電力変換装置
【課題】筐体内部の温度上昇を抑制すると共に、冷却器の冷却効率を向上させることを可能とする電力変換装置を得ること。
【解決手段】半導体素子３をスイッチング駆動することにより交直流変換を行う電力変換装置であって、半導体素子３と、半導体素子３への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサと、半導体素子３を取り付けるベース面２および半導体素子３が発する熱を放熱する放熱部１ａを有する冷却器１と、平滑コンデンサ５ａが格納され、前記ベース面２からなる壁面を有する筐体４と、ベース面２に塗布あるいは貼り付けられ、熱伝導率がベース面２より小さい第１の断熱材７ａと、を備える。
【解決手段】半導体素子３をスイッチング駆動することにより交直流変換を行う電力変換装置であって、半導体素子３と、半導体素子３への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサと、半導体素子３を取り付けるベース面２および半導体素子３が発する熱を放熱する放熱部１ａを有する冷却器１と、平滑コンデンサ５ａが格納され、前記ベース面２からなる壁面を有する筐体４と、ベース面２に塗布あるいは貼り付けられ、熱伝導率がベース面２より小さい第１の断熱材７ａと、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用の電力変換装置では、一般に、半導体素子や平滑コンデンサ等の各電気部品は、冷却器の半導体素子取り付け面と筐体の壁面とによる密閉部に格納され、冷却器の放熱部が車両の外部に開放されることにより半導体素子が発する熱が放熱される。冷却器の冷却効率を向上させる技術としては、例えば、半導体素子を冷却するヒートパイプの先端に波型形状の放熱補助フィンを係合させ、冷却効率の向上を図る技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８７５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、半導体素子が発する熱（１００〜２００ｋ）は、冷却器の放熱部に伝搬して放熱されるだけでなく、半導体素子の取り付け面から筐体内部にも放熱されるため、筐体内部および平滑コンデンサ等の各電気部品を含む動作中の発熱量が小さい電気部品の温度が上昇し、半導体素子が発する熱を効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができない、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、筐体内部の温度上昇を抑制すると共に、冷却器の冷却効率を向上させることを可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、半導体素子をスイッチング駆動することにより交直流変換を行う電力変換装置であって、前記半導体素子と、前記半導体素子への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記半導体素子を取り付けるベース面および前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱部を有する冷却器と、前記平滑コンデンサが格納され、前記ベース面からなる壁面を有する筐体と、前記ベース面に塗布あるいは貼り付けられ、熱伝導率が前記ベース面より小さい第１の断熱材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、筐体内部の温度上昇を抑制すると共に、冷却器の冷却効率を向上させることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図２】図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置の熱解析モデルを示す図である。
【図３】図３は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態１にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図４】図４は、図３（ｃ）に示す状態における温度分布図である。
【図５】図５は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図６】図６は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図７】図７は、図６（ｃ）に示す状態における温度分布図である。
【図８】図８は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図９】図９は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態３にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図９（ｄ）に示す状態における温度分布図である。
【図１１】図１１は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図１２】図１２は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態４にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２（ｃ）に示す状態における温度分布図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。図１に示すように、実施の形態１にかかる電力変換装置は、アルミニウムあるいは銅等の金属により形成された冷却器１のベース１ｂの半導体素子取り付け面（以下、「ベース面」という）２に半導体素子３が取り付けられ、ベース面２からなる壁面と車両（図示せず）に取り付けられた筐体４の壁面とにより密閉された筐体４内部に、半導体素子３への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサ５ａや半導体素子３を駆動する駆動回路５ｂ等の動作中の発熱量が小さい電気部品５が配置され構成される。なお、電気部品５（動作中の発熱量は約３０Ｋ以下）は、筐体４内部の設置部５ｃに配置されている。半導体素子３の各接続端子６と電気部品５との間は、図示しないラミネートブスバー等の接続部品により接続される。冷却器１の放熱部１ａは、車両の外部に開放され、半導体素子３のスイッチングにより発生する損失熱が冷却器１の放熱部１ａから放熱される。なお、筐体４における、ベース面２からなる壁面は、上述したように、ベース面２のみで構成するようにしても、また、一部をベース面２とし、残りを他の部材で構成するようにしてもよい。
【００１１】
また、冷却器１のベース面２の半導体素子３が配置されていない領域には、第１の断熱材である断熱材７を塗布あるいは貼り付け、さらにその断熱材７の表面に、第２の断熱材である断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これら断熱材７および断熱コーティング材８については後述する。
【００１２】
つぎに、断熱材７、断熱コーティング材８を備えていない場合の筐体４内部の温度上昇について説明する。半導体素子３が発した熱は、冷却器１のベース面２から筐体４内部の空気を介して熱振動として電気部品５に伝搬し、電気部品５の温度が上昇する。この現象のように、熱が媒体を介して伝搬する現象を熱伝導という。
【００１３】
また、冷却器１のベース面２の温度が上昇することにより、冷却器１のベース面２からの熱が電磁波として放出され、その電磁波を電気部品５が吸収することにより電気部品５の温度が上昇する。この現象のように、熱が電磁波として運ばれる現象を熱輻射という。
【００１４】
つまり、半導体素子３が発した熱は、熱伝導および熱輻射の２つ現象により冷却器１のベース面２から電気部品５に伝搬する。
【００１５】
本実施の形態では、ベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に、熱伝導率がベース面２よりも小さい断熱材７を塗布あるいは貼り付け、さらにその断熱材７の表面に、熱輻射率がベース面と同等あるいはより小さい断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これにより、熱伝導および熱輻射の双方の現象によるベース面２から電気部品５への熱の伝搬が抑制され、筐体４内部および電気部品５の温度上昇が抑制される。
