(57)【要約】【課題】本発明は、ノイズを低減することが可能であるとともに、小型化が可能な電力変換装置および電源装置を提供する。【解決手段】本発明に係る電力変換装置１０は、金属基板１１と、半導体素子ＳＷと、絶縁体１２と、ヒートシンクＨＳとを備えている。金属基板１１は、一方の面が外部回路１１ａで他方の面がベースメタル１１ｃである。半導体素子ＳＷは、金属基板１１の外部回路１１ａに実装されている。絶縁体１２は、金属基板１１のベースメタル１１ｃに配置される。ヒートシンクＨＳは、絶縁体１２を挟んで金属基板１１のベースメタル１１ｃ側に配置される。さらに、金属基板１１のベースメタル１１ｃが、半導体素子ＳＷの安定電位に接続されている。【選択図】図１
2018152993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面が回路部で他方の面が金属部である金属基板と、
前記金属基板の前記回路部に実装された半導体素子と、
前記金属基板の前記金属部に配置された絶縁体と、
前記絶縁体を挟んで前記金属基板の前記金属部側に配置された放熱器とを備え、
前記金属基板の前記金属部が、前記半導体素子の安定電位に接続されている、電力変換装置。
【請求項２】
前記金属基板は、前記回路部と前記金属部との間に絶縁部を有し、前記回路部に形成した配線パターンを介して前記半導体素子の安定電位と前記金属部と接続している、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記半導体素子は、前記金属基板にネジ止めで固定してある、請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記金属基板と接続する回路基板をさらに備える、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記回路基板は、前記金属基板の側面と接し、固定部材で前記金属部と固定されている、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の前記電力変換装置を含む、電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子から発生する熱を放熱する放熱器を備える電力変換装置および電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子である半導体素子をスイッチングすることによって、出力電圧などを制御する電力変換装置が様々な用途に用いられている。電力変換装置は、半導体素子により発生する熱を放出するため、放熱器（ヒートシンク）が取り付けられる。例えば、特許文献１に開示されている電力変換装置では、半導体素子と、半導体素子が実装されたプリント基板と、半導体素子から発生する熱を放熱する放熱器とを備えている。そして、プリント基板は、半導体素子のスイッチング動作にて電位が変動しない端子に接続された第１プリントパターンと、プリント基板の裏面側に半導体素子のスイッチング動作にて電位が変動する端子に接続された第２プリントパターンとを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１１０２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電力変換装置では、半導体素子から発生する熱を放熱する放熱器と半導体素子との間に発生する寄生容量が大きく、当該寄生容量に起因して電力変換装置の入力側に出力されるノイズが発生する。つまり、電力変換装置では、半導体素子のドレイン端子と放熱器との結合によるノイズが発生する問題があった。
【０００５】
また、特許文献１に開示されている電力変換装置では、プリント基板に第１プリントパターンと第２プリントパターンとを設けるとともに、放熱器として用いる導電体を設けている。そのため、特許文献１に開示されている電力変換装置では、小型化が困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、ノイズを低減することが可能であるとともに、小型化が可能な電力変換装置および電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある局面によれば、一方の面が回路部で他方の面が金属部である金属基板と、
金属基板の回路部に実装された半導体素子と、金属基板の金属部に配置された絶縁体と、絶縁体を挟んで金属基板の金属部側に配置された放熱器とを備え、金属基板の金属部が、半導体素子の安定電位に接続されている。
【０００８】
好ましくは、金属基板は、回路部と金属部との間に絶縁部を有し、回路部に形成した配線パターンを介して半導体素子の安定電位と金属部と接続している。
