WO2019131620A1 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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WO2019131620A1
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power supply
circuit
terminal
wiring pattern
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慎太郎 田崎
賢人 望月
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present disclosure relates to a switching power supply.
  • a substrate on which a power semiconductor for power conversion, a coil, a capacitor, a transformer, and the like are mounted is disposed in a housing. Since power semiconductors generate heat, efficient cooling is required.
  • Patent Document 1 a heat sink is incorporated in a housing, a substrate is disposed in an upper space and a lower space of the heat sink, power semiconductors are mounted on the respective substrates, and the substrates are electrically connected by wiring.
  • the structure is disclosed.
  • Patent Document 1 the power semiconductors mounted on the respective substrates are brought into direct contact with the heat sink, thereby enhancing the cooling efficiency of the power semiconductors while achieving downsizing of the switching power supply device.
  • the switching power supply described in Patent Document 1 is a switching power supply for single-phase alternating current.
  • a switching power supply capable of supporting multiple-phase alternating current in addition to the need to insulate the respective phases, wiring for electrically connecting the substrates, and power, The wiring that electrically connects the semiconductor and the coil, capacitor, transformer, etc. becomes complicated, leading to an increase in the size of the device.
  • An object of the present disclosure is to provide a switching power supply device capable of efficiently cooling a heat-generating electrical component while achieving downsizing while coping with multiple-phase alternating current.
  • One embodiment of the present disclosure is a switching power supply device including a plurality of power supply circuits connected to a plurality of phases of power supplies, in which an electrical component constituting a filter circuit for preventing noise from entering the power supply is mounted;
  • the output end of the filter circuit is mounted on the first substrate provided on one end side in the first direction and the bottom wall portion of the housing in which the switching power supply device is housed, and provided on the rear stage of the filter circuit
  • a second substrate provided on one end side of a second direction in which an input end of a circuit provided in a subsequent stage of the filter circuit intersects the first direction;
  • a third substrate on which is formed a wiring pattern which is disposed between the second substrate and the second substrate and which electrically connects the output end to the input end.
  • cooling of the heat-generating electrical component can be efficiently performed while achieving miniaturization while coping with multi-phase alternating current.
  • a circuit block diagram showing a configuration of a switching power supply device An exploded perspective view showing a structure of a switching power supply device according to an embodiment of the present disclosure
  • a cross-sectional view showing a structure of a switching power supply according to an embodiment of the present disclosure Top view of AC filter board Top view of junction board
  • a schematic view showing a wiring pattern in the first layer of the junction substrate Schematic diagram showing the wiring pattern in the second layer of the junction substrate
  • Top view of power module board Top view of DC filter board
  • Control board Partially enlarged cross-sectional view showing a connection structure between an AC filter substrate and a junction substrate Partially enlarged cross-sectional view showing a connection structure between an AC filter substrate and a junction substrate Partially enlarged cross-sectional view showing a connection structure between a junction substrate and a driver substrate Partially enlarged cross-sectional view showing a connection
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing the configuration of the power supply device 1.
  • white triangles, circles, and squares are shown on the power line.
  • White triangle marks indicate connecting portions 29 described later.
  • white circles indicate connecting portions 28 described later.
  • the white square mark has shown the connection part 27 mentioned later.
  • the power supply device 1 is a device that is mounted on a vehicle such as an electric car, converts AC power from an external power supply 2 that is a three-phase AC power supply into DC power, and outputs the DC power.
  • the battery 3 is, for example, a battery for driving a motor of a vehicle. Examples of the battery 3 include a lithium ion battery.
  • Power supply device 1 has power supply circuits 4A, 4B and 4C corresponding to the respective phases of external power supply 2, DC filter circuit 5, and control circuit 6.
  • the power supply circuits 4A, 4B and 4C each include an AC filter circuit 7, a single-phase full-wave rectifier circuit 8, a power factor correction circuit 9, a capacitor 10, and a DC / DC converter 11.
  • the AC filter circuit 7 reduces noise that intrudes from the external power supply 2 to the subsequent stage of the AC filter circuit 7 and noise that flows out from the subsequent stage of the AC filter circuit 7 to the external power supply 2.
  • the AC filter circuit 7 has a coil, a capacitor, and the like.
  • the single-phase full-wave rectifier circuit 8 full-wave rectifies AC power input from the AC filter circuit 7 to convert it into DC power, and outputs the DC power to the power factor correction circuit 9.
  • the single-phase full-wave rectifier circuit 8 is a diode bridge circuit composed of four diodes 12 (not shown in FIG. 1).
  • the power factor correction circuit 9 is a circuit that has a function of improving the power factor of the power input from the single-phase full-wave rectifier circuit 8 and boosting the voltage of the input power.
  • the power factor correction circuit 9 includes a coil 13, a switching element 14 and a diode 15.
  • the power supply circuits 4A, 4B and 4C each include two power factor correction circuits 9 connected in parallel between the single-phase full-wave rectifier circuit 8 and the capacitor 10. Thus, an interleaved power factor correction circuit is configured.
  • the capacitor 10 is connected to the output side of the power factor correction circuit 9 and smoothes the DC power output from the power factor correction circuit 9. Since the voltage of the DC power is boosted by the power factor correction circuit 9, the capacitor 10 has a relatively large capacity.
  • the DC / DC converter 11 is a circuit that converts the output from the power factor correction circuit 9 into a voltage that can charge the battery 3.
  • the DC / DC converter 11 includes an inverter 16, a transformer 17, a secondary side rectifier circuit 18, and a capacitor 19.
  • the inverter 16 converts DC power input from the power factor correction circuit 9 into AC power, and outputs the AC power to the transformer 17.
  • the inverter 16 has four switching elements 20.
  • the transformer 17 transforms the voltage of the AC power from the inverter 16 and outputs it to the secondary side rectification circuit 18.
  • the transformer 17 has a power transmission coil 21 connected to the output side of the inverter 16 and a power reception coil 22 connected to the input side of the secondary side rectification circuit 18.
  • the secondary side rectifier circuit 18 is a circuit that converts AC power from the transformer 17 into DC power.
  • the secondary side rectifier circuit 18 is a diode bridge circuit composed of four diodes 23 (not shown in FIG. 1).
  • the capacitor 19 is connected to the output side of the secondary side rectifier circuit 18 and smoothes the direct current output from the secondary side rectifier circuit 18.
  • the DC filter circuit 5 is provided downstream of the power supply circuits 4A, 4B and 4C.
  • the DC filter circuit 5 reduces noise flowing out of each power supply circuit to the battery 3 and noise entering the power supply circuits from the battery 3.
  • the DC filter circuit 5 has a coil, a capacitor, and the like.
  • the control circuit 6 controls the operation of each power supply circuit by performing on / off control of the switching element 14 of the power factor improvement circuit 9 and the switching element 20 of the DC / DC converter 11 in each power supply circuit.
  • the control circuit 6 includes a microcomputer mounted on a substrate, an integrated circuit, and the like.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the structure of the power supply device 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the power supply device 1.
  • FIG. 4 is a plan view of the AC filter substrate 100.
  • FIG. 5A is a plan view of the junction substrate 400.
  • FIG. 5B to 5E show the wiring patterns of the first to fourth layers in the junction substrate 400.
  • FIG. 6 is a plan view of the driver substrate 500.
  • FIG. 7 is a plan view of the power module substrate 600.
  • FIG. 8 is a plan view of the DC filter substrate 200.
  • FIG. 9 is a plan view of the control board 300.
  • FIG. 2 to 9 schematically show the structure of the power supply device 1, and some parts and wiring that are not directly related to the description are omitted. Also, in FIGS. 2 to 9, common X-axis, Y-axis and Z-axis are drawn.
  • the positive direction of the X axis is defined as the + X direction, the positive direction of the Y axis as the + Y direction, and the positive direction of the Z axis as the + Z direction (upward direction).
  • the power supply device 1 includes an AC filter substrate 100, a DC filter substrate 200, a control substrate 300, a junction substrate 400, a driver substrate 500, and a power module substrate 600.
  • Each of these substrates is a thin plate member having a substantially rectangular shape extending in the XY plane.
  • the AC filter substrate 100, the DC filter substrate 200, the control substrate 300, the junction substrate 400, the driver substrate 500, and the power module substrate 600 are housed in the housing 24.
  • the housing 24 is formed of a side surface portion and a bottom surface portion, and has a box shape having an open top surface.
  • a water jacket 26 through which cooling water flows is formed on the bottom surface 25 of the housing 24.
  • the power module substrate 600 is directly mounted on the bottom portion 25.
  • a plurality of heat generating electrical components are mounted on the upper surface of the power module substrate 600, and the heat generating electrical components mounted on the upper surface of the power module substrate 600 by directly mounting the power module substrate 600 on the bottom portion 25 Cooling can be performed efficiently.
  • the contact area between the heat generating electrical components and the power module substrate 600 is large. This also makes it possible to efficiently cool the heat generating electrical component.
  • a driver substrate 500 is disposed on the upper side of the power module substrate 600 with a gap from the power module substrate 600.
  • the power module substrate 600 and the driver substrate 500 are mechanically and electrically connected by a connection portion 27 described later.
  • the junction substrate 400 is disposed on the upper side of the driver substrate 500 with a gap from the driver substrate 500.
  • the driver substrate 500 and the junction substrate 400 are mechanically and electrically connected by a connection portion 28 described later.
  • the control substrate 300 is disposed on the upper side of the junction substrate 400 with a gap from the junction substrate 400.
  • the AC filter substrate 100 and the DC filter substrate 200 are disposed on the upper side of the control substrate 300 with a gap from the control substrate 300.
  • the AC filter substrate 100 and the DC filter substrate 200 are mechanically and electrically connected to the junction substrate 400 by a connection portion 29 described later.
  • the AC filter substrate 100 will be described with reference to FIG.
  • the AC filter substrate 100 has a wiring pattern formed on an insulating plate as a base.
  • the AC filter substrate 100 On the upper surface of the AC filter substrate 100, electrical components such as a connector 30 and coils constituting the AC filter circuit 7 such as a capacitor and the like are mounted and connected to wiring patterns. Specifically, the lead of each electrical component is inserted and soldered into a lead through hole (not shown) provided in the AC filter substrate 100 so as to penetrate from the upper surface to the lower surface.
  • AC filter circuits 7A, 7B and 7C corresponding to U-phase, V-phase and W-phase of three-phase alternating current are arranged side by side along the X-axis.
  • AC filter circuit 7A is disposed on the -X end side of AC filter substrate 100
  • AC filter circuit 7B is disposed on the + X side of AC filter circuit 7A
  • AC filter circuit on the + X side of AC filter circuit 7B. 7C is arranged.
  • the AC filter circuits are isolated from one another.
  • Power is supplied to AC filter circuits 7A, 7B and 7C through connector 30 connectable to external power supply 2, respectively.
  • the connector 30 is provided on the -Y end side of the AC filter substrate 100, and the connector 30 and the input ends of the AC filter circuits 7A, 7B and 7C are electrically connected by a wiring pattern.
  • FIG. 4 among the wiring patterns connecting the connector 30 and the input ends of the AC filter circuits 7A, 7B and 7C, only the wiring patterns PA1, PB1 and PC1 on the positive electrode side are schematically shown.
  • each AC filter circuit is composed of electrical components such as a coil and a capacitor mounted on the AC filter substrate 100. These electrical components are arranged substantially in the + Y direction from the input side (external power supply 2 side) to the output side (battery 3 side) of each AC filter circuit. Therefore, the output end of each AC filter circuit is located on the + Y end side of the AC filter substrate 100.
