JP5451860B1 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁型DC/DCコンバータ回路の二次側同期整流用スイッチング素子が実装されたプリント基板において、大電流が流れることによる熱の問題が生じにくい構成を実現し、なお且つ、高効率で組立性が良好な小型のスイッチング電源装置を提供することを目的としている。
【解決手段】トランス120の二次側コイル導体122,123は、一次側コイル導体121を挟んで重ねて配置され、二次側コイル導体122,123の端部122a,122b,123a,123bは、プリント基板410上の接続用配線パターン421〜424を介して二次側スイッチング素子131〜134のドレイン端子Dと電気的に接続されている。
【選択図】図2

Description

この発明は、トランスを有する絶縁構造を備えたスイッチング電源装置に関するものである。
電気自動車やハイブリッドカーに搭載される車載用の絶縁型のスイッチング電源装置として、例えば、直流電圧のレベルを変換するための絶縁型DC/DCコンバータ装置が知られている。この装置は、リチウムイオン電池に代表される駆動用バッテリから供給される高電圧を、絶縁を保ちながら補機系電装品の電源電圧である低電圧に降圧する動作を行うものである。
このような絶縁型DC/DCコンバータ装置において、二次側の整流素子に、MOSFETに代表される半導体スイッチング素子を用いる同期整流方式が一般に採用されている。整流方式を同期整流方式とすることで、整流素子にダイオードを用いた場合に比べ、一般に高負荷域での効率が向上するため、より出力電流の大きい仕様の絶縁型DC/DCコンバータ装置において有効である。また、MOSFETを金属基板に実装することで、2次側に流れる大電流に起因するMOSFETの発熱をある程度効率よく放熱することができる。
同期整流方式を採用する絶縁型のスイッチング電源装置の例として、例えば、特許文献1に示される絶縁型DC―DCコンバータでは、トランス30は筐体35の底面から一定の高さH1において2次巻線の一端用の第1の接続端子36と他端用の第2の接続端子37と中間タップ用の第3の接続端子38とが水平方向において接続端子36と接続端子37との間に接続端子38を挟んだ状態で配置されている。チョークコイル40は基板70の上方に配置され、トランス30の筐体35からの接続端子38に向かって延びる接続端子42が接続端子38と接続されている。基板70のドレイン用の導電層73が平面視においてトランス30の筐体35からの第1の接続端子36の突出方向に延設されるとともにドレイン用の導電層74が平面視においてトランス30の筐体35からの第2の接続端子37の突出方向に延設されている。この絶縁型DC―DCコンバータでは、基板70(金属板71の上面に電気絶縁層72と導電層73〜77により構成されている)に整流用MOSFET21〜24が実装されるとともにバスバーを介して、基板70にトランス30の2次巻線が接続されており、ノイズの低減を図っている。
特開2011−50160号公報
しかしながら、特許文献1に示す従来の絶縁型DC―DCコンバータでは、MOSFETが金属基板に実装されているが、MOSFETの制御信号を生成する制御回路を金属基板上に構成することは困難であるため、別のプリント基板上に制御回路を実装する必要がある。このため、制御回路と金属基板上のMOSFETとを接続するためのコネクタ及びハーネスが余分に必要となり、コストが増大するとともに耐振動性が低下する。また、金属基板を介して放熱する構造であるため、絶縁放熱シート等を介して筐体に密着させて冷却する構造に比べて放熱性が劣り、MOSFETの性能を十分に発揮させることができないという課題があった。加えて、トランスの二次巻線とMOSFETとの接続のために余
分な接続端子を実装する必要があり、部品点数の増加やコストの増大、及び組立性の低下を招いていた。
これに対して、MOSFETをプリント基板に実装する場合には、MOSFETの制御信号はプリント基板上のパターンを用いて容易に配線することができ、コストの増大や耐振動性の低下を引き起こすことは少ない。また、リードタイプのパッケージのMOSFETを実装することにより、前述の絶縁放熱シート等を介して筐体に密着させて冷却する構造とすることもでき、放熱性の向上を図ることができる。しかし、MOSFETをプリント基板に実装した場合、プリント基板上のパターンに二次側の大電流を流す必要が生じるため、パターンの自己発熱により基板の劣化や焼損等を招く可能性があった。
