JP2004201409A - パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性の高いパワーモジュールを提供する。
【解決手段】パワーモジュール１００は、直流電源Ｂと、リアクトルＬ１と、アーム１３〜１９と、負荷切換ユニット２０と、制御装置３０とを備える。アーム１３〜１９は、それぞれ、アーム端子１〜７に接続される。負荷端子ＤＵは、リアクトルＬ１に接続される。負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は、それぞれ、交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。負荷端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、それぞれ、交流モータＭ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。制御装置３０は、一定時間ごとに切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。負荷切換ユニット２０は、切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を切換える。
【選択図】 図１
【解決手段】パワーモジュール１００は、直流電源Ｂと、リアクトルＬ１と、アーム１３〜１９と、負荷切換ユニット２０と、制御装置３０とを備える。アーム１３〜１９は、それぞれ、アーム端子１〜７に接続される。負荷端子ＤＵは、リアクトルＬ１に接続される。負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は、それぞれ、交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。負荷端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、それぞれ、交流モータＭ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。制御装置３０は、一定時間ごとに切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。負荷切換ユニット２０は、切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を切換える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源からの直流電圧を昇圧してモータを駆動するパワーモジュールに関し、特に、信頼性が高いパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きな注目を集めている。そして、ハイブリッド自動車は、一部、実用化されている。
【０００３】
このハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。
【０００４】
このようなハイブリッド自動車は、たとえば、図４に示すようなモータ駆動装置３００を搭載している。図４を参照して、モータ駆動装置３００は、直流電源Ｂ１と、昇圧コンバータ３１０と、コンデンサ３２０と、インバータ３３０，３４０とを備える。
【０００５】
昇圧コンバータ３１０は、ＮＰＮトランジスタ３１１，３１２と、ダイオード３１３，３１４と、リアクトルＬ１とを含む。
【０００６】
リアクトルＬ１は、一方端が直流電源Ｂ１に接続され、他方端がＮＰＮトランジスタ３１１とＮＰＮトランジスタ３１２との中間点に接続される。
【０００７】
ＮＰＮトランジスタ３１１，３１２は、インバータ３３０，３４０の電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。ＮＰＮトランジスタ３１１は、コレクタが電源ラインに接続され、エミッタがＮＰＮトランジスタ３１２のコレクタに接続される。ＮＰＮトランジスタ３１２のエミッタは、アースラインに接続される。
【０００８】
ダイオード３１３，３１４は、エミッタからコレクタへ電流が流れるようにそれぞれＮＰＮトランジスタ３１１，３１２に並列に接続される。
【０００９】
コンデンサ３２０は、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続される。
インバータ３３０は、Ｕ相アーム３３０Ａと、Ｖ相アーム３３０Ｂと、Ｗ相アーム３３０Ｃとを含む。Ｕ相アーム３３０Ａ，Ｖ相アーム３３０ＢおよびＷ相アーム３３０Ｃは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。
【００１０】
Ｕ相アーム３３０Ａは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３３１，３３２から成る。Ｖ相アーム３３０Ｂは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３３３，３３４から成る。Ｗ相アーム３３０Ｃは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３３５，３３６から成る。
【００１１】
ＮＰＮトランジスタ３３１，３３３，３３５のコレクタは、電源ラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３３２，３３４，３３６のエミッタは、アースラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３３１，３３３，３３５のエミッタは、それぞれ、ＮＰＮトランジスタ３３２，３３４，３３６のコレクタに接続される。
【００１２】
ＮＰＮトランジスタ３３１〜３３６には、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるように、それぞれ、ダイオードＤ３３７〜３３９，３４１〜３４３が接続されている。
【００１３】
ＮＰＮトランジスタ３３１とＮＰＮトランジスタ３３２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３３１のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３３２のコレクタは、交流モータＭ１のＵ相コイルの一方端に接続される。また、ＮＰＮトランジスタ３３３とＮＰＮトランジスタ３３４との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３３３のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３３４のコレクタは、交流モータＭ１のＶ相コイルの一方端に接続される。さらに、ＮＰＮトランジスタ３３５とＮＰＮトランジスタ３３６との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３３５のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３３６のコレクタは、交流モータＭ１のＷ相コイルの一方端に接続される。
【００１４】
インバータ３４０は、Ｕ相アーム３４０Ａと、Ｖ相アーム３４０Ｂと、Ｗ相アーム３４０Ｃとを含む。Ｕ相アーム３４０Ａ，Ｖ相アーム３４０ＢおよびＷ相アーム３４０Ｃは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。
【００１５】
Ｕ相アーム３４０Ａは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３４４，３４５から成る。Ｖ相アーム３４０Ｂは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３４６，３４７から成る。Ｗ相アーム３４０Ｃは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３４８，３４９から成る。
【００１６】
ＮＰＮトランジスタ３４４，３４６，３４８のコレクタは、電源ラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３４５，３４７，３４９のエミッタは、アースラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３４４，３４６，３４８のエミッタは、それぞれ、ＮＰＮトランジスタ３４５，３４７，３４９のコレクタに接続される。
【００１７】
ＮＰＮトランジスタ３４４〜３４９には、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるように、それぞれ、ダイオードＤ３５０〜３５５が接続されている。
【００１８】
ＮＰＮトランジスタ３４４とＮＰＮトランジスタ３４５との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３４４のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３４５のコレクタは、交流モータＭ２のＵ相コイルの一方端に接続される。また、ＮＰＮトランジスタ３４６とＮＰＮトランジスタ３４７との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３４６のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３４７のコレクタは、交流モータＭ２のＶ相コイルの一方端に接続される。さらに、ＮＰＮトランジスタ３４８とＮＰＮトランジスタ３４９との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３４８のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３４９のコレクタは、交流モータＭ２のＷ相コイルの一方端に接続される。
【００１９】
直流電源Ｂ１は、直流電圧を出力する。昇圧コンバータ３１０は、ＮＰＮトランジスタ３１１，３１２がオン／オフされることにより、直流電源Ｂ１から出力された直流電圧の電圧レベルを昇圧してコンデンサ３２０へ出力する。すなわち、昇圧コンバータ３１０は、ＮＰＮトランジスタ３１２がオンされた期間に応じてリアクトルＬ１に電力を蓄積し、その蓄積した電力に応じた直流電圧をコンデンサ３２０へ出力する。
【００２０】
コンデンサ３２０は、昇圧コンバータ３１０から出力された直流電圧を受け、その受けた直流電圧を平滑化してインバータ３３０，３４０へ供給する。
【００２１】
インバータ３３０は、昇圧コンバータ３１０から受けた直流電圧を交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によって交流モータＭ１を駆動する。また、インバータ３４０は、昇圧コンバータ３１０から受けた直流電圧を交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によって交流モータＭ２を駆動する。
【００２２】
このように、モータ駆動装置３００は、直流電源Ｂ１から出力された直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１，Ｍ２を駆動する。
【００２３】
また、発電機を駆動するインバータと電動機を駆動するインバータとを含む駆動システムが特開平８−７９９１４号公報に開示されている。そして、この駆動システムにおいては、発電機により発電された交流電圧をバッテリ側へ供給する回生制動時に、インバータが発電機の１つのコイルを用いて昇圧回生制動を行なう。
【００２４】
【特許文献１】
特開平８−７９９１４号公報
【００２５】
【特許文献２】
特開昭６４−７７１５３号公報
【００２６】
【特許文献３】
特開２０００−１５６９３７号公報
【００２７】
【特許文献４】
特開２００２−２７２１２１号公報
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のモータ駆動装置３００に含まれる昇圧コンバータ３１０、およびインバータ３３０，３４０は、直列接続された２つのＮＰＮトランジスタを用いて構成される。
【００２９】
しかし、直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ３１０に用いられるＮＰＮトランジスタ３１１，３１２は、インバータ３３０，３４０に用いられるＮＰＮトランジスタ３３１〜３３６，３４４〜３４９よりも熱ストレスが大きく、昇圧コンバータ３１０に用いられたＮＰＮトランジスタ３１１，３１２の寿命が短くなるという問題がある。
【００３０】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、信頼性の高いパワーモジュールを提供することである。
