説明

電力変換装置

【課題】複数の冷却器を用いずに、安価に高い冷却性能を確保出来る電力変換装置を提供することである。
【解決手段】
冷却器101と、冷却器101の主面103に並べられる半導体104と、半導体104が冷却器101と接する面と対向する面に接し、半導体104を覆うように設けられる断面がコの字型の放熱体105と、冷却器101の主面103を覆うように設けられる冷却器101のカバー部材108と、カバー部材108と放熱体105との間に介在し、放熱体105と半導体104とを接触させる方向に付勢力Faを付与するバネ部材109とを備える電力変換装置100であって、少なくとも一部が冷却器101と放熱体105の端部に接し、放熱体105の端部に、冷却器101の主面103と平行な方向に付勢力Fbを付与する接続部材110とを更に備えることを特徴とする

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に係り、複数の冷却器を用いずに高い冷却性能を確保するための技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、ハイブリッド車や電気自動車には車両の駆動用に高出力の交流モータが搭載されている。高出力の交流モータを駆動するには、大電力が必要となるため、車載電源より供給される直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給する電力変換装置にも大電力が流れる。電力変換装置に大電力が流れると、電力変換装置に設けられた半導体の発熱量が大きくなり、半導体が高温になってしまうという課題があった。
【0003】
そこで、電力変換装置に設けられた半導体を効率良く冷却するために、半導体と、半導体を冷却するための冷却器とを交互に積層するように配置した電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
この電力変換装置は、半導体を複数の冷却器を用いて冷却するので、半導体を効率良く冷却することを可能としている。
【0005】
また、電力変換装置に設けられた半導体を簡素な構造で冷却するために、半導体を冷却するための冷却器の平面上に半導体を配置し、さらに半導体を覆うように放熱体を設けて冷却器に固定する電力変換装置も知られている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
この電力変換装置は、半導体を冷却器と放熱体とをそれぞれ用いて冷却するため、上記電力変換装置と比較的簡素な構造で半導体を冷却することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2006−157042号公報
【特許文献2】特開2009−152505号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記の特許文献1に開示された電力変換装置のように半導体と冷却器とを交互に積層し、複数の冷却器を用いて半導体を冷却するようにすれば優れた冷却性能を確保出来る。しかしながら、半導体を冷却するために複数の冷却器が必要となるため、簡素な構造とするのは困難であった。
【0009】
また、上記の特許文献2に開示された電力変換装置のように冷却器の平面上に半導体を配置し、さらに半導体を覆うように放熱体を配置すれば簡素な構造で半導体を冷却することが出来る。しかし、設計誤差や振動等が原因で放熱体と冷却器の間に隙間が生じると、半導体の熱を効率良く冷却器へ伝達することが出来ないため、高い冷却性能を確保することは困難であった。
【0010】
本発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的は、複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で高い冷却性能を確保出来る電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
第1の発明に係る電力変換装置は、冷却器と、冷却器の主面に並べられる半導体と、半導体が冷却器と接する面と対向する面に接し、半導体を覆うように設けられる断面がコの字型の放熱体と、冷却器の主面側を覆うように設けられる冷却器のカバー部材と、カバー部材と放熱体との間に介在し、放熱体と半導体とを接触させる方向に付勢力を付与するバネ部材とを備える電力変換装置であって、少なくとも一部が冷却器と放熱体の端部とに接し、放熱体の端部に、冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続部材とを更に備えることを特徴とする。
【0012】
