JP2017022337A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化を図りながら発熱電子部品の冷却を効率良く行なうことができる電力変換装置を提供する。【解決手段】筐体３１にヒートシンク３２を内蔵し、筐体の内部に、ヒートシンクより上方の上方空間Ｓ２と、ヒートシンクより下方の下方空間Ｓ１と、ヒートシンクが存在せず、筐体の下部から上部まで連続している上下連通空間Ｓ３とを設けている。そして、下方空間から上下連通空間にかけて第１基板３７を配置し、この第１基板に実装されている第１発熱電子部品４０ａの熱をヒートシンクに伝熱する。また、上方空間に第２基板３８を配置し、この第２基板に実装されている第２発熱電子部品４１ａの熱をヒートシンクに伝熱する。そして、第１基板及び第２基板を電気的に接続する配線４２，４３を、上下連通空間を通過して配置し、上方空間の高さ及び上記下方空間の高さより背の高い電子部品９を、上下連通空間に配置した状態で第１基板に実装する。【選択図】図１

Description

本発明は、筐体に内蔵されている基板に自己発熱する電子部品や背の高い電子部品が搭載されている電力変換装置に関する。
車載用のＡＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置は、筐体内に、電力変換用の半導体スイッチング素子を実装した基板が配置されている。半導体スイッチング素子は発熱素子であることから、効率良く冷却することが要求されている。
特許文献１は、熱伝導性樹脂からなるケースの内面に熱伝導用突出部を一体に形成し、この熱伝導用突出部に、基板に実装した発熱素子を直接当接し、或いは、放熱部材を介して発熱素子を当接することで、発熱素子の熱が熱伝導用突出部を介してケースに放熱され、発熱素子の冷却が効率良く行なわれるようにした放熱構造が記載されている。
特許第５０９３４８１号
車載用の電力変化装置は、小型化を図る必要がある。しかし、特許文献１の放熱構造を採用した電力変換装置は、一枚の基板に発熱素子を含んだ全ての電子部品が実装されており、大型の基板を使用しなければならず、電力変換装置の小型化を図ることが難しい。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、小型化を図りながら発熱電子部品の冷却を効率良く行なうことができる電力変換装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、筐体にヒートシンクを内蔵し、上記筐体の内部に、上記ヒートシンクより上方の上方空間と、上記ヒートシンクより下方の下方空間と、上記ヒートシンクが存在せず、上記筐体の下部から上部まで連続している上下連通空間とを設け、上記下方空間から上記上下連通空間にかけて第１基板を配置し、この第１基板に実装されている第１発熱電子部品の熱を上記ヒートシンクに伝熱し、上記上方空間に第２基板を配置し、この第２基板に実装されている第２発熱電子部品の熱を上記ヒートシンクに伝熱し、上記第１基板及び上記第２基板を電気的に接続する配線を、上記上下連通空間を通過して配置し、上記上方空間の高さ及び上記下方空間の高さより背の高い電子部品を、上記上下連通空間に配置した状態で上記第１基板に実装している。
本発明に係る電力変換装置によれば、第１基板に実装されている第１発熱電子部品の熱をヒートシンクに伝熱し、第２基板に実装されている第２発熱電子部品の熱をヒートシンクに伝熱するようにしているので、冷却効率を高めることができる。
また、第１基板及び第２基板がヒートシンクを上下から挟み込むように配置されており、背の高い電子部品は、ヒートシンクが存在しない上下方向の高さが高い上下連通空間に配置しているので、収納容積を小さくした小型の電力変換装置を提供することができる。
本発明に係る第１実施形態の電力変換装置の電力変換制御ユニットを示す回路図である。 第１実施形態の電力変換装置の内部構造を示す側面図である。 第１実施形態の電力変換装置の内部構造を示す展開斜視図である。
次に、図面を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す第１実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
