JP4662033B2

JP4662033B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP4662033B2
Application number: JP2005103671A
Authority: JP
Inventors: 淳八鍬
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006288052A

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータに係り、特にＤＣ−ＤＣコンバータに含まれる板状導電部材で形成されたコイルと各回路との電気的な接続構造に関する。

内燃機関自動車、電気自動車、あるいは内燃機関と電動機とを併用したハイブリッド自動車では、一般に複数の電源電圧を必要とする。

例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車では通常、走行用のモータを高電圧で駆動するため高電圧バッテリを搭載する一方、各電装品は内燃機関自動車と部品を共通化するため、これらに給電を行う低電圧バッテリ（例えば１２Ｖ系）を同時に搭載している。また、内燃機関自動車においても、電動パワーステアリングやデフォッガ（リアガラスの熱線）などは高電圧の方が有利であるのに対し、電子制御ユニットなどの車内制御・通信系は低電圧（例えば５Ｖ、３．３Ｖ）を使用することが多い。さらに、年々高まる電力要求に応えるため、高電圧バッテリ（例えば３６Ｖまたは４２Ｖ）と、既存電装品の定格電圧に対応した低電圧バッテリ（１２Ｖ）とを同時に搭載した自動車も提供されている。

そして、これら高低２つの電源系統を有する自動車では、低電圧バッテリと高電圧バッテリとの間にＤＣ−ＤＣコンバータを設けることによって電圧を昇降させ車内の電力分配を行っている。また、単一のバッテリを搭載する自動車でも、複数種類の電圧要求に応えるため、バッテリから供給される電圧をＤＣ−ＤＣコンバータによって昇降させる場合がある。

このようなＤＣ−ＤＣコンバータは、一般に、半導体能動素子により直流入力電流から交流電流を生成するスイッチング回路と、一次側コイルと二次側コイルとを含んで前記スイッチング回路により生成された交流電流を変圧するトランスと、半導体素子により前記トランスから出力される交流電流を整流する整流回路と、チョークコイルを含んで整流回路からの出力電流を平滑化する平滑回路と、スイッチング回路を制御する制御部とを備えている。

また、トランスやチョークコイルの巻線、並びにこれらと各回路を接続する配線は、通常、大電流に耐え得るようバスバーと称される板状の導電部材を使用した個別の部品として作製される。そしてこれら板状導電部材によって作製されたコイルや配線を回路内に組み込むには、走行時の振動等で接続点が外れることを防ぐため、ネジ締結による結線が行われていた（下記特許文献１参照）。

特開２００２−１６５４５３号公報（段落００３２〜００３３，図２及び図４）

ところで、上記ネジによる結線は、接続の信頼性は得られるものの、逐一ネジ締め作業を行わなければならないから手間を要し、ＤＣ−ＤＣコンバータの製造工程が煩雑化するという問題がある。また、ネジによる締結は、取付けの位置精度が良好であるとは言えず、部品同士または部品と配線との電気絶縁を保つための間隙距離が余分に必要で、ＤＣ−ＤＣコンバータの小型化を妨げる原因ともなっている。

さらに、ネジ締結による場合には、当然のことながらネジ締結を可能とする加工（ネジ穴等）を各接続部に設ける必要があり、このような構造を持たない部品（例えばこのような構造を有さない既成の部品モジュール）は組み込むことが出来ない不便さがある。また、ネジ締結による接続点は、接続面同士が圧接されているだけであるから通常の配線部に較べて電気抵抗が高く、多数のネジ締結接点の存在はコンバータ内部の電力損失を発生させるという側面もある。

一方、ネジ締結によらず、はんだ付けや溶接のような他の電気的な接続方法を採用することも考えられる。

ところが、大電流を流すことを前提とした上記コイルやバスバーでは、はんだ付けを行うための熱も伝導しやすいから、接合に時間がかかるうえ伝導される熱によって接合時に他の回路素子がダメージを受けるおそれもある。特に、近年使用が望まれる鉛フリーはんだによれば、接合に高い温度が必要であり、これらの問題が顕在化しやすい。

