WO2017115627A1 - インバータ - Google Patents

Abstract

プリント基板に沿った面における領域を多く占有することなく、当該プリント基板に電解コンデンサと共に搭載されるパワー素子を放熱する技術を提供する。インバータ（１００Ａ）は、プリント基板（９）、電解コンデンサ（４）、パワー素子（１）を備える。電解コンデンサ（４）はプリント基板（９）の面（９０ａ）において横置きに配置して搭載される。パワー素子（１）はプリント基板（９）に搭載され、端子（１１）を有する。金属体（２）は、面（９０ａ）において電解コンデンサ（４）と対面してパワー素子（１）により発生する熱を放熱する放熱部（２２）を含む。金属体（２）は端子（１１）と端子（４１）とを接続する。

Description

インバータ

　この発明はパワー素子を放熱する技術に関し、特にプリント基板において電解コンデンサと共にプリント基板に搭載されるパワー素子を放熱する技術に関する。

　空気調和機の室内機では、熱交換器の有効長を稼ぐべく、電装品の小型化が求められる。そして電装品の小型化を実現するためには、電装品を構成するインバータの薄型化が有効である。インバータは一般的には、電力変換に供されるパワー素子や、平滑コンデンサを備えている。

　通常、平滑コンデンサには電解コンデンサが採用されるので、インバータの薄型化の為にはこれを横置き（平滑コンデンサが搭載される基板に対して、平滑コンデンサの長手方向を略平行に置く）する技術が提案されている（例えば下記の特許文献１参照）。他方、パワー素子同士は例えばインバータパワーモジュールとして一体化されたものがあり、これを放熱する技術が提案されている（放熱について例えば下記の特許文献２参照）。

特開２００６－０４１０６８号公報 特開平１０－３３６９８５号公報

　平滑コンデンサの静電容量は、通常、数十～数百μＦ程度に選定される。よって平滑コンデンサには電解コンデンサが採用される。この程度の容量の電解コンデンサはその高さのみならず幅方向もサイズが大きいので、これを横置きにした場合、これを搭載する基板に沿った領域を多く占める。しかも電解コンデンサは、一般にその外郭がフィルムで被覆された金属であり、当該金属はコンデンサの負側と同電位とされるため、インバータにおいては接地電位（直流母線の低電位側の電位）となる。このため、電解コンデンサの近傍にいわゆる強電を扱う部品を配置することは、絶縁距離を確保する観点から望ましくない。つまり、電解コンデンサの横置きそれのみでは、薄型化には寄与するが、必ずしも電装品の小型化には寄与しない。

　そしてパワー素子を放熱するための放熱用の金属も、上記領域を多く占める。よってプリント基板において電解コンデンサと共にプリント基板に搭載されるパワー素子を放熱する構成は、上記領域を多く占有してしまう傾向にある。

　そこでこの発明は、プリント基板に沿った面における領域を多く占有することなく、当該プリント基板に電解コンデンサと共に搭載されるパワー素子を放熱する技術を提供する。

　この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

　この発明にかかるインバータは、プリント基板（９）と、前記プリント基板の一方の面（９０ａ）において横置きに配置して搭載される電解コンデンサ（４）と、前記プリント基板に搭載され、前記電解コンデンサの端子（４１）に接続される端子（１１）を有するパワー素子（１）とを備える。

　そしてその第１の態様では、前記プリント基板は、絶縁性を有する板状の基体（９０）と、前記一方の面において前記電解コンデンサと対面して前記パワー素子により発生する熱を放熱する放熱部（２２）を含み、前記電解コンデンサの前記端子と前記パワー素子の前記端子とを接続する金属体（２）とを有する。

　この発明にかかるインバータの第２の態様は、その第１の態様であって、前記金属体（２）は、前記パワー素子の前記端子（１１）と前記電解コンデンサ（４）の前記端子（４１）とを接続する配線（２１）を更に含む。前記放熱部（２２）は前記配線から分岐して設けられ、前記分岐の位置（２０，２３）で前記配線を介して前記パワー素子の前記端子（１１）及び前記電解コンデンサの前記端子と接続される。

