JP2012210000A - Power converter - Google Patents

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史人 田中
Toshinori Yamane
敏則 山根
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power converter that is inexpensive, small-sized and has high reliability.SOLUTION: A power converter comprises: switching elements for performing power conversion from a direct current to an alternating current by switching; diodes for returning power from a load; a control circuit for controlling the switching elements; a control circuit board on which the control circuit is mounted; a heating element which is mounted on the control circuit board; a radiator for radiating heat generated in the switching elements and the diodes; an electromagnetic shield plate for reducing noise provided between the switching elements and the control circuit board; and a metallic holder for fixing the electromagnetic shield plate and the radiator. The control circuit board has a structure formed thereon to transfer heat generated in the heating element to the rear surface of the board. The heat generated in the heating element is radiated into the air from the electromagnetic shield plate contacting the heat transfer structure and is also radiated from the radiator after being transferred through the electromagnetic shield plate and the metallic holder.

Description

この発明は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備える電力変換装置に関するものである。   The present invention relates to a power conversion device including a switching element that performs power conversion by switching.

従来の電力変換装置は、直流を三相交流に変換して三相交流モータ等の交流負荷を駆動するための機器であるが、スイッチング素子およびダイオード、スイッチング素子を制御する制御回路、スイッチング素子に供給する直流電源の出力を平滑するための平滑用コンデンサを有するスイッチングパワーモジュールで構成されている。   A conventional power converter is a device for converting a direct current into a three-phase alternating current to drive an alternating current load such as a three-phase alternating current motor. However, a switching element and a diode, a control circuit for controlling the switching element, and a switching element are used. The switching power module includes a smoothing capacitor for smoothing the output of the DC power supply to be supplied.

そして、スイッチング素子やダイオードは動作にともない発熱するので、熱を逃がしてスイッチング素子やダイオードの温度を所定の値以下に維持しなくてはならない。
そのため、従来の電力変換装置では、スイッチング素子とダイオードが発熱する熱を放熱する放熱器が設けられており、空冷タイプのものや水冷タイプのものがある。 Since the switching elements and diodes generate heat during operation, the heat must be released to maintain the temperature of the switching elements and diodes below a predetermined value.
Therefore, in the conventional power converter, a radiator that dissipates heat generated by the switching element and the diode is provided, and there are an air cooling type and a water cooling type.

一方、制御回路は、制御回路基板に搭載され、その中には電源回路等で使用するＩＣ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等、発熱を伴う素子も存在する。
この発熱を伴う素子の温度を所定の値以下に抑えるため、制御回路基板上に発熱量に応じた広い面積の放熱パターンを設けている。発熱が大きい場合には、その分、広い面積の放熱パターンを確保する必要があり、制御回路基板のサイズが大きくなってしまうなど、電力変換装置の小型化を実現する上で、大きな障害となっていた。
そこで、放熱パターンの面積を削減するため、金属筐体等を制御回路基板に接触させ、金属筐体等を放熱器として活用している（例えば、特許文献１参照）。 On the other hand, the control circuit is mounted on a control circuit board, and there are elements that generate heat, such as ICs, transistors, MOSFETs, etc. used in power supply circuits.
In order to suppress the temperature of the element that generates heat to a predetermined value or less, a heat radiation pattern having a wide area corresponding to the amount of heat generation is provided on the control circuit board. If the heat generation is large, it is necessary to secure a heat radiation pattern with a large area, and this will be a major obstacle to realizing a reduction in the size of the power converter, such as an increase in the size of the control circuit board. It was.
Therefore, in order to reduce the area of the heat dissipation pattern, a metal casing or the like is brought into contact with the control circuit board, and the metal casing or the like is used as a radiator (for example, see Patent Document 1).

特開２００７−２００９４０号公報JP 2007-200094 A

しかし、制御回路基板と金属筐体との間に絶縁性の放熱シートを挿入する必要があるが、この絶縁性の放熱シートは高価で工作性も悪いため、コストアップの要因になっている。
また、金属筐体から放熱される熱は、制御回路基板を通過した熱だけであるので、放熱パターンから放熱する熱が多くなるよう放熱パターンの面積を確保しなければならず、制御回路基板の小型化、ひいては電力変換装置の小型化を実現する上で、大きな障害となっている。 However, it is necessary to insert an insulative heat dissipation sheet between the control circuit board and the metal casing, but this insulative heat dissipation sheet is expensive and poor in workability, which causes an increase in cost.
In addition, since the heat radiated from the metal casing is only the heat that has passed through the control circuit board, the area of the heat radiating pattern must be secured so that the heat radiated from the heat radiating pattern is increased. This is a major obstacle in realizing downsizing and, in turn, downsizing of the power converter.

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、安価で小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain an inexpensive, small-sized and highly reliable power conversion device.

