JP2015070742A - 電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧回路からの発熱を均熱化して放熱性を高めるとともに、昇圧回路からのノイズの影響を低減して小型化が容易な電源制御装置を提供する。【解決手段】ＤＣＤＣコンバータ１００は、内層にメタルコア層１１１を備えたメタルコア基板１１０を基板に用いており、メタルコア層１１１を接地することでノイズを遮蔽するシールド層として機能するようにしている。メタルコア層１１１の一方の面上に昇圧回路１２０のパワー部１２１を搭載し、他方の面上に制御ＣＰＵ１３０を搭載することで、パワー部１２１から放射されるノイズをメタルコア層１１１で遮蔽して制御ＣＰＵに影響するのを低減している。【選択図】図１

Description

本発明は、入力電圧の変動を補償して所定電圧の電力を出力する電源制御装置に関し、特にエンジン始動時のバッテリの電圧低下を補償して電気負荷に安定した電圧の電力を供給するのに好適な電源制御装置に関するものである。

車両には、ＥＣＵ等の制御ユニットや、照明器具、ディスプレイ、モータ、ソレノイド等の各種電気負荷が搭載されており、各電気負荷に安定した電圧で電力を供給する必要がある。そこで、負荷に安定した電圧の電力が供給されるように制御する電源制御装置として、従来からＤＣ／ＤＣコンバータが用いられており、ＤＣ／ＤＣコンバータで電圧を昇降圧させて電圧を安定化させている。

また、ＥＰＳや電動エアコンなど搭載機器の電動化、大容量化に対応して、バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧してモータのインバータに電力を供給することが行われている。あるいは、４２Ｖ系の主バッテリと１４Ｖ系の副バッテリを備えた４２Ｖ自動車電源システムでは、２つのバッテリ間にＤＣ／ＤＣコンバータを接続して電圧変換（昇降圧）している。さらに、車両が信号待ち等で一時停車したときにエンジンを一時的に自動停止させるアイドリングストップシステム（ＩＳＳ）を搭載した車両では、エンジン再始動時にバッテリからスタータに大電流が供給されて電圧が低下することから、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧して各電気負荷に電力を供給するようにしている。

ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータは電圧変換のためにインダクタ等を含む昇圧回路を備えていることから、これが作動すると熱が発生して比較的大きな電力損失が生じるといった問題があった。そのため、作動時の熱を放熱することを目的に、放熱板や放熱ケースなどの放熱部品をＤＣ／ＤＣコンバータに設置している。

特許文献１では、昇圧回路等の発熱部品からの放熱を良好なものとするために、発熱部品をメタルコア基板上に搭載している。また特許文献１では、メタルコア基板の中心に形成されたメタルコアを、その厚さ方向に貫通して除去した防熱部を設けている。そして、メタルコアから放射される熱を避ける必要のある電気部品を、防熱部の真上に配置することが提案されている。

特開２００６−３５１６３４号公報

しかしながら、電源制御装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）に放熱板や放熱ケースなどを設置すると、電源制御装置が大型化してしまうといった問題がある。また、特許文献１に記載のように、メタルコアの一部を除去した防熱部を形成すると、メタルコアの面積が小さくなって放熱性が低下してしまうといった問題が生じる。防熱部を形成したことによる放熱性低下の影響をできるだけ低減するには、防熱部を発熱部品からできるだけ離れた位置に設けるのがよい。しかしながら、これによりメタルコア基板への電気部品の配置に対する制約が大きくなり、結果としてメタルコア基板を大きくしなければならない等の問題が生じるおそれがある。

また、電源制御装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、昇圧回路にスイッチング素子等のノイズを発生させる部品を内蔵していることから、放熱の問題に加えて、電源制御装置が作動時にノイズを放射するノイズ源になるといった別の課題もある。そのため、昇圧回路からのノイズの影響を低減させる必要のある回路部品、例えば通信やデジタル演算制御等を行うＣＰＵ等を昇圧回路からできるだけ離れた位置に配置する必要があった。

