JP2004335887A - プリント配線基板及び該基板を用いた装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的大きな電流が流れるパターンの配線抵抗による損失を低減する。
【解決手段】配線用パターンが表面及び裏面に形成され、入力電力を昇圧する昇圧回路の部品が実装されるプリント配線基板１０１において、入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンのうち、２つの面それぞれに略同一の形状で設けられたパターン間を、入力端子と部品の端子の近傍に設けた複数のスルーホール１０７で接続する。
【選択図】 図１
【解決手段】配線用パターンが表面及び裏面に形成され、入力電力を昇圧する昇圧回路の部品が実装されるプリント配線基板１０１において、入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンのうち、２つの面それぞれに略同一の形状で設けられたパターン間を、入力端子と部品の端子の近傍に設けた複数のスルーホール１０７で接続する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント配線基板に関し、より詳細には、入力電力を昇圧する昇圧回路、例えば、昇圧比の高い直流−直流変換回路等を実装するのに好適なプリント配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題への取り組みなどから、太陽電池または燃料電池で発電した直流電力を、電力変換装置により、交流電力に変換して家庭内の負荷（以下「負荷」と呼ぶ）及び／または商用電力系統（以下「系統」と呼ぶ）に供給する、あるいは、所定の直流電圧に変換して負荷の駆動に利用すること、などが行われている。
【０００３】
上記で用いる電力変換装置のほとんどは、太陽電池の出力電圧を所定電圧まで昇圧する機能を有し、昇圧後の電力は直流負荷に使用されるか、あるいは直流−交流変換装置に入力され、交流に変換された後、系統に接続される。
【０００４】
この場合、太陽電池自体を直列化（直列接続）して太陽電池の出力電圧を所定電圧まで高める方法もあるが、太陽電池の直列化には作業工程が多くなりコストが高くなることに加え、太陽光発電装置の非発電領域が多くなる、更には部分影の影響が大きくなるなどの欠点がある。
【０００５】
そこで太陽電池の直列数を極力少なくし、太陽電池の出力電圧を高い電圧まで昇圧することにより、高電圧小電流の出力電力を取り出す太陽光発電装置が提案されている。
【０００６】
このような太陽光発電装置の例が、Ｍａｒｋｕｓ Ｗｕｅｓｔ ， Ｐｅｔｅｒ Ｔｏｇｇｗｅｉｌｅｒ， Ｊｏｎ Ｒｉａｔｓｃｈ ： ＳＩＮＧＬＥ ＣＥＬＬ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ ＳＹＳＴＥＭ（ＳＣＣＳ） ， Ｆｉｒｓｔ ＷＣＰＥＣ ，Ｈａｗａｉｉ，Ｄｅｃ５−９， ｐｐ８１３−８１５， １９９４に記載されている。
【０００７】
このような太陽光発電装置では、太陽電池は単一のセル（一枚）あたり１Ｖ前後の低電圧しか出力できないため、高い昇圧比の直流−直流変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が必要となる。
【０００８】
上述のような低電圧大電流の入力電力を高電圧に変換する電力変換装置で用いられる回路方式の一例として、従来からプッシュプル回路が用いられている。
【０００９】
このようなプッシュプル回路を用いた高い昇圧比の電力変換装置の例として、特開平５−３０８７７９号公報（特許文献１）には、複数のトランスを用い、各１次コイルを並列接続とし、各２次コイルを直列接続し高昇圧するインバータ装置が提案されている。
【００１０】
このような直流−直流変換装置を上述のような太陽電池に接続する場合には、太陽電池と直流−直流変換装置間の送電損失を低減させるために、直流−直流変換装置は太陽電池の受光領域以外の直近に配置することが好ましく、太陽電池をモジュール化した際の面積発電効率の低下を防ぐべく、太陽電池の受光領域以外の突出部の面積が小さくなるように直流−直流変換装置の幅を極力小さくすることが要求される。
【００１１】
例えば、特許文献１における基板の実装状態は、図２に示すように複数のトランスＴ１〜Ｔ４を配列し、プリント配線基板の幅Ｗを小さくし、太陽電池の受光領域外の突出部が小さくなる構造が理想である。なお、図中、Ｑ１及びＱ２はスイッチング素子としてのトランジスタ、Ｃはコンデンサ、Ｒは抵抗をそれぞれ示している。
【００１２】
図３は、この基板における回路への入力端子部のパターンと、トランスＴ１〜Ｔ４とトランジスタＱ１、Ｑ２間のパターン配置の例を示す図である。３０１及び３０２は入力端子部のパターン、３０３及び３０４はトランスＴ１〜Ｔ４とトランジスタＱ１、Ｑ２間のパターンを示している。なお、点線で示しているパターンは配線基板の裏面に設けられるパターンである。
【００１３】
このようなパターン配置でプリント配線基板の幅Ｗを更に小さくする場合には、トランスＴ１〜Ｔ４の大きさは決まっているため、３０１〜３０４のパターンそれぞれの配線幅を細くすることが必要となる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平５−３０８７７９号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この場合、入力電力が１Ｖ程度の低電圧であり、かつ１０Ａ程度にまで達する大電流であるので、パターンでの配線抵抗による損失を考慮する必要がある。すなわち、パターン３０１〜３０４の配線幅を細くするとパターンの配線抵抗が増大し、電力変換装置の変換効率が低くなるとともに、パターンから発生する熱により周囲の半導体部品の寿命に悪影響を与えるといった問題が生じる。
