JP6631384B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、多層プリント基板を備えた電力変換装置に関する。

例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される電力変換装置には、制御回路等を形成した多層プリント基板が内蔵されている。
また、電力変換装置には、電位が高い高電圧導体部と、電位が低い低電圧導体部とがある。そして、高電圧導体部と低電圧導体部との間は、充分な電気的絶縁を図る必要がある。

特許文献１に記載のインバータは、多層プリント基板に形成された高圧側回路パターンと低圧側回路パターンとの間の絶縁性を向上させるべく、高圧側回路パターン又は低圧側回路パターンを中間層に形成している。すなわち、中間層に形成された回路パターンについては、他の回路パターンとの間の絶縁を図るために、沿面距離を稼ぐという概念を不必要とすることができる。そして、これにより、多層プリント基板の小型化を図っている。

特開平９−１８１３７３号公報

しかしながら、例えば中間層に形成された高電圧導体部と接続されたビアが、表層に露出していると、表層に露出した低電圧導体部を、上記ビアから充分に遠ざける必要がある。すなわち、当該ビアと当該低電圧導体部との間の絶縁は、沿面距離にて考えなければならないため、充分な空間距離を設ける必要がある。そうすると、表層の低電圧導体部の引き回しを複雑にしたり、多層プリント基板を大型化したりする必要が生じる。

低電圧導体部に接続されたビアが表層に露出している場合も、同様の課題は生じる。
また、高電圧導体部と低電圧導体部との一方が、電力変換装置における多層プリント基板以外の部位に形成されている場合でも、表層に露出したビアとの間の距離は、充分な絶縁を図るうえで必要となる。その結果、電力変換装置の小型化が困難となる場合がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電位が互いに異なる第１電圧導体部と第２電圧導体部との絶縁を充分に図りつつ、小型化を図ることができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、電位が互いに異なる第１電圧導体部（１１）と第２電圧導体部（１２）とを有する電力変換装置（１）であって、
複数の導体層（２１）と、該導体層間を電気的に接続するビア（２２）とを有する多層プリント基板（２）を備え、
少なくとも上記第１電圧導体部は、上記多層プリント基板の上記導体層と上記ビアとに形成されており、
上記第１電圧導体部を構成する上記ビアのうち最も上記第２電圧導体部の露出部に近い近接ビア（２２１）は、絶縁体（３、２３）によって覆われており、
上記第２電圧導体部は、上記多層プリント基板を内部に収容するケース（４）であり、
上記近接ビアは、上記多層プリント基板の端縁に形成されている、電力変換装置にある。
本発明の他の態様は、電位が互いに異なる第１電圧導体部（１１）と第２電圧導体部（１２）とを有する電力変換装置（１）であって、
複数の導体層（２１）と、該導体層間を電気的に接続するビア（２２）とを有する多層プリント基板（２）を備え、
少なくとも上記第１電圧導体部は、上記多層プリント基板の上記導体層と上記ビアとに形成されており、
上記第１電圧導体部を構成する上記ビアのうち最も上記第２電圧導体部の露出部（１２１）に近い近接ビア（２２１）は、絶縁体（３、２３）によって覆われており、
上記第２電圧導体部は、上記多層プリント基板を内部に収容するケース（４）であり、
上記ケースは、上記多層プリント基板と対向配置された対向壁部（４１）を有し、該対向壁部は上記多層プリント基板に向かって突出した凸壁部（４２）を有し、上記近接ビアと上記凸壁部とは、互いに対向配置されている、電力変換装置にある。

上記電力変換装置において、第１電圧導体部を構成するビアのうち最も第２電圧導体部の露出部に近い近接ビアは、絶縁体によって覆われている。これにより、近接ビアと第２電圧導体部との間の絶縁性を確保しつつ、空間距離を短くすることができる。すなわち、近接ビアを絶縁体にて覆うことにより、近接ビアと第２電圧導体部との間の空間距離を短くしても、絶縁性を確保することができる。その結果、電力変換装置の小型化も図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、電位が互いに異なる第１電圧導体部と第２電圧導体部との絶縁を充分に図りつつ、小型化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

