(57)【要約】【課題】放熱性及び耐振動性が向上されたＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを提供する。【解決手段】重心点を含む中心領域、及びその中心領域を挟んで互いに対向する第１及び第２部品領域が定義された搭載面を有するシャーシと、シャーシの中心領域上に配置されたトランスと、シャーシの第１及び第２部品領域上にそれぞれ配置された、コンバータ動作時の発熱量が大きい発熱部品とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重心点を含む中心領域、及び該中心領域を挟んで互いに対向する第１及び第２部品領域が定義された搭載面を有する金属製のシャーシと、
前記シャーシの前記中心領域上に配置されたトランスと、
前記シャーシの前記第１及び第２部品領域上にそれぞれ配置された、コンバータ動作時の発熱量が大きい発熱部品と
を備えることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
【請求項２】
前記トランスの前記シャーシに対向する面の中心が、前記シャーシの前記重心点から外縁部までの最大距離の２０％以内の範囲に位置するように、前記トランスが前記中心領域上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
【請求項３】
前記発熱部品と前記シャーシとの間に配置された絶縁性放熱シートを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
【請求項４】
前記シャーシの前記搭載面と対向する裏面に配置された冷却装置を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
【請求項５】
前記第１部品領域上に１次側回路を構成する部品が搭載され、前記第２部品領域上に２次側回路を構成する部品が搭載されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
【請求項６】
前記発熱部品が半導体装置であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスを有するＤＣ／ＤＣコンバータモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車のバッテリーとモータ間での電圧変換などに、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールが使用される。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールには、高い放熱性が要求される。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの冷却方法や搭載部品の配置方法などに関して、放熱性を向上させるための種々の対策が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４３８６５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、車載用のＤＣ／ＤＣコンバータモジュールなどでは、放熱性だけでなく、高い耐振動性が要求される。例えば、重量の重いトランスがＤＣ／ＤＣコンバータモジュールに搭載された場合に、振動時にトランスを支持するシャーシに応力が加わり、破損する場合がある。
【０００５】
また、シャーシ上に配置された半導体装置などの発熱部品によってシャーシの熱膨張度に分布が生じた場合、シャーシに歪が生じてＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの耐振動性が低下するという問題があった。
【０００６】
上記問題点に鑑み、本発明は、放熱性及び耐振動性が向上されたＤＣ／ＤＣコンバータモジュール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】
【０００７】
本発明の一態様によれば、重心点を含む中心領域及びその中心領域を挟んで互いに対向する第１及び第２部品領域が定義された搭載面を有する金属製のシャーシと、シャーシの中心領域上に配置されたトランスと、シャーシの第１及び第２部品領域上にそれぞれ配置された、コンバータ動作時の発熱量が大きい発熱部品とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータモジュールが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、放熱性及び耐振動性が向上されたＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの構造を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールのトランスの搭載例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールのトランスの固定方法の例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールのシャーシの搭載面を示す平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの構造を示す平面図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの第１の基板の構造例を示す模式図であり、図６（ｂ）は金具を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの整流ダイオードの搭載例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールに採用可能なＤＣ／ＤＣコンバータ方式の例を示す回路図である。
