JP2002353671A

JP2002353671A - 制御回路

Info

Publication number: JP2002353671A
Application number: JP2001160428A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Watarai; 祐介渡会; Akio Mizuguchi; 暁夫水口; Satoru Higano; 哲日向野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2002-12-06

Abstract

(57)【要約】【課題】部品点数を増大せずかつ比較的簡単な構造
で、スイッチング素子の発する熱を放散するとともに、
回路パターンの電気抵抗を低減する。【解決手段】絶縁材料により形成された基板１２の両
面のいずれか一方又は双方に電気部品１３が配設され、
電気部品は複数のスイッチング素子１６，１７を含む。
また基板の両面には回路パターン１４が形成され、この
回路パターンは基板を貫通するスルーホール１２ａを介
して電気部品をそれぞれ電気的に接続される。本発明の
特徴ある構成は、上記複数のスイッチング素子間の距離
が１ｃｍ以上であるところにある。また電気部品が配設
された後の露出する基板の両面の表面積を１００％とす
るとき、回路パターンの表面積が４０％以上となるよう
に、上記露出する基板の両面に回路パターンが形成され
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、大型電池を用いた
電動機などを制御し、かつ発熱量の多いスイッチング素
子を有する制御回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の制御回路として、金属放
熱板に冷却液水路とこの冷却液水路に連通する穴とが形
成され、穴を塞ぐようにスイッチング素子が金属放熱板
に固定され、冷却液水路を通る冷却液がスイッチング素
子の放熱板に直接接するように構成された電気自動車の
電動機用制御回路の構造が開示されている（特開平７−
２８５３４４号）。このように構成された電気自動車の
電動機用制御回路の構造では、スイッチング素子の発し
た熱がスイッチング素子の放熱板から冷却液水路を通る
冷却液に直接伝わるため、放熱効率が最大となる。この
結果、スイッチング素子の発熱が抑制され、放熱板を小
型化できるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の特
開平７−２８５３４４号公報に示された電気自動車の電
動機用制御回路の構造では、スイッチング素子の発する
熱を放散するために冷却液を用いており、この冷却液の
漏洩防止のために、構造が複雑になり、小型化及び低コ
スト化が難しい問題点があった。本発明の第１の目的
は、部品点数を増大せずかつ比較的簡単な構造で、スイ
ッチング素子の発する熱を放散できるとともに、回路パ
ターンの電気抵抗を低減できる、制御回路を提供するこ
とにある。本発明の第２の目的は、複数のスイッチング
素子相互の発熱による干渉を少なくしたり、回路パター
ンからの放熱面積を増大したり、或いは基板上の熱分布
をほぼ一様にすることにより、放熱効率を向上できる、
制御回路を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１及び図２に示すように、絶縁材料により形成された
基板１２と、基板１２の両面のいずれか一方又は双方に
配設され複数のスイッチング素子１６，１７を含む電気
部品１３と、基板１２の両面に形成され基板１２を貫通
するスルーホール１２ａを介して電気部品１３をそれぞ
れ電気的に接続する回路パターン１４とを備えた制御回
路の改良である。その特徴ある構成は、複数のスイッチ
ング素子１６，１７間の距離が１ｃｍ以上であるところ
にある。この請求項１に記載された制御回路では、複数
のスイッチング素子１６，１７間の距離を１ｃｍ以上と
したので、これらのスイッチング素子１６，１７相互の
発熱による干渉を低減できる。この結果、複数のスイッ
チング素子１６，１７の発する熱をそれぞれ別々に放散
できるので、スイッチング素子１６，１７が高温になる
のを防止できる。

【０００５】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図１及び図２に示すように、電気部品
１３が配設された後の露出する基板１２の両面の表面積
を１００％とするとき、回路パターン１４の表面積が４
０％以上となるように、上記露出する基板１２の両面に
回路パターン１４が形成されたことを特徴とする。この
請求項２に記載された制御回路では、回路パターン１４
の表面積を電気部品１３の配設後の露出する基板１２に
対して４０％以上としたので、複数のスイッチング素子
１６，１７を含む発熱する電気部品１３に接続された回
路パターン１４表面の放熱面積を増大できるとともに、
回路パターン１４の電気抵抗を低減できる。この結果、
回路パターン１４がヒートシンクとして作用し、上記電
気部品１３の発する熱を回路パターン１４表面から効率
良く放散できるので、上記電気部品１３が高温になるの
を防止できる。

