(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品を実装する電子回路基板と、
前記電子回路基板の第１面に実装され、電力の変換または制御に伴って発熱する、電力回路の一部を構成する半導体電子部品である発熱素子と、
前記発熱素子の温度を検出する前記電子回路基板に実装された温度検出素子と、
前記電子回路基板に形成された電気回路配線と、
前記発熱素子の熱を放熱し、期待する放熱効果に応じて大きさを設定する放熱体と、
弾力性および可撓性を有し、厚みをもった熱伝導シートと、
を備え、
前記熱伝導シートは、前記発熱素子と前記放熱体との間に配置され、
前記温度検出素子は、前記熱伝導シートを通じて前記発熱素子に熱的に接続されるとともに、前記電気回路配線を通じて電気的にも接続され、
前記温度検出素子、前記発熱素子および前記放熱体の熱容量の大きさは、
温度検出素子＜発熱素子＜放熱体、の関係にあることを特徴とする、電力回路モジュール。
【請求項２】
前記電子回路基板は、銅箔パターンが形成された樹脂基材を含む複数の樹脂基材の一括積層加熱プレスにより形成され、当該電子回路基板に前記電気回路配線が形成された、フレキシブルな樹脂多層基板であり、
前記樹脂基材は、ガラス・エポキシ系基板用樹脂材料に比べて、比誘電率、誘電正接、吸水率、がそれぞれ小さい、請求項１に記載の電力回路モジュール。
【請求項３】
前記温度検出素子、前記発熱素子および前記放熱体のそれぞれの間における熱抵抗の大きさは、
前記発熱素子と前記温度検出素子との間の熱抵抗を（発熱素子−温度検出素子）で表し、前記発熱素子と前記放熱体との間の熱抵抗を（発熱素子−放熱体）で表し、前記温度検出素子と前記放熱体との間の熱抵抗を（温度検出素子−放熱体）で表すとき、
（発熱素子−温度検出素子）＜（発熱素子−放熱体）＜（温度検出素子−放熱体）、の関係にある、請求項１または２に記載の電力回路モジュール。
【請求項４】
前記電子回路基板の前記第１面とは反対面である第２面に接する第２面側熱伝導シートと、当該第２面側熱伝導シートに接する第２面側放熱体とを更に備える、請求項１または３に記載の電力回路モジュール。
【請求項５】
前記電気回路配線は前記発熱素子および前記温度検出素子に対して熱的に接続されている、請求項１から３のいずれかに記載の電力回路モジュール。
【請求項６】
前記電子回路基板に実装された前記発熱素子は複数あり、前記熱伝導シートは、複数の前記発熱素子に熱的に結合され、前記温度検出素子は、複数の前記発熱素子のうち発熱温度が最も高い高温発熱素子の近傍に配置され、前記温度検出素子と前記高温発熱素子との熱的な結合を最も大きくし、前記高温発熱素子の温度を検出する、請求項１から５のいずれかに記載の電力回路モジュール。
【請求項７】
前記発熱素子は、ガリウムナイトライドまたはシリコンカーバイドなどの化合物半導体素子である、請求項１から６のいずれかに記載の電力回路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モジュール化された電力回路に関し、特に、放熱および温度検出の構造を備える電力回路モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電力回路の一部を構成する発熱体を備える装置の動作において、その発熱体の動作保護を行う場合は、装置に発熱体の温度を検出するための温度検出手段が設けられる。例えば特許文献１には、熱伝導シートと、この熱伝導シートの一端部に熱的に接続した発熱体と、熱伝導シートの一端部とは反対側の他端部に熱的に接続した温度検出素子とを備え、一端部と他端部との間の熱伝導シートの両面に断熱層を設けた構造が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１５２５０２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に示されている温度検出装置によれば、エネルギー損失の少ない状態で熱を温度検出素子に伝えることができるので、温度検出の高精度化が図れる。【０００５】
ところが、一般に、発熱素子を過熱状態から保護するためには、発熱素子の温度を高精度に検出するだけでなく、発熱素子の熱を効率よく放熱する放熱体を備えることが重要である。また、発熱体での温度上昇の速度に対して、時間的に高速に応答した温度検出ができることが重要である。【０００６】