　この発明にかかるインバータの第３の態様は、その第２の態様であって、前記パワー素子（１）は前記一方の面（９０ａ）に配置され、前記金属体（２）の厚さは均一であり、前記放熱部（２２）は、前記配線（２１）に要求されるパターン幅よりも広い。

　この発明にかかるインバータの第４の態様は、その第３の態様であって、前記放熱部（２２）は、前記配線に流れる電流の最大値に対して１ｍｍ／Ａで規定される幅を超える部分で構成される。

　この発明にかかるインバータの第５の態様は、その第２の態様であって、前記パワー素子（１）は前記プリント基板の他方の面（９０ｂ）に配置され、前記金属体は、前記基体（９０）を貫通して前記配線（２１）と前記放熱部（２２）とを接続するスルーホール（２３）を更に有する。

　この発明にかかるインバータによれば、プリント基板に沿った面における領域を多く占有することなく、当該プリント基板に電解コンデンサと共に搭載されるパワー素子が放熱される。

第１の実施の形態にかかるインバータの構成を例示する平面図である。 図１の位置II-IIにおける断面矢視図である。 金属体の電気的な等価回路を示す図である。 第２の実施の形態にかかるインバータの構成を例示する上面図である。 第２の実施の形態にかかるインバータの構成を例示する底面図である。 図４の位置VI-VIにおける断面矢視図である。

　第１の実施の形態．
　図１は第１の実施の形態にかかるインバータ１００Ａの構成を例示する平面図である。図２は図１の位置II-IIにおける断面矢視図である。

　インバータ１００Ａは、パワー素子１と、電解コンデンサ４と、プリント基板９とを備える。パワー素子１と電解コンデンサ４とはプリント基板９に搭載される。

　電解コンデンサ４はプリント基板９の一方の面９０ａにおいて横置きに配置して搭載される。電解コンデンサ４は本体４０と、端子４１，４２とを含む。

　パワー素子１は複数の端子を有し、その内の一つである端子１１は電解コンデンサ４の端子４１に接続される。本実施の形態においてはパワー素子１も面９０ａにおいて配置される。

　プリント基板９は基体９０と金属体２とを有する。基体９０は、絶縁性を有して板状である。金属体２は放熱部２２を含む。放熱部２２は面９０ａにおいて電解コンデンサ４と対面し、パワー素子１によって発生する熱を放熱する。プリント基板９の他方の面９０ｂ（面９０ａと反対側の面）は本実施の形態では、効果を得るための構成とは関係がない。

　本実施の形態では、金属体２は配線２１を更に含む。配線２１は端子１１と端子４１とを接続する。具体的には配線２１はその一方の端で端子１１に、また他方の端で端子４１に、それぞれ接続される。放熱部２２は配線２１から位置２０で分岐して設けられる。よって、放熱部２２は位置２０で、配線２１を介して端子１１，４１のいずれにも接続されるということができる。

　なおパワー素子１によって発生する熱を放熱する観点からは、分岐の位置２０は配線２１と端子４１との接続位置よりも端子１１寄りであることが望ましい。

　面９０ａには配線３１，３２も設けられる。パワー素子１は端子１１以外に端子１３を有し、端子１３は配線３１に接続される。端子４２は配線３２に接続される。なお、パワー素子１は端子１１，１３以外に端子を有しているが、それらと配線（不図示）の接続関係については本実施の形態とは関係が薄いので説明を省略する。

　図３は図１及び図２で示された金属体２の電気的な等価回路を示す。端子１１と位置２０との間での配線２１の電気抵抗を等価抵抗Ｒ２１ａとし、位置２０と端子４１との間での配線２１の電気抵抗を等価抵抗Ｒ２１ｂとし、等価抵抗Ｒ２１ａ，Ｒ２１ｂの直列接続で配線２１の全体としての電気抵抗を等価抵抗Ｒ２１として表している。

　図１の矢印Ｆは端子１１から端子４１へと流れる電流を模式的に示す。放熱部２２は、配線２１と端子４１との接続位置よりも端子１１寄りで配線２１と分岐するので、上記電流は放熱部２２へはほとんど迂回せず、端子１１から端子４１へ向かって流れる。

