JP2021197090A - 電圧検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧検知回路のパターン面積を減少させた電圧検出回路を実現させる。【解決手段】電圧検出回路は、分圧回路によって分圧し検出する電圧検出回路であって、前記分圧回路は、直列に接続された複数の抵抗素子からなり前記第１端子に接続される第１抵抗素子群と、同様に前記第２端子に接続される第２抵抗素子群と、を含み、前記第１抵抗素子群に属する抵抗素子のうち、前記第２抵抗素子群に属する第２の抵抗素子に最も近接する第１の抵抗素子は、前記第１の抵抗素子の長手方向が、前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との配列方向に沿うように、回路基板上に実装される。【選択図】図２

Description

本発明は、電圧検出回路に関する。

自動車用電動パワートレイン向けの電力変換装置の制御回路の技術について、自動車の電動化推進に伴い電気部品点数が増大していることで、限られたスペースに電気部品を納めるため、製品サイズの縮小化が求められている。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１では、電圧コンバータの入力電圧と出力電圧を測定する回路が設けられている回路基板において、第２抵抗素子群Ｒｌｎと第４抵抗素子群Ｒｈｎは、第１抵抗素子群Ｒｌｐと第３抵抗素子群Ｒｈｐの間で隣接して配置されている。そうすることで、抵抗素子群が回路基板内に少ない面積で実装されることが可能になる構成が開示されている。

特開２０１９−１８７１８２号公報

特許文献１の構成では、高電圧-低電圧間に必要な面積の確保のため、これ以上の抵抗素子群の配置面積縮小は難しい。これを鑑みて、本発明は、電圧検出回路のパターン面積のさらなる減少を図ることが課題であった。

本発明における電圧検出回路は、第１端子と第２端子との間の電圧を分圧回路によって分圧し検出する電圧検出回路であって、前記分圧回路は、直列に接続された複数の抵抗素子からなり前記第１端子に接続される第１抵抗素子群と、直列に接続された複数の抵抗素子からなり前記第２端子に接続される第２抵抗素子群と、を含み、前記第１抵抗素子群に属する抵抗素子のうち、前記第２抵抗素子群に属する第２の抵抗素子に最も近接する第１の抵抗素子は、前記第１の抵抗素子の長手方向が、前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との配列方向に沿うように、回路基板上に実装される。

本発明によれば、電圧検出回路のパターン面積のさらなる減少を図ることができる。

ｘＥＶの駆動電力系の簡易回路図。 本発明の一実施形態に係る、電圧検出回路の抵抗素子の基板実装レイアウト図。 図２の変形例。 図２の変形例。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態に係る電圧検出回路の構成について図１〜図４を用いて説明する。

（一実施形態および電圧検出回路の構成）
図１は、ｘＥＶの駆動電力系の簡易回路図を表す図である。ここで、「ｘＥＶ」とは様々な電動車両の総称であり、ＢＥＶ（Battery Electric Vehicle）、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）、ＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、ＦＣＶ（Fuel Cell Vehicle）等を含むものである。

電力変換装置３は、スイッチング素子群４を介して、車両バッテリ１（以下バッテリ１）の電力を、車両走行用モータ２（以下モータ２）を駆動するための電力に変換する装置である。すなわち、電力変換装置３は、スイッチング素子群４を介して、モータ２へ三相交流電力を出力する。電力変換装置３では、バッテリ１と並列に平滑コンデンサ６とフィルタコンデンサ７が接続されている。

電力変換装置３は、バッテリ１から入力される電圧を電圧検出回路５により検出し、モータ２へ出力する電力を制御している。電圧検出回路５は検出した電圧を電力変換装置３の制御部（図示せず）へ入力し、スイッチング素子群４を制御する。

しかし、電圧検出回路５で検出するためには、バッテリ１から供給される電圧が高電圧であることを考慮して、入力電圧を降圧しなければならない。よって、電圧検出回路５に接続されている電力変換装置３の第１端子と第２端子との間に、電圧を分圧するための分圧回路が接続されている。図１に示すように、分圧回路であり抵抗素子の集まりである第１抵抗素子群Ｒｐと第２抵抗素子群Ｒｎが、電圧検出回路５に接続されている。