他方、溶接によって接続する場合には、上記ネジ締結の場合と同様に、溶接に合わせた専用の加工が各接続部に必要となるうえ、溶接すべき接続部同士を正確に隙間なく合わせる高精度の位置決めが必要となり、製造工程が煩雑化する難がある。尚、これらの問題を解決する手段は上記特許文献に示されていない。

したがって、本発明の目的は、ＤＣ−ＤＣコンバータの組立工程を簡便化する点にあり、特にトランスやチョークコイルの電気的接続の信頼性を確保しつつその工程を簡略化することにある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、半導体能動素子を含んで直流入力電流から交流電流を生成するスイッチング回路と、一次側コイルと二次側コイルとを含み前記スイッチング回路により生成された交流電流を変圧するトランスと、半導体素子を含み前記トランスから出力される交流電流を整流する整流回路と、前記スイッチング回路を制御する制御部とを備え、前記一次側コイル及び前記二次側コイルは共に、板状導電部材により形成された巻線部と、板状導電部材により形成され当該巻線部から引き出された接続端部とを備え、前記一次側コイルの接続端部と前記スイッチング回路との間、及び前記二次側コイルの接続端部と前記整流回路との間をワイヤボンディングにより電気的に接続した。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータでは、トランスを構成する一次側コイルと二次側コイルの巻線部を板状の導電部材により形成するとともに、この巻線部から引き出した板状導電部材により接続端部を形成し、一次側コイルの接続端部とスイッチング回路との間、及び二次側コイルの接続端部と整流回路との間をワイヤボンディングにより電気的に接続する。これにより、従来、トランスコイルの接続に必要であったネジ締結作業の手間を省き、電気的接続の信頼性を維持しつつＤＣ−ＤＣコンバータの製造工程を簡略化することが出来る。

また、ネジ締結用の加工を、コイル端部並びにこれと接続されるスイッチング回路や整流回路側に施す必要がなくなり、このようなネジ締結用の構造を持たないスイッチング回路モジュールや整流回路モジュールを当該ＤＣ−ＤＣコンバータに組み込むことも可能となる。さらに、ネジ締結による接続点に存在した電気抵抗（接触抵抗）を排除することが出来るから、ＤＣ−ＤＣコンバータ内における電力損失を低減して当該ＤＣ−ＤＣコンバータが有する電圧変換効率を向上させることも可能となる。

上記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記トランスを少なくとも収容可能な樹脂筐体を備えることがあり、この場合、前記接続端部の少なくとも一部を当該樹脂筐体に埋設することが望ましい。

コイルの接続端部をより正確に位置決めし、ワイヤボンディングによる接続を正確かつ確実に行うためである。また、このように接続端部を筐体に埋設し固定すれば、接続点が経年的に走行時の振動を受けて破損されることを防止することができ、接続の信頼性を高めることも可能となる。尚、上記樹脂筐体は、他の回路部（スイッチング回路や整流回路、制御部等）や端子（入出力端子等）、配線等をも収容できるものであって良い。

また、前記本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、共に板状導電部材により形成された巻線部と当該巻線部から引き出された接続端部とを備えて前記整流回路からの出力電流を平滑化し出力端子へ出力するチョークコイルをさらに備え、上記トランスと同様の理由から、前記チョークコイルの接続端部と前記整流回路との間、及び前記チョークコイルの接続端部と前記出力端子との間をワイヤボンディングにより電気的に接続する。

