JP2018191388A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関し、特に、車載用として好適な電量変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly, to a power conversion device suitable for in-vehicle use.
電気自動車等の環境対応車には、充電器、インバーター及びDC−DCコンバーター等の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、通電により発熱するパワー半導体素子等の電気部品を有する。通常、電気部品は、発生した熱を外部に効率よく放熱するためのヒートシンク(放熱部材)と熱的に接続される。特許文献1、2には、筐体とは別部材で構成されたヒートシンクが、筐体に形成された開口に取り付けられ、電気部品と熱的に接続された構造が開示されている。 An environment-friendly vehicle such as an electric vehicle is equipped with a power converter such as a charger, an inverter, and a DC-DC converter. The power conversion device includes an electrical component such as a power semiconductor element that generates heat when energized. Usually, the electrical component is thermally connected to a heat sink (heat radiating member) for efficiently radiating generated heat to the outside. Patent Documents 1 and 2 disclose a structure in which a heat sink formed of a member different from a casing is attached to an opening formed in the casing and is thermally connected to an electrical component.
また、電力変換装置においては、防水性、放熱性、耐振動性などの観点から、筐体はダイカスト成形によって製造されることが多い。ダイカスト成形は、複雑な形状に加工することができ、寸法精度も高いため、ヒートシンクと筐体を一体的に形成することができる。特許文献1、2では、筐体とヒートシンクが別部材で構成されているが、この場合も、筐体とヒートシンクは、それぞれダイカスト成形によって製造されるものと考えられる。 Moreover, in a power converter, the casing is often manufactured by die casting from the viewpoint of waterproofness, heat dissipation, vibration resistance, and the like. Since die casting can be processed into a complicated shape and has high dimensional accuracy, the heat sink and the housing can be formed integrally. In Patent Documents 1 and 2, the casing and the heat sink are configured as separate members, but in this case as well, it is considered that the casing and the heat sink are each manufactured by die casting.
ところで、電力変換装置が搭載される車種が異なっていても、電力変換装置の内部に収容される電気回路や電気部品は大きく変わらない。しかし、車種によって、電力変換装置の搭載位置は様々であり、要求される外形サイズや形状は異なる。そのため、少なくとも電力変換装置の筐体は、車種ごとに新規に開発されている。 By the way, even if the vehicle type in which the power conversion device is mounted is different, the electrical circuit and electrical components housed in the power conversion device do not change significantly. However, the mounting position of the power conversion device varies depending on the vehicle type, and the required outer size and shape are different. Therefore, at least the casing of the power conversion device has been newly developed for each vehicle type.
しかしながら、ダイカスト成形は、金型の設計及び作製に長時間を要し、金型費用も高価である。したがって、車種ごとに設計を行うことは開発コストの増大に繋がる。また、開発段階において電気部品のレイアウト等の設計変更を行う場合にも、金型を作製し直すこととなるため、やはり開発コストが増大してしまう。このように、従来の電力変換装置では、筐体がダイカスト成形により形成されているため、低コスト化が困難である。 However, die casting requires a long time to design and manufacture a mold, and the cost of the mold is also expensive. Therefore, designing for each vehicle type leads to an increase in development cost. In addition, when the design change such as the layout of the electrical parts is performed in the development stage, the mold is remanufactured, which also increases the development cost. Thus, in the conventional power converter, since the housing is formed by die casting, it is difficult to reduce the cost.
本発明の目的は、設計変更に容易に対応することができ、低コスト化を図ることができる電力変換装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the power converter device which can respond easily to a design change and can aim at cost reduction.
