(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板状の放熱プレート、
入力直流電力を交流電力に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータ、
コアに巻装された一次コイル及び二次コイルを有して前記交流電力の電圧を変換するトランス、
前記トランスの出力電力を整流する整流器、
コアに巻装されたコイルを有して前記整流器の出力電力を平滑するチョークコイル、
前記スイッチング素子を制御する制御部、
前記インバータの一対の出力端子と前記一次コイルの両端とを個別に接続する一次側ブスバー、及び、
前記二次コイルと前記整流器又は前記チョークコイルとを接続する二次側ブスバー、
を備えるＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記各コイル及び前記両ブスバーのほとんどを囲覆する樹脂成形品からなる樹脂プレートを有し、
前記樹脂プレートの底面は、前記放熱プレートの表面に密着して前記放熱プレートに固定され、前記樹脂プレートは、前記各コイル及び前記両ブスバーの熱を前記放熱プレートに固体伝熱により放熱することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記各コイルの各ターンは、裸のブスバーにより形成され、前記樹脂プレートは、前記各ターン間の電気絶縁材として機能することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記ブスバーは、前記コイルと同一の導体片により形成されていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記コアは、
底面が前記放熱プレートの表面に密着する基部と、前記基部から前記樹脂プレートのコア貫通孔を貫通して突出する複数の柱部とを有する下側コア部と、
前記各柱部の頂面に接して前記下側コア部とともに閉磁気回路を構成する上側コア部と、
からなることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
請求項４記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記樹脂プレートは、前記制御部及び小電流回路部品が上面に実装される薄平板状の回路実装基板部を一体に又は分離可能に支持していることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項６】
請求項５記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記回路実装基板部の前記上面は、前記樹脂プレートの他の部分の上面に対して平坦に形成されていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか記載のＤＣ−ＤＣコンバータの製造方法において、
前記両コイル、前記チョークコイル、前記両ブスバーは、インサート成形されて前記樹脂プレートに埋設されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド車を含む電気自動車では走行用モータへは高圧の主バッテリから給電し、種々の補機へは低圧の補機バッテリから給電する二電源方式が種々の点で有益である。通常の内燃機関車においても種々の要因により高圧の主バッテリ及び低圧負荷給電用の補機バッテリの両方を搭載する二バッテリ電源系を搭載する機運が生じている。この二電源方式の車両用電源系では、補機バッテリを小容量とし、主バッテリから降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置を通じて補機バッテリに送電するのが種々の点で合理的な選択である。
【０００３】
この降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、入力直流電圧から単相交流電圧を形成するインバータ、この単相交流電圧の降圧を行うトランス、このトランスの出力電圧を整流する整流器、整流された電圧を平滑するチョークコイル及び平滑コンデンサからなる平滑回路から通常、構成されるが、降圧トランスの二次コイルを中間端子付きとして整流部を単相全波整流方式で構成するのが通常である。
【０００４】
ＤＣ−ＤＣコンバータは少なくとも車両の低圧負荷供給電力のすべてを賄うために、出力電流が大きくする必要があり、そのため、トランス及びチョークコイルの各コイル、これら各コイルに接続される配線部分はブスバーすなわち長板状導体片により構成される。
【０００５】
また、上記大出力ＤＣ−ＤＣコンバータの具体構造は通常、次のようになる。
【０００６】
まず、インバータのスイッチング素子を構成する半導体素子、整流器、トランスやチョークコイルのコアは、それらの放熱のために、金属製の放熱プレートの表面に良好に密着される。制御用のコントローラやその他の小電流回路素子は放熱プレートに固定されたプリント基板に実装される。トランスやチョークコイルのコイルを、ブスバーをリング状に湾曲させて形成し、各コイルの各ターン間の電気絶縁及び外部からの電気絶縁のために、ブスバー製のコイルを樹脂モールドして電気絶縁を行う。各コイル、整流器、スイッチング素子の主電極を接続するブスバーを上記プリント基板及びその上のコントローラやその他の小電流回路素子に触れないように配線し、コイル、スイッチング素子、整流器の端子に接続する。
