JPWO2020129376A1 - 電力変換装置、それを構成する多層基板、及び電力変換装置を搭載した車両 - Google Patents

電力変換装置、それを構成する多層基板、及び電力変換装置を搭載した車両 Download PDF

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Abstract

電力変換装置は、導電層によって、トランス(TR)の一次側コイル及び二次側コイルが形成された多層基板(100)と、多層基板(100)と電気的に接続され、第1の変換回路(210)が形成された回路基板(200)とを含む。多層基板(100)は、トランス(TR)が形成されたトランス領域(110)と、トランス領域(110)に配置され、一次側コイル及び二次側コイルが巻回されたコア部材(140)と、トランス領域(110)に隣接し、一次側コイルまたは二次側コイルと電気的に接続される第2の変換回路(130)が形成された回路形成領域(120)と、二次側コイルまたは一次側コイルと電気的に接続された端子部(150,152)とを含む。第1の変換回路(210)は、端子部(150,152)を介して、トランス(TR)と電気的に接続されており、一方のコイルの巻き数は、他方のコイルの巻き数より少ない。

Description

本開示は、電力変換装置、それを構成する多層基板、及び電力変換装置を搭載した車両に関する。本開示は、2018年12月21日出願の日本出願第2018−239268号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、及びプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)にはモータ駆動用の高圧バッテリ(例えば300V)から低圧バッテリ(例えば12V)又は低圧負荷に電力を供給するための、絶縁型の電力変換装置である降圧DC/DCコンバータが搭載される。
このような絶縁型の電力変換装置には、入力側(一次側)と出力側(二次側)とを絶縁するためのトランス(変圧器)が用いられる。また従来、トランスの形成に多層基板を用いる技術が知られている。
後掲の特許文献1はこうした技術を開示する。特許文献1には、導電層をコイル形状にパターニングすることによって多層基板にトランスを形成した多層基板トランスが記載されている。この多層基板トランスは、表面にコイルパターンが形成された複数枚の基材を積層一体化した後、上下に位置するコイルパターン間を選択接続することによって形成されている。コイルパターンの形成は、フォトリソグラフィ技術等の印刷技術を用いて行なうことができるため、巻線工数がかからずバラツキを抑えることができる。
特開2010−93174号公報
本開示の第1の局面に係る電力変換装置は、導電層を含み、この導電層によってトランスの一次側コイル及び二次側コイルが形成された多層基板と、多層基板と電気的に接続され、第1の変換回路が形成された回路基板とを含み、多層基板は、トランスが形成されたトランス領域と、トランス領域に配置され、一次側コイル及び二次側コイルが巻回されたコア部材と、トランス領域に隣接し、一次側コイル及び二次側コイルのうちの一方のコイルと電気的に接続される第2の変換回路が形成された回路形成領域と、一次側コイル及び二次側コイルのうちの他方のコイルと電気的に接続された端子部とを含み、第1の変換回路は、端子部を介して、トランスと電気的に接続されており、第2の変換回路が接続された一方のコイルの巻き数は、端子部が接続された他方のコイルの巻き数より少ない。
本開示の第2の局面に係る多層基板は、導電層が積層された多層基板であって、導電層によって、トランスの一次側コイル及び二次側コイルが形成されたトランス領域と、トランス領域に隣接し、一次側コイル及び二次側コイルのうちの一方のコイルと電気的に接続される回路が形成される回路形成領域と、一次側コイル及び二次側コイルのうちの他方のコイルと電気的に接続される端子部とを含み、一方のコイルの巻き数は、他方のコイルの巻き数より少ない。
本開示の第3の局面に係る車両は、電力を供給する蓄電装置と、蓄電装置から供給される電力を変換する、上記第1の局面に係る電力変換装置と、電力変換装置により変換された電力が供給される負荷とを含む。
図1は、第1の実施の形態に係るDC/DCコンバータの全体構成を示す平面図である。 図2は、DC/DCコンバータを構成するトランス基板の斜視図である。 図3は、図2に示すトランス基板の平面図である。 図4は、図2に示すトランス基板からコア部材を取り除いた状態を示す平面図である。 図5は、トランス基板に用いられるコア部材の斜視図である。 図6は、DC/DCコンバータを構成するメイン基板の平面図である。 図7は、第1の実施の形態に係るDC/DCコンバータの回路図である。 図8Aは、トランス基板を構成する基材の平面図である。 図8Bは、トランス基板を構成する基材の平面図である。 図9Aは、トランス基板を構成する基材の平面図である。 図9Bは、トランス基板を構成する基材の平面図である。 図10は、トランス基板を構成する基材の平面図である。 図11は、図3のXI−XI線に沿った断面図である。 図12は、シミュレーションに用いた回路構成を示す図である。 図13は、シミュレーションの条件を示す図である。 図14は、シミュレーションの結果を示すグラフである。 図15は、第3の実施の形態に係るDC/DCコンバータの全体構成を示す平面図である。 図16は、第4の実施の形態に係る車両の概略構成を示す図である。
[本開示が解決しようとする課題]
多層基板は一般的にコストが高く、基板サイズが大きくなるとコストがさらに増加する。そのため、多層基板を用いる場合は、基板サイズが大きくなり過ぎないようにするのが好ましい。特許文献1の多層基板トランスは、トランスを形成する領域を確保できればよいため、基板サイズの増加を抑制することが可能である。
しかし、特許文献1の多層基板トランスは、電力変換装置のトランスとして用いた場合に、多層基板トランス以外のトランスと同様、トランスと回路部分とを接続する配線が長くなるという不都合がある。そのため、トランスと回路部分とを接続する接続部の配線インダクタンスが増加し、回路動作に悪影響が及ぶおそれがあるという問題がある。
