JP2018191388A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設計変更に容易に対応することができ、低コスト化を図ることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、回路基板と、回路基板に実装される電気部品と、電気部品が載置される部品載置部及び電気部品で発熱した熱を放熱する放熱部が一体的に形成されたヒートシンクと、ヒートシンク及び電気部品を収容する箱状の筐体と、ヒートシンクと筐体との間に介在するシール部材と、を備える。筐体は、ヒートシンクとは別部材で構成される。ヒートシンクは、筐体に形成された開口を介して放熱部が外部に露出する状態で筐体に取り付けられる。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、車載用として好適な電量変換装置に関する。

電気自動車等の環境対応車には、充電器、インバーター及びＤＣ−ＤＣコンバーター等の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、通電により発熱するパワー半導体素子等の電気部品を有する。通常、電気部品は、発生した熱を外部に効率よく放熱するためのヒートシンク（放熱部材）と熱的に接続される。特許文献１、２には、筐体とは別部材で構成されたヒートシンクが、筐体に形成された開口に取り付けられ、電気部品と熱的に接続された構造が開示されている。

また、電力変換装置においては、防水性、放熱性、耐振動性などの観点から、筐体はダイカスト成形によって製造されることが多い。ダイカスト成形は、複雑な形状に加工することができ、寸法精度も高いため、ヒートシンクと筐体を一体的に形成することができる。特許文献１、２では、筐体とヒートシンクが別部材で構成されているが、この場合も、筐体とヒートシンクは、それぞれダイカスト成形によって製造されるものと考えられる。

特開２００１−１６８５６０号公報 特開２０１３−１６２０１７号公報

ところで、電力変換装置が搭載される車種が異なっていても、電力変換装置の内部に収容される電気回路や電気部品は大きく変わらない。しかし、車種によって、電力変換装置の搭載位置は様々であり、要求される外形サイズや形状は異なる。そのため、少なくとも電力変換装置の筐体は、車種ごとに新規に開発されている。

しかしながら、ダイカスト成形は、金型の設計及び作製に長時間を要し、金型費用も高価である。したがって、車種ごとに設計を行うことは開発コストの増大に繋がる。また、開発段階において電気部品のレイアウト等の設計変更を行う場合にも、金型を作製し直すこととなるため、やはり開発コストが増大してしまう。このように、従来の電力変換装置では、筐体がダイカスト成形により形成されているため、低コスト化が困難である。

本発明の目的は、設計変更に容易に対応することができ、低コスト化を図ることができる電力変換装置を提供することである。

本発明に係る電力変換装置は、
回路基板と、
前記回路基板に実装される電気部品と、
前記電気部品が載置される部品載置部及び前記電気部品で発熱した熱を放熱する放熱部が一体的に形成されたヒートシンクと、
前記ヒートシンク及び前記電気部品を収容する箱状の筐体と、
前記ヒートシンクと前記筐体との間に介在するシール部材と、を備え、
前記筐体は、前記ヒートシンクとは別部材で構成され、
前記ヒートシンクは、前記筐体に形成された開口を介して前記放熱部が外部に露出する状態で前記筐体に取り付けられることを特徴とする。

本発明によれば、設計変更に容易に対応することができ、低コスト化を図ることができる電力変換装置が提供される。

図１Ａ、図１Ｂは、本発明の一実施の形態に係る充電器１の外観を示す図である。 回路基板を取り外した充電器の状態を示す図である。 充電器を上方から見た分解斜視図である。 充電器を下方から見た分解斜視図である。 図５Ａ、図５Ｂは、ヒートシンクに電気部品（ＦＥＴ）を取り付けた状態を示す図である。 ヒートシンク及び電気部品（ＦＥＴ）の構造を示す分解斜視図である。 充電器におけるヒートシンク及び電気部品（ＦＥＴ）が配置された部分の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１Ａ、図１Ｂは、本発明の一実施の形態に係る充電器１の外観を示す図である。図１Ａは、充電器１を上方から見た斜視図であり、図１Ｂは、充電器１を下方から見た斜視図である。図２は、回路基板４０を取り外した充電器１の状態を示す図である。図３は、充電器１を上方から見た分解斜視図である。図４は、充電器１を下方から見た分解斜視図である。なお、図３及び図４では、回路基板４０の上面に実装される電気部品４１、筐体１０に立設されるボス１４は省略されている。

図１Ａ、図１Ｂ、図２及び図３に示すように、充電器１は、筐体１０、ヒートシンク２０、電気部品３０及び回路基板４０等を備える。

回路基板４０は、所定の回路パターンが形成されたプリント基板である。回路基板４０は、筐体１０の底面に対向して配置される。回路基板４０には、電気部品３０、４１が実装される。電気部品３０は、放熱のために、回路基板４０の下面（筐体１０側の面）に実装される。電気部品４１は、例えば、フィルムコンデンサー及びリレーを含む。電気部品４１は、放熱の必要性が低いため、回路基板４０の上面に実装される。