第2の発明に係る電力変換装置は、冷却器と、冷却器の主面に並べられる複数の半導体と、半導体が冷却器と接する面と対向する面に接し、半導体を覆うようにそれぞれの半導体に設けられる断面がコの字型の放熱体と、冷却器の主面側を覆うように設けられる冷却器のカバー部材と、カバー部材とそれぞれの放熱体との間に介在し、放熱体と半導体とを接触させる方向に付勢力を付与するバネ部材とを備える電力変換装置であって、少なくとも一部が冷却器と放熱体の端部とに接し、放熱体のそれぞれの端部に、冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続部材とを更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で冷却性能を確保できる電力変換装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置の構造を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体の斜視図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の斜視図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の平面図である。
【図5】図1の点線内Xを拡大した図である。
【図6】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置の冷却経路を示した図である。
【図7】本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置に複数の半導体を並列に並べた構造を示す図である。
【図8】本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の斜視図である。
【図9】本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置に実装される放熱体接続部材の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例】
【0016】
(第1の実施例)
図1は、本発明の第1の実施例に係る電力変換装置100の構造を示す図である。電力変換装置100は、冷却器101と、半導体104と、放熱体105と、カバー部材108と、バネ部材109と、放熱体接続部材110から成る。
【0017】
冷却器101は、内部に列状に等間隔配置された図示しない冷却フィンを有し、隣り合う冷却フィン間に冷媒流路102を形成する。冷却器101を構成する部材としては高熱伝導性を有したアルミ等を適用することが望ましい。また、冷媒としては液体及び気体のいずれを用いても良い。
【0018】
半導体104は電力変換回路を構成する電子部品であって、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等が用いられる。半導体104は高熱伝導性を有した図示しないグリス等を介して冷却器101の主面103に実装され、半田付けによって接続される。尚、車載用の電力変換装置には多くの半導体が搭載されているが、本明細書では説明を簡略化するために一部のみを図示している。
【0019】
放熱体105は、図2に表されているように断面がコの字の形状をしており、半導体104が冷却器101と接している面と対向する面と接する平面部106と、放熱体105の平面部106の両端より冷却器101の方向へ向け略垂直に伸びる脚部107から成り、高熱伝導性を有した図示しないグリス等を介して半導体104に実装される。上記の通り、半導体104に大電力が流れると半導体104は発熱するので、半導体104の熱は放熱体105へと伝達し冷却器101へ放熱される。尚、放熱体105を構成する部材としては、高熱伝導性を有したアルミを適用することが望ましい。
【0020】
カバー部材108は、半導体104や放熱体105等の冷却器101に実装される部品を保護するために、冷却器101の主面103を覆うように設けられ、ボルト111等によって冷却器101に固定される。尚、カバー部材108を構成する部材としては、高熱伝導性と高い剛性とを有したアルミを適用することが望ましい。
【0021】
バネ部材109は、カバー部材108と、放熱体105の間に介在して設けられる。バネ部材109は、冷却器101の主面103に実装される半導体104や放熱体105を冷却器101の主面103に固定するために、図1に表されているように放熱体105が半導体104に接する面と対向する面に付勢力Faを付与する。尚、この付勢力Faは、バネ部材109のバネ定数を変更することで調整することが出来る。また、バネ部材109は一体的にカバー108に形成されても良い。
【0022】
放熱体接続部材110は図3(a)及び図4に表されているように角錐台のような形状を有し、放熱体接続部材110の底面に対して略垂直に交わる平面で2分割され、放熱体部113(a)及び114(a)と、それらを結合する弾性体部115とから構成される。そして、一方の放熱体部113(a)が冷却器101の主面103に半田付け等によって固定され、他方の放熱体部114(a)は図3(a)及び図4(a)に表されている矢印Aの方向(放熱体接続部材110の弾性体部115が付勢力Fbを付与する方向)にのみ平行移動可能となるよう冷却器101の主面103に配置される。
【0023】
