(57)【要約】【課題】設計効率を向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスとそれを搭載した電源装置を提供することを目的としている。【解決手段】高放熱基板１６上に薄形トランス１１とパワー素子１４、１５を面接触するように実装し、制御回路部は実装しないことを特徴としたものであり、配線インピーダンスが小さくなり、損失を少なく出来ることに加えてＦＥＴの電圧波形なども改善されるので低ノイズ化が達成できる。また、高放熱基板１６に伝熱できるので、トランス１１、パワー素子１４、１５の発熱が低減できるとともにトランスサイズも小形化できる。さらに複雑な制御回路は実装していないのでこのブロックの設計が簡単になる。この結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高放熱基板上に薄形トランスと１次または２次の少なくともどちらか一方のパワー素子を面接触するように実装し、前記高放熱基板に設けられた外部接続端子を介して別基板上に設けられた制御回路部と接続されることを特徴としたパワー変換モジュールデバイス。
【請求項２】
高放熱基板として絶縁物とリードフレーム一体形の配線板を貼り合せた構成とした請求項１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項３】
絶縁物の厚みを０．４ｍｍ以上とした請求項２記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項４】
絶縁物をエポキシ系の樹脂とした請求項２記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項５】
樹脂を無機フィラ入りとした請求項４記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項６】
絶縁物をセラミック系の材料で形成した請求項２記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項７】
リードフレームを０．３ｍｍ以上の厚みを有する銅板で形成した請求項２記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項８】
リードフレームを折り曲げてモジュールの外部接続端子とした請求項２記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項９】
外部接続端子の少なくとも１本を制御回路部に接続するための端子とした請求項８記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１０】
絶縁物のリードフレームとは反対側の面に金属板を貼り合せた請求項２記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１１】
金属板の材料をアルミニウムとした請求項１０記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１２】
金属板の材料を銅とした請求項１０記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１３】
薄形トランスの１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルを薄板状のコイルで形成した請求項１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１４】
薄板状のコイルを０．３ｍｍ以上の厚みを有する銅板で形成した請求項１３記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１５】
薄形トランスの１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルを３層絶縁電線で形成した請求項１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１６】
薄形トランスの１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルとして巻線を巻回して形成した請求項１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１７】
各巻線を融着層付きとした請求項１６記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１８】
融着層をアルコール融着タイプの融着層とした請求項１７記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項１９】
薄形トランスの１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルとしてプリント基板で形成した請求項１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項２０】
コイルの層間にプリプレグを挿入して多層プリント基板コイルとした請求項１９記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項２１】
薄形トランスの磁心の下面が高放熱基板と接するように取り付けた請求項１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項２２】
磁心と相対向する面に高放熱基板のパターンを形成した請求項２１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項２３】
磁心と高放熱基板の間に熱伝導部材を挟み込んだ請求項２１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項２４】
１次と２次のパワー素子との間に薄形トランスを配置した請求項１記載のパワー変換モジュールデバイス。
【請求項２５】
第１の構成体と第２の構成体とが一体化してなる電源装置であって、第２の構成体として請求項１に記載のパワー変換モジュールデバイスを用いるとともに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第２の構成体を制御する制御回路部を設けたことを特徴とする電源装置。
【請求項２６】
第２の構成体を形成する薄形トランスと対向する部分の第１の構成体を形成する第１の基板にくり抜き穴を設けた請求項２５記載の電源装置。
