JP2017108552A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を抑制しつつ、トランスから放射された放射ノイズを低減できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１０は、筐体２０の底板部２１に電気的に接続された第１，第２コンデンサ６１，６３と、２次側巻線部の一部を露出させた状態で２次側巻線部を取り囲むコア３４を有するトランスとを備えている。２次側巻線部の一部がコア３４から露出した部分を露出部とする。２次側巻線部の一部である第２引出部３２ｂが露出部からトランス３０の外部に引き出されている。第１，第２コンデンサ６１，６３と、第２引出部３２ｂと、底板部２１とを含むループ回路が形成されている。第２引出部３２ｂが延びる方向から見たトランスの正面視において、露出部の少なくとも一部がループ回路の内側の領域と重なっている。【選択図】 図４

Description

本発明は、入力電圧を所定の電圧に変換して出力する電力変換装置に関する。

従来、下記特許文献１に見られるように、トランスと、リアクトル及びコンデンサを有するフィルタ回路と、フィルタ回路に電気的に接続された出力端子とを備える電力変換装置が知られている。フィルタ回路は、トランスに隣接して配置されている。ここで、トランスは、これに電気的に接続された配線を介して出力端子側へと伝導する伝導ノイズの発生源となる。この伝導ノイズは、フィルタ回路により除去される。

トランスは、空気中を伝播する放射ノイズの発生源にもなる。そこで下記特許文献１に記載の電力変換装置は、さらに、フィルタ回路とトランスとの間にトランスの放射ノイズを遮蔽するシールド板を備えている。これにより、放射ノイズがフィルタ回路に悪影響を及ぼしたり、放射ノイズが出力端子を介して電力変換装置の外部に伝わったりするのを抑制している。

特開２０１３−２７０７７号公報

ここで、シールド板を備える構成では、シールド板と、シールド板を固定するための複数の固定部品とが必要となる。このため、電力変換装置の部品点数が増加するといった問題が生じる。

本発明は、部品点数を抑制しつつ、トランスから放射された放射ノイズを低減できる電力変換装置を提供することを主たる目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

本発明は、入力電圧を所定の電圧に変換して出力する電力変換装置において、前記電力変換装置を構成する電子部品を収容して、かつ、導電性の導電部（２１）を含む筐体（２０）を備える。前記電子部品には、前記導電部に電気的に接続された少なくとも２個のコンデンサ（６１，６３）と、巻線部（３２）、及び前記巻線部の一部を露出させた状態で前記巻線部を取り囲むコア（３４）を備えて、かつ、チョークコイルの機能を有するトランス（３０）と、が含まれており、前記巻線部の一部が前記コアから露出した部分が露出部とされ、前記巻線部の一部である引出線（３２ｂ）が前記露出部から前記トランスの外部に引き出されており、前記少なくとも２個のコンデンサ、前記引出線、及び前記導電部を含むループ回路が形成されており、前記引出線の引出し方向から見た前記トランスの正面視において、前記露出部の少なくとも一部が前記ループ回路の内側の領域と重なっている。

上記発明は、チョークコイルの機能を有するトランスを備えている。ここで、トランスの動作に伴い巻線部の露出部から放射ノイズが放射される。放射ノイズは、電力変換装置内部のみならず、外部にも放射され、外部に設置された各種電子機器の動作に悪影響を与える懸念がある。

そこで上記発明は、筐体の導電部に電気的に接続された少なくとも２個のコンデンサを備えている。そして、少なくとも２個のコンデンサ、引出線、及び筐体の導電部を含むループ回路が形成されている。そして、引出線の引出し方向から見たトランスの正面視において、露出部の少なくとも一部がループ回路の内側の領域と重なっている。ループ回路の内側の領域を放射ノイズが通過しようとすると、ループ回路に電流が流れることにより、放射ノイズがループ回路に吸収される。このため、シールド板を設けることなく、トランスから放射された放射ノイズを低減することができる。さらに上記発明では、引出線とともにループ回路を構成するコンデンサに、トランスで発生した伝導ノイズを吸収させ低減することもできる。

