特許 6674867 電力変換装置

(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】6674867

(24)【登録日】2020年3月11日

(45)【発行日】2020年4月1日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/467 20060101AFI20200323BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20200323BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20200323BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20200323BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/46 C

   H05K7/20 D

   H05K7/20 F

   H05K1/02 F

   H05K1/02 Q

   H02M7/48 Z

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-165294(P2016-165294)

(22)【出願日】2016年8月26日

(65)【公開番号】特開2018-32803(P2018-32803A)

(43)【公開日】2018年3月1日

【審査請求日】2018年10月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】濱埜 晃嗣

(72)【発明者】

【氏名】山崎 正

(72)【発明者】

【氏名】広田 雅之

(72)【発明者】

【氏名】高田 直樹

【審査官】 川原 光司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０４６３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４６０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０８４６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０９７８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０７９７７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０５Ｋ １／０２

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体と、
前記半導体を冷却する冷却フィンと、
前記半導体を駆動する回路を有する主回路基板と、
前記主回路基板に形成され、電流を流す配線パターンと、
前記配線パターンから分岐して形成され、前記配線パターンの熱を拡散するためのパターンと、
前記パターンに接触して固定され、空気より熱伝導率が高く絶縁を確保できる第１の部材と、
前記第１の部材に接触して固定され、空気より熱伝導率が高い第２の部材と、を備えることを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記第２の部材は前記冷却フィンと接触していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換装置の使用状態において、底面の開口部から吸入された空気が上面の開口部から排出される場合、前記第２の部材は前記冷却フィンの下部と接触していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記第２の部材は前記冷却フィンを収納する本体ケースと接触していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

請求項４に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換装置が設置され、底面の開口部から吸入された空気が上面の開口部から排出される場合、前記第２の部材は前記本体ケースの下部と接触していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項6】

請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の電力変換装置であって、
前記第２の部材は金属であ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、電力変換装置の冷却構造に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置において、小型化、低価格化に加え、近年は高機能化、多重定格化も進められてきている。高機能にするためにはそれだけ精度の高い部品すなわち価格の高い部品を実装しなくてはならず、また部品点数も多くなることが大半である。また、多重定格に対応するためには標準定格よりも大きな電流を流す必要がある。

【0003】

また、半導体装置を冷却する技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、「ＬＳＩチップの表面の金バンプがパッケージ基板の表面に電気的に接続されており、パッケージ基板の裏面のハンダバンプが実装基板に電気的に接続されている半導体装置であって、放熱体が、ＬＳＩチップの裏面に熱伝導媒体を介して接触されており、放熱体の一部が、実装基板に固定されている」ことが開示されている(要約参照)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１−１２１６６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

半導体の冷却に関しては、例えば特許文献１に記載のように、高効率な冷却方法が多数存在するが、特許文献１は半導体の発熱にのみ着目した冷却構造である。しかし、近年の電力変換装置は、半導体の発熱だけでなく、電力変換装置内部の基板、特に基板の配線パターンの発熱が無視できなくなってきている。そのため、半導体の冷却だけでは基板の温度仕様を満足できない場合があり、電力変換装置内部の基板を冷却することが必要である。

【0006】

基板の配線パターンの発熱を抑制して大電流を流すために、幅広い配線パターンを形成することが考えられる。しかし、電力変換装置の小型化が進むにつれて内部の基板関係も小型化され、従来機種のように幅広い配線パターンは作りづらくなってきている。そのため、基板の温度仕様を満たすという観点で、電流を流す配線パターンの断面積を考えると、電力変換装置が多重定格仕様である場合、標準定格の電流では若干の余裕があるものの、最大定格の電流となると標準定格と同じ配線パターンでは余裕がない。そのため、配線パターンのジュール発熱により基板の温度仕様を満たせなくなる場合がある。価格に余裕があれば耐熱温度が高い高Ｔｇ基板を用いることにより温度仕様を従来から上げ、温度仕様を満たせる場合があるが、それでは低価格化に反することになる。

【0007】

基板を冷却するための別の方法として、基板の配線パターンにスルーホールを設け、銅またはアルミなどの金属からなる棒状などの物体で電流を流す方法もある。しかしながら、棒状の物体が基板上の宙を舞うため、小型化に反することになる。

【0008】

このような事情を鑑みて、本発明の目的は、小型化、低価格化を確保しながら、電力変換装置の主回路基板の冷却性能を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

