JP6938911B2 - 装置 - Google Patents

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Description

本発明は、装置に関する。
従来、トランスを備える装置では、銅線または銅板などで形成された巻線を半田によって回路基板に接続している(例えば、特許文献1、2参照)。
特許文献1 特開2006−013094号公報
特許文献2 特開2008−178208号公報
しかしながら、半田を介して接続を行うと接触抵抗により接続部に熱が生じてしまう。
本発明の第1の態様においては、コアと、コアの外周を周回する第1巻線部と、コアの外周を周回する第2巻線のパターンが各々形成された複数のサブ基板と、複数のサブ基板を搭載するメイン基板と、を備える装置が提供される。
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
本実施形態に係る装置を示す。 本実施形態に係る装置の構成を示す。 本実施形態に係る装置の構成を示す。 トランスの断面を示す。 サブ基板を示す。 サブ基板の表面に形成される導電パターンの一例を示す。 サブ基板の裏面に形成される導電パターンの一例を示す。 変形例における装置の構成を示す。 変形例における装置の構成を示す。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態に係る装置100の回路構成を示す。装置100は、本実施形態では一例としてDC/DCコンバータであり、例えば400V,800Vなどの直流電力を10V,50Vなどの直流電力に変換する。なお、装置100はこの逆の変換をしてもよい。装置100は、インバータ11、トランス12、1または複数(本実施形態では一例として3つ)の整流回路13、集約部14および出力端子15を備えてよい。
インバータ11は、直流電源10から供給される入力電流を交流に変換してトランス12に供給する。本実施形態では一例として、インバータ11は、ワイドギャップ半導体を含む。ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン半導体よりもバンドギャップが大きい半導体であり、例えばSiC、GaN、ダイヤモンド、AlN、AlGaN、または、ZnOなどの半導体である。ワイドギャップ半導体を用いることにより、インバータ11は100kHz〜1MHzの交流電力を出力することが可能となる。なお、直流電源10は装置100に具備されてもよい。
トランス12は、インバータ11から供給される交流電力を変圧すると共に、装置100の入出力を絶縁する。トランス12は、変圧後の交流電流を整流回路13に供給してよい。トランス12は、コア120と、1または複数(本実施形態では一例として2つ)の巻線121と、複数(本実施形態では一例として3つ)の巻線122とを有している。
コア120は、巻線121および巻線122の複数のペアに共通であってよい。ここで、本実施形態ではインバータ11がワイドギャップ半導体を含み高周波の交流電流を出力することができるため、トランス12において磁束(=電圧×時間)が小さくなる分、コア120の断面積を小さくし、トランス12を小型・軽量化することが可能となる。
2つの巻線121は、一次側の巻線であり、第1巻線部の一例である。2つの巻線121の巻き数は互いに等しくてよい。2つの巻線121はインバータ11に並列に接続されてよい。
3つの巻線122は、二次側の巻線であり、第2巻線の一例である。3つの巻線122の巻き数は互いに等しくてよく、巻線121の巻き数よりも少なくてよい。3つの巻線122は整流回路13に直列に接続されてよく、それぞれ変圧後の交流電流を整流回路13に供給してよい。
3つの整流回路13は、それぞれトランス12の二次側に接続されて巻線122からの交流電流を整流する。整流回路13は、整流により得られた直流電流を集約部14に供給してよい。整流回路13は、巻線122からの交流電流を整流する整流素子131と、整流素子311および出力端子15の間に接続されたインダクタ132とを有してよい。本実施形態では一例として、整流回路13はセンタータップ型全波整流回路であり、2つの整流素子131と、1つのインダクタ132とを有する。