【００１６】
つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２〜図４を参照して説明する。図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置の熱解析モデルを示す図である。図２に示す熱解析モデルでは、筐体４の手前側の壁面とその壁面に対向する壁面は図示していないが、熱解析を行う上ではこれらの壁面もあるものとして、ベース面２と筐体４の壁面とで密閉された状態で熱解析を行っている。また、以下では、電気部品５に対応する部位を低発熱部５ｄとしてシミュレーションを行っている。
【００１７】
図３は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態１にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図３（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図３（ｂ）は、ベース面２に断熱材７のみ塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図３（ｃ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図３（ａ）〜（ｃ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図４は、図３（ｃ）に示す状態における温度分布図である。図３に示すシミュレーション結果の解析条件は、以下の通りである。
【００１８】
・低発熱部５ｄ
発熱量：１２［Ｗ］、熱輻射率：０．９
・半導体素子３
発熱量：７００［Ｗ］、熱輻射率：０．９
・筐体４壁面
熱伝達率：７［Ｗ／ｍ２Ｋ］
・ベース面２
熱伝達率：１８０［Ｗ／ｍ２Ｋ］、熱輻射率：ε＝０．２
・断熱材７
熱伝導率：λ＝０．３［Ｗ／ｍＫ］，熱輻射率：ε＝０．９
・断熱コーティング材８
熱輻射率：ε＝０．２
【００１９】
ベース面２に断熱材７のみ塗布あるいは貼り付けた場合（図３（ｂ））は、ベース面２に断熱材７および断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けていない場合（図３（ａ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．８［Ｋ］大きくなっている。これは、断熱材７の熱輻射率（ε＝０．９）がベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）に対して大きく、断熱材７による熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を下回っているためと考えられる。
【００２０】
一方、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図３（ｃ））は、ベース面２に断熱材７および断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けていない場合（図３（ａ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．７［Ｋ］小さくなっている。これは、断熱コーティング材８の熱輻射率とベース面２の熱輻射率とが同等（ε＝０．２）であるため、熱輻射には変化がなく、断熱材７による熱伝導の抑制効果が表れた結果であるといえる。
【００２１】
なお、図示していないが、断熱コーティング材８の熱輻射率がベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）よりも小さい場合には、断熱コーティング材８による熱輻射の抑制効果も加わり、さらに電気部品５の温度上昇幅を低下させることができる。
【００２２】
また、筐体４内部への放熱が抑制されるので、半導体素子３が発する熱が効率良く冷却器１の放熱部１ａに伝搬する。これにより、冷却器１の冷却効率を向上させることができる。
【００２３】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、冷却器のベース面の半導体素子が配置されていない領域に第１の断熱材を塗布あるいは貼り付け、さらにその断熱材の表面に、熱輻射率がベース面の熱輻射率と同等あるいはより小さい第２の断熱材を塗布あるいは貼り付けるようにしたので、熱伝導および熱輻射の双方の現象によるベース面から電気部品への熱の伝搬が抑制され、筐体内部および電気部品の温度上昇を抑制することができる。
【００２４】
また、筐体内部への放熱が抑制されるので、半導体素子が発する熱を効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率を向上させることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
図５に示すように、本実施の形態では、各接続端子６を除く半導体素子３のパッケージ表面にも第２の断熱材である断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。
【００２７】
実施の形態１において説明したように、半導体素子３の表面の熱輻射率（ε＝０．９）は、断熱コーティング材８の熱輻射率（ε＝０．２）よりも大きい。このため、実施の形態１において説明した電気部品５の温度上昇には、半導体素子３のパッケージ表面からの熱輻射による温度上昇分も含まれている。
【００２８】
したがって、本実施の形態では、半導体素子３のパッケージ表面からの熱輻射による電気部品５の温度上昇をも抑制するため、ベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けられた断熱材７の表面に加え、半導体素子３のパッケージ表面にも断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これにより、熱輻射による半導体素子３のパッケージ表面から電気部品５への熱の伝搬が抑制され、電気部品５の温度上昇がさらに抑制される。
【００２９】
つぎに、実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２、図６、図７を参照して説明する。
【００３０】
図６は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図６（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図６（ｂ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に加えて、半導体素子３のパッケージ表面にも断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図６（ａ）〜（ｃ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図７は、図６（ｃ）に示す状態における温度分布図である。なお、図６に示すシミュレーション結果の解析条件は、実施の形態１において説明した条件と同一であるので、ここでは省略する。また、図６（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果については、図３（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００３１】
ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図６（ｂ））は、ベース面２に断熱材７および断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けていない場合（図６（ａ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．７［Ｋ］小さくなっている。
【００３２】
一方、断熱材７の表面および半導体素子３のパッケージ表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図６（ｃ））は、断熱材７の表面のみ断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図６（ｂ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅がさらに３．３［Ｋ］小さくなっている。これは、熱輻射率０．９の半導体素子３のパッケージ表面を露出させていた場合に対し、熱輻射率０．２の断熱コーティング材８を半導体素子３のパッケージ表面に塗布することにより、熱輻射が大幅に抑制された結果であるといえる。
