JP5318150B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
この発明は、スイッチング素子、トランス、チョークコイル等を冷却水路により冷却するスイッチング電源装置において、複数のトランス、チョークコイルの熱の不平衡状態を防ぎ、かつそれぞれの放熱性を向上させることができるスイッチング電源装置に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply apparatus that cools a switching element, a transformer, a choke coil, and the like by a cooling water channel, and prevents switching between a plurality of transformers and a choke coil in a heat unbalanced state and can improve heat dissipation of each transformer. The present invention relates to a power supply device.
従来から、高圧の直流電圧を所望の直流電圧に降下させるスイッチング電源装置として、直流入力電圧をスイッチング素子により矩形波電圧に変換し、その変換した矩形波電圧をトランスの一次巻線に印加し、トランスの二次巻線で取り出された矩形波電圧を整流素子、チョークコイル、コンデンサなどからなる回路で整流・平滑することにより、所望の直流電圧を得るスイッチング電源装置がある。 Conventionally, as a switching power supply device for dropping a high-voltage DC voltage to a desired DC voltage, a DC input voltage is converted into a rectangular wave voltage by a switching element, and the converted rectangular wave voltage is applied to the primary winding of the transformer. There is a switching power supply device that obtains a desired DC voltage by rectifying and smoothing a rectangular wave voltage extracted by a secondary winding of a transformer with a circuit including a rectifier element, a choke coil, a capacitor, and the like.
特に、近年注目されだしたハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載されているスイッチング電源装置は、数百ボルトに達する高電圧バッテリの電圧を、従来車の電源系電圧として採用されている14Vに降圧し、多くの電気負荷や鉛バッテリに電力を供給している。14V系に接続された電気負荷は百数十Aに達するため、スイッチング電源装置のスイッチング素子、トランスからの発熱が大きく、またトランスで降圧することによって二次側回路に大電流が流れるため、整流素子、チョークコイルでの発熱量が大きくなる。 In particular, a switching power supply device mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle or an electric vehicle, which has been attracting attention in recent years, uses a voltage of a high voltage battery reaching several hundred volts as 14 V, which has been adopted as a power supply voltage of a conventional vehicle. It steps down and supplies power to many electrical loads and lead batteries. Since the electrical load connected to the 14V system reaches hundreds of amperes, the heat generated from the switching element and the transformer of the switching power supply is large, and a large current flows through the secondary circuit by stepping down the transformer. The amount of heat generated by the element and choke coil increases.
このような問題に対して、トランスを複数個で構成し、当該複数トランスのそれぞれの1次巻線を直列接続し、2次巻線を直列又は並列に接続した構成により、1次側巻線の印加電圧をトランス数に応じて分割し、その電圧低下分だけトランスのリーケージインダクタンスを小さくして、スイッチング素子のスイッチング損失を低減し、発熱を抑制するものが提案されている(例えば特許文献1を参照)。 To solve such a problem, the primary side winding is constituted by a plurality of transformers, the primary windings of the transformers being connected in series, and the secondary windings being connected in series or in parallel. Is applied in accordance with the number of transformers, the leakage inductance of the transformer is reduced by the amount of the voltage drop, switching loss of the switching element is reduced, and heat generation is suppressed (for example, Patent Document 1). See).
ところが、上記スイッチング電源装置を構成するスイッチング素子、トランスなどの磁性部品は相当の熱を発生するため、通常、水路を設けた金属筐体に固定されて設置され、これらで発生する熱は当該金属筐体により放熱処理される。この場合、金属筐体に設けられた水路は、一般的に発熱部の直下を通過するようにレイアウトされることが多く、発熱部品が点在している場合は水路が複雑な形状になるため圧損が増加することとなる。また圧損の増加に伴い、冷却ポンプの性能を上げるなどの対策が必要になる。 However, since magnetic components such as switching elements and transformers constituting the switching power supply device generate considerable heat, they are usually fixed and installed in a metal casing provided with a water channel. Heat dissipation is performed by the housing. In this case, the water channel provided in the metal housing is generally laid out so as to pass directly under the heat generating part, and the water channel becomes complicated when the heat generating parts are scattered. Pressure loss will increase. In addition, as pressure loss increases, measures such as improving the performance of the cooling pump are required.