  • the through holes HA1, HA2, HB1, HB2, HC1, and HC2 are holes penetrating the AC filter substrate 100 in the Z direction.
  • the through holes HA 1, HA 2, HB 1, HB 2, HC 1 and HC 2 are provided side by side in the + X direction on the + Y end side of the AC filter substrate 100.
  • junction substrate 400 will be described with reference to FIG. 5A.
  • the junction substrate 400 is obtained by forming a wiring pattern on each layer of a multi-layered insulating substrate.
  • the junction board 400 basically has a role as a wire connecting the respective electric components in the power supply circuits 4A, 4B and 4C.
  • Through holes HA3, HA4, HB3, HB4, HC3 and HC4 corresponding to the above-described through holes HA1, HA2, HB1, HB2, HC1 and HC2 are provided side by side in the + X direction at the + Y side end of junction substrate 400. It is done.
  • a plurality of through holes HA5, HA6, HB5, HB6, HC5 and HC6 are provided side by side in the + Y direction on the ⁇ X end side with respect to the through holes HA3.
  • junction substrate 400 Furthermore, from the lower surface of junction substrate 400, a plurality of terminals TA1, TA2, TA3, TA4, TA5, TA6, TA7, TA8, TA9, TA10 and TA11 related to power supply circuit 4A are provided protruding in the -Z direction. There is.
  • junction substrate 400 Furthermore, from the lower surface of junction substrate 400, a plurality of terminals TB1, TB2, TB3, TB4, TB5, TB6, TB7, TB8, TB9, TB10 and TB11 related to power supply circuit 4B are provided to project in the -Z direction. ing.
  • junction substrate 400 Furthermore, from the lower surface of junction substrate 400, a plurality of terminals TC1, TC2, TC3, TC4, TC5, TC6, TC7, TC8, TC9, TC10 and TC11 related to power supply circuit 4C are provided to project in the -Z direction. ing.
  • All the terminals provided in the ⁇ Z direction from the lower surface of the junction substrate 400 have the same shape.
  • a plurality of coils 13A1, 13A2, 13B1, 13B2, 13C1 and 13C2 are mounted side by side in the -X direction on the lower surface of the junction substrate 400 at the -Y end side. Specifically, the leads of each coil are inserted and soldered into lead through holes (not shown) provided in the junction substrate 400 so as to penetrate from the lower surface to the upper surface.
  • capacitors 10A, 10B and 10C are mounted side by side in the + Y direction on the upper surface of junction substrate 400 on the -X end side. Specifically, the lead of each electrolytic capacitor is inserted and soldered into the lead through hole provided in the junction substrate 400 so as to penetrate from the upper surface to the lower surface.
  • FIG. 5B schematically shows the wiring pattern of the first layer of the junction substrate 400.
  • the wiring pattern PA4 connects the through hole HA3 and the terminal TA1. Specifically, the wiring pattern PA4 whose one end is connected to the through hole HA3 extends in the + X direction and the ⁇ Y direction, and reaches the terminal TA1.
  • the wiring pattern PA5 connects the through hole HA4 and the terminal TA2. Specifically, the wiring pattern PA5 whose one end is connected to the through hole HA4 extends in the + X direction and the ⁇ Y direction, and reaches the terminal TA2.
  • the wiring pattern PA11 connects the terminal TA10 and the through hole HA5. Specifically, the wiring pattern PA11 whose one end is connected to the terminal TA10 extends in the ⁇ X direction and reaches the through hole HA5.
  • the wiring pattern PA12 connects the terminal TA11 and the through hole HA6. Specifically, the wiring pattern PA12 whose one end is connected to the terminal TA11 extends in the ⁇ X direction and reaches the through hole HA6.
  • the wiring pattern PA7 connects the output end of the coil 13A1 to the terminal TA4. Specifically, the wiring pattern PA7 whose one end is connected to the output end of the coil 13A1 extends in the + Y direction and reaches the terminal TA4.
  • the wiring pattern PA8 connects the output end of the coil 13A2 to the terminal TA5. Specifically, the wiring pattern PA8 whose one end is connected to the output end of the coil 13A2 extends in the + Y direction and reaches the terminal TA5.
  • the wiring pattern PB4 connects the through hole HB3 and the terminal TB1. Specifically, the wiring pattern PB4 whose one end is connected to the through hole HB3 extends in the + X direction and the ⁇ Y direction, and reaches the terminal TB1.
  • the wiring pattern PB5 connects the through hole HB4 and the terminal TB2. Specifically, the wiring pattern PB5, one end of which is connected to the through hole HB4, extends in the + X direction and the ⁇ Y direction, and reaches the terminal TB2.
  • the wiring pattern PB11 connects the terminal TB10 and the through hole HB5. Specifically, the wiring pattern PB11 whose one end is connected to the terminal TB10 extends in the -X direction and reaches the through hole HB5.
  • the wiring pattern PB12 connects the terminal TB11 and the through hole HB6. Specifically, the wiring pattern PB12 whose one end is connected to the terminal TB11 extends in the ⁇ X direction and reaches the through hole HB6.
  • the wiring pattern PC4 connects the through hole HC3 and the terminal TC1. Specifically, the wiring pattern PC4 of which one end is connected to the through hole HC3 extends in the + X direction and the ⁇ Y direction, and reaches the terminal TC1.
  • the wiring pattern PC5 connects the through hole HC4 and the terminal TC2. Specifically, the wiring pattern PC5, one end of which is connected to the through hole HC4, extends in the + X direction and the ⁇ Y direction, and reaches the terminal TC2.
  • the wiring pattern PC11 connects the terminal TC10 and the through hole HC5. Specifically, the wiring pattern PC11 whose one end is connected to the terminal TC10 extends in the ⁇ X direction and reaches the through hole HC5.
  • the wiring pattern PC12 connects the terminal TC11 and the through hole HC6. Specifically, the wiring pattern PC12 whose one end is connected to the terminal TC11 extends in the ⁇ X direction and reaches the through hole HC6.
  • FIG. 5C schematically shows the wiring pattern of the second layer of the junction substrate 400.
  • the wiring pattern PA9 connects the terminal TA6 to the positive terminal of the capacitor 10A and the terminal TA8. Specifically, the wiring pattern PA9 whose one end is connected to the terminal TA6 extends in the ⁇ X direction and reaches the terminal TA8 and the positive terminal of the capacitor 10A.
  • the wiring pattern PB9 connects the terminal TB6 to the positive terminal of the capacitor 10B and the terminal TB8. Specifically, the wiring pattern PB9 whose one end is connected to the terminal TB6 extends in the -X direction and reaches the terminal TB8 and the positive electrode end of the capacitor 10B.
  • the wiring pattern PC9 connects the terminal TC6 to the positive terminal of the capacitor 10C and the terminal TC8. Specifically, the wiring pattern PC9 whose one end is connected to the terminal TC6 extends in the -X direction and reaches the terminal TC8 and the positive electrode end of the capacitor 10C.
  • FIG. 5D schematically shows the wiring pattern of the third layer of the junction substrate 400.
  • the wiring pattern PA10 connects the terminal TA7 to the negative terminal of the capacitor 10A and the terminal TA9. Specifically, the wiring pattern PA10 whose one end is connected to the terminal TA7 extends in the ⁇ X direction and reaches the terminal TA9 and the negative end of the capacitor 10A.
  • the wiring pattern PB10 connects the terminal TB7 to the negative terminal of the capacitor 10B and the terminal TB9. Specifically, the wiring pattern PB10 whose one end is connected to the terminal TB7 extends in the ⁇ X direction and reaches the terminal TB9 and the negative end of the capacitor 10B.
  • the wiring pattern PC10 connects the terminal TC7 to the negative terminal of the capacitor 10C and the terminal TC9. Specifically, the wiring pattern PC10 whose one end is connected to the terminal TC7 extends in the ⁇ X direction and reaches the terminal TC9 and the negative end of the capacitor 10C.
  • FIG. 5E schematically shows the wiring pattern of the fourth layer of the junction substrate 400. As shown in FIG. 5E
  • the wiring pattern PA6 connects the terminal TA3 to the input end of the coil 13A1 and the input end of the coil 13A2. Specifically, the wiring pattern PA6 whose one end is connected to the terminal TA3 extends in the ⁇ X direction and the ⁇ Y direction and reaches the input end of the coil 13A1 and the input end of the coil 13A2.
  • the wiring pattern PB6 connects the terminal TB3 to the input end of the coil 13B1 and the input end of the coil 13B2. Specifically, the wiring pattern PB6 whose one end is connected to the terminal TB3 extends in the -X direction and the -Y direction, and reaches the input end of the coil 13B1 and the input end of the coil 13B2.
  • the wiring pattern PB7 connects the output end of the coil 13B1 to the terminal TB4. Specifically, the wiring pattern PB7 whose one end is connected to the output end of the coil 13B1 extends in the + X direction and the + Y direction, and reaches the terminal TB4.
  • the wiring pattern PB8 connects the output end of the coil 13B2 to the terminal TB5. Specifically, the wiring pattern PB8, one end of which is connected to the output end of the coil 13B2, extends in the + X direction and the + Y direction, and reaches the terminal TB5.
  • the wiring pattern PC6 connects the terminal TC3 to the input end of the coil 13C1 and the input end of the coil 13C2. Specifically, the wiring pattern PC6 whose one end is connected to the terminal TC3 extends in the -X direction and the -Y direction, and reaches the input end of the coil 13C1 and the input end of the coil 13C2.
  • the wiring pattern PC7 connects the output end of the coil 13C1 to the terminal TC4. Specifically, the wiring pattern PC7 whose one end is connected to the output end of the coil 13C1 extends in the + X direction and the + Y direction, and reaches the terminal TC4.
  • the wiring pattern PC8 connects the output end of the coil 13C2 to the terminal TC5. Specifically, the wiring pattern PC8 whose one end is connected to the output end of the coil 13C2 extends in the + X direction and the + Y direction, and reaches the terminal TC5.
  • the kind of wiring pattern provided in each layer is not limited to the above-mentioned example.
  • the driver substrate 500 will be described with reference to FIG.
  • the driver substrate 500 has a wiring pattern formed on an insulating plate as a base.
  • a plurality of terminals TD1, TD2, TD3, TD4, TD5, TD7, TD8, TD9, TD10, and TD11 related to the power supply circuit 4A are provided projecting from the top surface of the driver substrate 500 in the + Z direction.
  • driver substrate 500 a plurality of terminals TE1, TE2, TE3, TE4, TE5, TE6, TE7, TE8, TE9, TE10 and TE11 related to power supply circuit 4B are provided to project in the + Z direction. .
  • driver substrate 500 Furthermore, from the top surface of driver substrate 500, a plurality of terminals TF1, TF2, TF3, TF4, TF5, TF6, TF7, TF8, TF9, TF10 and TF11 related to power supply circuit 4C are provided protruding in the + Z direction. There is.
  • the terminals TD1 to TD11, TE1 to TE11, and TF1 to TF11 correspond to the terminals TA1 to TA11, TB1 to TB11, and TC1 to TC11 provided on the junction substrate 400, respectively.
  • the driver substrate 500 is provided with a plurality of through holes penetrating the driver substrate 500 in the Z direction (not shown in FIG. 6). Although details will be described later, the pin terminals 31 provided so as to project from the power module substrate 600 in the + Z direction are inserted into these through holes.