それゆえに、本開示は、多層基板のサイズ増加を抑制しつつ、配線インダクタンスに起因する回路動作への悪影響を抑制することが可能な電力変換装置、それに用いる多層基板、及び、その電力変換装置を搭載した車両を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
本開示によれば、多層基板のサイズ増加を抑制しつつ、配線インダクタンスに起因する回路動作への悪影響を抑制することが可能な電力変換装置、それに用いる多層基板、及び、その電力変換装置を搭載した車両を得ることができる。
[本開示の実施の形態の説明]
最初に、本開示の好適な実施形態を列記して説明する。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組合せてもよい。
上記目的を達成するために、本願発明者が鋭意検討した結果、トランスの一次側コイル及び二次側コイルに接続される回路のうち、巻き数の少ないコイルと接続される回路の接続部の配線インダクタンスが回路動作に与える悪影響の度合いが大きいという知見を見出し、本開示に至った。
(1)すなわち、本開示の第1の局面に係る電力変換装置は、導電層を含み、この導電層によって、トランスの一次側コイル及び二次側コイルが形成された多層基板と、多層基板と電気的に接続され、第1の変換回路が形成された回路基板とを含む。多層基板は、トランスが形成されたトランス領域と、トランス領域に配置され、一次側コイル及び二次側コイルが巻回されたコア部材と、トランス領域に隣接し、一次側コイル及び二次側コイルのうちの一方のコイルと電気的に接続される第2の変換回路が形成された回路形成領域と、一次側コイル及び二次側コイルのうちの他方のコイルと電気的に接続された端子部とを含む。第1の変換回路は、端子部を介して、トランスと電気的に接続されており、第2の変換回路が接続された一方のコイルの巻き数は、端子部が接続された他方のコイルの巻き数より少ない。
多層基板には、トランスとともに、巻き数の少ない一方のコイルと電気的に接続される第2の変換回路が形成される。上述のように、トランスの一次側コイル及び二次側コイルに接続される回路のうち、巻き数の少ないコイルと回路とを接続する接続部(配線)の配線インダクタンスの方が回路動作に与える悪影響の度合いが大きい。そのため、巻き数の少ないコイルと接続される第2の変換回路を回路形成領域に形成することによって、第2の変換回路をトランスの近傍に配置できる。これにより、トランスと第2の変換回路とを接続する配線長を短くできるので、配線インダクタンスが増加するのを抑制できる。その結果、配線インダクタンスの増加に起因する回路動作への悪影響を抑制できる。
第1の変換回路は、端子部を介して、巻き数の多い他方のコイルと電気的に接続されている。巻き数の多いコイルと回路とを接続する接続部(配線)の配線インダクタンスは回路動作に与える悪影響の度合いが小さい。そのため、第1の変換回路を、多層基板とは別の配線基板(回路基板)に形成したとしても、回路動作に悪影響が及ぶのを抑制できる。さらに、第1の変換回路を回路基板に形成することによって、第1の変換回路及び第2の変換回路の両方を多層基板に形成する場合に比べて、多層基板のサイズを小さくできる。これにより、多層基板のサイズ増加に起因するコストの増加を抑制できる。なお、隣接とは、隣り合っていることを意味する。そのため、トランス領域に隣接する領域(回路形成領域)は、トランス領域に隣り合う領域を含む。
(2)好ましくは、回路基板の層数は、多層基板の層数より少ない。これにより、多層基板に比べて少ない製造工数で回路基板を作製できる。回路基板の製造が容易になるため、このような回路基板を用いることによって、電力変換装置の製造コストを容易に低減できる。
(3)より好ましくは、回路基板の主面の面積は、多層基板の主面の面積より大きい。これにより、多層基板のサイズ増加を抑制しつつ、回路の実装領域を容易に確保できる。そのため、例えば、他の回路を実装する必要がある場合に、そのような回路を回路基板に容易に実装できる。
(4)さらに好ましくは、多層基板は、トランス領域において、一次側コイルを構成する導電層と、二次側コイルを構成する導電層とが交互に積層されている。これにより、一次側コイルと二次側コイルとの間の交差磁束が増加するので、一次側コイルと二次側コイルとの結合を良好にできる。そのため、磁束の漏れを抑制できるので、伝送効率の向上及び内部損失の低減を図ることができる。
(5)さらに好ましくは、第1の変換回路は、直流電圧を交流電圧に変換する第1のスイッチ回路を含み、第2の変換回路は、第1のスイッチ回路で変換された交流電圧を整流する第2のスイッチ回路を含む。これにより、回路動作への悪影響を抑制することが可能な、降圧DC/DCコンバータを容易に得ることができる。
(6)さらに好ましくは、回路形成領域は、トランス領域に対して、端子部とは反対側の領域に設けられている。これにより、多層基板と回路基板とを容易に電気的に接続できる。
(7)さらに好ましくは、回路基板は、第1の変換回路及び第2の変換回路の少なくとも一方の駆動を制御する制御部を含む。これにより、第1の変換回路及び第2の変換回路の少なくとも一方の駆動を容易に制御できる。
(8)本開示の第2の局面に係る多層基板は、導電層が積層された多層基板である。この多層基板は、導電層によって、トランスの一次側コイル及び二次側コイルが形成されたトランス領域と、トランス領域に隣接し、一次側コイル及び二次側コイルのうちの一方のコイルと電気的に接続される回路が形成される回路形成領域と、一次側コイル及び二次側コイルのうちの他方のコイルと電気的に接続される端子部とを含む。一方のコイルの巻き数は、他方のコイルの巻き数より多くなるよう構成されている。こうした多層基板を用いることにより、多層基板のサイズ増加を抑制しながら、配線インダクタンスに起因する回路動作への悪影響を抑制することが可能な電力変換装置を容易に得ることができる。
(9)好ましくは、多層基板は、回路形成領域に実装され、回路を構成する電子部品と、トランス領域に配置され、一次側コイル及び二次側コイルが巻回されるコア部材とをさらに含む。このような多層基板を用いることにより、多層基板のサイズ増加を抑制しながら、配線インダクタンスに起因する回路動作への悪影響を抑制することが可能な電力変換装置をより容易に得ることができる。
(10)本開示の第3の局面に係る車両は、電力を供給する蓄電装置と、蓄電装置から供給される電力を変換する、上記第1の局面に係る電力変換装置と、電力変換装置により変換された電力が供給される負荷とを含む。これにより、車両において、蓄電装置から供給された電力を電力変換装置によって効率よく変換して、負荷に供給できる。
