JP4357762B2 - 車両用パワーディストリビュータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載されるバッテリー等の電源から供給される電力を複数の車載負荷に分配するための車両用パワーディストリビュータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車載電源から供給された電力を複数の車載負荷に分配する手段として、複数枚のバスバー基板を積層することにより配電用回路を構成し、これにヒューズやリレースイッチを組み込んだ電気接続箱が一般に知られている。
【０００３】
さらに近年は、かかる電気接続箱の小型化や高速スイッチング制御を実現すべく、前記リレーに代えてＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を入力端子と出力端子との間に介在させ、その通電のオンオフを制御回路基板に組み込まれた制御回路によって行うようにしたパワーディストリビュータの開発が進められている。
【０００４】
例えば特開平１０−１２６９６３号公報には、制御回路基板上に複数の半導体チップが実装され、その通電制御端子（制御信号入力端子）が前記制御回路基板の制御回路に接続されるとともに、各半導体チップの入力側通電端子が共通の電源入力端子を介して電源に接続され、各半導体チップの出力側通電端子が電源出力端子を介して各車載負荷に接続されるようにしたものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に示される装置では、各半導体素子が制御回路基板上に実装されているので、当該半導体素子の放熱（冷却）が困難であり、場合によってはその熱で同じ制御回路基板上の他の回路素子に悪影響を及ぼすおそれがある。特に、前記半導体素子が電源から車載負荷への電力供給回路に組み込まれるパワーディストリビュータにおいては、当該半導体素子の発熱が著しく、制御回路基板上に実装することは好ましくない。
【０００６】
このような不都合を回避する手段として、前記半導体素子をケース内において前記制御回路基板から離れた別の箇所に配置し、これら半導体素子と制御回路基板とを適当な接続媒体を介して電気的に接続するとともに、各半導体素子を、例えば特開平１０−１５０２８３号公報に示されるような、ケース外面に設けられた金属製の放熱部材に熱伝達可能に接続し、この放熱部材を通じて前記半導体素子の発する熱をケース外部に放散させることが考えられる。
【０００７】
しかし、この構造では、半導体素子自体の温度は前記放熱部材によってある程度下げることができるものの、当該半導体素子の発熱でケース内のエアが加熱されることによるケース内雰囲気温度の上昇を有効に抑止することはできない。特に、車両用パワーディストリビュータにおいては、雨水等の侵入を防ぐためにケース内の密封状態が保たれており、当該ケース内の熱はどうしてもこもり易い。そして、かかるケース内雰囲気温度の上昇によって、結果的にケース内の他の電子デバイス（特に耐熱性の低いデバイス）の性能に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、制御回路基板と半導体素子とを別配置にして半導体素子を有効に冷却するのに加え、簡素な構造でケース内の雰囲気温度の上昇を有効に抑止することができる車両用パワーディストリビュータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、車両に搭載された電源から供給される電力を複数の車載負荷に分配するための車両用パワーディストリビュータであって、前記電源から車載負荷への電力供給回路に組み込まれる複数の半導体素子と、これらの半導体素子の動作を制御する制御回路が組み込まれた制御回路基板と、前記半導体素子及び制御回路基板を格納するケースと、このケースの外面に設けられ、前記半導体素子から伝わった熱をケース外に放散する放熱部材とを備え、前記制御回路基板は、前記各半導体素子の配設位置を挟んで前記放熱部材と反対の側から当該半導体素子を覆う位置に配設されるとともに前記半導体素子と対向する面に伝熱層を有し、この伝熱層と前記放熱部材とが伝熱部材を介して接続されているものである。
