JP6906874B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
電気自動車およびハイブリッド車に搭載される電力変換装置は、小型化および軽量化が求められている。また、近年、特に電気自動車において、航続距離向上を目的として、電池容量を増加する傾向が強まっており、車載充電器を高出力化する必要がある。
車載充電器を高出力化する場合、入力側の商用交流電源からの電流量を増加させる必要がある。そのため、車載充電器を構成するトランスおよびリアクトルのコイル部を流れる電流量が増加し、発熱量も増加する。したがって、車載充電器を高出力化によっても、コイルを効率的に放熱させることが重要である。
また、車載充電器等の電力変換装置は、車両における燃費向上、車内空間拡大、低コスト化等を目的として、小型化および軽量化が求められている。そのため、電力変換装置を構成する各部品においては、小型化および軽量化させることが重要となっている。駆動周波数を高周波化することは、電力変換装置を構成する電磁誘導機器を小型化させる有効策手法である。また、高周波化により、電磁誘導機器を小型化することで電力変換装置の小型軽量化も可能となる。しかし、駆動周波数を高周波化すると、電磁誘導機器でのコア、コイルでの発熱量が増加するため効率的に放熱させることが重要である。
放熱性に優れた電磁誘導機器に関して、リアクトル本体をアルミケース内に格納し、熱伝導率が高い封止樹脂にてリアクトル本体を封止し、リアクトルをボビンレス構造とすることで、熱を効率的に放熱するリアクトルが開示されている（例えば、特許文献１）。
しかし、製造時に固定治具でコイル部をハウジングに対して押圧する必要があり、封止樹脂の厚みが大きくバラつき、コイルにおける放熱性を低下させる問題がある。
これに対して、放熱・構造的な特性バラツキを抑制可能とするため、Ｃ形状の複数の板状金属部材とプリント配線板のパターンで構成されたコイル部と、絶縁部材により構成された電磁誘導機器が開示されている（例えば、特許文献２）。
特開２００９−９４３２８号公報（段落［００１２］−［００１４］および図１） 特許第６１５０８４４号公報（段落［００１３］、［００１８］、［００５２］および図１）
特許文献２開示の電磁誘導機器では、コイルを形成する板状金属部材が絶縁部材の凹部に対して装着されているため、板状金属部材−絶縁部材間で隙間が発生することとなり、コイルで発生する熱損失の放熱性を低下させてしまう問題がある。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、電磁誘導機器で発生し、増加する熱損失を効率的に放熱し、小型軽量化、低コスト化を可能とすることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
本願に開示される電力変換装置は、閉磁路を構成する磁性コアと、磁性コアの脚部を囲むように配置される複数のコイルを構成する板状金属部材、および板状金属部材の端子部間を接続する配線部品により構成されたコイル体を備え、コイル体は、複数の板状金属部材間、および板状金属部材と磁性コア間には絶縁部材が介在し、板状金属部材と絶縁部材は一体成形により接合されている電磁誘導機器を実装し、閉磁路を構成する磁性コアがＵ型形状であり、磁性コアの２つの脚部にコイル体が配置され、コイル体は１次コイル部および２次コイル部を備え、１次コイル部の板状金属部材と２次コイル部の板状金属部材が積層方向に対して交互に配置され、積層方向に２つの２次コイル部が連続して配置され、
一方の２次コイル部の絶縁部材と他方の２次コイル部の絶縁部材の厚みは異なり、配線部品は、厚みの異なる２つの２次コイル部の端子部をそれぞれ挿入するスルーホール間を接続する配線パターンを備えるものである。
本願に開示される電力変換装置によれば、コイルの放熱性が向上し、高周波化、高出力化においても放熱性を確保することができるため、装置の小型軽量化、低コスト化が実現できる電力変換装置が得られる。
実施の形態１による電力変換装置の主要部を示す回路構成図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器の分解斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体のコイル部の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体のコイル部の内部斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体の１次コイル部の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体の２次コイル部の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体の２次コイル部の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体のコイル部を構成する板状金属部材の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器の水平断面図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体の配線部品の斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体の配線部品の正面図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器の実装説明図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器の実装説明図である。 実施の形態１による電力変換装置の実装説明図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器のコイル体の配線部品の変形例の正面図である。 実施の形態１による電力変換装置における電磁誘導機器の変形例の実装説明図である。
