(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と、
前記回路基板に搭載される巻線部品と、
前記回路基板に搭載された複数の半導体素子と、
前記回路基板を収容する筐体と、
前記筐体の底面を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路を有する第１の冷却手段と、
を備え、
前記冷媒流路の方向に沿って見たときに、前記複数の半導体素子の少なくとも一部は、前記巻線部品を挟んで配置され、
前記回路基板において、前記複数の半導体素子が搭載される位置の裏面側が、前記筐体の底面と熱的に接続されている電源装置。
【請求項２】
前記複数の半導体素子の少なくとも一部は、前記回路基板の端部に搭載され、
前記回路基板の端部は、前記筐体の底面から延びる側壁と近接している請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記筐体の側壁は、冷媒流路を有する第２の冷却手段を備える請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記巻線部品と前記筐体の側壁とを接続し、前記巻線部品からの熱を前記筐体の側壁へ伝熱させる伝熱部材をさらに備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記複数の半導体素子には同一種類の半導体素子が複数含まれ、前記同一種類の複数の半導体素子は、前記第１の冷却手段における前記冷媒流路の流通方向に対して略直交する方向に、前記回路基板の端部に連続して搭載されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源装置。
【請求項６】
前記同一種類の複数の半導体素子は、前記第１の冷却手段における前記冷媒流路の上流側及び下流側のそれぞれに連続して搭載される請求項５に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用の電源装置では、半導体素子、トランス等の電子部品が搭載又は接続された基板が、筐体内に収容される。電子部品には高温に発熱するものが含まれるため、電源装置では、筐体の底面（ベースプレート）を介して放熱を行うことが一般的である。また、特許文献１のように、冷媒が流れる冷媒通路を有する冷却部を設けて電子部品を冷却する構成も検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−３４２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電源装置は搭載すべき電子部品に含まれる発熱部品の点数が多い。搭載される電子部品それぞれを冷却するためにベースプレート上に広げて配置をすると、電源装置自体が大型化してしまう。一方で、冷却手段を大型化すると、電源装置の大型化を導く可能性がある。
【０００５】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、放熱効果が高められた電源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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電源装置は、回路基板と、前記回路基板に搭載される巻線部品と、前記回路基板に搭載された複数の半導体素子と、前記回路基板を収容する筐体と、前記筐体の底面を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路を有する第１の冷却手段と、を備え、前記冷媒流路の方向に沿って見たときに、前記複数の半導体素子は、前記巻線部品を挟んで配置されることを特徴とする。
【０００７】
上記の電源装置によれば、冷媒流路の方向に沿って見たときに、複数の半導体素子が巻線部品を挟んで配置される。これにより、冷媒流路の方向に沿って半導体素子同士が近接配置される場合と比較して、発熱部品である半導体素子からの第１の冷却手段を利用した放熱の効果を高めることができる。