　等価抵抗Ｒ２２は放熱部２２の電気抵抗を表す。但し、放熱部２２が配線２１と分岐する位置２０が上述の通りであるので、等価抵抗Ｒ２２の他端は端子４１に対して実質的には接続されない。よって図３では等価抵抗Ｒ２２の一端を位置２０で等価抵抗Ｒ２１ａ，２１ｂとを実線で接続するものの、他端を破線で端子４１に接続して示している。

　但し、位置２０は複数設けられ、放熱部２２が配線２１に対して複数箇所で分岐、換言すれば連結されていてもよい。そのような形態であっても、上記電流は放熱部２２へはほとんど迂回しないからである。

　このように放熱部２２は端子１１，４１の間での電流経路としては機能しない。しかしながら放熱部２２は、端子１１及び配線２１を介してパワー素子１の放熱を行う機能を担う。そして放熱部２２は電解コンデンサ４の本体４０と対面するのであるから、面９０ａに沿って放熱部２２が占める領域は本体４０が占める領域と重複する部分を有する。

　よってプリント基板９に沿った面９０ａにおける領域を多く占有することなく、プリント基板９に電解コンデンサ４と共に搭載されるパワー素子１を放熱することができる。

　なお、放熱部２２は、電解コンデンサ４の本体４０と対面するので、その電位は電解コンデンサ４の負側の電位、すなわち接地電位（直流母線の低電位側の電位）であることが望ましい。これは配線２１を、インバータ１００Ａの低電位側の母線として採用することで実現される。すなわち、パワー素子１の端子１１及び電解コンデンサ４の端子４１は、いずれもインバータ１００Ａの直流母線の低電位側の端子とする。この場合、端子４２はインバータ１００Ａにおける直流母線の高電位端に接続されるべきであるので、配線３２をインバータ１００Ａの直流母線の高電位側の母線として採用する。例えば端子１３がインバータ１００Ａにおける高電位端に接続されるべく、配線３１，３２のいずれもが高電位側の母線として採用されてもよい。

　金属体２は製造工程が複雑にならないよう、通常はその厚さを均一にする。放熱部２２は配線２１と共に金属体２の構成要素であるので、両者の厚さは通常は均一である。

　例えば配線２１のパターン幅は、これに流れる（図１で矢印Ｆで例示された）電流の最大値を想定し、その最大値に対して１ｍｍ／Ａで規定される値に設定されることが望ましい。例えば規格ＭＩＬ－ＳＴＤ－２５７Ａでは、配線の厚さ（銅箔の厚さ）と、プリント基板９の温度上昇に応じた、電流の許容値を定めている。パターン幅と許容値とは完全には正比例関係にはないが、設計値として１ｍｍ／Ａを採用すれば、温度上昇値が摂氏１０度以内となることがわかる。

　放熱部２２は放熱機能を有するので、面９０ａにおいて広く設けることが望ましい。放熱部２２は、上述のように端子１１，４１の間での電流経路としては機能しないが、電流経路として配線２１に要求されるパターン幅よりも広いことが望ましい。つまり放熱部２２は１ｍｍ／Ａで規定されるパターン幅を超える部分で構成されることが望ましい。

　通常、材料低減の観点からは、想定される電流密度よりも広く配線パターンを設定することはない。つまり、放熱部２２は放熱の観点でパターン幅を広く設定することが望ましい。

　第２の実施の形態．
　図４及び図５は、第２の実施の形態にかかるインバータ１００Ｂの構成を例示する、それぞれ上面図及び底面図である。図６は、図４の位置VI-VIにおける断面矢視図である。

　インバータ１００Ｂは、パワー素子１と、電解コンデンサ４と、プリント基板９とを備える。パワー素子１と電解コンデンサ４とはプリント基板９に搭載される。

　電解コンデンサ４はプリント基板９の一方の面９０ａにおいて横置きに配置して搭載される。電解コンデンサ４は本体４０と、端子４１，４２とを含む。

　パワー素子１は複数の端子を有し、その内の一つである端子１１は電解コンデンサ４の端子４１に接続される。本実施の形態においてはパワー素子１は面９０ｂにおいて配置される。