【００１６】
また、太陽電池などの低電圧の電源を用いた場合、直流−直流変換装置の昇圧比を１００以上の大きな値とする必要があるので、パターンの配線抵抗が大きくなるとパターンでの電圧降下が大きくなり、所望の高電圧が得られないといった問題が生じる。
【００１７】
パターンの配線抵抗の増大を防ぐ一つの解決方法として、配線基板のパターンに使用される銅箔の厚さを２００μｍなどの厚銅とする方法もあるが、使用できる配線基板材料が限られ、配線基板自体の製造方法が煩雑となりコストアップとなるとともに、実装条件も一般的な銅厚７０μｍ以下の配線基板に比べて厳しくなる。
【００１８】
また、他の解決方法として、部品実装面とは別の面（裏面）に配線用のパターンを設けて、該パターンと部品実装面のパターンとをスルーホールで接続して電流の分布を均一にする方法があるが、大電流が流れる配線基板では２つの面のパターンに均一に電流を流すことが難しく、図９に示すようにスルーホールを適当に等間隔で配列しただけでは十分な効果を得ることができない。
【００１９】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、比較的大きな電流が流れるパターンの配線抵抗による損失を低減することができるプリント配線基板を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の一態様としてのプリント配線基板は、配線用パターンが形成される２つの層を有し、入力電力を昇圧する昇圧回路の部品が実装されるプリント配線基板であって、
前記入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンが設けられるとともに、
前記２つの層に設けられたパターン間を接続するスルーホールが、前記入力端子及び前記部品の端子それぞれの近傍に設けられている。
【００２１】
すなわち、本発明では、配線用パターンが形成される２つの層を有し、入力電力を昇圧する昇圧回路の部品が実装されるプリント配線基板において、入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンのうち、２つの層に設けられたパターン間を入力端子及び部品の端子それぞれの近傍に設けられらスルーホールで接続する。
【００２２】
このようにすると、入力電力が供給され、比較的大きな電流が流れるパターンのうち２つの層に設けられたそれぞれのパターンを流れる電流が略均一となるので、パターンの配線抵抗による損失を低減することができる。
【００２３】
スルーホールは、入力端子及び部品の端子それぞれの近傍に、略等間隔で複数個設けるのが好適である。
【００２４】
また、スルーホールの数は、配線長が最大のパターンを流れる電流の値に応じて決定されるのが好ましい。
【００２５】
昇圧回路が、複数のトランスと複数のスイッチング素子を含む、例えば、プッシュプル型の回路を含んでいると、より効果的である。
【００２６】
また、入力電力の２つの入力端子は配線基板の一辺に設けられているのがよい。
【００２７】
なお、本発明は、上記のプリント配線基板に実装された昇圧回路を含む電力変換装置、及び該電力変換装置を用い、入力電力が太陽電池から供給される太陽光発電装置にも適用できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。本明細書においては、プリント配線基板に部品を半田付け等によって固定・接続することを「実装」と称し、プリント配線基板に設けられた配線パターンのうち、部品や端子が接続される銅箔等が露出した部分を「ランド」と称する。また、プリント配線基板の一方の面に部品が実装される場合、部品が実装される面を「表面」、反対側の面を「裏面」と称する。
【００２９】
尚、以下ではプッシュプル回路を実装するプリント配線基板を例に挙げて説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００３０】
以下、まず本発明に係るプッシュプル回路について説明し、次に該プッシュプル回路を実装するプリント配線基板について、製造方法を交えて説明する。
【００３１】
（プッシュプル回路）
図４は本発明に係るプッシュプル回路４０１の回路図である。太陽電池などの電源から入力端子４０２、４０３へ入力される直流電力はコンデンサ４０４によって平滑化され、入力側が並列接続、出力側が直列接続されている２つのトランス４０５、４０６を介してＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子４０７〜４１０へ供給される。本回路では、入力電圧が１Ｖ程度であり、入力電流は１０Ａ以上となる場合がある。
【００３２】
ここでスイッチング素子４０７及び４０９と４０８及び４１０とを交互にオン／オフすることで、入力された直流電力を交流電力に変換する。そしてトランス４０５、４０６に入力される交流電力は、トランスの変圧比に応じて昇圧され、ダイオードブリッジ４１１によって整流されて高電圧直流電力に変換される。
【００３３】
更に、高電圧の直流電力は、コンデンサ４１２によって平滑化された後、出力端子４１３、４１４を介して負荷などへ供給される。
【００３４】
次に、スイッチング素子４０７〜４１０を制御する制御回路４１５の動作について説明する。図４に示す制御回路４１５は、制御用電源部４１６、基準波生成部４１７およびドライバ４１８から構成される。
【００３５】
プッシュプル回路４０１の入力電圧が制御用電源部４１６が起動する閾値電圧に達すると、制御用電源部４１６から基準波生成部４１７及びドライバ４１８に電力が供給される。
