JP2009136137A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と比べて回路の効率を効果的に向上させることが可能なスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】トランス４の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂを、２枚の板金４３、４４により構成する。また、これら２枚の板金４３，４４間に、整流回路５内の整流ダイオード５１，５２を接続する。２次側巻線と配線部分との間に整流素子が接続されている従来と比べ、整流素子および２次側巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、整流素子に対するサージ電圧が効果的に抑制される。なお、整流ダイオード５１，５２を構成する複数のダイオードチップ５０はそれぞれ、板金４３，４４の巻回方向に沿って互いに等間隔に配置されているのが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、直流入力電圧をスイッチングして得られるスイッチング出力を電力変換トランスの出力巻線に取り出すように構成されたスイッチング電源装置に関する。

従来より、スイッチング電源装置として種々のＤＣ−ＤＣコンバータが提案され、実用に供されている。その多くは、電力変換トランス（変圧素子）の１次側巻線に接続されたスイッチング回路のスイッチング動作により直流入力電圧をスイッチングし、スイッチング出力を電力変換トランスの２次側巻線に取り出す方式である。スイッチング回路のスイッチング動作に伴い、２次側巻線に現れる電圧は、整流回路によって整流された後、平滑回路によって直流に変換されて出力される。

この種のスイッチング電源装置では、整流回路内の整流素子およびトランスの巻線間配線のもつインダクタンスにより、整流素子に対して過大なサージ電圧が生じてしまう場合があった。このような過大なサージ電圧が発生すると、整流素子における発熱量が大きくなり、また電力損失も大きくなるために回路の効率が低下してしまうことになる。

そこで、例えば特許文献１には、整流ダイオードを、２次側コイルを構成する平角導体線と一対に固定することにより、この整流ダイオードでの発熱量や電力損失などを抑えるようにしたスイッチング電源装置が提案されている。

特開２００２−１６５４５３号公報

しかしながら、上記特許文献１では、整流ダイオードが、２次側コイルと配線部分（ブスバー）との間に接続されているため、整流ダイオードおよびトランスの２次側巻線間配線のもつインダクタンスが十分には小さくならず、サージ電圧を効果的に抑制するのが困難であった。よって、回路の効率を効果的に向上させるのも困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来と比べて回路の効率を効果的に向上させることが可能なスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明の第１のスイッチング電源装置は、入力端子対および出力端子対を備え、この入力端子対から入力される直流入力電圧を電圧変換して出力端子対から直流出力電圧を出力するものであって、入力端子対側に配置された第１の巻線と出力端子対側に配置された第２の巻線とを有するトランスと、第１の巻線側に配置され、直流入力電圧に対するスイッチング動作を行うインバータ回路と、第２の巻線側に配置され、インバータ回路のスイッチング動作に応じて第２の巻線側に現れる交流電圧を整流し平滑化することにより直流出力電圧を生成する整流平滑回路とを備えたものである。また、上記第２の巻線は複数の導電板により構成され、上記整流平滑回路は、これら複数の導電板のうちの２つの導電板間に接続された整流素子を有している。

本発明の第１のスイッチング電源装置では、入力端子対から入力した直流入力電圧がインバータ回路においてスイッチングされることにより入力交流電圧が生成され、この入力交流電圧がトランスにより変圧され、その第２の巻線側に出力交流電圧が出力される。そしてこの出力交流電圧が、整流平滑回路によって整流されると共に平滑化されることにより、出力端子対から直流出力電圧が出力される。ここで、上記第２の巻線が複数の導電板により構成されると共に、これら複数の導電板のうちの２つの導電板間に整流平滑回路内の整流素子が接続されているため、２次側巻線と配線部分との間に整流素子が接続されている従来と比べ、整流素子および２次側巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、整流素子に対するサージ電圧が効果的に抑制される。

本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記２つの導電板間に複数の整流素子が接続されているようにしてもよい。また、この場合には、これら複数の整流素子が、２つの導電板の巻回方向に沿って互いに等間隔に配置されているようにするのが好ましい。このように構成した場合、整流素子および２次側巻線間配線のもつインダクタンスが蓄えるエネルギーが小さくなり、整流素子に対するサージ電圧が効果的に抑制される。また、各整流素子をより低い温度に保つことができる。

本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記２つの導電板のうちの整流素子についての放熱経路側の導電板の面積が、他方側の導電板の面積よりも大きくなるようにするのが好ましい。このように構成した場合、整流素子から放熱経路側への放熱量がより大きくなるため、各整流素子をより低い温度に保つことができる。

本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記第１の巻線が、上記２つの導電板の層間に配置されているようにするのが好ましい。このように構成した場合、第１の巻線を２つの導電板の層間以外に配置した場合と比べ、近接効果によって上記第１の巻線および上記２つの導電板での電力損失が減少し、回路の効率が向上する。

本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記トランスが第１および第２の磁芯を有すると共に、上記第１の巻線および複数の導電板がそれぞれ、これら第１および第２の磁芯の延在方向に垂直な面内に巻回されているように構成することが可能である。

本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記第２の巻線をトランスの２次側巻線とすることが可能である。

本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記整流素子を、ダイオードまたは電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）とすることが可能である。

