JP2015223014A - 高周波電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷ヒートシンクを使用して高周波電力を出力するパワーモジュールを筐体内で適切に冷却するとともに、筐体における容量結合によるノイズの発生を防止して安定動作が可能な高周波電源装置を提供する。
【解決手段】高周波電源装置１は、スイッチング素子を複数含むパワーモジュール２が搭載されて、負荷に高周波電力を供給する高周波回路基板３と、冷却水パイプ１１、１１を有しパワーモジュール２を冷却する水冷ヒートシンク５と、高周波回路基板３および水冷ヒートシンク５を含む各部を収納する筐体６とを備え、水冷ヒートシンク５の冷却水パイプ１１、１１が筐体６から電気的に絶縁されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波回路基板に搭載されたパワーモジュールを水冷ヒートシンクにより冷却する高周波電源装置に関するものである。

従来から、高周波の電力変換を行う複数のスイッチング素子を含むパワーモジュールが搭載されて、負荷に高周波電力を供給する高周波回路基板と、冷却水パイプを有しこのパワーモジュールを冷却する水冷ヒートシンクと、これら各部を収納する筐体とを備えた高周波電源装置が知られている（例えば、特許文献１）。

このパワーモジュール内でスイッチング動作を行う例えばパワーＭＯＳ−ＦＥＴ素子のようなスイッチング素子は、高温による不安定動作や短寿命化などを防止するために、冷却性能の高い水冷ヒートシンクにより冷却される。

特開２０１１−１２９６４４号公報

しかし、パワーモジュールを水冷ヒートシンクに取り付け、筐体内に冷却水パイプを配管し、この冷却水パイプにより筐体に接続した状態で、通電してこのパワーモジュールに高周波電流が流れると、冷却水パイプを介して浮遊容量（コンデンサ）が生じて筐体に電圧が誘起される容量結合が起きる場合がある。

しかも、周波数が特に高い高周波電流が流れると、それに伴って冷却水パイプを介して筐体にも電圧変化が起きるので、ノイズ（伝導ノイズ）が発生して、装置に回り込むため、装置の動作が不安定になるという問題があった。すなわち、水冷ヒートシンクを使用した場合に、高周波電力を出力するパワーモジュールの冷却と、装置の安定動作とを両立させることが困難であった。

本発明は、前記課題を解決して、水冷ヒートシンクを使用して高周波電力を出力するパワーモジュールを筐体内で適切に冷却するとともに、筐体における容量結合によるノイズの発生を防止して装置を安定的に動作させることができる高周波電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る高周波電源装置は、複数のスイッチング素子を含むパワーモジュールが搭載されて、負荷に高周波電力を供給する高周波回路基板と、冷却水パイプを有し前記パワーモジュールを冷却する水冷ヒートシンクと、前記高周波回路基板および水冷ヒートシンクを含む各部を収納する筐体とを備え、前記水冷ヒートシンクの冷却水パイプが前記筐体から電気的に絶縁されている。

この構成によれば、パワーモジュールを冷却する水冷ヒートシンクの冷却水パイプが筐体内で電気的に絶縁されているので、水冷ヒートシンクを使用して高周波電力を出力するパワーモジュールを筐体内で適切に冷却するとともに、筐体に冷却水パイプを介して容量結合によるノイズが発生するのを防止して装置を安定的に動作させることが可能となる。

本発明において、前記筐体は中板で仕切られた２階構造を有しており、前記高周波回路基板は前記筐体の中板に支持され、前記水冷ヒートシンクの冷却水パイプが前記筐体の中板と底板との間で浮かした状態に設けられていることが好ましい。したがって、２階における中板と１階における底板の間に十分なスペースがあるので、冷却水パイプを浮かしやすくできるから、電気的絶縁がより容易となる。

好ましくは、前記筐体の中板の開口部に前記パワーモジュールが位置するように前記高周波回路基板が配置されており、当該パワーモジュールに水冷ヒートシンクが直結されている。この場合、パワーモジュールを高い熱伝導性で冷却することができる。

本発明によれば、パワーモジュールを冷却する水冷ヒートシンクの冷却水パイプが筐体から電気的に絶縁されているので、水冷ヒートシンクを使用して高周波電力を出力するパワーモジュールを筐体内で適切に冷却するとともに、筐体に冷却水パイプを介して容量結合によるノイズが発生するのを防止して装置を安定的に動作させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る高周波電源装置を示す概略側面図である。 図１の高周波電源装置の一部を示す分解斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る高周波電源装置を示す概略側面図である。高周波電源装置１は、例えば高周波の電力変換を行うハーフブリッジモジュールのようなパワーモジュール２が搭載されて、負荷に高周波電力を供給する高周波回路基板３と、２本の冷却水パイプ１１、１１を有しパワーモジュール２を冷却する水冷ヒートシンク５と、高周波回路基板３および水冷ヒートシンク５を含む各部を収納する筐体（シャーシ）６とを備えている。この高周波電源装置１は、例えばプラズマを発生させるために使用される。

