JP5318071B2

JP5318071B2 - スイッチング電源

Info

Publication number: JP5318071B2
Application number: JP2010245214A
Authority: JP
Inventors: 淳年高田; 拓人矢野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-11-01
Also published as: JP2012100413A; DE102011016320B4; DE102011016320A1

Description

本発明は、放熱性の高いバスバー構造を有したスイッチング電源に関するものである。

従来より、直流電圧を所望の直流電圧に降下させるスイッチング電源として、直流入力電圧をスイッチング素子により矩形波パルス電圧に変換し、その変換した矩形波電圧をトランスの一次巻線に印加し、トランスの二次巻線で取り出された矩形波電圧を整流素子，チョークコイル，コンデンサなどからなる回路で整流・平滑することにより、直流電圧を得るスイッチング電源がある。中でもハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載されているスイッチング電源は、数百ボルトに達する高電圧バッテリの電圧を、従来車の電源系電圧として採用されている１４Ｖに降圧し、多くの電気負荷や鉛バッテリに電力を供給している。１４Ｖ系に接続された電気負荷は百数十Ａに達するため、トランスからの発熱が大きく、またトランスで降圧することによって二次側回路に大電流が流れるため、整流素子での発熱量が大きくなる。このため、トランス及び整流素子で発生する熱の放熱性向上、及び複数の放熱経路確保が重要な技術となる。

このような課題を解決するための一手段として、トランスの二次側コイルを構成するバスバー（以下、二次巻線用バスバー）に放熱用足部を設け、放熱用足部−金属筐体間に設けた絶縁シートを介して金属筐体に放熱する技術があった（特許文献１）。

特開２００４−３０３８２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスイッチング電源は、二次巻線用バスバーに設けられる放熱用足部と他の電気部品を接続する外部接続端子を、コアが貫通する孔部を挟んで配置する手法であるため、この手法にのみ基づいて設計を行うと、二次巻線用バスバーを金属板（導電板）から切り出す際に、金属板の捨て代が多くなってしまう場合がある。また、トランスで発生する熱を放熱する目的だけであれば、二次巻線用バスバーに設けた放熱用足部で放熱性を確保できるが、トランスと整流素子が近接して配置されている場合、整流素子で発生した大量の熱が二次巻線用バスバーに伝達され、二次巻線用バスバーの放熱用足部から放熱され、加えて整流素子から整流素子直下へも放熱されるため、トランス及び整流素子の直下に熱が集中してしまうという問題点がある。

このため、トランス直下へ放熱するために設けられた放熱用足部だけでは、放熱経路の確保が不十分となる。このため、課題解決のためには、トランス及び整流素子近辺以外への放熱経路の確保が必要となるが、特許文献１に記載のスイッチング電源においては、二次巻線用バスバーと平滑回路用バスバーが別部材であるためネジ接続となり、十分な放熱性を確保できているとは言えない。また、二次巻線用バスバーと平滑回路用バスバーが別部材で構成されるため、部品点数及びネジ点数が多く、組立性が悪い。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、大電流が流れるトランス及び整流回路で発生した熱を効率よく放熱させることが可能であり、かつ部品点数の削減を実現するスイッチング電源を提供することを目的とする。

本発明に係わるスイッチング電源は、一次巻線の両端に印加される交流電圧を二次巻線から異なる交流電圧に変換して出力するトランスと、前記二次巻線から出力される交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路で得られたリップル電圧波形を平滑する平滑回路と、前記平滑回路で得られた直流電圧を外部に出力する出力端子とを備えるスイッチング電源において、前記トランスの二次巻線はセンタータップにより電気的に分割されるセンタータップ式トランスの第１と第２二次巻線を有すると共に、前記スイッチング電源には、本体を金属筺体へ設置固定するための固定兼放熱用足部を備え、前記トランスの第１と第２二次巻線を構成する二次巻線用バスバー、前記平滑回路の配線を構成する平滑回路用バスバー及び前記固定兼放熱用足部が、同一の導電板から一体に切り出された形成体で構成されているものである。

また、本発明に係わるスイッチング電源は、前記形成体が平板状導電板から切り出され、折り曲げられた形成体である。

本発明のスイッチング電源によれば、トランスの二次巻線はセンタータップにより電気的に分割されるセンタータップ式トランスの第１と第２二次巻線を有すると共に、スイッチング電源には、本体を金属筺体へ設置固定するための固定兼放熱用足部を備え、トランスの第１と第２二次巻線を構成する二次巻線用バスバー、平滑回路の配線を構成する平滑回路用バスバー及び固定兼放熱用足部が、同一の導電板から一体に切り出された形成体で構成されているので、整流素子が接続され、センタータップ式トランスの第１と第２二次巻線を構成する二次巻線用バスバー側から平滑回路用バスバー側への熱伝導性向上及び放熱経路確保を実現することができ、効率よく放熱することができ、さらに、部品点数の削減を実現できる。

