JP2009268165A

JP2009268165A - インバータモジュール

Info

Publication number: JP2009268165A
Application number: JP2008111018A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Torii; 薫鳥居; Koji Tsukada; 浩司塚田; Yuji Nishibe; 祐司西部; Takashi Kojima; 崇小島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: JP5352113B2

Abstract

【課題】コモンモード電流の発生を抑制したインバータモジュールを提供する。
【解決手段】各アームは、スイッチング素子ＴＲとダイオードＤとの高電圧側に設けられる冷却装置２８と、スイッチング素子ＴＲとダイオードＤとの低電圧側に設けられる冷却装置３６と、スイッチング素子ＴＲ及びダイオードＤと冷却装置２８及び冷却装置３６とにそれぞれ挟まれる絶縁基板２２及び絶縁基板３２と、を備え、上アームに含まれる絶縁基板２２によって構成されるキャパシタＣ_ＵＵ及び下アームに含まれる絶縁基板３２によって構成されるキャパシタＣ_ＬＬが、上アームに含まれる絶縁基板３２によって構成されるキャパシタＣ_ＵＬ及び下アームに含まれる絶縁基板２２によって構成されるキャパシタＣ_ＬＵよりも小さいインバータモジュールとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ回路に用いられるインバータモジュールに関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等に搭載されるモータ等の負荷を駆動するためのインバータ回路が広く用いられている。インバータ回路にはスイッチングアームが含まれており、大電力用インバータ回路の各スイッチングアームには冷却装置が設けられた構造となっている。

特許文献１には、半導体モジュールを両面から冷却する冷却部材を備えた自動車用インバータが開示されている。また、特許文献２には、放熱板上に半導体素子が絶縁シートを介して接着され、半導体素子から発生する熱を両面から放熱板により冷却する電力用半導体素子及びインバータ装置が開示されている。

また、電力変換装置のインバータモジュールでは、インバータと負荷（通常はモータ）との間においてコモンモード電圧が発生する。このコモンモード電圧に起因してコモンモード電流が流れ、放射ノイズの原因になる等の問題を引き起こすので、コモンモード電流を抑制する技術も考えられている。

特許文献３には、スイッチングアームの直列回路を含むパッケージにおいて、パッケージの外側に冷却用の銅ベースが配置され、スイッチングアームの直列回路における下アームが実装される銅ベースの面積より上アームが実装される銅ベースの面積を大きくすることによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。

また、特許文献４には、インバータと電気機器との間にコモンモード用のチョークコイルを接続し、そのチョークコイルと電気機器との間の配線にコンデンサと抵抗の直列接続体を接続し、それら直列接続体を共通接続したうえで電源よりも高い周波数に対して接地と同電位となる仮想接地部に接続することによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。

また、特許文献５には、インバータ回路の入力側に設けたノイズフィルタを装置の筐体を介して接地した制御装置であって、交流ラインに接続されたコンデンサと、コンデンサの間に設けられたコイルとを備え、コンデンサの間の接続点と筐体との間に設けられたクランパと、クランパに並列接続されるコンデンサと、を備えることによって、コモンモード電流の発生を低減させる技術が開示されている。

特開２００５−６５３７９号公報特開２００７−６７２２０号公報特開２００７−１８１３５１号公報特開２００１−６９７６２号公報特開２００３−１４３７５３号公報

上記従来技術においてチョークコイル等を含むフィルタを設ける技術では、インバータと負荷（モータ等）との間には数百Ａもの大電流が流れる場合があり、インダクタンスの磁気飽和を防ぐために巨大なコイルを用いる必要がある。これによって、インバータモジュールの小型化が阻害されてしまうという問題もある。

また、コモンモード電流による磁気的ノイズが外部に漏れることを防ぐために電磁シールドを設ける技術は装置の製造コストを増大させ、またノイズ源を取り除くものではないので根本的な対策にならないという問題がある。

本発明の１つの態様は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードと、を１つのアームとし、２つのアームをそれぞれ上アーム及び下アームとして直列に接続したアーム直列接続体をモジュール化したインバータモジュールであって、各アームは、前記スイッチング素子と前記ダイオードとの高電圧側に設けられる第１冷却装置と、前記スイッチング素子と前記ダイオードとの低電圧側に設けられる第２冷却装置と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置及び前記第２冷却装置とにそれぞれ挟まれる第１絶縁基板及び第２絶縁基板と、を備え、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタが、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタよりも小さいことを特徴とするインバータモジュールである。

