JP6237517B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源装置には、直流電力を昇圧又は降圧するためのトランスと、トランスの出力を整流する整流回路と、整流回路の出力電力を平滑化する平滑回路とが配線されている。そして、整流回路はダイオード等の半導体素子によって構成され、平滑回路はチョークコイルとコンデンサとによって構成されている。かかる電源装置の例として、ベースプレートに搭載された整流回路を構成する半導体素子に、チョークコイルを積層配置したものが開示されている。この構成では、上述の如く積層配置することにより、ベースプレートに搭載される部品が二次元的に広がることを防止して、小型化を図っている。

特開２０１２−２１３３０９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、交流電力が通電するトランスが半導体モジュールの上に配置されているため、交流電力が通電する部分が比較的外側に近い位置に位置している。そのため、当該交流電力が通電する部分に発生するノイズが外部に漏洩しやすいという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、小型化しつつ、ノイズの漏洩を抑制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、一次コイル及び二次コイルを備えたトランスと、
該トランスの一次コイル側に接続された一次側回路部を構成する一次側電子部品と、
上記トランスの二次コイル側に接続された二次側回路部を構成する二次側電子部品と、
上記二次側回路部に接続された平滑回路の一部を構成するチョークコイルと、
上記トランス、上記一次側電子部品、上記二次側電子部品及び上記チョークコイルが搭載されるベースプレートと、
を備え、
上記トランスは、上記ベースプレートの搭載面に搭載されており、
上記チョークコイルは、上記ベースプレートに設けられた固定台を介して上記ベースプレートの搭載面の法線方向に上記トランスに積層配置されて、上記トランスと上記チョークコイルとの間に隙間が形成されているとともに、
上記一次側電子部品及び上記二次側電子部品は、上記ベースプレートに立設されており、
上記トランスは、上記ベースプレート、上記一次側電子部品、上記二次側電子部品及び上記チョークコイルによって、少なくとも四方から囲まれて形成される包囲空間内に位置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、トランスは、ベースプレートに搭載されている。そして、ベースプレート、一次側電子部品、二次側電子部品及びチョークコイルのいずれかがトランスに積層されているとともに、他のものはベースプレートに立設している。これにより、上記電力変換装置は、ベースプレートの搭載面の面方向に二次元的に広がることが防止されて、ベースプレートの搭載面の法線方向における投影面積が小さくなり、小型化される。さらに、トランスは、ベースプレート、一次側電子部品、二次側電子部品及びチョークコイルによって、少なくとも四方から囲まれて形成される包囲空間内に位置している。すなわち、トランスはベースプレートの法線方向に挟まれるとともに、さらにベースプレートの法線方向に直交する方向のうち、少なくとも互いに対向する二方又は互いに直交する二方から囲まれることとなる。その結果、交流電力が通電するトランスから発生するノイズが外部に漏洩することが防止され、装置全体として、ノイズの漏洩が抑制される。

以上のごとく、本発明によれば、小型化しつつ、ノイズの漏洩を抑制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、電力変換装置の断面模式図。 実施例１における、電力変換装置の制御基板を取り外した状態の上面模式図。 実施例１における、電力変換装置の断面模式図。 実施例２における、電力変換装置の断面模式図。 実施例３における、電力変換装置の断面模式図。 実施例４における、電力変換装置の制御基板を取り外した状態の上面模式図。

本発明の電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド自動車に使用することができる。

（実施例１）
本例の実施例に係る電力変換装置につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、トランス１０、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０、チョークコイル４０及びベースプレート５０を備える。
トランス１０は、一次コイル１１及び二次コイル１２を備える。
一次側電子部品２０は、トランス１０の一次コイル１１側に接続されて一次側回路部２を構成している。
二次側電子部品３０は、トランス１０の二次コイル１２側に接続されて二次側回路部３を構成している。
チョークコイル４０は、二次側回路部３に接続された平滑回路の一部を構成している。
ベースプレート５０には、トランス１０、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０が搭載されている。

