JP6012330B2 - Dcdcコンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、DCDCコンバータ装置、特に電気自動車やプラグインハイブリッド車に適用されるDCDCコンバータ装置に関する。
電気自動車やプラグインハイブリッド車は、高電圧蓄電池や低電圧蓄電池を搭載しており、高電圧蓄電池はインバータ装置を介してモータ駆動するための動力駆動用として用いられ、低電圧蓄電池は車両のライトやラジオなどの補機を作動させるために用いられる。
このような車両においては、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うDCDCコンバータ装置を搭載している。
電力変換装置に接続されるフィルタ回路において、フィルタ回路に電力変換回路から放射され空間伝播するノイズや筐体を流れる渦電流に起因して発生する電磁ノイズが重畳し、フィルタ性能を低下させる恐れがある。
この課題を改善するための一手段として、特許文献1に記載のものが知られている。しかしながら、本技術においては、ケースは、接地電位が印加される金属製のベース部を有することを示すものに過ぎず、ベース部に重畳するノイズ電流によるノイズを考慮したものではないという問題があった。
このようなDCDCコンバータ装置においては、装置内で発生する電磁ノイズ放射による影響を小さくすることが望まれている。
特開2000−324839号公報
本発明の課題は、回路から放射されるノイズ重畳を低減し、フィルタのノイズ低減効果を確保する装置を提供することである。
本発明に係るDCDCコンバータ装置は、トランスと、前記トランスと高電圧側回路部との間に電気的に配置された高電圧側スイッチング回路部と、前記トランスと低電圧側回路部との間に電気的に配置された低電圧側スイッチング回路部と、前記低電圧側スイッチング回路部と前記低電圧側回路部との間に電気的に配置されたノイズフィルタ回路部と、前記トランスと前記高電圧側スイッチング回路部と前記低電圧側スイッチング回路部と前記ノイズフィルタ回路部とを収納する金属製のケースと、前記低電圧側スイッチング回路部を駆動する駆動回路を有する駆動回路基板と、前記駆動回路基板を搭載する金属製のベース板とを備え、前記ケースは、前記低電圧側スイッチング回路部と前記ノイズフィルタ回路部との間に配置されるとともに当該ケースと接続される金属製の隔壁を有し、前記ベース板は、前記低電圧側スイッチング回路部を挟んで前記ケースの底面と対向する位置に配置され、前記隔壁は、前記ベース板と接続されることを特徴とする。
本発明によれば、ノイズ電流によるフィルタ回路部への影響を低減することができる。
電力変換装置を説明するための外観斜視図である。 DCDCコンバータ装置100の回路構成を示す図である。 DCDCコンバータ装置100における部品配置を説明するための分解斜視図である。 高電圧回路106における分解斜視図である。 DCDCコンバータ装置100の内部構成を説明するための分解斜視図である。 DCDCコンバータ装置100の内部を示す平面図である。 図4(b)のA−A断面を矢印方向から見た断面図である。 DCDCコンバータ装置100内の低電圧基板107を示す斜視図である。 DCDCコンバータ装置100内のフィルタ基板120を示す斜視図である。 DCDCコンバータ装置100内のフィルタ基板120を示す斜視図であり、図6(a)とは異なる方向から見た図である。 DCDCコンバータ装置101内のフィルタ基板120周りの構成を説明するための断面概略図である。 DCDCコンバータ装置100の内部を示す平面図である(バスバー163,164と主トランス104の接続状態を説明するための図)。 図8(a)のB−B断面を矢印方向から見た断面図である。 DCDCコンバータ装置100の内部を示す平面図である(接続部109a、フィルタ回路120、グラウンドとの接地端子101cとの配置を説明するための図)。 図9(a)のA−A断面を矢印方向から見た断面図である。 図4(b)のD−D断面を矢印方向から見た断面図である。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
図1は、電力変換装置の外観を示す図である斜視図である。電力変換装置は、DCDCコンバータ装置100とインバータ装置200とを一体化したものであり、図1ではDCDCコンバータ装置100とインバータ装置200とを分離した状態で示した。DCDCコンバータ装置100は、複数のボルト(図示せず)によりインバータ装置200のケース底面側に固定されている。
