JP2015106953A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
電力変換装置内部の発熱部品の放熱性を確保しつつ、電力変換装置の実装面積の低減を図る。
【解決手段】
本発明の電力変換装置は、トランス及びスイッチング素子を有する電源回路3と、前記電源回路が実装される放熱ベース101と、冷却冷媒が流れる流路が形成される流路形成体103と、を備え、前記流路形成体は前記流路とつながる開口部104を形成し、前記放熱ベースは基台部107と前記基台部の一方の面に形成される立設部106とを有し、前記放熱ベースは前記基台部の前記一方の面とは反対側の面が前記開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、前記電源回路は前記立設部の面に実装される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、直流電圧を昇圧、あるいは降圧する電力変換装置に関し、特にハイブリッド車や電気自動車に搭載される電力変換装置に関する。
ハイブリッド車や電気自動車には、高圧バッテリから動作電圧が低い補機類へ必要な出力を供給する電力変換装置が搭載されている。ハイブリッド車等における電気機器類の実装空間には限りがあるため、電力変換装置には高密度実装であることが望まれている。
また、ハイブリッド車等に搭載される電力変換装置の内部に流れる電流は数百アンペアにも達するため、電力変換装置内のスイッチング素子やトランス等の磁性部品は発熱が大きく、高い放熱性も求められる。
高密度実装と放熱性の両立を実現する構成に関して、例えば特許文献1に記載されている。この特許文献1には、発熱が大きい部品を流路形成体の近くに配置する構成が示されている。
特開2013−62998号公報
しかしながら、特許文献1に記載の電力変換装置においては、発熱素子すべてが平面上に配置されてしまうため、電力変換装置の平面における実装面積が大きくなってしまう。
本発明の目的は、電力変換装置内部の発熱部品の放熱性を確保しつつ、電力変換装置の実装面積の低減を図ることである。
本発明の電力変換装置は、トランス及びスイッチング素子を有する電源回路と、前記電源回路が実装される放熱ベースと、冷却冷媒が流れる流路が形成される流路形成体と、を備えた電力変換装置であって、前記流路形成体は前記流路とつながる開口部を形成し、前記放熱ベースは基台部と前記基台部の一方の面に形成される立設部とを有し、前記放熱ベースは前記基台部の前記一方の面とは反対側の面が前記開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、前記電源回路は前記立設部の面に実装される。
本発明によれば、電力変換装置内部の発熱部品の放熱性を確保しつつ、電力変換装置の実装面積の低減を図ることができる。
実施例1の電力変換装置の外観斜視図である。 実施例1の電力変換装置の回路構成図である。 実施例1の電力変換装置の電源回路の基板構成図である。 実施例1の電源変換装置の電源モジュールの裏面図である。 実施例2の電力変換装置の外観斜視図である。 実施例3の電力変換装置の外観側視図である。 実施例4の電力変換装置の外観斜視図である。 実施例4の電力変換装置の回路構成図である。 実施例5の電力変換装置の外観斜視図である。
以下に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
実施例1に係る電力変換装置の構成は、図1に示す図である。また、図2〜図4を用いて実施例1を詳細に説明する。
図1は、本実施例の電力変換装置の外観斜視図である。電力変換装置は、電源モジュール1aと、冷却冷媒が流れる流路105が形成される流路形成体103と、を備える。電源モジュール1aは、電圧を変換する電源回路3と、電源回路3が実装される放熱ベース101と、を備える。
放熱ベース101は、基台部107と、立設部106と、フィン102と、を有する。立設部106は、基台部107の一方の面から、当該一方の面の法線方向に向かって突出するように、形成される。立設部106は、基台部107の幅広の面よりも面積の大きい面を有する。フィン102は、基台部107の前記一方の面とは反対側の他方の面から、当該他方の面の法線方向に向かって突出するように、形成される。
電源回路3は、後述するスイッチング素子202、トランス207、コンデンサ203、整流素子208、とを用いた回路が実装されている。電源回路3は、立設部106の幅広の面に実装される。電源回路3の実装面は、基台部107の面と垂直な関係になっている。
流路形成体103は、当該流路形成体103の一方の面に、冷却冷媒が流れる流路105に繋がる開口部104が形成される。電源モジュール1aは、当該電源モジュール1aの基台部107が流路形成体103の開口部104を塞ぐように、流路形成体103に設置される。電源モジュール1aが流路形成体103に設置された状態において、フィン102は、流路105内に突出するように配置される。
放熱ベース101は、例えば金属のように熱伝導性の良い材料により形成される。放熱ベース101の立設部106の面に実装される電源回路3で発生する発熱は、立設部106、基台部107、フィン102を順に伝熱していき、流路105を流れる冷却冷媒と熱交換される。放熱ベース101は、流路105と繋がる開口部104を塞ぐように設置されているので、効率よく冷却されている。これにより、電源回路3に実装される発熱部品は効率的に冷却される。
