JP5459055B2 - 電力変換装置および回路基板の振動抑制構造 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置および回路基板の振動抑制構造に関する。

従来より、半導体素子等を有するモジュール（例えば、半導体スイッチング素子を有するパワーモジュール）と、このモジュールを制御する制御回路を備える回路基板とを一体的に構成した装置（例えば、電力変換装置）が知られている。この装置では、締結部材によりモジュールの上面に回路基板を固定している。

例えば、特許文献１には、ケースと、このケース内に設けられ電力の導通・遮断を行う半導体スイッチング素子を有するパワーモジュールと、ケース内に締結部材で固定されて半導体スイッチング素子のゲートを制御する制御基板（第１の回路基板）と、ケース内に締結部材で固定されているとともにトランスが搭載されて制御基板に電力を供給する電源基板（第２の回路基板）とを有する電力変換装置が開示されている。この場合、隣接した電源基板用の締結部材同士の間隔は、隣接した制御基板用の締結部材同士の間隔よりも狭くなっており、電源基板の共振周波数は、制御基板の共振周波数よりも高領域にシフトされている。すなわち、電源基板用の締結部材の点数を増やすこと電源基板に対する振動の抑制を図っている。

特許第４０８９９１０号公報

しかしながら、締結部材の数を増加させたとしても、電源基板の共振点がその基板に実装される部品の共振点と一致する可能性があり、基板の上下方向（基板に対して垂直方向）の振動を抑制することが困難となる場合がある。

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、モジュールに締結して固定される回路基板について、基板垂直方向の振動を抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明の回路基板は、基準直線上に、締結部材による締結位置を備えるとともに、基板に実装される部品を基準直線の近傍に配置している。ここで、基準直線は、回路基板の重心点を通る直線であり、かつ、回路基板の振動にともなう反りによる基板の延伸方向に対して直交する直線である。

本発明によれば、締結位置を基準直線上に配置し、また実装部品を基準直線の近傍に配置したことにより、加振力に対する回路基板の応答倍率が小さくなるので、回路基板の基板垂直方向の振動を抑制することができる。

第１の実施形態にかかる電力変換装置１の構成を模式的に示す説明図 電力変換装置１を構成するパワーモジュール２および回路基板３の固定手法を示す側面図および平面図 回路基板５を端部四点でパワーモジュール２に固定する手法を模式的に示す側面図および平面図 第１の実施形態にかかる三点固定の回路基板３に関する一次モード（ａ）および二次モード（ｂ）の振動シミュレーションを模式的に示す説明図 比較例である四点固定の回路基板５に関する一次モード（ａ）および二次モード（ｂ）の振動シミュレーションを模式的に示す説明図 基板ＰＢに実装する部品の実装方向を説明する説明図 コンデンサＣ１の実装方向を示す説明図 コンデンサＣ２の実装方向を示す説明図 基板ＰＢに部品Ｃ３を実装することができる有効実装領域Ａ４を模式的に示す説明図 基板ＰＢに部品Ｃ４を実装することができる有効実装領域Ａ５を模式的に示す説明図 第２の実施形態にかかる電力変換装置１の構成を模式的に示す側面図

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる電力変換装置１の構成を模式的に示す説明図であり、図２は、電力変換装置１を構成するパワーモジュール２および回路基板３の固定手法を示す側面図および平面図である。電力変換装置１は、例えば、自動車に搭載されており、直流電源であるバッテリ（図示せず）と車両走行用の電動機（図示せず）との間に接続されている。この電力変換装置１は、入力電力と出力電力との間で電力変換を行う装置であり、例えば、バッテリからの直流電力を三相の交流電力に変換して電動機に出力したり、電動機からの三相の交流電力を直流電力に変換してバッテリに出力したりする。

電力変換装置１は、三相に対応する３つのパワーモジュール２と、これらのパワーモジュール２を制御する回路基板３とを主体に構成されており、これらの部材がケース１０内に収容されている。個々のパワーモジュール２には、バッテリと電気的に接続するための直流入力配線１１，１２がそれぞれ接続されており、また、電動機と電気的に接続するための交流出力配線１３〜１５が接続されている。

