JP6987196B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主要部品の共通化による小型、低コスト化が可能な電力変換装置を得る。【解決手段】トランス２０と整流回路３０の整流素子３１，３２は、単一のモジュール８０で構成されており、センタータップ２６は、第一の二次巻線２２の片方の引出部２２ａと第二の二次巻線２３の片方の引出部２３ａを重ね合わせて構成され、中間接続部材５０が、センタータップ２６と、平滑リアクトル４１を構成する平滑コイル４１ａの端子４１ｃに接続されている。【選択図】図２

Description

本願は、インバータ回路とトランスと整流回路と平滑リアクトルを用いた電力変換装置に関するものである。

電気自動車あるいはハイブリッド自動車では、高電圧バッテリの電圧を１２Ｖ系の電圧に変換し、１２Ｖ系のバッテリに電力を供給する目的でＤＣ／ＤＣ降圧コンバータなどの電力変換装置が用いられる。
ＤＣ／ＤＣ降圧コンバータは、一次側巻線と二次側巻線とを有するトランスと、トランスの二次側巻線コイルに誘起される電圧を整流する整流素子と、トランスの二次側コイルに接続される平滑リアクトルとを備えている。これらの部品を筐体へ組付ける際に、構成部品数が多いことで組立が複雑になるとともに、ＤＣ／ＤＣ降圧コンバータのサイズアップ、コストアップの要因となっている。
特許文献１では、ＤＣ／ＤＣ降圧コンバータの構成部品である、トランスと、整流素子と、平滑リアクトルとを射出成形により樹脂モールドされて一体化することで、筐体への組立工数の削減が提案されている。

特許第６５１６９１０号公報

しかしながら、従来技術では、各部品の配置あるいは、接続端子の引出位置が固定されてしまうため、自動車メーカあるいは車種によって、様々な要求サイズあるいは、インターフェース位置に対応する上で、部品の共通化を図ることが難しく、コストアップの要因になっている。特にトランスは、複数の巻線部材から構成されるため内部構造が複雑であり、端子引出位置を変更するだけでも、多くの構成部材の形状変更が必要となる。

本願は、上記のような課題を解決するためになされたもので、主要部品の共通化により、装置を小型化することと装置のコストを低減することが可能な電力変換装置を得ることを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、インバータ回路と、インバータ回路の出力側に接続されたトランスと、トランスの出力側に接続された整流回路を構成する整流素子と、トランスの出力側に設けられており整流素子を含むトランスの出力回路に接続された平滑リアクトルを構成する平滑コイルを備え、トランスには、二次巻線を構成する第一の二次巻線と第二の二次巻線の接続部分にセンタータップが設けられた電力変換装置において、トランスと整流素子とは単一のモジュールで構成されており、センタータップは、第一の二次巻線の端部と第二の二次巻線の端部を重ねて引出部が構成されており、センタータップの引出部と平滑コイルとは、接続体で接続されており、整流回路は、第一の二次巻線の他方の端部、第二の二次巻線の他方の端部の各々に接続された複数の整流素子を有しており、整流素子は、センタータップの両隣に分けて配置されており、且つ、センタータップの引出方向に直交する平面において直線状に配置されているものである。

本願の電力変換装置によれば、トランスと整流素子とが単一のモジュールで構成されており、センタータップは、第一の二次巻線の端部と第二の二次巻線の端部を重ね合わせて構成され、センタータップの引出部と平滑コイルとは、接続体で接続されているので、主要部品の共通化により、装置を小型化することと装置のコストを低減することができる。また、トランスと整流素子を一体に形成し、モジュール化する際に、無駄面積となりやすいトランスのセンタータップの両隣に整流素子を配置することで、スペース効率が向上し、さらに、センタータップの端子引出方向に直交する平面において直線状に整流素子を配置することで、各整流素子間のグランド部から整流素子を介してトランスまでの経路差が少なくなり、インピーダンスの偏りを抑制することが可能となる。