更に、電源回路3を構成する部品は、放熱ベース101の基台部107ではなく、基台部107から立設する立設部106に実装されている。これにより、流路形成体103の開口部104を塞ぐように配置される基台部107は、電源回路3の実装面積よりも小さな面積で構成することができる。したがって、電力変換装置の平面における実装面積を低減することができる。
図2は、本実施例の電力変換装置の回路構成図である。本実施例に示す電源回路3は、センタータップ型ハーフブリッジコンバータ回路の構成をとっている。具体的な回路構成を、図2を用いて説明する。
電源回路3は、入力端子201a及び201bに接続される1次側回路2aと、出力端子212a及び212bに接続される2次側回路2bと、1次側回路2aと2次側回路2bの間で電圧を変換するトランス207と、によって構成される。入力端子201a及び201bには、直流電圧が印加される。出力端子212a及び212bからは、電源回路3で電圧変換された直流電圧が出力される。
1次側回路2aは、スイッチング素子202a及び202bと、中点電位コンデンサ203a及び203bと、を有する。スイッチング素子202a及び202bは、入力端子201a及び201bから入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路を構成する。スイッチング素子202a及び202bは、MOSFET(金属―酸化物―半導体接合電界効果トランジスタ)により構成される。なお、インバータ回路を構成するスイッチング素子としては、MOSFETに限られず、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などの素子により構成しても良い。
トランス207は、一次巻線204と、二次巻線205と、磁性体コア206と、により構成される。磁性体コア206は、一次巻線204と二次巻線205を磁気的に結合する。一次巻線204と二次巻線205は、互いに電気的に絶縁されている。
スイッチング素子202a及び202bは、入力端子201aと201bの間で直列に接続される。また、中点電位コンデンサ203a及び203bも、入力端子201aと201bの間で直列に接続される。スイッチング素子202aと202bの接続点には、トランス207の一次巻線204の一端が接続される。中点電位コンデンサ203aと203bの接続点には、トランス207の一次巻線204の他端が接続される。
2次側回路2bは、整流素子208a及び208bと、平滑コイル209と、平滑コンデンサ210と、グラウンド端子211と、を有する。本実施例においては、整流素子208a及び208bは、ダイオード整流素子を用いているが、同期整流素子であるMOSFETやその他の素子を用いても良い。
トランス207の二次巻線205は、当該二次巻線の一端が整流素子208aのカソードに接続され、他端が整流素子208bのカソードに接続される。整流素子208a及び208bのアノードには、グラウンド端子211が接続される。また、二次巻線205の中性点には、平滑コイル209の一端が接続される。平滑コイル209の他端には、平滑コンデンサ210の一端が接続される。平滑コンデンサ210の他端には、グラウンド端子211が接続される。平滑コンデンサ210の一端及び他端は、それぞれ出力端子212a及び212bと接続される。
図3は、電源回路3の基板構成例を示す図である。図中下方向に、流路形成体103が配置される。図中に示す第1辺106aは、基台部107と繋がる立設部106の辺である。第2辺106bは、第1辺106aとは反対側の立設部106の辺である。
スイッチング素子202a及び202bやトランス207は、図2に示す回路の中でも特に発熱量が大きい素子である。このような発熱量が大きい素子は、第2辺106bよりも第1辺107aに近くなるように、配置される。このように、発熱量の大きい素子ほど基台部107に近い位置に配置することで、より効率的に発熱部品の放熱を行うことができる。
入力端子201a及び201b、グラウンド端子211、出力端子212は、立設部106の第2辺106bよりも上方に突出するように、配置される。
図4は、本実施例の電力変換装置の電源モジュール1aの裏面図である。前述の通り、基台部107には、フィン102が形成される。基台部107には、シール溝109が形成される。シール溝109には、Oリングなどのシール部材が配置される。これにより、流路105を流れる冷却冷媒が開口部104から漏洩しないようにする。シール溝109は、フィン102が形成される領域を囲むように形成される。シール溝109の更に外周側には、ネジ穴108が形成される。このネジ穴108にネジを通し、電源モジュール1aを流路形成体103に取り付ける。
以上に示した実施形態に係る電力変換装置によれば、電力変換装置内部の発熱部品の放熱性を確保しつつ、電力変換装置の実装面積の低減を図ることができる。
また、開口部104を塞ぐように基台部107を設置することで、流路105から冷却冷媒が漏洩することを防ぎ、かつ組立性が向上する。また、本実施形態の電力変換装置は、他の電力変換装置に用いられる流路形成体にも容易に適用することが可能であるため、高密度での実装が実現できる。
