スイッチング電源装置
【課題】冷却水路での圧力損失低減を図り、発熱の大きい部品を効率良く冷却できるとともに、生産性向上・小型化が図れるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】冷却水路２０２は、発熱部品を固定する金属筐体２０１に直線状に形成されており、スイッチング素子および整流素子１０７ａ、１０７ｂは、直線状に形成された冷却水路２０２の上に配置されているとともに、トランス１２０ａ、１２０ｂあるいは平滑コイル１０８ａ、１０８ｂなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど冷却水路２０２側に近くなるように配置されている。
【解決手段】冷却水路２０２は、発熱部品を固定する金属筐体２０１に直線状に形成されており、スイッチング素子および整流素子１０７ａ、１０７ｂは、直線状に形成された冷却水路２０２の上に配置されているとともに、トランス１２０ａ、１２０ｂあるいは平滑コイル１０８ａ、１０８ｂなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど冷却水路２０２側に近くなるように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部品を冷却するための冷却水路を設けたスイッチング電源装置に係わり、さらに詳しくは、冷却水路での圧力損失低減を図り、発熱部品を効果的に冷却できるとともに、生産性向上・小型化が図れる絶縁型のスイッチング電源装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高電圧の直流電圧を所望の直流電圧に降下させるスイッチング電源装置として、直流入力電圧をスイッチング素子により矩形波電圧に変換し、変換した矩形波電圧をトランスの一次巻線に印加し、トランスの二次巻線から取り出された矩形波電圧を整流素子、チョークコイル、コンデンサなどで構成される回路にて整流、平滑することにより、所望の直流電圧を得るスイッチング電源装置がある。
特に、近年注目され始めたハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載されるスイッチング電源装置では、数百Ｖ（ボルト）に達する高電圧バッテリの電圧を、従来車の電源系電圧として採用されている１４Ｖに降圧し、多くの電気負荷や鉛バッテリに電力を供給している。
【０００３】
また、ハイブリッド車や電気自動車は、スイッチング電源装置の他にもモータやインバータなどの発熱機器が存在するために、一般的には電動ウォーターポンプやラジエータを備えた専用の冷却系を有している。
ハイブリッド車や電気自動車に搭載されるスイッチング電源装置の内部に流れる電流は、数十Ａ（アンペア）〜百数十Ａに達するため、特に、スイッチング素子や整流素子での発熱やトランスなど磁性部品での発熱が大きくなる。
このため、先ほど述べた冷却系の冷却水が流れる水路（冷却水路）をスイッチング電源装置の金属筐体に設けることにより、発熱部品を冷却する。
金属筐体に冷却水路を備えたスイッチング電源装置としては、例えば特許文献１（特許第３７３０９６８号公報）に示すものが提案されている。この特許文献１には複数の屈曲部を有して複雑に引き回された冷却水路が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７３０９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スイッチング電源装置を構成するスイッチング素子やトランスなどは、相当の熱を発生するため、これらの発熱部品で発生する熱は金属筐体により放熱処理される。
金属筐体に設けられる冷却水路は、一般的に発熱部（発熱部品）の直下を通過するようにレイアウトされることが多い。
そのため、発熱部品が点在している場合は冷却水路が複雑な形状になり、冷却水路での冷却水の圧力損失が増加して冷却水の流れが悪くなって、発熱部品を効果的に冷却できなくなるという問題点がある。
また、冷却水路での冷却水の圧力損失の増加に伴って、冷却水路に冷却水を流すための電動ウォーターポンプの性能を上げるなどの対策が必要になる。
このため、圧力損失が小さくなる直線状の冷却水路を設け、直線状の冷却水路上にスイッチング電源装置の主回路部品（すなわち、発熱部品）を配置することにより有効に冷却できる。
しかし、直線状の冷却水路の場合は、全ての発熱部品を冷却水路の真上に配置すると、
スイッチング電源装置の形状が細長くなって小型化が阻害されるとともに、部品間の結線も難しくなり生産性も悪くなるという問題点が発生する。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、スイッチング素子、整流素子、トランス、平滑コイル、共振コイルなどの発熱部品を、直線状をした冷却水路の上部（真上）あるいは近傍に合理的に配置することによって、発熱の大きい部品を効率良く（効果的に）冷却できるとともに、生産性向上・小型軽量化などが図れるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るスイッチング電源装置は、スイッチング素子を設けて入力する直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、前記インバータ回路の一次側スイッチング素子がゼロボルトスイッチング動作するのに必要な共振コイルと、前記インバータ回路から一次巻線の両端に印加される交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線に出力するトランスと、前記トランスの二次巻線から出力する交流電圧を整流するための二次側整流素子と、前記二次側整流素子を設けた整流回路からの出力を平滑する平滑コイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コイルと前記平滑コンデンサによって得られる直流電圧を出力するための出力端子と、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルを固定し、かつ、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルで発生する熱を放熱するための冷却水路を設けた金属筐体とを備えた絶縁型のスイッチング電源装置であって、
前記冷却水路は、前記金属筐体に直線状に形成されており、
前記スイッチング素子および前記整流素子は、直線状に形成された前記冷却水路の上に配置されているとともに、前記トランスあるいは前記平滑コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど前記冷却水路側に近くなるように配置されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、冷却水路は金属筐体に直線状に形成されており、特に発熱が大きい発熱部品であるスイッチング素子および整流素子は、直線状に形成された冷却水路の上に配置されているとともに、さらに、トランスあるいは平滑コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど前記冷却水路側に近くなるように配置されているので、冷却水路での圧力損失を低減して、発熱の大きい部品を効率良く（効果的に）冷却できる。
また、冷却水路が直線状であるため、金属筐体に冷却水路を設けるための加工が容易となり、生産性の向上を図れる。
また、冷却水路での圧力損失を低減できるので、金属筐体の厚みを薄くすることが可能であり、冷却系の小形化や軽量化も図れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】スイッチング電源装置の一例を説明するための回路図である。
【図２】実施の形態１に係わるスイッチング電源装置の主要構成部品の配置例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１および図２を用いて、本発明の実施の形態例について説明する。
なお、各図間において、同一符号は、同一あるいは相当のものであることを表す。
実施の形態１．
本発明に係わる実施の形態について説明するために、絶縁型スイッチング電源の一般的な回路方式であるフルブリッジ・センタータップ式同期整流方式を例に挙げる。
フルブリッジ・センタータップ式同期整流方式は、一般的な全波整流回路と同等の整流
波形を得ることができる整流回路の一種である。フルブリッジ・センタータップ式同期整流方式の回路図を図１に示す。
図１に示すスイッチング電源装置は、トランスの一次巻線が直列に接続され、トランスの二次巻線が並列に接続されている。
【００１１】
図１に示したスイッチング電源装置の各構成部品について説明する。
１０１ａ、１０１ｂは、スイッチング電源へ直流電圧を印加する入力端子である。
入力端子１０１ａ、１０１ｂには、スイッチング電源装置の出力電圧よりも高い直流電圧が印加される。
１０２は、入力端子１０１ａ、１０１ｂに入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのスイッチング素子で構成されるインバータ回路である。一般的には、インバータ回路１０２は、ＭＯＳＦＥＴなどの複数のスイッチング素子から構成される。
