(57)【要約】【課題】小型化が図られた水冷方式のスイッチング電源を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るスイッチング電源１０は、スイッチング回路１６、メイントランス１８、整流回路２０及び出力平滑回路２２をベースプレート１２上に有しており、これらの協働により入力直流電圧の電圧変換がおこなわれる。ベースプレート１２上には、台座部３０が形成されており、ダイオード２０ａ等の電子部品を冷却するための水路３８はこの台座部３０の内部に形成されている。このように、台座部３０の内部に水路３８が形成されているため、水路３８の形成に伴う装置の拡大が抑制されている。また、台座部３０上には、スイッチング素子１６ａ及びダイオード２０ａの少なくとも一方が搭載されており、台座部３０が形成された領域の残余領域には、チョークコイル２２Ａが搭載されている。そのため、台座部３０を形成しても、装置の拡大は有意に抑制されている。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流の入力電圧を交流に変換するスイッチング回路を構成するスイッチング素子と、
前記スイッチング回路によって交流変換された入力電圧の電圧変換をおこなうメイントランスと、
前記メイントランスによって電圧変換された交流の入力電圧を直流に変換する整流回路を構成する整流素子と、
前記整流回路によって直流変換された入力電圧のフィルタリングをおこなう平滑回路を構成するチョークコイルとが、ベースプレート上に搭載されたスイッチング電源であって、
前記ベースプレートは、周囲に比べて隆起している台座部を有しており、
前記スイッチング素子及び前記整流素子の少なくとも一方は、前記ベースプレートの前記台座部上に搭載されると共に、前記スイッチング素子及び前記整流素子よりも高さが高い前記チョークコイルは、前記ベースプレート上の領域のうち、前記台座部が形成された領域の残余領域に搭載されており、
前記台座部の内部には、冷媒が流通する冷媒流路が形成されている、スイッチング電源。
【請求項２】
前記台座部の裏側には開口部が形成されており、
前記冷媒流路は、前記台座部の裏側に一体的に立設された流路側壁と、前記開口部を閉蓋するカバープレートとで画成されている、請求項１に記載のスイッチング電源。
【請求項３】
前記カバープレートには、前記カバープレートの法線方向に延在する、前記冷媒流路へ冷媒を流入する流入パイプ及び前記冷媒流路から冷媒を流出する流出パイプが一体成型されている、請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
【請求項４】
前記流入パイプ及び前記流出パイプの端部には鍔部が形成されており、前記流入パイプ及び前記流出パイプの付け根部分には前記鍔部より大径の段部が形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
【請求項５】
前記流出パイプが前記流入パイプの鉛直上方になるように配置した場合に、前記流出パイプ近傍の前記冷媒流路は水平よりも上方に傾いている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
【請求項６】
前記流出パイプが前記流入パイプの鉛直上方になるように配置した場合に、前記冷媒流路は鉛直上方に凸とならないように引き回されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源に関し、特にＤＣ−ＤＣコンバータとして利用するためのスイッチング電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年になって省エネルギや環境保全に対する要望が高まり、このような要望を反映するものの一つとしてハイブリッド車が実用化されている。ハイブリッド車は、従来からの内燃機関と電気モータ（ハイブリッド車用モータ）とを組み合わせて、それを動力源として利用するものである。ハイブリッド車用モータでは、減速時などに回生発電をおこなって電気エネルギを回収することも可能となっており、バッテリには、この回生発電による電力や内燃機関の出力を用いて発電した電力が蓄えられる。
【０００３】
