(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を有するインバータ回路と、
一次巻線と二次巻線を有し前記インバータ回路から前記一次巻線に供給された電力を前記二次巻線に伝達するトランスと、
前記二次巻線に伝達された電力を整流する整流素子を有する整流回路と、
前記整流回路からの出力を平滑化する平滑コイルおよび平滑コンデンサと、
前記スイッチング素子，前記トランス，前記整流素子，前記平滑コイルおよび平滑コンデンサを固定し、かつ、前記整流回路に流れる電流のリターン経路となる金属筐体と、を備えた車載用ＤＣＤＣコンバータであって、
前記整流素子には、カソード端子であるピンとアノード端子である圧入部を有する圧入ダイオードが用いられ、
金属製の固定部材とその固定部材の開孔部に前記圧入部が圧入された前記圧入ダイオードとからなるサブモジュールが、前記金属筐体に形成された凹部に固定され、前記圧入ダイオードと前記金属筐体とが電気的および機械的に接続されており、前記圧入ダイオードの前記ピンと前記トランスの前記二次巻線の端部とが直接接続されていることを特徴とする車載用ＤＣＤＣコンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載の車載用ＤＣＤＣコンバータにおいて、
前記サブモジュールを形成する前記固定部材の前記開孔部の表面硬度を前記圧入ダイオードの前記圧入部の表面硬度より小さくするとともに、前記凹部と嵌合する前記固定部材の嵌合面の表面強度を前記凹部の表面硬度より小さくしたことを特徴とする車載用ＤＣＤＣコンバータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の車載用ＤＣＤＣコンバータにおいて、
前記トランスの前記二次巻線の端部は、前記サブモジュールの前記固定部材に設けた支柱に絶縁部材を介して支持されていることを特徴とする車載用ＤＣＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トランスを有する絶縁型スイッチング電源のうち、特に車載用ＤＣＤＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばハイブリッド自動車等では、高電圧バッテリの電圧を１２Ｖ系の電圧に変換し、１２Ｖ系の電気機器に電力を供給する等の目的で、トランスを有する絶縁型ＤＣＤＣコンバータが用いられる。しかしながら、ＤＣＤＣコンバータのトランスから整流回路にかけての部分は、二次巻線と整流素子およびそれらの接続部材や整流素子を固定するネジ、一次巻線および二次巻線と筐体の絶縁部材など構成部品が多く、組み立てが複雑になるとともにＤＣＤＣコンバータのサイズアップ、コストアップの要因となっている。
【０００３】
この問題を解決するための従来の技術として、例えば、特許文献１のような車載用ＤＣＤＣコンバータが知られている。この例では、整流素子として表面実装部品を採用し、トランスから整流回路にかけての実装構造が示されている。金属基板上にハンダ付け実装された整流素子は、同じく金属基板上にハンダ付け実装されたトランスの二次巻線に対して電気的に接続されている。
また、電流のリターン経路である金属筐体に対しては、同じく金属基板上に一端がハンダ付け実装されたバスバーの他端が、金属筐体にネジ締結することで電気的に接続されている。この構成では、トランスの二次巻線と整流部の接続を金属基板へのはんだ付けとすることで小型化し、部品点数および組み立て工数の低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２１９１９号公報（第４−６頁、図１−４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示すＤＣＤＣコンバータでは、トランスの二次巻線と整流素子の接続は金属基板という追加部材を介して接続されているため、トランスの二次巻線と整流素子を直接接続するような構造と比較した場合には部品点数が多くなり、組み立て性が低下するとともに二次巻線と整流素子間の距離も伸びるためサイズアップとなる。
