JP5888010B2

JP5888010B2 - インバータモジュール

Info

Publication number: JP5888010B2
Application number: JP2012051928A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　健介; 健介佐々木; 裕介中山; 幸雄水越
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: EP2824820A4; WO2013133014A1; CN104205599A; US9502946B2; US20150097470A1; EP2824820A1; CN104205599B; EP2824820B1; JP2013188027A

Description

本発明は、モータに一体化されたインバータモジュールに関する。

特許文献１には、直流電源の電力を交流に変換して交流モータに供給する多相インバータモジュールを交流モータのケースに装着したインバータ一体型モータが開示されている。これにより、モータ及びインバータからなる装置の小形軽量化や配線損失の低減を図っている。

特開２００７−１１６８４０号公報

しかしながら、特許文献１では、モータとインバータモジュールとの電気的結線を、モータ軸心近傍で行う構成になっているので、モータ外周側にあるステータからの引き出し線をモータ軸心近傍まで取り回すことになり、配線の取り回しのためのスペースが必要となる。また、電源とインバータモジュールとの電気的接続もモータ軸心近傍で行っているので、モータ軸心近傍に結線箇所が集中することになり、結線作業のためのスペースも必要となる。このように配線の取り回しや結線作業のためにスペースを設ける必要があるため、インバータモジュール部分の大型化を回避できない。

そこで、本発明では、上述したような配線の取り回しや結線作業のために必要なスペースが少ない、インバータ一体型モータ用のインバータモジュールを提供することを目的とする。

本発明のインバータモジュールは、インバータ一体型モータ用のインバータモジュールであり、単相インバータ回路を実装した複数のパワーモジュールで構成したものである。パワーモジュールは台形形状であって、電源との電気的接続端子を短辺に、モータとの電気的接続端子を長辺にそれぞれ配置している。このパワーモジュールを、長辺が外周を向くように円環状に複数個配置して多相インバータ回路を構成する。つまり、モータとの電気的接続端子が多相モジュールの外周側に並ぶよう構成する。そして、パワーモジュールは、長辺に制御信号入出力端子を配置し、スイッチング素子を制御信号入力パッドが長辺に近接する向きで長辺側に実装し、スイッチング素子と電気的に並列接続される電流還流素子を短辺側に実装する。モータとの電気的接続端子及び制御信号入出力端子は、モータとの電気的接続端子、下アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子、下アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子、上アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子、上アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子の順に並ぶ。

本発明によれば、モータとの電気的接続端子が多相インバータモジュールの外周部に並ぶので、モータとの電気的接続用の配線の取り回しや結線作業のためのスペースを低減することができる。また、電気的接続用の配線はモータの外周側に配置されるステータから引き出されるので、モータとの電気的接続端子を多相モジュールの外周側に配置することで、配線の取り回しの為のスペースを低減することができる。すなわち、本発明によれば多相インバータの電気的特性の悪化を抑えつつ、多相インバータモジュールの小型化を図ることができる。

図１（Ａ）は本発明の実施形態によるインバータ一体型モータの横断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図２（Ａ）は本実施形態の他の例によるインバータ一体型モータの横断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図３はパワーモジュールのスイッチング素子と電流還流用素子の配置例を示す図である。図４は制御信号入出力端子と制御信号入力パッドの配置例を示す図である。図５は制御信号入出力端子の配列の一例を示す図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態によるインバータ一体型モータの概略構成図であって、図１（Ａ）は電動モータ１の回転軸に沿った断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

インバータ一体型モータ１０は、モータケース１０Ａの一部であるモータ回転軸方向端部のモータ壁１Ａに、多相インバータ回路を構成するインバータモジュール２が実装されて構成されている。なお、インバータ一体型モータ１０は、例えば、電動車両の駆動用モータとして用いられる交流モータであり、車載バッテリ等の直流電源からインバータモジュール２を介して供給された電力により駆動する。

モータ１は、図示しない回転軸回りに回転するロータ４と、ロータ４の外周を囲むように配置したステータ３を含んで構成される。

インバータモジュール２は、単相分のインバータ回路を実装する複数のパワーモジュール１０３を後述するように円環状に配置して形成したものである。

パワーモジュール１０３は、図１（Ｂ）に示すように台形の断面を有し、図示しない電源との電気的接続端子である電源用接続端子１０１を短辺に、モータ１との電気的接続端子であるモータ用接続端子１０２を長辺に備える。そして、パワーモジュール１０３は、モータ壁１Ａのインバータ側に、短辺が軸心を向くように円環状に配置されている。これにより、モータ用接続端子１０２は、インバータモジュール２の外周部に円環状に配置される。

