(57)【要約】  基板に実装された発熱回路部品の熱を効率よく冷却体に放熱することができ、小型化が可能な電力変換装置を提供する。電力変換装置(１)は、一面を冷却体(３)に接合する半導体パワーモジュール(１１)と、前記半導体パワーモジュール(１１)を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板(２２)と、前記実装基板の熱を前記冷却体(３)に伝熱させる熱伝導路(３５)，(３７)とを備え、前記実装基板（２２）は、表裏両面に伝熱部材(２７)，(２８)が配置されている。
2013080441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面を冷却体に接合する半導体パワーモジュールと、
前記半導体パワーモジュールを駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板と、
前記実装基板の熱を前記冷却体に伝熱させる熱伝導路とを備え、
前記実装基板は、表裏両面に伝熱部材が配置された
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
電力変換用の半導体スイッチング素子をケース体に内蔵する半導体パワーモジュールと、
該半導体パワーモジュールの一方の面に配置された冷却体と、
該半導体パワーモジュールの他方の面上に支持される前記半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板とを備え、
前記実装基板は、表裏両面に個別に伝熱部材が配置され、前記発熱回路部品の発熱を、両伝熱部材を介し、さらに前記半導体パワーモジュール及び前記各実装基板を囲む筐体とは独立した複数の熱伝導路を通って前記冷却体に放熱する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記表裏両面に伝熱部材を配置した実装基板と、当該実装基板の少なくとも一方の面に対向する実装基板との間に、前記伝熱部材が中実状態で配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記熱伝導路は、前記表裏両面に伝熱部材を配置した実装基板における前記両伝熱部材の前記実装基板とは反対側の面にそれぞれ固定された一対の伝熱支持部材を備え、該一対の伝熱支持部材が前記冷却体に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記伝熱支持部材は、熱伝導率の高い金属材料で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記伝熱部材は、熱伝導性を有する絶縁体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記伝熱部材は、熱伝導性を有し且つ伸縮性を有する弾性体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記伝熱部材は、前記弾性体を所定圧縮率で圧縮した状態で固定されていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記伝熱部材には、前記弾性体の圧縮率を決定する間隔調整部材が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換用の半導体スイッチング素子を内蔵した半導体パワーモジュール上に、半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板を支持する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力変換装置としては、特許文献１に記載された電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、筐体内に、水冷ジャケットを配置し、この水冷ジャケット上に電力変換用の半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴを内蔵した半導体パワーモジュールを配置して冷却するようにしている。また、筐体内には、半導体パワーモジュールの水冷ジャケットとは反対側に所定距離を保って制御回路基板及び駆動回路基板を配置し、この制御回路基板及び駆動回路基板で発生する熱を、放熱部材を介して制御回路基板及び駆動回路基板を支持する金属ベース板に伝達し、さらに金属ベース板に伝達された熱を、この金属ベース板を支持する筐体の側壁を介して水冷ジャケットに伝達するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６５７３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、制御回路基板で発生する熱を、制御回路基板→放熱部材→金属ベース板→筐体→水冷ジャケットという経路で放熱するようにしている。このため、筐体が伝熱経路の一部として利用されることにより、筐体にも良好な伝熱性が要求されることになり、筐体形成材料が熱伝導率の高い金属に限定され、小型軽量化の要求される電力変換装置おいて、樹脂等の軽量な材料の選択が不可能となり軽量化が困難となるという未解決の課題がある。【０００５】
また、筐体には、防水・防塵が要求されることが多いため、金属ベース板と筐体との間、筐体と水冷ジャケットとの間には液状シール剤の塗布やゴム製パッキンの挟み込みなどが一般的に行われている。液状シール剤やゴム製パッキンは熱伝導率が一般的に低く、これらが熱冷却経路に介在することで熱抵抗が増え冷却効率が低下するという未解決の課題もある。この未解決の課題を解決するためには、基板や実装部品の除去しきれない発熱を筐体や筐体蓋からの自然対流による放熱も必要となり、筐体や筐体蓋の表面積を大きくするために、筐体や筐体蓋の外形が大きくなり電力変換装置が大型化することになる。【０００６】
