JP2019057658A

JP2019057658A - 電源基板

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Publication number: JP2019057658A
Application number: JP2017181932A
Authority: JP
Inventors: 克泰西; Katsuyasu Nishi
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: JP6934378B2

Abstract

【課題】良好な放熱性を実現しつつ、発熱性素子の温度が精度良く測定されうる電源基板の提供。【解決手段】本発明に係る電源基板２は、表面に第一パターン２２ａを含む複数のパターン２２が形成された回路基板１４と、この第一パターン２２ａ上に位置しこの第一パターン２２ａと電気的に接続する複数の発熱性素子１６と、この第一パターン２２ａと電気的に絶縁された熱センサ素子１８とを備える。上記第一パターン２２ａは、隣接する上記発熱性素子１６の間に切り欠き２４を備えている。上記熱センサ素子１８は、この切り欠き２４の部分に位置する。【選択図】図３

Description

本発明は、電源基板に関する。詳細には、車載用の電力変換装置に搭載する電源基板に関する。

近年、ハイブリッド車や電気自動車の普及により、自動車にはリチウムイオン電池等の高電圧を発生するバッテリーが搭載されてきている。一方で、自動車には、電動ミラーやパワーステアリング等の低電圧で動作する機器も多く搭載されている。また、自動車のバッテリーにより家電機器を動かすことや、家庭用の交流電源から自動車のバッテリーを充電することも行われる。自動車には、これらに対応するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣインバータ等の電力変換機器が搭載されている。

電力変換機器は、電源が入出力する電源基板及びこの電源基板の動作を制御する制御基板を含む。電源基板には、トランスやパワートランジスタ等の、動作時に多くの電流が流れることで発熱する素子（発熱性素子）が搭載されている。電力変換機器は、発熱性素子からの熱を放熱するための機構を有する。例えば、電力変換機器は、ヒートシンクを備える。また、発熱性素子の温度を計測するため、電源基板に熱センサ素子が搭載されることがある。電源基板及びこれを有する電力変換機器についての検討が、特開２０１３−２２９９２公報で報告されている。

特開２０１３−２２９９２公報

バッテリーの高電圧化や多電圧化に伴い、電力基板には、複数の発熱性素子が搭載される。これらの発熱性素子に流れる電流も多くなっている。これらの発熱性素子からより効果的に放熱させること、及びこれらの発熱性素子の温度を精度よく計測することが課題となっている。

本発明の目的は、良好な放熱性を実現しつつ、発熱性素子の温度が精度良く測定されうる電源基板の提供である。

本発明に係る電源基板は、表面に第一パターンを含む複数のパターンが形成された回路基板と、この第一パターン上に位置しこの第一パターンと電気的に接続する複数の発熱性素子と、この第一パターンと電気的に絶縁された熱センサ素子とを備える。上記第一パターンは、隣接する上記発熱性素子の間に切り欠きを備えている。上記熱センサ素子は、この切り欠きの部分に位置する。

上記回路基板が入力端子を備えており、上記入力端子から上記発熱性素子のそれぞれに至る電流パスが存在しており、上記発熱性素子がほぼ一列に並べられており、これらの発熱性素子までの電流パスの長さが、この発熱性素子が並べられた順に長くなっており、
ｎを自然数として、上記発熱性素子の数が２ｎであるときは、好ましくは、上記列のｎ番目の上記発熱性素子と（ｎ＋１）番目の上記発熱性素子との間に、上記熱センサ素子が位置する。

上記回路基板が入力端子を備えており、上記入力端子から上記発熱性素子のそれぞれに至る電流パスが存在しており、上記発熱性素子がほぼ一列に並べられており、これらの発熱性素子までの電流パスの長さが、この発熱性素子が並べられた順に長くなっており、
ｎを自然数として、上記発熱性素子の数が（２ｎ＋１）であるときは、好ましくは、上記列のｎ番目の上記発熱性素子と（ｎ＋１）番目の上記発熱性素子との間、又は（ｎ＋１）番目の上記発熱性素子と（ｎ＋２）番目の上記発熱性素子との間に、上記熱センサ素子が位置する。

好ましくは、上記熱センサ素子は、その両側に位置する上記発熱性素子のうち、上記電流パスが短い方の発熱性素子の近くに位置する。

上記回路基板が多層基板であるときは、好ましくは、この回路基板の表面より下層に、上記第一パターン及び上記熱センサ素子を覆い、この第一パターンと電気的に接続するパターンが形成されている。より好ましくは、この回路基板の表面より下層の全てに、上記第一パターン及び上記熱センサ素子を覆い、この第一パターンと電気的に接続するパターンが形成されている。

