WO2013084417A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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WO2013084417A1
WO2013084417A1 PCT/JP2012/007308 JP2012007308W WO2013084417A1 WO 2013084417 A1 WO2013084417 A1 WO 2013084417A1 JP 2012007308 W JP2012007308 W JP 2012007308W WO 2013084417 A1 WO2013084417 A1 WO 2013084417A1
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heat
heat transfer
transfer support
plate portion
support plate
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PCT/JP2012/007308
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美里 柴田
泰仁 田中
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富士電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention supports a mounting board on which a circuit component including a heat generating circuit component for driving the semiconductor switching element is mounted at a predetermined interval on a semiconductor power module including a semiconductor switching element for power conversion.
  • the present invention relates to a power conversion device.
  • a power change device described in Patent Document 1 As this type of power conversion device, a power change device described in Patent Document 1 is known.
  • a water cooling jacket is disposed in a casing, and a semiconductor power module including an IGBT as a semiconductor switching element for power conversion is disposed on the water cooling jacket to cool the power conversion apparatus.
  • a control circuit board is disposed in the housing at a predetermined distance on the opposite side of the semiconductor power module from the water-cooling jacket, and the heat generated by the control circuit board is supported by the heat dissipation member. The heat transmitted to the metal base plate is further transmitted to the water cooling jacket through the side wall of the casing that supports the metal base plate.
  • the housing is often required to be waterproof and dustproof, apply a liquid sealant or sandwich rubber packing between the metal base plate and the housing and between the housing and the water cooling jacket. Etc. are generally performed. Liquid sealants and rubber packings generally have a low thermal conductivity, and there is an unsolved problem that the thermal resistance increases and the cooling efficiency decreases due to the presence of these in the thermal cooling path. In order to solve this unsolved problem, it is also necessary to dissipate the heat generated by the substrate and mounted components by natural convection from the case and case cover, increasing the surface area of the case and case cover. For this reason, the outer shape of the housing and the housing lid is increased, and the power converter is increased in size.
  • the present invention has been made paying attention to the unsolved problems of the above conventional example, and efficiently radiates the heat generating circuit components mounted on the substrate to the cooling body, and radiates the heat generating circuit components to the substrate side. It aims at providing the power converter device which can exhibit a function.
  • a first aspect of a power conversion device includes a semiconductor power module in which one surface is joined to a cooling body and a circuit component including a heat generating circuit component that drives the semiconductor power module.
  • the heat transfer support member has a heat absorption part that absorbs heat from the air around the substrate.
  • the heat generated by the heat generating circuit component mounted on the mounting board can be radiated to the cooling body via the heat transfer support member, and the heat generating circuit component can be efficiently radiated. Furthermore, since the heat absorption part is formed in the heat transfer support member that supports the mounting substrate, it is possible to exhibit a cooling effect of reducing the ambient air temperature by absorbing heat from the ambient air.
  • a second aspect of the power conversion device is a semiconductor power module in which a semiconductor switching element for power conversion is built in a case body, and a cooling member that contacts the cooling body is formed on one surface of the case body.
  • the heat transfer support member includes a heat transfer support plate portion that supports the mounting substrate and a heat absorption portion that absorbs heat from the ambient air.
  • the heat generated by the heat generating circuit component mounted on the mounting board can be dissipated to the cooling body via the heat transfer support member independent of the housing, and the heat generating circuit component can be efficiently dissipated.
  • the mounting board and the cooling body are in direct contact with the heat transfer support member without passing through the casing surrounding the semiconductor power module and each mounting board, the casing can be mounted without considering the thermal conductivity of the casing. Can be formed, and the degree of freedom in design can be improved.
  • the heat absorption part is formed in the heat transfer support plate part that supports the mounting substrate, it is possible to exhibit a cooling effect of reducing the ambient air temperature by absorbing heat from the ambient air.
  • the 3rd aspect of the electric power change apparatus which concerns on this invention is equipped with the heat-transfer support side plate part by which the said heat-transfer support member fixes and supports the side surface of the said heat-transfer support plate part, and contacts the said cooling body. ing.
  • the heat generated by the heat generating circuit component can be radiated from the heat transfer support plate portion to the cooling body via the heat transfer support side plate portion, and the heat generated by the heat generating circuit component can be efficiently radiated.
  • the 4th aspect of the power converter device which concerns on this invention is a heat dissipation in which the said heat absorption part was formed in the opposite side to the board
  • the 5th aspect of the power converter device which concerns on this invention is comprised by the heat absorption fin in which the said heat absorption part was directly formed in the surface on the opposite side to the said mounting substrate of the said heat-transfer support plate part. According to this configuration, since the heat absorption fins are directly formed on the heat transfer support plate portion, the number of parts can be reduced.
  • the said heat absorption part is comprised by the rib process part formed in the said heat-transfer support plate part. According to this configuration, the surface area of the heat transfer support plate portion can be increased at the rib processing portion, the heat absorption effect from the ambient air can be enhanced, and the heat transfer support plate portion can be easily processed. .
  • a seventh aspect of the power conversion device includes a plurality of sets of the mounting substrate and the heat transfer support member, and the heat transfer side plate portion of the heat transfer support member has a height for each set.
  • the heat transfer side plate portion is in contact with the cooling body through different side surfaces of the semiconductor power module.
  • the said heat-transfer support plate part is supporting the said mounting substrate via the heat-transfer member. According to this configuration, the heat generated by the mounting substrate can be efficiently transferred to the heat transfer support plate portion via the heat transfer member.
  • the heat transfer support member is made of a metal material having high thermal conductivity. According to this configuration, since the heat transfer support member is made of a metal material such as aluminum, aluminum alloy, or copper having high thermal conductivity, heat dissipation to the cooling body can be performed more efficiently.
  • the 10th aspect of the power converter device which concerns on this invention is comprised with the insulator in which the said heat-transfer member has thermal conductivity.
  • the heat transfer member is comprised with the insulator, between a mounting board
  • the 11th aspect of the power converter device which concerns on this invention is comprised with the elastic body in which the said heat-transfer member has heat conductivity and has a stretching property. According to this configuration, since the heat transfer member has elasticity, the heat transfer member can be brought into contact with the periphery of a heat-generating component or the like mounted on the mounting substrate, the contact area can be increased, and the heat dissipation effect can be improved.
  • the heat transfer member is composed of an elastic body having thermal conductivity and stretchability, and the elastic body includes the mounting substrate and the heat transfer. It is fixed in a compressed state with the support plate. According to this configuration, since the elastic body is fixed in a compressed state by the mounting substrate and the heat transfer support plate portion, the contact with the heat-generating component mounted on the mounting substrate can be performed better, and the heat dissipation effect is improved. be able to.
  • the 13th aspect of the power converter device which concerns on this invention is provided with the space
  • the compression rate of the elastic body can be determined by the interval adjusting member, and the compression rate of the elastic body can be easily adjusted to a constant value.
