(57)【要約】【課題】絶縁性と放熱性を両立させ、信頼性が高く、高性能な電源装置を得ることを目的とする。【解決手段】主電流を流すための複数の端子（１ｄ、１ｓ）が側部から突出し、一面から内蔵ヒートスプレッダ１が露出する複数のスイッチング素子１と、複数のスイッチング素子１のそれぞれを、内蔵ヒートスプレッダ１ｈを内包するように伝熱載置するダイパッドが、当該ダイパッドに伝熱載置されるスイッチング素子１と他のスイッチング素子１間を電気接続する配線パターンと一体に金属板で形成された回路基板４と、回路基板４を収容する筐体８と、を備え、ダイパッドを形成する金属板は、それぞれ内蔵ヒートスプレッダ１ｈよりも厚く、かつ回路面４ｆの反対側の面で、絶縁シート７を介して筐体８に接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に、または直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して出力する電源装置であって、
主電流を流すための複数の端子が側部から突出し、一面から伝熱板が露出する複数のパワー半導体素子と、
前記複数のパワー半導体素子のそれぞれを、前記伝熱板を内包するように伝熱載置するダイパッドが、当該ダイパッドに伝熱載置されるパワー半導体素子と他のパワー半導体素子間を電気接続する配線パターンと一体に金属板で形成された回路基板と、
前記回路基板を収容する筐体と、を備え、
前記ダイパッドを形成する金属板は、それぞれ前記伝熱板よりも厚く、かつ前記パワー半導体素子が伝熱載置される面の反対側の面で、絶縁シートを介して前記筐体に接合されていることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記回路基板は、前記ダイパッドを形成する金属板をインサート材として、樹脂材料で一体成型されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記複数のパワー半導体素子は、４つのスイッチング素子であり、
前記回路基板には、前記４つのスイッチング素子をフルブリッジ構成したインバータ回路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記４つのスイッチング素子は、それぞれドレイン端子が前記伝熱板と導通するＭＯＳＦＥＴであり、
前記複数のダイパッドのうち、
第一ＭＯＳＦＥＴを伝熱載置するダイパッドと、第二ＭＯＳＦＥＴを伝熱載置するダイパッドが、前記第一ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子と前記第二ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子間を電気接続する配線パターンと一体に、
第三ＭＯＳＦＥＴを伝熱載置するダイパッドが、前記第三ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子と前記第一ＭＯＳＦＥＴのソース端子間を電気接続する配線パターンと一体に、
第四ＭＯＳＦＥＴを伝熱載置するダイパッドが、前記第四ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子と前記第二ＭＯＳＦＥＴのソース端子間を電気接続する配線パターンと一体に、
それぞれ前記金属板で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記回路基板と電気接続されるトランスあるいはチョークコイルを備え、
前記トランスの巻線あるいは前記チョークコイルの巻線が、前記回路基板と一体成型されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のパワー半導体素子による電力回路を有する電源装置に関し、とくに、パワー半導体素子が実装された回路基板の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電圧を直流電圧へ変換、あるいは直流電圧を別の直流電圧に変換する電源装置は、広く産業界で利用されている。なかでも、パワー半導体素子によるフルブリッジ構成のインバータ回路を有するスイッチング電源は、従来よりも格段に小型化・高効率化が可能で、多くの電源に採用されている。
【０００３】