【００１０】
この構成によれば、半導体素子と制御回路基板とが別配置とされることにより、基板自体の温度上昇が避けられるとともに、各半導体素子の発する熱がケース外部に設けられた放熱部材を通じてケース外部へ有効に放散される。
【００１１】
しかも、前記制御回路基板は、放熱部材と反対の側から各半導体素子を覆うように配設されるとともに、前記半導体素子に対向する面に伝熱層を有しており、この伝熱層が伝熱部材を介して前記放熱部材に接続されているので、この制御回路基板と各半導体素子とに挟まれた空間内のエアの熱も、前記伝熱層及び伝熱部材を熱媒体として前記放熱部材に伝えられ、放散される。すなわち、この構造によれば、ケース内に設けられる制御回路基板自体を有効に活用した簡素な構造で、半導体素子の発熱に起因するケース内雰囲気温度の上昇を抑止することができる。
【００１２】
なお、前記伝熱層や伝熱部材の材質はケースや制御回路基板本体の材質（一般には合成樹脂）よりも伝熱性の高いものであればよく、金属材料、特にアルミや銅といった熱伝導率の高い材料が好適である。
【００１３】
前記各半導体素子や放熱部材、制御回路基板の具体的な配置は特に問わないが、前記各半導体素子が略同一平面上に配設され、その配設面と略平行に前記放熱部材及び制御回路基板が配設されている構成とすれば、前記放熱部材によって各半導体素子を均一に効率良く冷却できるとともに、制御回路基板の伝熱層によるケース内の熱回収も効率良く行うことが可能になる。
【００１４】
前記伝熱部材には、専用のものを用いてもよいが、この伝熱部材として前記制御回路基板をケースに固定するための金属製ボルトを伝熱部材として兼用することが可能であり、この兼用によって構造はより簡素化される。その場合、前記ボルトが前記伝熱層と放熱部材の双方に接触するようにすればよい。
【００１５】
例えば、前記ボルトが前記制御回路基板に設けられたボルト挿通孔及び前記ケースを貫通して前記放熱部材に結合されている構成とすることにより、当該ボルトによって制御回路基板をケースに固定しながら、このボルトを媒介として、制御回路基板における伝熱層の熱を当該基板と反対側の放熱部材へ有効に伝えることができる。
【００１６】
この場合、前記制御回路基板における伝熱層が前記ボルト挿通孔の内周面及び前記ボルトの頭部裏面に接触する面にまで設けられている構成とすることにより、前記伝熱層の熱を高い効率で前記ボルトに伝達することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
まず、この実施の形態にかかる車両用パワーディストリビュータの回路構成を図１を参照しながら説明する。
【００１９】
このパワーディストリビュータは、前記バッテリーに接続される入力端子１０と、複数（図例では４つ）の出力端子１２とを備え、各出力端子１２と前記入力端子１０との間にそれぞれ半導体素子（図例ではパワーＭＯＳＦＥＴ１４。以下、単に「ＦＥＴ」と称する。）が介在している。詳しくは、各ＦＥＴ１４の入力側通電端子（ドレイン）が共通の入力端子１０に接続され、各ＦＥＴ１４の出力側通電端子（ソース）がこれに対応する出力端子１２に接続されている。
【００２０】
各ＦＥＴ１４の通電制御端子（ゲート）は、すべて制御回路基板１８の制御回路に接続されている。この実施の形態では、入力端子１０に印加される電源電圧及び各ＦＥＴ１４のソース電圧も前記制御回路に入力されるようになっている。
【００２１】
この制御回路は、基板用端子１６を通じて外部から入力される操作信号（スイッチ信号など）に基づき、制御用端子１７を通じて各ＦＥＴ１４のゲートに制御信号を入力することにより当該ＦＥＴ１４の通電制御を行うとともに、前記電源電圧と各ＦＥＴ１４のソース電圧との電位差から制御回路が当該ＦＥＴ１４を流れる電流を演算して当該電流が許容範囲を超える場合にＦＥＴ１４をオフにし、かつ、図略の表示装置に基板用端子１６を通じて警告信号を出力する制御を行う。
【００２２】
