JP5406349B1 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の床面積の低減と、装置内部の空間の有効活用を可能とする絶縁型のスイッチング電源装置を得る。
【解決手段】絶縁型のスイッチング電源装置において、金属筐体が半導体素子２０５ａ、２０５ｂを固定、かつ冷却するための台形状凸部２０１を有し、台形状凸部２０１の両側面に半導体素子２０５ａ、２０５ｂを設け、半導体素子が、台形状凸部２０１の上面に固定される同一のばね部材２０４によって、台形状凸部の側面に押し当てられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、さらに詳細には、トランスを備えた絶縁型DC-DCコンバータの構成に関する。

従来から、高電圧の直流電圧を所望の直流電圧に降下させるスイッチング電源装置として、直流入力電圧をスイッチング素子により矩形波電圧に変換し、変換した矩形波電圧をトランスの１次巻線に印加し、トランスの２次巻線から取り出された矩形波電圧を整流素子、平滑コイル、コンデンサなどで構成される回路にて整流、平滑することにより、所望の直流電圧を得る絶縁型DC-DCコンバータがある。
特に、近年普及が進むハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載される絶縁型DC-DCコンバータは、モータ駆動用の高電圧バッテリの電圧を、従来車の電源系電圧として採用されている１４Ｖに降圧し、鉛バッテリや多くの電気負荷に電力を供給する。
上述の絶縁型DC-DCコンバータの構成要素の中でも、特にスイッチング素子や整流素子に用いる半導体は、導通損失やスイッチング損失が大きく、また冷却条件が厳しいため、１００℃以上の高温となり、放熱対策が必須となる。

例えば、特許文献１に示すように、絶縁型DC-DCコンバータが扱う電力が大きい場合、主回路を並列構成とする必要があるため、半導体の個数が増大する。これに加えて、冷却条件によっては半導体の放熱が厳しくなるため、より多くの半導体が必要となり、冷却器を兼ねた金属筐体上に多くの半導体が実装されることになる。このため床面積の増大、すなわち装置の大型化を招くことになる。また、一般的に半導体は冷却器を兼ねた金属筐体に密着して実装されるため、半導体部分の高さは高くないが、その他の構成要素であるトランスや平滑コイル、コンデンサの高さが高いため、半導体上方に無駄空間が生じ、スペースを有効活用できない課題があった。
また、上記の問題を解決するため、例えば特許文献２に示すように、半導体を垂直に配置し、床面積の低減、および半導体上方空間の有効活用を実現する技術が従来より用いられてきた。

特許第４４１５７３０号公報 特許第３７８１２７９号公報

しかしながら、特許文献２に示す実装方法では、半導体をねじ固定する場合、ねじを装置水平方向から挿入する必要があるため、例えば金属筐体に壁が設けられている場合には工具を使ってねじ締めをすることが困難となる。また、ばね部材を用いて固定する場合には、多くのばね部材、ねじが必要となるため、組立性が悪くなる課題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、装置の床面積の低減、および半導体上方の無駄空間の有効活用、組立性の向上を実現可能な、スイッチング電源装置を得ることを目的とする。

この発明に係るスイッチング電源装置は、複数の半導体素子で構成され、入力される直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、一次巻線の両端に印加される前記インバータ回路からの交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線に出力するトランスと、前記トランスの二次巻線から出力する交流電圧を整流するための半導体素子からなる整流回路と、前記整流回路からの出力を平滑する平滑コイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサと、構成部品である前記半導体素子、前記トランス、前記平滑コイルを固定し、かつ、前記半導体素子、前記トランス、前記平滑コイルで発生する熱を放熱するための冷却器を備えた金属筐体と、前記構成部品を覆い、前記金属筐体に固定されるカバーと、を備えた絶縁型のスイッチング電源装置であって、
前記金属筐体が前記半導体素子を固定、かつ冷却するための台形状凸部を有し、前記台形状凸部の両側面に前記半導体素子を設け、前記複数の半導体素子が、前記台形状凸部の上面に固定される同一のばね部材によって、前記台形状凸部の側面に押し当てられるようにしたものである。

