JP2022188354A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動対策及び基板についてのコストの増加を抑制しつつ、ノイズレベルを抑制した電力変換装置を得ること。【解決手段】ベース、トランス、インバータ部、制御基板、第一端子と第二端子を有した第一の整流素子、第三端子と第四端子を有した第二の整流素子、平滑リアクトル、出力フィルタ回路部、平滑リアクトルと出力フィルタ回路部とを接続した第一の主回路配線、第二端子及び第四端子と外部とを接続した第二の主回路配線、及び制御基板に実装された平滑コンデンサを備え、制御基板の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子の配置領域、第二の整流素子の配置領域、及び第一の整流素子と第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、対象領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、第二の主回路配線に接続される平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されている。【選択図】図5
Description
本願は、電力変換装置に関するものである。
環境に優しい自動車として、電気自動車(EV:Electric Vehicle)、またはHEV(Hybrid Electric Vehicle)及びPHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)等のハイブリッド自動車が開発されている。電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動化車両には、高電圧バッテリの電圧を降圧し、補器バッテリ用の電圧に変換するDC-DCコンバータを備えた電力変換装置が搭載される。一般的にDC-DCコンバータは、高電圧の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路、高電圧の交流を低電圧に変換するトランス、低電圧の交流を整流して直流パルス電圧に変換する整流素子、直流パルス電圧を平滑化する平滑リアクトル及び平滑コンデンサ、DC-DCコンバータから出力されるノイズを規定値以下に低減するフィルタ回路、インバータ回路を制御する制御回路、及びこれらの部品を内包し、トランス及び整流素子等の発熱部品を冷却する水路を備えた筐体で構成される。
近年、インバータ回路の高周波化、及び装置全体の高密度化により、DC-DCコンバータから発生するノイズは増加傾向にある。そのため、ノイズ源に対する対策が必要とされ、対策を施したDC-DCコンバータの構成が開示されている(例えば特許文献1参照)。開示された構成では、筐体と熱的に接続された基板上に整流素子と平滑コンデンサを表面実装し、整流素子と平滑コンデンサの直上に平滑リアクトルが配置される。更にトランスの二次側巻線端子を平滑リアクトルと整流素子の直近に配置し、平滑リアクトルと平滑コンデンサを接続する端子を平滑リアクトルと平滑コンデンサの直近に配置して接続する。この構成により、2次側電流が遮断されて流れるループ経路が短くなると同時に、この経路での寄生インダクタンスが小さくなるため、ノイズレベルを抑えることができる。
上記特許文献1においては、ループ経路の寄生インダクタンスが小さくなるのでノイズレベルを抑えることができる。しかしながら、平滑リアクトルの支持はトランス及び端子との接続のみで行われており、平滑リアクトルは基板から浮いた状態で空中に配置されている。そのため、車両の走行時の振動により平滑リアクトルが大きく揺れて平滑リアクトルのコア及び銅線が破損する場合があるので、平滑リアクトルに振動対策が必要という課題があった。振動対策としては、平滑リアクトルの支持構造の追加、もしくは平滑リアクトルの周囲への緩衝材充填等が考えられる。DC-DCコンバータの平滑リアクトルには100~200Aの大電流が流れ、コア及び銅線は共に大型化、重量化する傾向にあるため、平滑リアクトルの振動対策にはコストがかかる。
また、上記特許文献1においては、基板に実装された整流素子にも100~200Aの大電流が流れるため、厚銅パターン基板等の高コストな基板をDC-DCコンバータに使用する必要がある。厚銅パターン基板には平滑コンデンサも実装されるため、平滑コンデンサを実装する面積分、高コストな基板は大型化するので、更に電力変換装置のコストが上がるという課題があった。
そこで、本願は、振動対策及び基板についてのコストの増加を抑制しつつ、ノイズレベルを抑制したDC-DCコンバータを備えた電力変換装置を得ることを目的としている。
本願に開示される電力変換装置は、ベースと、ベースの第一の面に配置され、一次巻線及び二次巻線を有したトランスと、半導体スイッチング素子を有し、一次巻線への給電を行うインバータ部と、ベースの第一の面と離間して配置され、インバータ部を制御する制御回路を有した制御基板と、二次巻線の一方の端部に接続され、トランスに隣接して設けられた第一端子、及び第二端子を有し、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に配置された第一の整流素子と、二次巻線の他方の端部に接続され、トランスに隣接して設けられた第三端子、及び第四端子を有し、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に第一の整流素子と並べて配置された第二の整流素子と、一方の端部が、二次巻線の一方の端部と他方の端部との間に設けられたセンタータップと接続され、ベースの第一の面に配置された平滑リアクトルと、平滑リアクトルの他方の端部と外部の負荷の高電位側との間に接続された出力フィルタ回路部と、平滑リアクトルの他方の端部と出力フィルタ回路部との間を接続した第一の主回路配線と、第一の整流素子の第二端子及び第二の整流素子の第四端子と外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線と、高電位側の端子が第一の主回路配線に接続され、低電位側の端子が第二の主回路配線に接続され、制御基板に実装された平滑コンデンサとを備え、制御基板の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子の配置領域、第二の整流素子の配置領域、及び第一の整流素子と第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、制御基板の面に垂直な方向に見て、対象領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、第二の主回路配線に接続される平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されているものである。
