(57)【要約】  特段のシールド部材を用いることなく、回路部をシールドでき、低コスト化と小型化を実現できする車載用電力変換装置を得る。開口がある導電性筐体と、回路部が実装され１層がＧＮＤプレーンである多層プリント配線板とを備え、前記導電性筐体の開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて閉空間を形成すると共に、前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、前記導電性筐体と前記多層プリント配線板で囲われた前記閉空間内に収納された前記回路部をシールドする。
2014033852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載される車載用電力変換装置において、
開口がある導電性筐体と、
回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである多層プリント配線板とを備え、
前記導電性筐体の開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて閉空間を形成すると共に、
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、
前記導電性筐体と前記多層プリント配線板で囲われた前記閉空間内に収納された前記回路部をシールドすることを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項２】
前記開口が導電性仕切壁で分割され複数の開口が形成された前記導電性筐体と、
複数の回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである前記多層プリント配線板とを備え、
前記導電性筐体と前記導電性仕切壁で形成される複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成すると共に、
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、
複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記回路部をそれぞれシールドすることを特徴とする請求項１記載の車載用電力変換装置。
【請求項３】
複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成し、
複数の前記閉空間に対応する前記ＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する前記各閉空間毎に独立させると共に、
前記多層プリント配線板の前記各閉空間毎に独立した前記ＧＮＤプレーンをそれぞれ電気的に前記導電性筐体に接続させて、
複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記電気回路部をそれぞれシールドすることを特徴とする請求項２記載の車載用電力変換装置。
【請求項４】
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンは、前記多層プリント配線板のいずれかの表面部に形成され、
前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項５】
前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけて構成された前記導電性筺体であって、前記導電性筺体の前記多層プリント配線板側を被う筺体カバーを非導電材料で形成したことを特徴とする請求項４記載の車載用電力変換装置。
【請求項６】
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを境にして、前記多層プリント配線板の表面部と裏面部に前記回路部がそれぞれ実装されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項７】
導電性仕切壁との間で開口を形成した前記導電性筐体と、
入力又は出力フィルタである前記回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである前記多層プリント配線板とを備え、
前記導電性筐体と前記導電性仕切壁で形成される前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて閉空間を形成すると共に、
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、
前記閉空間内に収納された入力又は出力フィルタである前記回路部をシールドすることを特徴とする請求項１記載の車載用電力変換装置。
【請求項８】
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンは、前記多層プリント配線板のいずれかの表面部に形成され、
前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけるようにしたことを特徴とする請求項７記載の車載用電力変換装置。
【請求項９】
前記多層プリント配線板に実装される前記回路部は、パワー系主回路又はその動作を制御する制御回路であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項１０】
前記回路部のうちの発熱部品に対しては、前記導電性筺体に放熱部材を介して熱的に接触させたことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項１１】
前記放熱部材は、弾性体又は樹脂部材である請求項１０記載の車載用電力変換装置。
【請求項１２】
前記放熱部材は、前記導電性仕切壁又は前記導電性筺体と堤壁との間に形成された受け皿に納められた接着剤であることを特徴とする請求項１０記載の車載用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド車など、モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載されるインバータ，ＤＣ／ＤＣコンバータ，充電器などの車載用電力変換装置、特にその内部構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動自動車に搭載される車載用電力変換装置には、モータを駆動する為のインバータ、高圧バッテリ電圧から１２Ｖ系バッテリ電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、１２Ｖ系バッテリ電圧から高圧バッテリ電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、商用電源から高圧バッテリに充電する為の充電器、高圧バッテリからＡＣ１００Ｖを生成するインバータなどの、種々の電力変換機器が搭載されている。これらの電力変換機器の内部構成は、一般的にチョッパ回路やブリッジ回路などの高周波ノイズの発生が大きいスイッチング回路が用いられており、このノイズ対策のため、様々なフィルタ回路やシールド構造が用いられている。【０００３】
昨今の電動自動車を取り巻く環境においては、そのコンポーネントの小型，低コスト化の要求が非常に強く、電動車両に搭載される各種電力変換機器も例外ではない。これらの電力変換機器の小型，低コスト化を実現する手段の有力な手法の一つにスイッチング周波数の高速化がある。スイッチング周波数の高速化は、大きくて高価なトランスやリアクトルを小型，低コスト化できることから、各種電力変換機器においては非常に重要な技術開発要素の一つである。【０００４】
ところが、大電流や高電圧をスイッチングする電力変換機器のパワー系回路では、サージ電圧を含めた伝導ノイズ、輻射ノイズが増大，高周波化することから、浮遊容量経由、ＧＮＤや筐体経由、あるいはクロストークなどの間接的要因によって、その周辺回路や制御回路に重畳し、回路の安定的動作を損なうといった不具合が発生する。また、大電流スイッチングによる伝導ノイズ又は輻射ノイズが入出力のフィルタ回路に重畳すると、フィルタリングした線路に再度ノイズが重畳するなどの現象により、フィルタ特性を劣化させ、フィルタ本来の性能が発揮できないといった課題が存在する。【０００５】
このようなノイズ干渉対策としては、機器内部での局所シールドを用たり、フィルタの強化、回路レイアウトの工夫によるノイズ干渉の抑制などの対策が施される。例えば、図１４は、機器内部での局所シールドを実現する一例で、従来の車載用電力変換装置の構成断面図を示している。【０００６】
図１４では、２１１は筐体、２１２は筐体カバーで、共に導電性部品が用いられ、機器全体をシールドする役目を持つ。ここで、２０３はフィルタ回路部、２０４はパワー系主回路部、２０５は制御回路部を示し、２１３はフィルタ回路用シールドケース、２１４はパワー系主回路用シールドケースである。このように構成される機器においては、パワー系主回路部２０４で発生するノイズは、パワー系主回路用シールドケース２１４にて遮蔽され、制御回路部２０５やフィルタ回路部２０３に影響を与えることはない。【０００７】
制御回路部２０５で発生するノイズについては、機器全体をシールドする筐体２１１と筐体カバー２１２にて外部への漏洩が遮蔽されると共に、パワー系主回路用シールドケース２１４やフィルタ回路用シールドケース２１３により、他の回路部に影響を与えることはない。フィルタ回路部２０３は、それ自身がノイズを発生することはないが、他の回路部からのノイズの影響を受けると、そのフィルタの減衰特性に従ったフィルタ性能が発揮できないことから、フィルタ回路用シールドケース２１３によって、他の回路からのノイズ伝播を遮蔽する。【０００８】
なお、下記の特許文献１はシャーシとシールドケースによりシールド空間を構成したものである。特許文献２はシールド金属にくり抜き部分を設け、ローパスフィルタ回路におけるチョークコイルの高周波ノイズを抑制するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３６４０２５号公報
【特許文献２】特開平６−１０４５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、スイッチング周波数の高周波化によるノイズ対策では、筐体内に別途シールドケースを設けることが必要になるが、部品点数の増加、生産工程の増加といったコスト増大要因となる。特に、シールド部品の追加は、製品の大型化を招くだけでなく、部材コストの増加、重量増、生産性の悪化と言った様々な課題を発生させる。筐体自体の壁と筐体カバーを活用して筐体内部のシールドケースを削除する案では、弊害として基板を分割する必要があり、やはり基板コストの増加、生産工程の増加といったコスト増大要員となる上、基板固定箇所が増加することによる製品の大型化が避けられない。【００１１】
また、電力変換機器に用いられるトランスやリアクトル、コモンモードチョークコイルの小型化は、発熱密度増大といった新たな課題を生むことから、一般的なシールド構造が放熱を妨げる要因となり、発熱部品自身の温度上昇によって、自己の最大動作温度を超えたり、磁性部品としての性能劣化を招いたり、又は周辺部品を高温環境に曝すと言った課題が生じる。さらに有効な放熱パスを構成するには、別途放熱経路を形成するための構造を用意する必要があり、周辺部品との絶縁を含め設計の自由度が奪われるばかりか小型化を困難にし、追加部材によるコスト上昇をも招く。【００１２】
加えて一般的なシールド構造では、重量物であるトランス，リアクトル、又はコモンモードチョークコイルの振動対策として、それらを保持する構造を用意する必要があり、前記の放熱制約や周辺部品との絶縁を含め設計の自由度が奪われるばかりか小型化を困難にし、追加部材によるコスト上昇をも招く。【００１３】
