JP5279896B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品を高電圧破壊から守るための保護回路を備えた電源装置に関するものである。
レーザ電源装置では、インバータ（高周波インバータ回路）の周波数として１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の高周波が用いられている。また、レーザ電源装置のコンバータ部やインバータ部のスイッチには、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）に代表される半導体スイッチが用いられている。
ＭＯＳＦＥＴは、デバイス構造上寄生的にできる寄生ダイオードを内蔵しており、寄生ダイオード部分はデバイスとしての特性を保証できない場合がある。そのため、寄生ダイオードに電流が流れることを防ぐために、ＭＯＳＦＥＴと直列にダイオードを接続し、さらにＭＯＳＦＥＴと逆並列に寄生ダイオードとは異なるダイオード（寄生ダイオードへの電流防止用ダイオード）を接続して用いる場合がある。ダイオードとしてＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が用いられることが多い。このようなＭＯＳＦＥＴでは、電流がダイオード、ＭＯＳＦＥＴのドレイン、ＭＯＳＦＥＴのソースの順番の経路、およびＭＯＳＦＥＴのソース、電流防止用ダイオードの順番の経路で流れる。また、レーザ電源装置に用いる高周波インバータ回路には、ダイオードを高電圧破壊から守るための保護回路（ツェナーダイオード等）を付加して用いている。これにより、ダイオードに高電圧が印加された場合、ダイオードと並列接続した保護回路が導通し、ダイオードの過電圧破壊を抑制している（特許文献１参照）。
しかしながら、上記従来の技術では、保護回路が発熱し、温度上昇によってＭＯＳＦＥＴの特性が変化するのを防ぐため冷却構造が大型化する課題があった。また、電源装置のコンバータ部やインバータ部のスイッチは、電流容量を増すために保護回路を備えたＭＯＳＦＥＴを複数個並列接続して用いる場合がある。この場合、ダイオード順方向電流は、温度上昇に対して正帰還特性があるので、ダイオードを並列接続して用いる場合には、一部のダイオードに電流が集中し、ダイオードが破壊する場合があるといった問題があった。また、プリント基板上の保護回路を冷却する方法として、柔軟性をもたせたアルミパック型水冷ユニットをプリント基板に密着させる方法がある。この方法では、水冷ユニットと回路素子間に隙間が発生し、熱伝導が阻害されるおそれがあるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、保護回路の熱上昇を抑えて安定した電源を供給する電源装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、トランジスタを有したスイッチ素子を用いて電源電圧を供給する電源装置において、前記電源電圧を発生させる回路基板となる回路用プリント基板と、前記トランジスタと逆並列に接続されて前記トランジスタを回避した経路で電流を流せるよう構成された第１のダイオードと、前記トランジスタと直列接続されて前記トランジスタに形成される寄生ダイオードに流れる電流を防ぐ第２のダイオードと、前記第２のダイオードと並列に接続されて前記第２のダイオードを高電圧破壊から守るとともに前記回路用プリント基板とは異なる基板上に形成された保護回路と、前記回路用プリント基板外で前記保護回路と接合して前記保護回路を冷却する冷却部と、を備えることを特徴とする。
本発明にかかる電源装置は、保護回路が回路用プリント基板とは異なる基板上に形成されて回路用プリント基板外で冷却部と接合するので、保護回路の熱上昇を抑えて安定した電源を供給することが可能になるという効果を奏する。
以下に、本発明の実施の形態係る電源装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。以下の実施の形態では、電源装置の一例として、電源装置がレーザ出力に用いられるレーザ電源装置である場合について説明する。
実施の形態１．