【０００６】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、更に図１及び図２に示すように、ス
イッチング素子１６，１７のスイッチング時に発生する
発熱量をＱとし、スイッチング素子１６，１７に電気的
に接続された回路パターン１４の表面積をＳとし、回路
パターン１４の厚さが１５〜５００μｍであるとき、Ｓ
／Ｑが１ｃｍ²／Ｗ以上であることを特徴とする。この
請求項３に記載された制御回路では、Ｓ／Ｑを１ｃｍ²
／Ｗ以上としたので、複数のスイッチング素子１６，１
７に接続された回路パターン１４表面の放熱面積を増大
できるとともに、回路パターン１４の電気抵抗を低減で
きる。この結果、回路パターン１４がヒートシンクとし
て作用し、上記スイッチング素子１６，１７の発する熱
を回路パターン１４表面から効率良く放散できるので、
上記スイッチング素子１６，１７が高温になるのを防止
できる。

【０００７】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
いずれかに係る発明であって、更に図１及び図２に示す
ように、電気部品１３がスイッチング素子１６，１７、
抵抗体１８、キャパシタ１９、ＩＣチップ２１、トラン
ジスタ２２、ダイオード及びコイルからなる群より選ば
れた１種又は２種以上の部品であって、電気部品１３が
基板１２中央を中心としてその種類毎に点対称となるよ
うに配設されたことを特徴とする。この請求項４に記載
された制御回路では、複数のスイッチング素子１６，１
７、複数の抵抗体１８、複数のキャパシタ１９等の発熱
する電気部品１３を、基板１２中央を中心としてその種
類毎に点対称となるように配設したので、基板１２上の
熱分布をほぼ一様にすることができる。この結果、上記
電気部品１３の発する熱を回路パターン１４表面から効
率良く放散できるので、上記電気部品１３が高温になる
のを防止できる。また基板１２がポリイミド樹脂、紙フ
ェノール、ガラスエポキシ樹脂、フェノール樹脂、アル
ミナ、窒化アルミニウム又は炭化ケイ素により形成さ
れ、回路パターン１４が銅又はアルミニウム、或いは銅
又はアルミニウムにニッケルめっきを施したものにより
形成され、スイッチング素子１６，１７がＭＯＳ−ＦＥ
Ｔであることが好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１及び図２に示すように、制御回
路１１は、絶縁材料により形成された基板１２と、基板
１２の表面に配設された電気部品１３と、基板１２の両
面に形成されかつ電気部品１３をそれぞれ電気的に接続
する回路パターン１４とを備える。基板１２はポリイミ
ド樹脂、紙フェノール、ガラスエポキシ樹脂、フェノー
ル樹脂、アルミナ、窒化アルミニウム又は炭化ケイ素の
いずれかにより形成される。また電気部品１３は、２個
のスイッチング素子１６，１７（図１及び図２）、８個
の抵抗体１８、８個のキャパシタ１９、１個のＩＣチッ
プ２１、１個のトランジスタ２２、１個の出力ピン２
３、１個の電圧入力端子２４及び２個の出入力端子２５
（図１）を含む。これらの電気部品１３のうち、スイッ
チング素子１６，１７、抵抗体１８、キャパシタ１９、
ＩＣチップ２１及びトランジスタ２２は通電時に発熱す
る。

【０００９】ＩＣチップ２１は基板１２表面の略中央に
設けられ、トランジスタ２２は基板１２中央上部に設け
られる（図１）。また２個のスイッチング素子１６，１
７、８個の抵抗体１８及び８個のキャパシタ１９は基板
１２中央を中心としてその種類毎に点対称となるように
配設される。なお、２個のスイッチング素子１６，１７
間の距離は１ｃｍ以上、好ましくは２〜５ｃｍに設定さ
れる。ここで、２個のスイッチング素子１６，１７間の
距離は１ｃｍ以上としたのは、１ｃｍ未満では、発熱量
の大きな２個のスイッチング素子１６，１７相互の放熱
の干渉によりスイッチング素子１６，１７が高温になる
おそれがあるためである。また上記スイッチング素子１
６，１７はこの実施の形態ではＭＯＳ−ＦＥＴである。

