JP4816036B2

JP4816036B2 - インバータ装置

Info

Publication number: JP4816036B2
Application number: JP2005348207A
Authority: JP
Inventors: 裕司佐々木; 祐明会田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: JP2007159204A

Description

本発明は、モータを駆動するＩＧＢＴ等の素子を備えた主スイッチング回路素子とそのスイッチング回路素子を駆動する制御基板からなる小型大容量のインバータ装置に関するものである。

パッケージ内にＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を備えた主スイッチング回路素子と、その主スイッチング回路素子を駆動する制御基板とを備えたＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）からなるインバータ装置は、小型大容量のモータを駆動するのに広く使用されている。

このインバータ装置は、主スイッチング回路素子が、６個のＩＧＢＴとそのＩＧＢＴをそれぞれ独立してスイッチングする制御ＩＣを備え、制御基板が、制御ＩＣに指令周波数を出力するためのフォトカプラを備えており、主スイッチング回路素子側に制御端子が設けられ、制御基板側にコネクタが設けられて両者が接続されるようになっている。

主スイッチング回路素子と制御基板とを接続するには、フォトカプラの１・２次間の浮遊容量を増加させないために、制御端子はできるだけ短くされ、このため、主スイッチング回路素子上に制御端子が突出するように設けられ、制御基板が、その制御端子と接続するために主スイッチング回路素子の直上に設置される構造となっている（特許文献１）。

従来、モータドライブ用インバータのパワー半導体素子の冷却方法として、特許文献２、３があり、水冷式モータのケースにインバータ装置を取り付けて、パワー半導体素子を冷却している。

特開２００３−１９７８６０号公報特開平６−１９７４９４号公報特開２００１−３４６３６０号公報特開２００４−３９７４９号公報

しかしながら、上述したＩＰＭからなるインバータ装置は、主スイッチング回路素子上に制御基板が設けられ、主スイッチング回路素子の冷却は行えても、制御基板が、主スイッチング回路素子からの熱的影響を受けてしまうため、別途冷却が必要となる問題がある。

特許文献４では、この制御基板の冷却手段として、モータの筐体に、スイッチング回路素子を直接固定し、かつその上部の制御基板を固定する台座を形成し、これらを冷却するようにしているが、筐体に、台座を加工するためのスペースが必要となる問題がある。また、主スイッチング回路素子と制御基板は、電位レベルが異なるため、これらを絶縁する必要があるが、特許文献４では、これらの絶縁については、考慮されていない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、スイッチング回路素子と制御基板を冷却できると共に絶縁できるインバータ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、冷却プレート上に主スイッチング回路素子を設け、その主スイッチング回路素子の上方に、その主スイッチング回路素子を駆動制御する制御基板を配置すると共に、該制御基板と上記主スイッチング回路素子を主スイッチング回路素子から垂直に延びる制御端子で接続したインバータ装置において、上記冷却プレートを水冷式のモータケースで形成し、その冷却プレート上に、主スイッチング回路素子の一側に位置して金属製サポートを立設すると共にその金属製サポートの上部に主スイッチング回路素子側に延びる支持片を形成し、他方上記制御基板の底面に熱伝導性と電気絶縁性を備えた伝熱シートを貼り付け、金属製サポートの支持片の上面に、伝熱シートの一部が接するように制御基板を配すると共に支持片の下面に基板固定板を配してこれらをボルト・ナット等で固定して制御基板を片持ち支持し、さらに支持片から主スイッチング回路素子側に延びる伝熱シートに、絶縁シートを貼り付けると共に、上記絶縁シートと伝熱シートに上記制御端子を挿通する穴を形成したインバータ装置である。

請求項２の発明は、金属製サポートは、冷却プレートと接する設置片と、設置片から垂直に延びる垂直片と、垂直片の上部から水平に延びる支持片とで、コ字状に形成され、設置片の先端が主スイッチング回路素子側に位置するように冷却プレート上に立設され、制御基板や主スイッチング回路素子からの熱を、伝熱シートを介して冷却プレートに逃がして制御基板を冷却する請求項１記載のインバータ装置である。