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、基板に実装された発熱回路部品の熱を効率よく冷却体に放熱することができ、小型化が可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置の第１の態様は、一面を冷却体に接合する半導体パワーモジュールと、前記半導体パワーモジュールを駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板と、前記実装基板の熱を前記冷却体に伝熱させる熱伝導路とを備えている。そして、前記実装基板は、表裏両面に伝熱部材が配置されている。
この構成によると、実装基板に実装されている発熱回路部品の熱を表裏両面の伝熱部材を介して冷却体に放熱することができる。【０００８】
また、本発明に係る電力変換装置の第２の態様は、電力変換用の半導体スイッチング素子をケース体に内蔵する半導体パワーモジュールと、該半導体パワーモジュールの一方の面に配置された冷却体と、該半導体パワーモジュールの他方の面上に支持される前記半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した複数の実装基板とを備えている。そして、前記複数の実装基板のうち少なくとも１枚の実装基板は、表裏両面に個別に伝熱部材が配置され、前記発熱回路部品の発熱を、両伝熱部材を介し、さらに前記半導体パワーモジュール及び前記各実装基板を囲む筐体とは独立した複数の熱伝導路を通って前記冷却体に放熱するようにしている。【０００９】
この構成によると、実装基板に実装されている発熱回路部品の熱を表裏両面の伝熱部材を介して冷却体に放熱することができる。この場合、実装基板と冷却体との間の複数の熱伝導路が半導体パワーモジュール及び各実装基板を囲む筐体とは独立して形成されているので、筐体の熱伝導率を考慮することなく筐体を形成することができ、設計の自由度を向上できる。【００１０】
また、本発明に係る電力変換装置の第３の態様は、前記表裏両面に伝熱部材を配置した実装基板と、当該実装基板の少なくとも一方の面に対向する実装基板との間に、前記伝熱部材が中実状態で配置されている。
この構成によると、２枚の実装基板間に伝熱部材が中実状態で介在されているので、両実装基板間に空気層が形成されることないので、放熱効果を向上させることができる。【００１１】
また、本発明に係る電力変換装置の第４の態様は、前記熱伝導路が、前記表裏両面に伝熱部材を配置した実装基板における前記両伝熱部材の前記実装基板とは反対側の面にそれぞれ固定された一対の伝熱支持部材を備え、該一対の伝熱支持部材が前記冷却体に連結されている。
この構成によると、両面に伝熱部材を配置した実装基板が伝熱支持部材でサンドイッチ構造となるので、これら伝熱支持部材を通じての冷却体への放熱を効率よく行うことができる。【００１２】
また、本発明に係る電力変換装置の第５の態様は、前記伝熱支持部材が、熱伝導率の高い金属材料で構成されている。
この構成によると、実装基板を熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅等で構成するので、冷却体への放熱をより効率よく行うことができる。
また、本発明に係る電力変換装置の第６の態様は、前記伝熱部材が、熱伝導性を有する絶縁体で構成されている。
この第５の態様によると、伝熱部材が絶縁体で構成されているので、対向する実装基板同士の間隔を狭く設定することができ、電力変換装置を小型化することができる。【００１３】
また、本発明に係る電力変換装置の第７の態様は、前記伝熱部材が、熱伝導性を有し且つ伸縮性を有する弾性体で構成されている。
この構成によると、伝熱部材が伸縮性を有するので、実装基板に実装された発熱部品等の周囲に接触させることができ、接触面積を増加させて、放熱効果を向上させることができる。【００１４】
また、本発明に係る電力変換装置の第８の態様は、前記伝熱部材が、前記弾性体を所定圧縮率で圧縮した状態で固定されている。
この構成によると、弾性体を圧縮した状態で固定するので、実装基板に実装された発熱部品との接触をより良好に行うことができ、放熱効果を向上させることができる。
また、本発明に係る電力変換装置の第９の態様は、前記伝熱部材には、前記弾性体の圧縮率を決定する間隔調整部材が設けられている。
この構成によると、弾性体の圧縮率を間隔調整部材によって決定することができ、弾性体の圧縮率を一定値に容易に調整することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板の表裏両面に伝熱部材を配置し、これら両伝熱部材が熱伝導路を通って冷却体に連結されるようにしたので、実装基板の表裏の発熱を効率よく冷却体に放熱することができる。このため、筐体や筐体蓋からの放熱作用との併用を減少させることができ、筐体や筐体蓋の大きさを抑えて小型化された安価な電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る電力変換装置の第１の実施形態の全体構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態の要部を示す拡大断面図である。
【図３】実装基板、伝熱部材、伝熱支持板の積層状態を示す拡大断面図である。
【図４】発熱回路部品の放熱経路を説明する図である。
【図５】電力変換装置に対して上下振動や横揺れが作用した状態を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す図２と同様の断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態を示す図３と同様の拡大断面図である。