実施の形態１に係る電力変換装置の一例を示す回路図である。 実施の形態１に係る電力変換装置を示す斜視図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のトランスと整流素子のモジュール構成を示す平面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置における二次巻線の構成を分解状態で示す斜視図である。 図３に示した電力変換装置のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 実施の形態２に係る電力変換装置を示す斜視図である。

以下、実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づいて説明する。各図において、同一または相当部分については、同一符号を付している。実施の形態に係る電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータに適用されるものであって、車載の高電圧バッテリから供給される高電圧を入力し、出力端子から車載補器系部品の電源電圧である１２Ｖ系の電圧を出力するものである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。
電力変換装置は入力端子１より入力された高電圧の直流電力をスイッチングして交流電力に変換するインバータ回路１０と、インバータ回路１０から供給された電力を、一次巻線２１と二次巻線２４の巻き数比に応じた電圧に変化させるトランス２０と、トランス２０の二次電圧を入力して全波整流して直流出力にする整流回路３０と、整流回路３０の出力電圧を平滑化する平滑リアクトル４１と平滑コンデンサ４２でなる平滑回路と、トランス２０からの出力が整流回路３０、平滑回路を介して出力される出力端子２とを備えている。

インバータ回路１０は、複数のスイッチング素子１１で構成されている。トランス２０は、電源回路側に接続される一次巻線２１、負荷回路側に接続される第一の二次巻線（上側二次巻線ともいう）２２と第二の二次巻線（下側二次巻線ともいう）２３を有した二次巻線２４、トランスコア２７を備えている。第一の二次巻線２２と第二の二次巻線２３との接続部分である中点がトランス２０のセンタータップ２６として設けられている。

整流回路３０は、複数の整流素子３１，３２で構成されている。整流回路３０は、トランス２０の二次電圧を入力して、複数の整流素子３１．３２により、第一の二次巻線２２、第二の二次巻線２３に伝達された交流電力を整流する。
整流素子３１，３２と、トランス２０の第一の二次巻線２２、第二の二次巻線２３との接続は、各整流素子３１，３２のカソード側が第一の二次巻線２２と第二の二次巻線２３のセンタータップ側ではない端部側に接続され、各整流素子３１，３２のアノード側が後述する板金部材に接続される。
この板金部材は、電力変換装置の筐体（図示せず）と接続され、電気的にグランド部３となる。

センタータップ２６は、整流した交流電力を平滑化する平滑リアクトル４１の一端側に接続され、平滑リアクトルの他端側が電力変換装置の出力端子２に接続されている。

図２、図３は、トランス２０、整流素子３１，３２、接続体である中間接続部材５０、平滑リアクトル４１の実装構造を示す斜視図と平面図である。巻線部２５は、一次巻線２１、二次巻線２４で構成されている。図４は、二次巻線の構成を分解状態で示す斜視図である。トランス２０と整流素子３１，３２は単一のモジュール８０で一体に形成され、中間接続部材５０を介して、トランス２０のセンタータップ２６と平滑リアクトル４１とが電気的に接続される。図２、図３において、整流素子３１，３２はそれぞれ２個有した場合を示している。平滑リアクトル４１は、モジュール８０とは別に設けられ、平滑コイル４１ａ、平滑コア４１ｂで構成されている。

センタータップ２６は、第一の二次巻線２２の端部に形成された片方の引出部２２ａと第二の二次巻線２３の端部に形成された片方の引出部２３ａを重ねて引出部が構成されている。一次巻線２１の両端部（一方の端部２１ａ、他方の端部２１ｂ）と、センタータップ２６と、第一の二次巻線２２と第二の二次巻線２３の他方の引出部２２ｂ，２３ｂと、板金部材２８は、モジュール８０を構成する絶縁性樹脂７０から部分的に露出している。 一次巻線２１の両端部は、制御基板等（図示せず）を介してインバータ回路１０に接続される。整流素子３１，３２のカソード端子３１ｂ，３２ｂは、第一の二次巻線２２の他方の引出部２２ｂ、第二の二次巻線２３の他方の引出部２３ｂと接続され、整流素子３１，３２のアノード端子３１ａ，３２ｂは、基板となる板金部材２８と接続され、どちらも半田により当該基板に表面実装により接続される。

