JP2013149958A - 電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】コイルのインダクタンスとヒートシンクの冷却機能とをできるだけ維持しながら、省スペース化を実現する。
【解決手段】半導体装置1と、半導体装置1に接続されたコイル3Aと、半導体装置1のヒートシンクとして用いられる金属ブロック4とを備えた電子機器が提供される。金属ブロック4には、コイル3Aの少なくとも一部を挿入するための穴部50が形成される。コイル3Aは、コイル3Aの一方の端部が穴部50の底面50BSに対向するように穴部50に挿入される。金属ブロック4には、さらに、穴部50の側面部50Sを貫通する貫通スリット8と、穴部50の底面部50Bの一部を貫通しかつ貫通スリット8に接続する貫通孔9とが形成されている。貫通スリット8は、穴部50および貫通孔9の各側面部50S,9Sを分割するように、穴部50の入口開口50Eから穴部50と反対側の貫通孔9の開口9Aにまで達する。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置1と、半導体装置1に接続されたコイル3Aと、半導体装置1のヒートシンクとして用いられる金属ブロック4とを備えた電子機器が提供される。金属ブロック4には、コイル3Aの少なくとも一部を挿入するための穴部50が形成される。コイル3Aは、コイル3Aの一方の端部が穴部50の底面50BSに対向するように穴部50に挿入される。金属ブロック4には、さらに、穴部50の側面部50Sを貫通する貫通スリット8と、穴部50の底面部50Bの一部を貫通しかつ貫通スリット8に接続する貫通孔9とが形成されている。貫通スリット8は、穴部50および貫通孔9の各側面部50S,9Sを分割するように、穴部50の入口開口50Eから穴部50と反対側の貫通孔9の開口9Aにまで達する。
【選択図】図1
Description
この発明は、リアクトル(コイル)とヒートシンクを備えた電子機器に関し、特に、パワー半導体装置のスイッチングによって電源ラインに生じる高周波電流を抑制するためのフィルタ部品として用いられるリアクトルを備えた電子機器に関する。
パワー半導体装置の電源ラインにはフィルタ部品としてリアクトルが配置される場合が多い。このとき、省スペースのために、パワー半導体装置を冷却するためのヒートシンクに穴状の収容部を設け、この収容部内にリアクトルを配置することがしばしば行われる(たとえば、特開2011−41397号公報(特許文献1)参照)。
ところが、このようにヒートシンクに設けられた穴状の収容部内にリアクトルを配置すると、リアクトルが金属体(ヒートシンク)に囲まれた状態になる。この結果、金属体を流れる誘起電流の影響により、リアクトルのインダクタンスが低減するという問題が生じる。
ヒートシンクに関する文献ではないが、リアクトルが金属体に囲まれた場合にインダクタンスの低下を抑制する方法として、たとえば、実開昭62−184720号公報(特許文献2)に記載された方法が知られている。具体的にこの文献は、磁気シールドを備えた円筒状の空心コイル(リアクトル)について開示している。空心コイルは、絶縁性の冷却媒体を包蔵したタンク内に収納され、このタンクと空心コイルとの間に磁気シールドが設けられる。磁気シールドは、磁気シールド筒とほぼ円板状の磁気シールド板とによって構成される。磁気シールド筒は、空心コイルの外周面との間に所定の距離を保持して空心コイルと同軸上に配され、周方向の1箇所に短絡防止用の間隙部を有する。磁気シールド板は、磁気シールド筒の軸方向のいずれか一方端に絶縁材を介してその周辺部が結合され、半径方向に伸びるスリットを有する。
上記の実開昭62−184720号公報(特許文献2)に記載された方法によれば、磁気シールド筒に設けられた間隙部と、磁気シールド板に設けられたスリットとによって、1ターンの流通経路が形成されるのを阻止することができる。さらに、磁気シールド筒と磁気シールド板とが絶縁材を介して結合されることにより、両者間にまたがる循環電流が阻止される。この結果、コイルのインダクタンスの低下を抑制することができる。
