JP6158051B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電圧を昇圧、あるいは降圧する電力変換装置に関し、特にハイブリッド車や電気自動車に搭載される電力変換装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車には、高圧バッテリから動作電圧が低い補機類へ必要な出力を供給する電力変換装置が搭載されている。ハイブリッド車等における電気機器類の実装空間には限りがあるため、電力変換装置には高密度実装であることが望まれている。

また、ハイブリッド車等に搭載される電力変換装置の内部に流れる電流は数百アンペアにも達するため、電力変換装置内のスイッチング素子やトランス等の磁性部品は発熱が大きく、高い放熱性も求められる。

高密度実装と放熱性の両立を実現する構成に関して、例えば特許文献１に記載されている。この特許文献１には、発熱が大きい部品を流路形成体の近くに配置する構成が示されている。

特開２０１３−６２９９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置においては、発熱素子すべてが平面上に配置されてしまうため、電力変換装置の平面における実装面積が大きくなってしまう。

本発明の目的は、電力変換装置内部の発熱部品の放熱性を確保しつつ、電力変換装置の実装面積の低減を図ることである。

本発明の電力変換装置は、トランス及びスイッチング素子を有する電源回路と、前記電源回路が実装される放熱ベースと、冷却冷媒が流れる流路が形成される流路形成体と、を備えた電力変換装置であって、前記流路形成体は前記流路とつながる開口部を形成し、前記放熱ベースは基台部と前記基台部の一方の面に形成される立設部とを有し、前記放熱ベースは前記基台部の前記一方の面とは反対側の面が前記開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、前記電源回路は前記立設部の面に実装される。

本発明によれば、電力変換装置内部の発熱部品の放熱性を確保しつつ、電力変換装置の実装面積の低減を図ることができる。

実施例１の電力変換装置の外観斜視図である。 実施例１の電力変換装置の回路構成図である。 実施例１の電力変換装置の電源回路の基板構成図である。 実施例１の電源変換装置の電源モジュールの裏面図である。 実施例２の電力変換装置の外観斜視図である。 実施例３の電力変換装置の外観側視図である。 実施例４の電力変換装置の外観斜視図である。 実施例４の電力変換装置の回路構成図である。 実施例５の電力変換装置の外観斜視図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

実施例１に係る電力変換装置の構成は、図１に示す図である。また、図２〜図４を用いて実施例１を詳細に説明する。

図１は、本実施例の電力変換装置の外観斜視図である。電力変換装置は、電源モジュール１ａと、冷却冷媒が流れる流路１０５が形成される流路形成体１０３と、を備える。電源モジュール１ａは、電圧を変換する電源回路３と、電源回路３が実装される放熱ベース１０１と、を備える。

放熱ベース１０１は、基台部１０７と、立設部１０６と、フィン１０２と、を有する。立設部１０６は、基台部１０７の一方の面から、当該一方の面の法線方向に向かって突出するように、形成される。立設部１０６は、基台部１０７の幅広の面よりも面積の大きい面を有する。フィン１０２は、基台部１０７の前記一方の面とは反対側の他方の面から、当該他方の面の法線方向に向かって突出するように、形成される。

電源回路３は、後述するスイッチング素子２０２、トランス２０７、コンデンサ２０３、整流素子２０８、とを用いた回路が実装されている。電源回路３は、立設部１０６の幅広の面に実装される。電源回路３の実装面は、基台部１０７の面と垂直な関係になっている。

流路形成体１０３は、当該流路形成体１０３の一方の面に、冷却冷媒が流れる流路１０５に繋がる開口部１０４が形成される。電源モジュール１ａは、当該電源モジュール１ａの基台部１０７が流路形成体１０３の開口部１０４を塞ぐように、流路形成体１０３に設置される。電源モジュール１ａが流路形成体１０３に設置された状態において、フィン１０２は、流路１０５内に突出するように配置される。

放熱ベース１０１は、例えば金属のように熱伝導性の良い材料により形成される。放熱ベース１０１の立設部１０６の面に実装される電源回路３で発生する発熱は、立設部１０６、基台部１０７、フィン１０２を順に伝熱していき、流路１０５を流れる冷却冷媒と熱交換される。放熱ベース１０１は、流路１０５と繋がる開口部１０４を塞ぐように設置されているので、効率よく冷却されている。これにより、電源回路３に実装される発熱部品は効率的に冷却される。

更に、電源回路３を構成する部品は、放熱ベース１０１の基台部１０７ではなく、基台部１０７から立設する立設部１０６に実装されている。これにより、流路形成体１０３の開口部１０４を塞ぐように配置される基台部１０７は、電源回路３の実装面積よりも小さな面積で構成することができる。したがって、電力変換装置の平面における実装面積を低減することができる。