従来の電源制御装置の構成例を図４に示す。図４は、従来の電源制御装置９０の構成の一例を示す平面図及び断面図である。同図（ｂ）に示す断面図は、同図（ａ）に示す平面図のＡ−Ａ断面で切断したときの断面図である。同図では、昇圧回路９２を基板９１の図面左側に配置し、ＣＰＵ９３を基板９１の図面右側に配置することで、ＣＰＵ９３を昇圧回路９２からできるだけ離して配置している。このように、ＣＰＵ９３と昇圧回路９２との間の距離をできるだけ大きくして配置する必要があると、電源制御装置が大型化してしまうといった問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、昇圧回路からの発熱を均熱化して放熱性を高めるとともに、昇圧回路からのノイズの影響を低減して小型化が容易な電源制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電源制御装置の第１の態様は、車両のバッテリから電気負荷に安定電圧で電力を供給するための電源制御装置であって、エンジン始動時のバッテリの電圧低下を補償して所定の電圧に安定化させる昇圧回路と制御部とがメタルコア基板に搭載されていることを特徴とする。

本発明の電源制御装置の他の態様は、前記昇圧回路と前記制御部とは、前記メタルコア層を挟んでそれぞれ前記メタルコア基板の対向する面に配置されていることを特徴とする。

本発明の電源制御装置の他の態様は、前記メタルコア層が接地されていることを特徴とする。

本発明の電源制御装置の他の態様は、前記メタルコア層が前記バッテリの正極または負極に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、昇圧回路からの発熱を均熱化して放熱性を高めるとともに、昇圧回路からのノイズの影響を低減して小型化が容易な電源制御装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電源制御装置の構成の一例を示す平面図及び断面図である。 第１実施形態に係る電源制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る電源制御装置の構成の一例を示す平面図及び断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電源制御装置の構成の一例を示す断面図である。 従来の電源制御装置の構成の一例を示す平面図及び断面図である。

本発明の好ましい実施の形態における電源制御装置について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

一般に、車両のエンジンを始動するときには、スタータに大電流が供給されるためバッテリ電圧が大きく低下する。この際、作動中の電気負荷に対しては、所定の電圧以上の電力を供給する必要があることから、例えばＤＣＤＣコンバータを用いて電気負荷に供給する電力の電圧を安定化させている。

エンジンの始動時は、短時間に大きな電流を必要とするものの、電流が継続して流れる時間は数秒程度である。また、一度エンジンが始動すれば、たとえアイドリングストップシステムを搭載した車両等であっても、次にエンジンの始動動作が必要となるまでには、電流が継続して流れている時間（数秒）に比べて長い時間が存するのが一般的である。これに伴い、ＤＣＤＣコンバータの動作も、その動作時間が短く、動作間隔が長いという特性を有している。ＤＣＤＣコンバータの放熱にあたり、基板を面方向に拡大しても、面方向に伝熱するのに時間を要し、拡大部分まで伝熱する前にＤＣＤＣコンバータの発熱は停止する。また、次の発熱が生じるまでには長い時間が存するので、基板の熱は放熱され、規定の温度に戻る。つまり、基板を面方向に拡大しても、基板の温度を低下させる効果は小さい。これに対し、ＤＣＤＣコンバータの放熱にあたっては、基板の面方向に伝熱する速度を増大し、均熱化することが効果的である。本発明は、メタルコア基板を用いることにより、これを可能とする。

本発明は、車両に搭載された電気負荷に電力を供給するＤＣＤＣコンバータとして、作動時に発生する熱を均熱化して放熱を容易にするとともに、小型化が容易な電源制御装置を提供するものである。特に、エンジンの始動が頻繁に発生し、ＤＣＤＣコンバータの作動頻度が高い、アイドリングストップシステムを搭載した車両において有効に機能する。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る電源制御装置（以下ではＤＣＤＣコンバータとして説明する）を、図１を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態のＤＣＤＣコンバータ１００の構成の一例を示す平面図及び断面図である。同図（ｂ）に示す断面図は、同図（ａ）に示す平面図のＡ−Ａ断面で切断したときの断面図である。また図２は、ＤＣＤＣコンバータ１００の構成を示すブロック図である。

本実施形態のＤＣＤＣコンバータ１００は、基板としてメタルコア基板１１０を用いるものとし、その上に昇圧回路１２０と制御部となる制御ＣＰＵ１３０を配置している。制御ＣＰＵ１３０は、例えば、外部との通信及びデジタル演算処理を行う。デジタル演算処理としては、例えば、昇圧回路１２０の作動判定のための処理が挙げられる。また昇圧回路１２０は、パワー部１２１と昇圧制御部１２２とを備えている。昇圧回路１２０のパワー部１２１がメタルコア基板１１０の一方の面に配置され、昇圧回路１２０の昇圧制御部１２２と制御ＣＰＵ１３０がメタルコア基板１１０の他方の面に配置されている。

