(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換を行うパワー半導体モジュールの主回路電流を通電する通電パターンを設けたプリント基板において、前記通電パターンに電気的かつ熱的に接続された複数の基板実装型端子台のうちの少なくとも１つに放熱部材を取り付け、
前記放熱部材は、底面部とこの底面部から上方に伸びるフィン部とを備え、
前記基板実装型端子台の頂部に電気的接続のために螺着されるネジを用いて、前記放熱部材の前記底面部が前記基板実装型端子台の前記頂部にネジ止めされることを特徴とする電力変換装置の冷却構造。
【請求項２】
電力変換を行うパワー半導体モジュールの主回路電流を通電する通電パターンを設けたプリント基板において、前記通電パターンに電気的かつ熱的に接続された複数の基板実装型端子台のうちの少なくとも１つに放熱部材を取り付け、
前記放熱部材は、前記基板実装型端子台と同形状であり、前記通電パターンに取り付けられた前記基板実装型端子台上に逆向きに取り付けられることを特徴とする電力変換装置の冷却構造。
【請求項３】
前記基板実装型端子台の頂部に電気的接続のために螺着されるネジを用いて、前記放熱部材が前記基板実装型端子台の前記頂部にねじ止めされることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項４】
前記放熱部材は、前記基板実装型端子台よりも放熱面積が大きいことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項５】
前記放熱部材は、前記通電パターンに生じる発熱量に応じて、前記複数の基板実装型端子台のうちの２つ以上に取り付けられるようにしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項６】
前記放熱部材は、側面視Ｕ字形状であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項７】
前記放熱部材は、前記フィン部の頂部が外向きに開かれた放熱板であることを特徴とする請求項６記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項８】
前記パワー半導体モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子を含んで成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項９】
前記ワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイアモンドにより形成されたものであることを特徴とする請求項８記載の電力変換装置の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置の冷却構造に関し、特に、プリント基板にＳｉＣ（シリコンカーバイト）などの高いジャンクション温度を持つパワー半導体モジュールを実装した電力変換装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント基板に実装された電力変換装置において、高いジャンクション温度を持つパワー半導体素子に大電流を流す場合、通電パターンの発熱を低減させるために種々の工夫が施されている。通電パターンの発熱を低減させる場合、例えば通電パターン幅を広げて電気抵抗を下げることで発熱量を下げ、且つ、放熱面積を広げるという手法がとられている。
【０００３】
また通電パターンと並行に、銅バーやケーブルを接続することで通流部の抵抗値を下げつつ電流を分流させることで、発熱自体を低減させ、かつ放熱面積を増加させる手法も採用されている。
【０００４】
下記の特許文献１に示された従来例には、通電パターンの発熱を放熱端子を介して、パワー半導体用のヒートシンクに放熱する技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０１７６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような、通電パターン幅を広げて電気抵抗を下げることで発熱量を下げ、且つ、放熱面積を広げるといった手法では、基板面積を増加させることになるため、装置を小型化することが難しくなるという課題がある。
【０００７】
また通電パターンと並行に、銅バーやケーブルを接続することで通流部の抵抗値を下げつつ電流を分流させることで、発熱自体を低減させ、かつ放熱面積を増加させる手法も採用されている。しかし特に高圧回路の場合にこの手法を採用すると他部品との絶縁距離を確保することが困難になるという課題がある。
【０００８】
その他の手法として、銅箔厚を標準のものより厚くした所謂大電流基板を用いる手法もあるが、ＳＭＴ（表面実装技術）の部品実装に制約が生じてしまい且つコストが高くなるといった問題もあった。
【０００９】
また上記特許文献１に示された従来技術では、伝熱させる対象の温度がヒートシンク温度より高い場合にしか適用できない（効果がない）という問題がある。特に、高いジャンクション温度を持つパワー半導体がＳｉＣ（シリコンカーバイト）などである場合に、プリント基板の許容温度よりパワー半導体の許容温度の方が高くなるため、上記したいずれかの方法を用いたとしてもパターン温度を下げることが困難であるという課題があった。