この発明に係る電力変換装置は、スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱した熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱した熱を裏面に伝熱する構造が形成され、前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記電磁シールド板から空気中に放熱するとともに、前記電磁シールド板及び前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱する。   The power conversion device according to the present invention is equipped with a switching element that converts DC power into alternating current by switching, a diode that circulates power from a load, a control circuit that controls the switching element, and the control circuit. Noise reduction provided between a control circuit board, a heat generating element mounted on the control circuit board, a radiator that dissipates heat generated by the switching element and the diode, and the switching element and the control circuit board In the power conversion device including an electromagnetic shield plate for use and a metal holder for fixing the electromagnetic shield plate and the radiator, the control circuit board has a structure for transferring heat generated by the heating element to the back surface. The heat generated by the heating element is radiated from the electromagnetic shield plate in contact with the heat transfer structure into the air. Wherein via the electromagnetic shield plate and the metallic holder to the heat radiation from the radiator.

また、この発明に係る他の電力変換装置は、スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱する熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、前記制御回路基板を覆う金属製カバーを備え、前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱する熱を裏面に伝熱する構造が形成され、前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記金属製カバーから空気中に放熱する。   Another power conversion device according to the present invention includes a switching element that converts power from DC to AC by switching, a diode that circulates power from a load, a control circuit that controls the switching element, and the control circuit Is mounted between the switching element and the control circuit board, a heat generating element mounted on the control circuit board, a radiator that dissipates heat generated by the switching element and the diode, and In a power conversion device comprising an electromagnetic shield plate for noise reduction provided and a metal holder for fixing the electromagnetic shield plate and the radiator, the power converter includes a metal cover that covers the control circuit board, A structure for transferring heat generated by the heating element to the back surface is formed, and heat generated by the heating element is transferred to the structure. Dissipating into the air from the metallic cover.

この発明に係る電力変換装置は、発熱素子で発熱する熱が電磁シールド板と放熱器の両方からも空気中に放熱され、第１放熱パターンから直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターンの面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。   In the power converter according to the present invention, the heat generated by the heating element is radiated into the air from both the electromagnetic shield plate and the radiator, and is not only radiated directly from the first heat radiation pattern into the air. The area of the heat radiation pattern can be reduced as compared with the conventional case, and the control circuit board can be downsized, and thus the power converter can be downsized.

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device concerning Embodiment 1 of this invention. 図１のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the switching power module of FIG. 発熱素子が搭載される制御回路基板の平面図である。It is a top view of the control circuit board in which a heat generating element is mounted. この発明の実施の形態２のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the switching power module of Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態３のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the switching power module of Embodiment 3 of this invention.

以下、本発明の電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。図２は、図１のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。図３は、発熱素子が搭載される制御回路基板の平面図である。
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、図１に示すように、直流電源５から出力される直流を三相交流に変換して三相交流モータ等の交流負荷６を駆動する電力変換装置である。この電力変換装置は、スイッチング素子２およびダイオード３、スイッチング素子２を制御する制御回路４、及び、スイッチング素子２に供給する直流電源５からの出力を平滑するための平滑用コンデンサ７を有するスイッチングパワーモジュール１で構成される。 Hereinafter, preferred embodiments of a power conversion device of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
1 is a circuit diagram of a power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the switching power module of FIG. FIG. 3 is a plan view of a control circuit board on which the heating elements are mounted.
As shown in FIG. 1, the power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention converts the direct current output from the direct current power source 5 into a three-phase alternating current and drives an alternating current load 6 such as a three-phase alternating current motor. It is a conversion device. The power converter includes a switching element 2 and a diode 3, a control circuit 4 for controlling the switching element 2, and a switching power having a smoothing capacitor 7 for smoothing the output from the DC power supply 5 supplied to the switching element 2. It consists of module 1.

スイッチング素子２は、直流から三相交流へ電力変換を行うものであり、トランジスタまたはＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が使用される。ダイオード３は、交流負荷６からの電力を還流するものである。平滑用コンデンサ７は、スイッチング素子２に供給する直流電源５からの出力の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑するものである。制御回路４は、スイッチング素子２を制御するものである。なお、制御回路４は、三相交流モータ等の交流負荷６を制御する一般的な回路であるため、詳細図示は省略する。   The switching element 2 performs power conversion from direct current to three-phase alternating current, and a transistor, IGBT, MOSFET, or the like is used. The diode 3 circulates the electric power from the AC load 6. The smoothing capacitor 7 suppresses voltage fluctuations in the output from the DC power supply 5 supplied to the switching element 2 and smoothes voltage jumps and the like. The control circuit 4 controls the switching element 2. Since the control circuit 4 is a general circuit that controls the AC load 6 such as a three-phase AC motor, detailed illustration is omitted.

