車載用電力変換装置
【課題】絶縁トランスを用いた車載用電力変換装置において、絶縁トランスは１次側コイル及び２次側コイル、コアをそれぞれ絶縁しているため、放熱効果が低下する。また、ハイブリッド自動車や電機自動車等の場合は高電圧側に対して低電圧側に大電流が流れるため、発熱量が増加する。
【解決手段】トランスはコアをヒートシンク上に接触するよう配置し、プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、モジュールケースに１次側コイル又は／及び２次側コイルからプリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、１次側コイル又は／及び２次側コイルは接続端子及びプリント基板を介してヒートシンクと接続する。また、スイッチング回路及び整流回路はモジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングする。
【解決手段】トランスはコアをヒートシンク上に接触するよう配置し、プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、モジュールケースに１次側コイル又は／及び２次側コイルからプリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、１次側コイル又は／及び２次側コイルは接続端子及びプリント基板を介してヒートシンクと接続する。また、スイッチング回路及び整流回路はモジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に使用する車載用電力変換装置の放熱構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハイブリッド自動車や電気自動車等において、走行用のモータを駆動させる高電圧バッテリが搭載されているが、高電圧バッテリの高電圧を用いて電動パワーステアリングや電動ミラー等の車載電装品を使用する際には、これらの車載電装品の定格電圧に電力変換する必要がある。
【０００３】
しかし、高電圧を電力変換する際には感電事故を防ぐために１次側コイルに対して２次側コイルを絶縁したセパレートトランスを備えた電力変換装置を使用することが知られている。このような絶縁トランスは１次側コイル及び２次側コイル、コアをそれぞれ絶縁しているため、放熱効果が低下する。また、ハイブリッド自動車や電機自動車等の場合は高電圧側に対して低電圧側に大電流が流れるため、発熱量が増加する。絶縁トランスの放熱効果を向上させるためには１次側コイル及び２次側コイル、コアの表面積をそれぞれ増加させればよいが、１次側コイル及び２次側コイル、コアの表面積をそれぞれ増加させるとトランスが大型化してしまう問題が生じた。このような問題を解決するために、例えば特開２００４−３３５７８０号公報（以下「特許文献１」）が知られている。
【０００４】
上記特許文献１とするトランスの断面図（ア）、トランスの側面図（イ）を図６に示す。図６において、共振型スイッチング電源において入力側の電力を出力側に伝達すると共にその漏れインダクタンスが共振回路のＬ成分として利用されるトランス120の取付け構造に係わる。ここで、上記トランス120は、第１の巻線121、およびその第１の巻線121よりも断面積の大きい第２の巻線122a，122bを含んでいる。また、上記第１の巻線121は、上記トランス121の第１の外面125に近接するようにその内側領域に収容されており、上記第２の巻線122a，122bは、上記第１の巻線121と磁気的に結合するように上記トランス120の第１の外面125に対向する第２の外面126の内側領域に収容されている。そして、上記トランス120は、上記第１の外面125がヒートシンク140に接触するように取り付けられる。
【０００５】
また、上記トランス120から引き出されている上記第２の巻線122a，122bの端部が、熱伝導性の高い絶縁部材141を介して上記ヒートシンク140に熱的に接続してトランスの放熱を行っているものが提案されている。
【０００６】
しかし、上記特許文献１では第２の巻線の端部を電気的に接続する構成と熱的に接続される構成とを有しているため、ヒートシンク上に余分なスペースを生じることになり、トランスは小型化できるが電力変換装置全体としての小型化が困難である。このような問題を解決するために、例えば特開２００７−２２１９１９号公報（以下「特許文献２」）が知られている。
【０００７】
上記特許文献２において、１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスと、前記２次側コイルの誘起電圧を整流する整流素子とを備えるものであって、前記２次側コイルが複数のコイル導体部を有し、各コイル導体部の端部が金属基板上に絶縁層を介して形成された導体パターンにはんだ付けされており、前記１次側コイルが前記複数のコイル導体部間に挿入されている。
【０００８】
前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板と、前記１次側コイルに接続されるスイッチング回路とを備え、前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を放熱用ベースプレート上に直接取り付けたDC／DCコンバータが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３３５７８０号公報
【特許文献２】特開２００７−２２１９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の電力変換装置では次のような問題が生じている。即ち、特許文献２において、トランスの２次側コイルを金属基板上の導体パターンにはんだ付けで固定し、また前記２次側コイルと整流部との接続もはんだ付けで行う組立構造であるため、小型化、部品点数低減、組立工数低減が可能である。また、放熱用ベースプレート上に前記金属基板を直接取り付ける構成とした場合、大電流が流れる２次側コイルを前記放熱用ベースプレートに小さな熱抵抗で設置可能となり、放熱効果が大きく、２次側コイルの小型化が可能となるが、２次側コイルに整流回路を備えることで金属基板上に２次側コイルの接続面と整流素子の搭載面とを備える必要が生じ、金属基板の面積が増加するためDC／DCコンバータ全体としての小型化が困難である。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、放熱効果に優れたトランスと、トランス及び電力変換装置の小型化と組み立て構成の簡素化が可能な車載用電力変換装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明は次のような構成とする。即ち、請求項１の発明において、１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、半導体素子から構成される電子回路を配置したプリント基板を備え、前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用電力変換装置において、前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をケースに備え、前記接続端子は前記ケースにインサート成形されており、前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用電力変換装置とする。
