JP2010165914A - インバータ装置及びインバータ装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】1枚の基板上にインバータ回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供する。
【解決手段】冷却装置7と、冷却装置7により冷却されるインバータ回路3と、このインバータ回路3を含む第1の実装部品20が実装される第1の基板1と、第1の基板1と対向する位置に設けられる第2の実装部品4を実装する第2の基板2と、第1の実装部品3と第2の実装部品4とを電気的に接続するリード線5とを備える。
【選択図】図3
【解決手段】冷却装置7と、冷却装置7により冷却されるインバータ回路3と、このインバータ回路3を含む第1の実装部品20が実装される第1の基板1と、第1の基板1と対向する位置に設けられる第2の実装部品4を実装する第2の基板2と、第1の実装部品3と第2の実装部品4とを電気的に接続するリード線5とを備える。
【選択図】図3
Description
本発明は、インバータ装置及びインバータ装置の製造方法に関する。
例えば、空気調和機のインバータ装置では、インバータ主回路のみまたはインバータ主回路及びインバータ素子の駆動回路を一体化したIPM(インテリジェント・パワー・モジュール)を含むDIP(デュアル・インライン・パッケージ)型半導体装置が電源回路として用いられる。空気調和機を含め一般的に電気製品のインバータ電源回路は、回路規模が大きく、しかも多くの熱が放射されるためその収納には工夫が必要であった。そのため、これらの半導体素子(電源回路)は、放熱による影響を避けるために制御回路が搭載されるプリント基板から距離を離して設置される。
これら電源回路と制御回路とは物理的に離して設置するため、電源回路と制御回路とを長い距離に亘ってリード線で接続する必要が生ずる等、組立工数が増大することがあった。
そこで、以下の特許文献1では、電源回路と制御回路とを1枚のプリント基板で一体構成とした発明が開示されている。この発明によれば、電源回路の設置、および電源回路と制御回路との接続が不要になり組立工数が大幅に低減できる、という効果が期待できるとされる。
ここで、電源回路のはんだ付けによる基板への接続に当たっては、まず制御回路を接続するための基板表面へのはんだ処理が行われる。そのため基板に対するはんだ処理が行われるにあたっては、前処理として、電源回路が搭載される領域や貫通孔にはテープ等を貼付するというはんだが付着しないようにマスキング処理を行う必要がある。
そしてはんだ処理を行い基板冷却の後マスキングを剥がす。マスキング処理がされていた領域には基板表面に対して行われたはんだ処理によるはんだが付着していない。その上で、基板に電源回路を搭載する。電源回路は、端子を基板表面から裏面へと貫通させて接続する。但し、この接続に当たっては基板裏面側においてはんだ処理を行う必要がある。
しかしながら、上述の特許文献1に開示されている発明では、以下の点について考慮がされていない。
すなわち、電源回路を基板に接続するには上述したようなマスキングの前処理を行う必要が生ずる。これは電源回路と制御回路とが1枚の基板上の様々な位置に混在して搭載されるためである。
このような前処理を行うと、マスキング処理の作業時間が発生するとともにマスキング部材も余分に必要となる。また、マスキングが必要な領域を含む少し大きめの領域に対してマスキング処理が行われることになるため、どうしても基板上に部品配置を行う上でデッドスペースが生ずることにもなる。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、1枚の基板上に電源回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することである。
本発明の実施の形態に係る第1の特徴は、インバータ装置において、冷却装置と、冷却装置により冷却されるインバータ回路と、このインバータ回路を含む第1の実装部品が実装される第1の基板と、第1の基板と対向する位置に設けられる第2の実装部品を実装する第2の基板と、インバータ回路と第2の実装部品とを電気的に接続するリード線とを備える。
本発明の実施の形態に係る第2の特徴は、インバータ装置の製造方法において、第1の基板表面に第1の実装部品を実装する工程と、リード線の一方の端子をインバータ回路と接続する工程と、第1の基板を反転させて冷却装置上にインバータ回路が載置するように第1の基板を固定する工程と、第1の基板の裏面とその裏面が対向する位置に第2の実装部品が実装された第2の基板を固定する工程とを備える。
