JP6365362B2 - 電力変換装置用の制御基板 - Google Patents

Description

本開示は、電力変換装置用の制御基板に関する。

急速放電回路を備え、走行モータ用のインバータ装置及び補機用のモータ用のインバータ装置と平滑キャパシタ（平滑コンデンサ）とを一つの筐体に内蔵する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開2011-234507号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の構成では、補機用のモータ用のインバータ装置に係るドライバ回路基板には、補機用のモータの駆動用の３相電流が流れる回路部や、急速放電回路が実装されていないため、実装効率等の観点から改善の余地がある。

そこで、本開示は、放電回路と、補機モータ駆動用の多相電流が流れる配線パターンとが共通の基板本体に効率的に設けられた電力変換装置用の制御基板の提供を目的とする。

本開示の一局面によれば、走行用モータ（４０）が第１インバータ（１１）を介して電源（２）に接続され且つ補機モータ（５０）が第２インバータ（１２）を介して前記電源（２）に接続され、前記第１インバータ（１１）及び前記第２インバータ（１２）が共通の平滑コンデンサ（１４）に対して並列に接続される車両システム（１）における電力変換装置（１０）用の制御基板（４００、４００Ａ）であって、
多層基板である基板本体（４１０）と、
前記基板本体（４１０）の表面に実装され、車両の衝突検知時に作動して前記平滑コンデンサ（１４）に溜まった電荷を放電する放電回路（６２）と、
前記基板本体（４１０）に実装され、前記第２インバータ（１２）を形成する回路部（４２２）と、
前記基板本体（４１０）の内層に形成され、前記第２インバータ（１２）の回路部（４２２）に接続され、前記補機モータの駆動用の多相電流が流される配線パターン（４８０、４８２、４８４）とを含み、
前記放電回路（６２）の少なくとも一部は、前記基板本体（４１０）の表面に対して垂直方向に視て、前記配線パターン（４８０、４８２、４８４）に外接する範囲内に位置する、電力変換装置（１０）用の制御基板（４００、４００Ａ）が提供される。

本開示によれば、放電回路と、補機モータ駆動用の多相電流が流れる配線パターンとが共通の基板本体に効率的に設けられた電力変換装置用の制御基板が得られる。

電力変換装置用の制御基板に係る車両システムの一例を示す図である。 放電回路６２の一例を示す回路図である。 電力変換装置用の制御基板の一例を上面視により概略的に示す平面図である。 図３のラインＸ−Ｘに沿った断面図である。 放電回路６２の実装範囲Ｄ１と配線パターン４８０，４８２及び４８４との位置関係の他の例を概略的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

図１は、電力変換装置用の制御基板に係る車両システムの一例を示す図である。

車両システム１は、バッテリ２（電源の一例）と、電力変換装置１０と、主機モータ４０と、補機モータ５０と、制御装置６０とを含む。車両システム１は、例えばハイブリッド車又は電気自動車で使用される。

バッテリ２は、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ、電気二重層キャパシタ等の容量性負荷のような、任意の種類の蓄電装置を含む。高圧バッテリと低圧バッテリとを有する二電源システムの場合、バッテリ２は、高圧バッテリ及び低圧バッテリのうちのいずれかであることができる。

電力変換装置１０は、第１インバータ１１と、第２インバータ１２と、平滑コンデンサ１４とを含む。第１インバータ１１及び第２インバータ１２のそれぞれは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field-effect transistor)のような、スイッチング素子を含む。

第１インバータ１１は、バッテリ２の直流電圧を３相電流に変換して主機モータ４０に供給する。第２インバータ１２は、バッテリ２の直流電圧を３相電流に変換して補機モータ５０に供給する。尚、電力変換装置１０とバッテリ２との間には、昇圧回路が設けられてもよい。平滑コンデンサ１４は、バッテリ２と第１インバータ１１及び第２インバータ１２との間で、バッテリ２の正極及び負極間に電気的に接続される。第１インバータ１１及び第２インバータ１２は、バッテリ２及び平滑コンデンサ１４に対して並列に電気的に接続される。

