JP6424514B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に半導体素子が例えばＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いて構成されたＳｉＣパッケージ適用ユニットを冷却するための構造に関する。

図５および図６は、下記特許文献１に記載されている従来の電力変換装置（例．インバータ装置）の冷却構造を示す縦断面図である。図５に示されるように、従来の電力変換装置の冷却構造は、段差部４４が放熱フィン４６の下側に設けられ、放熱フィン４６と排気冷却ファン４７との間における隔壁３７を平坦に形成するとともに、放熱フィン４６の先端と箱体３１の背面カバー３３との間に、放熱フィン４６と排気冷却ファン４７との高さの差を埋める絞り板４８を設けるようにしている。絞り板４８は高さＨの空間を冷却風がバイパスすることを防止し、放熱フィン４６を通過する冷却風の風速を上昇させる機能をもっている。放熱フィン４６と冷却ファン４７との間で隔壁３７が平坦に形成されているので、冷却ファン４７で冷却風を吸い込む際のフィンベース４６ａ側の流体抵抗が減少し、フィン４６ｂの付け根付近の流速が上昇する。その結果、高温のフィン付け根側が有効に除熱される構成になっている。

また、図６に示される従来の電力変換装置の他の冷却構造は、隔壁３７により放熱フィン４６と排気冷却ファン４７との間に、放熱フィン４６とフィンベース４６ａと隔壁３７との段差部４４を解消する導風板４９を個別に設けるようにしている。鋼板から図示断面形状に折り曲げ形成された導風板４９は、フィンベース４６ａのフィン接合面から冷却ファン４７の手前まで緩やかに下降し、段差部ｈによる冷却ファン直後の流路断面積の急拡大を解消するようにして、段差部ｈによる圧力損失を低減する。

特開２００５−３４８５３３号公報（図１、図３）

上記した従来の電力変換装置は、排気冷却ファンを使って熱を排気する方式であるが、排気冷却ファンを使用しているため、箱体内部の静圧が低くなり、箱体のあらゆる隙間から空気と一緒に塵埃を吸ってしまうという課題があった。

また、従来の電力変換装置の隔壁は箱体の一部であり、この隔壁は放熱フィンを支持しているが、放熱フィンの熱を箱体内部に導いてしまい、放熱フィンと反対側に位置する室の内気が上昇し、その区画室に配置された電気部品に熱を加えてしまうため電気部品の故障や寿命低下を招くという課題があった。

そこで本発明の目的は、放熱フィンで暖められた空気の熱を箱体内部の熱的に弱い電気部品に伝わるのを防止できるようにした電力変換装置を提供することである。

放熱フィンの高さに調整された絶縁体から成る隔壁を設ける。さらに、この絶縁体から成る隔壁は、（一次）放熱フィンを通過した後の発熱量の大きい電気部品に取り付けられた二次放熱フィンに対して、前記絶縁体の一部に絞り込み部を設けるようにする。

より具体的に示せば請求項１記載の発明は、直方体の箱体内に少なくとも半導体素子及び電気部品が収納された電力変換装置であって、前記箱体の前面側カバーに取り付けられた押し込み冷却ファンと、前記半導体素子に取り付けられた第１の放熱フィンと、発熱量の大きい前記電気部品に取り付けられた、前記第１の放熱フィンとは分離された第２の放熱フィンと、前記箱体内に配置され、前記箱体の内部空間を、前記半導体素子及び前記電気部品を含む第１の空間と、前記第１及び第２の放熱フィンを含む第２の空間とに仕切る隔壁であって、少なくとも熱絶縁性を有する薄い絶縁シートにより構成され隔壁と、を備え、前記押し込み冷却ファンによって前記箱体内に押し込まれた空気は、前記第１及び第２の放熱フィンを含む前記第２の空間を通って前記箱体の背面側から排出され、前記第２の放熱フィンは、前記第１の放熱フィンよりも、前記押し込み冷却ファンによる空気の流れの下流側に位置し、前記第１の放熱フィンを通過する空気の風速よりも前記第２の放熱フィンを通過する空気の風速が上昇するよう、前記隔壁における前記第１の放熱フィンの位置と前記第２の放熱フィンの位置との間に絞り込み部を設けた、ことを特徴とする。

また請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記半導体素子が放出する熱の温度は、前記電気部品が放出する熱の温度よりも高いことを特徴とする。

また請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイアモンドを主材料とする高耐熱性を有するワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする。

本発明の電力変換装置によれば、放熱フィンの高さにあわせた隔壁を設けることができるので、放熱フィンで暖められた空気の熱を箱体内部の熱的に弱い電気部品に伝わるのを防止できる。

さらに、隔壁の一部に絞込み部を設けることで、押し込み冷却ファンにより押し込まれた空気が、放熱フィンを通過した後、発熱量の大きい電気部品に取り付けられた二次放熱フィンに対して、風速を上げられることで放熱性を良好にすることができる。

