(57)【要約】【課題】各部品を締結する締結手段の緩みを防止することができる半導体ブロックを提供する。【解決手段】半導体ブロック16は、発熱する出力ダイオード25と、第１のバスバー26と、第３の放熱器27とからなる。前記第１のバスバー26は、前記出力ダイオード25と前記第３の放熱器27との間に配置され、前記出力ダイオード25と第３のバスバー26とを締結する第１の締結手段としての導電用ねじ45と、前記バスバー26と前記放熱器27とを締結する第２の締結手段としての放熱用ねじ46とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱する半導体素子と、バスバーと、放熱器とからなる半導体ブロックにおいて、
前記バスバーは、前記半導体素子と前記放熱器との間に配置され、
前記半導体素子とバスバーとを締結する第１の締結手段と、前記バスバーと前記放熱器とを締結する第２の締結手段とを別々に備えることを特徴とする半導体ブロック。
【請求項２】
前記第１の締結手段及び前記第２の締結手段は、ねじであることを特徴とする請求項１記載の半導体ブロック。
【請求項３】
前記第１の締結手段は、前記半導体素子に形成した第１の挿通孔に挿通して前記バスバーに設けた第１のねじ孔に螺合し、
前記第２の締結手段は、前記放熱器に形成した第２の挿通孔に挿通して前記バスバーに設けた第２のねじ孔に螺合することを特徴とする請求項２記載の半導体ブロック。
【請求項４】
前記第２の締結手段を複数備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の半導体ブロック。
【請求項５】
前記放熱器は、一側に前記バスバーに当接する受熱部を備え、他側に複数のフィンを有し、前記第２の挿通孔は、前記フィン同士の間から前記受熱部を貫通して形成したことを特徴とする請求項３又は４記載の半導体ブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源装置に組み込まれる半導体ブロックに関し、特に半導体素子、バスバー及び放熱器を一体に実装した半導体ブロックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング電源装置は半導体素子などの発熱部品を内蔵しているが、こうした発熱部品の著しい温度上昇を防ぐために、本願出願人が既に提案した特許文献１のように、発熱部品の背面と接触する受熱部と、この受熱部の上方に形成された放熱フィンとを備えた半導体ブロックを構成する放熱器が開示されている。
【０００３】
図５及び図６に示す半導体ブロック100は、スイッチング電源装置の電力伝送路中に設けられた整流用ダイオードやスイッチング素子などの半導体素子101，大電流を流すのに好適なバスバー102，及び放熱器103により構成される。半導体素子101とバスバー102には、それぞれ貫通穴104，105が形成されており、放熱器103には前記貫通穴104，105に対応したねじ孔106が設けられている。そして半導体ブロック100は、半導体素子101とバスバー102とに形成された前記貫通穴104，105にねじ107を挿通し、該ねじ107を放熱器103に設けた前記ねじ孔106に螺合することにより、半導体素子101、バスバー102及び放熱器103を一体化して構成されている。すなわち、半導体ブロック100は、半導体素子101，バスバー102及び放熱器103を１本のねじで締結して構成されている。
【特許文献１】特開２００５−１７５２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した従来の半導体ブロック100では、半導体素子101，バスバー102及び放熱器103を、共通するねじ107で締結しているため、これらの各部材が振動により緩みやすいという問題があった。すなわち、半導体ブロック100を内蔵したスイッチング電源装置は、本体機器に組み込まれると、該本体機器の動作、例えばモータ駆動などにより外部から振動を受けるので、半導体ブロック100にもこの振動が作用する。また、一般的にねじの緩みは、ねじの軸方向に生じる外力と、ねじの軸直角方向に生じる外力とにより生じるものと考えられている。ここで従来の半導体ブロック100では、１本のねじ107で半導体素子101、バスバー102及び放熱器103を締結しているため、外部からの振動を受けると、各部品はそれぞれ別方向に動こうとする。このような各部品のそれぞれの動きによって、半導体ブロック100は、特に軸直角方向に別々の３方向の外力が生じるため、ねじ107に緩みが生じやすいという問題があった。このようにして、半導体ブロック100は、各部品101，102，103を締結しているねじ107に緩みが生じると、時間経過と共に半導体素子101，バスバー102及び放熱器103の間に隙間が生じ、半導体素子101とバスバー102との間における大電流の導体接続、及びバスバー102と放熱器103との間の熱的接続の妨げとなる。さらに、半導体ブロック100では、特に大電流が流れるバスバー102について、格段の配慮がなされる必要がある。
