電力変換装置
【課題】信頼性向上を図ることができる電力変換装置の提供。
【解決手段】直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、制御回路からの駆動信号に基づいてスイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路と、制御回路からの駆動信号を駆動回路に伝達する信号伝達ユニット(20)とを備え、信号伝達ユニット(20)は、プリント基板(1)上に絶縁部材を挟んで対向するように設けられ、該プリント基板の導体パターンにより形成された一対のコイル(2,3)と、プリント基板(1)に実装され、一対のコイル(2,3)の一方に制御回路からの駆動信号を印加する第１の信号回路(4)と、プリント基板(1)に実装され、一対のコイル(2,3)の他方に誘起される電圧を検出する第２の信号回路(6)とを備えることを特徴とする。
【解決手段】直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、制御回路からの駆動信号に基づいてスイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路と、制御回路からの駆動信号を駆動回路に伝達する信号伝達ユニット(20)とを備え、信号伝達ユニット(20)は、プリント基板(1)上に絶縁部材を挟んで対向するように設けられ、該プリント基板の導体パターンにより形成された一対のコイル(2,3)と、プリント基板(1)に実装され、一対のコイル(2,3)の一方に制御回路からの駆動信号を印加する第１の信号回路(4)と、プリント基板(1)に実装され、一対のコイル(2,3)の他方に誘起される電圧を検出する第２の信号回路(6)とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置において、省エネルギーのために、モータをＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子で制御する方法があるが、近年、半導体素子、特にＩＧＢＴの低価格化により広く利用されるようになっている。
【０００３】
ところで、電力変換装置の上アームＩＧＢＴのエミッタは出力に接続されているため、上アームＩＧＢＴは主電源接地端子に対して電位的にフロート状態で駆動される。例えば、上アームＩＧＢＴがオン状態では、主電源と同じ高電圧がＩＧＢＴに加わる。そのため、マイコンからの信号で上アームＩＧＢＴを駆動するためには、信号をマイコン側の低電位から高電位に伝える必要がある。
【０００４】
従来は、低電位から高電位に信号を伝える方法として、フォトカプラやトランス（パルストランス）が知られている。フォトカプラは、発光素子として化合物半導体を使うため高価であり、また、長期間使用すると発光素子の発光強度が低下し、動作し難くなるという問題があった。また、パルストランスはフォトカプラよりも高価であるため、コスト面でフォトカプラ以上に問題がある。
【０００５】
これに対して、近年半導体プロセスを応用し、基板上にパルストランスを作成する技術が提案されている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。特許文献１に記載のパルストランスでは、駆動回路が形成された基板上に二次コイルを形成し、その二次コイル上に絶縁体を形成し、さらに絶縁体上に一次コイルを形成している。非特許文献１によれば、絶縁体はシリコン酸化膜で形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００８−５３０８０７号公報
【０００７】
【非特許文献１】Ｍ．ミュンツァー（M.Munzer）外３名、「Coreless transformer a new technology for half bridge driver IC’s」、Proceedings PCIM Europe 2003 ＰＥ9-2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＩＧＢＴのオンオフにより上下アームの各アース電位が変化するため、パルストランスのコイル間の電圧Ｖも変化する。コイル間には浮遊容量Ｃがあるため、コイル間電圧が時間的に変化すると、（ｄＶ／ｄｔ）・Ｃに応じた変位電流がコイル間の絶縁体領域に生じることになる。電源電圧が数百ボルトと高くなると、絶縁体にかかる電界も大きくなるため、高電圧で長時間使用すると絶縁劣化を招くという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、制御回路からの駆動信号に基づいてスイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路と、制御回路からの駆動信号を駆動回路に伝達する信号伝達ユニットとを備え、信号伝達ユニットは、プリント基板上に絶縁部材を挟んで対向するように設けられ、該プリント基板の導体パターンにより形成された一対のコイルと、プリント基板に実装され、一対のコイルの一方に制御回路からの駆動信号を印加する第１の信号回路と、プリント基板に実装され、一対のコイルの他方に誘起される電圧を検出する第２の信号回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電力変換装置の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】回転電機の駆動システムを示すブロック図である。
【図２】ドライバ回路１７４のＵ相に関する概略構成を示すブロック図である。
【図３】信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例における信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】第２の実施の形態における信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図８】コイル２２，２３の詳細を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ断面図である。
【図９】第２の実施の形態の変形例における信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図１０】コイル２２の断面図である。
【図１１】変形例２を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、ハイブリッド自動車等の電気車に用いられる回転電機の駆動システムを示すブロック図であり、本実施の形態による電力変換装置１００を備えている。なお、本発明の電力変換装置は、ハイブリッド自動車等に限らず、鉄道用のインバータや、ダンプトラックや産業用ミルなどに適用可能である。バッテリ１３６からの直流電力は電力変換装置１００で交流の電力に変換され、モータ１９２に供給される。電力変換装置１００にはインバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とが備えられ、インバータ装置１４０はインバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。
