JP6107734B2

JP6107734B2 - 電源装置

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Publication number: JP6107734B2
Application number: JP2014079441A
Authority: JP
Inventors: 健太畠中; 勝豊見澤; 正太郎山崎; 修司倉内; 悠城竹本; 祐一半田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: JP2015201965A

Description

本発明は、トランスを備えた電源装置に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源装置として、トランスと、該トランスの一次コイル側に接続された一次側半導体部品と、トランスの二次コイル側に接続された二次側半導体部品と、二次側半導体部品に接続されたチョークコイルとを有するものがある。これらの部品は、ベースプレート上に搭載され、ベースプレートの広がり方向に並んで配置されている（特許文献１）。

特開２００７−２２１９１９号公報

しかしながら、トランス、一次側半導体部品、二次側半導体部品、及びチョークコイルが、ベースプレートの広がり方向に並んで載置されていると、電源装置が、ベースプレートの広がり方向に大型化してしまうという問題がある。そこで、トランス、一次側半導体部品、二次側半導体部品、及びチョークコイルのうちの２つずつをベースプレートの法線方向に積層した状態で、ベースプレートに搭載することが考えられる。これにより、２つの積層体を近接配置することで、ベースプレートにおける部品搭載スペースを小さくして、電源装置の小型化を図ることができる。

ところが、２つの積層体を形成して、これらをベースプレートに搭載する場合、各部品間を接続する接続配線が互いに接近しやすくなる。それゆえ、その這い回し方によっては、接続配線から生じる磁束が互いに干渉して、大きな電磁ノイズが生じやすくなるおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、電磁ノイズを低減しつつ小型化を図ることができる電源装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、一次コイルと二次コイルとを有するトランスと、
該トランスの上記一次コイル側に接続された一次側回路を構成する一次側半導体部品と、
上記トランスの上記二次コイル側に接続された二次側回路を構成する二次側半導体部品と、
上記二次側半導体部品に接続されたチョークコイルと、
上記トランス、上記一次側半導体部品、上記二次側半導体部品、及び上記チョークコイルを搭載したベースプレートと、を備え、
上記トランスと、上記一次側半導体部品と、上記二次側半導体部品と、上記チョークコイルとのうちのいずれか２つが上記ベースプレートの法線方向に積層された第１積層体を構成し、他の２つが上記ベースプレートの法線方向に積層された第２積層体を構成し、
上記トランスと上記二次側半導体部品とを互いに接続する第１配線と、上記二次側半導体部品と上記チョークコイルとを互いに接続する第２配線と、を有し、
上記第１配線と上記第２配線とは、互いに隣接配置されると共に互いに反対向きに電流が流れるよう構成された第１電流経路と第２電流経路とをそれぞれ有し、
上記第１電流経路及び第２電流経路は、上記ベースプレートに平行な方向に電流が流れるよう構成されていることを特徴とする電源装置にある。

上記電源装置においては、トランスと、一次側半導体部品と、二次側半導体部品と、チョークコイルとのうちのいずれか２つが第１積層体を構成し、他の２つが第２積層体を構成している。これにより、ベースプレートの広がり方向において、トランスと一次側半導体部品と二次側半導体部品とチョークコイルとの搭載スペースを小さくすることができる。その結果、電源装置の小型化を実現することができる。

ここで、第１積層体と第２積層体とをベースプレート上において、近接させることにより、効果的に電源装置の小型化を図ることができるが、部品間の接続配線の這い回し方によっては、大きな電磁ノイズの発生を招きかねない。そこで、上記電源装置においては、トランスと二次側半導体部品とを互いに接続する第１配線と、二次側半導体部品とチョークコイルとを互いに接続する第２配線が、互いに隣接配置されると共に互いに反対向きに電流が流れるよう構成された第１電流経路と第２電流経路とをそれぞれ有する。これにより、第１電流経路と第２電流経路とからそれぞれ生じる磁束が、互いに打ち消し合うこととなる。その結果、これらの電流経路から発生する電磁ノイズを低減することができる。

