JP6186439B2

JP6186439B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータ装置

Info

Publication number: JP6186439B2
Application number: JP2015532736A
Authority: JP
Inventors: 秀則篠原; 後藤　昭弘; 昭弘後藤; 圭輔福増
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: WO2015025581A1; JPWO2015025581A1

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置に関する。

ハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、電気自動車などの車両には、動力駆動用の高電圧蓄電池、高電圧蓄電池から電力変換してモータを駆動するためのインバータ装置、高電圧蓄電池から車両のライトやラジオなどの低電圧負荷への電力変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ装置、および低電圧蓄電池が搭載されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、高電圧の直流電圧を交流電圧に変換する高電圧スイッチング回路、交流高電圧を絶縁して交流低電圧に変換するトランス、低電圧交流電圧を直流電圧に変換する低電圧整流回路、および、電圧変換された電圧を出力する出力端子を備えている。低電圧整流回路には、直流出力電圧を平滑にするためのチョークコイルと平滑コンデンサ素子とが設けられている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置には、出力端子から出力される伝導ノイズを低減するため、リアクトルとコンデンサによるフィルタ回路が設けられている。

しかし、ノイズ源となる高電圧スイッチング回路部品と、伝導ノイズを低減するフィルタ回路および出力端子とを同一の筐体内に収納した実装構造では、装置内でノイズ成分がフィルタ回路や出力端子に伝搬し、十分なノイズ低減効果を得られない。そこで、装置内でのノイズ伝搬の影響を低減するために、従来のＤＣ−ＤＣコンバータ装置では、フィルタ回路の周辺に金属板によるシールドが用いられている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２７０７７号公報

上記特許文献に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、リアクトルおよびコンデンサを有するフィルタ回路部と、隣接するノイズ源との間に、フィルタ回路の導体配線部と絶縁を保ちつつ一体に成形されたシールド板を備え、ノイズ源とフィルタ回路間の放射ノイズを遮断するように構成されている。しかし、上記特許文献に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置では、シールド板の上方には開口部があり、その開口部にカバーを取り付けることで、ある程度ノイズを遮断しているが、不完全であった。

本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、電圧を変換するトランスと、トランスの一次側に接続されたスイッチング回路と、トランスの二次側に接続された整流回路と、整流回路に接続されたリアクトルとコンデンサとを有するフィルタ回路と、トランスと、スイッチング回路と、整流回路と、フィルタ回路とを収納するケースと、ケースの上部開口を覆う上板と、ケースの下部開口を覆う下板と、一端がフィルタ回路に接続された出力端子とを備え、ケースと上板と下板とによってケース内空間が形成され、ケース内空間は、隔壁によって、上部開口で開口する第１収納室と、下部開口で開口する第２収納室とに区画され、隔壁は、ケースと一体に形成されており、スイッチング回路および整流回路は、第１収納室に配置され、フィルタ回路のコンデンサおよび出力端子は、第２収納室に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、出力端子への伝導ノイズを効果的に抑制できる。

本発明を適用したＤＣ−ＤＣコンバータ装置の外観斜視図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の主回路構成を示す図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の分解斜視図である。ケースの内部を第１収納室側から見た斜視図である。ケースの内部を第２収納室側から見た斜視図である。（ａ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置を出力端子等が設けられた側面から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

［ＤＣ−ＤＣコンバータ装置］
以下、図面を参照して、本発明によるＤＣ−ＤＣコンバータ装置の一実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０の外観斜視図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０は、筐体としてのケース１００と、トップカバー１と、ボトムカバー２とを備えており、ケース１００と、上板であるトップカバー１と、下板であるボトムカバー２とによってケース内空間１００ｓが形成されている。説明の便宜上、図１におけるトップカバー１の上面に垂直な方向を上下方向、または縦方向と呼び、トップカバー１の上面と平行な方向を横方向と呼ぶ。

ケース１００には、低電圧出力のＧＮＤ側端子を接続するＧＮＤ端子１００ｃが一体成形されている。ケース１００の側面には、高電圧入力を入力する高電圧コネクタ４、外部電装品との間で信号などを入出力する信号コネクタ５、低電圧出力を出力する出力端子６、および、後述する冷却流路１００ｆ（図５，６参照）の冷媒の出入り口である水路コネクタ３が取り付けられている。