メタルコア基板１１０は、内層にメタルコア層１１１を備えており、さらにメタルコア層１１１を挟んで第１のグランド層１１２及び第２のグランド層１１３が形成されている。ここでは、メタルコア基板１１０の一方の面に配置されたパワー部１２１のグランドとして第１のグランド層１１２が用いられ、メタルコア基板１１０の他方の面に配置された昇圧制御部１２２及び制御ＣＰＵ１３０のグランドとして第２のグランド層１１３が用いられるものとしている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、昇圧回路１２０のパワー部１２１に電圧変換に用いるインダクタ（図示せず）を有しており、昇圧回路１２０の作動時にインダクタから熱が発生される。そのため、この発熱を好適に放熱させる必要がある。そこで本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００の基板としてメタルコア基板１１０を用い、メタルコア基板１１０の均熱性を利用することで、パワー部１２１で発生した熱を均熱化して放熱しやすくしている。

パワー部１２１のインダクタで発生した熱は、メタルコア基板１１０のメタルコア層１１１に伝搬され、メタルコア層１１１全体に拡散して均熱化される。これにより、メタルコア基板１１０の広い表面から熱が外部に放熱される。

また、制御ＣＰＵ１３０も発熱の大きい部品であり、制御ＣＰＵ１３０で発生した熱もメタルコア基板１１０のメタルコア層１１１全体に拡散して均熱化される。これにより、メタルコア基板１１０の広い表面から熱が外部に放熱される。メタルコア層１１１が無い従来の基板においては、パワー部１２１と制御ＣＰＵ１３０を基板の異なる面に配置したとしても、熱の集中を避けるため、パワー部１２１と制御ＣＰＵ１３０は基板の面方向に離れた位置に搭載しなければならなかった。そのため、基板全体の大きさを小さくすることが困難であった。

これに対し、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１００では、メタルコア層１１１により発熱部品による熱を拡散させることが可能となることから、パワー部１２１と制御ＣＰＵ１３０のように発熱の大きい部品をメタルコア基板１１０の面方向に重ねて、あるいは近接して配置することが可能となる。部品は、発熱の大きい部品どうしに限らず、発熱部品と熱の影響を受けやすい部品等の場合にも、面方向に重ねて、あるいは近接して配置することが可能である。

上記説明のように本実施形態によれば、昇圧回路１２０からの発熱を均熱化して放熱性を高めることにより、メタルコア基板１１０の昇圧回路１２０を搭載した面との対向面には、昇圧回路１２０の発熱の影響を考慮することなく、部品を搭載することができ、小型化が容易な電源制御装置１００を提供することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る電源制御装置（以下ではＤＣＤＣコンバータとして説明する）を、図３を用いて以下に説明する。図３は、本実施形態のＤＣＤＣコンバータ２００の構成の一例を示す平面図及び断面図である。同図（ｂ）に示す断面図は、同図（ａ）に示す平面図のＡ−Ａ断面で切断したときの断面図である。

本実施形態のＤＣＤＣコンバータ２００は、基板としてメタルコア基板２１０を用いるものとし、その上に昇圧回路１２０と制御ＣＰＵ１３０を配置している。また昇圧回路１２０は、パワー部１２１と昇圧制御部１２２とを備えている。昇圧回路１２０のパワー部１２１がメタルコア基板２１０の一方の面に配置され、昇圧回路１２０の昇圧制御部１２２と制御ＣＰＵ１３０がメタルコア基板２１０の他方の面に配置されている。

メタルコア基板２１０は、内層にメタルコア層２１１を備えており、さらにメタルコア層を挟んで第１のグランド層２１２及び第２のグランド層２１３が形成されている。ここでは、メタルコア基板２１０の一方の面に配置されたパワー部１２１のグランドとして第１のグランド層２１２が用いられ、メタルコア基板２１０の他方の面に配置された昇圧制御部１２２及び制御ＣＰＵ１３０のグランドとして第２のグランド層２１３が用いられるものとしている。