尚、本発明において、上記各コイル（トランスの一次側コイル、二次側コイル及びチョークコイル）の接続端部と各回路とを接続するとは、コイルの接続端部と、各回路を構成する素子（当該素子の入力端子または出力端子）とを直接接続することのみを言うものではなく、間接的に接続すること、例えばバスバー配線（板状導電部材）や導電材料からなる端子、接続パッド等を介在させて両者を電気的に接続することを含むものである。したがって本発明では、コイルの接続端部と回路素子（例えば半導体素子）の入出力端子とが直接ワイヤボンディングにより接続されていても良いし、コイルの接続端部が例えばバスバーや端子等とワイヤボンディングにより接続され、さらにこれらバスバーや端子等が回路素子（スイッチング回路、整流回路等）に電気的に接続されるというように、コイルの接続端部がワイヤボンディングにより間接的に各回路に接続されていても構わない。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの組立工程を簡便化することができ、特にトランスやチョークコイルの電気的接続の信頼性を確保しつつその組込み工程を簡略化することが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面を参照しつつ述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。尚、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成を示すものである。同図に示すようにこのＤＣ−ＤＣコンバータは、４個の半導体スイッチング素子（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）１２を含んで入力端子Ｖinから入力された直流電流から交流電流を生成するスイッチング回路（インバータ）１１と、スイッチング回路１１により生成された交流電流を変圧するトランス２１と、両波整流回路を構成するため２個の半導体整流素子（ダイオード）３２を含んでトランス２１から出力される交流電流を整流する整流回路３１と、整流回路３１からの出力電流を平滑化ためチョークコイル３６及び平滑コンデンサ３７を有する出力平滑回路３５と、スイッチング回路１１をフィードバック制御する制御部４１とを備えている。尚、入力端子Ｖinとスイッチング回路１１との間にも、入力電流を平滑化する入力平滑回路（インダクタ（図示せず）及び平滑コンデンサ４５）を有する。

入力端子Ｖinから入力された高電圧（例えば２００〜３００Ｖ）の直流電力は、スイッチング回路１１により交流に変換されてトランス２１の一次側コイル２２に入力される。トランス２１はこの高圧交流電力を低電圧の交流電力に変換し、二次側コイル２３ａ，２３ｂから整流回路３１へ出力する。この交流電力は、整流回路３１により整流され、出力平滑回路３５（チョークコイル３６及び平滑コンデンサ３７）によってリプルが取り除かれて平滑され、出力端子Ｖoutから低圧直流電力（例えば１４Ｖ）として出力される。

図２は、本実施形態の別の回路構成を示すものである。前記図１の構成例では、トランス２１の二次側コイルを構成する２つのコイル２３ａ，２３ｂのそれぞれに、整流回路３１を構成する各ダイオード３２のカソード側を接続したが、この図２の例は、二次側コイルを構成する２つのコイル２３ａ，２３ｂのそれぞれに、整流回路３１ａを構成する各ダイオード３２のアノード側を接続したものである。このような回路構成によっても前記図１の例と同様に、入力端子Ｖinから入力された高電圧の直流入力電力を降圧し、低電圧の直流電力として出力端子Ｖoutから出力することが出来る。

図３から図５はそれぞれ本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成を示す分解斜視図、平面図並びに縦断面図である。これらの図に示すように本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータは、４つの回路収納部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄを画成する樹脂製のフレーム５１と、このフレーム５１の底面に設置される放熱プレート５５とを含む筐体を備え、フレーム５１の各回路収納部５１ａ〜５１ｄにトランス２１とチョークコイル３６とスイッチング回路１１と整流回路３１とをそれぞれ収納してなる。また、前記制御部４１を搭載した基板は、トランス２１及びスイッチング回路１１用の各収納部５１ａ，５１ｂの上部位置に配置されることとなる。

放熱プレート５５は金属板（例えばアルミニウム板）からなり、その上面にスイッチング回路１１を構成するＦＥＴ１２等を実装した回路基板や、整流回路３１を構成する半導体ダイオード３２を実装した回路基板を設置する。ＦＥＴ１２及びダイオード３２の各半導体素子は、各回路基板にベアチップ実装してあり、これらの各回路基板は、各半導体素子で発生される熱を放熱プレート５５へ放散させかつ放熱プレート５５との電気的な絶縁が可能なように絶縁シート５６を介して放熱プレート５５の上面に密着させて配置する。

