JP2021065029A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増加を抑制しつつ温度上昇を抑制可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１００は、プリント基板１１０を備える。第１配線パターン１２０は、プリント基板１１０の表層１１２に形成され、パワー系の信号を伝送する。複数の放熱部品１３０は、第１配線パターン１２０上にはんだ実装される。第１配線パターン１２０の発熱を、複数の放熱部品１３０から放熱し、温度上昇を抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

インバータやコンバータなどの電力変換装置は、大電流が流れる信号線を備える。この信号線をプリント基板上の配線パターンで形成した場合、非ゼロの寄生抵抗を有することとなり、大電流が流れることにより発熱する。

この発熱を減らすためには、配線パターンのインピーダンスを減らすこと必要があり、配線パターンの幅を太くする、厚みを大きくする、多層化するといった対策を取ることができる。しかしながら、プリント基板の面積が限られている中で、配線パターンを太くするには限度がある。また配線パターンの厚みにも製造上の制約があり、多層化もコスト上の制約を受けることとなる。

特開２００７−２５５２７５号公報 特開２００６−３３９２４６号公報 特開２０１６−７４１８２号公報

本発明者は、かかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、コストの増加を抑制しつつ温度上昇を抑制可能な電力変換装置の提供にある。

本発明のある態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、プリント基板と、プリント基板の表層に形成され、パワー系の信号を伝送する第１配線パターンと、第１配線パターン上にはんだ実装される放熱部品と、を備える。

この態様によると、第１配線パターン上に直接、放熱部品をはんだ実装することにより、第１配線パターンの発熱を放熱部品によって放熱することができ、温度上昇を抑制できる。

放熱部品は、チェックピンであってもよい。チェックピンは、本来的には、回路基板上で、外部から電気的コンタクトを取るための端子であるが、空洞を有しているため表面積が大きく、高い放熱効果が期待できる。またチェックピンは、さまざまなサイズのものが市販されているため、第１配線パターンの太さなどを考慮して、適切なものを選択することができ、新規に放熱部品を設計する場合に比べてコストを抑制できる。

放熱部品は複数であり、第１配線パターンの長さ方向に、隣接配置されてもよい。放熱部品は複数であり、第１配線パターンの長さ方向および幅方向にマトリクス状に配置されてもよい。チェックピンを並べて配置することにより放熱面積を増やすことができ、より効果的に温度上昇を抑制できる。

プリント基板は多層基板であってもよい。電力変換装置は、表層以外の配線層に第１配線パターンとオーバーラップして形成される第２配線パターンと、第１配線パターンと第２配線パターンを電気的に接続する複数のビアホールと、を備えてもよい。複数のビアホールは、放熱部品の周囲に配置されてもよい。これにより、基板内部の熱を複数のビアホールを介して表層に伝導し、複数のビアホールが取り囲む放熱部品によって放熱することができる。これにより、基板内部の温度上昇も抑制できる。

第１配線パターンは、相対的に幅が狭い部分と広い部分を有してもよい。放熱部品は、幅が狭い部分に実装されてもよい。幅が狭い部分は、広い部分に比べてインピーダンスが高くなり、相対的に発熱が大きくなる。そこで狭い部分に放熱部品を実装することにより、発熱が大きな部分に有効な対策を施すことができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電力変換装置のコストの増加を抑制しつつ、温度上昇を抑制できる。

実施の形態に係る電力変換装置の斜視図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、多層基板を有する電力変換装置を示す図である。 放熱部品の一例を示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、放熱部品の別の一例を示す図である。 放熱部品の別のレイアウト図である。 放熱部品の別のレイアウト図である。 電力変換装置の回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る電力変換装置１００の斜視図である。電力変換装置１００は、インバータやコンバータ、整流器、あるいはそれらの複合装置である。電力変換装置１００は、プリント基板１１０、第１配線パターン１２０、複数の放熱部品１３０を備える。電力変換装置１００は、その他、パワートランジスタやダイオード、コンデンサなどの回路部品１０２を備える。

