(57)【要約】【課題】トランスで発生する熱を効果的に放熱できるようにする。【解決手段】トランスにおいて、ベースプレートと、１次側コイル基板と、第１の２次側コイル部と、第２の２次側コイル部と、第１の磁性体コアと、第２の磁性体コアと、伝熱シートとを有する。ベースプレートは、第１の磁性体コアの第１の２次側コイル部側の面と周辺の面とが面一となるように、第１の磁性体コアを載置可能な凹部を有する。伝熱シートは、ベースプレート及び第１の磁性体コアと第１の２次側コイル部とが対向する面の少なくとも一部において、ベースプレート及び第１の磁性体コアの面と第１の２次側コイル部の面とを熱的に接続する絶縁性のあるシートである。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側の電圧を変圧して２次側の電圧として出力するトランスであって、
ベースプレートと、
１次側の電圧を通す１次側コイルを含む１次側コイル基板と、
前記１次側コイル基板よりも前記ベースプレートに近い側に配置される第１の２次側コイル部と、
前記１次側コイル基板よりも前記ベースプレートから遠い側に配置され、前記第１の２次側コイル部とともに、前記１次側コイル基板を挟み込む第２の２次側コイル部と、
前記ベースプレートに熱的に接触し、前記第１の２次側コイル部より前記ベースプレートに近い側に配置される第１の磁性体コアと、
前記第２の２次側コイル部よりも前記ベースプレートより遠い側に配置され、前記第１の磁性体コアと連結される第２の磁性体コアと、
第１の伝熱シートと
を有し、
前記ベースプレートは、前記ベースプレートに載置される前記第１の磁性体コアの前記第１の２次側コイル部側の面と、前記ベースプレートの前記第１の磁性体コアを載置する周辺の面とが略面一となるように、前記第１の磁性体コアを載置可能な凹部を有し、
前記第１の伝熱シートは、前記ベースプレート及び前記第１の磁性体コアと前記第１の２次側コイル部とが対向する面の少なくとも一部において、前記ベースプレート及び前記第１の磁性体コアの面と前記第１の２次側コイル部の前記ベースプレート側の面とを熱的に接続する絶縁性のあるシートである、
トランス。
【請求項２】
請求項１記載のトランスであって、
前記第１の伝熱シートは、前記第１の２次側コイル部の前記ベースプレート側の平面部の形状と略同一の形状である
トランス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のトランスであって、
前記第２の２次側コイル部と、前記ベースプレートとが対向する面の少なくとも一部において、前記第２の２次側コイル部の面と前記ベースプレートの面とを熱的に接続する絶縁性のある第２の伝熱シートを更に備える、
トランス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトランスと、
前記トランスに供給する電圧を生成するためのスイッチング素子を有するスイッチング部と
を備えるスイッチング電源装置。
【請求項５】
請求項４に記載のスイッチング電源装置であって、
前記スイッチング部によるスイッチング動作を制御する制御部を更に有し、
前記スイッチング部は、前記ベースプレートに接続されるとともに、前記制御部を配した制御部基板と、絶縁性のある伝熱シートを介して熱的に接続される
スイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を変換するトランス、及びトランス及びスイッチング素子を備えるスイッチング電源装置に関し、特に、発生する熱を放熱する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハイブリッドカーや、電気自動車等においては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータのようなトランスを備えるスイッチング電源装置が利用されている。スイッチング電源装置においては、トランスや、スイッチング素子等のパワー半導体で発生する熱をいかに放熱するかが課題となっている。
【０００３】
放熱する技術としては、例えば、トランス等のコイル外周部から別のパワー半導体の放熱板に熱を伝導させて冷却する技術がある（例えば、特許文献１参照）。また、パワー半導体素子に取り付けたヒートシンクに、トロイダルコアを嵌着して、トランスの冷却を行う技術がある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平１−７０３９３号公報
【特許文献２】特開２００７−３１２５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、トランス、スイッチング電源装置の小型化が進んできており、トランス、スイッチング電源装置における放熱に対する要請が強くなってきている。
