JP6379353B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やプラグインハイブリッド車に使用されるＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。

電気自動車やプラグインハイブリッド車は、動力駆動用に用いる高電圧蓄電池と、補機作動用の低電圧蓄電池を搭載しており、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ＤＣ―ＤＣコンバータを搭載している。

以下、従来のＤＣ−ＤＣコンバータについて図面を用いて説明する。図３は従来のＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示した回路ブロックの斜視図であり、従来のＤＣ−ＤＣコンバータは基板１の上に入力側端子２に接続されたフィルタ部３と、フィルタ部３の出力側に接続されたコンバータ部４と、コンバータ部４に接続された出力端子５とを備えていた。

一般にコンバータ部４は、入力側端子２に接続された高電圧蓄電池（図示せず）から交流電圧を生成するインバータ回路（図示せず）と、この交流電圧を変圧するトランス（図示せず）と、トランスの出力電圧を整流する整流回路（図示せず）と、および整流後の電圧を平滑する平滑回路（図示せず）とを含む。

ここで、コンバータ部４は基板１を構成する樹脂基板部６の上に配置されるとともに、フィルタ部３は基板１を構成する金属基板部７の上に配置されていた。特に金属基板部７はフィルタ部３で生じるノイズの除去を容易にするために、金属基板部７の上にフィルタ部３が配置されて、且つ金属基板部７はグランド８に接続されていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

特開平５−１６１２６８号公報

しかしながら、従来のＤＣ−ＤＣコンバータでは、フィルタ部３におけるノイズ対策としてフィルタ部３は金属基板部７に配置されている。ここで、フィルタ部３がコンバータ部４に近接配置されると、コンバータ部４に接続されるフィルタ部３は、コンバータ部４から放射されて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による影響を受けて本来の性能が十分に維持できなくなるおそれがある。

このため、フィルタ部３とコンバータ部４とは近接して配置することが容易ではなく、結果としてＤＣ−ＤＣコンバータの小型化が困難となる課題を有するものであった。

そこで本発明はＤＣ−ＤＣコンバータを小型化することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、入力端子と、出力端子と、前記入力端子に印加された直流入力電圧を所定レベルの直流出力電圧に変換して出力端子に出力する電力変換部と、前記入力端子と前記電力変換部との間に接続されたノイズフィルタ部と、両面に絶縁体を有したシールド板と、前記電力変換部と前記ノイズフィルタ部と前記シールド板を収納する金属ケースとを備え、前記電力変換部と前記ノイズフィルタ部とは前記シールド板を介して積層され、前記電力変換部の負極側出力端と前記シールド板と前記金属ケースとが電気的に接続されたことを特徴としたものである。

本発明によれば、ノイズフィルタ部と電力変換部とを近接配置することができ、これによりＤＣ−ＤＣコンバータを小型化できるものである。

本発明の実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの断面概要図 本発明の実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図 従来のＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロックの斜視図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す断面概要図である。ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力端子９と、出力端子１０と、電力変換部１１と、ノイズフィルタ部１２と、シールド板１３と、金属ケース１４とを含む。

ここで、電力変換部１１は入力端子９に印加される直流入力電圧を所定レベルの直流出力電圧に変換して出力端子１０に出力する。ノイズフィルタ部１２は入力端子９と電力変換部１１との間に接続される。シールド板１３の両面には絶縁体１５が設けられている。金属ケース１４は電力変換部１１と、ノイズフィルタ部１２と、シールド板１３とを収納する。

ここで、電力変換部１１とノイズフィルタ部１２とはシールド板１３を介して積層されている。そして、電力変換部１１の負極側出力端１６とシールド板１３と金属ケース１４とが電気的に接続されている。

以上の構成により、ノイズフィルタ部１２は電力変換部１１から入力端子９を介してＤＣ−ＤＣコンバータの外部へ漏洩するノイズおよび電力変換部１１の外部から電力変換部１１へ混入しようとするノイズを低減する。そして、ノイズフィルタ部１２はシールド板１３によって電力変換部１１が周囲空間へ放射する放射ノイズから遮蔽される。そして、放射ノイズを吸収したシールド板１３と、ＤＣ−ＤＣコンバータの内外を電磁的に遮蔽する金属ケース１４と、電力変換部１１の負極側出力端１６とが電気的に接続されることで、ノイズがＤＣ−ＤＣコンバータの外部の接地部１６ａへと排出される。ここでは、金属ケース１４と負極側出力端１６とは一体化した構成で示している。しかしながら、金属ケース１４と負極側出力端１６とは電気的に接続された異なる要素で構成されても構わない。

