JP2015061361A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながら、トランスからの漏れ磁束が回路基板に形成された回路に及ぼす影響を低減することができる電力変換装置を提供すること。【解決手段】電力変換装置１は、一次コイル２１及び二次コイル２２を有するトランス２と、トランス２の一次コイル２１側に接続された一次側回路部３と、トランス２の二次コイル２２側に接続された二次側回路部４と、一次側電子部品３０を接続する回路基板７１、７２と、を備える。そして、トランス２の一次コイル２１及び二次コイル２２の軸方向Ｚと、回路基板７１、７２の法線方向Ｙとが直交する。【選択図】図２

Description

本発明は、トランスを備えた電力変換装置に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置は、トランス、半導体部品、コンデンサ、コイル等の各種電子部品を有する。そして、電力変換装置には、制御回路や主回路の一部を構成する回路基板が設けてある。例えば、特許文献１にはトランスを含む各種電子部品及び回路基板がケース内に備えられた電力変換装置が開示されている。

特開２０００−０１４１４９号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、トランスに備えられるコイルの軸方向と回路基板の法線方向が一致している。そのため、トランスからの漏れ磁束が回路基板に構成された制御回路や主回路等に影響を及ぼす恐れがある。また、トランスからの漏れ磁束の影響を低減するために、当該漏れ磁束を遮蔽する遮蔽物をケース内に設けることとすれば、ケース内に遮蔽物の設置スペースを確保する必要があることから、装置が大型化するという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、小型でありながら、トランスからの漏れ磁束が回路基板に形成された回路に及ぼす影響を低減することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、一次コイルと二次コイルとを有するトランスと、
該トランスの上記一次コイル側に接続された一次側回路部と、
上記トランスの上記二次コイル側に接続された二次側回路部と、
上記一次側回路部を形成する一次側電子部品又は上記二次側回路部を形成する二次側電子部品を接続する少なくとも一つの回路基板と、を備え、
上記トランスの上記一次コイル及び上記二次コイルの軸方向と、上記少なくとも一つの回路基板の法線方向とが直交していることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、トランスに備えられる一次コイル及び二次コイルの軸方向と、回路基板の法線方向とが直交している。そのため、トランスからの漏れ磁束が回路基板に形成された回路に対して及ぼす影響を低減することができる。また、トランスからの漏れ磁束を遮蔽する遮蔽物を設ける必要がないため、小型の電力変換装置とすることができる。

以上のごとく、本発明によれば、小型でありながら、トランスからの漏れ磁束が回路基板に形成された回路に及ぼす影響を低減できる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の上面図。 図１における、II−II線断面図。 変形例における、回路基板の断面拡大図。 実施例２における、電力変換装置の上面図。

上記電力変換装置において、回路基板には、一次側回路部を構成する一次側電子部品及び二次側回路部を構成する二次側電子部品の少なくとも一方が接続されている。一次側回路部には入力フィルタ回路部及び一次側電子部品に接続された制御回路部が含まれる。二次側回路部には出力フィルタ回路部及び二次側電子部品に接続された制御回路部が含まれる。入力フィルタ回路部を構成する電子部品及び出力フィルタ回路部を構成する電子部品としては、例えば、コンデンサやコイル等がある。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すように、トランス２、一次側回路部３、二次側回路部４及び回路基板７１、７２、７３、７４を備える。
図２に示すように、トランス２は一次コイル２１と二次コイル２２とを有する。
一次側回路部３はトランス２の一次コイル２１側に接続されている。
図１に示す二次側回路部４は、図２に示すトランス２の二次コイル２２側に接続されている。
図１に示す回路基板７１、７２、７３、７４の少なくとも一つは、一次側回路部３を形成する一次側電子部品３０又は二次側回路部４を形成する二次側電子部品４０に接続されている。本例では、回路基板７１、７２が、一次側電子部品３０に接続されている。
そして、図２に示すように、トランス２の一次コイル２１及び二次コイル２２の軸方向Ｚと、少なくとも一つの回路基板の法線方向とが直交している。本例では、回路基板７１、７２の法線方向Ｙとトランス２の軸方向Ｚとが直交している。また、図示しないが、回路基板７３、７４の法線方向Ｘもトランス２の軸方向Ｚと直交している。

