JP2015201543A - 電気回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の簡易化を図りつつ、適正な素子冷却性能を付加することができる電気回路装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１０は、動作に伴い発熱する半導体素子２７を有している。電力変換装置１０は、素子冷却機能を有するケース本体１３と、ケース本体１３に設けられ、半導体素子２７の外面を当接させる受熱面を有する板状の受熱部３２と、半導体素子２７の外面と受熱部３２の受熱面とを互いに当接させた状態で、これら半導体素子２７及び受熱部３２を一対の挟持部４１で挟み込み、弾性力により当該当接状態を保持するクリップ４０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気回路装置に関するものである。

パワースイッチング素子等、動作に伴い発熱する半導体素子を備える電気回路装置では、温度上昇に起因する不具合を抑制すべく種々の放熱対策が講じられている。例えば、特許文献１に記載の技術では、冷却ファン等を有する冷却器と、その冷却器の上に配置される半導体素子と、半導体素子に被せて設けられるコ字型放熱体と、冷却器を覆うように設けられるカバー部材とを備える電力変換装置において、コ字型放熱体とカバー部材との間にバネ部材を介在させる構成としている。この場合、バネ部材のバネ力により半導体素子を冷却器及びコ字型放熱体に密着させ、それにより半導体素子で生じた熱を冷却器やコ字型放熱体を介して放出させるようにしている。

特開２０１２−２２７３４４号公報

しかしながら、上記従来技術においては以下の不都合が存在すると考えられる。すなわち、上記従来技術では、冷却器の一面に半導体素子を当接させた状態で、その冷却器の反対側からコ字型放熱体、バネ部材及びカバー部材を組み付け、さらにその状態で冷却器に対してボルト等によりカバー部材を固定することとしており、その組み付け作業を行う際の作業性が低いことが懸念される。この場合、組み付けのための部品点数が多いことや、冷却器に対して片側から各部材の配置及び固定を行うようにしていることが不都合の要因であると考えられる。例えば冷却器の半導体載置面が水平上向きになっていない場合には、その組み付け性がさらに劣ると考えられる。

本発明は、構成の簡易化を図りつつ、適正な素子冷却性能を付加することができる電気回路装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明は、動作に伴い発熱する半導体素子（２７）を有する電気回路装置であって、素子冷却機能を有するベース部材（１３）と、前記ベース部材に設けられ、前記半導体素子の外面を当接させる受熱面を有する板状の受熱部（３２）と、前記半導体素子の外面と前記受熱部の受熱面とを互いに当接させた状態で、これら半導体素子及び受熱部を一対の挟持部（４１）で挟み込み、弾性力により当該当接状態を保持するクリップ部材（４０）と、を備えることを特徴とする。

上記構成では、ベース部材に設けられた受熱部の受熱面に当接させて半導体素子が設けられており、それら半導体素子及び受熱部がクリップ部材の一対の挟持部により挟み込まれることで、そのクリップ部材の弾性力により半導体素子及び受熱部の当接状態が保持される。この場合、クリップ部材はその部材自身が有する弾性力によって、所定の装着位置に保持されるとともに、その装着状態において半導体素子を受熱部に押し付ける機能を有する。そして、半導体素子と受熱部との当接状態が維持されることで、半導体素子から受熱部への伝熱を適正に実施できる。また、装着に際してはネジ固定等の作業が不要であり、部品点数の削減が可能になることに加え、装着作業が簡易なものとなっている。以上により、構成の簡易化を図りつつ、適正な素子冷却性能を付加することができる。

電力変換装置について要部の構成を示す断面図。 電力変換装置の分解図。 半導体素子の挟持部分を拡大して示す断面図。 ケース本体の構成の一部を示す平面図。 電力変換装置について別例の構成を示す断面図。 電力変換装置について別例の構成を示す断面図。 電力変換装置について別例の構成を示す断面図。 別例においてケース本体の構成の一部を示す平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の電気回路装置を電力変換装置に具体化しており、その電力変換装置では所定のスイッチング周期でスイッチング動作する半導体素子について素子冷却機能を有するものとしている。図１〜図３には、電力変換装置１０について要部の構成を示している。

