JP2017118672A - 電気接続箱 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品の放熱特性に優れるとともに、部品点数や製品コストの削減を図りつつ組み付け性に優れる電気接続箱を提供する。
【解決手段】電気接続箱１は、放熱器２と、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路を形成する一対のバスバ３，４と、一対のバスバ３，４にそれぞれ接続されて当該バスバ３，４間の通電及び遮断を行う半導体モジュール５と、半導体モジュール５を制御する制御信号を出力する制御回路を実装するとともに、当該制御回路と半導体モジュール５の制御端子５ｂとを電気的に接続する回路パターンを備える制御基板７と、を有している。ここで、一対のバスバ３，４は、板状のバスバ本体に立設された雌端子３ｂ，４ｂをそれぞれ有している。そして、半導体モジュール５は、一対のバスバ３，４が備える雌端子３ｂ，４ｂに、電力端子５ａがそれぞれ挿入された状態で組み付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されて電源分配を行う電気接続箱に関する。

従来、自動車といった車両には多種多様な電子機器が搭載されている。これら電子機器に電力を供給するために、自動車には、バッテリ等の電源と電子機器との間の適宜箇所に、リレー等の電気部品が集約されて構成された電気接続箱が設置されている。

また、電気自動車やハイブリッドカーなどの車両では、インバータなどの高電圧負荷と高電圧バッテリとの間に配置され、通電又は遮断を行う電気接続箱（「電源分配ボックス」とも言われる）が知られている。この電気接続箱では、従来の機械式のリレーに代えて、半導体モジュールが使用されつつある。半導体モジュールは大電力に対応することができるものの、モジュール自身の大きさやモジュール制御用の制御基板を搭載することから、電気接続箱の大型化の要因となる。

例えば特許文献１には、小型化、高集積化及び高出力化に対応した電気接続箱が開示されている。この電気接続箱は、複数枚の回路基板を積層した積層回路ユニットと、積層回路ユニットから積層方向に離隔して配置した電子回路基板と、積層回路ユニットの回路パターンに接続した受端子と、電子回路基板の回路パターンに接続した受端子と、両受端子間を接続する接続ピンとを備えている。そして、この電気接続箱によれば、電子回路基板と積層回路ユニットとの間の熱の影響を少なくでき、両基板を一つの筐体内に収める事が可能となる。

特開２０１１−６７０１９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、積層回路ユニットが筐体の中央に配置されているため、放熱経路を十分に確保することができないという問題がある。特に、パワー半導体素子のように非常に高温となる発熱体が搭載される場合は、筐体内に熱がこもり、他の電子部品へ熱的な影響が及ぶことが懸念される。

加えて、この手法は、基板同士の接続が複雑であるため、組み付け性が悪いばかりか部品点数や製品コストの増加を招くこととなる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子部品の放熱特性に優れるとともに、部品点数や製品コストの削減を図りつつ組み付け性に優れる電気接続箱を提供する。

かかる課題を解決するために、本発明は、放熱器と、放熱器と熱的に接続して配置され、電源と負荷との間の電気的な経路を形成する一対のバスバと、放熱器と熱的に接続して配置されるとともに、一対のバスバにそれぞれ接続されて当該バスバ間の通電及び遮断を行う半導体モジュールと、半導体モジュールを制御する制御信号を出力する制御回路を実装するとともに、当該制御回路と半導体モジュールの制御端子とを電気的に接続する回路パターンを備える制御基板と、を有している。この場合において、一対のバスバは、板状のバスバ本体に立設された雌端子をそれぞれ有し、半導体モジュールは、一対のバスバが備える雌端子に、電力端子がそれぞれ挿入された状態で組み付けられている。

ここで、本発明において、制御基板は、半導体モジュールの上方に積層的に配置され、半導体モジュールの上部に立設された制御端子が接続されていることが好ましい。

また、本発明において、一対のバスバは、電圧を監視する電圧監視用端子がそれぞれ立設されており、電圧監視用端子のそれぞれが制御基板に接続されていることが好ましい。

本発明によれば、電子部品の放熱特性に優れるとともに、部品点数や製品コストの削減を図りつつ組み付け性に優れる電気接続箱を提供することができる。

本実施形態に係る電気接続箱の構成を示す分解斜視図 本実施形態に係る電気接続箱の主要な構成を示す斜視図 図２に示す電気接続箱の構成を示す側面図 本実施形態に係る電気接続箱の回路構成を示す回路図 半導体モジュールとバスバと制御基板との組み付け工程を示す説明図