本実施の形態では、半導体部品の保護回路の冷却能力を高めるために、保護対象の半導体部品が接続されるメインプリント基板とは別のプリント基板上に保護回路を構成する。そして、メインプリント基板の配線パターンと電気的に接続された導体を、保護回路を構成するプリント基板上に設け、この導体を伝熱性絶縁物（絶縁体）などを介して冷却フィンと熱的に接続する。
本実施の形態では、半導体部品の保護回路の冷却能力を高めるために、保護対象の半導体部品が接続されるメインプリント基板とは別のプリント基板上に保護回路を構成する。そして、メインプリント基板の配線パターンと電気的に接続された導体を、保護回路を構成するプリント基板上に設け、この導体を伝熱性絶縁物（絶縁体）などを介して冷却フィンと熱的に接続する。
図１は、電源装置の構成を示す図である。電源装置１００は、整流部５０と、昇圧コンバータ部５１と、インバータ部５２と、昇圧トランス部５３と、放電電極部５４とを備えている。
整流部５０は、商用２００Ｖの三相交流電源を整流して脈流を得る。昇圧コンバータ部５１は、平滑コンデンサＣ１およびインダクタＬ１により、整流電圧を平滑して直流電圧を得て、それを昇圧する。昇圧コンバータ部５１にはスイッチ素子Ｓ１が設けられており、昇圧コンバータ部５１の出力電圧値は、ｄｕｔｙ比設定回路８１がスイッチ素子Ｓ１のｄｕｔｙ比を変えることにより任意に設定できる。
インバータ部５２は、昇圧コンバータ部５１により昇圧された直流電圧を高周波に変換するための複数のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４を有している。インバータ部５２は、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ２、スイッチ素子Ｑ３とスイッチ素子Ｑ４の組み合わせを、スイッチング信号作成回路８２からのスイッチング信号で交互に高周波でオン／オフすることにより、昇圧された電圧を高周波に変換する。昇圧トランス部５３は、インバータ部５２により高周波に変換された高周波電圧を放電電極部（レーザ発振用放電電極部）５４への印加電圧まで昇圧する。放電電極部５４は、昇圧トランス部５３により昇圧された電圧（電源電圧）の供給によってレーザを発する。電源装置１００では、インバータ（高周波インバータ回路）の周波数として例えば１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の高周波が用いられる。
なお、図１では電源装置１００がｄｕｔｙ比設定回路８１、スイッチング信号作成回路８２を備える構成の場合について説明したが、電源装置１００はｄｕｔｙ比設定回路８１、スイッチング信号作成回路８２を備えていなくてもよい。
図２は、昇圧コンバータ部またはインバータ部のスイッチの詳細な構成を示す図である。図２では、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４が有している半導体スイッチＴＸの構成を示している。半導体スイッチＴＸは、ＭＯＳＦＥＴ３、ダイオード（第２のダイオード）２、保護回路１、ダイオード（第１のダイオード）５を備えている。また、半導体スイッチＴＸは、デバイス構造上寄生的にできる寄生ダイオード４を内蔵している。ダイオードとしてＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が用いることが多い。
ダイオード２は、ＭＯＳＦＥＴ３のドレイン側で、ＭＯＳＦＥＴ３と直列に接続されている。ダイオード５は、ＭＯＳＦＥＴ３と逆並列に接続されている。保護回路１は、ダイオード２を高電圧破壊から守るための保護回路素子であり、例えばツェナーダイオード等である。保護回路１は、ダイオード２と並列に接続されている。これにより、ダイオード２に高電圧が印加された場合、保護回路１が導通し、ダイオード２の過電圧破壊を抑制する。
電源装置１００では、図２に示した半導体スイッチＴＸを１〜複数個並列に接続することによって、昇圧コンバータ部５１やインバータ部５２の１つのスイッチ素子（スイッチＳ１やスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４）を構成している。ここで、インバータ部５２の構成の一例について説明する。図３は、インバータ部の構成の一例を示す図である。図３では、インバータ部５２の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４が、それぞれ２並列の半導体スイッチＴＸを有している場合を図示している。