【００１３】
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した３つの上下アーム直列回路１５０（１５０Ｕ〜１５０Ｗ）を備えている。上下アーム直列回路１５０Ｕ，１５０Ｖ，１５０Ｗはそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６との間に電気的に並列に接続されている。インバータ装置１４０は、モータ１９２に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。例えば、モータ１９２の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９２はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９２は発電機として作用し、モータ１９２は回生制動状態の運転となる。
【００１４】
各上下アーム直列回路１５０Ｕ〜１５０Ｗは、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６とを有している。ＩＧＢＴ３２８，３３０はスイッチング用半導体素子である。各上下アーム直列回路１５０Ｕ〜１５０Ｗの中点部分（中間電極１６９）の交流端子１５９には、モータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６が接続されている。交流電力線１８６は、交流コネクタ１８８を介してモータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に電気的に接続されている。
【００１５】
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、信号線１７６を介してドライバ回路１７４へ制御信号を供給する制御回路１７２とを有している。上アームのＩＧＢＴ３２８および下アームのＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータ１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。その結果、バッテリ１３６から供給された直流電力は三相交流電力に変換され、モータ１９２の電機子巻線に供給される。なお、上述のとおり、インバータ装置１４０はモータ１９２が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
【００１６】
ＩＧＢＴ３２８，３３０は、コレクタ電極１５３，１６３、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５）、ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１７】
スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。なお、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、ＩＧＢＴのように、別途、ダイオード（ダイオード１５６やダイオード１６６）を設ける必要がない。
【００１８】
モータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して設けられた３つの上下アーム直列回路１５０Ｕ，１５０Ｖ，１５０Ｗは、電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。
【００１９】
コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。
【００２０】
制御部１７０は、制御回路１７２とドライバ回路１７４とを備えている。制御回路１７２は、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成する。
【００２１】
制御回路１７２はＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２２】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００２３】
図２は、ドライバ回路１７４のＵ相に関する概略構成を示すブロック図である。なお、Ｖ相およびＷ相に関しても同様の構成となっている。制御回路１７２から出力された上アームＩＧＢＴ３２８への信号は、ドライバ回路１７４の信号伝達ユニット２０Ｕａに入力される。一方、制御回路１７２から出力された下アームＩＧＢＴ３３０への信号は、ドライバ回路１７４の信号伝達ユニット２０Ｕｂに入力される。信号伝達ユニット２０Ｕａ，２０Ｕｂは同一構成を有しており、送信回路２００と、受信回路２０４と、一対のコイル２，３を備えている。コイル２，３はパルストランスとして機能するものであり、本実施の形態では、一対のコイル２，３をパルストランス部２０２と呼ぶことにする。
【００２４】
パルストランス部２０２を介して送信回路２００から受信回路２０４に伝送された信号は、バッファ回路２０６により増幅され、ドライブ信号として上アームＩＧＢＴ３２８および下アームＩＧＢＴ３３０へ入力される。送信回路２００と受信回路２０４はパルストランス部２０２によって電気的に絶縁され、信号伝達ユニット２０Ｕａ，２０Ｕｂの送信回路２００のアースは制御回路１７２のアースと同電位とされる。一方、上アームＩＧＢＴ３２８に関する受信回路２０４およびバッファ回路２０６のアースは、下アームＩＧＢＴ３２８のアースと同電位とされている。また、下アームＩＧＢＴ３３０のアースは、バッテリ１３６のアースと同電位とされる。制御回路１７２のアースとバッテリ１３６のアースは、一般的にはトランス等で絶縁されている。ただし、電位差はほぼ一定である。
【００２５】
図３は、信号伝達ユニット２０の斜視図である。なお、図２では、ＩＧＢＴ３２８，３３０に対応して設けられた信号伝達ユニットの符号をそれぞれ２０Ｕａ，２０Ｕｂと表示したが、これらは同一構造を有しているので、以下では、信号伝達ユニット２０と称することにする。図３に示すように、信号伝達ユニット２０は、送信回路２００を集積化したＩＣ４と、受信回路２０４を集積化したＩＣ６と、コイル２，３をプリント基板上に実装したものであり、これらの実装部品は保護用の絶縁物８により覆われている。絶縁物８はレジンなどが用いられる。なお、図３では、内部構造を示すために、絶縁物８の一部を破断面とした。
【００２６】
