JP2014217244A - 絶縁型スイッチング電源装置および絶縁型スイッチング電源装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価でコンパクトな絶縁型スイッチング電源装置および絶縁型スイッチング電源装置の製造方法を実現する。
【解決手段】入力側にコモンモード用コイル（４０５）またはノーマルモード用コイル（４１１ａ）のいずれかのコイルを有するフィルタ回路（４００）を備えた絶縁型スイッチング電源装置であって、コイルの台座部（４０５ｃ）に、台座部と台座部の下部のプリント基板（５０２）とを同一のネジ（４５１）で筐体ＧＮＤ（５０１）に共締め可能とするネジ穴部（４５１ａ）を設けている。
【選択図】図３

Description

本発明は、コモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイル、および接地コンデンサを有したフィルタ回路を入力側に持つ絶縁型スイッチング電源装置および絶縁型スイッチング電源装置の製造方法に関し、特に、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

電気自動車やハイブリッドカーに搭載される車載用の絶縁型スイッチング電源装置として、例えば、直流電圧のレベルを変換するために絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。このＤＣ／ＤＣコンバータは、リチウムイオン電池に代表される駆動用バッテリから供給される高電圧を、絶縁を保ちながら補機系電装品の電源電圧である低電圧に降圧する動作を行うものである。

このような絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、その入力側に、コモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイル、および高電圧ライン間に入力コンデンサを配置し、さらに、各高電圧ラインと筐体ＧＮＤ（接地電位）との間に接地コンデンサを配置して構成されるフィルタ回路を設けて、ノイズの低減を行うことが一般的に行われている。

特開２００６−１３６０５８号公報

特許文献１に記載の技術は、電源ラインとアースとの間に接地された接地コンデンサからアースまでの寄生インダクタ成分が存在する可能性があり、部品配置構成によってはフィルタ回路としてのノイズ特性が劣化することがある。このように、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのフィルタ回路としては、ノイズ特性を向上させるとともに耐振動性、耐衝撃性、耐熱性などを向上させる必要があり、そのためには、以下のような（１）〜（４）の課題が存在する。

（１）ノイズ特性や伝導雑音特性を向上させるために、コモンモード用コイルやノーマルモード用コイルのインダクタンス値を上げる場合、部品体格が大きくなる。この結果、耐振動性、耐衝撃性、部品コスト、基板占有面積の増大など、安価でコンパクトな絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現する際の妨げとなっている。

（２）ノイズ特性、伝導雑音特性の向上を前記（１）以外で実現させるために、接地コンデンサの容量値を増やした場合、部品コストの増大や基板占有面積の増大を招く。

（３）コモンモード用コイルやノーマルモード用コイルの自己発熱対策のため、部品体格を大きくする、または専用の冷却機構を設ける、または実装する基板材料の耐熱が高いものを採用する、またはこれらを組み合わせた対策を施す場合には、安価でコンパクトな絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現する際の妨げとなっている。

（４）耐振動性、耐衝撃性、耐熱性を向上させるには、コモンモード用コイルやノーマルモード用コイルをケース内に収め、樹脂などで封止することにより実現可能である。しかしながら、この場合には、部品体格が大きくなり、専用の冷却機構を設ける必要があるため、やはり安価でコンパクトな絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現する際の妨げとなっている。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、安価でコンパクトな絶縁型スイッチング電源装置および絶縁型スイッチング電源装置の製造方法を実現することを目的とする。

本発明に係る絶縁型スイッチング電源装置は、入力側にコモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルのいずれかのコイルを有するフィルタ回路を備えた絶縁型スイッチング電源装置であって、コイルの台座部に、台座部と台座部の下部のプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め可能とするネジ穴部を設けたものである。

また、本発明に係る絶縁型スイッチング電源装置の製造方法は、入力側にコモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルのいずれかのコイルを有するフィルタ回路を備えた絶縁型スイッチング電源装置の製造方法であって、コイルの台座部に、台座部と台座部の下部のプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め可能とするネジ穴部をあらかじめ加工しておくステップと、ネジ穴部を利用して、コイルが装着された台座部とプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め固定するステップとを有するものである。

以上のように、本発明に係る絶縁型スイッチング電源装置および絶縁型スイッチング電源装置の製造方法は、フィルタ回路におけるコモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルの台座部とプリント基板を、台座部に設けたネジ穴部を利用して同一のネジで筐体ＧＮＤに共締めする構成を備えている。これにより、コモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルの振動や衝撃による部品脱落を防止し、固定用接着剤や部品抑え材などコストアップになる部材や部品を追加することなく、耐振動性、耐衝撃性を向上させることができる。さらに、コイルによる発熱を、基板を介して筐体へ効率よく伝え、部品温度を低減し、周囲への温度上昇も抑えることで、低コストな部品、低コストな基板の選択が可能となる効果がある。

