JP2004297888A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクの小型化が図られたスイッチング電源を提供する。
【解決手段】本発明に係るスイッチング電源１０は、ベースプレート１２の一面１２ａに、スイッチング素子１６ａ、メイントランス１８及びダイオード２０ａが載置されており、他面１２ｂに、水路３８が形成されている。水路３８は、ベースプレート１２の他面１２ｂの領域のうち、第２の領域１２ｄに形成されており、この第２の領域１２ｄに対応する領域１２ｅに上記スイッチング素子１６ａ、メイントランス１８及びダイオード２０ａが載置されている。すなわち、水路３８は、発熱量の比較的大きなスイッチング素子１６ａ、メイントランス１８及びダイオード２０ａが載置された、限定された領域１２ｄの除熱をおこなう。そのため、スイッチング電源１０において、水路３８は、ベースプレート１２の全領域に亘って形成されたヒートシンクに比べて小型となっている。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年になって省エネルギや環境保全に対する要望が高まり、このような要望を反映するものの一つとしてハイブリッド車が実用化されている。ハイブリッド車は、従来からの内燃機関と電気モータ（ハイブリッド車用モータ）とを組み合わせて、それを動力源として利用するものである。ハイブリッド車用モータでは、減速時などに回生発電をおこなって電気エネルギを回収することも可能となっており、バッテリには、この回生発電による電力や内燃機関の出力を用いて発電した電力が蓄えられる。
【０００３】
バッテリから供給される電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ（スイッチング電源）において降圧されて、ヘッドライト等の車載機器に配電される。このようなスイッチング電源は、主に、入力電圧のノイズ除去をおこなう入力平滑回路と、直流を交流に変換するスイッチング回路と、降圧をおこなうメイントランスと、交流を直流に変換する整流回路と、出力電圧のノイズ除去をおこなう出力平滑回路とで構成されており、ベースプレートの所定位置にそれぞれ配置されている。これらの回路及びメイントランス（以下、「要素」と称す。）のうち、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を備えるスイッチング回路や半導体ダイオード（整流素子）を備える整流回路は、コンバータ稼働時に百数十℃もの高温になる。また、半導体で構成されていないものの、メイントランスもまた、百数十℃程度にまで昇温する。そのため、少なくともこれらの要素に対しては、放熱対策がとられるのが一般的である。
【０００４】
そして、従来のスイッチング電源においては、多くの場合、その冷却能力の高さから、下記特許文献１に示されているような水冷方式が採用されている。すなわち、ベースプレートの各要素を搭載する要素搭載面の反対面に放熱フィンを設け、この放熱フィンの間に冷媒を流通させることで、ベースプレートを介して要素の過熱を抑制する方式の冷却機構が採用されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−０８２６４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来のスイッチング電源には、次のような課題が存在している。すなわち、上述した冷却機構を有する冷却器等のヒートシンクは、ベースプレートの全領域に亘って形成されているため、そのサイズが大きく、スイッチング電源の重量増加や材料コスト増を招いてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、ヒートシンクの小型化が図られたスイッチング電源を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスイッチング電源は、直流の入力電圧を交流に変換するスイッチング回路を構成するスイッチング素子と、スイッチング回路によって交流変換された入力電圧の電圧変換をおこなうメイントランスと、メイントランスによって電圧変換された交流の入力電圧を直流に変換する整流回路を構成する整流素子と、スイッチング素子、メイントランス及び整流素子が一面に配置されたベースプレートと、ベースプレートの他面の一部領域のみに形成され、スイッチング素子、メイントランス及び整流素子の除熱をおこなうヒートシンクとを備え、スイッチング素子、メイントランス及び整流素子は、ヒートシンクが形成された一部領域に対応する位置に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