一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０のうちのいずれか（本例では、チョークコイル４０）は、ベースプレート５０の搭載面５１ａの法線方向Ｚにトランス１０に積層配置されている。
さらに、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０のうちのトランス１０に積層配置されていないもの（本例では、一次側電子部品２０及び二次側電子部品３０）は、ベースプレート５０に立設されている。
そして、トランス１０は、ベースプレート５０、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０によって、少なくとも四方から囲まれて形成される包囲空間Ｒ内に位置している。

以下、本例の電力変換装置１について、詳述する。
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。

ベースプレート５０は、矩形の平板状の底板部５１と、底板部５１の外周部に沿って立設された４つの第１側壁５２、第２側壁５３、第３側壁５４、第４側壁５５とを有する。底板部５１の反対側は開口しており、図示しない蓋部が着脱可能に取付けられる。図１、図３に示すように、底板部５１に垂直な方向を高さ方向Ｚとする。また、図１、図２に示すように、第１側壁５２と第２側壁５３とは互いに対向しており、両者が対向する方向であって、底板部５１に平行な方向を幅方向Ｘとする。また、第３側壁５４と第４側壁５５とは互いに対向しており、両者が対向する方向であって、底板部５１に平行な方向を奥行き方向Ｙとする。

トランス１０において、一次コイル１１及び二次コイル１２はコア１３に巻回されるように配置されている。図１に示すように、トランス１０は、ベースプレート５０における底板部５１の内側底面である搭載面５１ａに平行に配置されている。トランス１０における一方の主面１０ａ（搭載面５１ａと反対側の面）側にはチョークコイル４０が配設されている。なお、本明細書において、「主面」とは、その表面のうち、最も広い面積を有する面をいうものとする。

チョークコイル４０は、入力フィルタ回路部を構成する平滑回路の一部を形成している。チョークコイル４０は、コイル４１がコア４２に巻回されてなる。チョークコイル４０は、図１に示すように、固定台４３に固定されている。図３に示すように、固定台４３は、ベースプレート５０の搭載面５１ａに平行な矩形の板状をなす天板部４３ａと、天板部４３ａにおいて対向する一対の辺から、天板部４３ａに垂直に形成された一対の脚部４３ｂとを有する。すなわち、固定台４３は、図３に示すように、断面コ字状を成している。

天板部４３ａは、トランス１０の一方の主面１０ａよりも大きく、一対の脚部４３ｂの高さ方向Ｚにおける長さ（すなわち、固定台４３の高さ）は、トランス１０の高さ方向Ｚの長さ（すなわち、トランス１０の厚さ）よりも若干大きくなっている。これにより、図３に示すように、トランス１０の一方の主面１０ａと天板部４３ａとの間に若干の隙間が形成されている。そして、チョークコイル４０は、チョークコイル４０の一方の主面４０ａ（ベースプレート５０に対向する面）が天板部４３ａに当接するように、天板部４３ａのトランス１０側と反対側の面に搭載されている。これにより、トランス１０とチョークコイル４０とが固定台４３を介して積層配置されている。

トランス１０の一次コイル１１には、一次側回路部２を構成する一次側電子部品２０が接続されている。本例では、一次側電子部品２０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り、一次側回路部２は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２０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１に示すように、一次側電子部品２０は、ベースプレート５０の搭載面５１ａに立設されており、ベースプレート５０の一方の第１側壁５２とは、反対側の第２側壁５３に沿って設けられている。これにより、一次側電子部品２０の一方の主面２０ａがトランス１０に対向することとなる。なお、本明細書において、「主面」とは、最も広い面積を有する面をいうものとする。一次側電子部品２０は、第１接続部材７１を介してトランス１０の一次コイル１１に接続されている。

トランス１０の二次コイル１２には、二次側回路部３を構成する二次側電子部品３０が接続されている。二次側電子部品３０は、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り、二次側回路部３は整流回路を構成している。二次側電子部品３０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３０は、ディスクリートの半導体部品であってもよい。

