JP2015006018A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置本体の主体部をなすＳiＣ半導体の高温動作に伴う熱から、ＳiＣ半導体に近接して配置される直流リンクコンデンサ等の回路部品への熱的影響を軽減した簡易な構成の電力変換装置を提供する。
【解決手段】ＳiＣ半導体からなるスイッチング素子と、このスイッチング素子に近接配置されて該スイッチング素子と共に電力変換装置本体を構築する回路部品との間に、前記スイッチング素子からの輻射熱の前記回路部品への伝達を遮蔽する遮蔽体を設ける。この遮蔽体は、前記スイッチング素子からの輻射熱を吸収して該遮蔽体の全体に分散させ、吸収した熱を前記電力変換装置本体が収容された筐体に伝達すると共に該遮蔽体に設けられた放熱フィンを介して放出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置本体の主体部を構成するＳiＣ半導体等からなるスイッチング素子と、このスイッチング素子の周辺回路を形成して前記電力変換装置本体を構築する直流リンクコンデンサ等の回路部品とを近接配置して構成される電力変換装置に関する。

近時、Ｓi半導体よりも低損失で高温動作可能なＳiＣ（シリコンカーバイト）半導体からなるスイッチング素子を用いて、小型で高効率なインバータやコンバータ等の電力変換装置を構築することが種々試みられている。ちなみに前記Ｓi半導体の動作可能温度は略１５０℃であるのに比較して前記ＳiＣ半導体の動作可能温度は略３００℃である。従って周囲温度を５０℃としたときの前記ＳiＣ半導体の上昇許容温度は、前記Ｓi半導体の上昇許容温度の略２.５倍となる。これ故、例えば半導体素子の熱損失が同じである場合、ＳiＣ半導体からなるスイッチング素子を冷却する為の放熱器の体積を、Ｓi半導体からなるスイッチング素子を冷却する場合の略１／２以下にすることができ、電力変換装置の小型化に大きく寄与する。

一方、この種のＳiＣ半導体からなるスイッチング素子を用いて電力変換装置を構成する場合、該スイッチング素子をオン・オフ駆動する電子回路部品を搭載した回路基板を前記スイッチング素子が発生する高温の熱から保護することが必要である。このような熱対策として、例えば特許文献１には、前記回路基板の前記スイッチング素子に接続される配線パターンを大きくしてその放熱面積を拡げることが開示される。また特許文献１には、更に前記スイッチング素子を収納したパッケージと、電子回路部品を搭載した前記回路基板との間に遮熱板を設けることで前記パッケージから前記回路基板への熱放射を抑えることが開示される。

特開２０１２−９９８５５号公報

ところで従来一般的なＳi半導体からなるスイッチング素子を用いた電力変換装置は、例えば図３に概略構成を示すように電力変換装置本体の主体部をなす複数のスイッチング素子１をブロック状の放熱体２の一面に装着すると共に、前記電力変換装置本体の入出力部に設けられるブロック状の直流リンクコンデンサ３を前記スイッチング素子１に近接させて配置して構成される。そして前記スイッチング素子１および前記直流リンクコンデンサ３、並びに前記スイッチング素子１をオン・オフ駆動する制御回路基板（図示せず）を一括して覆う筐体（ケーシング）４を前記放熱体２に装着することで、該筐体４の内部に前記電力変換装置本体を高密度に実装した小型の電力変換装置として実現される。

この為、前記スイッチング素子１としてＳiＣ半導体等のワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用いた場合、該スイッチング素子１の高温動作に伴って発せられる熱が前記直流リンクコンデンサ３に直接的に加わることが否めない。ちなみに前記直流リンクコンデンサ３の耐熱温度は一般的には１００℃程度であり、これに対してＳiＣ半導体からなる前記スイッチング素子１の動作温度は、例えば３００℃にも達する。これ故、前記スイッチング素子１からの高温の輻射熱によって前記直流リンクコンデンサ３の性能が劣化し、またその寿命が大幅に低下する等の不具合が生じ易い。

