JP2016025705A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的に小型化できる電源装置を提供する。
【解決手段】一次巻線２１及び二次巻線２２を有するトランス２ａと、一次巻線２１に接続した一次側半導体部品２ｂと、二次巻線２２に接続した二次側半導体部品２ｃと、二次側半導体部品２ｃに接続したチョークコイル２２ｄとからなる電子部品群２０と、２枚の絶縁基板３と、ベースプレート４とを備える。２枚の絶縁基板３ａ，３ｂとベースプレート４とは、該ベースプレート４の厚さ方向において互いに重なり合うように配されている。絶縁基板３には、金属層を所定のパターンに加工してなる金属パターン部５が形成されている。金属パターン部５の一部は配線５０をなしている。この配線５０よって、個々の電子部品２を互いに電気接続してある。４個の電子部品２のうち少なくとも２個の電子部品２が、厚さ方向において互いに重なり合うよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電子部品と、該複数の電子部品を搭載した絶縁基板とを備える電源装置に関する。

例えば直流電源の電圧を変圧するための電源装置として、トランス、スイッチング素子、ダイオード、チョークコイル等の複数の電子部品と、該複数の電子部品を互いに電気接続するバスバーとを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。

また、上記電源装置は、金属製のベースプレートを備える。このベースプレートに、個々の上記電子部品を接触させ、固定してある。電源装置を稼働すると電子部品が発熱するため、上記ベースプレートを用いて、個々の電子部品を冷却するよう構成してある。

特開２００５−３４８５０６号公報

しかしながら、上記電源装置は、小型化しにくいという問題がある。すなわち、上記電源装置は、全ての電子部品をベースプレートに接触させているため、ベースプレートの厚さ方向から見たときの面積が大きい。そのため、電源装置を小型化しにくい。

また、上記電源装置のように、バスバーを用いて電子部品同士を電気接続すると、電源装置内に無駄なスペースができやすい。すなわち、バスバーには形状ばらつきや位置ばらつきがあるため、バスバーを用いる場合、隣り合う２本のバスバーが互いに接触しないように、バスバー間の間隔を十分に広くしておく必要がある。また、バスバーと電子部品とが接触すると、バスバーから発生した熱が電子部品に伝わる等の問題が生じる可能性があるため、バスバーと電子部品との間隔も十分に広くする必要がある。そのため、無駄なスペースが多くなり、電源装置が大型化しやすくなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、効果的に小型化できる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、一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、上記一次巻線に接続した一次側半導体部品と、上記二次巻線に接続した二次側半導体部品と、該二次側半導体部品に接続したチョークコイルとからなる電子部品群と、
該電子部品群を構成する電子部品のうち一部の上記電子部品を搭載した第１絶縁基板と、他の一部の上記電子部品を搭載した第２絶縁基板と、
上記第１絶縁基板と上記第２絶縁基板とをそれぞれ固定するベースプレートとを備え、
上記第１絶縁基板と上記第２絶縁基板と上記ベースプレートとは、該ベースプレートの厚さ方向において互いに重なり合うように配されており、
上記第１絶縁基板および上記第２絶縁基板には、金属層を所定のパターンに加工してなる金属パターン部がそれぞれ形成され、該金属パターン部の少なくとも一部は配線をなしており、該配線によって、上記電子部品群を構成する個々の上記電子部品を互いに電気接続してあり、
上記電子部品のうち少なくとも２個の上記電子部品が、上記厚さ方向において互いに重なり合うよう配置されていることを特徴とする電源装置にある。

上記電源装置においては、上記電子部品群を構成する電子部品のうち少なくとも２個の電子部品が、上記厚さ方向において互いに重なり合うよう配置されている。そのため、厚さ方向から見たときの電源装置全体の面積を小さくすることができ、電源装置を小型化することができる。

また、上記電源装置では、上記第１絶縁基板および第２絶縁基板に上記電子部品を搭載してある。そして、これらの絶縁基板に、上記金属パターン部からなる配線を形成し、この配線を用いて、個々の電子部品を互いに電気接続している。
金属パターン部は、上記金属層を所定のパターンに加工したものである。このような金属パターン部は、例えば、公知のフォトリソ工程やエッチング工程等のような、精密加工が可能な技術を用いて形成することができる。したがって、金属パターン部によって配線を構成すれば、配線の位置ばらつきや形状ばらつきを小さくすることができる。そのため、配線同士の間隔を狭くでき、また、配線と電子部品との間隔を狭くすることができる。したがって、無駄なスペースを低減でき、電源装置を小型化できる。

