JP2011097824A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筐体内部に放熱されるパワー素子から発生した熱による温度上昇を防止する手段を提供するものである。
【解決手段】 放熱部及び冷却ファンを有する筐体において、放熱部に対して、所定値長くしたガイド部を筐体の一部に設ける。前記ガイド部によって行われる冷却ファンの強制空冷の際に、発熱の多い基板で熱せられた気体が発熱の比較的少ない基板の方へ流れ込んで、発熱の比較的少ない基板を温めないようにする。その為に、例えば、発熱の多い基板を発熱の比較的少ない基板よりも、冷却ファンに近い位置に配置する。若しくは、発熱の多い基板を発熱の比較的少ない基板よりも、前記吸気面に対し近い位置に配置する。前述のガイド部を筐体に設けることで、既にある冷却ファンによって、発熱の多い基板、発熱の比較的少ない基板等の放熱も可能となり、温度上昇を低減可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばモータ等に電力を供給する電力変換装置を提供する技術に関する。

電力変換装置では、電力変換を行っているＩＧＢＴやダイオード等を含むパワー素子半導体素子が、通常、多量の熱を発するために、フィンを有する放熱部にファンによる吸気、排気を用いた強制空冷による放熱を行っている。

しかしながら、前記ファン、放熱部で充分な放熱が出来ず、筐体内部の温度が上昇し、前記パワー素子半導体素子以外の素子の温度上昇を招くことがある。

特に、ＣＰＵ等の制御用の半導体素子は、正常な動作を保証する温度(以下、動作保証温度)がパワー素子半導体等に比較しても低く、高温になると、その耐久寿命を縮めたり、温度上昇に伴い熱暴走等で、正常な制御が出来なくなる場合もある。

一般的に、半導体素子は約１５０℃を超えると破壊されると言われており、前記ＣＰＵ等の半導体素子についても、効率良く放熱する工夫があり、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１では、電力用半導体装置を冷却する冷却ファンの冷却作用により、電力用半導体装置以外の低温使用品も冷却する技術を開示している。

特開平7-95771号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、電力用半導体装置やパワー素子半導体以外の低温使用品やＣＰＵ等も冷却ファンによって強制空冷するものの、装置全体が複雑な構成となるとともに、装置自体の大型化を招く構成となっている。例えば、電力用半導体装置と、低温使用品を仕切板を用いて、筐体内で別々に配置したり、各々を強制空冷する空気流通路を設ける為の空間を設けており、装置が大型となっている。

従って、本発明の課題は、装置の小型化も考慮しつつ、装置、筐体内部の放熱を行うことである。

本発明は、上記課題を以下のようにして、解決するものである。

ベースと、前記ベースを覆う筐体と、前記ベース上であって、前記ベースと前記筐体の間に配置されたパワー半導体素子と、前記ベースと前記筐体の間に配置された回路基板と、前記回路基板上であって、前記筐体と前記回路基板の間に配置されたＭＣＵ又はＣＰＵと、前記パワー半導体が配置されている面の裏面側に配置された高さが５０mmのフィンと、前記筐体に接続されているとともに、前記ベースと筐体により形成される空間の一端側から吸引された空気であって、前記パワー半導体素子を冷却した空気及び前記回路基板と前記筐体との間に形成される空間の一端側から吸引され、前記ＭＣＵ又はＣＰＵを冷却した空気を前記フィンの吸気面にガイドするガイド部と、前記フィンの吸気面と対向する側の排気面側であって、前記ベースの前記パワー半導体が配置された面の裏面に配置されたファンと、を備えるという構成をとる。

本発明によれば、装置内部に配置された電子部品、または放熱部の温度上昇の低減対策ついて、改善を図ることが出来る。また、装置の小型化を図ることも可能である。

本発明の実施例の概念図である。 本発明の実施例（側面図）である。 本発明の実施例（奥行き方向から見た図）である。 （ａ）高風量タイプ冷却ファンを用い、ガイド部の丈長さを変更させた場合のシミュレーションによる特性図である。 （ｂ）静穏化タイプ冷却ファンを用い、冷却フィンとガイド部の丈長さを変更させた場合のシミュレーションによる特性図である。 静穏化タイプ冷却ファンを用い、冷却フィンとガイド部との隙間距離を変更させた場合のシミュレーションによる特性図である。 静穏化タイプ冷却ファンを用い、冷却フィンとガイド部との隙間距離を変更させた場合の別のシミュレーションによる特性図である。 従来装置と本発明装置との実機比較表である。 本発明の別の実施例である。