上述した実施形態では、電源回路として図2に示すような回路構成を例に説明したが、回路構成は図2のような構成に限るものではない。例えば、トランスを用いない非絶縁型回路や、他の降圧型回路方式、昇圧回路、インバータ回路などの回路であっても適用することが可能である。
また、上述した実施形態では、フィン102の形状として直線状のフィン形状となっているが、ピンフィン形状のように他の形状を用いてもよい。また、電源回路3が実装される基板は立設部106の片面だけでなく、両面に実装してもよい。また、立設部106の形状は、図4に示すようなT字形状でなく、例えばL字形状としてもよい。また、立設部106と電源回路3が実装される基板との間には、放熱シートなどを挟んで構成しても良い。
図5は、第2の実施形態に係る電源モジュール1aの構成を示す斜視図である。なお、特に断らない限り、電力変換装置の構成は上述の実施例1に係る構成と共通であり、重複する符号の説明は省略する。
実施例2に係る電力変換装置においては、スイッチング素子202a及び202bは、基台部107上に実装される。電源回路3におけるスイッチング素子202a及び202bとの電気的な配線は、立設部106に実装される基板上において形成される。
また、トランス207は、実施例1と同様に立設部106に実装される基板上に配置されているが、本実施例では更に、トランス207の一側面が塗布された樹脂を介して基台部107に実装されるように配置される。トランス207の側面が樹脂を介して基台部107に支持されるため、トランス207の耐振動性が向上するとともに、トランス207を立設部106と基台部107の2側面から放熱する。
本実施形態の電源モジュールによれば、流路105を流れる冷却冷媒への伝熱経路が短い基台部107上に発熱量が大きいスイッチング素子202a及び202bが実装されるため、スイッチング素子202a及び202bの放熱性能が向上する。
なお、電源回路3を構成する素子のうち、より発熱量が大きい素子が存在する場合は、その素子を基台部107上に実装する構成としてもよい。
図6は、第3の実施例に係る電源モジュール1aの構成を示す図である。本実施例では、図2に示した1次側回路2aを1次側電源基板112に実装し、2次側回路2bを2次側電源基板113に実装している。1次側電源基板112は、放熱ベース101aに実装される。2次側電源基板113は、放熱ベース101bに実装される。
1次側回路と2次側回路を分離して構成することにより、1次側回路と2次側回路の間の電気的絶縁を容易にし、電源回路の基板設計を容易にすることができる。
また、発熱量の大きい素子を分離して実装することにより、発熱素子間での熱の干渉を抑制し、効率的に放熱を行うことができる。なお、本実施形態においては、1次側回路と2次側回路で分離したが、分離の方式としてはこれに限らず、電源回路上の素子単位での分離としてもよい。
図7は、第4の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施例は、実施例1に示した電源モジュール1aを複数用いた電力変換装置に関する。ここでは、電源モジュール1a、1b、1c、1dを用いた構成を例として説明する。
複数の電源モジュール1a、1b、1c、1dは、共通の流路形成体103に設置される。流路形成体103には、複数の電源モジュールに対応して、複数の開口部が形成される。それぞれの電源モジュールの設置方法については、実施例1と同様である。また、本実施例では、それぞれの電源モジュールに対して、立設部106の両面に電源回路を実装している。
電源モジュール1a、1b、1c、1dの流路形成体103とは反対側には、配線基板110が配置される。配線基板110は、電源モジュール1a、1b、1c、1dを並列に接続するための配線を備える。配線基板110と各電源モジュール1a、1b、1c、1dの接続は、配線基板110に形成された端子接続部111によって行う。配線基板110には、マイコンなどの制御信号の配線も実装されている。
図8は、本実施例に係る電力変換装置の回路構成図である。実施例1の図2に示す回路を並列に接続した構成となっている。なお、平滑コンデンサ210は、並列接続された複数の回路で共通としている。図8では、本実施例の電源モジュール1a、1b、1c、1dに実装される合計8つの電源回路のうち、1つの電源回路のみ回路構成図を示し、残りの7つの電源回路については同様の構成であるため、記載を省略している。
本実施形態に係る電力変換装置によれば、複数の電源回路を並列に構成した場合であっても、小さい実装面積により電力変換装置を構成することができる。また、配線基板110を用いることにより、複数の電源回路を並列に構成した場合であっても、容易に配線の接続作業を行うことができる。
図9は、第5の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態では、実施例4に示したような複数の電源モジュールを、インバータ装置の流路形成体に対して実装した構成に関する。
インバータ装置は、流路形成体114と、流路形成体114に冷却冷媒を導入する冷媒入口115と、流路形成体114に冷却冷媒を排出する冷媒出口116と、直流入力端子117と、交流出力端子118と、を有する。流路形成体114には、冷却冷媒が流れる流路に繋がる開口部が形成される。
本実施例のように、流路形成体を有する他の電力変換装置と流路形成体を共通することによって、新たに流路形成体を構成する必要がなくなり、電力変換装置の更なる高密度実装が可能となる。