【０００８】
ここで、前記複数の半導体素子の少なくとも一部は、前記回路基板の端部に搭載され、前記回路基板の端部は、前記筐体の底面から延びる側壁と近接している態様とすることができる。
【０００９】
回路基板の端部が側壁と近接していて、半導体素子が回路基板の端部に搭載されることで、半導体素子からの熱を側壁から外部に放熱することも可能となる。したがって、電源装置における放熱効果が高められる。
【００１０】
前記筐体の側壁は、前記冷媒流路を有する第２の冷却手段を備える態様とすることができる。
【００１１】
側壁が第２の冷却手段を備えることで、側壁に近接する巻線部品や半導体素子からの放熱を好適に行うことができるため、放熱効果が高められる。
【００１２】
前記回路基板において、前記複数の半導体素子が搭載される位置の裏面側が、前記筐体の底面と熱的に接続されている態様とすることができる。
【００１３】
上記の構成を備えることで、特に高温になりがちな半導体素子からの熱を筐体の底面からも放熱することができるため、放熱効果が高められる。
【００１４】
前記冷媒流路の方向から見たときに、前記複数の半導体素子と前記巻線部品とは互いに重ならない位置に搭載される態様とすることができる。
【００１５】
冷媒流路の方向から見たときに、複数の半導体素子と巻線部品とが互いに重ならない位置に搭載される場合、冷媒流路を流れる冷媒が半導体素子及び巻線部品の両方を冷却することを防ぐことができるため、放熱効果が高められる。
【００１６】
前記巻線部品からの熱を前記筐体の側壁へ伝熱させる伝熱部材をさらに備える態様とすることができる。
【００１７】
上記のように伝熱部材を備えることで、回路部品に搭載された巻線部品からの熱についても放熱が可能となるため、電源装置における冷却効率が高められる。
【００１８】
また、本発明の一形態に係る電源装置は、回路基板と、前記回路基板に搭載される巻線部品と、前記回路基板に搭載された同一種類の複数の半導体素子と、前記回路基板を収容する筐体と、前記筐体の底面を冷却する冷媒を流通させる第１の冷媒流路を有する冷却手段と、を備え、前記同一種類の複数の半導体素子は、前記第１の冷媒流路の流通方向に対して略直交する方向に、前記回路基板の端部に連続して搭載されていることを特徴とする。
【００１９】
上記の電源装置によれば、同一種類の複数の半導体素子は、第１の冷媒流路の流通方向に対して略直交する方向に、回路基板の端部に連続して搭載される。これにより、第１の冷媒流路の方向に沿って複数の半導体素子が近接配置される場合と比較して、第１の冷媒流路を流れる冷媒によって各半導体素子を好適に冷却することができるため、放熱の効果を高めることができる。
【００２０】
ここで、前記同一種類の複数の半導体素子は、前記第１の冷媒流路の上流側及び下流側のそれぞれに連続して搭載される態様とすることができる。
【００２１】
上記のように、第１の冷媒流路の上流側及び下流側のそれぞれに連続して搭載することで、同一種類の複数の半導体素子同士が近接配置することを防ぐことができるため、電源装置における冷却効率が高められる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、放熱効果が高められた電源装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る電源装置の概略構成を説明する斜視図である。
【図２】電源装置の下面側からの斜視図である。
【図３】主回路基板及び主回路基板上の電子部品に係る配置を説明する概略平面図である。
【図４】電源装置の概略構成を説明する分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図１，２，４では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を記載している。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る電源装置の概略構成を説明する斜視図である。また、図２は、本実施形態に係る電源装置の下面側からの斜視図である。また、図３は、電源装置の概略構成を説明する分解斜視図であり、図４は、主回路基板及び主回路基板上の電子部品に係る配置を説明する概略平面図である。
