JPH08242575A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型，高信頼性，低価格で、かつ、使い勝手
のよいスイッチング電源装置を提供すること。 【構成】 メタルコア基板上に電子部品を搭載したＤＣ
−ＤＣ部５と、ガラエポ基板上に電子部品を搭載したＡ
Ｃ−ＤＣ６部とを、金属製の同一外装筐体１内に実装し
た構成をとり、例えば、メタルコア基板をヒートシンク
１９上に取り付け、このヒートシンク１９を外装筐体１
に面接触させて、メタルコア基板からの放熱を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種機器に搭載される
スイッチング電源装置に係り、特に、メタルコア配線基
板（絶縁処理された例えばアルミニウム基板等の絶縁被
覆金属板上に、銅箔等で形成された配線パターンを設け
た配線基板；以下、メタルコア基板と称す）上に多くの
発熱部品を含む各種電子部品を搭載することによって構
成したＤＣ−ＤＣコンバータ部（以下、ＤＣ−ＤＣ部と
称す）と、ガラスエポキシ配線基板（以下、ガラエポ基
板と称す）上に各種電子部品を搭載することによって構
成したＡＣ−ＤＣコンバータ部（以下、ＡＣ−ＤＣ部と
称す）とを、同一筐体内に実装したスイッチング電源に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスイッチング電源装置は、一般的
に次のような構成をとっている。すなわち、発熱部品で
ある電力用半導体等を多く含むＤＣ−ＤＣ部と、発熱部
品の少ないＡＣ−ＤＣ部とを、同一ガラエポ基板に電子
部品を実装することによって構成しており、また、電力
用半導体等の発熱部品は放熱目的のために、ガラエポ基
板に搭載した複数の大型ヒートシンク上に実装するよう
にしていた。

【０００３】そして、上記のガラエポ基板を外装筐体内
に実装したボックスタイプ、または、上記のガラエポ基
板を板金上に実装したオープンフレームタイプのスイッ
チング電源装置として製品化されていた。なお、ボック
スタイプのスイッチング電源装置においては、外装筐体
の前面に、交流入力受電用コネクタ又は端子台と、直流
出力供給用コネクタ又は端子台とを、配置するように構
成されていた。

【０００４】また、特開平５−２７５８２２号公報に
は、冷却フィンを用いての放熱を必要とする電子部品を
実装した金属基板（メタルコア基板）と、冷却フィンを
用いての放熱を必要としない電子部品を実装した樹脂基
板とを、電気的に接続するようにした技術が開示されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
技術によるスイッチング電源装置は、発熱部品である電
力用半導体等を多く含むＤＣ−ＤＣ部と、発熱部品の少
ないＡＣ−ＤＣ部とを、同一ガラエポ基板に各種電子部
品を実装することにより構成し、かつ、ＤＣ−ＤＣ部の
各発熱部品は放熱目的のため複数の大型ヒートシンク上
に実装していた。このために、次のような問題点があ
る。

【０００６】まず、複数の大型ヒートシンクを用いて
いるため、複数の大型ヒートシンクを搭載するガラエポ
基板上の構成要素の占有体積、及び基板サイズが増大
し、したがって、電源装置として大型化してしまい、大
型化するが故に使い勝手が悪く、また、原価高になると
いう問題がある。

【０００７】また、ガラエポ基板に発熱部品の多いＤ
Ｃ−ＤＣ部を搭載しているので、最悪条件下では、基板
焼損発生の可能性がないとは言い切れない。

【０００８】さらに、大電流が流れる部位の配線は、
配線パターンの温度上昇を規定値以内に抑える必要があ
るため、配線パターン幅を広くとっており、そのために
基板サイズが大型化し、装置の大型化につながる。

【０００９】さらにまた、高電圧が印加される部位
は、トラッキング（局部的な絶縁性の低下の進行に伴う
短絡）防止のために配線パター間の沿面距離を大きくと
っており、そのためにこの点においても、基板サイズが
大型化し、装置の大型化につながる。

