JP6983277B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電力変換装置には電力変換回路と呼ばれる回路が筐体内部に収納されており、電力変換回路は、大電流が流れる主回路部と、それらを制御する制御部と、部品同士を電気的に接続する回路基板とバスバー等の端子延長部材で構成されることが一般的である。

そして、制御部は、主に小電力で駆動するセンサ、ドライバ、マイコン、制御回路用電源等で構成され、主回路部は、主に大電力用途のスイッチング素子、コンデンサ、リアクトル、トランス等で構成され、回路基板には制御部と主回路部の部品の一部が接続されている。

また、主回路部には、制御部と比較して、大電流が流れることから、主回路部に実装されているトランス、リアクトル、スイッチング素子、コンデンサ、ＣＭＣ（コモンモードチョークコイル）等の部品は発熱量が大きくなるため、温度上昇抑制用として底面に放熱フィン又は水路を有する放熱ベースを配置した筐体が用いられることが多い。

このような、筐体底面に放熱フィン又は水路を配置した電力変換装置は、一般的に、トランス、リアクトル、スイッチング素子、コンデンサ、ＣＭＣ（コモンモードチョークコイル）等の高発熱部品を筐体底面に配置し、高発熱部品の熱を筐体底面の放熱ベースに逃がす構成となっているため、高放熱特性を有する。そして、上述の高発熱部品は、リード線、或いはバスバー等を介して高発熱部品の上部に配置されている回路基板に接続されている。

特許第６４８６４４３号公報

しかしながら、このような電力変換装置は、高さが異なる部品を筐体底面に配置することから、スイッチング素子等の高さの低い部品は基板との距離が大きくなるため、筐体に段差を設け、高さの低い部品の底面の高さを変更する必要がある。そのため、段差を形成する分の加工費及び材料費が掛かり、電力変換装置が高コスト化する問題が生じる。

例えば、特許文献１には、リアクトル及びコンデンサ等の部品を、筐体内に段差を設けて作製した凹部に配置し、同一基板に電気的に接続する構成が開示されている。

筐体底面に段差を設ける以外の方法として、高さが低い部品と基板の間にバスバー等の端子延長部材を配置する方法と、高さが低い部品の端子長を延長する方法があるが、前者はバスバーを、後者は端子長を延長した半導体パッケージのカスタム品を作製する必要があるため、やはり、電力変換装置が高コスト化するという課題があった。

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、安価に製造できる電力変換措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、
筺体と、
前記筐体内部に並べて配置した冷却器および回路基板と、
前記冷却器の前記回路基板側の第１面に配置した半導体スイッチング素子と、
前記冷却器の前記第１面の裏側の第２面に配置した巻線と磁性材料で形成された磁性部品とを備え、
前記半導体スイッチング素子の端子は、前記回路基板と接続され、
前記磁性部品の前記巻線の端子は、前記冷却器に設けられた貫通孔を通って前記回路基板と接続されているものである。

本願に開示される電力変換装置によれば、安価に製造できる電力変換措置を提供できる。

実施の形態１による電力変換装置の断面図である。 実施の形態１によるブリッジレスＰＦＣ回路の構成を示す図である。 実施の形態１による電力変換装置の他の構成を示す断面図である。 実施の形態１による電力変換装置の他の構成を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１による電力変換装置を、図を用いて説明する。
図１は、電力変換装置１００の断面図である。
図２は、電力変換装置１００の電力変換回路の一例としてのブリッジレスＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）回路５０の構成を示す図である。
ブリッジレスＰＦＣ回路５０は、ＰＦＣリアクトル１０と、スイッチング素子２０ａ〜２０ｄとをブリッジ型に接続するコンバータ２０と、入力電源３０と、平滑コンデンサ４０とを備える。そして、入力電源３０の一端が、スイッチング素子２０ａと２０ｂを接続する配線１にＰＦＣリアクトル１０を介して接続されている。また、入力電源３０の他端が、スイッチング素子２０ｃと２０ｄを接続する配線２に接続されている。

平滑コンデンサ４０の一端が、スイッチング素子２０ａと２０ｃとを接続する配線３に、他端が、スイッチング素子２０ｂと２０ｄとを接続する配線４にそれぞれ接続されている。ＰＦＣリアクトル１０は、入力電源３０と、スイッチング素子２０ａ及び２０ｂを接続する配線１の間に、直列に接続された構成である。ブリッジレスＰＦＣ回路５０は、入力電源３０の電圧を平滑コンデンサ４０の直流電圧Ｖｄｃに変換する機能を有する。

