JP6187582B2

JP6187582B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6187582B2
Application number: JP2015509876A
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Inventors: 公寿金子
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
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Publication date: 2017-08-30
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Description

本発明は、電力変換用の半導体スイッチング素子を内蔵した半導体パワーモジュールと、この半導体パワーモジュールに対して所定の間隔をあけて積層した複数の実装基板とを備えた電力変換装置に係り、半導体パワーモジュール及び複数の実装基板の冷却構造に関する。

特許文献１の電力変換装置は、筐体内部に、半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴなどの電力変換用のパワー半導体やパワー半導体を駆動する駆動基板、冷却ファンなどが収納されており、冷却ファンの回転駆動により、筐体に設けた通風口から外気を取り入れて筐体内部に強制対流を発生させる。このように、冷却ファンによる空気の強制対流により、電力変換時の電気的損失により発熱したパワー半導体や駆動基板を冷却する装置である。

特開２００９−３３９１０号公報

しかし、上述した特許文献１の電力変換装置は、通風口から外気を取り入れるので、粉塵、湿気が筐体内部に入り込み、冷却特性が低下し、或いは内部部品が腐食するおそれがある。
また、定期的な冷却ファンの保守が必要であり、メンテナンスコストの面で問題がある。
そこで、本発明は、粉塵、湿気などの影響を防止することができ、保守点検を不要としてメンテナンスコストを低減することができる電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、半導体パワーモジュールと、この半導体パワーモジュールに面接合された冷却体と、前記半導体パワーモジュールを駆動するための回路部品が実装され、前記半導体パワーモジュールに対して上部方向に積層された複数の実装基板と、前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板を密閉して収納している筐体と、この筐体の内部で前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の外周を囲って配置した風向部と、を備え、当該風向部は、前記半導体パワーモジュール側に前記筐体の内部空間と連通する吸気口を設け、前記半導体パワーモジュールから最も離間している第１の実装基板側に前記筐体の内部空間と連通する排気口を設け、前記吸気口から前記筐体内部の空気を取り入れ、前記排気口から前記風向部の内部の空気が前記筐体に排出されように、前記半導体パワーモジュール側から前記第１の実装基板側に向かう空気の自然対流を発生させるようにした。

この発明の一態様に係る電力変換装置によると、風向部の内部で発生する空気の自然対流により複数の実装基板に搭載した発熱する回路部品を冷却しているので、冷却ファンなどの装置を使用して強制的に冷却空気を発生する従来装置と比較して、保守点検が不要となり、メンテナンスコストを大幅に低減することができる。
また、密閉空間である筐体の空気が風向部の内部を循環するので、半導体パワーモジュール及び複数の実装基板に対する粉塵、湿気などの悪影響を防止することができる。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記風向部が、前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の長辺、或いは短辺に沿って配置され、前記第１の実装基板側まで立ち上がる風向板を備え、この風向板に複数の前記吸気口が形成されている。

また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記風向部が、前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の長辺に沿って配置され、前記第１の実装基板側まで立ち上がる一対の長尺側風向板を備え、これら長尺側風向板の前記長辺に沿う方向に複数の前記吸気口が形成されている。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記風向部が、前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の短辺に沿って配置され、前記第１の実装基板側まで立ち上がる一対の短尺側風向板を備え、これら短尺側風向板の前記短辺に沿う方向に複数の前記吸気口が形成されている。

また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記風向部が、前記第１の実装基板側に近接して配置した天井風向板を備え、この天井風向板の長手方向に複数の排気口が形成されている。
これらの発明の一態様に係る電力変換装置によると、半導体パワーモジュール及び複数の実装基板の長辺側に流量を多くした自然対流の空気が流れるので、冷却効率を高めることができる。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記長尺側風向板に水平風向板を設け、この水平風向板は、上下に隣接する一対の実装基板の間に、それら実装基板の短辺側の途中まで延在するように配置されている。
この発明の一態様に係る電力変換装置によると、所定の実装基板の発熱する回路部品に、冷却空気を直接接触させることができるので、さらに冷却効率を高めることができる。

また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記風向部が、前記半導体パワーモジュールに一体に固定する固定部を備えている。
この発明の一態様に係る電力変換装置によると、風向部が固定部を介して半導体パワーモジュールに一体化されていることで、電力変換装置の組み立て工数を減少させることができる。
さらに、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記一対の長尺側風向板は、前記複数の実装基板を前記半導体パワーモジュールとの間に間隔を保って支持するとともに前記複数の実装基板の熱を冷却体に伝熱する伝熱支持部材である。
この発明の一態様に係る電力変換装置によると、伝熱支持部材は、実装基板の熱を冷却体に伝熱する機能と、空気の自然対流を発生させる機能を備えているので、さらに冷却効果を高めることができる。

