JP5318150B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、スイッチング素子、トランス、チョークコイル等を冷却水路により冷却するスイッチング電源装置において、複数のトランス、チョークコイルの熱の不平衡状態を防ぎ、かつそれぞれの放熱性を向上させることができるスイッチング電源装置に関するものである。

従来から、高圧の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装置として、直流入力電圧をスイッチング素子により矩形波電圧に変換し、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、所望の直流電圧を得るスイッチング電源装置がある。

特に、近年注目されだした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装置は、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、スイッチング電源装置のスイッチング素子、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、チョークコイルでの発熱量が大きくなる。

このような問題に対して、トランスを複数個で構成し、当該複数トランスのそれぞれの１次巻線を直列接続し、２次巻線を直列又は並列に接続した構成により、１次側巻線の印加電圧をトランス数に応じて分割し、その電圧低下分だけトランスのリーケージインダクタンスを小さくして、スイッチング素子のスイッチング損失を低減し、発熱を抑制するものが提案されている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００８−１７８２０５号公報

ところが、上記スイッチング電源装置を構成するスイッチング素子、トランスなどの磁性部品は相当の熱を発生するため、通常、水路を設けた金属筐体に固定されて設置され、これらで発生する熱は当該金属筐体により放熱処理される。この場合、金属筐体に設けられた水路は、一般的に発熱部の直下を通過するようにレイアウトされることが多く、発熱部品が点在している場合は水路が複雑な形状になるため圧損が増加することとなる。また圧損の増加に伴い、冷却ポンプの性能を上げるなどの対策が必要になる。

このため、圧損の小さい直線形状の冷却水路の上にスイッチング電源装置の主回路部品を構成することが有効となる。ただし、直線形状の冷却水路の場合、全ての発熱部品を冷却水路の真上に配置すると、スイッチング電源装置の形状が細長くなるという課題があるのに加え、部品間の結線も難しくなる。このため、実際は発熱量の大きいスイッチング素子を優先的に冷却水路の上に配置し、トランスやチョークコイルなどの発熱部品を冷却水路上以外の場所に配置せざるを得なかった。

従って、例えば特許文献１のように複数のトランス、複数の整流回路、複数の平滑回路を必要とする場合、複数のトランスや複数のチョークコイルの熱が不平衡状態となり、このためトランス、チョークコイル、共振用インダクタの放熱性が悪くなり、冷却水路の冷却条件が厳しくなって、発熱部品の部品配置の自由度が狭められる等の問題があった。また、トランスやチョークコイルなどの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によってインダクタンスが不平衡となり、このためコンバータの電気回路の平衡度を確保できず、更には、インバータ回路−共振用インダクタ−トランス間の配線が複雑となる問題があった。

従って、これらの部品をできるだけ直線形状の冷却水路の上あるいは近傍に配置し、しかも、複数のトランスや複数のチョークコイルの放熱性を確保すると共に、これらの磁性部品の熱の不平衡状態を防ぎ、できるだけ冷却条件を緩和させるような配置を決定する必要がある。熱の平衡状態を保てない場合は、トランスの最高温度の箇所を冷却するための冷却能力が必要となり、結果的に放熱性が悪化することになる。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あり、複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサで発生する熱を、平衡状態を保ちながら放熱するための合理的配置とすると共に、冷却系の簡素化を実現することを目的とするものである。

本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング素子を備え直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される交流電圧が１次巻線に印加され、異なる交流電圧を２次巻線に出力する複数のトランスと、スイッチング素子を備え前記各トランスの２次巻線に誘起される交流電圧を整流する複数の整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する複数のチョークコイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する複数のコンデンサと、前記インバータ回路、前記複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサを固定する金属筐体と、前記金属筐体に設けられ、前記複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサで発生する熱を放熱する直線形状からなる１つの冷却水路とを備えたスイッチング電源装置において、少なくとも前記スイッチング素子を備えたインバータ回路および整流回路を前記冷却水路の直上に配置すると共に、前記複数のトランスを前記冷却水路の長手方向に対して平行に配置したことを特徴とする。