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の実施形態に係る電力変換装置、多層基板及び車両の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの機能及び名称も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
(第1の実施の形態)
[全体構成]
図1を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置は、絶縁型の電力変換装置の一種である降圧型のDC/DCコンバータ50である。このDC/DCコンバータ50は、トランスTRが形成された多層基板100(以下「トランス基板100」と呼ぶ)と、このトランス基板100が取付けられる回路基板200(以下「メイン基板200」と呼ぶ)とを含む。
本DC/DCコンバータ50は、当該DC/DCコンバータ50を構成する主要な構成要素がトランス基板100とメイン基板200とに分散して配置された構造を持つ。すなわち、トランス基板100に搭載されない構成要素がメイン基板200に配置されている。これにより、トランス基板100のサイズ増加が抑制されている。
[トランス基板100の構成]
図2及び図3を参照して、トランス基板100は、トランスTRが形成されたトランス領域110と、トランス領域110に隣接する領域であって、整流回路130が形成された回路形成領域120とを含む。トランス領域110には、トランスTRの一次側コイル及び二次側コイルが形成されている。一次側コイル及び二次側コイルは、トランス基板100に含まれる導電層をコイル状にパターニングにすることによって形成されている。一次側コイルは、その巻き数が、二次側コイルより多くなるよう構成されている。換言すると、二次側コイルの巻き数は、一次側コイルの巻き数より少ない。さらに、一次側コイルを構成する導電層と二次側コイルを構成する導電層とは、トランス領域110において、交互に積層されている。一次側コイル及び二次側コイルの詳細については後述する。
トランス基板100は、複数の導電層(配線層)が積層一体化された構造を有する。本実施の形態では、トランス基板100の層数は4層である。すなわち、トランス基板100は4層構造のプリント配線基板102を含む。
トランス基板100のトランス領域110には、一次側コイル及び二次側コイルが巻回されるコア部材140が配置されている。図5を参照して、このコア部材140はEI型のトランスコアであり、E型コア142とI型コア144とを含む。E型コア142は、中央磁脚142aと、側磁脚142b及び142cとを含む。
図4を参照して、トランス領域110には、貫通孔102aと、切欠き部102b及び102cとが形成されている。これらの貫通孔102a、並びに、切欠き部102b及び102cは、いずれも矩形状に形成されている。切欠き部102bは、貫通孔102aに対して、トランス基板100の短手方向の一端側に形成されており、切欠き部102cは、貫通孔102aに対して、トランス基板100の短手方向の他端側に形成されている。
再び図2を参照して、トランス基板100の貫通孔102aには、E型コア142の中央磁脚142aが挿通される。切欠き部102b及び102cには、それぞれ、E型コア142の側磁脚142b及び142cが挿通される。I型コア144は、E型コア142の中央磁脚142aの先端並びに側磁脚142b及び142cの先端と対向するように配置されている。
トランス基板100の回路形成領域120には、回路を構成するための電子部品が実装されている。具体的には、回路形成領域120には、整流回路130を構成するスイッチ素子S1及びS2が実装されている。スイッチ素子S1及びS2は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)から構成されている。スイッチ素子S1及びS2は、MOSFET以外の例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びHEMT(High Electron Mobility Transistor)等のパワー半導体デバイスであってもよい。
整流回路130は、スイッチ素子S1及びS2を含むプッシュプル回路である。スイッチ素子S1は、互いに並列接続されたスイッチ素子S1a及びスイッチ素子S1bを含む。すなわち、整流回路130に流れる電流が大きいことを考慮して、1つのスイッチングに対して2つのスイッチ素子S1a及びS1bを用いてON/OFFを行なう構成としている。同様に、スイッチ素子S2も互いに並列接続されたスイッチ素子S2aとスイッチ素子S2bを含む。なお、スイッチ素子S1及びS2は、それぞれ、1つのスイッチ素子を用いる構成であってもよいし、3つ以上のスイッチ素子を用いる構成であってもよい。
図2及び図3を参照して、トランス基板100はさらに、入力側の端子部150及び152と、出力側の端子部160及び162とを含む。入力側の端子部150及び152は、トランス基板100の長手方向の一端側に配置されており、出力側の端子部160及び162は、トランス基板100の長手方向の他端側に配置されている。端子部150、152、160及び162は、いずれも、スルーホールによって形成されている。
回路形成領域120は、トランス領域110に対して、入力側の端子部150及び152とは反対側の領域に、トランス領域110と隣接するように設けられている。すなわち、回路形成領域120は、トランス領域110と隣り合うように設けられている。回路形成領域120のトランス領域110とは反対側には、出力側の端子部160及び162が設けられている。回路形成領域120に形成される整流回路130の入力側は、トランスTRの二次側コイルと電気的に接続されており、その出力側は出力側の端子部160及び162と電気的に接続されている。
入力側の端子部150及び152には、それぞれ、端子ピン154及び端子ピン156が取付けられている。端子部150と端子ピン154とは電気的に接続されており、端子部152と端子ピン156とは電気的に接続されている。同様に、出力側の端子部160及び162には、それぞれ、端子ピン164及び端子ピン166が取付けられている。端子部160と端子ピン164とは電気的に接続されており、端子部162と端子ピン166とは電気的に接続されている。