スイッチングパワーモジュール１は、図２に示すように、制御回路４を搭載する制御回路基板１２、制御回路基板１２上に搭載された発熱素子１４、スイッチング素子２並びにダイオード３で発生した熱を放熱する放熱器８、スイッチング素子２並びにダイオード３を保護するための樹脂製ケース９、スイッチング素子２と制御回路基板１２との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板１１、制御回路基板１２を保護する樹脂製カバー１３、及び、制御回路基板１２並びに電磁シールド板１１を放熱器８に固定するための金属製ホルダ１０を備える。   As shown in FIG. 2, the switching power module 1 radiates heat generated by the control circuit board 12 on which the control circuit 4 is mounted, the heating element 14 mounted on the control circuit board 12, the switching element 2, and the diode 3. Resin case 9 for protecting radiator 8, switching element 2 and diode 3, electromagnetic shielding plate 11 for noise reduction provided between switching element 2 and control circuit board 12, and control circuit board 12 are protected. A resin cover 13, a control circuit board 12, and an electromagnetic shield plate 11 are provided with a metal holder 10 for fixing the radiator 8.

制御回路基板１２は、表面の中央に搭載される発熱素子１４の放熱端子が接続される第１放熱パターン１５が形成されている。また、制御回路基板１２の裏面には、第１放熱パターン１５を投影した位置に第２放熱パターン２０が形成されている。また、制御回路基板１２には、制御回路基板１２を貫通する放熱用バイアホール１６が設けられている。この放熱用バイアホール１６は、上端面が第１放熱パターン１５との間に隙間が形成され、下端面が第２放熱パターン２０と接続されている。従って、第１放熱パターン１５と第２放熱パターン２０とは電気的に絶縁されている。
また、第１放熱パターン１５から第２放熱パターン２０への熱伝導性を良くするため、放熱用バイアホール１６の上端面は第１放熱パターン１５で取り囲まれた配置になっており、また、放熱パターン１５に電気的に接続されているバイアホール１７の直近に配置されている。
このように放熱用バイアホール１６により発熱素子１４から発熱された熱を裏面の第２放熱パターン２０に効率良く伝熱する。 The control circuit board 12 is formed with a first heat radiation pattern 15 to which a heat radiation terminal of a heat generating element 14 mounted at the center of the surface is connected. Further, a second heat radiation pattern 20 is formed on the back surface of the control circuit board 12 at a position where the first heat radiation pattern 15 is projected. The control circuit board 12 is provided with a heat radiating via hole 16 penetrating the control circuit board 12. The heat radiating via hole 16 has a gap between the upper end surface and the first heat radiating pattern 15 and is connected to the second heat radiating pattern 20 at the lower end surface. Therefore, the first heat radiation pattern 15 and the second heat radiation pattern 20 are electrically insulated.
Further, in order to improve the thermal conductivity from the first heat radiation pattern 15 to the second heat radiation pattern 20, the upper end surface of the heat radiation via hole 16 is disposed so as to be surrounded by the first heat radiation pattern 15, and the heat radiation. It is arranged in the immediate vicinity of the via hole 17 that is electrically connected to the pattern 15.
In this way, the heat generated from the heat generating element 14 by the heat radiating via hole 16 is efficiently transferred to the second heat radiation pattern 20 on the back surface.

電磁シールド板１１は、制御回路基板１２と重ねたとき第２放熱パターン２０と重なる部分が凸状に突出している。そして、金属製ホルダ１０、電磁シールド板１１、制御回路基板１２、樹脂製カバー１３をネジ１９で固定すると、制御回路基板１２の表面に形成された第１放熱パターン１５に対して制御回路基板１２の裏面に形成された第２放熱パターン２０に電磁シールド板１１の凸状に突出している部分が直接接する。
尚、必要に応じて制御回路基板１２と電磁シールド板１１の直接接する間に安価な放熱グリースを塗布しても良い。 When the electromagnetic shield plate 11 is overlapped with the control circuit board 12, a portion overlapping the second heat radiation pattern 20 protrudes in a convex shape. Then, when the metal holder 10, the electromagnetic shield plate 11, the control circuit board 12, and the resin cover 13 are fixed with screws 19, the control circuit board 12 against the first heat radiation pattern 15 formed on the surface of the control circuit board 12. A portion projecting in a convex shape of the electromagnetic shield plate 11 is in direct contact with the second heat radiation pattern 20 formed on the back surface of the magnetic shield plate.
If necessary, an inexpensive heat radiation grease may be applied between the control circuit board 12 and the electromagnetic shield plate 11 in direct contact.

この発明の実施の形態１に係るスイッチングパワーモジュール１は、第１放熱パターン１５に対して電気的には絶縁しつつ熱伝導に関しては結合した放熱用バイアホール１６を介して発熱素子１４で発熱した熱を第２放熱パターン２０に伝熱し、その熱が第２放熱パターン２０に接した電磁シールド板１１に伝熱し、その一部は電磁シールド板１１から直接空気中に放熱するとともに、残りの熱は金属製ホルダ１０を介して放熱器８に伝熱し、放熱器８から空気中に放熱される。   The switching power module 1 according to the first embodiment of the present invention generates heat in the heating element 14 through the heat dissipation via hole 16 that is electrically insulated from the first heat dissipation pattern 15 and coupled in terms of heat conduction. Heat is transferred to the second heat radiation pattern 20, and the heat is transferred to the electromagnetic shield plate 11 in contact with the second heat radiation pattern 20, and a part of the heat is radiated directly from the electromagnetic shield plate 11 into the air, and the remaining heat. The heat is transferred to the radiator 8 through the metal holder 10 and is radiated from the radiator 8 into the air.