このため、圧損の小さい直線形状の冷却水路の上にスイッチング電源装置の主回路部品を構成することが有効となる。ただし、直線形状の冷却水路の場合、全ての発熱部品を冷却水路の真上に配置すると、スイッチング電源装置の形状が細長くなるという課題があるのに加え、部品間の結線も難しくなる。このため、実際は発熱量の大きいスイッチング素子を優先的に冷却水路の上に配置し、トランスやチョークコイルなどの発熱部品を冷却水路上以外の場所に配置せざるを得なかった。 For this reason, it is effective to configure the main circuit component of the switching power supply device on the linear cooling water passage with small pressure loss. However, in the case of a linear cooling water channel, when all the heat generating components are arranged directly above the cooling water channel, there is a problem that the shape of the switching power supply device becomes elongated, and the connection between the components becomes difficult. For this reason, in practice, a switching element having a large amount of heat generation has to be preferentially disposed on the cooling water channel, and heat-generating components such as a transformer and a choke coil have to be disposed in places other than the cooling water channel.
従って、例えば特許文献1のように複数のトランス、複数の整流回路、複数の平滑回路を必要とする場合、複数のトランスや複数のチョークコイルの熱が不平衡状態となり、このためトランス、チョークコイル、共振用インダクタの放熱性が悪くなり、冷却水路の冷却条件が厳しくなって、発熱部品の部品配置の自由度が狭められる等の問題があった。また、トランスやチョークコイルなどの磁性体の熱が不平衡状態になることにより、例えば透磁率の温度特性によってインダクタンスが不平衡となり、このためコンバータの電気回路の平衡度を確保できず、更には、インバータ回路−共振用インダクタ−トランス間の配線が複雑となる問題があった。 Therefore, for example, when a plurality of transformers, a plurality of rectifier circuits, and a plurality of smoothing circuits are required as in Patent Document 1, the heat of the plurality of transformers and the plurality of choke coils becomes unbalanced. However, the heat dissipation of the resonance inductor deteriorates, the cooling condition of the cooling water passage becomes severe, and there is a problem that the degree of freedom in arranging the heat generating parts is reduced. In addition, the heat of a magnetic material such as a transformer and a choke coil is in an unbalanced state, so that, for example, the inductance is unbalanced due to the temperature characteristic of the magnetic permeability, so that the balance of the electric circuit of the converter cannot be secured, The wiring between the inverter circuit, the resonance inductor, and the transformer is complicated.
従って、これらの部品をできるだけ直線形状の冷却水路の上あるいは近傍に配置し、しかも、複数のトランスや複数のチョークコイルの放熱性を確保すると共に、これらの磁性部品の熱の不平衡状態を防ぎ、できるだけ冷却条件を緩和させるような配置を決定する必要がある。熱の平衡状態を保てない場合は、トランスの最高温度の箇所を冷却するための冷却能力が必要となり、結果的に放熱性が悪化することになる。本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサで発生する熱を、平衡状態を保ちながら放熱するための合理的配置とすると共に、冷却系の簡素化を実現することを目的とするものである。 Therefore, these components are placed on or near the linear cooling water channel as much as possible, and heat dissipation of a plurality of transformers and a plurality of choke coils is ensured, and a thermal unbalanced state of these magnetic components is prevented. Therefore, it is necessary to determine an arrangement that relaxes the cooling conditions as much as possible. If the thermal equilibrium state cannot be maintained, a cooling capacity for cooling the highest temperature portion of the transformer is required, and as a result, the heat dissipation is deteriorated. The present invention has been made in order to solve such a problem, while maintaining heat in a balanced state with heat generated by a plurality of transformers, the plurality of rectifier circuits, the plurality of choke coils, and the plurality of capacitors. The purpose is to achieve a rational arrangement for dissipating heat and to simplify the cooling system.
