功率轉換裝置製造方法
2024-03-24 23:10:05 1
功率轉換裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供能夠消除絕緣距離不足並使整體緊湊化的功率轉換裝置。功率轉換裝置(1)包括：一個面與冷卻體(3)進行接合的半導體功率模塊(11)；多個安裝基板(22)、(23)，該多個安裝基板安裝有包含對所述半導體功率模塊進行驅動的發熱電路元器件的電路元器件；將多個安裝基板的熱量傳導給所述冷卻體的導熱支承構件(32)、(33)；以及在所述多個安裝基板間，形成於絕緣距離不足的絕緣距離不足區域的絕緣確保區域(43)。
【專利說明】功率轉換裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及功率轉換裝置，該功率轉換裝置在內置有功率轉換用的半導體開關元件的半導體功率模塊上隔著間隔地支承多個安裝基板，該多個安裝基板安裝有包含對上述半導體開關元件進行驅動的發熱電路元器件的電路元器件。
【背景技術】
[0002]作為這種功率轉換裝置，已知有專利文獻I所示那樣的具有將安裝有發熱電路元器件的安裝基板經由殼體與冷卻體相連接，將安裝基板產生的熱量向冷卻體散熱的結構的功率轉換裝置。
在該專利文獻I所記載的功率轉換裝置中，如圖7所示，在冷卻體100上配置有半導體功率模塊101，該半導體功率模塊101內置有功率轉換用的半導體開關元件。在該半導體功率模塊101的上表面側，安裝基板102經由設置於其底面的導熱材料104由與殼體105相連接的導熱支承構件106進行支承。由此，安裝基板102產生的熱量可沿導熱材料104 —導熱支承構件106 —殼體105 —冷卻體100的路徑散熱，因此，能對安裝基板進行冷卻。另外，107為配置在殼體105內的底部的電容器。此外，108為設置在冷卻體底部的輔助設備用逆變器。
現有技術文獻 專利文獻
[0003]專利文獻1:日本專利第4657329號公報
【發明內容】
發明所要解決的技術問題
[0004]然而，在上述專利文獻I所記載的現有例中，控制電路基板所產生的熱量沿控制電路基板一散熱構件一金屬底板一殼體一水冷夾套這樣的路徑進行散熱。因此，存在以下未解決的問題:即，由於將殼體用作為導熱路徑的一部分，因而也要求殼體具有良好的導熱性，從而材料被限定為熱傳導率較高的金屬，因此在要求小型化輕量化的功率轉換裝置中，無法選擇樹脂等較輕的材料，因而難以實現輕量化。
[0005]另外，對於殼體，由於在大多數情況下要求防水、防塵，因此，在金屬底板與殼體之間、殼體與水冷夾套之間，一般塗布液態密封劑或夾入橡膠製填充物等。因此還存在以下未解決的問題:即，液態密封劑或橡膠製填充物的熱傳導率一般較低，將這些材料夾在熱冷卻路徑中會導致熱阻增大，從而導致冷卻效率下降。
[0006] 另一方面，要求功率轉換裝置的緊湊化。若進行該緊湊化，則殼體內的發熱密度提高，隨著溫度上升，安裝在安裝基板上的進行驅動、控制的電子元器件的耐久性下降的可能性變高。為了防止這種情況，通過採用確保冷卻性能的結構以使殼體內的溫度不升高，從而能力圖實現裝置的緊湊化。然而，提高殼體內的冷卻能力是有限度的，在此基礎上力圖實現緊湊化需要限制功率轉換裝置的高度。為此，配置在殼體內的各安裝基板間的距離成為問題。
[0007]在各安裝基板間安裝高度不同的電路元器件，因此，在未安裝電路元器件的狀態下確定安裝基板間的距離是沒有意義的，需要假定安裝有電路元器件的安裝基板。此時，對於安裝基板間的距離，在將高度最大的電路元器件與和其相對的其他安裝基板之間的距離設定為所需的絕緣距離的情況下，在絕緣方面沒有問題，但對於安裝基板間的距離，只要存在一個絕緣距離不足的電路元器件時，就要配合該電路元器件來確定距離，各安裝基板間的距離變長，殼體也變得大型。
[0008]另一方面，為了確保絕緣距離，考慮在與安裝於一個安裝基板的電路元器件相對的另一安裝基板的相對面上安裝絕緣片材，在此情況下，在絕緣方面也沒有問題，但存在以下未解決的問題:即，絕緣片材的導熱性較低，難以傳導從發熱電路元器件產生的熱量，發熱電路元器件產生的熱量滯留在安裝基板間，冷卻能力下降。
因此，本發明是著眼於上述現有例的未解決的問題而完成的，其目的在於提供一種功率轉換裝置，該功率轉換裝置能夠消除絕緣距離不足並使整體緊湊化。
解決技術問題所採用的技術方案
[0009]為了達到上述目的，本發明的功率轉換裝置的第I方式包括:
