JP2021158900A

JP2021158900A - 電力変換装置

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Publication number: JP2021158900A
Application number: JP2020060354A
Authority: JP
Inventors: 浩二若林; Koji Wakabayashi
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP7412247B2

Abstract

【課題】汎用性が高い電力変換装置を提供できるようにする。【解決手段】電力変換装置１は、導体パターンからなる一次側コイル３１１１が形成された一次側コイル形成部３１１、及び一次側電子部品３１２１が実装される一次側実装部３１２を有する一次側基板３１と、導体パターンからなる二次側コイル３２１１が形成された二次側コイル形成部３２１、及び二次側電子部品３２２１，３２２２が実装される二次側実装部３２２を有する二次側基板３２とを備える。一次側コイル形成部３１１及び二次側コイル形成部３２１が板厚方向に対向するように、一次側基板３１及び二次側基板３２が板厚方向に並んで配置される。【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換装置に関する。

トラクターや重機などの車両や産業機械には、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置が搭載されている。特許文献１には、一次側コイル、二次側コイル及びコアからなるトランスと、一次側コイルに接続された一次側回路と、二次側コイルに接続された二次側回路とを有する電力変換装置が開示されている。一次側回路は、直流電流を交流電流に変換して一次側コイルに出力する。二次側回路は、二次側コイルに流れる交流電流を直流電流に変換する。

特許第６５１６９１０号公報

電力変換装置に要求される仕様（例えば、一次側コイルや二次側コイルのターン数、一次側回路や二次側回路の構成）は、入力電圧や出力電圧に応じて異なる。このため、電力変換装置全体を一括して設計すると、入力電圧や出力電圧が異なる場合に電力変換装置全体を設計変更しなくてはならず、様々な仕様への対応が難しく、汎用性が低い電力変換装置になる、という課題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みたものであって、汎用性が高い電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、導体パターンからなる一次側コイルが形成された一次側コイル形成部、及び一次側電子部品が実装される一次側実装部を有する一次側基板と、導体パターンからなる二次側コイルが形成された二次側コイル形成部、及び二次側電子部品が実装される二次側実装部を有する二次側基板とを備え、前記一次側コイル形成部及び前記二次側コイル形成部が板厚方向に対向するように、前記一次側基板及び前記二次側基板が前記板厚方向に並んで配置される電力変換装置である。

本発明に係る電力変換装置によれば、一次側コイルと一次側電子部品とが一次側基板にまとめられ、二次側コイルと二次側電子部品とが二次側基板にまとめられているため、一次側を構成する部品点数、二次側を構成する部品点数をそれぞれ減らすことができる。これにより、要求される仕様（例えば、入力電圧や出力電圧）に応じて、一次側コイルのターン数や一次側電子部品の種類を異ならせた複数種類の一次側基板の中から、要求される仕様に対応する一次側基板を選択し、二次側コイルのターン数や二次側電子部品の種類を異ならせた複数種類の二次側基板の中から、要求される仕様に対応する二次側基板を選択し、それらの一次側基板及び二次側基板を組み合わせることにより、様々な仕様に対応可能な電力変換装置を提供することができる。すなわち、汎用性が高い電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示す分解斜視図である。上記電力変換装置を示す断面図である。図２のIII−IIIの位置での上記電力変換装置の断面図である。上記電力変換装置の機能ブロック図である。上記電力変換装置の一次側基板を示す斜視図である。上記電力変換装置の二次側基板を示す斜視図である。上記電力変換装置のブラケットを示す斜視図である。上記電力変換装置の制御基板を示す斜視図である。上記電力変換装置において選択される複数種類の一次側基板及び二次側基板の例を示す図である。上記電力変換装置における一次側基板及び二次側基板の組み合わせの一例を示す回路図である。上記電力変換装置における一次側基板及び二次側基板の組み合わせの他の例を示す回路図である。上記電力変換装置における一次側基板及び二次側基板の組み合わせの他の例を示す回路図である。

以下、図１〜図１２を参照して本発明の一実施形態について説明する。本実施形態では、説明の便宜上、図１等に示す上下、左右及び前後の矢印に示す方向を、上下方向、左右方向及び前後方向と定義して構成要素の位置や向き等を説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１は、ケース２と、トランス３と、入力コネクタ４と、平滑回路部５と、出力コネクタ６と、制御基板７と、カバー８とを備える。

ケース２は、アルミニウムなどの熱伝導率が高い材料からなり、上下方向を厚さ方向とする板状に形成されている。図１及び図２に示すように、ケース２は、上側に向く載置面２０を有する。載置面２０には、トランス３を載置するための三つの載置領域２１〜２３が設けられている。第一載置領域２１、第二載置領域２２及び第三載置領域２３は、この順番で後方から前方に向かって並んで設けられている。第一載置領域２１は、載置面２０と略同じ高さの平面領域になっている。第二載置領域２２は、第一載置領域２１よりも一段高い平面領域になっている。第三載置領域２３は、第二載置領域２２よりも一段高い平面領域になっている。第一〜第三載置領域２１〜２３は、第一載置領域２１が最も低く、第二載置領域２２、第三載置領域２３の順に一段ずつ高くなった段差状になっている。第二載置領域２２には、後述するトランスコア３４を載置するためのコア載置凹部２４が形成されている。コア載置凹部２４は、左右方向に延びる凹部であり、第二載置領域２２の左右両端部まで延びて左右方向にも開口している。コア載置凹部２４の底面は、載置面２０及び第一載置領域２１と略同じ高さの平面になっている。ケース２は、載置面２０に載置されるトランス３等の熱を放散させて冷却するヒートシンクの機能を有している。ケース２は、空気の対流を利用した空冷式のヒートシンクであるが、水などの冷却媒体を利用した冷媒式のヒートシンクとしてもよい。