【００３３】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、冷却器のベース面の半導体素子が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けられた第１の断熱材の表面に加え、半導体素子のパッケージ表面にも第２の断熱材を塗布あるいは貼り付けるようにしたので、熱輻射による半導体素子のパッケージ表面から電気部品への熱の伝搬が抑制され、実施の形態１よりもさらに筐体内部および電気部品の温度上昇を抑制することができる。
【００３４】
また、筐体内部への放熱がさらに抑制されるので、半導体素子が発する熱をより効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率をより一層向上させることができる。
【００３５】
実施の形態３．
図８は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。なお、実施の形態１および２と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
図８に示すように、本実施の形態では、実施の形態１において説明した第１の断熱材である断熱材７および第２の断熱材である断熱コーティング材８に代えて、断熱材７よりも熱伝導率が小さい断熱材７ａを冷却器１のベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けている。
【００３７】
実施の形態１において説明したように、図１に示した断熱材７、断熱コーティング材８を備えていない場合には、半導体素子３が発した熱は、熱伝導および熱輻射の２つの現象により冷却器１のベース面２から低発熱部５ｄに伝搬する（図３（ａ））。
【００３８】
これに対し、ベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）よりも熱輻射率が大きい断熱材７（ε＝０．９）のみベース面２に塗布あるいは貼り付けた場合には、断熱材７による熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を下回るため、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．８［Ｋ］大きくなっている（図３（ｂ））。
【００３９】
実施の形態１では、断熱材７の表面に、熱輻射率がベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）と同等あるいはより小さい断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けることにより、熱伝導および熱輻射の双方の現象によるベース面から電気部品５への熱の伝搬を抑制するようにしたが、本実施の形態では、実施の形態１において説明した断熱材７および断熱コーティング材８に代えて、断熱材７よりも熱伝導率が小さい断熱材７ａを冷却器１のベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けることにより、熱伝導によるベース面２から電気部品５への熱の伝搬を実施の形態１よりも抑制し、断熱材７ａによる熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を上回るようにしている。
【００４０】
つぎに、実施の形態３にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２、図９、図１０を参照して説明する。
【００４１】
図９は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態３にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図９（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図９（ｂ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図９（ｃ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図９（ｄ）は、断熱材７および断熱コーティング材８に代えて、ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図９（ａ）〜（ｄ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図１０は、図９（ｄ）に示す状態における温度分布図である。なお、図９に示すシミュレーション結果の解析条件は、実施の形態１において説明した条件に加え、断熱材７ａについて下記の解析条件を加えている。それ以外の解析条件は、実施の形態１において説明した条件と同一であるので、ここでは省略する。
【００４２】
・断熱材７ａ
熱伝導率：λ＝０．０３［Ｗ／ｍＫ］，熱輻射率：ε＝０．９
【００４３】
図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示す各温度上昇シミュレーション結果については、それぞれ、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示す各温度上昇シミュレーション結果と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００４４】
ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付けた場合（図９（ｄ））は、ベース面２を露出させた場合（図９（ａ））に対しては、低発熱部５ｄの温度上昇幅が１．２［Ｋ］小さくなり、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図９（ｃ））よりもさらに低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．５［Ｋ］小さくなっている。これは、断熱材７の熱伝導率（λ＝０．３［Ｗ／ｍＫ］）よりも断熱材７ａの熱伝導率（λ＝０．０３［Ｗ／ｍＫ］）が小さいため、熱伝導によるベース面２から低発熱部５ｄへの熱の伝搬が実施の形態１よりも抑制され、断熱材７ａによる熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を上回った結果であるといえる。
【００４５】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置によれば、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さい断熱材を冷却器のベース面の半導体素子が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けることにより、熱伝導によるベース面から電気部品への熱の伝搬を実施の形態１よりも抑制し、熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を上回るようにしたので、熱輻射率の小さい第２の断熱材を第１の断熱材よりも熱伝導率が小さい断熱材の表面に塗布あるいは貼り付けない場合でも、筐体内部および電気部品の温度上昇を抑制することができる。
【００４６】
なお、熱伝導率が小さい断熱材を用いた場合でも、熱伝導率が小さい断熱材を第１の断熱材として、実施の形態１において説明したように、第１の断熱材の表面に熱輻射率の小さい第２の断熱材を塗布あるいは貼り付けることにより、熱輻射によるベース面から電気部品への熱の伝搬をさらに抑制し、筐体内部および電気部品の温度上昇をさらに抑制することができることは言うまでもない。また、この場合には、半導体素子が発する熱をより効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率をより一層向上させることができる。なお、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さく、且つ、実施の形態２において説明した第２の断熱材よりも熱輻射率が小さい断熱材を用いて、ベース面にその断熱材を塗布あるいは貼り付けた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００４７】