本例において、電力変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載され、直流電源の高圧の直流電力を低圧の直流電圧に降圧し、補機用バッテリに供給するために用いられる。

トランス２は、図２に示すように、コイル２０及びコア２５を有する。コア２５は、第１コア２３と第２コア２４に分割して形成されたＥＥ型のコアであって、第１コア２３と第２コア２４との間にコイル２０を介在させることによって、コイル２０がコア２５に挟まれて、トランス２が形成されている。コイル２０として、一次コイル２１及び二次コイル２２が備えられている。トランス２において、一次コイル２１及び二次コイル２２はコア２５の軸部２５ａに巻回されるように配置されている。そして、図１に示すように、トランス２のＸ方向の両端側において、一次コイル２１及び二次コイル２２の一部が露出してコイル露出部２０ａ、２０ｂを形成している。

一次側回路部３は、複数のスイッチング素子を内蔵した半導体モジュールからなる一次側電子部品３０により形成されており、スイッチング回路を構成している。スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）を用いることができる。なお、一次側電子部品３０は必ずしも半導体モジュールである必要はなく、例えば、ディスクリートの半導体部品であってもよい。

図２に示すように、一次側回路部３を構成する一次側電子部品３０は、ケース８の内側底面８０ａに平行に配置されている。一次側電子部品３０における一方の主面３０ａ（内側底面８０ａと反対側の面）にはトランス２が配設されている。これにより、一次側回路部３（一次側電子部品３０）とトランス２とが積層されて、積層体１１を形成している。積層体１１において、トランス２は、その軸方向（すなわち、軸部２５ａの立設方向）であるＺ方向が一次側電子部品３０の主面３０ａの法線方向に平行となるように設けられている。

二次側回路部４は整流回路を構成しており、複数のダイオードを内蔵したダイオードモジュールからなる二次側電子部品４０を備えている。なお、二次側電子部品４０は、複数のＭＯＳＦＥＴを内蔵した半導体モジュールであってもよい。さらに、二次側電子部品４０は、ディスクリートの半導体部品であってもよい。

図２に示すように、制御回路部７は、一対の回路基板７１、７２に形成された制御回路（ドライブ回路）からなる。回路基板７１、７２は、ケース８の内側底面８０ａに対して立設しており、回路基板７１、７２はそれぞれの法線方向Ｙとトランス２の軸方向Ｚとが直交している。回路基板７１、７２は、それぞれの主面７１ａ、７２ａが互いに対向するように配設されている。そして、一対の回路基板７１、７２は積層体１１を挟むように配設されており、これにより、回路基板７１（第１回路基板）及び回路基板７２（第２回路基板）における互いの主面７１ａ、７２ａの間に、トランス２を有する積層体１１が配設されることとなっている。また、図１に示すように、回路基板７１、７２は積層体１１に隣接するように配設されている。

図１に示すように、一次側電子部品３０には複数の制御端子３１、３２が備えられている。そして、複数の制御端子３１、３２のうち、回路基板７１に最も近い位置に位置する制御端子３１と回路基板７１とがバスバ７１１を介して接続されている。同様に、複数の制御端子３１、３２のうち、回路基板７２に最も近い位置に位置する制御端子３２と回路基板７２とがバスバ７２１を介して接続されている。制御回路部７からの信号電流によって、一次側電子部品３０の各スイッチング素子が制御されて、一次側回路部３においてスイッチング動作を行うように構成されている。

入力フィルタ回路部５は平滑回路を構成しており、図１に示すように、チョークコイル５１を備えている。チョークコイル５１は回路基板７３の第２主面７３ｂに搭載されている。回路基板７３には、電源が入力される入力端子８１が設けられている。

さらに、回路基板７３には、回路基板７３の第１主面７３ａに平行に接地導体層７３ｃが積層されている。すなわち、回路基板７３は、例えば、多層プリント配線板によって構成されており、複数の導体層７３のうちの一層を、接地導体層７３ｃとしている。接地導体層７３ｃは、特に、回路基板７３における、トランス２に対向する部位に設けられることが好ましい。