ケース２の第一載置領域２１には、二つの円筒状の基板支持部２１２が左右方向に間隔をあけて形成されている。二つの基板支持部２１２はそれぞれ、上下方向に延びる円筒状であり、その上面にネジ孔２１１が形成されている。二つの基板支持部２１２の上面の高さはそれぞれ、第二載置領域２２と略同じ高さになっている。第二載置領域２２には、コア載置凹部２４よりも第一載置領域２１に近い側の領域において、二つのネジ孔２２１が左右方向に間隔をあけて形成されている。第三載置領域２３には三つのネジ孔２３１が形成されている。三つのネジ孔２３１は、左右方向に間隔をあけて形成された二つのネジ孔２３１と、それら二つのネジ孔２３１の間の位置で二つのネジ孔２３１よりも第二載置領域２２に近づいた位置に形成された一つのネジ孔２３１とからなる。

トランス３は、一次側基板３１と、二次側基板３２と、絶縁部材３３と、トランスコア３４とを備える。以下の説明では、一次側基板３１、二次側基板３２の板厚方向を上下方向として説明する。

図１及び図５に示すように、一次側基板３１は、基板前方側に設けられた一次側コイル形成部３１１と、基板後方側に設けられた一次側実装部３１２とを有する。一次側コイル形成部３１１及び一次側実装部３１２は一枚の基板に形成されている。一次側コイル形成部３１１には、帯状の導体パターンからなる一次側コイル３１１１が形成されている。一次側コイル３１１１は、一次側コイル形成部３１１の上面において渦状に２ターン（２周）のコイルが形成され、そのコイルに繋がって更に渦状に２ターンのコイルが一次側コイル形成部３１１の下面に形成されて、合計４ターンのコイルになっている。一次側コイル３１１１は、渦状の２ターンのコイルが板厚方向に２層繋がって形成された構成になっている。一次側コイル形成部３１１の上面における一次側コイル３１１１の外周側の端部は、一次側実装部３１２まで延びて一次側実装部３１２に形成された導体パターン３１２５（配線パターン）に接続されている。一方、一次側コイル形成部３１１の上面における一次側コイル３１１１の内周側の端部は、板厚方向の２層目のコイルに繋がり、その２層目のコイルの端部が一次側実装部３１２まで延びて一次側実装部３１２に形成された導体パターン３１２６（配線パターン）に接続されている。なお、一次側コイル３１１１の２層目のコイルは、一次側コイル形成部３１１の下面や内部において渦状に形成されてもよい。

一次側コイル形成部３１１には、一次側コイル３１１１の内側において上下方向に貫通する貫通孔３１１２が形成されている。一次側コイル形成部３１１の外形は、一次側コイル形成部３１１に形成された一次側コイル３１１１の外形に合わせた円形状になっている。

一次側実装部３１２は上下方向から見て矩形板状に形成されている。一次側実装部３１２の前方側の辺に、一次側コイル形成部３１１が繋がって一体になっている。一次側実装部３１２の下面には、一つのＦＥＴモジュール３１２１（一次側電子部品）が実装される。ＦＥＴモジュール３１２１は、一次側回路としてブリッジ回路を構成する四つのＦＥＴ３１２２（電解効果トランジスタ）及び回路基板（図１０〜図１２）と、それらのブリッジ回路を内部に収容する直方体状の封止樹脂と、ブリッジ回路に接続されて封止樹脂の外部まで延びる複数の接続端子とを有する。ＦＥＴモジュール３１２１は、一次側実装部３１２に形成されたスルーホールに複数の接続端子を一次側実装部３１２の下面側から挿通させて半田付けされることにより、一次側実装部３１２の下面に実装される。このように実装されたＦＥＴモジュール３１２１は、一次側実装部３１２に形成された導体パターン３１２５，３１２６（配線パターン）を介して一次側コイル３１１１に接続され（図４参照）、ＦＥＴモジュール３１２１に入力された直流電流を交流電流に変換して一次側コイル３１１１に出力する。

一次側実装部３１２の上面には、一次側基板３１を制御基板７に電気的に接続するための複数の接続ピン３１２３が上方に延びて取り付けられている。複数の接続ピン３１２３はそれぞれ、一次側実装部３１２に形成された配線パターンに接続され、当該配線パターンを介して一次側実装部３１２に実装されるＦＥＴモジュール３１２１に電気的に接続される。

一次側実装部３１２には、一次側実装部３１２を上下方向に貫通する四つの固定用孔３１２４が形成されている。四つの固定用孔３１２４はそれぞれ、一次側基板３１をケース２に固定するためのネジ（不図示）を通す孔であり、ケース２の第一及び第二載置領域２１，２２に形成された四つのネジ孔２１１，２２１に対応している。固定用孔３１２４は一次側実装部３１２の左右方向の両端部に二つずつ配置され、一次側実装部３１２の左右方向の各端部に位置する二つの固定用孔３１２４が前後方向に間隔をあけて位置する。