【００２６】
本実施形態で説明する電源装置は、例えば、入力端子に接続された高圧バッテリから入力された直流電圧を電圧変換（降圧）し、所望の直流出力電圧を生成するスイッチング電源装置等である。本実施形態の電源装置１は、２次側が同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータである場合について説明するが、これに限定されるものではない。
【００２７】
電源装置１は、入力平滑コンデンサ、スイッチング素子、トランス、整流回路、出力平滑コンデンサ、インダクタ等の電子部品が主回路基板２０（回路基板）に接続されて筐体１０内に収容されたものである。このうち、トランス及びインダクタは、巻線と巻線が巻回されるコアとを備える所謂巻線部品である。図１では、主回路基板２０、１次側と２次側との間に配置されるメイントランス３０を構成する一対の磁性体コア３１、１次側のチョークコイルである共振インダクタ４０を構成する一対の磁性体コア４１、４つの半導体素子が一列に配置された２つの１次側のスイッチング素子群５０Ａ（スイッチング素子５１〜５４），５０Ｂ（スイッチング素子５５〜５８）、２つの半導体素子が一列に配置された２つの２次側の整流素子群６０Ａ（整流素子６１〜６３），６０Ｂ（整流素子６４〜６６）を図示している。電源装置１は、上記の電子部品の他多数の電子部品を含んで構成されるが、本実施形態に係る電源装置１における主要な電子部品を除いて、記載を省略する。
【００２８】
筐体１０は、電源装置１の構成部材を収容する金属製ケースの一部を構成する。筐体１０は、筐体１０の底面を形成するベースプレート１１とベースプレート１１を取り囲む側壁１２とを含んで構成される。電源装置１では、筐体１０の内部に上記の電子部品を収容した後にカバー（図示せず）で覆われる。各構成部材は筐体１０の底面を構成するベースプレート１１の上に取り付けられる。また、筐体１０はアルミニウム等の金属からなり、ベースプレート１１の裏面側（図１の下側：素子や基板が固定される面とは逆の面側）には、Ｙ軸方向に延びる放熱用のフィン１３が取り付けられる。
【００２９】
また、ベースプレート１１の裏面に設けられる放熱用のフィン１３は、図２に示すように、ベースプレート１１の四方を囲む側壁１２のうちＸ軸方向に沿って延びて対向配置された側壁１２Ａ，１２Ｂの外側にも連続している。放熱用のフィン１３は、筐体１０の外部においてベースプレート１１の裏面側を冷却する空気がＹ軸方向に移動する際の流路として機能する第１の冷却手段を形成する。この場合、放熱用のフィン１３により形成される冷媒流路（第１の冷媒流路）における冷媒の流通方向はＹ軸方向となる。また、側壁１２Ａ，１２Ｂにおいては、筐体１０の外部において空気が放熱用のフィン１３に沿ってＺ軸方向に移動する際の流路として機能する。すなわち、側壁１２Ａ，１２Ｂにおける放熱用のフィン１３は、冷媒を流通させる冷媒流路を有する第２の冷却手段を形成する。放熱用のフィン１３の間を空気が移動することで、放熱用のフィン１３が空冷される。これにより、ベースプレート１１の表面側に固定された電源装置１の各素子において発生する熱がベースプレート１１及び側壁１２Ａ，１２Ｂに伝熱し、ベースプレート１１の裏面側及び側壁１２Ａ，１２Ｂの外側から外部に放熱される。このように、ベースプレート１１及び側壁１２Ａ，１２Ｂは、放熱機能を有するヒートシンクとしても機能する。
【００３０】
なお、放熱用のフィン１３は、ベースプレート１１及び側壁１２Ａ，１２Ｂとは異なる部材から構成されていてもよいし、同一の部材から構成されていてもよい。また、ベースプレート１１及び側壁１２Ａ，１２Ｂに取り付けられる放熱用のフィン１３は、本実施形態のように連続していなくてもよい。また、空冷による放熱用のフィン１３を取り付ける構成に代えて、ベースプレート１１の裏面側に水冷用の冷却液流路を設けて、ベースプレート１１を水冷することで、ベースプレート１１の裏面側から外部に放熱する構成としてもよい。
