JP4151526B2 - パワー変換モジュールおよびそれを用いた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器などに使用されるスイッチング電源等の電源装置およびその電源装置に搭載されるパワー変換モジュールデバイスに関するものである。

近年、情報通信量が大きく増大する中であらゆる電子機器において消費電力は増大する方向になっており、低消費電力化が社会的問題となってきている。特にこれら電子機器の電源部は主としてスイッチング電源で構成されているものが多く、この電源部の高効率化とともに小形化、低ノイズ化が技術的な課題となっており、この電源の開発スピードアップが電子機器の開発していく上で重要なポイントとなっている。

従来、この種のスイッチング電源は図８、図９に示されるような構成になっていた。

以下、従来例として図８、図９を用いて説明する。図８は従来のスイッチング電源の回路ブロック図であり、図９は従来のスイッチング電源の外観斜視図である。

図８、図９に示すように従来のスイッチング電源は入力回路部１、コンバータ部２、出力回路部３が１枚のメイン基板９の上に搭載されて構成しているものが一般的である。

入力回路部１は入力フィルタ１ａ、入力整流回路１ｂ、力率改善回路４、平滑回路１ｃなどから構成されている。また、コンバータ部２は制御回路５、トランス６、１次パワー素子７、２次パワー素子８などから、構成されている。ここで１次パワー素子７はＦＥＴ、２次パワー素子８としてはダイオードが使われることが多いが、ダイオードの代りのスイッチとしてＦＥＴが用いられることもある。さらに出力回路部３は出力平滑部３ａ、出力変換回路３ｂ、出力フィルタ３ｃなどから構成されている。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３のように制御回路を含む回路ブロックをモジュール化して形成したものもある。

また、本出願の別の先行技術文献情報として特許文献４のようにプリントコイル形トランスと１次スイッチ素子と２次整流回路に装着されたヒートシンクを伝熱するための配線パターンを実装基板に設けた構成のものもある。
特開２００１−３５９２８１号公報 特開平５−１９８４４５号公報 特開２００１−１０３７５６号公報 特開平８−４５７４８号公報

しかしながら、最も一般的な従来例を示す図８、図９の構成においては１枚のメイン基板９上に各回路ブロックおよび全部品を搭載して構成しているため、それぞれの仕様が微妙に絡み合って干渉し合うため、最終仕様の決定が難しくなり、設計にも多くの経験を有する熟練者が必要となる、開発リードタイムが非常に長くなるなど、開発設計効率面で課題を残していた。また、電源の出力が増大した場合、コンバータ部２に搭載しているトランス６のサイズが極端に大きくなり、電源形状のサイズ制約をオーバーしてしまったり、温度上昇面でも所定値をオーバーするなど小形化、低発熱化という面でも課題を有していた。

また、特許文献１〜３においては特定部分をモジュール化して小形化を図っているものの制御回路など多くの部品を有する機能満載形の複雑なモジュールブロックとなっているため、仕様決定は図８、図９の従来例に比較してもさらに難しくなる。このため、開発時間、開発コストも大きく増大し、高価な電源ブロックとなるため、市場展開していく上では分野・用途が限定されるなど、多くの課題を有するものであった。

さらに特許文献４においてはトランスの端子とヒートシンクは配線パターンで接続されるため、パターン設計が制約される。また、配線も長くなるため、配線インピーダンスも高くなり、ノイズ増大、損失が大きくなるなど課題を有していた。また、配線パターンを用いて熱を伝熱しているため、ヒートシンクまでの距離が長くなり、伝熱効果も一定以上よくならないという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、設計開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスとそれを搭載したスイッチング電源装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、金属板と、この金属板に貼り付けた、無機フィラー入り樹脂からなる高熱伝導絶縁層と、この絶縁層で固定したリードフレームからなる配線と、別基板上に設けられた制御回路部と接続するための接続端子と、からなる高放熱基板と、この高放熱基板に面接触するように実装した、複数のパワー素子と、トランスと、からなるパワー変換モジュールであって、前記配線は、前記リードフレームを前記高熱伝導絶縁層に埋め込んだものであり前記接続端子は、前記リードフレームの一部を折り曲げたものであり、前記トランスと前記複数のパワー素子とを近接して配置して、ブロック化したパワー変換モジュールとすることを特徴としたものである。

