JP6265260B2 - 電源モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電源モジュール等の発熱性の高い電子機器モジュールの放熱構造に関する。

従来、電子機器モジュールに対する放熱構造が各種考案されている。特許文献１には、フィルタ回路を構成するコイル、抵抗、およびコンデンサと、コイルおよび抵抗を放熱する放熱板を備える電子機器モジュールが記載されている。

特許文献１に記載の電子機器モジュールは、放熱板の一方主面にコイルを当接させ、放熱板の他方主面に抵抗を当接させている。この構成により、コイルおよび抵抗からの熱を放熱板で伝達し、当該放熱板により放熱を行っている。

ところで、電源モジュールに用いられる半導体ＩＣ等では、さらに発熱量が大きくなり、単に放熱板に当接させただけでは、十分な放熱効果を得られないことがある。

このため、従来、発熱素子である半導体ＩＣに強制冷却機能を有する冷却器を当接させる構成が各種考案されている。例えば、半導体ＩＣを液冷ジャケットに当接させる構造がある。そして、更なる冷却効果を必要とする場合、半導体ＩＣの一面に液冷ジャケットを当接させるだけでなく、複数の液冷ジャケットを半導体ＩＣに当接させる構造も考えられている。

特開２０１２−２３８７９４号公報

しかしながら、複数の液冷ジャケットを半導体ＩＣに当接させる構造は、構造が複雑になり、且つ、複数の液冷ジャケットを用いることで、コストが高くなってしまう。また、このような構成では、これら半導体ＩＣと複数の液冷ジャケットを固定しなければならず、固定構造が複雑になってしまう。

したがって、本発明の目的は、構造が簡素で且つ発熱素子を効果的に放熱することができる構造を備える電子機器モジュールおよび電源モジュールを提供することにある。

この発明は、発熱素子を備える電子機器モジュールに関するものであり、次の特徴を有する。電子機器モジュールは、発熱素子とともに、冷却器および熱伝導体を備える。冷却器は、能動的に放熱を行うものであり、例えば、液冷ジャケット等である。冷却器は、発熱素子に対して熱的に接触する。熱伝導体は、発熱素子よりも熱伝導率が高い。熱伝導体は、発熱素子に熱的に接触している。さらに、熱伝導体は、発熱素子と接触しない領域において冷却器に熱的に接触している。

この構成では、発熱素子の熱は冷却器に直接伝搬される。また、発熱素子の熱は、熱伝導体を介して冷却器に伝搬される。これにより、冷却器単体よりも発熱素子に対する放熱効果が向上する。さらに、熱伝導体は、例えば熱伝導率の高い金属板等によって実現できるので、冷却器と比較して安価で且つ簡素な構成で実現可能である。

また、この発明の電子機器モジュールでは、熱伝導体は、発熱素子における冷却器の配置される側と反対側に配置されていることが好ましい。

この構成では、さらに効果的に放熱を行うことができる。

また、この発明の電子機器モジュールでは、熱伝導体は板状であり、冷却器との間に発熱素子を挟み込む空間を形成する凸部を備える。

この構成では、簡素な構成の熱伝導体で、発熱素子を効果的に放熱することができる。

また、この発明の電子機器モジュールでは、次の構成であってもよい。発熱素子を第１の発熱素子とし、この第１の発熱素子とは異なる第２の発熱素子を電子機器モジュールに備える。第２の発熱素子は、熱伝導体の第１の発熱素子と反対側の面、または、熱伝導体が冷却器に熱的に接触している領域に熱的に接触している。

この構成では、第１の発熱素子は、冷却器と該冷却器に熱的に接触している熱伝導体によって放熱され、第２の発熱素子は、冷却器に熱的に接触している熱伝導体によって放熱される。これにより、電子機器モジュールに複数の発熱素子が備えられていても、各発熱素子を効果的に放熱することができる。この際、第１の発熱素子の上側に第２の発熱素子が重ねられる構造を取ることで、電子機器モジュールの平面面積を大きくすることなく、放熱効果を向上させることができる。