【００３１】
筐体１０には、筐体１０の内外を電気的に接続する入力端子１５及び出力端子１６が取り付けられる。入力端子１５から直流電圧を入力し、電圧変換（降圧）した後に出力端子１６から出力する。
【００３２】
主回路基板２０は、例えば、樹脂等の絶縁材料からなるベース板の表裏面に導体からなる回路パターンを形成し、さらに樹脂等の絶縁材料によって回路パターンを覆うことにより形成される。本実施形態では、主回路基板２０はＸＹ平面に沿って延びる長方形状をなしている。主回路基板２０として、絶縁材料と回路パターン（導体層）とが交互に積層された多層基板を用いてもよい。回路パターンの導体は、主回路基板２０に対して接続する半導体素子等の電子部品に対して接続されて、電源装置１における電源回路を構成する。本実施形態における主回路基板２０には巻線部品におけるコイルのパターンも形成されている。
【００３３】
主回路基板２０は筐体１０のベースプレート１１上に載置されている。平面視において筐体１０の大きさは主回路基板２０の形状に対応したものとされていて、主回路基板２０の端部に対して、筐体１０の側壁が近接して配置されている。なお、近接とは、主回路基板２０の端部と筐体１０の側壁との距離が、最低限必要な電気的絶縁距離を保って配置されていることをいう。本実施形態では、近接とは、主回路基板２０の短辺の長さの１／３よりも小さい程度である。
【００３４】
主回路基板２０及び主回路基板２０に取り付けられる電子部品についてさらに説明する。本実施形態では、主回路基板２０に搭載される電子部品のうち、本発明の特徴に関係する電子部品のみを抽出して示している。
【００３５】
図１、図３等に示すように、巻線部品の１つであるメイントランス３０を構成する磁性体コア３１は、所謂ＥＩ型の磁性体コアを構成している。具体的には、主回路基板２０の上方側（＋Ｚ軸側）にＹ軸方向が長手方向となるようにＥ型コア３１Ａを配置し、下方側（−Ｚ軸側）にＩ型コア（図示せず）を配置している。主回路基板２０には、Ｅ型コア３１Ａの脚部を挿通させるための３つの開口２１Ａ，２１Ｂ，２１ＣがＹ軸方向に沿って設けられている。Ｅ型コア３１Ａの３つの脚部は、それぞれ開口２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに対して挿入される。主回路基板２０内には、中央の開口２１Ｂの周囲を巻回するように、パターンコイル２５（図３参照）が形成されると共に、パターンコイル部分の上流側及び下流側の回路パターン（図示せず）が形成される。パターンコイル２５におけるコイルの巻数は特に限定されない。
【００３６】
また、メイントランス３０のＥ型コア３１Ａの上方には、側壁１２Ａ，１２Ｂと接続される伝熱部材３５（図１、図３参照）が取り付けられる。伝熱部材は、Ｅ型コア３１Ａ及び側壁１２Ａ，１２Ｂと熱的に接続され、Ｅ型コア３１Ａを含むメイントランス３０からの熱を側壁１２Ａ，１２Ｂへ伝熱する。
【００３７】
また、巻線部品の１つ（第２の巻線部品）である共振インダクタ４０を構成する磁性体コア４１についても同様に、所謂ＥＩ型の磁性体コアを構成している。具体的には、主回路基板２０の上方側（＋Ｚ軸側）にＹ軸方向が長手方向となるようにＥ型コア４１Ａを配置し、下方側（−Ｚ軸側）にＩ型コア（図示せず）を配置している。主回路基板２０には、Ｅ型コア４１Ａの脚部を挿通させるための３つの開口２２Ａ，２２Ｂ，２２ＣがＹ軸方向に沿って設けられている。Ｅ型コア４１Ａの３つの脚部は、それぞれ開口２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃに対して挿入される。主回路基板２０内には、中央の開口２２Ｂの周囲を巻回するように、パターンコイル２６（図３参照）が形成されると共に、パターンコイル部分の上流側及び下流側の回路パターン（図示せず）が形成される。パターンコイル２６におけるコイルの巻数は特に限定されない。
【００３８】