  • the mounting board on which the circuit components including the heat generating circuit parts are mounted is supported by the heat transfer support member, and the heat of the mounting board is transferred to the cooling body through the heat transfer path through the heat transfer support member.
  • the heat generated in the heat generating circuit component can be directly radiated to the cooling body through the conduction path, and the heat resistance can be suppressed and the heat cooling with good cooling efficiency can be performed.
  • the heat absorbing portion is formed in the vicinity of the mounting board on which the heat generating circuit component is mounted, heat can be absorbed from the surrounding air around the mounting board, and the cooling effect to the surrounding air can be exhibited.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a power converter according to the present invention.
  • reference numeral 1 denotes a power converter, and the power converter 1 is housed in a housing 2.
  • the casing 2 is formed by molding a synthetic resin material, and includes a lower casing 2A and an upper cylindrical body 2B that are divided vertically with a cooling body 3 having a water-cooling jacket structure interposed therebetween.
  • the lower housing 2A is a bottomed rectangular tube.
  • the lower housing 2A is covered with a cooling body 3 at the open top, and a film capacitor 4 is accommodated therein.
  • the upper housing 2B includes a rectangular tube 2a having an open upper end and a lower end, and a lid 2b that closes the upper end of the rectangular tube 2a.
  • the lower end of the rectangular tube 2a is closed by the cooling body 3.
  • a sealing material such as application of a liquid sealant or sandwiching rubber packing is interposed between the lower end of the rectangular tube 2a and the cooling body 3.
  • the cooling body 3 has a cooling water supply port 3 a and a drain port 3 b opened to the outside of the housing 2.
  • the water supply port 3a and the drainage port 3b are connected to a cooling water supply source (not shown) via, for example, a flexible hose.
  • the cooling body 3 is formed, for example, by injection molding aluminum or aluminum alloy having high thermal conductivity. And as for the cooling body 3, the lower surface is made into a flat surface, and the upper surface is formed with the square-frame-shaped peripheral groove 3d leaving the center part 3c. Further, the cooling body 3 is formed with an insertion hole 3e through which the positive and negative electrodes 4a covered with insulation of the film capacitor 4 held by the lower housing 2A are inserted vertically.
  • the power conversion apparatus 1 includes a semiconductor power module 11 that incorporates, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as a semiconductor switching element that constitutes, for example, an inverter circuit for power conversion.
  • the semiconductor power module 11 includes an IGBT in a flat rectangular parallelepiped insulating case body 12, and a metal cooling plate portion 13 is formed on the lower surface of the case body 12.
  • the case body 12 and the cooling plate portion 13 are formed with insertion holes 15 through which attachment screws 14 as fixing members are inserted at four corners when viewed from the plane.
  • substrate fixing portions 16 having a predetermined height are formed to protrude at four locations inside the insertion hole 15.
  • a driving circuit board 21 on which a driving circuit for driving an IGBT built in the semiconductor power module 11 is mounted is fixed to the upper end of the board fixing portion 16.
  • a control circuit including a heat generation circuit component having a relatively large heat generation amount or a high heat generation density for controlling the IGBT built in the semiconductor power module 11 with a predetermined interval above the drive circuit board 21 is mounted.
  • a control circuit board 22 as a mounting board is fixed.
  • a power supply circuit board 23 as a mounting board on which a power supply circuit including a heating circuit component for supplying power to the IGBT built in the semiconductor power module 11 is mounted at a predetermined interval above the control circuit board 22 is fixed. ing.
  • the drive circuit board 21 is inserted into the insertion hole 21 a formed at a position facing the board fixing part 16, and the male screw part 24 a of the joint screw 24 is inserted, and the male screw part 24 a is formed on the upper surface of the board fixing part 16. It is fixed by screwing into the part 16a.
  • the control circuit board 22 inserts the male screw portion 25 a of the joint screw 25 into an insertion hole 22 a formed at a position facing the female screw portion 24 b formed at the upper end of the joint screw 24, and this male screw portion 25 a is inserted into the joint screw 24. It is fixed by screwing into the female screw portion 24b.
  • the power supply circuit board 23 inserts a fixing screw 26 into an insertion hole 23 a formed at a position facing the female screw portion 25 b formed at the upper end of the joint screw 25, and this fixing screw 26 is inserted into the female screw portion 25 b of the joint screw 25. It is fixed by screwing.
  • the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23 are supported by the heat transfer support members 32 and 33 so as to form a heat conduction path to the cooling body 3.
  • These heat transfer support members 32 and 33 are formed of a metal having a high thermal conductivity such as aluminum, an aluminum alloy, or copper.
  • the heat transfer support members 32 and 33 have a square frame-shaped common bottom plate portion 34 disposed in the circumferential groove 3 d of the cooling body 3 that supports the control circuit board 22.
  • the heat transfer support member 32 is fixed by a fixing screw 32b on the heat transfer support plate portion 32a on the flat plate and the right end side of the heat transfer support plate portion 32a along the long side of the semiconductor power module 11 as seen in FIG. It is comprised with the heat-transfer side board part 32c.
  • the heat transfer side plate portion 32 c is connected to the common bottom plate portion 34.
  • the control circuit board 22 is fixed to the heat transfer support plate portion 32 a by a fixing screw 36 via a plate-shaped heat transfer member 35.
  • the heat transfer member 35 is an elastic body having elasticity, and has the same outer dimensions as the control circuit board 22.
  • As the heat transfer member 35 a member having improved heat transfer property by interposing a metal filler inside silicon rubber is applied.
  • the heat transfer side plate portion 32 c is integrally connected to the outer peripheral edge on the long side of the common bottom plate portion 34 disposed in the circumferential groove 3 d of the cooling body 3 and extends upward.
  • the connecting plate portion 32d and the upper plate portion 32e extending leftward from the upper end of the connecting plate portion 32d are formed in an inverted L-shaped cross section.
  • the connecting plate portion 32 d extends upward through the right side surface on the long side of the semiconductor power module 11.
  • the heat transfer support member 33 is fixed by a fixing screw 33b on the heat transfer support plate portion 33a on the flat plate and the left end side of the heat transfer support plate portion 33a along the long side of the semiconductor power module 11 as seen in FIG. It is comprised with the heat-transfer side board part 33c.
  • the heat transfer side plate portion 33 c is connected to the common bottom plate portion 34.
  • the power supply circuit board 23 is fixed to the heat transfer support plate portion 33a by a fixing screw 38 via a heat transfer member 37 similar to the heat transfer member 35 described above.
  • the heat transfer side plate portion 33 c is integrally connected to the outer peripheral edge on the long side of the common bottom plate portion 34 disposed in the circumferential groove 3 d of the cooling body 3.
  • the connecting plate portion 33d extending in the left direction and the upper plate portion 33e extending leftward from the upper end of the connecting plate portion 33d are formed in an inverted L-shaped cross section.
  • the connecting plate portion 33 d extends upward through the left side surface on the long side of the semiconductor power module 11.
  • connection part with the bottom board part 34 and the upper board part 33e of the connection board part 33d is formed in the cylindrical curved surface.