本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング素子を備え直流電圧から交流電圧を発生させるインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される交流電圧が1次巻線に印加され、異なる交流電圧を2次巻線に出力する複数のトランスと、スイッチング素子を備え前記各トランスの2次巻線に誘起される交流電圧を整流する複数の整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する複数のチョークコイルと、前記整流回路から出力されるリップル電圧波形を平滑する複数のコンデンサと、前記インバータ回路、前記複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサを固定する金属筐体と、前記金属筐体に設けられ、前記複数のトランス、前記複数の整流回路、前記複数のチョークコイル、前記複数のコンデンサで発生する熱を放熱する直線形状からなる1つの冷却水路とを備えたスイッチング電源装置において、少なくとも前記スイッチング素子を備えたインバータ回路および整流回路を前記冷却水路の直上に配置すると共に、前記複数のトランスを前記冷却水路の長手方向に対して平行に配置したことを特徴とする。 The switching power supply apparatus of the present invention includes an inverter circuit that includes a switching element and generates an AC voltage from a DC voltage, and an AC voltage output from the inverter circuit is applied to the primary winding, and a different AC voltage is applied to the secondary winding. A plurality of transformers that output to each other, a plurality of rectifier circuits that rectify an alternating voltage induced in a secondary winding of each transformer, a plurality of choke coils that smooth the output of the rectifier circuit, A plurality of capacitors for smoothing the ripple voltage waveform output from the rectifier circuit, the inverter circuit, the plurality of transformers, the plurality of rectifier circuits, the plurality of choke coils, and a metal housing for fixing the plurality of capacitors; provided in the metal housing, said plurality of transformers, the plurality of rectifier circuits, the plurality of choke coils, wherein the plurality of co In the switching power supply device that includes a single cooling water passage comprising a linear shape for dissipating heat generated by capacitors, as well as placing an inverter circuit and a rectifier circuit comprising at least the switching element immediately above the cooling water channel, said plurality The transformer is arranged parallel to the longitudinal direction of the cooling water channel.
この発明によれば、少なくとも前記スイッチング素子を備えたインバータ回路および整流回路を前記冷却水路の直上に配置すると共に、前記複数のトランスを前記冷却水路の長手方向に対して互いに平行に配置することにより、少なくとも上記複数のトランスの熱が不平衡状態になることを防ぐことができる。また、少なくともトランスの放熱性が向上するため、冷却水路の冷却条件緩和や、発熱部品の部品配置の自由度を向上することができる。 According to the present invention, the inverter circuit and the rectifier circuit including at least the switching element are arranged immediately above the cooling water channel, and the plurality of transformers are arranged parallel to each other in the longitudinal direction of the cooling water channel. It is possible to prevent the heat of at least the plurality of transformers from being in an unbalanced state. Moreover, since at least the heat dissipation of the transformer is improved, it is possible to relax the cooling conditions of the cooling water channel and to improve the degree of freedom in arranging the heat generating components.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1について、図1及び図2を参照して説明する。
本発明に適用されるスイッチング電源装置として、絶縁型スイッチング電源装置の一般的な回路方式であるセンタータップ式同期整流方式の回路図を図1に示す。センタータップ式同期整流方式は、一般的な全波整流回路と同等の整流波形を得ることができる整流回路の一種であるが、これに限らず、その他の整流方式であってもよい。センタータップ式同期整流方式の絶縁型スイッチング電源装置は、直流から交流に変換するインバータと、上記インバータから出力される矩形波電圧を巻数比に応じた異なる電圧に変換する複数個のトランスとを備え、上記トランスの1次巻線が互いに直列に接続され、トランスの2次巻線が互いに並列に接続されているのが一般的である。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIGS.
As a switching power supply device applied to the present invention, a circuit diagram of a center tap type synchronous rectification method, which is a general circuit method of an insulating switching power supply device, is shown in FIG. The center tap type synchronous rectification method is a kind of rectification circuit that can obtain a rectification waveform equivalent to that of a general full-wave rectification circuit, but is not limited thereto, and other rectification methods may be used. The center tap type synchronous rectification type isolated switching power supply device includes an inverter that converts direct current to alternating current, and a plurality of transformers that convert the rectangular wave voltage output from the inverter into different voltages according to the turns ratio. In general, the primary windings of the transformer are connected in series with each other, and the secondary windings of the transformer are connected in parallel with each other.
