JP6737225B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置は、スイッチング素子、リアクトル（またはトランス）、コンデンサ、ダイオード等により構成されている。ここで、コイルを有するコイル基板を用いてスイッチング電源装置を構成する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−１５３７２４号公報

ところで、磁性体コアとコイル（巻線）の放熱は底面の１面のみで、放熱性能は低い。コアおよびコイル（巻線）の放熱性能が低いため、損失を抑えるために大型化してしまう。

本発明の目的は、放熱性に優れる電力変換装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、絶縁基板の両面にコイルが配置されたコイル基板と、前記絶縁基板の両面に配置された前記コイルが巻回されるコアと、前記コイル基板の一方の面側に配置され、前記コイル基板が固定されるベース部材と、を備える電力変換装置であって、前記コイル基板の一方の面側において前記コイルに対し前記ベース部材が絶縁された状態で熱的に接続され、前記コイル基板の他方の面側において前記コイルに対し絶縁された状態で熱的に接続された放熱部材を備え、前記放熱部材は前記ベース部材に固定され、前記コアにおける前記コイル基板の他方の面側の面が前記放熱部材に絶縁された状態で熱的に接続されていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、コイル基板の一方の面側においてコイルの熱がベース部材に逃がされる。コイル基板の他方の面側においてコイルの熱が放熱部材に逃がされる。コアにおけるコイル基板の他方の面側の面から熱が放熱部材に逃がされる。よって、コイル基板における絶縁基板の両面のコイルを、コイル基板の両面側に放熱できるとともに、コアを、コイル基板での他方の面側に放熱することができ、放熱性に優れたものとなる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電力変換装置において、前記コアを前記ベース部材側に付勢する板バネを更に備え、前記板バネは、前記放熱部材に固定されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、板バネをベース部材に設けたボスによりベース部材に固定する場合に比べ、ベース部材には板バネ用のボスの削減が図られる。
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の電力変換装置において、回路基板を更に備え、前記回路基板は、前記放熱部材に固定されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、回路基板をベース部材に設けたボスによりベース部材に固定する場合に比べ、ベース部材には回路基板の固定用のボスの削減が図られる。

本発明によれば、放熱性に優れる電力変換装置を提供することができる。

実施形態における絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。 実施形態におけるリアクトルの分解斜視図。 リアクトルの平面図。 図３のＡ−Ａ線での断面図。 図３のＢ−Ｂ線での断面図。 図３のＣ−Ｃ線での断面図。

以下、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電力変換装置としての絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、フォワード形ＤＣ−ＤＣコンバータであって、トランス１１を備えている。トランス１１は１次側コイル（巻線）１１ａと２次側コイル（巻線）１１ｂを備えている。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は自動車用であり、車両に搭載される。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、トランス１１の１次側の入力電圧を降圧してトランス１１の２次側に出力する。例えば、３００ボルトを入力して１２ボルトに降圧して出力する。

１次側コイル１１ａの一方の端子は入力端子と接続され、入力端子はバッテリＢの正極端子と接続される。１次側コイル１１ａの他方の端子は１次側スイッチング素子１３を介して接地されている。１次側スイッチング素子１３としてパワーＭＯＳＦＥＴが用いられている。

入力端子とトランス１１の１次側コイル１１ａとの間には平滑コンデンサ１２の正極が接続され、平滑コンデンサ１２の負極は接地されている。平滑コンデンサ１２には電解コンデンサが使用される。平滑コンデンサ１２によりトランス１１の１次側電圧が平滑される。

トランス１１の２次側コイル１１ｂにはダイオード１５，１６よりなる整流回路が接続されている。ダイオード１５は、トランス１１の２次側のグランドにアノードが接続され、トランス１１の２次側コイル１１ｂの一方端にカソードが接続される。ダイオード１６は、ダイオード１５のアノードにアノードが接続され、トランス１１の２次側コイル１１ｂの他方端にカソードが接続される。

さらに、コンデンサ１８がダイオード１６に並列接続されている。リアクトル１７が、トランス１１の２次側コイル１１ｂとコンデンサ１８との間に設けられている。リアクトル１７とコンデンサ１８とでフィルタ回路を構成している。