また、表面実装部品をはんだ付けにて実装する場合にはリフロー炉を通す必要があり、生産ラインの大型化や生産効率の低下が発生する。また、整流素子に表面実装部品を使用せず、基板挿入部品を使用する場合でも、やはり二次巻線と整流素子の接続にプリント基板等の追加部材が必要となり、同様の問題が発生する。更に、基板挿入部品を使用する場合には、複数の整流素子に対して逐一位置決めが必要となるため組み立て性が低下するという問題も発生する。
【０００６】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、小型化と組み立て性の向上を可能にする車載用ＤＣＤＣコンバータ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】
【０００７】
この発明に係る車載用ＤＣＤＣコンバータは、スイッチング素子を有するインバータ回路と、一次巻線と二次巻線を有しインバータ回路から一次巻線に供給された電力を二次巻線に伝達するトランスと、二次巻線に伝達された電力を整流する整流素子を有する整流回路と、整流回路からの出力を平滑化する平滑コイルおよび平滑コンデンサと、スイッチング素子，トランス，整流素子，平滑コイルおよび平滑コンデンサを固定し、かつ、整流回路に流れる電流のリターン経路となる金属筐体と、を備えた車載用ＤＣＤＣコンバータであって、整流素子には、カソード端子であるピンとアノード端子である圧入部を有する圧入ダイオードが用いられ、金属製の固定部材とその固定部材の開孔部に圧入部が圧入された圧入ダイオードとからなるサブモジュールが、金属筐体に形成された凹部に固定され、圧入ダイオードと金属筐体とが電気的および機械的に接続されており、圧入ダイオードのピンとトランスの二次巻線の端部とが直接接続されているものである。 
【発明の効果】
【０００８】
この発明の車載用ＤＣＤＣコンバータによれば、金属製の固定部材とその固定部材の開孔部に圧入部が圧入された圧入ダイオードとからなるサブモジュールが、金属筐体に形成された凹部に固定され、圧入ダイオードと金属筐体とが電気的および機械的に接続されており、圧入ダイオードのピンとトランスの二次巻線の端部とが直接接続されているので、圧入ダイオードの実装高さが低くなることでトランスの高さを低くすることが可能になるとともに、トランスの二次巻線と整流素子との接続経路を短縮することができるため、小型化および低損失化を図ることができる。
また、直接接続により部品点数が削減され、低コスト化と組み立て性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１による車載用ＤＣＤＣコンバータの主回路構成を示す回路図である。
【図２】図１の回路図に示す整流素子に用いる圧入ダイオードの断面図である。
【図３】図１におけるトランスと整流素子部分の、実装構造を示す側面図である。
【図４】図３の矢視Ａ−Ａから見た上面断面図である。
【図５】実施の形態２による車載用ＤＣＤＣコンバータのトランスと整流素子部分の実装構造を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の車載用ＤＣＤＣコンバータを図に基づいて説明する。
車載用ＤＣＤＣコンバータは、車載の高電圧バッテリから供給される高電圧を入力し、出力端子から車載補機系部品の電源電圧である１２Ｖ系の電圧を出力するものである。
図１は、実施の形態１による車載用ＤＣＤＣコンバータの回路構成図であり、図２は、図１に示す整流素子に用いる圧入ダイオードを示す断面図である。また、図３は、図１におけるトランスと整流素子の部分の実装構造を示す断面図であり、図４は図３の矢視Ａ−Ａから見た上面断面図である。
【００１１】
先ず図１に基づいて回路構成から説明する。