ここで上記発明では、放射ノイズを低減するためのループ回路が、筐体の導電部と、トランスの引出線とを流用して形成されている。このため、ループ回路を形成するための追加部品を減らすことができる。したがって上記発明によれば、部品点数を抑制しつつ、トランスから放射された放射ノイズを低減することができる。

一実施形態に係る蓋部を外した状態の電力変換装置の平面図。 複合トランスの平面図。 図２をα方向から見た複合トランスの正面図。 図１の４−４線断面図。 ＤＣＤＣコンバータの回路図。 その他の実施形態に係る電力変換装置の部分断面図。

以下、本発明に係る電力変換装置を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載される。また本実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣＤＣコンバータを備えている。

図１〜図４に示すように、電力変換装置１０は、筐体２０を備えている。筐体２０は、矩形形状の底板部２１と、底板部２１の周縁部に沿って形成された矩形枠形状の側壁部２２と、矩形形状の蓋部２３とを備えている。蓋部２３は、側壁部２２の壁高さ方向において、側壁部２２のうち底板部２１とは反対側に形成された開口部を覆っている。本実施形態において、筐体２０は、シールド効果のある材料で形成されており、本実施形態では金属材料で形成されている。本実施形態では、筐体２０として、アルミニウムを材料としてダイカスト鋳造されたものを用いている。特に本実施形態では、底板部２１及び側壁部２２が、ダイカスト鋳造により一体形成されている。

底板部２１、側壁部２２及び蓋部２３により、ＤＣＤＣコンバータを構成する各種電子部品を収容する収容スペースが形成されている。

筐体２０には、トランス３０が収容されている。トランス３０は、底板部２１に設けられている。トランス３０は、図２及び図３に示すように、１次側巻線部３１と、１次側巻線部３１と電気的に絶縁されてかつ１次側巻線部３１と磁気結合する２次側巻線部３２と、各巻線部３１，３２が巻回されるボビン３３と、コア３４とを有しており、チョークコイル一体型の複合トランスである。なお、図４では、１次側巻線部３１及び２次側巻線部３２の図示を省略している。

２次側巻線部３２は、板状をなすととともに、円環部の一部が切り欠かれたＣ字状に形成されている。２次側巻線部３２の円環部の切欠部に対向する一対の端部のそれぞれからは、外側に向かって第１引出部３２ａが延びるように形成されている。また、２次側巻線部３２において切欠部と対向する部分からは、第１引出部３２ａの延びる方向とは反対方向へと第２引出部３２ｂが直線的に延びるように形成されている。本実施形態において、第２引出部３２ｂは、長尺板状をなしている。なお、第２引出部３２ｂの先端部は、接続先の端子の形状に応じて屈曲形成されていてもよい。

本実施形態に係るトランス３０は、互いに離間した状態で配置される一対のコア３４を有している。本実施形態において、コア３４は、磁性体にて形成されており、具体的にはフェライトにて形成されている。一対のコア３４は、ボビン３３において各巻線部３１，３２が巻回される巻回部の中心軸線と直交する方向から、ボビン３３を挟み込むようにボビン３３に取り付けられている。これにより、１次側巻線部３１及び２次側巻線部３２のそれぞれの一部が、コア３４から露出した状態とされている。特に本実施形態では、２次側巻線部３２のうち第１引出部３２ａ及び第２引出部３２ｂが引き出された部分がコア３４から露出した状態とされている。

トランス３０は、側壁部２２を構成する４つの壁部のうち第１壁部２２ａに隣り合うように配置されている。具体的には、トランス３０は、コア３４の側面を第１壁部２２ａの内壁に向けた状態で配置されている。