請求項３の発明は、伝熱シートは、シリコンゴム、窒化アルミやアルミナなどのセラミックスからなり、制御基板の全底面に貼り付けられ、制御基板と共に主スイッチング回路素子の一側から他側に亘って延在するように配置される請求項１又は２記載のインバータ装置である。

請求項４の発明は、絶縁シートは、ガラスエポキシ板からなり、支持片と同じ厚さに形成されて、伝熱シートと共に主スイッチング回路素子上に延在するよう伝熱シートに貼り付けられる請求項２又は３記載のインバータ装置である。

請求項５の発明は、金属製サポートは、銅やアルミニウムからなる請求項１記載のインバータ装置である。

本発明によれば、冷却プレート上に金属製サポートを立設し、制御基板からの熱を、その制御基板に貼り付けた伝熱シートから金属製サポートを介して冷却プレートに逃がすことで、制御基板の冷却が行え、またその伝熱シートに絶縁シートを貼り付けることで、主スイッチング回路素子と制御基板の間を絶縁することができる。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明のインバータ装置の要部拡大正面図で、図２は、インバータ装置の全体正面図を示したものである。

図において、１０は主スイッチング回路素子を示し、詳細は図示していないが、６個のＩＧＢＴとそのＩＧＢＴをそれぞれ独立してスイッチングする制御ＩＣがパッケージに収容されて形成され、その下面の放熱面が冷却プレート１１に接するように固定される。

主スイッチング回路素子１０の上面には、電源やモータ（図示せず）の巻き線と接続するための高電圧端子１２が複数設けられ、また上記制御ＩＣを駆動するための制御端子１３が設けられる。

冷却プレート１１内には、図示していないが冷却水通路が形成され、その冷却通路に冷却水が供給されて、主スイッチング回路素子１０を冷却するようになっている。この冷却プレート１１は、水冷式のモータケースで形成されている。

主スイッチング回路素子１０の上方には、制御基板１４が配置される。この制御基板１４は、図示していないが、主スイッチング回路素子１０の制御ＩＣに指令周波数を出力するためのフォトカプラを備えており、そのフォトカプラの２次側が、主スイッチング回路素子１０に突出して設けられた制御端子１３にコネクタ（図示せず）で接続されるようになっている。

冷却プレート１１上には、主スイッチング回路素子１０の一側に位置して銅やアルミニウムなどの金属製サポート１５が立設される。この金属製サポート１５は、冷却プレート１１と接する設置片１６と、設置片１６から垂直に延びる垂直片１７と、垂直片１７の上部から水平に延びる支持片１８とで、全体にコ字状に形成され、設置片１６の先端側が主スイッチング回路素子１０側に位置するように冷却プレート１１上に立設される。

金属製サポート１５の支持片１８の上面には、制御基板１４が主スイッチング回路素子１０上で水平に延びるように取り付けられる。制御基板１４の取り付けは、制御基板１４の底面に、シリコンゴム、窒化アルミやアルミナなどのセラミックス等からなる熱伝導性と電気絶縁性を備えた伝熱シート２０を貼り付け、その伝熱シート２０を介して支持片１８に制御基板１４を配置すると共に、支持片１８の下面に基板固定板２１を配し、その状態でボルト・ナット２２等で固定する。すなわち、基板固定板２１には、ボルト穴２２ａが設けられ、支持片１８、伝熱シート２０及び制御基板１４には、ボルト挿入穴２２ｃが形成され、制御基板１４側からボルト挿入穴２２ｃにボルト２２ｂを挿入してボルト穴２２ａにねじ込むことで、制御基板１４を支持片１８に取り付ける。

また、伝熱シート２０の下面には、主スイッチング回路素子１０と制御基板１４間を絶縁するための絶縁シート２３が貼り付けられる。この絶縁シート２３は、ガラスエポキシ基板から形成されると共に、金属製サポート１５の支持片１８と同じ厚さに形成され、伝熱シート２０を支持片１８上に配置したとき、伝熱シート２０の下面を覆うように延びて、スイッチング回路素子１０と制御基板１４間を絶縁するようになっている。

