JP2007159204A - Inverter device - Google Patents
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Description
本発明は、モータを駆動するIGBT等の素子を備えた主スイッチング回路素子とそのスイッチング回路素子を駆動する制御基板からなる小型大容量のインバータ装置に関するものである。 The present invention relates to a small-sized and large-capacity inverter device comprising a main switching circuit element having an element such as an IGBT for driving a motor and a control board for driving the switching circuit element.
パッケージ内にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子を備えた主スイッチング回路素子と、その主スイッチング回路素子を駆動する制御基板とを備えたIPM(インテリジェントパワーモジュール)からなるインバータ装置は、小型大容量のモータを駆動するのに広く使用されている。 An inverter device composed of an IPM (intelligent power module) having a main switching circuit element including a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) in a package and a control board for driving the main switching circuit element is small. Widely used to drive large capacity motors.
このインバータ装置は、主スイッチング回路素子が、6個のIGBTとそのIGBTをそれぞれ独立してスイッチングする制御ICを備え、制御基板が、制御ICに指令周波数を出力するためのフォトカプラを備えており、主スイッチング回路素子側に制御端子が設けられ、制御基板側にコネクタが設けられて両者が接続されるようになっている。 In this inverter device, the main switching circuit element includes six IGBTs and a control IC that switches the IGBTs independently, and the control board includes a photocoupler for outputting a command frequency to the control IC. A control terminal is provided on the main switching circuit element side, and a connector is provided on the control board side so that both are connected.
主スイッチング回路素子と制御基板とを接続するには、フォトカプラの1・2次間の浮遊容量を増加させないために、制御端子はできるだけ短くされ、このため、主スイッチング回路素子上に制御端子が突出するように設けられ、制御基板が、その制御端子と接続するために主スイッチング回路素子の直上に設置される構造となっている(特許文献1)。 In order to connect the main switching circuit element and the control board, the control terminal is made as short as possible in order not to increase the stray capacitance between the primary and secondary sides of the photocoupler. For this reason, the control terminal is provided on the main switching circuit element. A control board is provided so as to protrude, and has a structure in which the control board is installed immediately above the main switching circuit element in order to connect to the control terminal (Patent Document 1).
従来、モータドライブ用インバータのパワー半導体素子の冷却方法として、特許文献2、3があり、水冷式モータのケースにインバータ装置を取り付けて、パワー半導体素子を冷却している。
Conventionally, as a method for cooling a power semiconductor element of an inverter for a motor drive, there are
しかしながら、上述したIPMからなるインバータ装置は、主スイッチング回路素子上に制御基板が設けられ、主スイッチング回路素子の冷却は行えても、制御基板が、主スイッチング回路素子からの熱的影響を受けてしまうため、別途冷却が必要となる問題がある。 However, in the inverter device composed of the IPM described above, a control board is provided on the main switching circuit element, and even though the main switching circuit element can be cooled, the control board is affected by thermal influence from the main switching circuit element. Therefore, there is a problem that cooling is required separately.
