(57)【要約】【課題】高周波の大電流が流れても、渦電流による損失を抑えるとともに、放熱性を維持することのできる電力用回路装置を提供する。【解決手段】金属板１上に絶縁性の磁性体層５を介して高周波の大電流が流れる配線部材２を取り付けるとともに、配線部材２上に電子部品３及びスイッチング素子４を取り付けるようにすることにより、配線部材２を流れる電流により発生する磁束は磁気抵抗の小さな磁性体層５に流れ、金属板１には磁束が届かないように遮蔽することで、金属板１における渦電流の発生を抑え、又金属板１により放熱性は確保できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板上に高周波大電流が流れる配線部材を載置するとともに、上記配線部材上にスイッチング素子及び電子部品を取り付けた電力用回路装置において、上記金属板と上記配線部材との間に絶縁性の磁性体層を設けたことを特徴とした電力用回路装置。
【請求項２】
上記スイッチング素子及び上記電子部品の取付部分を除いて上記配線部材が上記磁性体層により覆われていることを特徴とする請求項１記載の電力用回路装置。
【請求項３】
上記磁性体層は絶縁性の樹脂に磁性体の粉末を含ませたものから構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力用回路装置。
【請求項４】
上記スイッチング素子は、MOSFETであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用回路装置。
【請求項５】
上記スイッチング素子は、SiC素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力用回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波の大電流が流れる電力用回路装置に関するものであり、特に高周波の大電流により発生する磁束によって近傍の金属基板や配線部材等に発生する渦電流による損失を低減するとともに、放熱性を確保することのできる電力用回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波電流の流れる回路装置では、高周波電流が流れる配線部材において電流の周波数が高くなるほど、電流が作る磁束により表皮効果が大きくなり、即ち高周波電流が配線部材を流れる時、電流密度が配線部材の表面で高く、表面から離れると低くなり、特定の部分に集中的に電流が流れてしまい、配線損失が増大してしまう。そのため、単に配線部材の厚みを増しても配線部材の表面に集中的に電流が流れるので、配線損失を低減することができない。
【０００３】
そこで従来においては、表皮効果による配線損失の増大を低減させるため、配線用導体の表面には配線用導体を流れる高周波電流の流れ方向に沿って導体を形成し、これにより配線用導体と導体とから高周波電流を流すための配線を構成し、その高周波電流を流すための配線の表皮面積を増大させるようなプリント配線板があった。これにより配線用導体および導体からなる配線に高周波電流を流した際に、表皮効果による配線の電気抵抗の増大が抑制され、その結果配線の発熱が抑制されると共に信号の遅延が防止されるものである（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２４５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＣ−ＤＣコンバータのようにスイッチング素子によって高周波の大電流を制御し、配線部材や電子部品の損失による発熱量が大きい電力用回路装置に上記特許文献１を適用する場合、配線部材や電子部品で発生する熱を放熱する必要があるので、金属板上に上記特許文献１に示されたプリント配線板を載置することとなる。
【０００６】
しかしこのように構成した場合、表皮効果による配線損失を減少させることはできるが、高周波の大電流が流れることによって配線部材に交番磁界が発生し、これにより金属板に渦電流が発生するので渦電流損が増加してしまう。したがって、電力用回路装置の効率が著しく低下してしまうことになる。また、金属板に渦電流が発生して発熱するため、プリント配線板上の電子部品の温度が上昇してしまい、電子部品の機能が損なわれるおそれもある。