WO2013111234A1

WO2013111234A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2013111234A1
Application number: PCT/JP2012/007877
Authority: WO
Inventors: 泰仁田中
Original assignee: 富士電機株式会社
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN103988302A

Abstract

　回路基板に実装された回路部品によって、伝熱部材が圧縮されることを抑制して実装基板へ作用する応力を低減することができる電力変換装置を提供する。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（１３）が形成された半導体パワーモジュール（１１）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（２３）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、当該実装基板の発熱を前記冷却体に筐体を介することなく前記冷却体に放熱する伝熱支持部材（３３）と、前記伝熱支持部材と前記実装基板との間に介挿され、前記発熱回路部品（３９）を収容する凹部（３７ｃ）を形成した伝熱部材（３７）とを備えている。

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、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に適用可能な実装基板を有する半導体装置としては、特許文献１に記載された半導体装置が知られている。この半導体装置は、回路基板の上面に半導体素子が表面実装され、回路基板が放熱板に円筒材により一定の距離をおいた状態で配置固定されている。回路基板と放熱板との間に伝熱シートが介在され、回路基板及び伝熱シートを介して半導体素子と放熱板とが熱的に結合している。伝熱シートは、熱伝導率の高いセラミック基板と高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材を積層して構成している。

特開２０１０－２３２３１８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、回路基板の上面に半導体素子が表面実装され、回路基板の下面と放熱板の上面との間にセラミック板と高熱伝導性フィラーが混入された樹脂シート材を積層して構成した伝熱シートを配置するようにしている。
　この特許文献１に記載された従来例では、回路基板の半導体素子とは反対側に伝熱シートを配置するので、回路基板の放熱板側に半導体素子等の回路素子を配置することができないと共に、両面実装基板には適用することができないという未解決の課題がある。

　また、特許文献１に記載された従来例では、半導体素子の発熱を回路基板の反対側の伝熱シートに伝熱するには、回路基板に本来のスルーホール以外に、スルーホールを多数隣接して形成し、これらスルーホールに金属（半田、銅など）を充填するか、回路基板に銅製チップ等を埋設して導熱部を構成する必要がある。このため、回路基板の実装密度が低下するという未解決の課題がある。

　さらに、特許文献１に記載された従来例では、伝熱シートを剛性のある電気的絶縁部材となるセラミック板と弾性を有する樹脂シート材とで構成し、回路基板をねじにより放熱板に配置された円筒材に固定するので、ねじで回路基板を固定する際に、伝熱シートと回路基板との間の伝熱効率を上げるにはセラミック板と樹脂シート材とを同時に加圧する必要がある。このとき、伝熱シートが樹脂シート材のみで構成されている場合には、回路基板に加わる応力を樹脂シート材の弾性変形によって緩和することが可能となる。しかしながら、伝熱シートをセラミック板及び樹脂シート材で構成するので、弾性変形を生じる樹脂シートの厚みが伝熱シートによって制限されることになり、回路基板への応力が大きくなり、回路基板上の実装部品接合部（半田部）を破損するおそれがあるという未解決の課題もある。

　さらにまた、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、電気的絶縁部材としてセラミック板を適用しているため、このセラミック板の熱伝導率が伝熱シート材の熱伝導率より劣り熱抵抗が大きい。熱抵抗を低減し効果的な焼結部材であるセラミック板は硬いが脆いため、回路基板に押された弾性を有する伝熱シートにより加圧されて破損し、電気的な絶縁破壊を起こすおそれがあるという未解決の課題がある。
　そこで、本発明は、回路基板に実装された回路部品によって、伝熱部材が圧縮されることを抑制して実装基板へ作用する応力を低減す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実装基板と、前記実装基板を支持すると共に前記実装基板の熱を前記冷却体に伝熱させる伝熱支持部材とを備えている。そして、前記伝熱支持部材と前記実装基板との間に、前記発熱回路部品を収容する凹部を有する伝熱部材を介挿している。

　この構成によると、実装基板に実装されている発熱回路部品の熱を伝熱部材及び伝熱支持部材によって冷却体に放熱することができる。また、伝熱部材に回路部品を収容する凹部が形成されているので、伝熱部材を介して実装基板を伝熱支持部材に固定する際に、実装基板の伝熱部材側に回路部品が突出していても、この回路部品が凹部に収容されるので、回路部品を介して実装基板に作用する応力を抑制することができる。