本発明の第２のスイッチング電源装置は、第１および第２の入出力端子対のうちの一方の入出力端子対から入力される直流入力電圧を電圧変換して、他方の入出力端子対から直流出力電圧を出力するものであって、第１の入出力端子対側に配置された第１の巻線と、第２の入出力端子対側に配置された第２の巻線とを有するトランスと、第１の巻線側に配置され、複数の第１のスイッチング素子と、これら複数の第１のスイッチング素子にそれぞれ並列接続された第１の整流素子とを含む第１の回路と、第２の巻線側に配置され、複数の第２のスイッチング素子と、これら複数の第２のスイッチング素子にそれぞれ並列接続された第２の整流素子とを含む第２の回路とを備えたものである。ここで、上記第２の巻線は複数の導電板により構成され、上記第２の回路において、上記第２の整流素子がこれら複数の導電板のうちの２つの導電板間に接続されている。

本発明の第２のスイッチング電源装置では、順方向動作時には、第１の入出力端子対から直流入力電圧が入力され、インバータ回路として機能する第１の回路内の第１のスイッチング素子によって、入力交流電圧が生成される。また、この入力交流電圧がトランスの第１の巻線側に入力すると変圧され、第２の巻線側から出力交流電圧が出力される。そしてこの出力交流電圧が、整流回路として機能する第２の回路内の第２の整流素子によって整流され、第２の入出力端子から直流出力電圧が出力される。一方、逆方向動作時には、第２の入出力端子対から直流入力電圧が入力され、インバータ回路として機能する第２の回路内の第２のスイッチング素子によって、入力交流電圧が生成される。また、この入力交流電圧がトランスの第２の巻線側に入力すると変圧され、第１の巻線側から出力交流電圧が出力される。そしてこの出力交流電圧が、整流回路として機能する第１の回路内の第１の整流素子によって整流され、第１の入出力端子から直流出力電圧が出力される。ここで、上記第２の巻線が複数の導電板により構成されると共に、これら複数の導電板のうちの２つの導電板間に第２の回路内の第２の整流素子が接続されているため、２次側巻線と配線部分との間に整流素子が接続されている従来と比べ、第２の整流素子および第２の巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、第２の整流素子に対するサージ電圧が効果的に抑制される。

本発明の第１のスイッチング電源装置によれば、トランスの第２の巻線を複数の導電板により構成すると共に、これら複数の導電板のうちの２つの導電板間に整流平滑回路内の整流素子を接続するようにしたので、従来と比べて整流素子および２次側巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、整流素子に対するサージ電圧を効果的に抑制することができる。よって、従来と比べて回路の効率を効果的に向上させることが可能となる。

また、本発明の第２のスイッチング電源装置によれば、トランスの第２の巻線を複数の導電板により構成すると共に、これら複数の導電板のうちの２つの導電板間に第２の回路内の第２の整流素子を接続するようにしたので、従来と比べて第２の整流素子および第２の巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、第２の整流素子に対するサージ電圧を効果的に抑制することができる。よって、従来と比べて回路の効率を効果的に向上させることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成を表すものである。このスイッチング電源装置は、高圧バッテリ１０から供給される高圧の直流入力電圧Ｖinをより低い直流出力電圧Ｖoutに変換し、図示しない低圧バッテリに供給して負荷Ｌを駆動するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するものである。

このスイッチング電源装置は、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられた入力平滑コンデンサ２と、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられたインバータ回路１と、１次側巻線４１（４１Ａ，４１Ｂ）および２次側巻線４２Ａ，４２Ｂを有するトランス４とを備えている。１次側高圧ラインＬ１Ｈの入力端子Ｔ１と１次側低圧ラインＬ１Ｌの入力端子Ｔ２との間には、高圧バッテリ１０から出力される直流入力電圧Ｖinが印加されるようになっている。このスイッチング電源装置１はまた、トランス４の２次側に設けられた整流回路５と、この整流回路５に接続された平滑回路６とを備えている。

入力平滑コンデンサ２は、入力端子Ｔ１，Ｔ２から入力された直流入力電圧Ｖinを平滑化するためのものである。

インバータ回路１は、４つのスイッチング素子１１〜１４から構成されたフルブリッジ型の回路構成となっている。具体的には、スイッチング素子１１，１２の一端同士が互いに接続されると共にスイッチング素子１３，１４の一端同士が互いに接続され、これらの一端同士は、トランス４の１次側巻線４１Ａ，４１Ｂを介して互いに接続されている。また、スイッチング素子１１，１３の他端同士が互いに接続されると共にスイッチング素子１２，１４の他端同士が互いに接続され、これらの他端同士は、それぞれ入力端子Ｔ１，Ｔ２に接続されている。インバータ回路１１はこのような構成により、図示しない駆動回路から供給される駆動信号に応じて、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に印加される直流入力電圧Ｖinを入力交流電圧に変換するようになっている。

なお、これらスイッチング素子１１〜１４としては、例えば電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ；Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor）などのスイッチ素子が用いられる。

