JP2005086149A - 電源装置の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置の放熱構造において、基板上の部品及び冷却ファンの配置の変更を必要とせず、かつ、電源装置の小型化の妨げにならないものを提供する。
【解決手段】放熱基体１０の実装用平坦面１３a及び１３ｂは下端部に切欠部１２が形成されており、基板２０との間に間隙ができている。冷却ファンから送られたエアは、この間隙を通り抜ける。したがって、半導体素子２１ａ，２１ｂのリード部２２付近は、このエアの流れによって放熱性が改善されるので、ビーズコア２３を設けても十分に冷却することが可能になる。また、放熱基体１０の下端面が露出するので、エアの流れによって下端付近が冷却されやすくなる。もちろん放熱基体１０を大きくする必要もない。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置の放熱構造に係り、特に基板上に立設される放熱基体を備えた放熱構造に関するものである。

電源装置は、大電流または高電圧に対応する回路を備えているものが多いので、放熱対策が大きな課題となる。例えば、特許文献１に記載の発明は、高周波加熱装置のインバータ電源の放熱構造に係るものである。この発明は、基板上の高圧トランスの１次巻き線をフェライトコアの周りに円柱状に巻き付け、円柱形状をした１次巻き線の円周面がプリント基板に対して垂直となるように高圧トランスを設置し、１次巻き線が形成する円柱形状の円周面と対向する位置に、半導体素子を貼り付けた放熱フィンを配置したものである。このような構成によって、放熱フィンと高圧トランスとの間に空隙ができるので、冷却ファンからのエアの流れがスムーズになり、実装密度が高い装置でも半導体素子等の冷却効果を向上できる。

しかしながら、電源装置に対する小型化の要請は益々高まっているので、基板上の部品の配置を変更する余地は小さくなってきており、この手段によってエアの流れをスムーズにすることは次第に困難になっている。さらに、放熱基体に貼り付けられた半導体素子のリード部にノイズ対策用のビーズコアを設けることが一般化しており、このビーズコアによってエアの流れが妨げられやすくなっている。もちろん半導体素子に正対する位置からエアを当てれば十分放熱することができるが、電源装置の小型化がさらに求められている状況下で、冷却ファンの設置位置を任意に選択することは極めて困難である。
特開２００１−１８５３３９号公報（第２−４頁、図１）

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、電源装置の放熱構造において、基板上の部品及び冷却ファンの配置の変更を必要とせず、かつ、電源装置の小型化の妨げにならないものを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、基板から立ち上がるように設けられた放熱基体を備えた電源装置の放熱構造において、前記放熱基体は、その基端側の半導体素子を貼り付ける部位に前記基板との間に間隙を確保するための切欠部を形成したことを特徴とするものとした。

したがって、電源装置の内部を流れるエアが放熱基体と基板との間を通り抜けるようになるので、電源装置の内部のエアの流通性が向上して放熱効果が高まる。

なお、上記の発明において、前記切欠部の前記基板表面からの高さは、前記半導体素子のリード部に取り付けたビーズコアの上端の高さとほぼ等しいものにもできる。

また、本発明は、基板から立ち上がるように設けられた放熱基体を備えた電源装置の放熱構造において、前記放熱基体と前記基板との間に介在して設けられたスペーサを備え、前記放熱基体は、その基端側の縁辺が前記スペーサによって前記基板から離隔していることを特徴とするものとした。

したがって、電源装置の内部を流れるエアが放熱基体と基板との間を通り抜けるようになるので、電源装置の内部のエアの流通性が向上して放熱効果が高まる。くわえて、放熱基体の基端側の切欠加工が不要である。

さらに、上記の発明において、前記スペーサの上端の前記基板表面からの高さは、前記半導体素子のリード部に取り付けたビーズコアの上端の高さとほぼ等しいものにもできる。

本発明は、放熱基体と基板との間をエアが通り抜けようになるので、半導体素子周辺のエアの流通性が向上し、半導体素子の空冷効果が高まる。また、放熱基体と基板との間に間隙を設けることは部品の配置等に全く影響しないので、電源装置の小型化を妨げることがない。さらに、放熱基体の基端側が露出することによって、放熱に寄与する放熱基体の表面積が増えるので、この表面積に相当する分だけ放熱基体の容積を小さくすることが可能になる。

本発明の実施の形態においては、放熱基体と基板との間、特に放熱基体の半導体素子を貼り付ける部位に間隙を設けたことに最大の特徴がある。図４は、本発明の放熱構造と従来技術の放熱構造との冷却効果に関する比較実験結果を示す表である。