【００３６】
ここで基準波生成部４１７は、予め設定された周波数の基準矩形波を生成してドライバ４１８へ供給する。そしてドライバ４１８は、基準矩形波に基づき、スイッチング素子４０７及び４０９と４０８及び４１０とを交互にオン／オフする２つのゲートドライブ信号Ｓ１、Ｓ２を生成し、スイッチング素子４０７〜４１０のゲートへ供給してスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する。
【００３７】
尚、本実施形態においては、スイッチング周波数を４０ｋＨｚ、オン／オフのデューティ比を０．４９とする。
【００３８】
（プリント配線基板）
次に、上記プッシュプル回路を実装するプリント配線基板について説明する。図１は、上記プッシュプル回路を実装する本発明の実施形態としてのプリント配線基板１０１の表面のパターンを概略的に示す図である。
【００３９】
ここで用いられるプリント配線基板の基材は厚さ１．６ｍｍのＦＲ−４材であり、厚さ７０μｍの銅箔が表裏両面に形成されている。この両面の銅箔をエッチング等により選択的に溶解してパターンが形成されており、部品が接続されるランド以外の部分はレジスト材で覆われている。
【００４０】
なお、本発明で用いられる基板材料、基板厚み、銅箔厚みなどはこの例に限定されるものではなく様々なものが使用できる。
【００４１】
まず２つの入力端子用のランド４０２及び４０３を、太陽電池などの電源と接続する際に配線抵抗による損失が極力少なくなり、かつ接続が容易となるように、プリント配線基板１０１の一辺（図中における下辺）の端部近辺に設けた。ここで、入力端子用のランド４０２はトランス４０５及び４０６の１次コイルが接続されるパターン１０８上に設けられている。そして、入力端子用のランド４０２及び４０３の目印として基板にシルク印刷を行うことが好ましい。
【００４２】
これらランド４０２及び４０３には、電源からのリード端子がそのまま挿入できるような大きさのスルーホールを設けてもよい。
【００４３】
また、トランス４０５及び４０６は、大電流が入力されること及びプリント基板の幅（図中上下方向の長さ）Ｗを小さくすることを考慮して、２つのトランスの長辺側が２つ並列するように配置され、トランスの１次コイルはパターン１０８を介して入力端子用のランド４０２に接続される。
【００４４】
なお、本実施形態で使用するトランスの具体的構造については、本発明の主旨とは関係ないため詳しい説明を省略する。
【００４５】
そしてトランス４０５、４０６の１次側コイルの入力端子と接続される端子と反対側の端子は、パターン１０２〜１０５にそれぞれ接続される。
【００４６】
また、本実施形態で用いられるＭＯＳＦＥＴ４０７〜４１０は、両側に端子が４本ずつ配置された形状のＳＯ−８パッケージであり、各ドレイン電極はパターン１０２〜１０５にそれぞれ接続され、すべてのＭＯＳＦＥＴのソース電極はパターン１０６に接続される。
【００４７】
なお、コンデンサ４０４、４１２のプリント配線基板への実装状態については本発明と関係無いためその説明を省略する。
【００４８】
図５は、本実施形態のプリント配線基板１０１の裏面の配線パターンを示す図である。図示されたように、プリント配線基板１０１の裏面に、表面のパターン１０６を反転したのとほぼ同じ形状のパターン５０２を形成し、両面のパターンをスルーホール１０７で接続する。これにより、ＭＯＳＦＥＴのソース電極と入力端子４０３間に流れる電流を表裏でほぼ均一に分布させることができ、電流流路における配線抵抗による損失を最小限とすることができる。
【００４９】
ここで、図１におけるパターン１０６、及び図５におけるパターン５０２の幅を小さくするのが好ましく、幅を極力小さくしつつもパターンで消費される電力を小さくする必要がある。
【００５０】
特に本発明は、スルーホールの配置を電流集中点のみに設けることに特徴がある。以下、本実施形態におけるスルーホール配置の詳細について述べる。
【００５１】
図６は、基板１０１における電流集中点について説明する図である。
【００５２】
本明細書において電流集中点とは、各端子または各素子が半田付けなどによりプリント配線基板に接続される各領域（接続点）のことを意味する。
【００５３】
よって本実施形態における電流集中点は、図６において破線で囲んだ部分で示されるように、入力端子用ランド４０２とパターン１０８の接続点６０２、パターン１０８とトランスの１次コイルの接続点６０３〜６０６、トランスの１次コイルの他端とパターン１０２〜１０５の接続点６０７〜６１０、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極とパターン１０２〜１０５の接続点６１１〜６１４、ＭＯＳＦＥＴのソース電極とパターン１０６の接続点６１５〜６１８、または入力端子用ランド４０３とパターン１０６の接続点６１９となる。
【００５４】
このような電流集中点近傍にスルーホールを形成することで、部品実装面と別の面（裏面）に設けられたパターンに流れる電流を表面のパターンを流れる電流と略均一にして、パターンの配線抵抗による損失を低減できる。
【００５５】
本実施形態のプリント配線基板においては、ＭＯＳＦＥＴのソース電極と入力端子用ランド４０３との間を接続するパターン１０６は、流れる電流が大きく、かつ配線長が長いので、図５に示したように裏面にもパターン５０２を設けて、表裏で流れる電流を均一すると効果が大きい。
【００５６】
ここで本実施形態で設けたスルーホールの詳細について、図７と図８を参照して説明する。図７はＭＯＳＦＥＴのソース電極とパターン１０６の接続部近傍の拡大図であり、図８は入力端子用ランド４０３とパターン１０６の接続部近傍の拡大図である。
