JP6414326B2 - スタック放熱構造及び該スタック放熱構造を有するスタックを備えた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、UPS(Uninterruptible Power Supply：無停電電源装置）などの電力変換装置のスタック構造に関し、特に、半導体デバイスやコンデンサをスタック化し、その温度上昇を抑制するスタック放熱構造及び該スタック放熱構造を有するスタックを備えた電力変換装置に関する。

通常、スタックに搭載されるコンデンサはプリント基板に実装されるが、該プリント基板に実装される半導体デバイスを冷却するためのヒートシンク（通常、半導体デバイスはヒートシンクにネジ止め等で固着される）の前後や横など、ヒートシンクとは別の位置に実装される。

図１は、従来のスタック放熱構造の一例を示す図である。図１においては、プリント基板８０上に実装されたコンデンサ８２がヒートシンク８４の横に実装される構造になっている。

半導体デバイス８６は、ヒートシンク８４に接してプリント基板８０上に実装された構造になっている。

下記特許文献１に示されるコンデンサの放熱構造では、ヒートシンクの内側にコンデンサが配置される構造になっている。

図１に示された従来のスタック放熱構造では、コンデンサ８２とヒートシンク８４の実装面積が大きくなり、結果として、スタックや装置全体が大きくなってしまうという課題があった。

また特許文献１では、コンデンサをヒートシンクに熱伝導部材(例．シリコーンゴム)を介して接触させており、放熱面がコンデンサの一部のみであることと、熱伝導部材の熱抵抗により、必ずしもコンデンサの放熱性が良好であるとはいえない。

特に半導体デバイスが、Ｓｉ(シリコン)よりも小型化・低消費電力化・高効率化が可能なＳｉＣ(Silicon Carbide：シリコンカーバイト)−ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）などの高温で動作が可能な半導体デバイスであった場合、ヒートシンクの温度がコンデンサの温度よりも高くなると、コンデンサを適切に冷却することができなくなる、という問題点があった。
特開２００２−２９００８８号公報（図１，図４）

本発明の目的は、コンデンサやヒートシンクの温度上昇を抑制し、かつスタックの小型化を実現することが可能なスタック放熱構造及び該スタック放熱構造を有するスタックを備えた電力変換装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、少なくともディスクリートタイプの半導体デバイス（以下、半導体デバイス）と直流平滑用コンデンサ（以下、コンデンサ）を備えて電力変換を行うスタック構造において、
上記半導体デバイスを冷却する第１のヒートシンクと、
上記第１のヒートシンクで冷却する上記半導体デバイスとは異なる半導体デバイスを冷却する第２のヒートシンクと、
上記半導体デバイスと上記コンデンサが同一の部品実装面に実装されたプリント基板と、を備え、
上記プリント基板の上記部品実装面上における前記コンデンサを挟んだ両側の位置に、上記第１のヒートシンクと上記第２のヒートシンクを、互いのフィンを内側にして向かい合わせて設置することにより、上記プリント基板、上記第１のヒートシンク、及び、上記第２のヒートシンクで風路を形成し、
上記第１のヒートシンクと上記第２のヒートシンクは、フィンの高さが上記コンデンサの外形に合わせて短いフィンと長いフィンを有するようにする。

また上記において、上記第１のヒートシンクの上記長いフィンと上記第２のヒートシンクの上記長いフィンは、その先端同士が互いに接触するか、又は一体的に連結されており、上記第１のヒートシンクの上記短いフィンと上記第２のヒートシンクの上記短いフィンとの間の空間に上記コンデンサが配置される。

また上記において、上記第１のヒートシンク及び上記第２のヒートシンクで冷却する半導体デバイスは、ワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いることが望ましい。

そして本発明のスタック連結構造は、上記のいずれかに記載のスタック放熱構造を並列に並べて相互間を連結部材で結合し、該連結部材で結合されない側の端部をスタックベースに固着して構成するものである。