また、本発明のスイッチング電源によれば、前記形成体が平板状導電板から切り出され、折り曲げられた形成体であるので、センタータップ式トランスの二次巻線用バスバーを、同一の導電板から一体に切り出すことができ、生産性を向上させることができる。あるいは、平滑回路用バスバーの複数個を同一の導電板から一体に切り出すことができ、インダクタのターン数を複数にすることが容易にできる。

本発明が適用できるスイッチイグ電源の回路構成を示す回路図である。本発明の実施の形態１における、導電板から切り出されるバスバーのレイアウトを示す平面図である。実施の形態１における、同一の導電板から一体に切り出されて製作されたバスバー初期形成体を示す平面図である。実施の形態１における、折り曲げられて製作されたバスバー中間形成体を示す平面図である。実施の形態１における、折り曲げられて製作されたバスバー最終形成体を示す平面図である。実施の形態１における、バスバー最終形成体を使用したスイッチング電源を示す平面図である。図６のＡ−Ａ線断面を示す断面図である。図６のＢ−Ｂ線断面を示す断面図である。本発明が適用できるスイッチイグ電源の他の回路構成を示す回路図である。

実施の形態１．
本発明を説明するために、絶縁型スイッチング電源の一般的な回路方式であるセンタータップ式ダイオード整流方式を例に挙げる。センタータップ式ダイオード整流方式は一般的な全波整流回路と同等の整流波形を得ることができる整流回路の一種である。センタータップ式ダイオード整流方式の回路図を図１に示す。図１は本発明が適用できるスイッチイグ電源の回路構成を示す回路図である。入力端子１ａ，１ｂには、スイッチング電源への直流電圧が印加される。この直流電圧はスイッチング電源の出力電圧よりも高い電圧が印加される。インバータ回路２は、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子で構成され、入力端子１ａ，１ｂに入力された直流電圧を交流電圧に変換する。

トランス１２は磁性体コア４，一次巻線３，上側二次巻線５及び下側二次巻線６で構成される。一次巻線３，上側二次巻線５及び下側二次巻線６が、磁性体コア４に設けられた中足（軸芯部）に巻回されて配置され、一次巻線３，上側二次巻線５，及び下側二次巻線６が磁性体コア４で電磁気的に結合される。一次巻線３には、インバータ回路２の半導体素子をスイッチングすることによって生成される矩形波に近い交流電圧波形が印加される。上側二次巻線５には、トランス１２の巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された交流電圧が出力される。下側二次巻線６には、トランス１２の巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された交流電圧が出力される。上側二次巻線５と下側二次巻線６は接続されている。

整流素子７ａ，７ｂは、上側二次巻線５、下側二次巻線６から出力される交流電圧を整流する。図１の例では、各整流素子７ａ，７ｂのアノード端子が金属筐体に接続されるダイオードモジュールとしている。８は、スイッチング電源の金属筐体に接続されたグランド端子である。図１の例では、二次側回路のグランドとして、金属筐体を用いている。インダクタ９は整流素子７ａ，７ｂで整流したリップル電圧波形を平滑する。コンデンサ１０は整流素子７ａ，７ｂで整流したリップル電圧波形を平滑する。インダクタ９とコンデンサ１０で平滑回路を構成する。出力端子１１より平滑回路で得られた直流電圧がスイッチング電源の外部へ出力される。なお、図１の例では、二次側回路のグランドを金属筐体と同電位にしているため、出力電圧は出力端子１１と金属筐体の間に出力される。

図２は実施の形態１における、一枚の矩形導電板（金属板）から切り出されるバスバーのレイアウトを示す平面図である。図２には、二次巻線用バスバー，平滑回路用バスバー，出力端子接続用バスバー，出力端子，固定兼放熱用足部，及び固定足が含まれ一体に配置されている。レイアウトに従って、バスバーが、一枚の同一の導電板から一体に切り出され、バスバー初期形成体が製作される。切り出されたバスバー初期形成体１７を図３に示す。