本発明に係る電力変換装置によれば、風向部の内部で発生する空気の自然対流により複数の実装基板に搭載した発熱する回路部品を冷却しているので、冷却ファンなどの装置を使用して強制的に冷却空気を発生する従来装置と比較して、保守点検が不要となり、メンテナンスコストを大幅に低減することができるとともに、密閉空間である筐体の空気が風向部の内部を循環するので、半導体パワーモジュール及び複数の実装基板に対する粉塵、湿気などの悪影響を防止することができる。

本発明に係る第１実施形態の電力変換装置を示す短尺方向から見た断面図である。本発明に係る第１実施形態の電力変換装置を示す長尺方向から見た断面図である。本発明に係る第１実施形態の電力変換装置の内部で発生する空気の自然対流を示す図である。本発明に係る第２実施形態の電力変換装置を示す短尺方向から見た断面図である。本発明に係る第３実施形態の電力変換装置を示す短尺方向から見た断面図である。本発明に係る第３実施形態の電力変換装置の内部で発生する空気の自然対流を示す図である。本発明に係る第４実施形態の電力変換装置を示す短尺方向から見た断面図である。本発明に係る第４実施形態の伝熱支持部材を示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態］
以下、車両の走行用モータを駆動するモータ駆動回路に適用した本発明に係る電力変換装置の第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
図１は、外観直方体形状の電力変換装置を短尺方向から見た断面図、図２は、電力変換装置１を長尺方向から見た断面図である。
本実施形態の電力変換装置１は、アルミニウム合金などの金属からなる筐体２を備え、筐体２は、水冷ジャケットの構成を有する冷却体３を挟んで上下に分割された下部筐体２Ａ及び上部筐体２Ｂを有している。

冷却体３は、例えば熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金を直方体形状に射出成形したものである。この冷却体３の長尺方向の一端側には、下部筐体２Ａに保持されたフィルムコンデンサ４の絶縁被覆された正負の電極４ａを上下に挿通する挿通孔３ｅが形成されている。
そして、この冷却体３には冷却水路３ａが形成されており、冷却水路３ａの一端が図示しない冷却水供給源に接続され、冷却水路３ａの他端から冷却水が外部に排出されるようになっている。
下部筐体２Ａは、有底角筒体で構成され、開放上部が冷却体３で覆われており、内部に平滑用のフィルムコンデンサ４が収納されている。一方、上部筐体２Ｂは、上端及び下端に開放された角筒体２ａと、この角筒体２ａの上端を閉塞する蓋体２ｂとを備えている。角筒体２ａの下端は冷却体３で閉塞されている。角筒体２ａの下端と冷却体３との間には、図示しないが、液状シール剤の塗布やゴム製パッキンの挟み込みなどのシール材が介在されている。

図１に示すように、電力変換装置１は、電力変換用の例えばインバータ回路を構成する半導体スイッチング素子として、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を内蔵した半導体パワーモジュール１１を備えている。
半導体パワーモジュール１１は、扁平な直方体状の絶縁性のケース体１２内にＩＧＢＴを内蔵しており、ケース体１２の下面に金属製の放熱部材１３が形成されている。ケース体１２及び放熱部材１３には、平面視で四隅に固定部材としての挿通孔１５が形成されており、挿通孔１５に挿通した固定ねじ１４を冷却体３の上面に形成したねじ孔に螺合することで、冷却体３の上面に半導体パワーモジュール１１が固定されている。

ケース体１２の上面の４箇所には、所定高さの基板固定部１６が突出形成されている。
基板固定部１６の上端には、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴを駆動する駆動回路等が実装された駆動回路基板２１が固定されている。
駆動回路基板２１の上方には、駆動回路基板２１との対向方向に所定間隔を保って電源回路基板２２が固定されている。電源回路基板２２は、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴに電源を供給する発熱回路部品を含む電源回路等が実装されている。
さらに、電源回路基板２２の上方には、電源回路基板２２との対向方向に所定間隔を保って制御回路基板２３が固定されている。制御回路基板２３は、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴを制御する相対的に発熱量の大きい、又は発熱密度の大きい発熱回路部品を含む制御回路等が実装されている。

そして、駆動回路基板２１は、基板固定部１６に対向する位置に形成した挿通孔内に継ぎねじ２４の雄ねじ部を挿通し、この雄ねじ部を基板固定部１６の上面に形成した雌ねじ部に螺合することにより固定されている。
また、電源回路基板２２は、継ぎねじ２４の上端に形成した雌ねじ部に対向する位置に形成した挿通孔内に継ぎねじ２５の雄ねじ部を挿通し、この雄ねじ部を継ぎねじ２４の雌ねじ部に螺合することにより固定されている。
さらに、制御回路基板２３は、継ぎねじ２５の上端に形成した雌ねじ部に対向する位置に形成した挿通孔内に固定ねじ２６を挿通し、この固定ねじ２６を継ぎねじ２５の雌ねじ部に螺合することにより固定されている。
このように、各基板２１，２２，２３は、基板固定部１６、継ぎねじ２４，２５を介して半導体パワーモジュール１１の上方に、長辺側及び短辺側を一致させた状態で所定間隔をあけて積層されている。

