功率转换装置制造方法
功率转换装置制造方法
【专利摘要】本发明提供能够消除绝缘距离不足并使整体紧凑化的功率转换装置。功率转换装置(1)包括：一个面与冷却体(3)进行接合的半导体功率模块(11)；多个安装基板(22)、(23)，该多个安装基板安装有包含对所述半导体功率模块进行驱动的发热电路元器件的电路元器件；将多个安装基板的热量传导给所述冷却体的导热支承构件(32)、(33)；以及在所述多个安装基板间，形成于绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的绝缘确保区域(43)。
【专利说明】功率转换装置【技术领域】
[0001]本发明涉及功率转换装置，该功率转换装置在内置有功率转换用的半导体开关元件的半导体功率模块上隔着间隔地支承多个安装基板，该多个安装基板安装有包含对上述半导体开关元件进行驱动的发热电路元器件的电路元器件。
【背景技术】
[0002]作为这种功率转换装置，已知有专利文献I所示那样的具有将安装有发热电路元器件的安装基板经由壳体与冷却体相连接，将安装基板产生的热量向冷却体散热的结构的功率转换装置。
在该专利文献I所记载的功率转换装置中，如图7所示，在冷却体100上配置有半导体功率模块101，该半导体功率模块101内置有功率转换用的半导体开关元件。在该半导体功率模块101的上表面侧，安装基板102经由设置于其底面的导热材料104由与壳体105相连接的导热支承构件106进行支承。由此，安装基板102产生的热量可沿导热材料104 —导热支承构件106 —壳体105 —冷却体100的路径散热，因此，能对安装基板进行冷却。另外，107为配置在壳体105内的底部的电容器。此外，108为设置在冷却体底部的辅助设备用逆变器。
现有技术文献 专利文献
[0003]专利文献1:日本专利第4657329号公报
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0004]然而，在上述专利文献I所记载的现有例中，控制电路基板所产生的热量沿控制电路基板一散热构件一金属底板一壳体一水冷夹套这样的路径进行散热。因此，存在以下未解决的问题:即，由于将壳体用作为导热路径的一部分，因而也要求壳体具有良好的导热性，从而材料被限定为热传导率较高的金属，因此在要求小型化轻量化的功率转换装置中，无法选择树脂等较轻的材料，因而难以实现轻量化。
[0005]另外，对于壳体，由于在大多数情况下要求防水、防尘，因此，在金属底板与壳体之间、壳体与水冷夹套之间，一般涂布液态密封剂或夹入橡胶制填充物等。因此还存在以下未解决的问题:即，液态密封剂或橡胶制填充物的热传导率一般较低，将这些材料夹在热冷却路径中会导致热阻增大，从而导致冷却效率下降。
[0006] 另一方面，要求功率转换装置的紧凑化。若进行该紧凑化，则壳体内的发热密度提高，随着温度上升，安装在安装基板上的进行驱动、控制的电子元器件的耐久性下降的可能性变高。为了防止这种情况，通过采用确保冷却性能的结构以使壳体内的温度不升高，从而能力图实现装置的紧凑化。然而，提高壳体内的冷却能力是有限度的，在此基础上力图实现紧凑化需要限制功率转换装置的高度。为此，配置在壳体内的各安装基板间的距离成为问题。
[0007]在各安装基板间安装高度不同的电路元器件，因此，在未安装电路元器件的状态下确定安装基板间的距离是没有意义的，需要假定安装有电路元器件的安装基板。此时，对于安装基板间的距离，在将高度最大的电路元器件与和其相对的其他安装基板之间的距离设定为所需的绝缘距离的情况下，在绝缘方面没有问题，但对于安装基板间的距离，只要存在一个绝缘距离不足的电路元器件时，就要配合该电路元器件来确定距离，各安装基板间的距离变长，壳体也变得大型。
[0008]另一方面，为了确保绝缘距离，考虑在与安装于一个安装基板的电路元器件相对的另一安装基板的相对面上安装绝缘片材，在此情况下，在绝缘方面也没有问题，但存在以下未解决的问题:即，绝缘片材的导热性较低，难以传导从发热电路元器件产生的热量，发热电路元器件产生的热量滞留在安装基板间，冷却能力下降。
因此，本发明是着眼于上述现有例的未解决的问题而完成的，其目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置能够消除绝缘距离不足并使整体紧凑化。
解决技术问题所采用的技术方案
[0009]为了达到上述目的，本发明的功率转换装置的第I方式包括:
一个面与冷却体进行接合的半导体功率模块；多个安装基板，该多个安装基板安装有包含对所述半导体功率模块进行驱动的发热电路元器件的电路元器件；将多个安装基板的热量传导给所述冷却体的导热支承构件；以及在所述多个安装基板间、形成于绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的绝缘确保区域。
[0010]根据该第I方式，在多个安装基板间局部产生绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的情况下，在与该绝缘距离不足区域相对的未安装电路元器件的安装基板上形成绝缘确保区域。作为该绝缘确保区域，在与该绝缘不足区域相对的安装基板上局部安装绝缘片材以确保绝缘距离，或去除将发热电路元器件产生的热量向冷却体进行散热的导热支承构件的一部分以确保绝缘距离，或在成为绝缘不足区域的电路元器件和相对的安装基板之间夹插绝缘性的导热构件以确保绝缘距离。
由此，即使在安装电路基板间的部分区域中绝缘距离不足的情况下，也可利用绝缘不足确保区域来确保绝缘距离，可使安装基板间的距离比所需的绝缘距离要短，使整体结构紧凑化。
[0011]此外，本发明的功率转换装置的第2方式中，所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置夹插绝缘性导热构件来确保绝缘的区域。
根据该第2方式，通过在安装基板与导热支承构件之间夹插绝缘性的导热构件，从而能可靠地进行安装基板与导热支承构件之间的绝缘，并提高散热效果。
[0012]此外，本发明的功率转换装置的第3方式中，所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置配置绝缘片材来确保绝缘的区域。
根据该第3方式，将绝缘片材仅配置在与绝缘不足区域相对的位置，而不是导热支承构件的整个表面，因此，除配置有绝缘片材的区域以外的导热支承构件向相对配置的发热电路元器件露出。因此，可吸收与导热支承构件相对的发热电路元器件产生的热量，可靠地防止所产生的热量滞留在安装基板间。
[0013]此外，本发明的功率转换装置的第4方式中，所述绝缘确保区域设为将与所述绝缘距离不足区域相对的位置的所述导热支承构件去除来确保绝缘的区域。
根据该第4方式，可将与绝缘距离不足区域相对的导热支承构件去除来确保绝缘距离。在此情况下，即使去除导热支承构件，与安装基板之间也存在绝缘性的导热构件，因此，可确保较长的绝缘距离。
[0014]此外，本发明的功率转换装置的第5方式中，所述导热支承构件由隔着导热构件对所述安装基板进行支承的导热支承板部、和将该导热支承板部的侧面连结并与所述冷却体相连接的导热支承侧板部构成。
根据该第5方式，导热支承构件由导热支承板部和导热支承侧板部构成，因此，在安装基板的组装操作时，导热支承板部与安装基板一体配置，导热支承侧板部配置成与冷却体相连接，最后将导热支承板部和导热支承侧板部连结，从而可构成导热支承构件。
[0015]此外，本发明的功率转换装置的第6方式中，所述导热支承板部与所述导热支承侧板部一体形成。
根据该第6方式，导热支承板部与导热支承侧板部一体形成，因此，两者间不存在接缝，能将热阻抑制得较低，从而能提高散热效果。
此外，本发明的功率转换装置的第7方式中，所述导热构件由具有绝缘性的绝缘体构成。
根据该第7方式，导热构件具有绝缘性，因此，能可靠地进行安装基板与导热支承构件之间的绝缘。
[0016]此外，本发明的功率转换装置的第8方式中，利用紧固构件，将所述安装基板和所述导热支承构件的导热支承板部隔着所述导热构件进行固定。
根据该第8方式，在安装基板与导热支承构件的导热支承板部之间夹有导热构件的状态下利用紧固构件进行固定，因此，能容易地进行组装。
此外，本发明的功率转换装置的第9方式中，在所述紧固构件的周围夹插有将所述安装基板与所述导热支承构件的导热支承板部之间的间隔维持在规定值的间隔调整构件。
根据该第9形态，在导热构件为弹性体的情况下，能正确地规定导热构件的压缩率。
发明效果
[0017]根据本发明，即使在安装基板间局部形成有绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的情况下，也可利用绝缘确保区域来确保绝缘，将该绝缘确保区域配置在绝缘距离不足区域即可，因此，在与发热电路元器件相对的位置使导热支承构件露出，相对面侧的发热电路元器件产生的热量能向冷却体进行散热而不会滞留。因此，可提高散热效果，并且，能使安装基板间的距离比所需的绝缘距离要短，可使壳体紧凑化。
而且，由于不要求壳体具有良好的导热性，因此，能对壳体使用树脂等较轻的材料，从而能减轻壳体的重量，提供廉价的功率转换装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是表示本发明的功率转换装置的实施方式I的整体结构的剖视图。
