JP5768902B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

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、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としては、特許文献１に記載された車両用インバータ装置が知られている。この車両用インバータ装置は、制御基板が固定金具を介して冷却板上に固定された支柱に接続されている。また、制御基板のＧＮＤパターンも同様に、前記固定金具を介して前記支柱に接続されている。ここで、支柱と固定金具は、アルミ製で熱電導性が良好であり、ＧＮＤパターンもアルミもしくは銅であり熱電導性が良好である。そして、制御基板上の制御部品から発生する熱は、ＧＮＤパターンから固定金具と支柱を介して冷却板へ伝導される。これにより、車両用インバータ装置は、制御基板上で発生する熱を冷却板へ効率よく伝導させ、外部へ放熱する。

特開２００７−２６６５２７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、制御部品を実装した制御基板及びＧＮＤパターンを固定金具及び支柱を介して冷却板接続するようにしているので、制御基板上の制御部品から発生する熱を冷却板へ伝導させ、外部へ放熱することができる。しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例では、制御基板及びＧＮＤパターンと支柱との接続を、固定金具を介して行うようにしている。このため、制御基板及びＧＮＤパターンと支柱との間の熱抵抗が大きく、制御基板上の制御部品から発生する熱を冷却板へ効率よく伝導することができないという未解決の課題がある。

しかも、上記特許文献１に記載された従来例では、制御基板と冷却板との間の伝熱を支柱で行うので、広い断面積の伝熱経路を確保することができないとともに、伝熱長さも長いので、熱輸送量が少なくなり、制御基板と冷却板との間の伝熱効率を向上させることができないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、回路部品を実装した実装基板を小さな熱抵抗で支持すると共に、発熱回路部品の発熱を効率よく冷却体に伝熱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板とを備えている。そして、前記伝熱支持板は、前記実装基板を前記伝熱支持板に直接接合する接合部を有している。

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や基板パターンの熱を、接合部を介して伝熱支持板に伝熱し、伝熱支持板から板状の断面積の大きな伝熱経路形成部材を介して冷却体に効率良く放熱することができ、実装基板の発熱回路部品の発熱を半導体パワーモジュールや実装基板を覆う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、伝熱支持板に伝熱基板支持部が一体形成されているので、両者間の熱抵抗を小さくすることができ、伝熱効率を向上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、前記半導体パワーモジュールのケース体の他面側に装着される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、前記半導体パワーモジュールの冷却部材を冷却する冷却体と、前記実装基板を支持する伝熱支持板と、該伝熱支持板と前記冷却体との間に配設された直接伝熱経路を形成する板状の伝熱経路形成部材とを備えている。そして、前記伝熱支持板は、前記実装基板を支持する伝熱基板支持部を一体形成している。

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や基板パターンの熱を、伝熱基板支持部を介して伝熱支持板に伝熱し、伝熱支持板から板状の断面積の大きな伝熱経路形成部材を介して冷却体に効率良く放熱することができ、実装基板の発熱回路部品の発熱を半導体パワーモジュールや実装基板を覆う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、伝熱支持板に伝熱基板支持部が一体形成されているので、両者間の熱抵抗を小さくすることができ、伝熱効率を向上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３の態様は、前記伝熱基板支持部は、前記実装基板に実装した回路部品が当該伝熱支持板に非接触となる間隙を形成して前記実装基板を支持している。
この構成によると、実装基板と伝熱支持板との間に実装基板に実装した回路部品が伝熱支持板に非接触となる間隙が形成されているので、間隙内に冷気の侵入が可能となり、冷却効果を向上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４の態様は、前記実装基板と前記伝熱支持板との間隙に絶縁部材を配設している。
この構成によると、実装基板と伝熱支持板との間隙に絶縁部材を配設したので、実装基板と伝熱支持板との距離を短くすることができ、伝熱基板支持部の高さを短くして伝熱距離を短くし、伝熱効果を向上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、前記伝熱基板支持部が、前記実装基板に実装された回路部品のうち発熱量及び発熱密度の少なくとも一方が相対的に大きい回路部品の近傍に形成されている。
この構成によると、伝熱基板支持部が実装基板に実装された回路部品のうち発熱量及び発熱密度の少なくとも一方が相対的に大きい回路部品の近傍に配置されているので、発熱回路部品の発熱を効率良く伝熱支持板に伝熱することができる。

