JP5840527B2

JP5840527B2 - 回路基板

Info

Publication number: JP5840527B2
Application number: JP2012035568A
Authority: JP
Inventors: 祐治日吉; 阿久津　進; 進阿久津
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: JP2013170947A

Description

本発明は、シャント抵抗を備えた回路基板に関する。

従来、回路パターンが形成された回路基板において、高圧、大電流といった大出力を実現する場合、回路パターンの厚みを増して配線抵抗を下げる技術（１）が知られている。また、絶縁板の表裏面に回路パターンが形成された回路基板では、大電流が流れる部品間の回路パターンにスルーホールを設け、当該スルーホールにジャンパ線を挿入してはんだ付けする技術（２）が知られている（例えば、特許文献１参照）。さらに、回路パターンに導体ワイヤを接続して電流容量を増やす技術（３）が提案されている。

特許第３８２７１５８号公報

しかしながら、回路パターンの厚みを増やす場合（１）には、回路パターンに用いる導電性材料（例えば、銅）の使用量が増えるため、コストが高くなってしまう。また、ジャンパ線をはんだ付けする場合（２）には、電流経路としてのスルーホールを多数設けなければならず、回路基板が大型化してしまう。さらに、並列に接続された複数の回路部品と、これらの回路部品に直列に接続した電流検出用のシャント抵抗とが回路パターンに接続された回路基板において、複数の回路部品とシャント抵抗とを繋ぐように導体ワイヤを抵抗回路パターンに接続する場合（３）には、一部の導体ワイヤを直線状に接続することができず、複数の回路部品とシャント抵抗との間の抵抗が異なるため、各回路部品からシャント抵抗に流れる電流がアンバランスとなり、その結果、電流検出を正確に行うことができないおそれがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電流のアンバランスを防止可能とした回路基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、回路パターンの電流容量を増やす導体が設けられ、電流検出用のシャント抵抗が前記回路パターンに接続された回路基板において、前記シャント抵抗に、前記回路パターンに接続される入力端子、及び出力端子の対を複数設け、前記シャント抵抗の各入力端子に流入する電流密度、或いは各出力端子から流出する電流の電流密度を等しくする位置に前記導体を接続したことを特徴とする。
上記構成によれば、シャント抵抗に入力端子及び出力端子の対を複数設けたため、例えば、並列に接続された複数の回路部品にシャント抵抗を接続した場合にも、導体を直線状に配置することが可能となる。また、シャント抵抗は、複数の端子に流れる電流密度が均一でないと抵抗値が大きくなるが、シャント抵抗の各入力端子に流入する電流密度、或いは各出力端子から流出する電流の電流密度を等しくする位置に導体を接続したため、見かけ上の抵抗値の増加を防止できる。

上記構成において、前記シャント抵抗は、前記回路パターンの上空に前記入力端子から前記出力端子に至る電流経路を有してもよい。
上記構成によれば、シャント抵抗の実装面積が小さくなるので、回路基板を小型化できる。

上記構成において、前記回路パターンが形成された基板層と、前記導体のパターンが形成された導体層とを積層してもよい。
上記構成によれば、基板層と導体層を積層することで導体を回路基板に設けることができるので、回路基板に導体を個別に取り付ける場合に比べ、回路基板を容易に形成できる。

本発明によれば、シャント抵抗に入力端子及び出力端子の対を複数設けたため、例えば、並列に接続された複数の回路部品にシャント抵抗を接続した場合にも、導体を直線状に配置することが可能となり、電流のアンバランスを防止できる。また、シャント抵抗の各入力端子に流入する電流密度、或いは各出力端子から流出する電流の電流密度を等しくする位置に導体を接続したため、シャント抵抗の見かけ上の抵抗値の増加を防止できる。

また、シャント抵抗は、回路パターンの上空に入力端子から出力端子に至る電流経路を有するため、シャント抵抗の実装面積が小さくなるので、回路基板を小型化できる。

また、回路基板が、回路パターンが形成された基板層と、導体のパターンが形成された導体層とを積層して構成されるため、基板層と導体層を積層することで導体を回路基板に設けることができるので、回路基板に導体を個別に取り付ける場合に比べ、回路基板を容易に形成できる。

