JP7086164B1 - 電力変換装置、及び遮断機構 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流の遮断機構を、基板の回路パターンで構成する場合に、直流電流を遮断できると共に、溶断時に溶断物などが他の回路に飛散することを抑制できる電力変換装置及び遮断機構を提供する。【解決手段】遮断機構は、多層基板により構成され、過電流の通電時に溶断するヒューズパターン３１と、飛散防止パターン４０と、を備え、ヒューズパターン３１は、内層に設けられ、飛散防止パターン４０は、ヒューズパターン３１と異なる層に設けられ、基板面の法線方向に見て、ヒューズパターンの溶断部３５の少なくとも一部と重複している。【選択図】図２

Description

本願は、電力変換装置、及び遮断機構に関するものである。

電力変換装置では、バッテリから電力が供給された状態で、電力用半導体素子又はスナバ回路を構成するコンデンサ等の電子部品が短絡故障すると、過大な電流が流れる。このような過電流が継続すると、大電流の通電により電力変換装置が損傷する。

そこで、従来は、過電流が流れた場合、電流ヒューズ（管ヒューズ）を溶断することにより電気部品等の損傷を防止していた。管ヒューズは、機器の短絡電流の流れる箇所に設置され、機器の定格電流よりも大きい電流値で溶断するものが使用されている。

このような管ヒューズとは異なり、基板パターンの一部を他よりも細い配線パターンで形成し、電気部品又は閉回路の短絡時に、この細い配線パターン部分を溶断させて、電流を遮断する構成としたものがある（例えば、特許文献１）。

特開２０００－３６６２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、商用電源を対象としている。商用電源は交流電流であるため、電流の零点が存在する。よって、細い配線パターン部分が溶断した後、アーク放電が生じても、電流が零点になると、アーク放電が消滅し、電流が遮断される。しかし、直流電流の場合、電流の零点が存在しないため、細い配線パターン部分が溶断した後、アーク放電が継続的に発生し、電流が流れ続ける。

また、特許文献１の技術では、基板の外層に細い配線パターン部分が設けられているため、溶断時に溶断物が他の回路に飛散し、電気部品を破損する恐れがある。

そこで、本願は、過電流の遮断機構を、基板の回路パターンで構成する場合に、直流電流を遮断できると共に、溶断時に溶断物などが他の回路に飛散することを抑制できる電力変換装置及び遮断機構を提供すること目的する。

本願に係る電力変換装置は、
半導体素子と、
過剰な電流が流れたときに電流を遮断する遮断機構と、
前記半導体素子と前記遮断機構とを接続する配線部材と、を備え、
前記遮断機構は、複数の導電性パターンと複数の絶縁部材とが積層された多層基板により構成され、過電流の通電時に溶断するヒューズパターンと、飛散防止パターンと、を備え、
前記ヒューズパターンは、内層に設けられ、
前記飛散防止パターンは、ヒューズパターンと異なる層に設けられ、基板面の法線方向に見て、前記ヒューズパターンの溶断部の少なくとも一部と重複しているものである。

本願に係る電力変換装置及び遮断機構によれば、過電流によりヒューズパターンが溶断した後、アーク放電が発生する場合がある。ヒューズパターンは、内層に配置されており、周囲が多層基板の絶縁部材により取り囲まれている。よって、アーク放電が、絶縁部材内の空間に制限され、アーク放電の断面積が大きくならない。また、多層基板の絶縁部材がアーク放電にさらされることにより、絶縁部材から分解ガスが発生し、その分解ガスによって、絶縁部材内の空間断面積よりもアーク放電の断面積が小さくなる（アブレーション効果）。その結果、アーク放電の断面積に反比例するアーク放電の抵抗値が高くなり、アーク放電電圧が高くなる。よって、溶断後発生したアーク放電電流を次第に減少させ、直流電流を遮断することができる。また、ヒューズパターンは、内層に設けられているので、ヒューズパターンの溶断物等が、他の回路に飛散することを抑制できる。また、飛散防止パターンは、ヒューズパターンと異なる層に設けられ、基板面の法線方向に見て、ヒューズパターンの溶断部の少なくとも一部と重複している。よって、飛散防止パターンによりヒューズパターンの溶断物等が他の回路に飛散することを抑制できる。また、飛散防止パターンにより、短絡遮断時及び通常の回路動作時に、ヒューズパターンから発生する電磁ノイズを遮断することができ、他の電気部品に誤動作等の悪影響を与えることを抑制できる。更には、飛散防止パターンにより、通常の回路動作時において発生したヒューズパターンの熱を放熱及び拡散することができ、多層基板の温度上昇を抑制することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の概略的な回路図である。 実施の形態１に係る遮断機構の各層の平面図である。 実施の形態１に係る遮断機構の断面図である。 実施の形態１に係る短絡電流を説明する回路図である。 実施の形態１に係る外層のヒューズ部と内層のヒューズ部とのアーク放電電圧の特性を説明する図である。 実施の形態２に係る遮断機構の各層の平面図である。 実施の形態２に係る遮断機構の断面図である。 実施の形態３に係る遮断機構の各層の平面図である。 実施の形態３に係る遮断機構の断面図である。 その他の実施の形態に係る遮断機構の平面図である。 その他の実施の形態に係るヒューズ部の形状の平面図である。