この構成により、薄形トランスとパワー素子との配線距離を最短にできるため、配線インピーダンスが小さくなり、配線上の損失を非常に少なく出来ることに加えてノイズ源となるＦＥＴのドレイン〜ソース間電圧（Ｖｄｓ）のリンギング波形（Ｖｐ−ｐ）、ダイオード両端電圧の波形なども大幅に改善されるので電源の低ノイズ化が達成できる。また、薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５をこの高放熱基板１６と面接触するように実装しているので電源の発熱の主要部品である薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の熱を高放熱基板１６に接触面を通して直接、伝熱してやることが可能となる。このことにより、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の発熱を大幅に低減できるとともに薄形トランス１１のサイズも小形化できるものである。さらに従来と異なり、本発明のブロックには多くの部品を有する複雑な制御回路は実装しないこととしているのでこのブロックの設計が非常に簡単になり、電源設計の熟練者でなくとも短時間で設計できることになる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。

本発明の請求項２に記載の発明は、金属板と、この金属板上に貼り付けた、無機フィラー入り樹脂からなる高熱伝導絶縁層と、この絶縁層で固定したリードフレームからなる配線と、前記リードフレームの一部を折り曲げて形成した接続端子と、からなる高放熱基板と、この高放熱基板に面接触するように実装した、パワー素子とトランスと、からなるパワー変換モジュールであって、前記配線は、前記リードフレームを前記高熱伝導絶縁層に埋め込んだものであり前記トランスの磁心の下面を前記高放熱基板に面接触させたものであり、前記トランスと前記パワー素子とを近接して配置して、ブロック化したパワー変換モジュールとするものであり、接続端子の少なくとも１本を制御回路部に接続するための端子としたものであり、これにより、別の基板上に構成された制御回路部と接続できるため、本モジュールデバイスの制御が別基板から、簡単に実現できるという効果が生まれる。

本発明の請求項３に記載の発明は、リードフレームを０．３ｍｍ以上の厚みを有する銅板で形成するものであり、抵抗値を低減でき、大電流対応も可能とするものである。

本発明の請求項４に記載の発明は、金属板は、アルミニウムもしくは銅のいずれかであり、筐体への取付部を設けた請求項１もしくは２のいずれか一つに記載のパワー変換モジュールとしたものであり、軽量化、熱伝導性が向上、低発熱化が図れる。

本発明の請求項５に記載の発明は、トランスは、複数のパワー素子の間に設置する請求項２記載のパワー変換モジュールであり、ノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。

本発明の請求項６に記載の発明は、トランスを、チョークコイルとしたものであり、チョークコイルとパワー素子との配線距離を最短にできるため、配線インピーダンスが小さくなり、配線損失を非常に少なく出来ることに加えてＦＥＴ、ダイオードの両端電圧波形も改善されるので低ノイズ化が達成される。また、チョークコイルとパワー素子の発熱も高放熱基板に接触面を通して伝熱させるため、チョークコイルサイズも小形化できるとともにチョークコイルとパワー素子の発熱も大幅に低減できることとなる。さらに多くの部品を有する複雑な制御回路部を除いているため、このブロックの設計も非常に簡単になり、熟練者でなくとも短時間で設計できることとなる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。

本発明の請求項７に記載の発明は、金属板と、この金属板に貼り付けた、無機フィラー入り樹脂からなる高熱伝導絶縁層と、この高熱伝導絶縁層で埋め込んだリードフレームからなる配線と、この高放熱基板に面接触するように実装した、パワー素子とトランスと、からなるパワー変換モジュールと、前記リードフレームの一部を折り曲げて形成した接続端子と、前記接続端子に接続した、別基板に設けた制御回路と、からなる電源装置であって、前記トランスと前記パワー素子とを近接して配置して、ブロック化した電源装置としたものであり、ノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。