以上のごとく、本発明によれば、電磁ノイズを低減しつつ小型化を図ることができる電源装置を提供することができる。

実施例１における、ベースプレートに垂直な方向から見た電源装置の説明図。実施例１における、電源装置の斜視図。実施例１における、電源装置の回路図。実施例１における、各電流経路に流れる電流波形を示す説明図。実施例１における、（Ａ）期間Ｔ１に流れる電流を示す説明図、（Ｂ）期間Ｔ２に流れる電流を示す説明図。実施例２における、ベースプレートに垂直な方向から見た電源装置の説明図。実施例２における、電源装置の斜視図。実施例３における、ベースプレートに垂直な方向から見た電源装置の説明図。実施例３における、電源装置の斜視図。

上記電源装置は、例えば、直流電源の高圧の直流電力を降圧して低圧の直流電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。また、上記電源装置は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載するものとすることができる。
なお、ベースプレートに平行な方向とは、厳密な平行のみならず、ベースプレートの広がり方向に概略沿った方向であれば、ベースプレートに対して多少斜めの方向も含む。

（実施例１）
上記電源装置の実施例につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の電源装置１は、図１、図２に示すごとく、トランス２と一次側半導体部品３と二次側半導体部品４とチョークコイル５とベースプレート６とを備えている。
トランス２は、一次コイルと二次コイルとを有する。一次側半導体部品３は、トランス２の一次コイル側に接続された一次側回路を構成する。二次側半導体部品４は、トランス２の二次コイル側に接続された二次側回路を構成する。チョークコイル５は、二次側半導体部品４に接続されている。ベースプレート６は、トランス２、一次側半導体部品３、二次側半導体部品４、及びチョークコイル５を搭載している。

また、トランス２と一次側半導体部品３とが、ベースプレート６の法線方向Ｚに積層された第１積層体１１を構成している。また、二次側半導体部品４とチョークコイル５とが、ベースプレート６の法線方向Ｚに積層された第２積層体１２を構成している。

また、トランス２と二次側半導体部品４とを互いに接続する第１配線７１と、二次側半導体部品４とチョークコイル５とを互いに接続する第２配線７２と、を有する。
第１配線７１と第２配線７２とは、互いに隣接配置されると共に互いに反対向きに電流が流れるよう構成された第１電流経路８１と第２電流経路８２とをそれぞれ有する。
第１電流経路８１及び第２電流経路８２は、ベースプレート６に平行な方向に電流が流れるよう構成されている。

第１積層体１１は、一次側半導体部品３がトランス２とベースプレート６との間に配置されるように積層されている。第２積層体１２は、二次側半導体部品４がチョークコイル５とベースプレート６との間に配置されるように積層されている。
なお、ベースプレート６は、例えばアルミニウム等の金属によって構成することができる。

第１電流経路８１及び第２電流経路８２は、第１積層体１１と第２積層体１２との並び方向から外れた位置に配置されている。すなわち、第１電流経路８１及び第２電流経路８２は、第１積層体１１と第２積層体１２との間には配されていない。トランス２、一次側半導体部品３、二次側半導体部品４、及びチョークコイル５は、それぞれ略直方体形状を有する。そして、一次側半導体部品３と二次側半導体部品４とは、略直方体の一つの面同士が互いに対向しており、トランス２とチョークコイル５とも、略直方体の一つの面同士が互いに対向している。このような状態で、第１積層体１１と第２積層体１２とがベースプレート６上に配置されている。

第１配線７１は、トランス２におけるチョークコイル５と対向する面と直交する面であって、ベースプレート６と直交する面のうちの一方である前側面２１から、ベースプレート６に平行に、一対引き出されている。そして、一対の第１配線７１の他端は、トランス２の前側面２１と同じ側を向いた、二次側半導体部品４の前側面４１から、ベースプレート６に平行に引き出されている。
また、第２配線７２は、二次側半導体部品４の前側面４１から、ベースプレート６に平行に引き出されている。そして、第２配線７２の他端は、二次側半導体部品４の前側面４１と同じ方向を向いた、チョークコイル５の前側面５１から引き出されている。なお、前側面２１、３１、４１、５１は、便宜的な表現であり、特にその方向が限定されるものではない。