この電力変換装置は電気自動車等に適用され、インバータ装置200は車載の高電圧蓄電池からの電力により走行用モータを駆動する。車両にはライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池が搭載されており、DCDCコンバータ装置100は、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行う。
インバータ装置200のケース201の側壁内には冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。冷媒は入口配管13から流路内に流入し、出口配管14から流出する。一方、DCDCコンバータ装置100のケース101は、インバータ装置200の底面部と対向して隙間なく固定される。固定された状態では、DCDCコンバータ装置100も冷媒流路を供用するかたちになっている。本実施の形態では、冷媒としては水が一般的に適しているが、水以外であっても利用できる。
次に、DCDCコンバータ装置100について説明する。図2はDCDCコンバータ装置100の回路構成を示す図である。図2に示すように、本実施の形態のDCDCコンバータ装置100では、低電圧蓄電池と高電圧蓄電池との間の電圧を相互に変換する双方向DCDC変換である。高電圧回路はHブリッジ回路、低電圧回路は同期整流回路とアクティブクランプ回路で構成されている。また、双方向DCDC変換で高出力とするために、スイッチング素子への大電流部品の採用、平滑コイルの大型化を図っている。
具体的には、高電圧側には、還流ダイオードを持つMOSFETを利用したHブリッジ型スイッチング回路構成(H1〜H4)とした。スイッチング制御にあっては、LC回路(Cr,Lr)を用いて高スイッチング周波数(100kHz)でゼロ電圧スイッチングさせ、スイッチング損失を低減し変換効率を向上させるようにした。また、双方向動作(降圧モード動作と昇圧モード動作)に対応して、降圧モード動作時にオンし、昇圧モード動作時にオフする切り替えスイッチとしてIGBTスイッチ(H0)を設けている。
さらに、低電圧側の高出力を確保するために、MOSFETを用いた同期整流回路および全波整流型の倍電流(カレントダブラー)方式としている。なお、高出力化にあたり、複数のスイッチング素子を並列同時作動させることで高出力を確保している。図2の例では、SWA1〜SWA4、SWB1〜SWB4のように4素子並列とした。また、スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル(L1,L2)を、対称性を持たせるように2回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを2回路配置とすることで、大型リアクトル1台を配置させる場合に比べて、DCDCコンバータ装置全体の小型化が可能となる。加えて、アクティブクランプ回路を設けて、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図ることで装置を小型化している。また、出力端には、DCDCコンバータ装置100の出力ノイズを低減するためにLCフィルタ回路が構成されている。LCフィルタ回路は、リアクトルL3とコンデンサCfの直列回路により構成される。
図3(a)は、DCDCコンバータ装置100の分解斜視図である。図3(b)は、高電圧回路106における分解斜視図である。図4(a)は、DCDCコンバータ装置100の内部構成を示す分解斜視図である。図4(b)は、DCDCコンバータ装置100の内部を示す平面図である。図4(c)は、図4(b)のA−A断面を矢印方向から見た断面図である。図5は、DCDCコンバータ装置100内の低電圧基板を示す斜視図である。
制御回路基板108には、低電圧回路や高電圧回路に設けられたスイッチング素子を制御する制御回路が実装されている。制御回路基板108は、金属製のベース板109の上面に形成された凸部にボルト等により固定されている。ベース板109はケース101の底面部から上方に突出した複数の支持部にボルト固定されている。これにより、制御回路基板108は、ケース底面部に配置された発熱部品(主トランス104、インダクタ素子105など)の上方に、ベース板109を介して配置される。