本願に開示される電力変換装置によれば、ベース、ベースの第一の面に配置されトランス、インバータ部、ベースの第一の面と離間して配置された制御基板、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に配置された第一の整流素子、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に第一の整流素子と並べて配置された第二の整流素子、ベースの第一の面に配置された平滑リアクトル、出力フィルタ回路部、平滑リアクトルと出力フィルタ回路部との間を接続した第一の主回路配線、第一の整流素子の第二端子及び第二の整流素子の第四端子と外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線、及び高電位側の端子が第一の主回路配線に接続され、低電位側の端子が第二の主回路配線に接続され、制御基板に実装された平滑コンデンサを備え、制御基板の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子の配置領域、第二の整流素子の配置領域、及び第一の整流素子と第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、制御基板の面に垂直な方向に見て、対象領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、第二の主回路配線に接続される平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されているため、平滑コンデンサ及び平滑コンデンサの低電位側の端子と第二の主回路配線との接続点は第一の整流素子及び第二の整流素子の直近に配置され、平滑コンデンサの高電位側の端子と第一の主回路配線との接続点から第一の整流素子及び第二の整流素子までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。
また、トランス及び平滑リアクトルがベースの第一の面に配置されるため、重量物であるトランス及び平滑リアクトルの振動対策は容易であるので、振動対策についての電力変換装置のコストの増加を抑制することができる。また、平滑コンデンサは、第一の主回路配線及び第二の主回路配線の様に大電流が流れる配線部分とは異なる階層の制御基板に配置されるため、高コストな厚銅パターン基板を制御基板に用いる必要がないので、基板についての電力変換装置のコストの増加を抑制することができる。
以下、本願の実施の形態による電力変換装置を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る電力変換装置100の回路構成を示す図、図2は電力変換装置100の要部を示す斜視図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成を示した図、図3は電力変換装置100の要部を示す斜視図で、図2から制御基板22を取り除いて示した図、図4は電力変換装置100の要部を示す平面図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成について制御基板22を取り除いて示した図、図5は電力変換装置100の要部を示す平面図で、図4から平滑コンデンサ17及びバスバー34を取り除いて示した図、図6は電力変換装置100の要部を示す側面図、図7は電力変換装置100の制御回路21のハードウエアの一例を示す構成図である。電力変換装置100は、高電圧バッテリの電圧を降圧して低電圧に変換するDC-DCコンバータを備えた装置である。電力変換装置100は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動化車両に搭載される。
図1は実施の形態1に係る電力変換装置100の回路構成を示す図、図2は電力変換装置100の要部を示す斜視図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成を示した図、図3は電力変換装置100の要部を示す斜視図で、図2から制御基板22を取り除いて示した図、図4は電力変換装置100の要部を示す平面図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成について制御基板22を取り除いて示した図、図5は電力変換装置100の要部を示す平面図で、図4から平滑コンデンサ17及びバスバー34を取り除いて示した図、図6は電力変換装置100の要部を示す側面図、図7は電力変換装置100の制御回路21のハードウエアの一例を示す構成図である。電力変換装置100は、高電圧バッテリの電圧を降圧して低電圧に変換するDC-DCコンバータを備えた装置である。電力変換装置100は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動化車両に搭載される。
<電力変換装置100>
電力変換装置100の主回路構成を説明する。図1に示すように、電力変換装置100は、インバータ部12、トランス13、平滑リアクトル14、第一の整流素子15、第二の整流素子16、平滑コンデンサ17、出力フィルタ回路部18、及び制御回路21を備える。図1において、左側が入力側、右側が出力側であり、電力変換装置100は出力側に出力端23を備える。入力側には高電圧バッテリが接続され、出力側には低電圧バッテリなどの負荷が接続される。電力変換装置100は、入力側にインバータ部12と接続され、インバータ部12の入力電圧を平滑化する入力コンデンサ11を備える。