  • a transformer 17 is connected to the driver substrate 500 via a wire.
  • the transformer 17 is disposed on the opposite side of the junction substrate 400 to the capacitor 13, it is possible to suppress an increase in the size of the housing 24 in the vertical direction.
  • the power module substrate 600 will be described with reference to FIG.
  • the power module substrate 600 is obtained by applying an insulating film made of, for example, an epoxy resin on an aluminum plate as a base, and forming a wiring pattern on the insulating film.
  • power semiconductors also referred to as power modules; hereinafter the same
  • power modules constituting the single-phase full-wave rectifier circuit 8, the power factor improvement circuit 9, and the DC / DC converter 11 are mounted.
  • power semiconductor refers to a semiconductor that controls and supplies power.
  • the input end of single-phase full-wave rectifier circuit 8 is located on the + X end side of power module substrate 600, and these power semiconductors are connected to the output side (battery 3) from the input side (external power supply 2 side) of each power supply device. Toward the side), and are arranged substantially in the -X direction.
  • a plurality of pin terminals 31 (not shown in FIG. 7) for mechanically and electrically connecting these power semiconductors mounted on power module substrate 600 and the driver substrate. ) has been implemented.
  • the power semiconductors constituting the single-phase full-wave rectifier circuit 8 and the power factor correction circuit 9 and the power constituting the primary side of the DC / DC converter 11 need to be insulated on the power module substrate 600.
  • a semiconductor and a power semiconductor forming the secondary side of the DC / DC converter 11 are disposed.
  • the DC filter substrate 200 will be described with reference to FIG.
  • the DC filter substrate 200 has a wiring pattern formed on an insulating plate as a base.
  • an electric component 38 such as a capacitor 19 and a coil forming the DC filter circuit 5 such as a capacitor is mounted and connected to the wiring pattern. Further, on the -Y end side of the DC filter substrate 200, an output terminal 39 connected to a connector used for connection with the battery 3 is provided.
  • through holes HA7, HA8, HB7, HB8, HC7 and HC8 corresponding to the above-described through holes HA5, HA6, HB5, HB6, HC5 and HC6 are arranged in the + Y direction.
  • Each through hole is one end of each of the wiring patterns PA12, PA13, PB12, PB13, PC12 and PC13, and each wiring pattern is connected to the capacitor 19 and the input end of the DC filter circuit 5.
  • the output terminal of the DC filter circuit 5 and the output terminal 39 used for connection with the connector used for connection with the battery 3 are connected by a wiring pattern.
  • the control board 300 will be described with reference to FIG.
  • the control substrate 300 is a printed circuit board in which a wiring pattern is formed on an insulating plate as a base.
  • control board 300 On the lower surface of the control board 300, electrical components 40 such as a microcomputer and an integrated circuit that constitute the control circuit 6 are mounted and connected to the wiring patterns, respectively.
  • a lead of a microcomputer, an integrated circuit or the like is inserted and soldered into a lead through hole (not shown) provided in the control substrate 300 so as to penetrate from the lower surface to the upper surface.
  • FIGS. 10A and 10B are partially enlarged cross-sectional views showing a connection structure of AC filter substrate 100 and junction substrate 400.
  • FIG. 10A is a view showing a state in which the AC filter substrate 100 and the junction substrate 400 are connected by the connecting portion 29.
  • FIG. 10B is a view for explaining the connection procedure of AC filter substrate 100 and junction substrate 400.
  • junction substrate 400 is positioned on the side of AC filter substrate 100 and DC filter substrate 200 in the ⁇ Z direction with control substrate 300 interposed therebetween.
  • AC filter substrate 100 and DC filter substrate 200 are connected to junction substrate 400 by metal studs 32 extending along the Z-axis. Each metal stud also electrically connects the AC filter substrate 100 and the DC filter substrate 200 to the junction substrate 400.
  • a female screw portion 32a into which the male screw portion 33a of the screw 33 can be screwed is provided on one end surface and the other end surface of the metal stud 32.
  • One end surface of the metal stud 32 is brought into contact with the lower surface of the AC filter substrate 100 according to need, with the female screw portion 32a at one end surface of the metal stud 32 and the through hole HA1 aligned.
  • the AC filter substrate 100 and the metal stud 32 are fixed by screwing the male screw portion 33a of the screw 33 to the screw.
  • the other end surface of the metal stud 32 is brought into contact with the upper surface of the junction substrate 400 as needed.
  • the junction board 400 and the metal stud 32 are fixed by screwing the male screw portion 33a of the screw 33 into the screw 32a.
  • the AC filter substrate 100 and the junction substrate 400 are connected by the connecting portion 29, whereby the through holes HA 1 and the through holes HA 3 are electrically connected via the screws 33 and the metal studs 32.
  • FIGS. 11A and 11B are partially enlarged cross-sectional views showing a connection structure of junction substrate 400 and driver substrate 500.
  • FIG. 11A is a view showing a state in which the junction board 400 and the driver board 500 are connected by the connecting portion 28.
  • FIG. FIG. 11B is a view for explaining the connection procedure of the junction substrate 400 and the driver substrate 500.
  • the terminal TA1 has a leg 34 inserted into a through hole provided in the junction substrate 400, and an opening 35 for connecting to the terminal TD1.
  • the terminal portion TA1 is fixed to the junction substrate 400 by press-fitting or inserting the leg 34 into the through hole of the junction substrate 400.
  • the terminal TD1 has a leg portion 36 inserted into a through hole provided in the driver substrate 500, and a tip portion 37 for coupling with the terminal TA1.
  • the leg portion 36 is press-fit or inserted into the through hole of the driver substrate 500, whereby the terminal TD1 is fixed to the driver substrate 500.
  • the tip portion 37 of the terminal TD1 is press-fit or fitted into the opening 35 of the terminal TA1, thereby the terminal TA1 and the terminal TD1 Are linked.
  • the distal end may be provided on the terminal TA1 and the opening may be provided on the terminal TD1.
  • FIGS. 12A and 12B are partially enlarged cross-sectional views showing the connection structure between driver substrate 500 and power module substrate 600.
  • FIG. 12A is a view showing a state in which the driver substrate 500 and the power module substrate 600 are connected by the connection portion 27.
  • FIG. 12B is a view for explaining the connection procedure of the driver substrate 500 and the power module substrate 600.
  • the connecting portion 27 is provided on the upper surface of the power module substrate 600, and includes a pin terminal 31 extending in the + Z direction and a through hole provided in the driver substrate 500.
  • the pin terminal 31 is press-fit or inserted into the through hole of the driver substrate 500, whereby the driver substrate 500 and the power module substrate 600 are connected and also electrically connected.
  • the external power supply 2 is connected to the input end of the AC filter circuit 7A.
  • the input end of the AC filter circuit 7A is provided on the -Y end side of the AC filter substrate 100, and the output end of the AC filter circuit 7A is provided on the + Y end side of the AC filter substrate 100. Therefore, the flow of power in the AC filter circuit 7A is a flow generally from the ⁇ Y end side to the + Y end side.
  • the input end of the single-phase full-wave rectifier circuit 8 provided at the rear stage of the AC filter circuit 7A is provided on the + X end side of the power module substrate 600. Therefore, the output end of AC filter circuit 7A provided on the + Y end side of AC filter substrate 100 and the input end of single-phase full-wave rectifier circuit 8 provided on the + X end side of power module substrate 600 are electrically A junction substrate 400 is used to connect.
  • the output end (positive electrode) of the AC filter circuit 7A is formed on the junction substrate 400 via the wiring pattern PA2 and the connection portion 29 (through hole HA1, metal stud 32 and through hole HA3). It is connected to one end of PA4.
  • the output end (negative electrode) of the AC filter circuit 7A is one end of the wiring pattern PA5 formed on the junction substrate 400 via the wiring pattern PA3 and the connection portion 29 (through hole HA2, metal stud 32 and through hole HA4). Connected with One end of each of the wiring patterns PA4 and PA5 is located on the + Y end side of the junction substrate 400.
  • the wiring patterns PA4 and PA5 extend in the + X direction and the -Y direction from one end to the other end.
  • the other ends of the wiring patterns PA4 and PA5 reach the terminals TA1 and TA2 located on the + X end side of the junction substrate 400.
  • the terminal TA1 and the terminal TD1 provided on the driver substrate 500 constitute a connecting portion 28. Further, the terminal TA2 and the terminal TD2 provided on the driver substrate 500 constitute a coupling portion 28. Furthermore, the driver substrate 500 and the power module substrate 600 are electrically connected by the connecting portion 27.
  • the output end of the AC filter circuit 7A provided on the + Y end side of the AC filter substrate 100 is connected to the power module through the connection portion 29, the wiring pattern formed on the junction substrate 400, the connection portion 28 and the connection portion 27. It can be connected to the input end of the single-phase full-wave rectifier circuit 8 provided on the + X end side of the substrate 600.
  • the output terminal on the positive electrode side of single-phase full-wave rectifier circuit 8 is connected to terminal TA 3 of junction substrate 400 via connection 27 and connection 28. Further, the wiring pattern PA6 is connected to the input ends of the coils 13A1 and 13A2 mounted on the -Y end side of the junction board 400.
  • the output ends of the coils 13A1 and 13A2 are connected to the terminals TA4 and TA5 by the wiring patterns PA7 and PA8, respectively, and the switching element 14 mounted on the power module substrate 600 via the connecting portion 28 and the connecting portion 27. It is connected to the positive electrode side and the anode of the diode 15.
  • the cathode of the diode 15 is connected to the terminal TA6 of the junction substrate 400 again via the connecting portion 27 and the connecting portion 28. Further, it is connected to the positive electrode side of the capacitor 10A mounted on the -X end side of the junction substrate 400 by the wiring pattern PA9 extending in the -X direction.
  • the cathode of the diode 15 is connected from the wiring pattern PA 9 to the positive input end of the inverter 16 mounted on the power module substrate 600 through the connecting portion 28 and the connecting portion 27.
  • the output terminal on the negative electrode side of the single-phase full-wave rectifier circuit 8 is connected to the negative electrode side of the switching element 14 and reaches the terminal TA7 of the junction substrate 400 via the connecting portion 27 and the connecting portion 28. Further, the wiring pattern PA10 extending in the -X direction is connected to the negative electrode side of the capacitor 10A mounted on the upper surface of the junction substrate 400 on the -X end side.
  • the output terminal on the negative electrode side of single-phase full-wave rectifier circuit 8 is connected to the input terminal on the negative electrode side of inverter 16 mounted on power module substrate 600 from wiring pattern PA 10 through connection 28 and connection 27. Be done.
  • the output end of the inverter 16 is connected to the power transmission coil 21 in the transformer 17 connected to the driver substrate 500 via the connection portion 27.
  • the power receiving coil 22 of the transformer 17 is connected to the input end of the secondary side rectification circuit 18 mounted on the power module substrate 600 via the connection portion 27.
  • the output end (positive electrode) of the secondary side rectifier circuit 18 reaches the terminal TA10 of the junction board 400 via the connecting portion 27 and the connecting portion 28. Furthermore, it is connected to the positive electrode side of the capacitor 19 mounted on the DC filter substrate 200 and the input end of the DC filter circuit 5 through the wiring pattern PA11 and the coupling portion 29 (through hole HA5, metal stud 32 and through hole HA7). Ru.
