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JP7098025B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】振動対策及び基板についてのコストの増加を抑制しつつ、ノイズレベルを抑制した電力変換装置を得ること。【解決手段】ベース、トランス、インバータ部、制御基板、第一端子と第二端子を有した第一の整流素子、第三端子と第四端子を有した第二の整流素子、平滑リアクトル、出力フィルタ回路部、平滑リアクトルと出力フィルタ回路部とを接続した第一の主回路配線、第二端子及び第四端子と外部とを接続した第二の主回路配線、及び制御基板に実装された平滑コンデンサを備え、制御基板の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子の配置領域、第二の整流素子の配置領域、及び第一の整流素子と第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、対象領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、第二の主回路配線に接続される平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されている。【選択図】図５

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
環境に優しい自動車として、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、またはＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）及びＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等のハイブリッド自動車が開発されている。電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動化車両には、高電圧バッテリの電圧を降圧し、補器バッテリ用の電圧に変換するＤＣ－ＤＣコンバータを備えた電力変換装置が搭載される。一般的にＤＣ－ＤＣコンバータは、高電圧の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路、高電圧の交流を低電圧に変換するトランス、低電圧の交流を整流して直流パルス電圧に変換する整流素子、直流パルス電圧を平滑化する平滑リアクトル及び平滑コンデンサ、ＤＣ－ＤＣコンバータから出力されるノイズを規定値以下に低減するフィルタ回路、インバータ回路を制御する制御回路、及びこれらの部品を内包し、トランス及び整流素子等の発熱部品を冷却する水路を備えた筐体で構成される。
近年、インバータ回路の高周波化、及び装置全体の高密度化により、ＤＣ－ＤＣコンバータから発生するノイズは増加傾向にある。そのため、ノイズ源に対する対策が必要とされ、対策を施したＤＣ－ＤＣコンバータの構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。開示された構成では、筐体と熱的に接続された基板上に整流素子と平滑コンデンサを表面実装し、整流素子と平滑コンデンサの直上に平滑リアクトルが配置される。更にトランスの二次側巻線端子を平滑リアクトルと整流素子の直近に配置し、平滑リアクトルと平滑コンデンサを接続する端子を平滑リアクトルと平滑コンデンサの直近に配置して接続する。この構成により、２次側電流が遮断されて流れるループ経路が短くなると同時に、この経路での寄生インダクタンスが小さくなるため、ノイズレベルを抑えることができる。
特開２０１１－５０１６０号公報
上記特許文献１においては、ループ経路の寄生インダクタンスが小さくなるのでノイズレベルを抑えることができる。しかしながら、平滑リアクトルの支持はトランス及び端子との接続のみで行われており、平滑リアクトルは基板から浮いた状態で空中に配置されている。そのため、車両の走行時の振動により平滑リアクトルが大きく揺れて平滑リアクトルのコア及び銅線が破損する場合があるので、平滑リアクトルに振動対策が必要という課題があった。振動対策としては、平滑リアクトルの支持構造の追加、もしくは平滑リアクトルの周囲への緩衝材充填等が考えられる。ＤＣ－ＤＣコンバータの平滑リアクトルには１００～２００Ａの大電流が流れ、コア及び銅線は共に大型化、重量化する傾向にあるため、平滑リアクトルの振動対策にはコストがかかる。
また、上記特許文献１においては、基板に実装された整流素子にも１００～２００Ａの大電流が流れるため、厚銅パターン基板等の高コストな基板をＤＣ－ＤＣコンバータに使用する必要がある。厚銅パターン基板には平滑コンデンサも実装されるため、平滑コンデンサを実装する面積分、高コストな基板は大型化するので、更に電力変換装置のコストが上がるという課題があった。
そこで、本願は、振動対策及び基板についてのコストの増加を抑制しつつ、ノイズレベルを抑制したＤＣ－ＤＣコンバータを備えた電力変換装置を得ることを目的としている。
本願に開示される電力変換装置は、ベースと、ベースの第一の面に配置され、一次巻線及び二次巻線を有したトランスと、半導体スイッチング素子を有し、一次巻線への給電を行うインバータ部と、ベースの第一の面と離間して配置され、インバータ部を制御する制御回路を有した制御基板と、二次巻線の一方の端部に接続され、トランスに隣接して設けられた第一端子、及び第二端子を有し、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に配置された第一の整流素子と、二次巻線の他方の端部に接続され、トランスに隣接して設けられた第三端子、及び第四端子を有し、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に第一の整流素子と並べて配置された第二の整流素子と、一方の端部が、二次巻線の一方の端部と他方の端部との間に設けられたセンタータップと接続され、ベースの第一の面に配置された平滑リアクトルと、平滑