本発明の請求項８に記載の発明は、トランスをチョークコイルとする電源装置であり、チョークコイルとパワー素子との配線距離を最短にできるため、配線インピーダンスが小さくなり、配線損失を非常に少なく出来ることに加えてＦＥＴ、ダイオードの両端電圧波形も改善されるので低ノイズ化が達成される。また、チョークコイルとパワー素子の発熱も高放熱基板に接触面を通して伝熱させるため、チョークコイルサイズも小形化できるとともにチョークコイルとパワー素子の発熱も大幅に低減できることとなる。さらに多くの部品を有する複雑な制御回路部を除いているため、このブロックの設計も非常に簡単になり、熟練者でなくとも短時間で設計できることとなる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。

本発明のパワー変換モジュールデバイスは、高放熱基板上に薄形トランスと１次または２次の少なくともどちらか一方のパワー素子を面接触するように実装し、前記高放熱基板に設けられた外部接続端子を介して別基板上に設けられた制御回路部と接続されることを特徴としたものであり、配線損失を非常に少なく出来ることに加えてノイズ源となるＦＥＴ、ダイオード電圧の波形なども大幅に改善されるので電源の低ノイズ化が達成できる。また、薄形トランス、パワー素子の発熱を大幅に低減できるとともにトランスのサイズも小形化できるものである。さらに多くの部品を有する複雑な制御回路は実装しないこととしているのでこのブロックの設計が非常に簡単になり、電源設計の熟練者でなくとも短時間で設計できることになる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。

また、本発明の電源装置は、第１の構成体と第２の構成体とが一体化してなる電源装置であって、第２の構成体として本発明の請求項１に記載のパワー変換モジュールデバイスを用いるとともに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第２の構成体を制御する制御回路部を設けたことを特徴としたものであり、パワー変換モジュールデバイスの特徴である小形、低発熱、低損失、低ノイズをそのまま利用できるため、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて本発明の特に請求項１の局面に記載の発明について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１におけるパワー変換モジュールデバイスの外観斜視図、図２は同実施の形態における高放熱基板の断面模式図、図３は同実施の形態１における薄形トランスの断面模式図である。

図１〜図３において１１は薄形トランス、１２は磁心、１３は薄形積層コイル、１４は１次パワー素子、１５は２次パワー素子、１６は高放熱基板、１７は絶縁物、１８はリードフレーム一体形配線板、１９はリードフレーム、１９ａは制御回路接続用リードフレーム、２０は金属板、２４は３層絶縁電線コイル、２５は銅板コイル、２６は絶縁物を示している。

図１において従来例を示す図９と大きく異なる点は図９におけるコンバータ部２の制御回路５を除いたトランス６、１次パワー素子７、２次パワー素子８の発熱部品のみを集めてブロック化した点であるが、本発明においてはさらにトランス６を薄形トランス１１に変更した点、この薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５を高放熱基板１６上に搭載した点、これら薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５はこの高放熱基板１６と面接触するように実装している点が異なっている。

以上、本発明の実施の形態１を示す図１の構成によれば、薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５は最短に近接して並べることが可能となり、配線距離を最短にできる。このことにより、配線インピーダンスが小さくなり、配線上の損失を非常に少なく出来ることに加えてノイズ源となるＦＥＴのドレイン〜ソース間電圧（Ｖｄｓ）のリンギング波形（Ｖｐ−ｐ）、ダイオード両端電圧の波形なども大幅に改善されるので電源の低ノイズ化が達成できる。また、薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５をこの高放熱基板１６と面接触するように実装しているので電源の発熱の主要部品である薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の熱を高放熱基板１６に接触面を通して直接、伝熱してやることが可能となる。このことにより、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の発熱を大幅に低減できるとともに薄形トランス１１のサイズも小形化できるものである。さらに従来と異なり、本発明のブロックには多くの部品を有する複雑な制御回路は実装しないこととしているのでこのブロックの設計が非常に簡単になり、電源設計の熟練者でなくとも短時間で設計できることになる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供することが可能となるものである。

ここで１次パワー素子１４は主にＦＥＴ、２次パワー素子１５は主にＦＥＴ、ダイオードが使用されるが他の素子であってもよい。また、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５は少なくともどちらか一方のみを搭載した場合でも本発明の効果は得られるものである。

