JP2017022908A - インバータ装置 - Google Patents

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JP2017022908A JP2015139682A JP2015139682A JP2017022908A JP 2017022908 A JP2017022908 A JP 2017022908A JP 2015139682 A JP2015139682 A JP 2015139682A JP 2015139682 A JP2015139682 A JP 2015139682A JP 2017022908 A JP2017022908 A JP 2017022908A
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賢一郎 伊東
Kenichiro Ito
賢一郎 伊東
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Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ素子を放熱することができるインバータ装置を提供する。
【解決手段】放熱板80と、放熱板80の上に配置され、実装したパワー素子20と放熱板80が熱的に結合するパワー素子基板21と、パワー素子基板21に立設された柱状電極30,40,50,60,70を備えている。パワー素子基板21の上方に配置され、複数の発熱素子102を実装した制御回路基板100と、制御回路基板100を固定する被固定部材32,42を備えている。発熱素子102を冷却するヒートシンク120を備え、ヒートシンク120は、被固定部材42に固定され、制御回路基板100の端面に接触する突起125,126を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、インバータ装置に関するものである。
インバータ装置として、放熱板の上に、順に、パワー素子を実装したパワー素子基板、素子を実装した基板を配置した構造が知られている(例えば、特許文献1)。
特開2014−11319号公報
ところで、製品のバリエーションやオプション等の追加機能で、発熱素子の搭載を必要とする場合がある。搭載スペースの関係上、放熱板の直上に配置できず、例えば、図12および図13に示すように、上部に配置された基板300に追加で複数の素子301,302,303を実装した場合、実装された複数の素子301,302,303を冷却するための構造として、放熱板であるアルミベース板304の上に放熱ブロック305を配置し、その上に放熱シート306,307を介して素子301,302,303を配置することが考えられる。この場合において、図14(a)に示すように、素子の放熱構造として、冷却が必要な素子301に対して、既に素子301の下部に、その他の構造物308があり、新たに追加できるスペースがない場合、図14(b)に示すように、放熱ブロック309等を追加できるよう体格を拡張してスペースを確保する。ところが、サイズの大きい放熱ブロック309等が必要となり、体格が拡大してしまう。
本発明の目的は、大型化を抑制しつつ素子を放熱することができるインバータ装置を提供することにある。
請求項1に記載の発明では、放熱板と、前記放熱板の上に配置され、実装したパワー素子と前記放熱板が熱的に結合するパワー素子基板と、前記パワー素子基板に立設された柱状電極と、前記パワー素子基板の上方に配置され、複数の発熱素子を実装した基板と、前記基板を固定する被固定部材と、を備えたインバータ装置であって、前記発熱素子を冷却するヒートシンクを備え、前記ヒートシンクは、前記被固定部材に固定され、前記基板の端面に接触する突起を有することを要旨とする。
請求項1に記載の発明によれば、ヒートシンクにより発熱素子が冷却される。また、ヒートシンクは、被固定部材に固定され、基板の端面に接触する突起を有するので、所望の位置に配置することができる。よって、大型化を抑制しつつ素子を放熱することができる。
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載のインバータ装置において、前記被固定部材は、前記柱状電極に形成されていることを要旨とする。
請求項2に記載の発明によれば、ヒートシンクを確実に固定することができる。
請求項3に記載の発明では、請求項1または2に記載のインバータ装置において、前記ヒートシンクはフィンを有することを要旨とする。
請求項3に記載の発明によれば、放熱性に優れている。
請求項4に記載の発明では、請求項1〜3のいずれか1項に記載のインバータ装置において、前記発熱素子が集合配置され、集合配置された発熱素子は、前記ヒートシンクに熱的に結合されていることを要旨とする。
請求項4に記載の発明によれば、ヒートシンクを小型化することができる。
本発明によれば、大型化を抑制しつつ素子を放熱することができる。