本発明の目的は、発熱素子の熱を放熱し、且つ、発熱素子の温度を精度良くまた時間的に高速に応答性良く検出して、発熱素子を実装した電力回路を保護できるようにした電力回路モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の高周波電力回路モジュールは、
電子部品を実装する電子回路基板と、
前記電子回路基板の第１面に実装され、電力の変換または制御に伴って発熱する、電力回路の一部を構成する半導体電子部品である発熱素子と、
前記発熱素子の温度を検出する前記電子回路基板に実装された温度検出素子と、
前記電子回路基板に形成された電気回路配線と、
前記発熱素子の熱を放熱し、期待する放熱効果に応じて大きさを設定する放熱体と、
弾力性および可撓性を有し、厚みをもった熱伝導シートと、
を備え、
前記熱伝導シートは、前記発熱素子と前記放熱体との間に配置され、
前記温度検出素子は、前記熱伝導シートを通じて前記発熱素子に熱的に接続されるとともに、前記電気回路配線を通じて電気的にも接続され、
前記温度検出素子、前記発熱素子および前記放熱体の熱容量の大きさは、
温度検出素子＜発熱素子＜放熱体、の関係にあることを特徴とする。【０００８】
上記構成により、発熱素子の熱を熱伝導シートおよび放熱体を通して外部に放熱させながら、熱的に接続されるだけでなく、電気的にも接続された温度検出素子によって発熱素子の温度を精度良くまた高速に応答性良く検出して、電力回路を保護できる。【０００９】
（２）前記電子回路基板は、銅箔パターンが形成された樹脂基材を含む複数の樹脂基材の一括積層加熱プレスにより形成され、当該電子回路基板に前記電気回路配線が形成された、フレキシブルな樹脂多層基板であり、前記樹脂基材は、ガラス・エポキシ系基板用樹脂材料に比べて、比誘電率、誘電正接、吸水率、がそれぞれ小さいことが好ましい。【００１０】
上記構成により、基材と基材とを接着層を介して接着する構造の多層基板に比べて、薄型、フレキシブルであり、限られた所定の３次元空間内に配置できる。また、高周波特性に優れた電子回路基板とすることができる。【００１１】
（３）前記温度検出素子、前記発熱素子および前記放熱体のそれぞれの間における熱抵抗の大きさは、
発熱素子と温度検出素子との間の熱抵抗を（発熱素子−温度検出素子）で表し、発熱素子と放熱体との間の熱抵抗を（発熱素子−放熱体）で表し、温度検出素子と放熱体との間の熱抵抗を（温度検出素子−放熱体）で表すとき、
（発熱素子−温度検出素子）＜（発熱素子−放熱体）＜（温度検出素子−放熱体）、の関係にあることが好ましい。【００１２】
このように、温度検出素子の熱容量が放熱体の熱容量よりも小さい関係のもとで、発熱素子と温度検出素子との間の熱抵抗が、発熱素子と放熱体との間の熱抵抗よりも小さければ、放熱体の温度が上昇するよりも先に、発熱素子の温度を温度検出素子により検出することができる。このため、放熱体の温度が上昇するよりも先に、電力回路モジュールの動作を停止するなどして、発熱体の温度上昇を抑制することができる。【００１３】
（４）前記電子回路基板の前記第１面とは反対面である第２面に接する第２面側熱伝導シートと、当該第２面側熱伝導シートに接する第２面側放熱体とを更に備えることが好ましい。これにより、放熱効果が高まる。また、このように発熱素子の発熱量に応じて、放熱体のサイズや数を変更した場合においても、温度検出素子の検出値を変更することなく発熱素子の温度を精度よく検出することができ、電力回路を保護できる。【００１４】
（５）前記電気回路配線は前記発熱素子および前記温度検出素子に対して熱的に接続されていることが好ましい。これにより、発熱素子と温度検出素子とは、熱伝導シートだけでなく、電気回路配線を通しても熱的に結合し、発熱素子の時間的な温度変化に対して応答よく温度を検出できる。【００１５】
（６）前記電子回路基板に実装された前記発熱素子は複数あり、前記熱伝導シートは、複数の前記発熱素子に熱的に結合され、前記温度検出素子は、複数の前記発熱素子のうち発熱温度が最も高い高温発熱素子の近傍に配置され、前記温度検出素子と前記高温発熱素子との熱的な結合を最も大きくし、前記高温発熱素子の温度を検出する、ことが好ましい。これにより、最も保護すべき発熱素子が保護される。【００１６】