また、本発明に係る電力変換装置の第６の態様は、前記伝熱基板支持部が、前記伝熱支持板上に複数形成されている。
この構成によると、伝熱支持板上に伝熱基板支持部が複数形成されているので、支持する実装基板の撓みを防止することができると共に、複数の伝熱経路を形成することができ、伝熱効率をより向上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７の態様は、前記伝熱支持板が、熱伝導率の良い金属材料で形成されている。
この構成によると、伝熱支持板をアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の良い金属材料で形成するので、伝熱効率をより向上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８の態様は、前記伝熱経路形成部材が、熱伝導率の良い板状金属材料で形成されている。
この構成によると、伝熱経路形成部材をアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の良い金属材料で形成するので、伝熱効率をより向上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９の態様は、前記実装基板及び伝熱支持板と前記伝熱経路形成部材との組を複数組備え、前記組毎に前記伝熱経路部材の高さを異ならせるとともに、当該伝熱経路形成部材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体に接続されている。
この構成によると、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、伝熱効率を向上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１０の態様は、前記複数の伝熱経路形成部材が、前記冷却体と接触する連結板部を介して連結されている。
この構成によると、複数の伝熱経路形成部材が冷却体と接触する連結板部を介して連結されているので、伝熱経路形成部材と冷却体との接触面積を広くすることができ、実装回路基板に実装された発熱回路部品の発熱をより効率良く放熱することができる。

また、本発明に係る電力変換装置の第１１の態様は、前記伝熱支持板と前記伝熱経路形成部材とが一体に形成されている。
この構成によると、伝熱支持板と伝熱経路形成部材とが一体に形成されているので、両者間の連結部を省略して熱抵抗をより小さくすることが可能となり、実装基板の発熱をより効率よく冷却体に放熱することができる。

本発明によれば、発熱回路部品を実装した実装基板を伝熱支持板上に一体形成した接合部としての伝熱基板支持部で支持するので、伝熱支持板と伝熱基板支持部との間の熱抵抗を小さくすることができ、発熱回路部品等の発熱を効率よく伝熱支持板に伝熱することができる。
また、伝熱支持板と冷却体との間に直接伝熱経路を形成する板状の伝熱経路形成部材が配設されているので、広い断面積の伝熱経路を形成することができ、伝熱支持板に伝熱された熱を効率よく冷却体に放熱することができる。このとき、伝熱経路が半導体パワーモジュールや実装基板を覆う筐体とは別に形成されるので、筐体自体を熱伝導率の良い材料とする必要がなく、安価な合成樹脂材で構成することが可能となる。

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。 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。 伝熱経路形成部材の他の例を示す断面図である。 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７の要部を示す拡大断面図である。 伝熱経路形成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ダイキャスト成形や鋳造することによって形成されている。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と共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の上方には、駆動回路基板２１と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を制御する実装基板としての制御回路基板２２が固定されている。この制御回路基板２２には、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が実装されている。
さらに、制御回路基板２２の上方には、制御回路基板２２と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に電源を供給する実装基板としての電源回路基板２３が固定されている。この電源回路基板２３には、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電源回路等が実装されている。

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、伝熱支持板３２及び３３によって支持されている。これら伝熱支持板３２及び３３は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導率が高い（例えば１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上）金属で制御回路基板２２及び電源回路基板２３と略同一外形に形成されている。

伝熱支持板３２及び３３の上面には、例えば四隅位置に４本の中空の接合部として伝熱基板支持部３４及び３５が一体に突出形成されている。これら伝熱基板支持部３４及び３５は、伝熱支持板３２及び３３に対してバーリング加工や絞り加工を施すことにより形成されている。また、伝熱基板支持部３４及び３５の内周面には雌ねじ３６がそれぞれ形成されている。
ここで、伝熱基板支持部３４及び３５の高さは、後述するように、伝熱支持板３２及び３３の上面に貼着した絶縁シート４０ａと制御回路基板２２及び電源回路基板２３の下面に実装した回路部品の底面との間に必要な絶縁距離を確保できる高さに選定されている。

そして、伝熱基板支持部３４及び３５の上端には、制御回路基板２２及び電源回路基板２３が固定支持されている。これら制御回路基板２２及び電源回路基板２３の固定は、先ず、伝熱基板支持部３４及び３５の上端に、制御回路基板２２及び電源回路基板２３を載置する。この状態で、固定ねじ３８を、制御回路基板２２及び電源回路基板２３に形成したねじ挿通孔３７を通じて制御回路基板２２及び電源回路基板２３の雌ねじ３６に螺合させて締め付ける。これにより、制御回路基板２２及び電源回路基板２３が伝熱基板支持部３４及び３５上に固定される。

