JP4775108B2 - Power electronics - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング電源、インバータ,力率改善回路などを対象とするパワー電子機器に関し、詳しくはその回路を構成しているパワー半導体素子、トランス,リアクトルなどの発熱部品に対する冷却構造に係わる。 The present invention relates to a power electronic device intended for a switching power supply, an inverter, a power factor correction circuit, and the like, and more particularly to a cooling structure for a heat generating component such as a power semiconductor element, a transformer, and a reactor constituting the circuit.
周知のように、DC−DCコンバータなどのスイッチング電源,インバータ,力率改善回路の機器は、パワー半導体素子(IGBTなどのスイッチング素子)に高周波トランス,リアクトルなどの電磁部品,および整流ダイオード,平滑コンデンサを組み合わせ、これら部品をプリント板に搭載した上で筐体に収容して構成している。 As is well known, switching power supplies such as DC-DC converters, inverters, and power factor correction circuit devices include power semiconductor elements (switching elements such as IGBTs), high-frequency transformers, electromagnetic components such as reactors, rectifier diodes, and smoothing capacitors. These components are mounted on a printed board and housed in a housing.
ここで、従来におけるパワー電子機器の構成では、発熱部品であるパワー半導体素子にはヒートシンクを取り付けて半導体素子の発熱を放熱するようにし、トランス,リアクトルなどの発熱部品に対しては筐体内に冷却風を導風して冷却するようにしており(例えば、特許文献1参照)、次にその主要部の組立構造を模式図として図2に表す。 Here, in the configuration of the conventional power electronic device, a heat sink is attached to the power semiconductor element that is a heat generating component so as to dissipate the heat generated by the semiconductor element, and the heat generating component such as a transformer and a reactor is cooled in the housing. The wind is guided and cooled (see, for example, Patent Document 1), and the assembly structure of the main part is shown in FIG. 2 as a schematic diagram.
図2(a),(b)において、1はパワー半導体素子(スイッチング素子)1aは半導体素子1の端子リード、2はパワー半導体素子1に取り付けた放熱用のヒートシンク、2aはヒートシンク2に形成した放熱フィン、3は磁性体(例えば、円筒状のトロイダルコア)3aに巻線(一次巻線)3b,巻線(二次巻線)3cを巻装したトランス(ないしリアクトル)の電磁部品、4はパワー半導体素子1および電磁部品3を搭載したプリント板、5は半導体素子1とヒートシンク2との間の重ね合わせ面に塗布した伝熱ペーストであり、この回路組立体に対して図示矢印のように冷却風を送風して発熱部品を冷却するようにしている。
ところで、前記した従来構造の冷却方式では、冷却性能面で次記のような問題点がある。すなわち、パワー半導体素子1には熱伝導性の高いアルミなどの金属で作られたヒートシンク2を取り付けているので高い冷却能力が確保できるが、トランス,リアクトルなどの電磁部品3(通電に伴い磁性体3aには鉄損,巻線3b,3cには銅損が発生する)は風冷であることから半導体素子1に比べて冷却効率が低い。そこで、従来は電磁部品3に鉄心断面積が大きな磁性体3aを用い、また線径の大きな素線で巻線3b,3cを形成するなどして電磁部品の鉄損,銅損による過渡な温度上昇を抑制するよう対処しているが、このために電磁部品3が大形化,コスト高となる。
By the way, the above-described conventional cooling method has the following problems in terms of cooling performance. That is, the power semiconductor element 1 is provided with a
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、パワー半導体素子に取り付けたヒートシンクを巧みに活用してトランス,リアクトルなどの発熱部品を効果的に冷却できるように組立構造を改良したパワー電子機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and a power electronic device having an improved assembly structure capable of effectively cooling heat-generating components such as a transformer and a reactor by skillfully utilizing a heat sink attached to a power semiconductor element. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明によれば、パワー半導体素子、およびトランス,リアクトルなどの電磁部品を備えたパワー電子機器で、前記パワー半導体素子にヒートシンクを組み合わせて半導体素子の発生熱を放熱するようにしたものにおいて、
前記ヒートシンクに電磁部品を伝熱的に結合するものとし、具体的には次記のような態様で構成する。
(1)前記電磁部品の磁性体を巻鉄心として、前記ヒートシンクに延長部を形成し、このヒートシンクの延長部に前記巻鉄心で構成した電磁部品の磁性体を嵌着して伝熱的に結合する(請求項1)。
(2)前項(1)において、ヒートシンクと電磁部品の巻線とを電気絶縁性の高熱伝導材を介して伝熱的に結合する(請求項2)。
(3)前項(1)または(2)において、ヒートシンクと電磁部品の磁性体とを高熱伝導材を介して伝熱的に結合する(請求項3)。
(4)前項(3)において、高熱伝導材として電気絶縁性の伝熱ペースト,ないし伝熱シートなどを用いる(請求項4)。
(5)前項(1)〜(4)のいずれか1項において、ヒートシンクの延長部を通電路として電磁部品の巻線を構成する(請求項5)。
To achieve the above object, according to the present invention, in a power electronic device including a power semiconductor element and electromagnetic components such as a transformer and a reactor, a heat sink is combined with the power semiconductor element to dissipate heat generated by the semiconductor element. In what I did,
Shall heat transfer coupling the electromagnetic component to the heat sink, the concrete constituting in the manner as follows follow.
