(57)【要約】【課題】電力用半導体素子の発熱を筐体に放熱することができ、かつ、電力用半導体素子間の絶縁間隔及び電力用半導体素子と筐体間の絶縁間隔を確保することができる電力機器を提供する。【解決手段】電力機器１００は、裏面が電力機器１００本体の筐体１に当接し、かつ、表面に複数個の凹部２１を設けた保持部材２と、それぞれの凹部２１に配置された電力用半導体素子４と、凹部２１の底部を貫通した孔部２５に充填され、電力用半導体素子４の発熱を筐体１に放熱する放熱剤とを備える。互いに隣接する凹部２１間の間隔は、電力用半導体素子４間が電気的に絶縁する値に設定し、凹部２１の底部の肉厚は、電力用半導体素子４と筐体１間が電気的に絶縁する値に設定している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面が電力機器本体の筐体に当接し、かつ、表面に複数個の凹部を設けた保持部材と、
それぞれの前記凹部に配置された電力用半導体素子と、
前記凹部の底部を貫通した孔部に充填され、前記電力用半導体素子の発熱を前記筐体に放熱する放熱剤と、を備え、
互いに隣接する前記凹部間の間隔は、前記電力用半導体素子間が電気的に絶縁する値に設定し、
前記凹部の底部の肉厚は、前記電力用半導体素子と前記筐体間が電気的に絶縁する値に設定した
ことを特徴とする電力機器。
【請求項２】
前記放熱剤は接着剤であり、該接着剤により前記電力用半導体素子が前記筐体に接着されていることを特徴とする請求項１記載の電力機器。
【請求項３】
前記保持部材は、前記凹部の端部から延伸して前記電力用半導体素子を前記凹部の底部に押圧する腕部、又は、前記凹部の底部に立設して前記電力用半導体素子を掛止する掛止片部を有することを特徴とする請求項１記載の電力機器。
【請求項４】
前記凹部の底部により、前記電力用半導体素子を載置する素子載置部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の電力機器。
【請求項５】
前記保持部材は、前記電力用半導体素子間の壁部が不連続に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電力機器。
【請求項６】
バッテリで駆動する車両に搭載されて、外部電源の電圧を前記バッテリの充電用の電圧に変換する車載充電器であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の電力機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体素子を用いた電力機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンとバッテリの両方で駆動するハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＨＶ）が開発されている。また、家庭用電源などの外部電源から駆動用バッテリを直接充電するプラグインハイブリッド自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＰＨＶ）も開発されている。ＰＨＶは、外部電源の電圧を駆動用バッテリの充電用の電圧に変換する車載充電器、いわゆるＯＢＣ（Ｏｎ  Ｂｏａｒｄ  Ｃｈａｒｇｅｒ）を搭載している。
【０００３】
一般に、ＯＢＣなどの電力機器は複数個の電力用半導体素子を有している。電力用半導体素子は使用時の通電により発熱するため、放熱構造を設けている。
【０００４】
例えば、従来の電力機器は、電力機器の筐体と電力用半導体素子との間に放熱シートを挟んだ状態で、板バネにより電力用半導体素子を筐体に押圧している。板バネにより放熱シートが押圧されることで放熱機能を発揮し、電力用半導体素子の発熱を筐体に逃がしている。しかしながら、この構造は電力用半導体素子ごとに板バネを配置するため、筐体内の空間が無駄になる問題があった。
【０００５】
または、従来の電力機器は、電力機器の筐体と電力用半導体素子との間に放熱シートを挟んだ状態で、電力用半導体素子を筐体にネジ止めしている。ネジの締結力により放熱シートが押圧されることで放熱機能を発揮し、電力用半導体素子の発熱を筐体に逃がしている。しかしながら、この構造は個々の電力用半導体素子をネジ止めするため、部品点数が多く組み立てが難しい問題があった。
【０００６】