また、この発明の電子機器モジュールでは、次の構成であってもよい。電子機器モジュールは、第１の発熱素子および第２の発熱素子と異なる第３の発熱素子と、熱伝導体を第１の熱伝導体として該第１の熱伝導体と異なる第２の熱伝導体と、を備える。第３の発熱素子は、熱伝導体における第２の発熱素子と反対側の面に配置されている。第２の熱伝導体は、第３の発熱素子を挟んで第１の熱伝導体の配置される側と反対側に配置されるとともに、第１の熱伝導体または冷却器に熱的に接触している。

この構成では、第１、第２の発熱素子とは別の第３の発熱素子を備えていても、全て発熱素子を効果的に放熱することができる。この際、第１、第２の発熱素子の上側に第３の発熱素子がさらに重ねられる構造を取ることで、電子機器モジュールの平面面積を大きくすることなく、放熱効果を向上させることができる。

また、この発明は、電源モジュールに関するものであり、当該電源モジュールは、上述の電子機器モジュールの構成を備える。そして、発熱素子は電源用の半導体ＩＣである。

この構成では、発熱素子が電源用の半導体ＩＣであり、電子機器モジュールが電源モジュールである態様を示している。電源モジュールの半導体ＩＣは発熱性の高い素子である。したがって、半導体ＩＣを効果的に放熱できることにより、放熱性に優れる電源モジュールを実現できる。

また、この発明は、電源モジュールに関するものであり、当該電源モジュールは、上述の電子機器モジュールの構成を備える。第１の発熱素子は、電源用の一次側半導体ＩＣと二次側半導体ＩＣである。第２の発熱素子は、トランスコアである。トランスコアは、一次側半導体ＩＣの配置領域と二次側半導体ＩＣの配置領域間にあり熱伝導体が冷却器に熱的に接触している領域に配置されている。

この構成では、電源モジュールの一次側半導体ＩＣと二次側半導体ＩＣを効果的に放熱できるとともに、メイントランスも効果的に放熱できる。さらに、一次側半導体ＩＣと二次側半導体ＩＣとの間にメイントランスが配置されるので、一次側半導体ＩＣとメイントランスとの配線、および、メイントランスと二次側半導体ＩＣとの配線を簡素な構成で実現できる。

この発明によれば、電源モジュール等の電子機器モジュールに備えられた発熱素子によって発生した熱を効果的に放熱することができる構造を、簡素な構造で実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電子機器モジュールの平面図および側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電子機器モジュールの放熱概念を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子機器モジュールの平面図および側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子機器モジュールの概略回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る電源モジュールの放熱概念を示す側面図である。

本発明の第１の実施形態に係る電子機器モジュールについて、図を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る電子機器モジュールの平面図である。図１（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る電子機器モジュールの側面図である。

電子機器モジュール１０は、冷却器２０、熱伝導体３０、および半導体ＩＣ４１，４２を備える。

半導体ＩＣ４１，４２は、本発明の「発熱素子」に相当する。半導体ＩＣ４１は、本体４１０、外部接続端子４１３，４１４を備える。本体４１０は、所定の半導体回路が形成された半導体基板を絶縁性樹脂でモールドした構造からなる。本体４１０は、平面視した直交二方向の寸法と比較して厚み（高さ）が小さい略平板の直方体である。外部接続端子４１３，４１４は、本体４１０の側面から外部へ突出するように形成されている。半導体ＩＣ４２は、本体４２０、外部接続端子４２３を備える。半導体ＩＣ４２は、半導体素子４１と同様の構造であり、説明は省略する。

