特許 7554169 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】

(24)【登録日】2024-09-10

(45)【発行日】2024-09-19

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240911BHJP

   H01L 23/467 20060101ALI20240911BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H01L23/46 C

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021162052

(22)【出願日】2021-09-30

(65)【公開番号】P2023051411

(43)【公開日】2023-04-11

【審査請求日】2023-09-01

(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】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】濱埜 晃嗣

(72)【発明者】

【氏名】広田 雅之

【審査官】清水 康

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３７３７６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－０１３２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２５７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２７５８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１０８３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０２９２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２０４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１１４６８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０１Ｌ ２３／４６

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数個の半導体素子と、
前記複数個の半導体素子を冷却するためのヒートシンクとを有し、
前記ヒートシンクは、
前記複数個の半導体素子の上方に、前記複数個の半導体素子を固定する第１のベースと、
前記複数個の半導体素子各々の直下に、各々の半導体素子を支持するように設けられた円柱状、もしくは多角形柱状の熱電導体と、
前記第１のベースと対向する第２のベースと、
前記第１のベースおよび前記第２のベースと接続する複数のフィンとを有する電力変換装置。

【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】

電力変換装置において、高効率化は電機系分野のみならず、機械系分野でも重要な開発要素の一つである。そこで冷却についての高効率を実現するにあたって、交流電流を直流に整流するダイオード部や、直流を再び交流に変換するインバータ部などのパワー半導体の冷却部（ヒートシンク）の性能を上げることが重要であり、それらの半導体の配置方法や冷却部（ヒートシンク）の形状などに工夫がされている。

【0003】

例えば特許文献１においては、発熱体に対接される伝熱プレートに三角形の支柱を突出させ、その支柱の側面にピン状のフィンを設け、発熱体からの熱拡散効果を高める点が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００１－２１０７６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電力変換装置のパワー半導体は、冷却のためにヒートシンクを設けており、このヒートシンクに如何にして効率よくパワー半導体の熱を逃がし、冷却ファンによって外気に放出するかが冷却の肝である。

【0006】

しかしながら、実際にはヒートシンクのベースだけに於いても熱の拡散具合は期待よりも良くなく、発熱体の近傍は熱くなってはいるものの、ヒートシンクの端では外気温とほとんど変わらないような温度であったりする。

【0007】

また、ヒートシンクのフィンに於いてもベースと同様なことが起きており、パワー半導体近くのベース面に近いフィンの根本付近は熱くなってはいるものの末端のほうまでは熱くなってない。また、発熱体から離れれば離れるほど外気温に近く、当たり前の状況ではあるものの効率よく冷却効果を果たせているとは言えない状況であった。

【0008】

本発明の目的は、ヒートシンクの占有空間体積を変えないで、冷却効率を上げる電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一例としては、半導体素子と、前記半導体素子を冷却するためのヒートシンクとを有し、
前記ヒートシンクは、
前記半導体素子を固定する第１のベースと、
前記第１のベースと対向する第２のベースと、
前記第１のベースおよび前記第２のベースと接続する複数のフィンと、
前記第１のベースおよび前記第２のベースと接続するとともに、前記フィンより厚い熱電導体とを有する電力変換装置である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、ヒートシンクの占有空間体積を変えないで、冷却効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】比較例としての電力変換装置のヒートシンクを左側面より見た概略斜視図である。

【図2】実施例１における電力変換装置のヒートシンクを左側面より見た概略斜視図である。

【図3】実施例２における電力変換装置のヒートシンクを左側面より見た概略斜視図である。

【図4】実施例３における電力変換装置のヒートシンクを左側面より見た概略斜視図である。

【図5】実施例３における電力変換装置のヒートシンクを見やすくするためにフィン部分を透過し左側面より見た概略斜視図である。

【図6】比較例としての電力変換装置のヒートシンクの熱伝導具合を示した図である。

【図7】実施例１における電力変換装置のヒートシンクの熱伝導具合を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。

【0013】

まず、はじめに、本実施例の前提となる、比較例としての電力変換装置の冷却部（ヒートシンク）について説明する。図１は、比較例としての電力変換装置の冷却部（ヒートシンク）を左側面より見た概略斜視図である。

【0014】

図１に於いて、電力変換装置は、入力された交流電力を直流電力に整流し、整流された直流電力を再び交流電力に変換するパワー半導体１と、パワー半導体１の発熱を冷却するヒートシンク３と、ここでは省略するがパワー半導体１を駆動する回路を有する主回路基板（図示省略）とを有し、これらの部品は筐体（図示省略）で周囲を覆われている。

