(57)【要約】【課題】高い冷却性能を維持しつつ小型化が容易な電源装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電源装置は、スイッチング回路を有する主回路基板２０と、主回路基板に対向して配置されているとともに、トランス４２が設けられたトランス基板４０と、主回路基板とトランス基板との間に配置され、スイッチング回路の発熱素子およびトランスの少なくとも一方を冷却する中間冷却板６０と、を備えている。【選択図】図２
2015095938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング回路を有する主回路基板と、
前記主回路基板に対向して配置されているとともに、トランスが設けられたトランス基板と、
前記主回路基板とトランス基板との間に配置され、前記スイッチング回路の発熱素子および前記トランスの少なくとも一方を冷却する中間冷却板と、
を備える電源装置。
【請求項２】
前記中間冷却板は、前記トランスと主回路基板との間に挟まれた受熱板部と、受熱板部から前記主回路基板の外方に延出する放熱板部と、を備え、前記受熱板部の少なくとも一方の表面は、熱伝導材を介して前記トランスあるいは主回路基板に熱的に接続されている請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記受熱板部の両面上に、熱伝導材が設けられている請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記受熱板部の他方の表面上に、断熱材が設けられている請求項２に記載の電源装置。
【請求項５】
前記トランス基板に重ねて配置された上部冷却板と、前記主回路基板に重ねて配置された下部冷却板とを更に備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項６】
前記トランスは、前記トランス基板内に設けられた一次コイルおよび２次コイルと、前記一次コイルおよび２次コイルに重ねて前記トランス基板上に配置された板状のトランスコアと、を有する平面型トランスである請求項５に記載の電源装置。
【請求項７】
前記中間冷却板は、前記トランスコアに対向して配置された受熱板部を有する請求項６に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、ＡＣ−ＤＣ変換器、ＤＣ−ＤＣ変換器等の電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置として、例えば、商用交流入力電圧１００Ｖを電子機器に適した低圧の直流出力電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換器が広く用いられている。ＡＣ−ＤＣ変換器は、スイッチング素子回路が設けられた主回路基板と、電源トランスと、冷却用の冷却板と、を備えている。通常、電源トランスは体積が大きく耐熱性が高いため、冷却板は、耐熱温度の低いスイッチング素子回路のみを冷却するように設けられている。
【０００３】
近年、変換器の小型化が望まれている。小型化するために、部品の実装密度が高くなると、電源トランスの発熱が他の部品に与える影響が大きくなる。そのため、トランスのコアを大きくして放熱性を上げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１６４７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この場合、トランスが大きくなるだけでなく、耐熱温度の低いスイッチング素子にも熱流入が生じ、スイッチング素子回路の冷却性が低下する。そのため、変圧器の小型化の設計が困難となる。