１．実施の形態１
実施の形態１に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。電力変換装置は、第１外部接続端子１と第２外部接続端子２との間で電力変換を行う。電力変換装置は、半導体素子３と、過剰な電流が流れたときに電流を遮断する遮断機構３０と、半導体素子３と遮断機構３０とを接続する配線部材２５と、を備えている。

１－１．電力変換装置の基本構成
図１は、電力変換装置の回路図である。電力変換装置は、第１外部接続端子１と第２外部接続端子２との間で、電力変換を行う。本実施の形態では、電力変換装置は、絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータとされている。第１外部接続端子１には、第１側直流電源２０（本例では、バッテリ）が接続されており、第２外部接続端子２には、電気負荷１２及び第２側直流電源１３（本例では、バッテリ）が接続されている。第１外部接続端子１の電圧Ｖｉｎは、第２外部接続端子２の電圧Ｖｏｕｔよりも高くなっている。

第１外部接続端子１の高電位側端子１Ｈと低電位側端子１Ｌとの間には、配線部材２５を介して、半導体素子３により構成される半導体回路５が接続されている。半導体素子３は、スイッチング素子３とされている。なお、半導体素子３として、ダイオードが用いられてもよい。半導体回路５は、高電位側のスイッチング素子３ａＨと低電位側のスイッチング素子３ａＬとが直列に接続された第１直列回路と、高電位側のスイッチング素子３ｂＨと低電位側のスイッチング素子３ｂＬとが直列に接続された第２直列回路と、を備えている。第１直列回路の高電位側及び低電位側のスイッチング素子３ａＨ、３ａＬの接続点が、配線部材２５を介して、トランス７の一次巻線７ａの一方の端子に接続され、第２直列回路の高電位側及び低電位側のスイッチング素子３ｂＨ、３ｂＬの接続点が、配線部材２５を介して、トランス７の一次巻線７ａの他方の端子に接続されている。半導体回路５は、樹脂封止されたモジュール状に形成されている。

スイッチング素子３として、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられている。なお、スイッチング素子３には、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の他の種類のスイッチング素子が用いられてもよい。

各スイッチング素子３のゲート端子は、制御装置（不図示）に接続されており、制御装置は、各スイッチング素子３をＰＷＭ制御（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によりオンオフ駆動し、電力変換装置に所望の電力変換を行わせる。

トランス７は、一次巻線７ａと、二次巻線７ｂと、一次巻線７ａ及び二次巻線７ｂが巻装される鉄心７ｃとを備えている。

二次巻線７ｂの一端が、整流用のダイオード８及び配線部材２５を介して、リアクトル１０の一端に接続されている。二次巻線７ｂの他端が、整流用のダイオード９及び配線部材２５を介して、リアクトル１０の一端に接続されている。リアクトル１０の他端は、配線部材２５を介して、第２外部接続端子２の高電位側端子２Ｈに接続されている。二次巻線７ｂのセンタータップ（中間点）が、配線部材２５を介して、第２外部接続端子２の低電位側端子２Ｌに接続されている。第２外部接続端子２の高電位側端子２Ｈと低電位側端子２Ｌとの間に、平滑コンデンサ１１が接続されている。

電力変換装置の基本的な動作について、簡単に説明する。制御装置のオンオフ制御により、第１モード、第２モード、第３モード、第４モードの順に繰り返し切り替えられる。

第１モードでは、第１直列回路の高電位側のスイッチング素子３ａＨ及び第２直列回路の低電位側のスイッチング素子３ｂＬがオンされ、第１直列回路の低電位側のスイッチング素子３ａＬ及び第２直列回路の高低電位側のスイッチング素子３ｂＨがオフされる。このとき、一次巻線７ａを流れる電流は、高電位側端子１Ｈ→スイッチング素子３ａＨ→一次巻線７ａ→スイッチング素子３ｂＬ→低電位側端子１Ｌの経路で流れる。トランス７は、一次巻線７ａから二次巻線７ｂに電力を伝達する。二次巻線７ｂを流れる電流は、低電位側端子２Ｌ→二次巻線７ｂ→ダイオード８、９→リアクトル１０→高電位側端子２Ｈの経路で流れる。

第２モードでは、４つのスイッチング素子３ａＨ、３ａＬ、３ｂＨ、３ｂＬがすべてオフされる。このとき、一次巻線７ａには電流が流れず、二次巻線７ｂに電力が伝達されない。ただし、２次側では、リアクトル１０の自己誘導により、リアクトル１０→高電位側端子２Ｈ→低電位側端子２Ｌ→二次巻線７ｂ→ダイオード８、９→リアクトル１０の経路で電流が流れる。このとき、トランス７の２次側には電圧が発生しないため、リアクトル１０に流れる電流ＩＬは減少する。

第３モードでは、第１直列回路の高電位側のスイッチング素子３ａＨ及び第２直列回路の低電位側のスイッチング素子３ｂＬがオフされ、第１直列回路の低電位側のスイッチング素子３ａＬ及び第２直列回路の高低電位側のスイッチング素子３ｂＨがオンされる。このとき、一次巻線７ａを流れる電流は、高電位側端子１Ｈ→スイッチング素子３ｂＨ→一次巻線７ａ→スイッチング素子３ａＬ→低電位側端子１Ｌの経路で流れる。トランス７は、一次巻線７ａから二次巻線７ｂに電力を伝達する。二次巻線７ｂを流れる電流は、低電位側端子２Ｌ→二次巻線７ｂ→ダイオード８、９→リアクトル１０→高電位側端子２Ｈの経路で流れる。

