JP2018061363A - モータ駆動装置、モータシステム及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子保護回路への熱的負荷が低減され、低コスト化が図れるモータ駆動装置を提供する。【解決手段】 モータ駆動装置は、表面がモータに対向して配置される第一の基板と、前記第一の基板の裏面側に配置された第二の基板と、前記第一の基板に配置されたスイッチング素子と、コンデンサを含む少なくとも一部が前記第二の基板に配置され、前記スイッチング素子に並列に接続されたスイッチング素子保護回路と備えている。これによりスイッチング素子保護回路のコンデンサへの熱的負荷が低減され、そのため一般的な安価なコンデンサを使用することが可能となる。【選択図】 図４

Description

本発明は、スイッチング素子を備えたモータ駆動装置、及び、これを用いたモータシステム、電動パワーステアリング装置に関する。

電力変換装置（インバータ）と電動モータとが一体的に組み合わされたモータシステムが知られている。例えば、電動パワーステアリング装置に用いられるモータシステムは、車両のハンドルに加えられた運転者の操舵トルクに応じた補助トルクを発生する電動モータと、この電動モータを駆動するモータ駆動装置とを備える。モータ駆動装置は、電動モータに電力を供給するパワースイッチング素子で構成された電力変換装置と、パワースイッチング素子を制御する制御回路とを備えており、電動モータに一体に固定される。
前記パワースイッチング素子の直近には、電圧サージ、ノイズまたはその両方を抑制するためのスナバ回路、ＦＥＴと平滑コンデンサとの間の配線インダクタンスとＦＥＴの寄生容量との間で発生する共振を抑制するためのフィルタ回路等の、コンデンサを備えたスイッチング素子保護回路が接続される場合がある。
一方、動作中の電動モータは発熱し、電動モータの近傍に配置される部品は高温になる。スイッチング素子保護回路のコンデンサも同様に高温になるが、一般的なフィルムコンデンサ等では耐熱温度が低く、要求される動作特性を充分発揮できないという課題があった。
かかる課題に対して、特許文献１には、パワースイッチング素子の近傍に、高温動作可能に構成されたコンデンサを有するスナバ回路を接続した技術が開示されている。

特開２００９−２１９２６８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、高温動作可能なコンデンサは高価であるため、一般的な安価なコンデンサを使用するよりもモータ駆動装置のコストが高くなるという課題があった。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、スイッチング素子保護回路への熱的負荷が低減され、より安価なコンデンサが使用可能となる結果、低コスト化が図れるモータ駆動装置を提供することを目的としている。

本発明のモータ駆動装置は、表面がモータに対向して配置される第一の基板と、前記第一の基板の裏面側に配置された第二の基板と、前記第一の基板に配置されたスイッチング素子と、コンデンサを含む少なくとも一部が前記第二の基板に配置され、前記スイッチング素子に並列に接続されたスイッチング素子保護回路とを備えている。

スイッチング素子保護回路のうち少なくともコンデンサを含む一部を、表面がモータに対向する第一の基板の裏面側に配置された第二の基板上に配置したことにより、スイッチング素子保護回路のコンデンサへの熱的負荷が低減され、そのため一般的な安価なコンデンサを使用することが可能となる。その結果、スイッチング素子保護回路への熱的負荷が小さく、より低コストなモータ駆動装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１によるモータシステムの回路構成を示すブロック図である。 スナバ回路の接続位置を示した図である。 この発明の実施の形態１によるモータシステムの装置構成を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態１によるモータシステムにおける、積層基板の層構成を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態１によるモータシステムにおける、積層基板のスルーホールの概略配置図である。 スルーホール配置の比較例を示した図である。 この発明の実施の形態２によるモータシステムにおける、積層基板の概略断面図である。 この発明の実施の形態３によるモータシステムにおける、積層基板の概略断面図である。 この発明の実施の形態４によるモータシステムにおける、積層基板のスルーホールの概略配置図である。 この発明の実施の形態５による電動パワーステアリング装置の構成を示した図である。

実施の形態１．
以下、電動パワーステアリング装置を例にとり、本発明の実施の形態１によるモータ駆動装置について、図を用いて説明する。
＜回路構成＞
図１は、電動パワーステアリング装置の回路構成を示すブロック図である。図１において、モータシステム１００は、電動モータ９と、モータ駆動装置としての電子制御ユニット２０とを備えている。モータシステム１００は、電源コネクタ１１を介して車両に搭載されたバッテリ１に電気的に接続され、車載各種センサ用コネクタ１２を介して車両側から車両の走行速度信号等の車載各種センサ１４が入力され、トルクセンサ用コネクタ１３を介してトルクセンサ１５からの操舵トルク信号が入力される。トルクセンサ１５は、車両のステアリングシャフト等に設けられ、運転者による操舵トルクを検出し、操舵トルク信号を出力する。