図２は本発明の実施の形態１を構成する高放熱基板１６の断面模式図である。図２に示すように高放熱基板１６はリードフレーム１９と一体となったリードフレーム一体形配線板１８と絶縁物１７を貼り合せた構成としたものに加えて絶縁物１７の裏面に金属板２０を貼り合せているものである。ここで採用した絶縁物１７は厚みを平均で０．５ｍｍ、最小でも０．４ｍｍ以上確保して製作している。ここで０．４ｍｍとは安全規格において強化絶縁として認められる最小厚みであり、この厚みを確保することにより、安全規格にも適合できるようになるものである。

以上、本発明の実施の形態を示す図２によれば、特に高放熱基板１６として絶縁物１７とリードフレーム一体形の配線板１８を貼り合せた構成としたのでリードフレームを基準にして配線板の位置決めも可能となる。また、絶縁物１７の厚みを所定厚み以上にしてやることによって安全規格にも適合可能な高放熱基板として利用できることとなる。

また、絶縁物の厚みを０．４ｍｍ以上としてやることによって安全規格要求上の強化絶縁を施すことが可能となり、電源としての使途範囲が広げられる。

ここで構成部品である絶縁物１７はエポキシなどリードフレーム一体形配線板１８との密着性のよい絶縁樹脂を採用している。これにより、絶縁物１７とリードフレーム一体形配線板１８との密着性が非常によくなるため、高放熱基板１６の伝熱特性を高められる。

さらに、この絶縁物１７のエポキシ樹脂にシリカ、アルミナなどのような無機質フィラを充填してやれば、樹脂の熱伝導性を向上させることができるため、高放熱基板１６の熱伝導特性をさらに向上させることが出来る。我々の実験結果では、熱伝導率を０．１５〜０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）（フィラなし）から、３〜５Ｗ／（ｍ・Ｋ）（フィラ入り）と１桁高めることができることが確認できている。

また、高放熱基板１６の構成部品である絶縁物１７をセラミック系の材料としてやれば、熱伝導率がさらに向上することに加えてセラミックシート基板応用という新たな工法の高放熱基板を導入できるという効果が生まれる。

また、リードフレーム一体形配線板１８は０．３ｍｍ以上の厚みとしている。通常のプリント配線板に採用される銅箔の厚みはエッチング工法により、多量に生産するため、汎用性、コスト面から、あまり、厚い銅箔のものは採用されていないのが実態であり、最大でも０．２〜０．２５ｍｍ程度、通常は０．０１８〜０．０７ｍｍぐらいと非常に薄く、導体の断面積が大きく出来ないため、配線インピーダンスが高くなり、配線損失も大きくなるという課題を有していた。以上、本発明においては、通常のプリント配線板では製作上、困難とされる０．３ｍｍ以上の厚みを有する薄板状の銅板を採用して導体断面積を大きく出来るようにしている。このことにより、配線インピーダンスを究極まで小さくすることができるため、配線損失を極小とできるとともに大電流対応も可能と出来るという効果が生まれるものである。

なお、ここで使用したリードフレームの製作方法としては、金型による打ち抜き工法、エッチングなど各種考えられるが、敢えて限定する必要はない。

さらにリードフレーム１９は図２に示すように折り曲げて出力用のリード線としてやれば、リードフレーム１９を出力用のリード線として兼用してやることになり、出力接続用のピンが不要となることに加えて接続工程も不要とできる。接続点が減るので信頼性も向上する、など多くの効果を得ることができる。

ここで出力接続用のリード線のうち、少なくとも１本を制御回路に接続するためのリード線１９ａとしている。これにより、別の基板上に構成された制御回路と接続できるため、本モジュールデバイスの制御が別基板から、簡単に実現出来ることとなる。

また、図２に示すように絶縁物１７の裏面には金属板２０を貼り付けているので高放熱基板上の熱をこの金属板２０にも伝熱してやることが可能となる。このことにより、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の温度上昇を低減することができる。

