WO2023084999A1 - 電源装置 - Google Patents

Abstract

電源装置（１）は、電圧変換機能を有する電子部品ユニット（１０）と、多層構造の回路基板（２０）と、を備える。電子部品ユニット（１０）は、螺旋状に旋回する導体パターン（２１）で構成される第１旋回部（１６ａ）と、逆向きの螺旋状に旋回する導体パターン（２１）で構成される第２旋回部（１６ｂ）と、が隣り合うように配置され、第１旋回部（１６ａ）及び第２旋回部（１６ｂ）の入力端（２２）に共通の入力がなされる、インダクタ部（１５）を有する。

Description

電源装置

　本発明は、入力電圧を所定の目標電圧に変換して出力する電圧変換機能を有する電子部品ユニットと、電子部品ユニットが実装される回路基板と、を備える電源装置に関する。

　従来から、例えば、ハイブリッド自動車等の車両に搭載されるバッテリとインバータとの間における電力変換等の目的で、ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている（例えば、特許文献１を参照。）。ＤＣ／ＤＣコンバータは、一般に、電力変換処理を行った後の電流の平滑化やノイズ除去等の目的で、各種のインダクタを内蔵している。

日本国特開２０１９－１９３５１７号公報

　ところで、一般に、上述した種類のインダクタの作動時には、インダクタに生じる磁界等が周辺の空間に伝達されることに起因したノイズ（いわゆる、放射ノイズ）が生じる。特に、スイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバータのように、大電流かつ高周波でのスイッチング制御が行われる場合、インダクタの放射ノイズも大きくなることが知られている。インダクタの放射ノイズは、ＤＣ／ＤＣコンバータ内の他の電子部品の適正な作動の妨げ等の原因ともなり得る。よって、インダクタでの放射ノイズは、出来る限り低減されることが望ましい。

　本発明の目的の一つは、放射ノイズを低減可能なインダクタを有する電源装置の提供である。

　本発明の一の側面において、電源装置は、
　入力電圧を所定の目標電圧に変換して出力する電圧変換機能を有する電子部品ユニットと、前記電子部品ユニットが実装される回路基板と、を備え、
　前記回路基板は、
　当該回路基板の厚さ方向に複数層が積み重ねられた多層構造を少なくとも一部に有し、
　前記電子部品ユニットは、
　螺旋状に旋回する形状を有するように前記複数層に分割配線された導体パターンによって構成される第１旋回部と、前記第１旋回部とは逆向きの螺旋状に旋回する形状を有するように前記複数層に分割配線された導体パターンによって構成される第２旋回部と、が前記回路基板の基板面に沿う方向において隣り合うように配置され、且つ、前記第１旋回部の入力端と、前記第２旋回部の入力端と、に共通の入力がなされるように構成された、インダクタ部を有する。

図１は、本発明の実施形態に係る電源装置が備える電子部品ユニットの機能ブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に係る電源装置が備える多層構造を有する回路基板のインダクタ部に対応する箇所における、積層前の斜視図である。 図３は、本発明の実施形態に係る電源装置のインダクタ部に対応する箇所の上面図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電源装置１について説明する。電源装置１は、典型的には、ハイブリッド自動車等の車両に搭載されて使用される。電源装置１は、スイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバータを含んでおり、車両に搭載された車両駆動用モータを駆動するための駆動用バッテリ（リチウムイオン電池等）からの入力電圧（例えば、２４０Ｖ）を、車両に搭載された車載電装品駆動用のバッテリの電圧（例えば、１２Ｖ）に変換して出力する電圧変換機能を有する。

　以下、説明の便宜上、図２～図３に示すように、「前後方向」、「上下方向」、及び「左右方向」を定義する。「前後方向」、「上下方向」、及び「左右方向」は、互いに直交している。上下方向は、電源装置１を搭載する車両の上下方向と一致している。

　電源装置１は、図１及び図３に示すように、電子部品ユニット１０と、電子部品ユニット１０が実装される回路基板２０と、を備える。説明の便宜上、図３には、電子部品ユニット１０が有するインダクタ部１５の概略構造のみを図示している。電子部品ユニット１０が実装される回路基板２０は、金属製の筐体（図示省略）に収容されている。

　電子部品ユニット１０は、上述した電力変換機能を達成するスイッチング方式のＤＣ／ＤＣコンバータである。具体的には、電子部品ユニット１０は、図１に示すように、直流交流変換部１１と、変圧部１２と、整流部１３と、平滑部１４とを含んでいる。直流交流変換部１１は、例えば、複数のスイッチングトランジスタを含んで構成されており、入力直流電圧Ｖｉｎ（入力電圧。例えば、２４０Ｖ）を交流電圧に変換する機能を果たす。