上述のように引き回された第１配線７１と第２配線７２とが、ベースプレート６に平行な部分において、部分的に隣接配置されると共に互いに反対向きに電流が流れるよう構成された第１電流経路８１と第２電流経路８２とを有する。本例において、第１配線７１は、トランス２の前側面２１から引き出された部分と、二次側半導体部品４の前側面４１から引き出された部分とに、それぞれ第１電流経路８１（８１ｔ、８１ｓ）を有する。一方、第２配線７２は、二次側半導体部品４の前側面４１から引き出された部分と、チョークコイル５の前側面５１から引き出された部分とに、それぞれ第２電流経路８２（８２ｓ、８２ｃ）を有する。

そして、トランス２から引き出された部分の第１電流経路８１ｔと、チョークコイル５から引き出された部分の第２電流経路８２ｃとが、互いに隣接すると共に、互いに逆向きに電流が流れるよう構成されている。また、二次側半導体部品４から引き出された部分の第１電流経路８１ｓと、同じく二次側半導体部品４から引き出された部分の第２電流経路８２ｓとが、互いに隣接すると共に、互いに逆向きの電流が流れるよう構成されている。

また、一次側半導体部品３には、直流電源に接続される一対の入力配線７３が接続されている。また、一次側半導体部品３とトランス２とは、一対の交流配線７４によって接続されている。また、チョークコイル５には、負荷に接続される出力配線７５が接続されている。

本例において、電源装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載され、直流電源の高圧の直流電力を低圧の直流電力に降圧し、補機用バッテリに供給するために用いられる。すなわち、図３に示すように、電源装置１は、直流電源１３１と負荷１３２（補機バッテリ等）との間に接続されて用いられる。そして、直流電源１３１に、一次側半導体部品３から構成される一次側回路が接続され、二次側半導体部品４から構成される二次側回路が、チョークコイル５を含む平滑回路を介して、負荷１３２に接続される。

一次側回路はスイッチング回路を構成しており、一次側半導体部品３は、複数のスイッチング素子を内蔵した半導体モジュールからなる。スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）を用いることができる。なお、一次側半導体部品は必ずしも半導体モジュールである必要はなく、例えば、ディスクリートの半導体部品であってもよい。

二次側回路は整流回路を構成しており、二次側半導体部品４は、複数のダイオードを内蔵したダイオードモジュールからなる。ただし、二次側半導体部品は、複数のＭＯＳＦＥＴを内蔵した半導体モジュールであってもよい。さらに、二次側半導体部品は、ディスクリートの半導体部品であってもよい。

また、チョークコイル５は、コンデンサ１３３と共に平滑回路を構成している。
本例の電源装置１に入力された直流電力は、一次側回路（スイッチング回路）において交流電力に変換されて、トランス２に入力される。入力された交流電力は、トランス２において降圧された後、二次側回路（整流回路）において整流されて直流電力となる。そして、降圧後の直流電力は、平滑回路において平滑化された後、出力される。

したがって、トランス２の一次コイルには、図４（Ａ）に電流波形を示すごとく、時系列的に交互に、符号が反対となる電流が流れる。これに伴い、トランス２の二次コイルには、一次コイルの電流に同期して交番電流が生じる。しかし、二次コイルには整流回路（二次側半導体部品４）が接続されているため、トランス２の２つの二次端子（第１配線７１）における電流の向きは、トランス２から二次側半導体部品４へ向かう向きとなり、図４（Ｂ）、（Ｃ）に電流波形を示すごとく、電流の符号（正負）が反転することはない。ただし、各第１配線７１に流れる電流は、断続的であり、一対の第１配線７１に、交互に電流が流れることとなる。

そして、整流回路（二次側半導体部品４）とチョークコイル５との間の第２配線７２には、図４（Ｄ）に示すごとく、二次側半導体部品４とチョークコイル５へ向かう一方向の電流が流れることとなる。
つまり、第１配線７１及び第２配線７２にそれぞれ流れる電流の向きは逆向きになることはない。それゆえ、各配線を適切な向きや位置関係とすることで、「互いに隣接配置されると共に互いに反対向きに電流が流れるよう構成された第１電流経路８１と第２電流経路８２」を形成することができる。なお、図４に示すグラフの横軸は時間経過を表す。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電源装置１においては、トランス２と一次側半導体部品３とが第１積層体１１を構成し、二次側半導体部品４とチョークコイル５とが第２積層体１２を構成している。これにより、ベースプレート６の広がり方向において、トランス２と一次側半導体部品３と二次側半導体部品４とチョークコイル５との搭載スペースを小さくすることができる。その結果、電源装置１の小型化を実現することができる。