【００５７】
図７において、７０１はＭＯＳＦＥＴであり、７０２、７０３及び７０４は、ＭＯＳＦＥＴ７０１のドレイン電極、ゲート電極及びソース電極をそれぞれ示している。図示されたように、ＭＯＳＦＥＴの３本のソース電極の端子がそれぞれ接続されるランドの近傍に３つのスルーホール１０７が設けられている。本実施形態では、スルーホールの大きさはφ０．５ｍｍであり、ランドとスルーホールとの距離は０．５ｍｍである。
【００５８】
ここでスルーホールを設ける位置は、ソース電極の端子（が接続されるランド）とスルーホールとの距離が、スルーホールの直径以内となるのが好ましく、スルーホールを複数設ける場合には、各スルーホール間の距離がスルーホールの直径以内となるのが好ましい。
【００５９】
このようにスルーホールを設けることにより、電流集中点の近くにスルーホールが配置されることになり、ソース電極からの電流が直ちに表面と裏面のパターンに均一に分岐することになる。
【００６０】
また、図８に示した入力端子用ランド４０３に対しては、ランドから０．５ｍｍ離れた位置にφ１ｍｍの大きさのスルーホールが３つずつ２列、計６つ設けられている。なお、各スルーホール間の距離は０．５ｍｍである。
【００６１】
尚、本実施形態で用いられるスルーホールは、ドリルにより所望の直径の穴をあけ、洗浄を行い、無電界銅めっきでメタライズした後に、電気銅めっきで２５μｍの銅を積層して形成する。
【００６２】
また、各電流集中点に設けられるスルーホールの数は１つ以上であれば特に限定はないが、スルーホールの数が少ない方が基板の強度及びコストの面から好ましいため、その部分に流れる電流の値に応じて設けるスルーホールの数を決定するのがよい。スルーホールのサイズについてもその部分に流れる電流の値を考慮して決定するのがよい。
【００６３】
以上述べたように、本実施形態によれば、部品実装面とその他の面（裏面）の配線用パターン同士を接続するスルーホールを、電流が集中する位置に設けることにより、電流が２つの面を略均一に流れるようにすることができ、配線抵抗による損失を低減することができる。
【００６４】
なお、本実施形態のようなプッシュプル回路では、ＭＯＳＦＥＴのソース電極と入力端子（用のランド）との間は特に基板上で配線パターンが長くなりやすく、配線抵抗による電圧降下が生じやすい部分であり、本発明をこのような部分に適用することにより電圧降下を小さくできるため、太陽電池などの入力電圧の低い電源を用いる昇圧比の高い直流−直流変換装置を実装するプリント配線基板に適用すると、特に有効である。
【００６５】
このように、本実施形態によれば、同電位となる電流集中点間のパターンの長さ（配線長）が長い、すなわち、配線抵抗が大きい部分に適用すると特に効果がある。
【００６６】
＜他の実施形態＞
以上説明した実施形態においてはプッシュプル回路を実装するプリント配線基板を例に挙げて説明したが、発明はこれに限るものではなく、公知公用の他の回路を実装するプリント配線基板にも適用できる。
【００６７】
また、本実施形態においては、両面基板を使用し、部品面と裏面の配線をつなげるスルーホールの配置について述べたが、プリント配線基板を多層基板とする場合には、層間をつなぐＶＩＡ（バイア）ホールに適用しても同様の効果が期待できる。
【００６８】
なお、本発明は、一つの回路が実装されるプリント配線基板に適用しても、該プリント配線基板に実装された回路を含む複数の機器（例えば、電力変換装置、太陽電池、燃料電池、制御回路など）から構成されるシステムに適用してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電力損失が小さいプリント配線基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としてのプリント配線基板の表面のパターンを概略的に示す図である。
【図２】従来のプッシュプル回路を実装するプリント配線基板の例を示す図である。
【図３】図２のプリント配線基板のパターンを部分的に示した図である。
【図４】図１のプリント配線基板に実装される回路を示す回路図である。
【図５】図１のプリント配線基板の裏面のパターンを概略的に示す図である。
【図６】図１のプリント配線基板における電流集中点を説明する図である
【図７】ＭＯＳＦＥＴのソース電極近傍の部分拡大図である。
【図８】入力端子近傍の部分拡大図である。
【図９】従来のプリント配線基板の表面のパターンを概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０１ プリント配線基板
１０２〜１０６ パターン
１０７ スルーホール
３０１〜３０４ パターン
４０１ プッシュプル回路
４０２、４０３ 入力端子
４０４、４１２ コンデンサ
４０５、４０６ トランス
４０７〜４１０ ＭＯＳＦＥＴ
４１１ ダイオードブリッジ
４１３、４１４ 出力端子
４１５ 制御回路
４１６ 制御電源部
４１７ 波形生成部
４１８ ドライバ
６０１ プリント配線基板
６０２〜６１８ 電流集中点
７０１ ＭＯＳＦＥＴ
７０２ ドレイン電極
７０３ ゲート電極
７０４ ソース電極
９０１ プリント配線基板
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント配線基板に関し、より詳細には、入力電力を昇圧する昇圧回路、例えば、昇圧比の高い直流−直流変換回路等を実装するのに好適なプリント配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題への取り組みなどから、太陽電池または燃料電池で発電した直流電力を、電力変換装置により、交流電力に変換して家庭内の負荷（以下「負荷」と呼ぶ）及び／または商用電力系統（以下「系統」と呼ぶ）に供給する、あるいは、所定の直流電圧に変換して負荷の駆動に利用すること、などが行われている。