【０００６】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、高い冷却性能を維持しつつ小型化が容易な電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、電源装置は、スイッチング回路を有する主回路基板と、前記主回路基板に対向して配置されているとともに、トランスが設けられたトランス基板と、前記主回路基板とトランス基板との間に配置され、前記スイッチング回路の発熱素子および前記トランスの少なくとも一方を冷却する中間冷却板と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係るＡＣ−ＤＣ変換器を示す斜視図。
【図２】図２は、前記ＡＣ−ＤＣ変換器の分解斜視図。
【図３】図３は、図２と異なる方向から見た前記ＡＣ−ＤＣ変換器の分解斜視図。
【図４】図４は、前記ＡＣ−ＤＣ変換器の主回路基板、トランス基板、中間冷却板金を示す斜視図。
【図５】図５は、前記ＡＣ−ＤＣ変換器の主回路基板、トランス基板、中間冷却板金を一部破断して示す斜視図。
【図６】図６は、前記ＡＣ−ＤＣ変換器における主回路基板の平面図。
【図７】図７は、ケースを省略して示す図１の線Ａ−Ａに沿った前記ＡＣ−ＤＣ変換器の縦断面図。
【図８】図８は、図１の線Ｂ−Ｂに沿った前記ＡＣ−ＤＣ変換器の横断面図。
【図９】図９は、前記トランス基板の分解斜視図。
【図１０】図１０は、前記ＡＣ−ＤＣ変換器における中間冷却板金を示す斜視図。
【図１１】図１１は、前記中間冷却板金および伝熱シート、断熱シートを分解して示す分解斜視図。
【図１２】図１２は、前記中間冷却板金のグランド部分を概略的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面を参照しながら、実施形態に係る電源装置について詳細に説明する。  
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る電源装置の外観を示す斜視図である。第１の実施形態において、電源装置は、例えば、ＡＣ−ＤＣ変換器１０として機能し、ここでは、電子機器に接続可能なＡＣアダプタとして構成されている。ＡＣ−ＤＣ変換器１０は、偏平な矩形箱状のケース１２と、ＡＣ電源を接続可能な入力コネクタ１４と、直流出力電圧を出力する出力ケーブル１６と、を備えている。
【００１０】
図２および図３は、ＡＣ−ＤＣ変換器１０を分解して内部構造を示す分解斜視図である。これらの図に示すように、ケース１２は、例えば、合成樹脂により形成された上ケース１２ａおよび下ケース１２ｂを有し、分離可能に形成されている。ＡＣ−ＤＣ変換器１０は、スイッチング回路を有する主回路基板２０と、主回路基板２０に対向して配置されているとともに、トランス４２が設けられたトランス基板４０と、主回路基板２０とトランス基板４０との間に配置され、スイッチング回路の発熱素子およびトランスの少なくとも一方を冷却する中間冷却板金６０と、トランス基板４０に重ねて配置された上部冷却板金７０と、主回路基板に重ねて配置された下部冷却板金７２と、を備え、これらはケース１２内に収納されている。
【００１１】
図４は、組合わされた主回路基板２０、中間冷却板金６０、およびトランス基板４０を示す斜視図、図５は、一部を破断して示す主回路基板２０、中間冷却板金６０、およびトランス基板４０の斜視図、図６は、主回路基板２０の裏面側を示す平面図である。  
図２ないし図６に示すように、主回路基板２０は、一部に切欠き部２１ａを有する矩形状のプリント回路基板２１と、このプリント回路基板２１上に実装された複数の一次側電子部品と、を有している。主回路基板２０の長手方向一端側に入力コネクタ１４が取り付けられている。主回路基板２０は、入力コネクタ１４を介して入力された入力交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路２２、および、生成された直流電圧を高周波の交流電圧に変換するスイッチング回路（ＤＣ／ＡＣ変換回路）２４を備えている。
【００１２】
主回路基板２０の上面において、入力コネクタ１４側に、ヒューズ１９、サーミスタ２３が実装されている。ＡＣ／ＤＣ変換回路２２は、入力交流電圧のノイズを低減するチョークコイル２５およびＸコンデンサ２６、交流電圧を整流して直流電圧を生成するブリッジダイオード２７、ノイズを低減するチョークコイル２８、コンデンサ２９、および、整流された直流電圧を平滑化する電解コンデンサ３０を備え、これらの電子部品は、主回路基板２０の上面において、入力コネクタ１４側の約半分の領域に纏めて実装されている。電解コンデンサ３０は、プリント回路基板２１の切欠き部２１ａ内に配置され、主回路基板２０に接続されている。