2つの整流素子131は、トランス12の巻線122の両端にそれぞれアノードが接続された2つのダイオードであってよく、共通のインダクタ132にカソードが並列接続されてよい。
インダクタ132は、チョークコイルとして機能してよい。ここで、本実施形態ではインバータ11がワイドギャップ半導体を含み高周波の交流電流を出力することができるため、インダクタ132において磁束(=電圧×時間)が小さくなる分、インダクタ132の断面積を小さくし、インダクタ132を小型・軽量化することが可能となる。なお、整流回路13はインダクタ132を有しなくてもよい。
集約部14は、3つの整流回路13のそれぞれが出力する直流電流を集約する。集約部14は、集約した直流電流を出力端子15に供給してよい。
出力端子15は、集約部14から出力される直流電流を装置100の外部に出力する。
図2A,2Bは、本実施形態に係る装置100の構成を示す。ここで、図中のXYZ方向は互いに直交する方向であり、本実施形態では一例としてZ方向は上下方向である。また、図2Bは、図2Aにおける一部の構成(図2Aで奥側に図示された後述のサブ基板30、巻線121および第1コア1200)のみを図示したものである。
装置100は、上述のコア120および2つの巻線121に加え、複数(本実施形態では一例として3つ)のサブ基板30と、コネクタ35とメイン基板40とを備える。
コア120は、各サブ基板30を貫通して設けられている。例えば、コア120は、Y方向から見てE字状の第1コア1200と、I字状の第2コア1205とを有してよい。第1コア1200は、X方向に沿って第2コア1205と対向しており、第2コア1205の側に向かって突出する3つの脚部のうち中央部の脚部であるコア本体1201と、両側の脚部であるヨーク部分1202とを有してよく、このうち少なくともコア本体1201がサブ基板30を貫通してよい。なお、本実施形態では上述のようにインバータ11がワイドギャップ半導体を含み高周波の交流電流を出力することができるため、トランス12が小型・軽量化されてよい。
2つの巻線121は、それぞれコア120の外周を周回する。本実施形態では一例として各巻線121は、2つのヨーク部分1202の間でコア本体1201の外周を周回する。2つの巻線121は、針金などのワイヤ状の導体を巻くことで形成されてよい。また、本実施形態では一例として、巻線121は異なるサブ基板30同士の間にそれぞれ配置されるが、複数のサブ基板30に対して一方の側または両側に配置されてもよい。
3つのサブ基板30は、メイン基板40に搭載される。例えば、3つのサブ基板30は互いに平行にメイン基板40に搭載されてよい。本実施形態では一例として、3つのサブ基板30はX方向と垂直に配設されている。なお、図示は省略するが、各サブ基板30は、メイン基板40側に突出する1または複数の固定ピンを端部に有してよく、メイン基板40に設けられた1または複数の固定孔部に各固定ピンが嵌め込まれることでメイン基板40に固定されてよい。固定ピンおよび固定孔部は嵌め込まれた状態で半田付けされてもよい。一例として、サブ基板30は端部に固定用のピンヘッダを有してよく、メイン基板40に設けられたピンソケットと嵌合することで固定されてよい。
各サブ基板30は、矩形状のプリント回路基板であってよい。例えば、サブ基板30は、巻線を構成するための銅板よりも強度が大きくてよい。これにより、サブ基板30をメイン基板40に対して強固に立設することが可能となる。
3つのサブ基板30には、コア120の外周を周回する巻線122のパターンが各々形成されている。例えば、3つのサブ基板30のそれぞれはコア120における磁心部分(本実施形態においては一例としてコア本体1201)を挿通させる貫通孔300を有してよく、3つのサブ基板30のそれぞれにおいて巻線122のパターンは貫通孔300の周りを周回してよい。これにより、各巻線122はコア本体1201の外周を周回した状態で巻線121と対向する。貫通孔300および巻線122のパターンはサブ基板30における一方の短辺の側(図中の左側)に設けられてよい。