【請求項２７】
第２の構成体を形成する高放熱基板として絶縁物とリードフレーム一体形の配線板を貼り合せたものを用いるとともに、前記リードフレームの一部として第１と第２の構成体を接続した請求項２５記載の電源装置。
【請求項２８】
第２の構成体を形成する高放熱基板として絶縁物とリードフレーム一体形の配線板を貼り合せ、前記高放熱基板を電源装置の筐体に面接触するように実装した請求項２５記載の電源装置。
【請求項２９】
第２の構成体を形成する薄形トランスの天面と第１の構成体を形成する第１の基板の表面とが面接触するように実装した請求項２５記載の電源装置。
【請求項３０】
高放熱基板上にチョークコイルとパワー素子を面接触するように実装し、前記高放熱基板に設けられた外部接続端子を介して別基板上に設けられた制御回路部と接続されることを特徴としたパワー変換モジュールデバイス。
【請求項３１】
第１の構成体と第３の構成体とが一体化してなる電源装置であって、第３の構成体として請求項３０に記載のパワー変換モジュールデバイスを用いるとともに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第３の構成体を制御する制御回路部を設けたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器などに使用されるスイッチング電源等の電源装置およびその電源装置に搭載されるパワー変換モジュールデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信量が大きく増大する中であらゆる電子機器において消費電力は増大する方向になっており、低消費電力化が社会的問題となってきている。特にこれら電子機器の電源部は主としてスイッチング電源で構成されているものが多く、この電源部の高効率化とともに小形化、低ノイズ化が技術的な課題となっており、この電源の開発スピードアップが電子機器の開発していく上で重要なポイントとなっている。
【０００３】
従来、この種のスイッチング電源は図８、図９に示されるような構成になっていた。
【０００４】
以下、従来例として図８、図９を用いて説明する。図８は従来のスイッチング電源の回路ブロック図であり、図９は従来のスイッチング電源の外観斜視図である。
【０００５】
図８、図９に示すように従来のスイッチング電源は入力回路部１、コンバータ部２、出力回路部３が１枚のメイン基板９の上に搭載されて構成しているものが一般的である。
【０００６】
入力回路部１は入力フィルタ１ａ、入力整流回路１ｂ、力率改善回路４、平滑回路１ｃなどから構成されている。また、コンバータ部２は制御回路５、トランス６、１次パワー素子７、２次パワー素子８などから、構成されている。ここで１次パワー素子７はＦＥＴ、２次パワー素子８としてはダイオードが使われることが多いが、ダイオードの代りのスイッチとしてＦＥＴが用いられることもある。さらに出力回路部３は出力平滑部３ａ、出力変換回路３ｂ、出力フィルタ３ｃなどから構成されている。
【０００７】
なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３のように制御回路を含む回路ブロックをモジュール化して形成したものもある。
【０００８】
また、本出願の別の先行技術文献情報として特許文献４のようにプリントコイル形トランスと１次スイッチ素子と２次整流回路に装着されたヒートシンクを伝熱するための配線パターンを実装基板に設けた構成のものもある。
【特許文献１】特開２００１−３５９２８１号公報
【特許文献２】特開平５−１９８４４５号公報
【特許文献３】特開２００１−１０３７５６号公報
【特許文献４】特開平８−４５７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、最も一般的な従来例を示す図８、図９の構成においては１枚のメイン基板９上に各回路ブロックおよび全部品を搭載して構成しているため、それぞれの仕様が微妙に絡み合って干渉し合うため、最終仕様の決定が難しくなり、設計にも多くの経験を有する熟練者が必要となる、開発リードタイムが非常に長くなるなど、開発設計効率面で課題を残していた。また、電源の出力が増大した場合、コンバータ部２に搭載しているトランス６のサイズが極端に大きくなり、電源形状のサイズ制約をオーバーしてしまったり、温度上昇面でも所定値をオーバーするなど小形化、低発熱化という面でも課題を有していた。
【００１０】
また、特許文献１〜３においては特定部分をモジュール化して小形化を図っているものの制御回路など多くの部品を有する機能満載形の複雑なモジュールブロックとなっているため、仕様決定は図８、図９の従来例に比較してもさらに難しくなる。このため、開発時間、開発コストも大きく増大し、高価な電源ブロックとなるため、市場展開していく上では分野・用途が限定されるなど、多くの課題を有するものであった。
【００１１】
さらに特許文献４においてはトランスの端子とヒートシンクは配線パターンで接続されるため、パターン設計が制約される。また、配線も長くなるため、配線インピーダンスも高くなり、ノイズ増大、損失が大きくなるなど課題を有していた。また、配線パターンを用いて熱を伝熱しているため、ヒートシンクまでの距離が長くなり、伝熱効果も一定以上よくならないという課題を有していた。
【００１２】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、設計開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスとそれを搭載したスイッチング電源装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１４】
本発明の請求項１に記載の発明は、特に、高放熱基板上に薄形トランスと１次または２次の少なくともどちらか一方のパワー素子を面接触するように実装し、前記高放熱基板に設けられた外部接続端子を介して別基板上に設けられた制御回路部と接続されることを特徴としたものである。
【００１５】