主機モータ４０は、車両の駆動力を発生させる走行モータを含む。主機モータ４０は、発電機としても機能できるモータジェネレータであってもよい。

補機モータ５０は、例えば電動オイルポンプに組み込まれる電動モータである。補機モータ５０は、その他、パワーステアリング用のモータ（アシストモータ）や、ワイパー用のモータ等のような、車載の任意の電動モータであってもよい。補機モータ５０は、複数個設けられてもよい。この場合、第２インバータ１２は、補機モータ５０毎に設けられる。以下では、補機モータ５０は、一例として、電動オイルポンプに組み込まれる電動モータであるとする。

制御装置６０は、コンピューターにより実現される。制御装置６０は、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）により実現される。

制御装置６０は、放電回路６２と、第１駆動回路６４と、第２駆動回路６６とを含む。第１駆動回路６４は、第１インバータ１１のスイッチング素子を駆動制御する。第２駆動回路６６は、第２インバータ１２のスイッチング素子を駆動制御する。第１駆動回路６４及び第２駆動回路６６のそれぞれは、例えばマイクロコントローラにより形成される。

図２は、放電回路６２の一例を示す回路図である。図２において、Ｐは、バッテリ２の正極を表し、Ｎは、バッテリ２の負極（＝グランド）を表す。

放電回路６２は、異常検出部６２０と、電源生成部６２１と、放電部６２２とを含む。放電部６２２は、放電抵抗Ｒ１を含む。放電抵抗Ｒ１は、バッテリ２の正極及び負極間に電気的に接続される。従って、放電抵抗Ｒ１は、平滑コンデンサ１４とは並列の関係で、バッテリ２の正極及び負極間に電気的に接続される。

異常検出部６２０には、衝突検知信号（放電指令）が入力される。衝突検知信号は、車両の衝突発生時又はその直前に生成される。衝突検知信号は、例えば衝突を検知する他のＥＣＵから入力される。例えば衝突検知信号は、車両の安全装置（例えばエアバック）を制御するエアバックＥＣＵやプリクラッシュＥＣＵ等から供給される。

異常検出部６２０に衝突検知信号が入力されると、衝突検知信号がフォトカプラＰＣを介して電源生成部６２１に入力される。衝突検知信号が電源生成部６２１に入力されると、スイッチング素子ＭＯＳ１のゲートには、ツェナーダイオードＤＺにより一定の電圧が印加され、スイッチング素子ＭＯＳ１がリニアレギュレータとして動作する。これにより、放電部６２２のスイッチング素子ＭＯＳ２がオンし、放電抵抗Ｒ１を介して、平滑コンデンサ１４に溜まっている電荷がグランドへと流れる（即ち平滑コンデンサ１４の放電が実現される）。

図３は、電力変換装置用の制御基板の一例を上面視により概略的に示す平面図である。図４は、図３のラインＸ−Ｘに沿った断面図である。尚、上面視とは、制御基板４００の基板本体４１０の表面に対して垂直方向（面直方向）に視る態様をいう。図３においては、放電回路６２の実装範囲が点線で模式的に図示されている。図３においては、回路部４２２，４２３及び４２４のそれぞれの実装範囲が実線でそれぞれ模式的に図示されている。尚、図４において、断面の左に付された数字は、層の番号である。

制御基板４００は、基板本体４１０と、放電回路６２と、回路部４２２と、ベタパターン４２６及び４２７と、配線パターン４８０，４８２及び４８４と、を含む。尚、図３に示す例では、第２駆動回路６６を形成する回路部４２３、及び、第１駆動回路６４を形成する回路部４２４が、基板本体４１０の上側（表側）の表面に実装されている。

基板本体４１０は、多層基板である。基板本体４１０は、好ましくは、１層以上の内層を有する。図３に示す例では、基板本体４１０は、６層基板であり、２〜５層の内層は、層間が絶縁層により電気的に絶縁されている。