なお、本発明では制御回路基板１８に組み込まれる制御回路の具体的な制御内容を問わない。
【００２３】
次に、この車両用パワーディストリビュータの具体的な構造を、図２〜図４を参照しながら説明する。
【００２４】
図２に示すように、入力端子１０及び各出力端子１２は、短冊状に形成され、全て同じ向き（同図では右向き）に突出する状態で一列に配列されている。さらに、各出力端子１２の横には同じく短冊状の制御用端子１７が形成され、この制御用端子１７と出力端子１２とが交互に配列されるとともに、その外側（図２では下側）に入力端子１０が配列されている。
【００２５】
これらの端子１０，１２，１７の奥側（図２では左側）には、その端子配列方向に延びるドレイン接続板（導体板）２０が配され、このドレイン接続板２０及び入力端子１０が同じ１枚の金属板で構成されている。すなわち、ドレイン接続板２０のすぐ側方にその長手方向に沿って入力端子１０、出力端子１２、及び制御用端子１７が配列され、ドレイン接続板２０と入力端子１０とは一体につながった状態となっている。そして、このドレイン接続板２０上にその長手方向（すなわち各端子の配列方向）に沿ってＦＥＴ１４が配列され、かつ実装されている。
【００２６】
各ＦＥＴ１４の端子のうち、入力側通電端子であるドレイン端子１４ｄは図４に示すようにチップ本体の裏面に露出するように形成され、出力側通電端子であるソース端子１４ｓ及び通電制御端子であるゲート端子１４ｇは図２に示すように前記チップ本体の側面から同じ向きに突出している。そして、前記各出力端子１２及び制御用端子１７の配列及びピッチに対応する配列及びピッチでドレイン接続板２０上に各ＦＥＴ１４が一列に配され、これらＦＥＴ１４のドレイン端子１４ｄが前記ドレイン接続板２０に直接接触する状態で当該ドレイン接続板２０上にＦＥＴ１４が溶接等（例えば半田付け）によって実装されるとともに、各ＦＥＴ１４のソース端子１４ｓ及びゲート端子１４ｇがそれぞれ出力端子１２及び制御用端子１７の後端に半田付けなどの手段で電気的に接続されている。
【００２７】
この実施の形態にかかるパワーディストリビュータの製造は、例えば次のような方法によって簡単に行うことができる。すなわち、１枚の金属板から前記各端子１０，１２，１７及びドレイン接続板２０が相互に小幅のつなぎ部分でつながれた形状の原板を打ち抜いた後、その打ち抜いた金属板の外側に樹脂モールドを成形し、その後に前記つなぎ部分を切断すればよい。この方法を採用した場合、その樹脂モールドをそのままパワーディストリビュータのケース２２として利用することができる。
【００２８】
このケース２２は、図２に示すように、前記ドレイン接続部２０を上下に開放する窓２２ａと、出力端子１２及び制御用端子１７の中間部分を上下に開放する窓２２ｂとを有し、これらの窓２２ａ，２２ｂを通じて前記つなぎ部分の切断が行われるとともに、窓２２ａの上側空間を利用して各ＦＥＴ１４の実装ができるようになっている。
【００２９】
なお、図４に示すように、入力端子１０及び出力端子１２はケース２２の側壁を貫通してケース２２の外側に水平向きに突出しており、制御用端子１７はその途中で上向きにＬ字状に折り曲げられている。
【００３０】
前記ケース２２の下面には、これを覆うようにして放熱部材２４が装着されている。
【００３１】
この放熱部材２４は、例えばアルミニウム合金や銅合金のように熱伝導性の高い（もしくは比熱の大きい）材料で全体が一体に形成されており、この放熱部材２４の下面（外方に露出する面）には、互いに平行な直線状の多数枚のフィン２５が形成されている。
【００３２】
前記放熱部材２４の上面には、前記ＦＥＴ１４の配列方向と平行な方向に延びる台部２６が上向きに突出する形状に形成されている。そして、この台部２６の上面に前記ドレイン接続板２０の裏面がシリコーン等からなる絶縁シート２８を介して電気的に絶縁された状態でかつ熱伝達可能な状態で接続されている。
【００３３】
なお、各端子１０，１２，１７及びＦＥＴ１４は必ずしも同一平面上に配さなくてもよく、上下複数段にわたって配置してもよい。ただし、前記のように略同一平面上に各端子及びＦＥＴ１４を配置すれば、パワーディストリビュータの薄型化が可能であり、かつ、これらを樹脂モールドで一体化することにより、簡素な構造で取扱容易なパワーディストリビュータを構築できる。