【図８】半導体パワーモジュールの冷却部材の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面について説明する。
図１は本発明に係る電力変換装置の全体構成を示す断面図である。
図中、１は電力変換装置であって、この電力変換装置１は筐体２内に収納されている。筐体２は、合成樹脂材を成形したものであり、水冷ジャケットの構成を有する冷却体３を挟んで上下に分割された下部筐体２Ａ及び上部筐体２Ｂで構成されている。
【００１８】
下部筐体２Ａは有底角筒体で構成されている。この下部筐体２Ａは開放上部が冷却体３で覆われ、内部に平滑用のフィルムコンデンサ４が収納されている。
上部筐体２Ｂは、上端及び下端を開放した角筒体２ａと、この角筒体２ａの上端を閉塞する蓋体２ｂとを備えている。そして、角筒体２ａの下端が冷却体３で閉塞されている。この角筒体２ａの下端と冷却体３との間には、図示しないが、液状シール剤の塗布やゴム製パッキンの挟み込みなどのシール材が介在されている。
【００１９】
冷却体３は、冷却水の給水口３ａ及び排水口３ｂが筐体２の外方に開口され、給水口３ａ及び排水口３ｂ間に冷却水通路３ｃが形成されている。これら給水口３ａ及び排水口３ｂは例えばフレキシブルホースを介して図示しない冷却水供給源に接続されている。この冷却体３は例えば熱伝導率の高い（例えば１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上）アルミニウム、アルミニウム合金を射出成形して形成されている。
【００２０】
そして、冷却体３は、下面が平坦面とされ、上面には中央部に平面から見て方形の凹部３ｄが形成されている。この凹部３ｄの中央部には、平面から見て方形の突出台部３ｅが形成され、この突出台部３ｅの周囲に角枠状の周溝３ｆが形成されている。この突出台部３ｅの高さは冷却体３の上面より低く、後述する伝熱支持側板３５及び３７の底板３９の厚みと略等しく設定されている。また、冷却体３には、下部筐体２Ａに保持されたフィルムコンデンサ４の絶縁被覆された正負の電極４ａを上下に挿通する挿通孔３ｇが形成されている。
【００２１】
電力変換装置１は、図２とともに参照して明らかなように、電力変換用の例えばインバータ回路を構成する半導体スイッチング素子として例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を内蔵した半導体パワーモジュール１１を備えている。
この半導体パワーモジュール１１は、扁平な直方体状の絶縁性のケース体１２内にＩＧＢＴを内蔵しており、ケース体１２の下面に金属製の冷却部材１３が形成されている。
【００２２】
ケース体１２及び冷却部材１３には平面からみて四隅に固定部材としての固定ねじ１４を挿通する挿通孔１５が形成されている。これら挿通孔１５内に固定ねじ１４を挿通し，固定ねじの雄ねじ部の先端を冷却体３に螺合させることにより、半導体パワーモジュール１１が冷却体３の上面に装着される。
また、ケース体１２の上面には、挿通孔１５の内側における４箇所に所定高さの基板固定部１６が突出形成されている。
【００２３】
この基板固定部１６の上端には、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴを駆動する駆動回路等が実装された駆動回路基板２１が固定されている。また、駆動回路基板２１の上方に所定間隔を保って半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴを制御する相対的に発熱量の大きい、又は発熱密度の大きい発熱回路部品を含む制御回路等を実装した実装基板としての制御回路基板２２が固定されている。
【００２４】
そして、駆動回路基板２１は、基板固定部１６に対向する位置に形成した挿通孔２１ａ内に継ぎねじ２４の雄ねじ部２４ａを挿通し、この雄ねじ部２４ａを基板固定部１６の上面に形成した雌ねじ部１６ａに螺合することにより固定されている。
また、制御回路基板２２は、図３に示すように、継ぎねじ２４の上端に形成した雌ねじ部２４ｂに対向する位置に形成した挿通孔２２ａ内に固定ねじ２５を挿通し、この固定ねじ２５を継ぎねじ２４の雌ねじ部２４ｂに螺合することにより固定されている。
【００２５】
ここで、駆動回路基板２１には、冷却体３による冷却を必要としない発熱量が小さい回路部品が実装されており、制御回路基板２２には、冷却体による冷却を必要とする発熱回路部品を含む回路部品２６が表裏両面に実装されている。
そして、制御回路基板２２は、表裏に伝熱部材２７及び２８が配置されている。これら伝熱部材２７及び２８は、伸縮性を有する弾性体で制御回路基板２２と同じ外形寸法に構成されている。
【００２６】
これら伝熱部材２７及び２８としては、例えば弾性体としてのシリコンゴムの内部に金属フィラーを介在させることにより絶縁性能を発揮しながら伝熱性を高めたものが適用されている。これら伝熱部材２７及び２８は、例えば厚み方向に５〜３０％程度に圧縮することにより、熱抵抗が減り効率良い伝熱効果を発揮することができる。
このため、各伝熱部材２７及び２８の制御回路基板２２とは反対側には、板状の伝熱支持板２９及び３０が配置されている。これら伝熱支持板２９及び３０は熱伝導率が高く（例えば１００Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上）剛性があるアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の金属材料で形成されている。
【００２７】
