WO2013080442A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

　基板に実装された発熱回路部品の熱を効率よく冷却体に放熱することができ、小型化が可能な電力変換装置を提供する。電力変換装置(１)は、一面を冷却体(３)に接合する半導体パワーモジュール(１１)と、前記半導体パワーモジュール(１１)を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した複数の実装基板(２２)，(４２)と、前記複数の実装基板の熱を前記冷却体(３)に伝熱させる熱伝導路(３５)，(３７)とを備え、前記複数の実装基板のうち互いに対向する一対の実装基板(２２)，(４２)間に伝熱支持板(２５)を配置し、該伝熱支持板(２５)と前記一対の実装基板(２２)，(４２)との間にそれぞれ伝熱部材(２６)，(２７)を介在させて、当該一対の実装基板(２２)，(４２)を中実状態として積層し、前記伝熱支持板２５の少なくとも一対の端部(２５ａ)，(２５ｂ)から、前記熱伝導路(３５)，(３６)を介して前記冷却体(３)に接続している。

Description

電力変換装置

　本発明は、電力変換用の半導体スイッチング素子を内蔵した半導体パワーモジュール上に、半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板を支持する電力変換装置に関する。

　この種の電力変換装置としては、特許文献１に記載された電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、筐体内に、水冷ジャケットを配置し、この水冷ジャケット上に電力変換用の半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴを内蔵した半導体パワーモジュールを配置して冷却するようにしている。また、筐体内には、半導体パワーモジュールの水冷ジャケットとは反対側に所定距離を保って制御回路基板及び駆動回路基板を配置し、この制御回路基板及び駆動回路基板で発生する熱を、放熱部材を介して制御回路基板及び駆動回路基板を支持する金属ベース板に伝達し、さらに金属ベース板に伝達された熱を、この金属ベース板を支持する筐体の側壁を介して水冷ジャケットに伝達するようにしている。

特許第４６５７３２９号公報

　ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、制御回路基板で発生する熱を、制御回路基板→放熱部材→金属ベース板→筐体→水冷ジャケットという経路で放熱するようにしている。このため、筐体が伝熱経路の一部として利用されることにより、筐体にも良好な伝熱性が要求されることになり、筐体形成材料が熱伝導率の高い金属に限定され、小型軽量化の要求される電力変換装置おいて、樹脂等の軽量な材料の選択が不可能となり軽量化が困難となるという未解決の課題がある。

　また、筐体には、防水・防塵が要求されることが多いため、金属ベース板と筐体との間、筐体と水冷ジャケットとの間には液状シール剤の塗布やゴム製パッキンの挟み込みなどが一般的に行われている。液状シール剤やゴム製パッキンは熱伝導率が一般的に低く、これらが熱冷却経路に介在することで熱抵抗が増え冷却効率が低下するという未解決の課題もある。この未解決の課題を解決するためには、基板や実装部品の除去しきれない発熱を筐体や筐体蓋からの自然対流による放熱も必要となり、筐体や筐体蓋の表面積を大きくするために、筐体や筐体蓋の外形が大きくなり電力変換装置が大型化することになる。

　そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、基板に実装された発熱回路部品の熱を効率よく冷却体に放熱することができ、小型化が可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

　上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置の第１の態様は、一面を冷却体に接合する半導体パワーモジュールと、前記半導体パワーモジュールを駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した複数の実装基板と、前記複数の実装基板の熱を前記冷却体に伝熱させる熱伝導路とを備えている。そして、前記複数の実装基板のうち互いに対向する一対の実装基板間に伝熱支持板を配置し、該伝熱支持板と前記一対の実装基板との間にそれぞれ伝熱部材を介在させて、当該一対の実装基板を中実状態として積層し、前記伝熱支持板の少なくとも一対の端部から、前記熱伝導路を介して前記冷却体に接続している。
　この構成によると、一対の実装基板にそれぞれ実装されている発熱回路部品の発熱を、それぞれ伝熱部材を介して伝熱支持板に伝熱し、この伝熱部材から伝熱支持板を介し、さらに伝熱路を介して冷却体に放熱することができる。

　また、一対の実装基板間に伝熱部材が中実状態で介在されているので、両実装基板間に熱溜まりとなる空気層が形成されることがないので、放熱効果を向上させることができる。しかも、伝熱支持板が一対の実装基板に対して１枚で済み、部品点数を減少させることができる。また、伝熱支持板の少なくとも一対の端部に熱伝導路を接続するので、各実装基板に実装された発熱部材と冷却体との伝熱距離を短くすることができる。

