JP4152809B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置として、特許文献１に示すものがあった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３３４７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に示された電力変換装置では、電磁シールド板としての役目を持つ平滑用コンデンサ基板は、銅張ガラスエポキシ基板等であり、銅ベタパターンが電磁シールド効果を出すことになるが、この銅ベタパターンの厚みは厚くても百数十μｍ程度であり、その形状も平板に限られ、さらに銅パターンは半田レジストで覆われているため、十分な電磁シールド効果及び放熱効果を出すことができなかった。また、本来、ゲル状充填材は、スイッチング素子、フリーホイールダイオード及び接続導体を覆っていればよいのであるが、上記構成の電力変換装置では、平滑用コンデンサの冷却を行うため、平滑用コンデンサを覆い尽くせるよう、ゲル状充填材を余分に入れる必要があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力変換装置は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を搭載した絶縁基板、このスイッチング素子を駆動する駆動回路部とこの駆動回路を制御する制御回路部を搭載した駆動制御回路基板、上記絶縁基板と駆動制御回路基板との間に配置され、片面に上記スイッチング素子に供給する電源の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板、及び該平滑用コンデンサ基板のコンデンサ実装面と反対のほぼ全面に形成され、格子状の半田レジストで区切られた多数の半田スポットによる凸部を有する導体膜を備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１に係る電力変換装置について説明する。図１は、直流電源６の直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流モータ等の交流負荷７を駆動する電力変換装置を示す回路ブロック図である。この電力変換装置は、スイッチング素子２、フリーホイールダイオード３、スイッチング素子２を駆動する駆動回路部４、この駆動回路部４を制御してスイッチング素子２を制御する制御回路部５、及びスイッチング素子２に供給する直流電源出力を平滑するための平滑用コンデンサ８を有するスイッチングパワーモジュール１で構成される。
【０００８】
スイッチング素子２は、直流から三相交流へ電力変換を行うものであり、トランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が使用される。また、フリーホイールダイオード３は三相交流から直流へ電力変換を行うものである。平滑用コンデンサ８は、スイッチング素子２に供給する直流電源６の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑するものである。制御回路部５は、スイッチングパワーモジュール１内の駆動回路部４に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御するものである。なお、駆動回路部４及び制御回路部５は、三相交流モータ等の交流負荷７を駆動及び制御する一般的な回路であるため、詳細図示は省略する。
【０００９】
この電力変換装置では、電気自動車を例にすると、車両を始動または加速する際には、バッテリである直流電源６の放電出力を直流から三相交流に変換して三相交流モータである交流負荷７を駆動する。また、車両を回生制動する際には、交流負荷７からの回生電力を三相交流から直流に変換してバッテリである直流電源６に戻す。
【００１０】
図２は、図１の電力変換装置１の内部構成を示す図である。図において、ケース９内のスイッチングパワーモジュール１は、直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ、Ｖ、Ｗ）、及び駆動制御回路基板接続配線１６の各配線をインサート成型した樹脂部２１と、例えば銅で構成されたベース板１２と、このベース板１２上でスイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３を搭載するセラミック等でできた絶縁基板１３と、駆動回路部４と制御回路部５が両面に組み込まれた駆動制御回路基板１０と、絶縁基板１３と駆動制御回路基板１０との間に取り付けられ、例えば銅張りガラスエポキシ基板を使用し、平滑用コンデンサ８を絶縁基板１３側に実装した平滑用コンデンサ基板２０と、絶縁基板１３と平滑用コンデンサ基板２０との間に充填されたシリコン系ゲルからなるゲル状充填材１８と、ベース板１２の下部に設けられた冷却部材１９を備えている。