本発明に係る電力変換装置は、
回路基板と、
前記回路基板に実装される電気部品と、
前記電気部品が載置される部品載置部及び前記電気部品で発熱した熱を放熱する放熱部が一体的に形成されたヒートシンクと、
前記ヒートシンク及び前記電気部品を収容する箱状の筐体と、
前記ヒートシンクと前記筐体との間に介在するシール部材と、を備え、
前記筐体は、前記ヒートシンクとは別部材で構成され、
前記ヒートシンクは、前記筐体に形成された開口を介して前記放熱部が外部に露出する状態で前記筐体に取り付けられることを特徴とする。
The power converter according to the present invention is
A circuit board;
Electrical components mounted on the circuit board;
A heat sink formed integrally with a component placement portion on which the electrical component is placed and a heat dissipation portion that dissipates heat generated by the electrical component;
A box-shaped housing for housing the heat sink and the electrical component;
A seal member interposed between the heat sink and the housing,
The housing is configured by a member different from the heat sink,
The heat sink is attached to the casing in a state where the heat radiating portion is exposed to the outside through an opening formed in the casing.
本発明によれば、設計変更に容易に対応することができ、低コスト化を図ることができる電力変換装置が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power converter device which can respond easily to a design change and can aim at cost reduction is provided.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1A、図1Bは、本発明の一実施の形態に係る充電器1の外観を示す図である。図1Aは、充電器1を上方から見た斜視図であり、図1Bは、充電器1を下方から見た斜視図である。図2は、回路基板40を取り外した充電器1の状態を示す図である。図3は、充電器1を上方から見た分解斜視図である。図4は、充電器1を下方から見た分解斜視図である。なお、図3及び図4では、回路基板40の上面に実装される電気部品41、筐体10に立設されるボス14は省略されている。
1A and 1B are views showing an external appearance of a charger 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a perspective view of the charger 1 as seen from above, and FIG. 1B is a perspective view of the charger 1 as seen from below. FIG. 2 is a diagram illustrating a state of the charger 1 with the
図1A、図1B、図2及び図3に示すように、充電器1は、筐体10、ヒートシンク20、電気部品30及び回路基板40等を備える。
As shown in FIGS. 1A, 1B, 2 and 3, the charger 1 includes a
回路基板40は、所定の回路パターンが形成されたプリント基板である。回路基板40は、筐体10の底面に対向して配置される。回路基板40には、電気部品30、41が実装される。電気部品30は、放熱のために、回路基板40の下面(筐体10側の面)に実装される。電気部品41は、例えば、フィルムコンデンサー及びリレーを含む。電気部品41は、放熱の必要性が低いため、回路基板40の上面に実装される。
The
電気部品30は、通電によって自己発熱する部品であり、例えば、電界効果トランジスター(FET:Field effect transistor)30B、30C、ダイオード30D、ブリッジダイオード30E等の電力用半導体素子(いわゆるパワー半導体)、コイル30F及びトランス30A等を含む。電力用半導体素子30B〜30Eには、規格化された汎用品を適用できる。
The
電気部品30のリード部32は、回路基板40の回路パターン(図示略)と電気的に接続される(図5参照)。また、電気部品30の放熱面31aは、ヒートシンク20の部品載置面21aと熱的に接続される(図6参照)。電力用半導体素子30B〜30Dとヒートシンク20の間には、絶縁シート54が介装される。
The