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、発熱素子１４で発熱した熱が電磁シールド板１１と放熱器８の両方からも空気中に放熱され、第１放熱パターン１５から直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターン１５の面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。   In the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention, the heat generated by the heating element 14 is radiated into the air from both the electromagnetic shield plate 11 and the radiator 8, and directly into the air from the first heat radiation pattern 15. Since not only heat is dissipated, the area of the first heat dissipating pattern 15 can be reduced compared to the conventional case, and the control circuit board can be downsized and the power converter can be downsized.

また、ともに金属からなる第２放熱パターン２０と電磁シールド板１１とを接することにより伝熱させるので、高価な放熱シートの代りに放熱グリースを使用することができ、安価な電力変換装置を実現することができる。
尚、発熱素子１４が複数個ある場合には、第１放熱パターン１５、第２放熱パターン２０及び放熱用バイアホール１６から構成される放熱構造を発熱素子１４の個数だけ用意することで対応することができる。 In addition, since heat is transferred by contacting the second heat radiation pattern 20 made of metal and the electromagnetic shield plate 11, heat radiation grease can be used in place of the expensive heat radiation sheet, and an inexpensive power conversion device is realized. be able to.
When there are a plurality of heat generating elements 14, it is possible to cope with this by preparing the heat dissipating structure composed of the first heat dissipating pattern 15, the second heat dissipating pattern 20, and the heat dissipating via holes 16 by the number of the heat generating elements 14. Can do.

また、電磁シールド板１１の表面に凸凹を付けて、電磁シールド板１１の表面積を増やす加工を施せば、電磁シールド板１１から空気中に放熱される熱量が増え、放熱性能を上げることができる。   Further, if the surface of the electromagnetic shield plate 11 is made uneven so that the surface area of the electromagnetic shield plate 11 is increased, the amount of heat radiated from the electromagnetic shield plate 11 into the air is increased, and the heat dissipation performance can be improved.

また、発熱素子１４の近傍に感温素子を取り付け、この感温素子からの温度情報と、スイッチング素子２に内蔵された感温素子からの温度情報をもとに、放熱器８に対する強制冷却装置の強弱を制御することにより、より省電力で効率よくスイッチング素子２やダイオード３、発熱素子１４の放熱を行うことができる。   Further, a temperature sensing element is attached in the vicinity of the heating element 14, and a forced cooling device for the radiator 8 based on temperature information from the temperature sensing element and temperature information from the temperature sensing element built in the switching element 2. By controlling the intensity of the switching element 2, the switching element 2, the diode 3, and the heating element 14 can be radiated more efficiently with less power consumption.

また、スイッチング素子２及びダイオード３は、シリコンを主な半導体材料として形成されたものを示しているが、シリコンに比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系化合物半導体またはダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子２やダイオード３は、耐電圧が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子２やダイオード３の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子２やダイオード３を用いることにより、これらの素子を組み込んだ電力変換装置の小型化が可能になる。   Further, although the switching element 2 and the diode 3 are formed using silicon as a main semiconductor material, they may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon. Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide, a gallium nitride compound semiconductor, and diamond. Since the switching element 2 and the diode 3 formed of such a wide band gap semiconductor have a high withstand voltage and a high allowable current density, the switching element 2 and the diode 3 can be miniaturized. By using the switching element 2 and the diode 3, it is possible to reduce the size of a power conversion device incorporating these elements.

また、ワイドバンドギャップ半導体は電力損失が低いため、スイッチング素子２やダイオード３の発熱を大幅に低減することができ、制御回路基板１２上の発熱素子１４で発生した熱をより効率よく放熱器８で放熱させることができるようになり、スイッチングパワーモジュール１内の雰囲気温度も下げることができる。これにより、さらに制御回路基板１２上の第１放熱パターン１５の面積を小さくすることができ、更なる電力変換装置の小型化を実現することが可能となる。また、スイッチング素子２やダイオード３の高効率化が可能となり、ひいては電力変換装置の高効率化が可能となる。   Further, since the wide band gap semiconductor has low power loss, the heat generation of the switching element 2 and the diode 3 can be greatly reduced, and the heat generated by the heat generating element 14 on the control circuit board 12 can be more efficiently transferred to the radiator 8. It becomes possible to dissipate heat, and the ambient temperature in the switching power module 1 can also be lowered. As a result, the area of the first heat radiation pattern 15 on the control circuit board 12 can be further reduced, and the power converter can be further reduced in size. Further, the switching element 2 and the diode 3 can be made highly efficient, and consequently the power converter can be made highly efficient.