（７）前記発熱素子は、ガリウムナイトライドまたはシリコンカーバイドなどの化合物半導体素子であることが好ましい。これにより、低い電流経路抵抗（オン抵抗）による低損失化（低導通損化）を実現でき、また、高速スイッチングに対応できることにより、インダクタンス素子やキャパシタンス素子の小型化が図れる。さらに高温動作が可能であるので、放熱体の小型化が図れる。これらのことにより、小型の割には高電力の電力回路モジュールが構成できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、発熱素子の熱を放熱させながら、発熱素子の温度を精度良くまた高速に応答性良く検出して、発熱素子を有する電力回路を保護できるようにした電力回路モジュールが得られる。さらに例えば、発熱素子での電力損失が大きい場合や大きな電力損失に対応して放熱体のサイズを大きくした場合などにおいても、高速に応答性良く温度を検出できることから、温度検出素子の温度検出値を固定した所定値として設計することが可能とできる。発熱素子での電力損失の大きさ、また放熱体の放熱量の大きさに柔軟に対応して、発熱体の最高温度を所定の値に制限できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は第１の実施形態に係る電力回路モジュール１０１の主要部の縦断面図である。
【図２】図２は電力回路の回路図の一例である。
【図３】図３は第２の実施形態に係る電力回路モジュール１０２の主要部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る電力回路モジュール１０１の主要部の縦断面図である。この電力回路モジュール１０１は、電子回路基板１と、発熱素子２と、温度検出素子５と、電気回路配線６と、放熱体３と、熱伝導シート４と、を備える。
【００２０】
例えば、発熱素子２は半導体電子部品であり、電子回路基板１の第１面Ｓ１に実装され、電力回路の一部を構成する。発熱素子２は、電力回路による電力の変換または制御に伴って、導通損やスイッチング損失により発熱する。温度検出素子５は、発熱素子２の温度を検出する。電気回路配線６は電子回路基板１に形成されている。放熱体３は発熱素子２の熱を放熱する。熱伝導シート４は弾力性および可撓性を有し、厚みをもつ。
【００２１】
電子回路基板１は、ガラス・エポキシ系回路基板、液晶ポリマーなどを基材の主材料とする樹脂多層基板、ポリイミドフィルムを基材とするフレキシブル基板等の回路基板である。この第１面Ｓ１に発熱素子２、温度検出素子５およびその他の回路部品１１，１２，１３，１４等が実装されている。また、図１においては、特に発熱素子２および温度検出素子５に対して熱的に接続される電気回路配線６を明示している。
【００２２】
上記電子回路基板１は、銅箔パターンが形成された樹脂基材を含む複数の樹脂基材の一括積層加熱プレスにより形成されたものであり、上記銅箔パターンにより電気回路配線が形成された、フレキシブルな樹脂多層基板であることが好ましい。特に、樹脂基材は、ガラス・エポキシ系基板用樹脂材料に比べて、比誘電率、誘電正接、吸水率、がそれぞれ小さいことが好ましい。このような電子回路基板１を用いることで、例えばガラス・エポキシ系基板のように、基材と基材とを接着層を介して接着する構造の多層基板に比べて、薄型、フレキシブルであり、限られた所定の３次元空間内に配置できる。また、高周波特性に優れた電子回路基板とすることができる。
【００２３】
放熱体３は例えばＡｌ、Ｆｅ、Ｃｕ等の金属成型板または樹脂成型体で構成された筐体の一部である。この放熱体３は、図１には表れていない他の構造部材に一体化されている。そのことで、放熱体３は熱伝導シート４、発熱素子２および温度検出素子５等との位置関係が定められている。
【００２４】
発熱素子２は例えばＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子であり、表面実装型のＭＯＳ−ＦＥＴである。温度検出素子５は例えば表面実装型のサーミスタ素子である。
【００２５】
熱伝導シート４は、放熱性を向上させるための熱伝導性の高いフィラーを配合した放熱シリコーンゴムである。この熱伝導シート４は、発熱素子２および温度検出素子５と、放熱体３と、の間に挟み込まれる状態で配置されている。
【００２６】
発熱素子２と温度検出素子５とは電気回路配線６に、電気的だけでなく熱的にも接続されている。したがって、発熱素子２と温度検出素子５とは電気回路配線６を通して熱的に結合する。
【００２７】
温度検出素子５、発熱素子２および放熱体３の熱容量の大きさは、
温度検出素子＜発熱素子＜放熱体、の関係にある。すなわち、温度検出素子５の熱容量は発熱素子２の熱容量より小さく、放熱体３の熱容量は発熱素子２の熱容量より大きい。この関係により、発熱素子２の熱を熱伝導シート４および放熱体３を介して外部に放熱させながら、温度検出素子５によって発熱素子２の温度を精度良く、また高速に応答性良く検出して、電力回路を保護できる。さらに例えば、発熱素子での電力損失が大きい場合や、大きな電力損失に対応して、放熱体のサイズを大きくした場合などにおいても、高速に応答性良く温度を検出できることから、温度検出素子の温度検出値を固定した所定値として設計することで、発熱体の最高温度を所定値にできる。また、発熱素子での電力損失の大きさや放熱体の放熱量の大きさに柔軟に対応して、発熱体の最高温度を所定値に制限できる。