冷却器２０は、冷却フレーム２１と冷却機能部２２を備える。冷却フレーム２１は、所定の面積の主面を有する構造からなる。冷却フレーム２１は熱伝導率が高い材料からなる。より具体的には、冷却フレーム２１は、半導体ＩＣ４１，４２に対して熱伝導率が高い材料からなり、より好ましくは、半導体ＩＣ４１，４２に対して熱伝導率が十分に高い材料（例えば一桁以上熱伝導率が異なる材料）からなる。冷却機能部２２は、例えば液冷機能部であり、冷却フレーム２１の表面壁の内面側に配置されている。冷却フレーム２１は冷却機能部２２によって冷却される。言い換えれば、冷却フレーム２１は、冷却機能部２２によって放熱される。

半導体ＩＣ４１，４２は、冷却フレーム２１の表面側に配置されている。半導体ＩＣ４１と、半導体ＩＣ４２は、冷却フレーム２１の表面上において、離間して配置されている。半導体ＩＣ４１は本体４１０の裏面４１１の全面が冷却フレーム２１に当接している。半導体ＩＣ４２は本体４２０の裏面４２１の全面が冷却フレーム２１に当接している。なお、冷却フレーム２１の本体が導電性材料である場合には、冷却フレーム２１と半導体ＩＣ４１，４２との間に、高い熱伝導率を有する絶縁性シートを介すればよい。これにより、半導体ＩＣ４１，４２と冷却フレーム２１とは熱的に接触した状態となる。

熱伝導体３０は、平板状であり、平板面に直交する方向に突起する凸部３１，３２を備える。凸部３１の平面面積は、半導体ＩＣ４１の平面面積以上であり、好ましくは半導体ＩＣ４１の面積と略等しい。凸部３２の平面面積は、半導体ＩＣ４２の平面面積以上であり、好ましくは半導体ＩＣ４２の面積と略等しい。これにより、熱伝導体３０は、図１（Ｂ）に示すように、側面視して、凸部３１，３２と凹部３３，３４，３５を備える形状からなる。凹部３３は、凸部３１，３２に挟まれた領域であり、凹部３４は、凸部３１よりも平板の端部側の領域であり、凹部３５は、凸部３２よりも平板の端部側の領域である。

熱伝導体３０は、半導体ＩＣ４１，４２に対して熱伝導率が高い材料からなり、より好ましくは、半導体ＩＣ４１，４２に対して熱伝導率が十分に高い材料からなる。

熱伝導体３０は、冷却フレーム２１の表面に配置されている。この際、熱伝導体３０は、凹部３３，３４，３５の底面が冷却フレーム２１の表面に当接し、凸部３１によってできる冷却フレーム２１側の空間内に半導体ＩＣ４１が配置され、凸部３２によってできる冷却フレーム２１側の空間内に半導体ＩＣ４２が配置されるように、冷却フレーム２１に配置される。これにより、冷却フレーム２１と熱伝導体３０とは熱的に接触した状態となる。特に、図１に示すように、本実施形態の構成では、冷却フレーム２１と熱伝導体３０が広い面積で当接しているので、冷却フレーム２１と熱伝導体３０との間の熱伝導を高くすることができる。

熱伝導体３０は、凸部３１の中空側の表面が半導体ＩＣ４１の表面４１２に当接している。熱伝導体３０は、凸部３２の中空側の表面が半導体ＩＣ４２の表面４２２に当接している。

なお、熱伝導体３０が導電性材料であり、熱伝導体３０と半導体ＩＣ４１，４２が当接する領域に半導体ＩＣ４１，４２の導体部が存在する場合には、熱伝導体３０と半導体ＩＣ４１，４２との間に、高い熱伝導率を有する絶縁性シートを介すればよい。これにより、半導体ＩＣ４１，４２と熱伝導体３０とは熱的に接触した状態となる。

このような構成とすることで、半導体ＩＣ４１，４２は、次に示すように放熱される。図２は、本発明の第１の実施形態に係る電子機器モジュールの放熱概念を示す図である。また、図２は、電子機器モジュール１０における半導体ＩＣ４１が配置された領域を含むように部分拡大した図である。図２に示す破線の外形を有する太矢印が熱の伝導状態を示す。