ケース内空間１００ｓは、ケース１００と一体に形成された隔壁１００ｗによって、ケース１００の上部開口１０１ａ（図４参照）で開口する第１収納室１０１と、ケース１００の下部開口１０２ａ（図５参照）で開口する第２収納室１０２とに区画されている。第１収納室１０１および第２収納室１０２については後述する。

ケース１００には、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０内の発熱部品の冷却のため、冷媒が流れる冷却流路１００ｆが形成されている（図５，６参照）。冷却水路１００ｆは、ケース１００の図１における下方の開口がボトムカバー２で覆われている。なお、冷却流路１００ｆは、ケース１００とボトムカバー２との隙間から冷媒が漏れ出ないように、Ｏリング１０３（図６参照）などのシールで密閉される。本実施の形態では、たとえば、冷媒としては不凍液と水を１：１で混合したものが用いられるが、本実施の形態はこれに限定されるものではなく、他の冷媒を用いてもよい。また、上述したＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０の冷却構造は一例であり、たとえば空気等の冷却気体を用いるなど、他の冷却構造であってもよい。

［ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０の主回路構成］
図２はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０の主回路構成の一実施の形態を示す図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜電界効果トランジスタ）Ｈ１〜Ｈ４のＨブリッジ回路からなる高電圧スイッチング回路２１０と、ＭＯＳＦＥＴＳ１〜Ｓ４からなる低電圧整流回路２２０およびアクティブクランプ回路２３０とを備えている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０は、高電圧スイッチング回路部（高電圧スイッチング回路２１０）と低圧側スイッチング回路部（低電圧整流回路２２０およびアクティブクランプ回路２３０）との間に設けられたトランスＴ（主トランス９）と、トランスＴの一次側に直列に接続された共振コイルＬｒ（共振コイル１１）とを備えている。高電圧スイッチング回路２１０と低電圧整流回路２２０とアクティブクランプ回路２３０は、制御回路基板（図示せず）に設けた制御回路によりスイッチ制御が行われる。

低電圧整流回路２２０とアクティブクランプ回路２３０は、同期整流回路（低電圧整流回路２２０）を構成するＭＯＳＦＥＴＳ１，Ｓ２と、アクティブクランプ回路を構成するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４とを備える。平滑回路２４０は、チョークコイルＬ（チョークコイル５０）と平滑コンデンサＣ０（平滑コンデンサ６２）とを備える。

平滑回路２４０と出力端子６の間には、リアクトルＬ２（リアクトル８０）とフィルタコンデンサＣ２（フィルタコンデンサ７０ａ）とによるフィルタ回路２５０が接続されている。フィルタ回路２５０は、出力端子６から出力される伝導ノイズを低減する回路である。

［ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０の構造］
図３は、本発明の一実施の形態としてのＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０の分解斜視図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０は、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のケース１００を有する。ケース１００内には、上述した高電圧スイッチング回路部を構成する高電圧スイッチング回路基板２０とＭＯＳＦＥＴ３１、低圧側スイッチング回路部を構成する低電圧整流回路基板６０とチョークコイル５０、高電圧スイッチング回路部と低圧側スイッチング回路部との間に接続される主トランス９と共振コイル１１、フィルタ回路２５０を構成するリアクトル８０とフィルタ基板７０、出力端子６の接続端６ａが取付けられている。なお、フィルタ基板７０には、フィルタコンデンサ７０ａが搭載されている（図６参照）。

高電圧スイッチング回路のＭＯＳＦＥＴ３１は、熱伝導性の良い絶縁放熱シート３２を介し、板ばね３０でケース１００の底面に密着して固定され、ＭＯＳＦＥＴ３１の端子が高電圧スイッチング回路基板２０と半田で電気的に接続される。ケース１００の底面と絶縁放熱シート３２の間、および、絶縁放熱シート３２とＭＯＳＦＥＴ３１の間には熱伝達を向上するために、熱伝導性グリース（図示せず）が塗布されている。発熱するＭＯＳＦＥＴ３１は絶縁放熱シート３２を介して冷却流路１００ｆ（図５，６参照）を持つケース１００に接触することで冷却される。

低電圧整流回路基板６０には、図２の低電圧整流回路２２０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、アクティブクランプ回路２３０のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と、平滑コンデンサ６２が搭載されている。本実施の形態では、低電圧整流回路基板６０には、熱伝導率の高いアルミ板に絶縁層を介して回路パターンを構成する金属基板を採用している。低電圧整流回路基板６０は金属製のケース１００の底部に密着して固定されている。低電圧整流回路基板６０とケース１００の底面との間には、熱伝達を向上するために、熱伝導性グリース（図示せず）が塗布されている。発熱するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、低電圧整流回路基板６０の金属基板を介して冷却流路１００ｆを持つケース１００に接触することで冷却される。

