JP2016181989A - 電力変換用回路基板及び電動圧縮機 - Google Patents

電力変換用回路基板及び電動圧縮機 Download PDF

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Abstract

【課題】省スペース性を維持しながらも、電磁ノイズの影響を低減可能な電力変換用回路基板及び電動圧縮機を提供する。
【解決手段】電力変換用回路基板1は、直流を交流に変換する電力変換用回路が搭載された基板であって、低電圧が印加される低電圧回路10bと、高電圧が印加される高電圧回路10aと、が同一の基板表面の異なるエリアにそれぞれ分かれて配置されている。また、高電圧回路10aは、一部の配線が基板表面に形成されるとともに、他の配線が基板表面から所定距離だけ空けて設けられたバスバーで構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換用回路基板及び電動圧縮機に関する。
車載用空気調和機は、例えば、車両内の限られた空間に各種構成機器を収容する必要性から、高い省スペース性が要求されている。このため、近年、省スペース性を高める目的で、車載用空気調和機を構成する圧縮機と、圧縮機を駆動するためのモータと、圧縮機を制御するための回路基板と、が一体に構成された一体型電動圧縮機が提供されている(例えば、特許文献1、2参照)。
特開2008−099480号公報 特開2011−229397号公報
従来、車載用電動圧縮機は、数百ボルトの電圧を電源とし、最大でも1000Vを超えることは設計上要求されていなかった。しかしながら、近年、新たな技術開発に基づく環境の変化により、電圧電源として1000V以上の入力を要求される可能性が生じている。その一方で、電動圧縮機から生じ得る電磁ノイズの外部機器への影響に関しては、一層低減されることが望まれている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電磁ノイズの外部機器への影響を低減可能とし、更に高耐圧化を図ることができる電力変換用回路基板及び電動圧縮機を提供することにある。
本発明の一態様は、直流を交流に変換する電力変換用回路が搭載された基板であって、低電圧が印加される低電圧回路と、高電圧が印加される高電圧回路と、が同一の基板表面の異なるエリアにそれぞれ分かれて配置され、前記高電圧回路は、電源配線と接地配線との間に直列接続された複数のコンデンサ素子からなる直列コンデンサ群を有する電力変換用回路基板である。
このようにすることで、一のコンデンサ素子ごとに印加される電圧が分圧されて低減されるので、高電圧回路としての耐圧性能を高めることができる。また、直列コンデンサ群を構成する各コンデンサ素子を所望に選択することができ、これにより直列コンデンサ群全体としてのインピーダンス特性を、製品固有の電磁ノイズに合わせてコントロールすることができる。したがって、電磁ノイズの外部機器への影響を低減可能とし、更に高耐圧化を図ることができる。
また、本発明の一態様によれば、前記直列コンデンサ群を構成する各コンデンサ素子は、電磁ノイズが規定値以上となる複数の周波数に対応して、当該複数の周波数における電磁ノイズをそれぞれ低減可能とする、異なるインピーダンス特性を有している。
また、本発明の一態様によれば、前記直列コンデンサ群は、基板の表面側及び裏面側における同一の位置にそれぞれ実装され、前記表面側及び前記裏面側における同一の位置に実装される2組の前記直列コンデンサ群は、複数の前記コンデンサ素子の配置パターンが互いに同一となるように実装されている。
このようにすることで、表面側及び裏面側の直列コンデンサ群が有する容量値を、その配置パターンに応じた浮遊容量をも含めて同一化することができる。
また、本発明の一態様は、上述の電力変換用回路基板と、前記電力変換用回路基板から供給される交流電力に基づいて動作するモータと、を備える電動圧縮機である。
上述の電力変換用回路基板及び電動圧縮機によれば、電磁ノイズの外部機器への影響を低減可能とし、更に高耐圧化を図ることができる。
第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の斜視図である。 第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の平面図である。 第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の底面図である。 第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の側面図である。 第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の正面図である。 第1の実施形態に係る直列コンデンサ群の特性を説明する図である。 第1の実施形態に係る高電圧回路の構造に基づく作用効果を説明する図である。
<第1の実施形態>
以下、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板について、図1〜図6を参照しながら説明する。
(全体構造)