半導体パワーモジュール１１、駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３は、風向部３０により周囲が覆われている。
風向部３０は、下面が開口した有蓋箱形状の部材であり、半導体パワーモジュール１１及び各基板２１，２２，２３の長辺に沿って立ち上がる長尺側風向板３０ａ，３０ｂと、半導体パワーモジュール１１及び各基板２１，２２，２３の短辺に沿って立ち上がる短尺側風向板３０ｃ，３０ｄと、長尺側風向板３０ａ，３０ｂ及び短尺側風向板３０ｃ，３０ｄの上部を閉塞して形成した天井風向板３０ｅと、長尺側風向板３０ａ，３０ｂ及び短尺側風向板３０ｃ，３０ｄの下部から外方に突出している四角枠状のフランジ３０ｆとを備えている。

そして、フランジ３０ｆが固定ねじ３１を介して冷却体３の上面に固定されることで、風向部３０の長尺側風向板３０ａ，３０ｂ、短尺側風向板３０ｃ，３０ｄ及び天井風向板３０ｅが、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の周囲を囲っている。
ここで、風向部３０の天井風向板３０ｅは、制御回路基板２３に近接して配置されている。
また、図２に示すように、この風向部３０の長尺側風向板３０ｂには、フランジ３０ｆに近接する位置（冷却体３に寄った位置）に、長尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の吸気口３２が形成されている。なお、図示しないが、長尺側風向板３０ａのフランジ３０ｆに近接する位置にも、長尺方向に所定間隔をあけて複数の吸気口３２が形成されている。
また、この風向部３０の短尺側風向板３０ｃ，３０ｄｂにも、冷却体３に寄った位置に、短尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の吸気口３２が形成されている。
さらに、天井風向板３０ｅの短尺方向の中央部にも、長尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の排気口３３が形成されている。

また、図２に示すように、半導体パワーモジュール１１の長尺方向の一端側に設けた正負の直流入力端子に１１ａに外部コネクタ５０の一端が接続され、この外部コネクタ５０の他端に冷却体３を貫通するフィルムコンデンサ４の正負の電極４ａが固定ねじ５１で連結されている。また、直流入力端子１１ａに外部のコンバータ（不図示）に接続する接続コード５２の先端に固定された圧着端子５３が固定されている。
さらに、半導体パワーモジュール１１の長尺方向の他端側に設けた３相交流出力端子１１ｂにブスバー５５が固定ねじ５６でそれぞれ接続され、このブスバー５５の途中に電流センサ５７が配置されている。そして、外部の３相電動モータ（不図示）に接続したモータ接続ケーブル５８の先端に固定した圧着端子５９がブスバー５５の他端に固定ねじ６０を介して接続されている。

この状態で、外部のコンバータ（不図示）から直流電力を供給するとともに、電源回路基板２２に実装された電源回路、制御回路基板２３に実装された制御回路を動作状態とし、制御回路から例えばパルス幅変調信号でなるゲート信号を駆動回路基板２１に実装された駆動回路を介して半導体パワーモジュール１１に供給する。これによって、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴが制御されて、直流電力を交流電力に変換する。変換した交流電力は３相交流出力端子１１ｂからブスバー５５を介してモータ接続ケーブル５８に供給され、上記３相電動モータを駆動制御することができる。
このとき、半導体パワーモジュール１１は、内蔵されたＩＧＢＴから発熱するが、この発熱は半導体パワーモジュール１１に形成された放熱部材１３が冷却体３に直接接触されているので、冷却体３の冷却水路３ａに供給されている冷却水によって冷却される。
なお、本発明に係る筐体が上部筐体２Ｂに対応し、本発明に係る半導体パワーモジュールから最も離間している第１の実装基板が、制御回路基板に対応している。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
電源回路基板２２及び制御回路基板２３に実装されている電源回路及び制御回路には発熱回路部品が含まれており、外部のコンバータから直流電力が供給されると、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品が発熱する。
風向部３０の内部は、冷却体３の上面に固定されている半導体パワーモジュール１１の周囲の下部空間の空気が冷たく、電源回路基板２２及び制御回路基板２３が配置されている上部空間の空気が暖かくなる。このように、風向部３０内部の下部空間と上部空間の空気の温度差に伴う密度差によって空気に浮力が生じ、図３参照に示すように、上下方向に立ち上がる長尺側風向板３０ａ，３０ｂ及び短尺側風向板３０ｃ，３０ｄに沿って、風向部３０の内部には、上方に向かう空気の自然対流が発生する。

風向部３０の内部で自然対流が発生した空気は、電源回路基板２２及び制御回路基板２３を冷却しつつ天井風向板３０ｅに向かって流れ、天井風向板３０ｅ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速が早くなり、天井風向板３０ｅに設けた複数の排気口３３から風向部３０の外部（上部筐体２Ｂ）に流れ出る。そして、長尺側風向板３０ａ，３０ｂ及び短尺側風向板３０ｃ，３０ｄの冷却体３に寄った位置に設けた複数の吸気口３２から冷たい空気が風向部３０の内部に流れ込む。このように、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品が発熱すると、風向部３０の内部で空気の自然対流が発生して発熱部品を冷却する。

