特許 7490400 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240520BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020044046

(22)【出願日】2020-03-13

(65)【公開番号】P2021145521

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2022-06-20

【審判番号】

【審判請求日】2023-08-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】柴田 晃志

(72)【発明者】

【氏名】竹内 崇

(72)【発明者】

【氏名】長江 功貴

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 寿晃

(72)【発明者】

【氏名】尾下 慶明

【合議体】

【審判長】須田 勝巳

【審判官】山崎 慎一

【審判官】吉田 美彦

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／０３３８５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２８０９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４７７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１２８３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－８７５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第６４１４８５０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H02M7/48

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スイッチング素子を備える電力変換装置であって、
前記電力変換装置は、ボディアースされる筐体を有し、
前記筐体は、
遮蔽壁が立設されたベース部材と、
前記ベース部材の開口部を塞ぐカバー部材とを備え、
前記遮蔽壁の端部と前記カバー部材との間には回路基板が配置され、
前記回路基板は、前記遮蔽壁に沿って複数のスルーホールを有し、
前記回路基板の前記遮蔽壁に対応する前記ベース部材側と前記カバー部材側の少なくとも一方に、はんだを形成してなり、
前記スルーホールが前記回路基板のグランドパターンに接続されており、
前記はんだが、前記遮蔽壁の端部または前記カバー部材に接触されていることにより、前記スルーホールと前記はんだとが同電位かつグランド電位になっている、ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

スイッチング素子を備える電力変換装置であって、
前記電力変換装置は、ボディアースされる筐体を有し、
前記筐体は、
遮蔽壁が立設されたベース部材と、
前記ベース部材の開口部を塞ぐカバー部材とを備え、
前記遮蔽壁の端部と前記カバー部材との間には回路基板が配置され、
前記回路基板は、前記遮蔽壁に沿って複数のスルーホールを有し、
前記回路基板の前記ベース部材側と前記カバー部材側の少なくとも一方に、前記遮蔽壁に沿ってはんだを形成してなり、
前記スルーホールが前記回路基板のグランドパターンに接続されており、
前記はんだが、前記回路基板のグランドパターンに接続されていることにより、前記スルーホールと前記はんだとが同電位かつグランド電位になっている、ことを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示の電力変換装置においては、底面全面と側面が金属材料で形成された上面が開放のケースと、ケースの上面を覆う金属材料で形成されたカバー部材を設け、ケースの底面から鉛直方向に遮蔽壁を立設して、遮蔽壁により隔離された第１の収容部と第２の収容部を形成している。第１の収容部には入力フィルタ回路部を収納し、第２の収容部にはパワー系主回路部と制御回路部と出力フィルタ回路部を収納し、カバー部材は遮蔽壁に当接するようにしている。入力フィルタ回路部を構成する部品間を電気的に接続する多層プリント基板と、パワー系主回路部と制御回路部と出力フィルタ回路部を構成する部品間を電気的に接続する多層プリント基板を分離している。基板を分割して筐体内に壁を設置することで電気的ノイズを遮蔽する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－７５９１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで基板間の接続構造を省くために、入力フィルタ回路部を構成する部品と、パワー系主回路部と制御回路部と出力フィルタ回路部を構成する部品とを一枚の基板上に配置しようとすると、遮蔽壁を避けるように基板に切り込みを形成して、切り込みに遮蔽壁が通るようにする必要があるので、回路基板が撓みやすく撓みによって、基板に形成したはんだや基板実装部品にストレスが加わりやすい。

【0005】

本発明の目的は、遮蔽構造でも回路基板の強度を確保することができる電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための電力変換装置は、スイッチング素子を備える電力変換装置であって、遮蔽壁が立設されたベース部材と、前記ベース部材の開口部を塞ぐカバー部材と、前記遮蔽壁の端部と前記カバー部材との間に配置された回路基板と、を備え、前記回路基板は、前記遮蔽壁に沿って複数のスルーホールを有することを要旨とする。

