JP4857997B2

JP4857997B2 - 電気回路構造

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Publication number: JP4857997B2
Application number: JP2006212457A
Authority: JP
Inventors: 直樹前田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP2008043023A

Description

本発明は、複数の回路部の間を接続する電流経路を備える電気回路構造に関する。

従来から、電源部と前記電源部から電力の供給を受ける回路基板と、前記回路基板上に配設されたバスバーとからなることを特徴とする回路基板への電力供給構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。この電力供給構造は、コネクタやケーブルの代わりにバスバーによって給電することにより、電源部から回路基板へ大電流を供給可能にしようとするとともに、インピーダンスを低減しノイズの発生を抑えようとするものである。
実開平３−８１６７１号公報

従来技術では、大電流が流れる経路の近傍に別配線が配置される電気回路構造の場合、大電流が流れることにより発生するノイズがその別配線に影響を与えないように、ノイズ発生源と当該別配線の間にシールドを別途設けたり、当該別配線自体をシールド線にしたりする必要がある。この点、上述の従来技術では、シールドではなくバスバーによって給電することによってノイズの発生を抑えようとしているものの、バスバーの近傍に別配線が配置されている場合には、バスバーに流れる電流によっては必ずしもノイズがその近傍の別配線に影響を与えないとは限らない。

そこで、本発明は、電流が流れることによって発生するノイズの別配線への重畳を抑えることができる、電気回路構造の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電気回路構造は、
第１の回路部と、
第２の回路部と、
前記第１の回路部と前記第２の回路部の間の電流経路として互いに交差して並設され、互いに反対方向の電流が同時期に流れる第１及び第２の線状導体と、
前記第１及び第２の線状導体の周辺に、線状導体に沿って配置された配線とを備えることを特徴とする。

ここで、前記第１及び第２の回路部のうち少なくとも一つには蓄電器が含まれ、
前記蓄電器の一方の端子が前記第１の線状導体に電気的に接続され、前記蓄電器のもう一方の端子が前記第２の線状導体に電気的に接続されるとよい。充電時と放電時にはそれらの両端子を介して蓄電器に電流が流れるからである。

また、前記第１及び第２の線状導体が屈曲して互いに交差すると好適である。熱膨張や熱収縮によって線状導体が変形する場合、線状導体と第１の回路の接合部や線状導体と第２の回路の接合部に応力集中が起こるが、屈曲部があると屈曲部の屈曲角度が変わることで、変形に伴う応力を吸収し、それらの結合部における応力集中を抑えることができる。

本発明によれば、電流が流れることによって発生するノイズの別配線への重畳を抑えることができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係る電気回路構造を備える電源装置の一実施形態を示したシステム構成図である。本システムは、直流電源の車載バッテリ１、車載バッテリ１の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ２、昇圧コンバータ２による昇圧後の出力電圧（以下、「昇圧電圧」という）を安定させる平滑コンデンサ３と、昇圧コンバータ２による昇圧電圧を三相交流に変換してブラシレスＤＣモータなどのモータ５を駆動するモータ駆動回路４と、昇圧コンバータ２とモータ駆動回路４のそれぞれに対し所定の制御信号を送出するモータ制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６とを有している。

昇圧コンバータ２は、トランスやスイッチングレギュレータ等の昇圧コンバータ２内部にある電圧変換制御回路部２ａによって、車載バッテリ１側の電圧を昇圧変換してモータ駆動回路４側に昇圧電圧を出力する。昇圧電圧は、モータ制御ＥＣＵ６や昇圧コンバータ２内部にある電圧変換制御回路部２ａなどによって監視され、所定の値となるように制御される。この昇圧電圧が、モータ駆動回路４内のスイッチング素子ＳＷ１〜６の電源電圧（ドレイン−ソース間電圧もしくはコレクタ−エミッタ間の電圧）に相当する。昇圧コンバータ２（その内部の電圧変換制御回路２ａ）は、モータ制御ＥＣＵ６が信号線１２を介してＰＷＭ信号として出力する昇圧制御信号の値（そのＰＷＭ信号のＤｕｔｙ比）に比例して昇圧電圧を可変させる機能を有する。昇圧コンバータ２は、例えば、Ｄｕｔｙ比（ＰＷＭ信号のパルス波の一周期に対するＨｉレベル時間の割合）が高くなるほど昇圧電圧の値を高くする。

モータ駆動回路４は、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタ等の半導体から構成されるスイッチング素子ＳＷ１〜６を有する駆動素子部４ａと、駆動素子部４ａの各スイッチング素子をドライブする制御回路部４ｂを備える。モータ駆動回路４は、モータ制御ＥＣＵ６が出力する三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動信号（ＰＷＭ信号）に従い各スイッチング素子のオン／オフを制御することによって、昇圧コンバータ２による昇圧後の直流電力を交流電力に変換してモータ５を駆動する。すなわち、モータ５の三相巻線に駆動素子部４ａによって三相交流電流を流すと回転磁界が発生することを利用して、モータ５の回転が制御される。