リアクトルの他方の端部と外部の負荷の高電位側との間に接続された出力フィルタ回路部と、平滑リアクトルの他方の端部と出力フィルタ回路部との間を接続した第一の主回路配線と、第一の整流素子の第二端子及び第二の整流素子の第四端子と外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線と、高電位側の端子が第一の主回路配線に接続され、低電位側の端子が第二の主回路配線に接続され、制御基板に実装された平滑コンデンサとを備え、制御基板の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子の配置領域、第二の整流素子の配置領域、及び第一の整流素子と第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、制御基板の面に垂直な方向に見て、対象領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、第二の主回路配線に接続される平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されているものである。
本願に開示される電力変換装置によれば、ベース、ベースの第一の面に配置されトランス、インバータ部、ベースの第一の面と離間して配置された制御基板、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に配置された第一の整流素子、トランスに対して特定方向の側であってベースの第一の面側に第一の整流素子と並べて配置された第二の整流素子、ベースの第一の面に配置された平滑リアクトル、出力フィルタ回路部、平滑リアクトルと出力フィルタ回路部との間を接続した第一の主回路配線、第一の整流素子の第二端子及び第二の整流素子の第四端子と外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線、及び高電位側の端子が第一の主回路配線に接続され、低電位側の端子が第二の主回路配線に接続され、制御基板に実装された平滑コンデンサを備え、制御基板の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子の配置領域、第二の整流素子の配置領域、及び第一の整流素子と第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、制御基板の面に垂直な方向に見て、対象領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、第二の主回路配線に接続される平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されているため、平滑コンデンサ及び平滑コンデンサの低電位側の端子と第二の主回路配線との接続点は第一の整流素子及び第二の整流素子の直近に配置され、平滑コンデンサの高電位側の端子と第一の主回路配線との接続点から第一の整流素子及び第二の整流素子までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。
また、トランス及び平滑リアクトルがベースの第一の面に配置されるため、重量物であるトランス及び平滑リアクトルの振動対策は容易であるので、振動対策についての電力変換装置のコストの増加を抑制することができる。また、平滑コンデンサは、第一の主回路配線及び第二の主回路配線の様に大電流が流れる配線部分とは異なる階層の制御基板に配置されるため、高コストな厚銅パターン基板を制御基板に用いる必要がないので、基板についての電力変換装置のコストの増加を抑制することができる。
実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の要部を示す平面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の要部を示す平面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の要部を示す側面図である。 電力変換装置の制御回路のハードウエアの一例を示す構成図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の要部を示す平面図である。
以下、本願の実施の形態による電力変換装置を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力変換装置１００の回路構成を示す図、図２は電力変換装置１００の要部を示す斜視図で、図１におけるトランス１３から出力フィルタ回路部１８に至る部分の構成を示した図、図３は電力変換装置１００の要部を示す斜視図で、図２から制御基板２２を取り除いて示した図、図４は電力変換装置１００の要部を示す平面図で、図１におけるトランス１３から出力フィルタ回路部１８に至る部分の構成について制御基板２２を取り除いて示した図、図５は電力変換装置１００の要部を示す平面図で、図４から平滑コンデンサ１７及びバスバー３４を取り除いて示した図、図６は電力変換装置１００の要部を示す側面図、図７は電力変換装置１００の制御回路２１のハードウエアの一例を示す構成図である。電力変換装置１００は、高電圧バッテリの電圧を降圧して低電圧に変換するＤＣ－ＤＣコンバータを備えた装置である。電力変換装置１００は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動化車両に搭載される。
＜電力変換装置１００＞
電力変換装置１００の主回路構成を説明する。図１に示すように、電力変換装置１００は、インバータ部１２、トランス１３、平滑リアクトル１４、第一の整流素子１５、第二の整流素子１６、平滑コンデンサ１７、出力フィルタ回路部１８、及び制御回路２１を備える。図１において、左側が入力側、右側が出力側であり、電力変換装置１００は出力側に出力端２３を備える。入力側には高電圧バッテリが接続され、出力側には低電圧バッテリなどの負荷が接続される。電力変換装置１００は、入力側にインバータ部１２と接続され、インバータ部１２の入力電圧を平滑化する入力コンデンサ１１を備える。