放電回路６２は、図３に示すように、基板本体４１０の表面に実装される。図３及び図４に示す例では、放電回路６２は、図４に示すように、基板本体４１０の上側（表側）の表面と、基板本体４１０の下側（裏側）の表面とに実装される。尚、放電回路６２は、基板本体４１０の上側（表側）の表面と、基板本体４１０の下側（裏側）の表面のうちのいずれか一方のみに実装されてもよい。また、放電回路６２の一部は、基板本体４１０の内層に形成されてもよい。

回路部４２２は、第２インバータ１２を形成する。回路部４２２は、図３に示すように、基板本体４１０の表面に実装される。図３に示す例では、回路部４２２は、基板本体４１０の上側（表側）の表面に実装される。尚、回路部４２２の一部は、基板本体４１０の内層に形成されてもよい。

ベタパターン４２６及び４２７は、基板本体４１０の内層に形成される。ベタパターン４２６及び４２７のそれぞれは、熱伝導性材料により形成される。ベタパターン４２６及び４２７のそれぞれは、例えば銅のベタパターンとして形成される。ベタパターン４２６及び４２７は、対応する内層の全体にわたって形成される。ベタパターン４２６及び４２７は、例えば、制御基板４００のグランド電位に電気的に接続される。ベタパターン４２６及び４２７は、ビア（図示せず）を介して互いに電気的に接続されてもよい。ベタパターン４２６及び４２７は、それぞれ任意の内層に形成されてもよいが、好ましくは、図４に示すように、配線パターン４８０，４８２及び４８４よりも表面側に形成される。図４に示す例では、ベタパターン４２６は、配線パターン４８０，４８２及び４８４よりも上側の表面に近い内層（第２層）に形成され、ベタパターン４２７は、配線パターン４８０，４８２及び４８４よりも下側の表面に近い内層（第５層）に形成される。これにより、配線パターン４８０，４８２及び４８４は、ベタパターン４２６及び４２７により上下方向で挟まれる。

配線パターン４８０，４８２及び４８４は、図４に示すように、基板本体４１０の内層に形成される。配線パターン４８０，４８２及び４８４は、第２インバータ１２及び補機モータ５０間を接続する３相電線部３０（図１参照）を形成する。配線パターン４８０，４８２及び４８４は、図３に示すように、一端が第２インバータ１２の回路部４２２に電気的に接続される。配線パターン４８０，４８２及び４８４は、他端が補機モータ５０に電気的に接続される。配線パターン４８０，４８２及び４８４には、補機モータ５０の駆動用の多相電流（図３に示す例では３相電流）が流される。尚、配線パターン４８０，４８２及び４８４には、補機モータ５０の動作時に３相電流が流れる。

図３に示す例では、配線パターン４８０，４８２及び４８４は、一端が第２インバータ１２の回路部４２２に電気的に接続され、他端がコネクタ４５０に電気的に接続される。これにより、第２インバータ１２の回路部４２２は、配線パターン４８０，４８２及び４８４及びコネクタ４５０を介して、基板本体４１０から離れた補機モータ５０に電気的に接続可能となる。例えば、補機モータ５０からの３相電線の端部のコネクタ（図示せず）をコネクタ４５０に電気的に接続することで、第２インバータ１２の回路部４２２と補機モータ５０とが電気的に接続される。尚、コネクタ４５０に代えて、基板本体４１０に貫通させて電気的な接続を実現する貫通型のバスバが用いられてもよい。

配線パターン４８０，４８２及び４８４は、それぞれ異なる内層に形成されてもよいし、一部が同一の内層に形成されてもよい。図３に示す例では、配線パターン４８０及び４８４は、同一の内層（第３層）に形成され、配線パターン４８２は、配線パターン４８０及び４８４とは異なる内層（第４層）に形成されている。

本実施例では、放電回路６２の少なくとも一部は、上面視で配線パターン４８０，４８２及び４８４に外接する範囲内に設けられる。放電回路６２の少なくとも一部とは、図２に示すような放電回路６２の構成要素の少なくとも一部を意味する。放電回路６２の少なくとも一部は、好ましくは、放電回路６２の構成要素のうちの素子（配線パターンではなく、放電抵抗Ｒ１などの素子）を含む。図４に示す例では、図３のラインＸ−Ｘに沿った断面上には、図４に示すように、放電回路６２のスイッチング素子（スイッチング素子ＭＯＳ１）及び放電抵抗Ｒ１が配置されている。

