JP2012227344A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で冷却性能を確保出来る電力変換装置を提供することである。
【解決手段】冷却器１０１と、冷却器１０１の主面１０３に並べられる半導体１０４と、半導体１０４が冷却器１０１と接する面と対向する面に接し、半導体１０４を覆うように設けられる断面がコの字型の放熱体１０５と、冷却器１０１の主面側１０３を覆うように設けられる冷却器１０１のカバー部材１０８と、カバー部材１０８と放熱体１０５との間に介在し、放熱体１０５と半導体１０４とを接触させる方向に付勢力Ｆａを付与するバネ部材１０９とを備え、少なくとも一部が冷却器１０１と放熱体１０５との端部とに接する弾性部材１１０とを更に備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に係り、複数の冷却器を用いずに高い冷却性能を確保するための技術に関するものである。

近年、ハイブリッド車や電気自動車には車両の駆動用に高出力の交流モータが搭載されている。高出力の交流モータを駆動するには、大電力が必要となるため、車載電源より供給される直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給する電力変換装置にも大電力が流れる。電力変換装置に大電力が流れると、電力変換装置に設けられた半導体の発熱量が大きくなり、半導体が高温になってしまうという課題があった。

そこで、電力変換装置に設けられた半導体を効率良く冷却するために、半導体と、半導体を冷却するための冷却器とを交互に積層するように配置した電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この電力変換装置は、半導体を複数の冷却器を用いて冷却するので、半導体を効率良く冷却することを可能としている。

また、電力変換装置に設けられた半導体を簡素な構造で冷却するために、半導体を冷却するための冷却器の平面上に半導体を配置し、さらに半導体を覆うように放熱体を設けて冷却器に固定する電力変換装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

この電力変換装置は、半導体を冷却器と放熱体とをそれぞれ用いて冷却するため、上記電力変換装置と比較的簡素な構造で半導体を冷却することを可能としている。

特開２００６−１５７０４２号公報 特開２００９−１５２５０５号公報

上記の特許文献１に開示された電力変換装置のように半導体と冷却器とを交互に積層し、複数の冷却器を用いて半導体を冷却するようにすれば優れた冷却性能を確保出来る。しかしながら、半導体を冷却するために複数の冷却器が必要となるため、簡素な構造とするのは困難であった。

また、上記の特許文献２に開示された電力変換装置のように冷却器の平面上に半導体を配置し、さらに半導体を覆うように放熱体を配置すれば簡素な構造で半導体を冷却することが出来る。しかし、設計誤差や振動等が原因で放熱体と冷却器の間に隙間が生じると、半導体の熱を効率良く冷却器へ伝達することが出来ないため、高い冷却性能を確保することは困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的は、複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で高い冷却性能を確保出来る電力変換装置を提供することである。

第１の発明に係る電力変換装置は、冷却器と、冷却器の主面に並べられる半導体と、半導体が冷却器と接する面と対向する面に接し、半導体を覆うように設けられる断面がコの字型の放熱体と、冷却器の主面側を覆うように設けられる冷却器のカバー部材と、カバー部材と放熱体との間に介在し、放熱体と半導体とを接触させる方向に付勢力を付与するバネ部材とを備える電力変換装置であって、少なくとも一部が冷却器と放熱体の端部とに接する弾性部材とを更に備えることを特徴とする。

第２の発明に係る電力変換装置は、第１の発明の構成に加え、弾性部材は放熱体の端部と接し、バネ部材の付勢力を放熱体の端部を介して受けることを特徴とする。

第３の発明に係る電力変換装置は、第２の発明の構成に加え、弾性部材は半導体を覆うようなコの字型の形状を有し、半導体と放熱体との間に介在するよう放熱体に設けられた凹部に挟合されることを特徴とする。

第４の発明に係る電力変換装置は、第３の発明の構成に加え、半導体と、弾性部材を有する放熱体とは、冷却器の主面に複数並べられることを特徴とする。

本発明によれば、複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で冷却性能を確保できる電力変換装置を提供することが出来る。

本発明の第１の実施例に係る電力変換装置の構造を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る電力変換装置に実装される弾性部材の斜視図、及び電力変換装置に実装された弾性部材の拡大図である。 本発明の第１の実施例に係る電力変換装置の冷却経路を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る電力変換装置に複数の半導体を並列に並べた構造を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る電力変換装置の構造を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る電力変換装置に実装される弾性部材の斜視図である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例に係る電力変換装置１００の構造を示す図である。電力変換装置１００は、冷却器１０１と、半導体１０４と、放熱体１０５と、カバー部材１０８と、バネ部材１０９と、弾性部材１１０から成る。

冷却器１０１は、内部に列状に配置された図示しない冷却フィンを有し、隣り合う冷却フィン間に冷媒流路１０２を形成する。冷却器１０１を構成する部材としては高熱伝導性を有したアルミ等を適用することが望ましい。また、冷媒としては液体及び気体のいずれを用いても良い。