トランス４は、後述する上部Ｕ型コアＵＣ１および下部Ｕ型コアＤＣ１から構成される磁芯４０と、一対の１次側巻線４１Ａ，４１Ｂと、一対の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂとを有している。このうち、一対の１次側巻線４１Ａ，４１Ｂは、互いに直列接続されている。また、一対の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂの一端同士はセンタタップＰ１で互いに接続され、このセンタタップＰ１からの配線が出力ラインＬＯに導かれている。このトランス４は、インバータ回路１によって生成された入力交流電圧を変圧し、一対の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂの各端部（センタタップＰ１とは反対側の端部）から、互いに１８０度位相が異なる出力交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の変圧の度合いは、１次側巻線４１Ａ，４１Ｂと２次側巻線４２Ａ，４２Ｂとの巻数比によって定まる。

整流回路５は、一対の整流ダイオード５１，５２からなる単相全波整流型のものである。整流ダイオード５１のカソードはトランス４の２次側巻線４２Ａの他端に接続され、整流ダイオード５１のカソードはトランス４の２次側巻線４２Ｂの他端に接続されている。また、これら整流ダイオード５１，５２のアノード同士は互いに接続点Ｐ２において接続され、接地ラインＬＧに導かれている。つまり、この整流回路５はセンタタップ型のアノードコモン接続の構成となっており、トランス４からの出力交流電圧の各半波期間を、それぞれ整流ダイオード５１，５２によって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。なお、この整流回路５および上記したトランス４の詳細構成については、後述する。

平滑回路６は、チョークコイル６１と出力平滑コンデンサ６２とを含んで構成されている。チョークコイル６１は出力ラインＬＯに挿入配置されており、その一端はセンタタップＰ１に接続され、その他端は出力ラインＬＯの出力端子Ｔ３に接続されている。出力平滑コンデンサ６２は、出力ラインＬＯと接地ラインＬＧとの間に接続されている。接地ラインＬＧの端部には、出力端子Ｔ４が設けられている。このような構成により平滑回路６では、整流回路５で整流された直流電圧を平滑化して直流出力電圧Ｖoutを生成し、これを出力端子Ｔ３，Ｔ４から低圧バッテリ（図示せず）に給電するようになっている。

次に、図２〜図５を参照して、本発明の主な特徴的部分であるトランス４および整流回路５の詳細構成について説明する。ここで、図２は、トランス４および整流回路５の主要部の外観構成を平面図で表したものである。また、図３は、図２におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面構成を表したものであり、図４は、図２に示したトランス４および整流回路５の主要部の外観構成を分解斜視図で表したものである。

図２および図４に示したように、トランス４は、互いに対向する上部Ｕ型コアＵＣ１および下部Ｕ型コアＤＣ１からなるＵ−Ｕコアであるコア材（磁芯４０）の周囲に、１次側巻線４１Ａ，４１Ｂ、および２次側巻線４２Ａ，４２Ｂを構成する２枚の板金４３，４４が、それぞれ、以下説明する磁芯ＵＣ１１，ＤＣ１１，ＵＣ１２，ＤＣ１２の延在方向（垂直方向）に垂直な面内（水平面内）に巻回された構造となっている。上部Ｕ型コアＵＣ１は、ベースコアＵＣ１ｂと、このベースコアＵＣ１ｂから延びた２本の脚部分である第１の磁芯ＵＣ１１および第２磁芯ＵＣ１２とから構成されている。また、下部Ｕ型コアＤＣ１は、ベースコアＤＣ１ｂと、このベースコアＤＣ１ｂから延びた２本の脚部分である第１磁芯ＤＣ１１および第２磁芯ＤＣ１２とから構成されている。なお、上部Ｕ型コアＵＣ１および下部Ｕ型コアＤＣ１はそれぞれ、例えばフェライトなどの磁性材料により構成され、１次側巻線４１Ａ，４１Ｂおよび板金４３，４４はそれぞれ、例えば銅やアルミニウムなどの導電性材料により構成される。

また、これら２枚の板金４３，４４間には、ボンディングワイヤ５５および後述するハンダ５６によって、整流ダイオード５１を構成する複数のダイオードチップ５０（整流ダイオード５１−１〜５１−１１）、および整流ダイオード５２を構成する複数のダイオードチップ５０（整流ダイオード５２−１〜５２−１１）が接続されている。これら整流ダイオード５１−１〜５１−１１および整流ダイオード５２−１〜５２−１１はそれぞれ、アノードが板金４４側に接続されると共にカソードが板金４３側に接続され、また、板金４３，４４の巻回方向に沿って互いに等間隔に配置されている。

また、図３および図４に示したように、１次側巻線４１Ａ，４１Ｂはそれぞれ、２枚の板金４３，４４の層間に配置されている。そしてこれら２枚の板金４３，４４のうち、各ダイオードチップ５０（整流ダイオード５１，５２）についての放熱経路側（板金４４側）の板金４４の面積が、他方側（板金４３側）の板金４３の面積よりも大きくなっている。また、板金４４側には、例えば、インバータ回路１や平滑回路６、金属板（図示せず）等が設置された基板（図示せず）が配置されており、主たる放熱経路を構成している。これらにより、図３に示したように、各ダイオードチップ５０から放熱経路側への熱流Ｑ１（放熱量）がより大きくなるため、各ダイオードチップ５０での許容損失量が大きく出来る。よって各整流素子をより低い温度に保つことが可能となる。これにより、熱による膨張収縮の繰り返しによるハンダ接続部のクラック等を防止し、電気伝導や熱伝導を損なうことを防止することができる。