図１及び図６に示すように、二次側基板３２は、基板後方側に設けられた二次側コイル形成部３２１と、基板前方側に設けられた二次側実装部３２２とを有する。二次側コイル形成部３２１及び二次側実装部３２２は一枚の基板に形成されている。二次側コイル形成部３２１には、帯状の導体パターンからなる二次側コイル３２１１が形成されている。二次側コイル３２１１は、二次側コイル形成部３２１の上面に形成された１ターン（１周）のコイルと、二次側コイル形成部３２１の下面に形成された１ターンのコイルとを有し、それらのコイルが並列に接続された構成となっている。二次側コイル３２１１の両端部はそれぞれ、二次側実装部３２２まで延びて二次側実装部３２２に形成された配線パターン（不図示）に接続されている。なお、二次側コイル３２１１は、二次側コイル形成部３２１の下面や内部に形成されてもよい。

二次側コイル形成部３２１には、二次側コイル３２１１の内側において上下方向に貫通する貫通孔３２１２が形成されている。二次側コイル形成部３２１の外形は、二次側コイル形成部３２１に形成された二次側コイル３２１１の外形に合わせた円形状になっている。

二次側実装部３２２は上下方向から見て矩形板状に形成されている。二次側実装部３２２の後方側の辺に、二次側コイル形成部３２１が繋がって一体になっている。二次側実装部３２２の上面には、二つのＦＥＴ３２２１（電解効果トランジスタ）と、二つのダイオード３２２２とが実装されている。二つのＦＥＴ３２２１及び二つのダイオード３２２２はそれぞれ、二次側実装部３２２に形成された配線パターンに接続され、これらの配線パターンと共に二次側回路（ブリッジ回路）を構成する。この二次側回路は、二次側コイル３２１１に接続され（図４参照）、二次側コイル３２１１に流れる交流電流を直流電流に変換する整流回路である。二つのＦＥＴ３２２１はブリッジ回路におけるロ―サイドの整流素子として使用され、二つのダイオード３２２２はブリッジ回路におけるハイサイドの整流素子として使用される（図１０参照）。この二次側回路では、ＦＥＴ３２２１とダイオード３２２２とを直列接続した組を二つ並列に接続しているため、高耐圧化により広範囲の入力電圧に対応可能である。また、これらの電子部品のいずれか一つにショートなどの故障が発生しても出力短絡を引き起こさないため、高い安全性を確保することができる。

二次側実装部３２２の上面には、二次側基板３２を制御基板７に電気的に接続するための複数の接続ピン３２２３が上方に延びて取り付けられている。複数の接続ピン３２２３はそれぞれ、二次側実装部３２２に形成された配線パターンに接続され、当該配線パターンを介して二次側実装部３２２に実装される二つのＦＥＴ３２２１及び二つのダイオード３２２２に電気的に接続されている。

二次側実装部３２２には、二次側実装部３２２を上下方向に貫通する三つの固定用孔３２２４が形成されている。三つの固定用孔３２２４はそれぞれ、二次側基板３２をケース２に固定するためのネジ（不図示）を通す孔であり、ケース２の第三載置領域２３に形成された三つのネジ孔２３１に対応している。三つの固定用孔３２２４は左右方向に間隔をあけて並んでいる。また、二次側実装部３２２には、二次側実装部３２２を上下方向に貫通する一つの接続用孔３２２５が形成されている。接続用孔３２２５は、二次側実装部３２２における二次側コイル形成部３２１と反対側の位置に形成されている。接続用孔３２２５は、二次側実装部３２２に形成された配線パターン（二次側回路）と平滑回路部５とを電気的に接続するためのバスバー（不図示）をネジ止め等により固定するための孔である。

図１に示すように、絶縁部材３３は、電気的な絶縁性を有する材料からなり、上下方向を板厚方向とする円盤状に形成されている。絶縁部材３３には、上下方向に貫通する貫通孔３３１が形成されている。絶縁部材３３は、絶縁部材３３の下面側において一次側基板３１の一次側コイル形成部３１１を保持し、絶縁部材３３の上面側において二次側基板３２の二次側コイル形成部３２１を保持するボビンとしての機能を有している。

トランスコア３４は、磁性材料からなるＥ型の第一コア部材３４１と、磁性材料からなるＩ型の第二コア部材３４２とを有する。第一コア部材３４１は、上下方向を板厚方向とする平板状の基部３４１１と、基部３４１１の下面中央から下方に延びる円柱状の挿通部３４１２と、基部３４１１の左右端部からそれぞれ下方に延びる二つの壁部３４１３とを有する。第二コア部材３４２は、上下方向を板厚方向とする平板状に形成されている。トランスコア３４は、第一コア部材３４１における挿通部３４１２の下面及び左右の壁部３４１３の下面と、第二コア部材３４２の上面とを面接触させて組み合わせることにより構成される。

このように構成されるトランス３では、図１〜図３に示すように、トランスコア３４の第二コア部材３４２がケース２のコア載置凹部２４内に上方から挿入されて載置される。第二コア部材３４２の板厚がコア載置凹部２４の深さと略同じ寸法になっており、コア載置凹部２４内に載置された第二コア部材３４２の上面とケース２の第二載置領域２２をなす上面とが面一の状態となる。第二コア部材３４２の前後端部はそれぞれ内側にくびれた凹状になっており、それに対応してコア載置凹部２４の前後壁が内側に凸状になっている。これらの凹凸の係合により、コア載置凹部２４内に載置された第二コア部材３４２の左右方向の移動が規制されるようになっている。