【０００９】
好ましくは、半導体素子は、金属基板にネジ止めで固定してある。
好ましくは、金属基板と接続する回路基板をさらに備える。
【００１０】
好ましくは、回路基板は、金属基板の側面と接し、固定部材で金属部と固定されている。
【００１１】
本発明のある別の局面によれば、上記のいずれかに記載の電力変換装置を含む、電源装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本技術に係る電力変換装置によれば、金属基板の回路部に半導体素子が実装され、絶縁体を挟んで金属基板の金属部側に放熱器が配置され、金属基板の金属部が、半導体素子の安定電位に接続されているので、ノイズを低減することが可能であるとともに、小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観の一例を模式的に示す側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置を備える電源装置を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力変換装置に関する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下において、本実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１５】
（Ａ．電力変換装置の外観）
本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観の一例を模式的に示す側面図である。図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観の一例を模式的に示す斜視図である。なお、図１に示す電力変換装置では、構成を説明するために金属基板１１の厚み方向について実際と異なるスケールで記載してある。
【００１６】
本発明の実施形態に係る電力変換装置１０は、スイッチング素子である半導体素子ＳＷを用いて出力電圧および／または出力電流の変換に関する制御を行うインバータ、ＤＣ−ＤＣ変換装置等の装置である。
【００１７】
半導体素子ＳＷは、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor ）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）等のスイッチング素子にて構成されている。半導体素子ＳＷは、ソース端子Ｓsw、ゲート端子Ｇswおよびドレイン端子Ｄswを有しており、金属基板１１の外部回路に実装されている。金属基板１１は、一方の面が外部回路１１ａ（回路部）で他方の面がベースメタル１１ｃ（金属部）である。金属基板１１は、外部回路１１ａとベースメタル１１ｃとの間に絶縁層１１ｂ（絶縁部）を有している。外部回路１１ａは、半導体素子ＳＷを実装するための配線パターンが形成してあり、１８μｍ〜３００μｍ程度の厚みを有している。
【００１８】
ベースメタル１１ｃは、アルミニウムや銅で形成された金属板であり、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの厚みを有している。また、ベースメタル１１ｃは、図示していないが、外部回路１１ａに形成した配線パターンを介して半導体素子ＳＷのソース端子Ｓswと電気的に接続されている。つまり、ベースメタル１１ｃの電位は、安定電位（ソース電位）である。ベースメタル１１ｃには、ネジタップが形成されており、外部回路１１ａに実装した半導体素子ＳＷをネジ１３でネジ止めして固定することができる。
【００１９】
また、金属基板１１は、基板Ｂ（回路基板）上に固定されている。基板Ｂは、金属基板１１の側面と接し、ネジ１１ｄ（固定部材）でベースメタル１１ｃと固定されている。なお、ベースメタル１１ｃには、ネジ１１ｄに合うネジタップが形成されている。さらに、基板Ｂ上には、半導体素子ＳＷにて発生した熱を外部へ放出することで冷却する機能を有するヒートシンク（放熱器）ＨＳが、基板Ｂの上面に対して略直角をなすように立設されている。ヒートシンクＨＳは、電力変換装置１０の筺体であり、後述するＦＧ（フレームグランド）に電気的に接続されている。
【００２０】
ヒートシンクＨＳは、絶縁体１２を挟んで金属基板１１のベースメタル１１ｃ側に配置されている。そのため、半導体素子ＳＷは、金属基板１１に発生した熱を放熱し、さらに金属基板１１が絶縁体１２を介してヒートシンクＨＳに放熱する。半導体素子ＳＷとヒートシンクＨＳとの間に発生する寄生容量から電力変換装置１０の入力側へ流れるノイズ電流を低減するために、金属基板１１のベースメタル１１ｃが、半導体素子ＳＷの安定電位に接続されている。
