JP2014049516A - シャント抵抗器の冷却構造及びそれを用いたインバータ装置 - Google Patents

シャント抵抗器の冷却構造及びそれを用いたインバータ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】面実装型のシャント抵抗器を回路基板の半田面側に実装し、従来のインバータ装置で用いられる放熱器をシャント抵抗器の冷却に用いる。
【解決手段】回路基板7の部品面に実装される半導体スイッチング素子1と共に、回路基板7の半田面に面実装されたシャント抵抗器4と、半導体スイッチング素子1とシャント抵抗器4で発生する熱を放熱する放熱器9と、シャント抵抗器4と放熱器9の間に介在された高熱伝導率を有する絶縁材8を備えた。
【選択図】図2

Description

この発明は、回路基板に面実装されるシャント抵抗器の冷却構造を改良したシャント抵抗器の冷却構造及びそれを用いたインバータ装置に関するものである。
近年、省エネルギー化の流れからインバータを備えた電動機が増加している。これらのインバータ装置には、過電流によるインバータ破壊を防止する目的、あるいは電動機の位置センサレスベクトル制御を目的として、電源部の直流電流や電動機に流れる電流を検出する電流検出回路が設けられている。
上述の電流検出回路の構成として、一般的にはカレントセンサやシャント抵抗器で構成した電流検出回路が用いられるが、上記カレントセンサは物理的なサイズが大きいため、インバータ装置が大型化する課題がある。
一方、シャント抵抗器を用いた電流検出装置は、近年の技術進歩により、0.数ミリΩの超低抵抗値で基板に面実装可能な小型のシャント抵抗器が開発されており、小型の電流検出回路が構築できる利点を有している。
しかしながら、シャント抵抗器は電流値の2乗で発熱するため、インバータ装置の電流容量が大きくなると、シャント抵抗器での発熱が無視できないものとなり、その発熱が問題となる。
特に、面実装型の平板状シャント抵抗器では、発生した熱が主として基板を介して放熱されるため、インバータ装置の電流容量が大きくなると、上記シャント抵抗器で発生した熱の影響により、周囲の部品や基板温度を上昇させてしまう問題が発生する。
そこで、例えば図7に示すインバータ装置のように、回路基板7の半田面側に実装された半導体スイッチング素子1を冷却するために設けられたヒートシンク9との間に高熱伝導率を有する絶縁材8を介在させ、回路基板7の半田面側に実装されたシャント抵抗器4で発生する熱を、シャント抵抗器4のリード端子4b、回路パターン6、樹脂の回路基板7を経由して放熱する構成が考えられる。なお、符号4aはシャント抵抗器4の抵抗体を示している。
また、例えば特開2009−10082号公報(特許文献1)には、基板上に実装されたシャント抵抗器に対する上記以外の冷却方法として、シャント抵抗器が実装される基板とは反対側に放熱器を設けることで、シャント抵抗器で発生した熱を放熱器から放熱するようにした構成が提案されている。
特開2009−10082号公報
上述のように電流容量が大きなインバータ装置では、パワー素子やシャント抵抗器などの発熱部品からの熱を放熱させるために、図7に示すように回路基板7とヒートシンク9との間に高熱伝導率を有する絶縁材8を介在して、ヒートシンク9で構成された放熱器で冷却する構成が用いられる。しかし、上述のようなシャント抵抗器4の冷却手段を用いても、シャント抵抗器4で発生する発熱量が大きく、シャント抵抗器4の冷却が不十分となる場合には、さらなるシャント抵抗器4の冷却手段が必要となる。
また、特許文献1のような構成を用いればシャント抵抗器のさらなる冷却は可能となるが、半導体スイッチング素子を冷却する放熱器とは別に、シャント抵抗器の上面側にもシャント抵抗器を冷却する放熱器が必要となり、インバータ装置が大型化するという問題がある。
この発明は、上記問題を解決するものであり、面実装型のシャント抵抗器を回路基板の半田面側に実装し、従来のインバータ装置で用いられるヒートシンクなどの放熱器をシャント抵抗器の冷却に用いるシャント抵抗器の冷却構造及びそれを用いたインバータ装置を得ることを目的とするものである。