図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。なお、図４では絶縁物８の図示を省略した。プリント基板１には多層基板が用いられ、図４に示す例では導体層を４つ備えた４層構造の多層基板が用いられている。パルストランス部２０２を構成するコイル２，３は、プリント基板１の導体パターンによって形成されている。コイル２は１層目の導体パターンで形成されており、渦巻き状の平面コイルを成している。一方、コイル３は４層目の導体パターンで形成された平面コイルを成しており、コイル２に対向する位置に配置されている。そのため、これら２つのコイル２，３の磁気結合によりトランスが形成されることになる。コイル２とコイル３との間には３層分の基板絶縁部が介在することになる。
【００２７】
プリント基板１の表面側に形成されたコイル２は、ワイヤボンデング５および端子７を介してＩＣ４に接続されている。一方、４層目の導体パターンに形成されたコイル３は、基板表面まで達する貫通パターン３ａ（例えば、後述するビア）により端子７に接続され、ワイヤボンデング５によりＩＣ６に接続されている。信号伝達ユニット２０のプリント基板１は、はんだボール９によってドライバ回路１７４の基板上に実装されている。信号伝達ユニット２０と外部との間の入出力は、はんだボール９を通じて行われる。なお、本実施形態では、ドライバ回路１７４の基板（プリント基板）とは別のプリント基板１にパルストランス部２０２のコイル２，３を形成したが、ドライバ回路１７４の基板上に直接コイル２，３を形成するようにしても構わない。
【００２８】
本実施の形態における、パルストランス部２０２の動作を説明する。制御回路１７２からの信号は、はんだボール９を通じてＩＣ４の送信回路２００に伝えられる。駆動信号を受信した送信回路２００は、受信した信号に基づき信号電流を短時間だけコイル２に流す。その結果、コイル２に信号電流が流れたときに、コイル２と磁気結合しているコイル３に電圧が発生する。ＩＣ６の受信回路２０４は、コイル３に発生した電圧を検知して信号を受信する。このような機構により、低電位側（制御回路１７２）から高電位側（上下アーム直列回路１５０Ｕ）に信号を伝えることが可能となる。
【００２９】
ところで、図２において、上アーム側のアースは、上アームＩＧＢＴ３２８がオンあるいは上アーム側のダイオード１５６に電流が還流しているときには、高電圧電源１３６の高電位にほぼ等しい電位となる。一方、下アームＩＧＢＴ３３０がオンあるいは下アーム側のダイオード１６６に電流が還流しているときには、上アーム側のアースは下アームアース電位にほぼ等しい電位となる。すなわち、ＩＧＢＴ３２８，３３０のオン、オフにより上アームアース電位は大きく変化する。
【００３０】
そのため、パルストランス部２０２のコイル２，３間にも、上下アーム間アース電圧の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）が加わることになる。この電圧の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）と、パルストランス部２０２のコイル２，３間の浮遊容量Ｃの積ｄＶ／ｄｔ×Ｃが、コイル２，３間の絶縁物に変位電流として流れる。
【００３１】
従来のトランスに巻線を巻いた構造のパルストランスでは、巻線の間隔が広く浮遊容量が小さかったため、変位電流が小さかった。また、シリコン基板にコイルを形成するパルストランスでは、絶縁物はシリコン酸化膜で形成されているため、半導体プロセスの制限により、絶縁物の厚さは１０μｍ程度にしかできない。そのため、変位電流の大きさが、トランスに巻線を巻いたパルストランスに比べて１０倍以上となり、高電圧で長時間使用すると絶縁劣化が生じるということを、本発明者は見出した。
【００３２】
一方、本実施の形態によれば、コイル２とコイル３とは、プリント基板１の厚い絶縁部で絶縁されるため、基板絶縁部の厚さを１ｍｍ程度とすることで、シリコン基板にパルストランスを形成する場合に比べて、絶縁物厚さを１００倍程度に大きくすることができる。そのため、浮遊容量Ｃの大きさは１／１００に小さくなり、電圧の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）と浮遊容量Ｃとの積が小さくなって、変位電流の影響を著しく低減することができる。その結果、スイッチング時の電圧変化に対するパルストランス部２０２の信頼性向上を図ることができる。
【００３３】
また、ＩＣ４，６を実装するプリント基板１の導電パターンを利用してコイル２，３を形成しているので、トランスに巻線を巻いた構造のパルストランスに比べてコスト低減を図ることが出来る。さらに、プリント基板１上にコイル２およびコイル３によりパルストランス部２０２を形成し、同じプリント基板１上にＩＣ４，６を配置してワイヤボンデングで接続する構造としているため、配線距離を短くでき、ＩＧＢＴなど他の部品からのノイズによる影響を抑制することができる。
【００３４】
［変形例］
図５，６は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図である。図５は、図３の場合と同様に信号伝達ユニット２０を示す斜視図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。この変形例においては、プリント基板１に、コイル２，３に対するシールド導体１０をさらに設けた。その他の構造は第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
図６に示すように、プリント基板１は５層構造を有しており、５層目の導体パターンにシールド導体１０を形成している。プリント基板１が実装されるドライバ回路１７４の回路基板は、インバータ回路１４４を構成するＩＧＢＴモジュールの上部に配置されることが多い。そのような場合、図５，６に示すようなシールド導体１０をコイル３の下側に配置することで、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング時に発生するノイズを遮断することができる。その結果、信号系に関する耐ノイズ性能を向上させることができる。なお、ノイズ遮断効果を大きくするため、シールド導体１０はＩＣ４のアース電位とすることが望ましい。
【００３６】
なお、上述した実施の形態では送信側のコイル２を基板表面側に設けたが、コイル２，３の配置を逆にして、コイル３を表面側に形成しても良い。
【００３７】
−第２の実施の形態−
図７，８は、第２の実施の形態を説明する図である。上述した第１の実施の形態では、導体パターンでコイル２，３を形成する際に、プリント基板１の基板表面に平行な平面コイルを構成した。第２の実施の形態では、図７に示すように、コイルの軸が基板表面と平行となるようなソレノイド状のコイル２２，２３を形成して、パルストランス部２０２とした。
【００３８】