【０００３】
上記で用いる電力変換装置のほとんどは、太陽電池の出力電圧を所定電圧まで昇圧する機能を有し、昇圧後の電力は直流負荷に使用されるか、あるいは直流−交流変換装置に入力され、交流に変換された後、系統に接続される。
【０００４】
この場合、太陽電池自体を直列化（直列接続）して太陽電池の出力電圧を所定電圧まで高める方法もあるが、太陽電池の直列化には作業工程が多くなりコストが高くなることに加え、太陽光発電装置の非発電領域が多くなる、更には部分影の影響が大きくなるなどの欠点がある。
【０００５】
そこで太陽電池の直列数を極力少なくし、太陽電池の出力電圧を高い電圧まで昇圧することにより、高電圧小電流の出力電力を取り出す太陽光発電装置が提案されている。
【０００６】
このような太陽光発電装置の例が、Ｍａｒｋｕｓ Ｗｕｅｓｔ ， Ｐｅｔｅｒ Ｔｏｇｇｗｅｉｌｅｒ， Ｊｏｎ Ｒｉａｔｓｃｈ ： ＳＩＮＧＬＥ ＣＥＬＬ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ ＳＹＳＴＥＭ（ＳＣＣＳ） ， Ｆｉｒｓｔ ＷＣＰＥＣ ，Ｈａｗａｉｉ，Ｄｅｃ５−９， ｐｐ８１３−８１５， １９９４に記載されている。
【０００７】
このような太陽光発電装置では、太陽電池は単一のセル（一枚）あたり１Ｖ前後の低電圧しか出力できないため、高い昇圧比の直流−直流変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が必要となる。
【０００８】
上述のような低電圧大電流の入力電力を高電圧に変換する電力変換装置で用いられる回路方式の一例として、従来からプッシュプル回路が用いられている。
【０００９】
このようなプッシュプル回路を用いた高い昇圧比の電力変換装置の例として、特開平５−３０８７７９号公報（特許文献１）には、複数のトランスを用い、各１次コイルを並列接続とし、各２次コイルを直列接続し高昇圧するインバータ装置が提案されている。
【００１０】
このような直流−直流変換装置を上述のような太陽電池に接続する場合には、太陽電池と直流−直流変換装置間の送電損失を低減させるために、直流−直流変換装置は太陽電池の受光領域以外の直近に配置することが好ましく、太陽電池をモジュール化した際の面積発電効率の低下を防ぐべく、太陽電池の受光領域以外の突出部の面積が小さくなるように直流−直流変換装置の幅を極力小さくすることが要求される。
【００１１】
例えば、特許文献１における基板の実装状態は、図２に示すように複数のトランスＴ１〜Ｔ４を配列し、プリント配線基板の幅Ｗを小さくし、太陽電池の受光領域外の突出部が小さくなる構造が理想である。なお、図中、Ｑ１及びＱ２はスイッチング素子としてのトランジスタ、Ｃはコンデンサ、Ｒは抵抗をそれぞれ示している。
【００１２】
図３は、この基板における回路への入力端子部のパターンと、トランスＴ１〜Ｔ４とトランジスタＱ１、Ｑ２間のパターン配置の例を示す図である。３０１及び３０２は入力端子部のパターン、３０３及び３０４はトランスＴ１〜Ｔ４とトランジスタＱ１、Ｑ２間のパターンを示している。なお、点線で示しているパターンは配線基板の裏面に設けられるパターンである。
【００１３】
このようなパターン配置でプリント配線基板の幅Ｗを更に小さくする場合には、トランスＴ１〜Ｔ４の大きさは決まっているため、３０１〜３０４のパターンそれぞれの配線幅を細くすることが必要となる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平５−３０８７７９号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この場合、入力電力が１Ｖ程度の低電圧であり、かつ１０Ａ程度にまで達する大電流であるので、パターンでの配線抵抗による損失を考慮する必要がある。すなわち、パターン３０１〜３０４の配線幅を細くするとパターンの配線抵抗が増大し、電力変換装置の変換効率が低くなるとともに、パターンから発生する熱により周囲の半導体部品の寿命に悪影響を与えるといった問題が生じる。
【００１６】
また、太陽電池などの低電圧の電源を用いた場合、直流−直流変換装置の昇圧比を１００以上の大きな値とする必要があるので、パターンの配線抵抗が大きくなるとパターンでの電圧降下が大きくなり、所望の高電圧が得られないといった問題が生じる。
【００１７】
パターンの配線抵抗の増大を防ぐ一つの解決方法として、配線基板のパターンに使用される銅箔の厚さを２００μｍなどの厚銅とする方法もあるが、使用できる配線基板材料が限られ、配線基板自体の製造方法が煩雑となりコストアップとなるとともに、実装条件も一般的な銅厚７０μｍ以下の配線基板に比べて厳しくなる。
【００１８】
また、他の解決方法として、部品実装面とは別の面（裏面）に配線用のパターンを設けて、該パターンと部品実装面のパターンとをスルーホールで接続して電流の分布を均一にする方法があるが、大電流が流れる配線基板では２つの面のパターンに均一に電流を流すことが難しく、図９に示すようにスルーホールを適当に等間隔で配列しただけでは十分な効果を得ることができない。
【００１９】
本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、比較的大きな電流が流れるパターンの配線抵抗による損失を低減することができるプリント配線基板を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の一態様としてのプリント配線基板は、配線用パターンが形成される２つの層を有し、入力電力を昇圧する昇圧回路の部品が実装されるプリント配線基板であって、