[メイン基板200の構成]
図6を参照して、メイン基板200は、トランス基板100よりも層数が少ないプリント配線基板202によって構成されている。プリント配線基板202には、一方の面(主面)のみに配線層が形成された片面基板又は両方の面(主面)に配線層が形成された両面基板を用いることができる。プリント配線基板202には、3層の多層基板を用いてもよい。このメイン基板200は、トランス基板100よりも基板サイズが大きい。すなわち、メイン基板200の主面の面積は、トランス基板100の主面の面積より大きい。メイン基板200の一辺には、トランス基板100が配設される、矩形状の切欠き部204が形成されている。
再び図1を参照して、切欠き部204の幅X1は、トランス基板100の長手方向の長さX2より小さく、奥行き方向の長さY1は、トランス基板100の短手方向の長さY2より大きい。トランス基板100は、長手方向の両端部分がメイン基板200と重なるように、当該メイン基板200の切欠き部204部分に配置され、端子ピン154、156、164、及び166を介して、メイン基板200に取付けられている。これにより、メイン基板200の切欠き部204を介して、トランス基板100のトランス領域110及び回路形成領域120がメイン基板200の表面側に露出する。そのため、トランス領域110のコア部材140及び回路形成領域120のスイッチ素子がメイン基板200と干渉するのが抑制される。
メイン基板200はさらに、インバータ回路210、平滑回路220、及び、制御部230を含む。インバータ回路210は、フルブリッジ接続された4つのスイッチ素子Q1〜Q4を含む。インバータ回路210の出力側は、トランス基板100の入力側の端子部150及び152(端子ピン154及び156)を介して、トランスTRの一次側コイルと電気的に接続される。スイッチ素子Q1〜Q4は、例えばMOSFETから構成されている。ただし、スイッチ素子Q1〜Q4は、MOSFET以外の例えばIGBT、及びHEMT等のパワー半導体デバイスであってもよい。
平滑回路220は、整流回路130からの整流出力に含まれる脈流分を除去して平滑化する回路である。平滑回路220の入力側は、トランス基板100の出力側の端子部160及び162(端子ピン164及び166)を介して、整流回路130の出力側と電気的に接続されている。制御部230は、CPU(Central Processing Unit)及びメモリ等(いずれも図示せず。)を含むマイクロコンピュータであり、インバータ回路210及び整流回路130の駆動を制御する。制御部230は、アナログIC、FPGA(Field−Programmable Gate Array)等の制御用ICであってもよい。なお、制御部230とトランス基板100とを接続する配線等は図示を省略している。
[回路構成]
図7を参照して、DC/DCコンバータ50は、トランスTRと、このトランスTRを中心とする一次側部分50A及び二次側部分50Bと、制御部230とを含む。一次側部分50Aは、2つの入力端子240及び242の間に接続されたコンデンサC0と、インバータ回路210とを含む。二次側部分50Bは、整流回路130と、平滑回路220とを含む。入力端子240及び242には高電圧の直流電圧が印加される。入力端子240及び242から入力された高電圧の直流電圧はDC/DCコンバータ50にて低電圧の直流電圧に変換され、出力端子244及び246から取出される。
入力端子240及び242と、コンデンサC0と、インバータ回路210と、平滑回路220と、出力端子244及び246と、制御部230とはメイン基板200に設けられている。トランスTRと、整流回路130とはトランス基板100に設けられている。
トランスTRは、センタータップ式であり、一次側コイル60、二次側コイル62、及び、コア部材140を含む。二次側コイル62は、第1のコイル62aと、第1のコイル62aと直列に接続された第2のコイル62bとを含む。一次側コイル60と二次側コイル62(第1のコイル62a、第2のコイル62b)の巻数比(一次側コイル60の巻き数:第1のコイル62aの巻き数:第2のコイル62bの巻き数)は、例えば、10:1:1である。
インバータ回路210は、コンデンサC0と並列に、入力端子240と入力端子242との間に直列に接続されたスイッチ素子Q1及びQ3と、同様に入力端子240と入力端子242との間に、コンデンサC0並びにスイッチ素子Q1及びQ3と並列に接続されたスイッチ素子Q2及びQ4とを含む。スイッチ素子Q1及びQ2のドレインは入力端子240に接続されている。スイッチ素子Q3及びQ4のソースは入力端子242に接続されている。スイッチ素子Q1のソースとスイッチ素子Q3のドレインとは互いに接続されている。同様にスイッチ素子Q2のソースとスイッチ素子Q4のドレインとは互いに接続されている。
スイッチ素子Q1及びQ3の接点は、入力側の端子部150を介して、トランスTRの一次側コイル60の一方端と接続されている。トランスTRの一次側コイル60の他方端は、入力側の端子部152を介して、スイッチ素子Q2及びQ4の接点と接続されている。
整流回路130は、トランスTRを介して伝送されたインバータ回路210からの出力を整流する。整流回路130は、スイッチ素子S1及びS2を含む。図7では、スイッチ素子S1a及びS1bは機能的には同じであるため、これらをまとめてスイッチ素子S1として記載している。同様に、スイッチ素子S2a及びS2bは機能的には同じであるため、これらをまとめてスイッチ素子S2として記載している。
スイッチ素子S1のドレインは二次側コイル62の一方端(第1のコイル62aの一方端)に接続されており、スイッチ素子S2のドレインは二次側コイル62の他方端(第2のコイル62bの他方端)に接続されている。第1のコイル62aの他方端は第2のコイル62bの一方端に接続されており、その接点は出力側の端子部160に接続されている。スイッチ素子S1のソース及びスイッチ素子S2のソースは、出力側の端子部162に接続されている。
平滑回路220は、出力側の端子部160(端子ピン164)を介して、二次側コイル62の接点(第1のコイル62aと第2のコイル62bの接点)に直列に接続されるコイルLと、出力端子244及び246の間に接続されたコンデンサC1とを含む。