图2是表示将安装基板安装到导热支承构件的安装方法的图。
图3是表示将安装基板安装到导热支承构件后的状态的剖视图。安装基板 图4是表示本发明的功率转换装置的实施方式2的主要部分的剖视图。 图5是表示本发明的功率转换装置的实施方式3的主要部分的剖视图。
图6是表示实施方式3的导热支承板部的缺口状态的仰视图。
图7是表示现有例的剖视图。
【具体实施方式】
[0019]下面，基于【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
图1是表示本发明的功率转换装置的整体结构的剖视图。
图中，I为功率转换装置，该功率转换装置I收纳在壳体2内。壳体2由合成树脂材料成形得到，由夹着具有水冷夹套结构的冷却体3而上下分割出的下部壳体2A及上部壳体2B构成。
[0020]下部壳体2A由有底方筒体构成。该下部壳体2A的开放上部被冷却体3所覆盖，其内部收纳有滤波用的薄膜电容器4。
上部壳体2B包括上端和下端开放的方筒体2a、以及封闭该方筒体2a上端的盖体2b。而且，方筒体2a的下端被冷却体3所封闭。虽未图示，但在该方筒体2a的下端与冷却体3之间，存在涂布有液态密封剂或夹有橡胶制密封垫等的密封材料。
[0021]冷却体3的冷却水的供水口 3a和排水口 3b朝壳体2外侧开口。这些供水口 3a和排水口 3b例如经由挠性软管与未图示的冷却水提供源相连接。该冷却体3例如将热传导率较高的铝、铝合金通过压铸等锻造来一体成形。并且，冷却体3的下表面为平坦面，上表面的除中央部3c外的剩余部分形成有方框状的周槽3d。
[0022]功率转换装置I包括半导体功率模块11，该半导体功率模块11在内置有例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)来作为构成功率转换用的例如逆变器电路的半导体开关元件。对于该半导体功率模块11，在扁平的长方体状的绝缘性的箱体12内内置有IGBT，在箱体12的下表面上形成有金属制的散热构件13。在箱体12及散热构件13中，俯视时，在四个角上形成有插入孔15，该插入孔15供作为固定构件的固定螺钉14插入。另外，在箱体12的上表面，在插入孔15内侧的四个部位上突出形成具有规定高度的基板固定部16。
[0023]在该基板固定部16的上端固定有驱动电路基板21,该驱动电路基板21安装有对内置于半导体功率模块11的IGBT进行驱动的驱动电路等。此外，在控制电路基板21的上方隔着规定间隔固定有控制电路基板22，该控制电路基板22作为安装基板安装有控制电路等，该控制电路中包含对内置于半导体功率模块11的IGBT进行控制的发热量相对较大、或者发热密度较大的发热电路元器件。并且，在控制电路基板22的上方隔着规定间隔固定有电源电路基板23，该电源电路基板23作为安装基板安装有电源电路等，该电源电路中包含对内置于半导体功率模块11的IGBT进行供电的发热电路元器件。
[0024]而且，驱动电路基板21通过以下方式来进行固定:即，将接头螺钉24的外螺纹部24a插入至形成在与基板固定部16相对的位置处的插入孔21a内，将该外螺纹部24a与形成于基板固定部16上表面的内螺纹部16a螺合。
此外，控制电路基板22通过以下方式来进行固定:即，将接头螺钉25的外螺纹部25a插入至插入孔22a内，该插入孔22a形成在与内螺纹部24b相对的位置处，该内螺纹部24b形成于接头螺钉24的上端，然后将该外螺纹部25a与接头螺钉24的内螺纹部24b螺合。
[0025]而且，电源电路基板23通过以下方式来进行固定:即，将固定螺钉26插入至插入孔23a内，该插入孔23a形成于与内螺纹部25a相对的位置处，该内螺纹部25a形成在接头螺钉25的上端，然后将该固定螺钉26与接头螺钉25的内螺纹部25a螺合。
另外，控制电路基板22及电源电路基板23利用导热支承构件32和33来独立形成向冷却体3进行散热的散热路径而不经由壳体2。这些导热支承构件32和33由热传导率较高的金属、例如铝或铝合金形成。
[0026]导热支承构件32及33配置在对控制电路基板22进行支承的冷却体3的周槽3d内，并具有成为冷却体接触板部的呈方框状的共用的底板部34。因此，导热支承构件32和33通过底板部34而连结为一体。而且,导热支承构件32和33及底板部34具有黑色的表面。为了使这些导热支承构件32和33及底板部34的表面变为黑色，在表面涂布黑色树脂、或用黑色涂料来进行涂抹即可。
[0027]由此，使导热支承构件32和33及底板部34的表面变为黑色，从而与金属原有颜色相比，能增大热辐射率，增加辐射导热量。因此，能促进导热支承构件32和33及底板部34向周围进行散热，使控制电路基板22及电源电路基板23高效地进行热冷却。此外，也可以只将导热支承构件32和33的表面变为黑色而不将底板部34的表面变为黑色。
[0028]导热支承构件32由平板上的导热支承板部32a、以及导热支承侧板部32c构成，该导热支承侧板部32c通过固定螺钉32b固定在该导热支承板部32a的沿着半导体功率模块11的长边的右端侧。此外，导热支承侧板部32c与共用的底板部34相连结。
控制电路基板22隔着导热构件35通过固定螺钉36固定于导热支承板部32a。导热构件35由具有伸缩性的弹性体构成为与电源电路基板23相同的外形尺寸。作为该导热构件35，适用通过在硅胶的内部设置金属填料、来发挥绝缘性能并提高导热性的材料。
[0029]导热支承侧板部32c由连结板部32d以及上板部32e形成，其截面呈逆L字形，其中，该连结板部32d与配置于冷却体3的周槽3d内的共用的底板部34的长边侧的外边缘连结为一体且向上方延伸，该上板部32e从该连结板部32d的上端向左侧延伸。连结板部32d通过半导体功率模块11的长边侧的右侧面向上方延伸。
导热支承构件33由平板上的导热支承板部33a、以及导热支承侧板部33c构成，该导热支承侧板部33c通过固定螺钉33b被固定在该导热支承板部33a的沿半导体功率模块11的长边的左端侧。而且，导热支承侧板部33c与共用的底板部34相连结。
[0030]在导热支承板部33a上，隔着与上述导热构件35相同的导热构件37利用固定螺钉38固定有电源电路基板23。
此外，导热支承侧板部33c由连结板部33d以及上板部33e形成，其截面呈逆L字形，其中，该连结板部33d与配置于冷却体3的周槽3d内的共用的底板部34的长边侧的外边缘连结为一体且沿上方延伸，该上板部33e从该连结板部33d的上端向左侧延伸。连结板部33d通过半导体功率模块11的长边侧的左侧面向上方延伸。
[0031]而且，将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为例如作为圆筒面的一部分的弯曲面33f和33g。通过这样将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为圆筒状的弯曲面33f和33g，从而能提高对上下振动或横向摇动等的抗振性。SP，能缓和对功率转换装置I传递上下振动或横向摇动时、连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部上所产生的应力集中。
[0032]此外，将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为圆筒状的弯曲面33f和33g，从而与将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为直角的L字形的情况相比，能缩短热传导路径。由此，通过缩短从导热支承板部33a到冷却体3的热传导路径，能够实现高效的热冷却。
[0033]此外，如图2及图3所示，在控制电路基板22和电源电路基板23上，在上表面一侧安装有发热电路元器件39。
而且，如图2所示那样将控制电路基板22及电源电路基板23、与导热构件35、37及导热支承板部32a、33a进行连结。对于这些控制电路基板22及电源电路基板23、与导热支承板部32a及33a之间的连结，除了左右颠倒以外实质上是相同的，因此，以电源电路基板23及导热支承板部33a为代表来进行说明。
[0034]在该电源电路基板23与导热支承板部33a的连结中，如图2和图3所示，使用具有比导热构件37的厚度T要小的导热板部管理高度H的作为间隔调整构件的垫圈40。该垫圈40通过粘接等临时固定于导热支承板部33a上所形成的供固定螺钉38进行螺合的内螺纹部41的外周侧。这里，对垫圈40的导热板部管理高度H进行设定，使得导热构件37的压缩率变为5?30%左右。由此，通过将导热构件37压缩为5?30%左右，能够减小热阻，发挥高效的导热效果。
[0035]另一方面，在导热构件37上，形成有能供接头螺钉25插入的插入孔37a、以及能供垫圈40插入的插入孔37b。
并且，将导热构件37放置在导热支承板部33a上，以使得临时固定于导热支承板部33a的垫圈40插入至插入孔37b内，并将电源电路基板23放置在该导热支承板部33a上，以使得发热电路元器件39与导热构件37相接。
[0036]在这种状态下，使固定螺钉38通过电源电路基板23的插入孔23b，进而通过垫圈40的中心开口与导热支承板部33a的内螺纹部41螺合。然后，拧紧固定螺钉38，直至导热构件37的上表面与垫圈40的上表面基本一致。
