JP5558543B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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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。
このような車載用の絶縁型DC/DCコンバータ装置に搭載されるトランスは、高電圧が印加されるとともに大電流が通電されるため、巻線の容積が大きくなり、トランスのコアサイズの増大ならびにそれに起因する装置の大型化が問題となる。また、コアサイズの嵩が高くなることで、コアの放熱性が低下し、コア上部の温度が高温になるという課題があった。
これらの課題を解決するための既知の技術として、例えば、特許文献1、2で示すように、トランスの巻線をプリント基板上のパターンあるいは薄い金属のプレートで構成したプレーナ構造のトランスが採用されている。プレーナ構造とすることで、トランスを薄型にすることができ、スイッチング電源装置の大型化やコア上部の温度が高温になることを回避することができる。
ここで、プリント基板上のパターンあるいは薄い金属のプレートで構成したトランス巻線の放熱効果を高めることで、同じサイズで比較した場合、トランスの電流容量を増大させることに繋がるため、このようなプレーナ構造のトランスにおける巻線の放熱方法についていくつかの技術が提案されている。
例えば、特許文献1に示されるインダクタンス部品、電源トランス及びスイッチング電源では、1次コイル4,5及び2次コイル10,30と、その双方が巻回される軸芯部2c、3cを有するコア部品2,3を備えた電源トランス1において、2次コイル10,30が環状部11の内側に孔部13を有する平板状コイル8,9,28,29であり、その平板状コイル8,9,28,29は、端子部15,35と放熱用足部17,37が環状部11,31につながり、その放熱用足部17,37が孔部13,33を挟んで端子部15,35と対向する側から突出されている。この放熱構造により、発生する熱の放出が効率的に行われ、放熱特性が良好なものが得られる。
また、特許文献2に示されるトランス及びスイッチング電源装置では、DC−DCコンバータ100のトランス140を構成するコイル部品10では、1次側コイル基板20に伝熱領域29が設けられ、この伝熱領域29と、放熱部材であるベースプレート102の凸部113とが熱的に接続されることによって、1次側コイル基板20の1次側コイル導体で発生した熱、具体的には、トランス140の1次側コイル導体を形成する第2コイル部214及び第3コイル部216で発生する熱をベースプレート102に対して好適に伝熱させることができる。すなわち、1次側コイル基板20側のコイルで発生した熱を2次側コイル30,40を介さずにベースプレート102に対して放熱することができるため、1次側コイル基板20の放熱効果を高めることができる。
特開2004−303823号公報 特開2011−77328号公報
しかしながら、特許文献1に示す従来のスイッチング電源では、巻線を構成する平板状コイルに放熱用の足が設けられているが、特に、一次側巻線等で複数回捲回している場合においては、内側に捲回された巻線の放熱に対しては、効果が薄いという課題があった。また、ねじを用いて筐体に対して放熱箇所の熱的接続を行う場合には、一般に巻線と筐体間を絶縁する必要があるため、ねじに絶縁部材を追加する必要があり、コストの増加や組立性の低下を引き起こすとともに、ねじを貫通させる穴径が大きくなることで十分な放熱面積を確保できないという課題もあった。
また、トランス巻線をプリント基板上のパターンで構成した場合、あるいは、トランス巻線を薄い金属のプレートで構成し、プリント基板上に実装した場合には、プリント基板から筐体への放熱経路の構成が困難である。そこで、特許文献2に示す従来のスイッチング電源では、プリント基板から筐体への放熱経路の構成において、筐体から凸部を突出させ、プリント基板の下面に当てて放熱経路を構成しており、同様の手法が一般的に行われている。その際、プリント基板のたわみや筐体の寸法の誤差によって、筐体とプリント基板との間に間隙が生じることを防ぐために、十分な厚みを持った柔らかい絶縁シートがプリント基板と筐体の間に挿入されることが多い。すなわち、筐体から突出させた凸部とプリント基板との間に予め間隙を設け、その間隙よりも十分に厚い絶縁シートを凸部に貼りつけ、プリント基板を筐体に組付する際に絶縁シートを押し潰して組み付けることで、プリント基板と筐体との間に確実に放熱経路が形成されるようにしている。しかし、柔らかくて厚みが大きい絶縁シートは、組み付け時の取り扱いが困難であるとともに熱抵抗も大きくなるという問題があり、プリント基板の撓みや筐体の寸法の誤差を吸収させることで、押し付け圧力が不均一となり易いため、広い面積で接触させることが難しく、十分に放熱できないという課題が残っていた。さらに、巻線部分の直下は、下側のコアが妨げになって筐体への放熱経路を形成することができないため、ある程度、巻線部分から離れた箇所で放熱経路を形成する必要があるが、その際には、プリント基板を水平方向に熱移動する経路となる。このため、熱抵抗の増大および内側に捲回された巻線の放熱に対して効果が薄くなるという課題もあった。
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、トランスの一次側及び二次側コイル導体で発生する熱を効率よく筐体に放熱することができ、小型が可能な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、複数の一次側スイッチング素子により構成されるとともに、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路の出力側に接続されるとともに、磁路を形成するための上側コア及び下側コアからなるコア部材を有するトランスと、複数の二次側スイッチング素子により構成されるとともに、トランスの出力側に接続された整流回路と、インバータ回路及び整流回路が実装された第一のプリント基板と、トランス及び第一のプリント基板を収容する筐体とトランス一次側コイル導体が配線パターンにより形成された第二のプリント基板と、少なくとも1個の板状のコイル導体にて構成されたトランスの二次側コイル導体と、ばね性を有するばね形状部を具備するとともにコア部材と二次側コイル導体との接触を防止する樹脂製ボビン部材と、トランスのコア部材を筐体に押圧固定するばね部材と、を備え、第二のプリント基板は、少なくとも一方の面に二次側コイル導体が重ねられた状態で、上側コアと二次側コイル導体との間で挟持されることでばね形状部が変形され、発生した反力により第二のプリント基板及び二次側コイル導体が筐体に押圧固定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、トランスを構成する一次側コイル導体が形成された第一のプリント基板が、二次側コイル導体と重ねられた状態で筐体に押圧固定されることで、一次側コイル導体から筐体までの放熱経路において介在する部材間の界面の密着性が向上し、熱抵抗が低減され、放熱性を向上させることができ、また、一次側コイル導体のパターン幅をより狭く設計することが可能となり、トランスのサイズを縮小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インバータ回路の接続部分の構造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。 