　また、本発明に係る電力変換装置の第２の態様は、電力変換用の半導体スイッチング素子をケース体に内蔵する半導体パワーモジュールと、該半導体パワーモジュールの一方の面に配置された冷却体と、該半導体パワーモジュールの他方の面上に支持される前記半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した複数の実装基板とを備えている。前記複数の実装基板のうち互いに対向する一対の実装基板間に伝熱支持板を配置し、該伝熱支持板と前記一対の実装基板との間にそれぞれ伝熱部材を介在させて、当該一対の実装基板を中実状態で積層し、前記伝熱支持板の少なくとも一対の端部から、前記半導体パワーモジュール及び前記各実装基板の双方を囲む筐体とは独立した熱伝導路を介して前記冷却体に接続している。

　この構成によると、一対の実装基板にそれぞれ実装されている発熱回路部品の発熱を、それぞれ伝熱部材を介して伝熱支持板に伝熱し、この伝熱部材から伝熱支持板を介し、さらに伝熱路を介して冷却体に放熱することができる。この場合、実装基板と冷却体との間の複数の熱伝導路が半導体パワーモジュール及び各実装基板の双方を囲む筐体とは独立して形成されているので、筐体の熱伝導率を考慮することなく筐体を形成することができ、設計の自由度を向上できる。

　また、一対の実装基板間に伝熱部材が中実状態で介在されているので、両実装基板間に熱溜まりとなる空気層が形成されることがないので、放熱効果を向上させることができる。しかも、伝熱支持板が一対の実装基板に対して１枚で済み、部品点数を減少させることができる。また、伝熱支持板の少なくとも一対の端部に熱伝導路を接続するので、各実装基板に実装された発熱部材と冷却体との伝熱距離を短くすることができる。

　また、本発明に係る電力変換装置の第３の態様は、前記熱伝導路が、前記伝熱支持板と前記冷却体とを連結する伝熱支持側板で構成されている。
　この構成によると、熱伝導路が伝熱支持側板で構成されているので、伝熱支持板を両持ち状態で支持することができ、剛性を高めて耐振動性を向上させることができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第４の態様は、前記伝熱支持板及び前記伝熱支持側板が、熱伝導率の高い金属材料で構成されている。
　この構成によると、実装基板を熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅等で構成するので、冷却体への放熱をより効率よく行うことができる。

　また、本発明に係る電力変換装置の第５の態様は、前記伝熱部材が、熱伝導性を有する絶縁体で構成されている。
　この構成によると、伝熱部材が絶縁体で構成されているので、対向する実装基板同士の間隔を狭く設定することができ、電力変換装置を小型化することができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第６の態様は、前記伝熱部材が、熱伝導性を有し且つ伸縮性を有する弾性体で構成されている。
　この構成によると、伝熱部材が伸縮性を有するので、実装基板に実装された発熱部品等の周囲に接触させることができ、接触面積を増加させて、放熱効果を向上させることができる。

　また、本発明に係る電力変換装置の第７の態様は、前記伝熱部材が、前記弾性体を所定圧縮率で圧縮した状態で固定されている。
　この構成によると、弾性体を圧縮した状態で固定するので、実装基板に実装された発熱部品との接触をより良好に行うことができ、放熱効果を向上させることができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第８の態様は、前記伝熱部材には、前記弾性体の圧縮率を決定する間隔調整部材が設けられている。
　この構成によると、弾性体の圧縮率を間隔調整部材によって決定することができ、弾性体の圧縮率を一定値に容易に調整することができる。

　本発明によれば、一対の実装基板に実装された発熱回路部品を含む回路部品の発熱を、一枚の伝熱支持板を介し、熱伝導路を通って冷却体に放熱するので、一対の実装基板の放熱機能を簡単な構成で良好に形成することができる。このため、電力変換装置全体を小型化することができる。
　また、一対の実装基板を、伝熱部材を介在させて中実状態で積層するので、一対の実装基板間に熱溜まりを生じやすい空気層が介在することがなく、良好な熱伝導性を確保することができる。
　さらに、伝熱支持板の一対の端部が、それぞれ熱伝導路を介して冷却体に接続されているので、一対の実装基板に実装された発熱回路部品の冷却体への熱伝導路の長さを短くすることができ、効率の良い放熱を行うことができる。

本発明に係る電力変換装置の一実施形態の全体構成を示す断面図である。 図１の要部を示す拡大断面図である。 実装基板、伝熱部材、伝熱支持板の積層状態を示す拡大断面図である。 発熱回路部品の放熱経路を説明する図である。 電力変換装置に対して上下振動や横揺れが作用した状態を示す図である。 従来例を示す断面図である。 半導体パワーモジュールの冷却部材の変形例を示す断面図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面について説明する。
　図１は本発明に係る電力変換装置の全体構成を示す断面図である。
　図中、１は電力変換装置であって、この電力変換装置１は筐体２内に収納されている。筐体２は、合成樹脂材を成形したものであり、水冷ジャケットの構成を有する冷却体３を挟んで上下に分割された下部筐体２Ａ及び上部筐体２Ｂで構成されている。

