CN103858223A - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力转换装置，其能够使安装于衬底上的发热电路部件的热量高效率地散热至冷却体，并且可实现小型化。本发明的电力转换装置（1）具备：半导体功率模块（11），一个面与冷却体（3）相接合；多个安装衬底（21）、（22）、（42），安装有包括驱动所述半导体功率模块的发热电路部件的电路部件；导热路径（35）、（37），将所述多个安装衬底的热量传导至所述冷却体（3），而所述多个安装衬底中的至少彼此相面对的一对安装衬底（22）、（42）以使导热组件（27）介于所述一对安装衬底之间的实心状态被层叠。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及一种电力转换装置，其在内置有电力转换用半导体开关元件的半导体功率模块上，支撑安装有包括驱动半导体开关元件的发热电路部件的电路部件的安装衬底。

背景技术

作为这种电力转换装置，专利文献1中所记载的电力转换装置广为人知。该电力转换装置，在机壳内配置水冷套，并通过在该水冷套上配置内置有作为电力转换用半导体开关元件的IGBT的功率模块来进行冷却。另外，在机壳内，在与功率模块的水冷套相反一侧保持预定距离而配置控制电路衬底以及驱动电路衬底，将在控制电路衬底以及驱动电路衬底中产生的热量通过散热组件传导至支撑控制电路衬底以及驱动电路衬底的金属基板，进而将传导至金属基板的热量通过支撑该金属基板的机壳侧壁传导至水冷套。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4657329号公報

发明内容

技术问题

然而,在上述专利文献1中所记载的现有例中，将在控制电路衬底中所产生的热量通过控制电路衬底→散热组件→金属基板→机壳→水冷套的路径进行散热。为此，机壳作为导热路径的一部分被使用，因而对机壳也要求良好的导热性，所以机壳形成材料被限定为导热率较高的金属，因此在要求小型轻量化的电力转换装置中，存在无法选择树脂等轻量的材料且很难实现轻量化的问题。

此外，对于机壳要求防水、防尘的情况较多，因此一般在金属基板与机壳之间、机壳与水冷套之间涂敷液态密封剂或夹入橡胶制衬垫等。液态密封剂以及橡胶制衬垫的导热率通常较低，且这些存在于热冷却路径之间，因而还存在热阻增强而使冷却效率下降的未解决的问题。为解决所述未解决的问题，还需要对于衬底以及安装部件所产生的无法除去的热量通过来自机壳或机壳盖的自然对流进行散热，并且为了增大机壳与机壳盖的表面积，需要增大机壳与机壳盖的外形使电力转换装置大型化。

因此，本发明着眼于上述现有例的未解决的问题而完成，其目的在于提供一种能够将安装于衬底的发热电路部件的热量高效率地散热至冷却体且能够实现小型化的电力转换装置。

技术方案

为实现所述目的，本发明的电力转换装置的第1方式，具备：半导体功率模块，一个面与冷却体相接合；多个安装衬底，安装有包括驱动所述半导体功率模块的发热电路部件的电路部件；导热路径，将所述多个安装衬底的热量传导至所述冷却体。并且，所述多个安装衬底中的至少彼此相面对的一对安装衬底以使导热组件介于所述一对安装衬底之间的实心状态被层叠。

根据该构成，由于对安装有彼此相对的发热电路部件的一对安装衬底以使导热组件介于其之间的实心状态进行层叠，因此在一对安装衬底之间没有形成空气层，能够使发热电路部件所产生的热量高效率地通过导热组件、进而通过导热路径散热至冷却体。

此外，本发明的电力转换装置的第2方式，具备：半导体功率模块，将电力转换用的半导体开关元件内置于壳体内；冷却体，配置于该半导体功率模块的一个面；多个安装衬底，安装有包括驱动被所述半导体功率模块的另一面所支撑的所述半导体开关元件的发热电路部件的电路部件。并且，所述多个安装衬底中的至少彼此相面对的一对安装衬底以使导热组件及导热支撑板介于所述一对安装衬底之间的实心状态被层叠，以使所述发热电路部件所产生的热量经由所述导热组件以及所述导热支撑板、进而通过与包围所述模块以及所述各安装衬底的机壳相独立的多个导热路径散热至所述冷却体。

根据该构成，由于对安装有彼此相面对的发热电路部件的一对安装衬底以使导热组件以及导热支撑板介于其之间的实心状态进行层叠，因此在一对安装衬底之间没有形成空气层，能够使发热电路部件所产生的热量高效率地通过导热组件以及导热支撑板、进而通过导热路径散热至冷却体。此时，安装衬底与冷却体之间的多个导热路径与包围模块以及各安装衬底的机壳独立形成，因此能够不必考虑机壳的导热率而形成机壳，从而能够提高设计的自由度。