図１は、電力変換装置１００の断面図であるが、スイッチング素子２０ａの存在する部分で切断した図である。図１に示すように、電力変換装置１００は、筐体６０と、筐体６０の内部に、間隔を開けて平行に配置された冷却器７０と回路基板８０と、スイッチング素子２０ａ〜２０ｄと、ＰＦＣリアクトル１０とを備えている。

筐体６０は、伝熱性の材料で形成されており、例えば、アルミ等の金属材料で形成されている。冷却器７０は、水路を有する放熱ベースである。

スイッチング素子２０ａ〜２０ｄ（第１回路部品）は、冷却器７０と回路基板８０の間にあって、冷却器７０の回路基板８０側の第１面７０ａ（図１における紙面上側の面）上に配置されている。また、ＰＦＣリアクトル１０（第２回路部品）は、冷却器７０の第１面７０ａの裏側の第２面７０ｂ（図１における紙面下側の面）上に配置されている。

回路基板８０は、例えば、ガラスエポキシ基板であり、スイッチング素子２０ａ〜２０ｄとＰＦＣリアクトル１０、入力電源３０、平滑コンデンサ４０を電気的に接続する上述の配線１〜４を有し、スイッチング素子２０ａ〜２０ｄを制御する制御部の少なくとも一部が実装されており、図２に示すブリッジレスＰＦＣ回路５０の一部を構成している。

スイッチング素子とは、（Ｇａｎｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）等のワイドバンドギャップ材料又はＳｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）で作製された大電力用途のダイオード、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のベアチップを板状の半導体パッケージで封止した素子のことである。

以下の説明では、スイッチング素子２０ａを例に説明するが、他のスイッチング素子２０ｂ〜２０ｄについても同様である。スイッチング素子２０ａは、放熱のための冷却面２０ａｃを有し、冷却面２０ａｃが、冷却器７０の第１面７０ａ上に接触するように、図示しない絶縁シートを介して実装されている。

スイッチング素子２０ａの端子２０ａｔは、冷却面２０ａｃの裏側に向かって延出して回路基板８０に接続されている。ＰＦＣリアクトル１０は、巻線と磁性材料で形成された磁性部品である。ＰＦＣリアクトル１０の端子１０ｔは、冷却器７０の貫通孔７０ｈを通って、回路基板８０の配線１に接続されている。

次に、実施の形態１による電力変換装置１００の効果について説明する。
図１に示すように、電力変換装置１００は、冷却器７０の第１面７０ａ上にスイッチング素子２０ａを配置し、冷却器７０の第１面７０ａの裏側の第２面７０ｂ上に、ＰＦＣリアクトル１０を配置し、冷却器７０に貫通孔７０ｈを形成して、ＰＦＣリアクトル１０の端子１０ｔを貫通孔７０ｈに通して回路基板８０に接続している構成である。

実装面の法線方向Ｘの高さが異なるスイッチング素子２０ａとＰＦＣリアクトル１０とが、平板状の冷却器７０の一方の面にそれぞれ配置されているので、スイッチング素子２０ａとＰＦＣリアクトル１０の高さを合わせる必要が無い。したがって、スイッチング素子２０ａを回路基板８０に接続する際に、高さ調整用の筐体の段差、或いは、端子を延長する部材が不要となり、それらのコストを抑制できる。

図３は、電力変換装置１００の他の構成を示す断面図である。スイッチング素子２０ａの存在する部分で切断した断面を示している。スイッチング素子２０ａは、冷却器７０の第１面７０ａ又は第２面７０ｂの法線方向Ｘに見たときに、少なくともその一部が、ＰＦＣリアクトル１０と重なって配置されている。

このように、スイッチング素子２０ａと、ＰＦＣリアクトル１０とを、冷却器７０の表裏で重複する位置に配置することによって、冷却器７０の第１面７０ａ及び第２面７０ｂの表面積を低減し、筐体６０を小型化できる。

図４は、電力変換装置１００の他の構成を示す断面図である。
貫通孔７０ｈは、冷却器７０の第１面７０ａ又は第２面７０ｂの法線方向Ｘに見たときに、少なくともその一部が、ＰＦＣリアクトル１０と重なるように配置されている。

