(57)【要約】【課題】安価で小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得る。【解決手段】電力変換装置は、スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱した熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱した熱を裏面に伝熱する構造が形成され、前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記電磁シールド板から空気中に放熱するとともに、前記電磁シールド板及び前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱した熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、
前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱した熱を裏面に伝熱する構造が形成され、
前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記電磁シールド板から空気中に放熱するとともに、前記電磁シールド板及び前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電磁シールド板の表面積を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記伝熱する構造は、前記発熱素子と前記電磁シールド板とを電気的に絶縁し、且つ、前記発熱素子周辺に前記発熱素子に対して電気的に絶縁された放熱用バイアホールを設けていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御回路基板を覆うとともに前記発熱素子に接する金属製カバーを備え、
前記発熱素子で発熱する熱を前記金属製カバーからも放熱することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記金属製カバーの表面積を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱する熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、
前記制御回路基板を覆う金属製カバーを備え、
前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱する熱を裏面に伝熱する構造が形成され、
前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記金属製カバーから空気中に放熱することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
前記金属製カバーの表面積を大きくすることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記伝熱する構造は、前記発熱素子と前記金属製カバーとを電気的に絶縁し、且つ、前記発熱素子周辺に前記発熱素子に対して電気的に絶縁された放熱用バイアホールを設けていることを特徴とする請求項６または７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記発熱素子の近傍に前記発熱素子の温度を感知する感温素子と、
前記放熱器を強制冷却する強制冷却装置と
を備え、
前記感温素子からの温度情報と、前記スイッチング素子に内蔵される感温素子からの温度情報をもとに、前記強制冷却装置の強弱を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記ダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系半導体またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備える電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置は、直流を三相交流に変換して三相交流モータ等の交流負荷を駆動するための機器であるが、スイッチング素子およびダイオード、スイッチング素子を制御する制御回路、スイッチング素子に供給する直流電源の出力を平滑するための平滑用コンデンサを有するスイッチングパワーモジュールで構成されている。
【０００３】
そして、スイッチング素子やダイオードは動作にともない発熱するので、熱を逃がしてスイッチング素子やダイオードの温度を所定の値以下に維持しなくてはならない。
そのため、従来の電力変換装置では、スイッチング素子とダイオードが発熱する熱を放熱する放熱器が設けられており、空冷タイプのものや水冷タイプのものがある。
【０００４】
一方、制御回路は、制御回路基板に搭載され、その中には電源回路等で使用するＩＣ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等、発熱を伴う素子も存在する。
この発熱を伴う素子の温度を所定の値以下に抑えるため、制御回路基板上に発熱量に応じた広い面積の放熱パターンを設けている。発熱が大きい場合には、その分、広い面積の放熱パターンを確保する必要があり、制御回路基板のサイズが大きくなってしまうなど、電力変換装置の小型化を実現する上で、大きな障害となっていた。
そこで、放熱パターンの面積を削減するため、金属筐体等を制御回路基板に接触させ、金属筐体等を放熱器として活用している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２００９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、制御回路基板と金属筐体との間に絶縁性の放熱シートを挿入する必要があるが、この絶縁性の放熱シートは高価で工作性も悪いため、コストアップの要因になっている。
また、金属筐体から放熱される熱は、制御回路基板を通過した熱だけであるので、放熱パターンから放熱する熱が多くなるよう放熱パターンの面積を確保しなければならず、制御回路基板の小型化、ひいては電力変換装置の小型化を実現する上で、大きな障害となっている。