【００２８】
また、ここで、発熱素子２と温度検出素子５との間の熱抵抗を（発熱素子−温度検出素子）で表し、発熱素子２と放熱体３との間の熱抵抗を（発熱素子−放熱体）で表し、温度検出素子５と放熱体３との間の熱抵抗を（温度検出素子−放熱体）で表すと、
（発熱素子−温度検出素子）＜（発熱素子−放熱体）＜（温度検出素子−放熱体）、の関係にある。このように、温度検出素子５の熱容量が、放熱体３の熱容量よりも小さい関係のもとで、発熱素子２と温度検出素子５との間の熱抵抗が、発熱素子２と放熱体３との間の熱抵抗よりも小さいと、放熱体３の温度が上昇するよりも先に、発熱素子２の温度を温度検出素子５により検出することができる。このため、放熱体３の温度が上昇するよりも先に、電力回路の動作を停止するなどして、放熱体３の温度上昇を抑制することができる。
【００２９】
図２は上記電力回路の回路図の一例である。この電力回路はＤＣ−ＤＣコンバータである。図２において、トランスＴの一次側にスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２、共振キャパシタＣｒが設けられている。トランスＴの二次側にダイオードブリッジＤＢ、平滑キャパシタＣｏおよび負荷ＲＬが設けられている。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２は図１に示した発熱素子２に相当する。
【００３０】
上記スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はそれぞれＭＯＳ−ＦＥＴである。制御回路ＣＮＴはスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のゲート・ソース間に制御電圧を与える。
【００３１】
上記一次側には、更に抵抗Ｒ１およびシャントレギュレータＳＲによる定電圧回路が構成されている。この定電圧回路の出力には抵抗Ｒ２およびサーミスタＲｔによる抵抗分圧回路が接続されている。サーミスタＲｔは図１に示した温度検出素子５に相当する。したがって、サーミスタＲｔはスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２と熱的に結合している。
【００３２】
制御回路ＣＮＴはこの抵抗分圧回路の出力電圧を読み取ることにより、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の温度を検出する。
【００３３】
例えば負荷ＲＬが過負荷状態となって、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の発熱量が過大となれば、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の温度が規定の上限値に達する。制御回路ＣＮＴはこの状態を抵抗Ｒ２およびサーミスタＲｔによる分圧電圧から検知すれば、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングを停止するか、または出力電力を抑制する。
【００３４】
上記構成により、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の熱を熱伝導シート４および放熱体３を介して外部に放熱させながら、サーミスタＲｔによって発熱素子２の温度を精度良くまた高速に応答性良く検出して、電力回路を保護できる。
【００３５】
上記スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はガリウムナイトライド（ＧａＮ）またはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの化合物半導体によるスイッチ素子であることが好ましい。これにより、低い電流経路抵抗による低損失化を実現でき、高速スイッチングに対応できることにより、インダクタンス素子やキャパシタンス素子の小型化が図れる。さらに高温動作が可能であるので、放熱体の小型化が図れる。これらのことにより、小型の割には高電力の電力回路モジュールが構成できる。
【００３６】