実施の形態４．
図１１は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。なお、実施の形態１〜３と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
図１１に示すように、本実施の形態では、実施の形態１において説明した第１の断熱材である断熱材７よりも熱伝導率が小さい断熱材７ａを第１の断熱材として、その断熱材７ａの表面および半導体素子３のパッケージ表面に、第２の断熱材である断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これにより、熱輻射による断熱材７ａおよび半導体素子３のパッケージ表面から電気部品５への熱の伝搬がさらに抑制され、電気部品５の温度上昇がより一層抑制される。
【００４９】
つぎに、実施の形態４にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２、図１２、図１３を参照して説明する。
【００５０】
図１２は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態４にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図１２（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図１２（ｂ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面および半導体素子３のパッケージ表面に断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図１２（ｃ）は、ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付け、その断熱材７ａの表面および半導体素子３のパッケージ表面に断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図１２（ａ）〜（ｃ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図１３は、図１２（ｃ）に示す状態における温度分布図である。なお、図１２に示すシミュレーション結果の解析条件は、実施の形態１および３において説明した条件と同一であるので、ここでは省略する。
【００５１】
図１２（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果については、図３（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果と同一であり、また、図１２（ｂ）に示す温度上昇シミュレーション結果については、図９（ｃ）に示す実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００５２】
ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付け、その断熱材７ａの表面および半導体素子３のパッケージ表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図１２（ｃ））は、ベース面２を露出させた場合（図１２（ａ））に対しては、温度上昇幅が５．５［Ｋ］小さくなり、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面および半導体素子３のパッケージ表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図１２（ｂ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅がさらに１．５［Ｋ］小さくなっている。これは、第１の断熱材として用いた断熱材７ａの熱伝導率（λ＝０．０３［Ｗ／ｍＫ］）が断熱材７の熱伝導率（λ＝０．３［Ｗ／ｍＫ］）よりも小さいため、熱伝導によるベース面２から低発熱部５ｄへの熱の伝搬が実施の形態２よりも抑制された結果であるといえる。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置によれば、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さい断熱材を第１の断熱材として、その第１の断熱材の表面および半導体素子のパッケージ表面に、第２の断熱材である断熱コーティング材を塗布あるいは貼り付けるようにしたので、実施の形態２よりも熱伝導によるベース面から電気部品への熱の伝搬がさらに抑制され、筐体内部および電気部品の温度上昇をより一層抑制することができる。
【００５４】
また、筐体内部への放熱が実施の形態２よりもさらに抑制されるので、半導体素子が発する熱をより効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率をより一層向上させることができる。
【００５５】
なお、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さく、且つ、実施の形態２において説明した第２の断熱材よりも熱輻射率が小さい断熱材を用いて、ベース面および半導体素子のパッケージ表面にその断熱材を塗布あるいは貼り付けた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
なお、上述した実施の形態において説明した電力変換装置に適用する半導体素子としては、珪素（シリコン：Ｓｉ）系半導体と比較して、大きなエネルギーバンド幅を持つワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体によって形成された半導体素子を用いて好適である。このＷＢＧ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンド等がある。
【００５７】
このようなＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体素子の小型化が可能であり、これら小型化された半導体素子を用いることにより、これらの半導体素子を組み込んだ電力変換装置の小型化が可能となる。
【００５８】
また、電力損失が低いため、半導体素子の高効率化が可能であり、延いては、電力変換装置の高効率化が可能になる。
【００５９】
さらに、耐熱性も高く、冷却器や筐体の小型化を図ることができるという利点もあるが、一方で、半導体素子の温度が従来よりも高くなり、それに伴う筐体内部や電気部品の温度上昇を考慮する必要がある。上述した実施の形態において説明した電力変換装置では、半導体素子が発する熱の筐体内部への放熱を抑制することができるので、ＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子を適用することが容易となる。
【００６０】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６１】
１ 冷却器
１ａ 放熱部
１ｂ ベース
２ ベース面（冷却器）
３ 半導体素子
４ 筐体
５ 電気部品
５ａ 平滑コンデンサ
５ｂ 駆動回路
５ｃ 設置部
５ｄ 低発熱部
６ 接続端子（半導体素子）
７，７ａ 断熱材（第１の断熱材）