電動モータ９は、３相ブラシレスモータで、例えば永久磁石からなる界磁磁極を備えた回転子９２と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相電機子巻線を有する固定子９１を備えている。図１では、電機子巻線をΔ結線で示しているがＹ結線でも良い。なお、ブラシレスモータは一例であって、誘導機であっても良い。
電動モータ９の回転子９２の回転角（電動モータの回転角と称する場合もある）は、電子制御ユニット２０によって検出される。３相ブラシレスモータである電動モータ９の回転子９２は、前述のように永久磁石で構成された界磁磁極を備えており、後述するように電子制御ユニット２０は、その界磁磁極の動きを回転センサ８４で検出することができる。回転センサ８４は、磁気センサ、またはレゾルバにより構成されている。

電子制御ユニット２０は、ノイズフィルタ２と、バッテリ電流を通電、遮断するスイッチ手段である電源リレー部３と、電力変換回路を構成する３相ブリッジ回路４と、３相ブリッジ回路４の後述するＵ相アームとＶ相アームとＷ相アームにそれぞれ並列接続された平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗと、電動モータ９への電流を通電、遮断するスイッチ手段であるモータリレー部５と、電動モータ９の電機子巻線流れる電流を検出するためのシャント抵抗回路７と、マイクロコンピュータ８１と、スイッチング素子駆動回路８２と、電流検出手段８３と、回転センサ８４とを備えている。シャント抵抗回路７は、後述するシャント抵抗７ｕ、７ｖ、７ｗを備える。

３相ブリッジ回路４は、直列接続されたＵ相上アームとＵ相下アームとからなるＵ相アームと、直列接続されたＶ相上アームとＶ相下アームとからなるＶ相アームと、直列接続されたＷ相上アームとＷ相下アームとからなるＷ相アームとを有している。
各アームには、パワースイッチング素子としてのｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor FIELD-EFFECT-Transistor）が接続される。高電位側であるＵ相上アーム、Ｖ相上アーム、及びＷ相上アームには、高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗがそれぞれ接続されており、低電位側であるＵ相下アーム、Ｖ相下アーム、及びＷ相下アームには、低電位側ＦＥＴ４２ｕ、４２ｖ、４２ｗがそれぞれ接続されている。

高電位側ＦＥＴ４１ｕは、Ｕ相上アームとＵ相下アームとの接続点から導出されているＵ相出力線ＵＬと正極側入力線ＰＬとの間を開閉する。高電位側ＦＥＴ４１ｖは、Ｖ相上アームとＶ相下アームとの接続点から導出されているＶ相出力線ＶＬと正極側入力線ＰＬとの間を開閉する。高電位側ＦＥＴ４１ｗは、Ｗ相上アームとＷ相下アームとの接続点から導出されているＷ相出力線ＷＬと正極側入力線ＰＬとの間を開閉する。低電位側ＦＥＴ４２ｕは、Ｕ相出力線ＵＬと負極側入力線ＮＬとの間を開閉する。低電位側ＦＥＴ４２ｖは、Ｖ相出力線ＶＬと負極側入力線ＮＬとの間を開閉する。低電位側ＦＥＴ４２ｗは、Ｗ相出力線ＷＬと負極側入力線ＮＬとの間を開閉する。

Ｕ相の高電位側ＦＥＴ４１ｕの負極側と低電位側ＦＥＴ４２ｕの正極側が接続され、その接続部に接続されたＵ相出力線ＵＬがモータリレー部５のＵ相のモータリレー用ＦＥＴ５ｕの基準電位側に接続されており、モータリレー用ＦＥＴ５ｕの他端は、電動モータ９の固定子９１におけるＵ相巻線端子ＵＴに接続されている。低電位側ＦＥＴ４２ｕの負極側とシャント抵抗７ｕの一端が接続されており、シャント抵抗７ｕの他端は平滑コンデンサ６ｕの負極側に接続されている。

Ｖ相の高電位側ＦＥＴ４１ｖの負極側と低電位側ＦＥＴ４２ｖの正極側が接続され、その接続部に接続されたＶ相出力線ＶＬがモータリレー部５のＶ相のモータリレー用ＦＥＴ５ｖの基準電位側に接続されており、モータリレー用ＦＥＴ５ｖの他端は、電動モータ９の固定子９１におけるＶ相巻線端子ＶＴに接続されている。低電位側ＦＥＴ４２ｖの負極側とシャント抵抗７ｖの一端が接続されており、シャント抵抗７ｖの他端は平滑コンデンサ６ｖの負極側に接続されている。

Ｗ相の高電位側ＦＥＴ４１ｗの負極側と低電位側ＦＥＴ４２ｗの正極側が接続され、その接続部に接続されたＷ相出力線ＷＬがモータリレー部５のＷ相のモータリレー用ＦＥＴ５ｗの基準電位側に接続されており、モータリレー用ＦＥＴ５ｗの他端は、電動モータ９の固定子９１におけるＷ相巻線端子ＷＴに接続されている。低電位側ＦＥＴ４２ｗの負極側とシャント抵抗７ｗの一端が接続されており、シャント抵抗７ｗの他端は平滑コンデンサ６ｗの負極側に接続されている。高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗの正極側は、平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗの正極側にそれぞれ接続されている。

