JP2016032389A - 電力変換装置の制御基板 - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出部の検出精度の悪化を低減できる電力変換装置の制御基板の提供。
【解決手段】電力変換装置の制御基板は、基板本体と、基板本体に設けられ、グランド端子を備える電源生成部と、基板本体に設けられ、電力変換装置のスイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、基板本体に設けられ、スイッチング素子を駆動する駆動信号を生成する駆動部と、基板本体に設けられるグランド電位部とを含み、グランド電位部は、電源生成部のグランド端子から最初の分岐部まで延在する第１導体部と、最初の分岐部で分岐して温度検出部まで延在し、最初の分岐部より後流では温度検出部のみに電気的に接続する第２導体部と、最初の分岐部で第２導体部とは異なる方向に分岐して駆動部まで延在する第３導体部とを含む。
【選択図】図２

Description

本開示は、電力変換装置の制御基板に関する。

温度センサを含むスイッチＩＣ（Integrated Circuit）のチップと、制御回路ＩＣのチップとが別々に形成され、スイッチＩＣと制御回路ＩＣとがボンディングワイヤで接続された内燃機関用点火装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この内燃機関用点火装置では、制御回路ＩＣは、ＧＮＤ端子の上に導電性材料を介して実装されている。

特開2006‐299988号公報

ところで、スイッチング素子の温度を検出するために、基板に温度検出部が設けられる場合がある。基板には、温度検出部以外にも、駆動部や過電流検出部などグランドを必要とする他の回路部が実装される場合がある。かかる場合、温度検出部及び他の回路部とグランドとの電気的な接続態様によっては、他の回路部の動作に起因したグランド電位の変動（０Ｖからの乖離）によって、温度検出部の検出精度が悪くなる虞がある。

そこで、本開示は、温度検出部の検出精度の悪化を低減できる電力変換装置の制御基板の提供を目的とする。

本開示の一局面によれば、基板本体（４１０−１，４１０−２）と、
基板本体（４１０−１，４１０−２）に設けられ、グランド端子（ＧＮＤ）を備える電源生成部（４２１）と、
基板本体（４１０−１，４１０−２）に設けられ、電力変換装置４のスイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）の温度を検出する温度検出部（４２２）と、
基板本体（４１０−１，４１０−２）に設けられ、スイッチング素子（Ｑ１〜Ｑ６）を駆動する駆動信号を生成する駆動部（４２４）と、
基板本体（４１０−１，４１０−２）に設けられるグランド電位部（４３０−１，４３０−２）とを含み、
グランド電位部（４３０−１，４３０−２）は、電源生成部（４２１）のグランド端子（ＧＮＤ）から最初の分岐部（ＢＲ１）まで延在する第１導体部（４３１−１，４３１−２）と、最初の分岐部（ＢＲ１）で分岐して温度検出部（４２２）まで延在し、最初の分岐部（ＢＲ１）より後流では温度検出部（４２２）のみに電気的に接続する第２導体部（４３２−１，４３２−２）と、最初の分岐部（ＢＲ１）で第２導体部（４３２−１，４３２−２）とは異なる方向に分岐して駆動部（４２４）まで延在する第３導体部（４３３−１，４３３−２）とを含む、電力変換装置（４）の制御基板（４００−１，４００−２）が提供される。

本開示によれば、温度検出部の検出精度の悪化を低減できる電力変換装置の制御基板が得られる。

インバータ４を含む電気回路１の一例を示す図である。 一例によるインバータ４の制御基板４００−１の実装図である。 一例による制御基板４００−１のグランド電位部４３０−１を示す図である。 比較例による制御基板のグランド電位部を概略的に示す図である。 実装状態における基板本体４１０−１とパワーモジュール７０との関係の一例を概略的に示す断面図である。 他の一例による制御基板４００−２のグランド電位部４３０−２を概略的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

図１は、インバータ４を含む電気回路１の一例を示す図である。電気回路１は、例えばモータ駆動用である。

電気回路１は、バッテリ２と、インバータ（電力変換装置の一例）４と、平滑コンデンサＣ１とを含む。インバータ４には、モータ５が接続される。モータ５は、ハイブリッド車又は電気自動車で使用される走行用モータであってよい。

インバータ４は、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備える。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field‐Effect Transistor)のような他のスイッチング素子であってもよい。インバータ４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のそれぞれに対して並列にフリーホイールダイオードＤ１〜Ｄ６を備えてよい。