　図４では上面図として面９０ａ側から見た平面図を、図５では底面図として面９０ｂ側から見た平面図を、それぞれ採用した。

　プリント基板９は基体９０と金属体２とを有する。基体９０は、絶縁性を有して板状である。金属体２は配線２１、放熱部２２、スルーホール２３，２４を含む。

　放熱部２２は面９０ａにおいて電解コンデンサ４と対面し、パワー素子１によって発生する熱を放熱する。

　配線２１は面９０ｂにおいて設けられ、端子１１に接続される。スルーホール２４は基体９０を貫通し、配線２１と端子４１とを接続する。よって配線２１はスルーホール２４を介して端子１１と端子４１とを接続する。

　放熱部２２は面９０ａにおいて設けられ、電解コンデンサ４と対面し、パワー素子１によって発生する熱を放熱する。具体的には放熱部２２は、基体９０を貫通するスルーホール２３を介して配線２１と接続される。

　よって第１の実施の形態と類似して、配線２１のうち端子１１と接続される端と、配線２１のうちスルーホール２４を介して端子４１と接続される端との間で、放熱部２２はスルーホール２３で分岐して設けられる、ということができる。

　よって本実施の形態でも第１の実施の形態と同様に、放熱部２２は端子１１，４１の間での電流経路としては機能せず、端子１１、配線２１及びスルーホール２３を介してパワー素子１の放熱を行う機能を担う。そして放熱部２２は電解コンデンサ４の本体４０と対面するのであるから、面９０ａに沿って放熱部２２が占める領域は本体４０が占める領域と重複する部分を有する。

　よって第１の実施の形態と同様に、プリント基板９に沿った面９０ａにおける領域を多く占有することなく、プリント基板９に電解コンデンサ４と共に搭載されるパワー素子１を放熱することができる。

　面９０ｂには配線３１が、面９０ａには配線３２が、それぞれ設けられる。パワー素子１は端子１１以外に端子１３を有し、端子１３は配線３１に接続される。端子４２は配線３２に接続される。この場合には、配線３１，３２同士もスルーホール（不図示）を介して接続される。なお、パワー素子１は端子１１，１３以外に端子を有しているが、それらと配線（不図示）の接続関係については本実施の形態とは関係が薄いので説明を省略する。

　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

Claims (5)

1. 　プリント基板（９）と、
   　前記プリント基板の一方の面（９０ａ）において横置きに配置して搭載される電解コンデンサ（４）と、
   　前記プリント基板に搭載され、前記電解コンデンサの端子（４１）に接続される端子（１１）を有するパワー素子（１）と
   を備え、
   　前記プリント基板は、
   　絶縁性を有する板状の基体（９０）と、
   　前記一方の面において前記電解コンデンサと対面して前記パワー素子により発生する熱を放熱する放熱部（２２）を含み、前記電解コンデンサの前記端子と前記パワー素子の前記端子とを接続する金属体（２）と
   を有する、インバータ（１００Ａ，１００Ｂ）。
2. 　前記金属体（２）は、前記パワー素子の前記端子（１１）と前記電解コンデンサ（４）の前記端子（４１）とを接続する配線（２１）を更に含み、
   　前記放熱部（２２）は前記配線から分岐して設けられ、前記分岐の位置（２０，２３）で前記配線を介して前記パワー素子の前記端子及び前記電解コンデンサの前記端子と接続される、請求項１記載のインバータ（１００Ａ、１００Ｂ）。
3. 　前記パワー素子（１）は前記一方の面（９０ａ）に配置され、
   　前記金属体（２）の厚さは均一であり、
   　前記放熱部（２２）は、前記配線（２１）に要求されるパターン幅よりも広い、請求項２記載のインバータ（１００Ａ）。
4. 　前記放熱部（２２）は、前記配線に流れる電流の最大値に対して１ｍｍ／Ａで規定される幅を超える部分で構成される、請求項３記載のインバータ（１００Ａ）。
5. 　前記パワー素子（１）は前記プリント基板の他方の面（９０ｂ）に配置され、
   　前記金属体は、前記基体（９０）を貫通して前記配線（２１）と前記放熱部（２２）とを接続するスルーホール（２３）を更に有する、請求項２記載のインバータ（１００Ｂ）。

Images