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JP5067679B2 - 半導体モジュール、および、それを用いた駆動装置 - Google Patents

半導体モジュール、および、それを用いた駆動装置 Download PDF

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寛育 城所
敬昌 林
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Description

本発明は、半導体モジュール、および、それを用いた駆動装置に関する。
従来、トランジスタ等の半導体素子のオンおよびオフを切り替えることにより直流電力から交流電力を作出するインバータ装置が知られている。例えば特許文献1のように、三相交流電力を作出する半導体素子、正極直流端子、負極直流端子、出力端子等を一体化した半導体装置が公知である。
特許第3633432号公報
ところで特許文献1では、正極直流端子と負極直流端子とで電流経路を並列化することにより、インダクタンスを低減している。しかしながら、特許文献1では、直流電源からインバータ部に至る経路におけるインダクタンスを低減することはできるものの、より大きな電流が通電されるインバータ部におけるインダクタンスに関してはなんら考慮されていない。また、特許文献1では、各インバータ部の正極側を連結する正極端子、および、各インバータ部の負極側を連結する負極端子が半導体装置内に内蔵されているため、モジュールサイズを小さくすることが困難であった。さらにまた、半導体素子を制御する制御信号を入力するため、制御基板と半導体装置とを接続する部材が別途必要であり、部品点数が増大するという問題点があった。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インダクタンスを低減し、装置の小型化が可能な半導体モジュール、および、それを用いた駆動装置を提供することにある。
請求項1に記載の半導体モジュールは、巻線に通電される巻線電流が通電されるパワー配線部と、巻線への通電を制御する制御部を有する制御配線部とパワー配線部との間に配置される。半導体モジュールは、低電位側スイッチング素子と、高電位側スイッチング素子と、インバータ入力端子と、巻線端子と、インバータグランド端子と、制御端子と、モールド部と、を備える。
低電位側スイッチング素子は、巻線への通電を切り替えるインバータを構成し、グランド側に設けられる。高電位側スイッチング素子は、巻線への通電を切り替えるインバータ回路を構成し、低電位側スイッチング素子よりも高電位側に設けられる。
インバータ入力端子は、パワー配線部側に設けられ、高電位側スイッチング素子と電力貯留部とを接続する。例えば、本発明の半導体モジュールを電動機に適用した場合、電力貯留部に貯留された電力が高電位側スイッチング素子へ供給される。この場合、電力貯留部は、バッテリ等で構成される電源に限らず、例えばコンデンサ等であってもよい。また例えば、本発明の半導体モジュールを発電機に適用した場合、高電位側スイッチング素子を経由して電力貯留部に発電により発生した電力が貯留される。この場合、電力貯留部は、蓄電池やコンデンサ等によって構成される。なお以下では、電力貯留部から高電位側スイッチング素子へ電力が供給される場合を中心に説明する。
巻線端子は、パワー配線部側に設けられ、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子と巻線とを接続する。インバータグランド端子は、パワー配線部側に設けられ、低電位側スイッチング素子とグランドとを接続する。
制御端子は、制御配線部側に設けられ、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子のオンおよびオフの切り替えに係る制御信号が入出力される。「制御信号」とは、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子を駆動するための信号に限らず、例えば高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子のオン/オフの制御を行うためにマイコン等に出力される電圧信号等のセンサ信号等も含む。
モールド部は、低電位側スイッチング素子、高電位側スイッチング素子、インバータ入力端子、巻線端子、インバータグランド端子、および制御端子を一体にモールドする。
本発明の半導体モジュールでは、インバータ入力端子、巻線端子、インバータグランド端子は、この順で隣り合って配列されて端子群をなす。
例えば高電位側スイッチング素子がオンされたとき、電流は、インバータ入力端子から高電位側スイッチング素子を経由して巻線端子へ流れる。インバータ入力端子と巻線端子とは、いずれもパワー配線部側において隣り合って配置されるので、インバータ入力端子に流れる電流の向きと巻線端子に流れる電流の向きが反対となる。これにより、インバータにおけるインダクタンスを低減することができる。
また例えば低電位側スイッチング素子がオンされたとき、電流は、巻線端子から低電位側スイッチング素子を経由してインバータグランド端子へ流れる。巻線端子とインバータグランド端子とは、いずれもパワー配線部側において隣り合って配置されるので、巻線端子に流れる電流の向きとインバータグランド端子に流れる電流の向きが反対となる。これにより、インバータにおけるインダクタンスを低減することができる。
また本発明では、モールド部は、低電位側スイッチング素子、高電位側スイッチング素子、インバータ入力端子、巻線端子、インバータグランド端子、および制御端子を一体にモールドする。これにより、本発明のように制御配線部とパワー配線部とを別々に設けた場合、制御配線部、パワー配線部、半導体モジュールとの接続は、半導体モジュールに一体にモールドされた端子によりなされるので、ジャンパ線等の部材を別途用いる必要がない。これにより、部品点数を低減することができる。また、組み付け工数を低減することができる。
また、本発明では、インバータ入力端子同士の接続、或いは、インバータグランド端子同士の接続をパワー配線部にて行うことができるので、インバータ入力端子同士を接続する配線およびインバータグランド端子同士を接続する配線を半導体モジュール内に内蔵する必要がなく、半導体モジュール自体を小型化することができる。
さらに、本発明では、大電流が通電されるパワー配線部と、大電流を通電する必要のない制御配線部とが分離されており、パワー配線部側に設けられるインバータ入力端子、巻線端子、およびインバータグランド端子(以下、パワー配線部側に設けられるインバータ入力端子、巻線端子、およびインバータグランド端子を「パワー端子」という。)には大電流が通電されるが、制御配線部側に設けられる制御端子には大電流を通電する必要がない。そこで、パワー端子および制御端子のそれぞれに通電される電流に応じて適切なサイズに設計することができる。
なお、本発明における「接続」とは、主に電気的な接続を意味し、直接的に接続されている場合に限らず、他の部材を介して間接的に接続されている場合を含むものとする。
請求項1、12に記載の発明では、巻線は複数相で構成される。また端子群は、巻線の各相に対応して設けられる。第1の端子群は、一方の側から、インバータ入力端子、巻線端子、インバータグランド端子の順で配列される。また、第1の端子群と隣り合う第2の端子群は、一方の側から、インバータグランド端子、巻線端子、インバータ入力端子の順で配列される。すなわち、第1の端子群と第2の端子群とでは、端子の配列が逆になっている。
巻線が3相以上である場合、以下の構成を採用することが好ましい。
請求項に記載の発明では、第1の端子群と第2の端子群とは、交互に配置される。
請求項に記載の発明では、第1の端子群のインバータグランド端子と、第2の端子群のインバータグランド端子とは、一体に形成される。第1の端子群と第2の端子群とでは、端子の配列が逆になっているので、第1の端子群のインバータグランド端子側に第2の端子群が配置された場合、インバータグランド端子同士が隣り合うことになる。第1の端子群のインバータグランド端子と第2の端子群のインバータグランド端子とは、同じ機能を有するので、一体とすることができる。これにより、半導体モジュール自体を小型化することができる。
請求項に記載の発明では、第1の端子群のインバータ入力端子と、第2の端子群のインバータ入力端子とは、一体に形成される、第1の端子群と第2の端子群とでは、端子の配列が逆になっているので、第1の端子群のインバータ入力端子側に第2の端子群が配列された場合、インバータ入力端子同士が隣り合うことになる。第1の端子群のインバータ入力端子と第2の端子群のインバータグランド端子とは、同じ機能を有するので、一体とすることができる。これにより、半導体モジュール自体を小型化することができる。
請求項に記載の発明では、巻線に通電される電流を検出する電流検出手段をさらに備える。本発明では、パワー配線部側に巻線端子が設けられ、制御配線部側に制御端子が設けられ、半導体モジュールの内部で電気的に接続されている。そのため、巻線端子と制御配線部との間に電流検出手段を配置することにより、巻線に流れる電流を適切に検出し、検出値を制御配線部側に容易に出力することができる。また、電流検出手段が半導体モジュールに内蔵されるので、部品点数を低減することができる。また、装置全体の小型化に寄与する。
請求項に記載の発明では、電流検出手段と制御配線部とを接続する電流検出配線は、巻線電流が通電される領域よりも制御配線部側に設けられる。これにより、大電流が通電される領域よりも制御配線部側に電流検出配線が設けられるので、大電流が通電されることにより生じるノイズの影響を低減することができる。
請求項に記載の発明では、インバータへの電力の供給を遮断する遮断手段をさらに備える。これにより、遮断手段が半導体モジュールに内蔵されるので、部品点数を低減することができ、また装置全体の小型化に寄与する。
請求項に記載の発明では、モールド部にモールドされ、パワー配線部側から制御配線部側へ電力を供給する制御電力入力端子をさらに備える。また、請求項10に記載の発明では、モールド部にモールドされ、パワー配線部のグランドと制御配線部とを接続する制御グランド端子をさらに備える。これにより、パワー配線部のみを電源と接続すればよく、制御配線部と電源とを直接接続するための部材を省くことが可能であり、構成を簡素化することができる。
請求項に記載の発明では、制御電力入力端子は、インバータ入力端子と一体に形成される。これにより、端子数を減らすことができるので、半導体モジュール自体を小型化することができる。また、請求項11に記載の発明では、制御グランド端子は、インバータグランド端子と一体に形成される。これにより、端子数を減らすことができるので、半導体モジュール自体を小型化することができる。なお、パワー配線部側においてインバータグランド端子と一体化せずに制御グランド端子を別途設けた場合、制御配線部側において、パワー配線部側に大電流が通電されることにより生じるノイズの影響を低減することができる。
上記半導体モジュールは、モータとモータの駆動を制御するコントローラとを備える駆動装置に適用することができる。
請求項12、14に記載の駆動装置は、モータと、ヒートシンクと、半導体モジュールと、制御配線部と、パワー配線部と、を備える。モータは、モータケース、ステータ、ロータ、およびシャフトを有する。筒状のモータケースは、外郭を形成する。ステータは、モータケースの径方向内側に配置され、複数相を構成するように巻線が巻回される。ロータは、ステータの径方向内側に配置され、ステータに対して相対回転可能に設けられる。シャフトは、ロータとともに回転する。
ヒートシンクは、モータケースの軸方向における端部から立ち上がる方向に形成される受熱面を有する。半導体モジュールは、ヒートシンクの受熱面に沿って配置される。制御配線部は、モータの駆動を制御する制御部を有し、パワーモジュールと電気的に接続される。パワー配線部は、巻線に通電される巻線電流が通電され、パワーモジュールと電気的に接続される。また、請求項12に記載の駆動装置は、軸方向において、モータケース、制御配線部またはパワー配線部の一方、ヒートシンクおよび半導体モジュール、制御配線部またはパワー配線部の他方が、この順で配列される。
請求項12、14に記載の半導体モジュールは、低電位側スイッチング素子と、高電位側スイッチング素子と、インバータ入力端子と、巻線端子と、インバータグランド端子と、制御端子と、制御電力入力端子と、制御グランド端子と、モールド部と、を有する。
低電位側スイッチング素子は、巻線への通電を切り替えるインバータを構成し、グランド側に設けられる。高電位側スイッチング素子は、巻線への通電を切り替えるインバータを構成し、低電位側スイッチング素子よりも高電位側に設けられる。