８ 断熱コーティング材（第２の断熱材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用の電力変換装置では、一般に、半導体素子や平滑コンデンサ等の各電気部品は、冷却器の半導体素子取り付け面と筐体の壁面とによる密閉部に格納され、冷却器の放熱部が車両の外部に開放されることにより半導体素子が発する熱が放熱される。冷却器の冷却効率を向上させる技術としては、例えば、半導体素子を冷却するヒートパイプの先端に波型形状の放熱補助フィンを係合させ、冷却効率の向上を図る技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８７５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、半導体素子が発する熱（１００〜２００ｋ）は、冷却器の放熱部に伝搬して放熱されるだけでなく、半導体素子の取り付け面から筐体内部にも放熱されるため、筐体内部および平滑コンデンサ等の各電気部品を含む動作中の発熱量が小さい電気部品の温度が上昇し、半導体素子が発する熱を効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができない、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、筐体内部の温度上昇を抑制すると共に、冷却器の冷却効率を向上させることを可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、半導体素子をスイッチング駆動することにより交直流変換を行う電力変換装置であって、前記半導体素子と、前記半導体素子への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記半導体素子を取り付けるベース面および前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱部を有する冷却器と、前記平滑コンデンサが格納され、前記ベース面からなる壁面を有する筐体と、前記ベース面に塗布あるいは貼り付けられ、熱伝導率が前記ベース面より小さい第１の断熱材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、筐体内部の温度上昇を抑制すると共に、冷却器の冷却効率を向上させることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図２】図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置の熱解析モデルを示す図である。
【図３】図３は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態１にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図４】図４は、図３（ｃ）に示す状態における温度分布図である。
【図５】図５は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図６】図６は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図７】図７は、図６（ｃ）に示す状態における温度分布図である。
【図８】図８は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図９】図９は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態３にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図９（ｄ）に示す状態における温度分布図である。
【図１１】図１１は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。
【図１２】図１２は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態４にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２（ｃ）に示す状態における温度分布図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。図１に示すように、実施の形態１にかかる電力変換装置は、アルミニウムあるいは銅等の金属により形成された冷却器１のベース１ｂの半導体素子取り付け面（以下、「ベース面」という）２に半導体素子３が取り付けられ、ベース面２からなる壁面と車両（図示せず）に取り付けられた筐体４の壁面とにより密閉された筐体４内部に、半導体素子３への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサ５ａや半導体素子３を駆動する駆動回路５ｂ等の動作中の発熱量が小さい電気部品５が配置され構成される。なお、電気部品５（動作中の発熱量は約３０Ｋ以下）は、筐体４内部の設置部５ｃに配置されている。半導体素子３の各接続端子６と電気部品５との間は、図示しないラミネートブスバー等の接続部品により接続される。冷却器１の放熱部１ａは、車両の外部に開放され、半導体素子３のスイッチングにより発生する損失熱が冷却器１の放熱部１ａから放熱される。なお、筐体４における、ベース面２からなる壁面は、上述したように、ベース面２のみで構成するようにしても、また、一部をベース面２とし、残りを他の部材で構成するようにしてもよい。
【００１１】
また、冷却器１のベース面２の半導体素子３が配置されていない領域には、第１の断熱材である断熱材７を塗布あるいは貼り付け、さらにその断熱材７の表面に、第２の断熱材である断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これら断熱材７および断熱コーティング材８については後述する。
【００１２】
つぎに、断熱材７、断熱コーティング材８を備えていない場合の筐体４内部の温度上昇について説明する。半導体素子３が発した熱は、冷却器１のベース面２から筐体４内部の空気を介して熱振動として電気部品５に伝搬し、電気部品５の温度が上昇する。この現象のように、熱が媒体を介して伝搬する現象を熱伝導という。
【００１３】
また、冷却器１のベース面２の温度が上昇することにより、冷却器１のベース面２からの熱が電磁波として放出され、その電磁波を電気部品５が吸収することにより電気部品５の温度が上昇する。この現象のように、熱が電磁波として運ばれる現象を熱輻射という。
【００１４】
つまり、半導体素子３が発した熱は、熱伝導および熱輻射の２つ現象により冷却器１のベース面２から電気部品５に伝搬する。
【００１５】
本実施の形態では、ベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に、熱伝導率がベース面２よりも小さい断熱材７を塗布あるいは貼り付け、さらにその断熱材７の表面に、熱輻射率がベース面と同等あるいはより小さい断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これにより、熱伝導および熱輻射の双方の現象によるベース面２から電気部品５への熱の伝搬が抑制され、筐体４内部および電気部品５の温度上昇が抑制される。
【００１６】
つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２〜図４を参照して説明する。図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置の熱解析モデルを示す図である。図２に示す熱解析モデルでは、筐体４の手前側の壁面とその壁面に対向する壁面は図示していないが、熱解析を行う上ではこれらの壁面もあるものとして、ベース面２と筐体４の壁面とで密閉された状態で熱解析を行っている。また、以下では、電気部品５に対応する部位を低発熱部５ｄとしてシミュレーションを行っている。
【００１７】
図３は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態１にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図３（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図３（ｂ）は、ベース面２に断熱材７のみ塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図３（ｃ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図３（ａ）〜（ｃ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図４は、図３（ｃ）に示す状態における温度分布図である。図３に示すシミュレーション結果の解析条件は、以下の通りである。
【００１８】
・低発熱部５ｄ
発熱量：１２［Ｗ］、熱輻射率：０．９
・半導体素子３
発熱量：７００［Ｗ］、熱輻射率：０．９
・筐体４壁面
熱伝達率：７［Ｗ／ｍ２Ｋ］
・ベース面２
熱伝達率：１８０［Ｗ／ｍ２Ｋ］、熱輻射率：ε＝０．２
・断熱材７
熱伝導率：λ＝０．３［Ｗ／ｍＫ］，熱輻射率：ε＝０．９
・断熱コーティング材８
熱輻射率：ε＝０．２
【００１９】