図２は、本発明の一実施形態に係る、電圧検出回路の抵抗素子の基板実装レイアウト図である。

回路基板Ａ（以下基板Ａ）は、抵抗素子や電圧検出回路５等を備える基板である。基板Ａに設置された電圧検出回路５はＨＶＤＣ(High Voltage Dedicated Charging)コネクタＢ（以下コネクタＢ）を介してバッテリ１と接続されている。

コネクタＢから入力される第１入力電圧（ＨＶＤＣＰ）は、第１抵抗素子群Ｒｐを介して電圧検出回路５の一方の入力端子に接続されている。同様に、コネクタＢから入力される第２入力電圧（ＨＶＤＣＮ）は、第２抵抗素子群Ｒｎを介して電圧検出回路５のもう一方の入力端子に接続されている。

第１抵抗素子群Ｒｐは、直列に接続された複数の抵抗素子からなり、バッテリ１の第１端子に接続されており、第２抵抗素子群Ｒｎも、直列に接続された複数の抵抗素子からなり、バッテリ１の第２端子に接続されている。

ここで、回路基板Ａに設置されている抵抗素子群ＲｐおよびＲｎは、導通している電圧が高電圧であるために、抵抗素子群同士の間の距離である沿面距離を確保しなければならない。そのため、沿面距離を確保することによる基板Ａ上の抵抗素子の設置パターン面積が大きくなることが問題であった。

そのパターン面積縮小のために、第１抵抗素子群Ｒｐの抵抗素子の中で、第２抵抗素子群Ｒｎに最も近接している第１抵抗素子Ｒｐ１の配置を考慮している。第１抵抗素子Ｒｐ１は、その長手方向が、第２抵抗素子群Ｒｎに属する抵抗素子である第２抵抗素子Ｒｎ１との配列方向に沿っている。

このように配置した抵抗素子Ｒｐ１とＲｎ１が電圧検出回路５と接続されていることで、基板Ａ上の抵抗素子群ＲｐとＲｎの間の沿面距離を確保しつつ、コネクタＢから電圧検出回路５に向かっての配列の長さが短くなることで、基板Ａ上の抵抗素子の設置パターン面積が従来よりも小さくなる。

なおこの配置構成は基板Ａの片面になされているが、基板Ａの両面に配置する構成でもよく、例えば、片面(表面)に第１抵抗素子群Ｒｐを配置し、もう一方の面（裏面）に第２抵抗素子群Ｒｎを配置する構成でもよい。このようにすれば、基板Ａを遮蔽物として間に挟むことになるので、抵抗素子群Ｒｐ、Ｒｎ間の沿面距離の確保がしやすくなる。また、高電圧降圧用の抵抗素子の基板実装面積の縮小化も可能となる。

また、それぞれの抵抗素子群Ｒｐ、Ｒｎの内側に配置されている抵抗素子を内周側素子群とすると、内周側素子群に属する各抵抗素子は、図２において横向きに配置されている。すなわち、内周側素子群に属する各抵抗素子は、長手方向が抵抗素子Ｒｐ１、Ｒｎ１の配列方向に沿うように、回路基板Ａ上にそれぞれ実装される。

一方で、内周側素子群を間に挟み、互いの抵抗素子群から遠い側に配置されている抵抗素子群を外周側素子群とすると、外周側素子群に属する各抵抗素子は、図２において縦向きに配置されている。すなわち、外周側素子群に属する各抵抗素子は、短手方向が抵抗素子Ｒｐ１、Ｒｎ１の配列方向に沿うように、回路基板Ａ上に実装される。

このようにすることで、基板Ａ上の抵抗素子群ＲｐとＲｎの間の沿面距離を確保しつつ、コネクタＢから電圧検出回路５に向かっての配列の長さがさらに短くなるため、基板Ａ上の抵抗素子の設置パターン面積が従来よりもさらに縮小させることができる。

また、このような配置を実現することで、高電圧回路の影響を受けやすい基板Ａ上の他の回路との間の沿面距離も確保することが可能である。さらに、抵抗素子の実装面積の縮小とともに他の回路との間の沿面距離も全体で縮小することができ、基板Ａの面積縮小にも貢献できる。