図１に本発明による実施例の概念図であり、設備の壁等の取付け面に電力変換装置を取付けた状態で、側面から見た側面図を示している。また、図２は、製品にて実施した場合の実施例の側面図を示す。(但し、図２の左向きが実際に取付けられた場合の上方となる。)
図１において、電力変換装置は、放熱部４、冷却ファン５、封止材７、ＩＧＢＴやダイオード等パワー素子半導体８、金属基板９、装置のケース(筐体)１０、装置に内蔵された基板１１、放熱部４のベース２０、放熱部４の放熱に供するフィン２１、ＭＣＵ(Micro Controla Unitと称し、ＣＰＵの半導体チップ等を含む)等半導体２２を有している。一般的には、発熱の多い半導体素子、基板としては、前記パワー素子半導体８が相当し、発熱の比較的少ない半導体素子、基板は、前記ＭＣＵ(Micro Controla Unitと称し、ＣＰＵの半導体チップ等を含む)等半導体２２とされており、以下でも、それに基づいて説明する。

筐体１０には、パワー素子半導体８の上を通過して、パワー素子半導体８の熱を冷却するような空気の流れを発生させる様な空気の取り込みを可能とするガイド部１９がついている。

まず、放熱部４は、ベース２０、フィン２１にて構成される(図３にて、別の角度から見た構成図を示す)。ベース２０は、発熱体から熱の伝導を受ける部分であり、フィン２１は、ベース２０から熱伝導を受け、周囲雰囲気空気に熱伝達して放熱するものである。

次に、ＩＧＢＴやダイオード等パワー素子半導体８は、金属基板９の上に搭載され、一般的には、封止材（レジン材）７で、封止される。

前記電力変換装置では、ＩＧＢＴやダイオード等パワー素子半導体８において、変換ロスなどによって、発生した熱の大部分は、放熱部４のベース２０に熱伝導される。

放熱部４では図１に示す吸気面から吸気された周辺雰囲気中の空気等の気体を、排気面に設けられた冷却ファン５によって、周辺雰囲気中へ排気される。前記吸気された空気等の気体がフィン２１を通過する際に、放熱部４のフィン２１等に伝導されていた熱を、前記吸気された気体が奪い取り、周辺雰囲気中に排気することで、放熱部４の放熱が行われる。

一方、パワー素子半導体８等から、筐体内部に向かって発した熱は、図１に示すように筐体１０に設けられたガイド部１９によって、冷却ファン５により発生する風の一部を利用して、強制空冷されることになる。

本実施例では、図１に示すように同一の筐体内にパワー素子半導体８を含む基板とＭＣＵ等半導体２２を含む基板を配置することで、装置の小型化を図っている。

しかしながら、パワー素子半導体８は、相当量の熱を発するので、前記強制空冷の際に、パワー素子半導体８で熱せられた気体がＭＣＵ等半導体２２を含む基板に流れ込むと、温めることとなって、結果的に、ＭＣＵ等半導体２２の温度上昇を招くことなる。

従って、実装上で許される範囲で、パワー素子半導体８を含む基板をＭＣＵ等半導体２２を含む基板を離して配置する。そして、パワー素子半導体８を含む基板の位置をＭＣＵ等半導体２２を含む基板よりも、強制空冷の際の気体の流れとしては、所謂風下となるようにする。そのために、図１に示すように、パワー素子半導体８を含む基板をＭＣＵ等半導体２２を含む基板よりも、より放熱部４の吸気面に近い位置に配置するようにする。

この配置によって、パワー素子半導体８で熱せられた気体がＭＣＵ等半導体２２を含む基板に流れ込み、温度上昇させることを防止する。

なお、前記配置については、各々の基板位置に限定されるものでなく、基板上でも、パワー素子半導体８自体を吸気面により近い位置に配置するように工夫するものであっても良い。

次に、図３に放熱部４の製品での奥行き方向に見た図を示す。

図３に示すように放熱部４は、ベース２０とフィン２１を有しており、このフィン２１を吸気面から吸気された気体が通過する。

なお、後述する放熱部４の高さＨは、図３に示すようにフィン２１のベース２０への取付け位置迄の長さとする。

ここで、図１の実施例における放熱部とガイド部の重なる丈の長さについて、シミュレーションにより検証した結果について、図４に示す。図４には放熱部４上の温度、封止材７上の温度、ＭＣＵ２２(ＣＰＵの半導体チップ等を含む)上の温度を示す。なお、パワー素子半導体８は、封止材７によって、封止されるので、測定される温度も封止材７の温度となる。従って、以下では、パワー素子半導体８の温度に代わり、封止材７の温度にて説明する。

