JP2015154586A - コンデンサー用接続プレート装着基板 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のレイアウトを変更しないで配線インダクタンスを低減する。
【解決手段】接続プレート装着基板は、導電性金属の基板表面パターンと、基板絶縁層と、導電性金属の基板裏面パターンを一体に積層して構成する。基板表面パターンは、Ｐ側プレート、該Ｐ側プレートと一体のＰ端子表側、及び該Ｐ端子とは分離したＮ端子表側からなり、かつ、基板裏面パターンは、Ｎ側プレート、該Ｎ側プレートと一体のＮ端子裏側、及び該Ｎ端子とは分離したＰ端子裏側からなる。１個或いは複数個のコンデンサー素子を接続して、ケース内に収容すると共に、樹脂充填する。基板端子部は、併置したインバータと接続するためにインバータ方向に折り曲げ部で折り曲げて構成し、かつ、基板端子部のP端子及びN端子は、それぞれ基板絶縁層の表裏両側に導電性金属を一体に積層して構成した。
【選択図】 図３

Description

この発明は、電気自動車或いはハイブリッド自動車用インバータの平滑コンデンサーを接続するための接続プレート装着基板に関する。

従来より、電気自動車或いはハイブリッド自動車の駆動用（走行用）モータの制御は、インバータユニットで行っている。図１１は、従来技術に基づく一般的なインバータユニットを説明する図である（例えば、特許文献１参照）。図示のように、商用電源をコンバータで変換した直流電力（或いはバッテリーから入力される直流電力）は、複数個のコンデンサー素子を直並列に接続した平滑コンデンサーで平滑した後、インバータに入力される。インバータを構成するIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）とかIPM (Intelligent Power Module)などを使ったパワースイッチング素子は、直流電力をスイッチングすることにより３相出力を得ている。平滑コンデンサーは、負荷であるインバータの正側と負側の端子間に接続され、バッテリーからインバータへ給電される入力電圧を平滑化する。

図１２は、従来技術に基づき構成した平滑コンデンサーの外形図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。平滑コンデンサー（スイッチングにより発生するサージ成分を吸収してサージ低減を図るスナバコンデンサー兼用）は、ケースに収容してエポキシ樹脂が充填されている。このケースは、筐体（図示省略）に対して取り付け部で固定されている。この平滑コンデンサーからは、外部接続用に、一対の端子（P端子、N端子）が導出している。平滑コンデンサーにはスイッチング時に大きなリップル電流が流れる為に、平滑コンデンサーの接続のために、銅にめっきを行って、折り曲げて加工したバスバータイプのP端子及びN端子を使っている。平滑コンデンサーはインバータに対してはレイアウト上バスバータイプのP端子及びN端子を直角に曲げて加工する必要がある。また、平滑コンデンサーのP端子とN端子は、絶縁耐圧を確保する為に相互に距離を離して配置する必要がある。

図１３は、従来技術に基づき配置した平滑コンデンサーとインバータとの接続配置関係を示す斜視図である。冷却部上にパワー基板を介して装着したインバータの直流電力側は、平滑コンデンサー端子に接続され、かつ交流電力側は３相出力端子に、それぞれねじ締めによって接続される。平滑コンデンサーは、インバータのスイッチング素子との配線インダクタンス成分を低減する為に、平滑コンデンサーの端子を直接インバータのDC入力端子に接続することが望まれる。平滑コンデンサーとインバータ間の配線インダクタンス成分は、スイッチング時のサージ電圧に影響を及ぼす。従って、極力インダクタンス成分を低減する事が必要であり、これはインバータスイッチング素子の信頼性（素子の絶対最大定格を越えない、ストレスを与えない）を保つ上でも重要な事である。

しかし、このように、平滑コンデンサー端子を銅のバスバー構成にして、レイアウト上バスバータイプのP端子及びN端子を直角に曲げて加工している為に、配線インダクタンス成分を低減させる為には限界がある。これは、本来配線インダクタンスを低減させるためには、P端子とN端子を重ねて（積層）配線する等の方法があるが、絶縁耐圧を確保する必要があるために、重ねて（積層）配線する事が出来ない。