ベース面２に断熱材７のみ塗布あるいは貼り付けた場合（図３（ｂ））は、ベース面２に断熱材７および断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けていない場合（図３（ａ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．８［Ｋ］大きくなっている。これは、断熱材７の熱輻射率（ε＝０．９）がベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）に対して大きく、断熱材７による熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を下回っているためと考えられる。
【００２０】
一方、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図３（ｃ））は、ベース面２に断熱材７および断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けていない場合（図３（ａ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．７［Ｋ］小さくなっている。これは、断熱コーティング材８の熱輻射率とベース面２の熱輻射率とが同等（ε＝０．２）であるため、熱輻射には変化がなく、断熱材７による熱伝導の抑制効果が表れた結果であるといえる。
【００２１】
なお、図示していないが、断熱コーティング材８の熱輻射率がベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）よりも小さい場合には、断熱コーティング材８による熱輻射の抑制効果も加わり、さらに電気部品５の温度上昇幅を低下させることができる。
【００２２】
また、筐体４内部への放熱が抑制されるので、半導体素子３が発する熱が効率良く冷却器１の放熱部１ａに伝搬する。これにより、冷却器１の冷却効率を向上させることができる。
【００２３】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、冷却器のベース面の半導体素子が配置されていない領域に第１の断熱材を塗布あるいは貼り付け、さらにその断熱材の表面に、熱輻射率がベース面の熱輻射率と同等あるいはより小さい第２の断熱材を塗布あるいは貼り付けるようにしたので、熱伝導および熱輻射の双方の現象によるベース面から電気部品への熱の伝搬が抑制され、筐体内部および電気部品の温度上昇を抑制することができる。
【００２４】
また、筐体内部への放熱が抑制されるので、半導体素子が発する熱を効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率を向上させることができる。
【００２５】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
図５に示すように、本実施の形態では、各接続端子６を除く半導体素子３のパッケージ表面にも第２の断熱材である断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。
【００２７】
実施の形態１において説明したように、半導体素子３の表面の熱輻射率（ε＝０．９）は、断熱コーティング材８の熱輻射率（ε＝０．２）よりも大きい。このため、実施の形態１において説明した電気部品５の温度上昇には、半導体素子３のパッケージ表面からの熱輻射による温度上昇分も含まれている。
【００２８】
したがって、本実施の形態では、半導体素子３のパッケージ表面からの熱輻射による電気部品５の温度上昇をも抑制するため、ベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けられた断熱材７の表面に加え、半導体素子３のパッケージ表面にも断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これにより、熱輻射による半導体素子３のパッケージ表面から電気部品５への熱の伝搬が抑制され、電気部品５の温度上昇がさらに抑制される。
【００２９】
つぎに、実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２、図６、図７を参照して説明する。
【００３０】
図６は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図６（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図６（ｂ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に加えて、半導体素子３のパッケージ表面にも断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図６（ａ）〜（ｃ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図７は、図６（ｃ）に示す状態における温度分布図である。なお、図６に示すシミュレーション結果の解析条件は、実施の形態１において説明した条件と同一であるので、ここでは省略する。また、図６（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果については、図３（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００３１】
ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図６（ｂ））は、ベース面２に断熱材７および断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けていない場合（図６（ａ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．７［Ｋ］小さくなっている。
【００３２】
一方、断熱材７の表面および半導体素子３のパッケージ表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図６（ｃ））は、断熱材７の表面のみ断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図６（ｂ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅がさらに３．３［Ｋ］小さくなっている。これは、熱輻射率０．９の半導体素子３のパッケージ表面を露出させていた場合に対し、熱輻射率０．２の断熱コーティング材８を半導体素子３のパッケージ表面に塗布することにより、熱輻射が大幅に抑制された結果であるといえる。
【００３３】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、冷却器のベース面の半導体素子が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けられた第１の断熱材の表面に加え、半導体素子のパッケージ表面にも第２の断熱材を塗布あるいは貼り付けるようにしたので、熱輻射による半導体素子のパッケージ表面から電気部品への熱の伝搬が抑制され、実施の形態１よりもさらに筐体内部および電気部品の温度上昇を抑制することができる。
【００３４】
また、筐体内部への放熱がさらに抑制されるので、半導体素子が発する熱をより効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率をより一層向上させることができる。
【００３５】
実施の形態３．
図８は、実施の形態３にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。なお、実施の形態１および２と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
図８に示すように、本実施の形態では、実施の形態１において説明した第１の断熱材である断熱材７および第２の断熱材である断熱コーティング材８に代えて、断熱材７よりも熱伝導率が小さい断熱材７ａを冷却器１のベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けている。
【００３７】
実施の形態１において説明したように、図１に示した断熱材７、断熱コーティング材８を備えていない場合には、半導体素子３が発した熱は、熱伝導および熱輻射の２つの現象により冷却器１のベース面２から低発熱部５ｄに伝搬する（図３（ａ））。
【００３８】