【０００７】
従来のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を図７に示す。ただし、ブスバーは図示省略している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した大電流ＤＣ−ＤＣコンバータは、製造工程が複雑であり、作業が簡単でないという問題があった。
【０００９】
また、ブスバーの温度は、それ自身の発熱、及び、接続されるコイルや半導体素子からの受熱により増加するが、密閉された回路ケース内では、ブスバーの空気への放熱量が小さく、ブスバーの温度上昇が他の回路素子に悪影響を与えるという問題を生じた。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、製造が容易で、放熱性にも優れるＤＣ−ＤＣコンバータ及びその製造方法を提供することを、その目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、金属板状の放熱プレート、入力直流電力を交流電力に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータ、コアに巻装された一次コイル及び二次コイルを有して前記交流電力の電圧を変換するトランス、
前記トランスの出力電力を整流する整流器、コアに巻装されたコイルを有して前記整流器の出力電力を平滑するチョークコイル、前記スイッチング素子を制御する制御部、前記インバータの一対の出力端子と前記一次コイルの両端とを個別に接続する一次側ブスバー、及び、前記二次コイルと前記整流器又は前記チョークコイルとを接続する二次側ブスバーを備えるＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記各コイル及び前記両ブスバーのほとんどを囲覆する樹脂成形品からなる樹脂プレートを有し、前記樹脂プレートの底面は、前記放熱プレートの表面に密着して前記放熱プレートに固定され、前記樹脂プレートは、前記各コイル及び前記両ブスバーの熱を前記放熱プレートに固体伝熱により放熱することを特徴としている。
【００１２】
すなわち、本構成は、ＤＣ−ＤＣコンバータの大電流配線部材としてのブスバーと、トランス及びチョークコイルのブスバー製のコイルとのほとんどの部分を、樹脂成形品からなる樹脂成形品である樹脂プレートで囲覆することによって、各コイル及び各ブスバーを一体のブスバーサブアセンブリとした点をその特徴としている。
【００１３】
上記構成により、各ブスバー及び各コイルの相互の位置関係があらかじめ決定されているので、所定部位への設置作業、及び、それらの相互接続作業が簡単となり、それらの接続部分が振動などで緩むこともなく、他の回路部品からそれらを電気絶縁するのも容易となる。更に、ブスバーは樹脂プレートを通じて放熱プレートに密着するので、ブスバーは固体伝熱により放熱プレートに放熱することができ、ブスバーの冷却性を向上することができる。
【００１４】
請求項２記載の構成は請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて更に、前記各コイルの各ターンが、裸のブスバーにより形成され、前記樹脂プレートは、前記各ターン間の電気絶縁材として機能することを特徴としている。
【００１５】
すなわち、本構成によれば、トランスの一次コイル、二次コイル及びチョークコイルのコイルは、樹脂インサート成形により同じ樹脂プレートに囲覆され、相互の配置が決定される。
【００１６】
このようにすれば、各コイルの隣接ターン間を良好に電気絶縁するとともにトランスのコイルとチョークコイルのコイルとの相互の位置関係を精密に設定することができるので、その後のトランスやコアの組立及び取り付け作業が非常に容易となる。また、樹脂プレートを放熱プレートに固定することにより、トランスのコアやチョークコイルのコアを良好に放熱プレートに密着、固定することができる。
【００１７】
請求項３記載の構成は請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて更に、前記ブスバーが、前記コイルと同一の導体片により形成されているので、部品点数、接続工程数を減らすことができる。
【００１８】
請求項４記載の構成は請求項１乃至３のいずれか記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて更に、前記コアが、底面が前記放熱プレートの表面に密着する基部と、前記基部から前記樹脂プレートのコア貫通孔を貫通して突出する複数の柱部とを有する下側コア部と、前記各柱部の頂面に接して前記下側コア部とともに閉磁気回路を構成する上側コア部とからなるので、コアの柱部を樹脂プレートのコア貫通孔に挿通し、樹脂プレートを放熱プレートに固定するだけで、コアの固定及び放熱プレートへの密着を良好に実現することができる。
【００１９】