実施の形態１．
実施の形態１は、閉磁路を構成する磁性コアと、磁性コアの脚部に配置される複数のコイルを構成する板状金属部材、および板状金属部材の端子部間を接続する配線部品により構成されたコイル体を備え、コイル体は、複数の板状金属部材間、および板状金属部材と磁性コア間には絶縁部材が介在し、板状金属部材と絶縁部材は一体成形により接合されている電磁誘導機器を実装した電力変換装置に関するものである。
以下、実施の形態１に係る電力変換装置の構成および動作について、電力変換装置の主要部を示す回路構成図である図１、電磁誘導機器の斜視図である図２、電磁誘導機器の分解斜視図である図３、電磁誘導機器のコイル体の斜視図である図４、コイル体のコイル部の斜視図である図５、コイル体のコイル部の内部斜視図である図６、コイル体の１次コイル部の斜視図である図７、コイル体の２次コイル部の斜視図である図８および図９、コイル体のコイル部を構成する板状金属部材の斜視図である図１０、電磁誘導機器の水平断面図である図１１、電磁誘導機器のコイル体の配線部品の斜視図である図１２、電磁誘導機器のコイル体の配線部品の正面図である図１３、電磁誘導機器の実装説明図である図１４および図１５、電力変換装置の実装説明図である図１６、電磁誘導機器のコイル体の配線部品の変形例の正面図である図１７、および電磁誘導機器の変形例の実装説明図である図１８に基づいて説明する。
なお、各図において、同一部分もしくは相当部分は、同一符号で示し、重複する説明は、省略する。
まず、実施の形態１の電力変換装置１００の全体構成を電力変換装置１００の主要部の回路構成図である図１に基づいて説明する。
電力変換装置１００は、電気自動車またはハイブリッド車に搭載され車載充電器等の電力変換装置を想定している。
電力変換装置１００は、車載充電器におけるハードスイッチング方式のフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータ部を備えており、図１はＤＣ／ＤＣコンバータ部の回路構成を示している。
電力変換装置１００は、例えば１００〜２００Ｖの商用の入力交流電圧を、電気自動車の駆動用バッテリー電圧３００〜４００Ｖ程度の直流電圧に変換し、昇圧する。
電力変換装置１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部の他に、ＡＣ／ＤＣコンバータ部、ＡＣ／ＤＣコンバータ部とＤＣ／ＤＣコンバータ部との間のコンデンサ部、およびフィルタ回路部を備えているが、図１では省略している。なお、フィルタ回路部は、電力変換装置１００の入力部と出力部に設けられている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、スイッチング回路部１１０と、トランス回路部１２０と、整流回路部１３０と、平滑回路部１４０とを備えている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、入力側に正側入力端子ａおよび負側入力端子ｂを有し、出力側に出力端子ｃおよび出力端子ｄを有している。
次に、電力変換装置１００の主要回路部の構成を説明する。
スイッチング回路部１１０は、複数のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子１１１を用いたスイッチング動作によって、正側入力端子ａおよび負側入力端子ｂ間に印加される入力直流電圧を交流電圧に変換する。
トランス回路部１２０は、電磁誘導機器１を備えており、電磁誘導機器１は、１次側の１次コイル部１１と、２次側の２次コイル部１２とを有している。
トランス回路部１２０は、変圧機能を有しており、スイッチング回路部１１０で交流に変換された入力電圧を、絶縁を保ちながら、出力端子ｃおよび出力端子ｄに接続されるバッテリーの電圧まで昇圧する。
トランス回路部１２０では、１次コイル部１１の巻数に対する２次コイル部１２の巻数の比に応じて、変圧比が決められる。
実施の形態１では、２次コイル部１２の巻数は、１次コイル部１１の巻数よりも多くなるように設定されている。
なお、電磁誘導機器１は、一般的にトランスと称される機器であるが、実施の形態１の説明では電磁誘導機器と記載する。
整流回路部１３０は、整流素子である複数のダイオード１３１を備えている。
この例では、整流回路部１３０は、４つのダイオードを備え、トランス回路部１２０の２次コイル部１２から出力された高電圧の交流電圧を、直流電圧に変換する。
平滑回路部１４０は、平滑リアクトル１４１と平滑コンデンサ１４２とを備えている。 平滑回路部１４０は、整流回路部１３０で整流された直流電圧を、平滑して出力端子ｃおよび出力端子ｄに出力する。
次に、電磁誘導機器１の構成、機能を図２から図１２に基づいて説明する。
図２は電力変換装置１００の電磁誘導機器１を示す斜視図であり、図３は電磁誘導機器１の分解斜視図である。
電磁誘導機器１は、コイル体３と磁性コア４とを備える。
まず、磁性コア４の構成を中心に図３に基づいて説明する。
磁性コア４は、２個のＵ型形状をしたＵ型磁性コア４ａからなり、２個のＵ型磁性コア４ａが突き合せられることにより、閉磁路を構成している。