１０３は、インバータ回路１０２のスイッチング素子で発生するスイッチング損失の低減を図るための「ゼロボルトスイッチング動作（ＺＶＳ動作）」に必要な共振コイル（共振インダクタ）である。
【００１２】
１０４ａ、１０４ｂは、インバータ回路１０２から出力される矩形波交流電圧が印加されるトランス（例えば、フルブリッジ・センタータップ式同期整流方式の整流回路を構成するトランス）の一次巻線である。
インバータ回路１０２に設けられた複数のスイッチング素子をスイッチングすることによって生成される矩形波に近い電圧波形が、トランスの一次巻線１０４ａ、１０４ｂに印加される。
１０５ａ、１０５ｂは、トランスの巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された矩形波交流電圧が印加されるトランスの二次巻線である。
１０６ａ、１０６ｂは、トランスの一次巻線１０４ａ、１０４ｂとトランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂを電磁気的に結合するための磁性体コアである。例えば、トランスを構成する各巻線が、磁性体コアに設けられた中脚部の周囲に配置される。
【００１３】
１０７ａ、１０７ｂは、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂから出力する交流電圧を整流するための整流素子である。
本実施の形態では、同期整流を実現するためのＭＯＳＦＥＴを用いるが、ダイオードなどのその他の整流素子であってもよい。
１０８ａ、１０８ｂは、整流素子１０７ａ、１０７ｂで整流したリップル電圧波形を平滑するための平滑コイルである。
１０９ａ、１０９ｂは、整流素子１０７ａ、１０７ｂで整流したリップル電圧波形を平滑するための平滑コンデンサである。平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂの片側は平滑コイルに接続され、もう一方の片側はグランドである金属筐体に接続されている。
１１０は、整流回路・平滑回路で得られた直流電圧をスイッチング電源の外部へ出力するための出力端子である。なお、本実施の形態では、二次側回路のグランドを金属筐体と同電位にしているため、出力電圧は出力端子１１０と金属筐体の間に出力される。
１１１は、スイッチング電源の金属筐体に接続されたグランド端子である。本実施の形態では、二次側回路のグランドとして、金属筐体を用いている。
ところで、１２０ａ、１２０ｂは、インバータ回路１０２から出力される矩形波交流電圧が印加されるトランスである。トランス１２０ａは、前述した一次巻線１０４ａ、磁性体コア１０６ａ、二次巻線１０５ａで構成され、トランス１２０ｂは、前述した一次巻線１０４ｂ、磁性体コア１０６ｂ、二次巻線１０５ｂで構成されている。
各トランスの一次巻線と二次巻線は絶縁されており、一次巻線に接続されるインバータ回路のスイッチング素子を「一次側スイッチング素子」、二次巻線に接続される整流素子を「二次側整流素子」とも称する。
【００１４】
図２は、本発明に係るスイッチング電源装置を構成する部品（発熱部品）を金属筐体に配置した例を示す図であり、金属筐体に固定される各部品を上面から描いた図である。
図２に示した構成部品について説明する。
２０１は、インバータ回路、共振コイル１０３、トランス、整流回路、平滑回路などの構成部品を固定するための金属筐体である。
２０２は、インバータ回路、共振コイル、トランス、整流回路、平滑回路などで発生する熱を放熱するために金属筐体２０１に設けられた冷却水路である。
【００１５】
２０３は、インバータ回路に含まれるスイッチング素子を実装するための第一の金属基板である。放熱性を確保するため、本実施の形態では、第一の金属基板２０３として金属のベースプレートを備えた金属基板を用いている。
なお、本実施の形態では、第一の金属基板２０３にスイッチング素子を実装しているが、絶縁体を介してスイッチング素子を金属筐体２０１に接触させて放熱し、インバータ回路１０２の配線を基板や銅板で構成する方法や、その他の方法を用いてもよい。
【００１６】
２０４は、整流素子１０７ａ、１０７ｂを実装するための第二の金属基板である。放熱性を確保するため、本実施の形態では、第二の金属基板２０４として金属のベースプレートを備えた金属基板を用いている。
本実施の形態では、第二の金属基板２０４に整流素子１０７ａ、１０７ｂを実装しているが、絶縁体を介して整流素子１０７ａ、１０７ｂを金属筐体２０１に接触させて放熱し、整流回路の配線を基板や銅板で構成する方法や、その他の方法を用いてもよい。
なお、上述の説明では、スイッチング素子を第一の金属基板２０３に、整流素子を第二の金属基板２０４に実装する場合について述べているが、第一の金属基板と第二の金属基板の二枚の金属基板は用いずに、スイッチング素子と整流素子の両方を一枚の金属基板に実装してもよい。
【００１７】
２０５ａ、２０５ｂは、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂと平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを電気的に接続するための配線であり、トランス１２０ａ、１２０ｂの上部を跨ぐ形で配置されている。本実施の形態では、配線２０５ａ、２０５ｂは銅板を用いているが、ケーブルや基板など、その他の手段を用いてもよい。
通常、トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線は、トランスや平滑コイルの脇（側部）を通過するように配置されるが、実装面積の増加を招くだけでなく、トランスや平滑コイルを金属筐体に固定するために設ける固定部材と干渉し易いため、トランスの上部を跨ぐ形で配置する。
また、２０６ａ、２０６ｂは、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂおよび出力端子１１０を電気的に接続するための配線であり、平滑コイルの上部を跨ぐ形で配置されている。
本実施の形態では、配線２０６ａ、２０６ｂは銅板を用いているが、ケーブルや基板など、その他の手段を用いてもよい。
【００１８】
２０７ａ〜２０７ｃは、トランス１２０ａ、１２０ｂを金属筐体２０１に固定するためのトランス固定部材である。
２０８ａ〜２０８ｃは、トランス固定部材２０７ａ〜２０７ｃを金属筐体２０１に固定するために設けた金属筐体の盛り上がり箇所である。
２０９ａ、２０９ｂは、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを金属筐体２０１に固定するための平滑コイル固定部材である。
２１０ａ〜２１０ｃは、平滑コイル固定部材２０９ａ、２０９ｂを金属筐体２０１に固定するために設けた金属筐体の盛り上がり箇所である。
２１１は、共振コイル１０３を金属筐体２０１に固定するための共振コイル固定部材である。
２１２は、共振コイル固定部材２１１を金属筐体２０１に固定するために設けた金属筐体の盛り上がり箇所である。
【００１９】
本実施の形態によるスイッチング電源装置は、スイッチング素子を設けて入力する直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路１０２と、インバータ回路１０２の一次側スイッチング素子がゼロボルトスイッチング動作するのに必要な共振コイル１０３と、インバータ回路１０２から一次巻線１０４ａ、１０４ｂの両端に印加される交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線１０５ａ、１０５ｂに出力するトランス１２０ａ、１２０ｂと、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂから出力する交流電圧を整流するための二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂと、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂを設けた整流回路からの出力を平滑する平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと、整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂと、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂによって得られる直流電圧を出力するための出力端子１１０と、一次側スイッチング素子、共振コイル１０３、トランス１２０ａ、１２０ｂ、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂおよび平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを固定し、かつ、一次側スイッチング素子、共振コイル１０３、トランス１２０ａ、１２０ｂ、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂおよび平滑コイル１０８ａ、１０８ｂで発生する熱を放熱するための冷却水路２０２を設けた金属筐体２０１を備えている。