【００３１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によれば、パワーモジュールは、複数のアームと、複数のアーム端子、複数の負荷端子と、切換手段とを備える。複数のアームは、各々が直列接続された第１および第２のスイッチング素子を含む。複数のアーム端子は、複数のアームに対応して設けられ、各々が対応するアームに含まれる第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との中間点に接続される。複数の負荷端子は、複数のアーム端子に対応して設けられ、各々が負荷に接続される。切換手段は、特定の負荷に接続された負荷端子とアーム端子との接続時間が複数のアーム端子間でほぼ等しくなるように複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える。
【００３２】
好ましくは、切換手段は、一定時間ごとに複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える。
【００３３】
好ましくは、切換手段は、所定の順序に従って複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える。
【００３４】
好ましくは、特定の負荷は、負荷端子をアーム端子に接続したときの第１および第２のスイッチング素子の熱ストレスが最大となる負荷である。
【００３５】
好ましくは、特定の負荷は、一方端子が直流電源に接続され、他方端子が複数の負荷端子に含まれる特定負荷端子に接続されるリアクトルである。
【００３６】
好ましくは、リアクトルおよび特定負荷端子に接続されたアームは、直流電源からの直流電圧を昇圧して他のアームに供給する。
【００３７】
好ましくは、特定負荷端子以外の負荷端子は、モータの端子に接続される。
好ましくは、モータは、車両の駆動輪を駆動するためのモータである。
【００３８】
好ましくは、複数のアームは、３ｎ＋１（ｎは自然数）個のアームであり、複数のアーム端子は、３ｎ＋１個のアーム端子であり、複数の負荷端子は、３ｎ＋１個の負荷端子であり、リアクトルおよび特定負荷端子に接続された１つのアームは、直流電源から出力された直流電圧を昇圧して出力するコンバータを構成し、１つのアームを除く３ｎ個のアームは、少なくとも１個のモータを駆動する少なくとも１個のインバータを構成し、少なくとも１個のインバータは、コンバータにより昇圧された直流電圧を受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換して少なくとも１つのモータを駆動する。
【００３９】
好ましくは、少なくとも１つのインバータは、第１および第２のインバータから成り、少なくとも１つのモータは、第１および第２のモータから成り、第１のインバータは、コンバータにより昇圧された直流電源を交流電圧に変換して第１のモータを駆動し、第２のインバータは、第２のモータが発電した交流電圧を直流電圧に変換して前記コンバータへ供給し、コンバータは、第２のインバータから供給された交流電圧を降圧して直流電源に供給する。
【００４０】
この発明によるパワーモジュールにおいては、最大の負荷に接続される各アームの接続時間が複数のアーム間でほぼ等しくなるように、複数のアームに対応して設けられた複数のアーム端子と複数のアーム端子に対応して設けられた複数の負荷端子との接続が切換えられる。
【００４１】
したがって、複数のアームに含まれる複数のスイッチング素子における熱ストレスをほぼ均等にできる。その結果、パワーモジュールの寿命を長くできる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００４３】
図１を参照して、この発明の実施の形態によるパワーモジュール１００は、直流電源Ｂと、電圧センサー１０，１１と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ１と、アーム１３〜１９と、負荷切換ユニット２０と、電流センサー２１，２２と、制御装置３０とを備える。
【００４４】
アーム１３〜１９は、電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に並列に接続される。アーム１３は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２から成る。アーム１４は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４から成る。アーム１５は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６から成る。
【００４５】
アーム１６は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８から成る。アーム１７は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ９，Ｑ１０から成る。アーム１８は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１１，Ｑ１２から成る。アーム１９は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１３，Ｑ１４から成る。
【００４６】
ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１１，Ｑ１３の各々は、コレクタが電源ラインＢＬ１に接続され、エミッタがそれぞれＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１２，Ｑ１４のコレクタに接続される。ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１２，Ｑ１４のエミッタはアースラインＢＬ２に接続される。
【００４７】
ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ１４は、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるように、それぞれ、ダイオードＤ１〜Ｄ１４が接続されている。
【００４８】
なお、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ１４は、相互に同じ特性を有する。
コンデンサＣ１は、電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間にアーム１３〜１９に並列に接続される。
【００４９】
リアクトルＬ１は、その一方端が負荷切換ユニット２０の負荷端子ＤＵに接続され、他方端が直流電源Ｂの正電極に接続される。
【００５０】
負荷切換ユニット２０は、アーム端子１〜７と、負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２とを有する。
【００５１】
アーム端子１は、ＮＰＮトランジスタＱ１とＮＰＮトランジスタＱ２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタとに接続される。アーム端子２は、ＮＰＮトランジスタＱ３とＮＰＮトランジスタＱ４との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ３のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ４のコレクタとに接続される。アーム端子３は、ＮＰＮトランジスタＱ５とＮＰＮトランジスタＱ６との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ５のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ６のコレクタとに接続される。
【００５２】
アーム端子４は、ＮＰＮトランジスタＱ７とＮＰＮトランジスタＱ８との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ７のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ８のコレクタとに接続される。アーム端子５は、ＮＰＮトランジスタＱ９とＮＰＮトランジスタＱ１０との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ９のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ１０のコレクタとに接続される。アーム端子６は、ＮＰＮトランジスタＱ１１とＮＰＮトランジスタＱ１２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１１のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ１２のコレクタとに接続される。アーム端子７は、ＮＰＮトランジスタＱ１３とＮＰＮトランジスタＱ１４との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１３のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ１４のコレクタとに接続される。
【００５３】
負荷端子ＤＵは、リアクトルＬ１の一方端に接続される。負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は、それぞれ、交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。負荷端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、それぞれ、交流モータＭ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。
【００５４】
交流モータＭ１，Ｍ２は、ハイブリッド自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。あるいは、これらのモータはエンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。
【００５５】
直流電源Ｂは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成る。電圧センサー１０は、直流電源Ｂから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。
【００５６】
リアクトルＬ１は、直流電源Ｂから出力される直流電流に応じた電力を蓄積する。コンデンサＣ１は、電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に印加される直流電圧を平滑化する。電圧センサー１１は、コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖｍを検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。
【００５７】
負荷切換ユニット２０は、制御装置３０からの切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２との接続を切換える。より具体的には、負荷切換ユニット２０は、アーム端子１〜７の各々が負荷端子ＤＵに接続される接続時間がほぼ等しくなるように、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２との接続を切換える。
【００５８】
アーム端子１が負荷端子ＤＵに接続されているとき、リアクトルＬ１およびアーム１３は昇圧コンバータＣＶを構成する。また、アーム端子２〜４がそれぞれ負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に接続されているとき、アーム１４〜１６は、交流モータＭ１を駆動するインバータＩＶＴ１を構成する。さらに、アーム端子５〜７がそれぞれ負荷端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に接続されているとき、アーム１７〜１９は、交流モータＭ２を駆動するインバータＩＶＴ２を構成する。
【００５９】
一般的には、アーム端子１が負荷端子ＤＵに接続されているとき、インバータＩＶＴ１は、アーム１４〜１９から任意に選択された３つのアームにより構成され、インバータＩＶＴ２は、アーム１４〜１９のうちインバータＩＶＴ１を構成する３つのアーム以外の３つのアームにより構成される。たとえば、インバータＩＶＴ１は、アーム１４，１７，１８により構成され、インバータＩＶＴ２は、アーム１５，１６，１９により構成される。
【００６０】
また、昇圧コンバータＣＶを構成するアームは、アーム１３に限らず、アーム１３〜１９から任意に選択された１つのアームにより構成される。