【００１１】
スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３は、ベース板１２上に設置された導体パターン付きの絶縁基板１３に半田等の接着部材で固定されている。直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ、Ｖ、Ｗ）、及び駆動制御回路基板接続配線１６は、ワイヤボンディング等の接続導体１７により、スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３と接続されている。また、駆動制御回路基板１０と駆動制御回路基板接続配線１６とは、半田等にて電気的に接続されている。
【００１２】
平滑用コンデンサ８は、複数個のセラミックコンデンサが並列接続されて構成されている。これら複数個のセラミックコンデンサは平滑用コンデンサ基板２０の絶縁基板１３側の面に実装されている。平滑用コンデンサ８は、平滑用コンデンサ基板２０を樹脂部２１に固定するネジ１１を介して直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）と電気的に接続されている。
【００１３】
ここで平滑用コンデンサ基板２０の構造について説明する。上述のようにこの基板は銅張りガラスエポキシからなるもので、その片面、すなわち平滑用コンデンサ実装面と反対の面が導体膜である銅ベタパターン２３により銅張りがなされ、この銅ベタパターン２３上は半田レジスト２４で覆われている。この発明では、後述のように、上記半田レジストを、格子状を残して除去し、半田レジストを除去した部分に凸状の半田スポットを設けたものである。
【００１４】
図３は、平滑用コンデンサ基板２０の平滑用コンデンサ８の実装面と反対の面を示す図である。図３に示すように、平滑用コンデンサ基板２０の銅ベタパターン２３を覆っている半田レジスト２４は、基板製造時にあらかじめその大半が格子状部を残して取り除かれており、この半田レジストを取り除いた部分に半田スポット２２が付着され凸部が形成される。半田スポット２２を付着させる方法としては、開口を有する格子状のメタルマスクを掛けておいてクリーム半田を印刷し、リフローする等の方法がある。
【００１５】
平滑用コンデンサ基板２０は、汎用的な表面実装型のセラミックコンデンサで構成された平滑用コンデンサ８を実装し、平滑用コンデンサ８の自己発熱により発生するジュール熱を放熱し、平滑用コンデンサ８を冷却するとともに、電力変換時にスイッチング素子２から発生する放射ノイズを駆動回路部４及び制御回路部５に伝達させないようにする電磁シールド板の役目を持つ。
【００１６】
本発明のポイントは、上述のように、平滑用コンデンサ基板２０のセラミックコンデンサの実装面と反対の面に多数の半田スポット２２を設け、また半田スポット２２を設けた銅ベタパターンをアースに接続したことにより、導体膜上の表面積増加による上述した放熱作用と、電磁シールド作用を、平滑用コンデンサ基板２０に持たせたものである。また、半田によるスポットで凸部形成を容易にしている。
【００１７】
平滑用コンデンサ基板２０には、セラミックコンデンサの実装面と反対の面に、銅ベタパターンが設けられており、電源ＧＮＤ（Ｎ）の全面アースにすることで電磁シールド効果を得ている。従来の技術では、平滑用コンデンサ基板２０に銅張ガラスエポキシ基板だけを使用しており、銅ベタパターンが電磁シールド効果及び若干の冷却効果を出すことになるが、この銅ベタパターンの厚みは厚くても百数十μｍ程度であり、また、その形状も平板に限られるため、十分な電磁シールド効果及び放熱効果を出すことができなかった。
【００１８】
本発明では、平滑用コンデンサ基板２０の銅ベタパターンを覆っている半田レジストの大半をなくし、そこに半田スポット２２を付着させているため、強力な電磁シールド効果を出すことができる。また、格子状を残して半田レジストをなくし、そこに半田スポット２２を付着させることにより、半田付着部の表面積が大きくなり、強力な放熱効果を出すことができる。また、銅ベタパターン部に半田を付着させていない銅張ガラスエポキシ基板等に比べ、剛性が高くなるため、耐振性も向上する。さらに、半田を用いてスポットを形成することは容易であるため製造コストを節減できる。
【００１９】
