JP2014121117A - Dc−dcコンバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の整流素子を並列接続した整流回路における電流分担の相違に起因する導通損失を低減する。
【解決手段】トランス220とグラウンド端子403との間に、二つの整流相回路が平行に配列されている。各整流相回路は、MOSFET S1a〜S1dまたはMOSFET S2a〜S2dにより構成される整流相を備えている。また、各整流相には、入力側の配線部としての導体部411、413と出力側の配線部としての導体部401、403が平行に配列されている。これにより、入力側の電流分岐点と出力側の電流合流点間における入力側と出力側との合計電流経路が、各整流素子を流れる経路すべてに対してほぼ等しく形成されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、DC−DCコンバータ装置に関し、より詳細には、複数の整流素子を備えるDC−DCコンバータ装置に関する。
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、高電圧の直流電圧を交流電圧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圧に変換する低電圧側整流回路を備えている。
低電圧側整流回路の導通損失を低減するために整流素子を並列に接続する回路とする方式がある。この回路の実装構造として、プリント基板上に、複数の半導体素子を配列し、この半導体素子の配列の両側にバスバーを実装し、バスバーと各半導体素子とをプリント基板に形成した配線パターンにより接続する構造が知られている。この構造では、トランスの巻線引き出し部が、配線パターン、一方のバスバー、各半導体素子、配線パターン、他方のバスバーを通して出力端子に接続されている。上記において、各配線パターンは、複雑な形状を有するものである(例えば、特許文献1、段落[0029]参照)。
特開2006−230187号公報
上記特許文献1に記載された構造では、配線インピーダンスの影響によって、各半導体素子の電流分担に相違が生じる。つまり、複数の半導体素子を流れる電流に偏りが生じる。このため、導通損失が大きい。
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回路部と、トランスの二次側に接続された低電圧側回路部と、トランス、高電圧側回路部および低電圧側回路部を収納するケースと、を備え、低電圧側回路部は、グラウンド端子と、複数の整流素子と、各整流素子の第1の端子がグラウンド端子に接続される第1配線部と、各整流素子の第2の端子がトランスの第1の端子に接続される第2配線部とを備える第一整流相回路と、複数の整流素子と、各整流素子の第1の端子がグラウンド端子に接続される第3配線部と、各整流素子の第2の端子がトランスの第2の端子に接続される第4配線部とを備える第二整流相回路と、を備え、第一整流相回路における、各整流素子の第1の端子からグラウンド端子までの電流経路長と、各整流素子の第2の端子からトランスの第1の端子までの電流経路長との合計電流経路長はほぼ等しく、第二整流相回路における、各整流素子の第1の端子からグラウンド端子までの電流経路長と、各整流素子の第2の端子からトランスの第2の端子までの電流経路長との合計電流経路長はほぼ等しく、第一整流相回路と第二整流相回路との合計電流経路長はほぼ等しく形成されている。
本発明によれば、各整流素子に接続される合計電流経路長がほぼ等しいので、そのインピーダンスがほぼ一致する。このため、各整流素子を流れる電流がほぼ均一となり、導通損失を小さくすることができる。
本発明のDC−DCコンバータ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−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コンバータ装置を上方からみた平面図。 図3に図示された低電圧側基板ユニットの平面図。 図3におけるV−V線断面図。 図5に図示されたGND接続構造の変形例1。 図5に図示されたGND接続構造の変形例2。 図4における領域VIIIの詳細を示す拡大斜視図。 本発明の実施形態2としての低電圧側基板ユニットの平面図。 本発明の実施形態3としての低電圧側基板ユニットの平面図。 本発明の実施形態4としての低電圧側基板ユニットの平面図。 本発明の実施形態5を示し、DC−DCコンバータ装置の回路構成を示す図。 実施形態5の低電圧側基板ユニットの平面図。
--実施形態1--
[DC−DCコンバータ装置の外観]
以下、図面を参照して、本発明のDC−DCコンバータ装置の一実施の形態を説明する。
図1は、本発明のDC−DCコンバータ装置100の外観斜視図である。
DC−DCコンバータ装置100は電気自動車やプラグインハイブリッド車等に適用される。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。
ケース101の内部には、上記電力変換を行うための回路が収納されている。
ケース101の上部側には、上面蓋102がボルト等の締結部材により取付けられている。ケース101の下部側には底部101a(図5参照)が一体に成形されており、この底部101aから所定の空間を設けて下面蓋103がボルト等の締結部材によりケース101に取付けられている。
図示はしないが、ケース101の底部101aと下面蓋103との間の空間には、冷却水等の冷却媒体が流れる冷却通路が形成されている。ケース101と下面蓋103との間には不図示のOリング等のシール部材が介装されており、冷却媒体を密封する構造とされている。
ケース101、上面蓋102および下面蓋103は、それぞれ、アルミダイキャスト等により形成される。
ケース101の一側面には、冷却媒体を上記冷却流路に流入させる案内となる入口配管104、冷却媒体を冷却流路から流出させる案内となる出口配管105が取り付けられている。
ケース101の上記一側面には、高電圧蓄電池からケース101内部の電力変換回路へ、高電圧高電圧の電力を供給するための配線を接続するための、入力コネクタ106が、ケース101に設けられた開口から導出されている。
ケース101の上記一側面には、ケース101内部の電力変換回路から直流低電圧を出力するための配線が接続された出力コネクタ107が設けられている。また、ケース101の上記一側面には、ケース101内部の電力変換回路と小電力の信号をやり取りするための信号配線が接続された信号コネクタ108が設けられている。
入力コネクタ106、出力コネクタ107、信号コネクタ108は、ケース101のそれぞれ異なる側面に設けてもよい。
