JP2009302158A

JP2009302158A - 電圧変換装置

Info

Publication number: JP2009302158A
Application number: JP2008152277A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう電圧変換装置において、高周波の磁気ノイズを十分に遮断すること。
【解決手段】グランド端子に接続される導体を内部に含む絶縁用部材と、前記絶縁用部材の一方の側に形成された一次コイルと、前記絶縁用部材の前記一次コイルが取り付けられた側とは反対側に形成された二次コイルと、を備え、前記一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう電圧変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう電圧変換装置に関する。

従来、一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう、いわゆるトランス構造を有する電圧変換装置が広く用いられている。係る電圧変換装置では、コイルで磁気飽和しないように、コア部材にギャップを設けることが行なわれている。磁気飽和とは、磁性体中の磁化方向が全て揃ってしまい、それ以上内部磁化が大きくならない状態のことをいう。

また、このギャップを設ける際には、一次コイルと二次コイルの電気的絶縁を確保するため、及び製造過程においてギャップ間隔をなるべく正確に所望の大きさにするために、PETフィルム等の絶縁用部材を間に挟んで一次コイルと二次コイルを隔離することが行なわれている。

コアにギャップを設けたトランス構造を有する装置についての発明であって、電源供給ユニットの出力へ接続される一次巻線を有する第１コア部分と、エネルギーを負荷へ供給するための二次巻線を有する第２コア部分とを電磁結合させた装置についての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この文献には、コネクターの一次及び二次部分は、最小のエアーキャップ、プラスチック、又は他の電気絶縁材料の薄い分離膜で、クリップ又は他の弾力のある手段により一体に保持されることが望ましい旨について記載されている。また、二つの部分の誘導コネクターの部分は、コネクター部分を接合するように除去可能な状態でくっつけるピンとソケットからなる旨について記載されている（共に段落「００１１」）。
特表２００６−５２５６６１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置では、高周波の磁気ノイズを十分に遮断することができない場合が生じる。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう電圧変換装置において、高周波の磁気ノイズを十分に遮断することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
グランド端子に接続される導体を内部に含む絶縁用部材と、
前記絶縁用部材の一方の側に形成された一次コイルと、
前記絶縁用部材の前記一次コイルが取り付けられた側とは反対側に形成された二次コイルと、を備え、
前記一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう電圧変換装置である。

この本発明の一態様によれば、グランド端子に接続される導体を内部に含む絶縁用部材を備え、一次コイルと二次コイルを絶縁用部材に関して反対側に形成しているため、一次コイルと二次コイルの電気的絶縁を確保すると共に、高周波の磁気ノイズを効果的に遮断することができる。

また、一次コイル及び二次コイルは、絶縁用部材上に形成されるため、単にＰＥＴフィルム等を挟んでトランス構造を形成するものに比して、ギャップ間隔を正確に所望の大きさにすることができる。従って、トランス構造における漏れインダクタンスを低減することができる。また、十分な強度を有する樹脂を絶縁用部材として及び各コイルの保持部材として用いれば、各コイルの保持部材をそれぞれの側に設ける必要がなく、装置全体のサイズを小さくすることができる。

本発明の一態様において、
前記二次コイルは、前記一次コイルに入力される電力に比して高電圧な出力電力を出力し、
前記一次コイルのコア部材は、直接又は熱伝導率が所定程度以上の部材を介して当該電圧変換装置の外壁である筐体に連結されるものとしてもよい。

この場合、一次コイルの方が電流による発熱が大きくなるが、一次コイルに近接するコア部材が、直接又は熱伝導率が所定程度以上の部材を介して当該電圧変換装置の外壁である筐体に連結されているため、一次コイルを流れる電流による発熱を、効率的に外部に逃がすことができる。

なお、係る効果をより確実に実現するために、筐体の一次コイルに近接するコア部材が連結される側に、放熱フィン等の冷却構造を設けると、好適である。

また、本発明の一態様において、
外部電源からの直流に対するオンオフ制御を行なって前記一次コイルに供給するためのスイッチングデバイスを備え、
前記絶縁用部材に関して前記二次コイル側に、前記スイッチングデバイスを駆動するための駆動回路を備えるものとしてもよい。

また、本発明の一態様において、
前記スイッチングデバイスは、直接又は熱伝導率が所定程度以上の部材を介して当該電圧変換装置の外壁である筐体に連結されるものとしてもよい。

こうすれば、スイッチングデバイスを流れる電流による発熱を、効率的に外部に逃がすことができる。

本発明によれば、一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう電圧変換装置において、高周波の磁気ノイズを十分に遮断することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

以下、本発明の一実施例に係る電圧変換装置１について説明する。図１は、電圧変換装置１の全体構成の一例を示す断面図である。電圧変換装置１は、主要な構成として、スイッチングデバイス１０と、駆動回路２０と、一次コイル３０と、一次側磁気部品３５と、二次コイル４０と、二次側磁気部品４５と、略平板状の絶縁用部材５０と、蓋６５によって一面が閉じられる方形形状の筐体６０と、を備える。