【００６１】
したがって、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０から切換信号ＥＸＣを受けると、負荷端子ＤＵに接続すべき１つのアームを決定し、次に、負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に接続すべき６つのアームを決定する。たとえば、負荷切換ユニット２０は、負荷端子ＤＵに接続するアーム端子をアーム端子１→アーム端子２→アーム端子３→アーム端子４→アーム端子５→アーム端子６→アーム端子７→アーム端子１・・・の順序で切換える。そして、負荷切換ユニット２０は、これに伴って負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に接続するアーム端子を、負荷端子ＤＵに接続するアーム端子の切換方向と同じ方向に従って順次切換える。そして、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０から信号ＥＸＣを受けるごとに、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を１回切換える。
【００６２】
昇圧コンバータＣＶは、制御装置３０から信号ＰＷＭＵを受けると、直流電源Ｂからの直流電圧Ｖｂを昇圧して電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に供給する。また、昇圧コンバータＣＶは、制御装置３０から信号ＰＷＭＤを受けると、インバータＩＶＴ１またはＩＶＴ２から供給された直流電圧を降圧して直流電源Ｂに供給する。
【００６３】
インバータＩＶＴ１は、コンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶから直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータＩＶＴ１は、パワーモジュール１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＣ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶへ供給する。
【００６４】
インバータＩＶＴ２は、コンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶから直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ２を駆動する。これにより、交流モータＭ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータＩＶＴ２は、パワーモジュール１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ２が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＣ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶへ供給する。
【００６５】
なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
【００６６】
電流センサー２１は、交流モータＭ１の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。電流センサー２２は、交流モータＭ２の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ２を制御装置３０へ出力する。
【００６７】
制御装置３０は、外部に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からトルク指令値ＴＲ１，２およびモータ回転数ＭＲＮ１，２を受け、電圧センサー１０から直流電圧Ｖｂを受け、電圧センサー１１から電圧Ｖｍを受け、電流センサー２１からモータ電流ＭＣＲＴ１を受け、電流センサー２２からモータ電流ＭＣＲＴ２を受ける。そして、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１、トルク指令値ＴＲ１およびモータ回転数ＭＲＮ１に基づいて、後述する方法によりインバータＩＶＴ１が交流モータＭ１を駆動するときにインバータＩＶＴ１を構成するＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータＩＶＴ１へ出力する。
【００６８】
また、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ２、トルク指令値ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ２に基づいて、後述する方法によりインバータＩＶＴ２が交流モータＭ２を駆動するときにインバータＩＶＴ２を構成するＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。
【００６９】
さらに、制御装置３０は、インバータＩＶＴ１（またはＩＶＴ２）が交流モータＭ１（またはＭ２）を駆動するとき直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１（またはＭＣＲＴ２）、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて、後述する方法により、昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＵを生成し、その生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００７０】
さらに、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭ１またはＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＣ１，２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＣ１をインバータＩＶＴ１へ出力し、信号ＰＷＭＣ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。そして、インバータＩＶＴ１，２を構成するＮＰＮトランジスタは、信号ＰＷＭＣ１，２によってスイッチング制御される。これにより、インバータＩＶＴ１は、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータＣＶへ供給し、インバータＩＶＴ２は、交流モータＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータＣＶへ供給する。
【００７１】
さらに、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、インバータＩＶＴ１，２から供給された直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＤを生成し、その生成した信号ＰＷＭＤを昇圧コンバータＣＶへ出力する。これにより、交流モータＭ１またはＭ２が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されて直流電源Ｂに供給される。
【００７２】
図２は、制御装置３０の機能ブロック図である。図２を参照して、制御装置３０は、モータトルク制御手段３０１と、電圧変換制御手段３０２と、切換手段３０３とを含む。
【００７３】
モータトルク制御手段３０１は、トルク指令値ＴＲ１，２（車両におけるアクセルペダルの踏み込み度合い、ハイブリッド車両においてはエンジンの動作状態をも考慮しながらモータに与えるべきトルク指令を演算して得られている）、直流電源Ｂの出力電圧Ｖｂ、モータ電流ＭＣＲＴ１，２、モータ回転数ＭＲＮ１，２および昇圧コンバータＣＶの出力電圧Ｖｍに基づいて、交流モータＭ１またはＭ２の駆動時、後述する方法により昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＵと、インバータＩＶＴ１を構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＩ１と、インバータＩＶＴ２を構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＩ２とを生成し、その生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶへ出力し、信号ＰＷＭＩ１をインバータＩＶＴ１へ出力し、信号ＰＷＭＩ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。
【００７４】
電圧変換制御手段３０２は、回生制動時、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭ１，Ｍ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＣ１，２を生成してそれぞれインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２へ出力する。
【００７５】
また、電圧変換制御手段３０２は、回生制動時、信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、インバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２から供給された直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＤを生成して昇圧コンバータＣＶへ出力する。このように、昇圧コンバータＣＶは、直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＤにより電圧を降下させることもできるので、双方向コンバータの機能を有するものである。
【００７６】
切換手段３０３は、一定時間ごとに切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。なお、切換手段３０３は、たとえば、一定時間を内蔵したタイマーにより計測する。
【００７７】
図３は、モータトルク制御手段３０１の機能ブロック図である。図３を参照して、モータトルク制御手段３０１は、モータ制御用相電圧演算部４０と、インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２と、インバータ入力電圧指令演算部５０と、フィードバック電圧指令演算部５２と、デューティー比変換部５４とを含む。
【００７８】
モータ制御用相電圧演算部４０は、昇圧コンバータＣＶの出力電圧Ｖｍ、すなわち、インバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２への入力電圧を電圧センサー１１から受け、交流モータＭ１，Ｍ２の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１，２を電流センサー２１，２２から受け、トルク指令値ＴＲ１，２を外部ＥＣＵから受ける。そして、モータ制御用相電圧演算部４０は、これらの入力される信号に基づいて、交流モータＭ１，Ｍ２の各相のコイルに印加する電圧を計算し、その計算した結果をインバータ用ＰＷＭ信号変換部４２へ供給する。インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２は、モータ制御用相電圧演算部４０から受けた計算結果に基づいて、実際にインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成する各ＮＰＮトランジスタをオン／オフする信号ＰＷＭＩ１，２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１，２をそれぞれインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成する各ＮＰＮトランジスタへ出力する。
【００７９】
これにより、インバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成する各ＮＰＮトランジスタは、スイッチング制御され、交流モータＭ１，Ｍ２が指令されたトルクを出力するように交流モータＭ１，Ｍ２の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ１，２に応じたモータトルクが出力される。
【００８０】