特開2002-44949号公報

それ故に、本発明は、従来、銅のバスバーで行っていた平滑コンデンサーの配線を、大電流を流す事が出来る配線基板に変更して、その配線基板を略直角方向に折り曲げて配線することで、従来のレイアウトを変更しないで、平滑コンデンサーとパワースイッチング素子間の配線インダクタンスを低減する事を目的としている。

電気自動車とかハイブリッド自動車などの車両用インバータ電源は、バッテリー又は高速回転の発電機から得ている為に、平滑に必要なコンデンサー容量は一般の商用電源を入力電源に用いるインバータと比較して、少なくてかまわない。従って、本発明は、フィルムコンデンサーとかセラミックスコンデンサーのような低いESR（等価直列抵抗）とESL（等価直列インダクタンス）特性を有する長期信頼性にすぐれたコンデンサー素子を平滑コンデンサーとスナバコンデンサーの兼用として使用する。

本発明の接続プレート装着基板は、バッテリー又は高速回転の発電機から直流電力を得て、車両用駆動モータに３相交流出力するインバータに併置して配置し、かつ、該インバータに接続される平滑コンデンサー用に用いられる。この接続プレート装着基板は、導電性金属の基板表面パターンと、基板絶縁層と、導電性金属の基板裏面パターンを一体に積層して構成する。基板表面パターンは、Ｐ側プレート、該Ｐ側プレートと一体のＰ端子表側、及び該Ｐ端子とは分離したＮ端子表側からなり、かつ、基板裏面パターンは、Ｎ側プレート、該Ｎ側プレートと一体のＮ端子裏側、及び該Ｎ端子とは分離したＰ端子裏側からなる。１個或いは複数個のコンデンサー素子を、Ｐ側プレートとＮ側プレート間に接続して、ケース内に収容すると共に、樹脂充填する。基板絶縁層の両面側に露出したP端子及びN端子を有する基板端子部を、併置したインバータと接続するために、ケース外に延長した基板端子部は、インバータ方向に折り曲げ部で折り曲げて構成し、かつ、基板端子部のP端子及びN端子は、それぞれ基板絶縁層の表裏両側に導電性金属を一体に積層して構成した。

コンデンサー素子は、フィルムコンデンサー又はセラミックスコンデンサーである。基板絶縁層、Ｐ端子、及びＮ端子にはそれぞれ、端子位置に対応してねじ締め用の貫通孔が開けられている。P端子及びN端子用の貫通孔を形成した基板絶縁層の表面側及び裏面側にそれぞれ、基板表面パターンと基板裏面パターンを接着剤を用いて貼り合わせる。或いは、インサート成型技術を用いて、金型内に基板表面パターン及び基板裏面パターンと、P端子及びN端子を装填して、樹脂を充填することにより一体に積層して構成する。或いは電着塗装絶縁材料技術を用いて、P端子及びN端子に絶縁コーティングを施した後、P端子及びN端子を接着剤を用いて貼り合わせる。

折り曲げ部は、Ｐ側プレートとＮ側プレートを削り厚さを薄くするか、或いは、穴を開けて曲げるときの応力を低減することにより折り曲げる。或いは、折り曲げの応力を緩和する為に、緩やかなカーブの折り曲げとする。基板端子部のP端子及びN端子は、基板絶縁層の表面と裏面で導電性金属プレートが重なるようにオーバーラップさせる。

本発明によれば、下記効果がある。
（１）平滑コンデンサーのP（プラス）側プレート及び端子と、N（マイナス）側プレート及び端子を絶縁層を挟んで積層構造にする事が出来るために、平滑コンデンサーとパワースイッチング素子間の配線インダクタンスを低減する事が出来る。これによって、スイッチングサージを低減する事が出来て、スイッチング素子のストレスを低減出来る。