一般に、電力変換装置１００は、制御系の信号を電送する信号ライン（以下、小信号ラインという）と、パワー系の信号を伝送する信号ライン（以下、大電流ラインという）を有する。第１配線パターン１２０は、発熱が問題となるパワー系の信号を伝送する大電流ラインであり、プリント基板１１０の表層１１２に形成される。第１配線パターン１２０が伝送するパワー系の信号は、直流であると交流であるとを問わない。

放熱部品１３０は複数であり、図１に示すように、第１配線パターン１２０の長さ方向に、隣接して配置してもよい。

複数の放熱部品１３０は、第１配線パターン１２０上にはんだ実装される。以上が電力変換装置１００の基本構成である。この電力変換装置１００によれば、発熱が大きい第１配線パターン１２０上に直接、放熱部品１３０をはんだ実装することにより、第１配線パターン１２０の発熱を、放熱部品１３０から放熱することができ、温度上昇を抑制できる。

図２（ａ）、（ｂ）は、多層基板を有する電力変換装置１００を示す図である。プリント基板１１０は多層基板であり、複数の配線層を有する。大電流ラインは、インピーダンスを小さくするために、多層配線で構成することができ、プリント基板１１０の表層１１２以外の配線層１１４には、第１配線パターン１２０とオーバーラップして、第２配線パターン１２２が形成される。表層の第１配線パターン１２０は空気に接している一方、内層の第２配線パターン１２２は、絶縁層に挟まれているため、第２配線パターン１２２の方が第１配線パターン１２０よりも放熱性が悪い。

図２（ｂ）に示すように、第１配線パターン１２０と第２配線パターン１２２の間は、複数のビアホール１２４を介して電気的に接続される。ビアホール１２４は、多層基板の絶縁層に設けられたスルーホールに、銅などの金属を充填したものである。複数のビアホール１２４は、図２（ｃ）に示すように放熱部品１３０を取り囲むように配置される。

大電流ラインを多層化する場合、内層の第２配線パターン１２２に電流が流れることによって、プリント基板１１０の内部が発熱する。ビアホール１２４は、高い熱伝導率を有しているため、プリント基板１１０の内部の熱を、複数のビアホール１２４を介して表層の第２配線パターン１２２に伝導できる。そして表層に伝わった熱は複数のビアホール１２４が取り囲む放熱部品１３０によって放熱される。図２の構造によれば、基板内部の温度上昇も抑制できる。

続いて放熱部品１３０の具体例を説明する。図３は、放熱部品の一例を示す図である。この放熱部品１３０はチェックピン１３２である。チェックピン１３２は、本来的には、回路基板上に実装され、プローブやクリップにより外部から電気的コンタクトを取るための端子である。チェックピン１３２は、空洞１３４を有する環状あるいは筒状の金属部品であり、プローブやクリップによって挟みやすいような形状を有する。図３に示すようにチェックピン１３２の厚みは全周にわたり均一であってもよい。チェックピン１３２は空洞１３４が設けられているため表面積が大きく、高い放熱効果が期待できる。またチェックピン１３２は、さまざまなサイズのものが市販されているため、第１配線パターン１２０の太さなどを考慮して、適切なものを選択することができる。チェックピン１３２を用いると、新規に放熱部品を設計する場合に比べてコストを抑制できる。

チェックピン１３２の向きは、図３のそれに限定されない。複数のチェックピン１３２の空洞１３４が、同軸となる向きで配置してもよい。

図４（ａ）、（ｂ）は、放熱部品の別の一例を示す図である。図４（ａ）の放熱部品１３０は、ヒートシンク１３６であり、その表面には、放熱フィン１３８が形成されている。図４（ａ）は、小型のヒートシンク１３６を複数の、第１配線パターン１２０上に配置したものである。たとえばヒートシンク１３６のサイズは、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度としてもよい。複数のビアホール１２４は、ヒートシンク１３６の実装領域に形成してもよい。第１配線パターン１２０の幅が狭い場合には、それと同程度の幅を有するヒートシンク１３６（放熱部品１３０）を、第１配線パターン１２０の長さ方向に隣接して並べて配置することができる。

