特開 2024-170099 制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024170099

(43)【公開日】2024-12-06

(54)【発明の名称】制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20241129BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 Y

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023087068

(22)【出願日】2023-05-26

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110002871

【氏名又は名称】弁理士法人坂本国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】六浦 圭太

(72)【発明者】

【氏名】竹本 敬介

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA18

5H730AS01

5H730AS17

5H730BB27

5H730BB57

5H730CC01

5H730CC12

5H730DD03

5H730DD04

5H730EE07

5H730EE13

5H730EE72

5H730FD31

5H730ZZ01

5H730ZZ04

5H730ZZ07

(57)【要約】

【課題】制御系の信号が流れる電気回路と、比較的大きい電流が流れる電気回路とを共通の基板上に配置しつつ、制御部の信頼性の確保を図る。
【解決手段】４０Ａ未満の制御系の信号が流れる第１電気回路と、４０Ａ以上の電流が流れる第２電気回路とを、一の回路基板上に含み、第１電気回路のグランド電位を形成する第１グランド部と、第２電気回路のグランド電位を形成する第２グランド部とは、別々に設けられる、制御装置が開示される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

４０Ａ（アンペア）未満の制御系の信号が流れる第１電気回路と、４０Ａ以上の電流が流れる第２電気回路とを、一の回路基板上に含み、
前記第１電気回路のグランド電位を形成する第１グランド部と、前記第２電気回路のグランド電位を形成する第２グランド部とは、別々に設けられる、制御装置。

【請求項2】

前記第２電気回路は、動作時に発熱する発熱素子を含み、
前記第１電気回路は、温度に応じた電気信号を発生するセンサ素子を含み、
前記発熱素子と前記センサ素子とは、前記第１グランド部及び前記第２グランド部の間の境界を挟んで隣り合う、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記発熱素子は、複数のパワー半導体素子を含み、
前記複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流れる冷媒流路を更に含み、
前記複数のパワー半導体素子のうちの、前記冷媒流路における最も下流側のパワー半導体素子と前記センサ素子とが、前記境界を挟んで隣り合う、請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記第１グランド部は、基板表面に対して垂直方向に視て、前記回路基板の一方側の辺の全長にわたって延在し、
前記第２グランド部は、基板表面に対して垂直方向に視て、前記一方側の辺に対して対向する前記回路基板の他方側の辺の全長にわたって延在し、
前記冷媒流路は、基板表面に対して垂直方向に視て、前記一方側の辺から前記他方側の辺に向かって前記冷媒が流れるように形成される、請求項３に記載の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高電圧領域、低電圧領域、及び一対のグランド領域を含む基板において、高圧側スイッチング素子と低圧側スイッチング素子とを、共通のグランド領域上に実装する技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－８９１４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

制御系の信号が流れる電気回路（制御部）と、比較的大きい電流が流れる電気回路（大電流通電部）とが、共通の基板上に混在する場合がありうる。このような場合、上記のような従来技術と同様にグランド領域が制御部と大電流通電部の間で共用されると、グランド電位が不安定となりえ（すなわち、いわゆるグラウンドバウンスとも呼ばれるグランド電位の揺れが生じえ）、制御部の信頼性の低下を招くおそれがある。

【0005】

そこで、１つの側面では、本開示は、制御系の信号が流れる電気回路と、比較的大きい電流が流れる電気回路とを共通の基板上に配置しつつ、制御部の信頼性の確保を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

１つの側面では、４０Ａ未満の制御系の信号が流れる第１電気回路と、４０Ａ以上の電流が流れる第２電気回路とを、一の回路基板上に含み、
前記第１電気回路のグランド電位を形成する第１グランド部と、前記第２電気回路のグランド電位を形成する第２グランド部とは、別々に設けられる、制御装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

１つの側面では、本開示によれば、制御系の信号が流れる電気回路と、比較的大きい電流が流れる電気回路とを共通の基板上に配置しつつ、制御部の信頼性の確保を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】車載電源システムの概略構成を示す図である。