トランスコア３４の第二コア部材３４２をケース２のコア載置凹部２４内に載置した後に、一次側基板３１の一次側コイル形成部３１１の下面が、第二コア部材３４２の上面及びケース２の第二載置領域２２上に面接触し、一次側実装部３１２の下面に実装されたＦＥＴモジュール３１２１の下面がケース２の第一載置領域２１上に面接触するように、一次側基板３１がケース２の載置面２０に載置される。このとき、第一載置領域２１に形成された二つの基板支持部２１２の上面が一次側実装部３１２の下面に面接触し、二つの基板支持部２１２によっても一次側基板３１が支持されるようになっている。また、第二載置領域２２と第三載置領域２３の間の段差壁部には、一次側コイル形成部３１１の円形状の外形に合わせた円弧状の凹部が形成されている。このように載置された一次側基板３１は、四つの固定用孔３１２４にそれぞれ上方から挿入されたネジを、二つの基板支持部２１２のネジ孔２１１及び第二載置領域２２の二つのネジ孔２２１に螺合させることにより、当該一次側基板３１がケース２に固定される。なお、四つの固定用孔３１２４のうち一次側実装部３１２の前方側に形成された左右二つの固定用孔３１２４へのネジの挿入と、当該ネジを第二載置領域２２の二つのネジ孔２２１へ螺合させることは、後述するブラケット９も一緒に固定するため、後の工程にて行われる。

ケース２に固定された一次側基板３１の一次側コイル形成部３１１の上面に絶縁部材３３の下面が面接触し、一次側コイル形成部３１１の貫通孔３１１２と絶縁部材３３の貫通孔３３１とが上下方向に連通するように、絶縁部材３３が一次側コイル形成部３１１上に載置される。そして、二次側基板３２の二次側コイル形成部３２１の下面が、一次側コイル形成部３１１上に載置された絶縁部材３３の上面に面接触し、絶縁部材３３の貫通孔３３１と二次側コイル形成部３２１の貫通孔３２１２とが上下方向に連通し、さらに二次側実装部３２２の下面がケース２の第三載置領域２３上に面接触するように、二次側基板３２がケース２の載置面２０上に載置される。このように載置された二次側基板３２は、三つの固定用孔３２２４にそれぞれ上方から挿入されたネジを第三載置領域２３の三つのネジ孔２３１に螺合させることにより、当該二次側基板３２がケース２に固定される。なお、三つの固定用孔３２２４のうち二次側実装部３２２の中央側に形成された一つの固定用孔３２２４へのネジの挿入と、当該ネジを第三載置領域２３の中央側に形成された一つのネジ孔２３１へ螺合させることは、後述するブラケット９も一緒に固定するため、後の工程にて行われる。

二次側基板３２がケース２に固定されて上下方向に連通した二次側コイル形成部３２１の貫通孔３２１２、絶縁部材３３の貫通孔３３１及び一次側コイル形成部３１１の貫通孔３１１２に、トランスコア３４の第一コア部材３４１の挿通部３４１２を上方から挿入し、挿通部３４１２の下面及び第一コア部材３４１の左右の壁部３４１３の下面が、第二コア部材３４２の上面に面接触するように、第一コア部材３４１が第二コア部材３４２上に載置される。このように第一コア部材３４１が載置されると、上下方向に重ねて載置された二次側コイル形成部３２１、絶縁部材３３及び一次側コイル形成部３１１の左右方向の側方にそれぞれ第一コア部材３４１の左右の壁部３４１３が配置された状態となる。

第一コア部材３４１を第二コア部材３４２上に載置した後に、図７に示すブラケット９によってトランスコア３４がケース２に固定される。ブラケット９は、金属製の平板部材を折り曲げ加工等して形成されており、矩形状のベース部９１と、ベース部９１の後端部の左右に設けられた二つの第一固定部９２と、ベース部９１の前端部の中央に設けられた第二固定部９３と、ベース部９１の内側に設けられた二つのコア押圧部９４と、ベース部９１の後端部の中央に設けられた第一基板押圧部９５と、ベース部９１の前端部の左右に設けられた二つの第二基板押圧部９６とを有する。

ベース部９１の左右端部にはそれぞれ、下方に延びる壁部が形成されている。二つの第一固定部９２はそれぞれ、ベース部９１の後端部から下方に延び、更にその先端側が後方に延びるように形成されている。二つの第一固定部９２の先端側にはそれぞれ、上下方向に貫通した第一ネジ挿通孔９２１が形成されている。第二固定部９３は、ベース部９１の前端部から下方に延び、更にその先端側が前方に延びるように形成されている。第二固定部９３の先端側には、上下方向に貫通した第二ネジ挿通孔９３１が形成されている。

二つのコア押圧部９４はそれぞれ、ベース部９１をコ字状に切り抜くことにより形成され、ベース部９１の中央部から左右方向に斜め下方に延びる板状になっている。二つのコア押圧部９４は、ベース部９１と繋がる基端部を支点として上下方向に弾性変形可能な板バネになっている。第一基板押圧部９５は、ベース部９１の後端部から後方斜め下方に延びる板状であり、ベース部９１と繋がる基端部を支点として上下方向に弾性変形可能な板バネになっている。二つの第二基板押圧部９６はそれぞれ、ベース部９１の前端部から下方に延び、更にその先端側がＵ字状に折り曲げられて形成されている。