一方、インバータ入力電圧指令演算部５０は、トルク指令値ＴＲ１，２およびモータ回転数ＭＲＮ１，２に基づいてインバータ入力電圧の最適値（目標値）、すなわち、電圧指令を演算し、その演算した電圧指令をフィードバック電圧指令演算部５２へ出力する。
【００８１】
フィードバック電圧指令演算部５２は、電圧センサー１１からの電圧Ｖｍと、インバータ入力電圧指令演算部５０からの電圧指令とに基づいて、フィードバック電圧指令を演算し、その演算したフィードバック電圧指令をデューティー比変換部５４へ出力する。
【００８２】
デューティー比変換部５４は、電圧センサー１０からのバッテリ電圧Ｖｂと、フィードバック電圧指令演算部５２からのフィードバック電圧指令とに基づいて、電圧センサー１１からの電圧Ｖｍを、フィードバック電圧指令演算部５２からのフィードバック電圧指令に設定するためのデューティー比を演算し、その演算したデューティー比に基づいて昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＵを生成する。そして、デューティー比変換部５４は、生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタへ出力する。
【００８３】
なお、昇圧コンバータＣＶを構成するアームの下側のＮＰＮトランジスタのオンデューティーを大きくすることによりリアクトルＬ１における電力蓄積が大きくなるため、より高電圧の出力を得ることができる。一方、上側のＮＰＮトランジスタのオンデューティーを大きくすることにより電源ラインＢＬ１の電圧が下がる。そこで、昇圧コンバータＣＶを構成する２つのＮＰＮトランジスタのデューティー比を制御することで、電源ラインＢＬ１の電圧を直流電源Ｂの出力電圧以上の任意の電圧に制御可能である。
【００８４】
再び、図１を参照して、パワーモジュール１００における全体動作について説明する。全体の動作が開始されると、制御装置３０は、切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。そして、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０からの切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を上述した方法によって切換える。これにより、昇圧コンバータＣＶおよびインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２が構成される。直流電源Ｂは直流電圧Ｖｂを昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００８５】
電圧センサー１０は、直流電源Ｂから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。また、電圧センサー１１は、コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖｍを検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。さらに、電流センサー２１は、交流モータＭ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出して制御装置３０へ出力し、電流センサー２２は、交流モータＭ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出して制御装置３０へ出力する。そして、制御装置３０は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１，２、およびモータ回転数ＭＲＮ１，２を受ける。
【００８６】
そうすると、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１、トルク指令値ＴＲ１およびモータ回転数ＭＲＮ１に基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータＩＶＴ１へ出力する。また、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ２、トルク指令値ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ２に基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。さらに、制御装置３０は、インバータＩＶＴ１（またはＩＶＴ２）が交流モータＭ１（またはＭ２）を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１（またはＭＣＲＴ２）、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて、上述した方法により昇圧コンバータＣＶを構成する２つのＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＵを生成し、その生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００８７】
そうすると、昇圧コンバータＣＶは、信号ＰＷＭＵに応じて、直流電源Ｂからの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に供給する。そして、インバータＩＶＴ１は、コンデンサＣ１によって平滑化された直流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１によって交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。また、インバータＩＶＴ２は、コンデンサＣ１によって平滑化された直流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２によって交流電圧に変換して交流モータＭ２を駆動する。これによって、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生し、交流モータＭ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生する。
【００８８】
また、パワーモジュール１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、制御装置３０は、外部ＥＣＵから信号ＲＧＥを受け、その受けた信号ＲＧＥに応じて、信号ＰＷＭＣ１，２を生成してそれぞれインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２へ出力し、信号ＰＷＭＤを生成して昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００８９】
そうすると、インバータＩＶＴ１は、交流モータＭ１が発電した交流電圧を信号ＰＷＭＣ１に応じて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を昇圧コンバータＣＶへ供給する。また、インバータＩＶＴ２は、交流モータＭ２が発電した交流電圧を信号ＰＷＭＣ２に応じて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を昇圧コンバータＣＶへ供給する。そして、昇圧コンバータＣＶは、インバータＩＶＴ１またはＩＶＴ２からの直流電圧を受け、その受けた直流電圧を信号ＰＷＭＤによって降圧し、その降圧した直流電圧を直流電源Ｂに供給する。これにより、交流モータＭ１またはＭ２によって発電された電力が直流電源Ｂに充電される。
【００９０】
その後、制御装置３０は、一定時間が経過すると、切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。そして、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０からの切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を上述した方法により切換える。これにより、昇圧コンバータＣＶおよびインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２は、異なるアームによって構成される。そして、上述した動作が、再度、実行される。
【００９１】
このように、パワーモジュール１００においては、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続が一定時間ごとに切換えられ、昇圧コンバータＣＶおよびインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成するアームが順次変更される。したがって、アーム１３〜１９の各々が負荷端子ＤＵに接続される接続時間は、アーム１３〜１９間で等しくなり、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ１４の損失が等しくなる。その結果、パワーモジュール１００の寿命を長くできる。
【００９２】
上記においては、アーム１３〜１９の各々を負荷端子ＤＵに接続する接続時間がアーム１３〜１９間で等しくなるように、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を切換えると説明したが、これは、アーム１３〜１９の各々をリアクトルＬ１に接続する接続時間、すなわち、アーム１３〜１９の各々をＮＰＮトランジスタの熱ストレスが最大である負荷端子に接続する接続時間が等しくなるように、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を切換えることを意味する。したがって、この発明は、一般的には、複数のアームの各々をスイッチング素子の熱ストレスが最大である負荷端子に接続する接続時間が等しくなるように、複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換えるパワーモジュールに適用される。
【００９３】
また、上記においては、１個の昇圧コンバータと、２個のインバータとを構成する７個のアームを含むパワーモジュールについて説明したが、この発明によるパワーモジュールは、１個の昇圧コンバータと１個のインバータとを構成する４個のアームを含むパワーモジュールであってもよい。
【００９４】
なお、この発明においては、リアクトルＬ１は、「特定の負荷」を構成する。この発明によれば、パワーモジュールは、各々が直列接続された２個のＮＰＮトランジスタから成る複数のアームと、複数のアームに対応して設けられた複数のアーム端子と、複数のアーム端子に対応して設けられ、各々が負荷に接続された負荷端子と、最大の負荷に接続された負荷端子とアーム端子との接続時間が複数のアーム端子間で等しくなるように複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える負荷切換ユニットとを備えるので、複数のアームに含まれる複数のＮＰＮトランジスタの熱ストレスをほぼ均等にできる。その結果、パワーモジュールの寿命を長くできる。
【００９５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態によるパワーモジュールの概略ブロック図である。
【図２】図１に示す制御装置の機能ブロック図である。
【図３】図２に示すモータトルク制御手段の機能を説明するための機能ブロック図である。
【図４】従来のモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１〜７ アーム端子、１０，１１ 電圧センサー、１３〜１９ アーム、２０負荷切換ユニット、２１，２２ 電流センサー、３０ 制御装置、４０ モータ制御用相電圧演算部、４２ インバータ用ＰＷＭ信号変換部、５０ インバータ入力電圧指令演算部、５２ フィードバック電圧指令演算部、５４ デューティー比変換部、１００ パワーモジュール、３００ モータ駆動装置、３０１ モータトルク制御手段、３０２ 電圧変換制御手段、３０３ 切換手段、３１０，ＣＶ 昇圧コンバータ、３３０，３４０，ＩＶＴ１，ＩＶＴ２ インバータ、３２０，Ｃ１ コンデンサ、３１１，３１２，３３１〜３３６，３４４〜３４９，Ｑ１〜Ｑ１４ ＮＰＮトランジスタ、３１３，３１４，３３７〜３３９，３４１，３５０〜３５５，Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、３３０Ａ，３４０Ａ Ｕ相アーム、３３０Ｂ，３４０Ｂ Ｖ相アーム、３３０Ｃ，３４０Ｃ Ｗ相アーム、Ｂ，Ｂ１ 直流電源、Ｌ１ リアクトル、ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２ 負荷端子、Ｎ１，Ｎ２ ノード、Ｍ１，Ｍ２ 交流モータ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源からの直流電圧を昇圧してモータを駆動するパワーモジュールに関し、特に、信頼性が高いパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きな注目を集めている。そして、ハイブリッド自動車は、一部、実用化されている。
