JP5992024B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車載用ＤＣＤＣコンバータに用いられるスイッチング電源装置に関する。

ハイブリッド車のような電動車両では、駆動用モータや、駆動用モータに電力を供給するための高電圧バッテリ、インバータが備えられる。高電圧バッテリの電圧は一般的に１００Ｖ〜４００Ｖに達し、インバータで高電圧バッテリの直流電圧を交流電圧に変換し、駆動用モータへ電力を供給する。
また、従来車ではエンジンの動力で発電するオルタネータにより１２Ｖ系の電気機器に電力を供給しているが、ハイブリッド車では、高電圧バッテリの電圧を１２Ｖ系の電圧に変換するＤＣＤＣコンバータを搭載し、これによって１２Ｖ系の電気機器に電力を供給する方式が一般的である。

車載用ＤＣＤＣコンバータでは、高電圧の直流電圧を所望の直流電圧に降下させるために、スイッチング素子、トランス、整流素子、平滑コイル及びコンデンサを含む回路で構成され、また金属筐体を電流のリターン経路として使用しているため、トランスの２次側の各部品は金属筐体に電気的に接続されている。
車載用ＤＣＤＣコンバータの整流回路の実装構造として、例えば特許文献１のものが知られている。
この例は、基板挿入部品の整流素子、及びトランスの二次巻線をプリント基板にハンダ付け実装することにより、それぞれを電気的に接続するものである。
また、特許文献１中に明記されていないが、プリント基板にハンダ付け実装するバスバー、及びバスバーの他方端をネジ締結することにより、電流のリターン経路である金属筐体に対して電気的に接続される。
また、整流素子の底面と金属筐体を、絶縁放熱シートを介して接触させ、整流素子を金属筐体に対してバネで抑えつけることにより、機械的な固定と放熱経路の確保を両立させている。

また、車載用ＤＣＤＣコンバータの整流回路の別の実装構造としては、例えば特許文献２のものが知られている。
この例では、整流素子として表面実装部品を採用する場合の構造が示されており、金属基板上にハンダ付け実装された整流素子は、同じく金属基板上にハンダ付け実装されるトランスの二次巻線に対して電気的に接続される。
また、電流のリターン経路である金属筐体に対しては、同じく金属基板上にハンダ付け実装されたバスバー、及び他方端をネジ締結することで電気的に接続される。

特許第５４５１８６０号公報 特許第４９２４７９７号公報

しかしながら、特許文献１に示す整流素子の実装構造は、バスバー、ネジ、絶縁放熱シート、バネ等の多数の部材が必要であり、ハンダ付け、ネジ締結のように組立工数も多く、複雑である。
特に、絶縁放熱シートは柔らかく、また破れやすいため、組み立て時の取り扱いが難しい。
また、多くの部品が必要なため、実装面積が大きくなる。また、整流素子の実装にプリント基板が必要であるため、車載用ＤＣＤＣコンバータを構成する主部品のレイアウトに制約ができる。
また、特許文献２に示す整流素子の実装構造についても、上記と同様の課題がある。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、整流素子としての圧入ダイオードの圧入部を金属筐体に設けた凹部に嵌着して、電気的な接続、及び機械的な固定、及び熱的な接続を行うことにより、部品点数の削減、及び省スペース化を図ることができるスイッチング電源装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係るスイッチング電源装置は、入力端子から入力された直流電圧を交流電圧に変化させるスイッチング素子を有するインバータ回路と、
前記スイッチング素子に両端部が接続された一次巻線、並びにこの一次巻線と磁性体コアにより磁気的に結合した第１の二次巻線及び第２の二次巻線を有するトランスと、
前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線に発生する交流電圧を直流電圧に変換する整流素子を有する整流回路と、
前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線とのそれぞれの一端部同士が接続される接続接点であるセンタータップで接続され、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平滑回路と、
前記インバータ回路、前記トランス、前記整流回路及び前記平滑回路を固定し、前記整流回路に流れる電流のリターン経路となる金属筐体とを備え、
前記整流素子は、アノード端子である圧入部と、この圧入部から延びたカソード端子であるカソードピンとを有する圧入ダイオードであり、
前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線の各他端部は、前記圧入部が前記金属筐体の凹部に嵌着された前記圧入ダイオードの前記カソードピンの先端部と電気的に接続されている。