図８は、コイル２２，２３の構造を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ断面図である。コイル２２，２３は同一構造を有しており、プリント基板１の表面側に形成された導体パターン２２ａ，２３ａと裏面側に形成された導体パターン２２ｃ、２３ｃとを、基板垂直方向に貫通するビア（スルーホールビア）２２ｂ、２３ｂにより連結することにより、矩形断面形状を有するソレノイド状のコイル２２，２３を形成している。ビア２２ｂ、２３ｂは基板垂直方向に形成された穴の内表面にメッキ層を形成したメッキ穴であり、ビアホール内には絶縁物１２が充填されている。
【００３９】
［変形例１］
図９，１０は、第２の実施の形態の変形例１を示す図である。図９は信号伝達ユニット２０の斜視図であり、プリント基板１にノイズ防止用のシールド導体１３、１４を設けた点が、図７に示す構成と異なる。図１０は、コイル２２の断面図であり、図８のＢ−Ｂ断面と同一箇所の断面を示したものである。図８に示したプリント基板１は３層構造の多層基板であるが、図１０に示すプリント基板１は５層構造を有している。また、ビア２２ｂは上側の三層を貫通している。コイル２２に対応して設けられたシールド導体１３は、コイル２２の下側の導体パターン２２ｃよりも下層の同ターパターンで形成されている。コイル２３に対するシールド導体１４も同様の構成である。
【００４０】
シールド導体１３，１４も上述したシールド導体１０と同様の目的で設けられたものであり、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング時に発生するノイズを遮断することができる。その結果、信号系に関する耐ノイズ性能を向上させることができる。なお、ノイズ遮断効果を大きくするため、シールド導体１３はＩＣ４のアース電位とし、シールド導体１４はＩＣ６のアース電位とすることが望ましい。
【００４１】
［変形例２］
上述した第２の実施の形態では、コイル２２，２３をソレノイド状のコイルとしたが、第１の実施の形態のように平面型のコイルとしても良い。図１１は、平面型のコイルとした場合の一例を示したものである。Ｅ−Ｅ断面図を見ると、コイルは渦巻き状に３巻されている。外側のコイル配線は導体パターン２２１ａ，２２１ｃとビア２２１ｂ，２２１ｄで構成され、中間のコイル配線は導体パターン２２２ａ，２２２ｃとビア２２２ｂ，２２２ｄで構成され、内側のコイル配線は導体パターン２２３ａ，２２３ｃとビア２２３ｂで構成されている。
【００４２】
上述した第２の実施の形態では、第１の実施の形態の作用効果に加えて、次のような作用効果を奏する。コイル２２，２３の軸が基板厚さ方向に対して垂直な方向（基板面に対して水平な方向）を向いており、基板面に平行な磁束をコイル２３で検出するようにしているので、基板面に対して垂直方向のスイッチングノイズに対して影響を受け難い構造となっている。また、コイル２，３を形成するための基板スペースを抑えることもできる。
【００４３】
上述した実施の形態が奏する作用効果をまとめると、以下のようになる。
（１）送信側のＩＣ４と受信側のＩＣ６とが実装されたプリント基板１の導体パターンを利用して、パルストランス部２０２を構成する一対のコイル２およびコイル３をプリント基板１自体に形成し、プリント基板１の絶縁基板をコイル２，３間の絶縁に用いているので、絶縁距離を十分大きくすることができ、時間変化ｄＶ／ｄｔによる変位電流の影響を低減でき、信頼性向上を図ることができる。
【００４４】
（２）さらに、プリント基板１のコイル３よりも裏面に近い側にシールド導体層１０を設けたことにより、プリント基板１の下方に設けられているスイッチング素子からのスイッチングノイズを遮蔽することができ、ノイズの影響を低減することとで信頼性向上を図ることができる。
【００４５】
（３）一対のコイルの各々２２，２３は、コイルの軸がプリント基板１の表面に対して平行となるように形成され、それらのコイル２２，２３をプリント基板１の厚さ方向と直交する方向に並べて配置したことにより、スイッチングノイズの影響を抑えることができる。また、プリント基板１にコイル２２，２３を形成する際のスペースをより小さくすることができる。
【００４６】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
１：プリント基板、２，３，２２，２３：コイル、２２ｂ，２３ｂ，２２１ｂ、２２１ｄ、２２２ｂ、２２２ｄ、２２３ｂ：ビア、４，６：ＩＣ、１０，１３，１４：シールド導体、２０，２０Ｕａ，２０Ｕｂ：信号伝達ユニット、１００：電力変換装置、１３６：バッテリ、１４０：インバータ装置、１４４：インバータ回路、１５０，１５０Ｕ〜１５０Ｗ：上下アーム直列回路、１５６，１６６：ダイオード、１７０：制御部、１７２：制御回路、１７４：ドライバ回路、１９２：モータ、２００：送信回路、２０２：パルストランス部、２０４：受信回路、２０６：バッファ回路、３２８，３３０：ＩＧＢＴ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置において、省エネルギーのために、モータをＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子で制御する方法があるが、近年、半導体素子、特にＩＧＢＴの低価格化により広く利用されるようになっている。
【０００３】
ところで、電力変換装置の上アームＩＧＢＴのエミッタは出力に接続されているため、上アームＩＧＢＴは主電源接地端子に対して電位的にフロート状態で駆動される。例えば、上アームＩＧＢＴがオン状態では、主電源と同じ高電圧がＩＧＢＴに加わる。そのため、マイコンからの信号で上アームＩＧＢＴを駆動するためには、信号をマイコン側の低電位から高電位に伝える必要がある。
【０００４】
従来は、低電位から高電位に信号を伝える方法として、フォトカプラやトランス（パルストランス）が知られている。フォトカプラは、発光素子として化合物半導体を使うため高価であり、また、長期間使用すると発光素子の発光強度が低下し、動作し難くなるという問題があった。また、パルストランスはフォトカプラよりも高価であるため、コスト面でフォトカプラ以上に問題がある。
【０００５】
これに対して、近年半導体プロセスを応用し、基板上にパルストランスを作成する技術が提案されている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。特許文献１に記載のパルストランスでは、駆動回路が形成された基板上に二次コイルを形成し、その二次コイル上に絶縁体を形成し、さらに絶縁体上に一次コイルを形成している。非特許文献１によれば、絶縁体はシリコン酸化膜で形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００８−５３０８０７号公報
【０００７】