出力フィルタ回路部６は平滑回路を構成しており、図１に示すように、チョークコイル６１を備えている。チョークコイル６１は回路基板７４の第２主面７４ｂに搭載されている。回路基板７４には、電源が出力される出力端子８２が設けられている。

図１に示すように、回路基板７３、７４は、それぞれの主面７３ａ、７４ａが互いに対向するように配設されている。そして、回路基板７３（第３回路基板）は、回路基板７１、７２（第１回路基板、第２回路基板）と直交して配設されている。同様に回路基板７４（第４回路基板）も回路基板７１、７２（第１回路基板、第２回路基板）と直交して配設されている。

図１に示すように、トランス２を有する積層体１１は、回路基板７１、７２（第１回路基板、第２回路基板）及び回路基板７３（第３回路基板）によって囲まれた配設領域１０に配設されている。本例では、配設領域１０は、三方から囲まれており、平面視矩形の領域として規定されている。そして、回路基板７３の主面７３ａは、トランス２の一方のコイル露出部２０ａに対向している。

本例の電力変換装置１では、入力端子８１を介して電力変換装置１に入力された直流電力は、入力フィルタ回路部５（平滑回路）において平滑化された後、一次側回路部３（スイッチング回路）において交流電力に変換されて、トランス２に入力される。トランス２に入力された交流電力は降圧された後、二次側回路部４（整流回路）において整流されて直流電力となる。そして、降圧後の直流電力は、出力フィルタ回路部６（平滑回路）において平滑化された後、出力端子８２を介して出力される。

なお、回路基板７１、７２、７３、７４は、互いに繋がっていてもよいし、互いに独立していてもよい。また、互いに繋がっている場合においても、互いの回路が電気的に接続されていてもよいし、電気的に接続されていなくてもよい。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の電力変換装置１によれば、トランス２に備えられる一次コイル２１及び二次コイル２２の軸方向Ｚと、一次側電子部品３０に接続された回路基板７１、７２の法線方向Ｙとが直交している。そのため、トランス２からの漏れ磁束が回路基板７１、７２に形成された回路（制御回路部７）に対して及ぼす影響を低減することができる。また、トランス２に備えられる一次コイル２１及び二次コイル２２の軸方向Ｚと、回路基板７３、７４の法線方向Ｘとが直交している。そのため、トランス２からの漏れ磁束が回路基板７３に形成された回路（入力フィルタ回路部５）及び回路基板７４に形成された回路（出力フィルタ回路部６）に対して及ぼす影響を低減することができる。これにより、トランス２からの漏れ磁束を遮蔽する遮蔽物をケース８内に設ける必要がないため、小型の電力変換装置１とすることができる。

また、本例の電力変換装置１において、一対の回路基板７１、７２は互いの主面７１ａ、７２ａを対向させて配設されている。それゆえ、一対の回路基板７１、７２の主面７１ａ、７２ａは同一平面上に位置することがなく、回路基板７１、７２をその広がり方向に並んで配置する場合や、一枚の回路基板に必要な回路を納めて配置する場合に比べて、装置全体について、特定の方向への投影面積が大きくなることを抑制することができる。その結果、電力変換装置１の体格が特定方向へ大型化することを抑制することができ、小型化しやすい電力変換装置１を得ることができる。さらに、本例では、一対の回路基板７３、７４も、互いの主面７３ａ、７４ａを対向させているとともに、上記一対の回路基板７１、７２に対して直交するように配設されている。これにより、特定の方向への投影面積が大きくなることを一層抑制することができ、より小型化しやすい電力変換装置１を得ることができる。

また、本例の電力変換装置１において、トランス２と、一次側電子部品３０及び二次側電子部品４０のうちの少なくとも一つを含む電子部品（本例では、一次側電子部品３０）とを積層してなる積層体１１が備えられるとともに、積層体１１の積層方向Ｚがトランス２の軸方向Ｚと同一となっている。これにより、回路基板７１、７２の法線方向Ｙは、積層体１１の積層方向Ｚと直交するため、回路基板７１、７２の主面７１ａ、７２ａと一次側電子部品３０の主面３０ａとが同一平面上に位置しないこととなる。その結果、両主面７１ａ、７２ａに平行な方向への投影面積が大きくなることを抑制することができ、電力変換装置１の小型化に寄与する。