【0010】

半導体と、前記半導体を冷却する冷却フィンと、前記半導体を駆動する回路を有する主回路基板と、前記主回路基板に形成され電流を流す配線パターンと、前記配線パターンに接触して固定され空気より熱伝導率が高く絶縁を確保できる第１の部材と、前記第１の部材に接触して固定され空気より熱伝導率が高い第２の部材と、を備えることを特徴とする電力変換装置である。

【0011】

また、半導体と、前記半導体を冷却する冷却フィンと、前記半導体を駆動する回路を有する主回路基板と、前記主回路基板に形成され電流を流す配線パターンと、前記配線パターンから分岐して形成され前記配線パターンの熱を拡散するためのパターンと、前記パターンに接触して固定され空気より熱伝導率が高く絶縁を確保できる第１の部材と、前記第１の部材に接触して固定され空気より熱伝導率が高い第２の部材と、を備えることを特徴とする電力変換装置である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、電力変換装置の小型化、低価格化を確保しながら主回路基板の冷却性能を向上させることができる。

【0013】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】電力変換装置を底面右側より見た鳥瞰図である。

【図2】電力変換装置を上面左側より見た鳥瞰図である。

【図3】実施例１の電力変換装置の断面内部図である。

【図4】実施例１の電力変換装置の分解図である。

【図5】実施例１における主回路基板、半導体、熱伝導率が高い部材、熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材を組立てた物を裏から見た図である。

【図6】実施例１、実施例２における主回路基板、半導体、熱伝導率が高い部材、冷却フィン、熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材を組立てた物を右側面から見た図である。

【図7】実施例２における主回路基板、半導体、熱伝導率が高い部材、熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材を組立てた物を裏から見た図である。

【図8】従来の電力変換装置の断面内部図である。

【図9】従来の電力変換装置の分解図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１、図２は、電力変換装置の外観概略図を示す。図１は、電力変換装置を底面右側より見た鳥瞰図である。また、図２は、電力変換装置を上面左側より見た鳥瞰図である。電力変換装置の使用状態では、表面カバー２を正面手前に配置し、冷却フィン８を後ろ側（壁側）に配置し、本体カバー４の開口部４ｂがある面を下側に配置して用いる。本明細書における底面、上面、右側、左側等は、電力変換装置の使用状態を正面から見た場合を基準としている。

【0016】

初めに、従来の電力変換装置について説明する。図８は従来の電力変換装置の内部図である。図９は従来の電力変換装置を分解した図である。なお、図１、図２に示した外観概略図については、従来でも本実施例でも同じである。

【0017】

まず、図９において、電力変換装置は、表面カバー２、本体ケース３、本体カバー４、冷却ファン７、冷却フィン８、半導体９、主回路基板１０を有する。半導体９は、入力された交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を交流電力に変換する。主回路基板１０は、半導体９を駆動する回路を有する。主回路基板１０及び半導体９は、本体カバー４に周囲を覆われる。

【0018】

また、本体カバー４内部の半導体９が接続される冷却フィン８は、本体ケース３に取付けられ、周囲を覆われる。半導体９で発生した熱は冷却フィン８に伝わり、冷却フィン８は本体ケース３背面に取り付けられた冷却ファン７によって強制空冷される。

【0019】

ここで、主回路基板１０の冷却について述べる。図８において、空間１１は、半導体９によって形成され、冷却フィン８の表面と主回路基板１０の裏面の隙間である。また、空間１２は、主回路基板１０の表面と本体カバー４の間に形成される。本体カバー４の底面の複数の開口部４ｂより吸入された空気が、空間１１と空間１２に分岐し、最終的に本体カバー４の上面開口部６を抜けて排気される自然対流によって、主回路基板１０の表面と裏面が冷却される。

【実施例1】

【0020】

本実施例では、既に述べた従来の電力変換装置の基本的構成についての説明は省略し、相違点について述べる。

【0021】

図３は、本実施例の電力変換装置の断面内部図の例である。図４は、本実施例の電力変換装置を分解したときの図である。図４において従来の電力変換装置の分解したときの図９と比較すると、空気より熱伝導率が高い部材１５と、部材１５の表面に空気より熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材１３が追加されている。部材１５は、例えばアルミや銅などの金属である。部材１３は、例えば、放熱シート、熱伝導シートである。