【００３４】
前記入力端子１０及び出力端子１２の側方には、制御回路基板１８を外部回路（パワーディストリビュータの外部に設けられている回路）に接続するための多数の基板用端子１６Ａ，１６Ｂが上下二段にわたって配列され、かつ、ケース２２と一体にモールドされている。
【００３５】
各基板用端子１６Ａ，１６Ｂは、金属製ピンの中間部が略直角に折り曲げられることにより形成されたもので、図４に示すように、水平方向に延びる水平部１６ｈと、上下方向に延びる垂直部１６ｖとを一体に有するＬ字状をなし、水平部１６ｈがケース２２の側壁を貫通して側方に突出し、垂直部１６ｖがケース２２の天壁を貫通して上方に突出する状態でケース２２にモールドされている。
【００３６】
ケース２２の側壁外側面には、前記入力端子１０の突出部分を覆う入力用コネクタハウジング部４０と、全出力端子１２の突出部分を覆う出力用コネクタハウジング部４２と、全基板用端子１６の水平部１６ｖの突出部分を覆う基板接続用コネクタハウジング部４６とがケース２２と一体に形成されている。そして、前記入力用コネクタハウジング部４０に電源接続用ワイヤハーネスのコネクタのハウジングが結合されることにより、入力端子１０が前記電源接続用ワイヤハーネスを介して電源側に接続され、前記出力用コネクタハウジング部４２に負荷接続用ワイヤハーネスのコネクタのハウジングが結合されることにより、出力端子１２が前記負荷接続用ワイヤハーネスを介して各車載負荷に接続され、前記基板接続用コネクタハウジング部４６に基板接続用ワイヤハーネスのコネクタのハウジングが結合されることにより、基板用端子１６が前記基板接続用ワイヤハーネスを介して外部回路（制御回路基板１８に指令信号を入力する回路や制御回路基板１８からの警告信号を受けて警告動作を行う回路）に接続されるようになっている。
【００３７】
すなわち、前記入力端子１０、出力端子１２、及び基板用端子１６の水平部１６ｖがケース２２の外側に突出する部分は、それぞれ、入力用コネクタ、出力用コネクタ、及び基板接続用コネクタを形成している。
【００３８】
制御回路基板１８は、前記ＦＥＴ１４が配列されている平面と略平行な状態（図では略水平な状態）で、前記ＦＥＴ１４の上方に位置するように、ケース２２に固定されている。すなわち、制御回路基板１８は、放熱部材２４と反対の側（図では上側）から各ＦＥＴ１４を一定の間隔をおいて覆うような位置に配され、この制御回路基板１８及び前記放熱部材２４は前記ＦＥＴ１４が配列される面と略平行になっている。
【００３９】
この制御回路基板１８には、これを板厚方向に貫通する多数のスルーホール１８ｈが設けられ、各スルーホール１８ｈを前記基板用端子１６の垂直部１６ｖや制御用端子１７などの各端子が貫通した状態で、当該端子と制御回路基板１８の制御回路とが半田付け等の手段により電気的に接続され、かつ、相互固定されている。
【００４０】
なお、図２では、各入力端子１０及び出力端子１２と制御回路基板１８とを接続するための端子については図示を省略している。
【００４１】
制御回路基板１８の固定構造は図４に示す通りである。まず、ケース２２においては、その底壁から上方に複数の基板支柱２２ｄが延び、この基板支柱２２ｄ及びケース底壁を上下に貫くようにボルト挿通孔２２ｈが設けられている。一方、制御回路基板１８において前記ボルト挿通孔２２ｈと合致する位置にもボルト挿通孔１８ａが設けられ、放熱部材２４において前記ボルト挿通孔２２ｈと合致する位置には上向きに開口するねじ孔２４ａが設けられている。そして、前記ボルト挿通孔１８ａ，２２ｈに金属製のボルト（伝熱部材）３０が上から挿入され、前記ねじ孔２４ａにねじ込まれることにより、制御回路基板１８が各基板支柱２２ｄに支えられながら水平状態でケース２２内に固定されており、この制御回路基板１８の下面と各ＦＥＴ１４との間に所定の空間が確保されている。
【００４２】