こうした電源装置では、パワー半導体素子は、多くの場合筐体内に収められる。一方、電源装置を高温環境下で使用する場合、発熱源であるパワー半導体素子を効率よく冷却することが重要となる。そこで、絶縁材を介して複数のパワー半導体素子を金属製の放熱体に固定して、パワー半導体素子の熱を効率よく拡散し、高温環境下で熱成立させようとしている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−９４０２２号公報（段落００９９〜０１００、図１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、パワー半導体素子と筐体との間に、筐体よりも伝熱性の高い放熱板を設置しても、放熱板とパワー半導体素子との間に介在する絶縁材が熱伝導の抵抗となり、パワー半導体素子から放熱体への熱伝達が抑制されてしまう。一方、複数のパワー半導体素子は電位が異なるため、絶縁材を省略して放熱板に固定すると、絶縁が確保されず、信頼性が低下してしまう。その結果、高い信頼性を保ったまま、パワー半導体素子の性能をフルに発揮させる電源装置を得ることは困難であった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、絶縁性と放熱性を両立させ、信頼性が高く、高性能な電源装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる電源装置は、交流電力を直流電力に、または直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して出力する電源装置であって、主電流を流すための複数の端子が側部から突出し、一面から伝熱板が露出する複数のパワー半導体素子と、前記複数のパワー半導体素子のそれぞれを、前記伝熱板を内包するように伝熱載置するダイパッドが、当該ダイパッドに伝熱載置されるパワー半導体素子と他のパワー半導体素子間を電気接続する配線パターンと一体に金属板で形成された回路基板と、前記回路基板を収容する筐体と、を備え、前記ダイパッドを形成する金属板は、それぞれ前記伝熱板よりも厚く、かつ前記パワー半導体素子が伝熱載置される面の反対側の面で、絶縁シートを介して前記筐体に接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、パワー半導体素子を伝熱載置するダイパッドと素子間の電気接続用の配線パターンが一体に金属板で形成されるので、パワー半導体素子から受けた熱を効率的に伝達するヒートスプレッダとして機能し、絶縁性と放熱性を両立させ、信頼性が高く、高性能な電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電源装置のインバータ回路を構成する複数のパワー半導体素子が実装された回路基板の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電源装置のインバータ回路を構成するパワー半導体素子を実装した回路基板を筐体に設置した状態を示す部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電源装置、および電源装置におけるインバータ回路部分の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる電源装置および電源装置のインバータ回路を構成する回路基板の構成について説明するためのもので、図１は本発明の実施の形態１にかかる電源装置のインバータ回路を構成する４つのパワー半導体素子を直列及び並列接続するように実装した回路基板の平面図、図２はパワー半導体素子が実装されインバータ回路を構成する回路基板を電源装置の筐体に設置した状態の部分断面図で、切断位置は、図１のＡ−Ａ線に対応する。図３は電源装置の回路図であり、図３（ａ）は電源装置全体の回路図、図３（ｂ）は電源装置におけるインバータ回路部分の回路図である。
【００１１】
本発明の実施の形態１にかかる電源装置の特徴的な部分は、インバータ回路を構成するための複数のパワー半導体素子を実装した回路基板の構造であるが、はじめに、インバータ回路を含む電源装置全体の回路構成について図３を用いて説明する。
本発明の実施の形態１にかかる電源装置１００は、図３（ａ）に示すように、電圧を変化させるトランス２１と、電源から供給された直流電力をスイッチングしてトランス２１の一次コイルにパルス波の電力を供給するインバータ回路１０と、トランス２１の二次コイルに伝達された交流電力を整流する整流回路２２と、直流電力を出力する出力端子２５と、トランス２１のセンタータップと出力端子２５との間に接続され、整流回路２２で整流した交流電力を平滑化するチョークコイル２３と、両出力端子２５間に接続され、整流回路２２で整流した交流電圧を平滑化する平滑コンデンサ２４と、を備えたいわゆる絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００１２】
インバータ回路１０は、図３（ｂ）に示すように、パワー半導体素子であるスイッチング素子１Ａと１Ｂを直列接続した系統と、同じくパワー半導体素子であるスイッチング素子１Ｃと１Ｄを直列接続した系統を並列接続してフルブリッジ構成したものである。図３に示す回路では、４つのスイッチング素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ（まとめてスイッチング素子１）には、ディスクリート型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いている。
【００１３】