[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の回路構成を説明する。
図2は、図1に図示されたDC−DCDC−DCコンバータ装置の回路構成の一実施の形態を示す図である。
DC−DCコンバータ装置100は、高電圧の直流電圧を交流電圧に変換する高電圧側スイッチング回路210、交流高電圧を交流低電圧に変換するトランス220、低電圧交流電圧を直流電圧に変換する低電圧側整流回路230を備えている。
図2に示された一実施の形態において、高電圧側スイッチング回路210にノイズを抑制するためのコモンモードチョークコイル201および対地コンデンサ202が接続されている。
高電圧側スイッチング回路210とトランス220との間には、共振チョークコイル203が接続されている。共振チョークコイル203のインダクタンスとトランス220の漏れインダクタンスの合成インダクタンスを用いて、高電圧側スイッチング回路210を構成するMOSET(電界効果トランジスタ)H1〜H4のゼロ電圧スイッチングを可能としている。
低電圧側整流回路230の出力側には出力電圧に重畳するノイズを除去するために、フィルタコイル204とフィルタコンデンサ205が設けられている。
なお、コモンモードチョークコイル201、対地コンデンサ202、共振チョークコイル203、フィルタコイル204およびフィルタコンデンサ205は必ずしも必要ではなく、これらを省略した回路構成でも、効率低下やノイズ増加してしまう可能性があるが、DC−DCコンバータ装置100は電力を変換することが出来る。
(高電圧側スイッチング回路の回路構成)
高電圧側スイッチング回路210は、Hブリッジ型として接続された4つのMOSFE H1〜H4と平滑用入力コンデンサCinとから構成されている。また、MOSFET H1〜H4にはスナバコンデンサがそれぞれのMOSFET H1〜H4と並列に設けられている。
高電圧側スイッチング回路210の4つのMOSFET H1〜H4を位相シフトPWM制御することで、トランス220の1次側には交流電圧が発生する。
(低電圧側整流回路の回路構成)
低電圧側整流回路230は、MOSFET(電界効果トランジスタ:整流素子)で構成される二つの整流相と、チョークコイルLoutおよび平滑コンデンサCoutから構成される平滑回路と、を有している。以下では4つの並列接続されたMOSFET S1a〜S1dから構成される整流相を第一整流相、4つの並列接続されたMOSFET S2a〜S2dから構成される整流相を第二整流相と呼ぶことにする。
それぞれの整流相の高電位側(すなわち、MOSFETのドレイン側)配線は、トランス220の2次側へ接続されている。また、それぞれの整流相の低電位側(GND側)配線は、合流した後、シャント抵抗Rshを介してGNDへ接続されている。トランス220の2次側センタタップ端子は、チョークコイルLoutに接続され、チョークコイルLoutの出力側に平滑コンデンサCoutが接続されている。
第一整流相および第二整流相を、それぞれ、複数のMOSFET S1a〜S1dまたは複数のMOSFET S2a〜S2dを用いて、並列に接続しているのは、各整流相における導通損失を低減するためである。なお、本一実施の形態では、各整流相において並列接続されるMOSFETを4つとしているが、これに限定されるものではなく、各整流相において並列接続されるMOSFETに数の2つ以上、すなわち、複数とした場合のすべてに適用が可能である。
高電圧側スイッチング回路210における位相シフトPWM制御によってトランス220の2次側に発生した交流は、上記の二つの整流相によって全波整流される。さらに、
チョークコイルLoutと平滑コンデンサCoutによって平滑化されて直流の電流・電圧出力となる。シャント抵抗Rshは、GNDから戻ってくる負荷電流を検出するために設けられており、原理的には、チョークコイルLoutに流れる負荷電流と同じ電流値を示す。すなわち、一実施の形態のDC−DCコンバータ装置100はチョークコイルLoutの電流を検出して、その値を制御回路へフィードバックすることで、出力負荷電流を制御することが可能である。また、出力電流・電圧に含まれるノイズ成分はフィルタコイル204、フィルタコンデンサ205によって、低減される。
[DC−DCコンバータ装置の全体構成]
図3は、図1に図示されたDC−DCコンバータ装置100を上方からみた平面図である。以下の図3に関わる説明では、上下左右は図3における紙面内における位置関係を示す意味で使用する。
ケース101にける左下側には、高電圧側回路部200が配置されている。高電圧側回路部200は、高電圧側回路基板211、コモンモードチョークコイル201、対地コンデンサ202、平滑用入力コンデンサCinおよび高電圧側スイッチング回路210を構成するMOSFET H1〜H4を備えている。高電圧側回路基板211、コモンモードチョークコイル201、対地コンデンサ202、平滑用入力コンデンサCin高電圧側回路基板211に実装されている。
高電圧側スイッチング回路210を構成するMOSFET H1〜H4は、図3には図示されていないが、高電圧側回路基板の下側に配置されている。MOSFET H1〜H4は、パッケージ構造となっており、不図示の絶縁基板あるいは絶縁シートを介してケース101の底部101a内面上に配置される。MOSFET H1〜H4から発生する熱は、絶縁基板あるいは絶縁シートを介してケース101に伝達され、ケース101の底部101aに外側に設けられた冷却流路を流れる冷却媒体によって冷却される。
MOSFET H1〜H4のゲート、ソースおよびドレインのリード線は、その上方に配置されている高電圧側回路基板まで延出され、半田付けにより、高電圧側回路基板に接続されている。
図示はしないが、高電圧側回路基板には、コモンモードチョークコイル201、対地コンデンサ202、平滑用入力コンデンサCinおよび高電圧側スイッチング回路210が実装されている。高電圧側回路基板には、これらの実装された電子部品を、高電圧側スイッチング回路210を構成するように接続する配線パターンが形成されている。配線パターンには金属導体241が接続され、金属導体241は、ケース101の外部に設けられた入力コネクタ106に接続されている。
高電圧側回路部200の上部側の角部には、共振チョークコイル203が配置され、高電圧側回路部200および共振チョークコイル203の上部側にトランス220が配置されている。高電圧側回路基板211と共振チョークコイル203、共振チョークコイル203とトランス220の1次側端子220a、トランス220の1次側端子220bと高電圧側回路基板211とは、不図示のリード線によって電気的に接続されている。