しかしながら、この文献に記載された方法をヒートシンクにそのまま適用すると、ヒートシンクの冷却機能が低下してしまう。なぜなら、コイルの側面に対向する金属部分とコイルの底面に対向する金属部分とが分断され、両部分が絶縁体を介して接続されることになるので、コイルの底面に対向する金属部分は冷却にあまり寄与しなくなってしまうからである。
この発明の目的は、半導体装置と、この半導体装置を冷却するためのヒートシンクと、コイルとを備えた電子機器において、コイルのインダクタンスとヒートシンクの冷却機能とをできるだけ維持しながら、省スペース化を実現することである。
この発明は一局面において電子機器であって、半導体装置と、半導体装置に接続されたコイルと、半導体装置のヒートシンクとして用いられる金属ブロックとを備える。金属ブロックには、コイルの少なくとも一部を挿入するための穴部が形成される。コイルは、コイルの一方の端部が穴部の底面に対向するように穴部に挿入される。金属ブロックには、さらに、穴部の側面部を貫通する貫通スリットと、穴部の底面部の一部を貫通しかつ貫通スリットに接続する貫通孔とが形成されている。貫通スリットは、穴部および貫通孔の各側面部を分割するように、穴部の入口開口から穴部と反対側の貫通孔の開口にまで達する。
この発明によれば、コイルのインダクタンスとヒートシンクの冷却機能とをできるだけ維持しながら、省スペース化を実現することができる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
<実施の形態1>
[電子機器の全体構成]
図1は、この発明の実施の形態1による電子機器において、ヒートシンク4の周辺の構成を示す図である。
[電子機器の全体構成]
図1は、この発明の実施の形態1による電子機器において、ヒートシンク4の周辺の構成を示す図である。
図2は、図1のヒートシンク4をA−B−C−D面に沿って切断した断面図である。図1、図2を参照して、実施の形態1による電子機器は、半導体装置1と、半導体装置1のヒートシンクとして用いられる金属ブロック4と、コンデンサ2と、リアクトル3とを含む。
半導体装置1は、1または複数のパワースイッチング用半導体素子を含む。スイッチング用半導体素子として、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、またはパワーバイポーラトランジスタなどを用いることができる。
コンデンサ2およびリアクトル3でフィルタ回路が構成される。コンデンサ2は半導体装置1と並列に接続され、リアクトル3は半導体装置1と直列に接続される。図1の場合は、リアクトル3はコイル3Aと鉄心などの磁性体コア3Bとで構成されるが、磁性体コア3Bは必ずしも設けられていなくてもよい。
ヒートシンク(heat sink)4は、アルミニウムなどの金属で形成される。半導体装置1は、ヒートシンク4の表面に接着され、半導体装置1で発生した熱がヒートシンク4に放熱される。ヒートシンク4の形状は特に限定されない。
省スペース化のために、ヒートシンク4にはリアクトル3の少なくとも一部を挿入するための穴部50が形成される。図2に示すように、リアクトル3は、コイル3Aの一端が穴部50の底面50BSに対向し、コイル3Aの他端が穴部の入口側となるように配置される。リアクトル3は、たとえば、穴部50の底面50BSと熱伝導性のよい樹脂等で接着されることによって固定される。
ヒートシンク4には、穴部50の側面部50Sを貫通する貫通スリット8が形成される。さらに、ヒートシンク4には、穴部50の底面部50Bの一部を貫通しかつ貫通スリット8に接続する貫通孔9が形成される。貫通スリット8は、穴部50および貫通孔9の各側面部50S,9Sを分割するように、穴部50の入口開口50Eから穴部50と反対側の貫通孔9の開口9Aにまで達している。なお、穴部50および貫通孔9の断面形状は、円形や多角形などでもよく特に限定されない。