筐体２０には、フィルタ回路４０が収容されている。フィルタ回路４０は、底板部２１に設けられている。フィルタ回路４０は、側壁部２２を構成する４つの壁部のうち第１壁部２２ａに隣接する第２壁部２２ｂと、トランス３０との間に配置されている。フィルタ回路４０は、リアクトル４１と、フィルタコンデンサ４２とを有している。トランス３０は、第２引出部３２ｂをリアクトル４１に向けた状態で配置されている。リアクトル４１と第２引出部３２ｂとは、バスバー等の第１導電部材５０を介して電気的に接続されている。

筐体２０の収容スペースにおいて、第１壁部２２ａ、第２壁部２２ｂ、リアクトル４１、及びトランス３０によって囲まれた空間には、第１基板６０が配置されている。第１基板６０は、その板面を底板部２１から離間させた状態で、かつ、その板面を底板部２１の板面と略平行にした状態で配置されている。

第１基板６０は、第１ボス部７０及び第２ボス部７２により、筐体２０と機械的に接続されている。本実施形態において、第１ボス部７０は、トランス３０とフィルタ回路４０との並ぶ方向Ｘにおいて、トランス３０よりもフィルタ回路４０側であって、かつ、フィルタ回路４０よりもトランス３０側のスペースに配置されている。また本実施形態において、第１ボス部７０は、アルミニウムを材料としてダイカスト鋳造により底板部２１及び第１壁部２２ａと一体形成されている。このため、第１ボス部７０は、導電性を有する。

第２ボス部７２は、第１ボス部７０よりも第２壁部２２ｂ側に配置されている。本実施形態において、第２ボス部７２は、アルミニウムを材料としてダイカスト鋳造により底板部２１と一体形成されている。このため、第２ボス部７２は、導電性を有する。なお、第１ボス部７０及び第２ボス部７２を、筐体２０と一体形成することに限らず、筐体２０とは別部品として設けてもよい。

第１ボス部７０及び第２ボス部７２には、ねじ穴が形成されている。図４には、第１ボス部７０のねじ穴７０ａを示した。第１ボス部７０及び第２ボス部７２の先端部に第１基板６０が載置された状態で、第１，第２ボス部７０，７２に形成されたねじ穴に導電性を有する金属製のねじ７１，７３がねじ込まれる。これにより、第１基板６０は、第１ボス部７０及び第２ボス部７２に固定される。

第１基板６０は、主基板部６０ａ及び副基板部６０ｂを有している。主基板部６０ａは、第１ボス部７０及び第２ボス部７２に挟まれた位置に配置されている。主基板部６０ａの一対の板面のうち底板部２１と対向する板面には、フィルタ回路４０を構成するフィルタコンデンサ４２が設けられている。なお、フィルタコンデンサ４２は、第２ボス部７２を介して筐体２０に電気的に接続されている。これは、本実施形態において筐体２０がグランドとして用いられているためである。

副基板部６０ｂは、第２引出部３２ｂの引出し方向、すなわち第２引出部３２ｂの延びる方向であるＸ方向において、トランス３０よりもフィルタ回路４０側であって、かつ、フィルタ回路４０よりもトランス３０側のスペースに配置されている。副基板部６０ｂの一対の板面のうち底板部２１と対向する板面には、第１コンデンサ６１が設けられている。

第１導電部材５０及び第２引出部３２ｂを挟んで副基板部６０ｂとは反対側には、第２基板６２が配置されている。第２基板６２は、その板面を底板部２１から離間させた状態で、かつ、その板面を底板部２１の板面と略平行にした状態で配置されている。本実施形態に係る第２基板６２は、側壁部２２の壁高さ方向において、第１基板６０の配置高さと同じ高さに配置されている。

第２基板６２は、図４に示すように、第３ボス部７４により、筐体２０と機械的に接続されている。本実施形態において、第３ボス部７４は、Ｘ方向から見たトランス３０の正面視において、ボビン３３に対して第１壁部２２ａとは反対側に配置されている。また本実施形態において、第３ボス部７４は、アルミニウムを材料としてダイカスト鋳造により底板部２１と一体形成されている。このため、第３ボス部７４は、導電性を有する。なお、第３ボス部７４を、底板部２１と一体形成することに限らず、底板部２１とは別部品として設けてもよい。

