特許 5691663 半導体電力変換装置の冷却構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5691663

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】半導体電力変換装置の冷却構造

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20150312BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20150312BHJP

【ＦＩ】

   H05K7/20 H

   H02M7/48 Z

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-49077(P2011-49077)

(22)【出願日】2011年3月7日

(65)【公開番号】特開2012-186352(P2012-186352A)

(43)【公開日】2012年9月27日

【審査請求日】2014年2月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100150441

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 洋一

(72)【発明者】

【氏名】野田 稔之

(72)【発明者】

【氏名】城市 洋

【審査官】 遠藤 秀明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０７８４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１５５６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８４４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−１９２４９７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５７−１９１０８８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の半導体素子および回路部品を筐体内に収納する半導体電力変換装置であって、
前記筐体は、正面部に冷却風吸気部が形成されるとともに背面部に冷却風排気部が形成され、該冷却風吸気部から該冷却風排気部へ冷却風を強制通風することで内部を冷却するように構成されており、
前記半導体素子は、通風方向に対して縦並びに配置され、
前記回路部品は、風上側の前記半導体素子と横並びに配置され、
前記筐体内部には、前記回路部品を冷却した冷却風と、風上側の前記半導体素子を冷却した冷却風とを合流させるチャンバを備え、
前記チャンバは、風上から風下に向かって先細りの開口部を備え、
前記チャンバの風下側には、風下側に位置付けられた前記半導体素子を冷却するガイド部が前記チャンバの幅狭の前記開口部から延長して配設されていることを特徴とする半導体電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体電力変換装置において、
前記回路部品の近傍には、前記回路部品を冷却した冷却風を前記チャンバに案内する冷却風ガイド板が配設されていることを特徴とする半導体電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の半導体電力変換装置において、
前記回路部品の発熱量が、風上側の前記半導体素子の発熱量よりも少ないことを特徴とする半導体電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載の半導体電力変換装置において、
前記回路部品を冷却した冷却風は、風上側の前記半導体素子を冷却した冷却風よりも低い温度であることを特徴とする半導体電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチング動作により可変電圧を得る半導体素子を備えた半導体電力変換装置の構造に関するものであり、特に上記半導体素子を冷却するための構造に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体電力変換装置は、インバータ回路とコンバータ回路を組み合わせてなる半導体電力変換回路を筐体内に収納している。これらの回路は、例えば、IGBT（Insulated gate bipolar transistor）等の半導体素子やコンデンサ等の他の電気部品で構成されており、その半導体素子のスイッチング動作により可変電圧を得ている。

【0003】

それらの半導体素子やその他の電気部品は、半導体電力変換装置の動作で発熱し、装置全体を温度上昇させる。半導体素子を安定動作させるためには、半導体素子を所定の温度範囲内に維持しなければならない。このため、通常、半導体電力変換装置では、それらを冷却するための工夫がなされている。

【0004】

例えば、主回路とコンデンサとの通風路を主回路通風路およびコンデンサ通風路のように分けて、それぞれの通風路を流体的に並列配置させた構成が開示されている（特許文献１参照）。

【0005】

この構成では、主回路通風路の冷却風とコンデンサ通風路の冷却風とが分流されるため、相互の温度影響がなくなる一定の冷却能力を得ることができる。
このような従来の半導体電力変換装置の冷却構造を図５ないし７により説明する。

【0006】

図５は、従来の半導体電力変換装置の冷却構造を示す平面図であり、図６はその正面図である。１０１は半導体素子、１０２は電解コンデンサ、１０３は冷却体、１０４は冷却風（半導体素子を通過）、１０５は冷却風（コンデンサを通過）、１０６は筐体、１０７はラミネート導体（絶縁積層導体）、１０８は筐体側風洞、１０９は背面側風洞、１０１０は風洞入口、１０１１はフィン、１０１２は吸気口である。

【0007】

図５のとおり、筐体１０６には冷却体１０３が設置されている。冷却体１０３には半導体素子１０１が、後述する冷却風の流れに沿って取り付けられている。半導体素子１０１と並列して電解コンデンサ１０２が直列に配置されている。それらの上部にはラミネート導体１０７が設置されている。背面側には、風洞入口１０１０を有する筐体側風洞１０８と、背面側風洞１０９が形成されている。なお、筐体側風洞１０８は、半導体素子１０１や冷却体１０３側に通じている。