そこで本発明は、プリント基板の通電パターンの温度上昇を効率的にかつ容易に低減し、低コストで信頼性の高い電力変換装置の冷却構造を提供することにある。
【００１０】
そこで本発明は、プリント基板の通電パターンの温度上昇を効率的にかつ容易に低減し、低コストで信頼性の高い電力変換装置の冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明の請求項１記載の発明は、電力変換を行うパワー半導体モジュールの主回路電流を通電する通電パターンを設けたプリント基板において、前記通電パターンに電気的かつ熱的に接続された複数の基板実装型端子台のうちの少なくとも１つに放熱部材を取り付け、前記放熱部材は、底面部とこの底面部から上方に伸びるフィン部とを備え、前記基板実装型端子台の頂部に電気的接続のために螺着されるネジを用いて、前記放熱部材の前記底面部が前記基板実装型端子台の前記頂部にネジ止めされることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２記載の発明は、電力変換を行うパワー半導体モジュールの主回路電流を通電する通電パターンを設けたプリント基板において、前記通電パターンに電気的かつ熱的に接続された複数の基板実装型端子台のうちの少なくとも１つに放熱部材を取り付け、前記放熱部材が、前記基板実装型端子台と同形状であり、前記通電パターンに取り付けられた前記基板実装型端子台上に逆向きに取り付けられることを特徴とする。
また本発明の請求項３記載の発明は、上記請求項２記載の発明において、前記基板実装型端子台の頂部に電気的接続のために螺着されるネジを用いて、前記放熱部材が前記基板実装型端子台の前記頂部にねじ止めされることを特徴とする。
【００１３】
また本発明の請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記放熱部材が、前記基板実装型端子台よりも放熱面積が大きいことを特徴とする。
本発明の請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明において、前記放熱部材が、前記通電パターンに生じる発熱量に応じて、前記複数の基板実装型端子台のうちの２つ以上に取り付けられるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項６記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、前記放熱部材が、側面視Ｕ字形状であることを特徴とする。
本発明の請求項７記載の発明は、上記請求項６記載の発明において、前記放熱部材が、前記フィン部の頂部が外向きに開かれた放熱板であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項８記載の発明は、上記請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発明において、前記パワー半導体モジュールが、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子を含んで成ることを特徴とする。
本発明の請求項９記載の発明は、上記請求項８記載の発明において、前記ワイドバンドギャップ半導体によって形成された素子が、炭化ケイ素、窒化ガリウム、またはダイアモンドにより形成されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、プリント基板主回路パターンの放熱を効果的に行うことができ、特に、直接プリント基板に放熱器を実装する場合に比べると、プリント基板への取り付けを考慮する必要がなくなるため、放熱器の形状に自由度を持たせること可能となる一方、プリント基板実装型の端子台は実装が容易であり、実装不良になることがないという利点を有する。
【００１７】
その結果、プリント基板の通電パターンの温度上昇を効率的にかつ容易に低減し、低コストで信頼性の高い電力変換装置の冷却構造を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に用いるプリント基板の部品配置例を示す図である。
【図２】図１に示されたプリント基板の裏面に配置された通電パターンの例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置の冷却構造の具体例を示す斜視図である。
【図４】図３に示した端子台３を拡大して示した斜視図である。
【図５】ネジを外し図４と異なるアングルから観た図３に示した端子台３を拡大して示した斜視図である。
【図６】図５に示した端子台３の様子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）および側面図（ｃ）である。
【図７】図３に示した放熱用の基板実装台４を拡大して示した斜視図である。
【図８】図１に示したパワー半導体モジュールの具体例としてのＳｉＣ-ＭＯＳＦＥＴモジュールの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に用いるプリント基板の部品配置例を示す図であり、図２は、当該プリント基板の裏面に配置された通電パターンの例を示す図である。
【００２０】