また、3つのサブ基板30のそれぞれは、少なくとも1つの辺において、コア120における巻線122の外周側でヨーク部分1202を通す切欠き305を有してよい。本実施形態では一例として、各サブ基板30は上辺および下辺にそれぞれ切欠き305を有している。
また、3つのサブ基板30は、基板上に搭載された巻線122からの交流電流を整流する上述の整流回路13と、整流回路13で整流した直流電流を出力する2つの出力端子308とをそれぞれ有してよい。本実施形態では一例として整流回路13はサブ基板30における他方の短辺の側(図中の右側)に設けられてよい。また、整流回路13はサブ基板30の表面(図中、手前側の面)に設けられてよい。2つの出力端子308はサブ基板30の表面、裏面にそれぞれ設けられてよく、それぞれ電線420によりコネクタ35に接続されてよい。ここで、本実施形態では上述のようにインバータ11がワイドギャップ半導体を含み高周波の交流電流を出力することができるため、インダクタ132が小型・軽量化されてよい。
なお、サブ基板30において直流電流の流れる部分の導電パターンは、交流電流の流れる部分の導電パターンよりも長くてよい。例えば、サブ基板30における整流回路13の入力端子から出力端子308までの導電パターンは、巻線122のパターンにおける整流回路13とは反対側の端部から整流回路13の入力端子までの導電パターンよりも長くてよい。これにより、トランス12で生じる熱を直流領域で効率よく放熱することができるため、サブ基板30の出力端子308からメイン基板40への伝熱を抑制し、メイン基板40への集熱を防止することができる。但し、サブ基板30において直流電流の流れる導電パターンを、交流電流の流れる導電パターンよりも短くすることで、送電経路を短くして損失を抑えてもよい。
コネクタ35は、3つのサブ基板30から供給される電力を装置100の外部に出力するものであり、上述の集約部14および出力端子15を有する。集約部14は、複数のサブ基板30の出力端子308それぞれが出力する直流電流を集約する。例えば、集約部14は、コネクタ35の内部に設けられてよく、3つのサブ基板30のそれぞれの出力端子308と集約部14との間は、電線420により接続されてよい。集約部14は、集約した直流電流を、出力端子15を介して装置100の外部に出力してよい。なお、図2A,図2Bでは出力端子15の図示を省略している。
メイン基板40は、3つのサブ基板30を搭載してよく、本実施形態では一例としてZ方向に垂直に配設されている。メイン基板40は矩形状のプリント基板であってよい。
メイン基板40は、上述のインバータ11に加え、交流出力端子401を有してよい。なお、図2A,図2Bではインバータ11の図示を省略するが、インバータ11はメイン基板40上に搭載されてよく、本実施形態では一例として、サブ基板30の搭載面に設けられている。
交流出力端子401は、インバータ11から供給される交流電力を出力する。交流出力端子401には、2つの巻線121が並列に接続されてよい。例えば、交流出力端子401と巻線121との間は、電線410により接続されてよい。
以上の装置100によれば、巻線122がサブ基板30にパターンで形成されるので半田などによる接続部を介さずに巻線122をサブ基板30の回路に接続することができる。従って、接触抵抗に起因する発熱を防ぐと共に、巻線122で生じる熱をサブ基板30の回路に伝えて放熱することができる。また、巻線122がパターンで形成されるので、銅板を用いる場合よりも巻線122を薄くすることができる。従って、高周波の電流を流しても表皮効果による発熱を防ぐことができる。
また、巻線122のパターンおよび整流回路13が形成されたサブ基板30を複数備えるので、各整流回路13に流れる電流量を少なくすることができる。従って、整流回路13での損失および発熱を抑えることができる。
また、巻線122のパターンが形成されたサブ基板30同士の間に巻線121が配置されるので、巻線121,122が交互に積層された状態となる。従って、巻線121,122の磁気結合を向上させ、トランス12での漏れインダクタンスを低減し、電力変換の効率を高めることができる。