特許文献4では、この制御基板の冷却手段として、モータの筐体に、スイッチング回路素子を直接固定し、かつその上部の制御基板を固定する台座を形成し、これらを冷却するようにしているが、筐体に、台座を加工するためのスペースが必要となる問題がある。また、主スイッチング回路素子と制御基板は、電位レベルが異なるため、これらを絶縁する必要があるが、特許文献4では、これらの絶縁については、考慮されていない。
In
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、スイッチング回路素子と制御基板を冷却できると共に絶縁できるインバータ装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems and provide an inverter device that can cool and insulate a switching circuit element and a control board.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、冷却プレート上に主スイッチング回路素子を設け、その主スイッチング回路素子の上方に、その主スイッチング回路素子を駆動制御する制御基板を配置したインバータ装置において、上記冷却プレート上に、主スイッチング回路素子の一側に位置して金属製サポートを立設すると共にその金属製サポートの上部に主スイッチング回路素子側に延びる支持片を形成し、他方上記制御基板の底面に熱伝導性と電気絶縁性を備えた伝熱シートを貼り付け、金属製サポートの支持片の上面に、伝熱シートの一部が接するように制御基板を配すると共に支持片の下面に基板固定板を配してこれらをボルト・ナット等で固定し、さらに支持片から主スイッチング回路素子側に延びる伝熱シートに、絶縁シートを貼り付けたインバータ装置である。
In order to achieve the above object, an invention according to
請求項2の発明は、金属製サポートは、冷却プレートと接する設置片と、設置片から垂直に延びる垂直片と、垂直片の上部から水平に延びる支持片とで、コ字状に形成され、設置片の先端が主スイッチング回路素子側に位置するように冷却プレート上に立設され、制御基板や主スイッチング回路素子からの熱を、伝熱シートを介して冷却プレートに逃がして制御基板を冷却する請求項1記載のインバータ装置である。
In the invention of
請求項3の発明は、伝熱シートは、シリコンゴム、窒化アルミやアルミナなどのセラミックスからなり、制御基板の全底面に貼り付けられ、制御基板と共に主スイッチング回路素子の一側から他側に亘って延在するように配置される請求項1又は2記載のインバータ装置である。
According to a third aspect of the present invention, the heat transfer sheet is made of ceramics such as silicon rubber, aluminum nitride, and alumina, and is attached to the entire bottom surface of the control board, and extends from one side of the main switching circuit element to the other side together with the control board. It is an inverter apparatus of
請求項4の発明は、絶縁シートは、ガラスエポキシ板からなり、設置片と同じ厚さに形成されて、伝熱シートと共に主スイッチング回路素子上に延在するよう伝熱シートに貼り付けられる請求項2又は3記載のインバータ装置である。
According to a fourth aspect of the present invention, the insulating sheet is made of a glass epoxy plate, is formed to have the same thickness as the installation piece, and is attached to the heat transfer sheet so as to extend on the main switching circuit element together with the heat transfer sheet.
請求項5の発明は、金属製サポートは、銅やアルミニウムなどからなる請求項1記載のインバータ装置である。
The invention according to
本発明によれば、冷却プレート上に金属製サポートを立設し、制御基板からの熱を、その制御基板に貼り付けた伝熱シートから金属製サポートを介して冷却プレートに逃がすことで、制御基板の冷却が行え、またその伝熱シートに絶縁シートを貼り付けることで、主スイッチング回路素子と制御基板の間を絶縁することができる。 According to the present invention, the metal support is erected on the cooling plate, and the heat from the control board is released from the heat transfer sheet affixed to the control board to the cooling plate via the metal support. The board can be cooled, and the main switching circuit element and the control board can be insulated by attaching an insulating sheet to the heat transfer sheet.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明のインバータ装置の要部拡大正面図で、図2は、インバータ装置の全体正面図を示したものである。 FIG. 1 is an enlarged front view of a main part of an inverter device according to the present invention, and FIG. 2 is an overall front view of the inverter device.