  • the connecting portion between the connecting plate portion 33d and the bottom plate portion 34 and the upper plate portion 33e is formed into a cylindrical curved surface, so that the connecting portion between the connecting plate portion 33d and the bottom plate portion 34 and the upper plate portion 33e has a right angle.
  • the heat conduction path can be shortened as compared with the L-shape. For this reason, the heat conduction path from the heat transfer support plate portion 33a to the cooling body 3 is shortened, and efficient heat cooling becomes possible.
  • a heat generating circuit component 39 is mounted on the lower surface side as shown in FIGS.
  • control circuit board 22 and the power supply circuit board 23 are connected to the heat transfer members 35 and 37 and the heat transfer support plate portions 32a and 33a as shown in FIG.
  • the connection between the control circuit board 22 and the power circuit board 23 and the heat transfer support plate portions 32a and 33a is substantially the same except that the left and right are reversed.
  • the plate portion 33a will be described as a representative.
  • the power supply circuit board 23 and the heat transfer support plate portion 33 a are connected to each other by an interval adjusting member having a heat transfer plate portion management height H lower than the thickness T of the heat transfer member 37.
  • a spacer 40 is used.
  • the spacer 40 is temporarily fixed by bonding or the like to the outer peripheral side of the female screw portion 41 into which the fixing screw 38 formed on the heat transfer support plate portion 33a is screwed.
  • the heat transfer plate portion management height H of the spacer 40 is set so that the compression rate of the heat transfer member 37 is about 5 to 30%.
  • the thermal resistance is reduced and an efficient heat transfer effect can be exhibited.
  • the heat transfer member 37 is formed with an insertion hole 37 a through which the joint screw 25 can be inserted and an insertion hole 37 b through which the spacer 40 can be inserted.
  • the heat transfer member 37 is placed on the heat transfer support plate 33a so that the spacer 40 temporarily fixed to the heat transfer support plate 33a is inserted into the insertion hole 37b.
  • the power supply circuit board 23 is placed thereon so that the heat generating circuit component 39 is in contact with the heat transfer member 37.
  • the fixing screw 38 is screwed into the female screw portion 41 of the heat transfer support plate portion 33a through the insertion hole 23b of the power circuit board 23 and the central opening of the spacer 40. Then, the fixing screw 38 is tightened until the upper surface of the heat transfer member 37 substantially coincides with the upper surface of the spacer 40. For this reason, the heat transfer member 37 is compressed at a compression rate of about 5 to 30%, and the heat resistance is reduced and an efficient heat transfer effect can be exhibited. At this time, since the compression rate of the heat transfer member 37 is managed by the height H of the spacer 40, appropriate tightening is performed without causing insufficient tightening or excessive tightening.
  • the heat generating circuit component 39 mounted on the lower surface side of the power circuit board 23 is embedded in the heat transfer member 37 by the elasticity of the heat transfer member 37. For this reason, the contact between the heat generating circuit component 39 and the heat transfer member 37 is performed without excess or deficiency, and the contact between the heat transfer member 37 and the power supply circuit board 23 and the heat transfer support plate portion 33a is performed satisfactorily. The thermal resistance between the member 37 and the power supply circuit board 23 and the heat transfer support plate portion 33a can be reduced.
  • heat absorbing portions 42 and 43 that absorb heat from ambient air are formed on the lower surfaces of the heat transfer supporting plate portions 32a and 33a of the heat transfer supporting members 32 and 33.
  • the specific structure of the heat absorbing portions 42 and 43 is formed on the lower surface side of a substrate 44a formed of a flat plate-like metal material such as aluminum, aluminum alloy, or copper.
  • a number of endothermic fins 44b are formed protruding downward.
  • the substrate 44a is fixed to the lower surfaces of the heat transfer support plate portions 32a and 33a by fixing means such as welding, brazing, and screwing.
  • the common bottom plate portion 34 of the heat transfer support members 32 and 33 is inserted through the fixing member at a position facing the insertion hole 15 through which the fixing screw 14 of the semiconductor power module 11 is inserted.
  • a hole 34a is formed.
  • an elastic plate portion 45 is interposed between the upper surface of the bottom plate portion 34 and the lower surface of the cooling member 13 formed in the semiconductor power module 11. Then, the fixing screw 14 is inserted into the insertion hole 15 of the semiconductor power module 11 and the cooling member 13 and the fixing member insertion hole 34 a of the bottom plate portion 34, and the fixing screw 14 is screwed into the female screw portion 3 f formed in the cooling body 3. By doing so, the semiconductor power module 11 and the bottom plate portion 34 are fixed to the cooling body 3.
  • the power supply circuit board 23 is superposed on the heat transfer support plate portion 33a of the heat transfer support member 33 via the heat transfer member 37, and the heat transfer member 37 is placed on the heat transfer member 37 by the fixing screw 38.
  • the power supply circuit board unit U3 is formed by fixing the power supply circuit board 23, the heat transfer member 37, the heat transfer support plate part 33a, and the heat absorption part 43 in a compressed state of about%.
  • control circuit board 22 is superposed on the heat transfer support plate portion 32a of the heat transfer support member 32 via the heat transfer member 35, and the heat transfer member 35 is compressed by a fixing screw 36 at a compression ratio of about 5 to 30%.
  • the control circuit board 22, the heat transfer member 35, the heat transfer support plate portion 32a, and the heat absorption portion 42 are fixed to form the control circuit unit U2.
  • the semiconductor power module 11 and the fixing screw 14 are used for fixing.
  • the drive circuit board 21 is mounted on the board fixing part 16 formed on the upper surface of the semiconductor power module 11 before or after fixing to the cooling body 3. Then, the drive circuit board 21 is fixed to the board fixing portion 16 by four joint screws 24 from above. And the heat-transfer support plate part 32a is connected with the heat-transfer side plate part 32c with the fixing screw 32b. Then, the control circuit board 22 of the control circuit unit U ⁇ b> 2 is placed on the upper surface of the joint screw 24 and is fixed by the four joint screws 25. Further, the power supply circuit board 23 of the power supply circuit unit U 3 is placed on the upper surface of the joint screw 25 and fixed by the four fixing screws 26. And the heat-transfer support plate part 33a is connected with the heat-transfer side plate part 33c by the fixing screw 33b.
  • a bus bar 50 is connected to the positive and negative DC input terminals of the semiconductor power module 11 to 11 a, and the positive and negative connection terminals of the film capacitor 4 penetrating the cooling body 3 at the other end of the bus bar 50.
  • 4a is connected with a fixing screw 51.
  • a crimp terminal 53 fixed to the tip of a connection cord 52 connected to an external converter (not shown) is fixed to the DC input terminal 11 a of the semiconductor power module 11.
  • a bus bar 55 is connected to the three-phase AC output terminal 11 b of the semiconductor power module 11 with a fixing screw 56, and a current sensor 57 is disposed in the middle of the bus bar 55.
  • a crimp terminal 59 fixed to the tip of a motor cable 58 connected to an external three-phase electric motor (not shown) is connected to the other end of the bus bar 55 with a fixing screw 60.