（２）サージを低減する事が出来る為に、素子絶対最大定格に対するマージンが大きくなる。また、同一サージマージンとした場合には、平滑電圧（バッテリー電圧）の入力電圧範囲を広げる事が出来る。

本発明の接続プレート装着基板を使用することができる自動車用インバータシステムの概略全体構成を例示する図である。 本発明を構成する平滑コンデンサーを接続するための接続プレート装着基板の主要素をそれぞれ示す平面図である。 本発明を構成するコンデンサー用接続プレート装着基板を例示する図であり、（Ａ）は、積層した後に基板を折り曲げた状態で示す図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、接続プレート装着基板の各構成素子（図２に例示の各素子）を積層して、それぞれ表面側及び裏面側から見た図であり、（Ｄ）は、図（Ａ）中に示すＸ部の詳細図である。 基板端子部の詳細を例示する図であり、（Ａ）は裏面図、（Ｂ）は表面図をそれぞれ示している。 本発明を構成する平滑コンデンサーの外形を例示する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図をそれぞれ示している。 コンデンサー素子を取り除いた状態で平滑コンデンサー内部構造を例示する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図をそれぞれ示している。 コンデンサー素子を装着した状態で示す平滑コンデンサー内部構造を例示する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。 平滑コンデンサーに接続されるインバータの配置及び接続を説明する図である。 平滑コンデンサーとそれに接続されるインバータの接続配置関係を上面から見た平面図である。 インバータと平滑コンデンサーの接続部を詳細に示す図である。 従来技術に基づく一般的なインバータユニットを説明する図である。 従来技術に基づき構成した平滑コンデンサーの外形図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。 従来技術に基づき配置した平滑コンデンサーとインバータとの接続配置関係を示す斜視図である。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明の接続プレート装着基板を使用することができる自動車用インバータシステムの概略全体構成を例示する図である。自動車用インバータシステムを、HEV（ハイブリッド電気自動車）用を例として説明する。モータ駆動用インバータは、負荷としての駆動モータを制御する。このインバータは、制御ユニットの制御に基づき、バッテリー電源又はエンジン駆動の高速回転の発電機からの発電用コンバータ出力電力をインバータのスイッチング素子により３相出力に変換している。発電用コンバータは、エンジン始動インバータを兼ねている。バッテリー管理システムは、バッテリー電流センサで検出した電流値及びバッテリー電源電圧値に基づき＋側リレー及び−側リレーをオンオフ制御する。

モータ駆動用インバータは、直流電力を交流電力に変換して駆動モータに供給すると共に、駆動モータを回生制動させた際の発電電力（交流電力）を直流電力へと変換する機能も果たしている。モータ駆動用インバータの正側と負側の端子間にはコンデンサー素子（フィルムコンデンサー又はセラミックスコンデンサーなどの低いESR（等価直列抵抗）とESL（等価直列インダクタンス）特性を有するコンデンサー）１，２からなる平滑コンデンサーが接続されていて、インバータへの供給電力の直流の平滑化と、インバータのスイッチングにより発生するサージ成分の吸収（サージ低減＝スナバ回路）を行っている。

本発明は、図１に例示したようなハイブリッド自動車とか電気自動車などの車両用駆動モータに３相交流出力するインバータに接続する平滑コンデンサーを対象としている。図２は、本発明を構成する平滑コンデンサーを接続するための接続プレート装着基板の主要素をそれぞれ示す平面図である。本発明の平滑コンデンサー用接続プレート装着基板は、（Ａ）基板表面パターン（導電性金属、例えば銅板）と、（Ｂ）基板絶縁層と、（Ｃ）基板裏面パターン（導電性金属、例えば銅板）を積層して構成される。基板表面パターンは、Ｐ側プレート、該Ｐ側プレートと一体のＰ端子（表側）、及び該Ｐ端子とは分離したＮ端子（表側）からなっている。基板裏面パターンは、Ｎ側プレート、該Ｎ側プレートと一体のＮ端子（裏側）、及び該Ｎ端子とは分離したＰ端子（裏側）からなっている。基板絶縁層、Ｐ端子、及びＮ端子にはそれぞれ、端子位置に対応してねじ締め用の貫通孔が開けられている。図中の点線は、後述する折り曲げ部を示している。