以下、本発明の一態様に係る電力変換装置の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１は、ＡＣ／ＤＣコンバータとして使用される第１実施形態の電力変換装置を構成する電力変換制御ユニット１を示すものである。
電力変換制御ユニット１は、交流入力端子２に交流電源３が接続されている。交流入力端子２は、サージ吸収回路４、ノイズフィルタ５、突入防止回路６、リアクトル７、第１半導体デバイス８、バルクコンデンサ９及び第２半導体デバイス１０を介して変圧器１１の１次巻線１１ａに接続されている。
そして、変圧器１１の２次巻線１１ｂは、第１整流ダイオード１２、第２整流ダイオード１３、平滑コンデンサ１４及びノイズフィルタ１５を介して直流出力端子１６に接続されている。そして、直流出力端子１６に、負荷が接続されている。
電源制御用の集積回路２０は、突入防止回路６及びリアクトル７の間に接続されている第１電圧検出回路２１と、リアクトル７及び第１半導体デバイス８の間に接続されている第１電流検出回路２２と、第１半導体デバイス８に接続されている第１駆動回路２３と、第１半導体デバイス８及びバルクコンデンサ９の間に接続されている第２電圧検出回路２４と、第２半導体デバイス１０に接続されている第２駆動回路２５と、平滑コンデンサ１４及びノイズフィルタ１５の間に接続されている第２電流検出回路２６及び第３電圧検出回路２７と、第１電圧検出回路２１、第１電流検出回路２２、第１駆動回路２３及び第２電圧検出回路２４を制御する第１制御回路２８と、第２駆動回路２５、第２電流検出回路２６及び第３電圧検出回路２７を制御する第２制御回路２９と、を備えている。
図２は、第１実施形態の電力変換装置３０の内部構造を示すものである。
電力変換装置３０は、直方体形状の筐体３１の内部に、長手方向の一端から長手方向の他端側の途中まで延在するヒートシンク３２が配置されている。
筐体３１は、上部及び下部が開口した直方体形状のケース３３と、ケース３３の上部開口部を閉塞する上部カバー３４と、ケースの下部開口部を閉塞する下部カバー３５と、を備えている。
ヒートシンク３２は、例えば熱伝導率の高いアルミニウムや、アルミニウム合金をダイカスト成形することで形成されており、ケース３３の長手方向の一方の側壁３３ａに連結して他方の側壁３３ｂに向かう方向に延在し、他方の側壁３３ｂとの間に空間（後述する上下連通空間Ｓ３）を設けて形成されている。
ヒートシンク３２の上面は平坦に形成されているとともに（以下、冷却上面３２ａと称する）、上下連通空間Ｓ３側の上下方向の寸法を増大して形成していることで、下部カバー３５に近接した冷却下面３２ｂが形成されている。
そして、ヒートシンク３２の内部には冷却流体がヒートシンク３２の内部を循環する流体循環路（不図示）が形成されている。そして、図３に示すように、一方の側壁３３ａには、流体循環路に冷却流体を供給する流体供給口３６ａが形成されているとともに、流体循環路を通過した冷却流体を外部に排出する流体排出口３６ｂが形成されている。
図２に示すように、筐体３１の内部には、ヒートシンク３２より下方の下方空間Ｓ１と、ヒートシンク３２より上方の上方空間Ｓ２と、前述した上下連通空間Ｓ３と、が設けられている。上下連通空間Ｓ３は、ヒートシンク３２が存在せず、筐体３１の内部の下部から上部まで連続している
これら上方空間Ｓ１、下方空間Ｓ２、上下連通空間Ｓ３に、電力変換制御ユニット１を構成する前述した電子部品及び集積回路２０を実装した第１基板３７〜第３基板３９が配置されている。
第１基板３７は、下方空間Ｓ１から上下連通空間Ｓ３にかけて配置されている。この第１基板３７には、図３にも示すように、電力変換制御ユニット１のサージ吸収回路４、ノイズフィルタ５、突入防止回路６、リアクトル７、第１半導体デバイス８、バルクコンデンサ９及び第２半導体デバイス１０が実装されている。
第２基板３８は、図２に示すように、上方空間Ｓ２に配置されている。第２基板３８には、図３に示すように、電力変換制御ユニット１の第１整流ダイオード１２、第２整流ダイオード１３、平滑コンデンサ１４及びノイズフィルタ１５が実装されている。