上述した主回路を構成する各部品の上部には、ねじボス８ａを有する基板フレーム８が取付けられ、そのねじボス８ａに制御基板７が固定されている。基板フレーム８は、振動衝撃に対して制御基板７を補強する役割と、回路的に制御基板７のＧＮＤ接地を取る役割を果たす部材である。そのため、制御基板７を固定するねじボス８ａは、強度と、回路的に考慮された位置に設けられている。

制御基板７は、高電圧スイッチング回路２１０と低電圧整流回路２２０とアクティブクランプ回路２３０とのスイッチングを制御するため、高電圧スイッチング回路基板２０および低電圧整流回路基板６０と信号ハーネスで接続されている。また、ＤＣ―ＤＣコンバータ装置１０と外部の電装品との信号の送受信のため、制御基板７は信号コネクタ５と信号ハーネスで接続されている。これらの接続にはハーネス以外にも、フレキシブル配線板や、ダイレクトコネクタを用いても良い。

上述したように、ケース１００には、隔壁１００ｗで隔てられた第１収納室１０１と第２収納室１０２とが設けられている。なお、隔壁１００ｗは、ケース内空間１００ｓを横方向に隔てる隔離壁１００ａと、ケース内空間１００ｓを縦方向に隔てる底壁１００ｅとを有する（図４，５，６参照）。本実施の形態では、上述の高電圧スイッチング回路部、低圧側スイッチング回路部、主トランス９、共振コイル１１、チョークコイル５０、制御基板７、および、基板フレーム８が第１収納室１０１に収納される。第１収納室１０１の上部開口部１０１ａにトップカバー１が取付けられることで、第１収納室１０１が密閉される。

第２収納室１０２には、リアクトル８０とフィルタ基板７０が収納される。また、出力端子６の一方の端部である接続端６ａが第２収納室１０２の内部に設けられる。なお、出力端子６の他方の端部である接続端６ｂは、ケース１００の外部に突出している。第２収納室１０２の下部開口部１０２ａにボトムカバー２が取付けられることで、第２収納室１０２が密閉される。なお、上述したように、ボトムカバー２が取付けられることで、冷却流路１００ｆも下方の開口が覆われる。出力端子６は、ケース１００の側面から取付けられており、第２収納室１０２内で、接続端６ａがねじ９０によってリアクトル８０およびフィルタ基板７０と接続される。

図４は、ケース１００の内部を第１収納室１０１側から見た斜視図である。第１収納室１０１には、高電圧スイッチング回路基板２０と、低電圧整流回路基板６０と、主トランス９と、チョークコイル５０とが配置されている。高電圧スイッチング回路基板２０の下部には図４では図示されていないが、図３に示すようにＭＯＳＦＥＴ３１が配置されている。低電圧整流回路基板６０には、整流用ＭＯＳＦＥＴ６１、整流コンデンサ６２が搭載されている。また、開口部１００ｄは、ケース１００の第１収納室１０１と第２収納室１０２の間で主回路を繋ぐための隔壁１００ｗの開口部である。具体的には、開口部１００ｄでは、第２収納室１０２に配置されているリアクトル８０の一方のブスバー８０ａが第１収納室１０１側へ貫通している。

主トランス９で変圧された交流電力は、低電圧整流回路基板６０とチョークコイル５０で直流に整流される。整流された電力は、第２収納室に配置されているリアクトル８０の一方のバスバー８０ａへ出力される。なお、リアクトル８０の一方のバスバー８０ａは、第１収納室１０１内で、チョークコイル５０および平滑コンデンサ６２と接続されている。

底壁１００ｅは、ケース１００の第１収納室１０１と第２収納室の間の底壁を構成する面である。すなわち、底壁１００ｅは、第１収納室１０１と第２収納室１０２とを区画する隔壁１００ｗの一部である。底壁１００ｅで、第１収納室１０１側に向いた面を第１収納室底部１０１ｅと呼び、第２収納室１０２側に向いた面を第２収納室底部１０２ｅと呼ぶ（図４，６参照）。第１収納室底部１０１ｅと第２収納室底部１０２ｅとは互いに対向している。第１収納室底部１０１ｅ上には、ボス１００ｂが設けられている。ボス１００ｂは、基板フレーム８とともに制御基板７の固定、および、制御基板７のＧＮＤをケース１００に接地させる役割を果たす。