  • the output end (negative electrode) of the secondary side rectification circuit 18 also reaches the terminal TA11 of the junction board 400 via the connecting portion 27 and the connecting portion 28. Furthermore, it is connected to the negative electrode side of the capacitor 19 mounted on the DC filter substrate 200 and the input end of the DC filter circuit 5 through the wiring pattern PA12 and the coupling portion 29 (through hole HA6, metal stud 32 and through hole HA8). ing.
  • the output end of the DC filter circuit 5 is located on the -Y end side of the DC filter substrate 200 as described above, and is connected to the battery 3.
  • the electrical connection between the AC filter substrate 100 and the DC filter substrate 200 and the junction substrate 400, the junction substrate 400 and the driver substrate 500, and the driver substrate 500 and the power module substrate 600 is on the Z axis. It becomes connection along. Then, a flow of power along the XY plane is formed in each substrate.
  • the size can be reduced as compared to connecting the boards with a harness.
  • variations in EMC electromagnettic compatibility
  • the power supply device 1 mounts electrical components on each of the AC filter substrate 100, the DC filter substrate 200, the control substrate 300, the junction substrate 400, the driver substrate 500, and the power module substrate 600, for example, and then connects the substrates together. Manufactured.
  • step S11 the AC filter substrate 100 and each electrical component mounted on the AC filter substrate 100 are prepared.
  • the respective electric components are mounted on the AC filter substrate 100. Specifically, the leads of each electrical component are inserted and soldered so as to penetrate the corresponding through holes of the AC filter substrate 100 from the upper surface to the lower surface.
  • the DC filter substrate 200 and each electrical component mounted on the DC filter substrate 200 are prepared in step S21.
  • the respective electric components are mounted on the DC filter substrate 200. Specifically, the leads of the respective electric components are inserted and soldered so as to penetrate the corresponding through holes of the DC filter substrate 200 from the upper surface to the lower surface.
  • control board 300 in step S31, the control board 300 and an electric component such as a microcomputer mounted on the control board 300 and an integrated circuit are prepared.
  • the respective electric components are mounted on the control board 300. Specifically, the leads of the respective electric components are inserted and soldered so as to penetrate the corresponding through holes of the control substrate 300 from the lower surface to the upper surface.
  • the AC filter substrate 100, the DC filter substrate 200, and the control substrate 300, on which the electric components are mounted, are sub-ASSY-ized in step S101 to become the upper substrate sub-ASSY 1000.
  • the AC filter substrate 100 and the DC filter substrate 200 are disposed with a gap, respectively, and fixed using screws or the like.
  • step S41 the junction board 400, the capacitors and coils mounted on the junction board 400, and the terminals TA1 to TA11, TB1 to TB11, and TC1 to TC11 are prepared.
  • these capacitors and coils are mounted on the junction board 400. Specifically, the lead of each capacitor is inserted so as to penetrate the corresponding through hole of junction substrate 400 from the upper surface to the lower surface. Further, the leads of each coil are inserted so as to penetrate the corresponding through holes of junction substrate 400 from the lower surface to the upper surface. Thereafter, each capacitor and each coil are soldered to junction substrate 400 using a DIP soldering method.
  • step S43 the terminals TA1 to TA11, TB1 to TB11, and TC1 to TC11 are fixed to the junction substrate 400, respectively. Fixation of each terminal to junction substrate 400 is performed by press-fitting or inserting the leg of each terminal into the corresponding through hole of junction substrate 400 as described above.
  • step S102 the junction substrate 400 is fixed to the upper substrate sub-assembly 1000 to form the upper substrate assembly 1100. Specifically, junction substrate 400 is fixed to AC filter substrate 100 and DC filter substrate 200 in upper sub-ASSY 1000 using metal stud 32 and screw 33, respectively.
  • the driver substrate 500 the driver substrate 500 and the terminals TD1 to TD11, TE1 to TE11, and TF1 to TF11 are prepared in step S51.
  • the terminals TD1 to TD11, TE1 to TE11, and TF1 to TF11 are fixed to the driver substrate 500, respectively.
  • the fixing of each terminal to the driver substrate 500 is performed by press-fitting or inserting the leg of each terminal into the corresponding through hole of the driver substrate 500 as described above.
  • step S61 the power module substrate 600, a plurality of power semiconductors mounted on the power module substrate 600, and a plurality of pin terminals 31 are prepared.
  • the power semiconductors and the pin terminals are mounted on the power module substrate 600.
  • the power semiconductors and the pin terminals are respectively disposed on the upper surface of the power module substrate 600 and soldered using a DIP soldering method.
  • Each power semiconductor is formed as a chip component, and can be soldered to the power module substrate 600 in a wide area.
  • driver substrate 500 and the power module substrate 600 on which the electrical components are respectively mounted are sub-ASSY-ized in step S103 to be the lower substrate ASSY 1200.
  • each pin terminal mounted on the upper surface of power module substrate 600 is press-fit or inserted into the corresponding through hole of driver substrate 500, whereby driver substrate 500 and power module substrate 600 are fixed. .
  • step S102 The upper-side substrate ASSY 1100 sub-assembled in step S102 and the lower-side substrate ASSY 1200 sub-assembled in step S103 are connected in step S104 to become a substrate AS1300.
  • the upper substrate ASSY 1100 protrudes upward from the driver substrate 500 in the lower substrate ASSY 1200 at the opening of each of the terminals TA1 to TA11, TB1 to TB11, and TC1 to TC11 protruding downward from the junction substrate 400.
  • the upper substrate ASSY 1100 and the lower substrate ASSY 1200 are fixed by press-fitting or fitting in the tip portions of the terminals TD1 to TD11, TE1 to TE11, and TF1 to TF11.
  • step S105 the substrate ASSY 1300 is disposed in the housing 24. Specifically, the substrate ASSY 1300 is mounted on the bottom wall 25 so that the lower surface of the power module substrate 600 contacts the bottom wall 25 of the housing 24, and the substrate ASSY 1300 is mounted on the housing 24 using a screw or the like. It is fixed against.