この構成により、薄形トランスとパワー素子との配線距離を最短にできるため、配線インピーダンスが小さくなり、配線上の損失を非常に少なく出来ることに加えてノイズ源となるＦＥＴのドレイン〜ソース間電圧（Ｖｄｓ）のリンギング波形（Ｖｐ−ｐ）、ダイオード両端電圧の波形なども大幅に改善されるので電源の低ノイズ化が達成できる。また、薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５をこの高放熱基板１６と面接触するように実装しているので電源の発熱の主要部品である薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の熱を高放熱基板１６に接触面を通して直接、伝熱してやることが可能となる。このことにより、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の発熱を大幅に低減できるとともに薄形トランス１１のサイズも小形化できるものである。さらに従来と異なり、本発明のブロックには多くの部品を有する複雑な制御回路は実装しないこととしているのでこのブロックの設計が非常に簡単になり、電源設計の熟練者でなくとも短時間で設計できることになる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、特に、高放熱基板として絶縁物とリードフレーム一体形の配線板を貼り合せた構成としたものであり、リードフレームを基準にして配線板の位置決めも可能となる。また、絶縁物１７の厚みを所定厚み以上にしてやることによって安全規格にも適合可能な高放熱基板として利用できることとなる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２の構成に加えて、特に、絶縁物の厚みを０．４ｍｍ以上としたものであり、このことによって安全規格要求上の強化絶縁を施すことが可能となり、電源としての使途範囲が広げられる。
【００１８】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２の構成に加えて、特に、絶縁物をエポキシ系の樹脂としたものであり、これにより、樹脂とリードフレームに密着性が非常に良くなるため、高放熱基板の伝熱特性を高められる。
【００１９】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項４の構成に加えて、特に、樹脂を無機フィラ入りとしたものであり、これにより、樹脂の熱伝導性が向上するため、高放熱基板の熱伝導特性をさらに向上させることが出来る。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項２の構成に加えて、特に、絶縁物をセラミック系の材料で形成したものであり、これにより、熱伝導率がさらに向上することに加えてセラミックシート基板応用という新たな工法の高放熱基板を導入できるという効果が生まれる。
【００２１】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項２の構成に加えて、特に、リードフレームを０．３ｍｍ以上の厚みを有する銅板で形成したものであり、これにより、配線板の断面積を大きくできることとなり、配線インピーダンスを究極まで少なくできるため、配線損失を極小とできるとともに大電流対応も可能と出来るという効果が生まれる。
【００２２】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項２の構成に加えて、特に、リードフレームを折り曲げてモジュールの外部接続端子としたものであり、これにより、リードフレームと外部接続端子を兼ねているため、出力接続用のピンが不要とできる、接続工程が不要とできる、接続点が減るので信頼性も向上する、など多くの効果が生まれる。
【００２３】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項８の構成に加えて、特に、外部接続端子の少なくとも１本を制御回路部に接続するための端子としたものであり、これにより、別の基板上に構成された制御回路部と接続できるため、本モジュールデバイスの制御が別基板から、簡単に実現できるという効果が生まれる。
【００２４】
本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項２の構成に加えて、特に、絶縁物のリードフレームとは反対側の面に金属板を貼り合せたものであり、これにより、高放熱基板の熱を金属板にも伝熱してやることが可能となり、トランス、パワー素子の温度上昇が大幅に低減できるという効果が生まれる。
【００２５】
本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項１０の構成に加えて、特に、金属板の材料をアルミニウムとしたものであり、これにより、軽量化が図れる。
【００２６】
本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項１０の構成に加えて、特に、金属板の材料を銅としたものであり、これにより、熱伝導性が向上するため、トランス、パワー素子のさらなる低発熱化が図れる。
【００２７】
本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、特に、薄形トランスの１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルを薄板状のコイルで形成したものであり、これにより、１次と２次コイル間の距離が少なくなるため、巻線間の結合が良くなり、変換効率が向上する。また、薄板状のコイルは表面積が大きいので放熱性が良くなり、トランスの温度上昇を低減できるという効果も生まれる。
【００２８】
本発明の請求項１４に記載の発明は、請求項１３の構成に加えて、特に、薄板状のコイルを０．３ｍｍ以上の厚みを有する銅板で形成したものであり、これにより、コイルの抵抗値を低減できるため、トランスの損失も低減できるとともに、大電流対応も可能と出来るという効果が生まれる。
【００２９】
本発明の請求項１５に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、特に、薄形トランスの１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルを３層絶縁電線で形成したものであり、これにより、安全規格に対応した強化絶縁を施すことができるため、高電圧入力時の安全規格適合可能なトランスを簡単に実現できるという効果が生まれる。
【００３０】
本発明の請求項１６に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、特に、薄形トランスの１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルとして巻線を巻回して形成したものであり、これにより、巻数が簡単に変更できるため、設計の自由度が広がるという効果が生まれる。
【００３１】