  • the lower housing 2A and the upper housing 2B are fixed to the lower surface and the upper surface of the cooling body 3 via a sealing material, and the assembly of the power conversion device 1 is completed.
  • DC power is supplied from an external converter (not shown), and the power supply circuit mounted on the power supply circuit board 23 and the control circuit mounted on the control circuit board 22 are set in an operating state.
  • a gate signal that is a pulse width modulation signal is supplied to the semiconductor power module 11 via a drive circuit mounted on the drive circuit board 21.
  • the IGBT built in the semiconductor power module 11 is controlled to convert DC power into AC power.
  • the converted AC power is supplied from the three-phase AC output terminal 11b to the motor cable 58 via the bus bar 55 to drive and control a three-phase electric motor (not shown).
  • the IGBT built in the semiconductor power module 11 generates heat.
  • the generated heat is cooled by the cooling water supplied to the cooling body 3 because the cooling member 13 formed in the semiconductor power module 11 is in direct contact with the central portion 3 c of the cooling body 3.
  • the control circuit and the power supply circuit mounted on the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23 include a heat generating circuit component 39, and the heat generating circuit component 39 generates heat.
  • the heat generating circuit component 39 is mounted on the lower surface side of the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23.
  • the heat transfer support plate portions 32a and 33a of the heat transfer support members 32 and 33 are provided on the lower surface sides of the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23 through heat transfer members 35 and 37 having high thermal conductivity and elasticity. Is provided. For this reason, the contact area between the heat generating circuit component 39 and the heat transfer members 35 and 37 is increased and the heat resistance between the heat generating circuit component 39 and the heat transfer members 35 and 37 is reduced. Therefore, the heat generated by the heat generating circuit component 39 is efficiently transferred to the heat transfer members 35 and 37. Since the heat transfer members 35 and 37 themselves are compressed at a compression rate of about 5 to 30% to increase the thermal conductivity, the heat transfer members 35 and 37 are transferred to the heat transfer members 35 and 37 as shown in FIG. Heat is efficiently transmitted to the heat transfer support plate portions 32a and 33a of the heat support members 32 and 33.
  • heat-absorbing portions 42 and 43 are provided on the lower surfaces of the heat-transfer support plate portions 32a and 33a, and these heat-absorbing portions 42 and 43 are provided with a number of heat-absorbing fins 44b protruding downward.
  • the heat absorbing fins 44b absorb heat from the surrounding air and are transmitted to the heat transfer support plate portions 32a and 33a through the substrate 44a. Since the heat transfer side plate portions 32c and 33c are connected to the heat transfer support plate portions 32a and 33a, the heat transferred to the heat transfer support plate portions 32a and 33a is transferred to the heat transfer side plate portions 32c and 33c. It is transmitted to the common bottom plate part 34 through. Since the bottom plate portion 34 is in direct contact with the circumferential groove 3 d of the cooling body 3, the transmitted heat is radiated to the cooling body 3.
  • the heat transmitted to the bottom plate portion 34 is transmitted from the upper surface side to the cooling member 13 of the semiconductor power module 11 via the elastic member 45, and is transmitted to the central portion 3 c of the cooling body 3 via this cooling member 13. Is dissipated.
  • the heat generated by the heat generating circuit component 39 mounted on the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23 is directly transferred without passing through the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23 having a large thermal resistance. Since heat is transferred to the members 35 and 37, efficient heat dissipation can be performed.
  • the heat transferred to the heat transfer members 35 and 37 is transferred to the heat transfer support plate portions 32a and 33a, and further transferred to the heat transfer side plate portions 32c and 33c.
  • the heat transfer side plate portions 32 c and 33 c are provided along the long side of the semiconductor power module 11. For this reason, a wide heat transfer area can be taken, and a wide heat dissipation path can be secured.
  • the bent portions of the heat transfer side plate portions 32c and 33c are cylindrical curved portions, the heat transfer distance to the cooling body 3 can be shortened as compared with the case where the bent portions are L-shaped. it can.
  • the heat transfer side plate portions 32c and 33c of the heat radiation support members 32 and 33 are integrated by the common bottom plate portion 34, there is a joint between the parts between the heat transfer side plate portions 32c and 33c and the bottom plate portion 34. And thermal resistance can be suppressed. Further, since the casing 2 is not included in the heat dissipation path from the control circuit board 22 and the power circuit board 23 on which the heat generating circuit component 39 is mounted to the cooling body 3, the casing 2 is made of a metal such as aluminum having high thermal conductivity. Therefore, the weight can be reduced.
  • the heat dissipation path can be formed by the power conversion device 1 alone without the heat dissipation path being dependent on the housing 2, the semiconductor power module 11, the drive circuit board 21, the control circuit board 22, and the power supply circuit board 23. Can be applied to the housing 2 and the cooling body 3 in various different forms.
  • metal heat transfer support plate portions 32a and 33a are fixed to the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23, and a substrate 44a constituting the heat radiation portions 42 and 43 is fixed to the heat transfer support plate portions 32a and 33a. Therefore, the rigidity of the control circuit board 22 and the power supply circuit board 23 can be increased. For this reason, even when the power converter 1 is applied as a motor drive circuit that drives a vehicle driving motor, even when the vertical vibration or roll shown in FIG. The members 32 and 33 can increase the rigidity. Therefore, it is possible to provide the power conversion device 1 that is less affected by vertical vibrations and rolls.
  • heat absorption portions 42 and 43 are formed on the lower surface side of the heat transfer support plate portions 32a and 33a in the control circuit unit U2 and the power supply circuit unit U3, and heat absorption fins 44b are formed to protrude from the heat absorption portions 42 and 43. Therefore, the heat absorption fins 44b can absorb heat from the surrounding air. For this reason, the cooling effect to ambient air can be exhibited. Therefore, it is possible to prevent heat accumulation from occurring under the heat absorbing portions 42 and 43, and to prevent an increase in the temperature of the air enclosed in the upper housing 2A, thereby forming a favorable operating environment. Can do.
  • the present invention is not limited to this, and as shown in FIG.
  • the endothermic fins 44b may be directly projected from the portions 32a and 33a. In this case, the number of parts can be reduced, and the rigidity of the heat transfer support plate portions 32a and 33a can be increased.
  • the endothermic portions 42 and 43 may be omitted, and the endothermic fins 44b may be omitted, and the rib processing portions 46 may be formed in the heat transfer support plate portions 32a and 33a.
  • the rib processing portions 46 may be formed in the heat transfer support plate portions 32a and 33a.
  • the heat transfer support plate portions 32a and 33a having the heat absorbing portions 42 and 43 can be easily formed.
  • the present invention is not limited to the above-described configuration, and the heat transfer members 35 and 37 may be provided only at a location where the heat generating circuit component 39 exists as shown in FIG.
  • the present invention is not limited to the above configuration, and a metal base circuit board in which a circuit pattern is formed on a heat sink mainly composed of aluminum or an aluminum alloy via an insulating layer can be applied.
