JP2011030335A - 車載用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率や放熱性能を改善した車載用電源装置を提供する。
【解決手段】高圧直流電圧ＤＣ１を高周波交流電圧に変換するインバータ回路ＩＮＶと、インバータ回路ＩＮＶの出力を受ける高周波トランスＴ３と、高周波トランスＴ３の出力電圧を整流する全波整流回路ＲＥＣと、整流電圧ＤＣ２を出力する平滑コンデンサＣ２と、を有して構成される。高周波トランスは、二次巻線の両端を構成する２つの出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂと、二次巻線の中間位置を構成する中間端子Ｔ２ｃと、を有し、出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂが一対の整流素子Ｄ１，Ｄ２の一方側端子に各々接続される一方、他方側端子は、共通してグランドラインに接続され、高周波トランスＴ３の中間端子Ｔ２ｃが所定のインダクタンスを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧直流電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータを内蔵した車載用電源装置に関し、ハイブリッドカーや電気自動車などに搭載されて好適に使用される。

ハイブリッドカー(Hybrid Car)は、複数の動力源を搭載して構成され、複数の動力減が交互に切換えられるか、或いは、互いに協働運転させて自動車を走行させることで、低燃費性と低公害性とを実現している。動力源としては、ガソリンを燃焼させるエンジンの他に、１００〜７５０Ｖ程度の高圧直流電圧を受けて動作する走行用モータが使用される。また、ハイブリッドカーにも、エアコンやヘッドライトなどの各種電気装置が必要であり、これらは、通常の自動車と同様に、１２Ｖ程度のバッテリ電圧を受けて動作している。

このように、ハイブリッドカーでは、少なくとも二種類の直流電圧が必要となるので、一般には、ＤＣ−ＤＣコンバータによって１００〜４００Ｖ程度の高圧直流電圧を１２Ｖ程度まで降圧する構成を採っている。

特開２００５−１４３２１５号公報

ところで、ハイブリッドカーの利点を更に向上するためには、可能な限りエネルギー効率を高める必要があり、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータを含む降圧回路の構成についても、更なる効率改善が望まれるところである。また、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流は、最大１００Ａ程度となるので、出力側の回路素子の発熱と損失発生は避けられないところ、この点を踏まえた回路構成も望まれる。

本発明は、上記の要請に基づくものであって、エネルギー効率や放熱性能を改善した車載用電源装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る車載用電源装置は、高圧直流電圧を受けて高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力を一次端子に受ける高周波トランスと、前記高周波トランスの出力電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、を有して構成され、前記高周波トランスは、二次巻線の両端を構成する２つの出力端子と、同相に巻かれた前記二次巻線の中間位置を構成する中間端子とを有し、前記２つの出力端子は、複数個の整流素子の一方側端子に各々接続される一方、各整流素子の他方側端子は、共通ラインに接続され、前記平滑コンデンサは、前記共通ラインに接続された低圧側端子と、平滑化された整流電圧を出力する高圧側端子とを有し、前記高周波トランスの中間端子が、前記平滑コンデンサの高圧側端子に接続されて直流電圧を出力するよう構成されている。

本発明では、整流素子の他方側端子が、共に共通ラインに接続されているので、放熱性能を改善することができる。すなわち、共通ライン（典型的にはグランドライン）と、放熱板とが電気的に接続される一般的な車載用電源装置においても、本発明では、整流素子の他方側端子と放熱板とを電気的に絶縁する必要がなくなり、熱的に良好な接続を実現できる。したがって、好ましくは、前記整流素子の他方側端子は、放熱板に直結される。

前記中間端子は、所定のインダクタンス値を有するよう構成されているのが好適であり、この場合には、中間端子がコイル素子を兼ねるので、接続箇所が不要となる。そのため、接触抵抗による電力損を軽減でき、エネルギー効率を改善することができる。インダクタンス値は、好ましくは数１０〜１００ｎＨ程度であり、この程度のインダクタンスであれば、銅などの良導体を棒状に伸ばすことで実現することができる。また、中間端子に、磁気コアを取り付けることでインダクタンス値を高めることもできる。

前記二次巻線は、好ましくは、丸形や角形のループ状に形成された本体部と、本体部の終端から引き出される出力端子部と、前記出力端子部とは異なる平面上に引き出されるセンタータップ部と、を有する２つのバスバーを一体化して構成され、完成状態では、２つの本体部が接触しないよう、２つのセンタータップ部が積層されている。

前記高周波交流電圧の周波数は、７０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚに設定されているのが好ましく、この場合には、中間端子による低いインダクタンス値でも十分なフィルタ性能を発揮することができる。

