JP2012156298A - Dc/dcコンバータモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性及び耐振動性が向上されたDC/DCコンバータモジュールを提供する。
【解決手段】重心点を含む中心領域、及びその中心領域を挟んで互いに対向する第1及び第2部品領域が定義された搭載面を有するシャーシと、シャーシの中心領域上に配置されたトランスと、シャーシの第1及び第2部品領域上にそれぞれ配置された、コンバータ動作時の発熱量が大きい発熱部品とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、トランスを有するDC/DCコンバータモジュールに関する。
電気自動車のバッテリーとモータ間での電圧変換などに、DC/DCコンバータモジュールが使用される。DC/DCコンバータモジュールには、高い放熱性が要求される。このため、DC/DCコンバータモジュールの冷却方法や搭載部品の配置方法などに関して、放熱性を向上させるための種々の対策が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−243865号公報
しかしながら、車載用のDC/DCコンバータモジュールなどでは、放熱性だけでなく、高い耐振動性が要求される。例えば、重量の重いトランスがDC/DCコンバータモジュールに搭載された場合に、振動時にトランスを支持するシャーシに応力が加わり、破損する場合がある。
また、シャーシ上に配置された半導体装置などの発熱部品によってシャーシの熱膨張度に分布が生じた場合、シャーシに歪が生じてDC/DCコンバータモジュールの耐振動性が低下するという問題があった。
上記問題点に鑑み、本発明は、放熱性及び耐振動性が向上されたDC/DCコンバータモジュールを提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、重心点を含む中心領域及びその中心領域を挟んで互いに対向する第1及び第2部品領域が定義された搭載面を有する金属製のシャーシと、シャーシの中心領域上に配置されたトランスと、シャーシの第1及び第2部品領域上にそれぞれ配置された、コンバータ動作時の発熱量が大きい発熱部品とを備えるDC/DCコンバータモジュールが提供される。
本発明によれば、放熱性及び耐振動性が向上されたDC/DCコンバータモジュールを提供できる。
本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールの構造を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールのトランスの搭載例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールのトランスの固定方法の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールのシャーシの搭載面を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールの構造を示す平面図である。 図6(a)は本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールの第1の基板の構造例を示す模式図であり、図6(b)は金具を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールの整流ダイオードの搭載例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュールに採用可能なDC/DCコンバータ方式の例を示す回路図である。 図8に示したDC/DCコンバータ方式の動作を示すタイミングチャートである。
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュール1は、図1に示すように、重心点を含む中心領域A0及びその中心領域A0を挟んで互いに対向する第1部品領域A1及び第2部品領域A2が定義された搭載面を有する金属製のシャーシ10と、シャーシ10の中心領域A0上に配置されたトランス20と、シャーシ10の第1部品領域A1上に配置された発熱部品310及び第2部品領域A2上に配置された発熱部品320とを備える。
発熱部品310、発熱部品320は、コンバータ動作時において、DC/DCコンバータモジュール1を構成する回路部品のうちで特に発熱量が大きく、高温になる部品である。他の回路部品に比べて発熱量の大きい発熱部品は、例えば1次側回路のスイッチング部を構成する電界効果トランジスタ(FET)や2次側回路の整流ダイオードなどである。
