JP7275673B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
スイッチング素子のオンオフ動作と磁気部品の電磁誘導とを利用して、直流電圧を所望の直流電圧に変換する電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。近年、SiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)などのWBG(Wide Band Gap)デバイスの適用により、スイッチング素子の損失が低減されている。これに対し、トランスやリアクトル等の磁気部品は、発熱量が依然として比較的大きく、電力変換装置の温度上昇の原因の一つとなっている。
そこで、電力変換装置において、トランスやコイルに伝熱部材を配置することで、放熱性能を向上させる技術がある(例えば、特許文献2参照)。また、平滑コンデンサ、一次側スイッチング素子、共振リアクトル、トランスなどの各部品をユニット化することで、放熱構造を実現する電力変換装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。
特開2010‐4855号公報 特開2018‐93009号公報 特開2014‐131395号公報
電力変換装置の損失(熱)の発生源は、従来、半導体素子が主であったが、全体の損失に対する半導体素子の損失の割合は、半導体素子の特性改善によって低下する傾向にある。これに対し、トランスやリアクトル等の磁気部品の損失の割合は、相対的に大きくなっている。
そこで、本開示は、局部的な温度上昇を抑制可能な電力変換装置を提供する。
本開示は、
複数のスイッチング素子と、複数の磁気部品とを備え、
前記複数のスイッチング素子のオンオフ動作と前記複数の磁気部品の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う電力変換装置であって、
前記複数のスイッチング素子の一部又は全部は、前記複数の磁気部品の間に配置された、電力変換装置を提供する。
本開示の技術によれば、局部的な温度上昇を抑制可能な電力変換装置を提供できる。
電力変換装置の第1の回路例を示す図である。 電力変換装置の各部品の配置例(比較例)を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の第2の回路例を示す図である。 電力変換装置の各部品の第1の配置例を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の各部品の第2の配置例を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の各部品の第3の配置例を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の第3の回路例を示す図である。 電力変換装置の各部品の第4の配置例を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の表面実装部品及び熱伝導板の配置を模式的に示す断面図である。 電力変換装置の表面実装部品及び熱伝導板の配置を模式的に示す断面図である。 電力変換装置の表面実装部品及び熱伝導板の配置を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の表面実装部品及び熱伝導板の配置を模式的に示す平面図である。 電力変換装置の第4の回路例を示す図である。 電力変換装置の第5の回路例を示す図である。 電力変換装置の第6の回路例を示す図である。 電力変換装置の第7の回路例を示す図である。
図1は、電力変換装置の第1の回路例を示す図である。図1に示す電力変換装置101は、共振型DC/DCコンバータである。DCは、Direct Currentの略語を表す。電力変換装置101は、半導体の複数のスイッチング素子21,22のオンオフ動作と複数の磁気部品(共振リアクトル4及びトランス5)の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う。