インバータ入力端子は、パワー配線部側に設けられ、高電位側スイッチング素子と電力貯留部とを接続する。これにより、電力貯留部に貯留された電力が高電位側スイッチング素子へ供給される。この場合、電力貯留部は、バッテリ等で構成される電源に限らず、例えばコンデンサ等であってもよい。
巻線端子は、パワー配線部側に設けられ、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子と巻線とを接続する。インバータグランド端子は、パワー配線部側に設けられ、低電位側スイッチング素子とグランドとを接続する。
制御端子は、制御配線部側に設けられ、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子のオンおよびオフの切り替えに係る制御信号が入出力される。「制御信号」とは、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子を駆動するための信号に限らず、例えば高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子のオン/オフの制御を行うためにマイコン等に出力される電圧信号等のセンサ信号等も含む。
モールド部は、低電位側スイッチング素子、高電位側スイッチング素子、インバータ入力端子、巻線端子、インバータ出力端子、および制御端子を一体にモールドする。
本発明では、パワーモジュールは、ヒートシンクのモータケースの軸方向における端面から立ち上がる受熱面に沿って配置される。換言すると、パワーモジュールは、モータケースの軸方向における端面に対して水平に配置されているのではなく、モータケースの軸方向における端面に対して「縦配置」されている、ということである。これにより、モータを軸方向に投影したモータシルエット内の領域を有効に利用することができ、径方向における体格を小型化することができる。
また、制御配線部、パワーモジュール、ヒートシンク、およびパワー配線部をコントローラとすると、本発明の駆動装置では、コントローラをモータの軸方向に配置しているので、径方向における体格を小型化することができる。また、モータとコントローラとを軸方向において分けて配置しているので、モータとコントローラとの分離が比較的容易であり、例えばモータの出力が変わった場合、ヒートシンクの熱マスを変えるだけで対応可能であるため、部品を共通化して様々なスペックの駆動装置を製造することができる。また例えば、モータまたはコントローラの一方が故障した場合、故障したモータまたはコントローラのみを容易に交換することができる。
さらに、大電流が通電されるパワー配線部と、大電流を通電する必要のない制御配線部とを分離している。これにより、例えば制御配線部として基板を用いた場合、銅箔を薄くする等、比較的小さな電流を通電可能に構成すればよい。
本発明の半導体モジュールでは、インバータ入力端子、巻線端子、インバータグランド端子は、この順で隣り合って配列されて端子群をなす。
例えば高電位側スイッチング素子がオンされたとき、電流は、インバータ入力端子から高電位側スイッチング素子を経由して巻線端子へ流れる。インバータ入力端子と巻線端子とは、いずれもパワー配線部側において隣り合って配置されるので、インバータ入力端子に流れる電流の向きと巻線端子に流れる電流の向きが反対となる。これにより、インバータ回路におけるインダクタンスを低減することができる。
また例えば低電位側スイッチング素子がオンされたとき、電流は、巻線端子から低電位側スイッチング素子を経由してインバータグランド端子へ流れる。巻線端子とインバータグランド端子とは、いずれもパワー配線部側において隣り合って配置されるので、巻線端子に流れる電流の向きとインバータグランド端子に流れる電流の向きが反対となる。これにより、インバータにおけるインダクタンスを低減することができる。
また本発明では、モールド部は、低電位側スイッチング素子、高電位側スイッチング素子、インバータ入力端子、巻線端子、インバータグランド端子、および制御端子を一体にモールドする。これにより、本発明のように制御配線部とパワー配線部とを別々に設けた場合、制御配線部、パワー配線部、半導体モジュールとの接続は、半導体モジュールに一体にモールドされた端子によりなされるので、ジャンパ線等の部材を別途用いる必要がない。これにより、部品点数を低減することができる。また、組み付け工数を低減することができる。
また、本発明では、インバータ入力端子同士の接続、或いは、インバータグランド端子同士の接続をパワー配線部にて行うことができるので、インバータ入力端子同士を接続する配線およびインバータグランド端子同士を接続する配線を半導体モジュール内に内蔵する必要がなく、半導体モジュール自体を小型化することができる。
さらに、本発明では、大電流が通電されるパワー配線部と、大電流を通電する必要のない制御配線部とが分離されており、パワー配線部側に設けられるパワー端子には大電流が通電されるが、制御配線部側に設けられる制御端子には大電流を通電する必要がない。そこで、パワー端子および制御端子のそれぞれに通電される電流に応じて適切なサイズに設計することができる。
なお、本発明における「接続」とは、主に電気的な接続を意味し、直接的に接続されている場合に限らず、他の部材を介して間接的に接続されている場合を含むものとする。
請求項13、14に記載の発明では、軸方向において、モータ、制御配線部、ヒートシンクおよび半導体モジュール、パワー配線部が、この順で配列される。このとき、モータの回転を外部へ出力する出力端をモータの反コントローラ側に設ければ、シャフトが制御配線部を貫通しないように構成することができる。シャフトが制御配線部を貫通しないように構成すれば、シャフトを短くすることができるので、ロータの回転に伴う軸ブレを抑制することができる。また、制御配線部の領域を有効に利用することができるので、装置全体を小型化することができる。

また、本発明では、制御配線部とパワー配線部とを分離し、間にヒートシンクを挟むことにより、制御配線部とパワー配線部との軸方向における位置を離している。ここで、例えば制御配線部のシャフトと対向する位置にシャフトの回転を検出する回転検出手段を設けた場合、回転検出手段は、大電流が通電されるパワー配線部と空間的に離れて設けられるので、パワー配線部への通電により生じる磁界の影響を受けにくく、シャフトの回転を精度よく検出することができる。
請求項15に記載の発明では、モータ線は、軸方向において、モールド部の前記モータと反対側において半導体モジュールと接続される。これにより、モータ線とパワーモジュールとの接続部は、軸方向における端部近傍に位置するので、モータ線とパワーモジュールとを接続しやすくなる。また、モータ線とパワーモジュールとの接続部が軸方向における端部近傍に位置するので、駆動装置が故障した場合において、修理がしやすくなる。
請求項16に記載の発明では、ヒートシンクは、相互に離間する複数の柱状部を有し、半導体モジュールは、複数のインバータに対応するよう複数設けられ、一つの柱状部に対し一つのインバータが対応するように柱状部に配置される。半導体モジュールから発生する熱がインバータ毎に同等であれば、一つの柱状部に対し一つのインバータが対応するように半導体モジュールを配置することにより、バランスよく放熱することができる。
本発明の第1実施形態のパワーステアリング装置の構成を説明する概略構成図である。 本発明の第1実施形態による駆動装置の断面図である。 本発明の第1実施形態による駆動装置の平面図である。 カバーを取り外した状態の図3のIV方向矢視図である。 本発明の第1実施形態による駆動装置の分解斜視図である。 本発明の第1実施形態による駆動装置の分解斜視図である。 本発明の第1実施形態によるコントローラの平面図である。 図7のVIII方向矢視図である。 図7のIX方向矢視図である。 図7のX方向矢視図である。 本発明の第1実施形態によるコントローラの斜視図である。 本発明の第1実施形態によるヒートシンクにパワーモジュールを組み付けた状態の平面図である。 図12のXIII方向矢視図である。 図12のXIV方向矢視図である。 本発明の第1実施形態によるヒートシンクにパワーモジュールを組み付けた状態の斜視図である。 本発明の第1実施形態によるパワーユニットの平面図である。 図16のXVII方向矢視図である。 本発明の第1実施形態によるパワーユニットの斜視図である。 本発明の第1実施形態による制御配線部およびパワー配線部を説明する説明図である。 本発明の第1実施形態による半導体モジュールの内部構造を示す模式図である。 本発明の第2実施形態による半導体モジュールの内部構造を示す模式図である。 本発明の第3実施形態による半導体モジュールの内部構造を示す模式図である。 本発明の第4実施形態による半導体モジュールの内部構造を示す模式図である。
以下、本発明による半導体モジュール、および、それを用いた駆動装置を図面に基づいて説明する。
なお、以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による駆動装置を図1〜図20に示す。本実施形態の駆動装置1は、電動パワーステアリング装置(以下、「EPS」という。)に適用される。駆動装置1は、モータ2およびコントローラ3を備える。コントローラ3は、制御配線部としての制御基板40、ヒートシンク50、半導体モジュールとしてのパワーモジュール60、パワー配線部としてのパワー基板70等から構成されている。
最初に、EPSの電気的構成を図1に基づいて説明する。ここで説明する電気的構成は、以下の実施形態にも共通する。
図1に示すように、駆動装置1は、車両のステアリング5の回転軸たるコラム軸6に取り付けられたギア7を介しコラム軸6に回転トルクを発生させ、ステアリング5による操舵をアシストする。具体的には、ステアリング5が運転者によって操作されると、当該操作によってコラム軸6に生じる操舵トルクをトルクセンサ8によって検出し、また、車速情報を図示しないCAN(Controller Area Network)から取得して、運転者のステアリング5による操舵をアシストする。もちろん、このような機構を利用すれば、制御手法によっては、操舵のアシストのみでなく、高速道路における車線キープ、駐車場における駐車スペースへの誘導など、ステアリング5の操作を自動制御することも可能である。
モータ2は、ギア7を正逆回転させるブラシレスモータである。モータ2は、コントローラ3により電流の供給および駆動が制御される。コントローラ3は、モータ2を駆動する駆動電流が通電されるパワー部100、および、モータ2の駆動を制御する制御部90から構成される。
パワー部100は、電源75から電源ラインに介在するチョークコイル76、コンデンサ77、および、二組のインバータ80、89を有している。インバータ80とインバータ89とは、同様の構成であるので、ここではインバータ80について説明する。
一方のインバータ80は、電界効果トランジスタの一種であるMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor、以下、「MOS」という。)81〜86を有している。MOS81〜86は、ゲート電位により、ソース−ドレイン間がON(導通)またはOFF(遮断)される。
MOS81は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがMOS84のドレインに接続されている。MOS84のソースは、グランドに接続されている。MOS81とMOS84との接続点は、モータ2のU相コイルに接続されている。
MOS82は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがMOS85のドレインに接続されている。MOS85のソースは、グランドに接続されている。MOS82とMOS85との接続点は、モータ2のV相コイルに接続されている。
MOS83は、ドレインが電源ラインに接続され、ソースがMOS86のドレインに接続されている。MOS86のソースは、グランドに接続されている。MOS83とMOS86との接続点は、モータ2のW相コイルに接続されている。
なお、電源ライン側に設けられるMOS81〜83が「高電位側スイッチング素子」に対応し、グランド側に設けられるMOS84〜86が「低電位側スイッチング素子」に対応している。必要に応じてMOS81〜83を「上MOS」といい、MOS84〜86を「下MOS」という。また必要に応じて「U上MOS81」といった具合に対応する相を併せて記載する。
また、インバータ80は、遮断手段としての電源リレー87、88を有している。電源リレー87、88は、MOS81〜86と同様のMOSFETにより構成される。電源リレー87、88は、MOS81〜83と電源75との間に設けられ、異常時に電流が流れるのを遮断可能である。なお、電源リレー87は、断線故障やショート故障等が生じた場合にモータ2側へ電流が流れるのを遮断するために設けられる。また、電源リレー88は、コンデンサ78等の電子部品が誤って逆向きに接続された場合に逆向きの電流が流れないように、逆接保護のために設けられる。