図３は、本発明を構成するコンデンサー用接続プレート装着基板を例示する図であり、（Ａ）は、積層した後に基板を折り曲げた状態で示す図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、接続プレート装着基板の各構成素子（図２に例示の各素子）を積層して、それぞれ表面側及び裏面側から見た図であり、（Ｄ）は、図（Ａ）中に示すＸ部の詳細図である。Ｐ側プレート、絶縁層、及びＮ側プレートの積層構成は、貼り合わせ或いはインサート成型によって作成することができる。図２に示すように、P端子及びN端子用の貫通孔を形成した基板絶縁層の表面側及び裏面側にそれぞれ、基板表面パターンと基板裏面パターンを、エポキシ樹脂系接着剤とかポリイミド系接着剤のような接着剤を用いて貼り合わせる。或いは、周知のインサート成型技術を用いて、金型内にインサート品（即ち、基板表面パターン及び基板裏面パターン、P端子及びN端子）を装填して、樹脂を充填することにより一体化した複合部品を作ることができる。或いは、周知の電着塗装絶縁材料技術を用いて、P端子及びN端子に絶縁コーティングを施したのちP端子及びN端子を接着剤を用いて貼り合わせる事により、絶縁層を持ったP端子とN端子積層端子を作る事が出来る。

基板絶縁層は、例えば、ポリカーボネートのような絶縁耐圧が高い材質であり、かつ、貼り合わせで作成する際には、PVC（ポリ塩化ビニル）樹脂のような折り曲げ可能の材質である。また、インサート成型で作成する際は、成型時に成型加工性を有する例えば、ガラス長繊維強化熱可塑性樹脂が望ましい。電着塗装絶縁材料技術を用いた場合には、高い絶縁性と電着塗装性に優れた電着塗装絶縁材料、例えば、変性ポリアミド・イミド樹脂や特殊変性ノボラック型エポキシ樹脂が望ましい。

貼り合わせ或いはインサート成型或いは電着塗装絶縁材料技術によって作成された積層構成は、絶縁層の表側に、P端子（表側）と一体のP側プレートが形成されると共に、N端子の表側も形成される。また、絶縁層の裏側には、N端子（裏側）と一体のN側プレートが形成されると共に、P端子の裏側も形成される。P端子及びN端子の中央部にはねじ締めのための貫通孔が設けられている。これによって、中央に貫通孔の開いたP端子及びN端子がそれぞれ、絶縁層の両面側に露出することになる。図３（Ａ）に示すように、後述するインバータと接続するために、絶縁層を介して一体になったP端子及びN端子部分を、基板端子部と称する。

基板端子部は、図３（Ｄ）に示すように、大電流を流すために銅プレートの厚みが厚いので、通常のガラスエポキシ基板等で曲げ加工の伴う基板を作成する事が出来ない。Ｐ側プレートとＮ側プレートは絶縁層を挟む形で積層されているが、曲げ部分についてもＰ側プレートとＮ側プレートを均一な厚さにして曲げを行うと、絶縁層に外圧がかかり破損して絶縁破壊を起こしたり、適度な曲げ角（直角）が得られない。従って、積層曲げ部分についてはＰ側プレートとＮ側プレートを削り、厚さを薄くして、絶縁層に外力が掛からない様にすると共に、曲げ角の自由度を確保する。或いは、折り曲げ部は、厚さを薄くする方法以外に、穴を開けて曲げるときの応力を低減する方法等を単独で、若しくは両方法を併用して行う。或いは、折り曲げの応力を緩和する為に、緩やかなカーブの折り曲げとする。