配線パターン４８０，４８２及び４８４に外接する範囲は、上面視での配線パターン４８０，４８２及び４８４の存在範囲（形成範囲）を含み、例えば矩形の範囲又は多角形の範囲で規定されてもよい。配線パターン４８０，４８２及び４８４に外接する範囲には、当然ながら、配線パターン４８０，４８２及び４８４のいずれも存在しない領域が部分的に含まれうる。

図３に示す例では、上面視で配線パターン４８０，４８２及び４８４に外接する範囲が範囲Ｄ２にて概略的に示されている。範囲Ｄ２は、矩形の範囲である。図３に示す例では、放電回路６２の実装範囲Ｄ１は、略全体が上面視で範囲Ｄ２に重なる。尚、放電回路６２の実装範囲Ｄ１とは、放電回路６２の全構成要素に外接する範囲であってよく、或いは、放電回路６２の全構成要素のうちの一部の構成要素に外接する範囲であってよい。また、放電回路６２の実装範囲Ｄ１とは、放電回路６２の全構成要素の存在領域に対応してよく、或いは、放電回路６２の全構成要素のうちの一部の構成要素の存在領域に対応してよい。この場合、範囲Ｄ２は、複数個分離して存在してもよい。

本実施例によれば、上述のように、放電回路６２と、補機モータ５０の駆動用の３相電流が流れる配線パターン４８０，４８２及び４８４とが共通の基板本体４１０に設けられる。これにより、放電回路６２と配線パターン４８０，４８２及び４８４とがそれぞれ別々の基板に形成される構成に比べて、効率的な構成を実現できる。

また、本実施例によれば、上述のように、配線パターン４８０，４８２及び４８４は内層に形成され、放電回路６２の少なくとも一部は、上面視で配線パターン４８０，４８２及び４８４に外接する範囲内に位置する。これにより、放電回路６２と配線パターン４８０，４８２及び４８４とが、基板本体４１０の上面視でそれぞれ別々の領域（重なり合わない領域）に設けられる構成に比べて、効率的な構成を実現できる。ここで、放電回路６２は、上述の如く、基本的に、衝突検知信号が発生したときに働き、補機モータ５０の動作時には働かない。衝突検知信号が発生したときは、バッテリ２と第２インバータ１２とを電気的に接続するメインスイッチ（図示せず）がオフされることで又は第２インバータ１２が作動停止され、補機モータ５０の動作は停止される。これは、基本的に、放電回路６２に電流が流れ放電回路６２が発熱するときと、配線パターン４８０，４８２及び４８４に電流が流れ配線パターン４８０，４８２及び４８４が発熱するときとが、同時ではないことを意味する。従って、上述のように、放電回路６２の少なくとも一部が上面視で配線パターン４８０，４８２及び４８４に外接する範囲内に位置する場合であっても、かかる近い位置関係に起因した不都合（例えば、双方の発熱が同時に生じることに起因した許容以上の高温化）は実質的に生じない。このように、本実施例によれば、放電回路６２と配線パターン４８０，４８２及び４８４との間の動作時期の相違を利用して、放電回路６２と配線パターン４８０，４８２及び４８４とを近接した位置関係に配置することで、発熱時の不都合が生じる可能性を低減しつつ、効率的な構成を実現できる。

また、本実施例によれば、ベタパターン４２６及び４２７を配線パターン４８０，４８２及び４８４よりも表面側に形成することで、ベタパターン４２６及び４２７の熱容量を利用して、配線パターン４８０，４８２及び４８４が発熱するときの放熱を促進できる。

図５は、電力変換装置用の制御基板の一例を上面視により概略的に示す平面図である。図５に示す制御基板４００Ａは、図３に示した制御基板４００に対して、上面視での放電回路６２の実装範囲Ｄ１と配線パターン４８０，４８２及び４８４との位置関係のみが異なる。即ち、図５は、図３に示した例に対する他のバリエーションを示す。

