JP5705263B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数（２個以上）のトランスを有するスイッチング電源装置に関する。

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、例えば直流電力の電圧レベルを変換する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを適用することが知られている。この絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、絶縁を保ちながら、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、補機系電装品の電源電圧である低電圧に降圧するものである。

ここで、このような絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、トランスを複数個備え、１次側コイル巻線を直列接続とし、２次側コイル巻線を並列接続とする構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このように、１次側コイル巻線を直列接続とすることで、トランス１つ当たりにかかる電圧を分散低減し、トランスの巻き数比を抑えて、トランスの小型化、低背化を実現している。また、トランスを複数個とすることで、電流の集中を抑制し、損失による発熱を低減して、効率の向上を図っている。

特開２００８−１７８２０５号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、トランスを複数個とすることにより、高電圧が印加される１次側コイル巻線の接続箇所が増加するので、低電圧側との絶縁が必要な接続箇所が増加し、実装面積が増大し、構造が複雑化するという問題がある。また、トランスの数が増えることで、実装工数が増大するという問題もある。

この発明は、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、トランスを複数個とした場合であっても、実装面積の増大や構造の複雑化、実装工数の増大を生じることなく、小型で効率の高い絶縁型の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、インバータ回路に設けられたスイッチング素子の動作により、トランスの１次側コイル巻線に交流電力を供給するとともに、トランスの２次側コイル巻線から電圧レベルが変換された交流電力を取り出すスイッチング電源装置であって、トランスは、複数個設けられ、インバータ回路が実装されるプリント基板上において、複数のトランスとインバータ回路とが、２箇所の接続箇所で互いに接続され、複数のトランスにおいて、複数のトランスのそれぞれが有する１次側コイル巻線の絶縁および巻線の保持固定をなす樹脂部材は一体成形され、複数のトランスのそれぞれが有する１次側コイル巻線には、１次側コイル巻線と２次側コイル巻線とを磁気的に結合するトランスコアを全て樹脂部材にセットした際に、トランスコアを固定するテープを捲回する上面、下面および両側面の４面について、それらの面を法線方向へ投影する領域において、樹脂部材および他のトランスコアが配置されないように、外形、およびトランスコアを貫通するための貫通穴が形成されているものである。

この発明に係るスイッチング電源装置によれば、インバータ回路が実装されるプリント基板上において、複数のトランスとインバータ回路とが、２箇所の接続箇所で互いに接続されている。
そのため、トランスを複数個とした場合であっても、実装面積の増大や構造の複雑化、実装工数の増大を生じることなく、小型で効率の高い絶縁型のスイッチング電源装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を例示する回路図である。 この発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス回路を構成する１次側コイル巻線を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス回路を構成する１次側コイル巻線を示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス回路を構成する１次側コイル巻線を示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス回路を構成する１次側コイル巻線を示す別の構成図である。

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き図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を例示する回路図である。図１において、この絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、高電圧の直流電力が入力される入力端子２１０、２２０を備えている。

入力端子２１０、２２０には、１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、２２０に入力される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１００が接続されている。ここで、１次側スイッチング素子１０１、１０２、１０３、１０４は、例えばＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子である。

インバータ回路１００の入力側には、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が接続されている。また、インバータ回路１００の出力側には、共振コイル１１０が接続されている。なお、インバータ回路１００およびインバータ回路１００を動作させる制御回路（図示せず）は、プリント基板（図示せず）上に実装されている。

また、インバータ回路１００には、１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て、１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共振コンデンサ２０１、２０２、２０３、２０４が設けられている。

共振コイル１１０の、インバータ回路１００と反対側には、互いに直列に接続された１次側コイル巻線（高電圧側巻線）１２１、１２２と、１次側コイル巻線１２１、１２２と磁気的に結合した２次側コイル巻線（低電圧側巻線）１２３、１２４とから構成され、交流電力の電圧レベルを変換するトランス回路１２０が接続されている。

なお、トランス回路１２０は、２個のトランスを有している。各トランスは、複数回捲回され、絶縁性を有する樹脂部材によって絶縁および巻線の保持固定がなされた１次側コイル巻線と、１次側コイル巻線よりも少ない回数で捲回された２次側コイル巻線と、１次側コイル巻線と２次側コイル巻線とを磁気的に結合する上側トランスコアおよび下側トランスコアと、上側トランスコアおよび下側トランスコアを固定するテープとから構成されている。

トランス回路１２０の出力側には、２次側整流素子１３１、１３２、１３３、１３４により構成され、２次側コイル巻線１２３、１２４に発生する交流電力を直流電力に変換する整流回路１３０が接続されている。ここで、２次側整流素子１３１、１３２、１３３、１３４は、例えばダイオードである。