一方で、抵抗素子に着目すると、抵抗素子間に確保する必要がある沿面距離は抵抗素子間の各電位差により異なる。例えば、コネクタＢ側、つまり紙面上側が高電圧であるため、沿面距離Ｄ１のように所定の距離が抵抗素子の間に設けられている。よって、第１の抵抗素子群Ｒｐと第２の抵抗素子群Ｒｎとの間は、素子間の電圧値に応じた所定の沿面距離を確保する必要がある。

ここで、回路は高電圧入力側(高圧側)の入力部であるコネクタＢから制御回路部(低圧側)の出力部である電圧検出回路５にかけて、抵抗素子を経由する毎に電圧が降下している。そのため、第１抵抗素子群Ｒｐと第２抵抗素子群Ｒｎは徐々に実装距離を狭めながら配置することができる。

具体的には、第１抵抗素子群Ｒｐと第２抵抗素子群Ｒｎとの間の距離を、電圧検出回路５に近づくに従い小さくし、最終的に沿面距離Ｄ２のように面積幅を抑えることができる。つまり、第１抵抗素子群Ｒｐおよび第２抵抗素子群Ｒｎに属する抵抗素子のうち、内側にそれぞれ配置されており最も電位差が大きい抵抗素子間の距離Ｄ１は、最も電位差が小さい抵抗素子間の距離Ｄ２よりも大きくなるように形成される。

また、これにより第１抵抗素子群Ｒｐと第２抵抗素子群Ｒｎとの間で、高電圧-低電圧間に確保が必要な領域の面積も小さく抑えることができる。領域面積は、沿面距離×抵抗素子（内周側素子群）の短手幅で求められる。これにより、従来よりも基板Ａの面積縮小が可能になる。

図３は図２の変形例である。

基板Ａに備える第１抵抗素子群Ｒｐと第２抵抗素子群Ｒｎとの抵抗素子数が少ない場合は、以下のような配列構成にすることも可能である。第１抵抗素子ＲｐＡ１は、その長手方向が、第２抵抗素子群ＲｎＡの中で最も近接している抵抗素子である第２抵抗素子ＲｎＡ１との配列方向に沿っており、さらに、そのほかの抵抗素子もその抵抗素子に合わせて、長手方向を揃えて配列する。

これにより、抵抗素子群ＲｐＡ、ＲｎＡの実装領域が配列方向（紙面上下方向）に長くならないため、抵抗素子の実装領域の面積を小さく抑えることができる。

図４は図２の別の変形例である。

たとえば、基板Ａに配置する全体の抵抗素子数が多い場合、図２や図３と同様に、第１抵抗素子ＲｐＢ１は、その長手方向が、第２抵抗素子群ＲｎＢの中で最も近接している抵抗素子である第２抵抗素子ＲｎＢ１との配列方向に沿っている。さらに、抵抗素子群ＲｐＢ、ＲｎＢの内周側に配置されている抵抗素子は、抵抗素子ＲｐＢ１とＲｎＢ１に長手方向を合わせて、２個又は複数続けて配列する。こうすることで、全体の抵抗素子が増えた場合でも、同様の効果を奏することができ、抵抗素子の実装領域の面積を小さく抑えることができる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電圧検出回路５は。第１端子と第２端子との間の電圧を分圧回路によって分圧し検出する電圧検出回路５であって、分圧回路は、直列に接続された複数の抵抗素子からなり第１端子に接続される第１抵抗素子群Ｒｐと、直列に接続された複数の抵抗素子からなり第２端子に接続される第２抵抗素子群Ｒｎと、を含み、第１抵抗素子群Ｒｐに属する抵抗素子のうち、第２抵抗素子群Ｒｎに属する第２の抵抗素子Ｒｎ１に最も近接する第１の抵抗素子Ｒｐ１は、第１の抵抗素子Ｒｐ１の長手方向が、第１の抵抗素子Ｒｐ１と第２の抵抗素子Ｒｎ１との配列方向に沿うように、回路基板Ａ上に実装される。このようにしたので、高電圧検知回路のパターン面積を縮小させた電圧検出回路を実現できる。