第４モードでは、４つのスイッチング素子３ａＨ、３ａＬ、３ｂＨ、３ｂＬがすべてオフされる。このとき、一次巻線７ａには電流が流れず、二次巻線７ｂに電力が伝達されない。ただし、２次側では、リアクトル１０の自己誘導により、リアクトル１０→高電位側端子２Ｈ→低電位側端子２Ｌ→二次巻線７ｂ→ダイオード８、９→リアクトル１０の経路で電流が流れる。このとき、トランス７の２次側には電圧が発生しないため、リアクトル１０に流れる電流ＩＬは減少する。なお、各モードにおいて、リアクトル１０を流れる電流の交流成分は、平滑コンデンサ１１に流れ、平滑化される。

制御装置は、各モードの期間を変化させることで、スイッチング素子のオンデューティを変化させ、第２外部接続端子２の出力電圧を制御する。

ここで、第１モード及び第３モードにおいて、トランス７の一次巻線７ａの電圧をＶ１とし、一次巻線７ａの巻数をＮ１とし、一次巻線７ａを流れる電流をＩ１とし、二次巻線７ｂの電圧をＶ２とし、二次巻線７ｂの巻数をＮ２とし、二次巻線７ｂの電流をＩ２とすると、次式の関係が成り立つ。
Ｎ１／Ｎ２＝Ｖ１／Ｖ２＝Ｉ２／Ｉ１ ・・・（１）

ここで、Ｎ１／Ｎ２は、トランス７の巻数比と呼ばれる。一次巻線７ａには、第１外部接続端子１の電圧Ｖｉｎが印加されるため、Ｖ１＝Ｖｉｎである。従って、式（１）より、次式が得られる。
Ｖ２＝Ｖｉｎ／（Ｎ１／Ｎ２） ・・・（２）

式（２）に示すように、トランス７の二次巻線７ｂの電圧Ｖ２には、一次巻線７ａに印加された第１外部接続端子１の電圧Ｖｉｎを、巻数比Ｎ１／Ｎ２で除算した電圧が発生する。このとき、リアクトル１０の両端には、二次巻線７ｂの電圧Ｖ２と第２外部接続端子２の電圧Ｖｏｕｔとの差分の電圧（＝｜Ｖ２－Ｖｏｕｔ｜）が印加される。そのため、第１モード及び第３モードにおいて、リアクトル１０の電流ＩＬが増加する。この際、トランス７の一次巻線７ａには、リアクトル１０の電流ＩＬを、巻数比で除算した電流が流れる（＝ＩＬ／（Ｎ１／Ｎ２））。

一方、第２モード及び第４モードでは、全てのスイッチング素子がオフされるので、一次巻線７ａには、第１外部接続端子１の電圧Ｖｉｎが印加されなくなり、Ｖ１＝０になる。一次巻線７ａには電流が流れず、Ｉ１＝０になる。

このとき、リアクトル１０には、第２外部接続端子２の電圧Ｖｏｕｔが印加される。そのため、第２モード及び第４モードにおいて、リアクトル１０の電流ＩＬが減少する。また、二次巻線７ｂには、センタータップから、リアクトル１０に流れる電流ＩＬと同値の電流が流入し、Ｉ２＝ＩＬになる。また、トランス７の二次巻線７ｂには電圧は発生せず、Ｖ２＝０になる。

１－２．遮断機構３０
本実施の形態では、遮断機構３０は、第１外部接続端子１の高電位側端子１Ｈと、半導体回路５の高電位側とを接続する配線部材２５上に直列に接続されている。遮断機構３０は、例えば、スイッチング素子３が短絡故障し、第１外部接続端子１の高電位側端子１Ｈと低電位側端子１Ｌとの間が短絡され、短絡電流が流れる場合に、電流を遮断する。

遮断機構３０は、複数の導電性パターンと複数の絶縁部材とが積層された多層基板により構成されている。遮断機構３０は、過電流の通電時に溶断するヒューズパターン３１と、飛散防止パターン４０と、を備えている。

本実施の形態では、遮断機構３０は、６層の多層基板により構成されている。ここで、層は、導電性パターンが形成される層を意味し、多層基板の一方の外側及び他方の外側の層である外層を含む。図２に、各層の平面図を示し、図３に、図２のＡ－Ａ断面位置において、基板に垂直な平面で６層全体を切断した断面図を示す。

多層基板は、基材１９と導電性パターンとが交互に隙間なく積層されている。多層基板は、例えばプリント基板である。すなわち、内層の導電性パターンは、周囲を基材１９等の絶縁性部材に囲まれ、２枚の基材１９の間に密閉されている。なお、基材１９の表面に溝が形成され、溝に導電性パターンが嵌め込まれてもよい。

本実施の形態では、５枚の基材１９が、積層されている。外層側又は中間層の１枚の基材の両面の層に導電性のパターンが設けられ、残りの４枚の基材１９の一方の面の層に導電性のパターンが設けられている。各基材１９は、矩形板状に形成されている。