さらに、このパワーディストリビュータの特徴として、前記制御回路基板１８の下面、すなわち各ＦＥＴ１４と対向する面には、例えばめっき層のように伝熱性の高い材料からなる伝熱層１９がほぼ全面にわたって設けられている。この伝熱層１９は、前記ボルト挿通孔１８ａの内側面１９ａ、さらには当該ボルト挿通孔１８ａの上側周縁部１９ｂにまで至っており、この上側周縁部１９ｂに設けられた伝熱層と前記ボルト３０の頭部３２の裏面とが接触するようになっている。
【００４３】
なお、ケース２２の上端開口はカバー２３によって塞がれ、このカバー２３によってケース２２内が密封されるようになっている。
【００４４】
次に、このパワーディストリビュータの作用を説明する。
【００４５】
図略の車載バッテリーから出力される電力は、電源接続用ワイヤハーネスを通じて入力端子１０に入力され、各ＦＥＴ１４のドレイン端子１４ｄに分配される。そのうち、オン状態にあるＦＥＴ１４についてのみ、そのドレイン端子１４ｄに入力された電力が出力端子１２及び負荷接続用ワイヤハーネスを通じて対応する車載負荷に供給される。
【００４６】
一方、外部回路から送られる操作信号（例えばスイッチ信号）は、基板接続用ワイヤハーネス及び基板用端子１６を通じて制御回路基板１８の制御回路に入力される。制御回路は、その操作信号に応じ、制御用端子１７を通じて各ＦＥＴ１４のゲート端子１４ｇに制御信号を入力し、そのＦＥＴ１４におけるドレイン−ソース間の通電のオンオフ切換を制御する。ＦＥＴ１４がオフに切換えられたときには、このＦＥＴ１４のソース端子１４ｓに接続されている出力端子１２への給電が遮断される。
【００４７】
さらに、前記入力端子１０及び各出力端子１２の電位は同じフレキシブル配線材３０を通じて前記制御回路に入力される。制御回路は、その電位差から各ＦＥＴ１４を流れる電流値を求め、その電流値が一定以上の場合に当該ＦＥＴ１４の通電を強制的にオフにする制御を行う。
【００４８】
このような車両用パワーディストリビュータにおいて、半導体素子であるＦＥＴ１４がオンオフ駆動されると、当該ＦＥＴ１４はかなりの量の発熱をすることになるが、このＦＥＴ１４は制御回路基板１８と別に配置されているので、ＦＥＴ１４の発する熱が制御回路基板１８上の他の回路素子に悪影響を与えるのを回避でき、しかも、その熱をドレイン接続部２０及び絶縁シート２８を通じて放熱部材２４に伝え、この放熱部材２４からケース外部に放散することにより、各ＦＥＴ１４の積極的な冷却をすることができる。
【００４９】
ただし、このような冷却を行っても、ケース２２内においては前記ＦＥＴ１４の発熱によってその上空のエアが対流加熱されることになる。しかし、このパワーディストリビュータでは、前記ＦＥＴ１４を覆う制御回路基板１８の裏面に伝熱層１９が設けられ、この伝熱層１９が基板固定用の金属製ボルト３０を介して放熱部材２４に熱的に接続されているので、前記エアの熱を伝熱層１９で回収し、かつ、ボルト３０さらには放熱部材２４を通じてケース外部へ積極的に逃がすことができる。これにより、ケース２２内の雰囲気温度の上昇を抑止することができ、当該温度上昇に起因して他の電子デバイスの性能に悪影響が与えられるのを未然に防ぐことができる。
【００５０】
すなわち、このパワーディストリビュータによれば、ＦＥＴ１４の作動制御用に設けられる制御回路基板１８を有効に利用することにより、簡素な構造で、ケース内の雰囲気温度の上昇を有効に抑止することが可能となる。
【００５１】
なお、本発明はかかる実施の形態に限定されず、例えば次のような実施の形態をとることも可能である。
【００５２】
・本発明で使用する半導体素子は前記パワーＭＯＳＦＥＴに限らず、その他のトランジスタ（例えばＩＧＢＴや通常のバイポーラトランジスタ）やＧＴＯをはじめとする各種サイリスタなど、その駆動によって発熱する各種半導体素子を使用する場合に本発明は有効となる。また、かかる半導体素子はパッケージ素子に限らず、例えば半導体チップを直接実装したものであってもよい。半導体素子と各端子との接続形態も特に問わず、例えば適所にワイヤボンディングを用いるようにしてもよい。
【００５３】