この発明に係るスイッチング電源装置によれば、整流素子としての圧入ダイオードの圧入部を金属筐体に設けた凹部に嵌着して、電気的な接続、及び機械的な固定、及び熱的な接続を行うことにより、部品点数の削減、及び省スペース化を図ることができる。

この実施の形態１の車載用ＤＣＤＣコンバータを示す主回路図である。 図1の整流素子である圧入ダイオードを示す断面図である。 図1の車載用ＤＣＤＣコンバータの要部上面図である。 図３の左側面図である。 この実施の形態２の車載用ＤＣＤＣコンバータに用いられた圧入ダイオードを示す断面図である。 この実施の形態２の車載用ＤＣＤＣコンバータの要部上面図である。 図６の左側面図である。

以下、この発明の各実施の形態の車載用ＤＣＤＣコンバータについて図に基づいて説明するが、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、この発明の実施の形態１の車載用ＤＣＤＣコンバータを示す主回路図である。
このスイッチング電源装置である車載用ＤＣＤＣコンバータは、高電圧の直流電力が入力端子１及び２から入力された直流電圧を交流電圧に変化させるスイッチング素子３を有するインバータ回路４と、スイッチング素子３に両端部が接続された高電圧側の一次巻線５、並びにこの一次巻線５と磁性体コア６により磁気的に結合した低圧側の、第１の二次巻線７及び第２の二次巻線８を有するトランス９と、スイッチング素子である整流素子１０を有し、第１の二次巻線７及び第２の二次巻線８に発生する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１１と、第１の二次巻線７と第２の二次巻線８との接続接点であるセンタータップ１２と、センタータップ１２での交流成分を含む直流電圧を平滑する、平滑コイル１３及び平滑コンデンサ１４を有する平滑回路１５と、平滑回路１５から出力された平坦な直流電圧を取り出す出力端子１６及びグランド端子１７と、を備えている。
スイッチング素子３は、一般的にはＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子が用いられる。
一次巻線５には、各スイッチング素子３をスイッチングすることにより生成される矩形波に近い交流電圧が印可される。
第１の二次巻線７及び第２の二次巻線８は、それぞれの導線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印可される。

この車載用ＤＣＤＣコンバータでは、車載の高電圧バッテリから供給される１００Ｖから６００Ｖ程度までの高電圧を入力端子１及び２に受け、出力端子１６及びグランド端子１７により車載補機系部品の電源電圧である１２Ｖから１６Ｖ程度の電圧を出力する。

図２は図１に示した整流素子１０に相当する圧入ダイオード１８を示す断面図である。
圧入ダイオード１８は、アノード端子に相当する圧入部１９と、この圧入部１９にハンダ付けされたダイス２０と、このダイス２０にハンダ付けされ、圧入部１９に対して先端部が垂直方向に延びた、カソード端子に相当するカソードピン２１と、カソードピン２１の下部を覆い、カソードピン２１の機械的保持、ダイス２０の保護のために設けた充填剤２２と、を有している。

図３は車載用ＤＣＤＣコンバータの要部上面図、図４は図３の左側面図である。
圧入ダイオード１８は、アルミニウム製の金属筐体２３の底面部に形成された凹部２４に圧入部１９を底面部の下側から圧入、嵌着することで、圧入ダイオード１８は、金属筐体２３と電気的、機械的及び熱的に接続される。
トランス９の磁性体コア６は、一対のＥ型コア部を対面接合して構成されている。この磁性体コア６の中足部２５には、第１の二次巻線７及び第２の二次巻線８が巻装されている。また、第１の二次巻線７と第２の二次巻線８との間には一次巻線５が巻装されている。
第１の二次巻線７の一端部２７は、センタータップ１２で第２の二次巻線８と溶接で電気的に接続されている。第１の二次巻線７の他端部２６は、一方の圧入ダイオード１８のカソードピン２１に溶接により電気的に接続されている。
第２の二次巻線８の一端部は、センタータップ１２で第１の二次巻線７と溶接で電気的に接続されている。第２の二次巻線８の他端部２８は、他方の圧入ダイオード１８のカソードピン２１に溶接により電気的に接続されている。
一対のカソードピン２６、２６を結ぶ直線の中心点にセンタータップ１２が配置されており、また上記直線は、磁性体コア６の長手方向に対して並行である。
なお、カソードピン２１、２１は、センタータップ１２の中心よりも磁性体コア６側に接近して配置してもよい。