したがって、本実施形態は、風向部３０の内部で発生する空気の自然対流により発熱部（電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品）を冷却しているので、冷却ファンなどの装置を使用して強制的に冷却空気を発生する従来装置と比較して、保守点検が不要となり、メンテナンスコストを大幅に低減することができる。
また、密閉空間である上部筐体２Ｂの空気が風向部３０の内部を循環するので、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の粉塵、湿気などによる悪影響を防止することができる。

また、長尺側風向板３０ａ，３０ｂの下部（冷却体３側）の長手方向に沿って複数の吸気口３２が形成され、天井風向板３０ｅの幅方向中央に長手方向に沿って複数の排気口３３が形成されており、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の長辺側に、流量を多くした自然対流の空気が流れるので、冷却効率を高めることができる。
さらに、風向部３０の内部で熱交換を行った温度の高い空気は、天井風向板３０ｅ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速を高めて天井風向板３０ｅの排気口３３から上部筐体２Ｂに排出され、長尺側風向板３０ａ，３０ｂ及び短尺側風向板３０ｃ，３０ｄに設けた吸気口３２から温度の低い空気が入り込みやすいので、さらに、風向部３０の内部の冷却効率を高めることができる。

［第２実施形態］
次に、図４に示すものは、本発明に係る第２実施形態を示し、電力変換装置１を短尺方向から見た断面図である。なお、図１から図３で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の風向部３４も、第１実施形態と同様に下面が開口した有蓋箱形状の部材である。
本実施形態の風向部３４は、長方形状の天井風向板３４ａと、この天井風向板３４ａの長辺側縁部に一体形成され、互いに平行に立ち上がる一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃと、長尺側風向板３４ｂ，３４ｂの開放縁部から内側に突出している固定板３４ｄ，３４ｅと、一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃ及び天井風向板３４ａにより長手方向から開口している二つの開口部を着脱自在に閉塞する一対の短尺側風向板３４ｆ（図４では一方の短尺側風向板３４ｆしか示していない）とを備えている。

一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃの固定板３４ｄ，３４ｅに近接する側には、長尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の吸気口３５が形成されている。また、一対の短尺側風向板３４ｆの冷却体３に近接する側にも、短尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の吸気口３５が形成されている。
さらに、天井風向板３４ａの短尺方向の中央部にも、長尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の排気口３６が形成されている。
本実施形態は、基板固定部１６、継ぎねじ２４，２５を介して半導体パワーモジュール１１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３が一体に配置された後に、風向部３４の一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃの下部で半導体パワーモジュール１１のケース体１２の側部を囲み、ケース体１２の下部に固定板３４ｄ，３４を固定することで、半導体パワーモジュール１１に一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃ及び天井風向板３４ａが一体化されている。

そして、挿通孔１５に挿通した固定ねじ１４を、冷却体３の上面に形成したねじ孔に螺合して冷却体３の上面に半導体パワーモジュール１１を固定した後、一対の短尺側風向板３４ｆを一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃ及び天井風向板３４ａに固定することで、半導体パワーモジュール１１、駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の周囲を囲む有蓋箱形状の風向部３４が形成される。
なお、本発明に係る固定部が、一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃの固定板３４ｄ，３４ｅに対応している。
本実施形態によると、風向部３４の内部で自然対流が発生した空気が、発熱している電源回路基板２２及び制御回路基板２３を冷却しつつ天井風向板３４ａに向かって流れ、天井風向板３４ａ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速が早くなり、天井風向板３４ａに設けた複数の排気口３６から風向部３４の外部（上部筐体２Ｂ）に流れ出る。そして、長尺側風向板３４ｂ，３４ｃ及び一対の短尺側風向板３４ｆの冷却体３に寄った位置に設けた複数の吸気口３５から冷たい空気が風向部３４の内部に流れ込む。

したがって、本実施形態は、第１実施形態と同様に、保守点検が不要となり、メンテナンスコストを大幅に低減することができるとともに、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の粉塵、湿気などによる悪影響を防止することができる。
また、本実施形態は、長尺側風向板３４ｂ，３４ｃの下部（冷却体３側）の長手方向に沿って複数の吸気口３５が形成され、天井風向板３４ａの幅方向中央に長手方向に沿って複数の排気口３６が形成されており、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の長辺側に流量を多くした自然対流の空気が流れるので、冷却効率を高めることができる。