【0007】

これによれば、回路基板は遮蔽壁とカバー部材との間に配置されており、遮蔽壁に沿う複数のスルーホールによりノイズを遮蔽することができる。よって、回路基板には切り込みが形成されていないことから、回路基板が撓みにくく撓みによる、回路基板に形成したはんだや基板実装部品のストレスを抑制できる。その結果、遮蔽構造でも回路基板の強度を確保することができる。

【0008】

また、電力変換装置において、前記スルーホールが回路基板のグランドパターンに接続されているとよい。
また、電力変換装置において、前記回路基板の前記遮蔽壁に対応する前記ベース部材側と前記カバー部材側の少なくとも一方に、はんだを形成してなるとよい。

【0009】

また、電力変換装置において、前記はんだが、前記遮蔽壁の端部または前記カバー部材に接触しているとよい。
また、電力変換装置において、前記はんだが、回路基板のグランドパターンに接続されているとよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、遮蔽構造でも回路基板の強度を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態における電力変換装置の分解斜視図。

【図2】（ａ）は電力変換装置の一部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線での縦断面図。

【図3】カバー部材を取り外した状態での電力変換装置の一部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線での縦断面図。

【図4】（ａ）はカバー部材及び回路基板を取り外した状態での電力変換装置の一部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線での縦断面図。

【図5】（ａ）は回路基板の一部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線での縦断面図。

【図6】回路基板の一部平面図。

【図7】図６のＡ－Ａ線での縦断面図。

【図8】図６のＢ－Ｂ線での縦断面図。

【図9】電力変換装置の電気的構成を示す回路図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図９に示すように、スイッチング素子を備える電力変換装置１０は、入力端子から高電圧直流電圧を入力するとともに、出力端子から交流電圧を出力する。例えば、車載機器であって、車載蓄電装置から高電圧直流電圧を入力して１００Ｖの交流として出力するものを挙げることができる。

【0013】

電力変換装置１０は、入力端子側から出力端子側に向かって、順に、入力フィルタ回路としての高圧入力ノイズフィルタ１１、昇圧回路１２、ＤＣ／ＤＣ回路１３、ＤＣ／ＡＣ回路１４、及び、ＡＣ出力ノイズフィルタ１５を有する。

【0014】

高圧入力ノイズフィルタ１１は、チョークコイルＬｃｈと、チョークコイルＬｃｈの入力側において直列接続された一対のコンデンサＣ１，Ｃ２と、チョークコイルＬｃｈの出力側において直列接続された一対のコンデンサＣ３，Ｃ４と、一対のコンデンサＣ３，Ｃ４に並列接続されたコンデンサＣ５とにより構成されている。

【0015】

昇圧回路１２は、コイルＬ１と、スイッチング用トランジスタＱ１と、ダイオードＤ１とにより構成されている。
ＤＣ／ＤＣ回路１３は、トランスＴｒと、トランスＴｒの一次側において直列接続された一対のコンデンサＣ６，Ｃ７と、トランスＴｒの一次側において直列接続された一対のスイッチング用トランジスタＱ２，Ｑ３と、トランスＴｒの二次側において直列接続された一対のダイオードＤ２，Ｄ３と、トランスＴｒの二次側において直列接続された一対のダイオードＤ４，Ｄ５と、トランスＴｒの二次側に接続されたコンデンサＣ８とにより構成されている。

【0016】

ＤＣ／ＡＣ回路１４は、抵抗Ｒ１と、直列接続された一対のスイッチング用トランジスタＱ４，Ｑ５と、直列接続された一対のスイッチング用トランジスタＱ６，Ｑ７とにより構成されている。

【0017】

ＡＣ出力ノイズフィルタ１５は、コイルＬ２と、コイルＬ３と、コンデンサＣ９と、直列接続された一対のコンデンサＣ１０，Ｃ１１とにより構成されている。
電力変換装置１０の具体的構成について、図１～図８を用いて説明する。