実施の形態2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インバータ回路の接続部分の図2のA−A’部に相当する断面を示す図である。 実施の形態3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インバータ回路の接続部分の図2のA−A’部に相当する断面を示す図である。 実施の形態における二次側コイル導体と第二のプリント基板との組み立て方法を説明するトランスの断面図である。
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6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インバータ回路の接続部分の構造を示す上面図である。図3は、図2のA−A’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およ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131,132,133,134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16
0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。また、ここでは、一次側スイッチング素子101,102,103,104及び二次側スイッチング素子131,132,133,134として、MOSFETを用いる場合を示している。
このDC/DCコンバータ装置は、車載の高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は、図2のA−A’部の断面図である。次に、図2及び図3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とインバータ回路100の接続部分の具体的な構造について説明する。なお、図2及び図3において、整流回路130、平滑回路150、および一部の部材または部材の一部は、省略されている。
第一のプリント基板410には、インバータ回路100を構成する一次側スイッチング素子であるMOSFET101,102,103,104が実装され、プリント基板410上に形成された配線パターン(図示されていない。)及び可撓性を有する接続導体551,552を介して第二のプリント基板420に接続されている。また、MOSFET101,102,103,104は、ばね部材(図示されていない。)によって、絶縁放熱シート710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。
第二のプリント基板420には、トランス120の一次側コイル導体121が、渦巻状または螺旋状の配線パターンにより構成されている。また、第二のプリント基板420には、後述するE型コア125の中足125a及び外足125bを貫通させる貫通孔127,128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を捲回するように配置されている。さらに、第一のプリント基板410と第二のプリント基板420とは、可撓性を有する接続導体551,552により相対的自由度を保った状態で、電気的に接続されている。なお、E型コア125の外足125bを貫通させる貫通孔128については,切り欠き形状であっても構わない。
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。この二次側コイル導体122,123は、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ており、端部にはナット510が圧入され、ねじ締めによって接続されたバスバー(図示されていない。)によって、整流回路130(図示されていない。)及び平滑回路150(図示されていない。)に接続されている。この接続方法はねじ締めに限らず、他の方法であっても構わない。また、バスバーを介さずに直接接続されていても構わない。二次側コイル導体122は、第二のプリント基板420の上側、二次側コイル導体123は、第二のプリント基板420の下側に重ねて配置されている。
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3参照。)。また、ばね部材630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。
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、第一のプリント基板410及び第二のプリント基板420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。
ばね部材630は、トランス120の磁路を形成するコア125,126を筐体140に押圧固定すると同時に、第二のプリント基板420および第二のプリント基板420が挟持されて重ねて配設された二次側コイル導体122,123とを押圧して、筐体140に対して機械的に固定するとともに熱的にも筐体140と結合させている。ばね部材630と上側の二次側コイル導体122との間には、絶縁部材730が挟まれているとともに、下側の二次側コイル導体123と筐体140との間には、絶縁放熱シート710が挟まれている。ここで、絶縁部材730は、シート状で二次側コイル導体122の上に置かれる形を示しているが、ばね部材630側に絶縁部材730が固定されていてもよい。
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、トランスを構成する二次側コイル導体が形成された第二のプリント基板が、二次側コイル導体と重ねられた状態で筐体に押圧、固定されることで、第二のプリント基板から筐体までの放熱経路において介在する部材間の界面の密着性が向上し、熱抵抗が低減され、放熱性を向上させることができ、また、二次側コイル導体のパターン幅をより狭く設計することが可能となり、トランスのサイズを縮小させることができるという顕著な効果が期待できる。
実施の形態2.
