JP6397692B2 - リアクトルおよびそれを用いたｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

リアクトルおよびそれを用いたｄｃ−ｄｃコンバータ Download PDF

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Description

本発明は、リアクトルおよびそれを用いたDC-DCコンバータに関し、特に電気自動車やプラグインハイブリッド車に用いられるリアクトルおよびそれを用いたDC-DCコンバータに関する。
(DC-DCコンバータの構成)
電気自動車やプラグインハイブリッド車は、動力駆動用の高電圧蓄電池でモータ駆動するためのインバータ装置と、車両のライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池と、を備えている。このような車両には、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うDC-DCコンバータ装置が搭載されている(例えば、特許文献1を参照)。
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側スイッチング回路と、交流高電圧を交流低電圧に変換するトランスと、低電圧交流電圧を直流電圧に変換する低電圧側整流回路と、を備えている。
DC-DCコンバータ装置の一般的な回路構成を図1に示す。DC-DCコンバータ装置は、高電圧側端子103a及び103b、さらに低電圧側端子112を有する。高電圧側スイッチング回路として、4つのMOSFET105aないしMOSFET 105dをHブリッジ接続し、その入力側に平滑コンデンサ104を接続した回路構成をとっている。その出力線には共振コイル106を介してトランス107の1次巻線が接続される。トランス107として2次側巻線の中間点を巻線外側に引き出したセンタタップ型トランスを採用し、低電圧側整流回路としてダイオードあるはMOSFET113a及びMOSFET 113bを用いた整流回路に、チョークコイル108とコンデンサ110からなる平滑回路を接続し、さらにノイズ抑制のフィルタコイル109とフィルタコンデンサ111を接続した構成をとる。
(従来リアクトルの構造)
大電力出力用のDC-DCコンバータ装置ではリアクトルの巻線損失を低減するために、断面積を大きくとれる平板バスバを巻線として使用することが多い(例えば、特許文献2および特許文献3を参照)。図2(a)及び図2(b)に従来用いられている代表的なリアクトル構造を示す。E型のコア201aと201bを組み合わせることで中足部210を有するコア部201が配置され、その中足部210には平板バスバ202によって巻線が形成されている。ここで平板バスバ202の主面は、巻線の巻軸方向Aに垂直となっている。主面とは、平板の面積が大きい側の面である。上記のリアクトルの放熱構造として、図2(c)に示す構成が採用できる。ここでリアクトル巻線を形成する平板バスバ202は、放熱シート204a及び204bを介して、ヒートシンク203へ熱的に接続されている。これにより、平板バスバ202の温度上昇を抑制できる。
(従来リアクトルの問題点)
上記リアクトルと上記放熱構造を採用した場合、平板バスバ202の温度を十分に低減するには、平板バスバ202の幅を十分に大きくとり、ヒートシンク203への放熱面積を大きくする必要がある。その場合、平板バスバ202は、放熱面となる平板バスバ202の一部がコア部201から突出する構造であるため、リアクトル全体が大型化し、実装スペースが大きくなってしまう問題がある。
特開2005-143215号公報 特開2002-353045号公報 特開2011-129573号公報
上記で述べたように、平板バスバを巻線として用いたリアクトルでは、バスバの幅を大きくとり、放熱シートを介して、ヒートシンクへ熱的に接続することで、放熱性を確保できるが、平板バスバの面積の増加により、リアクトル全体の体積が増加し、その実装スペースが大きくなる課題がある。
本発明に係るリアクトルは、平板バスバと、中足部を有するコア部と、前記平板バスバを冷却するヒートシンクと、を備え、前記平板バスバは、前記中足部に、当該平板バスバによって構成される巻線の巻線軸が通るように形成され、さらに前記平板バスバは、当該平板バスバの主面が前記巻線軸の方向と平行になるように配置され、かつ絶縁層を介して前記ヒートシンクに熱的に接続される。
本発明の実装形態によれば、リアクトルの温度上昇を抑制し、小型化を実現できる。またリアクトルを備えた電力変換装置の小型化が可能となる。
DC-DCコンバータの回路構成を示す図である。 従来のリアクトル構造を示す斜視図である。 従来のリアクトル構造を示す分解斜視図である。 従来のリアクトル構造の放熱構造を示す斜視図である。 本実施形態のリアクトル300の外観斜視図である。 リアクトル300の分解斜視図である。 リアクトル300の放熱構造を示すための斜視図である。 図3(c)における平面BB’での断面図である。 リアクトルの実施例2を示す斜視図である。 実施例2に係るリアクトルの分解斜視図である。 実施例3のリアクトルを示す斜視図である。 実施例3のリアクトルの分解斜視図である。 実施例3のリアクトルに用いられる配線形成体501を放熱面側から見た斜視図である。 前述したリアクトルを採用したDC-DCコンバータの実装構造を示す斜視図である。 DC-DCコンバータの分解斜視図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面によって説明する。
(リアクトル300の基本構造)
図3(a)は、本実施形態のリアクトル300の外観斜視図である。図3(b)は、リアクトル300の分解斜視図である。図3(c)は、リアクトル300の放熱構造を示すための斜視図である。図3(d)は、図3(c)における平面BB’での断面図である。
図3(a)及び図3(b)を用いて本実施例の構造を説明する。E型のコア301aとコア301bを組み合わせることで中足部を有するコア部301が配置され、その中足部310a及び中足部310bには平板バスバ302によって巻線が形成されている。ここで平板バスバ302の主面は、巻線の巻軸方向に平行となっている。平板バスバ302には他部品との接続のために接続端子部302a及び接続端子部302bが設けられている。このように平板バスバ302を巻回することで、従来例と比較して、コア部301からの巻線突出部分311を小さくすることができる。そのため、本構造によりリアクトルの小型化が可能になる。