切り出されたバスバー初期形成体１７において、二次巻線用バスバー２１は、（図１の）回路図のセンタータップ式トランス１２の上側二次巻線５に該当し、バスバーの１ターンで構成されている。二次巻線用バスバー２１と一体に形成されたバスバー端子２５ａ（図２では、その位置を破線枠で示す。以下同様である。）は、回路図の整流素子７ａに該当するダイオードモジュールのカソード端子に接続される。二次巻線用バスバー２２は、回路図のセンタータップ式トランス１２の下側二次巻線６に該当し、バスバーの１ターンで構成されている。二次巻線用バスバー２２と一体に形成されたバスバー端子２５ｂは、回路図の整流素子７ｂに該当するダイオードモジュールのカソード端子に接続される。

バスバー初期形成体１７は、曲げ部２３ａ，２３ｂで、９０°ずつ折り曲げて、二次巻線用バスバー２２を二次巻線用バスバー２１の裏側に、紙面に垂直投影的に一致させて重ね、回路図のセンタータップ式トランス１２の二次巻線５，６を構成する。図４は、曲げ部２３ａ，２３ｂで折り曲げて、重ね合わせて製作されたバスバー中間形成体１８を示す。２４ａ，２４ｂは貫通孔で、トランス１２の磁性体コア４の中足（軸心部）が貫通する。

図３，図４において、平滑回路用バスバー２６，２７は、両方を合わせて回路図のインダクタ９に該当し、バスバーの２ターンで平滑用チョークコイルの巻線を構成する。図４において、バスバー中間形成体１８は、曲げ部２８ａ，２８ｂで、９０°ずつ折り曲げて、平滑回路用バスバー２７を平滑回路用バスバー２６の表側に、紙面に垂直投影的に一致させて重ね、回路図のインダクタ９を構成する。図５は、曲げ部２８ａ，２８ｂで折り曲げて、重ね合わせて製作されたバスバー最終形成体１９を示す。２９ａ，２９ｂは貫通孔で、平滑用チョークコイルの構成要素である磁性体コア４４（図６）の中足（軸心部）が貫通する。

バスバー形成体は、同一の導電板から一体に切り出すが、必ずしも曲げ加工する必要はない。すなわち、二次巻線用バスバー２１，平滑回路用バスバー２７とその接続用バスバーであれば、曲げ加工する必要はない。しかし、バスバー初期形成体１７を曲げ部２３ａ，２３ｂで曲げ加工して、バスバー中間形成体１８を得、さらに、曲げ部２８ｂ，２８ａで曲げ加工して、バスバー最終形成体１９を得るようにすると、センタータップ式トランスの二次巻線用バスバー２１，２２を、同一の導電板から一体に切り出すことができ、生産性を向上させることができる。さらに、平滑回路用バスバー２６，２７の複数個を同一の導電板から一体に切り出すことができ、インダクタ９のターン数を複数にすることが容易にできる。

図５において、３０は出力端子で、平滑回路で得られた直流電圧をスイッチング電源の外部に出力する。３１は出力端子接続用バスバーで、平滑回路用バスバー２７と出力端子３０を接続する。図２において、３２は切れ目のない一枚の導電板で、例えば、銅又はアルミニューム製である。導電板３２の大きさは、実施の形態１では、二次巻線用バスバー２１、二次巻線用バスバー２２、出力端子接続用バスバー３１の出力端子３０にそれぞれ外接する矩形である。固定兼放熱用足部３３ａ〜３３ｄは前記矩形導電板３２内に配置され、導電板３２から一体に切り出されて形成される。固定兼放熱用足部３３ａ〜３３ｄは前記矩形導電板３２内に配置されるため、導電板の捨て代を低減することができる。固定兼放熱用足部３３ａ，３３ｂは、それぞれ二次巻線用バスバー２１，２２のバスバー端子２５ａ，２５ｂ（整流素子７ａ，７ｂ接続用端子）側、つまり、整流素子の近傍に設けられている。これにより、整流素子７ａ，７ｂで発生しる大量の熱を効率よく放熱できる。

固定兼放熱用足部３３ｃは、二次巻線用バスバー２２と平滑回路用バスバー２６の間に設けられている。これにより、放熱性の向上を実現できる。固定兼放熱用足部３３ｄは、平滑回路用バスバー２７の出力端子３０側に設けられている。これにより、放熱性の向上を実現できる。固定兼放熱用足部３３ａ〜３３ｄの金属筺体４８（図７，図８）への固定において、その間の絶縁を確保するため、放熱性と絶縁性の両方を備えたシート４９（図８）をそれぞれ介在させる。３４ａ〜３４ｄは固定機能を果たす固定足で、実施の形態１のように、図５のバスバー最終形成体１９に示すように折りたたんだときに、固定足３４ａと３４ｂ、固定足３４ｄと３４ｃを同一のネジ５０（図８）で固定可能な構造とすることで、ネジ点数を削減し、組立性を向上させることができる。