【００２１】
なお、半導体素子ＳＷで発生した熱を、金属基板１１を介してヒートシンクＨＳへ伝導する熱伝導の効率を高めるため、半導体素子ＳＷは金属基板１１の一方の面に貼着する放熱面を有し、ヒートシンクＨＳは金属基板１１の他方の面に貼着する吸熱面を有している。
【００２２】
（Ｂ．電力変換装置の回路構成）
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０の回路構成について説明する。電力変換装置１０は、例えば電源装置に用いられる。図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０を備える電源装置１００を説明するためのブロック図である。電力変換装置１０を備える電源装置１００は、フィルタ２０、ＡＣ−ＤＣコンバータ３０（ＡＣ／ＤＣ）、電力変換装置１０（ＤＣ／ＤＣ）および絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ４０（絶縁ＤＣ／ＤＣ）で構成されている。そして、電源装置１００は、入力側であるフィルタ側に商用電源２００であるＡＣ電源を接続し、出力側である絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ側に電力負荷３００（負荷）を接続する。そして、商用電源２００のＡＣ電源から絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ４０までの各回路は、ライブ（Ｌ）、ニュートラル（Ｎ）およびグランド（ＦＧ）にそれぞれ接続される配線上に直列に配置されている。
【００２３】
さらに、電力変換装置１０の回路構成について詳しく説明する。図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置に関する回路図である。図４に例示する制御系では、ＡＣ電源（図示せず）に接続されるフィルタ２０と、ＡＣ電源から供給される交流を直流に変換するダイオードブリッジ等のＡＣ−ＤＣコンバータ３０と、電圧の平滑化、昇圧等の電力変換を行う電力変換装置１０と、電力負荷３００（図示せず）に応じた規格の電圧および電流への変換を行うトランス等の絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ４０とが用いられている。ＡＣ−ＤＣコンバータ３０により交流から変換される直流とは、フィルタ２０側から出力される交流に対し、マイナス側の電圧の方向を反転させた脈流であり、方向は一定であるが、大きさは変化する。そして、電力変換装置１０により、脈流として供給される直流電圧を平滑化する。
【００２４】
電力変換装置１０には、ＡＣ−ＤＣコンバータ３０に接続する入力側と、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ４０に接続する出力側とを結ぶ第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂが設けられている。第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂは、入力側の第１電位および第２電位に接続される。第１線路１２ａは、第１電位として、例えば、プラス側に接続される。第２線路１２ｂは、第２電位として、例えば、マイナス側に接続され、第１電位より低い安定電位に接続する配線として用いられる。
【００２５】
電力変換装置１０内において、ＡＣ−ＤＣコンバータ３０から入力を受ける入力側には、第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂの間を接続し、平滑化を行う第１コンデンサＣ１が配設されている。また、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ４０へ出力する出力側には、リアクトルＬ、半導体素子ＳＷ、整流素子Ｄおよび第２コンデンサＣ２を用いた昇圧回路（昇圧チョッパ）が配設されている。
【００２６】
昇圧回路として配設されているリアクトルＬおよび整流素子Ｄは、第１線路１２ａ上に直列に接続されている。整流素子Ｄは、アノード端子が入力側に、カソード端子が出力側になる向きで配設されており、アノード側には、リアクトルＬが直列で接続されている。また、第２コンデンサＣ２は、整流素子Ｄのカソード側に、第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂの間を接続するようにして配設されている。
【００２７】