トランス２１を構成する一次側コイル２２と二次側コイル２３ａ，２３ｂ、並びにチョークコイル３６は、板金導体（板状導電部材）により巻線を形成し、この巻線に連続して同一の板金導体によって形成された端子部２４，３７（接続端部）を設けることにより、他回路と電気的な接続を可能としてある。これらの端子部２４，３７は、入力端子Ｖinや出力端子Ｖout等の端子とともに、インサート成形によって樹脂フレーム５１にそれらの一部を埋設して当該樹脂フレームと一体化してある。

そして、図４及び図５に示すように、トランス２１の二次側コイル２３ａ，２３ｂの各端子部２４と、ダイオード３２が接続された整流回路３１の端子と間をボンディングワイヤ２５で接続することにより、二次側コイル２３ａ，２３ｂと整流回路３１の各ダイオード３２とを電気的に接続する。また、図４に示すようにチョークコイル３６の端子部３７についても、これを出力端子Ｖoutに接続されたバスバー６０に対しワイヤボンディングによって電気的に接続する。尚、ボンディングワイヤ２５としては、例えばアルミニウムや金その他の金属線を使用することが可能である。

さらに図面には示していないが、トランス２１の一次側コイル２２の接続端部とスイッチング回路１１（ＦＥＴ１２）との間、並びにチョークコイル３６の接続端部と整流回路３１との間についても、同様にワイヤボンディングによって電気的な接続を行っても良い。また、その他の各回路ないし素子間を接続するバスバーと各回路・素子・端子との間を同様にワイヤボンディングによって接続することも可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成の別の例を示す図である。前記実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成を示す分解斜視図である。前記実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成を示す平面図である。前記実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１１スイッチング回路（インバータ）
１２半導体スイッチング素子（ＦＥＴ）
２１トランス
２２一次側コイル
２３ａ，２３ｂ二次側コイル
２４，３７端子部（接続端部）
２５ボンディングワイヤ
３１，３１ａ整流回路
３２半導体整流素子（ダイオード）
３５出力平滑回路
３６チョークコイル
３７，４５平滑コンデンサ
５１樹脂フレーム
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ回路収納部
６０バスバー
Ｖin 入力端子
Ｖout 出力端子

Claims

半導体能動素子を含んで直流入力電流から交流電流を生成するスイッチング回路と、
一次側コイルと二次側コイルとを含み前記スイッチング回路により生成された交流電流を変圧するトランスと、
半導体素子を含み前記トランスから出力される交流電流を整流する整流回路と、
前記スイッチング回路を制御する制御部と、
共に板状導電部材により形成された巻線部と当該巻線部から引き出された接続端部とを備えて前記整流回路からの出力電流を平滑化し出力端子へ出力するチョークコイルと
を備えたＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記一次側コイル及び前記二次側コイルは共に、板状導電部材により形成された巻線部と、板状導電部材により形成され当該巻線部から引き出された接続端部とを備え、
前記一次側コイルの接続端部と前記スイッチング回路との間、及び前記二次側コイルの接続端部と前記整流回路との間をワイヤボンディングにより電気的に接続するとともに、
前記チョークコイルの接続端部と前記整流回路との間、及び前記チョークコイルの接続端部と前記出力端子との間をワイヤボンディングにより電気的に接続した
ことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記トランスを少なくとも収容可能な樹脂筐体を備え、
前記接続端部の少なくとも一部が当該樹脂筐体に埋設されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記スイッチング回路、前記トランス、前記整流回路および前記チョークコイルは、前記樹脂筐体に収容されており、
前記一次側コイルの接続端部、前記二次側コイルの接続端部、および前記チョークコイルの接続端部は、それらの一部が前記樹脂筐体に埋設されている
請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。