JP2005032912A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】主回路モジュールの充填材表面温度が低減できるようにした電力変換装置を提供すること。
【解決手段】パワー半導体素子６が導体５に実装された高熱伝導プリント配線板１をモールドケース２に納め、充填材２０によりパワー半導体素子６を封止した主回路モジュール５０Ａにおいて、充填材２０の充填に際して、その中に熱伝導プレート１０を埋め込み、パワー半導体素子６が発生した熱を熱伝導プレート１０によりモジュール外に引出して放熱を図ると共に、充填材２０の上に更に別の充填材２１を設け、下側の充填材２０は高熱伝導率の材料で形成し、上側の充填材２１は低熱伝導率の材料で形成したもの。
【選択図】 図１
【解決手段】パワー半導体素子６が導体５に実装された高熱伝導プリント配線板１をモールドケース２に納め、充填材２０によりパワー半導体素子６を封止した主回路モジュール５０Ａにおいて、充填材２０の充填に際して、その中に熱伝導プレート１０を埋め込み、パワー半導体素子６が発生した熱を熱伝導プレート１０によりモジュール外に引出して放熱を図ると共に、充填材２０の上に更に別の充填材２１を設け、下側の充填材２０は高熱伝導率の材料で形成し、上側の充填材２１は低熱伝導率の材料で形成したもの。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体と制御回路素子を回路基板に搭載しモジュール化した電力変換装置に係り、特にインバータ用に好適な電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータなどの電力変換装置では、ＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体素子（電力用半導体素子）を備えた主回路モジュールに、制御回路や電源回路などの周辺回路を搭載したプリント配線板を組合わせ、全体をモジュール化した電力変換装置、いわゆる半導体パワーモジュールが従来から使用されている。
【０００３】
そこで、このような半導体パワーモジュールの一例について、図８の平面図と図９の断面図により説明する。ここで、図９は、図８を一部断面にして、図の下側からみた図である。
【０００４】
これら図８と図９において、まず、主回路モジュール５０は、絶縁金属基板やＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｕｐｐｅｒ）基板などに代表される高熱伝導プリント配線板１の上面（図においての上面）に、ＩＧＢＴなどに代表されるパワー半導体素子６を実装したもので、このときパワー半導体素子６は、高熱伝導プリント配線板１の表面にある絶縁層の上面で配線パターンを形成している導体５に接合されている。
【０００５】
そして、この高熱伝導プリント配線板１には、主端子３を備えた枠状のモールドケース２が接合され、各パワー半導体素子６と主端子３の間にボンディングワイヤ７により電気的な接続を行った後、モールドケース２内に充填材２０を注入して、パワー半導体素子６を封止する。
【０００６】
この後、主回路モジュール５０の下面には放熱フィン３０が取付けられ、これにより、高熱伝導プリント配線板１の下面が放熱フィン３０の上面に密着した状態にされる。
【０００７】
このとき、高熱伝導プリント配線板１の下面と放熱フィン３０の上面の間にシリコングリスなどを介在させることにより、効果的な熱伝導が見込めるようにするのが通例である。
【０００８】
次に、プリント配線板４０は、パワー半導体素子６の駆動制御を行う制御ＩＣ４１ａ、４１ｂなどの制御部品を始めとして、電源回路部品として使用される電解コンデンサ４２ａ、４２ｂや制御電源用のトランス４３などの周辺電子部品及び入出力配線用の端子台４４などの構造部品を搭載したものである。
【０００９】
そして、このプリント配線板４０は、その下面がモールドケース２の上に接触した状態で主回路モジュール５０の上に重ねられ、ビスなどにより主回路モジュール５０に取付けられているものである。
【００１０】
ところで、このような半導体パワーモジュールに使用される電解コンデンサ４２ａ、４２ｂや、駆動制御用ＩＣ４１ａ、４１ｂの類は、一般に高温下では性能が低下し、且つ、劣化が早まってしまう。
【００１１】
このとき、高耐熱部品を採用して、このような温度の問題に対処することも想定されるが、通常は、これらの部品について、それらの周囲温度の上昇が極力抑えられるようにして使用する。
【００１２】
ここで、このような半導体パワーモジュールの場合、温度上昇の元になる発熱量は主回路モジュール５０によるものが支配的で、このため、一般には、放熱フィン３０の冷却能力（放熱能力）を強化したり、パワー半導体素子６のスイッチング周波数を幾分下げた状態で電力変換装置の運転を行い、発生損失自体を低減するなどの対策を施こして対処するのが通例であった。
【００１３】
しかして、これでも不十分な場合、従来技術では、更に制御ＩＣ４１ａ、４１ｂ及び電解コンデンサ４２ａ、４２ｂと主回路モジュール５０の間の配置を工夫して装置内の自然対流効果を高めたり、電動ファンを追加して強制空冷を図るなどの対策を施している。
【００１４】
一方、制御回路や保護回路などの周辺回路を一緒に組込んだものではないが、半導体モジュールが筐体を備え、この筐体内にある封入部の中にヒートパイプを挿設し、封入部を効率よく冷却するようにした半導体モジュールも従来から知られている（（例えば、特許文献１参照。）。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００２−１１８１９５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、制御回路や保護回路などの周辺回路を一緒に組込んだ半導体パワーモジュールの小型化と温度上昇の抑制にトレードオフ関係がある点に配慮がされておらず、性能維持に問題があった。
【００１７】
このような半導体パワーモジュールの場合、一般的には、制御回路からパワー半導体素子までの配線が長くなるにつれ、誤動作が引き起こされ易くなることが知られている。これは、配線が長くなると配線インダクタンスが増加し、且つ、外部ノイズを拾い易くなってしまうからである。
【００１８】
従って、基本的に制御ＩＣなどの制御回路は、主回路モジュールの近傍に配置する必要があり、図８と図９の従来技術における制御ＩＣ４１ａのように、主回路モジュール５０の真上に配置されていることが多い。
【００１９】
一方、制御回路系ではないが、電解コンデンサ４２ａ、４２ｂに関しても同様で、安定した電圧を得るためには、配線インダクタンスを極力小さく抑える必要がある。
【００２０】
このため、電源の入出力源である主回路モジュール５０の主端子３や制御端子４に対する配線距離が或る範囲内に収まるようにする必要があり、結果的に主回路モジュール５０の周辺に配置されてしまうことになる。
【００２１】
このとき主回路モジュール５０を封止している充填材２０の表面は、パワー半導体素子６の発熱によりかなりの温度になってしまうので、プリント配線板４０の上側の周辺雰囲気に或る程度の温度上昇が伴ってしまうのが避けられない。
【００２２】