バッテリから供給される電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて降圧されて、ヘッドライト等の車載機器に配電される。また、降圧された電力は、インバータを介して上述のハイブリッド車用モータにも配電される。このようなＤＣ−ＤＣコンバータは、主に、入力電圧のノイズ除去をおこなう入力平滑回路と、直流を交流に変換するスイッチング回路と、降圧をおこなうメイントランスと、交流を直流に変換する整流回路と、出力電圧のノイズ除去をおこなう出力平滑回路とで構成されている。これらの回路及びメイントランス（以下、「要素」と称す。）のうち、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を備えるスイッチング回路や半導体ダイオードを備える整流回路は、コンバータ稼働時に百数十℃もの高温になる。そのため、少なくともこれらの要素に対しては、放熱対策がとられるのが一般的である。
【０００４】
下記特許文献１に開示されている電子回路装置（スイッチング電源）では、上述した各要素が搭載されるベースプレート上の領域のうち、要素の位置に対応する領域に放熱板を設けて、高温となる要素の放熱促進が図られている。なお、このスイッチング電源では、放熱板の高さを互いに相異させて、要素間の高さ調節をおこなっている。
【０００５】
このスイッチング電源では、素子間の高さ調節によって装置の省スペース化が図られてはいるものの、その冷却能力に問題があった。すなわち、ハイブリッド車に適用される程の大出力（１１０Ａ程度）のスイッチング電源においては、要素に放熱板を取り付けただけでは必要十分なレベルまで要素を降温することができず、要素の特性劣化が生じてしまい、場合によっては要素が破損してしまう事態が生じるおそれがある。そこで、実際には、下記特許文献２に示されているような、十分な冷却能力を有する水冷方式が採用されている。すなわち、ベースプレートの各要素を搭載する要素搭載面の反対面に放熱フィンを設け、この放熱フィンの間に冷媒を流通させることで、ベースプレートを介して要素の過熱を抑制する方式が採用されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１３０６２号公報
【特許文献２】
特開２００３−０８２６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、車載用スイッチング電源においては、その設置スペースに制限が課せられており、より小型であることが好ましい。しかしながら、前述した従来のスイッチング電源では、スイッチング電源自体の大きさに、放熱フィン及び放熱フィンを囲む筐体の大きさがそのまま付加されるため、装置全体として大型化してしまうという問題があった。そのため、このようなスイッチング電源を設置する場合には、より大きな設置スペースが必要となってくる。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、小型化が図られた水冷方式のスイッチング電源を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスイッチング電源は、直流の入力電圧を交流に変換するスイッチング回路を構成するスイッチング素子と、スイッチング回路によって交流変換された入力電圧の電圧変換をおこなうメイントランスと、メイントランスによって電圧変換された交流の入力電圧を直流に変換する整流回路を構成する整流素子と、整流回路によって直流変換された入力電圧のフィルタリングをおこなう平滑回路を構成するチョークコイルとが、ベースプレート上に搭載されたスイッチング電源であって、ベースプレートは、周囲に比べて隆起している台座部を有しており、スイッチング素子及び整流素子の少なくとも一方は、ベースプレートの台座部上に搭載されると共に、スイッチング素子及び整流素子よりも高さが高いチョークコイルは、ベースプレート上の領域のうち、台座部が形成された領域の残余領域に搭載されており、台座部の内部には、冷媒が流通する冷媒流路が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このスイッチング電源は、スイッチング回路、メイントランス、整流回路及び平滑回路をベースプレート上に有しており、これらの協働により入力直流電圧の電圧変換がおこなわれる。ベースプレート上には、台座部が形成されており、整流素子等の電子部品を冷却するための冷媒流路はこの台座部の内部に形成されている。