【０００５】
そこで本発明は上記した問題点に鑑み、各部品を締結する締結手段の緩みを防止することができる半導体ブロック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】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、発熱する半導体素子と、バスバーと、放熱器とからなる半導体ブロックにおいて、前記バスバーは、前記半導体素子と前記放熱器との間に配置され、前記半導体素子とバスバーとを締結する第１の締結手段と、前記バスバーと前記放熱器とを締結する第２の締結手段とを別々に備えることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に係る発明は、前記第１の締結手段及び前記第２の締結手段は、ねじであることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に係る発明は、前記第１の締結手段は、前記半導体素子に形成した第１の挿通孔に挿通して前記バスバーに設けた第１のねじ孔に螺合し、前記第２の締結手段は、前記放熱器に形成した第２の挿通孔に挿通して前記バスバーに設けた第２のねじ孔に螺合することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、前記第２の締結手段を複数備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に係る発明は、前記放熱器は、一側に前記バスバーに当接する受熱部を備え、他側に複数のフィンを有し、前記第２の挿通孔は、前記フィン同士の間から前記受熱部を貫通して形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の請求項１記載の半導体ブロックによれば、第１の締結手段で半導体素子とバスバーを締結する一方で、別な第２の締結手段で半導体素子と放熱器を締結することにより、各締結手段が負担しなければならない外力を分散し低減することができるので、各締結手段の緩みを防止することができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の半導体ブロックによれば、締結手段をねじとしたことにより、簡便な方法で、かつ確実に締結することができる。
【００１３】
また、請求項３に記載の半導体ブロックによれば、簡単な構成でねじの軸直角方向にはたらく外力を分散し低減することができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の半導体ブロックによれば、バスバーと放熱器とを確実に締結することができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の半導体ブロックによれば、第２の挿通孔が前記フィン同士から前記受熱部を貫通して形成されることにより、バスバーと放熱器とを締結するねじを空気の流れを妨げることなく、放熱器とバスバーを確実に締結できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。まず、図１を参照してスイッチング電源装置の全体構成について概略を説明する。尚、本発明に係る半導体ブロックが適用されるスイッチング電源装置の形態は、以下に説明するスイッチング電源装置に限定されるものではない。
【００１７】
図１に示すスイッチング電源装置１は、トランス２と、トランス２の入力側に接続された入力側回路３と、トランス２の出力側に接続された出力側回路４とを備える。そしてトランス２、入力側回路３及び出力側回路４は、交流電源を印加される入力端子（図示せず）から出力端子５に電力を伝送する主回路を構成している。
【００１８】
トランス２，入力側回路３及び出力側回路４は、共通の基板である主プリント基板６上に実装される。この主プリント基板６は、筐体（図示せず）の底板上に隙間を有しつつ配置される。また、主プリント基板６の背面側には、凹部６Ａが形成され、ここに排気ファン（図示せず）が実装される。したがって、ここでは主プリント基板６と排気ファン（図示せず）が、筐体（図示せず）の底板をほぼ占有する形状に形成される。
【００１９】
入力側回路３の構成について、一方の対称構造部10は、整流用ダイオードや、スイッチング素子や、コンデンサなどの電子部品の他に、発熱する整流用ダイオード及びスイッチング素子の部品背面と熱的に接続した第１の放熱器11を備えている。同様に、他方の対称構造部12も、整流用ダイオードや、スイッチング素子や、コンデンサなどの電子部品の他に、発熱する整流用ダイオード及びスイッチ素子の部品背面と熱的に接続した第２の放熱器13を備えている。第１及び第２の放熱器11，13には、前記排気ファン（図示せず）により生ずる空気の流れを妨げない方向に複数のフィンが形成されている。また、これらの対称構造部10の各構成部品と、対称構造部12の各構成部品は、対称構造部10，12間での熱的なアンバランスを極力防ぐために、排気ファン（図示せず）による空気の流れに沿った排気ファン（図示せず）の軸流方向中心線Ｃに対し、平面視で左右対称に向かい合うように配置される。したがって、例えば第１の放熱器11のフィンが中心線に対して外向きに延びて形成されていれば、第２の放熱器13のフィンも、中心線に対し外向きに延びて形成される。これは、後述する出力側回路４の各種構成部品についても同じことが言える。