この発明のスイッチング電源装置によれば、装置の床面積の低減、および半導体素子上方の無駄空間を有効活用することができる。また、複数の半導体素子を１つのばね部材で固定できるため、組立性が向上する。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の対象となる絶縁型スイッチング電源装置の回路の一例を説明するための回路図である。 この発明の実施の形態１に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子の固定・冷却方法を説明するための断面図である。 この発明の実施の形態１に係わるスイッチング電源装置の、半導体の固定・冷却方法を説明するための上面図である。 この発明の実施の形態１に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子と位置決め部材との位置関係を説明するための構造図である。 この発明の実施の形態２に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子の固定・冷却方法を説明するための断面図である。 この発明の実施の形態３に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子の位置と、冷却水路の位置の関係を説明するための断面図である。 実施の形態３に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子の位置と、冷却水路の位置の関係の、他の一例を説明するための断面図である。

以下、この発明に係るスイッチング電源装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
最初にこの発明の対象となる絶縁型スイッチング電源装置の一般的な回路方式であるフルブリッジ・センタータップ式同期整流方式について図１の回路図を参照して説明する。フルブリッジ・センタータップ式同期整流方式は、一般的な全波整流回路と同等の整流波形を得ることができる整流回路の一種である。
図１において、１０１ａ、１０１ｂは、スイッチング電源装置への直流電圧を印加する入力端子であり、スイッチング電源装置の出力電圧よりも高い電圧が印加される。
１０２は、入力端子１０１ａ、１０１ｂに入力された直流電圧を交流電圧に変換するための半導体素子で構成されるインバータ回路、１０３はインバータ回路１０２を構成する半導体素子であり、一般的にはＭＯＳＦＥＴなどが用いられる。
１０４は、インバータ回路１０２から出力される矩形波交流電圧を、巻き数比に応じた異なる電圧レベルに変換するトランス、１０５は、トランス１０４から出力される交流電圧を整流するための整流用の半導体素子であり、本実施の形態では、同期整流を実現するためのＭＯＳＦＥＴを用いるが、ダイオードなどのその他の半導体素子であってもよい。

１０６は半導体素子１０５で整流したリップル電圧波形を平滑するための平滑コイル、１０７は、半導体素子１０５で整流したリップル電圧波形を平滑するためのコンデンサであって、コンデンサ１０７の片側は平滑コイル１０６に接続され、もう一方の片側は金属筐体に接続されたグランド端子１０９に接続されている。
１０８は、整流平滑回路で得られた直流電圧をスイッチング電源装置の外部へ出力するための出力端子である。なお、本実施の形態では、トランス１０４の二次側回路のグランドを金属筐体と同電位にしているため、出力電圧は出力端子１０８と金属筐体の間に出力される。１０９は、上記のようにスイッチング電源装置の金属筐体に接続されたグランド端子であり、本実施の形態では、トランス二次側回路のグランドとして、金属筐体を用いている。

図２は、この発明の実施の形態１に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子の固定・冷却方法を説明するための断面図、図３は同じく上面図である。
図２、図３において、２０１は、金属筐体の一部に設けられた台形状凸部、２０２は、台形状凸部２０１の内部に設けられた冷却水路、２０３は、後述の半導体素子を固定するためのばね部材２０４を台形状凸部２０１の上面に固定するためのねじ、２０４は、半導体素子を固定するために台形状凸部２０１の上面にねじ２０３で固定されるばね部材、２０５ａ、２０５ｂは、図１のインバータ回路１０２、整流回路１０５で使用する半導体素子である。

２０６ａ、２０６ｂは、半導体素子２０５ａ、２０５ｂと台形状凸部２０１の絶縁確保、放熱性向上を実現するための絶縁シートで、半導体素子２０５ａ、２０５ｂと台形状凸部２１側面との間に設けられる。２０７ａ、２０７ｂは、半導体素子２０５ａ、２０５ｂと図１のトランス１０４、平滑コイル１０６とを電気的に接続するため、また半導体素子の駆動信号用の配線を設けるためのプリント基板であり、半導体素子２０５ａ、２０５ｂのリードがプリント基板２０７ａ、２０７ｂのランドへフロー実装される。
２０８ａ、２０８ｂは、プリント基板２０７ａ、２０７ｂへフロー実装される半導体素子２０５ａ、２０５ｂのはんだ部への応力を緩和するために設けられる位置決め部材で、半導体素子２０５ａ、２０５ｂのリードをはさみ込むための溝部を設けている。
２０９ａ、２０９ｂは、位置決め部材２０８ａ、２０８ｂが金属筐体下面方向へずり落ちるのを防ぐ目的で、台形状凸部２０１の斜面に設けられる段差で、位置決め部材２０８ａ、２０８ｂが段差に引っかかることで、はんだ部への応力を緩和することができる。
なお、図３の３０４は、ばね部材２０４を台形状凸部２０１の上面に位置決めするための穴で、台形状凸部２０１の上面に設けた突起部が挿入される。