このように、台座部の内部に冷媒流路が形成されているため、冷媒流路の形成に伴う装置の拡大が抑制されている。また、台座部上には、スイッチング素子及び整流素子の少なくとも一方が搭載されており、台座部が形成された領域の残余領域には、チョークコイルが搭載されている。そのため、チョークコイルより高さの低いスイッチング素子や整流素子の頂部は、台座部への搭載によりその高さ位置が上昇してしまうが、もともと存在するスイッチング素子や整流素子とチョークコイルとのデバイス自体の高低差の分だけ、スイッチング素子や整流素子の高さ変位が吸収される。従って、このような台座部を形成しても、装置の拡大は有意に抑制されている。すなわち、このスイッチング電源によれば、単に放熱フィン及び放熱フィンを囲む筐体を取り付けただけのスイッチング電源に比べて、電子部品の高さ方向における装置の拡大が抑制されており、装置の小型化が図られている。
【００１１】
また、台座部の裏側には開口部が形成されており、冷媒流路は、台座部の裏側に一体的に立設された流路側壁と、開口部を閉蓋するカバープレートとで画成されていることが好ましい。この場合、流路側壁が形成されたベースプレートとカバープレートの２点で冷媒流路が形成されるため、冷媒流路の形成に必要な部品点数が削減されると共に、スイッチング電源の作製工程が簡略化される。
【００１２】
また、カバープレートには、カバープレートの法線方向に延在する、冷媒流路へ冷媒を流入する流入パイプ及び冷媒流路から冷媒を流出する流出パイプが一体成型されていることが好ましい。この場合、カバープレートと流入パイプ及び流出パイプとの接合部分における漏水が抑止される。また、鋳造により流入パイプ及び流出パイプをカバープレートに一体成型した場合に、カバープレートの法線方向に鋳型を分離することで離型が容易となる。
【００１３】
また、流入パイプ及び流出パイプの端部には鍔部が形成されており、流入パイプ及び流出パイプの付け根部分には鍔部より大径の段部が形成されていることが好ましい。この場合、カバープレート、流入パイプ及び流出パイプを、特にダイキャスト鋳造で一体的に作製する際に、鋳型の長寿命化が図られる。
【００１４】
また、流出パイプが流入パイプの鉛直上方になるように配置した場合に、流出パイプ近傍の冷媒流路は水平よりも上方に傾いていることが好ましい。この場合、流出パイプ近傍の冷媒流路に空気溜まりが生じにくくなる。
【００１５】
また、流出パイプが流入パイプの鉛直上方になるように配置した場合に、冷媒流路は鉛直上方に凸とならないように引き回されていることが好ましい。この場合、冷媒流路内に空気溜まりが生じにくくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るスイッチング電源の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源１０を示した概略斜視図である。このスイッチング電源１０は、ハイブリッド車等に適用される、いわゆるＤＣ−ＤＣコンバータであり、車載バッテリから送られてくる入力電圧を降圧すると共に電圧を安定化して、パワーウィンドウ、ヘッドライト、オーディオ機器等の車載機器やモータ等に対して送出する装置である。
【００１８】
スイッチング電源１０は、主な構成要素として、ベースプレート１２と、入力電圧のノイズ除去をおこなう入力平滑回路１４と、直流を交流に変換するスイッチング回路１６と、電圧変換をおこなうメイントランス１８と、交流を直流に変換する整流回路２０と、出力電圧のノイズ除去をおこなう出力平滑回路２２とを備えている。また、ベースプレート上には、主にスイッチング回路１６の制御をおこなう制御基板２４が配置されている。
【００１９】
これらの構成要素同士の関連について、図２を参照しつつ説明する。なお、図２は、スイッチング電源１０の回路システムを模式的に示した図である。上述したように、スイッチング電源１０がバッテリから入力電圧を受け付けると、まず、入力平滑回路１４においてその入力電圧のノイズ成分が除去される。入力平滑回路１４によってノイズが除去された入力電圧は、スイッチング回路１６において交流電圧に変換される。交流電圧に変換された入力電圧は、メイントランス１８において降圧される。降圧された入力電圧は、整流回路２０において直流に変換され、出力平滑回路２２においてノイズ除去された後に出力される。なお、スイッチング電源１０には、図２に示した回路及び素子以外にも、種々の回路及び素子が搭載されているが、説明の便宜上省略している。