電力変換装置100の主回路構成を説明する。図1に示すように、電力変換装置100は、インバータ部12、トランス13、平滑リアクトル14、第一の整流素子15、第二の整流素子16、平滑コンデンサ17、出力フィルタ回路部18、及び制御回路21を備える。図1において、左側が入力側、右側が出力側であり、電力変換装置100は出力側に出力端23を備える。入力側には高電圧バッテリが接続され、出力側には低電圧バッテリなどの負荷が接続される。電力変換装置100は、入力側にインバータ部12と接続され、インバータ部12の入力電圧を平滑化する入力コンデンサ11を備える。
インバータ部12は、平滑化された高電圧の直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ部12は複数の半導体スイッチング素子12aを有し、トランス13の一次巻線13aへの給電を行う。制御回路21は、半導体スイッチング素子12aと接続され、インバータ部12の動作を制御する。制御回路21は、制御基板22に実装される。トランス13は、高電圧の交流を低電圧の交流に変換する。トランス13は、一次巻線13a及び二次巻線13bを有する。二次巻線13bの一方の端部と他方の端部との間には、センタータップ13cが設けられる。
第一の整流素子15及び第二の整流素子16は、二次巻線13bから出力された低電圧の交流を整流して直流パルス電圧に変換する。第一の整流素子15は、二次巻線13bの一方の端部に接続された第一端子15a、及び第二端子15bを有する。第二の整流素子16は、二次巻線13bの他方の端部に接続された第三端子16a、及び第四端子16bを有する。平滑リアクトル14及び平滑コンデンサ17は、直流パルス電圧を平滑化する。平滑リアクトル14は、一方の端部がセンタータップ13cと接続される。出力フィルタ回路部18は、電力変換装置100から出力されるノイズを規定値以下に低減する。出力フィルタ回路部18は、平滑リアクトル14の他方の端部と外部の負荷の高電位側との間に接続される。出力フィルタ回路部18は、外部の負荷の高電位側とは出力端23の高電位側で接続される。出力フィルタ回路部18は、フィルタ回路リアクトル19とフィルタ回路コンデンサ20とを備える。
第一の主回路配線1は、平滑リアクトル14の他方の端部と出力フィルタ回路部18との間を接続する。第二の主回路配線2は、第一の整流素子15の第二端子15b及び第二の整流素子16の第四端子16bと外部の負荷の低電位側との間を接続する。第二の主回路配線2は、外部の負荷の低電位側とは出力端23の低電位側で接続される。平滑コンデンサ17は、制御基板22に実装される。平滑コンデンサ17の高電位側の端子は第一の主回路配線1に第一の接続点3で接続され、平滑コンデンサ17の低電位側の端子は第二の主回路配線2に第二の接続点4で接続される。
インバータ部12が有した半導体スイッチング素子12aには、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの自己消弧型半導体スイッチング素子が用いられる。半導体スイッチング素子12aはMOSFETに限るものではなく、他の半導体スイッチング素子でも構わない。半導体スイッチング素子12aは、ケイ素(Si)、炭化ケイ素(SiC)、もしくは窒化ガリウム(GaN)などの半導体材料からなる半導体基板に形成される。
制御回路21は、ハードウエアの一例を図7に示すように、例えば、演算処理を実行するマイクロコンピュータであるプロセッサ111と記憶装置112から構成される。記憶装置112は、図示していないが、プログラムデータ、固定値データ等のデータを記憶するROM(Read Only Memory)等の不揮発性の補助記憶装置と、格納されているデータを更新して順次書き換えられるRAM(Random Access Memory)等の揮発性記憶装置とによって構成される。プロセッサ111は、記憶装置112から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ111にプログラムが入力される。また、プロセッサ111は、演算結果等のデータを記憶装置112の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
図1の回路構成に示した第一の整流素子15及び第二の整流素子16は、便宜上、それぞれ一つのダイオードで示したが、実際には2つ以上で並列に設けられた複数のダイオードとしても構わない。また、第一の整流素子15及び第二の整流素子16は、MOSFETなどの自己消弧型半導体スイッチング素子を用いる構成としても構わない。
<電力変換装置100の部品配置>
電力変換装置100の要部として、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の部品配置について説明する。トランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の部品は、図2に示すように、板状に形成され、金属からなるベース30の第一の面の側に配置される。ベース30の第一の面は、部品配置面30aである。ベース30の形状は板状に限るものではなく、例えばブロック状であっても構わない。また、ベース30は、冷却装置もしくは筐体の一部として機能する部材であっても構わない。本実施の形態では、ベース30は、ベース30に配置された部品及びその他の部品を収容する電力変換装置100の筐体の一部になる。この場合、金属からなるベース30は、図1に示した出力端23の低電位側の端子として機能する。ベース30は金属に限るものではなく、低電位側の配線として機能するバスバーなどをベース30に別に備える構成でも構わない。ベース30が金属からなる場合、ベース30は筐体として機能すると共に低電位側の端子として機能するため、低電位側の端子が不要なので、電力変換装置100の生産性を向上させることができる。また、電力変換装置100のコストの増加を抑制することができる。
電力変換装置100の要部として、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の部品配置について説明する。トランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の部品は、図2に示すように、板状に形成され、金属からなるベース30の第一の面の側に配置される。ベース30の第一の面は、部品配置面30aである。ベース30の形状は板状に限るものではなく、例えばブロック状であっても構わない。また、ベース30は、冷却装置もしくは筐体の一部として機能する部材であっても構わない。本実施の形態では、ベース30は、ベース30に配置された部品及びその他の部品を収容する電力変換装置100の筐体の一部になる。この場合、金属からなるベース30は、図1に示した出力端23の低電位側の端子として機能する。ベース30は金属に限るものではなく、低電位側の配線として機能するバスバーなどをベース30に別に備える構成でも構わない。ベース30が金属からなる場合、ベース30は筐体として機能すると共に低電位側の端子として機能するため、低電位側の端子が不要なので、電力変換装置100の生産性を向上させることができる。また、電力変換装置100のコストの増加を抑制することができる。