図２に示すように、半導体ＩＣ４１から発した熱は、冷却フレーム２１と熱伝導体３０のそれぞれに伝導する。半導体ＩＣ４１の裏面４１１から冷却フレーム２１に伝導した熱は、冷却機能部２２で放熱される。したがって、半導体ＩＣ４１から冷却フレーム２１に向けて熱が伝導し、冷却機能部２２で放熱されるサイクルが継続される。

半導体ＩＣ４１の表面４１２から熱伝導体３０に伝導した熱は、熱伝導体３０を伝導し、凹部３３，３４から冷却フレーム２１に伝導する。上述のように、冷却フレーム２１に伝導した熱は、冷却機能部２２で放熱される。したがって、半導体ＩＣ４１から熱伝導体３０を介して冷却フレーム２１に向けて熱が伝導し、冷却機能部２２で放熱されるサイクルが継続される。この際、熱伝導体３０が冷却フレーム２１と同等の熱伝導率を有することで、半導体ＩＣ４１の表面４１２側にも冷却器２０を当接した態様と略同等の放熱機能を得ることができる。

このような放熱は、半導体ＩＣ４２に対しても同様に行われる。

このように、本実施形態の構成を用いることで、半導体ＩＣ４１，４２を効果的に放熱することができる。さらに、本実施形態の構成を用いることで、２つの冷却器で半導体ＩＣ４１，４２を挟み込む構造を用いなくても、２つの冷却器で半導体ＩＣ４１，４２を挟み込む構造と同等の放熱効果を得ることができる。すなわち、簡素な構成でありながら、効果的な放熱を実現することができる。

また、熱伝導体３０を平板で形成することにより、熱伝導体３０を冷却フレーム２１に容易に固定することができる。例えば、熱伝導体３０の凹部３３，３４，３５に貫通孔を形成し、当該貫通孔を挿通するネジで冷却フレーム２１に固定すれば、熱伝導体３０を冷却フレーム２１に容易に固定することができる。これにより、半導体ＩＣ４１，４２に対する放熱性の高い放熱機構を容易に実現できる。

なお、半導体ＩＣ４１，４２を、１つの凸部による冷却フレーム２１との空間内に配置することも可能であるが、本実施形態のように、半導体ＩＣ４１，４２毎に１つの凸部３１，３２を構成することで、これら凸部３１，３２間の凹部３３から冷却フレーム２１への熱伝導を実現できるので、より効果的に半導体ＩＣ４１，４２を放熱することができる。

また、本実施形態では、半導体ＩＣ４１，４２すなわち発熱素子を２つ備える例を示したが、１つや３つ以上であっても、上述の構成を適用でき、同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施形態の半導体ＩＣ４１の外部接続端子４１４のような形状の場合、放熱機能を兼用することがある。この場合、この放熱機能を兼用する外部接続端子４１４についても、冷却フレーム２１と熱伝導体３０とによって挟み込む構造にするとよい。これにより、半導体ＩＣ４１に対する放熱効率をさらに高くすることができる。

また、本実施形態では、熱伝導体は、発熱素子である半導体ＩＣを挟み込むような構造としたが、これに限るものではなく、発熱素子に熱的に接触可能な構造であればよい。たとえば、発熱素子と冷却器にともに熱的に接触するように、Ｌ字形状の構造であってもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る電源モジュールについて、図を参照して説明する。図３（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る電子機器モジュールの平面図である。図３（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る電子機器モジュールの側面図である。図４は、本発明の第２の実施形態に係る電子機器モジュールの概略回路図である。

本実施形態の電源モジュール１０Ａは、第１の実施形態に係る電子機器モジュール１０を基本構成としている。したがって、以下では、第１の実施形態に係る電子機器モジュール１０と異なる箇所のみを具体的に説明する。

