(57)【要約】【課題】発熱体である半導体素子の冷却効率を向上させた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置では、発熱体となる６つの半導体素子に設けられた６つの放熱部材１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆが、流路８内に配置されたドライブ回路用プリント基板５に実装されている。放熱部材１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆは、流路８を構成する板状部材６と直交する方向に３列で、かつ板状部材６に沿った方向に２段で配置されている。冷却風の主流方向Ａ下流側でかつ最も下側にある放熱部材１８Ｆの真下において、板状の接続端子１５が、冷却風の主流方向Ａに対して所定の傾斜角度αでドライブ回路用プリント基板５に実装されている。放熱部材１８Ｃ，１８Ｆよりも下方の位置で主流方向Ａに通流する冷却風Ａ２は、傾斜した接続端子１５によって垂直方向上側に反射され、放熱部材１８Ｆに向かって通流していく。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体に形成された吸気口および排気口を有し、冷却ファンによって前記吸気口から前記排気口へと冷却風を通流させる流路と、
前記流路内に配置されたプリント基板と、
前記プリント基板に実装され、前記冷却風によって冷却される発熱体と、
前記冷却風の一部を前記発熱体に向けて案内するように、前記流路に対して所定の傾斜角度で前記プリント基板に実装された板状の接続端子と、
を備えた電力変換装置。
【請求項２】
前記流路は、互いに対向する２つの板状部材によってダクト状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記接続端子は、前記２つの板状部材のうち一方の板状部材と前記発熱体との間に位置することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記接続端子は、前記発熱体の真下に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記プリント基板上に実装された複数の発熱体を備え、前記複数の発熱体は、前記流路と直交する方向に複数列で、かつ前記流路に沿った方向に複数段で配置され、前記接続端子は、最も下側の列でかつ最も下流側に位置した発熱体の真下に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか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、流路内に配置されたプリント基板上の発熱体が、冷却ファンによる冷却風で冷却される電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、発熱体（半導体素子）に付随するヒートシンク部が冷却風の流路内に配置されてなる電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、冷却ファンの駆動により、流路の吸気口から排気口へと冷却風を通流させることで、発熱体からの熱が伝達されたヒートシンク部が、強制的に冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−４３０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような電力変換装置において発熱体の冷却効率を向上させるためには、一般的に、ヒートシンク部を大型化して放熱面積を大きくするか、または冷却風の風速を上げることが考えられる。
【０００５】
ヒートシンク部を大型化する場合には、電力変換装置全体が大型化してしまい、電力変換装置に伴う製造コストが増加する虞がある。
【０００６】
一方、冷却風の風速を上げる場合には、流路内に多くの塵挨を取り込むことになり、この塵挨が充電部に付着すると、充電部の短絡が生じる虞がある。なお、充電部の短絡を抑制するために充電部をコーティングすると、このコーティングに伴う付加的なコストが生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電力変換装置は、
筐体に形成された吸気口および排気口を有し、冷却ファンによって前記吸気口から前記排気口へと冷却風を通流させる流路と、
前記流路内に配置されたプリント基板と、
