JP2014045547A - Dc−dcコンバータ装置および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トランス103、チョークコイル104、105は、ケース部材101の外周側壁115の一長辺115aに沿って配置され、高電圧側スイッチング回路部107は、外周側壁115の一短辺115dに沿って配置されている。そして、単位面積当たりの重量が小さい低電圧回路基板部108は、その一部が底面部102の矩形領域の中心上に位置するように配置されている。
【選択図】図4
Description
[電力変換装置]
以下、図面を参照して、本発明のDC−DCコンバータ装置および電力変換装置の一実施の形態について説明する。
図1は、本発明のDC−DCコンバータ装置を備える電力変換装置の外観斜視図であり、図2は、図1に図示されたDCーDCコンバータ装置を底面側からみた外観斜視図である。
電力変換装置1は、DC−DCコンバータ装置100とインバータ装置200とを一体化したものであり、図1ではDC−DCコンバータ装置100とインバータ装置200とを分離した状態で示されている。DC−DCコンバータ装置100は、複数のボルトによりインバータ装置200のケース上面側に固定されている。
DC−DCコンバータ装置100の底面部102には、図2に図示されるように、インバータ装置200の冷却通路204に突出して冷却媒体の流れを分流する流路壁151が設けられている。また、DC−DCコンバータ装置100の底面部102には、流路壁151で分流された冷却媒体が流通するU字形状の冷却通路を形成する開口部152が形成されている。
次に、DC−DCコンバータ装置100について説明する。図3はDC−DCコンバータ装置100の回路構成の一実施の形態を示す図である。
図3に示すように、本発明の一実施の形態として示すDC−DCコンバータ装置100は、双方向DCーDCコンバータである。このDC−DCコンバータ装置100は、高電圧側スイッチング回路部107と、低圧側スイッチング回路部150と、高電圧側スイッチング回路部107と低圧側スイッチング回路部150との間に設けられたトランス(Tr)103とを備えている。高電圧側スイッチング回路部107と低圧側スイッチング回路部150のスイッチング制御は制御回路部CTRにより行われる。
図4は、図1に図示されたDC−DCコンバータ装置の模式的平面図であり、図5は、図4に図示されたDC−DCコンバータ装置の実装状態を示す斜視図である。
DC−DCコンバータ装置100のケース部材101は、アルミニウム系金属などの導電性金属により形成されている。ケース部材101の底面部102は、平面視でほぼ矩形形状を有し、底面部102の外周には、底面部102に対してほぼ垂直に立ち上げられた外周側壁115が一体に成型されている。
ケース部材101内には、後述する仕切壁111a〜111fにより複数の収容室が設けられている。これらの収容室には、トランス103、チョークコイル104、105、ノイズフィルタ用コイル106、スイッチング素子H1〜H4を構成するパワー半導体モジュー35や平滑コンデンサ38などが設けられている高電圧側スイッチング回路部107、スイッチング素子S1〜S4などが設けられている低電圧回路基板部108等が収容されている。これらの電子部品の配置については後述する。
図4及び図5を参照してケース部材内での電子部品の配置を説明する。なお、以下の説明では、上下左右とは図4及び図5の紙面内における位置関係を示す意味で使用する。
ケース部材101の外周側壁115は、図4及び5の下側の第1の長辺115aと、図4及び5の上側の第2の長辺115bと、図4及び5の左側の第1の短辺115cと、図4及び5の右側の第2の長辺115dとで構成されている。
高電圧側スイッチング回路部107が収容される第2の収容室は、第3の仕切壁111c、右側の第2の短辺115d、第1および第2の長辺115a,115bにより区画されている。
チョークコイル104が収容される第3の収容室は、第1の仕切壁111a、第4の仕切壁111d、第5の仕切壁111e、および第1の長辺115aにより区画されている。
これらの仕切壁は仕切壁部材としてケース部材101の外周壁部115とともに収容室を構成する。
トランス103が収容される第4の収容室は、第1の仕切壁111a、第5の仕切壁111e、第6の仕切壁111f、および第1の長辺115aにより区画されている。
これらの仕切壁は仕切壁部材としてケース部材101の外周壁部115とともに収容室を構成する。
チョークコイル105が収容される第5の収容室は、第1の仕切壁111a、第6の仕切壁111f、第3の仕切壁111c、および第1の長辺115aにより区画されている。
これらの仕切壁は仕切壁部材としてケース部材101の外周壁部115とともに収容室を構成する。
ノイズフィルタ用コイル106が収容される第6の収容室は、第2の仕切壁111b、上側の第2の長辺115b、および、左側の第1の短辺115cにより区画されている。
図6は、高電圧側スイッチング回路部107の一実施の形態を示す分解斜視図である。
