JP2011181889A - 電源装置およびパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】薄型かつ小型軽量で、信頼性が高く、高性能で低コストの電源装置およびこれを用いたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】多層プリント基板に電源トランスを搭載した電源装置であって、電源トランス５０は、多層プリント基板３０に配置された１次側コイルパターンおよび複数の２次側コイルパターンと、１次側コイルパターンおよび複数の２次側コイルパターンと電磁結合する環状のコア部材７１とで構成される。コア部材７１は、多層プリント基板３０に設けられた２つ貫通穴３１，３２に取り付けられる。１次側コイルパターンは、貫通穴３１の周りに第１方向に巻回された第１サブコイル５１ａと、貫通穴３２の周りに、第１方向とは反対の第２方向に巻回された第２サブコイル５１ｂとを有する。２次側サブコイル５２ａ，５２ｂは、貫通穴３１，３２の周りにそれぞれ巻回されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、プリント基板に電源トランスを搭載した電源装置およびこれを用いたパワーモジュールに関する。

例えば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子を搭載したパワーモジュールの場合（特許文献１参照）、複数のパワー半導体素子を駆動制御するための複数の制御回路の電源回路において、複数のパワー半導体素子を独立制御するために複数の絶縁電源が必要になる。そのため、トランス用コアと、プリント基板に配置された１次側および２次側コイルパターンからなる単一の電源トランスを複数搭載して、各巻線回路から各制御回路への絶縁された電圧を分配している。

特開２００９−２１３２１４（図４、図５、図６） 特許第３６２０４１５号公報（図４） 特開２００１−１５６２５２号公報（図１、図３）

従来の電源トランスでは、環状コアを取付けるための２つの貫通穴を多層プリント基板に設け、一方の貫通穴の周りに１次側コイルパターンを巻回させ、他方の貫通穴の周りに２次側コイルパターンを巻回させている。

しかし、１つのコアについて複数の２次側コイルパターンを各貫通穴の周りにそれぞれ配置した場合、１次側コイルパターンと同じ貫通穴の周りに配置した２次側コイルパターンと、１次側コイルパターンが配置されていない他方の貫通穴の周りに配置した２次側コイルパターンとでは、コイル間の磁気結合に差が生じてしまう。そのため、複数の２次側コイルパターンの出力電圧が不均一になるという問題がある。

また、一方の貫通穴の周りに１次側コイルパターンを巻回させ、他方の貫通穴の周りに複数の２次側コイルパターンを巻回させ、コイルの巻回中心を別々にした場合、１次側コイルパターンと２次側コイルパターンとの間の距離が大きくなり、コイル間の磁気結合が低下し、複数の２次側コイルパターンのレギュレーションが悪化してしまうという問題がある。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決するため、薄型かつ小型軽量で、信頼性が高く、高性能で低コストの電源装置、およびこれを用いたパワーモジュールを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、多層プリント基板に電源トランスを搭載した電源装置であって、
前記電源トランスは、多層プリント基板に配置された１次側コイルパターンおよび複数の２次側コイルパターンと、１次側コイルパターンおよび複数の２次側コイルパターンと電磁結合する環状のコア部材とで構成され、
前記コア部材は、前記多層プリント基板に設けられた第１および第２貫通穴に取り付けられ、
前記１次側コイルパターンは、第１貫通穴の周りに第１方向に巻回された第１サブコイルと、第２貫通穴の周りに、第１方向とは反対の第２方向に巻回された第２サブコイルとを有し、
各２次側コイルパターンは、第１貫通穴または第２貫通穴の周りに巻回されていることを特徴とする。