ここで、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタを、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタの３３倍以上とすることが好適である。

また、前記上アームに含まれる前記第１絶縁基板及び前記下アームに含まれる前記第２絶縁基板の厚さを、前記上アームに含まれる前記第２絶縁基板及び前記下アームに含まれる前記第１絶縁基板の厚さの１００倍以上とすることが好適である。

また、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間に外部キャパシタを接続することが好適である。

すなわち、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタと、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタとを、インバータモジュールに接続される負荷のケースとインバータモジュールのケースとが同電位となるようにすることが好適である。

本発明によれば、インバータモジュールにおけるコモンモード電流の発生を抑制することができる。これにより、電磁ノイズを低減することができる。

図１は、基本的なインバータ回路１００を示す図である。インバータ回路１００は、電源２００と、負荷（モータ）３００と、の間に接続される。インバータ回路１００は、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６を含む整流器モジュール１０、コンデンサ１２、電力用スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６及びダイオードＤ７〜Ｄ１２を含むインバータモジュール１４を含んで構成される。

整流器モジュール１０は、ダイオードＤ１〜Ｄ６を２つずつ直列に接続した３つの直列接続体を並列に接続して構成される。整流モジュール１０は、コンデンサ１２及びインバータモジュール１４と並列に接続される。また、３つの直列接続体に含まれる２つのダイオード間に電源２００の各相が印加される。

インバータモジュール１４は、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６の各々にダイオードＤ７〜Ｄ１２の各々が逆並列に接続されたアームを６つ備えて構成される。スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等の大電力スイッチング素子とされる。また、ダイオードＤ７〜Ｄ１２は、例えば、大容量のＰＩＮダイオードとされる。６つのアームは２つずつ上アーム及び下アームとして直列に接続した３つの直列接続体とされ、さらに３つの直列接続体が並列に接続されてインバータモジュール１４が構成される。３つの直列接続体に含まれる２つのアーム間に負荷３００の各相が接続される。

各アームは、図２の斜視図及び図３の側面図に示すように、スイッチング素子ＴＲ（ＴＲ１〜ＴＲ６）、ダイオードＤ（Ｄ７〜Ｄ１２）、第１電極２０、絶縁基板２２、第２電極２４、はんだ材２６、冷却装置２８、第３電極３０、絶縁基板３２、第４電極３４及び冷却装置３６を含んで構成される。

スイッチング素子ＴＲの高電圧側端子（ＮチャネルＩＧＢＴのコレクタ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのドレイン等）は、はんだ材２６によって、第１電極２０に接続される。また、ダイオードＤの高電圧側端子（ＰＩＮダイオードのカソード等）も第１電極２０に接続される。第１電極２０は、絶縁基板２２に表面に接着され、絶縁基板２２の裏面は第２電極２４に接着される。さらに第２電極２４は、はんだ材２６によって冷却装置２８に電気的に接続を保ちつつ接着される。

スイッチング素子ＴＲの低電圧側端子（ＮチャネルＩＧＢＴのエミッタ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのソース等）は、はんだ材２６によって、第３電極３０に接続される。また、ダイオードＤの低電圧側端子（ＰＩＮダイオードのアノード等）も第３電極３０に接続される。第３電極３０は、絶縁基板３２に表面に接着され、絶縁基板３２の裏面は第４電極３４に接着される。さらに第４電極３４は、はんだ材２６によって冷却装置３６に電気的に接続を保ちつつ接着される。

このような構成により、図３に併せて図示したように、第１電極２０と第２電極２４との間に挟まれた絶縁基板２２によって、第１電極２０と第２電極２４との間にキャパシタＣ_Ｕが生成される。また、第３電極３０と第４電極３４との間に挟まれた絶縁基板３２によって、第３電極３０と第４電極３４との間にキャパシタＣ_Ｌが生成される。

本実施の形態では、上アームの第１電極２０と第２電極２４との間に生ずるキャパシタをＣ_ＵＵとし、上アームの第３電極３０と第４電極３４との間に生ずるキャパシタをＣ_ＵＬとする。下アームの第１電極２０と第２電極２４との間に生ずるキャパシタをＣ_ＬＵとし、下アームの第３電極３０と第４電極３４との間に生ずるキャパシタをＣ_ＬＬとする。