ここで使用する金属板２０の材質は特に限定する必要はないが、アルミニウム、銅など熱伝導率のよい金属が好ましい。特にアルミニウムなどを用いてやれば、軽量化が図れる。

また、銅としてやれば、熱伝導特性がさらに向上できるため、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の温度上昇を大幅に低減することができる。

図３は本発明の実施の形態１を構成する薄形トランス１１の断面模式図である。図３に示すように本薄形トランス１１は薄板状の銅板で製作した銅板コイル２５と３層絶縁電線を渦巻状に巻回して製作した扁平形の３層絶縁電線コイル２４を薄い絶縁物２６を介して交互に積層して薄形積層コイルを完成した後、上下から磁心１２を組合わせて完成するものである。

以上、本発明の実施の形態を示す図３によれば、特に薄形トランス１１として１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルを薄板状のコイルで形成している。このことにより、１次と２次コイル間の距離が少なくなるため、巻線間の結合が良くなり、変換効率が向上する。また、薄板状のコイルは表面積が大きいので放熱性が良くなり、トランスの温度上昇を低減できるという効果も生まれる。

ここで、薄板状のコイル２５は０．３ｍｍ以上の厚みとしている。薄板状のコイルを形成する方法としては、他にプリント配線板を利用する方法もある。しかしながら、通常のプリント配線板に採用される銅箔の厚みはエッチング工法により、多量に生産するため、汎用性、コスト面から、あまり、厚い銅箔のものは採用されていないのが実態であり、最大でも０．２〜０．２５ｍｍ程度、通常は０．０１８〜０．０７ｍｍぐらいと非常に薄く、導体の断面積が大きく出来ないため、配線インピーダンスが高くなり、配線損失も大きくなるという課題を有していた。以上、本発明においては、通常のプリント配線板では製作上、困難とされる０．３ｍｍ以上の厚みを有する薄板状の銅板を採用して導体断面積を大きく出来るようにしている。このことにより、コイルの抵抗値を低減できるため、トランスの損失も低減できるとともに、大電流対応も可能と出来るという効果が生まれる。

なお、ここで使用した薄板状の銅板コイルの製作方法としては、打ち抜き工法、エッチングなど各種考えられるが、敢えて限定する必要はない。

また、本発明の実施の形態を示す図３によれば、特に薄形トランス１１として１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルは３層絶縁電線を渦巻状に巻回して形成している。ここで使用した３層絶縁電線は東京特殊電線製のＴＩＷ線であり、各国安全規格の強化絶縁に認可された線材である。このことにより、薄形トランス１１として安全規格に対応した強化絶縁を施すことが出来るため、高電圧入力時の安全規格適合可能なトランスを簡単に実現出来るという効果が生まれる。なお、３層絶縁電線に関しては、必ずしも上記線材にこだわる必要はなく、強化絶縁として安全規格認定された線材であれば、古河電工製のＴＥＸ線など、他の線材であってもよい。

また、薄形トランス１１の１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルは巻線を巻回して形成しており、これにより、巻数が簡単に変更できるため、設計の自由度が広がるという効果が生まれる。

さらに上記巻線コイルは表面に融着層を有する融着層付きとしている。このことにより、巻線を施したままの状態で固着ができるのでボビンレスでの巻線形成が容易に実現出来るという効果が生まれる。

ここでは、特に、融着層をアルコール融着タイプの融着層としている。これにより、アルコールを塗布するだけで簡単に巻線の固着が出来るため、設備化が容易に出来るという効果も生まれる。

なお、薄形トランス１１を構成する薄形積層コイル１３は本発明の実施の形態においては図３に示すような３層絶縁電線コイル２４、薄板状銅板コイル２５などを用いているが、１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルとしてプリント基板で形成してやれば、コイル導体の位置が安定するので性能ばらつきが低減出来る。

さらにこのプリント基板で形成したコイルの層間にエポキシプリプレグを挿入して製作した多層プリント基板コイルとしてやれば、積層コイルの厚み、外形寸法が安定するので性能ばらつきがさらに低減できることに加えて後工程で磁心１２の組込みも容易となる。