そして、伝熱支持板２９及び３０は伝熱支持板２９の上面側から伝熱部材２７、制御回路基板２２、伝熱部材２８を通じて伝熱支持板３０に形成された雌ねじ３０ａに螺合する固定ねじ３１によって固定されている。この伝熱支持板２９及び３０を固定する際に、伝熱部材２７及び２８に固定ねじ３１を挿通する間座３２及び３３を設けている。
これら間座３２及び３３は、伝熱部材２７及び２８の厚みＴより低い伝熱部材管理高さＨを有する間隔調整部材とされ、これら間座３２及び３３の高さが伝熱部材２７及び２８を厚み方向に５〜３０％程度圧縮する高さに設定されている。
【００２８】
したがって、伝熱支持板２９及び３０を固定ねじ３１で固定したときに、伝熱部材２７及び２８が厚み方向に５〜３０％程度に正確に圧縮されて固定され、伝熱部材２７及び２８の熱抵抗が減って効率の良い伝熱効果を発揮することができる。このとき、伝熱部材２７及び２８の圧縮率は間座３２及び３３の高さＨによって管理されるので、締め付け不足や締め付け過剰が生じることなく、適切な締め付けが行われる。
【００２９】
このようにして、制御回路基板２２の表裏に伝熱支持板２９及び３０が伝熱部材２７及び２８を介在させた中実状態で積層される。このため、伝熱部材２７及び２８が制御回路基板２２に実装された発熱回路部品を含む回路部品に密着することになり、回路部品の発熱を伝熱部材２７及び２８を介して伝熱支持板２９及び３０に放熱する。
【００３０】
そして、伝熱支持板２９は、図２及び図３に示すように、左端部は制御回路基板２２、伝熱部材２７及び２８の左端と同じ位置とされているが、右端部は、制御回路基板２２、伝熱部材２７及び２８の右端より右方に突出する連結部２９ａが形成されている。この連結部２９ａには、図３に拡大して示すように、連結孔２９ｂが貫通して形成されている。
【００３１】
同様に、伝熱支持板３０は、図２及び図３に示すように、右端部は制御回路基板２２、伝熱部材２７及び２８の右端と同じ位置とされているが、左端部は、制御回路基板２２、伝熱部材２７及び２８の左端より左方に突出する連結部３０ｂが形成されている。この連結部３０ａには、図３に拡大して示すように、連結孔３０ｃが貫通して形成されている。
【００３２】
そして、伝熱支持板２９の連結部２９ａに上部筐体２Ｂとは独立した熱伝導路を形成する伝熱支持側板３５が固定ねじ３６で固定されて連結されている。この固定ねじ３６は伝熱支持板２９の上方から連結孔２９ｂを通じて伝熱支持側板３５に形成された雌ねじ（図示せず）に螺合されている。
また、伝熱支持板３０の連結部３０ｂに上部筐体２Ｂとは独立した熱伝導路を形成する伝熱支持側板３７が固定ねじ３８で固定されて連結されている。この固定ねじ３８も伝熱支持板３０の上方から連結孔３０ｃを通じて伝熱支持側板３７に形成された雌ねじ（図示せず）に螺合されている。
【００３３】
ここで、伝熱支持側板３５は、垂直板部３５ａと、この垂直板部３５ａの上端から左方に延長する連結板部３５ｂとで逆Ｌ字状に形成されている。そして、伝熱支持側板３５は、垂直板部３５ａと連結板部３５ｂとの連結部が円筒面の一部となる湾曲面（Ｒ面取り）３５ｃとされている。同様に、伝熱支持側板３７も、垂直板部３７ａと、この垂直板部３７ａの状態から右方に延長する連結板部３７ｂとで逆Ｌ字状に形成されている。そして、伝熱支持側板３７は、垂直板部３７ａと連結板部３７ｂとの連結部が円筒面の一部となる湾曲面３７ｃ（Ｒ面取り）とされている。
【００３４】
これら伝熱支持側板３５及び３７は、それらの垂直板部３５ａ及び３７ａの下端側が共通の底板３９で連結されて一体化されている。この底板３９は、中央部に冷却体３の突出台部３ｅを挿通する方形孔３９ａが形成されて、冷却体３の周溝３ｆに収納される角枠状に形成されている。
そして、伝熱支持側板３５及び３７の垂直板部３５ａ及び３７ａの下端と底板３９との連結が円筒面の一部となる湾曲面（Ｒ面取り）３５ｄ及び３７ｄとされている。
【００３５】
このように伝熱支持側板３５及び３７の垂直板部３５ａ及び３７ａの上下端部を円筒状の湾曲面３５ｃ，３５ｄ及び３７ｃ，３７ｄとされている。このため、電力変換装置１に上下振動や横揺れが伝達されたときに、垂直板部３５ａ及び３７ａと連結板部３５ｂ及び３７ｂ及び底板３９との連結部に生じる応力集中を緩和することができる。したがって、伝熱支持側板３５及び３７で、制御回路基板２２を支持する場合の上下振動や横揺れ等に対する耐振動性を向上することができる。
【００３６】
さらに、垂直板部３５ａ及び３７ａと底板３９との連結部と、垂直板部３５ａ及び３７ａと連結板部３５ｃ及び３７ｃとの連結部とを円筒状の湾曲面とすることにより、垂直板部３５ａ及び３７ａと底板部３４との連結部及び垂直板部３５ａ及び３７ａと連結板部３５ｂ及び３７ｂとの連結部を直角のＬ字形状とする場合に比較して熱伝導経路を短くすることができる。このため、伝熱支持板２９及び３０から冷却体３までの熱伝導経路を短くして、効率的な熱冷却が可能となる。
【００３７】
なお、伝熱支持板３０の駆動回路基板２１と対向する下面には、絶縁距離を短くするために絶縁シート４０が貼着されている。
また、伝熱支持側板３５及び３７と底板３９とは黒色の表面を有する。これら伝熱支持側板３５及び３７と底板３９との表面を黒色化にするには、表面に黒色樹脂をコーティングしたり、黒色塗料で塗装したりすればよい。
【００３８】
このように、伝熱支持側板３５及び３７と底板３９との表面を黒色とすることにより、金属の素材色と比較し熱放射率が大きくなり、放射伝熱量を増やすことができる。このため、伝熱支持側板３５及び３７と底板３９との周囲への放熱が活発化され、制御回路基板２２の熱冷却を効率良く行うことができる。なお、底板３９を除いて伝熱支持側板３５及び３７のみの表面を黒色にするようにしてもよい。
【００３９】
次に、上記第１の実施形態の電力変換装置１の組立方法を説明する。