図２は、一例によるインバータ４の制御基板４００−１の実装図である。図３は、一例による制御基板４００−１のグランド電位部４３０−１を示す図であり、制御基板４００−１の内層を概略的に示す断面図である。尚、図３は、図２に示した制御基板４００−１の実装図に対して各部の位置関係が若干異なるが、かかる相違は本質的でない。

制御基板４００−１は、基板本体４１０−１と、電源生成部４２１と、温度検出部４２２と、駆動部４２４と、過電流検出部４２６と、グランド電位部４３０−１とを含む。

基板本体４１０−１は、多層基板である。基板本体４１０−１は、例えば２層以上の内層を有する。

電源生成部４２１は、基板本体４１０−１に設けられる。電源生成部４２１は、温度検出部４２２、駆動部４２４、過電流検出部４２６等の動作に必要な電源を生成する。電源生成部４２１は、グランド端子ＧＮＤを含む。電源生成部４２１は、図２に示すように、チップ形態で形成されてよい。電源生成部４２１は、図３に示すように、コンデンサＣ２を含んでよい。

温度検出部４２２は、基板本体４１０−１に設けられる。温度検出部４２２は、インバータ４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を検出する。温度検出部４２２は、例えば直列接続された複数のポリシリコンダイオードを含む。この場合、温度検出部４２２は、ポリシリコンダイオードの順方向電圧がスイッチング素子Ｑ１等の温度に応じて変動することを利用して、スイッチング素子Ｑ１等の温度を検出する。

駆動部４２４は、基板本体４１０−１に設けられる。駆動部４２４は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動する駆動信号（ゲート信号）を生成する。尚、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の駆動方法は任意である。

過電流検出部４２６は、基板本体４１０−１に設けられる。過電流検出部４２６は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６において発生する過電流を検出する。

グランド電位部４３０−１は、基板本体４１０−１に設けられる。図３に示す例では、グランド電位部４３０−１は、基板本体４１０−１の内層に形成される。

グランド電位部４３０−１は、第１導体部４３１−１と、第２導体部４３２−１と、第３導体部４３３−１とを含む。

第１導体部４３１−１は、電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤから最初の分岐部ＢＲ１まで延在する。分岐部とは、電流経路が各部品へと分岐される個所を指す。従って、一方の分岐路が何らかの部品に電気的に接続されないような個所（例えば、図３の個所ＢＲ２）は分岐部に当たらない。第１導体部４３１−１は、好ましくは、可能な限り短く形成される。図３に示す例では、第１導体部４３１−１は、基板本体４１０−１に形成される貫通ビアの一部により形成される。尚、以下の説明において、上流とは、電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤに近い側を指し、後流とは、電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤから遠い側を指す。

第２導体部４３２−１は、最初の分岐部ＢＲ１で分岐して温度検出部４２２まで延在する。図３に示す例では、第２導体部４３２−１は、導体パターン４３２−１ａと、ビア４３２−１ｂとを含む。導体パターン４３２−１ａは、基板本体４１０−１の内層である第１層４１１に形成される。導体パターン４３２−１ａは、例えば銅のベタパターンであってよい。ビア４３２−１ｂは、導体パターン４３２−１ａと温度検出部４２２との間を電気的に接続する。第２導体部４３２−１は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では温度検出部４２２のみに電気的に接続する。

第３導体部４３３−１は、最初の分岐部ＢＲ１で第２導体部４３２−１とは異なる方向に分岐して駆動部４２４まで延在する。第２導体部４３２−１とは異なる方向に分岐とは、第３導体部４３３−１と第２導体部４３２−１とは互いに重複する電流経路を有さないことを意味する。換言すると、分岐部ＢＲ１は、第１導体部４３１−１から第２導体部４３２−１又は第３導体部４３３−１への分岐部を形成する。図３に示す例では、第３導体部４３３−１は、導体パターン４３３−１ａと、ビア４３３−１ｂ、４３３−１ｃとを含む。導体パターン４３３−１ａは、基板本体４１０−１の内層である第２層４１２に形成される。導体パターン４３３−１ａは、例えば銅のベタパターンであってよい。尚、導体パターン４３３−１ａ及び導体パターン４３２−１ａは、それぞれが形成される層（上から何層目か）は任意である。ビア４３３−１ｂは、導体パターン４３３−１ａと駆動部４２４との間を電気的に接続する。ビア４３３−１ｃは、導体パターン４３３−１ａと過電流検出部４２６との間を電気的に接続する。ビア４３３−１ｂ、４３３−１ｃは、導体パターン４３２−１ａとは電気的に絶縁される態様で形成される。