インバータ部１２は、平滑化された高電圧の直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ部１２は複数の半導体スイッチング素子１２ａを有し、トランス１３の一次巻線１３ａへの給電を行う。制御回路２１は、半導体スイッチング素子１２ａと接続され、インバータ部１２の動作を制御する。制御回路２１は、制御基板２２に実装される。トランス１３は、高電圧の交流を低電圧の交流に変換する。トランス１３は、一次巻線１３ａ及び二次巻線１３ｂを有する。二次巻線１３ｂの一方の端部と他方の端部との間には、センタータップ１３ｃが設けられる。
第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６は、二次巻線１３ｂから出力された低電圧の交流を整流して直流パルス電圧に変換する。第一の整流素子１５は、二次巻線１３ｂの一方の端部に接続された第一端子１５ａ、及び第二端子１５ｂを有する。第二の整流素子１６は、二次巻線１３ｂの他方の端部に接続された第三端子１６ａ、及び第四端子１６ｂを有する。平滑リアクトル１４及び平滑コンデンサ１７は、直流パルス電圧を平滑化する。平滑リアクトル１４は、一方の端部がセンタータップ１３ｃと接続される。出力フィルタ回路部１８は、電力変換装置１００から出力されるノイズを規定値以下に低減する。出力フィルタ回路部１８は、平滑リアクトル１４の他方の端部と外部の負荷の高電位側との間に接続される。出力フィルタ回路部１８は、外部の負荷の高電位側とは出力端２３の高電位側で接続される。出力フィルタ回路部１８は、フィルタ回路リアクトル１９とフィルタ回路コンデンサ２０とを備える。
第一の主回路配線１は、平滑リアクトル１４の他方の端部と出力フィルタ回路部１８との間を接続する。第二の主回路配線２は、第一の整流素子１５の第二端子１５ｂ及び第二の整流素子１６の第四端子１６ｂと外部の負荷の低電位側との間を接続する。第二の主回路配線２は、外部の負荷の低電位側とは出力端２３の低電位側で接続される。平滑コンデンサ１７は、制御基板２２に実装される。平滑コンデンサ１７の高電位側の端子は第一の主回路配線１に第一の接続点３で接続され、平滑コンデンサ１７の低電位側の端子は第二の主回路配線２に第二の接続点４で接続される。
インバータ部１２が有した半導体スイッチング素子１２ａには、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの自己消弧型半導体スイッチング素子が用いられる。半導体スイッチング素子１２ａはＭＯＳＦＥＴに限るものではなく、他の半導体スイッチング素子でも構わない。半導体スイッチング素子１２ａは、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、もしくは窒化ガリウム（ＧａＮ）などの半導体材料からなる半導体基板に形成される。
制御回路２１は、ハードウエアの一例を図７に示すように、例えば、演算処理を実行するマイクロコンピュータであるプロセッサ１１１と記憶装置１１２から構成される。記憶装置１１２は、図示していないが、プログラムデータ、固定値データ等のデータを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の補助記憶装置と、格納されているデータを更新して順次書き換えられるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性記憶装置とによって構成される。プロセッサ１１１は、記憶装置１１２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１１１にプログラムが入力される。また、プロセッサ１１１は、演算結果等のデータを記憶装置１１２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
図１の回路構成に示した第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６は、便宜上、それぞれ一つのダイオードで示したが、実際には２つ以上で並列に設けられた複数のダイオードとしても構わない。また、第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６は、ＭＯＳＦＥＴなどの自己消弧型半導体スイッチング素子を用いる構成としても構わない。
＜電力変換装置１００の部品配置＞
電力変換装置１００の要部として、図１におけるトランス１３から出力フィルタ回路部１８に至る部分の部品配置について説明する。トランス１３から出力フィルタ回路部１８に至る部分の部品は、図２に示すように、板状に形成され、金属からなるベース３０の第一の面の側に配置される。ベース３０の第一の面は、部品配置面３０ａである。ベース３０の形状は板状に限るものではなく、例えばブロック状であっても構わない。また、ベース３０は、冷却装置もしくは筐体の一部として機能する部材であっても構わない。本実施の形態では、ベース３０は、ベース３０に配置された部品及びその他の部品を収容する電力変換装置１００の筐体の一部になる。この場合、金属からなるベース３０は、図１に示した出力端２３の低電位側の端子として機能する。ベース３０は金属に限るものではなく、低電位側の配線として機能するバスバーなどをベース３０に別に備える構成でも構わない。ベース３０が金属からなる場合、ベース３０は筐体として機能すると共に低電位側の端子として機能するため、低電位側の端子が不要なので、電力変換装置１００の生産性を向上させることができる。また、電力変換装置１００のコストの増加を抑制することができる。
