JP4962414B2 - パワー電子機器 - Google Patents

Description

この発明はスイッチング電源、インバータなどを対象とする風冷式のパワー電子機器を対象に、その回路組立体に搭載したトランス，インダクタなどの発熱磁気部品の局所的な温度上昇を抑えて風冷性能を高めるようにした磁気部品の構造，配置に係わる。

頭記したスイッチング電源，インバータなどのパワー電子機器は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子に高周波トランス，インダクタなどの磁気部品，および整流ダイオード，平滑コンデンサを組み合わせ、これらの回路部品をプリント配線基板上に並置実装してなる回路組立体を筐体に収容した上で、この筐体内部に冷却風を導風して発熱回路部品を風冷冷却するようにしている（例えば、特許文献１，非特許文献１参照）。

ここで、前記磁気部品（例えば、インダクタ）は、環状のフェライトコアにコイル導体を巻回したトロイダルコイルが一般的であり、かつ回路組立体を小形化するには配線基板上に寝かせた姿勢で実装する横型トロイダルコイルに比べて所要実装面積が少なくて済む縦型トロイダルコイル（例えば、特許文献２参照）が多用されている。

次に、前記磁気部品１を含む回路組立体の従来構造を図２，図３に示す。なお、図２は回路組立体の模式平面図、図３は図２におけるコイル部品の正面図であり、各図において、１はインダクタなどのコイル部品（起立姿勢で実装する縦型トロイダルコイル（特許文献２の図３，図７参照））、１ａはコイル部品の磁性コア（環状フェライトコア）、２ｂは磁性コア１ａの周上に巻回したコイル導体、２，３はコイル部品１と組み合わせてプリント配線基板４に並置実装したスイッチング素子，コンデンサなどの回路部品であり、図２の回路組立体は送風ファン（不図示）と組み合わせて筐体（シャーシ）に収容し、図示矢印のように冷却風を送風して発熱回路部品を一括して風冷冷却するようにしている。
特開平１１−３４６０６９号公報 特開２００５−２８６０６６号公報（図３，図７，図１５） 製品カタログ"スイッチングパワーサプライ"、［online］、富士電機テクニカ株式会社、[平成２０年５月１２日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fe-technica.co.jp/html/company/catalog/pdf/HS010a.pdf＞

ところで、図２に示した回路組立体のように、コイル端面を通風路に向けて起立姿勢に配置した磁気部品（コイル部品１；縦型トロイダルコイル）を挟んでその前後に回路部品２，３を右側に寄せてレイアウトした回路組立体に対して冷却風を図示矢印方向に送風すると、コイル部品１の左側半分の面域は他の回路部品２，３に阻害されることなく冷却風が通風するのに対して、コイル部品１の右側半分はその前後に近接して並ぶ回路部品２，３が通風の障害物として干渉し、そのためにこの部分を通風する風量が左側半分域に比べて大幅に減少する。すなわち、コイル部品１の左側半分に対応する通風領域Ａは風量「大」であるが、右側半分に対応する通風領域は風量「小」となる。

一方、コイル部品１は、通電に伴い磁性コア１ａに鉄損が生じ、また導体（コイル導体１ｂ）には銅損が生じて加熱昇温する。この場合にコイル導体の温度が過度に上昇すると、エナメル銅線などの素線に施した絶縁被膜が熱劣化するほか、フェライトコアは高温で飽和磁束密度が急減して磁気特性が変化する問題があり、仕様面からも実使用の許容温度が規制されている。

このことから、図３のように環状磁性コア１の全周域に亙ってコイル導体１ｂを均等に巻回した構成の縦型トロイダルコイルになるコイル部品１を、図２のように他の回路部品２，３と組み合わせて配線基板上にレイアウトした回路組立体に冷却風を送風すると、コイル部品１の右側半分域を通風する冷却風の風量が不足してこの部分でコイル部品の温度が局部的に過度上昇し、これが原因でコイル部品１が熱劣化して電子機器の動作が正常に機能しなくなるおそれがある。