電力変換制御ユニット１の変圧器１１は、その下面がヒートシンク３２の冷却上面３２ａに面接触した状態で上方空間Ｓ２に配置されている。
第１基板３７に実装されている第１半導体デバイス８及び第２半導体デバイス１０は、それぞれ２個の半導体素子４０で構成されている。
半導体素子４０は、素子本体４０ａと、素子本体４０ａから下方に延在して第１基板３７に接続されている複数のリード端子４０ｂとで構成されており、素子本体４０ａが、ヒートシンク３２の冷却下面３２ｂに面接触した状態で固定されている。
第２基板３８に実装されている第１整流ダイオード１２及び第２整流ダイオード１３も、それぞれ２個の半導体素子４１で構成されている。
半導体素子４１は、素子本体４１ａと、素子本体４１ａから上方に延在して第２基板３８に接続されている複数のリード端子４１ｂとで構成されており、素子本体４１ａが、ヒートシンク３２の冷却上面３２ａに面接触した状態で固定されている。
また、バルクコンデンサ９は、下方空間Ｓ１及び上方空間Ｓ２の高さより背の高いバルクコンデンサ９は、上下連通空間Ｓ３に配置した状態で第１基板３７に実装されている。
そして、第１基板３７及び第２基板３８を電気的に接続する配線４２，４３が、上下連通空間Ｓ３を通過して配置されている。
次に、第１実施形態の電力変換装置３０の動作、冷却作用について説明する。
電力変換装置３０は、集積回路２０が電力変換制御ユニット１に制御信号を入力すると、交流入力端子２に入力された商用電力が、電力変換制御ユニット１により交流から直流に変換され、直流出力端子１６から直流電力として出力される。この際、電力変換制御ユニット１の第１及び第２半導体デバイス８，１０、変圧器１１、第１及び第２整流ダイオード１２，１３が発熱する。
筐体３１の流体供給口３６ａから供給された冷却流体が流体循環路を通過して流体排出口３６ｂから排出されると、ヒートシンク３２の冷却上面３２ａに当接している変圧器１１の熱がヒートシンク３２に伝熱され、放熱されていく。
また、第１及び第２半導体デバイス８，１０を構成する半導体素子４０の素子本体４０ａが、ヒートシンク３２の冷却下面３２ｂに面接触した状態で固定されているので、第１及び第２半導体デバイス８，１０が発生する熱もヒートシンク３２に伝熱され、放熱されていく。
さらに、第１及び第２整流ダイオード１２，１３を構成する半導体素子４１の素子本体４１ａが、ヒートシンク３２の冷却上面３２ａに面接触した状態で固定されているので、第１及び第２整流ダイオード１２，１３が発生する熱もヒートシンク３２に伝熱され、放熱されていく。
なお、本発明に係る第１発熱電子部品が半導体素子４０に対応し、本発明に係る第１素子本体が素子本体４０ａに対応し、本発明に係る第１リード端子がリード端子４０ｂに対応し、本発明に係る第２発熱電子部品が半導体素子４１に対応し、本発明に係る第２素子本体が素子本体４１ａに対応し、本発明に係る第２リード端子がリード端子４１ｂに対応し、本発明に係る背の高い電子部品がバルクコンデンサ９に対応している。
次に、第１実施形態の効果について説明する。
第１実施形態の電力変換装置３０は、交流から直流に変換されると、第１及び第２半導体デバイス８，１０、変圧器１１、第１及び第２整流ダイオード１２，１３が発熱する。ヒートシンク３２の冷却上面３２ａに、変圧器１１、第１及び第２整流ダイオード１２，１３を構成する半導体素子４１の素子本体４１ａが面接触した状態で固定されており、ヒートシンク３２の冷却下面３２ｂに、第１及び第２半導体デバイス８，１０を構成する半導体素子４０の素子本体４０ａが面接触した状態で固定されていることから、第１及び第２半導体デバイス８，１０、変圧器１１、第１及び第２整流ダイオード１２，１３の熱はヒートシンク３２に確実に放熱されていき、冷却効率を十分に高めることができる。
また、電力変換制御ユニット１を構成する第１基板３７，第２基板３８がヒートシンク３２を上下から挟み込むように配置されており、背の高いバルクコンデンサ９は、ヒートシンク３２が存在しない上下方向の高さが高い上下連通空間Ｓ３に配置しているので、電力変換制御ユニット１の収納容積を小さくしてコンパクトな電力変換装置３０を提供することができる。したがって、電力変換装置３０の小型化を図ることができる。