図１は、本実施形態に係る電気接続箱１の構成を示す分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る電気接続箱１の主要な構成を示す斜視図である。図３は、図２に示す電気接続箱１の構成を示す側面図である。本実施形態に係る電気接続箱１は、高電圧バッテリ（電源）とインバータ等の高電圧負荷（負荷）との間の通電及び遮断を行う電源分配ボックスである。

電気接続箱１は、放熱器２と、２組からなる一対のバスバ３，４と、２組の半導体モジュール５と、制御基板７と、カバー８とを主体に構成されている。

放熱器２は、放熱用のヒートシンクである。放熱器２は、平面視で略矩形状となる平板状本体２ａと、この平板状本体２ａの下面に配設され、放熱を効率良く行うための複数のフィン２ｂとで構成されている。放熱器２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導性に優れる金属で形成されている。

放熱器２の上面（平板状本体２ａ）には、絶縁シート９が配設されている。絶縁シート９は、例えば、シリコーンゴム、集成マイカ等の熱伝導率に優れた（即ち、熱抵抗の小さい）絶縁体より形成されたシート部材である。

この放熱器２において、高電圧バッテリ側の端部及び高電圧負荷側の端部には、１組の端子台１０が配設されている。個々の端子台１０は、締結ボルトを締結するための締結穴１０ａが形成されている。

一方の組における一対のバスバ３，４は、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路（高電圧回路）を形成するものであり、本実施形態では、正極側に対応する高電圧回路である。一対のバスバ３，４は、絶縁シート９を介して放熱器２の上面に、端子台１０と対応する位置に配置されている。この状態において、一対のバスバ３，４は、半導体モジュール５の両側に位置付けられる。

一方のバスバ３の一端には、端子台１０に挿入された締結ボルト（図示せず）により、高電圧バッテリに通じる接続電線（図示せず）が接続され、その他端には、半導体モジュール５が接続される。これに対して、他方のバスバ４の一端には、端子台１０に挿入された締結ボルト（図示せず）により、高電圧負荷に通じる接続電線（図示せず）が接続され、その他端には、半導体モジュール５が接続される。

個々のバスバ（バスバ本体）３，４は、略平板形状の導電部材であり、例えば銅マンガン合金や銅ニッケル合金などの平板から、プレス成形により所望の形状、例えばクランク形状に形成されている。個々のバスバ３，４の一方の端部には、接続電線との接続を行うための締結ボルトを挿入する貫通孔３ａ，４ａが形成されており、個々のバスバ３，４は、その貫通孔３ａ，４ａが、端子台１０の締結穴１０ａと重なるように位置決めされている。

また、個々のバスバ３，４の他方の端部には、半導体モジュール５の端子（電力端子５ａ）を接続するための雌端子３ｂ，４ｂが立設されている。この雌端子３ｂ，４ｂは、側面視で略Ｕ字形状に湾曲形成された板状部材であり、その間に半導体モジュール５の電力端子５ａが挿入されることで、バスバ３，４と半導体モジュール５との機械的及び電気的な接続を行う。

また、個々のバスバ３，４において、貫通孔３ａ，４ａと雌端子３ｂ，４ｂとの間には、電圧を監視する電圧監視用端子３ｃ，４ｃが立設されている。電圧監視用端子３ｃ，４ｃは、例えばピン端子であり、制御基板７のスルーホール７ｄに端部を差し込むことで当該制御基板７に接続される。

他方の組における一対のバスバ３，４は、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路（高電圧回路）を形成するものであり、本実施形態では、負極側に対応する高電圧回路である。一対のバスバ３，４は、絶縁シート９を介して放熱器２の上面に、端子台１０と対応する位置に配置されている。この状態において、一対のバスバ３，４は、半導体モジュール５の両側に位置付けられる。なお、負極側の一対のバスバ３，４の構成は、上述した正極側の一対のバスバ３，４の構成と同様であり、その説明については省略する。

半導体モジュール５は、一対のバスバ３，４の間に位置し、高電圧回路の通電又は遮断を行うものである。正極側及び負極側それぞれの高電圧回路の通電遮断を行うため、本実施形態の電気接続箱１には、２組の半導体モジュール５が搭載されている。これにより、もしどちらか一方の半導体モジュール５が故障した場合でも、他方の半導体モジュール５を用いて遮断動作をすることができる。そのため、高電圧回路を高電圧負荷側から確実に遮断することができる。