図２は、本実施例の電力変換装置の回路構成図である。本実施例に示す電源回路３は、センタータップ型ハーフブリッジコンバータ回路の構成をとっている。具体的な回路構成を、図２を用いて説明する。

電源回路３は、入力端子２０１ａ及び２０１ｂに接続される１次側回路２ａと、出力端子２１２ａ及び２１２ｂに接続される２次側回路２ｂと、１次側回路２ａと２次側回路２ｂの間で電圧を変換するトランス２０７と、によって構成される。入力端子２０１ａ及び２０１ｂには、直流電圧が印加される。出力端子２１２ａ及び２１２ｂからは、電源回路３で電圧変換された直流電圧が出力される。

１次側回路２ａは、スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂと、中点電位コンデンサ２０３ａ及び２０３ｂと、を有する。スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂは、入力端子２０１ａ及び２０１ｂから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を構成する。スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（金属―酸化物―半導体接合電界効果トランジスタ）により構成される。なお、インバータ回路を構成するスイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴに限られず、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの素子により構成しても良い。

トランス２０７は、一次巻線２０４と、二次巻線２０５と、磁性体コア２０６と、により構成される。磁性体コア２０６は、一次巻線２０４と二次巻線２０５を磁気的に結合する。一次巻線２０４と二次巻線２０５は、互いに電気的に絶縁されている。

スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂは、入力端子２０１ａと２０１ｂの間で直列に接続される。また、中点電位コンデンサ２０３ａ及び２０３ｂも、入力端子２０１ａと２０１ｂの間で直列に接続される。スイッチング素子２０２ａと２０２ｂの接続点には、トランス２０７の一次巻線２０４の一端が接続される。中点電位コンデンサ２０３ａと２０３ｂの接続点には、トランス２０７の一次巻線２０４の他端が接続される。

２次側回路２ｂは、整流素子２０８ａ及び２０８ｂと、平滑コイル２０９と、平滑コンデンサ２１０と、グラウンド端子２１１と、を有する。本実施例においては、整流素子２０８ａ及び２０８ｂは、ダイオード整流素子を用いているが、同期整流素子であるＭＯＳＦＥＴやその他の素子を用いても良い。

トランス２０７の二次巻線２０５は、当該二次巻線の一端が整流素子２０８ａのカソードに接続され、他端が整流素子２０８ｂのカソードに接続される。整流素子２０８ａ及び２０８ｂのアノードには、グラウンド端子２１１が接続される。また、二次巻線２０５の中性点には、平滑コイル２０９の一端が接続される。平滑コイル２０９の他端には、平滑コンデンサ２１０の一端が接続される。平滑コンデンサ２１０の他端には、グラウンド端子２１１が接続される。平滑コンデンサ２１０の一端及び他端は、それぞれ出力端子２１２ａ及び２１２ｂと接続される。

図３は、電源回路３の基板構成例を示す図である。図中下方向に、流路形成体１０３が配置される。図中に示す第１辺１０６ａは、基台部１０７と繋がる立設部１０６の辺である。第２辺１０６ｂは、第１辺１０６ａとは反対側の立設部１０６の辺である。

スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂやトランス２０７は、図２に示す回路の中でも特に発熱量が大きい素子である。このような発熱量が大きい素子は、第２辺１０６ｂよりも第１辺１０７ａに近くなるように、配置される。このように、発熱量の大きい素子ほど基台部１０７に近い位置に配置することで、より効率的に発熱部品の放熱を行うことができる。

入力端子２０１ａ及び２０１ｂ、グラウンド端子２１１、出力端子２１２は、立設部１０６の第２辺１０６ｂよりも上方に突出するように、配置される。

図４は、本実施例の電力変換装置の電源モジュール１ａの裏面図である。前述の通り、基台部１０７には、フィン１０２が形成される。基台部１０７には、シール溝１０９が形成される。シール溝１０９には、Ｏリングなどのシール部材が配置される。これにより、流路１０５を流れる冷却冷媒が開口部１０４から漏洩しないようにする。シール溝１０９は、フィン１０２が形成される領域を囲むように形成される。シール溝１０９の更に外周側には、ネジ穴１０８が形成される。このネジ穴１０８にネジを通し、電源モジュール１ａを流路形成体１０３に取り付ける。