上記のように第一コア部材３４１を第二コア部材３４２上に載置した後に、ブラケット９の二つの第一固定部９２の先端側の下面が、一次側基板３１の一次側実装部３１２の上面に面接触し、二つの第一固定部９２の第一ネジ挿通孔９２１と一次側実装部３１２の前方側に形成された左右二つの固定用孔３１２４とが連通するように、ブラケット９が一次側基板３１上に載置される。さらに、ブラケット９の第二固定部９３の先端側の下面が、二次側基板３２の二次側実装部３２２の上面に面接触し、第二固定部９３の第二ネジ挿通孔９３１と二次側実装部３２２の中央側に形成された一つの固定用孔３２２４とが連通するように、ブラケット９が二次側基板３２上に載置される。このように載置されたブラケット９は、二つの第一ネジ挿通孔９２１及び一次側実装部３１２の二つの固定用孔３１２４にそれぞれ上方から挿入されたネジを、ケース２の第二載置領域２２の二つのネジ孔２２１へ螺合させるとともに、第二ネジ挿通孔９３１及び二次側実装部３２２の固定用孔３２２４に上方から挿入されたネジを、ケース２の第三載置領域２３のネジ孔２３１に螺合させることにより、当該ブラケット９が一次側基板３１及び二次側基板３２と一緒にケース２に固定される。

ブラケット９がケース２に固定されると、ベース部９１がトランスコア３４の上方に配置され、二つのコア押圧部９４の先端部がそれぞれ第一コア部材３４１の上面に押し付けられて、二つのコア押圧部９４がそれぞれ弾性変形する。これら二つのコア押圧部９４の弾性力によって第一コア部材３４１が第二コア部材３４２押し付けられるとともに、第二コア部材３４２がケース２のコア載置凹部２４に押し付けられることにより、トランスコア３４がケース２に固定される。また、ブラケット９がケース２に固定されると、第一基板押圧部９５の下端部が、二次側基板３２の二次側コイル形成部３２１の上面における後端側の領域３２２６（図６参照）に押し付けられるとともに、二つの第二基板押圧部９６の下端部がそれぞれ二次側実装部３２２の上面における後端側の左右二つの領域３２２７（図６参照）に押し付けられる。

このようにケース２に固定されたトランス３では、図１〜図３に示すように、ケース２の第一載置領域２１の上方側に一次側基板３１の一次側実装部３１２が配置される。一次側実装部３１２の下面に実装されたＦＥＴモジュール３１２１の下面が第一載置領域２１上に面接触した状態で配置される。ケース２の第二載置領域２２の上方側には、一次側基板３１の一次側コイル形成部３１１、絶縁部材３３及び二次側コイル形成部３２１が上下方向に並んで配置される。一次側コイル形成部３１１の下面が絶縁シート（不図示）を介して第二載置領域２２上に面接触し、その一次側コイル形成部３１１の上面に絶縁部材３３の下面が面接触し、その絶縁部材３３の上面に二次側コイル形成部３２１の下面が面接触した状態で配置される。二次側コイル形成部３２１の上面にも絶縁シート（不図示）が配置される。ケース２の第三載置領域２３の上方側に二次側基板３２の二次側実装部３２２が配置される。二次側実装部３２２の下面が絶縁シート（不図示）を介して第三載置領域２３上に面接触した状態で配置される。

図１に示すように、入力コネクタ４は、接続開口部を有するハウジング４１と、ハウジング４１内に設けられる複数の接続端子４２とを有する。入力コネクタ４は、ケース２の後壁部の貫通孔にケース２の内側から挿通されて取り付けられ、一次側基板３１の一次側実装部３１２が配置される第一載置領域２１の近くに設けられる。ケース２に取り付けられた入力コネクタ４では、複数の接続端子４２の端部側がハウジング４１から突出してケース２の内側（前方）に延び、更にその先端側が上方に屈曲されて延びている。複数の接続端子４２の当該先端側は、制御基板７に接続されるようになっている。

平滑回路部５は、出力側チョークコイル５１と、出力側コンデンサ５２とを有する。平滑回路部５は、ケース２の載置面２０における前端側に設けられる。出力側チョークコイル５１は、二次側基板３２の二次側実装部３２２の接続用孔３２２５を用いて固定されるバスバー（不図示）を介して二次側基板３２の二次側回路に電気的に接続される。平滑回路部５は、二次側基板３２の二次側回路から出力された電流の波形を平滑化するようになっている。

出力コネクタ６は、ケース２の前端から前方に延びるように設けられ、平滑回路部５に電気的に接続されている（図４参照）。

図１、図２及び図８に示すように、制御基板７は、上下方向を板厚方向とする板状に形成されている。制御基板７の下面７０には複数の制御用電子部品７１が実装されている。複数の制御用電子部品７１は、一次側基板３１に実装されたＦＥＴモジュール３１２１、及び二次側基板３２に実装された二つのＦＥＴ３２２１の動作を制御する制御回路を構成する。制御基板７は、制御基板７の下面７０がケース２の載置面２０に対向するように、載置面２０及び載置面２０に配置されたトランス３の上方側に配置される。トランス３の上方側に配置された制御基板７には、一次側基板３１の一次側実装部３１２に設けられた複数の接続ピン３１２３、二次側基板３２の二次側実装部３２２に設けられた複数の接続ピン３２２３、及び入力コネクタ４の複数の接続端子４２がそれぞれ接続される。これらの接続により、入力コネクタ４、制御基板７、一次側基板３１及び二次側基板３２が電気的に接続される。複数の制御用電子部品７１は、制御基板７の下面７０において、トランス３と対向する領域７０１を除く領域に実装されている。これにより、ケース２の載置面２０及びトランス３と制御基板７との間隔を小さく抑えることができ、電力変換装置１の薄型化を図ることができる。