本発明によれば、電源トランスの１次側および２次側コイルをプリント基板のコイルパターンで構成することにより、トランスの薄型化、小型軽量化が図られる。

また、１次側コイルパターンを２つのサブコイルに分割し、第１サブコイルを第１貫通穴の周りに第１方向に巻回させ、第２サブコイルを第２貫通穴の周りに、第１方向とは反対の第２方向に巻回させることによって、複数の２次側コイルパターンを第１貫通穴または第２貫通穴の周りに巻回させた場合、１次側コイルパターンと各２次側コイルパターンの間の磁気結合が向上するとともに、２次側コイルパターンでの結合アンバランスを解消できる。その結果、各２次側回路において、安定したほぼ同じ出力電圧を得ることができる。

また、１次側コイルパターンを２つの貫通穴の周りに分散配置しているため、１次側コイルで発生する熱も分散し、局所的な加熱を防止できる。

また、１つの環状コア部材で多出力の電源回路を構成できるため、部品点数を低減でき、低コストで信頼性のある電源トランスが得られる。

また、同層の隣り合うコイルパターンに流れる電流方向は互いに逆向きとなるため、近接効果による交流抵抗を低減することができ、発熱や損失を抑制することができる。

さらに、外部ノイズ磁束が１次側コイルパターンの第１および第２サブコイルをそれぞれ貫通した場合、各サブコイルに流れるノイズ電流は互いに逆方向となって打ち消しあうため、耐ノイズ性を大幅に向上させることができる。

本発明に係る電源装置の一例を示す概略斜視図である。 コイルパターンのレイアウトの一例を示す平面図であり、図２（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図２（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。 図１のＡ−Ａ線に沿った電源トランスの断面図である。 １次側コイルパターンにおけるノイズ電流の発生状態を示す平面図である。 図３の１次側コイルパターンおよび２次側コイルパターンの電流方向を示す説明図である。 本発明に係る電源装置の一例を示す回路図である。 電源トランス５０のコイルパターンのレイアウトの他の例を示す平面図であり、図７（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図７（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。 電源トランス５０のコイルパターンのレイアウトのさらに他の例を示す平面図であり、図８（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図８（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。 電源トランス５０のコイルパターンのレイアウトのさらに他の例を示す平面図であり、図９（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図９（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。 本発明に係るパワーモジュールの一例を示す分解斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る電源装置の一例を示す概略斜視図である。図２は、コイルパターンのレイアウトの一例を示す平面図であり、図２（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図２（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った電源トランスの断面図である。

電源装置は、プリント基板３０と、プリント基板３０上に搭載された少なくとも１つ以上の電源トランス５０とを備える。図１では３つの電源トランス５０を例示しているが、少なくとも１つ以上の電源トランス５０を搭載することも可能である。

プリント基板３０には、電源トランス５０の両側に１次側回路Ｐと２次側回路Ｓがそれぞれ設けられる。１次側回路Ｐには、電源トランス５０の１次側コイルと接続される駆動回路４２が設けられ、例えば、発振回路３７、ＭＯＳＦＥＴ３８、バイパスコンデンサ３９などの各種回路素子が搭載される。２次側回路Ｓには、電源トランス５０の２次側コイルと接続される整流出力部４１が設けられ、例えば、整流ダイオード４１ａ、平滑コンデンサ４１ｂなどの各種回路素子が搭載される。

プリント基板３０は、導体層と電気絶縁層とが交互に積層された多層プリント基板として構成される。

電源トランス５０は、図２と図３に示すように、１次側コイルパターンを構成するサブコイル５１ａ，５１ｂと、２次側コイルパターンを構成するサブコイル５２ａ，５２ｂと、１次側コイルパターンおよび２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材７１とで構成される。１次側のサブコイル５１ａ，５１ｂと２次側のサブコイル５２ａ，５２ｂとは、プリント基板３０の異なる導体層にそれぞれ配置される。

プリント基板３０には２つの貫通穴３１，３２が形成されている。コア部材７１は、例えば、コ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１，３２に装着すると、分割コアを一体化したコア部材７１が完成する。