【０００７】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、安価で小型でかつ信頼性の高い電力変換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】
【０００８】
この発明に係る電力変換装置は、スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱した熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱した熱を裏面に伝熱する構造が形成され、前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記電磁シールド板から空気中に放熱するとともに、前記電磁シールド板及び前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱する。
【０００９】
また、この発明に係る他の電力変換装置は、スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱する熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、前記制御回路基板を覆う金属製カバーを備え、前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱する熱を裏面に伝熱する構造が形成され、前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記金属製カバーから空気中に放熱する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る電力変換装置は、発熱素子で発熱する熱が電磁シールド板と放熱器の両方からも空気中に放熱され、第１放熱パターンから直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターンの面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。
【図２】図１のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。
【図３】発熱素子が搭載される制御回路基板の平面図である。
【図４】この発明の実施の形態２のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。図２は、図１のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。図３は、発熱素子が搭載される制御回路基板の平面図である。
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、図１に示すように、直流電源５から出力される直流を三相交流に変換して三相交流モータ等の交流負荷６を駆動する電力変換装置である。この電力変換装置は、スイッチング素子２およびダイオード３、スイッチング素子２を制御する制御回路４、及び、スイッチング素子２に供給する直流電源５からの出力を平滑するための平滑用コンデンサ７を有するスイッチングパワーモジュール１で構成される。
【００１３】
スイッチング素子２は、直流から三相交流へ電力変換を行うものであり、トランジスタまたはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が使用される。ダイオード３は、交流負荷６からの電力を還流するものである。平滑用コンデンサ７は、スイッチング素子２に供給する直流電源５からの出力の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑するものである。制御回路４は、スイッチング素子２を制御するものである。なお、制御回路４は、三相交流モータ等の交流負荷６を制御する一般的な回路であるため、詳細図示は省略する。
【００１４】
スイッチングパワーモジュール１は、図２に示すように、制御回路４を搭載する制御回路基板１２、制御回路基板１２上に搭載された発熱素子１４、スイッチング素子２並びにダイオード３で発生した熱を放熱する放熱器８、スイッチング素子２並びにダイオード３を保護するための樹脂製ケース９、スイッチング素子２と制御回路基板１２との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板１１、制御回路基板１２を保護する樹脂製カバー１３、及び、制御回路基板１２並びに電磁シールド板１１を放熱器８に固定するための金属製ホルダ１０を備える。
【００１５】
制御回路基板１２は、表面の中央に搭載される発熱素子１４の放熱端子が接続される第１放熱パターン１５が形成されている。また、制御回路基板１２の裏面には、第１放熱パターン１５を投影した位置に第２放熱パターン２０が形成されている。また、制御回路基板１２には、制御回路基板１２を貫通する放熱用バイアホール１６が設けられている。この放熱用バイアホール１６は、上端面が第１放熱パターン１５との間に隙間が形成され、下端面が第２放熱パターン２０と接続されている。従って、第１放熱パターン１５と第２放熱パターン２０とは電気的に絶縁されている。
また、第１放熱パターン１５から第２放熱パターン２０への熱伝導性を良くするため、放熱用バイアホール１６の上端面は第１放熱パターン１５で取り囲まれた配置になっており、また、放熱パターン１５に電気的に接続されているバイアホール１７の直近に配置されている。
このように放熱用バイアホール１６により発熱素子１４から発熱された熱を裏面の第２放熱パターン２０に効率良く伝熱する。
【００１６】
電磁シールド板１１は、制御回路基板１２と重ねたとき第２放熱パターン２０と重なる部分が凸状に突出している。そして、金属製ホルダ１０、電磁シールド板１１、制御回路基板１２、樹脂製カバー１３をネジ１９で固定すると、制御回路基板１２の表面に形成された第１放熱パターン１５に対して制御回路基板１２の裏面に形成された第２放熱パターン２０に電磁シールド板１１の凸状に突出している部分が直接接する。