これに対し、ベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）よりも熱輻射率が大きい断熱材７（ε＝０．９）のみベース面２に塗布あるいは貼り付けた場合には、断熱材７による熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を下回るため、低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．８［Ｋ］大きくなっている（図３（ｂ））。
【００３９】
実施の形態１では、断熱材７の表面に、熱輻射率がベース面２の熱輻射率（ε＝０．２）と同等あるいはより小さい断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けることにより、熱伝導および熱輻射の双方の現象によるベース面から電気部品５への熱の伝搬を抑制するようにしたが、本実施の形態では、実施の形態１において説明した断熱材７および断熱コーティング材８に代えて、断熱材７よりも熱伝導率が小さい断熱材７ａを冷却器１のベース面２の半導体素子３が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けることにより、熱伝導によるベース面２から電気部品５への熱の伝搬を実施の形態１よりも抑制し、断熱材７ａによる熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を上回るようにしている。
【００４０】
つぎに、実施の形態３にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２、図９、図１０を参照して説明する。
【００４１】
図９は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態３にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図９（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図９（ｂ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図９（ｃ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図９（ｄ）は、断熱材７および断熱コーティング材８に代えて、ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図９（ａ）〜（ｄ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図１０は、図９（ｄ）に示す状態における温度分布図である。なお、図９に示すシミュレーション結果の解析条件は、実施の形態１において説明した条件に加え、断熱材７ａについて下記の解析条件を加えている。それ以外の解析条件は、実施の形態１において説明した条件と同一であるので、ここでは省略する。
【００４２】
・断熱材７ａ
熱伝導率：λ＝０．０３［Ｗ／ｍＫ］，熱輻射率：ε＝０．９
【００４３】
図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示す各温度上昇シミュレーション結果については、それぞれ、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示す各温度上昇シミュレーション結果と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００４４】
ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付けた場合（図９（ｄ））は、ベース面２を露出させた場合（図９（ａ））に対しては、低発熱部５ｄの温度上昇幅が１．２［Ｋ］小さくなり、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図９（ｃ））よりもさらに低発熱部５ｄの温度上昇幅が０．５［Ｋ］小さくなっている。これは、断熱材７の熱伝導率（λ＝０．３［Ｗ／ｍＫ］）よりも断熱材７ａの熱伝導率（λ＝０．０３［Ｗ／ｍＫ］）が小さいため、熱伝導によるベース面２から低発熱部５ｄへの熱の伝搬が実施の形態１よりも抑制され、断熱材７ａによる熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を上回った結果であるといえる。
【００４５】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置によれば、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さい断熱材を冷却器のベース面の半導体素子が配置されていない領域に塗布あるいは貼り付けることにより、熱伝導によるベース面から電気部品への熱の伝搬を実施の形態１よりも抑制し、熱伝導の抑制効果による温度上昇幅の減少が熱輻射の増大による温度上昇幅の増加を上回るようにしたので、熱輻射率の小さい第２の断熱材を第１の断熱材よりも熱伝導率が小さい断熱材の表面に塗布あるいは貼り付けない場合でも、筐体内部および電気部品の温度上昇を抑制することができる。
【００４６】
なお、熱伝導率が小さい断熱材を用いた場合でも、熱伝導率が小さい断熱材を第１の断熱材として、実施の形態１において説明したように、第１の断熱材の表面に熱輻射率の小さい第２の断熱材を塗布あるいは貼り付けることにより、熱輻射によるベース面から電気部品への熱の伝搬をさらに抑制し、筐体内部および電気部品の温度上昇をさらに抑制することができることは言うまでもない。また、この場合には、半導体素子が発する熱をより効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率をより一層向上させることができる。なお、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さく、且つ、実施の形態２において説明した第２の断熱材よりも熱輻射率が小さい断熱材を用いて、ベース面にその断熱材を塗布あるいは貼り付けた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００４７】
実施の形態４．
図１１は、実施の形態４にかかる電力変換装置の一例を示す上面透視図である。なお、実施の形態１〜３と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
図１１に示すように、本実施の形態では、実施の形態１において説明した第１の断熱材である断熱材７よりも熱伝導率が小さい断熱材７ａを第１の断熱材として、その断熱材７ａの表面および半導体素子３のパッケージ表面に、第２の断熱材である断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けている。これにより、熱輻射による断熱材７ａおよび半導体素子３のパッケージ表面から電気部品５への熱の伝搬がさらに抑制され、電気部品５の温度上昇がより一層抑制される。
【００４９】
つぎに、実施の形態４にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果について、図２、図１２、図１３を参照して説明する。
【００５０】
図１２は、図２に示す熱解析モデルを用いた実施の形態４にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果の一例を示す図である。図１２（ａ）は、ベース面２を露出させた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図１２（ｂ）は、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面および半導体素子３のパッケージ表面に断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示し、図１２（ｃ）は、ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付け、その断熱材７ａの表面および半導体素子３のパッケージ表面に断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた状態における温度上昇シミュレーション結果を示している。図１２（ａ）〜（ｃ）において、左側に示す棒グラフが筐体内平均空気温度上昇（ΔＴ１）を示し、右側に示す棒グラフが低発熱部最大温度上昇（ΔＴ２）を示している。また、図１３は、図１２（ｃ）に示す状態における温度分布図である。なお、図１２に示すシミュレーション結果の解析条件は、実施の形態１および３において説明した条件と同一であるので、ここでは省略する。