此外，本发明的电力转换装置的第3方式，所述一对安装衬底的一个安装衬底在内外两面配置有导热组件。

根据该构成，在安装衬底的内外两面配置有导热组件，因此能够将安装于安装衬底的内外的发热电路部件所产生的热量通过内外的导热组件高效率地导入至冷却体。

此外，本发明的电力转换装置的第4方式，所述一对安装衬底在以预定压缩率压缩了所述弹性体的状态下被固定。

根据该构成，使弹性体在压缩的状态下被固定，因此能够更好地使其与安装于安装衬底的发热部件相接触，并且还能够提高散热效果。

此外，本发明的电力转换装置的第5方式，在所述一对安装衬底之间设有确定所述弹性体的压缩率的间隔调整组件。

根据该构成，能够通过间隔调整组件来确定弹性体的压缩率，并且很容易将弹性体的压缩率调整至恒定值。

此外，本发明的电力转换装置的第6方式，所述导热组件由具有导热性的绝缘体构成。

根据该构成，导热组件由绝缘体所构成，因此能够将相面对的安装衬底之间的间隔设定得较窄，并且还能够将电力转换装置小型化。

此外，本发明的电力转换装置的第7方式，所述导热组件由具有导热性且具有伸缩性的弹性体构成。

根据该构成，导热组件具有伸缩性，因此能够使其与安装于安装衬底的发热部件等的周围相接触，以通过增加接触面积能够提高散热效果。

此外，本发明的电力转换装置的第8方式,所述多个导热路径由连接所述导热支撑板与所述冷却体的导热支撑侧板构成。

根据该构成，将配置于一对安装衬底之间的导热支撑板与冷却体之间通过导热支撑侧板进行连接，因此能够通过扩大导热路径的截面积而降低热阻，更有效地进行向冷却体的散热。

此外，本发明的电力转换装置的第9方式,所述导热支撑板以及导热支撑侧板由导热率较高的金属材料构成。

根据该构成，由导热率较高的铝、铝合金、铜等构成安装衬底，因此能够更有效地进行向冷却体的散热。

发明效果

根据本发明，对于安装有包括发热电路部件的电路部件的彼此相对的一对安装衬底，至少使导热组件介于两者之间而以实心状态进行层叠，因此在一对安装衬底之间没有形成蓄积热量的空气层，能够将发热电路部件所产生的热量有效地散热至冷却体。

此外，一对安装衬底之间至少通过导热组件而实现一体化，因此能够提高对于上下方向的振动以及左右摇晃的刚性。

另外，通过所述导热组件以及所述导热支撑组件、进而通过与包围将半导体开关元件内置于壳体内的半导体功率模块及安装衬底两者的机壳相独立的导热路径，将安装于一对安装衬底的发热电路部件所产生的热量连接至冷却体，从而能够有效地将安装衬底内外的热量散热至冷却体。因此，能够提供一种可减少与来自机壳、机壳盖的散热作用之间的联合使用，且通过控制机壳及机壳盖的大小而被小型化的廉价的电力转换装置。

并且，不要求机壳具有良好的导热性，因此在机壳中可以使用树脂等轻量材料，可以提供一种使机壳轻量化而廉价的电力转换装置。

附图说明

图1是示出本发明的电力转换装置的第1实施方式的整体构成的剖面图；

图2是示出第1实施方式的主要部分的放大剖面图；

图3是示出安装衬底、导热组件以及导热支撑板的层叠状态的放大剖面图；

图4是用于说明发热电路部件的散热路径的图。

图5是示出上下振动及左右摇晃作用于电力转换装置的状态的图；

图6是示出现有例的示意性剖面图；

图7是示出本发明的第1实施方式的变形例的与图2相同的放大剖面图；

图8是示出本发明的第2实施方式的与图2相同的放大剖面图；

图9是示出本发明的第3实施方式的与图2相同的放大剖面图；

图10是示出本发明的第4实施方式的与图2相同的放大剖面图；

图11是示出功率模块的冷却组件的变形例的剖面图。

符号说明

1…电力转换装置

2…机壳

3…冷却体

4…薄膜电容器

5…蓄电池收纳部

11…功率模块

12…壳体

13…冷却组件

21…驱动电路衬底

22…控制电路衬底

24…连接螺栓

27、28…导热组件

29、30…导热支撑板

41…导热组件

42…电源电路衬底

46…连接螺栓

45…垫片（间隔调整组件）

61…导热组件

62…导热支撑板

63…固定螺栓

64、65…垫片

66…固定螺栓

71…导热组件

81、82…衬底固定部

83、84…固定螺栓

91散热片

具体实施方式

以下，利用附图说明本发明的实施方式。

图1是示出本发明的电力转换装置的整体构成的剖面图。

图中，1为电力转换装置，该电力转换装置1收纳在机壳2内。机壳2由合成树脂材料成型而成，其由隔着具有水冷套结构的冷却体3而被分为上下的下部机壳2A以及上部机壳2B所构成。

下部机壳2A由有底方形筒体所构成。该下部机壳2A，其开放上部被冷却体3所覆盖，内部收纳有平滑用薄膜电容器4。

上部机壳2B具备：方形筒体2a，其上端及下端开放；以及盖体2b，其堵塞该方形筒体2a的上端。另外，方形筒体2a的下端被冷却体3所堵塞。在该方形筒体2a的下端与冷却体3之间，虽然未图示但存在涂敷的液态密封剂或夹入的橡胶制衬垫等的密封材料。

冷却体3中，冷却水的供水口3a及排水口3b向机壳2的外面开口，供水口3a及排水口3b之间形成有冷却水通道3c。这些供水口3a及排水口3b，通过例如软管与未图示的冷却水供应源相连接。该冷却体3通过对例如导热率较高的（例如100W·m^-1·K^-1以上）铝、铝合金进行注塑成型而形成。

此外，冷却体3，其下面为平坦面，其上面在中央部中形成有俯视观察时为方形的凹部3d。在该凹部3d的中央部，形成有俯视观察时为方形的突出台部3e，在该突出台部3e的周围形成有方框形的侧沟3f。该突出台部3e的高度被设定为比冷却体3的上面低，且与后述的导热支撑侧板35以及37的底板39的厚度大致相等。此外，在冷却体3中，形成有用于上下插入被固定于下部机壳2A的薄膜电容器4的被绝缘涂覆的正负电极4a的插入孔3_g。