【００１０】一方、基板１２にはこの基板の両面に貫通
する多数のスルーホール１２ａが形成され、回路パター
ン１４はこれらのスルーホール１２ａを介して電気部品
をそれぞれ電気的に接続するように構成される（図１及
び図２）。この回路パターン１４は銅により１５〜５０
０μｍ、好ましくは３０〜４００μｍ、更に好ましくは
２０〜５０μｍの厚さに形成される。ここで回路パター
ン１４の厚さを１５〜５００μｍに限定したのは、１５
μｍ未満では大電流による熱が発生し、電気部品等の故
障の原因となり、５００μｍを越えると加工が難しく、
重量が増大するからである。また回路パターン１４は、
基板１２の両面に形成されかつ通常の幅（０．２〜１ｍ
ｍ）を有する第１パターン３１ａ（図１及び図２）と、
基板１２の表面に形成されかつ比較的広い幅（１〜５ｍ
ｍ）を有する第２パターン３２ａ，３２ｂ（図１）と、
基板１２の裏面に形成されかつ極めて広い幅（５〜５０
ｍｍ）を有する第３パターン３３ａ〜３３ｃ（図２）と
を有する。２本の第２パターン３２ａ，３２ｂの一端は
基板１２を表側から見て右側（基板１２の裏側から見て
左側）のスイッチング素子１６にそれぞれ接続され、３
本の第３パターン３３ａ〜３３ｃのうち２本の第３パタ
ーン３３ａ，３３ｂの一端は表側から見て（基板１２の
裏側から見て右側）左側のスイッチング素子１７にそれ
ぞれ接続され、残りの１本の第３パターン３３ｃは基板
１２下部の抵抗体１８及びキャパシタ１９にそれぞれ接
続される（図１及び図２）。上記回路パターン１４はス
クリーン印刷法、エッチング法、接着剤による貼付法等
により基板１２の両面に形成される。

【００１１】なお、電気部品１３が配設された後の露出
する基板１２の両面の表面積を１００％とするとき、上
記回路パターン１４の表面積が４０％以上、好ましくは
５０〜８０％となるように、上記露出する基板１２の両
面に回路パターン１４が形成される。回路パターン１４
の表面積を４０％以上に限定したのは、４０％未満では
回路パターン１４表面からの放熱を十分に行うことがで
きないためである。またスイッチング素子１６，１７の
スイッチング時に発生する発熱量をＱ（Ｗ）とし、スイ
ッチング素子１６，１７に電気的に接続された回路パタ
ーン１４の表面積をＳ（ｃｍ²）とし、回路パターン１
４の厚さが上述のように１５〜５００μｍ、好ましくは
３０〜４００μｍ、更に好ましくは２０〜５０μｍであ
るとき、Ｓ／Ｑが１ｃｍ²／Ｗ以上、好ましくは１〜５
ｃｍ²／Ｗである。ここで、Ｓ／Ｑを１ｃｍ²／Ｗ以上に
限定したのは、１ｃｍ²／Ｗ未満では、スイッチング素
子１６，１７の発熱量に対する回路パターン１４表面の
放熱面積が小さ過ぎて、回路パターン１４表面から放熱
を十分に行うことができないためである。更に上記制御
回路１１は大型電池（図示せず）と、この電池により駆
動される電動機（図示せず）に接続される。

【００１２】このように構成された制御回路１１の動作
を説明する。制御回路１１により電動機をオンオフ制御
すると、電気部品１３が発熱する、特に２個のスイッチ
ング素子１６，１７の発熱量が大きい。このとき２個の
スイッチング素子１６，１７間の距離を１ｃｍ以上とし
たので、これらのスイッチング素子１６，１７相互の発
熱による干渉を低減できる。また回路パターン１４の表
面積を電気部品１３の配設後の露出する基板１２に対し
て４０％以上としたので、発熱する電気部品１３に接続
された回路パターン１４表面の放熱面積を増大できると
ともに、回路パターン１４の電気抵抗を低減できる。ま
たＳ／Ｑを１ｃｍ²／Ｗ以上としたので、２個のスイッ
チング素子１６，１７に接続された回路パターン１４表
面の放熱面積を増大できるとともに、回路パターン１４
の電気抵抗を低減できる。更に２個のスイッチング素子
１６，１７、８個の抵抗体１８及び８個のキャパシタ１
９は基板１２中央を中心としてその種類毎に点対称とな
るように配設したので、基板１２上の熱分布をほぼ一様
にすることができる。

【００１３】この結果、回路パターン１４がヒートシン
クとして作用し、スイッチング素子１６，１７等の電気
部品１３の発する熱を回路パターン１４表面から効率良
く放散できるので、スイッチング素子１６，１７等の電
気部品１３が高温になるのを防止できる。また制御回路
１１に電磁的なノイズが作用しても、スイッチング素子
１６，１７は正常に作動する。これは、基板１２の両面
が多くの導電材料、即ち回路パターン１４により覆わ
れ、かつ各電気部品１３をそれらの種類毎に点対称とな
るように基板１２表面に配設したためである。