そして、冷却水路２０２は、金属筐体２０１に直線状に形成されており、一次側スイッチング素子および二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂは、直線状に形成された冷却水路２０２の上に配置されているとともに、トランス、平滑コイルあるいは共振コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど冷却水路２０２側に近くなるように配置されている。
【００２０】
本実施の形態によるスイッチング電源装置によれば、冷却水路２０２は、金属筐体２０１に直線状に形成されており、特に高い熱を発生する一次側スイッチング素子および二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂは、直線状に形成された冷却水路２０２の上部（真上）に配置されているとともに、さらに、トランス、平滑コイルあるいは共振コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど冷却水路２０２側に近くなるように配置されている。従って、冷却水の圧力損失を低減して、発熱部品を効果的に冷却することが可能となる。
そのため、電動ウォーターポンプの定格を小さくすることが可能となる。すなわち、他のコンポーネント（モータ、インバータ）が存在する専用冷却系へスイッチング電源装置を追加しやすくなる。
また、冷却水路２０２が直線状の形状をしているので、金属筐体２０１に冷却水路を設けるための加工が容易となる。（例えば、金属筐体２０１に直線状の貫通穴を設けるだけで冷却水路２０２を構成することができる。）
【００２１】
複雑な形状の冷却水路を構成する場合、金属筐体に複雑な形状の加工を施す必要があるため、加工後の水路の上に防水加工を施した上で、蓋を取り付ける必要が出てくる。このため、冷却系の組立工程が複雑になる。
これに比べ、本発明では、冷却水路２０２は直線形状であるので、貫通穴の加工のみでよく、貫通穴の両側にニップルを施すだけで金属筐体の冷却水路を構成できる。
また、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器を簡素化することができる。このため、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費・消費電力の改善へとつながる。
なお、「冷却器」とは、冷却水路２０２および冷却水路２０２を設けた金属筐体２０１を含む冷却系全体のことを指す。
仮に最も発熱の大きい部品を冷却水路から離れた位置に配置した場合、金属筐体２０１の厚みを厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２２】
また、本実施の形態によるスイッチング電源装置は、一次側スイッチング素子は金属のベースプレートを備えた第一の金属基板２０３に、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂは金属のベースプレートを備えた第二の金属基板２０４に実装されており、第一の金属基板２０３および第二の金属基板２０４は、一次側スイッチング素子および二次側整流素子のうち、発熱の大きい部材を実装した方を冷却水路２０２の上流に、発熱の小さい部材を実装した方を冷却水路２０２の下流に配置されている。
これにより、一次側スイッチング素子を実装した第一の金属基板と二次側整流素子を実装した第二の金属基板を別々に製造することが可能となり、生産性の向上が図れると共に、さらに、一次側スイッチング素子を実装した第一の金属基板と二次側整流素子を実装した第二の金属基板を合理的・効果的に冷却することができる。
【００２３】
また、本実施の形態によるスイッチング電源装置は、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂを構成するバスバーの接続端子を、冷却水路２０２側に設けている。
これにより、発熱の大きい部品ほど冷却水路２０２に近くなるように配置することが容易となる。具体的には、「二次側整流素子−トランス−平滑コイル」と、発熱の大きい順番に冷却水路２０２に近くなるように配置することができる。
通常、図１に示すような回路構成では、「トランス−二次側整流素子−平滑コイル」の順番で構成されているが、トランスの二次巻線の接続端子を二次側整流素子が配置される冷却水路２０２側に設けることによって、「二次側整流素子−トランス−平滑コイル」の順番に冷却水路２０２に近づけて配置しやすくなる。
従って、発熱の大きな一次側スイッチング素子と二次側整流素子を冷却水路２０２の上で一直線状に並べることができるとともに、さらに、他の発熱部品（トランス、共振コイル、平滑コイルなど）についても、発熱の大きい部品ほど冷却水路２０２に近くなるように配置することができ、発熱部品の冷却を合理的・効果的に行うことが可能となる。
【００２４】
また、本実施の形態によるスイッチング電源装置では、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂと平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを電気的に接続するための配線２０５ａ、２０５ｂが、トランス１２０ａ、１２０ｂの上部を跨いで配置されている。
従って、発熱の大きい部品ほど冷却水路２０２に近くなるように配置することが容易となる。具体的には、発熱の大きさに応じて「整流素子−トランス−平滑コイル」の順番で並べることができる。
トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線が、トランス上部を跨ぐ形に配置することにより、「二次側整流素子−トランス−平滑コイル」と、発熱の大きい順番に配置しやすくなる。
これにより、発熱の大きな一次側スイッチング素子と二次側整流素子を冷却水路２０２の上で一直線状に並べることができるとともに、発熱の大きい部品ほど冷却水路に近づけて配置できるので、効率良く（効果的に）発熱部品を冷却できる。
さらに、トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線をトランスの脇（側部）に設ける場合に比べて、実装面積を低減することが可能であり、スイッチング電源装置の小型化が図れる。また、トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線がトランス固定用の固定部材と干渉することがない。
【００２５】
また、本実施の形態では、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂおよび出力端子１１０を接続するための配線２０６ａ、２０６ｂが、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂの上部を跨いで配置されている。
これによって、冷却水路２０２により近い場所に平滑コイルを配置できることに加え、平滑コイルの長手方向と冷却水路が平行となるように配置しやすくなる。
このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することができるのに加え、トランスや平滑コイルなどの発熱部材の長手方向と冷却水路２０２を平行に配置し、さらに、冷却水路２０２に近づけて配置することによって、効果的に発熱部材
を冷却できるので、冷却器の冷却条件を緩和することができる。
このため、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器の構造を簡素化することができる。
結果的に、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
また、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂおよび出力端子１１０を接続するための配線２０６ａ、２０６ｂを平滑コイルの脇（側部）に設ける場合に比べて、実装面積を低減することができる。また、配線２０６ａ、２０６ｂが平滑コイル固定用の固定部材と干渉することがない。
【００２６】
また、本実施の形態では、共振コイル１０３の長手方向が冷却水路２０２と平行となるように配置されている。このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することが可能となり、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。
すなわち、冷却器を簡素化することができる。従って、スイッチング電源装置の、低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
仮に、共振コイル１０３の長手方向と冷却水路２０２が直交するように配置した場合、共振コイル１０３の端と冷却水路２０２の距離が離れてしまうため、金属筐体２０１を厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２７】
また、本実施の形態では、トランス１２０ａ、１２０ｂの長手方向が冷却水路２０２と平行となるように配置されている。
このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することが可能となり、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器の構造を簡素化することができる。