基材１９は、電気的絶縁性を有する任意の材料で形成されている。基材１９は、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などで形成されている。もしくは基材１９は、例えば、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）もしくは、ポリイミド（ＰＩ）のフィルム、又はアラミド（全芳香族ポリアミド）繊維から形成される紙などで形成されている。また、基材１９は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料で形成されていてもよい。基材１９は、各層に形成される導電性パターンの層間を絶縁できればよい。

図２及び図３に示すように、各層（各基材１９の表面）において、第１端子パターン２１と第２端子パターン２２とが間隔を空けて設けられている。基板面の法線方向に見て、各層の第１端子パターン２１は、互いに重複する位置に配置されている。基板面の法線方向に見て、各層の第２端子パターン２２は、互いに重複する位置に配置されている。第１及び第２端子パターン２１、２２は、銅箔により形成され、本例では、矩形板状に形成されている。

各層の第１端子パターン２１は、各基材１９を貫通する導電性の円筒状のスルーホール１６により同電位になるように接続されており、本例では、５つのスルーホール１６が設けられている。各層の第２端子パターン２２は、各基材１９を貫通する導電性の円筒状のスルーホール１６により同電位になるように接続されており、本例では、５つのスルーホール１６が設けられている。

第１端子パターン２１は、図示しない配線部材２５（例えば、配線パターン又はハーネス）を介して、第１外部接続端子１の高電位側端子１Ｈに接続されている。第２端子パターン２２は、図示しない配線部材２５（例えば、配線パターン又はハーネス）を介して、半導体回路５の高電位側に接続されている。なお、遮断機構３０には、方向性はないので、第１端子パターン２１が、半導体回路５の高電位側に接続されてもよく、第２端子パターン２２が、第１外部接続端子１の高電位側端子１Ｈに接続されてもよい。

ヒューズパターン３１は、内層に設けられている。ヒューズパターン３１は、第１端子パターン２１と第２端子パターン２２との間に接続されている。

本実施の形態では、ヒューズパターン３１は、第３層に設けられている。ヒューズパターン３１は、銅箔により形成されている。ヒューズパターン３１は、第１端子パターン２１に接続された第１端子側基部３３と、第２端子パターン２２に接続された第２端子側基部３４と、第１端子側基部３３と第２端子側基部３４との間を接続するヒューズ部３５と、を備えている。ヒューズ部３５は、多層基板内に密閉されている。

ヒューズ部３５は、第１端子側基部３３及び第２端子側基部３４よりも断面積が小さくなっている。ヒューズ部３５は、過電流が流れたときに溶断する溶断部である。ヒューズ部３５は、長さ及び断面積の一方又は双方が調整され、抵抗値［Ω］が調整されている。

飛散防止パターン４０は、ヒューズパターン３１と異なる層に設けられ、基板面の法線方向に見て、ヒューズパターン３１の溶断部（本例では、ヒューズ部３５）の少なくとも一部と重複している。

本実施の形態では、複数（本例では２つ）の飛散防止パターン４０が、互いに異なる層に設けられている。第１の飛散防止パターン４０ａは、ヒューズパターン３１よりも一方側の層に設けられ、第２の飛散防止パターン４０ｂは、ヒューズパターン３１よりも他方側の層に設けられている。第１の飛散防止パターン４０ａは、一方側の外層である第１層に設けられ、第２の飛散防止パターン４０ｂは、他方側の外層である第６層に設けられている。

第１及び第２の飛散防止パターン４０ａ、４０ｂは、ヒューズ部３５の全体を覆う、矩形板状に形成されている。よって、第１及び第２の飛散防止パターン４０ａ、４０ｂは、基板面の法線方向に見て、ヒューズ部３５の全体と重複している。第１及び第２の飛散防止パターン４０ａ、４０ｂは、銅箔により形成されている。第１及び第２の飛散防止パターン４０ａ、４０ｂは、ヒューズパターン３１に電気的に接続されておらず、異電位である。

＜短絡電流による溶断＞
ここで、第１モードにおいて、スイッチング素子が短絡故障した場合を例に、ヒューズパターンの動作と直流電流の遮断原理について説明する。図４に示すように、第１モードにおいて、オフされる第１直列回路の低電位側のスイッチング素子３ａＬが短絡故障すると、第１直列回路が短絡し、遮断機構３０を短絡電流が流れる。

短絡電流は、通常動作時の電流よりも大きいので、他のパターンよりも断面積が小さく、抵抗値が大きいヒューズ部３５の発熱量が大きくなり、溶断する。

ヒューズ部３５が溶断すると、ヒューズ部３５の両端を繋ぐようにアーク放電が発生する。遮断する電流が直流電流の場合、電流の零点が存在しないため、配線パターンが溶断されてもアーク放電が発生し続け、電気的に接続されて電流が流れ続ける。電流が流れ続けるとスイッチング素子３ａＨ、３ａＬ、又は閉回路内にあるその他の電子部品及び配線パターン等が発熱し、電力変換装置が損傷する懸念がある。そのため、強制的に電流を限流させ、零点を作り出し、アーク放電を遮断する必要がある。