まず、図４(a)のシミュレーションの条件は、以下である。

(ア)周囲温度を３５℃
(イ)シミュレーション温度は、放熱部１４上の温度、封止材１６上の温度、ＭＣＵ２２上の温度とした。

(ウ)放熱部とガイド部の隙間の距離を１０ｍｍに一定とする。

(エ)放熱部とガイド部の重なる丈の長さを変化させてシミュレーション実施。

(オ)使用する冷却ファンは、一般的に高風量タイプと呼ばれるものである。

図４(a)において、縦軸は、放熱部、ＭＣＵおよび封止材の温度で、横軸が放熱部とガイド部の重なる丈の長さを示す。また、放熱部の高さは５０ｍｍである。

なお、前記(オ)で、高風量タイプのファンとは、産業用製品で用いられるものであり、冷却ファンの音が大きくともその音の大きさが問題とならない環境で使用されるタイプのものである。

また、図４(b)は、前記図４(a)と同様のシミュレーションにおいて、条件(オ)での使用する冷却ファンを一般的に静穏化タイプと呼ばれるものとした。

静穏化タイプとは、オフィスや家庭などで使用される製品で用いられるもので、冷却ファンの音が大きい場合には、人の聴覚上、不快を伴うなどの問題が生じるため、静穏化が必要とされる場合に用いられるタイプのものである。

図４(a)(b)からは、ガイド部が設けられるだけで、封止材上の温度が下がることがわかり、さらに、放熱部とガイド部の重なりの丈の長さが放熱部の長さと、ほぼ同じ長さになるまで、封止材上の温度は下がることを示している。しかしながら、ガイド部の丈が放熱部の長さよりも長くなると、封止材、放熱部、ＭＣＵの何れの温度も上昇している。このことから、ガイド部の丈は、放熱部の長さよりも長くすることは温度上昇には、効果の無いことが判る。

従って、これらの結果から、封止材上の温度上昇を低減するには、ガイド部の重なりの丈の長さを、先ず、放熱部の長さと、ほぼ同じ長さ迄とすべきであることが判る。従って、放熱部の高さに対し、ガイド部の丈の長さＫは、以下の式１に示されるものとなる。

Ｋ ≦ Ｈ (式１)
Ｈ：放熱部が有するフィンの高さ(フィン２１のベース２０への取付け位置迄の長さ：図３参照)
なお、図４(a)(b)の「開放」との記載は、ガイド部を設けないことを意味するものである。

ところで、前述の様に、半導体素子は約１５０℃を超えると、一般的に破壊されると言われている。このことから、放熱部に搭載される半導体の温度が１５０℃を超えないようにするには、使用される環境の温度や、条件を考慮すべきであるが、放熱部の温度は、１００℃を超えないようにすることが、好ましいといえる。

このことから、放熱部の温度が１００℃を超えないようにするには、図４(b)から、ガイド部の丈を３０ｍｍ以下とする必要があることが判る。これを一般的にすると、以下の式２に示されるものとなる。

Ｋ ≦ (3/5)＊Ｈ (式２)
そして、従来の装置では、風の流れの下流側にあたる部分に配置された基板の上のＭＣＵも、自然対流により流れる風と逆方向に風が流れることにより、封止材上より放熱される熱の影響を受けないために、温度上昇は、封止材上と同じように放熱部とガイド部の丈の長さが冷却フィンの長さと、ほぼ同じ長さになるまで、ＭＣＵの温度は下がることを示している。

次に、図５、図６に別のシミュレーション結果を示す。図５、図６のシミュレーションでは、図４から、以下のように、シミュレーション条件を変更している。それ以外は、図４と同様である。

(ウ)放熱部とガイド部の隙間の距離を変化させてシミュレーション実施。

(エ)放熱部とガイド部の重なる丈の長さを１５ｍｍに一定とする。

(オ)使用する冷却ファンは、一般的に静穏化タイプと呼ばれるものである。

図５、図６において、縦軸は、放熱部、ＭＣＵおよび封止材の温度で、横軸が放熱部とガイド部との隙間距離を示す。

図５からは、放熱部とガイド部の間に隙間が設けられるだけで、封止材上やＭＣＵの温度が下がることがわかり、５〜１０ｍｍ以上になると、封止材上やＭＣＵの温度上昇の低減効果は、大きく変わらないことがわかる。

さらには、放熱部とガイド部の隙間の大きさが変っても、放熱部には、変化が少なく、ガイド部を設けることによっても、放熱部の放熱効果の低下が起きないことがわかる。

ファンによる放熱部の本来の放熱機能を保ち、また、発熱の多い基板、発熱の比較的少ない基板等の放熱の効果を得られるようにする一方で、装置の大型化を回避する点で、ガイド部の重複する部分の面積を制限する。また、隙間も無制限に大きくするのではなく、１０ｍｍ程度とすることが好ましいと言える。

一方、図６を参照すると、放熱部とガイド部との間の隙間は、約２ｍｍの値から放熱効果が生じていることがわかる。従って、放熱部とガイド部との間の隙間は、少なくとも約２ｍｍ以上とすることが必要であると言える。

