JP2016144238A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主回路を構成する部品の放熱性を確保しながらも小型化を実現できる電力変換装置の実装構造を提供することである。
【解決手段】トランス１０７と、トランス１０７の二次側で整流回路を構成する整流素子１１３及び１１４と、平滑回路を構成するチョークコイル１０８と、筐体２０１と、を備えたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、筐体２０１は、整流素子１１３が配置される第１立設部２０１ａと、整流素子１１４が配置される第２立設部２０１ｂを有し、チョークコイル１０８は、第１立設部２０１ａと第２立設部２０１ｂの間に配置され、トランス１０７は、チョークコイル１０８、整流素子１１３、１１４のそれぞれと、電気的に接続される。
【選択図】図２（ａ）

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に電気自動車やプラグインハイブリッド車に用いられる電力変換装置に関する。

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と、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と、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電力変換装置が搭載されている。

電力変換装置の一般的な実装構造は、平板状の筐体面に、主回路を構成する高電圧側スイッチング回路、トランス、チョークコイル、整流回路などを、平面上に並べて設置する構造を採っている（例えば、特許文献１を参照）。通常、筐体には冷却のために水路や空冷フィンが形成されており、筐体面に設置された部品の放熱性を確保している。

また、電力変換装置の小型化を実現する構造として、筐体面に設置された整流回路の上方にチョークコイルを配置することで、チョークコイルの実装面積を削減する構造が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００６−２８８０５２号公報 特開２０１１−０５０１６０号公報

上記で述べたように、電力変換装置の主回路部品を平面上に単純に設置した構造では、各部品の放熱性は確保できるが、実装面積が大きくなり、小型化が困難である。また、チョークコイルと整流回路を積層配置した構造を採用した場合には、小型化は可能であるが、筐体に直接設置されていないチョークコイルの放熱性が確保できない問題が残る。また、チョークコイルが大きい場合には、筐体への固定構造が確保できないために、車両に加わる振動によって、チョークコイルの接続部へ大きな応力がかかり、その接続部の破損などを引き起こす懸念もある。

すなわち、従来の電力変換装置の実装構造では、小型化と放熱性の両立ができないという課題がある。そこで本発明は、電力変換装置の小型化と放熱性を両立する構造を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、一次側電圧と二次側電圧とを変換するトランスと、前記トランスの二次側で整流回路を構成する第１整流素子及び第２整流素子と、前記トランスの二次側で平滑回路を構成するチョークコイルと、前記チョークコイルが設置される筐体と、を備え、前記筐体は、前記第１整流素子が配置される第１立設部と、前記第２整流素子が配置される第２立設部と、を有し、前記チョークコイルは、前記第１立設部と前記第２立設部の間に配置され、前記トランスは、前記第１整流素子、前記チョークコイル及び前記第２整流素子のそれぞれと、電気的に接続される。

本発明の実装形態によれば、電力変換装置を構成する主回路部品の放熱性を確保しながらも、電力変換装置の小型化を実現できる。また、本実施形態では各部品の接続部の耐振動性の悪化を引き起こすこともない。

電力変換装置の回路構成を示す図である。 実施例１に係る電力変換装置の外観斜視図である。 本発明の電力変換装置の上面図である。 図２（ｂ）における平面ＡＡ’での断面図である。 実施例２に係る電力変換装置の断面図である。 実施例３に係る電力変換装置の断面図である。 実施例４に係る電力変換装置の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面によって説明する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置１００の主回路構成である。電力変換装置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と、交流高電圧を交流低電圧に変換するトランスと、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と、を備えている。

電力変換装置１００は、高電圧側端子１０３ａ及び１０３ｂ、さらに低電圧側端子１１２を有する。高電圧側スイッチング回路として、４つのＭＯＳＦＥＴ１０５ａないしＭＯＳＦＥＴ １０５ｄをＨブリッジ接続し、その入力側に平滑コンデンサ１０４を接続した回路構成をとっている。その出力線には共振コイル１０６を介してトランス１０７の１次巻線が接続される。トランス１０７として２次側巻線の中間点を巻線外側に引き出したセンタタップ型トランスを採用している。低電圧側回路として、ダイオードあるいはＭＯＳＦＥＴ１１３及びＭＯＳＦＥＴ１１４を用いた整流回路に、チョークコイル１０８とコンデンサ１１０からなる平滑回路を接続し、さらにノイズ抑制のフィルタコイル１０９とフィルタコンデンサ１１１を接続した構成をとる。なおＭＯＳＦＥＴ１１３及びＭＯＳＦＥＴ １１４は、損失低減と発熱分散のために、複数の素子を並列化して用いることができる。