図1では、シャーシ10の第1部品領域A1上に固定された第1の基板31、及び第2部品領域A2上に固定された第2の基板32に、発熱部品310、320が搭載された例を示す。第1の基板31及び第2の基板32は、プリント基板である。第1の基板31に搭載された各部品間、及び第2の基板32に搭載された各部品間は、第1の基板31及び第2の基板32に形成された配線によって電気的に接続されている。第1の基板31及び第2の基板は、例えば図示を省略したネジなどによってシャーシ10に固定される。
更に、図1に示すように、シャーシ10のトランス20が配置された搭載面と対向する裏面に、冷却装置40が配置されている。冷却装置40には、大型フィンや水冷装置などを採用可能である。冷却装置40によってシャーシ10が冷却され、これにより、シャーシ10に搭載された部品が冷却される。冷却装置40は、例えば複数の固定ネジ60によって、シャーシ10に固定される。
シャーシ10の材料は、放熱性を考慮して選択され、例えば熱伝導性の良好なアルミニウム材が用いられる。シャーシ10をアルミニウム材で形成するには、例えばダイカスト法を用いることが好ましい。ダイカスト法を用いることにより、アルミニウム材からなるシャーシ10を高い寸法精度で短時間に大量生産することができる。
トランス20は、プリント基板上に配置されるのではなく、シャーシ10上に配置されている。このため、外部から加わる振動によってトランス20が共鳴し、トランス20が搭載されたプリント基板が割れることを防げる。
トランス20で発生した熱はシャーシ10に放熱され、冷却装置40によって効率的に冷却される。なお、トランス20とシャーシ10との間に、図2に示すように熱伝導性の良い放熱シート15を配置してもよい。この放熱シート15は、必要に応じてトランス20とシャーシ10間を電気的に絶縁すると共に、トランス20とシャーシ10間で機械的な衝撃を和らげるクッションの役割も果たす。
なお、図3に示すように、例えばバネはがね201によってトランス20はシャーシ10に固定される。
トランス20はシャーシ10の中心領域A0に配置されるが、具体的には、トランス20のシャーシ10に対向する面の中心が、シャーシ10の重心点から外縁部までの最大距離の20%以内の範囲に位置するように、トランス20はシャーシ10上に配置される。したがって、同一平面に投影されたシャーシ10の重心点とトランス20の重心点の位置が接近している。このように、DC/DCコンバータモジュール1の最重量物であるトランス20をシャーシ10の中央に配置することにより、DC/DCコンバータモジュール1に振動が加わった場合に、シャーシ10に加わる応力が最適に分散される。
例えば、トランス20などが配置されるシャーシ10の搭載面100が図4に示すように矩形である場合、搭載面100の対角線L1、L2が交差する位置がシャーシ10の重心点Cとする。或いは、シャーシ10を冷却装置40に固定する固定ネジ60が配置されるネジ位置101〜104が搭載面100の四隅に設定される場合、対向する角に配置されたネジ位置101、103を結ぶ線とネジ位置102、104を結ぶ線との交点を重心点Cとする。
そして、重心点Cからの距離が搭載面100の対角線L1、L2の長さの20%までの範囲の上方にトランス20の重心点が位置するように、シャーシ10上にトランス20が配置される。
シャーシ10の中心領域A0から外れた位置にトランス20が取り付けられた場合は、シャーシ10と冷却装置40間の取り付け信頼度が大きく低下する。しかし、DC/DCコンバータモジュール1においては、外部から加わる振動に対して、シャーシ10と冷却装置40間の取り付け信頼度は非常に高い。
第1の基板31及び第2の基板32のシャーシ10に対向する面に搭載された発熱部品310、320とシャーシ10との間に、絶縁性放熱シート51、52が配置されている。絶縁性放熱シート51、52を介して、発熱部品310、320で発生した熱はシャーシ10に放熱され、冷却装置40によって冷却される。絶縁性放熱シート51、52の熱抵抗は、0.3℃/W以下であることが好ましい。
図5に、トランス20、第1の基板31及び第2の基板32を取り付けたシャーシ10の平面図の例を示す。第1の基板31と第2の基板32は、トランス20を挟んで対向して配置されている。
コンバータ動作時の発熱量が多い発熱部品は、トランス20、1次側回路のFET、2次側回路の整流ダイオードなどである。例えば、第1の基板31に1次側回路を構成する各部品を搭載し、第2の基板32に2次側回路を構成する各部品を搭載する。つまり、FETを搭載する第1の基板31と整流ダイオードを搭載する第2の基板32とが、トランス20が配置された中心領域A0を挟んで、シャーシ10上にそれぞれ配置される。これにより、発熱部品をバランスよくシャーシ10上に配置することができる。
上記のように、トランス20、発熱部品310、及び発熱部品320を分散してシャーシ10上に配置することにより、DC/DCコンバータモジュール1の動作時において、シャーシ10の熱膨張度(熱の上昇)を、シャーシ10全体で均一に近づけることができる。その結果、固定ネジ60の取り付け位置における熱膨張によるシャーシ10の歪みなどが低減される。その結果、DC/DCコンバータモジュール1の耐振動性を向上させることができる。
