(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路パターンで形成されるコイルパターンと磁性コアにより形成される磁性部品および回路パターンに接続された半導体素子を実装した多層のプリント基板と、
前記多層のプリント基板の実装面と反対側に配置される冷却器と、
前記多層のプリント基板と前記冷却器の間に配置される熱伝導性を有する絶縁部材と、  前記コイルパターンと前記半導体素子の周囲に配置され、前記多層のプリント基板と前記冷却器とを固定する複数のねじ固定部と、
前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、前記コイルパターンおよび前記半導体素子のうちの少なくとも２つの間に配置される放熱パターンと、
を備え、
前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、２つのねじ固定部を結ぶ線分上に前記半導体素子が配置され、
前記放熱パターンと前記ねじ固定部と前記冷却器がそれぞれ熱伝導性および導電性を持たせて直接接続されている電子回路基板。
【請求項２】
１つの前記ねじ固定部が、複数の前記半導体素子の配置位置を決める線分の基準とされるように、複数の前記半導体素子が配置されている、請求項１に記載の電子回路基板。
【請求項３】
前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、重なって配置されるコイルパターンにより、前記磁性部品であるトランスの一次側巻線と二次側巻線を構成し、前記一次側巻線と二次側巻線のうち、巻数が少ない方の巻線の一端が、前記ねじ固定部に接続され前記冷却器と電気的に接続される、請求項１または２に記載の電子回路基板。
【請求項４】
前記コイルパターンの一端が前記ねじ固定部に接続されている、請求項１から３までのいずれか１項に記載の電子回路基板。
【請求項５】
回路パターンで形成されるコイルパターンと磁性コアにより形成される磁性部品および回路パターンに接続された半導体素子を実装した多層のプリント基板と、
前記多層のプリント基板の実装面と反対側に配置される冷却器と、
前記多層のプリント基板と前記冷却器の間に配置される熱伝導性を有する絶縁部材と、  前記コイルパターンと前記半導体素子の周囲に配置され、前記多層のプリント基板と前記冷却器とを固定するねじ固定部と、
前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、前記コイルパターンおよび前記半導体素子のうちの少なくとも２つの間に配置され、かつ前記半導体素子に接続される回路パターンおよび前記コイルパターンとは接続されない放熱パターンと、
を備え、
前記放熱パターンと前記ねじ固定部と前記冷却器がそれぞれ熱伝導性および導電性を持たせて直接接続されている電子回路基板。
【請求項６】
前記放熱パターンは、前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、前記コイルパターンおよび前記半導体素子の少なくとも１つの周囲にも配置される、請求項１から５のまでのいずれか１項に記載の電子回路基板。
【請求項７】
前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、前記放熱パターンが、前記コイルパターンまたは実装部品間を接続する前記回路パターンと重なっている、請求項１から６のまでのいずれか１項に記載の電子回路基板。
【請求項８】
前記請求項１から７までのいずれか１項に記載の電子回路基板で構成され、
前記磁性部品として、昇圧トランスまたは降圧トランスと、平滑コイルとを備え、
前記半導体素子として、前記昇圧トランスまたは降圧トランスの、一次側に接続されたスイッチング素子と、二次側に接続された整流素子とを備え、
前記多層のプリント基板上に、前記スイッチング素子、昇圧トランスまたは降圧トランス、整流素子、平滑コイルの順に配置された、電力変換装置。
【請求項９】
前記請求項１から７までのいずれか１項に記載の電子回路基板で構成され、
前記磁性部品として、２つの降圧トランスと、２つの平滑コイルとを備え、
前記半導体素子として、前記２つの降圧トランスの、一次側に接続された複数のスイッチング素子と、二次側にそれぞれに接続された整流素子とを備え、
前記２つの降圧トランスの一次側巻線が直列に接続され、二次側巻線と前記整流素子と平滑コイルで形成する二次側回路が並列に接続され、
前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、前記２つの降圧トランスが中央に配置され、前記２つの降圧トランスの周囲に前記複数のスイッチング素子と整流素子と平滑コイルとが配置され、前記複数のスイッチング素子と整流素子はＵの字型に配置され、
前記２つの降圧トランスの周囲、および、前記複数のスイッチング素子と整流素子と平滑コイルの周囲に三角格子上に前記ねじ固定部が配置された、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プリント基板のパターンコイルを用いて構成された磁性部品を含む電子回路基板、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子回路基板で構成される例えば電力変換装置において、パターンコイルが形成されたプリント基板に表面実装型の半導体素子を搭載し、プリント基板下面を冷却器と接触させて放熱する形態のものがある。パターンコイルと半導体素子の温度低減には、プリント基板下面の冷却性能に加えて、パターンコイルと半導体素子の熱干渉も重要となる。例えば下記特許文献１のように、半導体素子とパターンコイルを電気的に接続する配線にスルーホールを設け、スルーホールを冷却器に接触させて放熱することで熱干渉を抑制しているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０９３０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プリント基板を小面積化する場合、半導体素子とパターンコイルすなわちコイルパターンの位置が近くなり、半導体素子とコイルパターンの接続する配線以外の部分でも、半導体素子とコイルパターンが熱干渉する。また、半導体素子が複数ある場合、半導体素子どうしも熱干渉する。【０００５】
この発明は、半導体素子、およびコイルパターンと磁性コアから形成される磁性部品、等からなる実装部品の間の熱干渉を抑制した電子回路基板、電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、回路パターンで形成されるコイルパターンと磁性コアにより形成される磁性部品および回路パターンに接続された半導体素子を実装した多層のプリント基板と、前記多層のプリント基板の実装面と反対側に配置される冷却器と、前記多層のプリント基板と前記冷却器の間に配置される熱伝導性を有する絶縁部材と、前記コイルパターンと前記半導体素子の周囲に配置され、前記多層のプリント基板と前記冷却器とを固定する複数のねじ固定部と、前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、前記コイルパターンおよび前記半導体素子のうちの少なくとも２つの間に配置される放熱パターンと、を備え、前記多層のプリント基板の主面に垂直な方向からみたときに、２つのねじ固定部を結ぶ線分上に前記半導体素子が配置され、前記放熱パターンと前記ねじ固定部と前記冷却器がそれぞれ熱伝導性および導電性を持たせて直接接続されている電子回路基板等にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、半導体素子、およびコイルパターンと磁性コアから形成される磁性部品、等からなる実装部品の間の熱干渉を抑制した電子回路基板、電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の各実施の形態による電力変換装置の概略的構成の一例の斜視図である。