また、伝熱支持板３２及び３３に形成された伝熱基板支持部３４及び３５は、制御回路基板２２及び電源回路基板２３に実装された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３９の近傍に配置されている。
さらに、伝熱支持板３２及び３３の上下面には、それぞれ絶縁材料で形成された絶縁シート４０ａ及び４０ｂが配設されている。伝熱支持板３２及び３３の上面側の絶縁シート４０ａによって、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た回路部品と伝熱支持板３２及び３３との間の絶縁を行う。また、伝熱支持板３２及び３３の下面側の絶縁シート４０ｂによって、下面側に対向する駆動回路基板２１及び制御回路基板２２の上面に実装された回路部品との絶縁を図るようにしている。

このため、駆動回路基板２１及び制御回路基板２２間と、制御回路基板２２及び電源回路基板２３間との絶縁距離を短くすることができ、半導体パワーモジュール１１と電源回路基板２３との間の高さを低くして小型化を図ることができる。
そして、伝熱支持板３２と冷却体３との間には、半導体パワーモジュール１１の右端側を通って直接伝熱経路を形成する板状の伝熱経路形成部材４２が配設されている。また、伝熱支持板３３と冷却体３との間にも、半導体パワーモジュール１１の左端側を通って直接伝熱経路を形成する板状の伝熱経路形成部材４３が配設されている。これら伝熱経路形成部材４２及び４３は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導率が高い（例えば１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上）金属で形成されている。

両伝熱経路形成部材４２及び４３は、冷却体３の上面における半導体パワーモジュール１１の外周縁に対向する周溝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４４を有する。したがって、伝熱経路形成部材４２及び４３は底板部４４によって一体に連結されている。

そして、伝熱経路形成部材４２及び４３と底板部４４とは黒色の表面を有する。これら伝熱経路形成部材４２及び４３と底板部４４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、黒色塗料で塗装したりすればよい。このように、伝熱経路形成部材４２及び４３と底板部４４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、伝熱経路形成部材４２及び４３と底板部４４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４４を除いて伝熱経路形成部材４２及び４３のみの表面を黒色にするようにしてもよい。

伝熱経路形成部材４２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４４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側板部４２ａと、この連結側板部４２ａの上端から左方に延長する上板部４２ｂとで断面逆Ｌ字状に形成されている。連結側板部４２ａ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。

そして、連結側板部４２ａの底板部４４及び上板部４２ｂとの連結部を例えば円筒面の一部でなる湾曲面４２ｃ及び４２ｄに形成している。
このように連結側板部４２ａと底板部４４及び上板部４２ｂとの連結部を円筒状の湾曲面４２ｃ及び４２ｄ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側板部４２ａと底板部４４及び上板部４２ｂ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、連結側板部４２ａと底板部４４及び上板部４２ｂとの連結部を円筒状の湾曲面４２ｃ及び４２ｄとすることにより、連結側板部４２ａと底板部４４及び上板部４２ｂ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３２から冷却体３までの伝熱経路を短くして、効率的な熱冷却が可能となる。

伝熱経路形成部材４３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４４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側板部４３ａと、この連結側板部４３ａの上端から右方に延長する上板部４３ｂとで断面逆Ｌ字状に形成されている。連結側板部４３ａ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、連結側板部４３ａの底板部４４及び上板部４３ｂとの連結部を例えば円筒面の一部でなる湾曲面４３ｃ及び４３ｄに形成している。
このように連結側板部４３ａと底板部４４及び上板部４３ｂとの連結部を円筒状の湾曲面４３ｃ及び４３ｄ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側板部４３ａと底板部４４及び上板部４３ｂ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、連結側板部４３ａと底板部４４及び上板部４３ｂとの連結部を円筒状の湾曲面４３ｃ及び４３ｄとすることにより、連結側板部４３ａと底板部４４及び上板部４３ｂ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３３から冷却体３までの伝熱経路を短くして、効率的な熱冷却が可能となる。

そして、伝熱支持板３２と伝熱経路形成部材４２とが、図２に示すように、伝熱支持板３２の右方に突出した取付端部３２ａを、伝熱経路形成部材４２の上板部４２ｂの上面に重ね合わせた状態で固定ねじ４５によって密着されて連結されている。同様に、伝熱支持板３３と伝熱経路形成部材４３とが、図２に示すように、伝熱支持板３３の左方に突出した取付端部３３ａを、伝熱経路形成部材４３の上板部４３ｂの上面に重ね合わせた状態で固定ねじ４６によって密着されて連結されている。