かかる点、コイル部品１の全体に充分な風量の冷却風が通流するように、他の回路部品２，３と引き離してプリント配線基板４上にレイアウトすることが考えられるが、このようなレイアウトでは回路部品の実装所要面積が増大して電子機器が大型化してしまう。また、コイル部品１を小形化して冷却風が全体に当たるように磁性コア１ａのサイズを縮小すると、コアの体積に反比例して温度が高くなる。さらに、ヒートシンク，ヒートパイプなどの冷却部材を追加すると回路組立体が大型化，コスト高となる。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、電子機器の回路組立体に搭載したコイル部品について、従来と同様な回路部品のレイアウトのままでも通電に伴うコイル部品の温度が局所的に過度上昇するのを抑制し、規定の許容温度範囲内に維持して風冷冷却できるようにコイル導体の巻回構造，配置を改良した高信頼性のパワー電子機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明によれば、コア部材に導体（コイル導体）を巻回したインダクタ，トランスなどの磁気部品（コイル部品）を他の回路部品と組み合わせてプリント配線基板に並置実装した回路組立体からなり、該回路組立体に冷却風を導風して発熱回路部品を冷却する風冷式のパワー電子機器において、
前記磁気部品（コイル部品）については、当該コイル部品を含む回路組立体に通風する冷却風の風量分布に合わせて風量の多い通風領域に面するコアの範囲にコイル導体を密に巻回し、風量の少ない通風領域に面するコアの範囲にはコイル導体を疎に巻回する（請求項１）。

また、回路組立体に搭載するコイル部品が、コイル導体を密に巻回した範囲と疎に巻回した範囲を有した構成であるものについては、回路組立体に通風する冷却風の風量分布に合わせてコイル導体の密巻回範囲を風量の多い通風領域に向け、コイル導体の疎巻回範囲を風量の少ない通風領域に向けて配置する（請求項２）。

なお、前記回路組立体に搭載するコイル部品には、コイル端面を通風路に向けて配線基板上に起立実装した縦型トロイダルコイルが好適に適用される（請求項３）。

上記構成により、回路組立体のコイル部品については、コイル銅損による発熱がコイル導体を密に巻回した範囲に集中して発生するようになるが、この密巻回範囲には充分な風量の冷却風が通流するので過度に温度上昇することはない。一方、コイル導体を疎に巻回した範囲を通流する風量はコイル部品に並置した他の回路部品との干渉により減少するが、この部分にはコイル導体が疎に巻回されているので銅損による発熱量も少なく、したがって過度な温度上昇を抑制できる。

これにより、各回路部品を高密度に並置実装して回路組立体の小形化を図りつつ、冷却風の送風によりコイル部品を規定の許容温度内に抑えて高い信頼性を確保できる。

以下、この発明の実施の形態を図１（ａ），（ｂ）に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図２，図３に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図示実施例の回路組立体（図１（ａ）参照）は、コイル部品１，他の回路部品２，３を含む各回路部品が図２に示した回路組立体と同様にレイアウトされているが、ここでコイル部品１は、その磁性コア１ａに巻回したコイル導体１ｂの巻回構造，配置を次記のように定めて回路組立体を構成している。

すなわち、冷却風の通風路に対して回路部品２と３の間のスペースに配置してプリント配線基板４に並置実装したコイル部品１（縦型トロイダルコイル（特許文献２の図３参照））について、図示実施例では図１（ｂ）で示すように環状のフェライトコア１ａをコイル導体１ｂの「密」巻回範囲Ｎ１と「疎」巻回範囲Ｎ２とに区分けした上で、「密」巻回範囲Ｎ１はコイル導体１ｂを密に巻回し、「疎」巻回範囲Ｎ２にはコイル導体１ｂを疎に巻回する。そして、このコイル部品１を他の回路部品２，３と組み合わせ部品組立体の配線基板上に実装するに際には、図１（ａ）で表すようにコイル部品１の左側半分の「密」巻回範囲Ｎ１が風量「大」の通風領域Ａに、右側半分の「疎」巻回範囲Ｎ２が風量「小」の通風領域Ｂに向くように配置する。なお、コイル部品のメーカーで製作したコイル部品には、コイル導体１ｂのリード引出し範囲をあらかじめ「疎」に巻回している製品があり、このようなコイル部品を採用して回路組立体に搭載する場合には、前記と同様にコイル導体の「疎」巻回範囲を図１（ａ）の風量「小」の通風領域に向けて位置するようにコイル部品１の向き，姿勢を定めて配線基板上に実装するようにする。