【００１０】また、従来技術によるスイッチング電源装
置は、放熱目的のために、電力用半導体等の発熱部品を
大型ヒートシンク上に実装している。このために、次の
ような問題点もある。

【００１１】まず、複数の大型ヒートシンク上に電力
用半導体等の各発熱部品を実装するため、先に述べたよ
うに基板サイズが大型化する上、基板のメカ強度を補強
するための補強部材を必要とする場合も多々あり、した
がって、これによっても装置が大型化する。

【００１２】大型ヒートシンク上に電力用半導体等を
実装するため、最適な配線パターン設計が非常に困難
で、配線パターンの影響によるノイズ発生等の不具合が
生じ易くなる。

【００１３】また、電力用半導体等が実装される大型
ヒートシンクの温度を検知するために、温度検知素子を
大型ヒートシンク単位ごとに実装する必要があるので、
温度検知素子使用による信頼性の低下や、原価高などの
不具合が発生する。

【００１４】さらにまた、従来技術によるボックスタイ
プのスイッチング電源装置では、外装筐体の前面に、交
流入力受電用コネクタ又は端子台と、直流出力供給用コ
ネクタ又は端子台とを配置している。このために、さら
に次のような問題点もある。

【００１５】交流入力受電用，直流出力供給用として
端子台を使用したときには、端子台へのアクセスとして
工具を使用する必要がある。

【００１６】交流入力受電用，直流出力供給用として
コネクタを使用したときには、外装筐体前面に接続用ケ
ーブルが集中するために、ケーブル固定手段等を設ける
必要があり、電源の挿抜時には工具が必要となる。

【００１７】一方また、前記した特開平５−２７５８２
２号公報に開示された従来技術は、電源機能別に、金属
基板（メタルコア基板）と樹脂基板とを使い分けること
に関しての言及はなく、最適な回路設計が非常に困難
で、配線の引き回しの効率が悪いものとなり、小型・高
密度実装を阻害する。また、金属基板からの放熱は大型
の冷却フィン（ヒートシンク）のみに頼っており、冷却
フィンからのさらに効率のよい熱放散や、冷却フィン以
外の放熱手段を用いることへの配慮がなされていない。
さらに、金属基板と樹脂基板とをワイヤや金属片で接続
するようにしているが、ワイヤによる接続では作業性が
上がらず、金属片による接続では回路設計の自由度が確
保できない。

【００１８】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、小型，高信頼性，低価格で、
かつ、使い勝手のよいスイッチング電源装置を提供する
ことにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によるスイッチン
グ電源装置は、上記目的を達成するために、メタルコア
基板上に電子部品を搭載したＤＣ−ＤＣ部と、ガラエポ
基板上に電子部品を搭載したＡＣ−ＤＣ部とを、金属製
の同一外装筐体内に実装した構成をとり、例えば、メタ
ルコア基板をヒートシンク上に取り付け、このヒートシ
ンクを外装筐体に接触させて、メタルコア基板からの放
熱を図る構成とする。また、メタルコア基板とガラエポ
基板とを、フレキシブル配線板（以下、ＦＰＣと称す）
によって接続した構成とする。

【００２０】

【作用】発熱部品を多く含むＤＣ−ＤＣ部は、熱伝導特
性の良好なメタルコア基板に面実装型の電子部品等を半
田付けで実装することによって構成し、また、発熱部品
の少ないＡＣ−ＤＣ部は、ガラエポ基板に挿入型の電子
部品等を半田付けで実装することによって構成する。そ
して、金属製の外装筐体内に、メタルコア基板及びガラ
エポ基板を実装する。

【００２１】斯様な構成をとることによって、発熱部品
である電力用半導体，チョークコイル等や、高電圧を扱
うスイッチングトランスを、熱伝導特性及びトラッキン
グ特性の良好なメタルコア基板に実装するので、メタル
コア基板上に搭載するヒートシンクが不要となり、メタ
ルコア基板のサイズを小型化できる上、完成したメタル
コア基板アッセンブリの薄型化も達成できる。また、メ
タルコア基板上の配線パターンの幅、及びパターン間隔
を狭くでき、したがって、この点でもメタルコア基板の
基板サイズが小型化できる。さらに、発熱部品の異常発
熱によってもメタルコア基板は炭化することがないの
で、基板焼損事故を無くすことができる。一方、発熱部
品の少ないＡＣ−ＤＣ部は元々ヒートシンクが不要なの
で、ガラエポ基板の基板サイズも小型化できる。