これらの問題に対し、特許文献１の電子部品放熱構造は、ケースに箱状のグリス保持部を形成し、グリス保持部内にシリコン系グリスを充填し、トランジスタ全体をグリス中に埋め込むようにしている。この構造により、電子部品の放熱性を確保しつつ、従来のネジ締め及び板バネを不要にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８３９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、複数個の電力用半導体素子を近接して配置することで、筐体内の空間を有効に利用して電力機器を小型にすることができる。しかしながら、電力用半導体素子間の間隔が狭すぎると、互いに隣接する電力用半導体素子が電気的に導通して設計通りに動作しなくなる。また、電力用半導体素子と筐体間の間隔も同様である。すなわち、互いに隣接する電力用半導体素子間の間隔及び電力用半導体素子と筐体間の間隔は、電気的な絶縁を確保できる範囲内で可能な限り小さい値に設定するのが好適である。
【０００９】
特許文献１の電子部品放熱構造は、トランジスタ全体をグリスに埋め込むことで放熱性を確保している。この構造では、グリス内でトランジスタの配置が安定しないため、複数個のトランジスタを近接して配置した場合にトランジスタ間の間隔が安定せず、またトランジスタとケース間の間隔も安定しない。この結果、互いに隣接するトランジスタ間が近接しすぎて電気的に導通したり、トランジスタがケースに近接しすぎて電気的に導通したりする課題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電力用半導体素子の発熱を筐体に放熱することができ、かつ、電力用半導体素子間の絶縁間隔及び電力用半導体素子と筐体間の絶縁間隔を確保することができる電力機器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】
【００１１】
本発明の電力機器は、裏面が電力機器本体の筐体に当接し、かつ、表面に複数個の凹部を設けた保持部材と、それぞれの凹部に配置された電力用半導体素子と、凹部の底部を貫通した孔部に充填され、電力用半導体素子の発熱を筐体に放熱する放熱剤と、を備え、互いに隣接する凹部間の間隔は、電力用半導体素子間が電気的に絶縁する値に設定し、凹部の底部の肉厚は、電力用半導体素子と筐体間が電気的に絶縁する値に設定したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電力機器は、放熱剤により電力用半導体素子の発熱を筐体に放熱することができ、かつ、保持部材により電力用半導体素子間の絶縁間隔及び電力用半導体素子と筐体間の絶縁間隔を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力機器の要部を分解した状態を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電力機器の要部を組み立てた状態を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る保持部材を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る保持部材に電力用半導体素子を配置した状態を示す平面図である。
【図５】図４に示すＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る保持部材に電力用半導体素子を配置した状態を示す平面図である。
【図７】図６に示すＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る保持部材に電力用半導体素子を配置した状態を示す平面図である。
【図９】図８に示すＣ−Ｃ’線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、電力機器１００の要部を分解した状態を示す斜視図である。図２は、電力機器１００の要部を組み立てた状態を示す斜視図である。図１及び図２を参照して、実施の形態１の電力機器１００について説明する。
【００１５】
図中、１は筐体である。筐体１は外形が略直方体の箱状であり、６面のうちの少なくとも１面が開口している。筐体１の内部には、筐体１の外部と連通した冷却管部１１が形成されている。冷却管部１１は、管内に冷却水を流すことで筐体１を冷却するものである。冷却管部１１には、筐体１の開口部と対向した平面部１２が形成されている。
【００１６】
平面部１２に保持部材２が配置されている。保持部材２は略板状であり、裏面が平面部１２に当接した状態でネジ３により筐体１に固定されている。保持部材２の表面には複数個の凹部２１が設けられている。図１は、３個の凹部２１を一定間隔で配列した例を示している。保持部材２は、例えば、ＰＶＣ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  Ｃｈｌｏｒｉｄｅ）などの樹脂成形により製造したものである。