本発明の実施の形態１に係る絶縁型スイッチング電源装置として、入力側のフィルタ回路にコモンモード用コイルを使用したＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 本発明の実施の形態に係る絶縁型スイッチング電源装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータを構成する入力側のフィルタ回路に用いられるコモンモード用コイルの種々の取付構造例を上面、下面および側面について示した図である。 コモンモード用コイルの取付構造による、従来および本発明の部品配置およびパターンを示した図である。 図３の取付構造によるフィルタ効果の比較を示すグラフ図である。 図３に示すコモンモード用コイルの部品配置を側面から見た断面図である。 本発明の実施の形態２に係る絶縁型スイッチング電源装置として入力側のフィルタ回路にノーマルモード用コイルを使用したＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 図６のＤＣ／ＤＣコンバータにおけるノーマルモード用コイルの取付構造による、従来および本発明の部品配置およびパターンを示した図である。 本発明の実施の形態３に係る絶縁型スイッチング電源装置として、図２（６）に示す部品配置およびパターンを上面および下面について示した図である。

以下、本発明の絶縁型スイッチング電源装置および絶縁型スイッチング電源装置の製造方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
まず、図１を用いて、本実施の形態１に係る絶縁型スイッチング電源装置に適用されるＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成について説明する。

図１に示したＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、高電圧の直流電力が入力される入力端子２１０および２２０と、接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９と、コモンモード用コイル４０５と、入力コンデンサ１７０とで構成されるフィルタ回路４００を入力側に備えている。

インバータ回路１００は、一次側スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１０１〜１０４により構成され、入力端子２１０および２２０に入力された直流電圧を交流電圧に変換する。そして、フィルタ回路４００は、このインバータ回路１００に接続されている。

このインバータ回路１００の出力側には、共振コイル１１０が設けられており、この共振コイル１１０は、インバータ回路１００のＭＯＳＦＥＴ１０１〜１０４とそれぞれ並列に接続された共振コンデンサ２０１〜２０４と共振動作を起こし、ＭＯＳＦＥＴ１０１〜１０４のスイッチング損失をそれぞれ抑制する働きを担う。

共振コイル１１０には、共振コイル１１０と直列に接続された一次側コイル巻線（高電圧側巻線）１２１、およびこの一次側コイル巻線１２１と磁気的に結合した二次側コイル導体（低電圧側巻線）１２２、１２３からなるトランス１２０が接続されている。このトランス１２０には、二次側スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）１３１〜１３４により構成され、二次側コイル巻線１２２、１２３に発生する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１３０が接続されている。

この整流回路１３０には、二次側コイル導体１２２、１２３の接続箇所であるセンタータップ１２４と、このセンタータップ１２４での交流成分を含む直流電圧を平滑する平滑コイル１６０および出力コンデンサ１８０と、出力コンデンサ１８０から平坦な直流電圧を取り出す出力端子３１０および３２０とを備えた平滑回路１５０に接続されている。なお、ここでは、出力側のマイナス端子３２０は、ＧＮＤ接続箇所１４１〜１４５とは、ユニットを構成する筐体にて同電位となっている。

動作において、このＤＣ／ＤＣコンバータは、車載の高圧バッテリから供給される１００Ｖから６００Ｖ程度までの高電圧を入力端子２１０および２２０に受け、出力端子３１０および３２０より車載補機系部品の電源電圧である１２Ｖから１６Ｖ程度の電圧を出力するものである。

図２は、図１に示したＤＣ／ＤＣコンバータにおけるフィルタ回路において、基板（図示せず）とともにネジで共締めされる、コモンモード用コイル４０５の台座部４０５ｃの形状を正面図、下面図および側面図において示したものである。図２（１）〜（５）にそれぞれ示すコモンモード用コイル４０５ａ、４０５ｄ、４０５ｅ、４０５ｆ、４０５ｇの台座部４０５ｃは、コモンモード用コイルの外周部において、ネジにより基板と共締めできるように、コモンモード用コイルから放射状に突出する形状のフランジ部４０５ｂを有している。ただし、その個数および位置に関しては、この図２（１）〜（５）に示した構成に限定されるものではない。

なお、図２（６）に示すコモンモード用コイル４０５ｈの形状は、実施の形態３として後述するように、コモンモード用コイルの内周側で基板と共締めできるように、ネジ穴部が加工されているものである。