【００１３】
上記構成においては、前記ケースは前記プリント基板周囲に配置されるモジュールケースとし、前記プリント基板上に配置された前記電子回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングしてもよい。また、前記ケースは絶縁性を有した樹脂で成形してもよいし、前記接続端子62は前記ケースとの接触部を絶縁層で覆われていてもよい。
【００１４】
さらに別の発明としては、１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、スイッチング回路及び整流回路を配置したプリント基板を備え、前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用DC／DCコンバータにおいて、前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、前記プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、前記スイッチング回路及び前記整流回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされ、前記モジュールケースに前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用DC／DCコンバータとする。
【発明の効果】
【００１５】
上記の通り、トランスはコアをヒートシンク上に接触するよう配置し、プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、モジュールケースに１次側コイル又は／及び２次側コイルからプリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、１次側コイル又は／及び２次側コイルは接続端子及びプリント基板を介してヒートシンクと接続することで、トランスの放熱効果を高め、且つトランスの小型化と組み立て構成の簡素化が実現できる。
【００１６】
また、スイッチング回路及び整流回路はモジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされるため、複数の半導体素子を個別にパッケージングする構成よりプリント基板を小型化することができる。さらに、接続端子をモジュールケースにインサート成形することで接続端子を備えるスペースを備える必要がないので電力変換装置の小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施例とする車載用DC／DCコンバータの回路図である。
【図２】第１の実施例とする車載用DC／DCコンバータの斜視図である。
【図３】第１の実施例とするトランスの構成を示す斜視図である。
【図４】図１の車載用DC／DCコンバータの組み立て前を示したA−A断面を矢印方向から見た図である。
【図５】図１の車載用DC／DCコンバータのA−A断面を矢印方向から見た図である。
【図６】（ア）は特許文献１とするトランスの断面図、（イ）はトランスの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明の実施の形態を示す実施例を図１乃至図５に基づいて説明する。ここでは、車載用電力変換装置の一例として降圧型の車載用DC／DCコンバータを取り上げる。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例とするDC／DCコンバータの回路図を図１に、DC／DCコンバータの斜視図を図２に、第１の実施例とするトランスの構成を示す斜視図を図３に、図１の車載用DC／DCコンバータの組み立て前を示したA−A断面を矢印方向から見た図を図４に、図１の車載用DC／DCコンバータのA−A断面を矢印方向から見た図を図５にそれぞれ示す。
【００２０】
図１乃至３において、ハイブリッド自動車や電気自動車には、走行用のモータを駆動させるために用いられる最大６００Vの高電圧バッテリ38が備えられており、当該バッテリ38からパワーウインドウや電動ミラー等の車載電装品への電力供給をする際には、車載用DC／DCコンバータ80を用いて当該車載電装品の定格電圧に降圧している。当該車載用DC／DCコンバータ80はプリント基板40a上に配置されたスイッチング回路70を備え、当該スイッチング回路70の後段には１次側コイル12及び２次側コイル14、コア16から構成されるトランス10を備え、当該トランス10の後段にはプリント基板40b上に配置された整流回路72を備え、当該整流回路72の後段には平滑回路74を備え、当該車載用DC／DCコンバータ80に当該スイッチング回路70へのフィードバック制御を行う制御部76を備えて構成されている。
【００２１】
また、前記スイッチング回路72はフルブリッジ状に接続された電界効果トランジスタ30a，30b，30c，30d（以下「FET」）と、当該FET30aにFET30e及び当該FET30bにFET30f、当該FET30cにFET30g、当該FET30dにFET30hをそれぞれ並列に接続して構成されている。さらに、前記整流回路72は前記２次側コイル14の一端にダイオード32aのカソード側を接続し、前記２次側コイル14の他端にダイオード32bのカソード側を接続して構成され、当該ダイオード32a，32bはショットキーバリアダイオードとしている。
【００２２】
また、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bはパッケージングされていない半導体素子としている。さらに、前記平滑回路74はチョークコイル34及びコンデンサ36から構成されている。
【００２３】
また、前記プリント基板40a，40b及び前記トランス10、前記平滑回路74は金属製のヒートシンク20上に配置され、当該ヒートシンク20の前記プリント基板40a，40b及び前記トランス10、前記平滑回路74の配置面と反対側の面には放熱のためのフィン22が形成されている。
【００２４】
