JP6926686B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源装置に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータや、これを搭載した充電装置等の電源装置は、半導体モジュール等のように、使用により発熱する部品が搭載されているものがある。かかる電源装置は、小型化や大電流化が進むと、その放熱性が問題となる。

特許文献１に記載の電源装置は、電源装置の半導体モジュールの放熱性を向上させるべく、第一の冷却器の上面に半導体モジュールを配置するとともに、半導体モジュールにおける第一の冷却器と反対側の面に第二の冷却器を配置している。そして、前記電源装置は、第二の冷却器側から第一の冷却器側に向かって、押圧フレームにて押圧されている。

特開２００４−２９６５８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電源装置においては、複数の冷却器を必要とするため、電源装置の大型化や高コスト化が懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、小型化及び低コスト化を図ることができる電源装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、底壁（２１）、前記底壁と対向する対向壁（２３）、及び前記底壁及び前記対向壁を接続する側壁（２２）を有し、かつ熱伝導性を有するケース（２）と、
前記底壁における前記対向壁側の面に載置された発熱部（３）と、
前記発熱部と前記対向壁との間に配され、前記発熱部を前記底壁側に押圧する押圧部材（４）と、
前記発熱部と前記対向壁との双方に接し、前記押圧部材と別部材で構成され、かつ熱伝導性を有する放熱部材（５）と、を備え、
前記放熱部材は、前記底壁と前記対向壁との対向方向（Ｚ）から見たとき、前記押圧部材と重ならない領域の少なくとも一部において、前記発熱部と前記対向壁との双方に接触しており、
前記放熱部材は、前記発熱部と前記対向壁との間において圧縮された状態にて配置されている、電源装置（１）にある。

前記電源装置において、発熱部は、底壁における対向壁側の面に載置されている。また、電源装置は、発熱部と対向壁との双方に接し、押圧部材と別部材で構成され、かつ熱伝導性を有する。それゆえ、発熱部の熱は、発熱部の下側からケースの底壁に放熱されるとともに、発熱部の上側から放熱部材を介してケースの対向壁に放熱される。すなわち、発熱部の熱は、上側及び下側の双方からケースに放熱される。それゆえ、複数の冷却器を用いなくとも、効率的に発熱部の放熱を行うことができる。それゆえ、前記電源装置は、小型化及び低コスト化を図りやすい。

また、放熱部材は、底壁と対向壁との対向方向から見たとき、押圧部材と重ならない領域の少なくとも一部において、発熱部と対向壁との双方に接触している。それゆえ、発熱部から対向壁への熱伝達を促進させやすい。

また、前記電源装置は、発熱部を底壁側に押圧する押圧部材を有する。それゆえ、発熱部と底壁との接触を確保し、発熱部の熱を底壁側に放熱させやすいことに加え、安定して発熱部をケースに固定することができる。すなわち、前記電源装置は、発熱部を安定してケースに固定しつつ、発熱部の放熱性を確保することができる。

以上のごとく、前記態様によれば、小型化及び低コスト化を図ることができる電源装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電源装置の断面図。 実施形態１における、電源装置の平面図。 実施形態１における、対向壁を取り外した電源装置の平面図。 実施形態１の変形形態を示す、電源装置の断面図。 実施形態２における、電源装置の断面図。 実施形態２における、対向壁を取り外した電源装置の平面図。 実施形態３における、電源装置の断面図。 実施形態３における、対向壁を取り外した電源装置の平面図。 実施形態４における、電源装置の断面図。

（実施形態１）
電源装置の実施形態につき、図１〜図３を用いて説明する。
本実施形態の電源装置１は、図１に示すごとく、ケース２と発熱部３と押圧部材４と放熱部材５とを有する。ケース２は、底壁２１、底壁２１と対向する対向壁２３、及び底壁２１及び対向壁２３を接続する側壁２２を有する。また、ケース２は、熱伝導性を有する。発熱部３は、底壁２１における対向壁２３側の面に載置されている。押圧部材４は、発熱部３と対向壁２３との間に配されている。また、押圧部材４は、発熱部３を底壁２１側に押圧する。放熱部材５は、発熱部３と対向壁２３との双方に接する。また、放熱部材５は、押圧部材４と別部材で構成されている。さらに、放熱部材５は、熱伝導性を有する。放熱部材５は、底壁２１と対向壁２３との対向方向Ｚから見たとき、押圧部材４と重ならない領域の少なくとも一部において、発熱部３と対向壁２３との双方に接触している。