１次側コイルパターンに関して、図２（ａ）に示すように、１次側サブコイル５１ａは、貫通穴３１の周りに第１方向（例えば、内側から外側へ時計回り）に巻回され、一方、１次側サブコイル５１ｂは、貫通穴３２の周りに第１方向とは反対の第２方向（例えば、内側から外側へ反時計回り）に巻回される。

本実施形態では、１次側サブコイル５１ａ，５１ｂは直列接続されている。即ち、サブコイル５１ａの内端は、スルーホール３３およびジャンパライン（破線）を介して一方のリードラインに接続される。サブコイル５１ａの外端は、スルーホール３３およびジャンパライン（破線）を介してサブコイル５１ｂの内端に接続される。サブコイル５１ｂの外端は、そのまま他方のリードラインとして引き出されている。

２次側コイルパターンに関して、図２（ｂ）に示すように、２次側サブコイル５２ａは、貫通穴３１の周りに第１方向（例えば、内側から外側へ時計回り）に巻回され、一方、２次側サブコイル５２ｂは、貫通穴３２の周りに第１方向とは反対の第２方向（例えば、内側から外側へ反時計回り）に巻回される。サブコイル５２ａの内端は、スルーホール３３およびジャンパライン（破線）を介して一方のリードラインに接続される。サブコイル５２ａの外端は、そのまま他方のリードラインとして引き出されている。また、サブコイル５２ｂの内端は、スルーホール３３およびジャンパライン（破線）を介して一方のリードラインに接続される。サブコイル５２ｂの外端は、そのまま他方のリードラインとして引き出されている。こうして２つの２次側コイルパターンが得られる。さらに、こうした２次側コイルパターンをプリント基板３０の他の導体層に追加形成することによって、３つ以上の２次側コイルパターンが得られる。

図３に示すように、プリント基板３０が、上から下へ向かって電気絶縁層、第１導体層、電気絶縁層、第２導体層、電気絶縁層という順に積層されている場合、左側の貫通穴３１を巻回する１次側サブコイル５１ａ、および右側の貫通穴３２を巻回する１次側サブコイル５１ｂが第１導体層に配置される。一方、左側の貫通穴３１を巻回する２次側サブコイル５２ａ、および右側の貫通穴３２を巻回する２次側サブコイル５２ｂが第２導体層に配置される。コア部材７１は、２つの貫通穴３１，３２を通る閉じた磁気回路を構成している。そのため、１次側コイルパターンに電流が流れると電磁誘導により磁界が発生し、発生した磁界はコア部材７１を通過して、２次側コイルパターンに電流を生じさせる。

こうした構成では、２つの貫通穴３１，３２に分けて１次側コイルパターンを巻回しているため、１つの貫通穴に集中して１次側コイルパターンを巻回した場合と比べて熱集中を分散することができる。さらに、図４に示すように、１次側サブコイル５１ａ，５１ｂを互いに逆方向に巻回することによって、例えば、外部ノイズの磁束方向９０が紙面下向きに貫通した場合、１次側サブコイル５１ａ，５１ｂに流れるノイズ電流６０ａ、６０ｂの方向は互いに逆向きとなって打ち消しあうために、耐ノイズ性が向上する。

また、１次側サブコイル５１ａ，５１ｂと２次側サブコイル５２ａ，５２ｂをより近い配置で同じ距離で結合することができるため、１次側コイルパターンと２次側コイルパターンの結合バランスを等しくでき、２次側コイルパターンの出力バランスを均等にすることができる。また、サブコイル５１ａの巻数とサブコイル５１ｂの巻数は同じであることが好ましい。

本実施形態では、電源トランスの数を増やすことなく、安定した同じ複数の出力を容易に得ることができ、さらに１つのコアで複数の出力が得られる。そのため、部品点数を低減でき、信頼性の高い電源トランスを安価に作ることができる。また、複数の電源回路が必要な場合、実装面積を著しく縮小することができる。