スイッチング素子21,22は、SiCやGaNなどのWBGデバイスであると、スイッチング素子21,22のオンオフによる損失の増大を抑制できる点で好ましい。また、スイッチング素子21,22のオンオフのスイッチング周波数は、10kHz以上であると、共振リアクトル4及びトランス5の小型化の点で好ましい。後述の他の回路例のスイッチング素子についても同様である。
電力変換装置101は、直流電圧を交流電圧に変換するハーフブリッジ型のインバータ10と、共振コンデンサ3と共振リアクトル4とが直列に接続された共振回路8と、一次側・二次側を絶縁するためのトランス5と、ダイオード61~64を含む整流回路60と、平滑用の出力コンデンサ7とを備える。このように構成された共振型DC/DCコンバータはスイッチング素子21,22のスイッチング損失とスイッチングノイズを低減することができる。
インバータ10は、複数のスイッチング素子21,22のオンオフにより直流電圧を交流電圧に変換する。トランス5は、インバータ10から出力される交流電圧を所定の大きさの交流電圧に変換する。整流回路60は、トランス5から出力される交流電圧を直流電圧に変換して不図示の負荷に供給する。
例えば、インバータ10は、入力コンデンサ11,12の直列回路とスイッチング素子21,22の直列回路とが並列に接続される並列回路を有する。当該並列回路に、不図示の直流電源が並列に接続される。入力コンデンサ11,12は、スイッチング素子21,22と同じ形式のスイッチング素子に置換されてもよい。インバータ10の一方の出力端子23と他方の出力端子13との間には、共振回路8とトランス5の一次巻線51とが直列に接続されている。一方の出力端子23は、スイッチング素子21,22相互の接続点であり、他方の出力端子13は、入力平滑用のコンデンサ11,12相互の接続点である。コンデンサ11,12の容量値は、互いに等しい。トランス5は、一次巻線51と二次巻線52とを有し、その巻数比は、n:1(nは任意の数)である。トランス5の二次巻線52の両端は、整流回路60の入力側に接続され、整流回路60の出力側には、出力コンデンサ7及び不図示の負荷が互いに並列に接続されている。
複数のスイッチング素子21,22を交互にオンオフさせることにより、共振回路8の動作によって、トランス5の一次側に、高周波交流電圧を発生させる。トランス5の二次側に発生した交流電圧は、整流回路60により整流された後、出力コンデンサ7により平滑されて、所定の大きさの直流電圧に変換される。変換後の直流電圧は、不図示の負荷に供給される。
直流電源からインバータ10への入力電圧Vinが変動した時に、整流回路60からの出力電圧Voutを一定に制御するためには、共振回路8の共振周波数に対してスイッチング素子21,22のスイッチング周波数を変化させる。出力電圧Voutが目標値より低い時は、スイッチング周波数を共振周波数よりも低い値に制御して出力電圧Voutを上昇させ、出力電圧Voutが目標値より高い時は、スイッチング周波数を共振周波数よりも高い値に制御して出力電圧Voutを低下させる。これにより、出力電圧Voutを目標値に保つことができる。
ここで、図1に示す各部品を基板上に実装する場合、図1の回路図で示す配置順通りに配置することが考えられる。図2は、図1の回路図で示す配置順通りに、各部品を基板9上に配置する例を模式的に示す平面図である。X軸方向、Y軸方向、Z軸方向は、互いに直交し、基板9の表面は、XY平面に平行である。図2では、入力コンデンサ11,12、スイッチング素子21,22、共振回路8(共振コンデンサ3及び共振リアクトル4)、トランス5、整流回路60(ダイオード61~64)の順に、電力変換装置の入力側から出力側に向けて各部品が並んでいる。
しかしながら、図2に示す配置では、共振リアクトル4とトランス5が隣接する状態で近接しているので、発熱量が比較的大きい熱源である複数の磁気部品(この場合、共振リアクトル4とトランス5)の配置が集中している。そのため、電力変換装置101内の一か所に熱の発生が集中し、局部的に温度が高い部分が生じやすい。
これに対し、図3は、電力変換装置の第2の回路例を示す図であり、図4は、図3の回路図で示す配置順通りに、各部品を基板9上に配置する例を模式的に示す平面図である。図3の電力変換装置102も、図1と同様、共振型DC/DCコンバータであり、複数のスイッチング素子21,22のオンオフ動作と複数の磁気部品(共振リアクトル4及びトランス5)の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う。図3の電力変換装置102は、図1の電力変換装置101に対して、共振コンデンサ3と共振リアクトル4が相互に置換されている点で相違する。