以後、便宜上、底壁２１と対向壁２３との対向方向Ｚを、上下方向Ｚという。また、上下方向Ｚにおける底壁２１に対する対向壁２３側を上側といい、その反対側を下側という。

本実施形態の電源装置１は、例えば、直流電源の高圧の直流電力を降圧して低圧の直流に変換するＤＣ−ＤＣコンバータとすることができる。電源装置１は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載するものとすることができる。

ケース２は、例えば冷媒が流通可能な冷媒流路を有する冷却器に熱接触して用いられる。しかし、これに限られず、ケース２自体が冷媒流路を有するものを採用し、ケース２自体が冷却器を構成してもよい。ケース２は、熱伝導性、及び、ノイズを遮蔽する性質を有する。ケース２は、金属からなる。本実施形態において、ケース２は、アルミニウムからなる。

図１に示すごとく、ケース２は、前述のごとく、底壁２１、側壁２２、及び対向壁２３を有する。図３に示すごとく、側壁２２は、上下方向Ｚに直交する横方向Ｘに互いに対向する一対の第一側壁２２１と、上下方向Ｚ及び横方向Ｘの双方に直交する縦方向Ｙに対向する一対の第二側壁２２２とを有する。側壁２２の少なくとも一部は、発熱部３と対向するよう配されている。本実施形態において、一対の第一側壁２２１及び一対の第二側壁２２２は、発熱部３の側面と近接して対向するよう配されている。なお、一対の第一側壁２２１及び一対の第二側壁２２２は、発熱部３の側面と接していてもよい。側壁２２は、上下方向Ｚから見たとき、発熱部３を四方から覆うよう形成されている。すなわち、側壁２２は、上下方向Ｚから見たとき、横方向Ｘの両側及び縦方向Ｙの両側から、発熱部３を覆っている。

図１に示すごとく、底壁２１と側壁２２とは互いに一体的に形成されている。そして、底壁２１及び側壁２２と、対向壁２３とは、互いに別体に構成されている。なお、これに限られず、図４に示すごとく、側壁２２と対向壁２３とを一体に形成し、側壁２２及び対向壁２３と、底壁２１とを別体に構成することもできる。本実施形態において、底壁２１、側壁２２、及び対向壁２３は、いずれもアルミニウムからなる。

図１、図２に示すごとく、対向壁２３は、一対の第一側壁２２１、及び一対の第二側壁２２２を、上側から覆っている。図１に示すごとく、対向壁２３は、側壁２２の上端面にボルト締結されている。対向壁２３には、図示しないボルト挿通孔が形成されている。そして、対向壁２３は、ボルト挿通孔にボルトＢを挿通するとともに、側壁２２の上面に形成されたボルト螺合孔２２３にボルトＢを螺合することにより、側壁２２にボルト締結されている。これにより、対向壁２３の下面と側壁２２の上端面とは互いに圧接されている。

図１に示すごとく、ケース２の内側に、発熱部３が配されている。上下方向Ｚから見たとき、発熱部３は、一対の第一側壁２２１の間、及び、一対の第二側壁２２２の間に配されている。本実施形態において、発熱部３は、半導体モジュール３１とトランス３２とを有する。半導体モジュール３１は、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等の半導体素子を樹脂モールドしてなる。トランス３２は、互いに磁気結合された一次コイル及び二次コイル、並びに軟磁性体からなるコアを有する。半導体モジュール３１は、一次コイルに接続されている。なお、各図面において、各部品同士を接続するバスバ等の図示は適宜省略している。

図１に示すごとく、発熱部３は、電源装置１を構成する複数の部品を、上下方向Ｚに積層した積層体３０を有する。本実施形態において、積層体３０は、２つの部品（すなわち半導体モジュール３１及びトランス３２）を上下方向Ｚに積層してなる。積層体３０における最も底壁２１側には、半導体モジュール３１が配されている。半導体モジュール３１は、底壁２１の上面に配されており、トランス３２は半導体モジュール３１の上に配されている。半導体モジュール３１及びトランス３２は、それぞれ、厚み方向を上下方向Ｚとする姿勢で配されている。そして、半導体モジュール３１の下面が底壁２１の上面に面接触している。