この発明によれば、少なくとも前記スイッチング素子を備えたインバータ回路および整流回路を前記冷却水路の直上に配置すると共に、前記複数のトランスを前記冷却水路の長手方向に対して互いに平行に配置することにより、少なくとも上記複数のトランスの熱が不平衡状態になることを防ぐことができる。また、少なくともトランスの放熱性が向上するため、冷却水路の冷却条件緩和や、発熱部品の部品配置の自由度を向上することができる。

この発明のスイッチング電源装置の一例を説明するための回路構成図である。 この発明の実施の形態１におけるスイッチング電源装置の部品のレイアウトを説明するための上面図である。 この発明の実施の形態２におけるスイッチング電源装置の部品のレイアウトを説明するための上面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図１及び図２を参照して説明する。
本発明に適用されるスイッチング電源装置として、絶縁型スイッチング電源装置の一般的な回路方式であるセンタータップ式同期整流方式の回路図を図１に示す。センタータップ式同期整流方式は、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が、これに限らず、その他の整流方式であってもよい。センタータップ式同期整流方式の絶縁型スイッチング電源装置は、直流から交流に変換するインバータと、上記インバータから出力される矩形波電圧を巻数比に応じた異なる電圧に変換する複数個のトランスとを備え、上記トランスの１次巻線が互いに直列に接続され、トランスの２次巻線が互いに並列に接続されているのが一般的である。

図１において、１０１ａ、１０１ｂはスイッチング電源装置への直流電圧を印加する入力端子であり、スイッチング電源装置の出力電圧よりも高い電圧が印加される。１０２は上記入力端子１０１に入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路であり、一般的には、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子から構成される。１０３ａ、１０３ｂは上記インバータ回路１０２から出力される矩形波交流電圧が印加されるトランス１０５の一次巻線で、ここでは２つのトランス１０５ａ、１０５ｂに分割されたものを示しており、インバータ回路１０２に設けられたスイッチング素子１０２ａ〜１０２ｄ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電圧波形が印加される。

１０４はインバータ回路１０２のスイッチング素子で発生するスイッチング損失の低減を実現するため、ゼロボルトスイッチング動作（ＺＶＳ動作）を行うに必要な共振用インダクタである。１０６はトランスの巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された矩形波交流電圧が印加されるトランス２次巻線であり、上記トランス１次巻線１０３と共に電磁気的に結合するための磁性体コアにそれぞれ巻回されている。

１０７ａ、１０７ｂはトランス２次巻線１０６ａ、１０６ｂから出力される交流電圧を整流するための整流回路であり、本実施例では、同期整流を実現するためのＭＯＳＦＥＴ素子を用いる。１０８ａ、１０８ｂは整流回路１０７ａ、１０７ｂで整流したリップル電圧波形をそれぞれ平滑するためのチョークコイルであり、また、１０９ａ、１０９ｂは整流回路１０７ａ、１０７ｂで整流したリップル電圧波形を平滑するためのコンデンサである。上記チョークコイル１０８とコンデンサ１０９とで平滑回路を構成している。

１１０は上記整流回路及び平滑回路で得られた直流電圧をスイッチング電源装置の外部へ出力するための出力端子である。１１１は接地端子であり、後で説明する２次側回路の接地として用いられるスイッチング電源装置の金属筐体２０１に接続されている。
なお、本実施例では、２次側回路の接地を金属筐体と導電位にしているため、出力電圧は出力端子１１０と金属筐体２０１との間に出力される。

次に、図１で説明したセンタータップ式同期整流方式の絶縁型スイッチング電源装置の各部品のレイアウト図を示す図２について説明する。なお、図２において図１と同一又は相当部分には同一符号を付している。
２０１はインバータ回路１０２、共振用インダクタ１０４、トランス１０５a、１０５b、整流回路１０７ａ、１０７ｂ、平滑回路１０８ａ、１０８ｂ、１０９ａ、１０９ｂを固定するための金属筐体であり、２０２はインバータ回路１０２、共振用インダクタ１０４、トランス１０５a、１０５b、整流回路１０７ａ、１０７ｂ、平滑回路１０８ａ、１０８ｂ、１０９ａ、１０９ｂで発生する熱を放熱するために上記金属筐体２０１に設けられた冷却水路を示している。