さらに、昇圧回路の半導体素子ＳＷは、第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂの間を短絡するように配設されている。図４に例示した回路では、半導体素子ＳＷとして、逆並列ダイオードを内蔵するＭＯＳＦＥＴが用いられている。半導体素子ＳＷのドレイン端子は、リアクトルＬおよび整流素子Ｄの間となる第１線路１２ａの第１ポイントＰ１に接続されており、ソース端子は、第２線路１２ｂの第２ポイントＰ２に接続されている。なお、第２ポイントＰ２は、第１コンデンサＣ１が第２線路１２ｂに接続する接続点と、第２コンデンサＣ２が第２線路１２ｂに接続する接続点との間に位置する。
【００２８】
図４では、半導体素子ＳＷの右側近傍に配設されたヒートシンクＨＳが示されており、半導体素子ＳＷおよびヒートシンクＨＳの間には、金属基板１１が配設されている。ヒートシンクＨＳは、グランド電位となるＦＧ（フレームグランド）に接続されている。金属基板１１のベースメタル１１ｃは、接続線１１ｅを介して第２線路１２ｂに接続されている。
【００２９】
ヒートシンクＨＳがＦＧに接続されている場合、半導体素子ＳＷとヒートシンクＨＳとの間には第１寄生容量Ｃhp１が発生する。また、金属基板１１のベースメタル１１ｃとヒートシンクＨＳとの間には、第２寄生容量Ｃhp２が発生する。
【００３０】
金属基板１１のベースメタル１１ｃと半導体素子ＳＷとの間に発生した第１寄生容量Ｃhp１により、第１ポイントＰ１の電圧変動がベースメタル１１ｃから第２ポイントＰ２を介して第２線路１２ｂへと伝わり、ノイズ電流Ｉnsが流れる。ただし、第２線路１２ｂへ伝わったノイズ電流Ｉnsは、第２ポイントＰ２、第１コンデンサＣ１、リアクトルＬおよび第１ポイントＰ１と流れて循環し、これら素子にて構成される回路内に閉じ込められるため電力変換装置１０の入力側へノイズとして出力されることはない。
【００３１】
また、金属基板１１のベースメタル１１ｃとヒートシンクＨＳとの間に発生した第２寄生容量Ｃhp２により、第２ポイントＰ２の電圧変動がヒートシンクＨＳからＦＧに伝わり、ノイズとしてコモンモード電流Ｉcmが流れる。コモンモード電流Ｉcmは、第２寄生容量Ｃhp２に、第２ポイントＰ２の電圧Ｖ２の経時変化を掛けた値で表すことができる。そして、第２ポイントＰ２の電圧Ｖ２は、半導体素子ＳＷのソース端子Ｓswの電位であり安定電位であるので、第１ポイントＰ１の電圧Ｖ１の経時変化より小さい。そのため、第１ポイントＰ１の経時変化に起因するコモンモード電流Ｉcmのノイズに比べて、第２ポイントＰ２の経時変化に起因するコモンモード電流Ｉcmのノイズは小さくなるので、電力変換装置１０の入力側へノイズとして出力された場合であっても無視できるほど小さいものとなる。
【００３２】
以上のように、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０は、一方の面が外部回路１１ａで他方の面がベースメタル１１ｃである金属基板１１と、金属基板１１の外部回路１１ａに実装された半導体素子ＳＷと、金属基板１１のベースメタル１１ｃに配置された絶縁体１２と、絶縁体１２を挟んで金属基板１１のベースメタル１１ｃ側に配置されたヒートシンクＨＳとを備えている。さらに、金属基板１１のベースメタル１１ｃが、半導体素子ＳＷの安定電位に接続されている。これにより、金属基板１１のベースメタル１１ｃと半導体素子ＳＷとの間に発生した第１寄生容量Ｃhp１によるノイズ電流Ｉnsを電力変換装置１０内に閉じ込めることが可能である。また、ベースメタル１１ｃを安定電位である第２線路１２ｂに接続することにより、金属基板１１のベースメタル１１ｃとヒートシンクＨＳとの間に発生した第２寄生容量Ｃhp２によるコモンモード電流Ｉcmを抑制することが可能である。さらに、電力変換装置１０は、半導体素子ＳＷ、金属基板１１、絶縁体１２およびヒートシンクＨＳを重ねた構成とすることができるため、小型化が可能となる。
【００３３】
さらに、半導体素子ＳＷの固定を、ベースメタル１１ｃにネジタップを形成してネジ止めで行うことで、余分な構造部品を削減することができる。
【００３４】
また、金属基板１１と基板Ｂとを接続することで、基板Ｂに従来の回路基板の構成をそのまま利用することができるため、基板の設計や製造コストを低減することができる。
【００３５】
さらに、金属基板１１は、外部回路１１ａとベースメタル１１ｃとの間に絶縁層１１ｂを有し、外部回路１１ａに形成した配線パターンを介して半導体素子ＳＷの安定電位とベースメタル１１ｃと接続している。外部回路１１ａとベースメタル１１ｃとの絶縁を確保しつつ、ベースメタル１１ｃの電位を半導体素子ＳＷの安定電位にすることができる。