トランス220の右側には、低電圧側基板ユニット250が配置されている。低電圧側基板ユニット250は、MOSFET S1a〜S1dから構成される第一整流相、MOSFET S2a〜S2dから構成される第二整流相および平滑コンデンサCout、チョークコイルLout、シャント抵抗Rshが実装された低電圧側回路基板251(図5参照)を備えている。
図5は、図3におけるV−V線切断図である。
低電圧側回路基板251は、図5に図示されるように、金属基板252と、この金属基板252の一面上に形成された絶縁膜253と、絶縁膜253上に形成された配線パターンを備えている。金属基板252は、熱伝導性のよいアルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成されており、絶縁膜253が形成された一面と反対側の面がケース101の底部101a内面に接触して固定されている。このため、第一整流相および第二整流相からの発熱が、金属基板252からケース101の底部101aに伝達され、ケース101の底部101a側に設けられた冷却流路を流れる冷却媒体によって冷却される。したがって、金属基板252に実装される半導体素子の温度上昇は低減できる。特に、半導体素子がMOSFETである場合、温度が低ければ低いほどオン抵抗が小さくなるので、温度上昇を低減すると、導通損失を低減できることになる。
低電圧側回路基板251の一側面は、トランス220と近接して配置され、上記一側面と反対側の側面は、ケース101の一側壁に近接する位置に配置されている。
トランス220の2次側の第1の端子220cと第2の端子220eとは、それぞれ、バスバー等の金属導体301、302によって、低電圧側回路基板251に形成された配線パターンに電気的に接続されている。
配線パターンの引き回しを含め、低電圧側回路部240の詳細は後述する。
低電圧側回路基板251の下側には、チョークコイルLoutが配置されており、トランス220の2次側のセンタタップ端子220dと、バスバー等の金属導体303で接続されている。
チョークコイルLoutの右側には、フィルタコイル204が配置されており、バスバー等の金属導体304にて、チョークコイルLoutとフィルタコイル204が電気的に接続されている。
また、低電圧側回路基板251に実装されている平滑コンデンサCoutは配線パターン408に接続され、配線パターン408には、チョークコイルLoutおよびフィルタコイル204に接続された金属導体304が接続されている。
フィルタコイル204の下側には、フィルタコンデンサ205が実装されたフィルタコンデンサ基板310が配置され、出力線を形成するバスバー等の金属導体305によって、フィルタコイル204とフィルタコンデンサ基板310が接続されている。金属導体305は、また、ケース101の外部に設けられた出力コネクタ107に接続されている。
低電圧側回路基板251に実装された第一整流相、第二整流相および平滑コンデンサCout、シャント抵抗Rshは、低電圧側回路基板251に形成された配線パターンおよび金属導体301、302、304により図2の低電圧側整流回路230を構成するように接続されている。
また、第一整流相、第二整流相および平滑コンデンサCout、シャント抵抗Rshが実装された低電圧側回路基板251と、チョークコイルLout、およびフィルタコイル204と、フィルタコンデンサ205が実装されたフィルタコンデンサ基板310と、金属導体301〜305と、により低電圧側回路部240が構成されている。
(低電圧側基板ユニット)
低電圧側基板ユニット250について、さらに、説明する。
図4は、図3における、低電圧側回路基板に実装された部品配置の平面図である。また、図8は、図4における領域VIIIの詳細を示す拡大斜視図である。
低電圧側回路基板251の絶縁膜253上には、第一整流相を構成するMOSFET S1a〜S1dおよび第二整流相を構成するMOSFETS2a〜S2dが実装されている。
第一整流相を構成するMOSFET S1a〜S1dおよび第二整流相を構成するMOSFET S2a〜S2dは、それぞれ、ほぼ等間隔に直線状に配列されており、第一整流相と第二整流相とは平行に配列されている。
低電圧側回路基板251の絶縁膜253上には、第一整流相と平行な高電位側配線パターン401(第2導体部)が直線状に形成されている。上述した如く、高電位側配線パターン401の左端側は金属導体301により、トランス220の2次側の第1の端子220cに接続されている。
低電圧側回路基板251の絶縁膜253上には、第二整流相と平行な高電位側配線パターン402(第4導体部)が直線状に形成されている。上述した如く、高電位側配線パターン402左端側は金属導体302により、トランス220の2次側の第2の端子220eに接続されている。
トランス220の2次側のセンタタップ端子220dは、第1の端子220cが接続された高電位側配線パターン401と、第2の端子220eが接続された高電位側配線パターン402との間に配置されている。
第一整流相を構成するMOSFET S1a〜S1dおよび第二整流相を構成するMOSFET S2a〜S2dは、それぞれ、NチャネルMOSFETであり、スイッチング素子部分が樹脂でパッケージされている。樹脂の一面には銅などの金属膜が形成されており、この金属膜はドレイン電極と接続されている。つまり、この金属膜はドレイン端子502(図8参照)である。
MOSFET S1a〜S1dは、それぞれ、ドレイン端子502が高電位側配線パターン401に半田付けされている。MOSFET S2a〜S2dは、それぞれ、ドレイン端子502が高電位側配線パターン402に半田付けされている。
高電位側配線パターン402における、低電圧側回路基板251の側面側である外側には銅または銅合金等の銅系金属等により形成されたバスバー等の金属導体412(第3導体部)が高電位側配線パターン402と平行に配設されている。
図8に図示されているように、金属導体412は、ほぼ同一に厚さの板状部材により形成されており、厚さ方向に、ジグザグ状に形成されている(図8参照)。
低電圧側回路基板251の絶縁膜253上には、ソース用配線405およびゲート用配線404が形成されている。
MOSFET S2a〜S2dの各ソース端子503は、ソース用配線405に半田付けされている。また、金属導体412は、その突出部412aがソース用配線405に半田付けされている。
