JP5279345B2 - 電力変換装置の収納構造 - Google Patents

Description

この発明は、民生機器や産業用機器等で用いられる電力変換装置の例えば樹脂ケースへの収納構造に関するものである。

近年、電力変換装置は、家庭用エアコンや冷蔵庫など民生機器だけでなく、インバータやサーボコントローラなどの産業機器、さらに電気自動車など、広範囲の分野で使用されている。

このような電力変換装置の収納構造としては、例えば、特許文献１に示されたものがある。すなわち、従来の収納構造は、金属ベース、主端子、制御端子、入出力端子がインサート成形された樹脂ケースに、底部の金属ベース上に主回路基板を配置し、制御回路基板をこの主回路基板の一側端側に立設した配線部材に片側を保持させて主回路基板の直上に配置し、制御回路基板の表裏面を絶縁樹脂で樹脂封止すると、底部側の主回路基板の表面も樹脂封止される構造である。そして、前記主回路基板を冷却するための放熱板（ヒートシンク）が、前記金属ベースの外面に露出して取り付けられる構造である。なお、主回路基板には主回路を構成するパワー素子が金属ワイヤにて配線した状態で搭載されている。また、制御回路基板には、前記パワー素子を駆動する制御回路が搭載されている。

特開平１１−６８０３５号公報（図９）

しかし、従来の収納構造では、制御回路基板は主回路基板の表面側に配線された金属ワイヤとの絶縁距離を大きくする必要があることから離間距離が大きくなるので、樹脂量が多くなり、また、制御回路基板を支持する配線部材も長くなる。樹脂量が多くなるということは、装置の重量化を意味する他に、樹脂の加熱硬化時間が長くなる結果、生産性を圧迫するので、コストの増加を意味する。

また、充填した絶縁樹脂は、樹脂ケースの振動に伴って揺動するので、制御回路基板を支持する配線部材が長くなると、配線部材は振動時に起こる樹脂の揺れと共振しやすくなり、制御回路基板の揺れが大きくなる。この場合に、配線部材に掛かる負荷が大きくなって配線部材が折れ曲がると、主回路基板上の金属ワイヤと制御回路基板との間で短絡不良が発生する可能性がある。そして、このような振動共振によって樹脂ケースや主回路基板が撓むと、主回路基板上の金属ワイヤが断線する可能性がある。

さらに、樹脂封止時に発生する気泡は、絶縁樹脂の加熱硬化時に、気泡体積膨張とともに大気中に放出されるが、従来の収納構造では、充填樹脂層が厚いために、大気放出までの距離が長くなるので、気泡が絶縁樹脂層内に残存して加熱硬化時にボイドとなる可能性が高いと言える。つまり、制御回路基板と主回路基板間の絶縁性能が低下する可能性があり、問題である。

なお、別構造として、制御回路基板を縦置きにする場合があるが、ボイドが抜けやすくなる反面、樹脂量が多いことによる上記の重量化等の問題がある。

加えて、制御回路基板は発熱部品を有する主回路基板の直上に配置されるため、主回路基板での発熱が樹脂を介して制御回路基板に伝導される。これによって、制御回路基板の熱に弱い部品（コンデンサ等）が損傷する可能性があり、問題である。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、必要絶縁材量を少なくして、装置の軽量化、耐振動性の向上、生産性の向上、低コスト化を実現可能な電力変換装置の収納構造を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明にかかる電力変換装置の収納構造は、ケースの底部に、電力変換装置の主回路を搭載する主回路基板及び制御回路を搭載する制御回路基板を横並びに固定配置する電力変換装置の収納構造であって、前記制御回路基板は、裏面が前記ケースの底部に突設した台座に接着固定され、前記主回路基板は、表面を前記ケースの底部面と略同一の位置に位置させて固定され、前記ケースに充填した絶縁材によって、前記制御回路基板の表裏面と前記主回路基板の表面とがそれぞれ絶縁材による封止がなされており、前記制御回路基板の前記主回路基板と対面しない側端側と前記ケースとの間に、注入された絶縁材を当該制御回路基板の裏面側に流入させるための流入口が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、主回路基板及び制御回路基板を、必要樹脂量を少なくする横並びに固定配置としたので、装置の軽量化、耐振動性の向上、生産性の向上、低コスト化を実現可能な電力変換装置の収納構造が得られるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる電力変換装置の収納構造の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、電力変換装置の一般的な電気的構成を示す回路図である。図２及び図３は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の収納構造を示す平面図及び断面図である。