なお、図２〜図４に示したトランス４および整流回路５の等価回路は、図５に示したようになる。すなわち、接地ラインＬＧと２次側巻線４２Ａの一端側の接続線ＬＡとの間に、整流ダイオード５１−１〜５１−１１がそれぞれ並列接続される（アノードが接地ラインＬＧ側に接続され、カソードが接続線ＬＡ側に接続されている）と共に、２次側巻線４２Ｂの一端側の接続線ＬＢと出力ラインＬＯとの間に、整流ダイオード５２−１〜５２−１１がそれぞれ並列接続されている（アノードが接続線ＬＡ側に接続され、カソードが出力ラインＬＯ側に接続されている）。

ここで、入力端子Ｔ１，Ｔ２が本発明における「入力端子対」の一具体例に対応し、出力端子Ｔ３，Ｔ４が本発明における「出力端子対」の一具体例に対応する。また、１次側巻線４１（４１Ａ，４１Ｂ）が本発明における「第１の巻線」の一具体例に対応し、２次側巻線４２Ａ，４２Ｂが本発明における「第２の巻線」の一具体例に対応する。また、整流回路５および平滑回路６が、本発明における「整流平滑回路」の一具体例に対応し、板金４３，４４が本発明における「複数の導電板」および「２つの導電板」の一具体例に対応し、整流ダイオード５１，５２およびダイオードチップ５０が本発明における「整流素子」および「ダイオード」の一具体例に対応する。また、板金４４が本発明における「放熱経路側の導電板」の一具体例に対応し、板金４３が本発明における「他方側の導電板」の一具体例に対応する。また、第１磁芯ＵＣ１１，ＤＣ１１が本発明における「第１の磁芯」の一具体例に対応し、第２磁芯ＵＣ１２，ＤＣ１２が本発明における「第２の磁芯」の一具体例に対応する。

次に、図６〜図８を参照して、本実施の形態のスイッチング電源装置の作用について説明する。

最初に、図６および図７を参照して、本実施の形態のスイッチング電源装置の基本動作について説明する。

このスイッチング電源装置では、インバータ回路１において、入力端子Ｔ１，Ｔ２から供給される直流入力電圧Ｖinがスイッチングされて入力交流電圧が生成され、この入力交流電圧がトランス４の１次側巻線４１Ａ，４１Ｂへ供給される。そしてトランス４では入力交流電圧が変圧され、２次側巻線４２Ａ，４２Ｂから、変圧された出力交流電圧が出力される。

整流回路５では、トランス４から出力された出力交流電圧が、整流ダイオード５１，５２によって整流される。これにより、センタタップＰ１と整流ダイオード５１，５２の接続点Ｐ２との間に、整流出力が発生する。

平滑回路６では、この整流回路５において発生する整流出力が、チョークコイル６１と出力平滑コンデンサ６２とによって平滑化され、出力端子Ｔ３，Ｔ４から直流出力電圧Ｖoutとして出力される。そしてこの直流出力電圧Ｖoutは、図示しない低圧バッテリに給電されてその充電に供されると共に、負荷Ｌが駆動される。

また、本実施の形態のスイッチング電源装置では、インバータ回路１において、スイッチング素子１１，１４がオン状態になる期間と、スイッチング素子１２，１３がオン状態になる期間とが、交互に繰り返される。したがって、このスイッチング電源装置の動作をより詳細に説明すると、以下のようになる。

まず、図６に示したように、インバータ回路１のスイッチング素子１１，１４がそれぞれオン状態になると、スイッチング素子１１からスイッチング素子１４の方向に１次側ループ電流Ｉａ１が流れる。すると、トランス４の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂにそれぞれ現れる電圧は、整流ダイオード５１に対して逆方向となる一方、整流ダイオード５２に対して順方向となる。このため、整流ダイオード５２から２次側巻線４２Ｂ、チョークコイル６１および出力平滑コンデンサ６２を順に通る２次側ループ電流Ｉａ２が流れる。そしてこの２次側ループ電流Ｉａ２により、直流出力電圧Ｖoutが図示しない低圧バッテリに給電されると共に、負荷Ｌが駆動される。

一方、図７に示したように、インバータ回路１のスイッチング素子１１，１４がそれぞれオフ状態になると共に、インバータ回路１のスイッチング素子１２，１３がそれぞれオン状態になると、スイッチング素子１３からスイッチング素子１２の方向に１次側ループ電流Ｉｂ１が流れる。すると、トランス４の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂにそれぞれ現れる電圧は、整流ダイオード５２に対して逆方向となる一方、整流ダイオード５１に対して順方向となる。このため、整流ダイオード５１から２次側巻線４２Ａ、チョークコイル６１および出力平滑コンデンサ６２を順に通る２次側ループ電流Ｉｂ２が流れる。そしてこの２次側ループ電流Ｉｂ２により、直流出力電圧Ｖoutが図示しない低圧バッテリに給電されると共に、負荷Ｌが駆動される。