図において、10は主スイッチング回路素子を示し、詳細は図示していないが、6個のIGBTとそのIGBTをそれぞれ独立してスイッチングする制御ICがパッケージに収容されて形成され、その下面の放熱面が冷却プレート11に接するように固定される。
In the figure,
主スイッチング回路素子10の上面には、電源やモータ(図示せず)の巻き線と接続するための高電圧端子12が複数設けられ、また上記制御ICを駆動するための制御端子13が設けられる。
On the upper surface of the main
冷却プレート11内には、図示していないが冷却水通路が形成され、その冷却通路に冷却水が供給されて、主スイッチング回路素子10を冷却するようになっている。この冷却プレート11は、水冷式のモータケースであってもよい。
Although not shown, a cooling water passage is formed in the cooling plate 11, and cooling water is supplied to the cooling passage to cool the main
主スイッチング回路素子10の上方には、制御基板14が配置される。この制御基板14は、図示していないが、主スイッチング回路素子10の制御ICに指令周波数を出力するためのフォトカプラを備えており、そのフォトカプラの2次側が、主スイッチング回路素子10に突出して設けられた制御端子13にコネクタ(図示せず)で接続されるようになっている。
A
冷却プレート11上には、主スイッチング回路素子10の一側に位置して銅やアルミニウムなどの金属製サポート15が立設される。この金属製サポート15は、冷却プレート11と接する設置片16と、設置片16から垂直に延びる垂直片17と、垂直片17の上部から水平に延びる支持片18とで、全体にコ字状に形成され、設置片16の先端側が主スイッチング回路素子10側に位置するように冷却プレート11上に立設される。
On the cooling plate 11, a
金属製サポート15の支持片18の上面には、制御基板14が主スイッチング回路素子10上で水平に延びるように取り付けられる。制御基板14の取り付けは、制御基板14の底面に、シリコンゴム、窒化アルミやアルミナなどのセラミックス等からなる熱伝導性と電気絶縁性を備えた伝熱シート20を貼り付け、その伝熱シート20を介して支持片18に制御基板14を配置すると共に、支持片18の下面に基板固定板21を配し、その状態でボルト・ナット22等で固定する。すなわち、基板固定板21には、ボルト穴22aが設けられ、支持片18、伝熱シート20及び制御基板14には、ボルト挿入穴22cが形成され、制御基板14側からボルト挿入穴22cにボルト22bを挿入してボルト穴22aにねじ込むことで、制御基板14を支持片18に取り付ける。
The
また、伝熱シート20の下面には、主スイッチング回路素子10と制御基板14間を絶縁するための絶縁シート23が貼り付けられる。この絶縁シート23は、ガラスエポキシ基板から形成されると共に、金属製サポート15の支持片18と同じ厚さに形成され、伝熱シート20を支持片18上に配置したとき、伝熱シート20の下面を覆うように延びて、スイッチング回路素子10と制御基板14間を絶縁するようになっている。
An
また、この絶縁シート23は、伝熱シート20に貼り付けられると共にその一側が、制御基板14を基板固定板21で取り付ける際に、制御基板14と固定基板21とで挟まれるように取り付けられる。さらに、絶縁シート23と伝熱シート20には、主スイッチング回路素子10の制御端子13を挿通する穴が形成されており、制御基板14を支持片18上に配置する際に、その穴を通して制御基板14に設けたコネクタ(図示せず)に制御端子13が接続された後、ボルト・ナット22で制御基板14が支持片18に固定されるようにする。
The
以上において、主スイッチング回路素子10の高電圧端子12が電源とモータ巻き線に接続されてモータを回転数可変に駆動する際、主スイッチング素子10が発熱するが冷却プレート11により冷却される。また主スイッチング回路素子10の熱は、その上方の制御基板14にも放射熱として伝熱し、同時に制御基板14自体も発熱するが、これら熱は、伝熱シート20から金属製サポート15を介して冷却プレート11側に放熱される。
In the above, when the high voltage terminal 12 of the main
すなわち、コ字状の金属製サポート15と伝熱シート20を熱経路とすることで狭いスペースながら効果的に制御基板14を冷却することができる。
That is, by using the U-shaped
また主スイッチング回路素子10内のIGBTによるスイッチングによる切り替えにより巻き線からのサージ電圧が発生し、これが、グランド電位に保たれた制御基板14側に伝搬するが、絶縁シート23により主スイッチング回路素子10と制御基板14とは絶縁されているため、絶縁基板14にその影響が及ぶことがない。したがって、制御基板14のサイズや形状による主スイッチング回路素子10の高電圧端子12との干渉を気にする必要がなくなり、複雑な形状のインバータ装置設計に対応できる。
In addition, a surge voltage from the winding is generated by switching by switching by the IGBT in the main
10 主スイッチング回路素子
11 冷却プレート
14 制御基板
15 金属製サポート
18 支持片
20 伝熱シート
23 絶縁シート
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