電力変換装置１０は、その概要として、アルミニウム等の金属材料により形成された収容ケース１１と、その収容ケース１１内に収容された変換回路部１２とを有している。収容ケース１１は、有底箱状のケース本体１３と、そのケース本体１３の上に組み付けられ、ケース本体１３の開放部を閉鎖するカバー１４とを有している。ケース本体１３が「ベース部材」に相当し、このケース本体１３に素子冷却機能が付与されている。また、カバー１４が「蓋部材」に相当する。

ケース本体１３は、底部２１と、その底部２１の周縁部に設けられる周壁部２２とを有している。底部２１には、冷却媒体としての冷却水を流通させる冷媒通路２３が形成されている。その冷媒通路２３内を冷却水が流通することにより、本電力変換装置１０で生じる熱が冷却水に伝わり、放熱が行われる。なお、冷却媒体としては液体以外に気体を用いることも可能であり、冷媒通路２３内に空気（冷風）を流通させるようにしてもよい。

底部２１には、複数のボス２４が形成されており、そのボス２４の上に載置された状態で回路基板２６がビス等により固定されている。これにより、底部２１に対向する位置に回路基板２６が固定されている。回路基板２６には、変換回路部１２を構成する各種の電気部品が実装されている。なお、変換回路部１２を構成する電気部品のいずれかは底部２１に搭載されていてもよく、底部２１に搭載された電気部品は金属端子やハーネスを介して回路基板２６に電気接続されている。図１等においては、電気部品として例えばＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子からなる半導体素子２７が示されている。半導体素子２７は、回路基板２６の周縁部付近において基板面に直交する方向に縦向き実装されている。

半導体素子２７は、本体部２７ａと複数の端子部２７ｂとを有しており、端子部２７ｂが回路基板２６の貫通孔（図示略）に挿し入れられている。これにより、回路基板２６に対して半導体素子２７が機械的及び電気的に接続されている。本体部２７ａは、直方体状の外装パッケージを有するものであり、その外装パッケージにおいて広面の側面部と狭面の側面部とのうち広面の側面部には放熱板部２７ｃが設けられている。放熱板部２７ｃは例えば金属板である。放熱板部２７ｃは素子外面に露出しており、その放熱板部２７ｃがケース本体１３に当接することで半導体素子２７からケース本体１３への放熱が行われるようになっている。

ケース本体１３の周壁部２２においてその上端面（詳しくは最も壁高さが大きい部位の上端面）はカバー１４を載置するカバー載置面２２ａとなっており、そのカバー載置面２２ａに載置された状態でカバー１４が固定されている。この場合、カバー１４には貫通孔１４ａが形成されるとともに、周壁部２２にはビス孔２２ｂが形成されており、これら貫通孔１４ａ及びビス孔２２ｂにビス２８が挿し入れられてケース本体１３にカバー１４が固定されている。

カバー１４は周壁部２２のカバー載置面２２ａに対して密接状態で固定され、それにより収容ケース１１の密閉化がなされている。なお、周壁部２２のカバー載置面２２ａとカバー１４との接合部分は、液状ガスケット等のシール部材によりシール（止水）されていてもよい。

本実施形態では、ケース本体１３に対する半導体素子２７の固定方法に特徴があり、以下にその特徴部分について説明する。

周壁部２２には、カバー載置面２２ａよりもケース内側の位置に溝部３１が形成されており、その溝部３１よりもケース内側の部位が板状の受熱部３２となっている。溝部３１は、周壁部２２の上端側（底部２１とは反対の先端側）に開口し、周壁部２２の内周面に平行に延びるように形成されている。受熱部３２は、ケース底面に対して直交する方向に起立して設けられ、その上端部の位置（底部２１に対する高さ位置）がカバー載置面２２ａよりも低い位置となっている。受熱部３２のケース内周面側は半導体素子２７の外面を当接させる受熱面となっており、その受熱面に半導体素子２７の放熱板部２７ｃを当接させるようにしている。