参考形態１における、電力変換装置の一部の断面説明図。 参考形態１における、多層プリント基板の一部の断面説明図。 近接ビアが被覆されていない、多層プリント基板の一部の断面説明図。 参考形態２における、多層プリント基板の一部の断面説明図。 近接ビアが被覆されていない、多層プリント基板の一部の断面説明図。 参考形態３における、多層プリント基板の一部の断面説明図。 近接ビアが被覆されていない、多層プリント基板の一部の断面説明図。 実施形態１における、電力変換装置の一部の断面説明図。 実施形態２における、電力変換装置の一部の断面説明図。

（参考形態１）
電力変換装置の参考形態につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、電位が互いに異なる第１電圧導体部１１と第２電圧導体部１２とを有する。
また、電力変換装置１は、複数の導体層２１と、導体層２１間を電気的に接続するビア２２とを有する多層プリント基板２を備えている。

図２に示すごとく、少なくとも第１電圧導体部１１は、多層プリント基板２の導体層２１とビア２２とに形成されている。
第１電圧導体部１１を構成するビア２２のうち最も第２電圧導体部１２の露出部１２１に近い近接ビア２２１は、絶縁体としてのソルダーレジスト３によって覆われている。

本形態において、第１電圧導体部１１は高電圧導体部であり、第２電圧導体部１２は高電圧導体部よりも電位が低い低電圧導体部である。
近接ビア２２１は、多層プリント基板２を貫通しない非貫通ビアである。
多層プリント基板２には、第１電圧導体部１１と第２電圧導体部１２との双方が形成されている。近接ビア２２１は、多層プリント基板２の表面に露出した第２電圧導体部１２の露出部１２１に最も近い。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、半導体素子を内蔵した半導体モジュール５を有する。また、電力変換装置１は、半導体モジュール５のスイッチング動作の駆動、制御をそれぞれ行う駆動回路、制御回路を形成した多層プリント基板２を有する。そして、電力変換装置１は、ケース４内に、半導体モジュール５及び多層プリント基板２を、図示を省略する他の構成部品とともに収容配置してなる。

多層プリント基板２は、図２に示すごとく、複数の絶縁基材２３と複数の導体層２１とが交互に積層されている。絶縁基材２３は、例えば、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させた基材からなる。また、各導体層２１は、それぞれ配線パターンが形成されている。

多層プリント基板２は、表層の導体層２１が第２電圧導体部１２となっている。多層プリント基板２において、第２電圧導体部１２が露出した側を上側、その反対側を下側として、便宜的に説明する。

また、絶縁基材２３には、適宜ビア２２が形成されている。このビア２２によって、異なる導体層２１同士が電気的に接続されている。図２に表したビア２２は、上側の表層の導体層２１と内部の導体層２１とを接続している。ビア２２は、例えば、絶縁基材２３にレーザ加工することによって形成することができる。

近接ビア２２１は、多層プリント基板２の全体を貫通しない非貫通ビアである。特に、本例において、近接ビア２２１は、１層の絶縁基材２３を貫通するビアである。そして、近接ビア２２１の内部は、内部導体２２２が充填されている。すなわち、近接ビア２２１は、フィルドビアによって構成されている。この近接ビア２２１の内部導体２２２は、めっきによって形成することができる。

近接ビア２２１における多層プリント基板２の表層側は、ソルダーレジスト３によって被覆されている。すなわち、ソルダーレジスト３は、内部導体２２０の上面を含む近接ビア２２１の全体を、上側から覆っている。第１電圧導体部１１は、多層プリント基板２の表層に露出しないよう構成されている。一方、多層プリント基板２の表層において、第２電圧導体部１２が露出している。この上側の表層に露出した第２電圧導体部１２は、例えば、電子部品の端子を接続するためのランド部等とすることができる。

また、多層プリント基板２には、複数のビア２２が形成されていてもよい。そして、近接ビア２２１以外のビア２２は、多層プリント基板２を貫通する貫通ビアとしてもよい。この場合、非貫通ビアである近接ビア２２１は、貫通ビアよりも内径が小さい。

