JP6086033B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置に関する。

特許文献１には、電動機に一体化される円形のインバータ装置が記載されている。特許文献１に記載のインバータ装置は、裏面の所定の箇所に冷却フィンが形成された放熱部材と、複数のパワー素子を有する複数の半導体モジュールと、各半導体モジュールに接続される複数の平滑コンデンサとを備えている。半導体モジュール及び平滑コンデンサは、放熱部材の表面において同一平面上に放射状に配置されて放熱部材に搭載されている。

特開平７−２４５９６８号公報

特許文献１に記載のインバータ装置においては、上述したように、半導体モジュールと平滑コンデンサとを同一平面上に配置することによって、平滑コンデンサを半導体モジュールの上に重ねて配置する場合と比較して、装置の高さを抑えることを図っている。また、特許文献１に記載のインバータ装置においては、放熱部材の裏面における半導体モジュールが搭載される部分に対応する箇所に冷却フィンを形成することにより、半導体モジュールから冷却液までの熱抵抗の低減を図っている。しかしながら、特許文献１に記載のインバータ装置においては、上述したように、半導体モジュールと、半導体モジュールよりも背の高い平滑コンデンサとを、放熱部材の同一平面（表面）上に配置しているため、装置の高さ方向のサイズが放熱部材の厚み及び平滑コンデンサの高さに応じたものとなり、その結果、装置のさらなる小型化が阻害されている。

そこで、本発明は、装置の大型化を避けつつパワーモジュールを効率的に冷却可能なインバータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るインバータ装置は、一方の面及び他方の面を有する放熱部材と、仮想円に沿って互いに離間した状態で放熱部材の一方の面上に配置された複数のパワーモジュールと、放熱部材に対して所定の間隔をあけて対向するように配置されたコンデンサ基板と、コンデンサ基板に搭載された複数のコンデンサと、を備え、複数のコンデンサは、パワーモジュールの間に配置されるように、コンデンサ基板における放熱部材に対向する面に搭載されており、放熱部材は、コンデンサに対向する部分に設けられ該コンデンサを収容する収容凹部と、パワーモジュールが配置される部分に対応する位置において他方の面に設けられた複数の放熱フィンとを有し、複数の放熱フィンは、放熱部材の中央から外縁に向けて放射状に延在している、ことを特徴とする。

本発明に係るインバータ装置においては、複数のパワーモジュールが、放熱部材の一方の面上において、所定の仮想円に沿って互いに離間して配置される。また、複数のコンデンサが、パワーモジュールの間に配置されるように、コンデンサ基板における放熱部材に対向する面に搭載されている。そして、放熱部材が、コンデンサに対向する部分に設けられ該コンデンサを収容する収容凹部と、パワーモジュールが配置される部分に対応する位置において他方の面に設けられた複数の放熱フィンとを有している。つまり、比較的背の高い部品であるコンデンサが、放熱部材におけるパワーモジュールが配置される面よりも凹んだ部分である収容凹部に収容されるうえに、放熱フィンが、発熱部材であるパワーモジュールに対応するように、放熱部材における収容凹部以外の部分に設けられる。このため、放熱部材の同一平面上にパワーモジュールとコンデンサとを搭載する場合と比較して、高さ方向についての装置の大型化を避けつつ、放熱フィンによってパワーモジュールを効率的に冷却することが可能となる。

本発明に係るインバータ装置においては、複数のパワーモジュールは、それぞれ、放熱フィンの延在方向に交差する方向に沿って配列されて互いに並列接続された複数のパワー素子を有するものとすることができる。この場合、複数のパワー素子が、放熱フィンに沿って形成される冷媒（例えば空気）の流路に交差するように配列されることとなる。このため、複数のパワー素子に対して均一に冷却を行うことが可能となる。

本発明に係るインバータ装置においては、複数のパワーモジュールは、仮想円に沿って互いに略等間隔となるように配置されており、コンデンサ基板は、略円形の外形を有すると共に円周方向に配線パターンが形成された円形基板であり、複数のコンデンサは、パワーモジュールの配置に対応するように、コンデンサ基板の円周方向に沿って互いに略等間隔となるように配置されているものとすることができる。この場合、パワーモジュール間において、電気的及び熱的なアンバランスが生じることを抑制することができる。

本発明に係るインバータ装置においては、複数の放熱フィンは、放熱部材の外縁側に形成された複数の第１のフィン部と、複数の第１のフィン部よりも放熱部材の中央側に形成された複数の第２のフィン部とを含み、互いに隣接する第１のフィン部同士の間隔は、互いに隣接する第２のフィン部同士の間隔よりも広いものとすることができる。この場合には、放熱部材の外縁から冷媒を吸入する際に、冷媒の圧損が生じることを抑制することができる。