前記入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンが設けられるとともに、
前記２つの層に設けられたパターン間を接続するスルーホールが、前記入力端子及び前記部品の端子それぞれの近傍に設けられている。
【００２１】
すなわち、本発明では、配線用パターンが形成される２つの層を有し、入力電力を昇圧する昇圧回路の部品が実装されるプリント配線基板において、入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンのうち、２つの層に設けられたパターン間を入力端子及び部品の端子それぞれの近傍に設けられらスルーホールで接続する。
【００２２】
このようにすると、入力電力が供給され、比較的大きな電流が流れるパターンのうち２つの層に設けられたそれぞれのパターンを流れる電流が略均一となるので、パターンの配線抵抗による損失を低減することができる。
【００２３】
スルーホールは、入力端子及び部品の端子それぞれの近傍に、略等間隔で複数個設けるのが好適である。
【００２４】
また、スルーホールの数は、配線長が最大のパターンを流れる電流の値に応じて決定されるのが好ましい。
【００２５】
昇圧回路が、複数のトランスと複数のスイッチング素子を含む、例えば、プッシュプル型の回路を含んでいると、より効果的である。
【００２６】
また、入力電力の２つの入力端子は配線基板の一辺に設けられているのがよい。
【００２７】
なお、本発明は、上記のプリント配線基板に実装された昇圧回路を含む電力変換装置、及び該電力変換装置を用い、入力電力が太陽電池から供給される太陽光発電装置にも適用できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。本明細書においては、プリント配線基板に部品を半田付け等によって固定・接続することを「実装」と称し、プリント配線基板に設けられた配線パターンのうち、部品や端子が接続される銅箔等が露出した部分を「ランド」と称する。また、プリント配線基板の一方の面に部品が実装される場合、部品が実装される面を「表面」、反対側の面を「裏面」と称する。
【００２９】
尚、以下ではプッシュプル回路を実装するプリント配線基板を例に挙げて説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００３０】
以下、まず本発明に係るプッシュプル回路について説明し、次に該プッシュプル回路を実装するプリント配線基板について、製造方法を交えて説明する。
【００３１】
（プッシュプル回路）
図４は本発明に係るプッシュプル回路４０１の回路図である。太陽電池などの電源から入力端子４０２、４０３へ入力される直流電力はコンデンサ４０４によって平滑化され、入力側が並列接続、出力側が直列接続されている２つのトランス４０５、４０６を介してＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子４０７〜４１０へ供給される。本回路では、入力電圧が１Ｖ程度であり、入力電流は１０Ａ以上となる場合がある。
【００３２】
ここでスイッチング素子４０７及び４０９と４０８及び４１０とを交互にオン／オフすることで、入力された直流電力を交流電力に変換する。そしてトランス４０５、４０６に入力される交流電力は、トランスの変圧比に応じて昇圧され、ダイオードブリッジ４１１によって整流されて高電圧直流電力に変換される。
【００３３】
更に、高電圧の直流電力は、コンデンサ４１２によって平滑化された後、出力端子４１３、４１４を介して負荷などへ供給される。
【００３４】
次に、スイッチング素子４０７〜４１０を制御する制御回路４１５の動作について説明する。図４に示す制御回路４１５は、制御用電源部４１６、基準波生成部４１７およびドライバ４１８から構成される。
【００３５】
プッシュプル回路４０１の入力電圧が制御用電源部４１６が起動する閾値電圧に達すると、制御用電源部４１６から基準波生成部４１７及びドライバ４１８に電力が供給される。
【００３６】
ここで基準波生成部４１７は、予め設定された周波数の基準矩形波を生成してドライバ４１８へ供給する。そしてドライバ４１８は、基準矩形波に基づき、スイッチング素子４０７及び４０９と４０８及び４１０とを交互にオン／オフする２つのゲートドライブ信号Ｓ１、Ｓ２を生成し、スイッチング素子４０７〜４１０のゲートへ供給してスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する。
【００３７】
尚、本実施形態においては、スイッチング周波数を４０ｋＨｚ、オン／オフのデューティ比を０．４９とする。
【００３８】
（プリント配線基板）
次に、上記プッシュプル回路を実装するプリント配線基板について説明する。図１は、上記プッシュプル回路を実装する本発明の実施形態としてのプリント配線基板１０１の表面のパターンを概略的に示す図である。
【００３９】
ここで用いられるプリント配線基板の基材は厚さ１．６ｍｍのＦＲ−４材であり、厚さ７０μｍの銅箔が表裏両面に形成されている。この両面の銅箔をエッチング等により選択的に溶解してパターンが形成されており、部品が接続されるランド以外の部分はレジスト材で覆われている。
【００４０】
なお、本発明で用いられる基板材料、基板厚み、銅箔厚みなどはこの例に限定されるものではなく様々なものが使用できる。
【００４１】