因此，通过以5?30%左右的压缩率对导热构件37进行压缩，能减小热阻，发挥高效的导热效果。此时，由于导热构件37的压缩率根据垫圈40的高度H来进行管理，因此，能适当地进行紧固，而不会发生紧固不足或紧固过度。
[0037]控制电路基板22与导热支承板部32a也与上述相同地隔着导热构件35进行连结。
另外，关于控制电路基板22与电源电路基板23之间的距尚，安装在控制电路基板22上的高度较低的作为基准的电路元器件42的上端、与电源电路基板23的导热支承构件33的导热支承板部33a的下表面之间的距离设定为需要的绝缘距离LI。
因此，对于高度比作为基准的电路元器件42要高的发热电路元器件39而言，成为比所需的绝缘距离LI要短的距离L2，该发热电路元器件39与电源电路基板23的导热支承板部33a之间成为绝缘距离不足区域。
[0038]若将该绝缘距离不足区域保持原样，则会导致绝缘不良，因此，在绝缘距离不足区域形成有绝缘确保区域。作为该绝缘确保区域，在图1的结构中，通过将比发热电路元器件39的平面形状要大的绝缘片材43粘贴于与发热电路元器件39的上表面相对的电源电路基板23的导热支承板部33a等来配置。由此，通过在与绝缘距离不足区域相对的导热支承板部33a配置绝缘片材43，从而能消除绝缘距离不足，能将最突出的发热电路元器件39和与其相对的导热支承板部33a之间可靠地绝缘。
[0039]另外，如图2和图3所示，在导热支承构件32和33的共用的底板部34上，在半导体功率模块11的与插入固定螺钉14的插入孔15相对的位置上，形成有固定构件插入孔34a。并且,在底板部34的上表面与形成于半导体功率模块11的散热构件13的下表面之间夹有板状弹性构件45。
接着，通过使固定螺钉14插入半导体功率模块11及散热构件13的插入孔15及底板部34的固定构件插入孔34a，并使该固定螺钉14与形成于冷却体3的内螺纹部3f螺合，来将半导体功率模块11和底板部34固定在冷却体3上。
[0040]接着，对上述实施方式I的功率转换装置I的组装方法进行说明。
首先，在图2中，如上述那样，使电源电路基板23隔着导热构件37与导热支承构件33的导热支承板部33a相重叠，在以5?30%左右的压缩率压缩导热构件37的状态下利用固定螺钉38对电源电路基板23、导热构件37及导热支承板部33a进行固定，由此如图3所示那样预先形成电源电路单元U3。
同样地，使控制电路基板22隔着导热构件35与导热支承构件32的导热支承板部32a相重叠，在以5?30%左右的压缩率压缩导热构件35的状态下利用固定螺钉36对控制电路基板22、导热构件35及导热支承板部32a进行固定，由此预先形成控制电路单元U2。
[0041]另一方面，在冷却体3的周槽3d内，在导热支承构件32和33所共用的底板部34的上表面与形成于半导体功率模块11的散热构件13的下表面之间夹有板状弹性构件45的状态下，利用固定螺钉14对该底板部34与半导体功率模块11 一起进行固定。这样，能将半导体功率模块11及导热支承构件32和33的共用的底板部34同时固定于冷却体3，因此，能减小组装工序数。
[0042]另外，在将底板部34固定于冷却体3时，使板状弹性构件45夹在底板部34与半导体功率模块11的散热构件13之间，因此，利用该板状弹性构件45将底板部34按压在冷却体3的周槽3d的底部，使底板部34可靠地与冷却体3相接触，从而能确保较大的接触面积。
[0043]另外，对于半导体功率模块11，在固定于冷却体3之前或固定之后，在形成于其上表面的基板固定部16上放置驱动电路基板21。然后，利用四根接头螺钉24将该驱动电路基板21从其上方固定于基板固定部16。然后，用固定螺钉32b将导热支承板部32a与导热支承侧板部32c相连结。
然后，在接头螺钉24的上表面放置控制电路单元U2的控制电路基板22，利用四根接头螺钉25进行固定。接着，在接头螺钉25的上表面放置电源电路单元U3的电源电路基板23，并利用四根固定螺钉26进行固定。然后，用固定螺钉33b将导热支承板部33a与导热支承侧板部33c相连结。
[0044]之后，虽未图示，将半导体功率模块11的正负直流输入端子与外部的整流器等直流电源相连接，并与薄膜电容器4的正负端子相连接。
此外，与半导体功率模块11的三相交流输出端子(未图示)外部的三相电动机等负载相连接。
之后，将下部壳体2A和上部壳体2B隔着密封材料固定于冷却体3的下表面及上表面，从而完成功率转换装置I的组装。[0045]在该状态下，在从外部整流器(未图示)提供直流电的同时，使安装于电源电路基板23的电源电路、安装于控制电路基板22上的控制电路处于工作状态，从控制电路经由安装在驱动电路基板21上的驱动电路将例如由脉宽调制信号形成的栅极信号提供给半导体功率模块U。由此，对内置于半导体功率模块11的IGBT进行控制，并将直流电转换为交流电。转换后的交流电从三相交流输出端子对三相电动机等负载(未图示)进行驱动控制。
[0046]此时，内置于半导体功率模块11的IGBT会发热。由于形成于半导体功率模块11的散热构件13与冷却体3的中央部3c直接接触，因此利用冷却体3所提供的冷却水对该发热进行冷却。
另一方面，安装于控制电路基板22及电源电路基板23的控制电路及电源电路中包含有发热电路元器件39，这些发热电路元器件39会发热。此时，发热电路元器件39安装于控制电路基板22及电源电路基板23的上表面侧。
[0047]而且，在这些控制电路基板22及电源电路基板23的下表面侧，隔着热传导率较高且具有弹性的导热构件35和37设有导热支承构件32和33的导热支承板部32a和33a。
因此，能将发热电路元器件39产生的热量高效地传导至导热构件35和37。并且，由于导热构件35及37本身以5?30%左右的压缩率进行了压缩，热传导率得以提高，因此，能够将传导到导热构件35及37的热量高效地传导到导热支承构件32及33的导热支承板部32a 及 33a。
[0048]而且，由于在导热支承板部32a和33a上连结有导热支承侧板部32c和33c，因此，传导至导热支承板部32a和33a的热量可通过导热支承侧板部32c和33c传导至共用的底板部34。由于该底板部34与冷却体3的周槽3d内直接接触，因此传导过来的热量向冷却体3进行散热。
并且，传导到底板部34的热量从底板部34的上表面侧经由板状弹性构件45传导至半导体功率模块11的散热构件13，并经由该散热构件13传导至冷却体3的中央部3c而进行散热。
[0049]这样，根据上述实施方式1，由于能将安装于控制电路基板22和电源电路基板23的发热电路元器件39产生的热量经由控制电路基板22和电源电路基板23传导至导热构件35和37，因此，能高效地进行散热。
然后，传导至导热构件35和37的热量传导至导热支承板部32a和33a，进而传导至导热支承侧板部32c和33c。此时，导热支承侧板部32c和33c沿半导体功率模块11的长边设置。
[0050]因此，能增大导热面积，并能确保较宽的散热路径。而且，由于将导热支承侧板部32c和33c的弯曲部设为圆筒状的弯曲部，因此，与将弯曲部设为L字形的情况相比，能缩短到冷却体3的导热距离。这里，热输送量Q可用以下式(I)来表示。
Q=AX (A/L) XT............(I)
其中，λ是热传导率[W/m°C ]，T是温度差[°C ]基板温度Tl 一冷却体温度T2，A是导热最小截面积[m2]，L是导热长度[m]。
[0051]由该式(I)可知，若导热长度L变短，则热输送量Q会增加，从而能发挥良好的冷却效果。
另外，由于导热支承构件32和33的导热支承侧板部32c及33c与共用的底板部34 —体化，因此，导热支承侧板部32c及33c与底板部34之间不存在元器件之间的接缝，从而能抑制热阻。
[0052]此外，由于从安装有发热电路元器件39的控制电路基板22和电源电路基板23到冷却体3的散热路径中未包含壳体2，因此，对壳体2的导热性没有要求。因此，不必使用铝等高热传导率的金属来作为壳体2的构成材料，能以合成树脂材料来构成壳体2，从而能力图实现轻量化。
另外，由于散热路径并不取决于壳体2，能以功率转换装置I来单独形成散热路径，因此，能将由半导体功率模块11、驱动电路基板21、控制电路基板22及电源电路基板23所构成的功率转换装置I运用于各种不同形态的壳体2和冷却体3。
[0053]此外，由于控制电路基板22和电源电路基板23上固定有金属制的导热支承板部32a和33a，因此，能提高控制电路基板22和电源电路基板23的刚性。因此，即使在如将功率转换装置I作为驱动车辆行驶用电动机的电动机驱动电路来使用的情况那样的、上下振动或横向摇动作用于功率转换装置I的情况下，也能利用导热支承构件32和33来提高刚性。因此，能提供受上下振动、横向摇动等的影响较小的功率转换装置I。
[0054]而且，安装于控制电路基板22的上表面的发热电路元器件39产生的热量也向控制电路基板22及电源电路基板23间的空间进行散热，该散热部分由相对的电源电路基板23的导热支承板部33a吸收，通过导热支承侧板部33c向冷却体3进行散热。因此，发热电路元器件39产生的热量不会滞留在控制电路基板22及电源电路基板23之间，而向冷却体3进行散热。