ケース本体１３を平面図で示すと、図４に示すように、溝部３１は周壁部２２の長手方向に沿って長尺状に形成されている。つまり、溝部３１は、複数の半導体素子２７がクリップ固定される各位置で連続するように長尺状に形成されている。なお、図４では、ケース本体１３のコーナ部を経由して、ケース本体１３の二辺に連続して溝部３１が形成されているが、これに限らず、一辺にのみ溝部３１が形成される構成でもよい。

図１〜図３の説明に戻り、半導体素子２７と受熱部３２とは互いに当接する状態とされ、その当接状態でこれら両者にクリップ４０が組み付けられている。クリップ４０は、互いに対向する一対の挟持部４１と、その間の繋ぎ部４２とを有する挟持部材であり、弾性及び高い熱伝導性を有する金属材料又は合成樹脂材料により形成されている。一対の挟持部４１は板状をなしており、半導体素子２７及び受熱部３２にそれぞれ面接触する面接触部４１ａを有している。一対の挟持部４１のうち一方は、半導体素子２７において放熱板部２７ｃの反対側の側面部に当接し、他方は、溝部３１内において受熱部３２の側面部に当接している。この場合、半導体素子２７で生じた熱は、半導体素子２７及び受熱部３２の互いの当接部を介して受熱部３２の側に伝達される以外に、クリップ４０が高い熱伝導性を有していることから、クリップ４０を介して受熱部３２の反対側から受熱部３２の側に伝達されるようになっている。

クリップ装着前において、クリップ４０の一対の挟持部４１の間の隙間寸法（図２のＢ）は、半導体素子２７と受熱部３２とを重ね合わせた状態のそれら両者の厚み寸法（図２のＡ）よりも小さくなっている。したがって、クリップ４０を装着した状態では、半導体素子２７及び受熱部３２が一対の挟持部４１で挟み込まれ、クリップ４０の弾性力によりこれら半導体素子２７及び受熱部３２が互いに圧接された状態で保持される。

また、溝部３１内には放熱グリスＧが充填されている（図３参照）。放熱グリスＧは、例えばシリコンを主成分とするペースト材であり、軟化の状態で溝部３１に充填され、その後硬化する。図１等の構成では、周壁部２２において溝部３１を挟んでケース外側とケース内側（受熱部３２）とのうちケース外側の方が壁高さが大きいものとなっている。そのため、溝部３１内を放熱グリスＧで埋める際に、その放熱グリスＧがケース本体１３よりも外方にはみ出ることが生じにくくなっている。

本実施形態では、横並びに配置された複数の半導体素子２７を受熱部３２に当接させるようにしており、図４に示すように、各半導体素子２７にそれぞれクリップ４０が装着される。なお、図４では、半導体素子２７の幅寸法に対してクリップ４０の幅寸法を小さくしているが、これらの幅寸法を同じにしたり、幅寸法の大小を逆にしたりすることも可能である。

クリップ４０は、周壁部２２の先端の側から装着され、その装着状態においてカバー１４により抜け落ちが規制されるものとなっている。すなわち、図３に示すように、クリップ４０を装着した状態において、半導体素子２７の上端から挟持部４１の面接触部４１ａまでの離間寸法Ｃが、クリップ４０（繋ぎ部４２）とカバー１４の下面との間のクリアランス寸法Ｄよりも大きくなっている。これにより、仮にクリップ４０の位置が図の上方にずれたとしても、そのズレの範囲が制限され、いずれにしてもクリップ４０による半導体素子２７及び受熱部３２の挟持状態が維持される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