また、図４に示すように、主回路基板２０を載置する筐体１０のベースプレート１１は、主回路基板２０の裏面側と可能な限り熱的に接続可能とされている。特に、スイッチング素子群５０Ａ，５０Ｂ及び整流素子群６０Ａ，６０Ｂが搭載される位置の裏面側では、主回路基板２０とベースプレート１１とが熱的に接続する形状となっている。本実施形態の電源装置１では、主回路基板２０の裏面側とベースプレート１１の表面とが熱的に接続可能なように、メイントランス３０及び共振インダクタ４０のＩ型コアを収容可能な凹部１７，１８を形成することで、凹部１７，１８との段差を利用して主回路基板２０の裏面側とベースプレート１１の表面とを熱的に接続している。なお、主回路基板２０の裏面側とベースプレート１１とを熱的に接続するために、両者の間にサーマルコンパウンド等を塗布してもよい。
【００３９】
ここで、電源装置１におけるメイントランス３０及び共振インダクタ４０は、図３に示すように、主回路基板２０の短辺（Ｙ軸方向）の中央付近（略中央）に配置される。そして、１次側のスイッチング素子群５０Ａ（スイッチング素子５１〜５４），５０Ｂ（スイッチング素子５５〜５８）及び２次側の整流素子群６０Ａ（整流素子６１〜６３），６０Ｂ（整流素子６４〜６６）は、メイントランス３０及び共振インダクタ４０を挟んで対向するように主回路基板２０の端部に配置される。ここでいう端部とは、図３に示すようにスイッチング素子群５０Ａ，５０Ｂ及び整流素子群６０Ａ，６０Ｂが主回路基板２０の縁から若干の余裕をもってメイントランス３０又は共振インダクタ４０側に配置されているような、主回路基板２０全体から見たときの相対的な端部をいう。本実施形態では、主回路基板２０の主面の端からの距離が主回路基板２０の短辺の長さに対して１／４程度までの領域を端部という。
【００４０】
本実施形態に係る電源装置１では、放熱用のフィン１３がＹ軸方向に延びるように形成されている。すなわち、冷媒流路がＹ軸方向に形成されている。Ｙ軸方向に沿って見たときに、巻線部品である共振インダクタ４０を挟んで、半導体素子であるスイッチング素子群５０Ａ，５０Ｂが配置されている。このように、冷媒流路方向に沿って見たときに、複数のスイッチング素子５１〜５８が共振インダクタ４０を挟んで配置されることで、半導体素子の放熱効果が高められる。
【００４１】
半導体素子は、発熱性が高い部品である。したがって、これらを近接して配置した場合、冷媒流路を流れる冷媒による冷却を十分に行うことができない可能性がある。特に、冷媒流路の方向に沿って複数近接配置すると、上流側に位置する半導体素子の熱の影響により、冷媒の移動方向の下流側に位置する半導体素子は十分に冷却されない可能性がある。これに対して、本実施形態の電源装置１のように、冷媒流路方向（Ｙ軸方向）に沿って見たときに巻線部品であるメイントランス３０や共振インダクタ４０を挟んで配置することで、冷媒流路方向に見たときに複数の半導体素子の間の距離を確保することができるため、冷媒流路を移動する冷媒による放熱効果を高めることができる。この場合、半導体素子を冷却するための冷却手段の別途設ける必要もないので、電源装置１が大型化することについても防ぐことができる。
【００４２】
また、整流素子６３，６６については、冷媒流路方向（Ｙ軸方向）から見たときに、巻線部品であるメイントランス３０及び共振インダクタ４０と重ならない位置に配置される。メイントランス３０及び共振インダクタ４０のような巻線部品は、半導体素子と比較すると発熱量は少ないが、発熱する部品である。したがって、冷媒流路方向（Ｙ軸方向）から見たときに、巻線部品と半導体素子とが互いに重ならないように配置することで、巻線部品及び半導体素子の両者における冷媒流路を移動する冷媒による放熱効果を高めることができる。そして、冷媒流路方向（Ｙ軸方向）から見たときに巻線部品と半導体素子とが互いに重ならないように半導体素子を配置した場合であっても、整流素子６３，６６のように、冷媒流路方向（Ｙ軸方向）から見たときに互いに重なりあう半導体素子については、互いに離間して配置することで、冷媒による放熱効果をさらに高めることができる。
【００４３】