ゲル状充填材１８は、湿気や塵埃などによりスイッチング素子２が故障または誤動作しないように、スイッチング素子２、フリーホイールダイオード３及び接続導体１７を保護する役目を持っている。同時に、従来はゲル状充填剤１８で平滑用コンデンサ８の冷却も行わせていたため平滑用コンデンサ８全体が浸るようにゲル状充填剤１８を封入していたが、この発明ではその必要はなくなり、ゲル状充填剤１８の封入量を少なくしてコストを削減することができる。
【００２０】
ケース９には、空冷、水冷、油冷等でスイッチング素子２を冷却する冷却部材１９が取り付けられている。スイッチング素子２から発生するジュール熱は、絶縁基板１３及びベース１６を介して冷却部材１９に放熱されて、スイッチング素子２は冷却される。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、小型でかつ信頼性が高く、安価な電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す回路ブロック図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に使用される平滑用コンデンサ基板の部分平面図である。
【符号の説明】
１ スイッチングパワーモジュール、 ２ スイッチング素子、
３ フリーホイールダイオード、 ４ 駆動回路部、
５ 制御回路部、 ６ 直流電源、
７ 交流負荷、 ８ 平滑用コンデンサ、
９ ケース、 １０ 駆動制御回路基板、
１１ ネジ、 １２ ベース板、
１３ 絶縁基板、 １４ 直流入力配線、
１５ 交流出力配線、 １６ 駆動制御回路基板接続配線、
１７ 接続導体、 １８ ゲル状充填材、
１９ 冷却部材、 ２０ 平滑用コンデンサ基板、
２１ 樹脂部、 ２２ 半田スポット、
２３ 銅ベタパターン、 ２４ 半田レジスト。
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置として、特許文献１に示すものがあった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３３４７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に示された電力変換装置では、電磁シールド板としての役目を持つ平滑用コンデンサ基板は、銅張ガラスエポキシ基板等であり、銅ベタパターンが電磁シールド効果を出すことになるが、この銅ベタパターンの厚みは厚くても百数十μｍ程度であり、その形状も平板に限られ、さらに銅パターンは半田レジストで覆われているため、十分な電磁シールド効果及び放熱効果を出すことができなかった。また、本来、ゲル状充填材は、スイッチング素子、フリーホイールダイオード及び接続導体を覆っていればよいのであるが、上記構成の電力変換装置では、平滑用コンデンサの冷却を行うため、平滑用コンデンサを覆い尽くせるよう、ゲル状充填材を余分に入れる必要があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力変換装置は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を搭載した絶縁基板、このスイッチング素子を駆動する駆動回路部とこの駆動回路を制御する制御回路部を搭載した駆動制御回路基板、上記絶縁基板と駆動制御回路基板との間に配置され、片面に上記スイッチング素子に供給する電源の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板、及び該平滑用コンデンサ基板のコンデンサ実装面と反対のほぼ全面に形成され、格子状の半田レジストで区切られた多数の半田スポットによる凸部を有する導体膜を備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１に係る電力変換装置について説明する。図１は、直流電源６の直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流モータ等の交流負荷７を駆動する電力変換装置を示す回路ブロック図である。この電力変換装置は、スイッチング素子２、フリーホイールダイオード３、スイッチング素子２を駆動する駆動回路部４、この駆動回路部４を制御してスイッチング素子２を制御する制御回路部５、及びスイッチング素子２に供給する直流電源出力を平滑するための平滑用コンデンサ８を有するスイッチングパワーモジュール１で構成される。
【０００８】
