JP2014082894A

JP2014082894A - 同期整流装置および電源装置

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Publication number: JP2014082894A
Application number: JP2012230417A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Handa; 祐一半田; Yuji Hayashi; 裕二林
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】制御端子に発生するノイズ電流を充分に低減できる同期整流装置と、それを用いた電源装置を提供する。
【解決手段】同期整流装置１は、半導体モジュール２と制御回路基板３とを備える。半導体モジュール２は、本体部２１と、入力端子２２と、出力端子２３とを備える。入力端子２２には交流電圧が印加される。制御回路基板３によってスイッチング素子２０をオンオフ動作させることにより、交流電圧を整流している。本体部２１は四辺形板状に形成されている。出力端子２３は、入力端子２２の突出方向（Ｘ方向）に平行な方向に突出しており、制御端子２４は、本体部２１から、Ｘ方向に直交する方向（Ｙ方向）に突出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子を使って整流する同期整流装置と、それを用いた電源装置に関する。

ダイオードの代わりに、ＭＯＳ等のスイッチング素子を使って交流電力を整流する同期整流装置が知られている（下記特許文献１参照）。

同期整流装置は、上記スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、スイッチング素子を駆動するための制御回路基板とを備える。スイッチング素子は、半導体モジュールの本体部に封止されている。この本体部から複数のパワー端子（入力端子及び出力端子）と制御端子とが突出している。

同期整流装置の入力端子には、交流電圧が印加される。また、制御端子は、制御回路基板に接続している。この制御回路基板を使ってスイッチング素子をオンオフ制御することにより、交流電圧を整流するよう構成されている。

本体部は四辺形板状に形成されており、この本体部の側面から、上記パワー端子と制御端子とが突出している。複数のパワー端子（入力端子および出力端子）は、本体部からそれぞれ同一方向に突出し、制御端子は、本体部から、パワー端子の突出側とは反対側に突出している。

パワー端子には比較的大きな交流電流が流れるため、パワー端子の周囲に交流磁界が発生しやすい。この交流磁界が制御端子に鎖交して大きなノイズ電流が発生しないように、上述のように制御端子をパワー端子の突出側とは反対側に突出させ、制御端子をパワー端子から遠ざけている。これにより、制御端子に大きなノイズ電流が発生することを抑制し、制御回路基板がノイズ電流の影響を大きく受けないようにしている。

特開２０００−１４１４９号公報

しかしながら、上記同期整流装置は、上述の構造を採用しても、扱う電流が大きいと、制御端子に発生するノイズ電流を充分に低減できない可能性があった。
すなわち、制御端子を、パワー端子とは反対側に突出させると、パワー端子と制御端子とが平行になる。また、制御端子に交流磁界が鎖交すると、磁束の変化を打ち消す方向に誘導電流（ノイズ電流）が生じる。ここで、パワー端子と制御端子とが平行である場合は、制御端子が突出する方向（長手方向）にノイズ電流が生じることになる。そのため、大きなノイズ電流が発生しやすくなり、制御回路基板がノイズ電流の影響を受けやすくなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、制御端子に発生するノイズ電流を充分に低減できる同期整流装置と、それを用いた電源装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、スイッチング素子を内蔵した本体部を有し、該本体部から入力端子と出力端子と制御端子とが突出した半導体モジュールと、
上記制御端子に接続した制御回路基板とを備え、
該制御回路基板によって上記スイッチング素子をオンオフ動作させることにより、上記入力端子に印加された交流電圧を整流して上記出力端子から出力するよう構成され、
上記本体部は四辺形板状に形成され、上記入力端子と上記出力端子と上記制御端子とは上記本体部の側面から突出しており、
上記出力端子は、上記入力端子の突出方向に平行な方向に突出しており、上記制御端子は、上記本体部から、上記突出方向に直交する方向に突出していることを特徴とする同期整流装置にある（請求項１）。

上記同期整流装置においては、上記制御端子は、半導体モジュールの本体部から、上記突出方向に直交する方向に突出している。
上述したように、入力端子や出力端子に交流電流が流れると、その周囲に交流磁界が発生する。ここで、制御端子を、入力端子の突出方向に直交する方向に突出させれば、制御端子が交流磁界の影響を受けにくくなり、制御端子に発生するノイズ電流を減少させることができる。そのため、ノイズ電流による、制御回路基板への影響を低減させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、制御端子に発生するノイズ電流を充分に低減できる同期整流装置を提供することができる。

