JP6115779B2 - 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る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配置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導体回路と、前記絶縁板の前記導体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、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、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、を備え、前記導体回路が、制御回路と、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回路とを備え、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回路に接続され、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回路に接続され、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。

本発明の実施態様としては以下の態様が好ましい。

前記入力バスバーは、前記出力バスバー側の端縁に、前記出力バスバーに向かって突出する複数の第１凸部と、隣り合う２つの前記第１凸部の間に配置され、前記出力バスバーとは逆側に凹む第１凹部とを備え、前記出力バスバーは、前記入力バスバー側の端縁に、前記入力バスバーに向かって突出する複数の第２凸部と、隣り合う２つの前記第２凸部の間に配置され、前記入力バスバーとは逆側に凹む第２凹部と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、入力バスバーと出力バスバーとの隙間に沿って制御回路基板が折れてしまうことを回避できる。

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４の円Ｒ内の拡大図 図４のＡ−Ａ線断面図 図６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 実施形態の回路構成体の製造方法の一例を示す図 変形例のスイッチング基板をバスバー側から見た斜視図

本発明の実施形態を、図１〜図９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８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および図２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に接着層５３を介して重なる２枚のバスバー３０、４０および隔離板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導体回路２２を備えるプリント基板である。制御回路基板２０の一端部には、制御回路基板２０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において導体回路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、互いに間隔を空けて、並列して配置されている。

導体回路２２は、制御回路２２Ｂと接続回路２２Ａとで構成される。制御回路２２Ｂは、所定のパターンを有しており、その一端は各実装窓２４Ａ、２４Ｂの近傍に配置され、他端は、詳細に図示しないが、コネクタ２３に備えられる端子に接続されている。接続回路２２Ａは、制御回路基板２０上において、二組の実装窓群２５Ａ、２５Ｂの間の領域に、制御回路２２Ｂに対して間隔を空けて配置されている。

２枚のバスバー３０、４０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３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２２Ｂが形成された面とは逆側の面に配置されている。入力バスバー３０と出力バスバー４０とは、互いに間隔を空けて、互いに相手側と対向する端面３２Ａ、４２Ａが平行になるように配置されている。つまり、入力バスバー３０と出力バスバー４０との間には、入力バスバー３０の端面３２Ａと、出力バスバー４０の端面４２Ａと、絶縁板２１において制御回路２２Ｂが配されている側とは逆側の面とで定義される溝２６が存在している。

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。各第１実装窓２４Ａの内側には、入力バスバー３０の一部が露出している。各第２実装窓２４Ｂの内側には、出力バスバー４０の一部が露出している。

隔離板５０は、制御回路基板２０において、入力バスバー３０および出力バスバー４０が配置された面と同じ面に配置されている。隔離板５０は、溝２６の内部に配置される隔離部５１と、隔離部５１の両端にそれぞれ配置される２つのフレーム部５２とを備えている。隔離部５１は、細長い長方形の板であり、入力バスバー３０と出力バスバー４０との間に配置されている。２つのフレーム部５２は、隔離板５０の両端から、隔離板５０と垂直に延びる部分であって、入力バスバー３０および出力バスバー４０を挟んで配置されている。

上記のように構成された回路構成体１１を形成する方法は、例えば以下のようである（図９参照）。
まず、バスバー３０、４０および隔離板５０と絶縁板２１とを、接着層５３の基材であるプリプレグ５４を挟んで重ねる。次に、バスバー３０、４０および隔離板５０と絶縁板２１とプリプレグ５４との積層体を熱プレスし、プリプレグ５４を硬化させてバスバー３０、４０および隔離板５０と絶縁板２１とを接着する。なお、プリプレグ５４を構成する樹脂は、熱プレスによって流動し、その一部が隔離板５０と入力バスバー３０との隙間、および、隔離板５０と出力バスバー４０との隙間に入り込んで硬化する。この後、絶縁板２１にドリルによる機械加工を施して実装窓２４Ａ、２４Ｂを形成し、絶縁板２１の表面に導体回路２２を形成すればよい。