３つのパワーモジュール２は、例えば長手方向の側面が隣り合うように並列してケース底面に配置されており、パワーモジュール２の冷却の観点から、パワーモジュール２とケース底面との間に図示しない伝熱シートおよび冷却器（例えば冷却流路が接続されたヒートシンクなど）を介在させている。一方、回路基板３は、並列した３つのパワーモジュール２の上方を覆うように配置された単一の基板であり、三点の締結位置３２ａ〜３２ｃにそれぞれ配置された締結部材としてのねじ３４により、パワーモジュール２とともにケース１０に固定されている。本実施形態の特徴の一つは、回路基板３の固定手法にあり、その詳細については後述する。

個々のパワーモジュール２は、正極側の直流入力配線１１と交流出力配線１３〜１５との間に、上アームに対応する単方向スイッチ（一方向の導通を制御可能なスイッチ：図示せず）が接続されている。同様に、個々のパワーモジュール２は、負極側の直流入力配線１２と交流出力配線１３〜１５との間に、下アームに対応する単方向スイッチ（図示せず）が接続されている。個々のスイッチは、半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のトランジスタを主体に構成されており、各トラ
ンジスタには還流用ダイオードが逆並列に接続されている。これらのパワーモジュール２において、上下アームに対応する各スイッチは、樹脂製の筐体に収容されて構成されている。

回路基板３は、制御ＩＣ（図示せず）、トランス３１ａ、コンデンサ３１ｂ〜３１ｄなどを含む部品（実装部品）をプリント配線が形成された矩形状の基板３０上に実装しており、ゲート駆動信号を介して三相の上下アームに対応する各スイッチを駆動する。

回路基板３は、前述の如く、ねじ３４によりパワーモジュール２とともにケース１０に固定されている。具体的には、ねじ３４による締結位置３２ａ〜３２ｃと対応して、基板３０には開口（図示せず）が形成されるとともに、回路基板３とパワーモジュール２との間にはスペーサ３３が配置されている。そして、回路基板３は、スペーサ３３を介してパワーモジュール２上に載置され、ねじ３４によりパワーモジュール２とともにケース１０に締結される。これにより、回路基板３が締結位置３２ａ〜３２ｃにそれぞれ配置されたねじ３４によりパワーモジュール２（筐体）に対して固定されている。

本実施形態において、締結部材としてのねじ３４は三点の締結位置３２ａ〜３２ｃにそれぞれ配置されており、回路基板３は三点でパワーモジュール２に固定される構成となっている。三点の締結位置３２ａ〜３２ｃは、回路基板３において、以下に示す要件を満たす基準直線ＬＢ上に配置されている。
＜基準直線ＬＢの条件＞
（１）回路基板３の重心を通る直線であること
（２）回路基板３の振動にともなう基板３０の反りによる基板３０の延伸方向（方向Ｄｗ（後述する図６参照））に対して直交する直線であること

また、三箇所の締結位置３２ａ〜３２ｃは、基準直線ＬＢ上において、その中央位置（３２ａ）と、中央位置を挟んでそれぞれ等距離となる２つの端部位置（３２ｂ，３２ｃ）とに設定されている。ここで、中央位置の締結位置３２ａは、中央に配置されたパワーモジュール２の上面の中央位置と対応しており、端部位置の締結位置３２ｂ，３２ｃは、両側にそれぞれ配置されたパワーモジュール２の上面における中央位置とそれぞれ対応している。

このような三点固定の回路基板３が備える効果は、後述する比較例との対比において明らかとなるが、かかる効果を奏する上で、回路基板３（基板３０）は、以下に示すような第１および第２の条件を備えている。

＜第１の条件＞
（Ｃ／ｎ）＜Ｂ

ここで、Ｂは、基準直線ＬＢと直交する方向に沿った締結位置３２ａ〜３２ｃから基板端部までの距離（以下「オーバーハング長」という）である。Ｃは、端部位置における締結位置３２ｂ，３２ｃの間の距離である。また、ｎは、締結位置の個数である。

＜第２の条件＞
Ａ＜Ｂ

ここで、Ａは、基準直線ＬＢと平行な方向に沿った端部位置の締結位置３２ｂ，３２ｃから基板端部までの距離（オーバーハング長）である。

また、三点固定の回路基板３において、その実装部品は、以下に示す条件に則って基板３０に実装されている。

まず、実装部品であるトランス３１ａ、コンデンサ３１ｂ〜３１ｄは、基準直線ＬＢの近傍に配置されている。ただし、これらの実装部品３１ａ〜３１ｄは、隣り合う一対の締
結位置３２ａ，３２ｂの中央位置およびその近傍の領域、同様に、隣り合う一対の締結位置３２ａ，３２ｃの中央位置およびその近傍の領域は除くように配置されている。すなわち、実装部品３１ａ〜３１ｄは、隣接する一対の締結位置３２ａ，３２ｂ（３２ａ，３２ｃ）の中央位置から離して基板３０に実装されている。