さらに、本発明では各半導体素子及び出力端子の個数や配列も適宜設定することが可能であり、車両内における各電装品の配置や個数等に応じて自由に定めればよい。
【００５４】
・前記実施の形態では基板固定用のボルト３０を伝熱層１９と放熱部材２４とを熱的に接続する伝熱部材として兼用しているが、当該ボルト３０とは別に専用の伝熱部材を設けるようにしてもよい。
【００５５】
・前記伝熱層１９は必ずしも基板全面にわたって設けられていなくてもよく、例えばＦＥＴ１４の配設箇所が集中している場合には当該箇所近傍にのみ局所的に伝熱層１９を配してもよい。また、図４に示すボルト挿通孔内側面１９ａや当該挿通孔上側周縁部（ボルト頭部３２との接触面）１９ｂに伝熱層１９を設けるのに代え、下側伝熱層１９の一部を直接ボルト３０に接触させるようにしてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明は、半導体素子を冷却するための放熱部材を備えるとともに、これらの半導体素子を前記放熱部材との反対の側から覆うように制御回路基板が設けられ、この制御回路基板に設けられた伝熱層によって当該制御回路基板と半導体素子との間におけるエアの熱を回収し、伝熱部材を介して前記放熱部材に伝えるようにしたものであるので、前記放熱部材によって各半導体素子を冷却できるのに加え、前記制御回路基板を利用した簡素な構造でケース内雰囲気温度の上昇を有効に抑止することができ、これによってケース内の電子デバイス等が熱的悪影響を受けるのを未然に防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる車両用パワーディストリビュータの回路図である。
【図２】前記パワーディストリビュータのうちケースを透かして見た平面図である。
【図３】前記パワーディストリビュータの分解斜視図である。
【図４】前記パワーディストリビュータの断面正面図である。
【符号の説明】
１４ ＦＥＴ（半導体素子）
１７ 制御用端子
１８ 制御回路基板
１８ａ ボルト挿通孔
１９ 伝熱層
２２ ケース
２２ｄ 基板支柱
２２ｈ ボルト挿通孔
２４ 放熱部材
２４ａ ねじ孔
３０ 金属製ボルト
３２ ボルト頭部

Claims (5)

1. 車両に搭載された電源から供給される電力を複数の車載負荷に分配するための車両用パワーディストリビュータであって、前記電源から車載負荷への電力供給回路に組み込まれる複数の半導体素子と、これらの半導体素子の動作を制御する制御回路が組み込まれた制御回路基板と、前記半導体素子及び制御回路基板を格納するケースと、このケースの外面に設けられ、前記半導体素子から伝わった熱をケース外に放散する放熱部材とを備え、前記制御回路基板は、前記各半導体素子の配設位置を挟んで前記放熱部材と反対の側から当該半導体素子を覆う位置に配設されるとともに前記半導体素子と対向する面に伝熱層を有し、この伝熱層と前記放熱部材とが伝熱部材を介して接続されていることを特徴とする車両用パワーディストリビュータ。
2. 請求項１記載の車両用パワーディストリビュータにおいて、前記各半導体素子が略同一平面上に配設され、その配設面と略平行に前記放熱部材及び制御回路基板が配設されていることを特徴とする車両用パワーディストリビュータ。
3. 請求項１または２記載の車両用パワーディストリビュータにおいて、前記伝熱部材は前記制御回路基板をケースに固定するための金属製ボルトであり、当該ボルトが前記伝熱層と放熱部材の双方に接触していることを特徴とする車両用パワーディストリビュータ。
4. 請求項３記載の車両用パワーディストリビュータにおいて、前記ボルトは前記制御回路基板に設けられたボルト挿通孔及び前記ケースを貫通して前記放熱部材に結合されていることを特徴とする車両用パワーディストリビュータ。
5. 請求項４記載の車両用パワーディストリビュータにおいて、前記制御回路基板における伝熱層が前記ボルト挿通孔の内周面及び前記ボルトの頭部裏面に接触する面にまで設けられていることを特徴とする車両用パワーディストリビュータ。

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