　下部筐体２Ａは有底角筒体で構成されている。この下部筐体２Ａは開放上部が冷却体３で覆われ、内部に平滑用のフィルムコンデンサ４が収納されている。
　上部筐体２Ｂは、上端及び下端を開放した角筒体２ａと、この角筒体２ａの上端を閉塞する蓋体２ｂとを備えている。そして、角筒体２ａの下端が冷却体３で閉塞されている。この角筒体２ａの下端と冷却体３との間には、図示しないが、液状シール剤の塗布やゴム製パッキンの挟み込みなどのシール材が介在されている。

　冷却体３は、冷却水の給水口３ａ及び排水口３ｂが筐体２の外方に開口され、給水口３ａ及び排水口３ｂ間に冷却水通路３ｃが形成されている。これら給水口３ａ及び排水口３ｂは例えばフレキシブルホースを介して図示しない冷却水供給源に接続されている。この冷却体３は例えば熱伝導率の高い（例えば１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上）アルミニウム、アルミニウム合金を射出成形して形成されている。

　そして、冷却体３は、下面が平坦面とされ、上面には中央部に平面から見て方形の凹部３ｄが形成されている。この凹部３ｄの中央部には、平面から見て方形の突出台部３ｅが形成され、この突出台部３ｅの周囲に角枠状の周溝３ｆが形成されている。この突出台部３ｅの高さは冷却体３の上面より低く、後述する伝熱支持側板３５及び３６の底板３９の厚みと略等しく設定されている。また、冷却体３には、下部筐体２Ａに保持されたフィルムコンデンサ４の絶縁被覆された正負の電極４ａを上下に挿通する挿通孔３ｇが形成されている。

　電力変換装置１は、図２とともに参照して明らかなように、電力変換用の例えばインバータ回路を構成する半導体スイッチング素子として例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を内蔵した半導体パワーモジュール１１を備えている。
　この半導体パワーモジュール１１は、扁平な直方体状の絶縁性のケース体１２内にＩＧＢＴを内蔵しており、ケース体１２の下面に金属製の冷却部材１３が形成されている。

　ケース体１２及び冷却部材１３には平面からみて四隅に固定部材としての固定ねじ１４を挿通する挿通孔１５が形成されている。これら挿通孔１５内に固定ねじ１４を挿通し，固定ねじの雄ねじ部の先端を冷却体３に螺合させることにより、半導体パワーモジュール１１が冷却体３の上面に装着される。
　また、ケース体１２の上面には、挿通孔１５の内側における４箇所に所定高さの基板固定部１６が突出形成されている。

　この基板固定部１６の上端には、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴを駆動する駆動回路等が実装された方形の駆動回路基板２１が固定されている。また、駆動回路基板２１の上方に所定間隔を保って基板ユニットＵ１が固定されている。ここで、駆動回路基板２１には、冷却体３による冷却を必要としない発熱量が小さい回路部品が実装されている。

　基板ユニットＵ１は、平面から見て同一の方形形状を有し、互いに平行な実装基板としての制御回路基板２２及び電源回路基板４２を、所定間隔を保って所定間隔を保って一体化している。制御回路基板２２は、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴを制御する相対的に発熱量の大きい、又は発熱密度の大きい発熱回路部品を含む制御回路等の回路部品２３を実装しており、発熱回路部品２４を上面側に実装している。また、電源回路基板は、制御回路基板２２と同様に、発熱回路部品を含む電源回路等の回路部品４３を実装しており、発熱回路部品４４を下面側に実装している。

　また、基板ユニットＵ１は、制御回路基板２２を下面側とし、電源回路基板４２を上面側とする関係で、これら制御回路基板２２及び電源回路基板４２が所定間隔を保って配置している。制御回路基板２２及び電源回路基板４２間には、例えば上下方向の中央部に伝熱支持板２５が配置されている。また、この伝熱支持板２５の下面と制御回路基板２２の上面との間には伝熱部材２６が配置されている。また、伝熱支持板２５の上面と電源回路基板４２の下面との間には伝熱部材２７が配置されている。

　したがって、基板ユニットＵ１には、制御回路基板２２及び電源回路基板４２が、両者間に伝熱部材２６、伝熱支持板２５及び伝熱部材２７を介在させた空気層を介在させない中実状態で積層されている。
　ここで、伝熱支持板２５は、熱伝導率が高く（例えば１００Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上）剛性があるアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の金属材料で形成されている。

　また、伝熱部材２６及び２７は、伸縮性を有する弾性体で制御回路基板２２と同じ外形寸法に構成されている。これら伝熱部材２６及び２７としては、例えば弾性体としてのシリコンゴムの内部に金属フィラーを介在させることにより絶縁性能を発揮しながら伝熱性を高めたものが適用されている。これら伝熱部材２６及び２７は、例えば厚み方向に５～３０％程度に圧縮することにより、熱抵抗が減り効率良い伝熱効果を発揮することができる。