以上に示した実施形態に係る電力変換装置によれば、電力変換装置内部の発熱部品の放熱性を確保しつつ、電力変換装置の実装面積の低減を図ることができる。

また、開口部１０４を塞ぐように基台部１０７を設置することで、流路１０５から冷却冷媒が漏洩することを防ぎ、かつ組立性が向上する。また、本実施形態の電力変換装置は、他の電力変換装置に用いられる流路形成体にも容易に適用することが可能であるため、高密度での実装が実現できる。

上述した実施形態では、電源回路として図２に示すような回路構成を例に説明したが、回路構成は図２のような構成に限るものではない。例えば、トランスを用いない非絶縁型回路や、他の降圧型回路方式、昇圧回路、インバータ回路などの回路であっても適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、フィン１０２の形状として直線状のフィン形状となっているが、ピンフィン形状のように他の形状を用いてもよい。また、電源回路３が実装される基板は立設部１０６の片面だけでなく、両面に実装してもよい。また、立設部１０６の形状は、図４に示すようなＴ字形状でなく、例えばＬ字形状としてもよい。また、立設部１０６と電源回路３が実装される基板との間には、放熱シートなどを挟んで構成しても良い。

図５は、第２の実施形態に係る電源モジュール１ａの構成を示す斜視図である。なお、特に断らない限り、電力変換装置の構成は上述の実施例１に係る構成と共通であり、重複する符号の説明は省略する。

実施例２に係る電力変換装置においては、スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂは、基台部１０７上に実装される。電源回路３におけるスイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂとの電気的な配線は、立設部１０６に実装される基板上において形成される。

また、トランス２０７は、実施例１と同様に立設部１０６に実装される基板上に配置されているが、本実施例では更に、トランス２０７の一側面が塗布された樹脂を介して基台部１０７に実装されるように配置される。トランス２０７の側面が樹脂を介して基台部１０７に支持されるため、トランス２０７の耐振動性が向上するとともに、トランス２０７を立設部１０６と基台部１０７の２側面から放熱する。

本実施形態の電源モジュールによれば、流路１０５を流れる冷却冷媒への伝熱経路が短い基台部１０７上に発熱量が大きいスイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂが実装されるため、スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｂの放熱性能が向上する。

なお、電源回路３を構成する素子のうち、より発熱量が大きい素子が存在する場合は、その素子を基台部１０７上に実装する構成としてもよい。

図６は、第３の実施例に係る電源モジュール１ａの構成を示す図である。本実施例では、図２に示した１次側回路２ａを１次側電源基板１１２に実装し、２次側回路２ｂを２次側電源基板１１３に実装している。１次側電源基板１１２は、放熱ベース１０１ａに実装される。２次側電源基板１１３は、放熱ベース１０１ｂに実装される。

１次側回路と２次側回路を分離して構成することにより、１次側回路と２次側回路の間の電気的絶縁を容易にし、電源回路の基板設計を容易にすることができる。

また、発熱量の大きい素子を分離して実装することにより、発熱素子間での熱の干渉を抑制し、効率的に放熱を行うことができる。なお、本実施形態においては、１次側回路と２次側回路で分離したが、分離の方式としてはこれに限らず、電源回路上の素子単位での分離としてもよい。

図７は、第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施例は、実施例１に示した電源モジュール１ａを複数用いた電力変換装置に関する。ここでは、電源モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを用いた構成を例として説明する。

複数の電源モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、共通の流路形成体１０３に設置される。流路形成体１０３には、複数の電源モジュールに対応して、複数の開口部が形成される。それぞれの電源モジュールの設置方法については、実施例１と同様である。また、本実施例では、それぞれの電源モジュールに対して、立設部１０６の両面に電源回路を実装している。

電源モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの流路形成体１０３とは反対側には、配線基板１１０が配置される。配線基板１１０は、電源モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを並列に接続するための配線を備える。配線基板１１０と各電源モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの接続は、配線基板１１０に形成された端子接続部１１１によって行う。配線基板１１０には、マイコンなどの制御信号の配線も実装されている。

図８は、本実施例に係る電力変換装置の回路構成図である。実施例１の図２に示す回路を並列に接続した構成となっている。なお、平滑コンデンサ２１０は、並列接続された複数の回路で共通としている。図８では、本実施例の電源モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに実装される合計８つの電源回路のうち、１つの電源回路のみ回路構成図を示し、残りの７つの電源回路については同様の構成であるため、記載を省略している。

本実施形態に係る電力変換装置によれば、複数の電源回路を並列に構成した場合であっても、小さい実装面積により電力変換装置を構成することができる。また、配線基板１１０を用いることにより、複数の電源回路を並列に構成した場合であっても、容易に配線の接続作業を行うことができる。