図１、図３に示すごとく、積層体３０の上面に、押圧部材４が配されている。押圧部材４は、少なくとも上下方向Ｚに弾性変形可能に構成されている。また、押圧部材４は、少なくとも上下方向Ｚに熱伝導性を有する材料からなる。本実施形態において、押圧部材４は、バネであり、具体的には板バネである。図３に示すごとく、押圧部材４は、トランス３２の上面に配されるとともに、横方向Ｘに長尺に形成された第一部位４１と、横方向Ｘの第一部位４１の両端から、下側に向かって延設された一対の第二部位４２とを有する。第二部位４２の下端部は、ケース２の底壁２１に固定されている。そして、第一部位４１は、積層体３０を底壁２１側に向かって弾性的に押圧するよう構成されている。これにより、積層体３０は、ケース２の底壁２１と押圧部材４との間に挟持されている。

押圧部材４の少なくとも一部は、積層体３０の重心を通る上下方向Ｚに延びる直線である重心線と重なるよう配されている。これにより、押圧部材４は、積層体３０の重心を、下側に向かって押圧している。本実施形態において、押圧部材４の第一部位４１の一部が、積層体３０の重心線上に位置している。押圧部材４の第一部位４１は、縦方向Ｙにおけるトランス３２の上面の中央に配されている。

図１、図３に示すごとく、上下方向Ｚに直交する方向における、押圧部材４の両側に放熱部材５が配されている。本実施形態において、押圧部材４は、上下方向Ｚから見たとき、トランス３２の上面における押圧部材４が配された領域以外の略全領域に配されている。図１に示すごとく、対向壁２３と発熱部３との間の上下方向Ｚの間隔Ｃは、上下方向Ｚに直交する方向において一定である。これにより、対向壁２３と発熱部３との間に配された放熱部材５も、上下方向Ｚの間隔Ｃが、上下方向Ｚに直交する方向において一定である。

放熱部材５は、少なくとも上下方向Ｚに弾性変形可能に構成されている。また、放熱部材５は、少なくとも上下方向Ｚに熱伝導性を有する材料からなる。本実施形態において、放熱部材５は、シリコンゴムからなる。そして、放熱部材５は、対向壁２３と積層体３０との間において弾性的に圧縮されている。これにより、放熱部材５は、対向壁２３と積層体３０とに密着している。

なお、本実施形態において、放熱部材５は、発熱部３を底壁２１側に若干押圧している。押圧部材４は、放熱部材５よりも強い力で発熱部３を底壁２１側に押圧する。また、押圧部材４は、対向壁２３に接触してもしなくてもよいが、押圧部材４が対向壁２３に接触している場合、発熱部３の熱は、押圧部材４を介しても対向壁２３に伝達される。しかし、本実施形態において、押圧部材４はバネであり、押圧部材４と対向壁２３及び発熱部３との接触面積を稼ぎ難い。そこで、本実施形態においては、上下方向Ｚから見たとき、押圧部材４と重ならない領域の少なくとも一部に、発熱部３と対向壁２３との双方に接触する放熱部材５を配しており、放熱部材５において、発熱部３から対向壁２３への放熱性を向上させている。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
電源装置１において、発熱部３は、底壁２１における対向壁２３側の面に載置されている。また、電源装置１は、発熱部３と対向壁２３との双方に接し、押圧部材４と別部材で構成され、かつ熱伝導性を有する。それゆえ、発熱部３の熱は、発熱部３の下側からケース２の底壁２１に放熱されるとともに、発熱部３の上側から放熱部材５を介してケース２の対向壁２３に放熱される。すなわち、発熱部３の熱は、上側及び下側の双方からケース２に放熱される。それゆえ、複数の冷却器を用いなくとも、効率的に発熱部３の放熱を行うことができる。それゆえ、電源装置１は、小型化及び低コスト化を図りやすい。

また、放熱部材５は、底壁２１と対向壁２３との対向方向から見たとき、押圧部材４と重ならない領域の少なくとも一部において、発熱部３と対向壁２３との双方に接触している。それゆえ、発熱部３から対向壁２３への熱伝達を促進させやすい。

また、電源装置１は、発熱部３を底壁２１側に押圧する押圧部材４を有する。それゆえ、発熱部３と底壁２１との接触を確保し、発熱部３の熱を底壁２１側に放熱させやすいことに加え、安定して発熱部３をケース２に固定することができる。すなわち、電源装置１は、発熱部３を安定してケース２に固定しつつ、発熱部３の放熱性を確保することができる。

また、発熱部３は、電源装置１を構成する複数の部品を、上下方向Ｚに積層した積層体３０を有する。それゆえ、最も下側の部品の熱はケース２の底壁２１から効率的に放熱することができるとともに、最も上側の部品の熱は放熱部材５を介してケース２の対向壁２３から効率的に放熱することができる。