次に、図８を参照して、本実施の形態のスイッチング電源装置における特徴的部分の作用について、詳細に説明する。

本実施の形態のスイッチング電源装置では、トランス４の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂが２枚の板金４３，４４により構成されると共に、これら２枚の板金４３，４４間に整流回路５内の整流ダイオード５１，５２が接続されているため、例えば図６に示したように２次側ループ電流Ｉａ２が流れているときには、図８に示したような電流Ｉａ２１が、板金４３の２次側巻線４３Ｂ側に流れる。また、この電流Ｉａ２１は、各ダイオードチップ５０（整流ダイオード５２−１〜５２−１１）を介して板金４４側へ流れ、電流Ｉａ２２が生ずる。このとき、電流Ｉａ２１と鎖交する磁束数（磁束Φ１の数）と比例して、板金４３，４４間（２次側巻線４２Ｂの入口と出口との間）には電位差が発生すると共に、磁束Φ１は、図８に示したように、透磁率の高いコアの中心部に集中する。

これにより、板金４３，４４のうちのコアの中心部（磁束Φ１が集中している部分）以外では電位差が発生せず、その結果、各ダイオードチップ５０（整流ダイオード５２−１〜５２−１１）には、均等に電流が流れることとなる。また、２次側巻線と配線部分との間に整流素子が接続されている従来と比べ、整流素子および２次側巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、整流素子に対するサージ電圧が効果的に抑制される。

以上のように本実施の形態では、トランス４の２次側巻線４２Ａ，４２Ｂを２枚の板金４３、４４により構成すると共に、これら２枚の板金４３，４４間に整流回路５内の整流ダイオード５１，５２を接続するようにしたので、従来と比べて整流素子および２次側巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、整流素子に対するサージ電圧を効果的に抑制することができる。よって、従来と比べて回路の効率を効果的に向上させることが可能となる。

また、整流ダイオード５１，５２をそれぞれ複数のダイオードチップ５０（整流ダイオード５１−１〜５１−１１および整流ダイオード５２−１〜５２−１１）により構成すると共に、これら整流ダイオード５１−１〜５１−１１および整流ダイオード５２−１〜５２−１１がそれぞれ、板金４３，４４の巻回方向に沿って互いに等間隔に配置されているようにしたので、各ダイオードチップ５０における放熱特性を向上させ、各ダイオードチップ５０での許容損失量が大きく出来る。よって各整流素子をより低い温度に保つことが可能となる。

また、２枚の板金４３，４４のうち、各ダイオードチップ５０についての放熱経路側の板金４４の面積が、他方側の板金４３の面積よりも大きくなっているようにしたので、各ダイオードチップ５０から放熱経路側への熱量Ｑ１（放熱量）をより大きくすることができ、各ダイオードチップ５０での許容損失量が大きくなる。よって各整流素子をより低い温度に保つことが可能となる。

さらに、１次側巻線４１Ａ，４１Ｂがそれぞれ、２枚の板金４３，４４の層間に配置されているようにしたので、これら１次側巻線４１Ａ，４１Ｂを２枚の板金４３，４４の層間以外に配置した場合（以下説明する図９の場合等）と比べ、近接効果によって１次側巻線４１Ａ，４１Ｂおよび２枚の板金４３，４４での電力損失を減少させ、回路の効率を向上させることが可能となる。

なお、例えば図９に示したように、１次側巻線４１Ａ，４１Ｂを、２枚の板金４３，４４の層間以外に配置してもよい。このように構成した場合も、図中に示したように、ある程度の熱流Ｑ２は各ダイオードチップ５０から放出される。

また、例えば図１０（平面図）および図１１（図１０のＩＩＩ−ＩＩＩ部分の矢視断面図）に示したように、各ダイオードチップ５０を、ハンダ５６，５７を介して、２枚の板金４５，４４間に直接接続するようにしてもよい。具体的には、板金４５は、接続部４５１によって、ハンダ５７を介して各ダイオードチップ５０と直接接続されている。なお、この板金４５は、本発明における「複数の導電板」、「２つの導電板」および「他方側の導電板」の一具体例に対応する。このように構成した場合、板金４３側だけでなく板金４５側からも、各ダイオードチップ５０からの熱量（熱量Ｑ１，Ｑ３）を放熱できるようになるため、各ダイオードチップ５０からの放熱量をより大きくすることができ、各ダイオードチップ５０での許容損失量が大きくなる。よって各整流素子をより低い温度に保つことが可能となる。

また、この場合において、例えば図１２に示したように、接続部４５１を折り曲げるようにしてもよい。このように構成した場合、板金４５での応力を緩和することができ、ハンダ接続部の信頼性を向上させることが可能となる。