1:電源モジュール
2:ハーフブリッジコンバータ
2a:1次側回路、2b:2次側回路
3:電源回路
101:放熱ベース
102:フィン
103:流路形成体
104:開口部
105:流路
106:立設部
107:基台部
108:ネジ穴
109:シール溝
110:配線基板
111:端子接続部
112:1次側電源基板
113:2次側電源基板
114:インバータの流路形成体
115:インバータの冷媒入口
116:インバータの冷媒出口
117:インバータの直流入力端子
118:インバータの直流出力端子
201:入力端子
202:スイッチング素子
203:中点電位コンデンサ
204:一次巻線
205:二次巻線
206:磁性体コア
207:トランス
208:整流素子
209:平滑コイル
210:平滑コンデンサ
211:グラウンド端子
212:出力端子

Claims (9)

  1. トランス及びスイッチング素子を有する電源回路と、
    前記電源回路が実装される放熱ベースと、
    冷却冷媒が流れる流路が形成される流路形成体と、を備え、
    前記流路形成体は、前記流路と繋がる開口部を形成し、
    前記放熱ベースは、基台部と、前記基台部の一方の面に形成される立設部と、を有し、
    前記放熱ベースは、前記基台部の前記一方の面とは反対側の他方の面が前記開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、
    前記電源回路は、前記立設部の面に実装される電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置であって、
    前記立設部は、前記電源回路が実装される実装面において、前記基台部と繋がる第1辺と、前記第1辺とは前記実装面を挟んで反対側の第2辺と、を有し、
    前記電源回路は、当該電源回路を構成する素子のうち最も発熱量の大きい素子が第2辺よりも第1辺に近くなるように、前記立設部の前記実装面に実装される電力変換装置。
  3. 請求項1または2に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    前記電源回路を構成する部品のうちの一部の部品は、前記立設部が形成される前記基台部の前記一方の面に実装される電力変換装置。
  4. 請求項3に記載の電力変換装置であって、
    前記トランスは、前記立設部の面に実装されるとともに、当該トランスの側面が前記基台部の前記一方の面に支持される電力変換装置。
  5. 請求項1ないし4に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    複数の前記電源回路を電気的に接続する配線基板を備え、
    前記電源回路は、第1の電源回路と、第2の電源回路と、を有し、
    前記放熱ベースは、第1の放熱ベースと、第2の放熱ベースと、を有し、
    前記流路形成体は、前記流路と繋がる第1の開口部と、第2の開口部と、を形成し、
    前記第1の放熱ベースは、前記第1の開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、
    前記第2の放熱ベースは、前記第2の開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、
    前記第1の電源回路は、前記第1の放熱ベースの前記立設部の面に実装され、
    前記第2の電源回路は、前記第2の放熱ベースの前記立設部の面に実装され、
    前記配線基板は、前記第1の電源回路と前記第2の電源回路を電気的に並列に接続する電力変換装置。
  6. 請求項1ないし5に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    前記電源回路は、第1の電源回路と、第2の電源回路と、を有し、
    前記第1の電源回路は、前記立設部の一方の面に実装され、
    前記第2の電源回路は、前記立設部の前記一方の面とは反対側の他方の面に実装される電力変換装置。
  7. 請求項1ないし6に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    前記放熱ベースの前記基台部は、前記立設部が形成される面とは反対側の面において、フィンが形成される電力変換装置。
  8. 請求項1ないし7に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    前記電源回路は、1次側回路と、前記1次側回路とは動作電圧の異なる2次側回路と、を有し、
    前記放熱ベースは、第1の放熱ベースと、第2の放熱ベースと、を有し、
    前記電源回路の前記1次側回路は、前記第1の放熱ベースに実装され、
    前記電源回路の前記2次側回路は、前記第2の放熱ベースに実装される電力変換装置。
  9. 請求項1ないし8に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    さらに直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え、
    前記インバータ回路は、前記流路形成体に設置される電力変換装置。
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