次に、図３は、図１および図２で示したフィルタ回路を構成するコモンモード用コイル４０５と、入力コンデンサ１７０、接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９の基板上配置を上面図で示している。ここで、図３（１）は、従来の部品配置およびパターンを示し、図３（２）は、本実施の形態１による部品配置およびパターンを示す。この図３（２）の例では、コモンモード用コイル４０５として図２（１）のコモンモード用コイル４０５ａを使用している。

図３（１）の従来技術では、接地コンデンサ４０２、４０３および４０７、４０８からそれぞれ筐体ＧＮＤ１４４および１４５へ接続される基板配線パターンの長さが等長ではなく、接地コンデンサ４０２、４０８からの配線パターンが接地コンデンサ４０３、４０７よりそれぞれ長くなっている。さらに、接地コンデンサ４０６、４０９とコモンモード用コイル４０５との接続距離が、接地コンデンサ４０１、４０４よりそれぞれ入力コンデンサ１７０を経由しているため長くなっており、フィルタ回路としての効果を減少させている。

一方、図３（２）の本実施の形態１では、接地コンデンサ４０２、４０３および４０７、４０８からネジ穴部４５１ａ、４５２ａを介して筐体ＧＮＤ１４４および１４５へのそれぞれの接続距離は、最短であり、ほぼ一定である。

図４に示すとおり、図３（１）のように接地コンデンサから筐体ＧＮＤへの接続距離が長くなると、フィルタ回路の効果が６ＭＨｚ付近を境目に減少していることが分かる。図４に示す従来例のフィルタ効果を、高周波側まで低減させるためには、接地コンデンサ容量を増やす必要がある。このため、部品点数の増加、または容量増加によるコストアップとなる。一方、本実施の形態１では、高周波側まで低減させるフィルタ効果が得られており、実装部品の点数や容量を増加させる必要がない。

また、図３（２）のようにコモンモード用コイル４０５の台座部４０５ｃの左右（コイル外周部の位置に相当）を、基板とともに筐体ＧＮＤ１４４、１４５へネジ４５１、４５２で共締めすることにより、コモンモード用コイル４０５の耐振動性および耐衝撃性を向上させている。

次に、図５（１）は、図３（１）に示した従来の部品配置での断面図、図５（２）は、図３（２）に示した本実施の形態１の部品配置での断面図をそれぞれ示している。

図５（１）のように、従来では、コモンモード用コイル４０５自身が発熱した際、基板５０２を介して、筐体５０１への放熱経路が遠い。このため、自身の発熱のために部品仕様温度を超えるか、または輻射により基板５０２や周辺部品へ伝播して周辺部品が仕様温度を超えていた。

これに対して、図５（２）のように、本実施の形態１では、コモンモード用コイル４０５での発熱を筐体５０１へ伝達する経路をコモンモード用コイル４０５の直近に設けている。すなわち、コモンモード用コイル４０５の外周側の近傍で、台座部４０５ｃとプリント基板５０２を同一のネジ４５１により筐体ＧＮＤ１４４、１４５に共締めしている。これにより、コモンモード用コイル４０５自身の発熱も抑えられ、仕様温度範囲内とすることが可能であり、コモンモード用コイル４０５からの輻射熱も減少するため、輻射による基板、周辺部品の熱量も抑えられ、仕様温度範囲内となる。

なお、本実施の形態１では、フィルタ効果が６ＭＨｚ付近（図４参照）を境目としているが、接地コンデンサから筐体ＧＮＤへの接続距離によって、この周波数は変わる。また、先の図１では接地コンデンサを２個直列接続している場合を例示したが、本発明は、接地コンデンサの直列個数によらず実現可能である。また、接地コンデンサの種類もセラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、面実装タイプ、リード実装タイプにもよらず、実現可能である。

さらに、図３（２）においては、接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９をＬ字型に配置しているが、コの字型、直線でも実現可能である。

また、本実施の形態１では、フィルタ回路にコモンモード用コイルを使用しているが、ノーマルモード用コイルを使用してもよい。

実施の形態２．
図６と図７を用いて本実施の形態２の説明を行う。図６および図７は、基本的にそれぞれ図１および図３に対応しているが、フィルタ回路４００の構成部品として、コモンモード用コイル４０５の代わりに、ノーマルモード用コイル４１０、４１１を使用している点が異なる。