本発明、このような課題を解決するためになされたもので、小型化を妨げず、コストアップを抑制し、シールド機能を実現する車載用電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の車載用電力変換装置は、モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載される車載用電力変換装置において、開口がある導電性筐体と、回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである多層プリント配線板とを備え、前記導電性筐体の開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて閉空間を形成すると共に、前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、前記導電性筐体と前記多層プリント配線板で囲われた前記閉空間内に収納された前記回路部をシールドするものである。【００１５】
また、本発明の車載用電力変換装置は、前記開口が導電性仕切壁で分割され複数の開口が形成された前記導電性筐体と、複数の回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである前記多層プリント配線板とを備え、前記導電性筐体と前記導電性仕切壁で形成される複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成すると共に、前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記回路部をそれぞれシールドするものである。【００１６】
また、本発明の車載用電力変換装置は、複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成し、複数の前記閉空間に対応する前記ＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する前記各閉空間毎に独立させると共に、前記多層プリント配線板の前記各閉空間毎に独立した前記ＧＮＤプレーンをそれぞれ電気的に前記導電性筐体に接続させて、複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記電気回路部をそれぞれシールドするものである。【００１７】
また、本発明の車載用電力変換装置は、前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンは、前記多層プリント配線板のいずれかの表面部に形成され、前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る車載用電力変換装置は、多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に導電性筐体に接続させて、前記導電性筐体と前記多層プリント配線板で囲われた閉空間内に回路部を収納されたので、特段のシールド部材を用いることなく前記回路部をシールドでき、低コスト化と小型化を実現でき、部品点数を削減でき、生産性の向上が可能となる。【００１９】
また、本発明に係る車載用電力変換装置は、導電性筐体と導電性仕切壁で形成される複数の開口の開口面に多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成し、複数の前記閉空間内にそれぞれ回路部を収納されたので、回路部をそれぞれシールドでき、回路部間のノイズ干渉を抑制できる。【００２０】
また、本発明に係る車載用電力変換装置は、複数の閉空間に対応するＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する前記各閉空間毎に独立させると共に、前記各閉空間毎に独立した前記ＧＮＤプレーンをそれぞれ電気的に導電性筐体に接続させたので、複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された回路部において、一回路部に対応する前記ＧＮＤプレーンに流れるリターン電流が他の回路部に対応する前記ＧＮＤプレーンに流れる不都合が解消される。【００２１】
また、本発明に係る車載用電力変換装置は、多層プリント配線板の表面部にＧＮＤプレーンを形成し、前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を開口の開口面に組みつけるようにしたので、筺体カバーを導電性部品から樹脂部品等の導通機能を持たない安価な部品に変更でき、装置全体の小型、軽量化、および低コスト化を図ることができる。
本発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下の本発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図２】実施の形態２における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図３】実施の形態３における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図４】実施の形態４における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図５】実施の形態５における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図６】実施の形態６における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図７】実施の形態７における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図８】実施の形態８における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図９】実施の形態９における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１０】実施の形態１０における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１１】実施の形態１１における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１２】実施の形態１２における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１３】実施の形態１３における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１４】従来の車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における車載用電力変換装置（以下電力変換装置と略称する。）を示す構成断面図である。電力変換装置は、モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載される。同図において、１１は開口がある筐体、１２は筐体カバーで、共に導電性部材で構成され、機器全体をシールドする役目を持つ。ここでは、筐体１１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー１２を板金で構成している。１６は多層プリント配線板、１７はＧＮＤプレーンで、多層プリント配線板の内層又は外層の任意の一層である。ここで、３は多層プリント配線板１６に実装されたフィルタ回路部、４は同じく多層プリント配線板１６に実装されたパワー系主回路部、５は多層プリント配線板１６に実装された制御回路部で、この制御回路部５だけが、フィルタ回路部３とパワー系主回路部４とＧＮＤプレーン１７を境に対向するように実装されている。フィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５は電気・電子部品を有している。
【００２４】
ここで、多層プリント配線板１６を、筺体１１の開口の開口面に組み付けて固定するネジ部においては、そのプリント配線板のネジ穴が、ＧＮＤプレーン１７と電気的に接続されたスルーホールで構成されており、ネジが筐体１１や導電性仕切壁１４と締結されることで、ＧＮＤプレーン１７が筐体電位に接地されている。つまり、ＧＮＤプレーン１７が筐体１１に電気的に接続されている。仕切壁１４は筺体１１と一体にアルミダイカストで形成されている。筺体１１に設けられた開口は、仕切壁１４で分割されて複数の開口１３ａ，１３ｂが形成される。複数の開口１３ａ，１３ｂの開口面には、一枚の共通の多層プリント配線板１６が組み付けられ固定されて、複数の閉空間が構成される。
【００２５】
このように構成された電力変換機器において、まずフィルタ回路部３は、筐体１１，仕切壁１４とＧＮＤプレーン１７で電磁気的な閉空間が構成されているので、他の回路部（回路ブロック）からのノイズの影響を受けることはない。パワー系回路部４についても同様で、筐体１１，仕切壁１４とＧＮＤプレーン１７で電磁気的な閉空間が構成されているので、シールドされることになる。制御回路部５については、筐体１１，筐体カバー１２とＧＮＤプレーン１７で閉空間が構成され、シールドされる。ＧＮＤプレーン１７は閉空間に対向する部分の全面を被う導電板であることが望ましい。なお、ＧＮＤプレーンは、プリント基板に形成される平面状パターンで、通常はプリント基板一杯の大きさで、信号線に対して十分に大きな面積を持っている。
【００２６】
実施の形態１では、ＧＮＤプレーン１７を境に電磁気的に結合させたくない回路部を、多層プリント配線板１６の表面部（一面部）と裏面部（他面部）に配置して、相互にシールドすることができる。実施の形態１では、回路部間が筐体１１，仕切壁１４とＧＮＤプレーン１７を介して分離、シールドされるため、回路部間のノイズ干渉を抑制することで誤動作を防ぎ、回路の安定動作を実現することができる。また、特段のシールド部材を用いることなく回路部をシールドでき、低コスト化と小型化を実現でき、部品点数を削減でき、生産性が向上する。また、筐体１１と仕切壁１４で形成される複数の開口１３ａ，１３ｂの開口面に多層プリント配線板１６を組みつけて複数の閉空間を形成し、複数の前記閉空間内にそれぞれ回路部を収納されたので、回路部をそれぞれシールドでき、回路間のノイズ干渉を抑制できる
【００２７】
実施の形態２．
図１では、多層プリント配線板の任意の一層にＧＮＤプレーンを形成したシールド構造を示したが、実施の形態２では、更なる軽量化を図る構造を提供する。図２は実施の形態２における電力変換装置を示す構成断面図である。同図において、２１は導電性の筐体、２２は非導電性の筐体カバーで、ここでは、筐体２１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー２２を樹脂部材｛例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂材，ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂材等｝として構成している。なお、各図中で、同一符号は、同一又は相当部分を示し、以下同様とする。
【００２８】
筐体２１は、フィルタ回路部３と制御回路部５を電磁気的に仕切る機能を持つ導電性仕切壁２３と、パワー系主回路部４と制御回路部５を電磁気的に仕切る機能を持つ導電性仕切壁２４を具備している。仕切壁２３，２４は筺体１１と一体にアルミダイカストで形成されている。２６は多層プリント配線板、２７はＧＮＤプレーンで多層プリント配線板２６の表面部に外層として形成されている。ここで、多層プリント配線板２６に実装されたフィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５の全ての回路部はＧＮＤプレーンと対向する表面部に実装されている。実施の形態２では、多層プリント配線板２６をフェースダウン（実装面が下向き）で、各回路部が筐体２１と仕切壁２３，２４で分離されるように、筺体２１の複数の開口の開口面に組み付けてネジ締結で取り付けられている。