【図２】この発明の各実施の形態による電力変換装置の多層プリント基板の一例の上面透視図である。
【図３】この発明の各実施の形態による電力変換装置の構成要素である磁性部品の部分の分解斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１による電力変換装置の一例の回路図である。
【図５】この発明の実施の形態１による電力変換装置の多層プリント基板の各層の銅箔パターンの上面透視図である。
【図６】この発明の実施の形態１による電力変換装置の放熱経路を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態２による電力変換装置の一例の回路図である。
【図８】この発明の実施の形態２による電力変換装置の多層プリント基板の各層の銅箔パターンの上面透視図である。
【図９】この発明の実施の形態３による電力変換装置の一例の回路図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による電力変換装置の多層プリント基板の各層の銅箔パターンの上面透視図である。
【図１１】この発明の実施の形態３におけるプリント基板の反り抑制を説明する図である。
【図１２】この発明の実施の形態３におけるスイッチングノイズ遮蔽を説明する図である。
【図１３】この発明による電力変換装置におけるねじ固定部の断面図である。
【図１４】この発明による電力変換装置における放熱経路を説明するためのイメージ図である。
【図１５】この発明の実施の形態３におけるねじ固定部と半導体素子の位置関係を説明する図である。
【図１６】この発明の実施の形態３における複数の半導体素子とその周囲のねじ固定部の位置関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
この発明では、プリント基板を基板に垂直方向な方向からみたときに、半導体素子とコイルパターンの周囲に配置されるねじ固定部に接続する放熱パターンを、半導体素子とコイルパターンの間および周囲に設け、ねじ固定部を冷却器に熱伝導性および導電性を持たせて直接接続する。
複数の半導体素子およびコイルパターンの間で平面方向に伝わる熱が放熱パターンを介して冷却器に放熱されるため、電子回路基板の実装部品間の熱干渉が抑制される。これにより、実装部品を近接配置でき、プリント基板の面積を削減できる。
【００１０】
以下、この発明による電子回路基板を、コイルパターンによりトランスを構成する電力変換装置を例に挙げて、各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１１】
実施の形態１．
図１にこの発明の各実施の形態による電力変換装置の概略的構成の一例の斜視図を示す。電力変換装置は、後述する図５、図６に示すように、多層構造のプリント基板８のおもて面に搭載された、表面実装型の半導体素子であるスイッチング素子１１および整流素子３１を備える。電力変換装置はまた、後述する図３に示すように、プリント基板８上の回路パターンである例えば銅箔パターンで形成されたコイルパターンにより形成されたパターンコイル８１とこのパターンコイルの磁路を形成する磁性コア(２３，２４)で構成される、プリント基板８を貫通しておもて面から裏面に亘って形成される、磁性部品であるトランス２および平滑コイル４２を備える。電力変換装置はまた、プリント基板８のおもて面に搭載された入力コンデンサ１４および出力コンデンサ４１と、さらに後述する図４に示す制御回路５と、を備える。プリント基板８の裏面側には、電力変換装置の構成部品である発熱する半導体素子(１１，３１)、磁性部品(２，４２)の熱を吸収する熱伝導性の高い冷却器７５が配置されている。この冷却器７５を空冷または水冷で冷やすことで、電力変換装置の構成部品を冷却する。なお、冷却器７５は、図示を省略した電力変換装置の外装ケースと一体であってもよい。
図２にこの発明の電力変換装置におけるプリント基板の一例の上面透視図を示す。図２に示すように、半導体素子(１１，３１)の周囲、磁性部品(２，４２)の部分に当たるコイルパターンの周囲、および、プリント基板８の端部に、ねじ固定部７６が配置され、ねじ固定部７６のところで、プリント基板８が冷却器７５にねじ７７で固定される。ねじ固定部７６には放熱パターン８２が接続される。なお図１と図２、さらに後述する各実施の形態において、プリント基板８における搭載素子および放熱パターンのレイアウトは若干異なるが、基本的な構造は同じである。
また、プリント基板８と冷却器７５との間に電気的絶縁が必要な箇所には、後述する図６、図１４に示すようにプリント基板８と冷却器７５の間に熱伝導の良い放熱効果が高くかつ電気的な絶縁性を有する絶縁部材である絶縁シート７８が配置される。
なお、例えばプリント基板８の両主面をおもて面と裏面とし、プリント基板８の「表面」と「おもて面」を区別する。半導体素子等の実装面が「おもて面」となる。
【００１２】
図３にこの発明の各実施の形態による電力変換装置の構成要素である磁性部品(２，４２)の部分の分解斜視図を示す。パターンコイル８１は、プリント基板８に開けられた貫通口８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃの周囲に配置される。また、Ｅ型コア２３の中脚部２３Ｃ、外脚部２３Ａ、２３Ｂが、プリント基板８の一方の面から貫通口８４Ｃ、８４Ａ、８４Ｂをそれぞれ挿通し、それぞれの脚部の端面が他方の面側のＩ型コア２４に結合されて、パターンコイル８１で発生する磁界の磁路を形成する。本実施の形態では、コアの形状をＥＩ型としているが、例えば、Ｅ型コアとＥ型コアの組み合わせや、中脚部の磁路方向と直交する断面が円形となっているＥＥＲ型コアや、Ｕ型コアとＩ型コアの組み合わせや、Ｕ型コアとＵ型コアの組み合わせなどでもよい。
【００１３】
図４にこの発明の実施の形態１による電力変換装置の一例の回路図を示す。一次側駆動回路１は、直列に接続されるスイッチング素子１１Ａと１１Ｂ、１１Ｃと１１Ｄで構成される。スイッチング素子は、例えばＮｃｈ型ＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１１Ａと１１Ｃのドレイン端子に入力電圧Ｖｉｎが供給される入力コンデンサ１４のプラス側が接続される。また、スイッチング素子１１Ｂ、１１Ｄのソース端子に入力コンデンサ１４のマイナス側が接続される。スイッチング素子１１Ａのソース側とスイッチング素子１１Ｂのドレイン側との接続点１２と、スイッチング素子１１Ｃのソース側とスイッチング素子１１Ｄのドレイン側との接続点１３の間には、トランス２の一次側巻線２１Ａが接続される。整流回路３は、整流素子３１Ａと３１Ｂで構成される。整流素子３１Ａと３１Ｂのアノード側はトランス２の二次側巻線２２Ａ、２２Ｂのそれぞれの一端に接続され、カソード側は共に平滑コイル４２の一端に接続される。平滑コイル４２の他端は電力変換装置の出力となる出力コンデンサ４１の一端に接続される。出力コンデンサ４１の他端およびトランス２の二次側巻線２２Ａと２２Ｂのそれぞれの他端は、電力変換装置の出力側の基準電位７１に接続される。
【００１４】
本実施の形態では、トランス２の一次側巻線２１Ａを４ターン、二次側巻線２２Ａと２２Ｂを１ターンとしている。従って、二次側巻線２２Ａ、２２Ｂにはスイッチング素子１１Ａと１１Ｄがオンしている期間、および、スイッチング素子１１Ｂと１１Ｃがオンしている期間に、入力電圧Ｖｉｎの４分の１となる正負の電圧が発生する。整流素子３１Ａと３１Ｂはこの正負の電圧を整流し、平滑コイル４２と出力コンデンサ４１により直流に平滑された電圧が生成される。電力変換装置の出力電圧Ｖｏは、トランス２の一次側巻線２１Ａと二次側巻線２２Ａ，２２Ｂの巻数の比と、スイッチング素子１１Ａ−１１Ｄのオンオフ期間で決まる。
