ピン状の端子は、プリント基板１００に貫設された貫通孔に挿通され、はんだ付けにより固定され、貫通孔周囲の導体パターンとの電気的接続が確保されている。また、多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３の端子台３０１、３０２の各端子は水平に突出し表面実装が可能なピン形状を有しており、各ピン状の端子は、プリント基板１００に形成されたランドに対してはんだ付けにより固定され、導体パターンとの電気的接続が確保されている。

上記構成した複合三相インバータ装置によれば、下記の効果を実現することができる。

（１）多出力型制御電力給電トランス（制御電力給電トランス）Ｔ１〜Ｔ３を、上アーム側の半導体モジュール１０１〜１０９と下アーム側の半導体モジュール１１１〜１１９との間に介設しているので、制御電力伝送経路長の短縮により、半導体モジュールへ給電する制御電源電圧が配線電圧降下のばらつきによりばらつくのを低減できるうえ、この導体パターンのインダクタンスに誘起されるスイッチングサージ電圧を大幅に低減することができる。

（２）多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３は、上アーム駆動用のドライバへ制御用電源電圧を出力する端子台３０１と、下アーム駆動用のドライバへ制御用電源電圧を出力する端子台３０２とをトランス両端に分離配置しているため、大幅に電位が異なる上アーム駆動用のドライバ給電系と下アーム駆動用のドライバ給電系との間の電気絶縁性能を改善し、かつ、上記制御電力伝送経路長の短縮とを実現することができる。

（変形態様）
変形態様を図５を参照して説明する。

この変形態様は、図５に示す上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３、７４に給電するための整流回路３２〜３５、及び、下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、７５に給電するための整流回路３６の出力平滑コンデンサを省略し、その代わりに、たとえば図１に示す上アーム駆動用のドライバ１２１〜１２３、７４及び下アーム駆動用のドライバ１３１〜１３３、７５の電源入力端間に入力平滑コンデンサ２００をそれぞれ新設したものである。ただし、図５では、上アーム駆動用のドライバ７４の入力平滑コンデンサ２００のみを図示する。

言い換えると、この変形態様は、整流回路とドライバとを接続する導体パターン群のうちドライバの電源入力端側にだけ平滑コンデンサ２００を設け、整流回路の出力端側に平滑コンデンサを設けない。これは、上記多出力型制御電力給電トランスＴ１〜Ｔ３の配置により、上記導体パターン群の延線距離を短縮できたため、その配線インダクタンスに起因する整流回路のスイッチングサージ電圧を低減でき、これにより整流回路の出力端側の平滑コンデンサを省略できるためである。

実施形態１の三相インバータ装置を示す回路図である。図１の三相インバータ装置に用いる多出力型制御電力給電トランスの等価回路図である。図２に示す多出力型制御電力給電トランスの端子配置を示す模式端子配置図である。図１の三相インバータを組み合わせた複合三相インバータ装置の平面配置例を示す模式平面図である。変形態様の三相インバータ装置を示す回路図である。従来の複合三相インバータ装置の平面配置例を示す模式平面図である。

符号の説明

T1〜T３多出力型制御電力給電トランス
TP１〜TP７多出力型制御電力給電トランスの端子対
１三相インバータ
２コントローラ
３制御電源
４発電電動機
５高電圧バッテリ
７昇圧チョッパ回路
８回転角センサ
９電流センサ
１０低電圧バッテリ
３０トランス
３１インバータ回路
３１〜３７整流回路
３８出力電圧安定化回路
６１平滑コンデンサ
７１チョークコイル
７２半導体モジュール
７３半導体モジュール
７４ドライバ（素子駆動回路）
７５ドライバ（素子駆動回路）
１００プリント基板
１０１〜１０９上アーム側の半導体モジュール
１１１〜１１９下アーム側の半導体モジュール
１２１〜１２９上アーム側のドライバ（素子駆動回路）
１３１〜１３９下アーム側のドライバ（素子駆動回路）
１４１〜１４３三相インバータ回路
１５１〜１５３導体パターン群
２００入力平滑コンデンサ
３０１端子台
３０２端子台
４０１〜４０３導体パターン対群
４０４〜４０６導体パターン対群
４０７〜４０９導体パターン対群