図５は、ケース１００の内部を第２収納室１０２側から見た斜視図である。第２収納室１０２には、リアクトル８０と、コンデンサ基板７０とが配置されている。出力端子６は、第２収納室１０２からケース１００の側面外側に貫通して取り付けられている。リアクトル８０と、コンデンサ基板７０と、出力端子６の接続端６ａとは、ねじ９０で固定されて電気的に接続されている。第１収納室１０１側の整流回路で整流された電力は、リアクトル８０と、コンデンサ基板７０のフィルタ回路２５０（図２参照）により伝導ノイズが低減されて、出力端子６から低電圧出力として出力される。

上述したように、冷却水路１００ｆは冷媒の流水路であり、パイプ３から入った冷媒が、冷却水路１００ｆを流れることで、ケース１００の底面全体が冷却される。

図６（ａ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０を出力端子６等が設けられた側面から見た図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図６（ｂ）に示すように、ケース１００の第１収納室１０１と第２収納室１０２とは、隔壁１００ｗ、すなわち、隔離壁１００ａおよび底壁１００ｅによって区画されて、互いに隔てられている。なお、上述したリアクトル８０の一方のブスバー８０ａを通すため、第１収納室１０１と第２収納室１０２とは上述した開口部１００ｄのみで繋がっている。

上述したように、主回路部品の低電圧整流回路基板６０とチョークコイル５０は第１収納室１０１、コンデンサ基板７０は第２収納室１０２にそれぞれ配置されている。整流回路基板６０とチョークコイル５０の図６における図示上方では、基板フレーム８がケースに固定され、制御基板７が基板フレーム８に固定されている。また、ケース１００の底壁１００ｅに設けられたボス１００ｂにも制御基板７の一部が固定されている。制御基板７は、信号コネクタ５とハーネス等（図示せず）で接続されている。

コンデンサのインピーダンスが低いため、装置内のノイズがコンデンサを介して伝搬し易く、出力端子６にリアクトル８０とフィルタコンデンサ７０ａのフィルタ回路を接続しても、フィルタコンデンサ７０ａにノイズが伝搬することにより、そのノイズが出力端子６からの出力電圧に伝導してしまう。本実施の形態では、ノイズの発生源である整流回路基板６０と、チョークコイル５０と、主トランスと、高電圧スイッチング回路とを第１収納室に配置した。そして、第２収納室１０２にリアクトル８０とコンデンサ基板７０と出力端子６の接続端６ａを配置した。上述したように、第１収納室１０１は、隔壁１００ｗにより第２収納室１０２と空間が遮断されている。そのため、ノイズの発生源からコンデンサ基板７０へのノイズ伝搬を抑制できる。これにより、出力端子６への伝導ノイズを抑制したＤＣ−ＤＣコンバータ装置を供給することができる。

本実施の形態では、第１収納室１０１に、高電圧スイッチング回路基板２０と、低電圧整流回路基板６０と、主トランス９と、チョークコイル５０とを配置しているが、最もノイズを発生する高電圧スイッチング回路基板２０のみを第１収納室１０１に配置しても良い。この場合、本実施の形態のように、さらに主トランス９を第１収納室１０１に配置することで、伝導ノイズを抑制さらに抑制できる。また、本実施の形態のように、さらにチョークコイル５０を第１収納室１０１に配置することで、伝導ノイズを抑制さらに抑制でき、本実施の形態のように、さらにチョークコイル５０を第１収納室１０１に配置することで、伝導ノイズを抑制さらに抑制でき、さらに平滑コンデンサ６２を第１収納室１０１に配置することで、伝導ノイズを抑制さらに抑制できる。

一方、第２収納室１０２に、リアクトル８０とコンデンサ基板７０と出力端子６の接続端６ａを配置しているが、コンデンサ基板７０と出力端子６の接続端６ａのみを第２収納室１０２に配置しても良い。この場合、本実施の形態のように、さらにリアクトル８０を第２収納室１０２に配置することで、伝導ノイズを抑制さらに抑制できる。