ＤＣＤＣコンバータは、入力端子１より入力された高電圧の直流電力をスイッチングして交流電力に変換するインバータ回路１０と、インバータ回路１０が供給した電力を、一次と二次の巻線の巻数比に応じて電圧を変化させるトランス２０と、トランス２０の二次電圧を入力し全波整流して直流出力にする整流回路３０と、整流回路３０の出力電圧を平滑化する平滑回路部とを備えている。
インバータ回路１０は、複数のスイッチング素子１１で構成されている。
トランス２０は、一次巻線２１に対して、二次側は上側二次巻線２２と下側二次巻線２３を有しており、その中点がセンタータップ部２４となっている。
【００１２】
整流回路３０は、複数の（図１では２個の）整流素子３１および整流素子３２を有し、トランス２０の二次電圧を入力して、整流素子３１，３２により各二次巻線２２，２３に伝達された交流電力を整流する。
整流素子３１，３２とトランス２０の二次巻線との接続は、各整流素子３１，３２のカソード側が各二次巻線２２，２３のセンタータップ部２４ではない端部側に接続されており、アノード側がグランド接地点３に接続されている。ここで、グランド接地点３は、ＤＣＤＣコンバータの金属筐体１０６（図３参照）がその役割を担っている。トランス２０のセンタータップ部２４は、整流した交流電力を平滑化する平滑コイル４１の一端に接続され、その他端側がＤＣＤＣコンバータの出力端子２に接続されている。
また、平滑コイル４１の出力側とグランド接地点３の間には、整流回路３０から出力されるリップル電圧波形を平滑する平滑コンデンサ４２が設けられている。平滑コイル４１と平滑コンデンサ４２で平滑回路部が構成されている。
【００１３】
本願の特徴として、図１の回路構成図に示す整流素子３１，３２には、次に説明する圧入ダイオード１０１が用いられている。そこで、以下の説明では、整流素子３１，３２を、具体的に実装部品として説明するときは、圧入ダイオード１０１として説明する。
図２は、整流素子３１，３２に用いられる圧入ダイオード１０１の断面図である。
圧入ダイオード１０１は、半導体チップであるダイス１０２と、外周側がダイオードの取り付け時に圧入される部分となり、内側に形成した窪みにダイス１０２の一方の面が半田付けにより固定される圧入部１０３と、ダイス１０２の他方の面に半田付けされるピン１０４と、ピン１０４の機械的保持およびダイス１０２の保護のために窪みに充填される充填剤１０５とを有している。
本実施の形態の例では、圧入部１０３はアノード端子であり、ピン１０４はカソード端子である。
【００１４】
図３は、図１に示すＤＣＤＣコンバータの整流素子である圧入ダイオード１０１の周辺部の実装構造を示す側面断面図であり、図１のトランス２０と整流回路３０の部分を示している。なお、図３に示すトランス２０は断面ではなく、トランスコア２５の端面を表示している。
図３に示すように、ＤＣＤＣコンバータは、全体が金属筐体１０６に取り付けられている。この金属筐体１０６に、トランス２０のトランスコア２５が固定されており、トランスコア２５の内部には、上下方向の中央部に一次巻線２１が配置され、それを挟んで上側二次巻線２２と下側二次巻線２３が配置されている。
【００１５】
一方、圧入ダイオード１０１は、金属製の固定部材１０７に設けられた開孔部１０７ａに内側から圧入されて固定されている。開孔部１０７ａは段付きの孔となっており、大孔側に圧入ダイオード１０１の圧入部１０３が圧入され、小孔側からピン１０４が引き出されている。固定部材１０７に２個の圧入ダイオード１０１が圧入されて一体に組み合わされて、サブモジュール１１０が形成されている。図３では、２個の圧入ダイオード１０１が、紙面の垂直方向に並べて配置されている。
【００１６】
トランス２０の二次側と圧入ダイオード１０１のピン１０４との接合の詳細は後述するが、各二次巻線２２，２３の端部とピン１０４の上部が接合された状態で、各二次巻線２２，２３の端部が、固定部材１０７に設けられた支柱１０８に絶縁部材１０９を介して支持固定されている。
また、金属筐体１０６には、ＤＣＤＣコンバータの発熱を押さえるために、冷却水を通す冷却水路１１１が設けられている。
