| 【発明の名称】 |
パワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】八鍬 淳
【住所又は居所】東京都中央区日本橋一丁目１３番１号ＴＤＫ株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】温度管理が容易なパワーモジュールを提供する。
【解決手段】第１の外部入力端子１３０ａ，１３０ｂと第１の外部出力端子１３０ｃ，１３０ｄとの間に接続され、第１の外部入力端子１３０ａ，１３０ｂに与えられる直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路１３０と、第２の外部入力端子１４０ａ，１４０ｂと第２の外部出力端子１５０ｃとの間に接続され、第２の外部入力端子１４０ａ，１４０ｂに与えられる交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１４０と、スイッチング回路１３０及び整流回路１４０より発せられる熱を検出可能な温度センサ１７６とを備える。このように、１次側に属する回路要素のうち最も発熱の大きいスイッチング回路と、２次側に属する回路要素のうち最も発熱の大きい整流回路をモジュール化しているので、従来に比べ、温度管理を容易に行うことが可能となる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の外部入力端子と、第１及び第２の外部出力端子と、前記第１の外部入力端子と前記第１の外部出力端子との間に接続され、前記第１の外部入力端子に与えられる直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、前記第２の外部入力端子と前記第２の外部出力端子との間に接続され、前記第２の外部入力端子に与えられる交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記スイッチング回路及び前記整流回路より発せられる熱を検出可能な温度センサとを備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記スイッチング回路及び前記整流回路は、共通の放熱基板上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記温度センサは、前記スイッチング回路と前記整流回路の間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記第２の外部入力端子と前記第２の外部出力端子との間に接続されたスナバ回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
外部コネクタが搭載された制御基板をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記放熱基板の周囲に設けられた外装ケースをさらに備え、前記第１及び第２の外部入力端子並びに前記第１及び第２の外部出力端子は、前記外装ケースに沿って配置されており、前記制御基板は、前記外装ケースに収容されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のパワーモジュールと、１次巻線が前記パワーモジュールの前記第１の外部出力端子に接続され、２次巻線が前記パワーモジュールの前記第２の外部入力端子に接続されたトランスとを備えることを特徴とする電力変換装置。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置に関し、特に、温度管理が容易なパワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や地球環境の悪化を背景として、ハイブリッド車や燃料電池車のような、電気エネルギーを利用した自動車への関心が高まりをみせている。電気エネルギーを用いた自動車には、車輪を駆動するためのモータや、モータに電力を供給するための高圧バッテリーの他、高圧バッテリーの電圧を降圧する電力変換装置が備えられることが多い。すなわち、車輪を駆動するためのモータが必要とする電圧は約１２０〜４００Ｖと比較的高い一方、自動車に備えられるエアコンやオーディオ等の電気機器が必要とする電圧は約１２Ｖ程度であることから、高圧バッテリーの電圧は約１２０〜４００Ｖに設定されるとともに、車輪を駆動するためのモータに対してはこれが直接供給され、エアコンやオーディオ等の電気機器に対しては電力変換装置によって降圧された電圧が供給される。
【０００３】
この種の電力変換装置は、通常、トランスと１次側及び２次側回路によって構成されるが、近年における半導体技術の向上により、１次側回路の一部（例えばスイッチ回路）をモジュール化したり、２次側回路の一部（例えば整流回路）をモジュール化する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−６０１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電力変換装置の１次側回路及び２次側回路にはそれぞれ発熱の多い部品が存在することから、１次側回路の一部をモジュール化したり２次側回路の一部をモジュール化すると、発熱の多い部品が分散するという問題があった。このため、従来は多くの温度センサが必要となるなど、温度管理が複雑となっていた。