トランス１３及び平滑リアクトル１４は、図３に示すように、ベース３０の部品配置面３０ａに配置される。トランス１３及び平滑リアクトル１４は、それぞれ巻線部（図示せず）を有する。トランス１３及び平滑リアクトル１４は、例えば、巻線部が絶縁性を有した樹脂からなるケースに収容され、ケースごとベース３０に固定される。トランス１３及び平滑リアクトル１４は、例えば、複数のねじでベース３０に固定されるため、ねじ固定が振動対策になるので、支持構造などの振動対策を追加しなくても構わない。トランス１３は、図４に示すように、Ｙ軸の方向の側に二次側巻線端子３３ａ、３３ｂ、３３ｃを有する。このＹ軸の方向の側を、トランス１３に対して特定方向の側とする。二次側巻線端子３３ａは二次巻線１３ｂの一方の端部の端子、二次側巻線端子３３ｃは二次巻線１３ｂの他方の端部の端子、二次側巻線端子３３ｂは二次巻線１３ｂのセンタータップ１３ｃの端子である。このようにトランス１３及び平滑リアクトル１４がベース３０の部品配置面３０ａに配置されるため、重量物であるトランス１３及び平滑リアクトル１４の振動対策は容易であるので、振動対策についての電力変換装置１００のコストの増加を抑制することができる。
二次側巻線端子３３ｂは、バスバー３４を介して平滑リアクトル１４の一方の端部と接続される。二次側巻線端子３３ｂとバスバー３４とは、図６に示すように、例えばねじ４０とナット４２を用いて電気的かつ機械的に接続される。ナット４２とベース３０との間には絶縁シート３７が配置される。絶縁シート３７は二次側巻線端子３３ｂとバスバー３４の支持物の一部として機能し、ベース３０とバスバー３４とは絶縁シート３７を介して熱的に接続される。このように構成することで、センタータップ１３ｃの平滑リアクトル１４と接続された箇所がベース３０と熱的に接続されているため、トランス１３及び平滑リアクトル１４で生じた熱を効率よくベース３０を介して放熱することができる。平滑リアクトル１４の他方の端部にはバスバー３５が設けられ、バスバー３５は図４における上方向に配置される出力フィルタ回路部１８（図４において図示せず）と接続される。バスバー３５は、図１における第一の主回路配線１に該当する部品である。バスバー３４、３５は、熱伝導性に優れると共に、電気伝導性を備えた銅またはアルミニウム等の金属から作製される。
本実施の形態では、平滑リアクトル１４はトランス１３に対して特定方向の側に配置され、平滑リアクトル１４とトランス１３との間に、第一の整流素子１５、第二の整流素子１６、バスバー３５、バスバー３６、及び平滑コンデンサ１７が配置されている。このように構成することで、図４に示すように、ベース３０の部品配置面３０ａを小さく構成できるので、電力変換装置１００を小型化することができる。
トランス１３と平滑リアクトル１４の間には、図２に示すように、制御基板２２の一部及び制御基板２２に実装された平滑コンデンサ１７が配置される。制御基板２２は、ベースの部品配置面３０ａと離間して配置される。制御基板２２は、図６に示すように、第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６におけるベース３０側の面とは反対側の面よりもベース３０から離間する側の位置であって、かつトランス１３及び平滑リアクトル１４のそれぞれにおけるベース３０側の面とは反対側の面の一方または双方よりもベース３０側の位置に配置される。本実施の形態では、制御基板２２はトランス１３及び平滑リアクトル１４のそれぞれにおけるベース３０側の面とは反対側の面の双方よりもベース３０側の位置に配置される。このように構成することで、平滑コンデンサ１７が実装された制御基板２２に接続される端子３１、３２と制御基板２２とを近づけて配置することができるので、制御基板２２に接続される端子３１、３２のＺ軸方向の長さを短くすることができる。制御基板２２に接続される端子３１、３２の詳細については後述する。
また、制御基板２２の外周部に一つ又は二つの切欠きが設けられ、一つ又は二つの切欠きのそれぞれの内側に、トランス１３及び平滑リアクトル１４の一方又は双方が一つずつ配置される。本実施の形態では、図２に示すように、制御基板２２は２つの切欠き２２ａ、２２ｂを備え、切欠き２２ａの内側にトランス１３が配置され、切欠き２２ｂの内側に平滑リアクトル１４が配置される。このように構成することで、ベース３０の周囲に制御基板２２を集約して配置できるので、電力変換装置１００を小型化することができる。
第一の整流素子１５の第一端子１５ａは、トランス１３に隣接して設けられる。第一の整流素子１５は、トランス１３に対して特定方向の側であってベース３０の部品配置面３０ａ側に配置される。第二の整流素子１６の第三端子１６ａは、トランス１３に隣接して設けられる。第二の整流素子１６は、トランス１３に対して特定方向の側であってベース３０の部品配置面３０ａ側に第一の整流素子１５と並べて配置される。図５に示すように、トランス１３の二次側巻線端子３３ａには第一の整流素子１５の第一端子１５ａであるカソード端子が接続され、トランス１３の二次側巻線端子３３ｃには第二の整流素子１６の第三端子１６ａであるカソード端子が接続される。二次側巻線端子３３ａ、３３ｃとベース３０との間には絶縁シート３７が配置される。二次側巻線端子３３ａ、３３ｃとベース３０とは絶縁シート３７を介して熱的に接続される。
第一の整流素子１５の第二端子１５ｂであるアノード端子及び第二の整流素子１６の第四端子１６ｂであるアノード端子を接続するバスバー３６は、部品配置面３０ａに設けられる。アノード端子はバスバー３６の側に設けられてバスバー３６と接続されているため、図５では見えていない。バスバー３６は外部の負荷の低電位側と接続される。バスバー３６は、図１における第二の主回路配線２に該当する部品である。なお、バスバー３６とベース３０は同電位であるため、バスバー３６が直接外部の負荷の低電位側と接続されずに、ベース３０を介して接続されても構わない。バスバー３６は、熱伝導性に優れると共に、電気伝導性を備えた銅またはアルミニウム等の金属から作製される。
バスバー３５には端子３１が接続され、制御基板２２とバスバー３５とは端子３１により接続される。このバスバー３５と端子３１とを接続する箇所が、図１における第一の接続点３に該当する部位である。バスバー３５と端子３１とは、図６に示すように、例えばねじ４１とナット４３を用いて電気的かつ機械的に接続される。ナット４３とベース３０との間には絶縁シート３８が配置される。絶縁シート３８は端子３１とバスバー３５の支持物の一部として機能し、ベース３０とバスバー３５とは絶縁シート３８を介して熱的に接続される。このように構成することで、平滑リアクトル１４で生じた熱を効率よくベース３０を介して放熱することができる。