(リアクトル300の放熱構造)
上記のリアクトル300の放熱構造として、図3(c)に示す構成が採用できる。図3(d)の断面図で説明すると、接続端子部302a及び接続端子部302bとコア301を介して反対側となる平面バスバ302の主面が、放熱シート304を介してヒートシンク303へ接続される構成となっている。これにより、平板バスバの放熱構造を形成し、温度上昇を抑制できる。
上記のリアクトル300とその放熱構造を用いれば、リアクトル300の小型化と高放熱化を実現することが可能となり、従来例のように実装スペースが大きくなる問題は生じない。また、必要に応じて、放熱シート304を介してヒートシンク303へ接続される平板バスバ302の主面のみの面積を広くすることで、リアクトル300の大型化を伴わずに、放熱性をさらに改善することも可能である。
(リアクトルの基本構造)
図4(a)は、リアクトルの実施例2を示す斜視図である。図4(b)は、実施例2に係るリアクトルの分解斜視図である。実施例1では、一枚の平板バスバ202を屈曲させてリアクトル巻線を形成したが、本実施例では、複数の平板バスバを接続することでリアクトル巻線を形成している。図4では、巻線が略2ターンの構成を示しているが、さらに平板バスバを追加すればさらにターン数を増やすことも可能である。
コア406は、E型のコア406aとE型のコア406bから構成される。コの字形状に屈曲した平板バスバ401及び平板バスバ402を、その各主面が平行となるように並べて配置し、平板バスバ401及び平板バスバ402の端部がコア406の貫通孔410a及び貫通孔410bから突出するように配置する。平板バスバ401の一端と他端との間にはギャップ411bが設けられ、平板バスバ402の一端と他端との間にはギャップ411aが設けられる。
平板バスバ401及び平板バスバ402とは別の平板バスバ403を配置し、その一端を平板バスバ401と、他端を平板バスバ402と接続する。さらに他部品との接続用の平板バスバ404及び平板バスバ405をそれぞれ平板バスバ401と402へ接続する。このように複数バスバを接続することで、コア406の中足部を巻回する巻線を形成することができる。平板バスバ401において、端子部とはコア406を介して反対側の主面は、放熱シート407を介して、ヒートシンク408に熱的に接続する。これにより放熱面が形成できる。
実施例1のように一枚の平板バスバを屈曲させて複数巻回する巻線を作成する場合、平板バスバの厚さや幅によっては加工が困難となる。また、加工精度が充分でない場合には、絶縁を確保するために巻線間の隙間を大きくとる必要があり、その結果リアクトルが大型化する場合もある。しかし、本実施例では、複数のバスバを組み合わせることで、容易に巻線を形成できる。また、各バスバは単純な形状のために加工精度が良好であり、巻線構造の小型化が可能となる。
(リアクトルの基本構造)
図5(a)は実施例3のリアクトルを示す斜視図である。図5(b)は、実施例3のリアクトルの分解斜視図である。本実施例の配線構造は実施例2と同様であるが、平板バスバ401及び平板バスバ402をその端子部を除いてモールド材420で封止することで配線モジュール501を形成している。また平板バスバ403ないし405をモールド材421で封止することで配線形成体502を形成したものである。なお配線形成体502は平板形状であるので、プリント基板などで代用もできる。
(本構成の効果)
配線形成体501及び配線形成体502は、そのモールド材部分にネジなどによってヒートシンク408へ固定できる機構を追加すれば、バスバやコアを支持することも可能である。また、図5(c)に示すように、配線形成体501のヒートシンク側は、平板バスバを露出させておくことによって、放熱シート407を介した放熱経路を形成することが可能となる。
(DCDCコンバータの構造)
図6(a)は、前述したリアクトルを採用したDC-DCコンバータ600の実装構造を示す斜視図である。図6(b)はDC-DCコンバータ600の分解斜視図である。
DC-DCコンバータ600は共振コイル、トランス、チョークコイル、フィルタコイルといった複数のリアクトルを備えている。
配線形成体602は実施例2や実施例3にて説示された配線形成体501と同一構成の配線形成体を複数設け、それを一体化したものである。リアクトルの数に応じて、コア部603も複数設ける。
配線形成体604は、例えば、以下のように構成される。
実施例2の図4(b)に示されたリアクトルを複数設け、一方のリアクトルの平板バスバ404は、他方のリアクトルの平板バスバ401又は平板バスバ402と接続される。さらに、ヒートシンクとして機能する筐体601は、一方のリアクトルの平板バスバ401又は平板バスバ402の露出面及び他方のリアクトルの平板バスバ401又は平板バスバ402の露出面が筐体601と絶縁層を介して熱的に接続される。
これらすべてのリアクトル構造として、実施例3に示した構造を適用し、それぞれの配線線形成体を一体化することで、DC-DCコンバータの小型化が可能となる。
103a…高圧側入力部,103b…高圧側入力部、104…平滑コンデンサ、105aないし105d… MOSFET、106…共振コイル、107…トランス、108…チョークコイル、109…フィルタコイル、110…平滑コンデンサ、111…フィルタコンデンサ、112…低圧側出力部、113a及び113b…MOSFET、200…リアクトル、201a及び201b…コア、201…コア部、202…平板バスバ、203…ヒートシンク、204a及び204b…放熱シート、301a及び301b…コア、301…コア部、302…平板バスバ、302a及び302b…接続端子部、303…ヒートシンク、304…放熱シート、311…巻線突出部分、401ないし405…平板バスバ、406a及び406b…コア、406…コア部、407…放熱シート、408…ヒートシンク、410a及び410b…貫通孔、411a…ギャップ、411b…ギャップ、420及び421…モールド材、501及び502…配線形成体、600…DC-DCコンバータ、601…筐体、602及び603…配線形成体、603…コア部