【非特許文献１】Ｍ．ミュンツァー（M.Munzer）外３名、「Coreless transformer a new technology for half bridge driver IC’s」、Proceedings PCIM Europe 2003 ＰＥ9-2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＩＧＢＴのオンオフにより上下アームの各アース電位が変化するため、パルストランスのコイル間の電圧Ｖも変化する。コイル間には浮遊容量Ｃがあるため、コイル間電圧が時間的に変化すると、（ｄＶ／ｄｔ）・Ｃに応じた変位電流がコイル間の絶縁体領域に生じることになる。電源電圧が数百ボルトと高くなると、絶縁体にかかる電界も大きくなるため、高電圧で長時間使用すると絶縁劣化を招くという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、制御回路からの駆動信号に基づいてスイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路と、制御回路からの駆動信号を駆動回路に伝達する信号伝達ユニットとを備え、信号伝達ユニットは、プリント基板上に絶縁部材を挟んで対向するように設けられ、該プリント基板の導体パターンにより形成された一対のコイルと、プリント基板に実装され、一対のコイルの一方に制御回路からの駆動信号を印加する第１の信号回路と、プリント基板に実装され、一対のコイルの他方に誘起される電圧を検出する第２の信号回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電力変換装置の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】回転電機の駆動システムを示すブロック図である。
【図２】ドライバ回路１７４のＵ相に関する概略構成を示すブロック図である。
【図３】信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例における信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】第２の実施の形態における信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図８】コイル２２，２３の詳細を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ断面図である。
【図９】第２の実施の形態の変形例における信号伝達ユニット２０の斜視図である。
【図１０】コイル２２の断面図である。
【図１１】変形例２を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、ハイブリッド自動車等の電気車に用いられる回転電機の駆動システムを示すブロック図であり、本実施の形態による電力変換装置１００を備えている。なお、本発明の電力変換装置は、ハイブリッド自動車等に限らず、鉄道用のインバータや、ダンプトラックや産業用ミルなどに適用可能である。バッテリ１３６からの直流電力は電力変換装置１００で交流の電力に変換され、モータ１９２に供給される。電力変換装置１００にはインバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とが備えられ、インバータ装置１４０はインバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。
【００１３】
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した３つの上下アーム直列回路１５０（１５０Ｕ〜１５０Ｗ）を備えている。上下アーム直列回路１５０Ｕ，１５０Ｖ，１５０Ｗはそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６との間に電気的に並列に接続されている。インバータ装置１４０は、モータ１９２に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。例えば、モータ１９２の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９２はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９２は発電機として作用し、モータ１９２は回生制動状態の運転となる。
【００１４】
各上下アーム直列回路１５０Ｕ〜１５０Ｗは、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６とを有している。ＩＧＢＴ３２８，３３０はスイッチング用半導体素子である。各上下アーム直列回路１５０Ｕ〜１５０Ｗの中点部分（中間電極１６９）の交流端子１５９には、モータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６が接続されている。交流電力線１８６は、交流コネクタ１８８を介してモータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に電気的に接続されている。
【００１５】
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、信号線１７６を介してドライバ回路１７４へ制御信号を供給する制御回路１７２とを有している。上アームのＩＧＢＴ３２８および下アームのＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータ１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。その結果、バッテリ１３６から供給された直流電力は三相交流電力に変換され、モータ１９２の電機子巻線に供給される。なお、上述のとおり、インバータ装置１４０はモータ１９２が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
【００１６】
ＩＧＢＴ３２８，３３０は、コレクタ電極１５３，１６３、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５）、ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１７】
スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。なお、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、ＩＧＢＴのように、別途、ダイオード（ダイオード１５６やダイオード１６６）を設ける必要がない。
【００１８】
モータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して設けられた３つの上下アーム直列回路１５０Ｕ，１５０Ｖ，１５０Ｗは、電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。
【００１９】
コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。