Ｕ型磁性コア４ａは、脚部４ｂと突合せ面４ｃとを有する。Ｕ型磁性コア４ａの脚部４ｂを囲むようにコイル体３が配置されている。
また、磁性コア４はＲ状の角Ｒ部４ｄを備える。
Ｕ型磁性コア４ａは、フェライトなどの磁性材料により作製されている。Ｕ型磁性コア４ａは、脚部４ｂをコイル体３の両側面からコイル体３に設けられた２ヶ所の貫通孔３ａに挿入してコイル体３に装着されている。
２個のＵ型磁性コア４ａにおける突合せ面４ｃ同士が接触した状態において、図２に示すようにコイル体３と磁性コア４とを粘着テープ５により仮固定する。これにより、２個のＵ型磁性コア４ａの突合せ面４ｃが接触し、磁性コア４の閉磁路が構成される。
なお、磁性コア４とコイル体３の電力変換装置１００への固定は、図１３、１４において説明するように電磁誘導機器１をケース１６に実装して、ポッティング材１７で充填、固化することで行う。
次に、コイル体３の構成について、図４から図１０に基づいて説明する。
コイル体３は、コイル部６と、配線部品７とを備える。
なお、図６は図５の状態から外部絶縁部材８を取り除いた状態を表しており、コイル部６の内部構成を分かりやすくするために、外部絶縁部材８を省略している。
コイル部６は、１次側の１次コイル部１１と、２次側の２次コイル部１２、１２Ａと、外部絶縁部材８とを備えている。
１次コイル部１１、２次コイル部１２、１２Ａの構成について、図６から図１０に基づいて説明する。
１次コイル部１１は、図６、図７に示すように、２個の１次コイル用板状金属部材９と、絶縁部材１４により構成されている。
なお、特に明記する必要がない場合は、１次コイル用板状金属部材９を板状金属部材９と記載する。
板状金属部材９について説明する。
板状金属部材９は、図７、図１０に示すように、Ｃ形状をしており、端部には中心軸に対して非対称性な位置に配置された端子部９ａを有している。図７で２個ある板状金属部材９は同一形状であり、其々の端子部９ａが近接する形態で配置されている。
端子部９ａ間は、所定の距離、すなわち１次コイル間で発生する電圧降下に対応する絶縁距離が設けられている。
また、２個の板状金属部材９は、導電部９ｃにおいても、図７に示すように所定の絶縁距離を確保するように配置されている。
板状金属部材９は銅、アルミニウムなどの金属材料により構成されており、所定の幅、厚みを有する導電部９ｃ、および端子部９ａが形成されるように一体加工されている。
板状金属部材９の電気抵抗は、材料の種類による電気抵抗率、板幅、板厚により調整される。板状金属部材９は、金属平板をプレス金型などにより打ち抜く工程により作製されている。
なお、プレス金型による打ち抜きの代わりに、金属平板にレーザー加工、エッチングなどを施して、作製してもよい。
また、板状金属部材９には、Ｕ型磁性コア４ａの脚部４ｂが挿入できるように、貫通孔９ｄが設けられている。
絶縁部材１４について説明する。
絶縁部材１４は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（Ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）（ポリブチレンテレフタレート）、エポキシ樹脂などの絶縁性樹脂材により構成されている。
そして、板状金属部材９と絶縁部材１４とは、インサート成形により一体化され、接合されている。具体的には、板状金属部材９をインサート成形用の金型内に配置した状態で、溶融した絶縁性樹脂材を射出成形することにより一体化する。
なお、板状金属部材９と絶縁部材１４とをインサート成形により一体化する際、板状金属部材９の片方の平面９ｂが表面に露出する形で一体化されている。
また、板状金属部材９と絶縁部材１４とが一体成形された１次コイル部１１には、Ｕ型磁性コア４ａの脚部４ｂが挿入できるように、貫通孔１４ｄが設けられている。
２次コイル部１２、１２Ａについて、主として図８、図９に基づいて説明する。
２次コイル部１２は、２個の２次コイル用板状金属部材１０と絶縁部材１４により構成されている。ここで２次コイル用板状金属部材１０は、１次コイル用板状金属部材９と同一材料、同一形状である。
しかし、２次コイル部１２では、１次コイル部１１とは異なり、板状金属部材１０の各端子部１０ａが近接する方向でなく、離間する方向で配置されている。２次コイル部１２は、板状金属部材１０の各端子部１０ａが離間した状態で絶縁部材１４とインサート成形で一体化されている。
また、板状金属部材１０と絶縁部材１４とが一体成形された２次コイル部１２には、Ｕ型磁性コア４ａの脚部４ｂが挿入できるように、貫通孔１４ｄが設けられている。
２次コイル部１２Ａは、２次コイル部１２と同様に２個の２次コイル用板状金属部材１０と絶縁部材１４により構成されている。ただし、絶縁部材１４の積層方向での肉厚が２次コイル部１２に比較して大きくなっている。この理由を次に説明する。
なお、特に明記する必要がない場合は、２次コイル用板状金属部材１０を板状金属部材１０と記載する。
図６に示すように、１次コイル部１１と２次コイル部１２は、交互に積層配置されることで、コイル部６は構成されている。
実施の形態１では、トランス構成として、１次コイルに対して２次コイルの巻数が多い昇圧トランスを想定している。このため実施の形態１では、積層方向における両端部は２次コイル部１２を配置している。
具体的には、１次コイルが１０ターン、２次コイルが１４ターンの昇圧トランスを想定している。巻数比の関係上、積層において、２次コイル部１２が連続して配置される構成となっている。