電気部品３０は、通電によって自己発熱する部品であり、例えば、電界効果トランジスター（ＦＥＴ：Field effect transistor）３０Ｂ、３０Ｃ、ダイオード３０Ｄ、ブリッジダイオード３０Ｅ等の電力用半導体素子（いわゆるパワー半導体）、コイル３０Ｆ及びトランス３０Ａ等を含む。電力用半導体素子３０Ｂ〜３０Ｅには、規格化された汎用品を適用できる。

電気部品３０のリード部３２は、回路基板４０の回路パターン（図示略）と電気的に接続される（図５参照）。また、電気部品３０の放熱面３１ａは、ヒートシンク２０の部品載置面２１ａと熱的に接続される（図６参照）。電力用半導体素子３０Ｂ〜３０Ｄとヒートシンク２０の間には、絶縁シート５４が介装される。

ヒートシンク２０は、電気部品３０と熱的に接触し、電気部品３０で発熱した熱を外部に放熱する。ヒートシンク２０は、電気部品３０Ａ〜３０Ｆのそれぞれに対応して設けられる（ヒートシンク２０Ａ〜２０Ｆ）。電気部品３０Ａ〜３０Ｅに対応するヒートシンク２０Ａ〜２０Ｅは、筐体１０の内側（図３、図４では上側）から筐体１０に取り付けられる。電気部品３０Ｆに対応するヒートシンク２０Ｆは、筐体１０の外側（図３、図４では下側）から筐体１０に取り付けられる。なお、筐体１０に対してヒートシンク２０を内側から取り付けるか、外側から取り付けるかは、特に制限されない。

ヒートシンク２０は、ダイカスト成形により形成されるのが好ましい。これにより、ヒートシンク２０が複雑な形状を有していても、精度よく作製することができる。また、ヒートシンク２０を量産する場合に低コスト化を図ることができる。なお、従来のように、筐体とヒートシンクをダイカスト成形により一体的に形成する場合に比較すると、金型は小さくなるので、ダイカスト成形に要するコストは低減される。電気部品３０及びヒートシンク２０の具体的な固定構造については後述する。

筐体１０は、ヒートシンク２０、電気部品３０及び回路基板４０を収容する箱状の部材である。筐体１０は、金属材料の板材（例えば、スチール板）に抜き加工、曲げ加工及び絞り加工を含む板金加工を施すことにより形成される。なお、一般的に、ダイカスト成形するよりも板金加工を行った方が低コスト化を図ることができる。

筐体１０は、電気部品３０Ａ〜３０Ｆ、回路基板４０等を収容する凹室１１を有する。凹室１１の上縁には、外側に張り出すフランジ１２が形成されている。筐体１０には、凹室１１の開口面を覆うように、筐体１０と対称的な形状を有する蓋体（図示略）が取り付けられる。例えば、筐体１０のフランジ１２と蓋体のフランジ（図示略）を重ね合わせて、ネジ止めすることにより、両者は固定される。

筐体１０は、凹室１１の底面に開口１３を有する。開口１３は、ヒートシンク２０Ａ〜２０Ｆのそれぞれに対応して設けられる（開口１３Ａ〜１３Ｅ）。開口１３を介して、ヒートシンク２０の放熱部２２（図５参照）が筐体１０の外部に露出する。一方、電気部品３０Ａ〜３０Ｆが搭載されるヒートシンク２０の部品載置部（図５の部品載置部２１を参照）は、筐体１０の凹室１１の内部に配置される。凹室１１、フランジ１２及び開口１３は、板金加工により容易に形成することができる。筐体１０は、板金加工により形成されるので、設計（例えば、筐体１０のサイズや形状、開口１３の位置（言い換えると、電気部品３０Ａ〜３０Ｆの搭載位置）など）に変更があっても、容易かつ低コストに対応することができる。

また、筐体１０の底面には、ヒートシンク２０等を固定するためのネジ孔を有するボス１４が立設されている（図２参照）。ボス１４は、例えば、溶着により凹室１１の底面に形成される。また、図示を省略するが、筐体１０の底面には、ヒートシンク２０を固定するためのネジ（符号略、図１Ｂ参照）が挿通されるネジ穴が形成されている。