【０００３】
このハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。
【０００４】
このようなハイブリッド自動車は、たとえば、図４に示すようなモータ駆動装置３００を搭載している。図４を参照して、モータ駆動装置３００は、直流電源Ｂ１と、昇圧コンバータ３１０と、コンデンサ３２０と、インバータ３３０，３４０とを備える。
【０００５】
昇圧コンバータ３１０は、ＮＰＮトランジスタ３１１，３１２と、ダイオード３１３，３１４と、リアクトルＬ１とを含む。
【０００６】
リアクトルＬ１は、一方端が直流電源Ｂ１に接続され、他方端がＮＰＮトランジスタ３１１とＮＰＮトランジスタ３１２との中間点に接続される。
【０００７】
ＮＰＮトランジスタ３１１，３１２は、インバータ３３０，３４０の電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。ＮＰＮトランジスタ３１１は、コレクタが電源ラインに接続され、エミッタがＮＰＮトランジスタ３１２のコレクタに接続される。ＮＰＮトランジスタ３１２のエミッタは、アースラインに接続される。
【０００８】
ダイオード３１３，３１４は、エミッタからコレクタへ電流が流れるようにそれぞれＮＰＮトランジスタ３１１，３１２に並列に接続される。
【０００９】
コンデンサ３２０は、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続される。
インバータ３３０は、Ｕ相アーム３３０Ａと、Ｖ相アーム３３０Ｂと、Ｗ相アーム３３０Ｃとを含む。Ｕ相アーム３３０Ａ，Ｖ相アーム３３０ＢおよびＷ相アーム３３０Ｃは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。
【００１０】
Ｕ相アーム３３０Ａは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３３１，３３２から成る。Ｖ相アーム３３０Ｂは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３３３，３３４から成る。Ｗ相アーム３３０Ｃは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３３５，３３６から成る。
【００１１】
ＮＰＮトランジスタ３３１，３３３，３３５のコレクタは、電源ラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３３２，３３４，３３６のエミッタは、アースラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３３１，３３３，３３５のエミッタは、それぞれ、ＮＰＮトランジスタ３３２，３３４，３３６のコレクタに接続される。
【００１２】
ＮＰＮトランジスタ３３１〜３３６には、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるように、それぞれ、ダイオードＤ３３７〜３３９，３４１〜３４３が接続されている。
【００１３】
ＮＰＮトランジスタ３３１とＮＰＮトランジスタ３３２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３３１のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３３２のコレクタは、交流モータＭ１のＵ相コイルの一方端に接続される。また、ＮＰＮトランジスタ３３３とＮＰＮトランジスタ３３４との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３３３のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３３４のコレクタは、交流モータＭ１のＶ相コイルの一方端に接続される。さらに、ＮＰＮトランジスタ３３５とＮＰＮトランジスタ３３６との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３３５のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３３６のコレクタは、交流モータＭ１のＷ相コイルの一方端に接続される。
【００１４】
インバータ３４０は、Ｕ相アーム３４０Ａと、Ｖ相アーム３４０Ｂと、Ｗ相アーム３４０Ｃとを含む。Ｕ相アーム３４０Ａ，Ｖ相アーム３４０ＢおよびＷ相アーム３４０Ｃは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。
【００１５】
Ｕ相アーム３４０Ａは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３４４，３４５から成る。Ｖ相アーム３４０Ｂは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３４６，３４７から成る。Ｗ相アーム３４０Ｃは、直列接続されたＮＰＮトランジスタ３４８，３４９から成る。
【００１６】
ＮＰＮトランジスタ３４４，３４６，３４８のコレクタは、電源ラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３４５，３４７，３４９のエミッタは、アースラインに接続される。ＮＰＮトランジスタ３４４，３４６，３４８のエミッタは、それぞれ、ＮＰＮトランジスタ３４５，３４７，３４９のコレクタに接続される。
【００１７】
ＮＰＮトランジスタ３４４〜３４９には、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるように、それぞれ、ダイオードＤ３５０〜３５５が接続されている。
【００１８】
ＮＰＮトランジスタ３４４とＮＰＮトランジスタ３４５との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３４４のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３４５のコレクタは、交流モータＭ２のＵ相コイルの一方端に接続される。また、ＮＰＮトランジスタ３４６とＮＰＮトランジスタ３４７との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３４６のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３４７のコレクタは、交流モータＭ２のＶ相コイルの一方端に接続される。さらに、ＮＰＮトランジスタ３４８とＮＰＮトランジスタ３４９との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタ３４８のエミッタおよびＮＰＮトランジスタ３４９のコレクタは、交流モータＭ２のＷ相コイルの一方端に接続される。
【００１９】
直流電源Ｂ１は、直流電圧を出力する。昇圧コンバータ３１０は、ＮＰＮトランジスタ３１１，３１２がオン／オフされることにより、直流電源Ｂ１から出力された直流電圧の電圧レベルを昇圧してコンデンサ３２０へ出力する。すなわち、昇圧コンバータ３１０は、ＮＰＮトランジスタ３１２がオンされた期間に応じてリアクトルＬ１に電力を蓄積し、その蓄積した電力に応じた直流電圧をコンデンサ３２０へ出力する。
【００２０】
コンデンサ３２０は、昇圧コンバータ３１０から出力された直流電圧を受け、その受けた直流電圧を平滑化してインバータ３３０，３４０へ供給する。
【００２１】
インバータ３３０は、昇圧コンバータ３１０から受けた直流電圧を交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によって交流モータＭ１を駆動する。また、インバータ３４０は、昇圧コンバータ３１０から受けた直流電圧を交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によって交流モータＭ２を駆動する。
【００２２】
このように、モータ駆動装置３００は、直流電源Ｂ１から出力された直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１，Ｍ２を駆動する。
【００２３】
また、発電機を駆動するインバータと電動機を駆動するインバータとを含む駆動システムが特開平８−７９９１４号公報に開示されている。そして、この駆動システムにおいては、発電機により発電された交流電圧をバッテリ側へ供給する回生制動時に、インバータが発電機の１つのコイルを用いて昇圧回生制動を行なう。
【００２４】
【特許文献１】
特開平８−７９９１４号公報
【００２５】
【特許文献２】
特開昭６４−７７１５３号公報
【００２６】
【特許文献３】
特開２０００−１５６９３７号公報
【００２７】
【特許文献４】
特開２００２−２７２１２１号公報
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のモータ駆動装置３００に含まれる昇圧コンバータ３１０、およびインバータ３３０，３４０は、直列接続された２つのＮＰＮトランジスタを用いて構成される。
【００２９】
しかし、直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ３１０に用いられるＮＰＮトランジスタ３１１，３１２は、インバータ３３０，３４０に用いられるＮＰＮトランジスタ３３１〜３３６，３４４〜３４９よりも熱ストレスが大きく、昇圧コンバータ３１０に用いられたＮＰＮトランジスタ３１１，３１２の寿命が短くなるという問題がある。
【００３０】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、信頼性の高いパワーモジュールを提供することである。
【００３１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によれば、パワーモジュールは、複数のアームと、複数のアーム端子、複数の負荷端子と、切換手段とを備える。複数のアームは、各々が直列接続された第１および第２のスイッチング素子を含む。複数のアーム端子は、複数のアームに対応して設けられ、各々が対応するアームに含まれる第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との中間点に接続される。複数の負荷端子は、複数のアーム端子に対応して設けられ、各々が負荷に接続される。切換手段は、特定の負荷に接続された負荷端子とアーム端子との接続時間が複数のアーム端子間でほぼ等しくなるように複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える。
【００３２】
好ましくは、切換手段は、一定時間ごとに複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える。
【００３３】
好ましくは、切換手段は、所定の順序に従って複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える。
【００３４】
好ましくは、特定の負荷は、負荷端子をアーム端子に接続したときの第１および第２のスイッチング素子の熱ストレスが最大となる負荷である。
【００３５】
好ましくは、特定の負荷は、一方端子が直流電源に接続され、他方端子が複数の負荷端子に含まれる特定負荷端子に接続されるリアクトルである。
【００３６】
好ましくは、リアクトルおよび特定負荷端子に接続されたアームは、直流電源からの直流電圧を昇圧して他のアームに供給する。
【００３７】
好ましくは、特定負荷端子以外の負荷端子は、モータの端子に接続される。
好ましくは、モータは、車両の駆動輪を駆動するためのモータである。
【００３８】
好ましくは、複数のアームは、３ｎ＋１（ｎは自然数）個のアームであり、複数のアーム端子は、３ｎ＋１個のアーム端子であり、複数の負荷端子は、３ｎ＋１個の負荷端子であり、リアクトルおよび特定負荷端子に接続された１つのアームは、直流電源から出力された直流電圧を昇圧して出力するコンバータを構成し、１つのアームを除く３ｎ個のアームは、少なくとも１個のモータを駆動する少なくとも１個のインバータを構成し、少なくとも１個のインバータは、コンバータにより昇圧された直流電圧を受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換して少なくとも１つのモータを駆動する。
【００３９】