これに対し、発熱量の大きい部品がシャーシ上に偏って配置されるなどしてシャーシにおける熱膨張度が分布を持つ場合には、例えば長さが200mmのアルミニウム製シャーシでは、ネジ位置が最大で0.2mm〜0.5mm程度歪むことが予測される。シャーシを固定するネジ位置が歪むことによって、耐振動性は大きく低下する。
なお、以下のような種々の対策により、DC/DCコンバータモジュール1の放熱性と耐振動性の向上、及び省スペース化が実現される。
例えば、第1の基板31、第2の基板32をそれぞれ積層化する。図6(a)は、第1の基板31を2階建てにした例である。第1の基板31の1階部分31Aと2階部分31Bの連結には、位置の固定を兼ねて、金具330とネジ333を使用する。金具330は、例えばリフロースズメッキの銅製の金具などであり、図6(b)に示すように、ネジ穴330aと半田付け用の足330bとを備える。金具330の半田付け用の足330bが貫通する1階部分31Aとネジ333が貫通する2階部分31Bの貫通孔の周囲に金属膜331、332をそれぞれ形成する。金具330の半田付け用の足330bが半田330cによって1階部分31Aに固定され、2階部分31Bを貫通したネジ333がネジ穴330aに固定されることにより、2階部分31Bが1階部分31Aに固定される。金具330の半田付け用の足330bが金属膜331と電気的に接触し、ネジ333が金属膜332と電気的に接触している。金属膜331と1階部分31Aの配線パターンは電気的に接続され、金属膜332と2階部分31Bの配線パターンは電気的に接続される。これにより、1階部分31Aに配置された部品311と2階部分31Bに配置された部品312とが金具330及びネジ333を介して電気的に接続される。
金具330とネジ333を使用して1階部分31Aと2階部分31Bを固定することにより、1階部分31Aと2階部分31Bとの接続の信頼性が向上すると共に、振動時の補強となる。
また、高熱部品への電気的な接続を銅バーによって行っても良い。例えば図7に示すように、2次側回路の発熱部品である整流ダイオード321を銅バー322に接続する。銅バー322は、絶縁性放熱シート52を介して、シャーシ10に固定されている。これにより、整流ダイオード321で発生する熱を効率よく放熱できる。
なお、図7に示した例では、銅バー322を介してシャーシ10に取り付けた整流ダイオード321の上方に、第2の基板32を配置している。これにより、DC/DCコンバータモジュール1が省スペース化される。なお、必要に応じて、整流ダイオード321と第2の基板32上に配置された部品323とが電気的に接続される。
上記のような種々の方法によって放熱性及び耐振動性を向上させ、且つ省スペース化することにより、例えば縦200mm、横90mm、高さ40mmのDC/DCコンバータモジュール1によって、1.8kWの大電力DC/DCコンバータモジュールを実現できる。
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るDC/DCコンバータモジュール1では、トランス20をシャーシ10の中央に配置することにより、外部から加わる振動に対して、シャーシ10と冷却装置40間の取り付け信頼度を向上することができる。また、複数の発熱部品をトランス20を挟んでシャーシ10上に分散して配置することにより、シャーシ10全体で熱膨張度を均一に近づけることができる。その結果、図1に示したDC/DCコンバータモジュール1によれば、放熱性及び耐振動性が向上されたDC/DCコンバータモジュールを提供することができる。
なお、以上に説明したDC/DCコンバータモジュール1は、例えば図8に示すDC/DCコンバータ方式を採用する場合に有効である。図8に示したDC/DCコンバータ方式は、リアクトルを使用しない1トランス方式であり、重量部品はトランス20のみの構成である。以下に、図8に示したDC/DCコンバータ方式について説明する。なお、図9に、図8に示したDC/DCコンバータ方式によるタイミングチャートを示す。
図8に示すように、直流入力電圧Vinの両端に、トランス20の1次巻線Pと第1のスイッチング素子Q1との直列回路が接続される。第1のスイッチング素子Q1のソース端子・ドレイン端子間に、第1のコンデンサCv、及び第2のスイッチング素子Q2と第2のコンデンサCrとの直列回路がそれぞれ接続されている。制御回路Contから出力される電圧LD、LGが、第1のスイッチング素子Q1のゲート端子、ソース端子に入力される。また、制御回路Contから出力される電圧HD、HGが、第2のスイッチング素子Q2のゲート端子、ソース端子に入力される。