　変圧部１２は、例えば、トランスを含んで構成されており、直流交流変換部１１にて変換された交流電圧を変圧する機能を果たす。整流部１３は、例えば、複数の整流ダイオードを含んで構成されており、変圧部１２にて変圧された交流電圧を直流断続電圧に整流する機能を果たす。平滑部１４は、インダクタ部１５（図３参照）及び出力コンデンサ（図示省略）を含んで構成されており、整流部１３にて整流された直流断続電圧を平滑化し且つノイズを除去して出力直流電圧Ｖｏｕｔ（目標電圧。例えば、１２Ｖ）を出力する機能を果たす。

　回路基板２０は、厚さ方向（上下方向）に複数層が積み重ねられた多層構造を有している（図２も参照）。なお、回路基板２０は、電子部品ユニット１０におけるインダクタ部１５（平滑部１４の一部）を実装する箇所において、多層構造を有していればよく、電子部品ユニット１０におけるインダクタ部１５以外の部位を実装する箇所では、単層構造を有していてもよいし、多層構造を有していてもよい。

　回路基板２０におけるインダクタ部１５を実装する箇所は、本例では、図２に示すように、５つの層２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅがこの順に下から上に向けて積層された多層構造を有している。５つの層２０ａ～２０ｅの各々の上面には、左右対称の所定形状を有する一対の導体パターン２１が左右方向に（即ち、回路基板２０の基板面に沿う方向に）並ぶように形成されている。導体パターン２１は、例えば、銅箔で構成されている。

　最下層２０ａに形成された一対の導体パターン２１の端部は、インダクタ部１５の入力端２２として機能する。図２に示す例では、左右方向に間隔を空けて並んだ３箇所の入力端２２が、導体パターン２１にて互いに導通接続されている。一方、最上層２０ｅに形成された一対の導体パターン２１の端部は、インダクタ部１５の一対の出力端２３として機能する。４つの層２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅの各々には、一対の導体パターン２１の所定箇所において、層の上下面を導通接続するビア２４が形成されている。

　以上の構成を有する５つの層２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅがこの順に下から上に向けて積層されることで、図３に示すように、第１旋回部１６ａと第２旋回部１６ｂとが左右方向において隣り合うように配置された状態で構成される。第１旋回部１６ａは、５つの層２０ａ～２０ｅの左側の導体パターン２１が４つの層２０ｂ～２０ｅのビア２４によって互いに導通接続されることで、上方からみて時計回りに矩形状且つ螺旋状に旋回しながら下から上に向けて延びる、積層チップインダクタ状のインダクタ（コイル）を構成している。一方、第２旋回部１６ｂは、５つの層２０ａ～２０ｅの右側の導体パターン２１が４つの層２０ｂ～２０ｅのビア２４によって互いに導通接続されることで、上方からみて反時計回りに矩形状且つ螺旋状に旋回しながら下から上に向けて延びる、積層チップインダクタ状のインダクタ（コイル）を構成している。

　このように、インダクタ部１５では、螺旋状に旋回する形状を有する第１旋回部１６ａと、第１旋回部１６ａとは逆向きの螺旋状に旋回する形状を有する第２旋回部１６ｂと、が隣り合うように配置されている。更に、第１旋回部１６ａの入力端２２と、第２旋回部１６ｂの入力端２２とは、上述したように互いに導通接続されているので、共通の入力がなされるように構成されている。

　このため、インダクタ部１５への通電時、第１旋回部１６ａと第２旋回部１６ｂとに逆向きの磁界が同じタイミングに生じる。本例では、第１旋回部１６ａと第２旋回部１６ｂとが左右対称の形状を有しているため、生じる磁界の強度も同程度である。そして、双方の磁界が近接して生じることで、外部に（遠方に）放出される磁界の少なくとも一部が互いに打ち消し合うことになる。その結果、インダクタ部１５が発する放射ノイズが全体として低減される。なお、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂの旋回内側に生じる磁界にまでは打ち消しの影響は及ばないと考えられるため、インダクタ部１５の本来の機能が過度に損なわれることはない。