  • the respective substrates are connected to form the substrate ASSY 1300, and the substrate ASSY 1300 is disposed in the housing 24, so the substrates are disposed in the housing.
  • the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the later mounting of the electrical component on the substrate.
  • the DIP method can be employed when mounting an electrical component on a substrate, the number of manufacturing steps can be significantly reduced.
  • the housing 24 is formed of a side surface and a bottom surface 25 and has a box shape with an open upper surface.
  • the water jacket 26 through which the cooling water flows is formed in the portion 25.
  • the water jacket 26 may be disposed in proximity to a plurality of surfaces.
  • the power module substrate 600 may be disposed on the side surface.
  • the switching power supply device is a switching power supply device having a plurality of power supply circuits connected to a plurality of phases of power supplies, and a filter circuit for preventing noise from entering from the power supply.
  • the electric component to be configured is mounted, and the output end of the filter circuit is mounted on the first substrate provided at one end side in the first direction, and the bottom wall portion of the housing in which the switching power supply device is accommodated.
  • a power semiconductor constituting a circuit provided in the subsequent stage of the filter circuit is mounted, and an input end of the circuit provided in the subsequent stage of the filter circuit is provided on one end side in the second direction crossing the first direction.
  • cooling of the heat-generating electrical component can be efficiently performed while achieving downsizing while coping with multi-phase alternating current.
  • the substrate structure according to the present disclosure it is possible to efficiently cool the heat-generating electrical component while achieving downsizing while coping with multi-phase alternating current, which is suitable for in-vehicle use.

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Abstract

複数相交流に対応し、小型化を図りながら発熱電気部品の冷却を効率良く行うべく、スイッチング電源装置は、複数相の電源と接続される複数の電源回路を有するスイッチング電源装置であって、前記電源からのノイズの侵入を防止するフィルタ回路を構成する電気部品が実装され、前記フィルタ回路の出力端が第1方向の一端側に設けられた第1の基板と、前記スイッチング電源装置が収容される筐体の底壁部に載置されるとともに、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路を構成するパワー半導体が実装され、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路の入力端が前記第1方向と交差する第2方向の一端側に設けられた第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板との間に配置され、前記出力端と、前記入力端とを電気的に接続する配線パターンが形成された第3の基板と、を備える。

Description

スイッチング電源装置
 本開示は、スイッチング電源装置に関する。
 車載用のスイッチング電源装置は、筐体内に、電力変換用のパワー半導体やコイル、コンデンサ、トランス等を実装した基板が配置されている。パワー半導体は発熱するため、効率良く冷却することが要求される。
 特許文献1には、筐体内にヒートシンクを内蔵し、ヒートシンクの上方空間および下方空間にそれぞれ基板を配置して、それぞれの基板にパワー半導体を実装するとともに、基板同士を配線により電気的に接続した構造が開示されている。
 特許文献1では、それぞれの基板に実装したパワー半導体を直接ヒートシンクに接触させることで、スイッチング電源装置の小型化を図りながら、パワー半導体の冷却効率を高めるようにしている。
特開2017-22337号公報
 特許文献1に記載のスイッチング電源装置は、単相交流用のスイッチング電源装置である。特許文献1に記載の構造で、複数相交流に対応可能なスイッチング電源装置を構成しようとすると、各相同士を絶縁する必要があるのに加え、基板同士を電気的に接続する配線や、パワー半導体とコイル、コンデンサ、トランス等を電気的に接続する配線が複雑化し、装置の大型化を招く。
 本開示の目的は、複数相交流に対応し、小型化を図りながら発熱電気部品の冷却を効率良く行うことができるスイッチング電源装置を提供することである。
 本開示の一形態は、複数相の電源と接続される複数の電源回路を有するスイッチング電源装置であって、前記電源からのノイズの侵入を防止するフィルタ回路を構成する電気部品が実装され、前記フィルタ回路の出力端が第1方向の一端側に設けられた第1の基板と、前記スイッチング電源装置が収容される筐体の底壁部に載置されるとともに、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路を構成するパワー半導体が実装され、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路の入力端が前記第1方向と交差する第2方向の一端側に設けられた第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板との間に配置され、前記出力端と、前記入力端とを電気的に接続する配線パターンが形成された第3の基板と、を備えるスイッチング電源装置である。
 本開示によれば、複数相交流に対応し、小型化を図りながら発熱電気部品の冷却を効率良く行うことができる。
本開示の実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路ブロック図 本開示の実施形態に係るスイッチング電源装置の構造を示す分解斜視図 本開示の実施形態に係るスイッチング電源装置の構造を示す横断面図 ACフィルタ基板の平面図 ジャンクション基板の平面図 ジャンクション基板の第1層における配線パターンを示す模式図 ジャンクション基板の第2層における配線パターンを示す模式図 ジャンクション基板の第3層における配線パターンを示す模式図 ジャンクション基板の第4層における配線パターンを示す模式図 ドライバ基板の平面図 パワーモジュール基板の平面図 DCフィルタ基板の平面図 制御基板の平面図 ACフィルタ基板とジャンクション基板との連結構造を示す部分拡大横断面図 ACフィルタ基板とジャンクション基板との連結構造を示す部分拡大横断面図 ジャンクション基板とドライバ基板との連結構造を示す部分拡大横断面図 ジャンクション基板とドライバ基板との連結構造を示す部分拡大横断面図 ドライバ基板とパワーモジュール基板との連結構造を示す部分拡大横断面図 ドライバ基板とパワーモジュール基板との連結構造を示す部分拡大横断面図 スイッチング電源装置の製造工程を示すフロー図 本開示の実施形態の変形例に係るスイッチング電源装置の構造を示す横断面図
 以下、本開示の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本開示はこの実施形態により限定されるものではない。
(スイッチング電源装置の全体構成)
 図1を参照して、スイッチング電源装置1(以下、単に「電源装置1」という。)の全体構成について説明する。図1は、電源装置1の構成を示す回路ブロック図である。なお、図1では、電力線上に、白抜きの三角印、丸印および四角印が記載されている。白抜きの三角印は、後述する連結部29を示している。また、白抜きの丸印は、後述する連結部28を示している。また、白抜きの四角印は、後述する連結部27を示している。
 電源装置1は、電気自動車等の車両に搭載され、三相交流電源である外部電源2からの交流電力を直流電力に変換し、バッテリー3へ出力する装置である。バッテリー3は、例えば車両のモータ駆動用のバッテリーである。バッテリー3としては、例えばリチウムイオンバッテリーが挙げられる。
 電源装置1は、外部電源2の各相に対応する電源回路4A、4Bおよび4Cと、DCフィルタ回路5と、制御回路6とを有する。電源回路4A、4Bおよび4Cは、それぞれ、ACフィルタ回路7と、単相全波整流回路8と、力率改善回路9と、コンデンサ10と、DC/DCコンバータ11とを有する。
 ACフィルタ回路7は、外部電源2からACフィルタ回路7の後段側へ侵入するノイズおよびACフィルタ回路7の後段側から外部電源2へ流出するノイズを低減する。ACフィルタ回路7は、コイル、コンデンサ等を有する。
 単相全波整流回路8は、ACフィルタ回路7から入力された交流電力を全波整流して直流電力に変換し、力率改善回路9に出力する。単相全波整流回路8は、4個のダイオード12(図1において不図示)からなるダイオードブリッジ回路である。
 力率改善回路9は、単相全波整流回路8から入力された電力の力率を改善するとともに、入力された電力の電圧を昇圧する機能を有する回路である。力率改善回路9は、コイル13、スイッチング素子14およびダイオード15を有する。
 電源回路4A、4Bおよび4Cは、それぞれ、単相全波整流回路8とコンデンサ10との間に並列に接続された2個の力率改善回路9を有する。これにより、インターリーブ型の力率改善回路を構成している。
 コンデンサ10は、力率改善回路9の出力側に接続され、力率改善回路9から出力された直流電力を平滑化する。当該直流電力の電圧は、力率改善回路9により昇圧されているため、コンデンサ10は比較的大容量のものとなる。
 DC/DCコンバータ11は、力率改善回路9からの出力をバッテリー3に充電可能な電圧に変換する回路である。DC/DCコンバータ11は、インバータ16と、トランス17と、2次側整流回路18と、コンデンサ19とを有する。
 インバータ16は、力率改善回路9から入力された直流電力を交流電力に変換し、トランス17に出力する。インバータ16は、4個のスイッチング素子20を有する。
 トランス17は、インバータ16からの交流電力の電圧を変圧し、2次側整流回路18に出力する。トランス17は、インバータ16の出力側に接続された送電コイル21と、2次側整流回路18の入力側に接続された受電コイル22とを有する。
 2次側整流回路18は、トランス17からの交流電力を直流電力に変換する回路である。2次側整流回路18は、4個のダイオード23(図1において不図示)からなるダイオードブリッジ回路である。
 コンデンサ19は、2次側整流回路18の出力側に接続され、2次側整流回路18から出力された直流電流を平滑化する。
 DCフィルタ回路5は、電源回路4A、4Bおよび4Cの後段に設けられる。DCフィルタ回路5は、各電源回路からバッテリー3へ流出するノイズおよびバッテリー3から各電源回路へ侵入するノイズを低減する。DCフィルタ回路5は、コイル、コンデンサ等を有する。
 制御回路6は、各電源回路における力率改善回路9のスイッチング素子14やDC/DCコンバータ11のスイッチング素子20をオンオフ制御することで、各電源回路の動作を制御するものである。
 つまり、制御回路6の制御の下、外部電源2から供給される電力が、各電源回路を介してバッテリー3に充電される。制御回路6は、基板上に実装されたマイコン、集積回路等から構成される。
(スイッチング電源装置の構造)
 次に、図2ないし図12を参照して、電源装置1の構造について説明する。図2は、電源装置1の構造を示す分解斜視図である。図3は、電源装置1の構造を示す横断面図である。図4は、ACフィルタ基板100の平面図である。図5Aは、ジャンクション基板400の平面図である。図5Bないし図5Eは、ジャンクション基板400における第1層ないし第4層の配線パターンを示す図である。図6は、ドライバ基板500の平面図である。図7は、パワーモジュール基板600の平面図である。図8は、DCフィルタ基板200の平面図である。図9は、制御基板300の平面図である。なお、図2ないし図9は、電源装置1の構造を模式的に示したものであり、説明と直接関係のない一部の部品や配線を省略している。また、図2ないし図9には、共通のX軸、Y軸およびZ軸が描かれている。X軸の正方向を+X方向、Y軸の正方向を+Y方向、Z軸の正方向を+Z方向(上方向)とそれぞれ定義する。
