JP2007221919A - Ａｃ／ｄｃ変換モジュール基板及び車載用ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、部品点数及び組立工数の低減が可能で、併せて分解性も良く、放熱効果の良好なＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を提供する。
【解決手段】１次側コイル１０と２次側コイル２０とを有するトランスＴ１と、２次側コイル２０の誘起電圧を整流する整流素子とを備え、さらに２次側コイル２０が複数のコイル導体部を有し、各コイル導体部の端部が金属基板４０上に絶縁層を介して形成された導体パターンにはんだ付けされており、１次側コイル１０が前記複数のコイル導体部間に挿入された構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車等の用途に使用するＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板及びこれを搭載した車載用ＤＣ／ＤＣコンバータに係り、とくに出力が１〜２ｋＷ程度のものに関する。

ハイブリッド自動車等の用途において、高圧直流電圧を低圧直流電圧に変換する目的でＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。この場合、高圧側に比較して低圧側は大電流が流れることになるため、放熱に配慮したトランス構造が必要となる。

下記特許文献１は従来の出力１〜２ｋＷの車載用ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス構造を示す。また、下記特許文献２は車載用のＤＣ／ＤＣコンバータの例を示す。

特開２００４−３０３８５７号公報 特開２００２−３６９５２８号公報

特許文献１は出力１〜２ｋＷの車載用ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス構造であって、ボビンを使用して１次、２次側コイルを固定し、また２次側コイルをネジを用いて整流器が設けられた整流部と結合する構造となっている。

特許文献２は車載用ＤＣ／ＤＣコンバータであり、２次側大電流の経路はバスバーによって形成され、２次側コイルと整流部との接続等はネジ結合である。

上記特許文献１，２に示される従来技術は、トランスと整流部等の経路接続に、ネジ締結を使用しているため、部品点数が増加し、組立工数も増加する。また、トランスの１次、２次側コイルはボビンを使用するか、又はモールド成型の構造となっているので分解時も工数がかかる（不良発見時に分解が必要な場合がある）。

本発明は、上記の点に鑑み、トランスの２次側コイルの接続にネジを使用せず、また前記２次側コイルの放熱にも配慮した構造としたので、小型化、部品点数及び組立工数の低減が可能で、併せて分解性も良く、放熱効果の良好なＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を提供することを目的とする。

また、本発明は、前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を搭載することで、小型化、部品点数及び組立工数の低減が可能な車載用ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することをもう一つの目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板は、１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスと、前記２次側コイルの誘起電圧を整流する整流素子とを備えるものであって、
前記２次側コイルが複数のコイル導体部を有し、各コイル導体部の端部が金属基板上に絶縁層を介して形成された導体パターンにはんだ付けされており、前記１次側コイルが前記複数のコイル導体部間に挿入されていることを特徴としている。

前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板において、前記複数のコイル導体部は、前記１次側コイルを挟んで対向する平板状部分が形成されたバスバー構造を有していてもよい。

前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板において、前記コイル導体部の端部がはんだ付けされた導体パターンのいずれかに整流素子がはんだ付けで接続されていてもよい。

前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板において、前記トランスの磁気コアは、前記１次側コイルと２次側コイルの内側に配置される中央脚部と、前記コイルの外側に配置される外脚部とを有する第１のコアと、平板状の第２のコアとからなり、固定具で前記金属基板上に取り付けられていてもよい。

前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板において、前記トランスの磁気コアは、前記１次側コイルと２次側コイルの内側に配置される中央脚部と、前記コイルの外側に配置される外脚部とをそれぞれ有する第１及び第２のコアとからなり、前記第１のコアは前記金属基板の上側から、前記第２のコアは前記金属基板の下側から前記金属基板に形成された抜き穴を通して組み付けられていてもよい。

本発明に係る車載用ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板と、前記１次側コイルに接続されるスイッチング回路とを備え、
前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を放熱用ベースプレート上に直接取り付けたことを特徴としている。

本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板によれば、トランスの２次側コイルを金属基板上の導体パターンにはんだ付けで固定し、また前記２次側コイルと整流部との接続もはんだ付けで行う組立構造であるため、小型化、部品点数低減、組立工数低減が可能である。また、２次側コイル導体部間に１次側コイルを挿入する構造で、ボビンレスであり、組立・分解性が良好である。また、前記２次側コイルがはんだ付けで固定される前記金属基板は放熱体として機能し冷却効果があるが、さらに放熱用ベースプレート上に前記金属基板を直接取り付ける構成とした場合、大電流が流れる２次側コイルを前記放熱用ベースプレートに小さな熱抵抗で設置可能となり、放熱効果が大きく、２次側コイルの小型化が可能となる。