実施例１における、チョークコイルを取り除いた同期整流装置の平面図。実施例１における、同期整流装置の平面図。実施例１における、半導体モジュールの平面図。実施例１における、同期整流装置を用いた電源装置の回路図。図２のV-V断面図。図２のVI-VI断面図。実施例２における、半導体モジュールの平面図。実施例３における、同期整流装置の平面図。実施例３における、同期整流装置を用いた電源装置の回路図。実施例４における、半導体モジュールの平面図。実施例４における、同期整流装置の回路図。

上記同期整流装置において、上記本体部の主面と上記制御回路基板の主面とは互いに平行であり、上記本体部の厚さ方向から見た場合に、上記制御回路基板と上記本体部とが重ならないよう構成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、本体部に対して上記厚さ方向に隣接する位置に、他の、大型の電子部品を配置することが可能になる。すなわち、半導体モジュールの本体部は四辺形板状であり、薄いため、上記位置に大きな空間を確保することができる。そのため、この空間に大きな電子部品を配置することができる。したがって、同期整流装置内のスペースを有効活用でき、無駄なスペースが生じにくくなる。これにより、同期整流装置を小型化することが可能になる。
なお、仮に、上記厚さ方向から見た場合に、制御回路基板と本体部とが重なるよう構成したとすると、制御回路基板には大型の電子部品を載置できないため、本体部及び制御回路基板に対して厚さ方向に隣接する位置にある空間を有効活用できなくなる。また、制御回路基板のパターン配線に、本体部からの磁界ノイズが重畳しやすくなる。

また、上記同期整流装置を用いた電源装置においては、上記入力端子と上記出力端子とは、上記本体部から互いに反対側に突出しており、上記本体部に対して上記入力端子の突出側に隣接する位置にトランスが配置され、該トランスの二次コイルが上記入力端子に接続しており、上記本体部に対して上記厚さ方向に隣接する位置にチョークコイルが設けられ、該チョークコイルが上記出力端子に接続していることが好ましい（請求項３）。
この場合には、チョークコイルとトランスと半導体モジュールとを互いに近づけて配置することができる。そのため、無駄なスペースができにくくなり、電源装置をより小型化することができる。

（実施例１）
上記同期整流装置に係る実施例について、図１〜図６を用いて説明する。図１、図２に示すごとく、本例の同期整流装置１は、半導体モジュール２と制御回路基板３とを備える。半導体モジュール２は、スイッチング素子２０を内蔵した本体部２１を有する。この本体部２１から、入力端子２２と出力端子２３と制御端子２４とが突出している。制御回路基板３は、制御端子２４に接続している。

制御回路基板３によってスイッチング素子２０をオンオフ動作させることにより、入力端子２２に印加される交流電圧を整流して出力端子２３から出力するよう構成されている。
本体部２１は四辺形板状に形成されている。入力端子２２と出力端子２３と制御端子２４とは本体部２１の側面２５から突出している。
出力端子２３は、入力端子２２の突出方向（Ｘ方向）に平行な方向に突出しており、制御端子２４は、本体部２１から、上記突出方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に突出している。

図４に示すごとく、本例の同期整流装置１は電源装置１０（ＤＣ−ＤＣコンバータ）に利用されている。電源装置１０は、ハイブリッド車や電池自動車等の車両に搭載されている。電源装置１０によって、高圧直流電源６０の直流電圧を降圧し、低圧直流電源６１を充電している。

電源装置１０は、複数のＩＧＢＴ素子１５０と、トランス４と、半導体モジュール２と、チョークコイル５と、平滑コンデンサ６１と、フィルタ用コイル１３１と、フィルタ用コンデンサ１３２とを備える。複数のＩＧＢＴ素子１５０によってブリッジ回路１５を構成してある。このブリッジ回路１５によって、高圧直流電源６０の直流電圧を交流電圧に変換し、トランス４の一次コイル４１に印加している。

トランス４の二次コイル４２は、半導体モジュール２の入力端子２２に接続している。半導体モジュール２は２個のスイッチング素子２０（ＭＯＳＦＥＴ）を有する。個々のスイッチング素子２０のゲートＧは制御回路基板３に接続しており、ソースＳは入力端子２２に接続している。また、２個のドレインＤは、半導体モジュール２の内部で電気接続し、出力端子２３に接続している。制御回路基板３によって、スイッチング素子２０をオンオフ動作させることにより、二次コイル４２から発生した二次電圧を整流し、出力端子２３から出力するよう構成されている。

半導体モジュール２によって整流した後、チョークコイル５及び平滑コンデンサ６１を使って平滑化し、直流電圧を得ている。また、得られた直流電圧に含まれる高周波ノイズを、ノイズフィルタ１３を使って除去している。ノイズフィルタ１３は、ノイズ用コイル１３１とノイズ用コンデンサ１３２とからなる。