上記のようにシールド板１３での遮蔽効果によって、電力変換部１１とノイズフィルタ部１２とは面対向の位置関係で配置されても、ノイズフィルタ部１２は放射ノイズの影響をほとんど受けない。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータはノイズによる悪影響を伴わずに小型化できる。また、出力端子１０から出力される直流出力電圧へのノイズ混入が抑制される。

以下で、ＤＣ−ＤＣコンバータの構成について図１および図２を参照しながら詳細を説明する。図２はＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータは、高電圧蓄電池１７から低電圧蓄電池１８へ電力を供給するために電圧を変換する。

電力変換部１１は、入力コンデンサＣ０とトランジスタＱ１〜Ｑ４からなるスイッチング回路１９と、トランス２０と、ダイオードＤ１及びＤ２からなる整流回路２１と、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２からなる平滑フィルタ回路２２と、スイッチング回路１９の動作を制御する制御回路２３とを含む。制御回路２３は平滑フィルタ回路２２の出力直流電圧を監視しており、この出力直流電圧に基づき、出力直流電圧が所定の値となるようスイッチング回路１９の動作を制御する。

ノイズフィルタ部１２はラインフィルタ２４などを用いて構成され、ノーマルモードノイズおよびコモンモードノイズを除去する。また、ノイズフィルタ部１２はシールド板１３によって電力変換部１１と磁気的に隔てられている。

これにより、ラインフィルタ２４は特にスイッチング回路１９から放射された高い周波数のコモンモードノイズを受け難くなる。したがって、ラインフィルタ２４はノーマルモードノイズに対応した機能のみを有すればよい。これはラインフィルタ２４および、ノイズフィルタ部１２が小型化されることとなり、結果的にＤＣ−ＤＣコンバータはノイズによる悪影響を伴わずに小型化できる。

ここで、電力変換部１１とノイズフィルタ部１２とはそれぞれ、第１基板２５と第２基板２６とに実装されている。そして、第１基板２５および第２基板２６の非実装面は双方共にシールド板１３に対面している。つまり、電力変換部１１が実装されている第１基板２５の実装面と、ノイズフィルタ部１２が実装されている第２基板２６の実装面とは相反する方向となるように配置されている。

これは、第１基板２５における図中の下面に電力変換部１１が実装され、第２基板２６における図中の上面にノイズフィルタ部１２が実装されることになる。これにより、電力変換部１１とノイズフィルタ部１２との磁気的な干渉はさらに生じにくくなる。

上記の効果に加えて、電力変換部１１は磁気的遮蔽効果を有した下側ケース１４ｂに、ノイズフィルタ部１２は同様に磁気的遮蔽効果を有した上側ケース１４ａにそれぞれ近接して配置することができるので、金属ケース１４の中の無駄な空間を省くことができる。

また、筐体としての機能を有した下側ケース１４ｂに代えて、放熱機能を有した放熱部２７が上側ケース１４ａへ電気的に接続されたうえで設けられても構わない。そして、放熱部２７は放熱のために適切な形状や材質とすればよい。ここでは、放熱部２７は上側ケース１４ａと組み合わせることで金属ケース１４の外側に露出している。さらに、電力変換部１１におけるシールド板１３や第１基板２５の実装面とは反対側、つまり、電力変換部１１における非実装側は、下側ケース１４ｂあるいは放熱部２７に当接させるとよい。

これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータにおける放熱機能が向上するとともに、金属ケース１４よりも厚く、大きな体積を有した放熱部２７が金属ケース１４の一部として用いられることで負極側出力端１６に接続された部分の抵抗値が低下し、接地に関する機能は的確となる。ここで、放熱部２７と負極側出力端１６とは一体化した構成であっても、あるいは放熱部２７と負極側出力端１６とは電気的に接続された異なる要素で構成されても構わない。

ここで、下側ケース１４ｂあるいは放熱部２７に当接させる電力変換部１１の素子は図示していないがチョークコイルやトランス、スイッチング素子であることが望ましい。一般的に、電力変換部１１における非実装側が必ず平坦面であるとは限らない。このとき、最も発熱が著しいデバイスの一つであるチョークコイルやトランス、スイッチング素子が放熱部２７に当接させられることで、伝熱、放熱の特性は向上する。