さらに、例えば図１３に示したように、各ダイオードチップ５０を、ハンダ５７１，５７２と共に独立した接続部材５８を介して、２枚の板金４５，４４間に直接接続するようにしてもよい。このように構成した場合、各ダイオードチップ５０からの放熱量（熱流Ｑ１，Ｑ４の大きさ）をさらに大きくすることができ、各ダイオードチップ５０での許容損失量が大きくすることができると共に、板金４５での応力を緩和することができる。よって各整流素子をより低い温度に保つことが可能となると共に、ハンダ接続部の信頼性を向上させることが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１４は、本実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成を表したものである。本実施の形態のスイッチング電源装置は、第１の実施の形態のスイッチング電源装置において、トランス４および整流回路５の代わりに、磁芯４０Ａ、１つの１次側巻線４６および１つの２次側巻線４７を有するトランス４Ａと、４つの整流ダイオード５１〜５４を有するフルブリッジ型の整流回路５Ａを設けるようにしたものである。なお、図１５は、これらトランス４Ａおよび整流回路５Ａ等の外観構成を斜視図および回路図で表したものであり、図１６は、トランス４Ａおよび整流回路５Ａ等の外観構成を分解斜視図で表したものである。

図１５および図１６に示したように、本実施の形態のトランス４Ａは、互いに対向する上部コアＵＣ２および下部コアＤＣ２からなるコア材（磁芯４０Ａ）の周囲に、１次側巻線４６を構成するプリントコイル４６０、および２次側巻線４７を構成する３枚の板金４７１〜４７３が、それぞれ、磁芯ＵＣ２１，ＤＣ２１の延在方向（垂直方向）に垂直な面内（水平面内）に巻回された構造となっている。

また、これら３枚の板金４７１〜４７３のうち、２枚の板金４７１，４７２間または２枚の板金４７２，４７３間にはそれぞれ、ボンディングワイヤ５５（および図示しないハンダ５６）によって、整流ダイオード５１〜５４を構成する複数のダイオードチップ５０が接続されている。

ここで、１次側巻線４６が本発明における「第１の巻線」の一具体例に対応し、２次側巻線４７が本発明における「第２の巻線」の一具体例に対応する。また、整流回路５Ａおよび平滑回路６が、本発明における「整流平滑回路」の一具体例に対応し、板金４７１〜４７３が本発明における「複数の導電板」の一具体例に対応し、板金４７１，４７２および板金４７２，４７３が本発明における「２つの導電板」の一具体例に対応する。また、整流ダイオード５１〜５４およびダイオードチップ５０が本発明における「整流素子」および「ダイオード」の一具体例に対応する。また、板金４７２または板金４７３が本発明における「放熱経路側の導電板」の一具体例に対応し、板金４７１または板金４７２が本発明における「他方の導電板」の一具体例に対応する。

このような構成により本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用により、同様の効果を得ることができる。すなわち、従来と比べて整流素子および２次側巻線間配線のもつインダクタンスが小さくなり、整流素子に対するサージ電圧を効果的に抑制することができる。よって、従来と比べて回路の効率を効果的に向上させることが可能となる。

以上、第１および第２の実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態等では、複数の整流ダイオードが、トランスの２次側巻線を構成する２つの板金間に接続されている場合について説明したが、接続する整流ダイオードの数は任意とすることが可能であり、例えば１つだけ接続するようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、整流ダイオード５１〜５４等が、トランスの２次側巻線を構成する２つの板金間に接続されている場合について説明したが、例えば、このような整流ダイオードを、トランスの３次側巻線間などのＮ次側巻線間（Ｎ：２以上の整数）に接続してもよい。

また、上記実施の形態等では、整流素子の一例として整流ダイオードを挙げて説明したが、例えば図１７に示したように、整流素子として、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を用いるようにしてもよい。具体的には、例えば、板金４４上のＦＥＴチップ５０Ａを、ボンディングワイヤ５５１によって板金４３と接続すると共に、各ＦＥＴチップ５０Ａのゲート端子をそれぞれゲート接続線５９に共通接続して動作制御するようにすればよい。このようなＦＥＴチップ５０Ａを用いて同期整流動作を行うようにすれば、上記実施の形態等と比べて回路の効率をより向上させることが可能となる。

また、図１に示したスイッチング電源装置において、スイッチング素子１１〜１４をＭＯＳ−ＦＥＴ等により構成すると共に、整流ダイオード５１，５２の代わりにＭＯＳ−ＦＥＴ等を設けるようにしてもよい。この場合、例えば図１８に示したスイッチング電源装置のように、スイッチング回路１Ｂでは、上記実施の形態におけるスイッチング素子１１〜１４が、スイッチング素子１１Ｓ〜１４Ｓと、それらに並列接続された整流ダイオード１１Ｄ〜１４Ｄ（スイッチング素子１１Ｓ〜１４Ｓの寄生ダイオード）とからなるとみなすことができる。また、スイッチング回路５Ｂでは、上記実施の形態における整流ダイオード素子５１，５２を、スイッチング素子５１Ｓ，５２Ｓと、それらに並列接続された整流ダイオード５１Ｄ，５２Ｄ（スイッチング素子５１Ｓ，５２Ｓの寄生ダイオード）とから構成することができる。このように構成した場合、上記実施の形態で説明したような、入力端子Ｔ１，Ｔ２から入力される直流入力電圧Ｖinを降圧して、直流出力電圧Ｖoutを出力端子Ｔ３，Ｔ４から出力する降圧動作に加え、以下説明するような、出力端子Ｔ３，Ｔ４から入力される直流入力電圧Ｖinを昇圧して、直流出力電圧Ｖoutを入力端子Ｔ１，Ｔ２から出力する昇圧動作も行うことが可能となる（双方向動作が可能となる）。その場合、降圧動作時（順方向動作時）には、スイッチング回路１Ｂがインバータ回路として機能すると共にスイッチング回路５Ｂが整流回路として機能し、昇圧動作時（逆方向動作時）には、スイッチング回路５Ｂがインバータ回路として機能すると共にスイッチング回路１Ｂが整流回路として機能することになる。