【００２２】よって、メタルコア基板及びガラエポ基板
が小型化でき、また、メタルコア基板をヒートシンクに
取り付ける構成をとっても、ヒートシンクが薄型化で
き、また、そのサイズも比較的小さくできるので、スイ
ッチング電源装置全体を小型化できる。さらにまた、ヒ
ートシンクのコスト低減効果や、ヒートシンクに付設す
る温度検出素子を不要ないしは削減できるので、低価格
化も達成できる。また、基板焼損の恐れがないので、信
頼性も高まる。さらに、電源装置が小型化できるので、
取り扱いや設置等が容易となり、使い勝手が向上する。

【００２３】また、金属製の外装筐体内に実装された、
メタルコア基板とガラエポ基板とを、例えば、圧延銅箔
を絶縁基材でコーティングしたＦＰＣによって接続す
る。ここで、メタルコア基板からの出力は大電流を考え
ることが必須であり、この電流容量に耐える接続手法を
選択する必要があるが、圧延銅箔を絶縁基材でコーティ
ングしたＦＰＣはこの要求に適合する。また、ＦＰＣの
導体厚さは最大０．２５ｍｍまで作製可能であり、従来
のガラエポ基板上の導体の最大厚さ０．０３５ｍｍに較
べて厚くすることができ、結果として配線パターン幅を
細くすることができるので、接続導体の軽薄短小化が達
成できる。さらに、ＦＰＣは屈曲が可能であるため、取
り付け部位の制限があっても自由な形態に加工できるの
で、使い勝手が向上する。

【００２４】また、メタルコア基板からの放熱を図る手
段として、例えば、メタルコア基板をヒートシンク上に
取り付け、このヒートシンクを外装筐体に面接触させ
て、ヒートシンク及び外装筐体を放熱手段して用いる。
これによって、熱伝導特性のよいメタルコア基板にて発
生する熱は、メタルコア基板から熱伝導特性及び熱放散
特性のよいヒートシンクに伝わり、ヒートシンクで放熱
されると共に、ヒートシンクからさらに熱伝導特性のよ
い外装筐体に伝わり、外装筐体で放熱される。なお、ヒ
ートシンクや外装筐体による放熱には自然空冷以外に
も、放熱をより効果的に行うため、強制空冷や強制水冷
などの放熱促進手段を併用することもできる。したがっ
て、熱放散特性が大幅に向上し、その結果、大型ヒート
シンクは不要となり、電源装置の小型化が達成でき、か
つ、熱的な信頼性も高まる。

【００２５】総じて、小型，高信頼性，低価格で、か
つ、使い勝手のよいスイッチング電源装置を実現でき
る。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１〜図
３は本発明の１実施例に係り、図１はスイッチング電源
装置の外観を示す斜視図である。

【００２７】図１において、１はスイッチング電源装置
の金属製の外装筐体で、この外装筐体１内に、後述する
ＤＣ−ＤＣ部をもつメタルコア基板やＡＣ−ＤＣ部をも
つガラエポ基板等が実装されている。また、外装筐体１
の前面側には、交流入力受電用コネクタ２と、電源装置
取り出し用の金具３とが設けられ、外装筐体１の後面側
には、バックボート専用コネクタとしての直流出力供給
用コネクタ４が設けられている。