半導体モジュール５は、絶縁シート９を介して放熱器２の上面に所要の位置に配置され、一対のバスバ３，４の間に位置づけられている。半導体モジュール５は、ねじ９ａにより、放熱器２の上面に対して絶縁シート９とともにねじ止めされている。

半導体モジュール５は、１つ以上のパワー半導体素子（例えばｎ型のＭＯＳＦＥＴ）をモジュール化（内蔵）して構成されている。本実施形態において、半導体モジュール５は、複数のパワー半導体素子を内蔵し、通電又は遮断を双方向で行うことができるように構成されている。なお、パワー半導体素子は、ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴのように高電圧、大電流に対応可能であれば他のデバイスであってもよい。

半導体モジュール５において、バスバ３，４側の各端面には、電力端子（ドレイン端子、ソース端子）５ａがそれぞれ設けられている。個々の電力端子５ａは、バスバ３，４の一般面に対して略垂直となる平板状の端子で構成されており、バスバ３，４の雌端子３ｂ，４ｂに挿入されて接続される。

また、半導体モジュール５において、制御基板７と対向する上面には、半導体モジュール５を制御するための制御端子（ゲート端子）５ｂが立設されている。制御端子５ｂは、例えばピン端子であり、制御基板７のスルーホール７ｄに端部を差し込むことで当該制御基板７に接続される。

図４は、本実施形態に係る電気接続箱１の回路構成を示す回路図である。制御基板７は、各種の制御を行う制御回路７ａや、２つの電圧監視回路７ｂ，７ｃを実装する基板である。制御基板７は、放熱器２の上面に立設したスペーサ１４を介して、半導体モジュール５の上方に積層的に配置されている。

制御基板７の所要の位置には、スルーホール７ｄが貫通形成されており、このスルーホール７ｄに、半導体モジュール５の制御端子５ｂやバスバ３，４の電圧監視用端子３ｃ，４ｃが挿通される。また、制御基板７には、プリント配線技術により回路パターンが形成されている。これにより、スルーホール７ｄに挿通された制御端子５ｂと制御回路７ａとが電気的に接続され、同様に、スルーホール７ｄに挿通された一対の電圧監視用端子３ｃと電圧監視回路７ｂとが電気的に接続され、スルーホール７ｄに挿通された一対の電圧監視用端子４ｃと電圧監視回路７ｃとが電気的に接続される。また、各電圧監視回路７ｂ，７ｃは、回路パターンを介して制御回路７ａに接続されている。

また、制御基板７には、外部信号端子１５が実装されており、この外部信号端子１５を介して外部装置（ＥＣＵ等）と制御回路７ａとの電気的な接続を行うことができる。制御回路７ａは、当該外部信号端子１５を介して外部装置と通信を行い、外部装置からの制御指令を取得することができる。

制御回路７ａは、制御指令に基づいて、２組の半導体モジュール５を制御する制御信号を出力する。また、一方の電圧監視回路７ｂは、高電圧バッテリ側に位置する一対のバスバ３にそれぞれ設けられた電圧監視用端子３ｃを介して印加される電圧に基づいて、高電圧バッテリの電圧（バッテリ電圧）を検出する。他方の電圧監視回路７ｃは、高電圧負荷側に位置する一対のバスバ３，４にそれぞれ設けられた電圧監視用端子４ｃを介して印加される電圧に基づいて、高電圧負荷の電圧（負荷電圧）を検出する。各電圧監視回路７ｂ，７ｃにより検出された電圧（電圧値）は、制御回路７ａに出力される。

制御回路７ａは、半導体モジュール５の動作制御のみならず、電圧監視回路７ｂ，７ｃにより検出された電圧値及び制御指令の情報から、半導体モジュール５の動作異常（例えばオン故障やオフ故障）を検出することができる。例えば、外部装置からの制御指令がオン状態であるにも関わらず、負荷電圧がバッテリ電圧と大きく異なる場合には、半導体モジュールのオフ故障と判断する。一方で、制御指令がオフ状態の時に、負荷電圧がバッテリ電圧と等しい場合には、オン故障と判定する、といった如くである。