制御回路５は、出力コンデンサ４１の両端間の出力電圧Ｖｏをフィードバックして入力すると共に、各スイッチング素子１１Ａ−１１Ｄのゲート端子に接続される。そして制御回路５は、出力電圧Ｖｏが予め定められた設定値になるようにスイッチング素子１１Ａ−１１Ｄのオンオフ期間を制御する。本実施の形態では、トランス２の巻数の比を４：１としているが、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏの比が大きい場合は、巻数比を６：１や８：１とし、電圧の比が小さい場合は３：１や２：１とすればよい。
【００１５】
図５にこの発明の実施の形態１による電力変換装置の多層プリント基板の各層の銅箔パターンの上面透視図を示す。多層プリント基板は後述する図６、図１４等に示すように、それぞれに薄い絶縁層上に放熱パターン、コイルパターン、回路パターンが形成されてなる複数の層が重なって構成されている。図５さらに後述する図８、図１０等は、絶縁層を透視した各層の各パターンを形成する銅箔パターンを横に並べて示した図である。また図１３には、この発明による電力変換装置のねじ固定部の断面図を示す。多層のプリント基板８は、表面実装型の半導体素子などが搭載される、図５の(ａ)に示す第１の外層と、冷却器７５と直接または絶縁シート７８を介して接触する(ｄ)に示す第２の外層と、これらの外層の間に挟まれる(ｂ)(ｃ)に示す内部の第１の内層と第２の内層、の４つの銅箔層を有する。各層はスルーホール８６およびねじ固定部７６Ａ−７６Ｋ(但し７６Ｉは欠番)の穴の内壁に形成された銅メッキにて電気的に接続されている。図１３は、ねじ固定部７６Ａ−７６Ｋにおいて、ねじ穴の内壁に形成された放熱パターン８２からなる銅メッキにて、プリント基板８の各層が電気的に接続された状態で、ねじ７７がプリント基板８のねじ穴を貫通して絶縁シート７８を介さずに冷却器７５内まで延びて、プリント基板８と冷却器７５を固定した状態を示す。ねじ固定部７６の径が大きくて内壁に銅メッキが施せない場合は、ねじ固定部７６の周囲にスルーホール８６を配置する。また、４つの銅箔層はガラスエポキシなどの樹脂により絶縁されている。
【００１６】
プリント基板８の外周に配置され、冷却器７５にねじ止めされる１０箇所のねじ固定部７６Ａ−７６Ｋは、(ｄ)の第２の外層で図１３に示すように絶縁シート７８を介さずに冷却器７５と接触しており、電力変換装置の出力側の基準電位７１と同電位となる。電力変換装置の入力は、図５の(ａ)の上部に示す入力部(Ｖｉ)１７Ａと(Ｎ)１７Ｂに接続され、出力は、図５の(ａ)の右下部に示す出力部(Ｖｏ)１８Ａと、基準電位７１となる冷却器７５に接続される。
【００１７】
プリント基板８の図５の(ａ)で符号８４Ｃ１で示される貫通口８４Ｃ１の周りに図３に示すように配置されるコイルパターンからなるパターンコイル８１で構成されるトランス２は、(ａ)の第１の外層に二次側巻線２２Ａが、(ｄ)の第２の外層に二次側巻線２２Ｂが、(ｂ)の第１の内層と(ｃ)の第２の内層に一次側巻線２１Ａが配置される。二次側巻線２２Ａと２２Ｂは、それぞれ１ターンであり、一端がねじ固定部７６Ｃ、７６Ｈに接続される。一次側巻線２１Ａは、第１の内層と第２の内層でそれぞれ２ターンであり、(ｂ)で符号８６で示されるスルーホール８６により接続されて合計４ターンとなる。
【００１８】
プリント基板８の図５の(ａ)の下部で符号８４Ｃ２で示される貫通口８４Ｃ２の周りに図３に示すように配置されるパターンコイル８１で構成される平滑コイル４２は、図５の(ａ)−(ｄ)に示す各層にそれぞれ１ターン配置され、(ａ)の第１の外層と(ｂ)の第１の内層の並列接続と、(ｃ)の第２の内層と(ｄ)の第２の外層の並列接続が、(ｂ)で符号８６で示されるスルーホール８６で直列に接続され、合計２ターンとなる。
【００１９】
図５の(ａ)の上部に示すように、スイッチング素子１１Ａ−１１Ｄは、入力部(Ｖｉ)１７Ａ、(Ｎ)１７Ｂとトランス２の間に紙面左から１１Ｂ、１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｄの順に配置される。
図５の(ａ)の真ん中に示すように、整流素子３１Ｂ、３１Ａは、トランス２と平滑コイル４２の間に紙面左から３１Ｂ、３１Ａの順に配置される。
【００２０】
次に各構成要素の間に配置され、冷却器７５と同電位となるねじ固定部７６Ａ−７６Ｋに接続する熱伝導性の高い放熱パターン８２の位置を説明する。
【００２１】
図５の(ａ)の第１の外層は、
左上のねじ固定部７６Ａに接続され、ねじ固定部７６Ａと入力部１７Ｂの間に配置される放熱パターン８２Ｚ１と、
右上のねじ固定部７６Ｋに接続され、ねじ固定部７６Ｋと入力部１７Ａの間に配置される放熱パターン８２Ｚ２と、
左側のねじ固定部７６Ｂ、７６Ｃ、７６Ｄ、７６Ｅを接続する放熱パターン８２Ｚ２５、８２Ｚ６、８２Ｚ７と、
右側のねじ固定部７６Ｊ、７６Ｈ、７６Ｇ、７６Ｆを接続する放熱パターン８２Ｚ３、８２Ｚ４、８２Ｚ８と、
ねじ固定部７６Ｂと７６Ｊを接続しスイッチング素子１１Ａ、１１Ｃと二次側巻線２２Ａの間に配置される放熱パターン８２Ｂと、
ねじ固定部７６Ｃに接続され二次側巻線２２Ａと整流素子３１Ｂの間に配置され一部が二次側巻線２２Ａと一体となる放熱パターン８２Ｚ５と、
ねじ固定部７６Ｆに接続され平滑コイル４２と出力部(Ｖｏ)１８Ａおよび出力コンデンサ(Ｃ)４１の間に配置される放熱パターン８２Ｄと、を有する。
【００２２】
図５の(ｂ)の第１の内層は、
図５の(ａ)に符号７６Ｂと７６Ｃで示されたねじ固定部７６Ｂと７６Ｃを接続する放熱パターン８２Ｚ１０と、
ねじ固定部７６Ｊと７６Ｈを接続する放熱パターン８２Ｚ９と、
一次側巻線２１Ａと整流素子３１Ｂの間に配置される放熱パターン８２Ｚ１１と、
一次側巻線２１Ａと整流素子３１Ａの間に配置される放熱パターン８２Ｆと、を有する。
【００２３】
図５の(ｃ)の第２の内層は、
図５の(ａ)に符号７６Ｂと７６Ｃで示されたねじ固定部７６Ｂと７６Ｃを接続する放熱パターン８２Ｚ１２と、
ねじ固定部７６Ｊと７６Ｈを接続する放熱パターン８２Ｚ１５と、
一次側巻線２１Ａと整流素子３１Ｂの間に配置される放熱パターン８２Ｚ１３と、
一次側巻線２１Ａと整流素子３１Ａの間に配置される放熱パターン８２Ｚ１４と、を有する。
【００２４】
図５の(ｄ)の第２の外層は、
図５の(ａ)の左上に符号７６Ａで示されたねじ固定部７６Ａに接続され、ねじ固定部７６Ａと入力部１７Ｂの間に配置される放熱パターン８２Ｚ１６と、
図５の(ａ)の右上に符号７６Ｋで示されたねじ固定部７６Ｋに接続され、ねじ固定部７６Ｋと入力部１７Ａの間に配置される放熱パターン８２Ｚ１７と、
図５の(ａ)の左側の符号７６Ｂ、７６Ｃ、７６Ｄ、７６Ｅで示されたねじ固定部７６Ｂ、７６Ｃ、７６Ｄ、７６Ｅを接続する放熱パターン８２Ｚ１９、８２Ｚ２１、８２Ｚ２３と、
図５の(ａ)の右側の符号７６Ｊ、７６Ｈ、７６Ｇ、７６Ｆで示されたねじ固定部７６Ｊ、７６Ｈ、７６Ｇ、７６Ｆを接続する放熱パターン８２Ｚ２０、８２Ｚ２２、８２Ｚ２４と、
ねじ固定部７６Ｂと７６Ｊを接続しスイッチング素子１１Ａ、１１Ｃと二次側巻線２２Ｂの間に配置される放熱パターン８２Ｃと、
ねじ固定部７６Ｂに接続され、スイッチング素子１１Ａと１１Ｂの間に配置される放熱パターン８２Ｚ１８と、
ねじ固定部７６Ｊに接続され、スイッチング素子１１Ｃと１１Ｄの間に配置される放熱パターン８２Ａと、
ねじ固定部７６Ｈに接続され二次側巻線２２Ｂと整流素子３１Ａの間に配置され一部が二次側巻線２２Ｂと一体となる放熱パターン８２Ｇと、
ねじ固定部７６Ｆに接続され平滑コイル４２と出力部１８Ａおよび出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｅと、
ねじ固定部７６Ｄと７６Ｇを接続し整流素子３１Ａ、３１Ｂと平滑コイル４２の間に配置される放熱パターン８２Ｈと、を有する。
なお以降の図も含めて各図において、プリント基板８に実装される半導体素子であるスイッチング素子１１および整流素子３１、磁性部品であるトランス２および平滑コイル４２、入力コンデンサ１４および出力コンデンサ４１等の各実装部品間を電気的に接続する電気回路用の回路パターンは、図示すると複雑になり放熱パターンが解かり辛くなるため、図示を省略している。