各相の平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗと、各相の上アーム及び下アームに接続された高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ、及び低電位側ＦＥＴ４２ｕ、４２ｖ、４２ｗとの間に、ＦＥＴがスイッチングしたときのサージ電圧を抑制するスナバ回路、または、ＦＥＴがスイッチングしたときにＦＥＴと平滑コンデンサ間の配線インダクタンスとＦＥＴの寄生容量との間で発生する共振を抑制するためのフィルタ回路が設けられる。スナバ回路及び共振抑制用フィルタ回路は同時に設けられていても良い。以下、スナバ回路の場合について説明する。

第１のスナバ回路接続位置について図１を用いて説明する。Ｕ相において、高電位側ＦＥＴ４１ｕのドレイン端子とスナバ回路４１ｕｓの高電位側が接続され、高電位側ＦＥＴ４１ｕのソース端子とスナバ回路４１ｕｓの低電位側が接続される。同様に低電位側ＦＥＴ４２ｕのドレイン端子とスナバ回路４２ｕｓの高電位側が接続され、低電位側ＦＥＴ４２ｕのソース端子とスナバ回路４２ｕｓの低電位側が接続される。スナバ回路４２ｕｓの低電位側は負極側入力線ＮＬに接続しても良い。Ｖ相、Ｗ相も同様にスナバ回路が接続される。

第２のスナバ回路接続位置について図２を用いて説明する。Ｕ相において、スナバ回路６ｕｓの高電位側が正極側入力線ＰＬに接続され、スナバ回路６ｕｓの低電位側が負極側入力線ＮＬに接続されている。Ｖ相、Ｗ相も同様である。
図２では、各相に対してそれぞれ１個のスナバ回路を接続しているが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対して１個のスナバ回路を設けても良い（第３の接続位置）。

スナバ回路は、サージ電圧を抑制するためにコンデンサで構成したＣスナバ、または高周波の振動を抑制するためのコンデンサと抵抗を直列接続したＣＲスナバが接続されるが、スナバ回路の回路構成はこれらに限定されるものではない。
また、第１、第２、第３のスナバ回路接続位置を組み合わせて使用しても良い。また、例えば、第２のスナバ回路接続位置にＣスナバを接続し、第１のスナバ回路接続位置にＣＲスナバを接続するなど、スナバ回路の構成と接続位置はサージ電圧の抑制、またはノイズ抑制の用途で組み合わせることが可能である。

図１の電子制御ユニット２０に設けられた、３相ブリッジ回路４と、回転子９２の回転位置を検出する回転センサ８４と、シャント抵抗７ｕ、７ｖ、７ｗに接続されて電動モータ９の電機子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段８３と、マイクロコンピュータ８１と、マイクロコンピュータ８１からの指令によりＦＥＴの動作を制御する駆動信号を出力するスイッチング素子駆動回路８２と、電流検出手段８３と、マイクロコンピュータ８１と、スイッチング素子駆動回路８２とは、後述するように積層基板２００に搭載されている。

マイクロコンピュータ８１は、トルクセンサ１５からの操舵トルク信号に基づいて電動モータ９が出力すべき補助トルクを演算すると共に、電流検出手段８３により検出されたモータ電流、及び回転センサ８４により検出された回転子９２の回転位置をフィードバックして補助トルクを発生させるための目標電流を演算する。
電源リレー部３は、互いに直列接続された２個の電源リレー用ＦＥＴ３１、３２で構成されており、電源リレー用ＦＥＴ３１のソース端子と電源リレー用ＦＥＴ３２のソース端子が接続されている。電源リレー用ＦＥＴ３１のドレイン端子はノイズフィルタ２に接続されており、電源リレー用ＦＥＴ３２のドレイン端子は平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗの正極側に接続されている。電源リレー用ＦＥＴ３１と電源リレー用ＦＥＴ３２のゲート端子は、スイッチング素子駆動回路８２に接続されている。
マイクロコンピュータ８１は、ＡＤ変換器とＰＷＭタイマ回路等の他に、周知の自己診断機能を含み、システムが正常に動作しているか否かを常に自己診断しており、異常が発生すると、電源リレー部３の電源リレー用ＦＥＴ３１、３２と、モータリレー部５のモータリレー用ＦＥＴ５ｕ、５ｖ、５ｗを全てオフし、３相ブリッジ回路４と電動モータ９との接続を遮断するようにスイッチング素子駆動回路８２に指令を与える。
スイッチング素子駆動回路８２は、マイクロコンピュータ８１からの指令に基づいて、電源リレー部３の電源リレー用ＦＥＴ３１、３２と、モータリレー部５のモータリレー用ＦＥＴ５ｕ、５ｖ、５ｗを駆動すると共に、パワースイッチング素子としての高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ、及び低電位側ＦＥＴ４２ｕ、４２ｖ、４２ｗを駆動する。
マイクロコンピュータ８１には、前述のようにトルクセンサ１５から操舵トルク情報、回転センサ８４から電動モータ９の回転子９２の回転位置の情報がそれぞれ入力され、また、車載各種センサ用コネクタ１２からは車載各種センサ１４の一つとして走行速度信号が入力される。さらに、シャント抵抗７ｕ、７ｖ、７ｗの両端間電圧値に基づいてモータ電流が電流検出手段８３により検出され、その検出されたモータ電流がマイクロコンピュータ８１にフィードバック入力される。マイクロコンピュータ８１は、これらの情報、信号に基づいてパワーステアリングの回転方向指令、及び補助トルクに相当する電流制御量がそれぞれ生成され、それぞれの駆動信号がスイッチング素子駆動回路８２に入力される。