本実施の形態では、キャパシタＣ_ＬＬ及びＣ_ＵＵが、キャパシタＣ_ＬＵ及びＣ_ＵＬよりも小さくなるように各アームを構成する。例えば、絶縁基板２２と絶縁基板３２を総て同じ材料とした場合、上アームの第１電極２０と第２電極２４との間の絶縁基板２２及び下アームの第３電極３０と第４電極３４との間の絶縁基板３２を、下アームの第１電極２０と第２電極２４との間の絶縁基板２２及び上アームの第３電極３０と第４電極３４との間の絶縁基板３２よりも厚くする。

具体的には、高電圧側端子Ｐに接続される上アームと低電圧側端子Ｎに接続される下アームとを図４に示すように直列接続した構成とすることができる。また、高電圧側端子Ｐに接続される上アームと低電圧側端子Ｎに接続される下アームとを図５に示すように、直列接続した構成としてもよい。この場合、上アームの絶縁基板２２、第２電極２４、冷却装置２８、第３電極３０、絶縁基板３２、第４電極３４及び冷却装置３６は、それぞれ下アームの絶縁基板３２、第４電極３４、冷却装置３６、第１電極２０、絶縁基板２２、第２電極２４、冷却装置２８と共通となる。

また、上アームの第１電極２０と第２電極２４との間の絶縁基板２２及び下アームの第３電極３０と第４電極３４との間の絶縁基板３２の誘電率を、下アームの第１電極２０と第２電極２４との間の絶縁基板２２及び上アームの第３電極３０と第４電極３４との間の絶縁基板３２の誘電率よりも大きくしてよい。

図６は、インバータモジュール１４をインバータ回路１００に適用した場合の等価回路を示す図である。ここでは、インバータモジュール１４内の寄生インダクタンスを無視している。

インバータの動作モードは、（１）上アーム１相及び下アーム２相が導通、（２）上アーム２相及び下アーム１相が導通、の２つに分けられ、これら２つの状態を繰り返す。

図７は、（１）上アーム１相及び下アーム２相が導通の状態における、インバータの等価回路である。図８は、（２）上アーム２相及び下アーム１相が導通の状態における、インバータの等価回路である。

図７及び図８の導通状態において、インバータの高電圧側から低電圧側へと至るには２つの経路が生ずる。すなわち、第１の経路は、導通する上アーム→モータへのケーブルの寄生インダクタＬｃ→モータ巻線とモータケース間の寄生キャパシタＣ_Ｍ→モータケース→モータケースとモータ巻線間の寄生キャパシタＣ_Ｍ→モータへのケーブルの寄生インダクタＬｃ→導通する下アームという経路である。第２の経路は、各上アームの寄生キャパシタＣ_ＵＵ、導通する上アーム→導通する上アームの寄生キャパシタＣ_ＵＬ、のいずれかから冷却装置２８又は３６へ通ずる経路と、冷却装置２８又は３６から、各下アームの寄生キャパシタＣ_ＬＬ、導通する下アームの寄生キャパシタＣ_ＬＵ→導通する下アーム、のいずれかへ通ずる経路と、を繋ぐ経路である。

図９は、図７の導通状態において第１の経路及び第２の経路をコモンモード電流の経路となる冷却装置２８，３６のケース及びモータケースの間の寄生インダクタＬ_Ｇを挟んだブリッジ回路として書き換えた図である。

図１０は、図８の導通状態において第１の経路及び第２の経路をコモンモード電流の経路となる冷却装置２８，３６のケース及びモータケースの間の寄生インダクタＬ_Ｇを挟んだブリッジ回路として書き換えた図である。

図１１は、これらの回路をさらに簡素化して示した図である。この回路において、数式（１）が成り立つ場合にコモンモード電流は流れなくなる。
Ｚａ：Ｚｂ＝Ｚｃ：Ｚｄ・・・・・・・・（１）

図９及び図１０のいずれの状態においても数式（１）が成り立つようにするための条件はキャパシタＣ_ＬＬ及びＣ_ＵＵが、キャパシタＣ_ＬＵ及びＣ_ＵＬよりも十分に小さくすることである。例えば、キャパシタＣ_ＬＵ及びＣ_ＵＬがキャパシタＣ_ＬＬ及びＣ_ＵＵの３３倍以上となるようにすれば高いノイズ低減効果を得ることができる。