本発明によれば、1枚の基板上に電源回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るインバータ装置Iの回路図である。インバータ装置Iは商用交流電源ACを整流・平滑する整流・平滑回路Bとインバータ回路(電源回路)3とこのインバータ回路3の出力周波数や電圧を制御する制御回路D1から構成される。インバータ回路3の出力はモータMに供給され、モータMを可変速駆動する。インバータ回路3は複数のインバータ主回路素子C1及びこの主回路素子C1をON/OFF駆動する駆動回路C2によって構成される。図1に示す三相インバータの場合、主回路素子C1が6個用いられる。制御回路D1は、各主回路素子C1を駆動するための制御(ON/OFF)指令信号を駆動回路C2に出力し、この信号に基づき駆動回路C2は各インバータ主回路素子C1を駆動するためのON/OFF信号を出力する。制御回路D1と駆動回路C2間は、リード線C3によって接続される。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るインバータ装置Iの回路図である。インバータ装置Iは商用交流電源ACを整流・平滑する整流・平滑回路Bとインバータ回路(電源回路)3とこのインバータ回路3の出力周波数や電圧を制御する制御回路D1から構成される。インバータ回路3の出力はモータMに供給され、モータMを可変速駆動する。インバータ回路3は複数のインバータ主回路素子C1及びこの主回路素子C1をON/OFF駆動する駆動回路C2によって構成される。図1に示す三相インバータの場合、主回路素子C1が6個用いられる。制御回路D1は、各主回路素子C1を駆動するための制御(ON/OFF)指令信号を駆動回路C2に出力し、この信号に基づき駆動回路C2は各インバータ主回路素子C1を駆動するためのON/OFF信号を出力する。制御回路D1と駆動回路C2間は、リード線C3によって接続される。
後述するように、インバータ回路3は、第1の基板1に搭載され、制御回路D1は、第2の基板2に搭載される。なお、本実施の形態においては、主回路素子C1と駆動回路C2は一体のDIP(デュアル・インライン・パッケージ)型半導体素子に組み込まれているため、以下、この半導体素子についても符号としてはインバータ回路3と同じ符号を用いて説明する。整流・平滑回路Bからインバータ回路3へは直流電圧が供給されており、この直流電圧を供給する2本のリード線5は制御回路D1が載置されている第2の基板2を経由して第1の基板1上のインバータ回路3へ入力される。同じように、インバータ回路3の三相出力は3本のリード線5を用いて第2の基板2を経由してモータMに供給される。
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るインバータ装置Iに搭載される基板シートSの全体を示す平面図である。1枚の基板シートS上には、インバータ装置Iのインバータ回路3とインバータ装置Iを制御するための制御回路D1等が搭載されている。また、インバータ回路3と制御回路D1とは基板シートS上にその位置を混在させて搭載されているのではなく、基板シートS上でインバータ回路3、制御回路D1のそれぞれの機能ごとにまとめて搭載されている。本発明の実施の形態においては、基板シートS上、インバータ回路3が搭載される領域を第1の基板1とし、制御回路D1が搭載される領域を第2の基板2とする。従って、基板シートSは、第1の基板1と第2の基板2とから構成される。
1枚の基板シートSを構成する第1の基板1と第2の基板2は基板シートSに形成された基板分離部Fを折ることで容易に分離させることが可能とされている。基板分離部Fは、基板シートSを第1の基板1と第2の基板2との境界に形成される。基板分離部Fは、例えば、基板シートSをV字に切り込みを入れたり、或いは基板シートSの表面から裏面にかけてスリット状にカットすることによって容易に折り曲げ、分離することができるように形成される。
第1の基板1上には、DIP型半導体素子3及びコネクタや周辺回路部品からなる第1の実装部品20が実装される。
第2の基板2上には、インバータ装置Iの駆動を制御するマイコン装置等からなる制御回路D1、端子台6、コネクタや各種周辺回路からなる第2の実装部品4が実装される。
第1の基板上のインバータ回路3と第2の基板2上に搭載される第2の実装部品4である端子台6とはリード線5によって接続される。リード線5の両端には端子が設けられており、一方の端子が第1の実装部品20の内のDIP型半導体素子3の端子と接触し、また、他方の端子が第2の実装部品4中の端子台6と接触する。第1の実施の形態においては、DIP型半導体素子3の端子と接続されるリード線5の一方の端子は、いわゆるボードイン端子が採用されている。他方の端子は、第2の基板2上に設けられた端子台6にネジ止めすることによって接続する丸型端子とされている。
図3に示すように、DIP型半導体素子3の端子が第1の基板1に形成された貫通孔に差し込まれた際に、このボードイン端子5aをこの同じ貫通孔に併せて差し込まむことによってリード線5がDIP型半導体素子3と接続される。ボードイン端子5aには係止部が設けられており、一旦貫通孔に差し込まれ係止部が貫通孔の淵に引っかかるとこの係止部を外さない限り貫通孔からボードイン端子5aが外れることはない。