（電力変換装置の電気的構成と動作）
まず、電力変換装置の電気的構成と動作について簡単に説明する。図１に示すように、電力変換装置は、三相交流電源２７が接続される入力端子５ａと、三相モータ（Ｍ）２８が接続される出力端子５ｂと、入力端子５ａと出力端子５ｂの間に配置される主回路２２と、主回路２２を制御等する制御回路２３と、制御回路２３の動作電源を生成する電源回路２４とを備えている。制御回路２３には、マイクロコンピュータを主要素として構成される主回路駆動回路及び保護回路が含まれている。

主回路２２は、入力端子５ａが接続されるコンバータ部２２ａと、出力端子５ｂが接続されるインバータ部２２ｃと、それらの間に配置される平滑コンデンサ２２ｂとで構成される。

コンバータ部２２ａは、ダイオードなどの整流素子（パワー素子）９のブリッジで構成され、入力端子５ａからの三相交流電圧を全波整流して出力する。平滑コンデンサ２２ｂは、コンバータ部２２ａの直流出力端間の整流電圧を平滑化して保持する。インバータ部２２ｃは、平滑コンデンサ２２ｂの端子間に直列に接続された２個のスイッチング素子（パワー素子）１０の３組が、制御回路２３における主回路駆動回路からのＰＷＭ信号に従って平滑コンデンサ２２ｂの端子間電圧をスイッチングして所定周波数の交流電圧に変換し、出力端子５ｂを介して三相モータ２８に供給する。

（電力変換装置の回路基板構成）
電力変換装置の回路基板は、大きく分けて、主回路２２のコンバータ部２２ａ及びインバータ部２２ｃを搭載する主回路基板と、制御回路２３を搭載する制御回路基板と、電源回路２４を搭載する電源回路基板とで構成される。主回路２２の平滑コンデンサ２２ｂは電源回路基板に搭載されるが、図２、図３では、電源回路基板の図示を省略してある。なお、主回路基板は、例えばセラミックス基板や金属基板を用いて形成されている。また、多層構成の制御回路基板は、例えばガラエポ基板を用いて形成されている。

（この実施の形態１による電力変換装置の収納構造）
図２及び図３において、符号１は、この実施の形態では、例えば樹脂ケースであり、例えばＰＰＳ樹脂やＰＢＴ樹脂などを用いて、図１に示した構成の電力変換装置を基板単位で収納できる形状に形成された樹脂成型品である。樹脂ケース１は、その外周囲に、配線部材である主回路端子台５、主端子６及び制御端子７がインサート成形されている。但し、図３に示すように樹脂ケース１の底部には、従来例のような金属ベースはインサート成形されていない。

この樹脂ケース１の底部側に、主回路基板２と制御回路基板３とが水平横方向に並んで固定配置されている。具体的には、図３に示すように、制御回路基板３は、その裏面が樹脂ケース１の底部に突設した台座１１に接着固定されている。つまり、制御回路基板３の裏面と樹脂ケース１の底部面との間には、台座１１の高さだけの隙間が形成される構造になっている。なお、台座１１の高さは、制御回路基板３の裏面に載置される電子部品（図示せず）の高さよりも高くなっている。

また、主回路基板２は、樹脂ケース１の底部に開けた開口部に嵌め込まれ、その外周囲が当該開口部の内周縁に接着固定されている。つまり、主回路基板２の表面位置は、制御回路基板３の裏面位置よりも低い樹脂ケース１の底部面と略同一面上にあり、主回路基板２の裏面は、外部に露出している。この配置態様で樹脂ケース１に絶縁材としての絶縁樹脂４が充填され、制御回路基板３の表裏面と主回路基板２の表面とが樹脂封止される構造になっている。なお、絶縁樹脂４は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などである。

主回路端子台５には、図１に示した入力端子５ａと出力端子５ｂとが割り当てられている。主端子６と主回路基板２との間、制御端子７と制御回路基板３との間、主回路基板２と制御回路基板３との間は、それぞれ、金属ワイヤ（例えばアルミワイヤ）で電気的に接続されている。また、主端子６と制御端子７は、平滑コンデンサ２２ｂが搭載される図示しない電源回路基板に接続されている。