また、本形態において、第１電圧導体部１１である高電圧導体部は、電力変換回路によって電力変換される被制御電力の電流が流れる部位である。また、高電圧導体部には、例えば、被制御電力の電圧を測定する電圧センサや、半導体素子を駆動する駆動回路が設けられている。また、第２電圧導体部１２である低電圧導体部は、制御に用いられる低圧の各種信号電流が流れる導体部である。

次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、第１電圧導体部１１を構成するビアのうち最も第２電圧導体部の露出部１２１に近い近接ビア２２１は、絶縁体であるソルダーレジスト３によって覆われている。これにより、近接ビア２２１と第２電圧導体部１２との間の絶縁性を確保しつつ、空間距離を短くすることができる。すなわち、近接ビア２２１をソルダーレジスト３にて覆うことにより、近接ビア２２１と第２電圧導体部１２との間の空間距離を短くしても、絶縁性を確保することができる。

仮に、図３に示すごとく、近接ビア２２１をソルダーレジスト３にて覆うことなく表層に露出させる場合には、次のような問題が生じる。すなわち、多層プリント基板９１の上側の表層において、近接ビア２２１とこれに隣接する導体層２１とが、いずれも露出した状態となる。つまり、第１電圧導体部１１と第２電圧導体部１２とが、多層プリント基板９１の同じ側の表層において、互いに近接した状態で露出することとなる。この場合、両者の間の絶縁は、沿面距離を稼いで確保する必要がある。ここで、沿面距離とは、多層プリント基板９１の表面に沿った導体間の最短距離をいう。したがって、第１電圧導体部１１と第２電圧導体部１２との絶縁を確保するためには、多層プリント基板９１の表面に沿った、近接ビア２２１と導体層２１との最短距離を長くする必要がある。そうすると、最上層における近接ビア２２１と導体層２１との間の空間距離をも長くすることとなってしまう。ここで、空間距離とは、２つの導体の間の直線的な最短距離をいう。したがって、多層プリント基板９１の大型化を招くこととなる。

これに対し、図２に示すごとく、近接ビア２２１の上面をソルダーレジスト３によって覆うことで、近接ビア２２１とこれに近接する導体層２１との間の絶縁を図るために、沿面距離を考慮する必要がなくなる。すなわち、両者の間の空間距離を短くすることができる。その結果、多層プリント基板２の小型化を図ることができる。ひいては、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

また、近接ビア２２１は非貫通ビアであるため、ソルダーレジスト３によって容易に被覆することができる。特に、近接ビア２２１をフィルドビアとしていることにより、ソルダーレジスト３の形成を容易かつ確実に行うことができる。すなわち、近接ビア２２１を、図３に示すような貫通ビア２９にて構成すると、これを覆うソルダーレジストを安定して形成し難い。また、貫通ビアよりも非貫通ビアの方が、内部導体２２２を充填しやすい。つまり、非貫通ビアの方が、ビアの内部に空洞が形成されるなどの不具合を防ぎやすい。

以上のごとく、本形態によれば、電位が互いに異なる第１電圧導体部と第２電圧導体部との絶縁を充分に図りつつ、小型化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。

（参考形態２）
本形態は、図４に示すごとく、近接ビア２２１が、中間層の２つの導体層２１同士を繋ぐビアとなっている形態である。
すなわち、近接ビア２２１を覆う絶縁体が、最上層の絶縁基材２３によって構成されている。
その他の構成は、参考形態１と同様である。なお、参考形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においても、第１電圧導体部１１と第２電圧導体部１２との絶縁を充分に図りつつ、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
すなわち、中間層の２つの導体層２１同士を電気的に接続するにあたっては、図５に示すごとく、貫通ビア２９を形成することも考えられる。このような多層プリント基板９２においては、上側の表層において、近接ビア２２１とこれに隣接する導体層２１とが、いずれも露出した状態となる。つまり、第１電圧導体部１１と第２電圧導体部１２とが、多層プリント基板９２の同じ側の表層において、互いに近接した状態で露出することとなる。この場合、上述の図３に示した多層プリント基板９２と同様の問題が生じる。その結果、多層プリント基板９２の大型化を招くこととなる。