スイッチングデバイス１０は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であり、電力線７０によってバッテリー等の外部電源に接続されている。

外部電源は、直流を電圧変換装置１に供給する。スイッチングデバイス１０は、そのオンオフ動作によって外部電源からの直流を交流に変換し、電力線７２を介して一次コイル３０に供給する。

なお、スイッチングデバイス１０の外部電源側には、コンデンサーやノイズフィルターが設けられてよい。

駆動回路２０は、図示しない信号線によってスイッチングデバイス１０に接続されている。駆動回路２０は、例えば、出力電圧と基準電圧を比較するためのコンパレーター、矩形波発振器、コンパレーターの出力に応じて矩形波を調節するためのフィードバック回路等を有する。

駆動回路２０は、予め決定されている基準電圧を出力電圧として得ることができるように、スイッチングデバイス１０に対するスイッチング信号を出力する。

例えば、駆動回路２０は、フィードバックされた出力電圧の平均と基準電圧とを比較し、その差が零になるようにスイッチングデバイス１０のスイッチング周波数（すなわち、一次コイル３０の通電周波数）を一定にしたまま、そのスイッチング周波数のデューティ比を可変させる。駆動回路２０は、スイッチングデバイス１０を、そのスイッチング周波数とデューティ比で駆動させる制御信号を出力する。すなわち、駆動回路２０は、スイッチングデバイス１０を駆動するスイッチングパルスの周波数を一定のままそのスイッチングパルスのパルス幅を可変するパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御を実行する。

また、これに限らず、駆動回路２０は、フィードバックされた出力電圧の平均と基準電圧とを比較し、その差が零になるようにスイッチングデバイス１０のスイッチングのオン時間を一定のままスイッチングデバイス１０のスイッチング周波数を可変させるようにしてもよい。駆動回路２０は、スイッチングデバイス１０を、そのスイッチング周波数とオン時間で駆動させる制御信号を出力する。すなわち、駆動回路２０は、スイッチングデバイス１０を駆動するスイッチングパルスのパルス幅を一定のままそのスイッチングパルスの周波数を可変するパルス周波数変調（ＰＦＭ：Pulse Frequency Modulation）制御を実行する。

スイッチングパルスの周波数を一定のまま、そのスイッチングパルスのパルス幅を可変するＰＷＭ制御の場合、パルス幅が長くなるにつれて一次コイル３０の通電電流は増加する。また、スイッチングパルスのパルス幅を一定のままそのスイッチングパルスの周波数（周期）を可変するＰＦＭ制御の場合、周期が短くなるにつれて一次コイル３０の通電電流は増加する。一次コイル３０の通電電流が増加すると、一次コイル３０の発生させる磁束の変化が増加し、出力される電流が増加することとなる。

図１に示す如く、スイッチングデバイス１０は、絶縁用部材５０に関して一次コイル３０と同じ側、そして駆動回路２０と反対の側に取り付けられている。また、スイッチングデバイス１０は、直接又は熱伝導率が所定程度以上の部材を介して筐体６０に連結されている。

ここで、スイッチングデバイス１０と筐体６０を連結する連結部材がある場合、その熱伝導率は、３．９［Ｗ／（ｍ・ｋ）］程度以上であればよい。

筐体６０は、アルミニウム等の比較的軽く、且つ熱伝導率の高い部材により構成される。従って、スイッチングデバイス１０を流れる電流による発熱を、効率的に外部に逃がすことができる。

一次コイル３０は、例えば、絶縁用部材５０上に形成されたプリントコイルであり、銅等の導電体、及び必要であれば絶縁体の被膜（エナメル等）で構成される。なお、これに限らず、絶縁用部材５０上に爪部を形成し、その周りにコイルを巻回してもよい。一次コイル３０は、スイッチングデバイス１０がオンオフすることにより供給される交流電流によって、図１における上下方向（一次コイル３０と二次コイル４０が対向している方向）に、磁束の変化を生じさせる。

一次側磁気部品３５、及び二次側磁気部品４５は、例えば各種のフェライトで構成される。これらの部品は、コイルのコア部材の役割を有し、一次コイル３０及び二次コイル４０間の相互インダクタンスを増大させている。

二次コイル４０は、例えば、一次コイル３０と同様に、絶縁用部材５０上に形成されたプリントコイルである。これに限らず、絶縁用部材５０上に爪部を形成し、その周りにコイルを巻回してもよい。二次コイル４０は、一次コイル３０が発生させた磁束の変化によってコイルの両端に起電圧を発生させる。二次コイル４０が発生させた起電圧は、図示しないローパスフィルター等を介して電力線７４に出力され、外部に供給される。