図４は、実施の形態１に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子と位置決め部材との位置関係を説明するための構造図である。図４において、２０５は、図１のインバータ回路１０２、整流回路１０５で使用する半導体素子、４０２は、半導体素子２０５のリード、２０８は、半導体素子２０５のリード４０２を挿入するための溝を設けた位置決め部材である。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態１のスイッチング電源装置によれば、多数の半導体素子を実装する必要がある場合においても、装置の底面積の増加を防ぎつつ、半導体上方の空間を有効活用することができる。また、多数の半導体素子を少ないねじ数で固定できるため、組立性を向上できる。また、金属筐体に壁が設けられている場合においても、水平方向からねじ止めする必要がないため、組立性を向上できる。また、台形状凸部の内部に冷却水路を設けることによって、台形状凸部以外に冷却水路を設ける必要がないため、装置の小型化・低背化を実現できる。

なお、上記の説明においては、図１に示すような回路構成を例に上げたが、その限りでなく、その他の回路方式であってもよい。

また、台形状凸部に設けられる冷却水路の断面形状は、円形に限らず、台形あるいは四角形にしてもよい。

台形状凸部に冷却水路を設けることによって、半導体素子−冷却水間の熱抵抗が低減するため、半導体素子の放熱性が向上すると共に、断面形状が円形の場合には、冷却水路を圧入パイプで構成することで、金属筐体に水路カバーを設ける必要がなくなるため、組立性が向上する。
また、冷却水路の断面形状を台形あるいは四角形とした場合には、台形状凸部内側のスペースを有効活用できるため、冷却水路の圧損の低減が可能となる。また、金属筐体をダイキャスト製法で製作する場合、冷却水路部分を容易に構成することができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子の固定・冷却方法を説明するための断面図である。
図５において、５０１は金属筐体の一部に設けられた台形状凸部、５０２はスイッチング電源装置の構成部品を覆い、金属筐体に固定されるカバー、５０３ａ、５０３ｂは、図１のインバータ回路１０２、整流回路１０５で使用する半導体素子、５０４は、台形状凸部５０１の上面に設けられ、カバー５０２からの押さえ力によってばね力を生じるばね部材である。台形状凸部５０１の両側面に設けられた半導体素子５０３ａ、５０３ｂは、カバー５０２を金属筐体に固定する際に、ばね部材５０４に生じるばね力により、台形状凸部５０１の両斜面にばね部材で押し当てられる。５０５は、ばね部材５０４を台形状凸部５０１に位置決めするための位置決めピンである。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態２のスイッチング電源装置によれば、実施の形態１と同様の効果に加え、ばね部材のねじを省略できるため、ねじを使うこと無く半導体素子を固定することができ、組立性を向上できる効果がある。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係わるスイッチング電源装置の、半導体素子の位置と、冷却水路の位置の関係を説明するための断面図である。
図６において、６０１ａ、６０１ｂは、図１のインバータ回路１０２、整流回路１０５で使用する半導体素子６０５ａ、６０５ｂのヒートスプレッダ、６０２ａ、６０２ｂは、半導体素子６０５ａ、６０５ｂが固定される台形状凸部の斜面、６０３は、台形状凸部内に設けた、断面が円形状の冷却水路、６０４は、斜面６０２ａ、６０２ｂの傾斜角θである。

図６に示すように、この発明の実施の形態３においては、円形状の冷却水路６０３の中心点が、台形状凸部の両側面（斜面）に配置された半導体素子のヒートスプレッダ６０１ａ、６０１ｂの中心部から、斜面６０２ａ、６０２ｂの法線方向に伸びる法線上に存在するように冷却水路が構成される。

