JP2017147260A

JP2017147260A - ヒートシンク

Info

Publication number: JP2017147260A
Application number: JP2016025870A
Authority: JP
Inventors: 智大田畑; Tomohiro Tabata; 啓一大坪; Keiichi Otsubo
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-08-24
Also published as: TW201731045A; TWI651822B

Abstract

【課題】大型化やコストアップになることなく、発熱性の半導体素子を効果的に容易に冷却することができる太陽光発電システム用電力変換装置用ヒートシンクの提供。【解決手段】金属製の基盤の一方の面に発熱性の半導体素子を熱伝導性を有して取り付け可能に構成し、前記基盤の反対側の他方の面に先端の高さがほぼ等しい板状の複数の放熱フィンを平行に構成し、前記放熱フィン間の空気の流れで前記半導体素子の冷却を行うヒートシンクにおいて、前記半導体素子の取り付け部分に相対向する他方の面を前記放熱フィンの先端側に向かって突出させた一定の高さを有する突出部を前記基盤及び前記放熱フィンと共に一体に成形した構成を備えることを特徴とするヒートシンクにより課題を解決できる。【選択図】図２

Description

本発明は電力変換装置などに用いる半導体素子をスイッチング動作させた際に生じる熱
を放熱するためのヒートシンクに関するものであり、例えば、再生可能エネルギーから得
られる直流電力を系統と同期した単相または三相の交流電力に変換して前記系統へ重畳可
能に成した電力変換装置などに用いる半導体素子の放熱を効果的にすることができるヒー
トシンクに関するものである。

例えば、屋内設置式の太陽光発電システム用の電力変換装置（パワーコンディショナ）
として、放熱特性がよく、かつ、筐体表面が高温にならないものを得るために、筐体を金
属筐体とし、その筐体内に、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換する直交変換
回路と、この直交変換回路のパワーモジュール、特に発熱性の半導体スイッチング素子を
取り付けたヒートシンクなどとを備えたものが知られている（特許文献１参照）。

この特許文献１では、電力変換装置の筐体内の放熱が良好に行なえると共に、電力変換
装置の筐体に人が触れたときに火傷や感電などを防止できる効果が記載されている。即ち
、この電力変換装置では、パワーモジュールを取り付けたヒートシンクで空冷方式による
冷却を行うものであって、ヒートシンクに付設した多数のフィンの表面部分を筺体内の空
気に触れさせることで、発熱中のパワーモジュールに対する冷却を行うことができるよう
になっている。

上述の電力変換装置のように、ヒートシンクを用いることである程度は効果的な冷却が
行えるものである。上述の電力変換装置では、空気の流れが筺体の内外を貫通し、特にヒ
ートシンクのフィン間を通過する状態にスリット孔を穿設することで、筺体外に抜ける空
気の流れを形成するように構成されている。一般にヒートシンクの大きさ（冷却能力）は
パワーモジュール等の発熱量に合わせて設計されるため、例えば、筺体内部での空気の流
れがスムースでないような場合には、ヒートシンクでの冷却能力を超えた半導体スイッチ
ング素子の発熱が筐体内に篭ってしまう虞がある。その結果、これら回路素子の耐熱限度
を超え、その素子の特性が変化してパワーコンディショナとして所期の動作が得られなく
なったり、またはその素子が破壊したりする虞がある。そのためヒートシンクの設計は冷
却能力に余裕をもって設定されるが、その分大型化する傾向があった。

特許文献２には、金属材料からなる板状部の一面側に、セラミックス基板を有する電子
部品が搭載される平面状の上表面部が形成されるとともに、該上表面部と反対面側に、多
数のピン状フィンが立設された下表面部が形成されてなり、前記下表面部は、その周辺部
の取付部と、この取付部の内縁から中心部に向かって厚みが漸次大きくなるように形成さ
れた中央部と、該中央部に立設された多数の前記ピン状フィンとにより形成されているこ
とを特徴とするピン状フィン一体型ヒートシンクが開示されており、熱応力や水流からの
圧力などの機械的応力により、脆性材料であるセラミックス基板に割れを生じさせないよ
うに支持することができると記載されている（特許文献２参照）。

