JP2014045547A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ装置および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化を図り、体積や重量の大きい部品を搭載しても、耐振動性あるいは耐衝撃性に優れたＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供する。
【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

本発明は、高出力であっても、小型化が可能であり、かつ、耐振動性あるいは耐衝撃性に優れたＤＣ−ＤＣコンバータ装置および電力変換装置に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド車は、動力駆動用の高電圧蓄電池でモータ駆動するためのインバータ装置および車両のライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池を備えている。このような車両には、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ装置が搭載されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、高電圧の直流電流を交流電流に変換する高電圧側スイッチング回路、交流高電圧を交流低電圧に変換するトランス、低電圧交流電圧を直流電流に変換する低電圧スイッチング回路を備えている。

従来のＤＣ−ＤＣコンバータ装置として、トランス、高電圧側スイッチング回路および低電圧側スイッチング回路を構成する電子部品を配線基板上に実装し、この配線基板を、放熱フィンを有する冷却ブロックに固定した構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１４３２１５号公報

上記特許文献１では、１枚の配線基板上に、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置を構成するすべての電子部品を配置する構造である。このため、大出力とするために、トランス等の部品として体積や重量の大きいものを用いると、耐振動性あるいは耐衝撃性が低下する。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、トランスと、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、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、トランス、高電圧側スイッチング回路部、および低電圧側スイッチング回路を収容するケース部材と、を備える。ケース部材は、底面部と、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、少なくともトランスは、少なくとも一側面が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、ケース部材の底面部の矩形領域の中心上には、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。

本発明によれば、ケース部材の中心上には低電圧回路基板部がされるか、または、部品が配置されておらず、ケース部材の外周側壁に沿って配置されたトランスは、外周側壁によって支持されるので、耐振動性あるいは耐衝撃性を向上することができる。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置およびインバータ装置を備える電力変換装置の一実施の形態を示す外観斜視図。 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。 図１に図示されたＤＣーＤＣコンバータ装置の回路構成の一実施の形態を示す図。 図１に図示されたＤＣ−ＤＣコンバータ装置の模式的平面図。 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。 高電圧側スイッチング回路部の一実施の形態を示す分解斜視図。 低電圧回路基板部の一実施の形態を示す分解斜視図。 実施形態１の変形例を示す平面図。 本発明のＤＣーＤＣコンバータ装置の回路構成の実施形態２を示す図。 実施形態２のＤＣ−ＤＣコンバータ装置の模式的平面図。

−実施形態１−
［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。

電力変換装置１は、電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両に適用され、インバータ装置２００は車載の高電圧蓄電池からの電力により走行用モータを駆動する。車両にはライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池が搭載されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行う。

インバータ装置２００のケース２０１にはインバータ装置２００内の発熱部品の冷却のため、冷却媒体が流れる冷却流路２０４が形成されている。冷却媒体は入口配管２０２から冷却流路内に流入し、出口配管２０３から流出する。冷却流路は、インバータ装置２００のケース２０１の外周側壁に沿って、入口配管２０２と出口配管２０３とを連結するようにコ字形状に形成されている。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース部材１０１は、その底面部１０２がインバータ装置２００と対向して固定される。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、インバータ装置２００が固定された状態では、冷却流路２０４の上部開口を覆う蓋として機能する。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の底面部１０２、冷却流路２０４の上面側の壁面となっている。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、冷却流路２０４内を流通する冷却水等の冷却媒体により直接冷却される。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース部材１０１の底面部１０２と、インバータ装置２００の上面部の間には、冷却流路２０４の冷却媒体が漏れ出ないように、Ｏリングなどのシール（図示せず）が設けられている。

本実施の形態では、冷却媒体としては不凍液と水を１：１で混合したものが一般的に適している。しかし、それ以外の冷却媒体を用いることもできる。
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。