一個面與冷卻體進行接合的半導體功率模塊；多個安裝基板，該多個安裝基板安裝有包含對所述半導體功率模塊進行驅動的發熱電路元器件的電路元器件；將多個安裝基板的熱量傳導給所述冷卻體的導熱支承構件；以及在所述多個安裝基板間、形成於絕緣距離不足的絕緣距離不足區域的絕緣確保區域。
[0010]根據該第I方式，在多個安裝基板間局部產生絕緣距離不足的絕緣距離不足區域的情況下，在與該絕緣距離不足區域相對的未安裝電路元器件的安裝基板上形成絕緣確保區域。作為該絕緣確保區域，在與該絕緣不足區域相對的安裝基板上局部安裝絕緣片材以確保絕緣距離，或去除將發熱電路元器件產生的熱量向冷卻體進行散熱的導熱支承構件的一部分以確保絕緣距離，或在成為絕緣不足區域的電路元器件和相對的安裝基板之間夾插絕緣性的導熱構件以確保絕緣距離。
由此，即使在安裝電路基板間的部分區域中絕緣距離不足的情況下，也可利用絕緣不足確保區域來確保絕緣距離，可使安裝基板間的距離比所需的絕緣距離要短，使整體結構緊湊化。
[0011]此外，本發明的功率轉換裝置的第2方式中，所述絕緣確保區域設為在與所述絕緣距離不足區域相對的位置夾插絕緣性導熱構件來確保絕緣的區域。
根據該第2方式，通過在安裝基板與導熱支承構件之間夾插絕緣性的導熱構件，從而能可靠地進行安裝基板與導熱支承構件之間的絕緣，並提高散熱效果。
[0012]此外，本發明的功率轉換裝置的第3方式中，所述絕緣確保區域設為在與所述絕緣距離不足區域相對的位置配置絕緣片材來確保絕緣的區域。
根據該第3方式，將絕緣片材僅配置在與絕緣不足區域相對的位置，而不是導熱支承構件的整個表面，因此，除配置有絕緣片材的區域以外的導熱支承構件向相對配置的發熱電路元器件露出。因此，可吸收與導熱支承構件相對的發熱電路元器件產生的熱量，可靠地防止所產生的熱量滯留在安裝基板間。
[0013]此外，本發明的功率轉換裝置的第4方式中，所述絕緣確保區域設為將與所述絕緣距離不足區域相對的位置的所述導熱支承構件去除來確保絕緣的區域。
根據該第4方式，可將與絕緣距離不足區域相對的導熱支承構件去除來確保絕緣距離。在此情況下，即使去除導熱支承構件，與安裝基板之間也存在絕緣性的導熱構件，因此，可確保較長的絕緣距離。
[0014]此外，本發明的功率轉換裝置的第5方式中，所述導熱支承構件由隔著導熱構件對所述安裝基板進行支承的導熱支承板部、和將該導熱支承板部的側面連結並與所述冷卻體相連接的導熱支承側板部構成。
根據該第5方式，導熱支承構件由導熱支承板部和導熱支承側板部構成，因此，在安裝基板的組裝操作時，導熱支承板部與安裝基板一體配置，導熱支承側板部配置成與冷卻體相連接，最後將導熱支承板部和導熱支承側板部連結，從而可構成導熱支承構件。
[0015]此外，本發明的功率轉換裝置的第6方式中，所述導熱支承板部與所述導熱支承側板部一體形成。
根據該第6方式，導熱支承板部與導熱支承側板部一體形成，因此，兩者間不存在接縫，能將熱阻抑制得較低，從而能提高散熱效果。
此外，本發明的功率轉換裝置的第7方式中，所述導熱構件由具有絕緣性的絕緣體構成。
根據該第7方式，導熱構件具有絕緣性，因此，能可靠地進行安裝基板與導熱支承構件之間的絕緣。
[0016]此外，本發明的功率轉換裝置的第8方式中，利用緊固構件，將所述安裝基板和所述導熱支承構件的導熱支承板部隔著所述導熱構件進行固定。
根據該第8方式，在安裝基板與導熱支承構件的導熱支承板部之間夾有導熱構件的狀態下利用緊固構件進行固定，因此，能容易地進行組裝。
此外，本發明的功率轉換裝置的第9方式中，在所述緊固構件的周圍夾插有將所述安裝基板與所述導熱支承構件的導熱支承板部之間的間隔維持在規定值的間隔調整構件。
根據該第9形態，在導熱構件為彈性體的情況下，能正確地規定導熱構件的壓縮率。
發明效果
[0017]根據本發明，即使在安裝基板間局部形成有絕緣距離不足的絕緣距離不足區域的情況下，也可利用絕緣確保區域來確保絕緣，將該絕緣確保區域配置在絕緣距離不足區域即可，因此，在與發熱電路元器件相對的位置使導熱支承構件露出，相對面側的發熱電路元器件產生的熱量能向冷卻體進行散熱而不會滯留。因此，可提高散熱效果，並且，能使安裝基板間的距離比所需的絕緣距離要短，可使殼體緊湊化。
而且，由於不要求殼體具有良好的導熱性，因此，能對殼體使用樹脂等較輕的材料，從而能減輕殼體的重量，提供廉價的功率轉換裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是表示本發明的功率轉換裝置的實施方式I的整體結構的剖視圖。
圖2是表示將安裝基板安裝到導熱支承構件的安裝方法的圖。