主回路基板２の表面には、コンバータ部２２ａのパワー素子９とインバータ部２２ｃのパワー素子１０とが配置され、また金属パターン２１が形成されている。パワー素子９，１０は、金属パターン２１に半田接合されているとともに、金属パターン２１との間が金属ワイヤ８で電気的に接続され、また主回路端子台５との間が金属ワイヤ８で電気的に接続されている。また、主回路基板２と制御回路基板３との間も金属ワイヤ８で電気的に接続されている。これらの金属ワイヤ８による配線長は、いずれも短いものになっている。なお、主回路基板２の外部に露出している裏面には、ヒートシンク（図示せず）が取り付けられ、パワー素子９，１０の発熱を放散できるようになっている。

制御回路基板３の表面には、制御回路２３の主回路駆動回路及び保護回路を実現するマイクロコンピュータ１２が載置され、また、背の低い部品の他に、背の高いフォトカプラ１８が載置されている。制御回路基板３の表面上に充填される絶縁樹脂４の層厚は、フォトカプラ１８の高さを少し超えた程度になっている。

そして、樹脂封止に関わる構成として、制御回路基板３の主回路基板２と対面しない側端側と樹脂ケース１との間に、流入口１３が設けられ、注入樹脂を制御回路基板３の裏面側に流入させ得るようになっている。具体的には、図３に示すように、制御回路基板３の主回路基板２と対面しない側端側における樹脂ケース１の底部は、制御回路基板３が配置される底部よりも１段高くなっていて、その段差部と制御回路基板３の主回路基板２と対面しない側端側との間に流入口１３となる隙間を設けてある。

そして、流入口１３が設けられている側の樹脂ケース１の外周には、注入樹脂を一時滞留する樹脂だまり２６が設けられ、流入口１３への定期的な樹脂注入が行えるようになっている。また、制御回路基板３の主回路基板２と対面する側端側に、排出口１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられ、制御回路基板３の裏面側から出る樹脂を主回路基板２の表面上へ押し出せるようになっている。排出口１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、台座１１の配置態様を工夫して作られている。さらに、制御回路基板３の表面の制御端子７側に、流入穴１７が設けられ、表面を流れる樹脂を裏面側へ流入させ得るようになっている。

（絶縁樹脂４の充填方法）
絶縁樹脂４を主回路基板２側から注入すると、注入樹脂は、主回路基板２の表面を覆いつつ制御回路基板３に向かって流れる。この場合、制御回路基板３の表面は主回路基板２の表面と同様に問題なく樹脂封止できるが、制御回路基板３の裏面側は流動抵抗が高く、樹脂の流れが悪くなり、ボイドが発生する。

そこで、絶縁樹脂４を樹脂だまり２６に滞留させて、矢印２５で示すように、流入口１３から制御回路基板３の主回路基板２と対面しない側端側に向けて樹脂が定期的に流れ込むように樹脂注入を行う。これを、樹脂だまり２６に絶縁樹脂４を補充しながら行う。

これによって、制御回路基板３の裏面側には流入口１３から樹脂注入が定期的に行われるので、制御回路基板３の裏面樹脂流れは、一定圧で制御されることになる。これによって、制御回路基板３の裏面側は、流動抵抗の高い狭い空間であるが、その高い流動抵抗に打ち勝って狭い空間を安定的に充填できるようになる。

そして、制御回路基板３の表面樹脂流れは、裏面樹脂流れよりも早いので、主回路基板２の表面は、制御回路基板３の表面を流れる樹脂によって充填されていき、その間に、制御回路基板３の裏面側でも樹脂を排出口１４ａ，１４ｂ，１４ｃから主回路基板２の表面側へ押し出しつつ充填されていくことになる。

制御回路基板３の表面と主回路基板２の表面とが充填されると、その後は、制御回路基板３の表面に搭載されるフォトカプラ１８が絶縁樹脂４に埋まるまで樹脂注入を継続し、フォトカプラ１８が絶縁樹脂４に埋まったタイミングで、樹脂注入作業は終了となる。

このとき、制御回路基板３の裏面充填時間は、制御回路基板３の裏面樹脂流れは遅いので、制御回路基板３の表面と主回路基板３の表面との両体積分の充填時間となる。つまり制御回路基板３の裏面側では、充填時間を長く保つことができるので、ボイドの発生を無くして充填することができる。