【００１７】
凹部２１には、電力用半導体素子４がそれぞれ配置されている。電力用半導体素子４は、例えば、ダイオード、トランジスタ又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などである。電力用半導体素子４の端子はＬ字状に折り曲げられている。
【００１８】
保持部材２の表面と対向して、電子回路基板５が配置されている。電子回路基板５は複数個の貫通孔を有しており、電力用半導体素子４の端子を通した状態で半田付けされている。また、筐体１には図示しない変圧器などの電子部品が収容されており、この電子部品の端子も電子回路基板５の貫通孔に通した状態で半田付けされている。このようにして、電力機器１００が構成されている。
【００１９】
電力機器１００は、例えば、ＰＨＶの車両に搭載されている。電力機器１００は、電子回路基板５に実装した電力用半導体素子４及び電子部品を用いて、外部電源の電圧をＰＨＶの駆動用バッテリの充電用の電圧に変換する機能を果たすものである。すなわち、電力機器１００によりＯＢＣが構成されている。
【００２０】
次に、図３〜図５を参照して、保持部材２の詳細について説明する。図３は、保持部材２を示す平面図である。図４は、保持部材２に電力用半導体素子４を配置した状態を示す平面図である。図５は、図４に示すＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【００２１】
それぞれの凹部２１は、電力用半導体素子４の本体部４１を配置する第１凹部２２と、電力用半導体素子４の端子部４２を配置する第２凹部２３とを有している。第１凹部２２は、本体部４１の形状に合わせた略四角形状であり、少なくとも四隅部が本体部４１に当接することで電力用半導体素子４を位置決めしている。また、第１凹部２２の底部は四隅の素子載置部２４を残して開口しており、孔部２５が形成されている。
【００２２】
素子載置部２４に本体部４１を載置した状態において、第１凹部２２の側部と本体部４１との間には３つの間隙部２６がそれぞれ形成されている。間隙部２６は孔部２５と連通しており、孔部２５から間隙部２６に流体が流入自在になっている。また、第１凹部２２の深さは本体部４１の肉厚と同等の値に設定されており、互いに隣接する電力用半導体素子４間は壁部２７により区切られている。
【００２３】
ここで、素子載置部２４に本体部４１を載置した状態において、孔部２５に接着剤２８が充填されている。接着剤２８により、電力用半導体素子４の本体部４１が筐体１に接着されている。接着剤２８は、例えば、アクリル変性シリコーンなどの樹脂製の接着剤にセラミックス粉などの伝熱フィラーを添加したものであり、熱伝導性を有するものである。電力用半導体素子４の通電による発熱は、孔部２５に充填された接着剤２８を介して筐体１に放熱される。すなわち、接着剤２８は放熱剤の機能を果たすものである。
【００２４】
また、素子載置部２４に本体部４１を載置した状態において、間隙部２６に接着剤２９が入っている。電力機器１００を製造するとき、まず、ネジ３を用いて筐体１に保持部材２を固定する。次いで、それぞれの第１凹部２２に接着剤を入れる。次いで、本体部４１が素子載置部２４に当接するまで電力用半導体素子４を凹部２１に押し込む。このとき、第１凹部２２に入っていた接着剤が孔部２５の一面に広がり、余った接着剤は間隙部２６に逃げる。間隙部２６内の接着剤２９は、この逃げた接着剤が固まったものである。
【００２５】
互いに隣接する第１凹部２２間の間隔Ｌ１は、電力用半導体素子４間を電気的に絶縁する値に設定されている。第１凹部２２の底部に設けた素子載置部２４の肉厚Ｌ２は、電力用半導体素子４と筐体１間を電気的に絶縁する値に設定されている。
【００２６】
次に、電力機器１００の動作及び効果について説明する。
電力機器１００がＯＢＣとして動作するとき、電力用半導体素子４が通電し、電力用半導体素子４が発熱する。電力用半導体素子４の発熱は、孔部２５に充填された接着剤２８を介して筐体１に放熱される。また、放熱された筐体１は、冷却管部１１の管内を流れる冷却水により冷却される。この結果、電力用半導体素子４の温度上昇を抑制することができる。
【００２７】
また、個々の電力用半導体素子４は接着剤２８により筐体１に接着されおり、保持部材２を筐体１にネジ３で固定している。これにより、個々の電力用半導体素子を筐体にネジ止めする従来の構造と比較して、ネジ止め箇所を減らして組み立てを容易にすることができる。また、板バネを用いて個々の電力用半導体素子を押圧する従来の構造と比較して、板バネを不要にして筐体１内の空間を有効に利用することができる。