スイッチ素子Ｑ１は、半導体スイッチＴＸとして半導体スイッチＴ１１，Ｔ１２を有し、スイッチ素子Ｑ２は、半導体スイッチＴＸとして半導体スイッチＴ２１，Ｔ２２を有している。スイッチ素子Ｑ３は、半導体スイッチＴＸとして半導体スイッチＴ３１，Ｔ３２を有し、スイッチ素子Ｑ４は、半導体スイッチＴＸとして半導体スイッチＴ４１，Ｔ４２を有している。
本実施の形態では、保護回路１を保護回路１用のプリント基板上に形成し、この保護回路１を冷却フィンに取り付けることによって保護回路１を冷却する。冷却フィンとしては、水冷フィンであってもよいし、空冷フィンであってもよい。本実施の形態では、保護回路１などの冷却に水冷フィンを用いる場合について説明する。また、本実施の形態では、保護回路１用のプリント基板とともに、ダイオード２用のプリント基板、ＭＯＳＦＥＴ３用のプリント基板を、水冷フィンに取り付けて冷却する。
図４は、水冷フィンの構成の一例を示す図である。図４では、冷却フィン１０に保護回路１を取り付けた場合を示している。冷却フィン（冷却部）１０は、例えば直方体をなしており、その柱軸が筒状にくり貫かれて形成されている。具体的には、冷却フィン１０は、直方体の上面側から底面側にかけて筒状にくり貫かれている。保護回路１（保護回路用のプリント基板）は、概略板状をなしており、その主面が冷却フィン１０の側面と接するよう取り付けられる。冷却フィン１０の筒状の穴には、水冷に用いる水が送り込まれ、これにより保護回路１が冷却される構成となっている。
本実施の形態では、電源装置１００を構成する一部の回路（半導体スイッチＴＸ以外の回路）を電源装置用のプリント基板（後述のメインプリント基板Ｐ）に形成するとともに、このメインプリント基板（回路用プリント基板）Ｐの近傍に冷却フィン１０を配置する。また、図２に示すコンデンサからダイオード２、ＭＯＳＦＥＴ３への給電は、メインプリント基板Ｐ内に設けた導体パターン（図示せず）によって行う。また、電源装置１００を構成する半導体スイッチＴＸの各部品を、それぞれ別々のプリント基板上に形成しておき、各プリント基板を各冷却フィン１０に接合する。本実施の形態では、１つの冷却フィン１０に１つのプリント基板を接合する。
つぎに、電源装置１００が形成されたメインプリント基板Ｐと冷却フィン１０の構成について説明する。図５は、メインプリント基板と冷却フィンの実施の形態１に係る構成を示す図である。図５では、メインプリント基板Ｐおよび冷却フィン１０の側面を示している。メインプリント基板Ｐと冷却フィン１０とは、メインプリント基板Ｐの底面と冷却フィン１０（柱状の側面のうち保護回路１などが取り付けられる側面に垂直な側面）がスペーサ２２を介して接合されている。
そして、１つの冷却フィン１０へは、半導体スイッチＴＸを構成する１つの部品（プリント基板）が接合される。図５では、各冷却フィン１０に半導体スイッチＴ１１のＭＯＳＦＥＴ３（ＭＯＳＦＥＴ３用のプリント基板）、ダイオード２（ダイオード２用のプリント基板）、保護回路１（保護回路１用のプリント基板）、ダイオード５（ダイオード５用のプリント基板）、半導体スイッチＴ１２のＭＯＳＦＥＴ３、ダイオード２、保護回路１、ダイオード５を接合した場合を示している。この構成により、ＭＯＳＦＥＴ３、ダイオード５、ダイオード２、保護回路１、ダイオード５は、スペーサ２２を介して冷却フィン１０によって冷却される。
つぎに、保護回路１などの半導体スイッチＴＸの構成要素（部品）と冷却フィン１０との接合部分の構成について説明する。ここでは、保護回路１と冷却フィン１０との接合部分の構成について説明する。図６〜図１１は、保護回路１を形成したプリント基板（保護回路基板）と冷却フィン１０との接合部分を示す図であり、保護回路基板（保護回路基板２１ａ，２１ｂ）と冷却フィン１０との接合部分の断面構成を示している。以下では、紙面の右側を上面側とし、紙面の左側を底面側として説明する。