以下に、ヒートシンク２０と電気部品３０の固定構造について、電気部品３０Ｂ（ＦＥＴ）を例に挙げて説明する。図５Ａ、図５Ｂは、ヒートシンク２０Ｂに電気部品３０Ｂを取り付けた状態を示す図である。図６は、ヒートシンク２０Ｂ及び電気部品３０Ｂの構造を示す分解斜視図である。図７は、充電器１におけるヒートシンク２０Ｂ及び電気部品３０Ｂが配置された部分の断面図である。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図６及び図７では、絶縁シート５４（図３参照）は省略されている。

図５Ａ、図５Ｂ、図６及び図７に示すように、ここでは、４つの電気部品３０Ｂが並設され、付勢部材５１によって１つのヒートシンク２０Ｂに押圧固定されている。

電気部品３０Ｂは、リード挿入型の汎用トランジスターであり、パッケージ部３１及びリード部３２を有する。パッケージ部３１の一方の主面が放熱面３１ａである。リード部３２は、パッケージ部３１から屈曲した状態で延び、例えば、半田付けにより回路基板４０に接続される。

ヒートシンク２０Ｂは、部品載置部２１、放熱部２２、固定部２３、フランジ２４及び溝２５を有する。
部品載置部２１は、電気部品３０Ｂが載置され、電気部品３０Ｂで発生する熱を放熱部２２へ伝熱する役割を果たす。また、部品載置部２１は、電気部品３０Ｂが載置される部品載置面２１ａを有する。部品載置面２１ａは、回路基板４０の基板面に対して傾斜している。部品載置面２１ａを傾斜させることで、回路基板４０の基板面と平行にする場合に比べ、凹室１１の底面積を小さくすることができるが、基板面と平行にしても構わない。
放熱部２２は、部品載置部２１の部品載置面２１ａとは反対側の面に設けられる。放熱部２２は、電気部品３０Ｂで発熱した熱を放熱する。放熱部２２は、板状の放熱フィン（符号略）を有する。なお、放熱フィンの形状は特に制限されず、例えば、ピン形状であってもよい。

固定部２３は、位置決めピン２３ａ及びネジ孔２３ｂを有する。固定部２３には、付勢部材５１が固定される。フランジ２４は、部品載置部２１及び固定部２３から外側に張り出して形成される。フランジ２４には、筐体１０にネジ止めするためのネジ孔２６が設けられる。

溝２５は、部品載置部２１、固定部２３及びフランジ２４の下面、すなわち筐体１０と接触する面において、外周に沿って設けられる。溝２５には、シール部材５３（図７参照）が配置される。

このように、ヒートシンク２０Ｂは、複雑な形状である部品載置部２１、放熱部２２、固定部２３、フランジ２４及び溝２５を含めて構成される。すなわち、板金加工では作製困難な構造をヒートシンク２０に纏めることにより、筐体１０には複雑な構造が含まれず、筐体１０を、板金加工等の低コストの製造方法により形成することが可能となる。
なお、ヒートシンク２０は、ダイカスト成形により形成することができる。特に部品載置部２１と放熱部２２が一体的に成形されることにより、より高い伝熱性及び放熱性を実現することができる。

付勢部材５１は、４つの板バネ５１ａ及び板バネ５１ａを連結する連結部５１ｂを有する。連結部５１ｂは、ネジ５２が挿通される挿通孔（符号略）及びヒートシンク２０Ｂの位置決めピン２３ａが挿通される挿通孔５１ｃを有する。

電気部品３０Ｂは、パッケージ部３１の放熱面（符号略）が部品載置面２１ａと面接触するように部品載置部２１に載置される。この状態で、付勢部材５１がヒートシンク２０Ｂに取り付けられる。具体的には、付勢部材５１は、挿通孔５１ｃにヒートシンク２０Ｂの位置決めピン２３ａが挿通されることにより位置決めされる。そして、付勢部材５１は、挿通孔（図示略）を介してヒートシンク２０Ｂのネジ孔２６にネジ５２が締め付けられることにより、固定される。このとき、板バネ５１ａは、電気部品３０Ｂをヒートシンク２０Ｂに向けて押圧している状態となる。すなわち、４つの電気部品３０Ｂは、一括してヒートシンク２０Ｂに押圧固定される。また、電気部品３０Ｂのリード部３２は、例えば半田付けにより、回路基板４０の回路パターン（図示略）と電気的に接続される。電気部品３０Ｂは、回路基板４０に対して傾いた状態で実装されることとなる。

電気部品３０Ｂは回路基板４０に対して傾いて実装されるので、筐体１０と回路基板４０との間のスペースを大きくすることなく、付勢部材５１によって電気部品３０Ｂを押圧固定することができるとともに、絶縁距離を確保することができる。また、電気部品３０Ｂをヒートシンク２０Ｂに押圧固定することにより、接触熱抵抗が小さくなるので放熱効率が向上し、耐振動性も向上する。さらには、電気部品３０Ｂには規格化された汎用品を用いるので、低コスト化を図ることができる。