また、風向部３４の内部で熱交換を行った温度の高い空気は、天井風向板３４ａ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速を高めて天井風向板３４ａの排気口３６から上部筐体２Ｂに排出され、吸気口３５から温度の低い空気が入り込みやすいので、風向部３４の内部の冷却効率をさらに高めることができる。
そして、本実施形態は、風向部３４を構成する一対の長尺側風向板３４ｂ，３４ｃ及び天井風向板３４ａが、半導体パワーモジュール１１に一体化されているので、電力変換装置１の組み立て工数を減少させることができる。

［第３実施形態］
次に、図５及び図６に示すものは、本発明に係る第３実施形態を示し、電力変換装置１を短尺方向から見た断面図である。本実施形態も、図１から図３で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の風向部３７は、半導体パワーモジュール１１の一方の長辺側部に固定されている第１風向板３８と、半導体パワーモジュール１１の他方の長辺側部に固定された第２風向板３９とを備えている。
第１風向板３８は、半導体パワーモジュール１１、駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の一方の長辺に沿って立ち上がる立上がり板３８ａと、立上がり板３８ａの下端から内側に突出している固定板３８ｂと、立上がり板３８ａの上端から制御回路基板２３の上面に近接して平行に延在している第１水平板３８ｃと、第１水平板３８ｃより下方位置で立上がり板３８ａから駆動回路基板２１及び電源回路基板２２の間の空間まで延在している第２水平板３８ｄとを備えている。

そして、立上がり板３８ａの固定板３８ｂに近接する下部側に、長尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の吸気口４０が形成されている。
第２風向板３９は、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の他方の長辺に沿って立ち上がる立上がり板３９ａと、立上がり板３９ａの下端から内側に突出している固定板３９ｂと、立上がり板３９ａの上端から電源回路基板２２及び制御回路基板２３の間の空間まで延在している第３水平板３９ｃとを備えている。
そして、立上がり板３８ａの固定板３８ｂに近接する下部側に、長尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の吸気口４０が形成されている。

本実施形態では、基板固定部１６、継ぎねじ２４，２５を介して半導体パワーモジュール１１、駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３が一体に配置された後、ケース体１２の下部に、第１風向板３８の固定板３８ｂ及び第２風向板３９の固定板３９ｂを固定することで、半導体パワーモジュール１１に第１風向板３８及び第２風向板３９が一体化されている。
また、第１風向板３８及び第２風向板３９で画成されている長手方向の端部の開口部（図５の表裏方向の開口部）は、図示しない閉塞部材で閉塞されている。
なお、本発明に係る固定部が、第１風向板３８の固定板３８ｂ、第２風向板３９の固定板３９ｂに対応し、本発明に係る水平風向板が、第２水平板３８ｄ、第３水平板３９ｃに対応している。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
外部のコンバータから直流電力が供給されると、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品が発熱する。風向部３７の内部は、冷却体３の上面に固定されている半導体パワーモジュール１１の周囲の下部空間の空気が冷たく、電源回路基板２２及び制御回路基板２３が配置されている上部空間の空気が暖かくなり、風向部３７の内部には、上方に向かう空気の自然対流が発生する。
図６に示すように、第１風向板３８の第２水平板３８ｄは駆動回路基板２１及び電源回路基板２２の間の空間に延在しているので、自然対流により上昇する第１風向板３８側の空気は、駆動回路基板２１の上面に沿って流れて冷却し、次いで電源回路基板２２の下面に沿って流れて冷却していき、さらに立上がり板３８ａに沿って上昇していく。

また、第２風向板３９の第３水平板３９ｃは、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の間の空間に延在しているので、自然対流により上昇する第２風向板３９側の空気は、電源回路基板２２の上面に沿って流れて冷却していく。
そして、上昇した空気は第１水平板３８ｃ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速が早くなり、第１水平板３８ｃの端部の排気口４１から風向部３７の外部に流れ出る。そして、第１風向板３８及び第２風向板３９の冷却体３に寄った位置に設けた複数の吸気口４０から冷たい空気が風向部３７の内部に流れ込む。このように、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品が発熱すると、風向部３７の内部で空気の自然対流が発生し、駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の上面及び下面に冷却空気な流れ込みながら発熱部品を冷却する。

したがって、本実施形態は、風向部３７で発生する空気の自然対流により発熱部（電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品）を冷却しているので、冷却ファンなどの装置を使用して強制的に冷却空気を発生する従来装置と比較して、保守点検が不要となり、メンテナンスコストを大幅に低減することができる。
また、密閉空間である上部筐体２Ｂの空気が風向部３７の内部を循環するので、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の粉塵、湿気などによる悪影響を防止することができる。

また、第１風向板３８及び第２風向板３９の長手方向に沿って複数の吸気口４０が形成されており、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の長辺側に、流量を多くした自然対流の空気が流れるので、冷却効率を高めることができる。
さらに、風向部３７の内部で熱交換を行った温度の高い空気は、第１水平板３８ｃ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速を高めて排気口４１から上部筐体２Ｂに排出され、吸気口４０から温度の低い空気が入り込みやすいので、さらに、風向部３７の内部の冷却効率を高めることができる。