【００１３】
主回路基板２０の上面において、入力コネクタ１４と反対側の約半分の領域は平坦な設置領域２１ｂを形成している。この設置領域２１ｂには殆ど電子部品が実装されない場合もあれば、ある程度のサイズ以下の電子部品が実装される場合もある。電子部品が実装される場合は、トランス基板４０とプリント回路基板２１との間に、実装面上の凹凸形状を吸収可能な厚手のクールシートを挟めば良い。
【００１４】
主回路基板２０の裏面に、ＡＣ／ＤＣ変換回路２２を構成する複数の半導体素子３２、およびスイッチング回路２４を構成する複数の半導体素子３４が実装されている。半導体素子３２は、主回路基板２０の裏面において、入力コネクタ１４側の領域に実装されている。
【００１５】
スイッチング回路２４を構成する複数の半導体素子３４は、主回路基板２０の裏面において、入力コネクタ１４側と反対側の約半分の領域に実装されている。これらの半導体素子３４は、発熱素子として、複数、例えば、２つのスイッチング素子３４ａ、およびスイッチング素子３４ａのオン、オフタイミングを制御するコントロールＩＣ３４ｂを含んでいる。スイッチング素子３４ａとしては、例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、ＩＢＧＴ（インシュレーテッド・バイボーラー・トランジスタ）等を用いる。また、２つのスイッチング素子３４ａは、主回路基板２０の長手方向ほぼ中央部に設けられている。
【００１６】
図７は、図１の線Ａ−Ａに沿ったＡＣ−ＤＣ変換器の断面図、図８は図１の線Ａ−Ａに沿ったＡＣ−ＤＣ変換器の横断面図である。図７および図８に示すように、本実施形態において、主回路基板２０の中央部に複数のメッキスルーホール３６が形成されている。これらのメッキスルーホール３６に対向して、主回路基板２０の上面および裏面に、サーマルパッド３８がそれぞれ設けられている。主回路基板２０の裏面側において、各スイッチング素子３４ａは、クールシート３７及びサーマルパッド３８を介してメッキスルーホール３６に接触する。
【００１７】
サーマルパッド３８あるいはクールシート３７は省略することも可能である。すなわち、主回路基板２０の裏面側において、各スイッチング素子３４ａは、クールシート３７を介してメッキスルーホール３６に接触するか、あるいは直接、メッキスルーホール３６に接触する構成としてもよい。
【００１８】
図９は、トランス基板の分解斜視図である。図２ないし図５、図８、図９に示すように、トランス基板４０は、例えば、４層以上の導電層を有する多層のプリント回路基板４１と、このプリント回路基板４１の上面および裏面に実装された複数の二次側電子部品と、プリント回路基板４１に設けられた平面型のトランス４２と、を有している。トランス基板４０は、主回路基板２０よりも小さなサイズ、例えば、主回路基板２０のほぼ半分以下のサイズに形成されている。プリント回路基板４１の幅方向中央部に長孔状の貫通孔４３が形成されている。
【００１９】
トランス４２は、プリント回路基板４１の導電層により形成された一次コイル４４ａ、よび二次コイル４４ｂ、矩形板状に形成された第１および第２トランスコア４６ａ、４６ｂを有している。一次コイル４４ａおよび二次コイル４４ｂは、貫通孔４３の周囲を捲回するようにプリント回路基板４１に設けられている。本実施形態において、プリント回路基板４１の第１層目の導電層、および第４層目の導電層に一次コイル４４ａがそれぞれ形成され、第２層目および第３層目の導電層に二次コイル４４ｂがそれぞれ形成されている。これにより、一次コイル４４ａおよび二次コイル４４ｂは、プリント回路基板４１の厚さ方向に対向して設けられている。一次コイル４４ａと二次コイル４４ｂとの巻数比は、トランス４２の変圧比に応じて適宜設定されている。なお、一次コイル４４ａ及び二次コイル４４ｂが形成される導電層は、上記導電層に限定されることはない。
