(57)【要約】【課題】パワー素子に対する冷却性能の低下を抑制する。【解決手段】パワー素子２２を内蔵し表面にヒートシンク２４ａを有するパワーカードに放熱グリス２８ａを介し絶縁板３０ａと冷却器とが積層されてなる電力変換装置において、絶縁板３０ａ側に凸でパワー素子２２の発熱に伴ってヒートシンク２４ａが変形したときに絶縁板３０ａに接触する高さであり且つ閉ループ形状の凸部３８を形成した。これにより、パワー素子２２が発熱したときに、熱膨張により変形したヒートシンク２４ａとヒートシンク２４ａの凸部３８からの力で変形した絶縁板３０ａとの間の閉空間に放熱グリス２８ａが留まるから、放熱グリスが抜けてパワー素子２２に対する冷却性能が低下することを抑制できる。【選択図】図５
2015208113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にパワー素子が搭載され表面にヒートシンクを有するパワーカードに放熱グリスを介して絶縁板と冷却器とが積層されてなる電力変換装置であって、
前記ヒートシンクは、前記絶縁板側に凸であり且つ閉ループ形状の凸部が形成されてなる
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、電力変換装置に関し、詳しくは、内部にパワー素子が搭載され表面にヒートシンクを有するパワーカードに放熱グリスを介して絶縁板と冷却器とが積層されてなる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電力変換装置としては、発熱素子が実装された基板と、基板に伝熱グリースを介して接着された放熱体とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、放熱体の基板と対向している面に基板側へ凸となる凸部を設けることにより、基板と放熱体の間に介在する伝熱グリースの厚さを適切に制御できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−４７４５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、パワー素子を内蔵し表面にヒートシンクを有するパワーカードに放熱グリスを介して絶縁板と冷却器とが積層されてなる電力変換装置では、絶縁板、放熱グリス，ヒートシンクを介して冷却器でパワー素子を冷却している。この装置では、パワー素子が発熱すると、ヒートシンクに熱膨張が生じて、ヒートシンクと絶縁板との間隙が局所的に狭くなり、狭くなった箇所の放熱グリスが他の部位に移動してしまう。こうして局所的に放熱グリスが移動した後にパワー素子の温度が低下してヒートシンクが元の形状に戻ると、放熱グリスが移動した箇所に空気が流入して、ヒートシンクと絶縁板との密着性が低下し、パワー素子に対する冷却性能が低下してしまう。
【０００５】
本発明の電力変換装置は、パワー素子に対する冷却性能の低下を抑制することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力変換装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の電力変換装置は、
内部にパワー素子が搭載され表面にヒートシンクを有するパワーカードに放熱グリスを介して絶縁板と冷却器とが積層されてなる電力変換装置であって、
前記ヒートシンクは、前記絶縁板側に凸であり且つ閉ループ形状の凸部が形成されてなる
ことを特徴とする。
【０００８】
この本発明の電力変換装置では、内部にパワー素子が搭載され表面にヒートシンクを有するパワーカードに放熱グリスを介して絶縁板と冷却器とが積層されてなるものにおいて、ヒートシンクに、絶縁板側に凸であり且つ閉ループ形状の凸部を形成した。これにより、パワー素子が発熱してヒートシンクが熱膨張で変形したときでも、ヒートシンクの凸部で放熱グリスの移動を抑制することができ、放熱グリス抜けによるパワー素子に対する冷却性能の低下を抑制することができる。
【０００９】
こうした本発明の電力変換装置において、前記ヒートシンクの凸部は、前記パワー素子の発熱に伴って前記ヒートシンクが変形したときに前記絶縁基板に接触する高さに形成されているものとすることもできる。こうすれば、パワー素子の発熱に伴ってヒートシンクが変形したときにヒートシンクと絶縁基板とで形成される閉空間内に放熱グリスを留まらせることができ、パワー素子に対する冷却性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例の電力変換装置２０が搭載されたパワーコントロールユニット１０の構成の概略を示す分解斜視図である。