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、温度管理が容易なパワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるパワーモジュールは、第１及び第２の外部入力端子と、第１及び第２の外部出力端子と、前記第１の外部入力端子と前記第１の外部出力端子との間に接続され、前記第１の外部入力端子に与えられる直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、前記第２の外部入力端子と前記第２の外部出力端子との間に接続され、前記第２の外部入力端子に与えられる交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記スイッチング回路及び前記整流回路より発せられる熱を検出可能な温度センサとを備えることを特徴とする。また、本発明による電力変換装置は、上記のパワーモジュールと、１次巻線がパワーモジュールの前記第１の外部出力端子に接続され、２次巻線がパワーモジュールの前記第２の外部入力端子に接続されたトランスとを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、１次側に属する回路要素のうち最も発熱の大きいスイッチング回路と、２次側に属する回路要素のうち最も発熱の大きい整流回路をモジュール化することにより、発熱の多い回路要素を一纏めにしていることから、従来に比べ、温度管理を容易に行うことが可能となる。
【０００８】
本発明において、前記スイッチング回路及び前記整流回路は共通の放熱基板上に配置されていることが好ましい。これによれば、スイッチング回路及び整流回路からの熱を効率よく放熱することが可能となる。
【０００９】
本発明において、前記温度センサは前記スイッチング回路と前記整流回路の間に配置されていることが好ましい。これによれば、より少ない数の温度センサ、例えば１個の温度センサによって温度測定を行うことが可能となり、部品点数の削減に寄与する。
【００１０】
本発明によるパワーモジュールは、前記第２の外部入力端子と前記第２の外部出力端子との間に接続されたスナバ回路をさらに備えることが好ましい。スナバ回路もある程度の発熱を主なうことから、これを一体化することにより温度管理をいっそう容易に行うことが可能となる。
【００１１】
本発明によるパワーモジュールは、外部コネクタが搭載された制御基板をさらに備えることが好ましい。この場合、前記放熱基板の周囲に設けられた外装ケースをさらに備え、前記第１及び第２の外部入力端子並びに前記第１及び第２の外部出力端子は、前記外装ケースに沿って配置されており、前記制御基板は、前記外装ケースに収容されていることが好ましい。これによれば、外部コネクタを介して、スイッチング回路の動作を制御する制御部からの信号を受けることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明では発熱の多い回路要素を一纏めにしていることから、従来に比べ、温度管理を容易に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、電力変換装置１００の回路構成を説明するための回路図である。
【００１５】
図１に示す電力変換装置１００は、トランス１１０と、トランス１１０の１次側に設けられた入力フィルタ回路１２０及びスイッチング回路１３０と、トランス１１０の２次側に設けられた整流回路１４０、スナバ回路１５０及び出力フィルタ回路１６０と、スイッチング回路１３０の動作を制御する制御部１７０とを備えている。
【００１６】
入力フィルタ回路１２０は、入力端子１２０ａ，１２０ｂに与えられる直流入力電圧Ｖｉｎ（例えば３００Ｖ）を受け、これに含まれるノイズを遮断するとともに、スイッチング回路１３０から発生するスイッチングノイズを遮断する役割を果たす。特に限定されるものではないが、本例では、トランス１２１と、入力端子１２０ａ，１２０ｂ間に接続されたコンデンサ１２２と、出力端子１２０ｃ，１２０ｄ間に接続されたコンデンサ１２３と、一方の出力端子１２０ｃとグランド間に接続されたコンデンサ１２４と、他方の出力端子１２０ｄとグランド間に接続されたコンデンサ１２５とを備えて構成されている。入力フィルタ回路１２０には、トランジスタやダイオード等のアクティブ素子が含まれておらず、このため動作に伴う発熱は比較的少ない。
【００１７】
スイッチング回路１３０は、入力端子１３０ａ，１３０ｂ間（＝出力端子１２０ｃ，１２０ｄ間）に与えられる直流電圧を受け、これを交流電圧に変換する役割を果たす。特に限定されるものではないが、本例では、入力端子１３０ａ，１３０ｂ間に直列接続されたトランジスタ１３１，１３２からなる第１のアーム、並びに、トランジスタ１３３，１３４からなる第２のアームを備え、第１のアームの中点Ａ、つまりトランジスタ１３１とトランジスタ１３２の接続点は一方の出力端子１３０ｃに接続され、第２のアームの中点Ｂ、つまりトランジスタ１３３とトランジスタ１３４の接続点は他方の出力端子１３０ｄに接続されている。そして、出力端子１３０ｃ，１３０ｄは、トランス１１０の１次巻線の一端１１０ａ及び他端１１０ｂにそれぞれ接続されている。このように、スイッチング回路１３０にはトランジスタ１３１〜１３４が含まれているため、動作に伴う発熱は非常に大きい。
【００１８】
整流回路１４０は、入力端子１４０ａ，１４０ｂ間（＝トランス１１０の２次巻線の一端１１０ｃと他端１１０ｄとの間）に与えられる交流電圧を受け、これを直流（脈流）電圧に変換する役割を果たす。特に限定されるものではないが、本例では、入力端子１４０ａと出力端子１５０ｃとの間に接続されたダイオード１４１と、入力端子１４０ｂと出力端子１５０ｃとの間に接続されたダイオード１４２とを備えている。このように、整流回路１４０にはダイオード１４１，１４２が含まれているため、動作に伴う発熱は非常に大きい。