金属筐体２３は、その底面部にインバータ回路４、トランス９、整流回路１１及び平滑回路１５が固定されている。この金属筐体２３は、図１に示したグランド端子１７に相当し、整流回路１１に流れる電流のリターン経路になっている。

この実施の形態による車載用ＤＣＤＣコンバータによれば、第１の二次巻線７及び第２の二次巻線８に発生する交流電圧を直流電圧に変換する整流素子１０として、アノード端子である圧入部１９と、この圧入部１９から延びたカソード端子であるカソードピン２１とを有する圧入ダイオード１８を用いており、圧入部１９が金属筐体２８の凹部２４に圧入、嵌着された圧入ダイオード１８のカソードピン２１の先端部は、第１の二次巻線７の他端部２６及び第２の二次巻線８の他端部２８と電気的に接続されている。
従って、この車載用ＤＣＤＣコンバータによれば、次のような効果を得ることができる。
イ．一回の圧入によって整流素子１０を金属筐体２３への電気的な接続、機械的な固定を実現できるため、整流素子を実装するに際して必要とした、バスバー、ネジ、プリント基板、金属基板、バネ等の部品が不要となることに加え、ハンダ付け、ネジ締結の組立工程を無くすことができる。
ロ．部品点数が少なく、トランス９を金属筐体２３に固定する際に圧入ダイオード１８も固定し、トランス９、圧入ダイオード１８周辺の実装面積を低減できる。
ハ．圧入ダイオード１８は、凹部２４に圧入することで金属筐体２３と密着するので、取り扱いに課題のある絶縁放熱シートが不要となり組み立て設備の簡素化、もしくは作業員の作業性向上を実現できる。
ニ．圧入ダイオード１８とトランス９の二次巻線７，８との接続も、プリント基板、金属基板が不要であり、溶接で容易に接続できる。また、基板挿入部品の整流素子を用いる場合はプリント基板が必要となるため主部品レイアウトに制約ができるが、この実施の形態ではプリント基板が不要のため、この課題も解決できる。
ホ．整流素子として基板挿入部品を用いる場合は、トランス二次巻線と整流素子をプリント基板やバスバーを介して実装しなければならないため、磁性体コアの直近に整流素子を配置することが出来ないが、整流素子として圧入ダイオード１８を用いることにより、磁性体コア６の直近に整流素子を配置できるため、磁性体コア６直近の無駄なスペースを解消できる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２の車載用ＤＣＤＣコンバータの圧入ダイオード１８を示す断面図、図６は実施の形態２の車載用ＤＣＤＣコンバータの要部上面図、図７は図６の左側面図である。
この圧入ダイオード１８のカソードピン２１Ａは、先端部がプレスフィット構造である。
第１の二次巻線７の一端部２７Ａは、センタータップ１２で第２の二次巻線８と溶接で電気的に接続されている。第１の二次巻線７の他端部２６Ａには、貫通穴が形成されており、この貫通穴にカソードピン２１Ａの先端部を圧入することで、先端部は、弾性変形し、その復元力で第１の二次巻線７の他端部２６Ａに密接することで、カソードピン２１Ａは、第１の二次巻線７の一端部２６Ａと電気的に接続される。
第２の二次巻線８の一端部は、センタータップ１２で第１の二次巻線７と溶接で電気的に接続されている。第２の二次巻線８の他端部２８Ａには、貫通穴が形成されており、この貫通穴にカソードピン２１Ａの先端部を圧入することで、先端部は、弾性変形し、その復元力で第２の二次巻線８の他端部２８Ａに密接することで、カソードピン２１Ａは、第２の二次巻線８の他端部２８Ａと電気的に接続される。
また、実施の形態１の車載用ＤＣＤＣコンバータと同様に、一対のカソードピン２６Ａ、２６Ａを結ぶ直線の中心点にセンタータップ１２が配置されており、また上記直線は、磁性体コア６の長手方向に対して並行である。
なお、カソードピン２６Ａ、２６Ａがセンタータップ１２の中心よりも磁性体コア６側に接近するように圧入ダイオード１８を配置するようにしてもよい。