前記プリント基板に実装され、前記冷却風によって冷却される発熱体と、
前記冷却風の一部を前記発熱体に向けて案内するように、前記流路に対して所定の傾斜角度で前記プリント基板に実装された板状の接続端子と、
を備えている。
【０００８】
従って、発熱体が、流路に沿った冷却風に加えて、傾斜した板状の接続端子により案内された冷却風によって冷却される。
【０００９】
上記電力変換装置の好ましい態様において、前記流路は、互いに対向する２つの板状部材によってダクト状に構成されている。
【００１０】
また、上記電力変換装置の別の好ましい態様において、前記接続端子は、前記２つの板状部材のうち一方の板状部材と前記発熱体との間に位置する。
【００１１】
さらに、上記電力変換装置の別の好ましい態様において、前記接続端子は、前記発熱体の真下に位置する。
【００１２】
また、上記電力変換装置の別の好ましい態様において、上記電力変換装置は、前記プリント基板上に実装された複数の発熱体を備え、前記複数の発熱体は、前記流路と直交する方向に複数列で、かつ前記流路に沿った方向に複数段で配置され、前記接続端子は、最も下側の列でかつ最も下流側に位置した発熱体の真下に設けられる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プリント基板に既に実装されている板状の接続端子により案内される冷却風によって、発熱体がさらに冷却されるので、電力変換装置の大型化や冷却ファンの風速の増加を伴うことなく、発熱体を効率的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】側方から見た一実施例の電力変換装置を示す説明図である。
【図２】プリント基板および半導体素子等の斜視図である。
【図３】図１および図２の左から４番目のドライブ回路用プリント基板の部分的な拡大図である。
【図４】接続端子の平面図である。
【図５】スイッチング素子ユニットの説明図である。
【図６】図１および図２の左から４番目のドライブ回路用プリント基板における冷却風の流れを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説明する。
【００１６】
図１は、一実施例の電力変換装置１を側方から透視して見たときの電力変換装置１の内部構成を示す説明図である。この電力変換装置１は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータや、交流電力を直流電力に変換するコンバータであり、縦長の直方体形状をなす盤の筐体２と、この筐体２の上端面に配置された冷却ファン３と、筐体２内に収容され、図示せぬスイッチング素子ユニット４（図５参照）のオン・オフ制御を行うドライブ回路が実装されている複数のドライブ回路用プリント基板５と、によって主に構成されている。
【００１７】
筐体２は、左右の側壁２ａ（図１には、左側の側壁２ａのみが示されている）と、底壁２ｂと、天井壁２ｃと、前面壁２ｄと、背面壁２ｅと、を備えている。図１に示すように、筐体２の前面壁２ｄから、３つの板状部材６が、背面壁２ｅから筐体２の内部側にある程度離間した位置まで水平方向に延びており、これにより、筐体２が、板状部材６の後端縁と背面壁２ｅとの間の後述する風洞部７を除いて、４つの区画に仕切られている。そして、図１の上から１番目から３番目までの区画において、互いに対向する２つの板状部材６および左右の側壁２ａによって四方が囲まれた直方体形状の空間として、冷却ファン３による冷却風が通流するダクト状の流路８が構成されている。ここで、最上部の流路８は、天井壁２ｃ、最上部の板状部材６および左右の側壁２ａによって四方を囲まれた直方体形状の空間として構成されている。なお、天井壁２ｃは、板状部材６とともに特許請求の範囲に記載の「板状部材」に相当する。
【００１８】
また、板状部材６の後端縁と背面壁２ｅとの間に、上下方向に連続した空間つまり風洞部７が構成されている。風洞部７の上端は、天井壁２ｃに開口形成された排気口９と連通しており、この排気口９を覆うように冷却ファン３が取り付けられている。なお、冷却ファン３は、詳細には図示していないが、回転軸に対して直角な方向へ排気する遠心ファンである。この冷却ファン３によって風洞部７から上方に向けて送風がなされる。
【００１９】
前面壁２ｄには、各流路８の比較的下側の位置に、吸気口１０が開口形成されており、この吸気口１０を通して、冷却ファン３の駆動時に、外気である冷却風が流路８内に取り込まれる。
【００２０】