【００２０】
第１および第２トランスコア４６ａ、４６ｂは、フェライト等の磁性材料で形成されている。第１トランスコア４６ａは、断面がＥ字形状のＥ型コアとして形成され、一方の面の中央部に凸部４６ｃを有している。第２トランスコア４６ｂは、断面がＩ字形状のＩ型コア、ここでは、平坦な板状のコアに形成されている。
【００２１】
第１トランスコア４６ａは、凸部４６ｃをトランス基板４０の貫通孔４３に挿通した状態でトランス基板４０の上面に配置されている。第２トランスコア４６ａは、貫通孔に対向してトランス基板４０の裏面上に配置され、第１トランスコア４６ａに連結されている。これにより、第１および第２トランスコア４６ａ、４６ｂは、一次コイル４４ａおよび二次コイル４４ｂを上下から覆っているとともに、凸部４６ｃは、一次コイル４４ａおよび二次コイル４４ｂの中心に挿通している。
【００２２】
一次コイル４４ａおよび二次コイル４４ｂは、第１および第２トランスコア４６ａ、４６ｂにより磁気的に接続される。主回路基板２０で生成された交流電圧は一次コイル４４ａに入力され、トランス４２により降圧され二次コイル４４ｂから出力される。
【００２３】
図２ないし図４に示すように、トランス基板４０に実装された二次側電子部品は、トランス４２から絶縁距離（沿面距離）を置いてプリント回路基板４１の上面に実装されたダイオード４８、コントロールＩＣ５０、コンデンサ５２、フォトカップラ５４、プリント回路基板４１の裏面上に実装された複数の半導体素子５６等を含んでいる。ダイオード４８は、トランス４２から出力される交流電圧を整流し直流電圧を生成する整流回路を構成している。コンデンサ５２は、生成された直流電圧を平滑化する平滑回路を構成している。平滑回路は直流電圧を平滑化して直流出力電圧を生成し、この直流出力電圧を出力ケーブル１６へ供給する。
【００２４】
コントロールＩＣ５０は、出力電圧を検出し、出力電圧に対応する検出信号をフォトカップラ５４に送る。このフォトカップラ５４は、コントロールＩＣ５０から検出信号を受けて発光する発光部と、この発光部に隙間をおいて対向する受光部と、を有している。受光部は、発光部から前記検出信号に対応する光を受け、検出信号を前述した主回路基板２０のコントロールＩＣ３４ｂに出力する。なお、発光部の入力端子と受光部の出力端子とは、所定の絶縁距離だけ互いに離間して設けられている。また、プリント回路基板４１において、フォトカップラ５４の近傍にスリット５５が形成され、このスリット５５に絶縁板５７が設けられている。
【００２５】
上記のように構成されたトランス基板４０は、その裏面のほぼ全面が主回路基板２０の設置領域２１ｂと対向して、かつ、主回路基板２０の上面と僅かな隙間を置いて、配置されている。主回路基板２０に複数の接続ピン５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、５８ｅ、５８ｆが立設され、これらの接続ピンは、トランス基板４０に接続され、トランス基板４０を支持している。また、接続ピン５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、５８ｅ、５８ｆは、主回路基板２０とトランス基板４０とを電気的に接続している。すなわち、接続ピン５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄは、主回路基板２０のスイッチング回路２４の出力端とトランス基板４０の一次コイル４４ａとを電気的に接続している。また、接続ピン５８ｅ、５８ｆは、主回路基板２０のコントロールＩＣ３４ｂをトランス基板４０に設けられたフォトカップラ５４の受光部の出力端子に電気的に接続している。
【００２６】