上記電源装置では、２個の電子部品をＺ方向に互いに重なり合うように配置することにより、上記厚さ方向から見たときの電源装置の面積を小さくすると共に、金属パターン部からなる配線を用いて電子部品同士を電気接続することにより、無駄なスペースを低減し、上記絶縁基板の面積を低減している。そのため、電源装置を効果的に小型化することができる。

以上のごとく、本発明によれば、効果的に小型化できる電源装置を提供することができる。

実施例１における、電源装置の断面図であって、図２のI-I断面図。 図１のII矢視図。 図１のIII-III断面図。 実施例１における、トランスの分解斜視図。 図１のV-V断面図。 実施例１における、電源装置の回路図。 実施例２における、電源装置の断面図。 実施例３における、電源装置の断面図。 実施例４における、電源装置の断面図。

上記電源装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための車載用電源装置とすることができる。

（実施例１）
上記電源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３に示すごとく、本例の電源装置１は、一次巻線２１及び二次巻線２２を有するトランス２ａと、一次巻線２１に接続した一次側半導体部品２ｂ（図６参照）と、二次巻線２２に接続した二次側半導体部品２ｃと、二次側半導体部品２ｃに接続したチョークコイル２ｄとからなる電子部品群２０を備える。また、電源装置１は、第１絶縁基板３ａと、第２絶縁基板３ｂと、ベースプレート４とを備える。

第１絶縁基板３ａには、電子部品群２０を構成する電子部品２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）のうち一部の電子部品２（２ａ，２ｄ）が搭載されている。第２絶縁基板３ｂには、他の一部の電子部品２（２ｂ、２ｃ）が搭載されている。これら２枚の絶縁基板３（３ａ，３ｄ）は、それぞれ上記ベースプレート４に固定されている。ベースプレート４は金属製である。

第１絶縁基板３ａと第２絶縁基板３ｂとベースプレート４とは、該ベースプレート４の厚さ方向（Ｚ方向）において互いに重なり合うように配されている。
第１絶縁基板３ａ及び第２絶縁基板３ｂには、金属層を所定のパターンに加工してなる金属パターン部５が形成されている。金属パターン部５の一部は配線５０をなしている。この配線５０よって、電子部品群２０を構成する個々の電子部品２を互いに電気接続してある。

上記電子部品２のうち少なくとも２個の電子部品２が、Ｚ方向において互いに重なり合うよう配置されている。

本例の電源装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電源装置である。

本例の電源装置１は、高圧直流電源８１（図６参照）の電圧を降圧して、低圧直流電源８１を充電するために用いられる。図６に示すごとく、電源装置１は、上述したように、一次側半導体部品２ｂ（ＭＯＳモジュール）と、トランス２ａと、二次側半導体部品２ｃ（ダイオードモジュール）と、チョークコイル２ｄとを備える。また、電源装置は、一次側半導体部品２ｂのスイッチング動作を制御する制御回路部７と、コンデンサ８ａとを備える。制御回路部７は、マイコン８ｂ等によって構成されている。

一次側半導体部品２ｂは、複数のＭＯＳＦＥＴ２００を内蔵している。この複数のＭＯＳＦＥＴ２００によって、ブリッジ回路２１０構成してある。一次側半導体部品２ｂは、トランス２ａの一次巻線２１に接続している。制御回路部７を用いてＭＯＳＦＥＴ２００をオンオフ動作させ、これにより、直流電流を交流電流に変換して、この交流電流を一次巻線２１に流すよう構成されている。

二次巻線２１から出力される二次電流は、二次側半導体部品２ｃによって整流される。また、整流後の二次電流を、チョークコイル２ｄとコンデンサ８ａとを用いて平滑化するよう構成してある。

図１、図２に示すごとく、第１絶縁基板３ａには、トランス２ａとチョークコイル２ｄとが搭載されている。また、第２絶縁基板３ｂには、一次側半導体部品２ｂと二次側半導体部品２ｃとが搭載されている。

本例では、トランス２ａと一次側半導体部品２ｂとがＺ方向に重なると共に、チョークコイル２ｄと二次側半導体部品２ｃとがＺ方向に重なるよう構成してある。

第１絶縁基板３ａと第２絶縁基板３ｂとは、大電流を流すことが可能な厚い配線５０が形成された、いわゆる厚銅基板である。また、第２絶縁基板３ｂには、上記制御回路部７が形成されている。つまり、第２絶縁基板３ｂは、制御回路部７を構成する、厚さが比較的薄い制御用配線（図示しない）と、大電流を流すことが可能な厚い配線５０とを備える。