中間接続部材５０は、両端部に貫通穴５０ａ，５０ｂが設けられており、片方の端部は、第一の二次巻線２２の引出部２２ａに形成された貫通穴２２ｄ、第二の二次巻線２３の引出部２３ａに形成された貫通穴２３ｄ、及び貫通穴５０ａに挿入されるねじ６０ａでセンタータップと共締めされ、他方の端部は、平滑リアクトル４１の端子となる平滑コイル４１ａの端子４１ｃと貫通穴５０ｂに挿入されるねじ６０ｂで接続される。センタータップ２６と、平滑コイル４１ａの端子４１ｃは、同一平面高さである。平滑コイル４１ａの端子４１ｄは出力端子２に接続される。

トランス２０と整流素子３１，３２のモジュールは、一次巻線２１と、第一の二次巻線２２と、第二の二次巻線２３と、板金部材２８が、絶縁性樹脂７０でインサート成形されている。図４に示すように、第一の二次巻線２２と、第二の二次巻線２３は、板金に曲げ加工を施して形成された環状の第一の二次巻線２２のコイル部２２ｃと第二の二次巻線２３のコイル部２３ｃと、貫通穴２２ｄ，２３ｄを有する第一の二次巻線２２の片方の引出部２２ａと第二の二次巻線２３の片方の引出部２３ａと、他方の引出部２２ｂ，２３ｂを備える。

図５に示すように、第一の二次巻線２２の端部である片方の引出部２２ａと、第二の二次巻線２３の端部である片方の引出部２３ａは、重ね合わせてトランスのセンタータップ２６を形成している。第一の二次巻線２２と、第二の二次巻線２３の他方の引出部２２ｂ，２３ｂは、図３に示すように、センタータップ２６の両隣に配置し、かつ、センタータップ２６と中間接続部材５０が接続される位置は、電力変換装置の筐体の取り付け面である接地面に対して、他方の引出部２２ｂ，２３ｂと整流素子３１，３２との接続箇所よりも高い位置に配置する。
絶縁性樹脂７０には、センタータップ２６を収納する窪み状の保持部２９が形成されており、保持部２９の上部空間には第一の二次巻線２２の引出部２２ａと第二の二次巻線２３の引出部２３ａが重ねて配置されており、筐体側となる保持部２９の下部空間にはナット６１がインサート成形されている。保持部２９は、中間接続部材５０をセンタータップ２６にねじ６０ａで締結する際に端子台として機能するものであって、筐体に対して絶縁状態を維持している。また、これによって、センタータップ２６は、グランド部３に対して電気的に絶縁状態を保っている。

実施の形態１による電力変換装置によれば、センタータップ２６は、第一の二次巻線２２の片方の引出部と第二の二次巻線２３の片方の引出部を重ね合わせて構成され、トランス２０と平滑リアクトル４１を接続する中間接続部材５０が、センタータップ２６と、平滑リアクトル４１を構成する平滑コイル４１ａの端子４１ｃとに接続され、トランス２０と整流回路３０の整流素子３１，３２は、単一のモジュールで形成されているので、主要部品の共通化による小型、低コスト化が可能となる。
トランス２０と整流素子３１，３２を一体に形成し、モジュール化する際に、無駄面積となりやすいトランス２０のセンタータップ２６の両隣に整流素子３１，３２を配置することで、スペース効率が向上し、さらに、センタータップ２６の端子引出方向に直交する平面において直線状に整流素子３１，３２を配置することで、各整流素子間のグランド部から整流素子３１，３２を介してトランス２０までの経路差が少なくなり、インピーダンスの偏りを抑制できる。
また、トランス２０のセンタータップ２６の位置が、筐体の取り付け面である接地面に対して、整流素子３１，３２より高い位置に配置することで、接続体である中間接続部材５０の引出方向に制限がなくなり、トランス２０と平滑リアクトル４１の位置関係の配置自由度を向上させながらも、二部品間を最短で接続することができる。