　このため、伝熱支持板２５には、外周寄りの４個所に上下対称に前述した基板固定部１６と同様の構成を有する基板固定部２８及び２９が溶接、ロー付け等の固定手段によって固定されている。これら基板固定部２８及び２９は、伝熱部材２６及び２７の高さより５％～３０％低い高さに設定され、伝熱部材２６及び２７の圧縮率を決定する間隔調整部材として機能する。また、図３に拡大して示すように、基板固定部２８は、下面側に雌ねじ部２８ａが形成され、基板固定部２９は上面側に雌ねじ部２９ａが形成されている。

　そして、伝熱部材２６が、その基板固定部２８に対向する位置に形成された挿通孔２６ａ内に基板固定部２８を挿通させた状態で伝熱支持板２５の下面に配置する。この状態で、基板固定部２８の雌ねじ部２８ａに対向する位置に挿通孔２２ａが形成された制御回路基板２２を、挿通孔２２ａを基板固定部２８の雌ねじ部２８ａに対向させる。この状態で、制御回路基板２２の下面側から固定ねじ３０を挿通孔２２ａを通じて挿入し、基板固定部２８の雌ねじ部２８ａに螺合させて制御回路基板２２の上面が基板固定部２８の下面に接触するように締め付けることにより、伝熱部材２６を５～３０％程度に圧縮した状態で制御回路基板２２を基板固定部２８に固定する。

　同様に、伝熱部材２７を、その基板固定部２９に対向する位置に形成された挿通孔２７ａ内に基板固定部２９を挿通させた状態で伝熱支持板２５の上面に配置する。この状態で、基板固定部２９の雌ねじ部２９ａに対向する位置に挿通孔４２ａが形成された電源回路基板４２を、挿通孔４２ａを基板固定部２９の雌ねじ部２９ａに対向させる。
　この状態で、電源回路基板４２の下面側から固定ねじ３１を挿通孔４２ａを通じて挿入し、基板固定部２９の雌ねじ部２９ａに螺合させて電源回路基板４２の下面が基板固定部２９の上面に接触するように締め付けることにより、伝熱部材２７を５～３０％程度に圧縮した状態で電源回路基板４２を基板固定部２９に固定する。

　このようにして、制御回路基板２２、伝熱部材２６、伝熱支持板２５、伝熱部材２７及び電源回路基板４２を一体化して基板ユニットＵ１が構成される。
　そして、駆動回路基板２１を半導体パワーモジュール１１の基板固定部１６の上面に載置し、この状態で下面に継ぎねじ３２をその下面に形成した雄ねじ部３２ａを基板固定部１６の雌ねじ部１６ａに螺合させて締め付ける。これにより、駆動回路基板２１を基板固定部１６上に固定する。

　次いで、継ぎねじ３２の上面に基板ユニットＵ１を載置し、その電源回路基板４２の上面側から継ぎねじ３２の上面に形成した雌ねじ部３２ｂに対向する位置に形成された挿通孔３３に固定ねじ３４を挿通し、その先端を継ぎねじ３２に形成した雌ねじ部３２ｂに螺合させて締め付ける。これにより、基板ユニットＵ１を継ぎねじ３２の上面に制御回路基板２２の下面を接触させて固定する。

　一方、伝熱支持板２５は、図２及び図３に示すように、右端部及び左端部の双方が制御回路基板２２、伝熱部材２６及び２７及び電源回路基板４２の右端及び左端から右方及び左方に突出する連結部２５ａ及び２５ｂが形成されている。この連結部２５ａ及び２５ｂには、図３に拡大して示すように、連結孔２５ｃ及び２５ｄが貫通して形成されている。
　そして、伝熱支持板２５の連結部２５ａ及び２５ｂに、上部筐体２Ｂとは独立した熱伝導路を形成する左右対称形の伝熱支持側板３５及び３６が固定ねじ３７及び３８で固定されて連結されている。この固定ねじ３７及び３８は伝熱支持板２５の上方から連結孔２５ｃ及び２５ｄを通じて伝熱支持側板３５及び３６に形成された雌ねじ（図示せず）に螺合されている。

　ここで、伝熱支持側板３５は、垂直板部３５ａと、この垂直板部３５ａの上端から左方に延長する連結板部３５ｂとで逆Ｌ字状に形成されている。そして、伝熱支持側板３５は、垂直板部３５ａと連結板部３５ｂとの連結部が円筒面の一部となる湾曲面（Ｒ面取り）３５ｃとされている。
　同様に、伝熱支持側板３６も、垂直板部３６ａと、この垂直板部３６ａの状態から右方に延長する連結板部３６ｂとで逆Ｌ字状に形成されている。そして、伝熱支持側板３６は、垂直板部３６ａと連結板部３６ｂとの連結部が円筒面の一部となる湾曲面３６ｃ（Ｒ面取り）とされている。