例えば、上アームを構成する絶縁基板２２の厚さ及び下アームを構成する絶縁基板３２の厚さを上アームを構成する絶縁基板３２の厚さ及び下アームを構成する絶縁基板２２の厚さの１００倍以上厚くすることが好適である。例えば、上アームを構成する絶縁基板２２及び下アームを構成する絶縁基板３２を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とした場合、上アームを構成する絶縁基板３２及び下アームを構成する絶縁基板２２としてＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）等で０．００５ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下とするとよい。

なお、本実施の形態では上アーム及び下アーム共にＮチャネルのスイッチング素子を用いたが、図１２に示すように、上アームにＰチャネルのスイッチング素子を用いてもよい。これによりコレクタ側の寄生キャパシタを小さくすることができる。

また、図１３に示すように、図５の構成において、上アームの第３電極３０と第４電極３４との間に外部キャパシタＣｅｘｔを接続してキャパシタを調整する構成としてもよい。この場合、絶縁基板２２と絶縁基板３２を総て同じ材料とした場合、上アームの第１電極２０と第２電極２４との間の絶縁基板２２及び下アームの第３電極３０と第４電極３４との間の絶縁基板３２を、下アームの第１電極２０と第２電極２４との間の絶縁基板２２及び上アームの第３電極３０と第４電極３４との間の絶縁基板３２と同じにしてもキャパシタＣ_ＬＬ及びＣ_ＵＵが、キャパシタＣ_ＬＵ及びＣ_ＵＬよりも小さくなるように構成することができる。

本発明の実施の形態におけるインバータ回路の基本構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるインバータモジュールの構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態におけるインバータモジュールの構成を示す側面図である。本発明の実施の形態における上アームと下アームとの組み合わせ例を示す図である。本発明の実施の形態における上アームと下アームとの組み合わせ例を示す図である。本発明の実施の形態におけるインバータ回路の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態におけるインバータ回路の動作モードを示す図である。本発明の実施の形態におけるインバータ回路の動作モードを示す図である。本発明の実施の形態におけるインバータ回路のコモンモード電流に対するブリッジ回路を示す図である。本発明の実施の形態におけるインバータ回路のコモンモード電流に対するブリッジ回路を示す図である。本発明の実施の形態におけるブリッジ回路の等価回路を示す図である本発明の実施の形態におけるインバータ回路の変形例を示す図である。本発明の実施の形態における変形例を示す図である。

符号の説明

１０整流器モジュール、１２コンデンサ、１４インバータモジュール、２０第１電極、２２絶縁基板、２４第２電極、２６はんだ材、２８冷却装置、３０第３電極、３２絶縁基板、３４第４電極、１００インバータ回路、２００電源、３００負荷（モータ）。

Claims

スイッチング素子と、前記スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードと、を１つのアームとし、２つのアームをそれぞれ上アーム及び下アームとして直列に接続したアーム直列接続体をモジュール化したインバータモジュールであって、
各アームは、前記スイッチング素子と前記ダイオードとの高電圧側に設けられる第１冷却装置と、前記スイッチング素子と前記ダイオードとの低電圧側に設けられる第２冷却装置と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置及び前記第２冷却装置とにそれぞれ挟まれる第１絶縁基板及び第２絶縁基板と、を備え、
前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタが、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタよりも小さいことを特徴とするインバータモジュール。
請求項１に記載のインバータモジュールであって、
前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタを、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタの３３倍以上とすることを特徴とするインバータモジュール。
請求項１又は２に記載のインバータモジュールであって、
前記上アームに含まれる前記第１絶縁基板及び前記下アームに含まれる前記第２絶縁基板の厚さを、前記上アームに含まれる前記第２絶縁基板及び前記下アームに含まれる前記第１絶縁基板の厚さの１００倍以上とすることを特徴とするインバータモジュール。
請求項１又は２に記載のインバータモジュールであって、
前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間に外部キャパシタを接続することを特徴とするインバータモジュール。
請求項１〜４のいずれか１つに記載のインバータモジュールであって、
前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタと、前記上アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第２冷却装置との間のキャパシタ及び前記下アームに含まれる前記スイッチング素子及び前記ダイオードと前記第１冷却装置との間のキャパシタとを、インバータモジュールに接続される負荷のケースとインバータモジュールのケースとが同電位となるようにすることを特徴とするインバータモジュール。