なお、図示を省略しているが、トランス２０の左側にはスイッチング素子１１が配置され、サブモジュール１１０の右側には平滑コイル４１および平滑コンデンサ４２が配置されている。
【００１７】
次に、図４の上面断面図により、トランス２０とサブモジュール１１０の接続部につて説明する。
トランス２０は、例えばＥ型コアが組み合わされて形成されるトランスコア２５と、その中央脚に貫通して設けられるボビンに卷回された一次巻線２１と、一次巻線２１の上側に配置された上側二次巻線２２と、下側に配置された下側二次巻線２３とを有する。
一次巻線２１の端部はボビンから延出されてインバータ回路１０（図示せず）に接続される。上側二次巻線２２と下側二次巻線２３は対称形となっており、センタータップ部２４が合わされ接続され、その先は平滑コイル４１（図示せず）に接続される。
なお、図示は省略しているが、一次巻線２１と各二次巻線２２，２３およびトランスコア２５は、ボビンや樹脂部材またはプリント基板の絶縁層などによってそれぞれの位置関係と絶縁が保たれる構造となっている。
【００１８】
圧入ダイオード１０１が組み付けられたサブモジュール１１０は、サブモジュール１１０に設けられた固定部１１０ａが、ねじ１１２によって締め付けられて金属筐体１０６に固定されている。
センタータップ部２４に対し、上側二次巻線の片端２２ａは一方の圧入ダイオード１０１のピン１０４（カソード端子）に接続され、下側二次巻線の片端２３ａは他方の圧入ダイオード１０１のピン１０４（カソード端子）に接続されている。各接続部は、溶接またはプレスフィット構造により電気的，機械的に接続される。
また、圧入ダイオード１０１の圧入部１０３（アノード端子）側は、固定部材１０７およびねじ１１２を介して金属筐体１０６と電気的，機械的および熱的に接続されている。
【００１９】
このように構成された本願のＤＣＤＣコンバータの作用について説明する。
整流素子である圧入ダイオード１０１を固定部材１０７の開孔部１０７ａに圧入したサブモジュール１１０を金属筐体１０６にねじ１１２で接続し、圧入ダイオード１０１のカソード端子であるピン１０４をトランス２０の各二次巻線２２，２３と溶接またはプレスフィット構造により直接接続することで、プリント基板や金属基板、バスバーなどの追加部材を用いることなく接続経路を最短とすることができる。これにより、各二次巻線２２，２３と整流素子である圧入ダイオード１０１との間の空間を最少にして小型化することが可能である。また、各二次巻線２２，２３と圧入ダイオード１０１の間の電気抵抗値が小さくなるため、低損失化することができる。
【００２０】
また、バスバーや絶縁シート等の追加部材を使用せずにトランス２０の各二次巻線２２，２３と圧入ダイオード１０１および金属筐体１０６を、電気的，機械的，熱的に短く接続することができるので、部品点数の削減により低コスト化と組み立て性の向上を図ることができる。また、はんだを使用せずに機械的な固定と電気的な接続を行うことができ、生産性を向上させることができる。
更に、固定部材１０７に設けた支柱１０８でトランス２０の各二次巻線２２，２３の端部を支持することにより、圧入ダイオード１０１のピン１０４の周辺の耐震動性を高めるとともに、二次巻線の放熱性を高めることができる。この点は、実施の形態２でも同様である。
【００２１】
なお、図３、図４ではサブモジュール１１０に２個の圧入ダイオード１０１を圧入した構成としたが、その限りではない。例えば１個あたりに流れる電流値を抑制する目的でダイオードを並列で使用する場合には、１つのサブモジュール１１０に４個以上のダイオードを圧入しても良い。複数の整流素子を使用する場合には、先にサブモジュール１１０を製作しておくことで、組み立て時にサブモジュール１１０の一度の固定で全ての整流素子の位置決めを行うことが可能となる。また、固定するねじの数を低減し、組み立て性を向上させることができる。
【００２２】