図５は、従来の一般的なヒートシンクの構成を示す説明図である。
従来のヒートシンク１Ａは、例えば、発熱量の大きい回路素子としてインバータ回路（
ＩＮＶ）を成す半導体スイッチング素子ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）が
ヒートシンク１Ａの基盤２上に熱伝導可能に取り付けられていた。前記基盤２の反対側の
他方の面３側に一定の高さを有する複数の放熱フィン４が平行になるように設置され、前
記放熱フィン４間を流れる空気で前記ＩＰＭを冷却するように構成されている。８は取り
付けネジである。

このような従来のヒートシンクを太陽光発電システム用の電力変換装置に用いた場合に
ついて以下に説明する。図６は太陽電池ＰＶが定格出力に要する日射量が与えられている
時の電流と電圧の関係を示す説明図である。
この太陽電池ＰＶが発電する直流電力は、後述する図１に示す太陽光発電システム用の
電力変換装置の概略的な電気的構成を備えた太陽光発電システム用の電力変換装置に供給
される。太陽電池ＰＶの定格出力は出力電流のピーク（最適動作点）と最適動作点電圧の
時である。このＶ−Ｉ特性は日射量が減少して太陽電池ＰＶの定格出力が得られない時は
、ピーク（最適動作点）の高さが低くなった新たなＶ−Ｉ特性へ変化するものである。ピ
ーク（最適動作点）は一般に日射量が多い時は出力電流が大きくなるよう高く変化し、日
射量が少ない時は反対に出力電流が小さくなるよう低く変化する。すなわち、太陽電池Ｐ
Ｖの出力電流は最適動作点電圧を保てば日射量で変化するものである。そのため電力変換
装置は日射量に関わらず常に最適動作点電圧で太陽電池ＰＶが作動するように制御されて
いるものである。
例えばピークでの電流値が３０Ａｍｐ（定格電流は３６Ａｍｐとした場合）となる日射
量の場合（日射量が多い時ではない）、周囲温度が高くＩＰＭの温度が限界温度（例えば
１１０℃）に対してヒートシンクの冷却能力に余裕がない状態であれば、それ以上日射量
が増えるとピークの電流値が増加し同時に発熱量が増えＩＰＭの温度がより高くなる。

この問題を解決するために、太陽電池ＰＶの動作電圧を最適動作点の電圧よりずらして
出力電流を減らし、太陽電池ＰＶの出力電流を減らしてＩＰＭの発熱を抑制する方法があ
る。この場合太陽電池ＰＶの定格出力が得られなくなってしまう問題がある。またヒート
シンク１Ａを大型化して冷却能力を上げるか、送風機で強制的に放熱フィン４間に空気を
流通させて冷却能力を上げるなどの方法があるが、いずれもヒートシンク及び/又は送風
機と合わせて機器が大型になるので金属筺体内に設置できなくなる問題や、大幅にコスト
アップになるなどの新たな問題が発生する。

特開２００９−１６４３５１号公報特開２０１２−２４８５７６号公報

本発明の目的は、大型化することなく、冷却能力の向上が得られるヒートシンクを提供
することである。

本発明者らは鋭意研究の結果、金属製の基盤の一方の面に発熱性の半導体素子が熱伝導
性を有して取り付けられ、前記基盤の反対側の他方の面に先端の高さがほぼ等しい板状の
複数の放熱フィンが平行になるように設置され、前記放熱フィン間の空気の流れで前記半
導体素子の冷却を行うヒートシンクにおいて、前記半導体素子の取り付けた部分に相対向
する他方の面に前記放熱フィンの先端側に向かって突出させた一定の高さを有する突出部
であって、前記基盤及び前記放熱フィンと共に一体に成形した突出部を設けることによっ
て、前記課題を解決できることを見いだして、本発明を成すに至った。

前記課題を解決するための本発明の請求項１は、金属製の基盤の一方の面に発熱性の半
導体素子を熱伝導性を有して取り付け可能に構成し、前記基盤の反対側の他方の面に先端
の高さがほぼ等しい板状の複数の放熱フィンを平行に構成し、前記放熱フィン間の空気の
流れで前記半導体素子の冷却を行うヒートシンクにおいて、前記半導体素子の取り付け部
分に相対向する他方の面を前記放熱フィンの先端側に向かって突出させた一定の高さを有
する突出部を前記基盤及び前記放熱フィンと共に一体に成形した構成を備えることを特徴
とするヒートシンクである。

本発明の請求項２は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記突出部は前記半導体
素子の前記他方の面への投影面積を含む範囲を備え、かつ前記一定の高さは前記放熱フィ
ンの高さの１５％〜２２％付近であることを特徴とするものである。