図７は、図６の実施の形態３に係わるスイッチング電源装置の変形例を示す断面図である。
図７において、７０１ａ、７０１ｂは、図１のインバータ回路１０２、整流回路１０５で使用する半導体素子７０５ａ、７０５ｂのヒートスプレッダ、７０２ａ、７０２ｂは、半導体素子７０５ａ、７０５ｂが固定される台形状凸部の斜面、７０３は、台形状凸部内に設けた、断面が円形状の冷却水路、７０４は、斜面７０２ａ、７０２ｂの傾斜角θ’であり、図６に示す台形状凸部の斜面の傾斜角θ６０４よりも、大きな傾斜角となっている。

図７に示されるように、円形状の冷却水路７０３の中心点が、台形状凸部の両側面（斜面）に配置された半導体素子のヒートスプレッダ７０１ａ、７０１ｂの中心部から、斜面７０２ａ、７０２ｂの法線方向に伸びる法線上に存在するように冷却水路が構成される。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態３のスイッチング電源装置によれば、斜面の傾斜角に応じて円形状の水路の中心位置が変わる。これにより、半導体素子−冷却水路間の熱抵抗を低減することができるため、半導体素子の放熱性が向上する。

１０１ａ、１０１ｂ 入力端子、１０２ インバータ回路、１０３ 半導体素子、
１０４ トランス、１０５ 半導体素子、１０６ 平滑コイル、１０７ コンデンサ、
１０８ 出力端子、１０９ グランド端子、２０１、５０１ 台形状凸部、
２０２、６０３、７０３ 冷却水路、２０３ ねじ、２０４、５０４ ばね部材、
２０５、２０５ａ、２０５ｂ 半導体素子、２０６ａ、２０６ｂ 絶縁シート、
２０７ａ、２０７ｂ プリント基板、２０８、２０８ａ、２０８ｂ 位置決め部材、
２０９ａ、２０９ｂ 段差、３０４ 穴、４０２ リード、５０２ カバー、
５０３ａ、５０３ｂ 半導体素子、５０５ 位置決めピン、
６０１ａ、６０１ｂ、７０１ａ、７０１ｂ ヒートスプレッダ、
６０２ａ、６０２ｂ、７０２ａ、７０２ｂ 斜面、６０４ 傾斜角θ、
６０５ａ、６０５ｂ、７０５ａ、７０５ｂ 半導体素子、７０４ 傾斜角θ’

Claims (7)

1. 複数の半導体素子で構成され、入力される直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、一次巻線の両端に印加される前記インバータ回路からの交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線に出力するトランスと、
   前記トランスの二次巻線から出力する交流電圧を整流するための半導体素子からなる整流回路と、
   前記整流回路からの出力を平滑する平滑コイルと、
   前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサと、
   構成部品である前記半導体素子、前記トランス、前記平滑コイルを固定し、かつ、前記半導体素子、前記トランス、前記平滑コイルで発生する熱を放熱するための冷却器を備えた金属筐体と、
   前記構成部品を覆い、前記金属筐体に固定されるカバーと、
   を備えた絶縁型のスイッチング電源装置であって、
   前記金属筐体が前記半導体素子を固定、かつ冷却するための台形状凸部を有し、
   前記台形状凸部の両側面に前記半導体素子を設け、
   前記複数の半導体素子が、前記台形状凸部の上面に固定される同一のばね部材によって、前記台形状凸部の側面に押し当てられることを特徴とするスイッチング電源装置
2. 前記カバーからの押さえ力によって前記ばね部材にばね力を生じさせ、このばね力によって、前記台形状凸部の両側面に設けられた前記半導体素子が、前記両側面に押し当てられることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記台形状凸部内に冷却水路を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記台形状凸部内に設けた冷却水路の断面形状が、円形であることを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記台形状凸部内に設けた冷却水路の断面形状が、台形または四角形であることを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記円形状の冷却水路の中心点が、前記半導体のヒートスプレッダの中心部から台形状凸部両斜面の法線方向に伸びる法線上に存在することを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
7. 前記台形状凸部の斜面に設けた段差部と、前記半導体素子のリードを挟みこむための溝部を備えた位置決め部材を備え、前記位置決め部材が、前記半導体素子と前記段差部との間に接して設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。