【0008】

そして、図６のとおり、冷却体１０３の底面側には放熱用のフィン１０１１が多数配列されている。筐体１０６の正面側には、吸気口１０１２が形成されており、ここから冷却風が筐体１０６内部へ導入される。

【0009】

ここで、従来技術における冷却風の流れを説明する。
冷却風の流れは、図５中の矢印で示したとおりである。吸気口１０１２から流入した冷却風は大別して２通りの流路を辿る。半導体素子１０１を通過して冷却する冷却風１０４と、電解コンデンサ１０２を通過して冷却する冷却風１０５である。

【0010】

冷却風１０４は、半導体素子１０１を通過して冷却した後、筐体側風洞１０８へ入り、そこから背面側風洞１０９へと抜けて排気される。
冷却風１０５は、電解コンデンサ１０２を通過して冷却した後、風洞入口１０１０から筐体側風洞１０８へ入り、そこから冷却風１０４と同様に背面側風洞１０９へと抜けて排気される。

【0011】

さらに、図７により、冷却風の排気されるまでの流れを示す。
図７は、従来の半導体電力変換装置の冷却構造を示す断面図である。１０１３は冷却ファン（排気用）、１０１４は本体部、１０１５は本体部の風洞、１０１６は本体部の吸気口である。

【0012】

本体部１０１４の内部には、各筐体１０６が縦方向に数段設けられている。また、本体部１０１４の正面側には本体部の吸気口１０１６、背面側には本体部の風洞１０１５が形成されている。本体部の風洞１０１５は背面側風洞１０９に通じている。

【0013】

本体部の吸気口１０１６から流入した冷却風は、各筐体１０６の吸気口１０１２から筐体１０６内部へ入る。内部を通過した冷却風１０４と１０５は、合流して背面側風洞１０９を通り、本体部の風洞１０１５へ抜ける。そして、冷却ファン（排気用）１０１３により排出される。

【0014】

従来の半導体電力変換装置の冷却構造は以上である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開平３−１５５６９６号公報

【発明の概要】

【0016】

このような従来の半導体電力変換装置の冷却構造には、以下のような課題があった。
冷却風１０４の風上から風下への方向に半導体素子１０１が配置されているため、冷却風１０４は風上の素子の発熱の影響を受け、風下の素子を冷却するときには温度が上昇しており、十分な冷却ができない。そのため、風下の素子を冷却するために冷却体１０３を大型化する必要があった。

【0017】

また、半導体素子１０１を冷却する冷却風１０４と電解コンデンサ１０２を冷却する冷却風１０５を筐体側風洞１０８で合流させて排気しているため、筐体１０６および本体部１０１４も大型化する必要があった。

【0018】

このような装置の大型化はコストの増加につながってしまう。
さらに、そのような多量の風量を排気するためには、冷却ファン（排気用）１０１３も大型のものを使用せねばならず、騒音が大きくなるという問題もあった。

【0019】

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、冷却能力を低下させることなく、半導体電力変換装置の小型化を実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0020】

前記の目的を達成するために、本発明によれば、複数の半導体素子および回路部品を筐体内に収納する半導体電力変換装置であって、前記筐体は、正面部に冷却風吸気部が形成されるとともに背面部に冷却風排気部が形成され、該冷却風吸気部から該冷却風排気部へ冷却風を強制通風することで内部を冷却するように構成されており、前記半導体素子は、通風方向に対して縦並びに配置され、前記回路部品は、風上側の前記半導体素子と横並びに配置され、前記筐体内部には、前記回路部品を冷却した冷却風と、風上側の前記半導体素子を冷却した冷却風とを合流させるチャンバを備え、前記チャンバは、風上から風下に向かって先細りの開口部を備え、前記チャンバの風下側には、風下側に位置付けられた前記半導体素子を冷却するガイド部が前記チャンバの幅狭の前記開口部から延長して配設されていることを特徴とする半導体電力変換装置とする。