図４（ｂ）に示すように、大型の１枚のヒートシンク１４０を、第１配線パターン１２０上に実装してもよい。１枚のヒートシンク１４０を用いると、図４（ａ）の場合に比べて実装コストを下げることができる。

図５は、放熱部品１３０の別のレイアウト図である。図５に示すように、複数の放熱部品１３０を、第１配線パターン１２０の長さ方向および幅方向にマトリクス状に配置してもよい。第１配線パターン１２０の幅が広い場合には、それより狭い幅を有する放熱部品１３０を、第１配線パターン１２０の幅方向および長さ方向に、マトリクス状に配置することができる。

図６は、放熱部品１３０の別のレイアウト図である。実際のプリント基板１１０上では、第１配線パターン１２０の幅が一定であることは希であり、部分的に太くなったり細くなったりする。放熱部品１３０は発熱が問題となる箇所に優先的に配置すべきところ、第１配線パターン１２０の幅ｄが細い部分は、太い部分に比べて抵抗値が大きくなるため、発熱量も大きくなる。そこで、第１配線パターン１２０が相対的に幅が狭い部分１２０Ａと広い部分１２０Ｂを有する場合には、放熱部品１３０は、幅が狭い部分１２０Ａに実装するとよい。これにより、発熱が大きい部分を効果的に放熱できる。

続いて、電力変換装置における放熱部品１３０による熱対策を施すべき箇所について説明する。図７は、電力変換装置２００の回路図である。電力変換装置２００は、整流器２０２、平滑コンデンサ２０４、ＤＣリンク２０６，２０８、インバータ２１０、ドライバ２１２を備える。整流器２０２は交流電圧Ｖ_ＡＣを整流し、ＤＣリンク２０６、２０８に接続される平滑コンデンサ２０４に供給する。インバータ２１０は、平滑コンデンサ２０４に発生する直流電圧Ｖ_ＤＣを交流に変換し、負荷２１４を駆動する。ドライバ２１２は、インバータ２１０のアームを構成するパワートランジスタのオン、オフを制御する。

たとえば上述の第１配線パターン１２０は、ＤＣリンク２０６や２０８であってもよい。あるいは第１配線パターン１２０は、インバータ２１０と負荷２１４を接続する交流のラインであってもよい。これらの配線は、大電流が流れて発熱量が大きくなりやすいため、優先的に熱対策を行うべき箇所といえる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００ 電力変換装置
１１０ プリント基板
１１２ 表層
１１４ 配線層
１２０ 第１配線パターン
１２２ 第２配線パターン
１２４ ビアホール
１３０ 放熱部品
１３２ チェックピン
１３４ 空洞
１３６ ヒートシンク
２００ 電力変換装置
２０２ 整流器
２０４ 平滑コンデンサ
２０６，２０８ ＤＣリンク
２１０ インバータ
２１２ ドライバ
２１４ 負荷

Claims (6)

1. プリント基板と、
   前記プリント基板の表層に形成され、パワー系の信号を伝送する第１配線パターンと、
   前記第１配線パターン上にはんだ実装される放熱部品と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記放熱部品は、チェックピンであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記プリント基板は多層基板であり、前記表層以外の配線層に前記第１配線パターンとオーバーラップして形成される第２配線パターンと、
   前記第１配線パターンと前記第２配線パターンを電気的に接続する複数のビアホールと、
   を備え、
   前記複数のビアホールは、前記放熱部品の周囲に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記放熱部品は複数であり、前記第１配線パターンの長さ方向に、隣接配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記放熱部品は複数であり、前記第１配線パターンの長さ方向および幅方向にマトリクス状に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記第１配線パターンは、相対的に幅が狭い部分と広い部分を有し、
   前記放熱部品は、前記幅が狭い部分に実装されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電力変換装置。

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