本発明の請求項３は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートシンクにおい
て、前記突出部は前記放熱フィンの方向に沿って両端部間に延在することを特徴とするも
のである。

本発明の請求項１は、金属製の基盤の一方の面に発熱性の半導体素子を熱伝導性を有し
て取り付け可能に構成し、前記基盤の反対側の他方の面に先端の高さがほぼ等しい板状の
複数の放熱フィンを平行に構成し、前記放熱フィン間の空気の流れで前記半導体素子の冷
却を行うヒートシンクにおいて、前記半導体素子の取り付け部分に相対向する他方の面を
前記放熱フィンの先端側に向かって突出させた一定の高さを有する突出部を前記基盤及び
前記放熱フィンと共に一体に成形した構成を備えることを特徴とするヒートシンクであり
、
前記半導体素子の取り付け部分に相対向する他方の面に一定の高さを有する突出部を設
けて厚くしたことにより、半導体素子付近のヒートシンクの熱容量が大きくなり、この蓄
熱された熱による放熱フィンへの熱供給に余裕ができ、結果的に放熱フィンへの熱伝速度
が高まり半導体素子の温度低下（冷却）につながる。従ってヒートシンクの放熱能力の増
加や小型化が可能になり、発熱性の半導体素子を効果的に、容易に冷却することができる
、という顕著な効果を奏する。

本発明の請求項２は、請求項１記載のヒートシンクにおいて、前記突出部は前記半導体
素子の前記他方の面への投影面積を含む範囲を備え、かつ前記一定の高さは前記放熱フィ
ンの高さの１５％〜２２％付近であることを特徴とするものであり、
前記突出部の前記面積およびを高さを規定することによって発熱性の半導体素子をより
効果的に、より容易に確実に冷却することができる、というさらなる顕著な効果を奏する
。

本発明の請求項３は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のヒートシンクにおい
て、前記突出部は前記放熱フィンの方向に沿って両端部間に延在することを特徴とするも
のであり、
前記基盤及び放熱フィンと共に一体成形し易い、というさらなる顕著な効果を奏する。

図１は、太陽光発電システム用電力変換装置の概略的な電気的構成を示す説明図である。図２（イ）は、太陽光発電システム用電力変換装置に装着される本発明のヒートシンクの構成を示す説明図であり、（ロ）は、（イ）の上方から下方を見た構成を示す説明図であり、（ハ）は、（イ）の下方から上方を見た構成および突出部を示す説明図である。図３は、突出部の突出量とＩＰＭ（発熱部品）の温度との測定値を示す特性図である。図４は、図２に示した本発明のヒートシンクの斜視説明図である。図５は、太陽光発電システム用電力変換装置に装着される従来の一般的なヒートシンクの構成を示す説明図である。図６は、従来のヒートシンクを備えた太陽光発電システム用電力変換装置の太陽電池が発電する直流電力の、電流と電圧の関係を示す説明図である。

次に本発明の実施態様につき、図を用いて詳細に説明する。
図１は、太陽光発電システム用の電力変換装置の概略的な電気的構成を示す説明図であ
る。
再生可能エネルギーである太陽電池（ＰＶ）で発電された直流電力が、昇圧部（ＤＣ／
ＤＣコンバータ）のチョッパ動作にて昇圧される。この昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
で昇圧した直流電力が、Ｄ／Ａ変換部（ＤＣ／ＡＣコンバータ）により商用電力系統（Ｇ
ＲＩＤ）の周波数に相当する所定の低周波数の疑似正弦波の交流電力に変換（ＤＣ／ＡＣ
変換）される。尚、昇圧部とＤ／Ａ変換部とをまとめてインバータ部（ＩＮＶ）と称す。
この交流電力はローパスフィルタ回路を構成するフィルタ部（ＬＰＦ）を介して高周波成
分が遮断または抑制された交流電力として商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ重畳される。これ
らの動作は制御回路により適正に制御されている。