先ず、冷却体３の周溝３ｆ内に、伝熱支持側板３５及び３７に共通の底板３９を配置し、この底板３９の上面に半導体パワーモジュール１１に形成した冷却部材１３の下面を接触させ且つ冷却部材１３を冷却体３の突出台部３ｅに接触させた状態で、固定ねじ１４で半導体パワーモジュール１１と底板３９とを冷却体３に一体に固定する。
また、半導体パワーモジュール１１には、冷却体３に固定する前又は固定した後に、その上面に形成された基板固定部１６に駆動回路基板２１を載置する。そして、この駆動回路基板２１をその上方から４本の継ぎねじ２４によって基板固定部１６に固定する。
【００４０】
次いで、駆動回路基板２１の上面における周縁部の回路部品が搭載されていない部分に例えば駆動回路基板２１と絶縁シート４０との間の絶縁距離を保つスペーサを少なくとも３つ載置し、この状態で、継ぎねじ２４を基準として下面に絶縁シート４０を貼着した伝熱支持板３０、伝熱部材２８及び制御回路基板２２の順で積層する。このとき、伝熱部材２８の固定ねじ３１の挿通部に間座３３を挿通しておく。
この状態で、制御回路基板２２の上面から固定ねじ２５を挿通孔２２ａを通じて挿通し、継ぎねじ２４の上面に形成された雌ねじ部２４ｂに螺合させて制御回路基板２２を継ぎねじ２４の上端に固定する。
【００４１】
次いで、制御回路基板２２の上面に固定ねじ３１の挿通部に間座３２を挿通した伝熱部材２７を載置し、この伝熱部材２７の上面に伝熱支持板２９を載置し、この伝熱支持板２９の上面から固定ねじ３１を挿通し、伝熱支持板３０に形成された雌ねじ３０ａに螺合させて締付ける。このように固定ねじ３１を締付けることにより、伝熱部材２７及び２８が間座３２及び３３によって規定される管理高さまで圧縮される。このため、伝熱部材２７及び２８が５〜３０％程度圧縮された状態となり、伝熱部材２７及び２８の熱抵抗が減り効率のよい伝熱効果を発揮することができる。
【００４２】
その後、図１に示すように、半導体パワーモジュール１１の正負の直流入力端子に１１ａに、ブスバー５０を接続し、このブスバー５０の他端に冷却体３を貫通するフィルムコンデンサ４の正負の接続端子４ａを固定ねじ５１で連結する。
次いで、冷却体３の上面に蓋体２ｂを取り外した上部筐体２Ｂをシール材を介して装着する。この上部筐体２Ｂの角筒体２ａには、外部のコンバータ（図示せず）に接続する接続コード５２の先端に固定された圧着端子５３と、外部の３相電動モータ（図示せず）に接続したモータケーブル５８の先端に固定した圧着端子５９とが液密に挿通支持されている。
【００４３】
次いで、半導体パワーモジュール１１の直流入力端子１１ａに接続コード５２の先端に固定された圧着端子５３を固定する。
次いで、半導体パワーモジュール１１の３相交流出力端子１１ｂにブスバー５５を固定ねじ５６で接続し、このブスバー５５の途中に電流センサ５７を配置する。そして、ブスバー５５の他端にモータケーブル５８の先端に固定した圧着端子５９を固定ねじ６０で固定して接続する。
【００４４】
そして、角筒体２ａの上部開放端を蓋体２ｂでシール材を介して封鎖する。
その後、又はその前に、冷却体３の下面に、下部筐体２Ａをシール材を介して固定して電力変換装置１の組立を完了する。
この組立完了状態で、半導体パワーモジュール１１に接続コード５２を介して外部のコンバータ（図示せず）から直流電力を供給するとともに、制御回路基板２２に実装された電源回路、制御回路等を動作状態とし、制御回路から例えばパルス幅変調信号でなるゲート信号を駆動回路基板２１に実装された駆動回路を介して半導体パワーモジュール１１に供給する。
【００４５】
これによって、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴが制御されて、直流電力を交流電力に変換する。変換した交流電力は３相交流出力端子１１ｂからブスバー５５を介し、さらにモータケーブル５８を介して外部の３相電動モータ（図示せず）に供給され、この３相電動モータ（図示せず）を駆動制御する。
このとき、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴで発熱が生じる。この発熱は半導体パワーモジュール１１に形成された冷却部材１３が冷却体３の突出台部３ｅに直接接触されているので、冷却体３に供給されている冷却水によって冷却される。
【００４６】
一方、制御回路基板２２に実装されている制御回路及び電源回路等の回路部品２６には発熱回路部品が含まれており、これら発熱回路部品で発熱を生じる。このとき、発熱回路部品は制御回路基板２２の上面及び下面側に実装されている。
そして、制御回路基板２２の上面及び下面側には熱伝導率が高く弾性を有する伝熱部材２７及び２８を介して伝熱支持板２９及び３０が設けられている。
【００４７】
ここで、伝熱部材２７及び２８は、前述したように固定ねじ３１によって、５〜３０％程度の圧縮率で圧縮されているので、熱抵抗が減り効率の良い伝熱効果を発揮することができるとともに、発熱回路部品と伝熱部材２７及び２８との接触面積が大きくなる。したがって、発熱回路部品の発熱が伝熱部材２７及び２８に効率よく伝熱される。このため、図４に示すように、伝熱部材２７及び２８に伝熱された熱が効率良く伝熱支持板２９及び３０に伝達される。
【００４８】
そして、伝熱支持板２９及び３０には、伝熱支持側板３５及び３７が連結されているので、伝熱支持板２９及び３０に伝達された熱は、伝熱支持側板３５及び３７を通って共通の底板３９に伝達される。この底板３９は、冷却体３の周溝３ｆ内に直接接触されているので、伝達された熱は冷却体３に放熱される。
さらに、底板３９に伝達された熱は、その上面側から半導体パワーモジュール１１の冷却部材１３に伝達され、この冷却部材１３を介して冷却体３の突出台部３ｅに伝達されて放熱される。
【００４９】