図2の基板シートSでは、DIP型半導体素子3が第1の基板1上に実装されるとともに、DIP型半導体素子3の端子が嵌め込まれた貫通孔と同一の貫通孔に一方端子をボードイン端子5aとするリード線5が接続された状態が示されている。一方、リード線5の他方端子である丸型端子5bは、第2の基板2上に設けられた端子台6に接続されていない状態である。
図2に示す基板シートSの状態で基板の裏面にはんだ処理を行う。本発明の実施の形態においては、基板シートS上でインバータ回路3と制御回路D1とは同じ表面に実装され、それぞれ第1の基板1と第2の基板2とに明確に分離して配置されている。しかも、第1の基板1と第2の基板2との間には基板分離部Fが形成されている。従って、従来のようにインバータ回路3他の第1の実装部品20が搭載される領域にマスキング処理を行う必要はなく、マスキング部材も不要である。また、併せて第1の基板1の裏面に対してもはんだ処理を行うことで、インバータ回路3とリード線5の一方端子5aの接続部を1つ1つはんだ処理しなくとも一括してはんだ付けすることができる。
図3は、インバータ装置Iの筐体Pに第1の実装部品20が搭載された第1の基板1と第2の実装部品4が搭載された第2の基板2とを取り付けた状態を表わした図面である。なお、理解及び説明の都合上、筐体Pを最も下に示し、その上に第1の基板1と第2の基板2とを配置するように示している。以下、この図3を用いてインバータ装置Iの製造方法について述べる。
図3に示すように、筐体Pと面一となるように冷却装置7が嵌め込まれている。この冷却装置7は、一般にアルミ材からなるヒートシンクで、非常に熱を放出するインバータ回路3を冷却するとともに筐体Pの外部へとその熱を逃がす。冷却装置7が筐体Pと面一となるような位置に固定されているのは、筐体Pの内部に設置するよりも効果的にインバータ回路3からの熱を外部へ放熱できるからである。但し、インバータ回路3からの放熱量によっては、冷却装置7を筐体Pの外部に突出させて、さらに放熱性を良くするようにしても良い。
このように、筐体Pに冷却装置7を嵌め込むことのできる切り欠きを形成し、その後冷却装置7を冷却装置7の放熱面が筐体Pと面一となるように嵌め込み固定する。
その上で第1の実装部品20のうちの少なくともインバータ回路3を冷却装置7に接触させて載置する。このように冷却装置7に直接インバータ回路3を接触させることで効率の良い放熱効果を得ることができる。インバータ回路3をこのような向きに冷却装置へ接触させるために、インバータ回路3が搭載された第1の基板1を反転させて筐体Pにスペーサ8aを用いて固定している。
すなわち、基板シートS上に形成された基板分離部Dを図1に示す方向に折り曲げると基板シートSは、基板分離部Fで第1の基板1と第2の基板2の2つに割れ、第1の基板1は反転し、その状態のまま筐体Pに固定することで第1の基板1の表面(第1の実装部品3が搭載されている面)が冷却装置7と対向する。この状態でインバータ回路3を冷却装置7に接触するように第1の基板1をスペーサ8を用いて固定する。
第1の基板1を固定するスペーサ8aの高さ(長さ)は、筐体Pから第1の基板1までの高さ(長さ)であり、スペーサ8aは、筐体Pに例えば、ネジ止めされることで固定される。
さらに、分離された第2の基板2を第1の基板1上に積層する。この状態では、図3に示すように第1の基板1の裏面と第2の基板2の裏面とが対向する向きにある。つまり、基板シートSに形成された基板分離部Fを折り曲げて第1の基板1と第2の基板2とに分離し、第2の基板2については、そのままの向きで筐体Pに固定する。
その上で、インバータ回路3と接続されていたリード線5の他方の端子5bを第2の基板2上に設けられた端子台6にネジ止めする。リード線5の他方の端子5bは、丸型端子を採用しているので、端子台6に確実に止めることができる。
なお、図3には、第2の基板2上の端子台6に別のリード線9がネジ止めされているが、このリード線9は、例えば、図1に示すように直流電源ラインと圧縮機への出力ラインの接続配線である。この実施の形態においては、大電流用のインバータ装置であるため、第2の基板2上を直流電源やインバータ出力の電流が流れないように構成しているが、家庭用空気調和機に程度であれば、第2の基板2上のパターンを経由させて直流電源や圧縮機に接続するようにしても良い。
さらに、第1の基板1上の第1の実装部品20のコネクタと第2の基板2上の制御回路D1の出力と繋がっているコネクタとをリード線C3で接続することで配線作業は完了する。
第2の基板2は、筐体Pにスペーサ8bを介して固定されている。スペーサ8bの高さ(長さ)は、第2の基板2と筐体Pとの間に第1の基板1を固定する必要があることから、この点を考慮した高さ(長さ)を持つ。なお、図3に示すように、第1の基板1を筐体Pに固定するために用いたスペーサ8aの一方は、第2の基板2を固定するためのスペーサ8bと兼用されていても良い。