トランス13及び平滑リアクトル14は、図3に示すように、ベース30の部品配置面30aに配置される。トランス13及び平滑リアクトル14は、それぞれ巻線部(図示せず)を有する。トランス13及び平滑リアクトル14は、例えば、巻線部が絶縁性を有した樹脂からなるケースに収容され、ケースごとベース30に固定される。トランス13及び平滑リアクトル14は、例えば、複数のねじでベース30に固定されるため、ねじ固定が振動対策になるので、支持構造などの振動対策を追加しなくても構わない。トランス13は、図4に示すように、Y軸の方向の側に二次側巻線端子33a、33b、33cを有する。このY軸の方向の側を、トランス13に対して特定方向の側とする。二次側巻線端子33aは二次巻線13bの一方の端部の端子、二次側巻線端子33cは二次巻線13bの他方の端部の端子、二次側巻線端子33bは二次巻線13bのセンタータップ13cの端子である。このようにトランス13及び平滑リアクトル14がベース30の部品配置面30aに配置されるため、重量物であるトランス13及び平滑リアクトル14の振動対策は容易であるので、振動対策についての電力変換装置100のコストの増加を抑制することができる。
二次側巻線端子33bは、バスバー34を介して平滑リアクトル14の一方の端部と接続される。二次側巻線端子33bとバスバー34とは、図6に示すように、例えばねじ40とナット42を用いて電気的かつ機械的に接続される。ナット42とベース30との間には絶縁シート37が配置される。絶縁シート37は二次側巻線端子33bとバスバー34の支持物の一部として機能し、ベース30とバスバー34とは絶縁シート37を介して熱的に接続される。このように構成することで、センタータップ13cの平滑リアクトル14と接続された箇所がベース30と熱的に接続されているため、トランス13及び平滑リアクトル14で生じた熱を効率よくベース30を介して放熱することができる。平滑リアクトル14の他方の端部にはバスバー35が設けられ、バスバー35は図4における上方向に配置される出力フィルタ回路部18(図4において図示せず)と接続される。バスバー35は、図1における第一の主回路配線1に該当する部品である。バスバー34、35は、熱伝導性に優れると共に、電気伝導性を備えた銅またはアルミニウム等の金属から作製される。
本実施の形態では、平滑リアクトル14はトランス13に対して特定方向の側に配置され、平滑リアクトル14とトランス13との間に、第一の整流素子15、第二の整流素子16、バスバー35、バスバー36、及び平滑コンデンサ17が配置されている。このように構成することで、図4に示すように、ベース30の部品配置面30aを小さく構成できるので、電力変換装置100を小型化することができる。
トランス13と平滑リアクトル14の間には、図2に示すように、制御基板22の一部及び制御基板22に実装された平滑コンデンサ17が配置される。制御基板22は、ベースの部品配置面30aと離間して配置される。制御基板22は、図6に示すように、第一の整流素子15及び第二の整流素子16におけるベース30側の面とは反対側の面よりもベース30から離間する側の位置であって、かつトランス13及び平滑リアクトル14のそれぞれにおけるベース30側の面とは反対側の面の一方または双方よりもベース30側の位置に配置される。本実施の形態では、制御基板22はトランス13及び平滑リアクトル14のそれぞれにおけるベース30側の面とは反対側の面の双方よりもベース30側の位置に配置される。このように構成することで、平滑コンデンサ17が実装された制御基板22に接続される端子31、32と制御基板22とを近づけて配置することができるので、制御基板22に接続される端子31、32のZ軸方向の長さを短くすることができる。制御基板22に接続される端子31、32の詳細については後述する。
また、制御基板22の外周部に一つ又は二つの切欠きが設けられ、一つ又は二つの切欠きのそれぞれの内側に、トランス13及び平滑リアクトル14の一方又は双方が一つずつ配置される。本実施の形態では、図2に示すように、制御基板22は2つの切欠き22a、22bを備え、切欠き22aの内側にトランス13が配置され、切欠き22bの内側に平滑リアクトル14が配置される。このように構成することで、ベース30の周囲に制御基板22を集約して配置できるので、電力変換装置100を小型化することができる。
第一の整流素子15の第一端子15aは、トランス13に隣接して設けられる。第一の整流素子15は、トランス13に対して特定方向の側であってベース30の部品配置面30a側に配置される。第二の整流素子16の第三端子16aは、トランス13に隣接して設けられる。第二の整流素子16は、トランス13に対して特定方向の側であってベース30の部品配置面30a側に第一の整流素子15と並べて配置される。図5に示すように、トランス13の二次側巻線端子33aには第一の整流素子15の第一端子15aであるカソード端子が接続され、トランス13の二次側巻線端子33cには第二の整流素子16の第三端子16aであるカソード端子が接続される。二次側巻線端子33a、33cとベース30との間には絶縁シート37が配置される。二次側巻線端子33a、33cとベース30とは絶縁シート37を介して熱的に接続される。
第一の整流素子15の第二端子15bであるアノード端子及び第二の整流素子16の第四端子16bであるアノード端子を接続するバスバー36は、部品配置面30aに設けられる。アノード端子はバスバー36の側に設けられてバスバー36と接続されているため、図5では見えていない。バスバー36は外部の負荷の低電位側と接続される。バスバー36は、図1における第二の主回路配線2に該当する部品である。なお、バスバー36とベース30は同電位であるため、バスバー36が直接外部の負荷の低電位側と接続されずに、ベース30を介して接続されても構わない。バスバー36は、熱伝導性に優れると共に、電気伝導性を備えた銅またはアルミニウム等の金属から作製される。