【図2】本実施例の制御装置の構成を示す図である。

【図3】本実施例による制御装置を実現する回路基板の構成を示す概略図であり、基板表面に対して垂直方向に視た平面図である。

【図4】比較例による制御装置を実現する回路基板の構成を示す概略図であり、基板表面に対して垂直方向に視た平面図である。

【図5】本実施例に好適な冷媒流路の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率はあくまでも一例であり、これに限定されるものではなく、また、図面内の形状等は、説明の都合上、部分的に誇張している場合がある。また、図面では、見易さのために、複数存在する同一属性の部位には、一部のみしか参照符号が付されていない場合がある。

【0010】

図１は、車載電源システム１の概略構成を示す図である。

【0011】

車載電源システム１は、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１と、絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換回路１２とを備える。ＡＣ／ＤＣ変換回路１１は、商用電源のような交流電源１５に電気的に接続可能とされる。なお、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１は、力率改善回路すなわちＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路を内蔵してよい。車載電源システム１は、交流電源１５からの電力に基づいて、高圧バッテリ１３及び低圧バッテリ１４を充電できる。なお、車載電源システム１は、高圧バッテリ１３等の電力に基づいて、外部に提供可能な電源を生成する機能を有してもよい。

【0012】

図２は、本実施例の制御装置８の構成を示す図である。図２では、制御装置８とともに低圧バッテリ１４が併せて図示されている。

【0013】

本実施例の制御装置８は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２の回路部２０と、制御部８０、チップサーミスタ８２とを含む。なお、制御装置８は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）のようなユニットの形態で実現されてよい。

【0014】

回路部２０は、交流電源１５からの電力に基づいて、入力電圧を直流電圧に変換しつつ降圧して低圧バッテリ１４に出力（充電）する機能を有する。例えば、回路部２０は、４００Ｖから１２Ｖへの降圧を実現し、低圧バッテリ１４を充電してよい。

【0015】

回路部２０は、図２に示すように、トランス２１、パワー半導体素子２２、コイル２３、及びコンデンサ２４を備える。また、トランス２１の中点タップからのラインには、コイル２３に直列にシャント抵抗２５が設けられる。シャント抵抗２５は、電流検出用に設けられる。

【0016】

制御部８０は、回路部２０と同じ低圧系の電圧で動作する。制御部８０は、回路部２０の動作を制御する。具体的には、制御部８０は、シャント抵抗２５からの電気信号や、チップサーミスタ８２からのセンサ信号に基づいて、パワー半導体素子２２を制御する。例えば、制御部８０は、チップサーミスタ８２からのセンサ情報に基づいて、センサ情報が示す温度が閾値を超えない範囲内で、パワー半導体素子２２を制御する。パワー半導体素子２２は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体スイッチング素子であってよい。図２に示す例では、パワー半導体素子２２は、４つ設けられる。

【0017】

チップサーミスタ８２は、温度に応じた電気信号を生成する。本実施例では、チップサーミスタ８２は、パワー半導体素子２２の近傍に配置される。チップサーミスタ８２の好ましい配置例は後述する。

【0018】

なお、ここでは、図２を参照して一例による回路部２０の構成を説明したが、回路部２０の構成は、図２に示した構成に限られず、多様な変更が可能である。

【0019】

図３は、本実施例による制御装置８を実現する回路基板９０の構成を示す概略図であり、基板表面に対して垂直方向に視た平面図である。図３には、回路基板９０の長手方向に沿ったＸ方向が定義されるとともに、Ｘ１側とＸ２側が定義されている。図４は、比較例の説明図であり、図３と同様の平面図である。

【0020】

回路基板９０は、単層又は多層基板であってよい。回路基板９０は、図３に示すように、基板表面に対して垂直方向に視て、Ｘ方向を長手方向とする矩形の形態である。ただし、回路基板９０の形態は任意であり、他の形態であってもよい。回路基板９０は、例えば４隅の取付穴９６を通る締結具（図示せず）により筐体（図示せず）に固定されてもよい。この場合、筐体はグランド電位を有する部材である。