図２〜図５に示すように、二次巻線用バスバー，平滑回路用バスバー，出力端子接続用バスバー，及び出力端子が含まれ、同一の導電板から一体に切り出された形成体は、整流素子と接続し近傍に整流素子を有する二次巻線用バスバー側から、平滑回路用バスバー側への熱伝導性向上及び放熱経路確保を実現することができ、部品点数の削減、組立性の向上を実現できる。また、固定兼放熱用足部が共に同一の導電板から一体に切り出された形成体においても、前記と同様な効果が実現できる。

なお、実施の形態１では、二次巻線用バスバー２１，２２、平滑回路用バスバー２６，２７、出力端子３０、及び出力端子接続用バスバー３１を、同一の導電板から一体に切り出された形成体で構成しているが、図２において、右側二次側巻線用バスバー２２と、左側平滑回路用バスバー２６のみを一体化しても、前記と同様な効果を実現できる。さらに、平滑回路用バスバー２６，２７が存在するか否かにかかわらず、少なくとも、二次巻線用バスバーと出力端子を有する出力端子接続用バスバーを同一の導電板から一体に切り出された形成体で構成してもよく、整流素子と接続し、近傍に整流素子を有する二次巻線用バスバー側から、出力端子接続用バスバー側への熱伝導性向上及び放熱経路確保を実現することができ、部品点数の削減、組立性の向上を実現できる。

図６は実施の形態１における、バスバー最終形成体１９を使用して組み立てたスイッチング電源を示す平面図である。図７は図６のＡ−Ａ線断面を示す断面図である。図８は図６のＢ−Ｂ線断面を示す断面図である。バスバー初期形成体１７（図３）に曲げ加工を施してバスバー中間形成体１８（図４）を構成し、さらに曲げ加工を施してバスバー最終形成体１９（図５）を構成する。バスバー最終形成体１９に磁性体コア４２，４４、整流素子４３、平滑コンデンサ４５を組み合わせることでスイッチング電源の二次側回路を構成する。

図６，図７，図８において、一次側巻線４１は、（図１の）回路図のトランス１２の一次巻線３に該当する。一次側巻線４１は電線を中央に貫通孔４１ｃ（図７）を有するように巻いて円環状平板状に構成したコイル４１ｄで端子４１ａ，４１ｂを有している。その円環状平板コイル４１ｄの内径と外径は、二次側巻線用バスバー２１，２２のそれとほぼ同じである。円環状平板コイル４１ｄである一次側巻線４１を、バスバー最終形成体１９において、曲げ加工された二次側巻線用バスバー２１，２２間に介在させ、一次側巻線４１の貫通孔４１ｃと二次側巻線用バスバー２１，２２の貫通孔２４ａ，２４ｂとを一致させて配置する。

磁性体コア４２は、トランス１２の磁性体コア４に該当し、両端の外脚部とその内側中央に円柱状の中足（軸心部）４２ａを有する。中足（軸心部）４２ａは二次側巻線用バスバー２１，２２の貫通孔２４ａ，２４ｂと一次側巻線４１の貫通孔４１ｃを貫通している。整流素子４３は、回路図の整流素子７ａ，７ｂに該当し、トランス１２の二次巻線５，６で得られる交流電圧を整流する。整流素子７ａ，７ｂには、二次側巻線用バスバー２１のバスバー端子２５ａと二次側巻線用バスバー２２のバスバー端子２５ｂが、それぞれ接続される。整流素子４３は、そのアノード端子が金属筐体に電気的に接続される構造（図１で示す）となったダイオードモジュールである。図７，図８で５１は絶縁物である。

磁性体コア４４は、平滑回路用のチョークコイルを構成し、両端の外脚部とその内側中央に円柱状の中足（軸心部）を有する。中足（軸心部）は平滑回路用バスバー２６，２７の貫通孔２９ａ，２９ｂを貫通している。平滑コンデンサ４５は、回路図のコンデンサ１０に該当し、その端子４６はチョークコイルの出力端と接続される。端子４７は平滑コンデンサ４５を二次側回路のグランド、すなわち金属筐体に電気的に接続する。出力端子３０は平滑回路で得られた直流電圧を、スイッチング電源の外部に出力する。３３ａ〜３３ｄは前述の説明に加えて、トランス、チョークコイルなどの磁性部品を金属筐体に固定する固定足と、二次側回路で発生した熱を金属筐体へ放熱する放熱用足部を兼ねている。３４ａ〜３４ｄは前述の説明に加えて、トランス、チョークコイルなどの磁性部品を固定する固定足である。曲げ加工したバスバー最終形成体では、固定足３４ａ，３４ｂと固定足３４ｄ、３４ｃのように、同一のネジで固定可能な構造とすることで、ネジ点数を削減し、組立性を向上させることができる。