バスバー35には端子31が接続され、制御基板22とバスバー35とは端子31により接続される。このバスバー35と端子31とを接続する箇所が、図1における第一の接続点3に該当する部位である。バスバー35と端子31とは、図6に示すように、例えばねじ41とナット43を用いて電気的かつ機械的に接続される。ナット43とベース30との間には絶縁シート38が配置される。絶縁シート38は端子31とバスバー35の支持物の一部として機能し、ベース30とバスバー35とは絶縁シート38を介して熱的に接続される。このように構成することで、平滑リアクトル14で生じた熱を効率よくベース30を介して放熱することができる。
バスバー36には端子32が接続され、制御基板22とバスバー36とは端子32により接続される。バスバー36と端子32とを接続する箇所が、図1における第二の接続点4に該当する部位である。バスバー36と端子32とは、例えばねじ44を用いてベース30に固定される。この固定により、バスバー36と端子32とは電気的かつ機械的に接続される。また、バスバー36と端子32とは、ベース30に熱的に接続される。このように構成することで、第一の整流素子15及び第二の整流素子16で生じた熱を効率よくベース30を介して放熱することができる。
制御基板22は、上述したように、第一の整流素子15及び第二の整流素子16よりもベース30から離間する側の位置であって、かつトランス13及び平滑リアクトル14のそれぞれにおけるベース30側の面とは反対側の面よりもベース30側の位置に配置されるため、制御基板22に接続される端子31、32のZ軸方向の長さを短くすることができるので、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16までの経路の長さが縮小され、ノイズ低減効果をより高めることができる。
平滑コンデンサ17の高電位側の端子(図示せず)と端子31とは、制御基板22に設けられた配線パターンを用いて接続される。平滑コンデンサ17の低電位側の端子(図示せず)と端子32とは、制御基板22に設けられた配線パターンを用いて接続される。平滑コンデンサ17は、例えば、表面実装用のチップ積層セラミックコンデンサである。表面実装用のコンデンサを平滑コンデンサ17に用いることで、平滑コンデンサ17の実装面積及び実装高さを縮小することができる。平滑コンデンサ17の実装面積及び実装高さを縮小できるので、電力変換装置100を小型化することができる。本実施の形態では、図4に示すように8個の平滑コンデンサ17を設けて、これらを4並列2直列に接続している。平滑コンデンサ17がショートして故障した場合の短絡保護対策として、このように2つ以上並列させて直列に接続した構成としているが、平滑コンデンサ17の個数及び接続構成はこれに限るものではない。
平滑コンデンサ17は、バスバー35及びバスバー36の様に大電流が流れる配線部分とは異なる階層の制御基板22に配置されるため、特許文献1のように高コストな厚銅パターン基板を制御基板22に用いる必要がないので、基板についての電力変換装置100のコストの増加を抑制することができる。また、第一の整流素子15及び第二の整流素子の直上には小型で軽量な平滑コンデンサ17のみが配置される。平滑コンデンサ17は軽量な制御基板22に実装されており、制御基板22は支柱(図示せず)等を介して容易にベース30に固定することが可能であるため、軽量な制御基板22の振動対策は容易であるので、振動対策についてのコストの増加を抑制することができる。
<電力変換装置100の部品配置の詳細>
制御基板22の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子15の配置領域、第二の整流素子16の配置領域、及び第一の整流素子15と第二の整流素子16との間の領域からなる対象領域101と、平滑コンデンサ17の少なくとも一部は重複する。対象領域101は、図4及び図5において破線で囲まれた領域である。図4に示すように、本実施の形態では、図の左側に配置された4つの平滑コンデンサ17が対象領域101に重複している。
制御基板22の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子15の配置領域、第二の整流素子16の配置領域、及び第一の整流素子15と第二の整流素子16との間の領域からなる対象領域101と、平滑コンデンサ17の少なくとも一部は重複する。対象領域101は、図4及び図5において破線で囲まれた領域である。図4に示すように、本実施の形態では、図の左側に配置された4つの平滑コンデンサ17が対象領域101に重複している。
制御基板22の面に垂直な方向に見て、対象領域101を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板22に重複して、第二の主回路配線2であるバスバー36に接続される平滑コンデンサ17の低電位側の接続点である第二の接続点4が配置されている。対象領域101を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板22に重複する領域は、図5において一点鎖線で囲まれた領域の配置領域102である。図5に示すように、本実施の形態では、配置領域102の中央付近に第二の接続点4が配置されている。
このように構成することで、平滑コンデンサ17及び第二の接続点4は第一の整流素子15及び第二の整流素子16の直近に配置されるため、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。
また図5に示すように、制御基板22の面に垂直な方向に見て、対象領域101を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板22に重複して、第一の主回路配線であるバスバー35に接続される平滑コンデンサ17の高電位側の接続点である第一の接続点3が配置される構成としてもよい。このように構成することで、平滑コンデンサ17及び第二の接続点4は第一の整流素子15及び第二の整流素子16の直近に配置されると共に第一の接続点3も第一の整流素子15及び第二の整流素子16の直近に配置されるため、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16までの経路でのインピーダンスがさらに低減されるので、この経路で発生するノイズをさらに抑制することができる。