また、前記１次側コイル12は表面をエナメル層で覆った平板状のバスバーを４ターン巻き回して構成され、前記２次側コイル14は平板状のバスバーをリング状にして形成された２次側コイル14a及び２次側コイル14bを組み合わせて１ターン巻き回した構成としている。さらに、当該２次側コイル14a，14bは接続端部15a，15cをネジ66で接続することで電気的に接続し、前記１次側コイル12は当該２次側コイル14a，14bの間に挟まれるように配置されている。
【００２５】
また、前記コア16はフェライトをE字型に成形した２つのコア16a，16bから構成され、当該コア16a，16bは突部17a，17bを形成している。さらに、前記コア16a，16bの間に前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bが配置され、当該突部17a，17bが前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bを貫通するように構成され、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bは磁気的に接続している。
【００２６】
また、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14b、前記コア16a，16bのそれぞれの間にエポキシで成形された絶縁ケース18a，18b，18c，18dを備えている。さらに、当該絶縁ケース18a，18b，18c，18dは前記1次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bをフルモールドする構造とすると前記1次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14b、前記コア16a，16bの熱膨張係数の差からクラックが発生する確率が高くなるため、当該絶縁ケース18a，18b，18c，18dは前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14b、前記コア16a，16bと密接していない構造としている。
【００２７】
また、前記ヒートシンク20上に前記プリント基板40aの周囲を囲うモジュールケース60a及び前記プリント基板40bの周囲を囲うモジュールケース60bを備え、当該モジュールケース60a，60bは絶縁性の樹脂で成形されている。さらに、前記１次側コイル12と前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hの電気的接続及び、前記２次側コイル14a，14bと前記ダイオード32a，32bの電気的接続を行う銅で平板状に成形された接続端子62a，62b，62c，62dを当該モジュールケース60a，60b内にインサート成形している。
【００２８】
また、前記接続端子62aの端部64aは前記１次側コイル12の接続部13aとネジ66で固定して電気的に接続し、前記接続端子62bの端部64aは前記１次側コイル12の接続部13bとネジ66で固定して電気的に接続されている。さらに、前記接続端子62cの端部64aは前記２次側コイル14aの接続端部15bとネジ66で固定され電気的に接続し、前記接続端子62dの端部64aは前記２次側コイル14bの接続端部15dとネジ66で電気的に接続されている。
【００２９】
また、前記車載用DC／DCコンバータ80の動作は、前記制御部76から前記FET30a，30d，30e，30hと前記FET30b，30c，30f，30gを交互にオン・オフさせるパルス信号を供給し、前記バッテリ38からの直流を高調波の交流に変換して前記１次側コイル12に送り、前記トランス10で変圧される。さらに、前記２次側コイル14a，14bからの出力は前記整流回路72により直流に整流され、前記平滑回路74によって低圧直流電圧として平滑され出力される。
【００３０】
次に、プリント基板の積層構造を図４及び図５に基づいて説明する。
【００３１】
図４及び図５において、前記プリント基板40a，40bは酸化アルミニウムで成形されたアルミナ層44と、当該アルミナ層44の表面に銅で配線パターンを積層した銅パターン42と、当該銅パターン42上の前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hを電気的に接続させる半田層46と、当該半田層46上の前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hから構成されている。また、配線パターンには前記接続端子62a，62b，62c，62dの端部64bと電気的に接続するための接続端子用銅パターン43を備えている。さらに、当該プリント基板40a，40bと前記ヒートシンク20の接続面には導電フィラーとして銅粉を用いた導電性接着樹脂48が塗布されている。さらに、前記スイッチング回路70及び前記整流回路72の前記プリント基板40a，40b上の配線については前記銅パターン42及びワイヤボンディングによって行われている。
【００３２】
また、前記接続端子62a，62b，62c，62dの前記端部64bから前記ヒートシンク20までの長さをΔTaとし、前記プリント基板40a，40bの前記接続端子62a，62b，62c，62dと接続される前記接続端子用銅パターン43から前記導電性接着樹脂48までの長さをΔTbすると、ΔTa≦ΔTbとなれば前記接続端子62,a，62b，62c，62dの前記端部64bと前記プリント基板40a，40bの電気的接続が確実に行える。さらに、前記ヒートシンク20上に前記プリント基板40a，40bと前記モジュールケース60a，60bを設置後に半導体封止樹脂50を前記モジュールケース60a，60b上面まで充填し、前記プリント基板40a，40b上の前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bをパッケージングしている。
【００３３】
上記構成によって、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bに発熱が生じても、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bは前記接続端子62a，62b，62c，62dを放熱経路として前記プリント基板40a，40bを介して前記ヒートシンク20へ放熱される。また、前記プリント基板40a，40bと前記ヒートシンク20を前記導電性接着樹脂48で接続することで前記プリント基板40a，40bと前記ヒートシンク20の間の熱抵抗が低減されるため、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bからの熱を効率良く前記ヒートシンク20まで伝達することができる。また、発熱量が大きいとされる前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bにおいても同様に、前記導電性接着樹脂48によって前記ヒートシンク20まで効率良く熱を伝達することができる。さらに、前記導電性接着樹脂48は銅粉の粒子の大きさが３０μmであり、前記導電性接着樹脂48を最も薄く塗布すると３０μmの厚さとなるため、熱抵抗をより低く抑えることができる。