従って、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
仮にトランスの長手方向と冷却水路２０２が直交するように配置した場合、トランスの端と冷却水路の距離が離れてしまうため、金属筐体２０１を厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２８】
また、本実施の形態では、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂの長手方向が冷却水路２０２と平行となるように配置されている。
このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することが可能となり、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器の構造を簡素化することができる。
従って、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
仮に、平滑コイルの長手方向と冷却水路が直交するに配置した場合、平滑コイルの端と冷却水路の距離が離れてしまうため、金属筐体を厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２９】
また、本実施の形態では、共振コイル１０３が複数個存在する場合、冷却水路２０２から複数の共振コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。
このため、複数の共振コイル１０３の「熱の不平衡状態」を防ぐことができる。例えば、複数のコンバータ主回路が存在するために、複数の共振コイルが存在する場合、共振コイルの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によって磁気特性が不平衡となる。
従って、コンバータの電気回路の平衡度を確保できなくなるが、冷却水路から複数の共振コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置することにより、この問題を解決す
ることができる。
【００３０】
また、本実施の形態では、トランスが複数個存在する場合、冷却水路２０２から複数のトランスまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。
そのため、トランスの「熱の不平衡状態」を防ぐことができる。例えば、複数のコンバータ主回路が存在するために複数のトランスが存在する場合、トランスの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によって磁気特性が不平衡となる。
このためコンバータの電気回路の平衡度を確保できなくなるが、冷却水路２０２から複数のトランスまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置することにより、この問題を解決することができる。
【００３１】
また、本実施の形態では、平滑コイルが複数存在する場合、冷却水路２０２から複数の平滑コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。
そのため、平滑コイルの「熱の不平衡状態」を防ぐことができる。例えば、複数のコンバータ主回路が存在するために複数の平滑コイルが存在する場合、平滑コイルの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によって磁気特性が不平衡となる。
このためコンバータの電気回路の平衡度を確保できなくなるが、冷却水路２０２から複数の平滑コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置することによって、この問題を解決することができる。
【００３２】
なお、上述した実施の形態の説明では、スイッチング電源装置として図１に示すような回路構成を例に上げたが、これに限られるものではなく、その他の回路方式のスイッチング電源装置であってもよい。
また、上述した実施の形態の説明では、複数のトランス、複数の平滑コイルが存在する場合を例に上げているが、一つのトランス、一つの平滑コイルで構成される場合であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、発熱の大きい部材を効率良く冷却できるとともに、生産性向上・小型化などが図れる「ハイブリッド車や電機自動車などでの使用に適したスイッチング電源装置」の実現に有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１ａ、１０１ｂ 入力端子
１０２ インバータ回路 １０３ 共振コイル
１０４ａ、１０４ｂ トランスの一次巻線
１０５ａ、１０５ｂ トランスの二次巻線
１０６ａ、１０６ｂ 磁性体コア
１０７ａ、１０７ｂ 整流素子
１０８ａ、１０８ｂ 平滑コイル
１０９ａ、１０９ｂ 平滑コンデンサ
１１０ 出力端子 １１１ グランド端子
１２０ａ、１２０ｂ トランス
２０１ 金属筐体 ２０２ 冷却水路
２０３ 第一の金属基板 ２０４ 第二の金属基板
２０５ａ、２０５ｂ トランスの二次巻線と平滑コイルを接続する配線
２０６ａ、２０６ｂ 平滑コイル、平滑コンデンサ、出力端子を接続する配線
２０７ａ〜２０７ｃ トランス固定部材
２０８ａ〜２０８ｃ 金属筐体の盛り上がり箇所
２０９ａ〜２０９ｃ 平滑コイル固定部材
２１０ａ〜２１０ｃ 金属筐体の盛り上がり箇所
２１１ 共振コイル固定部材
２１２ 金属筐体の盛り上がり箇所
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部品を冷却するための冷却水路を設けたスイッチング電源装置に係わり、さらに詳しくは、冷却水路での圧力損失低減を図り、発熱部品を効果的に冷却できるとともに、生産性向上・小型化が図れる絶縁型のスイッチング電源装置の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高電圧の直流電圧を所望の直流電圧に降下させるスイッチング電源装置として、直流入力電圧をスイッチング素子により矩形波電圧に変換し、変換した矩形波電圧をトランスの一次巻線に印加し、トランスの二次巻線から取り出された矩形波電圧を整流素子、チョークコイル、コンデンサなどで構成される回路にて整流、平滑することにより、所望の直流電圧を得るスイッチング電源装置がある。
特に、近年注目され始めたハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載されるスイッチング電源装置では、数百Ｖ（ボルト）に達する高電圧バッテリの電圧を、従来車の電源系電圧として採用されている１４Ｖに降圧し、多くの電気負荷や鉛バッテリに電力を供給している。
【０００３】
また、ハイブリッド車や電気自動車は、スイッチング電源装置の他にもモータやインバータなどの発熱機器が存在するために、一般的には電動ウォーターポンプやラジエータを備えた専用の冷却系を有している。
ハイブリッド車や電気自動車に搭載されるスイッチング電源装置の内部に流れる電流は、数十Ａ（アンペア）〜百数十Ａに達するため、特に、スイッチング素子や整流素子での発熱やトランスなど磁性部品での発熱が大きくなる。
このため、先ほど述べた冷却系の冷却水が流れる水路（冷却水路）をスイッチング電源装置の金属筐体に設けることにより、発熱部品を冷却する。
金属筐体に冷却水路を備えたスイッチング電源装置としては、例えば特許文献１（特許第３７３０９６８号公報）に示すものが提案されている。この特許文献１には複数の屈曲部を有して複雑に引き回された冷却水路が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７３０９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スイッチング電源装置を構成するスイッチング素子やトランスなどは、相当の熱を発生するため、これらの発熱部品で発生する熱は金属筐体により放熱処理される。
金属筐体に設けられる冷却水路は、一般的に発熱部（発熱部品）の直下を通過するようにレイアウトされることが多い。
そのため、発熱部品が点在している場合は冷却水路が複雑な形状になり、冷却水路での冷却水の圧力損失が増加して冷却水の流れが悪くなって、発熱部品を効果的に冷却できなくなるという問題点がある。
また、冷却水路での冷却水の圧力損失の増加に伴って、冷却水路に冷却水を流すための電動ウォーターポンプの性能を上げるなどの対策が必要になる。
このため、圧力損失が小さくなる直線状の冷却水路を設け、直線状の冷却水路上にスイッチング電源装置の主回路部品（すなわち、発熱部品）を配置することにより有効に冷却できる。
しかし、直線状の冷却水路の場合は、全ての発熱部品を冷却水路の真上に配置すると、