図１および図２に示されるプリント基板に実装される電力変換装置は、高いジャンクション温度を持つパワー半導体モジュールで構成され、例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）で構成されたＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）から成るモジュール例について説明する。ここで説明するＳｉＣ-ＭＯＳＦＥＴから成るパワー半導体モジュールの例に限らず、他のパワー半導体モジュールであっても良い。例えば半導体モジュールが、窒化ガリウム、ダイアモンド等で構成されたものであってもよい。
【００２１】
図１に示されたプリント基板には、電力変換動作を行うパワー半導体モジュール１が主回路パターンとしてプリント基板上に矩形破線で囲まれた位置に配置・装着され、パワー半導体モジュール１の通電パターンに電気的かつ熱的に接続される複数の基板実装型端子台２のうちの少なくとも１つが放熱機能を備える部品として円形実線で囲まれた位置に一例として配置・装着される。図１に示されたプリント基板には、パワー半導体モジュール１や基板実装型端子台２以外の部品もレイアウトされているが本発明の実施形態に直接は関係しないのでその説明を省略する。
【００２２】
図２は、図１に示されたプリント基板の裏面に設けられた、例えば銅箔で形成された通電パターンを示す図であり、適所に位置決めや半田付けのためのスルーホールが設けられている。なおこのようなプリント基板の裏面に銅箔からなるパターンを設けること自体は、その具体的な配置（レイアウト）例を除いて当業者によく知られているのでその説明を省略するものとする。
【００２３】
図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の冷却構造の具体例を示す斜視図であり、図１に示した放熱用の基板実装型端子台２と同一の端子台を逆向きにして装着した端子台３の例、および、異形状（例．頂部が外向きに開かれた端子板）の放熱用の基板実装台４をネジ止めして放熱器として使用する例、をそれぞれ斜視図により示している。図３には、本発明に直接関係しない部品もプリント基板に装着されているが、それらの部品についての説明については割愛することにする。
【００２４】
図３に示した端子台３の具体例は、普通では基板実装型端子台として使用されているものであるがそれを逆向きにしてプリント基板に装着しその端子を放熱フィンとして使用する端子台３、およびまたは、端子台の形状を異形（例．頂部が外向きに開かれた放熱板）にして放熱用の基板実装台４とするためにネジ止めして使用する。このように、端子台２の上に端子台３や基板実装台４を取り付けた場合であっても、以下に示す図４や図７から明らかなように、その部分にケーブルや配線を電気的に接続（ネジ止め）することが可能である。
【００２５】
図４は、図３に示した端子台３を拡大して示した斜視図である。さらに図５は、ネジを外し図４と異なるアングルから観た図３に示した端子台３を拡大して示した斜視図である。また図６は、図５に示した端子台３の様子を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）および側面図（ｃ）である。これらの図５及び図６に示された構造によって図３に示された端子台３が有する冷却構造が明らかとなろう。
【００２６】
図７は、図３に示した放熱用の基板実装台４を拡大して示した斜視図であり、端子台の頂部が外向きに開かれた端子板を有してネジ止めされる構成となっていることが明らかであろう。
【００２７】
上記したように図４及び図７に示した端子台では、端子台の頂部に差し込まれたネジを含んで放熱器が形成されている例を示したが、これをさらに発展させて、例えば図示省略しているが、同一ネジ径を持ち更に形状を異ならせた端子台にしても良いし、また端子台に代えてプリント基板に同一ネジ径でネジ止めされる放熱性に優れた金属導体を設ける形状にしても良い。
【００２８】
図８は、図１に示したパワー半導体モジュールの具体例としてのＳｉＣ-ＭＯＳＦＥＴモジュールの構成例を示す図であり、ＳｉＣ-ＭＯＳＦＥＴモジュールがパワー半導体モジュールパッケージ１０内に納められ、ＳｉＣ-ＭＯＳＦＥＴモジュールに設けられているピン２１〜２５をモジュールパッケージ１０外に突出させている。
【００２９】
このパワー半導体モジュールは図２に示すプリント基板の裏面側に装着される。具体的には、パワー半導体モジュールのピン２１〜２５は、プリント基板の裏面側から、プリント基板の部品配置面側と裏面側との電気的接続を行うためのスルーホールに挿入された後、半田付される。したがって、図１に示すプリント基板の部品配置面側には、図３に示すようにパワー半導体モジュールのピン２１〜２５の頂部のみが現れている。
【００３０】
また、このパワー半導体モジュールの底面は放熱用の冷却面であり、この面に冷却体（不図示）が熱的に装着される。この冷却体には放熱フィンが取り付けられており、半導体素子で発生する熱の大部分は、この放熱フィンを介して外気に放熱される。
【符号の説明】
【００３１】
１  パワー半導体モジュール
２  基板実装型端子台
３  逆向き装着の基板実装型端子台
４  異形状の基板実装型端子台
１０  パワー半導体モジュールパッケージ
【図１】
0006503650.tif 000002
【図２】
0006503650.tif 000003
【図３】
0006503650.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006503650.tif 000008
【図８】
0006503650.tif 000009