図1は、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の斜視図である。
また、図2は、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の平面図である。
また、図3は、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の底面図である。
また、図4は、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の側面図である。
また、図5は、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板の正面図である。
第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1は、入力端子(後述)を通じて外部から供給された直流電力を三相交流電力に変換するインバータを構成する回路基板である。ここで、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1は、当該電力変換用回路基板1が出力する三相交流電力に基づいて動作する交流モータとともに、電動圧縮機に一体に搭載される。
この電動圧縮機は、例えば、車両に搭載される空気調和機(カーエアコン)に利用される。この場合、電動圧縮機(電力変換用回路基板1)は、車両に搭載されたバッテリー等から直流電力の入力を受け付ける。
図1〜図5に示すように、電力変換用回路基板1は、基板本体部10と、バスバー支持部材20と、を備えている。
基板本体部10は、直流を交流に変換する電力変換用回路(インバータ)を構成するための種々の回路素子が実装された回路基板である。図1等に示すように、基板本体部10の基板表面(+Z方向側の面及び−Z方向側の面の両方を含む)には、高電圧が印加される高電圧回路10aの一部と、低電圧が印加される低電圧回路10bと、が異なるエリアにそれぞれ分かれて配置されている。
高電圧回路10aは、図示しない交流モータを駆動させるために必要な高電圧が印加される大電力系の回路である。具体的には、高電圧回路10aには、車両に搭載されるバッテリー等から入力される直流高電圧が印加される。入力された直流高電圧は、スイッチング素子SWを経て、交流モータを駆動するための三相交流電力に変換される。
各スイッチング素子SWは、低電圧回路10b(後述)からの駆動信号(ゲート入力)に基づいて、電流を流すON状態、電流を遮断するOFF状態に切り替わる。スイッチング素子SWは、三相交流をなすU相、V相、W相の各々に対応してそれぞれ2つずつ設けられる。したがって、基板本体部10の基板表面には計6個のスイッチング素子SWが実装される。各スイッチング素子SWが規定されたタイミングでON/OFFを繰り返すことで、交流モータに三相(U相、V相、W相)の交流電力が供給される。
なお、スイッチング素子SWとしては、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が代表的であるが、その他、バイポーラトランジスタ、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field effect transistor)等であってもよい。
一方、低電圧回路10bは、高電圧回路10aよりも低電圧で動作する小信号系の回路である。具体的には、低電圧回路10bには、マイコン等の制御用チップや電流センサ等の各種センサが実装され、直流低電圧が印加されることで動作する。低電圧回路10bに実装されたマイコンは、例えば、各スイッチング素子SWに対し、各種センサの検出結果に応じた所定の駆動信号を出力することで、状況に合わせた所望の三相交流電力が生成されるように制御する。
なお、第1の実施形態に係る基板本体部10は、複数の層が積層されてなる多層配線基板とされる。基板本体部10のうち高電圧回路10aが実装されたエリアでは、少なくとも、上記高電圧が印加される電源配線がパターニングされた電源パターン層と、接地される接地配線がパターニングされたGND(グランド)パターン層とが積層されてなる。
(高電圧回路の構造)
次に、図1〜図5を参照しながら、高電圧回路10aの構造についてより詳細に説明する。
図1〜図5に示すように、高電圧回路10aは、高電圧入力端子10a1と、RC回路10a2と、スイッチング素子SWと、バスバー支持部材20と、キャパシタCと、インダクタLと、が電気的に接続されてなる。
なお、以下の説明においては、主に、電力変換用回路基板1を底面側(−Z方向側)から見た図3を参照しながら説明する。ここで、図3における+X方向側を左側(左端側)、−X方向側を右側(右端側)等と表記し、また、+Y方向側を上側(上端側)、−Y方向側を下側(下端側)等と表記する。
高電圧入力端子10a1は、基板本体部10の裏面側(−Z方向側)の基板表面であって、かつ、基板本体部10の左端側(+X方向側)に実装される(図3参照)。高電圧入力端子10a1には別途搭載されたバッテリーが電気的に接続され、当該バッテリーから直流高電圧が印加される。なお、高電圧入力端子10a1が実装される面の反対側(+Z方向側)の基板表面には、高電圧用のキャパシタCとインダクタLとが実装されている(図2参照)。高電圧用のキャパシタCとインダクタLによりバッテリーからの直流高電圧の安定化が図られている。