半導体１０４は電力変換回路を構成する電子部品であって、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が用いられる。半導体１０４は高熱伝導性を有した図示しないグリス等を介して冷却器１０１の主面１０３に実装され、半田付けによって接続される。尚、車載用の電力変換装置には多くの半導体が搭載されているが、本明細書では説明を簡略化するために一部のみを図示している。

放熱体１０５は、図１に表されているように断面がコの字の形状をしており、半導体１０４が冷却器１０１と接している面と対向する面と接する平面部１０６と、放熱体１０５の平面部１０６の両端より冷却器１０１の方向へ向け略垂直に伸びる脚部１０７から成り、高熱伝導性を有した図示しないグリス等を介して半導体１０４に実装される。上記の通り、半導体１０４に大電力が流れると半導体１０４は発熱するので、半導体１０４の熱は放熱体１０５へと伝導し下記する弾性部材１１０を介して冷却器１０１へ放熱される。尚、放熱体１０５を構成する部材としては、高熱伝導性を有したアルミ等を適用することが望ましい。

カバー部材１０８は、半導体１０４や放熱体１０５等の冷却器１０１に実装される部品を保護するために、冷却器１０１の主面１０３を覆うように設けられ、ボルト１１１等によって冷却器１０１に固定される。尚、カバー部材１０８を構成する部材としては、高熱伝導性と高い剛性とを有したアルミ等を適用することが望ましい。

バネ部材１０９は、カバー部材１０８と、放熱体１０５の間に介在して設けられる。バネ部材１０９は、冷却器１０１の主面１０３に実装される半導体１０４や放熱体１０５を冷却器１０１の主面１０３に固定するために、図１に表されているように放熱体１０５が半導体１０４に接する面と対向する面に付勢力Ｆａを付与する。尚、この付勢力Ｆａは、バネ部材１０９のバネ定数を変更することで調整することが出来る。また、バネ部材１０９は一体的にカバー１０８に形成されても良い。

弾性部材１１０は図２（ａ）に表されているように、外部からの応力により弾性変形すると共に高熱伝導性を有する部材、例えば高吸収性ポリマーをラミネートフィルム等で略三角柱状に包装ものであり、図示しない接着部材を用いて冷却器１０１の主面１０３に配置される。そして、放熱体１０５を所定位置に配置することにより弾性部材１１０は図２（ｂ）に表されているようにバネ部材１０９の付勢力Ｆａを放熱体１０５の脚部１０７を介して受け、弾性変形しつつ放熱体１０５の脚部１０７と密着固定される。

このような構成により、放熱体１０５を所定位置に配置することで、弾性部材１１０はバネ部材１０９より付勢力Ｆａを受け冷却器１０１の主面１０３に固定される。その間、弾性部材１１０は放熱体１０５の脚部１０７に対して弾性力を発生させる。この弾性部材１１０の弾性力によって、弾性部材１１０が放熱体１０５の脚部１０７に押圧される。従って、弾性部材１１０と、放熱体１０５の脚部１０７との接圧を確保出来るため、放熱体１０５の脚部１０７から弾性部材１１０への熱伝導性を高く保つことが出来る。また、冷却器１０１と放熱体１０５との間に弾性部材１１０が介在しているので、設計誤差や振動によって生じる隙間を最小限に抑えることが出来、高い冷却性能を確保することが出来る。

次に、図３を用いて、半導体１０４の熱がどのような経路で冷却器１０１まで伝導されるかを説明する。図３（ａ）は第１の経路を、図３（ｂ）は第２の経路を表している。

第１の経路は、半導体１０４の熱が直接冷却器１０１に伝導する経路である。冷却器１０１は、高伝導性を有するアルミ等によって形成されるため、半導体１０４からの熱が効率よく冷却器１０１へと伝導し、半導体１０４を冷却することが可能である。

第２の経路は、半導体１０４の熱が放熱体１０５と弾性部材１１０とを介して冷却器１０１へと伝導する経路である。まず、半導体１０４の熱は、半導体１０４が冷却器１０１と接する面と対向する面に設けられた放熱体１０５の平面部１０６に伝導する。そして、放熱体１０５の平面部１０６より脚部１０７へ、そして弾性部材１１０へと伝導し、弾性部材１１０より冷却器１０１へと放熱される。上記したように、放熱体１０５の脚部１０７と弾性部材１１０とは、バネ部材１０９の付勢力Ｆａと、弾性部材１１０の弾性力とによって接圧されているので、高い熱伝導性を確保することが出来る。

