JP2018207647A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流路内に配置されたプリント基板上の発熱体が、冷却ファンによる冷却風で冷却される電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device in which a heating element on a printed circuit board disposed in a flow path is cooled by cooling air from a cooling fan.
特許文献1には、発熱体(半導体素子)に付随するヒートシンク部が冷却風の流路内に配置されてなる電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、冷却ファンの駆動により、流路の吸気口から排気口へと冷却風を通流させることで、発熱体からの熱が伝達されたヒートシンク部が、強制的に冷却される。
特許文献1のような電力変換装置において発熱体の冷却効率を向上させるためには、一般的に、ヒートシンク部を大型化して放熱面積を大きくするか、または冷却風の風速を上げることが考えられる。
In order to improve the cooling efficiency of the heating element in the power conversion device as in
ヒートシンク部を大型化する場合には、電力変換装置全体が大型化してしまい、電力変換装置に伴う製造コストが増加する虞がある。 When the heat sink portion is enlarged, the entire power conversion device is increased in size, which may increase the manufacturing cost associated with the power conversion device.
一方、冷却風の風速を上げる場合には、流路内に多くの塵挨を取り込むことになり、この塵挨が充電部に付着すると、充電部の短絡が生じる虞がある。なお、充電部の短絡を抑制するために充電部をコーティングすると、このコーティングに伴う付加的なコストが生じてしまう。 On the other hand, when the wind speed of the cooling air is increased, a large amount of dust is taken into the flow path, and if this dust adheres to the charging part, there is a possibility that a short circuit of the charging part occurs. In addition, when the charging part is coated in order to suppress a short circuit of the charging part, an additional cost associated with the coating is generated.
本発明の電力変換装置は、
筐体に形成された吸気口および排気口を有し、冷却ファンによって前記吸気口から前記排気口へと冷却風を通流させる流路と、
前記流路内に配置されたプリント基板と、
前記プリント基板に実装され、前記冷却風によって冷却される発熱体と、
前記冷却風の一部を前記発熱体に向けて案内するように、前記流路に対して所定の傾斜角度で前記プリント基板に実装された板状の接続端子と、
を備えている。
The power converter of the present invention is
A flow path that has an intake port and an exhaust port formed in the housing, and allows cooling air to flow from the intake port to the exhaust port by a cooling fan;
A printed circuit board disposed in the flow path;
A heating element mounted on the printed circuit board and cooled by the cooling air;
A plate-like connection terminal mounted on the printed circuit board at a predetermined inclination angle with respect to the flow path so as to guide a part of the cooling air toward the heating element;
It has.
従って、発熱体が、流路に沿った冷却風に加えて、傾斜した板状の接続端子により案内された冷却風によって冷却される。 Accordingly, the heating element is cooled by the cooling air guided by the inclined plate-like connection terminals in addition to the cooling air along the flow path.
上記電力変換装置の好ましい態様において、前記流路は、互いに対向する2つの板状部材によってダクト状に構成されている。 In a preferred aspect of the power conversion device, the flow path is formed in a duct shape by two plate-like members facing each other.
また、上記電力変換装置の別の好ましい態様において、前記接続端子は、前記2つの板状部材のうち一方の板状部材と前記発熱体との間に位置する。 Moreover, in another preferable aspect of the power conversion device, the connection terminal is located between one of the two plate-like members and the heating element.
さらに、上記電力変換装置の別の好ましい態様において、前記接続端子は、前記発熱体の真下に位置する。 Furthermore, in another preferable aspect of the power conversion device, the connection terminal is located directly below the heating element.
また、上記電力変換装置の別の好ましい態様において、上記電力変換装置は、前記プリント基板上に実装された複数の発熱体を備え、前記複数の発熱体は、前記流路と直交する方向に複数列で、かつ前記流路に沿った方向に複数段で配置され、前記接続端子は、最も下側の列でかつ最も下流側に位置した発熱体の真下に設けられる。 In another preferable aspect of the power conversion device, the power conversion device includes a plurality of heating elements mounted on the printed circuit board, and the plurality of heating elements are arranged in a direction orthogonal to the flow path. It is arranged in a plurality of stages in a row and in a direction along the flow path, and the connection terminal is provided directly below the heating element located in the lowermost row and the most downstream side.