各流路８では、図１に示すように、左の側壁２ａの内側面に長方形の取付プレート１１が取付固定されており、この取付プレート１１に長方形の４つのドライブ回路用プリント基板５が板状部材６（または天井壁２ｃ）に沿って等間隔に取り付けられている。
【００２１】
図２に示すように、ドライブ回路用プリント基板５の上側半部に、トランス用プリント基板１２が取り付けられている。図１に示すように、トランス用プリント基板１２は、吸気口１０よりも垂直方向上側の位置に設けられており、このトランス用プリント基板１２に、直方体形状をなすトランス１３が実装されている。トランス１３が実装された状態では、トランス１３は、図２に示すように、トランス用プリント基板１２から、取付プレート１１とは反対側に突出している。
【００２２】
また、図２の左から４番目のドライブ回路用プリント基板５に示すように、ドライブ回路用プリント基板５の下側半部に、発熱体となる６つの半導体素子１４（１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ）と、スイッチング素子ユニット４（図５参照）に電気的に接続するための板状の接続端子１５と、同じくスイッチング素子ユニット４に電気的に接続するための２つのコネクタ１６，１７と、が実装されている。
【００２３】
半導体素子１４は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、図２および図３に示すように、トランス１３の下方において、垂直方向つまり板状部材６（または天井壁２ｃ）と直交する方向に３列で、かつ水平方向つまり板状部材６（または天井壁２ｃ）に沿った方向に２段で、ドライブ回路用プリント基板５に実装されている。ここで、図２および図３に示すように、左から１段目で垂直方向に整列した半導体素子１４を、上から順に、半導体素子１４Ａ、半導体素子１４Ｂ、半導体素子１４Ｃとし、左から２段目で垂直方向に整列した半導体素子１４を、上から順に、半導体素子１４Ｄ、半導体素子１４Ｅ、半導体素子１４Ｆとする。
【００２４】
半導体素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆが実装された状態では、半導体素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆは、図２および図３に示すように、ドライブ回路用プリント基板５から、トランス１３と同じ方向に突出している。半導体素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆには、放熱部材１８（１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆ）が、ドライブ回路用プリント基板５とは反対側から半導体素子１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆを覆うようにそれぞれ取り付けられている。放熱部材１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆは、熱伝導性に優れた金属材料、例えば銅によって形成されており、図３に示すように、一対の冷却フィン３０をそれぞれ備えている。
【００２５】
垂直方向に整列した３つの半導体素子１４や放熱部材１８は、垂直方向に等間隔に配置されており、一方、水平方向に整列した２つの半導体素子１４や放熱部材１８は、水平方向に互いに離間するように適宜配置されている。
【００２６】
ドライブ回路用プリント基板５に半導体素子１４や放熱部材１８を実装した状態では、ドライブ回路用プリント基板５の表面（図２の手前側の面）からトランス１３の上面（図２の手前側の面）までの距離は、ドライブ回路用プリント基板５の表面から放熱部材１８の表面（図２の手前側の面）までの距離よりも長くなっている。従って、図２に示すように、流路８内の４つのトランス１３よりも下方には、板状部材６（または天井壁２ｃ）に沿って連続する比較的広い空間が形成されている。
【００２７】
かかる電力変換装置１において、冷却ファン３の駆動により、外気である冷却風が、吸気口１０から流路８内に取り込まれ、トランス１３よりも下方の比較的広い空間を板状部材６に沿って主に通流する。そして、流路８からの冷却風は、風洞部７を通して上方に通流し、天井壁２ｃに形成された排気口９を通して筐体２外部に排出される。
【００２８】