【００２０】
図１に示すように、上述した入力平滑回路１４、スイッチング回路１６、メイントランス１８、整流回路２０、出力平滑回路２２はいずれも、ベースプレート１２上に搭載されている。模式的に示した入力平滑回路１４は、主にコイル及びコンデンサで構成されており、ベースプレート１２に搭載される素子の中でも比較的大型の素子で構成されている。スイッチング回路１６は、例えばＭＯＳＦＥＴである、４つのスイッチング素子１６ａを有しており、これらのスイッチング素子１６ａの接続／切断のタイミングは制御基板２４によって制御されている。すなわち、２つ一組のスイッチング素子１６ａが、組毎に制御基板２４によって所定のタイミングで接続／切断されて、直流から交流への変換がおこなわれる。メイントランス１８は、巻数の多い一次コイルと巻数の少ない二次コイルによって構成されており、入力電圧を低下（降圧）する。
【００２１】
整流回路２０は、整流素子としてダイオード２０ａを複数備えている。なお、整流素子には、整流素子の単なるチップだけでなく、複数の整流素子をモジュール化したものも含まれる。出力平滑回路２２は、主にチョークコイル２２Ａ及びコンデンサ２２Ｂで構成されており、これらは、ベースプレート１２に搭載される素子の中でも比較的大型の素子となっている。
【００２２】
ベースプレート１２の一端部には、図示しない入力ケーブル、出力ケーブル及び信号ケーブルがそれぞれ接続される入力ケーブル用ホール２６、出力ケーブル用ホール２８及び信号ケーブル用ホール２９が貫設されている。このように、入力ケーブル及び出力ケーブルは、ベースプレート１２の一端側に集中して接続されており、この一端部から入力される電圧は他端部に配置されているメイントランス１８で折り返して、この一端部から出力される。そして、入力ケーブル用ホール２６とメイントランス１８との間には、入力ケーブル用ホール２６に近い方から上述した入力平滑回路１４及びスイッチング回路１６が順に配置されている。また、メイントランス１８と出力ケーブル用ホール２８との間には、メイントランス１８に近い方から上述した整流回路２０及び出力平滑回路２２が順に配置されている。そして、ベースプレート１２の表面領域のうち、スイッチング回路１６及び整流回路２０を含む領域は、周囲より隆起した台座部３０となっており、スイッチング回路１６のスイッチング素子１６ａ及び整流回路２０のダイオード２０ａはこの台座部３０上に配置されている（図６参照）。
【００２３】
次に、図１に示した側と反対側のベースプレート１２に形成された水路について、図３を参照しつつ説明する。図３は、図１に示した側と反対側のベースプレート１２を示した斜視図である。図３に示すように、上述した台座部３０が形成された領域の裏側は窪んでおり、その窪み部分３２には複数の屈曲するフィン（流路側壁）３４が一体的に立設されている。このフィン３４は、窪み部分３２を冷却水（冷媒）が隈無く流れるよう、１つの水流が３つに分岐されるように設けられていると共に、複数の屈曲部を有している。
【００２４】
また、ベースプレート１２の裏側には、窪み部分３２の開口部を塞ぐように平板状のカバープレート３６がネジ留めされている。このカバープレート３６は、窪み部分３２のフィン３４の端部に隙間なく当接され、このカバープレート３６と窪み部分３２とで水路（冷媒流路）３８が画成されている。カバープレート３６には、水路３８に冷却水を流入する流入パイプ４０と、水路３８から冷却水を流出する流出パイプ４２とが一体成型されている。この流入パイプ４０及び流出パイプ４２は、カバープレート３６の法線方向に延在しており、それぞれの端部には図示しないホースが取り付けられる。
【００２５】
ここで、水路３８の引き回しについて、図４を参照しつつ説明する。図４は、水路３８の状態を示した平面図である。この水路３８において、冷却水は、流入パイプ４０の位置に対応する流入部３８ａから流入し、複数の屈曲部を通って、流出パイプ４２の位置に対応する流出部３８ｂから流出する。ベースプレート１２は、車への取り付け時に、流出部３８ｂが流入部３８ａの鉛直上方に位置するように配置され、その際の水平軸は図に示した線Ｌ１に平行な軸である。そして、この線Ｌ１と流出部３８ｂ付近の水路３８との比較で明らかなように、流出部３８ｂ付近の水路は水平軸に対して角度αだけ、鉛直上方の方向に傾いている。通常、水路３８を流通する冷却水に含まれる気泡が流出部３８ｂ付近に滞留して、空気溜まりを形成することがあるが、このように流出部３８ｂ付近の水路３８が傾けた場合には、冷却水中の気泡が滞留しにくくなるため、空気溜まりが形成されにくい。従って、冷却効率が著しく低下する部分である空気溜まりが低減され、流出部３８ｂ付近においても高い冷却効率での冷却がおこなわれる。