半導体素子２７と周壁部２２の受熱部３２とをクリップ４０の一対の挟持部４１により挟み込んで、そのクリップ４０の弾性力により半導体素子２７及び受熱部３２の当接状態を保持するようにした。この場合、クリップ４０はその部材自身が有する弾性力によって、所定の装着位置に保持されるとともに、その装着状態において半導体素子２７を受熱部３２に押し付ける機能を有する。そして、半導体素子２７と受熱部３２との当接状態が維持されることで、半導体素子２７から受熱部３２への伝熱を適正に実施できる。また、装着に際してはネジ固定等の作業が不要であり、部品点数の削減が可能になることに加え、装着作業が簡易なものとなっている。以上により、構成の簡易化を図りつつ、適正な素子冷却性能を付加することができる。

ケース本体１３の周壁部２２に溝部３１を形成し、その溝部３１を使ってクリップ４０を装着する構成とした。この場合、周壁部２２においてカバー載置面２２ａよりもケース内側に、クリップ４０の装着が可能な受熱部３２を形成でき、カバー１４の固定に関係なく周壁部２２へのクリップ装着が可能となっている。つまり、ケース本体１３及びカバー１４の密閉性、防水性に影響を及ぼすことなく、半導体素子２７の放熱機能を周壁部２２に好適に付与できる。

回路基板２６上に半導体素子２７が縦向き実装された構成において、クリップ４０を、周壁部２２の先端の側から装着するとともに、クリップ装着状態においてクリップ４０の抜け落ちをカバー１４により規制する構成とした。これにより、クリップ４０を特にネジ等の固定手段で固定しなくても、クリップ４０が意図せず外れてしまうといった不都合を抑制できる。

横並びに配置された複数の半導体素子２７の素子冷却を行う構成において、溝部３１を長尺状に連続形成した。この場合、基板実装される半導体素子２７について配置などの設計変更にも好適に対処できる。またこの構成によれば、溝部３１内に放熱グリスＧを充填する場合にその充填作業が容易となるといったメリットも得られる。

溝部３１内に放熱グリスＧを充填したため、周壁部２２において半導体素子２７からの熱の伝わりを良好なものにすることができる。つまり、周壁部２２において溝部３１が空間として存在していると、半導体素子２７から周壁部２２への放熱性が低下する（熱の伝わりが悪くなる）ことが考えられるが、溝部３１内を放熱グリスＧで埋めることで、放熱性の低下を抑制できる。

周壁部２２において溝部３１を挟んでケース外側とケース内側とのうちケース外側の方を壁高さを大きくした。これにより、溝部３１内を放熱グリスＧで埋める際に、その放熱グリスＧがケース本体１３よりも外方にはみ出ることが生じにくくなる。そのため、ケース内側の壁高さ（すなわち受熱部３２の壁高さ）を基準にして放熱グリスＧを充填させればよく、半導体素子２７からの受熱を考慮する上で好適なる構成を実現できる。

クリップ４０を熱伝導性の高い金属板により形成したため、クリップ自体にも放熱経路が形成され、放熱性の向上に貢献できる。また、一対の挟持部４１を半導体素子２７及び受熱部３２にそれぞれ面接触させる構成としたため、やはり放熱性の向上に貢献できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・図５に示すように、クリップ４０の装着状態で上方からカバー１４を組み付けた際に、そのカバー１４によりクリップ４０を押さえ付ける構成としてもよい。この場合、周壁部２２において溝部３１を挟んでケース外側とケース内側との壁高さの差と、クリップ４０の繋ぎ部４２の厚み寸法とを一致させるか、又は僅かにその厚み寸法を小さくしている。これにより、クリップ４０の位置ズレが確実に抑制できる。

・ケース本体１３における素子冷却機能の構成を変更してもよい。例えば図６では、周壁部２２に冷媒通路２３を縦向きに設けている。また、図７では、冷媒通路２３を設ける代わりに、周壁部２２に空冷フィンを設けている。なお、これらの放熱手段は、ケース本体１３において一部材で形成される以外に、別部材の組み付けにより形成されていてもよい。