まず、電源モジュール１０Ａの回路構成を、図４を用いて説明する。電源モジュール１０Ａは、一次側のスイッチングＩＣである半導体ＩＣ４１と、二次側のスイッチングＩＣである半導体ＩＣ４２を備える。半導体ＩＣ４１の入力端は、電源モジュール１０Ａの入力端であり、外部の電源に接続される。半導体ＩＣ４１の出力端には、メイントランス４３の一次側コイルが接続されている。一次側コイルと半導体ＩＣ４１の一方の出力端との間には、共振用コイル４４が接続されている。なお、共振用コイル４４を必要としない場合には、共振用コイル４４を省略することができる。

メイントランス４３の二次側コイルには、二次側のスイッチングＩＣである半導体ＩＣ４２の入力端が接続されている。半導体ＩＣ４２の出力端は、電源モジュール１０Ａの出力端であり、外部の負荷が接続されている。

このような回路構成からなる電源モジュール１０Ａは、図３に示す構造からなる。

メイントランス４３のコアは、熱伝導体３０の凹部３３の表面に当接して配置されている。これにより、メイントランス４３は熱伝導体３０に対して熱的に接触している。

共振用コイル４４のコアは、熱伝導体３０の凸部３１の表面に当接して配置されている。これにより、共振用コイル４４は熱伝導体３０に対して熱的に接触している。

このような構成とすることで、メイントランス４３および共振用コイル４４は、次に示すように放熱される。図５は、本発明の第２の実施形態に係る電源モジュールの放熱概念を示す図である。また、図５は、電源モジュール１０Ａにおけるメイントランス４３および共振用コイル４４が配置された領域を含むように部分拡大した図である。図５に示す破線の外形を有する太矢印が熱の伝導状態を示す。

半導体ＩＣ４１，４２から発した熱は、上述の実施形態と同様に、冷却フレーム２１と熱伝導体３０のそれぞれに伝導し、効果的に放熱される。

メイントランス４３のコアから発した熱は、熱伝導体３０と冷却フレーム２１が当接する領域の上層側の熱伝導体３０に伝導し、そのまま下層側の冷却フレーム２１に伝導する。冷却フレーム２１に伝導した熱は、冷却機能部２２で放熱される。したがって、メイントランス４３のコアから、熱伝導体３０および冷却フレーム２１の二層を介して近距離で熱が伝導して、冷却機能部２２で放熱されるサイクルが継続される。この際、熱伝導体３０が冷却フレーム２１と同等の熱伝導率を有することで、メイントランス４３のコアに対して、冷却フレーム２１に直接当接した態様と略同等の放熱効果を得ることができる。すなわち、発熱の大きなメイントランス４３のコアを、効果的に放熱することができる。

共振用コイル４４のコアから発した熱は、熱伝導体３０に伝導する。ここで、熱伝導体３０は、半導体ＩＣ４１よりも熱伝導率が高く、且つ、凹部３３，３４において冷却フレーム２１に熱的に接触している。したがって、共振用コイル４４のコアから発して熱伝導体３０に伝導した熱は、半導体ＩＣ４１に伝導されることなく、凸部３１から凹部３３，３４を介して冷却フレーム２１に伝導する。これにより、共振用コイル４４のコアから発した熱も、効果的に放熱することができる。この際、熱伝導体３０が冷却フレーム２１に熱的に接触している。したがって、共振用コイル４４のコアから発した熱と半導体ＩＣ４１から発した熱の相互作用によって凸部３１の温度が上昇して、共振用コイル４４と半導体ＩＣ４１の放熱効率が低下してしまう、ということを抑制することができる。すなわち、発熱素子を層状に配置する構成であっても、各発熱素子を効果的に放熱することができる。

また、上述の構成では、一次側半導体ＩＣである半導体ＩＣ４１と二次側半導体ＩＣである半導体ＩＣ４２との間に、メイントランス４３のコアが配置されるので、回路の接続順と素子の配置順とが同じになる。また、一次側半導体ＩＣである半導体ＩＣ４１の上層に一次側の共振用コイル４４が配置される。これにより、不要な引き回しを必要とせず、不要な発熱箇所を増やすことなく簡素な構造で効率の高い電源モジュール１０Ａを形成することができる。