実施の形態１でのコイル部６は、１次コイル部１１と２次コイル部１２とが交互に積層配置された構成であるが、図６に示すように２次コイル部１２Ａのみは２次コイル部１２と隣り合う構成である。
このため、絶縁部材１４の肉厚が２次コイル部１２と同じ場合、後で説明する配線部品７におけるスルーホール間の間隔（図１３における上下方向での間隔）が小さくなり、パターン配置が困難となる。この問題を解決するため、２次コイル部１２Ａのみ絶縁部材１４を厚くし、スルーホール間隔を確保している。
１次コイル部１１、２次コイル部１２、１２Ａを積層配置されたコイル部（図６）は、外部絶縁部材８により、再度インサート成形することで、各コイル部（１次コイル部１１、２次コイル部１２、１２Ａ）が一体成形され、コイル部６（図５）として一体化される。また、一体成形されることで、各コイル部（１次コイル部１１、２次コイル部１２、１２Ａ）と外部絶縁部材８は接合される。
ここで、外部絶縁部材８は、絶縁部材１４と同じ絶縁性樹脂材である。
図１１は、図２において磁性コア４の上下方向中心点を水平面で切断して、上から見た水平断面図である。
図１１で示す通り電磁誘導機器１では、１次コイル部１１、２次コイル部１２における絶縁部材１４の外周に外部絶縁部材８が配置、接合されている。そのため、１次コイル部１１及び２次コイル部１２で発生する界面を外部絶縁部材８により分断することが可能となり、各コイル部と磁性コア４との沿面絶縁を確実に実施することが可能となる。
次に、配線部品７について、図１２、図１３に基づいて説明する。
実施の形態１における配線部品７は、ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する多層基板を使用したプリント配線板により構成されている。
配線部品７は、ガラスエポキシ樹脂で形成された基板７ａに、１次コイル用、２次コイル用のスルーホール７ｂ１、７ｂ２と、１次コイル用、２次コイル用のランド７ｃ１、７ｃ２と、が設けられている。さらに、基板７ａに１次コイル用、２次コイル用の配線パターン７ｄ１、７ｄ２と、基板−外部端子間の１次コイル用配線パターン７ｅ１、２次コイル用配線パターン７ｅ２が設けられている。
これらのスルーホール、ランド、配線パターンは銅、アルミ等の金属体で構成されており、配線パターンは、表層だけでなく、内層（図示せず）にも配置されている。スルーホールは、基板７ａ上の穴であり、多層基板における表層−内層を電気的に接続するように穴内部に導体が配置されている。
１次コイル用、２次コイル用のスルーホール７ｂ１、７ｂ２は、長穴形状で構成されている。コイル部６における板状金属部材９の端子部９ａ、板状金属部材１０の端子部１０ａは、配線部品７における１次コイル用、２次コイル用のスルーホール７ｂ１、７ｂ２に貫通され、基板７ａから端子部９ａ、１０ａが突き出た状態で半田付けされる。この結果、コイル部６と配線部品７は電気的、構造的に接続される。
更に、Ｃ形状である板状金属部材９、１０がスルーホールに接続され、各ランド間を配線する配線パターン７ｄ１、７ｄ２と接続される。このため、板状金属部材９、１０と配線パターンによるトランス用巻線が構成され、磁性コア４の脚部４ｂを規定の巻数が巻回されたトランスとして構成される。
なお、電磁誘導機器１と外部との接続は、外部端子１５で行われる。
また、図１３で示すように、１次コイル部１１と、２次コイル部１２は交互に積層配置されていることから、１次コイル用スルーホールと、２次コイル用スルーホールは積層方向にＡだけずれて配置されている。また、１次コイル用および２次コイル用のランド−ランド間、ランド−パターン間、パターン−パターン間は１次側−２次コイル間での絶縁性を確保するためにＢだけ距離を設けて配置されている。
なお、図１３で示すように、磁性コア４の２つの脚部４ｂに配置されたコイル部６は、１次コイル部１１、２次コイル部１２共に直列接続されるように、配線パターンにて構成されている。
電磁誘導機器１を電力変換装置１００の金属製のケース（筐体）に実装する場合の例を図１４、図１５に基づいて説明する。
電磁誘導機器１が電力変換装置１００を構成するケース１６に実装される形態を想定する。
電磁誘導機器１は、アルミニウム等で形成されたケース１６に配線部品７が上部になるように実装され、その後、ポッティング材１７にて充填、硬化されることにより、電磁誘導機器１とケース１６は構造的に結合され、固定される。
ポッティング材１７は、必要な熱伝導性、絶縁性および硬度を有したシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂材料で構成されている。ケース１６におけるポッティング材１７の充填高さは、図１５に示されるように、コイル体３の上部まで充填されるように設定されている。
なお、図１５では、電磁誘導機器１の全体を充填して封入しているが、電磁誘導機器１の一部を充填して封入してもよい。また、図１５ではコイル体３の１次コイル用板状金属部材９及び２次コイル用板状金属部材１０の各端子部９ａ，１０ａがポッティング材１７から一部露出しているが、完全に充填して封入してもよい。
ケース１６においては、コイル体３の外部、すなわち磁性コア４の脚部４ｂに対応するケース底面１６ａに、磁性コア４の台座としてケース底面１６ａから第一段差部１６ｂが２か所隆起して設けられている。第一段差部１６ｂを設けることで、高さ方向における磁性コア−ケース間のポッティング材１７の厚みを小さくすることができる。
実施の形態１では、磁性コア４の脚部４ｂの下面とケース１６の第一段差部１６ｂが接触する構造としている。