図4は、実施の形態2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インバータ回路の接続部分の図2のA−A’部に相当する断面を示す図である。実施の形態1のスイッチング電源装置との違いは、実施の形態1では、二次側コイル導体122,123の接続箇所124において圧入ナット510を用いているのに対して、実施の形態2では、筐体140に固定された端子台部材520が用いられている点と、実施の形態1では、トランスのコア125,126の押圧固定と、第二のプリント基板420及び二次側コイル導体122,123の押圧固定とが同一のばね部材により行われているのに対して、実施の形態2では、図4に示すように、別のばね部材610,620により押圧固定されている点である。
図4に示すように、筐体140上の同一の位置で、ばね部材610及び620を共締め固定することで、部品点数の削減や実装面積の削減の効果がある。また、この実施の形態のように、端子台等の機械的固定を達成可能な接続方法を取る場合には、図4に示すように二次側コイル導体122,123の端子側とは、トランスのコア125,126を挟んで反対側のみを押圧固定すればよい。なお、実施の形態2におけるその他の構成については実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
また、ばね部材610及び620の替わりに、トランス120を筐体140に押圧固定する機能と、第二のプリント基板420及び二次側コイル導体122,123を筐体140に押圧固定する機能とが一体となった複合ばね部材を利用してもよく、例えば、一枚の板材から折り曲げ加工することにより、ばね部材610及び620に相当する複合ばね部材を形成してもよい。
このように、実施の形態2に係るスイッチング電源装置によれば、トランスのコアの押圧固定と、第二のプリント基板及び二次側コイル導体の押圧固定とを、それぞれ別のばね部材で共締めにより行うことで、実施の形態1と同様の効果を有するとともに、トランス
のコアと第二のプリント基板及び二次側コイル導体とを独立して、押圧固定することで、部品点数の削減や組み立て性を改善することができるという顕著な効果が期待できる。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3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インバータ回路の接続部分の図2のA−A’部に相当する断面を示す図である。実施の形態2のスイッチング電源装置との違いは、実施の形態2では、ばね部材620を用いて、第二のプリント基板420及び二次側コイル導体122,123が、筐体140に押圧固定されているのに対して、ばね性を有するばね形状部740aを備えたトランスの樹脂製ボビン部材740を用いて筐体140に押圧固定されている点である。また、実施の形態2では、二次側コイル導体122,124の接続箇所において、筐体140に固定された端子台部材520が用いられているのに対して、実施の形態3では、第一のプリント基板410上に実装された雌ねじを持つ基板端子530が用いられている点である。なお、樹脂製ボビン部材740は、トランスのコア125と二次側コイル導体122,123との接触を防止する効果も併せ持っている。
トランスの樹脂製ボビン部材740に、ばね性を有するばね形状部740aを設けることで、ばね部材610によって押圧される力を利用して、上側コア126を介して樹脂製ボビン部材740により、第二のプリント基板420及び二次側コイル導体122,123が筐体140に押圧固定されている。なお、実施の形態3におけるその他の構成については実施の形態2と同様であるので説明を省略する。
また、実施の形態1及び実施の形態2では、一次側コイル導体121は、第二のプリント基板420上の配線パターンのみで構成する例について説明したが、図5に示すようにさらに金属薄板を打ちぬいた追加コイル導体121bによって追加のコイル導体を構成していてもよい。この場合、図5に示すように追加コイル導体121bの実装側を筐体140側に向けることで、追加コイル導体121bで発生した熱の放熱経路は、熱伝導率の悪いプリント基板を介さず筐体140に放熱させることができ、放熱効果を高めることにより一次側コイル導体121(高電圧側巻線)全体の温度を低下させることができるため、トランス120のサイズを縮小することができる。ここで、追加コイル導体121bの少なくとも一方の端部は延長され、第一のプリント基板410と電気的に接続されている。
このように、実施の形態3に係るスイッチング電源装置によれば、第二のプリント基板及び二次側コイル導体が、ばね形状部を有するトランスの樹脂製ボビン部材を用いて筐体に押圧固定されていることで、実施の形態2と同様の効果を有するとともに、トランスのコアと二次側コイル導体との接触を防止し、絶縁性を高めることができるという顕著な効果が期待できる。