【００２０】
制御部１７０は、制御回路１７２とドライバ回路１７４とを備えている。制御回路１７２は、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成する。
【００２１】
制御回路１７２はＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２２】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００２３】
図２は、ドライバ回路１７４のＵ相に関する概略構成を示すブロック図である。なお、Ｖ相およびＷ相に関しても同様の構成となっている。制御回路１７２から出力された上アームＩＧＢＴ３２８への信号は、ドライバ回路１７４の信号伝達ユニット２０Ｕａに入力される。一方、制御回路１７２から出力された下アームＩＧＢＴ３３０への信号は、ドライバ回路１７４の信号伝達ユニット２０Ｕｂに入力される。信号伝達ユニット２０Ｕａ，２０Ｕｂは同一構成を有しており、送信回路２００と、受信回路２０４と、一対のコイル２，３を備えている。コイル２，３はパルストランスとして機能するものであり、本実施の形態では、一対のコイル２，３をパルストランス部２０２と呼ぶことにする。
【００２４】
パルストランス部２０２を介して送信回路２００から受信回路２０４に伝送された信号は、バッファ回路２０６により増幅され、ドライブ信号として上アームＩＧＢＴ３２８および下アームＩＧＢＴ３３０へ入力される。送信回路２００と受信回路２０４はパルストランス部２０２によって電気的に絶縁され、信号伝達ユニット２０Ｕａ，２０Ｕｂの送信回路２００のアースは制御回路１７２のアースと同電位とされる。一方、上アームＩＧＢＴ３２８に関する受信回路２０４およびバッファ回路２０６のアースは、下アームＩＧＢＴ３２８のアースと同電位とされている。また、下アームＩＧＢＴ３３０のアースは、バッテリ１３６のアースと同電位とされる。制御回路１７２のアースとバッテリ１３６のアースは、一般的にはトランス等で絶縁されている。ただし、電位差はほぼ一定である。
【００２５】
図３は、信号伝達ユニット２０の斜視図である。なお、図２では、ＩＧＢＴ３２８，３３０に対応して設けられた信号伝達ユニットの符号をそれぞれ２０Ｕａ，２０Ｕｂと表示したが、これらは同一構造を有しているので、以下では、信号伝達ユニット２０と称することにする。図３に示すように、信号伝達ユニット２０は、送信回路２００を集積化したＩＣ４と、受信回路２０４を集積化したＩＣ６と、コイル２，３をプリント基板上に実装したものであり、これらの実装部品は保護用の絶縁物８により覆われている。絶縁物８はレジンなどが用いられる。なお、図３では、内部構造を示すために、絶縁物８の一部を破断面とした。
【００２６】
図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。なお、図４では絶縁物８の図示を省略した。プリント基板１には多層基板が用いられ、図４に示す例では導体層を４つ備えた４層構造の多層基板が用いられている。パルストランス部２０２を構成するコイル２，３は、プリント基板１の導体パターンによって形成されている。コイル２は１層目の導体パターンで形成されており、渦巻き状の平面コイルを成している。一方、コイル３は４層目の導体パターンで形成された平面コイルを成しており、コイル２に対向する位置に配置されている。そのため、これら２つのコイル２，３の磁気結合によりトランスが形成されることになる。コイル２とコイル３との間には３層分の基板絶縁部が介在することになる。
【００２７】
プリント基板１の表面側に形成されたコイル２は、ワイヤボンデング５および端子７を介してＩＣ４に接続されている。一方、４層目の導体パターンに形成されたコイル３は、基板表面まで達する貫通パターン３ａ（例えば、後述するビア）により端子７に接続され、ワイヤボンデング５によりＩＣ６に接続されている。信号伝達ユニット２０のプリント基板１は、はんだボール９によってドライバ回路１７４の基板上に実装されている。信号伝達ユニット２０と外部との間の入出力は、はんだボール９を通じて行われる。なお、本実施形態では、ドライバ回路１７４の基板（プリント基板）とは別のプリント基板１にパルストランス部２０２のコイル２，３を形成したが、ドライバ回路１７４の基板上に直接コイル２，３を形成するようにしても構わない。
【００２８】
本実施の形態における、パルストランス部２０２の動作を説明する。制御回路１７２からの信号は、はんだボール９を通じてＩＣ４の送信回路２００に伝えられる。駆動信号を受信した送信回路２００は、受信した信号に基づき信号電流を短時間だけコイル２に流す。その結果、コイル２に信号電流が流れたときに、コイル２と磁気結合しているコイル３に電圧が発生する。ＩＣ６の受信回路２０４は、コイル３に発生した電圧を検知して信号を受信する。このような機構により、低電位側（制御回路１７２）から高電位側（上下アーム直列回路１５０Ｕ）に信号を伝えることが可能となる。
【００２９】
ところで、図２において、上アーム側のアースは、上アームＩＧＢＴ３２８がオンあるいは上アーム側のダイオード１５６に電流が還流しているときには、高電圧電源１３６の高電位にほぼ等しい電位となる。一方、下アームＩＧＢＴ３３０がオンあるいは下アーム側のダイオード１６６に電流が還流しているときには、上アーム側のアースは下アームアース電位にほぼ等しい電位となる。すなわち、ＩＧＢＴ３２８，３３０のオン、オフにより上アームアース電位は大きく変化する。
【００３０】
そのため、パルストランス部２０２のコイル２，３間にも、上下アーム間アース電圧の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）が加わることになる。この電圧の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）と、パルストランス部２０２のコイル２，３間の浮遊容量Ｃの積ｄＶ／ｄｔ×Ｃが、コイル２，３間の絶縁物に変位電流として流れる。
【００３１】
従来のトランスに巻線を巻いた構造のパルストランスでは、巻線の間隔が広く浮遊容量が小さかったため、変位電流が小さかった。また、シリコン基板にコイルを形成するパルストランスでは、絶縁物はシリコン酸化膜で形成されているため、半導体プロセスの制限により、絶縁物の厚さは１０μｍ程度にしかできない。そのため、変位電流の大きさが、トランスに巻線を巻いたパルストランスに比べて１０倍以上となり、高電圧で長時間使用すると絶縁劣化が生じるということを、本発明者は見出した。
【００３２】
一方、本実施の形態によれば、コイル２とコイル３とは、プリント基板１の厚い絶縁部で絶縁されるため、基板絶縁部の厚さを１ｍｍ程度とすることで、シリコン基板にパルストランスを形成する場合に比べて、絶縁物厚さを１００倍程度に大きくすることができる。そのため、浮遊容量Ｃの大きさは１／１００に小さくなり、電圧の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）と浮遊容量Ｃとの積が小さくなって、変位電流の影響を著しく低減することができる。その結果、スイッチング時の電圧変化に対するパルストランス部２０２の信頼性向上を図ることができる。