整流回路１３０の、トランス回路１２０と反対側には、２次側コイル巻線１２３、１２４のセンタータップから取り出される、交流成分を含む直流電力を平滑する平滑コイル１６０および出力コンデンサ１８０からなる平滑回路１５０が接続されている。

平滑回路１５０には、平滑回路１５０からの平坦な直流電力を取り出す出力端子３１０、３２０が設けられている。なお、この絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、マイナス側の出力端子３２０は、明確には設けられていないが、ＧＮＤ接続箇所１４１、１４２とこれらが設けられる筐体（図示せず）とが、その役割を担っている。

また、インバータ回路１００およびインバータ回路１００を動作させる制御回路が実装されたプリント基板、トランス回路１２０、整流回路１３０並びに平滑回路１５０は、筐体内に収容固定されている。

上記のように構成された絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、車載の高圧バッテリから供給される１００〜６００Ｖ程度の高電圧を入力端子２１０、２２０で受け、車載補機系電装品の電源電圧である１２〜１６Ｖ程度の低電圧に降圧して出力端子３１０、３２０から出力するものである。

図２は、この発明の実施の形態１に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス回路１２０を構成する１次側コイル巻線１２１、１２２を示す構成図である。なお、図２では、図１に示したインバータ回路１００や平滑回路１５０、一部の部材または部材の一部は、省略されている。

図２において、１次側コイル巻線１２１、１２２は、板金部材を打ち抜いて形成されたコイルプレート部材を、樹脂部材にインサート成形することで形成されている。また、１次側コイル巻線１２１には、プリント基板上に実装されたインバータ回路１００と接続されるインバータ接続端子４００が設けられているが、１次側コイル巻線１２２には、インバータ接続端子４００が設けられていない。

また、１次側コイル巻線１２１、１２２には、ともに他の１次側コイル巻線と直接接続するための巻線間接続端子４１０が設けられ、この巻線間接続端子４１０を抵抗溶接によって接続することで、１次側コイル巻線１２１と１次側コイル巻線１２２とが、電気的に直列に接続される。

また、１次側コイル巻線１２１、１２２には、Ｅ型の上側トランスコア（図示せず）および下側トランスコア１２５、１２６の中足が貫通するための貫通穴６２１、６２２が形成されている。なお、１次側コイル巻線１２１、１２２各々の内部の導体は、それぞれ貫通穴６２１、６２２を捲回するように形成されている。

ここで、１次側コイル巻線１２１、１２２に、上側トランスコアおよび下側トランスコア１２５、１２６を組み付け、テープにて捲回固定した後に、巻線間接続端子４１０が抵抗溶接によって接続され、一体化される。

以上のように、実施の形態１によれば、単純にトランスの数を増やした場合と比較して、プリント基板上において、インバータ回路との接続箇所が、インバータ接続端子の２箇所に減少するので、絶縁が必要となる接続箇所を低減することができ、実装面積の増大や構造の複雑化が生じることがない。また、１次側コイル巻線どうしが、巻線間接続端子によって電気的に接続（一体化）された後に、筐体に収容されてインバータ回路と接続されるので、実装工数の増大を生じることがない。この結果、小型で効率の高い絶縁型のスイッチング電源装置を得ることができる。

また、１次側コイル巻線に、トランスコアを組み付け、テープにて捲回固定した後に、巻線間接続端子を接続することで、１次側コイル巻線どうしが一体成型されている場合と比較して、トランスコアを固定するためのテープの捲回が容易になり、組み立て性を向上させることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス回路１２０を構成する１次側コイル巻線１２１、１２２を示す構成図である。なお、図２と同様の構成については、説明を省略する。また、図３では、図１に示したインバータ回路１００や平滑回路１５０、一部の部材または部材の一部は、省略されている。

図３において、１次側コイル巻線１２１、１２２は、一体の部材としてインサート成形されている。また、１次側コイル巻線１２１、１２２には、上側トランスコア（図示せず）および下側トランスコア１２５、１２６が互いに直角に配置されるように、外形、およびトランスコアの中足が貫通するための貫通穴６２１、６２２が形成されている。

具体的には、各トランスについて、１次側コイル巻線１２１、１２２の絶縁および巻線の保持固定をなす樹脂部材は、一体成形されている。また、複数のトランスコア１２５、１２６を全て樹脂部材にセットした際に、テープを捲回する上面、下面および両側面の４面について、それらの面を法線方向へ投影する領域において、樹脂部材および他のトランスコアが配置されないように、外形、およびトランスコアを貫通するための貫通穴６２１、６２２が形成されている。