具体的には、スイッチング素子１Ａのソース端子１Ａｓとスイッチング素子１Ｂのドレイン端子１Ｂｄを接続する。同様に、スイッチング素子１Ｃのソース端子１Ｃｓとスイッチング素子１Ｄのドレイン端子１Ｄｄを接続する。そして、電源の一方の端子にスイッチング素子１Ａのドレイン端子１Ａｄとスイッチング素子１Ｃのドレイン端子１Ｃｄを、他方の端子にスイッチング素子１Ｂのソース端子１Ｂｓとスイッチング素子１Ｄのソース端子１Ｄｓを接続する。これにより、電源から供給された直流電力をスイッチングしてトランス２１にパルス波の電力を供給するインバータ回路１０が形成される。
【００１４】
つぎに、本実施の形態にかかる電源装置の特徴であるインバータ回路部分を構成する回路基板の構造について説明する。
図１に示すように、回路基板４の回路面４ｆには、樹脂部材３によって絶縁された４つの回路パターン２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ（まとめて回路パターン２）が露出している。回路パターン２Ａは、スイッチング素子１Ａとスイッチング素子１Ｃを設置するダイパッドとスイッチング素子１Ａのドレイン端子１Ａｄとスイッチング素子１Ｃのドレイン端子１Ｃｄを電気接続する配線パターンの機能を有している。回路パターン２Ｂはスイッチング素子１Ｂを設置するダイパッドとスイッチング素子１Ａのソース端子１Ａｓとスイッチング素子１Ｂのドレイン端子１Ｂｄを電気接続する配線パターンの機能を有している。回路パターン２Ｃはスイッチング素子１Ｄを設置するダイパッドとスイッチング素子１Ｃのソース端子１Ｃｓとスイッチング素子１Ｄのドレイン端子１Ｄｄを電気接続する配線パターンの機能を有している。そして、回路パターン２Ｄはスイッチング素子１Ｂのソース端子１Ｂｓとスイッチング素子１Ｄのソース端子１Ｄｓを電気接続する配線パターンの機能を有している。
【００１５】
つまり、各回路パターン２の符号は、図３（ｂ）の回路図の符号に対応している。そして、回路パターン２のうち、あるスイッチング素子（例えばスイッチング素子１Ｘと称する）のドレイン端子（同様にドレイン端子１Ｘｄと称する）に接続される回路パターン２には、そのスイッチング素子１Ｘを設置するためのダイパッドの機能を有するようにしている。
【００１６】
各回路パターン２の厚みは、後述するスイッチング素子１Ｘの伝熱板１ｈの厚みより厚く、回路基板４の厚みと同等で、図２に示すように、回路面４ｆ側で露出する部分は、反対側の面でも露出している。このような構造の回路基板４は、各回路パターン２をインサート材として、樹脂部材３を構成する樹脂材によりインサート成型を行うことにより一体部材として形成される。このような回路基板４は、反対側の面まで導通しているので、金属製の筐体８に対しては、絶縁性の放熱シート（絶縁シート７）を介して設置される。なお、筐体８の回路基板４が設置される面の反対側の面には、筐体８に伝わった熱を放熱するための冷却水（冷媒）が流れている。
【００１７】
各スイッチング素子１は、矩形板状をなすディスクリート型素子で、側部からゲート電極（１Ａｇ〜１Ｄｇ：まとめて１ｇ）、ドレイン電極（１Ａｄ〜１Ｄｄ：まとめて１ｄ）、ソース電極（１Ａｓ〜１Ｄｓ：まとめて１ｓ）からの３つの端子が突出している。主面のうち一方の面には、ドレイン電極１ｄと導通している内蔵ヒートスプレッダ１ｈ（個別に示す場合は、内蔵ヒートスプレッダ１Ａｈ〜１Ｄｈ）が露出し、他方の面は絶縁被覆されている。そして、各スイッチング素子１は、図１および図２に示すように、内蔵ヒートスプレッダ１ｈを回路面４ｆに対向させ、少なくとも各内蔵ヒートスプレッダ１ｈが対応するダイパッドに内包されるように回路面４ｆ上に設置する。そして、ねじ６によって一端が筐体８の所定の位置に固定された押さえバネ５によって、内蔵ヒートスプレッダ１ｈの反対側の面が押さえつけられ、各スイッチング素子１は回路面４ｆ上に固定される。
【００１８】
そして、各素子の主電力用の電極（ソース電極１ｓとドレイン電極１ｄ）からの端子をそれぞれ回路パターン２と電気接続することで、図３（ｂ）に示すインバータ回路１０が形成される。さらに、回路パターン２にダイパッドを設けたことで、各スイッチング素子１から筐体８（上述した冷却水）までの回路パターン２を介した伝熱経路が形成される。
【００１９】
つぎに、動作について説明する。
電源装置１００を動作させると、スイッチング素子１に電流が流れ、電圧ロスに応じた熱がスイッチング素子１内で発生する。スイッチング素子１で発生した熱は内蔵ヒートスプレッダ１ｈに直に接している回路パターン２に伝わる。回路パターン２に伝わった熱は、絶縁シート７を介して筐体８に伝わり、筐体８（の放熱面）に流れる冷却水に伝達される。
【００２０】