実施の形態１では、電磁誘導機器１のコイル体３の下面とケース１６のケース底面１６ａは接触しない構造であり、コイル体３の下面とケース１６のケース底面１６ａとの間にポッティング材１７を充填している。しかし、電磁誘導機器１のコイル体３の下面とケース１６のケース底面１６ａは接触する構造としてもよい。
また、ケース１６には、磁性コア４に設けられた角Ｒ部４ｄを取り囲むように第二段差部１６ｃが四隅に設けている。このため、電磁誘導機器１をケース１６に実装した際に、磁性コア４の角Ｒ部４ｄとケース１６間の隙間を小さくする構造となっている。
次に、この実施の形態１の電力変換装置１００の作用について説明する。
実施の形態１の電力変換装置１００では、コイル体３のコイル部６を構成する板状金属部材９、１０と絶縁部材１４間がインサート成形により一体化され、接合されている。このため、板状金属部材−絶縁部材間の空気層を排除し、密着させることができるため、１次コイル部１１、２次コイル部１２における放熱性を向上させることができる。
また、電磁誘導機器１が金属製のケース１６内に実装され、ポッティング材１７により充填されている。このため、コイル体３、磁性コア４共にポッティング材１７を介してケース１６に接続されることとなり、更に放熱性を高めることが可能となる。
このため、電力変換装置１００の高周波化、高出力化に対しても放熱性を確保することができ、電磁誘導機器１、および電力変換装置１００の小型軽量化、低コスト化が実現できる。
また、実施の形態１では、Ｕ型磁性コア４ａを使用し、２つの脚部４ｂに１次コイル部１１、２次コイル部１２を配置し、２つの脚部４ｂでの各コイル部が直列接続により配線されている。このため、従来の特許文献２のような電磁誘導機器の構成と比較して、磁性コアの脚部でのコイル部におけるターン数を、半減させることができる。したがって、電磁誘導機器１としてのコイル部積層方向における寸法を小さくすることができ、電力変換装置１００の小型、軽量化が実現できる。
また、磁性コア４での２つの脚部４ｂでコイル部６を配置することができるため、巻数の増加が容易に可能であり、それに伴いコアの断面積を小さくすることができる。
また、電磁誘導機器を高周波化する場合、磁性コアにおける発熱密度が著しく大きくなるという課題に対しても、電磁誘導機器１のコイル部６のサイズ増加を抑制しながら、巻数を増加させることが可能となる。このため、磁性コア４の磁束密度を下げることができ、高周波化させながら、磁性コア４の発熱密度の増加を抑制することができる。
また、磁性コア４の脚部４ｂを取り囲むようにコイル部６が配置されることから、コイル体３の底面と側面が露出することとなり、露出した表面積をＥＥコア等の外鉄コアで構成した電磁誘導機器に対して大きくすることができる。このため、コイル体３からポッティング材を介しての放熱をより効率的に実施することが可能となる。
また、従来の電磁誘導機器では、板状金属部材を絶縁部材の凹部に装着させる必要があり、部品点数が多くなり、且つ生産性を高められないという課題があった。しかし、実施の形態１の電磁誘導機器では、板状金属部材９、１０と絶縁部材１４をインサート成形により一体成形し、且つ、複数の１次コイル部１１，２次コイル部１２を更にインサート成形で一体化している。このため、製造時におけるハンドリング含め生産性を高めると共に、部品点数を削減することができる。
また、１次コイル部１１、２次コイル部１２を積層する際に、２次コイル部同士が連続する場合は、最端部の２次コイル部１２の肉厚を増加させることにより、配線部品におけるスルーホール間隔を他部と変更する必要がなく、容易に配線パターンを配置することができる。
また、１次コイル部１１、２次コイル部１２共に、同一形状の板状金属部材９、１０を使用し、且つ２個の板状金属部材９、１０を一体でインサート成形している。このため、１個の板状金属部材をインサート成形する場合に比較して、コイル部としての部品点数を半減させることができ、生産性の向上と、低コスト化が可能となる。
また、従来の丸線もしくは平角線による巻線方式でコイルを構成するのではなく、板状金属部材９、１０をインサート成形により一体化させコイル部６を構成している。このため、寸法精度を高めることができ、電気的、構造的な特性のばらつき、および放熱特性のばらつきを抑制することができる。また、特性のばらつきが抑制されることから、製造管理も容易となり、製造コストが低減できる。
次に、電磁誘導機器１を電力変換装置１００の他の主要回路部を含めて実装する場合の例を図１６に基づいて説明する。
図１６は、電力変換装置１００の主要回路部の実装状態を示す分解斜視図である。
電力変換装置１００は、上部を開口とする筐体１８と、筐体１８にねじなどにより固定されて筐体１８の上部開口を塞ぎ、筐体１８内を密閉構造とする蓋１９とを備える。
まず、筐体１８の構成を説明する。
筐体１８は、内底面１８ａ、小部屋壁１８ｂ、冷媒流路部１８ｃ、冷媒供給パイプ１８ｄ１、および冷媒排出パイプ１８ｄ２を備える。
小部屋壁１８ｂが、筐体１８の内底面１８ａに一体に形成されて設けられている。さらに、冷媒流路部１８ｃが、筐体１８の内底面１８ａに一体に設けられている。
電磁誘導機器１は、筐体１８の内底面１８ａに設けられた小部屋壁１８ｂ内に実装される。電磁誘導機器１は、筐体１８の小部屋壁１８ｂ内に実装され、その後、ポッティング材１７にて充填、硬化されることで、電磁誘導機器１と筐体１８は構造的に結合される。
フィルタ回路部２０、コンデンサ部２１、リアクトル部２２などの部品が、筐体１８の内底面１８ａに実装されている。なお、図１６では電力変換装置１００に対して電力を供給する入力コネクタ、電力変換装置１００から変換電力を出力する出力コネクタ、及び電力変換装置１００を制御するための制御コネクタは省略されている。