本発明の請求項１７に記載の発明は、請求項１６の構成に加えて、特に、各巻線を融着層付きとしたものであり、これにより、巻線を施したままの状態で固着ができるのでボビンレスでの巻線形成が容易に実現出来るという効果が生まれる。
【００３２】
本発明の請求項１８に記載の発明は、請求項１７の構成に加えて、特に、融着層をアルコール融着タイプの融着層としたものであり、これにより、アルコールを塗布するだけで簡単に巻線の固着が出来るため、設備化が容易に出来るという効果が生まれる。
【００３３】
本発明の請求項１９に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、特に、１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルとしてプリント基板で形成したものであり、これにより、コイル導体の位置が安定するので性能ばらつきが低減出来る。
【００３４】
本発明の請求項２０に記載の発明は、請求項１９の構成に加えて、特に、プリント基板で形成したコイルの層間にエポキシプリプレグを挿入して製作した多層プリント基板コイルとしたものであり、これにより、積層コイルの厚み、外形寸法が安定するので性能ばらつきがさらに低減できることに加えて後工程で磁心１２の組込みも容易となる。
【００３５】
本発明の請求項２１に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、特に、薄形トランスの磁心の下面が高放熱基板と接するように取り付けたものであり、これにより、磁心の発熱を基板面からも伝熱できることとなり、トランスの温度上昇を大幅に低減できるという効果が生まれる。
【００３６】
本発明の請求項２２に記載の発明は、請求項２１の構成に加えて、特に、磁心と相対向する面に高放熱基板のパターンを形成したものであり、これにより、このパターンにも磁心の熱を伝熱できることとなり、トランスの発熱はさらに大幅に低減可能となるという効果が生まれる。
【００３７】
本発明の請求項２３に記載の発明は、請求項２１の構成に加えて、特に、磁心と高放熱基板の間に熱伝導部材を挟み込んだものであり、これにより、磁心と基板間に生ずる空隙が熱伝導部材で埋まるため、熱伝導のばらつきが少なくなるという効果が生まれる。
【００３８】
本発明の請求項２４に記載の発明は、請求項１の構成に加えて、特に、１次と２次のパワー素子との間に薄形トランスを配置したものであり、これにより、絶縁分離するトランスと１次、２次を結ぶ配線パターンも最短距離で形成できることとなり、配線損失を大幅に低減出来るパターン設計を簡単に実現できるという効果が生まれる。
【００３９】
本発明の請求項２５に記載の発明は、特に、第１の構成体と第２の構成体とが一体化してなる電源装置であって、第２の構成体として請求項１に記載のパワー変換モジュールデバイスを用いるとともに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第２の構成体を制御する制御回路部を設けたことを特徴としたものである。
【００４０】
この構成により、パワー変換モジュールデバイスの特徴である小形、低発熱、低損失をそのまま利用できるため、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。
【００４１】
また、第２の構成体が発生するノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。
【００４２】
本発明の請求項２６に記載の発明は、請求項２５の構成に加えて、特に、第２の構成体を形成するトランスの対向部分の第１の構成体を形成する第１の基板にくり抜き穴を設けたものであり、これにより、トランスの高さが電源装置全体の高さに影響しなくなり、他の部品を低背化すれば、薄形の電源装置が実現できるという効果が生まれる。
【００４３】
本発明の請求項２７に記載の発明は、請求項２５の構成に加えて、特に、第２の構成体を形成する高放熱基板として絶縁物とリードフレーム一体形の配線板を貼り合せたものを用いるとともに、前記リードフレームの一部として第１と第２の構成体を接続したものであり、これにより、接続用のピンなどを使用しないで直接接続しているので接続点が減ることとなり、信頼性向上、接続強度が安定するという効果が生まれる。
【００４４】
本発明の請求項２８に記載の発明は、請求項２５の構成に加えて、特に、第２の構成体を形成する高放熱基板として絶縁物とリードフレーム一体形の配線板を貼り合せ、前記高放熱基板を電源装置の筐体に面接触するように実装したものであり、これにより、第２の構成体の発熱を電源の筐体に放熱出来るため、専用の放熱用ヒートシンクが不要となるという効果が生まれる。
【００４５】
本発明の請求項２９に記載の発明は、請求項２５の構成に加えて、特に、第２の構成体を形成する薄形トランスの天面と第１の構成体を形成する第１の基板の表面とが面接触するように実装したものであり、これにより、第２の構成体を形成する高放熱基板を放熱用ヒートシンクとして利用できるため、トランス、１次、２次のパワー素子の発熱が低減できることに加えて放熱用ヒートシンクも不要もしくは軽減できるという効果が生まれる。
【００４６】
本発明の請求項３０に記載の発明は、特に、高放熱基板上にチョークコイルとパワー素子を面接触するように実装し、前記高放熱基板に設けられた外部接続端子を介して別基板上に設けられた制御回路部と接続されることを特徴としたものである。
【００４７】
この構成により、チョークコイルとパワー素子との配線距離を最短にできるため、配線インピーダンスが小さくなり、配線損失を非常に少なく出来ることに加えてＦＥＴ、ダイオードの両端電圧波形も改善されるので低ノイズ化が達成される。また、チョークコイルとパワー素子の発熱も高放熱基板に接触面を通して伝熱させるため、チョークコイルサイズも小形化できるとともにチョークコイルとパワー素子の発熱も大幅に低減できることとなる。さらに多くの部品を有する複雑な制御回路部を除いているため、このブロックの設計も非常に簡単になり、熟練者でなくとも短時間で設計できることとなる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。
【００４８】
本発明の請求項３１に記載の発明は、特に、第１の構成体と第３の構成体とが一体化してなる電源装置であって、第３の構成体として請求項３０に記載のパワー変換モジュールデバイスを用いるとともに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第３の構成体を制御する制御回路部を設けたものである。