また、この絶縁シート２３は、伝熱シート２０に貼り付けられると共にその一側が、制御基板１４を基板固定板２１で取り付ける際に、制御基板１４と固定基板２１とで挟まれるように取り付けられる。さらに、絶縁シート２３と伝熱シート２０には、主スイッチング回路素子１０の制御端子１３を挿通する穴が形成されており、制御基板１４を支持片１８上に配置する際に、その穴を通して制御基板１４に設けたコネクタ（図示せず）に制御端子１３が接続された後、ボルト・ナット２２で制御基板１４が支持片１８に固定されるようにする。

以上において、主スイッチング回路素子１０の高電圧端子１２が電源とモータ巻き線に接続されてモータを回転数可変に駆動する際、主スイッチング素子１０が発熱するが冷却プレート１１により冷却される。また主スイッチング回路素子１０の熱は、その上方の制御基板１４にも放射熱として伝熱し、同時に制御基板１４自体も発熱するが、これら熱は、伝熱シート２０から金属製サポート１５を介して冷却プレート１１側に放熱される。

すなわち、コ字状の金属製サポート１５と伝熱シート２０を熱経路とすることで狭いスペースながら効果的に制御基板１４を冷却することができる。

また主スイッチング回路素子１０内のＩＧＢＴによるスイッチングによる切り替えにより巻き線からのサージ電圧が発生し、これが、グランド電位に保たれた制御基板１４側に伝搬するが、絶縁シート２３により主スイッチング回路素子１０と制御基板１４とは絶縁されているため、絶縁基板１４にその影響が及ぶことがない。したがって、制御基板１４のサイズや形状による主スイッチング回路素子１０の高電圧端子１２との干渉を気にする必要がなくなり、複雑な形状のインバータ装置設計に対応できる。

本発明の一実施の形態を示す要部拡大正面図である。本発明の一実施の形態を示す全体正面図である。

符号の説明

１０主スイッチング回路素子
１１冷却プレート
１４制御基板
１５金属製サポート
１８支持片
２０伝熱シート
２３絶縁シート

Claims

冷却プレート上に主スイッチング回路素子を設け、その主スイッチング回路素子の上方に、その主スイッチング回路素子を駆動制御する制御基板を配置すると共に、該制御基板と上記主スイッチング回路素子を主スイッチング回路素子から垂直に延びる制御端子で接続したインバータ装置において、上記冷却プレートを水冷式のモータケースで形成し、その冷却プレート上に、主スイッチング回路素子の一側に位置して金属製サポートを立設すると共にその金属製サポートの上部に主スイッチング回路素子側に延びる支持片を形成し、他方上記制御基板の底面に熱伝導性と電気絶縁性を備えた伝熱シートを貼り付け、金属製サポートの支持片の上面に、伝熱シートの一部が接するように制御基板を配すると共に支持片の下面に基板固定板を配してこれらをボルト・ナット等で固定して制御基板を片持ち支持し、さらに支持片から主スイッチング回路素子側に延びる伝熱シートに、絶縁シートを貼り付けると共に、上記絶縁シートと伝熱シートに上記制御端子を挿通する穴を形成したことを特徴とするインバータ装置。
金属製サポートは、冷却プレートと接する設置片と、設置片から垂直に延びる垂直片と、垂直片の上部から水平に延びる支持片とで、コ字状に形成され、設置片の先端が主スイッチング回路素子側に位置するように冷却プレート上に立設され、制御基板や主スイッチング回路素子からの熱を、伝熱シートを介して冷却プレートに逃がして制御基板を冷却する請求項１記載のインバータ装置。
伝熱シートは、シリコンゴム、窒化アルミやアルミナなどのセラミックスからなり、制御基板の全底面に貼り付けられ、制御基板と共に主スイッチング回路素子の一側から他側に亘って延在するように配置される請求項１又は２記載のインバータ装置。
絶縁シートは、ガラスエポキシ板からなり、支持片と同じ厚さに形成されて、伝熱シートと共に主スイッチング回路素子上に延在するよう伝熱シートに貼り付けられる請求項２又は３記載のインバータ装置。
金属製サポートは、銅やアルミニウムからなる請求項１記載のインバータ装置。