【０００６】
本発明の目的は、トランスで発生する熱を効果的に放熱することのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の観点に係るトランスは、１次側の電圧を変圧して２次側の電圧として出力するトランスであって、ベースプレートと、１次側の電流を流す１次側コイルを含む１次側コイル基板と、１次側コイル基板よりもベースプレートに近い側に配置される第１の２次側コイル部と、１次側コイル基板よりもベースプレートから遠い側に配置され、第１の２次側コイル部と電気的に接続されるとともに、第１の２次側コイル部とともに、１次側コイルを挟み込む第２の２次側コイル部と、ベースプレートに熱的に接触し、第１の２次側コイル部よりベースプレートに近い側に配置される第１の磁性体コアと、第２の２次側コイル部よりもベースプレートより遠い側に配置され、第１の磁性体コアと連結される第２の磁性体コアとを有する。ベースプレートは、ベースプレートに載置される第１の磁性体コアの第１の２次側コイル部側の面と、ベースプレートの第１の磁性体コアを載置する周辺の面とが、略面一となるように、第１の磁性体コアを載置可能な凹部を有する。トランスは、第１の伝熱シートを備えて良い。第１の伝熱シートは、ベースプレート及び第１の磁性体コアと第１の２次側コイル部とが対向する面の少なくとも一部において、ベースプレート及び第１の磁性体コアの面と第１の２次側コイル部のベースプレート側の面とを熱的に接続する絶縁性のあるシートである。
【０００８】
第２の観点に係るトランスにおいて、第１の伝熱シートは、第１の２次側コイル部のベースプレート側の平面部の形状と略同一の形状であってもよい。
【０００９】
第３の観点に係るトランスは、第２の伝熱シートを更に供えても良い。第２の伝熱シートは、第２の２次側コイル部と、ベースプレートとが対向する面の少なくとも一部において、第２の２次側コイル部の面とベースプレートの面とを熱的に接続する絶縁性のあるシートでよい。
【００１０】
第４の観点に係るスイッチング電源装置は、第１乃至第３の観点のうちのいずれかに係るトランスと、トランスに供給する電圧を生成するためのスイッチング素子を有するスイッチング部とを備える。
【００１１】
第５の観点に係るスイッチング電源装置は、スイッチング部によるスイッチング動作を制御する制御部を更に有して良い。スイッチング部は、ベースプレートに接続されるとともに、制御部を配した制御部基板と、絶縁性のある伝熱シートを介して熱的に接続されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
トランスで発生する熱を効果的に放熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング部を含む部分の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るトランスの分解斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのトランスを含む部分の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るベースプレートの一部分であってトランスが載置される部分の斜視図である。
【図６】図５に示した部分にＩ型磁性体コア及び伝熱シートを載置した状態を示す斜視図である。
【図７】図６に示したＩ型磁性体コア上の伝熱シートに第１の２次側コイル部を載置した状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
まず、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の一例として、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す斜視図である。
【００１７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、例えば、ハイブリッド車、又は電気自動車に備えられ、１００Ｖ〜５００Ｖ程度の電圧を蓄える高圧バッテリから供給される高圧の直流電圧を、低圧の直流電圧に変換し、１２〜１６Ｖ程度の電圧を蓄える低圧バッテリに供給する。
【００１８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、入力平滑部１１０と、制御部１２０と、スイッチング部１４０と、トランス１５０と、整流部１６０と、出力平滑部１７０とを有する。入力平滑部１１０、制御部１２０、スイッチング部１４０、トランス１５０、整流部１６０、及び出力平滑部１７０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の筐体のベースプレート１００に直接又は間接的に設置されている。本実施形態では、入力平滑部１１０と、制御部１２０とは、制御部基板１３０上に配置され、制御部基板１３０がベースプレート１００に固定されている。