  • the heat transfer members 35 and 37 and the heat transfer support plate portions 32a and 33a may be omitted, and the heat dissipation plate of the metal base circuit board may be directly connected to the heat transfer support side plate portions 32c and 33c. .
  • the cooling member 13 of the semiconductor power module 11 contacted the cooling body 3
  • the cooling member 13 formed in the semiconductor power module 11 is provided with a cooling fin 61 that directly contacts the cooling water flowing in the cooling body 3, and the cooling fin 61 is provided at the center of the cooling body 3 accordingly. Is formed in the cooling water passage.
  • a sealing member 66 such as an O-ring is disposed between the peripheral wall 63 surrounding the immersion part 62 and the cooling member 13.
  • the cooling fins 61 are formed in the cooling member 13 of the semiconductor power module 11, and the cooling fins 61 are immersed in the cooling water in the cooling water at the immersion part 62, so that the semiconductor power module 11 is more efficiently used. Can be cooled.
  • the case where the heat-transfer support plate part 32a and 33a of the heat-transfer support members 32 and 33 and the heat-transfer support side plate part 32c and 33c were comprised separately was demonstrated.
  • the present invention is not limited to the above configuration, and the heat transfer support plate portions 32a and 33a and the heat transfer support side plate portions 32c and 33c may be configured integrally.
  • the heat resistance is reduced and more efficient heat dissipation is performed. Can do.
  • the present invention is not limited to this.
  • the heat transfer support side plates 32c and 33c are omitted, and the heat transfer support plates 32a and 33a are supported by the upper casing 2B.
  • the body 2B may be used as a heat conduction path.
  • the power converter device by this invention was applied to an electric vehicle
  • it is not limited to this, It can apply this invention also to the rail vehicle which drive
  • the power conversion device of the present invention can be applied to a case where an actuator such as an electric motor in other industrial equipment is driven as well as an electrically driven vehicle.
  • a power conversion device capable of efficiently radiating heat generation circuit components mounted on a substrate to a cooling body and exhibiting the heat dissipation function of the heat generation circuit components on the substrate side.

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Abstract

　基板に搭載された発熱回路部品の熱の放熱経路を筐体から独立させて、効率よく冷却体に放熱するとともに、基板側に発熱回路部品の放熱機能を発揮させることができる電力変換装置を提供する。電力変換装置は、一面を冷却体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),（２３）と、前記実装基板を支持する伝熱支持部材(３２ａ),(３３ａ)と、前記実装基板の熱を、前記伝熱支持部材を介して前記冷却体に伝熱させる熱伝導路(３２ｃ),(３３ｃ)とを備え、前記伝熱支持部材は、基板周囲空気から吸熱する吸熱部(４２),(４３)を有する。

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、所定間隔を保って上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実装基板を支持するようにした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化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を配置し、この制御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、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、基板に搭載された発熱回路部品を効率よく冷却体に放熱するとともに、基板側に発熱回路部品の放熱機能を発揮させることができる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、前記実装基板を支持する伝熱支持部材と、前記実装基板の熱を、前記伝熱支持部材を介して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、前記伝熱支持部材は、基板周囲空気から吸熱する吸熱部を有する。
　この構成によると、実装基板に実装された発熱回路部品の発熱を伝熱支持部材を介して冷却体に放熱することができ、発熱回路部品の放熱を効率よく行うことができる。
　さらに、実装基板を支持する伝熱支持部材に吸熱部が形成されているので、周囲空気から吸熱を行って周囲空気温度を低下させる冷却効果を発揮することができる。
　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し、当該ケース体の一面に冷却体に接触する冷却部材が形成された半導体パワーモジュールと、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実装基板と、該実装基板を前記半導体パワーモジュールとの間に所定間隔を保って支持し、前記半導体パワーモジュール及び前記各実装基板を囲む筐体を介さず直接前記冷却体に接触する伝熱支持部材とを備えている。そして、前記伝熱支持部材は、前記実装基板を支持する伝熱支持板部と、周囲空気から吸熱する吸熱部とを有する。
　この構成によると、実装基板に実装された発熱回路部品の発熱を筐体から独立した伝熱支持部材を介して冷却体に放熱することができ、発熱回路部品の放熱を効率よく行うことができる。この場合、実装基板と冷却体とが伝熱支持部材で半導体パワーモジュール及び各実装基板を囲む筐体を介さず直接接触されているので、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。
　さらに、実装基板を支持する伝熱支持板部に吸熱部が形成されているので、周囲空気から吸熱を行って周囲空気温度を低下させる冷却効果を発揮することができる。
　また、本発明に係る電力変化装置の第３の態様は、前記伝熱支持部材が、前記伝熱支持板部の側面を固定支持して前記冷却体に接触される伝熱支持側板部を備えている。
　この構成によると、発熱回路部品の発熱を伝熱支持板部から伝熱支持側板部を介して冷却体に放熱することができ、発熱回路部品の発熱を効率よく放熱することができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第４の態様は、前記吸熱部が、前記伝熱支持板部に固定される基板と該基板の伝熱支持板部とは反対側に形成された放熱フィンとで構成されている。
　この構成によると、吸熱部が実装基板と吸熱フィンとで構成されているので、吸熱フィンで周囲空気の吸熱効果を発揮することができるとともに、実装基板により実装基板を支持する支持剛性をより高めることができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第５の態様は、前記吸熱部は、前記伝熱支持板部の前記実装基板とは反対側の面に直接形成された吸熱フィンで構成されている。