【００２８】
また、電力用半導体素子４を保持部材２で位置決めする構造により、半導体素子をグリスに埋め込む特許文献１の構造と比較して、電力用半導体素子４の配置を安定させることができる。特に、互いに隣接する第１凹部２２間の間隔Ｌ１の値を設定することで、電力用半導体素子４間の絶縁間隔を確保することができる。また、第１凹部２２の底部に設けた素子載置部２４の肉厚Ｌ２の値を設定することで、電力用半導体素子４と筐体１間の絶縁間隔を確保することができる。
【００２９】
なお、電力用半導体素子４の個数は３個に限定されるものではない。電力機器１００の機能及び性能などに応じて、如何なる個数の電力用半導体素子４を用いたものでも良い。
【００３０】
また、保持部材２の形状は、図３〜図５に示す形状に限定されるものではない。例えば、素子載置部２４は、第１凹部２２の底部の四隅のうちの一部の隅部にのみ設けたものでも良い。または、素子載置部２４は、第１凹部２２の底部の４辺のうちの互いに対向する２辺に沿って設けたものでも良い。また、間隙部２６は、孔部２５から逃げた接着剤２９が入るものであれば良く、第１凹部２２の４辺のうちの３辺に沿って設けた構造に限定されるものではない。
【００３１】
また、第１凹部２２の深さは、電力用半導体素子４を配置して位置決めできる程度の深さであれば良く、本体部４１の肉厚と同等の値に限定されるものではない。また、それぞれの凹部２１は、配置する電力用半導体素子４の種類及び電気的特性に応じて底部の肉厚Ｌ２が異なるものでも良く、間隔Ｌ１が異なるものでも良い。
【００３２】
また、ネジ３を用いて保持部材２を筐体１に固定する構造に代えて、筐体１の平面部１２にボスを立設し、このボスが保持部材２の孔部に嵌合することで筐体１に固定する構造であっても良い。この構造により、ネジ３を不要にして電力機器１００の部品点数をさらに削減することができる。
【００３３】
また、電力機器１００はＯＢＣに限定されるものではない。例えば、車両に搭載した駆動用バッテリと補機バッテリ間の電圧を変換する降圧／降圧コンバータ、いわゆるＳＤＣ（Ｓｕｐｅｒ  Ｄｏｗｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）でも良い。または、ＯＢＣとＳＤＣを一体にした機器でも良い。また、電力機器１００は車載用の機器に限定されるものではなく、電力用半導体素子４を用いたものであれば如何なる機器にも用いることができる。
【００３４】
以上のように、実施の形態１の電力機器１００は、裏面が電力機器１００本体の筐体１に当接し、かつ、表面に複数個の凹部２１を設けた保持部材２と、それぞれの凹部２１に配置された電力用半導体素子４と、凹部２１の底部を貫通した孔部２５に充填され、電力用半導体素子４の発熱を筐体１に放熱する放熱剤とを備える。接着剤２８が放熱剤の機能を果たすことで、電力用半導体素子４の発熱を筐体１に放熱することができる。また、電力用半導体素子４を凹部２１に配置することで、電力用半導体素子４を位置決めすることができる。特に、互いに隣接する第１凹部２２間の間隔Ｌ１の値を設定することで、電力用半導体素子４間の絶縁間隔を確保することができる。素子載置部２４の肉厚Ｌ２の値を設定することで、電力用半導体素子４と筐体１間の絶縁間隔を確保することができる。
【００３５】
また、接着剤２８により電力用半導体素子４が筐体１に接着されている。従来の構造で用いていた個々の電力用半導体素子４を固定するネジを不要にすることで、電力機器１００の組立を容易にすることができる。また、従来の構造で用いていた板バネを不要にすることで、筐体１内の空間を有効に利用することができる。
【００３６】
また、保持部材２は、電力用半導体素子４間に壁部２７を有する。個々の電力用半導体素子４を壁部２７で区切ることで、電力用半導体素子４間の絶縁間隔を確保できるのはもちろんのこと、壁部が無く複数の凹部２１を連続して形成した構成と比較して放熱剤の使用量を削減することができる。
【００３７】
なお、壁部２７は、電力用半導体素子４間を完全に区切る形状に限定されるものではない。例えば、壁部２７の高さを本体部４１の肉厚よりも低い値に設定したものでも良い。または、壁部２７の中央部を除去したり、壁部２７をスリット状に形成することで、壁部２７を不連続な形状としても良い。
【００３８】
実施の形態２．
図６は、保持部材２に電力用半導体素子４を配置した状態を示す平面図である。図７は、図６に示すＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。図６及び図７を参照して、保持部材２に腕部３０を設けた電力機器１００について説明する。なお、保持部材２を除く電力機器１００の要部は実施の形態１と同様であるため、図１及び図２を援用して説明する。