电力转换装置1中,如参照图2可以明确一样，作为构成电力转换用的例如逆变电路的半导体开关元件，具备例如内置有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的半导体功率模块11。

该半导体功率模块11在扁平的长方体状绝缘性壳体12中内置有IGBT，在壳体12的下面形成有由金属制成的冷却组件13。

壳体12以及冷却组件13中，在俯视观察时的四个角落形成有用于插入作为固定元件的固定螺栓14的插入孔15。向这些插入孔15内插入固定螺栓14，并向冷却体3螺纹连接固定螺栓的外螺纹部的前端，从而使半导体功率模块11安装在冷却体3的上面。

此外，在壳体12的上面，在插入孔15内侧的4处突出形成有预定高度的衬底固定部16。

在该衬底固定部16的上端，固定有安装了驱动内置于半导体功率模块11内的IGBT的驱动电路等的驱动电路衬底21。此外，在驱动电路衬底21的上方，保持预定间隔而固定有、作为安装有包括控制内置于半导体功率模块11内的IGBT的相对散热量较大或者散热密度较大的发热电路部件的控制电路等的安装衬底的控制电路衬底22以及作为安装有同样包括发热电路部件的电源电路等的安装衬底的电源电路衬底42。

此外，驱动电路衬底21，通过向在与衬底固定部16相面对的位置所形成的插入孔21a内插入连接螺栓24的外螺纹部24a，并将该外螺纹部24a螺纹连接于在衬底固定部16的上面所形成的内螺纹部16a而被固定。

此外，如图3所示，控制电路衬底22，通过向与在连接螺栓24的上端所形成的内螺纹部24b相面对的位置上所形成的插入孔22a内插入连接螺栓46的外螺纹部46a，并将该连接螺栓46的外螺纹部46a螺纹连接于连接螺栓24的内螺纹部24b而被固定。

在这里，在驱动电路衬底21中安装有无需通过冷却体3进行冷却的发热量较小的电路部件。此外，在控制电路衬底22中，在其内外两面安装有包括需要通过冷却体进行冷却的发热电路部件的电路部件26。此外，在电源电路衬底42中，在其内表面侧安装有需要通过冷却体进行冷却的发热电路部件，并且在外表面侧安装有无需通过冷却体进行冷却的发热量较小的电路部件。

此外，控制电路衬底22在其内外配置有导热组件27及28。这些导热组件27及28，由具有伸缩性的弹性体构成为与控制电路衬底22相同外形尺寸。

作为这些导热组件27及28，例如可使用使金属填料（metal filler）存在于作为弹性体的硅橡胶内部从而在发挥绝缘性能的同时提高导热性的导热组件。这些导热组件27及28，例如通过沿厚度方向压缩5～30%左右，从而可以发挥热阻降低且高效率的导热效果。

为此，在各导热组件27及28的与控制电路衬底22相反的一侧，配置有板状的导热支撑板29及30。这些导热支撑板29及30由导热率高（例如100W·m^-1·K^-1以上）且具有刚性的铝、铝合金以及铜等金属材料形成。

此外，在导热支撑板29的上面侧，配置有具有与导热组件27及28相同构成的导热组件41，在该导热组件41的与导热支撑板29相反的一侧配置有电源电路衬底42。

此外，控制电路衬底22与导热支撑板30通过从控制电路衬底22的上面侧经过导热组件28而螺纹连接于形成在导热支撑板30的内螺纹30c的固定螺栓43而被固定。在固定该控制电路衬底22与导热支撑板30时，如图3所示，在导热组件28中设置使固定螺栓43插入的垫片33。

该垫片33成为具有比导热组件28的厚度T低的导热组件管理高度H的间隔调整组件，该垫片33的高度被设定为将导热组件28沿厚度方向压缩5～30%左右的高度。因此，在通过固定螺栓43固定控制电路衬底22以及导热支撑板30时，导热组件28沿厚度方向准确地压缩5～30%左右而被固定，从而降低导热组件28的热阻而能够发挥高效率的导热效果。此时，由于通过垫片33的高度H来管理导热组件28的压缩率，因此不会产生拧紧不足或拧紧过度，而被恰当地拧紧。

此外，如图3所示，在使控制电路衬底22的内表面与连接螺栓24的上表面相接触的状态下，通过使形成于连接螺栓46的下端的外螺纹部46a螺纹连接于形成在连接螺栓24的上面的内螺纹部24b螺纹连接并拧紧，从而控制电路衬底22被固定在连接螺栓24的上面。

此外，通过配置导热组件27使连接螺栓46插入在导热组件27中所形成的插入孔27a内，在该导热组件27的上面侧配置导热支撑板29，在该导热支撑板29的上面侧配置导热组件41使连接螺栓46插入在导热组件41中所形成的插入孔41a内，进而在导热组件41的上面侧配置电源电路衬底42。

该电源电路衬底42与导热支撑板29通过从电源电路衬底42的上面侧经过导热组件41而螺纹连接于导热支撑板29中所形成的内螺纹29c的固定螺栓44而被固定。在固定该电源电路衬底42和导热支撑板29时，如图3所示，在导热组件41中设有使固定螺栓44插入的垫片45。

该垫片45成为具有比导热组件41的厚度T低的导热组件管理高度H的间隔调整组件，该垫片45的高度被设定为将导热组件41沿厚度方向压缩5～30%左右的高度。因此，在通过固定螺栓44固定电源电路衬底42以及导热支撑板29时，导热组件41沿厚度方向准确地压缩5～30%左右而被固定，从而降低导热组件41的热阻降低而能够发挥高效率的导热效果。此时，由于通过垫片45的高度H来管理导热组件41的压缩率，因此不会产生拧紧不足或拧紧过度，而被恰当地拧紧。