以上のように構成されたＡＣ−ＤＣ変換器１０では、入力コネクタ１４を介して供給される入力交流電圧、例えば、１００Ｖを主回路基板２０のＡＣ／ＤＣ変換回路２２により変換して直流電圧を生成し、スイッチング回路２４へ供給する。供給された直流電圧をスイッチング回路２４によりスイッチングして高周波の交流電圧を生成する。生成された交流電圧をトランス基板４０のトランス４２に供給し、このトランス４２により、例えば、２０Ｖ程度に降圧する。降圧された交流電圧をトランス基板４０の整流回路により整流するとともに、平滑回路により平滑化し、直流出力電圧として出力ケーブル１６に出力する。また、出力電圧が一定に保たれるように、トランス基板４０の直流出力電圧に応じた検出信号をコントロールＩＣ５０からフォトカップラ５４を介して主回路基板２０のコントロールＩＣにフィードバックし、この検出信号に応じてコントロールＩＣ５０によりスイッチング素子３４ａのスイッチングを調整する。
【００２７】
次に、ＡＣ−ＤＣ変換器１０の冷却構造について説明する。図２、図３、図７および図８に示すように、ＡＣ−ＤＣ変換器１０は、トランス基板４０に被せて配置された上部冷却板金７０、トランス基板４０と主回路基板２０との間に配置された中間冷却板金６０、および主回路基板２０の裏面側に被せて設けられた下部冷却板金７２を有し、これらの冷却板金は、伝熱性の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等により形成されている。
【００２８】
上部冷却板金７０は、ほぼ平坦な矩形板状に形成され、トランス基板４０の上面側および主回路基板２０の一部を覆っている。そして、上部冷却板金７０の一部は、トランス基板４０の第１トランスコア４６ａと熱伝導性のよいクールシートあるいは熱伝導グリス（以下まとめてクールシート（熱伝導材）と呼ぶ）を介して熱的に接続されている。これにより、上部冷却板金７０は、第１トランスコア４６ａから熱を奪って放熱し、トランス基板４０を冷却する。
【００２９】
下部冷却板金７２は、ほぼ平坦な矩形板状に形成され、主回路基板２０の下面側を覆っている。下部冷却板金７２は、板金に絞り加工された複数の凸部７４を有している。これらの凸部７４は、スイッチング回路２４を構成する発熱素子、ここでは、スイッチング素子３４ａおよびコントロールＩＣ３４ｂにクールシートを介して熱的に接続されている。これにより、下部冷却板金７２は、スイッチング素子３４ａおよびコントロールＩＣから熱を奪って外部に放熱し、主回路基板２０を冷却する。
【００３０】
図１０は、中間冷却板金６０の斜視図、図１１は、中間冷却板金、クールシート、遮熱シート、絶縁シートを示す分解斜視図、図１２は、中間冷却板金のグランド部を示す斜視図である。
【００３１】
図１０および図１１に示すように、中間冷却板金６０は、金属板を折り曲げて形成され、中央部に矩形状の平坦な受熱板部６０ａと、受熱板部の両側にフィンとして設けられた一対の放熱板部６０ｂ、６０ｃと、を一体に有している。受熱板部６０ａは、トランスコアの表面よりもやや大きな面積に形成されている。放熱板部６０ｂ、６０ｃは、受熱板部６０ａに対してほぼ直角に折曲げられ、互いに隙間を置いて対向している。更に、一方の放熱板部６０ｂの上部６１は、外側に直角に折曲げられ、受熱板部６０ａと平行に延びている。放熱板部６０ｃの一端には、グランド接続部６２が一体に設けられている。
【００３２】
受熱板部６０ａの少なくとも一方の表面上に、絶縁シート６４ａを介してクールシート（熱伝導材）６５が貼付されている。また、受熱板部６０ａの他方の表面上に、絶縁シート６４ｂを介して、クールシートあるいは断熱シート（断熱材）６６が貼付されている。
【００３３】
例えば、評価により、トランスコアの温度上昇を上部冷却板金７０で充分に冷却でき、下部冷却板金では、スイッチング回路２４の放熱が不十分な場合は、受熱板部６０ａの上面にトランスコアに接触する断熱シート６６を設置し、受熱板部６０ａの下面に主回路基板２０と接触するクールシート６５を設置する。
【００３４】
図２ないし図５、図７、および図８に示すように、中間冷却板金６０は、その受熱板部６０ａがトランス基板４０の第２トランスコア４６ｂと主回路基板２０の上面との間に挟まれ、一対の放熱板部６０ｂ、６０ｃがトランス基板４０および主回路基板２０の側方に対向した状態で、配置されている。図１２に示すように、中間冷却板金６０のグランド接続部６２は、主回路基板２０のグランドに電気的かつ機械的に接続される。