前記平滑コンデンサの高圧側端子からの直流出力電流は、定格値１００Ａ〜１５０Ａに設定されているのが好ましく、前記整流回路は、全波整流回路であるのが好ましい。

上記した本発明によれば、エネルギー効率や放熱性能を改善した車載用電源装置を実現することができる。

車載用電源装置の要部を示す回路図である。 高周波トランスの構成を略記したものである。 図１の回路素子の配置構成を例示したものである。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、車載用電源装置の要部を示す回路図であり、高圧直流電圧ＤＣ１を受けて高周波交流電圧に変換するインバータ回路ＩＮＶと、インバータ回路ＩＮＶの出力を受ける高周波トランスＴ３と、高周波トランスＴ３の出力電圧を整流する全波整流回路ＲＥＣと、全波整流回路ＲＥＣの出力電圧を平滑化するコンデンサＣ２とが図示されている。なお、この回路の出力電流は、定格値１００Ａ〜１５０Ａに設定されている。

インバータ回路ＩＮＶに供給される高圧直流電圧ＤＣ１は、例えば、２００〜３５０Ｖ程度であって、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池で構成された直流電源から供給される。そして、インバータ回路ＩＮＶ、高周波トランスＴ３、及び、全波整流回路ＲＥＣを経由して、例えば、１２〜１５Ｖ程度の直流電圧ＤＣ２に降圧されて、鉛蓄電池などの車載バッテリに供給される。インバータ回路ＩＮＶの入力側には、平滑コンデンサＣ１が配置され、インバータ回路ＩＮＶの電流は、カレントトランスＣＴを経由して監視可能に構成されている。なお、平滑コンデンサＣ１として、同一のコンデンサを２つ並列接続することで大容量化を図っている。

図示の通り、インバータ回路ＩＮＶは、前段ハイサイド側のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、前段ローサイド側スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４と、後段ハイサイド側のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６と、後段ローサイド側スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８と、をフルブリッジ接続して構成されている。ハイサイド側、及び、ローサイド側とも、二個のスイッチング素子を並列的に動作させることで、高価な素子を使用することなく大電流を出力できる構成にしている。そして、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８は、絶縁状態で放熱板Ｈ１に接続されている（図３参照）。

この実施例では、スイッチング素子として、Ｎチャネル・パワーＭＯＳＦＥＴを使用している。そして、各ＭＯＳＦＥＴのゲート端子とソース端子間には、分圧抵抗Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ５〜Ｒ８，Ｒ９〜Ｒ１２，Ｒ１３〜Ｒ１６を経由して、制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２が供給されている。図示の通り、制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２は、各々、パルストランスＴ１，Ｔ２を経由し、ハイサイド側スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２及びＱ５，Ｑ６と、ローサイド側スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４及びＱ７，Ｑ８とに、逆位相で供給されている。

なお、この実施例では、一対のＭＯＳＦＥＴを並列的に動作させるため、全ての分圧回路は同一構成となっており、具体的には、Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒ５＝Ｒ７＝Ｒ９＝Ｒ１１＝Ｒ１３＝Ｒ１５、且つ、Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒ６＝Ｒ８＝Ｒ１０＝Ｒ１２＝Ｒ１４＝Ｒ１６に設定されている。

前段側スイッチング回路の出力端子ＯＵＴ１と、後段スイッチング回路の出力端子ＯＵＴ２からは、１５０ｋＨｚ程度の高周波パルスが出力される。そして、出力端子ＯＵＴ１は、コイルＬ１を経由して高周波トランスＴ３の一次端子の一方側Ｔ１ａに接続され、出力端子ＯＵＴ２は、直接、高周波トランスＴ３の一次端子の他方側Ｔ１ｂに接続されている。

図２に略記する通り、高周波トランスＴ３は、中心コアＣＲ１に一次巻線と二次巻線を巻着すると共に、一次巻線及び二次巻線の外側に、外周コアＣＲ２を配置して構成されている。なお、一次巻線は、例えば１０ターン程度であり、一次端子Ｔ１ａ，Ｔ２ａが高周波トランスＴ３から露出している。

二次巻線は、図２（ｃ）に示すようなバスバーＢＡＲを、二個積層することで２ターン程度の巻数に構成されている。バスバーＢＡＲの材料は、導電性の金属であれば、特に限定されないが、典型的には銅製とされる。何れにしても、実施例のバスバーＢＡＲは、円形リング状に形成された円環本体部Ｂ１と、円環本体部Ｂ１と同一平面上で引き出される出力端子部Ｂ２と、円環本体部Ｂ１より降下した降下平面上に引き出されるセンタータップ部Ｂ３とを有して構成されている。なお、図２（ｃ）の形状に拘らず、各部Ｂ１〜Ｂ３の形状や大きさ（板厚や板幅など）は、設計に応じて適宜に設定される。