　これら伝熱支持側板３５及び３６は、それらの垂直板部３５ａ及び３６ａの下端側が共通の底板３９で連結されて一体化されている。この底板３９は、中央部に冷却体３の突出台部３ｅを挿通する方形孔３９ａが形成されて、冷却体３の周溝３ｆに収納される角枠状に形成されている。
　そして、伝熱支持側板３５及び３６の垂直板部３５ａ及び３６ａの下端と底板３９との連結が円筒面の一部となる湾曲面（Ｒ面取り）３５ｄ及び３６ｄとされている。

　このように伝熱支持側板３５及び３６の垂直板部３５ａ及び３６ａの上下端部を円筒状の湾曲部３５ｃ，３５ｄ及び３６ｃ，３６ｄとされている。このため、電力変換装置１に上下振動や横揺れが伝達されたときに、垂直板部３５ａ及び３６ａと連結板部３５ｂ及び３６ｂ及び底板３９との連結部に生じる応力集中を緩和することができる。したがって、伝熱支持側板３５及び３６で、制御回路基板２２を支持する場合の上下振動や横揺れ等に対する耐振動性を向上することができる。

　さらに、垂直板部３５ａ及び３６ａと底板３９との連結部と、垂直板部３５ａ及び３６ａと連結板部３５ｂ及び３６ｂとの連結部とを円筒状の湾曲面とすることにより、垂直板部３５ａ及び３６ａと底板３９との連結部及び垂直板部３５ａ及び３６ａと連結板部３５ｂ及び３６ｂとの連結部を直角のＬ字形状とする場合に比較して熱伝導経路を短くすることができる。このため、伝熱支持板２５から冷却体３までの熱伝導経路を短くして、効率的な熱冷却が可能となる。

　また、伝熱支持側板３５及び３６と底板３９とは黒色の表面を有する。これら伝熱支持側板３５及び３６と底板３９との表面を黒色化にするには、表面に黒色樹脂をコーティングしたり、黒色塗料で塗装したりすればよい。このように、伝熱支持側板３５及び３６と底板３９との表面を黒色とすることにより、金属の素材色と比較し熱放射率が大きくなり、放射伝熱量を増やすことができる。このため、伝熱支持側板３５及び３６と底板３９との周囲への放熱が活発化され、制御回路基板２２及び電源回路基板４２の熱冷却を効率良く行うことができる。なお、底板３９を除いて伝熱支持側板３５及び３６のみの表面を黒色にするようにしてもよい。

　次に、上記実施形態の電力変換装置１の組立方法を説明する。
　先ず、予め制御回路基板２２、伝熱部材２６、伝熱支持板２５、伝熱部材２７及び電源回路基板４２で構成される基板ユニットＵ１を構成しておく。
　そして、冷却体３の周溝３ｆ内に、伝熱支持側板３５及び３６に共通の底板３９を配置し、この底板３９の上面に半導体パワーモジュール１１に形成した冷却部材１３の下面を接触させ且つ冷却部材１３を冷却体３の突出台部３ｅに接触させた状態で、固定ねじ１４で半導体パワーモジュール１１と底板３９とを冷却体３に一体に固定する。

　また、半導体パワーモジュール１１には、冷却体３に固定する前又は固定した後に、その上面に形成された基板固定部１６に駆動回路基板２１を載置する。そして、この駆動回路基板２１をその上方から４本の継ぎねじ３２によって基板固定部１６に固定する。
　次いで、４本の継ぎねじ３２の上面に基板ユニットＵ１を制御回路基板２２を下側として載置し、電源回路基板４２の上面側から固定ねじ３４を挿通孔３３に挿通して先端を継ぎねじ３２の雌ねじ部３２ｂに螺合させて締め付ける。これにより、継ぎねじ３２上に基板ユニットＵ１を固定する。

　そして、基板ユニットＵ１の伝熱支持板２５の連結部２５ａ及び２５ｂと伝熱支持側板３５及び３６とを固定ねじ３７及び３８で固定する。
　その後、図１に示すように、半導体パワーモジュール１１の正負の直流入力端子に１１ａに、ブスバー５０を接続し、このブスバー５０の他端に冷却体３を貫通するフィルムコンデンサ４の正負の接続端子４ａを固定ねじ５１で連結する。

　次いで、冷却体３の上面に蓋体２ｂを取り外した上部筐体２Ｂを、シール材を介して装着する。この上部筐体２Ｂの角筒体２ａには、外部のコンバータ（図示せず）に接続する接続コード５２の先端に固定された圧着端子５３と、外部の３相電動モータ（図示せず）に接続したモータケーブル５８の先端に固定した圧着端子５９とが液密に挿通支持されている。

　次いで、半導体パワーモジュール１１の直流入力端子１１ａに接続コード５２の先端に固定された圧着端子５３を固定する。
　次いで、半導体パワーモジュール１１の３相交流出力端子１１ｂにブスバー５５を固定ねじ５６で接続し、このブスバー５５の途中に電流センサ５７を配置する。そして、ブスバー５５の他端にモータケーブル５８の先端に固定した圧着端子５９を固定ねじ６０で固定して接続する。

