JP2022082893A

JP2022082893A - 通電制御装置

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Publication number: JP2022082893A
Application number: JP2020194050A
Authority: JP
Inventors: 磊王; Lei Wang; 博照加藤; Hiroteru Kato
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-06-03

Abstract

【課題】本発明は、小型化を図りつつ、放熱性能の向上を図った通電制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電源と負荷との間の通電を制御する通電制御装置１であって、電源と負荷との間の通電及び遮断を行う一対の電気部品２Ａ、２Ｂと、該各電気部品の両端に接続されて、電源と負荷との間に電気的な経路を形成する各一対のバスバ３Ａ、３Ｂと、電気部品を制御する制御部４と、該制御部が搭載されて、制御部と電気部品とを電気的に接続する制御基板５と、制御基板を一方側から覆うカバー６と、を備え、制御基板及びカバーは、一対の電気部品の間において、各一対のバスバ、一対の電気部品、と同一面上に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、通電制御装置に関する。

自動車には、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の場所に、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（例えば、特許文献１、２参照。）。

特許文献１には、放熱器と、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、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、絶縁シートと、を備え、放熱器の上に、絶縁シート、一対のバスバ、半導体モジュール、制御基板、カバーが積層して組み立てられた電気接続箱が開示されている。

特許文献２には、電源と電子機器との間の電気的な経路を形成する各一対のバスバと、各一対のバスバ間に設置されるパワーモジュール（一対のパワーモジュール）と、制御部と、該制御部が実装された制御基板と、これらを収容する筐体と、を備えた電気接続箱が開示されている。筐体は、ロアカバーと、アッパーカバーと、を備えて構成されている。パワーモジュールは、制御部から出力された制御信号により、各一対のバスバ間の通電及び遮断を行っている。ロアカバーには、各一対のバスバ、一対のパワーモジュール、制御部、および制御基板が収容され、アッパーカバーにより覆われている。

特開２０１７－１１８６７２号公報特開２０１６－２２０２７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電気接続箱は、半導体モジュールとシートシンクとの間に絶縁シートが設けられている。このため、良好な放熱特性が得られるものの、積層方向（高さ方向）に大型化してしまう。ここで、電気接続箱の低背化を図りつつ、電気接続箱(通電制御装置)の放熱性能を高めるために、全体面積を拡大することが考えられるが、特許文献２に記載の電気接続箱は、放熱経路がバスバのみであり、放熱経路を十分に確保できないという問題がある。特に、パワーモジュールのよう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、他の電子部品への熱的影響が及ぶことが懸念される。

本発明は、小型化を図りつつ、放熱性能の向上を図った通電制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、電源と負荷との間の通電を制御する通電制御装置であって、前記電源と前記負荷との間の通電及び遮断を行う一対の電気部品と、該各電気部品の両端に接続されて、前記電源と前記負荷との間に電気的な経路を形成する各一対のバスバと、前記電気部品を制御する制御部と、該制御部が搭載されて、前記制御部と前記電気部品とを電気的に接続する制御基板と、前記制御基板を一方側から覆うカバーと、を備え、前記制御基板及び前記カバーは、前記一対の電気部品の間において、前記各一対のバスバ、及び前記一対の電気部品、と同一面上に設けられていることを特徴とする通電制御装置である。

本発明によれば、小型化を図りつつ、放熱性能の向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係る通電制御装置を示す斜視図。前記通電制御装置を示す平面図。前記通電制御装置を示す分解斜視図。比較例としての通電制御装置を示す図、（Ａ）斜視図、（Ｂ）平面図。本発明品としての一実施の形態に係る通電制御装置及び比較例としての通電制御装置の面積(ｍｍ^２)を示すグラフである。本発明品としての一実施の形態に係る通電制御装置及び比較例としての通電制御装置の発熱源温度(Ｔｊｍａｘ)を示すグラフである。