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、高周波の大電流が流れても、渦電流による損失を抑えるとともに、放熱性を維持することのできる電力用回路装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る電力用回路装置は、金属板上に高周波大電流が流れる配線部材を取り付けるとともに、配線部材上にスイッチング素子及び電子部品を取り付けたものであって、金属板と配線部材との間に絶縁性の磁性体層を設けたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る電力用回路装置は、金属板上に高周波大電流が流れる配線部材を取り付けるとともに、配線部材上にスイッチング素子及び電子部品を取り付けたものであって、金属板と配線部材との間に絶縁性の磁性体層を設けたので、金属板に発生する渦電流を減少させることができ、金属板の発熱を抑制することができる。その結果金属板上に実装された電子部品等の温度上昇を抑制させることができる。また同時に渦電流を減少させることができるので、渦電流損を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電力用回路装置を示す断面図である。図において、金属板１上に薄い絶縁性の磁性体層５を設け、その上に配線部材２を設ける。この絶縁性の磁性体層５によって金属板１と配線部材２を電気的に絶縁するとともに、磁性体層５は導電性を有さないので磁性体層５自体にも渦電流は発生しない。更に配線部材２上にはんだ付、もしくは銀ペーストなどの導電性接着剤を介して電子部品３やスイッチング素子４等を取り付ける。
【００１１】
配線部材２を流れる電流により発生する磁束は磁気抵抗の小さな絶縁性の磁性体層５に流れ、金属板１には磁束が届かないように遮蔽することで、金属板１における渦電流の発生を抑え、電力用回路装置における渦電流損を低減することができる。また、金属板１に発生する渦電流を低減できるため、金属板１上を流れる渦電流によって発生する発熱を抑制し、金属板１上に取り付けられた電子部品３やスイッチング素子４等の温度上昇を低減できる。
【００１２】
更に金属板１における渦電流の発生を抑えることにより、配線部材２に流れる電流が金属板１側に引き寄せられることを防ぐことができ、従って配線部材２のインピーダンスが増加することを防いで電気的損失を低減させることができる。即ち配線部材２に交流電流が流れると配線部材２は交番磁界を発生させ、金属板１にこの交番磁界が交錯するような場合金属板１に渦電流が発生することとなる。この渦電流は配線部材２において発生した交番磁界を打ち消すような交番磁界を発生させるため、渦電流によって発生した磁界の影響を受けて配線部材２に流れる電流に力が作用し電流の偏りが発生するためインピーダンスが増加する。そしてこの電流の偏りは表皮効果以上のものとなる。
【００１３】
そこで本発明においては、配線部材２において発生する交番磁界が金属板１と交錯しないように絶縁性の磁性体層５でシールドすることにより、金属板１には渦電流が発生せず、配線部材２において発生する電流の偏りは表皮効果によるもののみとなる。従って配線部材２に流れる電流が金属板１側に引き寄せられることを防ぐことができるようになる。また配線部材２内の電流の偏りが緩和されるため、電流の流れる断面積が増加し、従って配線部材２のインピーダンスが増加することを防ぐことができる。
【００１４】
絶縁性の磁性体は、金属板１上に形成することが容易であり、低温、高温が繰り返されても強度を保つことができるように、磁性体層５として、例えば絶縁性の樹脂に磁性体の粉末を含ませたものを使用することが好ましい。更に適している磁性体としては、Ni系フェライトもしくはMｎ系フェライトであれば周波数が数十〜百kHzにおいて特性（透磁率、飽和磁束密度、絶縁性）及び価格において優れていると考えられる。
【００１５】
磁性体層５の選定条件としては、使用環境がキュリー温度以下であり、透磁率が５０以上、磁性体層５の厚さｔは配線部材２の幅ｗの１/１０程度で、かつ磁性体層５を通る磁束が飽和磁束密度以下であれば十分効果が得られるものである。図２は配線部材２と磁性体層５部分を示す拡大断面図、図３は、磁性体層５の厚さｔ/配線部材２の幅ｗと、漏洩磁界/遮蔽磁界との関係を示したグラフである。
【００１６】
図３において、電力用回路装置の使用環境がキュリー温度以下であり、電力用回路装置において動作する電流の周波数、電流量に対して透磁率μが５０以上、かつ磁性体層５を通る磁束が飽和磁束密度以下であれば、磁性体層５の厚みｔが配線部材２の幅ｗの約１/１０のとき漏洩磁界は遮蔽磁界の２割以下となる。そこで周波数が数十〜百kHz、電流量が数十Aで動作する電力用回路装置に適応させるため、電力用回路装置の動作環境において透磁率μが５０以上、かつ磁性体層５を通る磁束が飽和磁束密度以下であるような磁性体を磁性体層５として使用すれば良く、磁性体層５の厚みｔは配線部材２の幅ｗの１/１０程度あれば良いこととなる。また、磁性体層５の厚さｔを薄くして漏洩磁界を少なくするためには、透磁率μの高い磁性体を用いれば良い。