図３に示すごとく、半導体モジュール２の本体部２１は、長方形板状に形成されている。この本体部２１の４つの側面２５には、２本の入力端子２２が突出した入力側面２５１と、出力端子２３が突出した出力側面２５２とがある。これら入力側面２５１と出力側面２５２とは、本体部２１の長辺を含む側面であり、互いに平行である。また、本体部２１の短辺を含む側面２５（制御側面２５３）からは、複数の制御端子２４が突出している。

入力端子２２及び出力端子２３は、金属板（バスバー）からなる。出力端子２３の先端２３０は折り曲げられ、本体部２１の厚さ方向（Ｚ方向）に突出している。また、制御端子２４の先端２４０も、Ｚ方向に突出している。

図５に示すごとく、電源装置１０は、ベースプレート１１を備える。ベースプレート１１に、トランス４や半導体モジュール２等の電子部品が載置されている。ベースプレート１１は、複数のボス１４を有する。このボス１４に、チョークコイル５が載置されている。チョークコイル５は、図示しないホルダーによってＺ方向に押圧されている。これにより、チョークコイル５をボス１４に押し付け、固定してある。チョークコイル５は、コイル入力端子５０とコイル出力端子５１とを有する。コイル入力端子５０の先端５０１と、コイル出力端子５１の先端５１１とは、それぞれ折り曲げられ、Ｚ方向に突出している。

チョークコイル５とベースプレート１１との間に、半導体モジュール２が配置されている。半導体モジュール２の本体部２１からは、上述したように、入力端子２２と出力端子２３とが、それぞれ反対側に突出している。出力端子２３の先端２３０は折り曲げられ、Ｚ方向に突出している。半導体モジュール２の出力端子２３の先端２３０と、コイル入力端子５０の先端５０１とは重ね合わされ、溶接されている。また、コイル出力端子５１の先端５１１は、後述するバスバー１３０に溶接されている。

また、図５に示すごとく、半導体モジュール２の入力端子２２の突出側に、トランス４が配されている。トランス４は、トランス本体４００と、二次コイル４２の端子４２０と、センタータップ４９と、一次コイル４１の端子４１０（図１参照）とを備える。二次コイル４２の端子４２０は、本体部４００からＸ方向におけるチョークコイル５側に突出した第１部分４２１と、該第１部分４２１からＺ方向におけるベースプレート１１側に突出した第２部分４２２と、該第２部分４２２からＸ方向における本体部２１側に突出した第３部分４２３とを備える。この第３部分４２３と、半導体モジュール２の入力端子２２とを重ね合わせ、溶接してある。

また、ベースプレート１１には、センタータップ用ボス１１９が形成されている。このセンタータップ用ボス１１９に、トランス４のセンタータップ４９を載置し、螺子止めしてある。これにより、センタータップ４９をベースプレート１１に接続している。なお、ベースプレート１１は接地されている。

図６に示すごとく、制御端子２４の先端２４０は、Ｚ方向に突出している。この先端２４０を、制御回路基板３の接続用貫通孔３９に挿通してある。これにより、制御端子２４０と制御回路基板３とを電気的に接続している。また、制御回路基板３の主面３００は、本体部２１の主面２００と平行である。

なお、「主面」とは、板状に形成された本体部２１又は制御回路基板３の表面のうち、最も面積が大きい面を意味する。

図１、図２に示すごとく、トランス４の一次コイル４１の端子４１０は、Ｙ方向に突出している。この端子４１０は、ＩＧＢＴ素子１５０（図４参照）に接続している。ＩＧＢＴ素子１５０は、制御回路基板３とベースプレート１１との間に配されている。

また、図２に示すごとく、チョークコイル５のコイル出力端子５１は、バスバー１３０に接続している。バスバー１３０の一端は、低圧直流電源６１（図４参照）に接続するための外部出力部１２になっている。バスバー１３０には、磁性体からなるコア１３９が取り付けられている。このコア１３９によって、フィルタ用コイル１３１を構成してある。また、バスバー１３０には、フィルタ用コンデンサ１３２が取り付けられている。フィルタ用コンデンサ１３２の一方の端子１３３はバスバー１３０に接続しており、他方の端子１３４はベースプレート１１に接続している。ベースプレート１１は、上述したように、接地されている。

