(57)【要約】【課題】複数個の半導体素子を各々ねじを用いることなく、放熱体に装着し、組み立て工数の低減を図った電動機駆動用のインバータ制御装置を提供する。【解決手段】電動機駆動用の制御装置において、複数個の半導体素子４１の冷却用の放熱体１に、半導体素子を一括装着するための板バネ２を差し込む第1の溝１０１と、半導体素子装着時に板バネを開くための挿入冶具３を挿入する第2の溝１０２を設け、半導体素子の装着後挿入冶具を引き抜くことにより、放熱体に半導体素子をバネ圧で密着させ装着する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機駆動用の制御装置において、複数個の半導体素子の冷却用の放熱体に、半導体素子を一括装着するための板バネを差し込む第1の溝と、半導体素子装着時に板バネを開くための挿入冶具を挿入する第2の溝を設け、半導体素子の装着後挿入冶具を引き抜くことにより、放熱体に半導体素子をバネ圧で密着させ装着することを特徴とする電動機駆動用の制御装置。
【請求項２】
請求項１の制御装置において、挿入冶具を円筒棒側面を削った半円構造とし、第２の溝を半円溝にしたことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１の制御装置において、さらに電解コンデンサを備え、パワー半導体素子と電解コンデンサとをパワー基板の同一面に列状に実装し、半導体素子、電解コンデンサそして放熱体を同一空間に配置したことを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項３の制御装置において、前記空間に冷却用ファンを設けたことを特徴とする制御        
装置。
【請求項５】
前記制御装置が交流電動機を駆動するインバータ回路を主構成要素とする制御装置であ        
ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかによる制御装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機駆動用の制御装置、特に低圧系交流電動機を駆動するためにMOSFETなどのパワー半導体素子を複数個並列接続した制御装置に関し、特に複数のパワー半導体素子とその放熱体の構造に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
電動フォークなどの低圧系交流電動機の駆動には、MOSFETなどパワー半導体素子を複数個並列接続したインバータ回路を主構成要素とする制御装置が用いられている。
これらの交流電動機の多くは３相交流で、制御装置のパワー部は、図２（ａ）のようなインバータ回路で構成される。図２（ｂ）に示すパワー半導体素子41を複数個並列接続したブロック４を＋側と−側に直列に接続して１アームを構成する。
【０００３】
３相ではＵ、Ｖ、Ｗ相の３アームで構成され、制御回路（図示せず）からの駆動信号をもとにパワー半導体素子41をＯＮ・ＯＦＦ駆動して、制御装置は３相交流を出力する。
またパワー半導体素子41を高周波でＯＮ・ＯＦＦ駆動するために、電源インピーダンスを下げさらに平滑用に、電源には大きな電解コンデンサ７を接続する。
【０００４】
電源はDC１００Ｖ以下の低圧で電動フォークを駆動するためには数百Ａの大電流が必要なため、数十Ａのパワー半導体素子41はブロック単位４に複数個並列接続し、アルミ等製の放熱体に装着する。
【０００５】
３相交流電動機の制御装置のパワー部の従来構成を図８に示す。図８（ｂ）において２１は装置全体の放熱体、１６は各アームの放熱体、１５はパワー半導体素子41のブロック単位４の放熱体、２２はパワー半導体素子41と、その駆動回路そして電解コンデンサを実装したパワー基板、７は電解コンデンサ、１４は絶縁ブシュ、１７は絶縁シート、２０，１９はねじである。パワー半導体素子41はブロック４毎に図８（ａ）のように複数個並列配置される。
【０００６】
従来構造では、パワー基板22に電解コンデンサ７を実装し、パワー基板22と放熱体15間に絶縁ブッシュ１４を取り付ける。さらに放熱体１５と放熱体１６の間に絶縁シート１７を挿入し、ねじ２０にてパワー基板２２と、放熱体１５，１６とを一体に組み付ける。その後、パワー半導体素子41をねじ１９で放熱体１５に取り付け、パワー半導体素子41をパワー基板22に半田付けする。放熱体16に装着した１アームと電解コンデンサ７のパワー回路図を図９に示す。
【０００７】
この構造では、ねじ19の取り付けやパワー半導体素子41の半田付け作業を、パワー基板２２と放熱体１５，１６とを一体に組み付けた後に各アーム毎に別個に行う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この方法では、ねじの数が多く、ねじ加工やねじ締め工数は多大である。この改善策として、特開２００３−３４８７０２のパワー半導体素子をカシメる方法が提案されている。この方法はねじは削減できてもカシメ方向が限定されるために複数個のパワー半導体素子を放熱体に3相分ブロック毎あるいはアーム毎に一括装着することはできず、製作工数削減には繋がらない。また、パワー基板が単独に3枚必要となり、部品数削減されない。