【００１９】
入力平滑部１１０は、入力された直流電圧を平滑する。制御部１２０は、スイッチング部１４０を駆動させる駆動信号の供給を制御する。スイッチング部１４０は、例えば、４つのスイッチング素子で構成されたフルブリッジ型の回路を有し、制御部１２０から供給された駆動信号に応じて、入力平滑部１１０により平滑された直流電圧を、交流電圧に変換する。スイッチング素子としては、例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を用いることができる。トランス１５０は、スイッチング部１４０で生成された交流電圧を変圧して出力する。トランス１５０は、１次側コイルと、２次側コイルとを有し、１次側コイル及び２次側コイルは、所望される変圧比に応じた巻き数となっている。本実施形態では、１次側コイルの巻き数が２次側コイルの巻き数よりも多い。整流部１６０は、トランス１５０から出力された交流を、整流して直流電圧を生成する。出力平滑部１７０は、整流部１６０で整流された直流電圧を平滑化して、直流電圧を外部に出力する。
【００２０】
ベースプレート１００を含む筐体は、例えば、アルミニウム等の金属により形成されており、各部（１１０、１２０、１４０、１５０等）において発生される熱を放熱するヒートシンクとして機能する。ベースプレート１００の下面（各部が設置される面と反対側の面）には、放熱用のフィン１０１（図３参照）が形成されている。ここで、ベースプレート１００に各部が設置される面の方向を上ということとする。なお、フィン１０１は、ベースプレート１００と一体形成してもよく、ベースプレート１００と別体として形成した後にベースプレート１００に取り付けてもよい。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を水冷する場合には、フィン１０１を備えなくてもよい。
【００２１】
図２は、本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング部を含む部分の断面図である。
【００２２】
本実施形態においては、スイッチング部１４０は、ベースプレート１００に対して接するように配置され、弾性を有する押圧部材１４４をねじ１４１によりねじ止めすることにより、スイッチング素子が押圧され、ベースプレート１００に固定されている。スイッチング部１４０の上面には、伝熱シート１４２が載置されている。伝熱シート１４２は、例えば、シリコンゴム等により構成され、絶縁性のある熱伝導率の高い平面状のシートである。この伝熱シート１４２は、弾性を有している。
【００２３】
制御部基板１３０は、伝熱シート１４２を上方から押え付けるようにして、ねじ１３１により、ベースプレート１００に接続されている。このように構成しているので、スイッチング部１４０と、制御部基板１３０とが、伝熱シート１４２を介して熱的に接続されることとなる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作時においては、一般的に、スイッチング部１４０の温度が制御部基板１３０の温度より高くなるので、スイッチング部１４０からの熱を制御基板１３０を介してもベースプレート１００に伝えることができる。このため、スイッチング部１４０の冷却効果が向上する。また、伝熱シート１４２は、弾性を有しているので、制御部基板１３０に対する振動や衝撃の影響を低減させることもできる。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態に係るトランスの分解斜視図である。
【００２５】
トランス１５０は、Ｉ型磁性体コア１５１と、第１の伝熱シートの一実施例である伝熱シート１５３と、第１の２次側コイル部１５４と、１次側コイル基板１５５と、第２の２次側コイル部１５６と、Ｅ型磁性体コア１５２と、伝熱シート１５７とが組み合わされて構成される。本実施形態では、ベースプレート１００側から、Ｉ型磁性体コア１５１、伝熱シート１５３、第１の２次側コイル部１５４、１次側コイル基板１５５、第２の２次側コイル部１５６、Ｅ型磁性体コア１５２の順番で組み付けられて、ねじ２０１等でベースプレート１００に固定される。Ｅ型磁性体コア１５２は、押え部材１５９により下方に押え付けられ、Ｅ型磁性体コアの脚部１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃの下面がＩ型磁性体コア１５１と接触する状態で固定される。なお、伝熱シート１５７は、第２の２次側コイル部１５６が組み付けられる前の任意の時点に、ベーススプレート１００に取り付けられる。