トランス20の2次巻線S1、S2は直列接続されている。2次巻線S1の一方の端子が整流ダイオードD1のアノード端子に接続され、2次巻線S2との接続点である2次巻線S1の他方の端子が整流ダイオードD2のアノード端子に接続されている。更に、整流ダイオードD1、D2のカソード端子間が接続されている。整流ダイオードD1、D2のカソード端子はコンデンサCoの正極端子に接続され、コンデンサCoの負極端子が2次巻線S2の他方の端子に接続されている。
トランス20の2次側の出力端子間には、フォトカプラPCと誤差増幅器Detの直列回路、及び抵抗R1と抵抗R2の直列回路が、それぞれ接続されている。抵抗R1と抵抗R2の接続点と誤差増幅器Detのフィードバック端子FBとが接続されている。なお、出力端子間に、負荷Loadが接続されている。
図8に示したDC/DCコンバータは、図9に示すように動作する。図9において、VQ1は第1のスイッチング素子Q1の出力電圧、VQ2は第2のスイッチング素子Q2の出力電圧である。また、IQ1は第1のスイッチング素子Q1の出力電流、IQ2は第2のスイッチング素子Q2の出力電流である。IS1は2次巻線S1を流れる電流、IA2は2次巻線S2を流れる電流である。そして、ICVは第1のコンデンサCvに流れる電流、ICOはコンデンサCoに流れる電流である。
図9に示すように、第1のスイッチング素子Q1と第2のスイッチング素子Q2が相補的にオンオフして、直流入力電圧Vinを高周波の交流電圧に変換してトランス20に入力することで、2次側にある整流ダイオードD1、D2、コンデンサCoを介して出力電圧Voが出力される。
ここで、第1のコンデンサCvは、第1のスイッチング素子Q1のスイッチングオフ時の電圧共振コンデンサとして作用する。第2のコンデンサCrは、第2のスイッチング素子Q2のスイッチングオン時にアクティブクランプ回路として作用する。これにより、第1のスイッチング素子Q1がスイッチングオフ時に印加されるサージ電圧を抑制する効果がある。
なお、図8中でトランス20の1次巻線Pに並列接続するリアクトルLpは、1次巻線Pの励磁インダクタンスを等価回路として表したものである。また、リアクトルLrs、Lrlは、トランス20の1次巻線Pと2次巻線S1、S2間のリーケージインダクタンスを表し、リーケージインダクタンス値は、Lrl>>Lrsの関係にある。
上記のように、第1のスイッチング素子Q1及び第2のスイッチング素子Q2のオンオフ動作により、整流ダイオードD1、D2を介してコンデンサCoに流れる出力電流は、図8に示すIcoであり、図8に示したDC/DCコンバータモジュールは、外部のリアクトルを必要としない1トランス構成である。
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
A0…中心領域
A1…第1部品領域
A2…第2部品領域
C…重心点
1…DC/DCコンバータモジュール
10…シャーシ
15…放熱シート
20…トランス
31…第1の基板
32…第2の基板
40…冷却装置
51、52…絶縁性放熱シート
60…固定ネジ
100…搭載面
101〜104…ネジ位置
310、320…発熱部品
321…整流ダイオード
322…銅バー

Claims (6)

  1. 重心点を含む中心領域、及び該中心領域を挟んで互いに対向する第1及び第2部品領域が定義された搭載面を有する金属製のシャーシと、
    前記シャーシの前記中心領域上に配置されたトランスと、
    前記シャーシの前記第1及び第2部品領域上にそれぞれ配置された、コンバータ動作時の発熱量が大きい発熱部品と
    を備えることを特徴とするDC/DCコンバータモジュール。
  2. 前記トランスの前記シャーシに対向する面の中心が、前記シャーシの前記重心点から外縁部までの最大距離の20%以内の範囲に位置するように、前記トランスが前記中心領域上に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータモジュール。
  3. 前記発熱部品と前記シャーシとの間に配置された絶縁性放熱シートを更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のDC/DCコンバータモジュール。
  4. 前記シャーシの前記搭載面と対向する裏面に配置された冷却装置を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータモジュール。
  5. 前記第1部品領域上に1次側回路を構成する部品が搭載され、前記第2部品領域上に2次側回路を構成する部品が搭載されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータモジュール。
  6. 前記発熱部品が半導体装置であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータモジュール。
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