圖3是表示將安裝基板安裝到導熱支承構件後的狀態的剖視圖。安裝基板 圖4是表示本發明的功率轉換裝置的實施方式2的主要部分的剖視圖。 圖5是表示本發明的功率轉換裝置的實施方式3的主要部分的剖視圖。
圖6是表示實施方式3的導熱支承板部的缺口狀態的仰視圖。
圖7是表示現有例的剖視圖。
【具體實施方式】
[0019]下面，基於【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施方式。
圖1是表示本發明的功率轉換裝置的整體結構的剖視圖。
圖中，I為功率轉換裝置，該功率轉換裝置I收納在殼體2內。殼體2由合成樹脂材料成形得到，由夾著具有水冷夾套結構的冷卻體3而上下分割出的下部殼體2A及上部殼體2B構成。
[0020]下部殼體2A由有底方筒體構成。該下部殼體2A的開放上部被冷卻體3所覆蓋，其內部收納有濾波用的薄膜電容器4。
上部殼體2B包括上端和下端開放的方筒體2a、以及封閉該方筒體2a上端的蓋體2b。而且，方筒體2a的下端被冷卻體3所封閉。雖未圖示，但在該方筒體2a的下端與冷卻體3之間，存在塗布有液態密封劑或夾有橡膠製密封墊等的密封材料。
[0021]冷卻體3的冷卻水的供水口 3a和排水口 3b朝殼體2外側開口。這些供水口 3a和排水口 3b例如經由撓性軟管與未圖示的冷卻水提供源相連接。該冷卻體3例如將熱傳導率較高的鋁、鋁合金通過壓鑄等鍛造來一體成形。並且，冷卻體3的下表面為平坦面，上表面的除中央部3c外的剩餘部分形成有方框狀的周槽3d。
[0022]功率轉換裝置I包括半導體功率模塊11，該半導體功率模塊11在內置有例如絕緣柵雙極電晶體(IGBT)來作為構成功率轉換用的例如逆變器電路的半導體開關元件。對於該半導體功率模塊11，在扁平的長方體狀的絕緣性的箱體12內內置有IGBT，在箱體12的下表面上形成有金屬制的散熱構件13。在箱體12及散熱構件13中，俯視時，在四個角上形成有插入孔15，該插入孔15供作為固定構件的固定螺釘14插入。另外，在箱體12的上表面，在插入孔15內側的四個部位上突出形成具有規定高度的基板固定部16。
[0023]在該基板固定部16的上端固定有驅動電路基板21,該驅動電路基板21安裝有對內置於半導體功率模塊11的IGBT進行驅動的驅動電路等。此外，在控制電路基板21的上方隔著規定間隔固定有控制電路基板22，該控制電路基板22作為安裝基板安裝有控制電路等，該控制電路中包含對內置於半導體功率模塊11的IGBT進行控制的發熱量相對較大、或者發熱密度較大的發熱電路元器件。並且，在控制電路基板22的上方隔著規定間隔固定有電源電路基板23，該電源電路基板23作為安裝基板安裝有電源電路等，該電源電路中包含對內置於半導體功率模塊11的IGBT進行供電的發熱電路元器件。
[0024]而且，驅動電路基板21通過以下方式來進行固定:即，將接頭螺釘24的外螺紋部24a插入至形成在與基板固定部16相對的位置處的插入孔21a內，將該外螺紋部24a與形成於基板固定部16上表面的內螺紋部16a螺合。
此外，控制電路基板22通過以下方式來進行固定:即，將接頭螺釘25的外螺紋部25a插入至插入孔22a內，該插入孔22a形成在與內螺紋部24b相對的位置處，該內螺紋部24b形成於接頭螺釘24的上端，然後將該外螺紋部25a與接頭螺釘24的內螺紋部24b螺合。
[0025]而且，電源電路基板23通過以下方式來進行固定:即，將固定螺釘26插入至插入孔23a內，該插入孔23a形成於與內螺紋部25a相對的位置處，該內螺紋部25a形成在接頭螺釘25的上端，然後將該固定螺釘26與接頭螺釘25的內螺紋部25a螺合。
另外，控制電路基板22及電源電路基板23利用導熱支承構件32和33來獨立形成向冷卻體3進行散熱的散熱路徑而不經由殼體2。這些導熱支承構件32和33由熱傳導率較高的金屬、例如鋁或鋁合金形成。
[0026]導熱支承構件32及33配置在對控制電路基板22進行支承的冷卻體3的周槽3d內，並具有成為冷卻體接觸板部的呈方框狀的共用的底板部34。因此，導熱支承構件32和33通過底板部34而連結為一體。而且,導熱支承構件32和33及底板部34具有黑色的表面。為了使這些導熱支承構件32和33及底板部34的表面變為黑色，在表面塗布黑色樹脂、或用黑色塗料來進行塗抹即可。
[0027]由此，使導熱支承構件32和33及底板部34的表面變為黑色，從而與金屬原有顏色相比，能增大熱輻射率，增加輻射導熱量。因此，能促進導熱支承構件32和33及底板部34向周圍進行散熱，使控制電路基板22及電源電路基板23高效地進行熱冷卻。此外，也可以只將導熱支承構件32和33的表面變為黑色而不將底板部34的表面變為黑色。