以下、本発明の第１実施形態を図１～６に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る通電制御装置を示す斜視図である。図２は、前記通電制御装置を示す平面図である。図３は、前記通電制御装置を示す分解斜視図である。図４は、比較例としての通電制御装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の平面図である。図５は、本発明品としての一実施の形態に係る通電制御装置及び比較例としての通電制御装置の面積(ｍｍ^２)を示すグラフである。図６は、本発明品としての一実施の形態に係る通電制御装置及び比較例としての通電制御装置の発熱源温度(Ｔｊｍａｘ)を示すグラフである。

本実施形態に係る通電制御装置１は、電源と負荷との間の通電を制御するものである。この通電制御装置１は、図１～３に示すように、不図示の電源と不図示の負荷との間の通電及び遮断を行う一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂ(一対の電気部品)と、該各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの両端に接続される各一対のバスバ３Ａ、３Ｂ(以下では、一対の第１バスバ３Ａ、３Ａ、一対の第２バスバ３Ｂ、３Ｂと記す場合がある)と、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂを制御する制御部４と、該制御部４が搭載される制御基板５と、制御基板５を上方Ｚ１(一方側)から覆うカバー６と、絶縁性のベースプレート７(熱伝導部材)と、ヒートシンク８(放熱部材)と、を備える。また、パワーモジュール２Ａの両端に、一対の第１バスバ３Ａ、３Ａが接続され、パワーモジュール２Ｂの両端に、一対の第２バスバ３Ｂ、３Ｂが接続される。

また、通電制御装置１は、複数本の螺子９を有している。各螺子９は、絶縁性の樹脂から構成されている。一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂ、各一対のバスバ３Ａ、３Ｂ、制御部４、制御基板５及びカバー６は、各螺子９により、ベースプレート７を介してヒートシンク８に固定されている。

また、図面において、矢印Ｘ、矢印Ｙ、矢印Ｚは、互いに直交する方向であり、本実施形態では、制御基板５の面延在方向を矢印ＸＹで示し、矢印Ｙを「前後方向Ｙ」と記し、矢印Ｘを「左右方向Ｘ」と記す場合がある。また、制御基板５の板厚方向を矢印Ｚで示し、「上下方向（高さ方向）」と記す場合がある。上下方向Ｚのうち一方を上方Ｚ１(一方側)と記し、他方を下方Ｚ２と記す場合がある。

各パワーモジュール２Ａ、２Ｂは、電気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電気回路の通電遮断を行うため、本実施形態の通電制御装置１には、２つ(一対)のパワーモジュールが搭載されている。これにより、何れか一方のパワーモジュールが故障した場合でも、他方のパワーモジュールによって遮断動作が行われる。

各パワーモジュール２Ａ、２Ｂは、半導体リレー（例えばｎ型のＭＯＳＦＥＴ）をモジュール化して構成されたものである。各パワーモジュール２Ａ、２Ｂは、図１～３に示すように扁平な直方体状に形成されたモジュール本体２０と、ドレイン端子２１、ソース端子２２及びゲート端子２３と、を備えて構成されている。なお、本実施形態では、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂは、半導体リレーをモジュール化して構成されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。各パワーモジュール２Ａ、２Ｂは、半導体リレーに代えて機械式リレーを有して構成されていてもよい。

ドレイン端子２１は、図３に示すように、一方の第１バスバ３Ａ（一方の第２バスバ３Ｂ）と電気的に接続され、ソース端子２２は、他方の第１バスバ３Ａ（他方の第２バスバ３Ｂ）と電気的に接続されている。ドレイン端子２１及びソース端子２２は、モジュール本体２０の上面における前後方向Ｙの両端部に設けられている。また、ドレイン端子２１及びソース端子２２は、それぞれ、モジュール本体２０の上面に設けられた凹みに露出するように設けられている。即ち、図３に示すように、ドレイン端子２１及びソース端子２２は、モジュール本体２０の上面より低い位置に設けられている。ゲート端子２３は、制御基板５側（左右方向Ｘ側）の側面から突出し、上方Ｚ１に向けて延びて形成され、制御基板５に接続される。