【0022】

また、図３において熱伝導率が高い物質１５と、熱伝導率が高い物質１５の表面に熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材１３によって、主回路基板１０と冷却フィン８の空間１１が一部塞がれ、主回路基板１０と冷却フィン８の熱伝導のやり取りが可能となっている。ここで、図３に示したように空間１１が完全に塞がれたのではない。

【0023】

図５は、本実施例における主回路基板１０、半導体９、熱伝導率の高い物質１５、熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材１３を組立てた物を裏から見た図である。なお、部材１３は、熱伝導率が高い物質１５に隠れて見えていない。図６は図５を左方向から見た図である。

【0024】

実施例１について、図５、図６を用いて説明する。図５では、主回路基板１０の裏面の大電流を流す配線パターン１４に、熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材１３を接触させ、その絶縁が確保できる部材１３に、熱伝導率が高い物質１５を接触させ、その熱伝導率が高い部材１５を冷却フィン８に接触固定させる。ここで、実施例１では冷却フィン８に接触固定させているが、本体ケース３であっても構わない。冷却フィンと本体ケースのうち温度が低い方に、部材１５を接触させることにより、冷却性能を向上させることができる。

【0025】

また、電力変換装置の使用状態において、底面の開口部４ｂより吸入された空気が上面開口部６から排出されるため、冷却フィンや本体ケースは、上部よりも下部の温度が低い。そこで、本実施例では、冷却フィンや本体ケースの下部と部材１５を接触固定させることにより、配線パターンの冷却性能を向上させることができる。

【0026】

従来は、大電流を流す配線パターン１４も自然空冷で冷却していたが、自然空冷のような微細な風速ではあまり冷却効率は高くなく、場合によっては空気によって断熱に近い状態になっている。そのため、本実施例では、熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材１３と熱伝導率が高い部材１５を介して、配線パターン１４と、冷却フィン８又は本体ケース３を接触させる。これにより、従来の自然空冷よりも冷却性能がよい構造を実現することができる。

【実施例2】

【0027】

本実施例では、上述した電力変換装置の基本的構成についての説明は省略し、実施例１との相違点について述べる。

【0028】

実施例１では、大電流を流す目的だけの配線パターン１４に熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材１３を接触させ、部材１３に熱伝導率が高い部材１５を接触させて熱を伝導させる。そして、部材１５を冷却フィン８又は本体ケース３に接触させ放熱している。しかし、その冷却フィン８又は本体ケース３が配線パターン１４と同等程度の温度であった場合、配線パターン１４と冷却フィン８又は本体ケース３を接触させても配線パターン１４の冷却効果はない。

【0029】

そこで、本実施例では図７に示したように、配線パターン１４から分岐するパターン１６を設ける。パターン１６は、配線パターンから枝分かれした熱を拡散するためのものである。つまり、パターン１６は、放熱に用いるパターンであって電流を流すためではない。

【0030】

仮に、配線パターン１４しか形成されていない場合に、配線パターン１４に対向する冷却フィン８又は本体ケース３の部分が高温領域１７であったとすると、配線パターン１４から冷却フィン８又は本体ケース３に熱は逃げない。そこで、パターン１６を用いて冷却フィン８又は本体ケース３の比較的冷えた領域１８に熱を拡散移送する。その領域１８では、冷却フィン８又は本体ケース３は配線パターン１４やパターン１６よりも温度が低いので、パターン１６を部材１３と部材１５を介して冷却フィン８又は本体ケース３に接触させることにより、配線パターン１４、パターン１６の熱が冷却フィン８又は本体ケース３に伝えられる。よって、実施例１より、基板の冷却に効果的である。

【0031】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0032】

２・・・表面カバー
３・・・本体ケース
４・・・本体カバー
６・・・本体カバーの上面開口部
７・・・冷却ファン
８・・・冷却フィン
９・・・半導体
１０・・・主回路基板
１１・・・冷却フィンの表面と主回路基板の裏面の間に作られた空間
１２・・・主回路基板の表面と本体カバーの間に作られた空間
１３・・・熱伝導率が高く尚且つ絶縁が確保できる部材
１４・・・主回路基板の裏面の大電流を流す配線パターン
１５・・・熱伝導率が高い部材
１６・・・熱を拡散するためのパターン
１７・・・冷却フィンまたは本体ケースの高温領域
１８・・・冷却フィンまたは本体ケースの低温領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】