本発明に係る電源基板では、複数の発熱性素子は、回路基板の表面に形成された第一パターン上に位置し、この第一パターンと電気的に接続している。この第一パターンは、発熱性素子からの放熱に効果的に寄与する。この第一パターンは、隣接する発熱性素子の間に切り欠きを備えている。熱センサ素子は、この切り欠きの部分に位置する。この熱センサ素子は、発熱性素子の近くに位置させることができる。この熱センサ素子は、発熱性素子の温度を精度よく測りうる。この電源基板では、良好な放熱性が実現されたうえで、発熱性素子の温度が精度よく計測できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電源基板が使用される電力変換器が示された分解斜視図である。図２は、図１の電子基板が示された概念図である。図３は、図１の電源基板の表面の一部が示された平面図である。図４は、図３の電源基板において、発熱性素子が実装されていない状態が示された平面図である。図５は、図１の電源基板の２層目の一部が示された平面図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１は、本発明の一実施形態に係る電源基板２が使用される電力変換器４が示された分解斜視図である。この電力変換器４は、電源基板２、ヒートシンク６、バスバー８、制御基板１０及び蓋１２を備えている。

電源基板２は電源を入力とし、これを変換処理した電源を出力する。電源基板２は、多くの電流が流れることで発熱する。ヒートシンク６は、その内側面に電源基板２を搭載する。電源基板２からの熱は、主にヒートシンク６に伝わり、ヒートシンク６から放熱される。ヒートシンク６は、熱伝導性に優れた金属よりなる。バスバー８は、ヒートシンク６と電源基板２との間に位置する。バスバー８により、大きな電流を流すことが可能な配線が実現されている。制御基板１０は、ヒートシンク６の反対側において、電源基板２に積層されている。制御基板１０では、ガラスエポキシの基板上に、ＩＣチップやキャパシタ等の発熱が小さい素子が搭載されている。制御基板１０からは、電源基板２の動作を制御する信号が出される。制御基板１０の回路と電源基板２の回路とで、所望の動作をする回路が構成される。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータが構成される。蓋１２は、ヒートシンク６に被せられる。蓋１２とヒートシンク６とで、電源基板２及び制御基板１０を格納する筐体が構成される。蓋１２は、熱伝導性及び導電性に優れた金属からなる。蓋１２が、絶縁性で低熱伝導性の材料からなっていてもよい。

図２は、電源基板２が示された概念図である。電源基板２は、回路基板１４、発熱性素子１６及び熱センサ素子１８を備える。図２では、発熱性素子１６を通る電流パスも矢印で示されている。

図２に示されるように、回路基板１４は、基材２０と、この基材２０の表面に形成された複数のパターン２２とを備える。図２及び後述する図３−５では、図を見やすくするため、パターン２２には影が付けられている。パターン２２は導電性の金属よりなる。パターン２２は、典型的には銅よりなる。この図では、複数のパターン２２のうち、第一パターン２２ａ、第二パターン２２ｂ及び第三パターン２２ｃが簡易的に示されている。その他のパターン２２は省略されている。基材２０は、電気的絶縁性に優れた材料よりなる。この実施形態では、基材２０はガラスエポキシである。基材２０がガラスエポキシからなる回路基板１４は、機械的強度に優れ、安価である。基材２０が、アルミナ等の金属系セラミックよりなってもよい。

図示されないが、基材２０の裏面にもパターンが形成されている。基材２０の表面と裏面との間にもパターンを形成する層が２層設けられている。この実施形態では、回路基板１４は４層基板である。基板が２層基板であってもよい。基板の層数が、４より多くてもよい。

図２に示されるように、発熱性素子１６は、回路基板１４の表面に実装されている。この概念図で表される実施形態では、４つの発熱性素子１６が、回路基板１４の表面に位置する。これらはほぼ一列に並べられている。ここでは、これらは図４の上から順に、素子Ｔ１、素子Ｔ２、素子Ｔ３及び素子Ｔ４と称される。この実施形態では、これらの素子Ｔ１−Ｔ４は、パワートランジスタである。具体的には、これらの素子Ｔ１−Ｔ４は、パワーＭＯＳＦＥＴである。これらはいずれも同じパワーＭＯＳＦＥＴである。素子Ｔ１−Ｔ４が、ＩＧＢＴ等の他のトランジスタであってもよい。

図２に示されるように、素子Ｔ１−Ｔ４は全て、第一パターン２２ａ上に位置している。素子Ｔ１−Ｔ４は全て、第一パターン２２ａと電気的に接続している。回路基板１４を裏側から見たとき、素子Ｔ１−Ｔ４は、第一パターン２２ａと接続しない端子等、その一部を除いて、第一パターン２２ａに覆われている。