モータ１とインバータモジュール２とを電気的に接続するための配線１０４は、ステータ３から取り出され、モータ壁１Ａを貫通してモータ用接続端子１０２まで直線的に引かれている。図１では、モータ用接続端子１０２の位置と、配線１０４を取り出すためのモータ壁１Ａの貫通穴の位置とを揃えることによって、配線１０４の長さの最短化を図っている。

上記のように、モータ用接続端子１０２がインバータモジュール２の外周に円環状に配置されることで、配線１０４を不要に屈曲させることなく、より短い長さで、モータ１とインバータモジュール２を電気的に接続することができる。また、モータ１との電気的接続は外周側、電源との電気的接続は内周側になるので、それぞれの結線作業は別の場所で行うことになり、一箇所で両方の結線作業を行なう場合に比べて、作業スペースを縮小することができる。つまり、配線１０４の取り回し及び結線作業のためのスペースを小さくすることができる。また、配線１０４の短縮化により、コスト低減や放射ノイズの低減が可能になる。

なお、図１ではインバータモジュール２をモータ壁１Ａに形成する例を示しているが、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、モータ壁１Ａと対向するインバータ壁２Ａに形成してもよい。図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ図１（Ａ）、（Ｂ）に対応する図である。

この場合、配線１０４は図１の場合に比べれば長くなるが、配線１０４の取り回しや結線作業のためのスペース低減、コスト低減、放射ノイズの低減といった効果は同様に得られる。

上述したように、図１または図２の構成によれば、モータ１とインバータモジュール２を電気的に接続する配線１０４の取り回しや結線作業のためのスペースを小さくすることができ、その結果、インバータモジュール２の電気的特性の悪化を抑制しつつ、インバータモジュール２の小型化を図ることができる。

次に、パワーモジュール１０３に実装されるスイッチング素子と電流還流用素子について説明する。ここでは、スイッチング素子の例としてＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３０１を、電流還流用素子の例としてダイオード３０２を用いて説明する。

図３はＩＧＢＴ３０１とダイオード３０２の配置例を示す図である。ＩＧＢＴ３０１はパワーモジュール１０３の長辺側に２つ配置され、また、ダイオード３０２はパワーモジュール１０３の短辺側に２つ配置されている。

一般に、ＩＧＢＴ３０１はダイオード３０２に比べて実装した際の専有面積が大きくなるとともに、発熱量が多くなる傾向がある。そこで、発熱量が多いＩＧＢＴ３０１の放熱面積を稼ぐために、ＩＧＢＴ３０１を長辺側に配置する。これによりインバータ駆動時のＩＧＢＴ３０１の平均温度を低下させることができ、その結果、インバータモジュール２の長期信頼性を向上させることができる。

また、実装専有面積が大きいＩＧＢＴ３０１を長辺側に配置し、実装専有面積が小さいダイオード３０２を短辺側に配置することにより、各素子を実装するためだけに短辺及び長辺を長くする必要がなく、パワーモジュール１０３が大型化することを回避できる。

次に、パワーモジュール１０３の制御信号入出力端子４０１と、ＩＧＢＴ３０１の制御信号入力パッドであるゲートパッド４０２の配置について説明する。

図４は制御信号入出力端子４０１とゲートパッド４０２の配置例を示す図である。ここでのＩＧＢＴ３０１は、ゲートパッド４０２が４辺のいずれかに近接して配置されているものとする。

スイッチング動作を行なうインバータでは、原理的にその電圧・電流の急峻な変化に起因するノイズが発生する。このノイズによるインバータ自身の誤作動抑止のためには、ＩＧＢＴゲートドライブ回路が低インピーダンスとなるよう設計する必要がある。特に、ゲートドライブ回路配線に寄生するインダクタンスを低減することが、低インピーダンス化のための主要設計因子である。

そこで、図４に示すように制御信号入出力端子４０１をパワーモジュール１０３の長辺側に配置し、かつ、ゲートパッド４０２が長辺側に位置するようにＩＧＢＴ３０１を実装する。

これにより、ＩＧＢＴ３０１のゲートパッド４０２と制御信号入出力端子４０１が近接した状態で実装され、ゲートドライブ回路配線に寄生するインダクタンスが低減し、ゲートパッド４０２と制御信号入出力端子４０１との間の配線に生じるインピーダンスを低下させることができる。また、制御信号入出力端子４０１を配置するためのスペースを新たに設ける必要がないので、パワーモジュール１０３の大型化を抑制することができる。

次に、制御信号入出力端子４０１の配列について説明する。

図５は、制御信号入出力端子４０１の配列の一例を示す図である。制御信号入出力端子４０１は、図５に示すように６本の端子からなる。モータ用接続端子１０２に近い方から、下アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子５０１、下アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子５０２、上アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子５０３、上アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子５０４の順に並ぶ。