スイッチング素子駆動回路８２は、マイクロコンピュータ８１からパワーステアリングの回転方向指令及び電流制御量が入力されると、ＰＷＭ駆動信号を生成し、パワースイッチング素子である高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ、及び低電位側ＦＥＴ４２ｕ、４２ｖ、４２ｗに電圧を印加する。これにより電動モータ９にはバッテリ１からの電流が、電源コネクタ１１、ノイズフィルタ２、電源リレー部３、３相ブリッジ回路４、及びモータリレー部５を通じて流れ、所要方向に所要量の補助トルクが電動モータ９から出力される。
このとき、マイクロコンピュータ８１には、シャント抵抗及び電流検出手段を通じて検出されたモータ電流がフィードバックされ、マイクロコンピュータ８１からスイッチング素子駆動回路５２に送られるモータ電流指令と一致するよう制御される。

図１では平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗの負極側を直接ＧＮＤに接続していない。これは平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗと各相の上アーム及び下アームとの閉ループを最小限にして、寄生インダクタンスを低減し、高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗと低電位側ＦＥＴ４２ｕ、４２ｖ、４２ｗがスイッチングしたときに発生するサージ電圧を抑制するためである。

ノイズフィルタ２の構成としては、一般的には、ノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタを併用することで所定の性能を得る設計を行うが、ノイズフィルタ２はノーマルモードフィルタのみ、またはコモンモードフィルタのみであっても良く、あるいは、ノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタの両方を設けても良く、ノーマルモードフィルタとコモンモードフィルタの機能を統合したフィルタでも良いのであって、要求仕様に応じ設計すれば良い。

＜装置構成＞
図３は、この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置用モータシステムの装置構成を示す概略断面図である。モータシステム１００は、前述の図１に示すブロック回路構成を備え、図３に示すように構成されている。図３において、三相ブラシレスモータで構成される電動モータ９の軸方向の反出力側端部にヒートシンクの機能を有する金属筐体１０１が配置され、その金属筐体１０１の軸方向の上方部に積層基板２００が配置され、その積層基板２００の軸方向の上方部に平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗとノイズフィルタ２が配置され、さらにそれらの上部に樹脂ケース１０２が配置されている。
また、樹脂ケース１０２には、外部の直流電源である車両に搭載されたバッテリ１が接続されるパワー系の電源コネクタ１１と、トルクセンサ１５と車載各種センサ１４が接続される制御系のトルクセンサ用コネクタ１３（図示せず）、車載各種センサ用コネクタ１２（図示せず）が樹脂ケース１０２に一体化されて成型されている。平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗは、電解コンデンサ、導電性高分子コンデンサ、あるいはハイブリッドコンデンサが使用される。

積層基板２００は、モータ側から順にパワー基板２３（第一の基板）と、放熱部材２２と、制御基板２１（第二の基板）とが配置され、互いに一体に組み合わされて構成されている。パワースイッチング素子４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ、４２ｕ、４２ｖ、４２ｗはパワー基板２３に配置され、スナバ回路４１ｕｓ、４１ｖｓ、４１ｗｓ、４２ｕｓ、４２ｖｓ、４２ｗｓはコンデンサを含む少なくとも一部が制御基板２１に配置されており、パワースイッチング素子とスナバ回路とは積層基板２００を貫通するスルーホール４１１、４１２を介して接続されている。

放熱部材２２の外周方向の端部は、パワー基板２３と制御基板２１の径方向の端部よりも径方向に延出した延出部２２１を備えており、この放熱部材２２の延出部２２１のモータ側の端面がヒートシンクの機能を有する金属筐体１０１に接触している。積層基板２００で発生した熱は、放熱部材２２の延出部２２１から金属筐体１０１へと伝熱する。

パワー基板２３は、１００μｍを超える大きな厚みの銅配線を有する多層基板である。一方、制御基板２１は、１００μｍ以下の薄い厚みの銅配線を有する多層基板である。したがって、制御基板２１とパワー基板２３の層構成は同一ではない。なお、これ等の銅配線の厚さの数値は一例である。また、使用している銅配線の厚みは異なるが、制御基板２１とパワー基板２３のそれぞれの厚みは同程度でも良いし異なっても良い。
通常、制御基板２１とパワー基板２３のように層構成、厚みが異なる基板を一体に構成すると、基板の反りが問題となる。かかる問題に対し、図３の装置構成ではパワー基板２３と制御基板２１との間に放熱部材２２を挿入しているので大幅に基板の反りが緩和される。放熱部材２２は、パワー基板２３を構成する多層基板の一層に設けられた銅配線と同程度かさらに大きな厚みの銅板により構成されている。また放熱部材２２は、スイッチング素子保護回路に対して、モータからの熱及びパワースイッチング素子からの熱を遮熱する効果もある。