　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、当該実装基板の発熱を前記冷却体に筐体を介することなく前記冷却体に放熱する伝熱支持部材と、前記伝熱支持部材と前記実装基板との間に介挿され、前記回路部品を収容する凹部を形成した伝熱部材とを備えている。

　この構成によると、実装基板に実装されている発熱回路部品の熱を伝熱部材及び伝熱支持部材によって筐体を介することなく冷却体に放熱することができる。また、伝熱部材に回路部品を収容する凹部が形成されているので、伝熱部材を介して実装基板を伝熱支持部材に固定する際に、実装基板の伝熱部材側に回路部品が突出していても、この回路部品が凹部に収容されるので、回路部品を介して実装基板に作用する応力を抑制することができる。

　また、本発明に係る電力変換装置の第３の態様は、前記伝熱部材が、第１の伝熱シートと、該第１の伝熱シート上に積層された前記発熱回路部品を収容する凹部を形成する貫通孔を有する第２の伝熱シートとで構成されている。
　この第３の態様によると、伝熱部材が第１の伝熱部材と第２の伝熱部材とで構成され、第２の伝熱部材に形成された貫通孔を第１の伝熱部材で閉塞して凹部を形成することができ、回路部品を収容する凹部を容易に形成することができる。

　また、本発明に係る電力変換装置の第４の態様は、前記伝熱部材が、前記凹部を形成した一枚の伝熱シートで構成されている。
　この第４の構成によると、伝熱部材が１枚の伝熱シートで構成されているので、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５の態様は、前記伝熱部材が、伸縮性を有する弾性体で構成され、前記伝熱支持部材が、前記発熱回路部品に対応する位置に前記伝熱部材の当該発熱回路部品による変形を許容する伝熱部材収納部を備えている。
　この第５の態様によると、伝熱支持部材に伝熱部材収納部を備えているので、伝熱部材が実装基板に実装された回路部品によって押圧されたときに、伝熱部材が伝熱部材収納部に収納されて変形し、回路部品を収容する凹部を形成することができる。

　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、絶縁性を有する絶縁体で構成されている。
　この第６の態様によると、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板部と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７の態様は、前記伝熱支持部材が、前記伝熱部材を介して前記実装基板を支持する伝熱支持板部と、該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とで構成されている。
　この構成によると、実装基板を伝熱支持板部で支持するので、実装基板の剛性を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８の態様は、前記伝熱支持板部と前記伝熱支持側板部とが一体に形成されている。
　この第８の態様によると、伝熱支持板部と伝熱支持側板部とが一体に形成されているので、両者間の連結部に継ぎ目がなく、連結部での熱抵抗を小さ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９の態様は、前記伝熱支持板部が、複数の伝熱支持側板部に固定支持されている。
　この第９の態様によると、伝熱支持板部が複数の伝熱支持側板部に固定支持されているので、冷却体への伝熱面積を増加させて、効率の良い放熱を行うことができる。

　また、本発明に係る電力変換装置の第１０の態様は、前記伝熱支持部材が、黒色の表面を有する。
　この第１０の態様によると、伝熱支持部材の表面を黒色とすることにより、熱の放射率を大きくすることができ、放射伝熱量が増えることで、伝熱支持部材の周囲への放熱が活発化され、基板の熱冷却を効率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１１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支持側板部の高さを異ならせるとともに、当該伝熱支持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。
　この第１１の態様によると、実装基板と伝熱支持板部との組が複数存在する場合に、実装基板毎に異なる放熱経路を形成することができる。

　また、本発明に係る第１２の態様は、前記実装基板と前記伝熱支持部材の伝熱支持板部とを前記伝熱部材を介して締付固定部材で固定している。
　この第１２の態様によると、実装基板と伝熱支持部材の伝熱支持板部の間に伝熱部材を挟んだ状態で締付固定部材によって固定するので、組付け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１３の態様は、前記締付固定部材の周囲に前記実装基板と前記伝熱支持部材の伝熱支持板部との間隔を所定値に維持する間隔調整部材が介挿されている。
　この第１３の態様によると、伝熱部材が弾性体である場合に、伝熱部材の圧縮率を正確に規定することができる。