[0028]導熱支承構件32由平板上的導熱支承板部32a、以及導熱支承側板部32c構成，該導熱支承側板部32c通過固定螺釘32b固定在該導熱支承板部32a的沿著半導體功率模塊11的長邊的右端側。此外，導熱支承側板部32c與共用的底板部34相連結。
控制電路基板22隔著導熱構件35通過固定螺釘36固定於導熱支承板部32a。導熱構件35由具有伸縮性的彈性體構成為與電源電路基板23相同的外形尺寸。作為該導熱構件35，適用通過在矽膠的內部設置金屬填料、來發揮絕緣性能並提高導熱性的材料。
[0029]導熱支承側板部32c由連結板部32d以及上板部32e形成，其截面呈逆L字形，其中，該連結板部32d與配置於冷卻體3的周槽3d內的共用的底板部34的長邊側的外邊緣連結為一體且向上方延伸，該上板部32e從該連結板部32d的上端向左側延伸。連結板部32d通過半導體功率模塊11的長邊側的右側面向上方延伸。
導熱支承構件33由平板上的導熱支承板部33a、以及導熱支承側板部33c構成，該導熱支承側板部33c通過固定螺釘33b被固定在該導熱支承板部33a的沿半導體功率模塊11的長邊的左端側。而且，導熱支承側板部33c與共用的底板部34相連結。
[0030]在導熱支承板部33a上，隔著與上述導熱構件35相同的導熱構件37利用固定螺釘38固定有電源電路基板23。
此外，導熱支承側板部33c由連結板部33d以及上板部33e形成，其截面呈逆L字形，其中，該連結板部33d與配置於冷卻體3的周槽3d內的共用的底板部34的長邊側的外邊緣連結為一體且沿上方延伸，該上板部33e從該連結板部33d的上端向左側延伸。連結板部33d通過半導體功率模塊11的長邊側的左側面向上方延伸。
[0031]而且，將連結板部33d與底板部34及上板部33e的連結部形成為例如作為圓筒面的一部分的彎曲面33f和33g。通過這樣將連結板部33d與底板部34及上板部33e的連結部形成為圓筒狀的彎曲面33f和33g，從而能提高對上下振動或橫向搖動等的抗振性。SP，能緩和對功率轉換裝置I傳遞上下振動或橫向搖動時、連結板部33d與底板部34及上板部33e的連結部上所產生的應力集中。
[0032]此外，將連結板部33d與底板部34及上板部33e的連結部形成為圓筒狀的彎曲面33f和33g，從而與將連結板部33d與底板部34及上板部33e的連結部形成為直角的L字形的情況相比，能縮短熱傳導路徑。由此，通過縮短從導熱支承板部33a到冷卻體3的熱傳導路徑，能夠實現高效的熱冷卻。
[0033]此外，如圖2及圖3所示，在控制電路基板22和電源電路基板23上，在上表面一側安裝有發熱電路元器件39。
而且，如圖2所示那樣將控制電路基板22及電源電路基板23、與導熱構件35、37及導熱支承板部32a、33a進行連結。對於這些控制電路基板22及電源電路基板23、與導熱支承板部32a及33a之間的連結，除了左右顛倒以外實質上是相同的，因此，以電源電路基板23及導熱支承板部33a為代表來進行說明。
[0034]在該電源電路基板23與導熱支承板部33a的連結中，如圖2和圖3所示，使用具有比導熱構件37的厚度T要小的導熱板部管理高度H的作為間隔調整構件的墊圈40。該墊圈40通過粘接等臨時固定於導熱支承板部33a上所形成的供固定螺釘38進行螺合的內螺紋部41的外周側。這裡，對墊圈40的導熱板部管理高度H進行設定，使得導熱構件37的壓縮率變為5?30%左右。由此，通過將導熱構件37壓縮為5?30%左右，能夠減小熱阻，發揮高效的導熱效果。
[0035]另一方面，在導熱構件37上，形成有能供接頭螺釘25插入的插入孔37a、以及能供墊圈40插入的插入孔37b。
並且，將導熱構件37放置在導熱支承板部33a上，以使得臨時固定於導熱支承板部33a的墊圈40插入至插入孔37b內，並將電源電路基板23放置在該導熱支承板部33a上，以使得發熱電路元器件39與導熱構件37相接。
[0036]在這種狀態下，使固定螺釘38通過電源電路基板23的插入孔23b，進而通過墊圈40的中心開口與導熱支承板部33a的內螺紋部41螺合。然後，擰緊固定螺釘38，直至導熱構件37的上表面與墊圈40的上表面基本一致。
因此，通過以5?30%左右的壓縮率對導熱構件37進行壓縮，能減小熱阻，發揮高效的導熱效果。此時，由於導熱構件37的壓縮率根據墊圈40的高度H來進行管理，因此，能適當地進行緊固，而不會發生緊固不足或緊固過度。