上述したように、第１絶縁基板３ａと第２絶縁基板３ｂとは、それぞれベースプレート４に固定されている。ベースプレート４は、複数本のコネクタ６を備える。このコネクタ６内には、第１絶縁基板３ａに形成された配線５０と、第２絶縁基板３ｂに形成された配線５０とを電気接続する導体部（図示しない）が形成されている。

つまり、本例では、コネクタ６によって、２枚の絶縁基板３ａ，３ｂにそれぞれ形成された配線５０を電気的に接続し、図６に示す回路を構成している。また、コネクタ６は、第２絶縁基板３ｂを支持する支柱を兼ねている。

図１に示すごとく、トランス２ａは、上記一次巻線２１及び二次巻線２２と、磁性体からなるトランス用コア２３とを備える。図３、図４に示すごとく、本例では、上記金属パターン部５によって、一次巻線２１及び二次巻線２２を形成してある。また、上述したように、本例では、金属パターン部５の一部によって、配線５０を形成してある。つまり、本例では、一次巻線２１と配線５０とを、金属パターン部５によって一体的に形成している。同様に、本例では、二次巻線２１と配線５０とを、金属パターン部５によって一体的に形成している。

図３、図４に示すごとく、第１絶縁基板３ａには、３個の貫通孔３０が形成されている。また、トランス用コア２３は、第１部分２３１と第２部分２３２との、２つの部分からなる。第１部分２３１及び第２部分２３２は、それぞれ、板状の本体部２７と、該本体部２７からＺ方向に突出した３個の柱部２８とを備える。

各柱部２８は、絶縁基板３ａ，３ｂの長手方向（Ｘ方向；図２参照）に延びている。また、３個の柱部２８は、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）に配列している。第１部分２３１と第２部分２３２とは、それぞれの柱部２８の端面２８１を互いに接触させた状態で、組み合わされている。

一次巻線２１に交流電流が流れると磁束が発生し、この磁束がトランス用コア２３内を流れる。そして、二次巻線２１に二次電流が誘起される。

一次巻線２１は、第１絶縁基板３ａの２つの主面３８，３９のうち、一方の主面３８に形成されている。また、二次巻線２２は、他方の主面３９に形成されている。

図１に示すごとく、第１絶縁基板３ａには、コンタクトビア３７が形成されている。このコンタクトビア３７によって、上記他方の主面３９に形成された配線５０と、上記一方の主面３８に形成された一次巻線２１とを電気的に接続している。

トランス用コア２３は、ベースプレート４に接触している。ベースプレート４には、トランス用凹部４８が形成されている。このトランス用凹部４８内に、トランス用コア２３の一部が配されている。トランス用コア２３は、トランス用凹部４８の底面４８１に接触している。

また、チョークコイル２ｄは、電流が流れる電磁コイル部２４と、磁性体からなるチョーク用コア２５とからなる。図５に示すごとく、チョークコイル２ｄは、トランス２ａと同様の構造になっている。すなわち、本例では、金属パターン部５によって、電磁コイル部２４を形成してある。電磁コイル部２４と配線５０とは、一体的に形成されている。

また、本例のチョーク用コア２５は、第１部分２５１と第２部分２５２との、２つの部分からなる。第１部分２５１と第２部分２５２とは、それぞれ板状の本体部２６と、該本体部２６からＺ方向に突出した３個の柱部２９とを備える。また、第１絶縁基板３ａには、３個の貫通孔３１が形成されている。各貫通孔３１に、上記柱部２９を挿入してある。第１部分２５１と第２部分２５２とは、柱部２９の端面を互いに接触させた状態で、組み合わされている。

図１に示すごとく、チョーク用コア２５は、ベースプレート４に接触している。ベースプレート４には、チョーク用凹部４９が形成されている。このチョーク用凹部４９の底面４９１に、チョーク用コア２５が接触している。

また、図１に示すごとく、第１絶縁基板３ａとベースプレート４との間には、絶縁部材３６が介在している。この絶縁部材３６によって、第１絶縁基板３ａに形成された金属パターン部５とベースプレート４との絶縁を確保しつつ、金属パターン部５から発生した熱をベースプレート４に伝えている。これにより、金属パターン部５を冷却するようにしてある。

本例の作用効果について説明する。本例では図１、図２に示すごとく、電子部品群２０を構成する電子部品２のうち少なくとも２個の電子部品２が、Ｚ方向において互いに重なり合うように配置されている。そのため、Ｚ方向から見たときの電源装置１全体の面積を小さくすることができ、電源装置１を小型化することができる。

