JPH10229680A - 電気車用スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バッテリフォークリフトに交流モータを適用す
るとき、スイッチングモジュールの数が６個またバッテ
リ電圧が低いのでインバータの通電電流が大きくなる。
そのため直流モータ制御よりも、損失が大きくなり発熱
が大きくなる。 【解決手段】オン抵抗の小さな電解効果トランジスタを
多数個並列にしたスイッチングモジュールとする。配線
に用いる導電板を電解効果トランジスタ多数個取付フィ
ンと取付板の間に配置した構造とし、電解効果トランジ
スタのドレインからコンデンサと抵抗を直列にして、ゲ
ートドライブ回路に加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はバッテリフォークリ
フト用の交流電動機制御装置（インバータ）に係わり、
特に低電圧で損失の小さなインバータに好適な構成およ
び回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータの制御電流を数百アンペアに
するとき、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢ
Ｔ）が用いられる。

【０００３】普通ＩＧＢＴの順方向電圧降下（ＦＶＤ）
は、通電開始電圧は、１ないし２ボルトである。

【０００４】通電による損失は、（ＦＶＤ）×通電電流
（Ｉ）となるので、通電電流（Ｉ）が小さくても、損失
は大きな値となる。そこで、順方向電圧降下（ＦＶＤ）
の小さなトランジスタが用いられるがスイッチング速度
を早くするため、特公昭58−38066 号公報に見られるよ
うに少電流用のものを多数個並列にして使用する方法が
採られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記公知例では、トラ
ンジスタの順方向電圧降下(ＦＶＤ）は、０.５から１Ｖ
近くになり損失は低減されるが、調整作業があり、作業
性が良いとはいえない。そこで通電電流０で、順方向電
圧降下（ＦＶＤ）が０ボルトを示す電界効果トランジス
タ（ＦＥＴ）を多数個並列接続する方法がとられる。そ
れで通電による損失を低減させる。多数個並列接続する
のは、大電流を通電できるようにするためである。

【０００６】そして通電時の抵抗つまりオン抵抗の小さ
いＦＥＴを用いれば、さらに損失を低減することができ
る。一般に、耐電圧の小さな電界効果トランジスタ(Ｆ
ＥＴ)はオン抵抗も小さい。

【０００７】耐電圧の小さな電界効果トランジスタ（Ｆ
ＥＴ）を使用できるようにするため、インバータのスイ
ッチング時のはね上がり電圧を小さくすることが、課題
となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】耐電圧（Ｖｄｓ）は、電
源電圧（Ｖｂ）とスイッチオフ時のはね上がり電圧（Ｖ
ａ）によって決まる。

【０００９】

【数１】 Ｖｄｓ＝Ｖｂ＋Ｖａ ＝Ｖｂ＋Ｌ＊（ｄｉ／ｄｔ） …（数１） この式でＬは構成や配線によるインダクタンスであり、
ｄｉ／ｄｔは電流増加率を示す。

【００１０】ｄｔは下降時間で、電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）の下降時間とゲート回路による下降時間を加
えたものである。

【００１１】インダクタンスを小さくするには、電流が
通電しているループの面積を、小さくすることである。

【００１２】そこで、電源コンデンサの電極から、導電
板をインバータ本体の取付板とフィンの間に配置する。

【００１３】その他バッテリからインバータまでのイン
ダクタンスによる影響を無くするため電源コンデンサを
用いることは、一般的でありここでも用いられる。電源
コンデンサの内部インダクタンスは０で、容量は無限大
が望ましい。

【００１４】他方の対処として、ゲート回路にミラー効
果を有した制御回路を追加することにより下降時間を大
きくし、はね上がり電圧（Ｖａ）を、小さくしていく。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に従って説明す
る。

【００１６】図２は本発明を理解するための等価回路で
ある。

【００１７】バッテリ１からインバータ６の電源コンデ
ンサ２を接続する。この配線や、バッテリ１の内部配線
などの総合インダクタンスをＬａとする。

【００１８】このインダクタンスをＬａによるスイッチ
ングの電圧増加は、電源コンデンサ２で吸収するものと
する。

【００１９】電源コンデンサ２の（＋）電源ライン３お
よび（−）電源ライン４にパワー素子５を接続して、イ
ンバータ６を構成する。

【００２０】（＋）電源ライン３から（＋）導電板７を
介し、フィン９に取り付けたパワー素子５などからなる
スイッチングモジュール１０に、接続する。（＋）導電
板７のインダクタンスをＬｂとする。

【００２１】スイッチングモジュールＵＰ１０のフィン
９側をＦＥＴ（パワー素子）のドレインとし、ＦＥＴ
（パワー素子）のソースリード線１１を銅板からなる通
電板１２を介して、他のモジュールＵＮ１３に接続す
る。通電板１２のインダクタンスをＬｄとする。