しかし前述した特許文献１に示されるように、前記スイッチング素子１と前記直流リンクコンデンサ３との間にセラミック等の遮熱板を設けても単に前記スイッチング素子１からの輻射熱を遮ることができるだけである。これ故、輻射熱によって過熱される前記遮熱板自体の温度上昇、ひいては過熱された前記遮熱板による前記直流リンクコンデンサ３の熱的影響を解消することは困難である。

また前記特許文献１においてはファンを用いて前記スイッチング素子１と共に前記遮熱板を強制的に空冷することが示される。しかし前記筐体４の内部に電力変換装置本体を高密度に実装した図３に示すような構成の電力変換装置においては、強制空冷の為のファンを組み込むことが困難である。この為、ＳiＣ半導体からなるスイッチング素子１を用いて電力変換装置をコンパクトに構築する上で課題が残される。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ＳiＣ半導体等からなるスイッチング素子の高温動作に伴って発せられる高温の輻射熱から、前記スイッチング素子に近接して配置される直流リンクコンデンサ等の回路部品を保護することのできる簡易な構成の電力変換装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る電力変換装置は、
ブロック状の放熱体の一面に装着されて電力変換装置本体の主体部をなす、例えばＳiＣ半導体等のワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子と、
例えば前記電力変換装置本体の入出力部に設けられるブロック形状の直流リンクコンデンサ等からなり、前記スイッチング素子に近接配置されて該スイッチング素子の周辺回路を形成して前記電力変換装置本体を構築する回路部品と、
熱伝導性の良好な部材からなり、前記放熱体の前記スイッチング素子の実装面に装着されて該放熱体との間で前記スイッチング素子および前記回路部品を囲んで収容する空間を形成する筐体とを具備したものであって、
特に前記筐体に熱結合させて前記スイッチング素子と前記回路部品との間に位置付けられて、前記スイッチング素子からの輻射熱を吸収すると共に、吸収した熱を前記筐体を介して外部に放出して前記回路部品への前記輻射熱の伝達を遮蔽する遮蔽体を設けたことを特徴としている。

好ましくは前記遮蔽体は、その表面に放熱フィンを備えた高熱伝導部材からなり、前記スイッチング素子からの輻射熱を吸収して該遮蔽体の全体に分散させ、吸収した熱を前記筐体に伝達すると共に前記放熱フィンを介して外部に放出する役割を担うものからなる。また前記筐体は、前記回路部品を収容した空間に空気を通流させる空気通流孔を備えることが望ましい。

上記構成の電力変換装置によれば、前記スイッチング素子と前記回路部品（例えば直流リンクコンデンサ）との間に設けられた遮蔽体が前記スイッチング素子からの輻射熱を吸収して該遮蔽体の全体に分散させ、吸収した熱を前記筐体に伝達して放出すると共に前記放熱フィンを介して外部に放出する。従って前記スイッチング素子から輻射される高温の熱によって前記回路部品（直流リンクコンデンサ）が直接的に過熱されることがなくなる上、遮熱板の温度上昇も効果的に抑え得る。従って前記筐体の内部に高密度に実装された前記直流リンクコンデンサを含む回路部品の、前記スイッチング素子の高温動作に起因する温度上昇を効果的に抑え、該回路部品の温度を容易にその耐熱温度以下に保つことが可能となる。

しかも前記スイッチング素子と前記回路部品との間に前記遮蔽体を設けると言う簡易な構成により、前記スイッチング素子の動作に伴う高温の輻射熱から前記直流リンクコンデンサ等を効果的に保護することができ、また前記遮蔽体自体の温度上昇も抑えることができる。従って高温動作可能なＳiＣ半導体からなるスイッチング素子の特徴を活かして、前記筐体内に電力変換装置本体を高密度に実装した小型の電力変換装置を容易に実現することができる等の多大なる効果が奏せられる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図。 本発明の別の実施形態に係る電力変換装置の概略構成図。 従来一般的な電力変換装置の概略構成図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電力変換装置について声明する。