図1、図2の場合には、ヒートシンク4は、一例として直方体形状の金属ブロックで形成される(図に示すように、金属ブロックの各辺に沿って座標軸X,Y、Zを定める)。金属ブロックの1つ面(+Z方向側の面)から金属ブロックの内部に向かって直方体形状の穴部50が形成される。穴部50の側面部50SにZ方向に延びる貫通スリット8が形成される。さらに、穴部50の底面部50Bの一部には、断面形状が長方形の貫通孔9が形成される。貫通孔9の+Y方向側の端部が貫通スリット8と接続される。貫通スリット8は、穴部50および貫通孔9の各側面部50S,9Sを分割するように、穴部50の入口開口50Eから穴部50と反対側の貫通孔9の開口9Aまで、Z軸方向に沿って直線状に延びる。すなわち、図1、図2の場合には、貫通スリット8は、直方体形状の金属ブロック4の+Z方向側の面から−Z方向側の面まで達する。
ここで、貫通スリット8と貫通孔9との接続箇所59を通り、穴部50を2等分割する平面を第1の仮想平面51とする。図1の場合、第1の仮想平面51は、点A,B,C,Dを通る平面(YZ平面に平行)であり、ヒートシンク4および磁性体コア3Bは仮想平面51に関して対称となっている。さらに、第1の仮想平面51と垂直方向に穴部50を分割する平面を第2の仮想平面52とする(穴部50の入口開口50Eおよび底面部50Bの各々も仮想平面52によって分割される)。
貫通孔9は、その大きさおよび配置が以下のようになるように形成されることが望ましい。まず、貫通孔9は、第2の仮想平面52よりも貫通スリット8に近接する側に設けられ、貫通スリット8から離反する側には設けられていないことが望ましい。さらに、第2の仮想平面52と垂直方向(Y方向)の貫通孔の最大内寸法(図1の場合、長さa)は、穴部50の底面50BSのY方向の長さ(図1の場合、長さa+c)の約半分であること(すなわち、a=c)が望ましい。さらに、第1の仮想平面51と垂直方向(X方向)の貫通孔9の最大内寸法(図1の場合、長さb)は、第2の仮想平面52と垂直方向(Y方向)の貫通孔9の最大内寸法(図1の場合、長さa)よりも長いことが望ましい。上記のような大きさおよび配置となるように貫通孔9を形成するのが望ましい理由については、図4〜図16を参照して後述する。
貫通スリット8は、ヒートシンク4の放熱性能をできるだけ損なわないようにするために、穴部50を挟んで半導体装置1と反対側に配置されるのが望ましい(逆に言えば、半導体装置1は、ヒートシンク4を構成する金属ブロックの表面上で、第1の仮想平面51と交差し、かつ、穴部50を挟んで貫通スリット8と反対側となるような位置に設けられるのが望ましい)。さらに、貫通スリット8の幅はできるだけ狭いほうが望ましい。
図1では、LISN(擬似電源回路網:Line Impedance Stabilization Network)7、スペクトラムアナライザ5、および直流電源6が、コンデンサ2およびリアクトル3からなるフィルタに配線でさらに接続されている。LISN7およびスペクトラムアナライザ5は図3で説明する伝導ノイズを測定するために必要な測定装置であり、実際の製品には搭載されていない。
[電子機器の等価回路]
図3は、図1、図2に示す電子機器の等価回路図である。図3に示した等価回路では、半導体装置1は、ノードND1,ND2間に直列接続された2個のNチャネルのMOSFET1A,1Bと、MOSFET1A,1Bとそれぞれ逆バイアス方向に並列接続されたダイオード61A,61Bとを含む。ダイオード61A,61Bは、MOSFET1A,1Bの寄生ダイオードとすることもできる。コンデンサ2は、ノードND1,ND2間に半導体装置1と並列に接続され、リアクトル3の一端はノードND1に接続される。
図3は、図1、図2に示す電子機器の等価回路図である。図3に示した等価回路では、半導体装置1は、ノードND1,ND2間に直列接続された2個のNチャネルのMOSFET1A,1Bと、MOSFET1A,1Bとそれぞれ逆バイアス方向に並列接続されたダイオード61A,61Bとを含む。ダイオード61A,61Bは、MOSFET1A,1Bの寄生ダイオードとすることもできる。コンデンサ2は、ノードND1,ND2間に半導体装置1と並列に接続され、リアクトル3の一端はノードND1に接続される。