従って、上記した周辺雰囲気の温度、つまり周囲温度の低減を図るためには、従来技術で説明した各種の対策が必要となるが、このとき、放熱フィン３０の冷却能力強化や部品配置の工夫による対策は、電力変換装置自体の小形化が年々進んでいる現状では、スペース不足で十分な対策が施せない。
【００２３】
一方、高耐熱部品の採用はコストの問題から困難であり、この結果、最終的に電力変換装置としてのスペックダウンや耐用年数の低下などが引き起こされてしまうのが免れず、従って、従来技術では、性能維持に問題が生じてしまうのである。
【００２４】
また、通常、パワー半導体素子は、高電圧で大電流による高周波のスイッチングが行われている場合がほとんどで、この場合、パワー半導体素子はノイズ放射源に等しいといっても過言ではない。
【００２５】
従って、主回路モジュール５０の上面に制御ＩＣ４１ａなどの高周波ノイズの影響を受け易い制御部品が配置されている状況では、装置のノイズ耐量を下げ、誤動作が引き起こされ易い環境を自ら作り出している構造とも言える。
【００２６】
本発明の目的は、主回路モジュールの充填材表面温度が低減できるようにした電力変換装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体素子が搭載された回路基板を枠状のケースに収容して充填材により封止した主回路モジュール部と、前記枠状のケースの上から前記主回路モジュールに重ねて取付けられている周辺回路基板とを備えた電力変換装置において、前記充填材の中で、前記半導体素子の少なくとも一部を覆うようにして、前記充填材の中に埋め込まれた熱伝導プレートが設けられ、前記充填材は、前記熱伝導プレートの前記回路基板に面した側と他方の側で、少なくとも熱伝達特性が異なり、前記回路基板に面した側では、前記他方の側よりも高い熱伝導率を備えるようにして達成される。
【００２８】
このとき、前記他方の側の前記充填材の少なくとも一部が空気層で置き換えられ、前記空気層を保持するための蓋が設けられていることによっても、上記目的が達成される。
【００２９】
また、このとき、前記熱伝導プレートは、少なくとも前記ケースの側壁から外部に引き出されている端部を備え、前記端部で放熱が図られるようにしても、上記目的が達成される。
【００３０】
更に、このとき、前記熱伝導プレートには、少なくとも１個の孔が形成されていても良く、前記熱伝導プレートが導電性材で作られ、前記端部がアース電位にある放熱フィンに接続されていても良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電力変換装置について、図示の実施の形態により詳細に説明すると、まず、図１は、本発明の第１の実施形態における主回路モジュール５０Ａを示したもので、ここで、１０は熱伝導プレートで、その他は図８と図９で説明した従来技術における主回路モジュール５０と同じで、下面には、図２に示すように放熱フィン３０を備え、上面にはプリント配線板４０が取付けられている。
【００３２】
ここで、本発明の目的は、上記したように、最上部にある充填材表面の温度を低減することであり、このためには、パワー半導体素子６と熱伝導プレート１０の間では高熱伝導性の充填材が適しており、他方、熱伝導プレート１０上面に存在する充填材は、反対に低熱伝導性の充填材が適していると言える。
【００３３】
そこで、この図１の実施形態では、充填材２０を２層に分け、下側の充填材２０に対して、上側では充填材２１とした上で、下側の充填材２０は高熱伝導率の材料で、上側の充填材２１は低熱伝導率の材料で、それぞれ形成し、これにより充填材２０の熱伝導率をＴ２０、充填材２１の熱伝導率をＴ２１ としたとき、これらの間にＴ２０＞Ｔ２１ の関係が成り立つようにする。
【００３４】
このとき、これら充填材２０、２１の材料としては、シリコンゲルやエポキシ樹脂などが一般的で、しかもこのとき、アルミナなどの粉末が混入されるのが通例である。
【００３５】
そこで、このときのシリコンゲルやエポキシ樹脂に対するアルミナ粉末の混入比率を変えてやれば熱伝導率が変わり、アルミナ粉末の混入比率を多くするほど熱電導率が高くなる。
【００３６】
従って、例えば充填材２０にはアルミナ粉末の混入比率が多い材料を用い、充填材２１にはアルミナ粉末の混入比率が少ない材料を用いることにより、上記の関係を容易に満足させることができる。
【００３７】
そして、この実施形態における主回路モジュール５０Ａでも、ＩＧＢＴなどに代表されるパワー半導体素子６が導体５に実装された高熱伝導プリント配線板１を備え、これがモールドケース２に接着され、各パワー半導体素子６と主端子３の間などにボンディングワイヤ７による電気的な接続が施された後、充填材２０によりパワー半導体素子６が封止されている点は、従来技術と同じである。
【００３８】
しかして、この図１の実施形態における主回路モジュール５０Ａでは、充填材２０の充填に際して、その中に熱伝導プレート１０が埋め込まれており、この点で、図９で説明した従来技術と大きく異なっている。
【００３９】
このときの充填材２０、２１としては、上記したように、シリコンゲルやエポキシ樹脂などが一般的であるが、各素子間の絶縁と、外部からの異物の混入や吸湿抑制などについての信頼性が満足されれば、他の類似の材料の適用も可能である。
【００４０】
ここで、熱伝導プレート１０は、複数のパワー半導体素子６の上を一部、或いは大部分覆う形で、パワー半導体素子６と充填材２０の表面（つまりモジュールの表面）の間に埋め込まれている。
【００４１】
しかも、この熱伝導プレート１０は、その一方の端部（図では右端）が、図示のように、モールドケース２の側壁を乗り越えてモジュールの外部に直接引き出され、図２に示すように、放熱フィン３０に固定されている。
【００４２】
そこで、このようなモジュール構造における充填材２０の熱の流れについて説明すると、まず、図９に示した従来のモジュール構造の場合、パワー半導体素子６で発生された熱の一部は充填材２０に伝達し、その中を通って表面に達した後、ここから空気中に放散される。
【００４３】
従って、従来技術の場合、充填材２０に伝達した熱の最終的な移動経路は、その表面から空気中への熱伝達であり、このため、放射効果を考慮しても、高熱伝導プリント配線板１を介して放熱フィン３０に伝達する経路に比較して、流出する熱流量が著しく少なくなってしまい、パワー半導体素子と充填材２０表面との温度勾配が小さくなってしまう。
【００４４】
このため、図８と図９の従来技術による主回路モジュール５０の場合、充填材２０の表面温度が上昇してしまい、上記したように、様々な対策を施す必要が生じてしまうのである。
【００４５】
一方、図１の実施形態による主回路モジュール５０Ａの場合、パワー半導体素子６から充填材２０の表面の空気中への熱伝達経路に熱伝導プレート１０が設けてあるので、この区間において熱伝導によるモジュール外部への強制放熱ルートが形成されることになり、この結果、パワー半導体素子６と充填材２０表面間の温度勾配を大きくすることが可能になる。
【００４６】
ここで、この熱伝導プレート１０は、複数のパワー半導体素子６の上を一部、或いは大部分覆う形で充填材２０に埋め込まれ、パワー半導体素子６から充填材２０の中を厚み方向に伝達してきた熱に対して、横方向に熱抵抗が低い経路を与えているので、充填材２０に伝達した熱は、充填材２０の表面に至る途中で熱伝導プレート１０に流れ込むようになる。
【００４７】