請求項５記載の構成は請求項４記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて更に、前記樹脂プレートは、前記制御部及び小電流回路部品が上面に実装される薄平板状の回路実装基板部を一体に又は分離可能に支持しているので、回路実装基板部の支持構造が簡素化し、ブスバーと回路実装基板部の配線との位置合わせや接続作業も容易となる。なお、従来は、プリント基板すなわち回路実装基板部やブスバーはケースに電気絶縁可能に支持されていた。更に樹脂プレート表面に導体箔を貼付するなどすれば、樹脂プレート自体が回路実装基板部を兼ねることもでき、一層、全体構造及び取り付け作業を簡素化することができる。
【００２０】
請求項６記載の構成は請求項５記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて更に、前記回路実装基板部の前記上面は、前記樹脂プレートの他の部分の上面に対して平坦に形成されているので、この樹脂プレートの上面への回路素子実装が容易となる。
【００２１】
請求項７記載の構成は請求項１乃至６のいずれか記載のＤＣ−ＤＣコンバータの製造方法において更に、前記両コイル、前記チョークコイル、前記両ブスバーは、インサート成形されて前記樹脂プレートに埋設されることを特徴としているので、製造工程を簡素化することができる。
【００２２】
【発明を実施するための態様】
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを用いた二バッテリ搭載型車両用の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００２３】
【実施例１】
この実施例の降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ装置を図１に示すその回路図を参照して以下に説明する。
（回路構成）
１はＤＣ−ＤＣコンバータ、Ｖ１は高圧バッテリ、Ｖ２は低圧バッテリである。
【００２４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１において、２はインバータ、３はトランス、４１、４２は整流部をなす一対のダイオード（整流器）、５は平滑用のチョークコイル、６は平滑コンデンサ、７はコントローラである。
【００２５】
トランス３は、フェライト製のコア３０、一次コイル３１、第一の二次コイル３２及び第二の二次コイル３３を有している。二次コイル３２、３３の一端は接地され、他端はダイオード４１、４２を通じてチョークコイル５に接続されている。
【００２６】
インバータ２から出力された高圧交流電圧は、トランス３で降圧される。両二次コイル３２、３３は異なる半波期間ごとに交互に半波整流電圧をダイオード４１、４２、チョークコイル５を通じて低圧バッテリＶ２に出力する。コントローラ７は、低圧バッテリＶ２の電圧を基準電圧と比較し、その比較結果に基づいて、インバータ２の４つのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ）２１〜２４のＰＷＭデューテイ比を増減し、送出する交流電力をフィードバック制御する。この種のＤＣ−ＤＣコンバータは周知であるので、これ以上の説明は省略し、この実施例の特徴部分を以下に説明する。
【００２７】
トランス３のコイル３１〜３３及びチョークコイル５のコイル５２は、ブスバーを巻回して構成されている。チョークコイル５は、フェライト製のコア５１にコイル５２を巻装して構成されている。
【００２８】
８１は一次側ブスバー、８２は二次側ブスバーである。一次側ブスバー８１は、ブスバー８１１〜８１４からなる。ブスバー８１１は一次コイル３１の一端とブスバー８１３とを接続し、ブスバー８１３は一対のスイッチング素子２３、２４の接続点（交流出力端）に接続され、ブスバー８１２は一次コイル３１の他端とブスバー８１３とを接続し、ブスバー８１４は一対のスイッチング素子２１、２２の接続点（交流出力端）に接続されている。ブスバー８１１、８１２は一次コイル３１を延長して構成されている。
【００２９】
二次側ブスバー８２は、ブスバー８２１〜８２６からなる。ブスバー８２１は二次コイル３２の一端とダイオード４１のアノードとを接続し、ブスバー８２２は二次コイル３３の一端とダイオード４２のアノードとを接続している。ブスバー８２３はベースプレート５１に接続されている。一端がダイオード４１、４２のカソードに接続されたブスバー８２４、８２５の各他端は、チョークコイル５のコイル５２を延長して形成されたブスバー８２４に接続されている。
【００３０】
８は、上記した各ブスバーと、コイル３１〜３３及び５２を囲覆、固定する樹脂プレートである。
【００３１】
この樹脂プレート８は、開口（孔）８１から８４を有している。孔８１はトランス３のコア３２が貫通する孔であり、孔８２、８３にはダイオード４１、４２が配置され、孔８４はチョークコイル５のコア５１が貫通する孔である。
【００３２】
したがって、ブスバーを巻回してなるコイル３１〜３３、５２と各ブスバー８１１〜８１４、８２１〜８２６は、それらのほとんどを囲覆する樹脂プレート８とともに、一つのブスバーサブアセンブリと名付けた部品を構成している。
【００３３】
