関本 守満 (〒26 滋賀県草津市岡本町字大谷１０００番地の２ ダイキン工業株式会社 滋賀製作所内 Shiga, 5258526, JP)
HAGA, Hitoshi (6-7-2-A202, Ogaki Rittou-shi, Shiga 24, 5203024, JP)
芳賀 仁 (〒24 滋賀県栗東市小柿６丁目７－２－A２０２ Shiga, 5203024, JP)
SAKAKIBARA, Kenichi (DAIKIN INDUSTRIES LTD., 1000-2,Aza Ootani, Okamoto-cho, Kusatsu-sh, Shiga 26, 5258526, JP)
榊原 憲一 (〒26 滋賀県草津市岡本町字大谷１０００番地の２ ダイキン工業株式会社 滋賀製作所内 Shiga, 5258526, JP)
ダイキン工業株式会社 (〒23 大阪府大阪市北区中崎西２丁目４番１２号 梅田センタービル Osaka, 5308323, JP)
SEKIMOTO, Morimitsu (DAIKIN INDUSTRIES LTD., 1000-2,Aza Ootani, Okamoto-cho, Kusatsu-sh, Shiga 26, 5258526, JP)
関本 守満 (〒26 滋賀県草津市岡本町字大谷１０００番地の２ ダイキン工業株式会社 滋賀製作所内 Shiga, 5258526, JP)
HAGA, Hitoshi (6-7-2-A202, Ogaki Rittou-shi, Shiga 24, 5203024, JP)
芳賀 仁 (〒24 滋賀県栗東市小柿６丁目７－２－A２０２ Shiga, 5203024, JP)
SAKAKIBARA, Kenichi (DAIKIN INDUSTRIES LTD., 1000-2,Aza Ootani, Okamoto-cho, Kusatsu-sh, Shiga 26, 5258526, JP)
| ワイドバンドギャップ半導体のチップ(21)と、該チップ(21)と同等以上の耐熱温度を有する部材(22,23)とによって構成されたチップ部(20)と、該チップ部(20)の周辺に位置し且つ上記チップ(21)よりも耐熱温度の低い周辺部品(25)と、を備えた電力変換装置であって、 上記周辺部品(25)の温度が該周辺部品(25)の耐熱温度を超えないように上記チップ部(20)と該周辺部品(25)とを熱絶縁したことを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項1において、 上記チップ部(20)は、上記チップ(21)の熱を放熱するための放熱手段(23)と、該放熱手段(23)にチップ(21)の熱を導くための伝熱部材(22)と、をさらに備え、 上記伝熱部材(22)及び上記放熱手段(23)の少なくとも一方は、上記熱絶縁の手段としての断熱部材(24)を介して上記周辺部品(25)によって支持されていることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項2において、 上記断熱部材(24)は、上記周辺部品(25)と上記伝熱部材(22)及び上記放熱手段(23)の少なくとも一方とを接着するための耐熱性接着剤であることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項1において、 上記熱絶縁の手段(26)は、上記チップ部(20)から上記周辺部品(25)への熱放射を抑制するように設けられた遮熱板(26)であることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項1において、 上記チップ部(20)と周辺部品(25)とは、ボンディングワイヤ(27)によって電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。 |
| ワイドバンドギャップ半導体のチップを封入してなるパッケージ(41)と、該パッケージ(41)の端子(42)が接続されるパターン(44)が形成されたプリント基板(43)と、を備えた電力変換装置であって、 上記チップの温度が、上記プリント基板(43)及び該基板(43)上の部品のうち少なくとも一方の耐熱温度を超える場合でも、上記プリント基板(43)及び該基板(43)上の部品の温度が耐熱温度以下になるように、上記パッケージ(41)とプリント基板(43)及び該基板(43)上の部品とを熱絶縁したことを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項6において、 上記端子(42)及びパターン(44)の少なくとも一方は、上記プリント基板(43)の温度が該基板(43)の耐熱温度以下になるような放熱面積を有していて、 上記熱絶縁の手段(42,44)は、上記放熱面積を有する少なくとも一方の部材であることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項6において、 上記熱絶縁の手段(46)は、上記端子(42)及びパターン(44)の少なくとも一方に向かって風を送る送風手段(46)であることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項6において、 上記熱絶縁の手段(47)は、上記パッケージ(41)から上記プリント基板(43)への熱放射を抑制するように設けられた遮熱板(47)であることを特徴とする電力変換装置。 |