［第４実施形態］
次に、図７及び図８に示すものは、本発明に係る第４実施形態を示すものであり、図７は、電力変換装置１を短尺方向から見た断面図であり、図８は、本実施形態の電力変換装置１を構成する伝熱支持部材を示す側面図である。
本実施形態の電力変換装置１は、図７に示すように、半導体パワーモジュール１１の短尺方向の一端側に設けた正負の直流入力端子に１１ａに外部コネクタ５０の一端が接続され、この外部コネクタ５０の他端に冷却体３を貫通するフィルムコンデンサ４の正負の電極４ａが固定ねじ５１で連結されている。また、直流入力端子１１ａに外部のコンバータ（不図示）に接続する接続コード５２の先端に固定された圧着端子５３が固定されている。

また、半導体パワーモジュール１１の短尺方向の他端側に設けた３相交流出力端子１１ｂにブスバー５５が固定ねじ５６でそれぞれ接続され、このブスバー５５の途中に電流センサ５７が配置されている。そして、外部の３相電動モータ（不図示）に接続したモータ接続ケーブル５８の先端に固定した圧着端子５９がブスバー５５の他端に固定ねじ６０を介して接続されている。
本実施形態の電源回路基板２２及び制御回路基板２３は、伝熱支持部材４２及び４３によって筐体２を介することなく冷却体３への放熱経路を独自に形成するように支持されている。これら伝熱支持部材４２及び４３は、熱伝導率が高い金属例えばアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。

伝熱支持部材４２は、平板状の伝熱支持板部４２ａと、上下に折り曲げ部を有する伝熱支持側板部４２ｃとを備える。伝熱支持板部４２ａには、伝熱部材４５を介して電源回路基板２２が固定ねじによって固定されているとともに、電源回路基板２２が固定されていない部位に複数の通気穴４２ａ１が貫通して形成されている。伝熱部材４５は、伸縮性を有する弾性体であり電源回路基板２２と同じ外形寸法に構成されている。この伝熱部材４５としては、シリコンゴムの内部に金属フィラーを介在させることにより絶縁性能を発揮しながら伝熱性を高めたものが適用されている。

伝熱支持側板部４２ｃは、冷却体３の上面に固定される底板部４４と、この底板部４４の長辺側の外周縁に一体に連結されて上方に延長し、半導体パワーモジュール１１の長尺側に沿って延長している連結板部４２ｄと、この連結板部４２ｄの上端から同図右方に延長するように形成された上板部４２ｅとを有する。
そして、伝熱支持側板部４２ｃの上板部４２ｅと伝熱支持板部４２ａとが、後述する風向板４６とともに固定ねじ４２ｂで固定されている。
また、伝熱支持部材４３は、平板状の伝熱支持板部４３ａと、上下に折り曲げ部を有する伝熱支持側板部４３ｃとを備える。伝熱支持板部４３ａには、伝熱部材４７を介して制御回路基板２３が固定ねじによって固定されているとともに、制御回路基板２３が固定されていない部位に複数の通気穴４３ａ１が貫通して形成されている。伝熱部材４７は、伸縮性を有する弾性体であり制御回路基板２３と同じ外形寸法に構成されている。この伝熱部材４７としては、シリコンゴムの内部に金属フィラーを介在させることにより絶縁性能を発揮しながら伝熱性を高めたものが適用されている。

伝熱支持側板部４３ｃは、冷却体３の上面に固定される底板部４４と、この底板部４４の長辺側の外周縁に一体に連結されて上方に延長し、半導体パワーモジュール１１の長尺側に沿って延長している連結板部４３ｄと、この連結板部４３ｄの上端から同図左方に延長するように形成された上板部４３ｅとを有する。
そして、伝熱支持側板部４３ｃの上板部４３ｅと伝熱支持板部４３ａとが、風向板４６とともに固定ねじ４３ｂで固定されている。
風向板４６は、制御回路基板２３に近接して配置されている天井部４６ａと、伝熱支持部材４２の伝熱支持板部４２ａに当接して固定ねじ４２ｂにより固定される第１フランジ４６ｂと、伝熱支持部材４３の伝熱支持板部４３ａに当接して固定ねじ４３ｂにより固定される第２フランジ４６ｃとを備えている。そして、天井部４６ａの短尺方向の中央部に、長尺方向に所定間隔をあけて円形状の複数の排気口４６ｄが形成されている。

また、伝熱支持部材４３の伝熱支持側板部４３ｃにおける連結板部４３ｄには、図８に示すように、半導体パワーモジュール１１の３相交流出力端子１１ｂに対応する位置に、ブスバー５５を挿通する例えば円形の３つの挿通孔４３ｉが形成されているとともに、隣接する挿通孔４３ｉ間に比較的幅広の伝熱路Ｌｈが形成されている。
また、伝熱支持部材４２の伝熱支持側板部４２ｃにおける連結板部４２ｄにも、同様に、半導体パワーモジュール１１の正極及び負極端子１１ａに対向する位置にそれぞれ同様に形成された挿通孔４２ｉが設けられている。
なお、伝熱支持部材４２，４３及び風向板４６で画成されている長手方向の端部の開口部（図７の表裏方向の開口部）は、図示しない閉塞部材で閉塞されている。