バスバー３６には端子３２が接続され、制御基板２２とバスバー３６とは端子３２により接続される。バスバー３６と端子３２とを接続する箇所が、図１における第二の接続点４に該当する部位である。バスバー３６と端子３２とは、例えばねじ４４を用いてベース３０に固定される。この固定により、バスバー３６と端子３２とは電気的かつ機械的に接続される。また、バスバー３６と端子３２とは、ベース３０に熱的に接続される。このように構成することで、第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６で生じた熱を効率よくベース３０を介して放熱することができる。
制御基板２２は、上述したように、第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６よりもベース３０から離間する側の位置であって、かつトランス１３及び平滑リアクトル１４のそれぞれにおけるベース３０側の面とは反対側の面よりもベース３０側の位置に配置されるため、制御基板２２に接続される端子３１、３２のＺ軸方向の長さを短くすることができるので、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６までの経路の長さが縮小され、ノイズ低減効果をより高めることができる。
平滑コンデンサ１７の高電位側の端子（図示せず）と端子３１とは、制御基板２２に設けられた配線パターンを用いて接続される。平滑コンデンサ１７の低電位側の端子（図示せず）と端子３２とは、制御基板２２に設けられた配線パターンを用いて接続される。平滑コンデンサ１７は、例えば、表面実装用のチップ積層セラミックコンデンサである。表面実装用のコンデンサを平滑コンデンサ１７に用いることで、平滑コンデンサ１７の実装面積及び実装高さを縮小することができる。平滑コンデンサ１７の実装面積及び実装高さを縮小できるので、電力変換装置１００を小型化することができる。本実施の形態では、図４に示すように８個の平滑コンデンサ１７を設けて、これらを４並列２直列に接続している。平滑コンデンサ１７がショートして故障した場合の短絡保護対策として、このように２つ以上並列させて直列に接続した構成としているが、平滑コンデンサ１７の個数及び接続構成はこれに限るものではない。
平滑コンデンサ１７は、バスバー３５及びバスバー３６の様に大電流が流れる配線部分とは異なる階層の制御基板２２に配置されるため、特許文献１のように高コストな厚銅パターン基板を制御基板２２に用いる必要がないので、基板についての電力変換装置１００のコストの増加を抑制することができる。また、第一の整流素子１５及び第二の整流素子の直上には小型で軽量な平滑コンデンサ１７のみが配置される。平滑コンデンサ１７は軽量な制御基板２２に実装されており、制御基板２２は支柱（図示せず）等を介して容易にベース３０に固定することが可能であるため、軽量な制御基板２２の振動対策は容易であるので、振動対策についてのコストの増加を抑制することができる。
＜電力変換装置１００の部品配置の詳細＞
制御基板２２の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子１５の配置領域、第二の整流素子１６の配置領域、及び第一の整流素子１５と第二の整流素子１６との間の領域からなる対象領域１０１と、平滑コンデンサ１７の少なくとも一部は重複する。対象領域１０１は、図４及び図５において破線で囲まれた領域である。図４に示すように、本実施の形態では、図の左側に配置された４つの平滑コンデンサ１７が対象領域１０１に重複している。
制御基板２２の面に垂直な方向に見て、対象領域１０１を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板２２に重複して、第二の主回路配線２であるバスバー３６に接続される平滑コンデンサ１７の低電位側の接続点である第二の接続点４が配置されている。対象領域１０１を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板２２に重複する領域は、図５において一点鎖線で囲まれた領域の配置領域１０２である。図５に示すように、本実施の形態では、配置領域１０２の中央付近に第二の接続点４が配置されている。
このように構成することで、平滑コンデンサ１７及び第二の接続点４は第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の直近に配置されるため、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。
また図５に示すように、制御基板２２の面に垂直な方向に見て、対象領域１０１を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板２２に重複して、第一の主回路配線であるバスバー３５に接続される平滑コンデンサ１７の高電位側の接続点である第一の接続点３が配置される構成としてもよい。このように構成することで、平滑コンデンサ１７及び第二の接続点４は第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の直近に配置されると共に第一の接続点３も第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の直近に配置されるため、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６までの経路でのインピーダンスがさらに低減されるので、この経路で発生するノイズをさらに抑制することができる。
また、制御基板２２の面に垂直な方向に見て、対象領域１０１内における第二端子１５ｂと第四端子１６ｂとに挟まれた領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、バスバー３６に接続される平滑コンデンサ１７の低電位側の接続点である第二の接続点４が配置される構成としてもよい。対象領域１０１を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板２２に重複する領域は、図５において二点鎖線で囲まれた領域の配置領域１０３である。図５に示すように、本実施の形態では、配置領域１０３の中央付近に第二の接続点４が配置されている。