図２に示した第１実施形態のＤＣＤＣコンバータ１００と同様に、ＤＣＤＣコンバータ２００はバッテリ１０と電気負荷２０に接続されており、バッテリ１０の電圧が所定値以下に低下すると、昇圧回路１２０のパワー部１２１で昇圧して電気負荷２０に電源供給する。また制御ＣＰＵ１３０は、例えば上位制御系であるＥＣＵ３０から制御信号を入力すると、制御信号に従って昇圧制御部１２２に所定の制御信号を出力し、さらに昇圧制御部１２２がパワー部１２１を制御するように構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２００は、昇圧回路１２０のパワー部１２１に電圧変換に用いるインダクタを有しており、昇圧回路１２０の作動時にインダクタから熱が発生される。そのため、この発熱を好適に放熱させる必要がある。そこで本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００の基板としてメタルコア基板２１０を用い、メタルコア基板２１０の均熱性を利用することで、パワー部１２１で発生した熱を均熱化して放熱しやすくしている。

パワー部１２１のインダクタで発生した熱は、メタルコア基板２１０のメタルコア層２１１に伝搬され、メタルコア層２１１全体に拡散して均熱化される。これにより、メタルコア基板２１０の広い表面から熱が外部に放熱される。

昇圧回路１２０はまた、パワー部１２１における昇圧をオン／オフするためのスイッチング手段（図示せず）を内蔵している。スイッチング素子は、バッテリ１０の電圧が所定値以下のときにパワー部１２１で昇圧機能を作動させる一方、所定値より高いときはパワー部１２１の昇圧機能を作動させずにバイパスさせる。これにより、バッテリ１０の電圧が所定値以下のときは、パワー部１２１で昇圧された電力が電気負荷２０に供給される一方、バッテリ１０の電圧が所定値より高いときは、パワー部１２１の昇圧機能をバイパスしてバッテリ電圧のまま電気負荷２０に電力が供給される。

上記では、スイッチング手段が昇圧回路１２０に内蔵されているものとして説明したが、これに限定されず、例えば昇圧回路１２０の外部のメタルコア基板２１０上にスイッチング手段を配置し、バッテリ１０の電圧が所定値以下のときはパワー部１２１をバイパスするように構成してもよい。また、上記のパワー部１２１の作動を切り替えるスイッチング手段に限定されず、別のスイッチ手段がメタルコア基板２１０のパワー部１２１と同じ一方の面上に配置されていてもよい。

上記のようにＤＣ／ＤＣコンバータ２００がスイッチング手段を有していることから、スイッチング手段が作動したときにノイズが発生するといった問題がある。このノイズが制御ＣＰＵ１３０に与える影響をできるだけ低減するために、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ２００では、メタルコア基板２１０のメタルコア層２１１がノイズを遮蔽するシールド層となるように構成している。

メタルコア層２１１を、スイッチング手段で発生するノイズを遮蔽するシールド層として用いるために、本実施形態ではメタルコア層２１１を所定のグランドに接続してグランドとして機能するようにしている。メタルコア層２１１をグランドとするために、別のグランドに接続してもよく、あるいはバッテリ１０の正極または負極に接続してもよい。これにより、メタルコア層２１１がグランドとなりノイズを遮蔽するシールド層として機能する。

上記のように、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ２００では、メタルコア層２１１をノイズに対するシールド層として用いることが可能となることから、制御ＣＰＵ１３０とノイズ源のスイッチング手段との間にメタルコア層２１１が挟まれるようにそれぞれを配置することで、制御ＣＰＵがスイッチング手段から受けるノイズの影響を低減することが可能となる。図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２００では、昇圧回路１２０がスイッチング手段を内蔵していることから、昇圧回路１２０が搭載されたメタルコア基板２１０の一方の面とは反対側の他方の面に制御ＣＰＵ１３０を搭載することで、スイッチング手段からのノイズがメタルコア層２１１で遮蔽されて制御ＣＰＵ１３０への影響が低減される。

メタルコア層２１１がノイズを遮蔽するシールド層として機能することから、メタルコア層２１１を挟んで昇圧回路１２０と反対側の面に制御ＣＰＵ１３０を配置したとき、制御ＣＰＵ１３０を昇圧回路１２０に近接させて配置することも可能となる。図１では、制御ＣＰＵ１３０が、垂直方向に昇圧回路１２０と一部が重なるような位置に配置されている。このように制御ＣＰＵ１３０を昇圧回路１２０に近接させて配置しても、昇圧回路１２０のスイッチング手段から放射されるノイズがメタルコア層２１１で遮蔽されるため、制御ＣＰＵ１３０はノイズの影響をほとんど受けることがない。本実施形態では、制御ＣＰＵ１３０を昇圧回路１２０に近接させて配置することで、メタルコア基板２１０を小さくすることができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００を小型化することが可能となる。