此外，电源电路衬底42通过从电源电路衬底42的上面侧插入固定螺栓47，并使该固定螺栓47的外螺纹部螺纹连接于在连接螺栓46的上面所形成的内螺纹部46b而拧紧，从而电源电路衬底42被固定在连接螺栓46的上面。

另一方面，通过连接螺栓46的高度来确定介于控制电路衬底22与导热支撑板29之间的导热组件27的压缩率。即，导热支撑板29与电源电路衬底42之间的间隔根据垫片45和从电源电路衬底42的上方经过垫片45而螺纹连接于在导热支撑板29中所形成的内螺纹部29c的固定螺钉44来确定。因此，如图3所示，连接螺栓46的上面以及下面之间的高度H2被设定为将垫片45的高度、导热支撑板29的厚度以及导热组件27的压缩了5～30%左右时的高度相加在一起的高度。

因此，通过使在连接螺栓46的下面所形成的外螺纹部46a螺纹连接于在连接螺栓24的上端所形成的内螺纹部24b来确定控制电路衬底22的安装高度位置。在该状态下，通过形成于导热组件27的插入孔27a来将导热组件配置到连接螺栓46，并在导热组件27的上面配置通过固定螺栓44而实现一体化的导热支撑板29以及电源电路衬底42。此外，通过使用固定螺栓47将电源电路衬底42拧紧固定在连接螺栓46的上面，从而能够以5～30%左右的压缩率对导热组件27进行压缩而固定。

这样，对于控制电路衬底22以及电源电路衬底42而言，由于使导热组件27、导热支撑板29以及导热组件41存在于两者之间，从而以不存在空气层的实心（solid）状态被层叠。因此，导热组件27以及28紧贴于包括安装于控制电路衬底22的发热电路部件的电路部件，从而使电路部件所产生的热量通过导热组件27以及28散热至导热支撑板29以及30。

此外，如图2以及图3所示，导热支撑板29其左端部处于与控制电路衬底22、导热组件27以及28的左端相同的位置，而其右端部形成有比控制电路衬底22、导热组件27以及28的右端更向右侧突出的连接部29a。如图3中放大示出，在该连接部29a中贯通形成有连接孔29b。

同样，如图2以及图3所示，导热支撑板30其右端部处于与控制电路衬底22、导热组件27以及28的右端相同的位置，而其左端部形成有比控制电路衬底22、导热组件27以及28的左端更向左侧突出的连接部30a。如图3中放大示出，在该连接部30a中贯通形成有连接孔30b。

此外，在导热支撑板29的连接部29a，通过固定螺栓36固定连接有形成与上部机壳2B相独立的导热路径的导热支撑侧板35。该固定螺栓36从导热支撑板29的上方经过连接孔29b与在导热支撑侧板35中所形成的内螺纹（未图示）相螺纹连接。

此外，在导热支撑板30的连接部30a，通过固定螺栓38固定连接有形成与上部机壳2B相独立的导热路径的导热支撑侧板37。该固定螺栓38也从导热支撑板30的上方经过连接孔30b而与在导热支撑侧板37中所形成的内螺纹（未图示）相螺纹连接。

在这里，导热支撑侧板35通过垂直板部35a和从该垂直板部35a的上端向左侧延伸的连接板部35b形成为倒L字形。此外，导热支撑侧板35为垂直板部35a与连接板部35b之间的连接部成为圆柱面的一部分的弯曲面35c（R倒角）。同样，导热支撑侧板37也通过垂直板部37a与从该垂直板部37a的状态向右侧延伸的连接板部37b形成为倒L字形。此外，导热支撑侧板37为垂直板部37a与连接板部37b之间的连接部成为圆柱面的一部分的弯曲面37c（R倒角）。

这些导热支撑侧板35以及37通过其垂直板部35a以及37a的下端侧由共同的底板39相连接而实现一体化。该底板39在中央部形成有用于使冷却体3的突出台部3e插入的方形孔39a，且形成为收纳于冷却体3的侧沟3f的方框形。

此外，导热支撑侧板35以及37的垂直板部35a以及37a的下端与底板39之间的连接部成为圆柱面的一部分的弯曲面（R倒角）35d及37d。

这样，导热支撑侧板35以及37的垂直板部35a以及37a的上下端部成为圆柱状的弯曲面35c、35d以及37c、37d。因此，在上下振动及左右摇晃传导至电力转换装置1中时，可以缓解在垂直板部35a以及37a与连接板部35b、37b以及底板39之间的连接部中所产生的应力集中。因此，通过导热支撑侧板35以及37可以提高对于支撑控制电路衬底22时的上下振动或左右摇晃等的耐振动性。

此外，通过将垂直板部35a以及37a与底板39之间的连接部、垂直板部35a以及37a与连接板部35c以及37c之间的连接部设置为圆柱状的弯曲面，从而与将垂直板部35a以及37a与底板39之间的连接部以及垂直板部35a以及37a与连接板部35b以及37b之间的连接部设定为直角的L字形时相比较，能够缩短导热路径。因此，通过缩短从导热支撑板29及30至冷却体3的导热路径，能够有效地进行热冷却。