図１は本発明の一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図であり、図３に示した従来の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して示してある。この実施形態に係る電力変換装置１０は、ブロック状の放熱体２の一面に装着されたスイッチング素子１と、このスイッチング素子１に対峙させて該スイッチング素子１に近接配置された直流リンクコンデンサ３との間に、前記スイッチング素子１からの高温の輻射熱を遮る遮蔽体５を設けたことを第１の特徴としている。

また前記直流リンクコンデンサ３と共に、前記スイッチング素子１の周辺回路を構成する回路部品を搭載した制御回路基板（図示せず）を収納して前記放熱体２に装着される筐体（ケーシング）４を、熱伝導性の良好な部材、例えばアルミ材にて構成し、この筐体４に前記遮蔽体５を熱結合して設けたことを第２の特徴としている。特に前記筐体４は、例えばその上下面にそれぞれ複数の空気通流孔４ａを備える。

これらの空気通流孔４ａは、前記筐体４の内部に外気を通流させることで、前記直流リンクコンデンサ３および前記制御回路基板によって構成される電力変換装置本体を自然空冷する役割を担う。この際、前記空気通流孔４ａを介して前記筐体４内を通流する空気は、後述するように前記スイッチング素子１からの輻射熱を吸収して温度上昇する前記遮蔽体５も同時に自然空冷する。

ここで前記遮蔽体５は、例えば熱伝導性の高いアルミ製の肉厚のプレート体からなり、前記スイッチング素子１からの高温の輻射熱の前記直流リンクコンデンサ３への直接的な伝播を遮断する役割を担う。同時に前記遮蔽体５は、前記スイッチング素子１からの高温の輻射熱を吸収して該遮蔽体５の全体に分散させ、吸収した熱を前記筐体４に伝達すると共に、該筐体４の内部空間に放散することで、該遮蔽体５自体の過度な温度上昇を防ぐ機能を備える。

このような遮蔽体５を備えて構成される電力変換装置１０によれば、基本的には前記スイッチング素子１の高温動作に伴って該スイッチング素子１から発せられる熱は、主として前記放熱体１を介して外部に放出される。また前記スイッチング素子１から発せられる高温の輻射熱は前記遮蔽体５により遮られ、前記直流リンクコンデンサ３への伝達が阻止される。この際、前記高温の輻射熱によって前記遮蔽体５が過熱される。

しかし前記遮蔽体５は、前述したように前記輻射熱を吸収して該遮蔽体５の全体に分散させ、吸収した熱を該遮蔽体５に熱結合された前記筐体４に伝達する。従って上述した如く吸収した熱は前記筐体４を介して速やかに外部に放出される。また前記輻射熱を吸収した前記遮蔽体５の表面から放出される熱は、前記空気通流孔４ａを介して前記筐体４の内部を通流する空気によって外部に排出される。この結果、前記遮蔽体５が効率的に冷却され、該遮蔽体５自体の高温化が阻止される。従って前記遮蔽体５からの輻射熱によって前記直流リンクコンデンサ３が不本意な温度に加熱されることがなくなる。

ちなみに前記遮蔽体５として、例えば熱伝導率の低い高分子材料のプレート体（熱絶縁体）を用いた場合、該遮蔽体５と前記複数のスイッチング素子１との距離が一様でないので、前記遮蔽体５の場所によって前記輻射熱の吸収量の異なりが発生し、該遮蔽体５自体に大きな温度分布が生じ易い。しかも前記遮蔽体５に吸収された熱は次第に該遮蔽体５に蓄積されるので、前記遮蔽体５自体が高温化して輻射熱を発するようになる。従って特許文献１に示されるように、単に遮熱板（遮蔽体５）を用いて前記スイッチング素子１からの高温の輻射熱を遮るだけでは、前記直流リンクコンデンサ３等の回路部品を高温から保護する上で不十分である。