【００２５】
次に、図５に示す銅箔パターンの上面透視図と、図６に示す本実施の形態の電力変換装置の断面図を用いて、スイッチング素子１１Ａ−１１Ｄ、整流素子３１Ａ、３１Ｂ、トランス２の一次側巻線２１Ａと二次側巻線２２Ａ、２２Ｂ、平滑コイル４２のパターンコイル８１の放熱経路について説明する。図６において、(ａ)は図５の(ａ)に示した第１の外層の上面透視図で、(ｂ)−(ｄ)は(ａ)の断面線Ａ１，Ａ２，Ａ３に沿ったそれぞれの断面図である。
【００２６】
図６の(ｂ)(ｄ)に示すように、スイッチング素子１１Ａ−１１Ｄと整流素子３１Ａ、３１Ｂの発熱は、素子の周囲に配置されたスルーホール８６を通り、プリント基板８の４層の基板の最上部の第１の外層から最下部の第２の外層に伝わり、第２の外層から絶縁シート７８を介して冷却器７５に伝わる。
【００２７】
図６の(ｃ)に示すように、プリント基板８の第１の内層と第２の内層に配置されるトランス２の一次側巻線２１Ａの発熱は、プリント基板８の絶縁樹脂を介して、それぞれ第１の外層、第２の外層に伝わり、第１の外層と第２の外層に配置される二次側巻線２２Ａ、２２Ｂの発熱と共に、図５の(ａ)(ｄ)に示されるように、二次側巻線２２Ａ、２２Ｂの一端に接続されるねじ固定部７６Ｃ、７６Ｈから冷却器７５に伝わる。また、一次側巻線２１Ａの発熱は、第１の内層の２ターンと第２の内層の２ターンを接続するスルーホール８６により、第２の外層に伝わり、第２の外層から絶縁シート７８を介して冷却器７５に伝わる経路もある。
プリント基板８の第１の外層、第１の内層、第２の内層に配置される平滑コイル４２の図５の(ａ)(ｂ)(ｃ)に符号４２で示されるパターンコイルの発熱は、プリント基板８の層間の絶縁樹脂および、各層のパターンコイルを接続するスルーホール８６を介して、第２の外層に伝わり、第２の外層に配置されるパターンコイルの発熱とともに、第２の外層から絶縁シート７８を介して冷却器７５に伝わる。
【００２８】
各構成要素の発熱は上記経路を伝わり、大部分が冷却器７５に伝わるが、構成要素が近接すると絶縁樹脂を介して平面方向に広がった発熱の一部が違う構成要素に伝わることがある。しかし、この発明は、構成部品の間の熱干渉の抑制のために、ねじ固定部７６Ａ−７６Ｋと接続され冷却器７５と同電位となる放熱パターン８２を設けている。次にこの放熱パターン８２の効果について説明する。
【００２９】
図６の(ｂ)の断面Ａ１を参照して、スイッチング素子１１Ｃと１１Ｄの間には図５の(ｄ)に示すように第２の外層に放熱パターン８２Ａが配置され、スイッチング素子１１Ｃと１１Ｄの間で平面方向に伝わる熱は、この放熱パターン８２Ａに伝わる。スイッチング素子１１Ｃと１１Ｄの間で第１の外層、第１の内層、第２の内層の平面方向に伝わる熱も考えられるが、第１の外層、第１の内層、第２の内層におけるスイッチング素子１１Ｃと１１Ｄの間の平面方向の距離に対して、第２の外層におけるスイッチング素子１１Ｃおよび１１Ｄと放熱パターン８２Ａの間の平面方向の距離の方が短く、大部分が放熱パターン８２Ａに伝わる。
【００３０】
また、放熱パターン８２Ａは熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ程度の絶縁樹脂に対して、４００Ｗ／ｍＫ程度の銅箔パターンによりねじ固定部７６Ｊに接続されており、さらに、ねじ固定部７６Ｊにおいて、絶縁シート７８を介さずに冷却器７５に伝熱するため、放熱パターン８２Ａに伝わった熱は、冷却器７５に伝わりやすい。これにより、スイッチング素子１１Ｃ、１１Ｄの間の熱干渉が抑制できる。
【００３１】
図６の(ｃ)の断面Ａ２を参照して、第１の外層のスイッチング素子１１Ｃと二次側巻線２２Ａの間で平面方向に伝わる熱は、放熱パターン８２Ｂに伝わる。第２の外層のスイッチング素子１１Ｃと二次側巻線２２Ｂの間で平面方向に伝わる熱は、放熱パターン８２Ｃに伝わる。
ここで、第１の内層の一次側巻線２１Ａからスイッチング素子１１Ｃの下のパターンへの伝熱経路の熱抵抗を考えると、
λ：絶縁樹脂の熱伝導率、
ｄ：第１の内層のスイッチング素子１１Ｃと隣接する一次側巻線２１Ａの平面方向の距離、
ｔ：銅箔パターンの厚み、
ｗ：一次側巻線２１Ａとスイッチング素子１１Ｃの下のパターンの接する幅、
Ｒ１：熱抵抗、
として、
Ｒ１＝ｄ／(λ×ｗ×ｔ)
となる。
【００３２】
また、第１の内層の一次側巻線２１Ａから第１の外層の放熱パターン８２Ｂへの伝熱経路の熱抵抗を考えると、
ａ：第１の外層と第１の内層の間の絶縁樹脂の厚み、
ｓ：第１の内層の一次側巻線２１Ａと第１の外層の放熱パターン８２Ｂが重なる面積、
Ｒ２：熱抵抗、
として、
Ｒ２＝ａ／(λ×ｓ)
となる。そして、Ｒ１＞＞Ｒ２、すなわち、ｄ／(ｗ×ｔ)＞＞ａ／ｓとしておけば、第１の内層の一次側巻線２１Ａの発熱は平面方向よりも第１の外層の放熱パターン８２Ｂに伝わる。例えば、ｄ＝２ｍｍ、ｗ＝２０ｍｍ、ｔ＝０．１ｍｍ、ａ＝０．２ｍｍ、ｓ＝５０ｍｍ2とすると、
ｄ／(ｗ×ｔ)＝１、ａ／ｓ＝０．００４
となる。
【００３３】
同様に第２の内層の一次側巻線２１Ａの発熱も同様に平面方向よりも第２の外層の放熱パターン８２Ｃに伝わる。放熱パターン８２Ｂと８２Ｃに伝わった熱は、ねじ固定部７６Ｂ、７６Ｊから冷却器７５に伝わる。これにより、スイッチング素子１１Ｃとトランス２の間の熱干渉が抑制できる。
【００３４】
図６の(ｄ)の断面Ａ３を参照して、トランス２、整流素子３１Ａ、平滑コイル４２の間および周囲に放熱パターン８２Ｄ−８２Ｈを配置しており、上記断面Ａ１、断面Ａ２での説明と同様に、各構成要素間の熱干渉が抑制できる。さらに、放熱パターン８２Ｄと８２Ｅにより、平滑コイル４２から出力コンデンサ４１へ伝わる熱も抑制できるため、出力コンデンサ４１の温度を低減できる。
【００３５】
以上の放熱経路のイメージを図１４の断面図と上面図で説明する。図１４はこの発明による電力変換装置の放熱経路を説明するための図であり、(ａ)が断面図、(ｂ)が上面図を示す。矢印Ｈが放熱経路を示す。スイッチング素子１１、整流素子３１、パターンコイル８１の発熱は主にスルーホール８６および多層のプリント基板８の各層の銅箔パターン間の絶縁層を通ってプリント基板８の最下層の第２の外層(ｄ)に伝わり、絶縁シート７８を介して冷却器７５に伝わる。また、スイッチング素子１１、整流素子３１、パターンコイル８１の発熱の一部がプリント基板８の平面方向に広がるが、それぞれ熱伝導性を有する放熱パターン８２、ねじ固定部７６を経由して冷却器７５に伝わる。これにより、平面方向に広がった熱が他の部品に伝わることがなく、熱干渉が抑制される。
【００３６】
なお、例えば図６では断面Ａ１、Ａ２，Ａ３を図示して説明したが、他の部分に設けた放熱パターン８２も同様の効果を有しており、各構成要素間の熱干渉を抑制できる。さらに、上記説明した出力コンデンサ４１に加えて、入力コンデンサ１４や回路図にしか図示していない制御回路５へ伝わる熱も抑制できるため、それら部品に耐熱温度の低い部品を用いることできる。
【００３７】
実施の形態２．
実施の形態１では図４の降圧トランス２が降圧回路であったのに対し、本実施の形態２は昇圧回路を設けている点が異なる。
図７にこの発明の実施の形態２による電力変換装置の一例の回路図を示す。図７の昇圧トランス２が昇圧回路を構成する。一次側駆動回路１は、スイッチング素子１１Ｅと１１Ｆで構成される。スイッチング素子は、例えばＰｃｈ型ＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１１Ｅと１１Ｆのドレイン端子が、それぞれ、トランス２の一次側巻線２１Ｂと２１Ｃの一端に接続される。また、スイッチング素子１１Ｅ、１１Ｆのソース端子に入力電圧Ｖｉｎが供給される入力コンデンサ１４のプラス側が接続される。トランス２の一次側巻線２１Ｂと２１Ｃの他端および、入力コンデンサ１４のマイナス側は電力変換装置の入力側の基準電位７２が接続される。整流回路３は、整流素子３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆで構成される。整流素子３１Ｃのアノードと整流素子３１Ｄのカソードの接続点３２と、整流素子３１Ｅのアノードと整流素子３１Ｆのカソードの接続点３３の間にトランス２の二次側巻線２２Ｃが接続される。整流素子３１Ｃのカソードと整流素子３１Ｄのアノードの接続点は、平滑コイル４２の一端に接続され、平滑コイル４２の他端は電力変換装置の出力となる出力コンデンサ４１のプラス側に接続される。整流素子３１Ｅのカソードと整流素子３１Ｆのアノードの接続点は、出力コンデンサ４１のマイナス側に接続される。