図１に示すように、二次側電子部品３０は、ベースプレート５０の搭載面５１ａに立設されており、ベースプレート５０の第１側壁５２と反対側の第２側壁５３に沿って設けられている。これにより、二次側電子部品３０の一方の主面３０ａがトランス１０に対向することとなる。すなわち、一次側電子部品２０と二次側電子部品３０とはそれぞれの主面２０ａ、３０ａが互いに対向している。二次側電子部品３０は、第２接続部材７２としてのバスバを介してトランス１０の二次コイル１２に接続されている。

図１〜図３に示すように、ベースプレート５０、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０によって、四方から囲まれた空間（包囲空間）Ｒが形成されている。そして、トランス１０は、当該包囲空間Ｒ内に位置している。すなわち、トランス１０は、ベースプレート５０とチョークコイル４０とによって高さ方向Ｚから挟まれているとともに、一次側電子部品２０と二次側電子部品３０とによって幅方向Ｘの両方から挟まれている。なお、電力変換装置１は、制御回路が形成された制御基板８０を備える。制御基板８０は、積層配置されたトランス１０及びチョークコイル４０を覆うように、ベースプレート５０と反対側に設けられている。

本例の電力変換装置１において、一次側回路部２を構成する一次側電子部品２０はスイッチング回路を構成しており、直流電力を交流電力に変換している。そして、当
該一次側回路部２で変換された交流電力は、第１接続部材７１を介してトランス１０の一次コイル１１に伝達される。そして、当該交流電力は、トランス１０において降圧される。降圧された交流電力は二次コイル１２から、第２接続部材７２を介して二次側電子部品３０に伝達される。二次側回路部３を構成する二次側電子部品３０は整流回路を構成しており、当該降圧された交流電力を直流電力に変換する。その後、当該直流電力は、第３接続部材７３を介して平滑回路を構成するチョークコイル４０に伝達される。チョークコイル４０では、当該直流電力から高周波成分を除去して当該直流電力を平滑化する。

従って、上記包囲空間Ｒ内に位置するトランス１０、第１接続部材７１及び第２接続部材７２には、交流電力が通電しており、直流電力が通電する領域は包囲空間Ｒの外側に位置していることとなる。すなわち、当該交流電力が通電する領域は直流電力が通電する領域に囲まれている。

本例の電力変換装置１においては、トランス１０はベースプレート５０に搭載されている。そして、ベースプレート５０、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０のいずれかがトランス１０に積層配置されているとともに、他のものはベースプレート５０に立設している。これにより、電力変換装置１は、ベースプレート５０の搭載面５１ａの面方向に二次元的に広がることが防止されて、ベースプレート５０の搭載面５１ａの法線方向Ｚにおける投影面積が小さくなり、小型化される。さらに、トランス１０は、ベースプレート５０、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０によって、少なくとも四方から囲まれて形成される包囲空間Ｒ内に位置している。すなわち、トランス１０はベースプレート５０の法線方向Ｚに挟まれるとともに、さらにベースプレート５０の法線方向Ｚに直交する方向のうち、少なくとも互いに対向する二方（本例では、幅方向Ｘにおける両方向）から囲まれることとなる。その結果、交流電力が通電するトランス１０から発生するノイズが外部に漏洩することが防止され、装置全体として、ノイズの漏洩が抑制される。

本例では、トランス１０と一次側電子部品２０とを接続する第１接続部材７１、及びトランス１０と二次側電子部品３０とを接続する第２接続部材７２のうちの少なくとも一部（本例では両接続部材の全部）が包囲空間Ｒ内に位置している。これにより、トランス１０で発生するノイズに加えて、第１接続部材７１及び第２接続部材７２を通電する交流電力に起因するノイズの漏洩も低減される。

また、本例では、チョークコイル４０がトランス１０に積層配置されているとともに、第１接続部材７１及び第２接続部材７２の全部が包囲空間Ｒ内に位置している。これにより、交流電力の通電に起因するノイズの漏洩を一層防止することができる。

本例では、固定台４３を介して、トランス１０にチョークコイル４０が積層されており、トランス１０とチョークコイル４０との間に若干の隙間が形成されている。これにより、トランス１０とチョークコイル４０との間の放熱を促すことができ、両者の間に熱がこもることを防止することができる。