図４の閉回路の回路方程式は、式（３）になる。
Ｖｉｎ＝ｉ×（Ｒ＋ｒ）＋Ｌ×ｄｉ／ｄｔ ・・・（３）
ここで、Ｖｉｎは、第１外部接続端子１の電圧であり、ｉは、閉回路を流れる電流であり、Ｒは、ヒューズ部を除く閉回路の抵抗値であり、ｒは、ヒューズ部の抵抗値（アーク放電発生後はアーク放電の抵抗値）であり、Ｌは、閉回路のリアクタンスであり、ｔは時間である。

限流可能なヒューズ部のアーク放電発生後は、Ｒ＜＜ｒになり、（Ｒ＋ｒ）≒ｒに近似できるため、式（３）を式（４）に変形できる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｖｉｎ－ｉ×ｒ）／Ｌ ・・・（４）

式（４）より、電流を限流させるには、左辺のｄｉ／ｄｔを負（ｄｉ／ｄｔ＜０）にする必要があるので、第１外部接続端子１の電圧Ｖｉｎよりもアーク放電電圧（ｉ×ｒ）を高くする必要がある。アーク放電電圧を高くするには、アーク放電の抵抗値ｒを大きくすればよい。アーク放電の抵抗値ｒは、一般的に式（５）で表される。
ｒ＝Ｌ／（σ×Ａｒ） ・・・（５）
ここで、Ｌは、アーク放電の長さ［ｍ］であり、σはアーク放電の電気伝導率［Ｓ／ｍ］であり、Ａｒはアーク放電の断面積［ｍ^２］である。

式（５）より、アーク放電の抵抗値ｒを大きくするには、アーク放電の長さＬを長くするか、アーク放電の径を細くして断面積Ａｒを小さくするか、アーク放電の電気伝導率σを低くすればよい。

＜比較例＞
比較例として、基板の外層にヒューズパターンが設けられる場合を考える。比較例では、外層に発生したアーク放電は、空気中において自由に変形することができ、アーク放電の径は制限されることはない。よって、アーク放電の径が太くなり、アーク放電の断面積Ａｒが大きくなる。そのため、アーク放電の抵抗値ｒ及びアーク放電電圧（ｉ×ｒ）が小さくなり、式（４）のｄｉ／ｄｔが正になり、電流を遮断できない可能性がある。

また、比較例では、外層のヒューズパターンの溶断物及び導電物が、他の回路に飛散し、電気部品を破損する恐れがある。また、比較例では、外層のヒューズパターンを覆う、飛散防止パターンを設け難いので、通常の回路動作時、及び短絡遮断時の電磁ノイズを遮蔽することができず、電磁ノイズが他の電気部品に悪影響を与え、誤動作する可能性がある。

更に、比較例では、外層のヒューズパターンの断面積が小さくなっている部分は、他のパターンよりも抵抗値が大きいため、通常の回路動作時の発熱量が大きくなり、外層に設けられているため、熱拡散が低い。そのため、ヒューズパターンの温度が高くなり、最悪の場合、破損する恐れがある。

＜ヒューズ部及び飛散防止パターンの作用＞
そこで、本実施の形態では、上述したように、ヒューズパターン３１は、多層基板の内層に設けられている。

図５に、ヒューズパターン（ヒューズ部）を内層に配置した場合、及び外層に配置した場合のアーク放電電圧の実測結果を示す。断面積が小さくなっているヒューズ部の長さが長くなると、アーク放電電圧が高くなる。また、ヒューズ部を外層に配置した場合よりも、内層に配置した場合の方が、アーク放電電圧が高くなる。

ヒューズ部３５は、内層に配置されており、周囲が基材１９により取り囲まれている。よって、アーク放電が、基材１９内の空間に制限され、アーク放電の断面積Ａｒが大きくならない。また、基材１９がアーク放電にさらされることにより、基材１９から分解ガスが発生し、その分解ガスによって、基材１９内の空間断面積よりもアーク放電の断面積Ａｒが小さくなる（アブレーション効果）。その結果、式（５）に示したように、アーク放電の断面積Ａｒに反比例するアーク放電の抵抗値ｒが高くなり、アーク放電電圧（ｉ×ｒ）が高くなる。よって、式（４）のｄｉ／ｄｔを負にすることができ、溶断後発生したアーク放電電流を次第に減少させ、電流を遮断することができる。

なお、式（５）に示したように、アーク放電の長さＬが長くなるに従って、アーク放電の抵抗値ｒが大きくなる。式（４）に示したように、アーク放電電圧（ｉ×ｒ）が、所定の第１外部接続端子１の電圧Ｖｉｎよりも大きくなり、ｄｉ／ｄｔが負になるように、ヒューズ部３５の長さが設定されればよい。ヒューズ部３５が溶断すれば、ヒューズ部３５の断面積及び長さ等の形状は、任意の形状に設定することができる。

また、本実施の形態では、上述しように、飛散防止パターン４０は、ヒューズパターン３１と異なる層に設けられ、基板面の法線方向に見て、ヒューズパターン３１の少なくとも一部と重複している。