この発明に係るシャント抵抗器の冷却構造は、回路基板の部品面に実装される半導体スイッチング素子と共に、前記回路基板の半田面に面実装されたシャント抵抗器と、前記半導体スイッチング素子と前記シャント抵抗器で発生する熱を放熱する放熱器と、前記シャント抵抗器と前記放熱器の間に介在された高熱伝導率を有する絶縁材と、を備えたものである。
この発明によれば、シャント抵抗器はシャント抵抗器のリード端子から放熱される経路に加え、新たにシャント抵抗器の抵抗体から高熱伝導率を有する絶縁材を介在して直接放熱器に放熱される複数の冷却経路が構成でき、シャント抵抗器を冷却するための新たな放熱器が不要で、かつシャント抵抗器の冷却性能を高めることができる。
この発明の実施の形態1に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置の回路図である。 この発明の実施の形態1に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置を示す概略側面図である。 この発明の実施の形態1に係るシャント抵抗器の放熱経路を示す概略側面図である。 この発明の実施の形態2に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置を示す概略側面図である。 この発明の実施の形態3に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置の回路図である。 この発明の実施の形態3に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置を示す概略側面図である。 従来のシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置の概略側面図である。
以下、この発明に係るシャント抵抗器の冷却構造及びそれを用いたインバータ装置の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置の回路図の一例である。インバータ装置20は、例えばIGBTやMOSFETなどの半導体スイッチング素子1を複数有した三相インバータ装置であり、直流電源2からの直流電圧を半導体スイッチング素子1のスイッチング動作によって、三相交流電圧へ変換し、電動機3を駆動する回路構成となる。
また、インバータ装置20には、直流電源2の電流を検出するために、シャント抵抗器4を含む電流検出回路5が設けられている。シャント抵抗器4を流れる電流によって発生する、シャント抵抗器4の両端電圧を用いた電流検出回路5によって、シャント抵抗器4に流れている電流値が検出できるようになっている。
次に、実施の形態1に係るシャント抵抗4の冷却構造を図2に基づいて説明する。この図2は、上記インバータ装置20を示す概略断面図である。
図2に示すように、実施の形態1に係るインバータ装置20は、両面に配線パターン6が形成された樹脂製の回路基板7の部品面側に、半導体スイッチング素子1が実装されている。さらに半田面側には抵抗体4aとリード端子4bからなるシャント抵抗器4が面実装されている。また、回路基板7の半田面側には、高熱伝導率を有し、電気的に絶縁可能な絶縁材8を介在して、ヒートシンク9が設けられる。ヒートシンク9は、自然または強制的に風が送りこまれる空冷式の放熱器であり、半導体スイッチング素子1やシャント抵抗器4から発生する熱をヒートシンク9によって放熱する構成となっている。
ところで、図2においては、回路基板7に半導体スイッチング素子1とシャント抵抗器4が実装されているのみであるが、実際のインバータ装置20は、その他の回路部品も備えていることは勿論である。しかし、ここでは上記その他の回路部品は省略されている。
なお、高熱伝導率を有する絶縁材8は、0.1W/m・K以上の熱伝導率を有し、例えばグラファイトシート、熱伝導ゲル、シリコンゴムシート、シリコーングリスなどに代表されるものである。
次に、実施の形態1に係るシャント抵抗器4の冷却構造を用いることによる効果について図3に基づいて説明する。図3は、シャント抵抗器4の放熱経路を示す概略図である。