好ましくは、少なくとも１つのインバータは、第１および第２のインバータから成り、少なくとも１つのモータは、第１および第２のモータから成り、第１のインバータは、コンバータにより昇圧された直流電源を交流電圧に変換して第１のモータを駆動し、第２のインバータは、第２のモータが発電した交流電圧を直流電圧に変換して前記コンバータへ供給し、コンバータは、第２のインバータから供給された交流電圧を降圧して直流電源に供給する。
【００４０】
この発明によるパワーモジュールにおいては、最大の負荷に接続される各アームの接続時間が複数のアーム間でほぼ等しくなるように、複数のアームに対応して設けられた複数のアーム端子と複数のアーム端子に対応して設けられた複数の負荷端子との接続が切換えられる。
【００４１】
したがって、複数のアームに含まれる複数のスイッチング素子における熱ストレスをほぼ均等にできる。その結果、パワーモジュールの寿命を長くできる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００４３】
図１を参照して、この発明の実施の形態によるパワーモジュール１００は、直流電源Ｂと、電圧センサー１０，１１と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ１と、アーム１３〜１９と、負荷切換ユニット２０と、電流センサー２１，２２と、制御装置３０とを備える。
【００４４】
アーム１３〜１９は、電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に並列に接続される。アーム１３は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２から成る。アーム１４は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４から成る。アーム１５は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６から成る。
【００４５】
アーム１６は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８から成る。アーム１７は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ９，Ｑ１０から成る。アーム１８は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１１，Ｑ１２から成る。アーム１９は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ１３，Ｑ１４から成る。
【００４６】
ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１１，Ｑ１３の各々は、コレクタが電源ラインＢＬ１に接続され、エミッタがそれぞれＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１２，Ｑ１４のコレクタに接続される。ＮＰＮトランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１２，Ｑ１４のエミッタはアースラインＢＬ２に接続される。
【００４７】
ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ１４は、エミッタ側からコレクタ側へ電流が流れるように、それぞれ、ダイオードＤ１〜Ｄ１４が接続されている。
【００４８】
なお、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ１４は、相互に同じ特性を有する。
コンデンサＣ１は、電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間にアーム１３〜１９に並列に接続される。
【００４９】
リアクトルＬ１は、その一方端が負荷切換ユニット２０の負荷端子ＤＵに接続され、他方端が直流電源Ｂの正電極に接続される。
【００５０】
負荷切換ユニット２０は、アーム端子１〜７と、負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２とを有する。
【００５１】
アーム端子１は、ＮＰＮトランジスタＱ１とＮＰＮトランジスタＱ２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタとに接続される。アーム端子２は、ＮＰＮトランジスタＱ３とＮＰＮトランジスタＱ４との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ３のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ４のコレクタとに接続される。アーム端子３は、ＮＰＮトランジスタＱ５とＮＰＮトランジスタＱ６との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ５のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ６のコレクタとに接続される。
【００５２】
アーム端子４は、ＮＰＮトランジスタＱ７とＮＰＮトランジスタＱ８との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ７のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ８のコレクタとに接続される。アーム端子５は、ＮＰＮトランジスタＱ９とＮＰＮトランジスタＱ１０との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ９のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ１０のコレクタとに接続される。アーム端子６は、ＮＰＮトランジスタＱ１１とＮＰＮトランジスタＱ１２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１１のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ１２のコレクタとに接続される。アーム端子７は、ＮＰＮトランジスタＱ１３とＮＰＮトランジスタＱ１４との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１３のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ１４のコレクタとに接続される。
【００５３】
負荷端子ＤＵは、リアクトルＬ１の一方端に接続される。負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は、それぞれ、交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。負荷端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は、それぞれ、交流モータＭ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。
【００５４】
交流モータＭ１，Ｍ２は、ハイブリッド自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。あるいは、これらのモータはエンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。
【００５５】
直流電源Ｂは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成る。電圧センサー１０は、直流電源Ｂから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。
【００５６】
リアクトルＬ１は、直流電源Ｂから出力される直流電流に応じた電力を蓄積する。コンデンサＣ１は、電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に印加される直流電圧を平滑化する。電圧センサー１１は、コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖｍを検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。
【００５７】
負荷切換ユニット２０は、制御装置３０からの切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２との接続を切換える。より具体的には、負荷切換ユニット２０は、アーム端子１〜７の各々が負荷端子ＤＵに接続される接続時間がほぼ等しくなるように、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２との接続を切換える。
【００５８】
アーム端子１が負荷端子ＤＵに接続されているとき、リアクトルＬ１およびアーム１３は昇圧コンバータＣＶを構成する。また、アーム端子２〜４がそれぞれ負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に接続されているとき、アーム１４〜１６は、交流モータＭ１を駆動するインバータＩＶＴ１を構成する。さらに、アーム端子５〜７がそれぞれ負荷端子Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に接続されているとき、アーム１７〜１９は、交流モータＭ２を駆動するインバータＩＶＴ２を構成する。
【００５９】
一般的には、アーム端子１が負荷端子ＤＵに接続されているとき、インバータＩＶＴ１は、アーム１４〜１９から任意に選択された３つのアームにより構成され、インバータＩＶＴ２は、アーム１４〜１９のうちインバータＩＶＴ１を構成する３つのアーム以外の３つのアームにより構成される。たとえば、インバータＩＶＴ１は、アーム１４，１７，１８により構成され、インバータＩＶＴ２は、アーム１５，１６，１９により構成される。
【００６０】
また、昇圧コンバータＣＶを構成するアームは、アーム１３に限らず、アーム１３〜１９から任意に選択された１つのアームにより構成される。
【００６１】
したがって、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０から切換信号ＥＸＣを受けると、負荷端子ＤＵに接続すべき１つのアームを決定し、次に、負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に接続すべき６つのアームを決定する。たとえば、負荷切換ユニット２０は、負荷端子ＤＵに接続するアーム端子をアーム端子１→アーム端子２→アーム端子３→アーム端子４→アーム端子５→アーム端子６→アーム端子７→アーム端子１・・・の順序で切換える。そして、負荷切換ユニット２０は、これに伴って負荷端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２に接続するアーム端子を、負荷端子ＤＵに接続するアーム端子の切換方向と同じ方向に従って順次切換える。そして、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０から信号ＥＸＣを受けるごとに、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を１回切換える。
【００６２】
昇圧コンバータＣＶは、制御装置３０から信号ＰＷＭＵを受けると、直流電源Ｂからの直流電圧Ｖｂを昇圧して電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に供給する。また、昇圧コンバータＣＶは、制御装置３０から信号ＰＷＭＤを受けると、インバータＩＶＴ１またはＩＶＴ２から供給された直流電圧を降圧して直流電源Ｂに供給する。
【００６３】
インバータＩＶＴ１は、コンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶから直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータＩＶＴ１は、パワーモジュール１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＣ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶへ供給する。
【００６４】
インバータＩＶＴ２は、コンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶから直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ２を駆動する。これにより、交流モータＭ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータＩＶＴ２は、パワーモジュール１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ２が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＣ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ１を介して昇圧コンバータＣＶへ供給する。