１次側コイルパターンは、プリント基板３０の最外層に配置してもよいが、プリント基板３０の内層に配置することが好ましい。これにより１次側コイルパターンと２次側コイルパターンの間だけでなく、１次側コイルパターンとコア部材７１との間にも電気絶縁層が介在するため、コイル間の絶縁耐圧だけでなく、コア−コイル間の絶縁耐圧も高く確保できる。

２次コイルパターンもプリント基板３０の最外層に配置してもよいが、プリント基板３０の内層に配置することが好ましい。これによりコイル間の絶縁耐圧およびコア−コイル間の絶縁耐圧をより改善できる。

図５は、図３の１次側コイルパターンおよび２次側コイルパターンの電流方向を示す説明図である。１次側サブコイル５１ａおよび２次側サブコイル５２ａに流れる電流方向は互いに逆向きであり、さらに１次側サブコイル５１ｂおよび２次側サブコイル５２ｂに流れる電流方向は互いに逆向きである。そのため近接効果による交流抵抗を低減することができ、発熱や損失を抑制することができる。

図６は、本発明に係る電源装置の一例を示す回路図である。駆動回路４２は外部電源と接続されており、外部電源の正極Ｖｉｎ＋に接続される正ラインと外部電源の負極Ｖｉｎ−に接続される負ラインとの間には、バイパスコンデンサ３９と、発振回路３７と、各電源トランス５０の１次側コイル（サブコイル５１ａ，５１ｂの直列接続）の多段並列回路およびＭＯＳＦＥＴ３８からなる直列回路とが接続される。なお、本実施例では各電源トランス５０を並列接続としているが、直列接続、または直列並列が混在した接続でもかまわない。

各電源トランス５０の２次側コイル（サブコイル５２ａ，５２ｂ）には、個別の整流出力部４１が接続される。各整流出力部４１は、整流ダイオード４１ａと平滑コンデンサ４１ｂを備える。

発振回路３７は、所定の周期および所定のデューティ比を持つパルスを発生する。ＭＯＳＦＥＴ３８は、発振回路３７からのパルスに応じて、各電源トランス５０の１次側コイルに流れる電流をパルス状にスイッチングする。各電源トランス５０の１次側コイルには、外部電源電圧と同じ電圧が印加され、各電源トランス５０は、１次側コイルと２次側コイルの巻線比に応じた電圧に変換し、各整流出力部４１に供給する。各整流出力部４１で得られた直流電圧は外部に供給される。なお、バイパスコンデンサ３９は、パルス状の電流がノイズとなって外部へ漏出するのを防止している。

実施の形態２．
図７は、電源トランス５０のコイルパターンのレイアウトの他の例を示す平面図であり、図７（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図７（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。電源トランス５０は、１次側コイルパターンを構成するサブコイル５１ａ，５１ｂと、２次側コイルパターンを構成するサブコイル５２ａ，５２ｂと、１次側コイルパターンおよび２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材７１とで構成される。１次側のサブコイル５１ａ，５１ｂと２次側のサブコイル５２ａ，５２ｂとは、プリント基板３０の異なる導体層にそれぞれ配置される。

プリント基板３０には２つの貫通穴３１，３２が形成されている。コア部材７１は、例えば、コ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１，３２に装着すると、分割コアを一体化したコア部材７１が完成する。

図７（ｂ）に示す２次側コイルパターンに関しては、図２（ｂ）と同じ構成である。

図７（ａ）に示す１次側コイルパターンに関して、貫通穴３１の周りに巻回された１次側サブコイル５１ａと、貫通穴３２の周りに巻回された１次側サブコイル５１ｂとが、スルーホール３３およびジャンパライン（破線）を介して中間付近で互いに交差するように１ターンずつ接続され、全体として２つの貫通穴３１，３２を囲む８字状のコイルパターンとして形成される。サブコイル５１ａの内端は、スルーホール３３およびジャンパライン（破線）を介して一方のリードラインに接続される。サブコイル５１ｂの外端は、そのまま他方のリードラインとして引き出されている。