図4では、共振リアクトル4とトランス5とを離して配置することによって、一次側のスイッチング素子21,22の一方または両方を配置できる空間が、共振リアクトル4とトランス5との間に設けられている。図4のように、共振リアクトル4、共振コンデンサ3、トランス5の順で配置することで、発熱量が比較的大きい共振リアクトル4とトランス5との間を離すことができ、熱の分散が可能となる。このように、発熱量の比較的大きい共振リアクトル4とトランス5とを互いに離し、その隙間に、相対的に発熱量の小さいスイッチング素子21,22を配置することで、局部的な温度上昇を抑制する。
また、配置順は、図4に示す例に限られない。例えば図5に示すように、スイッチング素子21,22だけでなく、共振コンデンサ3も、共振リアクトル4とトランス5との間に配置してもよい。これにより、発熱量の比較的大きい共振リアクトル4とトランス5との間隔が更に長くなるので、局部的な温度上昇を更に抑制することができる。X軸方向の小型化の観点では、図5の配置よりも図4の配置の方が好ましい。なお、図5において、X軸方向の位置が、スイッチング素子21,22と共振コンデンサ3とで置換されてもよい。
入力コンデンサ11,12とスイッチング素子21,22との距離が共振リアクトル4の挿入により長くなることで、回路の寄生インダクタンスが増加し、サージ電圧等の問題が発生する場合がある。この場合、スイッチング素子21,22の直流正負間に並列に接続される小容量のスナバコンデンサ1,2(図3参照)を設けてもよい。図6は、スイッチング素子21,22とトランス5との間にスナバコンデンサ1,2を設けた配置例を示す。スナバコンデンサ1,2の挿入によって、共振リアクトル4とトランス5との距離は更に長くなり、局部的な温度上昇を更に抑制することができる。
なお、図6において、X軸方向の位置が、スイッチング素子21,22とスナバコンデンサ1,2とで置換されてもよい。また、図6において、共振リアクトル4とトランス5との間に、共振コンデンサ3も配置されてもよい。また、図4~6に示す配置例は、図3に示す回路結線の場合に限られず、図1に示す回路結線の場合にも適用可能である。
図7は、電力変換装置の第3の回路例を示す図であり、図8は、図7の回路図で示す配置順通りに、各部品を基板9上に配置する例を模式的に示す平面図である。図7の電力変換装置103も、図1と同様、共振型DC/DCコンバータであり、複数のスイッチング素子21,22のオンオフ動作と複数の磁気部品(共振リアクトル4及びトランス5)の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う。図7の電力変換装置103は、図1の電力変換装置101に対して、共振コンデンサ3と共振リアクトル4が、インバータ10の出力端子13とトランス5の一次巻線51との間に直列に接続されている点で相違する。
図8では、共振リアクトル4とトランス5との間に、スイッチング素子21,22だけでなく、入力コンデンサ11,12も配置されている。これにより、共振リアクトル4とトランス5との距離は更に長くなり、局部的な温度上昇を抑制することができる。なお、図8に示す配置例は、図7に示す回路結線の場合に限られず、図1,3に示す回路結線の場合にも適用可能である。
図9は、電力変換装置の表面実装部品及び熱伝導板の配置を模式的に示す断面図である。電力変換装置は、第1の表面91と、第1の表面91とは反対側の第2の表面92とを有する基板9を備える。トランス5、共振コンデンサ3及び共振リアクトル4は、第1の表面91に実装されている。
電力変換装置は、基板9を平面視で見ると(図9の場合、基板9の法線方向(Z軸に平行な方向)から見ると)、共振リアクトル4とトランス5との間に、複数の熱伝導板81,82を備える。熱伝導板は、熱伝導部材の一例であり、より具体的には、熱伝導率の比較的高い銅板等である。このように、基板9を平面視で見たときに、共振リアクトル4とトランス5との間に熱伝導率の比較的高い材質で形成された少なくとも一つの熱伝導部材を配置することで、各部品(特に、共振リアクトル4とトランス5)の発熱を逃がす経路を増やすことができる。よって、局部的な温度上昇を抑制することができる。