[0055]此处，关于控制电路基板22与电源电路基板23之间的距离，作为基准的电路元器件42的上表面与电源电路基板23的导热支承板部33a之间设定所需的绝缘距离LI。因此，虽然在电路元器件42与电源电路基板23的导热支承板部33a之间可确保绝缘，但对于高度比该作为基准的电路元器件42要高的电路元器件39而言，无法确保绝缘距离。
[0056]然而，在本实施方式中，当产生绝缘距离不足区域时，在与绝缘距离不足区域相对的电源电路基板23的导热支承板部的相对面配置有绝缘片材43，因此，利用该绝缘片材43可确保所需的导热距离。
因此，控制电路基板22与电源电路基板23之间的距离为对作为基准的电路元器件42的高度加上所需的绝缘距离LI后的距离，与对绝缘距离最短的发热电路元器件39的高度加上所需的绝缘距离LI后的距离相比能足够短。
[0057]因此，能缩短从半导体功率模块11到最上级的电源电路基板23为止的距离，也可降低包围它们的上部壳体2B的高度，因此，可实现紧凑化。
另外，在上述实施方式I中，对存在两种安装有发热电路元器件39的基板的情况进行了说明。然而，本发明并不局限于上述结构，在安装有发热电路元器件39的基板例如仅是一块控制电路基板22的情况或有三块以上的情况下，也可以采用本发明。
[0058]接着，使用图4对本发明的实施方式2进行说明。
该实施方式2中，在所安装的电路元器件的高度较高而产生绝缘不足区域的情况下，在与绝缘不足区域相对的区域中夹插绝缘性导热构件，以确保绝缘。
即，实施方式2中，如图4所示，省略上述实施方式I中的绝缘片材43，取而代之，在安装于控制电路基板22的闻度最闻的电路兀器件39和与其相对的电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域中，夹插具有与上述实施方式I中的导热构件35、37相同的绝缘性的绝缘性导热构件51，以作为绝缘确保区域。除此之外的结构与上述实施方式I相同，因此，图4中，对与图1的对应部分标注相同标号，在其详细说明中，省略该部分。
[0059]在该实施方式2中，在控制电路基板22与电源电路基板23之间的高度最高的电路元器件39与电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域夹插有绝缘性导热构件51，因此，能利用该绝缘性导热构件51，确保绝缘距离不足区域中的绝缘。
[0060]而且，在此情况下，在电路元器件39与电源电路基板23的导热支承板部33a之间夹插有绝缘性导热构件51，因此，不仅能确保绝缘，还能将绝缘性导热构件51用作为散热路径，在高度最高的电路元器件39为发热电路元器件的情况下，能将其产生的热量经由绝缘性导热构件51直接传导至导热支承板部33a，从而能更有效地进行发热电路元器件的散热。
此外，在上述实施方式2中，对应用绝缘性导热构件51来作为绝缘确保区域的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以应用热传导率较低的绝缘构件。
[0061]接着，使用图5及图6对本发明的实施方式3进行说明。
该实施方式3中，作为绝缘确保区域，将与绝缘距离不足区域相对的电源电路基板23的导热支承板部33a去除。
即，实施方式3中，如图5所不，在安装于控制电路基板22的闻度最闻的电路兀器件39的上端与电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域中，对于与电路元器件39相对的位置的导热支承板部33a，如图6 (a)或(b)所示那样，形成比电路元器件39的平面形状要大的矩形的切除部61a或比电路元器件39的平面形状要大的圆形的切除部61b,以使导热构件37露出，从而确保绝缘距离。
[0062]关于其他结构，由于具有与上述实施方式I及实施方式2相同的结构，因此，对与图1及图4的对应部分标注相同标号，在其详细说明中，省略该部分。
根据该实施方式3，在安装于控制电路基板22的高度最高的电路元器件39的上表面与电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域中，切除导热支承板部33a以使导热构件37露出，因此，能利用该导热构件37的绝缘性确保绝缘距离。因此，能获得与上述实施方式I及实施方式2相同的作用效果。除此之外，无需绝缘片材43、绝缘性导热构件51，仅切除导热支承板部33a即可，因此，不会花费元器件成本，能降低成本。
[0063]另外，在上述实施方式3中，对导热支承板部33a的切除形状为矩形或圆形的情况进行了说明，但并不局限于此，只要能确保规定的绝缘距离，可以是任意形状。
另外，在上述实施方式I?3中，对存在两种安装有发热电路元器件39的基板的情况进行了说明。然而，本发明并不局限于上述结构，在安装有发热电路元器件39的基板例如仅是一块控制电路基板22的情况或三块以上的情况下，也可以采用本发明。
[0064]此外，在上述实施方式I?3中，对导热支承构件32、33由不同构件的导热支承板部32a、33a和导热支承侧板部32c、33c构成的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以将导热支承板部32a、33a和导热支承侧板部32c、33c形成为一体。在此情况下，在导热支承板部32a、33a与导热支承侧板部32c、33c之间未形成接缝，因此，能降低热阻，进一步提高散热效果。
[0065]此外，在上述实施方式I?3中，对将本发明的功率转换装置应用于电动汽车的情况进行了说明，但并不局限于此，本发明也可适用于行驶于轨道的铁路车辆，还可适用于任意的电驱动车辆。此外，作为功率转换装置并不局限于电驱动车辆，在驱动其它产业设备中的电动机等致动器的情况下，也能应用本发明的功率转换装置。
工业上的实用性
[0066]根据本发明，可提供一种功率转换装置，即使在安装基板间局部形成有绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的情况下，也利用绝缘确保区域来确保绝缘，因此，在与发热电路元器件相对的位置使导热支承构件露出，相对面侧的发热电路元器件产生的热量能向冷却体进行散热而不会滞留，从而提高散热效果，并且，能使安装基板间的距离比所需的绝缘距离要短，可使壳体紧凑化。
标号说明
[0067]I 功率转换装置
2壳体
3冷却体
4薄膜电容器
11半导体功率模块
12箱体
13散热构件
21驱动电路基板
22控制电路基板
23电源电路基板 24、25接头螺钉
32导热支承构件 32a 导热支承板部 32b 固定螺钉
32c 导热支承侧板部
33导热支承构件 33a 导热支承板部 33b 固定螺钉
33c 导热支承侧板部
34底板部 35,37导热构件
39发热电路元器件
40垫圈(间隔调整构件)
42作为基准的电路元器件
43绝缘片材
45 板状弹性构件 51 绝缘性导热构件 6la、6Ib切除部
【权利要求】
1.一种功率转换装置，其特征在于，包括: 一个面与冷却体进行接合的半导体功率模块； 多个安装基板，该多个安装基板安装有包含对所述半导体功率模块进行驱动的发热电路元器件的电路元器件； 将多个安装基板的热量传导给所述冷却体的导热支承构件；以及 在多个所述安装基板间，形成于绝缘距离不足的绝缘距离不足区域中的绝缘确保区域。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置插入绝缘性导热构件来确保绝缘的区域。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置配置绝缘片材来确保绝缘的区域。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述绝缘确保区域设为去除与所述绝缘距离不足区域相对的位置的所述导热支承构件来确保绝缘的区域。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于， 所述导热支承构件由隔着导热构件对所述安装基板进行支承的导热支承板部、及将该导热支承板部的侧面连结并与所述冷却体相连接的导热支承侧板部构成。
6.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于， 所述导热支承板部与所述导热支承侧板部形成为一体。
7.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于， 所述导热构件由具有绝缘性的绝缘体构成。
8.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于， 利用紧固构件，将所述安装基板和所述导热支承构件的导热支承板部隔着所述导热构件进行固定。
9.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于， 在所述紧固构件的周围插入有将所述安装基板与所述导热支承构件的导热支承板部之间的间隔维持在规定值的间隔调整构件。
【文档编号】H05K7/20GK104040865SQ201380005264
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年1月16日 优先权日:2012年3月28日