本発明の実施の形態に係る回路基板を使用したモータ駆動装置の電気的構成を示す図である。パワードライブユニットを基板の上面側から示す斜視図である。パワードライブユニットを基板の下面側から示す斜視図である。シャント抵抗を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は展開図である。回路基板の一部を示す模式図である。回路基板を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る回路基板を使用したモータ駆動装置の電気的構成を示す図である。
このモータ駆動装置１は、電気自動車或いはハイブリッド自動車に搭載される車載装置であり、制御装置（能動部）として機能する電子制御ユニット（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：ＥＣＵ）１０と、実際に、車両駆動用のモータ（駆動源）３０を駆動する能動部（パワーモジュールとも称する）として機能するパワードライブユニット（ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅＵｎｉｔ：ＰＤＵ）２０とを備え、電子制御ユニット１０とパワードライブユニット２０との接続は、複数本（本構成では６本）のハーネス（配線）ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬで行われる。

パワードライブユニット２０は、電子制御ユニット１０の制御の下、スイッチング素子（トランジスタ３１Ｈ，３１Ｌ）を用いた電流制御により駆動源であるモータ３０を駆動する電力変換ユニットであり、入力側の高圧側入力端子１３と低圧側入力端子１４とに、車載バッテリーである外部電源１２が接続され、出力側のＵ相出力端子１５、Ｖ相出力端子１６及びＷ相出力端子１７に、三相交流式のモータ３０が接続される。
このパワードライブユニット２０は、高圧側入力端子１３と低圧側入力端子１４との間に設けられ、外部電源１２から供給された直流電源の平滑化を行う平滑コンデンサ２２と、外部電源１２から供給される直流電流を、交流のモータ駆動電流に変換し、モータ３０に出力するインバーター回路２３と、インバーター回路２３のトランジスタ３１Ｈ，３１Ｌを各々駆動するゲート駆動回路２４を配置したゲート駆動基板２５とを備えている。

インバーター回路２３は、パルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバーターであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相毎に対をなす高電位側トランジスタ３１Ｈと低電位側トランジスタ３１Ｌとをブリッジ接続し、複数（本構成では６個）のトランジスタ３１Ｈ，３１Ｌを、ゲート駆動回路２４によってオン／オフする。
各トランジスタ３１Ｈ，３１Ｌには、パワー半導体である絶縁ゲート型トランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチングトランジスタ（スイッチング素子）が用いられる。

各相の高電位側トランジスタ３１Ｈは、高電位側に接続されてハイサイドアームを構成し、各相の低電位側トランジスタ３１Ｌは、低電位側に接続されてローサイドアームを構成する。
各トランジスタ３１Ｈ，３１Ｌのコレクタ−エミッタ間には、転流ダイオード３２Ｈ，３２Ｌが接続され、転流ダイオード３２Ｈ，３２Ｌには、トランジスタ３１Ｈ，３１Ｌがオフの間にトランジスタ３１Ｈ，３１Ｌのエミッタ側からコレクタ側に電流が流れるように構成される。

本実施の形態では、トランジスタ３１Ｈ及び転流ダイオード３２Ｈと、ならびに、トランジスタ３１Ｌ及び転流ダイオード３２Ｌとが各相のパワー素子３３ＵＨ，３３ＵＬ，３３ＶＨ，３３ＶＬ，３３ＷＨ，３３ＷＬ（以下、３３ＵＨ〜３３ＷＬと記載する。）を構成している。パワー素子３３ＵＨ〜３３ＷＬは、図１では図示を省略するが、それぞれ複数（本実施の形態では、４つ）ずつ設けられている。
各相には、電流検出用のシャント抵抗４０が設けられている。

ゲート駆動回路２４には、電子制御ユニット１０からの制御信号が入力される。より具体的には、ゲート駆動回路２４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相毎に対で設けられており、Ｕ相のゲート駆動回路２４には、ハーネスＵＨ，ＵＬを介してＵ相の制御信号が入力され、Ｖ相のゲート駆動回路２４には、ハーネスＶＨ，ＶＬを介してＶ相の制御信号が入力され、Ｗ相のゲート駆動回路２４には、ハーネスＷＨ，ＷＬを介してＷ相の制御信号が入力される。

各ゲート駆動回路２４は、トランジスタ３１Ｈ，３１Ｌの各々にゲート電圧を供給可能であり、入力された制御信号により各トランジスタ３１Ｈ，３１Ｌのゲート電圧をオン（Ｈｉレベル）／オフ（Ｌｏｗレベル）に制御することで、各トランジスタ３１Ｈ，３１Ｌをスイッチングさせ、Ｕ相出力端子１５からＵ相電流を出力させ、Ｖ相出力端子１６からＶ相電流を出力させ、Ｗ相出力端子１７からＷ相電流を出力させる。
つまり、パワードライブユニット２０には、相毎に２本のハーネスＵＨ〜ＷＬが接続され、これらハーネスＵＨ〜ＷＬを介して、相毎に対の制御信号が入力されて各相の電流が生成出力されるようになっている。