電流検出手段としてのシャント抵抗107〜109は、MOS84〜86とグランドとの間に電気的に接続される。シャント抵抗107〜109に印加される電圧または電流を検出することにより、U相コイル、V相コイル、W相コイルに通電される電流を検出する。具体的には、シャント抵抗107は、U下MOS84とグランドとの間に設けられ、U相コイルに通電される電流を検出する。シャント抵抗108は、V下MOS85とグランドとの間に設けられ、V相コイルに通電される電流を検出する。シャント抵抗109は、W下MOS86とグランドとの間に設けられ、W相コイルに通電される電流を検出する。
チョークコイル76およびコンデンサ77は、電源75と電源リレー87との間に電気的に接続されている。チョークコイル76およびコンデンサ77は、フィルタ回路を構成し、電源75を共有する他の装置から伝わるノイズを低減する。また、駆動装置1から電源75を共有する他の装置へ伝わるノイズを低減する。
コンデンサ78は、電源ライン側に設けられるMOS81〜83の電源側と、グランド側に設けられるMOS84〜86のグランド側と、の間に電気的に接続されている。コンデンサ78は、電荷を蓄えることで、MOS81〜86への電力供給を補助したり、サージ電圧などのノイズ成分を抑制したりする。
制御部90は、プリドライバ91、カスタムIC92、位置センサ93、および、マイコン94を備えている。カスタムIC92は、機能ブロックとして、レギュレータ部95、位置センサ信号増幅部96、および、検出電圧増幅部97を含む。
レギュレータ部95は、電源を安定化する安定化回路である。レギュレータ部95は、各部へ供給される電源の安定化を行う。例えばマイコン94は、このレギュレータ部95により、安定した所定電圧(例えば5V)で動作することになる。
位置センサ信号増幅部96には、位置センサ93からの信号が入力される。位置センサ93は、モータ2の回転位置信号を検出し、検出された回転位置信号は、位置センサ信号増幅部96に送られる。位置センサ信号増幅部96は、回転位置信号を増幅してマイコン94へ出力する。
検出電圧増幅部97は、シャント抵抗107〜109の両端電圧を検出し、当該両端電圧を増幅してマイコン94へ出力する。
マイコン94には、モータ2の回転位置信号、および、シャント抵抗107〜109の両端電圧が入力される。また、マイコン94には、コラム軸6に取り付けられたトルクセンサ8から操舵トルク信号が入力される。さらにまた、マイコン94には、CANを経由して車速情報が入力される。マイコン94は、操舵トルク信号および車速情報が入力されると、ステアリング5による操舵を車速に応じてアシストするように、回転位置信号に合わせてプリドライバ91を介してインバータ80を制御する。具体的には、マイコン94は、プリドライバ91を介してMOS81〜86のON/OFFを切り替えることにより、インバータ80を制御する。つまり、6つのMOS81〜86のゲートがプリドライバ91の6つの出力端子に接続されているため、プリドライバ91によりゲート電圧を変化させることにより、MOS81〜86のON/OFFを切り替える。
また、マイコン94は、検出電圧増幅部97から入力されるシャント抵抗107〜109の両端電圧に基づき、モータ2へ供給する電流を正弦波に近づけるべくインバータ80を制御する。なお、制御部90は、インバータ89についてもインバータ80と同様に制御する。
次に、駆動装置1の構造について、図2〜図19に基づいて説明する。図2〜図6は、駆動装置1の全体を示した図であり、図7〜11は、コントローラ3を示した図であり、図12〜15は、ヒートシンク50およびパワーモジュール60を示した図であり、図16〜図18は、パワーユニット105を示した図である。また、図19は、図1と対応する図であって、制御基板40およびパワー基板70の回路構成を説明する図である。
本実施形態の駆動装置1は、モータ2の軸方向の一方の端部にコントローラ3が設けられており、モータ2とコントローラ3とが積層構造になっている。
まず、図2に基づいて、モータ2について説明する。モータ2は、モータケース10、ステータ20、ロータ30、シャフト35等を備えている。
モータケース10は、鉄等により筒状に形成される。モータケース10のコントローラ3と反対側の端部には、アルミにより形成されるフレームエンド14がねじ等により固定される。モータケース10のコントローラ3側の端部の軸中心には、開口11が設けられている。開口11には、シャフト35が挿通される。
モータケース10のコントローラ3側の端部には、樹脂ガイド16が設けられる。樹脂ガイド16は、略環状に形成され、中心部が開口している。
モータケース10の径方向内側には、ステータ20が配置される。ステータ20は、モータケース10の径方向内側に突出する12個の突極21を有している。突極21は、モータケース10の周方向に所定間隔で設けられている。突極21は、磁性材料の薄板を積層してなる積層鉄心23、および積層鉄心23の軸方向外側に嵌合する図示しないインシュレータを有している。インシュレータには、巻線26が巻回されている。巻線26は、U相コイル、V相コイル、およびW相コイルからなる三層巻線を構成している。
ステータ20の径方向内側には、ロータ30がステータ20に対して相対回転可能に設けられる。ロータ30は、例えば鉄等の磁性体から筒状に形成される。ロータ30は、ロータコア31と、ロータコア31の径方向外側に設けられる永久磁石32を有している。永久磁石32は、N極とS極とが周方向に交互に配列されている。
シャフト35は、ロータコア31の軸中心に形成された軸穴33に固定されている。シャフト35は、モータケース10に設けられる軸受12およびフレームエンドに設けられる軸受15によって回転可能に支持される。これにより、シャフト35は、ステータ20に対し、ロータ30とともに回転可能となっている。
シャフト35は、コントローラ3側の端部にマグネット36を有している。シャフト35のコントローラ3側は、モータケース10の開口11に挿通されているので、シャフト35のコントローラ3側の端部に設けられるマグネット36は、コントローラ3側に露出している。また、本実施形態では、シャフト35は、制御基板40を貫通しておらず、マグネット36は、制御基板40のモータ2側の端面41の近傍であって、端面41と対向する位置に配置される。
また、シャフト35は、コントローラ3の反対側の端部に出力端37を有している。シャフト35の反コントローラ3側には、内部にギア7を有する図示しないギアボックスが設けられる。ギア7は、出力端37と連結され、シャフト35の駆動力によって回転駆動される。
図5および図6に示すように、モータ線27は、巻線26の6箇所から引き出されている。モータ線27は、樹脂ガイド16に設けられる6つの孔に挿通される。これにより、モータ線27は、樹脂ガイド16によって位置決めされるとともに、モータケース10との絶縁が確保される。また、モータ線27は、コントローラ3側へ引き出され、制御基板40、パワーモジュール60の径方向外側を通ってパワー基板70に接続される。すなわち、モータ2の軸方向から見たとき、モータ線27は、パワーモジュール60よりも径方向外側に配置される。また、モータ線27は、パワーモジュール60の径方向外側の領域にてパワーモジュール60を跨いでパワー基板70側まで延びて形成される。
次に、図5〜図18に基づいて、コントローラ3について説明する。
コントローラ3は、モータケース10を軸方向に投影した領域であるモータケース領域に収まるように設けられている。コントローラ3は、軸方向において、モータ2側から、制御基板40、ヒートシンク50およびパワーモジュール60、パワー基板70がこの順で配列されている。すなわち、軸方向において、モータケース10、制御基板40、ヒートシンク50およびパワーモジュール60、パワー基板70が、この順で配列されている。
制御基板40は、例えばガラスエポキシ基板により形成される4層基板であって、モータケース領域に収まる略長方形の板状に形成される。制御基板40の四隅は、ヒートシンク50をモータケース10に組み付けるための逃がしとして、切欠42が形成されている。また、制御基板40は、モータ2側からねじ47によってヒートシンク50に螺着される。
制御基板40には、制御部90を構成する各種電子部品が実装されている。制御基板40のモータ2側の端面には、プリドライバ91、カスタムIC92、位置センサ93、マイコン94が実装されている。制御基板40と回路構成との対応を説明すると、図19に一点鎖線で示す配線と、一点鎖線で囲まれた部品が制御基板40に設けられている。
位置センサ93は、制御基板40の略中心に設けられ、シャフト35のマグネット36と対向している。これにより、シャフト35とともに回転するマグネット36による磁界の変化を検出することにより、シャフト35の回転を検出する。すなわち、位置センサ93は、シャフト35の回転を検出する「回転検出手段」である、といえる。また、制御基板40には、長手側の外縁に沿って、パワーモジュール60の制御端子64と接続するためのスルーホール43が形成されている。また、制御基板40のモータ2と反対側であって、短手側の一側に、制御コネクタ45が接続されている。制御コネクタ45は、モータ2の径方向外側から配線を接続可能に設けられ、各種センサからのセンサ情報が入力される。
ヒートシンク50は、互いに離間して設けられる2つの柱状部としての放熱ブロック51を有する。2つの放熱ブロック51の間には、連結部52が設けられる。2つの放熱ブロック51および連結部52は、熱伝導性のよい材料、例えばアルミ、により一体に形成されている。本実施形態では、放熱ブロック51は、シャフト35の軸線を延長した仮想線である中心線よりもモータ2の径方向外側に設けられる。
ヒートシンク50は、図14に示すように、側面、すなわち図12のXIV方向からみたとき、全体としてH字状に形成されている。また、ヒートシンク50は、モータ2の軸方向から見たとき、図12に示すように、コ字状に形成されている。放熱ブロック51の径方向内側の面と連結部52とで形成される凹部53には、図10等に示すように、制御コネクタ45が嵌り込む。
放熱ブロック51は、幅広の柱状に形成される。放熱ブロック51の両端には、接続部54、55を有している。接続部54、55は、モータ2の軸方向に貫通する孔が形成される。一方の接続部54には、ねじ56が挿通され、モータケース10に螺着される。また、他方の接続部55には、ねじ57が挿通され、後述するカバー110とともにモータケース10に螺着される。一方の放熱ブロック51の接続部54と他方の放熱ブロック51の接続部54とは、シャフト35の中心線に対して対称となるように配置される。また同様に、一方の放熱ブロック51の接続部55と他方の放熱ブロック51の接続部55とは、シャフト35の中心線に対して対称となるように配置される。
また、放熱ブロック51は、モータケース10の径方向外側となる幅広の面である受熱面59を有している。受熱面59は、モータケース10の軸方向の端面から立ち上がる方向に形成されている。本実施形態では、受熱面59は、モータケース10の軸方向における端面13と略垂直に形成されている。
ヒートシンク50のモータ2における径方向外側には、受熱面59に沿ってパワーモジュール60が配置される。すなわち、パワーモジュール60は、モータ2の径方向においてヒートシンク50の外側に縦配置される。パワーモジュール60は、2つの放熱ブロック51に対して1つずつ配置される。
パワーモジュール60は、モールド部61から突出する制御端子64およびパワー端子65を有する。
制御端子64は、モールド部61の幅広面の長手方向に垂直な面である第1の面62に形成される。また、パワー端子65は、モールド部61の幅広面の長手方向に垂直な面であって、第1の面62と対向する第2の面63に形成される。本実施形態では、パワーモジュール60は、制御端子64が形成される第1の面62が制御基板40側、パワー端子65が形成される第2の面63がパワー基板70側となるようにヒートシンク50の受熱面59に沿って縦配置される。すなわち、制御端子64が制御基板40側に突設され、パワー端子65がパワー基板70側に突設される。
制御端子64は、制御基板40のスルーホール43に挿通され、はんだ等により制御基板40と電気的に接続される。この制御端子64を介して、制御基板40からの制御信号がパワーモジュール60へ出力される。また、パワー端子65は、パワー基板70に形成される後述するスルーホール73に挿通され、はんだ等によりパワー基板70と電気的に接続される。このパワー端子65を経由して巻線26に通電される巻線電流がパワーモジュール60に通電される。本実施形態では、制御基板40側には、モータ2の駆動制御に係る程度の小さい電流(例えば、2A)しか通電されない。一方、パワー基板70側には、モータ2を駆動するための大電流(例えば、80A)が通電される。そのため、パワー端子65は、制御端子64よりも太く形成されている。