図６に示した２つのノーマルモード用コイル４１０、４１１は、図７に示すように、プリント基板（図示せず）上に配置されている。そして、ノーマルモード用コイル４１０、４１１の台座部４１０ａ、４１１ａにそれぞれ設けられたフランジ部４１０ｂ、４１１ｂにおいて、ネジ４５１、４５２で基板と共締めされている。また、共締めしたネジ近傍には、接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９が配置されている。

このように部品を配置することにより、先の実施の形態１と同様に、ノイズ特性、耐振動性、耐衝撃性、耐熱性に優れた絶縁型スイッチング電源装置が実現される。

実施の形態３．
先の実施の形態１では、接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９をコモンモード用コイル４０５の両側に配置している。このために、図２（１）〜（５）に示すとおり、コモンモード用コイル４０５（４０５ａ、４０５ｄ、４０５ｅ、４０５ｆ、４０５ｇ）の台座部４０５ｃに基板とネジを共締めできるように、コモンモード用コイル４０５から放射状にフランジ部４０５ｂを形成している。

これに対して、本実施の形態２では、図２（６）に示すコモンモード用コイル４０５ｈのように、コモンモード用コイル４０５ｈの内周側（中央部）において、基板と共締めできるように、ネジ穴部４５３ａを加工している。

すなわち、この場合の部品配置およびパターンが図８に示されており、接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９が、基板（図示せず）の裏面に配置された場合に相当する。この場合には、コモンモード用コイル４０５ｈの耐振動性、耐衝撃性を向上させるため、基板と共締めしたネジ４５３のネジ穴部４５３ａのランド４５４に、コモンモード用コイル４０５ｈの入力側および出力側の接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９を、最短距離で接続している。

なお、本実施の形態３では、コモンモード用コイルを使用して説明したが、ノーマルモード用コイルでも同様である。また、図２（２）に示すコイル４０５ｄのように、放射状に台座部から伸びたフランジ部が、同一のネジを用いて、一箇所で台座部４０５ｃと基板とを共締めする際も、同様である。

また、接地コンデンサ４０１〜４０４および４０６〜４０９を直線に配置しているが、コの字型、Ｌ次型でも実現可能である。このように部品を配置することにより、先の実施の形態１および実施の形態２と同様に、ノイズ特性、耐振動性、耐衝撃性、耐熱性に優れた絶縁型スイッチング電源装置が実現される。

なお、コモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルの台座部と基板がネジで共締めされた箇所に、接地コンデンサを配置する際には、ネジ穴部の金属ランド部と接地コンデンサの部品ランドとを一体形成してもよい。

また、フィルタ回路の高電圧ラインと筐体ＧＮＤ間に配置された接地コンデンサから筐体ＧＮＤへの配線を、耐振動性、耐衝撃性として取り付けたネジによって電気的に接続することで、配線距離を極力短くすることができる。この結果、接地コンデンサから筐体ＧＮＤへの配線インダクタンスを最小に抑えることができ、寄生インダクタンス成分を減少させ、効果的なフィルタ回路を実現できる。

また、従来、配線インダクタンスの影響により、接地コンデンサ定数を大きくせざるを得なかった。これに対して、本発明は、コモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルの台座部と基板を同じネジで共締めする際、基板に形成された金属パターンランドと接地コンデンサ用部品ランドを一体で形成することができる。これにより、設置コンデンサを近接配置することが可能となり、接地コンデンサの定数を減らすことができ、採用する部品コストダウンを実現できる。

１０１〜１０４ 一次側スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）、１１０ 共振コイル、１２０ トランス、１２１ 一次側コイル巻線、１２２、１２３ 二次側コイル導体、１２４ センタータップ、１３０ 整流回路、１３１〜１３４ 二次側スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）、１４１〜１４５ 筐体ＧＮＤ接続箇所、１４６ ランド、１５０ 平滑回路、１６０ 平滑コイル、１７０ 入力コンデンサ、１８０ 出力コンデンサ、２０１〜２０４ 共振コンデンサ、２１０、２２０ 入力端子、３１０、３２０ 出力端子、４００ フィルタ回路、４０１〜４０４、４０６〜４０９ 接地コンデンサ、４０５（４０５ａ、４０５ｄ、４０５ｅ、４０５ｆ、４０５ｇ、４０５ｈ） コモンモード用コイル、４０５ｂ フランジ部、４０５ｃ 台座部、４１０、４１１、４１０ａ、４１１ａ ノーマルモード用コイル、４５１〜４５３ ネジ、４５１ａ〜４５３ａ ネジ穴部、４５４ ランド、５０１ 筐体、５０２ 基板（プリント基板）。