【００５１】
図１２（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果については、図３（ａ）に示す温度上昇シミュレーション結果と同一であり、また、図１２（ｂ）に示す温度上昇シミュレーション結果については、図９（ｃ）に示す実施の形態２にかかる電力変換装置の温度上昇シミュレーション結果と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００５２】
ベース面２に断熱材７ａを塗布あるいは貼り付け、その断熱材７ａの表面および半導体素子３のパッケージ表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図１２（ｃ））は、ベース面２を露出させた場合（図１２（ａ））に対しては、温度上昇幅が５．５［Ｋ］小さくなり、ベース面２に断熱材７を塗布あるいは貼り付け、その断熱材７の表面および半導体素子３のパッケージ表面に、断熱コーティング材８を塗布あるいは貼り付けた場合（図１２（ｂ））に対して、低発熱部５ｄの温度上昇幅がさらに１．５［Ｋ］小さくなっている。これは、第１の断熱材として用いた断熱材７ａの熱伝導率（λ＝０．０３［Ｗ／ｍＫ］）が断熱材７の熱伝導率（λ＝０．３［Ｗ／ｍＫ］）よりも小さいため、熱伝導によるベース面２から低発熱部５ｄへの熱の伝搬が実施の形態２よりも抑制された結果であるといえる。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置によれば、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さい断熱材を第１の断熱材として、その第１の断熱材の表面および半導体素子のパッケージ表面に、第２の断熱材である断熱コーティング材を塗布あるいは貼り付けるようにしたので、実施の形態２よりも熱伝導によるベース面から電気部品への熱の伝搬がさらに抑制され、筐体内部および電気部品の温度上昇をより一層抑制することができる。
【００５４】
また、筐体内部への放熱が実施の形態２よりもさらに抑制されるので、半導体素子が発する熱をより効率良く冷却器の放熱部に伝搬することができ、冷却器の冷却効率をより一層向上させることができる。
【００５５】
なお、実施の形態１において説明した第１の断熱材よりも熱伝導率が小さく、且つ、実施の形態２において説明した第２の断熱材よりも熱輻射率が小さい断熱材を用いて、ベース面および半導体素子のパッケージ表面にその断熱材を塗布あるいは貼り付けた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
なお、上述した実施の形態において説明した電力変換装置に適用する半導体素子としては、珪素（シリコン：Ｓｉ）系半導体と比較して、大きなエネルギーバンド幅を持つワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体によって形成された半導体素子を用いて好適である。このＷＢＧ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンド等がある。
【００５７】
このようなＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、半導体素子の小型化が可能であり、これら小型化された半導体素子を用いることにより、これらの半導体素子を組み込んだ電力変換装置の小型化が可能となる。
【００５８】
また、電力損失が低いため、半導体素子の高効率化が可能であり、延いては、電力変換装置の高効率化が可能になる。
【００５９】
さらに、耐熱性も高く、冷却器や筐体の小型化を図ることができるという利点もあるが、一方で、半導体素子の温度が従来よりも高くなり、それに伴う筐体内部や電気部品の温度上昇を考慮する必要がある。上述した実施の形態において説明した電力変換装置では、半導体素子が発する熱の筐体内部への放熱を抑制することができるので、ＷＢＧ半導体によって形成された半導体素子を適用することが容易となる。
【００６０】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６１】
１ 冷却器
１ａ 放熱部
１ｂ ベース
２ ベース面（冷却器）
３ 半導体素子
４ 筐体
５ 電気部品
５ａ 平滑コンデンサ
５ｂ 駆動回路
５ｃ 設置部
５ｄ 低発熱部
６ 接続端子（半導体素子）
７，７ａ 断熱材（第１の断熱材）
８ 断熱コーティング材（第２の断熱材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子をスイッチング駆動することにより交直流変換を行う電力変換装置であって、
前記半導体素子と、
前記半導体素子への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記半導体素子を取り付けるベース面および前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱部を有する冷却器と、
前記平滑コンデンサが格納され、前記ベース面からなる壁面を有する筐体と、
前記ベース面に塗布あるいは貼り付けられ、熱伝導率が前記ベース面より小さい第１の断熱材と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の断熱材は、熱輻射率が前記ベース面の熱輻射率と同等あるいはより小さいことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１の断熱材は、前記半導体素子の表面にさらに塗布あるいは貼り付けられた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。
【請求項４】
前記第１の断熱材の表面に塗布あるいは貼り付けられ、熱輻射率が前記ベース面の熱輻射率と同等あるいはより小さい第２の断熱材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第２の断熱材は、前記半導体素子の表面にさらに塗布あるいは貼り付けられたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項１】
半導体素子をスイッチング駆動することにより交直流変換を行う電力変換装置であって、
前記半導体素子と、
前記半導体素子への直流印加電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記半導体素子を取り付けるベース面および前記半導体素子が発する熱を放熱する放熱部を有する冷却器と、
前記平滑コンデンサが格納され、前記ベース面からなる壁面を有する筐体と、
前記ベース面に塗布あるいは貼り付けられ、熱伝導率が前記ベース面より小さい第１の断熱材と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の断熱材は、熱輻射率が前記ベース面の熱輻射率と同等あるいはより小さいことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１の断熱材は、前記半導体素子の表面にさらに塗布あるいは貼り付けられた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。
【請求項４】
前記第１の断熱材の表面に塗布あるいは貼り付けられ、熱輻射率が前記ベース面の熱輻射率と同等あるいはより小さい第２の断熱材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第２の断熱材は、前記半導体素子の表面にさらに塗布あるいは貼り付けられたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−５５１９８（Ｐ２０１３−５５１９８Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９１８０５（Ｐ２０１１−１９１８０５）
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２日（２０１１．９．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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