この構成によれば、飛散防止パターン４０によりヒューズパターン３１の溶断物及び導電物が他の回路に飛散することを抑制できる。また、飛散防止パターン４０は、金属製であるので、短絡遮断時の電磁ノイズを遮断することができ、他の電気部品に誤動作等の悪影響を与えることを抑制できる。また、通常の回路動作時においても、断面積が小さいヒューズ部３５を電流が流れると、電磁ノイズが発生するが、飛散防止パターン４０により電磁ノイズを遮断することができる。更には、飛散防止パターン４０により、通常の回路動作時において発生したヒューズパターンの熱を放熱及び拡散することができ、多層基板の温度上昇を抑制することができる。また、本実施の形態では、飛散防止パターン４０が外層に設けられているので、飛散防止パターン４０から外部への放熱性を高めることができ、飛散防止パターン４０による放熱効果が高められている。

本実施の形態では、第１の飛散防止パターン４０ａは、ヒューズパターン３１よりも一方側の層に設けられ、第２の飛散防止パターン４０ｂは、ヒューズパターン３１よりも他方側の層に設けられている。よって、ヒューズパターン３１の溶断物及び導電物が、遮断機構３０の一方側及び他方側に飛散することを防止できる。第１及び第２の飛散防止パターン４０ａ、４０ｂは、ヒューズ部３５の全体を覆うように配置されているので、飛散防止効果、電磁ノイズの遮断効果、放熱効果が高められている。

遮断機構３０の第１端子パターン２１及び第２端子パターン２２に印加される電圧（本例では、第１外部接続端子１の電圧Ｖｉｎ）を規定していないが、一般的に印加電圧が２０Ｖを超えるとアーク放電が発生し易くなり、本願のアーク放電の遮断効果を得やすくなる。すなわち、遮断機構３０に供給される電圧が、２０Ｖ以上の直流電圧であると、本願のアーク放電の遮断効果が得られやすい。なお、供給電圧が２０Ｖ未満であり、溶断後にアーク放電が生じなくても、ヒューズパターンが内層に設けられることによる、溶断物の飛散防止効果、飛散防止パターン４０が設けられることによる、溶断物の飛散防止効果電磁ノイズの遮断効果、放熱効果が得られる。

２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係る電力変換装置について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、第１及び第２の飛散防止パターン４０ａ、４０ｂの構成が異なる。

実施の形態１と同様に、遮断機構３０は、６層の多層基板により構成されている。図６に、各層の平面図を示し、図７に、図６のＡ－Ａ断面位置において、基板に垂直な平面で６層全体を切断した断面図を示す。

第１端子パターン２１及び第２端子パターン２２は、実施の形態１と同様に構成されているので、詳細な説明を省略する。ヒューズパターン３１は、実施の形態１と同様に構成されているので、詳細な説明を省略する。

本実施の形態でも、飛散防止パターン４０は、ヒューズパターン３１と異なる層に設けられ、基板面の法線方向に見て、ヒューズパターン３１の溶断部（本例では、ヒューズ部３５）の少なくとも一部と重複している。

本実施の形態でも、複数の飛散防止パターン４０が互いに異なる層に設けられており、第１の飛散防止パターン４０ａは、ヒューズパターン３１よりも一方側の層に設けられ、第２の飛散防止パターン４０ｂは、ヒューズパターン３１よりも他方側の層に設けられている。

実施の形態１と異なり、第１の飛散防止パターン４０ａ及び第２の飛散防止パターン４０ｂは、内層に設けられている。第１の飛散防止パターン４０ａは、内層の第２層に設けられ、第２の飛散防止パターン４０ｂは、内層の第４層に設けられている。第１及び第２の飛散防止パターン４０ａ、４０ｂは、それぞれ、ヒューズパターン３１の隣の層に設けられている。第２の飛散防止パターン４０ｂは、内層の第５層に設けられてもよい。

飛散防止パターン４０を内層に設けることで、飛散防止パターン４０を、ヒューズ部３５に近づけて配置することができ、飛散防止パターン４０による飛散防止効果、電磁ノイズの遮断効果、放熱効果を高めることができる。

飛散防止パターン４０を内層に設けることで、飛散防止パターン４０の両側が基材１９により補強されるので、外層に設ける場合よりも、飛散防止パターン４０の強度を高めることができる。よって、飛散防止パターン４０による飛散防止効果を高めることができる。

３．実施の形態３
次に、実施の形態３に係る電力変換装置について説明する。上記の実施の形態１又は２と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置の基本的な構成は実施の形態１又は２と同様であるが、飛散防止パターン４０の構成が異なる。

実施の形態１と同様に、遮断機構３０は、６層の多層基板により構成されている。図８に、各層の平面図を示し、図９に、図８のＢ－Ｂ断面位置において、基板に垂直な平面で６層全体を切断した断面図を示す。

本実施の形態では、他の実施の形態よりも、多層基板の幅が長くなっている。幅は、ヒューズ部の延出方向に直交する方向の基板の距離である。第１端子パターン２１及び第２端子パターン２２は、基板の幅方向の一方側の部分に、実施の形態１と同様に構成されているので、詳細な説明を省略する。ヒューズパターン３１は、基板の幅方向の一方側の部分に、実施の形態１と同様に構成されているので、詳細な説明を省略する。

実施の形態２と同様に、第１の飛散防止パターン４０ａは、ヒューズパターン３１よりも一方側の層（本例では、第２層）に設けられ、第２の飛散防止パターン４０ｂは、ヒューズパターン３１よりも他方側の層（本例では、第４層）に設けられている。