【０００９】
また、特開平９−２４６７６４ではパワー半導体素子をバネで装着する方式が提案されている。しかし、該提案では、パワー半導体素子を個々にバネ留めしているので、バネが取り付け部品数だけ必要で、組立性が悪く、また、部品点数も多い。
【特許文献１】特開２００３−３４８７０２号公報
【特許文献２】特開平９−２４６７６４号公報
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記上記課題を解決するためになされたものであって、このため、本願請求項１にかかる発明は、電動機駆動用の制御装置において、複数個の半導体素子の冷却用の放熱体に、半導体素子を一括装着するための板バネを差し込む第1の溝と、半導体素子装着時に板バネを開くための挿入冶具を挿入する第2の溝を設け、半導体素子の装着後挿入冶具を引き抜くことにより、放熱体に半導体素子をバネ圧で密着させ装着することを特徴とする。
【００１１】
また、本願請求項２にかかる発明は、上記の制御装置において、挿入冶具を円筒棒側面を削った半円構造とし、第２の溝を半円溝にしたことを特徴とする。
さらに、本願請求項３にかかる発明は、上記の制御装置において、さらに電解コンデンサを備え、パワー半導体素子と電解コンデンサとをパワー基板の同一面に列状に実装し、半導体素子、電解コンデンサそして放熱体を同一空間に配置したことを特徴とする。
【００１２】
また、さらに、本願請求項４にかかる発明は、上記の制御装置において、前記空間に冷却用ファンを設けたことを特徴とする。
さらに、本願請求項５にかかる発明は、前記制御装置が交流電動機を駆動する制御装置        
であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、電極兼用の各ブロックの放熱体に、半導体素子を一括装着するための板バネを差し込む第1の溝と、半導体素子装着時に板バネを開くための挿入冶具を挿入する第2の溝を設け、半導体素子の装着後挿入冶具を引き抜くことにより、放熱体に半導体素子をバネ圧で各ブロック毎に一括密着させ装着することができるので、組立工数を低減させることができ、組立てを迅速かつ容易に行なうことができる。また、部品点数を減少させ、構造を簡略化できる。
【００１４】
また、請求項２の発明によれば、挿入冶具を円筒棒側面を削った簡単な半円構造とし、第２の溝を半円溝にしたので、板バネの開閉がスムーズでかつ任意の角度で止めることも容易にできる。さらに、挿入冶具の製作加工が容易である。
【００１５】
また、請求項３の発明によれば、半導体素子と電解コンデンサとをパワー基板の同一面に配置したので、半田面に部品がない構造となるため、自動半田付け、及び部品の足等の自動カットが出来るので、大きな工数低減となる。
【００１６】
さらに、請求項４の発明によれば、パワー基板に半導体素子と電解コンデンサとを同一面に列状に実装し、半導体素子、電解コンデンサそして放熱体を同一空間に配置し、該空間に冷却用のファンを設けたので、ケース、放熱体そしてパワー基板の囲む空間つまりトンネル空間が実現できるので、冷却用ファンによる各部品の一括冷却が可能で大きな冷却効果が期待できる。
【００１７】
さらに、請求項５の発明によれば、本発明を交流電動機を駆動するインバータ制御装置に用いることにより、とくに組立てが複雑な多数のパワー半導体素子の放熱体への装着を容易に行なうことができる。
【発明の実施の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体的な実施例をもとに説明する。
図１において、１は複数個のパワー半導体素子41を装着した各ブロックの電極兼用の放熱体、２はパワー半導体素子41を装着する板バネ、３は挿入冶具である。
【００１９】
図２（ａ）は制御装置のインバータ回路図で、４は図２（ｂ）に示すようにパワー半導体素子41を複数個並列接続されたブロック単位のパワー半導体素子、7は平滑用の電解コンデンサである。
【００２０】
図３は本発明による３相交流電動機駆動用の制御装置の実施例であり、同図（ａ）は裏蓋１３を外した同制御装置の平面図、同図（ｂ）は前板３０を外した同制御装置の正面図である。
【００２１】
同図において、５はパワー半導体素子41と電解コンデンサ７そしてパワー半導体素子４１の駆動回路を実装したパワー基板、６はパワー基板５を放熱体１に取付るねじ、８は放熱体を兼ねたケース、９はケース8に放熱体１を取り付けるための絶縁体、１０は放熱体１と８とを絶縁する為の絶縁シート、１１は絶縁体９の取り付けねじである。
【００２２】
また、１２はケース８内に取り付けた冷却用ファン（3個破線で図示）、１３は裏蓋である。裏蓋１３とパワー基板22の間にはマイコン等を実装した制御基板が存在するがここでは図示していない。
【００２３】