以上のような構成にすることで、トランス２０、整流素子３１，３２、平滑リアクトル４１の形状を変更することなく、接続体である中間接続部材５０の形状変更のみで、様々な要求サイズあるいはインターフェース位置に対応することができ、部品の共通化が図れ、コストを低減することができる。
さらに、組立時は、事前に整流素子を半田で基板に表面実装し、トランス２０と一体で形成したものと、平滑リアクトル４１を筐体上に配置し、それらの上から接続体である中間接続部材５０を配置して、ねじで接続するだけでよいので、組立工程を大幅に短縮できる。

また、整流素子３１，３２のアノード端子を一枚の部材で形成された単一の板金部材２８に接続することで、整流素子間の電位の偏りを最小限に抑制することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２による電力変換装置における、トランス２０と、整流素子３１，３２と、平滑リアクトル４１を示す斜視図である。実施の形態２による電力変換装置は、トランス２０と平滑リアクトル４１の接続形態が、実施の形態１とは異なる。他の構成は実施の形態１と同様である。
実施の形態２においては、実施の形態１で使用していた接続体である中間接続部材に相当するものを、平滑リアクトル４１の端子である平滑コイルの端子４１ｃをセンタータップ２６に向かって延出することで、端子４１ｃと一体に構成している。
これにより、実施の形態２による電力変換装置によれば、接続体として実施の形態１のように中間接続部材を別に設ける必要がないので、部品点数を削減し、コストを低減することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の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、本願明細書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、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０ インバータ回路、２０ トランス、２２，２３，２４ 二次巻線、２２ａ，２３ａ，２２ｂ，２３ｂ 引出部、２６ センタータップ、３０ 整流回路、４１ 平滑リアクトル、５０ 中間接続部材、８０ モジュール

Claims (7)

1. インバータ回路と、前記インバータ回路の出力側に接続されたトランスと、前記トランスの出力側に接続された整流回路を構成する整流素子と、前記トランスの出力側に設けられており前記整流素子を含む前記トランスの出力回路に接続された平滑リアクトルを構成する平滑コイルを備え、前記トランスには、二次巻線を構成する第一の二次巻線と第二の二次巻線の接続部分にセンタータップが設けられた電力変換装置において、
   前記トランスと前記整流素子とは単一のモジュールで構成されており、
   前記センタータップは、前記第一の二次巻線の端部と前記第二の二次巻線の端部を重ねて引出部が構成されており、
   前記センタータップの引出部と前記平滑コイルとは、接続体で接続されており、
   前記整流回路は、前記第一の二次巻線の他方の端部、前記第二の二次巻線の他方の端部の各々に接続された複数の整流素子を有しており、前記整流素子は、前記センタータップの両隣に分けて配置されており、且つ、前記センタータップの引出方向に直交する平面において直線状に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記センタータップと前記平滑コイルの端子が接続される位置は、前記第一の二次巻線の他方の端部、前記第二の二次巻線の他方の端部の各々と前記整流素子との接続箇所よりも高い位置に配置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. 前記整流素子は、基板に表面実装されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記整流素子のアノード端子は、単一の板金部材に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記接続体は、一端が前記センタータップに接続されており、他端が前記平滑コイルの端子に接続された中間接続部材であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記接続体は、前記平滑コイルの端子を前記センタータップに向かって延出した部材で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記センタータップと前記接続体の接続部分には、貫通穴が設けられており、前記センタータップと前記接続体は、前記貫通穴に挿入されたねじによって共締めされることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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