本実施の形態では、飛散防止パターン４０は、放熱部材５０に熱的に接続されている。各飛散防止パターン４０は、基板面の法線方向に見て、ヒューズ部３５と重複する本体部４１と、本体部４１を放熱部材５０側に連結するための連結部４２とを有している。連結部４２は、本体部４１から幅方向の他方側に延出している。連結部４２は、本体部４１と同様の銅箔により形成されている。

各層において、第１端子パターン２１の幅方向の他方側に間隔を空けて、第１連結パターン４３が設けられている。第２端子パターン２２の幅方向の他方側に間隔を空けて、第２連結パターン４４が設けられている。各層の第１連結パターン４３は、基板面の法線方向に見て、互いに重複する位置に配置され、各基材１９を貫通する導電性の円筒状のスルーホール４５（本例では、５つ）により同電位になるように接続されている。各層の第２連結パターン４４は、基板面の法線方向に見て、互いに重複する位置に配置され、各基材１９を貫通する導電性のスルーホール４５（本例では、５つ）により同電位になるように接続されている。第１及び第２連結パターン４３、４４は、銅箔により形成され、本例では、矩形板状に形成されている。

各飛散防止パターン４０の連結部４２は、各層の第１及び第２連結パターン４３、４４に熱的及び電気的に接続されている。外層（本例では、第６層）の第１連結パターン４３は、第１連結部材４６を介して、放熱部材５０に熱的及び電気的に接続されている。外層（本例では、第６層）の第２連結パターン４４は、第２連結部材４７を介して、放熱部材５０に熱的及び電気的に接続されている。よって、各飛散防止パターン４０は、第１及び第２連結パターン４３、４４、並びに第１及び第２連結部材４６、４７を介して、放熱部材５０に熱的及び電気的に接続されている。各層に設けられた第１及び第２連結パターン４３、４４及びスルーホール４５により、各層に設けられた飛散防止パターン４０を放熱部材５０に強固に熱的及び電気的に接続することができる。

放熱部材５０は、ヒートシンク、又は冷媒が循環する冷却器等とされている。放熱部材５０は、遮断機構３０と間隔を空けて配置されている。

この構成によれば、放熱部材５０によって飛散防止パターン４０の温度が低くなり、各ヒューズ部で発生した熱を飛散防止パターン４０に放熱、拡散する効果が向上し、基板の温度上昇を抑制することができる。

本実施の形態では、飛散防止パターン４０は、グランド電位を有している。放熱部材５０は、グランドに接続されており、各飛散防止パターン４０は、第１及び第２連結パターン４３、４４、第１及び第２連結部材４６、４７、並びに放熱部材５０を介して、グランドに接続される。この構成によれば、飛散防止パターン４０による電磁ノイズの遮蔽効果を高めることができる。なお、飛散防止パターン４０とヒューズパターンとは異電位である。なお、放熱部材５０が、浮遊電位であり、飛散防止パターン４０は、浮遊電位であってもよい。また、飛散防止パターン４０は、放熱部材５０と熱的に接続されるだけで、電気的に接続されなくてもよい。

放熱部材５０は、熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。ただし放熱部材５０は、熱伝導率が１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましい。その中でも放熱部材５０は、熱伝導率が１０．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがさらに好ましい。

放熱部材５０は、剛性のある材料で形成されることが好ましい。具体的には、放熱部材５０は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、ＳＵＳ３０４などの鉄合金、リン青銅などの銅合金、およびＡＤＣ１２などのアルミニウム合金からなる群から選択されるいずれかの金属材料により形成される。その他、放熱部材５０は、熱伝導性フィラーを含有する樹脂材料で形成されていてもよい。ここで樹脂材料には、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が用いられる。放熱部材５０は、連結部材４６、４７に接続される面とは異なる面において、空気又は液体の冷媒によって冷却されていてもよい。

連結部材４６、４７が、放熱部材５０と一体である場合は、連結部材４６、４７は、上記放熱部材５０と同一材料になる。連結部材４６、４７が、放熱部材５０と別体である場合は、連結部材４６、４７は、放熱部材５０と同一材料であってもよいし、放熱部材５０と異なる材料であってもよい。放熱部材５０は、例えば、切削、ダイキャスト、鍛造、金型を用いた形成等により形成される。

飛散防止パターン４０が、連結部材４６、４７を介さずに、放熱部材５０に熱的及び電気的に接続されてもよい。例えば、外層の第１及び第２連結パターン４３、４４、又は外層の飛散防止パターン４０が、直接、放熱部材５０に熱的及び電気的に接続されてもよい。飛散防止パターン４０の各層の配置が、実施の形態１と同様にされてもよい。

＜転用例＞
各実施の形態では、基板面の法線方向に見て、飛散防止パターン４０が、ヒューズ部３５の全体と重複するように設けられていた。しかし、図１０に実施の形態１の転用例を示すように、基板面の法線方向に見て、飛散防止パターン４０は、ヒューズ部３５の一部、の一部と重複するように設けられてもよい。よって、ある一定の溶断物の飛散防止効果が得られれば、重複度合いは、任意である。