しかも、この熱伝導プレート１０は、その一方の端部がモジュールの外部に直接引き出されているので、熱伝導プレート１０に流れ込んだ熱は横方向に流れ、この一方の端部に達する。そこで、この端部での熱放散を図ることにより、充填材２０の表面温度が上昇するのを抑えることができる。
【００４８】
加えて、この主回路モジュール５０Ａの場合、更に充填材２０の上には、この充填材２０よりも熱伝導性が低い充填材２１が設けてあり、従って、熱伝導プレート１０の下側では、パワー半導体素子６で発生した熱が、熱伝導率の高い充填材２０を通って効率よく熱伝導プレート１０に伝達され、他方、熱伝導プレート１０の上側では、熱伝導プレート１０の熱が充填材２１の表面に達するのが、この充填材２１が有する低い熱伝導率により抑えられることになり、更に充填材の表面温度の低減を得ることができる。
【００４９】
従って、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ａによれば、モジュールの表面温度が低減できるので、従来技術のように、充填材２０の表面温度上昇の影響を回避するための種々の対策を施す必要がなく、この結果、小型で高性能を維持した電力変換装置を得ることができる。
【００５０】
ここで、熱伝導プレート１０の放熱方法について説明すると、この実施形態では、図２に示すように、熱伝導プレート１０の端部がネジ３１により放熱フィン３０に接合されている。このとき、上記した主回路モジュールと放熱フィンの場合と同様、両者間にシリコングリスなどを介在させてやれば密着度が上り、より効果的な熱伝導が見込める。
【００５１】
この図２の実施形態によれば、熱伝導プレート１０の基材として金属などの導電性基材を選択し、放熱フィン３０をアース電位（共通電位）に保った場合、制御ＩＣ４１ａが搭載されているプリント配線板４０とパワー半導体素子６の間で、パワー半導体素子６の上面がアース電極で覆われた形となる。
【００５２】
従って、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ａによれば、パワー半導体素子６のスイッチング動作により発生する放射ノイズが熱伝導プレート１０による遮蔽され、プリント配線板４０側に伝播されるのが抑えられることになり、この結果、制御ＩＣ４１ａの誤動作を抑え、安定した制御のもとで所望の性能を発揮させることができる。
【００５３】
ここで、この図２の実施形態では、両者の連結場所を主回路モジュール５０Ａの取付け面と同一面上にしているが、充填材２０の内部よりも温度が低い場所であれば、冷却フィン３０の側面など他の場所でも良く、何らかの方法で両者が密着連結できれば、連結手段を問うものではない。
【００５４】
一方、熱伝導プレート１０を放熱フィン３０に連結させる代りに、モジュールから露出している熱伝導プレート１０の端部にファンから風を送るなどの強制空冷作用を施すようにしても同様の効果を得ることができる。この場合、その端部に、放熱フィン３０と同様に凹凸を設けて放熱面積を拡大させると、より効果的である。
【００５５】
ここで、この熱伝導プレート１０の材質としては、熱伝導率が高いほど効率的で望ましい。従って、銅やアルミなどの金属材が理想的であるが、所望の熱伝導率が得られるなら、特に金属材に限定されるものではない。
【００５６】
また、この図１の実施形態では、熱伝導プレート１０の端部をモールドケース２の側壁に沿って折り曲げて外部に取り出しているが、これに代えてモールドケース２の側壁を貫通させるなどの形態も可能で、特に限定されない。
【００５７】
ところで、この熱伝導プレート１０は、パワー半導体素子６から絶縁する必要があるため、ボンディングワイヤ７や主端子３などの導電体から適度な距離を保つ必要がある。
【００５８】
しかし、一般的な充填材であるシリコンゲルやエポキシ樹脂でも１５〜２０ＫＶ／ｍｍ程度の絶縁性を有しているので、１ｍｍ程度の絶縁距離を保てば十分であり、主回路モジュール５０Ａ全体が厚くなってしまうおそれはない。
【００５９】
次に、熱伝導プレート１０の厚みについて説明すると、これは厚い方が放熱フィン６までの熱抵抗が小さくなるので有利であるが、反面、寸法、重量、コストの面では不利になる。
【００６０】
そこで、これらのことを勘案し、効率の良い厚さとすべきであるが、ここで、例えば銅を基材とした熱伝導プレート１０の場合の熱解析シミュレーションを行った結果を図３に示す。
【００６１】
このとき、良く知られているように、銅は熱伝導率が高く、従って、図３から明らかなように、僅か１ｍｍの厚さでも温度上昇がかなり抑制されるが、一方、３ｍｍ以上では、その効果も僅かなものとなる。そこで、強度的な問題も考慮すると、１ｍｍ前後の厚さが最適であると予想され、従って、これが、この実施形態での所望の厚さとなる。
【００６２】
ところで、この図１の主回路モジュール５０Ａの場合、問題になるのは、それを組立てる際、充填材２０の内部に気泡などのボイドが生じることである。充填材２０内のボイドは周辺導体間の絶縁性を低下させると共に、応力集中、吸湿性劣化など信頼性低下を引き起こす要因となるからである。
【００６３】
従って、特にパワー半導体素子６の周辺にボイドが発生しないように注意を払った組み立てが必要で、このときの難易度は、充填材２０の充填量やモジュール構造によって異なり、予め充填材を十分に脱泡してから充填作業を行うことで対応可能な場合もあるが、これだけでは足りず、更に減圧処理などを組み合せる必要な場合もある。
【００６４】
また、このときの充填領域の形状は単純な箱型である方が望ましく、従って、熱伝導プレート１０は充填時の障害物的存在となるので、より一層の注意が必要である。そこで、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ａの充填材の充填プロセスについて、図４により説明する。
【００６５】
まず、図４（ａ）に示すように、パワー半導体素子６とボンディングワイヤ７が全て覆われるまでモールドケース２内に充填材２０を注ぎこむ。次に同図（ｂ）示すように、熱伝導プレート１０をモールドケース２内に挿入して載置する。そして、この後、同図（ｃ）に示すように、更に所定の厚さまで充填材２０を充填するのである。
【００６６】
ここで、この図４（ｃ）には図示されていないが、この後、充填材２０の上に低熱伝導性の充填材料が流し込まれ、充填材２１が形成されることになる。
【００６７】
このように、熱伝導プレート１０を組み込む前後で、２段階に分けて充填材２０を充填することにより、熱伝導プレート１０の影響でパワー半導体素子６周辺にボイドが発生するのを防ぐことができる。
【００６８】
ところで、以上の図４では、パワー半導体素子６の周辺にボイドができないようにした充填材の封止方法について説明したが、このとき熱伝導プレート１０の面積にもよるが、図４（ｃ）において、２度目の充填材２０を充填する際、熱伝導プレート１０の下部にボイドが発生する可能性がある。
【００６９】
ここでパワー半導体素子６と熱伝導プレート１０の間にボイドが発生すると、両者間の熱伝導が阻害され、充填材２０の表面温度の低減効果が小さくなってしまうため、この場所でもボイドが発生しないようにすることが重要である。
【００７０】
そこで、まず、図５（ａ）は、複数の円形の孔１１ａを設けた場合の熱伝導プレート１０の実施形態で、これによれば、図４（ｃ）において、熱伝導プレート１０の上部に充填材２０を流し込んだ際、これらの円形の孔１１ａが熱伝導プレート１０の下部に溜まった空気の抜け道となるので、ボイドが発生しないようにすることができる。
