JP2016086458A - 車両用ｄｃ―ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】水冷の冷却器を使用する場合においても、部品点数が少なく、組み立て工程の簡素化された車両用ＤＣ−ＤＣコンバータを得る。【解決手段】直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路１２と、インバータ回路から出力される電圧を変換するトランス１３と、トランスの二次巻線から出力される交流電圧を整流する複数の整流ダイオード１４＊からなる整流回路１４と、整流回路で整流したリップル電圧波形を平滑化する平滑回路１５、１６とを備え、出力端子の一方はグランドと同電位の金属筐体３０で構成され、金属筐体の一表面には貫通していない凹部状の穴３０１が設けられ、整流ダイオード１４＊は、アノード端子が圧入部１４２となり、カソード端子がリードピン１４３となった圧入型ダイオードで構成され、圧入型ダイオードの圧入部が金属筐体の凹部状の穴に圧入されてなる。【選択図】図３

Description

この発明は、直流入力電圧を直流出力電圧に変換する車両用ＤＣ―ＤＣコンバータに関し、特にハイブリッド車のように冷却システムが水冷式の電動車両に搭載される車両用ＤＣ―ＤＣコンバータに関するものである。

ハイブリッド車のような電気エネルギーを用いた自動車には、駆動用モータや、駆動用モータに電力を供給するための高電圧バッテリ、インバータが備えられる。高電圧バッテリの電圧は一般的に１００Ｖ〜４００Ｖに達し、インバータで高電圧バッテリの直流電圧を交流電圧に変換し、駆動用モータへ電力を供給する。
また、従来車ではエンジンの動力で発電するオルタネータにより１２Ｖ系の電気機器に電力を供給しているが、ハイブリッド車は、エンジンが停止するモードが存在するため、高電圧バッテリの電圧を１２Ｖ系の電圧に変換するＤＣ―ＤＣコンバータを搭載し、これによって１２Ｖ系の電気機器に電力を供給する方式が一般的である。

ハイブリッド車のような電動車両に搭載されるＤＣ―ＤＣコンバータと、従来車に搭載されるオルタネータでは、１２Ｖ出力を直流に変換する整流回路は、共通して有する回路である。この整流回路を構成する部品の一つに、整流ダイオードがある。例えば、特許文献１によると、従来車に搭載されるオルタネータにおいて、その整流ダイオードの実装形態として、プレスフィット形状のダイオードを、フィンのついた冷却器にはめ込む構造が提案されている。プレスフィット形状のダイオードを使用する利点としては、ネジ等の部品点数の削減、組み立て工程の簡素化などがある。

特許第３４３８５７７号公報

特許文献１で示されるプレスフィット形状のダイオードの実装形態において、ダイオードの圧入部は、電気的にはダイオードのアノード端子となっている。一方、このダイオードは、ダイオードのもう一方の端子であるカソード端子は、リードピン形状となっている。そして、このダイオードを、フィンのついた金属製の冷却器に圧入して実装する際、ダイオードのリードピンがついた側から、冷却器に圧入されている。このような実装方法では、冷却器の、プレスフィットダイオードを圧入する側と、カソード端子のリードピンが出る側の両側に穴が必要であり、つまり、冷却器のプレスフィット形状のダイオードを圧入する穴は貫通穴である必要がある。

以上のような構造は、従来車に搭載されるオルタネータのような、冷却器が空冷である場合においては、問題なく実現可能である。一方で、電動車両に搭載されるＤＣ―ＤＣコンバータにおいては、冷却システムが、車両駆動用モータ、インバータ等と共通化される場合があり、このような場合、冷却器は水冷式となる。

プレスフィット形状のダイオードを使用したＤＣ―ＤＣコンバータを水冷により冷却する際、貫通穴の開いた冷却器の冷却面に水路を形成してしまうと、冷却器とプレスフィット形状のダイオードの接触面が水密ではないため、この接触面から冷却水漏れを生じることから、このような構造は実現できないという問題がある。

