JP2020010480A - 降圧コンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】降圧コンバータの小型化、筐体への組立工数の削減を図る。【解決手段】降圧トランス2と整流素子3と平滑リアクトル4を有した降圧コンバータにおいて、降圧トランス2の一次側巻線8を四層、降圧トランス2の二次側巻線9を二層とし、一次側巻線8は二次側巻線9を挟み込むように上側に二層、下側に二層を配置し、上側の一次側巻線8bと二次側巻線9との間、二次側巻線9の層間、および下側の一次側巻線8cと二次側巻線9との間にはそれぞれ絶縁部材の樹脂セパレータ10a、10b、10cを配置して、降圧トランスの一次側巻線8と二次側巻線9、平滑リアクトル4の平滑コイル42および樹脂セパレータ10a、10b、10cは、整流素子3が搭載される部分を除いて、樹脂1aで一体成形されている。【選択図】図3

Description

本願は、トランスと整流素子と平滑リアクトルを有して、高電圧から低電圧に降圧する降圧コンバータに関するものである。
プラグインハイブリッド車、電気自動車等の電動化車両には、高電圧バッテリの電圧を12V系の低電圧まで降圧するDC/DCコンバータ装置が用いられている。
DC/DCコンバータ装置は、一次側コイルと二次側コイルとを有するトランスと、トランスの二次側コイルに誘起される電圧を整流する整流素子と、トランスの二次側コイルに接続されるチョークコイルを備えている。そして二次側コイルが複数のコイル導体部を有し、各コイル導体部の端部が金属基板上に絶縁層を介して形成された導体パターンにはんだ付けされ、一次側コイルが二次側コイルの複数のコイル導体部間に挿入された構成として、トランスの小型化、筐体への組立工数の削減、及び放熱に配慮した構造が考案されている(例えば特許文献1参照)。
また、2つの一次側コイルユニットの間に外面が絶縁材で覆われた二次側コイルユニットを挟持して一対のコアの間で挟み、二次側コイルユニットは2個の銅板製の二次側コイルの間に絶縁材製のスペーサを挟んだ状態で、射出成形により樹脂モールドされて一体化し、トランスの部品点数と組立て工数を減少し、大電流を流すことができるトランスが考案されている(例えば特許文献2参照)。
特開2007−221919号公報 特開2000−173840号公報
特許文献1および特許文献2は、いずれもトランス単体における組立工数の削減を考慮したもので、整流素子経由で降圧トランスに接続される平滑リアクトルの巻線とコアを含めたコンバータとしての組立て工数については考慮されておらず、コンバータの小型化、筐体への組立工数の削減についてはまだ課題があった。
本願は、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、トランスの小型化、筐体への組立工数の削減が可能な降圧コンバータを提供することを目的とするものである。
本願に係る降圧コンバータは、降圧トランスと整流素子と平滑リアクトルを有した降圧コンバータにおいて、降圧トランスの一次側巻線を四層、降圧トランスの二次側巻線を二層とし、一次側巻線は二次側巻線を挟み込むように上側に二層、下側に二層を配置し、上側の一次側巻線と二次側巻線との間、二次側巻線の層間、および下側の一次側巻線と二次側巻線との間にはそれぞれ絶縁部材の樹脂セパレータを配置して、降圧トランスの一次側巻線と二次側巻線、平滑リアクトルの平滑コイルおよび樹脂セパレータは、整流素子が搭載される部分を除いて、樹脂で一体成形されているものである。
本願は、降圧トランスの一次側巻線は、二層の二次側巻線を挟み込むように上側に二層、下側に二層配置された構成にすることで巻数比を大きくでき、1つの降圧トランスで高電圧化と小型化に対応することが出来る。さらに降圧トランスに整流素子経由で接続される平滑リアクトルの平滑コイルも降圧トランスの巻線と一体成形しているので、筐体への組立工数の削減が可能となる。
実施の形態1に係る降圧コンバータの回路図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータの全体斜視図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータの展開図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータに使用される降圧トランスの断面図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータに使用される降圧トランスの一次側巻線を示す展開図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータにおける降圧トランスと平滑リアクトルの一体成形前の斜視図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータに適用されるサーミスタ実装部の展開図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータの上面図である。 実施の形態1に係る降圧コンバータの放熱経路を示す断面図である。
実施の形態1.