カバー８は、放熱器２、一対のバスバ３，４、半導体モジュール５及び制御基板７を収容する箱状のカバー（箱体）である。カバー８は、下方が開口された箱体であり、絶縁性の合成樹脂などで形成されている。

カバー８は、制御基板７の上面に四隅に立設されたスペーサ１６により、その内側から支持されている。そして、スペーサ１４，１６を貫通するように長軸のねじ８ａが挿通されており、放熱器２、制御基板７及びカバー８が固定される。

図５は、半導体モジュール５とバスバ３，４と制御基板７との組み付け工程を示す説明図である。電気接続箱１を製造する場合には、まず、放熱器２の上面に、絶縁シート９を配設し、この絶縁シート９の上から一対のバスバ３，４を配設する。この際、個々のバスバ３，４は、その貫通孔３ａ，４ａが、端子台１０の締結穴１０ａと重なるように位置決めされる。

つぎに、半導体モジュール５を一対のバスバ３，４の間に配設し、これとともに、半導体モジュール５の電力端子５ａをバスバ３，４の雌端子３ｂ，４ｂに挿入する。これにより、一対のバスバ３，４と、半導体モジュール５との組み付けがなされる。そして、ねじ９ａにより、半導体モジュール５を、絶縁シート９とともに放熱器２の上面に対してねじ止めする。一対のバスバ３，４、及び半導体モジュール５の組み付け作業は、正極側及び負極側に対応してそれぞれ実施される。

つぎに、放熱器２の上面の四隅に設けられた固定穴にスペーサ１４を立設し、このスペーサ１４を介して制御基板７を半導体モジュール５の上方に配設する。この際、バスバ３，４の電圧監視用端子３ｃ，４ｃ、及び半導体モジュール５の制御端子５ｂを、制御基板７のスルーホール７ｄに挿通させる。

そして、制御基板７の上面の四隅にスペーサ１６を配置した上で、制御基板７の上方から被せるようにカバー８を取り付け、当該カバー８をスペーサ１６にてその内面から支持する。最後に、ねじ８ａを挿通し、放熱器２、制御基板７及びカバー８を固定する。このように、放熱器２の上に、絶縁シート９、一対のバスバ３，４、半導体モジュール５、制御基板７、カバー８をスタック状に組み付けることで、電気接続箱１が構成される。

このような構成の電気接続箱１は、高電圧バッテリとインバータ等の高電圧負荷との間の通電又は遮断を行う高電圧電源分配ボックスとして用いられる。具体的には、制御回路７ａは、外部装置からの遮断命令等を受けると、制御信号を出力する。この制御信号が半導体モジュール５の制御端子５ｂに出力されると、当該制御端子５ｂに制御電圧が印加される。これにより、半導体モジュール５のオンオフ、すなわち、高電圧回路の通電又は遮断を切り換えることができる。なお、制御回路７ａ自身が遮断の判断を行い、制御信号を出力する、もしくは、半導体モジュール５自身が遮断の判断を行い、遮断動作を行う方式であってもよい。

また、制御回路７ａは、電圧監視回路７ｂ，７ｃにより検出される電圧値及び制御指令の情報から、半導体モジュール５の動作異常（例えばオン故障やオフ故障）を検出する。例えば、外部装置からの制御指令がオン状態であるにも関わらず、負荷電圧がバッテリ電圧と大きく異なる場合には、半導体モジュールのオフ故障と判断する。一方で、制御指令がオフ状態の時に、負荷電圧がバッテリ電圧と等しい場合には、オン故障と判定する。

このように本実施形態において、電気接続箱１は、放熱器２と、放熱器２と熱的に接続して配置され、高電圧バッテリと高電圧負荷との間の電気的な経路を形成する一対のバスバ３，４と、放熱器２と熱的に接続して配置されるとともに、一対のバスバ３，４にそれぞれ接続されて当該バスバ３，４間の通電及び遮断を行う半導体モジュール５と、半導体モジュール５を制御する制御信号を出力する制御回路７ａを実装するとともに、当該制御回路７ａと半導体モジュール５の制御端子５ｂとを電気的に接続する回路パターンを備える制御基板７と、を有している。ここで、一対のバスバ３，４は、板状のバスバ本体に立設された雌端子３ｂ，４ｂをそれぞれ有している。そして、半導体モジュール５は、一対のバスバ３，４が備える雌端子３ｂ，４ｂに、電力端子５ａがそれぞれ挿入された状態で組み付けられている。