図3(a)に示すように、DCDCコンバータ装置100の回路部品は、金属製(例えば、アルミダイカスト製)のケース101内に収納されている。ケース101の開口部にはケースカバー102がボルト固定される。上述したように、ケース101の底面側に、インバータ装置200のケース201が固定される。ケース内の底面部分には、主トランス104、インダクタ素子105、スイッチング素子H1〜H4が搭載された高電圧回路106、スイッチング素子SWA1〜SWA4,SAWB1〜SWB4が搭載された低電圧回路107等が載置されている。高電圧回路106の分解斜視図は図3(b)に示される。
なお、図2の回路図との対応を記載すると、主トランス104はトランスTrに、インダクタ素子105はカレントダブラーのリアクトルL1,L2に対応している。低電圧回路基板107には、図2のアクティブクランプ回路のスイッチング素子S1,S2等も搭載されている。
図5に示すように、低電圧回路107は、スイッチング素子170〜177が、パターンが形成された金属基板上に実装される。金属材よりなるバスバー160、161、162、163、164、190、191が金属基板上に実装されている。
図4(a)に示されるフェライトコア140とフィルタ基板120は、DCDCコンバータ装置100の出力ノイズを低減するために設置されたLCフィルタ回路を構成し、低電圧回路107の基板上に搭載された平滑化コンデンサ130と合わせてπ型のLCフィルタ回路を構成している。なお、回路構成は出力のノイズを低減することを目的とするため、π型のLCフィルタ回路に限らない。図4(c)に示される出力端子122は、HV側からLV側へ電力変換する場合は出力端子として機能するが、LV側からHV側へ電力変換する場合には、入力端子として機能する。本実施例のコンバータでは、HV側とLV側の両方向への電力変換が可能であるが、一方向のみ電力変換を行うコンバータもある。
LCフィルタ回路と低電圧回路部107との間にはケース101と一体に形成されたシールド壁101aが形成される。図5に示される出力バスバー162がこのシールド壁102を迂回して、低電圧回路107と、フェライトコア140、フィルタ基板120及び出力端子122との間を電気的に接続している。
このシールド壁101aにより、LCフィルタ回路と高電圧回路106及び低電圧回路107はケース101の同一筐体内にあっても、高電圧回路106および低電圧回路107のスイッチング素子によるスイッチング放射ノイズがLCフィルタ回路に重畳し、フィルタのノイズ低減効果が得られなくなることを防ぐことができ、LCフィルタ回路用に別の筐体を用意する必要がなくなる。
図6(a)及び図6(b)は、フィルタ基板120の外観を示す斜視図である。
基板120d上にはセラミックコンデンサ120aが実装され,ノイズをフィルタリングする機能を有する。保持部材120eは、コンデンサ120aと出力端子122とを電気的に接続するためのフィルタ出力バスバー120bと、コンデンサ120aとケース101とを電気的に接続するGNDバスバー120cがモールド一体成形された部材である。フィルタ出力バスバー120bとGNDバスバー120cの間には、絶縁体が挟持された状態で成形されことにより絶縁が確保されている。取付け具120eは、フィルタ基板120dにネジにて保持固定される。
図7は、フィルタ基板120と、出力端子122の接続を表す断面図である。また、図の矢印はフィルタ回路に流れるノイズ電流の流れる向きを表す。
図7に示すように、フィルタ出力バスバー120bとGNDバスバー120cは互いに近接して対向するように配置されている。これにより、フィルタ出力バスバー120bとフィルタ基板120dとGNDバスバー120cで形成されるループ面積を小さくできるため、高電圧回路106や低電圧回路107からのスイッチングノイズの重畳を低減することができる。
出力端子122は、金属部122aとモールド部122bによりなる。モールド部がケース101にネジ(図示せず)にて固定される。一方、フィルタ出力バスバー120bが、出力端子122の金属部122aにネジ150にて固定される。
GNDバスバー120cが、ケース101bにネジ(図示せず)にて固定される。
ここで、ケース101とベース板109は、シールド壁101aを介して、接続部109aにおいてネジにて結合固定されおり、ケース101とベース板109とは電気的に接続される構成となっている。
このことにより、ベース板109は、スイッチング素子からのスイッチング放射ノイズを遮蔽するシールドとして機能するとともに、ベース板109に重畳するノイズ電流をフィルタ回路部120に流れる前にケース101へバイパスすることができる。