以下、本願の実施の形態1における降圧コンバータを図1から図9に基づいて説明する。
降圧コンバータとは、例えばハイブリッド車に搭載される高電圧バッテリから低電圧バッテリへ電力変換して電力を供給する装置で、その主回路の一例を図1に示す。
図1において、降圧コンバータは、高電圧バッテリ100と低電圧バッテリ200との間に、入力側駆動回路1となるスイッチング素子11A〜11D、降圧トランス2、整流素子3、平滑リアクトル4、平滑コンデンサ5が接続されて構成される。
入力側駆動回路1は、4つのスイッチング素子11A、11B、11C、11D(総称する場合はスイッチング素子11とする)を有している。降圧トランス2の一次側巻線8はスイッチング素子11に接続され、二次側巻線9は4つの整流素子3A、3B、3C、3D(総称する場合は整流素子3とする)のアノードと接続されている。整流素子3のカソードには平滑リアクトル4が接続され、平滑リアクトル4と低電圧バッテリ200との間には平滑コンデンサ5が接続されている。
入力側駆動回路1においては、直列に接続されたスイッチング素子11A、11Bと、直列に接続されたスイッチング素子11C、11Dが、並列に接続されている。スイッチング素子11Aとスイッチング素子11Bとの間には接続点15が、スイッチング素子11Cとスイッチング素子11Dとの間には接続点16が存在する。接続点15と接続点16との間に、降圧トランスの一次側巻線8が接続されている。
スイッチング素子11は制御回路(図示しない)に接続されているため、制御回路によりスイッチング素子11A〜11Dが交互にオンオフするよう制御される。具体的には、スイッチング素子11Aおよびスイッチング素子11Dがオンする第1の状態と、スイッチング素子11Bおよびスイッチング素子11Cがオンする第2の状態とが一定の時間間隔ごとに交互に出現する。これにより入力側駆動回路1においては、第1の状態と第2の状態との間で、高電圧バッテリ100の電圧Vinからの入力電圧が、互いに反対方向に(一方が正の電圧で、他方が負の電圧であるように)、降圧トランス2の一次側巻線8に印加される。したがって入力側駆動回路1により、高電圧バッテリ100を用いて電流の向きが時間変化する回路を形成することができる。
以上のように入力側駆動回路1は4つのスイッチング素子11A〜11Dにより、いわゆるフルブリッジ回路を構成している。しかし上記第1の状態および第2の状態の間で交互に互いに反対方向の電圧を降圧トランス2の一次側巻線8に印加可能であれば、スイッチング素子11の態様は上記図1の態様に限らず、たとえば2つのスイッチング素子で構成するいわゆるハーフブリッジ回路などが採用されてもよい。
降圧トランス2は、二次側巻線9として、2つの出力側コイル9a(第1の出力側コイル)、9b(第2の出力側コイル)を有している。出力側コイル9a、9bの端部のうち一方の端部は降圧コンバータの出力側の基準電位に、他方の端部は整流素子3A、3B、3C、3Dのアノードに接続されている。
整流素子3A、3B、3C、3Dのカソードは平滑リアクトル4のコイル(平滑コイル)の一端に接続される。また平滑コイルの1対の端部のうち整流素子3A〜3Dと接続される側と反対側の端部には平滑コンデンサ5の一端が接続される。平滑コンデンサ5の両端部の間には低電圧バッテリ200が接続され、降圧コンバータの出力として出力電圧Voが低電圧バッテリ200に入力される。
次に、図2〜図8を用いて実施の形態1における降圧コンバータを構成する各部材の構造について説明する。
図2は降圧コンバータを構成する、降圧トランス2、整流素子3、平滑リアクトル4を一体で構成したアッセンブリ部品の斜視図である。図3はその展開図であり、説明の便宜上、アッセンブリ部品を覆う一体成形樹脂は図示を省略している。