【发明者】马渕奖平, 田中泰仁, 小高章弘 申请人:富士电机株式会社
【专利摘要】本发明提供能够消除绝缘距离不足并使整体紧凑化的功率转换装置。功率转换装置(1)包括：一个面与冷却体(3)进行接合的半导体功率模块(11)；多个安装基板(22)、(23)，该多个安装基板安装有包含对所述半导体功率模块进行驱动的发热电路元器件的电路元器件；将多个安装基板的热量传导给所述冷却体的导热支承构件(32)、(33)；以及在所述多个安装基板间，形成于绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的绝缘确保区域(43)。
【专利说明】功率转换装置【技术领域】
[0001]本发明涉及功率转换装置，该功率转换装置在内置有功率转换用的半导体开关元件的半导体功率模块上隔着间隔地支承多个安装基板，该多个安装基板安装有包含对上述半导体开关元件进行驱动的发热电路元器件的电路元器件。
【背景技术】
[0002]作为这种功率转换装置，已知有专利文献I所示那样的具有将安装有发热电路元器件的安装基板经由壳体与冷却体相连接，将安装基板产生的热量向冷却体散热的结构的功率转换装置。
在该专利文献I所记载的功率转换装置中，如图7所示，在冷却体100上配置有半导体功率模块101，该半导体功率模块101内置有功率转换用的半导体开关元件。在该半导体功率模块101的上表面侧，安装基板102经由设置于其底面的导热材料104由与壳体105相连接的导热支承构件106进行支承。由此，安装基板102产生的热量可沿导热材料104 —导热支承构件106 —壳体105 —冷却体100的路径散热，因此，能对安装基板进行冷却。另外，107为配置在壳体105内的底部的电容器。此外，108为设置在冷却体底部的辅助设备用逆变器。
现有技术文献 专利文献
[0003]专利文献1:日本专利第4657329号公报
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0004]然而，在上述专利文献I所记载的现有例中，控制电路基板所产生的热量沿控制电路基板一散热构件一金属底板一壳体一水冷夹套这样的路径进行散热。因此，存在以下未解决的问题:即，由于将壳体用作为导热路径的一部分，因而也要求壳体具有良好的导热性，从而材料被限定为热传导率较高的金属，因此在要求小型化轻量化的功率转换装置中，无法选择树脂等较轻的材料，因而难以实现轻量化。
[0005]另外，对于壳体，由于在大多数情况下要求防水、防尘，因此，在金属底板与壳体之间、壳体与水冷夹套之间，一般涂布液态密封剂或夹入橡胶制填充物等。因此还存在以下未解决的问题:即，液态密封剂或橡胶制填充物的热传导率一般较低，将这些材料夹在热冷却路径中会导致热阻增大，从而导致冷却效率下降。
[0006] 另一方面，要求功率转换装置的紧凑化。若进行该紧凑化，则壳体内的发热密度提高，随着温度上升，安装在安装基板上的进行驱动、控制的电子元器件的耐久性下降的可能性变高。为了防止这种情况，通过采用确保冷却性能的结构以使壳体内的温度不升高，从而能力图实现装置的紧凑化。然而，提高壳体内的冷却能力是有限度的，在此基础上力图实现紧凑化需要限制功率转换装置的高度。为此，配置在壳体内的各安装基板间的距离成为问题。
[0007]在各安装基板间安装高度不同的电路元器件，因此，在未安装电路元器件的状态下确定安装基板间的距离是没有意义的，需要假定安装有电路元器件的安装基板。此时，对于安装基板间的距离，在将高度最大的电路元器件与和其相对的其他安装基板之间的距离设定为所需的绝缘距离的情况下，在绝缘方面没有问题，但对于安装基板间的距离，只要存在一个绝缘距离不足的电路元器件时，就要配合该电路元器件来确定距离，各安装基板间的距离变长，壳体也变得大型。
[0008]另一方面，为了确保绝缘距离，考虑在与安装于一个安装基板的电路元器件相对的另一安装基板的相对面上安装绝缘片材，在此情况下，在绝缘方面也没有问题，但存在以下未解决的问题:即，绝缘片材的导热性较低，难以传导从发热电路元器件产生的热量，发热电路元器件产生的热量滞留在安装基板间，冷却能力下降。
因此，本发明是着眼于上述现有例的未解决的问题而完成的，其目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置能够消除绝缘距离不足并使整体紧凑化。
解决技术问题所采用的技术方案
[0009]为了达到上述目的，本发明的功率转换装置的第I方式包括:
一个面与冷却体进行接合的半导体功率模块；多个安装基板，该多个安装基板安装有包含对所述半导体功率模块进行驱动的发热电路元器件的电路元器件；将多个安装基板的热量传导给所述冷却体的导热支承构件；以及在所述多个安装基板间、形成于绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的绝缘确保区域。
[0010]根据该第I方式，在多个安装基板间局部产生绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的情况下，在与该绝缘距离不足区域相对的未安装电路元器件的安装基板上形成绝缘确保区域。作为该绝缘确保区域，在与该绝缘不足区域相对的安装基板上局部安装绝缘片材以确保绝缘距离，或去除将发热电路元器件产生的热量向冷却体进行散热的导热支承构件的一部分以确保绝缘距离，或在成为绝缘不足区域的电路元器件和相对的安装基板之间夹插绝缘性的导热构件以确保绝缘距离。
由此，即使在安装电路基板间的部分区域中绝缘距离不足的情况下，也可利用绝缘不足确保区域来确保绝缘距离，可使安装基板间的距离比所需的绝缘距离要短，使整体结构紧凑化。
[0011]此外，本发明的功率转换装置的第2方式中，所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置夹插绝缘性导热构件来确保绝缘的区域。
根据该第2方式，通过在安装基板与导热支承构件之间夹插绝缘性的导热构件，从而能可靠地进行安装基板与导热支承构件之间的绝缘，并提高散热效果。
[0012]此外，本发明的功率转换装置的第3方式中，所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置配置绝缘片材来确保绝缘的区域。
根据该第3方式，将绝缘片材仅配置在与绝缘不足区域相对的位置，而不是导热支承构件的整个表面，因此，除配置有绝缘片材的区域以外的导热支承构件向相对配置的发热电路元器件露出。因此，可吸收与导热支承构件相对的发热电路元器件产生的热量，可靠地防止所产生的热量滞留在安装基板间。
[0013]此外，本发明的功率转换装置的第4方式中，所述绝缘确保区域设为将与所述绝缘距离不足区域相对的位置的所述导热支承构件去除来确保绝缘的区域。
根据该第4方式，可将与绝缘距离不足区域相对的导热支承构件去除来确保绝缘距离。在此情况下，即使去除导热支承构件，与安装基板之间也存在绝缘性的导热构件，因此，可确保较长的绝缘距离。
[0014]此外，本发明的功率转换装置的第5方式中，所述导热支承构件由隔着导热构件对所述安装基板进行支承的导热支承板部、和将该导热支承板部的侧面连结并与所述冷却体相连接的导热支承侧板部构成。
根据该第5方式，导热支承构件由导热支承板部和导热支承侧板部构成，因此，在安装基板的组装操作时，导热支承板部与安装基板一体配置，导热支承侧板部配置成与冷却体相连接，最后将导热支承板部和导热支承侧板部连结，从而可构成导热支承构件。
[0015]此外，本发明的功率转换装置的第6方式中，所述导热支承板部与所述导热支承侧板部一体形成。
根据该第6方式，导热支承板部与导热支承侧板部一体形成，因此，两者间不存在接缝，能将热阻抑制得较低，从而能提高散热效果。
此外，本发明的功率转换装置的第7方式中，所述导热构件由具有绝缘性的绝缘体构成。
根据该第7方式，导热构件具有绝缘性，因此，能可靠地进行安装基板与导热支承构件之间的绝缘。
[0016]此外，本发明的功率转换装置的第8方式中，利用紧固构件，将所述安装基板和所述导热支承构件的导热支承板部隔着所述导热构件进行固定。
根据该第8方式，在安装基板与导热支承构件的导热支承板部之间夹有导热构件的状态下利用紧固构件进行固定，因此，能容易地进行组装。
此外，本发明的功率转换装置的第9方式中，在所述紧固构件的周围夹插有将所述安装基板与所述导热支承构件的导热支承板部之间的间隔维持在规定值的间隔调整构件。
根据该第9形态，在导热构件为弹性体的情况下，能正确地规定导热构件的压缩率。
发明效果
[0017]根据本发明，即使在安装基板间局部形成有绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的情况下，也可利用绝缘确保区域来确保绝缘，将该绝缘确保区域配置在绝缘距离不足区域即可，因此，在与发热电路元器件相对的位置使导热支承构件露出，相对面侧的发热电路元器件产生的热量能向冷却体进行散热而不会滞留。因此，可提高散热效果，并且，能使安装基板间的距离比所需的绝缘距离要短，可使壳体紧凑化。
而且，由于不要求壳体具有良好的导热性，因此，能对壳体使用树脂等较轻的材料，从而能减轻壳体的重量，提供廉价的功率转换装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是表示本发明的功率转换装置的实施方式I的整体结构的剖视图。
