(57)【要約】【課題】冷却性能を維持可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】パワーモジュール１０と、少なくとも一つの冷却器２０と、少なくとも一つの絶縁板３０とを具備する電力変換装置であって、絶縁板３０は、第一層３１、第二層３２および第三層３３を有し、第一層３１、第二層３２および第三層３３は、第一層３１および第三層３３によって第二層３２を挟むように積層され、第一層３１、第二層３２および第三層３３には、それぞれ、複数の貫通孔が形成され、第一層３１における複数の貫通孔、第二層３２における複数の貫通孔、および第三層３３における複数の貫通孔は、互いに連通し、第二層３２の上側の側面および下側の側面には、それぞれ、第二層３２における複数の貫通孔のうちの少なくとも一つが開口し、放熱グリス４０は、第一層３１における複数の貫通孔、第二層３２における複数の貫通孔、および第三層３３における複数の貫通孔に充填される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュールと、前記パワーモジュールを冷却するための少なくとも一つの冷却器と、前記パワーモジュールと前記冷却器との間に設けられる少なくとも一つの絶縁板と、を具備し、前記パワーモジュールと前記絶縁板との間、および前記冷却器と前記絶縁板との間に放熱グリスが充填される電力変換装置であって、
前記絶縁板は、板状に形成された、第一層、第二層および第三層を有し、
前記第一層、前記第二層および前記第三層は、前記第一層および前記第三層によって前記第二層を挟むように積層され、
前記第一層、前記第二層および前記第三層には、それぞれ、板面に開口する複数の貫通孔が形成され、
前記第一層における複数の貫通孔、前記第二層における複数の貫通孔、および前記第三層における複数の貫通孔は、互いに連通し、
前記第二層の側面における所定部分には、前記第二層における複数の貫通孔のうちの少なくとも一つが開口し、前記第二層の側面における前記所定部分とは反対側には、前記第二層における複数の貫通孔のうちの少なくとも一つが開口し、
前記放熱グリスは、前記第一層における複数の貫通孔、前記第二層における複数の貫通孔、および前記第三層における複数の貫通孔に充填される、
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュールと、当該パワーモジュールを冷却するための冷却器と、前記パワーモジュールと前記冷却器との間に設けられる絶縁板とを具備し、前記パワーモジュールと前記絶縁板との間、および前記冷却器と前記絶縁板との間に放熱グリスが充填された電力変換装置が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来の電力変換装置において、パワーモジュールは、半導体素子およびヒートスプレッダ等を含む電子部品が樹脂によって封止された構造となっている。
【０００４】
図６（ａ）に示すように、パワーモジュールは、ヒートスプレッダの表面が外部に露出すると共に、製法上、樹脂の表面よりも窪んだ構造となっている。そのため、電力変換装置に、冷却器からパワーモジュールに向けた荷重がかかった場合でも（図６（ａ）における黒塗り矢印参照）、絶縁板がヒートスプレッダに密着せず、絶縁板とヒートスプレッダとの間の空間に放熱グリスが留まった状態となっている。
図６（ｂ）に示すように、半導体素子が動作して発熱した際、その熱によってヒートスプレッダが膨張する。そのため、ヒートスプレッダの膨張した体積分の放熱グリスが、パワーモジュールと絶縁板との隙間内を、半導体素子から離間するように流動する。
図６（ｃ）に示すように、半導体素子が冷却され、ヒートスプレッダの膨張が収まっても、流動した放熱グリスは元の位置に戻らず、ヒートスプレッダにおける半導体素子が位置する部分と絶縁板との間に、放熱グリスが存在しない空間が形成される。
その結果、半導体素子の熱が冷却器に伝わり難くなり、電力変換装置の冷却性能が低下する。
【０００５】