上記説明のように本実施形態によれば、昇圧回路１２０からの発熱を均熱化して放熱性を高めるとともに、昇圧回路１２０からのノイズの影響を低減して小型化が容易な電源制御装置２００を提供することが可能となる。

（第３実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る電源制御装置（ＤＣＤＣコンバータ）を、図４を用いて以下に説明する。図４は、本実施形態のＤＣＤＣコンバータ３００の構成の一例を示す断面図である。同図に示す断面図は、図１（ａ）に示す平面図のＡ−Ａ断面で切断したときの断面図である。

本実施形態のＤＣＤＣコンバータ３００は、第２実施形態のＤＣＤＣコンバータ２００と同様に、メタルコア基板３１０のメタルコア層３１１がグランドとなるように形成されてシールド層となっている。これにより、メタルコア基板３１０の昇圧回路１２０が搭載されている面とは反対側の面に制御ＣＰＵ１３０を搭載することで、昇圧回路１２０から放射されるノイズが制御ＣＰＵ１３０に与える影響を大幅に低減することができる。その結果、制御ＣＰＵ１３０の配置を昇圧回路１２０に近接させることができ、メタルコア基板３１０を小さくしてＤＣＤＣコンバータ３００を小型化することが可能となっている。

さらに、本実施形態のＤＣＤＣコンバータ３００では、メタルコア層３１１が第１のグランド層３１２及び第２のグランド層３１３と接続部３１４で電気的に接続されている。メタルコア層３１１を第１のグランド層３１２及び第２のグランド層３１３に接続することで、メタルコア層３１１のグランドとしての機能が強化される。その結果、メタルコア層３１１のシールド層としての機能も強化される。メタルコア層３１１と第１のグランド層３１２及び第２のグランド層３１３との間を電気的に接続する接続部３１４は、その数を増やすほどグランドとしての機能がより強化される。その結果、シールド層としての機能もより強化されることになる。

上記の各実施形態では、メタルコア基板３１０に搭載されている回路部品のグランドとして、第１のグランド層３１２と第２のグランド層３１３の２つが設けられていた。そして、メタルコア基板３１０の一方の面に搭載されている回路部品のグランドとして第１のグランド層３１２が用いられ、メタルコア基板３１０の他方の面に搭載されている回路部品のグランドとして第２のグランド層３１２が用いられている。

第１のグランド層３１２と第２のグランド層３１３の２つのグランド層を設けるのに代えて、メタルコア層３１１を１つの共通グランドに用いることも可能である。すなわち、メタルコア基板３１０の両面に配置されている回路部品は、グランドとしてすべてメタルコア層３１１に接続することができる。これにより、第１のグランド層３１２及び第２のグランド層３１３を不要として低コスト化を図ることができる。

本実施形態によれば、メタルコア層３１１のグランドとしての機能をより強化することで、昇圧回路１２０からの発熱を均熱化して放熱性を高めるとともに、昇圧回路１２０からのノイズの影響をさらに低減して小型化が容易な電源制御装置３００を提供することが可能となる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る電源制御装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における電源制御装置の細部構成及び詳細な動作などに関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０ バッテリ
２０ 電気負荷
３０ ＥＣＵ
１００，２００、３００ 電源制御装置（ＤＣＤＣコンバータ）
１１０，２１０、３１０ メタルコア基板
１１１，２１１、３１１ メタルコア層
１１２，２１２、３１２ 第１のグランド層
１１３，２１３、３１３ 第２のグランド層
１２０ 昇圧回路
１２１ パワー部
１２２ 昇圧制御部
１３０ 制御ＣＰＵ
３１４ 接続部

Claims (4)

1. 車両のバッテリから電気負荷に安定電圧で電力を供給するための電源制御装置であって、
   エンジン始動時のバッテリの電圧低下を補償して所定の電圧に安定化させる昇圧回路と制御部とがメタルコア基板に搭載されている
   ことを特徴とする電源制御装置。
2. 前記昇圧回路と前記制御部とは、前記メタルコア層を挟んでそれぞれ前記メタルコア基板の対向する面に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源制御装置。
3. 前記メタルコア層が接地されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源制御装置。
4. 前記メタルコア層が前記バッテリの正極または負極に接続されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源制御装置。
   
   
   
   
   
   

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