图2是表示将安装基板安装到导热支承构件的安装方法的图。
图3是表示将安装基板安装到导热支承构件后的状态的剖视图。安装基板 图4是表示本发明的功率转换装置的实施方式2的主要部分的剖视图。 图5是表示本发明的功率转换装置的实施方式3的主要部分的剖视图。
图6是表示实施方式3的导热支承板部的缺口状态的仰视图。
图7是表示现有例的剖视图。
【具体实施方式】
[0019]下面，基于【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
图1是表示本发明的功率转换装置的整体结构的剖视图。
图中，I为功率转换装置，该功率转换装置I收纳在壳体2内。壳体2由合成树脂材料成形得到，由夹着具有水冷夹套结构的冷却体3而上下分割出的下部壳体2A及上部壳体2B构成。
[0020]下部壳体2A由有底方筒体构成。该下部壳体2A的开放上部被冷却体3所覆盖，其内部收纳有滤波用的薄膜电容器4。
上部壳体2B包括上端和下端开放的方筒体2a、以及封闭该方筒体2a上端的盖体2b。而且，方筒体2a的下端被冷却体3所封闭。虽未图示，但在该方筒体2a的下端与冷却体3之间，存在涂布有液态密封剂或夹有橡胶制密封垫等的密封材料。
[0021]冷却体3的冷却水的供水口 3a和排水口 3b朝壳体2外侧开口。这些供水口 3a和排水口 3b例如经由挠性软管与未图示的冷却水提供源相连接。该冷却体3例如将热传导率较高的铝、铝合金通过压铸等锻造来一体成形。并且，冷却体3的下表面为平坦面，上表面的除中央部3c外的剩余部分形成有方框状的周槽3d。
[0022]功率转换装置I包括半导体功率模块11，该半导体功率模块11在内置有例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)来作为构成功率转换用的例如逆变器电路的半导体开关元件。对于该半导体功率模块11，在扁平的长方体状的绝缘性的箱体12内内置有IGBT，在箱体12的下表面上形成有金属制的散热构件13。在箱体12及散热构件13中，俯视时，在四个角上形成有插入孔15，该插入孔15供作为固定构件的固定螺钉14插入。另外，在箱体12的上表面，在插入孔15内侧的四个部位上突出形成具有规定高度的基板固定部16。
[0023]在该基板固定部16的上端固定有驱动电路基板21,该驱动电路基板21安装有对内置于半导体功率模块11的IGBT进行驱动的驱动电路等。此外，在控制电路基板21的上方隔着规定间隔固定有控制电路基板22，该控制电路基板22作为安装基板安装有控制电路等，该控制电路中包含对内置于半导体功率模块11的IGBT进行控制的发热量相对较大、或者发热密度较大的发热电路元器件。并且，在控制电路基板22的上方隔着规定间隔固定有电源电路基板23，该电源电路基板23作为安装基板安装有电源电路等，该电源电路中包含对内置于半导体功率模块11的IGBT进行供电的发热电路元器件。
[0024]而且，驱动电路基板21通过以下方式来进行固定:即，将接头螺钉24的外螺纹部24a插入至形成在与基板固定部16相对的位置处的插入孔21a内，将该外螺纹部24a与形成于基板固定部16上表面的内螺纹部16a螺合。
此外，控制电路基板22通过以下方式来进行固定:即，将接头螺钉25的外螺纹部25a插入至插入孔22a内，该插入孔22a形成在与内螺纹部24b相对的位置处，该内螺纹部24b形成于接头螺钉24的上端，然后将该外螺纹部25a与接头螺钉24的内螺纹部24b螺合。
[0025]而且，电源电路基板23通过以下方式来进行固定:即，将固定螺钉26插入至插入孔23a内，该插入孔23a形成于与内螺纹部25a相对的位置处，该内螺纹部25a形成在接头螺钉25的上端，然后将该固定螺钉26与接头螺钉25的内螺纹部25a螺合。
另外，控制电路基板22及电源电路基板23利用导热支承构件32和33来独立形成向冷却体3进行散热的散热路径而不经由壳体2。这些导热支承构件32和33由热传导率较高的金属、例如铝或铝合金形成。
[0026]导热支承构件32及33配置在对控制电路基板22进行支承的冷却体3的周槽3d内，并具有成为冷却体接触板部的呈方框状的共用的底板部34。因此，导热支承构件32和33通过底板部34而连结为一体。而且,导热支承构件32和33及底板部34具有黑色的表面。为了使这些导热支承构件32和33及底板部34的表面变为黑色，在表面涂布黑色树脂、或用黑色涂料来进行涂抹即可。
[0027]由此，使导热支承构件32和33及底板部34的表面变为黑色，从而与金属原有颜色相比，能增大热辐射率，增加辐射导热量。因此，能促进导热支承构件32和33及底板部34向周围进行散热，使控制电路基板22及电源电路基板23高效地进行热冷却。此外，也可以只将导热支承构件32和33的表面变为黑色而不将底板部34的表面变为黑色。
[0028]导热支承构件32由平板上的导热支承板部32a、以及导热支承侧板部32c构成，该导热支承侧板部32c通过固定螺钉32b固定在该导热支承板部32a的沿着半导体功率模块11的长边的右端侧。此外，导热支承侧板部32c与共用的底板部34相连结。
控制电路基板22隔着导热构件35通过固定螺钉36固定于导热支承板部32a。导热构件35由具有伸缩性的弹性体构成为与电源电路基板23相同的外形尺寸。作为该导热构件35，适用通过在硅胶的内部设置金属填料、来发挥绝缘性能并提高导热性的材料。
[0029]导热支承侧板部32c由连结板部32d以及上板部32e形成，其截面呈逆L字形，其中，该连结板部32d与配置于冷却体3的周槽3d内的共用的底板部34的长边侧的外边缘连结为一体且向上方延伸，该上板部32e从该连结板部32d的上端向左侧延伸。连结板部32d通过半导体功率模块11的长边侧的右侧面向上方延伸。
导热支承构件33由平板上的导热支承板部33a、以及导热支承侧板部33c构成，该导热支承侧板部33c通过固定螺钉33b被固定在该导热支承板部33a的沿半导体功率模块11的长边的左端侧。而且，导热支承侧板部33c与共用的底板部34相连结。
[0030]在导热支承板部33a上，隔着与上述导热构件35相同的导热构件37利用固定螺钉38固定有电源电路基板23。
此外，导热支承侧板部33c由连结板部33d以及上板部33e形成，其截面呈逆L字形，其中，该连结板部33d与配置于冷却体3的周槽3d内的共用的底板部34的长边侧的外边缘连结为一体且沿上方延伸，该上板部33e从该连结板部33d的上端向左侧延伸。连结板部33d通过半导体功率模块11的长边侧的左侧面向上方延伸。
[0031]而且，将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为例如作为圆筒面的一部分的弯曲面33f和33g。通过这样将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为圆筒状的弯曲面33f和33g，从而能提高对上下振动或横向摇动等的抗振性。SP，能缓和对功率转换装置I传递上下振动或横向摇动时、连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部上所产生的应力集中。
[0032]此外，将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为圆筒状的弯曲面33f和33g，从而与将连结板部33d与底板部34及上板部33e的连结部形成为直角的L字形的情况相比，能缩短热传导路径。由此，通过缩短从导热支承板部33a到冷却体3的热传导路径，能够实现高效的热冷却。
[0033]此外，如图2及图3所示，在控制电路基板22和电源电路基板23上，在上表面一侧安装有发热电路元器件39。
而且，如图2所示那样将控制电路基板22及电源电路基板23、与导热构件35、37及导热支承板部32a、33a进行连结。对于这些控制电路基板22及电源电路基板23、与导热支承板部32a及33a之间的连结，除了左右颠倒以外实质上是相同的，因此，以电源电路基板23及导热支承板部33a为代表来进行说明。
[0034]在该电源电路基板23与导热支承板部33a的连结中，如图2和图3所示，使用具有比导热构件37的厚度T要小的导热板部管理高度H的作为间隔调整构件的垫圈40。该垫圈40通过粘接等临时固定于导热支承板部33a上所形成的供固定螺钉38进行螺合的内螺纹部41的外周侧。这里，对垫圈40的导热板部管理高度H进行设定，使得导热构件37的压缩率变为5?30%左右。由此，通过将导热构件37压缩为5?30%左右，能够减小热阻，发挥高效的导热效果。
[0035]另一方面，在导热构件37上，形成有能供接头螺钉25插入的插入孔37a、以及能供垫圈40插入的插入孔37b。
并且，将导热构件37放置在导热支承板部33a上，以使得临时固定于导热支承板部33a的垫圈40插入至插入孔37b内，并将电源电路基板23放置在该导热支承板部33a上，以使得发热电路元器件39与导热构件37相接。
[0036]在这种状态下，使固定螺钉38通过电源电路基板23的插入孔23b，进而通过垫圈40的中心开口与导热支承板部33a的内螺纹部41螺合。然后，拧紧固定螺钉38，直至导热构件37的上表面与垫圈40的上表面基本一致。