尚、必要に応じて制御回路基板１２と電磁シールド板１１の直接接する間に安価な放熱グリースを塗布しても良い。
【００１７】
この発明の実施の形態１に係るスイッチングパワーモジュール１は、第１放熱パターン１５に対して電気的には絶縁しつつ熱伝導に関しては結合した放熱用バイアホール１６を介して発熱素子１４で発熱した熱を第２放熱パターン２０に伝熱し、その熱が第２放熱パターン２０に接した電磁シールド板１１に伝熱し、その一部は電磁シールド板１１から直接空気中に放熱するとともに、残りの熱は金属製ホルダ１０を介して放熱器８に伝熱し、放熱器８から空気中に放熱される。
【００１８】
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、発熱素子１４で発熱した熱が電磁シールド板１１と放熱器８の両方からも空気中に放熱され、第１放熱パターン１５から直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターン１５の面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。
【００１９】
また、ともに金属からなる第２放熱パターン２０と電磁シールド板１１とを接することにより伝熱させるので、高価な放熱シートの代りに放熱グリースを使用することができ、安価な電力変換装置を実現することができる。
尚、発熱素子１４が複数個ある場合には、第１放熱パターン１５、第２放熱パターン２０及び放熱用バイアホール１６から構成される放熱構造を発熱素子１４の個数だけ用意することで対応することができる。
【００２０】
また、電磁シールド板１１の表面に凸凹を付けて、電磁シールド板１１の表面積を増やす加工を施せば、電磁シールド板１１から空気中に放熱される熱量が増え、放熱性能を上げることができる。
【００２１】
また、発熱素子１４の近傍に感温素子を取り付け、この感温素子からの温度情報と、スイッチング素子２に内蔵された感温素子からの温度情報をもとに、放熱器８に対する強制冷却装置の強弱を制御することにより、より省電力で効率よくスイッチング素子２やダイオード３、発熱素子１４の放熱を行うことができる。
【００２２】
また、スイッチング素子２及びダイオード３は、シリコンを主な半導体材料として形成されたものを示しているが、シリコンに比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系化合物半導体またはダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子２やダイオード３は、耐電圧が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子２やダイオード３の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子２やダイオード３を用いることにより、これらの素子を組み込んだ電力変換装置の小型化が可能になる。
【００２３】
また、ワイドバンドギャップ半導体は電力損失が低いため、スイッチング素子２やダイオード３の発熱を大幅に低減することができ、制御回路基板１２上の発熱素子１４で発生した熱をより効率よく放熱器８で放熱させることができるようになり、スイッチングパワーモジュール１内の雰囲気温度も下げることができる。これにより、さらに制御回路基板１２上の第１放熱パターン１５の面積を小さくすることができ、更なる電力変換装置の小型化を実現することが可能となる。また、スイッチング素子２やダイオード３の高効率化が可能となり、ひいては電力変換装置の高効率化が可能となる。
【００２４】
また、ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いため、空冷放熱器の放熱フィンの小型化や、水冷放熱器の空冷化も可能になり、電力変換装置の一層の小型化が可能となる。
また、スイッチング素子２およびダイオード３の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、上述の効果を得ることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、この発明の実施の形態１と回路構成は同様である。そして、この発明の実施の形態２に係るスイッチングパワーモジュールは、この発明の実施の形態１に係るスイッチングパワーモジュール１と制御回路基板１２の取り付けの向きが反対であることと樹脂製カバー１３の代りに金属製カバー１８を備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００２６】
制御回路基板１２の表面が、スイッチング素子２に対して間に電磁シールド板１１Ｂを介して対向している。そして、その制御回路基板１２の表面に第１放熱パターン１５が実施の形態１と同様に形成され、第１放熱パターン１５の略中央に発熱素子１４が搭載されている。
【００２７】
また、制御回路基板１２の裏面には、第１放熱パターン１５を投影した位置に第２放熱パターン２０が形成されている。また、制御回路基板１２には、制御回路基板１２を貫通する放熱用バイアホール１６が設けられている。この放熱用バイアホール１６は、上端面が第１放熱パターン１５との間に隙間が形成され、下端面が第２放熱パターン２０と接続されている。従って、第１放熱パターン１５と第２放熱パターン２０とは電気的に絶縁されている。
【００２８】
また、第１放熱パターン１５から第２放熱パターン２０への熱伝導性を良くするため、放熱用バイアホール１６の上端面は第１放熱パターン１５で取り囲まれた配置になっており、また、放熱パターン１５に電気的に接続されているバイアホール１７の直近に配置されている。
【００２９】
金属製カバー１８は、制御回路基板１２と重ねたとき第２放熱パターン２０と重なる部分が凸状に突出している。そして、金属製カバー１８を制御回路基板１２にネジ１９で固定すると、制御回路基板１２の表面に形成された第１放熱パターン１５に対して制御回路基板１２の裏面に形成された第２放熱パターン２０に金属製カバー１８の凸状に突出している部分が直接接する。
尚、必要に応じて制御回路基板１２と金属製カバー１８の直接接する間に安価な放熱グリースを塗布しても良い。
【００３０】