【００１９】
スナバ回路１５０は、ダイオード１４１，１４２に対して逆方向に発生するサージ電圧を抑圧する役割を果たす。特に限定されるものではないが、本例では、ダイオード１４１のカソードとダイオード１４２のカソードとの間に直列に接続されたコンデンサ１５１，１５２と、コンデンサ１５１，１５２の中点と出力端子１５０ｃとの間に並列に接続されたダイオード１５３及びインダクタ１５４とを備えている。このように、スナバ回路１５０にはダイオード１５３が含まれているため、動作に伴う発熱は比較的大きい。
【００２０】
出力フィルタ回路１６０は、入力端子１６０ａ，１６０ｂ間（＝トランス１１０の２次側センタータップ１１０ｅと出力端子１５０ｃとの間）に与えられる直流（脈流）電圧を受け、これを平滑する役割を果たす。特に限定されるものではないが、本例では、入力端子１６０ａと出力端子１６０ｃとの間に直列接続されたチョークコイル１６１及びインダクタ１６２と、チョークコイル１６１及びインダクタ１６２の接続点Ｃと入力端子１６０ｂとの間に接続されたコンデンサ１６３と、出力端子１６０ｃ，１６０ｄ間に接続されたコンデンサ１６４とを備えており、出力端子１６０ｃ，１６０ｄ間には、降圧された直流出力電圧Ｖｏｕｔ（例えば１２Ｖ）が現れる。出力フィルタ回路１６０には、トランジスタやダイオード等のアクティブ素子が含まれておらず、このため動作に伴う発熱は比較的少ない。
【００２１】
制御部１７０は、制御ＩＣ１７１と、電流検出回路１７２と、ドライブ回路１７３と、加熱保護回路１７４とを備えており、制御ＩＣ１７１に与えられる出力電圧Ｖｏｕｔ及び絶縁回路１７５を介して電流検出回路１７２に与えられる１次側電流値に基づき、ドライブ回路１７３を介してスイッチング回路１３０に含まれるトランジスタ１３１〜１３４の動作を制御する。また、主回路（スイッチング回路１３０や整流回路１４０等）の温度は、温度センサ１７６を介して加熱保護回路１７４に与えられ、制御ＩＣ１７１はこれに基づき、出力制限若しくは出力停止を行う。
【００２２】
以上が電力変換装置１００の回路構成であり、本実施形態では、このうちスイッチング回路１３０、整流回路１４０及びスナバ回路１５０が一体化され、パワーモジュールが構成される。
【００２３】
図２及び図３は、本発明の好ましい実施形態によるパワーモジュールの主要部２００ａの構造を示す図であり、図２は斜視図、図３は上面図である。また、図４は本発明の好ましい実施形態によるパワーモジュール２００の分解斜視図である。
【００２４】
図２及び図３に示すように、本実施形態によるパワーモジュールの主要部２００ａは、放熱基板２０１と、放熱基板２０１の一方の側に配置されたスイッチング回路１３０と、放熱基板２０１の他方の側に配置された整流回路１４０及びスナバ回路１５０（の一部）と、放熱基板２０１の周囲に設けられた外装ケース２０２と、外装ケース２０２に沿って配置された第１の外部入力端子１３０ａ，１３０ｂ、第１の外部出力端子１３０ｃ，１３０ｄ、第２の外部入力端子１４０ａ，１４０ｂ、並びに、第２の外部出力端子１５０ｃとを備えている。ここで、「外部入力端子」及び「外部出力端子」とは、パワーモジュール２００内の内部端子ではなく、外部回路と接続するための端子であることを意味する。図１に示す回路図上では、第１の外部入力端子１３０ａ，１３０ｂは入力端子１３０ａ，１３０ｂに対応し、第１の外部出力端子１３０ｃ，１３０ｄは出力端子１３０ｃ，１３０ｄに対応し、第２の外部入力端子１４０ａ，１４０ｂは入力端子１４０ａ，１４０ｂに対応し、第２の外部出力端子１５０ｃは出力端子１５０ｃに対応している。
【００２５】
上述のとおり、スイッチング回路１３０、整流回路１４０及びスナバ回路１５０は、いずれも発熱の多い回路要素であり、特に、スイッチング回路１３０と整流回路１４０は非常に発熱の多い回路要素である。本実施形態ではこのような回路要素をモジュール化し、発熱部分を一箇所に纏めることで、温度管理を容易としている。
【００２６】
つまり、本実施形態によるパワーモジュールは、スイッチング回路１３０と整流回路１４０及びスナバ回路１５０との間に配置された温度センサ１７６をさらに有しており、この温度センサ１７６によって、スイッチング回路１３０、整流回路１４０及びスナバ回路１５０より発せられる熱を集中的に検出している。温度センサ１７６としては、例えばサーミスタを用いることができ、その検出結果は、パワーモジュール２００の外部に設けられる加熱保護回路１７４へと供給される（図１参照）。
【００２７】
また、本実施形態によるパワーモジュール２００は、図４に示すように、外装ケース２０２に収容されるよう、主要部２００ａに制御基板２００ｂが取り付けられて完成する。制御基板２００ｂには、ドライブ回路１７３の一部１７３ａと、スナバ回路１５０に含まれるインダクタ１５３と、外部コネクタ２０３が搭載されており、内部ピン２０４によって主要部２００ａと電気的に接続される。また、制御基板２００ｂはネジ２０５によって主要部２００ａに機械的に固定される。制御部１７０を構成する各回路への接続は、外部コネクタ２０３を介して行われる。
【００２８】
そして、図５に示すように、このようなパワーモジュール２００をベースプレート１０１上に載置してネジ１０２によって固定し、図示しない他の回路要素、つまり、トランス１１０、入力フィルタ回路１２０、出力フィルタ回路１６０及び制御部１７０をベースプレート１０１上の所定の位置に配置してこれらを接続すれば、図１に回路構成を示した電力変換装置１００を構成することが可能となる。