【００２９】
このネジ部においては、実施の形態１と同様、その多層プリント配線板２６のネジ穴がスルーホールで構成されており、筐体２１と仕切壁２３，２４に締結されることで、ＧＮＤプレーン２７が筐体電位に接地されている。つまり、ＧＮＤプレーン２７が筐体２１に電気的に接続される。
【００３０】
このように構成された電力変換機器において、まずフィルタ回路部３は、筐体２１，仕切壁２３とＧＮＤプレーン２７で電磁気的な閉空間が構成されているので、他の回路部からのノイズの影響を受けることはない。制御回路部５とパワー系回路部４についても同様で、制御回路部５は仕切壁２３，２４とＧＮＤプレーン２７でシールドされ、パワー系回路部４は、筐体２１，仕切壁２４とＧＮＤプレーン２７でシールドされ、互いに電磁気的にシールドされる。さらに、装置全体がシールドされることになるため、筐体カバー２２を樹脂などの非導電性材料で構成することが可能となる。
【００３１】
また、多層プリント配線板２６の表面部にＧＮＤプレーン２７を形成し、多層プリント配線板２６の表面部の外層に形成されたＧＮＤプレーン２７が閉空間側と反対側となるように、多層プリント配線板２６を開口の開口面に組みつけるようにしたので、装置全体のカバーを導電性部品から樹脂部品等の導通機能を持たない安価な部品に変更でき、装置全体の小型、軽量化、および低コスト化を図ることができる。
【００３２】
実施の形態３．
実施の形態１，２では、ＧＮＤプレーンを用いたシールド構造により、各々の回路部間のノイズ干渉を抑制することで誤動作を防ぎ、特段のコストアップを生じることなく回路の安定動作を実現した。多層プリント配線板を分割することなく、部品点数を削減、生産工程の簡素化、工作性の向上を可能とし、小型，低コスト化が図った。さらに外層をＧＮＤプレーンとした場合には、装置全体のカバーを導電性部品から樹脂部品等の導通機能を持たない安価な部品に変更でき、装置全体の小型，軽量化、及びさらなる低コスト化が実現できる構造を提供した。
【００３３】
実施の形態１，２では、ＧＮＤプレーンが、フィルタ回路部３，制御回路部５とパワー系回路部４で共通化されていることから、それぞれの電源や信号線の入出力位置によっては、ＧＮＤプレーンを流れるある回路部のリターン電流が他の回路部上のＧＮＤプレーンに流れてしまい、ＧＮＤ電位が揺れることによって回路動作を不安定にしたり、意図しないノイズの伝播が生じる可能性がある。プリント配線板の設計時にリターン電流経路を考慮することができればこの問題は解決できるが、設計自由度を奪うこととなり、設計を困難にさせるばかりか、各回路部のレイアウト上どうしても回避できない場合も実際にはあり得る。
【００３４】
実施の形態３では、基板上のリターン電流の制約を無くし、設計自由度の向上を実現できる構造を提供する。図３は実施の形態３における電力変換装置示す構成断面図である。同図において、３１は筐体、３２は筐体カバーで、共に導電性部材で構成され、機器全体をシールドする役目を持つ。ここでは、筐体３１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー３２を板金で構成している。
【００３５】
３６は複数の回路部に共通の一枚の多層プリント配線板、３７はフィルタ回路部に対応したＧＮＤプレーンで、３８はパワー系主回路部に対応したＧＮＤプレーンであり、共に多層プリント配線板の任意の一層で構成されている。つまり、複数の閉空間（複数の回路部）に対応するＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する各閉空間（各回路部）毎に独立させている。ここでは、多層プリント配線板３６に実装されたフィルタ回路部３とパワー系主回路部４が同一表面部（表層）に、回路エリアとしては明確に分離された形で実装され、制御回路部５だけが、フィルタ回路部３とパワー系主回路部４と対向するように裏面部（裏層）に実装されている。
【００３６】
筐体３１は、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン３７と接続される仕切壁３３と、パワー系主回路部４のＧＮＤプレーン３８と接続される仕切壁３４を具備している。仕切壁３３，３４は、筺体３１と一体に形成されている。ネジ部においては、実施の形態１と同様に、その多層プリント配線板３６のネジ穴がスルーホールで構成されており、筐体３１や仕切壁３３，３４と締結されることで、ＧＮＤプレーン３７，３８がそれぞれ筐体電位に接地されている。つまり、分離され独立したＧＮＤプレーン３７，３８が筐体３１にそれぞれ電気的に接続されている。
【００３７】
このように構成された電力変換機器においては、まずフィルタ回路部３、制御回路部５、パワー系主回路部４は、それぞれが互いにシールドされることになるため、他の回路部からのノイズの影響を受けることはない。また、フィルタ回路部のＧＮＤプレーン３７とパワー系回路部のＧＮＤプレーン３８が多層プリント配線板３６上で分離されているため、例えば、パワー系主回路部４のＧＮＤプレーン３８を流れるリターン電流が、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン３７に流れることはなく、このリターン電流による不都合が解消される。なお、実施の形態３では、一枚構成の多層プリント配線板を例にしているが、回路部毎に基板を分割してもよい。
【００３８】
実施の形態４．
図４は実施の形態４における電力変換装置を示す構成断面図である。同図において、４１は導電性の筐体、４２は非導電性の筐体カバーで構成され、ここでは、筐体４１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー４２を樹脂製として構成される。４６は多層プリント配線板、４７はフィルタ回路部３に対応したＧＮＤプレーン、４８はパワー系主回路部４に対応応したＧＮＤプレーン、４９は制御回路部５に対応したＧＮＤプレーンであり、各ＧＮＤプレーン４７，４８，４９は、互いに分離され独立しているが、共に多層プリント配線板の表面部の外層に形成している。
【００３９】
筐体４１は、フィルタ回路部３と制御回路部５を電磁気的に仕切る仕切壁４３と、パワー系主回路部４と制御回路部５を電磁気的に仕切る仕切壁４４を一体形成している。ここでは、多層プリント配線板４６に実装されたフィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５の全ての回路部が、ＧＮＤプレーンと対向する表面部に回路エリア的に分離されて実装されている。この多層プリント配線板４６はフェースダウンで、各回路部が筐体４１と仕切壁４３，４４で分離され、ネジ締結で取り付けられている。ネジとスルーホールで、ＧＮＤプレーン４７，４８，４９が筐体４１にそれぞれ接続されている。
【００４０】
このように構成された電力変換機器において、フィルタ回路部３，制御回路部５とパワー系主回路部４は、それぞれが互いにシールドされることになるため、他の回路ブロックからのノイズの影響を受けることはない。また、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン４７，パワー系回路部４のＧＮＤプレーン４８と制御回路部５のＧＮＤプレーン４９が多層プリント配線板４６上で分離されているため、例えば、パワー系主回路部４のＧＮＤプレーン４８を流れるリターン電流が、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン４７や制御回路部５のＧＮＤプレーン４９に流れることは無く、このリターン電流による不都合が解消される。さらに、装置全体がシールドされることになるため、筐体カバー４２を樹脂などの非導電性材料で構成することが可能となる。
【００４１】
実施の形態５．
実施の形態４においては、フィルタ回路部３，パワー系回路部４と制御回路部５の全ての回路部のＧＮＤプレーン４７，４８，４９を表面部に形成したが、それぞれの回路部単位で内層に形成するか表層に形成するかを使い分けてもよい。図５は実施の形態５における電力変換装置を示す構成断面図である。図５では、制御回路部５のＧＮＤプレーン４９のみを任意の内層に配置している。ここでは、４２ｂは、導電製の筐体カバーで、板金や導電性樹脂部材で構成される。５ａは制御回路部Ａ、５ｂは制御回路部Ｂを示し、互いに電磁気的に分離する必要がある回路部である。
【００４２】
このように構成することにより、フィルタ回路部３のシールド空間，パワー系主回路部４のシールド空間，制御回路部５ａのシールド空間と制御回路部５ｂのシールド空間の４種のシールド空間を構築することができ、制御回路部５内でシールドする必要がある場合などに有効となる。もちろん、制御回路部を電磁気的に２分割するのではなく、パワー系回路部４を電磁気的に２分割しても構わない。このようにすれば、ドライバとパワー系配線を分離する等、よりきめ細かなノイズ対策が可能となる。
【００４３】
また、フィルタ回路部を電磁気的に２分割してもよい。このようにすることで、例えば１次フィルタと２次フィルタを分離する等、よりフィルタ性能を向上させることが可能となる。また、例えば制御回路部５ｂがシールドの必要ない回路部である場合は、筐体カバー４２については、単なる非導電性樹脂部材で構成してよい。
【００４４】
実施の形態６．
一般的に、電力変換装置における入出力のフィルタ回路は、コモンモードチョークコイルやノーマルモードコイルなどが用いられ、大電流を扱うことからこのコイルの発熱量が数Ｗを超え、熱的に成立させることが課題になる。また、電力変換装置内にＤＣ／ＤＣコンバータが内蔵されている場合には、トランスやリアクトルなどの電気部品が発熱体となり、特に高周波駆動される場合には、トランス，リアクトルの小型化の代償として発熱密度が増大し、放熱が困難になる。シールドと放熱を両立させる構造は、銅やアルミの金属部材で放熱すべき部材までの放熱パスを確保し、さらに熱的に接触する各部分では、放熱グリスや放熱シートなどの放熱部材を用いることとなり、部品点数増、機器の大型化，コストアップ、工作性の悪化を招くだけでなく、犠牲にする項目が多い割には十分な放熱効果が得られない場合もある。実施の形態６では、それらの課題を解決する具体的構造を提供する。
【００４５】
図６は実施の形態６における電力変換装置を示す構成断面図である。同図において、５１は導電性の筐体、５２は導電性の筐体カバーで構成される。５３は仕切壁，５４は仕切壁で、筺体５１と一体に形成される。５６ａ，５６ｂ，５６ｃは、それぞれフィルタ回路用多層プリント配線板、制御回路用多層プリント配線板、パワー系主回路用多層プリント配線板で、ここでは、多層プリント配線板を回路部毎に分割して独立させている。５７はフィルタ回路部３に対応したＧＮＤプレーン、５８はパワー系主回路部４のＧＮＤプレーン、５９は制御回路部５のＧＮＤプレーンで、それぞれ表面部に形成され、外層をＧＮＤプレーンとしている。
【００４６】
ここでは、各ＧＮＤプレーン５７，５８，５９は、ネジとスルーホールで、それぞれ筺体５１に接続され、各閉空間をシールドしている。ここでは、フィルタ回路部３内にコモンモードチョークコイル６が実装されている。パワー系主回路部４にはリアクトル７，トランス８が実装されている。９ａは放熱部材で、ここでは、放熱グリスを用いている。５０は冷却器で、空冷の冷却フィンや水冷の冷却水路などで構成され、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の発熱部品の熱量を放熱部材９ａを介して放熱させる。
【００４７】
コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８は、その巻線径と長さ、及び流れる電流によって発熱量が決定される。特に高い高調波を含む電流の場合には、巻線の表皮効果による発熱も無視できなくなるため、高周波数スイッチングにより小型化する場合には、発熱量が増大するだけでなく、その発熱密度も高くなる。高周波化による小型化の恩恵を受けるためには、放熱構造を如何に簡素にできるかがポイントとなる。
【００４８】
図６に示す構成であれば、シールド性能を維持しつつ、特段の追加部材を用いることなく、多層プリント配線板５６ａ，５６ｂ，５６ｃがフェースダウンで取り付けられているため、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の天面が筐体側に向かい合っているため、この天面に放熱グリス９ａを塗布するだけで、これらの放熱が可能になる。もちろん、発熱量によって、筐体５１の底面の放熱面積だけで十分熱成立する場合は、冷却器５０は必ずしも必要ではない。また、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の高さが異なる場合は、当該部位において筐体５１から必要な高さ分だけ肉盛りすることで、放熱パスの確保が可能である。
【００４９】
実施の形態７．
実施の形態６では、放熱グリス９ａによる例を示したが、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７又はトランス８などの巻物部品においては、その外形がばらつきやすく、グリスのような放熱部材９ａでは量産性を担保することが困難になる。また、放熱グリス９ａには固化やポンピングアウト等の経年劣化要因があり、これらの経年劣化要因を回避することも重要である。実施の形態７では、これらの巻線外形ばらつきが生じても安定した放熱が行え、かつ経年劣化的にも信頼性向上が図れる構造を提供する。
【００５０】
図７は実施の形態７における電力変換装置を示す構成断面図である。ここでは、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８は、放熱部材である放熱シート９ｂを介して筺体５１に接触している。ここで、放熱シート９ｂは厚みを有する弾性体であり、低反発で応力歪を残さない素材を用いている。例えば、シリコン系ゴム材，アクリル系ゴム材等である。コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の発熱部品の熱量は放熱部材である放熱シート９ｂを介して冷却器５０に放熱される。
【００５１】
このように構成することで、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の巻線外形バラツキによって、その高さ方向が変動したとしても、弾性を有する放熱シート９ｂを用いることによって、筺体５１への放熱経路を確保した上で、その高さバラツキが放熱シート９ｂの弾性で吸収される。
【００５２】
実施の形態８．
実施の形態７では、弾性を有する放熱シート９ｂによる例を示したが、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７やトランス８などの巻物部品において、多層プリント配線板に実装する部品としてはその重量が問題になる場合がある。特に振動要件の厳しい環境においては、弾性を有する放熱シート９ｂでは、その重量によっては十分な保持ができず、多層プリント配線板が撓むことがある。そのため、周辺の面実装部品は、巻物部品と多層プリント配線板の半田接続部でのクラック発生、プリント配線板の割れ、接触不良、引いては局所発熱による火災等の事故を誘発する危険がある。また、多層プリント配線板を組みつける際には、放熱シートの弾性により多層プリント配線板が押し返され、ネジ締結が行いにくいといった生産性の課題もある。
【００５３】
実施の形態８では、これらの部品が重量物であっても確実に保持し、安定した放熱が行え、かつ信頼性の向上が図れる構造を提供する。図８は実施の形態８における電力変換装置を示す構成断面図である。９ｃは放熱用の接着材で、ここではポッティング材を用いている。ポッティング材は、例えば、シリコン系やウレタン系のエラストマー等である。このポッティング材が硬化する前は液状であるため、このポッティング材の漏出を防止するための提壁７５が必要となる。７５ａはコモンモードチョークコイル６の接着剤９ｃの漏出を防止する堤壁で、仕切壁５３との間で受皿を形成している。７５ｂはリアクトル７の接着剤の漏出を防止する堤壁で、仕切壁５４との間で受皿を形成している。７５ｃはトランス８の接着剤の漏出を防止する堤壁で、堤壁７５ｂとの間で受皿を形成している。なお、受皿は堤壁と筺体５１との間に形成してもよい。
【００５４】
このように構成された構造において、まず、フィルタ回路部３については、提壁７５ａと筐体壁７３で囲われた受皿にポッティング材が注入される。注入量は、コモンモードチョークコイル６の高さがそのばらつき範囲内の最小値であっても、そのコモンモードチョークコイル６の天面がポッティング材に浸かる程度としている。この後、フィルタ回路部３を実装したフィルタ回路用多層プリント配線板５６ａがフェースダウンで組みつけられる。この時、コモンモードチョークコイル６は、予め注入されているポッティング材にその天面が浸かることになる。ここで、コモンモードチョークコイル６の高さ方向の外形ばらつきがあっても、ポッティング材が液状である為、何ら応力を発生することなくそのばらつきが吸収される。
【００５５】
パワー系主回路部４においても同様で、提壁７５ｂと仕切壁５４で囲われた受皿、及び提壁７５ｂと提壁７５ｃに囲われた受皿にポッティング材が注入される。注入量は、それぞれリアクトル７とトランス８の高さがそのばらつき範囲内の最小値であっても、それぞれの天面がポッティング材に浸かる程度としている。この後、パワー系主回路部４を実装したパワー系主回路用多層プリント配線板５６ｃがフェースダウンで組みつけられる。この時、リアクトル７とトランス８は、予め注入されているポッティング材にその天面が浸かることになる。ここで、リアクトル７とトランス８の高さ方向の外形ばらつきがあっても、ポッティング材が液状である為、何ら応力を発生することなくそのばらつきが吸収される。
【００５６】
この後、ポッティング材が硬化することにより、重量物であるコモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８は筐体に固定される。このように図８の構成であれば、シールド性能を維持しつつ、特段の追加部材を用いることなく、重量物であるコモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８が筐体５１に固定され、振動要件の厳しい環境においても、多層プリント配線板やそのハンダ部にストレスをかけることなく保持され、放熱パスを確保することができ、小型化，低コスト化できる。
【００５７】
実施の形態９．
実施の形態１〜７は、フィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５をそれぞれシールドする構造としたが、駆動周波数や機器の取り付け位置でのノイズスペックに応じて、一回路部のみをシールドする構造も可能である。図９は実施の形態９における電力変換装置を示す構成断面図である。図９のようにフィルタ回路部３のみをシールドする構造でもよい。８１ａは導電性の筺体、８２は導電性の筺体カバー、８３は仕切壁、８６ａはフィルタ回路用多層プリント配線板、８７はＧＮＤプレーン、８０は冷却器である。
【００５８】
実施の形態１０．
図１０は実施の形態１０における電力変換装置を示す構成断面図である。図１０のように制御回路部５のみをシールドする構造でもよい。８１ｂは導電性の筺体、８２は導電性の筺体カバー、８３は仕切壁、８６ｂは制御回路用多層プリント配線板、８９はＧＮＤプレーンである。
【００５９】
実施の形態１１．
図１１は実施の形態１１における電力変換装置を示す構成断面図である。図１１のようにパワー系主回路部４のみをシールドする構造でもよい。８１ｃは導電性の筺体、８２は導電性の筺体カバー、８４は仕切壁、８６ｃはパワー系主回路用多層プリント配線板、８８はＧＮＤプレーン、８０は冷却器である。
【００６０】
実施の形態１２．
図１２は実施の形態１２における電力変換装置を示す構成断面図である。図１２では、フィルタ回路部３を独立させ、パワー系主回路部４と制御回路部５を共通の多層プリント配線板８６ｄに実装した場合である。実施の形態１〜７では、多層プリント配線板の表面部に、又はその表裏面部に各回路部が実装されていたため、薄型ではあるが、上方からの投影面積が比較的大きく、冷却器部分の体積が大きく必ずしも好適ではないという課題がある。実施の形態１２では、上方からの投影面積を小さくし、冷却器を含めて小型化したものである。
【００６１】
同図において、８１ｄは導電性の筐体、８２は導電性の筐体カバーである。筐体８１ｄは、フィルタ回路部３とパワー系主回路部４を電磁気的に仕切る仕切壁８３を一体に形成している。８６ａはフィルタ回路部３が実装された多層プリント配線板、８７はＧＮＤプレーン、８６ｄは制御回路５とパワー系主回路４が実装された多層プリント配線板、８８はパワー系主回路用のＧＮＤプレーンである。
【００６２】
ここで、フィルタ回路用多層プリント配線板８６ａは、筐体８１ｄと仕切壁８３で囲われた空間にフェースダウンで取り付けられ、そのＧＮＤプレーン８７がネジ締結され電気的に筺体８１ｄに接続される。そのＧＮＤプレーン８７，筐体８１ｄと仕切壁８３で囲われた閉空間で、フィルタ回路部３がシールドされる。パワー系主回路４と制御回路５が実装されている多層プリント配線板８６ｄは、フィルタ回路部３の上方に取り付けられ、パワー系主回路部４においては、仕切壁８３と筐体８１ｄで囲われた空間にフェースダウンで取り付けられ、そのＧＮＤプレーン８８が仕切壁８３と筐体８１ｄにネジ締結され電気的に接続されることで、パワー系主回路部４がシールドされる。
【００６３】
ここで、制御回路部５は、表面部にＧＮＤプレーンを有していないが、フィルタ回路用多層プリント配線板８６ａのＧＮＤプレーン８７，筐体８１ｄ，仕切壁８３，パワー系主回路用のＧＮＤプレーン８８と筐体カバー８２で囲まれた閉空間でシールドされる。９ｃは放熱用の接着材であるポッティング材である。
【００６４】
このように構成された機器においては、フィルタ回路部３，制御回路部５とパワー系主回路部４のそれぞれがシールドされると共に、フィルタ回路部３内に実装されているコモンモードチョークコイル６，パワー系主回路部４に実装されているリアクトル７とトランス８は、ポッティング材９ｃにて、それらの寸法ばらつきが吸収されると共に固定され、かつ冷却器８０を介して放熱される。また、フィルタ回路部３を下部にし、制御回路部５、パワー系主回路部４を上部とすることで、シールド，耐震と放熱機能を有したまま、機器の投影面積が小さくなり、小型化を図ることができる。
【００６５】
実施の形態１３．
図１３は実施の形態１３における電力変換装置を示す構成断面図である。小型化の例であり、図１３に示すように、冷却器９０を挟んで、上部をパワー系主回路部４、下部をフィルタ回路部３、制御回路部５とすることで、さらなる投影面積を小さくでき、小型化を図ることができる。一般的に、車載用途では、その車両毎に許される空間が異なるため、小型化、何よりも形状の自由度が高いことが望まれる。上述した実施の形態では、様々な外形仕様に応じて、シールド，耐震，放熱機能を簡単に有したまま、各回路部のレイアウトを自由に構築できるため、設計自由度が向上するといったメリットを有する。
【００６６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【図１】
2014033852.tif 000003
【図２】
2014033852.tif 000004
【図３】