図3の等価回路では、LISN7は、インダクタ41、コンデンサ42,43および抵抗素子44からなるπ型等価回路で表わされ、スペクトラムアナライザは、抵抗素子44と並列に接続された抵抗素子45で表わされる。
[伝導ノイズについて]
MOSFET1A,1Bをスイッチングすることによりスイッチングノイズが発生する。配線を通じて直流電源6側に流れるスイッチングノイズを伝導ノイズと呼び、LISN7を経由してスペクトラムアナライザ5で計測される。伝導ノイズは、たとえばCISPR25(国際無線障害特別委員会(CISPR)が作成した「車載受信機保護のための妨害波の限度値及び測定法」に関する規格)のような国際規格で上限値が定められている。
MOSFET1A,1Bをスイッチングすることによりスイッチングノイズが発生する。配線を通じて直流電源6側に流れるスイッチングノイズを伝導ノイズと呼び、LISN7を経由してスペクトラムアナライザ5で計測される。伝導ノイズは、たとえばCISPR25(国際無線障害特別委員会(CISPR)が作成した「車載受信機保護のための妨害波の限度値及び測定法」に関する規格)のような国際規格で上限値が定められている。
伝導ノイズを低減させるために、図1と図2に示すリアクトル3とコンデンサ2で形成するフィルタを実装している。たとえばリアクトル3のインダクタンスは数μH以上、コンデンサ2の静電容量は数μF以上がよく使用される。CISPR25で規制されている伝導ノイズの周波数は、150kHz以上である。150kHz以上の周波数では、数μH以上のリアクトル3のインピーダンスは、数μF以上のコンデンサ2のインピーダンスより高い。よって、伝導ノイズはコンデンサ2側に流れやすくなり、リアクトル3とコンデンサ2を実装しない場合に比べて、スペクトラムアナライザ5で計測される伝導ノイズは低減する。スペクトラムアナライザ5で計測される伝導ノイズの低減量は、おおまかには、リアクトル3とコンデンサ2のインピーダンスの比率によって定まる。よって、リアクトル3のインダクタンスとコンデンサ2の静電容量を増加させるほど、スペクトラムアナライザ5で計測される伝導ノイズは低減する。しかし、コンデンサ2には、図示していないがコンデンサ2を実装するために配線を用いるので、配線のインダクタンスの影響により、コンデンサ2単体の静電容量から定まるインピーダンスより、実際のコンデンサ2のインピーダンスは増加する。よって、コンデンサ2を実装するために用いる配線は、できるだけ短くすることが望ましい。
[比較例:貫通スリット8および貫通孔9が設けられていない場合]
図4は、図1の比較例として、ヒートシンク4に貫通スリット8および貫通孔9が設けられていない場合を示す図である。図4に示すヒートシンク4は、図1、図2に示すヒートシンク4の穴部50の側面部50Sを分割する貫通スリット8と、穴部50の底面部50Bを貫通する貫通孔9を有していない。
図4は、図1の比較例として、ヒートシンク4に貫通スリット8および貫通孔9が設けられていない場合を示す図である。図4に示すヒートシンク4は、図1、図2に示すヒートシンク4の穴部50の側面部50Sを分割する貫通スリット8と、穴部50の底面部50Bを貫通する貫通孔9を有していない。
図5は、図4のヒートシンク4をJ−K−L−M面に沿って切断した断面図である。図5には、ヒートシンク4内に生じる誘導電流13と、磁性体コア3B内に生じる磁束12,14,15とが示されている。
図4、図5を参照して、リアクトル3のコイル3Aに伝導ノイズによる電流が流れると、リアクトル3の磁性体コア3Bに点線で示したコイル3Aの作る磁束12(大きさをΦ1とする)が発生する。この磁束12を打消すように、ヒートシンク4内に誘導電流13が流れる。誘導電流13によってリアクトル3の磁性体コア3Bに、磁束12とは逆向きの磁束14(大きさをΦ2とする)が発生する。よって、最終的にリアクトル3の磁性体コアに発生する合成された磁束15の大きさはΦ1―Φ2となり、元々発生した磁束12の大きさΦ1よりも減少してしまう。