１次側スイッチング素子１３のゲート端子に制御ＩＣ１４が接続されている。制御ＩＣ１４から１次側スイッチング素子１３のゲート端子にパルス信号が出力され、このパルス信号により１次側スイッチング素子１３がスイッチングされる。１次側スイッチング素子１３がオンしているときに１次側の電源からエネルギーを２次側へ供給する。１次側スイッチング素子１３がオフしているときにリアクトル１７に溜め込んだエネルギーを出力へ放出する。詳しくは、直流電圧が平滑コンデンサ１２を通してトランス１１の１次側コイル１１ａに供給され、制御ＩＣ１４により、１次側スイッチング素子１３がオン／オフ制御され、このオン／オフ動作における、１次側スイッチング素子１３のオン期間において１次側コイル１１ａに１次電流が流れ、トランス１１の起電力で２次電流が流れる。１次側スイッチング素子１３がオフしているときにリアクトル１７の電流がリアクトル１７の逆起電力でダイオードＤ１６経由で出力に流れる。

制御ＩＣ１４には検出回路１９が接続され、検出回路１９により出力電圧Ｖｏｕｔが検出される。検出回路１９による出力電圧Ｖｏｕｔの測定結果が制御ＩＣ１４に送られる。制御ＩＣ１４は検出回路１９による出力電圧Ｖｏｕｔの測定結果をフィードバック信号として出力電圧Ｖｏｕｔが所望の一定値となるように１次側スイッチング素子１３のデューティを制御する。

このように絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の駆動に伴い導通損失によりリアクトル１７等が発熱する。
以下、リアクトル１７の具体的構造について説明する。

図２にリアクトル１７の分解斜視、図３にリアクトル１７の平面、図４に図３のＡ−Ａ線での断面、図５に図３のＢ−Ｂ線での断面、図６に図３のＣ−Ｃ線での断面を示す。
図２に示すように、コイル２２，２３を有するコイル基板２０を用いてリアクトル１７が構成されている。

図２に示すように、リアクトル１７は、コイル基板２０と、磁性体のコア３０と、板状をなすアルミ製のベース部材４０と、アルミ製の板状の放熱部材（ブラケット）５０と、帯板状の板バネ６０，６１と、回路基板７０を備える。

ベース部材４０が水平に配置されている。ベース部材４０は放熱部材として機能し、ベース部材４０に伝えられた熱は大気または冷媒に逃がされる。ベース部材４０の上面にコイル基板２０およびコア３０が配置されるとともに、水平に配置されるコイル基板２０の上に放熱部材５０が水平に配置され、その上に回路基板７０が水平に配置される。図３においては回路基板７０の図示は省略している。回路基板７０には図１の制御ＩＣ１４等の部品（絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の制御素子等の部品）が実装されている。

コア３０は上コア３１と下コア３２よりなる。下コア３２は、Ｉ型コアであり、下コア３２は、水平方向に延設された四角板状をなしている。上コア３１はＥ型コアであり、上コア３１は、長方形の板状をなし、水平方向に延設された本体部３１ａと、本体部３１ａの下面の中央部から突出する中央磁脚３１ｂと、本体部３１ａの下面の端部から突出する両側磁脚３１ｃ，３１ｄを有している。中央磁脚３１ｂは四角柱状をなしている。中央磁脚３１ｂおよび両側磁脚３１ｃ，３１ｄはコイル基板２０を貫通する。

ベース部材４０の上にコア３０が配置されている。詳しくは、図４，５，６に示すように、ベース部材４０の上面に形成した凹部４１にコア３０の下コア３２が配置されるとともに下コア３２の上に上コア３１が配置される。下コア３２の上面と、上コア３１の中央磁脚３１ｂ及び両側磁脚３１ｃ，３１ｄとが突き合わされている。

コイル基板２０は、絶縁基板２１の両面に、パターニングされた銅板よりなるコイル２２，２３（図２，３参照）が配置されている。詳しくは、絶縁基板２１の上面に銅板よりなる第１コイル２２が接合されるとともに絶縁基板２１の下面に銅板よりなる第２コイル２３が接合されている。