高電圧モジュールとして構成される高電圧側スイッチング回路部107は、高電圧回路基板40、パワー半導体モジュール35、36、金属ベース30、板ばね33、温度センサ34および平滑コンデンサ素子38から構成されている。パワー半導体モジュール35は、図3のMOSFET H1〜H4に対応し、パワー半導体モジュール36は、図3のIGBTスイッチH0に対応する。また、平滑コンデンサ素子38は、図3の平滑コンデンサCnに対応する。
なお、チョークコイルLrは、図6の高電圧モジュールに一体化することも、別に設置することもできる。
高電圧回路基板40に接続された4個のパワー半導体モジュール35のスイッチング素子H1〜H4は、高電圧回路基板40に設けられた配線により、Hブリッジ回路として接続される。
高電圧回路基板40には、上部側に複数のコネクタピンを有するコネクタ41が実装されている。図示はしないが、ケース部材101の上部側には、図3に図示された制御回路部CTRが形成された制御回路基板が配置されており、コネクタ41の各コネクタピンは、制御回路基板に設けられたピン孔に挿通され、半田付けされる。制御回路部CTRとパワー半導体モジュール35、36はコネクタ41により電気的に接続され、制御回路部CTRによりパワー半導体モジュール35のスイッチング制御およびパワー半導体モジュール36のオン・オフ制御が行われる。
なお、上記実施形態においては、高電圧回路基板40をケース部材101の底面部102の内面にほぼ垂直に立ち上げて固定した構造として例示した。しかし、高電圧回路基板40を、パワー半導体モジュール35、36および/または平滑コンデンサ素子38の上部側に、ケース部材101の底面部102の内面と平行に配置してもよい。
また、金属ベース30を用いずに、パワー半導体モジュール35、36を、直接、ケース部材101の底面部102の内面に接触させるようにしてもよい。
図7は、低電圧回路基板部108の分解斜視図である。
低電圧回路基板部108は、熱伝導性のよいアルミニウム系金属などで形成されたベース基板50を含んでいる。図示はしないが、ベース基板50の一面に絶縁膜が形成され、絶縁膜上に図3に図示されたアクティブクランプ回路や同期整流回路を構成する配線が形成されている。上述した如く、低電圧回路基板部108には、パワー半導体モジュール51(スイッチング素子S1〜S4に対応)、出力コンデンサ52(図3のCo)およびアクティブクランプ回路用コンデンサ53(図3のCc)が半田により実装されている。パワー半導体モジュール51は、面実装MOSFETパッケージであって、その底面は銅等の金属で形成され、モジュール内部のMOSFETチップのドレイン電極と同電位となっており、この底面とベース基板50に形成された配線とを半田で接続することで、電気的接続も兼ねた良好な放熱構造を形成できる。
つまり、図4に示すように、ケース部材101の底面部102の矩形領域の中心C上には低電圧回路基板部108が配置されている。トランス103、チョークコイル104、105は、ケース部材101の底面部102の矩形領域の中心Cから外れた位置で、上述したように、ケース部材101の外周側壁115の一方の長辺115aに沿って、直接、対面して配置されている。また、高電圧側スイッチング回路部107は、ケース部材101の底面部102の矩形領域の中心Cから外れた位置で、ケース部材101の外周側壁115の他方の短辺115dに沿って、直接、対面して配置されている。
このため、耐振動性あるいは耐衝撃性に対して優れている。
図8は、実施形態1の変形例を示す平面図である。
上述した如く、トランス103、チョークコイル104、105は、それぞれ、外周側壁115の一方の長辺115aと仕切壁111d,111e,111fにより形成された収容部131内に配置されている。図8に図示されるように、変形例は、外周側壁115の一方の長辺115aと仕切壁111d〜111fにより形成される各収容部131内に樹脂141を充填した点に特徴を有する。
仕切壁111a〜111fの高さは、外周側壁115よりも低くてもよく、各部品の高さの1/3程度以上であればよい。
図9は、本発明のDC−DCコンバータ装置の実施形態2としての回路構成を示す図である。
図9において、図3と異なる点は、トランスTrの二次コイル側にセンタータップを設け、センタータップと低電圧電源出力部の正極との間にリアクトルL1を接続し、リアクトルL2を取り除いた点である。それ以外は、図3に図示された構成と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態2に示すDC−DCコンバータ装置100では、チョークコイル104のみが必要とされ、チョークコイル105を実装する必要はない。
そこで、図10に図示されたDC−DCコンバータ装置100では、実施形態1においてケース部材101の底面部102におけるチョークコイル105が配置されていた場所に、ノイズフィルタ用コイル106が配置されている。
そして、低電圧回路基板部108を、ノイズフィルタ用コイル106が配置されていた位置側に寄せ、外周側壁115の他方の長辺115cに近接配置させている。つまり、低電圧回路基板部108は、短辺側の一側面が外周側壁115の一方の短辺115bに、また、長辺側の一側面が外周側壁115の他方の長辺115cに沿って、直接、対面して配置されている。
ケース部材101の底面部102の矩形領域の中心が最も強度が小さいが、この中心C近傍には如何なる部品も配置されない構造とすることにより、DC−DCコンバータ装置100の耐振動性あるいは耐衝撃性を、一層、向上することができる。