ここで、第１積層体１１と第２積層体１２とをベースプレート６上において、近接させることにより、効果的に電源装置１の小型化を図ることができるが、部品間の接続配線の這い回し方によっては、大きな電磁ノイズの発生を招きかねない。そこで、電源装置１においては、トランス２と二次側半導体部品４とを互いに接続する第１配線７１と、二次側半導体部品４とチョークコイル５とを互いに接続する第２配線７２が、互いに隣接配置されると共に互いに反対向きに電流が流れるよう構成された第１電流経路８１と第２電流経路８２とをそれぞれ有する。これにより、第１電流経路８１と第２電流経路８２とからそれぞれ生じる磁束が、互いに打ち消し合うこととなる。その結果、これらの電流経路から発生する電磁ノイズを低減することができる。

なお、電源装置１においては、上述のごとく、第１配線７１に流れる電流が断続的とはなるが、流れる電流の向きは一定である。例えば、図４に示す期間Ｔ１においては、図４（Ｂ）、図５（Ａ）に示すごとく、一対の第１配線７１のうちの一方に電流Ｉ１が流れる。一方、第２電流経路８２には、図４（Ｄ）、図５（Ｂ）に示すごとく、電流Ｉ１とは逆向きの電流Ｉ２が、連続的に流れている。これにより、第１電流経路８１の周囲に電流Ｉ１に起因して生じる磁束が、第２電流経路８２の周囲に電流Ｉ２に起因して生じる磁束と打ち消し合う。また、図４に示す期間Ｔ２においては、図４（Ｃ）、図５（Ｂ）に示すごとく、一対の第１配線７１のうちの他方に電流が流れる。これに伴って第１電流経路８１の周囲に生じる磁束が、第２電流経路８２の周囲に電流Ｉ２に起因して生じる磁束と打ち消し合う。

また、第１積層体１１は、トランス２と一次側半導体部品３とからなり、第２積層体１２は、二次側半導体部品４とチョークコイル５とからなる。これにより、電源装置１の小型化を容易に図ることができる。

第１積層体１１は、一次側半導体部品３がトランス２とベースプレート６との間に配置されるように積層され、第２積層体１２は、二次側半導体部品４がチョークコイル５とベースプレート６との間に配置されるように積層されている。これにより、トランス２から引き出された部分の第１電流経路８１ｔと、チョークコイル５から引き出された部分の第２電流経路８２ｃとを近接配置しやすくなり、効果的に電磁ノイズの低減を図ることができる。

また、第１電流経路８１及び第２電流経路８２は、第１積層体１１と第２積層体１２との並び方向から外れた位置に配置されている。それゆえ、第１積層体１１と第２積層体１２とを近接配置しやすくなる。その結果、電源装置１の一層の小型化を図ると共に、インダクタンスの低減を図ることもできる。

以上のごとく、本例によれば、電磁ノイズを低減しつつ小型化を図ることができる電源装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図６、図７に示すごとく、チョークコイル５が二次側半導体部品４とベースプレート６との間に配置された状態で第２積層体１２が構成されている電源装置１の例である。
第１積層体１１は、実施例１と同様に、一次側半導体部品３がトランス２とベースプレート６との間に配置されるように積層されている。そして、第２積層体１２は、チョークコイル５が二次側半導体部品４とベースプレート６との間に配置されるように積層されている。