[0037]控制電路基板22與導熱支承板部32a也與上述相同地隔著導熱構件35進行連結。
另外，關於控制電路基板22與電源電路基板23之間的距尚，安裝在控制電路基板22上的高度較低的作為基準的電路元器件42的上端、與電源電路基板23的導熱支承構件33的導熱支承板部33a的下表面之間的距離設定為需要的絕緣距離LI。
因此，對於高度比作為基準的電路元器件42要高的發熱電路元器件39而言，成為比所需的絕緣距離LI要短的距離L2，該發熱電路元器件39與電源電路基板23的導熱支承板部33a之間成為絕緣距離不足區域。
[0038]若將該絕緣距離不足區域保持原樣，則會導致絕緣不良，因此，在絕緣距離不足區域形成有絕緣確保區域。作為該絕緣確保區域，在圖1的結構中，通過將比發熱電路元器件39的平面形狀要大的絕緣片材43粘貼於與發熱電路元器件39的上表面相對的電源電路基板23的導熱支承板部33a等來配置。由此，通過在與絕緣距離不足區域相對的導熱支承板部33a配置絕緣片材43，從而能消除絕緣距離不足，能將最突出的發熱電路元器件39和與其相對的導熱支承板部33a之間可靠地絕緣。
[0039]另外，如圖2和圖3所示，在導熱支承構件32和33的共用的底板部34上，在半導體功率模塊11的與插入固定螺釘14的插入孔15相對的位置上，形成有固定構件插入孔34a。並且,在底板部34的上表面與形成於半導體功率模塊11的散熱構件13的下表面之間夾有板狀彈性構件45。
接著，通過使固定螺釘14插入半導體功率模塊11及散熱構件13的插入孔15及底板部34的固定構件插入孔34a，並使該固定螺釘14與形成於冷卻體3的內螺紋部3f螺合，來將半導體功率模塊11和底板部34固定在冷卻體3上。
[0040]接著，對上述實施方式I的功率轉換裝置I的組裝方法進行說明。
首先，在圖2中，如上述那樣，使電源電路基板23隔著導熱構件37與導熱支承構件33的導熱支承板部33a相重疊，在以5?30%左右的壓縮率壓縮導熱構件37的狀態下利用固定螺釘38對電源電路基板23、導熱構件37及導熱支承板部33a進行固定，由此如圖3所示那樣預先形成電源電路單元U3。
同樣地，使控制電路基板22隔著導熱構件35與導熱支承構件32的導熱支承板部32a相重疊，在以5?30%左右的壓縮率壓縮導熱構件35的狀態下利用固定螺釘36對控制電路基板22、導熱構件35及導熱支承板部32a進行固定，由此預先形成控制電路單元U2。
[0041]另一方面，在冷卻體3的周槽3d內，在導熱支承構件32和33所共用的底板部34的上表面與形成於半導體功率模塊11的散熱構件13的下表面之間夾有板狀彈性構件45的狀態下，利用固定螺釘14對該底板部34與半導體功率模塊11 一起進行固定。這樣，能將半導體功率模塊11及導熱支承構件32和33的共用的底板部34同時固定於冷卻體3，因此，能減小組裝工序數。
[0042]另外，在將底板部34固定於冷卻體3時，使板狀彈性構件45夾在底板部34與半導體功率模塊11的散熱構件13之間，因此，利用該板狀彈性構件45將底板部34按壓在冷卻體3的周槽3d的底部，使底板部34可靠地與冷卻體3相接觸，從而能確保較大的接觸面積。
[0043]另外，對於半導體功率模塊11，在固定於冷卻體3之前或固定之後，在形成於其上表面的基板固定部16上放置驅動電路基板21。然後，利用四根接頭螺釘24將該驅動電路基板21從其上方固定於基板固定部16。然後，用固定螺釘32b將導熱支承板部32a與導熱支承側板部32c相連結。
然後，在接頭螺釘24的上表面放置控制電路單元U2的控制電路基板22，利用四根接頭螺釘25進行固定。接著，在接頭螺釘25的上表面放置電源電路單元U3的電源電路基板23，並利用四根固定螺釘26進行固定。然後，用固定螺釘33b將導熱支承板部33a與導熱支承側板部33c相連結。
[0044]之後，雖未圖示，將半導體功率模塊11的正負直流輸入端子與外部的整流器等直流電源相連接，並與薄膜電容器4的正負端子相連接。
此外，與半導體功率模塊11的三相交流輸出端子(未圖示)外部的三相電動機等負載相連接。
之後，將下部殼體2A和上部殼體2B隔著密封材料固定於冷卻體3的下表面及上表面，從而完成功率轉換裝置I的組裝。[0045]在該狀態下，在從外部整流器(未圖示)提供直流電的同時，使安裝於電源電路基板23的電源電路、安裝於控制電路基板22上的控制電路處於工作狀態，從控制電路經由安裝在驅動電路基板21上的驅動電路將例如由脈寬調製信號形成的柵極信號提供給半導體功率模塊U。由此，對內置於半導體功率模塊11的IGBT進行控制，並將直流電轉換為交流電。轉換後的交流電從三相交流輸出端子對三相電動機等負載(未圖示)進行驅動控制。