モータ制御ＥＣＵ６は、昇圧コンバータ２の昇圧後の出力電圧を制御するための昇圧制御信号を出力する駆動回路７と、昇圧制御信号が通るワイヤハーネス等の信号線１２の断線を検知するモニタ回路８と、モータ駆動回路４に送出する三相の駆動信号を出力する三相駆動回路９と、中央演算処理装置などを有するマイコン１０を備える。

モータ制御ＥＣＵ６のマイコン１０は、モータ５の三相の状態を取得し、モータ駆動回路４の駆動素子部４ａの６つのスイッチング素子ＳＷ１〜６の通電パターンを決める。マイコン１０は、三相駆動回路９を介して、その通電パターンに従って定められた三相の駆動信号をモータ駆動回路４の制御回路部４ｂに出力する。その結果、制御回路部４ｂは三相の駆動信号に従って６つのスイッチング素子ＳＷ１〜６を駆動し、モータ５を回転させる。

また、モータ制御ＥＣＵ６のマイコン１０は、モータ５が所望の回転状態となるように、昇圧コンバータ２の昇圧電圧（すなわち、スイッチング素子ＳＷ１〜６の電源電圧）の目標値を決定し、当該目標値を昇圧制御信号として駆動回路７を経由して昇圧コンバータ２に出力する。マイコン１０は、昇圧制御信号をＰＷＭ信号で出力するため、昇圧電圧の目標値をＰＷＭ信号のＤｕｔｙ比に変換して駆動回路７に出力する。マイコン１０は、一定周期のＰＷＭ信号のＤｕｔｙ比と昇圧コンバータ２が出力する昇圧電圧を一対一に対応しているため、昇圧コンバータ２に出力させたい昇圧電圧の目標値に対応するＤｕｔｙ比の信号を駆動回路７に出力する。

駆動回路７は、トランジスタ７ａと抵抗７ｂを有している。抵抗７ｂはトランジスタ７ａのコレクタ−エミッタ間に接続されている。トランジスタ７ａのエミッタは、モータ制御ＥＣＵ１０の内部電源１３（例えば、＋１２Ｖ）に接続され、トランジスタ７ａのコレクタは信号線１２に接続される。トランジスタ７ａのオン／オフ駆動は、マイコン１０が出力したＰＷＭの信号がトランジスタ７ａのベースに入力されることによって行われる。すなわち、駆動回路７からＰＷＭ信号の昇圧制御信号が信号線１２に出力される。トランジスタ７ａがオンした場合には信号線１２の電圧は内部電源１３の電圧値になり、トランジスタ７ａがオフした場合には信号線１２の電圧は抵抗７ｂの抵抗値と昇圧コンバータ２内の抵抗２ｂの抵抗値との比に基づく内部電源１３の分圧値になる。

モニタ回路８は、昇圧制御信号が通る信号線１２の電位をコンパレータ８ａによって監視することにより、昇圧コンバータ２とモータ制御ＥＣＵ６を結ぶ信号線１２の断線やハーフショートを検出したり、モータ制御ＥＣＵ６と昇圧コンバータ２間の信号線１２を接続するコネクタの接触抵抗増加等の接触不良や半嵌合などの異常を検出したりする。モニタ回路８によって断線等の異常が検出された場合には、その異常に対する所定の処置がマイコン１０などによって実施される。

ところで、図１に示されるシステムまたはその一部を形成する電気回路構造を実現するにあたり、モータ駆動回路４の制御回路部４ｂやモータ制御ＥＣＵ６の三相駆動回路９やマイコン１０などを実装する制御基板は、平滑コンデンサ３と駆動素子部４ａとの間に流れる大電流による放射ノイズや駆動素子部４ａのスイッチング素子ＳＷ＊のスイッチングノイズなどが制御回路部４ｂ等の制御信号にできるだけ影響を与えないようにするため、それらの制御信号に基づき動作する駆動素子部４ａの近傍に配置するのがよい。また、駆動素子部４ａで発生する熱を放熱する冷却器等の放熱手段は駆動素子部４ａに接する必要がある。そのため、駆動素子部４ａとの間で充放電が行われる平滑コンデンサ３の配置は制約を受けやすい。例えば、図２に示されるように、駆動素子部４ａを構成するパワーモジュール部と平滑コンデンサ３を構成する平滑コンデンサ部の間に上述の制御基板を配置し、バスバーやワイヤハーネス等の線状導体によって駆動素子部４ａと平滑コンデンサ３を電気的に接続する電気回路構造が採用されやすい。