【００２８】交流入力受電用コネクタ２としては、一般
市販品であるインレットコネクタを用いており、このコ
ネクタ２への挿抜には何等の工具を必要としないように
構成されている。また、直流出力供給用コネクタ４は、
スイッチング電源装置をシステム筐体内に収納したと
き、システム筐体内のバックボードのコネクタ部に直接
挿抜可能（嵌合・離脱可能）なものとされており、この
コネクタ４の挿抜にも何等の工具を必要としないように
構成されている。また、電源装置取り出し用の金具３
は、システム筐体からスイッチング電源装置を引き出す
際に用いられる。

【００２９】スイッチング電源装置には、交流入力受電
用コネクタ２から交流電圧が入力され、これが電源装置
の内部で直流電圧に変換されて、直流出力供給用コネク
タ４より、直流出力電圧としてシステム内の必要各部に
供給される。

【００３０】図２は、本実施例のスイッチング電源装置
の内部構造を示す平面図である。同図において、５は発
熱部品を多く含むＤＣ−ＤＣ部で、熱伝導特性の良好な
メタルコア基板（本実施例では絶縁被覆されたアルミニ
ウム基板上に配線パターンを形成した配線基板）上に構
成されている。６は発熱部品の少ないＡＣ−ＤＣ部で、
ガラエポ基板上に構成されている。

【００３１】また、図２において、７はラインフィル
タ、８は高調波電流抑制回路モジュール、９はアルミ電
解コンデンサ、１０は入力電圧供給用コネクタ、１１は
パルス幅制御回路と異常検出回路を含むハイブリッドＩ
Ｃ（厚膜混成集積回路）、１２はスイッチング素子、１
３は高周波トランス、１４は整流ダイオード、１５はチ
ョークコイル、１６はセラミックコンデンサ、１７はア
ルミ電解コンデンサ、１８は電流供給用のＦＰＣ、１９
はヒートシンクである。

【００３２】本実施例のスイッチング電源装置において
は、交流入力を交流入力受電用コネクタ２で受電し、チ
ョークコイル，コンデンサ等で構成されているラインフ
ィルタ７において、交流入力電圧に重畳している雑音成
分及びスイッチング電源が発生する高周波雑音が、交流
入力電源ラインに帰還しないようにしている。そして、
ラインフィルタ７によって雑音成分が除去された交流電
圧は、高調波電流抑制回路モジュール８に印加され、こ
の高調波電流抑制回路モジュール８にてスイッチング電
源への入力電流が正弦波となるように波形成形され、し
かる後、アルミ電解コンデンサ９に直流電圧として蓄積
される。アルミ電解コンデンサ９に蓄積された直流電圧
は、入力電圧供給用コネクタ１０を経由して、ＤＣ−Ｄ
Ｃ部５に供給される。

【００３３】ＤＣ−ＤＣ部５に供給された直流電圧は、
高周波スイッチング素子１２によって所定の周波数で高
周波交流電圧に変換され、この変換された高周波交流電
圧は、高周波トランス１３にて所定の電圧まで降下され
る。この降下された高周波交流電圧は、２次側整流ダイ
オード１４により整流され、チョークコイル１５，セラ
ミックコンデンサ１６，アルミ電解コンデンサ１７によ
る平滑回路によって高周波ノイズを除去され、出力電流
供給用のＦＰＣ１８を経由して、ＡＣ−ＤＣ部６の出力
電圧供給用コネクタ４に出力電圧として送り出される。

【００３４】なお、出力電圧安定化機能，検出回路等の
制御回路は、セラミック基板上に部品を搭載した前記ハ
イブリッドＩＣ（厚膜混成集積回路）１１として構成さ
れている。

【００３５】図３は、本実施例のスイッチング電源装置
の外装筐体を一部切り欠いた斜視図である。図３に示す
ように、本実施例においては、発熱部品を多く含むＤＣ
−ＤＣ部５は、放熱目的のため金属製のヒートシンク１
９上に実装されており、このヒートシンク１９のフィン
の先端面側は、外装筐体１に面接触している。本実施例
におけるヒートシンク１９は、ＤＣ−ＤＣ部５の基板サ
イズとほぼ等しい平面サイズをもつ扁平な形状とされて
いる。そして、熱伝導特性のよいメタルコア基板（すな
わち、ＤＣ−ＤＣ部５）にて発生する熱は、メタルコア
基板から熱伝導特性及び熱放散特性のよいヒートシンク
１９に伝わり、ヒートシンク１９で放熱されると共に、
ヒートシンク１９からさらに熱伝導特性のよい外装筐体
１に伝わり、外装筐体１で放熱される。したがって、Ｄ
Ｃ−ＤＣ部５で発生した熱は、速やかに、かつ確実に拡
散・放熱されるようになっている。

