JP6213776B2 - スイッチング基板 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング基板に関する。

近年、燃費向上や環境への配慮のため、メインバッテリの他に補助電源を搭載した自動車が開発されている。例えば、ブレーキ時の回生エネルギーを補助電源に蓄積しておき、走行時に電装品への電力供給に用いることで、オルタネータによる発電量を減らして燃費を向上させることができる。また、アイドリングストップの後のエンジン再始動時に、スタータに補助電源から電力供給することで、メインバッテリの電圧の瞬間的な降下により電装品の瞬断やメインバッテリの劣化を防ぐことができる。

メインバッテリと補助電源との間には、走行やアイドリングストップなどの車両の動作状態に対応して、電力の供給形態を切り替える機能を有するスイッチング基板が設置される場合がある。

スイッチング基板として、従来、大電流に対応したメカニカルリレーを備える基板が用いられてきたが、小型化、高寿命化、静音化を目的として、メカニカルリレーの半導体スイッチング素子への置き換えが提案されている。半導体スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜型電界効果トランジスタ；Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などのパワー半導体を使用することが想定される（特許文献１参照）。

特開２００９−１４６９３３号公報

ところで、一般に、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチでは、ｐｎ接合による寄生ダイオードがソース−ドレイン間に生成される。したがって、ゲートをオフしてもソース側からドレイン側へこの寄生ダイオードを通じて電流が流れるため、ソース側からドレイン側への電流の流れを完全に遮断することができない。そこで、双方向の電流を遮断可能にするために、２つのＭＯＳＦＥＴを、上記寄生ダイオードの向きが反対になるように直列に接続することがある。

しかし、このような複雑な回路を設計しようとすると、スイッチング基板の構造が複雑となりがちであった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、主電源と補助電源とを備える車両において、主電源と補助電源との間に配される簡易な構成のスイッチング基板を提供することを目的とする。

本発明は、主電源と補助電源とを備える車両において、前記主電源と前記補助電源との間に、前記主電源および前記補助電源に対して直列に接続されるスイッチング基板であって、絶縁性材料からなる絶縁板と、前記絶縁板の一面に配される制御回路と、前記絶縁板の前記制御回路が設けられた面からその逆側の面まで貫通する複数の実装窓とを備える制御回路基板と、ボルト挿通孔を有し、前記絶縁板の前記逆側の面に互いに間隔を空けて配置される入力バスバーおよび出力バスバーと、前記入力バスバーおよび前記出力バスバーに対して隙間を空けて配置される接続バスバーとを備える回路構成体と、前記回路構成体に実装され、ドレイン端子、ソース端子およびゲート端子を備える複数の半導体スイッチング素子と、前記入力バスバーおよび前記出力バスバーの前記ボルト挿通孔にそれぞれ挿通されるスタッドボルトと、前記スタッドボルトの先端に締め付けられるナットとを備え、前記複数の実装窓のうち一部の実装窓は、内側に前記入力バスバーの一部と前記接続バスバーの一部とが露出する第１実装窓であり、他の実装窓は、内側に前記出力バスバーの一部と前記接続バスバーの一部とが露出する第２実装窓であり、前記複数の半導体スイッチング素子のうち一部の半導体スイッチング素子は、前記第１実装窓の内側に配置され、前記ドレイン端子が前記入力バスバーの一部に接続され、前記ソース端子が前記接続バスバーの一部に接続され、前記ゲート端子が前記制御回路に接続される第１半導体スイッチング素子であり、他の半導体スイッチング素子は、前記第２実装窓の内側に配置され、前記ドレイン端子が前記出力バスバーの一部に接続され、前記ソース端子が前記接続バスバーの一部に接続され、前記ゲート端子が前記制御回路に接続される第２半導体スイッチング素子であり、前記接続バスバーが、前記入力バスバーと前記出力バスバーとの間に配置される接続部と、前記入力バスバーおよび前記出力バスバーの並び方向に沿って延びる補強部とを備えるスイッチング基板である。