また、図３および図４では、圧入ダイオード１０１を圧入するために固定部材１０７に設けた開孔部１０７ａの形状を、径の異なる円筒孔を２つ組み合わせた段付形状としたが、ストレートの丸穴としても良い。その場合は圧入ダイオード１０１の高さ方向の位置決めを行う必要があるが、開孔部１０７ａの加工が容易になる。
【００２３】
以上のように、実施の形態１の車載用ＤＣＤＣコンバータによれば、スイッチング素子を有するインバータ回路と、一次巻線と二次巻線を有しインバータ回路から一次巻線に供給された電力を二次巻線に伝達するトランスと、二次巻線に伝達された電力を整流する整流素子を有する整流回路と、整流回路からの出力を平滑化する平滑コイルおよび平滑コンデンサと、スイッチング素子，トランス，整流素子，平滑コイルおよび平滑コンデンサを固定し、かつ、整流回路に流れる電流のリターン経路となる金属筐体と、を備えた車載用ＤＣＤＣコンバータであって、整流素子には、カソード端子であるピンとアノード端子である圧入部を有する圧入ダイオードが用いられ、金属製の固定部材の開孔部に圧入ダイオードの圧入部が圧入されて一体に形成されたサブモジュールが、金属筐体に電気的および機械的に接続され、圧入ダイオードのピンとトランスの二次巻線の端部とが直接接続されているので、トランスの二次巻線と整流素子との接続経路を短縮することができるため、小型化および低損失化を図ることができる。
また、直接接続により部品点数が削減され、低コスト化と組み立て性の向上を図ることができる。
【００２４】
また、トランスの二次巻線の端部は、サブモジュールの固定部材に設けた支柱に絶縁部材を介して支持されているので、圧入ダイオードのピンの周辺の耐震動性を高めるとともに、二次巻線の放熱性を高めることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２による車載用ＤＣＤＣコンバータのトランスと整流素子の部分の実装構造を示す側面図である。回路構成図は実施の形態１の図１と同じである。また、整流素子には、実施の形態１と同様に圧入ダイオードを用いている。この図５は、実施の形態１の図３に対応するので、図３と同等部分は同一符号で示して説明は省略し、以下では相違点を中心に説明する。主な相違点は、サブモジュールの金属筐体への取り付け構造である。
【００２６】
実施の形態１と同様に、サブモジュール１１０は、固定部材１０７に圧入ダイオード１０１が圧入されて一体に構成されている。
図５に示すように、本実施の形態では、金属筐体１１３に凹部１１３ａが形成されており、サブモジュール１１０は凹部１１３ａに圧入状態で嵌合することで、金属筐体１１３へ固定されるとともに、電気的および熱的な接続がなされている。
また実施の形態１と同様に、トランス２０の各二次巻線２２，２３の片端と圧入ダイオード１０１のカソードであるピン１０４の接続部は、溶接またはプレスフィット構造により電気的、機械的に接続され、トランス２０のセンタータップ部２４の先は、図示しない平滑コイル４１に接続されている。
なお、冷却水路１１１は、左右方向に伸びるものを示しているが、図３と同様の方向に設けてもよい。
【００２７】
サブモジュール１１０の凹部１１３ａへの圧入構造を更に詳しく説明する。
凹部１１３ａの側面は、サブモジュール１１０の側面と金属筐体１１３との接触面となり、凹部１１３ａ底面は、サブモジュール１１０の底面と金属筐体１１３の接触面となっている。
ここで、サブモジュール１１０を形成する固定部材１０７の開孔部１０７ａの表面硬度を圧入ダイオード１０１の圧入部１０３の表面硬度より小さくしている。また、凹部１１３ａと嵌合する固定部材１０７の嵌合面の表面強度を凹部１１３ａの表面硬度より小さくしている。
【００２８】
次に，作用について説明する。
サブモジュール１１０を金属筐体１１３の凹部１１３ａへ嵌合させる構造としたことにより、凹部１１３ａの深さ分だけトランス２０の一次巻線２１および各二次巻線２２，２３の固定位置を低くすることが可能となる。これにより、トランス２０の高さを低くすることが可能となり、ＤＣＤＣコンバータを低重心化、小型化することができる。