図６は、保護回路基板の内部パターンと冷却フィンを直接接合した場合の構成を示す図である。保護回路１を構成する保護回路素子１ａ，１ｂは、保護回路基板（第１の基板）２１ａの上面（紙面の右側）に形成されている。保護回路基板２１ａの底面には保護回路素子１ａ，１ｂと接続する内部パターン２４が形成され、この内部パターン２４が冷却フィン１０に接合される。換言すると、剥き出し状態の内部パターン２４（内部導体を露出した内部パターン２４）が直接冷却フィン１０に接合される。
また、保護回路基板２１ａなどの冷却フィン１０への固定は、保護回路基板２１ａの上面側から保護回路基板２１ａ、内部パターン２４を貫通して冷却フィン１０に到達するネジ２３によって行われる。これにより、簡易な構成で保護回路１を冷却することが可能となる。
図７は、保護回路基板の裏面と冷却フィンとをアイランド状の導体で接合した場合の構成を示す図である。保護回路基板２１ａの底面には、内部パターン２４と、底面側の保護回路基板（第２の基板）２１ｂと、が形成されている。換言すると、上面側の保護回路基板２１ａと底面側の保護回路基板２１ｂとの間に保護回路基板２１ａ，２１ｂによって挟み込まれた内部パターン２４が形成されている。保護回路基板２１ｂには保護回路基板２１ｂの底面側から上面側へ貫通する１〜複数の貫通穴（スルーホールとなる開口部）が形成されており、この貫通穴に導体（第１の導体）２５Ｂが埋め込まれている。導体２５Ｂの埋め込まれる貫通穴は、例えば保護回路基板２１ａに保護回路素子１ａ，１ｂなどを形成する際に用いる穴あけ方法と同じ方法によってあけられる。
さらに、保護回路基板２１ｂの底面側と冷却フィン１０とは、導体（第２の導体）２５Ａで接合されている。導体２５Ａは、アイランド状の構造を有しており、各導体２５Ｂと接合されている。換言すると、各導体２５Ａは、各導体２５Ｂの配置位置に応じた位置でアイランド状に形成されている。これにより、内部パターン２４は、貫通穴に埋め込まれた導体２５Ｂと導体２５Ａを介して冷却フィン１０に接合される。
また、保護回路基板２１ａなどの冷却フィン１０への固定は、保護回路基板２１ａの上面側から保護回路基板２１ａ、内部パターン２４、保護回路基板２１ｂを貫通して冷却フィン１０に到達するネジ２３によって行われる。これにより、保護回路１が形成される基板が強強度となり、強度の強い基板上に保護回路１を形成した場合であっても容易に保護回路１を冷却することが可能となる。
なお、プリント基板上に回路を形成する際に用いるリングランドを保護回路基板２１ｂの底面に形成しておいてもよい。このリングランドは、保護回路基板２１ｂの貫通穴の周囲に形成される平板リング状の導体である。これにより、導体２５Ｂと導体２５Ａとがリングランドを介して接合されることとなり、導体２５Ｂと導体２５Ａとの接合が容易になる。また、保護回路基板２１ｂの底面にリングランドを形成する場合には、このリングランドを導体２５Ａとしてもよい。
図８は、保護回路基板の裏面と冷却フィンとをベタパターン状の導体で接合した場合の構成を示す図である。図８の接合構成は、図７の接合構成と比べて保護回路基板２１ｂの底面側と冷却フィン１０とを接合する導体２５Ａが異なっている。具体的には、図８の接合構成では、保護回路基板２１ｂの底面側と冷却フィン１０とをベタパターン状の導体２５（導体板）Ｃで接合している。これにより、導体２５Ｃは、複数の導体２５Ｂと接合されている。
また、保護回路基板２１ａなどの冷却フィン１０への固定は、保護回路基板２１ａの上面側から保護回路基板２１ａ、内部パターン２４、保護回路基板２１ｂ、導体２５Ｃを貫通して冷却フィン１０に到達するネジ２３によって行われる。これにより、保護回路１が形成される基板が強強度となり、強度の強い基板上に保護回路１を形成した場合であっても簡易な構成で容易に保護回路１を冷却することが可能となる。
図９は、保護回路基板の裏面と冷却フィンとをアイランド状の導体および絶縁物で接合した場合の構成を示す図である。図９の接合構成は、図７の接合構成と比べて導体２５Ａと冷却フィン１０との間に絶縁物（伝熱性絶縁物）３１が配置されている点が異なっている。
また、保護回路基板２１ａなどの冷却フィン１０への固定は、保護回路基板２１ａの上面側から保護回路基板２１ａ、内部パターン２４および絶縁物３１を貫通して冷却フィン１０に到達するネジ２３によって行われる。これにより、冷却フィン１０が導体２５Ｂなどと同電位はない（アースでない）場合であっても、容易に保護回路１を冷却することが可能となる。