以上説明した基板シート(第1の基板及び第2の基板)を用いることによって、1枚の基板の同一面上にインバータ回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することができる。
特に、第1の基板と第2の基板とを基板分離部において分離し、両基板を筐体Pに積層して固定することによって、筐体P内部における省スペース化を図ることが可能となる。また、筐体Pと面一となるように冷却装置を配置し、その冷却装置に発熱量の多いインバータ回路を直接載置することで、インバータ回路のより効果的な冷却を行うことができるとともに、第2の基板に搭載されている第2の実装部品に対する熱の影響を最小限に押さえることができる。
なお、基板を省スペースに配置する点に重点を置いて第1の基板と第2の基板とを積層化する際に、冷却装置を第1の基板と第2の基板との間に配置することも可能であるが、上述したように第2の基板に搭載されている第2の実装部品に対する第1の実装部品からの放熱の影響を考えると、本発明の実施の形態において説明したレイアウトが最も適していると言える。
また、本実施の形態によれば、第1の基板1と第2の基板2を折り曲げ分割した後、筐体Pに固定した後でインバータ回路3と接続されていたリード線5の他方の端子5bを第2の基板2上に設けられた端子台6にネジ止めした。
しかしながら、予めリード線5を基板1,2の筐体Pへの組み込み可能な長さに設定しておけば、基板シートSの状態の時点でリード線5によって第1の基板1と第2の基板2間を接続しておき、その後、基板シートSを折り曲げ、第1の基板1と第2の基板2に分割し、それぞれの基板1、2を筐体Pに固定してもよい。この場合、リード線5の長さを若干長めに設定しておく必要があるが、リード線5の第2の基板2へのねじ止め作業が基板シートSの状態で実施できるため、作業効率が良く、さらに基板シートSの第1の基板1と第2の基板2を折り曲げ分割の際に、それぞれの基板がばらばらにならず、その後の部品保管、搬送管理が容易となる。
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、上述の第1の実施形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、上述の第1の実施形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。
上述した第1の実施の形態において、第1の基板1と第2の基板2とを積層して省スペース化を図っているが、第2の実施の形態におけるインバータ装置Iであればさらに筐体Pからの高さ(長さ)を低く(短く)することが可能であり、一層の省スペース化を図ることが可能である。
図4は、第2の実施の形態における基板シートSの平面を示す図である。第1の実施の形態と相違する点は、第1の基板1に搭載されたインバータ回路3とリード線の接続方法である。
すなわち、上述した第1の実施の形態では、リード線5がその一方端子にボードイン端子5aを採用したことによって、インバータ回路3の端子が嵌め込まれる第1の基板1に設けられた貫通孔にこのボードイン端子5aも併せて嵌め込むようにした。第1の実施の形態ではこのようにしてインバータ回路3とリード線5との接続を図っている。
一方、第2の実施の形態におけるインバータ回路3とリード線との接続は次のように行われる。インバータ回路3の端子が嵌め込まれる第1の基板1の貫通孔には、導電性部材で形成された中間部材11が嵌め込まれる。この中間部材11は、図5に反転して示されているように、第1の基板1に設けられた複数の貫通孔にそれぞれの端部がはめ込めるように形成されている。そこで、中間部材11の一方端部をインバータ回路3の端子が嵌め込まれる第1の基板1の貫通孔にはめ込み、他方端部を別の貫通孔に嵌め込む。
この中間部材11の他方端部が嵌め込まれた別の貫通孔には、第1の実装部品20の内の1つである端子台12の一方端部が嵌め込まれる。端子台12は、こちらも第1の実装部品20の内の1つである導電性の中間部材11を介してインバータ回路3との導通を図るとともにリード線13を固定する台であり、リード線13の丸型端子をネジ止めによって固定する。
この様子はインバータ装置Iの筐体Pに第1の実装部品20が搭載された第1の基板1と第2の実装部品4が搭載された第2の基板2とを取り付けた状態を表わした図5に明らかである。すなわち、第2の基板2上に設けられた端子台にその両端に丸型端子を採用したリード線13の他方の端子を固定し、さらに第1の基板1に設けられた端子台12にリード線13の一方の端子を固定する。端子台12とインバータ回路3の端子との間には導電性部材で形成される中間部材11が嵌め込まれており、この中間部材11を介してインバータ回路3と第2の実装部品4との電気的な接続が行われる。