図５に示す例では、放電回路６２の実装範囲Ｄ１は、半分よりも小さい部分が上面視で範囲Ｄ２（配線パターン４８０，４８２及び４８４に外接する範囲）に重なる。実装効率の観点からは、放電回路６２の実装範囲Ｄ１は、好ましくは、全体が上面視で範囲Ｄ２に重なるが、図５に示すように、一部が上面視で範囲Ｄ２に重なる場合でも、これらが全く重なり合わない構成に比べて、実装効率が向上する。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、図３に示す例（図５に示す例も同様）では、回路部４２３及び回路部４２４が基板本体４１０に設けられるが、回路部４２３及び回路部４２４の一方又は双方は、別の基板に設けられてもよい。

また、図３に示す例では、ベタパターン４２６及び４２７が設けられるが、ベタパターン４２６及び４２７の一方又は双方が省略されてもよい。

また、上述した実施例では、放電回路６２は、衝突検知信号の発生時に動作するが、他のイベント発生時にも動作してよい。例えば、放電回路６２は、異常発生時や、イグニッションスイッチのオフ時などに、動作してもよい。

なお、以上の実施例に関し、さらに以下を開示する。尚、以下で記載する効果は、必ずしも常に奏するものでない場合もある。また、従属形式の特徴に関する効果は、その特徴に係る効果であり、付加的な効果である。
（１）
走行用モータ（４０）が第１インバータ（１１）を介して電源（２）に接続され且つ補機モータ（５０）が第２インバータ（１２）を介して電源（２）に接続され、第１インバータ（１１）及び第２インバータ（１２）が共通の平滑コンデンサ（１４）に対して並列に接続される車両システム（１）における電力変換装置（１０）用の制御基板（４００、４００Ａ）であって、
多層基板である基板本体（４１０）と、
基板本体（４１０）の表面に実装され、車両の衝突検知時に作動して平滑コンデンサ（１４）に溜まった電荷を放電する放電回路（６２）と、
基板本体（４１０）に実装され、第２インバータ（１２）を形成する回路部（４２２）と、
基板本体（４１０）の内層に形成され、第２インバータ（１２）の回路部（４２２）に接続され、補機モータの駆動用の多相電流が流される配線パターン（４８０、４８２、４８４）とを含み、
放電回路（６２）の少なくとも一部は、基板本体（４１０）の表面に対して垂直方向に視て、配線パターン（４８０、４８２、４８４）に外接する範囲内に位置する、電力変換装置（１０）用の制御基板（４００、４００Ａ）。

（１）に記載の構成によれば、放電回路（６２）と配線パターン（４８０、４８２、４８４）とが同一の基板本体（４１０）に形成されるので、これらが別々の基板に設けられる場合に比べて、効率的な構成を実現できる。また、放電回路（６２）の少なくとも一部が、基板本体（４１０）の表面に対して垂直方向に視て、配線パターン（４８０、４８２、４８４）に外接する範囲内に設けられるので、更なる効率的な構成を実現できる。ここで、放電回路（６２）に電流が流れるときと、配線パターン（４８０、４８２、４８４）に電流（多相電流）が流れるときとが、同時とならない可能性が高い。これは、放電回路（６２）は車両の衝突検知時に作動するのに対して、補機モータ（５０）は車両の衝突検知時に動作しない（停止される）ためである。従って、放電回路（６２）の少なくとも一部が、基板本体（４１０）の表面に対して垂直方向に視て、配線パターン（４８０、４８２、４８４）に外接する範囲内に設けられる場合でも、かかる近接した位置関係に起因した不都合（例えば発熱時に高温化）が生じる可能性を低減できる。このようにして、配線パターン（４８０、４８２、４８４）の発熱時及び放電回路（６２）の発熱時の不都合が生じる可能性を低減しつつ、効率的な構成を実現できる。
（２）
放電回路（６２）を形成する素子（ＭＯＳ１，Ｒ１）は、基板本体（４１０）の表面に対して垂直方向に視て、配線パターン（４８０、４８２、４８４）に外接する範囲内に位置する、（１）に記載の電力変換装置（１０）用の制御基板（４００、４００Ａ）。