2014033852.tif 000005
【図４】
2014033852.tif 000006
【図５】
2014033852.tif 000007
【図６】
2014033852.tif 000008
【図７】
2014033852.tif 000009
【図８】
2014033852.tif 000010
【図９】
2014033852.tif 000011
【図１０】
2014033852.tif 000012
【図１１】
2014033852.tif 000013
【図１２】
2014033852.tif 000014
【図１３】
2014033852.tif 000015
【図１４】
2014033852.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月18日(2014.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載される車載用電力変換装置において、
開口がある導電性筐体と、
回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである多層プリント配線板とを備え、
前記導電性筐体の開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて閉空間を形成すると共に、
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、
前記導電性筐体と前記多層プリント配線板で囲われた前記閉空間内に収納された前記回路部をシールドすることを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項２】
前記開口が導電性仕切壁で分割され複数の開口が形成された前記導電性筐体と、
複数の回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである前記多層プリント配線板とを備え、
前記導電性筐体と前記導電性仕切壁で形成される複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成すると共に、
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、
複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記回路部をそれぞれシールドすることを特徴とする請求項１記載の車載用電力変換装置。
【請求項３】
複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成し、
複数の前記閉空間に対応する前記ＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する前記各閉空間毎に独立させると共に、
前記多層プリント配線板の前記各閉空間毎に独立した前記ＧＮＤプレーンをそれぞれ電気的に前記導電性筐体に接続させて、
複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記回路部をそれぞれシールドすることを特徴とする請求項２記載の車載用電力変換装置。
【請求項４】
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンは、前記多層プリント配線板のいずれかの表面部に形成され、
前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項５】
前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけて構成された前記導電性筐体であって、前記導電性筐体の前記多層プリント配線板側を被う筐体カバーを非導電材料で形成したことを特徴とする請求項４記載の車載用電力変換装置。
【請求項６】
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを境にして、前記多層プリント配線板の表面部と裏面部に前記回路部がそれぞれ実装されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項７】
導電性仕切壁との間で開口を形成した前記導電性筐体と、
入力又は出力フィルタである前記回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである前記多層プリント配線板とを備え、
前記導電性筐体と前記導電性仕切壁で形成される前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて閉空間を形成すると共に、
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、
前記閉空間内に収納された入力又は出力フィルタである前記回路部をシールドすることを特徴とする請求項１記載の車載用電力変換装置。
【請求項８】
前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンは、前記多層プリント配線板のいずれかの表面部に形成され、
前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけるようにしたことを特徴とする請求項７記載の車載用電力変換装置。
【請求項９】
前記多層プリント配線板に実装される前記回路部は、パワー系主回路又はその動作を制御する制御回路であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項１０】
前記回路部のうちの発熱部品に対しては、前記導電性筐体に放熱部材を介して熱的に接触させたことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置。
【請求項１１】
前記放熱部材は、弾性体又は樹脂部材である請求項１０記載の車載用電力変換装置。
【請求項１２】
前記放熱部材は、導電性仕切壁又は前記導電性筐体と堤壁との間に形成された受け皿に納められた接着剤であることを特徴とする請求項１０記載の車載用電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド車など、モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載されるインバータ，ＤＣ／ＤＣコンバータ，充電器などの車載用電力変換装置、特にその内部構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動自動車に搭載される車載用電力変換装置には、モータを駆動する為のインバータ、高圧バッテリ電圧から１２Ｖ系バッテリ電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、１２Ｖ系バッテリ電圧から高圧バッテリ電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ、商用電源から高圧バッテリに充電する為の充電器、高圧バッテリからＡＣ１００Ｖを生成するインバータなどの、種々の電力変換機器が搭載されている。これらの電力変換機器の内部構成は、一般的にチョッパ回路やブリッジ回路などの高周波ノイズの発生が大きいスイッチング回路が用いられており、このノイズ対策のため、様々なフィルタ回路やシールド構造が用いられている。
【０００３】
昨今の電動自動車を取り巻く環境においては、そのコンポーネントの小型，低コスト化の要求が非常に強く、電動車両に搭載される各種電力変換機器も例外ではない。これらの電力変換機器の小型，低コスト化を実現する手段の有力な手法の一つにスイッチング周波数の高速化がある。スイッチング周波数の高速化は、大きくて高価なトランスやリアクトルを小型，低コスト化できることから、各種電力変換機器においては非常に重要な技術開発要素の一つである。
【０００４】
ところが、大電流や高電圧をスイッチングする電力変換機器のパワー系回路では、サージ電圧を含めた伝導ノイズ、輻射ノイズが増大，高周波化することから、浮遊容量経由、ＧＮＤや筐体経由、あるいはクロストークなどの間接的要因によって、その周辺回路や制御回路に重畳し、回路の安定的動作を損なうといった不具合が発生する。また、大電流スイッチングによる伝導ノイズ又は輻射ノイズが入出力のフィルタ回路に重畳すると、フィルタリングした線路に再度ノイズが重畳するなどの現象により、フィルタ特性を劣化させ、フィルタ本来の性能が発揮できないといった課題が存在する。
【０００５】
このようなノイズ干渉対策としては、機器内部での局所シールドを用たり、フィルタの強化、回路レイアウトの工夫によるノイズ干渉の抑制などの対策が施される。例えば、図１４は、機器内部での局所シールドを実現する一例で、従来の車載用電力変換装置の構成断面図を示している。
【０００６】
図１４では、２１１は筐体、２１２は筐体カバーで、共に導電性部品が用いられ、機器全体をシールドする役目を持つ。ここで、２０３はフィルタ回路部、２０４はパワー系主回路部、２０５は制御回路部を示し、２１３はフィルタ回路用シールドケース、２１４はパワー系主回路用シールドケースである。このように構成される機器においては、パワー系主回路部２０４で発生するノイズは、パワー系主回路用シールドケース２１４にて遮蔽され、制御回路部２０５やフィルタ回路部２０３に影響を与えることはない。
【０００７】
制御回路部２０５で発生するノイズについては、機器全体をシールドする筐体２１１と筐体カバー２１２にて外部への漏洩が遮蔽されると共に、パワー系主回路用シールドケース２１４やフィルタ回路用シールドケース２１３により、他の回路部に影響を与えることはない。フィルタ回路部２０３は、それ自身がノイズを発生することはないが、他の回路部からのノイズの影響を受けると、そのフィルタの減衰特性に従ったフィルタ性能が発揮できないことから、フィルタ回路用シールドケース２１３によって、他の回路からのノイズ伝播を遮蔽する。
【０００８】
なお、下記の特許文献１はシャーシとシールドケースによりシールド空間を構成したものである。特許文献２はシールド金属にくり抜き部分を設け、ローパスフィルタ回路におけるチョークコイルの高周波ノイズを抑制するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３６４０２５号公報
【特許文献２】特開平６−１０４５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、スイッチング周波数の高周波化によるノイズ対策では、筐体内に別途シールドケースを設けることが必要になるが、部品点数の増加、生産工程の増加といったコスト増大要因となる。特に、シールド部品の追加は、製品の大型化を招くだけでなく、部材コストの増加、重量増、生産性の悪化と言った様々な課題を発生させる。筐体自体の壁と筐体カバーを活用して筐体内部のシールドケースを削除する案では、弊害として基板を分割する必要があり、やはり基板コストの増加、生産工程の増加といったコスト増大要因となる上、基板固定箇所が増加することによる製品の大型化が避けられない。
【００１１】
また、電力変換機器に用いられるトランスやリアクトル、コモンモードチョークコイルの小型化は、発熱密度増大といった新たな課題を生むことから、一般的なシールド構造が放熱を妨げる要因となり、発熱部品自身の温度上昇によって、自己の最大動作温度を超えたり、磁性部品としての性能劣化を招いたり、又は周辺部品を高温環境に曝すと言った課題が生じる。さらに有効な放熱パスを構成するには、別途放熱経路を形成するための構造を用意する必要があり、周辺部品との絶縁を含め設計の自由度が奪われるばかりか小型化を困難にし、追加部材によるコスト上昇をも招く。
【００１２】