このように、上記第１の実施形態によると、制御回路基板２２の表裏両面に伝熱部材２７及び２８が配置され、これら伝熱部材２７及び２８の制御回路基板２２とは反対側に伝熱支持板２９及び３０が配置されているので、制御回路基板２２に搭載された発熱回路部品で発生される発熱がそれぞれ熱抵抗の大きな制御回路基板２２介することなく直接伝熱部材２７及び２８を介して伝熱支持板２９及び３０に伝熱されるので、効率の良い放熱を行うことができる。
【００５０】
そして、伝熱部材２７及び２８に伝達された熱は伝熱支持板２９及び３０に伝熱され、さらに伝熱支持側板３５及び３７に伝達される。このとき、伝熱支持側板３５及び３７が半導体パワーモジュール１１の長辺に沿って設けられている。
このため、伝熱面積を広くとることができ、広い放熱経路を確保することができる。しかも、伝熱支持側板３５及び３７は折れ曲がり部が円筒状の湾曲部３５ｃ，３５ｄ及び３７ｃ，３７ｄとされているので、折れ曲がり部をＬ字状にする場合に比較して冷却体３までの伝熱距離を短くすることができる。このため、放熱効率をより向上させることができる。ここで、熱輸送量Ｑは、下記（１）式で表すことができる。
Ｑ＝λ×（Ａ／Ｌ）×Ｔ      …………（１）
【００５１】
ただし、λは熱伝導率［Ｗ／ｍ℃］、Ｔは温度差［℃］基板温度Ｔ１−冷却体温度Ｔ２、Ａは伝熱最小断面積［ｍ2］、Ｌは伝熱長さ［ｍ］である。
この（１）式から明らかなように、伝熱長さＬが短くなると、熱輸送量Ｑは増加することになり、良好な冷却効果を発揮することができる。
【００５２】
また、伝熱支持側板３５及び３７が共通の底板３９で一体化されているので、伝熱支持側板３５及び３７と底板３９との間に部品同士の継ぎ目がなく、熱抵抗を抑制することができる。
さらに、発熱回路部品が実装された制御回路基板２２から冷却体３までの放熱経路に筐体２が含まれていないので、筐体２を高熱伝導率のアルミニウム等の金属を使用する必要がなく、合成樹脂材で構成することができるので、軽量化を図ることができる。
さらに、放熱経路が筐体２に依存することなく、電力変換装置１単独で放熱経路を形成することができるので、半導体パワーモジュール１１と、駆動回路基板２１、制御回路基板２２とで構成される電力変換装置１を種々の異なる形態の筐体２や冷却体３に適用することができる。
【００５３】
また、制御回路基板２２に圧縮された伝熱部材２７及び２８を介して伝熱支持板２９及び３０が固定されているので、制御回路基板２２の剛性を高めることができる。このため、電力変換装置１を車両の走行用モータを駆動するモータ駆動回路として適用する場合のように、電力変換装置１に図５に示す上下振動や横揺れが作用する場合でも、伝熱部材２７及び２８と、伝熱支持板２９及び３０と、伝熱支持側板３５及び３７とが一体化されているので、剛性を高めることができる。したがって、上下振動や横揺れ等の影響が少ない電力変換装置１を提供することができる。
【００５４】
さらに、伝熱部材２７及び２８を伝熱性を有する絶縁体で構成することにより、制御回路基板２２と伝熱支持板２９及び３０との間の絶縁を行うことができるので、両者間の距離を短くすることができ、全体を小型化することができる。
なお、上記第１の実施形態においては、制御回路基板２２と伝熱部材２７及び２８とを同じ外形とした場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、伝熱部材２７及び２８を発熱回路部品が存在する箇所にのみ設けるようにしてもよい。
さらには、制御回路基板２２において、発熱回路部品を伝熱支持側板３５及び３７に近い部分に配置することにより、冷却体３迄の放熱経路の距離を短くするようにしてもよい。この場合には、発熱回路部品の冷却体３までの放熱経路の距離が短くなるので、効率良い放熱を行うことができる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態を図６及び図７について説明する。
この第２の実施形態は、前述した第１の実施形態における伝熱支持板の上方にさらに回路基板を装着するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図６及び図７に示すように、前述した第１の実施形態における上面側の伝熱支持板２９の上面側に伝熱部材４１を介して例えば電源回路部品を実装した電源回路基板４２を載置するようにしている。その他の構成について前述した第１の実施形態における図２及び図３と同様の構成を有し、図２及び図３との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
【００５６】
この第２の実施形態では、第１の実施形態の固定ねじ３１が省略され、これに代えて、制御回路基板２２と伝熱支持板３０とを固定する固定ねじ４３が設けられている。また、電源回路基板４２が、前述した制御回路基板２２と同様に、伝熱部材４１を介して伝熱支持板２９に固定ねじ４４によって固定されている。ここで、伝熱部材４１の固定ねじ４４の挿通部には、図７に示すように、間座４５が配置され、この間座４５の高さが伝熱部材４１の圧縮率が５〜３０％となるように設定されている。
【００５７】
また、第２の実施形態では、制御回路基板２２を継ぎねじ２４に固定ねじ２５で固定する場合に代えて、継ぎねじ２４の上端の雌ねじ部２４ｂに継ぎねじ２４と同じ継ぎねじ４６の下端に形成された雄ねじ部４６ａを螺合させることにより、制御回路基板２２を継ぎねじ２４上に固定されている。そして、この継ぎねじ４６の上端に形成された雌ねじ部４６ｂに固定ねじ４７を螺合させることにより、電源回路基板４２が固定されている。
【００５８】
この第２の実施形態では、制御回路基板２２と伝熱支持板２９との間に介在される伝熱部材２７の圧縮率は、継ぎねじ４６の高さによって規定されている。すなわち、伝熱支持板２９と電源回路基板４２との間隔が間座４５と、電源回路基板４２の上方から間座４５を通って伝熱支持板２９に形成した雌ねじ部２９ｃに螺合する固定ねじ４４とによって規定されている。このため、継ぎねじ４６の上面及び下面間の高さＨ２は、間座４５の高さ、図７に示すように、伝熱支持板２９の厚み及び伝熱部材２７の５〜３０％程度に圧縮したときの高さを加算した高さに設定されている。