図４は、基板端子部の詳細を例示する図であり、（Ａ）は裏面図、（Ｂ）は表面図をそれぞれ示している。Ｐ側プレートとＮ側プレートと絶縁層は積層構造になっているが、図示のように、極力Ｐ側プレートとＮ側プレートが重なる構成となるように、絶縁層表面のＰ側プレートと、絶縁層裏面のＮ側プレートは、表面と裏面でプレート金属が重なるようにオーバーラップさせている。これによって、インダクタンスを低減させることが可能になる。また、Ｐ側プレートとＮ側プレート間は、高耐圧の絶縁を保つ必要があるので、端子部の露出する部分は絶縁と積層のトレードオフのレイアウトにする。

図５は、本発明を構成する平滑コンデンサーの外形を例示する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図をそれぞれ示している。図示のように、ケースに収容した平滑コンデンサーは、取り付け部を介して筐体（図示省略）に装着される。取り付け部に取り付けた平滑コンデンサーの上面側部から上方に伸びた基板端子部を、略直角方向に先端側を折り曲げて構成する。

図６は、コンデンサー素子を取り除いた状態で平滑コンデンサー内部構造を例示する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図をそれぞれ示している。１個或いは複数個のコンデンサー素子を、Ｐ側プレートとＮ側プレートに接続した状態で、樹脂ケースに装着し、かつケース内部にエポキシ樹脂を充填して完成するが、図６に例示の平滑コンデンサーは、説明を分かり易くする目的で、コンデンサー素子を取り除いて例示している。

図７は、コンデンサー素子を装着した状態で示す平滑コンデンサー内部構造を例示する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図において、コンデンサー素子として、１個或いは複数個（２個として例示）のフィルムコンデンサー１，２がＰ側プレートとＮ側プレート間に並列に接続されている。この接続は、半田付けによって行うが、ロー付け、溶接などの他の接続手段を用いることも可能である。フィルムコンデンサーは、誘電率は低いがやわらかいフィルムを絶縁体として使い、広くて長い極板（アルミホイル又はフィルムに電極を蒸着処理）でフィルムをはさみ、ぐるぐる巻きにして構成し、リードを接続したものとして、それ自体は周知である。また、本発明のコンデンサー素子としては、フィルムコンデンサーに限らず、低いESR（等価直列抵抗）とESL（等価直列インダクタンス）特性を有するものであれば、セラミックスコンデンサーのような他のタイプのコンデンサーを用いることも可能である。図７に例示の平滑コンデンサーは、コンデンサー素子を半田付けした接続プレート装着基板を、ケース内に挿入して端子部分と位置固定治具をネジ止め等によって固定した後、エポキシ樹脂を充填して完成する。

これによって、コンデンサー素子は、接続プレート装着基板上に形成されたＰ側プレートとＮ側プレート、及びＰ端子とＮ端子をそれぞれ介して、平滑コンデンサー外部に併置して配置したインバータのバスバーと接続される。

図８は、平滑コンデンサーに接続されるインバータの配置及び接続を説明する図である。インバータを構成するスイッチング素子は、パワー基板に取り付けて、筐体内の冷却部上に装着する。インバータの直流側両端子は、それぞれ平滑コンデンサーの両端子に、基板端子部を介して接続すると共に、接続ねじを介してバッテリーケーブルに接続する。インバータの３相出力側は、３相ケーブルを介して、駆動モータ（図示省略）に接続する。このように、インバータと平滑コンデンサーは併置して配置するために、平滑コンデンサーの基板端子部は、インバータ方向に直角方向に折り曲げる必要がある。

図９は、平滑コンデンサーとそれに接続されるインバータの接続配置関係を上面から見た平面図である。併置して配置したインバータと平滑コンデンサーは、それぞれ取り付け穴にネジ締結することにより冷却部或いは筐体（図８参照）に固定される。平滑コンデンサーの基板端子部（P端子とN端子）と、スイッチング素子のN端子とP端子の接続はネジによる締結である。従って、平滑コンデンサーの端子とスイッチング素子の端子、接触面で高さが合っている必要があり、また縦と横の位置に於いても、取り付け穴位置が合致している必要がある。