この実験においては、入力電圧がＡＣ１８０Ｖ、出力電圧が４８Ｖ、出力電流が１５８Ａの整流器を用い、放熱フィンのない板状の放熱基体を準備した。この放熱基体の表裏には、各相に整流用ダイオード１０個とフライホイールダイオード４個を貼り付けた。また、本発明の放熱構造については、後述する実施例２のようなスペーサを設けることによって、放熱基体と基板との間に約１０ｍｍの間隙を設けた。この間隙は、これらのダイオードに設けたビーズコアの上端部の高さに相当する。これに対して、従来技術の放熱構造では放熱構造と基板とを接した状態にした。また、スペーサ以外の部分は、両構造ともすべて同一の構成とした。そして、整流器に電圧入力して放熱基体の周囲雰囲気が５０℃になった時点におけるそれぞれの構造の測定部位の温度上昇を測定した。なお、温度測定した部位１は放熱基体の支持部付近に位置する整流用ダイオード側のビーズコアであり、部位２は放熱基体の中央付近に位置するフライホイールダイオード側のビーズコアである。

図４から分かるように、放熱基体と基板との間に間隙を設けることによって、放熱基体の冷却効果を大幅に高められることが明確となった。また、発明者の他の実験を含めた研究結果によれば、この間隙は、電源装置に冷却ファンを設けた場合だけでなく、自然空冷のみで冷却する場合にも有効であることが分かった。以下に、この特徴を有する実施例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図１において、１０は放熱基体、１１は支持部、１２は切欠部、１３ａ，１３ｂは実装用平坦面、１４は放熱フィン、２０は基板、２１ａ，２１ｂは半導体素子、２２はリード部、２３はビーズコアを示す。なお、図１において示した放熱構造は、電源装置の筐体内に収納されるものであり、また基板２０上には配線パターンが形成されると共に多数の電子部品が実装されるが、説明の便宜上、筐体、配線パターン及び本発明に関係のない電子部品はその記載を省略している。

図１（ａ）は、第１の実施例に係る電源装置の放熱構造の斜視図である。図１（ａ）に示すように、放熱基体１０は、基板２０上に立ち上がった状態に設けられており、さらに表裏両面に実装用平坦面１３ａ及び１３ｂが形成されている。実装用平坦面１３ａ及び１３ｂは、放熱基体１０の下部に形成されており、半導体素子２１ａ，２１ｂからの熱を吸収する。また、放熱基体１０の上部には放熱フィン１４が形成されている。放熱フィン１４は、半導体素子２１ａ，２１ｂから放熱基体１０の上部１２に伝わった熱を周辺雰囲気中に放散させる役割を果たす。なお、放熱基体１０の上端部に電源装置の筐体を接触させれば、筐体も放熱構造の一部となるので、さらに放熱効率を向上させることが可能になる。また、放熱基体１０に対してあまり放熱能力が要求されない、または放熱基体１０の上端部に電源装置の筐体を接触させるなど放熱のための補助手段を設けている場合には、放熱フィン１４を省略して放熱基体１０の全体形状を板状に形成することも可能である。

半導体素子２１ａ，２１ｂのリード部２２には、ノイズ対策としてビーズコア２３を設けている。ビーズコア２３は、円筒状に形成されており、その内部にリード部２３を通して設けられる。なお、ビーズコア２３をリード部２２の所定の部位に保持しておくために、接着剤によってビーズコア２３をリード部２２に付着させる場合もある。

図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、半導体素子を放熱基体１０の下端部の左右両端部を除く部位に多数貼り付けた例を示している。図１（ｂ）に示すように、放熱基体１０の下端部の半導体素子の貼付部位には切欠部１２が形成されている。切欠部１２は、放熱基体１０と基板２０との間に間隙を設けるためのものであり、冷却ファンから送られるエアが吹き抜けるようにするためのものである。エアが吹き抜けることにより、半導体素子及びビーズコアの冷却が促進される。

ところで、切欠部１２は、ビーズコア２３の上端部とほぼ等しい高さを持つことが望ましい。以下にその理由について述べる。図２は、切欠部とビーズコアとの高さの関係を示す断面図である。図２において、ｈ１は基板表面からの切欠部１２の高さ、ｈ２は基板表面からビーズコア２３の上端部までの高さ、ｈ３は基板表面から半導体素子２１ａのモールド部の下端部までの高さを示す。

ビーズコア２３の外径は、リード部２２の厚さ（幅）よりも相当程度大きい。リード部２２にビーズコア２３を通すと、ビーズコア２３同士、またはビーズコア２３とリード部２２もしくは放熱基体１０との間隔は、ビーズコア２３を設けないときのリード部２２同士、またはリード部２２と放熱基板１０との間隔よりもはるかに狭くなる。したがって、ビーズコア２３を設けると、半導体素子冷却ファンから送られるエアの流れが阻害されて、リード部２２付近における放熱性が低下する。

そこで、ビーズコア２３の上端部とほぼ等しい高さを持つ切欠部１２を形成する、すなわち、図２のｈ１とｈ２とをほぼ等しくすると、先に述べたように、ビーズコア２３の周辺のエアが切欠部１２を通り抜けて放熱性が向上する。もしも、切欠部１２の高さがビーズコア２３の上端部のそれよりも高い、例えばｈ１とｈ３とを等しくすると、リード部２２付近における放熱性はさらに改善される。しかし、放熱基体１０への半導体素子の取り付けを手作業で行う関係上、ある程度のマージンがないと、例えば半導体素子２１ａの下端部付近が実装用平坦面１３ａからはみ出して放熱基体１０に接着されないようなケースが発生する。このようなはみ出し部分があると、半導体素子の放熱に支障を生じるので好ましくない。逆に、切欠部１２の高さがビーズコア２３の上端部の高さよりも低いと、切欠部１２を通り抜けるエアの量が減るので、リード部２２付近における放熱性はあまり改善されない。したがって、図２のｈ１とｈ２とをほぼ等しくすることが最も望ましいと言える。