また、本例では、第１絶縁基板３ａおよび第２絶縁基板３ｂに電子部品２を搭載してある。そして、これらの絶縁基板３（３ａ，３ｂ）に、上記金属パターン部５からなる配線５０を形成し、この配線５０を用いて、個々の電子部品２を互いに電気接続している。
金属パターン部５は、金属層を所定のパターンに加工したものである。このような金属パターン部５は、公知のフォトリソ工程やエッチング工程等のような、精密加工が可能な技術を用いて形成することができる。したがって、金属パターン部５によって配線５０を構成すれば、配線５０の位置ばらつきや形状ばらつきを小さくすることができる。そのため、配線５０同士の間隔を狭くでき、また、配線５０と電子部品２との間隔を狭くすることができる。したがって、無駄なスペースを低減でき、電源装置１を小型化できる。

本例では、２個の電子部品２をＺ方向に互いに重なり合うように配置することにより、Ｚ方向から見たときの電源装置１の面積を小さくすると共に、金属パターン部５からなる配線５０を用いて電子部品２同士を電気接続することにより、無駄なスペースを低減し、絶縁基板３の面積を低減している。そのため、電源装置１を効果的に小型化することができる。

また、本例では、電子部品群２０を構成する４個の電子部品２のうち、一組の電子部品２（２ａ，２ｂ）をＺ方向に重なり合うよう配置すると共に、他の一組の電子部品（２ｃ，２ｄ）もＺ方向に重なり合うよう配置してある。そのため、Ｚ方向から見たときの電源装置１の面積を効果的に小さくすることができ、電源装置１をより小型化することができる。

また、本例では図３〜図５に示すごとく、トランス２ａの一次巻線２１及び二次巻線２２と、チョークコイル２ｄの電磁コイル部２４とを、それぞれ金属パターン部５によって形成してある。そのため、これら一次巻線２１、二次巻線２２、電磁コイル部２４と、配線５０とを一体的に形成することができる。したがって、電源装置１を製造する際に、一次巻線２１、二次巻線２２、電磁コイル部２４と、配線５０とを接続する工程を行わなくてすむ。そのため、電源装置１を容易に製造することが可能となる。

また、本例では図１に示すごとく、トランス２ａとチョークコイル２ｄとをそれぞれベースプレート４に接触させている。そのため、トランス２ａとチョークコイル２ｄとを、それぞれベースプレート４によって冷却することができる。
本例では、一次側半導体部品２ｂ及び二次側半導体部品２ｃよりも、トランス２ａ及びチョークコイル２ｄの方が、発熱量が高い。そのため、トランス２ａとチョークコイル２ｄとをそれぞれベースプレート４に接触させ、冷却するようにした効果は大きい。

また、本例では、ベースプレート４に凹部４８，４９を形成してある。そして、トランス用コア２３の一部とチョーク用コア２５の一部とを、それぞれ凹部４８，４９内に収容してある。そのため、電源装置１のＺ方向長さを短くすることができ、電源装置１を容易に小型化することができる。

以上のごとく、本例によれば、効果的に小型化できる電源装置を提供することができる。

なお、本例では図６に示すごとく、一次側半導体部品２ｂとして、複数のＭＯＳＦＥＴ２００をモジュール化した部品を用いているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、個々のＭＯＳＦＥＴ２００を個別に内蔵した、いわゆるディスクリート部品を用いてもよい。二次側半導体部品２ｃも同様である。

また、本例では図１に示すごとく、トランス２ａとチョークコイル２ｄとを両方ともベースプレート４に接触させているが、これらのいずれか一方のみをベースプレート４に接触させてもよい。

また、本例では図６に示すごとく、二次巻線２２の二次電流を、ダイオード２２０を用いて整流しているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、スイッチング素子を用いて整流する、いわゆる同期式整流を採用してもよい。

（実施例２）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例は、トランス２ａ及びチョークコイル２ｄの構造を変更した例である。図７に示すごとく、本例では、トランス２ａの一次巻線２１及び二次巻線２２と、チョークコイル２ｄの電磁コイル部２４とを、金属パターン部５によって形成しておらず、別部品にしてある。そして、一次巻線２１及び二次巻線２２と、電磁コイル部２４とを、配線５０にそれぞれはんだ付けしてある。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、電子部品２の配置位置を変更した例である。本例では図８に示すごとく、一次側半導体部品２ｂと二次側半導体部品２ｃとチョークコイル２ｄとの３個の電子部品２が、Ｚ方向に重なり合うようにしてある。

