JP2008271752A - フルブリッジ回路の配線構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型な状態を維持したまま配線損失を低減できるフルブリッジ回路の配線構造を提供する。
【解決手段】 下面に放熱フィン１２ａを有して上面に複数のスイッチング素子１０を取り付けた板状のヒートシンク１２の上部に、フルブリッジ回路の出力部を構成する一対の第１の銅板８を重ねるように平行に配置すると共に、その上部にフルブリッジ回路の入力端子板を構成する一対の第２の銅板９を重ねるように平行に配置し、更にその上部にフルブリッジ回路の駆動回路を搭載した回路基板１３を重ねるように平行に配置した。スイッチング素子１０のリード１５を第１の銅板８及び第２の銅板９、更には回路基板１３に設けた孔に挿通して電気的な接続を実施し、フリブリッジ回路を形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電源回路等に使用されるフルブリッジ回路の配線構造に関する。

フルブリッジ方式の例えば昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング周波数が高く、またフルブリッジ回路に流れる電流が大きいため、損失の低減を図る為に複数のスイッチング素子を並列接続して電流の分散を図ると共にフルブリッジ回路の配線に銅板を採用するのが好ましいことが知られている（例えば、非特許文献１参照）。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータを搭載した回路基板の半田面に銅板を平面的に配置したり、部品面に銅板を立体的に配置していた。

「固体高分子形燃料電池システム化技術開発」中間評価報告書，新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ），平成１４年１２月、ｐ．１，５，７，２４

しかしながら、半田面側に銅板を平面的に配置した場合、銅板の占有スペースが広くなるため回路基板が大型化するという問題があったし、部品面側に銅板を立体的に配置した場合、回路基板に電子部品が配置されるため、銅板の面積をそれほど大きくできず、配線損失を十分低減させることが難しいという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、回路基板を大型化すること無く配線損失を低減できるフルブリッジ回路の配線構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明に係るフルブリッジ経路の配線構造は、フルブリッジ回路の各レッグを構成する複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子を取り付ける平坦な取付面を備えたヒートシンクと、フルブリッジ回路の出力部を構成する一対の第１導電性板体と、フルブリッジ回路の入力部を構成する一対の第２導電性板体と、フルブリッジ回路の駆動回路を搭載した回路基板とを有し、前記ヒートシンクの取付面上に前記第１及び第２導電性板体と前記回路基板とを重ねて配置し、前記複数のスイッチング素子が前記第１及び第２導電性板体を介して互いに接続されてフルブリッジ回路が形成されることを特徴とする。
この構成によれば、スイッチング素子を導電性板体を介して接続し、この導電性板体をフルブリッジ回路を駆動する回路基板と重ねて配置するので、回路基板やフルブリッジ回路全体を大型化することなくフルブリッジ回路内の配線損失を低減させることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、第１及び第２導電性板体更に回路基板は、スイッチング素子から延びたリードを挿通する孔を有し、前記リードを前記孔に挿通して前記スイッチング素子と前記第１及び第２導電性板体、更に前記回路基板との電気的接続を実施することを特徴とする。
この構成によれば、各導電性板体及び回路基板とスイッチング素子との接続は、別途配線部材を使用することなく行うことができる。そして、リードは比較的堅牢であるため、別途固定部材を用いることなく導電性板体や回路基板を固定することも可能となる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、第１及び第２導電性板体は１枚のプリント基板に一体形成され、当該プリント基板の両面に夫々一対の銅箔パターンが形成されて、一方の面を入力部、他方の面を出力部としたことを特徴とする。
この構成によれば、４枚から成る２組の導電性板体を１枚のプリント基板上に形成するので部材を削減でき、プリント基板と回路基板を重ねても高さを抑制できる。そして、導電性板体を大面積なパターンで形成すれば、配線損失を低減できる。また、プリント基板は銅板等の金属板と比較して軽量化できるので扱いやすい。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、第１び第２導電性板体の少なくとも一方がプリント基板で形成され、前記プリント基板に一対の導電性板体をパターン形成して成ることを特徴とする。
この構成によれば、導電性板体をプリント基板上に形成した大面積の銅箔部とすることで、良好な導電特性を維持できると共に、一対の導電性板体を軽量化でき扱い易くなる。

本発明によれば、スイッチング素子を導電性板体を介して接続し、この導電性板体をフルブリッジ回路を駆動する回路基板と重ねて配置するので、回路基板やフルブリッジ回路全体を大型化することなくフルブリッジ回路内の配線損失を低減させることができる。
また、２組の導電性板体を１枚のプリント基板上に形成すれば部材を削減できるし、プリント基板は銅板等の金属板と比較して軽量化できるので扱いやすい。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１〜図６は本発明に係るフルブリッジ回路の配線構造の第１の実施形態を示し、フルブリッジ方式のＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータに適用した場合を示している。図１は回路図であり、１はフルブリッジ回路、２は昇圧トランス、３は全波整流器、４は平滑リアクトル、５は平滑コンデンサ、６は直流電源、７は負荷である。そして、８は一対のフルブリッジの出力端子（出力部）を構成する一対の第１導電性板体としての第１の銅板、９はフルブリッジ回路の入力端子（入力部）を構成する一対の第２導電性板体としての第２の銅板を示している。