制御グランド端子66は、制御端子64と同等の太さに形成される。制御グランド端子66は、モールド部61を貫通して設けられ、パワー基板70のグランドと制御基板40とを接続している。
また、パワーモジュール60は、巻線への通電を切り替えるスイッチング素子であるMOS81〜86を有する。パワーモジュール60は、銅もしくは銅合金で形成された配線パターンに、スイッチング素子または電源リレーであるMOS81〜88およびシャント抵抗107〜109が載置され、配線部材等で電気的に接続され、モールド部61によりモールドされている。本実施形態では、2つのパワーモジュール60を備えており、図1に示すインバータ80、89を構成している。
ここでパワーモジュール60と図1に示す回路構成との関係を言及すると、一方のパワーモジュール60がインバータ80に対応し、図1に示すMOS81〜86、電源リレー87、88、およびシャント抵抗107〜109を有している。すなわち本実施形態では、MOS81〜86、電源リレー87、88、およびシャント抵抗107〜109が1つのモジュールとして一体に樹脂モールドされている。また、他方のパワーモジュール60がインバータ89に対応し、インバータ89を構成するMOS、電源リレー、およびシャント抵抗を有している。すなわち本実施形態では、1つのパワーモジュール60が1系統のインバータ回路に対応している。すなわち本実施形態では、1つの放熱ブロック51に対して、1つの駆動系統を構成する1つのパワーモジュール60が配置されている、といえる。なお、パワーモジュール60の内部構造については、後述する。
パワーモジュール60とヒートシンク50との間には、図示しない放熱シートが設けられる。パワーモジュール60は、放熱シートとともに、ねじ69によりヒートシンク50に螺着される。これにより、パワーモジュール60は、放熱シートを挟んでヒートシンク50に固定され、通電により発生する熱が放熱シートを介してヒートシンク50に放熱される。なお、図示はしていないが、パワーモジュール60のヒートシンク50側の面には、配線パターンの一部が金属放熱部としてモールド部61から一部露出しており、この金属放熱部が放熱シートを介してヒートシンク50に接触することにより、効率よく放熱することができる。放熱シートは、パワーモジュール60からの熱をヒートシンク50に伝えるとともに、パワーモジュール60とヒートシンク50との絶縁を確保している。すなわち、放熱シートは、放熱部材であるとともに、絶縁部材である、といえる。
パワー基板70は、例えばガラスエポキシ基板から形成されるパターン銅箔が厚い4層基板であって、モータケース領域内に収まる略正方形の板状に形成される。パワー基板70の四隅は、ヒートシンク50の接続部55のスペースを確保すべく、切欠71が形成されている。また、パワー基板70は、モータ2の反対側からねじ72によってヒートシンク50に螺着されている。
パワー基板70には、巻線26に通電される巻線電流が通電されるパワー配線が形成される。本実施形態では、図19に2点鎖線で示す配線が、パワー基板70に設けられている。
パワー基板70には、パワーモジュール60のパワー端子65を挿通するスルーホール73が形成される。また、パワー基板70のスルーホール73の外側には、モータ線27が挿通されるスルーホール74が形成される。モータ線27は、スルーホール74に挿通され、はんだ等により、パワー基板70と電気的に接続される。これにより、モータ線27は、パワー基板70を介してパワーモジュール60と接続される。
パワー基板70のモータ2側の面には、チョークコイル76、コンデンサ77、78、およびパワーコネクタ79が実装されており、パワーユニット105を構成している。本実施形態では、パワーユニット105およびパワーモジュール60が、パワー部100を構成している。
ここで、パワーユニット105の配置を図16〜図18に基づいて説明する。
パワーユニット105を構成するチョークコイル76、コンデンサ77、78、パワーコネクタ79は、2つの放熱ブロックの間に形成される空間に配置される。また、軸方向において、チョークコイル76、コンデンサ77、78、パワーコネクタ79は、ヒートシンク50の連結部52とパワー基板70との間に設けられる。これらの電子部品は、制御基板40に接続される制御コネクタ45側から、チョークコイル76、コンデンサ77およびコンデンサ78、パワーコネクタ79がこの順で直線的に配列される。
チョークコイル76は、軸方向の長さが径方向の長さよりも短い円筒状に形成される。チョークコイル76は、モータ2の軸方向から見たとき、シャフト35と重ならない位置に配置される。また、チョークコイル76は、その軸線が、シャフト35の中心線と略垂直となるように縦配置される。
コンデンサ77は、4つのコンデンサ78の略中心に配置される。4つのコンデンサ78は、コンデンサ77を取り囲むように近接して配置される。本実施形態では、コンデンサ77、78は、いずれもアルミ電解コンデンサが用いられている。なお、コンデンサ78は、コンデンサ77よりも電気的な容量が大きいものが用いられる。なお、コンデンサ77、78は、アルミ電解コンデンサに限らず、容量等に応じて適宜選択可能である。
パワーコネクタ79は、制御基板40と接続される制御コネクタ45と反対側に設けられている。パワーコネクタ79は、モータ2の径方向外側から配線を接続可能に設けられ、電源75と接続される。これにより、パワー基板70には、パワーコネクタ79を経由して電源75から電力が供給される。また、電源75からの電力は、パワーコネクタ79、パワー基板70、パワーモジュール60、およびモータ線27を経由して、ステータ20に巻回された巻線26へ供給される。
コントローラ3は、カバー110の内部に収容される(図5および図6参照)。カバー110は、鉄等の磁性材料によって形成され、コントローラ3側から外部へ電界および磁界が漏れるのを防ぐとともに、コントローラ3側へ埃等が入り込むのを防止する。カバー110は、モータケース10と略同等の径であって、モータ2側に開口する有底円筒状に形成される。カバー110は、ねじ57によりヒートシンク50とともにモータケース10に螺着される。カバー110には、制御コネクタ45およびパワーコネクタ79と対応する位置に切欠111が設けられている。この切欠111から制御コネクタ45、パワーコネクタ79が、径方向外側に向いて露出する。また、樹脂ガイド16のパワーコネクタ79側の切欠111と対応する位置には、凸部18が形成されている。なお、樹脂ガイド16には、段差部19が形成されており、カバー110と嵌り合うようになっている。
ここで、駆動装置1の作動を説明する。
制御基板40上のマイコン94は、位置センサ93、トルクセンサ8、シャント抵抗107〜109等からの信号に基づき、車速に応じてステアリング5の操舵をアシストするように、プリドライバ91を介してPWM制御により作出されたパルス信号を生成する。
このパルス信号は、制御端子64を経由して、パワーモジュール60により構成される2系統のインバータ80、89に出力され、MOS81〜86のオン/オフの切り替え動作を制御する。これにより、巻線26の各相には、位相のずれた正弦波電流が通電され、回転磁界が生じる。この回転磁界を受けてロータ30およびシャフト35が一体となって回転する。そして、シャフト35の回転により、出力端37からコラム軸6のギア7に駆動力が出力され、運転者のステアリング5による操舵をアシストする。
すなわち、巻線26に通電される巻線電流により、モータ2を駆動している。この意味で、巻線26に通電される巻線電流は、モータ2を駆動する駆動電流である、といえる。
パワーモジュール60のMOS81〜88をスイッチングする際に発生する熱は、放熱シートを介してヒートシンク50へ放熱され、パワーモジュール60の温度上昇による故障や誤動作が防止される。
なお、ステータ20、ロータ30等のサイズは、要求される出力に応じて設定可能である。
次に、パワーモジュール60の内部構造を図20に基づいて説明する。図20においては、紙面上側がパワー基板70側であり、紙面下側が制御基板40側である。本実施形態では、2つのパワーモジュール60の内部構造は同様であるので、ここではインバータ80に対応するパワーモジュール60の内部構造について説明する。
図20に示すように、パワーモジュール60は、銅もしくは銅合金で配線パターンが形成され、スイッチング素子または電源リレーであるMOS81〜88が搭載される。MOS81を例にMOSを構成する半導体チップを説明すると、811がゲートであり、812がソースである。また、ドレインは、半導体チップの裏側に形成されている。なお、MOS82〜88も同様である。
また、パワーモジュール60は、モールド部61の長手方向の両側に突出する複数の端子を有している。制御基板40側に配置される第1の面62からは、制御グランド端子66、制御電力入力端子67、および制御端子131〜149が突出して設けられる。なお、制御端子131〜149が、上述の制御端子64を構成している。
また、パワー基板70側に配置される第2の面63からは、電源入力端子121、インバータ入力端子122、U相巻線端子123、インバータグランド端子124、V相巻線端子125、インバータ入力端子126、W相巻線端子127、インバータグランド端子128、制御グランド端子66が、この順で配列されて、モールド部61から突出して設けられる。なお、電源入力端子121、インバータ入力端子122、126、巻線端子123、125、127、およびインバータグランド端子124、128が、上述のパワー端子65を構成している。
ここで、制御端子64、パワー端子65、制御グランド端子66、制御電力入力端子67、およびMOS81〜88の接続関係について説明する。
電源入力端子121は、ランド161と一体に形成される。ランド161には、電源リレー87が載置される。電源リレー87のゲートは、制御端子131と接続される。制御端子131を介して電源リレー87のゲート電圧を切り替えることにより、電源リレー87のオン/オフの切り替えが制御される。また、電源リレー87のソースは、配線部材191により電源リレー88のソースと接続される。配線部材191は、制御端子132と接続され、電源リレー87と電源リレー88との間に印加される電圧に係る電圧信号を制御基板40側に出力する。この電圧信号は、駆動装置1における故障検出に用いられる。
また、ランド161には、孔171が形成される。孔171は、モールド部61に形成される孔172よりも直径の大きい円形に形成される。孔171、172には、ねじ69(図13等参照)が挿通される。
インバータ入力端子122は、ランド162および制御電力入力端子67と一体に形成される。制御電力入力端子67は、電源入力端子121から入力され、電源リレー87、88を経由して供給された電力を制御基板40へ供給する。ランド162には、電源リレー88およびU上MOS81が載置される。電源リレー88のゲートは、制御端子133と接続される。制御端子133を介して電源リレー88のゲート電圧を切り替えることにより、電源リレー88のオン/オフの切り替えが制御される。
U上MOS81は、電源リレー88よりもパワー基板70側であってU相巻線端子123側、すなわち電源リレー88に対して紙面右上に配置される。U上MOS81のゲートは、制御端子134と接続される。制御端子134を介してU上MOS81のゲート電圧を切り替えることにより、U上MOS81のオン/オフの切り替えが制御される。また、U上MOS81のソースは、配線部材192によりU相巻線端子123と一体に形成されるランド163と接続される。
U相巻線端子123は、ランド163および制御端子136と一体に形成される。制御端子136は、U上MOS81およびU下MOS84の接続点に印加される端子電圧に係る電圧信号を制御基板40側に出力する。
ランド163には、U下MOS84が載置される。U下MOS84は、U上MOS81のソースとランド163とを接続する配線部材192よりも制御基板40側に配置される。すなわち、U下MOS84は、U上MOS81よりも制御基板40側に配置されている。U下MOS84のゲートは、制御端子135と接続される。制御端子135を介してU下MOS84のゲート電圧を切り替えることにより、U下MOS84のオン/オフの切り替えが制御される。
インバータグランド端子124は、ランド164と一体に形成される。ランド164は、シャント抵抗107によりU下MOS84のソースと接続される。シャント抵抗107は、U下MOS84側にて制御端子137と接続し、ランド164側にて制御端子138と接続する。これにより、シャント抵抗107に印加される電圧信号が制御基板40側に出力され、この電圧信号に基づいてU相コイルに通電される電流の大きさが検出される。