MOSFET S2a〜S2dの各ゲート端子501は、低電圧側回路基板251の側面側である外側に向けて配置され、ゲート用配線404に半田付けされている。ゲート端子501が接続されたゲート用配線404は、金属導体412の突出部412a間に形成されている平坦部412bの下側を、該平坦部412bとは空隙を有してほぼ直交する方向に延出されている。すなわち、各ゲート用配線404は、金属導体412とは絶縁された状態で、金属導体412と交差している。延出された各ゲート用配線404の先端は、コネクタ432に接続されている。このように、ゲート端子501を外側に向けて配置したので、コネクタ432に接続されるゲート用配線404の引き回し長さを短くすることができる。
高電位側配線パターン401における、低電圧側回路基板251の側面側である外側には銅または銅合金等の銅系金属により形成されたバスバー等の金属導体(第1導体部)411が高電位側配線パターン401と平行に配設されている。
MOSFET S1a〜S1dにおけるソース端子、ソース用配線、金属導体411との配置関係は、MOSFET S2a〜S2dにおけるソース端子503、ソース用配線405、金属導体412の突出部412aと同様である。また、MOSFET S1a〜S1dにおけるゲート端子、ゲート用配線、金属導体411との配置関係は、MOSFET S2a〜S2dにおけるゲート端子501、ゲート用配線404、金属導体412の平坦部412bとの関係と同様である。このため、MOSFET S1a〜S1dにおいても、それぞれ、コネクタ431に接続されるゲート用配線の引き回し長さを短くすることができる。
低電圧側回路基板251の絶縁膜253上には、中間接続用配線パターン(中間導体部)406およびGND用配線パターン(グラウンド端子)403が形成されている。
図5に図示されるように、GND用配線パターン403、絶縁膜253および金属基板252を貫通する貫通孔が形成され、ケース101には、この貫通孔に対応する位置にねじ孔が形成されている。
金属ねじ801を、貫通孔を挿通してケース101のねじ孔に締結することにより、低電圧側回路基板251がケース101の底部101aに固定される。また、これと同時に、金属ねじ801によりGND用配線パターン403がケース101に接続される。このようにして、GND用配線パターン403がケース101に接続するGND接続構造が構成されている。低電圧側回路基板251をケース101に固定するのは、金属ねじ801以外の締結部材によるようにしてもよい。
上記における、金属導体301〜305、411、412、高電位側配線パターン401、402およびGND用配線パターン403については、回路との関係を示す参考として図2に図示された回路図に図示されている。
なお、GND用配線パターン403をケース101に接続するGND接続構造は上記一実施の形態を変形して適用することができる。
以下にGND接続構造の変形例を示す。
(GND接続構造の変形例1)
図6は、図5に図示されたGND用配線パターン403をケース101に接続するGND接続構造の変形例1を示す。
図6におけるGND接続構造が、図5と相違する点は、金属ねじ801が、金属リベット802に置換されている点である。変形例1においては、GND用配線パターン403は金属リベット802を介して金属基板252に接続されている。金属基板252はケース101に接しているために、GND配線パターン430は金属リベット802と金属基板252を介してケース101に導通する構造になっている。GND用配線パターン403を、バスバー等のような金属導体により形成するようにしてもよい。
図6において、上記以外の構造は、図5と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
(GND接続構造の変形例2)
図7は、図5に図示されたGND用配線パターン403をケース101に接続するGND接続構造の変形例2を示す。
図7におけるGND接続構造が、図5と相違する点は、バスバー803を用いてGND用配線パターン403をケース101に接続するようにした点である。
変形例2においては、低電圧側回路基板251には、金属ねじを挿通するための貫通孔は形成されていない。ケース101の側部の内側に、側壁より低い段部811を形成し、段部811にねじ孔が形成されている。バスバー803をGND用配線パターン403と段部811とに橋渡し、段部811側で金属ねじ804によりケース101に固定する。
GND用配線パターン403はバスバー803を介してケース101に接続される。
図7において、上記以外の構造は、図5と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
図4において、中間接続用配線パターン406は、金属導体411および金属導体412と直交する方向に延出されており、金属導体411および金属導体412の一端部は中間接続用配線パターン406に半田付けされている。
中間接続用配線パターン406とGND用配線パターン403とは、一対のシャント抵抗Rshにより接続されている。
中間接続用配線パターン406、一方のシャント抵抗Rsh、金属導体411、MOSFET S1a〜S1dにより構成される第一整流相、高電位側配線パターン401および金属導体301は、第一整流相回路を構成する。
中間接続用配線パターン406、他方のシャント抵抗Rsh、金属導体412、MOSFET S2a〜S2dにより構成される第二整流相、高電位側配線パターン402および金属導体302は、第二整流相回路を構成する。
第一整流相回路および第二整流相回路は、高電位側配線パターン401と403の中心を通るセンタラインC−Cに対して鏡像となるように形成されている。
(低電圧側整流回路の電流経路)
図4に、第二整流相回路における電流経路を点線の矢印で示す。
DC−DCコンバータ装置100の負荷電流は、GND用配線パターン403から、一方のシャント抵抗Rsh、中間接続用配線パターン406および金属導体412から構成される入力側配線部(第3配線部)を介して第二整流相の各MOSFET S2a〜S2dに流れ込む。入力側配線部における一方のシャント抵抗Rshから中間接続用配線パターン406までの電流経路は各MOSFET S2a〜S2dに対して共通の経路である。
金属導体412におけるMOSFET S2dのソース用配線405が接続される領域に電流分岐点が存在する。金属導体412における電流分岐点よりトランス220側の領域間では、電流は、MOSFET S2a〜S2dを通る4つの経路に分流して流れる。
入力側における電流経路長は、図4に図示されるように、MOSFETS2d側からMOSFET S2a側に向かうに従って、順次、長くなる。
MOSFET S2a〜S2dから出力された電流は、高電位側配線パターン402および金属導体302から構成される出力側配線部(第4配線部)を介してトランス220に流れる。