【００１４】なお、この実施の形態では、基板の表面の
みに電気部品を配設したが、基板の裏面又は両面に電気
部品を配設してもよい。また、この実施の形態では、回
路パターンを銅により形成したが、回路パターンをアル
ミニウム、或いは銅又はアルミニウムにニッケルめっき
を施したもの等により形成してもよい。また、この実施
の形態では、スイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを
挙げたが、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insurate
d Gate Bipolar Transistor）、サイリスタ又はトラン
ジスタ等でもよい。更に、この実施の形態で挙げたスイ
ッチング素子、抵抗体、キャパシタ等の数は一例であっ
て、これらの数に限定されるものではない。

【００１５】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく
説明する。＜実施例１＞図１及び図２に示すように、縦×横が５ｃ
ｍ×５ｃｍである基板１２をポリイミド樹脂により作製
し、スイッチング素子１６，１７として消費電力が１０
ＷであるＭＯＳ−ＦＥＴを２個使用した。これらのスイ
ッチング素子１６，１７の動作保証温度範囲はそれぞれ
−２０℃〜８０℃であり、これらのスイッチング素子１
６，１７は４ｃｍ離して基板１２表面に配設した。また
回路パターン１４の表面積、即ち第１〜第３パターン３
１ａ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ〜３３ｃの合計表面積を
電気部品１３の配設後の露出する基板１２に対して５０
％とし、Ｓ／Ｑを１．２５ｃｍ²／Ｗとした。更に基板
１２表面に２個のスイッチング素子１６，１７、８個の
抵抗体１８及び８個のキャパシタ１９を基板１２中央を
中心としてその種類毎に点対称となるように配設した。
なお、回路パターン１４の厚さは３０μｍであった。

【００１６】＜比較例１＞２個のスイッチング素子を
０．５ｃｍ離して基板表面に配設したことを除いて、実
施例１と同一の制御回路を作製した。この制御回路を比
較例１とした。＜比較例２＞線幅が１ｍｍの第１パターンのみにより回
路パターンを構成し、この回路パターンの合計表面積を
電気部品の配設後の露出する基板に対して２０％とした
ことを除いて、実施例１と同一の制御回路を作製した。
この制御回路を比較例２とした。＜比較例３＞Ｓ／Ｑを０．２５ｃｍ²／Ｗとしたことを
除いて、実施例１と同一の制御回路を作製した。この制
御回路を比較例３とした。

【００１７】＜比較例４＞実施例１と同一の基板とスイ
ッチング素子（２個）とを用意した。これらのスイッチ
ング素子は０．５ｃｍ離して基板表面に配設した。また
回路パターンは線幅が１ｍｍの第１パターンのみにより
構成した。この回路パターンの合計表面積を電気部品の
配設後の露出する基板に対して２０％とし、Ｓ／Ｑを
０．５ｃｍ²／Ｗとした。更に基板表面に２個のスイッ
チング素子、８個の抵抗体及び８個のキャパシタを、基
板に種類毎に集合して配設した。なお、回路パターンの
厚さは３０μｍであった。

【００１８】＜比較試験１及び評価＞実施例１及び比較
例１〜４の制御回路の２個のスイッチング素子を、３０
万サイクル／秒でオンオフして、スイッチング素子を過
負荷状態にし、この状態でスイッチング素子の温度を測
定した。その結果を表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１から明らかなように、比較例１〜４で
は７３〜８０℃と高温であったのに対し、実施例１では
６５℃と比較的低温であった。これは、実施例１では２
個のスイッチング素子相互の発熱の干渉が低減し、基板
の回路パターンがヒートシンクとして作用し、スイッチ
ング素子の発する熱を回路パターン表面から効率良く放
散するとともに、回路パターンの電気抵抗及び熱抵抗が
低下したためである。

【００２１】＜比較試験２及び評価＞実施例１及び比較
例４の制御回路に、外乱磁場という電磁気的なノイズを
作用させた状態で、スイッチング素子が正常に作動する
か否かを測定した。この結果、比較例１ではスイッチン
グ素子が正常に作動しなかったのに対し、実施例１では
スイッチング素子が正常に作動した。これにより実施例
１は電磁的なノイズに対して強いことが判った。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、絶
縁材料により形成された基板の両面のいずれか一方又は
双方に複数のスイッチング素子を含む電気部品を配設
し、基板の両面に形成された回路パターンにより電気部
品をそれぞれ電気的に接続し、更に複数のスイッチング
素子間の距離を１ｃｍ以上としたので、これらのスイッ
チング素子相互の発熱による干渉を低減できる。この結
果、複数のスイッチング素子の発する熱をそれぞれ別々
に放散できるので、スイッチング素子が高温になるのを
防止できる。