　この構成によると、伝熱支持板部に吸熱フィンが直接形成されているので、部品点数を減少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６の態様は、前記吸熱部が、前記伝熱支持板部に形成されたリブ加工部で構成されている。
　この構成によると、リブ加工部で伝熱支持板部の表面積を大きくすることができ、周囲空気からの吸熱効果を高めることができるとともに、伝熱支持板部の加工を容易に行うことができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第７の態様は、前記実装基板と前記伝熱支持部材との組を複数組備え、前記組毎に前記伝熱支持部材の前記伝熱側板部の高さを異ならせるとともに、当該伝熱側板部が前記半導体パワーモジュールの異なる側面を通って前記冷却体に接触されている。
　この構成によると、複数の実装基板に実装された発熱回路部品の発熱を各組毎に伝熱支持部材を介して冷却体に放熱することができ、発熱回路部品の発熱を効率よく放熱することができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第８の態様は、前記伝熱支持板部が、伝熱部材を介して前記実装基板を支持している。
　この構成によると、実装基板の発熱が伝熱部材を介して伝熱支持板部に効率よく伝熱することができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第９の態様は、前記伝熱支持部材が、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、伝熱支持部材を熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の金属材料で構成するので、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１０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、実装基板と伝熱支持部材との間を確実に絶縁することができる。
　また、本発明に係る電力変換装置の第１１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１２の態様は、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、当該弾性体は前記実装基板と前記伝熱支持板部とで圧縮した状態で固定されている。
　この構成によると、実装基板及び伝熱支持板部で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１３の態様は、前記実装基板と前記伝熱支持板部との間に、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、発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板を伝熱支持部材で支持し、実装基板の熱を熱伝導路によって伝熱支持部材を介して冷却体に伝熱するので、発熱回路部品で生じる熱を、発伝導路を介して直接冷却体に放熱することができ、熱抵抗を抑えて冷却効率の良い熱冷却を行うことができる。
　さらに、発熱回路部品を実装した実装基板の近傍に吸熱部が形成されているので、実装基板の周辺の周囲空気から吸熱して、周囲空気への冷却効果を発揮することができる。
本発明に係る電力変換装置の第１の実施形態の全体構成を示す断面図である。 第１の実施形態の要部を示す拡大断面図である。 実装基板を取り付け状態の具体的構成を示す拡大断面図である。 実装基板の伝熱支持部材への取り付け方法を示す図である。 実装基板を伝熱支持部材へ取り付けた状態を示す断面図である。 伝熱板部の変形例を示す断面図である。 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。 放熱部の他の構成を示す断面図である。 放熱部のさらに他の構成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及び上部筒体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、上面が中央部３ｃを残して角枠状の周溝３ｄが形成されている。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３ｅ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板部１３が形成されている。ケース体１２及び冷却板部１３には平面からみて四隅に固定部材としての取付ねじ１４を挿通する挿通孔１５が形成されている。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を実装した実装基板としての制御回路基板２２が固定されている。さらに、制御回路基板２２の上方に所定間隔を保って半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴに電源を供給する発熱回路部品を含む電源回路等を実装した実装基板としての電源回路基板２３が固定されている。
　そして、駆動回路基板２１は、基板固定部１６に対向する位置に形成した挿通孔２１ａ内に継ぎねじ２４の雄ねじ部２４ａを挿通し、この雄ねじ部２４ａを基板固定部１６の上面に形成した雌ねじ部１６ａに螺合することにより固定されている。
　また、制御回路基板２２は継ぎねじ２４の上端に形成した雌ねじ部２４ｂに対向する位置に形成した挿通孔２２ａ内に継ぎねじ２５の雄ねじ部２５ａを挿通し、この雄ねじ部２５ａを継ぎねじ２４の雌ねじ部２４ｂに螺合することにより固定されている。
　さらに、電源回路基板２３は継ぎねじ２５の上端に形成した雌ねじ部２５ｂに対向する位置に形成した挿通孔２３ａ内に固定ねじ２６を挿通し、この固定ねじ２６を継ぎねじ２５の雌ねじ部２５ｂに螺合することにより固定されている。
　また、制御回路基板２２及び電源回路基板２３は、伝熱支持部材３２及び３３によって冷却体３への熱伝導路を形成するように支持されている。これら伝熱支持部材３２及び３３は、熱伝導率が高い金属例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅等で形成されている。
　また、伝熱支持部材３２及び３３は、制御回路基板２２を支持する冷却体３の周溝３ｄ内に配置される角枠状の共通の底板部３４を有する。
　伝熱支持部材３２は、平板上の伝熱支持板部３２ａと、この伝熱支持板部３２ａの図２で見て半導体パワーモジュール１１の長辺に沿う右端側に固定ねじ３２ｂで固定された伝熱側板部３２ｃとで構成されている。そして、伝熱側板部３２ｃが共通の底板部３４に連結されている。
　伝熱支持板部３２ａには、板状の伝熱部材３５を介して制御回路基板２２が固定ねじ３６によって固定される。伝熱部材３５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。この伝熱部材３５としては、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伝熱性を高めたものが適用されている。
　また、伝熱側板部３２ｃは、図２に示すように、冷却体３の周溝３ｄ内に配置される共通の底板部３４の長辺側の外周縁に一体に連結されて上方に延長する連結板部３２ｄと、この連結板部３２ｄの上端から左方に延長する上板部３２ｅとで断面逆Ｌ字状に形成されている。連結板部３２ｄは、半導体パワーモジュール１１の長辺側の右側面を通って上方に延長している。
　伝熱支持部材３３は、平板上の伝熱支持板部３３ａと、この伝熱支持板部３３ａの図２で見て半導体パワーモジュール１１の長辺に沿う左端側に固定ねじ３３ｂで固定された伝熱側板部３３ｃとで構成されている。そして、伝熱側板部３３ｃが共通の底板部３４に連結されている。
　伝熱支持板部３３ａには、前述した伝熱部材３５と同様の伝熱部材３７を介して電源回路基板２３が固定ねじ３８によって固定される。
　また、伝熱側板部３３ｃは、図２及び図３に示すように、冷却体３の周溝３ｄ内に配置される共通の底板部３４の長辺側の外周縁に一体に連結されて上方に延長する連結板部３３ｄと、この連結板部３３ｄの上端から左方に延長する上板部３３ｅとで断面逆Ｌ字状に形成されている。連結板部３３ｄは、半導体パワーモジュール１１の長辺側の左側面を通って上方に延長している。
　そして、連結板部３３ｄの底板部３４及び上板部３３ｅとの連結部を円筒状の湾曲面に形成している。このように連結板部３３ｄと底板部３４及び上板部３３ｅとの連結部を円筒状の湾曲面とすることにより、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連結板部３３ｄと底板部３４及び上板部３３ｅとの連結部に生じる応力集中を緩和することができ、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、連結板部３３ｄと底板部３４及び上板部３３ｅとの連結部を円筒状の湾曲面とすることにより、連結板部３３ｄと底板部３４及び上板部３３ｅ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、伝熱支持板部３３ａ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、制御回路基板２２及び電源回路基板２３には、発熱回路部品３９が、図４及び図５に示すように、下面側に実装されている。
　そして、制御回路基板２２及び電源回路基板２３と、伝熱部材３５，３７及び伝熱支持板部３２ａ，３３ａとの連結が図４に示すように行われる。これら制御回路基板２２及び電源回路基板２３と、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａとの連結は左右が逆となることを除いては実質的に同じであるので、電源回路基板２３及び伝熱支持板部３３ａを代表として説明する。
　この電源回路基板２３と伝熱支持板部３３ａとの連結には、図４及び図５に示すように、伝熱部材３７の厚みＴより低い伝熱板部管理高さＨを有する間隔調整部材としての間座４０が用いられる。この間座４０は、伝熱支持板部３３ａに形成された固定ねじ３８が螺合する雌ねじ部４１の外周側に接着等によって仮止めされている。ここで、間座４０の伝熱板部管理高さＨは、伝熱部材３７の圧縮率が５～３０％程度となるように設定されている。このように、伝熱部材３７を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。