実施の形態1における降圧コンバータにおいて、降圧トランス2はコア7と一次側巻線8と二次側巻線9を有し、整流素子3は表面実装タイプである。また、平滑リアクトル4は平滑コア41と平滑コイル42とを有している。
図3、図4に示すように、降圧トランス2の一次側巻線8は、上側に二層の一次側巻線8aと8b、下側に二層の一次側巻線8cと8d(総称する場合は一次側巻線8とする)を有した四層構造となっている。また、降圧トランス2の二次側巻線9は二次側巻線9aと9b(総称する場合は二次側巻線9とする)を有した二層構造となっている。
四層となる降圧トランス2の一次側巻線8は、二層の二次側巻線9を挟み込むように図の上側に二層、下側に二層配置される。上側の二層のうち一層の一次側巻線8aは、成形樹脂8a’と一体成形されており、もう一層の一次側巻線8bは成形樹脂8a’に設けられた凹部に嵌め込まれる。同様に、下側の二層のうち一層の一次側巻線8dは、成形樹脂8d’と一体成形されており、もう一層の一次側巻線8cは成形樹脂8d’に設けられた凹部に嵌め込まれる。
凹部に嵌め込まれる一次側巻線8b、8cは複数箇所で圧入されるよう凹部の幅が狭くなるように突起(図示しない)が設けられている。
降圧トランス2の一次側巻線8と二次側巻線9の層構造を図3、図4にて詳しく説明する。
上側の一次側巻線8bと二次側巻線9aとの間、二層の二次側巻線9aと9bとの間、および下側の一次側巻線8cと二次側巻線9bとの間には、それぞれ絶縁部材の樹脂セパレータ10a、10b、10c(総称する場合は樹脂セパレータ10とする)が配置される。中央の樹脂セパレータ10bには、二つの二次側巻線9a、9bを位置決めするための凸部が図の上下方向に構成されており、二次側巻線9a、9bにはそれと嵌合する穴が空いている。
二次側巻線9a、9bの外側に配置される樹脂セパレータ10a、10cにも中央の樹脂セパレータ10bの凸部と嵌合する穴が空いている。また、外側の樹脂セパレータ10a、10cの外周には、一次側巻線8との絶縁沿面距離を確保するためのL字型形状(図4参照)の凸部が設けられている。
外側の樹脂セパレータ10aの上側には2層の一次側巻線8a、8bが、外側の樹脂セパレータ10cの下側には2層の一次側巻線8c、8dが配置される。
なお、二次側巻線9a、9bの巻線端部9ao、9boは図6に示すようにL字状とされ、その下側は平坦部となって整流素子3の実装部となっている。
一次側巻線8は、成形樹脂8a’と一体成形された最外層の一次側巻線8aの一端8aiと、その成形樹脂8a’に嵌め込まれた二層目の一次側巻線8bの一端8biは、図5に示すように、巻線の内周側で接合される。残りの一次側巻線8d、8cも同様にその一端8di、8ciで接合される。一次側巻線8bの他端8boと一次側巻線8cの他端8coは、図5に示す状態に降圧トランス2の部材を組み合わせてから接合される。
一次側巻線8aの一端8aiと一次側巻線8bの一端8biとの接合、一次側巻線8dの一端8diと一次側巻線8cの一端8ciとの接合、一次側巻線8bの他端8boと一次側巻線8cの他端8coとの接合には、超音波溶接またはろう付けなどが用いられる。最外層の一次側巻線8a、8dの他端8ao、8doは、図6に示すように同じ向きに並設して配置され、図示しない基板経由でスイッチング素子11に接続される。
また降圧トランス2の一次側巻線8の外径は、二次側巻線9の外径と同じか、二次側巻線9の外径よりも小さくなっている。
尚、本構造における一次側巻線8および二次側巻線9は、板金プレスで製造することを想定しているが、同様の構成をとれるものなら、製造方法は他の方法でも問題ない。
平滑リアクトル4の平滑コイル42は、図3に示すように2つのコイル42a、42bを積み重ねて構成され、板金プレスで製造されている。