【００２３】また電気部品が配設された後の露出する基
板の両面の表面積を１００％とするとき、回路パターン
の表面積が４０％以上となるように、上記露出する基板
の両面に回路パターンを形成すれば、複数のスイッチン
グ素子を含む発熱する電気部品に接続された回路パター
ン表面の放熱面積を増大できるとともに、回路パターン
の電気抵抗を低減できるので、上記電気部品の発する熱
を回路パターン表面から効率良く放散でき、上記電気部
品が高温になるのを防止できる。また冷却液を用いるた
め構造が複雑になり、小型化及び低コスト化が難しい従
来の電気自動車の電動機用制御回路の構造と比較して、
本発明ではスイッチング素子を含む電気部品が回路パタ
ーン表面からの空冷のみで冷却できるので、制御回路を
従来と比較して約１／４に小型化できるとともに、製造
コストを従来と比較して約１／２に低減できる。

【００２４】またスイッチング素子のスイッチング時に
発生する発熱量をＱとし、スイッチング素子に電気的に
接続された回路パターンの表面積をＳとし、回路パター
ンの厚さが１５〜５００μｍであるとき、Ｓ／Ｑを１ｃ
ｍ²／Ｗ以上とすれば、複数のスイッチング素子に接続
された回路パターン表面の放熱面積を増大できるととも
に、回路パターンの電気抵抗を低減できるので、上記ス
イッチング素子の発する熱を回路パターン表面から効率
良く放散でき、上記スイッチング素子が高温になるのを
防止できる。更に複数のスイッチング素子、複数の抵抗
体、複数のキャパシタ等の発熱する電気部品を、基板中
央を中心としてその種類毎に点対称となるように配設す
れば、基板上の熱分布をほぼ一様にすることができるの
で、上記電気部品の発する熱を回路パターン表面から効
率良く放散でき、上記電気部品が高温になるのを防止で
きるとともに、電磁的なノイズに対して強い制御回路が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施形態の制御回路の表面側の電気部品
の配設及び回路パターンを示す図。

【図２】その制御回路の裏面側の回路パターンを示す
図。

【符号の説明】

１１制御回路１２基板１２ａスルーホール１３電気部品１４回路パターン１６，１７スイッチング素子１８抵抗体１９キャパシタ２１ＩＣチップ２２トランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日向野哲埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内Ｆターム(参考） 5E322 AA11 EA10 EA11 5E338 AA02 AA16 AA18 BB02 BB13 BB25 BB75 CC01 CC08 CD11 EE02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁材料により形成された基板(12)と、前記基板(12)の両面のいずれか一方又は双方に配設され
複数のスイッチング素子(16,17)を含む電気部品(13)
と、前記基板(12)の両面に形成され前記基板(12)を貫通する
スルーホール(12a)を介して前記電気部品(13)をそれぞ
れ電気的に接続する回路パターン(14)とを備えた制御回
路において、前記複数のスイッチング素子(16,17)間の距離が１ｃｍ
以上であることを特徴とする制御回路。
【請求項２】電気部品(13)が配設された後の露出する
基板(12)の両面の表面積を１００％とするとき、回路パ
ターン(14)の表面積が４０％以上となるように、前記露
出する基板(12)の両面に前記回路パターン(14)が形成さ
れた請求項１記載の制御回路。
【請求項３】スイッチング素子(16,17)のスイッチン
グ時に発生する発熱量をＱとし、前記スイッチング素子
(16,17)に電気的に接続された回路パターン(14)の表面
積をＳとし、前記回路パターン(14)の厚さが１５〜５０
０μｍであるとき、Ｓ／Ｑが１ｃｍ²／Ｗ以上である請
求項１又は２記載の制御回路。
【請求項４】電気部品(13)がスイッチング素子(16,1
7)、抵抗体(18)、キャパシタ(19)、ＩＣチップ(21)、ト
ランジスタ(22)、ダイオード及びコイルからなる群より
選ばれた１種又は２種以上の部品であって、前記電気部
品(13)が基板(12)中央を中心としてその種類毎に点対称
となるように配設された請求項１ないし３いずれか記載
の制御回路。
【請求項５】基板(12)がポリイミド樹脂、紙フェノー
ル、ガラスエポキシ樹脂、フェノール樹脂、アルミナ、
窒化アルミニウム又は炭化ケイ素により形成され、回路
パターン(14)が銅又はアルミニウム、或いは銅又はアル
ミニウムにニッケルめっきを施したものにより形成さ
れ、スイッチング素子(16,17)がＭＯＳ−ＦＥＴである
請求項１ないし４いずれか記載の制御回路。