【００２９】
この場合、パワーモジュール２００と他の回路要素との接続は、第１の外部入力端子１３０ａ，１３０ｂ、第１の外部出力端子１３０ｃ，１３０ｄ、第２の外部入力端子１４０ａ，１４０ｂ、第２の外部出力端子１５０ｃ、並びに、外部コネクタ２０３を介して行うことができる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール２００は、発熱の大きいスイッチング回路１３０、整流回路１４０及びスナバ回路１５０を一体化し、共通の放熱基板２０１上に配置していることから、温度管理が非常に容易となる。しかも、本実施形態では、温度センサ１７６をスイッチング回路１３０と整流回路１４０の間に配置していることから、１個の温度センサ１７６によって温度測定を行うことが可能であり、部品点数を削減することも可能となる。
【００３１】
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、パワーモジュール２００内にスナバ回路１５０が含まれているが、本発明においてスナバ回路を含ませることは必須でなく、少なくともスイッチング回路と整流回路が一体化されていれば足りる。但し、スナバ回路もある程度の発熱を主なうことから、上記実施形態のように、これを一体化することが好ましい。
【００３３】
また、温度センサ１７６をスイッチング回路１３０と整流回路１４０との間に配置することも必須でなく、他の位置にこれを配置しても構わない。但し、上記実施形態のように、温度センサ１７６をスイッチング回路１３０と整流回路１４０との間に配置すれば、１個の温度センサ１７６によって温度測定を行うことが可能となるため、上記実施形態のように、スイッチング回路１３０と整流回路１４０との間に配置することが好ましい。
【００３４】
尚、上記実施形態において示したパワーモジュール２００の形状はあくまで一例であり、これとは異なる形状を有していても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】電力変換装置１００の回路構成を説明するための回路図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるパワーモジュールの主要部２００ａの斜視図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態によるパワーモジュールの主要部２００ａの上面図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態によるパワーモジュール２００の分解斜視図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態によるパワーモジュール２００とベースプレート１０１の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００ 電力変換装置
１０１ ベースプレート
１０２，２０５ ネジ
１１０，１２１ トランス
１１０ａ，１１０ｂ １次巻線の端部
１１０ｃ，１１０ｄ ２次巻線の端部
１１０ｅ ２次側センタータップ
１２０ 入力フィルタ回路
１２０ａ，１２０ｂ，１５０ａ，１６０ａ，１６０ｂ 入力端子
１２０ｃ，１２０ｄ，１４０ｃ，１６０ｃ，１６０ｄ 出力端子
１２２〜１２５，１５１，１５２，１６３，１６４ コンデンサ
１３０ スイッチング回路
１３０ａ，１３０ｂ 第１の外部入力端子
１３０ｃ，１３０ｄ 第２の外部出力端子
１３１〜１３４ トランジスタ
１４０ 整流回路
１４０ａ，１４０ｂ 第２の外部入力端子
１４１，１４２，１５３ ダイオード
１５０ スナバ回路
１５０ｃ 第２の外部出力端子
１５４，１６２ インダクタ
１６０ 出力フィルタ回路
１６０ 出力フィルタ回路
１６１ チョークコイル
１７０ 制御部
１７１ 制御ＩＣ
１７２ 電流検出回路
１７３ ドライブ回路
１７３ａ ドライブ回路の一部
１７４ 加熱保護回路
１７５ 絶縁回路
１７６ 温度センサ
２００ パワーモジュール
２００ａ パワーモジュールの主要部
２００ｂ 制御基板
２０１ 放熱基板
２０２ 外装ケース
２０３ 外部コネクタ
２０４ 内部ピン
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３０６７
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
【住所又は居所】東京都中央区日本橋１丁目１３番１号
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| 【出願日】 |
平成１６年３月３１日（２００４．３．３１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１５７３８
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
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| 【公開番号】 |
特開２００５−２８６２７０（Ｐ２００５−２８６２７０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１７年１０月１３日（２００５．１０．１３） |
| 【出願番号】 |
特願２００４−１０２１３２（Ｐ２００４−１０２１３２） |
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