【0015】

ここで、ヒートシンク３について述べる。ヒートシンク３は、アルミ等の放熱効果の高い材料からなる第１のベース２と、複数のフィン４から構成されている。冷却について述べると、ヒートシンク３を冷却するための冷却風は、ヒートシンク上部に設けられた冷却ファン５によって、ヒートシンク３の下部から吸入され、ヒートシンク３に設けられた複数のフィン４の間を通過することでパワー半導体１が冷却される。

【0016】

近年、電力変換装置において、パワー半導体１の進歩によりパッケージの小型化が進んでいる。しかしパワー半導体１からの発熱量自体は極端に減ることはないため以前よりも熱が集中する結果となってしまい、集中した熱の拡散が大きな課題となっている。

【0017】

そこで、これらの課題を解決するために、パワー半導体１の集中した熱を従来と変わらない冷却のための占有空間体積で如何にして効率よく放熱するかということに着目する。

【実施例1】

【0018】

実施例１について図２を用いて説明する。実施例１ではパワー半導体１の冷却のためのヒートシンク３を有し、ヒートシンク３は、パワー半導体１を固定し、熱を拡散するための第１のベース２と、第１のベース２と対向し第１のベース２の面とほぼ平行な面を有する第２のベース６と、第１のベース２で拡散された熱を放熱するための複数のフィン４と、複数のフィン４よりも板厚の厚くなった熱電導体７aを有する。第１のベース２で拡散できなかった熱がフィン４よりも板厚の厚くなった熱電導体７aによって拡散される。

【0019】

複数のフィン４は、第１のベース２および第２のベース６とは熱を直接に伝導できるように接続した構成である。また、フィン４より厚い熱電導体７aは、第１のベース２および第２のベース６と熱を直接に伝導できるようにした構成である。つまり、第１のベース２と第２のベース６は、複数のフィン４と、複数のフィン４よりも厚みのある熱電導体７aと熱のやり取りができるように繋がっている。第１のベース２および第２のベース６と、複数のフィン４とは直接に接続されてなくとも、第１のベース２とフィン４、もしくは第２のベース６とフィン４との間に、両者からの熱が拡散できるように熱伝導体を介するように接続してもよい。

【0020】

フィン４は、第１のベース２の面および第２のベース６の面に略直交する方向に伸びており、さらに、パワー半導体１の近傍である第１のベース２および第２のベース６の中心部からパワー半導体１から離れた第１のベース２および第２のベース６の端部に向かって、複数個のフィン４が、互いに略平行に、配置される。

【0021】

本実施例の構成によれば、第１のベース２で拡散できなかった熱はフィン４よりも板厚の厚くなった熱電導体７aで拡散し、それでも拡散できなかった熱は第２のベース６で再び拡散され、第２のベース６に繋がっているフィン４で再び放熱できる構成とした。

【0022】

ここでヒートシンク３の熱の伝わり方について図を用いて説明する。図６は、比較例としての電力変換装置のヒートシンク３の熱伝導の具合を図示したものである。図７は、本実施例における電力変換装置のヒートシンク３の熱伝導の具合を図示したものである。

【0023】

図６において、パワー半導体１の発熱は第１のベース２である程度拡散され、フィン４によって放熱される。しかし、熱は発熱体から放射状に広がるため、この場合、パワー半導体１の近傍はフィン４の末端まで放熱に寄与しているが、パワー半導体１から距離の離れたフィン４では末端まで熱が伝わらない。

【0024】

要するに破線で囲った部分は期待しているほど、冷却に寄与していない部分となる。

【0025】

一方、本実施例によれば、図７に示すように発熱体（この場合パワー半導体１）から発せられた熱は第１のベース面によってまずは拡散される。次にフィン４によって放熱される。本実施例では、発熱体の下にフィン４よりも板厚の厚い熱電導体７aを設けることによって、第１のベース２で拡散しきれなかった熱はその板厚の厚い熱電導体７aを伝わり、第２のベース６にて再び拡散され、再度フィン４にて放熱される。

【0026】

以上によって、図６の破線で囲った面積よりも、本実施例における図７の破線で囲った面積のほうが小さくなっている分、効率よくヒートシンクが使えているということになる。

【0027】

熱電導体７aは、パワー半導体１の直下に配置されることで、パワー半導体１からの熱を冷却する冷却性能を高めることができる。

【0028】

また、第２のベース６の厚さを、第１のベース２の厚さと略同じ厚さとすることで、第１のベース２で拡散しきれなかった熱は熱電導体７aを伝わり、第２のベース６にて再び拡散された熱が、より放熱されるので冷却効率を高くできる。