第３ボス部７４には、ねじ穴が形成されている。第３ボス部７４の先端部に第２基板６２が載置された状態で、第３ボス部７４に形成されたねじ穴に導電性を有する金属製のねじ７５がねじ込まれる。これにより、第２基板６２は、第３ボス部７４に固定される。

第２基板６２の一対の板面のうち底板部２１と対向する板面には、第２コンデンサ６３が設けられている。

第１コンデンサ６１の第１端子は、副基板部６０ｂに形成された配線パターンと、第１ボス部７０とを介して、グランドとしての筐体２０に電気的に接続されている。第１コンデンサ６１の第２端子は、副基板部６０ｂに形成された配線パターンと、第２導電部材６４とを介して、第２引出部３２ｂに電気的に接続されている。第２導電部材６４は、図４に示すように、Ｘ方向から見たトランス３０の正面視において、Ｌ字状をなしている。なお、第２導電部材６４は、第１導電部材５０と一体部品で構成することも可能である。

第２コンデンサ６３の第１端子は、第２基板６２に形成された配線パターンと、第３ボス部７４とを介して、グランドとしての筐体２０に電気的に接続されている。第２コンデンサ６３の第２端子は、第２基板６２に形成された配線パターンと、第３導電部材６５とを介して、第２引出部３２ｂに電気的に接続されている。第３導電部材６５は、Ｘ方向から見たトランス３０の正面視において、Ｌ字状をなしている。第３導電部材６５は、第２引出部３２ｂにおいて、第２導電部材６４との接続点とは反対側に設けられている。なお、第３導電部材６５は、第１導電部材５０と一体部品で構成することも可能である。

第２壁部２２ｂにおいてフィルタ回路４０と対向する部分には、電力変換装置１０を外部機器と接続する出力端子５１が設けられている。すなわち、出力端子５１は、フィルタ回路４０のうちトランス３０とは反対側において、フィルタ回路４０と隣り合うように配置されている。

続いて、図５を用いて、本実施形態に係るＤＣＤＣコンバータの回路図について説明する。ＤＣＤＣコンバータは、直流電源８０の電圧を変圧して出力する。

ＤＣＤＣコンバータは、トランス３０、ＭＯＳ等のスイッチング素子８１，５２、フィルタ回路４０、第１コンデンサ６１、及び第２コンデンサ６３を備えている。トランス３０は、２個のトランスＴ１，Ｔ２を有しており、各トランスＴ１，Ｔ２は、１次側巻線部３１及び２次側巻線部３２を有している。

各２次側巻線部３２の第１端は、スイッチング素子５２に接続されている。各２次側巻線部３２の第２端には、正側出力ライン８３が接続されている。本実施形態において、正側出力ライン８３には、第２引出部３２ｂ及び第１導電部材５０が含まれる。正側出力ライン８３には、フィルタ回路４０を介して出力端子５１が接続されている。なお、フィルタ回路４０を構成するフィルタコンデンサ４２と出力端子５１とを電気的に接続する接続線を、図１に接続線８４として示した。

正側出力ライン８３には、第２導電部材６４と副基板部６０ｂの配線パターンとを介して第１コンデンサ６１の第２端子が接続されている。第１コンデンサ６１の第１端子には、副基板部６０ｂの配線パターンと第１ボス部７０とを介してグランドが接続されている。また、正側出力ライン８３には、第３導電部材６５と第２基板６２の配線パターンとを介して第２コンデンサ６３の第２端子が接続されている。第２コンデンサ６３の第１端子には、第２基板６２の配線パターンと第３ボス部７４とを介してグランドが接続されている。