平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗの端子とノイズフィルタ２の端子の一方は、制御基板２１と放熱部材２２を貫通してパワー基板２３に接続されている。磁気センサにより構成された回転センサ８４は、パワー基板２３に接続されている。なお、回転センサ８４としての磁気センサは、電動モータ９の回転子９２の磁極位置を検出できれば良く、必ずしもパワー基板２３へ接続する必要はない。

前述のように構成された積層基板２００は、パワー基板２３と制御基板２１をそれぞれ個別に製作し、しかる後に放熱部材２２の両面にプリプレグを介してパワー基板２３と制御基板２１を固着して一体化させることで製作される。その後、制御基板２１とパワー基板２３の配線が行われる。
パワー基板２３のみで結線される貫通スルーホール（図示せず）は、その片側端部が制御基板２１の表層に現れることがないため、制御基板２１の部品実装面積が増え、小型化が可能である。また、制御基板２１のみで結線される貫通スルーホール（図示せず）は、その片側端部がパワー基板２３に現れることがないため、パワー基板２３の部品実装面積が増え、小型化が可能である。さらに、制御基板２１の配線は、１層あたり１００μｍ以下の薄い銅板のみで構成されるため、制御基板２１の厚みを薄くでき、その結果制御基板２１内を配線するスルーホールの径を小さくできる特徴もある。

マイクロコンピュータ８１とスイッチング素子駆動回路８２は、制御基板２１の表層に配置されている。マイクロコンピュータ８１とスイッチング素子駆動回路８２との接続は、制御基板２１内の貫通スルーホールにより接続されている。パワースイッチング素子としての高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗと低電位側ＦＥＴ４２ｕ、４２ｖ、４２ｗは、パワー基板２３の表層に配置されている。高電位側ＦＥＴ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ及び低電位側ＦＥＴ４２ｕ、４２ｖ、４２ｗのゲート、ソース間とスイッチング素子駆動回路８２とは各基板を貫通するスルーホールで接続されている。

＜パワースイッチング素子およびスナバ回路の接続＞
図４は、積層基板２００の構成を示す概略断面図である。図４を用いて、Ｕ相をもとにパワースイッチング素子およびスナバ回路の接続を説明する。
パワー基板２３のモータ側の表層にパワースイッチング素子４１ｕが実装されている。パワースイッチング素子４１ｕの裏側にあたる制御基板２１の表層には、スナバ回路４１ｕｓが実装されている。パワースイッチング素子４１ｕとスナバ回路４１ｕｓはスルーホール４１１、４１２を介して互いに電気的に接続されている。パワースイッチング素子４２およびスナバ回路４２ｕｓについても同様である。
スルーホール４１１、４１２は、円形で内側にメッキ処理が施されたものであり、放熱部材２２を貫通する部分は、スルーホール４１１、４１２と放熱部材２２とが接触しないように穴があけられている。なお、スルーホールの種類はこれに限定されず、パワースイッチング素子とスナバ回路とを電気的に接続できれば良く、例えば銅インレイを埋め込む形式を用いても良い。
なお、図４ではスナバ回路全体を制御基板２１に搭載しているが、コンデンサと抵抗が直列接続されたＣＲスナバの場合、コンデンサのみ制御基板２１に配置し、抵抗はパワー基板２３に配置しても良い。

通常、パワースイッチング素子の最大許容ジャンクション温度は１５０℃程度であるが、スナバ回路に使用される一般的なフィルムコンデンサは、パワースイッチング素子の最大許容ジャンクション温度よりも使用温度範囲の上限値が低く、通常１２５℃以下である。
それゆえ、従来は、コンデンサをパワー基板２３の表層に実装する場合は、モータからの発熱により高温になる雰囲気温度に耐えられるように高温に対応した特殊な材料で構成された高価なコンデンサを使用しなければならず、コストが高かった。
これに対して、本発明では、スナバ回路４１ｕｓが接続される制御基板２１は、モータ側からパワー基板２３および放熱部材２２を介して位置するため、雰囲気温度がパワー基板２３と比較して低い。そのため、スナバ回路４１ｕｓのコンデンサへの熱的負荷を低減することができ、使用温度範囲の上限値の低いより安価なコンデンサをスナバ回路４１ｕｓに使用することが可能となる。
スナバ回路４１ｕｓのコンデンサには主としてフィルムコンデンサが使用されるが、これに限定されず、低減された熱的負荷に耐え得るものであれば、いずれの種類のコンデンサを使用してもよい。

また、動作中はパワースイッチング素子４１ｕ自体も発熱するが、本発明では、スナバ回路４１ｕｓが、パワースイッチング素子４１ｕが配置されるパワー基板２３の裏面側に設けられた制御基板２１上に配置されているため、スナバ回路４１ｕｓへのパワースイッチング素子４１ｕからの熱の影響も抑制することができる。
また、パワースイッチング素子とスナバ回路とを基板の同一面上に配置する場合と比較して、実効的な配線長が短くなるために、配線インダクタンスおよび配線抵抗が低減される結果、ノイズを小さくできる効果もある。