【００１７】
以上のように構成することにより、配線部材２に高周波の大電流が流れても、金属板１に発生する渦電流損を低減させることができるとともに、金属板１を設置しているので、放熱効果は維持できる。このように渦電流損を低減させ、又放熱効果は維持できるので、装置全体の長寿命化を図ることができるとともに、無駄なエネルギー消費を省くことができるので、環境保全性においても優れたものが得られることになる。
【００１８】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による電力用回路装置を示す断面図、図５は磁性体層で被覆された配線部材２を示す断面図である。絶縁性のエポキシ樹脂にフェライトの粉末を配合したものを配線部材２に塗布し、更に加熱することで樹脂を硬化させることにより磁性体層５ａを形成する。
【００１９】
あるいは配線部材２に対して粉末のフェライトを焼結させることにより被覆して磁性体層５ａを形成する。その際、図５に示すように、スイッチング素子３や電子部品４を取り付ける部分にマスク６を施し、磁性体層５ａによって被覆されないようにする。磁性体層５ａにより被覆された配線部材２は、高熱伝導接着剤を介して金属板１に固着させ、電子部品３及びスイッチング素子４等をはんだ付、もしくは銀ペースト等の導電性接着剤を介して配線部材２に取り付ける。
【００２０】
このように配線部材２を電子部品３及びスイッチング素子４等が取り付けられる部分を除いて磁性体層５ａによって被覆することにより、配線部材２で発生する磁束は、配線部材２を被覆している磁性体層５ａを集中的に流れることになり、金属板１には届かないので、金属板１で発生する渦電流を低減することができる。更には配線部材２が磁性体層５ａによって覆われているので、配線部材２の近傍に存在する電子部品３、スイッチング素子４及び導体への磁気的影響を低減でき、これらの部分に渦電流が発生することを防止するだけでなくノイズが発生することも防ぐことができる。
【００２１】
上記実施の形態１、２で示した構造は、コンバータやインバータなどのスイッチング素子を用いて数十ｋHz以上の高周波電流を発生させる回路装置において有効であり、特に高周波電流を流すことが可能なMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)や、高周波大電流を流すことが可能なSiC(炭化珪素)素子を用いた回路装置において有効であるといえる。
【００２２】
従来電気損失が大きくなりすぎるような場合、効率性及び放熱性を低減させないために高周波電流を流すことができなかった回路装置であっても、本発明に示すような構造を採用することにより、高周波電流を流すことができるようになる。更に本発明による電力用回路装置によれば、高周波電流を流しても損失が小さいので、１回のスイッチング（１回のＯＮ、ＯＦＦ）当たりの電力が小さくても、周波数を高くすることで１回のスイッチング当たりの電力が大きい電力用回路装置と同じ電力を取り出すことができる。そして１回のスイッチング当たりの電力が小さければコンデンサとリアクトルの容量が小さくてすみ、そのためリアクトルやコンデンサを小型化することが可能になり、結果的に電力用回路装置を小型化することができ、効率性が高くかつ小型の電力用回路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の実施の形態１による電力用回路装置を示す断面図である。
【図２】配線部材と磁性体層部分を示す拡大断面図である。
【図３】磁性体層の厚さｔ/配線部材の幅ｗと、漏洩磁界/遮蔽磁界との関係を示したグラフである。
【図４】この発明の実施の形態２による電力用回路装置を示す断面図である。
【図５】磁性体層で被覆された配線部材を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  金属板、２  配線部材、３  スイッチング素子、４  電子部品、
５，５ａ  磁性体層。
【図１】
2010073836.tif 000003
【図２】
2010073836.tif 000004
【図３】
2010073836.tif 000005
【図４】
2010073836.tif 000006
【図５】
2010073836.tif 000007