　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、伝熱部材を介して伝熱支持部材で支持し、伝熱部材に回路部品を収容する凹部を形成した。このため、実装基板の伝熱部材側に発熱回路部品を含む回路部品を実装することができ、実装密度を向上させることができる。また、実装基板を伝熱支持部材に固定する際に伝熱部材に押圧力を加えた場合でも回路部品によって伝熱部材が圧縮されることを抑制できる。したがって、実装基板に作用する応力を軽減することがすることができる。

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。伝熱部材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。伝熱部材の他の例を示す断面図である。伝熱部材のさらに他の例を示す断面図である。伝熱支持部材の他の例における放熱経路を説明する図である。半導体パワーモジュールの冷却部材の他の例を示す全体構成の断面図である。図１２の要部を示す拡大断面図である。伝熱支持部材の他の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。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によって筐体２を介することなく冷却体３への放熱経路を独自に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又はアルミニウム合金で形成されている。

　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内に配置されて冷却体接触板部となる角枠状の共通の底板部３４を有する。したがって、伝熱支持部材３２及び３３は底板部３４によって一体に連結されている。そして、伝熱支持部材３２及び３３と底板部３４とは黒色の表面を有する。これら伝熱支持部材３２及び３３と底板部３４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、黒色塗料で塗装すればよい。このように、伝熱支持部材３２及び３３と底板部３４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、伝熱支持部材３２及び３３と底板部３４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２３の熱冷却を効率良く行うことができる。なお、底板部３４を除いて伝熱支持部材３２及び３３のみの表面を黒色にするようにしてもよい。

　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で固定された伝熱支持側板部３２ｃとで構成されている。そして、伝熱支持側板部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、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電源回路基板２３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。

　また、伝熱支持側板部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で固定された伝熱支持側板部３３ｃとで構成されている。そして、伝熱支持側板部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、伝熱支持側板部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の上端から右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との連結部を例えば円筒面の一部でなる湾曲面３３ｆ及び３３ｇ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３３ｆ及び３３ｇとすることにより、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。すなわち、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可能となる。

　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３３ｆ及び３３ｇ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。

　さらに、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の圧縮率が約５～３０％となるように設定されている。このように、伝熱部材３７を約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は、下面側の第１の伝熱シート３７ａと上面側の第２の伝熱シート３７ｂとが積層された２層構造を有する。第２の伝熱シート３７ｂには、電源回路基板２３の下面に実装された発熱回路部品３９に対応する位置に発熱回路部品３９を収容する凹部を構成する貫通孔３７ｃが形成されている。そして、貫通孔３７ｃの下面側が第１の伝熱シート３７ａによって閉塞されて発熱回路部品３９を収容する凹部が形成されている。

　また、第１の伝熱シート３７ａ及び第２の伝熱シート３７ｂには、継ぎねじ２５を挿通可能な挿通孔３７ｄと、間座４０を挿通可能な挿通孔３７ｅ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３７ｅに挿通されるように第１の伝熱シート３７ａ及び第２の伝熱シート３７ｂを伝熱支持板部３３ａ上に載置し、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を第２の伝熱シート３７ｂの貫通孔３７ｃ内に挿通して載置する。

　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を第２の伝熱シート３７ｂ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（図５参照）。

　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の第２の伝熱シート３７ｂに形成された貫通孔３７ｃ内に収容される。このため、電源回路基板２３を固定ねじ３８によって伝熱支持板部３３ａに締付けた際に、図５に示すように、発熱回路部品３９によって、電源回路基板２３が局部的に押圧されることはない。したがって、電源回路基板２３を固定ねじ３８によって伝熱支持板部３３ａに締付ける際に、電源回路基板２３に応力集中部が形成されることはなく、電源回路基板２３に作用する応力を軽減することができる。

　しかも、第１の伝熱シート３７ａ及び第２の伝熱シート３７ｂが共に弾性を有するので、電源回路基板２３を固定ねじ３８によって伝熱支持板部３３ａに締付けた状態で、発熱回路部品３９の底面と第１の伝熱シート３７ａの上面とを適度な押圧力で接触させることができる。このため、電源回路基板２３及び第１の伝熱シート３７ａとの接触が良好に行われ、第１の伝熱シート３７ａ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伝熱部材３５を第１の伝熱シート３５ａ及び第２の伝熱シート３５ｂとの２層構造とすることにより、上記伝熱部材３７と同様にして行われる。
　なお、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、絶縁距離を短くするために絶縁シート４２及び４３が貼着されている。