このスイッチング電源においては、ベースプレートの一面に、スイッチング素子、メイントランス及び整流素子が載置されており、他面に、ヒートシンクが形成されている。ヒートシンクは、ベースプレートの他面の領域のうち、一部領域のみに形成されており、この一部領域に対応する領域に上記スイッチング素子、メイントランス及び整流素子が載置されている。すなわち、ヒートシンクは、発熱量の比較的大きなスイッチング素子、メイントランス及び整流素子が載置された、限定された領域の除熱をおこなう。そのため、本発明に係るスイッチング電源において、ヒートシンクは、ベースプレートの全領域に亘って形成されたヒートシンクに比べて小型となっている。また、ヒートシンクが除熱をおこなう領域を上記一部領域に限定することで、除熱を必要としない領域の除熱をおこなわないため、ヒートシンクの冷却効率が向上する。
【００１０】
また、ベースプレートの他面の一部領域は、ベースプレートの一側の領域であることが好ましい。この場合、ヒートシンクをベースプレートの一側に形成することができる。
【００１１】
また、ヒートシンクは、ベースプレートに一体的に形成されていることが好ましい。この場合、ベースプレートからヒートシンクが脱落することがないため、ヒートシンクによる除熱を確実におこなうことができる。
【００１２】
また、ヒートシンクは放熱フィンであることが好ましい。この場合、ヒートシンクをベースプレートに一体的に形成するのが容易である。
【００１３】
また、ヒートシンクは冷媒が流通する水路であることが好ましい。この場合、空冷方式のヒートシンクに比べて、冷却能力が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るスイッチング電源の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源１０を示した概略斜視図である。このスイッチング電源１０は、ハイブリッド車等に適用される、いわゆるＤＣ−ＤＣコンバータであり、車載バッテリから送られてくる入力電圧を降圧すると共に安定化して、パワーウィンドウ、ヘッドライト、オーディオ機器等の車載機器やモータ等に対して送出する装置である。
【００１６】
スイッチング電源１０は、主な構成要素として、略方形状のベースプレート１２と、入力電圧のノイズ除去をおこなう入力平滑回路１４と、直流を交流に変換するスイッチング回路１６と、電圧変換をおこなうメイントランス１８と、交流を直流に変換する整流回路２０と、出力電圧のノイズ除去をおこなう出力平滑回路（平滑回路）２２とを備えている。また、ベースプレート１２上には、主にスイッチング回路１６の制御をおこなう制御基板２４が所定距離だけ離間されて対面配置されている。
【００１７】
これらの構成要素同士の関連について、図２を参照しつつ説明する。なお、図２は、スイッチング電源１０の回路システムを模式的に示すと共に、各構成要素の配置関係を示した図である。上述したように、スイッチング電源１０がバッテリから入力電圧を受け付けると、まず、入力平滑回路１４においてその入力電圧のノイズ成分が除去される。入力平滑回路１４によってノイズが除去された入力電圧は、スイッチング回路１６において交流電圧に変換される。交流電圧に変換された入力電圧は、メイントランス１８において降圧される。降圧された入力電圧は、整流回路２０において直流に変換され、出力平滑回路２２においてノイズ除去された後に出力される。なお、スイッチング電源１０には、図２に示した回路及び素子以外にも、種々の回路及び素子が搭載されているが、説明の便宜上省略している。
【００１８】