【００３３】
また、ＩＣ４，６を実装するプリント基板１の導電パターンを利用してコイル２，３を形成しているので、トランスに巻線を巻いた構造のパルストランスに比べてコスト低減を図ることが出来る。さらに、プリント基板１上にコイル２およびコイル３によりパルストランス部２０２を形成し、同じプリント基板１上にＩＣ４，６を配置してワイヤボンデングで接続する構造としているため、配線距離を短くでき、ＩＧＢＴなど他の部品からのノイズによる影響を抑制することができる。
【００３４】
［変形例］
図５，６は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図である。図５は、図３の場合と同様に信号伝達ユニット２０を示す斜視図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。この変形例においては、プリント基板１に、コイル２，３に対するシールド導体１０をさらに設けた。その他の構造は第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
図６に示すように、プリント基板１は５層構造を有しており、５層目の導体パターンにシールド導体１０を形成している。プリント基板１が実装されるドライバ回路１７４の回路基板は、インバータ回路１４４を構成するＩＧＢＴモジュールの上部に配置されることが多い。そのような場合、図５，６に示すようなシールド導体１０をコイル３の下側に配置することで、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング時に発生するノイズを遮断することができる。その結果、信号系に関する耐ノイズ性能を向上させることができる。なお、ノイズ遮断効果を大きくするため、シールド導体１０はＩＣ４のアース電位とすることが望ましい。
【００３６】
なお、上述した実施の形態では送信側のコイル２を基板表面側に設けたが、コイル２，３の配置を逆にして、コイル３を表面側に形成しても良い。
【００３７】
−第２の実施の形態−
図７，８は、第２の実施の形態を説明する図である。上述した第１の実施の形態では、導体パターンでコイル２，３を形成する際に、プリント基板１の基板表面に平行な平面コイルを構成した。第２の実施の形態では、図７に示すように、コイルの軸が基板表面と平行となるようなソレノイド状のコイル２２，２３を形成して、パルストランス部２０２とした。
【００３８】
図８は、コイル２２，２３の構造を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ断面図である。コイル２２，２３は同一構造を有しており、プリント基板１の表面側に形成された導体パターン２２ａ，２３ａと裏面側に形成された導体パターン２２ｃ、２３ｃとを、基板垂直方向に貫通するビア（スルーホールビア）２２ｂ、２３ｂにより連結することにより、矩形断面形状を有するソレノイド状のコイル２２，２３を形成している。ビア２２ｂ、２３ｂは基板垂直方向に形成された穴の内表面にメッキ層を形成したメッキ穴であり、ビアホール内には絶縁物１２が充填されている。
【００３９】
［変形例１］
図９，１０は、第２の実施の形態の変形例１を示す図である。図９は信号伝達ユニット２０の斜視図であり、プリント基板１にノイズ防止用のシールド導体１３、１４を設けた点が、図７に示す構成と異なる。図１０は、コイル２２の断面図であり、図８のＢ−Ｂ断面と同一箇所の断面を示したものである。図８に示したプリント基板１は３層構造の多層基板であるが、図１０に示すプリント基板１は５層構造を有している。また、ビア２２ｂは上側の三層を貫通している。コイル２２に対応して設けられたシールド導体１３は、コイル２２の下側の導体パターン２２ｃよりも下層の同ターパターンで形成されている。コイル２３に対するシールド導体１４も同様の構成である。
【００４０】
シールド導体１３，１４も上述したシールド導体１０と同様の目的で設けられたものであり、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング時に発生するノイズを遮断することができる。その結果、信号系に関する耐ノイズ性能を向上させることができる。なお、ノイズ遮断効果を大きくするため、シールド導体１３はＩＣ４のアース電位とし、シールド導体１４はＩＣ６のアース電位とすることが望ましい。
【００４１】
［変形例２］
上述した第２の実施の形態では、コイル２２，２３をソレノイド状のコイルとしたが、第１の実施の形態のように平面型のコイルとしても良い。図１１は、平面型のコイルとした場合の一例を示したものである。Ｅ−Ｅ断面図を見ると、コイルは渦巻き状に３巻されている。外側のコイル配線は導体パターン２２１ａ，２２１ｃとビア２２１ｂ，２２１ｄで構成され、中間のコイル配線は導体パターン２２２ａ，２２２ｃとビア２２２ｂ，２２２ｄで構成され、内側のコイル配線は導体パターン２２３ａ，２２３ｃとビア２２３ｂで構成されている。
【００４２】
上述した第２の実施の形態では、第１の実施の形態の作用効果に加えて、次のような作用効果を奏する。コイル２２，２３の軸が基板厚さ方向に対して垂直な方向（基板面に対して水平な方向）を向いており、基板面に平行な磁束をコイル２３で検出するようにしているので、基板面に対して垂直方向のスイッチングノイズに対して影響を受け難い構造となっている。また、コイル２，３を形成するための基板スペースを抑えることもできる。
【００４３】
上述した実施の形態が奏する作用効果をまとめると、以下のようになる。
（１）送信側のＩＣ４と受信側のＩＣ６とが実装されたプリント基板１の導体パターンを利用して、パルストランス部２０２を構成する一対のコイル２およびコイル３をプリント基板１自体に形成し、プリント基板１の絶縁基板をコイル２，３間の絶縁に用いているので、絶縁距離を十分大きくすることができ、時間変化ｄＶ／ｄｔによる変位電流の影響を低減でき、信頼性向上を図ることができる。
【００４４】
（２）さらに、プリント基板１のコイル３よりも裏面に近い側にシールド導体層１０を設けたことにより、プリント基板１の下方に設けられているスイッチング素子からのスイッチングノイズを遮蔽することができ、ノイズの影響を低減することとで信頼性向上を図ることができる。
【００４５】
（３）一対のコイルの各々２２，２３は、コイルの軸がプリント基板１の表面に対して平行となるように形成され、それらのコイル２２，２３をプリント基板１の厚さ方向と直交する方向に並べて配置したことにより、スイッチングノイズの影響を抑えることができる。また、プリント基板１にコイル２２，２３を形成する際のスペースをより小さくすることができる。