本発明は、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、絶縁型DC/DCコンバータ回路の二次側同期整流用スイッチング素子が実装されたプリント基板において、大電流が流れることによる熱の問題が生じにくい構成を実現し、なお且つ、高効率で組立性が良好な小型のスイッチング電源装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路、一次側コイル導体と、少なくとも1つの板状の二次側コイル導体にて構成されるとともに、前記インバータ回路の出力側に接続されたトランス、複数のスイッチング素子により構成されるとともに、前記トランスの出力側に接続された整流回路、前記インバータ回路及び前記整流回路が実装されたプリント基板、前記プリント基板上に形成されるとともに、前記二次側コイル導体の端部と前記スイッチング素子の端子とを接続する接続用配線パターン、前記トランス及び前記プリント基板を収容する筐体、を備え、前記二次側コイル導体の端部及び前記スイッチング素子の端子が前記接続用配線パターンに設けられた貫通孔に挿入され、半田付によって実装されていることを特徴とするものである。
本発明のスイッチング電源装置によれば、トランスの低電圧側巻線を構成する二次側コイル導体を、二次側スイッチング素子が実装されたプリント基板に直接実装することにより、追加の部材を用いずにトランスと二次側整流回路との電気的接続を行うことができ、部品点数の削減及び組立性の向上を図るとともに、プリント基板上を電流が流れる距離を短くすることができ、プリント基板の発熱を抑制し、プリント基板の信頼性を向上させることができる効果がある。
実施の形態1に係るスイッチング電源装置に適用される第1のDC/DCコンバータ回路の構成図である。 実施の形態1に係るスイッチング電源装置のDC/DCコンバータを構成するトランスと整流回路との接続部分の構造の第1の構成例を示す上面図である。 図2のA−A’部の断面を示す図である。 図2のB−B’部の断面を示す図である。 実施の形態1に係るスイッチング電源装置に適用される第2のDC/DCコンバータ回路の構成図である。 実施の形態1に係るスイッチング電源装置のDC/DCコンバータを構成するトランスと整流回路との接続部分の構造の第2の構成例を示す上面図である。 実施の形態1に係るスイッチング電源装置に適用される第3のDC/DCコンバータ回路の構成図である。 トランスと整流回路の接続部分の構造の他の構成例を示す上面図である。
以下、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置について、図1から図8を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るスイッチング電源装置に適用される第1のDC/DCコンバータの回路構成図であり、図2は、実施の形態1に係るスイッチング電源装置のDC/DCコンバータを構成するトランスと整流回路の接続部分の構造の第1の構成例を示す上面図である。図3、図4は、それぞれ図2のA−A’部の断面及びB−B’部の断面を示す図である。
まず、図1を用いて、実施の形態1に係るスイッチング電源装置に適用される第1のDC/DCコンバータの回路構成について説明する。DC/DCコンバータ回路は、高電圧の直流電力が入力される入力端子210及び220と、一次側スイッチング素子101,102,103,104により構成され、入力端子210及び220に入力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路100と、インバータ回路100の入力側に設けられ、インバータ回路100の動作により発生する交流成分を吸収する入力コンデンサ170と、インバータ回路100の出力側に設けられた共振コイル110と、一次側スイッチング素子101,102,103,104とそれぞれ並列に接続され、共振コイル110と共振動作を起こし、一次側スイッチング素子101,102,103,104のスイッチング損失を抑制する働きを担う共振コンデンサ201,202,203,204と、共振コイル110と直列に接続された一次側コイル導体(高電圧側巻線)121及び一次側コイル導体121と磁気的に結合した二次側コイル導体(低電圧側巻線)122及び123からなるトランス120と、二次側スイッチング素子であるMOSFET131,132,133,134により構成され、二次側コイル導体122,123に発生する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路130と、二次側コイル導体122,123の接続箇所であるセンタータップ124と、センタータップ124での交流成分を含む直流電圧を平滑する平滑コイル160及び出力コンデンサ180で構成される平滑回路150と、平滑回路150から出力された平坦な直流電圧を取り出す出力端子310及び320と、を備えている。なお、ここでは、出力側のマイナス端子320は、明確には設けられていないが、GND接続箇所141,142,143とこれらが接地される図2に示す筐体140がその役割を担っている。
このDC/DCコンバータ装置は、車載の高電圧バッテリから供給される100Vから600V程度までの高電圧を入力端子210及び220に受け、出力端子310及び320より車載補機系部品の電源電圧である12Vから16V程度の電圧を出力するものである。