ところで、本実施形態に係るトランス３０は、各巻線部３１，３２のうち、コア３４から露出した部分から多くのノイズが放射される。ここで本実施形態では、放射ノイズのレベルが大きい部分を以下のように定義する。詳しくは、Ｘ方向から見たトランス３０の正面視において、１次側，２次側巻線部３１，３２を含めたボビン３３の巻回部うち一対のコア３４から露出している部分を、放射ノイズのレベルが大きい部分であるシールド対象部と定義する。

以下、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態では、図４に破線にて示すように、第１コンデンサ６１、第２導電部材６４、第２引出部３２ｂ、第３導電部材６５、第２コンデンサ６３、第３ボス部７４、底板部２１、及び第１ボス部７０を含むループ回路が形成されている。そして、シールド対象部の一部がループ回路の内側の領域と重なっている。トランス３０から放射された放射ノイズがループ回路の内側の領域を通過しようとすると、ループ回路に電流が流れることにより、放射ノイズがループ回路に吸収される。このため、上記特許文献１に記載されたシールド板を設けることなく、トランス３０から放射された放射ノイズを低減することができる。

さらに、第２引出部３２ｂとともにループ回路を構成する第１，第２コンデンサ６１，６３に、トランス３０で発生した伝導ノイズを吸収させることができる。

ここで本実施形態では、放射ノイズを低減するためのループ回路を、筐体２０と、トランス３０の第２引出部３２ｂとを流用して形成した。このため、ループ回路を形成するための追加部品少なくできる。したがって本実施形態によれば、部品点数を削減しつつ、トランス３０から放射された放射ノイズを低減することができる。

筐体２０の収容スペースにおいて、シールド対象部をフィルタ回路４０側に向けた状態でトランス３０を配置した。そして、ループ回路の内側の領域が、シールド対象部の一部及びフィルタ回路４０の間と、シールド対象部の一部及び出力端子５１の間とに介在するようにした。これにより、放射ノイズがフィルタ回路４０に悪影響を及ぼしたり、出力端子５１を介して電力変換装置１０の外部にノイズが伝達されたりするのを抑制することができる。

トランス３０とフィルタ回路４０とで挟まれたスペースに第１，第２コンデンサ６１，６３を配置した。これにより、ループ回路による放射ノイズの低減効果をより高めることができる。

トランス３０の上側に蓋部２３を配置した。このため、蓋部２３のシールド効果により、トランス３０の上側に放射される放射ノイズを抑制することができる。

第１引出部３２ａ及びスイッチング素子５２を、トランス３０を挟んで出力端子５１とは反対側に配置した。このため、第１引出部３２ａ及びスイッチング素子５２側から放射された放射ノイズが出力端子５１を介して外部へと漏れるのを防止することができる。

ループ回路を形成する第１コンデンサ６１を、副基板部６０ｂと底板部２１との間のスペースに配置し、ループ回路を形成する第２コンデンサ６３を、第２基板６２と底板部２１との間のスペースに設けた。背高部品である各コンデンサ６１，６３を、各基板６０，６２と底板部２１との間のスペースに配置することにより、放射ノイズを低減しつつ、側壁部２２の壁高さ方向について電力変換装置１０の体格が大きくなるのを回避できる。

（その他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・第２引出部３２ｂの引出し方向から見たトランス３０の正面視において、シールド対象部の全てがループ回路の内側の領域に含まれる構成が望ましい。この構成の一例を図６に示す。なお図６は、先の図４に相当する図である。図６において、先の図４と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

第２引出部３２ｂの先端部には、側壁部２２の壁高さ方向に屈曲形成された屈曲部３２ｃが設けられている。第１コンデンサ６１の第２端子には、副基板部６０ｂの配線パターンと導電部材６６とを介して屈曲部３２ｃに電気的に接続されている。第２コンデンサ６３の第２端子には、第２基板６２の配線パターンと導電部材６７とを介して屈曲部３２ｃに電気的に接続されている。これにより、放射ノイズをループ回路により打ち消すことができ、放射ノイズを遮蔽することができる。