高電圧入力端子10a1から入力された直流高電圧は、高電圧回路10aの右端側(−X方向側)に配置されたRC回路10a2を経て、同じく右端側に実装された6個のスイッチング素子SWに入力される。
RC回路10a2は、抵抗素子とキャパシタ素子とが電気的に接続されてなる回路であって、高周波成分を除去するローパスフィルタとして機能する。RC回路10a2は、基板本体部10の基板表面であって、少なくともその一部が、後述するバスバー支持部材20と基板本体部10との間の空間に実装されている(図3等参照)。
6個のスイッチング素子SWは、基板本体部10においてRC回路10a2の下側(−Y方向側)に実装される。
バスバー支持部材20は、基板本体部10の裏面側(−Z方向側)の基板表面であって、かつ、6個のスイッチング素子SWが実装されたエリアの左側(+X方向側)に隣接するように配置される。
バスバー支持部材20は、基板本体部10の裏面側の基板表面から所定距離だけ間隔を空けた位置に配置される(図4参照)。バスバー支持部材20の内部には、U相、V相、W相の各々に対応する3本のバスバーが実装されている。
バスバー支持部材20の内部に実装される3本のバスバーは、基板本体部10の基板表面から一定距離を保ちながら、バスバー支持部材20の下端側(−Y方向側)に位置するバスバー接続端子20aから、バスバー支持部材20の上端側(+Y方向側)に位置する高電圧出力端子20bにかけて延在する。その際、上記3本のバスバーは、基板本体部10の基板表面における左端側から右端側にかけて実装された高電圧回路10aの上空を横切るように配置される。
バスバー支持部材20の内部に実装される3本のバスバーは、バスバー接続端子20aにおいて基板本体部10の基板表面に実装された配線と電気的に接続される。スイッチング素子SWのON/OFF駆動により生成された各相の交流電力は、バスバー接続端子20aを介して対応する各バスバーに入力される。U相、V相、W相の各々に対応する交流電力は、バスバー支持部材20の下端側に位置するバスバー接続端子20aから上端側にかけて延在するバスバーを経て、各相の高電圧出力端子20bから出力される。
このように、電力変換用回路基板1に実装される高電圧回路10aは、当該電力変換用回路基板1を底面側から見た場合に、高電圧回路10aのうち高電圧入力端子10a1からスイッチング素子SWまでの配線と、スイッチング素子SWから高電圧出力端子20bまでの配線と、が互いに交差するように配置される。
また、第1の実施形態に係る基板本体部10は、電磁ノイズの低減の目的で設けられたコンデンサ素子であって、高電圧回路10aにおける高電圧が印加される電源配線と、接地される接地配線と、の間に接続された複数の直列コンデンサ群10a3を有している。直列コンデンサ群10a3は、複数(例えば5個)のコンデンサ素子(1素子当たり、例えば数千pFオーダ)が直列に接続されてなる(図2、図3参照)。各コンデンサ素子は、例えば、一般的なセラミックコンデンサ等であってよい。
図2、図3等に示すように、本実施形態において、直列コンデンサ群10a3は、基板本体部10の表面側(+Z方向側の面)及び基板本体部10の裏面側(−Z方向側の面)における同一の位置(+Z方向側又は−Z方向側から見て互いに重なる位置)にそれぞれ実装されている。また、表面側及び裏面側の同一の位置に実装された2組の直列コンデンサ群10a3は、複数のコンデンサ素子の配置パターンが互いに同一となるように実装されている。
また、第1の実施形態に係る基板本体部10には、図示しない電動圧縮機の筐体に取り付けるための固定穴11が設けられている。電力変換用回路基板1は、固定穴11を通して電動圧縮機の筐体にねじ止めされる。
固定穴11は、基板本体部10の四隅の各々に一つずつの他、基板本体部10の中央寄りにも複数設けられている(図2、図3参照)。固定穴11の縁には、接地配線に接続された接地用のランドが設けられている。これにより、固定穴11がねじ止めされることで、当該固定穴11の縁に設けられた接地用のランドを通じて、電力変換用回路基板1が接地される。
また、上述の直列コンデンサ群10a3は、固定穴11の各々に対応して、当該固定穴11の近傍に実装されている(図2、図3参照)。
(直列コンデンサ群の特性)
図6は、第1の実施形態に係る直列コンデンサ群の特性を説明する図である。
図6(a)に示すグラフは、電力変換用回路基板1から生じる電磁ノイズの周波数特性の例を示している(縦軸はノイズ強度[dB]、横軸は周波数[Hz])。また、図6(b)に示すグラフは、直列コンデンサ群10a3を構成する各コンデンサ素子のインピーダンスの周波数特性の例を示している(縦軸はインピーダンス[Ω]、横軸は周波数[Hz])。
ここで、電力変換用回路基板1から放射される電磁ノイズは、実装する素子の特性やその回路パターン、印加される電圧や動作周波数等に起因して、製品固有の周波数特性を有する。例えば、電力変換用回路基板1の電磁ノイズは、図6(a)に示すように、異なる複数の周波数f1、f2において既定値THよりも高い強度を示すものとなる。