【００３４】
また、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hを前記モジュールケース60a内及び前記ダイオード32a，32bを前記モジュールケース60b内に充填される前記半導体封止樹脂50によってパッケージングすることで、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bをそれぞれ個別に樹脂や金属でパッケージングする構成より前記プリント基板40a，40bを小型化することができる。
【００３５】
なお上記実施例１の変形例として、車載用電力変換装置の一例を降圧型の前記車載用DC／DCコンバータ80を取り上げたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、他の車載用電力変換装置に実施してもよい。また、前記接続端子62a，62b，62c，62dは銅以外の金属で成形してもよいし、前記接続端子62a，62b，62c，62dは少なくとも一部を前記モジュールケース60a，60bに埋没し、前記１次側コイル12の前記接続部13a，13b及び前記２次側コイル14a，14bの前記接続端部15b，15d、前記プリント基板40a，40bの前記接続端子用銅パターン43との接触が面接触であれば設計事情によって任意の形状にしてもよい。さらに、前記接続端子62a，62b，62c，62dをエナメル層等の絶縁層で覆い、少なくとも前記１次側コイル12の前記接続部13a，13b及び前記２次側コイル14a，14bの前記接続端部15b，15dとの接続面のみ露出する構成とすれば、前記モジュールケース60a，60bの材質は絶縁性の樹脂以外で成形してもよい。
【００３６】
また、本実施例では前記スイッチング回路70及び前記整流回路72をそれぞれ個別の前記プリント基板40a，40bに配置したが、前記スイッチング回路70及び前記整流回路72を１枚のプリント基板上に配置してもよい。さらに、前記接続端子62a，62b，62c，62dは前記１次側コイル12又は前記２次側コイル14a，14bのどちらか一方にのみ備える構成としてもよい。
【００３７】
また、前記スイッチング回路70及び前記整流回路72、前記平滑回路74の回路構成は設計事情によって任意に変更してもよいし、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hは電界効果トランジスタ以外のスイッチング素子を用いてもよいし、前記ダイオード32a，32bはショットキーバリアダイオード以外のダイオードを用いてもよい。さらに、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bはパッケージング済の半導体素子を用いてもよい。
【００３８】
また、前記接続端子62a，62b，62c，62dと前記１次側コイル12の前記接続部13a，13b及び前記２次側コイル14a，14bの前記接続端部15b，15dの固定方法は前記ネジ66止め以外にも、例えば半田付けや導電性接着材等を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
10：トランス
12：１次側コイル
13a，13b：接続部
14，14a，14b：２次側コイル
15a，15b，15c，15d：接続端部
16，16a，16b：コア
17a，17b：突部
18，18a，18b，18c，18d：絶縁ケース
20：ヒートシンク
22：フィン
30，30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h：電界効果トランジスタ（FET）
32，32a，32b：ダイオード
34：チョークコイル
36：コンデンサ
38：バッテリ
40a，40b：プリント基板
42：銅パターン
43：接続端子用銅パターン
44：アルミナ層
46：半田層
48：導電性接着樹脂
50：半導体封止樹脂
60a，60b：モジュールケース
62a，62b，62c，62d：接続端子
64a，64b：端部
66：ネジ
70：スイッチング回路
72：整流回路
74：平滑回路
76：制御部
80：車載用DC／DCコンバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に使用する車載用電力変換装置の放熱構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハイブリッド自動車や電気自動車等において、走行用のモータを駆動させる高電圧バッテリが搭載されているが、高電圧バッテリの高電圧を用いて電動パワーステアリングや電動ミラー等の車載電装品を使用する際には、これらの車載電装品の定格電圧に電力変換する必要がある。
【０００３】
しかし、高電圧を電力変換する際には感電事故を防ぐために１次側コイルに対して２次側コイルを絶縁したセパレートトランスを備えた電力変換装置を使用することが知られている。このような絶縁トランスは１次側コイル及び２次側コイル、コアをそれぞれ絶縁しているため、放熱効果が低下する。また、ハイブリッド自動車や電機自動車等の場合は高電圧側に対して低電圧側に大電流が流れるため、発熱量が増加する。絶縁トランスの放熱効果を向上させるためには１次側コイル及び２次側コイル、コアの表面積をそれぞれ増加させればよいが、１次側コイル及び２次側コイル、コアの表面積をそれぞれ増加させるとトランスが大型化してしまう問題が生じた。このような問題を解決するために、例えば特開２００４−３３５７８０号公報（以下「特許文献１」）が知られている。
【０００４】
上記特許文献１とするトランスの断面図（ア）、トランスの側面図（イ）を図６に示す。図６において、共振型スイッチング電源において入力側の電力を出力側に伝達すると共にその漏れインダクタンスが共振回路のＬ成分として利用されるトランス120の取付け構造に係わる。ここで、上記トランス120は、第１の巻線121、およびその第１の巻線121よりも断面積の大きい第２の巻線122a，122bを含んでいる。また、上記第１の巻線121は、上記トランス121の第１の外面125に近接するようにその内側領域に収容されており、上記第２の巻線122a，122bは、上記第１の巻線121と磁気的に結合するように上記トランス120の第１の外面125に対向する第２の外面126の内側領域に収容されている。そして、上記トランス120は、上記第１の外面125がヒートシンク140に接触するように取り付けられる。
【０００５】
また、上記トランス120から引き出されている上記第２の巻線122a，122bの端部が、熱伝導性の高い絶縁部材141を介して上記ヒートシンク140に熱的に接続してトランスの放熱を行っているものが提案されている。
【０００６】