　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の下面との間に板状弾性部材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、上記第１の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に第１の伝熱シート３７ａ及び第２の伝熱シート３７ｂを積層した２層構造の伝熱部材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及び伝熱支持板部３３ａを固定して、電源回路ユニットＵ３を形成しておく。このとき、電源回路基板２３の下面側に実装された発熱回路部品３９は、伝熱部材３７を構成する第２の伝熱シート３７ｂに形成した貫通孔３７ｃ内に収容される。

　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に第１の伝熱シート３５ａ及び第２の伝熱シート３５ｂを積層した２層構造の伝熱部材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及び伝熱支持板部３２ａを固定して制御回路ユニットＵ２を形成しておく。このとき、制御回路基板２２の下面側に実装された発熱回路部品３９は、伝熱部材３５を構成する第２の伝熱シート３５ｂに形成した貫通孔内に収容される。

　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の下面との間に板状弾性部材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。このように、半導体パワーモジュール１１と伝熱支持部材３２及び３３の共通の底板部３４とを同時に冷却体３に固定することができるので、組立工数を減少させることができる。また、底板部３４を冷却体３に固定する際に板状弾性部材４５を底板部３４と半導体パワーモジュール１１の冷却部材１３との間に介在させるので、この板状弾性部材４５によって底板部３４が冷却体３の周溝３ｄの底部に押し付けられて、底板部３４が冷却体３に確実に接触されて、広い接触面積を確保することができる。

　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を伝熱支持側板部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を伝熱支持側板部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の正負の電極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）に接続したモータ接続ケーブル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を介してモータ接続ケーブル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。

　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。
　そして、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａには、伝熱支持側板部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、伝熱支持側板部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、その上面側から板状弾性部材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、上記第１の実施形態によると、伝熱部材３５及び３７には、第２の伝熱シート３５ｂ及び３７ｂの貫通孔３５ｃ及び３７ｃと第１の伝熱シート３５ａ及び３５ｂとで且つ発熱回路部品３９を収容する凹部が形成されている。これら凹部内に制御回路基板２２及び電源回路基板２３の下面に実装された発熱回路部品３９が収容される。

　このため、上述したように制御回路ユニットＵ２及び電源回路ユニットＵ３を構成する際に、制御回路基板２２及び電源回路基板２３を伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに固定ねじ３６及び３８で伝熱部材３５及び３７を圧縮したときに、突起物となる発熱回路部品３９によって制御回路基板２２及び電源回路基板２３に応力集中が生じることを確実に防止することができる。したがって、制御回路基板２２及び電源回路基板２３に作用する応力を軽減して制御回路基板２２及び電源回路基板２３の撓みを抑制し、これら制御回路基板２２及び電源回路基板２３の実装部品接合部（半田部）が破損することを防止することができる。

　しかも、伝熱部材３５及び３７は、同一材料で構成される第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａと第２の伝熱シート３５ｂ及び３７ｂの２層構造であるので、前述した従来例のように熱伝導率が異なる部材を積層する場合に比較して熱抵抗を小さくすることができる。そして、熱抵抗を低減して効率的な熱輸送をするためには薄肉化が求められるが、薄肉化した場合、従来例のように焼き物であるセラミックと伝熱シートとの２層構造ではセラミックは硬いが脆いため、回路基板におされた弾性を有する伝熱シートにより加圧されたときに破損し、電気的な絶縁破壊を起こすおそれがある。しかしながら、本実施形態では、絶縁性を有する同一部材の伝熱シート３５ａ，３５ｂ及び３７ａ，３７ｂを積層しているので、薄肉化した場合でも伝熱部材の破損や絶縁破壊を確実に防止することができる。

　また、共に伸縮性を有する第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａと第２の伝熱シート３５ｂ及び３７ｂとが積層されて伝熱部材３５及び３７が構成されているので、伝熱部材３５及び３７の縮み代を大きくとることができ、固定ねじ３６及び３８によって、第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａと第２の伝熱シート３５ｂ及び３７ｂとを圧縮した場合に弾性変形する領域を広くすることができ、制御回路基板２２及び電源回路基板２３へ作用する応力をより減少させることができる。