図2は、図1に示すDC/DCコンバータ回路を構成するトランスと整流回路の接続部分の構造を示す上面図である。図3、図4は、それぞれ図2のA−A’部及びB−B’部の断面図である。次に、図2から図4を参照して、実施の形態1のDC/DCコンバータ回路におけるトランス120と整流回路130の接続部分の具体的な構造について説明する。なお、図2から図4において、インバータ回路100、平滑回路150、及び一部の部材または部材の一部は、省略されている。
トランス120の一次側コイル導体121には、後述するE型コア125の中足125aを貫通させる貫通孔127が設けられており、一次側コイル導体121は、E型コア125の中足125aを捲回するように設けられた樹脂製のボビン128に対して捲回されるとともに、一次側コイル導体121の端部121aはボビン128から延出され、プリ
ント基板410上に実装されたインバータ回路100(図示されていない。)に電気的に接続されている。
板状の二次側コイル導体122,123は、トランス120の低電圧側巻線を構成している。二次側コイル導体122,123は、プレス加工により金属の薄板を打ち抜いて形成され、E型コア125の中足125aに捲回するように配置されるコイル部と、電気的接続を行うための端部122a,122b,123a,123b、124とからなる。二次側コイル導体122は、一次側コイル導体121の上側、二次側コイル導体123は、一次側コイル導体121の下側に重ねて配置されている。二次側コイル導体122,123の端部122a,122b,123a,123b、124のうち、二次側スイッチング素子(MOSFET)131,132,133,134に接続される方の端部122a,122b,123a,123bは、コイル部分より細い形状を持つように打ち抜き加工されているとともに、適宜折曲加工がなされており、それぞれ、プリント基板410上の接続用配線パターン421,422,423,424(本実施の形態の説明では、プリント基板410の下面にあるが、図2では、便宜上、上面側に表記されている。)を介して二次側スイッチング素子131,132,133,134と電気的に接続されている。さらに、二次側コイル導体122,123は、リベット等の締結部材531,532によって、コイル部と端部122a,122b,123a,123bとの中間部において、プリント基板410に対して、それぞれ、機械的に締結固定されている。
磁性体コア125は、トランス120の磁路を形成するものである。本実施の形態では、E型コア125とI型コア126とを組み合わせることで、トランス120のコアを構成している(図3、図4参照。)。また、ばね部材(図示されていない。)によって、E型コア125は、I型コア126とともに筐体140に対して押圧され、固定されている。
二次側スイッチング素子であるMOSFET131,132,133,134は、二次側コイル導体122,123に接続され、整流回路130を構成している。MOSFET131,132,133,134のドレイン端子Dは、プリント基板410上に設けられた接続用配線パターン421,422,423,424の貫通孔421a,422a,423a,424aにおいて、フロー半田付により半田511a,512a,513a,514aにて接合され、二次側コイル導体122,123の端部122a,122b,123a,123bは、接続用配線パターン421,422,423,424の貫通孔421b,422b,423b,424bにおいて、フロー半田付により半田511b,512b,513b,514bにて接合され、これにより、二次側コイル導体122,123の端部122a,122b,123a,123bと、MOSFET131,132,133,134のドレイン端子Dとが電気的に接続されている。また、MOSFET131,132,133,134が、ばね部材(図示されていない。)によって、絶縁放熱シート610を介して筐体140に押圧固定されていることで、機械的に固定されるとともに熱的にも筐体140と結合されている。また、MOSFET131,132,133,134ソース端子Sは、図示されていない金属導体によってGND接続箇所141,142で筐体140に対し電気的に接続されている。
筐体140は、スイッチング電源装置のMOSFET131,132,133,134、トランス120のE型コア125、I型コア126、プリント基板410を収容するものである。収容された部材は、ばね部材、または、ねじによってそれぞれ筐体140に機械的に固定されている。
プリント基板410には、インバータ回路100(図示されていない。)、MOSFET131,132,133,134の制御端子Gへ入力される制御信号のための接続用配
線パターン(図示されていない。)及びMOSFET131,132,133,134のドレイン端子Dと二次側コイル導体122,123とを接続する接続用配線パターン421,422,423,424が形成されている。また、プリント基板410は、ねじ止め箇所(図示されていない。)によって、筐体140に固定されている。