【００２２】スイッチングモジュールＵＰ１０のＦＥＴ
（パワー素子）のゲート１４は、各抵抗Ｒ１−１・・・
Ｒ１−ｎを介して、ゲート信号端子に接続される。

【００２３】スイッチングモジュールＵＮ１３のフィン
９側をＦＥＴ（パワー素子）のドレインとし、ＦＥＴ
（パワー素子）のソースリード線１１を銅板からなる通
電板１５を介して、（−）導電板８に接続する。通電板
１５のインダクタンスをＬｅとする。

【００２４】スイッチングモジュールＵＮ１３のフィン
９側を負荷（交流モータ）１６に接続する。

【００２５】スイッチングモジュールＵＰ１０とスイッ
チングモジュールＵＮ１３は、直列に、（＋）電源ライ
ン３と（−）電源ライン４に接続され、アームＵ相１７
−１を構成している。

【００２６】アームＵ相１７−１と同じように、アーム
Ｖ相１７−２およびアームＷ相１７−３を設け、インバ
ータ６を構成する。

【００２７】スイッチングモジュールＵＰ１０がオフし
たとき影響するインダクタンスは、ＬｂとＬｄを加えた
値となり、スイッチングモジュールＵＮ１３がオフした
とき影響するインダクタンスは、ＬｃとＬｅを加えた値
となる。これら加えた値が、上述のはね上がり電圧Ｖａ
に影響するインダクタンスＬとなる。

【００２８】図３は、スイッチングモジュール１０・・
１３・・の構造図を示す。

【００２９】アルミあるいは銅材からなるフィン９にパ
ワー素子５を固定する。フィン９はＵ字形とし、パワー
素子５を両面で固定する。これをアルミ材からなるフィ
ンベース１８にフィン固定ねじ１９で固定する。これ
は、パワー素子５を取り付けるとき作業性がよいのと、
固定ねじ１９の使用数を少なくすることができる。

【００３０】図１は本発明からなるインバータの断面を
示す。

【００３１】取付板２４に、電源コンデンサ２が固定さ
れ、銅板からなる（＋）導電板７はスイッチングモジュ
ール１０のフィンベース１８にある接続板固定用ねじ孔
２１（図３に示す）で固定する。

【００３２】スイッチングモジュール１０の通電板１２
は、スイッチングモジュール１３のフィンベース１８に
ある接続板固定用ねじ孔２１（図３に示す）で固定す
る。

【００３３】スイッチングモジュール１３の通電板１５
は、（−）導電板８に接続される。（−）導電板８は、
電源コンデンサ２から、スイッチングモジュール１０と
スイッチングモジュール１３の、フィンベース１８の下
を、絶縁シート２５，絶縁シート２６を挟んで取付板２
４に固定する。

【００３４】通電板１２，通電板１５の詳細図を図４，
図５に示す。

【００３５】図４はパワー素子５のドレイン端子のリー
ド線２８を短くしておく。パワー素子５のソース端子の
リード線１１を通電板１２の孔部でハンダ３１付けす
る。その後、ソース端子のリード線１１を切断し、ゲー
ト端子１４にゲートドライブプリント基板３２を、ハン
ダ付けする。ゲートドライブプリント基板３２は、ゲー
ト回路（図示無し）の１部を成している。ゲート回路は
ゲート信号を発生しスイッチングモジュールをオンオフ
させて、負荷の回転数あるいは電流を制御するものであ
る。

【００３６】図５は、通電板１２の孔部の詳細図であ
る。

【００３７】円錐状に突起２９を設け、先端を孔とす
る。これによりリード線のガイドになるとともに、ハン
ダ付けの際、熱が先端部に集まりやすいという利点があ
る。

【００３８】図１に示したスイッチングモジュール１３
のフィンベース１８から、負荷接続ターミナル２７を設
け、外部の負荷に接続する。制御回路ボックス３５は、
電子回路を含むゲート回路を収納している。

【００３９】図６は本発明からなる別のフィン形状を示
す。

【００４０】フィン形状をＴ字形としたＴ字形フィン３
６の一面に背中合わせにパワー素子を配置する。他の一
面は、フィンベース１８に熱が伝わるようにある程度の
面積をもたせて固定する。

【００４１】図７は６個のパワー素子１個のねじで固定
する断面図を示す。

【００４２】スイッチングモジュール当たり２０個程度
のパワー素子を使用するとき、スペースを小さくすると
き有効な構造である。

【００４３】図８は本発明からなる図６の別案を示す。

【００４４】パワー素子５の固定部が一方はドレイン、
一方が樹脂であるとき、発熱による膨張を吸収する必要
がある。

【００４５】図６のスペーサ３７の代わりに、バネ４４
を使用する。このときＴ字形フィン３６とのギャップＧ
は０にしておく。固定ねじ３９にはスプリングワッシャ
を使用しパワー素子５−１，５−２の膨張を吸収する。
中間のパワー素子５はバネ４４で膨張を吸収する。