この点、前記筐体４に熱結合させて前記スイッチング素子１と前記直流リンクコンデンサ３との間に設けられる熱伝導性の良好な前記遮蔽体５によれば、前述したように前記スイッチング素子１からの輻射熱を遮断すると共に、上記輻射熱を吸収して該遮蔽体５の全体に分散させる。そして遮蔽体５の全体に分散させた熱を前記筐体４を介して外部に放出するので、前記遮蔽体５の高温化を防ぐことができる。従って前記スイッチング素子１からの輻射熱の遮断作用と、吸収した前記輻射熱の放熱作用とを相乗させて、前記スイッチング素子１に近接配置される前記直流リンクコンデンサ３の高温化を効果的に防ぐことが可能となる。

特に上記構造によれば、前記筐体４の内部に冷却ファンを組み込むことなく前記直流リンクコンデンサ３を含む電力変換装置本体を自然冷却するだけで、該電力変換装置本体を前記スイッチング素子１からの高温の輻射熱から保護することができる。従って前記筐体４内に収容される前記電力変換装置本体の高密度実装化を妨げることがなく、例えばＳiＣ半導体からなるスイッチング素子１の高温動作による特徴を有効に活かして小型の電力変換装置を容易に構築することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば図２に示すように前記遮蔽体５に放熱フィン５ａを設けておくことも有用である。このような放熱フィン５ａを備えた遮蔽体５によれば、該遮蔽体５の放熱作用を更に高めることが可能となり、前記直流リンクコンデンサ３に対する熱的保護効果を一層高めることが可能となる。また図２に示す実施形態においては、前記放熱体２に設けられる放熱フィンの向きを、図１に示した放熱体２と異ならせている。しかし前記放熱体２に設けられる放熱フィンの向きについては、電力変換装置の使用形態（取り付けの向き）や外部に設けられる冷却ファン（図示せず）によって形成される空気流の向き等に応じて定めておけば良いものである。

更には前記筐体４の上下面のみならず、その側面にも前記空気通流孔４ａを設けておくことも可能であり、また前記筐体４に放熱フィンを設けておくことも有用である。また前記放熱体２と該遮蔽体５の一面に装着される前記筐体４との間に高分子材料からなる断熱部材を介装し、前記放熱体２から前記筐体４への熱伝達を防ぐようにしておくことも有効である。また前記スイッチング素子１として前述したＳiＣ半導体以外のワイドバンドギャップ半導体を用いる場合にも本発明は有効である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ スイッチング素子（ＳiＣ半導体）
２ 放熱体
３ 直流リンクコンデンサ（回路部品）
４ 筐体
４ａ 空気通流孔
５ 遮蔽体
５ａ 放熱フィン
１０ 電力変換装置

Claims (4)

1. ブロック状の放熱体の一面に装着されたワイドバンドギャップ半導体からなり、電力変換装置本体の主体部をなすスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に対峙させて該スイッチング素子に近接配置され、前記スイッチング素子の周辺回路を形成して前記電力変換装置本体を構築する回路部品と、
   熱伝導性の良好な部材からなり、前記放熱体の前記スイッチング素子の実装面に装着されて該放熱体との間で前記スイッチング素子および前記回路部品を囲んで収容する空間を形成する筐体と、
   この筐体に熱結合させて前記スイッチング素子と前記回路部品との間に設けられ、前記スイッチング素子からの輻射熱を吸収すると共に、吸収した熱を前記筐体を介して外部に放出して前記回路部品への前記輻射熱の伝達を遮蔽する遮蔽体と
   を具備したことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記スイッチング素子はＳiＣ半導体であって、前記回路部品は、前記電力変換装置本体の入出力部に設けられて前記スイッチング素子に接続されるブロック形状の直流リンクコンデンサを含む請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記遮蔽体は、その表面に放熱フィンを備えた高熱伝導部材からなり、前記スイッチング素子からの輻射熱を吸収して該遮蔽体の全体に分散させ、吸収した熱を前記筐体に伝達すると共に前記放熱フィンを介して放出するものである請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記筐体は、前記回路部品を収容した空間に空気を通流させる空気通流孔を備えたものである請求項１に記載の電力変換装置。

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