【００２６】
１次側コイル基板１５５は、平板状の基板であり、電気絶縁性を有する樹脂等の絶縁基板の内部に、銅等の金属で構成された所定の巻き数のコイル（１次側コイル）が埋め込まれた構成となっている。１次側コイル基板１５５は、Ｅ型磁性体コア１５２の脚部１５２ｂ）を間挿するための開口が形成されている。なお、本実施形態では、１次側コイル基板１５５を組み付けるねじと接触する面を少なくとも含む範囲において、基板を銅箔で覆うようにしており、１次側コイル基板１５５の熱を、銅箔を介して、ねじに効果的に伝えることができるようになっている。
【００２７】
伝熱シート１５３は、例えば、シリコンゴム等により構成され、絶縁性のある熱伝導率の高い平面状のシートである。伝熱シート１５３は、弾性を有している。また、伝熱シート１５７は、例えば、シリコンゴム等により構成され、絶縁性のある熱伝導率の高い平面状のシートである。伝熱シート１５７は、弾性を有している。
【００２８】
２次側コイル部１５４、１５６は、それぞれ銅等の導体板をそれぞれ打ち抜くこと等により形成され、２次側コイルとして作用する。２次側コイル部１５４、１５６は、Ｅ型磁性体コア１５２の脚部１５２ｂを間挿するための開口が形成されている。
【００２９】
図４は、本発明の一実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのトランスを含む部分の断面図である。
【００３０】
ベースプレート１００には、Ｉ型磁性体コア１５１を載置するための凹部１０２が形成されている。凹部１０２は、Ｉ型磁性体コア１５１の形状に対応した形状となっている。本実施形態では、Ｉ型磁性体コア１５１をベースプレート１００の凹部１０２に載置すると、Ｉ型磁性体コア１５１の上面と、ベースプレート１００の凹部１０２の周辺の上面１０３、１０４とが略面一となるようになっている。このような構成により、Ｉ型磁性体コア１５１の熱は、凹部１０２の壁からベースプレート１００に伝わるようになっている。
【００３１】
Ｉ型磁性体コア１５１の上面及びベースプレート１００の上面１０３、１０４の上には、これらに接触するようにして伝熱シート１５３が配置される。伝熱シート１５３の上には、伝熱シート１５３と接触するようにして、第１の２次側コイル部１５４が配置される。第１の２次側コイル部１５４の上には、第１の２次側コイル部１５４と接触するようにして、１次側コイル基板１５５が配置される。１次側コイル基板１５５の上には、１次側コイル基板１５５と接触するようにして、第２の２次側コイル部１５６が配置される。第２の２次側コイル部１５６の上方には、Ｉ型磁性体コア１５１と組み合されるようにして、Ｅ型磁性体コア１５２が配置される。
【００３２】
ここで、Ｉ型磁性体コア１５１の上面と、ベースプレート１００の凹部１０２の周辺の上面１０３、１０４とが略面一となっているとともに、伝熱シート１５３が弾性を有しているので、Ｉ型磁性体コア１５１の上面及びベースプレート１００の上面１０３、１０４と、第１の２次側コイル部１５４の下面とは、効果的に密着することとなる。このため、発生する振動や、衝撃を抑制することができるとともに、Ｉ型磁性体コア１５１の上面及びベースプレート１００の上面１０３、１０４と、第１の２次側コイル部１５４の下面との間で、効果的に熱を伝えることができる。
【００３３】
次に、トランス１５０の各部における主な熱的な接続関係を説明する。
【００３４】
Ｉ型磁性体コア１５１は、ベースプレート１００と、伝熱シート１５３とに熱的に接続されている。伝熱シート１５３は、ベースプレート１００と、Ｉ型磁性体コア１５１と、第１の２次側コイル部１５４とに熱的に接続されている。第１の２次側コイル部１５４は、伝熱シート１５３と、１次側コイル基板１５５とに熱的に接続されている。１次側コイル基板１５５は、ベースプレート１００と、第１の２次側コイル部１５４と、第２の２次側コイル部１５６とに熱的に接続されている。第２の２次側コイル部１５６は、１次側コイル基板１５５と、第２の伝熱シートの一実施例である伝熱シート１５７とに熱的に接続されている。Ｅ型磁性体コア１５２は、Ｉ型磁性体コア１５１と熱的に接続されている。伝熱シート１５７は、ベースプレート１００と熱的に接続されている。
【００３５】
ここで、本実施形態では、第１の２次側コイル部１５４は、伝熱シート１５３を介して、Ｉ型磁性体コア１５１及びベースプレート１００に熱を伝えることができるので、効果的に第１の２次側コイル部１５４を冷却することができる。
【００３６】
次に、第１の２次側コイル部１５４を冷却するための構造を図５乃至図７を参照して、より詳細に説明する。
【００３７】