また、本発明の実施の形態を示す図１によれば、特に、薄形トランス１１の磁心１２の下面が高放熱基板１６と接するように取り付けたものであり、これにより、磁心の発熱を基板面からも伝熱できることとなり、トランスの温度上昇を大幅に低減できるという効果が生まれる。

さらに、ここでは図示していないが、磁心１２と相対向する面には高放熱基板のパターンを形成している。これにより、このパターンにも磁心の熱を伝熱できることとなり、トランスの発熱はさらに大幅に低減可能となるという効果が生まれる。

また、これも図示していないが、本発明の実施の形態においては、特に、磁心１２と高放熱基板１６の間には熱伝導部材を挟み込んでいる。これにより、磁心１２と高放熱基板１６の間に生ずる空隙が熱伝導部材で埋まるため、熱伝導のばらつきが少なくなるという効果が生まれる。ここで熱伝導部材としては熱伝導率の良い材料が好ましいが、空隙を埋めることさえ出来れば、敢えて材質を限定する必要はない。エポキシ、シリコン、アクリル系の樹脂などが使用可能である。

さらに、本発明の実施の形態１においては図１に示すように、特に、１次パワー素子１４と２次パワー素子１５との間に薄形トランス１１を配置している。このことにより、絶縁分離するトランスと１次、２次を結ぶ配線パターンも最短距離で形成できることとなり、配線損失を大幅に低減出来るパターン設計を簡単に実現できるという効果が生まれる。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて本発明の特に他の局面に記載の発明について説明する。

図４は、本発明の実施の形態２における電源回路のブロック図、図５は同実施の形態における電源の外観斜視図、図６は同実施の形態における他の実施例を示す電源の外観斜視図である。

図４〜図６において２１は第２の構成体、２２は第１の構成体、２３は制御回路、２７は第１の基板、２８はくり抜き穴、２９は筐体を示している。実施の形態１の構成と同一構成を有するものについては、同一符号を付してその説明を省略する。

図４〜図６において従来例を示す図８〜図９と大きく異なる点はコンバータ部２の部分に本発明の実施の形態１で提案したパワー変換モジュールデバイスを第２の構成体２１として使用した点である。

図４に示すように回路ブロック図の上では第２の構成体２１は薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５で別ブロックとして形成されており、この第２の構成体２１を除いた入力フィルタ２２ａ、入力整流回路２２ｂ、力率改善回路２２ｃ、平滑回路２２ｄ、制御回路２３、出力平滑部２２ｅ、出力変換回路２２ｆ、出力フィルタ２２ｇなどは第１の構成体２２として別基板上に形成している。そして、この第１の構成体２２と第２の構成体２１は回路的に接続して一体化して電源を完成している。

図５は本発明の実施の形態２を示す電源の外観斜視図であるが、図に示すように第１の構成体２２を形成する第１の基板２７には第２の構成体２１を形成する薄形トランス１１の対向する部分にくり抜き穴２８を設けている。そして第１の構成体２２と第２の構成体２１とはリードフレーム１９などを利用して回路的に接続している。さらに第２の構成体２１を形成する高放熱基板１６は電源の筐体２９と面接触するように実装している。

以上、本発明の実施の形態２を示す図４〜図５によれば、第１の構成体２２と第２の構成体２１とが一体化してなる電源装置であって第２の構成体２１として本発明の実施の形態１で提案したパワー変換モジュールデバイスを使用しているので同デバイスの特徴である小形、低発熱、低損失、低ノイズをそのまま利用できる。このことにより、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。

これら基本構成の違いによる特性比較の実験結果を（表１）に示している。

（表１）より、従来例の図９と本発明の実施の形態２を示す図５の構成での特性を比較すると
（１）トランスサイズが“１／４以下”になり、大幅な小形化ができた。

（２）トランスの温度上昇が“半減以下”となり、大幅に低減できた。

（３）電源の効率が“約２．１％アップ”と大幅に改善できた。

（４）ＦＥＴのドレイン〜ソース間電圧（Ｖｄｓ）のリンギング電圧（Ｖｐ−ｐ）が“１５０ｖ低減”でき、波形が大幅に改善できた。

（５）雑音端子電圧が各帯域で“６ｄＢ以上低減”と大幅な低ノイズ化を達成できた。

以上のような大きな効果が実験結果によって検証できた。

また、第１の構成体２２を形成する第１の基板２７上に第２の構成体２１を制御する制御回路２３を設けており、制御回路接続用リードフレーム１９ａで接続している。これにより、第２の構成体が発生するノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。