また、ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いため、空冷放熱器の放熱フィンの小型化や、水冷放熱器の空冷化も可能になり、電力変換装置の一層の小型化が可能となる。
また、スイッチング素子２およびダイオード３の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、上述の効果を得ることができる。 In addition, since the wide band gap semiconductor has high heat resistance, it is possible to reduce the size of the heat-radiating fins of the air-cooling radiator and the air-cooling of the water-cooling radiator, thereby further reducing the size of the power conversion device.
In addition, although it is desirable that both the switching element 2 and the diode 3 are formed of a wide band gap semiconductor, either one of the elements may be formed of a wide band gap semiconductor, and the above-described effects can be obtained. it can.

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、この発明の実施の形態１と回路構成は同様である。そして、この発明の実施の形態２に係るスイッチングパワーモジュールは、この発明の実施の形態１に係るスイッチングパワーモジュール１と制御回路基板１２の取り付けの向きが反対であることと樹脂製カバー１３の代りに金属製カバー１８を備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。 Embodiment 2. FIG.
4 is a longitudinal sectional view of a switching power module of a power conversion apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
The power converter according to Embodiment 2 of the present invention has the same circuit configuration as that of Embodiment 1 of the present invention. In the switching power module according to the second embodiment of the present invention, the mounting direction of the switching power module 1 and the control circuit board 12 according to the first embodiment of the present invention is opposite to that of the resin cover 13. However, the other parts are the same, and the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.

制御回路基板１２の表面が、スイッチング素子２に対して間に電磁シールド板１１Ｂを介して対向している。そして、その制御回路基板１２の表面に第１放熱パターン１５が実施の形態１と同様に形成され、第１放熱パターン１５の略中央に発熱素子１４が搭載されている。   The surface of the control circuit board 12 is opposed to the switching element 2 via the electromagnetic shield plate 11B. The first heat radiation pattern 15 is formed on the surface of the control circuit board 12 in the same manner as in the first embodiment, and the heat generating element 14 is mounted in the approximate center of the first heat radiation pattern 15.

また、制御回路基板１２の裏面には、第１放熱パターン１５を投影した位置に第２放熱パターン２０が形成されている。また、制御回路基板１２には、制御回路基板１２を貫通する放熱用バイアホール１６が設けられている。この放熱用バイアホール１６は、上端面が第１放熱パターン１５との間に隙間が形成され、下端面が第２放熱パターン２０と接続されている。従って、第１放熱パターン１５と第２放熱パターン２０とは電気的に絶縁されている。   Further, a second heat radiation pattern 20 is formed on the back surface of the control circuit board 12 at a position where the first heat radiation pattern 15 is projected. The control circuit board 12 is provided with a heat radiating via hole 16 penetrating the control circuit board 12. The heat radiating via hole 16 has a gap between the upper end surface and the first heat radiating pattern 15 and is connected to the second heat radiating pattern 20 at the lower end surface. Therefore, the first heat radiation pattern 15 and the second heat radiation pattern 20 are electrically insulated.

また、第１放熱パターン１５から第２放熱パターン２０への熱伝導性を良くするため、放熱用バイアホール１６の上端面は第１放熱パターン１５で取り囲まれた配置になっており、また、放熱パターン１５に電気的に接続されているバイアホール１７の直近に配置されている。   Further, in order to improve the thermal conductivity from the first heat radiation pattern 15 to the second heat radiation pattern 20, the upper end surface of the heat radiation via hole 16 is disposed so as to be surrounded by the first heat radiation pattern 15, and the heat radiation. It is arranged in the immediate vicinity of the via hole 17 that is electrically connected to the pattern 15.

金属製カバー１８は、制御回路基板１２と重ねたとき第２放熱パターン２０と重なる部分が凸状に突出している。そして、金属製カバー１８を制御回路基板１２にネジ１９で固定すると、制御回路基板１２の表面に形成された第１放熱パターン１５に対して制御回路基板１２の裏面に形成された第２放熱パターン２０に金属製カバー１８の凸状に突出している部分が直接接する。
尚、必要に応じて制御回路基板１２と金属製カバー１８の直接接する間に安価な放熱グリースを塗布しても良い。 When the metal cover 18 is overlapped with the control circuit board 12, a portion overlapping the second heat radiation pattern 20 protrudes in a convex shape. When the metal cover 18 is fixed to the control circuit board 12 with screws 19, the second heat radiation pattern formed on the back surface of the control circuit board 12 with respect to the first heat radiation pattern 15 formed on the surface of the control circuit board 12. The protruding portion of the metal cover 18 directly contacts 20.
If necessary, an inexpensive heat radiation grease may be applied between the control circuit board 12 and the metal cover 18 in direct contact.