図3に示すように、シャント抵抗器4で発生する熱は、抵抗体4a、リード端子4b、配線パターン6、絶縁材8を介在してヒートシンク9に伝熱される伝熱経路Aと、抵抗体4aから絶縁材8を介在してヒートシンク9に伝熱される伝熱経路Bの、複数の伝熱経路で放熱が可能となる。従って、従来のインバータ装置の冷却に用いられる放熱用のヒートシンク9に加えてシャント抵抗器4を冷却するための新たな放熱器を設けずに、シャント抵抗器4の冷却性能を高めることができるようになる。
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係るシャント抵抗器の冷却構造およびそれを用いたインバータ装置について説明する。図4は、実施の形態2に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置を示す概略断面図である。なお、図4において、図2に示す実施の形態1の構成要素と同一または相当する部分には同一符号を付すことにより、その説明を省略する。
この実施の形態2は、インバータ装置30の放熱器が、水冷式放熱器10となっている点が実施の形態1と異なるのみで、その他の構成は実施の形態1と同様である。水冷式放熱器10は、アルミなどの金属で構成されたハウジング10aの内部に、クーラントなどの冷却媒体が流れる流路10bが構成されている。このような水冷式放熱器10を用いることにより、ヒートシンクを用いた空冷式の放熱器と比較して、さらなる放熱効果が見込まれ、よりシャント抵抗器4の温度上昇を抑制できる。また、放熱性能が向上するため、放熱器を小型化することが可能となり、インバータ装置40全体の小型化が可能となる。
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3に係るシャント抵抗器の冷却構造およびそれを用いたインバータ装置について図5と図6に基づいて説明する。
図5は、実施の形態3に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置40の回路図の一例である。なお、図5において、図1に示す実施の形態1における構成要素と同一または相当する部分には同一符号が付されている。インバータ装置40の動作は実施の形態1と同様であるが、実施の形態3は、直流電源1の電流を検出するためにシャント抵抗器4を並列接続し、電流検出回路5が設けられた構成が実施の形態1とは異なる。
シャント抵抗器4は一般的に定格電力が規定されており、定格電力以上で使用した場合には信頼性が低下する。電流容量が大きなインバータ装置40で、シャント抵抗器4が定格電力を超えてしまうような場合、実施の形態3の構成のようにシャント抵抗器4を並列接続することで、例えば同抵抗値のシャント抵抗器を2並列接続した場合、シャント抵抗器1個あたりに流れる電流は1/2となり、シャント抵抗器4を1つで構成した場合と比較すると、その発熱量(電力)を1/4にできる。
また、図6に示す実施の形態3に係るインバータ装置40の概略側面図からわかるように、実施の形態1同様に並列接続したシャント抵抗器4のどちら側もヒートシンク9までの伝熱経路を複数の伝熱経路で構成できるため、シャント抵抗器4の発熱量(電力)と温度上昇が抑制できる構成となる。
なお、実施の形態3では、シャント抵抗器4を2並列としているが、その並列数は上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、放熱器としてヒートシンク9が用いられているが、実施の形態2のように、水冷式放熱器10(図4参照)を用いれば、シャント抵抗器4およびインバータ装置40のさらなる冷却効果が見込める。
以上、この発明の実施の形態1から3について説明したが、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば、シャント抵抗器4は、抵抗体4aとリード端子4bを接合した面実装型のシャント抵抗器4に限らず、抵抗体4aとリード端子4bが1つの金属で構成された面実装型の金属シャント抵抗器であってもよい。
1 半導体スイッチング素子 2 電源
3 電動機 4 シャント抵抗器
4a 抵抗体 4b リード端子
5 電流検出回路 6 配線パターン
7 回路基板 8 絶縁材
9 ヒートシンク 10 水冷式放熱器
10a ハウジング 10b 流路
20、30、40 インバータ装置