さらに、第１の構成体２２を形成する第１の基板２７には第２の構成体２１を形成するトランスの対向部分にくり抜き穴を設けている。これにより、トランスの高さが電源装置全体の高さに影響しなくなり、他の部品を低背化すれば、薄形の電源装置が実現できるという効果が生まれる。

また、第２の構成体２１を形成するリードフレーム１９で第１と第２の構成体を接続している。これにより、接続用のピンなどを使用しないで直接接続しているので接続点が減ることとなり、信頼性向上、接続強度が安定するという効果が生まれる。

さらに、第２の構成体２１を形成する高放熱基板１６を電源の筐体２９に面接触するように実装したものであり、これにより、第２の構成体２１の発熱を電源の筐体２９に放熱出来るため、従来例の図９に示すような専用の放熱用ヒートシンク１０ａが不要となるという効果が生まれる。

また、本発明の実施の形態２における別の実施例を示す図６のように、第２の構成体２１を形成する薄形トランス１１の天面と第１の構成体２２を形成する第１の基板２７の表面が面接触するような向きに逆向きに実装してやることもできる。これにより、第２の構成体２１を形成する高放熱基板１６を放熱用ヒートシンクとして利用できるため、トランス、１次、２次のパワー素子の発熱が低減できることに加えて放熱用ヒートシンクも不要もしくは軽減できるという効果が生まれる。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて本発明の特に他の局面に記載の発明について説明する。

図７は、本発明の実施の形態３における力率改善回路用のパワー変換モジュールデバイスの回路ブロック図である。

図７において１４ａ、１５ａはパワー素子、３０はチョークコイル、３１は第３の構成体を示しており、実施の形態１、２の構成と同一構成を有するものについては、同一符号を付してその説明を省略する。

図７において実施の形態１と大きく異なる点はパワー変換モジュールデバイスを形成する薄形トランス１１をチョークコイル３０に置換えて第３の構成体３１とした点であり、パワー素子としてＦＥＴやダイオードを使用して高放熱基板上に実装する構成は全て同じである。

図７に示すように回路ブロック図の上では第３の構成体３１はチョークコイル３０、パワー素子１４ａ、パワー素子１５ａを別ブロックとして形成されており、制御回路は第３の構成体には含んでいない。ここでのパワー変換モジュールデバイスは図示していないが、パワー素子とチョークコイルを面接触するように高放熱基板上に実装する点は実施の形態１を示す図１と全く同じ構成である。

以上、本発明の実施の形態３を示す図７によれば、チョークコイルとパワー素子との配線距離を最短にできる。このことにより、配線インピーダンスが小さくなり、配線損失を非常に少なく出来ることに加えてＦＥＴ、ダイオードの両端電圧波形も改善されるので低ノイズ化が達成される。また、チョークコイルとパワー素子の発熱も高放熱基板に接触面を通して伝熱させるため、チョークコイルサイズも小形化できるとともにチョークコイルとパワー素子の発熱も大幅に低減できることとなる。さらに多くの部品を有する複雑な制御回路部を除いているため、このブロックの設計も非常に簡単になり、熟練者でなくとも短時間で設計できることとなる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。

また、第１の構成体と第３の構成体３１とが一体化してなる電源装置であって第３の構成体３１としてパワー変換モジュールデバイスを使用したので、パワー変換モジュールデバイスの特徴である小形、低発熱、低損失、低ノイズをそのまま利用できる。このことにより、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。

さらに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第３の構成体３１を制御する制御回路２３を設けており、制御回路接続用リードフレーム１９ａで接続している。これにより、第３の構成体３１が発生するノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。