導電性の熱伝導部材は、共振リアクトル4とトランス5との間の配線を兼ねてもよい。これにより、放熱性向上と小型化の両立が可能となる。例えば図9に示す熱伝導板82は、共振コンデンサ3の一端3bとトランス5の一次巻線51の一端5aとを結ぶ電気配線を兼ねている。図9は、熱伝導板81,82を基板9の内層93に設けた形態を例示するが、熱伝導部材は、基板9の第1の表面91又は第2の表面92に設けられてもよい。
熱伝導板81,82等の熱伝導部材は、導電性の金属に限られず、セラミックや樹脂等の非金属でもよい。図10は、非金属材料で形成された一枚の熱伝導板80が基板9の内層93に配置されている形態を例示する。熱伝導板80は、基板9を平面視で見ると、共振リアクトル4とトランス5との間に位置する。したがって、共振リアクトル4やトランス5等の各部品の発熱を逃がす経路を増やすことができ、局部的な温度上昇を抑制することができる。熱伝導板80は、共振リアクトル4やトランス5等の各表面実装部品に接触してもよい。
図11は、電力変換装置の表面実装部品及び熱伝導板の配置を模式的に示す平面図であり、図3に示す回路配線で構成された電力変換装置102を示す。図11では、共振コンデンサ3、スイッチング素子21,22、入力コンデンサ11,12、共振リアクトル4及びトランス5が、基板9の表面に実装され、それらの外形が実線で模式的に示されている。共振コンデンサ3、スイッチング素子21,22及び入力コンデンサ11,12が、共振リアクトル4とトランス5との間に平面視で配置されているので、発熱量の比較的大きな共振リアクトル4とトランス5とが離れ、局部的な温度上昇を抑制することができる。また、図11は、熱伝導板81,82、電源プレーン83及びグランドプレーン84が、基板9の内層に位置することを示し、それらの外形が一点鎖線で模式的に示されている。
スイッチング素子21の一端21bのエミッタとスイッチング素子22の一端22bのコレクタは、内層の熱伝導板81にビア等で導電的に接続され、熱伝導板81は、表層の共振リアクトル4の一端4aにビア等で導電的に接続される。共振リアクトル4の他端4bは、共振コンデンサ3の一端3aに接続され、共振コンデンサ3の他端3bは、内層の熱伝導板82にビア等で導電的に接続される。熱伝導板82は、表層のトランス5の一次巻線51の一端5aにビア等で導電的に接続され、一次巻線51の他端5bは、表層の入力コンデンサ11,12の一端11b,12bに接続される。入力コンデンサ11の他端11aは、内層の電源プレーン83にビア等で導電的に接続され、電源プレーン83は、表層のスイッチング素子21の他端21aのコレクタにビア等で導電的に接続される。入力コンデンサ12の他端12aは、内層のグランドプレーン84にビア等で導電的に接続され、グランドプレーン84は、表層のスイッチング素子22の他端22aのエミッタにビア等で導電的に接続される。
図12は、電力変換装置の表面実装部品及び熱伝導板の配置を模式的に示す平面図であり、図3に示す回路配線で構成された電力変換装置102を示す。図12に示すように、図11に示す内層の熱伝導板81に代えて、基板9の表層(表面)に配置される熱伝導板85が設けられてもよい。熱伝導板85は、共振リアクトル4及びスイッチング素子21,22と同じ表面に配置され、表層に形成された配線を介して、共振リアクトル4の一端4a及びスイッチング素子21,22の一端21b,22bに接続されている。
例えば、共振リアクトル4及びスイッチング素子21,22が基板9の表面に実装されてから、熱伝導板85は、基板9の表面に実装される。これにより、共振リアクトル4及びスイッチング素子21,22が基板9の表面に実装される際の半田の熱が、熱伝導板85に伝導することを防止できる。もちろん、熱伝導板85が基板9の表面に実装されてから、共振リアクトル4及びスイッチング素子21,22が基板9の表面に実装されてもよい。