（２）に記載の構成によれば、放電回路（６２）の占有範囲の比較的大きな部分を占める素子が、基板本体（４１０）の表面に対して垂直方向に視て、配線パターン（４８０、４８２、４８４）に外接する範囲内に設けられるので、更なる効率的な構成を実現できる。
（３）
基板本体（４１０）の内層のうちの、配線パターン（４８０、４８２、４８４）が形成される層よりも基板本体（４１０）の表面に近い層に形成され、ベタパターン（４２６、４２７）を更に含む、（１）又は（２）に記載の電力変換装置（１０）用の制御基板（４００、４００Ａ）。

（３）に記載の構成によれば、ベタパターン（４２６、４２７）の熱容量を利用して放熱性を高めることができる。これにより、放電回路（６２）の少なくとも一部が、基板本体（４１０）の表面に対して垂直方向に視て、配線パターン（４８０、４８２、４８４）に外接する範囲内に設けられる場合でも、かかる近接した位置関係に起因した不都合（例えば発熱時に高温化）が生じる可能性を更に低減できる。
（４）
基板本体（４１０）に実装され、第２インバータ（１２）を駆動制御する駆動回路（６６）と、
基板本体（４１０）に実装され、第１インバータ（１１）を駆動制御する駆動回路（６４）を更に含む、（１）〜（３）のうちのいずれか１項に記載の電力変換装置（１０）用の制御基板（４００、４００Ａ）。

（４）に記載の構成によれば、第２インバータ（１２）を駆動制御する駆動回路（６６）及び第１インバータ（１１）を駆動制御する駆動回路（６４）とが同一の基板本体（４１０）に更に実装されるので、これらが別の基板に実装される場合に比べて、効率的な構成を実現できる。

１ 車両システム
２ バッテリ
１０ 電力変換装置
１１ 第１インバータ
１２ 第２インバータ
１４ 平滑コンデンサ
４０ 主機モータ
５０ 補機モータ
６０ 制御装置
６２ 放電回路
６４ 第１駆動回路
６６ 第２駆動回路
４００、４００Ａ 制御基板
４１０ 基板本体
４２２ 回路部
４２６、４２７ ベタパターン
４８０、４８２、４８４ 配線パターン

Claims (4)

1. 走行用モータが第１インバータを介して電源に接続され且つ補機モータが第２インバータを介して前記電源に接続され、前記第１インバータ及び前記第２インバータが共通の平滑コンデンサに対して並列に接続される車両システムにおける電力変換装置用の制御基板であって、
   多層基板である基板本体と、
   前記基板本体の表面に実装され、車両の衝突検知時に作動して前記平滑コンデンサに溜まった電荷を放電する放電回路と、
   前記基板本体に実装され、前記第２インバータを形成する回路部と、
   前記基板本体の内層に形成され、前記第２インバータの回路部に接続され、前記補機モータの駆動用の多相電流が流される配線パターンとを含み、
   前記放電回路の少なくとも一部は、前記基板本体の表面に対して垂直方向に視て、前記配線パターンに外接する範囲内に位置する、電力変換装置用の制御基板。
2. 前記放電回路を形成する素子は、前記基板本体の表面に対して垂直方向に視て、前記配線パターンに外接する範囲内に位置する、請求項１に記載の電力変換装置用の制御基板。
3. 前記基板本体の内層のうちの、前記配線パターンが形成される層よりも前記基板本体の表面に近い層に形成され、ベタパターンを更に含む、請求項１又は２に記載の電力変換装置用の制御基板。
4. 前記基板本体に実装され、前記第２インバータを駆動制御する駆動回路と、
   前記基板本体に実装され、前記第１インバータを駆動制御する駆動回路を更に含む、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の電力変換装置用の制御基板。

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