さらに、図７に従来の装置と本実施例を基にした装置の実測比較を示す。本実施例のガイド部の丈を１０ｍｍ、ガイド部との距離を１０ｍｍとして実測を行った。この結果より、放熱部の温度上昇を抑えながら、封止材は、従来比―９.５℃、ＭＣＵは、―１４.９℃の温度上昇の低減を行っていることを確認した。ＭＣＵには、ＣＰＵ等の比較的に動作保証温度の低い半導体素子などが搭載されているので、前記温度上昇の低減は、装置の安定な制御等に寄与出来るものとなる。

このようにＭＣＵの温度上昇が大幅に低減されているのは、ガイド部を設けたことで、以下の働きが得られたものと考えられる。
(ア)熱源となる封止材の強制空冷によって、封止材の温度上昇が低減された。
(イ)封止材で温まった気体がＭＣＵに向わなくなった。
(ウ)ＭＣＵの強制空冷も行われ、ＭＣＵの温度上昇が低減された。

これらの効果をガイド部を設けるだけで、前記実施例は達成している。

図８に、他の実施例を示す。

図８は、図２と同様の実施例であり、異なるのは、ガイド部１９に斜部２３を設け、封止材、ＭＣＵ等半導体からの気体が吸気面に流れ易くしたものである。従って、斜部２３を流体の流れ等に基づき、より流れ易くするように曲面とするものであってもよい。

上記実施例のように、適当な放熱部とガイド部の重なり量や距離を持たせることにより、筐体の大きさが最適化され、かつ他に冷却を促進するための機器を取付けなくとも、筐体内部の温度上昇を防ぐことが出来る。

従って、特に小型の装置のように、他に冷却ファンを配置できない装置に好適であり、有用な温度上昇の低減効果を得ることが可能である。

なお、前記実施例では、電力変換装置の実施例の基づき説明を行った。しかしながら、これらに限定されるものではない。例えば、動作することによって、発する熱が小さい半導体素子、モジュール、基板等と、比較して、発する熱が大きい半導体素子、モジュール、基板等とを有する装置を実装する際に有用なものである。

この場合、本発明の実施例によれば、発する熱が小さい半導体素子、モジュール、基板等を第１の基板に実装し、一方、発する熱が大きい半導体素子、モジュール、基板等を第２の基板に実装するようにする。そして、第２の基板とは、第１の基板から、所定の長さだけ離した位置に固定する。こうすることで、発する熱の大きい半導体素子等からの熱の伝導を遮断出来るようにする。

次に第２の基板をフィンを有する放熱部に固定し、この放熱部にファンを用いた強制空冷によって、第２の基板から発する熱を放熱させる。

さらに、前記第１の基板、第２の基板の周辺の気体を前記放熱部の吸気面に向わせる気体の流れを作るようなガイド部を筐体に設ける。このガイド部よって、ファンが動作すると、前記第１の基板、第２の基板も強制空冷することが可能となる。その結果、ファンを新たに設けることなく、前記第１の基板、第２の基板、筐体内部の温度上昇を低減出来ることとなる。なお、前記第２の基板を第１の基板の基板よりも強制空冷時に、風下となるように配置する。

半導体の動作保証温度が比較的低い半導体や、ＣＰＵ等の制御素子を前記第１の基板に搭載することで、より温度上昇の低減効果を得ることが可能となる。

１…ダイオード３相ブリッジ回路、２…電流平滑用コンデンサ、３…インバータ回路（ＩＧＢＴ）、４…放熱部、５…冷却ファン、７…封止材（レジン材）、８…パワー半導体素子、９…金属基板、１０…装置ケース(筐体)、１１…装置内に内蔵された基板、１９…ガイド部。２０…ベース、２１…フィン、２２…ＭＣＵ

Claims (2)

1. ベースと、
   前記ベースを覆う筐体と、
   前記ベース上であって、前記ベースと前記筐体の間に配置されたパワー半導体素子と、
   前記ベースと前記筐体の間に配置された回路基板と、
   前記回路基板上であって、前記筐体と前記回路基板の間に配置されたＭＣＵ又はＣＰＵと、
   前記パワー半導体が配置されている面の裏面側に配置された高さが５０mmのフィンと、
   前記筐体に接続されているとともに、
   前記ベースと筐体により形成される空間の一端側から吸引された空気であって、前記パワー半導体素子を冷却した空気及び
   前記回路基板と前記筐体との間に形成される空間の一端側から吸引され、前記ＭＣＵ又はＣＰＵを冷却した空気を前記フィンの吸気面にガイドするガイド部と、
   前記フィンの吸気面と対向する側の排気面側であって、前記ベースの前記パワー半導体が配置された面の裏面に配置されたファンと、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記ガイド部と前記フィンの吸気面との隙間の大きさは、２ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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