この実施の形態による車載用ＤＣＤＣコンバータによれば、実施の形態１のものと比較して次のような効果がある。
圧入ダイオード１８のカソードピン２１と二次巻線７，８とを溶接で電気的に接続する場合、溶接用の設備が必要となり、また溶接の際に使用する溶接治具のスペースを確保する必要があるため、トランス９などの周辺部材の配置に配慮しなければならない。
これに対し、この実施の形態では、圧入ダイオード１８のカソードピン２１の先端部をプレスフィット構造としたことにより、溶接治具のスペースを削減することができ、また周辺部品との干渉について配慮する必要がなくなるため、主部品をレイアウトする際の制約が軽減される。

なお、上記各実施の形態では、スイッチング電源装置として車載用ＤＣＤＣコンバータについて説明したが、勿論このものに限定されるものではない。

１，２ 入力端子、３ スイッチング素子、４ インバータ回路、５ 一次巻線、６ 磁性体コア、７ 第１の二次巻線、８ 第２の二次巻線、９ トランス、１０ 整流素子、１１ 整流回路、１２ センタータップ、１３ 平滑コイル、１４ 平滑コンデンサ、１５ 平滑回路、１６ 出力端子、１７ グランド端子、１８ 圧入ダイオード、１９ 圧入部、２０ ダイス、２１，２１Ａ カソードピン、２２ 充填剤、２３ 金属筐体、２４ 凹部、２５ 中足部、２６ 第１の二次巻線の他端部、２７ 第１の二次巻線の一端部、２８，２８Ａ 第２の二次巻線の他端部。

Claims (5)

1. 入力端子から入力された直流電圧を交流電圧に変化させるスイッチング素子を有するインバータ回路と、
   前記スイッチング素子に両端部が接続された一次巻線、並びにこの一次巻線と磁性体コアにより磁気的に結合した第１の二次巻線及び第２の二次巻線を有するトランスと、
   前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線に発生する交流電圧を直流電圧に変換する整流素子を有する整流回路と、
   前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線とのそれぞれの一端部同士が接続される接続接点であるセンタータップで接続され、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平滑回路と、
   前記インバータ回路、前記トランス、前記整流回路及び前記平滑回路を固定し、前記整流回路に流れる電流のリターン経路となる金属筐体とを備え、
   前記整流素子は、アノード端子である圧入部と、この圧入部から延びたカソード端子であるカソードピンとを有する圧入ダイオードであり、
   前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線の各他端部は、前記圧入部が前記金属筐体の凹部に嵌着された前記圧入ダイオードの前記カソードピンの先端部と電気的に接続されており、
   前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線の各前記他端部は、前記カソードピンの前記先端部と溶接部で電気的に接続されているスイッチング電源装置。
2. 入力端子から入力された直流電圧を交流電圧に変化させるスイッチング素子を有するインバータ回路と、
   前記スイッチング素子に両端部が接続された一次巻線、並びにこの一次巻線と磁性体コアにより磁気的に結合した第１の二次巻線及び第２の二次巻線を有するトランスと、
   前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線に発生する交流電圧を直流電圧に変換する整流素子を有する整流回路と、
   前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線とのそれぞれの一端部同士が接続される接続接点であるセンタータップで接続され、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平滑回路と、
   前記インバータ回路、前記トランス、前記整流回路及び前記平滑回路を固定し、前記整流回路に流れる電流のリターン経路となる金属筐体とを備え、
   前記整流素子は、アノード端子である圧入部と、この圧入部から延びたカソード端子であるカソードピンとを有する圧入ダイオードであり、
   前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線の各他端部は、前記圧入部が前記金属筐体の凹部に嵌着された前記圧入ダイオードの前記カソードピンの先端部と電気的に接続されており、
   前記第１の二次巻線及び前記第２の二次巻線の各前記他端部には、それぞれ貫通穴が形成され、
   前記貫通穴に圧入された前記先端部は、各前記貫通穴に前記先端部の弾性力により密接して電気的に接続されているスイッチング電源装置。
3. 複数の前記圧入ダイオードは、前記磁性体コアの長手方向に沿って配置されている請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記圧入ダイオードは、前記カソードピンが前記センタータップよりも前記磁性体コア側に接近するように配置されている請求項１〜３の何れか１項に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記スイッチング電源装置は、車載用ＤＣＤＣコンバータである請求項１〜４の何れか１項に記載のスイッチング電源装置。

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