図３は、素子Ｔ２及び素子Ｔ３の近辺が拡大された図である。この図では、実際のパターンが示されている。図３で示されるように、第一パターン２２ａは、素子Ｔ２と素子Ｔ３との間に、切り欠き２４を備えている。

図３で示されるように、熱センサ素子１８は、回路基板１４上において、第一パターン２２ａの切り欠き２４の部分に位置している。すなわち、熱センサ素子１８は、素子Ｔ２と素子Ｔ３との間に位置している。熱センサ素子１８は、第一パターン２２ａ上には位置していない。熱センサ素子１８は、第一パターン２２ａとは電気的に絶縁されている。熱センサ素子１８は、２つの端子を備えている。一方の端子は、第二パターン２２ｂと接続し、他方の端子は、第三パターン２２ｃと接続している。熱センサ素子１８は、第二パターン２２ｂ及び第三パターン２２ｃを介して、図示されない他の素子又はこの回路基板１４の端子に接続されている。熱センサ素子１８は、その周囲の温度を計測できる。これにより、熱センサ素子１８は、近くに位置する発熱性素子１６の温度を計測する。典型的な熱センサ素子１８として、サーミスタが例示される。

図４には、図３において、素子Ｔ２、Ｔ３及び熱センサ素子１８が実装されていない状態が示されている。図５は、図４の位置の下側における、この回路基板１４の２層目に形成されたパターン２２が示されている。図５において、符号Ａで示されているパターン２２は、第一パターン２２ａと電気的に接続するパターン２２である。図４及び図５でその一部が示されているように、回路基板１４を裏側方向から見たとき、このパターンＡは、第一パターン２２ａを覆っている。すなわち、第一パターン２２ａの下には、このパターンＡが存在する。このパターンＡは、切り欠き２４を有さない。このパターンＡは、回路基板１４を裏側方向から見たとき、熱センサ素子１８も覆っている。すなわち、熱センサ素子１８の下には、このパターンＡが存在する。

なお、ここで「パターンＡが第一パターン２２ａを覆う」としたとき、パターンＡが第一パターン２２ａを１００％覆っている必要はない。パターンＡが第一パターン２２ａの多くの部分を覆っていれば、「パターンＡが第一パターン２２ａを覆う」と称する。具体的には、パターンＡが第一パターン２２ａの面積の６０％以上を覆っていればよい。「パターンＡが熱センサ素子１８を覆う」の意味も同様である。

図示されないが、この回路基板１４では、３層目及び裏面にも第一パターン２２ａと電気的に接続するパターン（パターンＡ）が形成されている。回路基板１４を裏側方向から見たとき、これらのパターンＡは、いずれも表面の第一パターン２２ａを覆っている。これらのパターンＡは、いずれも熱センサ素子１８を覆っている。表面より下側の全ての層において、第一パターン２２ａ及び熱センサ素子１８の下には、パターンＡが存在する。

図３−５に示されるように、回路基板１４には、多数のスルーホール２６が形成されている。スルーホール２６は、異なる層に位置するパターン２２同士を電気的に接続する。第一パターン２２ａとそれぞれの層のパターンＡとは、このスルーホール２６により電気的に接続されている。スルーホール２６は、異なる層のパターン２２間での熱の伝導を促進させる。スルーホール２６により、第一パターン２２ａ及び異なる層のパターンＡの間で、効果的に熱が伝達される。スルーホール２６は、放熱に寄与する。

図２に示されるように、この回路基板１４は、発熱性素子１６への電流パスを有する入力端子２８をさらに備える。例えばこの電力変換器４がＤＣ−ＤＣコンバータであるときは、これは、入力となるＤＣ電源用の端子である。この端子からの電流パスが存在する発熱性素子１６は、例えばスイッチ用のパワーＭＯＳＦＥＴである。図２には、この入力端子２８からの電流パスが矢印で示されている。図で示されるように、入力端子２８から第一パターン２２ａまでの電流パスが存在する。電流は、第一パターン２２ａから素子Ｔ１−Ｔ４のそれぞれを通り、他の素子、スルーホール２６又は他のパターン２２を介して、出力側の端子（図示されず）に流れ込む。入力端子２８と第一パターン２２ａとの間に図示されない素子が存在し、この素子を介して、入力端子２８と第一パターン２２ａとの間に電流パスが形成されていてもよい。入力端子２８と第一パターン２２ａとが、素子を介さずに直接接続されていてもよい。すなわち、第一パターン２２ａが入力端子２８の位置まで延びていてもよい。