ここで、冷却風の主流方向を図１に矢印Ａで示す。主流方向Ａは、冷却風が流路８内を通流するときには、水平方向つまり板状部材６（または天井壁２ｃ）に沿った方向であり、冷却風が風洞部７を通流するときには、垂直方向つまり板状部材６（または天井壁２ｃ）と直交する方向である。
【００２９】
接続端子１５は、例えば、金属製のファストン端子であり、図４に示すように、概ね長方形の板状をなす基部１５ａと、この基部１５ａの縁部から突出した２つの突出部１５ｂと、を備えている。
【００３０】
このように構成された接続端子１５は、図２および図３に示すように主流方向Ａの下流側で最も下側に位置した半導体素子１４Ｆや放熱部材１８Ｆの真下でドライブ回路用プリント基板５に実装されている。ここで、板状の基部１５ａは、ドライブ回路用プリント基板５から直角に突出しており、また、２つの突出部１５ｂは、ドライブ回路用プリント基板５のスルーホールを貫通している。接続端子１５が実装された状態では、接続端子１５は、図６に示すように、流路８を通流する冷却風の主流方向Ａに対して所定の傾斜角度αで傾斜している。つまり、接続端子１５は、板状部材６と半導体素子１４Ｆに付随する放熱部材１８Ｆとの間において放熱部材１８Ｆに隣接した位置で、流路８を構成する板状部材６に対して所定の傾斜角度αで傾斜している。ここで、この傾斜角度αは、流路８を通流する冷却風の主流方向Ａ（板状部材６の方向）と接続端子１５とによって形成される鋭角側の角度であり、主流方向Ａに通流する放熱部材１８Ｆ側の冷却風の一部を放熱部材１８Ｆに向けて案内することができる角度に設定される。本実施例では、傾斜角度αは、４５°である。
【００３１】
このように接続端子１５が傾斜して実装された状態では、接続端子１５は、図３に示すように、ドライブ回路用プリント基板５から取付プレート１１とは反対側に向かって、ドライブ回路用プリント基板５の表面から放熱部材１８の表面までの距離よりも長く突出している。
【００３２】
なお、接続端子１５は、主流方向Ａ下流側で最も上側に位置した半導体素子１４Ｄや放熱部材１８Ｄの真上に設けられていても良い。
【００３３】
また、接続端子１５の基部１５ａには、図２および図３に示すように、配線１９を有したコネクタ２０が装着される。コネクタ２０は、金属製の板状部２０ａと、この板状部２０ａの両側部から内側に折り曲げられた２つの折曲部２０ｂと、を備えている。板状部２０ａと折曲部２０ｂとの間の隙間に板状の接続端子１５が挿入されるようにして、コネクタ２０は、接続端子１５に装着される。このようにコネクタ２０が接続端子１５に装着された状態であっても、冷却ファン３による冷却風が、接続端子１５に反射して半導体素子１４Ｆや放熱部材１８Ｆに向かって案内される。
【００３４】
コネクタ１６は、図２および図３に示すように、半導体素子１４Ｄや放熱部材１８Ｄの上方でドライブ回路用プリント基板５に実装されている。
【００３５】
コネクタ１７は、図２および図３に示すように、半導体素子１４Ａや放熱部材１８Ａの上方でドライブ回路用プリント基板５に実装されている。
【００３６】
ドライブ回路用プリント基板５のドライブ回路は、電力変換を行う図示せぬスイッチング素子ユニット４を駆動するものである。図５に示すように、スイッチング素子ユニット４は、同様に構成された上アーム２１および下アーム２２を有しており、これらのアーム２１，２２は、例えばＩＧＢＴ等であるスイッチング素子２１ａ，２２ａと、これらと並列に接続されたダイオード２１ｂ，２２ｂと、を備えている。
【００３７】
上記ドライブ回路の接続端子１５は、コネクタ２０を介してスイッチング素子ユニット４のコレクタＣに電気的に接続されている。コネクタ２０とコレクタＣとの電気的接続により、コレクタ電圧の監視が行われている。
【００３８】
また、上記ドライブ回路は、コネクタ１６を介してスイッチング素子ユニット４の上アーム２１のスイッチング素子２１ａのゲートＧ１およびエミッタＥ１に電気的に接続されており、さらに、コネクタ１７を介してスイッチング素子ユニット４の下アーム２２のスイッチング素子２２ａのゲートＧ２およびエミッタＥ２に電気的に接続されている。スイッチング素子２１ａ，２２ａのゲートＧ１，Ｇ２には、ドライブ回路からのゲート信号が入力され、これにより、スイッチング素子２１ａ，２２ａのＯＮ、ＯＦＦのタイミングが切り換えられる。
【００３９】