図５は、本発明の一実施形態に係るベースプレートの一部分であってトランスが載置される部分の斜視図である。図６は、図５に示した部分にＩ型磁性体コア及び伝熱シートを載置した状態を示す斜視図である。図７は、図６に示したＩ型磁性体コア上の伝熱シートに第１の２次側コイル部を載置した状態を示す斜視図である。
【００３８】
ベースプレート１００には、図５に示すように、Ｉ型磁性体コア１５１を載置するための凹部１０２が形成され、Ｉ型磁性体コア１５１をベースプレート１００の凹部１０２に載置すると、Ｉ型磁性体コア１５１の上面と、ベースプレート１００の凹部１０２の周辺の上面１０３、１０４とが略面一となるようになっている。
【００３９】
このようなベースプレート１００に対して、Ｉ型磁性体コア１５１を載置し、その上に伝熱シート１５３を配置すると、図６に示すようになる。伝熱シート１５３は、Ｅ型磁性体コア１５２の脚部１５２ｂを通す開口１５３ａが形成されている。伝熱シート１５３の領域Ｒ１及び領域Ｒ２は、Ｉ型磁性体コア１５１の上面と接触する。伝熱シート１５３の領域Ｒ３は、ベースプレート１００の上面１０３と接触する。伝熱シート１５３の領域Ｒ４は、ベースプレート１００の上面１０４と接触する。このように、伝熱シート１５３は、ベースプレート１００及びＩ型磁性体コア１５１と、広範囲で接触することとなり、より効果的に熱を伝えることができる。
【００４０】
このような、伝熱シート１５３に対して、第１の２次側コイル部１５４が配置されると、図７に示すようになる。第１の２次側コイル部１５４は、Ｅ型磁性体コア１５２の脚部１５２ｂを通す開口１５４ａが形成され、略Ｃ字状となっている。図６及び図７を参照するとわかるように、伝熱シート１５３は、第１の２次側コイル部１５４の下側にある大部分の領域（ｒ１〜ｒ５）を合わせた第１の２次側コイル部１５４の平面部の形状と略同様な形状をしており、広範囲で、第１の２次側コイル部１５４と接触するようになっている。具体的には、第１の２次側コイル部１５４の領域ｒ１と、伝熱シート１５３の領域Ｒ１とが接触し、第１の２次側コイル部１５４の領域ｒ２と、伝熱シート１５３の領域Ｒ２とが接触し、第１の２次側コイル部１５４の領域ｒ３と、伝熱シート１５３の領域Ｒ３とが接触し、第１の２次側コイル部１５４の領域ｒ４及びｒ５と、伝熱シート１５３の領域Ｒ４とが接触する。
【００４１】
このように、伝熱シート１５３は、第１の２次側コイル部１５４の大部分の領域（ｒ１〜ｒ５）と接触するようになっているので、第１の２次側コイル部１５４の熱を効果的に伝熱シート１５３に伝えることができる。したがって、第１の２次側コイル部１５４の熱を、伝熱シート１５３を介して、ベースプレート１００に効果的に伝えることができ、冷却効果が向上する。
【００４２】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態に限られず、他の様々な態様に適用可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態では、Ｉ型磁性体コア１５１と、Ｅ型磁性体コア１５２とを組み合わせる例を示していたが、本発明はこれに限られず、Ｅ型磁性体コアと、Ｅ型磁性体コアとを組み合わせる場合であってもよい。この場合、ベースプレート１００に載置するＥ型磁性体コアの上方の脚部以外の面と、ベースプレートの周辺の面とが略面一となるようにすればよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、伝熱シート１５３を第１の２次側コイル部１５４の下面の形状と略同じようにしていたが、第１の２次側コイル部１５４の下面の形状を包含する、より大きな形状としてもよい。このようにすると、伝熱シートと、ベースプレート１００との接触面積をより広くすることができ、伝熱シートからベースプレート１００への伝熱効率をより向上することができる。
【００４５】
また、上記実施形態では、ねじ２０１によりトランス１００をベースプレート１５０に固定していたが、ねじ２０１の代わりにリベット等の部材を用いて固定してももちろん良い。
【符号の説明】
【００４６】
１０  ＤＣ−ＤＣコンバータ、１００  ベースプレート、１１０  入力平滑部、１２０  制御部、１３０  制御部基板、１４０  スイッチング部、１５０  トランス、１５１  Ｉ型磁性体コア、１５２  Ｅ型磁性体コア、１４２,１５３,１５７  伝熱シート、１５４  第１の２次側コイル部、１５５  １次側コイル基板、１５６  第２の２次側コイル部、１６０  整流部、１７０  出力平滑部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013150414.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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