【００７１】
次に、図５（ｂ）は、複数の円形の孔１１ａと矩形の孔１１ｂを組み合わせた場合の熱伝導プレート１０の実施形態で、ボイドの発生を抑えるのには、この実施形態の方が期待できる場合もある。なお、このとき、円形の孔１１ａと矩形の孔１１ｂを組み合わせるのではなく、矩形の孔１１ｂだけを複数個、設けるようにしてもよい。
【００７２】
ここで、このときの円形の孔１１ａと矩形の孔１１ｂの大きさや個数、形状、それに総面積は、最終的な充填材２０表面の温度低減に影響を及ぼすため、実際の効果と比較した上で決定する必要があるのは言うまでもない。
【００７３】
このため、図４（ｃ）において、２度目に充填材２０を充填する際、熱伝導プレート１０の上部が丁度覆い隠される程度の量に留めておき、その後、更に３度目として、今度は充填材２１を所定の高さまで充填するのである。
【００７４】
次に、図６は、低熱伝導率の充填材として、空気を適用した場合の本発明の一実施形態に係る主回路モジュール５０Ｂを示したもので、このため、図４（ｃ）において、２度目に充填材２０を充填する際、熱伝導プレート１０の上部が丁度覆い隠される程度の量に留めておき、その上に空気層２２が形成されるようにして低熱伝導性の材料で作られた蓋２３をモジュール最上面に被せたものである。
【００７５】
良く知られているように、空気（気体）の熱伝達率は、固体の熱伝導率に比較してかなり低く、しかも、この図６の実施形態では、モジュール最上面には蓋２３が設けてある。
【００７６】
従って、この図６の実施形態に係る主回路モジュール５０Ｂによれば、熱伝導プレート１０から蓋２３に伝達される熱量は極めて少なくでき、この結果、蓋２３の表面温度を更に低くすることができる。
【００７７】
次に、本発明の更に別の実施形態について、図７により説明する。ここで、この図７において、同図（ａ）は、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ｃの平面図で、同図（ｂ）は同じく主回路モジュール５０Ｃの断面図である。
【００７８】
ここで、図１で説明した主回路モジュール５０Ａでは、図２に示されているように、主端子３がモールドケース２の４面ある側壁の中の２面に引き出されていて、端子の無い壁面が１面しかない。
【００７９】
一方、この図７に示した主回路モジュール５０Ｃは、同図（ａ）に示されているように、）主端子３が引き出されている面数が１面で、端子が引き出されていない壁面が２面、存在している場合の一実施形態である。
【００８０】
ここで、電流容量が小さな主回路モジュールの場合、主端子の幅が狭くても充分であり、このため、図７に示す主回路モジュール５０Ｃの構成が可能になり、従って、この実施形態は、比較的小容量の電力変換装置に適用して有効なものであるが、これに限定されるものでもなく、主端子の厚さを増すなどの対応により大容量のものにも適用が可能である。
【００８１】
ここで、この主回路モジュール５０Ｃは、図１の実施形態で説明した主回路モジュール５０Ａにおける熱伝導プレート１０を２枚の熱伝導プレート１０ａ、１０ｂに分割し、モールドケース２の端子が引き出されていない２面の側壁から夫々モジュールの外部に引き出されている点を特徴としている。
【００８２】
従って、この実施形態の場合、モジュールの用途など使用条件により、モジュールに内蔵すべき熱伝導プレートの枚数が変更でき、熱伝導プレート１０ａ、１０ｂの一方を省略することができる。
【００８３】
例えば、一方の熱伝導プレート１０ａを、ＩＧＢＴなどインバータ部を構成しているパワー半導体素子６の上に配置し、他方の熱伝導プレート１０ｂを整流ダイオードなど電源整流部を構成しているパワー半導体素子６の上に配置しておくようにするのである。
【００８４】
そして、三相交流受電に適用したときは、電源整流部を構成しているパワー半導体素子６の発熱量が少ないので、熱伝導プレート１０ａだけを設け、熱伝導プレート１０ｂは省略して構成することができる。
【００８５】
また、単相交流受電の場合は、熱伝導プレート１０ｂ側のパワー半導体素子６の発熱量も多くなるため、熱伝導プレート１０ａ、１０ｂの双方を設けておくなど、状況に応じて使い分けができる。
【００８６】
しかも、この実施形態では、熱伝導プレート１０ａ、１０ｂの双方が左右対称になっているので、同一形状にすることができ、この結果、熱伝導プレートとしては１品種となり、コスト面で優位に立つことができる。
【００８７】
ここで、この図７は、熱伝導プレートを２枚にした場合の実施形態であるが、更に細かく分割し、細分化した搭載方法をとることも可能である。
【００８８】
従って、上記した実施形態によれば、充填材の中に埋め込まれた熱伝導プレートを介して、充填材の中からモジュール外部に熱伝導が起るので、主回路モジュール充填材の表面温度が低減され、この結果、同モジュールの周囲温度が低減されるため、電力変換装置としてのスペック向上と耐用年数の延長が得られる。
【００８９】
また、上記した実施形態によれば、接地電位にある放熱フィンに接続された熱伝導プレートがパワー半導体素子の上を覆うようにできるので、パワー半導体素子のスイッチング動作により発生する放射ノイズがプリント配線板上の制御ＩＣなどに伝播されるのが遮蔽され、電力変換装置の誤動作を低減することができ、動作に信頼性が増す。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、主回路モジュールの充填材表面温度が低減できるので、小型で初期の性能を維持した電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明における主回路モジュールの熱解析結果の一例を示す特性図である。
【図４】本発明における主回路モジュールの製造工程を示す説明図である。
【図５】本発明における熱伝導プレートの一例を示す斜視図である。
【図６】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第３の実施形態を示す断面図である。
【図８】従来技術による電力変換装置の一例を示す平面図である。
【図９】従来技術による電力変換装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 高熱伝導プリント配線板
２ 枠状のモールドケース
３ 主端子
４ 制御端子
５ 導体
６ パワー半導体素子
７ ボンディングワイヤ
１０ 熱伝導プレート
１０ａ 熱伝導プレート（インバータ部用）
１０ｂ 熱伝導プレート（電源整流部用）
１１ａ 円形の孔
１１ｂ 矩形の孔
２０ 充填材（高熱伝導率）
２１ 充填材（低熱伝導率）
２２ 空気層
２３ 蓋
３０ 放熱フィン
３１ ネジ
４０ プリント配線板
４１ａ、４１ｂ 制御ＩＣ
４２ａ、４２ｂ 電解コンデンサ
４３ 制御電源用トランス
４４ 端子台
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 主回路モジュール