この発明の実施の形態２に係るスイッチングパワーモジュール１Ｂは、第１放熱パターン１５に対して電気的には絶縁しつつ熱伝導に関しては結合した放熱用バイアホール１６を介して発熱素子１４で発熱した熱を第２放熱パターン２０に伝熱し、その熱が第２放熱パターン２０に接した金属製カバー１８に伝熱し、金属製カバー１８から直接空気中に放熱される。   The switching power module 1B according to the second embodiment of the present invention generates heat in the heating element 14 through the heat dissipation via hole 16 that is electrically insulated from the first heat dissipation pattern 15 and coupled in terms of heat conduction. Heat is transferred to the second heat dissipation pattern 20, and the heat is transferred to the metal cover 18 in contact with the second heat dissipation pattern 20, and is radiated directly from the metal cover 18 into the air.

この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、発熱素子１４で発熱した熱が金属製カバー１８からも空気中に放熱され、第１放熱パターン１５から直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターン１５の面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板１２の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。   In the power conversion device according to the second embodiment of the present invention, the heat generated by the heating element 14 is not only radiated from the metal cover 18 into the air, but is also radiated directly from the first heat radiation pattern 15 into the air. Thus, the area of the first heat radiation pattern 15 can be reduced as compared with the conventional case, and the control circuit board 12 can be downsized, and thus the power converter can be downsized.

また、ともに金属からなる第２放熱パターン２０と金属製カバー１８とを接することにより伝熱させるので、高価な放熱シートの代りに放熱グリースを使用することができ、安価な電力変換装置を実現することができる。
また、金属製カバー１８で制御回路基板１２を覆うので、電磁シールド効果も得られ、外部からのノイズに対し、耐性を上げることができる。
尚、発熱素子１４が複数個ある場合には、第１放熱パターン１５、第２放熱パターン２０及び放熱用バイアホール１６から構成される放熱構造を発熱素子１４の個数だけ用意することで対応することができる。 Further, since heat is transferred by contacting the second heat radiation pattern 20 made of metal and the metal cover 18, heat radiation grease can be used instead of an expensive heat radiation sheet, and an inexpensive power conversion device is realized. be able to.
Moreover, since the control circuit board 12 is covered with the metal cover 18, an electromagnetic shielding effect can be obtained, and resistance to external noise can be increased.
When there are a plurality of heat generating elements 14, it is possible to cope with this by preparing the heat dissipating structure composed of the first heat dissipating pattern 15, the second heat dissipating pattern 20, and the heat dissipating via holes 16 by the number of the heat generating elements 14. Can do.

また、金属製カバー１８の表面に凸凹を付けて金属製カバー１８の表面積を増やす加工を施せば、金属製カバー１８から空気中に放熱される熱量が増え、放熱性能を上げることができる。   Further, if the surface of the metal cover 18 is made uneven to increase the surface area of the metal cover 18, the amount of heat radiated from the metal cover 18 into the air increases, and the heat dissipation performance can be improved.

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置のスイッチングパワーモジュールの縦断面図である。
この発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、この発明の実施の形態１と回路構成は同様である。そして、この発明の実施の形態３に係るスイッチングパワーモジュールは、この発明の実施の形態１に係るスイッチングパワーモジュール１と樹脂製カバー１３の代りに金属製カバー１８Ｂを備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a switching power module of the power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention.
The power converter according to Embodiment 3 of the present invention has the same circuit configuration as that of Embodiment 1 of the present invention. The switching power module according to Embodiment 3 of the present invention is different from the switching power module 1 according to Embodiment 1 of the present invention in that a metal cover 18B is provided instead of the resin cover 13, and otherwise. Since it is the same, the same code | symbol is attached to the same part and description is abbreviate | omitted.

制御回路基板１２の表面が、スイッチング素子２に対して間に電磁シールド板１１Ｂを介して対向している。そして、その制御回路基板１２の表面に第１放熱パターン１５が実施の形態１と同様に形成され、第１放熱パターン１５の略中央に発熱素子１４が搭載されている。   The surface of the control circuit board 12 is opposed to the switching element 2 via the electromagnetic shield plate 11B. The first heat radiation pattern 15 is formed on the surface of the control circuit board 12 in the same manner as in the first embodiment, and the heat generating element 14 is mounted in the approximate center of the first heat radiation pattern 15.

また、制御回路基板１２の裏面には、第１放熱パターン１５を投影した位置に第２放熱パターン２０が形成されている。また、制御回路基板１２には、制御回路基板１２を貫通する放熱用バイアホール１６が設けられている。この放熱用バイアホール１６は、上端面が第１放熱パターン１５との間に隙間が形成され、下端面が第２放熱パターン２０と接続されている。従って、第１放熱パターン１５と第２放熱パターン２０とは電気的に絶縁されている。   Further, a second heat radiation pattern 20 is formed on the back surface of the control circuit board 12 at a position where the first heat radiation pattern 15 is projected. The control circuit board 12 is provided with a heat radiating via hole 16 penetrating the control circuit board 12. The heat radiating via hole 16 has a gap between the upper end surface and the first heat radiating pattern 15 and is connected to the second heat radiating pattern 20 at the lower end surface. Therefore, the first heat radiation pattern 15 and the second heat radiation pattern 20 are electrically insulated.