また、プレスフィット形状のダイオードを圧入する、貫通穴の開いた金属筐体を、別の水冷筐体に固定した場合、上記のような水漏れの心配はないが、貫通穴の開いた金属筐体と、別の水冷筐体との間に接触面が生じるため、この接触面での熱抵抗により冷却能力が十分ではなくなり、冷却器の能力を大きくするために、冷却器のサイズが大きくなってしまう懸念がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、水冷式の冷却器を使用する場合においても、冷却水漏れを生じることがなく、部品点数が少なく、組み立てが簡素化された車両用ＤＣ―ＤＣコンバータを得ることを目的とするものである。

この発明に係るかかる車両用ＤＣ―ＤＣコンバータは、入力端子に入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路と、インバータ回路から出力される電圧を変換するトランスと、トランスの二次巻線から出力される交流電圧を整流する複数の整流ダイオードからなる整流回路と、整流回路で整流したリップル電圧波形を平滑化する平滑回路と、平滑回路で平滑された直流電圧を出力する出力端子とを備え、出力端子の一方はグランドと同電位の金属筐体で構成され、金属筐体の一表面には貫通していない凹部状の穴が設けられ、整流ダイオードは、アノード端子が圧入部となり、カソード端子がリードピン形状となった圧入型ダイオードで構成され、圧入型ダイオードの圧入部が金属筐体の凹部状の穴に圧入されたものである。

この発明の構成とすることにより、車両用ＤＣ―ＤＣコンバータの冷却方式を水冷とした場合においても、冷却水が整流用の圧入型ダイオードの圧入部と金属筐体の接触面から冷却水が漏れる心配がなく、ネジ等の部品点数が少なく、組み立て工程の簡素化された車両用ＤＣ―ＤＣコンバータを実現できる。また、整流用の圧入型ダイオードを圧入する、貫通穴の開いた金属筐体を、別の水冷筐体に固定した場合のような、接触面での熱抵抗増加がないため、冷却器のサイズが大きくなるという懸念もなくなる。

この発明の実施の形態１に係わる車両用ＤＣ―ＤＣコンバータの主回路構成を示す回路図である。 この発明の車両用ＤＣ―ＤＣコンバータに使用される圧入型ダイオードの断面構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる車両用ＤＣ―ＤＣコンバータに使用される圧入型ダイオードの実装構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる車両用ＤＣ―ＤＣコンバータに使用される圧入型ダイオードの実装構造を示す上面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る車両用ＤＣ―ＤＣコンバータについて、図１〜図４に基づいて説明する。なお、図中において同一符号は同一または相当する部分を示す。
図１は、車両用ＤＣ―ＤＣコンバータ１０の主回路構成図を示し、直流電圧を印加する入力端子１１ａ、１１ｂ（まとめて入力端子１１）と、入力端子１１に入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路１２と、電圧を変換するトランス１３と、トランス１３から出力される交流電圧を整流するための整流回路１４と、整流回路１４で整流したリップル電圧波形を平滑化するチョークコイル１５と、整流回路１４で整流したリップル電圧波形を平滑化する平滑コンデンサ１６と、直流電圧を出力する出力端子１７ａ、１７ｂ（まとめて出力端子１７）で構成されている。

入力端子１１には、インバータ回路１２のスイッチング電源として直流電圧が印加され、スイッチング電源の出力電圧よりも高い電圧が印加される。インバータ回路１２は、電力変換用のＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子からなる複数のスイッチング素子１２１ａ〜１２１ｄ（まとめてスイッチング素子１２１）で構成され、入力端子１１から供給された直流電圧は複数のスイッチング素子１２１をスイッチングすることによって生成される矩形波に近い交流電圧に変換されて出力される。

トランス１３は、一次巻線１３１と上側二次巻線１３２と下側二次巻線１３３と、上記した一次巻線１３１と上側二次巻線１３２、下側二次巻線１３３を電磁気的に結合するための磁性体コア１３４で構成され、トランスを構成する各巻線１３１、１３２、１３３が、磁性体コア１３４に設けられた中足の周囲に配置される。
そしてトランス１３の一次巻線１３１には、インバータ回路１２からの矩形波に近い交流電圧が印加され、その上側二次巻線１３２と下側二次巻線１３３には、一次巻線１３１と二次巻線１３２、１３３の巻き数比に応じた電圧に変換されて出力される。