入力端子２８から発熱性素子１６までの電流パスの長さは、入力端子２８から発熱性素子１６の電流が入力される端子までの距離で計測される。これは、この電流パス上のパターン２２及び他の素子を通る、最短経路の長さとして定義される。図２の入力端子２８から素子Ｔ１までの電流パスは、入力端子２８から素子Ｔ２までの電流パスよりも短い。素子Ｔ２、素子Ｔ３及び素子Ｔ４までの電流パスは、この順に長くなっている。

以下では本発明の作用効果が説明される。

本発明に係る電源基板２では、複数の発熱性素子１６は、回路基板１４の表面に形成された第一パターン２２ａ上に位置し、この第一パターン２２ａと電気的に接続している。複数の発熱性素子１６がその上に載せられた第一パターン２２ａの面積は、大きい。この第一パターン２２ａは、発熱性素子１６からの放熱に効果的に寄与する。この電源基板２では良好な放熱性が実現されている。

第一パターン２２ａは、隣接する発熱性素子１６の間に切り欠き２４を備えている。熱センサ素子１８は、この切り欠き２４の部分に位置する。これにより、熱センサ素子１８を、発熱性素子１６の近くに位置させることができる。この熱センサ素子１８は、発熱性素子１６の温度を精度よく測りうる。この電源基板２では、良好な放熱性が実現されたうえで、発熱性素子１６の温度が精度よく計測できる。

上記の通り、発熱性素子１６はほぼ一列に並べられており、これらの発熱性素子１６までの電流パスの長さが、この発熱性素子１６が並べられた順に長くなっている。このとき、熱センサ素子１８は、発熱性素子１６の列の中央の近辺に位置するのが好ましい。発熱性素子１６の温度は、電流パスが短いほど高くなる傾向にある。これは、入力端子２８に近い位置ほど、電流密度が高いためである。熱センサ素子１８を発熱性素子１６の列の中央の近辺に配置させることで、これらの複数の発熱性素子１６の平均に近い温度が計測できる。

ここで、発熱性素子１６の列の中央の近辺とは、列の両端から列の数の２５％以内に入る数の発熱性素子１６を除いた列を考えて、残りの発熱性素子１６における、隣接する発熱性素子１６間の位置を指す。例えば発熱性素子１６の数が５個の場合は、列の両端から１つの発熱性素子１６を除いた３個の発熱性素子１６における、隣接する発熱性素子１６間の位置を表す。

図２の実施形態では、発熱性素子１６が４つ並んでおり、２番目の発熱性素子１６と３番目の発熱性素子１６との間に熱センサ素子１８が位置している。このように、一列に並んだ発熱性素子１６の数が偶数である場合、すなわち、ｎを自然数として、発熱性素子１６の数が２ｎである場合、電流パスが短い方から数えて、この列のｎ番目の発熱性素子１６と（ｎ＋１）番目の発熱性素子１６との間に、熱センサ素子１８が位置するのがより好ましい。このようにすることで、これらの複数の発熱性素子１６のより平均に近い温度が計測できる。

一列に並んだ発熱性素子１６の数が奇数である場合、すなわち、ｎを自然数として、発熱性素子１６の数が（２ｎ＋１）である場合、電流パスが短い方から数えて、列のｎ番目の発熱性素子１６と（ｎ＋１）番目の発熱性素子１６との間、又は（ｎ＋１）番目の発熱性素子１６と（ｎ＋２）番目の発熱性素子１６との間に、熱センサ素子１８が位置するのがより好ましい。このようにすることで、これらの複数の発熱性素子１６のより平均に近い温度が計測できる。

なお、発熱性素子１６の数が（２ｎ＋１）である場合、熱センサ素子１８は、列のｎ番目の発熱性素子１６と（ｎ＋１）番目の発熱性素子１６との間に位置するのが、（ｎ＋１）番目の発熱性素子１６と（ｎ＋２）番目の発熱性素子１６との間に位置するより好ましい。前述のとおり、電流パスが短い発熱性素子１６の方が、電流パスが長い発熱性素子１６よりも温度が高くなる傾向にある。このように、熱センサ素子１８をより電流パスが短い発熱性素子１６の近くに位置させることにより、発熱性素子１６の温度を低く検知することが防止されている。

図３に示されるように、熱センサ素子１８と素子Ｔ２との距離は、熱センサ素子１８と素子Ｔ３との距離よりも近い。このように、熱センサ素子１８は、その両側に位置する発熱性素子１６のうち、電流パスが短い方の発熱性素子１６の近くに位置するのが好ましい。このようにすることにより、発熱性素子１６の温度を低く検知することが防止されている。