図1において、101a、101bはスイッチング電源装置への直流電圧を印加する入力端子であり、スイッチング電源装置の出力電圧よりも高い電圧が印加される。102は上記入力端子101に入力された直流電圧を交流電圧に変換するためのインバータ回路であり、一般的には、MOSFETなどのスイッチング素子から構成される。103a、103bは上記インバータ回路102から出力される矩形波交流電圧が印加されるトランス105の一次巻線で、ここでは2つのトランス105a、105bに分割されたものを示しており、インバータ回路102に設けられたスイッチング素子102a〜102dをスイッチングすることによって生成される矩形波に近い電圧波形が印加される。
In FIG. 1,
104はインバータ回路102のスイッチング素子で発生するスイッチング損失の低減を実現するため、ゼロボルトスイッチング動作(ZVS動作)を行うに必要な共振用インダクタである。106はトランスの巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された矩形波交流電圧が印加されるトランス2次巻線であり、上記トランス1次巻線103と共に電磁気的に結合するための磁性体コアにそれぞれ巻回されている。
107a、107bはトランス2次巻線106a、106bから出力される交流電圧を整流するための整流回路であり、本実施例では、同期整流を実現するためのMOSFET素子を用いる。108a、108bは整流回路107a、107bで整流したリップル電圧波形をそれぞれ平滑するためのチョークコイルであり、また、109a、109bは整流回路107a、107bで整流したリップル電圧波形を平滑するためのコンデンサである。上記チョークコイル108とコンデンサ109とで平滑回路を構成している。
110は上記整流回路及び平滑回路で得られた直流電圧をスイッチング電源装置の外部へ出力するための出力端子である。111は接地端子であり、後で説明する2次側回路の接地として用いられるスイッチング電源装置の金属筐体201に接続されている。
なお、本実施例では、2次側回路の接地を金属筐体と導電位にしているため、出力電圧は出力端子110と金属筐体201との間に出力される。
In this embodiment, since the ground of the secondary side circuit is in the conductive position with the metal casing, the output voltage is output between the
次に、図1で説明したセンタータップ式同期整流方式の絶縁型スイッチング電源装置の各部品のレイアウト図を示す図2について説明する。なお、図2において図1と同一又は相当部分には同一符号を付している。
201はインバータ回路102、共振用インダクタ104、トランス105a、105b、整流回路107a、107b、平滑回路108a、108b、109a、109bを固定するための金属筐体であり、202はインバータ回路102、共振用インダクタ104、トランス105a、105b、整流回路107a、107b、平滑回路108a、108b、109a、109bで発生する熱を放熱するために上記金属筐体201に設けられた冷却水路を示している。
Next, FIG. 2 which shows the layout figure of each component of the center-tap type synchronous rectification type insulated switching power supply apparatus described in FIG. 2 that are the same as or equivalent to those in FIG.
201 is a metal housing for fixing the
203はインバータ回路102、整流回路107a、107bに含まれるスイッチング素子を実装するための基板であり、放熱性を確保するため、金属のベースプレートを備えた金属基板が用いられる。本実施例では、他の部品で発生する熱と比較し、スイッチング素子で発生する熱が大きいため、冷却水路202の直上に配置している。
204はインバータ回路102とトランス105a、105bの1次巻線103a、103bを接続するためのハーネスであり、本実施例ではハーネスを用いているが、基板配線や銅板などを用いて接続してもよい。
入力端子101a、101bから直流電圧を印加されるインバータ回路102は、通常、放熱性を確保するために、金属性ベースプレート(図示せず)を備えた金属基板203上に実装される。本実施例では金属基板203にスイッチング素子を実装した例を示したが、スイッチング素子を絶縁体を介して筐体201に接触させて放熱し、インバータ回路102の配線を基板や銅板で構成する手法や、その他の手法を用いてもよい。
The
トランス105a、105bは、冷却水路202の長手方向に対して平行に配置し、冷却水路202からトランスまでの距離がそれぞれ等しく、かつ冷却水路202の長手方向とトランス105a、105bの長手方向が平行するように配置する。これにより、複数のトランスの熱を平衡状態に保ち、かつ複数のトランスの放熱性を向上させることができる。
The
また、共振用インダクタ104は、複数のトランス105a、105bの間に、かつ冷却水路202の長手方向と共振用インダクタ104の長手方向が平行するように配置している。このように複数のトランス105a、105bの間に共振用インダクタ104を配置することにより、インバータ回路102−共振用インダクタ104−トランス105間の配線が容易となり、また、共振用インダクタの放熱性が向上する。
The
整流回路107a、107bは、インバータ回路102と同じく、金属性ベースプレートを備えた金属基板203上に上記インバータ回路102を両側から挟むように実装される。本実施例では金属基板にスイッチング素子を実装する形態としているが、スイッチング素子を筐体201に接触させて放熱し、整流回路の配線をハーネスや銅板で構成する手法や、その他の手法を用いてもよい。
Like the
また、複数のチョークコイル108a、108bは、冷却水路202に対して平行に配置し、冷却水路202からの距離がそれぞれ等しく、かつ冷却水路202の長手方向と複数のチョークコイル108a、108bの長手方向が平行するように配置する。これにより、複数のチョークコイルの熱を平衡状態に保ち、かつ複数のチョークコイルの放熱性を向上させることができる。
Further, the plurality of
整流回路209で発生したリップル電圧波形を平滑するためのコンデンサ109a、109bは、図のように、それぞれのコンデンサ109a、109bの片側はチョークコイル108a、108bに接続され、もう一方の片側は接地端子111を介して筐体201に接続されている。もう一方の出力端子110は上記整流回路107a、107b、チョークコイル108a、108b、コンデンサ109a、109bから得られた直流電圧をスイッチング電源装置の外部へ出力するようなされている。