また本発明の電力変換装置は、上記のいずれかに記載のスタック放熱構造を有するスタックを備えて構成される。

さらに本発明の電力変換装置は、上記のスタック連結構造を含んで構成される。

上記のように構成しているので、本発明のスタック放熱構造によれば、コンデンサやヒートシンクの温度上昇を抑制し、かつ、スタックの小型化を実現することができる。

また本発明のスタック放熱構造を有するスタックを備えるようにすれば、放熱性が良い電力変換装置を実現することができる。

従来のスタック放熱構造の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るスタック放熱構造の分離化した組立斜視図である。 図２に示したスタック放熱構造の正面視である。 図２に示したスタック放熱構造の組立斜視図である。 図４に示したスタック放熱構造の正面視である。 風ガイドを付加した図５のスタック放熱構造を示す図である。 本発明の実施形態に係るスタック放熱構造を有するスタックを備えた電力変換装置の斜視図である。 図７に示した電力変換装置のケース及びファンを外して示したスタック連結構造の一例を示す斜視図である。 図８に示したスタック連結構造をケース内に収納しファンを取り付けて示した電力変換装置の外観図である。 図９に示した電力変換装置を側面から見た図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るスタック放熱構造の分離化した組立斜視図である。図２に示される分離化した組立斜視図の左部において、本発明の実施形態に係るスタック放熱構造では、プリント基板１０の中央部に複数のコンデンサ１４が実装される。プリント基板１０の両サイドに複数の半導体デバイス１２が実装される。なお、半導体デバイス１２やコンデンサ１４の個数は単なる例を示したものであり、これに限定されない。

本発明の実施形態における半導体デバイスは、炭化けい素（ＳｉＣ）若しくは窒化物半導体、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等で構成される、ワイドバンドギャップを有する半導体デバイスを実装し、小型化・低消費電力化・高効率化が図れるようにしている。

ヒートシンク２０，４０は、コンデンサ１４の外形に合わせて、短いフィン２２と長いフィン２４を有するフィン形状から成る第１ヒートシンク２０と、第１ヒートシンク２０と同形状で、互いのフィンを内側にして向かい合わせて成る第２ヒートシンク４０とで構成されている。

なお第１ヒートシンク２０と第２ヒートシンク４０は、一体として形成されていてもよいし、第１ヒートシンク２０と第２ヒートシンク４０を同形状にしなくてもよい。

ヒートシンク２０，４０と半導体デバイス１２との間には、放熱のための放熱シート３０が設けられている。放熱シート３０は、例えば市販されている信越化学工業株式会社製の熱伝導性シリコーンゴムシートを用いることができる。

図３は、図２に示したスタック放熱構造の正面視である。図２では図番が付されていなかったプリント基板１０の半田面１１及び部品実装面１３が図示されている。

プリント基板１０の部品実装面１３は、半田面１１と反対側となり、プリント基板１０の部品実装面１３には、半導体デバイス１２、コンデンサ１４等が実装される。

図３に示すプリント基板１０に上記した半導体デバイス１２、コンデンサ１４等が実装されたのち、第１ヒートシンク２０と第２ヒートシンク４０により形成される空間にコンデンサ１４が挿入（矢印参照）されてスタックが構成される。

図４は、図２に示したスタック放熱構造の組立斜視図(外観図)である。図４において、プリント基板１０は、部品実装面１３を下側にして、ヒートシンク２０，４０に上側からネジ等の固着部材により固着される。

半導体デバイス１２は、スタックの左右側面側からヒートシンク２０，４０にネジ等の固着部材により固着される。図示例では、正面から見てスタックの右側面側だけが示されている。また通過する風の向きを矢印で示している。

図５は、図４に示したスタック放熱構造の正面視である。

図５に示されているように、プリント基板１０と第１ヒートシンク２０と第２ヒートシンク４０により風路１８（破線表示の矩形）を形成し、風路１８内にコンデンサ１４が配置されて、スタックの小型化を実現している。

図６は、風ガイドを付加した図５のスタック放熱構造を示す図である。図６に示した風ガイド１６は、図５に示した風路１８内に風を導くようにするために、絶縁シート(不図示)を折り曲げて形成したのち、ヒートシンク２０，４０にネジ等の固着部材(不図示)で固着され形成される。

このようにして形成された風ガイド１６により、後に説明する図７に示される装置正面に設けられたファン６０から吸気された風を誘導することで、ヒートシンク２０，４０のフィン間とコンデンサ１４の上面部，円筒部とプリント基板１０の部品実装面１３に直接冷却風を当て、ヒートシンク２０，４０とコンデンサ１４とプリント基板１０を同時に冷却することが可能となる。

このような構成を備えているので、コンデンサ１４やヒートシンク２０，４０のフィン間に直接冷却風を当てることができ、コンデンサ１４や半導体デバイス１２で発生した熱を部品表面から外部に放熱することが可能となる。