【００６５】
なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
【００６６】
電流センサー２１は、交流モータＭ１の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。電流センサー２２は、交流モータＭ２の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ２を制御装置３０へ出力する。
【００６７】
制御装置３０は、外部に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からトルク指令値ＴＲ１，２およびモータ回転数ＭＲＮ１，２を受け、電圧センサー１０から直流電圧Ｖｂを受け、電圧センサー１１から電圧Ｖｍを受け、電流センサー２１からモータ電流ＭＣＲＴ１を受け、電流センサー２２からモータ電流ＭＣＲＴ２を受ける。そして、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１、トルク指令値ＴＲ１およびモータ回転数ＭＲＮ１に基づいて、後述する方法によりインバータＩＶＴ１が交流モータＭ１を駆動するときにインバータＩＶＴ１を構成するＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータＩＶＴ１へ出力する。
【００６８】
また、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ２、トルク指令値ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ２に基づいて、後述する方法によりインバータＩＶＴ２が交流モータＭ２を駆動するときにインバータＩＶＴ２を構成するＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。
【００６９】
さらに、制御装置３０は、インバータＩＶＴ１（またはＩＶＴ２）が交流モータＭ１（またはＭ２）を駆動するとき直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１（またはＭＣＲＴ２）、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて、後述する方法により、昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＵを生成し、その生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００７０】
さらに、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭ１またはＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＣ１，２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＣ１をインバータＩＶＴ１へ出力し、信号ＰＷＭＣ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。そして、インバータＩＶＴ１，２を構成するＮＰＮトランジスタは、信号ＰＷＭＣ１，２によってスイッチング制御される。これにより、インバータＩＶＴ１は、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータＣＶへ供給し、インバータＩＶＴ２は、交流モータＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータＣＶへ供給する。
【００７１】
さらに、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、インバータＩＶＴ１，２から供給された直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＤを生成し、その生成した信号ＰＷＭＤを昇圧コンバータＣＶへ出力する。これにより、交流モータＭ１またはＭ２が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されて直流電源Ｂに供給される。
【００７２】
図２は、制御装置３０の機能ブロック図である。図２を参照して、制御装置３０は、モータトルク制御手段３０１と、電圧変換制御手段３０２と、切換手段３０３とを含む。
【００７３】
モータトルク制御手段３０１は、トルク指令値ＴＲ１，２（車両におけるアクセルペダルの踏み込み度合い、ハイブリッド車両においてはエンジンの動作状態をも考慮しながらモータに与えるべきトルク指令を演算して得られている）、直流電源Ｂの出力電圧Ｖｂ、モータ電流ＭＣＲＴ１，２、モータ回転数ＭＲＮ１，２および昇圧コンバータＣＶの出力電圧Ｖｍに基づいて、交流モータＭ１またはＭ２の駆動時、後述する方法により昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＵと、インバータＩＶＴ１を構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＩ１と、インバータＩＶＴ２を構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＩ２とを生成し、その生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶへ出力し、信号ＰＷＭＩ１をインバータＩＶＴ１へ出力し、信号ＰＷＭＩ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。
【００７４】
電圧変換制御手段３０２は、回生制動時、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭ１，Ｍ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＣ１，２を生成してそれぞれインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２へ出力する。
【００７５】
また、電圧変換制御手段３０２は、回生制動時、信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、インバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２から供給された直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＤを生成して昇圧コンバータＣＶへ出力する。このように、昇圧コンバータＣＶは、直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＤにより電圧を降下させることもできるので、双方向コンバータの機能を有するものである。
【００７６】
切換手段３０３は、一定時間ごとに切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。なお、切換手段３０３は、たとえば、一定時間を内蔵したタイマーにより計測する。
【００７７】
図３は、モータトルク制御手段３０１の機能ブロック図である。図３を参照して、モータトルク制御手段３０１は、モータ制御用相電圧演算部４０と、インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２と、インバータ入力電圧指令演算部５０と、フィードバック電圧指令演算部５２と、デューティー比変換部５４とを含む。
【００７８】
モータ制御用相電圧演算部４０は、昇圧コンバータＣＶの出力電圧Ｖｍ、すなわち、インバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２への入力電圧を電圧センサー１１から受け、交流モータＭ１，Ｍ２の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１，２を電流センサー２１，２２から受け、トルク指令値ＴＲ１，２を外部ＥＣＵから受ける。そして、モータ制御用相電圧演算部４０は、これらの入力される信号に基づいて、交流モータＭ１，Ｍ２の各相のコイルに印加する電圧を計算し、その計算した結果をインバータ用ＰＷＭ信号変換部４２へ供給する。インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２は、モータ制御用相電圧演算部４０から受けた計算結果に基づいて、実際にインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成する各ＮＰＮトランジスタをオン／オフする信号ＰＷＭＩ１，２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１，２をそれぞれインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成する各ＮＰＮトランジスタへ出力する。
【００７９】
これにより、インバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成する各ＮＰＮトランジスタは、スイッチング制御され、交流モータＭ１，Ｍ２が指令されたトルクを出力するように交流モータＭ１，Ｍ２の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ１，２に応じたモータトルクが出力される。
【００８０】
一方、インバータ入力電圧指令演算部５０は、トルク指令値ＴＲ１，２およびモータ回転数ＭＲＮ１，２に基づいてインバータ入力電圧の最適値（目標値）、すなわち、電圧指令を演算し、その演算した電圧指令をフィードバック電圧指令演算部５２へ出力する。
【００８１】
フィードバック電圧指令演算部５２は、電圧センサー１１からの電圧Ｖｍと、インバータ入力電圧指令演算部５０からの電圧指令とに基づいて、フィードバック電圧指令を演算し、その演算したフィードバック電圧指令をデューティー比変換部５４へ出力する。
【００８２】
デューティー比変換部５４は、電圧センサー１０からのバッテリ電圧Ｖｂと、フィードバック電圧指令演算部５２からのフィードバック電圧指令とに基づいて、電圧センサー１１からの電圧Ｖｍを、フィードバック電圧指令演算部５２からのフィードバック電圧指令に設定するためのデューティー比を演算し、その演算したデューティー比に基づいて昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタをオン／オフするための信号ＰＷＭＵを生成する。そして、デューティー比変換部５４は、生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶを構成するＮＰＮトランジスタへ出力する。
【００８３】
なお、昇圧コンバータＣＶを構成するアームの下側のＮＰＮトランジスタのオンデューティーを大きくすることによりリアクトルＬ１における電力蓄積が大きくなるため、より高電圧の出力を得ることができる。一方、上側のＮＰＮトランジスタのオンデューティーを大きくすることにより電源ラインＢＬ１の電圧が下がる。そこで、昇圧コンバータＣＶを構成する２つのＮＰＮトランジスタのデューティー比を制御することで、電源ラインＢＬ１の電圧を直流電源Ｂの出力電圧以上の任意の電圧に制御可能である。
【００８４】
再び、図１を参照して、パワーモジュール１００における全体動作について説明する。全体の動作が開始されると、制御装置３０は、切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。そして、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０からの切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を上述した方法によって切換える。これにより、昇圧コンバータＣＶおよびインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２が構成される。直流電源Ｂは直流電圧Ｖｂを昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００８５】