これに対して、図４に示すごとく、中間層の導体層２１同士を非貫通ビアにて構成した近接ビア２２１とすることで、近接ビア２２１とこれに近接する導体層２１との間の絶縁を図るために、沿面距離を考慮する必要がなくなる。すなわち、両者の間の空間距離を短くすることができる。その結果、多層プリント基板２の小型化を図ることができる。ひいては、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

また、本形態の場合には、近接ビア２２１をソルダーレジストにて被覆する必要もない。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。

（参考形態３）
本形態は、図６に示すごとく、近接ビア２２１が、最下層の導体層２１とその上側の中間層の導体層２１とを繋ぐビアとなっている形態である。
すなわち、近接ビア２２１を覆う絶縁体が、最上層及び２層目の絶縁基材２３によって構成されている。また、近接ビア２２１は、多層プリント基板２の下面に露出している。
その他の構成は、参考形態１と同様である。

本形態においても、第１電圧導体部１１と第２電圧導体部１２との絶縁を充分に図りつつ、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
すなわち、最下層の導体層２１とその上側の中間層の導体層２１とを電気的に接続するにあたっては、図７に示すごとく、貫通ビア２９を形成することも考えられる。このような多層プリント基板９３においては、やはり、上述の図３に示す多層プリント基板９１や、図５に示す多層プリント基板９２と同様の課題が生じる。

これに対して、図６に示すごとく、最下層の導体層２１とその上側の中間層の導体層２１とを非貫通ビアにて構成した近接ビア２２１とする。これにより、参考形態２と同様に、近接ビア２２１とこれに近接する導体層２１との間の絶縁を図りつつ、多層プリント基板２の小型化を図ることができる。

また、本形態の場合にも、参考形態２と同様に、近接ビア２２１をソルダーレジストにて被覆する必要もない。なお、本形態においては、近接ビア２２１が下面に露出することとなるが、下面において、近接する第２電圧導体部１２（低電圧導体部）が存在しなければ、特にソルダーレジストにて覆う必要はない。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態１）
本実施形態は、図８に示すごとく、近接ビア２２１が多層プリント基板２の端縁に形成されているビアである場合の形態である。
本実施形態においては、多層プリント基板２を内部に収容するケース４が、第２電圧導体部１２であると考える。導体からなるケース４は、通常、接地されており、低電圧導体部と考えることができる。

そして、高電圧導体部である第１電圧導体部１１の一部が、多層プリント基板２の端縁において形成されたビア２２となっている。すなわち、これらのビア２２が近接ビア２２１となっている。また、多層プリント基板２の端縁がケース４の内壁面に近接しており、その内壁面が特に絶縁体によって被覆されていない限り、内壁面が第２電圧導体部１２の露出部１２１となる。

本実施形態においては、近接ビア２２１が、多層プリント基板２における表層の導体層と中間層の導体層とを接続している。そして、多層プリント基板２における表層から、近接ビア２２１が絶縁体としてのソルダーレジスト３によって被覆されている。
また、本実施形態においては、多層プリント基板２の外周輪郭に沿って、複数の近接ビア２２１が配列している。そして、これら複数の近接ビア２２１を覆うように、多層プリント基板２の外周輪郭に沿って、ソルダーレジスト３が形成されている。

また、多層プリント基板２における近接ビア２２１よりも内側の領域にも、ビア２２が形成されている。そして、これらのビア２２は、多層プリント基板２を貫通する貫通ビア２９となっている。また、これらの貫通ビア２９は、その内径が、近接ビア２２１よりも大きい。
その他の構成は、参考形態１と同様である。