図２は、本発明に係る電気回路構造の一実施形態である。パワーモジュール部には駆動素子部４ａが構成され、平滑コンデンサ部には平滑コンデンサ３が構成される。パワーモジュール部には放熱用の冷却器が接している。パワーモジュール部と平滑コンデンサ部は、制御基板Ａ及びＢを配置するための空間が形成されるように所定距離離れている。パワーモジュール部と平滑コンデンサ部の離間方向に並べて配置された制御基板Ａと制御基板Ｂはワイヤハーネス等の配線１６によって電気的に接続されており、配線１６を介して制御基板Ａと制御基板Ｂの間の制御信号が伝達する。例えば、制御基板Ａは図１に示される制御回路部４ｂを実装し、制御基板Ｂは図１に示される三相駆動回路９やマイコン１０等を実装し、配線１６を介して三相の駆動信号が伝達される。配線１６の一端がコネクタを介して制御基板Ａ上の配線パターンと電気的に接続され、その他端がコネクタを介して制御基板Ｂ上の配線パターンと電気的に接続される。配線１６は、単線でも複線でもよい。

パワーモジュール部と平滑コンデンサ部は、バスバー２４及び２５によって電気的に接続されている。バスバー２４は、平滑コンデンサ３の電源側端子３ａと駆動素子部４ａの電源側端子４ａａを接続する電流経路１４に相当し、バスバー２５は、平滑コンデンサ３の接地側端子３ｂと駆動素子部４ａの接地側端子４ａｂを接続する電流経路１５に相当する（図１参照）。したがって、駆動素子部４ａ及びモータ５に流れる電流は、スイッチング素子ＳＷ１，３，５のうちいずれか一つのスイッチング素子、モータ５、スイッチング素子ＳＷ２，４，６のうちいずれか一つのスイッチング素子の順番で流れるので、駆動素子部４ａへの入力経路である電流経路１４（バスバー２４）を流れる電流と駆動素子部４ａからの出力経路である電流経路１５（バスバー２５）を流れる電流は等しい。

ここで、平滑コンデンサ３と駆動素子部４ａを電気的に接続する電流経路１４及び１５には、本実施例のようなインバータシステムの特性上、平滑コンデンサ３の充放電に伴い瞬間的な大電流が流れる（１μｓ間に数百アンペアの電流変化）。したがって、図２に示されるように、電流経路１４及び１５に相当するバスバー２４及び２５の周囲に（例えば、２０ｍｍ程度の間隔を空けて）配置された配線１６には、その放射ノイズが重畳しやすい。

そこで、本実施形態の電気回路構造は、図２に示されるように、バスバー２４とバスバー２５は交差して並設されている。バスバー２４とバスバー２５は、互いに平行にパワーモジュール部及び平滑コンデンサ部に接続するとともに、その接続部の間の略中心位置（交差ポイントＣ）で捩れて交差している。平滑コンデンサ部からパワーモジュール部に向けて電流が流れるバスバー２４とパワーモジュール部から平滑コンデンサ部に向けて電流が流れるバスバー２５が交差することによって、バスバー２４に流れる電流による磁界とバスバー２５に流れる電流による磁界との合成磁界の向きは、バスバー２４とバスバー２５が交差するポイントＣを基点として、パワーモジュール部に近い側と平滑コンデンサ部に近い側では１８０°反転する。したがって、バスバー２４及び２５を含む平面に垂直な方向に配置された配線１６に重畳したノイズが交差ポイントＣの上下で打ち消しあうことになる。

図３は、バスバー２４及び２５に流れる電流による合成磁界の向きを示した図である。図３（ａ）は、図２において交差ポイントＣよりパワーモジュール部側に生成される合成磁界の向きを示した図であり、図３（ｂ）は、図２において交差ポイントより平滑コンデンサ側に生成される合成磁界の向きを示した図である。図３（ａ）の場合、右ネジの法則により、バスバー２４には反時計回りの磁界が生成され、バスバー２５には時計回りの磁界が生成されるため、合成磁界の向きｄ１は図示の通りとなる。図３（ｂ）の場合、右ネジの法則により、バスバー２４には時計回りの磁界が生成され、バスバー２５には反時計回りの磁界が生成されるため、合成磁界の向きは図３（ａ）の向きの反対向きとなる。