このように、インバータ回路3と第2の実装部品4とをリード線13を用いて接続する際に両端の端子をいずれも丸型端子とすることによって、リード線13の接続部分の高さ(長さ)を低く(短く)することができる。このことはすなわち、筐体Pからの高さ(長さ)を低く(短く)することにつながる。
すなわち、第1の実施の形態において使用したリード線5の一方端子はボードイン端子であったため、インバータ回路であるDIP型半導体素子3の端子と同一の貫通孔に嵌め込むために端子の先端が強固に直線が維持されるように構成しなければならず、その分端子の長さや、高さを必要とする。一方、第2の実施の形態におけるリード線13の一方端子は丸型端子であるので、第1の基板1上への端子台12の配置は必要になるものの、端子の側面からリード線が引き出せるため、筐体Pからの高さ(長さ)を低く(短く)することが可能である。
なお、この第2の実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に予めリード線16を基板1,2の筐体Pへの組み込み可能な長さに設定しておけば、基板シートSの状態の時点でリード線16によって第1の基板1と第2の基板2間を接続しておき、その後、基板シートSを折り曲げ、第1の基板1と第2の基板2に分割し、それぞれの基板1、2を筐体Pに固定してもよい
以上説明したように、1枚の基板上に電源回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することができる。
以上説明したように、1枚の基板上に電源回路と制御回路とを配置することによるメリットは享受しつつ基板への回路搭載の簡略化を進めるとともに、さらに省スペースに基板を配置することが可能なインバータ装置及びインバータ装置の製造方法を提供することができる。
また、第1、第2の実施の形態においては、インバータ回路3として複数の主回路素子C1と駆動回路C2が一体に組み込まれたDIP型半導体素子を用いて説明したが、駆動回路C2は低電圧・低消費電力部品からなるため、インバータ回路3を複数の主回路素子C1のみとし、駆動回路C2を分離して第1の基板上に周辺回路として別置きにしてもよいし、さらには、駆動回路C2を第2の基板2側に設けることも可能である。
なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1…第1の基板、2…第2の基板、3…インバータ回路、4…第2の実装部品、5…リード線、5a…ボードイン端子、5b…丸型端子、6…端子台、7…冷却装置、8…スペーサ、9…他のリード線、11…中間部材、12…端子台、13…リード線、20…第1の実装部品、D…基板分離部、S…基板シート
Claims (6)
- 冷却装置と、
前記冷却装置により冷却されるインバータ回路と、
前記インバータ回路を含む第1の実装部品が実装される第1の基板と、
前記第1の基板と対向する位置に設けられる第2の実装部品を実装する第2の基板と、
前記第1の実装部品と前記第2の実装部品とを電気的に接続するリード線と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。 - 前記第1の基板と前記第2の基板とは基板シートに形成された基板分離部において分離された基板であることを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。
- 前記リード線は、前記第1の実装部品と接続される一方端子がボードイン端子であり、前記第2の実装部品とを接続される他方端子が丸型端子であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のインバータ装置。
- 前記リード線は、前記第1の実装部品と接続される一方端子及び前記第2の実装部品とを接続される他方端子のいずれもが丸型端子であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のインバータ装置。
- 両端の端子が丸型端子である前記リード線を用いて前記第1の実装部品と前記第2の実装部品とを接続する場合、前記第1の実装部品と前記リード線の前記丸型端子を固定する端子台との間に前記第1の実装部品と前記端子台と電気的に接続される中間部材を備えることを特徴とする請求項4に記載のインバータ装置。
- 第1の基板表面にインバータ回路を含む第1の実装部品を実装する工程と、
リード線の一方の端子を前記第1の実装部品と接続する工程と、
前記第1の基板を反転させて冷却装置上に前記インバータ回路が載置するように前記第1の基板を固定する工程と、
前記第1の基板の裏面とその裏面が対向する位置に第2の実装部品が実装された第2の基板を固定する工程と、
を備えることを特徴とするインバータ装置の製造方法。
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