ヒートシンク20は、電気部品30と熱的に接触し、電気部品30で発熱した熱を外部に放熱する。ヒートシンク20は、電気部品30A〜30Fのそれぞれに対応して設けられる(ヒートシンク20A〜20F)。電気部品30A〜30Eに対応するヒートシンク20A〜20Eは、筐体10の内側(図3、図4では上側)から筐体10に取り付けられる。電気部品30Fに対応するヒートシンク20Fは、筐体10の外側(図3、図4では下側)から筐体10に取り付けられる。なお、筐体10に対してヒートシンク20を内側から取り付けるか、外側から取り付けるかは、特に制限されない。
The
ヒートシンク20は、ダイカスト成形により形成されるのが好ましい。これにより、ヒートシンク20が複雑な形状を有していても、精度よく作製することができる。また、ヒートシンク20を量産する場合に低コスト化を図ることができる。なお、従来のように、筐体とヒートシンクをダイカスト成形により一体的に形成する場合に比較すると、金型は小さくなるので、ダイカスト成形に要するコストは低減される。電気部品30及びヒートシンク20の具体的な固定構造については後述する。
The
筐体10は、ヒートシンク20、電気部品30及び回路基板40を収容する箱状の部材である。筐体10は、金属材料の板材(例えば、スチール板)に抜き加工、曲げ加工及び絞り加工を含む板金加工を施すことにより形成される。なお、一般的に、ダイカスト成形するよりも板金加工を行った方が低コスト化を図ることができる。
The
筐体10は、電気部品30A〜30F、回路基板40等を収容する凹室11を有する。凹室11の上縁には、外側に張り出すフランジ12が形成されている。筐体10には、凹室11の開口面を覆うように、筐体10と対称的な形状を有する蓋体(図示略)が取り付けられる。例えば、筐体10のフランジ12と蓋体のフランジ(図示略)を重ね合わせて、ネジ止めすることにより、両者は固定される。
The
筐体10は、凹室11の底面に開口13を有する。開口13は、ヒートシンク20A〜20Fのそれぞれに対応して設けられる(開口13A〜13E)。開口13を介して、ヒートシンク20の放熱部22(図5参照)が筐体10の外部に露出する。一方、電気部品30A〜30Fが搭載されるヒートシンク20の部品載置部(図5の部品載置部21を参照)は、筐体10の凹室11の内部に配置される。凹室11、フランジ12及び開口13は、板金加工により容易に形成することができる。筐体10は、板金加工により形成されるので、設計(例えば、筐体10のサイズや形状、開口13の位置(言い換えると、電気部品30A〜30Fの搭載位置)など)に変更があっても、容易かつ低コストに対応することができる。
The
また、筐体10の底面には、ヒートシンク20等を固定するためのネジ孔を有するボス14が立設されている(図2参照)。ボス14は、例えば、溶着により凹室11の底面に形成される。また、図示を省略するが、筐体10の底面には、ヒートシンク20を固定するためのネジ(符号略、図1B参照)が挿通されるネジ穴が形成されている。
Further, a
以下に、ヒートシンク20と電気部品30の固定構造について、電気部品30B(FET)を例に挙げて説明する。図5A、図5Bは、ヒートシンク20Bに電気部品30Bを取り付けた状態を示す図である。図6は、ヒートシンク20B及び電気部品30Bの構造を示す分解斜視図である。図7は、充電器1におけるヒートシンク20B及び電気部品30Bが配置された部分の断面図である。なお、図5A、図5B、図6及び図7では、絶縁シート54(図3参照)は省略されている。
Hereinafter, the fixing structure of the
図5A、図5B、図6及び図7に示すように、ここでは、4つの電気部品30Bが並設され、付勢部材51によって1つのヒートシンク20Bに押圧固定されている。
As shown in FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 6 and FIG. 7, here, four
電気部品30Bは、リード挿入型の汎用トランジスターであり、パッケージ部31及びリード部32を有する。パッケージ部31の一方の主面が放熱面31aである。リード部32は、パッケージ部31から屈曲した状態で延び、例えば、半田付けにより回路基板40に接続される。
The
ヒートシンク20Bは、部品載置部21、放熱部22、固定部23、フランジ24及び溝25を有する。
部品載置部21は、電気部品30Bが載置され、電気部品30Bで発生する熱を放熱部22へ伝熱する役割を果たす。また、部品載置部21は、電気部品30Bが載置される部品載置面21aを有する。部品載置面21aは、回路基板40の基板面に対して傾斜している。部品載置面21aを傾斜させることで、回路基板40の基板面と平行にする場合に比べ、凹室11の底面積を小さくすることができるが、基板面と平行にしても構わない。
放熱部22は、部品載置部21の部品載置面21aとは反対側の面に設けられる。放熱部22は、電気部品30Bで発熱した熱を放熱する。放熱部22は、板状の放熱フィン(符号略)を有する。なお、放熱フィンの形状は特に制限されず、例えば、ピン形状であってもよい。
The
The
The
固定部23は、位置決めピン23a及びネジ孔23bを有する。固定部23には、付勢部材51が固定される。フランジ24は、部品載置部21及び固定部23から外側に張り出して形成される。フランジ24には、筐体10にネジ止めするためのネジ孔26が設けられる。