　そして、角筒体２ａの上部開放端を蓋体２ｂでシール材を介して封鎖する。
　その後、又はその前に、冷却体３の下面に、下部筐体２Ａを、シール材を介して固定して電力変換装置１の組立を完了する。
　この組立完了状態で、半導体パワーモジュール１１に接続コード５２を介して外部のコンバータ（図示せず）から直流電力を供給するとともに、制御回路基板２２に実装された電源回路、制御回路等を動作状態とし、制御回路から例えばパルス幅変調信号でなるゲート信号を駆動回路基板２１に実装された駆動回路を介して半導体パワーモジュール１１に供給する。

　これによって、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴが制御されて、直流電力を交流電力に変換する。変換した交流電力は３相交流出力端子１１ｂからブスバー５５を介し、さらにモータケーブル５８を介して外部の３相電動モータ（図示せず）に供給され、この３相電動モータ（図示せず）を駆動制御する。
　このとき、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴで発熱が生じる。この発熱は半導体パワーモジュール１１に形成された冷却部材１３が冷却体３の突出台部３ｅに直接接触されているので、冷却体３に供給されている冷却水によって冷却される。

　一方、制御回路基板２２に実装されている制御回路の回路部品２３には発熱回路部品２４が含まれており、これら発熱回路部品２４で発熱を生じる。このとき、発熱回路部品２４は制御回路基板２２の上面に実装されている。
　そして、制御回路基板２２の上面側には熱伝導率が高く弾性を有する伝熱部材２６を介して伝熱支持板２５が設けられている。

　ここで、伝熱部材２６は、前述したように固定ねじ３０を制御回路基板２２の下側から基板固定部２８の雌ねじ部２８ａに螺合させて締め付けることにより、５～３０％程度の圧縮率で圧縮された状態で固定される。このため、伝熱部材２６の熱抵抗が減り効率の良い伝熱効果を発揮することができるとともに、発熱回路部品２４と伝熱部材２６との接触面積が大きくなる。

　したがって、発熱回路部品２４の発熱が伝熱部材２６に効率よく伝熱される。このため、図４に示すように、伝熱部材２６に伝熱された熱が効率良く伝熱支持板２５に伝達される。
　そして、伝熱支持板２５には、伝熱支持側板３５及び３６が連結されているので、伝熱支持板２５に伝達された熱は、伝熱支持側板３５及び３６を通って共通の底板３９に伝達される。この底板３９は、冷却体３の周溝３ｆ内に直接接触されているので、伝達された熱は冷却体３に放熱される。

　さらに、底板３９に伝達された熱は、その上面側から半導体パワーモジュール１１の冷却部材１３に伝達され、この冷却部材１３を介して冷却体３の突出台部３ｅに伝達されて放熱される。
　一方、電源回路基板４２でも下面側に発熱回路部品４４が実装されており、この発熱回路部品４４の発熱が、図４に示すように、伝熱部材２７を通じて伝熱支持板２５に伝達される。このため、制御回路基板２２の上面側の発熱回路部品２４の発熱と同様に、伝熱支持板２５を通じ、伝熱支持側板３５及び３６を通じて冷却体３に放熱される。

　このように、上記実施形態によると、互いに対向配置される一対の実装基板としての制御回路基板２２及び電源回路基板４２が、両者間に伝熱部材２６及び２７と伝熱支持板２５とを介在させた中実状態で積層されて基板ユニットＵ１が構成されている。このため、制御回路基板２２と電源回路基板４２との間に空気層が存在しないので、空気層が形成されている場合のように熱溜まりが形成されることがなく、制御回路基板２２及び電源回路基板４２に搭載された発熱回路部品２４及び４４の発熱を効率よく、冷却体３に放熱することができる。

　因に、図６に示す従来例のように、駆動回路基板２１及び制御回路基板２２間、制御回路基板２２及び電源回路基板４２間にそれぞれ空間部６１が形成されている場合には、上部筐体２Ｂ内には空気の対流が殆どないため、各回路基板２１、２２及び４２の発熱回路部品で発熱した熱が各回路基板２１、２２及び４２間に留まって熱溜まりが形成される。この熱溜まりの熱がその上方の回路基板に影響することになり、放熱効果を効率よく行うことができない。

　しかしながら、上記実施形態によると、発熱回路部品２４及び４４を実装した制御回路基板２２及び電源回路基板４２が、両者間に伝熱部材２６及び２７と伝熱支持板２５とが介在されて空気層を含まない中実状態で積層されているので、熱溜まりが生じることを確実に防止することができる。このため、制御回路基板２２及び電源回路基板４２に実装された発熱回路部品の発熱を効率よく冷却体３に放熱することができる。