筐体（シャーシ）６は、例えばアルミニウム製で略直方体の形状を有する。筐体６は、中板７で仕切られた２階構造を有しており、中板７および底板８上に高周波回路基板３の他に複数の回路基板１５、１６が設けられている。

この例では、パワーモジュール２は、１０ＭＨｚ以上の高周波電力を出力するＦＥＴ−ＭＯＳのようなスイッチング素子を２個もつハーフブリッジモジュールを使用しているが、ＦＥＴ−ＭＯＳを４個もつフルブリッジモジュールなどを使用してもよい。

水冷ヒートシンク５は、ヒートシンク本体１０と冷却水を給排水する２本の冷却水パイプ（配管）１１、１１とを有している。ヒートシンク本体１０は、その内部に冷却水の流路を形成しており、この流路に筐体６内に配管された２本の冷却水パイプ１１、１１が接続されている。ヒートシンク本体１０は、樹脂製の容器（カバー）１２に収納されている。冷却水パイプ１１、１１は、筐体６内の１階部分で、それぞれヒートシンク本体１０に接続された例えば銅製のパイプ１１ａと、ナイロン製のパイプ１１ｂとが継手１３で接続されており、ナイロン製のパイプ１１ｂは筐体６の１階端部に固定された継手１４を介して冷却水出入口パイプ１１ｃに接続されている。

図２に示すように、筐体６の中板７は開口部７ａを有して、この開口部７ａにパワーモジュール２が位置するように高周波回路基板３が取り付けられている。高周波回路基板３の開口３ａの位置にパワーモジュール２が搭載され、パワーモジュール２の下面とヒートシンク本体１０の上面とが図示しないボルトにより直結され、ヒートシンク本体１０が容器１２に収納されて、この容器１２が図示しないボルトにより高周波回路基板３に固定されている。

パワーモジュール２にヒートシンク本体１０を直結して、熱伝導性を高くしているが、さらにパワーモジュール２の下面とヒートシンク本体１０の上面との間にシリコングリス１７を塗布し、この間に気泡が残存しないようにすることにより、熱伝導性をより高めることができる。

図１のように、水冷ヒートシンク５の冷却水パイプ１１、１１が筐体６の中板７と底板８との間で浮かした状態に配置されており、水冷ヒートシンク５の冷却水パイプ１１、１１と筐体６との間に、冷却水パイプ１１、１１と底板８との間のスペースＳを含めた絶縁スペースが確保されて、水冷ヒートシンク５の冷却水パイプ１１、１１が筐体６から電気的に絶縁されている。しかも、２階における中板７と１階における底板８の間の１階部分に十分なスペースがあるので、冷却水パイプ１１、１１を筐体６の底板８から浮かしやすくできるから、筐体６からの電気的絶縁がより容易となる。

このように、本発明は、パワーモジュールを冷却する水冷ヒートシンクの冷却水パイプが筐体から電気的に絶縁されているので、水冷ヒートシンクを使用して高周波電力を出力するパワーモジュールを筐体内で適切に冷却するとともに、筐体に冷却水パイプを介して容量結合によるノイズが発生して装置に回り込むのを防止して装置を安定的に動作させることが可能となる。

なお、この実施形態では、筐体を２階構造としているが、冷却水パイプを筐体から電気的に絶縁できれば、１階構造としてもよい。

なお、この実施形態では、冷却水パイプを浮かしているが、冷却水パイプと底板の間に絶縁材を設けて、筐体から電気的に絶縁するようにしてもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１：高周波電源装置
２：パワーモジュール
３：高周波回路基板
５：水冷ヒートシンク
６：筐体（シャーシ）
７：中板
７ａ：開口部
８：底板
１０：ヒートシンク本体
１１、１１：冷却水パイプ

Claims (3)

1. 複数のスイッチング素子を含むパワーモジュールが搭載されて、負荷に高周波電力を供給する高周波回路基板と、冷却水パイプを有し前記パワーモジュールを冷却する水冷ヒートシンクと、前記高周波回路基板および水冷ヒートシンクを含む各部を収納する筐体とを備え、
   前記水冷ヒートシンクの冷却水パイプが前記筐体から電気的に絶縁されている、高周波電源装置。
2. 請求項１において、
   前記筐体は中板で仕切られた２階構造を有しており、前記高周波回路基板は、前記筐体の中板に支持され、前記水冷ヒートシンクの冷却水パイプが前記筐体の中板と底板との間で浮かした状態に設けられている、高周波電源装置。
3. 請求項２において、
   前記筐体の中板の開口部に前記パワーモジュールが位置するように前記高周波回路基板が配置されており、当該パワーモジュールに水冷ヒートシンクが直結されている、高周波電源装置。
   
   
   

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