また、制御基板22の面に垂直な方向に見て、対象領域101内における第二端子15bと第四端子16bとに挟まれた領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、バスバー36に接続される平滑コンデンサ17の低電位側の接続点である第二の接続点4が配置される構成としてもよい。対象領域101を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板22に重複する領域は、図5において二点鎖線で囲まれた領域の配置領域103である。図5に示すように、本実施の形態では、配置領域103の中央付近に第二の接続点4が配置されている。
このように構成することで、ノイズ低減効果を更に高めることができる。以下、この効果について説明する。第二の接続点4は、第一の整流素子15及び第二の整流素子16の負荷側端子であり、アノード端子である第二端子15b及び第四端子16bの中間地点104aからY軸方向に延長した延長線104上に配置される。この配置により、第二の接続点4と第一の整流素子15のアノード端子及び第二の整流素子16のアノード端子との間の距離が等しくなり、かつ最短経路となる。ノイズの大きさは、第二の接続点4から第一の整流素子15のアノード端子の間の長さと、第二の接続点4から第二の整流素子16のアノード端子の間の長さのどちらか長い方に依存するため、このように配置にした時に最もノイズを小さくすることができる。
また、制御基板22の面に垂直な方向に見て、二次側巻線端子33bは、バスバー36に接続される平滑コンデンサ17の低電位側の接続点である第二の接続点4の特定方向とは反対方向に配置される構成としてもよい。図5に示すように、二次側巻線端子33bと第二の接続点4とは、延長線104上に配置される。このように構成することで、X軸方向のベース30の大きさを縮小することができるので、電力変換装置100を小型化することができる。
また、トランス13の二次巻線13bの巻き数は、一次巻線13aの巻き数よりも少なく構成することができる。このように構成した場合、二次側に流れる電流が必然的に大きくなるため、本願の構成を適用することによるノイズレベルの抑制効果が大きい。特に、車載用の高電圧バッテリの電圧を降圧し、補器バッテリ用の電圧に変換する電力変換装置100では、トランス13の巻数比を大きく設定するため、本願の構成を適用することによる効果がより大きくなる。
以上のように、実施の形態1による電力変換装置100において、ベース30、ベース30の部品配置面30aに配置されトランス13、インバータ部12、ベース30の部品配置面30aと離間して配置された制御基板22、トランス13に対して特定方向の側であってベース30の部品配置面30a側に配置された第一の整流素子15、トランス13に対して特定方向の側であってベース30の部品配置面30a側に第一の整流素子15と並べて配置された第二の整流素子16、ベース30の部品配置面30aに配置された平滑リアクトル14、出力フィルタ回路部18、平滑リアクトル14と出力フィルタ回路部18との間を接続した第一の主回路配線1、第一の整流素子15の第二端子15b及び第二の整流素子16の第四端子16bと外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線2、及び高電位側の端子が第一の主回路配線1に接続され、低電位側の端子が第二の主回路配線2に接続され、制御基板22に実装された平滑コンデンサ17を備え、制御基板22の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子15の配置領域、第二の整流素子16の配置領域、及び第一の整流素子15と第二の整流素子16との間の領域からなる対象領域101と、平滑コンデンサ17の少なくとも一部は重複し、制御基板22の面に垂直な方向に見て、対象領域101を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板22に重複して、第二の主回路配線2に接続される平滑コンデンサ17の低電位側の接続点である第二の接続点4が配置されているため、平滑コンデンサ17及び第二の接続点4は第一の整流素子15及び第二の整流素子16の直近に配置され、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。
トランス13及び平滑リアクトル14がベース30の部品配置面30aに配置されるため、重量物であるトランス13及び平滑リアクトル14の振動対策は容易であるので、振動対策についての電力変換装置100のコストの増加を抑制することができる。また、平滑コンデンサ17は、バスバー35及びバスバー36の様に大電流が流れる配線部分とは異なる階層の制御基板22に配置されるため、高コストな厚銅パターン基板を制御基板22に用いる必要がないので、基板についての電力変換装置100のコストの増加を抑制することができる。
制御基板22の面に垂直な方向に見て、対象領域101を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板22に重複して、第一の主回路配線であるバスバー35に接続される平滑コンデンサ17の高電位側の接続点である第一の接続点3が配置される場合、平滑コンデンサ17及び第二の接続点4は第一の整流素子15及び第二の整流素子16の直近に配置されると共に第一の接続点3も第一の整流素子15及び第二の整流素子16の直近に配置されるため、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16までの経路でのインピーダンスがさらに低減されるので、この経路で発生するノイズをさらに抑制することができる。
制御基板22の面に垂直な方向に見て、対象領域101内における第二端子15bと第四端子16bとに挟まれた領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、バスバー36に接続される平滑コンデンサ17の低電位側の接続点である第二の接続点4が配置される場合、第二の接続点4と第一の整流素子15の負荷側端子及び第二の整流素子16の負荷側端子との間の距離が等しくなり、かつ最短経路となるので、ノイズ低減効果を更に高めることができる。