サブコイル５１ａの内端からサブコイル５１ｂの外端へ向かって電流が流れる場合、電流方向は貫通穴３１の周りで反時計回りで、貫通穴３２の周りで時計回りとなり、サブコイル５１ａ，５１ｂは、図２（ａ）と同様に、互いに反対方向に巻回されていることに相当する。

こうした構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図８は、電源トランス５０のコイルパターンのレイアウトのさらに他の例を示す平面図であり、図８（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図８（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。

１次側コイルパターンを構成する１次側サブコイル５１ａ，５１ｂは、図２（ａ）と同じパターンを有するが、それぞれ異なる導体層に配置され、スルーホール３３を介して相互接続されている。２次側コイルパターンを構成する２次側サブコイル５２ａ，５２ｂも、図２（ｂ）と同じパターンを有するが、それぞれ異なる導体層に配置されている。また、使用する導体層の数を節約するため、１次側サブコイル５１ａと２次側サブコイル５２ｂを同じ導体層に配置してもよく、１次側サブコイル５１ｂと２次側サブコイル５２ａを同じ導体層に配置してもよい。

こうした構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図９は、電源トランス５０のコイルパターンのレイアウトのさらに他の例を示す平面図であり、図９（ａ）は１次側コイルパターンを示し、図９（ｂ）は２次側コイルパターンを示す。

電源トランス５０は、１次側コイルパターンを構成するサブコイル５１ａ，５１ｂと、２次側コイルパターンを構成するサブコイル５２ａ，５２ｂと、１次側コイルパターンおよび２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材７１とで構成される。１次側のサブコイル５１ａ，５１ｂと２次側のサブコイル５２ａ，５２ｂとは、プリント基板３０の異なる導体層にそれぞれ配置される。

プリント基板３０には２つの貫通穴３１，３２が形成されている。コア部材７１は、例えば、コ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１，３２に装着すると、分割コアを一体化したコア部材７１が完成する。

図９（ｂ）に示す２次側コイルパターンに関しては、図２（ｂ）と同じ構成である。

図９（ａ）に示す１次側コイルパターンに関して、１次側サブコイル５１ａは、貫通穴３１の周りに第１方向（例えば、内側から外側へ時計回り）に巻回され、一方、１次側サブコイル５１ｂは、貫通穴３２の周りに第１方向とは反対の第２方向（例えば、内側から外側へ反時計回り）に巻回される。

本実施形態では、１次側サブコイル５１ａ，５１ｂは並列接続されている。即ち、サブコイル５１ａの内端およびサブコイル５１ｂの内端は、スルーホール３３およびジャンパライン（破線）を介して一方のリードラインに接続される。サブコイル５１ａの外端およびサブコイル５１ｂの外端は、そのまま他方のリードラインとして引き出されている。

１次側サブコイル５１ａ，５１ｂの並列接続により、直列接続の場合と比べて各サブコイル５１ａ，５１ｂに流れる電流を半減することができるので、発熱量を大きく低減することができる。

さらに、各サブコイル５１ａ，５１ｂでの電流が半分になるため、サブコイル５１ａ，５１ｂのパターン幅を狭くすることができ、電源トランスの実装面積を低減できる。逆に、コイルのパターン幅を広くした場合、プリント基板３０のパターンの投影面積を拡大することができるため、例えば、パワーモジュールの電源としてパワーモジュールにプリント基板３０を重ねて使用した場合、大電流を流すパワー半導体素子から放射される輻射ノイズを遮蔽するシールド板として機能させることができる。そのため、シールド板を省略したり、あるいは使用するシールド板の量を削減できる。

実施の形態５．
図１０は、本発明に係るパワーモジュールの一例を示す分解斜視図である。パワーモジュールは、ベース基板４と、プリント基板３０と、ケース部材２０などを備える。