インバータ装置２００の入口配管２０２から冷却流路２０４内に流入した冷却媒体は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の流路壁１５１で分流され、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の開口部１５２内にも流入する。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の開口部１５２内に流入した冷却媒体は、Ｕ字形状に流通して再び冷却流路２０４内に還流する。開口部１５２内では、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の底面部１０２が冷却流路２０４の蓋部材となっており、開口部１５２内を流通する冷却媒体により、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を効果的に冷却することができる。

なお、上記インバータ装置２００とＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とにより構成される電力変換装置は、一実施の形態を示すものであり、各装置の形状・構造等は、種々、変形して適用が可能である。また、インバータ装置２００とＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とを冷却する冷却装置は、一実施の形態として示したものであり、他に、空気等の冷却気体を用いた冷却装置等を用いても差し支えはない。

［ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の回路構成］
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。

高電圧側スイッチング回路部１０７は、Ｈブリッジ型スイッチング回路として接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｈ１〜Ｈ４と、チョークコイルＬｒと、平滑コンデンサＣｎと、ＩＧＢＴスイッチＨ０と、ＩＧＢＴスイッチＨ０に接続されるシャント抵抗ＲｉおよびチョークコイルＬｃとを備える。平滑コンデンサ素子Ｃｎは、Ｈブリッジ型スイッチング回路の入力側に配置され、高電圧側スイッチング回路部１０７に入力される入力電流を平滑にする。スイッチング素子Ｈ1〜Ｈ４のゲート端子には図示しないゲート抵抗が接続されている。

制御回路部ＣＴＲにより、シャント抵抗Ｒｉの両端の電位差を測定し、高電圧系の電流を検出することができる。チョークコイルＬｃは、高電圧電源ＨＶ（−）とシャント抵抗Ｒｉとの間に配置されており、ノーマルモードフィルタとして機能する。

図３で破線で囲った高電圧回路基板４０には、高電圧側スイッチング回路部１０７を構成するスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４をＨブリッジ接続する配線が設けられる。高電圧回路基板４０にはまた、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４である後述するパワー半導体モジュール３５、ＩＧＢＴスイッチＨ０であるパワー半導体モジュール３６、平滑コンデンサ３８（Ｃｎ）、および共振コイルＬｒを除くその他の電子部品が実装されるとともに、それらの配線パターンも設けられる。高電圧側スイッチング回路部１０７は図６で後述する。

低電圧側スイッチング回路部１５０は、低電圧側での高出力を確保するために、同期整流回路を構成するＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｓ３，Ｓ４と、アクティブクランプ回路を構成するＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｓ１，Ｓ２と、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）として構成されたリアクトルＬ１，Ｌ２と、出力コンデンサＣｏと、ノイズフィルタ用のインダクタＬｆおよびコンデンサＣｆとを備えている。ＭＯＳＦＥＴ Ｓ１〜Ｓ４のゲート抵抗は図示を省略した。

図３で破線で囲った低電圧回路基板部１０８には、低電圧側スイッチング回路部１５０を構成するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を接続する配線が設けられる。低電圧回路基板部１０８にはまた、図３に示す電子部品のうちリアクトルＬ１，Ｌ２を除く電子部品が実装されるとともに、それらの配線パターンも設けられる。低電圧回路基板部１０８は図７で後述する。

スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル（Ｌ１，Ｌ２）を、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを２回路配置とすることで、大型リアクトル１台を配置させる場合に比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置全体の小型化が可能となる。加えて、還流ダイオードを持つＭＯＳＦＥＴ Ｓ１，Ｓ２を用いたアクティブクランプ回路を設けて、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図り、装置を小型化している。

［ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の構造］
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３の回路図との対応を記載すると、トランス１０３はトランスＴｒに、チョークコイル１０４、１０５はカレントダブラのリアクトルＬ１、Ｌ２に、ノイズフィルタ用コイル１０６は、ノイズフィルタ用インダクタＬｆに対応している。