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー半導体と制御回路素子を回路基板に搭載しモジュール化した電力変換装置に係り、特にインバータ用に好適な電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータなどの電力変換装置では、ＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体素子（電力用半導体素子）を備えた主回路モジュールに、制御回路や電源回路などの周辺回路を搭載したプリント配線板を組合わせ、全体をモジュール化した電力変換装置、いわゆる半導体パワーモジュールが従来から使用されている。
【０００３】
そこで、このような半導体パワーモジュールの一例について、図８の平面図と図９の断面図により説明する。ここで、図９は、図８を一部断面にして、図の下側からみた図である。
【０００４】
これら図８と図９において、まず、主回路モジュール５０は、絶縁金属基板やＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｕｐｐｅｒ）基板などに代表される高熱伝導プリント配線板１の上面（図においての上面）に、ＩＧＢＴなどに代表されるパワー半導体素子６を実装したもので、このときパワー半導体素子６は、高熱伝導プリント配線板１の表面にある絶縁層の上面で配線パターンを形成している導体５に接合されている。
【０００５】
そして、この高熱伝導プリント配線板１には、主端子３を備えた枠状のモールドケース２が接合され、各パワー半導体素子６と主端子３の間にボンディングワイヤ７により電気的な接続を行った後、モールドケース２内に充填材２０を注入して、パワー半導体素子６を封止する。
【０００６】
この後、主回路モジュール５０の下面には放熱フィン３０が取付けられ、これにより、高熱伝導プリント配線板１の下面が放熱フィン３０の上面に密着した状態にされる。
【０００７】
このとき、高熱伝導プリント配線板１の下面と放熱フィン３０の上面の間にシリコングリスなどを介在させることにより、効果的な熱伝導が見込めるようにするのが通例である。
【０００８】
次に、プリント配線板４０は、パワー半導体素子６の駆動制御を行う制御ＩＣ４１ａ、４１ｂなどの制御部品を始めとして、電源回路部品として使用される電解コンデンサ４２ａ、４２ｂや制御電源用のトランス４３などの周辺電子部品及び入出力配線用の端子台４４などの構造部品を搭載したものである。
【０００９】
そして、このプリント配線板４０は、その下面がモールドケース２の上に接触した状態で主回路モジュール５０の上に重ねられ、ビスなどにより主回路モジュール５０に取付けられているものである。
【００１０】
ところで、このような半導体パワーモジュールに使用される電解コンデンサ４２ａ、４２ｂや、駆動制御用ＩＣ４１ａ、４１ｂの類は、一般に高温下では性能が低下し、且つ、劣化が早まってしまう。
【００１１】
このとき、高耐熱部品を採用して、このような温度の問題に対処することも想定されるが、通常は、これらの部品について、それらの周囲温度の上昇が極力抑えられるようにして使用する。
【００１２】
ここで、このような半導体パワーモジュールの場合、温度上昇の元になる発熱量は主回路モジュール５０によるものが支配的で、このため、一般には、放熱フィン３０の冷却能力（放熱能力）を強化したり、パワー半導体素子６のスイッチング周波数を幾分下げた状態で電力変換装置の運転を行い、発生損失自体を低減するなどの対策を施こして対処するのが通例であった。
【００１３】
しかして、これでも不十分な場合、従来技術では、更に制御ＩＣ４１ａ、４１ｂ及び電解コンデンサ４２ａ、４２ｂと主回路モジュール５０の間の配置を工夫して装置内の自然対流効果を高めたり、電動ファンを追加して強制空冷を図るなどの対策を施している。
【００１４】
一方、制御回路や保護回路などの周辺回路を一緒に組込んだものではないが、半導体モジュールが筐体を備え、この筐体内にある封入部の中にヒートパイプを挿設し、封入部を効率よく冷却するようにした半導体モジュールも従来から知られている（（例えば、特許文献１参照。）。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００２−１１８１９５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、制御回路や保護回路などの周辺回路を一緒に組込んだ半導体パワーモジュールの小型化と温度上昇の抑制にトレードオフ関係がある点に配慮がされておらず、性能維持に問題があった。
【００１７】
このような半導体パワーモジュールの場合、一般的には、制御回路からパワー半導体素子までの配線が長くなるにつれ、誤動作が引き起こされ易くなることが知られている。これは、配線が長くなると配線インダクタンスが増加し、且つ、外部ノイズを拾い易くなってしまうからである。
【００１８】
従って、基本的に制御ＩＣなどの制御回路は、主回路モジュールの近傍に配置する必要があり、図８と図９の従来技術における制御ＩＣ４１ａのように、主回路モジュール５０の真上に配置されていることが多い。
【００１９】
一方、制御回路系ではないが、電解コンデンサ４２ａ、４２ｂに関しても同様で、安定した電圧を得るためには、配線インダクタンスを極力小さく抑える必要がある。
【００２０】
このため、電源の入出力源である主回路モジュール５０の主端子３や制御端子４に対する配線距離が或る範囲内に収まるようにする必要があり、結果的に主回路モジュール５０の周辺に配置されてしまうことになる。
【００２１】
このとき主回路モジュール５０を封止している充填材２０の表面は、パワー半導体素子６の発熱によりかなりの温度になってしまうので、プリント配線板４０の上側の周辺雰囲気に或る程度の温度上昇が伴ってしまうのが避けられない。
【００２２】
従って、上記した周辺雰囲気の温度、つまり周囲温度の低減を図るためには、従来技術で説明した各種の対策が必要となるが、このとき、放熱フィン３０の冷却能力強化や部品配置の工夫による対策は、電力変換装置自体の小形化が年々進んでいる現状では、スペース不足で十分な対策が施せない。
【００２３】
一方、高耐熱部品の採用はコストの問題から困難であり、この結果、最終的に電力変換装置としてのスペックダウンや耐用年数の低下などが引き起こされてしまうのが免れず、従って、従来技術では、性能維持に問題が生じてしまうのである。
【００２４】
また、通常、パワー半導体素子は、高電圧で大電流による高周波のスイッチングが行われている場合がほとんどで、この場合、パワー半導体素子はノイズ放射源に等しいといっても過言ではない。
【００２５】
従って、主回路モジュール５０の上面に制御ＩＣ４１ａなどの高周波ノイズの影響を受け易い制御部品が配置されている状況では、装置のノイズ耐量を下げ、誤動作が引き起こされ易い環境を自ら作り出している構造とも言える。
【００２６】
本発明の目的は、主回路モジュールの充填材表面温度が低減できるようにした電力変換装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体素子が搭載された回路基板を枠状のケースに収容して充填材により封止した主回路モジュール部と、前記枠状のケースの上から前記主回路モジュールに重ねて取付けられている周辺回路基板とを備えた電力変換装置において、前記充填材の中で、前記半導体素子の少なくとも一部を覆うようにして、前記充填材の中に埋め込まれた熱伝導プレートが設けられ、前記充填材は、前記熱伝導プレートの前記回路基板に面した側と他方の側で、少なくとも熱伝達特性が異なり、前記回路基板に面した側では、前記他方の側よりも高い熱伝導率を備えるようにして達成される。