また、積層体１１において、一次側電子部品３０としてスイッチング素子を有しており、回路基板７１、７２は、スイッチング素子を有する一次側回路部３を制御する制御回路部７を形成しているとともに、積層体１１に隣接するように配設されている。これにより積層体１１に備えられる一次側電子部品３０と回路基板７１、７２との距離を短くすることができる。その結果、両者を接続するバスバ７１１、７２１が短くて済むため、バスバ７１１、７２１の取り回しが容易となって組み付け作業性が向上するとともに、製造コスト面で有利となる。

また、本例の電力変換装置１において、回路基板として、第１回路基板７１及び第２回路基板７２を備え、第１回路基板７１及び第２回路基板７２は互いの主面７１ａ、７２ａを対向させて配置されるとともに、互いの主面７１ａ、７２ａの間にはトランス２が配設されている。これにより、両回路基板７１、７２に形成された制御回路部７において、トランス２からの漏れ磁束の影響を低減することができる。さらに、トランス２はスイッチング素子である一次側電子部品３０とともに積層体１１を形成していることから、回路基板７１、７２の両方において、積層体１１に備えられる一次側電子部品３０との距離を短くすることができる。その結果、組み付け作業性を向上でき、製造コスト面で優れる。また、積層体１１を両主面７１ａ、７２ａの外側に配設した場合に比べて、装置全体を小型化できる。

また、本例の電力変換装置１において、一次側電子部品３０としてスイッチング素子を有しており、回路基板として第１回路基板７１と直交して配設される第３回路基板７３を備える。そして、第１回路基板７１は一次側回路部３を制御する制御回路部７を形成しており、第３回路基板７３はフィルタ回路部（入力フィルタ回路部５）を形成している。これにより、入力フィルタ回路部５に対して、制御回路部７を形成する第１回路基板７１から発生するノイズの影響を低減することができる。さらに、第１回路基板７１と第３回路基板７３が直交して配設されるため、両者の主面７１ａ、７３ａに平行な方向における投影面積が小さくなり、当該方向において電力変換装置１の小型化が図られる。

また、本例の電力変換装置１において、トランス２は、第１回路基板７１、第２回路基板７２及び第３回路基板７３によって囲まれた配設領域１０に配設されている。これにより、第１回路基板７１、第２回路基板７２及び第３回路基板７３に形成された各回路に対する、トランス２からの漏れ磁束の影響を低減できる。また、第１回路基板７１、第２回路基板７２及び第３回路基板７３の主面７１ａ、７２ａ、７３ａに平行な方向、すなわち、トランス２の軸方向Ｚにおける装置全体の投影面積を小さくできるため、電力変換装置１の小型化に寄与する。なお、第１回路基板７１、第２回路基板７２、第３回路基板７３及び第４回路基板７４によって四方から囲まれる領域を配設領域１０としてもよい。

また、第１回路基板７１、第２回路基板７２及び第３回路基板７３の少なくとも一つの回路基板（本例では第３回路基板７３）は、該回路基板７３の第１主面７３ａに平行に積層されて形成された接地導体層７３ｃを有する。これにより、トランス２からの漏れ磁束を当該接地導体層７３ｃによって遮蔽して、漏れ磁束が電力変換装置１の外部へ放出されることを抑制することができる。なお、第４回路基板７４に接地導体層を形成することとしてもよい。

本例では、回路基板７１、７２、７３、７４はそれぞれ別体としたが、これに限らず、複数の回路基板７のうち一部の回路基板を、連続形成されたフレキシブル基板によって構成することとしてもよい。例えば、図３に示すように、回路基板７１、７３をフレキシブル基板によって連続形成し、回路基板７１、７３との間の湾曲部７３０を介して、略直角となるように配された両者を繋がった状態とすることができる。この場合においても、実施例１と同等の作用効果を奏する。なお、回路基板７２、７３においても同様に両者をフレキシブル基板によって連続形成して、略直角となるように配された両者を繋がった状態とすることができる。