【図２】電力変換装置２０を電力変換装置用ケース５０に取り付けた様子を図１におけるＡ方向から視た上面図である。
【図３】図２における電力変換装置２０の要部２１をＢ方向から視た側面図である。
【図４】パワーカード２６と絶縁板３０ａ，３０ｂ，冷却器３４とが積層されている様子を説明するための説明図である。
【図５】電力変換装置２０の要部の断面を示す説明図である。
【図６】ヒートシンク２４ａの形状を説明するための説明図である。
【図７】平板形状のヒートシンク１２４ａを有する比較例の電力変換装置１２０の構成の概略を示す説明図である。
【図８】比較例の電力変換装置１２０において、パワー素子２２が発熱したときの様子を説明するための説明図である。
【図９】比較例の電力変換装置１２０においてパワー素子２２が発熱した後冷却されたときの様子を説明するための説明図である。
【図１０】パワー素子２２が発熱したときの実施例の電力変換装置２０の様子を説明するための説明図である。
【図１１】比較例の電力変換装置２２０における絶縁板２３０ａの端部の拡大図である。
【図１２】絶縁板３０ａの端部の拡大図である。
【図１３】レーザ加工によるパタニングで凸部３８を形成したときのヒートシンク２４ａの表面の形状を示す説明図である。
【図１４】変形例の電力変換装置３２０の要部の構成の概略を示す説明図である。
【図１５】絶縁板３３０ａの端部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、本実施例の電力変換装置２０が搭載されたパワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）１０の構成の概略を示す分解斜視図であり、図２は、電力変換装置２０を電力変換装置用ケース５０に取り付けた様子を図１におけるＡ方向から視た上面図である。なお、図２における太線黒矢印は、冷却水の流れる方向を表している。ＰＣＵ１０は、昇圧コンバータやインバータなど電力を変換するための回路を構成するＩＧＢＴなどの複数のパワー素子２２が内蔵された電力変換装置２０と、電力変換装置２０に内蔵された昇圧コンバータやインバータを制御するための制御回路を構成する各種電子部品が搭載された電子基板４０と、を備える。電力変換装置２０は、電力変換装置用ケース５０の内部に取り付けられており、電力変換装置用ケース５０に取り付けられた一対の押圧部材５１ａ，５１ｂにより図２において左右方向両側から荷重がかけられている。なお、電力変換装置用ケース５０は、電子基板用ケース５２の底面側から嵌め込まれて固定されており、電子基板用ケース５２の上面は蓋部材５４で塞がれており、電子基板用ケース５２の底面は底面部材５６で塞がれている。
【００１３】
図３は、図２における電力変換装置２０の要部２１をＢ方向から視た側面図であり、図４は、パワーカード２６と絶縁板３０ａ，３０ｂ，冷却器３４とが積層されている様子を説明するための説明図であり、図５は、電力変換装置２０の要部の断面を示す説明図であり、図６は、ヒートシンク２４ａ，２４ｂの形状を説明するための説明図である。電力変換装置２０は、複数のパワー素子２２が内蔵されると共に表面および裏面に熱伝導性の良好な材料（例えば、銅（Ｃｕ）など）により形成されたヒートシンク２４ａ，２４ｂを有すると共にパワー素子２２と電子基板４０上の電子部品とを接続したりパワー素子２２と装置外の電子部品とを接続するための電極端子Ｔ１，Ｔ２を有する７個のパワーカード２６と、パワーカード２６の両面のヒートシンク２４ａ，２４ｂに放熱グリス２８ａ，２８ｂを介して接着されヤング率がヒートシンク２４ａ，２４ｂの材料より小さく熱伝導性が良好な絶縁材料（例えば、セラミックなど）により形成された絶縁板３０ａ，３０ｂと、絶縁板３０ａ，３０ｂに放熱グリス３２ａ，３２ｂを介して接着されヤング率がヒートシンク２４ａ，２４ｂの材料より小さく熱伝導性の良好な材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ）など）により形成され内部に冷却水が流通する冷却器３４と、を備える。なお、図３における太線黒矢印は、冷却水の流れる方向を表している。
【００１４】
パワー素子２２は、図４に示すように、エポキシ樹脂等の合成樹脂材料により形成された樹脂部３６と両面のヒートシンク２４ａ，２４ｂとでパワーカード２６の内部に封止されている。実施例では、樹脂部３６とヒートシンク２４ａ，２４ｂとの境界にわずかながら（数１０μｍ程度の）段差が生じているものとする。この段差は、切削工法により、樹脂部３６とヒートシンク２４ａ，２４ｂとの境界を平坦化しようとしても、材料の違いにより、わずかながら段差が生じることに起因する。
