JP2012227345A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の冷却器を用いずに、安価に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。
【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とを備える電力変換装置１００であって、少なくとも一部が冷却器１０１と放熱体１０５の端部に接し、放熱体１０５の端部に、冷却器１０１の主面１０３と平行な方向に付勢力Ｆｂを付与する接続部材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し、放熱体の端部に、冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続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、冷却器と、冷却器の主面に並べられる複数の半導体と、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それぞれの半導体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、カバー部材とそれぞれの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し、放熱体のそれぞれの端部に、冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続部材とを更に備え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の実施形態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の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体の斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の平面図である。 図１の点線内Ｘを拡大した図である。 本発明の第１の実施形態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の実施形態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の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の平面図である。

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、放熱体接続部材１１０から成る。

冷却器１０１は、内部に列状に等間隔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２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へと伝達し冷却器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。

放熱体接続部材１１０は図３（ａ）及び図４に表されているように角錐台のような形状を有し、放熱体接続部材１１０の底面に対して略垂直に交わる平面で２分割され、放熱体部１１３（ａ）及び１１４（ａ）と、それらを結合する弾性体部１１５とから構成される。そして、一方の放熱体部１１３（ａ）が冷却器１０１の主面１０３に半田付け等によって固定され、他方の放熱体部１１４（ａ）は図３（ａ）及び図４（ａ）に表されている矢印Ａの方向（放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５が付勢力Ｆｂを付与する方向）にのみ平行移動可能となるよう冷却器１０１の主面１０３に配置される。

このような構成により、放熱体１０５が所定の位置に配置された場合には、図５に表されているように放熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ａ）に形成された斜面１１２が放熱体１０５の脚部１０７を介してバネ部材１０９の付勢力Ｆａを受け、熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ａ）が図３（ａ）及び図４（ａ）に表されている位置から図３（ｂ）及び図４（ｂ）に表されている位置へと平行移動する。

つまり、放熱体１０５を所定位置に配置することで、放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５は収縮するため放熱体接続部材１１０は図５の状態で冷却器１０１の主面１０３に固定される。その間、放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５は図３（ｂ）及び図４（ｂ）に表されているように、冷却器１０１の主面１０３と平行する方向に伸張しようと付勢力Ｆｂを発生させる。この放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５の付勢力Ｆｂによって、放熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ａ）が放熱体１０５の脚部１０７に押圧される。従って、放熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ａ）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から放熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ａ）への熱伝達性を高く保つことが出来る。また、冷却器１０１と放熱体１０５との間に放熱体接続部材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。尚、放熱体部１１３（ａ）及び１１４（ａ）の間に隙間が生じているのは、各部品の寸法のばらつきを吸収するためである。

次に、図６を用いて、半導体１０４の熱がどのような経路で冷却器１０１まで伝達されるかを説明する。図６（ａ）は第１の経路を、図６（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に伝達する経路である。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へと伝達し、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と放熱体接続部１１０とを介して冷却器１０１へと伝達する経路である。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に伝達する。そして、放熱体１０５の平面部１０６より脚部１０７へ、そして放熱体接続部材１１０へと伝達し、放熱体接続部材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と放熱体接続部材１１０とは、バネ部材１０９の付勢力Ｆａと、放熱体１０５の弾性体部１１５の付勢力Ｆｂ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７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の間に放熱体接続部材１１０を設けることが望ましい。１つの放熱体接続部材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に実装される放熱体接続部材１１０の数を減らすことが出来る。また、１つの放熱体接続部材１１０に２つの放熱体１０５が接することで、バネ部材１０９より放熱体接続部材１１０に付与される付勢力Ｆａが増加するので、放熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ａ）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。この場合、２つの放熱体１０５に接する放熱体接続部材１１０は、冷却器１０１の主面１０３に半田付けされることなく実装されることとなるが、上記の通り２つの放熱体１０５の脚部１０７よりバネ部材１０９の付勢力Ｆａを付与されるので、位置ずれを起こすことなく実装される。
（第２の実施例）
次に、図８及び図９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、放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５が放熱体１０５の脚部１０７に対して付与する付勢力の向きと、放熱体接続部材１１０を２分割する場合に用いられる平面とが第１の実施例に係る電力変換装置１００と異なる。