図１０は、保護回路基板の裏面と冷却フィンとをベタパターン状の導体および絶縁物で接合した場合の構成を示す図である。図１０の接合構成は、図８の接合構成と比べて導体２５Ｃと冷却フィン１０との間に絶縁物３１が配置されている点が異なっている。
また、保護回路基板２１ａなどの冷却フィン１０への固定は、保護回路基板２１ａの上面側から保護回路基板２１ａ、内部パターン２４、保護回路基板２１ｂおよび絶縁物３１を貫通して冷却フィン１０に到達するネジ２３によって行われる。これにより、冷却フィン１０が導体２５Ｃなどと同電位はない場合であっても、簡易な構成で容易に保護回路１を冷却することが可能となる。
図１１は、保護回路基板の内部パターンと冷却フィンを保護回路基板の側面側から接合した場合の構成を示す図である。保護回路基板２１ａの底面には、内部パターン２４と、底面側の保護回路基板２１ｂと、が形成されている。そして、内部パターン２４のうち保護回路基板２１ａ，２１ｂに接合していない面（側面）にかぎ型の導体（第３の導体）２６が接合されている。この導体２６は、内部パターン２４との接合位置から保護回路基板２１ｂの側面（外壁面）に沿って冷却フィン１０側に延び、保護回路基板２１ｂの底面（絶縁物３１の上面）で曲がり、絶縁物３１の上面側と接合されている。換言すると、導体２６は、内部パターン２４の側面と接続するとともに、保護回路基板２１ｂの側面から保護回路基板２１ｂの底面に延びている。
また、保護回路基板２１ａなどの冷却フィン１０への固定は、保護回路基板２１ａの上面側から保護回路基板２１ａ、内部パターン２４、保護回路基板２１ｂおよび絶縁物３１を貫通して冷却フィン１０に到達するネジ２３によって行われる。これにより、強度の強い基板上に保護回路１を形成した場合であっても貫通穴を用いることなく簡易な構成で保護回路１を冷却することが可能となる。
なお、図６から図１１に示した接合構成を種々組み合わせてもよい。例えば、図６に示した接合構成に絶縁物３１を配置してもよい。この場合、内部パターン２４と冷却フィン１０との間に絶縁物３１を配置する。また、図１１に示した接合構成において絶縁物を省略してもよい。この場合、導体２６と冷却フィン１０とを直接接合させる。
また、冷却フィン１０には、水冷フィンと空冷フィンの何れを用いてもよいが、電源装置１００の周囲環境に金属粉等が多い場合に空冷フィンを用いる場合は、空冷フィンに到達する気流中に含まれる金属粉を取り除くフィルタを設けておく。
また、図２、図３、図５などでは、各半導体スイッチＴＸが１つのＭＯＳＦＥＴ３を有している場合について説明したが、各半導体スイッチＴＸが複数のＭＯＳＦＥＴ３を有する構成としてもよい。
なお、本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ３、ダイオード２、保護回路１、ダイオード５をそれぞれ別々のプリント基板（チップ）上に形成する場合について説明したが、ＭＯＳＦＥＴ３、ダイオード２、保護回路１、ダイオード５のうちのいくつかを同一のプリント基板上に形成してもよい。例えば、ダイオード２と保護回路１とを同一のプリント基板上に形成し、このプリント基板を冷却フィン１０に接続してもよい。
なお、本実施の形態では、保護回路１やダイオード２をプリント基板上に形成する場合について説明したが、保護回路１やダイオード２はプリント基板上以外の基板上（半導体基板上など）に形成してもよい。
従来、ダイオードを保護する保護回路はプリント基板上に構成していた。ところが、ツェナーダイオードなどの保護回路を構成する電子部品の発熱によって保護回路が温度上昇するなどの問題があった。一方、本実施の形態では、保護回路素子１ａ，１ｂで発生した熱を、保護回路基板２１の内部導体（内部パターン２４、導体２５Ｂなど）、保護回路基板２１ａ，２１ｂの表面導体（導体２５Ａ，２５Ｃ，２６など）、冷却フィン１０の経路で冷却フィン１０に伝えることができるので効率良く保護回路を冷却することが可能となる。
このように実施の形態１によれば、保護回路１を保護回路基板２１上に形成し、この保護回路基板２１を冷却フィン１０によって冷却しているので保護回路１の熱上昇を抑えて安定した電源を効率良く供給することが可能となる。
実施の形態２．
つぎに、図１２〜図１４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、並列接続された複数の保護回路１の温度差による特性ばらつきを抑制するために、並列接続された複数の保護回路１を個別の冷却フィン１０ではなく、同一の冷却フィン１０に接続する。