[0046]此時，內置於半導體功率模塊11的IGBT會發熱。由於形成於半導體功率模塊11的散熱構件13與冷卻體3的中央部3c直接接觸，因此利用冷卻體3所提供的冷卻水對該發熱進行冷卻。
另一方面，安裝於控制電路基板22及電源電路基板23的控制電路及電源電路中包含有發熱電路元器件39，這些發熱電路元器件39會發熱。此時，發熱電路元器件39安裝於控制電路基板22及電源電路基板23的上表面側。
[0047]而且，在這些控制電路基板22及電源電路基板23的下表面側，隔著熱傳導率較高且具有彈性的導熱構件35和37設有導熱支承構件32和33的導熱支承板部32a和33a。
因此，能將發熱電路元器件39產生的熱量高效地傳導至導熱構件35和37。並且，由於導熱構件35及37本身以5?30%左右的壓縮率進行了壓縮，熱傳導率得以提高，因此，能夠將傳導到導熱構件35及37的熱量高效地傳導到導熱支承構件32及33的導熱支承板部32a 及 33a。
[0048]而且，由於在導熱支承板部32a和33a上連結有導熱支承側板部32c和33c，因此，傳導至導熱支承板部32a和33a的熱量可通過導熱支承側板部32c和33c傳導至共用的底板部34。由於該底板部34與冷卻體3的周槽3d內直接接觸，因此傳導過來的熱量向冷卻體3進行散熱。
並且，傳導到底板部34的熱量從底板部34的上表面側經由板狀彈性構件45傳導至半導體功率模塊11的散熱構件13，並經由該散熱構件13傳導至冷卻體3的中央部3c而進行散熱。
[0049]這樣，根據上述實施方式1，由於能將安裝於控制電路基板22和電源電路基板23的發熱電路元器件39產生的熱量經由控制電路基板22和電源電路基板23傳導至導熱構件35和37，因此，能高效地進行散熱。
然後，傳導至導熱構件35和37的熱量傳導至導熱支承板部32a和33a，進而傳導至導熱支承側板部32c和33c。此時，導熱支承側板部32c和33c沿半導體功率模塊11的長邊設置。
[0050]因此，能增大導熱面積，並能確保較寬的散熱路徑。而且，由於將導熱支承側板部32c和33c的彎曲部設為圓筒狀的彎曲部，因此，與將彎曲部設為L字形的情況相比，能縮短到冷卻體3的導熱距離。這裡，熱輸送量Q可用以下式(I)來表示。
Q=AX (A/L) XT............(I)
其中，λ是熱傳導率[W/m°C ]，T是溫度差[°C ]基板溫度Tl 一冷卻體溫度T2，A是導熱最小截面積[m2]，L是導熱長度[m]。
[0051]由該式(I)可知，若導熱長度L變短，則熱輸送量Q會增加，從而能發揮良好的冷卻效果。
另外，由於導熱支承構件32和33的導熱支承側板部32c及33c與共用的底板部34 —體化，因此，導熱支承側板部32c及33c與底板部34之間不存在元器件之間的接縫，從而能抑制熱阻。
[0052]此外，由於從安裝有發熱電路元器件39的控制電路基板22和電源電路基板23到冷卻體3的散熱路徑中未包含殼體2，因此，對殼體2的導熱性沒有要求。因此，不必使用鋁等高熱傳導率的金屬來作為殼體2的構成材料，能以合成樹脂材料來構成殼體2，從而能力圖實現輕量化。
另外，由於散熱路徑並不取決於殼體2，能以功率轉換裝置I來單獨形成散熱路徑，因此，能將由半導體功率模塊11、驅動電路基板21、控制電路基板22及電源電路基板23所構成的功率轉換裝置I運用於各種不同形態的殼體2和冷卻體3。
[0053]此外，由於控制電路基板22和電源電路基板23上固定有金屬制的導熱支承板部32a和33a，因此，能提高控制電路基板22和電源電路基板23的剛性。因此，即使在如將功率轉換裝置I作為驅動車輛行駛用電動機的電動機驅動電路來使用的情況那樣的、上下振動或橫向搖動作用於功率轉換裝置I的情況下，也能利用導熱支承構件32和33來提高剛性。因此，能提供受上下振動、橫向搖動等的影響較小的功率轉換裝置I。
[0054]而且，安裝於控制電路基板22的上表面的發熱電路元器件39產生的熱量也向控制電路基板22及電源電路基板23間的空間進行散熱，該散熱部分由相對的電源電路基板23的導熱支承板部33a吸收，通過導熱支承側板部33c向冷卻體3進行散熱。因此，發熱電路元器件39產生的熱量不會滯留在控制電路基板22及電源電路基板23之間，而向冷卻體3進行散熱。