図８（ａ）及び図９（ａ）は、電力変換装置１００の冷却器１０１の主面１０３に実装される放熱体接続部材１１０の形状を表している。放熱体接続部材１１０は、底面に対して略垂直に交わり、かつ半導体１０４や放熱体１０５などが冷却器１０１に積層される方向と斜行する平面で２分割された形状を有し、放熱体１１３（ｂ）及び１１４（ｂ）と、弾性体部１１５とから成る。第１の実施例の場合は、電力変換装置１００に実装される放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５が、図３（ａ）及び図４（ａ）に表されている矢印Ａの方向（半導体１０４や放熱体１０５等が積層される方向と垂直に交わる方向）に付勢力Ｆｂを付与するように放熱体接続部材１１０に設けられるのに対し、本実施例の電力変換装置１００に実装される放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５は、図８（ｂ）及び図９（ｂ）に表されているように、矢印Ｂの方向（放熱体接続部材１１０を分割した平面に沿う方向）に付勢力Ｆｂを付与するよう放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５が設けられる。

従って、放熱体１０５が所定位置に配置された場合には、放熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ｂ）に形成された斜面１１２が放熱体１０５の脚部１０７を介してバネ部材１０９の付勢力Ｆａを受け、放熱体接続部材１１０の放熱体部１１４（ｂ）が図８（ａ）及び図９（ａ）に表されている位置から図８（ｂ）及び図９（ｂ）に表されている位置へと、放熱体接続部材１１０を分割した平面に沿う方向に移動する。

このような構成とすることによって、放熱体接続部材１１０の弾性体部１１５から放熱体１０５に掛かる応力により、半導体１０４と放熱体１０５とが離間する方向（バネ部材１０９の付勢力Ｆａを付与する方向と逆の方向）に放熱体１０５が変形することを防止することが出来る。また、各部品の寸法のばらつきを吸収するために設けていた放熱体部１１３（ａ）及び１１４（ａ）間の隙間が不要となるので、放熱体接続部材１１０の熱伝導性をより高くすることが出来る。

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の端部に接し、放熱体１０５の端部に、冷却器１０１の主面１０３と平行な方向に付勢力Ｆｂを付与する放熱体接続部材１１０とを更に備えるので、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は、冷却器１０１と、冷却器１０１の主面１０３に並べられる複数の半導体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を覆うようにそれぞれの半導体１０４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とそれぞれ放熱体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の端部に接し、放熱体１０５のそれぞれの端部に、冷却器１０１の主面１０３と平行な方向に付勢力Ｆｂを付与する放熱体接続部材１１０とを更に備えるので、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。

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：放熱体接続部材、１１２：斜面、１１３，１１４：放熱体部、１１５：弾性体部

Claims (2)

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と接し、前記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、
   前記冷却器の主面側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し、前記放熱体と前記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、
   少なくとも一部が前記冷却器と前記放熱体の端部とに接し、前記放熱体の端部に、前記冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続部材とを更に備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 冷却器と、
   前記冷却器の主面に並べられる複数の半導体と、
   前記半導体が前記冷却器と接する面と対向する面と接し、前記半導体を覆うようにそれぞれの前記半導体に設けられる断面がコの字型の放熱体と、
   前記冷却器の主面側を覆うように設けられる前記冷却器のカバー部材と、
   前記カバー部材とそれぞれ前記放熱体との間に介在し、前記放熱体と前記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、
   少なくとも一部が前記冷却器と前記放熱体のそれぞれの端部とに接し、前記放熱体のそれぞれの端部に、前記冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続部材とを更に備えることを特徴とする電力変換装置。