【0021】

また、本発明によれば、上記の構成において、前記回路部品の近傍には、前記回路部品を冷却した冷却風を前記チャンバに案内する冷却風ガイド板が配設されていることを特徴とする半導体電力変換装置とする。

【0022】

また、本発明によれば、上記の構成において、前記回路部品の発熱量が、風上側の前記半導体素子の発熱量よりも少ないことを特徴とする半導体電力変換装置とする。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記回路部品を冷却した冷却風は、風上側の前記半導体素子を冷却した冷却風よりも低い温度であることを特徴とする半導体電力変換装置とする

【発明の効果】

【0023】

本発明により、冷却能力を低下させることなく、半導体電力変換装置の小型化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施例１の半導体電力変換装置の冷却構造を示す平面図である。

【図2】本発明の実施例１の半導体電力変換装置の冷却構造を示す正面図である。

【図3】本発明の実施例１の半導体電力変換装置の冷却構造を示す断面図である。

【図4】本発明の実施例２の半導体電力変換装置の冷却構造を示す平面図である。

【図5】従来の半導体電力変換装置の冷却構造を示す平面図である。

【図6】従来の半導体電力変換装置の冷却構造を示す正面図である。

【図7】従来の半導体電力変換装置の冷却構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

実施の形態を以下の実施例で説明する。

【実施例】

【0026】

図１ないし３により、本発明の実施例１を説明する。
最初に、図１および２により、実施例１の筐体部分の構成を説明する。
図１は、本発明の実施例１の半導体電力変換装置の冷却構造を示す平面図であり、図２はその正面図である。１は半導体素子、２は電解コンデンサ（回路部品）、３は冷却体、４は冷却風（半導体素子を冷却）、５は冷却風（コンデンサを冷却）、６は筐体、７はラミネート導体（絶縁積層導体）、９は背面側風洞、１０は風洞入口、１１はフィン、１２は吸気口、１７は冷却ガイド板（ａ〜ｃ）、１８は冷却風４と５の合流地点である。

【0027】

ここで、冷却ガイド板１７の第２のガイド板ｂおよび第３のガイド板ｃによりチャンバが構成される。なお、第１のガイド板ａは、回路部品を冷却した冷却風を前記チャンバに案内する機能を有する。また、回路部品とは、半導体素子以外の電気部品であり、例えば、発熱量を持つコンデンサなどがそれに相当する。本実施例では、電解コンデンサとしている。

【0028】

図１および２のとおり、筐体６の内部には、冷却風４の風向きに沿って、風上側に３個の半導体素子１が並列で配置されており、風下側にも３個の半導体素子１が並列で配置されている。そして、それらの正面側の半導体素子１を挟むように、冷却風５の風向きに沿って、電解コンデンサ２の３個ずつ直列の配列が２列配置されている。

【0029】

半導体素子１には、風上側と風下側のそれぞれに別々の冷却体３が取り付けられている。冷却体３には、半導体素子１の取付面とは反対の面にフィン１１が形成されている。なお、半導体素子１と電解コンデンサ２は、ラミネート導体７で覆われている。

【0030】

正面側には、吸気口１２が形成され、ここから、冷却風４および５が流入する。そして、半導体素子１および電解コンデンサ２を冷却して、筐体６の後方の背面側風洞９へ抜けて排気される。

【0031】

ここで、筐体６には、冷却ガイド板１７が設置されている。冷却ガイド板１７は第１〜３のガイド板ａ〜ｃより構成されている。
第１のガイド板ａは、２列の直列の電解コンデンサ２と並行するように電解コンデンサ２の外側にそれぞれ形成されている。

【0032】

第２のガイド板ｂは、それぞれの第１のガイド板ａの背面側の端部から内側へ向けて斜め方向に形成されている。
第３のガイド板ｃは、両側の第２のガイド板ｂ同士を結び、平面側からは台形状となるように形成されている。正面側からは両側の第２のガイド板ｂの背面側の端部同士を結んで形成されているが、背面側の半導体素子１を覆うように形成されている。

【0033】

つまり、冷却ガイド板１７の第２のガイド板ｂおよび第３のガイド板ｃから構成されるチャンバは、通風方向の風上から風下に向かって先細りの開口部を備えることになる。
実施例１の筐体部分の構成の説明は以上である。