このとき、伝熱経路中の各部材の伝熱性能は、熱伝導率と伝熱面積に比例し、経路長に反比例する。また、伝熱の駆動力となる温度勾配は、その部材の熱伝導率に反比例し、同じ伝熱量を得るためには、熱伝導率が小さいほど温度勾配が大きくなる。ここで、内蔵ヒートスプレッダ１ｈ、回路パターン２、筐体８等の金属部材の熱伝導率は、銅ならば３９８Ｗ／ｍＫ、アルミダイカスト用のＡＤＣ１２材ならば約９２Ｗ／ｍＫと１００Ｗ／ｍＫ程度の値である。一方、絶縁シート７を構成する材料は、例えば、熱伝導性のフィラーを含有して熱伝導率を高めたものであっても、ＡＤＣ１２材の１０分の１程度の１０Ｗ／ｍＫほどであるが、絶縁性を確保するため極端に薄くすることはできない。そのため、伝熱経路中では、絶縁シート７の伝熱性能が最も低くなり、絶縁シート７での伝熱性能を改善することが伝熱経路全体として伝熱性を改善することになる。
【００２１】
ここで、従来のように、絶縁層を介してスイッチング素子を伝熱板に接続した場合、絶縁層における伝熱面積が、伝熱経路中最も面積の小さなスイッチング素子の面積に制約されることになる。そのため、熱伝達経路全体の伝熱性が低くなり、スイッチング素子で発生した熱を効率良く除去することができない。一方、本実施の形態１にかかる電源装置では、スイッチング素子１の実質的な伝熱面積を決める内蔵ヒートスプレッダ１ｈは、金属部材である回路パターン２に直接接続されている。そして、スイッチング素子１の絶縁性を保持するための絶縁シート７を、内蔵ヒートスプレッダ１ｈよりも面積が広く、厚みも厚い回路パターン２と筐体８との間に設置した。
【００２２】
そのため、各スイッチング素子１で発生した熱は、回路面４ｆの反対側の面においても、回路パターン２の露出面内にほぼ均等に伝わる。そのため、絶縁シート７の伝熱面積をスイッチング素子１の伝熱面積に制約されずに広げることができる。その結果、熱伝達経路全体の伝熱性が向上し、スイッチング素子１で発生した熱を効率良く冷却水に導いて除去（冷却）することができる。なお、スイッチング素子の両面に絶縁性被覆が施されている場合には、絶縁シート７自体が不要となるが、その場合は、スイッチング素子に施された絶縁性被覆自体が伝熱性能を低下させる要因となるため、十分な冷却を行うことができない。
【００２３】
つまり、内蔵ヒートスプレッダ１ｈと接触するダイパッドと内蔵ヒートスプレッダ１ｈと導通する極に接続する配線パターンを兼用する回路パターン２をヒートスプレッダとして用いた。その結果、一方の面に内蔵ヒートスプレッダ１ｈが設置され、絶縁処理が必要なスイッチング素子１を用いても、絶縁性と放熱性を両立させ、信頼性が高く、高性能な電源装置１００を得ることができた。
【００２４】
また、ヒートスプレッダとして機能する回路パターン２を回路基板４と一体のインサート成形部品として構成することで、部品点数の削減が可能である。また、配線パターンとして機能する回路パターン２を回路基板４と一体のインサート成形部品として構成することで、部品点数の削減が可能である。さらに、配線パターンとダイパッドを兼用するヒートスプレッダを一体の導体（回路パターン２）とすることでより小型にできる。
【００２５】
なお、本実施の形態１ではスイッチング素子１と回路パターン２の間には何も介在させていないが、放熱用のグリスが塗布してあってもよい。また、スイッチング素子１を回路基板４に対して弾性部材である押さえバネ５で押さえつけた構造を示しているが、回路パターン２（ダイパッド部分）にねじ穴を切って、スイッチング素子１と回路パターン２をねじで固定してもよい。また、回路基板４を成型する際、インサートカラーなどを設けるようにし、筐体８に対してねじで固定するようにしてもよい。
【００２６】
なお、本実施の形態１では、フルブリッジの単層インバータを構成するように電気的配線を行ったがこの限りではない。たとえば、同期整流におけるＭＯＳＦＥＴを本実施の形態１と同様の構造で実装してもよい。つまり、内蔵ヒートスプレッダを有する複数のパワー半導体素子を用いた回路に対し、内蔵ヒートスプレッダを内包するようにして接するダイパッドと内蔵ヒートスプレッダと導通する極に接続される配線パターンを一体の配線パターンで形成してヒートスプレッダとして用いるようにする。これにより、絶縁性と放熱性を両立させ、信頼性が高く、高性能な電源装置１００を得ることができる。
【００２７】
なお、本実施の形態１では、スイッチング素子１に接続される配線パターンおよびダイパッドとして機能する回路パターン２を回路基板４にインサートする例を示したが、これに限ることはない。例えば、インバータ回路１０の後段に接続されるコイル（チョークコイル２３）の巻線またはトランス２１の一次巻線を一体としてインサートしてもよい。このように構成することで、スイッチング素子１とチョークコイル２３の巻線またはトランス２１の一次巻線とを接続する部品が削減でき、また組立性も向上する。