【００１５】
ヒートシンク２４ａには、表面を切削することにより、図４〜図６に示すように、絶縁板３０ａ側に凸の複数の凸部３８が形成されており、樹脂部３６より絶縁板３０ａ側に凸量ｈだけ高くなり、且つ、複数の凸部３８のうち一部は、閉ループ形状になるよう形成されている。実施例では、凸量ｈを、放熱グリスに添加されているフィラーの平均粒径より大きく、後述するように、パワー素子２２が動作に伴い発熱してヒートシンク２４ａが熱膨張して変形したときに絶縁板３０ａに接触すると共に絶縁板３０ａに接触したときに絶縁板３０ａが割れない程度の高さ（例えば、１０μｍ〜５０μｍ）であるものとした。なお、凸部３８は、ヒートシンク２４ａが熱膨張していないときには、絶縁板３０ａに接触していないものとしてもよい。また、ヒートシンク２４ｂは、ヒートシンク２４ａと同じ形状に形成されているものとした。
【００１６】
絶縁板３０ａには、樹脂部３６と対向する位置に樹脂部３６側に凸で樹脂部３６に接触する凸部３９が形成されている。絶縁板３０ｂは、絶縁板３０ａと同じ形状になるよう形成されているものとした。
【００１７】
こうして構成されたＰＣＵ１０では、電力変換装置２０のパワーカード２６に搭載されたパワー素子２２が比較的大きな出力で駆動して発熱するが、発熱したパワー素子２２を、ヒートシンク２４ａ，２４ｂや放熱グリス２８ａ，２８ｂ，絶縁板３０ａ，３０ｂ，放熱グリス３２ａ，３２ｂを介して冷却器３４により冷却することにより、パワー素子２２が高温に至ることを抑制している。
【００１８】
ところで、パワー素子２２が発熱すると、その熱でヒートシンク２４ａ，２４ｂが熱膨張して変形する。ここで、ヒートシンク２４ａ，２４ｂが熱膨張して変形したときの様子について比較例の電力変換装置と比較しながら説明する。図７は、凸部が形成されていない平板状のヒートシンク１２４ａを有する比較例の電力変換装置１２０の構成の概略を示す説明図であり、図８は、比較例の電力変換装置１２０において、パワー素子２２が発熱したときの様子を説明するための説明図であり、図９は、比較例の電力変換装置１２０においてパワー素子２２が発熱した後冷却された後の様子を説明するための説明図であり、図１０は、パワー素子２２が発熱したときの実施例の電力変換装置２０の様子を説明するための説明図である。
【００１９】
比較例の電力変換装置１２０では、実施例の電力変換装置２０と同様に、ヒートシンク１２４ａと樹脂部３６との境界にはわずかならがら段差が生じているから、図７に示すように、パワーカード２２に絶縁板１３０ａ，冷却器３４とを積層して冷却器３４側から荷重をかけたときに絶縁板１３０ａがヒートシンク１２４ａと密着せずに空間が生じてしまい、その空間に放熱グリス２８ａが留まっている。こうした状態でパワー素子２２が発熱すると、図８に示すように、ヒートシンク１２４ａは熱膨張で変形するが、絶縁板１３０ａの変形が少ないため、ヒートシンク１２４ａの変形した箇所と絶縁板１３０ａとの間の放熱グリス２８ａが押し出されて移動してしまう。そして、その後、パワー素子２２が冷却されると、移動した放熱グリス２８ａが元の位置に戻らず、図９に示すように、ヒートシンク１２４ａと絶縁板１３０ａとの間の空間に空気が流入する。空気は放熱グリス２８ａより熱伝導率が低いため、ヒートシンク１２４ａと絶縁板１３０ａとの間に空気が介在すると、パワー素子２２に対する冷却性能が低下してしまう。
【００２０】
実施例の電力変換装置２０では、ヒートシンク２４ａの凸部３８は、ヒートシンク２４ａが熱膨張したときに絶縁板３０ａに接触する高さに形成されているから、ヒートシンク２４ａが熱膨張して変形すると、図１０に示すように、ヒートシンク２４ａの凸部３８が絶縁板３０ａに接触してヒートシンク２４ａの凸部３８から作用する力で絶縁板３０ａが変形する。そして、複数の凸部３８の一部が閉ループ形状に形成されているから、ヒートシンク２４ａと絶縁板３０ａとで閉空間が形成され、閉空間内に放熱グリス２８ａが留まる。このように、ヒートシンク２４ａと絶縁板３０ａとの間で放熱グリス２８ａが留まるから、パワー素子２２に対する冷却性能の低下を抑制することができる。
【００２１】
また、実施例の電力変換装置２０では、絶縁板３０ａの端部に樹脂部３６と接触する凸部３９が形成されているから、図１１の絶縁板２３０ａの端部に凸部が形成されていない比較例の電力変換装置２２０に比して、パワー素子２２の発熱に伴ってヒートシンク２４ａ，２４ｂと絶縁板３０ａとが変形したときに、図１２に示すように、凸部３９で絶縁板３０ａの端部を支持して端部の変形を抑制することができる。
