JP4775108B2 - パワー電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源、インバータ，力率改善回路などを対象とするパワー電子機器に関し、詳しくはその回路を構成しているパワー半導体素子、トランス，リアクトルなどの発熱部品に対する冷却構造に係わる。

周知のように、ＤＣ−ＤＣコンバータなどのスイッチング電源，インバータ，力率改善回路の機器は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴなどのスイッチング素子）に高周波トランス，リアクトルなどの電磁部品，および整流ダイオード，平滑コンデンサを組み合わせ、これら部品をプリント板に搭載した上で筐体に収容して構成している。

ここで、従来におけるパワー電子機器の構成では、発熱部品であるパワー半導体素子にはヒートシンクを取り付けて半導体素子の発熱を放熱するようにし、トランス，リアクトルなどの発熱部品に対しては筐体内に冷却風を導風して冷却するようにしており（例えば、特許文献１参照）、次にその主要部の組立構造を模式図として図２に表す。

図２（ａ），（ｂ）において、１はパワー半導体素子（スイッチング素子）１ａは半導体素子１の端子リード、２はパワー半導体素子１に取り付けた放熱用のヒートシンク、２ａはヒートシンク２に形成した放熱フィン、３は磁性体（例えば、円筒状のトロイダルコア）３ａに巻線（一次巻線）３ｂ，巻線（二次巻線）３ｃを巻装したトランス（ないしリアクトル）の電磁部品、４はパワー半導体素子１および電磁部品３を搭載したプリント板、５は半導体素子１とヒートシンク２との間の重ね合わせ面に塗布した伝熱ペーストであり、この回路組立体に対して図示矢印のように冷却風を送風して発熱部品を冷却するようにしている。
特開平１１−３４６０６９号公報（第１−２頁，図１）

ところで、前記した従来構造の冷却方式では、冷却性能面で次記のような問題点がある。すなわち、パワー半導体素子１には熱伝導性の高いアルミなどの金属で作られたヒートシンク２を取り付けているので高い冷却能力が確保できるが、トランス，リアクトルなどの電磁部品３（通電に伴い磁性体３ａには鉄損，巻線３ｂ，３ｃには銅損が発生する）は風冷であることから半導体素子１に比べて冷却効率が低い。そこで、従来は電磁部品３に鉄心断面積が大きな磁性体３ａを用い、また線径の大きな素線で巻線３ｂ，３ｃを形成するなどして電磁部品の鉄損，銅損による過渡な温度上昇を抑制するよう対処しているが、このために電磁部品３が大形化，コスト高となる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パワー半導体素子に取り付けたヒートシンクを巧みに活用してトランス，リアクトルなどの発熱部品を効果的に冷却できるように組立構造を改良したパワー電子機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、パワー半導体素子、およびトランス，リアクトルなどの電磁部品を備えたパワー電子機器で、前記パワー半導体素子にヒートシンクを組み合わせて半導体素子の発生熱を放熱するようにしたものにおいて、
前記ヒートシンクに電磁部品を伝熱的に結合するものとし、具体的には次記のような態様で構成する。
（１）前記電磁部品の磁性体を巻鉄心として、前記ヒートシンクに延長部を形成し、このヒートシンクの延長部に前記巻鉄心で構成した電磁部品の磁性体を嵌着して伝熱的に結合する（請求項１）。
（２）前項（１）において、ヒートシンクと電磁部品の巻線とを電気絶縁性の高熱伝導材を介して伝熱的に結合する（請求項２）。
（３）前項（１）または（２）において、ヒートシンクと電磁部品の磁性体とを高熱伝導材を介して伝熱的に結合する（請求項３）。
（４）前項（３）において、高熱伝導材として電気絶縁性の伝熱ペースト，ないし伝熱シートなどを用いる（請求項４）。
（５）前項（１）〜（４）のいずれか１項において、ヒートシンクの延長部を通電路として電磁部品の巻線を構成する（請求項５）。