本発明に係るインバータ装置においては、複数のコンデンサは、コンデンサの正極端子及び負極端子がコンデンサ基板の円周方向に沿って並ぶように前記コンデンサ基板に搭載されているものとすることができる。この場合、コンデンサ基板において、円周方向に沿った電流経路を十分に確保することが可能となる。

本発明によれば、装置の大型化を避けつつパワーモジュールを効率的に冷却可能なインバータ装置を提供することができる。

本実施形態に係るインバータ装置の構成を示す模式図である。 本実施形態に係るインバータ装置の模式的な断面図である。 図１に示されたコンデンサ基板を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るインバータ装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一の要素同士、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図における寸法比率は、実際のものとは異なる場合がある。

図１は、本実施形態に係るインバータ装置の構成を示す模式図である。特に、図１の（ａ）は、本実施形態に係るインバータ装置の模式的な平面図であり、図１の（ｂ）は、本実施形態に係るインバータ装置の底面図である。図２は、本実施形態に係るインバータ装置の模式的な断面図である。なお、図１の（ａ）においては、コンデンサ基板を透過してパワーモジュール及びコンデンサを示している。また、図２の断面は、図１のII−II線に沿った断面に相当する。

図１，２に示されるインバータ装置１は、例えば３相モータを駆動する３相インバータである。インバータ装置１は、全体として略円筒形を呈する円形インバータ装置である。インバータ装置１は、複数（ここでは３つ）のパワーモジュール１０と、コンデンサ基板２０と、複数のコンデンサ３０と、ヒートシンク（放熱部材）４０とを備えている。また、ヒートシンク４０は、複数の放熱フィン（放熱部材）５０を有している。パワーモジュール１０は、それぞれ、例えば３相インバータにおけるＵ相、Ｖ相、及びＷ相を構成する。

パワーモジュール１０は、それぞれ、主回路基板（第１の基板）１１と、複数（ここでは８つ）のパワー素子１２とを有している。主回路基板１１は、表面（第１の表面）１１ａと、表面１１ａの反対側の裏面（第１の裏面）１１ｂとを含み、略長方形板状を呈している。主回路基板１１は、例えば、絶縁金属基板等である。

パワー素子１２は、主回路基板１１の表面１１ａに搭載されている。パワー素子１２は、例えば、並列接続される４素子を１組として３相インバータの各相における上アーム又は下アームを構成する。各アームを構成する４つのパワー素子１２は、主回路基板１１の長手方向に沿って配列されている。パワー素子１２としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を用いることができる。主回路基板１１の表面１１ａには、各相の出力端子に相当する電極１３と、正極及び負極の入力端子に相当する電極１４とが設けられており、パワー素子１２に電気的に接続されている。

コンデンサ基板（第２の基板）２０は、略円形の外形を有すると共に円周方向に配線パターンが形成された円形基板である。コンデンサ基板２０は、表面（第２の表面）２０ａと、表面２０ａの反対側の裏面２０ｂとを有している。コンデンサ基板２０は、表面２０ａが主回路基板１１の表面１１ａに対向するように、主回路基板１１と対向して配置されている。コンデンサ基板２０の略中央には、開口部２０ｈが形成されている。

コンデンサ３０は、パワー素子１２に電気的に接続されている。コンデンサ３０は、コンデンサ基板２０から主回路基板１１に向かう所定の方向（コンデンサ基板２０の厚さ方向）に突出するように、コンデンサ基板２０の表面２０ａに搭載されている。したがって、コンデンサ３０（コンデンサ３０の側面）とコンデンサ基板２０の表面２０ａとによって、コンデンサ３０の高さに応じた空間Ｓが規定される。パワーモジュール１０（すなわち主回路基板１１及びパワー素子１２）は、その空間Ｓ内に配置されている。その状態において、パワーモジュール１０の主回路基板１１の裏面１１ｂは、コンデンサ３０の頂部よりもコンデンサ基板２０側に位置している。

ヒートシンク４０は、空間Ｓ内に配置されて主回路基板１１の裏面１１ｂに接触する接触部４１と、コンデンサ３０を覆うように接触部４１から延在するカバー部４２とを有している。接触部４１は、主回路基板１１の裏面１１ｂに接触する表面（一方の面）４１ａと、表面４１ａの反対側の裏面（他方の面）４１ｂとを有している。