【００３８】
本実施の形態では、トランス２の一次側巻線２１Ｂ、２１Ｃを１ターン、二次側巻線２２Ｃを４ターンとしており、二次側巻線２２Ｃにはスイッチング素子１１Ｅがオンしている期間、および、スイッチング素子１１Ｆがオンしている期間に入力電圧Ｖｉｎの４倍となる正負の電圧が発生する。整流素子３１Ｃ−３１Ｆはこの正負の電圧を整流し、平滑コイル４２と出力コンデンサ４１により直流の平滑された電圧が生成される。電力変換装置の出力電圧Ｖｏは、トランス２の一次側巻線２１Ｂ、２１Ｃと二次側巻線２２Ｃの巻数の比と、スイッチング素子１１Ｅと１１Ｆのオンオフ期間で決まる。
制御回路５は、出力コンデンサ４１の両端間の出力電圧Ｖｏをフィードバックして入力すると共に、各スイッチング素子１１Ｅ、１１Ｆのゲート端子に接続される。そして制御回路５は、出力電圧Ｖｏが予め定められた設定値になるようにスイッチング素子１１Ｅと１１Ｆのオンオフ期間を制御する。本実施の形態では、トランス２の巻数の比を１：４としているが、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏの比が大きい場合は、巻数比を１：６や１：８とし、電圧の比が小さい場合は１：３や１：２とすればよい。
【００３９】
図８にこの発明の本実施の形態２の電力変換装置の多層プリント基板の各層の銅箔パターンの上面透視図を示す。多層のプリント基板８は、実施の形態１と同様に表面実装型の半導体素子などが搭載される、図８の(ａ)に示す第１の外層と、冷却器７５と直接または絶縁シート７８を介して接触する(ｄ)に示す第２の外層と、これらの外層の間に挟まれる(ｂ)(ｃ)に示す内部の第１の内層と第２の内層、の４つの銅箔層を有する。各層はスルーホール８６およびねじ固定部７６Ａ−７６Ｋの穴の内壁に形成された銅メッキにて電気的に接続されている。詳細な構成は図１３に基づいて上述したものと同様である。ねじ固定部７６の径が大きくて内壁に銅メッキが施せない場合は、ねじ固定部７６の周囲にスルーホール８６を配置する。また、４つの銅箔層はガラスエポキシなどの樹脂により絶縁されている。
【００４０】
プリント基板８の外周に配置され、冷却器７５にねじ止めされる１０箇所のねじ固定部７６Ａ−７６Ｋ(但し７６Ｉは欠番)は、(ｄ)の第２の外層で図１３に示すように絶縁シート７８を介さずに冷却器７５と接触しており、電力変換装置の入力側の基準電位７２と同電位となる。電力変換装置の入力は、図８の(ａ)の上部に示す入力部(Ｖｉ)１７Ａと、基準電位となる冷却器７５に接続され、出力は、図８の(ａ)の右下部に示す出力部(Ｖｏ)１８Ａと(Ｎ)１８Ｂに接続される。
【００４１】
プリント基板８の図８の(ａ)で符号８４Ｃ１で示される貫通口８４Ｃ１の周りに図３に示すように配置されるパターンコイル８１で構成されるトランス２は、(ａ)の第１の外層に一次側巻線２１Ｂが、(ｄ)の第２の外層に一次側巻線２１Ｃが、(ｂ)の第１の内層と(ｃ)の第２の内層に二次側巻線２２Ｃが配置される。一次側巻線２１Ｂと２１Ｃは、それぞれ１ターンであり、一端がねじ固定部７６Ｂ、７６Ｊに接続される。二次側巻線２２Ｃは、第１の内層と第２の内層でそれぞれ２ターンであり、(ｂ)で符号８６で示されるスルーホール８６により接続されて合計４ターンとなる。
【００４２】
プリント基板８の図８の(ａ)の下部で符号８４Ｃ２で示される貫通口８４Ｃ２の周りに図３に示すように配置されるパターンコイル８１で構成される平滑コイル４２は、図８の(ａ)−(ｄ)に示す各層にそれぞれ２ターン配置され、図８の(ｂ)に符号８６で示される３箇所のスルーホール８６で接続され合計８ターンとなる。
【００４３】
図８の(ａ)の上部に示すように、スイッチング素子１１Ｅ，１１Ｆは、入力部(Ｖｉ)１７Ａとトランス２の間に紙面左から１１Ｅ、１１Ｆの順に配置される。
図８の(ａ)の真ん中に示すように、整流素子３１Ｃ−３１Ｆは、トランス２と平滑コイル４２の間に紙面左から３１Ｄ、３１Ｃ、３１Ｅ、３１Ｆの順に配置される。
【００４４】
次に各構成要素の間に配置され、冷却器７５と同電位となるねじ固定部７６Ａ−７６Ｋに接続する放熱パターン８２の位置を説明する。
【００４５】
図８の(ａ)の第１の外層は、
右上のねじ固定部７６Ｋに接続され、ねじ固定部７６Ｋと入力部１７Ａの間に配置される放熱パターン８２Ｚ３２と、
左上側のねじ固定部７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃを接続する放熱パターン８２Ｚ３１、８２Ｚ３５と、
右上側のねじ固定部７６Ｋ、７６Ｊ、７６Ｈを接続する放熱パターン８２Ｚ３３、８２Ｚ３６と、
左下側のねじ固定部７６Ｄ、７６Ｅを接続する放熱パターン８２Ｚ３８と、
ねじ固定部７６Ｊに接続され一次側巻線２１Ｂとスイッチング素子１１Ｆの間に配置され一部が一次側巻線２１Ｂと一体となる放熱パターン８２Ｚ３４と、
ねじ固定部７６Ｃと７６Ｈを接続し整流素子３１Ｃ−３１Ｆと一次側巻線２１Ｂの間に配置される放熱パターン８２Ｚ３７と、
右下のねじ固定部７６Ｆに接続され平滑コイル４２と出力部１８Ａおよび出力コンデンサ(Ｃ)４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ３９と、を有する。
【００４６】
図８の(ｄ)の第２の外層は、
図８の(ａ)の左上側に符号７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃで示されたねじ固定部７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃを接続する放熱パターン８２Ｚ４０、８２Ｚ４３と、
図８の(ａ)の右上側に符号７６Ｋ、７６Ｊ、７６Ｈで示されたねじ固定部７６Ｋ、７６Ｊ、７６Ｈを接続する放熱パターン８２Ｚ４１、８２Ｚ４２と、
図８の(ａ)の左下側に符号７６Ｄ、７６Ｅで示されたねじ固定部７６Ｄ、７６Ｅを接続する放熱パターン８２Ｚ４７と、
図８の(ａ)の左側中央に符号７６Ｃで示されたねじ固定部７６Ｃに接続され一次側巻線２１Ｃとスイッチング素子１１Ｅの間に配置され一部が一次側巻線２１Ｃと一体となる放熱パターン８２Ｚ４９と、
図８の(ａ)の中央に符号７６Ｃ、７６Ｈで示されたねじ固定部７６Ｃと７６Ｈを接続し整流素子３１Ｃ−３１Ｆと一次側巻線２１Ｃの間に配置される放熱パターン８２Ｚ４４と、図８の(ａ)の左側中央に符号７６Ｃで示されたねじ固定部７６Ｃに接続され整流素子３１Ｃと３１Ｄの間に配置される放熱パターン８２Ｚ４５と、
図８の(ａ)の右側中央に符号７６Ｈで示されたねじ固定部７６Ｈに接続され整流素子３１Ｅと３１Ｆの間に配置される放熱パターン８２Ｚ４６と、
図８の(ａ)の右下に符号７６Ｆで示されたねじ固定部７６Ｆに接続され平滑コイル４２と出力部１８Ａおよび出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ４８と、を有する。
【００４７】
スイッチング素子１１Ｅ，１１Ｆと整流素子３１Ｃ−３１Ｆ、トランス２、平滑コイル４２の主の放熱経路および、それら構成要素の間と周囲に設けられた放熱パターン(８２)の効果は実施の形態１と同様であり、各構成要素の熱干渉の抑制と回路図にしか図示していない制御回路５への伝熱の抑制の効果も同様に有する。
【００４８】
実施の形態３．
実施の形態１および２はトランス２を１つとしていたのに対し、本実施の形態は、高電圧大電流に対応するために２つトランス２Ａ，２Ｂを用い、トランスの一次側を直列に、二次側を並列に接続し、一次側の電圧および二次側の電流を分散している点が異なる。