　更に、インダクタ部１５として、単一のインダクタを用いる場合に比べ、第１旋回部１６ａと第２旋回部１６ｂとに入力電流が分割されることになるため、インダクタ部１５での全体的な発熱量が低減される。これは、インダクタの発熱量が、一般に損失に比例し、インダクタへの入力電流の電流値の二乗に比例することに基づく。発熱量の低減により、インダクタ部１５自身や電子部品ユニット１０の他の部品の作動が、より適正に保たれる。加えて、回路基板２０の基板面上に別体のインダクタをハンダ付けする場合に比べ、電子部品ユニット１０の薄型化が可能である。ハンダ付けの工程を要さない分だけ、生産性にも優れる。

　回路基板２０における、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂの各々の旋回内側に対応する位置の上面には、図３に示すように、コア材１７が載置されている。コア材１７は、例えば、前後方向に延びる磁性体の薄板で構成されている。このように、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂの各々にコア材１７を配置することで、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂの各々のインダクタンスを大きくすることができる。

　第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂのそれぞれの出力端２３には、図３に示すように、左右方向に延びる棒状の金属製のバスバ１８が、上方からハンダ付けされている。これにより、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂのそれぞれの出力端２３と、バスバ１８と、が導通接続されている。これにより、インダクタ部１５からの出力のためのリード線のハンダ付け等を要することなく、インダクタ部１５からの出力電流を、バスバ１８を介して得ることができる。

　バスバ１８は、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂのそれぞれの旋回内側に位置する一対のコア材１７にも、上方から押圧接触している。バスバ１８は、コア材１７との押圧接触のための突起等を有してもよい。これにより、一対のコア材１７が、回路基板２０とバスバ１８とによって上下方向に押圧挟持されることで、回路基板２０に対して固定されている。この結果、コア材１７を回路基板２０へ固定するために回路基板２０への複雑な実装工程を要することがない。

　以上、本実施形態に係る電源装置１によれば、回路基板２０に実装された電子部品ユニット１０が、回路基板２０内に積層型のインダクタ部１５を有する。インダクタ部１５は、螺旋状に旋回する形状を有する第１旋回部１６ａと、第１旋回部１６ａとは逆向きの螺旋状に旋回する形状を有する第２旋回部１６ｂと、が隣り合うように配置され、且つ、第１旋回部１６ａの入力端２２と第２旋回部１６ｂの入力端２２とに共通の入力がなされるように構成されている。そのため、インダクタ部１５への通電時、第１旋回部１６ａと第２旋回部１６ｂとに、互いに逆向きの磁界をタイミングを合わせて生じさせることができる。そして、双方の磁界が近接して生じることで、外部に（遠方に）放出される磁界の少なくとも一部が互いに打ち消し合うことになる。その結果、インダクタ部１５が発する放射ノイズが全体として低減される。したがって、本実施形態に係る電源装置１は、放射ノイズを低減可能である。

　更に、インダクタ部１５として、単一のインダクタを用いる場合に比べ、第１旋回部１６ａと第２旋回部１６ｂとに入力電流が分割されることになるため、インダクタ部１５での全体的な発熱量が低減される。発熱量の低減により、インダクタ部１５や電子部品ユニット１０の他の部品の作動が、より適正に保たれる。加えて、回路基板２０の基板面上にハンダ付けする別体のインダクタを用いる場合に比べ、電子部品ユニット１０の薄型化が可能である。ハンダ付けの工程を要さない分だけ、生産性にも優れる。

　更に、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂの各々に対応するように基板面にコア材１７が載せ置かれる。コア材１７には、例えば、磁性体の薄板を用い得る。これにより、コア材１７を設けるために複雑な実装工程を要することなく、インダクタ部１５のインダクタンスを大きくすることができる。

　更に、第１旋回部１６ａの出力端２３と、第２旋回部１６ｂの出力端２３とに、バスバ１８がハンダ付けされる。これにより、インダクタ部１５からの出力のためのリード線のハンダ付け等を要することなく、インダクタ部１５からの出力電流をバスバ１８を介して得られる。

　更に、バスバ１８が、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂの出力端２３にハンダ付けされるだけでなく、一対のコア材１７にも接触する。これにより、インダクタ部１５からの出力のためのバスバ１８を、一対のコア材１７の固定にも兼用できる。

　更に、インダクタ部１５は、変圧部１２（図１参照）による変圧後の電流からのノイズ除去や当該電流の平滑化のために用いられる。電圧変換機能を有する電子部品ユニット１０において特にノイズ除去や平滑化が必要となる変圧後の電流の処理に、本実施形態に係るインダクタ部１５を用いることで、インダクタ部１５による放射ノイズや発熱量の低減の機能を、より効果的に発揮することができる。

　なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を発揮できるものであれば任意であり、限定されない。

　上記実施形態では、第１旋回部１６ａ及び第２旋回部１６ｂの各々に対応するように基板面にコア材１７が載置されている。これに対し、このようなコア材１７が載置されていなくてもよい。

　更に、上記実施形態では、バスバ１８が一対のコア材１７にも接触することで、一対のコア材１７が回路基板２０に対して固定されている。これに対し、バスバ１８が一対のコア材１７に接触していなくてもよい。この場合、コア材１７を回路基板２０へ固定するために回路基板２０への複雑な実装工程が必要となる。

　更に、上記実施形態では、電源装置１は、入力された直流電圧を所定の直流電圧に変換して出力するようになっている。これに対し、電源装置１は、入力された交流電圧を所定の直流電圧又は交流電圧に変換して出力するように構成されてもよいし、入力された直流電圧を所定の交流電圧に変換して出力するように構成されてもよい。

　ここで、上述した本発明に係る電源装置１の実施形態では、電源装置（１）は、
　入力電圧（Ｖｉｎ）を所定の目標電圧（Ｖｏｕｔ）に変換して出力する電圧変換機能を有する電子部品ユニット（１０）と、前記電子部品ユニット（１０）が実装される回路基板（２０）と、を備え、
　前記回路基板（２０）は、
　当該回路基板（２０）の厚さ方向に複数層（２０ａ～２０ｅ）が積み重ねられた多層構造を少なくとも一部に有し、
　前記電子部品ユニット（１０）は、
　螺旋状に旋回する形状を有するように前記複数層（２０ａ～２０ｅ）に分割配線された導体パターン（２１）によって構成される第１旋回部（１６ａ）と、前記第１旋回部（１６ａ）とは逆向きの螺旋状に旋回する形状を有するように前記複数層（２０ａ～２０ｅ）に分割配線された導体パターン（２１）によって構成される第２旋回部（１６ｂ）と、が前記回路基板（２０）の基板面に沿う方向において隣り合うように配置され、且つ、前記第１旋回部（１６ａ）の入力端（２２）と、前記第２旋回部（１６ｂ）の入力端（２２）と、に共通の入力がなされるように構成された、インダクタ部（１５）を有する。

　上記構成の電源装置によれば、電子部品ユニットが、多層構造を有する回路基板内に構成された積層型のインダクタ部を有する。インダクタ部は、螺旋状に旋回する形状を有する第１旋回部と、第１旋回部とは逆向きの螺旋状に旋回する形状を有する第２旋回部と、が隣り合うように配置され、且つ、第１旋回部の入力端と第２旋回部の入力端とに共通の入力がなされるように構成されている。そのため、インダクタ部への通電時、第１旋回部と第２旋回部とに、互いに逆向きの磁界をタイミングを合わせて生じさせることができる。更に、それら磁界が近接して生じることで、インダクタ部の外部に（遠方に）放出される磁界の少なくとも一部が、互いに打ち消し合うことになる。その結果、インダクタ部から発せられる放射ノイズが全体として低減する。なお、第１旋回部及び第２旋回部の旋回内側に生じる磁界にまでは打ち消しの影響は及ばないと考えられるため、インダクタ部の本来の機能（例えば、伝導ノイズの低減や、信号の平滑化等）が過度に損なわれることはない。したがって、本構成の電源装置は、放射ノイズを低減可能である。

　上記構成の電源装置は、他の効果も有する。例えば、複数の旋回部に入力電流が分割されることになるため、単一のインダクタを用いる場合に比べ、インダクタ部での全体的な発熱量が低減される。インダクタでの発熱量は、一般に損失に比例し、インダクタへの入力電流の電流値の二乗に比例するためである。発熱量の低減により、インダクタ部そのものや電子部品ユニットの他の部品の作動が、より適正に保たれる。加えて、回路基板に別体のインダクタをハンダ付けする場合に比べ、電子部品ユニットの薄型化が可能である。ハンダ付けの工程を要さない分だけ、生産性にも優れる。

　更に、前記電子部品ユニット（１０）は、
　前記第１旋回部（１６ａ）の旋回内側に位置するように前記基板面に載せ置かれる第１コア材（１７）と、前記第２旋回部（１６ｂ）の旋回内側に位置するように前記基板面に載せ置かれる第２コア材（１７）と、を更に有してもよい。