　さらに、伝熱部材３５及び３７を第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａと第２の伝熱シート３５ｂ及び３７ｂとで積層して構成するので、貫通孔３５ｃ及び３７ｃを閉塞する第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａに発熱回路部品３９の底面を密着させることが可能となり、発熱回路部品３９と第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａとの接触面積が大きくなるとともに発熱回路部品３９と第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａとの熱抵抗が小さくなる。したがって、発熱回路部品３９の発熱が第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａに効率よく伝熱される。

　しかも、第２の伝熱シート３５ｂ及び３７ｂに貫通孔３５ｃ及び３７ｃを設け、これら貫通孔３５ｃ及び３７ｃの底面を第１の伝熱シート３５ａ及び３７ａで塞ぐだけで発熱回路部品３９を収容する凹部を形成することができ、と発熱回路部品３９の突出量に応じた凹部の深さの設定を容易に行うことができる。
　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伝熱支持部材３２及び３３の伝熱支持板部３２ａ及び３３ａに伝達される。

　また、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、さらに伝熱支持側板部３２ｃ及び３３ｃに伝達される。このとき、伝熱支持側板部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、伝熱支持側板部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。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［ｍ^２］、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、伝熱支持部材３２及び３３の伝熱支持側板部３２ｃ及び３３ｃが共通の底板部３４で一体化されているので、伝熱支持側板部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に伝熱性が要求されることがない。したがって、筐体２の構成材料としてアルミニウム等の高熱伝導率の金属を使用する必要がなく、合成樹脂材で筐体２を構成することが可能となり、軽量化を図ることができる。

　また、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。
　なお、上記第１の実施形態においては、伝熱部材３５及び３７に形成する凹部を第１の伝熱シート３５ａ，３７ａ上に貫通孔３５ｃ，３７ｃを形成した第２の伝熱シート３５ｂ，３７ｂを積層して形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はなく、図９に示すように、伝熱部材３５及び３７を１枚の厚手の伝熱シートで形成し、この伝熱シートの制御回路基板２２及び電源回路基板２３の下面に実装された発熱回路部品３９に対応する位置に発熱回路部品３９を収容する凹部４５を形成するようにしてもよい。この場合には、伝熱部材３５及び３７を一枚の伝熱シートで構成することができ、第１の伝熱シート及び第２の伝熱シートの２層構造とする場合に比較して接合部がないので熱抵抗を小さくすることができ、より効率のよい伝熱を行うことができる。

　また、上記実施形態においては、伝熱部材３５及び３７に直接凹部を形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はなく、伝熱部材３５及び３７を、図１０に示すように構成してもよい。すなわち、伝熱部材３５及び３７には直接凹部を形成せず、伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの制御回路基板２２及び電源回路基板２３の下面に実装された発熱回路部品３９に対応する位置に、発熱回路部品３９の底面より広い面積の凹部４６を形成するようにしてもよい。この場合には、凹部４６の周壁を伝熱部材３５及び３７が入り込み易いようにテーパー面とすることが好ましい。

　このように構成することにより、制御回路基板２２及び電源回路基板２３を、固定ねじ３６及び３８によって伝熱部材３５及び３７を圧縮しながら伝熱支持板部３２ａ及び３３ｂに固定する際に、制御回路基板２２及び電源回路基板２３の下面に実装された発熱回路部品３９によって伝熱部材３５及び３７が押圧されると、その押圧分に対応して伝熱部材３５及び３７が弾性変形して底面が下方に膨出する。この伝熱部材３５及び３７の下方への膨出部が伝熱支持板部３２ａ及び３３ａの凹部４６内に収納されることになり、伝熱部材３５及び３７の上面に凹部４７が形成される。この場合、伝熱部材３５及び３７の弾性変形による弾力分によって発熱回路部品３９を上方に押圧することになるが、その押圧力は、前述した従来例に比較すれば十分に小さくすることができ、制御回路基板２２及び電源回路基板２３に作用する応力を十分抑制することができる。