【００３９】
図６及び図７に示す如く、保持部材２は、第１凹部２２の端辺部から中心部に延伸した腕部３０を有している。腕部３０は弾性を有しており、凹部２１に電力用半導体素子４を配置した状態で、本体部４１を第１凹部２２の底部方向に押圧するものである。
【００４０】
電力機器１００を製造するとき、第１凹部２２に接着剤を入れて電力用半導体素子４を押し込んだ後、孔部２５に広がった接着剤２８が固まるまでに時間がかかる。このとき、腕部３０が電力用半導体素子４を押圧することで、接着剤２８が固まるまでの仮保持の機能を果たすことができる。
【００４１】
なお、熱伝導性を有する接着剤に代えて、接着機能を有しない通常の放熱剤（いわゆる「放熱グリス」）を用いたものとしても良い。放熱グリスを用いる場合、腕部３０の弾性力及び長さは、電力機器１００の使用時に電力用半導体素子４が凹部２１から外れるのを防ぐ程度に大きい値に設定する。
【００４２】
以上のように、実施の形態２の電力機器１００は、保持部材２が、凹部２１の端部から延伸して電力用半導体素子４を凹部２１の底部に押圧する腕部３０を有する。腕部３０が電力用半導体素子４を押圧することで、接着剤２８が固まるまでの仮保持の機能を果たすことができる。または、熱伝導性を有する接着剤に代えて放熱グリスを用いた場合でも、電力用半導体素子４を凹部２１に保持することができる。
【００４３】
実施の形態３．
図８は、保持部材２に電力用半導体素子４を配置した状態を示す平面図である。図９は、図８に示すＣ−Ｃ’線に沿う断面図である。図８及び図９を参照して、保持部材２に掛止片部３１ａ，３１ｂを設けた電力機器１００について説明する。なお、保持部材２を除く電力機器１００の要部は実施の形態１と同様であるため、図１及び図２を援用して説明する。
【００４４】
図８及び図９に示す如く、保持部材２は壁部２７の中央部が除去されており、電力用半導体素子４の本体部４１と第１凹部２２の側部との間に加えて、互いに隣接する電力用半導体素子４間にも間隙部２６が形成されている。間隙部２６の底部には、それぞれの電力用半導体素子４の本体部４１の両側部を掛止する一対の掛止片部３１ａ，３１ｂが立設されている。
【００４５】
掛止片部３１ａ，３１ｂは弾性を有しており、先端部に爪部が形成されている。電力用半導体素子４を凹部２１に押し込むとき、掛止片部３１ａ，３１ｂが弾性変形し、第１凹部２２を介して互いに対向した掛止片部３１ａ，３１ｂ間の間隔が広がる。本体部４１が素子載置部２４に当接するまで押し込むと、掛止片部３１ａ，３１ｂ間の間隔が元に戻り、掛止片部３１ａ，３１ｂの爪部により本体部４１が掛止される。
【００４６】
電力機器１００を製造するとき、第１凹部２２に接着剤を入れて電力用半導体素子４を押し込んだ後、孔部２５に広がった接着剤２８が固まるまでに時間がかかる。このとき、掛止片部３１ａ，３１ｂが電力用半導体素子４を掛止することで、接着剤２８が固まるまでの仮保持の機能を果たすことができる。
【００４７】
なお、熱伝導性を有する接着剤に代えて放熱グリスを用いたものとしても良い。放熱グリスを用いる場合、掛止片部３１ａ，３１ｂの弾性力及び爪部の大きさは、電力機器１００の使用時に電力用半導体素子４が凹部２１から外れるのを防ぐ程度に大きい値に設定する。
【００４８】
以上のように、実施の形態３の電力機器１００は、保持部材２が、凹部２１の底部に立設して電力用半導体素子４を掛止する掛止片部３１ａ，３１ｂを有する。掛止片部３１ａ，３１ｂが電力用半導体素子４を掛止することで、接着剤２８が固まるまでの仮保持の機能を果たすことができる。または、熱伝導性を有する接着剤に代えて放熱グリスを用いた場合でも、電力用半導体素子４を凹部２１に保持することができる。
【００４９】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１  筐体、２  保持部材、３  ネジ、４  電力用半導体素子、５  電子回路基板、１１  冷却管部、１２  平面部、２１  凹部、２２  第１凹部、２３  第２凹部、２４  素子載置部、２５  孔部、２６  間隙部、２７  壁部、２８，２９  接着剤、３０  腕部、３１ａ，３１ｂ  掛止片部４１  本体部、４２  端子部、１００  電力機器。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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