また、伝熱経路形成部材４２及び４３の共通の底板部４４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４４ａが形成されている。さらに、底板部４４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４７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４４の固定部材挿通孔４４ａ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４４とが冷却体３に共締めされて固定されている。

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、前述したように、伝熱支持板３２及び３３の上下面に絶縁シート４０ａ及び４０ｂを貼着する。
次いで、電源回路基板２３を伝熱支持板３３の伝熱基板支持部３５の上端に載置した状態で、固定ねじ３８によって電源回路基板２３と伝熱支持板３３の伝熱基板支持部３５とを固定して、電源回路ユニットＵ３を形成しておく。

次いで、制御回路基板２２を伝熱支持板３２の伝熱基板支持部３５の状態に載置した状態で、固定ねじ３８によって、制御回路基板２２と伝熱支持板３２の伝熱基板支持部３４とを固定して、制御回路ユニットＵ２を形成しておく。
一方、冷却体３の周溝３ｄ内に、伝熱経路形成部材４２及び４３に共通の底板部４４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４７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と伝熱経路形成部材４２及び４３の共通の底板部４４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４４を冷却体３に固定する際に板状弾性部材４７を底板部４４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４７によって底板部４４が冷却体３の周溝３ｄの底部に押し付けられて、底板部４４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、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３２及び３３を伝熱経路形成部材４２及び４３に固定ねじ４５及び４６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の近傍には伝熱支持板３２及び３３に一体に形成された伝熱基板支持部３４及び３５が配置されている。このため、発熱回路部品３９の発熱は伝熱基板支持部３４及び３５を通じて伝熱支持板３２及び３３に伝熱される。このとき、伝熱基板支持部３４及び３５が伝熱支持板３２及び３３に一体に形成されているので、伝熱基板支持部３４及び３５の伝熱支持板３２及び３３との間の熱抵抗を低くすることができ、良好な熱伝導を行うことができる。

そして、伝熱支持板３２及び３３には、伝熱経路形成部材４２及び４３が連結されているので、伝熱支持板３２及び３３に伝達された熱は、伝熱経路形成部材４２及び４３を通って共通の底板部４４に伝熱される。この底板部４４は、冷却体３の周溝３ｄ内に直接接触されているので、底板部４４に伝達された熱は冷却体３に放熱される。
さらに、底板部４４に伝熱された熱は、その上面側から板状弾性部材４７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、実装基板としての制御回路基板２２及び電源回路基板２３を支持する伝熱支持板３２及び３３に伝熱基板支持部３４及び３５を一体に形成している。このため、伝熱基板支持部３４及び３５と伝熱支持板３２及び３３との間の熱抵抗を、伝熱基板支持部３４及び３５を伝熱支持板３２及び３３とは別部材として固定ねじ等で接合する場合に比較して遥かに小さくすることができる。

しかも、制御回路基板２２及び電源回路基板２３と伝熱支持板３２及び３３との間が円筒状の伝熱基板支持部３４及び３５で連結されているが、伝熱基板支持部３４及び３５での伝熱距離は前述した従来例に比較して格段に短い。このため、伝熱基板支持部３４及び３５による熱輸送量Ｑを増加させることができる。

すなわち、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。
上記（１）式から伝熱最小断面積Ａが同じであるとしたときには、伝熱長さＬが短い方が熱輸送量Ｑは多くなり、本実施形態における伝熱基板支持部３４及び３５による熱輸送量Ｑを従来例に比較して増加させることができる。

したがって、制御回路基板２２及び電源回路基板２３に実装された発熱回路部品３９の発熱を伝熱支持板３２及び３３に効率良く伝熱することができ、伝熱支持板３２及び３３から伝熱経路形成部材４２及び４３を介して冷却体３に効率良く放熱することができる。
しかも、伝熱基板支持部３４及び３５を制御回路基板２２及び電源回路基板２３に実装された発熱回路部品３９の近傍に配置している。このため、発熱回路部品３９と伝熱基板支持部３４及び３５との間の伝熱距離を短くすることができ、冷却体３への放熱をより効率的に行うことができる。

また、伝熱支持板３２及び３３に伝熱された発熱回路部品３９の発熱は、伝熱経路形成部材４２及び４３を介して冷却体３に放熱される。このとき、伝熱経路形成部材４２及び４３がそれぞれ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、伝熱断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、伝熱経路形成部材４２及び４３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。このため、前述した（１）式から明らかなように、伝熱経路形成部材４２及び４３の伝熱長さＬが短くなると、伝熱経路形成部材４２及び４３による熱輸送量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、伝熱経路形成部材４２及び４３が共通の底板部４４で一体化されているので、伝熱経路形成部材４２及び４３と底板部４４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、より効率の良い放熱経路を形成することができる。
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、軽量化及び低コスト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。筐体設計の自由度を向上させることができる。