長方形状の絶縁基板２１において、長辺方向の中央には四角形状の貫通孔２１ａが形成されているとともに、貫通孔２１ａに対し長辺方向の両側には四角形状の貫通孔２１ｂ，２１ｃが形成されている。

絶縁基板２１の上面に接合された第１コイル２２は貫通孔２１ａの周囲において四角環状に延びており、巻き数「１」のコイル（巻線）となっている。四角環状の第１コイル２２の中央部の貫通孔２１ａには上コア３１の中央磁脚３１ｂが貫通している。即ち、第１コイル２２が上コア３１の中央磁脚３１ｂの周囲に延びており、第１コイル２２がコア３０（中央磁脚３１ｂ）に巻回されている。また、絶縁基板２１の貫通孔２１ｂ，２１ｃには上コア３１の両側磁脚３１ｃ，３１ｄが貫通している。

絶縁基板２１の下面に接合された第２コイル２３は貫通孔２１ａの周囲において四角環状に延びており、巻き数「１」のコイル（巻線）となっている。四角環状の第２コイル２３の中央部の貫通孔２１ａに上コア３１の中央磁脚３１ｂが貫通していることにより、第２コイル２３が上コア３１の中央磁脚３１ｂの周囲に延び、第２コイル２３がコア３０（中央磁脚３１ｂ）に巻回されている。

また、絶縁基板２１の上面に接合された第１コイル２２と絶縁基板２１の下面に接合された第２コイル２３とは、スルーホール（層間接続部）により接続されている。
絶縁基板２１は、四隅にねじ挿通孔２４が形成されている。コイル基板２０の下面側にベース部材４０が配置され、コイル基板２０はベース部材４０に固定される。

図５に示すように、コイル基板２０における上面側において、第１コイル２２の少なくとも一部には放熱部材５０が絶縁シート８０を介して絶縁された状態で熱的に接続されている。絶縁シート８０は熱伝導性に優れている。このように、放熱部材５０は、コイル基板２０の他方の面側である上面側において第１コイル２２に対し絶縁された状態で熱的に接続されている。

また、コイル基板２０における下面側において、第２コイル２３の少なくとも一部にはベース部材４０が絶縁シート８１を介して絶縁された状態で熱的に接続されている。絶縁シート８１は熱伝導性に優れている。このように、コイル基板２０の一方の面側である下面側において第２コイル２３に対しベース部材４０が絶縁された状態で熱的に接続されている。

図２に示すように、放熱部材５０は、上下方向に延びる四角枠部５１と、四角枠部５１の上端から水平方向に延びる天井板部５２と、四角枠部５１の四隅に形成された取付用突部５３と、２つの板バネ固定用突部５４と、天井板部５２から上方に突出する５つのボス（支柱）５５を有する。図４，５，６に示すように、四角枠部５１及び天井板部５２の内方に上コア３１が位置することになり、上コア３１の側面及び上面を四角枠部５１及び天井板部５２で覆うことになる。

５つのボス５５は円筒状をなしている。４つの取付用突部５３にはねじＳｃ１が貫通する。２つの板バネ固定用突部５４にはねじＳｃ２が螺入できる。５つのボス５５にはねじＳｃ３が螺入できる。

図２に示すように、ベース部材４０の上面には雌ねじ孔４２が形成されており、雌ねじ孔４２にねじＳｃ１が螺入できる。
図２，３に示すように、放熱部材５０における長方形状の天井板部５２において、長辺方向の中央には四角形状の貫通孔５６が形成されているとともに、貫通孔５６に対し長辺方向の両側には四角形状の貫通孔５７，５８が形成されている。天井板部５２において貫通孔５７，５８に接近する位置に板バネ固定用突部５４がそれぞれ設けられている。図６に示すように、板バネ６０の一端が板バネ固定用突部５４にねじＳｃ２により固定されている。板バネ６０の他端で天井板部５２の貫通孔５７から上コア３１を下方に付勢する。同様に、板バネ６１の一端が板バネ固定用突部５４にねじＳｃ２により固定されている。板バネ６１の他端で天井板部５２の貫通孔５８から上コア３１を下方に付勢する。即ち、板バネ６０，６１によるバネ力Ｆでコア３０が下方のベース部材４０に向かって付勢され、これによりコア３０が固定されている。このように、コア３０をベース部材４０側に付勢する板バネ６０，６１は、放熱部材５０に固定されている。