ここで、一次コイル３０の巻数Ｎ１は、二次コイル４０の巻数Ｎ２に比して少なくなっている。従って、二次コイル４０により発生される起電圧は一次コイル３０に供給される電圧に比して高く、一次コイル３０を流れる電流は二次コイル４０を流れる電流に比して大きい。係る構成によって、本実施例の電圧変換装置１は、昇圧装置としての機能を有している。これにより、一次コイル３０の方が電流による発熱が大きくなっている。

この点、本実施例の電圧変換装置１では、一次コイル３０に近接する一次側磁気部品３５が、直接又は熱伝導率が所定程度以上の部材を介して筐体６０に連結されている。従って、一次コイル３０を流れる電流による発熱を、効率的に外部に逃がすことができる。

なお、係る効果をより確実に実現するために、図１における筐体６０の下側に、放熱フィン等の冷却構造を設けると、好適である。

図２は、図１の拡大図であり、絶縁用部材５０とその周辺部材を示す図である。絶縁用部材５０は、本体部が、ガラス繊維製の布（クロス）を重ねたものにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板で構成されており、内部に銅板等の導体５２を含んでいる。すなわち、絶縁体、導体、絶縁体の順に積層された構造となっている。

導体５２は、グランド端子５４に接続されている。これにより、絶縁用部材５０は、一次コイル３０と二次コイル４０の電気的絶縁を確保すると共に、高周波の磁気ノイズを効果的に遮断することができる。

すなわち、一般的な絶縁トランスの場合、一次コイルと二次コイルが静電容量で結合しているため、高周波ノイズが一次側から二次側に（その逆も）流入してしまう。この点、本実施例の電圧変換装置１では、一次コイル３０と二次コイル４０の間に静電シールドとして機能する導体５２を設け、これを接地（グランド端子５４に接続）しているため、静電容量による結合を抑制することができる。従って、高周波の磁気ノイズを効果的に遮断することができる。

図３は、一般的な絶縁トランスと本実施例の構成との比較を模式的に示す図である。図３（Ａ）は、一般的な絶縁トランスが静電容量で結合する様子を示す図であり、図３（Ｂ）は、本実施例の構成において静電容量による結合が抑制される様子を示す図である。

また、一次コイル３０及び二次コイル４０は、絶縁用部材５０上に形成されるため、単にＰＥＴフィルムを挟んでトランス構造を形成するものに比して、ギャップ間隔を正確に所望の大きさにすることができる。従って、トランス構造における漏れインダクタンスを低減することができる。また、十分な強度を有する樹脂を絶縁用部材５０として及び各コイルの保持部材として用いているため、各コイルの保持部材をそれぞれの側に設ける必要がなく、装置全体のサイズを小さくすることができる。

更に、装置の製造段階において、予めプリントコイルのサイズを決定し、それに合わせて一次側磁気部品３５及び二次側磁気部品４５の窪みを形成しておけば、一次側磁気部品３５及び二次側磁気部品４５を絶縁用部材５０に繋止するのみでトランス構造の製造が終了するため、装置の製造を簡易にすることができる。

本実施例の電圧変換装置１によれば、グランド端子５４に接続された導体５２を内部に含む絶縁用部材５０を備えるため、一次コイル３０と二次コイル４０の電気的絶縁を確保すると共に、高周波の磁気ノイズを効果的に遮断することができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

本発明の一実施例に係る電圧変換装置１の全体構成の一例を示す断面図である。図１の拡大図であり、絶縁用部材５０とその周辺部材を示す図である。一般的な絶縁トランスと本実施例の構成との比較を模式的に示す図である。

符号の説明

１電圧変換装置
１０スイッチングデバイス
２０駆動回路
３０一次コイル
３５一次側磁気部品
４０二次コイル
４５二次側磁気部品
５０絶縁用部材
５２導体
５４グランド端子
６０筐体
６５蓋
７０、７２、７４電力線

Claims

グランド端子に接続される導体を内部に含む絶縁用部材と、
前記絶縁用部材の一方の側に形成された一次コイルと、
前記絶縁用部材の前記一次コイルが取り付けられた側とは反対側に形成された二次コイルと、を備え、
前記一次コイルと二次コイルの電磁結合によって電圧変換を行なう電圧変換装置。
前記二次コイルは、前記一次コイルに入力される電力に比して高電圧な出力電力を出力し、
前記一次コイルのコア部材は、直接又は熱伝導率が所定程度以上の部材を介して当該電圧変換装置の外壁である筐体に連結される、
請求項１に記載の電圧変換装置。
外部電源からの直流に対するオンオフ制御を行なって前記一次コイルに供給するためのスイッチングデバイスを備え、
前記絶縁用部材に関して前記二次コイル側に、前記スイッチングデバイスを駆動するための駆動回路を備える、
請求項２に記載の電圧変換装置。
前記スイッチングデバイスは、直接又は熱伝導率が所定程度以上の部材を介して当該電圧変換装置の外壁である筐体に連結される、
請求項３に記載の電圧変換装置。