降圧トランス2の一次側巻線8a〜8dの四層、二次側巻線9a、9bの二層、絶縁部材の樹脂セパレータ10a〜10cおよび平滑リアクトル4の平滑コイル42は、図6に示す状態で図示してない成形金型にセットされ、整流素子3が搭載される部分および二次側巻線9a、9bの巻線端部9ao、9boの底面を除いて一体成形樹脂1a(図2、図8参照)にて成形してサブアッセンブリ部品として構成する。
一次側巻線8、二次側巻線9とも降圧コンバータの効率面より材質は銅が好ましい。二次側巻線9については、二つの巻線9a、9bをTIG溶接などの溶接で接合する場合は、無酸素銅が適している。他の接合方法を用いる場合は、タフピッチ銅等でも良い。二次側巻線9a、9bの巻線端部9ao、9boである整流素子3の実装部には、図6に示すようにはんだの厚みを管理できるよう凸部9cを設けておくとよい。
一体成形品となった降圧トランス2と平滑リアクトル4からなるサブアッセンブリ部品において、その二次側巻線9a、9bの巻線端部9ao、9boである整流素子3の実装部には、表面実装タイプの整流素子3が実装され、降圧トランス2の二次側巻線9の巻線端部9ao、9boと平滑リアクトル4の平滑コイル42端部との間にはんだで接合されて接続される。
続いて、降圧トランス2の巻線層構造、整流素子3、平滑リアクトル4以外の構成について説明する。
整流素子3のアノードが接続される降圧トランス2の二次側巻線9には、温度検知のためのサーミスタ6が固定されており、制御回路(図示しない)と共に整流素子3を定格温度内で動作させる。
図7に示すように、二次側巻線9bの巻線端部9boから延長されたサーミスタ6の実装部6aには、サーミスタ固定用ねじ13と組み合わされる袋ナット14が一体成形されている。袋ナット14は、一体成形前は樹脂セパレータ10bに設けた穴に圧入しておくと、一体成形時のインサート供給時間の短縮が可能となる。尚、サーミスタ6はねじ固定ではなく、溶接にて固定してもよい。
また、サーミスタ6に近い整流素子3の温度がより高くなるよう、サーミスタ6に近い側の整流素子3に電流がより流れやすいよう二次側巻線9を構成している。
降圧トランス2の二次側巻線9aと9bの接続部である基準電位部9agと平滑コイル42の下流側端子部4boは、図6に示すように同じ向きに引き出すように配置され、出力電圧の変動をより抑制できるよう平滑コンデンサ5のバスバー長さを短くできる構成としている。
この実施例では、整流素子3のアノード側がヒートスプレッダ側であり、一体成形品の樹脂部でヒートスプレッダの位置決めをすることにより、整流素子3の位置決めも行われる。
降圧トランス2の一次側巻線8、二次側巻線9と平滑リアクトル4の平滑コイル42が樹脂で一体成形されたサブアッセンブリ部品には、トランスコア7a、7b、平滑コア41a、41bが組み付けられて、降圧トランス2と平滑リアクトル4が一体化されたアッセンブリ部品が構成される。
図3に示すように、トランスコア7a、7bは、降圧トランス2の一次側巻線8、二次側巻線9の中央の穴に嵌装される突起が設けられている。同様に平滑コア41a、41bは、平滑リアクトル4の平滑コイル42a、42b中央の穴に嵌装される突起が設けられている。
トランスコア7a、7bが一次側巻線8と二次側巻線9に嵌装されて構成された降圧トランス2は、図2に示すように、粘着テープ15a、15bを貼って、二個のコアを一体成形品に固定する。
同様に、平滑コア41a、41bが平滑コイル42a、42bに嵌装されて構成された平滑リアクトル4は、図2に示すように、粘着テープ15c、15dを貼って、二個のコアを一体成形品に固定する。