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。

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。

図４に示すように、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が接続され、制御回路基板２０上の接続回路２２Ａにソース端子６３が、制御回路２２Ｂにゲート端子６４が、それぞれ接続されている。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が接続され、制御回路基板２０上の接続回路２２Ａにソース端子６３が、制御回路２２Ｂにゲート端子６４がそれぞれ接続されている。接続は、例えばはんだ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、ケース８１と覆い板８２とを備えている。ケース８１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。ケース８１は、スイッチング基板１０の制御回路基板２０が配置された面を全面にわたって覆っている。覆い板８２は、制御回路基板２０の外形と等しい外形を有する矩形状の板である。覆い板８２は、スイッチング基板１０において、制御回路基板２０が配置された領域の裏側に重ねられている。ケース８１と覆い板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、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。

＜変形例＞
本発明の変形例を、図１０を参照しつつ説明する。本変形例のスイッチング基板１０１は、入力バスバー１１０が第１凸部１１１Ａと第１凹部１１１Ｂとを有し、出力バスバー１２０が第２凸部１２１Ａと第２凹部１２１Ｂとを有している点を除き、実施形態と同様の構成である。スイッチング基板１０１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。

入力バスバー１１０は、出力バスバー１２０側の端縁１１１に、出力バスバー１２０に向かって突出する複数の第１凸部１１１Ａを有している。複数の第１凸部１１１Ａは、一定のピッチで設けられている。隣り合う２つの第１凸部１１１Ａ、１１１Ａ間の領域は、出力バスバー１２０とは逆側に凹む第１凹部１１１Ｂとなっている。

出力バスバー１２０は、入力バスバー１１０側の端縁１２１に、入力バスバー１１０に向かって突出する複数の第２凸部１２１Ａを有している。複数の第２凸部１２１Ａは、一定のピッチで設けられている。隣り合う２つの第２凸部１２１Ａ、１２１Ａ間の領域は、入力バスバー１１０とは逆側に凹む第２凹部１２１Ｂとなっている。

複数の第１凸部１１１Ａと複数の第２凸部１２１Ａとは、互い違いに配置されている。複数の第１凸部１１１Ａのそれぞれは、第２凹部１２１Ｂと向い合せに配置され、突出端が第２凹部１２１Ｂ内に位置している。複数の第２凸部１２１Ａのそれぞれは、第１凹部１１１Ｂと向い合せに配置され、突出端が第１凹部１１１Ｂ内に位置している。

上記の構成によれば、スイッチング基板１０１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１１０と出力バスバー１２０との隙間に沿って制御回路基板２０が折れてしまうことを回避できる。

＜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、溝２６の内部に隔離板５０の隔離部５１が配置される例を示したが、例えば、制御回路基板２０とバスバー３０、４０とを接着した後に、溝２６に熱硬化性樹脂を流し込んで硬化させることにより、溝２６を埋めても構わない。

（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…導体回路
２２Ａ…制御回路
２２Ｂ…接続回路
２４Ａ…第１実装窓
２４Ｂ…第２実装窓
３０、１１０…入力バスバー
４０、１２０…出力バスバー
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…サブバッテリ（補助電源）
１１１…端縁
１１１Ａ…第１凸部
１１１Ｂ…第１凹部
１２１…端縁
１２１Ａ…第２凸部
１２１Ｂ…第２凹部

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配置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導体回路と、前記絶縁板の前記導体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、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、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、を備え、
   前記導体回路が、制御回路と、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回路とを備え、
   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回路に接続され、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回路に接続され、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る、スイッチング基板。
2. 前記入力バスバーは、前記出力バスバー側の端縁に、前記出力バスバーに向かって突出する複数の第１凸部と、隣り合う２つの前記第１凸部の間に配置され、前記出力バスバーとは逆側に凹む第１凹部とを備え、
   前記出力バスバーは、前記入力バスバー側の端縁に、前記入力バスバーに向かって突出する複数の第２凸部と、隣り合う２つの前記第２凸部の間に配置され、前記入力バスバーとは逆側に凹む第２凹部とを備えている、請求項１に記載のスイッチング基板。

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