冷媒流路部１８ｃが、電磁誘導機器１およびリアクトル部２２を取り囲むように筐体１８の内底面１８ａに配置されている。冷媒流路部１８ｃには、冷媒供給パイプ１８ｄ１と冷媒排出パイプ１８ｄ２とが接続されている。
冷媒供給パイプ１８ｄ１、および冷媒排出パイプ１８ｄ２は、車両内に搭載された冷却ポンプ２５に接続されており（図示せず）、冷却ポンプ２５からの冷媒が冷媒流路部１８ｃ内を循環する。
冷媒流路部１８ｃの上部には、複数個のスイッチング素子２３が実装されている。
筐体１８内に実装されたスイッチング素子２３およびリアクトル部２２等の部品の上部には、部品間の電気配線および電力変換装置１００の駆動制御を行う制御基板部２４が実装される。
各部品の端子が、制御基板部２４内のスルーホール（図示せず）内に挿入され、半田付けなどにより接続、配線される。
ここで、フィルタ回路部２０、コンデンサ部２１、リアクトル部２２、およびスイッチング素子２３と、図１に基づいて電力変換装置１００の全体構成で説明した各主要回路部との対応を説明する。
フィルタ回路部２０は、電力変換装置１００の入力部と出力部に設けられているフィルタ回路部（図示なし）に対応する。
コンデンサ部２１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部とＤＣ／ＤＣコンバータ部との間のコンデンサ部（図示なし）に対応する。
リアクトル部２２は、平滑回路部１４０の平滑リアクトル１４１と電力変換装置１００のＡＣ／ＤＣコンバータ部のＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）（力率改善回路用）リアクトル（図示なし）に対応する。
スイッチング素子２３は、スイッチング回路部１１０のスイッチング素子１１１とＡＣ／ＤＣコンバータ部のスイッチング素子（図示なし）に対応する。
このように構成された電力変換装置１００は、例えば、電磁誘導機器１の出力電力を外部機器（電気自動車用バッテリ等）供給するコンバータとして機能する。
主要な発熱体である電磁誘導機器１およびリアクトル部２２を取り囲むように冷媒流路部１８ｃが配置されている。このため、電磁誘導機器１およびリアクトル部２２から発生した熱は、両側の冷媒流路部１８ｃを流れる冷媒を介して効率良く放熱される。さらに、スイッチング素子２３により発生した熱は、冷媒流路部１８ｃを流れる冷媒を介して放熱される。このため、電力変換装置１００の小型化、軽量化および低コスト化が実現できる。
ここで、筐体１８は、図１４で説明したケース１６と同様に必要な強度および熱伝導度を有する金属材料、例えばアルミニウム、マグネシウム等のダイカスト（鋳造品）又は切削品により構成される。
小部屋壁１８ｂは、電磁誘導機器１の外形形状に適合するように内形形状が形成されている。また、図示はしていないが、筐体１８の小部屋壁１８ｂ内には、図１４のケース１６と同様に、電磁誘導機器１の磁性コア４に対応する第一段差部、および磁性コア４の角Ｒ部４ｄに対応する第二段差部が一体成型されている。このため、電磁誘導機器１はポッティング材１７を介して、第一段差部、第二段差部を経由して冷却器に効率的に放熱することができる。
なお、筐体１８における小部屋壁１８ｂ内には、電磁誘導機器１を筐体１８に位置決めするための位置決め用穴を設けた突起部（図示せず）を設けてもよい。
この位置決め用穴に対して、電磁誘導機器１のコイル部６における外部絶縁部材８で構成した位置決め用ピン（図示せず）を挿入することで、電磁誘導機器１を筐体１８に対して精度良く実装することができる。
このため、コイル体−筐体間のポッティング材の厚み、磁性コア−筐体間のポッティング材の厚みのばらつきを抑制することが可能となる。このため、電磁誘導機器１における放熱性のばらつきを抑制することができ、小型化がより可能となる。
次に、図１２、図１３で説明した配線部品７の配線構成の変形例を図１７に基づいて説明する。
図１２、図１３では、配線部品７における配線構成は、直列接続である場合を説明した。 図１７の配線部品７Ａでは、１次コイル部１１の配線構成を並列接続とし、２次コイル部１２の配線構成を直列接続としている。
なお、図１２の配線部品７と区別するため、１次コイル用のランド７ｆ１と、１次コイル用の配線パターン７ｇ１と、基板−外部端子間の１次コイル用配線パターン７ｈ１と記載している。
この構成では、１次コイル部１１では、並列接続のため、通電される電流が直列接続時に比べ半減する。このため、１次コイル部１１で発生する熱を大幅に低減することができ、放熱性を更に高めることが可能となる。また、１次コイル部１１のターン数が直列接続時から１／２（本変形例では１０ターンが５ターンになる）になることから、１次コイル部１１、２次コイル部１２における巻数比を２倍にすることができ、昇圧比を容易に大きくすることができる。
なお、本変形例では、１次コイル部１１のみを並列接続としているが、２次コイル部１２を含め両方を並列接続とすることも可能である。また、１次コイル部１１を直列接続とし、２次コイル部１２のみ並列接続とすることも可能である。
次に、図１４で説明した電磁誘導機器１をケース１６に実装した例の変形例を図１８に基づいて説明する。
図１４では、配線部品７がケース１６の上部になるように配置した。図１８では、配線部品７をケース１６の底面側である下部に配置している。
この場合、配線部品７はケース底面に近接することから、配線部品７の放熱性を高めることができ、基板７ａとして高耐熱品を使用する必要はなくなる。このため、基板７ａのコストが低減され、電力変換装置１００の低コスト化が可能となる。