さらに、制御基板２１の配線パターンはパワー基板２３の配線パターンと比べて薄いため、配線パターンの凹凸を埋めるためのプリプレグの樹脂の厚みを薄くできる。そのため、スナバ回路を制御基板２１に配置した場合の方が、パワー基板２３に配置した場合よりも効率的に冷却ができるという効果もある。

また、パワースイッチング素子４１ｕと４２ｕの直下に、銅インレイＰＩＮが設けられている。銅インレイＰＩＮは、パワー基板の最下位層まで延出しており、プリプレグを介して、放熱部材にパワースイッチング素子で発生した熱を効率的に伝熱できる。この銅インレイＰＩＮは表層の銅パターンと複数の層との電気的接続にも使用しても良い。
また、スナバ回路４１ｕｓと４２ｕｓの配置部の直下に熱伝導部材としてのサーマルビアＴＶを埋設して、スナバ回路の発熱を放熱部材２２に放熱するように構成しても良い。

パワースイッチング素子４１ｕとスナバ回路４１ｕｓとを接続するスルーホール４１１、４１２は、高電位側４１１と低電位側４１２とが並走されている。並走させることでスルーホールの高電位側４１１と低電位側４１２で磁界をキャンセルするために、配線インダクタンスを低減することが可能である。パワースイッチング素子４２ｕとスナバ回路４２ｕｓとの接続も同様である。

図５に、パワー基板２３の上面図を示す。図５では、パワースイッチング素子４２ｕのゲート端子４２３ｕとソース端子４２２ｕとスイッチング素子駆動回路とを接続する一組の第二スルーホール４２６ｕ、４２７ｕは、スナバ回路とパワースイッチング素子を接続する一組の第一スルーホール４２４ｕ、４２５ｕからパワースイッチング素子を介して対向する位置に配置されている。すなわち、一組の第一スルーホール４２４ｕ、４２５ｕのパワースイッチング素子との接続点と、一組の第二スルーホール４２６ｕ、４２７ｕのパワースイッチング素子との接続点とが、パワースイッチング素子４２ｕを介して対向して配置されている。
スナバ回路にはパワースイッチング素子がスイッチングしたときに高周波の電流が流れるために、スナバ回路を接続するスルーホールがゲート・ソース間のスルーホールへと及ぼす電磁干渉を防ぐ必要があるが、第一スルーホールと第二スルーホールとをパワースイッチング素子を介して対向する位置に配置することで、スナバ回路を接続するスルーホールからゲート・ソース間のスルーホールへの電磁干渉を抑制することが可能である。

比較例を図６に示す。図６では、パワースイッチング素子４２ｕのゲート端子４２３ｕとソース端子４２２ｕとスイッチング素子駆動回路とを接続する一組の第二スルーホール（４２６ｕ、４２７ｕ）と、スナバ回路とパワースイッチング素子とを接続する一組の第一スルーホール（４２４ｕａ、４２５ｕａ）が、パワースイッチング素子の片側に集中している。片側に集中すると、スナバ回路とパワースイッチング素子を接続するスルーホールがゲート・ソース端子とスイッチング素子駆動回路を接続するスルーホールに電磁干渉を起こしてパワースイッチング素子４２ｕにノイズを与える。また、誤動作を起こす可能性もある。

＜装置の組立＞
モータシステム１００の組立手順としては、樹脂ケース１０２の平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗが配置される部位１０２１に第１の緩衝部材６ａを配置し、樹脂ケース１０２のノイズフィルタ２が配置される部位１０２２に第２の緩衝部材２ａを配置し、次に、平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗとノイズフィルタ２を、樹脂ケース１０２のそれぞれの所定の部位１０２１、１０２２に配置し、平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗとノイズフィルタ２の軸方向の高さ、及び端子位置を確定する。平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗの上面は、防爆弁の開封を考慮して、樹脂ケース１０２との間にスペースが確保されている。

次に外部電源であるバッテリ１との接続部を構成する電源コネクタ１１の一端と、ノイズフィルタ２の入力端２１１を接続する。その接続は溶接でも良いし、はんだ付け、ねじ止め、プレスフィットでも良い。電源コネクタ１１の他端は、外部電源であるバッテリ１のコネクタ（図示せず）に接続される。
積層基板２００を樹脂ケース１０２に配置する前に、第３の緩衝部材２４を樹脂ケース１０２に挿入する。この第３の緩衝部材２４は、放熱部材２２とヒートシンクとしての金属筐体１０１の熱抵抗を低減出来れば良く、リング状に配置しても良いし、部分的に配置しても良い。