そして、本実施形態の電力変換装置１は、外部のコンバータ（不図示）から直流電力を供給するとともに、電源回路基板２２に実装された電源回路、制御回路基板２３に実装された制御回路を動作状態とし、制御回路から例えばパルス幅変調信号でなるゲート信号を駆動回路基板２１に実装された駆動回路を介して半導体パワーモジュール１１に供給する。これによって、半導体パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴが制御されて、直流電力を交流電力に変換する。変換した交流電力は３相交流出力端子１１ｂからブスバー５５を介してモータ接続ケーブル５８に供給され、上記３相電動モータを駆動制御することができる。
このとき、半導体パワーモジュール１１は、内蔵されたＩＧＢＴから発熱するが、この発熱は半導体パワーモジュール１１に形成された放熱部材１３が冷却体３に直接接触されているので、冷却体３の冷却水路３ａに供給されている冷却水によって冷却される。
なお、本発明に係る伝熱支持部材が、伝熱支持部材４２，４３に対応している。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１によると、パワーモジュール１１に内蔵されたＩＧＢＴが発熱すると、パワーモジュール１１の放熱部材１３の下面中央部に設けた接液部１７が冷却体３に設けた浸漬部５に入り込んで冷却液に浸漬されて直接冷却されるので、パワーモジュール１１を効率良く冷却することができる。
また、伝熱支持用金属板４２，４３が、冷却体３の上面に直接面接合されているので、制御回路基板２２及び電源回路基板２３から伝熱支持用金属板３２，３３に伝達された熱は、冷却体３に放熱され、効率の良い放熱を行うことができる。

また、本実施形態では、風向板４６に固定した伝熱支持用金属板４２，４３が、風向部４７を構成し、自然対流を発生して発熱部を冷却する。
すなわち、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品が発熱すると、風向板４６及び伝熱支持用金属板４２，４３で囲まれた内部（風向部４７）は、冷却体３の上面に固定されている半導体パワーモジュール１１の周囲の下部空間の空気が冷たく、電源回路基板２２及び制御回路基板２３が配置されている上部空間の空気が暖かくなる。このように、風向部４７の内部の下部空間と上部空間の空気の温度差に伴う密度差によって空気に浮力が生じ、図７参照に示すように、上下方向に立ち上がる伝熱支持側板部４２ｃ，４３ｃに沿い、伝熱支持板部４２ａ、４３ａの通気穴４２ａ１，４３ａ１を通過する上方に向かう空気の自然対流が発生する。

風向部４７の内部で自然対流が発生した空気は、電源回路基板２２及び制御回路基板２３を冷却しつつ天井部４６ａに向かって流れ、天井部４６ａ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速が早くなり、天井部４６ａに設けた複数の排気口４６ｄから風向部４７の外部（上部筐体２Ｂ）に流れ出る。そして、伝熱支持用金属板４２，４３に設けた複数の挿通孔４２ｉ，４３ｉから冷たい空気が風向部４７の内部に流れ込む。このように、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品が発熱すると、風向部４７の内部で空気の自然対流が発生して発熱部品を冷却する。
このように、風向板４６及び伝熱支持用金属板４２，４３で構成した風向部４７の内部で発生する空気の自然対流により発熱部（電源回路基板２２及び制御回路基板２３の発熱回路部品）を冷却しているので、さらに冷却効果を高めることができる。

また、密閉空間である上部筐体２Ｂの空気が風向部４７の内部を循環するので、半導体パワーモジュール１１及び駆動回路基板２１、電源回路基板２２及び制御回路基板２３の粉塵、湿気などによる悪影響を防止することができる。
また、風向部３０の内部で熱交換を行った温度の高い空気は、天井部４６ａ及び制御回路基板２３の間の狭い流路を通過することで流速を高めて天井部４６ａの排気口４６ｄから上部筐体２Ｂに排出され、挿通孔４２ｉ，４３ａから温度の低い空気が入り込みやすいので、さらに、風向部４７の内部の冷却効率を高めることができる。
さらに、伝熱支持部材４２，４３の連結板部４２ｄ，４３ｄの外部コネクタ５０，ブスバー５５を挿通する挿通孔４２ｉ，４３ａを、風向部４７の空気を取り込む吸気口として利用しているので、製造コストの低減化を図ることができる。

なお、各実施形態で示した吸気口３２、２５，４０は円形状で示したが、他の形状の開口部で形成しても良い。
また、上述した電力変換装置１では、平滑用のコンデンサとしてフィルムコンデンサ４を適用した場合について説明したが、これに限定されず、円柱状の電解コンデンサを適用するようにしてもよい。
また、上記各実施形態においては、本発明による電力変換装置を電気自動車に適用する場合について説明したが、これに限定されず、軌条を走行する鉄道車両にも本発明を適用することができ、任意の電気駆動車両に適用することができる。さらに電力変換装置としては電気駆動車両に限らず、他の産業機器における電動モータ等のアクチュエータを駆動する場合に本発明の電力変換装置を適用することができる。