本発明にかかるパワー変換モジュールデバイスおよびそれを用いた電源装置は小形、低発熱、低損失、低ノイズという効果に加えて、電源の設計開発効率を大幅に向上できるという効果を有するものであり、スイッチング電源を搭載するあらゆる電子機器に適用できるものである。

本発明の実施の形態１におけるパワー変換モジュールデバイスの外観斜視図 同実施の形態における高放熱基板の断面模式図 同実施の形態における薄形トランスの断面模式図 本発明の実施の形態２における電源回路のブロック図 同実施の形態における電源の外観斜視図 同実施の形態における他の実施例を示す電源の外観斜視図 本発明の実施の形態３における力率改善回路用のパワー変換モジュールデバイスの回路ブロック図 従来のスイッチング電源の回路ブロック図 従来のスイッチング電源の外観斜視図

符号の説明

１ 入力回路部
２ コンバータ部
３ 出力回路部
４ 力率改善回路
５、２３ 制御回路
６ トランス
７、１４ １次パワー素子
８、１５ ２次パワー素子
９ メイン基板
１０ａ ヒートシンク
１０ｂ、２９ 筐体
１１ 薄形トランス
１２ 磁心
１３ 薄形積層コイル
１４ａ パワー素子（ＦＥＴ）
１５ａ パワー素子（ダイオード）
１６ 高放熱基板
１７、２６ 絶縁物
１８ リードフレーム一体形配線板
１９ リードフレーム
１９ａ 制御回路接続用リードフレーム
２０ 金属板
２１ 第２の構成体

Claims (8)

1. 金属板と、
   この金属板に貼り付けた、無機フィラー入り樹脂からなる高熱伝導絶縁層と、
   この絶縁層で固定したリードフレームからなる配線と、
   別基板上に設けられた制御回路部と接続するための接続端子と、
   からなる高放熱基板と、
   この高放熱基板に面接触するように実装した、複数のパワー素子と、トランスと、
   からなるパワー変換モジュールであって、
   前記配線は、前記リードフレームを前記高熱伝導絶縁層に埋め込んだものであり
   前記接続端子は、前記リードフレームの一部を折り曲げたものであり、
   前記トランスと前記複数のパワー素子とを近接して配置して、ブロック化したパワー変換モジュール。
2. 金属板と、
   この金属板上に貼り付けた、無機フィラー入り樹脂からなる高熱伝導絶縁層と、
   この絶縁層で固定したリードフレームからなる配線と、
   前記リードフレームの一部を折り曲げて形成した接続端子と、
   からなる高放熱基板と、
   この高放熱基板に面接触するように実装した、パワー素子とトランスと、
   からなるパワー変換モジュールであって、
   前記配線は、前記リードフレームを前記高熱伝導絶縁層に埋め込んだものであり
   前記トランスの磁心の下面を前記高放熱基板に面接触させたものであり、
   前記トランスと前記パワー素子とを近接して配置して、ブロック化したパワー変換モジュール。
3. リードフレームを０．３ｍｍ以上の厚みを有する銅板で形成する請求項１もしくは２のいずれか一つに記載のパワー変換モジュール。
4. 金属板は、アルミニウムもしくは銅のいずれかであり、筐体への取付部を設けた請求項１もしくは２のいずれか一つに記載のパワー変換モジュール。
5. トランスは、複数のパワー素子の間に設置する請求項２記載のパワー変換モジュール。
6. トランスを、チョークコイルとする請求項２記載のパワー変換モジュール。
7. 金属板と、
   この金属板に貼り付けた、無機フィラー入り樹脂からなる高熱伝導絶縁層と、
   この高熱伝導絶縁層で埋め込んだリードフレームからなる配線と、
   この高放熱基板に面接触するように実装した、パワー素子とトランスと、
   からなるパワー変換モジュールと、
   前記リードフレームの一部を折り曲げて形成した接続端子と、
   前記接続端子に接続した、別基板に設けた制御回路と、
   からなる電源装置であって、
   前記トランスと前記パワー素子とを近接して配置して、ブロック化した電源装置。
8. トランスをチョークコイルとする請求項７記載の電源装置。

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