つぎに、図１２〜図１４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、並列接続された複数の保護回路１の温度差による特性ばらつきを抑制するために、並列接続された複数の保護回路１を個別の冷却フィン１０ではなく、同一の冷却フィン１０に接続する。
ダイオードの特性は温度依存性があるので、ダイオード２や保護回路１はできるだけ同じ温度で動作させることが望ましい。このため、本実施の形態では、ダイオード２と保護回路１とを同一の冷却フィン１０に設置する。また、１つのスイッチ素子（スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４）内でダイオード２や保護回路１を並列接続して用いる場合、並列接続した複数のダイオード２、保護回路１の温度がそれぞれ異なるとダイオード特性によって温度の高いダイオードに電流が集中し、この結果、ダイオードが破壊する場合がある。このため、本実施の形態では、並列接続したダイオード２と保護回路１を同一の冷却フィン１０に設置する。換言すると、１つのスイッチ素子を構成する部品群（ダイオード２や保護回路１）を同一の冷却フィン１０に接続する。
図１２は、メインプリント基板と冷却フィンの実施の形態２に係る構成を示す図である。図１２では、メインプリント基板Ｐおよび冷却フィン１０の側面を示している。メインプリント基板Ｐと冷却フィン１０とは、メインプリント基板Ｐの底面と冷却フィン１０の側面でスペーサ２２を介して接合されている。
そして、１つの冷却フィン１０へは、１つのスイッチ素子が有している半導体スイッチＴＸ群の保護回路１とダイオード２（スイッチ素子内で並列接続された保護回路１とダイオード２）が接合される。図１２では、１つの冷却フィン１０にスイッチ素子Ｑ１の部品群（保護回路１とダイオード２）を接合した場合を示している。具体的には、１つの冷却フィン１０に半導体スイッチＴ１１のダイオード２、半導体スイッチＴ１１の保護回路１、半導体スイッチＴ１２のダイオード２、半導体スイッチＴ１２の保護回路１を接合している。
この構成により、同一のスイッチ素子を構成する保護回路１とダイオード２は、同一の冷却フィン１０によって冷却される。したがって、同一のスイッチ素子内で並列接続された複数の保護回路１、ダイオード２の温度差による特性ばらつきを抑制することが可能となる。
また、１つのスイッチ素子を構成する半導体スイッチＴＸ群を同一の絶縁物３２上に配置してもよい。図１３は、１つのスイッチ素子を構成する半導体スイッチ群を同一の絶縁物上に配置した場合の構成を示す図である。なお、図１３では、半導体スイッチＴ１１，Ｔ１２のＭＯＳＦＥＴ３やダイオード５の図示を省略している。
図１３では、並列接続した半導体スイッチＴ１１のダイオード２、半導体スイッチＴ１１の保護回路１、半導体スイッチＴ１２のダイオード２、半導体スイッチＴ１２の保護回路１を冷却フィン１０との間に設けた共通の１枚の絶縁物３２上に配置している。絶縁物３２として熱伝導率の高い部材を用いることにより、１つのスイッチ素子を構成する保護回路１とダイオード２の間の温度差を小さくすることができる。
ところで、電源装置１００をレーザ用電源装置として用いる場合、動作周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度と高いので、インバータ部のスイッチ素子にはＭＯＳＦＥＴ３など数十ｎｓ〜数１００ｎｓ程度でスイッチ動作する高速素子が用いられる。この場合、ＭＯＳＦＥＴ３と直列接続されたダイオード２にも、ＭＯＳＦＥＴ３のスイッチング速度に相当する周波数の電圧変化、電流変化が発生する。ダイオード２に保護回路１を接続する場合に、配線経路が長いと、ダイオード２と保護回路１との間に図１４に示すような浮遊インダクタンス６（保護回路１に直列接続した浮遊インダクタンス分）が入る場合がある。浮遊インダクタンス６が大きな場合、ＭＯＳＦＥＴ３がオン／オフした際に電圧の一部が浮遊インダクタンス６にかかるので、保護回路１を構成するツェナーダイオードに印加される電圧が減少する。これにより、ツェナーダイオードの導通が遅れ、保護回路１の動作が遅れることにより、ダイオード２に過電圧が印加される場合がある。この結果、保護回路１の動作が遅れてダイオード２を破壊する場合がある。