図２は、パワードライブユニット２０を上面側から示す斜視図である。図３は、パワードライブユニット２０を下面側から示す斜視図である。図４は、シャント抵抗４０を示す図であり、図４（Ａ）は正面図、図４（Ｂ）は側面図、図４（Ｃ）は展開図である。
パワードライブユニット２０は、平滑コンデンサ２２や、パワー素子３３ＵＨ〜３３ＷＬ、シャント抵抗４０等の電子部品を配置する略矩形状の回路基板２１を備えている。この回路基板２１は、図示は省略するが、制御装置や車両駆動用モータ等の機器と配線接続されるようになっている。なお、図２及び図３では、回路基板２１の短辺の手前を前側、奥を後側、長辺の左方を左側、右方を右側とする。

平滑コンデンサ２２は、複数（本実施の形態では、５つ）の電解コンデンサ２６と、１つのフィルムコンデンサ２７を備えて構成されている。複数の電解コンデンサ２６は、回路基板２１の短手方向略中央部において、回路基板２１の長手方向に沿って一列に配置されている。電解コンデンサ２６は、回路基板２１の短手方向一方側（前側）の２つが隣接するとともに、回路基板２１の短手方向他方側（後側）の２つが隣接して配置されている。フィルムコンデンサ２７は、回路基板２１の後側に位置する一の隅部に配置されている。電解コンデンサ２６及びフィルムコンデンサ２７はそれぞれ略円柱状に形成され、電解コンデンサ２６は軸を上下方向に向けて、フィルムコンデンサ２７は軸を水平方向（左右方向）に向けて回路基板２１に配置されている。

配列されたフィルムコンデンサ２７の一方側（左側）には、回路基板２１の前側から高電位側のパワー素子３３ＶＨ，３３ＷＨ，３３ＵＨが配置され、フィルムコンデンサ２７の他方側（右側）には、前側から低電位側のパワー素子３３ＶＬ，３３ＷＬ，３３ＵＬが配置されている。パワー素子３３ＵＨ〜３３ＷＬは、略板状に形成され、平面部３３が回路基板２１の長手方向に沿うように縦置き配置されている。これにより、パワー素子を回路基板２１に平置き配置する場合に比べ、パワー素子３３ＵＨ〜３３ＷＬの実装面積が小さくなるので、回路基板２１を小型化できる。

４つのパワー素子３３ＵＨのうち、２つのパワー素子３３ＵＨは隣接して一体に設けられ、これら２つのパワー素子３３ＵＨに対向して残り２つのパワー素子３３ＵＨが隣接して一体に設けられている。パワー素子３３ＶＨ，３３ＷＨ，３３ＵＬ，３３ＶＬ，３３ＷＬについても、パワー素子３３ＵＨと同様の配置構成となっているため、説明を省略する。
パワー素子３３ＵＬ，３３ＶＬ，３３ＷＬ（以下、３３ＵＬ〜３３ＷＬと記載する。）の下流側（グラウンド側）には、当該パワー素子３３ＵＬ〜３３ＷＬに対して略直角にシャント抵抗４０が配置されている。より詳細には、一のシャント抵抗４０はパワー素子３３ＶＬ，３３ＷＬ間に配置され、二のシャント抵抗４０はパワー素子３３ＷＬ，３３ＵＬ間に配置され、三のシャント抵抗４０はパワー素子３３ＵＬと回路基板２１の後側の短辺との間に配置されている。

シャント抵抗４０は、図４に示すように、アーチ状の本体４１を備え、この本体４１の一端には複数（本実施の形態では、５つ）の入力端子４２が、他端には複数（本実施の形態では、５つ）の出力端子４３が取り付けられている。シャント抵抗４０は、図３に示すように、本体４１の平面部４４が回路基板２１の短手方向に沿うように、縦置き配置されている。