また、ランド164は、シャント抵抗108によりV下MOS85のソースと接続される。シャント抵抗108は、ランド164側にて制御端子139と接続し、V下MOS85側にて制御端子140と接続する。これにより、シャント抵抗108に印加される電圧信号が制御基板40側に出力され、この電圧信号に基づいてV相コイルに通電される電流の大きさが検出される。
V相巻線端子125は、ランド165および制御端子141と一体に形成される。制御端子141は、V上MOS82とV下MOS85との接続点に印加される端子電圧に係る電圧信号を制御基板40側に出力する。
ランド165には、V下MOS85が載置される。V下MOS85は、V上MOS82とランド165とを接続する配線部材193よりも制御基板40側に配置される。すなわち、V下MOS85は、V上MOS82よりも制御基板40側に配置されている。V下MOS85のゲートは、制御端子142と接続される。制御端子142を介してV下MOS85のゲート電圧を切り替えることにより、V下MOS85のオン/オフの切り替えが制御される。
インバータ入力端子126は、ランド166および制御端子144と一体に形成される。制御端子144は、電源リレー87、88の下流側に印加されるリレー後電圧に係る電圧信号を制御基板40側に出力する。
ランド166には、V上MOS82が載置される。V上MOS82のソースは、配線部材193によりランド165と接続される。また、V上MOS82のゲートは、制御端子143と接続される。制御端子143を介してV上MOS82のゲート電圧を切り替えることにより、V上MOS82のオン/オフの切り替えが制御される。
また、ランド166には、W上MOS83が載置される。ランド166におけるV上MOS82とW上MOS83の位置関係について言及すると、V上MOS82がV相巻線端子125と一体に形成されるランド165側に配置され、W上MOS83がW相巻線端子127と一体に形成されるランド167側に配置される。また本実施形態では、W上MOS83は、V上MOS82よりも制御基板40側に配置されている。W上MOS83のゲートは、制御端子145と接続される。制御端子145を介してW上MOS83のゲート電圧を切り替えることにより、W上MOS83のオン/オフの切り替えが制御される。また、W上MOS83のソースは、配線部材194によりW相巻線端子127と一体に形成されるランド167と接続される。
W相巻線端子127は、ランド167および制御端子147と一体に形成される。制御端子147は、W上MOS83およびW下MOS86の接続点に印加される端子電圧に係る電圧信号を制御基板40側に出力する。
ランド167には、W下MOS86が載置される。W下MOS86は、W上MOS83のソースとランド167とを接続する配線部材194よりも制御基板40側に配置される。すなわち、W下MOS86は、W上MOS83よりも制御基板40側に配置されている。W下MOS86のゲートは、制御端子146と接続される。制御端子146を介してW下MOS86のゲート電圧を切り替えることにより、W下MOS86のオン/オフの切り替えが制御される。
インバータグランド端子128は、ランド168と一体に形成される。ランド168は、シャント抵抗109によりW下MOS86のソースと接続される。シャント抵抗109は、W下MOS86側にて制御端子148と接続し、ランド168側にて制御端子149と接続する。これにより、シャント抵抗109に印加される電圧信号が制御基板40側に出力され、この電圧信号に基づいてW相コイルに通電される電流の大きさが検出される。
ランド168には、U字孔176が設けられる。U字孔176は、制御グランド端子66側に開口するU字形状に形成される。また、モールド部61には、U字孔176と対応する位置に孔177が形成される。孔177は、反制御グランド端子66側に開口する小円弧部771、制御グランド端子66側に開口するC字状に形成される大円弧部772、および小円弧部771と大円弧部772とを直線状に接続する直線部773を有する。U字孔176の底部と小円弧部771とは、略同一半径であって、ねじ69が挿通されるねじ孔を形成する。なお、U字孔176および孔177に挿通されるねじ69により、ランド168とヒートシンク50とを電気的に接続することによって接地するように構成してもよい。この意味で、U字孔176および孔177に挿通されるねじ69を接地部材としてもよい。
制御グランド端子66は、インバータグランド端子124、128とは別に設けられている。制御グランド端子66は、モールド部61を貫通して電源入力端子121とは反対側の端部に設けられ、パワー基板70のグランドと、制御基板40とを接続する。これにより、制御基板40は、制御グランド端子66を介して接地される。
本実施形態では、UMOS81〜83は、相対的にパワー基板70側に配置され、下MOS84〜86および電源リレー87、88は、相対的に制御基板40側に配置されている。特に、全ての下MOS84〜86および、下MOS84〜86とグランドとの間に設けられるシャント抵抗107〜109は、相対的に制御基板40側に設けられている。また、シャント抵抗107〜109により検出された検出値を出力する制御端子137〜140、148、149、および制御端子137〜140、148、149とシャント抵抗107〜109とを接続する配線は、いずれも相対的に制御基板40側に配置されている。なお、制御端子137〜140、148、149、および制御端子137〜140、148、149とシャント抵抗107〜109とを接続する配線が、「電流検出配線」に対応している。
また、本実施形態では、例えば、ランド161ではパワー基板70側が幅広に形成され制御基板40側が幅狭に形成され、ランド161と隣り合うランド162ではパワー基板70側が幅狭に形成され制御基板40側が幅広に形成されるといった具合に、互い違いとなる形状に形成されている。これにより、紙面横方向のスペースを有効に利用し、パワーモジュール60を小型化している。
ここで、パワー端子65の接続関係について説明する。
電源入力端子121は、パワー基板70およびパワーコネクタ79を介して電源75と接続する。また、電源入力端子121は、ランド161、電源リレー87、配線部材191、電源リレー88、およびランド162を経由してインバータ入力端子122と接続している。これにより、電源リレー87、88がオンされると、電源75からの電力は、電源入力端子121に入力され、インバータ入力端子122から出力される。
インバータ入力端子122は、パワー基板70を経由してインバータ入力端子126と接続する。これにより、インバータ入力端子122に供給された電源75からの電力は、パワー基板70を経由してインバータ入力端子126へ供給される。また、インバータ入力端子122およびインバータ入力端子126は、パワー基板70を経由してコンデンサ78と接続する。これにより、インバータ入力端子122、126には、パワー基板70を経由してコンデンサ78に蓄えられた電力が供給される。すなわち、本実施形態では、電源75およびコンデンサ78が「電力貯留部」に対応している。
インバータグランド端子124とインバータグランド端子128とは、パワー基板70を経由して接続される。また、インバータグランド端子124、128は、パワー基板70のグランドと接続される。
U相巻線端子123は、パワー基板70を経由してU相コイルと接続される。U相巻線端子123の両側には、インバータ入力端子122およびインバータグランド端子124が設けられる。また、U相巻線端子123とインバータ入力端子122とは配線部材192を経由して接続され、U相巻線端子123とインバータグランド端子124とはシャント抵抗107を経由して接続される。これにより、インバータ入力端子122、U相巻線端子123、およびインバータグランド端子124が、U相コイルの通電に係る端子群(以下、「U相端子群」という。)をなす。
V相巻線端子125は、パワー基板70を経由してV相コイルと接続される。V相巻線端子125の両側には、インバータグランド端子124およびインバータ入力端子126が設けられる。また、V相巻線端子125とインバータグランド端子124とはシャント抵抗108を経由して接続され、V相巻線端子125とインバータ入力端子126とは配線部材193を経由して接続される。これにより、インバータグランド端子124、V相巻線端子125、およびインバータ入力端子126が、V相コイルの通電に係る端子群(以下、「V相端子群」という。)をなす。
W相巻線端子127は、パワー基板70を経由してW相コイルと接続される。W相巻線端子127の両側には、インバータ入力端子126およびインバータグランド端子128が設けられる。また、W相巻線端子127っとインバータ入力端子126とは配線部材194を経由して接続され、W相巻線端子127とインバータグランド端子128とはシャント抵抗109を経由して接続される。これにより、インバータ入力端子126、W相巻線端子127、およびインバータグランド端子128が、W相コイルの通電に係る端子群(以下、「W相端子群」という。)をなす。
U相端子群は、電源入力端子121側から、インバータ入力端子122、U相巻線端子123、インバータグランド端子124の順に配列されている。また同様に、W相端子群は、電源入力端子121側から、インバータ入力端子126、W相巻線端子127、インバータグランド端子128の順に配列されている。一方、V相端子群は、電源入力端子121側から、インバータグランド端子124、V相巻線端子125、インバータ入力端子126の順に配列されている。すなわち、V相端子群の配列は、U相端子群およびW相端子群の配列と逆になっている、
また、インバータグランド端子124は、U相端子群のインバータグランド端子であり、V相端子群のインバータグランド端子でもある。すなわち、U相端子群のインバータグランド端子とV相端子群のインバータグランド端子とは、インバータグランド端子124として一体に形成されている。また、U相とV相とでインバータグランド端子124を共用している、といえる。
また、インバータ入力端子126は、V相端子群のインバータ入力端子であり、W相端子群のインバータ入力端子でもある。すなわち、V相端子群のインバータ入力端子とW相端子群のインバータ入力端子とは、インバータ入力端子126として一体に形成されている。また、V相とW相でインバータ入力端子126を共用している、といえる。
なお、本実施形態では、インバータ入力端子122、U相巻線端子123、およびインバータグランド端子124からなるU相端子群が「第1の端子群」に対応する。インバータグランド端子124、V相巻線端子125、およびインバータ入力端子126からなるV相端子群が「第2の端子群」に対応する。インバータ入力端子126、W相巻線端子127、およびインバータグランド端子128からなるW相端子群が「第1の端子群」に対応している。また、電源入力端子121の側が「一方の側」に対応している。
ここで、パワーモジュール60における通電経路について説明する。
電流遮断用の電源リレー87および逆接防止用の電源リレー88は、駆動装置1全体の配線に異常がない場合、通電可能となるように制御されている。以下、電源リレー87、88はオンされているものとする。
電源リレー87、88がオンされているとき、電源入力端子121から入力された電力は、ランド161、電源リレー87、配線部材191、電源リレー88、およびランド162を経由してインバータ入力端子122側へ供給される。インバータ入力端子122側へ出力された電力は、パワー基板70を経由して、インバータ入力端子126、およびコンデンサ78等に供給される。このとき、電源入力端子121に流れる電流の向きと、インバータ入力端子122に流れる電流の向きとは、反対となる。
また、電源入力端子121から入力された電力は、ランド161、電源リレー87、配線部材191、電源リレー88、およびランド162を経由して、制御電力入力端子67側へ供給される。そのため、制御電力入力端子67は、電源入力端子121から入力された電力の一部を制御基板40側へ分岐する分岐端子である、ということもできる。
ここで、モータ2が駆動されているときの通電経路を説明する。モータ2が駆動されているとき、対になる上MOSおよび下MOSでは、一方がオンされているとき、他方がオフされているものとする。
まず、U上MOS81がオンされる場合を説明する。このとき、V下MOS85およびW下MOS86の少なくとも一方がオンされるように制御される。
U上MOS81のドレインには、電源入力端子121側から供給される電力と、コンデンサ78からインバータ入力端子122を経由して供給される電力とが供給されている。U上MOS81がオンされると、U上MOS81のドレインに供給されていた電力は、配線部材192、ランド163、およびU相巻線端子123を経由してU相コイルへ供給される。