【００３５】
受熱板部６０ａの上面側は、絶縁シート６４ｂおよび断熱シート６６を介して第２トランスコア４６ｂに接触している。また、受熱板部６０ａの下面側は、絶縁シート６４ａおよびクールシート６５を介して、主回路基板２０上面のサーマルパッド３８に接触している。これにより、受熱板部６０ａは、サーマルパッド３８、メッキスルーホール３６、下面側のサーマルパッド３８を介してスイッチング素子３４ａに熱的に接続されている。これにより、中間冷却板６０は、サーマルパッド３８を介してスイッチング素子３４ａから熱を奪い放熱板部６０ｂ、６０ｃから外部に放熱し、スイッチング素子を冷却する。
【００３６】
以上のように構成されたＡＣ−ＤＣ変換器１０によれば、平面型トランスの設けられたトランス基板とスイッチング素子が実装された主回路基板との２枚基板構成とし、これらの基板間に中間冷却板を配置している。そして、中間冷却板の表裏に熱伝導シートと断熱材を貼りつけることにより、耐熱温度の低いスイッチング素子回路を積極的に冷却することにより電源の小型化が可能となる。中間冷却板に貼付する熱伝導シートあるいは断熱シートを調整することにより、耐熱温度の異なる平面トランスとスイッチング素子との発熱量に応じて冷却比率を容易に制御することができる。構造を大きく変えることなく、トランスコアとスイッチング素子の冷却の優先順位を付けることができ、試作から量産に移行するときにわずかな設計変更で最適な冷却構造を提供することが可能となる。これにより、高い冷却性能を維持しつつ小型化が容易なＡＣ−ＤＣ変換器が得られる。
【００３７】
評価によりトランスコアの温度上昇量多く、上部冷却板金７０による冷却では不十分で、下部冷却板金７２によるスイッチング回路の放熱が十分な場合は、中間冷却板金６０の受熱板部６０ａの上面側にクールシート（伝熱シート）を貼付し、受熱板部とトランスコアとをクールシートを介して熱的に接続してもよい。また、受熱板部６０ａの下面側に断熱シートを貼付し、受熱板部と主回路基板との間を断熱してもよい。
【００３８】
また、必要に応じて、中間冷却板金の受熱板部の両面側にクールシートを設けても良い。更に、この場合、受熱板部の上面側と裏面側とに、面積の異なるクールシート（熱伝導材）を貼り、上面側と裏面側とで熱の移動量の配分を変えるように構成してもよい。
【００３９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、ＡＣ−ＤＣ変換器は、アダプタに限らず、電子機器内に設置する構成としてもよい。ＡＣ−ＤＣ変換器の構成部材の形状、寸法、形成材料は、実施形態に限定されることなく、種々変更可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…ＡＣ−ＤＣ変換器、１２…ケース、１４…入力コネクタ、１６…出力ケーブル、
２０…主回路基板、２２…ＡＣ／ＤＣ変換回路、２４…スイッチング回路、
３４ａ…スイッチング素子、３４ｂ…コントロールＩＣ、４０…トランス基板、
４２…トランス、４４ａ…一次コイル、４４ｂ…二次コイル、
４６ａ…第１トランスコア、４６ｂ…第２トランスコア、６０…中間冷却板金、
６０ａ…受熱板部、６０ｂ…放熱板部、６４ａ、６４ｂ…絶縁シート、
６５…クールシート、６６…断熱シート、７０…上部冷却板金、７２…下部冷却板金
【図１】
2015095938.tif 000003
【図２】
2015095938.tif 000004
【図３】
2015095938.tif 000005
【図４】
2015095938.tif 000006
【図５】
2015095938.tif 000007
【図６】
2015095938.tif 000008
【図７】
2015095938.tif 000009
【図８】
2015095938.tif 000010
【図９】
2015095938.tif 000011
【図１０】
2015095938.tif 000012
【図１１】
2015095938.tif 000013
【図１２】
2015095938.tif 000014