以上のように、整流素子が接続される二次巻線用バスバー側から、平滑回路用バスバー及び出力端子接続用バスバー側への熱伝導性向上及び放熱経路確保を実現することができ、熱を効率よく金属筐体側に放熱することができる。また、整流素子と接続し、近傍に整流素子を有する二次巻線用バスバーであっても、二次巻線用バスバーの放熱用足部による放熱と、整流素子の整流素子直下への放熱に加え、平滑回路用バスバー及び出力端子接続用バスバー側への放熱経路があるため、効率よく放熱することができ、トランスと整流素子直下への熱の集中を防ぐことができる。さらに、放熱機能を備えた固定足の位置を工夫することで、放熱性向上を実現しつつ、金属板の捨て代を低減することができる。さらに、同一の導電板から一体に切り出された形成体で構成されるので、部品点数の削減、ネジ点数の削減、及び組立性の向上を実現することができる。なお、実施の形態１では、センタータップ式ダイオード整流方式を例に上げたが、その限りでなく、例えば、図９に示すカレントダブラ整流方式のような他の整流方式であってもよい。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示し、９ａ，９ｂはインダクタである。

１ａ，１ｂ入力端子２インバータ回路
３一次巻線４磁性体コア
５，６二次巻線７ａ，７ｂ整流素子
８グランド端子９，９ａ，９ｂインダクタ
１０コンデンサ１１出力端子
１２トランス

１７バスバー初期形成体１８バスバー中間形成体
１９バスバー最終形成体
２１，２２二次巻線用バスバー２３ａ，２３ｂ曲げ部
２４ａ，２４ｂ貫通孔２５ａ，２５ｂバスバー端子
２６，２７平滑回路用バスバー２８ａ，２８ｂ曲げ部
２９ａ，２９ｂ貫通孔３０出力端子
３１出力端子接続用バスバー３２導電板
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ固定兼放熱用足部
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ固定足

４１一次巻線４１ａ，４１ｂ端子
４１ｃ貫通孔４１ｄ円環状円板コイル
４２磁性体コア４３整流素子
４４磁性体コア４５平滑コンデンサ
４６，４７端子４８金属筐体
４９シート５０ネジ
５１絶縁物

Claims

一次巻線の両端に印加される交流電圧を二次巻線から異なる交流電圧に変換して出力するトランスと、
前記二次巻線から出力される交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路で得られたリップル電圧波形を平滑する平滑回路と、
前記平滑回路で得られた直流電圧を外部に出力する出力端子とを備えるスイッチング電源において、
前記トランスの二次巻線はセンタータップにより電気的に分割されるセンタータップ式トランスの第１と第２二次巻線を有すると共に、
前記スイッチング電源には、本体を金属筺体へ設置固定するための固定兼放熱用足部を備え、
前記トランスの第１と第２二次巻線を構成する二次巻線用バスバー、前記平滑回路の配線を構成する平滑回路用バスバー及び前記固定兼放熱用足部が、同一の導電板から一体に切り出された形成体で構成されていることを特徴とするスイッチング電源。
前記固定兼放熱用足部は、前記二次巻線用バスバーと前記平滑回路用バスバーの間に配置されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
前記固定兼放熱用足部は、前記二次巻線用バスバーの整流素子接続用バスバー端子側に配置されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
前記平滑回路用バスバーには、前記平滑回路を構成するインダクタを含んでいることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
前記平滑回路用バスバーとその前記出力端子とを接続する出力端子接続用バスバーをさらに備え、前記出力端子と前記出力端子接続用バスバーは、前記二次巻線用バスバーと前記平滑回路用バスバーと共に、同一の前記導電板から一体に切り出された形成体で構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のスイッチング電源。
前記形成体は、平板状導電板から切り出され、折り曲げられた形成体であることを特徴とする請求項１〜請求項５記載のスイッチング電源。
前記固定兼放熱用足部は、前記平滑回路用バスバーの前記出力端子側に配置されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
前記固定兼放熱用足部は、前記平滑回路用バスバーと前記出力端子接続用バスバーの間に配置されることを特徴とする請求項５記載のスイッチング電源。
同一の前記導電板に前記二次巻線用バスバー、前記平滑回路用バスバー、及び前記出力端子を配置したときに、それらの外接矩形内に前記固定兼放熱用足部が配置されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。