フルブリッジ回路１の４個のアーム（第１アーム１ａ，第２アーム１ｂ，第３アーム１ｃ，第４アーム１ｄ）を構成するスイッチング素子１０は、パワーＭＯＳＦＥＴにより構成され、パワーＭＯＳＦＥＴを４個並列接続して１つのアームが構成されている。そして、一対の第２の銅板９がスイッチング素子１０の所定の端子に接続されると共に直流電源６に接続されている。また、一対の第１の銅板８がスイッチング素子１０の所定の端子に接続されると共に、昇圧トランス２の一次巻線に接続され、昇圧トランス２の二次巻線が全波整流回路３に入力され、整流された電力が平滑リアクトル４、平滑コンデンサ５から成る平滑回路を介して負荷７に供給される。

図２は、この回路をヒートシンク１２を基台として配置し、その上に組み付けた状態を示し、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図を示している。図２に示すように、ヒートシンク１２は板状に形成され、下面に放熱フィン１２ａが一様に形成されている。そして、平坦に形成された上面が発熱素子の取付面１２ｂとなり、この取付面１２ａに１組４個から成るスイッチング素子１０が、４組放熱部をヒートシンク１２に密着させてネジ１４により固定されている。
こうして設置されたスイッチング素子１０の上に、第１の銅板８、第２の銅板９、そしてフルブリッジ駆動回路が搭載された回路基板１３が順に設置され、ヒートシンク１２の上に三層構造から成る回路が組み付けられてＤＣ−ＤＣコンバータが構成されている。尚、図２（ｂ）の側面図ではスイッチング素子１０を固定するネジ１４は省略してある。

以下、組み付け順に各層の構成を説明する。図３は、ヒートシンク１２上にスイッチング素子１０を配置した平面図を示している。図３に示すように、４個１組で構成され、整列配置されたスイッチング素子１０が、四角形のヒートシンク１２上に対称配置され、ネジ止めして組み付けられる。このとき、個々のスイッチング素子１０の３本全てのリード１５は上方に直角に折り曲げられている。

こうして組み付けられたスイッチング素子１０上に、第１の銅板８が設置される。図４は、一対の第１の銅板８をスイッチング素子１０上に設置した平面図を示している。第１の銅板８は、個々のスイッチング素子１０のリード１５を挿通する孔８ａが上辺部及び下辺部に連設され、上下のレッグ（第１レッグ１ａと第３レッグ１ｃ、及び第２レッグ１ｂと第３レッグ１ｄ）を構成するスイッチング素子１０の組同士を接続するように図面上左右に配置され、ヒートシンク１２に平行に配置される。そして、上方に折り曲げられたリード１５を孔８ａに挿通し、所定のリード１５が半田付けされる。具体的に、この半田付けされるリード１５は、図１に示す回路の出力部を構成する第１の銅板８に接続されるスイッチング素子１０の各端子である。尚、図４に示す黒丸は半田付け部を示し、１７は昇圧トランス２が接続される出力端子を示している。また、孔８ａに挿通するだけで半田付けしない（電気的に接続されない）リード１５には、絶縁チューブ１８（図２に示す）が外挿されて絶縁が図られている。

そして、第１の銅板８の上方に、一対の第２の銅板９が設置される。図５は、第２の銅板９を設置した平面図を示している。第２の銅板９は、個々のスイッチング素子１０のリード１５を挿通する孔９ａが上辺部或いは下辺部の一方に連設され、第１の銅板８に交差する図示上下方向に且つ平行に設置されている。そして、左右のレッグ（第１レッグ１ａと第２のレッグ１ｂ、及び第３のレッグ１ｃと第４のレッグ１ｄ）を構成するスイッチング素子１０同士が接続される。リード１５を孔９ａに挿通し、図１の回路を構成する所定のリード１５のみ半田付けされる。尚、図４と同様に黒丸は半田付け部を示し、１９は直流電源６が接続される入力端子を示している。また、第２の銅板９は一端がリード１５に支持されるが、他端は支柱１９（図２に示す）によりヒートシンク１２上に支持されている。

こうして設置された第２の銅板９の上にフルブリッジ回路１の駆動回路が組み付けられた回路基板１３が設置される。この回路基板１３にもリード１５を挿通するための孔１３ａが穿設され、所定のリード１５が挿通されて半田付けされる。こうしてフルブリッジ回路１の主要な電路がスイッチング素子１０から延びたリード１５と２組４枚の銅板８，９で形成される。

昇圧コンバータの場合、フルブリッジ回路に流れる電流は大きく、例えば、ＤＣ４８Ｖを３８０Ｖに昇圧する定格容量１ｋＷの場合、フルブリッジ出力電流（昇圧トランスの一次電流）は、２０アンペアを超える。また、１５ｋＨｚ以上の高周波電流となる。このような特性を有する電流の損失を小さくするためには、導体断面積が大きく且つ表面積が大きい銅板が有効となる。そのため、スイッチング素子を導電性板体である銅板を介して接続し、この銅板をフルブリッジ回路を駆動する回路基板と重ねて配置することで、回路基板やフルブリッジ回路全体を大型化することなくフルブリッジ回路内の配線損失を低減させることができる。
また、各銅板及び回路基板とスイッチング素子との接続は、スイッチング素子のリードを使用して行われるので、別途配線部材を使用することなく行うことができる。そして、リードは比較的堅牢であるため、別途固定部材を用いることなく銅板や回路基板を重ね合わせることが可能となる。