(1)トランス103、チョークコイル104、105等の単位面積当たりの重量及び高さが大きい電子部品を、DC−DCコンバータ装置100のケース部材101の外周側壁115の一方の長辺115aに沿って、直接、対面して配置した構造としている。従って、これらの部品を外周側壁115で支持、拘束することができる。
(4)トランス103、チョークコイル104、105を収容する各収容部131内に樹脂141を充填して、トランス103、チョークコイル104、105の外周側面を覆い、固定強度を増大させている。このため、DC−DCコンバータ装置100の耐振動性あるいは耐衝撃性を向上することができる。
(8)DC−DCコンバータ装置100の底面部102に、インバータ装置200の冷却流路204を分流する流路壁151を設け、また、流路壁151の一方の面から他方の面に連通するU字形状の開口152を設けた。冷却媒体は、流路壁151により開口部152内に流入し、開口部152内を流通して冷却流路204内に還流する。開口部152内を冷却媒体が流通する間、DC−DCコンバータ装置100は、冷却媒体により、直接、冷却されるため、DC−DCコンバータ装置100の冷却の効率が優れたものとなる。
例えば、トランス103をケース部材101の角部に配置してもよい。高電圧側スイッチング回路部107の配置をトランス103、チョークコイル104、105の配置と入れ替え、高電圧側スイッチング回路部107を低電圧回路基板部108とほぼ平行に配置してもよい。
また、主トランスTrの一次側に、共振回路を構成する共振コンデンサ素子および共振コイルを直列に接続し、高スイッチング周波数(100kHz)でゼロ電圧スイッチング(ZVS)させてもよい。スイッチング損失が低減し変換効率を向上することができる。また、高電圧側スイッチング回路部の入力部にノイズフィルタ用コンデンサを付加してもよい。共振コンデンサおよび/またはノイズフィルタ用コンデンサをケース部材101の底面部102に搭載するようにしてもよい。
35、36 パワー半導体モジュール(H1〜H4、H0)
38 平滑コンデンサ素子(Cn)
40 高電圧回路基板
42 チョークコイル(Lc)
50 低電圧回路基板
51 パワー半導体モジュール(S1〜S4)
100 DC−DCコンバータ装置
101 ケース部材
102 底面部
103 トランス(Tr)
104、105 チョークコイル(L1、L2)
106 ノイズフィルタ用コイル(Lf)
107 高電圧側スイッチング回路部
108 低電圧回路基板部
111a〜111f 仕切壁
115 外周側壁
115a、115b 長辺
115c、115d 短辺
121〜124 バスバー
131 収容部
141 樹脂
150 低電圧側スイッチング回路部
151 流路壁
152 開口部
200 インバータ装置
CTR 制御回路部
Claims (15)
- トランスと、
前記トランスの一次側に接続された高電圧側スイッチング回路部と、
前記トランスの二次側に接続された低電圧回路基板部、および少なくとも一つのチョークコイルを含む低電圧側スイッチング回路部と、
前記トランス、前記高電圧側スイッチング回路部、および前記低電圧側スイッチング回路を収容するケース部材と、を備え、
前記ケース部材は、底面部と、前記底面部の外周に沿って立ち上げて形成された外周側壁とを有し、
少なくとも前記トランスは、少なくとも一側面が前記ケース部材の外周側壁の一側辺に沿って、直接、対面して配置され、
前記ケース部材の底面部の矩形領域の中心上には、前記低電圧回路基板部が配置されているか、または部品が配置されていないことを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項1に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記トランスの高さおよび単位矩形領域当たりの重量は、それぞれ、前記低電圧回路基板部の高さおよび単位面積当たりの重量よりも大きいことを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項2に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記ケース部材は、前記外周側壁と共に前記トランスの周囲を囲む仕切壁部材を備え、前記外周側壁と前記仕切壁によって構成される収容部内に前記トランスの外周側面を覆う樹脂が充填されていることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項1に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記少なくとも一つの第1のチョークコイルは、少なくとも一側面が前記ケース部材の外周側壁の一側辺に沿って配置され、前記第1のチョークコイルの高さおよび単位面積当たりの重量は、それぞれ、前記低電圧回路基板部の高さおよび単位面積当たりの重量よりも大きいことを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項4に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記ケース部材は、前記外周側