したがって、最終的にリアクトル3に発生する磁束15の大きさΦ1―Φ2を大きくするためには、誘導電流13によって生じる逆向きの磁束14の大きさΦ2を減らす必要がある。図1、図2で示した貫通スリット8および貫通孔9はこのために設けられている。貫通スリット8によって穴部50および貫通孔9の各側面部50S,9Sが分割されることによって側面部50S,9Sを環流する電流が阻止される。さらに、貫通孔9によって底面部50Bを流れる電流が制限される。
[貫通孔9の最適な形状および配置について]
以下、貫通孔9の内寸法a,bを変化させた場合に、ヒートシンク4の表面に流れる誘導電流分布が変化する様子を電磁界解析を用いて検討した結果ついて説明する。
以下、貫通孔9の内寸法a,bを変化させた場合に、ヒートシンク4の表面に流れる誘導電流分布が変化する様子を電磁界解析を用いて検討した結果ついて説明する。
図6は、電磁界解析を行なったヒートシンク4の形状を示す斜視図である。図6に示すように、直方体状のヒートシンク4の外形寸法について、X方向の長さL1を34[mm]とし、Y方向の長さL2を34[mm]とし、Z方向の長さL3を18[mm]とする。穴部50の形状を直方体とし、その入口開口50EのX方向の長さM1を22[mm]とし、Y方向の長さM2を22[mm]とする。貫通孔9の断面形状を長方形とし、そのX方向の長さをb[mm]とし、貫通孔9のY方向の長さをa[mm]とする。なお、以下の図7〜図15には図示していないが、リアクトル3は図1、図2の場合と同様に実装されているものとする。
(1.貫通スリット8および貫通孔9が設けられていない(a=b=0)場合)
図7は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=b=0の場合)。
図7は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=b=0の場合)。
図8は、図7に示すヒートシンク4を仮想平面51に沿って切断した断面図である。図8を参照して、穴部50の側面部50Sのうち一点鎖線で囲まれた領域19に着目すると、この領域19内の流れる誘導電流16の方向は全て+Y方向(順方向とする)であるので、図5で説明した逆向きの磁束14の大きさΦ2が大きくなる。これに対して、以下に示すように、領域19内の上側を流れる電流の向きと下側を流れる電流の向きとを逆向きにできれば、図5の磁束14の大きさΦ2を小さくできる。
(2.a=22,b=4の場合)
図9は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=22,b=4の場合)。図9では、a>bとなっており、仮想平面51に沿って設けられた貫通孔9によって穴部50の底面部50Bが分断されている場合を示す。
図9は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=22,b=4の場合)。図9では、a>bとなっており、仮想平面51に沿って設けられた貫通孔9によって穴部50の底面部50Bが分断されている場合を示す。
図10は、図9に示すヒートシンク4を仮想平面51に沿って切断した断面図である。図10に示すように、穴部50の側面部50Sの領域19内の下側には、下向き(−Z方向)の電流成分のものが生じるので、図5で説明した磁束14の大きさΦ2を図8の場合よりも小さくできる。
(3.a=4.5,b=22の場合)
図11は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=4.5,b=22の場合)。図11では、a<bとなって、仮想平面52よりも貫通スリット8に近い側には貫通孔9が設けられているが、仮想平面52よりも貫通孔9から遠い側には貫通孔が設けられていない。
図11は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=4.5,b=22の場合)。図11では、a<bとなって、仮想平面52よりも貫通スリット8に近い側には貫通孔9が設けられているが、仮想平面52よりも貫通孔9から遠い側には貫通孔が設けられていない。
図12は、図11に示すヒートシンク4を仮想平面51に沿って切断した断面図である。図12に示すように、穴部50の側面部50Sの領域19内には、下向き(−Z方向)の電流や、逆方向(−Y方向)の電流17が生じるので、図10の場合よりもさらに図5で説明した磁束14の大きさΦ2を小さくできる。