高電位側配線パターン402におけるMOSFET S2のドレイン端子502が接続される領域からMOSFET S2dのドレイン端子502が接続される領域までの間に4つの電流合流点が存在する。この間においては、電流は、各MOSFET S2a〜S2dのドレイン端子502との合流領域において、順次、高電位側配線パターン402に合流される。
出力側における電流経路長は、図4に図示されるように、MOSFET S2d側からMOSFET S2a側に向かうに従って、順次、短くなる。
上述した如く、MOSFET S2a〜S2dにより構成される第二整流相、高電位側配線パターン402、金属導体412は、直線状で、相互に平行に形成されている。
このため、各MOSFET S2a〜S2dにおける入力側の電流経路長と、出力側の電流経路長との合計電流経路長は、ほぼ等しい。つまり、各MOSFET S2a〜S2dの電流経路のインピーダンスがほぼ一致する。その結果、各MOSFET S2a〜S2dに流れる電流が均一となり、MOSFET S2a〜S2dの導通損失を小さくすることができる。
DC−DCコンバータ装置100の整流相を流れる電流は、高周波成分を含んでいる。そのために、各MOSFET S2a〜S2dを流れる電流経路のインピーダンスは、電流経路の抵抗成分よりインダクタンス成分に大きく依存する。
上記一実施の形態では、電流経路として入力側に金属導体412を、出力側に高電位側配線パターン402を用いている。金属導体412と高電位側配線パターン402との厚さが異なる場合には、各電流経路の抵抗成分が異なるものとなる。しかし、電流の高周波分は、導体の表面を流れるために各電流経路のインダクタンス成分は、配線部材の厚さには、ほとんど依存せず、電流経路の長さに依存する割合が大きい。このため、金属導体412と高電位側配線パターン402との厚さが異なる場合であっても、各MOSFET S2a〜S2dを流れる電流をほぼ均一にすることができる。
上記第二整流回路における電流経路については、第一整流相回路においても、同様である。
すなわち、DC−DCコンバータ装置100の負荷電流は、GND用配線パターン403から、他方のシャント抵抗Rsh、中間接続用配線パターン406および金属導体412をから構成される入力側配線部(第1配線部)を介して第一整流相の各MOSFET S1a〜S1dに流れ込む。また、MOSFET S1a〜S1dから出力された電流は、高電位側配線パターン401および金属導体301から構成される出力側配線部(第2配線部)を介してトランス220に流れる。
MOSFET S1a〜S1dにより構成される第一整流相、高電位側配線パターン401、金属導体411は、直線状で、相互に平行に形成されている。
このため、各MOSFETS1a〜S1dにおける入力側の電流経路長と、出力側の電流経路長との合計電流経路長は、ほぼ等しい。
上記一実施の形態に示すDC−DCコンバータ装置100は、MOSFET S1a〜S1dにより構成される第一整流相と、MOSFET S2a〜S2dにより構成される第二整流相とを有する低電圧側整流回路230を備えている。
このような低電圧側整流回路230では、キャリア周波数に対応する一周期の時間内に2つの整流相に交互に負荷電流が流れる。第一整流相および第二整流相のインピーダンスに差がある場合には、2つの整流相の電流が不均一となり、インピーダンスが低い整流相に電流が多く流れる。その結果、効率が低下する場合がある。
上述した如く、第一整流相回路と第二整流相回路とは、センタラインC−Cに対して鏡像となるように形成されている。つまり、第一整流回路と第二整流回路とは、センタラインC−Cに対して線対称に形成されており、第一整流回路の合計電流経路長と第二整流回路の合計電流経路長とは、ほぼ等しい。換言すれば、第一整流回路の電流経路と第二整流回路の電流経路との合成インピーダンスは、ほぼ等しい。
その結果、低電圧側整流回路230におけるMOSFET S1a〜S1dおよびMOSFET S2a〜S2dの電流損失を、一層、小さくすることができる。
--実施形態2--
図9は、本発明の実施形態2としての低電圧側基板ユニット250Aの平面図である。
実施形態2の低電圧側基板ユニット250Aが、実施形態1の低電圧側基板ユニット250と相違する点は、金属導体部411A、412Aが複数の部材で構成されている点である。
以下、この相違点を主として実施形態2を説明する。
第一整流相の各MOSFET S1a〜S1dに接続される金属導体部411Aは、金属導体441aと441bおよび配線パターン451を備える。配線パターン451は、低電圧側回路基板251に形成されている。バスバー等により形成された金属導体414aと441bは、配線パターン451上で離間して一直線状に配置されている。金属導体441aと441bは、離間された側の端部が、半田付けにより、配線パターン451に接続されている。
第二整流相側も同様であり、第二整流相の各MOSFET S2a〜S2dに接続される金属導体部412Aは、金属導体442aと442bおよび配線パターン452備える。配線パターン452は、低電圧側回路基板251に形成されている。バスバー等の金属導体442aと442bは、配線パターン452上で離間して一直線状に配置されている。金属導体442aと442bは、離間された側の端部が、半田付けにより、配線パターン452に接続されている。
上述したように、低電圧側回路基板251の金属基板252はアルミニウム系金属により形成されている。一方、金属導体442aと442bとは、銅系金属により形成されている。アルミニウム系金属と銅系金属とは線膨張係数が異なるために、両部材を半田付け等により接合すると、接合部に熱応力が発生する。熱応力は、接合部の面積が大きいほど大きくなる。
実施形態2では、金属導体部411Aおよび412Aを面積の小さい金属導体441aと441bまたは金属導体442aと442bとに分離して構成している。また、金属導体441aと441bとを、および442aと442bとを離間して配置している。
このため、接合部における熱応力を小さくすることができ、信頼性を向上することができる。
金属導体部411Aおよび412Aは、第一整流相および第二整流相と平行に配置されており、第一整流相回路と第二整流相回路とは、センタラインC−Cに対して鏡像に形成されている。
よって、実施形態2においても、実施形態1と同様な効果を奏する。
実施形態2の上記以外の構成は、実施形態1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
--実施形態3--
図10は、本発明の実施形態3としての低電圧側基板ユニット250Bの平面図である。
実施形態3の低電圧側基板ユニット250Bが、実施形態1の低電圧側基板ユニット250と相違する点は、中間導体部406Aが複数の部材で構成されている点である。