【0034】

次に、図３により、実施例１の本体部分の構成を説明する。
図３は、本発明の実施例１の半導体電力変換装置の冷却構造を示す断面図である。１３は冷却ファン（排気用）、１４は本体部、１５は本体部の風洞、１６は本体部の吸気口である。

【0035】

図３のとおり、本体部１４の内部で、筐体６は多数段並べて収納されている。本体部の吸気口１６と各筐体６の吸気口１２とは通じている。さらに各筐体６は、後方に形成された背面側風洞９を通して、本体部の風洞１５通じており、本体部の風洞１５には冷却ファン（排気用）１３が設置されている。

【0036】

実施例１の本体部分の構成の説明は以上である。
続いて、図１ないし３により、実施例１の動作を説明する。
図３のとおり、本体部の吸気口１６から流入した冷却風は、各筐体６の吸気口１２より筐体６内部へ流入する。このとき、冷却風は、冷却風４（半導体素子を冷却）および冷却風５（コンデンサを冷却）として内部へ流入する。

【0037】

先ず、冷却風４は、風上側の半導体素子１を冷却するが、半導体素子１は風上側と風下側とでそれぞれ別々の冷却体３に取り付けられているため、冷却風４の流入により、それぞれの冷却体３で冷却効果を発揮する。

【0038】

一方、両側の冷却風５は、それぞれ電解コンデンサ２を冷却する。このとき、電解コンデンサ２の外側は第１のガイド板ａで覆われている。さらに電解コンデンサ２の前方も第２のガイド板ｂで覆われている。このため、冷却風５は、電解コンデンサ２を冷却した後、風上側の半導体素子１と風下側の半導体素子１との間に流入することになる。

【0039】

そのため、風上側の半導体素子１を通過した冷却風４と冷却風５とが、冷却風４と５の合流地点１８で合流することになる。さらに、第３のガイド板ｃにより、合流地点１８の平面側および背面側が覆われているため、効率よく合流される。

【0040】

なお、電解コンデンサ２は、半導体素子１に比べて発熱量が非常に少ないため、冷却風５（電解コンデンサを冷却）の温度は、冷却風４（風上側の半導体素子を冷却）よりも低い温度となっている。

【0041】

従って、合流地点１８において、冷却風４に対して、温度の低い冷却風５を合流させることにより、風下側の半導体素子１へ流入する手前で、冷却風４の温度上昇を抑制することができる。

【0042】

さらに、第３のガイド板ｃが合流地点１８の背面側（風下の半導体素子１の正面側）を覆っているため（図２）、合流地点１８で合流した冷却風４および５は、風下側の半導体素子１に直接当たるのではなく、冷却体３およびフィン１１に直接当たることになる。これにより、風下側の半導体素子１の冷却効率の向上を図ることができる。

【0043】

このように、合流地点１８で合流した冷却風４および５は、風下側の半導体素子１を冷却した後、背面側風洞９へ抜ける。
その後、図３のとおり、各背面側風洞９からの通風は、本体部の風洞１５を通って、冷却ファン（排気用）１３により外部へ排出される。

【0044】

実施例１の動作は以上である。
かくして本発明の実施例１によれば、冷却ガイド板１７が設けられていることにより、合流地点１８で冷却風４と温度の低い冷却風５とを合流させることができる。これにより、風下側の半導体素子１へ流入する手前で、風上側の半導体素子の発熱による冷却風の温度上昇を抑制することができる。そのため、風下側の半導体素子１が、風上側の半導体素子１の発熱の影響を受けることなく、冷却効率を向上させることができる。従って、冷却体３を大型化する必要がなく、小型化することができる。

【0045】

また、電解コンデンサ２の冷却についても、従来のように複数個を直列に配置していた場合には、風下側の電解コンデンサ２に到達する冷却風の温度は上昇してしまっていた。しかし、電解コンデンサ２を分離して配置することにより、電解コンデンサ２を効率良く冷却することができるため、電解コンデンサを小型化することができる。

【0046】

さらに、合流地点１８で冷却風を合流させているため、冷却に必要な風量を全体的に低減することができる。そのため、冷却ファン１３（排気用）を小型化することができ、騒音を抑えることができる。