　また、一対の実装基板となる制御回路基板２２及び電源回路基板４２の発熱回路部品２４及び４４の発熱を一枚の伝熱支持板２５を介し、上部筐体２Ｂとは独立した伝熱支持側板３５及び３６に伝熱する。このため、伝熱支持板２５が一枚で済むことになり、部品点数を減少させて、製造コストを低減することができるとともに、基板ユニットＵ１の厚みを薄くして小型化することができる。このため、電力変換装置１自体も小型化することができる。

　さらに、伝熱支持側板３５及び３６が半導体パワーモジュール１１の長辺に沿って設けられている。このため、伝熱面積を広くとることができ、広い放熱経路を確保することができる。
　しかも、伝熱支持側板３５及び３６は折れ曲がり部が円筒状の湾曲部３５ｃ，３５ｄ及び３６ｃ，３６ｄとされているので、折れ曲がり部をＬ字状にする場合に比較して冷却体３までの伝熱距離を短くすることができる。

　このため、発熱回路部品２４及び４４の放熱効率をより向上させることができる。ここで、熱輸送量Ｑは、下記（１）式で表すことができる。
　Ｑ＝λ×（Ａ／Ｌ）×Ｔ　　　…………（１）
　ただし、λは熱伝導率［Ｗ／ｍ℃］、Ｔは温度差［℃］基板温度Ｔ１－冷却体温度Ｔ２、Ａは伝熱最小断面積［ｍ²］、Ｌは伝熱長さ［ｍ］である。
　この（１）式から明らかなように、伝熱長さＬが短くなると、熱輸送量Ｑは増加することになり、良好な冷却効果を発揮することができる。

　また、伝熱支持側板３５及び３６が共通の底板３９で一体化されているので、伝熱支持側板３５及び３６と底板３９との間に部品同士の継ぎ目がなく、熱抵抗を抑制することができる。
　さらに、発熱回路部品が実装された制御回路基板２２から冷却体３までの放熱経路に筐体２が含まれていないので、筐体２を高熱伝導率のアルミニウム等の金属を使用する必要がなく、合成樹脂材で構成することができるので、軽量化を図ることができる。
　さらに、放熱経路が筐体２に依存することなく、電力変換装置１単独で放熱経路を形成することができるので、半導体パワーモジュール１１と、駆動回路基板２１、制御回路基板２２とで構成される電力変換装置１を種々の異なる形態の筐体２や冷却体３に適用することができる。

　また、制御回路基板２２及び電源回路基板４２間に圧縮された伝熱部材２６及び２７を介して伝熱支持板２５が固定されているので、制御回路基板２２及び電源回路基板４２の剛性を高めることができる。このため、電力変換装置１を車両の走行用モータを駆動するモータ駆動回路として適用する場合のように、電力変換装置１に図５に示す上下振動や横揺れが作用する場合でも、これら上下振動や横揺れに対する剛性を高めることができる。したがって、上下振動や横揺れ等の影響が少ない電力変換装置１を提供することができる。

　さらに、伝熱部材２６及び２７を、伝熱性を有する絶縁体で構成することにより、制御回路基板２２及び電源回路基板４２と伝熱支持板２５との間の絶縁を行うことができるので、両者間の距離を短くすることができ、全体を小型化することができる。
　また、基板ユニットＵ１の伝熱支持板２５の左右端部が伝熱支持側板３５及び３６で両持ち状態で支持されているので、基板ユニットＵ１を支持する支持剛性を高めることができ、耐振動性の高い電力変換装置１を提供することができる。

　なお、上記実施形態においては、制御回路基板２２及び電源回路基板４２において、発熱回路部品２４及び４４を伝熱支持側板３５及び３６に近い部分に配置することにより、冷却体３迄の放熱経路の距離を短くするようにしてもよい。この場合には、発熱回路部品の冷却体３までの放熱経路の距離が短くなるので、効率良い放熱を行うことができる。

　なお、上記実施形態においては、半導体パワーモジュール１１の冷却部材１３及び伝熱支持側板３５及び３６に共通の底板３９を冷却体３に接触させる場合について説明した。しかしながら、本発明では上記構成に限定されるものではなく、図７に示すように、半導体パワーモジュール１１に形成されている冷却部材１３が冷却体３に流れる冷却水に直接接触する冷却フィン６１を備えた構成とするようにしてもよい。この場合には、冷却体３の中央部に冷却フィン６１を冷却水の通路に浸漬させる浸漬部６２を形成する。

　そして、浸漬部６２を囲む周壁６３と冷却部材１３との間にＯリング等のシール部材６６が配設されている。
　この構成によると、半導体パワーモジュール１１の冷却部材１３に冷却フィン６１が形成され、この冷却フィン６１が冷却水に浸漬部６２で冷却水に浸漬されているので、半導体パワーモジュール１１をより効率良く冷却することができる。