以下、この相違点を主として実施形態2を説明する。
中間導体部406Aは、金属導体413、414および配線パターン453〜455により構成されている。
配線パターン453〜455は、低電圧側回路基板251上に、相互に分離して、一直線状に形成されている。
バスバー等の金属導体413は、一端および他端が、それぞれ、配線パターン453、454に半田付けされている。バスバー等の金属導体414は、一端および他端が、それぞれ、配線パターン453、455に半田付けされている。
配線パターン453〜455の中、中央に位置する配線パターン453は、一対のシャント抵抗Rshを介してGND用配線パターン403に接続されている。
実施形態1における中間接続用配線パターン406は、低電圧側回路基板251に銅箔を形成し、この銅箔をエッチングして形成されるものであるため、その厚さが薄い。実施形態2における中間導体部406Aは、バスバー等により形成された金属導体413、414を備えている。金属導体413、414を配線パターン403〜405より厚くすることにより、中間導体部406Aにおけるこの部分の断面積を大きくすることができる。
これにより、中間導体部406Aの幅を小さくし、低電圧側基板ユニット250Bの小型化が可能となる。
配線パターン453、金属導体413および配線パターン454と、配線パターン453、金属導体414および配線パターン455とはセンタラインC−Cに対して鏡像に形成されている。
よって、実施形態3においても、実施形態1と同様な効果を奏する。
実施形態3の上記以外の構成は、実施形態1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
図11は、本発明の実施形態4としての低電圧側基板ユニット250Cの平面図である。
実施形態4では、実施形態1〜3と異なり、第一整流相回路と第二整流相回路とがセンタラインC−Cに対して鏡像に形成されていない構造を例示するものである。
図11におけるトランス220は、2次側における第1の端子220cと第2の端子220eの間の距離が、第一整流相回路における高電位側配線パターン401と第二整流相回路における高電位側配線パターン402の間の距離よりも大きいものである。
このようなトランス220に対し、第二整流相回路における高電位側配線パターン402とトランス220の2次側の第2の端子220eとを接続する金属導体302は直線形状に形成されている。これに対し、第一整流相回路における高電位側配線パターン401とトランス220の2次側の第1の端子220cとを接続する金属導体311は、L字形状に形成されている。直線形状の金属導体302は、高電位側配線パターン402の延長線上に配置されている。L字形状の金属導体311は、一部が、高電位側配線パターン401と平行に、他の一部がトランス220の2次側の第1の端子220c側から高電位側配線パターン401側に向かって、高電位側配線パターン401に垂直に延出されている。このため、L字形状の金属導体311の長さは、垂直な部分の長さ分だけ、直線形状の金属導体302の長さよりも長い。
中間導体部406Bは、配線パターン456、457と金属導体415により構成されている。配線パターン456と457は、低電圧側回路基板251上に、間隔をおいて、直線状に配置されている。金属導体415は、一端部および他端部が、それぞれ、配線パターン456と配線パターン457に半田付けされている。
配線パターン456と配線パターン457との間隔は、L字形状の金属導体311が直線形状の金属導体302の長さに対する長さの差にほぼ等しい。このため、第一整流相回路の合計電流経路長と第二整流相回路の合計電流経路長の長さは、ほぼ等しい。
なお、図11に実施形態4として示す低電圧側基板ユニット250Cでは、GND用配線パターン403は、高電位側配線パターン401と高電位側配線パターン402のセンタラインC−Cに対して、第一整流相回路の高電位側配線パターン401側に配置されている。このようにセンタラインC−Cに対してずれた位置のGND用配線パターン403に、一対のシャント抵抗Rshを介して配線パターン456が接続されている。このようにすることにより、シャント抵抗Rshを、金属導体415を避けた位置で、GND用配線パターン403と配線パターン456とを接続することが可能となっている。
しかし、GND用配線ターン403を、実施形態1〜3と同様、センタラインC−C上に配置してもよい。
なお、上記において、金属導体302を直線状ではなく、金属導体311と同様なL字形状としてもよい。金属導体302と金属導体311とを、同一サイズのL形状とすれば、金属導体302と金属導体311とは、電流経路長に差異が生じない。トランス220の2次側のセンタタップ端子220dをセンタラインC―C上に配置すれば、実施形態1の場合と同様に、第一整流相回路と第2整流相回路を鏡像に形成することができるので、中間導体部406Cを、分断された部材により構成する必要はない。
上記のように構成された実施形態4においても、実施形態1と同様な効果を奏する。
実施形態4における上記以外の構成は、実施形態1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
--実施形態5--
図12は、本発明の実施形態5を示し、DC−DCコンバータ装置の回路構成を示す図である。 図12に図示されたDC−DCコンバータ装置100Aの回路は、図2に図示されたDC−DCコンバータ回路にアクティブクランプ回路280が付加されている。
図12に図示されるように、アクティブクランプ回路280は、アクティブクランプ用MOSFET S3、S4、およびアクティブクランプ用コンデンサCc1、Cc2により構成されている。
アクティブクランプ回路280を低電圧側整流回路230に接続することで、トランス220の漏れインダクタンスや配線インダクタンスに起因して、MOS FET S1a〜S1dおよびMOSFET S2a〜S2dに印加されるサージ電圧を低減することができる。そのために、MOSFET S1a〜S1dおよびMOS FET S2a〜S2dの耐圧を下げることが可能になる。一般に耐圧の低いMOS FETはオン抵抗が小さいために、損失が下がる。その結果、アクティブクランプ回路を付随した場合、DC−DCコンバータ回路の効率は向上する。
図13は、実施形態5の低電圧側基板ユニット250Dの平面図である。
低電圧側基板ユニット250Dは、図11に図示された低電圧側基板ユニット250Cに対して、アクティブクランプ回路280を構成するアクティブクランプ用MOSFET S3、S4、およびアクティブクランプ用コンデンサCc1、がCc2を備えている。