つまりは、高電圧回路106と低電圧回路107のスイッチングに起因して,ベース板109に重畳するノイズに関して、スイッチングノイズが伝搬するバスバーとフィルタ回路部120を電気的に遮蔽することにより、フィルタ回路部120へノイズ電流が流れることを防ぐことができ、このことにより、フィルタ回路部120の十分なフィルタ効果が得られるため、フィルタ効果を低減することなくノイズを低減することが可能となる。
また、ベース板と直接接続することで別部品での接続が不要となり、部品点数の削減効果および生産性も向上することができ、加えて、同一筐体内に高電圧回路106と低電圧回路107とフィルタ回路120を実装できるため、小型化・部品点数の低減も期待できる。
図8(a)は、DCDCコンバータ装置100の内部構成を示す平面図である。図8(b)は、図8(a)のB−B断面の矢印方向から見た断面図である。
低電圧回路107には、前述したように、金属材よりなるバスバー160、161、163、164が金属基板上に実装されている。トランス104は、バスバー163又はバスバー164と接続されるバスバー180を有する。トランス104は、ケース101の底面であって低電圧回路107の側部に配置される。
バスバー163及びバスバー164は、低電圧回路107から立ち上がるとともにトランス104の配置方向に向かって屈曲する。低電圧回路107とトランス104は、バスバー163又はバスバー164とバスバー180の接合により電気的に接続される。バスバー163又はバスバー164とバスバー180の接合部181は、バスバー163又はバスバー164の端側面183とバスバー180の端側面182がベース板109に対向するように積層した状態で形成される
上述したような接続の場合、バスバー163、バスバー164及びバスバー180と、ベース板109との対向面積を小さくすることができる。このことにより、トランス104と接続するバスバー163,164と,ベース板109との間に存在する寄生容量を小さくすることができ、よって、高電圧回路106と,低電圧回路107のスイッチングに起因するスイッチングノイズが,ベース板109に重畳することを低減することができる。
上述の説明は、バスバー163、164と、主トランス104の接続に関して、形状の特徴およびそのことによる効果を説明したものであるが、バスバー160、161とインダクタ素子105の接続に関しても同様の構成となっているので、同様の効果を期待できる。
図9(a)は、DCDCコンバータ装置100の内部構成を示す平面図である。図9(b)は、図9(a)のA−A断面の矢印方向から見た断面図である。
接続部109aはフィルタ回路120とグラウンドとの接地端子101cとの間の空間に位置し、かつケース101の外壁に近い位置に配置している。本配置にすることにより、ベース板109に重畳するノイズ電流は図9(b)の矢印で示す経路のように、シールド壁101aと,その接続部109aを通って,グラウンドに接地するための接地端子101cへバイパスする。
その結果,ベース板109に重畳したノイズ電流がフィルタ回路120に伝搬を防ぐことができ,高圧回路側スイッチング回路部106と,低圧側スイッチング回路部107のスイッチングに起因するノイズが外部出力端子から外部に出力されることを低減することができる。
図10は、図4(b)のD−D断面の矢印方向から見た断面図である。トランス104をケース101の底面方向に向かって金属板110で押し付け,ケース101とねじで固定することにより,トランス104から生じる磁界の影響をベース板109に伝えることなく,金属板110でシールドすることができる。また、金属板110の接続に関して、主トランス104と前記ケース101とを金属板110を介して固定することにより、主トランス104の取付けガタを抑えるとともに、シールド性能に加えて耐振性能をも兼ねることができる。
なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載
事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述
した実施の形態では、PHEVあるいはEV等の車両に搭載される電力変換装置を例に説
明したが、本発明はこれらに限らず建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用
することができる。