【００４９】
図９にこの発明の実施の形態３による電力変換装置の一例の回路図を示す。一次側駆動回路１は、それぞれに直列に接続されるスイッチング素子１１Ｇと１１Ｈ、１１Ｊと１１Ｋで構成される。スイッチング素子は、例えばＮｃｈ型ＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１１Ｇと１１Ｊのドレイン端子に入力電圧Ｖｉｎが供給される入力コンデンサ１４のプラス側が接続される。なお、実施の形態１に対し、電力が大きいため入力コンデンサ１４を２つ並列接続している。また、スイッチング素子１１Ｈ、１１Ｋのソース端子が入力コンデンサ１４のマイナス側に接続される。スイッチング素子１１Ｇと１１Ｈの接続点１２と、スイッチング素子１１Ｊと１１Ｋの接続点１３の間に、トランス２Ａの一次側巻線２１Ｄとトランス２Ｂの一次側巻線２１Ｅが直列に接続される。整流回路３は、整流素子３１Ｇ、３１Ｈ、３１Ｊ、３１Ｋで構成される。整流素子３１Ｇと３１Ｈのアノード側は、トランス２Ａの二次側巻線２２Ｄ、２２Ｅの一端にそれぞれ接続され、カソード側は、共に平滑コイル４２Ａの一端に接続される。整流素子３１Ｊと３１Ｋのアノード側は、トランス２Ｂの二次側巻線２２Ｆ、２２Ｇの一端にそれぞれ接続され、カソード側は、共に平滑コイル４２Ｂの一端に接続される。平滑コイル４２Ａと４２Ｂの他端は電力変換装置の出力となる出力コンデンサ４１の一端に接続される。出力コンデンサ４１の他端およびトランス２Ａと２Ｂの二次側巻線２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇの他端は、電力変換装置の出力側の基準電位７１に接続される。なお、実施の形態１に対し、電力が大きいため出力コンデンサ４１を２つ並列に接続している。
【００５０】
本実施の形態では、トランス２Ａと２Ｂの一次側巻線２１Ｄ、２２Ｅを４ターン、二次側巻線２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇを１ターンとしており、二次側巻線２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇにはスイッチング素子１１Ｇと１１Ｋがオンしている期間、および、スイッチング素子１１Ｈと１１Ｊがオンしている期間に入力電圧Ｖｉｎの８分の１となる正負の電圧が発生する。整流素子３１Ｇ、３１Ｈ、３１Ｊ、３１Ｋはこの正負の電圧を整流し、平滑コイル４２Ａ、４２Ｂと出力コンデンサ４１により直流の平滑された電圧が生成される。電力変換装置の出力電圧Ｖｏは、トランス２Ａ，２Ｂの一次側巻線と二次側巻線の巻数の比とスイッチング素子１１Ｇ−１１Ｋのオンオフ期間で決まる。
制御回路５は、出力コンデンサ４１の両端間の出力電圧Ｖｏをフィードバックして入力すると共に、各スイッチング素子１１Ｇ−１１Ｋのゲート端子に接続される。そして制御回路５は、出力電圧Ｖｏが予め定められた設定値になるようにスイッチング素子１１Ｇ−１１Ｋのオンオフ期間を制御する。本実施の形態では、２つのトランス２Ａ，２Ｂを用いトランスの一次側を直列に、二次側を並列に接続しているため、同じ８分の１の降圧をするのに対し、トランス１つ当りの巻数を減らすことができるため、図３に示したパターンコイル８１の配線幅を広くすることができる。また、トランス２Ａ，２Ｂの二次側および平滑コイル４２Ａ，４２Ｂが並列となるため二次側の電流を分散でき、高電圧大電流への対応が可能となっている。
【００５１】
図１０にこの発明の本実施の形態３の電力変換装置の多層プリント基板の各層の銅箔パターンの上面透視図を示す。多層のプリント基板８は、実施の形態１と同様に表面実装型の半導体素子などが搭載される図１０の(ａ)に示す第１の外層と、冷却器７５と直接または絶縁シート７８を介して接触する図１０の(ｄ)に示す第２の外層と、これらの外層の間に挟まれる(ｂ)(ｃ)に示す内部の第１の内層と第２の内層の４つの銅箔層を有する。各層はスルーホール８６およびねじ固定部７６Ａ−７６Ｍ(但し７６Ｉは欠番)の穴の内壁に形成された銅メッキにて電気的に接続されている。詳細な構成は図１３に基づいて上述したものと同様である。ねじ固定部７６の径が大きくて内壁に銅メッキが施せない場合は、ねじ固定部７６の周囲にスルーホール８６を配置する。また、４つの銅箔層はガラスエポキシなどの樹脂により絶縁されている。
【００５２】
プリント基板８の外周および中央に配置され、冷却器７５にねじ止めされる１２箇所のねじ固定部７６Ａ−７６Ｍは、図１０の(ｄ)の第２の外層で図１３に示すように絶縁シート７８を介さずに冷却器７５と接触しており、電力変換装置の出力側の基準電位７１と同電位となる。電力変換装置の入力は、図１０の(ａ)の上部に示す入力部(Ｖｉ)１７Ａと(Ｎ)１７Ｂに接続され、出力は、図１０の(ａ)の下部中央に示す出力部(Ｖｏ)１８Ａと基準電位となる冷却器７５に接続される。
【００５３】
プリント基板８の図１０の(ａ)で符号８４Ｃ３で示される貫通口８４Ｃ３の周りに図３に示すように配置されるパターンコイル８１で形成されるトランス２Ａは、(ａ)の第１の外層に二次側巻線２２Ｄが、(ｄ)の第２の外層に二次側巻線２２Ｅが、(ｂ)の第１の内層と(ｃ)の第２の内層に一次側巻線２１Ｄが配置される。プリント基板８の図１０の(ａ)で符号８４Ｃ４で示される貫通口８４Ｃ４の周りに図３に示すように配置されるパターンコイル８１で形成されるトランス２Ｂは、(ａ)の第１の外層に二次側巻線２２Ｆが、(ｄ)の第２の外層に二次側巻線２２Ｇが、(ｂ)の第１の内層と(ｃ)の第２の内層に一次側巻線２１Ｅが配置される。二次側巻線２２Ｄ−２２Ｇは、それぞれ１ターンであり、一端がプリント基板８の中央の図１０の(ａ)に符号７６Ｂ、７６Ｄ、７６Ｈ、７６Ｋで示すねじ固定部７６Ｂ、７６Ｄ、７６Ｈ、７６Ｋに接続される。一次側巻線２１Ｄ、２１Ｅは、第１の内層と第２の内層でそれぞれ２ターンであり、図１０の(ｂ)にスルーホール８６により接続されて合計４ターンとなり、その直列接続が合計８ターンとなる。
【００５４】
プリント基板８の図１０の(ａ)の左下の符号８４Ｃ５で示される貫通口８４Ｃ５の周りに図３に示すように配置されるパターンコイル８１で構成される平滑コイル４２Ａと、図１０の(ａ)の右下の符号８４Ｃ６で示される貫通口８４Ｃ６の周りに同様にして構成される平滑コイル４２Ｂは、各層にそれぞれ１ターン配置され、図１０の(ａ)の第１の外層と図１０の(ｂ)の第１の内層の並列接続と、図１０の(ｃ)の第２の内層と図１０の(ｄ)の第２の外層の並列接続が、(ｂ)で符号８６で示されるスルーホール８６で接続され、それぞれ合計２ターンとなる。
【００５５】
図１０の(ａ)の上部に示すように、スイッチング素子１１Ｇ−１１Ｋは、入力部１７Ａ、１７Ｂとトランス２Ａ、２Ｂの間に紙面左から１１Ｈ、１１Ｇ、１１Ｊ、１１Ｋの順に配置される。
図１０の(ａ)の真ん中に示すように、整流素子３１Ｇ−３１Ｋは、トランス２Ａの左に紙面上から順に整流素子３１Ｈ、３１Ｇの順に、トランス２Ｂの右に紙面上から順に整流素子３１Ｋ、３１Ｊの順に配置される。
【００５６】
次に各構成要素の間に配置され、冷却器７５と同電位となるねじ固定部７６Ａ−７６Ｍに接続する放熱パターン８２の位置を説明する。
図１０の(ａ)の第１の外層は、
上部中央のねじ固定部７６Ｍに接続され、左上のねじ固定部７６Ａ側に配置される放熱パターン８２Ｚ５１および右上のねじ固定部７６Ｌ側に配置される放熱パターン８２Ｚ５２と、
左上側のねじ固定部７６Ａと７６Ｃを接続する放熱パターン８２Ｚ５３と、ねじ固定部７６Ａおよび７６Ｃとねじ固定部７６Ｂを接続する放熱パターン８２Ｚ８２と、
左側中央のねじ固定部７６Ｃに接続され、左下のねじ固定部７６Ｅ側に配置される放熱パターン８２Ｚ５４と、
右上側のねじ固定部７６Ｌと７６Ｊを接続する放熱パターン８２Ｚ６１と、ねじ固定部７６Ｌおよび７６Ｊとねじ固定部７６Ｋを接続する放熱パターン８２Ｚ６０と、
右側中央のねじ固定部７６Ｊに接続され、右下のねじ固定部７６Ｇ側に配置される放熱パターン８２Ｚ５９と、