加えて一般的なシールド構造では、重量物であるトランス，リアクトル、又はコモンモードチョークコイルの振動対策として、それらを保持する構造を用意する必要があり、前記の放熱制約や周辺部品との絶縁を含め設計の自由度が奪われるばかりか小型化を困難にし、追加部材によるコスト上昇をも招く。
【００１３】
本発明、このような課題を解決するためになされたもので、小型化を妨げず、コストアップを抑制し、シールド機能を実現する車載用電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の車載用電力変換装置は、モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載される車載用電力変換装置において、開口がある導電性筐体と、回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである多層プリント配線板とを備え、前記導電性筐体の開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて閉空間を形成すると共に、前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、前記導電性筐体と前記多層プリント配線板で囲われた前記閉空間内に収納された前記回路部をシールドするものである。
【００１５】
また、本発明の車載用電力変換装置は、前記開口が導電性仕切壁で分割され複数の開口が形成された前記導電性筐体と、複数の回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである前記多層プリント配線板とを備え、前記導電性筐体と前記導電性仕切壁で形成される複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成すると共に、前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に前記導電性筐体に接続させて、複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記回路部をそれぞれシールドするものである。
【００１６】
また、本発明の車載用電力変換装置は、複数の前記開口の開口面に前記多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成し、複数の前記閉空間に対応する前記ＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する前記各閉空間毎に独立させると共に、前記多層プリント配線板の前記各閉空間毎に独立した前記ＧＮＤプレーンをそれぞれ電気的に前記導電性筐体に接続させて、複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された前記電気回路部をそれぞれシールドするものである。
【００１７】
また、本発明の車載用電力変換装置は、前記多層プリント配線板のＧＮＤプレーンは、前記多層プリント配線板のいずれかの表面部に形成され、前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが前記閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を前記開口の開口面に組みつけるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る車載用電力変換装置は、多層プリント配線板のＧＮＤプレーンを電気的に導電性筐体に接続させて、前記導電性筐体と前記多層プリント配線板で囲われた閉空間内に回路部を収納されたので、特段のシールド部材を用いることなく前記回路部をシールドでき、低コスト化と小型化を実現でき、部品点数を削減でき、生産性の向上が可能となる。
【００１９】
また、本発明に係る車載用電力変換装置は、導電性筐体と導電性仕切壁で形成される複数の開口の開口面に多層プリント配線板を組みつけて複数の閉空間を形成し、複数の前記閉空間内にそれぞれ回路部を収納されたので、回路部をそれぞれシールドでき、回路部間のノイズ干渉を抑制できる。
【００２０】
また、本発明に係る車載用電力変換装置は、複数の閉空間に対応するＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する前記各閉空間毎に独立させると共に、前記各閉空間毎に独立した前記ＧＮＤプレーンをそれぞれ電気的に導電性筐体に接続させたので、複数の前記閉空間内にそれぞれ収納された回路部において、一回路部に対応する前記ＧＮＤプレーンに流れるリターン電流が他の回路部に対応する前記ＧＮＤプレーンに流れる不都合が解消される。
【００２１】
また、本発明に係る車載用電力変換装置は、多層プリント配線板の表面部にＧＮＤプレーンを形成し、前記多層プリント配線板の表面部に形成された前記ＧＮＤプレーンが閉空間側と反対側となるように、前記多層プリント配線板を開口の開口面に組みつけるようにしたので、筐体カバーを導電性部品から樹脂部品等の導通機能を持たない安価な部品に変更でき、装置全体の小型、軽量化、および低コスト化を図ることができる。
本発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下の本発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図２】実施の形態２における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図３】実施の形態３における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図４】実施の形態４における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図５】実施の形態５における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図６】実施の形態６における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図７】実施の形態７における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図８】実施の形態８における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図９】実施の形態９における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１０】実施の形態１０における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１１】実施の形態１１における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１２】実施の形態１２における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１３】実施の形態１３における車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【図１４】従来の車載用電力変換装置を示す構成断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における車載用電力変換装置（以下電力変換装置と略称する。）を示す構成断面図である。電力変換装置は、モータを少なくとも駆動源とする電動自動車に搭載される。同図において、１１は開口がある筐体、１２は筐体カバーで、共に導電性部材で構成され、機器全体をシールドする役目を持つ。ここでは、筐体１１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー１２を板金で構成している。１６は多層プリント配線板、１７はＧＮＤプレーンで、多層プリント配線板の内層又は外層の任意の一層である。ここで、３は多層プリント配線板１６に実装されたフィルタ回路部、４は同じく多層プリント配線板１６に実装されたパワー系主回路部、５は多層プリント配線板１６に実装された制御回路部で、この制御回路部５だけが、フィルタ回路部３とパワー系主回路部４とＧＮＤプレーン１７を境に対向するように実装されている。フィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５は電気・電子部品を有している。
【００２４】
ここで、多層プリント配線板１６を、筐体１１の開口の開口面に組み付けて固定するネジ部においては、そのプリント配線板のネジ穴が、ＧＮＤプレーン１７と電気的に接続されたスルーホールで構成されており、ネジが筐体１１や導電性仕切壁１４と締結されることで、ＧＮＤプレーン１７が筐体電位に接地されている。つまり、ＧＮＤプレーン１７が筐体１１に電気的に接続されている。仕切壁１４は筐体１１と一体にアルミダイカストで形成されている。筐体１１に設けられた開口は、仕切壁１４で分割されて複数の開口１３ａ，１３ｂが形成される。複数の開口１３ａ，１３ｂの開口面には、一枚の共通の多層プリント配線板１６が組み付けられ固定されて、複数の閉空間が構成される。
【００２５】
このように構成された電力変換機器において、まずフィルタ回路部３は、筐体１１，仕切壁１４とＧＮＤプレーン１７で電磁気的な閉空間が構成されているので、他の回路部（回路ブロック）からのノイズの影響を受けることはない。パワー系回路部４についても同様で、筐体１１，仕切壁１４とＧＮＤプレーン１７で電磁気的な閉空間が構成されているので、シールドされることになる。制御回路部５については、筐体１１，筐体カバー１２とＧＮＤプレーン１７で閉空間が構成され、シールドされる。ＧＮＤプレーン１７は閉空間に対向する部分の全面を被う導電板であることが望ましい。なお、ＧＮＤプレーンは、プリント基板に形成される平面状パターンで、通常はプリント基板一杯の大きさで、信号線に対して十分に大きな面積を持っている。
【００２６】
実施の形態１では、ＧＮＤプレーン１７を境に電磁気的に結合させたくない回路部を、多層プリント配線板１６の表面部（一面部）と裏面部（他面部）に配置して、相互にシールドすることができる。実施の形態１では、回路部間が筐体１１，仕切壁１４とＧＮＤプレーン１７を介して分離、シールドされるため、回路部間のノイズ干渉を抑制することで誤動作を防ぎ、回路の安定動作を実現することができる。また、特段のシールド部材を用いることなく回路部をシールドでき、低コスト化と小型化を実現でき、部品点数を削減でき、生産性が向上する。また、筐体１１と仕切壁１４で形成される複数の開口１３ａ，１３ｂの開口面に多層プリント配線板１６を組みつけて複数の閉空間を形成し、複数の前記閉空間内にそれぞれ回路部を収納されたので、回路部をそれぞれシールドでき、回路間のノイズ干渉を抑制できる
【００２７】
実施の形態２．
図１では、多層プリント配線板の任意の一層にＧＮＤプレーンを形成したシールド構造を示したが、実施の形態２では、更なる軽量化を図る構造を提供する。図２は実施の形態２における電力変換装置を示す構成断面図である。同図において、２１は導電性の筐体、２２は非導電性の筐体カバーで、ここでは、筐体２１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー２２を樹脂部材｛例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂材，ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂材等｝として構成している。なお、各図中で、同一符号は、同一又は相当部分を示し、以下同様とする。
【００２８】