[0055]此處，關於控制電路基板22與電源電路基板23之間的距離，作為基準的電路元器件42的上表面與電源電路基板23的導熱支承板部33a之間設定所需的絕緣距離LI。因此，雖然在電路元器件42與電源電路基板23的導熱支承板部33a之間可確保絕緣，但對於高度比該作為基準的電路元器件42要高的電路元器件39而言，無法確保絕緣距離。
[0056]然而，在本實施方式中，當產生絕緣距離不足區域時，在與絕緣距離不足區域相對的電源電路基板23的導熱支承板部的相對面配置有絕緣片材43，因此，利用該絕緣片材43可確保所需的導熱距離。
因此，控制電路基板22與電源電路基板23之間的距離為對作為基準的電路元器件42的高度加上所需的絕緣距離LI後的距離，與對絕緣距離最短的發熱電路元器件39的高度加上所需的絕緣距離LI後的距離相比能足夠短。
[0057]因此，能縮短從半導體功率模塊11到最上級的電源電路基板23為止的距離，也可降低包圍它們的上部殼體2B的高度，因此，可實現緊湊化。
另外，在上述實施方式I中，對存在兩種安裝有發熱電路元器件39的基板的情況進行了說明。然而，本發明並不局限於上述結構，在安裝有發熱電路元器件39的基板例如僅是一塊控制電路基板22的情況或有三塊以上的情況下，也可以採用本發明。
[0058]接著，使用圖4對本發明的實施方式2進行說明。
該實施方式2中，在所安裝的電路元器件的高度較高而產生絕緣不足區域的情況下，在與絕緣不足區域相對的區域中夾插絕緣性導熱構件，以確保絕緣。
即，實施方式2中，如圖4所示，省略上述實施方式I中的絕緣片材43，取而代之，在安裝於控制電路基板22的聞度最聞的電路兀器件39和與其相對的電源電路基板23的導熱支承板部33a之間的絕緣距離不足區域中，夾插具有與上述實施方式I中的導熱構件35、37相同的絕緣性的絕緣性導熱構件51，以作為絕緣確保區域。除此之外的結構與上述實施方式I相同，因此，圖4中，對與圖1的對應部分標註相同標號，在其詳細說明中，省略該部分。
[0059]在該實施方式2中，在控制電路基板22與電源電路基板23之間的高度最高的電路元器件39與電源電路基板23的導熱支承板部33a之間的絕緣距離不足區域夾插有絕緣性導熱構件51，因此，能利用該絕緣性導熱構件51，確保絕緣距離不足區域中的絕緣。
[0060]而且，在此情況下，在電路元器件39與電源電路基板23的導熱支承板部33a之間夾插有絕緣性導熱構件51，因此，不僅能確保絕緣，還能將絕緣性導熱構件51用作為散熱路徑，在高度最高的電路元器件39為發熱電路元器件的情況下，能將其產生的熱量經由絕緣性導熱構件51直接傳導至導熱支承板部33a，從而能更有效地進行發熱電路元器件的散熱。
此外，在上述實施方式2中，對應用絕緣性導熱構件51來作為絕緣確保區域的情況進行了說明，但並不局限於此，也可以應用熱傳導率較低的絕緣構件。
[0061]接著，使用圖5及圖6對本發明的實施方式3進行說明。
該實施方式3中，作為絕緣確保區域，將與絕緣距離不足區域相對的電源電路基板23的導熱支承板部33a去除。
即，實施方式3中，如圖5所不，在安裝於控制電路基板22的聞度最聞的電路兀器件39的上端與電源電路基板23的導熱支承板部33a之間的絕緣距離不足區域中，對於與電路元器件39相對的位置的導熱支承板部33a，如圖6 (a)或(b)所示那樣，形成比電路元器件39的平面形狀要大的矩形的切除部61a或比電路元器件39的平面形狀要大的圓形的切除部61b,以使導熱構件37露出，從而確保絕緣距離。
[0062]關於其他結構，由於具有與上述實施方式I及實施方式2相同的結構，因此，對與圖1及圖4的對應部分標註相同標號，在其詳細說明中，省略該部分。
根據該實施方式3，在安裝於控制電路基板22的高度最高的電路元器件39的上表面與電源電路基板23的導熱支承板部33a之間的絕緣距離不足區域中，切除導熱支承板部33a以使導熱構件37露出，因此，能利用該導熱構件37的絕緣性確保絕緣距離。因此，能獲得與上述實施方式I及實施方式2相同的作用效果。除此之外，無需絕緣片材43、絕緣性導熱構件51，僅切除導熱支承板部33a即可，因此，不會花費元器件成本，能降低成本。
[0063]另外，在上述實施方式3中，對導熱支承板部33a的切除形狀為矩形或圓形的情況進行了說明，但並不局限於此，只要能確保規定的絕緣距離，可以是任意形狀。
另外，在上述實施方式I?3中，對存在兩種安裝有發熱電路元器件39的基板的情況進行了說明。然而，本發明並不局限於上述結構，在安裝有發熱電路元器件39的基板例如僅是一塊控制電路基板22的情況或三塊以上的情況下，也可以採用本發明。