本発明に係る絶縁型スイッチング電源装置は、入力側にコモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルのいずれかのコイルを有するフィルタ回路を備えた絶縁型スイッチング電源装置であって、コイルの台座部におけるコイルの外周側または内周側の近傍に、台座部と台座部の下部のプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め可能とするネジ穴部を設け、フィルタ回路は、高電圧ラインと筐体ＧＮＤとの間に接続された接地コンデンサをプリント基板上に有し、接地コンデンサは、筐体ＧＮＤへの接続距離が所定距離以下となるように、台座部のネジ穴部と対応してプリント基板上に設けられたネジ貫通穴の近傍に配置されるものである。

また、本発明に係る絶縁型スイッチング電源装置の製造方法は、入力側にコモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルのいずれかのコイルを有するフィルタ回路を備えた絶縁型スイッチング電源装置の製造方法であって、コイルの台座部におけるコイルの外周側または内周側の近傍に、台座部と台座部の下部のプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め可能とするネジ穴部をあらかじめ加工しておくステップと、台座部のネジ穴部と対応するプリント基板上の位置に、ネジ貫通穴をあらかじめ加工しておくステップと、高電圧ラインと筐体ＧＮＤとの間に接続され、フィルタ回路で使用される接地コンデンサを、筐体ＧＮＤへの接続距離が所定距離以下となるように、プリント基板上に設けられたネジ貫通穴の近傍に配置しておくステップと、ネジ穴部およびネジ貫通穴を利用して、コイルが装着された台座部とプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め固定するステップとを有するものである。

これに対して、本実施の形態３では、図２（６）に示すコモンモード用コイル４０５ｈのように、コモンモード用コイル４０５ｈの内周側（中央部）において、基板と共締めできるように、ネジ穴部４５３ａを加工している。

Claims (8)

1. 入力側にコモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルのいずれかのコイルを有するフィルタ回路を備えた絶縁型スイッチング電源装置であって、
   前記コイルの台座部に、前記台座部と前記台座部の下部のプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め可能とするネジ穴部を設けた
   絶縁型スイッチング電源装置。
2. 請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記ネジ穴部は、前記台座部から放射状に突出した形状を有する１個以上のフランジ部に設けられており、前記コイルの外周側で前記台座部と前記プリント基板とを前記筐体ＧＮＤに共締め可能とする
   絶縁型スイッチング電源装置。
3. 請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記ネジ穴部は、前記台座部の中央部に設けられており、前記コイルの内周側で前記台座部と前記プリント基板とを前記筐体ＧＮＤに共締め可能とする
   絶縁型スイッチング電源装置。
4. 請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記フィルタ回路は、高電圧ラインと前記筐体ＧＮＤとの間に接続された接地コンデンサを有しており、
   前記プリント基板に形成された金属パターンランドと前記接地コンデンサのランドとが一体形成されている
   絶縁型スイッチング電源装置。
5. 請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記フィルタ回路は、高電圧ラインと前記筐体ＧＮＤとの間に接続された接地コンデンサを有しており、
   前記ネジ穴部に形成された金属ランドと前記接地コンデンサのランドとが一体形成されている
   絶縁型スイッチング電源装置。
6. 請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記フィルタ回路は、前記コイルの入力側と出力側のそれぞれにおいて、高電圧ラインと前記筐体ＧＮＤとの間に接続された接地コンデンサを有しており、
   前記ネジ穴部に形成された金属ランドと前記接地コンデンサのランドとが、前記入力側および前記出力側でそれぞれ一体形成されている
   絶縁型スイッチング電源装置。
7. 請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記フィルタ回路は、前記コイルの入力側と出力側のそれぞれにおいて、高電圧ラインと前記筐体ＧＮＤとの間に接続された接地コンデンサを有しており、
   前記ネジ穴部に形成された金属ランドは、前記入力側、前記出力側、若しくは前記台座部の中央部に設けられており、前記コイルの前記入力側および前記出力側に配置された前記接地コンデンサのランドと一体形成されている
   絶縁型スイッチング電源装置。
8. 入力側にコモンモード用コイルまたはノーマルモード用コイルのいずれかのコイルを有するフィルタ回路を備えた絶縁型スイッチング電源装置の製造方法であって、
   前記コイルの台座部に、前記台座部と前記台座部の下部のプリント基板とを同一のネジで筐体ＧＮＤに共締め可能とするネジ穴部をあらかじめ加工しておくステップと、
   前記ネジ穴部を利用して、前記コイルが装着された前記台座部と前記プリント基板とを前記同一のネジで前記筐体ＧＮＤに共締め固定するステップと
   を有する絶縁型スイッチング電源装置の製造方法。

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