本例においても、トランス２と二次側半導体部品４とを互いに接続する第１配線７１と、二次側半導体部品４とチョークコイル５とを互いに接続する第２配線７２とが、第１電流経路８１と第２電流経路８２とをそれぞれ有する。そして、トランス２から引き出された部分の第１電流経路８１ｔと、チョークコイル５から引き出された部分の第２電流経路８２ｃとが、互いに隣接すると共に、互いに逆向きに電流が流れるよう構成されている。また、二次側半導体部品４から引き出された部分の第１電流経路８１ｓと、同じく二次側半導体部品４から引き出された部分の第２電流経路８２ｓとが、互いに隣接すると共に、互いに逆向きの電流が流れるよう構成されている。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を奏する。

（実施例３）
本例は、図８、図９に示すごとく、二次側半導体部品４とトランス２とを積層して第１積層体１１を構成し、一次側半導体部品３とチョークコイル５とを積層して第２積層体１２を構成した、電源装置１の例である。
第１積層体１１は、二次側半導体部品４がトランス２とベースプレート６との間に配置されるように積層されている。そして、第２積層体１２は、一次側半導体部品３がチョークコイル５とベースプレート６との間に配置されるように積層されている。

なお、本例においては、第１積層体１１を構成する部品同士が第１配線７１によって接続されることとなる。また、第２配線７２は、第１積層体１１の部品と第２積層体１２の部品とを接続することとなる。

本発明は、上記実施例以外にも、第１配線及び第２配線の配置を適宜変更したり、第１積層体及び第２積層体の構成を適宜変更したりした態様を採ることができる。

１電源装置
１１第１積層体
１２第２積層体
２トランス
３一次側半導体部品
４二次側半導体部品
５チョークコイル
６ベースプレート
７１第１配線
７２第２配線
８１第１電流経路
８２第２電流経路

Claims

一次コイルと二次コイルとを有するトランス（２）と、
該トランス（２）の上記一次コイル側に接続された一次側回路を構成する一次側半導体部品（３）と、
上記トランス（２）の上記二次コイル側に接続された二次側回路を構成する二次側半導体部品（４）と、
上記二次側半導体部品（４）に接続されたチョークコイル（５）と、
上記トランス（２）、上記一次側半導体部品（３）、上記二次側半導体部品（４）、及び上記チョークコイル（５）を搭載したベースプレート（６）と、を備え、
上記トランス（２）と、上記一次側半導体部品（３）と、上記二次側半導体部品（４）と、上記チョークコイル（５）とのうちのいずれか２つが上記ベースプレート（６）の法線方向（Ｚ）に積層された第１積層体（１１）を構成し、他の２つが上記ベースプレート（６）の法線方向に積層された第２積層体（１２）を構成し、
上記トランス（２）と上記二次側半導体部品（４）とを互いに接続する第１配線（７１）と、上記二次側半導体部品（４）と上記チョークコイル（５）とを互いに接続する第２配線（７２）と、を有し、
上記第１配線（７１）と上記第２配線（７２）とは、互いに隣接配置されると共に互いに反対向きに電流が流れるよう構成された第１電流経路（８１）と第２電流経路（８２）とをそれぞれ有し、
上記第１電流経路（８１）及び第２電流経路（８２）は、上記ベースプレート（６）に平行な方向に電流が流れるよう構成されていることを特徴とする電源装置（１）。
上記第１積層体（１１）は、上記トランス（２）と上記一次側半導体部品（３）とからなり、上記第２積層体（１２）は、上記二次側半導体部品（４）と上記チョークコイル（５）とからなることを特徴とする請求項１に記載の電源装置（１）。
上記第１積層体（１１）は、上記一次側半導体部品（３）が上記トランス（２）と上記ベースプレート（６）との間に配置されるように積層され、上記第２積層体（１２）は、上記二次側半導体部品（４）が上記チョークコイル（５）と上記ベースプレート（６）との間に配置されるように積層されていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置（１）。
上記第１積層体（１１）は、上記一次側半導体部品（３）が上記トランス（２）と上記ベースプレート（６）との間に配置されるように積層され、上記第２積層体（１２）は、上記チョークコイル（５）が上記二次側半導体部品（４）と上記ベースプレート（６）との間に配置されるように積層されていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置（１）。
上記第１電流経路（８１）及び上記第２電流経路（８２）は、上記第１積層体（１１）と上記第２積層体（１２）との並び方向から外れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源装置（１）。