ヒートシンク２０Ｂは、筐体１０に形成された開口１３を介して、放熱部２２が外部に露出する状態で、筐体１０に取り付けられる（図７参照）。具体的には、ヒートシンク２０Ｂは、フランジ２４に設けられたネジ孔２６に、筐体１０の外側からネジ（符号略、図２参照）が締め付けられることにより、筐体１０に固定される。このとき、ヒートシンク２０Ｂの溝２５にシール部材５３が配置される。これにより、筐体１０とヒートシンク２０Ｂは水密に固定されるので、充電器１の防水性が確保される。なお、シール部材５３には、Ｏリング又は液体ガスケット等を適用できる。

以上、ヒートシンク２０Ｂと電気部品３０Ｂの構造を例に挙げて説明したが、その他のヒートシンク２０Ａ、２０Ｃ〜２０Ｆと電気部品３０Ａ、３０Ｃ〜３０Ｆの構造についても、基本的な部分については同様である。なお、筐体１０に対して外側から取り付けられるヒートシンク２０Ｆの場合、シール部材５３が配置される溝２５は、上面に形成される。

このように、充電器１（電力変換装置）は、回路基板４０と、回路基板４０に実装される電気部品３０と、電気部品３０が載置される部品載置部２１及び電気部品３０で発熱した熱を放熱する放熱部２２を有するヒートシンク２０と、ヒートシンク２０及び電気部品３０を収容する箱状の筐体１０と、ヒートシンク２０と筐体１０との間に介在するシール部材５３と、を備える。筐体１０は、ヒートシンク２０とは別部材で構成される。ヒートシンク２０は、筐体１０に形成された開口１３を介して放熱部２２が外部に露出する状態で筐体１０に取り付けられる。

充電器１では、筐体１０とヒートシンク２０が別部材で構成されており、筐体１０は板金加工により形成されているので、充電器１に対する要求仕様（例えば、外形サイズや形状）が異なっても、筐体１０の設計を変更するだけでよく、ヒートシンク２０は筐体１０の設計にかかわらず流用することができる。また、開発段階において電気部品３０のレイアウト等の設計変更を行う場合にも、筐体１０の設計変更だけで容易に対応することができる。したがって、充電器１によれば、設計変更に容易に対応することができ、低コスト化を図ることができる。

一般に、充電器１が搭載される車種が異なっていても、充電器１の内部に収容される回路基板４０や電気部品３０は大きく変わらない。そのため、ヒートシンク２０及び電気部品３０は、複数の車種にわたって共用化を見込むことができる。したがって、充電器１によれば、複数車種に対する展開も可能となり、さらなる低コスト化を図ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、ヒートシンク２０は、ダイカスト成形以外の製法で作製されてもよく、鍛造又は押出成形を適用することができる。また例えば、シール部材５３を配置するための溝は、ヒートシンク２０ではなく、筐体１０に形成されてもよい。

さらに、筐体１０は、板金加工以外の製法で作製されてもよい。例えば、筐体１０は、樹脂成形によって作製することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係る電力変換装置は、充電器、インバーター、ＤＣ−ＤＣコンバーター等の車載用の電力変換装置に好適である。

１ 充電器（電力変換装置）
１０ 筐体
２０、２０Ａ〜２０Ｆ ヒートシンク
２１ 部品載置部
２２ 放熱部
３０、３０Ａ〜３０Ｆ 電気部品
４０ 回路基板
５３ シール部材

Claims (8)

1. 回路基板と、
   前記回路基板に実装される電気部品と、
   前記電気部品が載置される部品載置部及び前記電気部品で発熱した熱を放熱する放熱部を有するヒートシンクと、
   前記ヒートシンク及び前記電気部品を収容する箱状の筐体と、
   前記ヒートシンクと前記筐体との間に介在するシール部材と、を備え、
   前記筐体は、前記ヒートシンクとは別部材で構成され、
   前記ヒートシンクは、前記筐体に形成された開口を介して前記放熱部が外部に露出する状態で前記筐体に取り付けられることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記筐体は、板金加工品であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記筐体は、樹脂成形品であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記ヒートシンクは、ダイカスト成形品であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記ヒートシンクは、前記シール部材が配置される溝を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記電気部品を前記部品載置部に押圧固定する付勢部材をさらに備え、
   前記ヒートシンクは、前記付勢部材を固定するための固定部を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記付勢部材は、板バネであり、
   前記固定部は、前記付勢部材を位置決めする位置決めピンと、前記付勢部材をネジ止めするネジ孔を有することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記電気部品は、通電により発熱する電力用半導体素子を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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