また、バスバー１３０には、平滑コンデンサ６１（図４参照）が接続している。平滑コンデンサ６１は、制御回路基板３とベースプレート１１との間に配されている。

本例の作用効果について説明する。図３に示すごとく、本例の制御端子２４は、半導体モジュール２の本体部２１から、入力端子２２の突出方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に突出している。
入力端子２２に交流電流Ｉ（トランス４の二次電流）が流れると、入力端子２２の周囲に交流磁界Ｈが発生する。交流磁界Ｈは、入力端子２２を取り囲むように環状に発生する。交流磁界Ｈは周囲に広がり、制御端子２４に鎖交する。本例では、制御端子２４をＹ方向に突出させているため、制御端子２４が交流磁界Ｈの影響を受けにくい。そのため、制御端子２４に発生するノイズ電流を低減することができ、制御回路基板３に伝わる伝導ノイズ電流を低減することができる。

また、本例の出力端子２３は、本体部２１からＸ方向に突出している。すなわち、出力端子２３は入力端子２２と平行である。出力端子２３の出力電圧には、スイッチング素子２０をオンオフしたときに生じるリップルが含まれるため、このリップルに起因して、出力端子２３の周囲に交流磁界Ｈ’が生じる。出力端子２３の交流磁界Ｈ’は、入力端子２２の交流磁界Ｈと略平行である。出力端子２３の交流磁界Ｈ’は制御端子２４に鎖交するが、上述したように、制御端子２４はＹ方向に延びているため、制御端子２４は、交流磁界Ｈ’の影響を受けにくい。そのため、制御端子２４に大きなノイズ電流が発生することを抑制でき、半導体モジュール２内のスイッチング素子を、より誤動作しにくくすることができる。

また、本例では図２に示すごとく、本体部２１の厚さ方向（Ｚ方向）から見た場合に、制御回路基板３と本体部２１とが重ならないよう構成されている。
そのため、図５に示すごとく、本体部２１に対してＺ方向に隣接する位置に、他の、大型の電子部品（チョークコイル５）を配置することができる。半導体モジュール２の本体部２１は四辺形板状であり、薄いため、同期整流装置１のケース１９の上壁１９０と、本体部２１との間に大きな空間Ｓを確保することができる。したがって、この空間Ｓに大きな電子部品（チョークコイル５）を配置することができる。そのため、同期整流装置１内のスペースを有効活用でき、無駄なスペースが生じにくくなる。したがって、同期整流装置１を小型化できる。また、制御回路基板３を、半導体モジュール２の上面まで延長する必要がないため、小型化することができる。
なお、仮に、Ｚ方向から見た場合に、制御回路基板３と本体部２１とが重なるように構成したとすると、制御回路基板３には大型の電子部品を載置できないため、上記空間Ｓを有効活用できなくなる。

また、本例では図１に示すごとく、入力端子２２と出力端子２３とは、本体部２１から互いに反対側に突出している。本体部２１に対して入力端子２２の突出側に隣接する位置にトランス４が配置されている。また、図５に示すごとく、半導体モジュール２に対してＺ方向に隣接する位置にチョークコイル５が設けられている。
そのため、チョークコイル５とトランス４と半導体モジュールと制御回路基板３とを互いに近づけて配置することができる。したがって、無駄なスペースができにくくなり、同期整流装置１をより小型化することができる。

以上のごとく、本例によれば、制御端子に発生するノイズ電流を充分に低減できる同期整流装置と、それを用いた電源装置を提供することができる。

なお、本例では図４に示すごとく、トランス４の一次側をフルブリッジにしてあるが、直流電圧を交流電圧に変換してトランス４に印加できれば、他の構成にしてもよく、例えばハーフブリッジやフォワード等にすることができる。また、本例では、ＩＧＢＴ素子１５０を用いて直流電圧を交流電圧に変換しているが、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタを用いてもよい。

また、本例では、同期整流装置を電源装置に利用しているが、発電機のオルタネータ等、他の装置に利用することもできる。

（実施例２）
本例は、半導体モジュール２の構造を変更した例である。図７に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、本体部２１から２本の出力端子２３が突出している。本体部２１には、実施例１と同様に２個のスイッチング素子２０（ＭＯＳＦＥＴ）が封止されている。それぞれの出力端子２３は、スイッチング素子２０のドレインＤに接続している。また、本体部２１から２本の入力端子２２が突出している。それぞれの入力端子２２は、スイッチング素子２０のソースＳに接続している。
この半導体モジュール２を使って同期整流装置１を製造する場合には、２本の出力端子２３を金属板等によって短絡し、さらにチョークコイル５等に接続する。

上記構成にすると、半導体モジュール２を様々な種類の同期整流装置１に利用することができる。すなわち、２本の出力端子２３を短絡して一つの電子部品に接続することもでき、また、２本の出力端子を短絡せず、それぞれ別の電子部品に接続することもできる。