 図2に示すように、電源装置1は、ACフィルタ基板100、DCフィルタ基板200、制御基板300、ジャンクション基板400、ドライバ基板500およびパワーモジュール基板600を備える。これら各基板は、いずれも、XY平面に延在する略矩形形状の薄板部材である。
 図3に示すように、ACフィルタ基板100、DCフィルタ基板200、制御基板300、ジャンクション基板400、ドライバ基板500およびパワーモジュール基板600は、筐体24内に格納される。
 筐体24は、側面部と底面部とから構成され、上面が開口された箱型形状である。筐体24の底面部25には、冷却水が流通するウォータージャケット26が形成されている。パワーモジュール基板600は、底面部25に直接載置される。パワーモジュール基板600の上面には、複数の発熱電気部品が実装されており、パワーモジュール基板600が底面部25に直接載置されることで、パワーモジュール基板600の上面に実装された発熱電気部品の冷却を効率的に行うことができる。
 また、詳細は後述するが、パワーモジュール基板600に実装される複数の発熱電気部品は、チップ部品として形成されているため、発熱電気部品とパワーモジュール基板600との接触面積が広い。これによっても、発熱電気部品の冷却を効率的に行うことが可能となっている。
 パワーモジュール基板600の上側には、パワーモジュール基板600と隙間をあけて、ドライバ基板500が配置されている。パワーモジュール基板600とドライバ基板500とは、後述する連結部27によって、機械的および電気的に接続されている。
 ドライバ基板500の上側には、ドライバ基板500と隙間をあけて、ジャンクション基板400が配置されている。ドライバ基板500とジャンクション基板400とは、後述する連結部28によって、機械的および電気的に接続されている。
 ジャンクション基板400の上側には、ジャンクション基板400と隙間をあけて、制御基板300が配置されている。
 制御基板300の上側には、制御基板300と隙間をあけて、ACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200が配置されている。ACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200は、後述する連結部29によって、ジャンクション基板400と機械的および電気的に接続されている。
(ACフィルタ基板)
 図4を参照して、ACフィルタ基板100について説明する。ACフィルタ基板100は、ベースとなる絶縁板上に配線パターンを形成したものである。
 ACフィルタ基板100の上面には、コネクタ30、ACフィルタ回路7を構成するコイル、コンデンサ等の電気部品が実装され、それぞれ配線パターンに接続されている。具体的には、ACフィルタ基板100に設けられたリード貫通孔(不図示)に、各電気部品のリードが上面から下面に向かって貫通するように挿入され、ハンダ付けされている。
 ACフィルタ基板100には、三相交流のU相、V相およびW相のそれぞれに対応する3個のACフィルタ回路7A、7Bおよび7Cが、X軸に沿って並んで配置されている。具体的には、ACフィルタ基板100の-X端側にACフィルタ回路7Aが配置され、ACフィルタ回路7Aの+X側にACフィルタ回路7Bが配置され、ACフィルタ回路7Bの+X側にACフィルタ回路7Cが配置されている。各ACフィルタ回路は、互いに絶縁されている。
 ACフィルタ回路7A、7Bおよび7Cには、それぞれ、外部電源2と接続可能なコネクタ30を介して、電力が供給される。コネクタ30は、ACフィルタ基板100の-Y端側に設けられており、コネクタ30とACフィルタ回路7A、7Bおよび7Cの入力端とは、それぞれ、配線パターンによって電気的に接続されている。なお、図4では、コネクタ30とACフィルタ回路7A、7Bおよび7Cの入力端とをそれぞれ接続する配線パターンのうち、正極側の配線パターンPA1、PB1およびPC1のみを、模式的に示している。
 上述のとおり、各ACフィルタ回路は、それぞれ、ACフィルタ基板100上に実装されたコイル、コンデンサ等の電気部品から構成される。これらの電気部品は、各ACフィルタ回路の入力側(外部電源2側)から出力側(バッテリー3側)に向かって、概ね+Y方向に並ぶように配設される。そのため、各ACフィルタ回路の出力端は、ACフィルタ基板100の+Y端側に位置する。
 ACフィルタ回路7Aの出力端から延びる配線パターンPA2(正極)およびPA3(負極)は、貫通孔HA1およびHA2に至る。ACフィルタ回路7Bの出力端から延びる配線パターンPB2(正極)およびPB3(負極)は、貫通孔HB1およびHB2に至る。ACフィルタ回路7Cの出力端から延びる配線パターンPC2(正極)およびPC3(負極)は、貫通孔HC1およびHC2に至る。
 貫通孔HA1、HA2、HB1、HB2、HC1およびHC2は、それぞれ、ACフィルタ基板100をZ方向に貫通した孔である。貫通孔HA1、HA2、HB1、HB2、HC1およびHC2は、ACフィルタ基板100の+Y端側に、+X方向に並んで設けられている。
(ジャンクション基板)
 図5Aを参照して、ジャンクション基板400について説明する。ジャンクション基板400は、多層構造の絶縁基板の各層に配線パターンを形成したものである。
 ジャンクション基板400は、基本的には、電源回路4A、4Bおよび4Cにおける各電気部品同士を接続する配線としての役割を有する。
 ジャンクション基板400の+Y側端には、上述の貫通孔HA1、HA2、HB1、HB2、HC1およびHC2にそれぞれ対応する貫通孔HA3、HA4、HB3、HB4、HC3およびHC4が、+X方向に並んで設けられている。
 また、貫通孔HA3よりも-X端側において、複数の貫通孔HA5、HA6、HB5、HB6、HC5およびHC6が+Y方向に並んで設けられている。
 さらに、ジャンクション基板400の下面からは、電源回路4Aに関連する複数の端子TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA10およびTA11が-Z方向に突出して設けられている。
 さらにまた、ジャンクション基板400の下面からは、電源回路4Bに関連する複数の端子TB1、TB2、TB3、TB4、TB5、TB6、TB7、TB8、TB9、TB10およびTB11が-Z方向に突出して設けられている。
 さらにまた、ジャンクション基板400の下面からは、電源回路4Cに関連する複数の端子TC1、TC2、TC3、TC4、TC5、TC6、TC7、TC8、TC9、TC10およびTC11が-Z方向に突出して設けられている。
 ジャンクション基板400の下面から-Z方向に突出して設けられたこれらの端子は、すべて同形状である。
 また、ジャンクション基板400の-Y端側における下面には、複数のコイル13A1、13A2、13B1、13B2、13C1および13C2が、-X方向に並んで実装されている。具体的には、ジャンクション基板400に設けられたリード貫通孔(不図示)に、各コイルのリードが下面から上面に向かって貫通するように挿入され、ハンダ付けされている。
 さらに、ジャンクション基板400の-X端側における上面には、コンデンサ10A、10Bおよび10Cが、+Y方向に並んで実装されている。具体的には、ジャンクション基板400に設けられたリード貫通孔に、各電解コンデンサのリードが上面から下面に向かって貫通するように挿入され、ハンダ付けされている。
(ジャンクション基板の各層における配線パターン)
 図5Bないし図5Eを参照して、ジャンクション基板400の各層における配線パターンについて説明する。まず、第1層における配線パターンについて説明する。図5Bは、ジャンクション基板400の第1層の配線パターンを模式的に示したものである。
 第1層では、電源回路4Aに関係する構成として、配線パターンPA4が、貫通孔HA3と端子TA1とを接続している。具体的には、一端が貫通孔HA3に接続された配線パターンPA4が、+X方向かつ-Y方向に延び、端子TA1に至る。
 また、配線パターンPA5が、貫通孔HA4と端子TA2とを接続している。具体的には、一端が貫通孔HA4に接続された配線パターンPA5が、+X方向かつ-Y方向に延び、端子TA2に至る。
 また、配線パターンPA11が、端子TA10と貫通孔HA5とを接続している。具体的には、一端が端子TA10に接続された配線パターンPA11が、-X方向に延び、貫通孔HA5に至る。
 また、配線パターンPA12が、端子TA11と貫通孔HA6とを接続している。具体的には、一端が端子TA11に接続された配線パターンPA12が、-X方向に延び、貫通孔HA6に至る。
 また、配線パターンPA7が、コイル13A1の出力端と端子TA4とを接続している。具体的には、一端がコイル13A1の出力端に接続された配線パターンPA7が、+Y方向に延び、端子TA4に至る。
 さらに、配線パターンPA8が、コイル13A2の出力端と端子TA5とを接続している。具体的には、一端がコイル13A2の出力端に接続された配線パターンPA8が、+Y方向に延び、端子TA5に至る。
 電源回路4Bに関係する構成として、配線パターンPB4が、貫通孔HB3と端子TB1とを接続している。具体的には、一端が貫通孔HB3に接続された配線パターンPB4が、+X方向かつ-Y方向に延び、端子TB1に至る。
 また、配線パターンPB5が、貫通孔HB4と端子TB2とを接続している。具体的には、一端が貫通孔HB4に接続された配線パターンPB5が、+X方向かつ-Y方向に延び、端子TB2に至る。
 また、配線パターンPB11が、端子TB10と貫通孔HB5とを接続している。具体的には、一端が端子TB10に接続された配線パターンPB11が、-X方向に延び、貫通孔HB5に至る。
 また、配線パターンPB12が、端子TB11と貫通孔HB6とを接続している。具体的には、一端が端子TB11に接続された配線パターンPB12が、-X方向に延び、貫通孔HB6に至る。
 電源回路4Cに関係する構成として、配線パターンPC4が、貫通孔HC3と端子TC1とを接続している。具体的には、一端が貫通孔HC3に接続された配線パターンPC4が、+X方向かつ-Y方向に延び、端子TC1に至る。
 また、配線パターンPC5が、貫通孔HC4と端子TC2とを接続している。具体的には、一端が貫通孔HC4に接続された配線パターンPC5が、+X方向かつ-Y方向に延び、端子TC2に至る。
 また、配線パターンPC11が、端子TC10と貫通孔HC5とを接続している。具体的には、一端が端子TC10に接続された配線パターンPC11が、-X方向に延び、貫通孔HC5に至る。
 また、配線パターンPC12が、端子TC11と貫通孔HC6とを接続している。具体的には、一端が端子TC11に接続された配線パターンPC12が、-X方向に延び、貫通孔HC6に至る。
 次に、第2層における配線パターンについて説明する。図5Cは、ジャンクション基板400の第2層の配線パターンを模式的に示したものである。
 第2層では、電源回路4Aに関係する構成として、配線パターンPA9が、端子TA6と、コンデンサ10Aの正極端および端子TA8とを接続している。具体的には、一端が端子TA6に接続された配線パターンPA9が、-X方向に延び、端子TA8およびコンデンサ10Aの正極端に至る。
 また、電源回路4Bに関係する構成として、配線パターンPB9が、端子TB6と、コンデンサ10Bの正極端および端子TB8とを接続している。具体的には、一端が端子TB6に接続された配線パターンPB9が、-X方向に延び、端子TB8およびコンデンサ10Bの正極端に至る。
 また、電源回路4Cに関係する構成として、配線パターンPC9が、端子TC6と、コンデンサ10Cの正極端および端子TC8とを接続している。具体的には、一端が端子TC6に接続された配線パターンPC9が、-X方向に延び、端子TC8およびコンデンサ10Cの正極端に至る。
 次に、第3層における配線パターンについて説明する。図5Dは、ジャンクション基板400の第3層の配線パターンを模式的に示したものである。
 第3層では、電源回路4Aに関係する構成として、配線パターンPA10が、端子TA7と、コンデンサ10Aの負極端および端子TA9とを接続している。具体的には、一端が端子TA7に接続された配線パターンPA10が、-X方向に延び、端子TA9およびコンデンサ10Aの負極端に至る。
 また、電源回路4Bに関係する構成として、配線パターンPB10が、端子TB7と、コンデンサ10Bの負極端および端子TB9とを接続している。具体的には、一端が端子TB7に接続された配線パターンPB10が、-X方向に延び、端子TB9およびコンデンサ10Bの負極端に至る。
 また、電源回路4Cに関係する構成として、配線パターンPC10が、端子TC7と、コンデンサ10Cの負極端および端子TC9とを接続している。具体的には、一端が端子TC7に接続された配線パターンPC10が、-X方向に延び、端子TC9およびコンデンサ10Cの負極端に至る。
 次に、第4層における配線パターンについて説明する。図5Eは、ジャンクション基板400の第4層の配線パターンを模式的に示したものである。
 第4層では、電源回路4Aに関係する構成として、配線パターンPA6が、端子TA3と、コイル13A1の入力端およびコイル13A2の入力端とを接続している。具体的には、一端が端子TA3に接続された配線パターンPA6が、-X方向および-Y方向に延び、コイル13A1の入力端およびコイル13A2の入力端に至る。
 電源回路4Bに関係する構成として、配線パターンPB6が、端子TB3と、コイル13B1の入力端およびコイル13B2の入力端とを接続している。具体的には、一端が端子TB3に接続された配線パターンPB6が、-X方向および-Y方向に延び、コイル13B1の入力端およびコイル13B2の入力端に至る。
 また、配線パターンPB7が、コイル13B1の出力端と端子TB4とを接続している。具体的には、一端がコイル13B1の出力端に接続された配線パターンPB7が、+X方向および+Y方向に延び、端子TB4に至る。
 さらに、配線パターンPB8が、コイル13B2の出力端と端子TB5とを接続している。具体的には、一端がコイル13B2の出力端に接続された配線パターンPB8が、+X方向および+Y方向に延び、端子TB5に至る。
 電源回路4Cに関係する構成として、配線パターンPC6が、端子TC3と、コイル13C1の入力端およびコイル13C2の入力端とを接続している。具体的には、一端が端子TC3に接続された配線パターンPC6が、-X方向および-Y方向に延び、コイル13C1の入力端およびコイル13C2の入力端に至る。
 また、配線パターンPC7が、コイル13C1の出力端と端子TC4とを接続している。具体的には、一端がコイル13C1の出力端に接続された配線パターンPC7が、+X方向および+Y方向に延び、端子TC4に至る。
 さらに、配線パターンPC8が、コイル13C2の出力端と端子TC5とを接続している。具体的には、一端がコイル13C2の出力端に接続された配線パターンPC8が、+X方向および+Y方向に延び、端子TC5に至る。
 なお、各層に設けられる配線パターンの種類は上述の例には限定されない。
(ドライバ基板)
 図6を参照して、ドライバ基板500について説明する。ドライバ基板500は、ベースとなる絶縁板上に配線パターンを形成したものである。