前述のとおり、回路基板１４の２層目にはパターンＡが形成されている。このように、回路基板１４の表面より下層に、第一パターン２２ａ及び熱センサ素子１８を覆い、第一パターン２２ａと電気的に接続するパターンが形成されているのが好ましい。このようにすることで、発熱性素子１６の熱は、第一パターン２２ａを介してこのパターンに効果的に伝達される。このパターンは、発熱性素子１６からの放熱に寄与する。基材２０がガラスエポキシからなる回路基板１４おいても、発熱性素子１６からの熱が、効果的に放出される。このパターンが熱センサ素子１８を併せて覆うことにより、熱センサ素子１８で精度よく発熱性素子１６の温度を計測することができる。

前述のとおり、回路基板１４の２層目、３層目及び裏面にはパターンＡが形成されている。このように、回路基板１４の表面より下の全ての層に、第一パターン２２ａ及び熱センサ素子１８を覆い、第一パターン２２ａと電気的に接続するパターンが形成されているのがより好ましい。このようにすることで、発熱性素子１６の熱は、第一パターン２２ａを介してこれら全てのパターンに効果的に伝達される。これらのパターンは、発熱性素子１６からの放熱に寄与する。基材２０がガラスエポキシからなる回路基板１４おいても、発熱性素子１６からの熱が、より効果的に放出される。これらのパターンが熱センサ素子１８を併せて覆うことにより、熱センサ素子１８で精度よく発熱性素子１６の温度を計測することができる。

以上説明されたとおり、本発明によれば、良好な放熱性を実現しつつ、発熱性素子１６の温度が精度良く測定されうる電源基板２が得られる。このことから、本発明の優位性は明らかである。

以上説明された電源基板は、自動車用の電力変換器をはじめ、種々の機器に使用される。

２・・・電源基板
４・・・電力変換器
６・・・ヒートシンク
８・・・バスバー
１０・・・制御基板
１２・・・蓋
１４・・・回路基板
１６・・・発熱性素子
１８・・・熱センサ素子
２０、・・・基材
２２・・・パターン
２２ａ・・・第一パターン
２２ｂ・・・第二パターン
２２ｃ・・・第三パターン
２４・・・切り欠き
２６・・・スルーホール

Claims

表面に第一パターンを含む複数のパターンが形成された回路基板と、この第一パターン上に位置しこの第一パターンと電気的に接続する複数の発熱性素子と、この第一パターンと電気的に絶縁された熱センサ素子とを備えており、
上記第一パターンが、隣接する上記発熱性素子の間に切り欠きを備えており、
上記熱センサ素子が、この切り欠きの部分に位置する、電源基板。
上記回路基板が入力端子を備えており、
上記入力端子から上記発熱性素子のそれぞれに至る電流パスが存在しており、
上記発熱性素子がほぼ一列に並べられており、これらの発熱性素子までの電流パスの長さが、この発熱性素子が並べられた順に長くなっており、
ｎを自然数として、上記発熱性素子の数が２ｎであり、
上記列のｎ番目の上記発熱性素子と（ｎ＋１）番目の上記発熱性素子との間に、上記熱センサ素子が位置する、請求項１に記載の電源基板。
上記回路基板が入力端子を備えており、
上記入力端子から上記発熱性素子のそれぞれに至る電流パスが存在しており、
上記発熱性素子がほぼ一列に並べられており、これらの発熱性素子までの電流パスの長さが、この発熱性素子が並べられた順に長くなっており、
ｎを自然数として、上記発熱性素子の数が（２ｎ＋１）であり、
上記列のｎ番目の上記発熱性素子と（ｎ＋１）番目の上記発熱性素子との間、又は（ｎ＋１）番目の上記発熱性素子と（ｎ＋２）番目の上記発熱性素子との間に、上記熱センサ素子が位置する、請求項１に記載の電源基板。
上記熱センサ素子が、その両側に位置する上記発熱性素子のうち、上記電流パスが短い方の発熱性素子の近くに位置する請求項２又は３に記載の電源基板。
上記回路基板が多層基板であり、
この回路基板の表面より下層に、上記第一パターン及び上記熱センサ素子を覆い、この第一パターンと電気的に接続するパターンが形成されている請求項１から４のいずれかに記載の電源基板。
この回路基板の表面より下の全ての層に、上記第一パターン及び上記熱センサ素子を覆い、この第一パターンと電気的に接続するパターンが形成されている請求項５に記載の電源基板。