以上のように、従来の電力変換装置は、冷却性能を維持できない点で不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５２０２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、冷却性能を維持可能な電力変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電力変換装置は、パワーモジュールと、前記パワーモジュールを冷却するための少なくとも一つの冷却器と、前記パワーモジュールと前記冷却器との間に設けられる少なくとも一つの絶縁板と、を具備し、前記パワーモジュールと前記絶縁板との間、および前記冷却器と前記絶縁板との間に放熱グリスが充填される電力変換装置であって、前記絶縁板は、板状に形成された、第一層、第二層および第三層を有し、前記第一層、前記第二層および前記第三層は、前記第一層および前記第三層によって前記第二層を挟むように積層され、前記第一層、前記第二層および前記第三層には、それぞれ、板面に開口する複数の貫通孔が形成され、前記第一層における複数の貫通孔、前記第二層における複数の貫通孔、および前記第三層における複数の貫通孔は、互いに連通し、前記第二層の側面における所定部分には、前記第二層における複数の貫通孔のうちの少なくとも一つが開口し、前記第二層の側面における前記所定部分とは反対側には、前記第二層における複数の貫通孔のうちの少なくとも一つが開口し、前記放熱グリスは、前記第一層における複数の貫通孔、前記第二層における複数の貫通孔、および前記第三層における複数の貫通孔に充填される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電力変換装置の冷却性能を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る電力変換装置を示す図。
【図２】本発明に係る電力変換装置における、パワーモジュールの一つのヒートスプレッダ周辺の構造を示す図である。
【図３】絶縁板を示す図であり、（ａ）は、第一層を示す図、（ｂ）は、第二層を示す図、（ｃ）は、第三層を示す図。
【図４】絶縁板の貫通孔に充填されている放熱グリスが、ヒートスプレッダと絶縁板との間の空間に補充される様子を示す図。
【図５】絶縁板の貫通孔に放熱グリスを充填する様子を示す図。
【図６】従来の電力変換装置において生じる問題を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施形態である電力変換装置１について説明する。
【００１２】
図１に示すように、電力変換装置１は、半導体装置としてのパワーモジュール１０と、パワーモジュール１０を冷却するための一対の冷却器２０・２０と、パワーモジュール１０と一対の冷却器２０・２０との間に介装される一対の絶縁板３０・３０とを具備する。電力変換装置１においては、一対の絶縁板３０・３０を介して、パワーモジュール１０が一対の冷却器２０・２０によって挟持されている。さらに、パワーモジュール１０と一対の絶縁板３０・３０との間、および一対の絶縁板３０・３０と一対の冷却器２０・２０との間には、それぞれ放熱グリス４０が充填されている。
【００１３】
パワーモジュール１０は、半導体素子１１が一対のヒートスプレッダ１２・１２によって挟持されて成る電子部品を二つ、電気的に接続したものを、各ヒートスプレッダ１２の表面が外部に露出するように、樹脂１３によって封止することにより作製されている。
半導体素子１１は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子である。
ヒートスプレッダ１２は、半導体素子１１に生じた熱を冷却器２０に伝える金属板である。
樹脂１３は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を所定の形状で硬化させたものである。
なお、以下では、説明の便宜上、電力変換装置１における、パワーモジュール１０の一つのヒートスプレッダ１２周辺の構造についてのみ説明する。
【００１４】
図２は、電力変換装置１における、パワーモジュール１０の一つのヒートスプレッダ１２周辺の構造を示す図である。
図２に示すように、ヒートスプレッダ１２の露出面（図２における上面）は、パワーモジュール１０の製法上、樹脂１３の表面（図２における上面）よりも内側（図２における下側）に位置する。
絶縁板３０は、一方の表面（図２における下面）が、ヒートスプレッダ１２の露出面と対向すると共に、他方の表面（図２における上面）が、冷却器２０に接触するように配置されている。
【００１５】
以下では、図３を参照して、絶縁板３０の構造について詳細に説明する。
なお、説明の便宜上、図３における上下方向を絶縁板３０の上下方向、同じく左右方向を絶縁板３０の左右方向、同じく紙面前後方向を絶縁板３０の前後方向と定義する。
【００１６】
絶縁板３０は、第一層３１、第二層３２および第三層３３から構成されている。
第一層３１、第二層３２および第三層３３は、絶縁体から成る矩形状の板材であり、互いに略同じ寸法を有する。第一層３１、第二層３２および第三層３３は、それらの側面（上下左右端面）が面一となるように、前方から第一層３１、第二層３２、第三層３３の順で積層される。