(1) Using the magnetic body of the electromagnetic component as a wound iron core, an extension is formed on the heat sink, and the magnetic body of the electromagnetic component composed of the wound iron core is fitted into the extension of the heat sink to couple heat transfer to (claim 1).
(2) In the preceding item (1), the heat sink and the winding of the electromagnetic component are coupled in a heat transfer manner through an electrically insulating high thermal conductive material (claim 2).
(3) In the preceding item (1) or (2), the heat sink and the magnetic body of the electromagnetic component are coupled in a heat transfer manner through a high thermal conductive material ( Claim 3 ).
(4) In the preceding item (3), an electrically insulating heat transfer paste or heat transfer sheet is used as the high heat conductive material.
(5) In any one of the above (1) to (4), constitutes a winding of an electromagnetic component of the extension of the heat sink as a current path (claim 5).
上記の構成によれば、パワー半導体素子のヒートシンクを利用して、電磁部品の発生熱を効率よくヒートシンクに放熱することができる。しかも、ヒートシンクは半導体素子,電磁部品に共用することで新たに冷却部品を追加する必要もなく、従来の冷却方式と比べて機器の低コスト化,冷却性能の向上が図れる。 According to the above configuration, the heat generated by the electromagnetic component can be efficiently radiated to the heat sink by using the heat sink of the power semiconductor element. In addition, since the heat sink is shared by the semiconductor element and the electromagnetic component, it is not necessary to add a new cooling component, and the cost of the device can be reduced and the cooling performance can be improved as compared with the conventional cooling method.
また、ヒートシンクに形成した延長部を導電路として電磁部品の巻線を兼用するよう構成することで、機器の組立構造が簡素化される。 Further, by constructing the extension formed on the heat sink as a conductive path so as to also serve as the winding of the electromagnetic component, the assembly structure of the device is simplified.
以下、本発明の実施の形態を図1に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図2に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described based on the example shown in FIG. In addition, in the figure of an Example, the same code | symbol is attached | subjected to the member corresponding to FIG. 2, and the description is abbreviate | omitted.
すなわち、図示実施例の組立構造においては、パワー半導体素子1の上面に取り付けたヒートシンク(例えば、アルミ製)2を側方に延長し、かつその延長部2bの両端には下向きに起立する脚状の端子2c,2dを形成した上で、この脚状端子2b,2cを半導体素子1の端子リード1aとともにプリント板4のスルーホールに挿入実装またはネジ止めしている。また、ヒートシンク2の延長部2bは中間部位の放熱フィン2aを除去したした上で、この延長部2bに分割形の巻鉄心(トロイダルコア)になる磁性体3aを嵌着し、ヒートシンク2の延長部2bを一次巻線,磁性体(トロイダルコア)3bに巻装した巻線3cを二次巻線として電磁部品(トランス)3を構成するようにしている。
That is, in the assembly structure of the illustrated embodiment, a heat sink (for example, made of aluminum) 2 attached to the upper surface of the power semiconductor element 1 is extended sideways, and leg portions that stand downward at both ends of the extension portion 2b. The
そして、前記の回路組立体に対し、ヒートシンク2の延長部周面と電磁部品3の磁性体3a,巻線3cとの間に熱伝導性の高い伝熱材として電気絶縁性の伝熱ペースト(あるいは軟質な可塑性の伝熱シート)5を隙間なく充填し、この伝熱ペースト5を介して電磁部品3の発生熱をヒートシンク2に伝熱して放熱するようにしている。
And with respect to the said circuit assembly, between the extension part surrounding surface of the
上記の組立構造によれば、通電に伴って電磁部品3に生じた熱(磁性体3aの鉄損,巻線3cの銅損)をヒートシンク2に放熱することができ、これによりパワー半導体素子1と同様に電磁部品3を効率よく冷却して過渡な温度上昇を抑制することができる。
According to the above assembly structure, the heat (iron loss of the
なお、図示の実施例では、ヒートシンク2の延長部2bを端子付きの導電路として電磁部品(トランス)3の一次巻線を構成しているが、この構造に限定されるものではなく、図2に示した電磁部品3と同様に磁性体3aに巻線3bを巻装して電磁部品(トランス)3を構成してもよいことは勿論である。また、電磁部品3がリアクトルである場合には磁性体3aに巻装する巻線は一組とする。
In the illustrated embodiment, the primary winding of the electromagnetic component (transformer) 3 is configured by using the extended portion 2b of the
1 パワー半導体素子
2 ヒートシンク
2b 延長部
3 電磁部品
3a 磁性体
3b,3c 巻線
4 プリント板
5 伝熱ペースト(電気絶縁性の高熱伝導材)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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