例えば、図２に示すように、トランス３１ａは、基準直線ＬＢの線上、かつ、一方の端部位置の締結位置３２ｃの近傍に配置されている。大型のコンデンサ３１ｂは、中央位置の締結位置３２ａの近傍（図中の右側）、具体的には、基準直線ＬＢの線上に一つ、および、基準直線ＬＢに直交する直線上に２つ配置されている。中型のコンデンサ３１ｃは、中央位置の締結位置３２ａの近傍（図中の左側）、具体的には、基準直線ＬＢの線上に一つ、および、基準直線ＬＢに直交する直線上に２つ配置されている。小型のコンデンサ３１ｄは、他方の端部位置の締結位置３２ａの近傍（図中の右側）、具体的には、基準直線ＬＢの線上に一つ、および、基準直線ＬＢに直交する直線上に２つ配置されている。

さらに、実装部品としての各コンデンサ３１ｂ〜３１ｄは、当該コンデンサ３１ｂ〜３１ｄの一対の電極端子を基板３０のプリント配線に半田付けすることにより実装されるものである。ここで、各コンデンサ３１ｂ〜３１ｄは、当該コンデンサ３１ｂ〜３１ｄの電極端子の向き（具体的には、一対の電極端子をそれぞれ通過する直線の向き）が、基準直線ＬＢと平行に配置されている。

このように本実施形態において、回路基板３は、基準直線ＬＢ上に、ねじ３４による締結位置３２ａ〜３２ｃを備えるとともに、基板３０に実装される実装部品３１ａ〜３１ｄを基準直線ＬＢの近傍に配置している。ここで、基準直線ＬＢは、基板３０の重心点を通る直線であり、かつ、基板３０の振動にともなう反りによる基板３０の延伸方向に対して直交する直線となっている。また、回路基板３は、基準直線ＬＢ上において、基準直線ＬＢの中央位置と、この中央位置を挟んで互いに等距離となる端部位置との３箇所に締結位置３２ａ〜３２ｃを備えている。

以下、本実施形態にかかる回路基板３の固定手法について、比較例としての回路基板５と対比して説明する。ここで、図３は、回路基板５を端部四点でパワーモジュール２に固定する手法を模式的に示す側面図および平面図である。同図に示すように、比較例としての回路基板５は、基板５０の四隅に相当する４つの締結位置５２ａ〜５２ｄに配置された締結部材としてのねじ５４によりパワーモジュール２に固定されている。

この回路基板５は、回路基板３と同様に、トランス５１ａ、コンデンサ５１ｂ〜５１ｄといった実装部品を、プリント配線が形成された矩形状の基板５０上に実装している。具体的には、ねじ５４による締結位置と対応して、回路基板５（基板５０）には開口が形成されるとともに、回路基板５とパワーモジュール２との間にはスペーサ５３が配置されている。そして、回路基板５は、スペーサ５３を介してパワーモジュール２上に載置され、ねじ５４によりパワーモジュール２に対して固定される。

図４は、本実施形態にかかる三点固定の回路基板３に関する一次モード（ａ）および二次モード（ｂ）の振動シミュレーションを模式的に示す説明図である。図５は、比較例である四点固定の回路基板５に関する一次モード（ａ）および二次モード（ｂ）の振動シミュレーションを模式的に示す説明図である。図４において、回路基板３の締結位置３２ａ〜３２ｃにはねじ止め用の開口３５が示されており、図５において、回路基板５の締結位置５２ａ〜４２ｃにはねじ止め用の開口５５が示されている。

一次モードに関して、本実施形態にかかる三点固定の回路基板３は、四点固定の回路基板５と比較して、基板面の振動を大幅に抑制していることが分かる。一方、四点固定の回
路基板５は、基板面の振動により基板５０の変形が大きく、破損へと繋がる可能性がある。また、本実施形態にかかる三点固定の回路基板３は、四点固定の回路基板５と比較して、同等の剛性であっても、一次共振点が向上する結果となっている。このような三点固定の回路基板３による振動の抑制効果は、上述した基板３０の第１の条件（（Ｃ／ｎ）＜Ｂ）に起因する。