【００５９】
したがって、制御回路基板２２の取付け高さ位置を継ぎねじ４６の下面に形成した雄ねじ部４６ａを継ぎねじ２４の上端に形成した雌ねじ部２４ｂに螺合させることにより規定する。この状態で、継ぎねじ４６に伝熱部材２７に形成した挿通孔２７ａを通して配置し、伝熱部材２７の上面に固定ねじ４４によって一体化された伝熱支持板２９及び電源回路基板４２を配置する。そして、電源回路基板４２を固定ねじ４７で継ぎねじ４６の上面に締付け固定することにより、伝熱部材２７を５〜３０％程度の圧縮率で圧縮して固定することができる。
【００６０】
このように、上記第２の実施形態によると、前述した第１の実施形態と同様に制御回路基板２２に実装された発熱回路部品の発熱を表裏両面に配置された伝熱部材２７及び２８によって伝熱支持板２９及び３０に伝熱し、伝熱支持側板３５及び３７を伝熱して冷却体３に放熱される。
これと同時に電源回路基板４２に実装された発熱回路部品についても伝熱部材４１を介して伝熱支持板２９に伝熱し、さらに伝熱支持側板３５を伝熱して冷却体３に放熱することができる。
【００６１】
そして、制御回路基板２２と電源回路基板４２の双方に発熱回路部品が実装されている場合に、制御回路基板２２と電源回路基板４２との間が伝熱部材４１によって中実状態で連結されている。このため、制御回路基板２２と電源回路基板４２との間に空気が存在する場合のように、発熱回路部品の発熱が空気層に留まることを確実に防止することができ、より良好な放熱効果を発揮することができる。
【００６２】
なお、上記第１及び第２の実施形態においては、半導体パワーモジュール１１の冷却部材１３及び伝熱支持側板３５及び３７に共通の底板３９を冷却体３に接触させる場合について説明した。しかしながら、本発明では上記構成に限定されるものではなく、図８に示すように、半導体パワーモジュール１１に形成されている冷却部材１３が冷却体３に流れる冷却水に直接接触する冷却フィン６１を備えた構成とするようにしてもよい。この場合には、冷却体３の中央部に冷却フィン６１を冷却水の通路に浸漬させる浸漬部６２を形成する。
【００６３】
そして、浸漬部６２を囲む周壁６３と冷却部材１３との間にＯリング等のシール部材６６が配設されている。
この構成によると、半導体パワーモジュール１１の冷却部材１３に冷却フィン６１が形成され、この冷却フィン６１が冷却水に浸漬部６２で冷却水に浸漬されているので、半導体パワーモジュール１１をより効率良く冷却することができる。
【００６４】
また、上記第１及び第２の実施形態においては、伝熱支持板２９及び３０と伝熱支持側板３５及び３７とを別体で構成する場合について説明した。しかしながら、本発明は、上記構成に限定されるものでなく、伝熱支持板２９及び３０と伝熱支持側板３５及び３７とを一体に構成するようにしてもよい。この場合には、伝熱支持板２９及び３０と伝熱支持側板３５及び３７との間に継ぎ目が形成されることがなくなるので、熱抵抗をより小さくしてより効率の良い放熱を行うことができる。
【００６５】
また、上記第１及び第２の実施形態では、制御回路基板２２と伝熱支持板２９及び３０との間に介挿した伝熱部材２７及び２８が弾性を有する場合について説明した。しかしながら、本発明では上記構成に限定されるものではなく、絶縁被覆した金属板等の弾性を有さない伝熱部材を適用することもできる。
さらに、上記第１及び第２の実施形態では、伝熱支持側板３５及び３７が半導体パワーモジュール１１、冷却体３、駆動回路基板２１、制御回路基板２２を囲む上部筐体２Ｂとは別個に配置されている場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、上部筐体２Ｂを熱伝導率の高い材料で形成する場合には、伝熱支持側板３５及び３７を省略して、伝熱支持板２９及び３０を直接上部筐体２Ｂに支持するようにしてもよい。
【００６６】
さらにまた、制御回路基板２２の表面積を大きくして駆動回路基板２１に実装する回路部品を実装可能に構成した場合には、駆動回路基板２１を省略することができる。
また、上記第１及び第２の実施形態では、平滑用のコンデンサとしてフィルムコンデンサ４を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円柱状の電解コンデンサを適用するようにしてもよい。
【００６７】
さらに、上記第１及び第２の実施形態においては、本発明による電力変換装置を電気自動車に適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、軌条を走行する鉄道車両にも本発明を適用することができ、任意の電気駆動車両に適用することができる。さらに電力変換装置としては電気駆動車両に限らず、他の産業機器における電動モータ等のアクチュエータを駆動する場合に本発明の電力変換装置を適用することができる。
【産業上の利用分野】
【００６８】
本発明によれば、発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板の表裏両面に伝熱部材を配置し、これら両伝熱部材が半導体スイッチング素子をケース体に内蔵した半導体パワーモジュール及び実装基板を囲む筐体とは独立した複数の熱伝導路を通って冷却体に連結することにより、基板に実装された発熱回路部品の熱を効率よく冷却体に放熱することができ、小型化が可能な電力変換装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１…電力変換装置、２…筐体、３…冷却体、４…フィルムコンデンサ、５…蓄電池収納部、１１…半導体パワーモジュール、１２…ケース体、１３…冷却部材、２１…駆動回路基板、２２…制御回路基板、２４…継ぎねじ、２７，２８…伝熱部材、２９，３０…伝熱支持板、４１…伝熱部材、４２…電源回路基板、４５…継ぎねじ、４４…間座（間隔調整部材）、６１…冷却フィン