【００３６】また、ＤＣ−ＤＣ部５の発熱部品は、従来
のようにヒートシンクに実装されてガラエポ基板に搭載
されるのではなく、熱伝導特性及びトラッキング特性の
良好なメタルコア基板に直接実装するので、メタルコア
基板上に搭載するヒートシンクが不要となり、メタルコ
ア基板のサイズを小型化できる上、完成したメタルコア
基板アッセンブリの薄型化も達成できる。また、メタル
コア基板上の配線パターンの幅、及びパターン間隔を狭
くでき、したがって、この点でもメタルコア基板の基板
サイズが小型化できる。さらに、発熱部品の異常発熱に
よってもメタルコア基板は炭化することがないので、基
板焼損事故を無くすことができる。一方、発熱部品の少
ないＡＣ−ＤＣ部６は元々ヒートシンクが不要なので、
ガラエポ基板の基板サイズも小型化できる。

【００３７】よって、メタルコア基板及びガラエポ基板
が小型化でき、また、メタルコア基板をヒートシンク１
９に取り付ける構成をとっても、ヒートシンク１９が薄
型化でき、また、そのサイズも比較的小さくできるの
で、スイッチング電源装置全体を小型化できる。さらに
また、ヒートシンクのコスト低減効果や、ヒートシンク
に付設する温度検出素子を不要ないしは削減できるので
（例え温度検出素子をメタルコア基板に設けても、その
数は１つでよいので）、低価格化も達成できる。また、
基板焼損の恐れがないので、信頼性も高まる。さらに、
電源装置が小型化できるので、取り扱いや設置等が容易
となり、使い勝手が向上する。

【００３８】また、本実施例においては、メタルコア基
板（ＤＣ−ＤＣ部５）とガラエポ基板（ＡＣ−ＤＣ部
６）とを、圧延銅箔を絶縁基材でコーティングしたＦＰ
Ｃ１８によって接続するように構成している。ここで、
メタルコア基板からの出力は大電流であることを考慮す
ることが必須であり、この電流容量に耐える接続手法を
選択する必要があるが、圧延銅箔を絶縁基材でコーティ
ングしたＦＰＣ１８はこの要求に適合する。また、ＦＰ
Ｃの導体厚さは最大０．２５ｍｍまで作製可能であり、
従来のガラエポ基板上の導体の最大厚さ０．０３５ｍｍ
に較べて厚くすることができ、結果として配線パターン
幅を細くすることができるので、接続導体の軽薄短小化
が達成できる。さらに、ＦＰＣは屈曲が可能であるた
め、取り付け部位の制限があっても自由な形態に加工で
きるので、使い勝手が向上する。

【００３９】なお、上述した実施例においては、メタル
コア基板（ＤＣ−ＤＣ部５）からの放熱を図る手段とし
て、メタルコア基板そのもの、及びヒートシンク１９と
外装筐体１とを利用したが、放熱を図る手段としてはこ
の他にも種々の変形が可能である。例えば、メタルコア
基板を外装筐体１に直接取り付け、メタルコア基板と外
装筐体１とから放熱を図るようにしてもよい。あるい
は、メタルコア基板自体を、外装筐体１の例えば底板部
の一部をなすように構成して、メタルコア基板と外装筐
体１とから放熱を図るようにしてもよい。さらには、外
装筐体１内に実装したメタルコア基板から、外装筐体に
熱を導くための、例えばヒートパイプ等の熱移動手段を
設けてもよい。このような各種のメタルコア基板（ＤＣ
−ＤＣ部５）からの放熱を図る手段を使い分けることに
より、電源装置の設計の自由度が増し、装置の小型・薄
型化にも多いに貢献できる。