　また、上記実施形態においては、制御回路ユニットＵ２及び電源回路ユニット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、発熱回路部品３９を実装した基板が２種類存在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はなく、発熱回路部品３９を実装した基板が例えば制御回路基板２２の一枚だけである場合には、図１１（ａ）に示すように構成してもよい。すなわち、制御回路基板２２の左右両側にそれぞれ伝熱支持側板部３２ｃ及び３２ｆを設けて、伝熱支持板部３２ａの両側に放熱経路を形成する。このように構成することにより、伝熱支持板部３２ａの両側に放熱経路が形成されることにより、放熱効果をより向上させることができる。

　さらには、図１１（ｂ）に示すように伝熱支持側板部３２ｃに各回路ユニットＵ２及びＵ３を支持する上板部３２ｅを複数形成して、複数の回路基板を支持するようにしてもよい。
　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を冷却体３の上面に接触させ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らず、冷却部材１３を、図１２及び図１３に示すように構成することもできる。

　すなわち、本実施形態では、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を備えた構成とされている。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。

　その他の構成については前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図１及び図２との対応部分には同一符号を付しその詳細説明はこれを省略する。
　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、図１４に示すように、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。

　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、上記第１及び第２の実施形態においては、実装基板の熱を伝熱支持部材３２，３３の伝熱支持側板部３２ｃ，３３ｃを介して冷却体３に放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い。すなわち、上部筐体２Ｂを熱伝導率の高い材料で構成した場合には、伝熱支持板部３２ａ，３３ａを上部筐体２Ｂに直接連結して上部筐体２Ｂを介して冷却体３に放熱するようにしてもよい。

　また、上記第１及び第２の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、実装基板と伝熱支持部材との間に介挿する伝熱部材に回路部品を収容する凹部を形成することにより、実装回路基板に実装された回路部品によって、伝熱部材が圧縮されることを抑制して実装基板へ作用する応力を低減することができる電力変換装置を提供すること

　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…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、３５ａ，３７ａ…第１の伝熱シート、３５ｂ，３７ｂ…第２の伝熱シート、３７ｃ…貫通孔、３９…発熱回路部品、４０…間座（間隔調整部材）、４５…凹部、４６…凹部、４７…凹部、６１…冷却フィン

Claims

　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実装基板と、
　前記実装基板を支持すると共に前記実装基板の熱を前記冷却体に伝熱させる伝熱支持部材とを備え、
　前記伝熱支持部材と前記実装基板との間に、前記発熱回路部品を収容する凹部を有する伝熱部材を介挿した
　ことを特徴とする電力変換装置。
　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、当該実装基板の発熱を前記冷却体に筐体を介することなく前記冷却体に放熱する伝熱支持部材と、
　前記伝熱支持部材と前記実装基板との間に介挿され、前記発熱回路部品を収容する凹部を形成した伝熱部材と
　を備えたことを特徴とする電力変換装置。
　前記伝熱部材は、第１の伝熱シートと、該第１の伝熱シート上に積層された前記発熱回路部品を収容する凹部を形成する貫通孔を有する第２の伝熱シートと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。
　前記伝熱部材は、前記凹部を形成した一枚の伝熱シート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。
　前記伝熱部材は、伸縮性を有する弾性体で構成され、前記伝熱支持部材は、前記発熱回路部品に対応する位置に前記伝熱部材の当該発熱回路部品による変形を許容する伝熱部材収納部を備えていること特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
　前記伝熱部材は、絶縁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。
　前記伝熱支持部材は、前記伝熱部材を介して前記実装基板を支持する伝熱支持板部と、該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と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。
　前記伝熱支持板部と前記伝熱支持側板部とが一体に形成さ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。
　前記伝熱支持板部は、複数の伝熱支持側板部に固定支持さ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。
　前記伝熱支持部材は、黒色の表面を有す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。
　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支持側板部の高さを異ならせるとともに、当該伝熱支持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１又は２に記載の電力変換装置。
　前記実装基板と前記伝熱支持部材の伝熱支持板部とを前記伝熱部材を介して締付固定部材で固定したことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
　前記締付固定部材の周囲に前記実装基板と前記伝熱支持部材の伝熱支持板部との間隔を所定値に維持する間隔調整部材が介挿さ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。