此外，在导热支撑板30的与驱动电路衬底21相面对的下面，粘贴有用于缩短绝缘距离的绝缘片40。

此外，导热支撑侧板35及37与底板39具有黑色表面。为了使这些导热支撑侧板35及37与底板39的表面变为黑色，可以在表面涂敷黑色树脂、或用黑色涂料进行涂装。这样，通过使导热支撑侧板35及37与底板39的表面变为黑色，与金属材料颜色相比能够提高热辐射率，并且能够增加热辐射传递量。因此，激发向导热支撑侧板35及37与底板39的周围的散热，能够有效地进行控制电路衬底22的热冷却。此外，除了底板39之外，也可以仅使导热支撑侧板35及37的表面变成黑色。

接下来，说明上述第1实施方式的电力转换装置1的装配方法。

首先，在冷却体3的侧沟3f内，配置导热支撑侧板35及37共同的底板39，在使形成于半导体功率模块11的冷却组件13的下面与该底板39的上面相接触且使冷却组件13与冷却体3的突出台部3e相接触的状态下，通过固定螺栓14将半导体功率模块11以及底板39与冷却体3固定为一体。

此外，在半导体功率模块11，在固定于冷却体3之前或固定于冷却体3之后，在其上面所形成的衬底固定部16载置驱动电路衬底21。然后，将该驱动电路衬底21从其上方通过4根连接螺栓24固定在衬底固定部16上。

接下来，在驱动电路衬底21的上面的周边部的未安装电路部件的部分，例如至少载置3个保持驱动电路衬底21与绝缘片40之间的绝缘距离的分隔件，在这种状态下，以连接螺栓24为基准将下面粘贴有绝缘片40的导热支撑板30、导热组件28以及控制电路衬底22依次层叠。此时，向导热组件28的固定螺栓43的插入部插入垫片33。

在这种状态下，从控制电路衬底22的上面通过插入孔22a插入形成于连接螺栓46的下端形成的外螺纹部部46a，然后使其螺纹连接于在连接螺栓24的上面所形成的内螺纹部24b，以将控制电路衬底22固定在连接螺栓24的上端。

接下来，在控制电路衬底22的上面载置导热组件27，且使连接螺栓46插入至插入孔27a。然后，预先在导热组件27的上面安装将导热支撑板29利用固定螺栓44经由导热组件41固定到电源电路衬底42而成的装配体，以使其导热支撑板29的下面与导热组件27的上面相接触，且使连接螺栓46插入至导热支撑板29、导热组件41的插入孔中。

在这种状态下，通过固定螺栓47将电源电路衬底42固定到连接螺栓46的上端，从而压缩至导热组件27的压缩率达到5～30%左右。因此，导热组件41处于被压缩5～30%左右的状态，导热组件41的热阻降低，从而能够发挥高效率的导热效果。

然后，如图1所示，在半导体功率模块11的正负直流输入端子11a连接汇流条（bus bar）50，在该汇流条50的另一端通过固定螺栓51连接贯穿冷却体3的薄膜电容器4的正负的连接端子4a。

接下来，在冷却体3的上面，通过密封材料安装将盖体2b卸下的上部机壳2B。在该上部机壳2B的方形筒体2a中，液密地插入支撑有固定于与外部转换器（未图示）相连接的连接线52的前端的压接端子53和、固定于与外部三相电动机（未图示）相连接的电动电缆58的前端的压接端子59。

接下来，将固定于连接线52的前端的压接端子53固定到半导体功率模块11的直流输入端子11a上。

接下来，通过固定螺栓56将汇流条55连接到半导体功率模块11的三相交流输出端子11b，在该汇流条55的中途配置电流传感器57。然后，通过固定螺栓60将固定于电动电缆58的前端的压接端子59固定连接到汇流条55的另一端。

此外，利用盖体2b及密封材料封堵方形筒体2a的上部开放端。

在此后、或者此前，通过密封材料将下部机壳2A固定到冷却体3的下面，从而结束电力转换装置1的装配。

在该装配结束的状态下，通过连接线52将来自外部转换器（convertor）（未图示）的直流电供给至半导体功率模块11，同时使安装于控制电路衬底22的电源电路、控制电路等进入运行状态，通过安装于驱动电路衬底21的驱动电路将来自控制电路的例如脉宽调制信号（即，门信号（gate signal））供给至半导体功率模块11。

据此，控制内置于半导体功率模块11内的IGBT，从而将直流电转换为交流电。转换后的交流电从三相交流输出端子11b经由汇流条55、进而经由电动电缆58供给至外部三相电动机（未图示），从而驱动控制该三相电动机（未图示）。

此时，通过内置于半导体功率模块11内的IGBT产生热量。由于在半导体功率模块11中所形成的冷却组件13直接与冷却体3的突出台部3e相接触，因此该热量通过供给至冷却体3的冷却水而被冷却。

另一方面，在安装于控制电路衬底22的控制电路的电路部件26中包含发热电路部件，这些发热电路部件产生热量。此时，发热电路部件安装于控制电路衬底22的上面以及下面侧。

此外，在控制电路衬底22的上面以及下面侧，通过导热率较高且具备弹性的导热组件27以及28而设有导热支撑板29以及30。

在这里，如上所述，通过固定螺栓43的紧固以及将电源电路衬底42紧固连接螺栓46的上面的固定螺栓47的紧固，导热组件27及28以5～30%左右的压缩率被压缩，因此使热阻降低，从而可以发挥高效率的导热效果，同时使发热电路部件与导热组件27以及28之间的接触面积增大。