―ケース部材内での電子部品の配置―
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。

外周側壁１１５で囲まれたケース部材１０１内には、下側の第１の長辺１１５ａに平行に設置された第１の仕切壁１１１ａと、上側の第２の長辺１１５ｂに平行に設置された第２の仕切壁１１１ｂと、右側の第２の短辺１１５ｄに平行に設置された第３の仕切壁１１１ｃと、下側の第１の長辺１１５ａと直交して、かつ長辺１１５ａに沿って所定間隔で設置された第４〜第６の３枚の仕切壁１１１ｄ，１１１ｅ，１１１ｆとが設置されている。

低電圧回路基板部１０８が収容される第１の収容室は、第１の仕切壁１１１ａ、第２の仕切壁１１１ｂ、第３の仕切壁１１１ｃ、および、左側の第１の短辺１１５ｃにより区画されている。
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。

第３〜５の収容室は長辺１１５ａに沿って、左から右に並設されている。すなわち、第４の収容室には、トランス１０３が、その一側面を、直接、外周側壁１１５の一方の長辺１１５ａに対面して配置されている。トランス１０３の両隣の第３及び第５の収容室には、チョークコイル１０４、１０５が、それぞれ、その一側面を、直接、外周側壁１１５の長辺１１５ａに対面して配置されている。すなわち、トランス１０３、チョークコイル１０４、１０５はその周囲の壁部材で拘束されている。

第１の収容室は、第３〜第５の収容室の上側に、すなわち、トランス１０３、チョークコイル１０４、１０５よりもケース部材１０１の内方に配置されている。第１の収容室に収容された低電圧回路基板部１０８は、その短辺側の一側面が、直接、外周側壁１１５の左側の短辺１１５ｃに対面し、その長手方向が、第１および第２の仕切壁１１１ａ，１１１ｂと平行にして配置されている。すなわち、低電圧回路基板部１０８はその周囲の壁部材で拘束されている。

低電圧回路基板部１０８は、その一部が、ケース部材１０１の底面部１０２の矩形領域の中心Ｃ上に位置するように配置されている。すなわち、図４において、２本の二点鎖線で示す直線は、矩形形状の底面部１０２の対角線であり、この対角線の交点に二重丸で示す中心Ｃ上には、低電圧回路基板部１０８が搭載されている。

低電圧回路基板部１０８は、上述したように、図３に点線で囲まれたアクティブクランプ回路及び同期整流回路のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４および出力コンデンサＣｏなどが実装されるとともに、必要な配線パターンが設けられている。

第６の収容室は、低電圧回路基板部１０８と、外周側壁１１５の他方の長辺１１５ｃとの間、すなわち、第２の仕切壁１１１ｂと長辺１１５ｂとの間に配置されている。第６の収容室に収容されたノイズフィルタ用コイル１０６は、その一側面が、直接、外周側壁１１５の他方の長辺１１５ｂに対面して配置されている。

第２の収容室は、第３の仕切壁１１１ｃと右側の短辺１１５ｄと間に設けられている。第２の収容室に収容された高電圧側スイッチング回路部１０７は、その長辺側の一側面が、直接、外周側壁１１５の右側の短辺１１５ｄに対面して配置されている。高電圧側スイッチング回路部１０７の長辺側の他側面は、低電圧回路基板部１０８の短辺側の他側面およびチョークコイル１０５の一側面、すなわち第３の仕切壁１１１ｃに対面して配置されている。換言すれば、電圧側スイッチング回路部１０７は、周囲の壁部材で拘束され、かつ、低電圧回路基板部１０８の長手方向とほぼ直角方向に向けて配置されている。

高電圧側スイッチング回路部１０７は、後述する如く、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４およびスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４をブリッジ回路に接続する配線が形成された高電圧回路基板４０を含んでいる。また、高電圧回路基板４０には、チョークコイルＬｃおよびシャント抵抗Ｒｉが実装されている。つまり、高電圧回路基板４０には、図３に点線で囲まれた領域内の電子部品の中、スイッチング素子Ｈ1〜Ｈ4を除く電子部品が実装されている。