また、コア120がコア本体1201に加えてヨーク部分1202を有するので、トランス12での漏れ磁束、ひいては漏れインダクタンスを低減し、電力変換の効率を高めることができる。
また、インバータ11がワイドギャップ半導体を含むことでコア120およびインダクタ132を小型・軽量化することができるため、サブ基板30を支持するための構造を簡略化することができる。
図3は、トランス12の断面を示す。巻線122のパターンは、円状または多角形状の導電パターンと絶縁層とを交互に積層して形成されてよい。例えば、巻線122のパターンは複数の導電パターンを積層して形成されてよい。一例として、複数のサブ基板30のうちの少なくとも1つにおいて、巻線122のパターンは、複数の基板層のそれぞれで貫通孔300の周りを一部ずつ周回することにより、貫通孔300の周りを複数の基板層で合わせて1周を超えて周回してよい。巻線122のパターンは、複数の基板層の間で導電ビアにより電気的に接続されてよい。このようにして複数の導電パターンを積層して巻線122を形成することにより、熱伝導性の高い導電パターンが増える分、サブ基板30の放熱効率が向上する。なお、サブ基板30の層数は、巻線122の形成領域のみで多くしてもよい。この場合には、サブ基板3000の製造コストが低減される。
また、巻線121と接する各サブ基板30は、巻線121と接する面側において内層のみに巻線122のパターンを有してよい。例えば、サブ基板30は、巻線122のパターンよりも外側に絶縁層を有してよい。これにより、サブ基板30と巻線121とを単純に当接させて配置することで巻線121と巻線122とが絶縁されるため、両者を絶縁する手間を省くことができる。また、巻線121の材料として絶縁耐圧の低いものを用いることができる。なお、巻線122の導電パターンの周囲において導電パターンよりも外層側に絶縁層が設けられる限りにおいて、巻線122の導電パターンは外部に露出してもよい。この場合であっても、外層側の絶縁層がスペーサとして機能する結果、巻線121,122同士を絶縁することができる。
これに加えて/代えて、巻線121は絶縁電線を巻き付けて形成されてよい。ここで、絶縁電線とは、例えば三層絶縁電線など、導体が絶縁体で覆われた電線であってよい。この場合にも、サブ基板30と巻線121とを単純に当接させて配置することで巻線121と巻線122とが絶縁されるため、両者を絶縁する手間を省くことができる。
図4は、サブ基板30を示す。本実施形態では一例として、サブ基板30は、コア本体1201を挿通させる貫通孔300の上下にそれぞれヨーク部分1202を挿通させる切欠き305を有する。貫通孔300は円形であってよい。切欠き305は、貫通孔300の周囲に環状の巻線122のパターンを形成すべく、貫通孔300から巻線122の径方向の幅寸法だけ上下に離間して形成されてよい。切欠き305は、巻線122のY方向の直径寸法と概ね同じ幅で形成されてよい。
図5A、図5Bは、サブ基板30の表面、裏面に形成される導電パターンの一例を示す。3つのサブ基板30のうちの少なくとも1つにおいて、巻線122のパターンはサブ基板30の両面上に形成されてよい。これにより巻線122の巻き数を容易に増やすことができる。
巻線122のパターンをサブ基板30の両面に形成する場合、両面の巻線122のパターンは、サブ基板30を貫通する2つの導電ビア301,302により電気的に接続されてよい。なお、この図では各面のパターンは1つの層内で概ね1回、巻かれたパターンをなしているが、2回よりも多く巻かれたパターンをなしてもよい。サブ基板30の放熱効率を高める観点からはサブ基板30上の少なくとも一部の導電パターンの線幅は太い方が好ましい。例えば、整流回路13の出力側の導電パターンは巻線122の導電パターンよりも太くてよい。
なお、図5A、図5Bの導電パターンでは、巻線122は点(1)〜(4)を順次、通るように巻かれている。すなわち、巻線122のパターンは、サブ基板30の表面において上側の整流素子131の側から巻線122のパターンを経て導電ビア301に至り(点(1)〜(2))、裏面において導電ビア301から巻線122のパターンを経て導通ビア302に至る(点(3)〜(4))。点(1),(4)を通ってY方向に向かう導電経路はそれぞれセンタータップ型全波整流回路における両端の配線経路となっており、整流素子131を通って出力端子308に接続される。また、点(3)を通ってY方向に向かう導電経路は、センタータップ側の配線経路となっており、出力端子308に接続される。