(4.a=11,b=22の場合)
図13は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=11,b=22の場合)。図13の場合は、図11の場合よりもY方向の貫通孔9の長さaを長くした場合である。
図13は、ヒートシンク4を穴部50の入口開口50E側から見た平面図である(a=11,b=22の場合)。図13の場合は、図11の場合よりもY方向の貫通孔9の長さaを長くした場合である。
図14は、図13に示すヒートシンク4を仮想平面51に沿って切断した断面図である。図14に示すように、穴部50の側面部50Sの領域19内に流れる下向き(−Z方向)の電流および逆方向(−Y方向)の電流17は、図12の場合よりも増加させることができる。したがって、図5で説明した磁束14の大きさΦ2は、図12の場合よりもさらに減少させることができる。
(5.貫通孔9の形状による効果のまとめ)
図15は、電磁界解析を行なったヒートシンク4の形状を示す平面図(穴部50の入口開口50E側から見た平面図)である。図15(A)には、貫通孔9のY方向(仮想平面51と平行な方向)の長さaを22[mm]に固定し、貫通孔9のX方向(仮想平面51と垂直な方向)の長さbを変化させた場合を示す。図15(B)には、貫通孔9のX方向(仮想平面51と垂直な方向)の長さbを22[mm]に固定し、貫通孔9のY方向(仮想平面51と平行な方向)の長さaを変化させた場合を示す。いずれの場合も、貫通孔9は仮想平面51に対して対称となるように形成される。なお、穴部50の入口開口50Eおよび底面50BS(貫通孔9の部分を含む)は、それぞれX方向の長さが22[mm]であり、Y方向の長さが22[mm]であるので、入口開口50Eおよび底面50BSの面積はそれぞれ484mm2となる。
図15は、電磁界解析を行なったヒートシンク4の形状を示す平面図(穴部50の入口開口50E側から見た平面図)である。図15(A)には、貫通孔9のY方向(仮想平面51と平行な方向)の長さaを22[mm]に固定し、貫通孔9のX方向(仮想平面51と垂直な方向)の長さbを変化させた場合を示す。図15(B)には、貫通孔9のX方向(仮想平面51と垂直な方向)の長さbを22[mm]に固定し、貫通孔9のY方向(仮想平面51と平行な方向)の長さaを変化させた場合を示す。いずれの場合も、貫通孔9は仮想平面51に対して対称となるように形成される。なお、穴部50の入口開口50Eおよび底面50BS(貫通孔9の部分を含む)は、それぞれX方向の長さが22[mm]であり、Y方向の長さが22[mm]であるので、入口開口50Eおよび底面50BSの面積はそれぞれ484mm2となる。
図16は、図15(A),(B)に示したヒートシンク4の形状に対して電磁界解析よって計算したリアクトル3のインダクタンスの大きさを示す図である。図16では、インダクタンスの大きさ[μH]が貫通孔9の断面積との関係で示されている。図中の丸(実線のグラフ)が図15(A)の場合の計算結果を示し、図中の四角(破線のグラフ)が図15(B)の計算結果を示す。
図15を参照して、ヒートシンク4の放熱性能は、ヒートシンク4全体の体積が大きいほど大きくなるので、貫通孔9の断面積が小さいほどヒートシンク4の放熱性能は優れていると考えられる。
一方、図16を参照して、図15(A)の場合のインダクタンス値と図15(B)の場合とインダクタンス値とを比較すると、同じ貫通孔9の断面積に対して図15(B)のほうがインダクタンスが高くなるので優れていることがわかる。
特に、図15(B)の場合には、長さaの増加に伴って、貫通孔9の断面積が、底面50BS全体の面積484mm2の約25%である120mm2程度に増加するまでの間に、インダクタンスの値は最大値の95%程度まで急激に増加する。貫通孔9の断面積が底面50BS全体の面積484mm2の約50%である約240mm2より大きくなると、インダクタンスの値は飽和する。したがって、ヒートシンク4の放熱性能とリアクトル3のインダクタンスの大きさの両方をできるだけ大きくするためには、貫通孔9の断面積は穴部50の底面全体の面積のおよそ25%以上かつおよそ50%以下であることが望ましく、特に穴部50の底面全体の面積の50%程度であることが最も望ましい。