なお、図2の粘着テープ15aは、降圧トランス2、整流素子3、平滑リアクトル4を一体で構成したアッセンブリ部品を、冷却器となる筐体19に収納する際、トランスコア7a、7bを筐体19に押圧するためのばね(図示しない)と接触する部分である。また粘着テープ15cは、アッセンブリ部品を、冷却器ともなる筐体19に収納する際、平滑コア41a、41bを筐体19に押圧するためのばね(図示しない)と接触する部分であり、コア7a、7b、41a、41bと金属のばねが直接接触して金属粉が出ることのないようにコアに貼り付けられている。
また、降圧トランス2の二次側巻線9の巻線端部9ao、9bo底部と冷却器となる筐体19間には、図9に示すように放熱部材18が配置されており、降圧トランス2の一次側巻線8の発熱H1は、矢印のように樹脂セパレータ10、二次側巻線9、放熱部材18を介して筐体19から放熱される。また、発熱量の大きい整流素子3も二次側巻線9、放熱部材18を介して筐体19から放熱される。このように整流素子3は降圧トランス2の二次側巻線9と放熱経路が共通化されている。
一方、トランスコア7bの下面と平滑コア41bの下面は筐体19に直接接触して配置されており、トランスコア7a、7bおよび平滑コア41a、41bからの熱は直接筐体19から放熱される。
降圧トランス2と平滑リアクトル4のアッセンブリ部品には、図8に示すようにトランスコア7a、7bおよび平滑コア41a、41bの四隅の外側に、樹脂部1bが配置されている。
降圧トランス2と平滑リアクトル4のアッセンブリ部品は、図8に示すように一体成形樹脂1aと一体成形された6個の金属カラー17を介して図示しない筐体19にねじ固定される。トランスコア7および平滑コア41については、筐体19へばねで押さえつけることにより固定するが、ばね荷重に直交する方向には、ばね荷重と摩擦係数の積、いわゆる摩擦力が振動により発生する力より大きくなければならない。
通常のエンジンからの振動では、ばねによる固定で問題はないが、衝突のような強い加速度が発生する場合を想定して、トランスコア7および平滑コア41が移動することを防止するために、トランスコア7a、7bおよび平滑コア41a、41bと樹脂部1bとの間にコーキング剤を充填しておくとよい。トランスコア7および平滑コア41の四隅に面取り形状を設けておくと、コーキング剤を充填しやすい。コーキング剤にはシリコーン系接着剤などが使用される。
さらに降圧トランス2のトランスコア7a、7b、平滑リアクトル4の平滑コア41の四隅のコーキング剤充填スペースに、放熱材料を充填することで降圧トランス2と平滑リアクトル4の放熱効果が高まる。
以上のように実施の形態1の降圧コンバータは、降圧トランス2、整流素子3、平滑リアクトル4を有する降圧コンバータにおいて、降圧トランス2の巻線を一次側巻線8は四層、二次側巻線9は二層の六層構造とする。一次側巻線8を四層にすることによって、二次側巻線9との巻数比を大きくすることで、一つの降圧トランス2で高電圧化に対応できる。
また、降圧トランス2の下流側に整流素子3経由で接続される平滑リアクトル4の平滑コイル42も降圧トランス2の巻線と一体成形することにより、筐体19となる冷却器への実装も容易となり、組立工数が削減でき、かつ降圧トランス2の一次側巻線8と二次側巻線9の放熱経路を共通化できる。
降圧トランス2の一次側巻線8は、二層の二次側巻線9を挟み込むように上側に二層、下側に二層配置された構成にすることで、高周波抵抗が減り、損失が低減されることからトランスを小型化出来る。降圧トランス2の一次側巻線8の発熱は、絶縁部材の樹脂セパレータ10、二次側巻線9、放熱部材18を介して冷却器となる筐体19に放熱することが出来る。また、図9に示すように筐体19の底部にトランスコア7b、平滑コア41bが載置される凹部を設け、降圧トランス2の二次側巻線9が放熱部材18に接触する面よりも、トランスコア下面および平滑コア下面を低くすることで、降圧コンバータ全体の高さが抑えられ小型化が出来る。
本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