この回路基板２１ではシャント抵抗をグラウンド側に配置する構成となっているため、一般的な板状のシャント抵抗（１０Ｗ程度）を回路基板２１に平置き配置してしまうと、回路基板２１の長手方向の寸法が大きくなるとともに、回路基板２１のデットスペースが大きくなってしまう。そこで、本実施の形態では、上記のように、シャント抵抗４０を、その入力端子４２から出力端子４３に至る電流経路が部品実装面（回路基板２１の表裏面）の上空を通るようにアーチ状に形成し、回路基板２１に縦置き配置しているため、回路基板２１の長手方向におけるシャント抵抗４０の実装面積を小さくすることができ、回路基板２１を小型化できる。また、シャント抵抗４０をアーチ状にすることで、電流経路を確保できるので、大電流化及び高放熱化を実現できる。また、電流経路としてのスルーホールが不要となるので、回路基板２１を小型化できる。

なお、平滑コンデンサ２２や、パワー素子３３ＵＨ〜３３ＷＬ、シャント抵抗４０等の電子部品は、それらの端子２２Ａ，３３Ａ，４２，４３が回路基板２１の挿通孔２２Ｂ，３３Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂに挿通されて実装されるＴＨＤ（ＴｈｒｏｕｇｈＨｏｌｅｍｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）型の部品である。これらの電子部品は、挿通孔２２Ｂ，３３Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂの周りに形成されたランド５８（図５参照）に半田付けされることで、回路基板２１に固定される。

図５は回路基板２１の一部を示す模式図である。図６は回路基板２１を模式的に示す断面図である。
回路基板２１は、複数（本実施の形態では、３つ）の絶縁層５１の間及び外表面に、例えば銅箔等の基板層５２Ａ，５２Ｂを積層して構成されている。各基板層５２Ａ，５２Ｂには回路パターン５３が形成され、内層の基板層５２Ａには導体ワイヤ（導体）５６が接続されている。内層の基板層５２Ａに面する側の絶縁層５１には、導体ワイヤ５６に対応する位置に、複数の凹部５４が形成されており、絶縁層５１と基板層５２Ａとを積層することで、凹部５４内に導体ワイヤ５６に配置される。導体ワイヤ５６の厚さによっては、凹部５４が形成された部分の絶縁層５１の厚さが薄くなるため、必要に応じて当該絶縁層５１を厚くすればよい。このように、回路基板２１の内層に導体ワイヤ５６を設けているため、導体ワイヤ５６の実装に部品実装面を使用することがなく、回路基板２１の大型化を抑えつつ、電流容量を大きくすることができる。
外表面の基板層５２Ｂには、上述した半田付け用のランド５８が形成されている。ランド５８はその他の基板層５２Ｂの回路パターン５３に導通しており、平滑コンデンサ２２や、パワー素子３３ＵＨ〜３３ＷＬ、シャント抵抗４０等の電子部品は、端子２２Ａ，３３Ａ，４２，４３がランド５８に半田付けされることで、その他の基板層５２Ｂの回路パターン５３に電気的に接続されている。

導体ワイヤ５６は、回路パターン５３の電流容量を増やす細い箔状の導体であり、例えば、銅製の薄板状ワイヤを用いて構成されている。なお、図５では、説明のため、導体ワイヤ５６及びランド５８を同一平面上に示し、導体ワイヤ５６のパターンを網掛けで図示している。また、図５では、パワー素子３３ＵＬの下流側に配置されるシャント抵抗４０に係る導体ワイヤ５６の配置構成について図示するが、パワー素子３３ＶＬ，３３ＷＬの下流側に配置されるシャント抵抗４０に係る導体ワイヤ５６についても略同一の構成であるため、説明を省略する。さらに、各パワー素子３３ＵＬからシャント抵抗４０に流れる電流の容量を増やす導体ワイヤ５６に導体ワイヤ５６Ａ〜５６Ｄと符号を付して各々を区別するものとする。

図５に示すように、導体ワイヤ５６Ａ〜５６Ｄは、パワー素子３３ＵＬの配列方向（回路基板２１の長手方向）と平行に配置されている。このように、パワー素子３３ＵＨ〜３３ＷＬを回路基板２１の長手方向に沿って縦置き配置するとともに、パワー素子３３ＵＬ〜３３ＷＬに対して略直角にシャント抵抗４０を配置して、導体ワイヤ５６を、パワー素子３３ＵＬ〜３３ＷＬの配列方向と平行に配置することで、最小の部品実装面積で回路を構成することができるので、回路基板２１を小型化できる。