また、積層体３０における最も底壁２１側には、半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール３１が配されている。それゆえ、比較的発熱が大きくなりやすい半導体モジュール３１の熱を、底壁２１に効率的に放熱することができる。

また、押圧部材４の少なくとも一部は、積層体３０の重心線と重なるよう配されている。それゆえ、押圧部材４によって、積層体３０を安定的に保持しやすい。

また、側壁２２は、上下方向Ｚから見たとき、発熱部３を四方から覆うよう形成されている。それゆえ、発熱部３を構成する部品から電磁ノイズが生じた場合、当該電磁のノイズがケース２外部に漏れることを防ぎやすい。また、ケース２の外部に配された電子部品から発せられる電磁ノイズが、ケース２内部に侵入し、ケース２内に配された電子部品に悪影響を及ぼすことを防ぎやすい。

また、対向壁２３と発熱部３との間の上下方向Ｚの間隔Ｃは、上下方向Ｚに直交する方向において一定である。それゆえ、対向壁２３の下面と発熱部３の上面との間に配される放熱部材５の上下方向Ｚの長さを、上下方向Ｚに直交する方向において一定にすることができる。それゆえ、発熱部３から対向壁２３までの放熱性が、上下方向Ｚに直交する方向においてばらつくことを抑制することができる。

また、放熱部材５は、上下方向Ｚに直交する方向における、押圧部材４の両側に配されている。それゆえ、放熱部材５を介した発熱部３から対向壁２３への熱伝達を促進させやすい。それゆえ、発熱部３の放熱性を向上させやすい。

また、ケース２は金属製である。それゆえ、発熱部３からケース２に伝達した熱を、ケース２外部或いはケース２に形成された冷媒流路を流れる冷媒に伝達させやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、小型化及び低コスト化を図ることができる電源装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図５、図６に示すごとく、積層体３０において上下方向Ｚに隣接する部品間に、熱伝導性を有する伝熱部材６を配置した実施形態である。伝熱部材６は、ケース２に熱接触している。

伝熱部材６は、板状を呈しており、その厚み方向が上下方向Ｚとなる姿勢で配されている。図５に示すごとく、伝熱部材６の下面は半導体モジュール３１の上面に面接触しており、伝熱部材６の上面はトランス３２の下面に面接触している。本実施形態において、伝熱部材６は、銅からなる。

図６に示すごとく、上下方向Ｚから見たとき、積層体３０は伝熱部材６の内側に位置するよう配される。伝熱部材６の端縁は、側壁２２に熱接触している。また、図示は省略するが、伝熱部材６は側壁２２に固定されている。

その他は、実施形態１と同様である。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、発熱部３の熱を、伝熱部材６を介してケース２に放熱することもできる。それゆえ、発熱部３からケース２への放熱経路を増やすことができ、発熱部３の放熱性を向上させることができる。

また、積層体３０を構成する１つの部品から、積層体３０を構成する他の部品に向かって放射される電磁ノイズを伝熱部材６によって遮蔽することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態は、図７、図８に示すごとく、ケース２内に２つの積層体３０を配置した実施形態である。便宜上、２つの積層体３０のうち、一方を第一積層体３０１、他方を第二積層体３０２という。

図７に示すごとく、第一積層体３０１は、実施形態１と同様、半導体モジュール３１及びその上側に配されたトランス３２を積層してなる。第二積層体３０２は、トランス３２の二次コイルに接続された半導体モジュール３３及びその上側に配されたチョークコイル３４を積層してなる。第二積層体３０２の半導体モジュール３３は、トランス３２の二次コイルに接続されているとともに、チョークコイル３４に接続されている。第二積層体３０２においても、半導体モジュール３３は、積層体３０における最も底壁２１側に配されている。そして、半導体モジュール３３の下面は、ケース２の底壁２１の上面に面接触している。

そして、第一積層体３０１及び第二積層体３０２のそれぞれの上面に、押圧部材４及び放熱部材５が配されている。押圧部材４及び放熱部材５の配置は、実施形態１と同様であるので説明を省略する。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においても実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本実施形態は、図９に示すごとく、基本構成を実施形態３と同様としつつ、各積層体３０における対向壁２３側の面が、上下方向Ｚの複数の位置に配されている実施形態である。そして、対向壁２３は、対向壁２３と発熱部３との間の上下方向Ｚの間隔Ｃを一定とするように、底壁２１側に向かって突出した突出部２３１を有する。