【００２８】
このとき、前記他方の側の前記充填材の少なくとも一部が空気層で置き換えられ、前記空気層を保持するための蓋が設けられていることによっても、上記目的が達成される。
【００２９】
また、このとき、前記熱伝導プレートは、少なくとも前記ケースの側壁から外部に引き出されている端部を備え、前記端部で放熱が図られるようにしても、上記目的が達成される。
【００３０】
更に、このとき、前記熱伝導プレートには、少なくとも１個の孔が形成されていても良く、前記熱伝導プレートが導電性材で作られ、前記端部がアース電位にある放熱フィンに接続されていても良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電力変換装置について、図示の実施の形態により詳細に説明すると、まず、図１は、本発明の第１の実施形態における主回路モジュール５０Ａを示したもので、ここで、１０は熱伝導プレートで、その他は図８と図９で説明した従来技術における主回路モジュール５０と同じで、下面には、図２に示すように放熱フィン３０を備え、上面にはプリント配線板４０が取付けられている。
【００３２】
ここで、本発明の目的は、上記したように、最上部にある充填材表面の温度を低減することであり、このためには、パワー半導体素子６と熱伝導プレート１０の間では高熱伝導性の充填材が適しており、他方、熱伝導プレート１０上面に存在する充填材は、反対に低熱伝導性の充填材が適していると言える。
【００３３】
そこで、この図１の実施形態では、充填材２０を２層に分け、下側の充填材２０に対して、上側では充填材２１とした上で、下側の充填材２０は高熱伝導率の材料で、上側の充填材２１は低熱伝導率の材料で、それぞれ形成し、これにより充填材２０の熱伝導率をＴ２０、充填材２１の熱伝導率をＴ２１ としたとき、これらの間にＴ２０＞Ｔ２１ の関係が成り立つようにする。
【００３４】
このとき、これら充填材２０、２１の材料としては、シリコンゲルやエポキシ樹脂などが一般的で、しかもこのとき、アルミナなどの粉末が混入されるのが通例である。
【００３５】
そこで、このときのシリコンゲルやエポキシ樹脂に対するアルミナ粉末の混入比率を変えてやれば熱伝導率が変わり、アルミナ粉末の混入比率を多くするほど熱電導率が高くなる。
【００３６】
従って、例えば充填材２０にはアルミナ粉末の混入比率が多い材料を用い、充填材２１にはアルミナ粉末の混入比率が少ない材料を用いることにより、上記の関係を容易に満足させることができる。
【００３７】
そして、この実施形態における主回路モジュール５０Ａでも、ＩＧＢＴなどに代表されるパワー半導体素子６が導体５に実装された高熱伝導プリント配線板１を備え、これがモールドケース２に接着され、各パワー半導体素子６と主端子３の間などにボンディングワイヤ７による電気的な接続が施された後、充填材２０によりパワー半導体素子６が封止されている点は、従来技術と同じである。
【００３８】
しかして、この図１の実施形態における主回路モジュール５０Ａでは、充填材２０の充填に際して、その中に熱伝導プレート１０が埋め込まれており、この点で、図９で説明した従来技術と大きく異なっている。
【００３９】
このときの充填材２０、２１としては、上記したように、シリコンゲルやエポキシ樹脂などが一般的であるが、各素子間の絶縁と、外部からの異物の混入や吸湿抑制などについての信頼性が満足されれば、他の類似の材料の適用も可能である。
【００４０】
ここで、熱伝導プレート１０は、複数のパワー半導体素子６の上を一部、或いは大部分覆う形で、パワー半導体素子６と充填材２０の表面（つまりモジュールの表面）の間に埋め込まれている。
【００４１】
しかも、この熱伝導プレート１０は、その一方の端部（図では右端）が、図示のように、モールドケース２の側壁を乗り越えてモジュールの外部に直接引き出され、図２に示すように、放熱フィン３０に固定されている。
【００４２】
そこで、このようなモジュール構造における充填材２０の熱の流れについて説明すると、まず、図９に示した従来のモジュール構造の場合、パワー半導体素子６で発生された熱の一部は充填材２０に伝達し、その中を通って表面に達した後、ここから空気中に放散される。
【００４３】
従って、従来技術の場合、充填材２０に伝達した熱の最終的な移動経路は、その表面から空気中への熱伝達であり、このため、放射効果を考慮しても、高熱伝導プリント配線板１を介して放熱フィン３０に伝達する経路に比較して、流出する熱流量が著しく少なくなってしまい、パワー半導体素子と充填材２０表面との温度勾配が小さくなってしまう。
【００４４】
このため、図８と図９の従来技術による主回路モジュール５０の場合、充填材２０の表面温度が上昇してしまい、上記したように、様々な対策を施す必要が生じてしまうのである。
【００４５】
一方、図１の実施形態による主回路モジュール５０Ａの場合、パワー半導体素子６から充填材２０の表面の空気中への熱伝達経路に熱伝導プレート１０が設けてあるので、この区間において熱伝導によるモジュール外部への強制放熱ルートが形成されることになり、この結果、パワー半導体素子６と充填材２０表面間の温度勾配を大きくすることが可能になる。
【００４６】
ここで、この熱伝導プレート１０は、複数のパワー半導体素子６の上を一部、或いは大部分覆う形で充填材２０に埋め込まれ、パワー半導体素子６から充填材２０の中を厚み方向に伝達してきた熱に対して、横方向に熱抵抗が低い経路を与えているので、充填材２０に伝達した熱は、充填材２０の表面に至る途中で熱伝導プレート１０に流れ込むようになる。
【００４７】
しかも、この熱伝導プレート１０は、その一方の端部がモジュールの外部に直接引き出されているので、熱伝導プレート１０に流れ込んだ熱は横方向に流れ、この一方の端部に達する。そこで、この端部での熱放散を図ることにより、充填材２０の表面温度が上昇するのを抑えることができる。
【００４８】
加えて、この主回路モジュール５０Ａの場合、更に充填材２０の上には、この充填材２０よりも熱伝導性が低い充填材２１が設けてあり、従って、熱伝導プレート１０の下側では、パワー半導体素子６で発生した熱が、熱伝導率の高い充填材２０を通って効率よく熱伝導プレート１０に伝達され、他方、熱伝導プレート１０の上側では、熱伝導プレート１０の熱が充填材２１の表面に達するのが、この充填材２１が有する低い熱伝導率により抑えられることになり、更に充填材の表面温度の低減を得ることができる。
【００４９】
従って、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ａによれば、モジュールの表面温度が低減できるので、従来技術のように、充填材２０の表面温度上昇の影響を回避するための種々の対策を施す必要がなく、この結果、小型で高性能を維持した電力変換装置を得ることができる。
【００５０】
ここで、熱伝導プレート１０の放熱方法について説明すると、この実施形態では、図２に示すように、熱伝導プレート１０の端部がネジ３１により放熱フィン３０に接合されている。このとき、上記した主回路モジュールと放熱フィンの場合と同様、両者間にシリコングリスなどを介在させてやれば密着度が上り、より効果的な熱伝導が見込める。
【００５１】