一方、ノイズは、制御基板７にも伝搬し、制御基板７に接続された信号コネクタから外部へ伝導してしまう。制御基板７にＬＣ、またはＣＲフィルタなどを設けてノイズを抑制することができるが、制御基板７上のＧＮＤパターンにノイズが伝搬すると、フィルタによってノイズを効果的に抑制できない。そこで、本実施の形態では、底壁１００ｅと制御基板７との距離が短くなるように構成し、底壁１００ｅの上に設けられたボス１００ｂの高さが短くなるように構成した。そして、制御基板７のＧＮＤパターンをボス１００ｂに固定してＧＮＤ接地する事により、ケース１００に対して低インピーダンスで接地する事ができる。これにより、制御基板７に接続される信号コネクタ５に重畳するノイズを抑制したＤＣ−ＤＣコンバータ装置を供給することができる。

なお、上述した実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、電圧を変換するトランスと、トランスの一次側に接続されたスイッチング回路と、トランスの二次側に接続された整流回路と、整流回路に接続されたリアクトルとコンデンサとを有するフィルタ回路と、トランスと、スイッチング回路と、整流回路と、フィルタ回路とを収納するケースと、ケースの上部開口を覆う上板と、ケースの下部開口を覆う下板と、一端がフィルタ回路に接続された出力端子とを備え、ケースと上板と下板とによってケース内空間が形成され、ケース内空間は、隔壁によって、上部開口で開口する第１収納室と、下部開口で開口する第２収納室とに区画され、隔壁は、ケースと一体に形成されており、スイッチング回路および整流回路は、第１収納室に配置され、フィルタ回路のコンデンサおよび出力端子は、第２収納室に配置されることを特徴とする各種構造のＤＣ−ＤＣコンバータ装置を含むものである。

１トップカバー、２ボトムカバー、４高電圧コネクタ、６出力端子、７制御基板、８基板フレーム、９主トランス（トランスＴ）、１０ＤＣ−ＤＣコンバータ装置、１１共振コイル（共振コイルＬｒ）、５０チョークコイル（チョークコイルＬ）、６０低電圧整流回路基板、６２平滑コンデンサ（平滑コンデンサＣ０）、７０フィルタ基板、７０ａフィルタコンデンサ（フィルタコンデンサＣ２）、８０リアクトル（リアクトルＬ２）、１００ケース、１００ａ隔離壁、１００ｂボス、１００ｃＧＮＤ端子、１００ｅ底壁、１００ｓケース内空間、１００ｗ隔壁、１０１第１収納室、１０１ｅ第１収納室底部、１０２第２収納室、２１０高電圧スイッチング回路、２２０低電圧整流回路、２３０アクティブクランプ回路、２４０平滑回路、２５０フィルタ回路

Claims

電圧を変換するトランスと、
前記トランスの一次側に接続されたスイッチング回路と、
前記トランスの二次側に接続された整流回路と、
前記整流回路に接続されたリアクトルとコンデンサとを有するフィルタ回路と、
前記トランスと、前記スイッチング回路と、前記整流回路と、前記フィルタ回路とを収納するケースと、
前記ケースの上部開口を覆う上板と、
前記ケースの下部開口を覆う下板と、
一端が前記フィルタ回路に接続された出力端子とを備え、
前記ケースと前記上板と前記下板とによってケース内空間が形成され、
前記ケース内空間は、隔壁によって、前記上部開口で開口する第１収納室と、前記下部開口で開口する第２収納室とに区画され、
前記隔壁は、前記ケースと一体に形成されており、
前記スイッチング回路および前記整流回路は、前記第１収納室の内部において前記上板と対向する前記ケースの底面上に配置され、
前記フィルタ回路の前記コンデンサおよび前記出力端子は、前記第２収納室に配置され、
前記第２収納室は、前記第１収納室と前記第２収納室との配置方向が、前記底面の法線方向に対して直交するように、配置されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記トランスは、前記第１収納室に配置されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
請求項１または請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記フィルタ回路の前記リアクトルは、前記第２収納室に配置されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記整流回路は、チョークコイルと平滑コンデンサとを有する平滑回路を備え、
前記平滑回路の前記チョークコイルは、前記第１収納室に配置されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
請求項４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記平滑回路の前記平滑コンデンサは、前記第１収納室に配置されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
前記スイッチング回路と前記整流回路とを制御する制御回路をさらに備え、
前記ケースの前記第１収納室の底部のうち、前記第２収納室の底部と対向する部位に固定ボスが設けられ、
前記制御回路のグランドは、前記固定ボスに接地されていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。