電圧センサー１０は、直流電源Ｂから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。また、電圧センサー１１は、コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖｍを検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。さらに、電流センサー２１は、交流モータＭ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出して制御装置３０へ出力し、電流センサー２２は、交流モータＭ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出して制御装置３０へ出力する。そして、制御装置３０は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１，２、およびモータ回転数ＭＲＮ１，２を受ける。
【００８６】
そうすると、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１、トルク指令値ＴＲ１およびモータ回転数ＭＲＮ１に基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータＩＶＴ１へ出力する。また、制御装置３０は、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ２、トルク指令値ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ２に基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータＩＶＴ２へ出力する。さらに、制御装置３０は、インバータＩＶＴ１（またはＩＶＴ２）が交流モータＭ１（またはＭ２）を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１（またはＭＣＲＴ２）、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて、上述した方法により昇圧コンバータＣＶを構成する２つのＮＰＮトランジスタをスイッチング制御するための信号ＰＷＭＵを生成し、その生成した信号ＰＷＭＵを昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００８７】
そうすると、昇圧コンバータＣＶは、信号ＰＷＭＵに応じて、直流電源Ｂからの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を電源ラインＢＬ１とアースラインＢＬ２との間に供給する。そして、インバータＩＶＴ１は、コンデンサＣ１によって平滑化された直流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１によって交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。また、インバータＩＶＴ２は、コンデンサＣ１によって平滑化された直流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２によって交流電圧に変換して交流モータＭ２を駆動する。これによって、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生し、交流モータＭ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生する。
【００８８】
また、パワーモジュール１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、制御装置３０は、外部ＥＣＵから信号ＲＧＥを受け、その受けた信号ＲＧＥに応じて、信号ＰＷＭＣ１，２を生成してそれぞれインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２へ出力し、信号ＰＷＭＤを生成して昇圧コンバータＣＶへ出力する。
【００８９】
そうすると、インバータＩＶＴ１は、交流モータＭ１が発電した交流電圧を信号ＰＷＭＣ１に応じて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を昇圧コンバータＣＶへ供給する。また、インバータＩＶＴ２は、交流モータＭ２が発電した交流電圧を信号ＰＷＭＣ２に応じて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を昇圧コンバータＣＶへ供給する。そして、昇圧コンバータＣＶは、インバータＩＶＴ１またはＩＶＴ２からの直流電圧を受け、その受けた直流電圧を信号ＰＷＭＤによって降圧し、その降圧した直流電圧を直流電源Ｂに供給する。これにより、交流モータＭ１またはＭ２によって発電された電力が直流電源Ｂに充電される。
【００９０】
その後、制御装置３０は、一定時間が経過すると、切換信号ＥＸＣを生成して負荷切換ユニット２０へ出力する。そして、負荷切換ユニット２０は、制御装置３０からの切換信号ＥＸＣに応じて、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を上述した方法により切換える。これにより、昇圧コンバータＣＶおよびインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２は、異なるアームによって構成される。そして、上述した動作が、再度、実行される。
【００９１】
このように、パワーモジュール１００においては、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続が一定時間ごとに切換えられ、昇圧コンバータＣＶおよびインバータＩＶＴ１，ＩＶＴ２を構成するアームが順次変更される。したがって、アーム１３〜１９の各々が負荷端子ＤＵに接続される接続時間は、アーム１３〜１９間で等しくなり、ＮＰＮトランジスタＱ１〜Ｑ１４の損失が等しくなる。その結果、パワーモジュール１００の寿命を長くできる。
【００９２】
上記においては、アーム１３〜１９の各々を負荷端子ＤＵに接続する接続時間がアーム１３〜１９間で等しくなるように、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を切換えると説明したが、これは、アーム１３〜１９の各々をリアクトルＬ１に接続する接続時間、すなわち、アーム１３〜１９の各々をＮＰＮトランジスタの熱ストレスが最大である負荷端子に接続する接続時間が等しくなるように、アーム端子１〜７と負荷端子ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２との接続を切換えることを意味する。したがって、この発明は、一般的には、複数のアームの各々をスイッチング素子の熱ストレスが最大である負荷端子に接続する接続時間が等しくなるように、複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換えるパワーモジュールに適用される。
【００９３】
また、上記においては、１個の昇圧コンバータと、２個のインバータとを構成する７個のアームを含むパワーモジュールについて説明したが、この発明によるパワーモジュールは、１個の昇圧コンバータと１個のインバータとを構成する４個のアームを含むパワーモジュールであってもよい。
【００９４】
なお、この発明においては、リアクトルＬ１は、「特定の負荷」を構成する。この発明によれば、パワーモジュールは、各々が直列接続された２個のＮＰＮトランジスタから成る複数のアームと、複数のアームに対応して設けられた複数のアーム端子と、複数のアーム端子に対応して設けられ、各々が負荷に接続された負荷端子と、最大の負荷に接続された負荷端子とアーム端子との接続時間が複数のアーム端子間で等しくなるように複数のアーム端子と複数の負荷端子との接続を切換える負荷切換ユニットとを備えるので、複数のアームに含まれる複数のＮＰＮトランジスタの熱ストレスをほぼ均等にできる。その結果、パワーモジュールの寿命を長くできる。
【００９５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態によるパワーモジュールの概略ブロック図である。
【図２】図１に示す制御装置の機能ブロック図である。
【図３】図２に示すモータトルク制御手段の機能を説明するための機能ブロック図である。
【図４】従来のモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１〜７ アーム端子、１０，１１ 電圧センサー、１３〜１９ アーム、２０負荷切換ユニット、２１，２２ 電流センサー、３０ 制御装置、４０ モータ制御用相電圧演算部、４２ インバータ用ＰＷＭ信号変換部、５０ インバータ入力電圧指令演算部、５２ フィードバック電圧指令演算部、５４ デューティー比変換部、１００ パワーモジュール、３００ モータ駆動装置、３０１ モータトルク制御手段、３０２ 電圧変換制御手段、３０３ 切換手段、３１０，ＣＶ 昇圧コンバータ、３３０，３４０，ＩＶＴ１，ＩＶＴ２ インバータ、３２０，Ｃ１ コンデンサ、３１１，３１２，３３１〜３３６，３４４〜３４９，Ｑ１〜Ｑ１４ ＮＰＮトランジスタ、３１３，３１４，３３７〜３３９，３４１，３５０〜３５５，Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、３３０Ａ，３４０Ａ Ｕ相アーム、３３０Ｂ，３４０Ｂ Ｖ相アーム、３３０Ｃ，３４０Ｃ Ｗ相アーム、Ｂ，Ｂ１ 直流電源、Ｌ１ リアクトル、ＤＵ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２ 負荷端子、Ｎ１，Ｎ２ ノード、Ｍ１，Ｍ２ 交流モータ。
Claims (10)
- 各々が直列接続された第１および第２のスイッチング素子を含む複数のアームと、
前記複数のアームに対応して設けられ、各々が対応するアームに含まれる前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との中間点に接続された複数のアーム端子と、
前記複数のアーム端子に対応して設けられ、各々が負荷に接続された複数の負荷端子と、
特定の負荷に接続された負荷端子と前記アーム端子との接続時間が前記複数のアーム端子間でほぼ等しくなるように前記複数のアーム端子と前記複数の負荷端子との接続を切換える切換手段とを備えるパワーモジュール。 - 前記切換手段は、一定時間ごとに前記複数のアーム端子と前記複数の負荷端子との接続を切換える、請求項１に記載のパワーモジュール。
- 前記切換手段は、所定の順序に従って前記複数のアーム端子と前記複数の負荷端子との接続を切換える、請求項１に記載のパワーモジュール。
- 前記特定の負荷は、前記負荷端子を前記アーム端子に接続したときの前記第１および第２のスイッチング素子の熱ストレスが最大となる負荷である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
- 前記特定の負荷は、一方端子が直流電源に接続され、他方端子が前記複数の負荷端子に含まれる特定負荷端子に接続されるリアクトルである、請求項４に記載のパワーモジュール。
- 前記リアクトルおよび前記特定負荷端子に接続されたアームは、直流電源からの直流電圧を昇圧して他のアームに供給する、請求項５に記載のパワーモジュール。
- 前記特定負荷端子以外の負荷端子は、モータの端子に接続される、請求項６に記載のパワーモジュール。
- 前記モータは、車両の駆動輪を駆動するためのモータである、請求項７に記載のパワーモジュール。
- 前記複数のアームは、３ｎ＋１（ｎは自然数）個のアームであり、
前記複数のアーム端子は、３ｎ＋１個のアーム端子であり、
前記複数の負荷端子は、３ｎ＋１個の負荷端子であり、
前記リアクトルおよび前記特定負荷端子に接続された１つのアームは、前記直流電源から出力された直流電圧を昇圧して出力するコンバータを構成し、
前記１つのアームを除く３ｎ個のアームは、少なくとも１個のモータを駆動する少なくとも１個のインバータを構成し、
前記少なくとも１個のインバータは、前記コンバータにより昇圧された直流電圧を受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換して前記少なくとも１つのモータを駆動する、請求項５に記載のパワーモジュール。 - 前記少なくとも１つのインバータは、第１および第２のインバータから成り、
前記少なくとも１つのモータは、第１および第２のモータから成り、
前記第１のインバータは、前記コンバータにより昇圧された直流電源を交流電圧に変換して前記第１のモータを駆動し、
前記第２のインバータは、前記第２のモータが発電した交流電圧を直流電圧に変換して前記コンバータへ供給し、
前記コンバータは、前記第２のインバータから供給された交流電圧を降圧して前記直流電源に供給する、請求項９に記載のパワーモジュール。
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