上記の構成によれば、主電源と補電源との間に配されるスイッチング基板に必要なバスバーや制御回路基板、半導体スイッチング素子をシンプルにレイアウトすることができ、簡易な構成のスイッチング基板を提供できる。

また、接続バスバーが接続部と補強部とを備えているから、シンプルな構成で、接続バスバーに補強の役目を担わせることができる。

また、前記回路構成体が、前記入力バスバー、前記出力バスバーおよび前記接続バスバーにおいて前記制御回路基板とは逆側の面に配置される放熱板を備えていてもよい。

上記の態様によれば、スイッチング基板を大型化することなく、効率的に放熱を行わせることができる。

本発明によれば、主電源と補助電源とを備える車両において、主電源と補助電源との間に配される簡易な構成のスイッチング装置を提供できる。

実施形態のスイッチング装置の斜視図 実施形態のスイッチング装置の分解斜視図 実施形態のスイッチング装置について、図２とは上下を逆にした分解斜視図 実施形態のスイッチング基板を制御回路基板側から見た斜視図 実施形態のスイッチング基板をバスバー側から見た斜視図 実施形態のスイッチング基板の平面図 図６の円Ｒ内の拡大図 図６のＡ−Ａ線断面図 図８の円Ｓ内の拡大図 実施形態のスイッチング装置の回路構成を示す図 変形例のスイッチング装置の斜視図 変形例のスイッチング装置の分解斜視図 変形例のスイッチング基板を図６のＡ−Ａ線と同位置で切断した断面図

本発明の実施形態を、図１〜図１０を参照しつつ説明する。

本実施形態のスイッチング装置１は、メインバッテリ９０（主電源に該当）と補助バッテリ９１（補助電源に該当）とを備える車両において、メインバッテリ９０および補助バッテリ９１からの電装品９２への電力供給の切り替えを行うものである。図１０に示すように、メインバッテリ９０と補助バッテリ９１とは直列に配され、電装品９２に電力を供給する。スイッチング装置１は、メインバッテリ９０と補助バッテリ９１との間に、メインバッテリ９０および補助バッテリ９１に対して直列に配置されている。

図１、図２および図３に示すように、スイッチング装置１は、スイッチング基板１０と、このスイッチング基板１０を収容するケーシング８０とを備える。スイッチング基板１０は、回路構成体１１と、この回路構成体１１に搭載される６つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂとを備える。回路構成体１１は、制御回路基板２０と、この制御回路基板２０に重なる３枚のバスバー３０、４０、５０とを備えている。

制御回路基板２０は、ガラス基材またはガラス不織布基材からなる絶縁板２１の一面側に、導電性材料からなる制御回路２２を備えるプリント基板である（図７参照）。制御回路基板２０の一端部には、制御回路２２を外部の制御装置（図示せず）と接続するためのコネクタ２３が配置されている。

図４および図６に示すように、制御回路基板２０は、半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂの搭載のための６つの実装窓２４Ａ、２４Ｂを有している。実装窓２４Ａ、２４Ｂは、制御回路基板２０において制御回路２２が配されている面から、その逆側の面まで貫通する矩形の開口部であって、その開口の大きさは、半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂの外形よりも一回り大きい。６つの実装窓２４Ａ、２４Ｂのうち３つの実装窓（第１実装窓２４Ａ）は、１列に並んで一組の第１実装窓群２５Ａを構成している。６つの実装窓２４Ａ、２４Ｂのうち残り３つの実装窓（第２実装窓２４Ｂ）は、１列に並んで一組の第２実装窓群２５Ｂを構成している。二組の実装窓群２５Ａ、２５Ｂは、並列して配置されている。