図3の断面図に示すように、MOSFET132(131)の端子D及び上側の二次側コイル導体122の端部122b(122a)は、プリント基板410上の接続用配線パターン422(421)の貫通孔422a,422b(421a,421b)に挿入されて半田付けされ、接続されている。図3の円で囲まれた部分の拡大図に示すように、MOSFET132(131)のドレイン端子Dの半田512a(511a)と二次側コイル導体122の端部122b(122a)の半田512b(511b)とは、繋がっている(一体に形成されている)ことが望ましく、両半田付箇所は可能な限り互いの直近にあり、両半田付箇所を接続する接続用配線パターン422(421)には、ソルダレジストを塗布しない方が望ましい。同様に、図4の断面図に示すように、MOSFET133(134)のドレイン端子D及び下側の二次側コイル導体123の端部123a(123b)は、プリント基板410上の接続用配線パターン423(424)の貫通孔423a,423b(424a,424b)に挿入されて半田付けされ、接続されている。接続用配線パターン423(424)についても同様に、ソルダレジストを塗布しない方がよい。ここでは、接続用配線パターン及び半田は、プリント基板410の下面(裏面)に形成する場合について説明したが、上面(表面)あるいは両面に形成する場合であってもよい。
なお、上記実施の形態では、二次側コイル導体122,123の相互接続箇所であるセンタータップ124を出力端子とし、平滑コイル160と接続する例について説明したが、図5に示す第2のDC/DCコンバータ回路のように、センタータップ124が、筐体140のGND144に接続され、二次側スイッチング素子131,132,133,134のソース端子Sと平滑コイル160a,160bを接続する回路構成であってもよい。その場合においても、本発明の効果は、同様に有効である。
また、上記実施の形態では、トランス120の低電圧側巻線が2つの二次側コイル導体122,123により構成される例について説明したが、二次側コイル導体を1つしか持たない場合であってもよく、例えば、図6に示すように、二次側巻線を0.5巻ずつとし、二次側スイッチング素子131,132,133,134と接続する二次側コイル導体の端部122a,122b,123a,123bとはトランスコア125,126を挟んで反対側のコイル部の中間点にセンタータップ124を設ける構成であってもよい。あるいは、図7に示すように、センタータップを持たずに二次側スイッチング素子131,132,133,134のドレイン端子Dと平滑コイル160a,160bとを電気的に接続するカレントダブラ方式の回路構成にも適用することができる。その場合においても、本発明の効果は、同様に有効である。
また、上記実施の形態では、1つの二次側コイル導体122の2つの端部に対して、それぞれ、2つの二次側スイッチング素子131,132及び133,134が接続される例について説明したが、要求される出力電流仕様に応じて接続される二次側スイッチング素子の個数は変化する。この場合には、図8に示すように、接続される二次側スイッチング素子801〜803の端子801d〜803dの各々に対して、個別に二次側コイル導体700の端部700a〜700cを備えることが望ましい。
また、上記実施の形態では、一次側コイル導体121を樹脂製のボビン128に対し導線を捲回させて構成した例について説明したが、一次側コイル導体121を他の方法によって構成していてもよい。例えば、一次側コイル導体121をプリント基板410とは別に設けたプリント基板上の配線パターンで構成するなどした場合においても、同様に、本
発明の効果は有効である。
これにより、本実施の形態では、二次側コイル導体122,123が、プリント基板410の接続用配線パターン421,422,423,424に半田付によって電気的に接続され、これら接続用配線パターン421,422,423,424を介して二次側半導体スイッチング素子131,132,133,134と接続されることで、部材を追加することなく、二次側コイル導体122,123と二次側半導体スイッチング素子131,132,133,134との接続を実現できるため、部品点数の削減及び組立性の向上を図ることができる。
また、二次側コイル導体122,123は、接続される二次側半導体スイッチング素子のMOSFET131,132,133,134のドレイン端子Dと同数の端部122a,122b,123a,123bを備え、これら端部と各MOSFETのドレイン端子Dとが、それぞれ、プリント基板410上の接続用配線パターン421,422,423,424を介して接続されることで、二次側コイル導体122,123と二次側半導体スイッチング素子131,132,133,134とを接続するプリント基板410上の接続用配線パターン421,422,423,424の長さを最小限にすることができ、接続用配線パターンにおける発熱量を低減することができる。
また、二次側コイル導体122,123の端部122a,122b,123a,123bと、これら端部と接続される各MOSFET131,132,133,134の端子とが、接続用配線パターン421,422,423,424領域内に設けられた2つの貫通孔に各々挿入され、一体に形成された半田によって接続されていることで、接続用配線パターン421,422,423,424における発熱量をさらに低減することができる。