そこで、本実施の形態では、図１２や図１３に示すようにダイオード２と保護回路１を同一の冷却フィン１０上で隣接するよう配置している。この構成をとることにより、保護回路１からダイオード２への配線距離が短くなるので、ダイオード２と保護回路１との間に発生する浮遊インダクタンス６を抑制することができ、ダイオード２に過電圧が印加されることを防ぐことが可能となる。
なお、本実施の形態では、並列接続したダイオード２と保護回路１を同一の冷却フィン１０に設置する場合について説明したが、１つの半導体スイッチの保護回路１とダイオード２を同一の冷却フィン１０に設置し、並列接続される保護回路１とダイオード２は、半導体スイッチＴＸ毎に異なる冷却フィン１０に設置してもよい。換言すると、１つの半導体スイッチＴＸを構成する保護回路１とダイオード２を１つの冷却フィン１０に設置し、各半導体スイッチＴＸは、別々の冷却フィン１０に設置してもよい。また、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４を構成する全ての保護回路１とダイオード２を同一の冷却フィン１０に接続してもよい。また、保護回路１とダイオード２とともにＭＯＳＦＥＴ３やダイオード５を同一の冷却フィン１０に接続してもよい。
このように、実施の形態２によれば、１つのスイッチ素子を構成する保護回路１とダイオード２を同一の冷却フィン１０に接続するので、１つのスイッチ素子を構成する保護回路１やダイオード２の間の温度差を小さくすることができる。したがって、温度ばらつきによるダイオード２、保護回路１への電流集中の発生を防止できる。
また、ダイオード２と保護回路１を同一の冷却フィン１０上で隣接するよう配置しているので、ダイオード２と保護回路１との間に発生する浮遊インダクタンス６を抑制することができ、その結果、ダイオード２に過電圧が印加されることを防ぐことが可能となる。
なお、上述した実施の形態１，２では、インバータ部５２のＭＯＳＦＥＴ３、ＭＯＳＦＥＴ３と直列接続したダイオード２、およびダイオード２と並列接続した保護回路１について説明したが、昇圧コンバータ部５１のＭＯＳＦＥＴ３、ＭＯＳＦＥＴ３と直列接続したダイオード２、およびダイオード２と並列接続した保護回路１に上述した実施の形態１，２を適用してもよく、この場合もインバータ部５２と同様の効果を奏する。また、実施の形態１，２で用いた導体２５Ａ〜２５Ｃ，２６、内部パターン２４は、熱伝導率の高い絶縁物であってもよい。
以上のように、本発明に係る電源装置は、電子部品を高電圧破壊から守るための保護回路の冷却に適している。
１ 保護回路
１ａ，１ｂ 保護回路素子
２ ダイオード
３ ＭＯＳＦＥＴ
４ 寄生ダイオード
５ ダイオード
６ 浮遊インダクタンス
１０ 冷却フィン
２１ａ，２１ｂ 保護回路基板
２２ スペーサ
２３ ネジ
２４ 内部パターン
２５Ａ〜２５Ｃ，２６ 導体
３１，３２ 絶縁物
５０ 整流部
５１ 昇圧コンバータ部
５２ インバータ部
５３ 昇圧トランス部
５４ 放電電極部
１００ 電源装置
Ｐ メインプリント基板
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチ素子
Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ４１，Ｔ４２，ＴＸ 半導体スイッチ
１ａ，１ｂ 保護回路素子
２ ダイオード
３ ＭＯＳＦＥＴ
４ 寄生ダイオード
５ ダイオード
６ 浮遊インダクタンス
１０ 冷却フィン
２１ａ，２１ｂ 保護回路基板
２２ スペーサ
２３ ネジ
２４ 内部パターン
２５Ａ〜２５Ｃ，２６ 導体
３１，３２ 絶縁物
５０ 整流部
５１ 昇圧コンバータ部
５２ インバータ部
５３ 昇圧トランス部
５４ 放電電極部
１００ 電源装置
Ｐ メインプリント基板
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチ素子
Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ４１，Ｔ４２，ＴＸ 半導体スイッチ
Claims (11)