因此，通过以5?30%左右的压缩率对导热构件37进行压缩，能减小热阻，发挥高效的导热效果。此时，由于导热构件37的压缩率根据垫圈40的高度H来进行管理，因此，能适当地进行紧固，而不会发生紧固不足或紧固过度。
[0037]控制电路基板22与导热支承板部32a也与上述相同地隔着导热构件35进行连结。
另外，关于控制电路基板22与电源电路基板23之间的距尚，安装在控制电路基板22上的高度较低的作为基准的电路元器件42的上端、与电源电路基板23的导热支承构件33的导热支承板部33a的下表面之间的距离设定为需要的绝缘距离LI。
因此，对于高度比作为基准的电路元器件42要高的发热电路元器件39而言，成为比所需的绝缘距离LI要短的距离L2，该发热电路元器件39与电源电路基板23的导热支承板部33a之间成为绝缘距离不足区域。
[0038]若将该绝缘距离不足区域保持原样，则会导致绝缘不良，因此，在绝缘距离不足区域形成有绝缘确保区域。作为该绝缘确保区域，在图1的结构中，通过将比发热电路元器件39的平面形状要大的绝缘片材43粘贴于与发热电路元器件39的上表面相对的电源电路基板23的导热支承板部33a等来配置。由此，通过在与绝缘距离不足区域相对的导热支承板部33a配置绝缘片材43，从而能消除绝缘距离不足，能将最突出的发热电路元器件39和与其相对的导热支承板部33a之间可靠地绝缘。
[0039]另外，如图2和图3所示，在导热支承构件32和33的共用的底板部34上，在半导体功率模块11的与插入固定螺钉14的插入孔15相对的位置上，形成有固定构件插入孔34a。并且,在底板部34的上表面与形成于半导体功率模块11的散热构件13的下表面之间夹有板状弹性构件45。
接着，通过使固定螺钉14插入半导体功率模块11及散热构件13的插入孔15及底板部34的固定构件插入孔34a，并使该固定螺钉14与形成于冷却体3的内螺纹部3f螺合，来将半导体功率模块11和底板部34固定在冷却体3上。
[0040]接着，对上述实施方式I的功率转换装置I的组装方法进行说明。
首先，在图2中，如上述那样，使电源电路基板23隔着导热构件37与导热支承构件33的导热支承板部33a相重叠，在以5?30%左右的压缩率压缩导热构件37的状态下利用固定螺钉38对电源电路基板23、导热构件37及导热支承板部33a进行固定，由此如图3所示那样预先形成电源电路单元U3。
同样地，使控制电路基板22隔着导热构件35与导热支承构件32的导热支承板部32a相重叠，在以5?30%左右的压缩率压缩导热构件35的状态下利用固定螺钉36对控制电路基板22、导热构件35及导热支承板部32a进行固定，由此预先形成控制电路单元U2。
[0041]另一方面，在冷却体3的周槽3d内，在导热支承构件32和33所共用的底板部34的上表面与形成于半导体功率模块11的散热构件13的下表面之间夹有板状弹性构件45的状态下，利用固定螺钉14对该底板部34与半导体功率模块11 一起进行固定。这样，能将半导体功率模块11及导热支承构件32和33的共用的底板部34同时固定于冷却体3，因此，能减小组装工序数。
[0042]另外，在将底板部34固定于冷却体3时，使板状弹性构件45夹在底板部34与半导体功率模块11的散热构件13之间，因此，利用该板状弹性构件45将底板部34按压在冷却体3的周槽3d的底部，使底板部34可靠地与冷却体3相接触，从而能确保较大的接触面积。
[0043]另外，对于半导体功率模块11，在固定于冷却体3之前或固定之后，在形成于其上表面的基板固定部16上放置驱动电路基板21。然后，利用四根接头螺钉24将该驱动电路基板21从其上方固定于基板固定部16。然后，用固定螺钉32b将导热支承板部32a与导热支承侧板部32c相连结。
然后，在接头螺钉24的上表面放置控制电路单元U2的控制电路基板22，利用四根接头螺钉25进行固定。接着，在接头螺钉25的上表面放置电源电路单元U3的电源电路基板23，并利用四根固定螺钉26进行固定。然后，用固定螺钉33b将导热支承板部33a与导热支承侧板部33c相连结。
[0044]之后，虽未图示，将半导体功率模块11的正负直流输入端子与外部的整流器等直流电源相连接，并与薄膜电容器4的正负端子相连接。
此外，与半导体功率模块11的三相交流输出端子(未图示)外部的三相电动机等负载相连接。
之后，将下部壳体2A和上部壳体2B隔着密封材料固定于冷却体3的下表面及上表面，从而完成功率转换装置I的组装。[0045]在该状态下，在从外部整流器(未图示)提供直流电的同时，使安装于电源电路基板23的电源电路、安装于控制电路基板22上的控制电路处于工作状态，从控制电路经由安装在驱动电路基板21上的驱动电路将例如由脉宽调制信号形成的栅极信号提供给半导体功率模块U。由此，对内置于半导体功率模块11的IGBT进行控制，并将直流电转换为交流电。转换后的交流电从三相交流输出端子对三相电动机等负载(未图示)进行驱动控制。
[0046]此时，内置于半导体功率模块11的IGBT会发热。由于形成于半导体功率模块11的散热构件13与冷却体3的中央部3c直接接触，因此利用冷却体3所提供的冷却水对该发热进行冷却。
另一方面，安装于控制电路基板22及电源电路基板23的控制电路及电源电路中包含有发热电路元器件39，这些发热电路元器件39会发热。此时，发热电路元器件39安装于控制电路基板22及电源电路基板23的上表面侧。
[0047]而且，在这些控制电路基板22及电源电路基板23的下表面侧，隔着热传导率较高且具有弹性的导热构件35和37设有导热支承构件32和33的导热支承板部32a和33a。
因此，能将发热电路元器件39产生的热量高效地传导至导热构件35和37。并且，由于导热构件35及37本身以5?30%左右的压缩率进行了压缩，热传导率得以提高，因此，能够将传导到导热构件35及37的热量高效地传导到导热支承构件32及33的导热支承板部32a 及 33a。
[0048]而且，由于在导热支承板部32a和33a上连结有导热支承侧板部32c和33c，因此，传导至导热支承板部32a和33a的热量可通过导热支承侧板部32c和33c传导至共用的底板部34。由于该底板部34与冷却体3的周槽3d内直接接触，因此传导过来的热量向冷却体3进行散热。
并且，传导到底板部34的热量从底板部34的上表面侧经由板状弹性构件45传导至半导体功率模块11的散热构件13，并经由该散热构件13传导至冷却体3的中央部3c而进行散热。
[0049]这样，根据上述实施方式1，由于能将安装于控制电路基板22和电源电路基板23的发热电路元器件39产生的热量经由控制电路基板22和电源电路基板23传导至导热构件35和37，因此，能高效地进行散热。
然后，传导至导热构件35和37的热量传导至导热支承板部32a和33a，进而传导至导热支承侧板部32c和33c。此时，导热支承侧板部32c和33c沿半导体功率模块11的长边设置。
[0050]因此，能增大导热面积，并能确保较宽的散热路径。而且，由于将导热支承侧板部32c和33c的弯曲部设为圆筒状的弯曲部，因此，与将弯曲部设为L字形的情况相比，能缩短到冷却体3的导热距离。这里，热输送量Q可用以下式(I)来表示。
Q=AX (A/L) XT............(I)
其中，λ是热传导率[W/m°C ]，T是温度差[°C ]基板温度Tl 一冷却体温度T2，A是导热最小截面积[m2]，L是导热长度[m]。
[0051]由该式(I)可知，若导热长度L变短，则热输送量Q会增加，从而能发挥良好的冷却效果。
另外，由于导热支承构件32和33的导热支承侧板部32c及33c与共用的底板部34 —体化，因此，导热支承侧板部32c及33c与底板部34之间不存在元器件之间的接缝，从而能抑制热阻。
[0052]此外，由于从安装有发热电路元器件39的控制电路基板22和电源电路基板23到冷却体3的散热路径中未包含壳体2，因此，对壳体2的导热性没有要求。因此，不必使用铝等高热传导率的金属来作为壳体2的构成材料，能以合成树脂材料来构成壳体2，从而能力图实现轻量化。
另外，由于散热路径并不取决于壳体2，能以功率转换装置I来单独形成散热路径，因此，能将由半导体功率模块11、驱动电路基板21、控制电路基板22及电源电路基板23所构成的功率转换装置I运用于各种不同形态的壳体2和冷却体3。
[0053]此外，由于控制电路基板22和电源电路基板23上固定有金属制的导热支承板部32a和33a，因此，能提高控制电路基板22和电源电路基板23的刚性。因此，即使在如将功率转换装置I作为驱动车辆行驶用电动机的电动机驱动电路来使用的情况那样的、上下振动或横向摇动作用于功率转换装置I的情况下，也能利用导热支承构件32和33来提高刚性。因此，能提供受上下振动、横向摇动等的影响较小的功率转换装置I。
[0054]而且，安装于控制电路基板22的上表面的发热电路元器件39产生的热量也向控制电路基板22及电源电路基板23间的空间进行散热，该散热部分由相对的电源电路基板23的导热支承板部33a吸收，通过导热支承侧板部33c向冷却体3进行散热。因此，发热电路元器件39产生的热量不会滞留在控制电路基板22及电源电路基板23之间，而向冷却体3进行散热。