次に、平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗとノイズフィルタ２のリード線を積層基板２００に設けられた所定の貫通スルーホールに通し、積層基板２００のパワー基板２３に予めはんだ付けされたＬ字端子４ｂに接続する。この接続部分は溶接でも良いし、はんだ付け、ねじ止め、プレスフィットでも良い。なお、積層基板２００に設けられた貫通スルーホールは、制御基板２１と放熱部材２２とパワー基板２３を貫通して設けられており、前述の制御基板のみに設けられている貫通スルーホールとパワー基板のみに設けられている貫通スルーホールとは別体である。
なお、実施の形態１では、予めＬ字端子４ｂをはんだ付けした積層基板２００に平滑コンデンサ６ｕ、６ｖ、６ｗとノイズフィルタ２の端子を接続しているが、Ｌ字端子４ｂを設けずに直接積層基板２００のランドにはんだ付けしても良い。

次に、金属筐体１０１と積層基板２００の放熱部材２２とが接触するように、金属筐体１０１と樹脂ケース１０２とを接合する。ヒートシンクとしての金属筐体１０１と樹脂ケース１０２との接合は、接着剤でも良いし、ねじ止め、プレスフィットでも良い。

以上説明したように、実施の形態１によれば、スナバ回路を、パワースイッチング素子が配置されるパワー基板（モータ側）の裏面側に設けられた制御基板上に配置したことにより、スナバ回路のコンデンサへの熱的負荷が低減され、一般的な安価なコンデンサを使用することが可能となる。その結果、スナバ回路への熱的負荷が小さく、コストの低いモータ駆動装置を得ることができる。

なお、スナバ回路を一例として説明したが、これに限定されるものではなく、共振抑制用フィルタ回路のような、パワースイッチング素子の直近に配置されるスイッチング素子保護回路であれば同様に適用することができる。
また、電動パワーステアリング装置を一例として説明したが、これに限定されず、電力変換装置を含むモータ駆動装置とモータとが一体に組み合わされたモータシステムであれば同様に適用することができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２によるモータ駆動装置について説明する。図７は、この発明の実施の形態２によるモータ駆動装置の構成を示す図である。実施の形態２は、放熱部材が無いこと以外は、実施の形態１と同様である。
放熱部材が無くても、スナバ回路を、パワースイッチング素子が配置されるパワー基板（モータ側）の裏面側に設けられた制御基板上に配置したことにより、スナバ回路へのモータからの熱の影響を抑制することができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３によるモータ駆動装置について説明する。図８は、この発明の実施の形態３によるモータ駆動装置の構成を示す図である。発明の実施の形態３によるモータ駆動装置の回路構成は、図１と同様である。また、図８では、図４に示した構成と同一ないし同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。
前述の実施の形態１では、制御基板２１の表層にスナバ回路を実装するようにしていたが、実施の形態３では、制御基板２１ａの内部にスナバ回路４１ｕｓ、４２ｕｓを埋設した構成である。
制御基板２１ａ内にスナバ回路を埋設することで、制御基板２１ａの表層の実装面積が増えるため、基板を小型化することができ、結果としてモータシステムを小型化することができる。また、表層に配置する場合と比較してスルーホール長が短くなるために、配線インダクタンス、配線抵抗を小さくすることができる。また、基板内に部品を埋設することで部品が樹脂で固定され、振動に対する強度が増すという効果もある。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４によるモータ駆動装置について説明する。図９は、この発明の実施の形態４による、スナバ回路とパワースイッチング素子とを接続するスルーホールとゲート・ソース端子間とスイッチング素子駆動回路とを接続するスルーホールとの位置関係を示す図である。発明の実施の形態４によるモータシステムの回路構成は、図１と同様である。なお、図９では、図５に示した構成と同一ないし同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。
実施の形態４では、ゲート抵抗ＲＧ４２をパワースイッチング素子４２ｕのゲート端子４２３ｕの直近のパワー基板の表層に実装している。ゲート抵抗ＲＧ４２をパワースイッチング素子４２ｕの直近に接続することで、ゲート抵抗ＲＧ４２とパワースイッチング素子の寄生容量（図示しない）が低域通過フィルタの役割を果たすために、スルーホールに電磁干渉の影響で重畳された高周波のノイズ成分が除去されるために、パワースイッチング素子４２ｕのゲート電圧に与える電磁干渉の影響を抑制することができる。その結果、パワースイッチング素子のゲート・ソース間のノイズの影響によるパワースイッチング素子の誤動作を防止することができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５について図１０を用いて説明する。実施の形態５は、実施の形態１のモータ駆動装置２０を電動パワーステアリング装置に適用したものである。
図１０の電動パワーステアリング装置は、実施の形態１のモータ駆動装置２０およびモータ９からなるモータシステム１００を備える。モータ駆動装置２０は、運転者のハンドル操作のトルクを検出するトルクセンサ１５および車載各種センサからの信号に応じてモータ９を駆動し、車両のステアリング機構に補助トルクを付与する。
実施の形態１のモータ駆動装置を使用したことにより、スイッチング素子保護回路への熱的負荷が小さく、コストの低い電動パワーステアリング装置を得ることができる。
なお、図１０はコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置を示したものであるが、これに限らず、ピニオンアシスト式、ラックアシスト式いずれの電動パワーステアリング装置に関しても同様に適用することができる。

以上、各実施の形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に何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することができる。