図13は、電力変換装置の第4の回路例を示す図である。図13に示す電力変換装置104は、双方向DC/DCコンバータである。電力変換装置104は、一次側の複数のスイッチング素子111のオンオフ動作と複数の磁気部品(共振リアクトル116及びトランス115)の電磁誘導とを利用することによって、一次側から二次側に電力変換を行う。電力変換装置104は、二次側の複数のスイッチング素子112のオンオフ動作と複数の磁気部品(共振リアクトル117及びトランス115)の電磁誘導とを利用することによって、二次側から一次側に電力変換を行う。
発熱量の比較的大きい共振リアクトル116とトランス115の一次巻線113とを互いに離し、その隙間に、相対的に発熱量の小さいスイッチング素子111の一部又は全部を配置することで、放熱性が向上する。発熱量の比較的大きい共振リアクトル117とトランス115の二次巻線114とを互いに離し、その隙間に、相対的に発熱量の小さいスイッチング素子112の一部又は全部を配置することで、局部的な温度上昇を抑制することができる。
図14は、電力変換装置の第5の回路例を示す図である。図14に示す電力変換装置105は、複数の絶縁型DC/DCコンバータ121,122が並列に接続された並列型DC/DCコンバータである。電力変換装置105は、一次側の複数のスイッチング素子123のオンオフ動作と磁気部品(トランス125)の電磁誘導とを利用することによって、一次側から二次側に電力変換を行う。電力変換装置105は、一次側の複数のスイッチング素子124のオンオフ動作と磁気部品(トランス126)の電磁誘導とを利用することによって、一次側から二次側に電力変換を行う。
発熱量の比較的大きいトランス125の一次巻線127とトランス126の一次巻線128とを互いに離し、その隙間に、相対的に発熱量の小さいスイッチング素子123,124の一部又は全部を配置することで、局部的な温度上昇を抑制することができる。
図15は、電力変換装置の第6の回路例を示す図である。図15に示す電力変換装置106は、複数の昇圧コンバータ131,132が並列に接続された並列型DC/DCコンバータ(チョッパ)である。昇圧コンバータ131は、インダクタ133とダイオード134との間にスイッチング素子135が接続される構成を有し、昇圧コンバータ132は、インダクタ136とダイオード137との間にスイッチング素子138が接続される構成を有する。電力変換装置106は、スイッチング素子135のオンオフによりインダクタ133に電気エネルギーを蓄積して放出することを繰り返して電力変換を行う。電力変換装置106は、スイッチング素子138のオンオフによりインダクタ136に電気エネルギーを蓄積して放出することを繰り返して電力変換を行う。
発熱量の比較的大きいインダクタ133とインダクタ136とを互いに離し、その隙間に、相対的に発熱量の小さいスイッチング素子135,138の一部又は全部を配置することで、局部的な温度上昇を抑制することができる。
なお、図15において、昇圧コンバータは、降圧コンバータ又は昇降圧コンバータに置換されてもよい。
図16は、電力変換装置の第7の回路例を示す図である。図16に示す電力変換装置107は、交流電圧を直流電圧に変換し負荷150に給電するPWM(Pulse Width Modulation)コンバータである。
電力変換装置107は、入力コンデンサ142、入力リアクトル143、PWM変換部144、平滑コンデンサ145、PWM変換部146、フィルタリアクトル147、フィルタコンデンサ148及びコンタクタ149を備える。入力コンデンサ142は、商用電源等の交流電源141と電力変換装置107との間のノイズを除去する。入力リアクトル143は、PWM変換部144の入力リアクトルとして機能する。PWM変換部144,146は、三相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含む。平滑コンデンサ145は、PWM変換部144の整流電圧を平滑化する。フィルタリアクトル147およびフィルタコンデンサ148は、PWM変換部146の出力電圧の高周波成分を除去する。コンタクタ149は、電力変換装置107の運転シーケンスを制御する上位の回路からの指令により動作する。
電力変換装置107は、PWM変換部144内の複数のスイッチング素子のオンオフにより入力リアクトル143に電気エネルギーを蓄積して放出することを繰り返して電力変換を行う。電力変換装置107は、PWM変換部146内の複数のスイッチング素子のオンオフによりフィルタリアクトル147に電気エネルギーを蓄積して放出することを繰り返して電力変換を行う。