図２（ａ）は、本実施形態の電力変換装置の外観斜視図である。図２（ｂ）は、その上面図である。図２（ｂ）は、上面図であるが、部品の配置をわかりやすくするため、意図的に主要部品にハッチングを施している。図２（ｃ）は、図２（ｂ）における平面ＡＡ’での断面図である。

本実施例の構造は、図１に示した回路図の電力変換装置を実現するための構造である。ただし、ＭＯＳＦＥＴ１１３および１１４は、損失低減と発熱分散のために、それぞれ素子を５並列化して用いている。

図２（ａ）を用いて、本実施形態の電力変換装置１００の構成を説明する。電力変換装置１００の構成部品は、筐体２０１上に配置される。筐体２０１は、後述するように、水路２０２が形成されており、冷却されている。

図２（ａ）に示される部品のうち、図１と符号が共通するものは、同じ部品を表している。略長方形に形成された筐体２０１の実装面のうち、一辺には高圧側端子１０３ａ及び１０３ｂが配置される。高圧側端子１０３ａ及び１０３ｂの側部には、プリント基板２０５上に実装されたコンデンサ１０４が配置される。また、共振コイル１０６は、プリント基板２０５の側部に配置されている。

トランス１０７は、プリント基板２０５が配置される側に当該トランス１０７の１次巻線側が配置されるように、筐体２０１上に実装される。トランス１０７の２次側巻線は、プリント基板２０５が配置される側とは反対側に配置される。トランス１０７の２次巻線には、チョークコイル１０８と、ＭＯＳＦＥＴ１１３及び１１４が接続される。

ＭＯＳＦＥＴ１１３は、筐体２０１から立設する立設部２０１ａに、金属基板２１３を介して配置される。また、ＭＯＳＦＥＴ１１４は、筐体２０１から立設する立設部２０１ｂに、金属基板２１４を介して配置される。トランス１０７と、チョークコイル１０８及びＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４との配置関係については、図２（ｂ）及び図２（ｃ）において詳しく説明する。

チョークコイル１０８に対してトランス１０７が配置される側とは反対側には、平滑コンデンサ１１０が配置される。平滑コンデンサ１１０は、ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４と同様に、筐体２０１から立設する立設部に設置される。また、同じくチョークコイル１０８に対してトランス１０７が配置される側とは反対側には、フィルタコイル１０９が配置される。フィルタコイル１０９の側部には、フィルタコンデンサ１１１が配置される。フィルタコンデンサ１１１は、平滑コンデンサ１１０と同様に、筐体２０１から立設する立設部に配置される。筐体２０１の実装面のうち、高圧側端子１０３ａ及び１０３ｂが配置される側とは反対側の辺には、低圧側出力部１１２が配置される。

本実施例では、チョークコイル１０８およびフィルタコイル１０９として、コアにバスバを貫通させた貫通型タイプのコイルを使用した場合の例を示しているが、リード線等を数ターン巻きつけた巻線タイプを用いても良い。

図２（ｂ）を用いて、各部品の接続を説明する。トランス１０７を挟んで一方側には、高圧側回路が配置される。コンデンサ１０４が実装されるプリント基板２０５の下方には、ＭＯＳＦＥＴ１０５ａ〜１０５ｄが配置される（図中において破線で示される）。ＭＯＳＦＥＴ１０５ａ〜１０５ｄは、筐体２０１の平面部に、放熱シートを介して実装されている。そのため、ＭＯＳＦＥＴ１０５ａ〜１０５ｄで発生した熱は、筐体２０１を流れる水路２０２へと放熱される。ＭＯＳＦＥＴ１０５ａ〜１０５ｄは、プリント基板２０５の下方に配置されており、プリント基板２０５上に配置されるコンデンサ１０４とも電気的に接続されている。

トランス１０７を挟んで、低圧側回路が配置される側とは反対側には、低圧側回路が配置される。トランス１０７の２次側中間端子１０７ａには、チョークコイル１０８が接続される。チョークコイル１０８を挟んで一方側にはＭＯＳＦＥＴ１１３が配置され、他方側にはＭＯＳＦＥＴ１１４が配置される。トランス１０７とＭＯＳＦＥＴ１１４は、トランス２次側端子１０７ｂによって接続される。トランス１０７とＭＯＳＦＥＴ１１３は、トランス２次側端子１０７ｃによって接続される。トランス２次側中間端子１０７ａと、トランス２次側端子１０７ｂ、１０７ｃは、トランス１０７とチョークコイル１０８の配置方向に沿って、およそ平行に配置されている。又、これらの端子１０７ａ〜１０７ｃは、筐体２０１の平面からおよそ同一の高さに配置されている。

図２（ｃ）を用いて、チョークコイル１０８とＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４の実装構造を説明する。筐体２０１には、水路２０２が形成されている。これにより、水路２０２の上部平面部に設置されたチョークコイル１０８は放熱性が確保されている。