実施形態のインバータ装置を示す分解斜視図。 インバータ装置の正面図。 インバータ装置の回路構成図。 インバータ装置の一部平面図。 インバータ装置の一部正面図。 ヒートシンクを設置する前におけるインバータ装置の一部平面図。 ヒートシンクを示す斜視図。 (a)はヒートシンクの平面図、(b)はヒートシンクの正面図、(c)はヒートシンクの右側面、(d)は(a)のA−A線での断面図。 制御回路基板の平面図。 冷却構造の正面図。 (a)は冷却構造の側面図、(b)は冷却構造の正面図。 制御回路基板の平面図。 冷却構造の正面図。 (a),(b)は冷却構造の側面図。
以下、本発明を車両に搭載されるインバータ装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するX,Y方向で規定するとともに、上下方向をZ方向で規定している。
図1,2に示すように、全体構成として、長方形状をなす放熱板80の上面が水平面となっており、アルミ製の放熱板80の上面にパワー素子基板(主回路基板)21が配置されている。パワー素子基板21は、金属基板の上面に絶縁膜をコーティングし、その絶縁膜の上に銅製またはアルミ製の導体パターン(図示略)が形成されて構成されている。パワー素子基板21の上方においてコンデンサ基板90がパワー素子基板21と対向するように配置されている。さらに、コンデンサ基板90の上方において板状の補助ブラケット本体110がコンデンサ基板90と対向するように配置されている。板状の補助ブラケット本体110の上方において制御回路基板100が板状の補助ブラケット本体110と対向するように配置されている。
パワー素子基板21には、複数のパワー素子20、正極側入力柱状電極30、負極側入力柱状電極40、U相出力柱状電極50、V相出力柱状電極60、W相出力柱状電極70等が搭載されている。各柱状電極30,40,50,60,70はパワー素子基板21に立設されている。コンデンサ基板90には、複数のコンデンサ91が搭載されている。制御回路基板100には、各種の電子部品101が搭載されている。また、板状の補助ブラケット本体110と制御回路基板100との間には導電カラー112が介装されている。
図3に示すように、本実施形態のインバータ装置10は、モータへ3相交流電力を供給する3相インバータであり、バッテリから供給される直流電力を交流電力に変換する。図3において、U相について上アーム用スイッチング素子Q1と下アーム用スイッチング素子Q2を備え、両スイッチング素子Q1,Q2は直列に接続されている。また、V相について上アーム用スイッチング素子Q4と下アーム用スイッチング素子Q3を備え、両スイッチング素子Q3,Q4は直列に接続されている。さらに、W相について上アーム用スイッチング素子Q5と下アーム用スイッチング素子Q6を備え、両スイッチング素子Q5,Q6は直列に接続されている。各スイッチング素子Q1〜Q6には、それぞれ、ダイオードD1,D2,D3,D4,D5,D6が並列に接続されている。各スイッチング素子にはMOSFETが使用されている。これら各スイッチング素子Q1〜Q6および各ダイオードD1〜D6はパワー素子基板21に搭載される。
図1に示すように、上アーム用スイッチング素子Q1は、並列接続された複数個のパワー素子20が、パワー素子基板21上の一方向(Y方向)に一列に並ぶ第1の素子群G1として構成されている。詳しくは、パワー素子20は、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子をチップ化したものであり、このパワー素子20がパワー素子基板21に実装されている。以下、同様に、下アーム用スイッチング素子Q2は、並列接続された複数個のパワー素子20が、パワー素子基板21上の一方向(Y方向)に一列に並ぶ第2の素子群G2として構成されている。下アーム用スイッチング素子Q3は、並列接続された複数個のパワー素子20が、パワー素子基板21上の一方向(Y方向)に一列に並ぶ第3の素子群G3として構成されている。上アーム用スイッチング素子Q4は、並列接続された複数個のパワー素子20が、パワー素子基板21上の一方向(Y方向)に一列に並ぶ第4の素子群G4として構成されている。上アーム用スイッチング素子Q5は、並列接続された複数個のパワー素子20が、パワー素子基板21上の一方向(Y方向)に一列に並ぶ第5の素子群G5として構成されている。下アーム用スイッチング素子Q6は、並列接続された複数個のパワー素子20が、パワー素子基板21上の一方向(Y方向)に一列に並ぶ第6の素子群G6として構成されている。パワー素子基板21に実装したパワー素子20と放熱板80とが熱的に結合されている。
なお、図1に示すように、パワー素子基板21には複数のパワー素子20が実装されているが、図3では説明を簡単にするため等価的に示している。
図3において、U相の上アーム用スイッチング素子Q1と下アーム用スイッチング素子Q2との間の接続点がU相出力柱状電極50と接続される。V相の上アーム用スイッチング素子Q4と下アーム用スイッチング素子Q3との間の接続点がV相出力柱状電極60と接続される。W相の上アーム用スイッチング素子Q5と下アーム用スイッチング素子Q6との間の接続点がW相出力柱状電極70と接続される。U相出力柱状電極50、V相出力柱状電極60およびW相出力柱状電極70は、車載走行モータ(図示せず)に接続される。