【図９】図８に示したＤＣ／ＤＣコンバータ方式の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１１】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、図１に示すように、重心点を含む中心領域Ａ０及びその中心領域Ａ０を挟んで互いに対向する第１部品領域Ａ１及び第２部品領域Ａ２が定義された搭載面を有する金属製のシャーシ１０と、シャーシ１０の中心領域Ａ０上に配置されたトランス２０と、シャーシ１０の第１部品領域Ａ１上に配置された発熱部品３１０及び第２部品領域Ａ２上に配置された発熱部品３２０とを備える。
【００１３】
発熱部品３１０、発熱部品３２０は、コンバータ動作時において、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１を構成する回路部品のうちで特に発熱量が大きく、高温になる部品である。他の回路部品に比べて発熱量の大きい発熱部品は、例えば１次側回路のスイッチング部を構成する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や２次側回路の整流ダイオードなどである。
【００１４】
図１では、シャーシ１０の第１部品領域Ａ１上に固定された第１の基板３１、及び第２部品領域Ａ２上に固定された第２の基板３２に、発熱部品３１０、３２０が搭載された例を示す。第１の基板３１及び第２の基板３２は、プリント基板である。第１の基板３１に搭載された各部品間、及び第２の基板３２に搭載された各部品間は、第１の基板３１及び第２の基板３２に形成された配線によって電気的に接続されている。第１の基板３１及び第２の基板は、例えば図示を省略したネジなどによってシャーシ１０に固定される。
【００１５】
更に、図１に示すように、シャーシ１０のトランス２０が配置された搭載面と対向する裏面に、冷却装置４０が配置されている。冷却装置４０には、大型フィンや水冷装置などを採用可能である。冷却装置４０によってシャーシ１０が冷却され、これにより、シャーシ１０に搭載された部品が冷却される。冷却装置４０は、例えば複数の固定ネジ６０によって、シャーシ１０に固定される。
【００１６】
シャーシ１０の材料は、放熱性を考慮して選択され、例えば熱伝導性の良好なアルミニウム材が用いられる。シャーシ１０をアルミニウム材で形成するには、例えばダイカスト法を用いることが好ましい。ダイカスト法を用いることにより、アルミニウム材からなるシャーシ１０を高い寸法精度で短時間に大量生産することができる。
【００１７】
トランス２０は、プリント基板上に配置されるのではなく、シャーシ１０上に配置されている。このため、外部から加わる振動によってトランス２０が共鳴し、トランス２０が搭載されたプリント基板が割れることを防げる。
【００１８】
トランス２０で発生した熱はシャーシ１０に放熱され、冷却装置４０によって効率的に冷却される。なお、トランス２０とシャーシ１０との間に、図２に示すように熱伝導性の良い放熱シート１５を配置してもよい。この放熱シート１５は、必要に応じてトランス２０とシャーシ１０間を電気的に絶縁すると共に、トランス２０とシャーシ１０間で機械的な衝撃を和らげるクッションの役割も果たす。
【００１９】
なお、図３に示すように、例えばバネはがね２０１によってトランス２０はシャーシ１０に固定される。
【００２０】
トランス２０はシャーシ１０の中心領域Ａ０に配置されるが、具体的には、トランス２０のシャーシ１０に対向する面の中心が、シャーシ１０の重心点から外縁部までの最大距離の２０％以内の範囲に位置するように、トランス２０はシャーシ１０上に配置される。したがって、同一平面に投影されたシャーシ１０の重心点とトランス２０の重心点の位置が接近している。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１の最重量物であるトランス２０をシャーシ１０の中央に配置することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１に振動が加わった場合に、シャーシ１０に加わる応力が最適に分散される。
【００２１】
例えば、トランス２０などが配置されるシャーシ１０の搭載面１００が図４に示すように矩形である場合、搭載面１００の対角線Ｌ１、Ｌ２が交差する位置がシャーシ１０の重心点Ｃとする。或いは、シャーシ１０を冷却装置４０に固定する固定ネジ６０が配置されるネジ位置１０１〜１０４が搭載面１００の四隅に設定される場合、対向する角に配置されたネジ位置１０１、１０３を結ぶ線とネジ位置１０２、１０４を結ぶ線との交点を重心点Ｃとする。
【００２２】
そして、重心点Ｃからの距離が搭載面１００の対角線Ｌ１、Ｌ２の長さの２０％までの範囲の上方にトランス２０の重心点が位置するように、シャーシ１０上にトランス２０が配置される。
【００２３】
シャーシ１０の中心領域Ａ０から外れた位置にトランス２０が取り付けられた場合は、シャーシ１０と冷却装置４０間の取り付け信頼度が大きく低下する。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１においては、外部から加わる振動に対して、シャーシ１０と冷却装置４０間の取り付け信頼度は非常に高い。
【００２４】