図２（イ）は、太陽光発電システム用電力変換装置に装着される本発明のヒートシンク
の構成を示す説明図であり、（ロ）は、（イ）の上方から下方を見た構成を示す説明図で
あり、（ハ）は、（イ）の下方から上方を見た構成および突出部を示す説明図である。
本発明のヒートシンク１は、アルミニューム、銅、またはこれらの合金による金属製で
あり、押出成形やダイカスト成型にて製造されるが、本実施例では押出成形を用いて成形
されている。ヒートシンク１は長方形状の基盤２の一方の面に発熱量の大きい発熱性の半
導体素子が熱伝導性を有して取り付けられている。具体的な半導体素子としてはインバー
タ部（ＩＮＶ）の電気回路を構成する複数のスイッチング素子を単一のパッケージに収納
したＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）である。基盤２の反対側の他方の面３
には基盤２から先端までの高さがほぼ等しくなるように構成された板状の放熱フィン４を
複数が平行になるように設置している。
外部から矢印で示した方向にヒートシンク１に入った空気は、これら放熱フィン４の間
を空気が流れてＩＰＭからの熱を冷却するものである。この冷却に作用する空気は下から
上へ向かって流れるように放熱フィン４が配置されており、この空気はＩＰＭの発熱で加
熱された空気の上昇と放熱フィン４の間の風路によるトンネル効果で自然上昇しＩＰＭの
冷却が可能になる。尚、送風機を用いて強制循環させても良いものである。また、この放
熱フィン４の先端側を壁面または背面板などに対向させると風路が筒状となりトンネル効
果が向上する。

また、基盤２には、図２（イ）〜（ハ）、図４に示すように、前記ＩＰＭの取り付け部
分に相対向する他方の面３を基盤２と同じ熱伝導性の材料から成り前記放熱フィン４の先
端側に向かって突出させた一定の高さの突出部６が基盤２及び放熱フィン４と共に一体に
成形されている。この一体成形の構成は、例えばアルミ材の押出成形で成されているが、
ダイカスト成型して成すことも可能である。図２の（ハ）に記載した斜線部分が突出部６
である。
本実施例では基盤２の厚さＬ０は６ｍｍ、突出部６の突出量（高さに相当）Ｌ１は１０
ｍｍ、放熱フィン４の基盤２から先端までの高さＬ２は５７ｍｍであるが｛（突出部６の
高さＬ１／放熱フィン４の高さＬ２）×１００?１７．５％｝、本発明はこの寸法に限る
ものではなくＩＰＭなどの発熱部品の発熱熱量、ヒートシンク１の大きさや、送風機の有
無などに基づいて適切に設計されるものである。
突出部６は、前記半導体素子の他方の面３への投影面積を含む範囲を備えた面積を有し
ていることが好ましい。この面積や形状、寸法なども限定されるものではなく、ＩＰＭな
どの発熱部品の発熱熱量、ヒートシンク１の大きさや、送風機の有無などに基づいて適切
に設計されるものである。
その箇所の突出部６を含む前記基盤２の厚さが、前記基盤２の他の箇所７より厚くなる
ように構成されている。８は取り付けネジである。

前記箇所の基盤２の厚さを、突出部６を設けて実質的に厚くしたことにより、ＩＰＭ（
半導体素子）付近のヒートシンク部分の熱容量が大きくなり、この蓄熱された熱による放
熱フィン４への熱供給に余裕ができ、結果的に放熱フィンへの熱伝速度が高まりＩＰＭの
温度低下（冷却）につながる。または突出部６に熱エネルギーを一旦溜め、突出部６に直
接つながる放熱フィン４やそして厚さを厚くしていない他の箇所７などに熱を熱伝導させ
て放散できるので、ヒートシンク１の大型化やコストアップになることなく冷却能力をア
ップでき、発熱性の前記ＩＰＭを効果的に容易に冷却することができる。
図３は、突出部６の突出量（横軸）とＩＰＭ（発熱部品）又は近傍の温度（縦軸）との
測定値を示す特性図であり、横軸には、放熱フィン４の高さＬ２に対する突出部６の高さ
Ｌ１の比率（％）とＬ１の値を記載している。突出量が０ｍｍの場合（従来の構造）の温
度から、突出量を５ｍｍ、１０ｍｍと増やすにつれて急激に温度が低下するが、１５ｍｍ
、２０ｍｍ、２５ｍｍと増やすと逆に温度が上昇するが、突出量が５ｍｍの場合の温度よ
りは低くなっている。
従て、突出部６を設けることによってＩＰＭの温度低下効果が得られるが、突出量を増
やしても突出量に応じた効果が有られないので、突出量を増やすことによって必要となる
金属（アルミなど）の増加に伴う重量増加を考量すると突出量は２０ｍｍ以下が妥当であ
るが、更にＩＰＭの温度の最下点を含む効果のよい範囲は１３ｍｍ以下（放熱フィンの先
端までの高さ５７ｍｍとの比率で２２％付近以下）が適している。またヒートシンクの放
熱フィンの形状を変えた際の特性の良い範囲を考慮すると突出部の突出量は８ｍｍ以上（
放熱フィンの先端までの高さ５７ｍｍとの比率で１５％付近以上）が適しているが、軽量
化を優先すれば５ｍｍ程度あればＩＰＭの相当の温度低下効果が見込めるものである。
尚、本実施例における温度測定には設定条件のバラツキを考慮して熱解析ソフトを用い
たが、実際に温度センサ（熱電対など）を用いて実測しても同様の測定結果が得られるも
のである。