ベース基板４は、放熱性能の優れた電気絶縁層の上に配線パターンが形成され、例えば、アルミニウム基板、セラミック基板などで構成される。ベース基板４には、複数のパワー半導体素子、例えば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)５と、複数のダイオード６と、複数の接続端子１３などが搭載される。ベース基板４は、通常、外部のヒートシンク（不図示）に搭載される。

ケース部材２０は、ベース基板４およびプリント基板３０を所定の間隔で保持するために、ベース基板４の周囲を取り囲むように設けられる。

プリント基板３０には、ＩＧＢＴ５を個別に駆動するための複数のＩＧＢＴ駆動回路と、各駆動回路に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路などが搭載され、図１０に示すように、例えば、発振回路３７、ＭＯＳＦＥＴ３８、バイパスコンデンサ３９、整流出力部４１、駆動回路４２、トランジスタ４３、電源トランス５０などの各種回路素子が搭載される。

ベース基板４には、多数の接続端子１３が立設しており、プリント基板３０をケース部材２０に収納した状態でベース基板４の配線パターンとプリント基板３０の配線パターンとを電気接続するために用いられる。

ケース部材２０には、多数のモジュール端子２１が配置され、外部回路と電気接続するために用いられる。

なお、図１０では、内部構造を説明するためにプリント基板３０を上方に取り外した様子を示しているが、実際のプリント基板３０は、ケース部材２０の内部に収納されるとともに、ベース基板４とプリント基板３０との間の内部空間およびプリント基板３０の上面側には樹脂封止材２５が注入されて、モジュール全体がモールド封止される。

このパワーモジュールの電源トランス５０として、実施の形態１〜４で説明した本発明に係る電源装置を採用することによって、パワーモジュールの小型化、薄型化が可能になる。

また、多層プリント基板３０に高耐熱仕様のものを採用し、電源トランス５０を使用することで、はんだ付け箇所を必要としない構成であるため、はんだクラックによる不良が発生せず、高温モジュール内でも使用可能となる。

４ ベース基板、 ５ ＩＧＢＴ、 ２０ ケース部材、 ３０ プリント基板、
３１，３２ 貫通穴、 ３３ スルーホール、
３７ 発振回路、 ３８ ＭＯＳＦＥＴ、 ３９ バイパスコンデンサ、
４１ 整流出力部、 ４２ 駆動回路、 ５０ 電源トランス、
５１ａ，５１ｂ １次側サブコイル、 ５２ａ，５２ｂ ２次側サブコイル、
６０ａ，６０ｂ ノイズ電流方向、 ７１ コア部材、 ８０ 電流方向、
９０ 外部ノイズの磁束方向、 Ｐ １次側回路、 Ｓ ２次側回路。

Claims (5)

1. 多層プリント基板に電源トランスを搭載した電源装置であって、
   前記電源トランスは、多層プリント基板に配置された１次側コイルパターンおよび複数の２次側コイルパターンと、１次側コイルパターンおよび複数の２次側コイルパターンと電磁結合する環状のコア部材とで構成され、
   前記コア部材は、前記多層プリント基板に設けられた第１および第２貫通穴に取り付けられ、
   前記１次側コイルパターンは、第１貫通穴の周りに第１方向に巻回された第１サブコイルと、第２貫通穴の周りに、第１方向とは反対の第２方向に巻回された第２サブコイルとを有し、
   各２次側コイルパターンは、第１貫通穴または第２貫通穴の周りに巻回されていることを特徴とする電源装置。
2. 第１サブコイルおよび第２サブコイルは、直列接続されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 第１サブコイルおよび第２サブコイルは、並列接続されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
4. 第１サブコイルの巻数と第２サブコイルの巻数が同じであることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
5. 複数のパワー半導体素子と、
   各パワー半導体素子を駆動するための複数の素子駆動回路と、
   各素子駆動回路に電力を供給するための請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置とを備えることを特徴とするパワーモジュール。