【００２８】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電源装置１００によれば、交流電力を直流電力に、または直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して出力する電源装置１００であって、主電流を流すための複数の端子（１ｄ、１ｓ）が側部から突出し、一面から伝熱板（内蔵ヒートスプレッダ１ｈ）が露出する複数のパワー半導体素子（スイッチング素子１）と、複数のパワー半導体素子（スイッチング素子１）のそれぞれを、伝熱板（内蔵ヒートスプレッダ１ｈ）を内包するように伝熱載置するダイパッドが、当該ダイパッドに伝熱載置されるパワー半導体素子と他のパワー半導体素子間を電気接続する配線パターンと一体に金属板（回路パターン２）で形成された回路基板４と、回路基板４を収容する筐体８と、を備え、ダイパッドを形成する金属板（回路パターン２）は、それぞれ伝熱板（内蔵ヒートスプレッダ１ｈ）よりも厚く、かつパワー半導体素子（スイッチング素子１）が伝熱載置される面（回路面４ｆ）の反対側の面で、絶縁シート７を介して筐体８に接合されているように構成したので、ダイパッド部分だけではなく、配線パターン部分もひとつのヒートスプレッダとして機能する。そのため、絶縁シート７の伝熱面積が基板や素子の面積の制約の中で最大限に広がり、絶縁性を阻害することなく伝熱性能が向上する。その結果、一方の面に内蔵ヒートスプレッダ１ｈが設置され、絶縁処理が必要なパワー半導体素子（スイッチング素子１）を用いても、絶縁性と放熱性を両立させ、信頼性が高く、高性能な電源装置１００を得ることができる。
【００２９】
また、回路基板４は、ダイパッドを形成する金属板（回路パターン２）をインサート材として、樹脂材料（樹脂部材３）で一体成型されたものであるので、部品が削減でき、また組立性も向上する。
【００３０】
また、複数のパワー半導体素子は、４つのスイッチング素子１であり、回路基板４には、４つのスイッチング素子１をフルブリッジ構成したインバータ回路１０が形成されているので、高性能で小型化が期待でき、より、絶縁性と放熱性を両立させた効果が顕著になる。
【００３１】
さらに、上述したインバータ回路を構成する４つのスイッチング素子１は、それぞれドレイン端子１ｄが伝熱板（内蔵ヒートスプレッダ１ｈ）に導通するＭＯＳＦＥＴであり、複数のダイパッドのうち、第一ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ａ）を伝熱載置するダイパッドと第二ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ｃ）を電熱載置するダイパッドが、第一ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ａ）のドレイン端子１Ａｄと第二ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ｃ）のドレイン端子１Ｃｄを電気接続する配線パターンと一体（回路パターン２Ａ）に、第三ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ｂ）伝熱載置するダイパッドが、第三ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ｂ）のドレイン端子１Ｂｄと第一ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ａ）のソース端子１Ａｓを電気接続する配線パターンと一体（回路パターン２Ｂ）に、第四ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ｄ）を伝熱載置するダイパッドが、第四ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ｄ）のドレイン端子１Ｄｄと第二ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子１Ｃ）のソース端子１Ｃｓを電気接続する配線パターンと一体（回路パターン２Ｃ）に、それぞれ金属板（回路パターン２）で形成されているので、一方の面に主電力用の端子（ドレイン端子１ｄ）と導通する内蔵ヒートスプレッダ１ｈが設置され、絶縁処理が必要なＭＯＳＦＥＴのようなパワー半導体素子（スイッチング素子１）を用いても、絶縁性と放熱性を両立させ、信頼性が高く、高性能な電源装置１００を得ることができる。
【００３２】
また、回路基板４と電気接続されるトランス２１あるいはチョークコイル２３を備え、トランス２１の巻線あるいはチョークコイル２３の巻線が、回路基板４と一体成型されているように構成すれば、パワー半導体素子（スイッチング素子１）とチョークコイル２３の巻線またはトランス２１の一次巻線とを接続する部品が削減でき、また組立性も向上する。
【符号の説明】
【００３３】
１：スイッチング素子（パワー半導体素子）、  １ｄ：ドレイン端子（主電力用の端子）、  １ｈ：内蔵ヒートスプレッダ、  １ｓ：ソース端子（主電力用の端子）、  ２：回路パターン、  ３：樹脂部材、  ４：回路基板、  ４ｆ：回路面、  ５：押さえバネ、  ７：絶縁シート、  ８：筐体、  １０：インバータ回路、  １００：電源装置。
【図１】
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【図２】
2015089300.tif 000004
【図３】
2015089300.tif 000005