左下のねじ固定部７６Ｄに接続され、平滑コイル４２Ａと出力部１８Ａおよび出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ５５と、
右下のねじ固定部７６Ｈに接続され、平滑コイル４２Ｂと出力部１８Ａおよび出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ５８と、
下部中央のねじ固定部７６Ｆに接続され、平滑コイル４２Ａと出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ５６と、ねじ固定部７６Ｆに接続され、平滑コイル４２Ｂと出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ５７と、を有する。
【００５７】
図１０の(ｄ)の第１の外層は、
図１０の(ａ)の上部中央に符号７６Ｍで示されたねじ固定部７６Ｍに接続され、左側のねじ固定部７６Ａ側に配置される放熱パターン８２Ｚ６３および右側のねじ固定部７６Ｌ側に配置される放熱パターン８２Ｚ６４と、
図１０の(ａ)の左側に符号７６Ｂで示されたねじ固定部７６Ｂに接続され、スイッチング素子１１Ｇと１１Ｈの間に配置される放熱パターン８２Ｚ６２と、
図１０の(ａ)の右側に符号７６Ｋで示されたねじ固定部７６Ｋに接続され、スイッチング素子１１Ｊと１１Ｋの間に配置される放熱パターン８２Ｚ６５と、
図１０の(ａ)の左側に符号７６Ａと７６Ｃで示されたねじ固定部７６Ａと７６Ｃを接続する放熱パターン８２Ｚ８１と、ねじ固定部７６Ａおよび７６Ｃとねじ固定部７６Ｂを接続する放熱パターン８２Ｚ８０と、
図１０の(ａ)の左側中央に符号７６Ｃで示されたねじ固定部７６Ｃに接続され、左下のねじ固定部７６Ｅ側に配置される放熱パターン８２Ｚ７７と、
図１０の(ａ)の右側に符号７６Ｌと７６Ｊで示されたねじ固定部７６Ｌと７６Ｊを接続する放熱パターン８２Ｚ６６と、ねじ固定部７６Ｌおよび７６Ｊとねじ固定部７６Ｋを接続する放熱パターン８２Ｚ６７と、
図１０の(ａ)の右中央に符号７６Ｊで示されたねじ固定部７６Ｊに接続され、右下のねじ固定部７６Ｇ側に配置される放熱パターン８２Ｚ７０と、
図１０の(ａ)の左側に符号７６Ｂで示すねじ固定部７６Ｂに接続され、二次側巻線２２Ｅと整流素子３１Ｈの間に配置される放熱パターン８２Ｚ７９と、
図１０の(ａ)の右側に符号７６Ｋで示すねじ固定部７６Ｋに接続され、二次側巻線２２Ｇと整流素子３１Ｋの間に配置される放熱パターン８２Ｚ６８と、
図１０の(ａ)の左側に符号７６Ｄで示すねじ固定部７６Ｄに接続され、二次側巻線２２Ｅと整流素子３１Ｇの間に配置される放熱パターン８２Ｚ７６と、
図１０の(ａ)の右側に符号７６Ｈで示すねじ固定部７６Ｈに接続され、二次側巻線２２Ｇと整流素子３１Ｊの間に配置される放熱パターン８２Ｚ７１と、
図１０の(ａ)の左側に符号７６Ｄで示すねじ固定部７６Ｄに接続され、平滑コイル４２Ａと出力部１８Ａおよび出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ７５と、
図１０の(ａ)の右側に符号７６Ｈで示すねじ固定部７６Ｈに接続され、平滑コイル４２Ｂと出力部１８Ａおよび出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ７２と、
図１０の(ａ)の下部中央に符号７６Ｆで示すねじ固定部７６Ｆに接続され、平滑コイル４２Ａと出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ７４と、ねじ固定部７６Ｆに接続され、平滑コイル４２Ｂと出力コンデンサ４１の間に配置される放熱パターン８２Ｚ７３と、を有する。
【００５８】
スイッチング素子１１Ｇ−１１Ｋと整流素子３１Ｇ−３１Ｋ、トランス２Ａ，２Ｂ、平滑コイル４２Ａ，４２Ｂの主の放熱経路および、それら構成要素の間と周囲に設けられた放熱パターン(８２)の効果は実施の形態１と同様であり、各構成要素の熱干渉の抑制と回路図にしか図示していない制御回路５への伝熱の抑制の効果も同様に有する。
【００５９】
本実施の形態では、トランス２Ａ、２Ｂがプリント基板８の中央に配置され、その周囲にスイッチング素子１１Ｇ−１１Ｋと整流素子３１Ｇ−３１Ｋが配置され、プリント基板８の中央のトランス２Ａ、２Ｂの周囲に配置されたねじ固定部７６Ａ−７６Ｍが二次側巻線２２Ｄ−２２Ｇの一端の基準電位の電気接続と放熱パターン８２からの熱伝導接続を兼ねており、また、プリント基板８の周囲に配置されたねじ固定部７６が基板の固定と放熱パターン８２からの熱伝導接続を兼ねている。それにより、高電圧大電流に対応するために、構成部品が多くなっても、ねじ固定点の数を増やすことなく、構成部品の熱干渉を抑制できる。
【００６０】
図１１の(ａ)に示すように、プリント基板８と冷却器７５の間に柔らかい絶縁シート７８を配置し、絶縁シート７８を押し潰しながら固定する際、ねじ固定部７６をスイッチング素子１１や整流素子３１から遠い位置に設けると絶縁シート７８が潰れ切らず、スイッチング素子１１や整流素子３１の直下の絶縁シート７８が厚くなってしまい、放熱性が悪くなる可能性がある。図１５には本実施の形態３における、スイッチング素子１１または整流素子３１とねじ固定部７６との位置関係の特徴を示す。本実施の形態では例えば図１０および図１５に示すように、スイッチング素子１１または整流素子３１が、それぞれの素子の近傍に配置される２つのねじ固定部７６の中心間を結ぶ線分上に配置されている。これにより、図１１の(ｂ)に示すように絶縁シート７８が均一に潰れ、絶縁シート７８が部分的に厚くなることはないため、スイッチング素子１１と整流素子３１などの放熱性が悪くなることは無い。プリント基板８の厚み１．０−２．０ｍｍの場合、スイッチング素子１１や整流素子３１と近傍に配置する２つのねじ固定部７６の中心間の距離は、例えば、１０−３０ｍｍ程度である。また、２つのねじ固定部７６の中心間を結ぶ線分の中点に近い位置にスイッチング素子１１または整流素子３１を配置するほど、絶縁シート７８の潰れ方が均一になり、放熱性の悪化を抑制できる。
【００６１】
また図１２に示すように、スイッチング素子１１と整流素子３１は、数十ｋから数百ｋＨｚの範囲でスイッチングしており、高周波のノイズが電力変換装置の出力に重畳する可能性がある。しかし、本実施の形態では、スイッチング素子１１、整流素子３１と、出力コンデンサ４１および出力部１８Ａの間には、トランス２Ａ、２Ｂおよび平滑コイル４２Ａ、４２Ｂのコア２３が配置されており、このコア２３により、空中を伝搬して出力コンデンサ４１および出力部１８Ａに伝わる高周波のノイズを遮蔽することができる。
【００６２】
なおこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。
また上述のようにこの発明は電力変換装置に限定されるものではなく、電力変換装置と同様な、コイルパターンおよび磁性コアを有する磁性部品と半導体素子を実装するプリント基板をねじ固定部により冷却器に固定する構成の各種電子回路基板にも適用可能である。
【００６３】
以上のこの発明による電子回路基板においては、回路パターンで形成されるコイルパターン(８１)と磁性コア(２３，２４)により形成される磁性部品(図３)および回路パターンに接続された半導体素子(１１，３１)を実装した多層のプリント基板(８)と、多層のプリント基板の実装面と反対側に配置される冷却器(７５)と、多層のプリント基板と冷却器の間に配置される熱伝導性を有する絶縁部材(７８)と、コイルパターン(８１)と半導体素子(１１，３１)の周囲に配置され、多層のプリント基板(８)と冷却器(７５)とを固定するねじ固定部(７６)と、多層のプリント基板(８)の主面に垂直な方向からみたときに、コイルパターン(８１)および半導体素子(１１，３１)のうちの少なくとも２つの間に配置される放熱パターン(８２)と、を備える。そして放熱パターン(８２：図５等)とねじ固定部(７６)と冷却器(７５)がそれぞれ熱伝導性および導電性を持たせて直接接続させる。