また、１次側のスイッチング素子群５０Ａ（スイッチング素子５１〜５４），５０Ｂ（スイッチング素子５５〜５８）及び２次側の整流素子群６０Ａ（整流素子６１〜６３），６０Ｂ（整流素子６４〜６６）は、主回路基板２０の端部に配置されている。電源装置１では、主回路基板２０の大きさは、筐体１０に若干のマージンをもって収容される大きさであって、スイッチング素子群５０Ａ及び整流素子群６０Ａ（整流素子６１，６２）が配置された主回路基板２０の端部は、側壁１２Ａと近接している。同様に、スイッチング素子群５０Ｂ及び整流素子群６０Ｂ（整流素子６４，６５）が配置された主回路基板２０の端部は、側壁１２Ｂと近接している。側壁１２Ａ，１２Ｂには、放熱用のフィン１３が取り付けられているので、他の側壁と比較しても放熱用のフィン１３による放熱効果が高められる。なお、側壁１２Ａ，１２Ｂに放熱用のフィン１３が設けられていない場合であっても、側壁１２Ａ，１２Ｂは外部に露出していることから、冷却効果が大きい。したがって、電源装置１のように、側壁と近接配置される主回路基板の端部に半導体素子を搭載することで、半導体素子に係る放熱効果を高めることができる。
【００４４】
また、主回路基板２０では、半導体素子（スイッチング素子群５０Ａ，５０Ｂ及び整流素子群６０Ａ，６０Ｂ）が搭載される位置の裏面側が、ベースプレート１１と熱的に接続されている。したがって、半導体素子については、主回路基板２０及びベースプレート１１を経由した放熱も好適に行われる。
【００４５】
また、メイントランス３０のように、巻線部品で発生した熱を伝熱部材３５を介して側壁１２Ａ，１２Ｂに対して伝熱する構成を備えている場合、主回路基板２０の中央に搭載された巻線部品についても側壁への放熱を行うことができるため、電源装置１における放熱性を向上させることができる。特に、メイントランス３０のように、磁性体コア３１の長手方向が冷媒流路の方向（Ｙ軸方向）と同じである場合、冷媒によって磁性体コア３１を十分に冷却することができないことが考えられる。このような場合に、伝熱部材３５を利用して、磁性体コア３１の上方から側壁１２Ａ，１２Ｂへの放熱経路を設けることで、特に磁性体コア３１からの放熱を好適に行うことができる。
【００４６】
上記の電源装置１における半導体素子の配置の特徴は、以下のように言うこともできる。すなわち、同一種類の複数の半導体素子（例えば、スイッチング素子群５０Ａに含まれるスイッチング素子５１〜５４等）は、第１の冷媒流路の流通方向（Ｙ軸方向）に対して略直交する方向に、主回路基板２０の端部に連続して搭載されている。したがって、複数の半導体素子が近接配置される場合と比較して、冷媒流路である放熱用のフィン１３を流れる冷媒によって各半導体素子を好適に冷却することができるため、放熱の効果を高めることができる。
【００４７】
また、同一種類の複数の半導体素子（例えば、スイッチング素子群５０Ａに含まれるスイッチング素子５１〜５４、及び、スイッチング素子群５０Ｂに含まれるスイッチング素子５５〜５８）は、それぞれ冷媒流路（放熱用のフィン１３）の上流側及び下流側のそれぞれであって、主回路基板２０の端部に連続して搭載されている。これにより、同一種類の複数の半導体素子同士が近接配置することを防ぐことができるため、電源装置１における冷却効率が高められる。
【００４８】
以上、本発明の一実施形態の電源装置について説明したが、本発明は、上記実施形態の態様に限定されない。
【００４９】
例えば、上記実施形態では、メイントランス３０及び共振インダクタ４０が主回路基板２０の中央に配置されている例について説明したが、中央に配置されていなくてもよい。また、半導体素子の数は適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１…電源装置、１０…筐体、１１…ベースプレート、１２…側壁、２０…主回路基板、２５，２６…パターンコイル、３０…メイントランス、４０…共振インダクタ、５０Ａ，５０Ｂ…スイッチング素子群、５１〜５８…スイッチング素子、６０Ａ，６０Ｂ…整流素子群，６１〜６６…整流素子。
【図１】
0006805478.tif 000002
【図２】
0006805478.tif 000003
【図３】
0006805478.tif 000004
【図４】
0006805478.tif 000005