・上記実施形態では、筐体２０を全て金属材料で形成したがこれに限らない。例えば、筐体２０のうち底板部２１のみを金属材料で形成したり、底板部２１の一部のみを金属材料で形成したりしてもよい。

・上記実施形態において、第１，第２コンデンサ６１，６３を、筐体２０の収容スペースのうち、トランス３０とフィルタ回路４０とで挟まれたスペース以外のスペースに配置してもよい。

・上記実施形態において、ループ回路に含まれるコンデンサの数を３つ以上としてもよい。

・フィルタ回路４０においてリアクトル４１は必須でない。また、第１コンデンサ６１及び第２コンデンサ６３によるノイズ低減効果が十分であれば、フィルタ回路４０自体を削除することが可能である。この場合、トランス３０と出力端子５１とで挟まれたスペースにループ回路を設ければよい。

・トランスの構成としては、上記実施形態に例示したものに限らない。露出部があり、露出部から放射ノイズが放射される構成であるなら、他の構成であってもよい。

・電力変換回路としては、入力された直流電圧を変圧して出力するＤＣＤＣコンバータに限らず、例えば、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータであってもよい。

２０…筐体、３０…トランス、３２…２次側巻線部、３４…コア、６１…第１コンデンサ、６３…第２コンデンサ。

Claims (6)

1. 入力電圧を所定の電圧に変換して出力する電力変換装置において、
   前記電力変換装置を構成する電子部品を収容して、かつ、導電性の導電部（２１）を含む筐体（２０）を備え、
   前記電子部品には、
   前記導電部に電気的に接続された少なくとも２個のコンデンサ（６１，６３）と、
   巻線部（３２）、及び前記巻線部の一部を露出させた状態で前記巻線部を取り囲むコア（３４）を備えて、かつ、チョークコイルの機能を有するトランス（３０）と、
   が含まれており、
   前記巻線部の一部が前記コアから露出した部分が露出部とされ、前記巻線部の一部である引出線（３２ｂ）が前記露出部から前記トランスの外部に引き出されており、
   前記少なくとも２個のコンデンサ、前記引出線、及び前記導電部を含むループ回路が形成されており、
   前記引出線の引出し方向から見た前記トランスの正面視において、前記露出部の少なくとも一部が前記ループ回路の内側の領域と重なっている電力変換装置。
2. 前記電子部品には、前記引出線に電気的に接続されて、かつ、伝導ノイズを除去するフィルタ回路（４０）が含まれており、
   前記露出部を前記フィルタ回路側に向けた状態で前記トランスが配置されており、
   前記ループ回路の内側の領域が、前記露出部の少なくとも一部と前記フィルタ回路との間に介在している請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電力変換装置を外部機器と電気的に接続する出力端子（５１）を備え、
   前記露出部を前記出力端子側に向けた状態で前記トランスが配置されており、
   前記ループ回路の内側の領域が、前記露出部の少なくとも一部と前記出力端子との間に介在している請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記電子部品には、前記引出線に電気的に接続されて、かつ、伝導ノイズを除去するフィルタ回路（４０）が含まれており、
   前記フィルタ回路側に前記露出部を向けた状態で前記トランスが配置されており、
   前記電力変換装置を外部機器と電気的に接続して、かつ、前記フィルタ回路のうち前記トランスとは反対側に配置された出力端子（５１）を備え、
   前記ループ回路の内側の領域が、前記露出部の少なくとも一部及び前記フィルタ回路の間と、前記露出部の少なくとも一部及び前記出力端子の間とに介在している請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記引出線の引出し方向から見た前記トランスの正面視において、前記露出部の全てが前記ループ回路の内側の領域に含まれている請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記引出線は、前記露出部から直線的に延びる部分を有し、
   前記直線的に延びる部分の延びる方向から見た前記トランスの正面視において、前記露出部の少なくとも一部が前記ループ回路の内側の領域と重なっている請求項１〜５のいずれか１項に電力変換装置。

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