前記の巻線構造になるコイル部品１回路組立体に搭載して通電すると、コイル導体の「密」巻回範囲Ｎ１には銅損による発熱が集中するが、「密」巻回範囲Ｎ１を図１（ａ）のように冷却風の通風路に対して風量「大」の通風領域Ａに配置することにより、この部分には充分な風量の冷却風が通流するので過度な温度上昇はない。一方、風量「小」の通風領域Ｂに配置されるコイル導体の「疎」巻回範囲Ｎ２には冷却風の風量が減少するが、この巻回範囲Ｎ２に生じる銅損の発熱も少ないのでこの部分の温度が局部的に過度上昇するおそれもなく、コイル部品１を規定された許容温度範囲に維持して部品の熱劣化を防ぐことができる。

これにより、各回路部品を高密度に並置実装して回路組立体および電子機器の小形化を図りつつ、回路組立体に搭載したコイル部品１を規定の許容温度内に抑えて高い信頼性を確保できる。

なお、図示実施例ではコイル部品１に縦型トロイダルコイルを使用した場合について述べたが、この発明はトロイダルコイルの採用に限定されるものではなく、トロイダルコアとは異なるタイプの磁性コアにコイル導体を巻回したもの、さらにはコイル導体を空芯コアに巻回した構成のコイル部品についても、同様に実施適用することができる。また、導体は1つに限らず、複数の導体が存在し、各導体が磁気結合して成るトランスにも本発明は適用可能である。

この発明の実施例の構成図で、（ａ）は回路組立体の配線基板上に実装した各回路部品のレイアウトを模式的に表した図、（ｂ）は（ａ）の回路組立体に搭載したコイル部品（縦型トロイダルコイル）の正面図。 図１（ａ）に対応する従来例の回路組立体の部品レイアウトを模式的に表した図。 図２の回路組立体に搭載した従来のコイル部品（縦型トロイダルコイル）の正面図。

符号の説明

１ コイル部品
１ａ 磁性コア
１ｂ コイル導体
２，３ 他の回路部品
４ プリント配線基板
Ａ 風量「大」の通風領域
Ｂ 風量「小」の通風領域
Ｎ１ コイル導体の「密」巻回範囲
Ｎ２ コイル導体の「疎」巻回範囲

Claims (3)

1. コア部材に導体を巻回した磁気部品を他の回路部品と組み合わせてプリント配線基板に並置実装した回路組立体からなり、該回路組立体に冷却風を導風して発熱回路部品を冷却する風冷式のパワー電子機器において、
   前記磁気部品については、当該磁気部品を含む回路組立体に通風する冷却風の風量分布に合わせて風量の多い通風領域に面する前記コア部材の範囲に前記導体を密に巻回し、風量の少ない通風領域に面する前記コア部材の範囲には前記導体を疎に巻回したことを特徴とするパワー電子機器。
2. コア部材に導体を巻回した磁気部品を他の回路部品と組み合わせてプリント配線基板に並置実装した回路組立体からなり、該回路組立体に冷却風を導風して発熱回路部品を冷却するパワー電子機器であって、前記磁気部品が前記導体を密に巻回した範囲と疎に巻回した範囲を有するものにおいて、
   前記磁気部品を、回路組立体に通風する冷却風の風量分布に合わせて前記導体の密巻回範囲を風量の多い通風領域に向け、前記導体の疎巻回範囲を風量の少ない通風領域に向けて配置したことを特徴とするパワー電子機器。
3. 請求項１または２に記載のパワー電子機器において、前記磁気部品が配線基板上に起立姿勢で実装した縦型のトロイダルコイルであることを特徴とするパワー電子機器。

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