また、制御回路基板２２及び電源回路基板２３を金属製の伝熱支持板３２及び３３で支持しているので、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５に示す上下振動や横揺れが作用する場合でも、伝熱支持板３２及び３３と伝熱経路形成部材４２及び４３と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、伝熱支持板３２及び３３の上下面に絶縁シート４０ａ及び４０ｂを貼着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、十分な絶縁距離が確保されていれば絶縁シート４０ａ及び４０ｂの一方又は双方を省略することもできる。
このように、絶縁シート４０ａ及び４０ｂの少なくとも一方を省略した場合には、伝熱支持板３２及び３３の上面及び下面の少なくとも一方の面が露出されることになる。この露出面で制御回路基板２２及び電源回路基板２３の周囲の発熱を吸熱することができ、制御回路基板２２及び電源回路基板２３の放熱効果をより向上させることができる。

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、伝熱支持板３２及び３３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、伝熱支持板３２及び３３を制御回路基板２２及び電源回路基板２３より大きな外形として、伝熱支持板３２及び３３での吸熱効果をより向上させ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６（ａ）に示すように構成してもよい。すなわち、伝熱支持板３２の左側にも伝熱経路形成部材４２Ｌを設けて、伝熱支持板３２の両側に放熱経路を形成するようにしてもよい。このように構成することにより、伝熱支持板３２の両側に放熱経路が形成されることにより、制御回路基板２２の放熱効果をより向上させることができると共に、上下振動及び左右振動に対する剛性をより高くすることができる。

さらには、図６（ｂ）に示すように伝熱経路形成部材４２及び４３の上板部４２ｂ及び４３ｂを各回路ユニットＵ２及びＵ３に対向させて複数段形成して、複数の伝熱支持板３２及び３３を支持するようにしてもよい。この場合にも、制御回路基板２２の放熱効果をより向上させることができると共に、上下振動及び左右振動に対する剛性をより高くすることができる。

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７及び図８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の中央部に開口する冷却フィン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で直接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、伝熱支持板３２及び３３と伝熱経路形成部材４２及び４３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９に示すように、伝熱支持板３３と伝熱経路形成部材４３とを一体に構成するようにしてもよい。同様に、伝熱支持板３２と伝熱経路形成部材４２とを一体に構成するようにしてもよい。これらの場合には、伝熱支持板３２及び３３と伝熱経路形成部材４２及び４３との間に継ぎ目が形成されることがなくなるので、熱抵抗をより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、伝熱支持板上に一体形成した接合部としての伝熱基板支持部で発熱回路部品を実装した実装基板を支持するので、実装基板を小さな熱抵抗で支持すると共に、発熱回路部品の発熱を効率よく冷却体に伝熱することができる電力変換装置を提供することができる。

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、３２，３３…伝熱支持板、３４，３５…伝熱基板支持部、４０ａ，４０ｂ…絶縁シート、４２，４３…伝熱経路形成部材、６１…冷却フィン

Claims (9)

1. 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、
   前記半導体パワーモジュールのケース体の他面側に装着される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、
   前記半導体パワーモジュールの冷却部材を冷却する冷却体と、
   前記実装基板を支持する伝熱支持板と、
   該伝熱支持板と前記冷却体との間に配設された直接伝熱経路を形成する板状の伝熱経路形成部材とを備え、
   前記伝熱支持板は、前記実装基板を支持する伝熱基板支持部を一体形成し、
   前記実装基板及び伝熱支持板と前記伝熱経路形成部材との組を複数組備え、前記組毎に前記伝熱経路形成部材の高さを異ならせるとともに、当該伝熱経路形成部材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体に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記伝熱基板支持部は、前記実装基板に実装した回路部品が当該伝熱支持板に非接触となる間隙を形成して前記実装基板を支持することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記実装基板と前記伝熱支持板との間隙に絶縁部材を配設したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記伝熱基板支持部は、前記実装基板に実装された回路部品のうち発熱量及び発熱密度の少なくとも一方が相対的に大きい回路部品の近傍に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記伝熱基板支持部は、前記伝熱支持板上に複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記伝熱支持板は、熱伝導率の良い金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記伝熱経路形成部材は、熱伝導率の良い板状金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記複数の伝熱経路形成部材は、前記冷却体と接触する連結板部を介して連結されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
9. 前記伝熱支持板と前記伝熱経路形成部材とが一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。

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