低電圧側回路基板251上における第一整流相回路側に、アクティブクランプ用MOSFET S3およびアクティブクランプ用コンデンサCc1が実装されている。
低電圧側回路基板251上には、配線パターン461、462が形成されている。アクティブクランプ用MOSFET S3のドレイン端子は、低電圧側回路基板251上に形成された配線パターン461に半田付けされている。アクティブクランプ用MOSFET S3のソース端子は、金属導体311によってトランス220の2次側の第1の端子220cに接続された高電位側配線パターン401に接続されている。
配線パターン462には、金属導体411の一端が半田付けされている。アクティブクランプ用コンデンサCc1は、一方の電極および他方の電極が、それぞれ、配線パターン461、462に半田付けされている。
低電圧側回路基板251上における第二整流相回路側に、アクティブクランプ用MOSFET S4およびアクティブクランプ用コンデンサCc2が実装されている。
低電圧側回路基板251上には、配線パターン463、464が形成されている。アクティブクランプ用MOSFET S4のドレイン端子は、低電圧側回路基板251上に形成された配線パターン463に半田付けされている。アクティブクランプ用MOSFET S4のソース端子は、金属導体302によってトランス220の2次側の第2の端子220eに接続された高電位側配線パターン402に接続されている。
配線パターン464には、金属導体412の一端が半田付けされている。アクティブクランプ用コンデンサCc2は、一方の電極および他方の電極が、それぞれ、配線パターン463、464に半田付けされている。
上記のように構成された実施形態5においても、実施形態1と同様な効果を奏する。
さらに、アクティブクランプ回路280を設けたことで、DC−DCコンバータ回路の効率は、一層、向上する。
実施形態5における上記以外の構成は、実施形態1と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態1〜4の低電圧側基板ユニット250、250A〜250Cに、アクティブクランプ回路280を構成するアクティブクランプ用MOSFET S3、S4およびアクティブクランプ用コンデンサCc1、Cc2を実装するようにしてもよい。
本発明の各実施形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)第一整流相を構成する各MOSFET S1a〜S1dにおける、入力側の電流経路長と、出力側の電流経路長との合計電流経路長を、ほぼ等しくした。このため、各MOSFET S1a〜S1dに流れる電流が均一となり、MOSFET S1a〜S1dの導通損失を小さくすることができる。
(2)同様に、第二整流相を構成する各MOSFET S2a〜S2dにおける、入力側の電流経路長と、出力側の電流経路長との合計電流経路長を、ほぼ等しくした。このため、各MOSFET S2a〜S2dに流れる電流が均一となり、MOSFET S2a〜S2dの導通損失を小さくすることができる。
(3)第一整流相回路と第二整流相回路とは、センタラインC−Cに対して鏡像となるように形成されており、第一整流相回路の合計電流経路長と第二整流相回路の合計電流経路長とは、ほぼ等しい。このため、低電圧側整流回路230におけるMOSFET S1a〜S1dおよびMOSFET S2a〜S2dの電流損失を小さくして、効率を向上することができる。
(4)実施形態4のように、トランス220の2次側における第1の端子220cと第2の端子220eの間隔が大きい場合でも、L字形状の金属導体311と直線形状の金属導体302との電流経路長の差に対応する分を、中間導体部406Bにより補正するようにした。このため、低電圧側基板ユニット250Cの小型化を図ることができる。
(5)低電圧側回路基板251の一側面は、トランス220と近接して配置され、一側面に対向する側面は、ケース101の一側面に近接する位置に配置されている。
このために、トランス220の2次側の第1、第2の端子220c、220eと、第一、第二整流相の高電位側配線パターン401、402を接続している金属導体301、302の長さは短くなっている。回路動作上、金属導体301、302には高周波成分を含んだ電流が流れるために、表皮効果で増加した抵抗によって損失が大きくなることが懸念される。金属導体301、302を短くすることができるので、損失を低減することができる。
(6)低電圧側回路基板251を金属基板252により形成し、この金属基板252の第一および第二整流相が実装された面と反対側の面を、冷却流路によって冷却されるケース101の底部101a面に接触する構造とした。このため、第一および第二整流相を構成するMOSFETの温度上昇が抑制され、導通損失を低減することができる。
(7)MOSFET S1a〜S1d、MOSFET S2a〜S2のゲート端子501を、低電圧側回路基板251の側面側である外側に向けて配置した。このため、コネクタ431、432に接続されるゲート用配線404の引き回し長さを短くすることができる。
(8)実施形態5に示すように、低電圧側基板ユニット250Dにアクティブクランプ回路280を構成するアクティブクランプ用MOSFET S3、S4およびアクティブクランプ用コンデンサCc1、Cc2を実装するようにした。このため、DC−DCコンバータ回路の効率を、一層、向上することができる。
なお、低電圧側基板ユニット250に実装される回路部品は、上記実施形態に限定されるものではなく、DC−DCコンバータ回路を構成する他の電子部品を実装してもよい。
逆に、上記実施形態において、低電圧側基板ユニット250に実装した回路部品の中、いずれかを低電圧側基板ユニット250に実装せずに、ケース101内に収納するようにしてもよい。
上記実施形態において、低電圧側回路基板251に形成した金属箔により形成される配線パターンを、バスバー等の金属導体に変更したり、逆に、バスバー等の金属導体を金属箔により形成される配線パターンに変更したりすることは、任意に行うことが可能である。
上記実施形態においては、MOSFET S1a〜S1dおよびMOSFET S2a〜S2dを、NチャネルMOSFETとして例示した。しかし、MOSFET S1a〜S1dおよびMOSFET S2a〜S2dを、PチャネルMOSFETとすることもできる。
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、トランスとグラウンド端子との間に、複数の整流素子を含む第一整流素子と、複数の整流素子を含む第二整流素子とが設けられ、第一整流相回路における、各整流素子の第1の端子からグラウンド端子までの電流経路長と、各整流素子の第2の端子からトランスの第1の端子までの電流経路長との合計電流経路長はほぼ等しく、第二整流相回路における、各整流素子の第1の端子からグラウンド端子までの電流経路長と、各整流素子の第2の端子からトランスの第2の端子までの電流経路長との合計電流経路長はほぼ等しく、第一整流相回路と第二整流相回路との合計電流経路長はほぼ等しく形成されているものであればよい。