各一対のバスバ３Ａ、３Ｂは、図１～３に示すように、電源と負荷との間の電気的な経路（電気回路）を形成するものであり、本実施形態では、一対のバスバ３Ａ、３Ｂは、パワーモジュール２Ａ(２Ｂ)の両側にそれぞれ配置されており、パワーモジュール２Ａ(２Ｂ)を介して連続する電気回路を構成する。

各一対のバスバ３Ａ、３Ｂは、例えば銅合金から成る導電性の板金に、打抜き加工や曲げ加工が施されて構成されている。各バスバ３Ａ、３Ｂは、矩形板状のバスバ本体３０と、該バスバ本体３０の前後方向Ｙの一方側の端縁に連続するモジュール接続部３１と、該バスバ本体３０の前後方向Ｙの他方側の端縁に平面方向に延出する機器接続部３２と、を備える。モジュール接続部３１は、バスバ本体３０の端縁から立ち上がって、バスバ本体３０から離れる方向（前後方向）に延びて形成される。モジュール接続部３１は、ドレイン端子２１またはソース端子２２に重なって電気的に接続されるとともに、螺子９によりベースプレート７を介してヒートシンク８に機械的に固定される。機器接続部３２は、電源（または負荷）に電気的接続されるとともに、螺子９によりベースプレート７を介してヒートシンク８に機械的に固定される。

制御部４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体とするマイクロコンピュータから構成されている。制御部４は、２つのパワーモジュール２Ａ、２Ｂの通電、遮断を制御するための制御信号を出力する。

制御基板５は、図３に示すように、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂを制御するための制御部４が実装されるものであり、略長方形板状に形成されている。この制御基板５は、前後方向Ｙの寸法（長手寸法）が、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの長手寸法と略等しい寸法となるように形成されていて、一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂの間に設置されている。

この制御基板５には、不図示の配線パターンが形成されている。この配線パターンにより、制御部４、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂのゲート端子２３、外部信号端子５０がそれぞれ接続される。この外部信号端子５０は、制御基板５の上面から板状に立設して設けられ、不図示の外部装置（ＥＣＵ等）に電気的に接続される。制御基板５に搭載された制御部４は、当該外部信号端子５０を介して不図示の外部装置と通信を行い、この外部装置からの制御指令に応じた制御信号を、パワーモジュール２Ａ、２Ｂのゲート端子２３へ出力する。

カバー６は、絶縁性の樹脂から構成されている。このカバー６は、図１、３に示すように、長方形板状のカバー本体６０と、該カバー本体６０の周縁に下方に向けて枠状に立設する４つの側壁６１、６２、６３、６４と、を備える。カバー本体６０は、制御基板５と略同一形状に形成されて、制御基板５の上方Ｚ１に対向して設けられる。このカバー本体６０には、制御基板５の外部信号端子５０を露出させる開口６０ａが設けられている。４つの側壁６１、６２、６３、６４のうち、前後方向Ｙに対向する一対の側壁６１、６２は、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの側面と略同一面上に設けられ、左右方向Ｘに対向する一対の側壁６３、６４は、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの側面に対向して設けられる。カバー６は、開口６０ａが制御基板５の外部信号端子５０を露出させる向きで制御基板５を上方Ｚ１（一方側）から覆いつつ、螺子９により、ベースプレート７を介してヒートシンク８に固定される。

このカバー６は、ベースプレート７を介してヒートシンク８に固定された状態で、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの上面から僅かに上方Ｚ１に突出して設けられている。また、カバー６、及び各パワーモジュール２Ａ、２Ｂは、上下方向に重ならないように設けられている。

ベースプレート７は、絶縁性の熱伝導部材から構成されている。このベースプレート７は、図１、３に示すように、板状のプレート本体７０と、該プレート本体７０の周縁に立設された周壁７１と、一対の隔壁７２、７３と、を備える。プレート本体７０は、一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂ、各一対のバスバ３Ａ、３Ｂ、制御基板５及びカバー６を設置可能な大きさに形成されている。即ち、ベースプレート７により、一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂ、各一対のバスバ３Ａ、３Ｂ、制御基板５及びカバー６が同一面上に設置される。