[0055]此处，关于控制电路基板22与电源电路基板23之间的距离，作为基准的电路元器件42的上表面与电源电路基板23的导热支承板部33a之间设定所需的绝缘距离LI。因此，虽然在电路元器件42与电源电路基板23的导热支承板部33a之间可确保绝缘，但对于高度比该作为基准的电路元器件42要高的电路元器件39而言，无法确保绝缘距离。
[0056]然而，在本实施方式中，当产生绝缘距离不足区域时，在与绝缘距离不足区域相对的电源电路基板23的导热支承板部的相对面配置有绝缘片材43，因此，利用该绝缘片材43可确保所需的导热距离。
因此，控制电路基板22与电源电路基板23之间的距离为对作为基准的电路元器件42的高度加上所需的绝缘距离LI后的距离，与对绝缘距离最短的发热电路元器件39的高度加上所需的绝缘距离LI后的距离相比能足够短。
[0057]因此，能缩短从半导体功率模块11到最上级的电源电路基板23为止的距离，也可降低包围它们的上部壳体2B的高度，因此，可实现紧凑化。
另外，在上述实施方式I中，对存在两种安装有发热电路元器件39的基板的情况进行了说明。然而，本发明并不局限于上述结构，在安装有发热电路元器件39的基板例如仅是一块控制电路基板22的情况或有三块以上的情况下，也可以采用本发明。
[0058]接着，使用图4对本发明的实施方式2进行说明。
该实施方式2中，在所安装的电路元器件的高度较高而产生绝缘不足区域的情况下，在与绝缘不足区域相对的区域中夹插绝缘性导热构件，以确保绝缘。
即，实施方式2中，如图4所示，省略上述实施方式I中的绝缘片材43，取而代之，在安装于控制电路基板22的闻度最闻的电路兀器件39和与其相对的电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域中，夹插具有与上述实施方式I中的导热构件35、37相同的绝缘性的绝缘性导热构件51，以作为绝缘确保区域。除此之外的结构与上述实施方式I相同，因此，图4中，对与图1的对应部分标注相同标号，在其详细说明中，省略该部分。
[0059]在该实施方式2中，在控制电路基板22与电源电路基板23之间的高度最高的电路元器件39与电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域夹插有绝缘性导热构件51，因此，能利用该绝缘性导热构件51，确保绝缘距离不足区域中的绝缘。
[0060]而且，在此情况下，在电路元器件39与电源电路基板23的导热支承板部33a之间夹插有绝缘性导热构件51，因此，不仅能确保绝缘，还能将绝缘性导热构件51用作为散热路径，在高度最高的电路元器件39为发热电路元器件的情况下，能将其产生的热量经由绝缘性导热构件51直接传导至导热支承板部33a，从而能更有效地进行发热电路元器件的散热。
此外，在上述实施方式2中，对应用绝缘性导热构件51来作为绝缘确保区域的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以应用热传导率较低的绝缘构件。
[0061]接着，使用图5及图6对本发明的实施方式3进行说明。
该实施方式3中，作为绝缘确保区域，将与绝缘距离不足区域相对的电源电路基板23的导热支承板部33a去除。
即，实施方式3中，如图5所不，在安装于控制电路基板22的闻度最闻的电路兀器件39的上端与电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域中，对于与电路元器件39相对的位置的导热支承板部33a，如图6 (a)或(b)所示那样，形成比电路元器件39的平面形状要大的矩形的切除部61a或比电路元器件39的平面形状要大的圆形的切除部61b,以使导热构件37露出，从而确保绝缘距离。
[0062]关于其他结构，由于具有与上述实施方式I及实施方式2相同的结构，因此，对与图1及图4的对应部分标注相同标号，在其详细说明中，省略该部分。
根据该实施方式3，在安装于控制电路基板22的高度最高的电路元器件39的上表面与电源电路基板23的导热支承板部33a之间的绝缘距离不足区域中，切除导热支承板部33a以使导热构件37露出，因此，能利用该导热构件37的绝缘性确保绝缘距离。因此，能获得与上述实施方式I及实施方式2相同的作用效果。除此之外，无需绝缘片材43、绝缘性导热构件51，仅切除导热支承板部33a即可，因此，不会花费元器件成本，能降低成本。
[0063]另外，在上述实施方式3中，对导热支承板部33a的切除形状为矩形或圆形的情况进行了说明，但并不局限于此，只要能确保规定的绝缘距离，可以是任意形状。
另外，在上述实施方式I?3中，对存在两种安装有发热电路元器件39的基板的情况进行了说明。然而，本发明并不局限于上述结构，在安装有发热电路元器件39的基板例如仅是一块控制电路基板22的情况或三块以上的情况下，也可以采用本发明。
[0064]此外，在上述实施方式I?3中，对导热支承构件32、33由不同构件的导热支承板部32a、33a和导热支承侧板部32c、33c构成的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以将导热支承板部32a、33a和导热支承侧板部32c、33c形成为一体。在此情况下，在导热支承板部32a、33a与导热支承侧板部32c、33c之间未形成接缝，因此，能降低热阻，进一步提高散热效果。
[0065]此外，在上述实施方式I?3中，对将本发明的功率转换装置应用于电动汽车的情况进行了说明，但并不局限于此，本发明也可适用于行驶于轨道的铁路车辆，还可适用于任意的电驱动车辆。此外，作为功率转换装置并不局限于电驱动车辆，在驱动其它产业设备中的电动机等致动器的情况下，也能应用本发明的功率转换装置。
工业上的实用性
[0066]根据本发明，可提供一种功率转换装置，即使在安装基板间局部形成有绝缘距离不足的绝缘距离不足区域的情况下，也利用绝缘确保区域来确保绝缘，因此，在与发热电路元器件相对的位置使导热支承构件露出，相对面侧的发热电路元器件产生的热量能向冷却体进行散热而不会滞留，从而提高散热效果，并且，能使安装基板间的距离比所需的绝缘距离要短，可使壳体紧凑化。
标号说明
[0067]I 功率转换装置
2壳体
3冷却体
4薄膜电容器
11半导体功率模块
12箱体
13散热构件
21驱动电路基板
22控制电路基板
23电源电路基板 24、25接头螺钉
32导热支承构件 32a 导热支承板部 32b 固定螺钉
32c 导热支承侧板部
33导热支承构件 33a 导热支承板部 33b 固定螺钉
33c 导热支承侧板部
34底板部 35,37导热构件
39发热电路元器件
40垫圈(间隔调整构件)
42作为基准的电路元器件
43绝缘片材
45 板状弹性构件 51 绝缘性导热构件 6la、6Ib切除部
【权利要求】
1.一种功率转换装置，其特征在于，包括: 一个面与冷却体进行接合的半导体功率模块； 多个安装基板，该多个安装基板安装有包含对所述半导体功率模块进行驱动的发热电路元器件的电路元器件； 将多个安装基板的热量传导给所述冷却体的导热支承构件；以及 在多个所述安装基板间，形成于绝缘距离不足的绝缘距离不足区域中的绝缘确保区域。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置插入绝缘性导热构件来确保绝缘的区域。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述绝缘确保区域设为在与所述绝缘距离不足区域相对的位置配置绝缘片材来确保绝缘的区域。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述绝缘确保区域设为去除与所述绝缘距离不足区域相对的位置的所述导热支承构件来确保绝缘的区域。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于， 所述导热支承构件由隔着导热构件对所述安装基板进行支承的导热支承板部、及将该导热支承板部的侧面连结并与所述冷却体相连接的导热支承侧板部构成。
6.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于， 所述导热支承板部与所述导热支承侧板部形成为一体。
7.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于， 所述导热构件由具有绝缘性的绝缘体构成。
8.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于， 利用紧固构件，将所述安装基板和所述导热支承构件的导热支承板部隔着所述导热构件进行固定。
9.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于， 在所述紧固构件的周围插入有将所述安装基板与所述导热支承构件的导热支承板部之间的间隔维持在规定值的间隔调整构件。
【文档编号】H05K7/20GK104040865SQ201380005264
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年1月16日 优先权日:2012年3月28日
【发明者】马渕奖平, 田中泰仁, 小高章弘 申请人:富士电机株式会社
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