100 DC−DCコンバータ装置
101 ケース
210 高電圧側スイッチング回路
220 トランス
230 低電圧側整流回路
240 低電圧側回路部
250、250A〜250D 低電圧側基板ユニット
251 低電圧側回路基板
252 金属基板
253 絶縁膜
401、402 高電位側配線パターン
403 GND用配線パターン(グラウンド端子)
406 中間接続用配線パターン(中間導体部)
406A、406B 中間導体部
411、412 金属導体
411A、411B 金属導体部
S1a〜S1d、S2a〜S2d MOSFET(電界効果トランジスタ:整流素子)

Claims (10)

  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回路部と、
    前記トランスの二次側に接続された低電圧側回路部と、
    前記トランス、前記高電圧側回路部および前記低電圧側回路部を収納するケースと、を備え、
    前記低電圧側回路部は、
    グラウンド端子と、
    複数の整流素子と、前記各整流素子の第1の端子が前記グラウンド端子に接続される第1配線部と、前記各整流素子の第2の端子が前記トランスの第1の端子に接続される第2配線部とを備える第一整流相回路と、
    複数の整流素子と、前記各整流素子の第1の端子が前記グラウンド端子に接続される第3配線部と、前記各整流素子の第2の端子が前記トランスの第2の端子に接続される第4配線部とを備える第二整流相回路と、を備え、
    前記第一整流相回路における、前記各整流素子の前記第1の端子から前記グラウンド端子までの電流経路長と、前記各整流素子の前記第2の端子から前記トランスの前記第1の端子までの電流経路長との合計電流経路長はほぼ等しく、
    前記第二整流相回路における、前記各整流素子の前記第1の端子から前記グラウンド端子までの電流経路長と、前記各整流素子の前記第2の端子から前記トランスの前記第2の端子までの電流経路長との合計電流経路長はほぼ等しく、
    前記第一整流相回路と前記第二整流相回路との前記合計電流経路長はほぼ等しく形成されている、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、
    前記低電圧側回路部は、金属基板と、前記金属基板上に形成された絶縁膜とを有する低電圧側回路基板を備え、前記第1整流相回路における、複数の前記整流素子と、前記第1配線部と、前記第2配線部と、前記第2整流相回路における、複数の前記整流素子と、前記第3配線部と、前記第4配線部と、前記グラウンド端子とは、前記低電圧側回路基板の前記絶縁膜上に設けられている、DC−DCコンバータ装置。
  3. 請求項1に記載のDC−DCコンバータ装置において、
    前記第一整流相回路における複数の前記整流素子は直線状の第一整流相を形成するように配列され、前記第二整流相回路における複数の前記整流素子は、前記第一整流相と平行な直線状の第二整流相を形成するように配列され、前記第2配線部は、前記第一整流相と前記二整流相の間に、前記第一整流相に平行に配置された第2導体部を有し、前記第2配線部は、前記第一整流相と前記第二整流相の間に、前記第二整流相と平行に配置された第4導体部を有し、前記第3配線部は、前記第一整流相の外側に前記第一整流相に平行に配置された第3導電部を有し、前記第4配線部は、前記第二整流相の外側に前記第二整流相に平行に配置された第3導電部を有する、DC−DCコンバータ装置。
  4. 請求項3に記載のDC−DCコンバータ装置において、
    前記第一整流相回路における複数の前記整流素子および第二整流相回路における複数の前記整流素子は、それぞれ、電界効果トランジスタあり、前記第一整流相回路における前記各電界効果トランジスタはゲート端子が前記第1導体部側に向けて配置され、記第二整流相回路における前記各電界効果トランジスタはゲート端子が前記第3導体部側に向けて配置されている、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、
    前記低電圧側回路部は、さらに、前記第一整流相回路における前記各電界効果トランジスタの前記ゲート端子に接続され、前記第1導体部を絶縁された状態で交差する第1ゲート配線と、前記第二整流相回路における前記各電界効果トランジスタの前記ゲート端子に接続され、前記第3導体部を絶縁された状態で交差する第2ゲート配線とを備える、DC−DCコンバータ装置。
  6. 請求項3に記載のDC−DCコンバータ装置において、
    前記第1導体部および前記第3導体部は、前記各整流素子への電流分岐点を有し、前記第2導体部および前記第4導体部は、前記各整流素子からの電流合流点を有する、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、
    前記低電圧側回路部は、さらに、前記第一整流相および前記第二整流相に交差する方向に延出され、前記第1導体部および前記第3導体部における前記電流分岐点と前記グラウンド端子との間に配列され、前記第1導体部および前記第3導体部に接続された中間導体部を備える、DC−DCコンバータ。
  8. 請求項6に記載のDC−DCコンバータ装置において、
    前記ケース内に、さらに、前記第2導体部の前記電流合流点と前記トランスとの間で、前記第2導体部と前記トランスの前記第1の端子とを接続する第1金属導体、および前記第4導体部の前記電流合流点と前記トランスとの間で、前記第4の導体部と前記トランスの前記第2の端子とを接続する第2金属導体が収納されている、DC−DCコンバータ装置。
  9. 請求項3に記載のDC−DCコンバータ装置において、
    前記トランスは、前記第1の端子と前記第2の端子との間にセンタタップ端子を備え、前記センタタップ端子は、前記第2導体部と前記第4導体部との間に配置されている、DC−DCコンバータ装置。
  10. 請求項1に記載のDC−DCコンバータ装置において、
    前記ケース内に、さらに、電界効果トランジスタとコンデンサとから構成され、前記第一整流相回路および前記第二整流相回路に接続されたアクティブクランプ回路部が収納されている、DC−DCコンバータ装置。
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