【0021】

本実施例では、回路基板９０は、図３に模式的に示すように、制御系の信号が流れる制御系回路部９１と、大電流通電用の回路部９２（以下、「大電流回路部９２」とも称する）とを含む。

【0022】

制御系回路部９１は、４０Ａ未満、好ましくは１０Ａ以下の電流が流れる回路である。制御系回路部９１は、図２を参照して上述した制御部８０やチップサーミスタ８２を含む。なお、制御系回路部９１に係る詳細な配線パターンは、図３には図示されていないが、後述するグランド部１０１に係る配線パターンとともに、図３に示すハッチング領域Ｒ１内に形成されてよい。

【0023】

大電流回路部９２は、４０Ａ以上、好ましくは、１００Ａを超える電流が流れる。大電流回路部９２は、図２を参照して上述したパワー半導体素子２２を含む。なお、大電流回路部９２に係る詳細な配線パターンは、図３には図示されていないが、後述するグランド部１０２に係る配線パターンとともに、図３に示すハッチング領域Ｒ２内に形成されてよい。

【0024】

本実施例では、制御系回路部９１のグランド電位を形成するグランド部１０１と、大電流回路部９２のグランド電位を形成するグランド部１０２とは、別々に設けられる。すなわち、グランド部１０１及びグランド部１０２は、互いに連続しない態様で、回路基板９０に設けられる。

【0025】

なお、グランド部１０１は、制御部８０やチップサーミスタ８２に接続される。グランド部１０２は、パワー半導体素子２２に接続される。

【0026】

グランド部１０１及びグランド部１０２は、それぞれ、回路基板９０の表面上に実装されるパターンにより形成されてもよい。あるいは、回路基板９０が多層基板である場合、グランド部１０１及びグランド部１０２は、回路基板９０の内層に形成されてもよい。この場合も、グランド部１０１とグランド部１０２とは、基板表面に対して垂直方向に視て、互いに重複しない態様で設けられてよい。

【0027】

ところで、近年、車両性能より小型かつ高性能なシステムが要求されている。特に高圧系のコンポネントの１パッケージ化が進んでいる。そのコンポネントとして、インバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、オンボードチャージャ（ＯＢＣ：Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）などが挙げられる。例えば、図１に示した車載電源システム１は、このようなコンポネントの１パッケージ化が可能なシステムの一例である。

【0028】

このようなシステムでは、インバータやＯＢＣ等を動作させるためのそれぞれのドライブ基板には大電流通電用の回路部と制御系の回路部が混在することがある。特に、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力部では、本実施例の回路基板９０のように、１００Ａを超過する大電流部と、電流や温度検出をするセンサ素子などの制御系の回路部とが、実装される可能性がある。そのため、センサ情報の信頼性／精度を確保するためには、大電流によるノイズの影響やグランド電位の揺れを抑えることが有用である。

【0029】

この点、図４に示す比較例では、制御系回路部９１に係るグランド部１０１’と、大電流回路部９２に係るグランド部１０２’とが共通である。この場合、制御系回路部９１に係るグランド部１０１’のグランド電位は、大電流回路部９２の動作の影響を受けるので、グランド電位の揺れが生じやすくなる。その結果、制御系回路部９１の動作の信頼性が低下するおそれがある。

【0030】

これに対して、本実施例によれば、上述したように、制御系回路部９１に係るグランド部１０１と、大電流回路部９２に係るグランド部１０２とが、別々に設けられる。これにより、制御系回路部９１に係るグランド部１０１のグランド電位は、大電流回路部９２の影響を受けない。従って、本実施例によれば、制御系回路部９１に係るグランド部１０１において、大電流回路部９２の大電流に起因したグランド電位の揺れを抑えることができる。このようにして、本実施例によれば、大電流回路部９２の大電流によるノイズの影響も受け難い制御系回路部９１を実現できる。