このような構成により、放熱体105が所定の位置に配置された場合には、図5に表されているように放熱体接続部材110の放熱体部114(a)に形成された斜面112が放熱体105の脚部107を介してバネ部材109の付勢力Faを受け、熱体接続部材110の放熱体部114(a)が図3(a)及び図4(a)に表されている位置から図3(b)及び図4(b)に表されている位置へと平行移動する。
【0024】
つまり、放熱体105を所定位置に配置することで、放熱体接続部材110の弾性体部115は収縮するため放熱体接続部材110は図5の状態で冷却器101の主面103に固定される。その間、放熱体接続部材110の弾性体部115は図3(b)及び図4(b)に表されているように、冷却器101の主面103と平行する方向に伸張しようと付勢力Fbを発生させる。この放熱体接続部材110の弾性体部115の付勢力Fbによって、放熱体接続部材110の放熱体部114(a)が放熱体105の脚部107に押圧される。従って、放熱体接続部材110の放熱体部114(a)と、放熱体105の脚部107との接圧を確保出来るため、放熱体105の脚部107から放熱体接続部材110の放熱体部114(a)への熱伝達性を高く保つことが出来る。また、冷却器101と放熱体105との間に放熱体接続部材110が介在しているので、設計誤差や振動によって生じる隙間を最小限に抑えることが出来、高い冷却性能を確保することが出来る。尚、放熱体部113(a)及び114(a)の間に隙間が生じているのは、各部品の寸法のばらつきを吸収するためである。
【0025】
次に、図6を用いて、半導体104の熱がどのような経路で冷却器101まで伝達されるかを説明する。図6(a)は第1の経路を、図6(b)は第2の経路を表している。
【0026】
第1の経路は、半導体104の熱が直接冷却器101に伝達する経路である。冷却器101は、高伝導性を有するアルミ等によって形成されるため、半導体104からの熱が効率よく冷却器101へと伝達し、半導体104を冷却することが可能である。
【0027】
第2の経路は、半導体104の熱が放熱体105と放熱体接続部110とを介して冷却器101へと伝達する経路である。まず、半導体104の熱は、半導体104が冷却器101と接する面と対向する面に設けられた放熱体105の平面部106に伝達する。そして、放熱体105の平面部106より脚部107へ、そして放熱体接続部材110へと伝達し、放熱体接続部材110より冷却器101へと放熱される。上記したように、放熱体105の脚部107と放熱体接続部材110とは、バネ部材109の付勢力Faと、放熱体105の弾性体部115の付勢力Fbとによって接圧されているので、高い熱伝導性を確保することが出来る。
【0028】
尚、図7のように冷却器101の上に平面状に複数の半導体104を実装する場合は、半導体104それぞれに放熱体105とバネ部材109とを設け、それぞれの放熱体105の間に放熱体接続部材110を設けることが望ましい。1つの放熱体接続部材110に2つの放熱体105が接するように配置することで冷却器101に実装される放熱体接続部材110の数を減らすことが出来る。また、1つの放熱体接続部材110に2つの放熱体105が接することで、バネ部材109より放熱体接続部材110に付与される付勢力Faが増加するので、放熱体接続部材110の放熱体部114(a)と、放熱体105の脚部107との接圧をより大きくすることが出来、高い熱伝導性を確保することが出来る。この場合、2つの放熱体105に接する放熱体接続部材110は、冷却器101の主面103に半田付けされることなく実装されることとなるが、上記の通り2つの放熱体105の脚部107よりバネ部材109の付勢力Faを付与されるので、位置ずれを起こすことなく実装される。
(第2の実施例)
次に、図8及び図9を用いて、本発明の第2の実施例に係る電力変換装置100の構造を説明する。第2の実施例に係る電力変換装置100は、放熱体接続部材110の弾性体部115が放熱体105の脚部107に対して付与する付勢力の向きと、放熱体接続部材110を2分割する場合に用いられる平面とが第1の実施例に係る電力変換装置100と異なる。
【0029】
図8(a)及び図9(a)は、電力変換装置100の冷却器101の主面103に実装される放熱体接続部材110の形状を表している。放熱体接続部材110は、底面に対して略垂直に交わり、かつ半導体104や放熱体105などが冷却器101に積層される方向と斜行する平面で2分割された形状を有し、放熱体113(b)及び114(b)と、弾性体部115とから成る。第1の実施例の場合は、電力変換装置100に実装される放熱体接続部材110の弾性体部115が、図3(a)及び図4(a)に表されている矢印Aの方向(半導体104や放熱体105等が積層される方向と垂直に交わる方向)に付勢力Fbを付与するように放熱体接続部材110に設けられるのに対し、本実施例の電力変換装置100に実装される放熱体接続部材110の弾性体部115は、図8(b)及び図9(b)に表されているように、矢印Bの方向(放熱体接続部材110を分割した平面に沿う方向)に付勢力Fbを付与するよう放熱体接続部材110の弾性体部115が設けられる。
【0030】