V下MOS85がオンされている場合、U相コイルへ供給された電力は、V相コイルを経由してV相巻線端子125に供給され、ランド167、V下MOS85、シャント抵抗108、ランド164、およびインバータグランド端子124を経由し、パワー基板70のグランドに落とされる。
また、W下MOS86がオンされている場合、U相コイルへ供給された電力は、W相コイルを経由してW相巻線端子127に供給され、ランド167、W下MOS86、シャント抵抗109、ランド168、およびインバータグランド端子128を経由し、パワー基板70のグランドに落とされる。
このとき、インバータ入力端子122に流れる電流の向きと、U相巻線端子123に流れる電流の向きとは、反対となる。また、V相巻線端子125に流れる電流の向きと、インバータグランド端子124に流れる電流の向きとは、反対となる。さらにまた、W相巻線端子127に流れる電流の向きと、インバータグランド端子128とに流れる電流の向きとは、反対となる。
次に、V上MOS82がオンされる場合を説明する。このとき、U下MOS84およびW下MOS86の少なくともいずれか一方がオンされるように制御する。
V上MOS82のドレインには、電源入力端子121およびコンデンサ78からインバータ入力端子126およびランド166を経由して電力が供給されている。V上MOS82がオンされると、V上MOS82のドレインに供給されていた電力は、配線部材193、ランド165、およびV相巻線端子125を経由してV相コイルへ供給される。
U下MOS84がオンされている場合、V相コイルへ供給された電力は、U相コイルを経由してU相巻線端子123へ供給され、ランド163、U下MOS84、シャント抵抗107、ランド164、およびインバータグランド端子124を経由し、パワー基板70のグランドに落とされる。
また、W相下MOS86がオンされている場合、V相コイルへ供給された電力は、W相コイルを経由してW相巻線端子127に供給され、ランド167、W下MOS86、シャント抵抗109、ランド168、およびインバータグランド端子128を経由し、パワー基板70のグランドに落とされる。
このとき、インバータ入力端子126に流れる電流の向きと、V相巻線端子125に流れる電流の向きとは、反対となる。また、U相巻線端子123に流れる電流の向きと、インバータグランド端子124に流れる電流の向きとは、反対となる。さらにまた、W相巻線端子127に流れる電流の向きと、インバータグランド端子128とに流れる電流の向きとは、反対となる。
続いて、W相上MOS83がオンされる場合を説明する。このとき、U相下MOS84およびV相下MOS85の少なくともいずれか一方がオンされるように制御する。
W相上MOS83のドレインには、電源入力端子121およびコンデンサ78からインバータ入力端子126およびランド166を経由して電力が供給されている。W上MOS83がオンされると、W上MOS83のドレインに供給されていた電力は、配線部材194、ランド167、およびW相巻線端子127を経由してW相コイルへ供給される。
U下MOS84がオンされている場合、W相コイルへ供給された電力は、U相コイルを経由してU相巻線端子123へ供給され、ランド163、U下MOS84、シャント抵抗107、ランド164、およびインバータグランド端子124を経由し、パワー基板70のグランドに落とされる。
V下MOS85がオンされている場合、W相コイルへ供給された電力は、V相コイルを経由してV相巻線端子125に供給され、ランド167、V下MOS85、シャント抵抗108、ランド164、およびインバータグランド端子124を経由し、パワー基板70のグランドに落とされる。
このとき、インバータ入力端子126に流れる電流の向きと、W相巻線端子127に流れる電流の向きとは、反対となる。また、U相巻線端子123に流れる電流の向きと、インバータグランド端子124に流れる電流の向きとは、反対となる。さらにまた、V相巻線端子125に流れる電流の向きと、インバータグランド端子128に流れる電流の向きとは、反対となる。
このように、隣り合う端子に流れる電流の向きが反対となるので、寄生インダクタンスを低減することができる。
なお、上述の通り、シャント抵抗107〜109は、相対的に制御基板40側に配置されている。ここで、巻線電流が通電される領域とシャント抵抗107〜109の位置について言及すると、シャント抵抗107〜109は、各相において、巻線電流が通電される領域であって、最も制御基板40側に配置されている。したがって、電流検出配線である制御端子137〜140、148、149、および制御端子137〜140、148、149とシャント抵抗107〜109とを接続する配線である電流検出配線は、巻線電流が通電される領域よりも制御基板40側に設けられている、といえる。これにより、シャント抵抗107〜109に通電される電流を検出する際、巻線26に通電される大電流の影響を受けにくくなる。
ここで、パワーモジュール60が発揮する効果について説明する。
(1)パワーモジュール60では、電源入力端子121側から、インバータ入力端子122、U相巻線端子123、インバータグランド端子124の順に配列されてU相端子群をなす。また、制御グランド端子66側から、インバータ入力端子126、V相巻線端子125、インバータグランド端子124の順に配列されてV相端子群をなす。さらにまた、電源入力端子121側から、インバータ入力端子126、W相巻線端子127、インバータグランド端子128の順に配列されてW相端子群をなす。
例えば、U上MOS81がオンされると、電流は、インバータ入力端子122からU上MOS81を経由してU相巻線端子123へ流れる。インバータ入力端子122とU相巻線端子123とはパワー基板70側において隣り合って配置されるので、インバータ入力端子122に流れる電流の向きと、U相巻線端子123に流れる電流の向きとが反対となる。同様に、隣り合って配置されるインバータ入力端子126とV相巻線端子125とでは、電流の向きが反対となる。また同様に、隣り合って配置されるインバータ入力端子126とW相巻線端子127とでは、電流の向きが反対となる。これにより、インバータ回路におけるインダクタンスを低減することができる。
また例えば、U下MOS84がオンされると、電流は、U相巻線端子123からU下MOS84を経由してインバータグランド端子124へ流れる。U相巻線端子123とインバータグランド端子124とはパワー基板70側において隣り合って配置されるので、U相巻線端子123に流れる電流の向きとインバータグランド端子124に流れる電流の向きとが反対となる。同様に、隣り合って配置されるV相巻線端子125とインバータグランド端子124とでは、電流の向きが反対となる。また同様に、隣り合って配置されるW相巻線端子127とインバータグランド端子128とでは、電流の向きが反対となる。これにより。インバータ回路におけるインダクタンスを低減することができる。
(2)また、パワーモジュール60のモールド部61は、MOS81〜86、インバータ入力端子122、126、巻線端子123、125、127、インバータグランド端子124、128、制御電力入力端子67、および制御グランド端子66を一体にモールドする。本実施形態では、制御基板40とパワー基板70とを別々に設けており、制御基板40とパワー基板70との接続は、パワーモジュール60に一体にモールドされた端子によりなされるので、ジャンパ線等の部材を別途用いる必要がない。これにより、部品点数を低減することができる。また、組み付け工数を低減することができる。
(3)本実施形態では、パワー基板70を備えているので、インバータ入力端子122とインバータ入力端子126との接続、或いは、インバータグランド端子124とインバータグランド端子128との接続をパワー基板70にて行うことができるので、インバータ入力端子同士を接続するための配線およびインバータグランド端子同士と接続するための配線をパワーモジュール60に内蔵する必要がなく、パワーモジュール60自体を小型化することができる。
(4)また、大電流が通電されるパワー基板70と、大電流を通電する必要のない制御基板40とが分離されており、パワー基板70側に設けられるパワー端子65には大電流が通電されるが、制御基板40側に設けられる制御端子64には大電流を通電する必要がない。そのため、パワー端子65および制御端子64のそれぞれに通電される電流に応じて適切なサイズに設計することができる。
(5)本実施形態では、巻線26は3相で構成され、端子群は巻線26の各相に対応して設けられる。U相端子群は、電源入力端子121側から、インバータ入力端子122、U相巻線端子123、インバータグランド端子124の順で配列される。また、W相端子群は、電源入力端子121側から、インバータ入力端子126、W相巻線端子127、インバータグランド端子128の順で配列される。一方、U相端子群およびW相端子群と隣り合うV相端子群は、電源入力端子121側から、インバータグランド端子124、V相巻線端子125、インバータ入力端子126の順で配列される。すなわち、U相端子群とV相端子群とでは、端子の配列が逆になっている。また、W相端子群とV相端子群とでは、端子の配列が逆になっている。また、同じ端子配列であるU相端子群およびW相端子群である第1の端子群と、第1の端子群と逆の配列である第2の端子群とが交互に配置されている。
(6)本実施形態では、U相端子群のインバータグランド端子と、V相端子群のインバータグランド端子とは、インバータグランド端子124として一体に形成される。これにより、パワーモジュール60を小型化することができる。また、W相端子群のインバータ入力端子と、V相端子群のインバータ入力端子とは、インバータ入力端子126として一体に形成される。これにより、パワーモジュール60を小型化することができる。
(7)パワーモジュール60は、巻線26に通電される電流を検出するためのシャント抵抗107〜109を備える。本実施形態では、パワー基板70側に巻線端子123、125、127が設けられ、制御基板40側に制御端子131〜149が設けられ、パワーモジュール60の内部で電気的に接続されている。そのため、巻線端子123、125、127と、電流検出に係る制御端子137〜140、148、149との間にシャント抵抗を配置することにより、巻線26に流れる電流を適切に検出し、検出値を制御基板40側に容易に出力することができる。また、シャント抵抗107〜109がパワーモジュール60に内蔵されているので、部品点数を低減することができ、組み付け工数が低減される。また、装置全体の小型化に寄与する。
(8)また、シャント抵抗107〜109と制御基板40とを接続する電流検出配線である制御端子137〜140、148、149、および制御端子137〜140、148、149とシャント抵抗107〜109とを接続する配線は、巻線26へ通電される巻線電流が通電される領域よりも制御基板40側に設けられる。これにより、大電流が通電される領域よりも制御基板40側に電流検出配線が設けられるので、大電流が通電されることにより生じるノイズの影響を低減することができる。
(9)また、パワーモジュール60は、インバータへの電力の供給を遮断する電源リレー87、88をさらに備える。これにより、電源リレー87、88が半導体モジュールに内蔵されるので、部品点数を低減することができ、組み付け工数を低減することができる。また、電源リレー87、88を別途に設ける場合と比較して、駆動装置1全体の小型化に寄与する。
(10)パワーモジュール60は、モールド部61にモールドされ、パワー基板70側から制御基板40側へ電力を供給する制御電力入力端子67をさらに備える。またパワーモジュール60は、モールド部61にモールドされ、パワー基板70のグランドと制御基板40とを接続する制御グランド端子66をさらに備える。パワー基板70側から制御基板40側へ電力を供給する制御電力入力端子67、および、制御基板40とパワー基板70のグランドとを接続する制御グランド端子66が一体にモールドされているので、パワー基板70のみを電源75と接続すればよく、制御基板40と電源75とを直接接続するための部材を省くことが可能であり、構成を簡素化することができる。
(11)また、制御グランド端子66は、インバータグランド端子124、128とは別体として設けられている。これにより、制御基板40側において、パワー基板70側に大電流が通電されることにより生じるノイズの影響を低減することができる。
また、本実施形態では、パワーモジュール60は、モータ2とモータ2の駆動を制御するコントローラ3とを備える駆動装置1に用いられる。
そこで、駆動装置1が発揮する効果について説明する。
(12)本実施形態では、パワーモジュール60は、モータケース10の軸方向における端面13から立ち上がる方向に配置される。すなわち、パワーモジュール60は、モータケース10の軸方向における端面13に対して水平に配置されているのではなく、モータケース10の軸方向における端面13に対して「縦配置」されている、ということである。これにより、モータケース10を軸方向に投影したモータシルエット内の領域を有効に利用することができ、径方向における体格を小型化することができる。