２０３はインバータ回路１０２、整流回路１０７ａ、１０７ｂに含まれるスイッチング素子を実装するための基板であり、放熱性を確保するため、金属のベースプレートを備えた金属基板が用いられる。本実施例では、他の部品で発生する熱と比較し、スイッチング素子で発生する熱が大きいため、冷却水路２０２の直上に配置している。
２０４はインバータ回路１０２とトランス１０５ａ、１０５ｂの１次巻線１０３ａ、１０３ｂを接続するためのハーネスであり、本実施例ではハーネスを用いているが、基板配線や銅板などを用いて接続してもよい。

入力端子１０１ａ、１０１ｂから直流電圧を印加されるインバータ回路１０２は、通常、放熱性を確保するために、金属性ベースプレート（図示せず）を備えた金属基板２０３上に実装される。本実施例では金属基板２０３にスイッチング素子を実装した例を示したが、スイッチング素子を絶縁体を介して筐体２０１に接触させて放熱し、インバータ回路１０２の配線を基板や銅板で構成する手法や、その他の手法を用いてもよい。

トランス１０５ａ、１０５ｂは、冷却水路２０２の長手方向に対して平行に配置し、冷却水路２０２からトランスまでの距離がそれぞれ等しく、かつ冷却水路２０２の長手方向とトランス１０５ａ、１０５ｂの長手方向が平行するように配置する。これにより、複数のトランスの熱を平衡状態に保ち、かつ複数のトランスの放熱性を向上させることができる。

また、共振用インダクタ１０４は、複数のトランス１０５ａ、１０５ｂの間に、かつ冷却水路２０２の長手方向と共振用インダクタ１０４の長手方向が平行するように配置している。このように複数のトランス１０５ａ、１０５ｂの間に共振用インダクタ１０４を配置することにより、インバータ回路１０２−共振用インダクタ１０４−トランス１０５間の配線が容易となり、また、共振用インダクタの放熱性が向上する。

整流回路１０７ａ、１０７ｂは、インバータ回路１０２と同じく、金属性ベースプレートを備えた金属基板２０３上に上記インバータ回路１０２を両側から挟むように実装される。本実施例では金属基板にスイッチング素子を実装する形態としているが、スイッチング素子を筐体２０１に接触させて放熱し、整流回路の配線をハーネスや銅板で構成する手法や、その他の手法を用いてもよい。

また、複数のチョークコイル１０８ａ、１０８ｂは、冷却水路２０２に対して平行に配置し、冷却水路２０２からの距離がそれぞれ等しく、かつ冷却水路２０２の長手方向と複数のチョークコイル１０８ａ、１０８ｂの長手方向が平行するように配置する。これにより、複数のチョークコイルの熱を平衡状態に保ち、かつ複数のチョークコイルの放熱性を向上させることができる。

整流回路２０９で発生したリップル電圧波形を平滑するためのコンデンサ１０９ａ、１０９ｂは、図のように、それぞれのコンデンサ１０９ａ、１０９ｂの片側はチョークコイル１０８ａ、１０８ｂに接続され、もう一方の片側は接地端子１１１を介して筐体２０１に接続されている。もう一方の出力端子１１０は上記整流回路１０７ａ、１０７ｂ、チョークコイル１０８ａ、１０８ｂ、コンデンサ１０９ａ、１０９ｂから得られた直流電圧をスイッチング電源装置の外部へ出力するようなされている。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２におけるスイッチング電源装置の部品のレイアウトを説明する上面図である。図において図２で示した実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付している。図３において、図２と異なる部分は、トランス１０５ａ、１０５ｂ、チョークコイル１０８ａ、１０８ｂおよびコンデンサ１０９ａ、１０９ｂの配置構成である。