因此，发热电路部件所产生的热量有效地传导至导热组件27以及28。因此，如图4所示，传导至导热组件27以及28的热量有效地传导至导热支撑板29以及30。

此外，由于在导热支撑板29以及30上连接有导热支撑侧板35以及37，因此被传导至导热支撑板29以及30的热量，经由导热支撑侧板35及37而传导至共同的底板39。该底板39直接与冷却体3的侧沟3f内部相接触，因此所传导的热量被散热至冷却体3。

此外，传导至底板39的热量，从其上面侧传导至半导体功率模块11的冷却组件13，并通过该冷却组件13传导至冷却体3的突出台部3e而散热。

另一方面，在电源电路衬底42的内面侧也安装有发热电路部件，该发热电路部件所产生的热量，如图4所示，通过导热组件41而传导至导热支撑板29。因此，与控制电路衬底22的表面侧的发热电路部件所产生的热量相同地，通过导热支撑板29、并通过导热支撑侧板35散热至冷却体3。

这样，根据上述第1实施方式，作为彼此相面对配置的一对安装衬底的控制电路衬底22以及电源电路衬底42以使导热组件27及41与导热支撑板29介于两者之间的实心状态被层叠。因此，在控制电路衬底22与电源电路衬底42之间不存在空气层，所以不会像形成有空气层时那样形成热量蓄积，能够有效地将安装于控制电路衬底22以及电源电路衬底42的发热电路部件所产生的热量散热至冷却体3。

总之，如图6所示的现有例，在驱动电路衬底21以及控制电路衬底22之间、控制电路衬底22以及电源电路衬底42之间分别形成有空间部时，由于在上部机壳2B内基本上没有空气的对流，因此各电路衬底21、22以及42的发热电路部件所产生的热量蓄积在各电路衬底21、22以及42之间而形成热量蓄积。该热量蓄积的热量影响其上方的电路衬底，无法有效地发挥散热效果。

然而，根据上述第1实施方式，安装有发热电路部件的控制电路衬底22以及电源电路衬底42以使导热组件27及41与导热支撑板29介于两者之间而不含空气层的实心状态被层叠，因此可以有效防止热量蓄积的产生。因此，能够有效地将安装于控制电路衬底22以及电源电路衬底42的发热电路部件所产生的热量散热至冷却体3。

此外，在控制电路衬底22的内外两面配置有导热组件27及28，在这些导热组件27及28的与控制电路衬底22相反的一侧配置有导热支撑板29及30，因此安装于控制电路衬底22的发热电路部件所产生的热量分别直接通过导热组件27及28传导至导热支撑板29及30，而无需通过热阻较高的控制电路衬底22，因此能够有效地进行散热。

此外，传导至导热组件27及28的热量将被传导至导热支撑板29及30，进而传导至导热支撑侧板35及37。此时，沿着半导体功率模块11的长边设有导热支撑侧板35及37。

因此，可以扩大导热面积，并且还能够确保较宽的散热路径。此外，导热支撑侧板35及37，其折弯部为圆柱状的弯曲部35c、35d及37c、37d，因此与将折弯部设定为L字形时相比更能缩短到冷却体3的导热距离。因此，能进一步提高散热效率。在这里，热传输量Q可以用下述（1）式表示。

Q＝λ×（A/L）×T…………（1）

其中，λ为导热率［W／m℃］，T为温度差［℃］衬底温度T1－冷却体温度T2，A为导热最小截面积［m²］，L为导热长度［m］。

根据该（1）式可以明确，如果导热长度L被缩短，则热传送量Ｑ会增加，可以发挥良好的冷却效果。

此外，由于导热支撑侧板35及37通过共同的底板39而实现一体化，因此在导热支撑侧板35及37与底板39之间不存在部件之间的接缝，能够控制热阻。

此外，从安装有发热电路部件的控制电路衬底22到冷却体3的散热路径中未包含机壳2，因此对机壳2无需使用高导热率的铝等金属，可以由合成树脂材料构成，因此可实现轻量化。

此外，散热路径不必依赖于机壳2，可以由电力转换装置1单独形成散热路径，因此可以将由半导体功率模块11、驱动电路衬底21以及控制电路衬底22所构成的电力转换装置1应用于各种不同方式的机壳2或冷却体3。

此外，导热支撑板29通过被压缩在控制电路衬底22及电源电路衬底42之间的导热组件27及41而被固定，因而可以提高控制电路衬底22以及电源电路衬底42的刚性。因此，如将电力转换装置1作为驱动车辆的行驶用电机的电机驱动电路应用时那样，在图5所示的上下振动或左右摇晃作用于电力转换装置1时，也可以提高对这些上下振动或左右摇晃的刚性。因此，可以提供一种上下振动或左右摇晃等的影响较小的电力转换装置1。

此外，通过由具有导热性的绝缘体构成导热组件27、28以及41，可以进行控制电路衬底22与导热支撑板29以及30之间的绝缘，因此可以缩短两者之间的距离、使整体小型化。

此外，在上述第1实施方式，也可以通过在控制电路衬底22以及电源电路衬底42中，在靠近导热支撑侧板35以及37的部分配置发热电路部件，由此缩短至冷却体3的散热路径的距离。在这种情况下，由于到发热电路部件的冷却体3的散热路径的距离缩短，因此能够有效地进行散热。

此外，在上述第1实施方式中，关于电源电路衬底42说明了仅在下面侧配置导热组件41的情况。然而，在本发明中并不仅限于上述结构，如图7所示，对于电源电路衬底42，也可以与控制电路衬底22一样，在内外配置导热组件41及61，在导热组件61的与电源电路衬底42相反的一侧配置导热支撑板62。