この場合、直列コンデンサ群10a3を構成する5個のコンデンサ素子は、電磁ノイズが規定値TH以上となる複数の周波数f1、f2に対応して、当該複数の周波数f1、f2における電磁ノイズをそれぞれ低減可能とするように選択される。
具体的には、コンデンサ素子のインピーダンス(Ω)は、図6(b)に示すような周波数特性を有する。即ち、共振特性により、インピーダンスが局所的に小さくなる周波数帯が存在する。
このようなコンデンサ素子のインピーダンスの周波数特性は、選択するコンデンサ素子の種類等に応じてそれぞれ異なるものとなる。そこで、直列コンデンサ群を構成する各コンデンサ素子のインピーダンスを、電磁ノイズが強い周波数f1、f2に対応して、それぞれ異なるインピーダンスの周波数特性を組み合わせることで、所望する周波数(周波数f1、f2等)の電磁ノイズを効果的に低減することができる。
(作用効果)
図7は、第1の実施形態に係る高電圧回路の構造に基づく作用効果を説明する図である。
第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1によれば、図7に示すように、低電圧が印加される低電圧回路10bと、高電圧が印加される高電圧回路10aと、が同一の基板表面の異なるエリアにそれぞれ分かれて一つずつ配置されていることを特徴とする。
このようにすることで、高電圧回路10aと低電圧回路10bとが分かれて配置されているので、高電圧回路10aから放射される電磁ノイズの、低電圧回路10bへの干渉の度合いを低減することができる。また、高電圧回路10aと低電圧回路10bとが同一の基板表面に配置されているため、省スペース化を図ることができる。
以上より、電力変換用回路基板1によれば、省スペース性を維持しながらも、電磁ノイズの影響を低減することができる。
また、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1によれば、図7に示すように、高電圧回路10aのうち、高電圧入力端子10a1からスイッチング素子SWまでの配線(直流電流Idが流れる配線)が基板本体部10の基板表面に形成されるとともに、スイッチング素子SWから高電圧出力端子20bまでの配線(交流電流Iaが流れる配線)が基板表面から所定距離だけ空けて設けられたバスバーで構成されている。
このようにすることで、スイッチング素子SWの駆動により生じる電磁ノイズ(リンギングノイズ等)が、RC回路10a2に加え、基板本体部10の基板表面に形成された配線と、基板表面から所定距離だけ空けて設けられたバスバーとの間でも吸収され、電磁ノイズが外部に放射されることを抑制することができる。
また、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1によれば、高電圧入力端子10a1からスイッチング素子SWまでの配線と、スイッチング素子SWから高電圧出力端子20bまでの配線と、が交差するように配置されている。換言すると、高電圧回路10aのうち直流電流Idが流れる配線(基板本体部10aの基板表面に実装された配線)と、高電圧回路10aのうち交流電流Idが流れる配線(バスバー支持部材20に支持されるバスバー)と、が立体的に交差する構造となる。
このようにすることで、スイッチング素子SWの駆動により生じる電磁ノイズが、各々が互いに交差する部分で効果的に吸収され、電磁ノイズが外部に放射されることを一層抑制することができる。
また、上記立体的に交差する構造とすることで、電力変換用回路基板1のうち高電圧回路10aが占める領域をコンパクトに一つにまとめることができる。したがって、電力変換用回路基板1全体を一層小型化(省スペース化)させることができる。
また、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1によれば、高電圧入力端子10a1からスイッチング素子SWまでの配線と、スイッチング素子SWから高電圧出力端子までの配線と、の間に設けられた空間にRC回路10a2の少なくとも一部が設けられている。
このようにすることで、RC回路10a2のローパスフィルタとしての機能に基づいて、電磁ノイズの除去効果を得ることができる。また、RC回路10a2を実装するために必要なスペースを確保する上で、高電圧入力端子10a1からスイッチング素子SWまでの配線と、スイッチング素子SWから高電圧出力端子までの配線と、の間に設けられた空間を有効に活用することができる。したがって、電力変換用回路基板1の一層の省スペース化を図ることができる。
また、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1によれば、高電圧回路10aは、電源配線と接地配線との間に直列接続された複数のコンデンサ素子からなる直列コンデンサ群10a3を有することを特徴としている。
このようにすることで、一のコンデンサ素子ごとに印加される電圧が分圧されて低減されるので、高電圧回路10aとしての耐圧性能を高めることができる。また、仮にコンデンサ素子のいずれかが破壊されて短絡した場合であっても、直列に接続された他のコンデンサ素子により電源配線と接地配線とが短絡されることを防止することができる。
更に、このようにすることで、直列コンデンサ群10a3を構成する各コンデンサ素子を所望に選択することができるようになるため、直列コンデンサ群10a3全体としてのインピーダンス特性を、製品固有の電磁ノイズに合わせて適切にコントロールすることができる。