しかし、上記特許文献１では第２の巻線の端部を電気的に接続する構成と熱的に接続される構成とを有しているため、ヒートシンク上に余分なスペースを生じることになり、トランスは小型化できるが電力変換装置全体としての小型化が困難である。このような問題を解決するために、例えば特開２００７−２２１９１９号公報（以下「特許文献２」）が知られている。
【０００７】
上記特許文献２において、１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスと、前記２次側コイルの誘起電圧を整流する整流素子とを備えるものであって、前記２次側コイルが複数のコイル導体部を有し、各コイル導体部の端部が金属基板上に絶縁層を介して形成された導体パターンにはんだ付けされており、前記１次側コイルが前記複数のコイル導体部間に挿入されている。
【０００８】
前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板と、前記１次側コイルに接続されるスイッチング回路とを備え、前記ＡＣ／ＤＣ変換モジュール基板を放熱用ベースプレート上に直接取り付けたDC／DCコンバータが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３３５７８０号公報
【特許文献２】特開２００７−２２１９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の電力変換装置では次のような問題が生じている。即ち、特許文献２において、トランスの２次側コイルを金属基板上の導体パターンにはんだ付けで固定し、また前記２次側コイルと整流部との接続もはんだ付けで行う組立構造であるため、小型化、部品点数低減、組立工数低減が可能である。また、放熱用ベースプレート上に前記金属基板を直接取り付ける構成とした場合、大電流が流れる２次側コイルを前記放熱用ベースプレートに小さな熱抵抗で設置可能となり、放熱効果が大きく、２次側コイルの小型化が可能となるが、２次側コイルに整流回路を備えることで金属基板上に２次側コイルの接続面と整流素子の搭載面とを備える必要が生じ、金属基板の面積が増加するためDC／DCコンバータ全体としての小型化が困難である。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、放熱効果に優れたトランスと、トランス及び電力変換装置の小型化と組み立て構成の簡素化が可能な車載用電力変換装置を提供することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明は次のような構成とする。即ち、請求項１の発明において、１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、半導体素子から構成される電子回路を配置したプリント基板を備え、前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用電力変換装置において、前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をケースに備え、前記接続端子は前記ケースにインサート成形されており、前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用電力変換装置とする。
【００１３】
上記構成においては、前記ケースは前記プリント基板周囲に配置されるモジュールケースとし、前記プリント基板上に配置された前記電子回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングしてもよい。また、前記ケースは絶縁性を有した樹脂で成形してもよいし、前記接続端子62は前記ケースとの接触部を絶縁層で覆われていてもよい。
【００１４】
さらに別の発明としては、１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、スイッチング回路及び整流回路を配置したプリント基板を備え、前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用DC／DCコンバータにおいて、前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、前記プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、前記スイッチング回路及び前記整流回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされ、前記モジュールケースに前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用DC／DCコンバータとする。
【発明の効果】
【００１５】
上記の通り、トランスはコアをヒートシンク上に接触するよう配置し、プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、モジュールケースに１次側コイル又は／及び２次側コイルからプリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、１次側コイル又は／及び２次側コイルは接続端子及びプリント基板を介してヒートシンクと接続することで、トランスの放熱効果を高め、且つトランスの小型化と組み立て構成の簡素化が実現できる。
【００１６】
また、スイッチング回路及び整流回路はモジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされるため、複数の半導体素子を個別にパッケージングする構成よりプリント基板を小型化することができる。さらに、接続端子をモジュールケースにインサート成形することで接続端子を備えるスペースを備える必要がないので電力変換装置の小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施例とする車載用DC／DCコンバータの回路図である。
【図２】第１の実施例とする車載用DC／DCコンバータの斜視図である。
【図３】第１の実施例とするトランスの構成を示す斜視図である。
【図４】図１の車載用DC／DCコンバータの組み立て前を示したA−A断面を矢印方向から見た図である。
【図５】図１の車載用DC／DCコンバータのA−A断面を矢印方向から見た図である。
【図６】（ア）は特許文献１とするトランスの断面図、（イ）はトランスの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明の実施の形態を示す実施例を図１乃至図５に基づいて説明する。ここでは、車載用電力変換装置の一例として降圧型の車載用DC／DCコンバータを取り上げる。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例とするDC／DCコンバータの回路図を図１に、DC／DCコンバータの斜視図を図２に、第１の実施例とするトランスの構成を示す斜視図を図３に、図１の車載用DC／DCコンバータの組み立て前を示したA−A断面を矢印方向から見た図を図４に、図１の車載用DC／DCコンバータのA−A断面を矢印方向から見た図を図５にそれぞれ示す。