【００２０】
トランス２は、入力側回路３と出力側回路４とを電気的に絶縁し、出力側巻線の一端、他端及びセンタータップに対応して、それぞれねじ孔付きの接続金具15が設けられる。また、出力側回路４に関し、発熱する半導体素子としての出力ダイオード25，26を備えた一対の半導体ブロック16，17と、出力インダクタ18と、出力コンデンサ19Ａ，19Ｂの他に、第３及び第４のバスバー20，21と、第３及び第４のプリント基板22，23とを備えている。
【００２１】
半導体ブロック16，17は、前記中心線Ｃに対し、平面視で左右対称に向かい合うように配置される。一方の半導体ブロック16は、出力ダイオード25と、第１のバスバー26と、放熱器としての第３の放熱器27とを備え、第１のバスバー26が出力ダイオード25と第３の放熱器27との間に設けられている。他方の半導体ブロック17は、出力ダイオード28と、第２のバスバー29と、放熱器としての第４の放熱器30とを備え、第２のバスバー29が出力ダイオード28と第４の放熱器30との間に設けられている。
【００２２】
以下に、図２〜図４を参照して半導体ブロック16，17の構成について詳細に説明する。尚、半導体ブロック16，17は左右対称であるので、一方の半導体ブロック16のみについて説明し、他方の半導体ブロック17については簡単のため説明を省略する。
【００２３】
第３の放熱器27は、熱伝導性の高い金属材料で形成され、板状の受熱部35と、前記受熱部35の幅方向の両側面から下方へ垂直に延びる外側面部36，36と、前記外側面部36，36間に形成した複数のフィン37とからなる。フィン37は、前記外側面部36に対し平行な板状部材からなり、受熱部の下面から下方へ突出形成されている。外側面部36の一方には、主プリント基板６に締結するためのねじを螺合するねじ孔38が形成される。
【００２４】
この第３の放熱器27の受熱部35上には、受熱部35の上面を覆うように第１のバスバー26が熱的に接続されている。第１のバスバー26は、１枚の導電性板状部材を適宜折り曲げ加工して形成され、トランス２の出力巻き線の一端と接続される接続部40と、出力コンデンサ19Ａを取り付けるコンデンサ取付部（後述する）と接続される基端部41とを備える。接続部40は、長手方向の一端側の端部を鉛直方向に立ち上げ形成して構成され、表面に半導体ブロック16の幅方向に開口するねじ孔42を有する。また、基端部41は、長手方向の他端側の端部を鉛直方向に立ち上げ形成して構成され、表面に半導体ブロック16の幅方向に開口するねじ孔43を有する。
【００２５】
この第１のバスバー26上には、出力ダイオード25を構成する４個のダイオード素子25Ａ〜25Ｄが、リード端子44が互いに向かい合うように配置した２個のダイオード素子25Ａ，25Ｂを一組として、第１のバスバー26の幅方向に二組並べられている。出力ダイオード25の側面から露出形成された３本のリード端子44は、左右両端にある２本のリード端子44がアノード電極を構成し、中央にある１本のリード端子44がカソード電極を構成している。このアノード電極を構成する２本のリード端子44は、ノイズを抑制するための円環状のコアビーズ46Ａが挿通され、それぞれ鉛直上方に曲げ形成されて出力ダイオード25表面から上方へ突出するように設けられる。また、カソード電極を構成する１本のリード端子44は、鉛直下方に曲げ形成され、第１のバスバー26に接続されている。
【００２６】
このように構成された出力ダイオード25と第１のバスバー26は、図３に示すように第１の締結手段としての導電用ねじ45で締結され、また、第３の放熱器27と第１のバスバー26は、別な第２の締結手段としての放熱用ねじ46で締結される。すなわち、各ダイオード素子25Ａ〜25Ｄには、表面を鉛直方向に貫通する第１の挿通孔47が形成されており、第１のバスバー26には、前記第１の挿通孔47に対応した第１のねじ孔48が形成されている。したがって、導電用ねじ45を、平座金49及びスプリングワッシャ50と共に出力ダイオード25に形成した第１の挿通孔47に挿通し、第１のバスバー26に形成した第１のねじ孔48に螺合することにより、各ダイオード素子25Ａ〜25Ｄと第１のバスバー26とを締結することができる。
【００２７】
一方、第３の放熱器27には、受熱部35の中央を貫通する第２の挿通孔55が形成されており、第１のバスバー26には、前記第２の挿通孔55に対応した第２のねじ孔56が形成されている。したがって、放熱用ねじ46を、平座金57及びスプリングワッシャ58と共に第３の放熱器27に形成した第２の挿通孔55に挿通し、前記第１のバスバー26に形成した第２のねじ孔56に螺合することにより、第１のバスバー26と第３の放熱器27とを締結することができる。