【００４９】
この構成により、パワー変換モジュールデバイスの特徴である小形、低発熱、低損失をそのまま利用できるため、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。
【００５０】
また、第３の構成体が発生するノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。
【発明の効果】
【００５１】
本発明のパワー変換モジュールデバイスは、高放熱基板上に薄形トランスと１次または２次の少なくともどちらか一方のパワー素子を面接触するように実装し、前記高放熱基板に設けられた外部接続端子を介して別基板上に設けられた制御回路部と接続されることを特徴としたものであり、配線損失を非常に少なく出来ることに加えてノイズ源となるＦＥＴ、ダイオード電圧の波形なども大幅に改善されるので電源の低ノイズ化が達成できる。また、薄形トランス、パワー素子の発熱を大幅に低減できるとともにトランスのサイズも小形化できるものである。さらに多くの部品を有する複雑な制御回路は実装しないこととしているのでこのブロックの設計が非常に簡単になり、電源設計の熟練者でなくとも短時間で設計できることになる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。
【００５２】
また、本発明の電源装置は、第１の構成体と第２の構成体とが一体化してなる電源装置であって、第２の構成体として本発明の請求項１に記載のパワー変換モジュールデバイスを用いるとともに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第２の構成体を制御する制御回路部を設けたことを特徴としたものであり、パワー変換モジュールデバイスの特徴である小形、低発熱、低損失、低ノイズをそのまま利用できるため、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて本発明の特に請求項１〜２４に記載の発明について説明する。
【００５４】
図１は、本発明の実施の形態１におけるパワー変換モジュールデバイスの外観斜視図、図２は同実施の形態における高放熱基板の断面模式図、図３は同実施の形態１における薄形トランスの断面模式図である。
【００５５】
図１〜図３において１１は薄形トランス、１２は磁心、１３は薄形積層コイル、１４は１次パワー素子、１５は２次パワー素子、１６は高放熱基板、１７は絶縁物、１８はリードフレーム一体形配線板、１９はリードフレーム、１９ａは制御回路接続用リードフレーム、２０は金属板、２４は３層絶縁電線コイル、２５は銅板コイル、２６は絶縁物を示している。
【００５６】
図１において従来例を示す図９と大きく異なる点は図９におけるコンバータ部２の制御回路５を除いたトランス６、１次パワー素子７、２次パワー素子８の発熱部品のみを集めてブロック化した点であるが、本発明においてはさらにトランス６を薄形トランス１１に変更した点、この薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５を高放熱基板１６上に搭載した点、これら薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５はこの高放熱基板１６と面接触するように実装している点が異なっている。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態１を示す図１の構成によれば、薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５は最短に近接して並べることが可能となり、配線距離を最短にできる。このことにより、配線インピーダンスが小さくなり、配線上の損失を非常に少なく出来ることに加えてノイズ源となるＦＥＴのドレイン〜ソース間電圧（Ｖｄｓ）のリンギング波形（Ｖｐ−ｐ）、ダイオード両端電圧の波形なども大幅に改善されるので電源の低ノイズ化が達成できる。また、薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５をこの高放熱基板１６と面接触するように実装しているので電源の発熱の主要部品である薄形トランス１１と１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の熱を高放熱基板１６に接触面を通して直接、伝熱してやることが可能となる。このことにより、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の発熱を大幅に低減できるとともに薄形トランス１１のサイズも小形化できるものである。さらに従来と異なり、本発明のブロックには多くの部品を有する複雑な制御回路は実装しないこととしているのでこのブロックの設計が非常に簡単になり、電源設計の熟練者でなくとも短時間で設計できることになる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供することが可能となるものである。
【００５８】
ここで１次パワー素子１４は主にＦＥＴ、２次パワー素子１５は主にＦＥＴ、ダイオードが使用されるが他の素子であってもよい。また、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５は少なくともどちらか一方のみを搭載した場合でも本発明の効果は得られるものである。
【００５９】
図２は本発明の実施の形態１を構成する高放熱基板１６の断面模式図である。図２に示すように高放熱基板１６はリードフレーム１９と一体となったリードフレーム一体形配線板１８と絶縁物１７を貼り合せた構成としたものに加えて絶縁物１７の裏面に金属板２０を貼り合せているものである。ここで採用した絶縁物１７は厚みを平均で０．５ｍｍ、最小でも０．４ｍｍ以上確保して製作している。ここで０．４ｍｍとは安全規格において強化絶縁として認められる最小厚みであり、この厚みを確保することにより、安全規格にも適合できるようになるものである。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態を示す図２によれば、特に高放熱基板１６として絶縁物１７とリードフレーム一体形の配線板１８を貼り合せた構成としたのでリードフレームを基準にして配線板の位置決めも可能となる。また、絶縁物１７の厚みを所定厚み以上にしてやることによって安全規格にも適合可能な高放熱基板として利用できることとなる。
【００６１】