なお、外周側壁１１５の長辺１１５ｂと低電圧回路基板部１０８との間には、ノイズフィルタ用コイル１０６の両側に、高圧電源入力用の開口部１０９および低圧電源出力用の開口部１１０がそれぞれ形成されている。

―高電圧側スイッチング回路部１０７―
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。

金属ベース３０は、例えば、アルミダイカスト等により形成され、ケース部材１０１の底面部１０２の内面にねじ等の締結部材により固定される。金属ベース３０には、上部に凹部３０ａが形成されており、凹部３０ａ内にパワー半導体モジュール３５、３６が配置されている。パワー半導体モジュール３５、３６は、その上方に配置された板ばね３３により圧接されて、熱伝導性の良い絶縁シート３１を介して金属ベース３０の凹部底面に接触している。板ばね３３は、ねじ等の締結部材によりケース部材１０１の底面部１０２の内面に固定されている。

金属ベース３０として、例えば、Ａ６０６３のような熱伝導率が高い材料を用いることにより、ケース部材１０１を、例えば、ＡＤＣ１２タイプのような一般的なアルミダイカスト用材料を用いることが可能となる。これにより、金属ベース３０を装着せず、ケース部材１０１全体を熱伝導率が高い材料で形成する場合に比し、材料費を安価にすることができる。

ケース部材１０１の底面部１０２の内面と金属ベース３０との間、金属ベース３０と絶縁シート３１の間、絶縁シート３１とパワー半導体モジュール３５、３６の間には熱伝導性グリース（図示せず）が塗布されている。上述した如く、ケース部材１０１の底面部１０２は、インバータ装置２００と共に冷却流路２０４を構成しており、パワー半導体モジュール３５、３６等の発熱部材から発生した熱は、冷却流路２０４を循環する冷却媒体によって冷却される。

平滑コンデンサ３８は、金属ベース３０に固定された図示しないコンデンサケースに収容されている。このコンデンサケースは、パワー半導体モジュール３５、３５を圧接する板ばね３３の上方に、板ばね３３と僅かな空隙を存して配置される。

温度センサ３４は金属ベース３０にねじ等の締結部材より固定されている。温度センサ３４は、ハーネスにより、図３に図示された制御回路部ＣＴＲに接続されている。温度センサ３４は、金属ベース３０を介してパワー半導体モジュール３５、３６の温度を検出し、その検出信号を制御回路部ＣＴＲに送信する。制御回路部ＣＴＲは、温度センサ３４から送信される温度情報に基づいて異常発生の有無を判断し、異常有りと判断された場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００からの出力を制限する等の保護制御を行う。

高電圧回路基板４０は、ケース部材１０１の底面部１０２に対してほぼ垂直に立ち上げて取り付けられている。高電圧回路基板４０の下端面は、ケース部材１０１の底面部１０２の内面近傍に位置しており、金属ベース３０に取り付けられたパワー半導体モジュール３５、３６の側方を覆っている。このようにすることにより、高電圧回路基板４０の幅（高さ）を広くして、高電圧回路基板４０の面積を大きくし、ケース部材１０１の内部スペースを有効に活用している。

高電圧回路基板４０には、パワー半導体モジュール３５、３６のリード端子が接続されている。パワー半導体モジュール３５、３６のリード端子は、高電圧回路基板４０に設けられた端子孔に挿通され、半田付けされる。
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。

高電圧回路基板４０には、チョークコイル４２（図３のＬc）が実装されている。チョークコイル４２は、高電圧電源の（＋）または（−）とＨブリッジ回路の間に電気的に接続され、ノーマルモードフィルタとして機能する。