図6A、図6Bは、変形例における装置100の構成を示す。本変形例における装置100は、上述のコア120、2つの巻線121、3つのサブ基板30、コネクタ35およびメイン基板40に加え、冷却部50と、筐体60とを備える。
冷却部50は、3つのサブ基板30の間に冷却風を通す。例えば、冷却部50は冷却ファンであってよい。冷却部50は、複数のサブ基板30の側に向けて筐体60の内面に取り付けられてよい。本実施形態では一例として、冷却部50は筐体60の内面のうちサブ基板30の巻線122側の短辺に対向する側面に固定される。冷却部50が取り付けられた筐体60の壁部には、冷却風を外部から取り込むべく、外部と連通するスリット61が設けられてよい。また、この壁部と対向する壁部には、冷却風を外部に排出するためのスリット62が設けられてよい。
筐体60は、コア120、2つの巻線121、3つのサブ基板30、コネクタ35、メイン基板40および冷却部50を収容する。本実施形態では一例として、筐体60はメイン基板40を内部の底面上に支持した状態で各部を収容している。また、筐体60は、コネクタ35を壁部に埋め込まれた状態で有している。コネクタ35の外側面には装置100の出力端子15が配置されてよい。筐体60内におけるメイン基板40と向かい合う内面には、当該内面に沿って流れる冷却風を、サブ基板30同士の間からメイン基板40へと向かう方向に向ける整風部65が設けられてよい。例えば整風部65は、筐体60の内部の上面に設けられた板状部材であってよく、冷却部50から遠くなるに従って筐体60の内部上面から離れるよう配置されてよい。
本変形例の装置100によれば、サブ基板30の間に冷却風を通すので、各サブ基板30を効率よく冷却することができる。
なお、上記の変形例においては、筐体60は装置100の各部を収容することとして説明したが、冷却部50を収容しなくてもよい。例えば、冷却部50は、スリット61の設けられた筐体60の壁部の外側に取り付けられてもよい。これに加えて/代えて、筐体60は、出力端子15から電力供給を受ける少なくとも1つの負荷をさらに収容してもよい。
また、冷却部50は巻線122の側の短辺からサブ基板30の間に冷却風を通す、つまり一方の短辺側から他方の短辺側に向かって冷却風を通すこととして説明したが、各サブ基板30を巻線122の側の短辺が下側になるようにメイン基板40に立設した状態で、サブ基板30の一方の長辺側から他方の長辺側に向かって冷却風を通してもよい。
また、上記の実施形態では、二次側の巻線122が導電パターンで形成されることとして説明したが、一次側の巻線121が導電パターンで形成されてもよいし、巻線121,122の両方が導電パターンで形成されてもよい。
また、整流回路13をセンタータップ型全波整流回路として説明したが、他の整流回路としてもよい。例えば、整流回路13は、フルブリッジ整流回路でもよいし、倍電流整流回路でもよい。
また、集約部14がコネクタ35内に設けられることとして説明したが、メイン基板40に設けられてもよい。この場合には、サブ基板30の出力端子308は電線420を介してメイン基板40の集約部14に接続されてよい。また、メイン基板40には集約後の直流電流を出力する出力端子15が設けられてよい。これに代えて、装置100は、集約部14を備えないこととしてもよい。この場合には、サブ基板30の各整流回路13からの直流電流をそのまま装置100の外部のコネクタなどに出力して集約させてよい。これにより、装置100内で集約部14に電流を集めてから装置100の外部に出力する場合と比較して送電経路を短くすることができるため、損失を抑えることができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