1:入力側駆動回路、1a:一体成形樹脂、1b:樹脂部、2:降圧トランス、
3:整流素子、4:平滑リアクトル、4bo:平滑リアクトルの巻線端部、
5:平滑コンデンサ、6:サーミスタ、7、7a、7b:降圧トランスのコア、
8、8a、8b、8c、8d:降圧トランスの一次側巻線、
9、9a、9b:降圧トランスの二次側巻線、
9c:降圧トランスの二次側巻線端部の凸部、
9ag:降圧トランスの二次巻線基準電位部、
10、10a、10b、10c:樹脂セパレータ、
15a、15b、15c、15d:粘着テープ、17:金属カラー、18:放熱部材、
19:筐体、41、41a、41b:平滑コア、42、42a、42b:平滑コイル、
100:高電圧バッテリ、200:低電圧バッテリ。

Claims (10)

  1. 降圧トランスと整流素子と平滑リアクトルを有した降圧コンバータにおいて、前記降圧トランスの一次側巻線を四層、前記降圧トランスの二次側巻線を二層とし、前記一次側巻線は前記二次側巻線を挟み込むように上側に二層、下側に二層を配置し、前記上側の一次側巻線と前記二次側巻線との間、前記二次側巻線の層間、および前記下側の一次側巻線と前記二次側巻線との間にはそれぞれ絶縁部材の樹脂セパレータを配置して、前記降圧トランスの一次側巻線と二次側巻線、前記平滑リアクトルの平滑コイルおよび前記樹脂セパレータは、前記整流素子が搭載される部分を除いて、樹脂で一体成形されていることを特徴とする降圧コンバータ。
  2. 前記降圧トランスの二次側巻線と降圧コンバータを収納する筐体との間に放熱部材を配置したことを特徴とする請求項1に記載の降圧コンバータ。
  3. 前記降圧トランスの一次側巻線の外径は、前記二次側巻線の外径と同じか、前記二次側巻線の外径よりも小さいことを特徴とする請求項2に記載の降圧コンバータ。
  4. 前記整流素子は表面実装タイプであり、前記降圧トランスの二次側巻線の端部と前記平滑リアクトルの平滑コイル端部との間にはんだで接合されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の降圧コンバータ。
  5. 前記整流素子が実装される前記降圧トランスの二次側巻線端部の平坦部に凸形状を設け、前記はんだの厚みを管理できるようにしたことを特徴とする請求項4に記載の降圧コンバータ。
  6. 前記降圧トランスの二次側巻線にサーミスタを固定したことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の降圧コンバータ。
  7. 前記降圧トランスの二次側巻線に接して設けられた前記放熱部材の接触面よりも、前記降圧トランスのコア下面、前記平滑リアクトルのコア下面が低いことを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1項に記載の降圧コンバータ。
  8. 前記降圧トランスの二次側巻線の基準電位部と、前記平滑リアクトルの巻線端部の引き出し方向を同じにしたことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の降圧コンバータ。
  9. 前記降圧トランスのコア、前記平滑リアクトルの平滑コアの少なくとも一方の四隅に樹脂部を構成し、前記樹脂部と前記コアまたは前記平滑コア間に、コーキング剤を充填することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の降圧コンバータ。
  10. 前記降圧トランスのコア、前記平滑リアクトルの平滑コアの四隅のコーキング剤充填スペースに、放熱材料を充填することを特徴とする請求項9に記載の降圧コンバータ。
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