したがって、ヒートシンク４０は、少なくとも、接触部４１の表面４１ａと主回路基板１１の裏面１１ｂとの接触により、主回路基板１１の裏面１１ｂに熱的に接続されている。一方、コンデンサ３０とカバー部４２とを直接接触させる、或いは、放熱シート等の伝熱部材を介して接触させることにより、ヒートシンク４０をコンデンサ３０に熱的に接続してもよい。ヒートシンク４０は、例えばアルミ等の金属から形成することができる。このようなヒートシンク４０は、表面４１ａから裏面４１ｂに向かう方向からみて、コンデンサ基板２０の外形と同様の略円形の外形を有している。また、カバー部４２は、接触部４１の表面４１ａに開口する凹部となっている。

放熱フィン５０は、ヒートシンク４０の接触部４１の裏面４１ｂに立設されている。したがって、放熱フィン５０は、ヒートシンク４０の接触部４１を介して、主回路基板１１の裏面１１ｂに熱的に接続されている。放熱フィン５０は、接触部４１の裏面４１ｂに沿って（すなわち、主回路基板１１の裏面１１ｂに沿って）ヒートシンク４０の中央から外縁に向けて放射状に延在している。放熱フィン５０は、空間Ｓ内に配置されている。放熱フィン５０のヒートシンク４０と反対側の端部（接触部４１の裏面４１ｂと反対側の端部）は、コンデンサ３０の頂部と概ね同程度の位置となっている。

放熱フィン５０は、ヒートシンク４０の外縁側に形成された複数の放熱フィン（第１のフィン部）５１と、ヒートシンク４０の中心側に形成された複数の放熱フィン（第２のフィン部）５２とを含む。放熱フィン５１の形成密度は、放熱フィン５２の形成密度よりも小さい。したがって、互いに隣接する放熱フィン５１同士の間隔は、互いに隣接する放熱フィン５２同士の間隔よりも広い。また、ヒートシンク４０の径方向（すなわち、コンデンサ基板２０の径方向）と放熱フィン５１の延在方向とのなす角度は、ヒートシンク４０の径方向と放熱フィン５２の延在方向とのなす角度よりも大きい。このような放熱フィン５０は、例えばアルミ等の金属によって、ヒートシンク４０と一体に形成することができる。

ここで、インバータ装置１における各要素の配置について説明する。図３は、図１に示されたコンデンサ基板を示す平面図である。図１〜３に示されるように、パワーモジュール１０は、ヒートシンク４０の円周方向に沿って、すなわち、所定の仮想円に沿って、互いに離間した状態でヒートシンク４０の（接触部４１の）表面４１ａ上に配置されている。コンデンサ基板２０は、ヒートシンク４０の表面４１ａに対して所定の間隔をあけて対向するように配置されている。コンデンサ３０は、複数個（ここでは６個）を１組として、各組がコンデンサ基板２０の円周方向に沿って互いに略等間隔となるように、コンデンサ基板２０の表面２０ａ上に分散して配置されている。ここでは、コンデンサ３０の３つの組が、コンデンサ基板２０の表面２０ａ上において３等配されている。

パワーモジュール１０は、コンデンサ基板２０の円周方向に沿って互いに隣り合うコンデンサ３０の組の間において、コンデンサ３０によって規定される空間Ｓ内に配置される。したがって、パワーモジュール１０も、コンデンサ基板２０の円周方向に沿って互いに略等間隔となるように、コンデンサ基板２０の表面２０ａ上に分散して配置されている。ここでは、３つのパワーモジュール１０が、コンデンサ基板２０の表面２０ａ上において３等配されている。

換言すれば、インバータ装置１においては、コンデンサ基板２０が、円周方向に沿って配列された３つの領域に等分されており、コンデンサ３０の組とパワーモジュール１０とが、コンデンサ基板２０の円周方向に沿って交互に配列されるように、それぞれの領域上に配置されている。さらに換言すれば、複数のコンデンサ３０は、パワーモジュール１０の間に配置されるように、ヒートシンク４０の表面４１ａに対向するコンデンサ基板２０の表面２０ａに搭載されている。より具体的には、複数のコンデンサ３０は、パワーモジュール１０の配置に対応するようにコンデンサ基板２０の円周方向に沿って互いに略等間隔となるように配置されている。

なお、それぞれのコンデンサ３０は、正極端子３０ｐ及び負極端子３０ｎがコンデンサ基板２０の円周方向（インバータ装置の円周方向）に沿って並ぶように、コンデンサ基板２０の表面２０ａ上に搭載されている。また、パワーモジュール１０のパワー素子１２は、各アームを構成する組ごとに、放熱フィン５０の延在方向に交差する方向に沿って配列されて互いに並列接続され、主回路基板１１の表面１１ａ上に搭載されている。