筐体２０１には、立設部２０１ａ、２０１ｂが設けられている。立設部２０１ａ、２０１ｂは、当該立設部２０１ａ、２０１ｂの間にチョークコイル１０８を挟むように、各々の面が対向した状態で設けられる。言い換えれば、チョークコイル１０８は、立設部２０１ａ及び２０１ｂを側壁とする凹形状の空間に収納されている。チョークコイル１０８は、略中央に配置された巻線部１０８ｂの周囲をコア部１０８ａが囲んで形成されている。

立設部２０１ａを挟んで、チョークコイル１０８が配置される側とは反対側の面には、金属基板２１３が取り付けられている。金属基板２１３には、ＭＯＳＦＥＴ１１３が実装される。同様に、立設部２０１ｂを挟んで、チョークコイル１０８が配置される側とは反対側の面には、金属基板２１４が取り付けられている。金属基板２１４には、ＭＯＳＦＥＴ１１４が実装される。発熱部品であるＭＯＳＦＥＴ１１３および１１４は、立設部２０１ａ、２０１ｂを介して、水路２０２へ放熱することができる。

立設部２０１ａ、２０１ｂを設け、そこにＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４を実装した金属基板２１３、２１４を配置することで、従来の構造のように筐体の平面部に全ての部品を設置する構造と比較して、本実施例では筐体２０１の平面部面積は小さくなる。また、チョークコイル１０８およびＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４の放熱性は、立設部２０１ａ及び２０１ｂにより確保されている。そのため、本実装構造によれば、電力変換装置の小型化と放熱性を両立することができる。また立設部２０１ａ、２０１ｂとチョークコイル１０８の隙間に、接着材や熱伝導性樹脂などを注入することで、チョークコイル１０８の固定と放熱性をさらに向上することも可能である。

また、トランス１０７をチョークコイル１０８と近接して配置し、トランス２次側中間端子１０７ａをチョークコイル１０８と接続し、トランス２次側端子１０７ｂ、１０７ｃを金属基板２１３、２１４にそれぞれ接続することで、接続配線が短くすることができる。そのため、本実施例では配線抵抗による損失を小さく抑えることができる。

図３は、電力変換装置の実施例２を示す断面図である。本実施例は上記の実施例１の図２（ｃ）において、ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４を駆動するための制御基板３ー１と、その接続構造を追加したものである。

ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４を駆動するには、ゲートドライブ回路を備えた制御基板３０１と各ＭＯＳＦＥＴを接続することが必要である。そこで、本実施例では、制御基板３０１をチョークコイル１０８の上方に配置している。制御基板３０１は、信号リード線３０３及び３０４によって、金属基板２１３、２１４と電気的に接続される。金属基板２１３、２１４には、信号リード線と各ＭＯＳＦＥＴを接続するための配線パターンが設けられる。

上記の構造を採用することで、コネクタやケーブルを用いることなく、ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４と制御基板３０１を電気的に接続することができるために、低コストである。また、ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４と制御基板３０１とが近接して配置されるため、これらを接続する配線を短くすることができる。

また、金属基板２１３、２１４には、さらにシャント抵抗を実装し、それに応じて電流検出信号用の信号リード線を追加し、これらを上記と同様に制御基板と接続することでＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検出することも可能である。

図４は、電力変換装置の実施例３を示す図である。本実施例は上記の実施例１、２の変形例である。実施例１、２では、ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４の放熱と電気的接続構造を兼ねて、金属基板１１３、１１４を用いていた。本実施例は、金属基板を放熱シート４０３、４０４と配線形成体に置き換えた例である。

本実施例では、ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４は、放熱シート４０３、４０４を介して筐体の立設部３０３、３０４へ設置される。ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４は、放熱シート４０３、４０４を介して放熱性を確保している。

また、ＭＯＳＦＥＴの電気的な接続は、バスバやリード線の金属配線をモールド材によって封止した配線形成体４１３、４１４によって実現している。配線形成体４１３は、ＭＯＳＦＥＴ１１３が実装される立設部２０１ａ上に配置される。配線形成体４１４は、ＭＯＳＦＥＴ１１４が実装される立設部２０１ｂ上に配置される。なお、配線形成体４１３、４１４としては、プリント基板を代用することで、低コスト化を図ることも可能である。

図５は、電力変換装置の実施例４を示す図である。本実施例は、上記の実施例１乃至３の変形例である。本実施例では、トランス１０７の低圧側回路を２並列に構成した電力変換装置についての実施形態である。