３枚のバスバー３０、４０、５０のうち１枚は入力バスバー３０であり、もう１枚は出力バスバー４０である。図５に示すように、入力バスバー３０は、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された矩形の厚板である。入力バスバー３０は、ボルト挿通孔３１を備えている。ボルト挿通孔３１は、入力バスバー３０の一方の板面から他方の板面まで貫通する貫通孔である。出力バスバー４０も、入力バスバー３０と同様に、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成された矩形の厚板であって、ボルト挿通孔４１を備えている。

入力バスバー３０と出力バスバー４０とは、制御回路基板２０において制御回路２２が形成された面とは逆側の面に、互いに間隔を空けて配置されている。入力バスバー３０および出力バスバー４０は、互いに相手側と対向する対向辺３２Ａ、４２Ａが平行になるように配置されている。入力バスバー３０および出力バスバー４０は、一部の領域が制御回路基板２０と重なっており、ボルト挿通孔３１、４１が配置された領域は制御回路基板２０から外れている。

３枚のバスバー３０、４０、５０のうち残りの１枚は、接続バスバー５０である。接続バスバー５０は、導電性材料（本実施形態では銅または銅合金）により形成されたＴ字形の厚板である。接続バスバー５０は、接続部５１と、補強部５２とを備えている。接続部５１は、Ｔ字の縦板部分をなす、細長い長方形の板である。接続部５１は、入力バスバー３０と出力バスバー４０との間に、入力バスバー３０および出力バスバー４０に対して隙間を空けて配置されている。接続部５１の長辺は、入力バスバー３０および出力バスバー４０の対向辺３２Ａ、４２Ａと平行になっている。補強部５２は、Ｔ字の横板部分をなす、細長い長方形の板であって、接続部５１の一端に、接続部５１と垂直に配置されている。

補強部５２は、入力バスバー３０および出力バスバー４０に対して隙間を空けて配置されている。補強部５２の長辺は、入力バスバー３０および出力バスバー４０における対向辺３２Ａ、４２Ａと直交する交差辺３２Ｂ、４２Ｂと平行になっている。つまり、補強部５２は、入力バスバー３０、接続部５１、出力バスバー４０の並び方向に沿って延びている。補強部５２は、スイッチング基板１０に予期しない大きな力が加えられた場合に、入力バスバー３０と接続部５１との隙間、または接続部５１と出力バスバー４０との隙間に沿って制御回路基板２０が折れてしまわないように、制御回路基板２０を補強する役割を果たしている。

複数の第１実装窓２４Ａは、図６に示すように、それぞれ、入力バスバー３０と接続部５１とにまたがる位置に配され、その内側に、入力バスバー３０の一部と、接続部５１の一部とが露出している。複数の第２実装窓２４Ｂは、出力バスバー４０と接続部５１とにまたがる位置に配され、その内側に、出力バスバー４０の一部と、接続部５１の一部とが露出している。

半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂは、パワーＭＯＳＦＥＴであって、ハウジング６１と、このハウジング６１に設けられたドレイン端子６２、ソース端子６３およびゲート端子６４を備えている。ドレイン端子６２はハウジング６１の下面に配置されている。また、ソース端子６３およびゲート端子６４は、ハウジング６１の側面から突出している。

図４および図６に示すように、６つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂのうち３つの半導体スイッチング素子（第１半導体スイッチング素子６０Ａ）は、一組の第１素子群６５Ａを構成している。６つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂのうち残り３つの半導体スイッチング素子（第２半導体スイッチング素子６０Ｂ）は、一組の第２素子群６５Ｂを構成している。

第１半導体スイッチング素子６０Ａは、それぞれ、第１実装窓２４Ａの内側に配置されている。そして、第１実装窓２４Ａの内側に露出している入力バスバー３０の一部にドレイン端子６２が、接続部５１の一部にソース端子６３がそれぞれ接続されている。ゲート端子６４は、制御回路基板２０上の制御回路２２に接続されている。同様に、第２半導体スイッチング素子６０Ｂは、それぞれ、第２実装窓２４Ｂの内側に配置されている。そして、第２実装窓２４Ｂの内側に露出している出力バスバー４０の一部にドレイン端子６２が、接続部５１の一部にソース端子６３がそれぞれ接続され、制御回路２２にゲート端子６４が接続されている。接続は、例えばリフローはんだ技術等を用いて、はんだＨにより行うことができる。