したがって、「パワーモジュール部との接続部と交差ポイントＣとの間のバスバー２４及び２５から放射されるノイズ」と「平滑コンデンサ部との接続部と交差ポイントＣとの間のバスバー２４及び２５から放射されるノイズ」は大きさが同じで向きが反対のノイズなので、バスバー２４及び２５を含む平面に垂直な方向に配置された配線１６にそれぞれ重畳するそれらのノイズは、相殺されることとなる。このように、本実施形態の電気回路構造によれば、シールド対策等を行わずに、電流によって生じる磁界の向きを反対にして磁界の強さが打ち消し合うことを利用して、安価で簡易な構成でノイズ源の近傍に配置された配線１６に重畳するノイズを抑えることができる。

また、バスバー２４及び２５の長さは、冷熱サイクルによる熱膨張の影響で寸法が変化する。特に長手方向の寸法が変化しやすい。寸法変化による応力はパワーモジュール部や平滑コンデンサ部に加わることになるが、図２及び図４に示されるようにバスバー２４及び２５を屈曲させることで、その屈曲部の屈曲角度の変化で寸法変化による応力を吸収し、パワーモジュール部や平滑コンデンサ部に加わる応力を減少させることが可能である。高温になるにつれてバスバー２４及び２５が長手方向に膨張するので、高温環境下で使用する場合には低温環境下で使用する場合に比べ屈曲部の外角を大きく設計することによって、応力を屈曲部で容易に吸収することができる。逆に、低温になるにつれてバスバー２４及び２５が長手方向に収縮するので、低温環境下で使用する場合には高温環境下で使用する場合に比べ屈曲部の外角を小さく設計することによって、応力を屈曲部で容易に吸収することができる。したがって、パワーモジュール部や平滑コンデンサ部との接続部の強度を低めに設計することができるため、安価で簡易的にそれらとの接続部の応力集中を分散できる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施形態では、バスバー２４及び２５の交差は１箇所にしているが、複数箇所で交差するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、バスバー２４及び２５を屈曲させていたが、図５に示されるように、屈曲させずに直線形状のバスバー２４及び２５を交差させて電気的に接続するようにしてもよい。

また、三相ブリッジ回路を用いたモータ５の駆動システムを実施例として挙げたが、スイッチング素子のスイッチングによって負荷の駆動を制御するシステムに本発明を適用しても同様の効果がある。例えば、電圧を降圧させる降圧型のスイッチング回路や電圧を昇圧させる昇圧型のスイッチング回路が挙げられる。

本発明に係る電気回路構造を備える電源装置の一実施形態を示したシステム構成図である。本発明に係る電気回路構造の一実施形態である。バスバー２４及び２５に流れる電流による合成磁界の向きを示した図である。バスバー２４及び２５の屈曲部を説明するための図である。本発明に係る電気回路構造の一実施形態である。

符号の説明

３平滑コンデンサ
４モータ駆動回路
４ａ駆動素子部
４ｂ制御回路部
５モータ
６モータ制御ＥＣＵ
９三相駆動回路
１０マイコン
１４，１５電流経路
２４，２５バスバー
ＳＷ１〜６スイッチング素子

Claims

第１の回路部と、
第２の回路部と、
前記第１の回路部と前記第２の回路部の間の電流経路として互いに交差して並設され、互いに反対方向の電流が同時期に流れる第１及び第２の線状導体と、
前記第１の回路部と前記第２の回路部の間に配置され、前記第１の回路部を制御する制御部と、
前記第１及び第２の線状導体の周辺に、線状導体に沿って配置された、前記制御部の信号配線と、を備える電気回路構造。
前記第１の回路部に接する放熱手段を備える、請求項１に記載の電気回路構造。
前記第１の回路部は、負荷を駆動する駆動部である、請求項１又は２に記載の電気回路構造。
前記駆動部は、直流電力を交流電力に変換して前記負荷を駆動する、請求項３に記載の電気回路構造。
前記信号配線を介して、ＰＷＭ信号が伝達する、請求項４に記載の電気回路構造。
前記制御部は、前記信号配線によって互いに接続された第１の基板と第２の基板を有し、
前記第１の基板は、前記ＰＷＭ信号を出力する回路が実装され、
前記第２の基板は、前記ＰＷＭ信号に従って前記駆動部を動作させる回路が実装された、請求項５に記載の電気回路構造。
前記制御部は、前記信号配線によって互いに接続された第１の基板と第２の基板を有し、
前記信号配線を介して、前記第１の基板と前記第２の基板との間の信号が伝達する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気回路構造。
前記第１及び第２の回路部のうち少なくとも一つには蓄電器が含まれ、
前記蓄電器の一方の端子が前記第１の線状導体に電気的に接続され、前記蓄電器のもう一方の端子が前記第２の線状導体に電気的に接続された、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気回路構造。
前記第１及び第２の線状導体が屈曲して互いに交差する、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気回路構造。
請求項１から９のいずれか一項に記載の電気回路構造を有する制御システム。