制御部230は、インバータ回路210を構成するスイッチ素子Q1〜Q4、及び、整流回路130を構成するスイッチ素子S1〜S2を駆動制御する。
[トランスTRのコイル構成]
トランス基板100は、表面に導電層が形成された基材を複数積層することによって形成されている。基材は例えばガラスエポキシ等の絶縁材料から構成されており、導電層は例えば銅等の導電材料から構成されている。導電層は、フォトリソグラフィ技術等を用いて所望の形状にパターニングされている。具体的には、導電層上に設けられたレジストを、フォトリソグラフィ技術等を用いてパターニングした後、そのレジストをマスクとして導電層をエッチングすることにより、当該導電層が所望の形状にパターニングされている。
図8A及び図8Bを参照して、一次側コイル60は、前半部分と後半部分とで2つの層に分かれて形成されている。具体的には、一次側コイル60は、基材102Aの表面にコイル状に形成された導電層112(図8A参照)と、基材102Bの表面にコイル状に形成された導電層114(図8B参照)とによって構成されている。コイル状の導電層112は、コア部材140の中央磁脚142a(図5参照)が挿通される貫通孔102aの周囲を5ターンするように形成されている。同様に、コイル状の導電層114も、コア部材140の中央磁脚142a(図5参照)が挿通される貫通孔102aの周囲を5ターンするように形成されている。導電層112の一方端は、入力側の端子部150と電気的に接続されており、導電層114の他方端は、入力側の端子部152と電気的に接続されている。導電層112の他方端と導電層114の一方端とは、ビア170を介して電気的に接続されている。
図9A及び図9Bを参照して、二次側コイル62を構成する第1のコイル62aは、基材102Cの表面にコイル状に形成された導電層116(図9A参照)によって構成されている。二次側コイル62を構成する第2のコイル62bは、基材102Dの表面にコイル状に形成された導電層118(図9B参照)によって構成されている。第1のコイル62a(導電層116)及び第2のコイル62b(導電層118)はいずれも、貫通孔102aの周囲を1ターンするように形成されている。コイル状の導電層116が形成される基材102Cの表面にはさらに、スイッチ素子S1及びS2のソースが接続される導電層180と、スイッチ素子S2のドレインが接続される導電層182とが形成されている。スイッチ素子S1及びS2のソースが接続される導電層180は、導電層180と一体的に形成された配線部180aを介して、出力側の端子部162とも電気的に接続されている。スイッチ素子S1のドレインはコイル状の導電層116の一方端に接続されている。
コイル状の導電層116(図9A参照)の他方端は、ビア172を介して、コイル状の導電層118(図9B参照)の一方端と電気的に接続されている。この導電層118の一方端は、導電層118と一体的に形成された配線部118aを介して、出力側の端子部160とも電気的に接続されている。スイッチ素子S2のドレインが接続される導電層182(図9A参照)は、ビア174を介して、コイル状の導電層118(図9B参照)の他方端と電気的に接続されている。
図10を参照して、トランス基板100は、基材102C→基材102A→基材102D→基材102Bの順に第1層〜第4層となるように基材が配置され、プリプレグ等の絶縁性の接着剤を間に介して積層一体化されている。図11を参照して、このようにして形成されたトランス基板100は、上記したように、一次側コイル60を構成する導電層112及び114と二次側コイル62を構成する導電層116及び118とが、トランス領域110において、交互に積層配置されている。
[シミュレーションによる確認]
一次側コイルに比べて、二次側コイルの巻き数が少ないトランスを用いた場合に、どの配線が回路動作に影響を与えるのかを確認するために行なったシミュレーションの内容について説明する。
図12にシミュレーションに用いた回路構成を示す。図12を参照して、この回路30は、本実施の形態に係るDC/DCコンバータ50の回路構成(図7参照)を模擬している。回路30は、4つのスイッチ素子を含むインバータ回路32、トランス34、整流回路36、及び平滑回路38を含む。整流回路36には、スイッチ素子に代えてダイオードを用いた。トランス34は、トランスTRと同様、センタータップ方式であり、一次側コイルと二次側コイルとを含む。二次側コイルは第1のコイルと第2のコイルとを含む。このような回路構成において、トランス34の一次側及び二次側の各々の配線に配線インダクタンスL1〜L4を設定した。配線インダクタンスL1は、一次側コイルとインバータ回路32とを接続する配線の配線インダクタンスであり、配線インダクタンスL2及びL3は、二次側コイルと整流回路36とを接続する配線の配線インダクタンスである。配線インダクタンスL4は、二次側コイルの接点(第1のコイルと第2のコイルとの接点)と平滑回路38とを接続する配線の配線インダクタンスである。
配線インダクタンスによって電力伝達が阻害されると、インバータ回路32の駆動duty比が低下し、DC/DCコンバータとしての出力電圧が低下する。そこで、各配線インダクタンスL1〜L4を1nH、5nH、10nH、100nHとしたときの出力電圧を比較した。
図13にシミュレーション条件を示す。図13を参照して、回路動作は位相シフトフルブリッジとした。入力電圧は400V、出力電流は100Aである。各スイッチ素子の駆動周波数は500kHzであり、duty比は0.23である。トランス巻数比(一次側コイルの巻き数:第1のコイルの巻き数:第2のコイルの巻き数)は、本実施の形態と同様、10:1:1とした。
図14にシミュレーションの結果を示す。図14を参照して、一次側の配線インダクタンスL1の値を1nH〜100nHのいずれにしても出力電圧の低下は見られなかった。これに対し、二次側については、配線インダクタンスL2の値を100nHにしたとき、及び配線インダクタンスL3の値を100nHにしたときに出力電圧が低下する傾向が見られた。配線インダクタンスL4の値を100nHにしたときにも出力電圧が低下する傾向が見られたものの、その程度はわずかであった。すなわち、トランス34と整流回路36とを接続する接続部(配線)の配線インダクタンスL2及びL3が、一次側の配線インダクタンスL1に比べて回路動作に与える悪影響が大きい結果となった。