　一方、伝熱部材３７には、継ぎねじ２５を挿通可能な挿通孔３７ａと、間座４０を挿通可能な挿通孔３７ｂとが形成されている。
　そして、伝熱支持板部３３ａに仮止めされた間座４０を挿通孔３７ｂに挿通されるように伝熱部材３７を伝熱支持板部３３ａに載置し、この伝熱支持板部３３ａの上に電源回路基板２３を発熱回路部品３９が伝熱部材３７に接するように載置する。
　この状態で、固定ねじ３８を電源回路基板２３の挿通孔２３ｂを通じ、間座４０の中心開口を通じて伝熱支持板部３３ａの雌ねじ部４１に螺合させる。そして、固定ねじ３８を伝熱部材３７の上面が間座４０の上面と略一致するまで締め付ける。
　このため、伝熱部材３７が５～３０％程度の圧縮率で圧縮されることになり、熱抵抗が減って効率の良い伝熱効果を発揮することができる。このとき、伝熱部材３７の圧縮率は間座４０の高さＨによって管理されるので、締め付け不足や締め付け過剰が生じることなく、適切な締め付けが行われる。
　また、電源回路基板２３の下面側に実装された発熱回路部品３９が伝熱部材３７の弾性によって伝熱部材３７内に埋め込まれる。このため、発熱回路部品３９と伝熱部材３７との接触が過不足なく行われるとともに、伝熱部材３７と電源回路基板２３及び伝熱支持板部３３ａとの接触が良好に行われ、伝熱部材３７と電源回路基板２３及び伝熱支持板部３３ａとの間の熱抵抗を減少させることができる。
　制御回路基板２２と伝熱支持板部３２ａとの伝熱部材３５を介在させた連結も上記と同様にして行われる。
　さらに、伝熱支持部材３２及び３３の伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの下面には、周囲空気から吸熱を行う吸熱部４２及び４３が形成されている。この吸熱部４２及び４３の具体的構成は、図３及び図５に示すように、平板状の熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の金属材料で形成された基板４４ａの下面側に多数の吸熱フィン４４ｂが下方に突出形成されている。そして、基板４４ａが伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの下面側に溶接、ロー付け、ねじ止め等の固定手段で固定されている。
　また、伝熱支持部材３２及び３３の共通の底板部３４には、図２及び図３に示すように、半導体パワーモジュール１１の固定ねじ１４を挿通する挿通孔１５に対向する位置に固定部材挿通孔３４ａが形成されている。さらに、底板部３４の上面と半導体パワーモジュール１１に形成された冷却部材１３の下面との間に弾性板部４５が介在されている。
　そして、半導体パワーモジュール１１及び冷却部材１３の挿通孔１５及び底板部３４の固定部材挿通孔３４ａに固定ねじ１４を挿通し、この固定ねじ１４を冷却体３に形成された雌ねじ部３ｆに螺合させることにより、半導体パワーモジュール１１と底板部３４とが冷却体３に固定されている。
　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、図４で前述したように、電源回路基板２３を伝熱支持部材３３の伝熱支持板部３３ａに伝熱部材３７を介して重ね合わせ、固定ねじ３８によって伝熱部材３７を５～３０％程度の圧縮率で圧縮した状態で電源回路基板２３、伝熱部材３７、伝熱支持板部３３ａ及び吸熱部４３を固定して、電源回路基板ユニットＵ３を形成しておく。
　同様に、制御回路基板２２を伝熱支持部材３２の伝熱支持板部３２ａに伝熱部材３５を介して重ね合わせ、固定ねじ３６によって伝熱部材３５を５～３０％程度の圧縮率で圧縮した状態で制御回路基板２２、伝熱部材３５、伝熱支持板部３２ａ及び吸熱部４２を固定して制御回路ユニットＵ２を形成しておく。
　一方、冷却体３の周溝３ｄ内に、伝熱支持部材３２及び３３に共通の底板部３４を、その上面と半導体パワーモジュール１１に形成した冷却部材１３の下面との間に弾性部材４５を介在させた状態で、半導体パワーモジュール１１とともに固定ねじ１４で固定する。
　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２４によって基板固定部１６に固定する。そして、伝熱支持板部３２ａを伝熱側板部３２ｃに固定ねじ３２ｂで連結する。
　そして、継ぎねじ２４の上面に制御回路ユニットＵ２の制御回路基板２２を載置し、４本の継ぎねじ２５によって固定する。さらに、継ぎねじ２５の上面に電源回路ユニットＵ３の電源回路基板２３を載置し、４本の固定ねじ２６によって固定する。そして、伝熱支持板部３３ａを伝熱側板部３３ｃに固定ねじ３３ｂによって連結する。
　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。さらに、半導体パワーモジュール１１の直流入力端子１１ａに外部のコンバータ（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を固定する。
　さらに、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を固定ねじ６０で固定して接続する。
　その後、冷却体３の下面及び上面に、下部筐体２Ａ及び上部筐体２Ｂ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。
　この状態で、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、電源回路基板２３に実装された電源回路、制御回路基板２２に実装された制御回路を動作状態とし、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を介してモータケーブル５８に供給し、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で発熱する。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の中央部３ｃ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及び電源回路基板２３に実装されている制御回路及び電源回路には発熱回路部品３９が含まれており、これら発熱回路部品３９で発熱を生じる。このとき、発熱回路部品３９は制御回路基板２２及び電源回路基板２３の下面側に実装されている。
　そして、これら制御回路基板２２及び電源回路基板２３の下面側には熱伝導率が高く弾性を有する伝熱部材３５及び３７を介して伝熱支持部材３２及び３３の伝熱支持板部３２ａ及び３３ａが設けられている。
　このため、発熱回路部品３９と伝熱部材３５及び３７との接触面積が大きくなるとともに密着して発熱回路部品３９と伝熱部材３５及び３７との熱抵抗が小さくなる。したがって、発熱回路部品３９の発熱が伝熱部材３５及び３７に効率よく伝熱される。そして、伝熱部材３５及び３７自体は５～３０％程度の圧縮率で圧縮されて熱伝導率が高められているので、図７に示すように、伝熱部材３５及び３７に伝熱された熱が効率良く熱支持部材３２及び３３の伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに伝達される。
　一方、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの下面には、吸熱部４２及び４３が設けられており、これら吸熱部４２及び４３は下方に突出形成された多数の吸熱フィン４４ｂを備えている。このため、吸熱フィン４４ｂによって、周囲空気から吸熱して基板４４ａを介して伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに伝達される。
　そして、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａには、伝熱側板部３２ｃ及び３３ｃが連結されているので、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに伝達された熱は、伝熱側板部３２ｃ及び３３ｃを通って共通の底板部３４に伝達される。この底板部３４は、冷却体３の周溝３ｄ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、底板部３４に伝達された熱は、その上面側から弾性部材４５を介して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の中央部３ｃに伝達されて放熱される。
　このように、上記実施形態によると、制御回路基板２２及び電源回路基板２３に実装された発熱回路部品３９の発熱が熱抵抗の大きな制御回路基板２２及び電源回路基板２３を介することなく直接伝熱部材３５及び３７に伝熱されるので、効率の良い放熱を行うことができる。
　そして、伝熱部材３５及び３７に伝達された熱は伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに伝熱され、さらに伝熱側板部３２ｃ及び３３ｃに伝達される。このとき、伝熱側板部３２ｃ及び３３ｃ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、伝熱側板部３２ｃ及び３３ｃは折れ曲がり部が円筒状の湾曲部とされているので、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。
　また、放熱支持部材３２及び３３の伝熱側板部３２ｃ及び３３ｃが共通の底板部３４で一体化されているので、伝熱側板部３２ｃ及び３３ｃと底板部３４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３９が実装された制御回路基板２２及び電源回路基板２３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及び電源回路基板２３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２３に金属製の伝熱支持板部３２ａ及び３３ａが固定され、さらに伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに放熱部４２及び４３を構成する基板４４ａ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２３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８に示す上下振動や横揺れが作用する場合でも、伝熱支持部材３２及び３３で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、制御回路ユニットＵ２及び電源回路ユニットＵ３における伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの下面側に吸熱部４２及び４３が形成され、これら吸熱部４２及び４３には、吸熱フィン４４ｂが突出形成されているので、この吸熱フィン４４ｂによって周囲空気から吸熱することができる。このため、周囲空気への冷却効果を発揮することができる。したがって、吸熱部４２及び４３の下側に熱溜まりが生じることを防止することがきるとともに、上部筐体２Ａ内に封入されている空気の温度上昇を防止して良好な動作環境を形成することができる。