【００３６】
また、基板Ｂは、金属基板１１の側面と接し、ネジ１３ｄ（固定部材）でベースメタル１１ｃと固定されている。そのため、基板Ｂに対して、半導体素子ＳＷを実装した金属基板１１を安定して固定することができる。
【００３７】
さらに、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０を含む電源装置１００は、ノイズを低減することが可能であるとともに、小型化が可能である。
【００３８】
また、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０は、上述した実施形態に限定されるものではなく、パワーエレクトロニクス等の技術分野において、半導体スイッチを用いたＤＣ−ＡＣインバータ、ＤＣチョッパ等の様々な装置として適用することが可能である。
【００３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４０】
１０  電力変換装置、１１  金属基板、１１ａ  外部回路、１１ｂ  絶縁層、１１ｃ  ベースメタル、１２ａ  第１線路、１２ｂ  第２線路、ＨＳ  ヒートシンク、ＳＷ  半導体素子。
【図１】
2018152993.tif 000003
【図２】
2018152993.tif 000004
【図３】
2018152993.tif 000005
【図４】
2018152993.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月10日(2018.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
電力変換装置１０内において、ＡＣ−ＤＣコンバータ３０から入力を受ける入力側には、第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂの間を接続し、平滑化を行う第１コンデンサＣ１が配設されている。また、絶縁ＤＣ−ＤＣコンバータ４０へ出力する出力側には、リアクトルＬ１、半導体素子ＳＷ、整流素子Ｄおよび第２コンデンサＣ２を用いた昇圧回路（昇圧チョッパ）が配設されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
昇圧回路として配設されているリアクトルＬ１および整流素子Ｄは、第１線路１２ａ上に直列に接続されている。整流素子Ｄは、アノード端子が入力側に、カソード端子が出力側になる向きで配設されており、アノード側には、リアクトルＬ１が直列で接続されている。また、第２コンデンサＣ２は、整流素子Ｄのカソード側に、第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂの間を接続するようにして配設されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
さらに、昇圧回路の半導体素子ＳＷは、第１線路１２ａおよび第２線路１２ｂの間を短絡するように配設されている。図４に例示した回路では、半導体素子ＳＷとして、逆並列ダイオードを内蔵するＭＯＳＦＥＴが用いられている。半導体素子ＳＷのドレイン端子は、リアクトルＬ１および整流素子Ｄの間となる第１線路１２ａの第１ポイントＰ１に接続されており、ソース端子は、第２線路１２ｂの第２ポイントＰ２に接続されている。なお、第２ポイントＰ２は、第１コンデンサＣ１が第２線路１２ｂに接続する接続点と、第２コンデンサＣ２が第２線路１２ｂに接続する接続点との間に位置する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
金属基板１１のベースメタル１１ｃと半導体素子ＳＷとの間に発生した第１寄生容量Ｃhp１により、第１ポイントＰ１の電圧変動がベースメタル１１ｃから第２ポイントＰ２を介して第２線路１２ｂへと伝わり、ノイズ電流Ｉnsが流れる。ただし、第２線路１２ｂへ伝わったノイズ電流Ｉnsは、第２ポイントＰ２、第１コンデンサＣ１、リアクトルＬ１および第１ポイントＰ１と流れて循環し、これら素子にて構成される回路内に閉じ込められるため電力変換装置１０の入力側へノイズとして出力されることはない。
【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】
また、基板Ｂは、金属基板１１の側面と接し、ネジ１１ｄ（固定部材）でベースメタル１１ｃと固定されている。そのため、基板Ｂに対して、半導体素子ＳＷを実装した金属基板１１を安定して固定することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2018152993.tif 000007