何れにしても、円環本体部Ｂ１と、センタータップ部Ｂ３とは同一平面に位置しない。そこで、２つのバスバーＢＡＲ１、ＢＡＲ２を用意し、一方のバスバーＢＡＲ２を図２（ｃ）の状態から表裏反転させて、２つのバスバーＢＡＲ１、ＢＡＲ２のセンタータップ部Ｂ３、Ｂ３と重合して連結させることで、約２ターンの二次巻線を構成することができる（図２（ｄ））。なお、図２（ｄ）は、引き出されたセンタータップ部Ｂ３を正面から見た概略図であり、高周波トランスＴ３の二次出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂと、センタータップの出力端子Ｔ２ｃと、が図示されている。

このように、本実施例では、センタータップ部Ｂ３は、十分に長く引き出され、４５０〜６５０ｎＨ程度のインダクタンスを有するよう構成されている。因みに、重合されたセンタータップ部Ｂ３，Ｂ３を、例えば、細長い丸棒状であると仮定した場合、電流密度が一様であると理想化すると、そのインダクタンス値は、単位長さ当り、μ／８π［Ｈ／ｍ］となる。ここで、μは、バスバーＢＡＲを構成する材料の透磁率μであり、必要なインダクタンス値に対応する透磁率を有する良導性の材料が選択される。なお、必要なインダクタンス値を確保するため、中間端子に磁気コアを取り付けても良い。

図１に戻って説明を続けると、上記のように構成された高周波トランスＴ３は、放熱板Ｈ２に接続されることで、十分な放熱性が確保されている（図３参照）。また、高周波トランスＴ３の二次出力端子Ｔ２ａ，Ｔ２ｂは、全波整流回路ＲＥＣに接続されている。具体的には、二次出力端子Ｔ２ａは、整流ダイオードＤ１のカソード端子に接続され、二次出力端子Ｔ２ｂは、整流ダイオードＤ２のカソード端子に接続されている。そして、各整流ダイオードＤ１，Ｄ２のアノード端子は、共通してグランドラインに接続されている。

ところで、図１では、整流ダイオードＤ１，Ｄ２が、各々、単一の素子であるよう記載されているが、実際には、例えば、各々４個の整流ダイオードを並列接続することで整流ダイオードＤ１，Ｄ２が構成される。このような構成を採ることで、高価な素子を使用することなく、大電流を整流することができる。また、本実施例では、整流ダイオードＤ１，Ｄ２の一方側端子を、グランドラインに接続する構成を採るので、整流ダイオードの一方側端子を、放熱板Ｈ３に直結することができ、絶縁材を省略できると共に、放熱特性を向上させることができる。

先に説明した通り、高周波トランスＴ３のセンタータップ部Ｂ３は、４５０〜６５０ｎＨ程度のインダクタンスを有するコイルＬ２として機能する。そして、センタータップ部Ｂ３の出力端子Ｔ２ｃを、平滑コンデンサＣ２に接続することで、ＬＣのローパスフィルタ回路が構成される。なお、平滑コンデンサＣ２としては、１０μＦ程度のものが二個並列接続される。

インバータ回路ＩＮＶからは、１５０ｋＨｚ程度の高周波パルスが出力されるので、この高周波成分を除去するフィルタ回路としては、数１００ｎＨ程度のインダクタンス（Ｌ２）と、数１０μＦ程度のキャパシタンス（Ｃ２）で十分である。

また、本実施例では、コイル素子を使用することなく、バスバーＢＡＲによってコイルＬ２を構成する。そのため、コイル素子を使用する場合と比較すると、回路素子の連結箇所を少なくとも一箇所減らすことができ、連結箇所における電力損を軽減することができる。すなわち、連結箇所は、通常、ボルト締めして２つの導体が圧着されるが、１００Ａ程度の大電流を流す場合には、その接触抵抗は無視できないので、連結箇所を減少させることの意義は大きい。しかも、本実施例のような車載用電源装置の場合には、定常的に強い振動を受けてボルト締め箇所が緩む可能性があるので、本実施例の構成は、この意味でも有効である。