発熱量の比較的大きい入力リアクトル143とフィルタリアクトル147とを互いに離し、その隙間に、相対的に発熱量の小さいPWM変換部144,146内の複数のスイッチング素子の一部又は全部を配置することで、局部的な温度上昇を抑制することができる。
以上、電力変換装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、基板の表面と内層を導電的に接続するビアは、基板に設けられるインレイ(例えば、銅インレイ)に置き換えられてもよい。インレイは、基板9の厚さ方向に基板9にはめ込まれた導電性部品であり、基板9の熱をヒートシンクに放熱する。複数の磁気部品で発生した熱は、インレイに伝導し、そのインレイに伝導した熱はヒートシンクに放熱される。
1,2 スナバコンデンサ
3 共振コンデンサ
4 共振リアクトル
5 トランス
6a,6b,6c,6d スイッチング素子
7 出力コンデンサ
8 共振回路
9 基板
10 インバータ
11,12 入力コンデンサ
21,22 スイッチング素子
60 整流回路
80,81,82,85 熱伝導板
83 電源プレーン
84 グランドプレーン
101~107 電力変換装置

Claims (8)

  1. 複数のスイッチング素子と、複数の磁気部品とを備え、
    前記複数のスイッチング素子のオンオフ動作と前記複数の磁気部品の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う電力変換装置であって、
    前記複数の磁気部品は、トランスと、前記複数のスイッチング素子の相互の接続点と前記トランスの巻線との間に直列に挿入されるリアクトルとを含み、
    前記複数のスイッチング素子の一部又は全部は、前記トランスと前記リアクトルとの間に配置された、電力変換装置。
  2. 前記複数のスイッチング素子の相互の接続点と前記トランスの巻線との間に直列に挿入されるコンデンサ備え、
    前記コンデンサは、前記トランスと前記リアクトルとの間に配置された、請求項に記載の電力変換装置。
  3. 複数のスイッチング素子と、複数の磁気部品とを備え、
    前記複数のスイッチング素子のオンオフ動作と前記複数の磁気部品の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う電力変換装置であって、
    前記複数のスイッチング素子のそれぞれに対して設けられる複数のスナバコンデンサを備え、
    前記複数のスイッチング素子の一部又は全部および前記スナバコンデンサは、前記複数の磁気部品の間に配置された、電力変換装置。
  4. 複数のスイッチング素子と、複数の磁気部品とを備え、
    前記複数のスイッチング素子のオンオフ動作と前記複数の磁気部品の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う電力変換装置であって、
    前記複数のスイッチング素子の直列回路に並列に接続される、複数の入力コンデンサの直列回路を備え、
    前記複数のスイッチング素子の一部又は全部および前記入力コンデンサは、前記複数の磁気部品の間に配置された、電力変換装置。
  5. 複数のスイッチング素子と、複数の磁気部品とを備え、
    前記複数のスイッチング素子のオンオフ動作と前記複数の磁気部品の電磁誘導とを利用することによって電力変換を行う電力変換装置であって、
    前記複数の磁気部品が表面実装される基板を備え、
    前記基板を平面視で見ると、前記複数の磁気部品の間に少なくとも一つの熱伝導部材を備え、
    前記熱伝導部材は、前記複数の磁気部品の間の配線を兼ねる、電力変換装置。
  6. 前記熱伝導部材は、前記基板の表面又は内層に存在する、請求項に記載の電力変換装置。
  7. 前記スイッチング素子は、WBGデバイスである、請求項1からのいずれか一項に記載の電力変換装置。
  8. 前記スイッチング素子のスイッチング周波数は、10kHz以上である、請求項1からのいずれか一項に記載の電力変換装置。
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