以上より、電磁ノイズの外部機器への影響を低減可能とし、更に高耐圧化を図ることができる。
また、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1によれば、直列コンデンサ群10a3を構成する各コンデンサ素子は、電磁ノイズが規定値TH(図6)以上となる複数の周波数に対応して、当該複数の周波数における電磁ノイズをそれぞれ低減可能とする、それぞれ異なるインピーダンス特性(インピーダンスの周波数特性)を有している。
このようにすることで、電磁ノイズが強い周波数(図6の周波数f1、f2)に対応して、それぞれ異なるインピーダンスの周波数特性を組み合わせることで、所望する周波数の電磁ノイズを効果的に低減することができる。
また、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1によれば、直列コンデンサ群10a3は、基板本体部10の表面側及び裏面側における同一の位置にそれぞれ実装される。
また、そして、基板本体部10の表面側及び裏面側における同一の位置に実装される2組の直列コンデンサ群10a3は、複数のコンデンサ素子の配置パターンが互いに同一となるように実装されている。
コンデンサ素子間には、各々の位置関係に応じた浮遊容量が形成されることが想定される。したがって、配置パターンを同一とすることで、表面側及び裏面側の直列コンデンサ群10a3が有する容量値を、その配置パターンに応じた浮遊容量をも含めて同一化することができる。
<第1の実施形態の変形例>
以上、第1の実施形態に係る電力変換用回路基板1について詳細に説明したが、電力変換用回路基板1の具体的な態様は、上述のものに限定されることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を加えることは可能である。
例えば、第1の実施形態に電力変換用回路基板1は、高電圧入力端子10a1からスイッチング素子SWまでの配線と、スイッチング素子SWから高電圧出力端子20bまでの配線と、が交差するように配置されているものとして説明したが、他の実施形態においてはこれに限定されない。
即ち、他の実施形態に係る電力変換用回路基板1は、高電圧入力端子10a1からスイッチング素子SWまでの配線と、スイッチング素子SWから高電圧出力端子20bまでの配線と、が必ずしも交差していなくともよく、例えば、両者の少なくとも一部が重なりながら延在する態様であってもよい。
また、第1の実施形態に電力変換用回路基板1は、スイッチング素子SWの駆動に応じた電磁ノイズを低減する目的でRC回路10a2が接続されるものとして説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。
即ち、他の実施形態に係る電力変換用回路基板1は、RC回路10a2を具備しない態様であってもよい。また、この場合において、当該他の実施形態に係る電力変換用回路基板1は、RC回路10a2を実装可能なランドのみが形成された態様であってもよい。
このように、RC回路10a2を実装するための領域のみを設けておくことで、顧客の要求(低減すべき電磁ノイズの度合い)に応じて、RC回路10a2の搭載/非搭載を選択することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。
1 電力変換用回路基板
10 基板本体部
10a 高電圧回路
10a1 高電圧入力端子
10a2 RC回路
10a3 直列コンデンサ群
10b 低電圧回路
11 固定穴
20 バスバー支持部材
20a バスバー接続端子
20b 高電圧出力端子
SW スイッチング素子
C キャパシタ
L インダクタ

Claims (4)

  1. 直流を交流に変換する電力変換用回路が搭載された基板であって、
    低電圧が印加される低電圧回路と、高電圧が印加される高電圧回路と、が同一の基板表面の異なるエリアにそれぞれ分かれて配置され、
    前記高電圧回路は、電源配線と接地配線との間に直列接続された複数のコンデンサ素子からなる直列コンデンサ群を有する
    電力変換用回路基板。
  2. 前記直列コンデンサ群を構成する各コンデンサ素子は、電磁ノイズが規定値以上となる複数の周波数に対応して、当該複数の周波数における電磁ノイズをそれぞれ低減可能とする、異なるインピーダンス特性を有している
    請求項1に記載の電力変換用回路基板。
  3. 前記直列コンデンサ群は、基板の表面側及び裏面側における同一の位置にそれぞれ実装され、
    前記表面側及び前記裏面側における同一の位置に実装される2組の前記直列コンデンサ群は、複数の前記コンデンサ素子の配置パターンが互いに同一となるように実装されている
    請求項1又は請求項2に記載の電力変換用回路基板。
  4. 請求項1から請求項3の何れか一項に記載の電力変換用回路基板と、
    前記電力変換用回路基板から供給される交流電力に基づいて動作するモータと、
    を備える電動圧縮機。
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