【0018】

なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
図１、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、電力変換装置１０は、ボディアースされる筐体２０を有し、筐体２０内に図９に示した電力変換装置１０を構成する各種部品及び回路基板５０が収納されている。筐体２０は、上面が開口する四角箱状のベース部材３０と、ベース部材３０の開口部を塞ぐ四角板状のカバー部材４０とにより構成されている。カバー部材４０は、ベース部材３０に、ねじ止めされる。ベース部材３０はアルミよりなり、カバー部材４０は鉄よりなる。カバー部材４０とベース部材３０とは、ねじ締結により電気的に繋がっている。

【0019】

四角箱状のベース部材３０は、底面部３０ａと、対向する一対の側面部３０ｂ，３０ｃと、対向する一対の側面部３０ｄ，３０ｅと、を有する。側面部３０ｂには入力コネクタ６０及び出力コネクタ６１がＹ方向に離間して配置されている。入力コネクタ６０は、側面部３０ｂにおける側面部３０ｄに接近する位置に設けられている。入力コネクタ６０は、側面部３０ｂを貫通する状態で固定されている。出力コネクタ６１は、側面部３０ｂにおける側面部３０ｅに近い位置に設けられている。出力コネクタ６１は、側面部３０ｂを貫通する状態で固定されている。

【0020】

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、筐体２０の内部における側面部３０ｂと側面部３０ｄとでなす角部には、高圧入力ノイズフィルタ１１の構成部品１００が配置される。つまり、図９におけるチョークコイルＬｃｈ、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５が配置される。

【0021】

筐体２０の内部におけるベース部材３０には、入力フィルタ回路としての高圧入力ノイズフィルタ１１の構成部品１００を仕切るように遮蔽壁３１が立設されている。遮蔽壁３１は、図４（ｂ）に示すように、ベース部材３０の底面からカバー部材４０に向かってＺ方向に延びている。遮蔽壁３１は、図４（ａ）に示すように、平行部３１ａと斜状部３１ｂを有する。平行部３１ａは、側面部３０ｄと平行にＸ方向に延びている。斜状部３１ｂは、平行部３１ａにおける側面部３０ｂに接近する側から延び、側面部３０ｄから離間する方向に斜めに延びて側面部３０ｂにつながっている。平行部３１ａの端部に、ねじ孔３６が形成されている。平行部３１ａと斜状部３１ｂとの境界部分に、ねじ孔３５が形成されている。斜状部３１ｂにおける側面部３０ｂ側に、ねじ孔３４が形成されている。

【0022】

図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、回路基板５０は、筐体２０（ベース部材３０）内において遮蔽壁３１の端部３７とカバー部材４０との間に配置される。

【0023】

ベース部材３０上に回路基板５０が、ねじ締結されている。詳しくは、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、ベース部材３０の側面部３０ｄに、ねじ孔３２，３３が形成されている。また、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、回路基板５０に貫通孔５１，５２，５３，５４，５５が形成されている。そして、図１、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、ねじＳｃ１が貫通孔５１を通してねじ孔３２に螺入される。ねじＳｃ２が貫通孔５２を通してねじ孔３３に螺入される。ねじＳｃ３が貫通孔５３を通してねじ孔３４に螺入される。ねじＳｃ４が貫通孔５４を通してねじ孔３５に螺入される。ねじＳｃ５が貫通孔５５を通してねじ孔３６に螺入される。遮蔽壁３１の端部３７にねじ孔３４，３５，３６を形成し、回路基板５０をねじ締結することで、後述するようにはんだ（はんだ山）９０が、遮蔽壁３１の端部３７に確実に接触させることができる。なお、図示しないがベース部材３０と回路基板５０は別の部位においても、ベース部材に設けられたボスにねじ締結されている。そして、その上からカバー部材４０が図示しないねじによってねじ締結されている。