図１及び図２に示すように、カバー８は、下方に開口する箱状に形成されている。カバー８は、ケース２の載置面２０、載置面２０に配置されたトランス３及び平滑回路部５、並びに、載置面２０及びトランス３の上方側に配置された制御基板７を覆うように、ケース２に装着可能になっている。カバー８の後壁部には、カバー８をケース２に装着する際に入力コネクタ４との干渉を防ぐための切欠き８１が形成されている。同様に、カバー８の前壁部にも、出力コネクタ６との干渉を防ぐための切欠き（不図示）が形成されている。

図４に示すように、電力変換装置１では、所定の電圧の直流電流が、入力コネクタ４から制御基板７を通して一次側基板３１のＦＥＴモジュール３１２１に入力されて交流電流に変換され、一次側コイル３１１１に出力される。一次側コイル３１１１に交流電流が流れると、電磁誘導によって二次側コイル３２１１に交流電流が流れる。一次側コイル３１１１及び二次側コイル３２１１のターン数が互いに異なることで、二次側コイル３２１１に流れる交流電流の電圧は、一次側コイル３１１１に流れる交流電流の電圧と異なる。例えば、二次側コイル３２１１のターン数が一次側コイル３１１１のターン数よりも少ないと、二次側コイル３２１１に流れる交流電流の電圧は、一次側コイル３１１１に流れる交流電流の電圧よりも低くなる。二次側コイル３２１１に流れる交流電流は、二次側基板３２のＦＥＴ３２２１及びダイオード３２２２において直流電流に変換され、この直流電流の波形が平滑回路部５において平滑化される。平滑化された直流電流の電圧は、入力コネクタ４から入力された直流電流の電圧と異なる。平滑化された直流電流は出力コネクタ６から外部に出力される。

上記のように電力変換装置１が動作する際には、一次側基板３１の一次側コイル３１１１、ＦＥＴモジュール３１２１、二次側基板３２の二次側コイル３２１１、ＦＥＴ３２２１及びダイオード３２２２、トランスコア３４が発熱するが、これらの熱はトランス３を載置したケース２に逃がすことができる。特に、ＦＥＴモジュール３１２１は一次側実装部３１２を介さずに第一載置領域２１に直接面接触させているため、ＦＥＴモジュール３１２１の熱を効率よくケース２に逃がすことができる。

電力変換装置１では、トランス３における一次側基板３１及び二次側基板３２を、コイルのターン数や実装部品等が異なる複数種類の一次側及び二次側基板の中から選択して変更可能になっている。これらの選択及び変更は、入力電圧や出力電圧等の要求される仕様に応じて行い、様々な仕様に対応可能な電力変換装置１とすることができる。図９に例示するように、一次側基板は、上述した一次側基板３１を含む四種類の一次側基板の中から適宜選択することができる。これら四種類の一次側基板は、外形形状や寸法は互いに同じになっており、ＦＥＴモジュール３１２１が実装されることも同じであるが、一次側コイル形成部３１１に形成される一次側コイルの構成が異なっている。

第一の一次側基板３１‐１は、上述した一次側基板３１と同じ基板である。第二の一次側基板３１‐２の一次側コイル３１１１‐２は、一次側コイル形成部３１１の上面において渦状に２ターン（２周）のコイルが形成され、そのコイルに繋がって更に渦状に２ターンのコイルが一次側コイル形成部３１１の内部及び下面に３層形成されて、合計８ターンのコイルになっている。一次側コイル３１１１‐２は、渦状の２ターンのコイルが板厚方向に４層繋がって形成された構成になっている。第三の一次側基板３１‐３の一次側コイル３１１１‐３は、一次側コイル形成部３１１の上面において渦状に３ターンのコイルが形成され、そのコイルに繋がって更に渦状に２ターンの二つのコイルと３ターンのコイルとが一次側コイル形成部３１１の内部及び下面に３層形成されて、合計１０ターンのコイルになっている。一次側コイル３１１１‐３は、渦状の３ターンの二つのコイルと２ターンの二つのコイルとが板厚方向に４層繋がって形成された構成になっている。第四の一次側基板３１‐４の一次側コイル３１１１‐４は、一次側コイル形成部３１１の上面において渦状に４ターンのコイルが形成され、そのコイルに繋がって更に渦状に３ターンの三つのコイルが一次側コイル形成部３１１の内部及び下面に３層形成されて、合計１３ターンのコイルになっている。一次側コイル３１１１‐４は、渦状の４ターンのコイルと３ターンの三つのコイルとが板厚方向に４層繋がって形成された構成になっている。

二次側基板は、上述した二次側基板３２を含む四種類の二次側基板の中から適宜選択することができる。これら四種類の二次側基板は、外形形状や寸法は互いに同じになっているが、二次側コイル形成部３２１に形成される二次側コイルの構成や、二次側実装部３２２に実装される電子部品の種類が異なっている。第一の二次側基板３２‐１は、上述した二次側基板３２と同じ基板である。