また、絶縁物の厚みを０．４ｍｍ以上としてやることによって安全規格要求上の強化絶縁を施すことが可能となり、電源としての使途範囲が広げられる。
【００６２】
ここで構成部品である絶縁物１７はエポキシなどリードフレーム一体形配線板１８との密着性のよい絶縁樹脂を採用している。これにより、絶縁物１７とリードフレーム一体形配線板１８との密着性が非常によくなるため、高放熱基板１６の伝熱特性を高められる。
【００６３】
さらに、この絶縁物１７のエポキシ樹脂にシリカ、アルミナなどのような無機質フィラを充填してやれば、樹脂の熱伝導性を向上させることができるため、高放熱基板１６の熱伝導特性をさらに向上させることが出来る。我々の実験結果では、熱伝導率を０．１５〜０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）（フィラなし）から、３〜５Ｗ／（ｍ・Ｋ）（フィラ入り）と１桁高めることができることが確認できている。
【００６４】
また、高放熱基板１６の構成部品である絶縁物１７をセラミック系の材料としてやれば、熱伝導率がさらに向上することに加えてセラミックシート基板応用という新たな工法の高放熱基板を導入できるという効果が生まれる。
【００６５】
また、リードフレーム一体形配線板１８は０．３ｍｍ以上の厚みとしている。通常のプリント配線板に採用される銅箔の厚みはエッチング工法により、多量に生産するため、汎用性、コスト面から、あまり、厚い銅箔のものは採用されていないのが実態であり、最大でも０．２〜０．２５ｍｍ程度、通常は０．０１８〜０．０７ｍｍぐらいと非常に薄く、導体の断面積が大きく出来ないため、配線インピーダンスが高くなり、配線損失も大きくなるという課題を有していた。以上、本発明においては、通常のプリント配線板では製作上、困難とされる０．３ｍｍ以上の厚みを有する薄板状の銅板を採用して導体断面積を大きく出来るようにしている。このことにより、配線インピーダンスを究極まで小さくすることができるため、配線損失を極小とできるとともに大電流対応も可能と出来るという効果が生まれるものである。
【００６６】
なお、ここで使用したリードフレームの製作方法としては、金型による打ち抜き工法、エッチングなど各種考えられるが、敢えて限定する必要はない。
【００６７】
さらにリードフレーム１９は図２に示すように折り曲げて出力用のリード線としてやれば、リードフレーム１９を出力用のリード線として兼用してやることになり、出力接続用のピンが不要となることに加えて接続工程も不要とできる。接続点が減るので信頼性も向上する、など多くの効果を得ることができる。
【００６８】
ここで出力接続用のリード線のうち、少なくとも１本を制御回路に接続するためのリード線１９ａとしている。これにより、別の基板上に構成された制御回路と接続できるため、本モジュールデバイスの制御が別基板から、簡単に実現出来ることとなる。
【００６９】
また、図２に示すように絶縁物１７の裏面には金属板２０を貼り付けているので高放熱基板上の熱をこの金属板２０にも伝熱してやることが可能となる。このことにより、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の温度上昇を低減することができる。
【００７０】
ここで使用する金属板２０の材質は特に限定する必要はないが、アルミニウム、銅など熱伝導率のよい金属が好ましい。特にアルミニウムなどを用いてやれば、軽量化が図れる。
【００７１】
また、銅としてやれば、熱伝導特性がさらに向上できるため、薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５の温度上昇を大幅に低減することができる。
【００７２】
図３は本発明の実施の形態１を構成する薄形トランス１１の断面模式図である。図３に示すように本薄形トランス１１は薄板状の銅板で製作した銅板コイル２５と３層絶縁電線を渦巻状に巻回して製作した扁平形の３層絶縁電線コイル２４を薄い絶縁物２６を介して交互に積層して薄形積層コイルを完成した後、上下から磁心１２を組合わせて完成するものである。
【００７３】
以上、本発明の実施の形態を示す図３によれば、特に薄形トランス１１として１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルを薄板状のコイルで形成している。このことにより、１次と２次コイル間の距離が少なくなるため、巻線間の結合が良くなり、変換効率が向上する。また、薄板状のコイルは表面積が大きいので放熱性が良くなり、トランスの温度上昇を低減できるという効果も生まれる。
【００７４】
ここで、薄板状のコイル２５は０．３ｍｍ以上の厚みとしている。薄板状のコイルを形成する方法としては、他にプリント配線板を利用する方法もある。しかしながら、通常のプリント配線板に採用される銅箔の厚みはエッチング工法により、多量に生産するため、汎用性、コスト面から、あまり、厚い銅箔のものは採用されていないのが実態であり、最大でも０．２〜０．２５ｍｍ程度、通常は０．０１８〜０．０７ｍｍぐらいと非常に薄く、導体の断面積が大きく出来ないため、配線インピーダンスが高くなり、配線損失も大きくなるという課題を有していた。以上、本発明においては、通常のプリント配線板では製作上、困難とされる０．３ｍｍ以上の厚みを有する薄板状の銅板を採用して導体断面積を大きく出来るようにしている。このことにより、コイルの抵抗値を低減できるため、トランスの損失も低減できるとともに、大電流対応も可能と出来るという効果が生まれる。
【００７５】
なお、ここで使用した薄板状の銅板コイルの製作方法としては、打ち抜き工法、エッチングなど各種考えられるが、敢えて限定する必要はない。
【００７６】
また、本発明の実施の形態を示す図３によれば、特に薄形トランス１１として１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルは３層絶縁電線を渦巻状に巻回して形成している。ここで使用した３層絶縁電線は東京特殊電線製のＴＩＷ線であり、各国安全規格の強化絶縁に認可された線材である。このことにより、薄形トランス１１として安全規格に対応した強化絶縁を施すことが出来るため、高電圧入力時の安全規格適合可能なトランスを簡単に実現出来るという効果が生まれる。なお、３層絶縁電線に関しては、必ずしも上記線材にこだわる必要はなく、強化絶縁として安全規格認定された線材であれば、古河電工製のＴＥＸ線など、他の線材であってもよい。
【００７７】