スイッチング素子２は、直流から三相交流へ電力変換を行うものであり、トランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が使用される。また、フリーホイールダイオード３は三相交流から直流へ電力変換を行うものである。平滑用コンデンサ８は、スイッチング素子２に供給する直流電源６の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑するものである。制御回路部５は、スイッチングパワーモジュール１内の駆動回路部４に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御するものである。なお、駆動回路部４及び制御回路部５は、三相交流モータ等の交流負荷７を駆動及び制御する一般的な回路であるため、詳細図示は省略する。
【０００９】
この電力変換装置では、電気自動車を例にすると、車両を始動または加速する際には、バッテリである直流電源６の放電出力を直流から三相交流に変換して三相交流モータである交流負荷７を駆動する。また、車両を回生制動する際には、交流負荷７からの回生電力を三相交流から直流に変換してバッテリである直流電源６に戻す。
【００１０】
図２は、図１の電力変換装置１の内部構成を示す図である。図において、ケース９内のスイッチングパワーモジュール１は、直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ、Ｖ、Ｗ）、及び駆動制御回路基板接続配線１６の各配線をインサート成型した樹脂部２１と、例えば銅で構成されたベース板１２と、このベース板１２上でスイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３を搭載するセラミック等でできた絶縁基板１３と、駆動回路部４と制御回路部５が両面に組み込まれた駆動制御回路基板１０と、絶縁基板１３と駆動制御回路基板１０との間に取り付けられ、例えば銅張りガラスエポキシ基板を使用し、平滑用コンデンサ８を絶縁基板１３側に実装した平滑用コンデンサ基板２０と、絶縁基板１３と平滑用コンデンサ基板２０との間に充填されたシリコン系ゲルからなるゲル状充填材１８と、ベース板１２の下部に設けられた冷却部材１９を備えている。
【００１１】
スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３は、ベース板１２上に設置された導体パターン付きの絶縁基板１３に半田等の接着部材で固定されている。直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ、Ｖ、Ｗ）、及び駆動制御回路基板接続配線１６は、ワイヤボンディング等の接続導体１７により、スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３と接続されている。また、駆動制御回路基板１０と駆動制御回路基板接続配線１６とは、半田等にて電気的に接続されている。
【００１２】
平滑用コンデンサ８は、複数個のセラミックコンデンサが並列接続されて構成されている。これら複数個のセラミックコンデンサは平滑用コンデンサ基板２０の絶縁基板１３側の面に実装されている。平滑用コンデンサ８は、平滑用コンデンサ基板２０を樹脂部２１に固定するネジ１１を介して直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）と電気的に接続されている。
【００１３】
ここで平滑用コンデンサ基板２０の構造について説明する。上述のようにこの基板は銅張りガラスエポキシからなるもので、その片面、すなわち平滑用コンデンサ実装面と反対の面が導体膜である銅ベタパターン２３により銅張りがなされ、この銅ベタパターン２３上は半田レジスト２４で覆われている。この発明では、後述のように、上記半田レジストを、格子状を残して除去し、半田レジストを除去した部分に凸状の半田スポットを設けたものである。
【００１４】
図３は、平滑用コンデンサ基板２０の平滑用コンデンサ８の実装面と反対の面を示す図である。図３に示すように、平滑用コンデンサ基板２０の銅ベタパターン２３を覆っている半田レジスト２４は、基板製造時にあらかじめその大半が格子状部を残して取り除かれており、この半田レジストを取り除いた部分に半田スポット２２が付着され凸部が形成される。半田スポット２２を付着させる方法としては、開口を有する格子状のメタルマスクを掛けておいてクリーム半田を印刷し、リフローする等の方法がある。
【００１５】
平滑用コンデンサ基板２０は、汎用的な表面実装型のセラミックコンデンサで構成された平滑用コンデンサ８を実装し、平滑用コンデンサ８の自己発熱により発生するジュール熱を放熱し、平滑用コンデンサ８を冷却するとともに、電力変換時にスイッチング素子２から発生する放射ノイズを駆動回路部４及び制御回路部５に伝達させないようにする電磁シールド板の役目を持つ。
【００１６】