このように、リアクトル3を挿入するためにヒートシンク4に設けられた穴部50に対して、貫通スリット8および貫通孔9とを図1、図2に示したような形状に形成すれば、ヒートシンク4の放熱性能の低下をできるだけ抑制するとともに、インダクタンスの低下をできるだけ抑制することができる。この結果、スペクトラムアナライザ5で検出される伝導ノイズをより低減させることができる。
[リアクトル3のZ方向の配置について]
以下、穴部50の深さ方向(Z方向)のリアクトル3の配置について補足する。
以下、穴部50の深さ方向(Z方向)のリアクトル3の配置について補足する。
図1、図2を参照して、リアクトル3の下端部を穴部50の底面50BSに対向させたとき、リアクトル3の上端部は穴部50の入口開口50Eよりも低くしないほうがよい。上端部が入口開口50Eよりも低くなると、リアクトル3のインダクタンスの低下がより大きくなるし、省スペースの点でも有利な点はない。逆に、リアクトル3の上端部を穴部50の入口開口50Eよりも高くすると、インダクタンスはより高くなるが省スペースの点で不利である。
図1、図2の場合には、以上の点を考慮して、磁性体コア3Bの上端部に設けられた直径の大きな部分を穴部50の入口開口50Eよりも突出させ、その他の部分が穴部50の内部になるように配置している。
<実施の形態2>
図17は、自動車に搭載されるモータ一体型の電動パワステアリング(EPS:Electric Power Steering)の一例を示す図である。図17では、筐体30に内蔵されている各部品をモータシャフト31に沿って平行移動して示している。
図17は、自動車に搭載されるモータ一体型の電動パワステアリング(EPS:Electric Power Steering)の一例を示す図である。図17では、筐体30に内蔵されている各部品をモータシャフト31に沿って平行移動して示している。
図18は、図17のEPSに内蔵される各部品の等価回路図である。図17には図示していないが、モータ26が筐体30内に内蔵されている。半導体装置71に内蔵されたNチャネルMOSFET1A,1B、半導体装置72に内蔵されたNチャネルMOSFET1C,1D、および半導体装置73に内蔵されたNチャネルMOSFET1E,1Fによって構成されるインバータ27によって、モータ26の回転が制御される。
マイコン21はガラスエポキシなどに形成された制御基板20上に実装される。マイコン21による信号を受信して、MOSFET1A〜1Fのオン・オフが制御される。
半導体装置71,72,73は、アルミニウムなどの金属製のヒートシンク4上に実装される。半導体装置71,72,73には、電源ライン24とグラウンドライン23とを介して直流電圧が供給される。電源ライン24とグラウンドライン23は周辺と絶縁するため樹脂22およびコネクタ25で覆われている。
直流電源6は、LISN7経由して、電源ライン24とグラウンドライン23との間に直流電圧を供給する。ヒートシンク4には、図1、図2と同様の構造の穴部、貫通スリット、および貫通孔が形成され、穴部にリアクトル3が挿入される。リアクトル3のコイル3Aは、直流電源6とインバータ27との間の電源ライン24に挿入される。コンデンサ2は、電源ライン24とグラウンドライン23との間に接続される。
次に動作について説明する。マイコン21の制御信号に応答してMOSFET1A〜1Fがスイッチングする。そのスイッチングによる伝導ノイズが、リアクトル3およびコンデンサ2を経由して、LISN7に接続されたスペクトラムアナライザ5で観測される。リアクトル3とコンデンサ2は伝導ノイズをデカップリングするフィルタの役割がある。
MOSFET1A〜1Fのスイッチング周波数は20kHzであり、CISPR25で規制されている下限周波数の150kHzに比べて小さいので、150kHzが最も伝導ノイズが高くなり、ノイズ低減の要求が高い。リアクトル3をヒートシンク4に設けた穴部に挿入し、図1、図2で説明したような構造の貫通スリットおよび貫通孔を設けることによって、貫通スリットおよび貫通孔を設けない場合に比べて、150kHzの周波数にける伝導ノイズを10dB低減できる。