この図２の実施形態によれば、熱伝導プレート１０の基材として金属などの導電性基材を選択し、放熱フィン３０をアース電位（共通電位）に保った場合、制御ＩＣ４１ａが搭載されているプリント配線板４０とパワー半導体素子６の間で、パワー半導体素子６の上面がアース電極で覆われた形となる。
【００５２】
従って、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ａによれば、パワー半導体素子６のスイッチング動作により発生する放射ノイズが熱伝導プレート１０による遮蔽され、プリント配線板４０側に伝播されるのが抑えられることになり、この結果、制御ＩＣ４１ａの誤動作を抑え、安定した制御のもとで所望の性能を発揮させることができる。
【００５３】
ここで、この図２の実施形態では、両者の連結場所を主回路モジュール５０Ａの取付け面と同一面上にしているが、充填材２０の内部よりも温度が低い場所であれば、冷却フィン３０の側面など他の場所でも良く、何らかの方法で両者が密着連結できれば、連結手段を問うものではない。
【００５４】
一方、熱伝導プレート１０を放熱フィン３０に連結させる代りに、モジュールから露出している熱伝導プレート１０の端部にファンから風を送るなどの強制空冷作用を施すようにしても同様の効果を得ることができる。この場合、その端部に、放熱フィン３０と同様に凹凸を設けて放熱面積を拡大させると、より効果的である。
【００５５】
ここで、この熱伝導プレート１０の材質としては、熱伝導率が高いほど効率的で望ましい。従って、銅やアルミなどの金属材が理想的であるが、所望の熱伝導率が得られるなら、特に金属材に限定されるものではない。
【００５６】
また、この図１の実施形態では、熱伝導プレート１０の端部をモールドケース２の側壁に沿って折り曲げて外部に取り出しているが、これに代えてモールドケース２の側壁を貫通させるなどの形態も可能で、特に限定されない。
【００５７】
ところで、この熱伝導プレート１０は、パワー半導体素子６から絶縁する必要があるため、ボンディングワイヤ７や主端子３などの導電体から適度な距離を保つ必要がある。
【００５８】
しかし、一般的な充填材であるシリコンゲルやエポキシ樹脂でも１５〜２０ＫＶ／ｍｍ程度の絶縁性を有しているので、１ｍｍ程度の絶縁距離を保てば十分であり、主回路モジュール５０Ａ全体が厚くなってしまうおそれはない。
【００５９】
次に、熱伝導プレート１０の厚みについて説明すると、これは厚い方が放熱フィン６までの熱抵抗が小さくなるので有利であるが、反面、寸法、重量、コストの面では不利になる。
【００６０】
そこで、これらのことを勘案し、効率の良い厚さとすべきであるが、ここで、例えば銅を基材とした熱伝導プレート１０の場合の熱解析シミュレーションを行った結果を図３に示す。
【００６１】
このとき、良く知られているように、銅は熱伝導率が高く、従って、図３から明らかなように、僅か１ｍｍの厚さでも温度上昇がかなり抑制されるが、一方、３ｍｍ以上では、その効果も僅かなものとなる。そこで、強度的な問題も考慮すると、１ｍｍ前後の厚さが最適であると予想され、従って、これが、この実施形態での所望の厚さとなる。
【００６２】
ところで、この図１の主回路モジュール５０Ａの場合、問題になるのは、それを組立てる際、充填材２０の内部に気泡などのボイドが生じることである。充填材２０内のボイドは周辺導体間の絶縁性を低下させると共に、応力集中、吸湿性劣化など信頼性低下を引き起こす要因となるからである。
【００６３】
従って、特にパワー半導体素子６の周辺にボイドが発生しないように注意を払った組み立てが必要で、このときの難易度は、充填材２０の充填量やモジュール構造によって異なり、予め充填材を十分に脱泡してから充填作業を行うことで対応可能な場合もあるが、これだけでは足りず、更に減圧処理などを組み合せる必要な場合もある。
【００６４】
また、このときの充填領域の形状は単純な箱型である方が望ましく、従って、熱伝導プレート１０は充填時の障害物的存在となるので、より一層の注意が必要である。そこで、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ａの充填材の充填プロセスについて、図４により説明する。
【００６５】
まず、図４（ａ）に示すように、パワー半導体素子６とボンディングワイヤ７が全て覆われるまでモールドケース２内に充填材２０を注ぎこむ。次に同図（ｂ）示すように、熱伝導プレート１０をモールドケース２内に挿入して載置する。そして、この後、同図（ｃ）に示すように、更に所定の厚さまで充填材２０を充填するのである。
【００６６】
ここで、この図４（ｃ）には図示されていないが、この後、充填材２０の上に低熱伝導性の充填材料が流し込まれ、充填材２１が形成されることになる。
【００６７】
このように、熱伝導プレート１０を組み込む前後で、２段階に分けて充填材２０を充填することにより、熱伝導プレート１０の影響でパワー半導体素子６周辺にボイドが発生するのを防ぐことができる。
【００６８】
ところで、以上の図４では、パワー半導体素子６の周辺にボイドができないようにした充填材の封止方法について説明したが、このとき熱伝導プレート１０の面積にもよるが、図４（ｃ）において、２度目の充填材２０を充填する際、熱伝導プレート１０の下部にボイドが発生する可能性がある。
【００６９】
ここでパワー半導体素子６と熱伝導プレート１０の間にボイドが発生すると、両者間の熱伝導が阻害され、充填材２０の表面温度の低減効果が小さくなってしまうため、この場所でもボイドが発生しないようにすることが重要である。
【００７０】
そこで、まず、図５（ａ）は、複数の円形の孔１１ａを設けた場合の熱伝導プレート１０の実施形態で、これによれば、図４（ｃ）において、熱伝導プレート１０の上部に充填材２０を流し込んだ際、これらの円形の孔１１ａが熱伝導プレート１０の下部に溜まった空気の抜け道となるので、ボイドが発生しないようにすることができる。
【００７１】
次に、図５（ｂ）は、複数の円形の孔１１ａと矩形の孔１１ｂを組み合わせた場合の熱伝導プレート１０の実施形態で、ボイドの発生を抑えるのには、この実施形態の方が期待できる場合もある。なお、このとき、円形の孔１１ａと矩形の孔１１ｂを組み合わせるのではなく、矩形の孔１１ｂだけを複数個、設けるようにしてもよい。
【００７２】
ここで、このときの円形の孔１１ａと矩形の孔１１ｂの大きさや個数、形状、それに総面積は、最終的な充填材２０表面の温度低減に影響を及ぼすため、実際の効果と比較した上で決定する必要があるのは言うまでもない。
【００７３】
このため、図４（ｃ）において、２度目に充填材２０を充填する際、熱伝導プレート１０の上部が丁度覆い隠される程度の量に留めておき、その後、更に３度目として、今度は充填材２１を所定の高さまで充填するのである。
【００７４】
次に、図６は、低熱伝導率の充填材として、空気を適用した場合の本発明の一実施形態に係る主回路モジュール５０Ｂを示したもので、このため、図４（ｃ）において、２度目に充填材２０を充填する際、熱伝導プレート１０の上部が丁度覆い隠される程度の量に留めておき、その上に空気層２２が形成されるようにして低熱伝導性の材料で作られた蓋２３をモジュール最上面に被せたものである。
【００７５】
良く知られているように、空気（気体）の熱伝達率は、固体の熱伝導率に比較してかなり低く、しかも、この図６の実施形態では、モジュール最上面には蓋２３が設けてある。
【００７６】