本例では、第２絶縁基板３ｂの２つの主面３４，３５に、それぞれ別の電子部品２（２ｂ，２ｃ）を搭載してある。すなわち、２つの主面３４，３５のうち、ベースプレート４側の主面３５に二次側半導体部品２ｃを搭載し、反対側の主面３４に一次側半導体部品２ｂを搭載してある。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、電子部品２の配置位置を変更した例である。本例では図９に示すごとく、一次側半導体部品２ｂと二次側半導体部品２ｃとを、Ｚ方向においてベースプレート４に近い位置に配置してある。一次側半導体部品２ｂと二次側半導体部品２ｃとを搭載した絶縁基板３（第１絶縁基板３ａ）は、ベースプレート４に接触している。本例では、一次側半導体部品２ｂ及び二次側半導体部品２ｃから発生した熱を、第１絶縁基板３ａを介してベースプレート４に伝えている。これにより、一次側半導体部品２ｂと二次側半導体部品２ｃとを冷却している。

また、本例では、トランス２ａとチョークコイル２ｄとを、Ｚ方向において、一次側半導体部品２ｂ及び二次側半導体部品２ｃよりもベースプレート４から離れた位置に配置してある。

本例の作用効果について説明する。トランス２ａ及びチョークコイル２ｄよりも、一次側半導体部品２ｂ及び二次側半導体部品２ｃの方が発熱しやすい場合は、上記構成にすることにより、一次側半導体部品２ｂ及び二次側半導体部品２ｃを効果的に冷却することが可能となる。
その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を備える。

１ 電源装置
２ 電子部品
２ａ トランス
２ｂ 一次側半導体部品
２ｃ 二次側半導体部品
２ｄ チョークコイル
２０ 電子部品群
２１ 一次巻線
２２ 二次巻線
３ 絶縁基板
３ａ 第１絶縁基板
３ｂ 第２絶縁基板
４ ベースプレート
５ 導体パターン部
５０ 配線

Claims (4)

1. 一次巻線（２１）及び二次巻線（２２）を有するトランス（２ａ）と、上記一次巻線（２１）に接続した一次側半導体部品（２ｂ）と、上記二次巻線（２２）に接続した二次側半導体部品（２ｃ）と、該二次側半導体部品（２ｃ）に接続したチョークコイル（２ｄ）とからなる電子部品群（２０）と、
   該電子部品群（２０）を構成する電子部品（２）のうち一部の上記電子部品（２）を搭載した第１絶縁基板（３ａ）と、他の一部の上記電子部品（２）を搭載した第２絶縁基板（３ｂ）と、
   上記第１絶縁基板（３ａ）と上記第２絶縁基板（３ｂ）とをそれぞれ固定するベースプレート（４）とを備え、
   上記第１絶縁基板（３ａ）と上記第２絶縁基板（３ｂ）と上記ベースプレート（４）とは、該ベースプレート（４）の厚さ方向において互いに重なり合うように配されており、
   上記第１絶縁基板（３ａ）および上記第２絶縁基板（３ｂ）には、金属層を所定のパターンに加工してなる金属パターン部（５）がそれぞれ形成され、該金属パターン部（５）の少なくとも一部は配線（５０）をなしており、該配線（５０）によって、上記電子部品群（２０）を構成する個々の上記電子部品（２）を互いに電気接続してあり、
   上記電子部品（２）のうち少なくとも２個の上記電子部品（２）が、上記厚さ方向において互いに重なり合うよう配置されていることを特徴とする電源装置（１）。
2. 上記トランス（２ａ）は、上記一次巻線（２１）及び上記二次巻線（２２）と、磁性体からなるトランス用コア（２３）とを備え、上記チョークコイル（２ｄ）は、電流が流れる電磁コイル部（２４）と、磁性体からなるチョーク用コア（２５）とを備え、上記金属パターン部（５）によって、上記一次巻線（２１）と上記二次巻線（２２）と上記電磁コイル部（２４）とをそれぞれ形成してあることを特徴とする請求項１に記載の電源装置（１）。
3. 上記ベースプレート（４）は金属製であり、上記トランス（２ａ）と上記チョークコイル（２ｄ）との少なくとも一方は上記ベースプレート（４）に接触していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源装置（１）。
4. 上記トランス（２ａ）と上記チョークコイル（２ｄ）とが両方とも上記ベースプレート（４）に接触していることを特徴とする請求項３に記載の電源装置（１）。

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