なお、積層体１１において、一次側電子部品３０に替えて又はこれとともに二次側電子部品４０や他の電子部品を積層することとしてもよい。また、積層体１１を第１の積層体とするとともに、二次側電子部品４０や他の電子部品を積層して第２の積層体を形成することとしてもよい。そして、当該第１の積層体及び第２の積層体を配設領域１０に配設することができる。

以上のごとく、本例によれば、小型でありながら、トランス２からの漏れ磁束が回路基板７１、７２、７３、７４に形成された回路に及ぼす影響を低減できる電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例の電力変換装置１を図４に示す。なお、実施例１の場合と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
本例の電力変換装置１では、図４に示ように、積層体１１は、実施例１における積層体１１（図１参照）と配設方向が平面視で９０°異なっている。これに伴って、回路基板７１、７３、７４は、実施例１の場合と配設方向が平面視で９０°異なっている。そして、制御回路部７は、回路基板７１において形成されており、回路基板７２（図１参照）は設けられていない。そして、入力フィルタ回路部５を形成する回路基板７３と、出力フィルタ回路部６を形成する回路基板７４とが互いの主面７３ａ、７４ａが対向するように配置され、両主面７３ａ、７４ａの間に積層体１１が配設されている。

回路基板７２が設けられていることによる作用効果を除いて、本例においても、実施例１の場合と同等の作用効果を奏する。

１ 電力変換装置
２ トランス
３ 一次側回路部
３０ 一次側電子部品
４ 二次側回路部
４０ 二次側電子部品
７ 制御回路部
７１ 第１回路基板
７２ 第２回路基板
７３ 第３回路基板
７４ 第４回路基板
８１ 入力端子
８２ 出力端子

Claims (7)

1. 一次コイル（２１）と二次コイル（２２）とを有するトランス（２）と、
   該トランス（２）の上記一次コイル（２１）側に接続された一次側回路部（３）と、
   上記トランス（２）の上記二次コイル（２２）側に接続された二次側回路部（４）と、
   上記一次側回路部（３）を形成する一次側電子部品（３０）又は上記二次側回路部（４）を形成する二次側電子部品（４０）を接続する少なくとも一つの回路基板（７１、７２、７３，７４）と、を備え、
   上記トランス（２）の上記一次コイル（２１）及び上記二次コイル（２２）の軸方向と、上記少なくとも一つの回路基板（７１、７２、７３，７４）の法線方向とが直交していることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記トランス（２）と、上記一次側電子部品（３０）及び上記二次側電子部品（４０）のうちの少なくとも一つを含む電子部品とを積層してなる積層体（１１）が備えられるとともに、該積層体（１１）の積層方向が上記トランス（２）の軸方向と同一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に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記積層体（１１）において、上記一次側電子部品（３０）及び上記二次側電子部品（４０）としてスイッチング素子を有しており、上記回路基板（７１）は、上記スイッチング素子を有する上記一次側回路部（３）又は上記二次側回路部（４）を制御する制御回路部（７）を形成しているとともに、上記積層体（１１）に隣接するように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記回路基板（７１、７２）として、第１回路基板（７１）及び第２回路基板（７２）を備え、該第１回路基板（７１）及び該第２回路基板（７２）は互いの主面（７１ａ、７２ａ）を対向させて配置されるとともに、該互いの主面（７１ａ、７２ａ）の間には上記トランス（２）が配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記一次側電子部品（３０）又は上記二次側電子部品（４０）としてスイッチング素子を有しており、上記回路基板（７１、７３）として上記第１回路基板（７１）と直交して配設される第３回路基板（７３）を備えるとともに、上記第１回路基板（７１）は上記スイッチング素子を備える上記一次側回路部（３）又は上記二次側回路部（４）を制御する制御回路部（７）を形成しており、上記第３回路基板（７３）はフィルタ回路部（５、６）を形成していることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記トランス（２）は、上記第１回路基板（７１）、上記第２回路基板（７２）及び上記第３回路基板（７３）によって囲まれた領域（１０）に配設されていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置（１）。
7. 上記第１回路基板（７１）、上記第２回路基板（７２）及び上記第３回路基板（７３）の少なくとも一つの回路基板は、該回路基板の主面に平行に積層されて形成された接地導体層を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

Images