これにより、ＰＦＣリアクトル１０の端子１０ｔの端子長を短くすることができるため、端子長延長により生じるコストを抑制できる。

冷却器７０の第１面７０ａに配置される回路部品は、スイッチング素子２０ａ〜２０ｄのみに制限していないが、スイッチング素子２０ａ〜２０ｄと同様に、部品端子の延長が高コストとなる部品を配置することが好ましい。例えば、上述の法線方向Ｘの部品高さが大きく、部品端子の延長が低コストであるＰＦＣリアクトル１０を冷却器７０の第１面７０ａに、部品高さが低く、部品端子の延長が高コストなスイッチング素子２０ａを冷却器の第２面７０ｂに配置する場合について検討する。

第２面７０ｂに配置されたスイッチング素子２０ａの端子２０ａｔは、貫通孔７０ｈを通って、冷却器７０の第１面７０ａ側の回路基板８０に接続する必要があることから、端子長は少なくとも、冷却器７０の上記法線方向Ｘの厚さと、ＰＦＣリアクトル１０の高さとの和となる。この和が、スイッチング素子２０ａの端子２０ａｔの端子長よりも大きい場合、スイッチング素子２０ａは、回路基板８０と接続できなくなる。

この場合、バスバー等の端子延長部材をスイッチング素子２０ａと回路基板８０の間に配置し、この端子延長部材を介してスイッチング素子２０ａと回路基板８０を電気的に接続する方法があるが、端子延長部材追加により、追加コストが生じる問題がある。

また、スイッチング素子２０ａのパッケージ形状を変更する方法もあるが、スイッチング素子のパッケージ形状の種類には限りがあり、既製品のパッケージでは端子長が不足する場合、端子長を延長したスイッチング素子のカスタム品を作製する必要があるため、スイッチング素子の製造コストが上昇する問題が生じる。

一方、スイッチング素子２０ａに対して、ＰＦＣリアクトル１０は、端子長を延長する場合は、部品を形成する巻線長を延長するだけで良く、スイッチング素子のカスタム品を作製するよりも低コストで端子長を延長できる。したがって、冷却器７０の第１面７０ａ及び第２面７０ｂのどちらに配置しても、端子長の延長によるコストは殆ど変わらない。

このように、スイッチング素子等の部品端子の延長が高コストな部品を冷却器７０の第２面７０ｂに配置することは、冷却器７０の第１面７０ａに配置するよりも高コストとなる。すなわち、冷却器７０の第１面７０ａに配置される回路部品をスイッチング素子２０ａ〜２０ｄ等、部品端子の延長が高コストな部品とすることにより、端子延長部材追加、或いは端子長の延長によるコスト増加を抑えることができる。

本実施の形態では、ブリッジレスＰＦＣ回路５０を例として説明したが、この回路に限らず、適宜変更可能である。例えば、絶縁型のフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータでも良い。

また、本実施の形態では、第２回路部品に該当する磁性部品をＰＦＣリアクトルを例として説明したが、この部品に限らず、その他の部品でも適宜変更可能である。なお、磁性部品とはリアクトル、ＣＭＣ（Ｃｏｍｍｏｎ ｍｏｄｅ ｃｈｏｋｅ ｃｏｉｌ）、トランス等の巻線部品を指す。

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、１，２，３，４ 配線、１０ ＰＦＣリアクトル、
２０ コンバータ、２０ａ〜２０ｄ スイッチング素子、１０ｔ，２０ａｔ 端子、
２０ａｃ 冷却面、３０ 入力電源、４０ 平滑コンデンサ、
５０ ブリッジレスＰＦＣ回路、６０ 筐体、７０ 冷却器、７０ａ 第１面、
７０ｂ 第２面、７０ｈ 貫通孔、８０ 回路基板、Ｖｄｃ 直流電圧、Ｘ 法線方向。

Claims (4)

1. 筺体と、
   前記筐体内部に並べて配置した冷却器および回路基板と、
   前記冷却器の前記回路基板側の第１面に配置した半導体スイッチング素子と、
   前記冷却器の前記第１面の裏側の第２面に配置した巻線と磁性材料で形成された磁性部品とを備え、
   前記半導体スイッチング素子の端子は、前記回路基板と接続され、
   前記磁性部品の前記巻線の端子は、前記冷却器に設けられた貫通孔を通って前記回路基板と接続されている電力変換装置。
2. 前記半導体スイッチング素子は、前記第１面又は前記第２面の法線方向に見たときに、前記冷却器を挟んで、少なくとも一部が前記磁性部品と重なって配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記貫通孔は、前記第１面又は前記第２面の法線方向に見たときに、少なくとも一部が、前記磁性部品と重なって配置されている請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記磁性部品は、トランス又はリアクトル、又はＣＭＣである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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