第二の二次側基板３２‐２は、上述した二次側基板３２と比較して、二次側コイル形成部３２１に形成される二次側コイル３２１１‐２の構成だけが異なる。二次側コイル３２１１‐２は、二次側コイル形成部３２１の上面に形成された１ターン（１周）のコイルと、二次側コイル形成部３２１の下面に形成された１ターンのコイルとが直列に接続されて、合計２ターンのコイルになっている。このように２ターン構成の二次側コイル３２１１‐２は、１ターン構成の第一の二次側基板３２−１と比較して、出力電圧を二倍とすることができる。また、第二の二次側基板３２−２では、第一の二次側基板３２−１と同様に、広範囲の入力電圧に対応可能であり、かつ、高い安全性を確保することができる。

第三の二次側基板３２‐３は、上述した二次側基板３２と比較して、二次側実装部３２２に実装される電子部品の種類だけが異なる。第三の二次側基板３２‐３の二次側実装部３２２の上面には、四つのＦＥＴ３２２１が実装されている。図１１に示すように、これら四つのＦＥＴ３２２１は、二次側回路としてブリッジ回路を構成している。四つのＦＥＴ３２２１は、ブリッジ回路におけるロ―サイド及びハイサイドの両方の整流素子として使用される。第三の二次側基板３２‐３では、二次側回路がＦＥＴ３２２１だけを用いた同期整流型の回路となるため、第一及び第二の二次側基板３２‐１，３２‐２よりも高効率化を実現することができる。また、二次側回路が同期整流型の回路となることで、二次側を入力側とし、一次側を出力側とした双方向側のトランスを構成することができる。

第四の二次側基板３２‐４では、図９及び図１２に示すように、二次側実装部３２２に構成される二次側回路がセンタータップ方式の回路になっている。二次側コイル形成部３２１に形成される二次側コイル３２１１‐４は、二次側コイル形成部３２１の上面に形成された１ターンのコイルと、二次側コイル形成部３２１の下面に形成された１ターンのコイルとが直列に接続されている。その接続点には、二次側回路の第一の出力端子３２２８が接続されている。二次側回路の第二の出力端子３２２９は、直列接続された二つの二次側コイル３２１１‐４の両端に接続されている。二つの二次側コイル３２１１‐４の両端と第二の出力端子３２２９との間にはそれぞれ、二つのＦＥＴ３２２１を並列接続したＦＥＴユニットが設けられている。第四の二次側基板３２‐４では、二次側回路における電力損失を低減することができるため、高効率化を実現することができると共に、大電流出力にも対応することができる。なお、第四の二次側基板３２‐４においては、各ＦＥＴユニットにおけるＦＥＴ３２２１の数を一つにすることができるため、また、二次側回路におけるＦＥＴ３２２１をダイオードに変えることもできるため、第四の二次側基板３２‐４の製造コストの削減を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、一次側コイル３１１１と一次側回路を構成するＦＥＴモジュール３１２１とが一次側基板３１にまとめられ、二次側コイル３２１１と二次側回路を構成する二次側電子部品とが二次側基板３２にまとめられている。このため、一次側を構成する部品点数、二次側を構成する部品点数をそれぞれ減らすことができる。これにより、要求される仕様（例えば入力電圧や出力電圧）に応じて、例えば、一次側コイル３１１１のターン数を異ならせた四種類の一次側基板３１−１〜４の中から要求される仕様に対応する一次側基板を選択し、二次側コイル３２１１のターン数や二次側電子部品の種類（二次側回路の構成）を異ならせた四種類の二次側基板３２−１〜４の中から要求される仕様に対応する二次側基板を選択し、それらの一次側基板及び二次側基板を組み合わせることにより、様々な仕様に対応可能な電力変換装置１を提供することができる。すなわち、汎用性が高い電力変換装置１を提供することが可能となる。

電力変換装置１では、四種類の一次側基板３１−１〜４の外形寸法が同じであり、四種類の二次側基板３２−１〜４の外形寸法が同じである。このため、要求される仕様に関わらず、電力変換装置１の他の構成要素（ケース２、入力コネクタ４、平滑回路部５、出力コネクタ６、カバー８など）を共通の部品として利用することができる。これにより、電力変換装置１の全ての構成要素を要求される仕様毎に用意する場合と比較して、構成要素のコスト削減を図ることができる。したがって、より低コストの電力変換装置１を提供することが可能となる。また、四種類の一次側基板３１−１〜４の外形寸法が同じであり、四種類の二次側基板３２−１〜４の外形寸法が同じであるため、仕様の異なる電力変換装置１であっても同一の組立装置で自動的に組み立てることができる。

電力変換装置１では、一次側実装部３１２及び二次側実装部３２２が上下方向に対向しない位置となるように、一次側基板３１及び二次側基板３２が上下方向に並んで配置される。このため、一次側実装部３１２に実装されたＦＥＴモジュール３１２１において生じた熱や、二次側実装部３２２に実装された二次側電子部品において生じた熱が、一次側基板３１と二次側基板３２との間で籠ることを防止することができる。これにより、熱が籠ることに基づいて、ＦＥＴモジュール３１２１や二次側電子部品の温度が過度に高くなることを防ぐことができる。

電力変換装置１では、一次側実装部３１２及び二次側実装部３２２が前後方向において一次側コイル形成部３１１及び二次側コイル形成部３２１を間に挟む対称な位置となるように、一次側基板３１及び二次側基板３２が上下方向に並んで配置される。これにより、一次側実装部３１２に設けられるＦＥＴモジュール３１２１と、二次側実装部３２２に設けられる二次側電子部品とを互いに遠ざけることができ、これらＦＥＴモジュール３１２１と二次側電子部品との電磁気的な干渉を最小限に抑えることができる。