上記の構成によれば、パワー半導体素子のヒートシンクを利用して、電磁部品の発生熱を効率よくヒートシンクに放熱することができる。しかも、ヒートシンクは半導体素子，電磁部品に共用することで新たに冷却部品を追加する必要もなく、従来の冷却方式と比べて機器の低コスト化，冷却性能の向上が図れる。

また、ヒートシンクに形成した延長部を導電路として電磁部品の巻線を兼用するよう構成することで、機器の組立構造が簡素化される。

以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図２に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

すなわち、図示実施例の組立構造においては、パワー半導体素子１の上面に取り付けたヒートシンク（例えば、アルミ製）２を側方に延長し、かつその延長部２ｂの両端には下向きに起立する脚状の端子２ｃ，２ｄを形成した上で、この脚状端子２ｂ，２ｃを半導体素子１の端子リード１ａとともにプリント板４のスルーホールに挿入実装またはネジ止めしている。また、ヒートシンク２の延長部２ｂは中間部位の放熱フィン２ａを除去したした上で、この延長部２ｂに分割形の巻鉄心（トロイダルコア）になる磁性体３ａを嵌着し、ヒートシンク２の延長部２ｂを一次巻線，磁性体（トロイダルコア）３ｂに巻装した巻線３ｃを二次巻線として電磁部品（トランス）３を構成するようにしている。

そして、前記の回路組立体に対し、ヒートシンク２の延長部周面と電磁部品３の磁性体３ａ，巻線３ｃとの間に熱伝導性の高い伝熱材として電気絶縁性の伝熱ペースト（あるいは軟質な可塑性の伝熱シート）５を隙間なく充填し、この伝熱ペースト５を介して電磁部品３の発生熱をヒートシンク２に伝熱して放熱するようにしている。

上記の組立構造によれば、通電に伴って電磁部品３に生じた熱（磁性体３ａの鉄損，巻線３ｃの銅損）をヒートシンク２に放熱することができ、これによりパワー半導体素子１と同様に電磁部品３を効率よく冷却して過渡な温度上昇を抑制することができる。

なお、図示の実施例では、ヒートシンク２の延長部２ｂを端子付きの導電路として電磁部品（トランス）３の一次巻線を構成しているが、この構造に限定されるものではなく、図２に示した電磁部品３と同様に磁性体３ａに巻線３ｂを巻装して電磁部品（トランス）３を構成してもよいことは勿論である。また、電磁部品３がリアクトルである場合には磁性体３ａに巻装する巻線は一組とする。

本発明の実施例によるパワー電子機器の主要部を模式的に表した組立構造図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側面図、および平面図 従来におけるパワー電子機器の主要部を模式的に表した組立構造図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側面図、および平面図

１ パワー半導体素子
２ ヒートシンク
２ｂ 延長部
３ 電磁部品
３ａ 磁性体
３ｂ，３ｃ 巻線
４ プリント板
５ 伝熱ペースト（電気絶縁性の高熱伝導材）

Claims (5)

1. パワー半導体素子、および変圧器，リアクトルなどの電磁部品を備えたパワー電子機器であって、パワー半導体素子にヒートシンクを組み合わせて半導体素子の発生熱を放熱するようにしたものにおいて、前記電磁部品の磁性体を巻鉄心として、前記ヒートシンクに延長部を形成し、このヒートシンクの延長部に前記巻鉄心で構成した電磁部品の磁性体を嵌着して伝熱的に結合したことを特徴とするパワー電子機器。
2. 請求項１に記載のパワー電子機器において、ヒートシンクと電磁部品の巻線とを電気絶縁性の伝熱材を介して伝熱的に結合したことを特徴とするパワー電子機器。
3. 請求項１または２に記載のパワー電子機器において、前記ヒートシンクと電磁部品の磁性体とを伝熱材を介して伝熱的に結合したことを特徴とするパワー電子機器。
4. 請求項３に記載のパワー電子機器において、伝熱材が高熱伝導性の伝熱ペースト，ないし伝熱シートであることを特徴とするパワー電子機器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワー電子機器において、ヒートシンクの延長部を通電路として電磁部品の巻線を構成したことを特徴とするパワー電子機器。

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