このように配置されることによって、並列に接続された３つの半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂが１組とされ、２組の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂが直列に接続される。２組の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂは、互いに背中合わせ（back to back）に配置されている。

複数の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂを１組とするのは、大電流に対応するためである。つまり、複数の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂを並列に接続することによって、電源回路に流すことのできる電流の総量を大きくできる。

２組の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂを背中合わせに配置するのは、以下の理由による。

一般に、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチでは、ｐｎ接合による寄生ダイオードがソース−ドレイン間に生成される。したがって、ゲートをオフしてもソース側からドレイン側へこの寄生ダイオードを通じて電流が流れるため、ソース側からドレイン側への信号をオフすることができない。このため、メインバッテリ９０よりも補助バッテリ９１の電圧が高くなった時（アイドリングストップ時など）に、スイッチがオフになっているにもかかわらず、寄生ダイオードを通って電流が補助バッテリ９１からメインバッテリ９０に流れ込んでしまうことがある。２組のＭＯＳＦＥＴを、上記寄生ダイオードの向きが反対になるように直列に接続することによって、双方向の電流を遮断することが可能となる。

入力バスバー３０には、メインバッテリ９０につながるハーネス７０Ａと接続された締結端子７１Ａが、ボルト挿通孔３１に挿通された電源端子７２Ａ（スタッドボルト）と、この電源端子７２Ａの先端に締め付けられたナット７３Ａとによって固定される。また、出力バスバー４０には、補助バッテリ９１につながるハーネス７０Ｂと接続された締結端子７１Ｂが、ボルト挿通孔４１に挿通された電源端子７２Ｂ（スタッドボルト）と、この電源端子７２Ｂの先端に締め付けられたナット７３Ｂとによって固定される。

ケーシング８０は、上部ケース８１と下部ケース８２とを備えている。下部ケース８２は、スイッチング基板１０の外形よりも一回り大きい外形を有するトレイ状のケースである。下部ケース８２の内部に、スイッチング基板１０が収容される。上部ケース８１は、下部ケース８２とほぼ同じ外形を有するトレイ状のケースであって、下部ケース８２の内部に収容されたスイッチング基板１０を覆うように下部ケース８２に装着されている。上部ケース８１と下部ケース８２とはいずれも合成樹脂により形成されている。

（本実施形態の効果）
本実施形態によれば、メインバッテリ９０と補助バッテリ９１との間に配されるスイッチング基板１０に必要なバスバー３０、４０、５０、制御回路基板２０、および半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂをシンプルにレイアウトすることができ、簡易な構成のスイッチング基板１０を提供できる。また、接続バスバー５０が接続部５１と補強部５２とを備えているから、シンプルな構成で、接続バスバー５０に補強の役目を担わせることができる。この補強の効果により、例えばリフローはんだ実装工程で制御回路基板２０に反りが発生することを抑制できる。

＜変形例＞
本発明の変形例を図１１〜図１３を参照しつつ説明する。本変形例のスイッチング装置１００は、スイッチング基板１０１が放熱板１０２を備え、ケーシング１０３の上部ケース１０４が放熱板１０２を外部に露出させるための放熱窓１０５を備えている点を除き、実施形態と同様の構成である。スイッチング装置１００において、実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

放熱板１０２は、金属により形成された矩形の板であって、バスバー３０、４０、５０において制御回路基板２０が配置されている面とは逆側の面に重なっている。放熱板１０２の外形は、スイッチング基板１０上において、複数の半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂのすべてが配置された領域をカバーする大きさとなっている。

放熱窓１０５は、上部ケース１０４において放熱板１０２に対向する面から、その逆側の面まで貫通する矩形の開口であって、この放熱窓１０５から放熱板１０２が外部に臨んでいる。