電力変換装置１では、ＦＥＴモジュール３１２１や四つの二次側電子部品の動作を制御する制御回路が、一次側基板３１や二次側基板３２とは別の制御基板７に設けられている。このため、仕様が異なる制御基板７を複数種類用意しておくことで、要求される仕様に応じて選択された一次側基板３１及び二次側基板３２に最適な種類の制御基板７を選択することにより、様々な仕様に対応可能な電力変換装置１を提供することができる。また、制御回路が一次側基板３１や二次側基板３２とは別の制御基板７に設けられ、制御基板７が一次側基板３１及び二次側基板３２に対して上下方向に並んで配置されるため、制御回路を一次側基板３１や二次側基板３２に設ける場合と比較して、上下方向から見た一次側基板３１や二次側基板３２の大きさを小さく抑えることができる。また、制御基板７を一次側基板３１や二次側基板３２に対して前後方向や左右方向に並べる場合と比較して、上下方向から見た電力変換装置１の大きさを小さく抑えることができる。したがって、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

電力変換装置１では、一次側コイル３１１１と二次側コイル３２１１とが互いに異なる基板（一次側基板３１、二次側基板３２）に設けられている。このため、一次側コイル３１１１と二次側コイル３２１１との間に配置される絶縁部材３３の厚さや材料を、一次側コイル３１１１及び二次側コイル３２１１のうち高圧側コイルの電圧に応じて適宜変えることができる。これにより、一次側基板３１、絶縁部材３３及び二次側基板３２を重ねた厚さを最小限に抑えたり、絶縁部材３３のコストを最小限に抑えたりすることができる。

以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。例えば、二次側基板３２が一次側基板３１の下面側に配置されてもよい。この場合、ケース２の第三載置領域２３が第二載置領域２２よりも低く形成されればよい。

本発明において、上下方向に重なる一次側コイル形成部３１１及び二次側コイル形成部３２１に対し、一次側実装部３１２が並ぶ方向と、二次側実装部３２２が並ぶ方向とは、上記実施形態のように互いに逆向き（すなわち１８０度）に限らず、例えば４５度や９０度、１３５度などで互いに傾斜してもよい。すなわち、一次側実装部３１２と二次側実装部３２２とは、一次側コイル形成部３１１及び二次側コイル形成部３２１の周方向において互いに異なる位置に配置されてもよい。

本発明では、四種類に限らずさらに多くの種類の一次側基板３１や二次側基板３２の中から選択可能であってもよい。また、トランスコア３４は、材質等が異なる複数種類のトランスコアの中から選択可能としてもよい。制御基板７は、一次側基板３１及び二次側基板３２に対して前後方向や左右方向に並んで配置されてもよい。この場合には、上下方向における電力変換装置１の薄型化を図ることができる。トランスコア３４は、少なくとも一次側基板３１及び二次側基板３２の貫通孔３１１２，３２１２に挿通されて一次側コイル３１１１及び二次側コイル３２１１の内側を通る挿通部３４１２を有していればよい。本発明において、トランス３は、例えばトランスコア３４を備えなくてもよい。

１電力変換装置
２ケース
３トランス
３１一次側基板
３１１一次側コイル形成部
３１１１一次側コイル
３１２一次側実装部
３１２１ＦＥＴモジュール（一次側電子部品）
３２二次側基板
３２１二次側コイル形成部
３２１１二次側コイル
３２２二次側実装部
３２２１ＦＥＴ（二次側電子部品）
３２２２ダイオード（二次側電子部品）
７制御基板

Claims

導体パターンからなる一次側コイルが形成された一次側コイル形成部、及び一次側電子部品が実装される一次側実装部を有する一次側基板と、
導体パターンからなる二次側コイルが形成された二次側コイル形成部、及び二次側電子部品が実装される二次側実装部を有する二次側基板とを備え、
前記一次側コイル形成部及び前記二次側コイル形成部が板厚方向に対向するように、前記一次側基板及び前記二次側基板が前記板厚方向に並んで配置される電力変換装置。
前記一次側実装部及び前記二次側実装部が前記板厚方向に対向しない位置となるように、前記一次側基板及び前記二次側基板が前記板厚方向に並んで配置される請求項１に記載の電力変換装置。
前記一次側実装部及び前記二次側実装部が前記板厚方向に直交する方向において前記一次側コイル形成部及び前記二次側コイル形成部を間に挟んだ対称な位置となるように、前記一次側基板及び前記二次側基板が前記板厚方向に並んで配置される請求項２に記載の電力変換装置。
前記一次側基板及び前記二次側基板に電気的に接続され、前記一次側電子部品及び前記二次側電子部品を制御する制御回路を有する制御基板を備え、
前記一次側基板、前記二次側基板及び前記制御基板が前記板厚方向に並んで配置される請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記一次側基板及び前記二次側基板が配置されるケースを備え、
前記一次側基板及び前記二次側基板はそれぞれ、形成されるコイルのターン数及び実装される電子部品の種類の少なくともいずれかが異なり、基板外形寸法が同じである複数種類の基板の中から選択可能となっており、
選択された前記一次側基板及び前記二次側基板が前記ケースに配置される請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。