また上記の隔壁を薄い絶縁シートにより構成しているので、該絶縁シートの加工が容易であり、加工が容易な絶縁体を使うことで熱絶縁もできるため、板金などで製作された従来の隔壁とは違い、熱遮蔽の効果が大きい。特に前記絶縁体の一部に絞り込みを入れる加工も、簡単な型で製作可能であり、コスト削減にもなる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す断面図（その１）である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す断面図（その２）である。 従来の電力変換装置の構成例を示す縦断面図である。 従来の電力変換装置の他の構成例を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図であり、直方体形状の箱体１の前面カバー２に押し込み冷却ファン１８が配置されるとともに、直方体形状の箱体１に側面カバー６を取り付ける。そうして押し込み冷却ファン１８を介して取り込んだ空気（冷気）は背面カバー３側に排気される。

図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す平面図である。図２において直方体形状の箱体１の内部は、隔壁２７により少なくとも前室および後室の２つ以上に分割され、分割されたそれぞれの室に各種電気部品２６ａ〜２６ｄが配置される。押し込み冷却ファン１８より取り込まれた空気は、分割された内部の室に個別に押し込まれる。プリント基板２８に実装された半導体素子１０は、前室の放熱フィン１６(図３および図４参照)上に取り付けられる。ここでプリント基板２８に実装される半導体素子１０は、本例ではＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いて構成されたＳｉＣ半導体素子であるとして説明する。その一方、押し込み冷却ファン１８により押し込まれた空気は、絶縁体から成る隔壁７(図３および図４参照)により、電気部品２６b〜dに風が当たらないように、遮蔽している。

さらに、隔壁７の一部に絞込み部８を設けることで、押し込み冷却ファン１８により押し込まれた空気(冷気)が、放熱フィン１６を通過した後、発熱量の大きい電気部品２６ｄに取り付けられた二次放熱フィン１７に対して、風速を上げられることで放熱性を良好にすることができる(図３および図４参照)。

また隔壁７を薄い絶縁シートにより構成しているので、加工が容易であり、加工が容易な絶縁体を使うことで熱絶縁もできるため、板金などで製作された従来の隔壁とは違い、熱遮蔽の効果が大きい。特に絶縁体の一部に絞り込みを入れる加工も、簡単な型で製作可能であり、コスト削減にもなる。

図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す断面図（その１）であり、直方体形状の箱体１の前面カバー２に押し込み冷却ファン１８が配置され、該冷却ファン１８により押し込まれた空気は放熱フィン１６を通り、絶縁体から成る隔壁７により、電気部品２６ｃ，２６ｂに風を当てないようにして、背面カバー３側へ排気される。

本実施形態では、箱体１の前室側に配置された半導体素子１０が放出する熱の温度は、箱体１の後室側に配置された電気部品２６ｂ〜ｄが放出する熱の温度よりも高いため、半導体素子１０が放出する熱を冷却する放熱フィン１６で暖められた空気の熱が、箱体内部の熱的に弱い電気部品２６ｃ，２６ｂに伝わらないように隔壁７により熱を遮断する。

図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す断面図（その２）であって、図３に示した断面部とは異なる断面部におけるものであり、直方体形状の箱体１の前面カバー２に押し込み冷却ファン１８が配置され、該冷却ファン１８により押し込まれた空気は（一次）放熱フィン１６を通り、絶縁体から成る隔壁７により、発熱量の大きい電気部品２６ｄが取り付けられた二次放熱フィン１７に風を流して、背面カバー３側へ排気される。

上記で説明した半導体パッケージは、もっぱらＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いて構成されたＳｉＣ半導体パッケージを使用する例について示したが、他の半導体素子、例えば、窒化ガリウムやダイアモンドなどを用いた高耐熱性を有するワイドバンドギャップ半導体素子で構成される半導体パッケージに適用するようにしても同じ効果を奏するものである。

１ 箱体
２ 前面カバー
３ 背面カバー
６ 側面カバー
７、２７ 隔壁
８ 絞り込み部
１０ 半導体素子
１６ (一次)放熱フィン
１７ 二次放熱フィン
１８ 押し込み冷却ファン
２６、２６ａ〜２６ｄ 電気部品
２８ プリント基板

Claims (3)

1. 直方体の箱体内に少なくとも半導体素子及び電気部品が収納された電力変換装置であって、
   前記箱体の前面側カバーに取り付けられた押し込み冷却ファンと、
   前記半導体素子に取り付けられた第１の放熱フィンと、
   発熱量の大きい前記電気部品に取り付けられた、前記第１の放熱フィンとは分離された第２の放熱フィンと、
   前記箱体内に配置され、前記箱体の内部空間を、前記半導体素子及び前記電気部品を含む第１の空間と、前記第１及び第２の放熱フィンを含む第２の空間とに仕切る隔壁であって、少なくとも熱絶縁性を有する薄い絶縁シートにより構成され隔壁と、
   を備え、
   前記押し込み冷却ファンによって前記箱体内に押し込まれた空気は、前記第１及び第２の放熱フィンを含む前記第２の空間を通って前記箱体の背面側から排出され、
   前記第２の放熱フィンは、前記第１の放熱フィンよりも、前記押し込み冷却ファンによる空気の流れの下流側に位置し、
   前記第１の放熱フィンを通過する空気の風速よりも前記第２の放熱フィンを通過する空気の風速が上昇するよう、前記隔壁における前記第１の放熱フィンの位置と前記第２の放熱フィンの位置との間に絞り込み部を設けた、ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記半導体素子が放出する熱の温度は、前記電気部品が放出する熱の温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイアモンドを主材料とする高耐熱性を有するワイドバンドギャップ半導体素子である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。