図４，５，６に示すように、放熱部材５０の四角枠部５１の内方にコア３０の上コア３１が位置し、放熱部材５０の天井板部５２の下方に上コア３１が位置している。図４，５に示すように、コア３０の上コア３１の上面には放熱部材５０の天井板部５２が絶縁シート８２を介して絶縁された状態で熱的に接続されている。絶縁シート８２は熱伝導性に優れている。このように、コア３０におけるコイル基板２０の他方の面側の面である上面が放熱部材５０に絶縁された状態で熱的に接続されている。

図４に示すように、ベース部材４０の上にコイル基板２０が載置され、コイル基板２０の上に放熱部材５０が配置され、放熱部材５０のボス５５の上に回路基板７０が配置されている。

ベース部材４０と放熱部材５０との間においてコイル基板２０が挟まれている。そして、図２に示すように、ねじＳｃ１が、放熱部材５０の取付用突部５３、コイル基板２０の絶縁基板２１を通してベース部材４０に螺入されており、これにより、ベース部材４０に対し放熱部材５０とコイル基板２０とが、ねじＳｃ１で締結されている。このようにして、ベース部材４０がコイル基板２０の一方の面側である下面側に配置され、ベース部材４０にコイル基板２０が固定されているとともに放熱部材５０がベース部材４０に固定されている。

放熱部材５０にねじＳｃ２で固定された板バネ６０，６１により、コア３０がベース部材４０側に付勢され、これにより固定されている。つまり、板バネ６０，６１の一端部を貫通するねじＳｃ２を放熱部材５０に螺入することにより板バネ６０，６１の他端側によりコア３０がベース部材４０に押圧および支持されている。

放熱部材５０のボス５５の上には回路基板７０が搭載され、ねじＳｃ３が回路基板７０を貫通してボス５５の雌ねじ穴に螺入されている。これにより回路基板７０が放熱部材５０に固定されている。

次に、作用について説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動に伴い、例えば３００Ｖを１２Ｖに降圧する際に、リアクトル１７において、絶縁基板２１の上面に接合された第１コイル２２及び絶縁基板２１の下面に接合された第２コイル２３が通電される。この通電に伴いコイル２２，２３及びコア３０が発熱する。

コイル基板２０における絶縁基板２１の下面の第２コイル２３で発生する熱は、図５においてＱ１で示すごとく絶縁シート８１を介してコイル基板２０の下面側のベース部材４０に伝わり、ベース部材４０から大気または大気に逃がされる。

また、コイル基板２０における絶縁基板２１の上面の第１コイル２２で発生する熱は、図５においてＱ２で示すごとく絶縁シート８０を介してコイル基板２０の上面側の放熱部材５０で逃がされる（もしくは、放熱部材５０からベース部材４０に伝わり放熱される）。

コア３０で発生する熱は、図４，５においてＱ３で示すごとく絶縁シート８２を介してコイル基板２０の他方の面側である上面側の放熱部材５０で逃がされる（もしくは、放熱部材５０からベース部材４０に伝わり放熱される）。よって、コイル基板２０の両面から冷却、即ち、３つの放熱経路（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３）で放熱され、放熱性に優れる。つまり、コア３０とコイル２２，２３の放熱経路（放熱部材５０経由で放熱）を増やして熱抵抗を下げて、磁性体のコア３０とコイル２２，２３が小型化される。また、放熱部材５０で回路基板７０を保持することで投影面積の小型化が実現する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電力変換装置としてのＤＣ−ＤＣコンバータの構成として、絶縁基板２１の両面にコイル２２，２３が配置されたコイル基板２０と、絶縁基板２１の両面に配置されたコイル２２，２３が巻回されるコア３０と、コイル基板２０の一方の面側に配置され、コイル基板２０が固定されるベース部材４０を備える。コイル基板２０の一方の面側において第２コイル２３に対しベース部材４０が絶縁された状態で熱的に接続されている。コイル基板２０の他方の面側において第１コイル２２に対し絶縁された状態で熱的に接続された放熱部材５０を備え、放熱部材５０はベース部４０材に固定され、コア３０における上面、即ち、コイル基板２０の他方の面側の面が放熱部材５０に絶縁された状態で熱的に接続されている。このようにすることにより、コイル基板２０の一方の面側においてコイル２３の熱がベース部材４０に逃がされる。コイル基板２０の他方の面側においてコイル２２の熱が放熱部材５０に逃がされる。コア３０におけるコイル基板２０の他方の面側の面から熱が放熱部材５０に逃がされる。よって、コイル基板２０における絶縁基板２１の両面のコイル２２，２３を、コイル基板２０の両面側に放熱できるとともに、コア３０を、コイル基板２０での他方の面側に放熱することができ、放熱性に優れたものとなる。