[0064]此外，在上述實施方式I?3中，對導熱支承構件32、33由不同構件的導熱支承板部32a、33a和導熱支承側板部32c、33c構成的情況進行了說明，但並不局限於此，也可以將導熱支承板部32a、33a和導熱支承側板部32c、33c形成為一體。在此情況下，在導熱支承板部32a、33a與導熱支承側板部32c、33c之間未形成接縫，因此，能降低熱阻，進一步提高散熱效果。
[0065]此外，在上述實施方式I?3中，對將本發明的功率轉換裝置應用於電動汽車的情況進行了說明，但並不局限於此，本發明也可適用於行駛於軌道的鐵路車輛，還可適用於任意的電驅動車輛。此外，作為功率轉換裝置並不局限於電驅動車輛，在驅動其它產業設備中的電動機等致動器的情況下，也能應用本發明的功率轉換裝置。
工業上的實用性
[0066]根據本發明，可提供一種功率轉換裝置，即使在安裝基板間局部形成有絕緣距離不足的絕緣距離不足區域的情況下，也利用絕緣確保區域來確保絕緣，因此，在與發熱電路元器件相對的位置使導熱支承構件露出，相對面側的發熱電路元器件產生的熱量能向冷卻體進行散熱而不會滯留，從而提高散熱效果，並且，能使安裝基板間的距離比所需的絕緣距離要短，可使殼體緊湊化。
標號說明
[0067]I 功率轉換裝置
2殼體
3冷卻體
4薄膜電容器
11半導體功率模塊
12箱體
13散熱構件
21驅動電路基板
22控制電路基板
23電源電路基板 24、25接頭螺釘
32導熱支承構件 32a 導熱支承板部 32b 固定螺釘
32c 導熱支承側板部
33導熱支承構件 33a 導熱支承板部 33b 固定螺釘
33c 導熱支承側板部
34底板部 35,37導熱構件
39發熱電路元器件
40墊圈(間隔調整構件)
42作為基準的電路元器件
43絕緣片材
45 板狀彈性構件 51 絕緣性導熱構件 6la、6Ib切除部
【權利要求】
1.一種功率轉換裝置，其特徵在於，包括: 一個面與冷卻體進行接合的半導體功率模塊； 多個安裝基板，該多個安裝基板安裝有包含對所述半導體功率模塊進行驅動的發熱電路元器件的電路元器件； 將多個安裝基板的熱量傳導給所述冷卻體的導熱支承構件；以及 在多個所述安裝基板間，形成於絕緣距離不足的絕緣距離不足區域中的絕緣確保區域。
2.如權利要求1所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 所述絕緣確保區域設為在與所述絕緣距離不足區域相對的位置插入絕緣性導熱構件來確保絕緣的區域。
3.如權利要求1所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 所述絕緣確保區域設為在與所述絕緣距離不足區域相對的位置配置絕緣片材來確保絕緣的區域。
4.如權利要求1所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 所述絕緣確保區域設為去除與所述絕緣距離不足區域相對的位置的所述導熱支承構件來確保絕緣的區域。
5.如權利要求1至4中任一項所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 所述導熱支承構件由隔著導熱構件對所述安裝基板進行支承的導熱支承板部、及將該導熱支承板部的側面連結並與所述冷卻體相連接的導熱支承側板部構成。
6.如權利要求5所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 所述導熱支承板部與所述導熱支承側板部形成為一體。
7.如權利要求5所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 所述導熱構件由具有絕緣性的絕緣體構成。
8.如權利要求5所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 利用緊固構件，將所述安裝基板和所述導熱支承構件的導熱支承板部隔著所述導熱構件進行固定。
9.如權利要求8所述的功率轉換裝置，其特徵在於， 在所述緊固構件的周圍插入有將所述安裝基板與所述導熱支承構件的導熱支承板部之間的間隔維持在規定值的間隔調整構件。
【文檔編號】H05K7/20GK104040865SQ201380005264
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年1月16日 優先權日:2012年3月28日
【發明者】馬渕獎平, 田中泰仁, 小高章弘 申請人:富士電機株式會社