図１に示した例において、熱伝導シート４は、発熱素子２と温度検出素子５との間に入り込んでいる。これは熱伝導シート４が、発熱素子２および温度検出素子５と、放熱体３との間に挟み込まれたことで、発熱素子２と温度検出素子５との間に押し込まれるためである。
【００３７】
より具体的に、発熱素子２と温度検出素子５とは、互いの側面同士が平行となるように配置されている。これにより、発熱素子２と温度検出素子５とは互いの側面同士が対向している。熱伝導シート４は、発熱素子２と温度検出素子５の側面同士が対向する部分に入り込んでいる。そして熱伝導シート４は発熱素子２と温度検出素子５の対向する側面に接している。
【００３８】
これにより、発熱素子２と温度検出素子５とは、側面同士で対向する部分が熱伝導シート４により熱的に接続されている。つまり、熱伝導シート４は、発熱素子２と温度検出素子５の天面同士を熱的に接続するだけでなく、互いの側面同士も熱的に接続している。したがって、温度検出素子５によって発熱素子２の温度を高精度に、また高速に応答性良く検出して、電力回路を保護できる。
【００３９】
さらに熱伝導シート４は、発熱素子２に押し込まれることで、発熱素子２の全ての側面に接している。また、熱伝導シート４は、温度検出素子５に押し込まれることで、温度検出素子５の全ての側面に接している。したがって、温度検出素子５によって発熱素子２の温度を高精度に、また高速に応答性良く検出して、電力回路を保護できる。
【００４０】
なお、図１に示した例では、発熱素子２と温度検出素子５とは直接的に接することなく、間隙が設けられているが、発熱素子２と温度検出素子５とは直接接していてもよい。また、この間隙部分に熱伝導部材が挟み込まれていてもよいし、充填されていてもよい。
【００４１】
また、温度検出素子であるサーミスタＲｔは二つのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のうち、発熱温度の高い方に熱的に結合させてもよい。すなわち、複数の発熱素子を備える場合に、熱伝導シート４を複数の発熱素子に熱的に結合させ、温度検出素子５を複数の発熱素子のうち発熱温度が最も高くなる発熱素子の近傍に配置してもよい。
【００４２】
また、複数の発熱素子を備える場合に、個別に温度検出素子を熱的に結合させてもよい。
【００４３】
《第２の実施形態》
図３は第２の実施形態に係る電力回路モジュール１０２の主要部の縦断面図である。この電力回路モジュール１０２は、電子回路基板１と、発熱素子２と、温度検出素子５と、電気回路配線６と、放熱体３と、熱伝導シート４と、第２面側熱伝導シート８と、第２面側放熱体７と、を備える。図１に示した例とは、第２面側熱伝導シート８および第２面側放熱体７を備える更に点で異なる。その他の構成は第１の実施形態で示したとおりである。
【００４４】
第２面側熱伝導シート８は、熱伝導シート４と同様の放熱シリコーンゴムであり、電子回路基板１の第１面Ｓ１とは反対面である第２面Ｓ２に接する。第２面側放熱体７は例えばＡｌ、Ｆｅ、Ｃｕ等の金属板または樹脂成型体であり、第２面側熱伝導シート８に接する。この第２面側放熱体７は例えば筐体の一部であってもよい。
【００４５】
本実施形態によれば、第２面側放熱体７による放熱作用が付加されるので全体の放熱効果が高い。そのため、発熱素子２の発熱量の割に放熱体３の熱容量や面積が小さい場合に、第２面側放熱体７を設けることで、必要な放熱効果を得ることができる。
【００４６】
なお、発熱素子２と温度検出素子５との間の熱抵抗は相対的に小さいので、本実施形態のように、発熱素子２の発熱量に応じて第２面側放熱体７を付加した場合においても、そのことで、温度検出素子５による発熱素子２の温度の検出値は影響を受け難い。したがって、第２面側放熱体７を付加しても、発熱素子の温度を精度よく検出することができ、電力回路を保護できる。
【００４７】
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
ＣＮＴ…制御回路
Ｃｏ…平滑キャパシタ
Ｃｒ…共振キャパシタ
ＤＢ…ダイオードブリッジ
Ｑ１，Ｑ２…スイッチ素子
Ｒ１，Ｒ２…抵抗
ＲＬ…負荷
Ｒｔ…サーミスタ
Ｓ１…第１面
Ｓ２…第２面
ＳＲ…シャントレギュレータ
Ｔ…トランス
１…電子回路基板
２…発熱素子
３…放熱体
４…熱伝導シート
５…温度検出素子
６…電気回路配線
７…第２面側放熱体
８…第２面側熱伝導シート
１１，１２，１３，１４…回路部品
１０１，１０２…電力回路モジュール
【図１】
0006791383.tif 000002
【図２】
0006791383.tif 000003
【図３】
0006791383.tif 000004