１００ モータシステム、
２０ 電子制御ユニット、
２００ 積層基板、
２１ 制御基板、
２２ 放熱部材、
２２１ 延出部、
２３ パワー基板、
１ バッテリ、
２ ノイズフィルタ、
３ 電源リレー部、
３１、３２ 電源リレー用ＦＥＴ、
４ ３相ブリッジ回路、
４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ 高電位側ＦＥＴ、
４１ｕｓ、４１ｖｓ、４１ｗｓ スナバ回路、
４２ｕ、４２ｖ、４２ｗ 低電位側ＦＥＴ、
４２ｕｓ、４２ｖｓ、４２ｗｓ スナバ回路、
４ｂ Ｌ字端子、
５ モータリレー部、
５ｕ、５ｖ、５ｗ モータリレー用ＦＥＴ、
６ｕ、６ｖ、６ｗ 平滑コンデンサ、
６ｕｓ スナバ回路
７ｕ、７ｖ、７ｗ シャント抵抗、
８ 制御部、
８１ マイクロコンピュータ、
８２ スイッチング素子駆動回路、
８３ 電流検出手段、
８４ 回転センサ、
９ 電動モータ、
９１ 固定子、
９２ 回転子、
６ａ 第１の緩衝部材、
２ａ 第２の緩衝部材、
２４ 第３の緩衝部材、
１１ 電源コネクタ、
１２ 車載各種センサ用コネクタ、
１３ トルクセンサ用コネクタ、
１４ 車載各種センサ、
１５ トルクセンサ、
１０１ 金属筐体、
１０２ 樹脂ケース、
ＵＬ Ｕ相出力線、
ＶＬ Ｖ相出力線、
ＷＬ Ｗ相出力線、
ＰＬ 正極側入力線、
ＮＬ 負極側出力線、
ＵＴ Ｕ相巻線端子、
ＶＴ Ｖ相巻線端子、
ＷＴ Ｗ相巻線端子、
ＴＶ サーマルビア、
ＰＩＮ 銅インレイ

Claims (13)

1. 表面がモータに対向して配置される第一の基板と、前記第一の基板の裏面側に配置された第二の基板と、前記第一の基板に配置されたスイッチング素子と、コンデンサを含む少なくとも一部が前記第二の基板に配置され、前記スイッチング素子に並列に接続されたスイッチング素子保護回路と、を備えたモータ駆動装置。
2. 前記スイッチング素子と前記スイッチング素子保護回路とは一組の第一スルーホールを介して接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載されたモータ駆動装置。
3. 前記一組の第一スルーホールは並走して配置される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載されたモータ駆動装置。
4. 前記スイッチング素子保護回路は、スナバ回路あるいは共振抑制用フィルタ回路である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載されたモータ駆動装置。
5. 前記第一の基板と前記第二の基板との間に、前記第一の基板及び前記第二の基板よりも熱伝導率の高い材料で構成された放熱部材を備えた、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載されたモータ駆動装置。
6. 前記第一の基板、前記第二の基板および前記放熱部材の周囲に配置される金属筐体を備え、前記放熱部材の端部は、前記第一の基板及び前記第二の基板の端部よりも外周方向に延出し前記金属筐体に接触する、
   ことを特徴とする請求項５に記載されたモータ駆動装置。
7. 前記スイッチング素子保護回路のうち前記コンデンサを含む少なくとも一部が配置された領域の第二の基板内部に埋設され、前記第二の基板よりも熱伝導率の高い材料で構成され、前記コンデンサの熱を前記放熱部材へと伝熱する熱伝導部材を備えた、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載されたモータ駆動装置。
8. 前記第一の基板と前記放熱部材、及び、前記第二の基板と前記放熱部材は、プリプレグを介して固着されており、前記第二の基板と前記放熱部材との間のプリプレグの厚さは、前記第一の基板と前記放熱部材との間のプリプレグの厚さよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載されたモータ駆動装置。
9. 前記スイッチング素子保護回路のうち前記コンデンサを含む少なくとも一部は、前記第二の基板内に埋設される、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載されたモータ駆動装置。
10. 前記第二の基板上に配置されたスイッチング素子駆動回路と、
    前記スイッチング素子駆動回路と前記スイッチング素子のゲート端子及びソース端子を接続する一組の第二スルーホールとを備え、
    前記一組の第一スルーホールの前記スイッチング素子との接続点と、前記一組の第二スルーホールの前記スイッチング素子との接続点とが、前記スイッチング素子を介して対向して配置される、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載されたモータ駆動装置。
11. 前記第二の基板上に配置されたスイッチング素子駆動回路と、
    前記スイッチング素子駆動回路と前記スイッチング素子のゲート端子及びソース端子を接続する一組の第二スルーホールとを備え、
    前記スイッチング素子の前記ゲート端子と前記第二スルーホールとの間にゲート抵抗が接続された、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載されたモータ駆動装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載されたモータ駆動装置と、前記モータ駆動装置に隣接して配置され前記モータ駆動装置により駆動されるモータと、
    を備えたモータシステム。
13. 請求項１２に記載されたモータシステムを備え、前記モータシステムにより車両のステアリング機構に補助トルクを付与する、電動パワーステアリング装置。

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