このように構成することで、ノイズ低減効果を更に高めることができる。以下、この効果について説明する。第二の接続点４は、第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の負荷側端子であり、アノード端子である第二端子１５ｂ及び第四端子１６ｂの中間地点１０４ａからＹ軸方向に延長した延長線１０４上に配置される。この配置により、第二の接続点４と第一の整流素子１５のアノード端子及び第二の整流素子１６のアノード端子との間の距離が等しくなり、かつ最短経路となる。ノイズの大きさは、第二の接続点４から第一の整流素子１５のアノード端子の間の長さと、第二の接続点４から第二の整流素子１６のアノード端子の間の長さのどちらか長い方に依存するため、このように配置にした時に最もノイズを小さくすることができる。
また、制御基板２２の面に垂直な方向に見て、二次側巻線端子３３ｂは、バスバー３６に接続される平滑コンデンサ１７の低電位側の接続点である第二の接続点４の特定方向とは反対方向に配置される構成としてもよい。図５に示すように、二次側巻線端子３３ｂと第二の接続点４とは、延長線１０４上に配置される。このように構成することで、Ｘ軸方向のベース３０の大きさを縮小することができるので、電力変換装置１００を小型化することができる。
また、トランス１３の二次巻線１３ｂの巻き数は、一次巻線１３ａの巻き数よりも少なく構成することができる。このように構成した場合、二次側に流れる電流が必然的に大きくなるため、本願の構成を適用することによるノイズレベルの抑制効果が大きい。特に、車載用の高電圧バッテリの電圧を降圧し、補器バッテリ用の電圧に変換する電力変換装置１００では、トランス１３の巻数比を大きく設定するため、本願の構成を適用することによる効果がより大きくなる。
以上のように、実施の形態１による電力変換装置１００において、ベース３０、ベース３０の部品配置面３０ａに配置されトランス１３、インバータ部１２、ベース３０の部品配置面３０ａと離間して配置された制御基板２２、トランス１３に対して特定方向の側であってベース３０の部品配置面３０ａ側に配置された第一の整流素子１５、トランス１３に対して特定方向の側であってベース３０の部品配置面３０ａ側に第一の整流素子１５と並べて配置された第二の整流素子１６、ベース３０の部品配置面３０ａに配置された平滑リアクトル１４、出力フィルタ回路部１８、平滑リアクトル１４と出力フィルタ回路部１８との間を接続した第一の主回路配線１、第一の整流素子１５の第二端子１５ｂ及び第二の整流素子１６の第四端子１６ｂと外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線２、及び高電位側の端子が第一の主回路配線１に接続され、低電位側の端子が第二の主回路配線２に接続され、制御基板２２に実装された平滑コンデンサ１７を備え、制御基板２２の面に垂直な方向に見て、第一の整流素子１５の配置領域、第二の整流素子１６の配置領域、及び第一の整流素子１５と第二の整流素子１６との間の領域からなる対象領域１０１と、平滑コンデンサ１７の少なくとも一部は重複し、制御基板２２の面に垂直な方向に見て、対象領域１０１を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板２２に重複して、第二の主回路配線２に接続される平滑コンデンサ１７の低電位側の接続点である第二の接続点４が配置されているため、平滑コンデンサ１７及び第二の接続点４は第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の直近に配置され、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。
トランス１３及び平滑リアクトル１４がベース３０の部品配置面３０ａに配置されるため、重量物であるトランス１３及び平滑リアクトル１４の振動対策は容易であるので、振動対策についての電力変換装置１００のコストの増加を抑制することができる。また、平滑コンデンサ１７は、バスバー３５及びバスバー３６の様に大電流が流れる配線部分とは異なる階層の制御基板２２に配置されるため、高コストな厚銅パターン基板を制御基板２２に用いる必要がないので、基板についての電力変換装置１００のコストの増加を抑制することができる。
制御基板２２の面に垂直な方向に見て、対象領域１０１を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板２２に重複して、第一の主回路配線であるバスバー３５に接続される平滑コンデンサ１７の高電位側の接続点である第一の接続点３が配置される場合、平滑コンデンサ１７及び第二の接続点４は第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の直近に配置されると共に第一の接続点３も第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の直近に配置されるため、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６までの経路でのインピーダンスがさらに低減されるので、この経路で発生するノイズをさらに抑制することができる。
制御基板２２の面に垂直な方向に見て、対象領域１０１内における第二端子１５ｂと第四端子１６ｂとに挟まれた領域を特定方向及び特定方向とは反対方向に延ばした領域及び制御基板に重複して、バスバー３６に接続される平滑コンデンサ１７の低電位側の接続点である第二の接続点４が配置される場合、第二の接続点４と第一の整流素子１５の負荷側端子及び第二の整流素子１６の負荷側端子との間の距離が等しくなり、かつ最短経路となるので、ノイズ低減効果を更に高めることができる。