スイッチング素子の制御信号入力端子５０１、５０３とは、ＩＧＢＴ３０１を例にとると、ゲート、エミッタセンス端子のことである。スイッチング素子の高電位側電位センス端子５０２、５０４とは、同様にＩＧＢＴ３０１を例にとるとエミッタセンス端子のことである。

上記各端子５０１−５０４は、インバータ作動時には各々別電位を有しているため、端子間にはその電位差に応じた絶縁距離を確保する必要がある。図５に示すように各端子５０１−５０４を配列することによって、各端子間の絶縁距離の総和をより小さくすることができ、結果として端子配列に要する長さをより短くすることができる。このため、パワーモジュール１０３を小型化して、インバータモジュール２の小型化を図ることができる。

なお、図５ではモータ用接続端子１０２がパワーモジュール１０３の左端寄りにあり、そこから右端に向けて上述した順で各端子５０１−５０４が並んでいるが、モータ用接続端子１０２を図中右端寄りに配置し、そこから左端に向けて上述した順に配置してもよい。また、下アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子５０１のゲート、エミッタ端子は、どちらをモータ用接続端子１０２側に配置してもよい。上アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子５０３についても同様である。

以上説明した本実施形態の作用、効果についてまとめると以下のようになる。

単相インバータ回路を実装し、電源用接続端子１０１を短辺に、モータ用接続端子１０２を長辺にそれぞれ配置した台形形状のパワーモジュール１０３を、長辺が外周を向くように円環状に複数個配置して多相インバータ回路を構成する。これにより、モータ用接続端子１０２がインバータモジュール２の外周に円環状に配置され、モータ１とインバータモジュール２を電気的に接続する配線１０４の取り回しや結線作業のためのスペースを小さくすることができる。その結果、インバータモジュール２の電気的特性の悪化を抑制しつつ、インバータモジュール２の小型化を図ることができる。

パワーモジュール１０３は、ＩＧＢＴ３０１を長辺側に、ダイオード３０２を短辺側にそれぞれ実装するので、パワーモジュール１０３の表面積を増大させることなく、特に発熱の大きいＩＧＢＴ３０１の放熱面積を大きく取ることができる。その結果、インバータ駆動時のＩＧＢＴ３０１の平均温度を低下させることができ、インバータモジュール２の長期にわたる信頼性を向上させることができる。

制御信号入出力端子４０１を長辺側に配置し、ＩＧＢＴ３０１をゲートパッド４０２が長辺側に近接するように実装するので、パワーモジュール１０３の大型化を抑制しつつ、ＩＧＢＴゲートドライブ回路配線に寄生するインダクタンスを低減することができる。その結果、ＩＧＢＴゲートドライブ回路を低インピーダンス化することができ、ノイズによるインバータ誤作動の可能性を低減してインバータモジュール２の動作信頼性を向上させることができる。

モータ用接続端子１０２及び制御信号入出力端子４０１は、モータ用接続端子１０２、下アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子５０１、下アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子５０２、上アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子５０３、上アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子５０４の順に並ぶ。これにより、各端子間に要する絶縁距離を短縮化できるので、パワーモジュール３０１を小型化することができ、インバータモジュール２をより小型化することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１モータ
２多相インバータ
３ステータ
４ロータ
１０インバータ一体型モータ
１０１電源用接続端子
１０２モータ用接続端子
１０３パワーモジュール
１０４配線
３０１ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
３０２ダイオード（電流還流用素子）
４０１制御信号入出力端子
４０２ゲートパッド
５０１下アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子
５０２下アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子
５０３上アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子
５０４上アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子

Claims

モータの軸方向端部に配置されるインバータ一体型モータ用のインバータモジュールにおいて、
単相インバータ回路を実装し、電源との電気的接続端子を短辺に、モータとの電気的接続端子を長辺にそれぞれ配置した台形形状のパワーモジュールを備え、
前記パワーモジュールを前記長辺が外周を向くように円環状に複数個配置して多相インバータ回路を構成し、
前記パワーモジュールは、
前記長辺に制御信号入出力端子を配置し、
スイッチング素子を制御信号入力パッドが前記長辺に近接する向きで前記長辺側に実装し、前記スイッチング素子と電気的に並列接続される電流還流素子を前記短辺側に実装し、
前記モータとの電気的接続端子及び前記制御信号入出力端子は、
前記モータとの電気的接続端子、下アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子、下アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子、上アーム側スイッチング素子の制御信号入力端子、上アーム側スイッチング素子の高電位側電位センス端子の順に並ぶことを特徴とするインバータモジュール。