スイッチング電源装置の形状が細長くなって小型化が阻害されるとともに、部品間の結線も難しくなり生産性も悪くなるという問題点が発生する。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、スイッチング素子、整流素子、トランス、平滑コイル、共振コイルなどの発熱部品を、直線状をした冷却水路の上部（真上）あるいは近傍に合理的に配置することによって、発熱の大きい部品を効率良く（効果的に）冷却できるとともに、生産性向上・小型軽量化などが図れるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るスイッチング電源装置は、スイッチング素子を設けて入力する直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、前記インバータ回路の一次側スイッチング素子がゼロボルトスイッチング動作するのに必要な共振コイルと、前記インバータ回路から一次巻線の両端に印加される交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線に出力するトランスと、前記トランスの二次巻線から出力する交流電圧を整流するための二次側整流素子と、前記二次側整流素子を設けた整流回路からの出力を平滑する平滑コイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コイルと前記平滑コンデンサによって得られる直流電圧を出力するための出力端子と、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルを固定し、かつ、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルで発生する熱を放熱するための冷却水路を設けた金属筐体とを備えた絶縁型のスイッチング電源装置であって、
前記冷却水路は、前記金属筐体に直線状に形成されており、
前記スイッチング素子および前記整流素子は、直線状に形成された前記冷却水路の上に配置されているとともに、前記トランスあるいは前記平滑コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど前記冷却水路側に近くなるように配置されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、冷却水路は金属筐体に直線状に形成されており、特に発熱が大きい発熱部品であるスイッチング素子および整流素子は、直線状に形成された冷却水路の上に配置されているとともに、さらに、トランスあるいは平滑コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど前記冷却水路側に近くなるように配置されているので、冷却水路での圧力損失を低減して、発熱の大きい部品を効率良く（効果的に）冷却できる。
また、冷却水路が直線状であるため、金属筐体に冷却水路を設けるための加工が容易となり、生産性の向上を図れる。
また、冷却水路での圧力損失を低減できるので、金属筐体の厚みを薄くすることが可能であり、冷却系の小形化や軽量化も図れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】スイッチング電源装置の一例を説明するための回路図である。
【図２】実施の形態１に係わるスイッチング電源装置の主要構成部品の配置例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１および図２を用いて、本発明の実施の形態例について説明する。
なお、各図間において、同一符号は、同一あるいは相当のものであることを表す。
実施の形態１．
本発明に係わる実施の形態について説明するために、絶縁型スイッチング電源の一般的な回路方式であるフルブリッジ・センタータップ式同期整流方式を例に挙げる。
フルブリッジ・センタータップ式同期整流方式は、一般的な全波整流回路と同等の整流
波形を得ることができる整流回路の一種である。フルブリッジ・センタータップ式同期整流方式の回路図を図１に示す。
図１に示すスイッチング電源装置は、トランスの一次巻線が直列に接続され、トランスの二次巻線が並列に接続されている。
【００１１】
図１に示したスイッチング電源装置の各構成部品について説明する。
１０１ａ、１０１ｂは、スイッチング電源へ直流電圧を印加する入力端子である。
入力端子１０１ａ、１０１ｂには、スイッチング電源装置の出力電圧よりも高い直流電圧が印加される。
１０２は、入力端子１０１ａ、１０１ｂに入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのスイッチング素子で構成されるインバータ回路である。一般的には、インバータ回路１０２は、ＭＯＳＦＥＴなどの複数のスイッチング素子から構成される。
１０３は、インバータ回路１０２のスイッチング素子で発生するスイッチング損失の低減を図るための「ゼロボルトスイッチング動作（ＺＶＳ動作）」に必要な共振コイル（共振インダクタ）である。
【００１２】
１０４ａ、１０４ｂは、インバータ回路１０２から出力される矩形波交流電圧が印加されるトランス（例えば、フルブリッジ・センタータップ式同期整流方式の整流回路を構成するトランス）の一次巻線である。
インバータ回路１０２に設けられた複数のスイッチング素子をスイッチングすることによって生成される矩形波に近い電圧波形が、トランスの一次巻線１０４ａ、１０４ｂに印加される。
１０５ａ、１０５ｂは、トランスの巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された矩形波交流電圧が印加されるトランスの二次巻線である。
１０６ａ、１０６ｂは、トランスの一次巻線１０４ａ、１０４ｂとトランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂを電磁気的に結合するための磁性体コアである。例えば、トランスを構成する各巻線が、磁性体コアに設けられた中脚部の周囲に配置される。
【００１３】
１０７ａ、１０７ｂは、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂから出力する交流電圧を整流するための整流素子である。
本実施の形態では、同期整流を実現するためのＭＯＳＦＥＴを用いるが、ダイオードなどのその他の整流素子であってもよい。
１０８ａ、１０８ｂは、整流素子１０７ａ、１０７ｂで整流したリップル電圧波形を平滑するための平滑コイルである。
１０９ａ、１０９ｂは、整流素子１０７ａ、１０７ｂで整流したリップル電圧波形を平滑するための平滑コンデンサである。平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂの片側は平滑コイルに接続され、もう一方の片側はグランドである金属筐体に接続されている。
１１０は、整流回路・平滑回路で得られた直流電圧をスイッチング電源の外部へ出力するための出力端子である。なお、本実施の形態では、二次側回路のグランドを金属筐体と同電位にしているため、出力電圧は出力端子１１０と金属筐体の間に出力される。
１１１は、スイッチング電源の金属筐体に接続されたグランド端子である。本実施の形態では、二次側回路のグランドとして、金属筐体を用いている。
ところで、１２０ａ、１２０ｂは、インバータ回路１０２から出力される矩形波交流電圧が印加されるトランスである。トランス１２０ａは、前述した一次巻線１０４ａ、磁性体コア１０６ａ、二次巻線１０５ａで構成され、トランス１２０ｂは、前述した一次巻線１０４ｂ、磁性体コア１０６ｂ、二次巻線１０５ｂで構成されている。
各トランスの一次巻線と二次巻線は絶縁されており、一次巻線に接続されるインバータ回路のスイッチング素子を「一次側スイッチング素子」、二次巻線に接続される整流素子を「二次側整流素子」とも称する。
【００１４】
図２は、本発明に係るスイッチング電源装置を構成する部品（発熱部品）を金属筐体に配置した例を示す図であり、金属筐体に固定される各部品を上面から描いた図である。
図２に示した構成部品について説明する。
２０１は、インバータ回路、共振コイル１０３、トランス、整流回路、平滑回路などの構成部品を固定するための金属筐体である。
２０２は、インバータ回路、共振コイル、トランス、整流回路、平滑回路などで発生する熱を放熱するために金属筐体２０１に設けられた冷却水路である。
【００１５】
２０３は、インバータ回路に含まれるスイッチング素子を実装するための第一の金属基板である。放熱性を確保するため、本実施の形態では、第一の金属基板２０３として金属のベースプレートを備えた金属基板を用いている。
なお、本実施の形態では、第一の金属基板２０３にスイッチング素子を実装しているが、絶縁体を介してスイッチング素子を金属筐体２０１に接触させて放熱し、インバータ回路１０２の配線を基板や銅板で構成する方法や、その他の方法を用いてもよい。
【００１６】
２０４は、整流素子１０７ａ、１０７ｂを実装するための第二の金属基板である。放熱性を確保するため、本実施の形態では、第二の金属基板２０４として金属のベースプレートを備えた金属基板を用いている。
本実施の形態では、第二の金属基板２０４に整流素子１０７ａ、１０７ｂを実装しているが、絶縁体を介して整流素子１０７ａ、１０７ｂを金属筐体２０１に接触させて放熱し、整流回路の配線を基板や銅板で構成する方法や、その他の方法を用いてもよい。
なお、上述の説明では、スイッチング素子を第一の金属基板２０３に、整流素子を第二の金属基板２０４に実装する場合について述べているが、第一の金属基板と第二の金属基板の二枚の金属基板は用いずに、スイッチング素子と整流素子の両方を一枚の金属基板に実装してもよい。