本例では、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０のうち、チョークコイル４０をトランス１０に積層配置するとともに、一次側電子部品２０と二次側電子部品３０とによって、トランス１０を幅方向Ｘから挟むこととした。これに限らず、チョークコイル４０に替えて、一次側電子部品２０及び二次側電子部品３０の一方をトランス１０に積層配置するとともに、一次側電子部品２０及び二次側電子部品３０の他方とチョークコイル４０とによってトランス１０を幅方向Ｘから挟むこととしてもよい。なお、制御基板８０を設ける位置は積層配置されたトランス１０及びチョークコイル４０を覆う位置に限らず、適宜変更することができる。

また、本例では、包囲空間Ｒは、ベースプレート５０、一次側電子部品２０、二次側電子部品３０及びチョークコイル４０によって四方から囲まれる空間とした。これに替えて、一次側電子部品２０又は二次側電子部品３０をフレキシブル基板を備える電子部品とするとともに、当該フレキシブル基板を備える電子部品を湾曲させてトランス１０の幅方向Ｘの一方と奥行き方向Ｙの一方の二方向に位置するように配設することができる。そして、この場合には、包囲空間Ｒを五方又は六方から囲まれる空間とすることができる。かかる場合には、ノイズの漏洩抑制効果を一層向上させることができる。

また、本例では、第１接続部材７１及び第２接続部材７２の全部が包囲空間Ｒ内に位置していることとしたが、両者のいずれか一方の一部又は全部が包囲空間Ｒ内に位置していてもよい。この場合には、両者の全部が包囲空間Ｒ内に位置する場合に比べて、ノイズの漏洩を防止する効果は若干低下するが、かかる場合であってもノイズの漏洩抑制効果を奏する。

以上のごとく、本例によれば、小型化しつつ、ノイズの漏洩を抑制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は、実施例１における固定台４３（図１）が設けられておらず、図４に示すように、チョークコイル４０の主面４０ａはトランス１０の主面１０ａに当接した状態で積層配置されている。その他の構成要素は実施例１の場合と同様であり、本例においても実施例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。
本例の電力変換装置１においても、固定台４３が設けられていることによる作用効果を除いて、実施例１の場合と同等の作用効果を奏する。

（実施例３）
本例の電力変換装置１は、図５に示すように、実施例１におけるトランス１０、チョークコイル４０及び固定台４３（図１参照）に替えて、トランス１０とチョークコイル４０とを一体的に備えるチョークコイル一体型トランス４００を備える。その他の構成要素は実施例１の場合と同様であり、本例においても実施例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

チョークコイル一体型トランス４００は、第１コア４１０、第２コア４２０及び第３コア４３０を備える。第１コア４１０は、Ｅ型コアであって、高さ方向Ｚに突出する内側磁脚４１２と一対の外側磁脚４１３とを有する。第２コア４２０は、２つのＥ型コアの背面（磁脚が突出している側の面と反対側の面）同士を接合した形状であって、高さ方向Ｚの一方に突出する内側磁脚４２１ａ及び一対の外側磁脚４２２ａと、高さ方向Ｚの他方に突出する内側磁脚４２１ｂ及び一対の外側磁脚４２２ｂとを有する。第３コア４３０はＩ型コアである。

そして、第１コア４１０は、背面（磁脚が突出している側の面と反対側の面）４１０ａが搭載面５１ａに当接するよう配置されている。第２コア４２０は、高さ方向Ｚにおいて第１コア４１０に積層されて、それぞれの内側磁脚４１１、４２１ａの高さ方向の端面同士が対向するとともに、それぞれの外側磁脚４１２、４２２ａの高さ方向の端面同士が対向するように配置されている。第３コア４３０は、第２コア４２０の内側磁脚４１１ｂ、４２１ｂの高さ方向の端面に当接するように配置されている。