【００２０】
図１乃至３において、ハイブリッド自動車や電気自動車には、走行用のモータを駆動させるために用いられる最大６００Vの高電圧バッテリ38が備えられており、当該バッテリ38からパワーウインドウや電動ミラー等の車載電装品への電力供給をする際には、車載用DC／DCコンバータ80を用いて当該車載電装品の定格電圧に降圧している。当該車載用DC／DCコンバータ80はプリント基板40a上に配置されたスイッチング回路70を備え、当該スイッチング回路70の後段には１次側コイル12及び２次側コイル14、コア16から構成されるトランス10を備え、当該トランス10の後段にはプリント基板40b上に配置された整流回路72を備え、当該整流回路72の後段には平滑回路74を備え、当該車載用DC／DCコンバータ80に当該スイッチング回路70へのフィードバック制御を行う制御部76を備えて構成されている。
【００２１】
また、前記スイッチング回路72はフルブリッジ状に接続された電界効果トランジスタ30a，30b，30c，30d（以下「FET」）と、当該FET30aにFET30e及び当該FET30bにFET30f、当該FET30cにFET30g、当該FET30dにFET30hをそれぞれ並列に接続して構成されている。さらに、前記整流回路72は前記２次側コイル14の一端にダイオード32aのカソード側を接続し、前記２次側コイル14の他端にダイオード32bのカソード側を接続して構成され、当該ダイオード32a，32bはショットキーバリアダイオードとしている。
【００２２】
また、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bはパッケージングされていない半導体素子としている。さらに、前記平滑回路74はチョークコイル34及びコンデンサ36から構成されている。
【００２３】
また、前記プリント基板40a，40b及び前記トランス10、前記平滑回路74は金属製のヒートシンク20上に配置され、当該ヒートシンク20の前記プリント基板40a，40b及び前記トランス10、前記平滑回路74の配置面と反対側の面には放熱のためのフィン22が形成されている。
【００２４】
また、前記１次側コイル12は表面をエナメル層で覆った平板状のバスバーを４ターン巻き回して構成され、前記２次側コイル14は平板状のバスバーをリング状にして形成された２次側コイル14a及び２次側コイル14bを組み合わせて１ターン巻き回した構成としている。さらに、当該２次側コイル14a，14bは接続端部15a，15cをネジ66で接続することで電気的に接続し、前記１次側コイル12は当該２次側コイル14a，14bの間に挟まれるように配置されている。
【００２５】
また、前記コア16はフェライトをE字型に成形した２つのコア16a，16bから構成され、当該コア16a，16bは突部17a，17bを形成している。さらに、前記コア16a，16bの間に前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bが配置され、当該突部17a，17bが前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bを貫通するように構成され、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bは磁気的に接続している。
【００２６】
また、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14b、前記コア16a，16bのそれぞれの間にエポキシで成形された絶縁ケース18a，18b，18c，18dを備えている。さらに、当該絶縁ケース18a，18b，18c，18dは前記1次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bをフルモールドする構造とすると前記1次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14b、前記コア16a，16bの熱膨張係数の差からクラックが発生する確率が高くなるため、当該絶縁ケース18a，18b，18c，18dは前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14b、前記コア16a，16bと密接していない構造としている。
【００２７】
また、前記ヒートシンク20上に前記プリント基板40aの周囲を囲うモジュールケース60a及び前記プリント基板40bの周囲を囲うモジュールケース60bを備え、当該モジュールケース60a，60bは絶縁性の樹脂で成形されている。さらに、前記１次側コイル12と前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hの電気的接続及び、前記２次側コイル14a，14bと前記ダイオード32a，32bの電気的接続を行う銅で平板状に成形された接続端子62a，62b，62c，62dを当該モジュールケース60a，60b内にインサート成形している。
【００２８】
また、前記接続端子62aの端部64aは前記１次側コイル12の接続部13aとネジ66で固定して電気的に接続し、前記接続端子62bの端部64aは前記１次側コイル12の接続部13bとネジ66で固定して電気的に接続されている。さらに、前記接続端子62cの端部64aは前記２次側コイル14aの接続端部15bとネジ66で固定され電気的に接続し、前記接続端子62dの端部64aは前記２次側コイル14bの接続端部15dとネジ66で電気的に接続されている。
【００２９】
また、前記車載用DC／DCコンバータ80の動作は、前記制御部76から前記FET30a，30d，30e，30hと前記FET30b，30c，30f，30gを交互にオン・オフさせるパルス信号を供給し、前記バッテリ38からの直流を高調波の交流に変換して前記１次側コイル12に送り、前記トランス10で変圧される。さらに、前記２次側コイル14a，14bからの出力は前記整流回路72により直流に整流され、前記平滑回路74によって低圧直流電圧として平滑され出力される。
【００３０】
次に、プリント基板の積層構造を図４及び図５に基づいて説明する。
【００３１】