Claims (5)

  1. 平板バスバと、中足部を有するコア部と、前記平板バスバを冷却するヒートシンクと、
    を備え、
    前記平板バスバは、前記中足部に、当該平板バスバによって構成される巻線の巻線軸が通るように形成され、
    さらに前記平板バスバは、当該平板バスバの主面が前記巻線軸の方向と平行になるように配置され、かつ絶縁層を介して前記ヒートシンクに熱的に接続され、
    前記平板バスバは、一端と他端との間に第１ギャップを設けるための屈曲部を有する第１バスバと、一端と他端との間に第２ギャップを設けるための屈曲部を有する第２バスバと、前記第１バスバ及び前記第２バスバとは異なる第３バスバと、により構成され、
    前記第１バスバ及び前記第２バスバは、当該第１バスバに一部及び当該第２バスバの一部を露出するようにモールド部によって封止され、
    前記コア部は、前記第１バスバ及び前記第２バスバを貫通させるための貫通孔を形成し、
    前記第１バスバの一端と他端及び前記第２バスバの一端と他端は、前記第１ギャップ及び前記第２ギャップが前記コア部の外部に配置されるように前記コア部の前記貫通孔から突出し、
    前記第１バスバの一端は、前記第３バスバを介して前記第２バスバの他端と接続され、
    前記モールド部は、前記コア部を挟んで前記第３バスバとは反対側の前記第１バスバ又は第２バスバの面に露出面を形成させ、
    前記第１バスバ又は第２バスバの前記露出面は、前記ヒートシンクと絶縁層を介して熱的に接続され、
    前記第３バスバを埋設する絶縁性の基板部を備えるリアクトル。
  2. 請求項１に記載されたリアクトルであって、
    前記第１バスバの他端と接続される第４バスバを備え、
    前記第４バスバは、他の部品と接続される端子部を有し、
    前記基板部は、前記第４バスバを埋設するリアクトル。
  3. 請求項２に記載されたリアクトルであって、
    前記第２バスバの一端と接続される第５バスバを備え、
    前記第５バスバは、他の部品と接続される端子部を有し、
    前記基板部は、前記第５バスバを埋設するリアクトル。
  4. 請求項３に記載されたリアクトルを少なくとも２つ設けた複数のリアクトルであって、
    一方の前記リアクトルの第４バスバは、他方の前記リアクトルの前記第１バスバ又は前
    記第２バスバと接続され、
    前記ヒートシンクは、前記一方のリアクトルの前記第１バスバ又は第２バスバの露出面
    及び前記他方のリアクトルの前記第１バスバ又は第２バスバの露出面が前記ヒートシンク
    と絶縁層を介して熱的に接続される複数のリアクトル。
  5. 請求項４に記載の複数のリアクトルを備えたDC-DCコンバータ。
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