また、二次モードに関して、本実施形態にかかる三点固定の回路基板３は、四点固定の回路基板５と比較して、基板のねじれ変形を大幅に抑制することができる。一方、四点固定の回路基板５は、基板面のねじれ変形が大きく、基板５０の破損へと繋がる恐れがある。このような三点固定の回路基板３による振動の抑制効果は、上述した基板３０の第２の条件（Ａ＜Ｂ）に起因する。

このように、回路基板３を基準直線ＬＢ上の三点の締結位置３２ａ〜３２ｃで固定することにより、加振力に対する回路基板の応答倍率が小さくなるので、回路基板３の基板垂直方向の振動を有効に抑制することができる。

また、基準直線ＬＢ上の三点固定により、回路基板３の一次共振点を向上させることができるので、基板面の振動の抑制とともに、実装部品３１ａ〜３１ｄの共振による部品脱落を抑制することができる。また、かかる手法によれば、振動の節に固定点を設置することができるので、回路基板３の基板面の振動およびねじれ変形を効果的に抑制することができる。さらに、実装部品３１ａ〜３１ｄを基準直線ＬＢの近傍、すなわち、振動や変形の少ない領域に配置することにより、実装部品３１ａ〜３１ｄの半田に作用する応力の低減を図ることができる。これにより、振動による実装部品３１ａ〜３１ｄの脱落を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、回路基板３は、基板３０において、隣接する一対の締結位置３２ａ〜３２ｃの中央位置から離して部品３１ａ〜３１ｄを実装している。これにより、回路基板３は、基板３０において、締結位置３２ａ〜３２ｃに近寄った位置に部品３１ａ〜３１ｄを実装することとなる。

かかる構成によれば、基板３０の振動の腹となる締結位置３２ａ〜３２ｃの中央を避けて部品３１ａ〜３１ｄを配置することができるので、部品３１ａ〜３１ｄの半田に作用する応力の低減を図ることができる。

図６は、基板ＰＢに実装する部品（例えば、コンデンサ）の実装方向を説明する説明図である。同図において、Ｄｖは基板面の振動の方向である上下方向、すなわち、基板面と垂直方向を示し、Ｄｗは基板ＢＰの振動にともなう反りによる基板ＰＢの延伸方向（以下「反り方向」という）を示す。ここで、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ａ１を拡大して示している。また、領域Ａ２，Ａ３は、コンデンサＣ１，Ｃ２の電極端子および半田領域を示している。

コンデンサＣ１は、その一対の電極端子の向き（具体的には、一対の電極端子を通る直線の向き）が、反り方向Ｄｗに直交する方向に対して平行となるように配置されている。一方、コンデンサＣ２は、その一対の電極端子の向き（具体的には、一対の電極端子を通る直線の向き）が、反り方向Ｄｗに対して平行となるように配置されている。

反り方向Ｄｗに対して直交して実装されたコンデンサＣ１によれば、図７に示すように、基板ＰＢに振動に伴う反りが生じた場合でも、電極端子の向きが反り方向Ｄｗに対して直交しているので、電極端子を接合する半田に生じる歪みを低減することができる。これに対して、反り方向Ｄｗと平行に実装されたコンデンサＣ２によれば、図８に示すように
、基板ＰＢに振動に伴う反りが生じた場合には、電極端子の向きに反りによる基板ＢＰの延伸が生じるため、電極端子を接合する半田に大きな歪みが生じることとなってしまう。

この点、本実施形態の回路基板３によれば、各コンデンサ３１ｂ〜３１ｄは、当該コンデンサ３１ｂ〜３１ｄの電極端子の向きが、基準直線ＬＢと平行に、すなわち、反り方向Ｄｗに直交する方向に対して平行に配置されている。これにより、各コンデンサ３１ｂ〜３１ｄにおいて、基板３０に反りが生じた場合であっても電極端子と基板３０のプリント配線とを接合する半田に生じる歪みを低減することが可能となる。

図９は、基板ＰＢに実装部品Ｃ３を実装することができる有効実装領域Ａ４を模式的に示す説明図であり、本実施形態にかかる三点固定により基板ＰＢを締結部材Ｆｍで固定する手法が適用されている。一方、図１０は、基板ＰＢに部品Ｃ４を実装することができる有効実装領域Ａ５を模式的に示す説明図であり、周囲６点において基板ＰＢを締結部材Ｆｍにより固定する手法が適用されている。