本発明によれば、プリント基板に既に実装されている板状の接続端子により案内される冷却風によって、発熱体がさらに冷却されるので、電力変換装置の大型化や冷却ファンの風速の増加を伴うことなく、発熱体を効率的に冷却することができる。 According to the present invention, since the heating element is further cooled by the cooling air guided by the plate-like connection terminals already mounted on the printed circuit board, it is possible to increase the size of the power converter and increase the wind speed of the cooling fan. Without being accompanied, the heating element can be efficiently cooled.
以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、一実施例の電力変換装置1を側方から透視して見たときの電力変換装置1の内部構成を示す説明図である。この電力変換装置1は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータや、交流電力を直流電力に変換するコンバータであり、縦長の直方体形状をなす盤の筐体2と、この筐体2の上端面に配置された冷却ファン3と、筐体2内に収容され、図示せぬスイッチング素子ユニット4(図5参照)のオン・オフ制御を行うドライブ回路が実装されている複数のドライブ回路用プリント基板5と、によって主に構成されている。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an internal configuration of the
筐体2は、左右の側壁2a(図1には、左側の側壁2aのみが示されている)と、底壁2bと、天井壁2cと、前面壁2dと、背面壁2eと、を備えている。図1に示すように、筐体2の前面壁2dから、3つの板状部材6が、背面壁2eから筐体2の内部側にある程度離間した位置まで水平方向に延びており、これにより、筐体2が、板状部材6の後端縁と背面壁2eとの間の後述する風洞部7を除いて、4つの区画に仕切られている。そして、図1の上から1番目から3番目までの区画において、互いに対向する2つの板状部材6および左右の側壁2aによって四方が囲まれた直方体形状の空間として、冷却ファン3による冷却風が通流するダクト状の流路8が構成されている。ここで、最上部の流路8は、天井壁2c、最上部の板状部材6および左右の側壁2aによって四方を囲まれた直方体形状の空間として構成されている。なお、天井壁2cは、板状部材6とともに特許請求の範囲に記載の「板状部材」に相当する。
The
また、板状部材6の後端縁と背面壁2eとの間に、上下方向に連続した空間つまり風洞部7が構成されている。風洞部7の上端は、天井壁2cに開口形成された排気口9と連通しており、この排気口9を覆うように冷却ファン3が取り付けられている。なお、冷却ファン3は、詳細には図示していないが、回転軸に対して直角な方向へ排気する遠心ファンである。この冷却ファン3によって風洞部7から上方に向けて送風がなされる。
Further, a space continuous in the vertical direction, that is, the
前面壁2dには、各流路8の比較的下側の位置に、吸気口10が開口形成されており、この吸気口10を通して、冷却ファン3の駆動時に、外気である冷却風が流路8内に取り込まれる。
An
各流路8では、図1に示すように、左の側壁2aの内側面に長方形の取付プレート11が取付固定されており、この取付プレート11に長方形の4つのドライブ回路用プリント基板5が板状部材6(または天井壁2c)に沿って等間隔に取り付けられている。
In each
図2に示すように、ドライブ回路用プリント基板5の上側半部に、トランス用プリント基板12が取り付けられている。図1に示すように、トランス用プリント基板12は、吸気口10よりも垂直方向上側の位置に設けられており、このトランス用プリント基板12に、直方体形状をなすトランス13が実装されている。トランス13が実装された状態では、トランス13は、図2に示すように、トランス用プリント基板12から、取付プレート11とは反対側に突出している。
As shown in FIG. 2, a transformer printed