また、第１放熱パターン１５から第２放熱パターン２０への熱伝導性を良くするため、放熱用バイアホール１６の上端面は第１放熱パターン１５で取り囲まれた配置になっており、また、放熱パターン１５に電気的に接続されているバイアホール１７の直近に配置されている。   Further, in order to improve the thermal conductivity from the first heat radiation pattern 15 to the second heat radiation pattern 20, the upper end surface of the heat radiation via hole 16 is disposed so as to be surrounded by the first heat radiation pattern 15, and the heat radiation. It is arranged in the immediate vicinity of the via hole 17 that is electrically connected to the pattern 15.

金属製カバー１８Ｂは、制御回路基板１２と重ねたとき発熱素子１４の上部と重なる部分が凸状に突出している。そして、金属製カバー１８Ｂを制御回路基板１２にネジ１９で固定すると、発熱素子１４に金属製カバー１８Ｂの凸状に突出している部分が直接接する。
尚、必要に応じて発熱素子１４と金属製カバー１８Ｂの直接接する間に安価な放熱グリースを塗布しても良い。 When the metal cover 18 </ b> B is overlapped with the control circuit board 12, a portion overlapping the upper portion of the heating element 14 protrudes in a convex shape. When the metal cover 18B is fixed to the control circuit board 12 with the screws 19, the protruding portion of the metal cover 18B directly contacts the heat generating element 14.
If necessary, an inexpensive heat radiation grease may be applied between the heat generating element 14 and the metal cover 18B in direct contact.

この発明の実施の形態３に係るスイッチングパワーモジュール１Ｃは、第１放熱パターン１５に対して電気的には絶縁しつつ熱伝導に関しては結合した放熱用バイアホール１６を介して発熱素子１４で発熱した熱の一部を第２放熱パターン２０に伝熱し、その熱が第２放熱パターン２０に接した電磁シールド板１１に伝熱し、その一部は電磁シールド板１１から直接空気中に放熱するとともに、残りの熱は金属製ホルダ１０を介して放熱器８に伝熱し、放熱器８から空気中に放熱され、また、発熱素子１４で発熱した熱の残りは金属製カバー１８Ｂに伝熱し、金属製カバー１８から空気中に放熱される。   In the switching power module 1C according to the third embodiment of the present invention, the heat generating element 14 generates heat through the heat dissipation via hole 16 which is electrically insulated from the first heat dissipation pattern 15 and coupled with respect to heat conduction. A part of the heat is transferred to the second heat radiation pattern 20, the heat is transferred to the electromagnetic shield plate 11 in contact with the second heat radiation pattern 20, and a part of the heat is radiated directly from the electromagnetic shield plate 11 into the air. The remaining heat is transferred to the radiator 8 through the metal holder 10, and is radiated from the radiator 8 into the air. The remainder of the heat generated by the heating element 14 is transferred to the metal cover 18B, and is made of metal. Heat is radiated from the cover 18 into the air.

この発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、発熱素子１４で発熱した熱が電磁シールド板１１、放熱器８、金属製カバー１８からも空気中に放熱され、第１放熱パターン１５から直接空気中に放熱するだけではないので、第１放熱パターン１５の面積を従来に比べて小さくすることができ、制御回路基板１２の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が実現できる。   In the power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention, the heat generated by the heating element 14 is radiated into the air from the electromagnetic shield plate 11, the radiator 8, and the metal cover 18, and directly from the first heat radiation pattern 15. Since not only heat is radiated into the air, the area of the first heat radiation pattern 15 can be reduced as compared with the conventional case, and the control circuit board 12 can be downsized and the power converter can be downsized.

また、ともに金属からなる第２放熱パターン２０と電磁シールド板１１とを接することにより伝熱させるので、高価な放熱シートの代りに放熱グリースを使用することができ、安価な電力変換装置を実現することができる。   In addition, since heat is transferred by contacting the second heat radiation pattern 20 made of metal and the electromagnetic shield plate 11, heat radiation grease can be used in place of the expensive heat radiation sheet, and an inexpensive power conversion device is realized. be able to.

１、１Ｂ、１Ｃ スイッチングパワーモジュール、２ スイッチング素子、３ ダイオード、４ 制御回路、５ 直流電源、６ 交流負荷、７ 平滑用コンデンサ、８ 放熱器、９ 樹脂製ケース、１０ 金属製ホルダ、１１、１１Ｂ 電磁シールド板、１２ 制御回路基板、１３ 樹脂製カバー、１４ 発熱素子、１５ 放熱パターン、１６ 放熱用バイアホール、１７ バイアホール、１８、１８Ｂ 金属製カバー、１９ ネジ、２０ 放熱パターン。   1, 1B, 1C switching power module, 2 switching element, 3 diode, 4 control circuit, 5 DC power supply, 6 AC load, 7 smoothing capacitor, 8 radiator, 9 resin case, 10 metal holder, 11, 11B Electromagnetic shield plate, 12 control circuit board, 13 resin cover, 14 heating element, 15 heat dissipation pattern, 16 heat dissipation via hole, 17 via hole, 18, 18B metal cover, 19 screw, 20 heat dissipation pattern.