本発明に係る車載用ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を放熱用ベースプレートに直接取り付けることで、前記トランスの２次側コイルの放熱効果の向上、整流部等の他の２次側回路部分の放熱効果の向上を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板及び車載用ＤＣ／ＤＣコンバータの実施の形態を図面に従って説明する。

図１乃至図６を用いてＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板及び車載用ＤＣ／ＤＣコンバータの実施の形態１を説明する。

図１は車載用ＤＣ／ＤＣコンバータの構造を示す斜視図、図２は同回路図であり、ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板１は図２の回路図における１次側コイル１０及び２次側コイル２０を有するトランスＴ１と、複数の整流素子３０を含む整流部とを金属基板４０上に搭載したものであり、車載用ＤＣ／ＤＣコンバータ２は金属導体製の放熱用ベースプレート３上にＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板１を直接取り付け、固定したものである。換言すれば、ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板１の金属基板４０がベースプレート３に対面して接し、これにネジ止めされるようになっている。ベースプレート３上には図２の回路図に示したスイッチング回路４を搭載したスイッチング回路基板５やトランスＴ１の２次側に接続されるチョークコイル６が設置される。

図３乃至図６に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板１で用いるトランスＴ１は、１次側コイル１０、２次側コイル２０、磁気コアを構成するＥ型フェライトコア１５及びＩ型フェライトコア１６、及びコア固定具１７を有している。コア固定具１７は例えば弾性を有する金属製である。Ｅ型フェライトコア１５は中央脚部とその両側の外脚部を有するものである。

１次側コイル１０はプリント基板１１の両面に所要ターン数のループ状コイル導体（図示省略）を形成したものであり、プリント基板１１の中央部にはＥ型フェライトコア１５の中央脚部１５ａが挿入されるコア挿入穴１２が形成されるとともに、ループ状コイル導体を含むプリント基板１１の表面は絶縁処理が施されている。１次側コイル１０の両端には１次側入力端子１３がそれぞれ接続されている。なお、ループ状コイル導体の全体ターン数を増やす場合、プリント基板１１を多層基板として、３層以上のコイル導体を直列に接続するようにしてもよい。

図５及び図６に示すように、２次側コイル２０は２分割されており、高さの低い２次側コイル導体部２１と、高さの高い２次側コイル導体部２２とからなる。２次側コイル導体部２１，２２は共に１次側コイル１０を挟んで対向する平板状部分２１ｅ，２２ｅが形成されたバスバーであり、いずれも金属基板４０上の導体パターンにはんだ付けで固定するための４本の足２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄを一体に有している。各足２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄの下端部はＬ字状に曲げられている。図示の場合、２つの２次側コイル導体部２１，２２は両方とも３／４ターンの巻線を構成している。

金属基板４０は例えばアルミニウム基板であり、その上に銅の導体パターンが形成されており、アルミニウム基板と導体パターン間には薄い絶縁層が存在している。そして、２次側コイル導体部２１の４本の足２１ａ〜２１ｄに対応して金属基板４０上には絶縁層を介して金属基板４０から絶縁された導体パターン４１ａ〜４１ｄが形成されるとともに、２次側コイル導体部２２の３本の足２２ａ〜２２ｃに対応して金属基板４０上には絶縁層を介して金属基板４０から絶縁された導体パターン４２ａ〜４２ｃが形成されている。なお、導体パターン４１ｄは２次側コイル導体部２２の残りの足２２ｄにも対応するもので、両方の２次側コイル導体部２１，２２同士の一端が接続された中点タップとなる端子金具４５がはんだ付けで接続固定される。

金属基板４０には整流素子３０を導体パターン４１ｃとの間ではんだ付けするために導体パターン４３が、同様に整流素子３０を導体パターン４２ｃとの間ではんだ付けするために導体パターン４４がそれぞれ絶縁層を介して金属基板４０から絶縁されて形成されている。導体パターン４３，４４は整流出力取出用の端子金具４６，４７がはんだ付けで接続固定される。