ここで、制御回路基板３の裏面充填時間を短縮して生産性を向上させるには、制御回路基板３の裏面側での樹脂流量を増加させるようにすればよい。この実施の形態１では、つぎのような裏面充填時間短縮措置を講じている。

（１）流入口１３は、制御回路基板３の周囲間隙面積の３０％を占有するようにし、樹脂充填距離を短くして樹脂充填の高速化を図り、樹脂流量を増加させている。なお、流入口１３に代えて、流入ノズルを単数または複数設けてもよい。（２）絶縁樹脂４に低粘度（例えば１００Ｐａ・ｓ以下）のものを用いて流路抵抗を小さくすることで、樹脂充填の高速化を図り、樹脂流量を増加させている。（３）図２に示すように流入穴１７を設け、制御回路基板３の表面を流れる樹脂が流入穴１７から裏面側に入り込める措置を講ずることで、樹脂流量を増加させている。

なお、流入穴１７に関しては、図２では、円形状の穴を示してあるが、スリット状の穴でもよい。そして、制御回路基板３の表面上に実装された電子部品の下側にスリット状穴を設けるようにすれば、制御回路基板３の実装面積を損なうことなく流入穴１７を形成できる。これによって、制御回路基板３の小型化、低コスト化が図れるようになる。また、電子部品の下側にスリット状穴を設けることで、部品間の絶縁強度を大きくすることもできる。

また、この実施の形態１では、制御回路基板３の裏面側でのボイドが発生するのを抑制するために、樹脂の注入方向を矢印２５の方向と定め、台座１１の配置を工夫することで制御回路基板３の裏面側から樹脂を押し出す排出口を１４ａ，１４ｂ，１４ｃの３箇所に設けてある。各排出口は、制御回路基板３の周囲間隙面積の約８％であり、空気抜きを行うとともに、制御回路基板３の表面を流れる樹脂が裏面側に入り込むのを低減している。

このボイド発生の抑制に関しては、樹脂充填を真空条件下で行えば、初期の巻き込み気泡を排出することができ、ボイド発生の抑制の相乗効果が得られる。

以上のように、この実施の形態１によれば、樹脂ケースの底部に、制御回路基板を台座で浮かして固定配置し、その横に主回路基板を底部面とほぼ同一の位置に固定配置したので、制御回路基板の裏面の充填樹脂量を大幅に少なくすることができる。

したがって、装置の軽量化、絶縁樹脂費用の低コスト化が図れるとともに、樹脂ケースの振動時に樹脂が揺動しても、金属ワイヤの揺れを低減できるので、金属ワイヤ切れによるリークや金属ワイヤ間の絶縁不良を低減でき、対振動性の向上が図れる。

また、発熱部品を搭載する主回路基板から熱に弱い部品を搭載する制御回路基板への絶縁樹脂を媒介とした熱伝導ルートを無くすことができるので、制御回路基板上に配置される熱に弱い部品の熱的信頼性を向上させることができる。

そして、絶縁樹脂の注入工程では、制御回路基板の裏面側を充填しつつ制御回路基板の表面と主回路基板の表面とを充填することができるので、ボイド発生の抑制と生産性の向上とを両立させることができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の収納構造を示す平面図である。なお、図４では、図２（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図４に示すように、この実施の形態２による電力変換装置の収納構造では、図２（実施の形態１）に示した構成において、制御回路基板３の主回路基板２と対面しない側端側に切り欠き部１５が設けられている。図４では、図２に示した流入口１３と流入穴１７は示してないが、それらも同様に設けてもよい。

この実施の形態２によれば、切り欠き部１５は、絶縁樹脂４の制御回路基板３の裏面側への流入面積を拡大することができるので、樹脂だまり２６に注入した樹脂を矢印２５の方向から切り欠き部１５に定期的に流し込むことで、制御回路基板３の裏面側に実施の形態１よりも積極的に流入させることができる。これによって、制御回路基板３の裏面樹脂流れを一層高速化することができ、絶縁樹脂の充填工程の短縮化が図れ、生産性の向上が図れる。