Claims (12)

スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱した熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、
前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱した熱を裏面に伝熱する構造が形成され、
前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記電磁シールド板から空気中に放熱するとともに、前記電磁シールド板及び前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱することを特徴とする電力変換装置。 A switching element that converts power from DC to AC by switching, a diode that circulates power from a load, a control circuit that controls the switching element, a control circuit board on which the control circuit is mounted, and the control circuit board A heating element mounted on the switching element, a radiator that dissipates heat generated by the switching element and the diode, an electromagnetic shielding plate for noise reduction provided between the switching element and the control circuit board, and the electromagnetic In a power conversion device comprising a metal holder for fixing a shield plate and the radiator,
The control circuit board is formed with a structure for transferring heat generated by the heating element to the back surface,
The heat generated by the heating element is radiated from the electromagnetic shield plate in contact with the heat transfer structure into the air, and is radiated from the radiator via the electromagnetic shield plate and the metal holder. Power converter. 前記電磁シールド板の表面積を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein a surface area of the electromagnetic shield plate is increased. 前記伝熱する構造は、前記発熱素子と前記電磁シールド板とを電気的に絶縁し、且つ、前記発熱素子周辺に前記発熱素子に対して電気的に絶縁された放熱用バイアホールを設けていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。   In the heat transfer structure, the heat generating element and the electromagnetic shield plate are electrically insulated, and a heat radiating via hole is provided around the heat generating element and electrically insulated from the heat generating element. The power conversion device according to claim 1, wherein the power conversion device is a power conversion device. 前記制御回路基板を覆うとともに前記発熱素子に接する金属製カバーを備え、
前記発熱素子で発熱する熱を前記金属製カバーからも放熱することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置。 A metal cover that covers the control circuit board and contacts the heating element;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein heat generated by the heating element is also radiated from the metal cover. 前記金属製カバーの表面積を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 4, wherein a surface area of the metal cover is increased. スイッチングにより直流を交流に電力変換を行うスイッチング素子と、負荷からの電力を還流するダイオードと、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記制御回路が搭載される制御回路基板と、前記制御回路基板に搭載される発熱素子と、前記スイッチング素子及び前記ダイオードで発熱する熱を放熱させる放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定する金属製ホルダを備える電力変換装置において、
前記制御回路基板を覆う金属製カバーを備え、
前記制御回路基板は、前記発熱素子で発熱する熱を裏面に伝熱する構造が形成され、
前記発熱素子で発熱する熱を前記伝熱する構造に接する前記金属製カバーから空気中に放熱することを特徴とする電力変換装置。 A switching element that converts power from DC to AC by switching, a diode that circulates power from a load, a control circuit that controls the switching element, a control circuit board on which the control circuit is mounted, and the control circuit board A heating element mounted on the switching element, a radiator that dissipates heat generated by the switching element and the diode, an electromagnetic shielding plate for noise reduction provided between the switching element and the control circuit board, and the electromagnetic In a power conversion device comprising a metal holder for fixing a shield plate and the radiator,
A metal cover for covering the control circuit board;
The control circuit board is formed with a structure for transferring heat generated by the heating element to the back surface,
The power conversion device, wherein heat generated by the heating element is radiated into the air from the metal cover in contact with the heat transfer structure. 前記金属製カバーの表面積を大きくすることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 6, wherein a surface area of the metal cover is increased. 前記伝熱する構造は、前記発熱素子と前記金属製カバーとを電気的に絶縁し、且つ、前記発熱素子周辺に前記発熱素子に対して電気的に絶縁された放熱用バイアホールを設けていることを特徴とする請求項６または７に記載の電力変換装置。   In the heat transfer structure, the heat generating element and the metal cover are electrically insulated, and a heat radiating via hole is provided around the heat generating element and electrically insulated from the heat generating element. The power converter according to claim 6 or 7, wherein 前記発熱素子の近傍に前記発熱素子の温度を感知する感温素子と、
前記放熱器を強制冷却する強制冷却装置と
を備え、
前記感温素子からの温度情報と、前記スイッチング素子に内蔵される感温素子からの温度情報をもとに、前記強制冷却装置の強弱を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電力変換装置。 A temperature sensing element for sensing the temperature of the heating element in the vicinity of the heating element;
A forced cooling device for forcibly cooling the radiator,
9. The intensity of the forced cooling device is controlled based on temperature information from the temperature sensing element and temperature information from a temperature sensing element built in the switching element. The power conversion apparatus of crab. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 1, wherein the switching element is formed of a wide band gap semiconductor. 前記ダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein the diode is formed of a wide band gap semiconductor. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系半導体またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 10 or 11, wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride based semiconductor, or diamond.
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