パワー素子基板21において、スイッチング素子Q1(第1の素子群G1)のドレインが導体パターンを通して正極側入力柱状電極30と電気的に接続されている。また、スイッチング素子Q4,Q5(第4の素子群G4、第5の素子群G5)のドレインが導体パターンを通して正極側中継電極23と電気的に接続されているとともに正極側中継電極23が導体パターンを通して正極側入力柱状電極30と電気的に接続されている。スイッチング素子Q2,Q3(第2の素子群G2、第3の素子群G3)のソースが導体パターンを通して負極側中継電極22と電気的に接続されているとともに負極側中継電極22が導体パターンを通して負極側入力柱状電極40と電気的に接続されている。スイッチング素子Q6(第6の素子群G6)のソースが導体パターンを通して負極側入力柱状電極40と電気的に接続されている。
図3において、正極側入力柱状電極30と負極側入力柱状電極40の間には複数のコンデンサ91が並列に接続されている。これらコンデンサ91は、コンデンサ基板90に複数実装されている。
図1において、X方向において第2の素子群G2と第3の素子群G3との間には負極側中継電極22が配置されており、負極側中継電極22は導体パターンにより負極側入力柱状電極40と電気的に接続されている。また、X方向において第4の素子群G4と第5の素子群G5との間には正極側中継電極23が配置されており、正極側中継電極23は導体パターンにより正極側入力柱状電極30と電気的に接続されている。
図3において、インバータ装置10の正極側入力柱状電極30および負極側入力柱状電極40には車載バッテリBcの正極端子および負極端子が接続される。また、各スイッチング素子Q1〜Q6のゲートは制御回路を構成する電子部品101と接続されている。制御回路を構成する電子部品101は制御回路基板100(図1,2参照)に搭載されている。そして、制御回路基板100の制御回路によりスイッチング素子Q1〜Q6がスイッチング制御されて車載走行モータに電力を供給するようになっている。
図1に示すように、アルミよりなる正負の入力柱状電極30,40および各相の出力柱状電極50,60,70は、それぞれ、バスバー(帯板部)31,41,51,61,71が一体形成されている。バスバー31,41,51,61,71は、パワー素子基板21の導体パターン上に配置される。バスバー31,41,51,61,71は、細長に延びる矩形板状(帯状)に形成され、導体パターンに対し面接触して電気的に接続される。
バスバー31,41,51,61,71は、その長手方向が、素子群G1〜G6のパワー素子20が並ぶ方向(Y方向)と平行となるようにパワー素子基板21上に配置されている。
また、負極側中継電極22は、その長手方向が、素子群G1〜G6のパワー素子20が並ぶ方向(Y方向)と平行となるようにパワー素子基板21上に配置されている。また、正極側中継電極23は、その長手方向が、素子群G1〜G6のパワー素子20が並ぶ方向(Y方向)と平行となるようにパワー素子基板21上に配置されている。
図1および図2に示すように、正負の入力柱状電極30,40におけるバスバー31,41の上面にコンデンサ基板90が載置されている。正極側入力柱状電極30および負極側入力柱状電極40は、バスバー31,41を介してコンデンサ基板90(コンデンサ91)と電気的に接続されている。また、正極側入力柱状電極30において上側の周面には被固定部材(制御回路基板用支持部)32が突設されている。同様に、負極側入力柱状電極40において上側の周面には被固定部材(制御回路基板用支持部)42が突設されている。そして、図1に示すように、ねじ130が、制御回路基板100に形成した貫通孔103、導電カラー112、補助ブラケット本体110に形成した貫通孔113、コンデンサ基板90に形成した貫通孔92を通して被固定部材32に螺入されている。また、ねじ131が、制御回路基板100に形成した貫通孔104、導電カラー112、補助ブラケット本体110に形成した貫通孔114、コンデンサ基板90に形成した貫通孔93を通して被固定部材42に螺入されている。これにより、正負の入力柱状電極30,40に制御回路基板100が支持されるとともに電気的に接続されている。
コンデンサ基板90にはU相出力柱状電極50、V相出力柱状電極60、およびW相出力柱状電極70が貫通している。パワー素子基板21の上方には、補助ブラケット本体110が脚部111によりパワー素子基板21に支持されているとともに、補助ブラケット本体110が被固定部材32,42に支持されている。また、補助ブラケット本体110にはU相出力柱状電極50、V相出力柱状電極60、およびW相出力柱状電極70が貫通している。補助ブラケット本体110上に制御回路基板100が支持され、制御回路基板100にはU相出力柱状電極50、V相出力柱状電極60、およびW相出力柱状電極70が貫通している。また、ケーブル(図示略)によってパワー素子基板21と制御回路基板100とが電気的に接続されている。
このように、インバータ装置10は、放熱板80と、放熱板80の上に配置され、実装したパワー素子20と放熱板80が熱的に結合するパワー素子基板21と、パワー素子基板21に立設された柱状電極30,40,50,60,70と、制御回路基板100を固定する被固定部材32,42と、を備えている。