整流回路１４は、複数の整流素子である整流ダイオード１４ａ、１４ｂ（まとめて整流ダイオード１４＊）で構成され、トランス１３の上側二次巻線１３２と下側二次巻線１３３から出力される交流電圧を整流する。また、この整流ダイオード１４ａ、１４ｂは、図２で詳しく説明するように圧入型ダイオードで構成されている。

チョークコイル１５は、トランス１３の上側二次巻線１３２と下側二次巻線１３３の結線箇所であるセンタータップ部１３５と出力端子１７ａとの間に接続され、整流回路１４で整流した交流電圧を平滑化する。
平滑コンデンサ１６は、出力端子１７ａ、１７ｂ間に接続され、整流回路１４で整流した交流電圧を平滑化する。
このチョークコイル１５と平滑コンデンサ１６とで、整流回路１４で整流したリップル電圧波形の交流電圧を平滑化する平滑回路を構成している。

出力端子１７は、チョークコイル１５と平滑コンデンサ１６からなる平滑回路で得られた直流電圧をスイッチング電源の外部へ出力するための出力端子であり、出力端子１７の一方の端子１７ｂは、スイッチング電源の金属筐体（図３参照）に接続されたグランド端子となっている。本実施例では、トランス１３の二次側回路の電流リターンの経路として金属筐体を用いている。
なお、本実施例では、二次側回路のグランドを金属筐体と同電位にしているため、出力電圧は出力端子１７ａと金属筐体（出力端子１７ｂ）の間に出力される。

上記のＤＣ―ＤＣコンバータ１０は、所謂、絶縁型ＤＣ―ＤＣコンバータであり、また、このコンバータのトランス二次側はセンタータップ型ダイオード整流方式であり、全波整流回路と同等の整流波形を得ることができるものである。

次に、この発明の車両用ＤＣ―ＤＣコンバータに使用される整流ダイオード１４ａ、１４ｂとしての圧入型ダイオードを図２に基づいて説明する。
図２は圧入型ダイオードの断面図であり、ダイオード１４ａ（１４ｂ）のダイス１４１の下面がハンダ付けされる圧入部１４２と、ダイオード１４ａ（１４ｂ）のダイス１４１の上面がハンダ付けされるリードピン１４３で構成され、圧入部１４２側をアノード端子とし、リードピン１４３側をカソード端子としている。

ダイオードの圧入部１４２は、熱伝導のよいアルミや銅などの材料で構成され、カップ状に形成されている。カップ状の窪みにはリードピン１４３の機械的保持、およびダイ１４１の保護のために充填剤１４４が設けられている。
矢印１４５は、圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）が後述する冷却器の金属筐体へ圧入される時の圧入方向を示し、この圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）が冷却器へ圧入される時、圧入部１４２の上面周縁部１４２ａを図の上方向から下方向へ押し込むことで、 イオード１４ａ（１４ｂ）が冷却器へ実装される。また、ダイオード１４ａ（１４ｂ）を下方向へ圧入できるよう、ダイオードの圧入部１４２の下面の外径は、上面の外径よりも小さくなっている。

次に、図２に示す圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）を冷却器としての金属筐体に実装した構造を図３に基づいて説明する。
図３において、車載用ＤＣＤＣコンバータ１０を構成する主部品を実装するための金属筐体３０は、圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）の圧入部１４２を嵌合させるための凹部状の穴３０１が設けられている。この凹部状の穴３０１は、金属筐体３０の上面にのみ開口しており、下面、つまり冷却水の流れる面には開口していない、所謂貫通していない穴である。
圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）の圧入部１４２は、リードピン１４３がついた側とは反対側である圧入部１４２側から、金属筐体３０に設けた凹部状の穴３０１に圧入されることで、金属筐体３０と電気的な接続、機械的な固定、熱的な接続を実現できるため、基板挿入部品、表面実装部品の整流素子を用いる場合と比較して部品点数、組立工数を大幅に削減することができる。

圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）のリードピン１４３は、図３に示すようにトランスの上側二次巻線１３２およびトランスの下側二次巻線１３３と密着して電気的に接続され、圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）は整流回路１４を構成する。
トランスの上側二次巻線１３２およびトランスの下側二次巻線１３３は、磁性体コア１３４に巻回されている。
金属筐体３０には、凹部状の穴３０１に近接して冷却水が流れる通路３０２が形成されている。なお、この金属筐体３０はグランドと同電位である出力端子１７の一方であるグランド端子１７ｂとなっている。

図４は、図３で説明した圧入型ダイオードの実装構造の上面図を示し、金属筐体３０の凹部状の穴３０１へ圧入される２つの圧入型ダイオード１４ａ、１４ｂが示されている。圧入型ダイオード１４ａ、１４ｂのカソード端子であるリードピン１４３は、トランスの上側二次巻線１３２、トランスの下側二次巻線１３３に電気的に接続される。なお、この接続の形態としては、溶接やはんだ付けが代表的な例として考えられるが、電気的に接続可能な方法であればこの限りではない。

トランス１３を構成する各巻線１３１、１３２、１３３は、磁性体コア１３４に設けられた中足の周囲に配置されている。
トランスの上側二次巻線１３２およびトランスの下側二次巻線１３３の電気的接点であるセンタータップ部１３５は、図４には図示していないがチョークコイル１５が接続される。

この発明は、圧入型ダイオード１４ａ、１４ｂを金属筐体３０に圧入することによって電気的、機械的、熱的な接続全てを実現できるため、図４に示すように、整流素子である圧入型ダイオード１４ａ、１４ｂの周辺には部材が必要ない。このため、トランス１３、整流素子周辺のレイアウトをコンパクトにでき、実装面積を低減できる。また、基板挿入部品を用いる場合のようにプリント基板が必要ないため、主回路部品をレイアウトする際の制約が軽減される。

以上のような構成とすることにより、車両用ＤＣ―ＤＣコンバータの冷却方式を水冷とした場合において、冷却面に開口部が無いような圧入型ダイオードの実装構造とすることができ、冷却水がプレスフィット形状のダイオードの圧入部と金属製筐体の接触面から冷却水が漏れる心配がなく、ネジ等の部品点数が少なく、組み立て工程の簡素化された車両用ＤＣ―ＤＣコンバータを実現できる。

また、圧入型ダイオードのカソード端子となるリードピン１４３と、トランスの上側二次巻線１３２またはトランスの下側二次巻線１３３との電気的接続の形態として、プレスフィットでの接続を採用した場合、トランスの上側二次巻線１３２またはトランスの下側二次巻線１３３は、リードピン１４３を下方向、つまり、冷却面のある方向に強く押し付けて実装する必要がある。

もし、圧入型ダイオードを冷却器の冷却面側から実装していた場合、トランスの上側二次巻線１３２またはトランスの下側二次巻線１３３の接続の際に下方向へ強く押し付けた際に、圧入型ダイオードが冷却面方向へ脱落してしまう可能性がある。しかし、この発明の実施形態のように、ダイオードを冷却器の冷却面とは反対の側から実装し、冷却器の凹部状の穴は冷却水の流れる面に開口しない構造とすることにより、上記のような脱落が生じる恐れはなくなる。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０：車両用ＤＣ―ＤＣコンバータ、 １１ａ、１１ｂ：入力端子、
１２：インバータ回路、 １３：トランス、 １４：整流回路、
１４ａ、１４ｂ：整流ダイオード（圧入型ダイオード）、
１５：チョークコイル（平滑回路）、 １６：平滑コンデンサ（平滑回路）、
１７ａ、１７ｂ：出力端子、 ３０：金属筐体、 ３０１：凹部状の穴、
３０２：冷却水の通路、 １３１：一次巻線１３１、 １３２：上側二次巻線、
１３３：下側二次巻線、 １３４：磁性体コア、 １３５：センタータップ、
１４１：ダイオード１４＊のダイス、 １４２：圧入部、 １４３：リードピン、
１４４：充填剤。