図４及び図５において、前記プリント基板40a，40bは酸化アルミニウムで成形されたアルミナ層44と、当該アルミナ層44の表面に銅で配線パターンを積層した銅パターン42と、当該銅パターン42上の前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hを電気的に接続させる半田層46と、当該半田層46上の前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hから構成されている。また、配線パターンには前記接続端子62a，62b，62c，62dの端部64bと電気的に接続するための接続端子用銅パターン43を備えている。さらに、当該プリント基板40a，40bと前記ヒートシンク20の接続面には導電フィラーとして銅粉を用いた導電性接着樹脂48が塗布されている。さらに、前記スイッチング回路70及び前記整流回路72の前記プリント基板40a，40b上の配線については前記銅パターン42及びワイヤボンディングによって行われている。
【００３２】
また、前記接続端子62a，62b，62c，62dの前記端部64bから前記ヒートシンク20までの長さをΔTaとし、前記プリント基板40a，40bの前記接続端子62a，62b，62c，62dと接続される前記接続端子用銅パターン43から前記導電性接着樹脂48までの長さをΔTbすると、ΔTa≦ΔTbとなれば前記接続端子62,a，62b，62c，62dの前記端部64bと前記プリント基板40a，40bの電気的接続が確実に行える。さらに、前記ヒートシンク20上に前記プリント基板40a，40bと前記モジュールケース60a，60bを設置後に半導体封止樹脂50を前記モジュールケース60a，60b上面まで充填し、前記プリント基板40a，40b上の前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bをパッケージングしている。
【００３３】
上記構成によって、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bに発熱が生じても、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bは前記接続端子62a，62b，62c，62dを放熱経路として前記プリント基板40a，40bを介して前記ヒートシンク20へ放熱される。また、前記プリント基板40a，40bと前記ヒートシンク20を前記導電性接着樹脂48で接続することで前記プリント基板40a，40bと前記ヒートシンク20の間の熱抵抗が低減されるため、前記１次側コイル12及び前記２次側コイル14a，14bからの熱を効率良く前記ヒートシンク20まで伝達することができる。また、発熱量が大きいとされる前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bにおいても同様に、前記導電性接着樹脂48によって前記ヒートシンク20まで効率良く熱を伝達することができる。さらに、前記導電性接着樹脂48は銅粉の粒子の大きさが３０μmであり、前記導電性接着樹脂48を最も薄く塗布すると３０μmの厚さとなるため、熱抵抗をより低く抑えることができる。
【００３４】
また、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hを前記モジュールケース60a内及び前記ダイオード32a，32bを前記モジュールケース60b内に充填される前記半導体封止樹脂50によってパッケージングすることで、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bをそれぞれ個別に樹脂や金属でパッケージングする構成より前記プリント基板40a，40bを小型化することができる。
【００３５】
なお上記実施例１の変形例として、車載用電力変換装置の一例を降圧型の前記車載用DC／DCコンバータ80を取り上げたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、他の車載用電力変換装置に実施してもよい。また、前記接続端子62a，62b，62c，62dは銅以外の金属で成形してもよいし、前記接続端子62a，62b，62c，62dは少なくとも一部を前記モジュールケース60a，60bに埋没し、前記１次側コイル12の前記接続部13a，13b及び前記２次側コイル14a，14bの前記接続端部15b，15d、前記プリント基板40a，40bの前記接続端子用銅パターン43との接触が面接触であれば設計事情によって任意の形状にしてもよい。さらに、前記接続端子62a，62b，62c，62dをエナメル層等の絶縁層で覆い、少なくとも前記１次側コイル12の前記接続部13a，13b及び前記２次側コイル14a，14bの前記接続端部15b，15dとの接続面のみ露出する構成とすれば、前記モジュールケース60a，60bの材質は絶縁性の樹脂以外で成形してもよい。
【００３６】
また、本実施例では前記スイッチング回路70及び前記整流回路72をそれぞれ個別の前記プリント基板40a，40bに配置したが、前記スイッチング回路70及び前記整流回路72を１枚のプリント基板上に配置してもよい。さらに、前記接続端子62a，62b，62c，62dは前記１次側コイル12又は前記２次側コイル14a，14bのどちらか一方にのみ備える構成としてもよい。
【００３７】
また、前記スイッチング回路70及び前記整流回路72、前記平滑回路74の回路構成は設計事情によって任意に変更してもよいし、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30hは電界効果トランジスタ以外のスイッチング素子を用いてもよいし、前記ダイオード32a，32bはショットキーバリアダイオード以外のダイオードを用いてもよい。さらに、前記FET30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h及び前記ダイオード32a，32bはパッケージング済の半導体素子を用いてもよい。
【００３８】
また、前記接続端子62a，62b，62c，62dと前記１次側コイル12の前記接続部13a，13b及び前記２次側コイル14a，14bの前記接続端部15b，15dの固定方法は前記ネジ66止め以外にも、例えば半田付けや導電性接着材等を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
10：トランス
12：１次側コイル
13a，13b：接続部
14，14a，14b：２次側コイル
15a，15b，15c，15d：接続端部
16，16a，16b：コア
17a，17b：突部
18，18a，18b，18c，18d：絶縁ケース
20：ヒートシンク
22：フィン
30，30a，30b，30c，30d，30e，30f，30g，30h：電界効果トランジスタ（FET）
32，32a，32b：ダイオード
34：チョークコイル
36：コンデンサ
38：バッテリ
40a，40b：プリント基板
42：銅パターン
43：接続端子用銅パターン
44：アルミナ層
46：半田層
48：導電性接着樹脂
50：半導体封止樹脂
60a，60b：モジュールケース
62a，62b，62c，62d：接続端子
64a，64b：端部
66：ネジ
70：スイッチング回路
72：整流回路
74：平滑回路
76：制御部