図４は、比較例を示す断面図である。この比較例では、基板本体の内層のベタパターン（グランド電位部）に、上流側から順に、過電流検出部、温度検出部及び駆動部が電気的に接続されている。かかる比較例では、最初の分岐部ＢＲ１よりも後流で温度検出部に加えて駆動部がグランド電位部に電気的に接続されるので、駆動部の動作に起因して導体部４３２−０に僅かながら電位差が発生する。この電位差は、温度検出部のグランド電位の変動（０Ｖからの乖離）を引き起こすので、温度検出部の検出精度が悪くなる虞がある。尚、かかる問題は、図４において、過電流検出部及び駆動部のそれぞれの位置が逆である構成においても同様に生じる。

この点、図３に示す例によれば、温度検出部４２２は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では第２導体部４３２−１を介して、電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤに電気的に接続される。また、駆動部４２４及び過電流検出部４２６は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では第３導体部４３３−１を介して、電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤに電気的に接続される。従って、図３に示す例によれば、駆動部４２４等の動作に起因して第３導体部４３３−１におけるグランド電位が変動した場合でも、かかる変動は、温度検出部４２２のグランド電位に対して、第１導体部４３１−１における変動分しか影響しない。これにより、温度検出部４２２の検出精度の悪化を低減できる。

また、図３に示す例によれば、第２導体部４３２−１は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では温度検出部４２２のみに電気的に接続する。従って、図３に示す例によれば、最初の分岐部ＢＲ１よりも後流で温度検出部４２２のみが第２導体部４３２−１に電気的に接続される。従って、最初の分岐部ＢＲ１よりも後流で温度検出部４２２以外の部品が第２導体部４３２−１のグランド電位を変動させることがない。これにより、温度検出部４２２の検出精度の悪化を低減できる。

また、図３に示す例によれば、導体パターン４３２−１ａと導体パターン４３３−１ａとは、基板本体４１０−１の内層に形成されているので、基板本体４１０−１の表面の部品実装範囲への制約がなく、基板本体４１０−１を大型化することなくグランド電位部４３０−１を実現できる。

図５は、実装状態における基板本体４１０−１とパワーモジュール７０との関係の一例を概略的に示す断面図である。

基板本体４１０−１は、好ましくは、パワーモジュール７０に対向するように配置される。対向とは、上面視で互いに重なりを有する態様で、基板本体４１０−１の表面の面直方向に並んで配置されることを意味する。温度検出部４２２は、図５に示すように、基板本体４１０−２におけるパワーモジュール７０に対向する側とは逆側の表面に設けられる。これにより、温度検出部４２２に対するパワーモジュール７０からのスイッチングノイズの影響を低減できる。尚、パワーモジュール７０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む。例えば、パワーモジュール７０は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６や端子、冷却構造等を一体化して形成されてよい。

また、導体パターン４３２−１ａは、好ましくは、図５に示すように、基板本体４１０−１の面直方向で、パワーモジュール７０から最も遠い内層に形成される。これにより、導体パターン４３３−１ａ（ひいては温度検出部４２２）に対するパワーモジュール７０からのスイッチングノイズの影響を低減できる。また、図５に示す例では、導体パターン４３３−１ａがスイッチングノイズをシールドする機能を果たすので、導体パターン４３３−１ａ（ひいては温度検出部４２２）に対するパワーモジュール７０からのスイッチングノイズの影響を更に低減できる。

図６は、他の一例による制御基板４００−２のグランド電位部４３０−２を概略的に示す図であり、基板本体４１０−２の上面図である。図６に示す制御基板４００−２は、基板本体４１０−２が多層基板でない点が、図３に示した制御基板４００−１と主に異なる。制御基板４００−２の構成要素のうち、制御基板４００−１の構成要素と実質的に同一であってよい構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

基板本体４１０−２は、例えばプリント基板により形成される。グランド電位部４３０−２は、基板本体４１０−２に設けられる。図６に示す例では、グランド電位部４３０−２は、基板本体４１０−２の表面に形成される。グランド電位部４３０−２は、プリント配線のパターンにより形成されてよい。