図３は、図１の回路を搭載した状態の電源装置を概略的に示す平面図である。図示の左上位置から高圧直流電圧ＤＣ１が供給され、図示の右下位置に、降圧直流電圧ＤＣ２が出力される。なお、図示の左下位置から制御信号ＣＴＬ１，ＣＴＬ２などが供給される。

高圧直流電圧ＤＣ１は、平滑コンデンサＣ１を経由してインバータ回路ＩＮＶに供給されるが、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８は、絶縁状態で放熱板Ｈ１に接続されている。また、高周波トランスＴ３は、放熱板Ｈ２に接続されている。

高周波トランスＴ３から引き出されたセンタータップ部Ｂ３は、平滑コンデンサＣ２に直結されている。また、整流ダイオードＤ１，Ｄ２の一方側端子は、放熱板Ｈ３に直結されている。なお、放熱板Ｈ１〜Ｈ３は、何れもグランドラインに接続されている。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。特にインバータ回路ＩＮＶの構成や、図３に示す回路素子の配置構成は、図示例に限らす、適宜に変更される。また、高周波トランスの二次コイル巻線の具体的な構成についても適宜に変更可能である。例えば、必ずしも、図２（ｃ）のように、円環本体部Ｂ１とセンタータップ部Ｂ３との境界部に段差を設ける必要はなく、センタータップ部Ｂ３の長さ方向に対して、円環本体部Ｂ１を傾斜させて構成しても良い。なお、二次巻線の本体部Ｂ１を必ずしも円環状に形成する必要がないのは勿論である。

また、同一形状のバスバーＢＡＲを２つ用いる必要はなく、他方のバスバーは、本体部Ｂ１と出力端子部Ｂ２とで構成し、センタータップ部Ｂ３を設けないのも好適である。このような構成の場合も含め、センタータップ部Ｂ３は、必ずしも、真っ直ぐに延びた構成である必要はなく、適宜に屈曲させても良く、また、コイル状の形状としても良い。

ＤＣ１ 高圧直流電圧
ＩＮＶ インバータ回路
Ｔ３ 高周波トランス
ＲＥＣ 整流回路
Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｔ２ａ 出力端子
Ｔ２ｂ 出力端子
Ｔ２ｃ 中間端子
Ｄ１，Ｄ２ 一対の整流素子

Claims (8)

1. 高圧直流電圧を受けて高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力を一次端子に受ける高周波トランスと、前記高周波トランスの出力電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサと、を有して構成され、
   前記高周波トランスは、二次巻線の両端を構成する２つの出力端子と、同相に巻かれた前記二次巻線の中間位置を構成する中間端子とを有し、前記２つの出力端子は、複数個の整流素子の一方側端子に各々接続される一方、各整流素子の他方側端子は、共通ラインに接続され、
   前記平滑コンデンサは、前記共通ラインに接続された低圧側端子と、平滑化された整流電圧を出力する高圧側端子とを有し、
   前記高周波トランスの中間端子が、前記平滑コンデンサの高圧側端子に接続されて直流電圧を出力するよう構成されたことを特徴とする車載用電源装置。
2. 前記中間端子は、所定のインダクタンス値を有するよう構成されている請求項１に記載の車載用電源装置。
3. 前記二次巻線は、角形又は丸形のループ状に形成された本体部と、前記本体部の終端から引き出される出力端子部と、センタータップ部と、を有する２つのバスバーを一体化して構成され、
   完成状態では、２つの本体部が接触しないよう、２つのセンタータップ部が積層されている請求項１又は２に記載の車載用電源装置。
4. 前記二次巻線は、第１バスバーと、第２バスバーとを一体化して構成され、
   第１バスバーは、角形又は丸形のループ状に形成された第１本体部と、前記第１本体部の終端から引き出される第１出力端子部と、前記第１出力端子部とは異なる平面上に引き出されるセンタータップ部と、で構成される一方、
   第２バスバーは、角形又は丸形のループ状に形成された第２本体部と、前記第２本体部の終端から引き出される第２出力端子部と、で構成され、
   ２つの本体部が接触しないよう一体化されている請求項１又は２に記載の車載用電源装置。
5. 前記整流素子の他方側端子は、放熱板に接続されている請求項１〜４の何れかに記載の車載用電源装置。
6. 前記高周波交流電圧の周波数は、７０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚに設定されている請求項１〜５の何れかに記載の車載用電源装置。
7. 前記平滑コンデンサの高圧側端子からの直流出力電流は、定格値１００Ａ〜１５０Ａに設定されている請求項１〜６の何れかに記載の車載用電源装置。
8. 前記整流回路は、全波整流回路である請求項１〜７の何れかに記載の車載用電源装置。

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