また、電力変換部１１を実装した第１基板２５とノイズフィルタ部１２を実装した第２基板２６とは、シールド板１３によって隔てられた位置関係に配置されている。ここで、シールド板１３は第１基板２５と第２基板２６との双方に接触した位置関係でも、何れか一方に接触した位置関係でも、あるいは双方共に非接触とした位置関係であってもよい。

たとえば、第１基板２５と第２基板２６との双方がシールド板１３に接触する場合、シールド板１３の両面には絶縁のために絶縁体１５が設けられることが望ましい。このとき、第１基板２５と第２基板２６との温度は双方がシールド板１３の両側に密着することで均等化されやすくなる。そして、第１基板２５と第２基板２６とに熱が滞留することを回避するために、シールド板１３は金属ケース１４に電気的接続のみならず機械的に直接に接続される、あるいは熱的に接続される。これによってシールド板１３は遮蔽素子としてのみならず伝熱素子として機能する。したがって、シールド板１３は電力変換部１１やノイズフィルタ部１２で生じた熱を効率よく外部に排出することができる。

当然ながら、シールド板１３と、第１基板２５と第２基板２６の双方との間に空隙が無くなるためＤＣ−ＤＣコンバータを小型化することができる。また、シールド板１３は金属ケース１４に機械的に接続固定されることで、必然的にシールド板１３が電力変換部１１から発せられる放射ノイズを遮る面積も大きくなる。この結果、シールド板１３による遮蔽効果はさらに大きくなる。ここで、シールド板１３が金属ケース１４へ熱的に接続するために延伸する方向は、電力変換部１１においてここでは図示していないがチョークコイルやトランス、スイッチング素子が配置されている領域に一致させることが望ましい。さらには、チョークコイルやトランスの巻線部分が露出している領域に、シールド板１３が延伸する方向を一致させることが望ましい。

また例えば、第１基板２５とシールド板１３とが接触し、かつ第２基板２６とシールド板１３とが接触しない場合、このときもシールド板１３の両面には絶縁のために絶縁体１５が設けられることが望ましい。

このとき、第１基板２５がシールド板１３の一面に密着する。これにより、電力変換部１１で生じた熱は金属ケース１４の内側にシールド板１３を通じて放出される。しかしながら、電力変換部１１で生じた熱の多くは下側ケース１４ｂあるいは放熱部２７を介してＤＣ−ＤＣコンバータの外部へと放出される。このため、シールド板１３を通じて金属ケース１４の内側に放出される熱は限定された量となる。

またこれにより、電力変換部１１で生じた熱はノイズフィルタ部１２へは伝わり難い。したがって、特にノイズフィルタ部１２に耐熱限界温度が低いデバイスが適用される場合は、シールド板１３と第２基板２６とは密着させずに空間を介して対面させるとよい。さらに、第２基板２６に設けられた入力端子９と、第１基板２５に接続された出力端子１０との絶縁性が向上させられる点においても、シールド板１３と第２基板２６とは密着状態で配置されずに空間を介して対面させるとよい。

ここでも、第１基板２５に熱が滞留することを回避するために、シールド板１３は金属ケース１４に電気的接続のみならず機械的に直接に接続される、あるいは熱的に接続されるとよい。これによってシールド板１３は遮蔽素子としてのみならず伝熱素子として機能する。したがって、シールド板１３は電力変換部１１で生じた熱を効率よく外部に排出することができる。つまり、シールド板１３は磁気的な遮蔽と熱的な遮蔽との双方の機能を有する。

またさらに、例えば第１基板２５とシールド板１３とが接触せず、かつ第２基板２６とシールド板１３とが接触する場合、このときもシールド板１３の両面には絶縁のために絶縁体１５が設けられることが望ましい。

このとき、第２基板２６がシールド板１３の一面に密着する。これにより、電力変換部１１で発生した熱は大半が下側ケース１４ｂあるいは放熱部２７を介してＤＣ−ＤＣコンバータの外部へと放出される。このため、電力変換部１１で発生した熱のうち、金属ケース１４の内側に放出される熱は限定された量となる。そして、第２基板２６がシールド板１３の一面に密着していることにより、ノイズフィルタ部１２で発生した熱が金属ケース１４の内側に放出される。これにより、ノイズフィルタ部１２の動作は安定する。また、ノイズフィルタ部１２で発生した熱がＤＣ−ＤＣコンバータの外部へと放出され易くするために、シールド板１３は金属ケース１４に電気的接続のみならず機械的に直接に接続される、あるいは熱的に接続されるとよい。さらに、第２基板２６に設けられた入力端子９と、第１基板２５に接続された出力端子１０とを絶縁するためにも、シールド板１３と第１基板２５とは密着状態で配置されずに空間を介して対面させるとよい。