此时，从导热支撑板62的上方插入固定螺栓63而使其螺纹连接于在导热支撑板29所形成的内螺纹部29c，同时通过在固定螺栓63的周围设置垫片64及65，从而可以使导热组件41及61处于被压缩5～30%左右的状态。

此外，在导热支撑侧板35，形成向其连接板部35c的上方延伸的延伸部35e、以及从该延伸部35e的上端向左侧延伸的连接板部35f，并在延伸部35e与连接板部35f之间的连接部形成弯曲面35g，所述弯曲面35g为与延伸部35e及连接板部35f相接的圆柱面的一部分。通过固定螺栓66将导热支撑板62的连接部62a固定于该连接板部35f。

通过设置为该图7所示的结构，在电源电路衬底42中也与控制电路衬底22一样，在内外通过导热组件41及61能够将发热电路部件所产生的热量传导至导热支撑板29及62，并且能够通过导热支撑侧板35从导热支撑板29及62散热至冷却体3。

接下来，参照图8对本发明的第2实施方式进行说明。

在该第2实施方式中，本发明是使导热组件及导热支撑板介于3个安装衬底之间而以实心状态进行层叠而成的。

即，在第3实施方式中，如图8所示，关于以上所述的驱动电路衬底21及控制电路衬底22，除了以使导热组件71、导热组件28及导热支撑板30介于其之间的实心状态进行层叠之外，具有与前面所述的第1实施方式相同的结构。因此，对于与图2相对应的部分标注同一符号，并省略其具体说明。

根据该第2实施方式，驱动电路衬底21与控制电路衬底22，以使导热组件71、28及导热支撑板30介于其之间的实心状态被层叠。因此，能够通过导热组件71将安装于驱动电路衬底21的发热量较少的电路部件所产生的热量传导至导热支撑板30，并且能够通过导热支撑侧板37从导热支撑板30散热至冷却体3。

因此，对于安装在驱动电路衬底21的电路部件所产生的热量，也能够有效地散热至冷却体。此外，驱动电路衬底21、控制电路衬底22以及电源电路衬底42以实心状态被一体化，而没有使空气层介于其之间，因此可以提高对上下振动以及左右摇晃的刚性。不必对每个驱动电路衬底21、控制电路衬底22以及电源电路衬底42采取刚性措施，便可以使整个电力转换装置1小型化。

接下来，参照图9对本发明的第3实施方式进行说明。

在该第3实施方式中，与前面所述的第1实施方式相同，对于控制电路衬底22以及电源电路衬底42，使导热组件27、28以及导热支撑板29介于两者之间而以实心状态进行层叠。在这种情况下，安装于控制电路衬底22以及电源电路衬底42的发热电路部件，在控制电路衬底22中安装在上面侧，而在电源电路衬底42中安装在下面侧。

此外，导热支撑板29在其两端形成连接部29a及29d，两个连接部29a及29d与以左右对称的形状形成的导热支撑侧板35及37的连接板部35b及37b相连接。

此外，导热组件27及28的压缩，通过在由焊接、铜焊等固定方式固定于导热支撑板29的导热组件27及28的厚度的5～30%左右高度的间隔调整组件即衬底固定部81及82中螺纹连接固定螺栓83及84并拧紧来实现。

此外，控制电路衬底22以及电源电路衬底42通过如下方式被固定：通过从电源电路衬底42的上面侧向形成于连接螺栓24的上面的内螺纹部插入固定螺栓85并使其螺纹连接，从而在使控制电路衬底22抵接于连接螺栓24的上面的状态下被固定。

根据该第3实施方式，仅在控制电路衬底22以及电源电路衬底42之间存在导热组件27及28与导热支撑板29，从而可以将从这些控制电路衬底22的下面到电源电路衬底42的上面的厚度缩小至比前面所述的第1及第2实施方式小。因此，能够使整个电力转换装置1更加小型化。

此外，在导热支撑板29的左右两端部形成有连接部29a及29d，且在这些连接部29a及29d连接有左右对称形状的导热支撑侧板35及37，这些导热支撑侧板35及37的下部通过共同的底板39而被一体化并固定在冷却体3上，因此可进一步增大对上下振动及左右摇晃的刚性。因此，可以提供以一种能够进一步提高对上下振动及左右摇晃的耐振动性的电力转换装置1。

接下来，参照图10对本发明的第4实施方式进行说明。

该第4实施方式是在前面所述的第1实施方式的变形即图7所示的结构中，使控制电路衬底22与电源电路衬底42之间仅通过导热组件层叠为实心状态的发明。

即，在第4实施方式，在图7所示的结构中，省略导热支撑板29、导热支撑侧板35的连接板部35b以及弯曲面35c，仅使导热组件27介于控制电路衬底22与电源电路衬底42之间，以使这些控制电路衬底22以及电源电路衬底42在不存在空气层的实心状态下进行层叠。在这里，在控制电路衬底22中，将发热电路部件安装在下面侧，而在电源电路衬底42中，将发热电路部件安装在上侧为佳。此外，优选地，在控制电路衬底22及电源电路衬底42中嵌入连接内外的铜等导热率较高的金属元件，从而形成内外导热路径。

根据该第4实施方式，对于控制电路衬底22而言，通过配置于其下侧的导热支撑板30而被导热支撑侧板37支撑，从而形成通向冷却体3的导热路径，对于电源电路衬底42而言，通过配置于上侧的导热支撑板62被导热支撑侧板35支撑，从而形成通向冷却体3的导热路径。