【００２６】
また、水路３８は、鉛直上方に凸とならないように引き回されている。すなわち、水路３８は、図４の紙面の面方向であって線Ｌ１に直交する方向（図４の線Ｌ２に沿う方向）に、上昇流から下降流へ変わるような折り返しがないように引き回されている。一般に、そのような上昇流から下降流へ変わるような折り返し部分を有する水路においては、その折り返し部分に冷却水中の気泡が滞留しやすい。従って、この水路３８のように、そのような折り返し部分がない場合には、冷却水中の気泡が滞留しにくくなるため、空気溜まりが形成されにくい。従って、冷却効率が著しく低下する部分である空気溜まりが低減され、水路３８の全域に亘って高い冷却効率での冷却がおこなわれる。
【００２７】
次に、流入パイプ４０及び流出パイプ４２が一体成型されたカバープレート３６を作製する方法について、図５を参照しつつ説明する。図５は、カバープレート３６の作製時の状態を示した要部拡大断面図である。カバープレート３６は、ダイキャスト鋳造により作製される。このダイキャスト鋳造には、上型４４、下型４６及び一対のスライド型４８，４８が用いられる。上述したカバープレート３６は、流入パイプ４０及び流出パイプ４２の端部にホース抜け防止のための鍔部４０ａ，４２ａが形成されているため、上型及び下型の２つの鋳型を用いる通常の方法ではうまくその鍔部４０ａ，４２ａを型抜きすることができない。
【００２８】
そのため、カバープレート３６の作製には鍔部４０ａ，４２ａより大径の孔４４ａを有する上型４４と、下型４６とに加えて、一対のスライド型４８，４８が用いられる。すなわち、上型４４上には、流入パイプ４０及び流出パイプ４２を挟むように一対のスライド型４８，４８が摺動自在に載置されている。そして、上型４４、下型４６及びスライド型４８，４８に挟まれた領域に溶融金属を流し込んで、鍔部４０ａ，４２ａが形成されたパイプ４０，４２を有するカバープレート３６を一体成型する。そして、カバープレート３６の面方向にスライド型４８，４８をスライドさせてパイプ４０，４２を型から外す。さらに、下型４６と、スライド型４８，４８を載せた状態の上型４４とをカバープレート３６から外す。上型４４をカバープレート３６から外す際、孔４４ａの径が鍔部４０ａ，４２ａの径よりも大きいため、離型が容易となっている。最後に、パイプ４０，４２に孔４０ｃ，４２ｃを穿設してカバープレート３６の作製が終了する。
【００２９】
このような方法によってカバープレート３６を一体成型する場合、カバープレート３６とパイプ４０，４２との接合部分における漏水が抑止され、また、パイプ４０，４２の延在方向がカバープレート３６の法線方向であれば、上型４４の型抜きが容易になるため、カバープレート３６の面方向に延在するパイプよりも成型容易である。パイプ４０，４２の付け根部分に上型４４の厚さ相当の段部４０ｂ，４２ｂが形成される、上述の製造方法によれば、スライド型４８，４８が直接にカバープレート３６上を摺動する型を用いる場合に比べてスライド型４８，４８の摩耗が低減されるため、鋳型の寿命が長くなる。
【００３０】
次に、スイッチング電源１０の断面構造について図６を参照しつつ説明する。図６は、図１のＶＩ−ＶＩ線断面を模式的に示した断面図である。上述したように、ベースプレート１２の台座部３０には、スイッチング素子１６ａ及びダイオード２０ａが搭載されている。そして、上述した水路３８は、この台座部３０に略対応する領域に形成されている。すなわち、台座部３０の形成により隆起した部分のベースプレート１２を窪ませて、この窪み部分３２に水路３８が形成されている。そして、流入パイプ４０からこの水路３８に冷却水を導入することで、主に、台座部３０に搭載されたダイオード２０ａ及びスイッチング素子１６ａの放熱が促進される。なお、冷却水の導入により、メイントランス１８やチョークコイル２２Ａ、コンデンサ２２Ｂの放熱も促進される。
【００３１】