ここでも、第２基板２６に熱が滞留することを回避するために、シールド板１３は金属ケース１４に電気的接続のみならず機械的に直接に接続される、あるいは熱的に接続されるとよい。これによってシールド板１３は遮蔽素子としてのみならず伝熱素子として機能する。したがって、シールド板１３はノイズフィルタ部１２で生じた熱を効率よく外部に排出することができる。つまり、シールド板１３は磁気的な遮蔽と熱的な遮蔽との双方の機能を有する。

また、ここでは図示していないものの、ヒートパイプがＤＣ−ＤＣコンバータ内に配置されることで、電力変換部１１とシールド板１３とが、あるいは電力変換部１１と上側ケース１４ａとが熱的結合を強化されてもよい。

先にも述べたように、電力変換部１１における非実装側が下側ケース１４ｂや放熱部２７に当接することによって、電力変換部１１における放熱性が向上する。この一方で、電力変換部１１における実装側、つまり第１基板２５には熱の滞留が生じ易い。そこで特に電力変換部１１の実装面側に密着させたヒートパイプが、シールド板１３や上側ケース１４ａに密着されるとよい。

これによって、電力変換部１１は上下の両側で放熱が積極的に行われる。したがって、電力変換部１１が頻繁にあるいは連続して動作することが必要な場合であっても、電力変換部１１は高い信頼性を維持しつつ動作することができる。

ここでヒートパイプは放熱や伝熱に関して、下側ケース１４ｂや放熱部２７に対する補助的な役割を担う。よって、下側ケース１４ｂや放熱部２７に比較してヒートパイプによる放熱量は小さくてもよい。このため、ヒートパイプ内の冷却用媒体は外部から強制的に循環させられるものでなくてもよい。

特にＤＣ−ＤＣコンバータは車載電源用として用いるので、当然ながら車両に搭載される。そして、車両には常に多少の振動が走行や停止に伴って生じる。このため、このような振動によって冷却媒体の流動性が生じるヒートパイプを用いればよい。

具体的には、ヒートパイプの内径よりも小さな外径を有する攪拌ボール（図示せず）をヒートパイプ内に配置すればよい。この攪拌ボールが車両の振動によって冷却媒体の流動性を高め、結果としてＤＣ−ＤＣコンバータの放熱機能を高める。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは小型化が容易であるという効果を有し、各種電子機器において有用である。

９ 入力端子
１０ 出力端子
１１ 電力変換部
１２ ノイズフィルタ部
１３ シールド板
１４ 金属ケース
１４ａ 上側ケース
１４ｂ 下側ケース
１５ 絶縁体
１６ 負極側出力端
１６ａ 接地部
１７ 高電圧蓄電池
１８ 低電圧蓄電池
１９ スイッチング回路
２０ トランス
２１ 整流回路
２２ 平滑フィルタ回路
２３ 制御回路
２４ ラインフィルタ
２５ 第１基板
２６ 第２基板
２７ 放熱部

Claims (5)

1. 入力端子と、出力端子と、
   前記入力端子に印加された直流入力電圧を所定レベルの直流出力電圧に変換して出力端子に出力する電力変換部と、
   前記入力端子と前記電力変換部との間に接続されたノイズフィルタ部と、
   両面に絶縁体を有したシールド板と、
   前記電力変換部と前記ノイズフィルタ部と前記シールド板を収納する金属ケースとを備え、
   前記電力変換部と前記ノイズフィルタ部とは前記シールド板を介して積層され、
   前記電力変換部の負極側出力端と前記シールド板と前記金属ケースとが電気的に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記シールド板は前記金属ケースに機械的に結合されて、前記電力変換部の負極側出力端と前記シールド板と前記金属ケースとが電気的および機械的に接続された請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 前記電力変換部は第１基板に実装されるとともに前記ノイズフィルタ部は第２基板に実装され、
   前記第１基板の非実装面および前記第２基板の非実装面は前記シールド板に対面している請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
4. 前記電力変換部に当接した放熱部をさらに備え、
   前記放熱部は前記電力変換部における前記シールド板とは反対側に配置されるとともに外部に露出させた請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
5. 前記放熱部は、前記電力変換部の負極側出力端と前記シールド板と前記金属ケースとに電気的に接続された請求項４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
   
   

Images