ブスバー８１４の両端部は樹脂プレート８から突出してスイッチング素子２１、２２の主電極に接続されている。ブスバー８２３の先端部は樹脂プレート８から突出して後述するアルミ板製の放熱プレート９に接続されている。コイル５２の一端を延長してなるブスバー８２７は樹脂プレート８から突出して、平滑コンデンサ６に接続されている。
【００３４】
ブスバー８２１、８２２の出力側の端部は孔８２、８３に突出してダイオード４１、４２のアノードに接続されている。ブスバー８２４、８２５の一端部は孔８２、８３に突出してダイオード４１、４２のカソードに接続されている。
【００３５】
このＤＣ−ＤＣコンバータの縦断面を図２に示す。
【００３６】
アルミ板製の放熱プレート９の上面には樹脂プレート８の下面が密着している。各ブスバーは樹脂プレート８の内部において、できるだけ樹脂プレート８の下面に近接配置されて、各ブスバーから放熱プレート９への放熱性の向上を図っている。
【００３７】
トランス３のコア３０は、図２に示すように、断面Ｅ字形の下側コア部３０１と、上側コア部３０２を接着してなる。下側コア部３０１は、放熱プレート９の浅い凹部に着座した底板部と、この底板部から上方に突出する３本の支柱部とからなる。中央の支柱部には、ブスバーを巻回してなる一次コイル３１及び二つの二次コイル３２、３３が巻装されている。なお、これら一次コイル３１及び二つの二次コイル３２、３３の各ターンは互いに所定間隔を隔てて配置され、各ターン間には樹脂プレート８の樹脂が充填されているが、図２ではその詳細図示を省略する。
【００３８】
樹脂プレート８のトランス３のコイル３１〜３３内蔵部分近傍を図３に示す。８１a、８１b、８１cはＥ字形の下側コア部３０１の上記３本の支柱部が上下に貫通する孔であり、これら孔８１a、８１b、８１cは、図１に示すコア貫通孔８１を構成している。
【００３９】
チョークコイル５のコア５１も、図２に示すように、断面Ｅ字形の下側コア５１１と、上側コア部５１２とを接着してなる。下側コア部５１１は、放熱プレート９の浅い凹部に着座した底板部と、この底板部から上方に突出する３本の支柱部とからなる。中央の支柱部には、ブスバーを巻回してなるコイル５２が巻装されている。トランス３と同様に、コイル５２の各ターンは互いに所定間隔を隔てて配置され、各ターン間には樹脂プレート８の樹脂が充填されているが、図２ではその詳細図示を省略する。樹脂プレート８のチョークコイル５内蔵部分近傍を図４に示す。
【００４０】
図１、図２では図示を省略したが、樹脂プレート８以外の放熱プレート９の上方には、プリント基板が配置され、このプリント基板には制御部７をなすＩＣやその他の小回路部品が実装されている。
【００４１】
（変形態様）
変形態様を図５に示す。この態様は、図１において、ダイオード４１、４２に通電方向を逆に配置したものであり、樹脂プレート８がコイル３１〜３３、コイル５２及び各ブスバーを囲覆する点、樹脂プレート８の底面を放熱プレート９の上面に密着する点については、実施例１と同じである。本態様によれば、二次側ブスバーの構造を簡素化することができる。
【００４２】
なお、上記樹脂プレート８を含むブスバーサブアセンブリは樹脂インサート成形により形成され、放熱プレート９にネジにより締結される。
【００４３】
【実施例２】
実施例２を図６を参照して以下に説明する。図６は、樹脂プレート８のチョークコイル近傍を示す縦断面図である。
【００４４】
この実施例の特徴は、実施例１で説明した樹脂プレート８が、ブスバーやコイルを囲覆する厚い主部８ａの側端縁から放熱プレート９の上面に平行に薄い配線基板部８ｂをもつ点にある。すなわち、この実施例では、樹脂プレート８は、従来のプリント基板を兼ねる。
【００４５】
配線基板部８ｂにおいて、インサート成形時に、回路部品１０、１１のリード端子を挿入するリード孔が形成され、回路部品１０、１１のリード端子が挿入されてはんだ付けされる。
【００４６】
配線基板部８ｂの上面又は下面には銅箔をパターニングした一体の導体パターンが貼着され、貼着後にこの導体パターンの連結部分が配線基板部８ｂとともにパンチにより切除されて、配線基板部８ｂ上に必要数の導体パターンが必要形状に配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の車両用降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置を示す回路図である。
【図２】  図１の縦断面図である。
【図３】  図２の部分平面図である。
【図４】  図１の縦断面図である。
【図５】  図１の変形態様を示す回路図である。
【図６】  実施例２を示す縦断面図である。
【図７】  従来のＤＣ−ＤＣコンバータを示す模式斜視図である。
【符号の説明】
２  インバータ
３  トランス
４１、４２  ダイオード（整流器）
５  チョークコイル
【図１】
0004300717.tif 000002
【図２】
0004300717.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004300717.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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