以上のように、実施の形態２によれば、１次側コイル巻線どうしが一体の部材としてインサート成形されていることにより、プリント基板上において、インバータ回路との接続箇所が２箇所に減少するので、絶縁が必要となる接続箇所を低減することができ、実装面積の増大や構造の複雑化、実装工数の増大が生じることがない。この結果、小型で効率の高い絶縁型のスイッチング電源装置を得ることができる。

また、トランスコアを１次側コイル巻線に組み付けて、トランスコアを固定するためのテープを捲回する際に、１次側コイル巻線および他のトランスコアが障害とならないので、トランスコアを固定するためのテープの捲回が容易になり、組み立て性を向上させることができる。

実施の形態３．
図４、５は、この発明の実施の形態３に係るスイッチング電源装置に適用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのトランス回路１２０を構成する１次側コイル巻線１２１、１２２を示す構成図である。なお、図２と同様の構成については、説明を省略する。

また、図４、５では、図１に示したインバータ回路１００や平滑回路１５０、一部の部材または部材の一部は、省略されている。また、図４は、テープ捲回時の１次側コイル巻線１２１、１２２を示し、図５は、実装時の１次側コイル巻線１２１、１２２を示している。

図４、５において、１次側コイル巻線１２１、１２２は、一体の部材としてインサート成形されている。また、１次側コイル巻線１２１、１２２には、上側トランスコア（図示せず）および下側トランスコア１２５、１２６が互いに直角に配置された後、それぞれ４５度回転できるように、外形、およびトランスコアの中足が貫通するための貫通穴６２１、６２２が形成されている。

具体的には、各トランスについて、１次側コイル巻線１２１、１２２の絶縁および巻線の保持固定をなす樹脂部材は、一体成形されている。また、複数のトランスコア１２５、１２６を全て樹脂部材にセットした際に、テープを捲回する上面、下面および両側面の４面について、それらの面を法線方向へ投影する領域において、樹脂部材および他のトランスコアが配置されない位置関係となるまで、トランスコアを水平方向に回転できるように、外形、およびトランスコアを貫通するための貫通穴６２１、６２２が形成されている。

以上のように、実施の形態３によれば、１次側コイル巻線どうしが一体の部材としてインサート成形されていることにより、プリント基板上において、インバータ回路との接続箇所が２箇所に減少するので、絶縁が必要となる接続箇所を低減することができ、実装面積の増大や構造の複雑化、実装工数の増大が生じることがない。この結果、小型で効率の高い絶縁型のスイッチング電源装置を得ることができる。

また、トランスコアを１次側コイル巻線に組み付けて、トランスコアを固定するためのテープを捲回する際に、１次側コイル巻線および他のトランスコアが障害とならないので、トランスコアを固定するためのテープの捲回が容易になり、組み立て性を向上させることができる。

さらに、筐体への組み付け時に、トランスコアの配置を横並びにできるので、２次側コイル巻線や整流回路同士の干渉を防ぐことができ、無理のないレイアウト設計ができることで、実装性を向上させることができる。

また、上記実施の形態１〜３では、図２〜５に示されるように、１次側コイル巻線とインバータ回路とを接続する接続箇所が２箇所であるとともに、その２箇所ともが何れか１つのトランスの近傍に位置しているので、プリント基板上で絶縁すべき領域を最小限とすることができ、実装面積の低減させることができる。

また、上記実施の形態１〜３において、少なくとも１つのトランスについて、１次側コイル巻線を挟み込むように２次側コイル巻線を配置することにより、トランスの結合度を増加させて、コンバータの効率を向上させることができる。

また、上記実施の形態１〜３において、少なくとも１つのトランスについて、１次側コイル巻線を、２次側コイル巻線に対して、リベットにより機械的に締結固定させることにより、１次側コイル巻線と２次側コイル巻線との密着性を増加させて、１次側コイル巻線で発生した熱を２次側コイル巻線へ拡散させることで、トランス回路の放熱性を増加させて、トランスの小型化を実現することができる。

また、上記実施の形態１〜３において、少なくとも１つのトランスについて、上述した１次側コイル巻線を機械的に締結固定させるのに代えて、２次側コイル巻線が、１次側コイル巻線と一体としてモールド成形されてもよい。これにより、１次側コイル巻線と２次側コイル巻線との熱的な結合度を増加させることができるとともに、組立時の部品点数を減少させて、組み立て性を向上させることができる。