また、本実施例では、インバータとコンバータを一体にした電力変換装置を例にして説明したが、コンバータ側単体とする構成も可能である。
100:コンバータ装置
101:ケース
101a:シールド壁部、101b:保持部材の取付け部、101c:接地端子
13:入口配管、14:出口配管
200:インバータ装置、201:インバータケース
102:ケースカバー、
104:主トランス、104a、b:主トランスの端子
105:インダクタ素子
106:高電圧回路、107:低電圧回路、108:制御回路基板
109:ベース板、109a:接続部
120:フィルタ基板、120a:コンデンサ、120b:フィルタ出力バスバー、
120c:GNDバスバー、120d:基板、120e:保持部材
160、161、162、163、164、190、191:低電圧基板上のバスバー
140:フェライトコア
122:出力端子、122a:出力端子の金属部、122b:出力端子のモールド
110:金属板
H1〜H4:スイッチング素子

Claims (8)

  1. スイッチング回路のスイッチング動作により入力された電圧を異なる電圧に変換して出力するDCDCコンバータであって、
    前記スイッチング回路の出力側に接続されるノイズフィルタ回路部と、
    前記スイッチング回路を構成するスイッチング素子と前記ノイズフィルタ回路部とを収納する金属製のケースと、
    前記スイッチング素子を制御する制御回路が実装された制御回路基板と、
    前記制御回路基板を支持する金属製のベース板と、を備え、
    前記ケースは、前記スイッチング素子が配置される第1の空間と前記ノイズフィルタ回路部が配置される第2の空間とを隔てる金属製の隔壁を有し、
    前記ベース板は、前記スイッチング素子と対向する領域に配置されるとともに、前記隔壁と接続され、
    前記ベース板は、前記制御回路基板が固定される固定部を有するDCDCコンバータ。
  2. スイッチング回路のスイッチング動作により入力された電圧を異なる電圧に変換して出力するDCDCコンバータであって、
    前記スイッチング回路の出力側に接続されるノイズフィルタ回路部と、
    前記スイッチング回路を構成するスイッチング素子と前記ノイズフィルタ回路部とを収納する金属製のケースと、
    前記スイッチング素子を制御する制御回路が実装された制御回路基板と、
    前記制御回路基板を支持する金属製のベース板と、を備え、
    前記ケースは、前記スイッチング素子が配置される第1の空間と前記ノイズフィルタ回路部が配置される第2の空間とを隔てる金属製の隔壁を有し、
    前記ベース板は、前記スイッチング素子と対向する領域に配置されるとともに、前記隔壁と接続され、
    前記隔壁と前記ベース板の接続部は、前記第1の空間と前記第2の空間の間に配置されるDCDCコンバータ。
  3. スイッチング回路のスイッチング動作により入力された電圧を異なる電圧に変換して出力するDCDCコンバータであって、
    前記スイッチング回路の出力側に接続されるノイズフィルタ回路部と、
    前記スイッチング回路を構成するスイッチング素子と前記ノイズフィルタ回路部とを収納する金属製のケースと、
    前記スイッチング素子を制御する制御回路が実装された制御回路基板と、
    前記制御回路基板を支持する金属製のベース板と、を備え、
    前記ケースは、前記スイッチング素子が配置される第1の空間と前記ノイズフィルタ回路部が配置される第2の空間とを隔てる金属製の隔壁を有し、
    前記ベース板は、前記スイッチング素子と対向する領域に配置されるとともに、前記隔壁と接続され、
    前記ケースは、略四角形状の底面と、前記底面と繋がる側面と、前記底面と対向して配置されるケースカバーと、を有する略直方体形状であり、
    前記隔壁は、前記底面及び前記側面と接続されるDCDCコンバータ。
  4. 請求項3に記載されたDCDCコンバータであって、
    前記隔壁と前記ベース板の接続部は、前記スイッチング回路と前記ノイズフィルタ回路部の配置列よりも前記隔壁と前記側面の接続部に近い位置に配置されるDCDCコンバータ。
  5. スイッチング回路のスイッチング動作により入力された電圧を異なる電圧に変換して出力するDCDCコンバータであって、
    前記スイッチング回路の出力側に接続されるノイズフィルタ回路部と、
    前記スイッチング回路を構成するスイッチング素子と前記ノイズフィルタ回路部とを収納する金属製のケースと、
    前記スイッチング素子を制御する制御回路が実装された制御回路基板と、