グランド電位部４３０−２は、第１導体部４３１−２と、第２導体部４３２−２と、第３導体部４３３−２とを含む。同様に、第１導体部４３１−２は、電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤから最初の分岐部ＢＲ１まで延在する。第２導体部４３２−２は、最初の分岐部ＢＲ１で分岐して温度検出部４２２まで延在する。第２導体部４３２−１は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では温度検出部４２２のみに電気的に接続する。第３導体部４３３−２は、最初の分岐部ＢＲ１で第２導体部４３２−２とは異なる方向に分岐して駆動部４２４まで延在する。第３導体部４３３−２は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では、駆動部４２４に加えて過電流検出部４２６に電気的に接続する。

図６に示す例によっても、上述した図３に示す例と基本的に同様の効果が奏される。但し、図６に示す例では、基板本体４１０−２の表面の部品実装範囲への制約は発生する。尚、制御基板４００−２についても、図５に示したような態様で、パワーモジュール７０に対して配置されてもよい。即ち、基板本体４１０−２は、パワーモジュール７０に対向するように配置され、この際、温度検出部４２２は、基板本体４１０−２におけるパワーモジュール７０に対向する側とは逆側の表面に設けられる。これにより、温度検出部４２２に対するパワーモジュール７０からのスイッチングノイズの影響を低減できる。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例では、駆動部４２４以外の他の回路部の一例として、過電流検出部４２６が設けられるが、過電流検出部４２６に加えて又は代えて、グランドを必要とする他の回路部が設けられてもよい。

また、上述した実施例では、電源生成部４２１、温度検出部４２２、駆動部４２４及び過電流検出部４２６は、基板本体４１０−１（４１０−２）の同一側の表面に設けられるが、電源生成部４２１、温度検出部４２２、駆動部４２４及び過電流検出部４２６のうちの任意の部は、基板本体４１０−１（４１０−２）の逆側の表面に設けられてもよい。

また、上述した実施例では、制御基板４００−１（制御基板４００−２）は、インバータ４を制御する部品が実装されているが、これに限られない。例えば、平滑コンデンサＣ１とバッテリ２との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ（電力変換装置の他の一例）が設けられる場合は、制御基板４００−１（制御基板４００−２）は、インバータ４を制御する部品に代えて又は加えて、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する部品が実装されてもよい。

また、図３に示す例では、導体パターン４３３−１ａと導体パターン４３２−１ａとは、異なる内層に形成されているが、同一の内層に形成されてもよい。

なお、以上の実施例に関し、さらに以下を開示する。

（１）
基板本体４１０−１，４１０−２と、
基板本体４１０−１，４１０−２に設けられ、グランド端子ＧＮＤを備える電源生成部４２１と、
基板本体４１０−１，４１０−２に設けられ、電力変換装置４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を検出する温度検出部４２２と、
基板本体４１０−１，４１０−２に設けられ、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動する駆動信号を生成する駆動部４２４と、
基板本体４１０−１，４１０−２に設けられるグランド電位部４３０−１，４３０−２とを含み、
グランド電位部４３０−１，４３０−２は、電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤから最初の分岐部ＢＲ１まで延在する第１導体部４３１−１，４３１−２と、最初の分岐部ＢＲ１で分岐して温度検出部４２２まで延在し、最初の分岐部ＢＲ１より後流では温度検出部４２２のみに電気的に接続する第２導体部４３２−１，４３２−２と、最初の分岐部ＢＲ１で第２導体部４３２−１，４３２−２とは異なる方向に分岐して駆動部４２４まで延在する第３導体部４３３−１，４３３−２とを含む、電力変換装置４の制御基板４００−１，４００−２。

（１）に記載の構成によれば、温度検出部４２２は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では第２導体部４３２−１，４３２−２を介して電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤに電気的に接続される。また、駆動部４２４は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では第３導体部４３３−１，４３３−２を介して電源生成部４２１のグランド端子ＧＮＤに電気的に接続される。従って、駆動部４２４の動作に起因して第３導体部４３３−１におけるグランド電位が変動した場合でも、かかる変動は、温度検出部４２２のグランド電位に対して、第１導体部４３１−１，４３１−２における変動分しか影響しない。これにより、温度検出部４２２の検出精度の悪化を低減できる。また、第２導体部４３２−１，４３２−２は、最初の分岐部ＢＲ１より後流では温度検出部４２２のみに電気的に接続する。従って、最初の分岐部ＢＲ１よりも後流で温度検出部４２２のみが第２導体部４３２−１，４３２−２に電気的に接続される。従って、最初の分岐部ＢＲ１よりも後流で温度検出部４２２以外の部品が第２導体部４３２−１，４３２−２のグランド電位を変動させることがない。これにより、温度検出部４２２の検出精度の悪化を低減できる。