２個の平滑コンデンサ素子３８は、図示はしないが、接続用バスバーにより並列に接続されて、高電圧回路基板４０に接続されている。
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。

―低電圧回路基板部１０８―
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。

図５を参照すると、トランス１０３、チョークコイル１０４、１０５は、それぞれ、バスバー１２１、１２２、１２３により低電圧回路基板部１０８に接続されている。ノイズフィルタ用コイル１０６は、バスバー１２４により低電圧回路基板部１０８に接続されている。また、図示はしないが、高電圧側スイッチング回路部１０７は、バスバーによりトランス１０３に接続されている。

上述した如く、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース部材１０１内には、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、高電圧側スイッチング回路部１０７および低電圧回路基板部１０８が、配置されて収容されている。
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。

低電圧回路基板部１０８は、例えば、重量が２００〜３００ｇ程度である。一方、トランス１０３の重量は、例えば、２５０〜３５０ｇ程度であり、チョークコイル１０４、１０５の重量は、それぞれ、１５０〜２５０ｇ程度である。図４に図示されているように、低電圧回路基板部１０８の矩形領域は、トランス１０３の４〜５倍、チョークコイル１０４、１０５の６〜８倍程度である。従って、単位面積当たりの重量は、トランス１０３が最も大きく、チョークコイル１０４、１０５も、それぞれ、低電圧回路基板部１０８よりも大きい。高電圧側スイッチング回路部１０７は、平滑コンデンサ３８を備えるので、例えば、２５０ｇ〜３５０ｇの重量となり、図６に図示されているように、面積は低電圧側スイッチング回路部１０８より若干小さいだけであるが、単位面積当たりの重量が、低電圧回路基板部１０８よりも大きい。

トランス１０３およびチョークコイル１０４、１０５の高さは、例えば、２５〜４０ｍｍ程度であり、低電圧回路基板部１０８の厚さ（ケース部材１０１の底面部１０２の内面からの高さ）よりも大きい。高電圧側スイッチング回路部１０７は、パワー半導体モジュール３５、３６の上部に平滑コンデンサ３８が配置されるため、低電圧回路基板部１０８よりも厚さが大きい。

このように、本発明の一実施の形態では、単位面積当たりの重量および高さが大きい部品をケース部材１０１の外周側壁１１５に面して配置し、単位面積当たりの重量および厚さ（高さ）が小さい低電圧回路基板部１０８を、その一部がケース部材１０１の底面部１０２の矩形領域の中心Ｃ上に位置するように配置した。
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。

（変形例）
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。

各収容部１３１内に配置されたトランス１０３、チョークコイル１０４、１０５は、それぞれ、その外周側面が樹脂１４１により覆われて固定されている。このため、トランス１０３、チョークコイル１０４、１０５の固定がより確実となり、耐振動性あるいは耐衝撃性を向上することができる。
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。

なお、以上説明した第１の実施形態では、重量が重く、かつ背丈の高い電子部品１０３，１０４，１０５が外周側壁１１５の長辺１１５ａなどに対面して配置されていると説明した。また、変形例では、これら電子部品１０３〜１０５は周囲を樹脂封止して固着すると説明した。第１の実施形態や変形例において、電子部品１０３〜１０５は締結部材で締結してベース部材１０１の底面部１０２に固定されている。

―実施形態２―
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。

図１０は、図９に示された回路の実装状態の一実施の形態を示す模式的平面図である。
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。

高電圧側スイッチング回路部１０７が、外周側壁１１５の一方の長辺１１５ａ側に移動され、高圧電源入力用の開口部１０９および低圧電源出力用の開口部１１０の位置が、高電圧側スイッチング回路部１０７と外周側壁１１５の他方の長辺１１５ｃとの間に移動されている。
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。

このように配置することにより、図１０に図示されるように、ケース部材１０１の底面部１０２の矩形領域の中心Ｃ上には、如何なる部品も搭載されない実装構造とされる。つまり、低電圧回路基板部１０８も、ケース部材１０１の底面部１０２の矩形領域の中心Ｃから外れた位置に搭載することができる。
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。