【0031】

また、本実施例では、グランド部１０１は、基板表面に対して垂直方向に視て、回路基板９０の一方側（Ｘ１側）の辺の全長にわたって延在し、グランド部１０２は、基板表面に対して垂直方向に視て、回路基板９０の他方側（Ｘ２側）の辺の全長にわたって延在する。すなわち、グランド部１０１及びグランド部１０２は、Ｘ方向のそれぞれの側に分かれて形成されている。これにより、グランド部１０１がグランド部１０２内に離散的に点在する場合に比べて、グランド部１０１のグランド電位の安定化を図ることができる。

【0032】

また、本実施例では、チップサーミスタ８２は、図３に示すように、パワー半導体素子２２に隣接して設けられる。すなわち、チップサーミスタ８２とパワー半導体素子２２は、グランド部１０１及びグランド部１０２の間の境界を挟んで隣り合う。なお、この場合、チップサーミスタ８２とパワー半導体素子２２の間には、他の素子などが配置されない。これにより、チップサーミスタ８２がパワー半導体素子２２から有意に離れて配置される場合に比べて、パワー半導体素子２２の温度を精度良く検出できる。なお、この目的のため、グランド部１０１及びグランド部１０２の間の境界のＸ方向の長さ（幅）は、最小化されてよい。

【0033】

ここで、図５を参照して、回路基板９０に対して好適な冷媒流路７０を説明する。図５は、回路基板９０に対して好適な冷媒流路７０の一例を概略的に示す図である。図５に示すように、回路基板９０は、冷媒流路７０を流れる冷媒を介して冷却されてもよい。特にパワー半導体素子２２は、動作時にオン／オフし、発熱する。従って、冷媒流路７０を流れる冷媒によりパワー半導体素子２２を冷却することで、回路部２０の安定的な動作を確保できる。なお、冷媒は、冷却水であるが、油等のような他の冷媒が利用されてもよい。

【0034】

本実施例では、冷媒流路７０は、Ｘ方向に延在し、Ｘ２側からＸ１側へと冷媒を流す（矢印Ｒ５０参照）ように形成される。すなわち、冷媒の流れ方向でＸ２側が上流側となる。この場合、４つのパワー半導体素子２２のうちの、最も下流側のパワー半導体素子２２は、最も高い温度となりやすい。これは、冷媒の温度は、下流に向かうほど高くなるためである。本実施例では、チップサーミスタ８２は、最も下流側のパワー半導体素子２２に対して隣接するので、４つのパワー半導体素子２２のうちの、最も高い温度（異常等の検知のためのクリティカルな温度）を精度良く検出できる。

【0035】

冷媒流路７０は、基板表面に対して垂直方向で、回路基板９０に接する態様で形成されてもよい。例えば、冷媒流路７０は、管部材により形成されてもよいし、金属プレート等から形成されてもよい。また、冷媒流路７０は、フィン等を備えてもよい。

【0036】

なお、本実施例では、チップサーミスタ８２による温度検出対象は、４つのパワー半導体素子２２のうちの、最も下流側のパワー半導体素子２２であるが、他のパワー半導体素子２２であってもよい。また、チップサーミスタ８２による温度検出対象は、他の発熱素子であってもよい。

【0037】

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

【0038】

例えば、上述した実施例では、大電流回路部９２は、１００Ａを超える電流が流れるが、１０Ａを超える程度の電流の場合も同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0039】

８・・・制御装置、２２・・・パワー半導体素子（発熱素子）、７０・・・冷媒流路、８２・・・チップサーミスタ（センサ素子）、９０・・・回路基板、９１・・・制御系回路部（第１電気回路）、９２・・・大電流回路部（第２電気回路）、１０１・・・グランド部（第１グランド部）、１０２・・・グランド部（第２グランド部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】