【００４６】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
１：プリント基板、２，３，２２，２３：コイル、２２ｂ，２３ｂ，２２１ｂ、２２１ｄ、２２２ｂ、２２２ｄ、２２３ｂ：ビア、４，６：ＩＣ、１０，１３，１４：シールド導体、２０，２０Ｕａ，２０Ｕｂ：信号伝達ユニット、１００：電力変換装置、１３６：バッテリ、１４０：インバータ装置、１４４：インバータ回路、１５０，１５０Ｕ〜１５０Ｗ：上下アーム直列回路、１５６，１６６：ダイオード、１７０：制御部、１７２：制御回路、１７４：ドライバ回路、１９２：モータ、２００：送信回路、２０２：パルストランス部、２０４：受信回路、２０６：バッファ回路、３２８，３３０：ＩＧＢＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、
制御回路からの駆動信号に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路と、
前記制御回路からの駆動信号を前記駆動回路に伝達する信号伝達ユニットとを備え、
前記信号伝達ユニットは、
プリント基板上に絶縁部材を挟んで対向するように設けられ、該プリント基板の導体パターンにより形成された一対のコイルと、
前記プリント基板に実装され、前記一対のコイルの一方に前記制御回路からの駆動信号を印加する第１の信号回路と、
前記プリント基板に実装され、前記一対のコイルの他方に誘起される電圧を検出する第２の信号回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電力変換装置において、
前記一対のコイルの各々は、前記プリント基板の表面に対して平行に設けられた平面型コイルであって、それらのコイルを前記プリント基板の厚さ方向に並べて配置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載された電力変換装置において、
前記プリント基板の裏面側に設けられたコイルと前記プリント基板の裏面との間に、前記一対のコイルへのスイッチングノイズを遮蔽するシールド導体層を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載された電力変換装置において、
前記シールド導体層の電位を、前記裏面側のコイルが接続されている前記信号回路のアース電位としたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載された電力変換装置において、
コイルの軸が前記プリント基板の表面に対して平行となるように、前記一対のコイルの各々を、前記プリント基板の基板面に平行に形成された導体パターンと、基板面に垂直に形成されたビアホールとにより形成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載された電力変換装置において、
前記第１の信号回路に接続されたコイルと前記プリント基板の裏面との間に設けられ、該コイルへのスイッチングノイズを遮蔽する第１のシールド導体層と、
前記第２の信号回路に接続されたコイルと前記プリント基板の裏面との間に設けられ、該コイルへのスイッチングノイズを遮蔽する第２のシールド導体層とを設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載された電力変換装置において、
前記第１のシールド導体層の電位を前記第１の信号回路のアース電位とし、前記第２のシールド導体層の電位を前記第２の信号回路のアース電位としたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、
制御回路からの駆動信号に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路と、
前記制御回路からの駆動信号を前記駆動回路に伝達する信号伝達ユニットとを備え、
前記信号伝達ユニットは、
プリント基板上に絶縁部材を挟んで対向するように設けられ、該プリント基板の導体パターンにより形成された一対のコイルと、
前記プリント基板に実装され、前記一対のコイルの一方に前記制御回路からの駆動信号を印加する第１の信号回路と、
前記プリント基板に実装され、前記一対のコイルの他方に誘起される電圧を検出する第２の信号回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電力変換装置において、
前記一対のコイルの各々は、前記プリント基板の表面に対して平行に設けられた平面型コイルであって、それらのコイルを前記プリント基板の厚さ方向に並べて配置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載された電力変換装置において、
前記プリント基板の裏面側に設けられたコイルと前記プリント基板の裏面との間に、前記一対のコイルへのスイッチングノイズを遮蔽するシールド導体層を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載された電力変換装置において、
前記シールド導体層の電位を、前記裏面側のコイルが接続されている前記信号回路のアース電位としたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載された電力変換装置において、
コイルの軸が前記プリント基板の表面に対して平行となるように、前記一対のコイルの各々を、前記プリント基板の基板面に平行に形成された導体パターンと、基板面に垂直に形成されたビアホールとにより形成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載された電力変換装置において、
前記第１の信号回路に接続されたコイルと前記プリント基板の裏面との間に設けられ、該コイルへのスイッチングノイズを遮蔽する第１のシールド導体層と、
前記第２の信号回路に接続されたコイルと前記プリント基板の裏面との間に設けられ、該コイルへのスイッチングノイズを遮蔽する第２のシールド導体層とを設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載された電力変換装置において、
前記第１のシールド導体層の電位を前記第１の信号回路のアース電位とし、前記第２のシールド導体層の電位を前記第２の信号回路のアース電位としたことを特徴とする電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２６３６７１（Ｐ２０１０−２６３６７１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１０８６１（Ｐ２００９−１１０８６１）
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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