内側磁脚４１１、４２１ａには一次コイル１１及び二次コイル１２が巻回されてトランス１０が形成されている。また、内側磁脚４２１ｂには、コイル４１が巻回されてチョークコイル４０が形成されている。そして、トランス１０とチョークコイル４０とは、各コア４１０、４２０、４３０を共用している。すなわち、チョークコイル一体型トランス４００において、ベースプレート５０側にトランス１０を構成する一次コイル１１及び二次コイル１２が配設され、一次コイル１１及び二次コイル１２におけるベースプレート５０の搭載面５１ａと反対側にチョークコイル４０を構成するコイル４１が配設されている。
これにより、チョークコイル一体型トランス４００において、トランス１０における交流電力が通電される領域の法線方向Ｚに、チョークコイル４０における直流電力が通電される領域が積層配置されていることとなる。

本例の電力変換装置１によれば、トランス１０とチョークコイル４０とが一体的に構成されているため、高さ方向Ｚに小さくしやすいことから、装置全体の小型化に寄与する。また、本例の電力変換装置１においても、固定台４３が設けられていることによる作用効果を除いて、実施例１の場合と同等の作用効果を奏する。

（実施例４）
本例の電力変換装置１では、図６に示すように、一次側電子部品２０は、その主面２０ａが幅方向Ｘの一方に対向するように配置されており、二次側電子部品３０は、その主面３０ａが、奥行き方向Ｙの一方に対向するように配置されている。これにより、一次側電子部品２０と二次側電子部品３０は、それぞれの主面２０ａ、３０ａが、トランス１０とチョークコイル４０との積層方向（すなわち、ベースプレート５０の法線方向Ｚ）から見て直交するように配設されている。なお、実施例１の電力変換装置１の場合と同等の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。本例においても、トランス１０は、ベースプレート５０の法線方向Ｚに挟まれるとともに、さらにベースプレート５０の法線方向Ｚに直交する方向のうち、互いに直交する二方（幅方向Ｘの一方と奥行き方向Ｙの一方）から囲まれることとなる。その結果、交流電力が通電するトランス１０から発生するノイズが外部に漏洩することが防止され、装置全体として、ノイズの漏洩が抑制される。

１ 電力変換装置
１０ トランス
２０ 一次側電子部品
３０ 二次側電子部品
４０ チョークコイル
５０ ベースプレート
７１ 第１接続部材
７２ 第２接続部材

Claims (3)

1. 一次コイル（１１）及び二次コイル（１２）を備えたトランス（１０）と、
   該トランス（１０）の一次コイル（１１）側に接続された一次側回路部（２）を構成する一次側電子部品（２０）と、
   上記トランス（１０）の二次コイル（１２）側に接続された二次側回路部（３）を構成する二次側電子部品（３０）と、
   上記二次側回路部（３）に接続された平滑回路の一部を構成するチョークコイル（４０）と、
   上記トランス（１０）、上記一次側電子部品（２０）、上記二次側電子部品（３０）及び上記チョークコイル（４０）が搭載されるベースプレート（５０）と、
   を備え、
   上記トランス（１０）は、上記ベースプレート（５０）の搭載面（５１ａ）に搭載されており、
   上記チョークコイル（４０）は、上記ベースプレート（５０）に設けられた固定台（４３）を介して上記ベースプレート（５０）の搭載面（５１ａ）の法線方向に上記トランス（１０）に積層配置されて、上記トランス（１０）と上記チョークコイル（４０）との間に隙間が形成されているとともに、
   上記一次側電子部品（２０）及び上記二次側電子部品（３０）は、上記ベースプレート（５０）に立設されており、
   上記トランス（１０）は、上記ベースプレート（５０）、上記一次側電子部品（２０）、上記二次側電子部品（３０）及び上記チョークコイル（４０）によって、少なくとも四方から囲まれて形成される包囲空間（Ｒ）内に位置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（１０）と上記一次側電子部品（２０）とを接続する第１接続部材（７１）、及び上記トランス（１０）と上記二次側電子部品（３０）とを接続する第２接続部材（７２）のうちの少なくとも一部が上記包囲空間（Ｒ）内に位置し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. 上記第１接続部材（７１）及び上記第２接続部材（７２）の全部が上記包囲空間（Ｒ）内に位置し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）。

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