またプリント基板１０の部品実装面１３にも直接冷却風を当てることが可能になるので、プリント基板１０に半田付けされたコンデンサ１４や半導体デバイス１２の端子部からプリント基板１０側に伝わってくる熱を効率よく放熱できるため、スタックの放熱性を向上させることが可能となる。

図７は、本発明の実施形態に係るスタック放熱構造を有するスタックを備えた電力変換装置の斜視図である。図７に示される電力変換装置においては、図５に示した風路１８内に冷却風を吸引するファン６０が装置正面側に設けられ、装置正面側から図５に示した風路１８内に冷却風を吸引し、装置背面側から吸引した空気を排出するよう構成されている。

図７に示すケース５０では、図６に示した風ガイド１６を有したスタックを３基収納する構成であるが、収納するスタックの数は上記例に限定されず、さらに図６に示した風ガイド１６を有したスタックの数を増やすことが可能である。

図８は、図７に示した電力変換装置のケース５０及びファン６０を外して示したスタック連結構造の一例を示す斜視図である。

図８に示されるように、上記した３基のスタック放熱構造を並列に並べて相互間をスタック連結金具７２で結合し、連結金具７２で結合されない側の端部をスタックベース７０にネジ等の固着部材で固着することでスタック連結構造が構成され、このスタック連結構造を備えて電力変換装置が構成される様子を示している。

なお上述したように連結するスタックの数は上記例に限定されるものではない。

図９は、図８に示したスタック連結構造をケース５０内に収納しファン６０を取り付けて示した電力変換装置の外観図である。

図９に示されるように、ケース５０に図８に示される連結して構成されたスタックを収納したうえでネジ等の固着部材により固着する。そのうえでケース５０の正面側に、各スタックに対応してファン６０を取り付けている。

図１０は、図９に示した電力変換装置を側面から見た図である。図１０の側面図に示されるように、上述した半導体デバイス１２が実装されたスタックがケース５０に設置され、電力変換装置が構成されている様子が理解できるであろう。

本発明は、UPS(無停電電源装置）に限定されず、他の電力変換装置に対しても適用することが可能である。

Claims (10)

1. 少なくともディスクリートタイプの半導体デバイスとコンデンサを備えて電力変換を行うスタック構造において、
   前記半導体デバイスを冷却する第１のヒートシンクと、
   前記第１のヒートシンクで冷却する前記半導体デバイスとは異なる半導体デバイスを冷却する第２のヒートシンクと、
   前記半導体デバイスと前記コンデンサが同一の部品実装面に実装されたプリント基板と、を備え、
   前記プリント基板の前記部品実装面上における前記コンデンサを挟んだ両側の位置に、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクを、互いのフィンを内側にして向かい合わせて設置することにより、前記プリント基板、前記第１のヒートシンク、及び、前記第２のヒートシンクで風路を形成し、
   前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクは、フィンの高さが前記コンデンサの外形に合わせて短いフィンと長いフィンを有する、ことを特徴とするスタック放熱構造。
2. 前記第１のヒートシンクの前記長いフィンと前記第２のヒートシンクの前記長いフィンは、その先端同士が互いに接触するか、又は一体的に連結されており、前記第１のヒートシンクの前記短いフィンと前記第２のヒートシンクの前記短いフィンとの間の空間に前記コンデンサが配置されることを特徴とする請求項１記載のスタック放熱構造。
3. 前記第１のヒートシンク及び前記第２のヒートシンクで冷却する半導体デバイスは、ワイドバンドギャップ半導体デバイスであることを特徴とする請求項１に記載のスタック放熱構造。
4. 前記請求項１に記載のスタック放熱構造を並列に並べて相互間を連結部材で結合し、該連結部材で結合されない側の端部をスタックベースに固着して成るスタック連結構造。
5. 前記請求項２に記載のスタック放熱構造を並列に並べて相互間を連結部材で結合し、該連結部材で結合されない側の端部をスタックベースに固着して成るスタック連結構造。
6. 前記請求項３に記載のスタック放熱構造を並列に並べて相互間を連結部材で結合し、該連結部材で結合されない側の端部をスタックベースに固着して成るスタック連結構造。
7. 前記請求項１に記載のスタック放熱構造を有するスタックを備えて構成されていることを特徴とする電力変換装置。
8. 前記請求項２に記載のスタック放熱構造を有するスタックを備えて構成されていることを特徴とする電力変換装置。
9. 前記請求項３に記載のスタック放熱構造を有するスタックを備えて構成されていることを特徴とする電力変換装置。
10. 前記請求項６に記載のスタック連結構造を含んで構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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