制御基板22が第一の整流素子15及び第二の整流素子16におけるベース30側の面とは反対側の面よりもベース30から離間する側の位置であって、かつトランス13及び平滑リアクトル14のそれぞれにおけるベース30側の面とは反対側の面の一方または双方よりもベース30側の位置に配置される場合、制御基板22に接続される端子31、32のZ軸方向の長さを短くすることができるため、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16までの経路の長さが縮小されるので、ノイズ低減効果をより高めることができる。
制御基板22の外周部に一つ又は二つの切欠きが設けられ、一つ又は二つの切欠きのそれぞれの内側に、トランス13及び平滑リアクトル14の一方又は双方が一つずつ配置される場合、ベース30の周囲に制御基板22を集約して配置できるので、電力変換装置100を小型化することができる。また、平滑リアクトル14がトランス13に対して特定方向の側に配置され、平滑リアクトル14とトランス13との間に、第一の整流素子15、第二の整流素子16、バスバー35、バスバー36、及び平滑コンデンサ17が配置される場合、ベース30の部品配置面30aを小さく構成できるので、電力変換装置100を小型化することができる。
センタータップの平滑リアクトル14と接続された箇所がベース30と熱的に接続されている場合、トランス13及び平滑リアクトル14で生じた熱を効率よくベース30を介して放熱することができる。
平滑コンデンサ17が表面実装用コンデンサである場合、平滑コンデンサ17の実装面積及び実装高さを縮小することができるので、電力変換装置100を小型化することができる。また、二次巻線の巻き数が一次巻線の巻き数よりも少ない場合、二次側に流れる電流が必然的に大きくなるが、本願で開示された構成とすることでノイズレベルを抑制した電力変換装置100を得ることができる。また、ベース30が金属からなる場合、ベース30は筐体として機能すると共に低電位側の端子として機能するため、低電位側の端子が不要なので、電力変換装置100の生産性を向上させることができ、電力変換装置100のコストの増加を抑制することができる。
実施の形態2.
実施の形態2に係る電力変換装置100について説明する。図8は実施の形態2に係る電力変換装置100の要部を示す斜視図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成を示した図、図9は電力変換装置100の要部を示す平面図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成について制御基板22及び平滑コンデンサ17を取り除いて示した図である。実施の形態2に係る電力変換装置100は、バスバー35の構成が実施の形態1とは異なる構成になっている。
実施の形態2に係る電力変換装置100について説明する。図8は実施の形態2に係る電力変換装置100の要部を示す斜視図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成を示した図、図9は電力変換装置100の要部を示す平面図で、図1におけるトランス13から出力フィルタ回路部18に至る部分の構成について制御基板22及び平滑コンデンサ17を取り除いて示した図である。実施の形態2に係る電力変換装置100は、バスバー35の構成が実施の形態1とは異なる構成になっている。
図9に示すように、平滑リアクトル14は、特定方向に垂直な方向の二次側巻線端子33aの側に配置される。そのため、バスバー35は、実施の形態1の場合と比べて延長して設けられる。制御基板22の面に垂直な方向に見て、バスバー35に接続される平滑コンデンサ17の高電位側の接続点である第一の接続点3から第一の整流素子15の第二端子15bまでの配線長105、及び第一の接続点3から第二の整流素子16の第四端子16bまでの配線長106のそれぞれは、バスバー35における平滑リアクトル14から第一の接続点3までの配線長107よりも短い。図9においてバスバー36の側に設けられた第二端子15b及び第四端子16bは、破線で示している。制御基板22は、平滑コンデンサ17が実装された面とは反対側の面において、支柱39に支持されてベース30に固定される。本実施の形態では、支柱39を六角柱としたが、支柱39の形状はこれに限るものではない。
以上のように、実施の形態2による電力変換装置100において、制御基板22の面に垂直な方向に見て、第一の接続点3から第二端子15bまでの配線長105、及び第一の接続点3から第四端子16bまでの配線長106のそれぞれは、バスバー35における平滑リアクトル14から第一の接続点3までの配線長107よりも短いため、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。一方で、配線長107の長さを長くしても、この配線の部分は平滑リアクトル14に直列に接続されたインダクタンスとして機能するため、ノイズレベルは悪化しない。
このように電力変換装置100の筐体内のレイアウトの制約上、トランス13及び平滑リアクトル14がどのような位置に配置されたとしても、平滑リアクトル14の出力側の端子から第一の接続点3までの配線長107を長くし、第一の接続点3から第一の整流素子15及び第二の整流素子16の負荷側端子までの配線長105、106の方が短くなる構成とすることで、ノイズ源となる寄生インダクタンスを抑制することが可能となり、ノイズ低減効果を維持することができる。
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
1 第一の主回路配線、2 第二の主回路配線、3 第一の接続点、4 第二の接続点、11 入力コンデンサ、12 インバータ部、12a 半導体スイッチング素子、13 トランス、13a 一次巻線、13b 二次巻線、13c センタータップ、14 平滑リアクトル、15 第一の整流素子、15a 第一端子、15b 第二端子、16 第二の整流素子、16a 第三端子、16b 第四端子、17 平滑コンデンサ、18 出力フィルタ回路部、19 フィルタ回路リアクトル、20 フィルタ回路コンデンサ、21 制御回路、22 制御基板、23 出力端、30 ベース、30a 部品配置面、31、32 端子、33a、33b、33c 二次側巻線端子、34、35、36 バスバー、37、38 絶縁シート、39 支柱、40、41、44 ねじ、42、43 ナット、100 電力変換装置、101 対象領域、102、103 配置領域、104 延長線、104a 中間地点、105、106、107 配線長