図９は、第５の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態では、実施例４に示したような複数の電源モジュールを、インバータ装置の流路形成体に対して実装した構成に関する。

インバータ装置は、流路形成体１１４と、流路形成体１１４に冷却冷媒を導入する冷媒入口１１５と、流路形成体１１４に冷却冷媒を排出する冷媒出口１１６と、直流入力端子１１７と、交流出力端子１１８と、を有する。流路形成体１１４には、冷却冷媒が流れる流路に繋がる開口部が形成される。

本実施例のように、流路形成体を有する他の電力変換装置と流路形成体を共通することによって、新たに流路形成体を構成する必要がなくなり、電力変換装置の更なる高密度実装が可能となる。

１：電源モジュール
２：ハーフブリッジコンバータ
２ａ：１次側回路、２ｂ：２次側回路
３：電源回路
１０１：放熱ベース
１０２：フィン
１０３：流路形成体
１０４：開口部
１０５：流路
１０６：立設部
１０７：基台部
１０８：ネジ穴
１０９：シール溝
１１０：配線基板
１１１：端子接続部
１１２：１次側電源基板
１１３：２次側電源基板
１１４：インバータの流路形成体
１１５：インバータの冷媒入口
１１６：インバータの冷媒出口
１１７：インバータの直流入力端子
１１８：インバータの直流出力端子
２０１：入力端子
２０２：スイッチング素子
２０３：中点電位コンデンサ
２０４：一次巻線
２０５：二次巻線
２０６：磁性体コア
２０７：トランス
２０８：整流素子
２０９：平滑コイル
２１０：平滑コンデンサ
２１１：グラウンド端子
２１２：出力端子

Claims (9)

1. トランス及びスイッチング素子を有する電源回路と、
   前記電源回路が実装される放熱ベースと、
   冷却冷媒が流れる流路が形成される流路形成体と、を備え、
   前記流路形成体は、前記流路と繋がる開口部を形成し、
   前記放熱ベースは、基台部と、前記基台部の一方の面に形成される立設部と、を有し、
   前記放熱ベースは、前記基台部の前記一方の面とは反対側の他方の面が前記開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、
   前記電源回路は、前記立設部の面に実装される電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記立設部は、前記電源回路が実装される実装面において、前記基台部と繋がる第１辺と、前記第１辺とは前記実装面を挟んで反対側の第２辺と、を有し、
   前記電源回路は、当該電源回路を構成する素子のうち最も発熱量の大きい素子が第２辺よりも第１辺に近くなるように、前記立設部の前記実装面に実装される電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記電源回路を構成する部品のうちの一部の部品は、前記立設部が形成される前記基台部の前記一方の面に実装される電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記トランスは、前記立設部の面に実装されるとともに、当該トランスの側面が前記基台部の前記一方の面に支持される電力変換装置。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   複数の前記電源回路を電気的に接続する配線基板を備え、
   前記電源回路は、第１の電源回路と、第２の電源回路と、を有し、
   前記放熱ベースは、第１の放熱ベースと、第２の放熱ベースと、を有し、
   前記流路形成体は、前記流路と繋がる第１の開口部と、第２の開口部と、を形成し、
   前記第１の放熱ベースは、前記第１の開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、
   前記第２の放熱ベースは、前記第２の開口部を塞ぐように前記流路形成体に設置され、
   前記第１の電源回路は、前記第１の放熱ベースの前記立設部の面に実装され、
   前記第２の電源回路は、前記第２の放熱ベースの前記立設部の面に実装され、
   前記配線基板は、前記第１の電源回路と前記第２の電源回路を電気的に並列に接続する電力変換装置。
6. 請求項１ないし５に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記電源回路は、第１の電源回路と、第２の電源回路と、を有し、
   前記第１の電源回路は、前記立設部の一方の面に実装され、
   前記第２の電源回路は、前記立設部の前記一方の面とは反対側の他方の面に実装される電力変換装置。
7. 請求項１ないし６に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記放熱ベースの前記基台部は、前記立設部が形成される面とは反対側の面において、フィンが形成される電力変換装置。
8. 請求項１ないし７に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記電源回路は、１次側回路と、前記１次側回路とは動作電圧の異なる２次側回路と、を有し、
   前記放熱ベースは、第１の放熱ベースと、第２の放熱ベースと、を有し、
   前記電源回路の前記１次側回路は、前記第１の放熱ベースに実装され、
   前記電源回路の前記２次側回路は、前記第２の放熱ベースに実装される電力変換装置。
9. 請求項１ないし８に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   さらに直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え、
   前記インバータ回路は、前記流路形成体に設置される電力変換装置。