壁と共に、前記トランスの外周を囲む第1の仕切壁部材と、前記外周側壁と共に、前記第1のチョークコイルの外周を囲む第2の仕切壁部材とを備え、前記外周側壁と前記第1の仕切壁部材によって構成される第1の収容部内に前記トランスの外周側面を覆う樹脂が充填され、前記外周側壁と前記第2の仕切壁部材によって構成される第2の収容部内に前記第1のチョークコイルの外周側面を覆う樹脂が充填されていることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項4に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記低電圧側スイッチング回路部は、さらに前記第1のチョークコイルと並列接続される第2のチョークコイルを備え、前記第2のチョークコイルは、少なくとも一側面が前記ケース部材の外周側壁の一側辺に沿って配置され、前記第2のチョークコイルの高さおよび単位面積当たりの重量は、それぞれ、前記低電圧回路基板部の高さおよび単位面積当たりの重量よりも大きいことを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項6に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記ケース部材は、前記外周側壁と共に、前記トランスの外周を囲む第1の仕切壁部材と、前記外周側壁と共に、前記第1のチョークコイルの外周を囲む第2の仕切壁部材と、前記外周側壁と共に、前記第2のチョークコイルの外周を囲む第3の仕切壁部材とを備え、前記外周側壁と前記第1の仕切壁部材によって構成される第1の収容部内に前記トランスの外周側面を覆う樹脂が充填され、前記外周側壁と前記第2の仕切壁部材によって構成される第2の収容部内に前記第1のチョークコイルの外周側面を覆う樹脂が充填され、前記外周側壁と前記第3の仕切壁部材によって構成される第3の収容部内に前記第2のチョークコイルの外周側面を覆う樹脂が充填されていることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項6に記載のDC−DCコンバータ装置において、
さらに、前記低電圧回路基板部と前記トランスを接続する第1のバスバーと、前記低電圧回路基板部と前記第1のチョークコイルを接続する第2のバスバーと、前記低電圧回路基板部と前記第2のチョークコイルを接続する第3のバスバーとを備えることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項1に記載のDC−DCコンバータ装置において、
さらに、前記チョークコイルの後段に設けられてノイズ成分をキャンセルするためのノイズフィルタ用コイルを備え、前記ノイズフィルタ用コイルは、前記ケース部材の外周側壁と前記低電圧回路基板部との間に配置されていることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項9に記載のDC−DCコンバータ装置において、
さらに、前記ノイズフィルタ用コイルと前記低電圧回路基板部とを接続する第4のバスバーを備えることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項1に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記低電圧回路基板部は、少なくとも1つの短辺側が前記ケース部材の外周側壁の一側辺に沿って、直接、対面して配置されていることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項11に記載のDC−DCコンバータ装置において、
前記低電圧回路基板部の前記1つの短辺は、前記トランスが対面する前記外周側壁とは異なる側壁の外周側壁に対面していることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項11に記載のDC−DCコンバータ層において、
前記高電圧側スイッチング回路部は、その長手方向が前記低電圧回路基板部とは、ほぼ直交する方向に向けて配置されていることを特徴とするDC−DCコンバータ装置。 - 請求項1乃至13のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータ装置と、
前記DC−DCコンバータ装置の前記底面部に固定されたインバータ装置とを備え、
前記DC−DCコンバータ装置の底面部と前記インバータ装置との境界部に、冷却媒体が流通する冷却流路が形成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項14に記載の電力変換装置において、
前記冷却流路は、前記インバータ装置のケースの内周面に沿って形成されると共に、前記DC−DCコンバータ装置の底面部に、前記冷却流路に突出され、第1の流路と第2の流路に分流する流路壁と、前記第1の流路および前記第2の流路を連通する開口部とが形成され、前記第1の流路を流通する冷却媒体が、前記流路壁に遮断されて前記第1の流路から前記開口部を経由して前記第2の流路に戻るように流通することを特徴とする電力変換装置。
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