【００２２】
以上説明した実施例のＰＣＵ１０に搭載された電力変換装置２０よれば、絶縁板３０ａ，３０ｂ側に凸でパワー素子２２の発熱に伴ってヒートシンク２４ａ，２４ｂが変形したときに絶縁板３０ａ，３０ｂに接触する高さであり且つ閉ループ形状の凸部３８をヒートシンク２４ａ，２４ｂに形成することにより、パワー素子２２に対する冷却性能の低下を抑制することができる。
【００２３】
また、絶縁板３０ａの端部に樹脂部３６と接触する凸部３９を形成することにより、絶縁板３０ａの端部の変形を抑制することができる。
【００２４】
実施例の電力変換装置２０では、ヒートシンク２４ａの表面を切削して凸部３８を形成するものとしたが、レーザやプレスにてパタニングするものとしてもよい。図１３は、レーザ加工によるパタニングで凸部３８を形成したときのヒートシンク２４ａの表面の形状を示す説明図である。図示するように、レーザでパタニングした場合、溶融した銅で盛り上がりができるから、切削することなく凸部を形成することができる。プレスでパタニングした場合も、レーザで切削する場合と同様に凸部を形成することができる。
【００２５】
実施例の電力変換装置２０では、絶縁板３０ａの端部に凸部３９を形成するものとしたが、図１４，１５の変形例の電力変換装置３２０に示すように、絶縁板３３０ａの端部に凸部を設けずに、ヒートシンク３２４ａの最も外側の凸部３３８を樹脂部３６側へ徐々に低くなるテーパ形状に形成するものとしてもよい。こうすれば、絶縁板３３０ａが変形したときでも、テーパ形状となった凸部３３８で支持して、絶縁板３３０ａの端部の曲率を小さくすることができる。
【００２６】
実施例の電力変換装置２０では、パワーカード２６を、表面および裏面にヒートシンク２４ａ，２４ｂを有するものとしたが、表面および裏面のいずれかのみにヒートシンクを有するものとしてもよい。
【００２７】
実施例の電力変換装置２０では、複数の凸部３８を、パワー素子２２の発熱に伴ってヒートシンク２４ａ，２４ｂが変形したときに絶縁板３０ａ，３０ｂに接触する高さであるものとしたが、絶縁板３０ａ，３０ｂに接触しないものとしてもよい。この場合でも、凸部３８により、放熱グリス２８ａ，２８ｂの移動を抑制することができる。
【００２８】
実施例の電力変換装置２０では、樹脂部３６とヒートシンク２４ａ，２４ｂとの境界に段差が生じているものとしたが、こうした段差が生じていないものとしてもよい。
【００２９】
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、パワーカード２６が「パワーカード」に相当し、ヒートシンク２４ａが「ヒートシンク」に相当し、絶縁板３０ａが「絶縁板」に相当し、冷却器３４が「冷却器」に相当する。
【００３０】
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
【００３１】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、電力変換装置の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  パワーコントロールユニット、２０，１２０，２２０，３２０  電力変換装置、２１  要部、２２  パワー素子、２４ａ，２４ｂ，１２４ａ，３２４ａ  ヒートシンク、２８ａ，２８ｂ，３２ａ，３２ｂ  放熱グリス、２６  パワーカード、３０ａ，３０ｂ，２３０ａ，３３０ａ  絶縁板、３４  冷却器、３６  樹脂部、３８，３９，３３８  凸部、４０  電子基板、５０  電力変換装置用ケース、５１ａ，５１ｂ  押圧部材、５２  電子基板用ケース、５４  蓋部材、５６  底面部材、Ｔ１，Ｔ２  電極端子。
【図１】
2015208113.tif 000003
【図２】
2015208113.tif 000004
【図３】
2015208113.tif 000005
【図４】
2015208113.tif 000006
【図５】
2015208113.tif 000007
【図６】
2015208113.tif 000008
【図７】
2015208113.tif 000009
【図８】
2015208113.tif 000010
【図９】
2015208113.tif 000011
【図１０】
2015208113.tif 000012
【図１１】
2015208113.tif 000013
【図１２】
2015208113.tif 000014
【図１４】
2015208113.tif 000015
【図１５】
2015208113.tif 000016
【図１３】
2015208113.tif 000017