尚、この実施形態では、ヒートシンク１２の上に出力部を構成する第１の銅板８を配置し、その上に入力部を構成する第２の銅板を配置したが、この順番は逆でも良い。

次に、本発明の第２の実施形態を図７，図８に基づいて説明する。図７、図８は上記第１の実施形態と同一回路から成るフルブリッジ方式のＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの他の形態を示し、図７は側面図、図８は回路基板を取り除いた状態の平面図を示している。上記第１の実施形態とは第１及び第２導電性板体の構成が異なり、ここでは１枚のプリント基板２０により一体に形成している。

図８において、２１はプリント基板２０の下面にパターン形成された第１導電性板体としての出力部パターン、２２はプリント基板２０の上面にパターン形成された第２導電性板体としての入力部パターンであり、第１及び第２導電性板体は銅箔により形成されている。出力部パターン２１は上記第１の実施形態と同様に左右に一対形成され、出力部パターン２１の略中央にはスルーホールを介して回路基板２０の上面に出力端子接続部２１ａが形成され、出力端子１７が引き出されている、
一方、入力部パターン２２も上記第１の実施形態と同様に上下に一対形成され、略中央からは入力端子１９が引き出されている。尚、上記第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付与して説明を省略する。

このように、４枚から成る２組の導電性板体を１枚のプリント基板上に形成することで、部材を削減できるし、プリント基板は銅板等の金属板と比較して軽量化できるので扱いやすい。また、ヒートシンクと回路基板の間に基板を１枚挟み込むだけなので、高さも抑制できる。そして、銅板を使用しなくても導電性板体を大面積なパターンで形成することで、配線損失を低減できる。

尚、上記実施形態は、ＤＣ−ＤＣコンバータについて説明したが、インバータ等のフルブリッジ回路であっても適用できるものである。また、第２の実施形態では１枚のプリント基板の両面を使用して、第１及び第２導電性板体を形成したが、独立したプリント基板を使用して、第１の実施形態のように２層で構成しても良い。

本発明に係るフルブリッジ回路の配線構造を適用したＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの回路図である。 本発明に係るフルブリッジ回路の配線構造の第１の実施形態を示し、図１の回路をヒートシンク上に形成した外観図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図２のヒートシンク上にスイッチング素子のみ取り付けた状態の平面図である。 図３の状態のスイッチング素子に第１層を成す銅板を組み付けた様子を示す平面図である。 図４の構成に第２層を成す銅板を組み付けた様子を示す平面図である。 図５の構成に第３層の回路基板を組み付けて完成したＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの平面図である。 本発明に係るフルブリッジ回路の配線構造の第２の実施形態を示し、ＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータの側面図である。 図７の回路基板を取り除いた平面図である。

符号の説明

１・・フルブリッジ回路、８・・第１の銅板（第１導電性板体）、８ａ・・孔、９・・第２の銅板（第２導電性板体）、９ａ・・孔、１０・・スイッチング素子、１２・・ヒートシンク、１２ａ・・取付面、１３・・回路基板、１３ａ・・孔、１５・・リード、２０・・プリント基板、２１・・出力部パターン（第１導電性板体）２２・・入力部パターン（第２導電性板体）。

Claims (4)

1. フルブリッジ回路の各レッグを構成する複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子を取り付ける平坦な取付面を備えたヒートシンクと、
   フルブリッジ回路の出力部を構成する一対の第１導電性板体と、
   フルブリッジ回路の入力部を構成する一対の第２導電性板体と、
   フルブリッジ回路の駆動回路を搭載した回路基板とを有し、
   前記ヒートシンクの取付面上に前記第１及び第２導電性板体と前記回路基板とを重ねて配置し、前記複数のスイッチング素子が前記第１及び第２導電性板体を介して互いに接続されてフルブリッジ回路が形成されることを特徴とするフルブリッジ回路の配線構造。
2. 第１及び第２導電性板体更に回路基板は、スイッチング素子から延びたリードを挿通する孔を有し、前記リードを前記孔に挿通して前記スイッチング素子と前記第１及び第２導電性板体、更に前記回路基板との電気的接続を実施する請求項１記載のフルブリッジ回路の配線構造。
3. 第１及び第２導電性板体は１枚のプリント基板に一体形成され、当該プリント基板の両面に夫々一対の銅箔パターンが形成されて、一方の面を入力部、他方の面を出力部とした請求項１又は２記載のフルブリッジ回路の配線構造。
4. 第１及び第２導電性板体の少なくとも一方がプリント基板で形成され、前記プリント基板に一対の導電性板体をパターン形成して成る請求項１又は２記載のフルブリッジ回路の配線構造。

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