まず２つの入力端子用のランド４０２及び４０３を、太陽電池などの電源と接続する際に配線抵抗による損失が極力少なくなり、かつ接続が容易となるように、プリント配線基板１０１の一辺（図中における下辺）の端部近辺に設けた。ここで、入力端子用のランド４０２はトランス４０５及び４０６の１次コイルが接続されるパターン１０８上に設けられている。そして、入力端子用のランド４０２及び４０３の目印として基板にシルク印刷を行うことが好ましい。
【００４２】
これらランド４０２及び４０３には、電源からのリード端子がそのまま挿入できるような大きさのスルーホールを設けてもよい。
【００４３】
また、トランス４０５及び４０６は、大電流が入力されること及びプリント基板の幅（図中上下方向の長さ）Ｗを小さくすることを考慮して、２つのトランスの長辺側が２つ並列するように配置され、トランスの１次コイルはパターン１０８を介して入力端子用のランド４０２に接続される。
【００４４】
なお、本実施形態で使用するトランスの具体的構造については、本発明の主旨とは関係ないため詳しい説明を省略する。
【００４５】
そしてトランス４０５、４０６の１次側コイルの入力端子と接続される端子と反対側の端子は、パターン１０２〜１０５にそれぞれ接続される。
【００４６】
また、本実施形態で用いられるＭＯＳＦＥＴ４０７〜４１０は、両側に端子が４本ずつ配置された形状のＳＯ−８パッケージであり、各ドレイン電極はパターン１０２〜１０５にそれぞれ接続され、すべてのＭＯＳＦＥＴのソース電極はパターン１０６に接続される。
【００４７】
なお、コンデンサ４０４、４１２のプリント配線基板への実装状態については本発明と関係無いためその説明を省略する。
【００４８】
図５は、本実施形態のプリント配線基板１０１の裏面の配線パターンを示す図である。図示されたように、プリント配線基板１０１の裏面に、表面のパターン１０６を反転したのとほぼ同じ形状のパターン５０２を形成し、両面のパターンをスルーホール１０７で接続する。これにより、ＭＯＳＦＥＴのソース電極と入力端子４０３間に流れる電流を表裏でほぼ均一に分布させることができ、電流流路における配線抵抗による損失を最小限とすることができる。
【００４９】
ここで、図１におけるパターン１０６、及び図５におけるパターン５０２の幅を小さくするのが好ましく、幅を極力小さくしつつもパターンで消費される電力を小さくする必要がある。
【００５０】
特に本発明は、スルーホールの配置を電流集中点のみに設けることに特徴がある。以下、本実施形態におけるスルーホール配置の詳細について述べる。
【００５１】
図６は、基板１０１における電流集中点について説明する図である。
【００５２】
本明細書において電流集中点とは、各端子または各素子が半田付けなどによりプリント配線基板に接続される各領域（接続点）のことを意味する。
【００５３】
よって本実施形態における電流集中点は、図６において破線で囲んだ部分で示されるように、入力端子用ランド４０２とパターン１０８の接続点６０２、パターン１０８とトランスの１次コイルの接続点６０３〜６０６、トランスの１次コイルの他端とパターン１０２〜１０５の接続点６０７〜６１０、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極とパターン１０２〜１０５の接続点６１１〜６１４、ＭＯＳＦＥＴのソース電極とパターン１０６の接続点６１５〜６１８、または入力端子用ランド４０３とパターン１０６の接続点６１９となる。
【００５４】
このような電流集中点近傍にスルーホールを形成することで、部品実装面と別の面（裏面）に設けられたパターンに流れる電流を表面のパターンを流れる電流と略均一にして、パターンの配線抵抗による損失を低減できる。
【００５５】
本実施形態のプリント配線基板においては、ＭＯＳＦＥＴのソース電極と入力端子用ランド４０３との間を接続するパターン１０６は、流れる電流が大きく、かつ配線長が長いので、図５に示したように裏面にもパターン５０２を設けて、表裏で流れる電流を均一すると効果が大きい。
【００５６】
ここで本実施形態で設けたスルーホールの詳細について、図７と図８を参照して説明する。図７はＭＯＳＦＥＴのソース電極とパターン１０６の接続部近傍の拡大図であり、図８は入力端子用ランド４０３とパターン１０６の接続部近傍の拡大図である。
【００５７】
図７において、７０１はＭＯＳＦＥＴであり、７０２、７０３及び７０４は、ＭＯＳＦＥＴ７０１のドレイン電極、ゲート電極及びソース電極をそれぞれ示している。図示されたように、ＭＯＳＦＥＴの３本のソース電極の端子がそれぞれ接続されるランドの近傍に３つのスルーホール１０７が設けられている。本実施形態では、スルーホールの大きさはφ０．５ｍｍであり、ランドとスルーホールとの距離は０．５ｍｍである。
【００５８】
ここでスルーホールを設ける位置は、ソース電極の端子（が接続されるランド）とスルーホールとの距離が、スルーホールの直径以内となるのが好ましく、スルーホールを複数設ける場合には、各スルーホール間の距離がスルーホールの直径以内となるのが好ましい。
【００５９】
このようにスルーホールを設けることにより、電流集中点の近くにスルーホールが配置されることになり、ソース電極からの電流が直ちに表面と裏面のパターンに均一に分岐することになる。
【００６０】
また、図８に示した入力端子用ランド４０３に対しては、ランドから０．５ｍｍ離れた位置にφ１ｍｍの大きさのスルーホールが３つずつ２列、計６つ設けられている。なお、各スルーホール間の距離は０．５ｍｍである。
【００６１】
尚、本実施形態で用いられるスルーホールは、ドリルにより所望の直径の穴をあけ、洗浄を行い、無電界銅めっきでメタライズした後に、電気銅めっきで２５μｍの銅を積層して形成する。
【００６２】