上記のような構成によれば、スイッチング基板１０１を大型化することなく、効率的に放熱できる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、接続バスバー５０が接続部５１と補強部５２とを備えるＴ字形の板であったが、接続バスバーは必ずしもＴ字形でなくてもよく、例えば、補強部を有しないＩ字形の板であってもよい。また、接続部は必ずしも入力バスバーと出力バスバーとの間に配置されていなくても構わない。

（２）上記実施形態では、補助電源は補助バッテリ９１であったが、補助電源としては、例えば、二次電池、電気二重層キャパシタなどの蓄電装置を使用できる。

（３）上記実施形態では、実装窓２４Ａ、２４Ｂおよび半導体スイッチング素子６０Ａ、６０Ｂは３つが１組とされていたが、１組を構成する半導体スイッチング素子の数は２つまたは４つ以上であっても構わない。同様に、１組を構成する実装窓の数は２つまたは４つ以上であっても構わない。

１０、１０１…スイッチング基板
１１…回路構成体
２０…制御回路基板
２１…絶縁板
２２…制御回路
２４Ａ…第１実装窓
２４Ｂ…第２実装窓
３０…入力バスバー
４０…出力バスバー
５０…接続バスバー
５１…接続部
５２…補強部
６０Ａ…第１半導体スイッチング素子
６０Ｂ…第２半導体スイッチング素子
６２…ドレイン端子
６３…ソース端子
６４…ゲート端子
９０…メインバッテリ（主電源）
９１…補助バッテリ（補助電源）
１０２…放熱板

Claims (2)

1. 主電源と補助電源とを備える車両において、前記主電源と前記補助電源との間に、前記主電源および前記補助電源に対して直列に接続されるスイッチング基板であって、
   絶縁性材料からなる絶縁板と、前記絶縁板の一面に配される制御回路と、前記絶縁板の前記制御回路が設けられた面からその逆側の面まで貫通する複数の実装窓とを備える制御回路基板と、ボルト挿通孔を有し、前記絶縁板の前記逆側の面に互いに間隔を空けて配置される入力バスバーおよび出力バスバーと、前記入力バスバーおよび前記出力バスバーに対して隙間を空けて配置される接続バスバーとを備える回路構成体と、
   前記回路構成体に実装され、ドレイン端子、ソース端子およびゲート端子を備える複数の半導体スイッチング素子と、
   前記入力バスバーおよび前記出力バスバーの前記ボルト挿通孔にそれぞれ挿通されるスタッドボルトと、前記スタッドボルトの先端に締め付けられるナットとを備え、
   前記複数の実装窓のうち一部の実装窓は、内側に前記入力バスバーの一部と前記接続バスバーの一部とが露出する第１実装窓であり、他の実装窓は、内側に前記出力バスバーの一部と前記接続バスバーの一部とが露出する第２実装窓であり、
   前記複数の半導体スイッチング素子のうち一部の半導体スイッチング素子は、前記第１実装窓の内側に配置され、前記ドレイン端子が前記入力バスバーの一部に接続され、前記ソース端子が前記接続バスバーの一部に接続され、前記ゲート端子が前記制御回路に接続される第１半導体スイッチング素子であり、他の半導体スイッチング素子は、前記第２実装窓の内側に配置され、前記ドレイン端子が前記出力バスバーの一部に接続され、前記ソース端子が前記接続バスバーの一部に接続され、前記ゲート端子が前記制御回路に接続される第２半導体スイッチング素子であり、
   前記接続バスバーが、前記入力バスバーと前記出力バスバーとの間に配置される接続部と、前記入力バスバーおよび前記出力バスバーの並び方向に沿って延びる補強部とを備える、スイッチング基板。
2. 前記回路構成体が、前記入力バスバー、前記出力バスバーおよび前記接続バスバーにおいて前記制御回路基板とは逆側の面に配置される放熱板を備える、請求項１に記載のスイッチング基板。

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