　上記構成の電源装置によれば、第１旋回部及び第２旋回部の各々に対応するように基板面にコア材が載せ置かれる。コア材には、例えば、磁性体の薄板を用い得る。これにより、コア材を設けるために複雑な実装工程を要することなく、インダクタ部のインダクタンスを大きくすることができる。

　更に、前記電子部品ユニット（１０）は、
　前記第１旋回部（１６ａ）の出力端（２３）と、前記第２旋回部（１６ｂ）の出力端（２３）と、にハンダ付けされるバスバ（１８）を、更に有してもよい。

　上記構成の電源装置によれば、第１旋回部の出力端と、第２旋回部の出力端とに、バスバがハンダ付けされる。これにより、インダクタ部からの出力のためのリード線のハンダ付け等を要することなく、インダクタ部からの出力電流をバスバを介して得られる。よって、電源装置の生産性の向上を図ることができる。

　更に、前記バスバ（１８）は、
　前記第１コア材（１７）及び前記第２コア材（１７）に更に接触してもよい。

　上記構成の電源装置によれば、バスバが、第１旋回部及び第２旋回部の出力端にハンダ付けされるだけでなく、第１コア材及び第２コア材にも接触する。これにより、インダクタ部からの出力のためのバスバを、第１コア材及び第２コア材の固定にも兼用できる。よって、電源装置の小型化や低コスト化を図ることができる。

　更に、前記インダクタ部（１５）は、
　変圧後の電流からノイズを除去するように前記電子部品ユニット（１０）に配置されてもよい。

　上記構成の電源装置によれば、インダクタ部は、変圧後の電流からのノイズ除去に用いられる。電圧変換機能を有する電子部品ユニットにおいて特にノイズ除去や平滑化が必要となる変圧後の電流の処理に、本構成のインダクタ部を用いることで、インダクタ部による放射ノイズや発熱量の低減の機能を、より効果的に発揮することができる。

　本出願は、２０２１年１１月１５日出願の日本特許出願（特願２０２１－１８５７３９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明の電源装置は、放射ノイズを低減可能なインダクタを有する。この効果を有する本発明は、例えば、ハイブリッド自動車等の車両に搭載されるバッテリとインバータとの間における電力変換等のためのＤＣ／ＤＣコンバータとして用いられ得る。

　１　　　　電源装置
　１０　　　電子部品ユニット
　１５　　　インダクタ部
　１６ａ　　第１旋回部
　１６ｂ　　第２旋回部
　１７　　　コア材（第１コア材、第２コア材）
　１８　　　バスバ
　２０　　　回路基板
　２０ａ～２０ｅ　　　層
　２１　　　導体パターン
　２２　　　入力端
　２３　　　出力端

Claims (5)

1. 　入力電圧を所定の目標電圧に変換して出力する電圧変換機能を有する電子部品ユニットと、前記電子部品ユニットが実装される回路基板と、を備える電源装置であって、
   　前記回路基板は、
   　当該回路基板の厚さ方向に複数層が積み重ねられた多層構造を少なくとも一部に有し、
   　前記電子部品ユニットは、
   　螺旋状に旋回する形状を有するように前記複数層に分割配線された導体パターンによって構成される第１旋回部と、前記第１旋回部とは逆向きの螺旋状に旋回する形状を有するように前記複数層に分割配線された導体パターンによって構成される第２旋回部と、が前記回路基板の基板面に沿う方向において隣り合うように配置され、且つ、前記第１旋回部の入力端と、前記第２旋回部の入力端と、に共通の入力がなされるように構成される、インダクタ部を有する、
   　電源装置。
2. 　請求項１に記載の電源装置において、
   　前記電子部品ユニットは、
   　前記第１旋回部の旋回内側に位置するように前記基板面に載せ置かれる第１コア材と、前記第２旋回部の旋回内側に位置するように前記基板面に載せ置かれる第２コア材と、を更に有する、
   　電源装置。
3. 　請求項２に記載の電源装置において、
   　前記電子部品ユニットは、
   　前記第１旋回部の出力端と、前記第２旋回部の出力端と、にハンダ付けされるバスバを、更に有する、
   　電源装置。
4. 　請求項３に記載の電源装置において、
   　前記バスバは、
   　前記第１コア材及び前記第２コア材に更に接触する、
   　電源装置。
5. 　請求項１～請求項４の何れか一項に記載の電源装置において、
   　前記インダクタ部は、
   　変圧後の電流からノイズを除去するように前記電子部品ユニットに配置される、
   　電源装置。

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