EPSは自動車に実装するために、伝導ノイズによりカーラジオの聴講に影響があってはいけない。150kHz〜300kHzはカーラジオで使われる周波数で、自動車メーカから伝導ノイズの低減要求が強い周波数帯である。本願発明では、最も伝導ノイズが高くなる150kHzにおいて、伝導ノイズを大幅に低減できるので、カーラジオの聴講への影響を小さくできる。
また、EPSは、自動車の操舵部に実装されるために、自動車メーカからの小型化要求が厳しく、リアクトルもヒートシンクに埋め込み構造にするなどにして半導体装置と一体構造にすることで小型化を達成でき、実装性改善に効果的である。
さらに、EPSは、MOSFET71,72,73で最大80Aの大きな電流を制御するため発熱量が多く、放熱性能の向上が望まれている。本願発明では、リアクトル3周辺のヒートシンク(金属ブロック)4の放熱特性を向上させることで、MOSFETからの熱を効果的に放熱できる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,71〜73 半導体装置、1A〜1F MOSFET、2 コンデンサ、3 リアクトル、3A コイル、3B 磁性体コア、4 ヒートシンク(金属ブロック)、5 スペクトラムアナライザ、6 直流電源、7 LISN、8 貫通スリット、9 貫通孔、20 制御基板、50 穴部、50B 底面部、50E 入口開口、50S 側面部、51 第1の仮想平面、52 第2の仮想平面、59 接続箇所。
Claims (7)
- 半導体装置と、
前記半導体装置に接続されたコイルと、
前記半導体装置のヒートシンクとして用いられる金属ブロックとを備え、
前記金属ブロックには、前記コイルの少なくとも一部を挿入するための穴部が形成され、
前記コイルは、前記コイルの一方の端部が前記穴部の底面に対向するように前記穴部に挿入され、
前記金属ブロックには、さらに、前記穴部の側面部を貫通する貫通スリットと、前記穴部の底面部の一部を貫通しかつ前記貫通スリットに接続する貫通孔とが形成されており、
前記貫通スリットは、前記穴部および前記貫通孔の各側面部を分割するように、前記穴部の入口開口から前記穴部と反対側の前記貫通孔の開口にまで達する、電子機器。 - 前記貫通スリットと前記貫通孔との接続箇所を通りかつ前記穴部を2等分割する平面を第1の仮想平面とし、前記第1の仮想平面と垂直な方向に前記穴部を分割する平面を第2の仮想平面としたとき、前記貫通孔は、前記第2の仮想平面よりも前記貫通スリットに近い側に設けられる、請求項1に記載の電子機器。
- 前記第1の仮想平面に垂直な方向の前記貫通孔の最大内寸法は、前記第2の仮想平面に垂直な方向の前記貫通孔の最大内寸法よりも大きい、請求項2に記載の電子機器。
- 前記穴部の底面全体のうちで前記貫通孔に用いられる部分の面積は、前記穴部の底面全体の面積の約25%以上約50%以下である、請求項2または3に記載の電子機器。
- 前記半導体装置は、前記金属ブロックの表面上で、前記穴部を挟んで前記貫通スリットと反対側となるような位置に設けられる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子機器。
- 前記電子機器は、
モータと、
複数の前記半導体装置によって構成され、前記モータの回転を制御するインバータとをさらに備え、
前記インバータは、電源ラインを介して直流電源から直流電圧の供給を受け、
前記インバータを構成する複数の前記半導体装置は、前記金属ブロック上に実装され、
前記コイルは、前記直流電源と前記インバータとの間の前記電源ラインに挿入されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子機器。 - 前記モータは、電動パワステアリングに用いられる、請求項6に記載の電子機器。
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