トランスＴ１の組立は、以下の手順で行うことができる。

まず、図５及び図６に示した高さの低い２次側コイル導体部２１の４本の足２１ａ〜２１ｄを金属基板４０上の導体パターン４１ａ〜４１ｄにはんだ付けで固定するとともに、高さの高い２次側コイル導体部２２の４本の足２２ａ〜２２ｄを導体パターン４２ａ〜４２ｃ，４１ｄにはんだ付けで固定する。それから、低い方の２次側コイル導体部２１の平板状部分２１ｅと高い方の２次側コイル導体部２２の平板状部分２２ｅの間に１次側コイル導体１０を図４のように挿入配置する。

それから、図３に示したＩ型フェライトコア１６を低い方の２次側コイル導体部２１の下側、つまり４本の足２１ａ〜２１ｄの間に挿入配置し、高い方の２次側コイル導体部２２の上側からＥ型フェライトコア１５を、その中央脚部１５ａが１次側コイル１０と２次側コイル２０の内側に配置されるように挿入して（外脚部はコイル１０，２０の外側に位置する）、Ｉ型フェライトコア１６に突き合わせる。これとともに、上辺が湾曲して弾性を有するコア固定具１７でＥ型フェライトコア１５を上から押さえて金属基板４０にネジ６０で固定する。ネジ６０は金属基板４０の取付穴５０に雌ネジを形成して螺着してもよいし、図１の放熱用ベースプレート３に金属基板４０を載置することを前提として取付穴５０は単なる貫通穴とし、放熱用ベースプレート３側に雌ネジ穴を設けて固定する構造でもよい。

整流素子３０を含む整流部は、導体パターン４１ｃと導体パターン４３間に整流素子３０をはんだ付けで接続固定するとともに、導体パターン４２ｃと導体パターン４４間にも整流素子３０をはんだ付けで接続固定することで組み立てられる。これにより、トランスＴ１の２次側コイル２０の端部と、整流部の整流素子３０の一端とが導体パターン４１ｃ，４２ｃを介したはんだ接続で行われることになる（ネジ止め部分を無くすことができる）。なお、前記整流部において、必要とする電流容量を満たすために、図１、図３のように整流素子３０は複数個、並列接続となるように接続してもよい。

これにより、ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板１の組立は完成するが、はんだ付け工程はトランス及び整流部ともにリロフーはんだにより同時に行うことができる。

ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板１の金属基板４０は放熱用ベースプレート３に対面、接触状態でトランス固定用のネジ６０や金属基板４０の隅の取付穴５１に挿入されたネジ６１でベースプレート３に締め付け固定される。そして、図２の回路図において、トランスＴ１の２次側コイル２０の中点タップとなる２次側出力端子（端子金具）４５は、図１のように接続用バスバー７０を介してチョークコイル６に接続される。また、２次側コイル２０の誘起電圧を整流素子３０で整流した整流出力取出用の端子金具（この場合グランド端子とする）４６，４７は金属導体である放熱用ベースプレート３の柱状凸部３ａのネジ穴を利用してネジ６２で直接固定される（図２の回路図の通り、電気的にアースに接続される。）。トランスＴ１の１次側コイル１０には図２の回路図の高圧側直流電源８０の直流電圧をスイッチングするスイッチング回路４を搭載したスイッチング回路基板５が接続され、スイッチング回路４の交流出力が供給される。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) トランスＴ１の２次側コイル２０は大電流による大きな発熱が生じるが、２次側コイル２０が２つのコイル導体部２１，２２（バスバーで構成）の直列接続であり、各コイル導体部２１，２２の端部となる４本の足２１ａ〜２１ｄ，２２ａ〜２２ｄがそれぞれ金属基板４０上に絶縁層を介して形成された導体パターンにはんだ付けされており、コイル導体部２１，２２を構成するバスバーを金属基板４０に小さな熱抵抗で固定できる（各足が放熱経路となる）。このため、冷却性能が向上し、２次側コイル２０の小型化も図れる。とくに、図１の全体構成のように金属基板４０を車載用ＤＣ／ＤＣコンバータ２の放熱用ベースプレート３上に直接取り付ける構成とすれば、放熱効果の向上、小型化に大きく寄与できる。

(2) 整流素子３０の固定も金属基板４０上に絶縁層を介して形成された導体パターンへのはんだ付けで行っている。このため、ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板１上でのトランスＴ１の２次側回路部分のネジ止め部分を無くすことで、小型化、部品点数低減、組立工数低減が可能である。