【0029】

図２では、フィン４がプレート形状である場合を示したが、ピン形状であってもよい。

【0030】

また、図２では、ヒートシンク上部である第１のベース２の上側に配置された冷却ファン５によって、ヒートシンク３を冷却するための冷却風は、ヒートシンク３の下部から吸入され、ヒートシンク３に設けられた複数のフィン４の間を通過することでパワー半導体１が冷却される例を示した。それに限らず、ヒートシンク下部である第１のベース２の下側に冷却ファン５を配置してもよい。また、冷却ファン５に吸入するように冷却風を流すのではなく、冷却ファン５からヒートシンク３に冷却風を吐出するようにしてパワー半導体１を冷却するようにしてもよい。

【0031】

熱電導体７aは、フィン４よりも厚くすることで、パワー半導体１の発熱を拡散して冷却効果を高めることができるが、冷却風の流れをよくするために熱電導体７aの幅は、パワー半導体１の幅以下の幅とするのが望ましい。

【0032】

実施例１によれば、パワー半導体１の集中した熱を冷却のための占有空間体積を変えないで効率よく放熱できる。

【実施例2】

【0033】

本実施例では、実施例１よりもさらに効率の良いヒートシンクについて説明する。図３は、実施例２における電力変換装置の冷却部（ヒートシンク）を、左側面より見た概略斜視図である。図３において、基本的な構成は実施例１と同じである。実施例１と同じ事項については説明を省略する。

【0034】

図２の実施例１と異なる点は、第１のベース２の面および第２のベース６の面に対して略平行な方向に、板厚の厚い熱電導体７aから第２のフィン８が伸びる構成となっている点である。熱電導体７aと第２のフィン８は一体の構成であってもよいし、別々の部品から構成されていてもよい。熱電導体７aと第２のフィン８が別体である場合には、熱電導体７aからの熱が第２のフィン８に拡散されて放熱されるように熱電導体７aと第２のフィン８が接続されることが必要である。

【0035】

実施例１でも述べたように第１のベース２で拡散できなかった熱は板厚の厚い熱電導体７aで拡散される。一方、実施例２では、その拡散途中で同時に放熱させるために第２のフィン８を設けてある。

【0036】

実施例１に記載の板厚の厚い熱電導体７aに比べて、実施例２によれば、第２のフィン８があることで表面積が増加するため、放熱効果が良くなる。

【実施例3】

【0037】

本実施例では、複数個のパワー半導体１が搭載される電力変換装置の冷却について図４、および図５を用いて説明する。

【0038】

図４は、実施例３における電力変換装置のヒートシンクを左側面より見た概略斜視図である。図５は、実施例３における電力変換装置のヒートシンクを見やすくするためにフィン部分を透過し左側面より見た概略斜視図である。実施例１と同じ事項については説明を省略する。

【0039】

実施例１と実施例２では製造上の作りやすさを考慮し、熱を拡散するための熱電導体７aをフィン４の板厚を厚くするような形状とした。

【0040】

本実施例では、複数個のパワー半導体１の直下に円柱状の熱電導体７ｂを配置する構成である。図４および図５では、第１のベース２および第２のベース６と繋がる円柱状の熱電導体７ｂが４個の例を示している。

【0041】

本実施例のような構成とすることで、実施例１のように第１のベース２および第２のベース６の１辺とほぼ同じ長さに伸びる構成の熱電導体７aに比べて、熱電導体７ｂは軽くできる。

【0042】

そのために、本実施例では、複数個のパワー半導体１の直下に、それぞれのパワー半導体１を支持する熱電導体７ｂを配置する構成であるが、不必要な重量増加（コストアップ）を避け、効率よく熱の拡散ができる構成となる。

【0043】

また、本実施例では熱を拡散するための熱電導体を円柱状の熱電導体７ｂとしたが、円柱状の形状に限定するものではなく、四角柱や六角柱など、熱を十分に移送できるような断面積があれば形状は問わない。

【0044】

図４や図５では、実施例１の熱電導体の構成に基づいて説明したが、実施例２の第２のフィンと熱電導体との構造を本実施例に適用することができる。その場合には実施例２と実施例３の両方の効果を得ることができる。

【0045】

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。また、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。

【符号の説明】

【0046】

１：パワー半導体
２：ヒートシンクにおける第１のベース
３：ヒートシンク
４：ヒートシンクにおけるフィン
５：冷却（空冷）ファン
６：ヒートシンクにおける第２のベース
７a：フィンよりも板厚の厚い熱電導体
７b：熱伝導可能な断面積のある熱電導体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】