制御基板２２が第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６におけるベース３０側の面とは反対側の面よりもベース３０から離間する側の位置であって、かつトランス１３及び平滑リアクトル１４のそれぞれにおけるベース３０側の面とは反対側の面の一方または双方よりもベース３０側の位置に配置される場合、制御基板２２に接続される端子３１、３２のＺ軸方向の長さを短くすることができるため、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６までの経路の長さが縮小されるので、ノイズ低減効果をより高めることができる。
制御基板２２の外周部に一つ又は二つの切欠きが設けられ、一つ又は二つの切欠きのそれぞれの内側に、トランス１３及び平滑リアクトル１４の一方又は双方が一つずつ配置される場合、ベース３０の周囲に制御基板２２を集約して配置できるので、電力変換装置１００を小型化することができる。また、平滑リアクトル１４がトランス１３に対して特定方向の側に配置され、平滑リアクトル１４とトランス１３との間に、第一の整流素子１５、第二の整流素子１６、バスバー３５、バスバー３６、及び平滑コンデンサ１７が配置される場合、ベース３０の部品配置面３０ａを小さく構成できるので、電力変換装置１００を小型化することができる。
センタータップの平滑リアクトル１４と接続された箇所がベース３０と熱的に接続されている場合、トランス１３及び平滑リアクトル１４で生じた熱を効率よくベース３０を介して放熱することができる。
平滑コンデンサ１７が表面実装用コンデンサである場合、平滑コンデンサ１７の実装面積及び実装高さを縮小することができるので、電力変換装置１００を小型化することができる。また、二次巻線の巻き数が一次巻線の巻き数よりも少ない場合、二次側に流れる電流が必然的に大きくなるが、本願で開示された構成とすることでノイズレベルを抑制した電力変換装置１００を得ることができる。また、ベース３０が金属からなる場合、ベース３０は筐体として機能すると共に低電位側の端子として機能するため、低電位側の端子が不要なので、電力変換装置１００の生産性を向上させることができ、電力変換装置１００のコストの増加を抑制することができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る電力変換装置１００について説明する。図８は実施の形態２に係る電力変換装置１００の要部を示す斜視図で、図１におけるトランス１３から出力フィルタ回路部１８に至る部分の構成を示した図、図９は電力変換装置１００の要部を示す平面図で、図１におけるトランス１３から出力フィルタ回路部１８に至る部分の構成について制御基板２２及び平滑コンデンサ１７を取り除いて示した図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００は、バスバー３５の構成が実施の形態１とは異なる構成になっている。
図９に示すように、平滑リアクトル１４は、特定方向に垂直な方向の二次側巻線端子３３ａの側に配置される。そのため、バスバー３５は、実施の形態１の場合と比べて延長して設けられる。制御基板２２の面に垂直な方向に見て、バスバー３５に接続される平滑コンデンサ１７の高電位側の接続点である第一の接続点３から第一の整流素子１５の第二端子１５ｂまでの配線長１０５、及び第一の接続点３から第二の整流素子１６の第四端子１６ｂまでの配線長１０６のそれぞれは、バスバー３５における平滑リアクトル１４から第一の接続点３までの配線長１０７よりも短い。図９においてバスバー３６の側に設けられた第二端子１５ｂ及び第四端子１６ｂは、破線で示している。制御基板２２は、平滑コンデンサ１７が実装された面とは反対側の面において、支柱３９に支持されてベース３０に固定される。本実施の形態では、支柱３９を六角柱としたが、支柱３９の形状はこれに限るものではない。
以上のように、実施の形態２による電力変換装置１００において、制御基板２２の面に垂直な方向に見て、第一の接続点３から第二端子１５ｂまでの配線長１０５、及び第一の接続点３から第四端子１６ｂまでの配線長１０６のそれぞれは、バスバー３５における平滑リアクトル１４から第一の接続点３までの配線長１０７よりも短いため、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６までの経路におけるインピーダンスが低減されるので、この経路で発生するノイズレベルを抑制することができる。一方で、配線長１０７の長さを長くしても、この配線の部分は平滑リアクトル１４に直列に接続されたインダクタンスとして機能するため、ノイズレベルは悪化しない。
このように電力変換装置１００の筐体内のレイアウトの制約上、トランス１３及び平滑リアクトル１４がどのような位置に配置されたとしても、平滑リアクトル１４の出力側の端子から第一の接続点３までの配線長１０７を長くし、第一の接続点３から第一の整流素子１５及び第二の整流素子１６の負荷側端子までの配線長１０５、１０６の方が短くなる構成とすることで、ノイズ源となる寄生インダクタンスを抑制することが可能となり、ノイズ低減効果を維持することができる。
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１ 第一の主回路配線、２ 第二の主回路配線、３ 第一の接続点、４ 第二の接続点、１１ 入力コンデンサ、１２ インバータ部、１２ａ 半導体スイッチング素子、１３ トランス、１３ａ 一次巻線、１３ｂ 二次巻線、１３ｃ センタータップ、１４ 平滑リアクトル、１５ 第一の整流素子、１５ａ 第一端子、１５ｂ 第二端子、１６ 第二の整流素子、１６ａ 第三端子、１６ｂ 第四端子、１７ 平滑コンデンサ、１８ 出力フィルタ回路部、１９ フィルタ回路リアクトル、２０ フィルタ回路コンデンサ、２１ 制御回路、２２ 制御基板、２３ 出力端、３０ ベース、３０ａ 部品配置面、３１、３２ 端子、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ 二次側巻線端子、３４、３５、３６ バスバー、３７、３８ 絶縁シート、３９ 支柱、４０、４１、４４ ねじ、４２、４３ ナット、１００ 電力変換装置、１０１ 対象領域、１０２、１０３ 配置領域、１０４ 延長線、１０４ａ 中間地点、１０５、１０６、１０７ 配線長