かかる電力変換装置１における冷却ファン３の駆動時に、図１に示すように、吸気口１０から取り込まれた冷却風が、流路８において主流方向Ａに通流する。このとき、各放熱部材１８と同じ垂直方向位置で主流方向Ａに通流する冷却風は、図６に太い矢印Ａ１で示すように、主流方向Ａ上流側に位置した放熱部材１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを冷却した後に、主流方向Ａ下流側に位置した放熱部材１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆを冷却する。
【００４０】
一方、放熱部材１８Ｃ，１８Ｆよりも下方の位置で主流方向Ａに通流する冷却風は、図６に細い矢印Ａ２で示すように、傾斜した板状の接続端子１５によって垂直方向上側に反射され、この接続端子１５に隣接した放熱部材１８Ｆに向かって通流していく。
【００４１】
仮に、接続端子１５が板状部材６と平行に配置されている、即ち傾斜角度αが０°である場合には、主流方向Ａ上流側の放熱部材１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを通過して温められた冷却風が、主流方向Ａ下流側の放熱部材１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆへと通流していく。従って、主流方向Ａ下流側の放熱部材１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆの冷却効率が主流方向Ａ上流側の放熱部材１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃよりも低くなる。一般的に、主流方向Ａ下流側の中央に位置した放熱部材１８Ｅの冷却効率が最も低くなり、これに伴い、放熱部材１８Ｅに熱を伝達する半導体素子１４Ｅの温度上昇が最も高くなり、半導体素子１４Ｅの発熱の許容温度を超過する虞がある。
【００４２】
しかし、上記実施例では、４５°に傾斜した接続端子１５を放熱部材１８Ｆの真下に配置したことから、図６に矢印Ａ２で示すように、放熱部材１８Ｆの下側で主流方向Ａに流れる冷却風の流れが、傾斜した接続端子１５によって放熱部材１８Ｆに向かうように案内される。従って、放熱部材１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと同じ垂直方向位置で主流方向Ａに通流する冷却風（矢印Ａ１）に加えて、主流方向Ａ上流側からの熱を受けていない矢印Ａ２で示す冷却風によって、放熱部材１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆが冷却されるので、放熱部材１８Ｄ，１８Ｅ，１８Ｆを具備した半導体素子１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆの冷却効率が向上する。この冷却は、温度上昇が最も高くなる半導体素子１４Ｅにとって、最も効果的である。
【００４３】
また、上記実施例では、ドライブ回路用プリント基板５の必須の構成要素である接続端子１５を利用して放熱部材１８の冷却効率を向上させているので、追加の構成要素や放熱部材１８の大型化に伴う電力変換装置１全体の大型化や、冷却ファン３の風速の増加が必要ない。
【００４４】
なお、上記実施例では、図１および図２の左から４番目のドライブ回路用プリント基板５に実装された接続端子１５および６つの半導体素子１４が実装された例を説明したが、これらの接続端子１５および６つの半導体素子１４を、図１および図２に示すように左から２番目のドライブ回路用プリント基板５にも実装することができる。
【００４５】
また、上記実施例では、６つの半導体素子１４が、流路８と直交する方向に３列で、かつ流路８に沿った方向に２段で配置された例を開示したが、半導体素子１４の配置は、これに限定されるものでなく、他の複数列でかつ他の複数段で配置されていてもよい。この場合、接続端子１５は、最も下側の列でかつ最も下流側に位置した半導体素子１４や放熱部材１８の真下に設けられる。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・電力変換装置
３・・・冷却ファン
５・・・ドライブ回路用プリント基板
６・・・板状部材
８・・・流路
９・・・排気口
１０・・・吸気口
１４（１４Ａ〜１４Ｆ）・・・半導体素子
１５・・・接続端子
１８（１８Ａ〜１８Ｆ）・・・放熱部材
α・・・傾斜角度
Ａ・・・主流方向
Ａ１・・・冷却風
Ａ２・・・冷却風
【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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