従って、放熱体105が所定位置に配置された場合には、放熱体接続部材110の放熱体部114(b)に形成された斜面112が放熱体105の脚部107を介してバネ部材109の付勢力Faを受け、放熱体接続部材110の放熱体部114(b)が図8(a)及び図9(a)に表されている位置から図8(b)及び図9(b)に表されている位置へと、放熱体接続部材110を分割した平面に沿う方向に移動する。
【0031】
このような構成とすることによって、放熱体接続部材110の弾性体部115から放熱体105に掛かる応力により、半導体104と放熱体105とが離間する方向(バネ部材109の付勢力Faを付与する方向と逆の方向)に放熱体105が変形することを防止することが出来る。また、各部品の寸法のばらつきを吸収するために設けていた放熱体部113(a)及び114(a)間の隙間が不要となるので、放熱体接続部材110の熱伝導性をより高くすることが出来る。
【0032】
以上のように、本発明に係る電力変換装置100は、冷却器101と、冷却器101の主面103に並べられる半導体104と、半導体104が冷却器101と接する面と対向する面に接し、半導体104を覆うように設けられる断面がコの字型の放熱体105と、冷却器101の主面側103を覆うように設けられる冷却器101のカバー部材108と、カバー部材108と放熱体105との間に介在し、放熱体105と半導体104とを接触させる方向に付勢力Faを付与するバネ部材109とを備え、少なくとも一部が冷却器101と放熱体105の端部に接し、放熱体105の端部に、冷却器101の主面103と平行な方向に付勢力Fbを付与する放熱体接続部材110とを更に備えるので、複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で高い冷却性能を確保することが出来る。
【0033】
また、本発明に係る電力変換装置100は、冷却器101と、冷却器101の主面103に並べられる複数の半導体104と、半導体104が冷却器101と接する面と対向する面に接し、半導体104を覆うようにそれぞれの半導体104に設けられる断面がコの字型の放熱体105と、冷却器101の主面側103を覆うように設けられる冷却器101のカバー部材108と、カバー部材108とそれぞれ放熱体105との間に介在し、放熱体105と半導体104とを接触させる方向に付勢力Faを付与するバネ部材109とを備え 少なくとも一部が冷却器101と放熱体105の端部に接し、放熱体105のそれぞれの端部に、冷却器101の主面103と平行な方向に付勢力Fbを付与する放熱体接続部材110とを更に備えるので、複数の冷却器を用いずに、簡素な構造で高い冷却性能を確保することが出来る。
【符号の説明】
【0034】
100:電力変換装置、101:冷却器、104:半導体、105:放熱体、107:脚部、109:バネ部材、110:放熱体接続部材、112:斜面、113,114:放熱体部、115:弾性体部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷却器と、
前記冷却器の主面に並べられる半導体と、
前記半導体が前記冷却器と接する面と対向する面と接し、前記半導体を覆うように設けられる断面がコの字型の放熱体と、
前記冷却器の主面側を覆うように設けられる前記冷却器のカバー部材と、
前記カバー部材と前記放熱体との間に介在し、前記放熱体と前記半導体とを接触させる方向に付勢力を付与するバネ部材とを備える電力変換装置であって、
少なくとも一部が前記冷却器と前記放熱体の端部とに接し、前記放熱体の端部に、前記冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続部材とを更に備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
冷却器と、
前記冷却器の主面に並べられる複数の半導体と、
前記半導体が前記冷却器と接する面と対向する面と接し、前記半導体を覆うようにそれぞれの前記半導体に設けられる断面がコの字型の放熱体と、
前記冷却器の主面側を覆うように設けられる前記冷却器のカバー部材と、
前記カバー部材とそれぞれ前記放熱体との間に介在し、前記放熱体と前記半導体とを接触させる方向に付勢力を付与するバネ部材とを備える電力変換装置であって、
少なくとも一部が前記冷却器と前記放熱体のそれぞれの端部とに接し、前記放熱体のそれぞれの端部に、前記冷却器の主面と平行な方向に付勢力を付与する接続部材とを更に備えることを特徴とする電力変換装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2012−227345(P2012−227345A)
【公開日】平成24年11月15日(2012.11.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−93256(P2011−93256)
【出願日】平成23年4月19日(2011.4.19)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】