以上のような状態において、複数のコンデンサ３０はヒートシンク４０のカバー部４２に収容されており、複数のパワーモジュール１０はヒートシンク４０の接触部４１に接触している。そして、接触部４１の裏面４１ｂには放熱フィン５０が形成されている。つまり、ヒートシンク４０は、コンデンサ３０に対向する部分に設けられ該コンデンサ３０を収容するカバー部（収容凹部）４２と、パワーモジュール１０が配置される部分に対応する位置において接触部４１の裏面４１ｂに設けられた複数の放熱フィン５０とを有する。

なお、コンデンサ基板２０の開口部２０ｈの外形は、パワーモジュール１０のそれぞれ縁部（コンデンサ基板２０の中心側に位置する縁部）１０ｅに沿った辺部分２０ｓによって規定されている。ここでは、３つのパワーモジュール１０が略等間隔で配置されていることから、開口部２０ｈの外形は、３つの辺部分２０ｓによって略正三角形に規定されている。

以上説明したように、インバータ装置１においては、複数のパワーモジュール１０が、略円形の外形を有するヒートシンク４０の表面４１ａ上において、互いに離間して配置される。また、複数のコンデンサ３０が、パワーモジュール１０の間に配置されるように、ヒートシンク４０の表面４１ａに対向するコンデンサ基板２０の表面２０ａに搭載されている。そして、ヒートシンク４０が、コンデンサ３０に対向する部分に設けられ該コンデンサ３０を収容するカバー部４２と、パワーモジュール１０が配置される部分に対応する位置において裏面４１ｂに設けられた複数の放熱フィン５０とを有している。

つまり、比較的背の高いコンデンサ３０が、ヒートシンク４０におけるパワーモジュール１０が配置される表面４１ａよりも凹んだカバー部４２に収容されるうえに、放熱フィン５０が、発熱部材であるパワーモジュール１０に対応するように、ヒートシンク４０におけるカバー部４２以外の部分に設けられる。このため、ヒートシンク４０の同一平面上にパワーモジュール１０とコンデンサ３０とを搭載する場合と比較して、高さ方向についての装置の大型化を避けつつ、放熱フィン５０によってパワーモジュール１０を効率的に冷却することが可能となる。

また、パワー素子１２を搭載した主回路基板１１と、主回路基板１１の裏面１１ｂに熱的に接続された複数の放熱フィン５０とが、コンデンサ３０とコンデンサ基板２０の表面２０ａとによって規定（形成）される空間Ｓに配置される。つまり、インバータ装置１においては、パワー素子１２、主回路基板１１、及び放熱フィン５０が、コンデンサ３０の高さに応じた空間Ｓに収容される。このため、インバータ装置１によれば、装置の大型化を確実に避けつつ、放熱フィン５０によってパワー素子１２を効率的に冷却することが可能となる。

また、インバータ装置１においては、各アームを構成するパワー素子１２が、放熱フィン５０の延在方向に交差する方向に沿って配列されている。このため、各アームを構成する複数のパワー素子１２が、放熱フィン５０の延在方向に沿って形成される冷媒（例えば空気）の流路に交差するように配列されることとなる。このため、各アームを構成する複数のパワー素子１２に対して均一に冷却を行うことが可能となる。したがって、各アームのパワー素子１２間において温度のばらつきが生じることを抑制することができる。

また、インバータ装置１においては、パワーモジュール１０が、外形略円形のヒートシンク４０（コンデンサ基板２０）の円周方向に沿って互いに略等間隔となるように配置されており、コンデンサ３０が、パワーモジュール１０の配置に対応するようにコンデンサ基板２０の円周方向に沿って互いに略等間隔となるように配置されている。このため、パワーモジュール１０間において、電気的及び熱的なアンバランスが生じることを抑制することができる。また、パワーモジュール１０が分散して配置されているので、部分的な熱の集中が避けられ、より効率的にパワーモジュール１０を冷却することが可能となる。

また、インバータ装置１においては、コンデンサ基板２０の略中央に開口部２０ｈが設けられている。そして、その開口部２０ｈの外形が、パワーモジュール１０の縁部１０ｅに沿った辺部分２０ｓによって規定されている。このため、コンデンサ基板２０においてパワーモジュール１０を配置するための空間Ｓを十分に確保しつつ、最大限に開口部２０ｈが大きくされている。