図９に示す有効実装領域Ａ４と図１０に示す有効実装領域Ａ５との比較から分かるように、本実施形態にかかる三点固定による手法によれば、基板面の振動およびねじれ振動を抑制することができるので、実装部品を配置することができる有効領域を広く確保することができる。

（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態にかかる電力変換装置１の構成を模式的に示す側面図である。以下、第２の実施形態にかかる電力変換装置１について、第１の実施形態のそれとの相違点を中心に説明を行い、対応する構成については図面および符号を引用して説明を省略する。

具体的には、電力変換装置１は、パワーモジュール２とケース底面（図示せず）との間に伝熱シート７および冷却器８（例えば冷却流路が接続されたヒートシンクなど）を介在させている。そして、パワーモジュール２の上面と、回路基板３の下面との間には、緩衝材としての緩衝材６が配置されている。すなわち、回路基板３は、パワーモジュール２との間に緩衝材６を挟み込んだ上で、締結位置３２ａ〜３２ｃに配置されたねじ３４によりパワーモジュール２とともにケース１０に固定されている。

緩衝材６としては、回路基板３の振動入力を抑制する効果を奏する材料を広く適用することができ、例えば、ゲルを用いることができる。また、ゲル以外にも、種々部材を緩衝材６として利用することも可能である。例えば、パワーモジュール２と回路基板３との固定をねじ３４に加えて接着剤を用いてもよく、この場合、当該接着剤を緩衝材６として利用することもできる。

このように本実施形態によれば、緩衝材６により回路基板３に入力される振動を抑制することができるので、基板面の振動およびねじれ変形を更に抑制することができる。また、振動の抑制により、実装部品３１ａ〜３１ｄの半田に作用する応力の低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態にかかる電力変換装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能であることはいうまでもない。例えば、電力変換装置のみならず、種々のモジュールと回路基板とを締結部材により固定する手法として広く利用することができる。また、上述した実施形態では、回路基板は、矩形の基板から構成されているが、これに限定されず、正方形を含む四角形状の基板であってもよい。

１ 電力変換装置
２ パワーモジュール
３ 回路基板
３０ 基板
３１ａ トランス（実装部品）
３１ｂ〜３１ｄ コンデンサ（実装部品）
３２ａ〜３２ｃ 締結位置
３３ スペーサ
３４ ねじ
３５ 開口
６ 緩衝材
７ 伝熱シート
８ 冷却器

Claims (7)

1. 筐体内に半導体スイッチング素子を収容するパワーモジュールと、
   四角形状の基板上に部品を実装し、前記半導体スイッチング素子を駆動する回路基板と、
   前記パワーモジュールの筐体に前記回路基板を締結する複数の締結部材とを有し、
   前記回路基板は、当該回路基板の重心点を通る直線であり、かつ、前記回路基板の振動にともなう反りによる基板の延伸方向に対して直交する直線である基準直線上に、前記締結部材による締結位置を備えるとともに、基板に実装される部品を前記基準直線の近傍に配置することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記回路基板は、前記基準直線上において、前記基準直線の中央位置と、当該中央位置を挟んでそれぞれ等距離となる２つの端部位置とを含む三点に前記締結位置を備えることを特徴とする請求項１に記載された電力変換装置。
3. 前記基板に実装される部品は、前記基板上のプリント配線と接続する電極端子の向きが前記基準直線と平行に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載された電力変換装置。
4. 前記回路基板は、前記基板において、隣接する一対の締結位置の中央位置から離して前記部品を実装することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された電力変換装置。
5. 前記回路基板は、前記基板において、前記締結位置に近寄った位置に前記部品を実装することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された電力変換装置。
6. 前記回路基板と前記パワーモジュールとの間に挟み込んだ緩衝材をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された電力変換装置。
7. 筐体内に半導体素子を収容するモジュールと、
   四角形状の基板上に部品を実装し、前記半導体素子を駆動する回路基板と、
   前記モジュールの筐体に前記回路基板を締結する複数の締結部材とを有し、
   前記回路基板は、前記回路基板の重心点を通る直線であり、かつ、前記回路基板の振動にともなう反りによる基板の延伸方向に対して直交する直線である基準直線上に、前記締結部材による締結位置を備えるとともに、基板に実装される部品を前記基準直線の近傍に配置することを特徴とする回路基板の振動抑制構造。

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