因此，根据在控制电路衬底22的下面侧安装发热电路部件，该发热电路部件所产生的热量通过导热支撑板30，并通过导热支撑侧板37而散热至冷却体3。

另一方面，根据在电源电路衬底的上面侧安装发热电路部件，该发热电路部件所产生的热量通过导热支撑板62，并通过导热支撑侧板35散热至冷却体3。

此外，安装于控制电路衬底22的上面侧的电路部件所产生的热量以及安装于电源电路衬底42的下面侧的电路部件所产生的热量通过导热组件27，并通过嵌入于控制电路衬底22以及电源电路衬底42中的金属元件，进而通过相反一侧的导热组件28及61传导至导热支撑板30及62，从而可以通过导热支撑侧板37及35散热至冷却体。在控制电路衬底22的上面侧以及电源电路衬底42的下面侧安装的电路部件所产生的热量较少时，可以省略金属元件的嵌入，通过经过通孔等的导热路径进行散热。

因此，在该第4实施方式中，在控制电路衬底22与电源电路衬底42之间不存在空气层，因此也可以防止如形成有空气层时那样形成热量蓄积。

此外，在上述第1～第4实施方式中，对于使半导体功率模块11的冷却组件13及导热支撑侧板35及37的共同的底板39与冷却体3相接触的情况进行了说明。然而，在本发明中并不仅限于上述结构，如图11所示，也可以采用如下形成于半导体功率模块11中所形成的冷却组件13具有直接与在流动在冷却体3中的冷却水相接触的散热片91的结构。在这种情况下，在冷却体3的中央部形成使散热片91浸泡在冷却水通道的浸泡部92。

此外，在包围浸泡部92的周壁93与冷却组件13之间设有Ｏ型环等密封元件96。

根据该结构，在半导体功率模块11的冷却组件13中形成有散热片91，而该散热片91在浸泡部92被浸泡在冷却水冷却水中，因此可以更有效地冷却半导体功率模块11。

此外，在上述第1～第4实施方式中，对于分别独立构成导热支撑板29及30与导热支撑侧板35及37的情况进行了说明。然而，本发明并不仅限于上述结构，也可以一体构成导热支撑板29及30与导热支撑侧板35及37。在这种情况下，在导热支撑板29及30与导热支撑侧板35及37之间不再形成接缝，因此可以进一步降低热阻且进行更有效的散热。

此外，在上述第1～第4实施方式中，对于插入控制电路衬底22与导热支撑板29及30之间的导热组件27及28具有弹性的情况进行了说明。然而，在本发明中并不仅限于上述结构，也可以应用硅橡胶以外的合成橡胶以及天然橡胶等弹性体。此外，也可以应用绝缘涂层的金属板等不具有弹性的导热组件。

此外，在上述第1～第4实施方式中，对于使导热支撑板30、29及62通过导热支撑侧板37及35而连接到冷却体3而形成与机壳2独立的导热路径的情况进行了说明。然而，本发明并不仅限于上述结构，当由导热率较高的元件形成机壳2时，可以将机壳2作为通向冷却体3的导热路径。

此外，在上述第1～第4实施方式中，对于作为平滑用的电容器应用薄膜电容器4的情况进行了说明，但并不仅限于此，也可以应用圆柱状的电解电容器。

此外，在上述第1～第4实施方式中，对于将本发明的电力转换装置应用于电动汽车的情况进行了说明，但并不仅限于此，在轨道中行使的铁路车辆中也可以应用本发明，并且还可应用于任意的电力驱动车辆。此外，作为电力转换装置并不仅限于电力驱动车辆，在其他工业设备中驱动电动机等的驱动器时，可以应用本发明的电力转换装置。

产业上的可利用性

根据本发明，可以提供一种能够使安装于衬底的发热电路部件的热量有效地散热至冷却体，并且可小型化的电力转换装置。

Claims (9)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具备：

半导体功率模块，一个面与冷却体相接合；

多个安装衬底，安装有包括驱动所述半导体功率模块的发热电路部件的电路部件；

导热路径，将所述多个安装衬底的热量传导至所述冷却体，

所述多个安装衬底中的至少彼此相面对的一对安装衬底以使导热组件介于所述一对安装衬底之间的实心状态被层叠。

2.一种电力转换装置，其特征在于，具备：

半导体功率模块，将电力转换用的半导体开关元件内置于壳体内；

冷却体，配置于该半导体功率模块的一个面；

多个安装衬底，安装有包括驱动被所述半导体功率模块的另一面所支撑的所述半导体开关元件的发热电路部件的电路部件；

所述多个安装衬底中的至少彼此相对的一对安装衬底以使导热组件及导热支撑板介于所述一对安装衬底之间的实心状态被层叠，以使所述发热电路部件所产生的热量经由所述导热组件以及所述导热支撑板，进而通过与包围所述模块以及所述各安装衬底的机壳相独立的多个导热路径散热至所述冷却体。

3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，所述一对安装衬底的一个安装衬底在内外两面配置了导热组件。

4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，所述一对安装衬底在以预定压缩率压缩了所述弹性体的状态下被固定。

5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，在所述一对安装衬底之间设有确定所述弹性体的压缩率的间隔调整组件。

6.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，所述导热组件由具有导热性的绝缘体构成。

7.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，所述导热组件由具有导热性且具有伸缩性的弹性体构成。

8.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，所述多个导热路径由连接所述导热支撑板与所述冷却体的导热支撑侧板构成。

9.根据权利要求8所述的电力转换装置，其特征在于，所述导热支撑板以及导热支撑侧板由导热率较高的金属材料构成。

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