この発明の実施の形態２に係るスイッチングパワーモジュール１Ｂは、第１放熱パターン１５に対して電気的には絶縁しつつ熱伝導に関しては結合した放熱用バイアホール１６を介して発熱素子１４で発熱した熱を第２放熱パターン２０に伝熱し、その熱が第２放熱パターン２０に接した金属製カバー１８に伝熱し、金属製カバー１８から直接空気中に放熱される。
【００３１】
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、発熱素子１４で発熱した熱が金属製カバー１８からも空気中に放熱され、第１放熱パターン１５から直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターン１５の面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板１２の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。
【００３２】
また、ともに金属からなる第２放熱パターン２０と金属製カバー１８とを接することにより伝熱させるので、高価な放熱シートの代りに放熱グリースを使用することができ、安価な電力変換装置を実現することができる。
また、金属製カバー１８で制御回路基板１２を覆うので、電磁シールド効果も得られ、外部からのノイズに対し、耐性を上げることができる。
尚、発熱素子１４が複数個ある場合には、第１放熱パターン１５、第２放熱パターン２０及び放熱用バイアホール１６から構成される放熱構造を発熱素子１４の個数だけ用意することで対応することができる。
【００３３】
また、金属製カバー１８の表面に凸凹を付けて金属製カバー１８の表面積を増やす加工を施せば、金属製カバー１８から空気中に放熱される熱量が増え、放熱性能を上げることができる。
【００３４】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。
この発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、この発明の実施の形態１と回路構成は同様である。そして、この発明の実施の形態３に係るスイッチングパワーモジュールは、この発明の実施の形態１に係るスイッチングパワーモジュール１と樹脂製カバー１３の代りに金属製カバー１８Ｂを備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００３５】
制御回路基板１２の表面が、スイッチング素子２に対して間に電磁シールド板１１Ｂを介して対向している。そして、その制御回路基板１２の表面に第１放熱パターン１５が実施の形態１と同様に形成され、第１放熱パターン１５の略中央に発熱素子１４が搭載されている。
【００３６】
また、制御回路基板１２の裏面には、第１放熱パターン１５を投影した位置に第２放熱パターン２０が形成されている。また、制御回路基板１２には、制御回路基板１２を貫通する放熱用バイアホール１６が設けられている。この放熱用バイアホール１６は、上端面が第１放熱パターン１５との間に隙間が形成され、下端面が第２放熱パターン２０と接続されている。従って、第１放熱パターン１５と第２放熱パターン２０とは電気的に絶縁されている。
【００３７】
また、第１放熱パターン１５から第２放熱パターン２０への熱伝導性を良くするため、放熱用バイアホール１６の上端面は第１放熱パターン１５で取り囲まれた配置になっており、また、放熱パターン１５に電気的に接続されているバイアホール１７の直近に配置されている。
【００３８】
金属製カバー１８Ｂは、制御回路基板１２と重ねたとき発熱素子１４の上部と重なる部分が凸状に突出している。そして、金属製カバー１８Ｂを制御回路基板１２にネジ１９で固定すると、発熱素子１４に金属製カバー１８Ｂの凸状に突出している部分が直接接する。
尚、必要に応じて発熱素子１４と金属製カバー１８Ｂの直接接する間に安価な放熱グリースを塗布しても良い。
【００３９】
この発明の実施の形態３に係るスイッチングパワーモジュール１Ｃは、第１放熱パターン１５に対して電気的には絶縁しつつ熱伝導に関しては結合した放熱用バイアホール１６を介して発熱素子１４で発熱した熱の一部を第２放熱パターン２０に伝熱し、その熱が第２放熱パターン２０に接した電磁シールド板１１に伝熱し、その一部は電磁シールド板１１から直接空気中に放熱するとともに、残りの熱は金属製ホルダ１０を介して放熱器８に伝熱し、放熱器８から空気中に放熱され、また、発熱素子１４で発熱した熱の残りは金属製カバー１８Ｂに伝熱し、金属製カバー１８から空気中に放熱される。
【００４０】
この発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、発熱素子１４で発熱した熱が電磁シールド板１１、放熱器８、金属製カバー１８からも空気中に放熱され、第１放熱パターン１５から直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターン１５の面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板１２の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。
【００４１】
また、ともに金属からなる第２放熱パターン２０と電磁シールド板１１とを接することにより伝熱させるので、高価な放熱シートの代りに放熱グリースを使用することができ、安価な電力変換装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１、１Ｂ、１Ｃ  スイッチングパワーモジュール、２  スイッチング素子、３  ダイオード、４  制御回路、５  直流電源、６  交流負荷、７  平滑用コンデンサ、８  放熱器、９  樹脂製ケース、１０  金属製ホルダ、１１、１１Ｂ  電磁シールド板、１２  制御回路基板、１３  樹脂製カバー、１４  発熱素子、１５  放熱パターン、１６  放熱用バイアホール、１７  バイアホール、１８、１８Ｂ  金属製カバー、１９  ネジ、２０  放熱パターン。
【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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