【００１７】
２０５ａ、２０５ｂは、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂと平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを電気的に接続するための配線であり、トランス１２０ａ、１２０ｂの上部を跨ぐ形で配置されている。本実施の形態では、配線２０５ａ、２０５ｂは銅板を用いているが、ケーブルや基板など、その他の手段を用いてもよい。
通常、トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線は、トランスや平滑コイルの脇（側部）を通過するように配置されるが、実装面積の増加を招くだけでなく、トランスや平滑コイルを金属筐体に固定するために設ける固定部材と干渉し易いため、トランスの上部を跨ぐ形で配置する。
また、２０６ａ、２０６ｂは、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂおよび出力端子１１０を電気的に接続するための配線であり、平滑コイルの上部を跨ぐ形で配置されている。
本実施の形態では、配線２０６ａ、２０６ｂは銅板を用いているが、ケーブルや基板など、その他の手段を用いてもよい。
【００１８】
２０７ａ〜２０７ｃは、トランス１２０ａ、１２０ｂを金属筐体２０１に固定するためのトランス固定部材である。
２０８ａ〜２０８ｃは、トランス固定部材２０７ａ〜２０７ｃを金属筐体２０１に固定するために設けた金属筐体の盛り上がり箇所である。
２０９ａ、２０９ｂは、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを金属筐体２０１に固定するための平滑コイル固定部材である。
２１０ａ〜２１０ｃは、平滑コイル固定部材２０９ａ、２０９ｂを金属筐体２０１に固定するために設けた金属筐体の盛り上がり箇所である。
２１１は、共振コイル１０３を金属筐体２０１に固定するための共振コイル固定部材である。
２１２は、共振コイル固定部材２１１を金属筐体２０１に固定するために設けた金属筐体の盛り上がり箇所である。
【００１９】
本実施の形態によるスイッチング電源装置は、スイッチング素子を設けて入力する直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路１０２と、インバータ回路１０２の一次側スイッチング素子がゼロボルトスイッチング動作するのに必要な共振コイル１０３と、インバータ回路１０２から一次巻線１０４ａ、１０４ｂの両端に印加される交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線１０５ａ、１０５ｂに出力するトランス１２０ａ、１２０ｂと、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂから出力する交流電圧を整流するための二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂと、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂを設けた整流回路からの出力を平滑する平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと、整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂと、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂによって得られる直流電圧を出力するための出力端子１１０と、一次側スイッチング素子、共振コイル１０３、トランス１２０ａ、１２０ｂ、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂおよび平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを固定し、かつ、一次側スイッチング素子、共振コイル１０３、トランス１２０ａ、１２０ｂ、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂおよび平滑コイル１０８ａ、１０８ｂで発生する熱を放熱するための冷却水路２０２を設けた金属筐体２０１を備えている。
そして、冷却水路２０２は、金属筐体２０１に直線状に形成されており、一次側スイッチング素子および二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂは、直線状に形成された冷却水路２０２の上に配置されているとともに、トランス、平滑コイルあるいは共振コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど冷却水路２０２側に近くなるように配置されている。
【００２０】
本実施の形態によるスイッチング電源装置によれば、冷却水路２０２は、金属筐体２０１に直線状に形成されており、特に高い熱を発生する一次側スイッチング素子および二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂは、直線状に形成された冷却水路２０２の上部（真上）に配置されているとともに、さらに、トランス、平滑コイルあるいは共振コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど冷却水路２０２側に近くなるように配置されている。従って、冷却水の圧力損失を低減して、発熱部品を効果的に冷却することが可能となる。
そのため、電動ウォーターポンプの定格を小さくすることが可能となる。すなわち、他のコンポーネント（モータ、インバータ）が存在する専用冷却系へスイッチング電源装置を追加しやすくなる。
また、冷却水路２０２が直線状の形状をしているので、金属筐体２０１に冷却水路を設けるための加工が容易となる。（例えば、金属筐体２０１に直線状の貫通穴を設けるだけで冷却水路２０２を構成することができる。）
【００２１】
複雑な形状の冷却水路を構成する場合、金属筐体に複雑な形状の加工を施す必要があるため、加工後の水路の上に防水加工を施した上で、蓋を取り付ける必要が出てくる。このため、冷却系の組立工程が複雑になる。
これに比べ、本発明では、冷却水路２０２は直線形状であるので、貫通穴の加工のみでよく、貫通穴の両側にニップルを施すだけで金属筐体の冷却水路を構成できる。
また、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器を簡素化することができる。このため、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費・消費電力の改善へとつながる。
なお、「冷却器」とは、冷却水路２０２および冷却水路２０２を設けた金属筐体２０１を含む冷却系全体のことを指す。
仮に最も発熱の大きい部品を冷却水路から離れた位置に配置した場合、金属筐体２０１の厚みを厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２２】
また、本実施の形態によるスイッチング電源装置は、一次側スイッチング素子は金属のベースプレートを備えた第一の金属基板２０３に、二次側整流素子１０７ａ、１０７ｂは金属のベースプレートを備えた第二の金属基板２０４に実装されており、第一の金属基板２０３および第二の金属基板２０４は、一次側スイッチング素子および二次側整流素子のうち、発熱の大きい部材を実装した方を冷却水路２０２の上流に、発熱の小さい部材を実装した方を冷却水路２０２の下流に配置されている。
これにより、一次側スイッチング素子を実装した第一の金属基板と二次側整流素子を実装した第二の金属基板を別々に製造することが可能となり、生産性の向上が図れると共に、さらに、一次側スイッチング素子を実装した第一の金属基板と二次側整流素子を実装した第二の金属基板を合理的・効果的に冷却することができる。
【００２３】
また、本実施の形態によるスイッチング電源装置は、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂを構成するバスバーの接続端子を、冷却水路２０２側に設けている。
これにより、発熱の大きい部品ほど冷却水路２０２に近くなるように配置することが容易となる。具体的には、「二次側整流素子−トランス−平滑コイル」と、発熱の大きい順番に冷却水路２０２に近くなるように配置することができる。
通常、図１に示すような回路構成では、「トランス−二次側整流素子−平滑コイル」の順番で構成されているが、トランスの二次巻線の接続端子を二次側整流素子が配置される冷却水路２０２側に設けることによって、「二次側整流素子−トランス−平滑コイル」の順番に冷却水路２０２に近づけて配置しやすくなる。
従って、発熱の大きな一次側スイッチング素子と二次側整流素子を冷却水路２０２の上で一直線状に並べることができるとともに、さらに、他の発熱部品（トランス、共振コイル、平滑コイルなど）についても、発熱の大きい部品ほど冷却水路２０２に近くなるように配置することができ、発熱部品の冷却を合理的・効果的に行うことが可能となる。
【００２４】