すなわち、複数のトランス１０５ａ、１０５ｂ、複数のチョークコイル１０８ａ、１０８ｂおよび前記複数のコンデンサ１０９ａ、１０９ｂを、前記冷却水路２０２を挟んでそれぞれ互いに対称に配置し、前記共振用インダクタ１０４を、前記冷却水路２０２の直上に配置している。また、前記冷却水路２０２の長手方向と前記共振用インダクタ１０４および前記複数のチョークコイル１０８ａ、１０８ｂの長手方向が互いに平行になるように配置され、且つ、前記複数のチョークコイルおよび前記複数のコンデンサは、前記冷却水路からの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。

このような構成としても実施の形態１と同様、複数のトランスや複数のチョークコイルの熱が不平衡状態となるのを防ぐことができる。また、実施の形態１と比較して冷却水路を中心としたより完全な左右対称な配置を実現して電源回路全体で熱を平衡状態に保つことができるため、実施の形態１より放熱性を向上させることができる。
また、トランス、チョークコイル、共振用インダクタの放熱性が向上するため、冷却水路の冷却条件の緩和や、発熱部品の部品配置の自由度向上などのメリットが生まれる。例えば、トランスの放熱性が向上することで、トランスを冷却水路から離れた場所に配置することが可能となるため、冷却水路―トランス間のスペースを確保できるようになるなどの利点がある。

更に、トランスやチョークコイルなどの磁性体の熱が不平衡状態になるのを防ぐことができるため、例えば透磁率の温度特性によってインダクタンスが不平衡となるのを防ぐことができ、コンバータの電気回路の平衡度を確保することができる。また、共振用インダクタを複数のトランスの間に配置することにより、インバータ回路−共振用インダクタ−トランス間の配線が容易となる。

１０１ 入力端子、 １０２ インバータ回路、 １０４ 共振用インダクタ、
１０３ 1次巻線、 １０５ トランス、 １０６ ２次巻線、
１０７ 整流回路、 １０８ チョークコイル、 １０９ コンデンサ、
１１０ 出力端子、 １１１ 接地端子、 ２０１ 金属筐体、
２０２ 冷却水路、 ２０３ 金属基板、 ２０４ カーネル。

Claims (7)

1. スイッチング素子を備え直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される交流電圧が１次巻線に印加され、異なる交流電圧を２次巻線に出力する複数のトランスと、スイッチング素子を備え前記各トランスの２次巻線に誘起される交流電圧を整流する複数の整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する複数のチョークコイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する複数のコンデンサと、前記インバータ回路、前記複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサを固定する金属筐体と、前記金属筐体に設けられ、前記複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサで発生する熱を放熱する直線形状からなる1つの冷却水路とを備えたスイッチング電源装置において、少なくとも前記スイッチング素子を備えたインバータ回路および整流回路を前記冷却水路の直上に配置すると共に、前記複数のトランスを前記冷却水路の長手方向に対して平行に配置したことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記複数のトランスは前記冷却水路からの距離がそれぞれ等しく、且つ冷却水路の長手方向とトランスの長手方向が互いに平行するように配置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. 前記複数のトランスを前記冷却水路の一方側にそれぞれ配置し、前記インバータ回路とトランスとの間に電気的に挿入されインバータ回路のゼロボルトスイッチング動作を行う共振用インダクタを、前記複数のトランスの間に位置させると共に、前記複数のチョークコイルおよび複数のコンデンサを前記冷却水路の他方側にそれぞれ配置した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。
4. 前記複数のトランス、複数のチョークコイルおよび前記複数のコンデンサを、前記冷却水路を挟んでそれぞれ互いに対称に配置し、前記インバータ回路とトランスとの間に電気的に挿入されインバータ回路のゼロボルトスイッチング動作を行う共振用インダクタを、前記冷却水路の直上に配置した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。
5. 前記冷却水路の長手方向と前記共振用インダクタの長手方向が互いに平行であることを特徴とする請求項３あるいは請求項４に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記複数のチョークコイルおよび前記複数のコンデンサは、前記冷却水路からの距離がそれぞれ等しくなるように配置したことを特徴とする請求項３あるいは請求項４に記載のスイッチング電源装置。
7. 前記冷却水路の長手方向と前記複数のチョークコイルの長手方向が互いに平行であることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング電源装置。

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