突出部６の製法は特に限定されるものではなく、具体的には、例えば、ヒートシンク１
製造時に押出成形やダイカスト成型などで一体的に作ってもよく、ヒートシンク１製造後
に追加して溶接やビス止めなどで一体的に作ってもよく、また、熱電伝導性が良い合成樹
脂や金属を放熱フィン間に流し込んで成してもよく、熱伝導性を損なわず、機械的強度な
どが高く、耐久性のあるヒートシンク１を製作できる製法であればいずれでもよい。その
厚さや面積も使用する太陽電池に適合したものであって、太陽電池で発電した電力の全て
を有効利用できるような冷却能力を有するように設計し、予め試験して決めることが好ま
しい。

前記例では、突出部６の材料として基盤２と同じ熱伝導性の優れた材料を使用したが、
ヒートシンク１の押出成形時に突出部６を備えたヒートシンク１を一体的に作成するのが
好ましい。しかし、ヒートシンク１製造後に突出部６を追加して溶接やビス止めなどで一
体的に作成する場合は同じ材料でもよいが、熱伝導性、機械的強度、耐久性などに優れた
材料であり、優れたヒートシンク１を製作できる材料であれば、基盤２と異なる材料を使
用したり、前記同じ材料と異なる材料を組み合わせて使用することもできる。
本実施例では突出部６の高さ（突出量）は一定であるが、突出部６による熱容量が減ら
ない範囲で変形が可能である。

上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記
載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施
の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明は、金属製の基盤の一方の面に発熱性の半導体素子を熱伝導性を有して取り付け
可能に構成し、前記基盤の反対側の他方の面に先端の高さがほぼ等しい板状の複数の放熱
フィンを平行に構成し、前記放熱フィン間の空気の流れで前記半導体素子の冷却を行うヒ
ートシンクにおいて、前記半導体素子の取り付け部分に相対向する他方の面を前記放熱フ
ィンの先端側に向かって突出させた一定の高さを有する突出部を前記基盤及び前記放熱フ
ィンと共に一体に成形した構成を備えることを特徴とするヒートシンクであり、前記半導
体素子の取り付け部分に相対向する他方の面に一定の高さを有する突出部を設けて厚くし
たことにより、そこに熱エネルギーを一旦溜め、そして放熱フィンや厚さを厚くしていな
い箇所に熱伝導させて放散できるので、ヒートシンクの大型化やコストアップになること
なく冷却能力をアップでき、発熱性の半導体素子を効果的に容易に冷却することができる
、という顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値は甚だ大きい。

１、１Ａヒートシンク
２基盤
３基盤の反対側の他方の面
４放熱フィン
６突出部
７他の箇所
８取り付けネジ
Ｌ０基盤の厚さ
Ｌ１突出部の高さ
Ｌ２放熱フィンの基盤から先端までの高さ

Claims

金属製の基盤の一方の面に発熱性の半導体素子を熱伝導性を有して取り付け可能に構成
し、前記基盤の反対側の他方の面に先端の高さがほぼ等しい板状の複数の放熱フィンを平
行に構成し、前記放熱フィン間の空気の流れで前記半導体素子の冷却を行うヒートシンク
において、前記半導体素子の取り付け部分に相対向する他方の面を前記放熱フィンの先端
側に向かって突出させた一定の高さを有する突出部を前記基盤及び前記放熱フィンと共に
一体に成形した構成を備えることを特徴とするヒートシンク。
前記突出部は前記半導体素子の前記他方の面への投影面積を含む範囲を備え、かつ前記
一定の高さは前記放熱フィンの高さの１５％〜２２％付近であることを特徴とする請求項
１記載のヒートシンク。
前記突出部は前記放熱フィンの方向に沿って両端部間に延在することを特徴とする請求
項１または請求項２のいずれかに記載のヒートシンク。