（２）電圧検出回路５の第１抵抗素子群Ｒｐは、第２抵抗素子群Ｒｎに近い側に配置される内周側素子群と、内周側素子群を間に挟み、第２抵抗素子群Ｒｎから遠い側に配置される外周側素子群と、を有し、内周側素子群に属する抵抗素子は、長手方向が抵抗素子Ｒｐ１とＲｐ２との配列方向に沿うように、回路基板Ａ上に実装され、外周側素子群に属する抵抗素子は、短手方向が抵抗素子Ｒｐ１とＲｐ２との配列方向に沿うように、回路基板Ａ上に実装される。このようにしたので、分圧回路の実装面積を縮小させるだけでなく、同様の効果で回路基板Ａのサイズも小さくできる。

（３）電圧検出回路５の第１抵抗素子群Ｒｐおよび第２抵抗素子群Ｒｎに属する抵抗素子とのうち、最も電位差が大きい抵抗素子間の距離Ｄ１は、最も電位差が小さい抵抗素子間の距離Ｄ２よりも大きくなるように形成される。このようにしたので、電圧差の影響を考慮した沿面距離を確保できる。

（４）電圧検出回路５の第１抵抗素子群Ｒｐは、高電位側から低電位側に向かうにつれて、第２抵抗素子群Ｒｎとの間の距離が小さくなるように、回路基板Ａ上に実装される。このようにしたので、電圧差の影響を考慮した沿面距離を確保しつつ、分圧回路の実装面積も縮小させることができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。また、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。

１：車両バッテリ
２：車両走行用モータ
３：電力変換装置
４：スイッチング素子群
５：電圧検出回路
６：平滑コンデンサ
７：フィルタコンデンサ
Ｒｐ、ＲｐＡ、ＲｐＢ：第１抵抗素子群
Ｒｎ、ＲｎＡ、ＲｎＢ：第２抵抗素子群
Ｒｐ１、ＲｐＡ１、ＲｐＢ１：第１抵抗素子
Ｒｎ１、ＲｎＡ１、ＲｎＢ１：第２抵抗素子
Ａ：回路基板
Ｂ：ＨＶＤＣコネクタ

Claims (5)

1. 第１端子と第２端子との間の電圧を分圧回路によって分圧し検出する電圧検出回路であって、
   前記分圧回路は、直列に接続された複数の抵抗素子からなり前記第１端子に接続される第１抵抗素子群と、直列に接続された複数の抵抗素子からなり前記第２端子に接続される第２抵抗素子群と、を含み、
   前記第１抵抗素子群に属する抵抗素子のうち、前記第２抵抗素子群に属する第２の抵抗素子に最も近接する第１の抵抗素子は、前記第１の抵抗素子の長手方向が、前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との配列方向に沿うように、回路基板上に実装される電圧検出回路。
2. 請求項１に記載の電圧検出回路であって、
   前記第１抵抗素子群は、前記第２抵抗素子群に近い側に配置される内周側素子群と、前記内周側素子群を間に挟み、前記第２抵抗素子群から遠い側に配置される外周側素子群と、を有し、
   前記内周側素子群に属する抵抗素子は、長手方向が前記配列方向に沿うように、前記回路基板上に実装され、
   前記外周側素子群に属する抵抗素子は、短手方向が前記配列方向に沿うように、前記回路基板上に実装される電圧検出回路。
3. 請求項１または２に記載の電圧検出回路であって、
   前記第１抵抗素子群および前記第２抵抗素子群に属する抵抗素子のうち、最も電位差が大きい抵抗素子間の距離は、最も電位差が小さい抵抗素子間の距離よりも大きくなるように形成される電圧検出回路。
4. 請求項３に記載の電圧検出回路であって、
   前記第１抵抗素子群は、高電位側から低電位側に向かうにつれて、前記第２抵抗素子群との間の距離が小さくなるように、前記回路基板上に実装される電圧検出回路。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電圧検出回路を備えた電力変換装置。

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