なお、切欠部１２は、半導体素子の貼付部位に対応して形成されるので、例えば実装用平坦面１３ａの左右両端部に加えて中央付近にも半導体素子を貼り付けない場合には、中央付近には切欠部１２を形成しなくても良い。

また、切欠部１２を形成していない下端部の左右両端部は、放熱基体１０を基板２０上に立ち上がった状態で支持する支持部１１となる。なお、実装用平坦面１３ａの中央付近に半導体素子を貼り付けない場合には、この付近にも支持部を形成することが可能となる。もちろん、中央付近以外の部位であっても、半導体素子を貼り付けない部位には支持部を形成可能である。

以上のように、上述の放熱構造によれば、実装用平坦面１３ａ及び１３ｂに貼り付けられた半導体素子２１ａ，２１ｂのリード部２２付近のエアの流通が向上するので、この付近の放熱性を改善することができる。もちろん、冷却ファンの設置位置を変更する必要はない。また、放熱基体１０の下端部が露出するので、この付近も切欠部１２を通り抜けるエアによって冷却され、放熱基体１０の放熱性も向上する。

図３は、本発明の第２の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。図３において、１５はスペーサであり、その他の符号は図１の符号と同じものを示す。

図３に示すように、本発明の第２の実施例に係る電源装置の放熱構造は、図１に示した切欠部１２によって間隙を設けた構造に代えてスペーサ１５によって間隙を設けたものである。つまり、放熱基体１０と基板２０との間にスペーサ１５を介在させ、放熱基体１０を基板２０の表面から浮かした状態にしている。なお、スペーサ１５は、支持部１１と同様に、実装用平坦面１３ａの半導体素子を貼り付けない部位に設けられる。その他の部分の構成は、図１に示したものとおなじである。また、スペーサ１５の材質としては、絶縁性を確保できる点で樹脂が好ましいが、ゴム、セラミックなど他の材質を利用することも可能である。また、基板２０と、スペーサ１５及び放熱基体１０の固定手段は、ビスが好ましいが、接着剤で固定することもできる。

以上の放熱構造によれば、図１に示した放熱構造と同様の作用を得ることができる。また、スペーサ１５という新たな部品が必要になるが、放熱基体１０に切欠部１２を形成する必要がないので、放熱基体１０の加工に必要なコストを低減することができる。

なお、図１の切欠部１２と、図３のスペーサ１５を組み合わせて放熱基体１０と基板２０との間隙を設けるようにしても構わない。この構造の場合、例えば放熱基体１０と基板２０との絶縁性を確保するためのブッシングをスペーサ１５として利用することができるので、間隙を確保するのが容易になる。また、以上の各実施例においては、整流用ダイオード、またはＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子に対する放熱構造として説明したが、放熱の対象が、抵抗、トランスなど他のデバイスである場合においても適用可能である。また、放熱基体については、その下部が板状の形態を持つものとして説明したが、基板との間に間隙を形成できるのであれば、下部の形態をＬ字状、ヨ字状など他の形態としても良い。また、半導体素子が片面のみに貼り付けられている場合にも、この構造が作用効果を奏することは言うまでもない。

本発明の第１の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。 切欠部とビーズコアとの高さの関係を示す断面図である。 本発明の第２の実施例に係る電源装置の放熱構造の説明図である。 本発明の放熱構造と従来技術の放熱構造との冷却効果に関する比較実験結果を示す表である

符号の説明

１０：放熱基体
１１：支持部
１２：切欠部
１３ａ：実装用平坦面
１３ｂ：実装用平坦面
１４：放熱フィン
１５：スペーサ
２０：基板
２１ａ：半導体素子
２１ｂ：半導体素子
２２：リード部
２３：ビーズコア

Claims (4)

1. 基板から立ち上がるように設けられた放熱基体を備えた電源装置の放熱構造において、
   前記放熱基体は、その基端側の半導体素子を貼り付ける部位に前記基板との間に間隙を確保するための切欠部を形成したことを特徴とする電源装置の放熱構造。
2. 前記切欠部の前記基板表面からの高さは、前記半導体素子のリード部に取り付けたビーズコアの上端の高さとほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の電源装置の放熱構造。
3. 基板から立ち上がるように設けられた放熱基体を備えた電源装置の放熱構造において、
   前記放熱基体と前記基板との間に介在して設けられたスペーサを備え、
   前記放熱基体は、その基端側の縁辺が前記スペーサによって前記基板から離隔していることを特徴とする電源装置の放熱構造。
4. 前記スペーサの上端の前記基板表面からの高さは、前記半導体素子のリード部に取り付けたビーズコアの上端の高さとほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の電源装置の放熱構造。

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