- トランジスタを有したスイッチ素子を用いて電源電圧を供給する電源装置において、
前記電源電圧を発生させる回路基板となる回路用プリント基板と、
前記トランジスタと逆並列に接続されて前記トランジスタを回避した経路で電流を流せるよう構成された第１のダイオードと、
前記トランジスタと直列接続されて前記トランジスタに形成される寄生ダイオードに流れる電流を防ぐ第２のダイオードと、
前記第２のダイオードと並列に接続されて前記第２のダイオードを高電圧破壊から守るとともに前記回路用プリント基板とは異なる基板上に形成された保護回路と、
前記回路用プリント基板外で前記保護回路と接合して前記保護回路を冷却する冷却部と、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 前記冷却部と前記保護回路との間に配置されて前記冷却部と前記保護回路との間を絶縁する絶縁部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 同一の前記トランジスタに接続される前記第２のダイオードと前記保護回路とが同一の前記冷却部に接合され、前記冷却部は、前記保護回路および前記第２のダイオードを冷却することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- １つの前記スイッチ素子内で並列接続される前記第２のダイオードと前記保護回路とが同一の前記冷却部に接合され、前記冷却部は、前記保護回路および前記第２のダイオードを冷却することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 前記同一の冷却部に接続される前記第２のダイオードおよび前記保護回路は、同一の前記絶縁部を介して前記冷却部に接合されることを特徴とする請求項３または４に記載の電源装置。
- 前記保護回路と前記第２のダイオードとは、前記冷却部上で隣接配置されることを特徴とする請求項３または４に記載の電源装置。
- 前記保護回路が形成される基板は、当該基板の底面に前記保護回路と接続する内部パターンを有し、
前記保護回路は、前記内部パターンと前記冷却部とが接合されることによって前記冷却部を介して前記冷却部に接合されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。 - 前記保護回路が形成される基板は、前記保護回路を載せる第１の基板と、前記第１の基板の底面で前記保護回路と接続する内部パターンと、前記第１の基板との間で前記内部パターンを挟み込む第２の基板と、前記第２の基板の底面側から前記内部パターンまで開けられた開口部に埋め込まれて前記内部パターンと接合された第１の導体と、前記第２の基板の底面上に配置されて前記第１の導体に接合された第２の導体と、を有し、
前記保護回路は、前記第２の導体と前記冷却部とが接合されることによって、前記内部パターン、前記第１の導体および前記第２の導体を介して前記冷却部に接合されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。 - 前記第２の導体は、前記第１の導体の配置に応じた位置で前記第１の導体の配置位置毎にアイランド状で形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
- 前記第２の導体は、複数の前記第１の導体と接合するようベタパターンで形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
- 前記保護回路が形成される基板は、前記保護回路を載せる第１の基板と、前記第１の基板の底面で前記保護回路と接続する内部パターンと、前記第１の基板との間で前記内部パターンを挟み込む第２の基板と、前記内部パターンの側面と接続するとともに前記第２の基板の側面から前記第２の基板の底面に延びる第３の導体と、を有し、
前記保護回路は、前記第３の導体と前記冷却部とが接合されることによって、前記内部パターンおよび前記第３の導体を介して前記冷却部に接合されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
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