なお、図４では、制御回路基板３に、フォトカプラ１８の他に、トランス１９、コイル２０が配置される場合が示されている。用途によっては、このように、高さが４ｍｍ以上の部品が配置される可能性がある。これらの部品は、樹脂流を妨げる壁として作用し、制御回路基板３の表面側の樹脂流れを偏った流れにする。これは、制御回路基板３の表面にボイドを発生させる一因となるので、このような背の高い部品は、分散配置することが望ましい。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の収納構造を示す断面図である。なお、図５では、図３（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。

図５に示すように、この実施の形態３による電力変換装置の収納構造では、図３（実施の形態１）に示した構成において、流入口１３の樹脂ケース１側段差部がテーパ部１６で構成されている。

テーパ部１６は、斜面角度が４５°以下の鈍角で形成されている。この構成によれば、流入口１３に注入された絶縁樹脂４を、テーパ部１６に沿って、効率よく、かつ、勢いよく制御回路基板３の裏面側に流れ込ませることができる。

この実施の形態３によれば、テーパ部１６は、流入口１３の流入口面積の拡大に寄与するとともに、制御回路基板３の裏面樹脂流れを高速化する作用を営むので、絶縁樹脂の充填工程の短縮化が図れ、生産性の向上が図れる。

なお、図５では、制御回路基板３上に、トランス１９も搭載されているが、これは、実施の形態２にて説明したように、制御回路基板３上に、フォトカプラ１８の他に背の高い部品が搭載される場合があることの一例を示したものである。

以上のように、この発明にかかる電力変換装置の収納構造は、必要樹脂量を少なくして、装置の軽量化、耐振動性の向上、生産性の向上、低コスト化を実現する電力変換装置の収納構造として有用である。

電力変換装置の一般的な電気的構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の収納構造を示す平面図である。 図１に示す電力変換装置の収納構造の断面図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の収納構造を示す平面図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の収納構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 樹脂ケース
２ 主回路基板
３ 制御回路基板
４ 絶縁樹脂
５ 主回路端子台
５ａ 入力端子
５ｂ 出力端子
６ 主端子
７ 制御端子
８ 金属ワイヤ
９ コンバータ部のパワー素子
１０ インバータ部のパワー素子
１１ 台座
１２ マイクロコンピュータ
１３ 流入口
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 排出口
１５ 制御回路基板の切り欠き部
１６ 樹脂ケースのテーパ部
１７ 流入穴
１８ フォトカプラ
１９ トランス
２０ コイル
２１ 金属パターン
２２ 主回路
２２ａ コンバータ部
２２ｂ 平滑コンデンサ
２２ｃ インバータ部
２３ 制御回路
２４ 電源回路
２５ 制御回路基板の裏面側への樹脂流入方向
２６ 樹脂ケースに設けた樹脂だまり
２７ 三相交流電源
２８ 三相モータ（Ｍ）

Claims (5)

1. ケースの底部に、電力変換装置の主回路を搭載する主回路基板及び制御回路を搭載する制御回路基板を横並びに固定配置する電力変換装置の収納構造であって、前記制御回路基板は、裏面が前記ケースの底部に突設した台座に接着固定され、前記主回路基板は、表面を前記ケースの底部面と略同一の位置に位置させて固定され、前記ケースに充填した絶縁材によって、前記制御回路基板の表裏面と前記主回路基板の表面とがそれぞれ絶縁材による封止がなされており、前記制御回路基板の前記主回路基板と対面しない側端側と前記ケースとの間に、注入された絶縁材を当該制御回路基板の裏面側に流入させるための流入口が設けられている、ことを特徴とする電力変換装置の収納構造。
2. 前記制御回路基板の前記主回路基板と対面しない側端側に、注入された絶縁材を当該制御回路基板の裏面側に流入させるための切り欠き部が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の収納構造。
3. 前記制御回路基板には、表面を流れる絶縁材を裏面側へ流入させるための流入穴が設けられている、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の収納構造。
4. 前記制御回路基板の前記主回路基板と対面しない側端側における前記ケースに、注入する絶縁材を前記制御回路基板の前記側端側に定期的に流入させるために、注入する絶縁材を滞留させる絶縁材だまりが設けられている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力変換装置の収納構造。
5. 前記制御回路基板の前記主回路基板と対面しない側端側における前記ケースの底部に、注入された絶縁材を前記制御回路基板の裏面側に流入させるためのテーパ部が設けられている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電力変換装置の収納構造。

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