また、本実施の形態によるスイッチング電源装置では、トランスの二次巻線１０５ａ、１０５ｂと平滑コイル１０８ａ、１０８ｂを電気的に接続するための配線２０５ａ、２０５ｂが、トランス１２０ａ、１２０ｂの上部を跨いで配置されている。
従って、発熱の大きい部品ほど冷却水路２０２に近くなるように配置することが容易となる。具体的には、発熱の大きさに応じて「整流素子−トランス−平滑コイル」の順番で並べることができる。
トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線が、トランス上部を跨ぐ形に配置することにより、「二次側整流素子−トランス−平滑コイル」と、発熱の大きい順番に配置しやすくなる。
これにより、発熱の大きな一次側スイッチング素子と二次側整流素子を冷却水路２０２の上で一直線状に並べることができるとともに、発熱の大きい部品ほど冷却水路に近づけて配置できるので、効率良く（効果的に）発熱部品を冷却できる。
さらに、トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線をトランスの脇（側部）に設ける場合に比べて、実装面積を低減することが可能であり、スイッチング電源装置の小型化が図れる。また、トランスの二次巻線と平滑コイルを電気的に接続するための配線がトランス固定用の固定部材と干渉することがない。
【００２５】
また、本実施の形態では、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂおよび出力端子１１０を接続するための配線２０６ａ、２０６ｂが、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂの上部を跨いで配置されている。
これによって、冷却水路２０２により近い場所に平滑コイルを配置できることに加え、平滑コイルの長手方向と冷却水路が平行となるように配置しやすくなる。
このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することができるのに加え、トランスや平滑コイルなどの発熱部材の長手方向と冷却水路２０２を平行に配置し、さらに、冷却水路２０２に近づけて配置することによって、効果的に発熱部材
を冷却できるので、冷却器の冷却条件を緩和することができる。
このため、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器の構造を簡素化することができる。
結果的に、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
また、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂと平滑コンデンサ１０９ａ、１０９ｂおよび出力端子１１０を接続するための配線２０６ａ、２０６ｂを平滑コイルの脇（側部）に設ける場合に比べて、実装面積を低減することができる。また、配線２０６ａ、２０６ｂが平滑コイル固定用の固定部材と干渉することがない。
【００２６】
また、本実施の形態では、共振コイル１０３の長手方向が冷却水路２０２と平行となるように配置されている。このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することが可能となり、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。
すなわち、冷却器を簡素化することができる。従って、スイッチング電源装置の、低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
仮に、共振コイル１０３の長手方向と冷却水路２０２が直交するように配置した場合、共振コイル１０３の端と冷却水路２０２の距離が離れてしまうため、金属筐体２０１を厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２７】
また、本実施の形態では、トランス１２０ａ、１２０ｂの長手方向が冷却水路２０２と平行となるように配置されている。
このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することが可能となり、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器の構造を簡素化することができる。
従って、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
仮にトランスの長手方向と冷却水路２０２が直交するように配置した場合、トランスの端と冷却水路の距離が離れてしまうため、金属筐体２０１を厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２８】
また、本実施の形態では、平滑コイル１０８ａ、１０８ｂの長手方向が冷却水路２０２と平行となるように配置されている。
このため、冷却水路２０２と直交する方向の金属筐体２０１の寸法を低減することが可能となり、金属筐体２０１の厚みを薄くすることができる。すなわち、冷却器の構造を簡素化することができる。
従って、スイッチング電源装置の低背化、小型化、軽量化が可能となり、燃費改善・消費電力改善へとつながる。
仮に、平滑コイルの長手方向と冷却水路が直交するに配置した場合、平滑コイルの端と冷却水路の距離が離れてしまうため、金属筐体を厚くする必要が出てくることに加え、場合によっては冷却器に冷却フィンの加工を施す必要が出てくる場合がある。
【００２９】
また、本実施の形態では、共振コイル１０３が複数個存在する場合、冷却水路２０２から複数の共振コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。
このため、複数の共振コイル１０３の「熱の不平衡状態」を防ぐことができる。例えば、複数のコンバータ主回路が存在するために、複数の共振コイルが存在する場合、共振コイルの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によって磁気特性が不平衡となる。
従って、コンバータの電気回路の平衡度を確保できなくなるが、冷却水路から複数の共振コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置することにより、この問題を解決す
ることができる。
【００３０】
また、本実施の形態では、トランスが複数個存在する場合、冷却水路２０２から複数のトランスまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。
そのため、トランスの「熱の不平衡状態」を防ぐことができる。例えば、複数のコンバータ主回路が存在するために複数のトランスが存在する場合、トランスの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によって磁気特性が不平衡となる。
このためコンバータの電気回路の平衡度を確保できなくなるが、冷却水路２０２から複数のトランスまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置することにより、この問題を解決することができる。
【００３１】
また、本実施の形態では、平滑コイルが複数存在する場合、冷却水路２０２から複数の平滑コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。
そのため、平滑コイルの「熱の不平衡状態」を防ぐことができる。例えば、複数のコンバータ主回路が存在するために複数の平滑コイルが存在する場合、平滑コイルの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によって磁気特性が不平衡となる。
このためコンバータの電気回路の平衡度を確保できなくなるが、冷却水路２０２から複数の平滑コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置することによって、この問題を解決することができる。
【００３２】
なお、上述した実施の形態の説明では、スイッチング電源装置として図１に示すような回路構成を例に上げたが、これに限られるものではなく、その他の回路方式のスイッチング電源装置であってもよい。
また、上述した実施の形態の説明では、複数のトランス、複数の平滑コイルが存在する場合を例に上げているが、一つのトランス、一つの平滑コイルで構成される場合であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、発熱の大きい部材を効率良く冷却できるとともに、生産性向上・小型化などが図れる「ハイブリッド車や電機自動車などでの使用に適したスイッチング電源装置」の実現に有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１ａ、１０１ｂ 入力端子
１０２ インバータ回路 １０３ 共振コイル
１０４ａ、１０４ｂ トランスの一次巻線
１０５ａ、１０５ｂ トランスの二次巻線
１０６ａ、１０６ｂ 磁性体コア
１０７ａ、１０７ｂ 整流素子
１０８ａ、１０８ｂ 平滑コイル
１０９ａ、１０９ｂ 平滑コンデンサ
１１０ 出力端子 １１１ グランド端子
１２０ａ、１２０ｂ トランス
２０１ 金属筐体 ２０２ 冷却水路