なお、この場合、入力端子Ｔ１，Ｔ２が本発明における「第１の入出力端子」の一具体例に対応し、出力端子Ｔ３，Ｔ４が本発明における「第２の入出力端子」の一具体例に対応する。また、スイッチング回路１Ｂが本発明における「第１の回路」の一具体例に対応し、スイッチング回路５Ｂが本発明における「第２の回路」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子１１Ｓ〜１４Ｓが本発明における「第１のスイッチング素子」の一具体例に対応し、整流ダイオード１１Ｄ〜１４Ｄが本発明における「第１の整流素子」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子５１Ｓ，５２Ｓが本発明における「第２のスイッチング素子」の一具体例に対応し、整流ダイオード５１Ｄ，５２Ｄが本発明における「第２の整流素子」の一具体例に対応する。

ここで、上記した昇圧動作時（逆方向動作時）には、スイッチング素子１１Ｓ〜１４Ｓの駆動信号は常に０Ｖとなっており、スイッチング素子１１Ｓ〜１４Ｓが常にオフ状態となる。ただし、前述した同期整流を行う場合には、スイッチング素子１１Ｓ〜１４Ｓもオン・オフ動作することになり、整流ダイオードの場合よりも損失が小さくなる。なお、以下の図１９〜図２１では、スイッチング素子１１Ｓ〜１４Ｓがこのような同期整流を行う場合について説明する。

まず、図１９に示したように、スイッチング素子５１Ｓ，５２Ｓとも、オン状態となる。したがって、スイッチング回路５Ｂを含む低圧側には、図中に示したようなループ電流Ｉｃ１１，Ｉｃ１２が低圧バッテリ７０から流れ、インダクタ６１が励磁される。また、トランス４の巻線４２Ａ，４２Ｂは互いに巻回し方向が逆であると共に巻数が等しいため、これら巻線４２Ａ，４２Ｂに流れる電流によって発生する磁束が互いに打ち消し合うこととなり、巻線４２Ａ，４２Ｂの両端間の電圧はいずれも０Ｖとなっている。よって、この期間では、低圧側から高圧側への電力伝送はなされない。ただし、高圧側では、図中に示したような出力電流Ｉoutが、入力平滑コンデンサ２から負荷Ｌへと流れている。

次に、図２０に示したように、スイッチング素子５２がオフ状態となる。よって、低圧側には、図中に示したようなループ電流Ｉｃ１１のみが流れ、インダクタ６１に蓄積されたエネルギーに基づいて、低圧側から高圧側への電力伝送がなされる。このとき、スイッチング回路１Ｂでは、スイッチング素子１２Ｓ，１３Ｓがオン状態となると共にスイッチング素子１１Ｓ，１４Ｓがオフ状態となっており、同期整流動作がなされている。なお、この図２０に示した動作状態の期間の後は、再び、図１９に示した動作状態となる。

次に、そのような再度の図１９に示した状態の後は、図２１に示したように、スイッチング素子５１がオフ状態となる。よって、低圧側には、図中に示したようなループ電流Ｉｃ１２のみが流れ、インダクタ６１に蓄積されたエネルギーに基づいて、低圧側から高圧側への電力伝送がなされる。このとき、スイッチング回路１Ｂでは、スイッチング素子１１Ｓ，１４Ｓがオン状態となると共にスイッチング素子１２Ｓ，１３Ｓがオフ状態となっており、同期整流動作がなされている。

また、上記実施の形態等では、１次側巻線や２次側巻線（板金）の形状を具体的に挙げて説明したが、これら１次側巻線や２次側巻線（板金）の形状はこの場合には限られず、他の形状でもよい。

また、上記実施の形態等では、インバータ回路１がフルブリッジ型のインバータ回路である場合について説明したが、インバータ回路１の構成はこれには限られず、例えば、ハーフブリッジ型やフォワード型などの構成でもよい。

また、上記実施の形態等では、整流回路５，５Ａがそれぞれ、アノードコモン接続のセンタタップ型およびフルブリッジ型の整流回路である場合について説明したが、整流回路の構成はこれには限られず、例えば、アノードコモン接続ではなくカソードコモン接続のセンタタップ型でもよく、また、センタタップ型以外（例えば、ハーフブリッジ型やフォワード型、フライバック型など）の構成でもよい。また、全波整流型の整流回路ではなく、半波整流型の整流回路でもよい。