（２）コア３０をベース部材４０側に付勢する板バネ６０，６１を更に備え、板バネ６０，６１は、放熱部材５０に固定されている。よって、板バネをベース部材に設けたボス（支柱）によりベース部材に固定する場合に比べ、ベース部材には板バネ用のボス削減が図られる。その結果、小型できることになる。

（３）回路基板７０を更に備え、回路基板７０は、放熱部材５０に固定されている。よって、回路基板をベース部材に設けたボス（支柱）によりベース部材に固定する場合に比べ、ベース部材には回路基板７０の固定用のボスの削減が図られる。その結果、小型化できることになる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ コイル基板２０におけるコイル２２，２３の巻き数はそれぞれ「１」であったが、コイル２２，２３の巻き数は問わない（２以上であってもよい）。

○ 絶縁性基板の表面に銅板を接着した所謂厚銅基板を用いたが、これに限るものではなく、銅の板に代わりアルミの板を絶縁性基板の表面に接着したものを用いてもよい。
○ コイルはパターニングした金属板により構成したが、断面が円形や角形の線材で構成してもよい。その場合、渦巻状にして、コイル全体として平らに配置することが放熱上好ましい。

○ 板バネ６０，６１でコア３０を固定したが、これに限ることなく板バネを用いることなく放熱部材（ブラケット）５０でコア３０を固定してもよい。
○ コアとして、Ｅ−Ｉ型コアの他にも、例えば、Ｕ−Ｉ型コアやＥ−Ｅ型コア、Ｕ−Ｕ型コア等を用いてもよい。

○ リアクトルに適用したが、トランスに適用してもよい。具体的には、例えば、絶縁性基板の一方の面に一次コイルを、また、絶縁性基板の他方の面に二次コイルを配置してトランスを構成する。

○ ＤＣ／ＤＣコンバータに具体化する場合について述べたが、他の電力変換装置、例えばインバータ等に適用してもよい。
○ 実施形態では、ベース部材４０はリアクトル１７のみを配置するように設けたが、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０全体のベース部材としてもよい。またコイル基板２０はコイルのみが配置された基板としたが、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を構成する他の部品を同時に搭載する基板であっても良い。

１０…絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ、２０…コイル基板、２２…第１コイル、２３…第２コイル、３０…コア、４０…ベース部材、５０…放熱部材、６０，６１…板バネ、７０…回路基板。

Claims (3)

1. 絶縁基板の両面にコイルが配置されたコイル基板と、
   前記絶縁基板の両面に配置された前記コイルが巻回されるコアと、
   前記コイル基板の一方の面側に配置され、前記コイル基板が固定されるベース部材と、
   を備える電力変換装置であって、
   前記コイル基板の一方の面側において前記コイルに対し前記ベース部材が絶縁された状態で熱的に接続され、
   前記コイル基板の他方の面側において前記コイルに対し絶縁された状態で熱的に接続された放熱部材を備え、
   前記放熱部材は前記ベース部材に固定され、
   前記コアにおける前記コイル基板の他方の面側の面が前記放熱部材に絶縁された状態で熱的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記コアを前記ベース部材側に付勢する板バネを更に備え、
   前記板バネは、前記放熱部材に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 回路基板を更に備え、
   前記回路基板は、前記放熱部材に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。