【００４６】図９は本発明からなる電圧増加を低減する
制御回路を示す。

【００４７】スイッチングモジュールを構成しているパ
ワー素子（ＦＥＴ）のゲートから、各々抵抗Ｒ１−１，
Ｒ１−２を介しさらに共通抵抗Ｒ２を接続してゲート信
号端子４１に接続する。

【００４８】共通抵抗Ｒ２の値を大きくすれば、下降時
間は大きくなるが信号からの遅れ時間が、大きくなりす
ぎてしまう。

【００４９】遅れ時間を短く下降時間を大きくするの
が、下降時間増大回路４２である。

【００５０】ＦＥＴのドレインから、コンデンサＣ抵抗
Ｒ３を直列にして共通抵抗Ｒ２と各抵抗Ｒ１−１の接続
点Ｓに接続する。接続点Ｓから２個のツェナダイオード
ZD1,ＺＤ２を逆方向にしてＦＥＴのソースに接続する。
コンデンサＣの動作はミラー効果を有し、ドレイン電圧
が上昇するにつれゲート電圧の低減を阻止し降下時間を
大きくする。コンデンサＣの容量を加減することによ
り、降下時間を加減できる。

【００５１】抵抗Ｒ３はツェナダイオードＺＤ１，ＺＤ
２に過大電流が流れないよう電流を制限する。

【００５２】ツェナダイオードＺＤ１，ＺＤ２はＦＥＴ
ゲートに規定電圧以上印加させないためのものである。

【００５３】抵抗Ｒ２は、コンデンサＣからの電圧が、
ゲート信号供給側の回路で吸収されるのを少なくするも
のである。スイッチングのオフ時、ＦＥＴの両端に高周
波振動が生じるとき、高周波の振動を吸収するため、高
周波吸収回路４３を用いる場合もある。

【００５４】以上述べたことは、チョッパ回路にも適用
できる。例えばバッテリフォークリフトの油圧制御用の
直流モータを駆動するとき有効である。

【００５５】

【発明の効果】スイッチングのオフ時のはね上がり電圧
が小さくなり、低電圧のＦＥＴが使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明からなるインバータの断面図。

【図２】電圧増加を説明する等価回路図。

【図３】図１に用いられるモジュール図。

【図４】本発明からなるパワー素子リード線の接続図。

【図５】図４の拡大図。

【図６】本発明からなる別のフィン形状の説明図。

【図７】図６の断面図。

【図８】本発明からなる別の固定形状の説明図。

【図９】本発明からなる電圧増加低減回路図。

【符号の説明】

２…電源コンデンサ、７…（＋）導電板、８…（−）導
電板、１０…スイッチングモジュールＵＰ、１２，１５
…通電板、１３…スイッチングモジュールＵＮ、１８…
フィンベース、２４…取付板、２５，２６…絶縁シー
ト、３２…ゲートドライブプリント基板、３５…制御回
路ボックス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 信男 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 豊田 英雄 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バッテリ，電源コンデンサ，パワー素子を
   多数個並列にフィンに取り付けて接続しフィンを通電用
   の導電体とするスイッチングモジュールを構成し、電源
   コンデンサの（＋）側に接続したスイッチングモジュー
   ルＵＰと電源コンデンサの（−）側に接続したスイッチ
   ングモジュールＵＮをアームＵとし、同じようにアーム
   Ｖ，アームＷを構成し、アームの中間出力端子から負荷
   を接続し、負荷への通電を制御するゲート回路、そして
   フィンベースや電源コンデンサを固定する取付板，スイ
   ッチングモジュールのフィン以外の電極を通電板としス
   イッチングモジュールＵＰからの通電板（Ａ）はスイッ
   チングモジュールＵＮのフィンに接続し、スイッチング
   モジュールＵＮの通電板（Ｂ）は電源コンデンサの
   （−）側に接続された（−）導電板に接続する構成のス
   イッチング装置において、取付板とフィンベースの間に
   （−）導電板を配置し絶縁シートで（−）導電板を絶縁
   したことを特徴とする電気車用スイッチング装置。
2. 【請求項２】請求項１において、上記パワー素子のリー
   ド線と前記通電板の接続部を、先端が穴の円錐状態に
   し、先端部をハンダ付けとした電気車用スイッチング装
   置。
3. 【請求項３】請求項１におけるゲート信号から抵抗を介
   し、次に上記各パワー素子のゲート端子に各々抵抗を介
   して接続したゲートドライブ回路で、上記パワー素子の
   ドレイン端子からコンデンサ・抵抗を直列にして、上記
   抵抗の接続点に接続した電気車用スイッチング装置。