また、図2の左から4番目のドライブ回路用プリント基板5に示すように、ドライブ回路用プリント基板5の下側半部に、発熱体となる6つの半導体素子14(14A,14B,14C,14D,14E,14F)と、スイッチング素子ユニット4(図5参照)に電気的に接続するための板状の接続端子15と、同じくスイッチング素子ユニット4に電気的に接続するための2つのコネクタ16,17と、が実装されている。
As shown in the fourth
半導体素子14は、例えば電界効果トランジスタ(FET)であり、図2および図3に示すように、トランス13の下方において、垂直方向つまり板状部材6(または天井壁2c)と直交する方向に3列で、かつ水平方向つまり板状部材6(または天井壁2c)に沿った方向に2段で、ドライブ回路用プリント基板5に実装されている。ここで、図2および図3に示すように、左から1段目で垂直方向に整列した半導体素子14を、上から順に、半導体素子14A、半導体素子14B、半導体素子14Cとし、左から2段目で垂直方向に整列した半導体素子14を、上から順に、半導体素子14D、半導体素子14E、半導体素子14Fとする。
The
半導体素子14A,14B,14C,14D,14E,14Fが実装された状態では、半導体素子14A,14B,14C,14D,14E,14Fは、図2および図3に示すように、ドライブ回路用プリント基板5から、トランス13と同じ方向に突出している。半導体素子14A,14B,14C,14D,14E,14Fには、放熱部材18(18A,18B,18C,18D,18E,18F)が、ドライブ回路用プリント基板5とは反対側から半導体素子14A,14B,14C,14D,14E,14Fを覆うようにそれぞれ取り付けられている。放熱部材18A,18B,18C,18D,18E,18Fは、熱伝導性に優れた金属材料、例えば銅によって形成されており、図3に示すように、一対の冷却フィン30をそれぞれ備えている。
In a state in which the
垂直方向に整列した3つの半導体素子14や放熱部材18は、垂直方向に等間隔に配置されており、一方、水平方向に整列した2つの半導体素子14や放熱部材18は、水平方向に互いに離間するように適宜配置されている。
The three
ドライブ回路用プリント基板5に半導体素子14や放熱部材18を実装した状態では、ドライブ回路用プリント基板5の表面(図2の手前側の面)からトランス13の上面(図2の手前側の面)までの距離は、ドライブ回路用プリント基板5の表面から放熱部材18の表面(図2の手前側の面)までの距離よりも長くなっている。従って、図2に示すように、流路8内の4つのトランス13よりも下方には、板状部材6(または天井壁2c)に沿って連続する比較的広い空間が形成されている。
In a state where the
かかる電力変換装置1において、冷却ファン3の駆動により、外気である冷却風が、吸気口10から流路8内に取り込まれ、トランス13よりも下方の比較的広い空間を板状部材6に沿って主に通流する。そして、流路8からの冷却風は、風洞部7を通して上方に通流し、天井壁2cに形成された排気口9を通して筐体2外部に排出される。
In such a
ここで、冷却風の主流方向を図1に矢印Aで示す。主流方向Aは、冷却風が流路8内を通流するときには、水平方向つまり板状部材6(または天井壁2c)に沿った方向であり、冷却風が風洞部7を通流するときには、垂直方向つまり板状部材6(または天井壁2c)と直交する方向である。
Here, the main flow direction of the cooling air is indicated by an arrow A in FIG. The main flow direction A is the horizontal direction, that is, the direction along the plate-like member 6 (or the
接続端子15は、例えば、金属製のファストン端子であり、図4に示すように、概ね長方形の板状をなす基部15aと、この基部15aの縁部から突出した2つの突出部15bと、を備えている。
The
このように構成された接続端子15は、図2および図3に示すように主流方向Aの下流側で最も下側に位置した半導体素子14Fや放熱部材18Fの真下でドライブ回路用プリント基板5に実装されている。ここで、板状の基部15aは、ドライブ回路用プリント基板5から直角に突出しており、また、2つの突出部15bは、ドライブ回路用プリント基板5のスルーホールを貫通している。接続端子15が実装された状態では、接続端子15は、図6に示すように、流路8を通流する冷却風の主流方向Aに対して所定の傾斜角度αで傾斜している。つまり、接続端子15は、板状部材6と半導体素子14Fに付随する放熱部材18Fとの間において放熱部材18Fに隣接した位置で、流路8を構成する板状部材6に対して所定の傾斜角度αで傾斜している。ここで、この傾斜角度αは、流路8を通流する冷却風の主流方向A(板状部材6の方向)と接続端子15とによって形成される鋭角側の角度であり、主流方向Aに通流する放熱部材18F側の冷却風の一部を放熱部材18Fに向けて案内することができる角度に設定される。本実施例では、傾斜角度αは、45°である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