また、シャント抵抗４０に入力端子４２及び出力端子４３の対を複数設けているため、導体ワイヤ５６Ａ〜５６Ｄを、各パワー素子３３ＵＬからシャント抵抗４０に直線状に設けることができる。これにより、導体ワイヤ５６Ａ〜５６Ｄのいずれかを曲線状や折れ線状に配置する場合に比べ、各パワー素子３３ＵＬからシャント抵抗４０の入力端子４２間の抵抗を略同等とすることができるので、シャント抵抗４０に入る電流密度を均等化することができ、電流を正確に検出できる。

導体ワイヤ５６は、図６に示すように、接続点６０を介して基板層５２Ａと電気的に接続されている。この接続点６０は、回路パターン５３と導体ワイヤ５６とが上下に重なる部分において、例えば溶接により回路パターン５３と導体ワイヤ５６とを電気的に接続した導体部である。

ところで、図５を参照し、シャント抵抗４０は、複数の出力端子４３から流出する電流の合流地点Ｐ間の距離が異なっていると、各出力端子４３から流出する電流の電流密度に差異が生じる。より詳細には、出力端子４３から合流地点Ｐへの距離が長くなるほど、電流が流れにくくなる。
そこで、本実施の形態では、合流地点Ｐから遠方の端子付近（図５の例では、合流地点Ｐから遠方の２つの挿通孔４２Ｂ１近傍）に接続点６０Ａを設けて導体ワイヤ５６を接続している。このように、シャント抵抗４０の出力端子４３から流出する電流の電流密度を等しくする位置に接続点６０を設けたため、シャント抵抗４０の見かけ上の抵抗値の増加を防止できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、シャント抵抗４０に、回路パターン５３に接続される入力端子４２、及び出力端子４３の対を複数設け、シャント抵抗４０の各入力端子４２に流入する電流密度、或いは各出力端子４３から流出する電流の電流密度を等しくする位置に導体ワイヤ５６を接続する構成とした。シャント抵抗４０に入力端子４２及び出力端子４３の対を複数設けたため、例えば、並列に接続された複数の回路部品（３３ＵＬ〜３３ＷＬ）にシャント抵抗４０を接続した場合にも、導体ワイヤ５６を直線状に配置することが可能となり、複数の入力端子４２及び出力端子４３に流れる電流のアンバランスを防止できる。また、シャント抵抗４０は、電流密度が均一でないと抵抗値が大きくなるが、シャント抵抗４０の各入力端子４２に流入する電流密度、或いは各出力端子４３から流出する電流の電流密度を等しくする位置に導体ワイヤ５６を接続したため、シャント抵抗４０の見かけ上の抵抗値の増加を防止できる。

また、本実施の形態によれば、シャント抵抗４０は、回路パターン５３（部品実装面）の上空に入力端子４２から出力端子４３に至る電流経路を有するため、シャント抵抗４０の実装面積が小さくなるので、回路基板２１を小型化できる。

但し、上記実施の形態は本発明の一態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、回路基板２１に貫通孔６１を形成し、この貫通孔６１を用いて回路パターン５３と導体ワイヤ５６とを接続する接続点６０を形成していたが、回路パターン５３と導体ワイヤ５６とが接続されれば、必ずしも回路基板２１を貫通させる必要はない。回路パターン５３と導体ワイヤ５６とを溶接により接続したが、回路パターン５３と導体ワイヤ５６との接続はこれに限定されるものではない。

また、上記実施の形態では、基板層５２Ａに導体ワイヤ５６を溶接していたが、回路パターン５３が形成された基板層５２Ａ，５２Ｂと、導体ワイヤ５６のパターンが形成された導体層とを積層する構成としてもよい。この構成により、基板層５２Ａ，５２Ｂと導体層を積層することで導体ワイヤ５６を回路基板２１に設けることができるので、回路基板２１に導体ワイヤ５６を個別に取り付ける場合に比べ、回路基板２１を容易に形成できる。

１モータ駆動装置
２０パワードライブユニット
２１回路基板
４０シャント抵抗
４２入力端子
４３出力端子
５３回路パターン
５６導体ワイヤ（導体）

Claims

回路パターンの電流容量を増やす導体が設けられ、電流検出用のシャント抵抗が前記回路パターンに接続された回路基板において、
前記シャント抵抗に、前記回路パターンに接続される入力端子、及び出力端子の対を複数設け、前記シャント抵抗の各入力端子に流入する電流密度、或いは各出力端子から流出する電流の電流密度を等しくする位置に前記導体を接続したことを特徴とする回路基板。
前記シャント抵抗は、前記回路パターンの上空に前記入力端子から前記出力端子に至る電流経路を有することを特徴とする請求項１に記載の回路基板。