また、ヒートシンク３２の冷却下面３２ｂが下部カバー３５に近接するように形成されていることで、冷却下面３２ｂ及び第１基板３７が近接する。冷却下面３２ｂに素子本体４０ａが面接触する半導体素子４０は、冷却下面３２ｂ及び第１基板３７が近接することでリード端子４０ｂの長さの延長を不要とし、部品コストを削減することができる。したがって、電力変換装置３０の製造コストの低減化を図ることができる。
また、第１基板３７及び第２基板３８を電気的に接続する配線４２，４３は上下連通空間Ｓ３を利用して接続されており、第１基板３７及び第２基板３８を接続するための専用のコネクタ構造などが不要となるので、さらに製造コストの低減化を図ることができる。
１ 電力変換制御ユニット
２ 交流入力端子
３ 交流電源
４ サージ吸収回路
５ ノイズフィルタ
６ 突入防止回路
７ リアクトル
８ 第１半導体デバイス
９ バルクコンデンサ
１０ 第２半導体デバイス
１１ 変圧器
１１ａ １次巻線
１１ｂ ２次巻線
１２ 第１整流ダイオード
１３ 第２整流ダイオード
１４ 平滑コンデンサ
１５ ノイズフィルタ
１６ 直流出力端子
２０ 集積回路
２１ 第１電圧検出回路
２２ 第１電流検出回路
２３ 第１駆動回路
２４ 第２電圧検出回路
２５ 第２駆動回路
２６ 第２電流検出回路
２７ 第３電圧検出回路
２８ 第１制御回路
２９ 第２制御回路
３０ 電力変換装置
３１ 筐体
３２ ヒートシンク
３２ａ 冷却上面
３２ｂ 冷却下面
３３ ケース
３４ 上部カバー
３５ 下部カバー
３６ａ 流体供給口
３６ｂ 流体排出口
３７ 第１基板
３８ 第２基板
３９ 第３基板
４０ 半導体素子
４０ａ 素子本体
４０ｂ リード端子
４１ 半導体素子
４１ａ 素子本体
４１ｂ リード端子
４２，４３ 配線
Ｓ１ 下方空間
Ｓ２ 上方空間
Ｓ３ 上下連通空間

Claims (5)

  1. 筐体にヒートシンクを内蔵し、
    前記筐体の内部に、前記ヒートシンクより上方の上方空間と、前記ヒートシンクより下方の下方空間と、前記ヒートシンクが存在せず、前記筐体の下部から上部まで連続している上下連通空間とを設け、
    前記下方空間から前記上下連通空間にかけて第１基板を配置し、この第１基板に実装されている第１発熱電子部品の熱を前記ヒートシンクに伝熱し、
    前記上方空間に第２基板を配置し、この第２基板に実装されている第２発熱電子部品の熱を前記ヒートシンクに伝熱し、
    前記第１基板及び前記第２基板を電気的に接続する配線を、前記上下連通空間を通過して配置し、
    前記上方空間の高さ及び前記下方空間の高さより背の高い電子部品を、前記上下連通空間に配置した状態で前記第１基板に実装していることを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記第１発熱電子部品は、
    前記ヒートシンクの冷却下面に面接触状態で固定されている第１素子本体と、この第１素子本体から下方に延在して前記第１基板に接続している第１リード端子と、を有していることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記ヒートシンクの前記冷却下面は、前記第１素子本体が当接していない前記ヒートシンクの他の下面より前記第１基板に近接して形成されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
  4. 前記第２発熱電子部品は、
    前記ヒートシンクの冷却上面に面接触状態で固定されている第２素子本体と、この第２素子本体から上方に延在して前記第２基板に接続している第２リード端子とを有していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記ヒートシンクの前記冷却上面は、前記第２素子本体が当接していない前記ヒートシンクの他の上面より前記第２基板に近接して形成されていることを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
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