そこで、例えば図7に示すインバータ装置のように、樹脂からなる回路基板7の部品面側に実装された半導体スイッチング素子1を冷却するために、回路基板7の部品面と反対側の半田面側に設けられたヒートシンク9との間に高熱伝導率を有する絶縁材8を介在させ、回路基板7の部品面側に実装されたシャント抵抗器4で発生する熱を、シャント抵抗器4のリード端子4b、回路パターン6、樹脂の回路基板7を経由して放熱する構成が考
えられる。なお、符号4aはシャント抵抗器4の抵抗体を示している。
また、例えば特開2009−10082号公報(特許文献1)には、基板上に実装されたシャント抵抗器に対する上記以外の冷却方法として、シャント抵抗器基板とは反対側に放熱器を設けることで、シャント抵抗器で発生した熱を放熱器から放熱するようにした構成が提案されている。
この発明に係るシャント抵抗器の冷却構造は、金属のリード端子と抵抗体を備えると共に、回路基板の半田面に面実装されたシャント抵抗器と、前記回路基板の半田面側に設けられ、前記シャント抵抗器で発生する熱を放熱する放熱器と、前記シャント抵抗器と前記放熱器の間に介在された高熱伝導率を有する絶縁材と、を備え、前記シャント抵抗器で発生する熱は、抵抗体からリード端子と絶縁材を介在して放熱器に伝熱される伝熱経路と、抵抗体から絶縁材を介在して放熱器に伝熱される伝熱経路で放熱されるものである。
図2に示すように、実施の形態1に係るインバータ装置20は、両面に配線パターン6が形成された樹脂製の回路基板7の部品面側に、半導体スイッチング素子1が実装されている。さらに回路基板7の部品面と反対側の半田面には抵抗体4aとリード端子4bからなるシャント抵抗器4が面実装されている。また、回路基板7の半田面側には、高熱伝導率を有し、電気的に絶縁可能な絶縁材8を介在して、ヒートシンク9が設けられる。ヒートシンク9は、自然または強制的に風が送りこまれる空冷式の放熱器であり、半導体スイッチング素子1やシャント抵抗器4から発生する熱をヒートシンク9によって放熱する構成となっている。
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3に係るシャント抵抗器の冷却構造およびそれを用いたインバータ装置について図5と図6に基づいて説明する。
図5は、実施の形態3に係るシャント抵抗器の冷却構造を用いたインバータ装置40の回路図の一例である。なお、図5において、図1に示す実施の形態1における構成要素と同一または相当する部分には同一符号が付されている。インバータ装置40の動作は実施の形態1と同様であるが、実施の形態3は、直流電源の電流を検出するためにシャント
抵抗器4を並列接続し、電流検出回路5が設けられた構成が実施の形態1とは異なる。
1 半導体スイッチング素子、2 直流電源、3 電動機、4 シャント抵抗器、4a 抵抗体、4b リード端子、5 電流検出回路、6 配線パターン、7 回路基板、8 絶縁材、9 ヒートシンク、10 水冷式放熱器、10a ハウジング、10b 流路、20、30、40 インバータ装置。

Claims (5)

  1. 回路基板の部品面に実装される半導体スイッチング素子と共に、前記回路基板の半田面に面実装されたシャント抵抗器と、
    前記半導体スイッチング素子と前記シャント抵抗器で発生する熱を放熱する放熱器と、
    前記シャント抵抗器と前記放熱器の間に介在された高熱伝導率を有する絶縁材と、
    を備えたことを特徴とするシャント抵抗器の冷却構造。
  2. 前記シャント抵抗器は、金属のリード端子と抵抗体を備え、前記回路基板に面実装されることを特徴とする請求項1に記載のシャント抵抗器の冷却構造。
  3. 前記リード端子と抵抗体は、同一の金属で構成されることを特徴とする請求項2に記載のシャント抵抗器の冷却構造。
  4. 前記高熱伝導率を有する絶縁材は、0.1W/m・K以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のシャント抵抗器の冷却構造。
  5. 前記請求項1乃至4の何れか一項に記載のシャント抵抗器の冷却構造を用いたことを特徴とするインバータ装置。
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