The fixing
溝25は、部品載置部21、固定部23及びフランジ24の下面、すなわち筐体10と接触する面において、外周に沿って設けられる。溝25には、シール部材53(図7参照)が配置される。
The
このように、ヒートシンク20Bは、複雑な形状である部品載置部21、放熱部22、固定部23、フランジ24及び溝25を含めて構成される。すなわち、板金加工では作製困難な構造をヒートシンク20に纏めることにより、筐体10には複雑な構造が含まれず、筐体10を、板金加工等の低コストの製造方法により形成することが可能となる。
なお、ヒートシンク20は、ダイカスト成形により形成することができる。特に部品載置部21と放熱部22が一体的に成形されることにより、より高い伝熱性及び放熱性を実現することができる。
As described above, the
The
付勢部材51は、4つの板バネ51a及び板バネ51aを連結する連結部51bを有する。連結部51bは、ネジ52が挿通される挿通孔(符号略)及びヒートシンク20Bの位置決めピン23aが挿通される挿通孔51cを有する。
The urging
電気部品30Bは、パッケージ部31の放熱面(符号略)が部品載置面21aと面接触するように部品載置部21に載置される。この状態で、付勢部材51がヒートシンク20Bに取り付けられる。具体的には、付勢部材51は、挿通孔51cにヒートシンク20Bの位置決めピン23aが挿通されることにより位置決めされる。そして、付勢部材51は、挿通孔(図示略)を介してヒートシンク20Bのネジ孔26にネジ52が締め付けられることにより、固定される。このとき、板バネ51aは、電気部品30Bをヒートシンク20Bに向けて押圧している状態となる。すなわち、4つの電気部品30Bは、一括してヒートシンク20Bに押圧固定される。また、電気部品30Bのリード部32は、例えば半田付けにより、回路基板40の回路パターン(図示略)と電気的に接続される。電気部品30Bは、回路基板40に対して傾いた状態で実装されることとなる。
The
電気部品30Bは回路基板40に対して傾いて実装されるので、筐体10と回路基板40との間のスペースを大きくすることなく、付勢部材51によって電気部品30Bを押圧固定することができるとともに、絶縁距離を確保することができる。また、電気部品30Bをヒートシンク20Bに押圧固定することにより、接触熱抵抗が小さくなるので放熱効率が向上し、耐振動性も向上する。さらには、電気部品30Bには規格化された汎用品を用いるので、低コスト化を図ることができる。
Since the
ヒートシンク20Bは、筐体10に形成された開口13を介して、放熱部22が外部に露出する状態で、筐体10に取り付けられる(図7参照)。具体的には、ヒートシンク20Bは、フランジ24に設けられたネジ孔26に、筐体10の外側からネジ(符号略、図2参照)が締め付けられることにより、筐体10に固定される。このとき、ヒートシンク20Bの溝25にシール部材53が配置される。これにより、筐体10とヒートシンク20Bは水密に固定されるので、充電器1の防水性が確保される。なお、シール部材53には、Oリング又は液体ガスケット等を適用できる。
The
以上、ヒートシンク20Bと電気部品30Bの構造を例に挙げて説明したが、その他のヒートシンク20A、20C〜20Fと電気部品30A、30C〜30Fの構造についても、基本的な部分については同様である。なお、筐体10に対して外側から取り付けられるヒートシンク20Fの場合、シール部材53が配置される溝25は、上面に形成される。
The structure of the
このように、充電器1(電力変換装置)は、回路基板40と、回路基板40に実装される電気部品30と、電気部品30が載置される部品載置部21及び電気部品30で発熱した熱を放熱する放熱部22を有するヒートシンク20と、ヒートシンク20及び電気部品30を収容する箱状の筐体10と、ヒートシンク20と筐体10との間に介在するシール部材53と、を備える。筐体10は、ヒートシンク20とは別部材で構成される。ヒートシンク20は、筐体10に形成された開口13を介して放熱部22が外部に露出する状態で筐体10に取り付けられる。
As described above, the charger 1 (power conversion device) generates heat in the
充電器1では、筐体10とヒートシンク20が別部材で構成されており、筐体10は板金加工により形成されているので、充電器1に対する要求仕様(例えば、外形サイズや形状)が異なっても、筐体10の設計を変更するだけでよく、ヒートシンク20は筐体10の設計にかかわらず流用することができる。また、開発段階において電気部品30のレイアウト等の設計変更を行う場合にも、筐体10の設計変更だけで容易に対応することができる。したがって、充電器1によれば、設計変更に容易に対応することができ、低コスト化を図ることができる。
In the charger 1, the
一般に、充電器1が搭載される車種が異なっていても、充電器1の内部に収容される回路基板40や電気部品30は大きく変わらない。そのため、ヒートシンク20及び電気部品30は、複数の車種にわたって共用化を見込むことができる。したがって、充電器1によれば、複数車種に対する展開も可能となり、さらなる低コスト化を図ることができる。