第１の基板３１及び第２の基板３２のシャーシ１０に対向する面に搭載された発熱部品３１０、３２０とシャーシ１０との間に、絶縁性放熱シート５１、５２が配置されている。絶縁性放熱シート５１、５２を介して、発熱部品３１０、３２０で発生した熱はシャーシ１０に放熱され、冷却装置４０によって冷却される。絶縁性放熱シート５１、５２の熱抵抗は、０．３℃／Ｗ以下であることが好ましい。
【００２５】
図５に、トランス２０、第１の基板３１及び第２の基板３２を取り付けたシャーシ１０の平面図の例を示す。第１の基板３１と第２の基板３２は、トランス２０を挟んで対向して配置されている。
【００２６】
コンバータ動作時の発熱量が多い発熱部品は、トランス２０、１次側回路のＦＥＴ、２次側回路の整流ダイオードなどである。例えば、第１の基板３１に１次側回路を構成する各部品を搭載し、第２の基板３２に２次側回路を構成する各部品を搭載する。つまり、ＦＥＴを搭載する第１の基板３１と整流ダイオードを搭載する第２の基板３２とが、トランス２０が配置された中心領域Ａ０を挟んで、シャーシ１０上にそれぞれ配置される。これにより、発熱部品をバランスよくシャーシ１０上に配置することができる。
【００２７】
上記のように、トランス２０、発熱部品３１０、及び発熱部品３２０を分散してシャーシ１０上に配置することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１の動作時において、シャーシ１０の熱膨張度（熱の上昇）を、シャーシ１０全体で均一に近づけることができる。その結果、固定ネジ６０の取り付け位置における熱膨張によるシャーシ１０の歪みなどが低減される。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１の耐振動性を向上させることができる。
【００２８】
これに対し、発熱量の大きい部品がシャーシ上に偏って配置されるなどしてシャーシにおける熱膨張度が分布を持つ場合には、例えば長さが２００ｍｍのアルミニウム製シャーシでは、ネジ位置が最大で０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度歪むことが予測される。シャーシを固定するネジ位置が歪むことによって、耐振動性は大きく低下する。
【００２９】
なお、以下のような種々の対策により、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１の放熱性と耐振動性の向上、及び省スペース化が実現される。
【００３０】
例えば、第１の基板３１、第２の基板３２をそれぞれ積層化する。図６（ａ）は、第１の基板３１を２階建てにした例である。第１の基板３１の１階部分３１Ａと２階部分３１Ｂの連結には、位置の固定を兼ねて、金具３３０とネジ３３３を使用する。金具３３０は、例えばリフロースズメッキの銅製の金具などであり、図６（ｂ）に示すように、ネジ穴３３０ａと半田付け用の足３３０ｂとを備える。金具３３０の半田付け用の足３３０ｂが貫通する１階部分３１Ａとネジ３３３が貫通する２階部分３１Ｂの貫通孔の周囲に金属膜３３１、３３２をそれぞれ形成する。金具３３０の半田付け用の足３３０ｂが半田３３０ｃによって１階部分３１Ａに固定され、２階部分３１Ｂを貫通したネジ３３３がネジ穴３３０ａに固定されることにより、２階部分３１Ｂが１階部分３１Ａに固定される。金具３３０の半田付け用の足３３０ｂが金属膜３３１と電気的に接触し、ネジ３３３が金属膜３３２と電気的に接触している。金属膜３３１と１階部分３１Ａの配線パターンは電気的に接続され、金属膜３３２と２階部分３１Ｂの配線パターンは電気的に接続される。これにより、１階部分３１Ａに配置された部品３１１と２階部分３１Ｂに配置された部品３１２とが金具３３０及びネジ３３３を介して電気的に接続される。
【００３１】
金具３３０とネジ３３３を使用して１階部分３１Ａと２階部分３１Ｂを固定することにより、１階部分３１Ａと２階部分３１Ｂとの接続の信頼性が向上すると共に、振動時の補強となる。
【００３２】
また、高熱部品への電気的な接続を銅バーによって行っても良い。例えば図７に示すように、２次側回路の発熱部品である整流ダイオード３２１を銅バー３２２に接続する。銅バー３２２は、絶縁性放熱シート５２を介して、シャーシ１０に固定されている。これにより、整流ダイオード３２１で発生する熱を効率よく放熱できる。
【００３３】
なお、図７に示した例では、銅バー３２２を介してシャーシ１０に取り付けた整流ダイオード３２１の上方に、第２の基板３２を配置している。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１が省スペース化される。なお、必要に応じて、整流ダイオード３２１と第２の基板３２上に配置された部品３２３とが電気的に接続される。
【００３４】
上記のような種々の方法によって放熱性及び耐振動性を向上させ、且つ省スペース化することにより、例えば縦２００ｍｍ、横９０ｍｍ、高さ４０ｍｍのＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１によって、１．８ｋＷの大電力ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを実現できる。
【００３５】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１では、トランス２０をシャーシ１０の中央に配置することにより、外部から加わる振動に対して、シャーシ１０と冷却装置４０間の取り付け信頼度を向上することができる。また、複数の発熱部品をトランス２０を挟んでシャーシ１０上に分散して配置することにより、シャーシ１０全体で熱膨張度を均一に近づけることができる。その結果、図１に示したＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１によれば、放熱性及び耐振動性が向上されたＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを提供することができる。