低圧側回路が並列に構成されている電力変換装置においては、チョークコイル１０８や、ＭＯＳＦＥＴ１１３、１１４はそれぞれ複数備えられる。本実施例の電力変換装置は、筐体２０１から４つの立設部２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが設けられる。立設部２０１ａと２０１ｂの間には、一方のチョークコイル１０８が設置され、立設部２０１ｃと２０１ｄの間には、他方のチョークコイル１０８が設置される。立設部２０１ｃ、２０１ｄと、チョークコイル１０８との配置関係は、上述の実施例１乃至３における立設部２０１ａ、２０１ｂと、チョークコイル１０８との配置関係と同様である。

本実施形態の電力変換装置によれば、低圧側回路が並列に構成されている場合においても、全体の実装面積が小さく、小型化された電力変換装置を得ることができる。また、共通する部品を削減することができるため、これによっても小型化、低コスト化を達成することができる。

１００…電力変換装置
１０３ａ…高圧側入力部
１０３ｂ…高圧側入力部
１０４…平滑コンデンサ
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ… ＭＯＳＦＥＴ
１０６…共振コイル
１０７…トランス
１０７ａ…トランス２次側中間端子（センタタップ）
１０７ｂ…トランス２次側端子
１０７ｃ…トランス２次側端子
１０８…チョークコイル
１０８ａ…チョークコイルのコア部
１０８ｂ…チョークコイルの巻線部（バスバ）
１０９…フィルタコイル
１１０…平滑コンデンサ
１１１…フィルタコンデンサ
１１２…低圧側出力部
１１３…ＭＯＳＦＥＴ
１１４…ＭＯＳＦＥＴ
２０１…筐体
２０１ａ…立設部
２０１ｂ…立設部
２０１ｃ…立設部
２０１ｄ…立設部
２０２…水路
２０５…プリント基板
２１３…金属基板
２１４…金属基板
３０１…制御基板
３０３…信号リード線
３０４…信号リード線
４０３…放熱シート
４０４…放熱シート
４１３…配線形成体
４１４…配線形成体

Claims (10)

1. 一次側電圧と二次側電圧とを変換するトランスと、
   前記トランスの二次側で整流回路を構成する第１整流素子及び第２整流素子と、
   前記トランスの二次側で平滑回路を構成するチョークコイルと、
   前記チョークコイルが設置される筐体と、を備え、
   前記筐体は、前記第１整流素子が配置される第１立設部と、前記第２整流素子が配置される第２立設部と、を有し、
   前記チョークコイルは、前記第１立設部と前記第２立設部の間に配置され、
   前記トランスは、前記第１整流素子、前記チョークコイル及び前記第２整流素子のそれぞれと、電気的に接続される電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記筐体は、冷却媒体が流れる流路を有する電力変換装置。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載された電力変換装置であって、
   前記トランスは、当該トランスと前記チョークコイルの配置方向が前記第１立設部と前記第２立設部の配置方向と直交するように、前記チョークコイルの側部に配置される電力変換装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置であって、
   前記第１整流素子および前記第２整流素子を駆動するための駆動回路が実装された制御基板を備え、
   前記制御基板は、前記チョークコイルを挟んで、前記チョークコイルが設置される前記筐体の面側とは反対側に配置される電力変換装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された電力変換装置であって、
   前記第１整流素子は、金属ベース部の上に絶縁層を介して形成される配線パターンを有する第１金属基板上に実装され、
   前記第２整流素子は、金属ベース部の上に絶縁層を介して形成される配線パターンを有する第２金属基板上に実装され、
   前記第１金属基板は、前記第１立設部に配置され、
   前記第２金属基板は、前記第２立設部に配置される電力変換装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載された電力変換装置であって、
   前記第１整流素子は、当該第１整流素子と前記第１立設部の間に放熱シートを介した状態で、前記第１立設部に配置され、
   前記第２整流素子は、当該第２整流素子と前記第２立設部の間に放熱シートを介した状態で、前記第２立設部に配置される電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
   前記第１整流素子及び前記第２整流素子は、金属配線をモールド材によって封止した配線形成体によって、前記トランスと電気的に接続される電力変換装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の電力変換装置であって、
   前記チョークコイルと前記筐体の間には、樹脂が充填される電力変換装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の電力変換装置であって、
   さらにコンデンサ素子を備え、
   前記筐体は、前記コンデンサ素子が配置される第３立設部を有する電力変換装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載された電力変換装置であって、
    さらに、前記チョークコイルとは異なる第２のチョークコイルと、
    前記第１整流素子及び前記第２整流素子とは異なる第３整流素子及び第４整流素子と、を備え、
    前記筐体は、前記第３整流素子が配置される第３立設部と、前記第４整流素子が配置される第４立設部と、を有し、
    前記第２のチョークコイルは、前記第３立設部と前記第４立設部の間に配置される電力変換装置。