80：車載用DC／DCコンバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、
前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、
前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、
半導体素子から構成される電子回路を配置したプリント基板を備え、
前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用電力変換装置において、
前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、
前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をケースに備え、
前記接続端子は前記ケースにインサート成形されており、
前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項２】
前記ケースは前記プリント基板周囲に配置されるモジュールケースとし、
前記プリント基板上に配置された前記電子回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされていることを特徴とする請求項１に記載の車載用電力変換装置。
【請求項３】
前記ケースは絶縁性を有した樹脂で成形されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車載用電力変換装置。
【請求項４】
前記接続端子は前記ケースとの接触部を絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車載用電力変換装置。
【請求項５】
１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、
前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、
前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、
スイッチング回路及び整流回路を配置したプリント基板を備え、
前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用DC／DCコンバータにおいて、
前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、
前記プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、
前記スイッチング回路及び前記整流回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされ、
前記モジュールケースに前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、
前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用DC／DCコンバータ。
【請求項１】
１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、
前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、
前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、
半導体素子から構成される電子回路を配置したプリント基板を備え、
前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用電力変換装置において、
前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、
前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をケースに備え、
前記接続端子は前記ケースにインサート成形されており、
前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項２】
前記ケースは前記プリント基板周囲に配置されるモジュールケースとし、
前記プリント基板上に配置された前記電子回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされていることを特徴とする請求項１に記載の車載用電力変換装置。
【請求項３】
前記ケースは絶縁性を有した樹脂で成形されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車載用電力変換装置。
【請求項４】
前記接続端子は前記ケースとの接触部を絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車載用電力変換装置。
【請求項５】
１次側コイルと２次側コイルとコアとから構成される変圧用トランスを備え、
前記１次側コイル及び前記２次側コイルは平板状のバスバーから形成されており、
前記トランスは入力側に対して出力側が絶縁された絶縁トランスとし、
スイッチング回路及び整流回路を配置したプリント基板を備え、
前記プリント基板をヒートシンク上に備えた車載用DC／DCコンバータにおいて、
前記トランスは前記コアを前記ヒートシンク上に接触するよう配置し、
前記プリント基板周囲にモジュールケースを配置し、
前記スイッチング回路及び前記整流回路は前記モジュールケース内に充填される半導体封止樹脂によってパッケージングされ、
前記モジュールケースに前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルから前記プリント基板への電気的接続及び熱伝達を行う平板状の接続端子をインサート成形し、
前記１次側コイル又は／及び前記２次側コイルは前記接続端子及び前記プリント基板を介して前記ヒートシンクと接続していることを特徴とする車載用DC／DCコンバータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３１６１６（Ｐ２０１２−２３１６１６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９８８５５（Ｐ２０１１−９８８５５）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００１０９０９３）ダイヤモンド電機株式会社 (387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００１０９０９３）ダイヤモンド電機株式会社 (387)
【Ｆターム（参考）】
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