従って、この図６の実施形態に係る主回路モジュール５０Ｂによれば、熱伝導プレート１０から蓋２３に伝達される熱量は極めて少なくでき、この結果、蓋２３の表面温度を更に低くすることができる。
【００７７】
次に、本発明の更に別の実施形態について、図７により説明する。ここで、この図７において、同図（ａ）は、この実施形態に係る主回路モジュール５０Ｃの平面図で、同図（ｂ）は同じく主回路モジュール５０Ｃの断面図である。
【００７８】
ここで、図１で説明した主回路モジュール５０Ａでは、図２に示されているように、主端子３がモールドケース２の４面ある側壁の中の２面に引き出されていて、端子の無い壁面が１面しかない。
【００７９】
一方、この図７に示した主回路モジュール５０Ｃは、同図（ａ）に示されているように、）主端子３が引き出されている面数が１面で、端子が引き出されていない壁面が２面、存在している場合の一実施形態である。
【００８０】
ここで、電流容量が小さな主回路モジュールの場合、主端子の幅が狭くても充分であり、このため、図７に示す主回路モジュール５０Ｃの構成が可能になり、従って、この実施形態は、比較的小容量の電力変換装置に適用して有効なものであるが、これに限定されるものでもなく、主端子の厚さを増すなどの対応により大容量のものにも適用が可能である。
【００８１】
ここで、この主回路モジュール５０Ｃは、図１の実施形態で説明した主回路モジュール５０Ａにおける熱伝導プレート１０を２枚の熱伝導プレート１０ａ、１０ｂに分割し、モールドケース２の端子が引き出されていない２面の側壁から夫々モジュールの外部に引き出されている点を特徴としている。
【００８２】
従って、この実施形態の場合、モジュールの用途など使用条件により、モジュールに内蔵すべき熱伝導プレートの枚数が変更でき、熱伝導プレート１０ａ、１０ｂの一方を省略することができる。
【００８３】
例えば、一方の熱伝導プレート１０ａを、ＩＧＢＴなどインバータ部を構成しているパワー半導体素子６の上に配置し、他方の熱伝導プレート１０ｂを整流ダイオードなど電源整流部を構成しているパワー半導体素子６の上に配置しておくようにするのである。
【００８４】
そして、三相交流受電に適用したときは、電源整流部を構成しているパワー半導体素子６の発熱量が少ないので、熱伝導プレート１０ａだけを設け、熱伝導プレート１０ｂは省略して構成することができる。
【００８５】
また、単相交流受電の場合は、熱伝導プレート１０ｂ側のパワー半導体素子６の発熱量も多くなるため、熱伝導プレート１０ａ、１０ｂの双方を設けておくなど、状況に応じて使い分けができる。
【００８６】
しかも、この実施形態では、熱伝導プレート１０ａ、１０ｂの双方が左右対称になっているので、同一形状にすることができ、この結果、熱伝導プレートとしては１品種となり、コスト面で優位に立つことができる。
【００８７】
ここで、この図７は、熱伝導プレートを２枚にした場合の実施形態であるが、更に細かく分割し、細分化した搭載方法をとることも可能である。
【００８８】
従って、上記した実施形態によれば、充填材の中に埋め込まれた熱伝導プレートを介して、充填材の中からモジュール外部に熱伝導が起るので、主回路モジュール充填材の表面温度が低減され、この結果、同モジュールの周囲温度が低減されるため、電力変換装置としてのスペック向上と耐用年数の延長が得られる。
【００８９】
また、上記した実施形態によれば、接地電位にある放熱フィンに接続された熱伝導プレートがパワー半導体素子の上を覆うようにできるので、パワー半導体素子のスイッチング動作により発生する放射ノイズがプリント配線板上の制御ＩＣなどに伝播されるのが遮蔽され、電力変換装置の誤動作を低減することができ、動作に信頼性が増す。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、主回路モジュールの充填材表面温度が低減できるので、小型で初期の性能を維持した電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明における主回路モジュールの熱解析結果の一例を示す特性図である。
【図４】本発明における主回路モジュールの製造工程を示す説明図である。
【図５】本発明における熱伝導プレートの一例を示す斜視図である。
【図６】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の電力変換装置における主回路モジュールの第３の実施形態を示す断面図である。
【図８】従来技術による電力変換装置の一例を示す平面図である。
【図９】従来技術による電力変換装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 高熱伝導プリント配線板
２ 枠状のモールドケース
３ 主端子
４ 制御端子
５ 導体
６ パワー半導体素子
７ ボンディングワイヤ
１０ 熱伝導プレート
１０ａ 熱伝導プレート（インバータ部用）
１０ｂ 熱伝導プレート（電源整流部用）
１１ａ 円形の孔
１１ｂ 矩形の孔
２０ 充填材（高熱伝導率）
２１ 充填材（低熱伝導率）
２２ 空気層
２３ 蓋
３０ 放熱フィン
３１ ネジ
４０ プリント配線板
４１ａ、４１ｂ 制御ＩＣ
４２ａ、４２ｂ 電解コンデンサ
４３ 制御電源用トランス
４４ 端子台
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 主回路モジュール
Claims (6)
- 半導体素子が搭載された回路基板を枠状のケースに収容して充填材により封止した主回路モジュール部と、前記枠状のケースの上から前記主回路モジュールに重ねて取付けられている周辺回路基板とを備えた電力変換装置において、
前記充填材の中で、前記半導体素子の少なくとも一部を覆うようにして、前記充填材の中に埋め込まれた熱伝導プレートが設けられ、
前記充填材は、前記熱伝導プレートの前記回路基板に面した側と他方の側で、少なくとも熱伝達特性が異なり、前記回路基板に面した側では、前記他方の側よりも高い熱伝導率を備えていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１の発明において、
前記他方の側の前記充填材の少なくとも一部が空気層で置き換えられ、
前記空気層を保持するための蓋が設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１又は請求項２の発明において、
前記熱伝導プレートは、少なくとも前記ケースの側壁から外部に引き出されている端部を備え、
前記端部で放熱が図られていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１又は請求項２の発明において、
前記熱伝導プレートには、少なくとも１個の孔が形成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項３の発明において、
前記熱伝導プレートが導電性材で作られ、
前記端部がアース電位にある放熱フィンに接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１の発明において、
前記熱伝導プレートが、少なくとも２枚に分割されていることを特徴とする電力変換装置。
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