　また、上記実施形態においては、伝熱支持板２５と伝熱支持側板３５及び３６とを別体で構成する場合について説明した。しかしながら、本発明は、上記構成に限定されるものでなく、伝熱支持板２５と伝熱支持側板３５及び３６とを一体に構成するようにしてもよい。この場合には、伝熱支持板２５と伝熱支持側板３５及び３６との間に継ぎ目が形成されることがなくなるので、熱抵抗をより小さくしてより効率の良い放熱を行うことができる。

　また、上記実施形態では、制御回路基板２２と電源回路基板４２との間に介挿した伝熱部材２６及び２７が弾性を有する場合について説明した。しかしながら、本発明では上記構成に限定されるものではなく、シリコンゴム以外の合成ゴムや天然ゴム等の弾性体を適用することができる。また、絶縁被覆した金属板等の弾性を有さない伝熱部材を適用することもできる。

　さらに、上記実施形態では、熱伝導路を形成する伝熱支持側板を上部筐体２Ｂとは独立させた場合について説明した。しかしながら、本発明では上記構成に限定されるものではなく、上部筐体２Ｂを熱伝導率の高い材料で形成する場合には、伝熱支持側板を省略して伝熱支持板を直接上部筐体２Ｂに支持させることにより、上部筐体２Ｂを熱伝導路として使用することもできる。
　さらに、上記実施形態では、平滑用のコンデンサとしてフィルムコンデンサ４を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円柱状の電解コンデンサを適用するようにしてもよい。

　また、上記実施形態においては、本発明による電力変換装置を電気自動車に適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、軌条を走行する鉄道車両にも本発明を適用することができ、任意の電気駆動車両に適用することができる。さらに電力変換装置としては電気駆動車両に限らず、他の産業機器における電動モータ等のアクチュエータを駆動する場合に本発明の電力変換装置を適用することができる。

　本発明によれば、一対の実装基板に実装された発熱回路部品を含む回路部品の発熱を、一枚の伝熱支持板を介し、熱伝導路を通って冷却体に放熱するので、一対の実装基板の放熱機能を簡単な構成で良好に形成することができる。このため、基板に実装された発熱回路部品の熱を効率よく冷却体に放熱することができ、小型化が可能な電力変換装置を提供することができる。

　１…電力変換装置、２…筐体、３…冷却体、４…フィルムコンデンサ、５…蓄電池収納部、１１…半導体パワーモジュール、１２…ケース体、１３…冷却部材、２１…駆動回路基板、２２…制御回路基板、２３…回路部品、２４…発熱回路部品、２５…伝熱支持板、２６，２７…伝熱部材、２８，２９…基板固定部、３０，３１…固定ねじ、３２…継ぎねじ、４２…電源回路基板、Ｕ１…基板ユニット、４３…回路部品、４４…発熱回路部品、６１…冷却フィン

Claims (8)

1. 　一面を冷却体に接合する半導体パワーモジュールと、
   　前記半導体パワーモジュールを駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した複数の実装基板と、
   　前記複数の実装基板の熱を前記冷却体に伝熱させる熱伝導路とを備え、
   　前記複数の実装基板のうち互いに対向する一対の実装基板間に伝熱支持板を配置し、該伝熱支持板と前記一対の実装基板との間にそれぞれ伝熱部材を介在させて、当該一対の実装基板を中実状態として積層し、
   　前記伝熱支持板の少なくとも一対の端部から、前記熱伝導路を介して前記冷却体に接続した
   　ことを特徴とする電力変換装置。
2. 　電力変換用の半導体スイッチング素子をケース体に内蔵する半導体パワーモジュールと、
   　該半導体パワーモジュールの一方の面に配置された冷却体と、
   　該半導体パワーモジュールの他方の面上に支持される前記半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した複数の実装基板とを備え、
   　前記複数の実装基板のうち互いに対向する一対の実装基板間に伝熱支持板を配置し、該伝熱支持板と前記一対の実装基板との間にそれぞれ伝熱部材を介在させて、当該一対の実装基板を中実状態で積層し、
   　前記伝熱支持板の少なくとも一対の端部から、前記半導体パワーモジュール及び前記各実装基板の双方を囲む筐体とは独立した熱伝導路を介して前記冷却体に接続した
   　ことを特徴とする電力変換装置。
3. 　前記熱伝導路は、前記伝熱支持板と前記冷却体とを連結する伝熱支持側板で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 　前記伝熱支持板及び前記伝熱支持側板は、熱伝導率の高い金属材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 　前記伝熱部材は、熱伝導性を有する絶縁体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
6. 　前記伝熱部材は、熱伝導性を有し且つ伸縮性を有する弾性体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
7. 　前記伝熱部材は、前記弾性体を所定圧縮率で圧縮した状態で固定されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 　前記伝熱部材には、前記弾性体の圧縮率を決定する間隔調整部材が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。

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