また、薄形トランス１１の１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルは巻線を巻回して形成しており、これにより、巻数が簡単に変更できるため、設計の自由度が広がるという効果が生まれる。
【００７８】
さらに上記巻線コイルは表面に融着層を有する融着層付きとしている。このことにより、巻線を施したままの状態で固着ができるのでボビンレスでの巻線形成が容易に実現出来るという効果が生まれる。
【００７９】
ここでは、特に、融着層をアルコール融着タイプの融着層としている。これにより、アルコールを塗布するだけで簡単に巻線の固着が出来るため、設備化が容易に出来るという効果も生まれる。
【００８０】
なお、薄形トランス１１を構成する薄形積層コイル１３は本発明の実施の形態においては図３に示すような３層絶縁電線コイル２４、薄板状銅板コイル２５などを用いているが、１次または２次コイルの少なくともどちらか一方のコイルとしてプリント基板で形成してやれば、コイル導体の位置が安定するので性能ばらつきが低減出来る。
【００８１】
さらにこのプリント基板で形成したコイルの層間にエポキシプリプレグを挿入して製作した多層プリント基板コイルとしてやれば、積層コイルの厚み、外形寸法が安定するので性能ばらつきがさらに低減できることに加えて後工程で磁心１２の組込みも容易となる。
【００８２】
また、本発明の実施の形態を示す図１によれば、特に、薄形トランス１１の磁心１２の下面が高放熱基板１６と接するように取り付けたものであり、これにより、磁心の発熱を基板面からも伝熱できることとなり、トランスの温度上昇を大幅に低減できるという効果が生まれる。
【００８３】
さらに、ここでは図示していないが、磁心１２と相対向する面には高放熱基板のパターンを形成している。これにより、このパターンにも磁心の熱を伝熱できることとなり、トランスの発熱はさらに大幅に低減可能となるという効果が生まれる。
【００８４】
また、これも図示していないが、本発明の実施の形態においては、特に、磁心１２と高放熱基板１６の間には熱伝導部材を挟み込んでいる。これにより、磁心１２と高放熱基板１６の間に生ずる空隙が熱伝導部材で埋まるため、熱伝導のばらつきが少なくなるという効果が生まれる。ここで熱伝導部材としては熱伝導率の良い材料が好ましいが、空隙を埋めることさえ出来れば、敢えて材質を限定する必要はない。エポキシ、シリコン、アクリル系の樹脂などが使用可能である。
【００８５】
さらに、本発明の実施の形態１においては図１に示すように、特に、１次パワー素子１４と２次パワー素子１５との間に薄形トランス１１を配置している。このことにより、絶縁分離するトランスと１次、２次を結ぶ配線パターンも最短距離で形成できることとなり、配線損失を大幅に低減出来るパターン設計を簡単に実現できるという効果が生まれる。
【００８６】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて本発明の特に請求項２５〜２９に記載の発明について説明する。
【００８７】
図４は、本発明の実施の形態２における電源回路のブロック図、図５は同実施の形態における電源の外観斜視図、図６は同実施の形態における他の実施例を示す電源の外観斜視図である。
【００８８】
図４〜図６において２１は第２の構成体、２２は第１の構成体、２３は制御回路、２７は第１の基板、２８はくり抜き穴、２９は筐体を示している。実施の形態１の構成と同一構成を有するものについては、同一符号を付してその説明を省略する。
【００８９】
図４〜図６において従来例を示す図８〜図９と大きく異なる点はコンバータ部２の部分に本発明の実施の形態１で提案したパワー変換モジュールデバイスを第２の構成体２１として使用した点である。
【００９０】
図４に示すように回路ブロック図の上では第２の構成体２１は薄形トランス１１、１次パワー素子１４、２次パワー素子１５で別ブロックとして形成されており、この第２の構成体２１を除いた入力フィルタ２２ａ、入力整流回路２２ｂ、力率改善回路２２ｃ、平滑回路２２ｄ、制御回路２３、出力平滑部２２ｅ、出力変換回路２２ｆ、出力フィルタ２２ｇなどは第１の構成体２２として別基板上に形成している。そして、この第１の構成体２２と第２の構成体２１は回路的に接続して一体化して電源を完成している。
【００９１】
図５は本発明の実施の形態２を示す電源の外観斜視図であるが、図に示すように第１の構成体２２を形成する第１の基板２７には第２の構成体２１を形成する薄形トランス１１の対向する部分にくり抜き穴２８を設けている。そして第１の構成体２２と第２の構成体２１とはリードフレーム１９などを利用して回路的に接続している。さらに第２の構成体２１を形成する高放熱基板１６は電源の筐体２９と面接触するように実装している。
【００９２】
以上、本発明の実施の形態２を示す図４〜図５によれば、第１の構成体２２と第２の構成体２１とが一体化してなる電源装置であって第２の構成体２１として本発明の実施の形態１で提案したパワー変換モジュールデバイスを使用しているので同デバイスの特徴である小形、低発熱、低損失、低ノイズをそのまま利用できる。このことにより、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。
【００９３】
これら基本構成の違いによる特性比較の実験結果を（表１）に示している。
【００９４】
【表１】
2005080382.tif 000003
【００９５】
（表１）より、従来例の図９と本発明の実施の形態２を示す図５の構成での特性を比較すると
（１）トランスサイズが“１／４以下”になり、大幅な小形化ができた。
【００９６】
（２）トランスの温度上昇が“半減以下”となり、大幅に低減できた。
【００９７】
（３）電源の効率が“約２．１％アップ”と大幅に改善できた。
【００９８】
（４）ＦＥＴのドレイン〜ソース間電圧（Ｖｄｓ）のリンギング電圧（Ｖｐ−ｐ）が“１５０ｖ低減”でき、波形が大幅に改善できた。
【００９９】
（５）雑音端子電圧が各帯域で“６ｄＢ以上低減”と大幅な低ノイズ化を達成できた。
【０１００】
以上のような大きな効果が実験結果によって検証できた。
【０１０１】
また、第１の構成体２２を形成する第１の基板２７上に第２の構成体２１を制御する制御回路２３を設けており、制御回路接続用リードフレーム１９ａで接続している。これにより、第２の構成体が発生するノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。
【０１０２】
さらに、第１の構成体２２を形成する第１の基板２７には第２の構成体２１を形成するトランスの対向部分にくり抜き穴を設けている。これにより、トランスの高さが電源装置全体の高さに影響しなくなり、他の部品を低背化すれば、薄形の電源装置が実現できるという効果が生まれる。