以上のように、本発明に係る電力変換装置は、粉塵、湿気などの影響を防止することができ、保守点検を不要としてメンテナンスコストを低減するのに有用である。

１…電力変換装置、２…筐体、２Ａ…下部筐体、２Ｂ…上部筐体、２ａ…角筒体、２ｂ…蓋体、３…冷却体、３ａ…冷却水路、３ｅ…挿通孔、４…フィルムコンデンサ、４ａ…電極、１１…半導体パワーモジュール、１１ａ…直流入力端子、１１ｂ…相交流出力端子、１２…ケース体、１３…放熱部材、１４…固定ねじ、１５…挿通孔、１６…基板固定部、２１…駆動回路基板、２２…電源回路基板、２３…制御回路基板、３０…風向部、３０ａ，３０ｂ…長尺側風向板、３０ｃ，３０ｄ…短尺側風向板、３０ｅ…天井風向板、３０ｆ…フランジ、３２…吸気口、３３…排気口、３４…風向部、３４ａ…天井風向板、３４ｂ，３４ｃ…長尺側風向板、３４ｄ，３４ｅ…固定板、３４ｆ…短尺側風向板、３５…吸気口、３６…排気口、３７…風向部、３８…第１風向板、３８ａ…立上がり板、３８ｂ…固定板、３８ｃ…第１水平板、３８ｄ…第２水平板、３９…第２風向板、３９ａ…立上がり板、３９ｂ…固定板、３９ｃ…第３水平板、４０…吸気口、４１…排気口、４２，４３…伝熱支持部材、４２ａ…伝熱支持板部、４２ｂ…固定ねじ、４２ｃ…伝熱支持側板部、４２ａ１…底板部、４２ｄ…連結板部、４２ｅ…上板部、４２ｉ…挿通孔、４３ａ…伝熱支持板、４３ｂ…固定ねじ、４３ｃ…伝熱支持側板部、４３ｄ…連結板部、４３ｅ…上板部、４３ｉ…挿通孔、４４…底板部、４５…伝熱部材、４６…風向板、４６ａ…天井部、４６ｂ…第１フランジ、４６ｃ…第２ブランジ、４７…風向部、５０…外部コネクタ、５２…接続コード、５３…圧着端子、５５…ブスバー、５７…電流センサ、５８…モータ接続ケーブル、５９…圧着端子

Claims

半導体パワーモジュールと、
この半導体パワーモジュールに面接合された冷却体と、
前記半導体パワーモジュールを駆動するための回路部品が実装され、前記半導体パワーモジュールに対して上部方向に積層された複数の実装基板と、
前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板を密閉して収納している筐体と、
この筐体の内部で前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の外周を囲って配置した風向部と、を備え、
当該風向部は、前記半導体パワーモジュール側に前記筐体の内部空間と連通する吸気口を設け、前記半導体パワーモジュールから最も離間している第１の実装基板側に前記筐体の内部空間と連通する排気口を設け、前記吸気口から前記筐体内部の空気を取り入れ、前記排気口から前記風向部の内部の空気が前記筐体に排出されるように、前記半導体パワーモジュール側から前記第１の実装基板側に向かう空気の自然対流を発生させることを特徴とする電力変換装置。
前記風向部は、前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の長辺、或いは短辺に沿って配置され、前記第１の実装基板側まで立ち上がる風向板を備え、この風向板に複数の前記吸気口が形成されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記風向部は、前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の長辺に沿って配置され、前記第１の実装基板側まで立ち上がる一対の長尺側風向板を備え、これら長尺側風向板の前記長辺に沿う方向に複数の前記吸気口が形成されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
前記風向部は、前記半導体パワーモジュール及び前記複数の実装基板の短辺に沿って配置され、前記第１の実装基板側まで立ち上がる一対の短尺側風向板を備え、これら短尺側風向板の前記短辺に沿う方向に複数の前記吸気口が形成されていることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
前記風向部は、前記第１の実装基板側に近接して配置した天井風向板を備え、この天井風向板の長手方向に複数の排気口が形成されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記長尺側風向板に水平風向板を設け、この水平風向板は、上下に隣接する一対の実装基板の間に、それら実装基板の短辺側の途中まで延在するように配置されていることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
前記風向部は、前記半導体パワーモジュールに一体に固定する固定部を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記一対の長尺側風向板は、前記複数の実装基板を前記半導体パワーモジュールとの間に間隔を保って支持するとともに前記複数の実装基板の熱を冷却体に伝熱する伝熱支持部材であることを特徴とする請求項３，４，６の何れか１項に記載の電力変換装置。