本実施形態においては、第一積層体３０１の上下方向Ｚの長さと第二積層体３０２の上下方向Ｚの長さとが異なる。本実施形態においては、第二積層体３０２の上下方向Ｚの長さが、第一積層体３０１の上下方向Ｚの長さよりも小さい。これに伴い、第二積層体３０２の上面の位置は、第一積層体３０１の上面の位置よりも下側である。

突出部２３１は、対向壁２３における第二積層体３０２と上下方向Ｚに対向する領域に形成されている。突出部２３１は、突出部２３１と第二積層体３０２との間の上下方向Ｚの長さを、対向壁２３と第一積層体３０１との間の上下方向Ｚの長さと略同一にするよう形成されている。これにより、対向壁２３と発熱部３との間の上下方向Ｚの間隔Ｃは、上下方向Ｚに直交する方向において一定である。これに伴い、第一積層体３０１の上面に配される放熱部材５と、第二積層体３０２の上面に配される放熱部材５とは、上下方向Ｚの長さが略同一になる。
その他は、実施形態３と同様である。

本実施形態においては、複数の積層体３０の上下方向Ｚの寸法が異なる場合であっても、放熱部材５の上下方向Ｚの寸法を、上下方向Ｚに直交する方向において一定にすることができる。それゆえ、複数の積層体３０の上下方向Ｚの寸法が異なる場合であっても、それらを均一に放熱しやすい。
その他、実施形態３と同様の作用効果を有する。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、前記各実施形態において、ケースは金属製としたが、熱伝導性を有する樹脂を採用することもできる。また、実施形態２において、伝熱部材をケースの側壁に熱接触させた形態を示したが、伝熱部材を底壁や対向壁に熱接触させてもよい。また、前記各実施形態において、発熱部は、２以上の部品から構成したが、１つの部品から構成してもよい。また、前記各実施形態において、積層体は、２つの部品を上下方向に積層してなる形態を示したが、３つ以上の部品を上下方向に積層してもよい。

１ 電源装置
２ ケース
２１ 底壁
２２ 側壁
２３ 対向壁
３ 発熱部
４ 押圧部材
５ 放熱部材
Ｚ 対向方向

Claims (11)

1. 底壁（２１）、前記底壁と対向する対向壁（２３）、及び前記底壁及び前記対向壁を接続する側壁（２２）を有し、かつ熱伝導性を有するケース（２）と、
   前記底壁における前記対向壁側の面に載置された発熱部（３）と、
   前記発熱部と前記対向壁との間に配され、前記発熱部を前記底壁側に押圧する押圧部材（４）と、
   前記発熱部と前記対向壁との双方に接し、前記押圧部材と別部材で構成され、かつ熱伝導性を有する放熱部材（５）と、を備え、
   前記放熱部材は、前記底壁と前記対向壁との対向方向（Ｚ）から見たとき、前記押圧部材と重ならない領域の少なくとも一部において、前記発熱部と前記対向壁との双方に接触しており、
   前記放熱部材は、前記発熱部と前記対向壁との間において圧縮された状態にて配置されている、電源装置（１）。
2. 前記発熱部は、前記電源装置を構成する複数の部品を、前記対向方向に積層した積層体（３０）を有する、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記積層体における最も前記底壁側には、半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール（３１）が配されている、請求項２に記載の電源装置。
4. 前記押圧部材の少なくとも一部は、前記積層体の重心を通る前記対向方向に延びる直線である重心線と重なるよう配されている、請求項２又は３に記載の電源装置。
5. 前記積層体における、前記対向方向に隣接する部品間には、熱伝導性を有する伝熱部材（６）が配されており、前記伝熱部材は、前記ケースに熱接触している、請求項２〜４のいずれか一項に記載の電源装置。
6. 前記側壁の少なくとも一部は、前記発熱部と対向するよう配されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電源装置。
7. 前記側壁は、前記対向方向から見たとき、前記発熱部を四方から覆うよう形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電源装置。
8. 前記対向壁と前記発熱部との間の前記対向方向の間隔（Ｃ）は、前記対向方向に直交する方向において一定である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電源装置。
9. 前記発熱部は、前記電源装置を構成する複数の部品を、前記対向方向に積層した積層体（３０）を複数有し、前記各積層体における前記対向壁側の面は、前記対向方向の複数の位置に配されており、前記対向壁は、前記間隔を一定とするように、前記底壁側に向かって突出した突出部（２３１）を有する、請求項８に記載の電源装置。
10. 前記放熱部材は、前記対向方向に直交する方向における、前記押圧部材の両側に配されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電源装置。
11. 前記ケースは、金属製である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電源装置。

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