【図１】
2013080441.tif 000003
【図２】
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【図３】
2013080441.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013080441.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013080441.tif 000009
【図８】
2013080441.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月25日(2014.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明に係る電力変換装置の第４の態様は、前記熱伝導路が、前記表裏両面に伝熱部材を配置した実装基板における前記両伝熱部材の前記実装基板とは反対側の面にそれぞれ固定された一対の伝熱支持板を備え、該一対の伝熱支持板が前記冷却体に連結されている。
この構成によると、両面に伝熱部材を配置した実装基板が伝熱支持板でサンドイッチ構造となるので、これら伝熱支持板を通じての冷却体への放熱を効率よく行うことができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、本発明に係る電力変換装置の第５の態様は、前記伝熱支持板が、熱伝導率の高い金属材料で構成されている。
この構成によると、伝熱支持板を熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅等で構成するので、冷却体への放熱をより効率よく行うことができる。
また、本発明に係る電力変換装置の第６の態様は、前記伝熱部材が、熱伝導性を有する絶縁体で構成されている。
この第６の態様によると、伝熱部材が絶縁体で構成されているので、対向する実装基板同士の間隔を狭く設定することができ、電力変換装置を小型化することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
同様に、伝熱支持板３０は、図２及び図３に示すように、右端部は制御回路基板２２、伝熱部材２７及び２８の右端と同じ位置とされているが、左端部は、制御回路基板２２、伝熱部材２７及び２８の左端より左方に突出する連結部３０ｂが形成されている。この連結部３０ｂには、図３に拡大して示すように、連結孔３０ｃが貫通して形成されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
ここで、伝熱支持側板３５は、垂直板部３５ａと、この垂直板部３５ａの上端から左方に延長する連結板部３５ｂとで逆Ｌ字状に形成されている。そして、伝熱支持側板３５は、垂直板部３５ａと連結板部３５ｂとの連結部が円筒面の一部となる湾曲面（Ｒ面取り）３５ｃとされている。同様に、伝熱支持側板３７も、垂直板部３７ａと、この垂直板部３７ａの上端から右方に延長する連結板部３７ｂとで逆Ｌ字状に形成されている。そして、伝熱支持側板３７は、垂直板部３７ａと連結板部３７ｂとの連結部が円筒面の一部となる湾曲面３７ｃ（Ｒ面取り）とされている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
さらに、垂直板部３５ａ及び３７ａと底板３９との連結部と、垂直板部３５ａ及び３７ａと連結板部３５ｃ及び３７ｃとの連結部とを円筒状の湾曲面とすることにより、垂直板部３５ａ及び３７ａと底板３９との連結部及び垂直板部３５ａ及び３７ａと連結板部３５ｂ及び３７ｂとの連結部を直角のＬ字形状とする場合に比較して熱伝導経路を短くすることができる。このため、伝熱支持板２９及び３０から冷却体３までの熱伝導経路を短くして、効率的な熱冷却が可能となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
その後、図１に示すように、半導体パワーモジュール１１の正負の直流入力端子１１ａに、ブスバー５０を接続し、このブスバー５０の他端に冷却体３を貫通するフィルムコンデンサ４の正負の接続端子４ａを固定ねじ５１で連結する。
次いで、冷却体３の上面に蓋体２ｂを取り外した上部筐体２Ｂをシール材を介して装着する。この上部筐体２Ｂの角筒体２ａには、外部のコンバータ（図示せず）に接続する接続コード５２の先端に固定された圧着端子５３と、外部の３相電動モータ（図示せず）に接続したモータケーブル５８の先端に固定した圧着端子５９とが液密に挿通支持されている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
前記熱伝導路は、前記表裏両面に伝熱部材を配置した実装基板における前記両伝熱部材の前記実装基板とは反対側の面にそれぞれ固定された一対の伝熱支持板を備え、該一対の伝熱支持板が前記冷却体に連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【手続補正８】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記伝熱支持板は、熱伝導率の高い金属材料で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【国際調査報告】
2013080441.tif 000011
2013080441.tif 000012
2013080441.tif 000013
2013080441.tif 000014