【００４０】さらにまた、メタルコア基板，ヒートシン
ク１９，外装筐体１などからの放熱には、自然空冷以外
にも、強制空冷や強制水冷などの放熱促進手段を併用す
ることもでき、この場合はより一層熱放散特性が向上す
る。

【００４１】また、上述した実施例においては、メタル
コア基板（ＤＣ−ＤＣ部５）からの出力は大電流であ
り、この電流容量に耐える接続手法としてＦＰＣ１８を
採用したが、ＦＰＣ１８以外の接続手法も勿論採用可能
である。なお、メタルコア基板はメタルベース上に絶縁
層を形成し、その上に配線パターンを設けているため、
他部位への接続用としてメタルベースに追加穴を穿設す
ることは好ましくはない（配線パターンとメタルベース
が電気的に接続されるため）。

【００４２】そこで、大電流容量に耐え、かつ、メタル
コア基板に接続穴を要しない接続手法としては、ＦＰＣ
１８以外に、例えば、メタルコア基板（ＤＣ−ＤＣ部
５）とガラエポ基板（ＡＣ−ＤＣ部６）とを、良導電性
の板金を半田付け及び／またはネジ止めにより接続する
構成を採用することができる。あるいは、メタルコア基
板に、金メッキされた接点をもつ面付けタイプのコネク
タを、半田付けによって実装し、この金メッキ接点をも
つコネクタによって、メタルコア基板（ＤＣ−ＤＣ部
５）とガラエポ基板（ＡＣ−ＤＣ部６）とを接続しても
差し支えない。なお、金メッキ接点をもつコネクタを用
いる所以は、半田付け工程中にコネクタが高温状態にさ
らされても、接点が化学変化を起こすことなく、良好な
接触信頼性が確保できるからである（錫メッキ処理され
た接点をもつコネクタでは、高温状態にさらされると化
学変化を起こし、接触信頼性が低下する）。

【００４３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、小型，高信頼性，低価格で、かつ、使い勝手のよい
スイッチング電源装置が実現でき、その産業的価値は多
大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係るスイッチング電源装置
の外観を示す斜視図である。

【図２】本発明の１実施例に係るスイッチング電源装置
の内部構造を示す平面図である。

【図３】本発明の１実施例に係るスイッチング電源装置
の外装筐体を一部切り欠いた斜視図である。

【符号の説明】

１ 外装筐体 ２ 交流入力受電用コネクタ ３ 電源装置取り出し用の金具 ４ 直流出力供給用コネクタ４ ５ ＤＣ−ＤＣコンバータ部（ＤＣ−ＤＣ部） ６ ＡＣ−ＤＣコンバータ部（ＡＣ−ＤＣ部） ７ ラインフィルタ ８ 高調波電流抑制回路モジュール ９ アルミ電解コンデンサ １０ 入力電圧供給用コネクタ １１ ハイブリッドＩＣ（厚膜混成集積回路） １２ スイッチング素子 １３ 高周波トランス １４ 整流ダイオード １５ チョークコイル １６ セラミックコンデンサ １７ アルミ電解コンデンサ １８ 電流供給用のフレキシブル配線板（ＦＰＣ） １９ ヒートシンク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 メタルコア配線基板上に電子部品を搭載
   したＤＣ−ＤＣコンバータ部と、樹脂配線基板上に電子
   部品を搭載したＡＣ−ＤＣコンバータ部とを、金属製の
   同一外装筐体内に実装し、前記メタルコア配線基板から
   の放熱を図る手段を設けたことを特徴とするスイッチン
   グ電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載において、 前記メタルコア配線基板をヒートシンク上に取り付け、
   このヒートシンクを前記外装筐体に接触させたことを特
   徴とするスイッチング電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載において、 前記メタルコア配線基板と前記樹脂配線基板とを、フレ
   キシブル配線板によって接続したことを特徴とするスイ
   ッチング電源装置。