これにより、例えばコンデンサ基板２０の裏面２０ｂ上に制御基板を配置したときに、その制御基板に搭載される相対的に背の高い部品等を、開口部２０ｈからコンデンサ基板２０の表面２０ａ側に入れ込んで収容することが可能となる。したがって、装置の大型化を確実に避けることが可能となる。

また、インバータ装置１においては、コンデンサ３０が、その正極端子３０ｐ及び負極端子３０ｎがインバータ装置１（コンデンサ基板２０）の円周方向に沿って並ぶように配置されている。このため、正極端子３０ｐ及び負極端子３０ｎが径方向に並ぶようにコンデンサ３０を配置した場合と比較して、円周方向に沿った電流経路を十分に確保することが可能となる。

さらに、インバータ装置１においては、ヒートシンク４０の外縁側の放熱フィン５１の形成密度が、ヒートシンク４０の中心側の放熱フィン５２の形成密度よりも小さい。すなわち、互いに隣接する放熱フィン５１同士の間隔が、互いに隣接する放熱フィン５２同士の間隔よりも広い。また、ヒートシンク４０の径方向と放熱フィン５１の延在方向とのなす角度が、ヒートシンク４０の径方向と放熱フィン５２の延在方向とのなす角度よりも大きい。このため、例えばヒートシンク４０の外縁から冷媒を吸入する際に、吸入口付近における圧損を低減することができる。

以上の実施形態は、本発明に係るインバータ装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係るインバータ装置は、上述したインバータ装置に限定されない。本発明に係るインバータ装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述したインバータ装置１を任意に変更したものとすることができる。

例えば、コンデンサ基板２０及びヒートシンク４０の外形は、略円形に限らず任意の形状とすることができる。また、パワーモジュール１０の数は、３つに限らず任意の数とすることができる。例えば、パワーモジュール１０を６つ用いる場合には、コンデンサ基板２０を円周方向に沿って配列された６つの領域に等分し、パワーモジュール１０とコンデンサ３０の組とを、円周方向に沿って交互に配列してそれぞれの領域に配置すればよい。

１…インバータ装置、１０…パワーモジュール、１２…パワー素子、２０…コンデンサ基板、２０ａ…表面、３０…コンデンサ、３０ｐ…正極端子、３０ｎ…負極端子、４０…ヒートシンク（放熱部材）、４１ａ…表面（一方の面）、４１ｂ…裏面（他方の面）、５０…放熱フィン（放熱部材）、５１…放熱フィン（第１のフィン部）、５２…放熱フィン（第２のフィン部）。

Claims (4)

1. 一方の面及び他方の面を有する放熱部材と、
   仮想円に沿って互いに離間した状態で前記放熱部材の前記一方の面上に配置された複数のパワーモジュールと、
   前記放熱部材に対して所定の間隔をあけて対向するように配置されたコンデンサ基板と、
   前記コンデンサ基板に搭載された複数のコンデンサと、
   を備え、
   前記複数のコンデンサは、前記パワーモジュールの間に配置されるように、前記コンデンサ基板における前記放熱部材に対向する面に搭載されており、
   前記放熱部材は、前記コンデンサに対向する部分に設けられ該コンデンサを収容する複数の収容凹部と、前記パワーモジュールが配置される部分に対応する位置において前記他方の面に設けられた複数の放熱フィンとを有し、
   前記複数の放熱フィンは、前記放熱部材の中央から外縁に向けて放射状に延在し、
   前記複数のパワーモジュールは、それぞれ、前記放熱フィンの延在方向に交差する方向に沿って配列されて互いに並列接続された複数のパワー素子を有し、前記複数の収容凹部の間に配置されている、
   ことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記複数のパワーモジュールは、前記仮想円に沿って互いに略等間隔となるように配置されており、
   前記コンデンサ基板は、略円形の外形を有すると共に円周方向に配線パターンが形成された円形基板であり、
   前記複数のコンデンサは、前記パワーモジュールの配置に対応するように、前記コンデンサ基板の円周方向に沿って互いに略等間隔となるように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記複数の放熱フィンは、前記放熱部材の外縁側に形成された複数の第１のフィン部と、前記複数の第１のフィン部よりも前記放熱部材の中央側に形成された複数の第２のフィン部とを含み、
   互いに隣接する前記第１のフィン部同士の間隔は、互いに隣接する前記第２のフィン部同士の間隔よりも広い、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。
4. 前記複数のコンデンサは、前記コンデンサの正極端子及び負極端子が前記コンデンサ基板の円周方向に沿って並ぶように前記コンデンサ基板に搭載されている、ことを特徴とする請求項２に記載のインバータ装置。

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