この発明に係る車両用ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力端子に入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路と、インバータ回路から出力される電圧を変換するトランスと、トランスの二次巻線から出力される交流電圧を整流する複数の整流ダイオードからなる整流回路と、整流回路で整流したリップル電圧波形を平滑化する平滑回路と、平滑回路で平滑された直流電圧を出力する出力端子とを備え、出力端子の一方はグランドと同電位の金属筐体で構成され、金属筐体の一表面には貫通していない凹部状の穴が設けられ、整流ダイオードは、アノード端子が圧入部となり、カソード端子がリードピン形状となった圧入型ダイオードで構成され、圧入型ダイオードの圧入部が金属筐体の凹部状の穴に圧入され、圧入型ダイオードのリードピン形状のカソード端子がトランスの二次巻線に接続されたものである。

ダイオードの圧入部１４２は、熱伝導のよいアルミや銅などの材料で構成され、カップ状に形成されている。カップ状の窪みにはリードピン１４３の機械的保持、およびダイ１４１の保護のために充填剤１４４が設けられている。
矢印１４５は、圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）が後述する冷却器の金属筐体へ圧入される時の圧入方向を示し、この圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）が冷却器へ圧入される時、圧入部１４２の上面周縁部１４２ａを図の上方向から下方向へ押し込むことで、ダイオード１４ａ（１４ｂ）が冷却器へ実装される。また、ダイオード１４ａ（１４ｂ）を下方向へ圧入できるよう、ダイオードの圧入部１４２の下面の外径は、上面の外径よりも小さくなっている。

次に、図２に示す圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）を冷却器としての金属筐体に実装した構造を図３に基づいて説明する。
図３において、車両用ＤＣ―ＤＣコンバータ１０を構成する主部品を実装するための金属筐体３０は、圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）の圧入部１４２を嵌合させるための凹部状の穴３０１が設けられている。この凹部状の穴３０１は、金属筐体３０の上面にのみ開口しており、下面、つまり冷却水の流れる面には開口していない、所謂貫通していない穴である。
圧入型ダイオード１４ａ（１４ｂ）の圧入部１４２は、リードピン１４３がついた側とは反対側である圧入部１４２側から、金属筐体３０に設けた凹部状の穴３０１に圧入されることで、金属筐体３０と電気的な接続、機械的な固定、熱的な接続を実現できるため、基板挿入部品、表面実装部品の整流素子を用いる場合と比較して部品点数、組立工数を大幅に削減することができる。

この発明に係る車両用ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力端子に入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路と、インバータ回路から出力される電圧を変換するトランスと、トランスの二次巻線から出力される交流電圧を整流する複数の整流ダイオードからなる整流回路と、整流回路で整流したリップル電圧波形を平滑化する平滑回路と、平滑回路で平滑された直流電圧を出力する出力端子とを備え、出力端子の一方はグランドと同電位の金属筐体で構成され、金属筐体の一表面には貫通していない凹部状の穴が設けられ、整流ダイオードは、アノード端子が圧入部となり、カソード端子がリードピン形状となった圧入型ダイオードで構成され、圧入型ダイオードの圧入部が金属筐体の凹部状の穴に圧入された状態で固定され、圧入型ダイオードのリードピン形状のカソード端子がトランスの二次巻線に接続されたものである。

Claims (2)

1. 入力端子に入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される電圧を変換するトランスと、前記トランスの二次巻線から出力される交流電圧を整流する複数の整流ダイオードからなる整流回路と、前記整流回路で整流したリップル電圧波形を平滑化する平滑回路と、前記平滑回路で平滑された直流電圧を出力する出力端子とを備え、
   前記出力端子の一方はグランドと同電位の金属筐体で構成され、前記金属筐体の一表面には貫通していない凹部状の穴が設けられ、前記整流ダイオードは、アノード端子が圧入部となり、カソード端子がリードピン形状となった圧入型ダイオードで構成され、前記圧入型ダイオードの圧入部が前記金属筐体の凹部状の穴に圧入されたＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記金属筐体は、凹部状の穴に近接して冷却水が流れる通路が形成されている請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。