図１０は、インバータと平滑コンデンサーの接続部を詳細に示す図である。平滑コンデンサーの端子とスイッチング素子の端子（P端子、N端子）の高さを調整しているのが図示した銅のスペーサーである。この銅のスペーサーの接触面は、スイッチング素子端子形状と同じであり、P端子銅スペーサーとN端子銅スペーサーが充分に離れているので、これらは絶縁の必要は無い。パワー基板は、スイッチング素子の３相端子（U、V、W）と直流側端子（P、N）にネジで締結される。直流側（P、N）は平滑コンデンサー端子が接続されるので、直流側銅スペーサーはその厚み分だけ３相端子銅スペーサーより薄くする事が必要である。またパワー基板とスイッチング素子の間は、幾らかのスペースを持っている。これはパワー基板の半田面（パワー基板とスイッチング素子の間）に部品を実装するからである。銅のスペーサーはそのスペースを確保する役目も持っている。

Claims (8)

1. バッテリー又は高速回転の発電機から直流電力を得て、車両用駆動モータに３相交流出力するインバータに併置して配置し、かつ、該インバータに接続される平滑コンデンサー用の接続プレート装着基板において、
   導電性金属の基板表面パターンと、基板絶縁層と、導電性金属の基板裏面パターンを一体に積層して構成し、
   前記基板表面パターンは、Ｐ側プレート、該Ｐ側プレートと一体のＰ端子表側、及び該Ｐ端子とは分離したＮ端子表側からなり、かつ、前記基板裏面パターンは、Ｎ側プレート、該Ｎ側プレートと一体のＮ端子裏側、及び該Ｎ端子とは分離したＰ端子裏側からなり、
   １個或いは複数個のコンデンサー素子を、前記Ｐ側プレートと前記Ｎ側プレート間に接続して、ケース内に収容すると共に、樹脂充填し、
   前記基板絶縁層の両面側に露出したP端子及びN端子を有する基板端子部を、前記併置したインバータと接続するために、前記ケース外に延長した前記基板端子部は、インバータ方向に折り曲げ部で折り曲げて構成し、かつ、前記基板端子部のP端子及びN端子は、それぞれ前記基板絶縁層の表裏両側に導電性金属を一体に積層して構成した、
   ことから成る接続プレート装着基板。
2. 前記コンデンサー素子は、フィルムコンデンサー又はセラミックスコンデンサーである請求項１に記載の接続プレート装着基板。
3. 前記基板絶縁層、前記Ｐ端子、及び前記Ｎ端子にはそれぞれ、端子位置に対応してねじ締め用の貫通孔が開けられている請求項１に記載の接続プレート装着基板。
4. P端子及びN端子用の前記貫通孔を形成した前記基板絶縁層の表面側及び裏面側にそれぞれ、基板表面パターンと基板裏面パターンを接着剤を用いて貼り合わせた請求項１に記載の接続プレート装着基板。
5. インサート成型技術を用いて、金型内に前記基板表面パターン及び前記基板裏面パターンと、前記P端子及び前記N端子を装填して、樹脂を充填することにより一体に積層して構成した請求項１に記載の接続プレート装着基板。
6. 電着塗装絶縁材料技術を用いて施したP端子及びN端子の絶縁コーティングの上に、前記P端子及び前記N端子を接着剤を用いて貼り合わせることにより一体に積層して構成した請求項１に記載の接続プレート装着基板。
7. 前記折り曲げ部は、Ｐ側プレートとＮ側プレートを削り厚さを薄くするか、或いは、穴を開けて曲げるときの応力を低減することにより折り曲げる請求項１に記載の接続プレート装着基板。
8. 前記基板端子部のP端子及びN端子は、前記基板絶縁層の表面と裏面で導電性金属プレートが重なるようにオーバーラップさせている請求項１に記載の接続プレート装着基板。
   

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