パワー素子基板21の上方に配置されている制御回路基板100の上面には複数の発熱素子102が実装されている。本実施形態では、3つの発熱素子102が接近した位置に集合して配置されている(集合配置されている)。発熱素子102は、例えば、トランジスタ、ダイオードである。
図1、図2、図4、図5に示すように、インバータ装置10は、発熱素子102の上面から発熱素子102を冷却するヒートシンク120を備えている。つまり、図6に示すように制御回路基板100に対しヒートシンク120の取り付け前の状態から、図4に示すように、制御回路基板100に対してヒートシンク120が、締結部材としてのねじ131を被固定部材42に螺入することにより固定されている。ヒートシンク120はアルミ材よりなる。
図7、図8(a)、図8(b)、図8(c)、図8(d)に示すように、ヒートシンク120は、複数の発熱素子102と熱的に結合される平板部121と、制御回路基板100との接続部位である平板部122と、フィン124と、突起125,126を有する。
ヒートシンク120の平板部121は、複数の発熱素子102の上に放熱シート140(図5参照)を介して当接する。平板部122は、平板部121から段差をつけて延び、制御回路基板100の上面に当接する。平板部122には、ねじ締結用貫通孔123が形成されている。平板部121の上面にはフィン124が一体形成されている。フィン124は、直線的に延びる突条を複数(7つ)並設して構成されている。フィン124により放熱面積が大きくなり放熱効率が上がる。突起125は、平板部121の端部から下方に延びている。突起126は、平板部122の端部から下方に延びている。突起125,126は制御回路基板100の側面に接触する。制御回路基板100の端面に突起125,126が接触して位置決めされるとともに組み付け時の回転(供回り)が防止される。
図1に示すように、ねじ131が、ヒートシンク120の貫通孔123、制御回路基板100に形成した貫通孔104、導電カラー112、補助ブラケット本体110に形成した貫通孔114、コンデンサ基板90に形成した貫通孔93を通して被固定部材42に螺入され、被固定部材42に固定される。突起125,126による位置決めにより、図4において距離L1で示すヒートシンク120の平板部121に形成した円弧部121aとW相出力柱状電極70との絶縁距離を確保することができる。
また、複数の発熱素子102は1つのヒートシンク120に対応するように集合して配置されており、集合配置された発熱素子102はヒートシンク120に熱的に結合されている。なお、図4,6において符号132で示すねじは、制御回路基板100を貫通して補助ブラケット本体110に螺入され、制御回路基板100と補助ブラケット本体110を締結するためのものである。
次に、このように構成したインバータ装置10の作用を説明する。
車載バッテリBcから直流電力がインバータ装置10に供給される。そして、制御回路(電子部品101)により上アームのスイッチング素子Q1,Q4,Q5(第1、第4および第5の素子群G1,G4,G5のパワー素子20)、および下アームのスイッチング素子Q2,Q3,Q6(第2、第3および第6の素子群G2,G3,G6のパワー素子20)がオン、オフ制御される。これにより、車載バッテリBcの直流が交流に変換され、交流がU相出力柱状電極50、V相出力柱状電極60およびW相出力柱状電極70を経て車載走行モータに供給される。
また、正極側入力柱状電極30および負極側入力柱状電極40が発熱すると、この熱はバスバー31,41からパワー素子基板21を介して放熱板80に伝わり放熱される。また、スイッチング素子Q1〜Q6(素子群G1〜G6)におけるスイッチング動作に伴う熱はパワー素子基板21を介して放熱板80に伝わり放熱される。
また、図2,5に示すように、発熱素子102の熱は放熱シート140を介してヒートシンク120に伝わり、ヒートシンク120から大気に逃がされる。即ち、ヒートシンク120により発熱素子102が冷却される。このとき、ヒートシンク120のフィン124により効率的に放熱することができる。
また、ヒートシンク120を制御回路基板100に取り付ける際に、制御回路基板100の発熱素子102の上に放熱シート140を介してヒートシンク120を配置する。そして、この状態でねじ131を、図1に示すように、ヒートシンク120の貫通孔123、制御回路基板100の貫通孔104、導電カラー112、補助ブラケット本体110の貫通孔114、コンデンサ基板90の貫通孔93を通して被固定部材42に螺入する。これにより、ヒートシンク120が、制御回路基板100と共に被固定部材42に固定される。
ヒートシンク120を制御回路基板100に取り付ける際に、ヒートシンク120の突起125,126が制御回路基板100の側面と接触して位置決めされ所望の位置に配置することができる。また、ねじ締結の際にヒートシンク120の供回りを防止することができる。
以下、現行体格を維持した放熱構造を確立する本構成について図9、図10、図11(b)を用いて説明する。
図9に示すように、基板200に対し、冷却が必要な発熱素子201,202,203が集合して配置されており、小型な放熱構造とすることができる。そして、現行のねじ締結部、即ち、ねじ131および制御回路基板100の貫通孔104、補助ブラケット本体110の貫通孔114、コンデンサ基板90の貫通孔93を活用して、図1に示すように、ねじ131を、これら貫通孔104,114,93を通して被固定部材42に螺入することによりヒートシンク120を設置している。