【0024】

図５（ａ）、図５（ｂ）、図６、図８に示すように、回路基板５０は、遮蔽壁３１に沿って複数のスルーホール７０及び複数のスルーホール８０を有する。スルーホール７０，８０は、回路基板５０を貫通する孔に、銅めっきによって導体を形成した、めっきスルーホールである。

【0025】

複数のスルーホール７０は、平面視（図３（ａ）参照）において遮蔽壁３１の配置箇所から一方側において遮蔽壁３１から離間した位置に遮蔽壁３１に沿って形成されている。複数のスルーホール８０は、平面視において遮蔽壁３１の配置箇所から他方側において遮蔽壁３１から離間した位置に遮蔽壁３１に沿って形成されている。

【0026】

図６、図８に示すように、スルーホール７０が回路基板５０のグランドパターン１１０に接続されている。スルーホール８０が回路基板５０のグランドパターン１１１に接続されている。

【0027】

図５（ａ）、図５（ｂ）、図６、図７に示すように、回路基板５０における遮蔽壁３１に対応する位置でのベース部材３０側に、ダミーのはんだ（はんだ山）９０が断続的に形成されている。また、回路基板５０における遮蔽壁３１に対応する位置でのカバー部材４０側に、ダミーのはんだ（はんだ山）９１が断続的に形成されている。図３（ａ）で説明すると、はんだ（はんだ山）９０及びはんだ（はんだ山）９１は、平面視において遮蔽壁３１に重なるように配置されている。このように、回路基板５０の遮蔽壁３１に対応するベース部材３０側に、はんだ（はんだ山）９０が形成されるとともにカバー部材４０側に、はんだ（はんだ山）９１が形成されている。はんだ（はんだ山）９０及びはんだ（はんだ山）９１を断続的に形成したのは、連続的に延設すると長手方向（延設方向）において高さを一定にすることが難しくなるためである。

【0028】

なお、回路基板５０におけるベース部材３０側とカバー部材４０側の少なくとも一方に、はんだ（はんだ山）９０，９１が形成されていればよい。
図８に示すように、はんだ（はんだ山）９０が、遮蔽壁３１の端部３７に接触している。はんだ（はんだ山）９１が、カバー部材４０に接触している。

【0029】

なお、はんだ（はんだ山）９０，９１が、遮蔽壁３１の端部３７またはカバー部材４０に接触していてもよいし、他にも、はんだ（はんだ山）９０，９１が、回路基板５０のグランドパターン１１０に接続されていてもよい。

【0030】

このようにして、スルーホール７０，８０とはんだ（はんだ山）９０，９１とは、グランドパターン（導体パターン）１１０，１１１と繋がっている等により、同電位かつグランド電位となっている。

【0031】

次に、作用について説明する。
筐体２０の内部において昇圧回路１２のスイッチング用トランジスタＱ１のスイッチング動作に伴いノイズが発生する。また、ＤＣ／ＤＣ回路１３のスイッチング用トランジスタＱ２，Ｑ３のスイッチング動作に伴いノイズが発生する。さらに、ＤＣ／ＡＣ回路１４のスイッチング用トランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７のスイッチング動作に伴いノイズが発生する。

【0032】

発生したノイズは、高圧入力ノイズフィルタ１１の構成部品１００の周りに遮蔽壁３１が形成されているので高圧入力ノイズフィルタ１１に対し遮蔽される。また、回路基板５０は、遮蔽壁３１に沿って複数のスルーホール７０及び複数のスルーホール８０を有するので、ノイズは高圧入力ノイズフィルタ１１に対し遮蔽される。さらに、回路基板５０の遮蔽壁３１に対応するベース部材３０側及びカバー部材４０側に、はんだ（はんだ山）９０，９１が形成されているので、ノイズは高圧入力ノイズフィルタ１１に対し遮蔽される。

【0033】

このようにして、一枚の基板を用いたノイズ遮蔽構造とすべく、電気的ノイズの遮蔽能力が高められた一体基板、即ち、電気的経路を遮断しない構造にできる。つまり、一枚基板にすることで、電気的経路を遮断しないようにできる。