各実施の形態では、ヒューズ部３５は、矩形板状に形成されていた。ヒューズ部３５は、他の部分よりも断面積が小さくなっており、短絡電流の通電時に溶断し、アーク放電を遮断できる形状であれば、どのような形状であってもよい。例えば、図１１に示すように、板状のパターンの片側又は両側に切欠きが設けられ、断面積が減らされてもよい。切欠きの形状は、矩形以外にも三角形、五角形、台形、ひし形、平行四辺形、円形、楕円形等の任意の形状とされてもよい。切欠きは、１個に限らず、複数個設けられてもよい。また、複数の切欠きが、配線の長さ方向の異なる位置に、千鳥状に互い違い、又は不規則に配置されてもよい。

各実施の形態では、遮断機構３０は、ＤＣ―ＤＣコンバータの過電流を遮断するためのヒューズであった。しかし、遮断機構３０は、定常的な過電流以外に、サージ電流を遮断するアレスタとして、各種の回路に設けられてもよい。

各実施の形態では、第１及び第２端子パターン２１、２２、スルーホール１６、ヒューズパターン３１は、銅製であった。しかし、これらの導電性部材のそれぞれは、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、すず（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びこれらの合金などの、銅以外の他の導電性の材料によって形成されてもよい。また、これらの導電性部材のそれぞれは、単一の材料で形成されていても良いし、複数の異なる材料で形成されていてもよい。また、スルーホール１６の内側は空間でなくてもよく、導電性材料で埋まっていてもよい。また、各層に配置される第１及び第２端子パターン２１、２２が電気的に接続できる場合は、スルーホール１６の内側は空間となっているが、絶縁材料で埋まっていてもよい。

各実施の形態では、遮断機構３０は、第１外部接続端子１の高電位側端子１Ｈ側に接続されていた。しかし、遮断機構３０は、第１外部接続端子１の低電位側端子１Ｌと、半導体回路５の低電位側とを接続する配線部材２５上に直列に接続されてもよい。遮断機構３０は、第２外部接続端子２の高電位側端子２Ｈ側又は低電位側端子２Ｌ側に接続されてもよい。遮断機構３０は、過電流を遮断できる回路上の任意の箇所に直列接続されてもよい。また、複数の遮断機構３０が設けられてもよい。

各実施の形態では、電力変換装置は、絶縁型のＤＣ―ＤＣコンバータであった。しかし、電力変換装置は、非絶縁のＤＣ―ＤＣコンバータ、インバータ、整流器等の各種の電力変換装置であってもよい。また、電力変換装置は、第１外部接続端子１から第２外部接続端子２に電圧を降圧する降圧型コンバータだけでなく、第１外部接続端子１から第２外部接続端子２に電圧を昇圧する昇圧型コンバータであってもよく、或いは、第１外部接続端子１の電圧と第２外部接続端子２の電圧が同じであってもよい。

各実施の形態では、半導体素子として、スイッチング素子が設けられていた。しかし、半導体素子として、ダイオードが設けられてもよい。

各実施の形態では、遮断機構３０は、電力変換装置に備えられていた。しかし、遮断機構３０は、電力変換装置以外の各種の回路に備えられてもよい。また、遮断機構３０は、回路部品として、流通してもよい。

各実施の形態では、遮断機構３０が、多層基板により構成されていた。しかし、遮断機構３０だけでなく、電力変換装置の他の部分（例えば、配線部材）も、多層基板により構成されてもよい。

各実施の形態では、遮断機構３０は、６層の多層基板により構成されていた。しかし、実施の形態１では、少なくとも１つの内層を有する３層以上の多層基板であればよい。例えば、３層の多層基板とされ、外層の第１層に第１の飛散防止パターン４０ａが設けられ、内層の第２層にヒューズパターン３１が設けられ、外層の第３層に第２の飛散防止パターン４０ｂが設けられてもよい。実施の形態２では、少なくとも３つの内層を有する４層以上の多層基板であればよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

２５ 配線部材、３０ 遮断機構、３１ ヒューズパターン、３５ ヒューズ部（ヒューズパターンの溶断部）、４０ 飛散防止パターン、５０ 放熱部材

Claims (8)

1. 半導体素子と、
   過剰な電流が流れたときに電流を遮断する遮断機構と、
   前記半導体素子と前記遮断機構とを接続する配線部材と、を備え、
   前記遮断機構は、複数の導電性パターンと複数の絶縁部材とが積層された多層基板により構成され、過電流の通電時に溶断するヒューズパターンと、飛散防止パターンと、を備え、
   前記ヒューズパターンは、内層に設けられ、
   前記飛散防止パターンは、前記ヒューズパターンと異なる層に設けられ、基板面の法線方向に見て、前記ヒューズパターンの溶断部の少なくとも一部と重複している電力変換装置。
2. 前記遮断機構は、プリント基板により構成されている請求項１に記載の電力変換装置。
3. 複数の前記飛散防止パターンが、互いに異なる層に設けられている請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 複数の前記飛散防止パターンは、少なくとも、前記ヒューズパターンよりも基板面の法線方向の一方側の層及び他方側の層に設けられている請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記飛散防止パターンは、内層に設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記飛散防止パターンは、グランド電位を有している請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記飛散防止パターンは、放熱部材に熱的に接続されている請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記遮断機構に供給される電圧は、２０Ｖ以上の直流電圧である請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

Images