さらに、上記実施の形態等において説明した変形例等を組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。 図１に示したトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す平面図である。 図２に示したトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す断面図である。 図２に示したトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す分解斜視図である。 図２に示したトランスおよび整流回路の等価回路を表す回路図である。 図１に示したスイッチング電源装置の基本動作を説明するための回路図である。 図１に示したスイッチング電源装置の基本動作を説明するための回路図である。 図２に示したトランスおよび整流回路における特徴的作用について説明するための平面図である。 第１の実施の形態の変形例に係るトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す断面図である。 第１の実施の形態の他の変形例に係るトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す平面図である。 図１０に示したトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す断面図である。 第１の実施の形態の他の変形例に係るトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す断面図である。 第１の実施の形態の他の変形例に係るトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。 図１４に示したトランスおよび整流回路の主要部の外観構成等を表す斜視図および回路図である。 図１４に示したトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す分解斜視図である。 本発明の変形例に係るトランスおよび整流回路の主要部の外観構成を表す平面図である。 本発明の変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。 図１８に示したスイッチング電源装置の動作を説明するための回路図である。 図１８に示したスイッチング電源装置の動作を説明するための回路図である。 図１８に示したスイッチング電源装置の動作を説明するための回路図である。

符号の説明

１…インバータ回路、１Ｂ，５Ｂ…スイッチング回路、１１〜１４，１１Ｓ〜１４Ｓ，５１Ｓ，５２Ｓ…スイッチング素子、１０…高圧バッテリ、２…入力平滑コンデンサ、４，４Ａ…トランス、４０，４０Ａ…磁芯、４１，４１Ａ，４１Ｂ，４６…１次側巻線、４２Ａ，４２Ｂ，４７…２次側巻線、４３〜４５，４７１〜４７３…板金、４５１…接続部、４６０…プリントコイル、５，５Ａ…整流回路、５０…ダイオードチップ、５０Ａ…ＦＥＴチップ、１１Ｄ〜１４Ｄ，５１〜５４，５１−１〜５１−１１，５１Ｄ，５２Ｄ，５２−１〜５２−１１…整流ダイオード、５５，５５１，５５２…ボンディングワイヤ、５６，５７，５７１，５７２…ハンダ、５８…接続部材、５９…ゲート接続配線、６…平滑回路、６１…チョークコイル、６２…出力平滑コンデンサ、７０…低圧バッテリ、Ｌ１Ｈ…１次側高圧ライン、Ｌ１Ｌ…１次側低圧ライン、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、ＬＡ，ＬＢ…接続線、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ｌ…負荷、ＵＣ１…上部Ｕ型コア、ＤＣ１…下部Ｕ型コア、ＵＣｂ１，ＤＣｂ１…ベースコア、ＵＣ１１，ＤＣ１１…第１磁芯、ＵＣ１２，ＤＣ１２…第２磁芯、ＵＣ２…上部コア、ＤＣ２…下部コア、Ｐ１…接続点（センタタップ）、Ｐ２…接続点、Ｖin…直流入力電圧、Ｖout…直流出力電圧、Ｉａ１，Ｉｂ１，Ｉｃ１１，Ｉｃ１２…電流（１次側ループ電流）、Ｉａ２，Ｉａ２１，Ｉａ２２，Ｉｃ２１，Ｉｃ２２…電流（２次側ループ電流）、Ｉout…出力電流、Φ１…磁束、Ｑ１〜Ｑ４…熱流。

Claims (7)

1. 入力端子対および出力端子対を備え、この入力端子対から入力される直流入力電圧を電圧変換して前記出力端子対から直流出力電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
   前記入力端子対側に配置された第１の巻線と、前記出力端子対側に配置された第２の巻線とを有するトランスと、
   前記第１の巻線側に配置され、前記直流入力電圧に対するスイッチング動作を行うインバータ回路と、
   前記第２の巻線側に配置され、前記インバータ回路のスイッチング動作に応じて前記第２の巻線側に現れる交流電圧を整流し平滑化することにより、前記直流出力電圧を生成する整流平滑回路と
   を備え、
   前記第２の巻線が、複数の導電板により構成され、
   前記整流平滑回路は、前記複数の導電板のうちの２つの導電板間に接続された整流素子を有する
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記２つの導電板間に、複数の整流素子が接続されている
   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。
3. 前記複数の整流素子が、前記２つの導電板の巻回方向に沿って互いに等間隔に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記２つの導電板のうちの前記整流素子についての放熱経路側の導電板の面積が、他方側の導電板の面積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記第１の巻線が、前記２つの導電板の層間に配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記トランスは、第１および第２の磁芯を有し、
   前記第１の巻線および前記複数の導電板は、それぞれ、前記第１および第２の磁芯の延在方向に垂直な面内に巻回されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
7. 第１および第２の入出力端子対のうちの一方の入出力端子対から入力される直流入力電圧を電圧変換して、他方の入出力端子対から直流出力電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
   前記第１の入出力端子対側に配置された第１の巻線と、前記第２の入出力端子対側に配置された第２の巻線とを有するトランスと、
   前記第１の巻線側に配置され、複数の第１のスイッチング素子と、これら複数の第１のスイッチング素子にそれぞれ並列接続された第１の整流素子とを含む第１の回路と、
   前記第２の巻線側に配置され、複数の第２のスイッチング素子と、これら複数の第２のスイッチング素子にそれぞれ並列接続された第２の整流素子とを含む第２の回路と
   を備え、
   前記第２の巻線が、複数の導電板により構成され、
   前記第２の回路において、前記第２の整流素子が、前記複数の導電板のうちの２つの導電板間に接続されている
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。

Images