次に、本発明の実施の形態における二次側コイル導体と第二のプリント基板との組み立て方法を図6に示すトランスの断面図を参照して説明する。ここでは、図6(a)に示すように、二次側コイル導体122として、予め凸状に湾曲された部材を用い、凸状に突出した面側を第二のプリント基板420側に向けた状態で重ねておき、二次側コイル導体122の両端を筐体140にばね部材による押圧または締結部材による締結によって機械的に固定させることで、二次側コイル導体122が平坦化され、図6(b)に示す状態となる。したがって、図(c)に示すように二次側コイル導体122,123と第一のプリント基板410との界面に隙間ができることを防ぎ、密着性の向上を図ることができる。また、二次側コイル導体123の場合であってもよく、同様である。
いずれの場合においても、二次側コイル導体122,123と第二のプリント基板420とを、均一な圧力で、かつ広い面積で接触させることで、二次側コイル導体122,1
23を経由した水平方向の伝熱が促進されるとともに、部材間の界面の密着性を増すことができ、熱抵抗が低減されることによって、トランス120の一次側コイル121を構成する第一のプリント基板410上の配線パターン(巻線)の幅をより狭く設計することが可能となり、トランス120のサイズを縮小することができる。
また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したり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、101,102,103,104 MOSFET、120 トランス、121,121b 一次側コイル導体、122,123 二次側コイル導体、125a,125b E型コア、126 I型コア、130 整流回路、140 筐体、410 第一のプリント基板、420 第二のプリント基板(一次側コイル導体)、551,552接続導体、610,620,630 ばね部材、710 絶縁放熱シート、730 絶縁部材、740 樹脂製ボビン部材

Claims (6)

  1. 複数の一次側スイッチング素子により構成されるとともに、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
    前記インバータ回路の出力側に接続されるとともに、磁路を形成するための上側コア及び下側コアからなるコア部材を有するトランスと、
    複数の二次側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と、
    前記インバータ回路及び前記整流回路が実装された第一のプリント基板と、
    前記トランス及び前記第一のプリント基板を収容する筐体と
    記トランス一次側コイル導体が配線パターンにより形成された第二のプリント基板と、
    少なくとも1個の板状のコイル導体にて構成された前記トランスの二次側コイル導体と
    ばね性を有するばね形状部を具備するとともに前記コア部材と前記二次側コイル導体との接触を防止する樹脂製ボビン部材と、
    前記トランスのコア部材を前記筐体に押圧固定するばね部材と、を備え、
    前記第二のプリント基板は、少なくとも一方の面に前記二次側コイル導体が重ねられた状態で、前記上側コアと前記二次側コイル導体との間で挟持されることで前記ばね形状部が変形され、発生した反力により前記第二のプリント基板及び前記二次側コイル導体が前記筐体に押圧固定されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記第一のプリント基板と前記第二のプリント基板とが可撓性を有する接続導体により接続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は、2つのコイル導体から構成され、前記2つのコイル導体が前記一次側コイル導体を挟み込むように配設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は、凸状に湾曲している部材で構成されると共に、前記凸状側が前記第二のプリント基板側となるよう配設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. 前記一次側コイル導体が、前記第二のプリント基板上の配線パターンによるコイル導体に加え、前記第二のプリント基板上に別途実装された追加コイル導体により構成され、前記実装されたコイル導体が前記第二のプリント基板の前記筐体側に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記追加コイル導体の少なくとも一方の端部が延長され、前記第一のプリント基板と電気的に接続されていることを特徴とする請求項に記載のスイッチング電源装置。
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