筐体２１は、フィルタ回路部３と制御回路部５を電磁気的に仕切る機能を持つ導電性仕切壁２３と、パワー系主回路部４と制御回路部５を電磁気的に仕切る機能を持つ導電性仕切壁２４を具備している。仕切壁２３，２４は筐体１１と一体にアルミダイカストで形成されている。２６は多層プリント配線板、２７はＧＮＤプレーンで多層プリント配線板２６の表面部に外層として形成されている。ここで、多層プリント配線板２６に実装されたフィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５の全ての回路部はＧＮＤプレーンと対向する表面部に実装されている。実施の形態２では、多層プリント配線板２６をフェースダウン（実装面が下向き）で、各回路部が筐体２１と仕切壁２３，２４で分離されるように、筐体２１の複数の開口の開口面に組み付けてネジ締結で取り付けられている。
【００２９】
このネジ部においては、実施の形態１と同様、その多層プリント配線板２６のネジ穴がスルーホールで構成されており、筐体２１と仕切壁２３，２４に締結されることで、ＧＮＤプレーン２７が筐体電位に接地されている。つまり、ＧＮＤプレーン２７が筐体２１に電気的に接続される。
【００３０】
このように構成された電力変換機器において、まずフィルタ回路部３は、筐体２１，仕切壁２３とＧＮＤプレーン２７で電磁気的な閉空間が構成されているので、他の回路部からのノイズの影響を受けることはない。制御回路部５とパワー系回路部４についても同様で、制御回路部５は仕切壁２３，２４とＧＮＤプレーン２７でシールドされ、パワー系回路部４は、筐体２１，仕切壁２４とＧＮＤプレーン２７でシールドされ、互いに電磁気的にシールドされる。さらに、装置全体がシールドされることになるため、筐体カバー２２を樹脂などの非導電性材料で構成することが可能となる。
【００３１】
また、多層プリント配線板２６の表面部にＧＮＤプレーン２７を形成し、多層プリント配線板２６の表面部の外層に形成されたＧＮＤプレーン２７が閉空間側と反対側となるように、多層プリント配線板２６を開口の開口面に組みつけるようにしたので、装置全体のカバーを導電性部品から樹脂部品等の導通機能を持たない安価な部品に変更でき、装置全体の小型、軽量化、および低コスト化を図ることができる。
【００３２】
実施の形態３．
実施の形態１，２では、ＧＮＤプレーンを用いたシールド構造により、各々の回路部間のノイズ干渉を抑制することで誤動作を防ぎ、特段のコストアップを生じることなく回路の安定動作を実現した。多層プリント配線板を分割することなく、部品点数を削減、生産工程の簡素化、工作性の向上を可能とし、小型，低コスト化が図った。さらに外層をＧＮＤプレーンとした場合には、装置全体のカバーを導電性部品から樹脂部品等の導通機能を持たない安価な部品に変更でき、装置全体の小型，軽量化、及びさらなる低コスト化が実現できる構造を提供した。
【００３３】
実施の形態１，２では、ＧＮＤプレーンが、フィルタ回路部３，制御回路部５とパワー系回路部４で共通化されていることから、それぞれの電源や信号線の入出力位置によっては、ＧＮＤプレーンを流れるある回路部のリターン電流が他の回路部上のＧＮＤプレーンに流れてしまい、ＧＮＤ電位が揺れることによって回路動作を不安定にしたり、意図しないノイズの伝播が生じる可能性がある。プリント配線板の設計時にリターン電流経路を考慮することができればこの問題は解決できるが、設計自由度を奪うこととなり、設計を困難にさせるばかりか、各回路部のレイアウト上どうしても回避できない場合も実際にはあり得る。
【００３４】
実施の形態３では、基板上のリターン電流の制約を無くし、設計自由度の向上を実現できる構造を提供する。図３は実施の形態３における電力変換装置示す構成断面図である。同図において、３１は筐体、３２は筐体カバーで、共に導電性部材で構成され、機器全体をシールドする役目を持つ。ここでは、筐体３１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー３２を板金で構成している。
【００３５】
３６は複数の回路部に共通の一枚の多層プリント配線板、３７はフィルタ回路部に対応したＧＮＤプレーンで、３８はパワー系主回路部に対応したＧＮＤプレーンであり、共に多層プリント配線板の任意の一層で構成されている。つまり、複数の閉空間（複数の回路部）に対応するＧＮＤプレーンを、機械的に分離して対応する各閉空間（各回路部）毎に独立させている。ここでは、多層プリント配線板３６に実装されたフィルタ回路部３とパワー系主回路部４が同一表面部（表層）に、回路エリアとしては明確に分離された形で実装され、制御回路部５だけが、フィルタ回路部３とパワー系主回路部４と対向するように裏面部（裏層）に実装されている。
【００３６】
筐体３１は、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン３７と接続される仕切壁３３と、パワー系主回路部４のＧＮＤプレーン３８と接続される仕切壁３４を具備している。仕切壁３３，３４は、筐体３１と一体に形成されている。ネジ部においては、実施の形態１と同様に、その多層プリント配線板３６のネジ穴がスルーホールで構成されており、筐体３１や仕切壁３３，３４と締結されることで、ＧＮＤプレーン３７，３８がそれぞれ筐体電位に接地されている。つまり、分離され独立したＧＮＤプレーン３７，３８が筐体３１にそれぞれ電気的に接続されている。
【００３７】
このように構成された電力変換機器においては、まずフィルタ回路部３、制御回路部５、パワー系主回路部４は、それぞれが互いにシールドされることになるため、他の回路部からのノイズの影響を受けることはない。また、フィルタ回路部のＧＮＤプレーン３７とパワー系回路部のＧＮＤプレーン３８が多層プリント配線板３６上で分離されているため、例えば、パワー系主回路部４のＧＮＤプレーン３８を流れるリターン電流が、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン３７に流れることはなく、このリターン電流による不都合が解消される。なお、実施の形態３では、一枚構成の多層プリント配線板を例にしているが、回路部毎に基板を分割してもよい。
【００３８】
実施の形態４．
図４は実施の形態４における電力変換装置を示す構成断面図である。同図において、４１は導電性の筐体、４２は非導電性の筐体カバーで構成され、ここでは、筐体４１をアルミダイカスト製とし、筐体カバー４２を樹脂製として構成される。４６は多層プリント配線板、４７はフィルタ回路部３に対応したＧＮＤプレーン、４８はパワー系主回路部４に対応応したＧＮＤプレーン、４９は制御回路部５に対応したＧＮＤプレーンであり、各ＧＮＤプレーン４７，４８，４９は、互いに分離され独立しているが、共に多層プリント配線板の表面部の外層に形成している。
【００３９】
筐体４１は、フィルタ回路部３と制御回路部５を電磁気的に仕切る仕切壁４３と、パワー系主回路部４と制御回路部５を電磁気的に仕切る仕切壁４４を一体形成している。ここでは、多層プリント配線板４６に実装されたフィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５の全ての回路部が、ＧＮＤプレーンと対向する表面部に回路エリア的に分離されて実装されている。この多層プリント配線板４６はフェースダウンで、各回路部が筐体４１と仕切壁４３，４４で分離され、ネジ締結で取り付けられている。ネジとスルーホールで、ＧＮＤプレーン４７，４８，４９が筐体４１にそれぞれ接続されている。
【００４０】
このように構成された電力変換機器において、フィルタ回路部３，制御回路部５とパワー系主回路部４は、それぞれが互いにシールドされることになるため、他の回路ブロックからのノイズの影響を受けることはない。また、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン４７，パワー系回路部４のＧＮＤプレーン４８と制御回路部５のＧＮＤプレーン４９が多層プリント配線板４６上で分離されているため、例えば、パワー系主回路部４のＧＮＤプレーン４８を流れるリターン電流が、フィルタ回路部３のＧＮＤプレーン４７や制御回路部５のＧＮＤプレーン４９に流れることは無く、このリターン電流による不都合が解消される。さらに、装置全体がシールドされることになるため、筐体カバー４２を樹脂などの非導電性材料で構成することが可能となる。
【００４１】
実施の形態５．
実施の形態４においては、フィルタ回路部３，パワー系回路部４と制御回路部５の全ての回路部のＧＮＤプレーン４７，４８，４９を表面部に形成したが、それぞれの回路部単位で内層に形成するか表層に形成するかを使い分けてもよい。図５は実施の形態５における電力変換装置を示す構成断面図である。図５では、制御回路部５のＧＮＤプレーン４９のみを任意の内層に配置している。ここでは、４２ｂは、導電製の筐体カバーで、板金や導電性樹脂部材で構成される。５ａは制御回路部Ａ、５ｂは制御回路部Ｂを示し、互いに電磁気的に分離する必要がある回路部である。
【００４２】
このように構成することにより、フィルタ回路部３のシールド空間，パワー系主回路部４のシールド空間，制御回路部５ａのシールド空間と制御回路部５ｂのシールド空間の４種のシールド空間を構築することができ、制御回路部５内でシールドする必要がある場合などに有効となる。もちろん、制御回路部を電磁気的に２分割するのではなく、パワー系回路部４を電磁気的に２分割しても構わない。このようにすれば、ドライバとパワー系配線を分離する等、よりきめ細かなノイズ対策が可能となる。
【００４３】
また、フィルタ回路部を電磁気的に２分割してもよい。このようにすることで、例えば１次フィルタと２次フィルタを分離する等、よりフィルタ性能を向上させることが可能となる。また、例えば制御回路部５ｂがシールドの必要ない回路部である場合は、筐体カバー４２については、単なる非導電性樹脂部材で構成してよい。
【００４４】
実施の形態６．
一般的に、電力変換装置における入出力のフィルタ回路は、コモンモードチョークコイルやノーマルモードコイルなどが用いられ、大電流を扱うことからこのコイルの発熱量が数Ｗを超え、熱的に成立させることが課題になる。また、電力変換装置内にＤＣ／ＤＣコンバータが内蔵されている場合には、トランスやリアクトルなどの電気部品が発熱体となり、特に高周波駆動される場合には、トランス，リアクトルの小型化の代償として発熱密度が増大し、放熱が困難になる。シールドと放熱を両立させる構造は、銅やアルミの金属部材で放熱すべき部材までの放熱パスを確保し、さらに熱的に接触する各部分では、放熱グリスや放熱シートなどの放熱部材を用いることとなり、部品点数増、機器の大型化，コストアップ、工作性の悪化を招くだけでなく、犠牲にする項目が多い割には十分な放熱効果が得られない場合もある。実施の形態６では、それらの課題を解決する具体的構造を提供する。
【００４５】
図６は実施の形態６における電力変換装置を示す構成断面図である。同図において、５１は導電性の筐体、５２は導電性の筐体カバーで構成される。５３は仕切壁，５４は仕切壁で、筐体５１と一体に形成される。５６ａ，５６ｂ，５６ｃは、それぞれフィルタ回路用多層プリント配線板、制御回路用多層プリント配線板、パワー系主回路用多層プリント配線板で、ここでは、多層プリント配線板を回路部毎に分割して独立させている。５７はフィルタ回路部３に対応したＧＮＤプレーン、５８はパワー系主回路部４のＧＮＤプレーン、５９は制御回路部５のＧＮＤプレーンで、それぞれ表面部に形成され、外層をＧＮＤプレーンとしている。
【００４６】
ここでは、各ＧＮＤプレーン５７，５８，５９は、ネジとスルーホールで、それぞれ筐体５１に接続され、各閉空間をシールドしている。ここでは、フィルタ回路部３内にコモンモードチョークコイル６が実装されている。パワー系主回路部４にはリアクトル７，トランス８が実装されている。９ａは放熱部材で、ここでは、放熱グリスを用いている。５０は冷却器で、空冷の冷却フィンや水冷の冷却水路などで構成され、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の発熱部品の熱量を放熱部材９ａを介して放熱させる。
【００４７】
コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８は、その巻線径と長さ、及び流れる電流によって発熱量が決定される。特に高い高調波を含む電流の場合には、巻線の表皮効果による発熱も無視できなくなるため、高周波数スイッチングにより小型化する場合には、発熱量が増大するだけでなく、その発熱密度も高くなる。高周波化による小型化の恩恵を受けるためには、放熱構造を如何に簡素にできるかがポイントとなる。
【００４８】
図６に示す構成であれば、シールド性能を維持しつつ、特段の追加部材を用いることなく、多層プリント配線板５６ａ，５６ｂ，５６ｃがフェースダウンで取り付けられているため、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の天面が筐体側に向かい合っているため、この天面に放熱グリス９ａを塗布するだけで、これらの放熱が可能になる。もちろん、発熱量によって、筐体５１の底面の放熱面積だけで十分熱成立する場合は、冷却器５０は必ずしも必要ではない。また、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の高さが異なる場合は、当該部位において筐体５１から必要な高さ分だけ肉盛りすることで、放熱パスの確保が可能である。
【００４９】
実施の形態７．
実施の形態６では、放熱グリス９ａによる例を示したが、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７又はトランス８などの巻物部品においては、その外形がばらつきやすく、グリスのような放熱部材９ａでは量産性を担保することが困難になる。また、放熱グリス９ａには固化やポンピングアウト等の経年劣化要因があり、これらの経年劣化要因を回避することも重要である。実施の形態７では、これらの巻線外形ばらつきが生じても安定した放熱が行え、かつ経年劣化的にも信頼性向上が図れる構造を提供する。
【００５０】
図７は実施の形態７における電力変換装置を示す構成断面図である。ここでは、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８は、放熱部材である放熱シート９ｂを介して筐体５１に接触している。ここで、放熱シート９ｂは厚みを有する弾性体であり、低反発で応力歪を残さない素材を用いている。例えば、シリコン系ゴム材，アクリル系ゴム材等である。コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の発熱部品の熱量は放熱部材である放熱シート９ｂを介して冷却器５０に放熱される。
【００５１】
このように構成することで、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８の巻線外形バラツキによって、その高さ方向が変動したとしても、弾性を有する放熱シート９ｂを用いることによって、筐体５１への放熱経路を確保した上で、その高さバラツキが放熱シート９ｂの弾性で吸収される。
【００５２】
実施の形態８．
実施の形態７では、弾性を有する放熱シート９ｂによる例を示したが、コモンモードチョークコイル６，リアクトル７やトランス８などの巻物部品において、多層プリント配線板に実装する部品としてはその重量が問題になる場合がある。特に振動要件の厳しい環境においては、弾性を有する放熱シート９ｂでは、その重量によっては十分な保持ができず、多層プリント配線板が撓むことがある。そのため、周辺の面実装部品は、巻物部品と多層プリント配線板の半田接続部でのクラック発生、プリント配線板の割れ、接触不良、引いては局所発熱による火災等の事故を誘発する危険がある。また、多層プリント配線板を組みつける際には、放熱シートの弾性により多層プリント配線板が押し返され、ネジ締結が行いにくいといった生産性の課題もある。
【００５３】
実施の形態８では、これらの部品が重量物であっても確実に保持し、安定した放熱が行え、かつ信頼性の向上が図れる構造を提供する。図８は実施の形態８における電力変換装置を示す構成断面図である。９ｃは放熱用の接着材で、ここではポッティング材を用いている。ポッティング材は、例えば、シリコン系やウレタン系のエラストマー等である。このポッティング材が硬化する前は液状であるため、このポッティング材の漏出を防止するための堤壁７５が必要となる。７５ａはコモンモードチョークコイル６の接着剤９ｃの漏出を防止する堤壁で、仕切壁５３との間で受皿を形成している。７５ｂはリアクトル７の接着剤の漏出を防止する堤壁で、仕切壁５４との間で受皿を形成している。７５ｃはトランス８の接着剤の漏出を防止する堤壁で、堤壁７５ｂとの間で受皿を形成している。なお、受皿は堤壁と筐体５１との間に形成してもよい。
【００５４】
このように構成された構造において、まず、フィルタ回路部３については、堤壁７５ａと筐体壁５３で囲われた受皿にポッティング材が注入される。注入量は、コモンモードチョークコイル６の高さがそのばらつき範囲内の最小値であっても、そのコモンモードチョークコイル６の天面がポッティング材に浸かる程度としている。この後、フィルタ回路部３を実装したフィルタ回路用多層プリント配線板５６ａがフェースダウンで組みつけられる。この時、コモンモードチョークコイル６は、予め注入されているポッティング材にその天面が浸かることになる。ここで、コモンモードチョークコイル６の高さ方向の外形ばらつきがあっても、ポッティング材が液状である為、何ら応力を発生することなくそのばらつきが吸収される。
【００５５】
パワー系主回路部４においても同様で、堤壁７５ｂと仕切壁５４で囲われた受皿、及び堤壁７５ｂと堤壁７５ｃに囲われた受皿にポッティング材が注入される。注入量は、それぞれリアクトル７とトランス８の高さがそのばらつき範囲内の最小値であっても、それぞれの天面がポッティング材に浸かる程度としている。この後、パワー系主回路部４を実装したパワー系主回路用多層プリント配線板５６ｃがフェースダウンで組みつけられる。この時、リアクトル７とトランス８は、予め注入されているポッティング材にその天面が浸かることになる。ここで、リアクトル７とトランス８の高さ方向の外形ばらつきがあっても、ポッティング材が液状である為、何ら応力を発生することなくそのばらつきが吸収される。
【００５６】
この後、ポッティング材が硬化することにより、重量物であるコモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８は筐体に固定される。このように図８の構成であれば、シールド性能を維持しつつ、特段の追加部材を用いることなく、重量物であるコモンモードチョークコイル６，リアクトル７とトランス８が筐体５１に固定され、振動要件の厳しい環境においても、多層プリント配線板やそのハンダ部にストレスをかけることなく保持され、放熱パスを確保することができ、小型化，低コスト化できる。
【００５７】
実施の形態９．
実施の形態１〜７は、フィルタ回路部３，パワー系主回路部４と制御回路部５をそれぞれシールドする構造としたが、駆動周波数や機器の取り付け位置でのノイズスペックに応じて、一回路部のみをシールドする構造も可能である。図９は実施の形態９における電力変換装置を示す構成断面図である。図９のようにフィルタ回路部３のみをシールドする構造でもよい。８１ａは導電性の筐体、８２は導電性の筐体カバー、８３は仕切壁、８６ａはフィルタ回路用多層プリント配線板、８７はＧＮＤプレーン、８０は冷却器である。
【００５８】
実施の形態１０．
図１０は実施の形態１０における電力変換装置を示す構成断面図である。図１０のように制御回路部５のみをシールドする構造でもよい。８１ｂは導電性の筐体、８２は導電性の筐体カバー、８３は仕切壁、８６ｂは制御回路用多層プリント配線板、８９はＧＮＤプレーンである。
【００５９】
実施の形態１１．
図１１は実施の形態１１における電力変換装置を示す構成断面図である。図１１のようにパワー系主回路部４のみをシールドする構造でもよい。８１ｃは導電性の筐体、８２は導電性の筐体カバー、８４は仕切壁、８６ｃはパワー系主回路用多層プリント配線板、８８はＧＮＤプレーン、８０は冷却器である。
【００６０】
実施の形態１２．
図１２は実施の形態１２における電力変換装置を示す構成断面図である。図１２では、フィルタ回路部３を独立させ、パワー系主回路部４と制御回路部５を共通の多層プリント配線板８６ｄに実装した場合である。実施の形態１〜７では、多層プリント配線板の表面部に、又はその表裏面部に各回路部が実装されていたため、薄型ではあるが、上方からの投影面積が比較的大きく、冷却器部分の体積が大きく必ずしも好適ではないという課題がある。実施の形態１２では、上方からの投影面積を小さくし、冷却器を含めて小型化したものである。
【００６１】
同図において、８１ｄは導電性の筐体、８２は導電性の筐体カバーである。筐体８１ｄは、フィルタ回路部３とパワー系主回路部４を電磁気的に仕切る仕切壁８３を一体に形成している。８６ａはフィルタ回路部３が実装された多層プリント配線板、８７はＧＮＤプレーン、８６ｄは制御回路５とパワー系主回路４が実装された多層プリント配線板、８８はパワー系主回路用のＧＮＤプレーンである。
【００６２】
ここで、フィルタ回路用多層プリント配線板８６ａは、筐体８１ｄと仕切壁８３で囲われた空間にフェースダウンで取り付けられ、そのＧＮＤプレーン８７がネジ締結され電気的に筐体８１ｄに接続される。そのＧＮＤプレーン８７，筐体８１ｄと仕切壁８３で囲われた閉空間で、フィルタ回路部３がシールドされる。パワー系主回路４と制御回路５が実装されている多層プリント配線板８６ｄは、フィルタ回路部３の上方に取り付けられ、パワー系主回路部４においては、仕切壁８３と筐体８１ｄで囲われた空間にフェースダウンで取り付けられ、そのＧＮＤプレーン８８が仕切壁８３と筐体８１ｄにネジ締結され電気的に接続されることで、パワー系主回路部４がシールドされる。
【００６３】
ここで、制御回路部５は、表面部にＧＮＤプレーンを有していないが、フィルタ回路用多層プリント配線板８６ａのＧＮＤプレーン８７，筐体８１ｄ，仕切壁８３，パワー系主回路用のＧＮＤプレーン８８と筐体カバー８２で囲まれた閉空間でシールドされる。９ｃは放熱用の接着材であるポッティング材である。
【００６４】
このように構成された機器においては、フィルタ回路部３，制御回路部５とパワー系主回路部４のそれぞれがシールドされると共に、フィルタ回路部３内に実装されているコモンモードチョークコイル６，パワー系主回路部４に実装されているリアクトル７とトランス８は、ポッティング材９ｃにて、それらの寸法ばらつきが吸収されると共に固定され、かつ冷却器８０を介して放熱される。また、フィルタ回路部３を下部にし、制御回路部５、パワー系主回路部４を上部とすることで、シールド，耐振と放熱機能を有したまま、機器の投影面積が小さくなり、小型化を図ることができる。
【００６５】
実施の形態１３．
図１３は実施の形態１３における電力変換装置を示す構成断面図である。小型化の例であり、図１３に示すように、冷却器９０を挟んで、上部をパワー系主回路部４、下部をフィルタ回路部３、制御回路部５とすることで、さらなる投影面積を小さくでき、小型化を図ることができる。一般的に、車載用途では、その車両毎に許される空間が異なるため、小型化、何よりも形状の自由度が高いことが望まれる。上述した実施の形態では、様々な外形仕様に応じて、シールド，耐振，放熱機能を簡単に有したまま、各回路部のレイアウトを自由に構築できるため、設計自由度が向上するといったメリットを有する。
【００６６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 
【国際調査報告】
2014033852.tif 000017
2014033852.tif 000018
2014033852.tif 000019
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