    前記制御回路基板を支持する金属製のベース板と、を備え
    前記ケースは、前記スイッチング素子が配置される第1の空間と前記ノイズフィルタ回路部が配置される第2の空間とを隔てる金属製の隔壁を有し、
    前記ベース板は、前記スイッチング素子と対向する領域に配置されるとともに、前記隔壁と接続され、
    前記スイッチング回路は、トランスと、前記トランスの一次側に接続される高電圧回路と、前記トランスの二次側に接続される低電圧回路と、を有し、
    前記隔壁は、前記低電圧回路と前記ノイズフィルタ回路との間に配置され、
    前記低電圧回路と前記ノイズフィルタ回路部とを接続する出力バスバーを備え、
    前記出力バスバーは、前記低電圧回路と前記ベース板との配置方向に垂直な面内方向に沿って、前記隔壁の側部を迂回するDCDCコンバータ。
  6. スイッチング回路のスイッチング動作により入力された電圧を異なる電圧に変換して出力するDCDCコンバータであって、
    前記スイッチング回路の出力側に接続されるノイズフィルタ回路部と、
    前記スイッチング回路を構成するスイッチング素子と前記ノイズフィルタ回路部とを収納する金属製のケースと、
    前記スイッチング素子を制御する制御回路が実装された制御回路基板と、
    前記制御回路基板を支持する金属製のベース板と、を備え、
    前記ケースは、前記スイッチング素子が配置される第1の空間と前記ノイズフィルタ回路部が配置される第2の空間とを隔てる金属製の隔壁を有し、
    前記ベース板は、前記スイッチング素子と対向する領域に配置されるとともに、前記隔壁と接続され、
    前記スイッチング回路は、トランスと、前記トランスの一次側に接続される高電圧回路と、前記トランスの二次側に接続される低電圧回路と、を有し、
    前記隔壁は、前記低電圧回路と前記ノイズフィルタ回路との間に配置され、
    前記低電圧回路は、整流用スイッチング素子と、前記整流用スイッチング素子と前記トランスとを電気的に接続する第一バスバーと、を有し、
    前記トランスは、前記低電圧回路の前記第一バスバーと接続される第二バスバーを有し、
    前記第一バスバーと前記第二バスバーとは、それぞれの端側面が前記ベース板に向かって配置されるように、接合されるDCDCコンバータ。
  7. スイッチング回路のスイッチング動作により入力された電圧を異なる電圧に変換して出力するDCDCコンバータであって、
    前記スイッチング回路の出力側に接続されるノイズフィルタ回路部と、
    前記スイッチング回路を構成するスイッチング素子と前記ノイズフィルタ回路部とを収納する金属製のケースと、
    前記スイッチング素子を制御する制御回路が実装された制御回路基板と、
    前記制御回路基板を支持する金属製のベース板と、を備え、
    前記ケースは、前記スイッチング素子が配置される第1の空間と前記ノイズフィルタ回路部が配置される第2の空間とを隔てる金属製の隔壁を有し、
    前記ベース板は、前記スイッチング素子と対向する領域に配置されるとともに、前記隔壁と接続され、
    前記ケースは、グラウンドに接地するための接地端子を有し、
    前記隔壁と前記ベース板との接続部は、前記ノイズフィルタ回路部と前記接地端子との間の空間に配置されるDCDCコンバータ。
  8. スイッチング回路のスイッチング動作により入力された電圧を異なる電圧に変換して出力するDCDCコンバータであって、
    前記スイッチング回路の出力側に接続されるノイズフィルタ回路部と、
    前記スイッチング回路を構成するスイッチング素子と前記ノイズフィルタ回路部とトランスとを収納する金属製のケースと、
    前記スイッチング素子を制御する制御回路が実装された制御回路基板と、
    前記制御回路基板を支持する金属製のベース板と、を備え、
    前記ケースは、前記スイッチング素子が配置される第1の空間と前記ノイズフィルタ回路部が配置される第2の空間とを隔てる金属製の隔壁を有し、
    前記ベース板は、前記スイッチング素子と対向する領域に配置されるとともに、前記隔壁と接続され、
    前記トランスを前記ケースの底面の方向に向かって押しつける金属製の押さえ板を備え、
    前記押さえ板は、前記ベース板と前記トランスとの間の空間に配置されるDCDCコンバータ。
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