また、各電流集中点に設けられるスルーホールの数は１つ以上であれば特に限定はないが、スルーホールの数が少ない方が基板の強度及びコストの面から好ましいため、その部分に流れる電流の値に応じて設けるスルーホールの数を決定するのがよい。スルーホールのサイズについてもその部分に流れる電流の値を考慮して決定するのがよい。
【００６３】
以上述べたように、本実施形態によれば、部品実装面とその他の面（裏面）の配線用パターン同士を接続するスルーホールを、電流が集中する位置に設けることにより、電流が２つの面を略均一に流れるようにすることができ、配線抵抗による損失を低減することができる。
【００６４】
なお、本実施形態のようなプッシュプル回路では、ＭＯＳＦＥＴのソース電極と入力端子（用のランド）との間は特に基板上で配線パターンが長くなりやすく、配線抵抗による電圧降下が生じやすい部分であり、本発明をこのような部分に適用することにより電圧降下を小さくできるため、太陽電池などの入力電圧の低い電源を用いる昇圧比の高い直流−直流変換装置を実装するプリント配線基板に適用すると、特に有効である。
【００６５】
このように、本実施形態によれば、同電位となる電流集中点間のパターンの長さ（配線長）が長い、すなわち、配線抵抗が大きい部分に適用すると特に効果がある。
【００６６】
＜他の実施形態＞
以上説明した実施形態においてはプッシュプル回路を実装するプリント配線基板を例に挙げて説明したが、発明はこれに限るものではなく、公知公用の他の回路を実装するプリント配線基板にも適用できる。
【００６７】
また、本実施形態においては、両面基板を使用し、部品面と裏面の配線をつなげるスルーホールの配置について述べたが、プリント配線基板を多層基板とする場合には、層間をつなぐＶＩＡ（バイア）ホールに適用しても同様の効果が期待できる。
【００６８】
なお、本発明は、一つの回路が実装されるプリント配線基板に適用しても、該プリント配線基板に実装された回路を含む複数の機器（例えば、電力変換装置、太陽電池、燃料電池、制御回路など）から構成されるシステムに適用してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電力損失が小さいプリント配線基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としてのプリント配線基板の表面のパターンを概略的に示す図である。
【図２】従来のプッシュプル回路を実装するプリント配線基板の例を示す図である。
【図３】図２のプリント配線基板のパターンを部分的に示した図である。
【図４】図１のプリント配線基板に実装される回路を示す回路図である。
【図５】図１のプリント配線基板の裏面のパターンを概略的に示す図である。
【図６】図１のプリント配線基板における電流集中点を説明する図である
【図７】ＭＯＳＦＥＴのソース電極近傍の部分拡大図である。
【図８】入力端子近傍の部分拡大図である。
【図９】従来のプリント配線基板の表面のパターンを概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０１ プリント配線基板
１０２〜１０６ パターン
１０７ スルーホール
３０１〜３０４ パターン
４０１ プッシュプル回路
４０２、４０３ 入力端子
４０４、４１２ コンデンサ
４０５、４０６ トランス
４０７〜４１０ ＭＯＳＦＥＴ
４１１ ダイオードブリッジ
４１３、４１４ 出力端子
４１５ 制御回路
４１６ 制御電源部
４１７ 波形生成部
４１８ ドライバ
６０１ プリント配線基板
６０２〜６１８ 電流集中点
７０１ ＭＯＳＦＥＴ
７０２ ドレイン電極
７０３ ゲート電極
７０４ ソース電極
９０１ プリント配線基板
Claims (9)
- 配線用パターンが形成される２つの層を有し、入力電力を昇圧する昇圧回路の部品が実装されるプリント配線基板であって、
前記入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンが設けられるとともに、
前記２つの層に設けられたパターン間を接続するスルーホールが、前記入力端子及び前記部品の端子それぞれの近傍に設けられていることを特徴とするプリント配線基板。 - 前記入力電力の入力端子と該入力電力が供給される部品の端子との間を接続する複数の配線パターンのうち、配線長が最大となるパターンが前記２つの層それぞれに略同一の形状で設けられていることを特徴とする請求項１記載のプリント配線基板。
- 前記スルーホールが、略等間隔で複数個設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線基板。
- 前記スルーホールの数が、前記配線パターンを流れる電流の値に応じて決定されていることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線基板。
- 前記昇圧回路が、複数のトランスと複数のスイッチング素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のプリント配線基板。
- 前記昇圧回路がプッシュプル回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のプリント配線基板。
- 前記入力電力の２つの入力端子が一辺に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線基板。
- 請求項１に記載のプリント配線基板に実装された昇圧回路を含むことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項８に記載の電力変換装置を用い、前記入力電力が太陽電池から供給されることを特徴とする太陽光発電装置。
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