 ドライバ基板500の上面からは、電源回路4Aに関連する複数の端子TD1、TD2、TD3、TD4、TD5、TD6、TD7、TD8、TD9、TD10およびTD11が+Z方向に突出して設けられている。
 また、ドライバ基板500の上面からは、電源回路4Bに関連する複数の端子TE1、TE2、TE3、TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10およびTE11が+Z方向に突出して設けられている。
 さらにまた、ドライバ基板500の上面からは、電源回路4Cに関連する複数の端子TF1、TF2、TF3、TF4、TF5、TF6、TF7、TF8、TF9、TF10およびTF11が+Z方向に突出して設けられている。
 ドライバ基板500の上面から+Z方向に突出して設けられたこれらの端子は、すべて同形状である。端子TD1~TD11、TE1~TE11、TF1~TF11は、それぞれ、ジャンクション基板400に設けられた端子TA1~TA11、TB1~TB11、TC1~TC11と対応している。
 また、ドライバ基板500には、ドライバ基板500をZ方向に貫通する複数の貫通孔が設けられている(図6において不図示)。詳細については後述するが、これら貫通孔には、パワーモジュール基板600から+Z方向に突出するように設けられたピン端子31が挿入される。
 また、ドライバ基板500には、配線を介してトランス17が接続されている。なお、トランス17は、図3に示すように、ジャンクション基板400を挟んでコンデンサ13と反対側に配設されるため、筐体24の上下方向の寸法が大きくなることを抑制することができる。
(パワーモジュール基板)
 図7を参照して、パワーモジュール基板600について説明する。パワーモジュール基板600は、ベースとなるアルミ板上に例えばエポキシ樹脂からなる絶縁被膜を施し、当該絶縁被膜上に配線パターンを形成したものである。
 パワーモジュール基板600の上面には、単相全波整流回路8、力率改善回路9、DC/DCコンバータ11を構成するパワー半導体(パワーモジュールともいう。以下同じ。)が実装されている。なお、本明細書において、「パワー半導体」は、電力の制御や供給を行う半導体を指す。
 具体的には、各電源回路に対応してそれぞれ、単相全波整流回路8における4個のダイオード12、力率改善回路9における2個のスイッチング素子14および2個のダイオード15、DC/DCコンバータ11における4個のスイッチング素子20および4個のダイオード23が実装されている。
 単相全波整流回路8の入力端は、パワーモジュール基板600の+X端側に位置しており、これらのパワー半導体は、各電源装置の入力側(外部電源2側)から出力側(バッテリー3側)に向かって、概ね-X方向に並ぶように配設される。
 また、パワーモジュール基板600の上面には、パワーモジュール基板600に実装されたこれらパワー半導体と、ドライバ基板とを、機械的および電気的に接続するための複数のピン端子31(図7において不図示)が実装されている。
 本実施形態では、パワーモジュール基板600上に、互いに絶縁が必要な、単相全波整流回路8および力率改善回路9を構成するパワー半導体と、DC/DCコンバータ11の一次側を構成するパワー半導体と、DC/DCコンバータ11の2次側を構成するパワー半導体と、を配置している。
 この場合、AC系とDC系との干渉により各回路においてノイズが発生しやすくなるが、本実施形態では、外部電源2との間にACフィルタ回路7、バッテリー3との間にDCフィルタ回路5がそれぞれ設けられているため、各回路において発生したノイズが外部電源2またはバッテリー3に流出することを好適に抑制することができる。
(DCフィルタ基板)
 図8を参照して、DCフィルタ基板200について説明する。DCフィルタ基板200は、ベースとなる絶縁板上に配線パターンを形成したものである。
 DCフィルタ基板200の上面には、コンデンサ19、DCフィルタ回路5を構成するコイル、コンデンサ等の電気部品38が実装され、それぞれ配線パターンと接続されている。また、DCフィルタ基板200の-Y端側には、バッテリー3との接続に用いられるコネクタと接続される出力端子39が設けられている。
 DCフィルタ基板200の-X端側には、上述の貫通孔HA5、HA6、HB5、HB6、HC5およびHC6にそれぞれ対応する貫通孔HA7、HA8、HB7、HB8、HC7およびHC8が、+Y方向に並んで設けられている。
 各貫通孔は、それぞれ配線パターンPA12、PA13、PB12、PB13、PC12およびPC13の一端であり、各配線パターンは、コンデンサ19およびDCフィルタ回路5の入力端と接続されている。
 DCフィルタ回路5の出力端と、バッテリー3との接続に用いられるコネクタとの接続に用いられる出力端子39とは、配線パターンで接続されている。
(制御基板)
 図9を参照して、制御基板300について説明する。制御基板300は、ベースとなる絶縁板上に配線パターンを形成したプリント基板である。
 制御基板300の下面には、制御回路6を構成するマイコン、集積回路等の電気部品40が実装され、それぞれ配線パターンと接続されている。
 具体的には、制御基板300に設けられたリード貫通孔(不図示)に、マイコン、集積回路等のリードが下面から上面に向かって貫通するように挿入され、ハンダ付けされている。
(ACフィルタ基板およびDCフィルタ基板とジャンクション基板との連結部の構造)
 図10Aおよび図10Bを参照して、ACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200と、ジャンクション基板400とを連結する連結部29の構造について、詳細に説明する。図10Aおよび図10Bは、ACフィルタ基板100とジャンクション基板400との連結構造を示す部分拡大横断面図である。図10Aは、ACフィルタ基板100とジャンクション基板400とが連結部29によって連結された状態を示す図である。図10Bは、ACフィルタ基板100とジャンクション基板400との連結手順を説明する図である。
 図10Aに示すように、ジャンクション基板400は、制御基板300を挟んでACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200の-Z方向側に位置する。
 ACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200は、Z軸に沿って延在するメタルスタッド32によって、ジャンクション基板400と連結される。また、各メタルスタッドは、ACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200とジャンクション基板400とを電気的にも接続する。
 ここでは一例として、ACフィルタ基板100に設けられた貫通孔HA1と、ジャンクション基板400に設けられた貫通孔HA3とを、メタルスタッド32によって連結する構造について説明する。
 図10Bに示すように、メタルスタッド32の一端面および他端面には、ビス33の雄ネジ部33aが螺入可能な雌ネジ部32aが設けられている。
 メタルスタッド32の一端面における雌ネジ部32aと、貫通孔HA1とを位置合わせした状態で、必要に応じてメタルスタッド32の一端面をACフィルタ基板100の下面に当接させ、雌ネジ部32aにビス33の雄ネジ部33aを螺入することによって、ACフィルタ基板100とメタルスタッド32とが固定される。
 また、メタルスタッド32の他端面における雌ネジ部32aと、貫通孔HA3とを位置合わせした状態で、必要に応じてメタルスタッド32の他端面をジャンクション基板400の上面に当接させ、雌ネジ部32aにビス33の雄ネジ部33aを螺入することによって、ジャンクション基板400とメタルスタッド32とが固定される。
 ACフィルタ基板100とジャンクション基板400とが連結部29によって連結されることで、貫通孔HA1と貫通孔HA3とは、ビス33およびメタルスタッド32を介して電気的に接続される。
(ジャンクション基板とドライバ基板との連結部の構造)
 図11Aおよび図11Bを参照して、ジャンクション基板400と、ドライバ基板500とを連結する連結部28の構造について、詳細に説明する。図11Aおよび図11Bは、ジャンクション基板400とドライバ基板500との連結構造を示す部分拡大横断面図である。図11Aは、ジャンクション基板400とドライバ基板500とが連結部28によって連結された状態を示す図である。図11Bは、ジャンクション基板400とドライバ基板500との連結手順を説明する図である。
 ここでは一例として、ジャンクション基板400に設けられた端子TA1と、ドライバ基板500に設けられた端子TD1との連結構造について説明する。
 端子TA1は、ジャンクション基板400に設けられた貫通孔に挿入される脚部34と、端子TD1との連結を行うための開口部35と、を有する。脚部34がジャンクション基板400の貫通孔に圧入または嵌入されることで、端子TA1はジャンクション基板400に対して固定される。
 端子TD1は、ドライバ基板500に設けられた貫通孔に挿入される脚部36と、端子TA1との連結を行うための先端部37と、を有する。脚部36がドライバ基板500の貫通孔に圧入または嵌入されることで、端子TD1はドライバ基板500に対して固定される。
 端子TA1および端子TD1がそれぞれジャンクション基板400およびドライバ基板500に固定された状態で、端子TA1の開口部35に、端子TD1の先端部37が圧入または嵌入されることで、端子TA1と端子TD1とは連結される。なお、端子TA1に先端部を設け、端子TD1に開口部を設けるようにしてもよい。
(ドライバ基板とパワーモジュール基板との連結部の構造)
 図12Aおよび図12Bを参照して、ドライバ基板500と、パワーモジュール基板600とを連結する連結部27の構造について、詳細に説明する。図12Aおよび図12Bは、ドライバ基板500とパワーモジュール基板600との連結構造を示す部分拡大横断面図である。図12Aは、ドライバ基板500とパワーモジュール基板600とが連結部27によって連結された状態を示す図である。図12Bは、ドライバ基板500とパワーモジュール基板600との連結手順を説明する図である。
 連結部27は、パワーモジュール基板600の上面に設けられ、+Z方向に延在するピン端子31と、ドライバ基板500に設けられた貫通孔とにより構成される。
 具体的には、ピン端子31がドライバ基板500の貫通孔に圧入または嵌入されることで、ドライバ基板500とパワーモジュール基板600は連結され、電気的にも接続される。
(電源装置を構成する各回路の接続構造)
 ここで、一例として、外部電源2から、電源回路4AおよびDCフィルタ回路5を介してバッテリー3に至るまでの各回路の接続構造について説明する。
 外部電源2は、ACフィルタ回路7Aの入力端と接続されている。ACフィルタ回路7Aの入力端は、ACフィルタ基板100の-Y端側に設けられており、ACフィルタ回路7Aの出力端は、ACフィルタ基板100の+Y端側に設けられている。そのため、ACフィルタ回路7Aにおける電力の流れは、概ね-Y端側から+Y端側へ向かった流れとなる。
 一方、ACフィルタ回路7Aの後段に設けられた単相全波整流回路8の入力端は、パワーモジュール基板600の+X端側に設けられている。そこで、ACフィルタ基板100の+Y端側に設けられたACフィルタ回路7Aの出力端と、パワーモジュール基板600の+X端側に設けられた単相全波整流回路8の入力端とを電気的に接続するために、ジャンクション基板400が用いられる。
 具体的には、ACフィルタ回路7Aの出力端(正極)は、配線パターンPA2および連結部29(貫通孔HA1、メタルスタッド32および貫通孔HA3)を介して、ジャンクション基板400に形成された配線パターンPA4の一端と接続される。
 また、ACフィルタ回路7Aの出力端(負極)は、配線パターンPA3および連結部29(貫通孔HA2、メタルスタッド32および貫通孔HA4)を介して、ジャンクション基板400に形成された配線パターンPA5の一端と接続される。なお、配線パターンPA4およびPA5の一端はそれぞれ、ジャンクション基板400の+Y端側に位置している。
 配線パターンPA4およびPA5は、一端から他端に向けて、+X方向かつ-Y方向に延在している。配線パターンPA4およびPA5の他端は、ジャンクション基板400の+X端側に位置する端子TA1およびTA2に至る。
 端子TA1は、ドライバ基板500に設けられた端子TD1とともに連結部28を構成する。また、端子TA2は、ドライバ基板500に設けられた端子TD2とともに連結部28を構成する。さらに、ドライバ基板500とパワーモジュール基板600とは、連結部27によって電気的に接続されている。
 そのため、ACフィルタ基板100の+Y端側に設けられたACフィルタ回路7Aの出力端を、連結部29、ジャンクション基板400に形成された配線パターン、連結部28および連結部27を介して、パワーモジュール基板600の+X端側に設けられた単相全波整流回路8の入力端と接続することができる。
 単相全波整流回路8の正極側の出力端は、連結部27および連結部28を介して、ジャンクション基板400の端子TA3に接続される。さらに、配線パターンPA6によって、ジャンクション基板400の-Y端側に実装されたコイル13A1および13A2の入力端と接続される。
 コイル13A1および13A2の出力端は、それぞれ、配線パターンPA7およびPA8によって端子TA4およびTA5と接続され、さらに、連結部28および連結部27を介して、パワーモジュール基板600に実装されたスイッチング素子14の正極側およびダイオード15のアノードに接続される。
 ダイオード15のカソードは、再び連結部27および連結部28を介して、ジャンクション基板400の端子TA6に接続される。さらに、-X方向に延在する配線パターンPA9によって、ジャンクション基板400の-X端側に実装されたコンデンサ10Aの正極側に接続される。
 また、ダイオード15のカソードは、配線パターンPA9から連結部28および連結部27を介して、パワーモジュール基板600に実装されたインバータ16の正極側の入力端に接続される。
 単相全波整流回路8の負極側の出力端は、スイッチング素子14の負極側に接続されるとともに、連結部27および連結部28を介して、ジャンクション基板400の端子TA7に至る。さらに、-X方向に延在する配線パターンPA10によって、ジャンクション基板400の-X端側の上面に実装されたコンデンサ10Aの負極側に接続される。
 また、単相全波整流回路8の負極側の出力端は、配線パターンPA10から連結部28および連結部27を介して、パワーモジュール基板600に実装されたインバータ16の負極側の入力端に接続される。
 インバータ16の出力端は、連結部27を介して、ドライバ基板500と接続されたトランス17における送電コイル21に接続される。
 トランス17における受電コイル22は、連結部27を介して、パワーモジュール基板600に実装された2次側整流回路18の入力端に接続される。
 2次側整流回路18の出力端(正極)は、連結部27および連結部28を介して、ジャンクション基板400の端子TA10に至る。さらに、配線パターンPA11、連結部29(貫通孔HA5、メタルスタッド32および貫通孔HA7)を介して、DCフィルタ基板200に実装されたコンデンサ19の正極側およびDCフィルタ回路5の入力端に接続される。