２０３ 第一の金属基板 ２０４ 第二の金属基板
２０５ａ、２０５ｂ トランスの二次巻線と平滑コイルを接続する配線
２０６ａ、２０６ｂ 平滑コイル、平滑コンデンサ、出力端子を接続する配線
２０７ａ〜２０７ｃ トランス固定部材
２０８ａ〜２０８ｃ 金属筐体の盛り上がり箇所
２０９ａ〜２０９ｃ 平滑コイル固定部材
２１０ａ〜２１０ｃ 金属筐体の盛り上がり箇所
２１１ 共振コイル固定部材
２１２ 金属筐体の盛り上がり箇所
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を設けて入力する直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、前記インバータ回路の一次側スイッチング素子がゼロボルトスイッチング動作するのに必要な共振コイルと、前記インバータ回路から一次巻線の両端に印加される交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線に出力するトランスと、前記トランスの二次巻線から出力する交流電圧を整流するための二次側整流素子と、前記二次側整流素子を設けた整流回路からの出力を平滑する平滑コイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コイルと前記平滑コンデンサによって得られる直流電圧を出力するための出力端子と、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルを固定し、かつ、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルで発生する熱を放熱するための冷却水路を設けた金属筐体とを備えた絶縁型のスイッチング電源装置であって、
前記冷却水路は、前記金属筐体に直線状に形成されており、
前記一次側スイッチング素子および前記二次側整流素子は、直線状に形成された前記冷却水路の上に配置されているとともに、前記トランス、前記平滑コイルあるいは共振コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど前記冷却水路側に近くなるように配置されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記一次側スイッチング素子は金属のベースプレートを備えた第一の金属基板に、前記二次側整流素子は金属のベースプレートを備えた第二の金属基板に実装されており、
前記第一の金属基板および第二の金属基板は、前記一次側スイッチング素子および前記二次側整流素子のうち、発熱の大きい部材を実装した方を前記冷却水路の上流に、発熱の小さい部材を実装した方を前記冷却水路の下流に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記トランスの二次巻線を構成するバスバーの接続端子を、前記冷却水路側に設けていることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記トランスの二次巻線と前記平滑コイルを電気的に接続するための配線が、前記トランスの上部を跨いで配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記平滑コイルと前記平滑コンデンサおよび前記出力端子を接続するための配線が、前記平滑コイルの上部を跨いで配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記共振コイルの長手方向が、前記冷却水路と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記トランスの長手方向が、前記冷却水路と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記平滑コイルの長手方向が、前記冷却水路と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項９】
前記共振コイルが複数個存在する場合、前記冷却水路から複数の共振コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング電源装置。
【請求項１０】
前記トランスが複数個存在する場合、前記冷却水路から複数のトランスまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項７に記載のスイッチング電源装置。
【請求項１１】
前記平滑コイルが複数存在する場合、前記冷却水路から複数の平滑コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載のスイッチング電源装置。
【請求項１】
スイッチング素子を設けて入力する直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、前記インバータ回路の一次側スイッチング素子がゼロボルトスイッチング動作するのに必要な共振コイルと、前記インバータ回路から一次巻線の両端に印加される交流電圧を異なる交流電圧に変換して二次巻線に出力するトランスと、前記トランスの二次巻線から出力する交流電圧を整流するための二次側整流素子と、前記二次側整流素子を設けた整流回路からの出力を平滑する平滑コイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コイルと前記平滑コンデンサによって得られる直流電圧を出力するための出力端子と、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルを固定し、かつ、前記一次側スイッチング素子、前記共振コイル、前記トランス、前記二次側整流素子および前記平滑コイルで発生する熱を放熱するための冷却水路を設けた金属筐体とを備えた絶縁型のスイッチング電源装置であって、
前記冷却水路は、前記金属筐体に直線状に形成されており、
前記一次側スイッチング素子および前記二次側整流素子は、直線状に形成された前記冷却水路の上に配置されているとともに、前記トランス、前記平滑コイルあるいは共振コイルなどの発熱部品は、発熱が大きい部品ほど前記冷却水路側に近くなるように配置されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記一次側スイッチング素子は金属のベースプレートを備えた第一の金属基板に、前記二次側整流素子は金属のベースプレートを備えた第二の金属基板に実装されており、
前記第一の金属基板および第二の金属基板は、前記一次側スイッチング素子および前記二次側整流素子のうち、発熱の大きい部材を実装した方を前記冷却水路の上流に、発熱の小さい部材を実装した方を前記冷却水路の下流に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記トランスの二次巻線を構成するバスバーの接続端子を、前記冷却水路側に設けていることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記トランスの二次巻線と前記平滑コイルを電気的に接続するための配線が、前記トランスの上部を跨いで配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記平滑コイルと前記平滑コンデンサおよび前記出力端子を接続するための配線が、前記平滑コイルの上部を跨いで配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記共振コイルの長手方向が、前記冷却水路と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記トランスの長手方向が、前記冷却水路と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記平滑コイルの長手方向が、前記冷却水路と平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項９】
前記共振コイルが複数個存在する場合、前記冷却水路から複数の共振コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング電源装置。
【請求項１０】
前記トランスが複数個存在する場合、前記冷却水路から複数のトランスまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項７に記載のスイッチング電源装置。
【請求項１１】
前記平滑コイルが複数存在する場合、前記冷却水路から複数の平滑コイルまでの距離がそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載のスイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−６２９９８（Ｐ２０１３−６２９９８Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０１５２３（Ｐ２０１１−２０１５２３）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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