このように接続端子15が傾斜して実装された状態では、接続端子15は、図3に示すように、ドライブ回路用プリント基板5から取付プレート11とは反対側に向かって、ドライブ回路用プリント基板5の表面から放熱部材18の表面までの距離よりも長く突出している。
In the state where the
なお、接続端子15は、主流方向A下流側で最も上側に位置した半導体素子14Dや放熱部材18Dの真上に設けられていても良い。
The
また、接続端子15の基部15aには、図2および図3に示すように、配線19を有したコネクタ20が装着される。コネクタ20は、金属製の板状部20aと、この板状部20aの両側部から内側に折り曲げられた2つの折曲部20bと、を備えている。板状部20aと折曲部20bとの間の隙間に板状の接続端子15が挿入されるようにして、コネクタ20は、接続端子15に装着される。このようにコネクタ20が接続端子15に装着された状態であっても、冷却ファン3による冷却風が、接続端子15に反射して半導体素子14Fや放熱部材18Fに向かって案内される。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the
コネクタ16は、図2および図3に示すように、半導体素子14Dや放熱部材18Dの上方でドライブ回路用プリント基板5に実装されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
コネクタ17は、図2および図3に示すように、半導体素子14Aや放熱部材18Aの上方でドライブ回路用プリント基板5に実装されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
ドライブ回路用プリント基板5のドライブ回路は、電力変換を行う図示せぬスイッチング素子ユニット4を駆動するものである。図5に示すように、スイッチング素子ユニット4は、同様に構成された上アーム21および下アーム22を有しており、これらのアーム21,22は、例えばIGBT等であるスイッチング素子21a,22aと、これらと並列に接続されたダイオード21b,22bと、を備えている。
The drive circuit of the drive circuit printed
上記ドライブ回路の接続端子15は、コネクタ20を介してスイッチング素子ユニット4のコレクタCに電気的に接続されている。コネクタ20とコレクタCとの電気的接続により、コレクタ電圧の監視が行われている。
The
また、上記ドライブ回路は、コネクタ16を介してスイッチング素子ユニット4の上アーム21のスイッチング素子21aのゲートG1およびエミッタE1に電気的に接続されており、さらに、コネクタ17を介してスイッチング素子ユニット4の下アーム22のスイッチング素子22aのゲートG2およびエミッタE2に電気的に接続されている。スイッチング素子21a,22aのゲートG1,G2には、ドライブ回路からのゲート信号が入力され、これにより、スイッチング素子21a,22aのON、OFFのタイミングが切り換えられる。
The drive circuit is electrically connected to the gate G1 and the emitter E1 of the
かかる電力変換装置1における冷却ファン3の駆動時に、図1に示すように、吸気口10から取り込まれた冷却風が、流路8において主流方向Aに通流する。このとき、各放熱部材18と同じ垂直方向位置で主流方向Aに通流する冷却風は、図6に太い矢印A1で示すように、主流方向A上流側に位置した放熱部材18A,18B,18Cを冷却した後に、主流方向A下流側に位置した放熱部材18D,18E,18Fを冷却する。
When the cooling fan 3 is driven in the
一方、放熱部材18C,18Fよりも下方の位置で主流方向Aに通流する冷却風は、図6に細い矢印A2で示すように、傾斜した板状の接続端子15によって垂直方向上側に反射され、この接続端子15に隣接した放熱部材18Fに向かって通流していく。
On the other hand, the cooling air flowing in the main flow direction A at a position below the