なお、この発明は、上記実施の形態１〜３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。例えば、トランスの１次側コイル巻線の接続を直列接続として説明したが、並列接続であっても、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１〜３では、トランスの１次側コイル巻線が、板金の打ち抜き部材を樹脂にインサート成形して形成されるものとして説明したが、１次側コイル巻線は、樹脂のボビンにリッツ線または単線を巻いて形成されたものであってもよい。

また、上記実施の形態１〜３では、整流回路が、整流素子であるダイオードで構成されるとして説明したが、整流回路は、ＭＯＳＦＥＴ等の制御端子を備えたスイッチング素子を用いた同期整流方式を採用したものであってもよい。

また、上記実施の形態１では、抵抗溶接を用いて巻線間接続端子４１０を接続するとして説明したが、例えば、巻線間接続端子４１０がコネクタ状になっており、片方の１次側コイル巻線を他の１次側コイル巻線に挿入することで接続がなされるような、他の接続方法を用いてもよい。

１００ インバータ回路、１０１〜１０４ １次側スイッチング素子、１１０ 共振コイル、１２０ トランス回路、１２１、１２２ １次側コイル巻線、１２３、１２４ ２次側コイル巻線、１２５、１２６ 下側トランスコア、１３０ 整流回路、１３１ ２次側整流素子、１４１、１４２ ＧＮＤ接続箇所、１５０ 平滑回路、１６０ 平滑コイル、１７０ 入力コンデンサ、１８０ 出力コンデンサ、２０１〜２０４ 共振コンデンサ、２１０、２２０ 入力端子、３１０、３２０ 出力端子、４００ インバータ接続端子、４１０ 巻線間接続端子、６２１、６２２ 貫通穴。

Claims (6)

1. インバータ回路に設けられたスイッチング素子の動作により、トランスの１次側コイル巻線に交流電力を供給するとともに、前記トランスの２次側コイル巻線から電圧レベルが変換された交流電力を取り出すスイッチング電源装置であって、
   前記トランスは、複数個設けられ、
   前記インバータ回路が実装されるプリント基板上において、複数の前記トランスと前記インバータ回路とが、２箇所の接続箇所で互いに接続され、
   複数の前記トランスにおいて、複数の前記トランスのそれぞれが有する前記１次側コイル巻線の絶縁および巻線の保持固定をなす樹脂部材は一体成形され、
   複数の前記トランスのそれぞれが有する前記１次側コイル巻線には、前記１次側コイル巻線と前記２次側コイル巻線とを磁気的に結合するトランスコアを全て前記樹脂部材にセットした際に、前記トランスコアを固定するテープを捲回する上面、下面および両側面の４面について、それらの面を法線方向へ投影する領域において、前記樹脂部材および他のトランスコアが配置されないように、外形、および前記トランスコアを貫通するための貫通穴が形成されている
   スイッチング電源装置。
2. インバータ回路に設けられたスイッチング素子の動作により、トランスの１次側コイル巻線に交流電力を供給するとともに、前記トランスの２次側コイル巻線から電圧レベルが変換された交流電力を取り出すスイッチング電源装置であって、
   前記トランスは、複数個設けられ、
   前記インバータ回路が実装されるプリント基板上において、複数の前記トランスと前記インバータ回路とが、２箇所の接続箇所で互いに接続され、
   複数の前記トランスにおいて、複数の前記トランスのそれぞれが有する前記１次側コイル巻線の絶縁および巻線の保持固定をなす樹脂部材は一体成形され、
   複数の前記トランスのそれぞれが有する前記１次側コイル巻線には、前記１次側コイル巻線と前記２次側コイル巻線とを磁気的に結合するトランスコアを全て前記樹脂部材にセットした際に、前記トランスコアを固定するテープを捲回する上面、下面および両側面の４面について、それらの面を法線方向へ投影する領域において、前記樹脂部材および他のトランスコアが配置されない位置関係となるまで、前記トランスコアを水平方向に回転できるように、外形、およびトランスコアを貫通するための貫通穴が形成されている
   スイッチング電源装置。
3. 複数の前記トランスと前記インバータ回路とを接続する２箇所の接続箇所が、複数の前記トランスの何れか１つの近傍に位置している
   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. 複数の前記トランスの少なくとも１つにおいて、前記１次側コイル巻線を挟み込むように前記２次側コイル巻線が配置されている
   請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のスイッチング電源装置。
5. 複数の前記トランスの少なくとも１つにおいて、前記１次側コイル巻線が前記２次側コイル巻線に対して機械的に固定されている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のスイッチング電源装置。
6. 複数の前記トランスの少なくとも１つにおいて、前記１次側コイル巻線の絶縁および巻線の保持固定をなす樹脂部材と、前記２次側コイル巻線とが、一体としてモールド成形されている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のスイッチング電源装置。

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