この構成によれば、高電圧回路の通電時に発生する半導体モジュール５の熱を、放熱器２を介して外部へ逃がすことができる。また、一対のバスバ３，４は、高電圧バッテリ又は高電圧負荷と半導体モジュールとを接続するための配索材として機能するとともに、半導体モジュール５から伝導した熱を放熱器２又は接続電線へ逃がす放熱部材としても機能する。これにより、放熱経路の面積を拡大することができるので、半導体モジュール５の放熱性能の向上を図ることができる。

また、半導体モジュール５は、両端面から電力端子５ａがそれぞれ延出しており、バスバ３，４側の雌端子３ｂ，４ｂに挿入して接続することができる。これにより、ねじ止めすることなく、半導体モジュール５とバスバ３，４とを組み付けることが可能であり、部品点数の削減と組み付け性の向上を図ることができる。

これにより、半導体モジュール５の放熱特性に優れるとともに、部品点数や製品コストの削減を図りつつ組み付け性に優れる電気接続箱１を提供することができる。

また、本実施形態において、制御基板７は、半導体モジュール５の上方に積層的に配置され、半導体モジュール５の上部に立設された制御端子５ｂが挿通接続されている。

この構成によれば、放熱器２の上に、絶縁シート９、バスバ３，４、半導体モジュール５、制御基板７をスタック状に組み付けることができる。また、半導体モジュール５の制御端子５ｂを制御基板７と接続することで制御信号のやり取りを行うことができる。特に、半導体モジュール５の制御端子５ｂと制御基板７との接続を、組み付け工程で行うことができるので、組み付け性の向上とともに部品点数の削減を図ることができる。

また、本実施形態において、一対のバスバ３，４は、電圧を監視する電圧監視用端子３ｃ，４ｃがそれぞれ立設されている。電圧監視用端子３ｃ，４ｃのそれぞれが制御基板７に接続されている。

この構成によれば、バスバ３，４には、高電圧バッテリ側又は高電圧負荷側の電圧を検出するための電圧監視用端子３ｃ，４ｃが立設されており、この電圧監視用端子３ｃから制御基板７に直接的に取り込むことができる。これにより、電圧監視用の引き込み線を設けることが不要となり、部品点数の削減を図ることができる。また、組み付け工程において電圧監視用端子３ｃ，４ｃと制御基板７との接続が可能であるため、組み付け性の向上を図ることができる。

以上、本実施形態にかかる電気接続箱について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることなく、その発明の範囲において種々の変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、電源分配ボックスとして説明したが、種々の電気接続箱に適用可能である。

１ 電気接続箱
２ 放熱器
３，４ バスバ
３ａ，４ａ 貫通孔
３ｂ，４ｂ 雌端子
３ｃ，４ｃ 電圧監視用端子
５ 半導体モジュール
５ａ 電力端子（ドレイン端子、ソース端子）
５ｂ 制御端子（ゲート端子）
７ 制御基板
７ａ 制御回路
７ｂ，７ｃ 電圧監視回路
８ カバー
９ 絶縁シート
１０ 端子台
１５ 外部信号端子

Claims (3)

1. 放熱器と、
   前記放熱器と熱的に接続して配置され、電源と負荷との間の電気的な経路を形成する一対のバスバと、
   前記放熱器と熱的に接続して配置されるとともに、前記一対のバスバにそれぞれ接続されて当該バスバ間の通電及び遮断を行う半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールを制御する制御信号を出力する制御回路を実装するとともに、当該制御回路と前記半導体モジュールの制御端子とを電気的に接続する回路パターンを備える制御基板と、を有し、
   前記一対のバスバは、板状のバスバ本体に立設された雌端子をそれぞれ有し、
   前記半導体モジュールは、前記一対のバスバが備える雌端子に、電力端子がそれぞれ挿入された状態で組み付けられていることを特徴とする電気接続箱。
2. 前記制御基板は、前記半導体モジュールの上方に積層的に配置され、前記半導体モジュールの上部に立設された前記制御端子が接続されていることを特徴とする請求項１に記載された電気接続箱。
3. 前記一対のバスバは、電圧を監視する電圧監視用端子がそれぞれ立設されており、
   前記電圧監視用端子のそれぞれが前記制御基板に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載された電気接続箱。

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