【００２８】
尚、図４に示すように、第２の挿通孔55は、第３の放熱器27の幅方向中央であって、フィン37同士の間から受熱部35を貫通して形成される。また、第３の放熱器27に第２の挿通孔55を長手方向へ２個、直列に穿設すると共に、第１のバスバー26に前記第２の挿通孔55に対応して第２のねじ孔56を２個形成することにより、第１のバスバー26と第３の放熱器27とは２個の放熱用ねじ46で締結される。また、放熱用ねじ46は、熱伝導性のよい材料で形成するのが好ましい。
【００２９】
このように構成された一方の半導体ブロック16は、図１に示すように、第３の放熱器27の外側面36に形成したねじ孔38にねじ（図示せず）を螺合することにより主プリント基板６に固定されると共に、第１のバスバー26に形成された接続部40が止着部材であるねじ60によって接続金具15に接続される。また、トランス２の二次巻線（図示せず）の一端に接続する第１の金属板61に、各出力ダイオード25のアノード電極のリード端子44が電気的に接続される。さらに、一方の半導体ブロック16は、第１のバスバー26に形成された基端部41において、上方向垂直に延びる前記コンデンサ取付部62Ａと接続されている。
【００３０】
同様に、他方の半導体ブロック17も、第４の放熱器30の外側面36に形成したねじ孔38にねじ（図示せず）を螺合することにより主プリント基板６に固定されると共に、第２のバスバー29に形成された接続部40が止着部材であるねじ63によって接続金具15に接続される。また、トランス２の二次巻線の他端に接続する第２の金属板64に、各出力ダイオード28のアノード電極のリード端子44が電気的に接続される。さらに、他方の半導体ブロック17は、第２のバスバー29に形成された基端部41において、上方向垂直に延びるコンデンサ取付部62Ｂと接続されている。
【００３１】
このようにして、スイッチング電源装置１は、半導体ブロック16，17を主プリント基板６上に固定することにより、フィン37を中心線Ｃに対して外向きに延びるように形成することができる。これにより、スイッチング電源装置１は、排気ファン（図示せず）による空気の流れに沿った排気ファン（図示せず）の軸流方向中心線Ｃに対し、平面視で左右対称に向かい合うようにフィン37を配置することができるので、一対の半導体ブロック16，17間における熱的なアンバランスを防ぐことができる。
【００３２】
第３のバスバー20は、出力ダイオード25，28のカソードに接続された第１及び第２のバスバー26，29の基端部41から出力端子５の一方に至る出力電圧正極側の配線路を構成するものである。また、前記トランス２の二次巻線のセンタータップには出力インダクタ18の一端が接続されるが、この出力インダクタ18の他端から出力端子５の他方に至る出力電圧負極側の配線路として、第４のバスバー21が配設される。
【００３３】
前記出力コンデンサ19Ａは、第３のプリント基板22に実装されると共に、別な出力コンデンサ19Ｂは、第４のプリント基板23に実装される。そして、第３のプリント基板22は、コンデンサ取付部62Ａの外側面に縦置きに取り付け固定される。コンデンサ取付部62Ａ，第３のプリント22基板及び出力コンデンサ19Ａと、コンデンサ取付部62B，第４のプリント基板23及び出力コンデンサ19Ｂとは、中心線Ｃに対し平面視で左右対称となるように配置される。前記出力インダクタ18は、第１及び第２のプリント基板61，64の間に配置される。
【００３４】
このようにして組立てられた上記構成のスイッチング電源装置１について、その作用及び効果を説明する。スイッチング電源装置１の動作中は、半導体ブロック16において、トランス２の二次巻線の一端から第１の金属板61を経て、各出力ダイオード25のアノード電極のリード端子44に電流が流れ込む。この電流は、各出力ダイオード25のカソード電極から第１のバスバー26を通って一方の出力端子５に繋がる第３のバスバー20に流れてゆく。同様に、別な半導体ブロック17においても、トランス２の二次巻線の他端から第２の金属板64を経て、出力ダイオード28のアノード電極のリード端子44に電流が流れ込む。この電流は、各出力ダイオード28のカソード電極から第２のバスバー29を通って一方の出力端子５に繋がる第３のバスバー20に流れてゆく。
【００３５】
こうした電流の流れに伴ない、半導体ブロック16の各出力ダイオード25が発熱するが、この熱は導電性に優れた第１のバスバー26から第３の放熱器27に速やかに伝導して、フィン37間を流れる強制風によって熱交換される。また、半導体ブロック17の各出力ダイオード25も同様に発熱するが、この熱も導電性に優れた第２のバスバー29から第４の放熱器30に速やかに伝導して、フィン37間を流れる強制風によって熱交換される。
【００３６】