 2次側整流回路18の出力端(負極)も同様に、連結部27および連結部28を介して、ジャンクション基板400の端子TA11に至る。さらに、配線パターンPA12、連結部29(貫通孔HA6、メタルスタッド32および貫通孔HA8)を介して、DCフィルタ基板200に実装されたコンデンサ19の負極側およびDCフィルタ回路5の入力端に接続されている。DCフィルタ回路5の出力端は、上述のとおり、DCフィルタ基板200の-Y端側に位置し、バッテリー3と接続される。
 以上説明したように、ACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200とジャンクション基板400、ジャンクション基板400とドライバ基板500、ドライバ基板500とパワーモジュール基板600との間の電気的な接続は、それぞれZ軸に沿った接続となる。そして、各基板内でそれぞれ、XY平面に沿った電力の流れが形成される。
 そのため、基板同士をハーネスで接続するのに比べ、小型化することができる。また、配線の位置を一定とすることができるため、EMC(electromagnetic compatibility)のバラツキを低減することができる。
(電源装置の製造方法)
 図13を参照して、電源装置1の製造方法の一例について説明する。電源装置1は、例えば、ACフィルタ基板100、DCフィルタ基板200、制御基板300、ジャンクション基板400、ドライバ基板500およびパワーモジュール基板600のそれぞれに電気部品を実装した後、基板同士を連結することで製造される。
 ACフィルタ基板100については、ステップS11で、ACフィルタ基板100と、ACフィルタ基板100に実装される各電気部品とが準備される。
 続くステップS12で、これら各電気部品がACフィルタ基板100に実装される。具体的には、各電気部品のリードが、それぞれ、ACフィルタ基板100の対応する貫通孔を上面から下面に向けて貫通するように挿入され、ハンダ付けされる。
 DCフィルタ基板200についても同様に、ステップS21で、DCフィルタ基板200と、DCフィルタ基板200に実装される各電気部品とが準備される。
 続くステップS22で、これら各電気部品がDCフィルタ基板200に実装される。具体的には、各電気部品のリードが、それぞれ、DCフィルタ基板200の対応する貫通孔を上面から下面に向けて貫通するように挿入され、ハンダ付けされる。
 制御基板300については、ステップS31で、制御基板300と、制御基板300に実装されるマイコン、集積回路等の電気部品とが準備される。
 続くステップS32で、これら各電気部品が制御基板300に実装される。具体的には、各電気部品のリードが、それぞれ、制御基板300の対応する貫通孔を下面から上面に向けて貫通するように挿入され、ハンダ付けされる。
 それぞれ電気部品が実装されたACフィルタ基板100、DCフィルタ基板200および制御基板300は、ステップS101においてサブASSY化され、上側基板サブASSY1000となる。具体的には、制御基板300の上側に、ACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200がそれぞれ隙間を空けて配置され、ビス等を用いて固定される。
 また、ジャンクション基板400については、ステップS41で、ジャンクション基板400と、ジャンクション基板400に実装される各コンデンサおよびコイルと、端子TA1~TA11、TB1~TB11、TC1~TC11とが準備される。
 続くステップS42で、これら各コンデンサおよびコイルがジャンクション基板400に実装される。具体的には、各コンデンサのリードが、それぞれ、ジャンクション基板400の対応する貫通孔を上面から下面に向けて貫通するように挿入される。また、各コイルのリードが、それぞれ、ジャンクション基板400の対応する貫通孔を下面から上面に向けて貫通するように挿入される。そしてその後、各コンデンサおよび各コイルは、DIPハンダ工法を用いてジャンクション基板400に対してハンダ付けされる。
 さらに、ステップS43で、端子TA1~TA11、TB1~TB11、TC1~TC11が、それぞれ、ジャンクション基板400に対して固定される。各端子のジャンクション基板400に対する固定は、上述のとおり、各端子の脚部をジャンクション基板400の対応する貫通孔に圧入または嵌入することにより行われる。
 ステップS102において、上側基板サブASSY1000に対して、ジャンクション基板400が固定され、上側基板ASSY1100となる。具体的には、ジャンクション基板400が、上側サブASSY1000におけるACフィルタ基板100およびDCフィルタ基板200と、それぞれ、メタルスタッド32およびビス33を用いて固定される。
 一方、ドライバ基板500については、ステップS51で、ドライバ基板500と、端子TD1~TD11、TE1~TE11、TF1~TF11とが準備される。
 続くステップS52で、端子TD1~TD11、TE1~TE11、TF1~TF11が、それぞれ、ドライバ基板500に対して固定される。各端子のドライバ基板500に対する固定は、上述のとおり、各端子の脚部をドライバ基板500の対応する貫通孔に圧入または嵌入することにより行われる。
 また、パワーモジュール基板600については、ステップS61で、パワーモジュール基板600と、パワーモジュール基板600に実装される複数のパワー半導体と、複数のピン端子31とが準備される。
 続くステップS62で、これら各パワー半導体および各ピン端子がパワーモジュール基板600に実装される。具体的には、各パワー半導体および各ピン端子が、それぞれ、パワーモジュール基板600の上面に配置され、DIPハンダ工法を用いてハンダ付けされる。なお、各パワー半導体はチップ部品として形成されており、広い面積でパワーモジュール基板600へのハンダ付けが可能である。
 それぞれ電気部品が実装されたドライバ基板500およびパワーモジュール基板600は、ステップS103においてサブASSY化され、下側基板ASSY1200となる。具体的には、パワーモジュール基板600の上面に実装された各ピン端子が、ドライバ基板500の対応する貫通孔に圧入または嵌入されることで、ドライバ基板500とパワーモジュール基板600とが固定される。
 ステップS102においてサブASSY化された上側基板ASSY1100と、ステップS103においてサブASSY化された下側基板ASSY1200とは、ステップS104において連結され、基板ASSY1300となる。
 具体的には、上側基板ASSY1100におけるジャンクション基板400から下側に突出した端子TA1~TA11、TB1~TB11、TC1~TC11のそれぞれの開口部に、下側基板ASSY1200におけるドライバ基板500から上側に突出した端子TD1~TD11、TE1~TE11、TF1~TF11のそれぞれの先端部が圧入または嵌入されることで、上側基板ASSY1100と下側基板ASSY1200とが固定される。
 ステップS104に続くステップS105で、基板ASSY1300が、筐体24内に配置される。具体的には、パワーモジュール基板600の下面が筐体24の底壁部25と接触するように、基板ASSY1300が底壁部25に載置され、ビス等を用いて基板ASSY1300が筐体24に対して固定される。
 本製造方法によれば、各基板に電気部品を実装した状態で、各基板同士を連結して基板ASSY1300とし、基板ASSY1300を筐体24内に配置するようにしたため、筐体内に基板を配置した後に基板に対する電気部品の実装を行うのに比べ、製造工数を削減することができる。特に、基板に電気部品を実装する際にDIP工法を採用することができるため、製造工数を大幅に削減することができる。
(変形例)
 本実施形態の電源装置1の構造については、図3に示すとおり、筐体24は、側面部と底面部25とから構成され、上面が開口された箱型形状であり、筐体24の底面部25には、冷却水が流通するウォータージャケット26が形成されているが、ウォータージャケット26を図14に示すように複数の面に近接するように配置するようにしてもよい。そして、この場合にパワーモジュール基板600を側面部に配するようにしてもよい。このような構成にすることで、ウォータージャケット26に流通する冷却水によりパワーモジュール基板600に実装された発熱電気部品の冷却を効率的に行うことができる。なお、図示しないが底面部25と側面部に分けてパワーモジュール基板600を配置しても同様の効果を得ることができる。
 以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源装置は、複数相の電源と接続される複数の電源回路を有するスイッチング電源装置であって、前記電源からのノイズの侵入を防止するフィルタ回路を構成する電気部品が実装され、前記フィルタ回路の出力端が第1方向の一端側に設けられた第1の基板と、前記スイッチング電源装置が収容される筐体の底壁部に載置されるとともに、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路を構成するパワー半導体が実装され、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路の入力端が前記第1方向と交差する第2方向の一端側に設けられた第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板との間に配置され、前記出力端と、前記入力端とを電気的に接続する配線パターンが形成された第3の基板と、を備えるスイッチング電源装置である。
 そのため、複数相交流に対応し、小型化を図りながら発熱電気部品の冷却を効率良く行うことができる。
 2017年12月27日出願の特願2017-251243の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、全て本願に援用される。
 本開示に係る基板構造によれば、複数相交流に対応し、小型化を図りながら発熱電気部品の冷却を効率良く行うことができ、車載用途に好適である。
 1 スイッチング電源装置(電源装置)
 2 外部電源
 3 バッテリー
 4A、4B、4C 電源回路
 5 DCフィルタ回路
 6 制御回路
 7、7A、7B、7C ACフィルタ回路
 8 単相全波整流回路
 9 力率改善回路
 10、10A、10B、10C コンデンサ
 11 DC/DCコンバータ
 12 ダイオード
 13、13A1、13A2、13B1、13B2、13C1、13C2 コイル
 14 スイッチング素子
 15 ダイオード
 16 インバータ
 17 トランス
 18 2次側整流回路
 19 コンデンサ
 20 スイッチング素子
 21 送電コイル
 22 受電コイル
 23 ダイオード
 24 筐体
 25 底面部
 26 ウォータージャケット
 27 連結部
 28 連結部
 29 連結部
 30 コネクタ
 31 ピン端子
 32 メタルスタッド
 32a 雌ネジ部
 33 ビス
 33a 雄ネジ部
 34 脚部
 35 開口部
 36 脚部
 37 先端部
 38 電気部品
 39 出力端子
 40 電気部品
 100 ACフィルタ基板
 200 DCフィルタ基板
 300 制御基板
 400 ジャンクション基板
 500 ドライバ基板
 600 パワーモジュール基板
 1000 上側基板サブASSY
 1100 上側基板ASSY
 1200 下側基板ASSY
 1300 基板ASSY
 HA1、HA2、HA3、HA4、HA5、HA6、HA7、HA8 貫通孔
 HB1、HB2、HB3、HB4、HB5、HB6、HB7、HB8 貫通孔
 HC1、HC2、HC3、HC4、HC5、HC6、HC7、HC8 貫通孔
 PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7、PA8、PA9、PA10、PA11、PA12、PA13 配線パターン
 PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PB10、PB11、PB12、PB13 配線パターン
 PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6、PC7、PC8、PC9、PC10、PC11、PC12、PC13 配線パターン
 TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA10、TA11 端子
 TB1、TB2、TB3、TB4、TB5、TB6、TB7、TB8、TB9、TB10、TB11 端子
 TC1、TC2、TC3、TC4、TC5、TC6、TC7、TC8、TC9、TC10、TC11 端子
 TD1、TD2、TD3、TD4、TD5、TD6、TD7、TD8、TD9、TD10、TD11 端子
 TE1、TE2、TE3、TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10、TE11 端子
 TF1、TF2、TF3、TF4、TF5、TF6、TF7、TF8、TF9、TF10、TF11 端子

Claims (5)

  1.  複数相の電源と接続される複数の電源回路を有するスイッチング電源装置であって、
     前記外部電源からのノイズの侵入を防止するフィルタ回路を構成する電気部品が実装され、前記フィルタ回路の出力端が第1方向の一端側に設けられた第1の基板と、
     前記スイッチング電源装置が収容される筐体の底壁部に載置されるとともに、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路を構成するパワー半導体が実装され、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路の入力端が前記第1方向と交差する第2方向の一端側に設けられた第2の基板と、
     前記第1の基板と前記第2の基板との間に配置され、前記出力端と、前記入力端とを電気的に接続する配線パターンが形成された第3の基板と、を備える
     スイッチング電源装置。
  2.  前記第2の基板には、前記フィルタ回路の後段に設けられる回路を構成する全てのパワー半導体が実装されている、
     請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  3.  前記電源回路は、スイッチング素子、ダイオードおよびコイルを含む力率改善回路を有し、前記スイッチング素子および前記ダイオードが前記第2の基板に実装されるとともに、前記コイルが前記第3の基板に実装される、
     請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  4.  前記電源回路は、前記力率改善回路の後段に設けられるコンデンサを有し、前記コンデンサが前記第3の基板に実装される、
     請求項3に記載のスイッチング電源装置。
  5.  前記第2の基板は、アルミ基板である、
     請求項1に記載のスイッチング電源装置。
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