Claims (11)
- ベースと、
前記ベースの第一の面に配置され、一次巻線及び二次巻線を有したトランスと、
半導体スイッチング素子を有し、前記一次巻線への給電を行うインバータ部と、
前記ベースの第一の面と離間して配置され、前記インバータ部を制御する制御回路を有した制御基板と、
前記二次巻線の一方の端部に接続され、前記トランスに隣接して設けられた第一端子、及び第二端子を有し、前記トランスに対して特定方向の側であって前記ベースの第一の面側に配置された第一の整流素子と、
前記二次巻線の他方の端部に接続され、前記トランスに隣接して設けられた第三端子、及び第四端子を有し、前記トランスに対して前記特定方向の側であって前記ベースの第一の面側に前記第一の整流素子と並べて配置された第二の整流素子と、
一方の端部が、前記二次巻線の一方の端部と他方の端部との間に設けられたセンタータップと接続され、前記ベースの第一の面に配置された平滑リアクトルと、
前記平滑リアクトルの他方の端部と外部の負荷の高電位側との間に接続された出力フィルタ回路部と、
前記平滑リアクトルの他方の端部と前記出力フィルタ回路部との間を接続した第一の主回路配線と、
前記第一の整流素子の前記第二端子及び前記第二の整流素子の前記第四端子と外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線と、
高電位側の端子が前記第一の主回路配線に接続され、低電位側の端子が前記第二の主回路配線に接続され、前記制御基板に実装された平滑コンデンサと、を備え、
前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記第一の整流素子の配置領域、前記第二の整流素子の配置領域、及び前記第一の整流素子と前記第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、前記平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、
前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記対象領域を前記特定方向及び前記特定方向とは反対方向に延ばした領域及び前記制御基板に重複して、前記第二の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されている電力変換装置。 - 前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記対象領域を前記特定方向及び前記特定方向とは反対方向に延ばした領域及び前記制御基板に重複して、前記第一の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの高電位側の接続点が配置されている請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記対象領域内における前記第二端子と前記第四端子とに挟まれた領域を前記特定方向及び前記特定方向とは反対方向に延ばした領域及び前記制御基板に重複して、前記第二の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されている請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 前記制御基板の面に垂直な方向に見て、
前記第一の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの高電位側の接続点から前記第一の整流素子の前記第二端子までの配線長、及び前記平滑コンデンサの前記高電位側の接続点から前記第二の整流素子の前記第四端子までの配線長のそれぞれは、前記第一の主回路配線における前記平滑リアクトルから前記平滑コンデンサの前記高電位側の接続点までの配線長よりも短い請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御基板は、前記第一の整流素子及び前記第二の整流素子における前記ベース側の面とは反対側の面よりも前記ベースから離間する側の位置であって、かつ前記トランス及び前記平滑リアクトルのそれぞれにおける前記ベース側の面とは反対側の面の一方または双方よりも前記ベース側の位置に配置されている請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記制御基板の外周部に一つ又は二つの切欠きが設けられ、一つ又は二つの前記切欠きのそれぞれの内側に、前記トランス及び前記平滑リアクトルの一方又は双方が一つずつ配置されている請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記平滑リアクトルは、前記トランスに対して前記特定方向の側に配置され、
前記平滑リアクトルと前記トランスとの間に、前記第一の整流素子、前記第二の整流素子、前記第一の主回路配線、前記第二の主回路配線、及び前記平滑コンデンサが配置されている請求項1から6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記センタータップの前記平滑リアクトルと接続された箇所は、前記ベースと熱的に接続されている請求項1から7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記平滑コンデンサは、表面実装用コンデンサである請求項1から8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記二次巻線の巻き数は、前記一次巻線の巻き数よりも少ない請求項1から9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記ベースが金属からなる請求項1から10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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