上記の構成により、複数の半導体素子(１１，３１)およびコイルパターン(８１)の間で平面方向に伝わる熱が放熱パターン(８２)を介して冷却器(７５)に放熱されるため、電子回路基板、電力変換装置の構成部品の間の熱干渉が抑制される。これにより、構成部品を近接配置でき、多層のプリント基板を小面積にすることができる。
【００６４】
またこの発明による電子回路基板においては、放熱パターン(８２)は、多層のプリント基板(８)の主面に垂直な方向からみたときに、コイルパターン(８１)および前記半導体素子(１１，３１)の少なくとも１つの周囲にも配置する。
この構成により、複数の半導体素子(１１，３１)およびコイルパターン(８１)の熱干渉の抑制効果に加えて、複数の半導体素子(１１，３１)およびコイルパターン(８１)の平面方向に伝わる熱が、入力コンデンサ(１４)や出力コンデンサ(４１)、制御回路(５)などの電力変換装置などを構成する他の実装部品にも伝わらないため、他の実装部品に耐熱の低い部品を用いることができる。
【００６５】
またこの発明による電子回路基板においては、多層のプリント基板(８)の主面に垂直な方向からみたときに、放熱パターン(８２)が、コイルパターン(８１)または実装部品間を電気的に接続する回路パターンと重なるように配置する。
この構成により、複数の半導体素子(１１，３１)およびコイルパターン(８１)の間および周囲に放熱パターン(８２)を配置しても、コイルパターン(８１)、放熱パターン(８２)）、実装部品間を接続する回路パターンが重なって配置されるため、複数の半導体素子(１１，３１)およびコイルパターン(８１)の間の距離を近づけることができる。
【００６６】
またこの発明による電子回路基板においては、多層のプリント基板(８)の主面に垂直な方向からみたときに、重なって配置されるコイルパターン(８１)により、磁性部品であるトランス(２)の一次側巻線(２１)と二次側巻線(２２)を構成し、一次側巻線(２１)と二次側巻線(２２)のうち、巻数が少ない方の巻線の一端が、ねじ固定部(７６)に接続され冷却器(７５)と電気的に接続されるようにする。
この構成により、コイルパターン(８１)の一端が冷却器(７５)に熱的に接続されるため、コイルパターン(８１)の放熱性を向上できる。また、放熱パターン(８２)を接続するねじ固定部(７６)とコイルパターン(８１)の一端を接続するねじ固定部(７６)が共用されるため、ねじ固定部(７６)の数が増えない。
【００６７】
またこの発明による電力変換装置においては、コイルパターン(８１)の一端をねじ固定部(７６)に接続させる。
この構成により、コイルパターン(８１)の一端を接続するねじ固定部(７６)を放熱パターン(８２)を接続するねじ固定部(７６)としても使用し、１つのねじ固定部(７６)を共用することができる。
【００６８】
またこの発明による電力変換装置においては、上述の電子回路基板で構成され、磁性部品として、昇圧トランス(２：図７)または降圧トランス(２：図４)と、平滑コイル(４２)とを備え、半導体素子(１１，３１)として、昇圧トランス(２：図７)または降圧トランス(２：図４)の、一次側に接続されたスイッチング素子(１１)と二次側に接続された整流素子(３１)とを備える。そして、多層のプリント基板(８)上に、スイッチング素子(１１)、昇圧トランス(２：図７)または降圧トランス(２：図４)、整流素子(３１)、平滑コイル(４２)の順に配置される。
この構成により、ねじ固定部(７６)と放熱パターン(８２)が配置し易く、共用し易いため、数を減らせる。
【００６９】
またこの発明による電力変換装置においては、上述の電子回路基板で構成され、磁性部品として、２つの降圧トランス(２Ａ，２Ｂ)と、２つの平滑コイル(４２Ａ，４２Ｂ)とを備え、半導体素子(１１，３１)として、２つの降圧トランス(２Ａ，２Ｂ)の、一次側に接続された複数のスイッチング素子(１１)と、二次側にそれぞれに接続された整流素子(３１)と、を備える。そして、２つの降圧トランス(２Ａ，２Ｂ)の一次側巻線(２１Ｄ，２１Ｅ)が直列に接続され、二次側巻線(２２)と整流素子(３１Ｇ−３１Ｋ)と平滑コイル(４２Ａ，４２Ｂ)で形成する二次側回路が並列に接続される。そして図１６に示すように、多層のプリント基板(８)の主面に垂直な方向からみたときに、２つの降圧トランス(２Ａ，２Ｂ)が中央に配置され、２つの降圧トランス(２Ａ，２Ｂ)の周囲に複数のスイッチング素子(１１)と整流素子(３１)と平滑コイル(４２)とが配置され、複数のスイッチング素子(１１)と整流素子(３１)はＵの字型に配置され、２つの降圧トランス(２Ａ，２Ｂ)の周囲、および、複数のスイッチング素子(１１)と整流素子(３１)と平滑コイル(４２)の周囲に三角格子上にねじ固定部(７６)が配置される。
この構成により、半導体素子(１１，３１)およびコイルパターン(８１)の周囲にそれぞれ２点以上のねじ固定部(７６)が配置されることになるため、基板の反りが抑制され、基板反りによる放熱性の悪化を抑制できる。またノイズ源となる半導体素子(１１，３１)とノイズを受ける他の回路の間に平滑コイル(４２)が配置されるため、平滑コイル(４２)のコア(２３，２４)により、他の回路への放射ノイズを抑制できる。
【００７０】
さらにこの発明による電子回路基板においては、半導体素子(１１，３１)を２点のねじ固定部(７６)の中心間を結ぶ線分上に配置する。これにより、半導体素子(１１，３１)の部分でのプリント基板の反りを抑制でき、発熱量の大きい半導体素子(１１，３１)でも効率良く放熱できる。
さらにプリント基板８上に、降圧トランス(２Ａ，２Ｂ)と、平滑コイル(４２)と、半導体素子(１１，３１)と、ねじ固定部(７６)とを上述の図１６に示すように配置する。半導体素子の配置位置を決める線分の基準となるねじ固定部(７６)を、別の半導体素子の配置位置を決める線分の基準となるねじ固定部(７６)として共用する。すなわち、１つのねじ固定部(７６)が、複数の半導体素子(１１，３１)の配置位置を決める線分の基準とされるように、複数の半導体素子(１１，３１)を配置する。これにより、ねじ固定部(７６)の数を減らすことができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  一次側駆動回路、２，２Ａ，２Ｂ  トランス、３  整流回路、５  制御回路、８  プリント基板、１１，１１Ａ−１１Ｋ  スイッチング素子、１２，１３  接続点、１４  入力コンデンサ、１７Ａ，１７Ｂ  入力部、１８Ａ，１８Ｂ  出力部、２１Ａ−２１Ｅ  一次側巻線、２２Ａ−２２Ｇ  二次側巻線、２３  Ｅ型コア、２３Ａ，２３Ｂ  外脚部、２３Ｃ  中脚部、２４  Ｉ型コア、３１，３１Ａ−３１Ｋ  整流素子、３２，３３  接続点、４１  出力コンデンサ、４２，４２Ａ，４２Ｂ  平滑コイル、７１，７２  基準電位、７５  冷却器、７６，７６Ａ−７６Ｍ  ねじ固定部、７８  絶縁シート、８１  パターンコイル(コイルパターン)、８２  放熱パターン、８４Ａ−８４Ｃ  貫通口、８６  スルーホール、Ｈ  矢印。
【図１】
0006593827.tif 000002
【図２】
0006593827.tif 000003
【図３】
0006593827.tif 000004
【図４】
0006593827.tif 000005
【図５】
0006593827.tif 000006
【図６】
0006593827.tif 000007
【図７】
0006593827.tif 000008
【図８】
0006593827.tif 000009
【図９】
0006593827.tif 000010
【図１０】
0006593827.tif 000011
【図１１】
0006593827.tif 000012
【図１２】
0006593827.tif 000013
【図１３】
0006593827.tif 000014
【図１４】
0006593827.tif 000015
【図１５】
0006593827.tif 000016
【図１６】
0006593827.tif 000017