また、本体機器（図示せず）に組み込まれたスイッチング電源装置１には、本体機器（図示せず）の動作などにより外部から振動を受け、この振動は半導体ブロック16，17にも作用する。しかし、半導体ブロック16は、第１の締結手段である導電用ねじ45によって、第１のバスバー26の一側に出力ダイオード25を締結し、また別な第２の締結手段である放熱用ねじ46によって、第１のバスバー26の他側に第３の放熱器27を締結するので、振動が導電用ねじ45や放熱用ねじ46に分散して加わることになり、これらの導電用ねじ45や放熱用ねじ46が簡単に緩むのを防止できる。しかも、導電用ねじ45に加わる外力によって、第１のバスバー26と第３の放熱器27との間に隙間が生じたり、放熱用ねじ46に加わる外力によって、第１のバスバー26と出力ダイオード25との間に隙間が生じたりする虞れもない。このように、発熱する出力ダイオード25と、出力ダイオード25に電流を流す第１のバスバー26と、出力ダイオード25からの熱を放熱させる第３の放熱器27とからなる半導体ブロック16において、出力ダイオード25と第３の放熱器27との間に第１のバスバー26を配置し、出力ダイオード25と第１のバスバー26とを締結する導電用ねじ45と、第１のバスバー26と第３の放熱器27とを締結する放熱用ねじ46とを別々に備えることで、導電用ねじ45や放熱用ねじ46が負担しなければならない外力を分散し低減することができるので、これらの導電用ねじ45や放熱用ねじ46の緩みを防止することができる。
【００３７】
また、半導体ブロック16は、第１の締結手段を導電用ねじ45とし、第２の締結手段を放熱用ねじ46としたことにより、簡便な方法で、かつ確実に、第１のバスバー26及び出力ダイオード25と、第１のバスバー26及び第３の放熱器27をそれぞれ締結することができる。
【００３８】
さらに本実施例では、出力ダイオード25に形成した第１の挿通孔47に挿通して、導電用ねじ45が第１のバスバー26に設けた第１のねじ孔48に螺合し、第３の放熱器27に形成した第２の挿通孔55に挿通して、放熱用ねじ46が第１のバスバー26に設けた第２のねじ孔56に螺合している。こうすると、導電用ねじ45及び放熱用ねじ46に生じる軸直角方向の外力を２方向に分散し低減することができるので、導電用ねじ45及び放熱用ねじ46の緩みを低減できる。
【００３９】
なお、これらの導電用ねじ45や放熱用ねじ46は、それぞれの用途に応じて異なる材料や、大きさなどを選択することができる。したがって、半導体ブロック16として、出力ダイオード25と第１のバスバー26を効率的に導体接続することができると共に、第１のバスバー26と第３の放熱器27を効率よく熱的に接続することができる。
【００４０】
また、ここでの半導体ブロック16は、第３の放熱器27が、その一側に第１のバスバー26に当接する受熱部35を備え、その他側に複数のフィン37を有すると共に、第２の挿通孔55を第３の放熱器27のフィン37同士の間から受熱部35を貫通して形成することにより、排気ファン（図示せず）により生ずる空気の流れを妨げることなく、第２の締結手段としての放熱用ねじ46で第３の放熱器27と第１のバスバー26とを確実に締結することができる。
【００４１】
さらに、本実施の形態では、第１のバスバー26と第３の放熱器27は２個の放熱用ねじ46で締結されているが、本発明はこれに限らず、半導体ブロック16の大きさなどに合わせて、３個，４個又はそれ以上の複数個のねじで締結するように構成してもよい。放熱用ねじ46の個数が増える程、第１のバスバー26と第３の放熱器27とを確実に締結することができる。
【００４２】
なお、こうした半導体ブロック16の作用効果は、別な半導体ブロック17でも同じことがいえる。
【００４３】
本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、第１の締結手段及び第２の締結手段は、何れもねじである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、はんだ付けなどの溶接又はリベットなどとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体ブロックの全体構成を示す斜視図である。
【図３】同上、半導体ブロックの縦断面図である。
【図４】同上、半導体ブロックの底面図である。
【図５】従来例を示す半導体ブロックの斜視図である。
【図６】従来例を示す半導体ブロックの縦断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
16，17  半導体ブロック
25，28  出力ダイオード（半導体素子）
26  第１のバスバー（バスバー）
27  第３の放熱器（放熱器）
29  第２のバスバー（バスバー）
35  受熱部
37  フィン
45  導電用ねじ（第１の締結手段）
46  放熱用ねじ（第２の締結手段）
47  第１の挿通孔
48  第１のねじ孔
55  第２の挿通孔
56  第２のねじ孔
【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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