プレート本体７０には、中央部に制御基板５及びカバー６が設置され、制御基板５及びカバー６の左右の両側に一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂが設置され、パワーモジュール２Ａの前後の両側に一対の第１バスバ３Ａ、３Ａが設置され、パワーモジュール２Ｂの前後の両側に一対の第２バスバ３Ｂ、３Ｂが設置されている。また、第１バスバ３Ａと第２バスバ３Ｂとの間には絶縁のための隔壁７２、７３が設けられている。即ち、制御基板５及びカバー６は、一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂの間に設置されている。

ヒートシンク８は、例えば、熱抵抗が小さい金属材料（例えば、アルミニウム合金）を用いて構成されている。このヒートシンク８は、ベースプレート７の下面に重なって設けられる矩形板状のヒートシンク本体８０と、該ヒートシンク本体８０から下方に板状に突出して設けられた複数のフィン部８１と、を有して構成されている。このヒートシンク本体８０は、プレート本体７０(ベースプレート７)の前後寸法Ｌ１と左右寸法Ｌ２と略同じ寸法となるように形成されている。なお、本実施形態では、前後寸法Ｌ１は１３７ｍｍ、左右寸法Ｌ２は１２４ｍｍとなるように形成されている。

通電制御装置１は、以下の手順で組み立てられる。即ち、図３に示すように、ベースプレート７の所定の位置に制御基板５を設置し、この後、制御基板５の左右の両側に一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂを設置して、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂのゲート端子２３を、制御基板５の配線パターンに電気的に接続する。次に、カバー６を、開口６０ａが制御基板５の外部信号端子５０を露出させるように制御基板５を上方Ｚ１から覆いつつ、螺子９により、ベースプレート７を介してヒートシンク８に機械的に固定する。この際、カバー６と各パワーモジュール２Ａ、２Ｂは、高さ方向Ｚに一切重ならないように固定される。最後に、パワーモジュール２Ａの前後方向Ｙの両側に一対の第１バスバ３Ａ、３Ａを設置し、パワーモジュール２Ｂの前後方向Ｙの両側に一対の第２バスバ３Ｂ、３Ｂを設置する。この際、各第１バスバ３Ａ、各第２バスバ３Ｂのモジュール接続部３１を、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂのドレイン端子２１またはソース端子２２に重ねてこれらを螺子９により固定して、各第１バスバ３Ａ、第２バスバ３Ｂを各パワーモジュール２Ａ、２Ｂに電気的に接続する。また、第１バスバ３Ａ、第２バスバ３Ｂの各機器接続部３２を螺子９により、ベースプレート７を介してヒートシンク８に固定する。

このような構成の通電制御装置１にあって、制御部４は、外部装置からの制御指令に基づき、パワーモジュール２Ａ、２Ｂのゲート端子２３に制御信号を出力する。これにより、パワーモジュール２Ａ、２Ｂの電気回路の通電及び遮断が切り換えられる。また、制御部４自身がパワーモジュール２Ａ、２Ｂに流れる電流値などに基づき通電及び遮断の判断を行い、パワーモジュール２Ａ、２Ｂの通電及び遮断を切り替える制御信号を出力してもよい。

上述した実施形態によれば、電源と負荷との間の通電及び遮断を行う一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂ(一対の電気部品)と、該各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの両端に接続されて、電源と負荷との間に電気的な経路を形成する各各一対のバスバ３Ａ、３Ｂ（各一対のバスバ）と、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂを制御する制御部４と、該制御部４が搭載されて、制御部４と各パワーモジュール２Ａ、２Ｂとを電気的に接続する制御基板５と、制御基板５を上方Ｚ１(一方側)から覆うカバー６と、を備え、制御基板５及びカバー６は、一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂの間において、各一対のバスバ３Ａ、３Ｂ、及び一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂ、と同一面上に設けられている。これによれば、従来技術の如くアッパーカバーによりその全体が覆われた場合に比して、低背化が図られる。また、放熱経路として機能する一対のバスバ３Ａ、３Ｂが露出しているため、平面方向に大型化しなくとも、放熱性能の向上が図られる。