　なお、上記実施形態においては、放熱部４２及び４３を基板４４ａと吸熱フィン４４ｂとで構成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、図９に示すように、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに直接吸熱フィン４４ｂを突出形成するようにしてもよい。この場合には、部品点数を減少させることができるとともに、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの剛性を高めることができる。
　さらには、図１０に示すように、吸熱部４２及び４３を、吸熱フィン４４ｂを省略して伝熱支持板部３２ａ及び３３ａにリブ加工部４６を形成するようにしてもよい。この場合には、リブ加工部４６によって伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの表面積を増加させて周囲空気の吸熱効果を良好に発揮することができる。しかも、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａにリブ加工を施すだけでよいので、吸熱部４２及び４３を有する伝熱支持板部３２ａ及び３３ａを容易に形成することができる。
　また、上記実施形態においては、制御回路基板ユニットＵ２及び電源回路基板ユニットＵ３で、伝熱部材３５及び３７を制御回路基板２２及び電源回路基板２３と同じ外形とした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はなく、伝熱部材３５及び３７を図６に示すように発熱回路部品３９が存在する箇所にのみ設けるようにしてもよい。
　また、上記実施形態においては、伝熱支持部材３２及び３３の伝熱支持板部３２ａ及び３３ａで制御回路基板２２及び電源回路基板２３を伝熱部材３５及び３７を介して支持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、アルミニウム又はアルミニウム合金を主体とした放熱板上に絶縁層を介して回路パターンを形成した金属ベース回路基板を適用することができる。この場合には、伝熱部材３５及び３７と伝熱支持板部３２ａ及び３３ａを省略して、金属ベース回路基板の放熱板を直接伝熱支持側板部３２ｃ及び３３ｃに接続するようにすればよい。
　また、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が冷却体３に接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、図１１に示すように、構成することもできる。すなわち、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を冷却体３に流れる冷却水に直接接触する冷却フィン６１を備えた構成とし、これに応じて、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を形成している。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。
　この場合には、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、伝熱支持部材３２及び３３の伝熱支持板部３２ａ及び３３ａと伝熱支持側板部３２ｃ及び３３ｃ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、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａと伝熱支持側板部３２ｃ及び３３ｃとを一体に構成するようにしてもよい。この場合には、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａと伝熱支持側板部３２ｃ及び３２ｃ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、上記実施形態においては、実装基板２２及び２３の熱を伝熱支持側板部３２ｃ及び３３ｃを介して直接冷却体３に伝熱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、少なくとも上部筐体２Ｂを熱伝導率の高い部材で構成する場合には、伝熱支持側板部３２ｃ及び３３ｃを省略して伝熱支持板部３２ａ及び３３ａを上部筐体２Ｂに支持して上部筐体２Ｂを熱伝導路として使用するようにしてもよい。
　さらに、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かぎらず、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、基板に搭載された発熱回路部品を効率よく冷却体に放熱するとともに、基板側に発熱回路部品の放熱機能を発揮させることができる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…放熱部材、２１…駆動回路基板、２２…制御回路基板、２３…電源回路基板、２４，２５…継ぎねじ、３２…伝熱支持部材、３２ａ…伝熱支持板部、３２ｂ…固定ねじ、３２ｃ…伝熱支持側板部、３３…伝熱支持部材、３３ａ…伝熱支持板部、３３ｂ…固定ねじ、３３ｃ…伝熱支持側板部、３４…底板部、３５，３７…伝熱部材、３９…発熱回路部品、４０…間座（間隔調整部材）、４２，４３…吸熱部、４４ａ…基板、４４ｂ…吸熱フィン、４５…板状弾性部材、６１…冷却フィン

Claims (14)

  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、
    　前記実装基板を支持する伝熱支持部材と、
    　前記実装基板の熱を、前記伝熱支持部材を介して前記冷却体に伝熱させる熱伝導路とを備え、
    　前記伝熱支持部材は、基板周囲空気から吸熱する吸熱部を有する
    　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し、当該ケース体の一面に冷却体に接触する冷却部材が形成された半導体パワーモジュールと、
    　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、
    　該実装基板を前記半導体パワーモジュールとの間に所定間隔を保って支持し、前記半導体パワーモジュール及び前記各実装基板を囲む筐体を介さず直接前記冷却体に接触する伝熱支持部材とを備え、
    　前記伝熱支持部材は、前記実装基板を支持する伝熱支持板部と、周囲空気から吸熱する吸熱部とを有する
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 　前記伝熱支持部材は、前記伝熱支持板部の側面を固定支持して前記冷却体に接触される伝熱側板部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記吸熱部は、前記伝熱支持板部に固定される基板と該基板の伝熱支持板部とは反対側に形成された吸熱フィンとで構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記吸熱部は、前記伝熱支持板部の前記実装基板とは反対側の面に直接形成された吸熱フィンで構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
  6. 　前記吸熱部は、前記伝熱支持板部に形成されたリブ加工部で構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
  7. 　前記実装基板と前記伝熱支持部材との組を複数組備え、前記組毎に前記伝熱支持部材の前記伝熱側板部の高さを異ならせるとともに、当該伝熱側板部が前記半導体パワーモジュールの異なる側面を通って前記冷却部材に接触されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
  8. 　前記伝熱支持板部は、伝熱部材を介して前記実装基板を支持していることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
  9. 　前記伝熱支持部材は、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８に記載の電力変換装置。
  10. 　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８に記載の電力変換装置。
  11. 　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８に記載の電力変換装置。
  12. 　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、当該弾性体は前記実装基板と前記伝熱支持板部と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８に記載の電力変換装置。
  13. 　前記実装基板と前記伝熱支持板部との間には、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１２に記載の電力変換装置。
  14. 　前記伝熱支持板部は、前記実装基板と同じ大きさに形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置。
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