以上のシミュレーションの結果より、一次側の配線インダクタンスL1の増加は、出力電圧、すなわち回路動作に与える悪影響の度合いが小さく、二次側の配線インダクタンスL2及びL3の増加は、出力電圧に与える悪影響の度合いが大きいことが確認された。
[本実施の形態の効果]
以上の説明から明らかなように、本実施の形態に係るDC/DCコンバータ50は以下に述べる効果を奏する。
トランス基板100には、トランスTRとともに整流回路130が形成される。整流回路130は、巻き数の少ない二次側コイル62と電気的に接続されている。上述のように、トランスTRの一次側コイル60及び二次側コイル62に接続される回路のうち、巻き数の少ないコイルと回路とを接続する接続部(配線)の配線インダクタンスの方が回路動作に与える悪影響の度合いが大きい。巻き数の少ない二次側コイル62と接続される整流回路130を回路形成領域120に形成することによって、整流回路130をトランスTRの近傍に配置できる。これにより、トランスTRと整流回路130とを接続する配線長を短くできるので、配線インダクタンスが増加するのを抑制できる。その結果、配線インダクタンスの増加に起因する回路動作への悪影響(出力電圧の低下)を抑制できる。
インバータ回路210は、入力側の端子部150及び152を介して、巻き数の多い一次側コイル60と電気的に接続されている。巻き数の多いコイルと回路とを接続する接続部(配線)の配線インダクタンスは回路動作に与える悪影響の度合いが小さい。そのため、インバータ回路210を、トランス基板100とは別の配線基板(メイン基板200)に形成したとしても、回路動作に悪影響が及ぶのを抑制できる。さらに、インバータ回路210をメイン基板200に形成することによって、インバータ回路210及び整流回路130の両方をトランス基板100に形成する場合に比べて、トランス基板100のサイズを小さくできる。これにより、トランス基板100のサイズ増加に起因するコストの増加を抑制できる。
さらに、DC/DCコンバータ50を、トランス基板100及びメイン基板200を含むように構成することによって、トランス基板100とメイン基板200とを個別に設計できるため、設計自由度が向上する。加えて、トランス基板100を他の装置に流用することもできる。
メイン基板200の層数をトランス基板100の層数より少なくすることにより、トランス基板100に比べて少ない製造工数でメイン基板200を作製できる。メイン基板200の製造が容易になるため、このようなメイン基板200を用いることによって、製造工数の削減、製造時間の短縮等を図ることができるので、電力変換装置の製造コストを容易に低減できる。
メイン基板200の主面の面積を、トランス基板100の主面の面積より大きくすることによって、トランス基板100のサイズ増加を抑制しつつ、回路の実装領域を容易に確保できる。そのため、例えば、フィルター回路等の他の回路を実装する必要がある場合に、そのような回路をメイン基板200に容易に実装できる。
トランス基板100は、トランス領域110において、一次側コイル60を構成する導電層112及び114と、二次側コイル62を構成する導電層116及び118とが交互に積層されている。これにより、一次側コイル60と二次側コイル62との間の交差磁束が増加するので、一次側コイル60と二次側コイル62との結合を良好にできる。そのため、磁束の漏れを抑制できるので、伝送効率の向上及び内部損失の低減を図ることができる。
回路形成領域120を、トランス領域110に対して、入力側の端子部150及び152とは反対側の領域に設けることによって、トランス基板100とメイン基板200とを容易に電気的に接続できる。
さらに、メイン基板200に制御部230を実装することによって、インバータ回路210及び整流回路130の駆動を容易に制御できる。
さらに上記したトランス基板100を用いることによって、本実施の形態に係るDC/DCコンバータ50を容易に製造することができる。
(第2の実施の形態)
本実施の形態に係るDC/DCコンバータは、トランス基板に層数の多い高多層基板が用いられている点において、第1の実施の形態とは異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。
トランス基板の層数は例えば12層である。このトランス基板は、第1の実施の形態と同様、トランスの一次側コイルと二次側コイルとが交互に積層されて一体化されている。層数が12層の場合、トランス基板には、図8A、図8B、図9A、及び図9Bに示した各基材が3枚ずつ用いられる。
具体的には、一次側コイルは、表面にコイル状の導電層112が形成された基材102A(図8A参照)、及び、表面にコイル状の導電層114が形成された基材102B(図8B参照)をそれぞれ3枚ずつ用いて形成されている。3枚の基材102Aは、それぞれ、第2層、第4層、第6層に配置される。コイル状の各導電層112は、ビア170及び入力側の端子部150を介して、互いに並列接続されている。これにより、一次側コイルの前半部分が構成されている。同様に、3枚の基材102Bは、それぞれ、第7層、第9層、第11層に配置される。コイル状の各導電層114は、ビア170及び入力側の端子部152を介して、互いに並列接続されている。これにより、一次側コイルの後半部分が形成されている。前半部分と後半部分とは、ビア170を介して、直列接続されている。
二次側コイルは、第1のコイルと第2のコイルとに分けられる。第1のコイルは、表面にコイル状の導電層116が形成された基材102C(図9A参照)を3枚用いて形成されている。3枚の基材102Cは、それぞれ、第1層、第3層、第5層に配置される。コイル状の各導電層116は、ビア176及び172を介して、互いに並列接続されている。なお、内装(第3層、第5層)に配置される基材102Cについては、導電層180は形成されていなくてもよい。同様に、第2のコイルは、表面にコイル状の導電層118が形成された基材102D(図8A参照)を3枚用いて形成されている。3枚の基材102Dは、それぞれ、第8層、第10層、第12層に配置される。コイル状の各導電層118は、ビア172及び174を介して、互いに並列接続されている。3枚の基材102Dのうちの少なくとも1つに配線部118aが設けられる構成であってもよい。