図１に示すように、上述した入力平滑回路１４、スイッチング回路１６、メイントランス１８、整流回路２０及び出力平滑回路２２はいずれも、ベースプレート１２の一面１２ａ上に搭載されている。模式的に示した入力平滑回路１４は、主にコイル及びコンデンサで構成されている。スイッチング回路１６は、例えばＭＯＳＦＥＴである、４つのスイッチング素子１６ａを有しており、これらのスイッチング素子１６ａの接続／切断のタイミングは制御基板２４によって制御されている。すなわち、２つ一組のスイッチング素子１６ａが、組毎に制御基板２４によって所定のタイミングで接続／切断されて、直流から交流への変換がおこなわれる。メイントランス１８は、巻数の多い一次コイルと巻数の少ない二次コイルによって構成されており、入力電圧を低下（降圧）する。整流回路２０は、整流素子としてダイオード２０ａを複数備えている。なお、整流素子には、整流素子の単なるチップだけでなく、複数の整流素子をモジュール化したものも含まれる。出力平滑回路２２は、主にチョークコイル２２Ａ及びコンデンサ２２Ｂで構成されている。すなわち、ベースプレート１２の面１２ａ上には、主にスイッチング素子１６ａ、メイントランス１８、ダイオード２０ａ、チョークコイル２２Ａ等の電子部品が搭載されている。
【００１９】
ベースプレート１２の一端部の第１の領域１２ｃには、図示しない入力ケーブル、出力ケーブル及び信号ケーブルがそれぞれ接続される入力ケーブル用ホール２６、出力ケーブル用ホール２８及び信号ケーブル用ホール２９が貫設されている。入力ケーブル及び出力ケーブルは、ベースプレート１２の第１の領域１２ｃ内においてスイッチング電源１０に取り付けられており、この第１の領域１２ｃから入力された電圧は対向する他端部の第２の領域１２ｄ内に配置されているメイントランス１８付近で折り返して、第１の領域１２ｃから出力される。そして、入力ケーブル用ホール２６とメイントランス１８との間には、入力ケーブル用ホール２６に近い方から上述した入力平滑回路１４及びスイッチング回路１６が順に略一直線状に配置されている。また、メイントランス１８と出力ケーブル用ホール２８との間には、メイントランス１８に近い方から上述した整流回路２０及び出力平滑回路２２が順に略一直線状に配置されている。なお、スイッチング回路１６及び整流回路２０は、メイントランス１８と近接しており、メイントランス１８同様、第２の領域１２ｄ内に配置されている。そのため、スイッチング回路１６を構成するスイッチング素子１６ａ及び整流回路２０を構成するダイオード２０ａも、第２の領域１２ｄ内に配置されている。
【００２０】
これら、スイッチング素子１６ａ、ダイオード２０ａ及びメイントランス１８は、ベースプレート１２上に搭載される電子部品の中でも、とりわけ発熱量の大きい部品であるため、以下に示すような水路によって除熱される。
【００２１】
図３を参照しつつ、ベースプレート１２に形成された水路（ヒートシンク）について説明する。図３は、図１に示した側と反対側のベースプレート１２を示した斜視図である。図３に示すように、ベースプレート１２の上記スイッチング素子１６ａ等が搭載された面１２ａの裏面１２ｂ上であって、上述したスイッチング素子１６ａ、メイントランス１８及びダイオード２０ａが配置された第２の領域１２ｄに対応する領域１２ｅには、この領域１２ｅを囲むようにして、水路の外周部を構成する環状の水路側壁３０がベースプレート１２に一体的に立設されている。また、水路側壁３０で囲まれた領域内には、この領域内を冷却水（冷媒）が隈無く流れるように水流を３つ分離する、複数の屈曲部を有する放熱フィン３２がベースプレート１２に一体的に設けられている。
【００２２】
また、水路側壁３０が形成された面１２ｂには、環状の水路側壁３０を覆うように平板状のカバープレート３６がネジ留めされている。このカバープレート３６は、水路側壁３０及び放熱フィン３２の端部に隙間なく当接され、このカバープレート３６と水路側壁３０とで水路（ヒートシンク）３８が構成されている。
すなわち、スイッチング素子１６ａ等が載置された面１２ａの裏面１２ｂには、その一部の領域（一部領域）１２ｅに水路３８が形成されており、この領域１２ｅ以外の領域には水路３８は形成されていない。
【００２３】
なお、カバープレート３６には、水路３８内に冷却水を流入する流入パイプ４０と、水路３８内から冷却水を流出する流出パイプ４２とが一体成型されている。この流入パイプ４０及び流出パイプ４２は、カバープレート３６の法線方向に延在しており、それぞれの端部には図示しないホースが取り付けられる。このように、水冷方式のヒートシンクである水路３８で第２の領域１２ｄの除熱をおこなう場合は、空冷方式のヒートシンク（例えば、放熱フィン）で除熱をおこなう場合に比べて、冷却能力が向上する。
【００２４】