【0047】

そのほか、従来、半導体素子を通過した冷却風と電解コンデンサを通過した冷却風とを合わせて排気するために筐体側風洞を設置していたが、これを不要とすることができるため、筐体６の小型化を図ることができる。

【0048】

このように、全体的にユニットの寸法を小型化できるため、半導体電力変換装置全体の小型化が実現でき、設置スペースを縮小することができる。
続いて、図４により、本発明の実施例２を説明する。

【0049】

図４は、本発明の実施例２の半導体電力変換装置の冷却構造を示す平面図である。冷却ガイド板１７は、第１〜４のガイド板ａ〜ｄより構成されている。ここで、第４のガイド板ｄが、風下側に位置付けられた半導体素子１を冷却するガイド部となる。

【0050】

なお、実施例２の説明では、実施例１と同じ部分についてはその詳細な説明を省略し、異なる点を中心に説明を行う。
実施例２の構成を図４により説明する。

【0051】

図４のとおり、半導体素子１や電解コンデンサ２等の構成は実施例１と同じである。異なる点は、冷却ガイド板１７の構成である。
ここでは、冷却ガイド板１７には、第１〜３のガイド板ａ〜ｃに加えて、第４のガイド板ｄが形成されている。

【0052】

第４のガイド板ｄは、第３のガイド板ｃの背面側の端部より筐体の背面まで延びている。これにより、風下側の半導体素子１および冷却体３、フィン１１の両側を遮蔽して、通風路を形成している。

【0053】

つまり、風下側に位置付けられた半導体素子１を冷却するガイド部である第４のガイド板ｄは、チャンバ（冷却ガイド板１７の第２のガイド板ｂおよび第３のガイド板ｃ）の幅狭の開口部から延長して配設されている。

【0054】

実施例２の構成の説明は以上である。
続いて、実施例２の動作を説明する。
実施例１と同様に、吸気口１２から筐体６内部へ流入した冷却風４および５は、合流地点１８で合流し、さらに風下側の半導体素子１に取り付けられた冷却体３およびフィン１１へ向かう。

【0055】

ここで、実施例２では、さらに第４のガイド板ｄにより、風下側の半導体素子１および冷却体３、フィン１１の両側を遮蔽して、通風路が形成されているため、合流地点１８から流入した冷却風が拡散することなく、風下側の半導体素子１を効率よく冷却することができる。

【0056】

なお、ガイド部として実施例２では第４のガイド板ｄを使用したが、これに限定されるものではなく、筒状や矩形状のものでもよい。
実施例２の動作は以上である。

【0057】

かくして本発明の実施例２によれば、冷却ガイド板１７に第４のガイド板ｄが設置されていることにより、風下側の半導体素子１の冷却効果をさらに向上させることができる。従って、冷却体３を大型化する必要がなく、小型化することができる。また、冷却ファン１３（排気用）を小型化することができ、騒音を抑えることができる。このように、全体的にユニットの寸法を小型化できるため、半導体電力変換装置全体の小型化が実現でき、設置スペースを縮小することができる。

【0058】

なお、上記実施形態は好ましい実施例について述べたものであり、本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能なことは勿論である。即ち、冷却ガイド板や半導体素子、電解コンデンサ、冷却体等の寸法や各部分の形状等は、設置現場の要求および状況等に応じて種々変更されるべきものである。

【符号の説明】

【0059】

１ 半導体素子
２ 電解コンデンサ（回路部品）
３ 冷却体
４ 冷却風（半導体素子を冷却）
５ 冷却風（コンデンサを冷却）
６ 筐体
７ ラミネート導体（絶縁積層導体）
８ 筐体側風洞
９ 背面側風洞
１０ 風洞入口
１１ フィン
１２ 吸気口
１３ 冷却ファン（排気用）
１４ 本体部
１５ 本体部の風洞
１６ 本体部の吸気口
１７ 冷却ガイド板
１７ａ 第１のガイド板
１７ｂ 第２のガイド板（チャンバ）
１７ｃ 第３のガイド板（チャンバ）
１７ｄ 第４のガイド板（ガイド部）
１８ 冷却風４と５の合流地点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】