【０１０３】
また、第２の構成体２１を形成するリードフレーム１９で第１と第２の構成体を接続している。これにより、接続用のピンなどを使用しないで直接接続しているので接続点が減ることとなり、信頼性向上、接続強度が安定するという効果が生まれる。
【０１０４】
さらに、第２の構成体２１を形成する高放熱基板１６を電源の筐体２９に面接触するように実装したものであり、これにより、第２の構成体２１の発熱を電源の筐体２９に放熱出来るため、従来例の図９に示すような専用の放熱用ヒートシンク１０ａが不要となるという効果が生まれる。
【０１０５】
また、本発明の実施の形態２における別の実施例を示す図６のように、第２の構成体２１を形成する薄形トランス１１の天面と第１の構成体２２を形成する第１の基板２７の表面が面接触するような向きに逆向きに実装してやることもできる。これにより、第２の構成体２１を形成する高放熱基板１６を放熱用ヒートシンクとして利用できるため、トランス、１次、２次のパワー素子の発熱が低減できることに加えて放熱用ヒートシンクも不要もしくは軽減できるという効果が生まれる。
【０１０６】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて本発明の特に請求項３０、３１に記載の発明について説明する。
【０１０７】
図７は、本発明の実施の形態３における力率改善回路用のパワー変換モジュールデバイスの回路ブロック図である。
【０１０８】
図７において１４ａ、１５ａはパワー素子、３０はチョークコイル、３１は第３の構成体を示しており、実施の形態１、２の構成と同一構成を有するものについては、同一符号を付してその説明を省略する。
【０１０９】
図７において実施の形態１と大きく異なる点はパワー変換モジュールデバイスを形成する薄形トランス１１をチョークコイル３０の置換えて第３の構成体３１とした点であり、パワー素子としてＦＥＴやダイオードを使用して高放熱基板上に実装する構成は全て同じである。
【０１１０】
図７に示すように回路ブロック図の上では第３の構成体３１はチョークコイル３０、パワー素子１４ａ、パワー素子１５ａを別ブロックとして形成されており、制御回路は第３の構成体には含んでいない。ここでのパワー変換モジュールデバイスは図示していないが、パワー素子とチョークコイルを面接触するように高放熱基板上に実装する点は実施の形態１を示す図１と全く同じ構成である。
【０１１１】
以上、本発明の実施の形態３を示す図７によれば、チョークコイルとパワー素子との配線距離を最短にできる。このことにより、配線インピーダンスが小さくなり、配線損失を非常に少なく出来ることに加えてＦＥＴ、ダイオードの両端電圧波形も改善されるので低ノイズ化が達成される。また、チョークコイルとパワー素子の発熱も高放熱基板に接触面を通して伝熱させるため、チョークコイルサイズも小形化できるとともにチョークコイルとパワー素子の発熱も大幅に低減できることとなる。さらに多くの部品を有する複雑な制御回路部を除いているため、このブロックの設計も非常に簡単になり、熟練者でなくとも短時間で設計できることとなる。これらの結果、開発効率を大幅に向上できる小形、低発熱、低損失、低ノイズのパワー変換モジュールデバイスを提供できるという大きな効果が得られる。
【０１１２】
また、第１の構成体と第３の構成体３１とが一体化してなる電源装置であって第３の構成体３１としてパワー変換モジュールデバイスを使用したので、パワー変換モジュールデバイスの特徴である小形、低発熱、低損失、低ノイズをそのまま利用できる。このことにより、熱設計、構造設計が非常に簡単になり、開発リードタイムも大幅に削減できるという大きな効果が生まれる。
【０１１３】
さらに、第１の構成体を形成する第１の基板上に第３の構成体３１を制御する制御回路２３を設けており、制御回路接続用リードフレーム１９ａで接続している。これにより、第３の構成体３１が発生するノイズなどの影響を受けることなく制御回路の設計もできることとなり、制御回路の開発設計リードタイムも短縮できるという効果が生まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明にかかるパワー変換モジュールデバイスおよびそれを用いた電源装置は小形、低発熱、低損失、低ノイズという効果に加えて、電源の設計開発効率を大幅に向上できるという効果を有するものであり、スイッチング電源を搭載するあらゆる電子機器に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるパワー変換モジュールデバイスの外観斜視図
【図２】同実施の形態における高放熱基板の断面模式図
【図３】同実施の形態における薄形トランスの断面模式図
【図４】本発明の実施の形態２における電源回路のブロック図
【図５】同実施の形態における電源の外観斜視図
【図６】同実施の形態における他の実施例を示す電源の外観斜視図
【図７】本発明の実施の形態３における力率改善回路用のパワー変換モジュールデバイスの回路ブロック図
【図８】従来のスイッチング電源の回路ブロック図
【図９】従来のスイッチング電源の外観斜視図
【符号の説明】
【０１１６】
１  入力回路部
２  コンバータ部
３  出力回路部
４  力率改善回路
５、２３  制御回路
６  トランス
７、１４  １次パワー素子
８、１５  ２次パワー素子
９  メイン基板
１０ａ  ヒートシンク
１０ｂ、２９  筐体
１１  薄形トランス
１２  磁心
１３  薄形積層コイル
１４ａ  パワー素子（ＦＥＴ）
１５ａ  パワー素子（ダイオード）
１６  高放熱基板
１７、２６  絶縁物
１８  リードフレーム一体形配線板
１９  リードフレーム
１９ａ  制御回路接続用リードフレーム
２０  金属板
２１  第２の構成体
２２  第１の構成体
２４  ３層絶縁電線コイル
２５  銅板コイル
２７  第１の基板
２８  くり抜き穴
３０  チョークコイル
３１  第３の構成体
【図１】
2005080382.tif 000004
【図２】
2005080382.tif 000005
【図３】
2005080382.tif 000006
【図４】
2005080382.tif 000007
【図５】
2005080382.tif 000008
【図６】
2005080382.tif 000009
【図７】
2005080382.tif 000010
【図８】
2005080382.tif 000011
【図９】
2005080382.tif 000012