・クリップ４０の形態を変更してもよい。例えば、一対の挟持部４１を互いに非対称の形状とする。この場合、一対の挟持部４１のうち溝部３１の側の挟持部４１よりも他方の側の挟持部４１を大きくするとよい。またこの場合、各挟持部４１における接触部位は、壁高さ方向において同じ高さ位置で重複するように設けられ、壁厚み方向において互いに対向しているとよい。なお、溝部３１内に放熱グリスＧが充填されることを考えると、受熱部３２の側の挟持部４１は必ずしも面接触していなくてもよく、それよりも接触面積の小さい線接触又は点接触であってもよい。

・クリップ４０は、横並びに配置された複数の半導体素子２７をまとめて挟持するものであってもよい。すなわち、図８に示すように、クリップ４０の幅寸法を半導体素子２７の幅寸法よりも大きくし、かつクリップ４０の一対の挟持部４１により複数の半導体素子２７と受熱部３２とを挟み込むようにする。

・冷却対象の半導体素子２７は、基板実装されていなくてもよく、例えばケース本体１３に実装されるものであってもよい。

・ケース本体１３において、周壁部２２とは別に底部２１に立ち壁部を設け、その立ち壁部を受熱部３２としてもよい。また、素子冷却機能を有するベース部材はケース部材（筐体）のようなものでなくてもよい。例えば収容空間を有していない板状のものであってもよい。

１０…電力変換装置、１３…ケース本体（ベース部材）、２７…半導体素子、３２…受熱部、４０…クリップ（クリップ部材）、４１…挟持部。

Claims (7)

1. 動作に伴い発熱する半導体素子（２７）を有する電気回路装置であって、
   素子冷却機能を有するベース部材（１３）と、
   前記ベース部材に設けられ、前記半導体素子の外面を当接させる受熱面を有する板状の受熱部（３２）と、
   前記半導体素子の外面と前記受熱部の受熱面とを互いに当接させた状態で、これら半導体素子及び受熱部を一対の挟持部（４１）で挟み込み、弾性力により当該当接状態を保持するクリップ部材（４０）と、
   を備えることを特徴とする電気回路装置。
2. 前記ベース部材は、底部（２１）と周壁部（２２）とを有する有底箱状のケース部材（１３）であり、
   前記周壁部の先端部に、前記ケース部材の開放部を閉鎖する蓋部材（１４）が取り付けられるようになっており、
   前記周壁部には、前記底部とは反対の先端側に開口する溝部（３１）が形成され、その溝部よりもケース内側が前記受熱部となっており、
   前記クリップ部材における前記一対の挟持部のうち一方が前記溝部内に配置されることで、前記クリップ部材により前記半導体素子及び前記受熱部が挟み込まれている請求項１に記載の電気回路装置。
3. 前記ケース部材の底部に対向する位置に固定され、前記半導体素子が実装される回路基板（２６）を備え、
   前記半導体素子は前記回路基板において基板面に直交する方向に縦向き実装されており、
   前記クリップ部材は、前記周壁部の先端の側から装着され、前記蓋部材により抜け落ちが規制されている請求項２に記載の電気回路装置。
4. 前記受熱部は、横並びに配置された複数の前記半導体素子の外面を当接させるものであり、
   前記溝部は、前記複数の半導体素子がクリップ固定される各位置で連続するように長尺状に形成されている請求項２又は３に記載の電気回路装置。
5. 前記溝部内に放熱グリス（Ｇ）が充填されている請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電気回路装置。
6. 前記周壁部において前記溝部を挟んでケース外側とケース内側とのうちケース外側の方が壁高さが大きいものとなっている請求項５に記載の電気回路装置。
7. 前記クリップ部材は、熱伝導性の高い板状材により形成され、
   前記一対の挟持部のうち少なくとも前記半導体素子の側の挟持部は、当該半導体素子に対して面接触している請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気回路装置。

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