以上詳細に説明したように、水路３８は台座部３０の内部に形成されており、水路３８の形成に要するスペースが有意に抑制されているため、水路３８の形成に伴うスイッチング電源１０の拡大が抑制されている。また、水路３８上には、ベースプレート１２に搭載される電子部品の中でも、比較的高さの低いスイッチング素子１６ａ及びダイオード２０ａが搭載されているため、スイッチング素子１６ａやダイオード２０ａの頂部の高さ位置が、台座部３０への搭載により上昇しても、チョークコイル２２Ａの頂部の高さ位置（図６の一点鎖線参照）よりも低いため、電子部品の高さ方向（図６のＸ方向）におけるスイッチング電源１０の拡大はない。そのため、このスイッチング電源１０によれば、単に放熱フィン及び放熱フィンを囲む筐体を取り付けただけのスイッチング電源に比べて、装置の小型化が図られている。
【００３２】
また、水路３８は、フィンが一体成型されたベースプレートとカバープレートの２点で形成されており、部品点数が少ないため、スイッチング電源１０の作製工程は簡略化される。
【００３３】
なお、例えば、スイッチング素子１６ａの頂部の高さ位置が、スイッチング素子１６ａの台座部３０への搭載により上昇して、チョークコイル２２Ａの頂部の高さ位置よりも高くなった場合（図５の二点鎖線参照）であっても、スイッチング素子１６ａとチョークコイル２２Ａとのもともとの高低差によってスイッチング素子１６ａの上昇分が吸収されるため、この場合でも電子部品の高さ方向におけるスイッチング電源１０の拡大は抑制され、装置の小型化が図られる。また、スイッチング素子１６ａの台座部３０への搭載により、スイッチング素子１６ａの頂部の高さ位置がチョークコイル２２Ａの頂部の高さ位置と同じになった場合には、スイッチング素子１６ａとチョークコイル２２Ａとのもともとの高低差によってスイッチング素子１６ａの上昇分が吸収されるため、電子部品の高さ方向におけるスイッチング電源１０の拡大は抑制され、装置の小型化が図られる。
【００３４】
上述した実施形態においては、より好ましい態様として、高さの低い電子部品であるスイッチング素子１６ａ及びダイオード２０ａの両方が台座部３０に搭載されている態様を示したが、スイッチング素子１６ａ及びダイオード２０ａのいずれか一方が台座部３０に搭載されている場合であっても、上述した理由により当然にスイッチング電源１０の小型化が図られる。
【００３５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、スイッチング電源は、ハイブリッド車用のスイッチング電源に限らず、スーパーコンピュータ等の大型コンピュータ等に適用するスイッチング電源であってもよい。また、冷媒は、冷却水に限らず、不凍液や空気等であってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、小型化が図られた水冷方式のスイッチング電源が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るスイッチング電源を示した概略斜視図である。
【図２】図１のスイッチング電源の回路システムを模式的に示した図である。
【図３】図１に示した側と反対側のベースプレートを示した斜視図である。
【図４】図３の水路の状態を示した平面図である。
【図５】カバープレートの作製時の状態を示した要部拡大断面図である。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ線断面を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１０…スイッチング電源、１２…ベースプレート、１４…入力平滑回路、１６…スイッチング回路、１６ａ…スイッチング素子、１８…メイントランス、２０…整流回路、２０ａ…ダイオード、２２…出力平滑回路、２２Ａ…チョークコイル、２２Ｂ…コンデンサ、２４…制御基板、３０…台座部、３４…フィン、３６…カバープレート、３８…水路、３８ｂ…流出部、４０…流入パイプ、４２…流出パイプ、４４…上型、４６…下型。
【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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【図６】
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