さらに、電源モジュール１０Ａとして発熱の高いメイントランス４３のコアが、熱伝導体３０が冷却フレーム２１に大きく面接触領域に配置されているので、メイントランス４３のコアをより効果的に放熱でき、効率の高い電源モジュール１０Ａを実現することができる。

なお、本実施形態では、電源モジュール１０Ａを例に説明したが、他の電子機器モジュールにおいても、発熱素子を複数層に配置する態様を適用することができる。

さらに、本実施形態では、発熱素子を二層とし熱伝導体を一層とする例を示したが、発熱素子を三層以上とし熱伝導体を二層以上とする構成も実現することができる。この際、各層の熱伝導体は、冷却フレーム側の熱伝導体に熱的に接触していればよく、各層の熱伝導体を、それぞれ直接冷却フレームに熱的に接触していれば、より効果的な放熱が可能になる。

１０：電子機器モジュール
１０Ａ：電源モジュール
２０：冷却器
２１：冷却フレーム
２２：冷却機能部
３０…熱伝導体
４１，４２：半導体ＩＣ
３１，３２：凸部
３３，３４，３５：凹部
４３：メイントランス
４４：共振用コイル
４１０：半導体ＩＣ４１の本体
４１１：半導体ＩＣ４１の裏面
４１２：半導体ＩＣ４１の表面
４１３，４１４：半導体ＩＣ４１の外部接続端子
４２０：半導体ＩＣ４２の本体
４２１：半導体ＩＣ４２の裏面
４２２：半導体ＩＣ４２の表面
４２３：半導体ＩＣ４２の外部接続端子

Claims (5)

1. 発熱素子を備える電子機器モジュールであって、
   前記発熱素子に対して熱的に接触する冷却器と、
   前記発熱素子に熱的に接触し、前記発熱素子よりも熱伝導率の高い熱伝導体と、
   を備え、
   前記熱伝導体は、前記発熱素子と接触しない領域において前記冷却器に熱的に接触しており、
   前記発熱素子は、第１の発熱素子と、該第１の発熱素子とは異なる第２の発熱素子と、を備え、
   前記第２の発熱素子は、前記熱伝導体の前記第１の発熱素子と反対側の面、または、前記熱伝導体が前記冷却器に熱的に接触している領域に熱的に接触しており、
   前記第１の発熱素子は、電源用の一次側半導体ＩＣと二次側半導体ＩＣであり、
   前記第２の発熱素子は、トランスコアであり、
   前記トランスコアは、前記一次側半導体ＩＣの配置領域と前記二次側半導体ＩＣの配置領域間にあり前記熱伝導体が前記冷却器に熱的に接触している領域に配置されている、
   電源モジュール。
2. 前記熱伝導体は、前記第１の発熱素子における前記冷却器の配置される側と反対側に配置されている、請求項１に記載の電源モジュール。
3. 前記熱伝導体は板状であり、
   前記熱伝導体は、前記冷却器との間に前記第１の発熱素子を挟み込む空間を形成する凸部を備える、
   請求項１または請求項２に記載の電源モジュール。
4. 前記第１の発熱素子および前記第２の発熱素子と異なる第３の発熱素子と、
   前記熱伝導体を第１の熱伝導体として該第１の熱伝導体と異なる第２の熱伝導体と、
   を備え、
   前記第３の発熱素子は、前記熱伝導体に当接して配置され、
   前記第２の熱伝導体は、前記第３の発熱素子を挟んで前記第１の熱伝導体の配置される側と反対側に配置されるとともに、前記第１の熱伝導体または前記冷却器に熱的に接触している、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電源モジュール。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電子機器モジュールの構成を備え、
   前記発熱素子は、電源用の半導体ＩＣである、
   電源モジュール。

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