【００３６】
なお、以上に説明したＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、例えば図８に示すＤＣ／ＤＣコンバータ方式を採用する場合に有効である。図８に示したＤＣ／ＤＣコンバータ方式は、リアクトルを使用しない１トランス方式であり、重量部品はトランス２０のみの構成である。以下に、図８に示したＤＣ／ＤＣコンバータ方式について説明する。なお、図９に、図８に示したＤＣ／ＤＣコンバータ方式によるタイミングチャートを示す。
【００３７】
図８に示すように、直流入力電圧Ｖｉｎの両端に、トランス２０の１次巻線Ｐと第１のスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続される。第１のスイッチング素子Ｑ１のソース端子・ドレイン端子間に、第１のコンデンサＣｖ、及び第２のスイッチング素子Ｑ２と第２のコンデンサＣｒとの直列回路がそれぞれ接続されている。制御回路Ｃｏｎｔから出力される電圧ＬＤ、ＬＧが、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲート端子、ソース端子に入力される。また、制御回路Ｃｏｎｔから出力される電圧ＨＤ、ＨＧが、第２のスイッチング素子Ｑ２のゲート端子、ソース端子に入力される。
【００３８】
トランス２０の２次巻線Ｓ１、Ｓ２は直列接続されている。２次巻線Ｓ１の一方の端子が整流ダイオードＤ１のアノード端子に接続され、２次巻線Ｓ２との接続点である２次巻線Ｓ１の他方の端子が整流ダイオードＤ２のアノード端子に接続されている。更に、整流ダイオードＤ１、Ｄ２のカソード端子間が接続されている。整流ダイオードＤ１、Ｄ２のカソード端子はコンデンサＣｏの正極端子に接続され、コンデンサＣｏの負極端子が２次巻線Ｓ２の他方の端子に接続されている。
【００３９】
トランス２０の２次側の出力端子間には、フォトカプラＰＣと誤差増幅器Ｄｅｔの直列回路、及び抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路が、それぞれ接続されている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点と誤差増幅器Ｄｅｔのフィードバック端子ＦＢとが接続されている。なお、出力端子間に、負荷Ｌｏａｄが接続されている。
【００４０】
図８に示したＤＣ／ＤＣコンバータは、図９に示すように動作する。図９において、ＶQ1は第１のスイッチング素子Ｑ１の出力電圧、ＶQ2は第２のスイッチング素子Ｑ２の出力電圧である。また、ＩQ1は第１のスイッチング素子Ｑ１の出力電流、ＩQ2は第２のスイッチング素子Ｑ２の出力電流である。ＩS1は２次巻線Ｓ１を流れる電流、ＩA2は２次巻線Ｓ２を流れる電流である。そして、ＩCVは第１のコンデンサＣｖに流れる電流、ＩCOはコンデンサＣｏに流れる電流である。
【００４１】
図９に示すように、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２が相補的にオンオフして、直流入力電圧Ｖｉｎを高周波の交流電圧に変換してトランス２０に入力することで、２次側にある整流ダイオードＤ１、Ｄ２、コンデンサＣｏを介して出力電圧Ｖｏが出力される。
【００４２】
ここで、第１のコンデンサＣｖは、第１のスイッチング素子Ｑ１のスイッチングオフ時の電圧共振コンデンサとして作用する。第２のコンデンサＣｒは、第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチングオン時にアクティブクランプ回路として作用する。これにより、第１のスイッチング素子Ｑ１がスイッチングオフ時に印加されるサージ電圧を抑制する効果がある。
【００４３】
なお、図８中でトランス２０の１次巻線Ｐに並列接続するリアクトルＬｐは、１次巻線Ｐの励磁インダクタンスを等価回路として表したものである。また、リアクトルＬｒｓ、Ｌｒｌは、トランス２０の１次巻線Ｐと２次巻線Ｓ１、Ｓ２間のリーケージインダクタンスを表し、リーケージインダクタンス値は、Ｌｒｌ＞＞Ｌｒｓの関係にある。
【００４４】
上記のように、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２のオンオフ動作により、整流ダイオードＤ１、Ｄ２を介してコンデンサＣｏに流れる出力電流は、図８に示すＩｃｏであり、図８に示したＤＣ／ＤＣコンバータモジュールは、外部のリアクトルを必要としない１トランス構成である。
【００４５】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４６】
Ａ０…中心領域
Ａ１…第１部品領域
Ａ２…第２部品領域
Ｃ…重心点
１…ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール
１０…シャーシ
１５…放熱シート
２０…トランス
３１…第１の基板
３２…第２の基板
４０…冷却装置
５１、５２…絶縁性放熱シート
６０…固定ネジ
１００…搭載面
１０１〜１０４…ネジ位置
３１０、３２０…発熱部品
３２１…整流ダイオード
３２２…銅バー
【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】
2012156298.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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