図9,10は本発明の要部を表し、アルミベース材204は放熱板80に相当し、構造物205は放熱板80上のパワー素子基板21、コンデンサ基板90、補助ブラケット本体110、各柱状電極30,40,50,60,70等の部品に相当し、放熱シート206は放熱シート140に相当し、素子201,202,203は発熱素子102に相当する。図9、図10に示すように、基板200に冷却が必要な素子201,202,203が実装されている。詳しくは、図11(b)に示すように、アルミベース材204の上にその他の構造物205が配置され、その上に素子201,202,203が位置している。この場合、素子201,202,203を集合配置し、その上に放熱シート206を介してヒートシンク120を配置する。
このとき、図14(b)においてはサイズの大きい放熱ブロック309等が必要となり、コストアップを招くとともに、放熱ブロック309等を設置するスペースが必要となり、体格が拡大してしまうのに対し、図11(a)に示すごとく、図14(b)での体格拡張範囲分だけ小型にできる。これにより、ヒートシンク120を設置することにより基板200の外形を拡張することなく素子を放熱できる。つまり、図10に示すようにアルミベース材204の上にその他の構造物205が配置され、その上に素子201,202,203が位置している場合(製品のバリエーションやオプション等の追加機能で、追加で必要となって、基板200に搭載する場合)において図9、図10に示すように冷却が必要な素子201,202,203を集合配置することで、放熱シート206、ヒートシンク120を小型化することができる。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)インバータ装置10の構成として、放熱板80と、放熱板80の上に配置され、実装したパワー素子20と放熱板80が熱的に結合するパワー素子基板21と、パワー素子基板21に立設された柱状電極30,40,50,60,70を備えている。また、パワー素子基板21の上方に配置され、複数の発熱素子102を実装した基板としての制御回路基板100と、制御回路基板100を固定する被固定部材32,42を備えている。さらに、発熱素子102を冷却するヒートシンク120を備え、ヒートシンク120は、被固定部材42に固定され、制御回路基板100の端面に接触する突起125,126を有する。よって、ヒートシンク120により発熱素子102が冷却される。また、ヒートシンク120は、被固定部材42に固定され、制御回路基板100の端面に接触する突起125,126を有するので、所望の位置に配置することができる。その結果、大型化を抑制しつつ発熱素子102を放熱することができる。
(2)被固定部材42は、柱状電極40に形成されている。よって、柱状電極40が強固に固定されているのでヒートシンク120を確実に固定することができる。
(3)ヒートシンク120はフィン124を有するので、放熱性に優れている。
(4)発熱素子102が集合配置され、集合配置された発熱素子102は、ヒートシンク120に熱的に結合されているので、ヒートシンク120を小型化することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・ヒートシンク120におけるフィン124は無くてもよい。
・ねじ131は電極接続用ねじであったが、これに限ることはない。
10…インバータ装置、20…パワー素子、21…パワー素子基板、30,40,50,60,70…柱状電極、32,42…被固定部材、80…放熱板、100…制御回路基板、102…発熱素子、120…ヒートシンク、124…フィン、125,126…突起。

Claims (4)

  1. 放熱板と、
    前記放熱板の上に配置され、実装したパワー素子と前記放熱板が熱的に結合するパワー素子基板と、
    前記パワー素子基板に立設された柱状電極と、
    前記パワー素子基板の上方に配置され、複数の発熱素子を実装した基板と、
    前記基板を固定する被固定部材と、
    を備えたインバータ装置であって、
    前記発熱素子を冷却するヒートシンクを備え、
    前記ヒートシンクは、前記被固定部材に固定され、前記基板の端面に接触する突起を有することを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記被固定部材は、前記柱状電極に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。
  3. 前記ヒートシンクはフィンを有することを特徴とする請求項1または2に記載のインバータ装置。
  4. 前記発熱素子が集合配置され、集合配置された発熱素子は、前記ヒートシンクに熱的に結合されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のインバータ装置。
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