(13)また、コントローラ3をモータ2の軸方向に配置しているので、径方向における体格を小型化することができる。また、モータ2とコントローラ3とを軸方向において分けて配置しているので、モータ2とコントローラ3との分離が比較的容易であり、例えばモータ2の出力が変わった場合、ヒートシンク50の熱マスを変えるだけで対応可能であるため、部品を共通化して様々なスペックの駆動装置を製造することができる。また例えば、モータ2またはコントローラ3の一方が故障した場合、故障したモータ2またはコントローラ3のみを容易に交換することができる。
(14)さらに、本実施形態では、モータ2の駆動に係る大電流が通電されるパワー基板70と、モータの駆動制御に係り大電流を通電する必要のない制御基板40とを分離している。これにより、制御基板40の銅箔を薄くすることができる。
(15)駆動装置1は、軸方向において、モータケース10、制御基板40、ヒートシンク50およびパワーモジュール60、パワー基板70が、この順で配列されており、シャフト35の出力端37は、制御基板40の反対側に設けられている。そのため、シャフト35が制御基板40を貫通しないように構成することができる。シャフト35は、制御基板40を貫通せず短く形成されているので、ロータ30の回転に伴う軸ブレを抑制することができる。また、制御基板40をシャフト35が貫通していないので、制御基板40の領域を有効に利用することができ、装置全体を小型化することができる。
(16)また、本実施形態では、パワーモジュール60とモータ線27とは、パワー基板70を介して接続される。とすれば、本実施形態におけるパワーモジュール60とモータ線27との接続部は、パワー基板70である、といえる。したがって、モータ線27は、軸方向において、パワーモジュール60のモールド部61よりも反モータケース10側においてパワーモジュール60と接続されている。本実施形態では、軸方向において、モータ2、制御基板40、ヒートシンク50およびパワーモジュール60、パワー基板70が、この順で配列されているので、軸方向において、モータ線27とパワーモジュール60との接続部は、駆動装置1全体の軸方向における端部近傍に位置することになる。これにより、モータ線27とパワーモジュール60とを接続しやすくなる。また、モータ線27とパワーモジュール60との接続部が駆動装置1全体の軸方向における端部近傍に位置するので、駆動装置1が故障した場合において、修理がしやすくなる。
(17)なお、本実施形態では、巻線端子123、125、127とモータ線27とがパワー基板70を介して接続している。したがって、巻線端子123、125、127とモータ線27との接続、および、他のパワー端子65とパワー基板70との接続を一工程にて行うことができるので、製造工程を簡略化することができる。
(18)ヒートシンク50は、相互に離間する2つの放熱ブロック51を有する。これにより、パワーモジュールからの放熱を分散することができる。
また、2つのパワーモジュール60が、それぞれインバータ80、89を構成し、パワーモジュール60は、2つのインバータに対応するように2つ設けられ、1つの放熱ブロック51に対して1つのインバータが対応するように放熱ブロック51ごとに配置される。本実施形態では、それぞれのパワーモジュール60から発生する熱が同等であるので、放熱ブロック51に対して1つのインバータを構成するパワーモジュール60を1つずつ配置することにより、バランスよく放熱することができる。
本発明の第2実施形態〜第4実施形態によるパワーモジュールを図21〜図23に基づいて説明する。なお、第2実施形態〜第4実施形態においては、パワーモジュールの構造のみが異なり、駆動装置1の全体構成は第1実施形態と同様であるので、パワーモジュールについてのみ説明し、駆動装置1に関する説明は省略する。
(第2実施形態)
図21に示すように、本発明の第2実施形態によるパワーモジュール500では、制御グランド端子566は、インバータグランド端子128およびランド168と一体に形成されている。また、制御グランド端子566は、パワー基板70のグランドと制御基板40とを接続している。すなわち、制御グランド端子566は、インバータグランド端子128の一部が制御基板40側へ分岐する分岐端子である、ということもできる。
これにより、上記(1)〜(10)、(12)〜(18)と同様の効果を奏する。
また、制御グランド端子566は、インバータグランド端子128と一体に形成されているので、パワー基板70側の端子数を減らすことができ、パワーモジュール500自体の体格を小型化することができる。
(第3実施形態)
図22に示すように、本発明の第3実施形態によるパワーモジュール510では、電源リレー87、88が内蔵されていない。
本実施形態では、インバータ入力端子122が、パワー基板70およびパワーコネクタ79を経由して電源75に接続している。また、インバータ入力端子122は、第1施形態と同様、パワー基板70を経由してコンデンサ78とも接続している。
制御電力入力端子567は、インバータ入力端子122およびランド162と一体に形成されている。これにより、制御電力入力端子567は、パワー基板70側から制御基板40側へ電力を供給する。すなわち、制御電力入力端子567は、インバータ入力端子122から入力された電力の一部を制御基板40側へ分岐する分岐端子である、ということもできる。
これにより、上記(1)〜(8)、(10)〜(18)と同様の効果を奏する。
また、制御電力入力端子567は、インバータ入力端子122と一体に形成されているので、パワー基板70側の端子数を減らすことができ、パワーモジュール510自体の体格を小型化することができる。
また、電源リレー87、88がパワーモジュール60に内蔵されていないので、パワーモジュール60自体の体格を小型化することができる。
(第4実施形態)
図23に示すように、本発明の第3実施形態によるパワーモジュール520では、第2実施形態と同様、制御グランド端子566は、インバータグランド端子128およびランド168と一体に形成されている。制御グランド端子566は、パワー基板70のグランドと制御基板40とを接続している。すなわち、制御グランド端子566は、インバータグランド端子128の一部が制御基板40側へ分岐する分岐端子である、ということもできる。
また、パワーモジュール520は、第3実施形態と同様、電源リレー87、88が内蔵されていない。そして、インバータ入力端子122が、パワー基板70およびパワーコネクタ79を経由して電源75に接続している。また、インバータ入力端子122は、パワー基板70を経由してコンデンサ78とも接続している。また、制御電力入力端子567は、インバータ入力端子122と一体に形成されている。これにより、制御電力入力端子567は、パワー基板70側から制御基板40側へ電力を供給する。すなわち、制御電力入力端子567は、インバータ入力端子122から入力された電力の一部を制御基板40側へ分岐する分岐端子である、ということもできる。
これにより、上記(1)〜(8)、(10)、(12)〜(16)と同様の効果を奏する。
また、制御グランド端子566は、インバータグランド端子128と一体に形成されているので、パワー基板70側の端子数を減らすことができ、パワーモジュール500自体の体格を小型化することができる。
さらに、制御電力入力端子567は、インバータ入力端子122と一体に形成されているので、パワー基板70側の端子数を減らすことができ、パワーモジュール510自体の体格を小型化することができる。
また、電源リレー87、88がパワーモジュール60に内蔵されていないので、パワーモジュール60自体の体格を小型化することができる。
(他の実施形態)
上記実施形態では、ヒートシンクの受熱面は、モータケースの軸方向における端面に対して略垂直に形成され、この受熱面に沿ってパワーモジュールが配置されていた。したがって、パワーモジュールは、モータケースの軸方向の端面に対して略垂直に配置されていた。他の実施形態では、モータケースの軸方向の端面に対して、斜めに配置してもよい。詳しく言うと、モータケースの軸方向の端面に対してパワーモジュールが水平に配置されている場合においてモータケースの軸方向の端面とパワーモジュールの幅広面とのなす角度を0°とし、モータケースの軸方向の端面に対してパワーモジュールが垂直に水平に配置されている場合においてモータケースの端面とパワーモジュールとのなす角度を90°とすると、モータケースの軸方向の端面とパワーモジュールとのなす角度θ1が0°<θ1≦90°である場合、「パワーモジュールは、モータケースの軸方向の端面に対して縦配置されている」としてもよい。すなわち、ヒートシンクの受熱面とモータケースの軸方向の端面とのなす角度θ2が0°<θ2≦90°の範囲で形成され、この受熱面に沿ってパワーモジュールが配置されている場合、「受熱面は、モータケースの軸方向における端部から立ち上がる方向に形成されている」とし、「パワーモジュールは、モータケースの軸方向の端面に対して縦配置されている」としてもよい。このように構成しても、モータケースの軸方向における端面に水平にパワーモジュールを配置した場合と比較して、径方向における体格を小型化することができる。
チョークコイルについても同様に、斜めに配置されている場合も「チョークコイルの軸線がシャフトの中心線と非平行となるように縦配置されている」に含まれる。
上記実施形態では、ヒートシンクの放熱ブロックは、連結部によって一体に形成されていたが、放熱ブロックを連結部で連結せずに、別々に形成してもよい。
また、上記実施形態では、インバータが2系統の例を説明したが、インバータは3系統以上であってもよい。放熱ブロックは、インバータの系統数に応じて設けられることが好ましいが、インバータの系統数と異なる数であってもよい。例えば1系統のインバータを構成するパワーモジュールを複数の放熱ブロックに分散させて配置してもよい。また例えば、複数のインバータを構成するパワーモジュールを、1つの放熱ブロックに配置してもよい。
さらにまた、上記実施形態では、1系統のインバータは、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子からなる3組のスイッチング素子対から構成されていた。他の実施形態では、スイッチング素子対の数は、3組に限らず、1組であってもよいし、2組であってもよいし、4組以上であってもよい。
また、上記実施形態では、スイッチング素子としてMOSを用いたが、これに限らず、スイッチング機能を有するものであれば、どのようなものを用いてもよい。
また、上記実施形態のパワーモジュールは、電流検出手段としてシャント抵抗を有していた。他の実施形態では、電流検出手段は、巻線電流を検出可能であれば、例えばホール素子等、どのようなものであってもよい。また、上記実施形態では、パワーモジュールに電流検出手段としてのシャント抵抗が設けられていたが、電流検出手段は、パワーモジュールの外部に設けられていてもよいし、電流検出手段を設けなくてもよい。
また、上記実施形態のパワーモジュールでは、U相端子群のインバータグランド端子とV相端子群のインバータグランド端子とが一体に形成されていたが、別体としてもよい。同様に、V相端子群のインバータ入力端子とW相端子群のインバータ入力端子とが一体に形成されていたが、別体としてもよい。さらにまた、上記実施形態では、U相端子群およびW相端子群と、V相端子群とでは端子の配列が逆となっていたが、各端子群における配列は、一方の側からインバータ入力端子、巻線端子、インバータグランド端子の順であっても、インバータグランド端子、巻線端子、インバータ入力端子の順であってもよい。
また、上記実施形態では、コントローラは、モータの反ギアボックス側に設けられていた。他の実施形態では、コントローラは、モータとギアボックスとの間に設けてもよい。この場合、シャフトは、対峙するヒートシンクの間に形成される空間を通過しつつ、制御基板およびパワー基板を貫通し、ギアボックス側まで延設される。
また、上記実施形態では、制御基板40には一例としてガラスエポキシ基板を用い、パワー基板70には一例として厚銅箔のガラスエポキシを用いたが、制御基板40およびパワー基板70には、どのような種類の基板を用いてもよい。また、上記実施形態では、制御配線部が制御基板40により構成され、パワー配線部がパワー基板70により構成されていたが、制御配線部およびパワー配線部は、基板を用いずに、例えばバスバー等によって構成されていてもよい。また、巻線端子123、125、127とモータ線27とをパワー基板70を介さずに直接接続してもよい。巻線端子123、125、127とモータ線27とを直接接続することにより、インピーダンスを低減することができる。なお、上記実施形態では、制御基板40には、パワー基板70側から電力が供給されるように構成されていたが、制御基板40に電源、例えばイグニッション電源、から電力が供給されるように構成してもよい。