10 直流電源、11 インバータ、12 トランス、13 整流回路、14 集約部、15 出力端子、30 サブ基板、35 コネクタ、40 メイン基板、50 冷却部、60 筐体、61 スリット、65 整風部、100 装置、120 コア、121 巻線、122 巻線、131 整流素子、132 インダクタ、300 貫通孔、301 導電ビア、302 導通ビア、305 切欠き、308 出力端子、311 整流素子、401 交流出力端子、410 電線、420 電線、1200 第1コア、1201 コア本体、1202 ヨーク部分、1205 第2コア

Claims (15)

  1. コアと、
    前記コアの外周を周回する第1巻線部と、
    前記コアの外周を周回する第2巻線のパターンが各々形成された複数のサブ基板と、
    前記複数のサブ基板を搭載するメイン基板と、
    を備え、
    前記複数のサブ基板のそれぞれは、
    基板上に搭載された前記第2巻線からの交流電流を整流する整流回路と、
    前記整流回路で整流した直流電流を出力する出力端子と、
    を有し、
    前記整流回路の入力端子から前記出力端子までの導電路は、前記整流回路の前記入力端子から前記第2巻線のパターンの側の導電路よりも長い装置。
  2. 前記複数のサブ基板は互いに平行に前記メイン基板に搭載され、
    前記複数のサブ基板のそれぞれは、前記コアにおける磁心部分を挿通させる貫通孔を有し、
    前記複数のサブ基板のそれぞれにおいて、前記第2巻線のパターンは、前記貫通孔の周りを周回する
    請求項1に記載の装置。
  3. 前記複数のサブ基板のうちの少なくとも1つにおいて、前記第2巻線のパターンは、複数の基板層のそれぞれで前記貫通孔の周りを一部ずつ周回することにより、前記貫通孔の周りを前記複数の基板層で合わせて1周を超えて周回する請求項2に記載の装置。
  4. 前記第2巻線のパターンは、前記複数の基板層の間で導電ビアにより電気的に接続される請求項3に記載の装置。
  5. 前記複数のサブ基板のうちの少なくとも1つにおいて、前記第2巻線のパターンは、サブ基板の両面上に形成される請求項3または4に記載の装置。
  6. 前記複数のサブ基板のそれぞれは、少なくとも1つの辺において、前記コアにおける巻線の外周側に位置するヨーク部分を通すための切欠きを有する請求項2から5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記複数のサブ基板における異なるサブ基板同士の間にそれぞれ配置される複数の前記第1巻線部を備える請求項2から6のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記複数のサブ基板のうち前記第1巻線部と接するサブ基板は、前記第1巻線部と接する面側において内層のみに前記第2巻線のパターンを有する請求項7に記載の装置。
  9. 前記第1巻線部は、絶縁電線を巻き付けてなる請求項1から8のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記複数のサブ基板の基板間に冷却風を通す冷却部を更に備える請求項2から9のいずれか一項に記載の装置。
  11. 当該装置の筐体内における前記メイン基板と向かい合う内面に設けられ、当該内面に沿って流れる冷却風を、前記複数のサブ基板におけるサブ基板同士の間から前記メイン基板へと向かう方向に向ける整風部を更に備える請求項10に記載の装置。
  12. 前記メイン基板は、前記複数のサブ基板のそれぞれが出力する直流電流を集約する集約部を有する請求項1から11の何れか一項に記載の装置。
  13. 前記複数のサブ基板のそれぞれと前記集約部との間は、電線により接続される請求項12に記載の装置。
  14. 前記複数のサブ基板のそれぞれは、前記整流回路と出力端子の間に接続されたインダクタを更に有する請求項1から13のいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記メイン基板は、基板上に搭載され、入力電流を交流に変換して前記第1巻線部に供給するインバータを有する請求項1から14のいずれか一項に記載の装置。
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