また、二次側コイル導体122,123が、プリント基板410に対して締結部材531,532によって機械的に固定されていることで、二次側コイル導体122,123を筐体140に対して直接、機械的に固定する場合と比較して、組み付け時の誤差によって二次側コイル導体122,123と第二のプリント基板420との接続部の半田にかかる応力を軽減させることができ、半田クラック等の不具合の発生を低減させることができる。
また、二次側コイル導体122,123は、プレス加工により金属の薄板を打ち抜いて形成されるものとしたが、エッチング法等により形成されたものであってもよい。
このように、実施の形態1に係るスイッチング電源装置によれば、トランスの低電圧側巻線を構成する二次側コイル導体を、二次側スイッチング素子が実装されたプリント基板に直接実装することにより、追加の部材を用いずにトランスと二次側整流回路との電気的接続を行うことができるので、部品点数の削減及び組立性の向上が図れるとともに、また、プリント基板に実装される二次側コイル導体の端部をコイル部分より細くすることで、二次側スイッチング素子の端子直近に二次側コイル導体の端部を配置した場合においても、二次側スイッチング素子の他の配線パターンが阻害され難いため、コイルの電流容量を損なわずに、二次側スイッチング素子の端子と二次側コイル導体の端部とを、より近づけて配置することが可能となり、プリント基板上を電流が流れる距離を短くすることで、プリント基板の発熱を抑制し、プリント基板の信頼性を向上させることができるという効果が期待できる。また、プリント基板に実装される二次側コイル導体の端部がコイル部分より細くなっていることで、コイルの電流容量を損なわずに、フローによる半田付け時にコイル導体の放熱効果による半田不良を抑制することができるという効果が期待できる。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。
100 インバータ回路、120 トランス、121 一次側コイル導体、122,123 二次側コイル導体、122a,122b,123a,123b 二次側コイル導体の端部、125a,125b E型コア、126 I型コア、128 樹脂製ボビン、130 整流回路、131,132,133,134 二次側半導体スイッチング素子(MOSFET)、140 筐体、410 プリント基板、421,422,423,424 接続用配線パターン、531,532 締結部材、610 絶縁放熱シート。

Claims (7)

  1. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路、
    一次側コイル導体と、少なくとも1つの板状の二次側コイル導体にて構成されるとともに、前記インバータ回路の出力側に接続されたトランス、
    複数のスイッチング素子により構成されるとともに、前記トランスの出力側に接続された整流回路、
    前記インバータ回路及び前記整流回路が実装されたプリント基板、
    前記プリント基板上に形成されるとともに、前記二次側コイル導体の端部と前記スイッチング素子の端子とを接続する接続用配線パターン、
    前記トランス及び前記プリント基板を収容する筐体、を備え、
    前記二次側コイル導体の端部及び前記スイッチング素子の端子が前記接続用配線パターンに設けられた貫通孔に挿入され、半田付によって実装されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記二次側コイル導体の端部は、前記二次側コイル導体のコイル部分よりも細く形成されてい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. 前記二次側コイル導体の端部は、接続される前記スイッチング素子の端子数に応じて分岐され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. 前記二次側コイル導体の端部の半田材と前記スイッチング素子の端子の半田材とが、前記接続用配線パターン上で一体に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記二次側コイル導体が、前記プリント基板に締結部材により機械的に締結固定されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記二次側コイル導体のコイル部と端部との中間部において締結固定されていることを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源装置。
  7. 前記二次側コイル導体は、2つのコイル導体から構成されるとともに、前記一次側コイル導体が、前記2つのコイル導体により挟持されていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
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