本実施の形態では、トランス基板を高多層化するとともに、トランスの一次側コイルを構成する複数の導電層と、二次側コイルを構成する複数の導電層とを交互に積層している。一次側コイルと二次側コイルとの間の交差磁束がより増加するので、一次側コイルと二次側コイルとの結合をより一層良好にできる。これにより、磁束の漏れを効果的に抑制できるので、伝送効率の向上及び内部損失の低減を容易に図ることができる。
その他の効果は、第1の実施の形態と同様である。
(第3の実施の形態)
図15を参照して、本実施の形態に係るDC/DCコンバータ350は、フィルター回路250及び252を含む点において、第1の実施の形態とは異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。
DC/DCコンバータ350は、メイン基板200(図1参照)に代えて、メイン基板300を含む。フィルター回路250及び252は、それぞれ、メイン基板300上に実装されている。メイン基板300は、その主面の面積が、トランス基板100の主面の面積より大きい。そのため、DC/DCコンバータがフィルター回路を含む場合に、そうしたフィルター回路250及び252をメイン基板300上に容易に実装することが可能となる。メイン基板300のその他の構成は、メイン基板200と同様である。
その他の効果は、第1の実施の形態と同様である。
(第4の実施の形態)
本実施の形態では、第1の実施の形態に係る降圧型のDC/DCコンバータ50を車両に搭載する例について説明する。
図16を参照して、本実施の形態に係る車両400は、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、又はプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)である。車両400は、主機モータ410、インバータ420、高圧バッテリ430、低圧バッテリ440、DC/DCコンバータ50、及び補機450を含む。
主機モータ410は、走行用のモータであり、インバータ420から出力される交流電力により駆動される。インバータ420は、高圧バッテリ430の直流電力を交流電力に変換して主機モータ410に供給する。補機450は、低圧バッテリ440の直流電力により動作する電子機器であり、例えば、ECU(Electronic Control
Unit)、ヘッドライト、室内灯等の低圧負荷を含む。
高圧バッテリ430は、例えば、リチウムイオンバッテリ等を複数接続して構成される高圧(例えば300V)の蓄電装置である。低圧バッテリ440は、例えば、鉛電池等の低圧(例えば12V)の蓄電装置である。
本実施の形態では、車両400が、上記第1の実施の形態で示したDC/DCコンバータ50を搭載することにより、高圧バッテリ430から供給された電力をDC/DCコンバータ50によって効率よく変換して、低圧バッテリ440又は補機450に供給できる。
なお、上記第1の実施の形態に係るDC/DCコンバータ50に代えて、第2の実施の形態又は第3の実施の形態に係るDC/DCコンバータを車両400に搭載するようにしてもよい。
(変形例)
上記実施の形態では、降圧型のDC/DCコンバータに本開示を適用した例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。例えば、昇圧型のDC/DCコンバータに本開示を適用してもよい。その場合、トランス基板には、整流回路に代えて、インバータ回路を実装するようにすればよい。
上記実施の形態では、DC/DCコンバータのインバータ回路をフルブリッジ回路により構成した例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。インバータ回路は、例えばハーフブリッジ回路等の他の回路構成であってもよい。
上記実施の形態では、二次側に2つのコイルを持つ、合計3つのコイルからなるトランスを用いた例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。トランスのコイルの数は、2つであってもよいし、3つより多くてもよい。また、補助コイルを設ける構成としてもよい。
上記実施の形態では、トランス基板において、一次側コイルと二次側コイルとを交互に積層する例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。トランス基板は、一次側コイルと二次側コイルとが交互に積層されていない構成であってもよい。一次側コイルと二次側コイルとを交互に積層する場合、上記実施の形態で示したように、1層毎に交互に積層するようにしてもよいし、複数層毎(例えば2層毎)に交互に積層するようにしてもよい。
上記実施の形態では、4層又は12層のトランス基板を用いる例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。トランス基板の層数は、上記実施の形態で示したもの以外であってもよい。
上記実施の形態では、トランス基板の基材に、片面に導電層が形成された基材を用いる例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。例えば、両面に導電層が形成された基材をトランス基板の基材に用いてもよい。基材の材質は、ガラスエポキシ以外の絶縁材料を用いてもよい。その場合、放熱特性に優れた材料を用いるのが好ましい。
上記実施の形態では、整流回路をプッシュプル回路とする例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。整流回路はプッシュプル回路以外の回路構成であってもよい。
上記実施の形態では、トランス基板に整流回路を形成する例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。トランス基板に形成する回路は整流回路以外の回路であってもよい。例えば、トランス基板に他のAC/DC変換部を設けるようにしてもよい。
上記実施の形態では、メイン基板に制御部を実装する例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。例えば、メイン基板以外の他の基板等に制御部を実装するようにしてもよい。上記実施の形態ではさらに、メイン基板にフィルター回路を実装する例についても示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。例えば、フィルター回路以外の回路又は部品等を、フィルター回路に代えて、又はフィルター回路とともにメイン基板に実装するようにしてもよい。