また、サブモジュール１１０の圧入構造により、ねじを使用せずに固定することができるため、部品点数を削減して組み立て性を向上できる。
また、サブモジュール１１０の冷却性能の向上を目的として、サブモジュール１１０の底面と金属筐体１１３の凹部１１３ａの底面との接触面に、グリスや放熱シート等を挟んだ構成にする場合でも、サブモジュール１１０の側面が凹部１１３ａの側面に接触しているので、接触面を介してサブモジュール１１０と金属筐体１１３間の電気的接続を確保することが可能である。
【００２９】
更に、圧入箇所において、サブモジュール１１０の固定部材１０７と圧入ダイオード１０１の圧入部１０３と凹部１１３ａの表面硬度の関係を上記のようにしたことにより、圧入ダイオード１０１の固定部材１０７への圧入、およびサブモジュール１１０の金属筐体１１３への圧入の作業性が向上するとともに、２回の圧入時において圧入ダイオード１０１の圧入部１０３の変形を抑制することができ、ＤＣＤＣコンバータの信頼性を向上させることができる。
【００３０】
なお、固定部材１０７と圧入部１０３と凹部１１３ａの各表面硬度の関係は、上記に限定するものではない。
圧入ダイオード１０１の圧入部１０３の変形を抑制する効果は失われるが、圧入部１０３の表面硬度を固定部材１０７の開孔部１０７ａの表面硬度より小さくしてもよい。
更に、図５ではサブモジュール１１０を金属筐体１１３の凹部１１３ａに圧入状態で嵌合させ固定しているが、その限りではない。例えば、更なる耐振動性強化が必要な場合には、サブモジュール１１０を金属筐体１１３の凹部１１３ａに圧入し、更に金属筐体１１３にねじ止め等によって固定しても良い。
【００３１】
以上のように、実施の形態２の車載用ＤＣＤＣコンバータによれば、金属筐体は、サブモジュールを嵌合するための凹部を有し、サブモジュールは、金属筐体の凹部に嵌合されて、圧入ダイオードと金属筐体との電気的および機械的な接続がなされているので、実施の形態１の効果に加えて、ダイオードの実装高さが低くなり、トランス一次巻線および二次巻線の固定位置を低くすることができるため、トランスの高さを低くすることが可能となる。これにより、ＤＣＤＣコンバータを低重心化、小型化することができる。
また、サブモジュールを金属筐体に圧入状態で嵌合することで、ねじを使用せずに固定することができるため、部品点数を削減して組み立て性を向上できる。
【００３２】
また、サブモジュールを形成する固定部材の開孔部の表面硬度を圧入ダイオードの圧入部の表面硬度より小さくするとともに、凹部と嵌合する固定部材の嵌合面の表面強度を凹部の表面硬度より小さくしたので、圧入ダイオードの固定部材への圧入、およびサブモジュールの金属筐体への嵌合の作業性が向上するとともに、組み立て時に圧入ダイオードの圧入部の変形を抑制することができ、ＤＣＤＣコンバータの信頼性を向上させることができる。
【００３３】
なお、本願発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  入力端子、２  出力端子、３  グランド接地点、１０  インバータ回路、１１  スイッチング素子、２０  トランス、２１  一次巻線、２２  上側二次巻線、２２ａ  上側二次巻線の片端、２３  下側二次巻線、２３ａ  下側二次巻線の片端、２４  センタータップ部、２５  トランスコア、３０  整流回路、３１，３２  整流素子、４１  平滑コイル、４２  平滑コンデンサ、
１０１  圧入ダイオード、１０２  ダイス、１０３  圧入部、１０４  ピン、１０５  充填剤、１０６  金属筐体、１０７  固定部材、１０７ａ  開孔部、１０８  支柱、１０９  絶縁部材、１１０  サブモジュール、１１０ａ  固定部、１１１  冷却水路、１１２  ねじ、１１３  金属筐体、１１３ａ  凹部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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