（２）
基板本体４１０−１，４１０−２は多層基板であり、
第２導体部４３２−１，４３２−２は、基板本体４１０−１，４１０−２の内層である第１層４１１に形成される導体パターン４３２−１ａを含み、
第３導体部４３３−１，４３３−２は、基板本体４１０−１，４１０−２の内層であり第１層４１１とは異なる第２層４１２に形成される導体パターン４３３−１ａを含む、１に記載の電力変換装置４の制御基板４００−１。

（２）に記載の構成によれば、制御基板４００−１の大型化を伴うことなくグランド電位部４３０−１を実現できる。

（３）
基板本体４１０−１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含むパワーモジュール７０に対向するように配置され、
温度検出部４２２は、基板本体４１０−１におけるパワーモジュール７０に対向する側とは逆側の表面に設けられ、
第１層４１１は、第２層４１２よりもパワーモジュール７０に対して遠い側の内層である、２に記載の電力変換装置４の制御基板４００−１。

（３）に記載の構成によれば、温度検出部４２２に対するパワーモジュール７０からのスイッチングノイズの影響を低減できる。また、導体パターン４３３−１ａ（ひいては温度検出部４２２）に対するパワーモジュール７０からのスイッチングノイズの影響を低減できる。また、第２層４１２の導体パターン４３３−１ａがスイッチングノイズをシールドする機能を果たすので、第１層４１１の導体パターン４３３−１ａ（ひいては温度検出部４２２）に対するパワーモジュール７０からのスイッチングノイズの影響を更に低減できる。

１ 電気回路
４ インバータ
７０ パワーモジュール
４００−１，４００−２ 制御基板
４１０−１，４１０−２ 基板本体
４１１ 第１層
４１２ 第２層
４２１ 電源生成部
４２２ 温度検出部
４２４ 駆動部
４２６ 過電流検出部
４３０−１，４３０−２ グランド電位部
４３１−１，４３１−２ 第１導体部
４３２−１，４３２−２ 第２導体部
４３２−１ａ 導体パターン
４３３−１，４３３−２ 第３導体部
４３３−１ａ 導体パターン

（２）に記載の構成によれば、導体パターン４３２−１ａ及び導体パターン４３３−１ａは、基板本体４１０−１の内層に形成される。これにより、導体パターン４３２−１ａ及び導体パターン４３３−１ａに起因した基板本体４１０−１，４１０−２の表面の部品実装範囲への制約がなくなり、その結果、制御基板４００−１の大型化を伴うことなくグランド電位部４３０−１を実現できる。

Claims (3)

1. 基板本体と、
   前記基板本体に設けられ、グランド端子を備える電源生成部と、
   前記基板本体に設けられ、電力変換装置のスイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
   前記基板本体に設けられ、前記スイッチング素子を駆動する駆動信号を生成する駆動部と、
   前記基板本体に設けられるグランド電位部とを含み、
   前記グランド電位部は、前記電源生成部のグランド端子から最初の分岐部まで延在する第１導体部と、前記最初の分岐部で分岐して前記温度検出部まで延在し、前記最初の分岐部より後流では前記温度検出部のみに電気的に接続する第２導体部と、前記最初の分岐部で前記第２導体部とは異なる方向に分岐して前記駆動部まで延在する第３導体部とを含む、電力変換装置の制御基板。
2. 前記基板本体は多層基板であり、
   前記第２導体部は、前記基板本体の内層である第１層に形成される導体パターンを含み、
   前記第３導体部は、前記基板本体の内層であり前記第１層とは異なる第２層に形成される導体パターンを含む、請求項１に記載の電力変換装置の制御基板。
3. 前記基板本体は、前記スイッチング素子を含むパワーモジュールに対向するように配置され、
   前記温度検出部は、前記基板本体における前記パワーモジュールに対向する側とは逆側の表面に設けられ、
   前記第１層は、前記第２層よりも前記パワーモジュールに対して遠い側の内層である、請求項２に記載の電力変換装置の制御基板。

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