(3) トランスＴ１はコア固定具１７を外してＥ型フェライトコア１５を外せば、１次側コイル１０を２次側コイル２０間から引き出すことができ、分解性が良好で、検査によりトランス不良が見つかった時などに迅速に対応できる。

(4) ２次側コイル２０をなすコイル導体部２１，２２が１次側コイル１０を挟んだサンドイッチ構造で、コイル導体部２１，２２は１次側コイル１０を挟んで対向する平板状部分２１ｅ，２２ｅが形成されたバスバーであるため、１次側コイル１０の放熱も良好に行うことが可能である。

図７は本発明の実施の形態２であって、トランスＴ１の磁気コアの構造が異なったＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板である。この場合、トランスＴ１の磁気コアは、Ｅ型フェライトコア１８，１９の組み合わせ構造であり、１次側コイル１０と２次側コイル２０の内側に配置される中央脚部１８ａ，１９ａをそれぞれ有している。Ｅ型フェライトコア１８は金属基板４０上の２次側コイル２０の上方から、Ｅ型フェライトコア１９は金属基板４０に形成された抜き穴４８を通して金属基板４０の下側から組み付けられる。

この構造は金属基板４０を、図示しない放熱用ベースプレート上に直接取り付けたときに、下側のＥ型フェライトコア１９がベースプレートで支持されることを前提としており、Ｅ型フェライトコア１９の下面をベースプレートで支えた状態にて、上辺が湾曲して弾性を有するコア固定具１７で上側のＥ型フェライトコア１８を上から押さえ、固定具１７を金属基板４０の取付穴５０を通してネジ６０でベースプレートの雌ネジに固定する。

なお、磁気コア構造以外は、前述の実施の形態１と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。

この実施の形態２のＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板では、金属基板４０に形成された抜き穴４８の内側にも下側のＥ型フェライトコア１９の下部が位置することになり、実施の形態１に比較してコア体積を金属基板４０の肉厚分だけ大きくできる。その他の作用効果は前述の実施の形態１と実質的に同じである。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係るＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板及び車載用ＤＣ／ＤＣコンバータの実施の形態１を示す斜視図である。 同回路図である。 ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板の分解斜視図である。 同斜視図である。 トランスの２次側コイル部分の分解斜視図である。 同じく投影方向を変えてみた分解斜視図である。 本発明の実施の形態２を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板
２ 車載用ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ 放熱用ベースプレート
４ スイッチング回路
５ スイッチング回路基板
６ チョークコイル
１０ １次側コイル
１１ プリント基板
１２ コア挿入穴
１５，１８，１９ Ｅ型フェライトコア
１６ Ｉ型フェライトコア
１７ 固定具
２０ ２次側コイル
２１，２２ ２次側コイル導体部
３０ 整流素子
４０ 金属基板
Ｔ１ トランス

Claims (6)

1. １次側コイルと２次側コイルとを有するトランスと、前記２次側コイルの誘起電圧を整流する整流素子とを備えるＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板であって、
   前記２次側コイルが複数のコイル導体部を有し、各コイル導体部の端部が金属基板上に絶縁層を介して形成された導体パターンにはんだ付けされており、前記１次側コイルが前記複数のコイル導体部間に挿入されていることを特徴とするＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板。
2. 前記複数のコイル導体部は、前記１次側コイルを挟んで対向する平板状部分が形成されたバスバー構造を有する請求項１記載のＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板。
3. 前記コイル導体部の端部がはんだ付けされた導体パターンのいずれかに整流素子がはんだ付けで接続されている請求項１又は２記載のＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板。
4. 前記トランスの磁気コアは、前記１次側コイルと２次側コイルの内側に配置される中央脚部と、前記コイルの外側に配置される外脚部とを有する第１のコアと、平板状の第２のコアとからなり、固定具で前記金属基板上に取り付けられている請求項１，２又は３記載のＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板。
5. 前記トランスの磁気コアは、前記１次側コイルと２次側コイルの内側に配置される中央脚部と、前記コイルの外側に配置される外脚部とをそれぞれ有する第１及び第２のコアとからなり、前記第１のコアは前記金属基板の上側から、前記第２のコアは前記金属基板の下側から前記金属基板に形成された抜き穴を通して組み付けられている請求項１，２又は３記載のＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板。
6. 請求項１，２，３，４又は５記載のＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板と、前記１次側コイルに接続されるスイッチング回路とを備え、
   前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を放熱用ベースプレート上に直接取り付けたことを特徴とする車載用ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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