さらにまた、上記実施形態では、軸方向において、モータケース、制御配線部、ヒートシンクおよびパワーモジュール、パワー配線部が、この順で配列されていた。他の実施形態では、モータケース、パワー配線部、ヒートシンクおよびパワーモジュール、制御配線部の順で配列してもよい。
上記実施形態では、駆動装置は、EPSに採用されるものとして説明したが、同様の構成の駆動装置を、他の分野へ適用することはもちろん可能である。また、上記実施形態では、半導体モジュールを電動機の駆動を制御するコントローラに用いた。他の実施形態では、半導体モジュールを発電機の駆動を制御するコントローラに用いてもよい。また、スイッチングを行う他の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
1・・・駆動装置
2・・・モータ
3・・・コントローラ
10・・・モータケース
20・・・ステータ
26・・・巻線
27・・・モータ線
30・・・ロータ
35・・・シャフト
36・・・マグネット
40・・・制御基板(制御配線部)
50・・・ヒートシンク
51・・・放熱ブロック(柱状部)
59・・・受熱面
60・・・パワーモジュール(半導体モジュール)
61・・・モールド部
64・・・制御端子
65・・・パワー端子
66・・・制御グランド端子
67・・・制御電力入力端子
70・・・パワー基板(パワー配線部)
75・・・電源
76・・・チョークコイル
80・・・インバータ
81〜83・・・上MOS(高電位側スイッチング素子)
84〜86・・・下MOS(低電位側スイッチング素子)
87、88・・・電源リレー(遮断手段)
89・・・インバータ
90・・・制御部
100・・・パワー部
105・・・パワーユニット
107〜109:シャント抵抗(電流検出手段)
121・・・電源入力端子
122、126・・・インバータ入力端子
123、125、127・・・巻線端子
124、128・・・インバータグランド端子
500・・・パワーモジュール(半導体モジュール)
510・・・パワーモジュール(半導体モジュール)
520・・・パワーモジュール(半導体モジュール)

Claims (16)

  1. 巻線に通電される巻線電流が通電されるパワー配線部と、前記巻線への通電を制御する制御部を有する制御配線部との間に配置される半導体モジュールであって、
    前記巻線への通電を切り替えるインバータを構成し、グランド側に設けられる低電位側スイッチング素子と、
    前記巻線への通電を切り替える前記インバータを構成し、前記低電位側スイッチング素子よりも高電位側に設けられる高電位側スイッチング素子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子と電力貯留部と接続するインバータ入力端子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子と前記巻線と接続する巻線端子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記低電位側スイッチング素子とグランドとを接続するインバータグランド端子と、
    前記制御配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子のオンおよびオフの切り替えに係る制御信号が入出力される制御端子と、
    前記低電位側スイッチング素子、前記高電位側スイッチング素子、前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子および前記制御端子を一体にモールドするモールド部と、
    を備え、
    前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子は、この順で隣り合って配列されて端子群をなし、
    前記巻線が複数相で構成され、前記端子群が前記巻線の各相に対応して設けられ、
    第1の前記端子群は、一方の側から、前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子の順で配列され、
    前記第1の端子群と隣り合う第2の前記端子群は、前記一方の側から、前記インバータグランド端子、前記巻線端子、前記インバータ入力端子の順で配列されることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記第1の端子群と前記第2の端子群とは、交互に配置されることを特徴とする請求項に記載の半導体モジュール。
  3. 前記第1の端子群の前記インバータグランド端子と、前記第2の端子群の前記インバータグランド端子とは、一体に形成されることを特徴とする請求項またはに記載の半導体モジュール。
  4. 前記第1の端子群の前記インバータ入力端子と、前記第2の端子群の前記インバータ入力端子とは、一体に形成されることを特徴とする請求項のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記巻線に通電される電流を検出する電流検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記電流検出手段と前記制御配線部とを接続する電流検出配線は、前記巻線電流が通電される領域よりも前記制御配線部側に設けられることを特徴とする請求項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記インバータへの電力の供給を遮断する遮断手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記モールド部にモールドされ、前記パワー配線部側から前記制御配線部側へ電力を供給する制御電力入力端子をさらに備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  9. 前記制御電力入力端子は、前記インバータ入力端子と一体に形成されることを特徴とする請求項に記載の半導体モジュール。
  10. 前記モールド部にモールドされ、前記パワー配線部のグランドと前記制御配線部とを接続する制御グランド端子をさらに備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  11. 前記制御グランド端子は、前記インバータグランド端子と一体に形成されることを特徴とする請求項10に記載の半導体モジュール。
  12. 外郭を形成する筒状のモータケース、前記モータケースの径方向内側に配置され複数相を構成するよう巻線が巻回されたステータ、前記ステータの径方向内側に配置され前記ステータに対して相対回転可能に設けられるロータ、および前記ロータと共に回転するシャフトを有するモータと、
    前記モータケースの軸方向における端部から立ち上がる方向に形成される受熱面を有するヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの前記受熱面に沿って配置される半導体モジュールと、
    前記モータの駆動を制御する制御部を有し、前記半導体モジュールと電気的に接続される制御配線部と、
    前記巻線に通電される巻線電流が通電され、前記半導体モジュールと電気的に接続されるパワー配線部と、
    を備え、
    軸方向において、前記モータケース、前記制御配線部または前記パワー配線部の一方、前記ヒートシンクおよび前記半導体モジュール、前記制御配線部または前記パワー配線部の他方が、この順で配列され、
    前記半導体モジュールは、
    前記巻線への通電を切り替えるインバータを構成し、グランド側に設けられる低電位側スイッチング素子と、
    前記巻線への通電を切り替える前記インバータを構成し、前記低電位側スイッチング素子よりも高電位側に設けられる高電位側スイッチング素子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子と電力貯留部と接続するインバータ入力端子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子と前記巻線と接続する巻線端子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記低電位側スイッチング素子とグランドとを接続するインバータグランド端子と、
    前記制御配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子のオンおよびオフの切り替えに係る制御信号が入出力される制御端子と、
    前記低電位側スイッチング素子、前記高電位側スイッチング素子、前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子および前記制御端子を一体にモールドするモールド部と、
    を有し、
    前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子は、この順で隣り合って配列されて端子群をなし、
    前記端子群が前記巻線の各相に対応して設けられ、
    第1の前記端子群は、一方の側から、前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子の順で配列され、
    前記第1の端子群と隣り合う第2の前記端子群は、前記一方の側から、前記インバータグランド端子、前記巻線端子、前記インバータ入力端子の順で配列されることを特徴とする駆動装置。
  13. 軸方向において、前記モータケース、前記制御配線部、前記ヒートシンクおよび前記半導体モジュール、前記パワー配線部が、この順で配列されることを特徴とする請求項12に記載の駆動装置。
  14. 外郭を形成する筒状のモータケース、前記モータケースの径方向内側に配置され複数相を構成するよう巻線が巻回されたステータ、前記ステータの径方向内側に配置され前記ステータに対して相対回転可能に設けられるロータ、および前記ロータと共に回転するシャフトを有するモータと、
    前記モータケースの軸方向における端部から立ち上がる方向に形成される受熱面を有するヒートシンクと、
    前記ヒートシンクの前記受熱面に沿って配置される半導体モジュールと、
    前記モータの駆動を制御する制御部を有し、前記半導体モジュールと電気的に接続される制御配線部と、
    前記巻線に通電される巻線電流が通電され、前記半導体モジュールと電気的に接続されるパワー配線部と、
    を備え、
    軸方向において、前記モータケース、前記制御配線部、前記ヒートシンクおよび前記半導体モジュール、前記パワー配線部が、この順で配列され、
    前記半導体モジュールは、
    前記巻線への通電を切り替えるインバータを構成し、グランド側に設けられる低電位側スイッチング素子と、
    前記巻線への通電を切り替える前記インバータを構成し、前記低電位側スイッチング素子よりも高電位側に設けられる高電位側スイッチング素子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子と電力貯留部と接続するインバータ入力端子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子と前記巻線と接続する巻線端子と、
    前記パワー配線部側に設けられ、前記低電位側スイッチング素子とグランドとを接続するインバータグランド端子と、
    前記制御配線部側に設けられ、前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子のオンおよびオフの切り替えに係る制御信号が入出力される制御端子と、
    前記低電位側スイッチング素子、前記高電位側スイッチング素子、前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子および前記制御端子を一体にモールドするモールド部と、
    を有し、
    前記インバータ入力端子、前記巻線端子、前記インバータグランド端子は、この順で隣り合って配列されて端子群をなすことを特徴とする駆動装置。
  15. ータ線は、軸方向において、前記モールド部の前記モータと反対側において前記半導体モジュールと接続されることを特徴とする請求項13または14に記載の駆動装置。
  16. 前記ヒートシンクは、相互に離間する複数の柱状部を有し、
    前記半導体モジュールは、複数の前記インバータに対応するよう複数設けられ、前記一つの柱状部に対し一つの前記インバータが対応するように前記柱状部に配置されることを特徴とする請求項12〜15のいずれか一項に記載の駆動装置。
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