Claims

半導体スイッチング素子を内蔵する半導体モジュールを必要数有し、各半導体モジュールは所定の面方向に配列されているインバータ回路と、
自己が駆動する前記半導体モジュールに近接配置されて前記自己が駆動する前記半導体モジュールの制御電極端子に制御電圧を出力する所定数の素子駆動回路と、
それぞれ異なる整流回路を通じて前記各素子駆動回路に制御用直流電源電力を個別に給電する所定数の二次コイルを有する制御電力給電トランスと、
を備えるインバータ装置において、
前記制御電力給電トランスは、
前記面方向において前記各半導体モジュールの間に介設されていることを特徴とするインバータ装置。
請求項１記載のインバータ装置において、
前記制御電力給電トランスは、
前記面方向において、上アーム側の前記半導体モジュール及び上アーム駆動用の前記素子駆動回路と、下アーム側の前記半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路との間に配置されていることを特徴とするインバータ装置。
請求項２記載のインバータ装置において、
前記制御電力給電トランスは、
各相の前記上アーム側の半導体モジュールを駆動する前記上アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を個別に給電する少なくとも相数分の上アーム側給電端子と、
前記下アーム側の半導体モジュールを駆動する前記下アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を給電する下アーム側給電端子とを備え、
前記各相の上アーム側給電端子は、前記トランスの前記各相の上アーム側の半導体モジュール及び前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路の側に設置され、
前記下アーム側給電端子は、前記トランスの前記下アーム側の半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路の側に設置されているインバータ装置。
請求項３記載のインバータ装置において、
前記各上アーム側給電端子及び下アーム側給電端子は、自己が給電する前記素子駆動回路に対して自己が給電しない前記素子駆動回路に比べて近接配置されているインバータ装置。
請求項４記載のインバータ装置において、
前記上アーム側給電端子と前記下アーム側給電端子とは、前記トランスの両側に個別に配置されていることを特徴とするインバータ装置。
請求項２記載のインバータ装置において、
前記インバータ回路は、三相インバータ回路からなり、
前記制御電力給電トランスは、前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路と前記下アーム駆動用の素子駆動回路に個別に給電する４つの二次コイルを有するインバータ装置。
請求項２記載のインバータ装置において、
上アーム側の半導体モジュール及び下アーム側の半導体モジュールを有する昇圧チョッパ回路と、
前記昇圧チョッパ回路の前記上アーム側の半導体モジュールを駆動する上アーム駆動用の素子駆動回路と、
前記昇圧チョッパ回路の前記下アーム側の半導体モジュールを駆動する下アーム駆動用の素子駆動回路と、
を備え、
前記制御電力給電トランスは、前記各上アーム駆動用の素子駆動回路と前記下アーム駆動用の素子駆動回路とに個別に給電する５つの二次コイルを有するインバータ装置。
請求項３記載のインバータ装置において、
前記トランスに独立に巻装された出力電圧検出用の二次コイルから出力電圧検出用給電端子及び整流回路を通じて入力される出力電圧に基づいて前記トランスの一次電流をフィードバック制御する出力電圧安定化回路を有し、
前記出力電圧検出用給電端子は、前記下アーム側給電端子の側に設置されているインバータ装置。
請求項１記載のインバータ装置において、
前記各素子駆動回路の入力電源電圧平滑コンデンサは、前記各素子駆動回路に出力する前記各整流回路の出力電圧平滑コンデンサを兼ねるインバータ装置。
請求項２記載のインバータ装置を複数セット有し、
各セットの前記各相の上アーム側の半導体モジュールは所定の一方向へ一列に配列され、
各セットの前記各相の下アーム側の各相の半導体モジュールは前記上アーム側の半導体モジュール列に対して所定幅の間隙を隔てて前記上アーム側の半導体モジュール列と平行に一列に配列されているインバータ装置。
請求項１０記載のインバータ装置において、
前記各セットの素子駆動回路は、前記上アーム側の半導体モジュール列及び下アーム側の半導体モジュール列の上方であって、前記上アーム側の半導体モジュール列及び下アーム側の半導体モジュール列が配置された配線基板に実装され、
前記制御電力給電トランスは、各相の前記上アーム側の半導体モジュールを駆動する前記上アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を個別に給電する少なくとも相数分の上アーム側給電端子と、前記下アーム側の半導体モジュールを駆動する前記下アーム駆動用の素子駆動回路に前記整流回路を通じて前記制御用直流電源電力を給電する下アーム側給電端子とを備え、
前記上アーム側給電端子と前記下アーム側給電端子とは、前記トランスの端子台から上方へ突出して前記配線基板のピン孔を貫通し、はんだ付けされたピン端子からなるインバータ装置。
請求項３記載のインバータ装置において、
前記各相の上アーム側給電端子は、前記トランスの前記下アーム側の半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路よりも前記トランスの前記各相の上アーム側の半導体モジュール及び前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路に近接して設置され、
前記下アーム側給電端子は、前記トランスの前記各相の上アーム側の半導体モジュール及び前記各相の上アーム駆動用の素子駆動回路よりも前記トランスの前記下アーム側の半導体モジュール及び前記下アーム駆動用の素子駆動回路に近接して設置されていることを特徴とするインバータ装置。