【００１７】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、第一層３１、第二層３２および第三層３３は、それぞれ、複数の貫通孔３１ａ・３１ａ・・・、複数の貫通孔３２ａ・３２ａ・・・および複数の貫通孔３３ａ・３３ａ・・・を有する。
なお、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）には、それぞれ、９つの貫通孔３１ａ・３１ａ・・・、８つの貫通孔３２ａ・３２ａ・・・および９つの貫通孔３３ａ・３３ａ・・・が図示されているが、説明の便宜上、貫通孔を実際の数よりも少なく図示している。以下では、図３（ａ）〜図３（ｃ）の図示内容通りに、第一層３１、第二層３２および第三層３３の構造について説明する。
【００１８】
図３（ａ）に示すように、第一層３１は、板面（前面および後面）に円状に開口するように、第一層３１を前後方向に貫通する、９つの貫通孔３１ａ・３１ａ・・・を有する。
９つの貫通孔３１ａ・３１ａ・・・は、第一層３１の左右方向における中央に位置し、上下方向に互いに一定の間隔を空けて配置された３つの貫通孔３１ａ・３１ａ・３１ａから成る中央貫通孔群３１Ｃと、中央貫通孔群３１Ｃを成す３つの貫通孔３１ａ・３１ａ・３１ａから所定間隔を空けた左方に位置する３つの貫通孔３１ａ・３１ａ・３１ａから成る左側貫通孔群３１Ｌと、中央貫通孔群３１Ｃを成す３つの貫通孔３１ａ・３１ａ・３１ａから前記所定間隔を空けた右方に位置する３つの貫通孔３１ａ・３１ａ・３１ａから成る右側貫通孔群３１Ｒとから構成されている。
【００１９】
図３（ｂ）に示すように、第二層３２は、板面（前面および後面）に開口するように、第二層３２を前後方向に貫通する、８つの貫通孔３２ａ・３２ａ・・・を有する。
８つの貫通孔３２ａ・３２ａ・・・は、第二層３２の左側に位置し、上下方向に互いに一定の間隔を空けて配置された４つの貫通孔３２ａ・３２ａ・３２ａ・３２ａから成る左側貫通孔群３２Ｌと、左側貫通孔群３２Ｌを成す４つの貫通孔３２ａ・３２ａ・３２ａ・３２ａと第二層３２において左右対称となる４つの貫通孔３２ａ・３２ａ・３２ａ・３２ａから成る右側貫通孔群３２Ｒとから構成されている。
左側貫通孔群３２Ｌは、第二層３２を第一層３１に積層した際、第一層３１の中央貫通孔群３１Ｃと左側貫通孔群３１Ｌとの間に位置し、中央貫通孔群３１Ｃおよび左側貫通孔群３１Ｌと連通する。左側貫通孔群３２Ｌの最も上側に位置する貫通孔３２ａは、第二層３２の上端面の一部が開口するように形成され、左側貫通孔群３２Ｌの最も下側に位置する貫通孔３２ａは、第二層３２の下端面の一部が開口するように形成されている。そのため、左側貫通孔群３２Ｌの中央２つの貫通孔３２ａ・３２ａは、第二層３２の板面に円状に開口しているのに対し、左側貫通孔群３２Ｌの両端に位置する貫通孔３２ａ・３２ａは、第二層３２の板面に、一部が欠けた円状に開口している。
右側貫通孔群３２Ｒは、第二層３２を第一層３１に積層した際、第一層３１の中央貫通孔群３１Ｃと右側貫通孔群３１Ｒとの間に位置し、中央貫通孔群３１Ｃおよび右側貫通孔群３１Ｒと連通する。右側貫通孔群３２Ｒの最も上側に位置する貫通孔３２ａは、第二層３２の上端面の一部が開口するように形成され、右側貫通孔群３２Ｒの最も下側に位置する貫通孔３２ａは、第二層３２の下端面の一部が開口するように形成されている。そのため、右側貫通孔群３２Ｒの中央２つの貫通孔３２ａ・３２ａは、第二層３２の板面に円状に開口しているのに対し、右側貫通孔群３２Ｒの両端に位置する貫通孔３２ａ・３２ａは、第二層３２の板面に、一部が欠けた円状に開口している。
【００２０】
図３（ｃ）に示すように、第三層３３は、板面（前面および後面）に円状に開口するように、第三層３３を前後方向に貫通する、９つの貫通孔３３ａ・３３ａ・・・を有する。
９つの貫通孔３３ａ・３３ａ・・・は、第三層３３の左右方向における中央に位置し、上下方向に互いに一定の間隔を空けて配置された３つの貫通孔３３ａ・３３ａ・３３ａから成る中央貫通孔群３３Ｃと、中央貫通孔群３３Ｃを成す３つの貫通孔３３ａ・３３ａ・３３ａから所定間隔を空けた左方に位置する３つの貫通孔３３ａ・３３ａ・３３ａから成る左側貫通孔群３３Ｌと、中央貫通孔群３３Ｃを成す３つの貫通孔３３ａ・３３ａ・３３ａから前記所定間隔を空けた右方に位置する３つの貫通孔３３ａ・３３ａ・３３ａから成る右側貫通孔群３３Ｒとから構成されている。
９つの貫通孔３３ａ・３３ａ・・・は、第一層３１における９つの貫通孔３１ａ・３１ａ・・・と同一の構造を有し、第一層３１、第二層３２および第三層３３を積層した際、第一層３１における９つの貫通孔３１ａ・３１ａ・・・と位置が合うように形成されている。つまり、第三層３３における中央貫通孔群３３Ｃ、左側貫通孔群３３Ｌおよび右側貫通孔群３３Ｒは、それぞれ、第一層３１における中央貫通孔群３１Ｃ、左側貫通孔群３１Ｌおよび右側貫通孔群３１Ｒと同様に構成されている。