上記実施の形態では、1つの回路基板(メイン基板)を含むDC/DCコンバータの例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。DC/DCコンバータは、複数の回路基板を含む構成であってもよい。
上記実施の形態では、メイン基板において、トランス基板が配置される部分に切欠き部を設けた例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。メイン基板に切欠き部を設けない構成であってもよい。トランス基板をメイン基板に取付ける方法は、上記実施の形態で示した方法以外であってもよい。なお、トランス基板はメイン基板と電気的に接続されていればよく、そういった観点から、トランス基板はメイン基板以外の部材に取付けられていてもよい。
上記実施の形態では、トランスのコア部材にEI型のコアを用いた例について示したが、本開示はそのような実施の形態には限定されない。コア部材は、例えば、EE型、EF型、ER型、PQ型等の他の形状であってもよい。
なお、上記で開示された技術を適宜組合せて得られる実施形態についても、本開示の技術的範囲に含まれる。
今回開示された実施の形態は単に例示であって、本開示が上記した実施の形態のみに限定されるわけではない。本開示の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。
30 回路
32、210 インバータ回路
34、TR トランス
36、130 整流回路
38、220 平滑回路
50、350 DC/DCコンバータ
50A 一次側部分
50B 二次側部分
60 一次側コイル
62 二次側コイル
62a 第1のコイル
62b 第2のコイル
100 トランス基板、多層基板
102、202 プリント配線基板
102A〜102D 基材
102a 貫通孔
102b、102c、204 切欠き部
110 トランス領域
112、114、116、
118、180、182 導電層
118a、180a 配線部
120 回路形成領域
140 コア部材
142 E型コア
142a 中央磁脚
142b、142c 側磁脚
144 I型コア
150、152、160、162 端子部
154、156、164、166 端子ピン
170、172、174、176 ビア
200、300 メイン基板、回路基板
230 制御部
240、242 入力端子
244、246 出力端子
250、252 フィルター回路
400 車両
410 主機モータ
420 インバータ
430 高圧バッテリ
440 低圧バッテリ
450 補機
Q1〜Q4、S1〜S2 スイッチ素子

Claims (10)

  1. 導電層を含み、前記導電層によって、トランスの一次側コイル及び二次側コイルが形成された多層基板と、
    前記多層基板と電気的に接続され、第1の変換回路が形成された回路基板とを含み、
    前記多層基板は、
    前記トランスが形成されたトランス領域と、
    前記トランス領域に配置され、前記一次側コイル及び前記二次側コイルが巻回されたコア部材と、
    前記トランス領域に隣接し、前記一次側コイル及び前記二次側コイルのうちの一方のコイルと電気的に接続される第2の変換回路が形成された回路形成領域と、
    前記一次側コイル及び前記二次側コイルのうちの他方のコイルと電気的に接続された端子部とを含み、
    前記第1の変換回路は、前記端子部を介して、前記トランスと電気的に接続されており、
    前記第2の変換回路が接続された前記一方のコイルの巻き数は、前記端子部が接続された前記他方のコイルの巻き数より少ない、電力変換装置。
  2. 前記回路基板の層数は、前記多層基板の層数より少ない、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記回路基板の主面の面積は、前記多層基板の主面の面積より大きい、請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
  4. 前記多層基板は、前記トランス領域において、前記一次側コイルを構成する導電層と、前記二次側コイルを構成する導電層とが交互に積層されている、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. 前記第1の変換回路は、直流電圧を交流電圧に変換する第1のスイッチ回路を含み、
    前記第2の変換回路は、前記第1のスイッチ回路で変換された交流電圧を整流する第2のスイッチ回路を含む、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. 前記回路形成領域は、前記トランス領域に対して、前記端子部とは反対側の領域に設けられている、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  7. 前記回路基板は、前記第1の変換回路及び前記第2の変換回路の少なくとも一方の駆動を制御する制御部を含む、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. 導電層が積層された多層基板であって、
    前記導電層によって、トランスの一次側コイル及び二次側コイルが形成されたトランス領域と、
    前記トランス領域に隣接し、前記一次側コイル及び前記二次側コイルのうちの一方のコイルと電気的に接続される回路が形成される回路形成領域と、
    前記一次側コイル及び前記二次側コイルのうちの他方のコイルと電気的に接続される端子部とを含み、
    前記一方のコイルの巻き数は、前記他方のコイルの巻き数より少ない、多層基板。
  9. 前記回路形成領域に実装され、前記回路を構成する電子部品と、
    前記トランス領域に配置され、前記一次側コイル及び前記二次側コイルが巻回されるコア部材とをさらに含む、請求項8に記載の多層基板。
  10. 電力を供給する蓄電装置と、
    前記蓄電装置から供給される電力を変換する、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と、
    前記電力変換装置により変換された電力が供給される負荷とを含む、車両。
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