また、一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂ（一対の電気部品）は、絶縁性のベースプレート７（熱伝導部材）を介してヒートシンク８（放熱部材）に固定されている。これによれば、一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂにより発せられる熱が、ベースプレート７を介して、効率よくヒートシンク８（放熱部材）に伝導されて、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの熱負荷が低減される。

なお、上述した実施形態では、カバー６は、ベースプレート７に固定された状態で、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの上面から僅かに上方Ｚ１に突出して設けられているが、カバーの上面が各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの上面と同一面上にある形態も、カバーの上面が各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの上面より低い位置にある形態も、本発明の権利範囲に含むものとする。

次に、本発明の発明者は、本実施形態の通電制御装置１と、後述する比較例としての通電制御装置１０１（図４(Ａ) (Ｂ)に示す）を作成し、同じ電力を供給して、それぞれの面積及び発熱源温度（Ｔｊｍａｘ）を比較した。結果を図５、６に示す。

比較例としての通電制御装置１０１は、図４(Ａ) (Ｂ)に示すように、不図示の電源と不図示の負荷との間の通電及び遮断を行う一対のパワーモジュール２Ａ、２Ｂと、該各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの両端に接続される各一対のバスバ３Ａ、３Ｂと、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂを制御する制御部４と、該制御部４が搭載される制御基板５と、合成樹脂製のロアケース１６と、該ロアケース１６の開口１６ａを覆う不図示のアッパーカバーと、を備える。比較例としての通電制御装置１０１と本発明品としての通電制御装置１は、合成樹脂製のロアケース１６及びアッパーカバーを有し、該ロアケースの開口１６ａ全体を覆う点、各パワーモジュール２Ａ、２Ｂの一部が制御基板５の上方Ｚ１に重なって設けられている点、通電制御装置１０１はヒートシンク８を有していないもののシート状の絶縁部材(不図示)を介して設置面(不図示)に設置される点、が異なる。また、比較例としての通電制御装置１０１は、図４（Ｂ）に示すように、前後寸法Ｌ１０１は２１０ｍｍ、左右寸法Ｌ１０２は２２４ｍｍとなるように形成されている。なお、図４(Ａ) (Ｂ)に示された比較例としての通電制御装置１０１おいて、本発明品としての通電制御装置１と同一構造乃至同一機能を有する部位には、同一符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、本発明品の面積１６９８８ｍｍ^２であり、比較例の面積４６２００ｍｍ^２に対して、６３％の小型化が図られるとともに、図６に示すように、熱流体シミュレーションの結果から、本発明品が比較例に対して、発熱源温度（Ｔｊｍａｘ）が２５．９％低減したことがわかった。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１通電制御装置
２Ａ、２Ｂ一対のパワーモジュール（一対の電気部品）
３Ａ、３Ｂ各一対のバスバ（一対の第１バスバ、一対の第２バスバ）
４制御部
５制御基板
６カバー
７ベースプレート（熱伝導部材）
８ヒートシンク（放熱部材）
Ｚ１上方 (一方側)

Claims

電源と負荷との間の通電を制御する通電制御装置であって、
前記電源と前記負荷との間の通電及び遮断を行う一対の電気部品と、
該各電気部品の両端に接続されて、前記電源と前記負荷との間に電気的な経路を形成する各一対のバスバと、
前記電気部品を制御する制御部と、
該制御部が搭載されて、前記制御部と前記電気部品とを電気的に接続する制御基板と、
前記制御基板を一方側から覆うカバーと、を備え、
前記制御基板及び前記カバーは、前記一対の電気部品の間において、前記各一対のバスバ、及び前記一対の電気部品、と同一面上に設けられていることを特徴とする通電制御装置。
前記一対の電気部品は、絶縁性の熱伝導部材を介して放熱部材に固定されることを特徴とする請求項１に記載の通電制御装置。