仮に、接続端子15が板状部材6と平行に配置されている、即ち傾斜角度αが0°である場合には、主流方向A上流側の放熱部材18A,18B,18Cを通過して温められた冷却風が、主流方向A下流側の放熱部材18D,18E,18Fへと通流していく。従って、主流方向A下流側の放熱部材18D,18E,18Fの冷却効率が主流方向A上流側の放熱部材18A,18B,18Cよりも低くなる。一般的に、主流方向A下流側の中央に位置した放熱部材18Eの冷却効率が最も低くなり、これに伴い、放熱部材18Eに熱を伝達する半導体素子14Eの温度上昇が最も高くなり、半導体素子14Eの発熱の許容温度を超過する虞がある。
If the
しかし、上記実施例では、45°に傾斜した接続端子15を放熱部材18Fの真下に配置したことから、図6に矢印A2で示すように、放熱部材18Fの下側で主流方向Aに流れる冷却風の流れが、傾斜した接続端子15によって放熱部材18Fに向かうように案内される。従って、放熱部材18A,18B,18Cと同じ垂直方向位置で主流方向Aに通流する冷却風(矢印A1)に加えて、主流方向A上流側からの熱を受けていない矢印A2で示す冷却風によって、放熱部材18D,18E,18Fが冷却されるので、放熱部材18D,18E,18Fを具備した半導体素子14D,14E,14Fの冷却効率が向上する。この冷却は、温度上昇が最も高くなる半導体素子14Eにとって、最も効果的である。
However, in the above embodiment, since the
また、上記実施例では、ドライブ回路用プリント基板5の必須の構成要素である接続端子15を利用して放熱部材18の冷却効率を向上させているので、追加の構成要素や放熱部材18の大型化に伴う電力変換装置1全体の大型化や、冷却ファン3の風速の増加が必要ない。
Moreover, in the said Example, since the cooling efficiency of the
なお、上記実施例では、図1および図2の左から4番目のドライブ回路用プリント基板5に実装された接続端子15および6つの半導体素子14が実装された例を説明したが、これらの接続端子15および6つの半導体素子14を、図1および図2に示すように左から2番目のドライブ回路用プリント基板5にも実装することができる。
In the above embodiment, the example in which the
また、上記実施例では、6つの半導体素子14が、流路8と直交する方向に3列で、かつ流路8に沿った方向に2段で配置された例を開示したが、半導体素子14の配置は、これに限定されるものでなく、他の複数列でかつ他の複数段で配置されていてもよい。この場合、接続端子15は、最も下側の列でかつ最も下流側に位置した半導体素子14や放熱部材18の真下に設けられる。
In the above-described embodiment, the example in which the six
1・・・電力変換装置
3・・・冷却ファン
5・・・ドライブ回路用プリント基板
6・・・板状部材
8・・・流路
9・・・排気口
10・・・吸気口
14(14A〜14F)・・・半導体素子
15・・・接続端子
18(18A〜18F)・・・放熱部材
α・・・傾斜角度
A・・・主流方向
A1・・・冷却風
A2・・・冷却風
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記流路内に配置されたプリント基板と、
前記プリント基板に実装され、前記冷却風によって冷却される発熱体と、
前記冷却風の一部を前記発熱体に向けて案内するように、前記流路に対して所定の傾斜角度で前記プリント基板に実装された板状の接続端子と、
を備えた電力変換装置。 A flow path that has an intake port and an exhaust port formed in the housing, and allows cooling air to flow from the intake port to the exhaust port by a cooling fan;
A printed circuit board disposed in the flow path;
A heating element mounted on the printed circuit board and cooled by the cooling air;
A plate-like connection terminal mounted on the printed circuit board at a predetermined inclination angle with respect to the flow path so as to guide a part of the cooling air toward the heating element;
The power converter provided with.
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