尚、図４のように冷却器１０１の上に平面状に複数の半導体１０４を実装する場合は、半導体１０４それぞれに放熱体１０５とバネ部材１０９とを設け、それぞれの放熱体１０５の間に弾性部材１１０を設けることが望ましい。１つの弾性部材１１０に２つの放熱体１０５が接するように配置することで冷却器１０１に実装される弾性部材１１０の数を減らすことが出来る。また、１つの弾性部材１１０に２つの放熱体１０５が接することで、バネ部材１０９より弾性部材に付与される付勢力Ｆａが増加するので、弾性部材１１０のと、放熱体１０５の脚部１０７との接圧をより大きくすることが出来、高い熱伝導性を確保することが出来る。
（第２の実施例）
次に、図５及び図６を用いて、本発明の第２の実施例に係る電力変換装置１００の構造を説明する。第２の実施例に係る電力変換装置１００は、弾性部材１１２の形状及び配置方法が第１の実施例に係る電力変換装置１００と異なる。

図５は第２の実施例に係る電力変換装置１００の構造を示しており、また図６は第２の実施例に係る電力変換装置１００に実装された続部材１１２の斜視図である。図５及び図６に表されているように、第２の実施例に係る弾性部材１１２は放熱体１０５と同じように断面がコの字の形状に変形しており、半導体１０４と放熱体１０５との間に半導体１０４を覆うように介在するよう配置され、半導体１０４と接する放熱体１０５の平面部１０６に設けられる凹部１１３に挟合されることによって放熱体１０５に保持される点が第１の実施例で開示された弾性部材１１０とは異なる。しかしながら、図５に示すように放熱体１０５を所定位置に配置することで、バネ部材１０９の付勢力Ｆａを放熱体１０５を介して受け、弾性変形し冷却器１０１と放熱体１０５とを密着固定する点では共通する。このような構成により、冷却器１０１と放熱体１０５との間の密着性を向上することが可能であり、半導体１０４の冷却性能を向上させることが可能となる。

また、図は省略するが弾性部材１１２を有する放熱体１０５と半導体１０４とを図４に表されているように冷却器１０１に平面状に複数個実装することも可能である。この場合であっても、やはりバネ部材１０９はそれぞれの放熱体１０５に設けられることが望ましい。

以上のように、本発明に係る電力変換装置１００は、冷却器１０１と、冷却器１０１の主面１０３に並べられる半導体１０４と、半導体１０４が冷却器１０１と接する面と対向する面に接し、半導体１０４を覆うように設けられる断面がコの字型の放熱体１０５と、冷却器１０１の主面側１０３を覆うように設けられる冷却器１０１のカバー部材１０８と、カバー部材１０８と放熱体１０５との間に介在し、放熱体１０５と半導体１０４とを接触させる方向に付勢力Ｆａを付与するバネ部材１０９とを備え、少なくとも一部が冷却器１０１と放熱体１０５の端部に接する弾性部材１１０とを更に備えるので、電力変換装置において複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で高い冷却性能を確保することが出来る。

また、本発明に係る電力変換装置１００によれば、弾性部材１１０は、バネ部材１０９の付勢力Ｆａを放熱体１０５の脚部１０７を介して受けるので、弾性部材１１０の弾性力によって弾性部材１１０と放熱体１０５の脚部との接圧を確保することが出来、放熱体１０５の脚部１０７から弾性部材１１０への熱伝導性を高く保つことが出来る。

また、本発明に係る電力変換装置１００によれば、弾性部材１１２は半導体１０４を覆うようなコの字型の形状に変形し、半導体１０４と放熱体１０５との間に介在するよう放熱体１０５に設けられた凹部１１３に挟合されるので、冷却器１０１と放熱体１０５との間の密着性を更に向上させることが出来る。

また、本発明に係る電力変換装置１００によれば、半導体１０４と、弾性部材１１２を有する放熱体１０５とは、冷却器１０１の主面１０３に複数並べることが出来るので、半導体１０４が増え電力変換装置１００の発熱量が増えても、簡素な構造で高い冷却性能を確保することが出来る。

１００：電力変換装置、１０１：冷却器、１０４：半導体、１０５：放熱体、１０７：脚部、１０９：バネ部材、１１０、１１２：弾性部材

Claims (4)

1. 冷却器と、
   前記冷却器の主面に並べられる半導体と、
   前記半導体が前記冷却器と接する面と対向する面に接し、前記半導体を覆うように設けられるコの字型の放熱体と、
   前記冷却器を覆うように設けられる前記冷却器のカバー部材と、
   前記カバー部材と前記放熱体との間に介在するバネ部材とを備える電力変換装置であって、
   少なくとも一部が前記冷却器と前記放熱体の端部とに接する弾性部材とを更に備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記弾性部材は、前記バネ部材の付勢力を前記放熱体の端部を介して受けることを特徴とする。
3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記弾性部材は前記半導体を覆うようなコの字型の形状を有し、前記半導体と前記放熱体との間に介在するよう前記放熱体に設けられた凹部に挟合されることを特徴とする。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記半導体と、前記弾性部材を有する前記放熱体とは、前記冷却器の主面に複数並べられることを特徴とする。