本発明の各実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（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。

（２）ケース部材１０１の底面部１０２の矩形領域の中心Ｃ上に、単位面積当たりの重量および厚さ（高さ）の小さい低電圧回路基板部１０８を配置する（実施形態１）か、あるいはいずれの部品も配置しない構造（実施形態２）としている。このため、上記（１）と相俟って、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の耐振動性あるいは耐衝撃性を優れたものとすることができる。

（３）ケース部材１０１の底面部１０２に、仕切壁１１１ａ〜１１１ｆを一体に成型して、外周側壁１１５と共に、トランス１０３、チョークコイル１０４、１０５、低電圧回路基板部１０８、高電圧側スイッチング回路部１０７を、それぞれ、収容する収容部１３１を形成している。このため、トランス１０３、チョークコイル１０４、１０５、低電圧回路基板部１０８、高電圧側スイッチング回路部１０７を支持し、拘束する強度が大きくなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の耐振動性あるいは耐衝撃性を向上することができる。
（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。

（５）トランス１０３、チョークコイル１０４、１０５およびノイズフィルタ用コイル１０６と低電圧回路基板部１０８との接続、およびトランス１０３と高電圧側スイッチング回路部１０７との接続をバスバー１２１〜１２４により行っている。このため、１枚の制御用回路基板から、低電圧回路基板部１０８および高電圧回路基板４０を分離して形成することが可能となり、制御用回路基板の面積が小さくなるので、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。

（６）高電圧側スイッチング回路部１０７として、金属ベース３０にパワー半導体モジュール３５、３６を圧接して構成する構造を採用した。このため、金属ベース３０として熱伝導性の高い材料を用いることにより、ケース部材１０１は、通常の安価な金属材料とすることが可能となり、コストを低減することができる。

（７）ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の底面部１０２を、冷却媒体が流通する冷却流路２０４が形成されたインバータ装置２００に固定して電力変換装置１を構成した。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００およびインバータ装置２００を効率的に冷却することができる。
（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。

なお、上記実施形態１、２に示した、ケース部材１０１の底面部１０２の内面に実装されたトランス１０３、チョークコイル１０４、１０５、ノイズフィルタ用コイル１０６、低電圧回路基板部１０８および高電圧側スイッチング回路部１０７の配置は、一例を示すに過ぎないものであり、種々、変形が可能である。
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。

ケース部材１０１の底面部１０２に、ノイズフィルタ用コンデンサＣｆを搭載するようにしてもよい。
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。

平滑コンデンサ素子３８（Ｃｎ）、共振コンデンサＣｃ、ノイズフィルタ用コンデンサＣｙを１つのケース内に収容してコンデンサモジュールを構成するようにしてもよい。この場合、コンデンサモジュールは、高電圧側スイッチング回路部１０７の構成部材となる。コンデンサモジュールは、ケース部材１０１の外周側壁１１５の少なくとも一側辺に沿って、直接、対面する位置に配置することが好ましい。

上記実施形態では、インバータ装置２００に一体化されて電力変換装置１を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００として例示した。しかし、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、インバータ装置２００以外の装置に一体化したり、あるいは、単独で所定の取付位置に装着したりすることができるものである。また、上記実施形態では、電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両に搭載される電力変換装置１を例に説明したが、本発明はこれらに限らず建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用することができる。

その他、本発明は、本発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して適用することが可能であり、要は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置のケース部材の底面部に外周側壁を設け、トランスの少なくとも一側面をケース部材の外周側壁の一側辺に沿って、直接、対面して配置し、ケース部材の底面部の矩形領域の中心上には、低電圧側スイッチング回路部が配置されているか、または、部品が配置されていない構造としたものであればよい。

１ 電力変換装置
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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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