図４は、パワー基板５上に、ＵＶＷ３相インバータ回路として１ブロック12個のパワー半導体素子41を６ブロックと、３２個の電解コンデンサ７を実装したレイアウト図である。
【００２４】
図５は１ブロック単位の放熱体１の詳細を示す正面図(図ａ)と側面図(図ｂ)で、板バネ２を差し込む第1の溝101と、挿入冶具３を挿入する第2の溝102を示す。放熱体１はアルミ押し型で作られ、パワー半導体素子41の数に合わせ、長さをカットしている。
【００２５】
図６は板バネ２の詳細図でスリットを入れることにより、各パワー半導体素子41の厚さがばらついても、独立したバネ圧が得られるようにしている。
図７はパワー半導体素子41挿入冶具３の正面図(図ａ)と端面図(図ｂ)であって、挿入部分は半円形状を示す。
【００２６】
次に本発明の制御装置の各部品の組立方法を説明する。パワー半導体素子41が非絶縁型の素子で、放熱体１がUVWあるいはプラス側電極を兼用する場合を例に説明する。
【００２７】
まず、図３に示すように、放熱体１は絶縁シート１０を介してケース８の底板に、ねじ１１で絶縁板９を挟み込むことにより固定し、６個の放熱体１を絶縁状態で取り付ける。
その後、図１（ａ）のように板バネ２を放熱体１の第1の溝101に合わせ挿入し、挿入冶具３を放熱体の第2の溝102に沿って挿入する。次に図１（ｂ）のように挿入冶具３を９０度廻すと板バネ２が開き放熱体１と板バネ２との間にパワー半導体素子41が入る隙間が確保される。６つのブロックとも同様の作業を行い、それぞれの放熱体１と板バネ２との間に隙間を確保する。その上で、パワー半導体素子４１とその駆動回路及びコンデンサ７を予め半田付けしたパワー基板５の、部品取付け面を放熱体１側にして該パワー基板5を図３（ｂ）のようにはめ込み、ねじ６でパワー基板５を放熱体１に取り付けた後、挿入冶具３を放熱体１と板バネとの間から引き抜くと図１（ｃ）及び図３（ｂ）のように、パワー半導体素子41はバネ圧で放熱体１に押し付けられて保持される。ケース８の前板(図示せず)はその後取り付けられる。
【００２８】
放熱体１は、各電極の導電体としても使用することにより、パワー基板５に流れる電流を軽減でき、大電流化に対応できる。
パワー基板５には図３に示すように冷却が必要なパワー半導体素子41と電解コンデンサ７とを同一面に実装してある。
【００２９】
このように、パワー基板に各取付け部品を同一面に実装し、取り付け面とは反対側の半田面には部品がない構造としたため、自動半田や、取り付け部品の足の自動カット等が出来るので、大きな工数低減が期待できる。
【００３０】
この構造に、さらに図３の破線で示すように、パワー半導体素子４１及びコンデンサ７が設けられる空間に冷却ファン１２を設けることにより、強制冷却による大きな冷却効果が期待できる。
【００３１】
なお、上記の説明では絶縁シート10を用いて非絶縁型のパワー半導体素子41について説明したが、本発明は、絶縁型のパワー半導体素子41を用いた場合にも同様に適用できる。
また、DC−DCコンバータ等多数のパワー半導体素子41を用いる制御装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のパワー半導体素子の放熱体への取り付け要領を示す説明図である。
【図２】３相制御装置のインバータ回路図であり、同図(ａ)は全体図、同図(ｂ)はその部分図である。
【図３】本発明の実施例の構造図であり、同図(ａ)は裏蓋を外した平面図、同図(ｂ)は前板を外した正面図である。
【図４】図３のパワー基板への各部品のレイアウト図である。
【図５】図１、３の放熱体を示す図であり、同図(ａ)は正面図、同図(ｂ)は側面図である。
【図６】図１、３の板バネの正面図である。
【図７】図１の挿入冶具を示す図であり、同図(ａ)は正面図、同図(ｂ)は端面図である。
【図８】従来の構造図であり、同図(ａ)は側面図、同図(ａ)は正面図である。
【図９】３相インバータ制御装置のパワー回路の１アームの回路図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  放熱体
２  板バネ
３  ジグ
４  パワー半導体素子のブロック
41  1つのパワー半導体素子
５  パワー基板
６  ねじ
７  電解コンデンサ
８  ケース
９  絶縁ブッシュ
１０  絶縁シート
１１  ねじ
１２  ファン
１３  カバー
１４  絶縁ブッシュ
１５、１６  放熱体
１７  絶縁シート
１９、２０  ねじ
２１  放熱体
３０  前板
【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】
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【図７】
2006042451.tif 000009
【図８】
2006042451.tif 000010
【図９】
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