その他は、実施例１と同様である。また、本例に関する図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符合と同一のものは、特に示さない限り、同様の構成要素等を表す。

（実施例３）
本例は、半導体モジュール２の構成を変更した例である。図９に示すごとく、本例の半導体モジュール２には、４個のスイッチング素子２０（ＭＯＳＦＥＴ）が封止されている。また、本例では、半導体モジュール２を用いて２つの電源装置１０（１０ａ，１０ｂ）を構成してある。一方の電源装置１０ａにおいて２個のスイッチング素子２０を用い、他方の電源装置１０ｂにおいて２個のスイッチング素子２０を用いている。これら２つの電源装置１０ａ，１０ｂに用いる合計４個のスイッチング素子２０を、１個の半導体モジュール２内に封止してある。

図８に示すごとく、半導体モジュール２の本体部２１から、一方の電源装置１０ａ用の制御端子２４ａと、他方の電源装置１０ｂ用の制御端子２４ｂとが、それぞれ反対側に突出している。２種類の制御端子２４ａ，２４ｂは、それぞれ別々の制御回路基板３ａ，３ｂに接続している。

また、本例の半導体モジュール２は４本の入力端子２２を有する。これら４本の入力端子２２は、本体部２１からそれぞれ同一方向に突出している。一方の電源装置１０ａ用の入力端子２２ａは、一方のトランス４ａに接続しており、他方の電源装置１０ｂ用の入力端子２２ｂは、他方のトランス４ｂに接続している。

本例では、２個の制御回路基板３ａ，３ｂは連携して動作している。一方の電源装置１０ａ用のスイッチング素子２０ａ（図９参照）と、他方の電源装置１０ｂ用のスイッチング素子２０ｂとを、例えば、１８０°位相をずらしてオンオフさせている。これにより、出力電圧に生じるリップルを低減している。

（実施例４）
本例は、半導体モジュール２の構造を変更した例である。図１０に示すごとく、本例では、本体部２１に１個のスイッチング素子２０を封止してある。半導体モジュール２は、１本の入力端子２２と１本の出力端子２３とを備える。これら入力端子２２と出力端子２３とは、本体部２１からＸ方向に、それぞれ反対側に突出している。また、制御端子２４は、本体部２１からＹ方向に突出している。

図１１に示すごとく、本例の電源装置１０では、トランス４の一次コイル４１に、トランジスタ１５１を直列接続してある。このトランジスタ１５１をオンオフ動作させ、一次コイル４１に交流電圧を印加している。そして、半導体モジュール２のスイッチング素子２０をオンオフすることにより、二次コイル４２から出力される二次電圧を半波整流している。

１同期整流装置
２半導体モジュール
２０スイッチング素子
２１本体部
２２入力端子
２３出力端子
２４制御端子
３制御回路基板

Claims

スイッチング素子（２０）を内蔵した本体部（２１）を有し、該本体部（２１）から入力端子（２２）と出力端子（２３）と制御端子（２４）とが突出した半導体モジュール（２）と、
上記制御端子（２４）に接続した制御回路基板（３）とを備え、
該制御回路基板（３）によって上記スイッチング素子（２０）をオンオフ動作させることにより、上記入力端子（２２）に印加された交流電圧を整流して上記出力端子（２３）から出力するよう構成され、
上記本体部（２１）は四辺形板状に形成され、上記入力端子（２２）と上記出力端子（２３）と上記制御端子（２４）とは上記本体部（２１）の側面（２５）から突出しており、
上記出力端子（２３）は、上記入力端子（２２）の突出方向に平行な方向に突出しており、上記制御端子（２４）は、上記本体部（２１）から、上記突出方向に直交する方向に突出していることを特徴とする同期整流装置（１）。
請求項１に記載の同期整流装置（１）において、上記本体部（２１）の主面（２００）と上記制御回路基板（３）の主面（３００）とは互いに平行であり、上記本体部（２１）の厚さ方向から見た場合に、上記制御回路基板（３）と上記本体部（２１）とが重ならないよう構成されていることを特徴とする同期整流装置（１）。
請求項２に記載の同期整流装置（１）を用いた電源装置（１０）であって、上記入力端子（２２）と上記出力端子（２３）とは、上記本体部（２１）から互いに反対側に突出しており、上記本体部（２１）に対して上記入力端子（２２）の突出側に隣接する位置にトランス（４）が配置され、該トランス（４）の二次コイル（４２）が上記入力端子（２２）に接続しており、上記本体部（２１）に対して上記厚さ方向に隣接する位置にチョークコイル（５）が設けられ、該チョークコイル（５）が上記出力端子（２３）に接続していることを特徴とする電源装置（１０）。