また、外部端子１５は、絶縁樹脂３１により一体成型し、外部端子モジュールとて構成することで、組み立て性が向上する。
なお、実施の形態１では、コイル体３を構成する配線部品７として、導電性の配線パターンを有したプリント配線板により構成した。しかし、スルーホール部に相当する部分を穴形状とし、ランド、パターンを板金（銅、アルミ等の金属体）で打ち抜き加工したバスバー（図示せず）を使用することもできる。また、プリント配線板における絶縁基材に該当する部材を絶縁樹脂で構成し、このバスバーを絶縁樹脂で一体成型することでバスバーモジュール（図示せず）として構成してもよい。
この場合、プリント配線板よりも耐熱性を高めることが可能となり、低コスト化できる。
実施の形態１では、１次コイル部１１と２次コイル部１２は、交互に積層配置されることでコイル部６を構成しているが、一部の１次コイル部１１もしくは一部の２次コイル部１２が交互でなく、重なって積層配置されることでコイル部６を構成してもよい。
また、実施の形態１では、１次コイル部１１の各端子部９ａが近接する状態で、２次コイル部１２の各端子部１０ａが離間した状態で構成されているが、１次コイル部１１の各端子部９ａが離間する状態、２次コイル部１２の各端子部１０ａが近接した状態で構成してもよい。
また、実施の形態１では、トランスを電磁誘導機器として構成したが、リアクトルとして適用することも可能である。
また、実施の形態１では、１次コイル用板状金属部材９、２次コイル用板状金属部材１０を絶縁部材１４により一体成形することで、１次コイル部１１、２次コイル部１２及び１２Ａを構成し、積層配置後、外部絶縁部材８により更に一体成形することにより構成した。しかし、予め１次コイル用板状金属部材９、２次コイル用板状金属部材１０を成形金型にセットし、低圧力で溶融した絶縁部材（絶縁性樹脂）を流動、成形する方法（低圧成形）で構成してもよい。この場合、１回の成形によりコイル部が製造することが可能のため、部品点数削減及び製造コストの削減が可能となる。また、２回の射出成形を実施する場合よりも、樹脂厚みを薄くすることが可能となることから、電磁誘導機器として更なる小型化が実現可能となる。
上記説明のように、実施の形態１の電力変換装置は、閉磁路を構成する磁性コアと、磁性コアの脚部に配置される複数のコイルを構成する板状金属部材、および板状金属部材の端子部間を接続する配線部品により構成されたコイル体を備え、コイル体は、複数の板状金属部材間、および板状金属部材と磁性コア間には絶縁部材が介在し、板状金属部材と絶縁部材は一体成形により接合されている電磁誘導機器を実装したものである。
このため、実施の形態１の電力変換装置は、コイルの放熱性が向上し、高周波化、高出力化においても放熱性を確保することができるため、装置の小型軽量化、低コスト化が実現できる。
本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
１００ 電力変換装置、１ 電磁誘導機器、３ コイル体、３ａ 貫通孔、
４ 磁性コア、４ａ Ｕ型磁性コア、４ｂ 脚部、４ｃ 突合せ面、４ｄ 角Ｒ部、
６ コイル部、７，７Ａ 配線部品、７ａ 基板、７ｂ１，７ｂ２ スルーホール、
７ｃ１，７ｃ２，７ｆ１ ランド、
７ｄ１，７ｄ２，７ｅ１，７ｅ２，７ｇ１，７ｈ１ 配線パターン、８ 外部絶縁部材、
９ １次コイル用板状金属部材、９ａ，１０ａ 端子部、９ｂ 平面、９ｃ 導電部、
９ｄ 貫通孔、１０ ２次コイル用板状金属部材、１１ １次コイル部、
１２，１２Ａ ２次コイル部、１４ 絶縁部材、１４ｄ 貫通孔、１５ 外部端子、
１６ ケース、１６ａ ケース底面、１６ｂ 第一段差部、１６ｃ 第二段差部、
１７ ポッティング材、１８ 筐体、１８ａ 内底面、１８ｂ 小部屋壁、
１８ｃ 冷媒流路部、１８ｄ１ 冷媒供給パイプ、１８ｄ２ 冷媒排出パイプ、
１９ 蓋、２０ フィルタ回路部、２１ コンデンサ部、２２ リアクトル部、
２３ スイッチング素子、２４ 制御基板部、２５ 冷却ポンプ、３１ 絶縁樹脂、
１１０ スイッチング回路部、１１１ スイッチング素子、１２０ トランス回路部、
１３０ 整流回路部、１３１ ダイオード、１４０ 平滑回路部、
１４１ 平滑リアクトル、１４２ 平滑コンデンサ、ａ 正側入力端子、
ｂ 負側入力端子、ｃ，ｄ 出力端子。

Claims (27)

  1. 閉磁路を構成する磁性コアと、前記磁性コアの脚部を囲むように配置される複数のコイルを構成する板状金属部材、および前記板状金属部材の端子部間を接続する配線部品により構成されたコイル体を備え、
    前記コイル体は、複数の前記板状金属部材間、および前記板状金属部材と前記磁性コア間には絶縁部材が介在し、前記板状金属部材と前記絶縁部材は一体成形により接合されている電磁誘導機器を実装し、
    前記閉磁路を構成する前記磁性コアがＵ型形状であり、前記磁性コアの２つの脚部に前記コイル体が配置され、
    前記コイル体は１次コイル部および２次コイル部を備え、前記１次コイル部の前記板状金属部材と前記２次コイル部の前記板状金属部材が積層方向に対して交互に配置され、
    前記積層方向に２つの前記２次コイル部が連続して配置され、
    一方の前記２次コイル部の前記絶縁部材と他方の前記２次コイル部の前記絶縁部材の厚みは異なり、
    前記配線部品は、厚みの異なる２つの前記２次コイル部の前記端子部をそれぞれ挿入するスルーホール間を接続する配線パターンを備える電力変換装置。