【0034】

また、はんだ（はんだ山）９０，９１を設置することで回路基板５０と遮蔽壁３１の隙間、及び、回路基板５０とカバー部材４０の隙間を低減し、ノイズ遮蔽能力を高めることができる。

【0035】

また、スルーホール７０，８０を設置し、回路基板５０内のノイズ遮蔽能力を高めることができる。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0036】

（１）スイッチング素子としてのスイッチング用トランジスタＱ１～Ｑ７を備える電力変換装置１０の構成として、入力フィルタ回路としての高圧入力ノイズフィルタ１１の構成部品１００を仕切るように遮蔽壁３１が立設されたベース部材３０と、ベース部材３０の開口部を塞ぐカバー部材４０と、遮蔽壁３１の端部３７とカバー部材４０との間に配置された回路基板５０と、を備え、回路基板５０は、遮蔽壁３１に沿って複数のスルーホール７０，８０を有する。これによれば、回路基板５０は遮蔽壁３１とカバー部材４０との間に配置されており、遮蔽壁３１に沿う複数のスルーホール７０，８０によりノイズを遮蔽することができる。よって、回路基板５０には切り込みが形成されていないことから、回路基板５０が撓みにくく撓みによる、回路基板５０に形成したはんだや基板実装部品のストレスを抑制できる。その結果、遮蔽構造でも回路基板５０の強度を確保することができる。

【0037】

（２）スルーホール７０，８０が回路基板５０のグランドパターン１１０，１１１に接続されているので、ノイズをより遮蔽することができる。
（３）回路基板５０の遮蔽壁３１に対応するベース部材３０側とカバー部材４０側の少なくとも一方に、はんだ（はんだ山）９０，９１を形成しているので、ノイズをより遮蔽することができる。

【0038】

（４）はんだ（はんだ山）９０，９１が、遮蔽壁３１の端部３７またはカバー部材４０に接触しているので、ノイズをより遮蔽することができる。
（５）はんだ（はんだ山）９０，９１が、回路基板５０のグランドパターン１１０に接続されていると、ノイズをより遮蔽することができる。

【0039】

（６）スルーホール７０，８０、はんだ（はんだ山）９０，９１の形成は通常の回路基板の製造プロセスで形成可能である。したがって追加の工程は必要ない。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

【0040】

○ 回路基板５０に、ダミーのはんだ（はんだ山）９０，９１を実装したが、これに代わり、ダミー導体部品（銅ロック等）を表面実装してもよい。
○ 複数のスルーホール７０、複数のスルーホール８０は、平面視において遮蔽壁３１の配置箇所から離間した位置に遮蔽壁３１に沿って形成したが、複数のスルーホール７０，８０は、平面視において遮蔽壁３１の配置箇所において遮蔽壁３１に沿って形成してもよい。

【0041】

〇 グランドパターン１１０，１１１は図６に示すようにスルーホール７０，８０をそれぞれつなぐように形成されていなくてもよい。スルーホール７０，８０およびはんだ９０，９１をすべて繋ぐように、遮蔽壁３１の端部３７よりも幅広のパターンで形成されていてもよい。

【0042】

〇 遮蔽壁３１の端部３７の全長に渡って、スルーホール７０，８０、はんだ９０，９１が形成されていなくても、一部分に形成されていればよい。
〇 スルーホール７０とスルーホール８０はいずれか一方でもよい。

【0043】

○ 電力変換装置１０は、直流を入力して交流を出力するものに限ることなく、他の電力変換装置、例えばＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。

【符号の説明】

【0044】

１０…電力変換装置、３０…ベース部材、３１…遮蔽壁、３７…端部、４０…カバー部材、５０…回路基板、７０，８０…スルーホール、９０，９１…はんだ、１１０，１１１…グランドパターン、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７…スイッチング用トランジスタ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】