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2におけるスイッチング電源装置の部品のレイアウトを説明する上面図である。図において図2で示した実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付している。図3において、図2と異なる部分は、トランス105a、105b、チョークコイル108a、108bおよびコンデンサ109a、109bの配置構成である。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a top view for explaining the layout of components of the switching power supply according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, the same or corresponding parts as those in the first embodiment shown in FIG. 3 differs from FIG. 2 in the arrangement of
すなわち、複数のトランス105a、105b、複数のチョークコイル108a、108bおよび前記複数のコンデンサ109a、109bを、前記冷却水路202を挟んでそれぞれ互いに対称に配置し、前記共振用インダクタ104を、前記冷却水路202の直上に配置している。また、前記冷却水路202の長手方向と前記共振用インダクタ104および前記複数のチョークコイル108a、108bの長手方向が互いに平行になるように配置され、且つ、前記複数のチョークコイルおよび前記複数のコンデンサは、前記冷却水路からの距離がそれぞれ等しくなるように配置されている。
That is, a plurality of
このような構成としても実施の形態1と同様、複数のトランスや複数のチョークコイルの熱が不平衡状態となるのを防ぐことができる。また、実施の形態1と比較して冷却水路を中心としたより完全な左右対称な配置を実現して電源回路全体で熱を平衡状態に保つことができるため、実施の形態1より放熱性を向上させることができる。
また、トランス、チョークコイル、共振用インダクタの放熱性が向上するため、冷却水路の冷却条件の緩和や、発熱部品の部品配置の自由度向上などのメリットが生まれる。例えば、トランスの放熱性が向上することで、トランスを冷却水路から離れた場所に配置することが可能となるため、冷却水路―トランス間のスペースを確保できるようになるなどの利点がある。
Even in such a configuration, similarly to the first embodiment, it is possible to prevent the heat of the plurality of transformers and the plurality of choke coils from being in an unbalanced state. In addition, compared to the first embodiment, a more complete left-right symmetrical arrangement with the cooling water channel as the center can be realized, and heat can be maintained in an equilibrium state in the entire power supply circuit. Can be improved.
In addition, since the heat dissipation of the transformer, choke coil, and resonance inductor is improved, there are merits such as relaxation of cooling conditions of the cooling water channel and improvement in the degree of freedom in the arrangement of the heat generating components. For example, since the heat dissipation of the transformer is improved, the transformer can be disposed at a location away from the cooling water channel, so that there is an advantage that a space between the cooling water channel and the transformer can be secured.
更に、トランスやチョークコイルなどの磁性体の熱が不平衡状態になるのを防ぐことができるため、例えば透磁率の温度特性によってインダクタンスが不平衡となるのを防ぐことができ、コンバータの電気回路の平衡度を確保することができる。また、共振用インダクタを複数のトランスの間に配置することにより、インバータ回路−共振用インダクタ−トランス間の配線が容易となる。 Furthermore, since it is possible to prevent the heat of a magnetic material such as a transformer and a choke coil from being in an unbalanced state, it is possible to prevent the inductance from being unbalanced due to, for example, the temperature characteristic of the magnetic permeability. The degree of balance can be ensured. In addition, by arranging the resonance inductor between a plurality of transformers, wiring between the inverter circuit, the resonance inductor, and the transformer is facilitated.
101 入力端子、 102 インバータ回路、 104 共振用インダクタ、
103 1次巻線、 105 トランス、 106 2次巻線、
107 整流回路、 108 チョークコイル、 109 コンデンサ、
110 出力端子、 111 接地端子、 201 金属筐体、
202 冷却水路、 203 金属基板、 204 カーネル。
101 input terminal, 102 inverter circuit, 104 resonant inductor,
103 primary winding, 105 transformer, 106 secondary winding,
107 rectifier circuit, 108 choke coil, 109 capacitor,
110 output terminal, 111 ground terminal, 201 metal housing,
202 cooling water channel, 203 metal substrate, 204 kernel.
Claims (7)
Priority Applications (2)
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