第一層３１、第二層３２および第三層３３を積層した際、第三層３３の中央貫通孔群３３Ｃおよび左側貫通孔群３３Ｌは、第二層３２の左側貫通孔群３２Ｌと連通し、第三層３３の中央貫通孔群３３Ｃおよび右側貫通孔群３３Ｒは、第二層３２の右側貫通孔群３２Ｒと連通する。前述のように、第二層３２の左側貫通孔群３２Ｌは、第一層３１の中央貫通孔群３１Ｃおよび左側貫通孔群３１Ｌと連通し、第二層３２の右側貫通孔群３２Ｒは、第一層３１の中央貫通孔群３１Ｃおよび右側貫通孔群３１Ｒと連通するため、絶縁板３０における全ての貫通孔は互いに連通することとなる。
【００２１】
以上のように、絶縁板３０においては、第一層３１、第二層３２および第三層３３が、第一層３１および第三層３３によって第二層３２を挟むように積層され、第一層３１における９つの貫通孔３１ａ・３１ａ・・・と、第二層３２における８つの貫通孔３２ａ・３２ａ・・・とが、互いの位置がずれるように形成されると共に、第二層３２における８つの貫通孔３２ａ・３２ａ・・・と、第三層３３における９つの貫通孔３３ａ・３３ａ・・・とが、互いの位置がずれるように形成されている。そして、絶縁板３０においては、全ての貫通孔が互いに連通している。
【００２２】
さらに、絶縁板３０においては、前面に９つの貫通孔３１ａ・３１ａ・・・が開口し、後面に９つの貫通孔３３ａ・３３ａ・・・が開口している。
そのため、図４に示すように、絶縁板３０の貫通孔に放熱グリス４０を充填させておくことにより、半導体素子１１の熱によってヒートスプレッダ１２が膨張した後、その膨張が収まった際に、ヒートスプレッダ１２と絶縁板３０との間に、放熱グリス４０が存在しない空間が形成された場合でも、絶縁板３０の貫通孔内の放熱グリス４０が前記空間に補充されることとなる。
これにより、半導体素子１１の熱が冷却器２０に伝わり難くなることを抑制でき、電力変換装置１の冷却性能を維持することができる。
【００２３】
また、絶縁板３０においては、上側の側面（上端面）に２つの貫通孔３２ａ・３２ａ（左側貫通孔群３２Ｌの最も上側に位置する貫通孔３２ａ、および右側貫通孔群３２Ｒの最も上側に位置する貫通孔３２ａ）が開口し、下側の側面（下端面）に２つの貫通孔３２ａ・３２ａ（左側貫通孔群３２Ｌの最も下側に位置する貫通孔３２ａ、および右側貫通孔群３２Ｒの最も下側に位置する貫通孔３２ａ）が開口している（図３参照）。
そのため、絶縁板３０の下側の側面に開口した貫通孔３２ａから真空引きを行いつつ、絶縁板３０の上側の側面に開口した貫通孔３２ａに放熱グリス４０を注入することで、絶縁板３０の貫通孔に放熱グリス４０を容易に充填させることができる。
例えば、図５に示すように、絶縁板３０の上側の側面に開口した貫通孔３２ａに、放熱グリス４０を注入するためのノズルＮを挿入し、筒状の弾性部材（例えば、ポリウレタン）であるクッション材Ｃを、その内部空間と絶縁板３０の下側の側面に開口した貫通孔３２ａとが連通するように絶縁板３０の下側の側面に当接させて、クッション材Ｃを介して真空引きを行いつつ、放熱グリス４０の注入を行えばよい。
これにより、電力変換装置１を分解することなく、絶縁板３０の貫通孔に放熱グリス４０を容易に充填させることができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、電力変換装置１を、一対の絶縁板３０・３０を介して、パワーモジュール１０が一対の冷却器２０・２０によって挟持された構造としているが（図１参照）、パワーモジュールと一つの冷却器とによって、一つの絶縁板が挟持された構造とすることも可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１      電力変換装置
１０    パワーモジュール
１１    半導体素子
１２    ヒートスプレッダ
１３    樹脂
２０    冷却器
３０    絶縁板
３１    第一層
３１ａ  貫通孔
３１Ｃ  中央貫通孔群
３１Ｌ  左側貫通孔群
３１Ｒ  右側貫通孔群
３２    第二層
３２ａ  貫通孔
３２Ｌ  左側貫通孔群
３２Ｒ  右側貫通孔群
３３    第三層
３３ａ  貫通孔
３３Ｃ  中央貫通孔群
３３Ｌ  左側貫通孔群
３３Ｒ  右側貫通孔群
４０    放熱グリス
【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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