本実施形態においては、高電圧導体部である第１電圧導体部１１の一部が、多層プリント基板２の端縁において形成されたビア２２となる場合において、ケース４と高電圧導体部との間の絶縁を効果的に図ることができる。これにより、多層プリント配線板２の端縁とケース４との間の距離を小さくすることが可能となる。その結果、ケース４の小型化、ひいては、電力変換装置１の小型化を効果的に図ることができる。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態２）
本実施形態は、図９に示すごとく、ケース４の壁部と多層プリント基板２とが近接して対向配置されている形態である。
すなわち、ケース４が多層プリント基板２と対向配置された対向壁部４１を有する。そして対向壁部４１に面するビア２２のうちの一部を、絶縁体としてのソルダーレジスト３にて被覆している。

対向壁部４１は多層プリント基板２に向かって突出した凸壁部４２を有する。そして、近接ビア２２１と凸壁部４２とは、互いに対向配置されている。つまり、凸壁部４２に対向配置されたビア２２が近接ビア２２１となる。そして、凸壁部４２が特に絶縁体で覆われていない限り、凸壁部４２が第２電圧導体部１２の露出部１２１となる。

上述の近接ビア２２１が、絶縁体としてのソルダーレジスト３によって被覆されている。なお、凸壁部４２に対向していないビア２２は、近接ビア２２１ではない。それゆえ、本実施形態においては、これらのビア２２については、ソルダーレジスト３にて被覆されることなく、露出している。また、これらのビア２２は、貫通ビア２９となっている。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。上記実施形態においては、近接ビア２２１を非貫通ビアにて構成した例を示したが、貫通ビアとすることも可能である。また、近接ビア２２１以外のビアもソルダーレジストにて被覆された構成としてもよい。

１ 電力変換装置
１１ 第１電圧導体部
１２ 第２電圧導体部
１２１ 露出部
２ 多層プリント基板
２１ 導体層
２２ ビア
２２１ 近接ビア
２３ 絶縁基材（絶縁体）
３ ソルダーレジスト（絶縁体）

Claims (6)

1. 電位が互いに異なる第１電圧導体部（１１）と第２電圧導体部（１２）とを有する電力変換装置（１）であって、
   複数の導体層（２１）と、該導体層間を電気的に接続するビア（２２）とを有する多層プリント基板（２）を備え、
   少なくとも上記第１電圧導体部は、上記多層プリント基板の上記導体層と上記ビアとに形成されており、
   上記第１電圧導体部を構成する上記ビアのうち最も上記第２電圧導体部の露出部（１２１）に近い近接ビア（２２１）は、絶縁体（３、２３）によって覆われており、
   上記第２電圧導体部は、上記多層プリント基板を内部に収容するケース（４）であり、
   上記近接ビアは、上記多層プリント基板の端縁に形成されている、電力変換装置。
2. 上記ケースは、上記多層プリント基板と対向配置された対向壁部（４１）を有し、該対向壁部は上記多層プリント基板に向かって突出した凸壁部（４２）を有し、上記近接ビアと上記凸壁部とは、互いに対向配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 電位が互いに異なる第１電圧導体部（１１）と第２電圧導体部（１２）とを有する電力変換装置（１）であって、
   複数の導体層（２１）と、該導体層間を電気的に接続するビア（２２）とを有する多層プリント基板（２）を備え、
   少なくとも上記第１電圧導体部は、上記多層プリント基板の上記導体層と上記ビアとに形成されており、
   上記第１電圧導体部を構成する上記ビアのうち最も上記第２電圧導体部の露出部（１２１）に近い近接ビア（２２１）は、絶縁体（３、２３）によって覆われており、
   上記第２電圧導体部は、上記多層プリント基板を内部に収容するケース（４）であり、
   上記ケースは、上記多層プリント基板と対向配置された対向壁部（４１）を有し、該対向壁部は上記多層プリント基板に向かって突出した凸壁部（４２）を有し、上記近接ビアと上記凸壁部とは、互いに対向配置されている、電力変換装置。
4. 上記近接ビアは、上記多層プリント基板を貫通しない非貫通ビアである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 上記多層プリント基板には、上記第１電圧導体部と上記第２電圧導体部との双方が形成されており、上記近接ビアは、上記多層プリント基板の表面に露出した上記第２電圧導体部の上記露出部に最も近い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 上記近接ビアを覆う絶縁体は、ソルダーレジスト（３）である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

Images