ここで、スイッチング電源の水路の大きさについて、図４を参照しつつ説明する。図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。上述したように、水路３８は、第２の領域１２ｄに対応する、ベースプレート裏面１２ｂの領域１２ｅに形成されている。そして、その第２の領域１２ｄには、スイッチング素子１６ａ、メイントランス１８及びダイオード２０ａの３つの電子部品が配置されている。そのため、ベースプレート１２の裏面１２ｂの全領域に亘って形成された水路３８Ａに比べて水路３８が小型化されている。
【００２５】
以上詳細に説明したように、スイッチング電源１０においては、水路３８は、第２の領域１２ｄに限定した除熱をおこなう。そのため、水路３８は、ベースプレート１２の全領域に亘って形成された水路３８Ａよりも小型にすることができる。また、水路３８が除熱をおこなう領域を、スイッチング素子１６ａ、メイントランス１８及びダイオード２０ａが配置された第２の領域１２ｄに限定し、ベースプレート１２上における第２の領域１２ｄ以外の領域を除熱しないため、水路３８の冷却効率が向上している。
【００２６】
また、ベースプレート１２に、水路３８を構成する水路側壁３０が一体的に立設されているため、水路３８がベースプレート１２から脱落することがない。そのため、水路３８による電子部品の除熱を確実におこなうことができる。
【００２７】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ヒートシンクは、水路に限定されず、放熱フィンだけを利用した空冷方式のものであってもよい。この場合には、水路に比べてより容易にヒートシンクをベースプレートに一体形成することができる。また、ヒートシンクを形成する領域は、ベースプレートの一側に限らず、例えば中央付近であってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒートシンクの小型化が図られたスイッチング電源が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るスイッチング電源の概略斜視図である。
【図２】スイッチング電源の回路システムを模式的に示した図である。
【図３】図１に示した側と反対側のベースプレートを示した斜視図である。
【図４】図１に示したスイッチング電源のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【符号の説明】
１０…スイッチング電源、１２…ベースプレート、１２ａ，１２ｂ…面、１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ…領域、１６…スイッチング回路、１６ａ…スイッチング素子、１８…メイントランス、２０…整流回路、２０ａ…ダイオード、２２…出力平滑回路、２２Ａ…チョークコイル、３２…放熱フィン、３８…水路。

Claims (5)

1. 直流の入力電圧を交流に変換するスイッチング回路を構成するスイッチング素子と、
   前記スイッチング回路によって交流変換された入力電圧の電圧変換をおこなうメイントランスと、
   前記メイントランスによって電圧変換された交流の入力電圧を直流に変換する整流回路を構成する整流素子と、
   前記スイッチング素子、前記メイントランス及び前記整流素子が一面に配置されたベースプレートと、
   前記ベースプレートの他面の一部領域のみに形成され、前記スイッチング素子、前記メイントランス及び前記整流素子の除熱をおこなうヒートシンクとを備え、
   前記スイッチング素子、前記メイントランス及び前記整流素子は、前記ヒートシンクが形成された前記一部領域に対応する位置に配置されている、スイッチング電源。
2. 前記ベースプレートの他面の前記一部領域は、ベースプレートの一側の領域である、請求項１に記載のスイッチング電源。
3. 前記ヒートシンクは、前記ベースプレートに一体的に形成されている、請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
4. 前記ヒートシンクは放熱フィンである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
5. 前記ヒートシンクは冷媒が流通する水路である、請求項４に記載のスイッチング電源。

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