Claims (11)

  1. ベースと、
    前記ベースの第一の面に配置され、一次巻線及び二次巻線を有したトランスと、
    半導体スイッチング素子を有し、前記一次巻線への給電を行うインバータ部と、
    前記ベースの第一の面と離間して配置され、前記インバータ部を制御する制御回路を有した制御基板と、
    前記二次巻線の一方の端部に接続され、前記トランスに隣接して設けられた第一端子、及び第二端子を有し、前記トランスに対して特定方向の側であって前記ベースの第一の面側に配置された第一の整流素子と、
    前記二次巻線の他方の端部に接続され、前記トランスに隣接して設けられた第三端子、及び第四端子を有し、前記トランスに対して前記特定方向の側であって前記ベースの第一の面側に前記第一の整流素子と並べて配置された第二の整流素子と、
    一方の端部が、前記二次巻線の一方の端部と他方の端部との間に設けられたセンタータップと接続され、前記ベースの第一の面に配置された平滑リアクトルと、
    前記平滑リアクトルの他方の端部と外部の負荷の高電位側との間に接続された出力フィルタ回路部と、
    前記平滑リアクトルの他方の端部と前記出力フィルタ回路部との間を接続した第一の主回路配線と、
    前記第一の整流素子の前記第二端子及び前記第二の整流素子の前記第四端子と外部の負荷の低電位側との間を接続した第二の主回路配線と、
    高電位側の端子が前記第一の主回路配線に接続され、低電位側の端子が前記第二の主回路配線に接続され、前記制御基板に実装された平滑コンデンサと、を備え、
    前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記第一の整流素子の配置領域、前記第二の整流素子の配置領域、及び前記第一の整流素子と前記第二の整流素子との間の領域からなる対象領域と、前記平滑コンデンサの少なくとも一部は重複し、
    前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記対象領域を前記特定方向及び前記特定方向とは反対方向に延ばした領域及び前記制御基板に重複して、前記第二の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されている電力変換装置。
  2. 前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記対象領域を前記特定方向及び前記特定方向とは反対方向に延ばした領域及び前記制御基板に重複して、前記第一の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの高電位側の接続点が配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御基板の面に垂直な方向に見て、前記対象領域内における前記第二端子と前記第四端子とに挟まれた領域を前記特定方向及び前記特定方向とは反対方向に延ばした領域及び前記制御基板に重複して、前記第二の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの低電位側の接続点が配置されている請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御基板の面に垂直な方向に見て、
    前記第一の主回路配線に接続される前記平滑コンデンサの高電位側の接続点から前記第一の整流素子の前記第二端子までの配線長、及び前記平滑コンデンサの前記高電位側の接続点から前記第二の整流素子の前記第四端子までの配線長のそれぞれは、前記第一の主回路配線における前記平滑リアクトルから前記平滑コンデンサの前記高電位側の接続点までの配線長よりも短い請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御基板は、前記第一の整流素子及び前記第二の整流素子における前記ベース側の面とは反対側の面よりも前記ベースから離間する側の位置であって、かつ前記トランス及び前記平滑リアクトルのそれぞれにおける前記ベース側の面とは反対側の面の一方または双方よりも前記ベース側の位置に配置されている請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御基板の外周部に一つ又は二つの切欠きが設けられ、一つ又は二つの前記切欠きのそれぞれの内側に、前記トランス及び前記平滑リアクトルの一方又は双方が一つずつ配置されている請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記平滑リアクトルは、前記トランスに対して前記特定方向の側に配置され、
    前記平滑リアクトルと前記トランスとの間に、前記第一の整流素子、前記第二の整流素子、前記第一の主回路配線、前記第二の主回路配線、及び前記平滑コンデンサが配置されている請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  8. 前記センタータップの前記平滑リアクトルと接続された箇所は、前記ベースと熱的に接続されている請求項１から７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  9. 前記平滑コンデンサは、表面実装用コンデンサである請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  10. 前記二次巻線の巻き数は、前記一次巻線の巻き数よりも少ない請求項１から９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  11. 前記ベースが金属からなる請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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