In general, even if the vehicle type on which the charger 1 is mounted is different, the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be changed without departing from the gist thereof.
例えば、ヒートシンク20は、ダイカスト成形以外の製法で作製されてもよく、鍛造又は押出成形を適用することができる。また例えば、シール部材53を配置するための溝は、ヒートシンク20ではなく、筐体10に形成されてもよい。
For example, the
さらに、筐体10は、板金加工以外の製法で作製されてもよい。例えば、筐体10は、樹脂成形によって作製することができる。
Further, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明に係る電力変換装置は、充電器、インバーター、DC−DCコンバーター等の車載用の電力変換装置に好適である。 The power conversion device according to the present invention is suitable for a vehicle-mounted power conversion device such as a charger, an inverter, and a DC-DC converter.
1 充電器(電力変換装置)
10 筐体
20、20A〜20F ヒートシンク
21 部品載置部
22 放熱部
30、30A〜30F 電気部品
40 回路基板
53 シール部材
1 Charger (power converter)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記回路基板に実装される電気部品と、
前記電気部品が載置される部品載置部及び前記電気部品で発熱した熱を放熱する放熱部を有するヒートシンクと、
前記ヒートシンク及び前記電気部品を収容する箱状の筐体と、
前記ヒートシンクと前記筐体との間に介在するシール部材と、を備え、
前記筐体は、前記ヒートシンクとは別部材で構成され、
前記ヒートシンクは、前記筐体に形成された開口を介して前記放熱部が外部に露出する状態で前記筐体に取り付けられることを特徴とする電力変換装置。 A circuit board;
Electrical components mounted on the circuit board;
A heat sink having a component placement portion on which the electrical component is placed and a heat dissipation portion that dissipates heat generated by the electrical component;
A box-shaped housing for housing the heat sink and the electrical component;
A seal member interposed between the heat sink and the housing,
The housing is configured by a member different from the heat sink,
The power converter, wherein the heat sink is attached to the casing in a state where the heat radiating portion is exposed to the outside through an opening formed in the casing.
前記ヒートシンクは、前記付勢部材を固定するための固定部を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の電力変換装置。 A biasing member that presses and fixes the electrical component to the component placement unit;
The power converter according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat sink has a fixing portion for fixing the biasing member.
前記固定部は、前記付勢部材を位置決めする位置決めピンと、前記付勢部材をネジ止めするネジ孔を有することを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。 The biasing member is a leaf spring,
The power converter according to claim 6, wherein the fixing portion includes a positioning pin for positioning the biasing member and a screw hole for screwing the biasing member.
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