  2. 前記電力変換装置のケースに、前記電磁誘導機器が実装され、ポッティング材により前記電磁誘導機器の一部、もしくは全体が前記ケース内で封入されている請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記コイル体は、一体加工された前記板状金属部材と前記絶縁部材とが一体成形により接合された前記１次コイル部および前記２次コイル部の積層体である請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記１次コイル部および前記２次コイル部の前記板状金属部材の片方の平面は、露出している請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記１次コイル部および前記２次コイル部の各層は、前記磁性コアの一対の脚部をそれぞれ囲む一対の前記板状金属部材を備える請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記コイル体は、複数の前記１次コイル部および前記２次コイル部の前記積層体を更に外部絶縁部材により一体成形することで一体化、接合された積層体である請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記コイル体は、必要巻数分一体成形された前記１次コイル部および前記２次コイル部の積層体である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  8. 前記１次コイル部の前記板状金属部材と前記２次コイル部の前記板状金属部材は、同時に一体成型により、前記絶縁部材と接合された請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
  9. 前記磁性コアの２つの前記脚部に配置される前記コイル体の前記コイル間は、電気的に直列接続される請求項１に記載の電力変換装置。
  10. 前記磁性コアの２つの前記脚部に配置される前記コイル体の前記コイル間は、電気的に並列接続される請求項１に記載の電力変換装置。
  11. 前記電磁誘導機器を実装する前記ケースは、金属材料で構成された請求項２に記載の電力変換装置。
  12. 前記電磁誘導機器を実装する前記ケースは、前記電力変換装置の筐体である請求項２または請求項１１に記載の電力変換装置。
  13. 前記電磁誘導機器を実装する前記ケースに、前記コイル体の外部の前記磁性コアの前記脚部に対応する前記ケースの底面に台座を設けた請求項２、請求項１１、および請求項１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  14. 前記コイル体の外部の前記磁性コアの前記脚部は、前記ケースの底面の前記台座に接触している請求項１３に記載の電力変換装置。
  15. 前記電磁誘導機器を構成する前記コイル体の下面は、前記ケースの底面に接触している請求項２に記載の電力変換装置。
  16. 前記電磁誘導機器を構成する前記コイル体の下面は、前記ケースの底面に接触していない請求項２に記載の電力変換装置。
  17. 前記配線部品は、前記端子部間を接続する導電性の配線パターンを有するプリント配線板で構成された請求項１に記載の電力変換装置。
  18. 前記配線部品は、板金で製作した前記端子部間を接続するバスバーを絶縁部材で一体成形したバスバーモジュールで構成された請求項１に記載の電力変換装置。
  19. 前記配線部品は、前記端子部間を接続する導電性の配線パターンを有するプリント配線板で構成された請求項２に記載の電力変換装置。
  20. 前記配線部品は、板金で製作した前記端子部間を接続するバスバーを絶縁部材で一体成形したバスバーモジュールで構成された請求項２に記載の電力変換装置。
  21. 前記配線部品は、前記ケースの上部に配置された請求項２、請求項１９、および請求項２０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  22. 前記配線部品は、前記ケースの下部に配置された請求項２、請求項１９、および請求項２０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  23. 前記電磁誘導機器を前記ケースに封入するポッティング材は、絶縁性と熱伝導性を有する樹脂材料である請求項２に記載の電力変換装置。
  24. 前記磁性コアの２つの前記脚部に配置される前記コイル体は、一体化されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  25. 一部の前記１次コイル部もしくは一部の前記２次コイル部が交互でなく、重なって積層された構成の前記コイル体を有する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  26. ２つの前記脚部に配置される前記１次コイル部の各前記端子部同士が近接する状態であり、前記２次コイル部の各前記端子部同士が離間する状態である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  27. ２つの前記脚部に配置される前記１次コイル部の各前記端子部同士が離間する状態であり、前記２次コイル部の各前記端子部同士が近接する状態である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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