本発明のポイントは、上述のように、平滑用コンデンサ基板２０のセラミックコンデンサの実装面と反対の面に多数の半田スポット２２を設け、また半田スポット２２を設けた銅ベタパターンをアースに接続したことにより、導体膜上の表面積増加による上述した放熱作用と、電磁シールド作用を、平滑用コンデンサ基板２０に持たせたものである。また、半田によるスポットで凸部形成を容易にしている。
【００１７】
平滑用コンデンサ基板２０には、セラミックコンデンサの実装面と反対の面に、銅ベタパターンが設けられており、電源ＧＮＤ（Ｎ）の全面アースにすることで電磁シールド効果を得ている。従来の技術では、平滑用コンデンサ基板２０に銅張ガラスエポキシ基板だけを使用しており、銅ベタパターンが電磁シールド効果及び若干の冷却効果を出すことになるが、この銅ベタパターンの厚みは厚くても百数十μｍ程度であり、また、その形状も平板に限られるため、十分な電磁シールド効果及び放熱効果を出すことができなかった。
【００１８】
本発明では、平滑用コンデンサ基板２０の銅ベタパターンを覆っている半田レジストの大半をなくし、そこに半田スポット２２を付着させているため、強力な電磁シールド効果を出すことができる。また、格子状を残して半田レジストをなくし、そこに半田スポット２２を付着させることにより、半田付着部の表面積が大きくなり、強力な放熱効果を出すことができる。また、銅ベタパターン部に半田を付着させていない銅張ガラスエポキシ基板等に比べ、剛性が高くなるため、耐振性も向上する。さらに、半田を用いてスポットを形成することは容易であるため製造コストを節減できる。
【００１９】
ゲル状充填材１８は、湿気や塵埃などによりスイッチング素子２が故障または誤動作しないように、スイッチング素子２、フリーホイールダイオード３及び接続導体１７を保護する役目を持っている。同時に、従来はゲル状充填剤１８で平滑用コンデンサ８の冷却も行わせていたため平滑用コンデンサ８全体が浸るようにゲル状充填剤１８を封入していたが、この発明ではその必要はなくなり、ゲル状充填剤１８の封入量を少なくしてコストを削減することができる。
【００２０】
ケース９には、空冷、水冷、油冷等でスイッチング素子２を冷却する冷却部材１９が取り付けられている。スイッチング素子２から発生するジュール熱は、絶縁基板１３及びベース１６を介して冷却部材１９に放熱されて、スイッチング素子２は冷却される。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、小型でかつ信頼性が高く、安価な電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す回路ブロック図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に使用される平滑用コンデンサ基板の部分平面図である。
【符号の説明】
１ スイッチングパワーモジュール、 ２ スイッチング素子、
３ フリーホイールダイオード、 ４ 駆動回路部、
５ 制御回路部、 ６ 直流電源、
７ 交流負荷、 ８ 平滑用コンデンサ、
９ ケース、 １０ 駆動制御回路基板、
１１ ネジ、 １２ ベース板、
１３ 絶縁基板、 １４ 直流入力配線、
１５ 交流出力配線、 １６ 駆動制御回路基板接続配線、
１７ 接続導体、 １８ ゲル状充填材、
１９ 冷却部材、 ２０ 平滑用コンデンサ基板、
２１ 樹脂部、 ２２ 半田スポット、
２３ 銅ベタパターン、 ２４ 半田レジスト。
Claims (4)
- スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を搭載した絶縁基板、このスイッチング素子を駆動する駆動回路部とこの駆動回路を制御する制御回路部を搭載した駆動制御回路基板、上記絶縁基板と駆動制御回路基板との間に配置され、片面に上記スイッチング素子に供給する電源の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板、及び該平滑用コンデンサ基板のコンデンサ実装面と反対のほぼ全面に形成され、格子状の半田レジストで区切られた多数の半田スポットを有する導体膜を備えたことを特徴とする電力変換装置。
- 上記導体膜は上記半田スポットが設けられている部分を除き半田レジストで覆わ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。
- 上記平滑用コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
- 上記導体膜はアースに接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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