| ワイドバンドギャップ半導体のチップを有するパッケージ(41)と、該パッケージ(41)の最高温度に耐えられるような耐熱温度の高い高耐熱性プリント基板(51)と、上記最高温度よりも耐熱温度の低い低耐熱性プリント基板(53)と、を備えた電力変換装置であって、 上記パッケージ(41)と上記低耐熱性プリント基板(53)とを熱絶縁するように、上記高耐熱性プリント基板(51)上に上記パッケージ(41)を実装したことを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項10において、 上記パッケージ(41)から低耐熱性プリント基板(53)への熱放射を抑制する遮熱板(54,55)を備えていることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項1、6、10のいずれか一つにおいて、 ワイドバンドギャップ半導体からなる部品が実装されたプリント基板(61)は、実装される素子(66,67)の動作温度によって高温部(63)と低温部(62)とに分けられ、該高温部(63)と低温部(62)とを上記プリント基板(61)上で電気的に接続するパターン(64,64')には、伝熱抑制手段(64a,65)が設けられていることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項12において、 上記伝熱抑制手段(64)は、上記パターン(64)のうち相対的に熱抵抗の大きい部分(64a)であることを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項12において、 上記伝熱抑制手段(65)は、上記パターン(64)に上記高温部(63)から低温部(62)への熱伝導を阻害するように設けられた抵抗体(65)であることを特徴とする電力変換装置。 |
| ワイドバンドギャップ半導体の素子(71)と、該素子(71)を駆動するためのドライバ部(72)とを備えた電力変換装置であって、 上記ドライバ部(72)もワイドバンドギャップ半導体によって構成され、上記素子(71)とともに同一のパッケージ(70)内に配設されるとともに、 上記パッケージ(70)とその周辺に位置する周辺部品(73,74)とを熱絶縁したことを特徴とする電力変換装置。 |
| 請求項1、6、10、15のいずれか一つにおいて、 上記ワイドバンドギャップ半導体はSiC半導体であることを特徴とする電力変換装置。 |
本発明は、直流電圧を交流電圧に変換す インバータや交流電圧を直流電圧に変換す コンバータなどの電力変換装置に関する。
従来より、直流電圧を交流電圧に変換す インバータや交流電圧を直流電圧に変換す コンバータなどの電力変換装置として、例 ば特許文献1に開示されるように複数のスイ ッチング素子によって電力変換動作を行うも のが知られている。また、上記特許文献1に 、主スイッチング素子としてSiC半導体から る素子を用いることで、PWM制御のキャリア 波数を高くすることができ、従来の構成に べて効率改善できる点が開示されている。
上述のSiC半導体などのようなワイドバン ギャップ半導体は、絶縁破壊電界が従来のS i半導体に比べて約10倍高いため、素子の高耐 圧化が容易になり、同じ耐圧であれば、Si半 体の場合に比べてデバイスの厚みを薄くで るため、導通損失が小さく且つ小型の素子 することができる。
また、上記ワイドバンドギャップ半導体は
高速動作や高温(例えば300度)での動作が可
であるため、高速動作により装置全体の高
率化を図れるとともに、チップの小型化に
う高温条件下でも動作することができ、こ
により装置の小型化を図れる。
ところで、上述のようにワイドバンドギ ップ半導体を用いることで、高温動作可能 素子を実現することができるが、この場合 素子の周辺にはドライバやCPUなどの周辺部 が配置されているため、ワイドバンドギャ プ半導体からなる素子を小型化して温度が くなると、これら周辺に位置する相対的に 熱温度の低い部品が熱的な損傷を受ける可 性がある。
そのため、上述のようにワイドバンドギ ップ半導体によって素子を構成しても、周 部品の温度上の制約を受けることになり、 質的に高温条件下での動作ができないとい 問題があった。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたも であり、その目的とするところは、チップ ワイドバンドギャップ半導体によって構成 た場合でも、該チップで発生する熱によっ 耐熱温度の低い部品が熱的な損傷を受けな ような構成の電力変換装置を得ることにあ 。
上記目的を達成するために、第1の発明に 係る電力変換装置では、ワイドバンドギャッ プ半導体からなるチップ(21)の熱によって、 熱温度の低い周辺部品(25)が熱的な損傷を受 ないように、該周辺部品(25)と上記チップ(21 )を含む耐熱温度の高いチップ部(20)との間を 絶縁した。
具体的には、第1の発明では、ワイドバン ドギャップ半導体のチップ(21)と、該チップ(2 1)と同等以上の耐熱温度を有する部材(22,23)と によって構成されたチップ部(20)と、該チッ 部(20)の周辺に位置し且つ上記チップ(21)より も耐熱温度の低い周辺部品(25)と、を備えた 力変換装置を対象とする。そして、上記周 部品(25)の温度が該周辺部品(25)の耐熱温度を 超えないように上記チップ部(20)と該周辺部 (25)とを熱絶縁したものとする。
ここで、上記熱絶縁とは、完全に伝熱を 断するものではなく、伝熱を抑制するもの 含む。
この構成により、ワイドバンドギャップ 導体のチップ(21)と該チップ(21)と同等以上 耐熱温度を有する部材(22,23)とによって構成 れたチップ部(20)の熱は、該チップ(21)より 耐熱温度の低い周辺部品(25)への伝熱が抑制 れるため、上記チップ(21)の熱によって周辺 部品(25)が高温になり熱的な損傷を受けるの 防止できる。
したがって、ワイドバンドギャップ半導 からなるチップ(21)を高温条件下で動作させ ることが可能になり、該チップ(21)の小型化 高速動作化を図れる。
上述の構成において、上記チップ部(20)は 、上記チップ(21)の熱を放熱するための放熱 段(23)と、該放熱手段(23)にチップ(21)の熱を くための伝熱部材(22)と、をさらに備え、上 伝熱部材(22)及び上記放熱手段(23)の少なく も一方は、上記熱絶縁の手段としての断熱 材(24)を介して上記周辺部品(25)によって支持 されているものとする(第2の発明)。
こうすることで、上記チップ(21)で発生し た熱は伝熱部材(22)を介して放熱手段(23)から 熱されるため、該チップ(21)の温度を効率良 く下げることができる。しかも、上記周辺部 品(25)に対して、断熱部材(24)によって伝熱部 (22)からの伝熱が抑制された状態で上記伝熱 部材(22)及び放熱手段(23)の少なくとも一方が 持されるため、上記チップ(21)の熱によって 該周辺部品(25)が高温になることなく上記伝 部材(22)及び放熱手段(23)の少なくとも一方を 確実に支持することができる。すなわち、周 辺部品(25)が熱的な損傷を受けるのを防止し つ、上記伝熱部材(22)及び放熱手段(23)の少な くとも一方を支持するための別の部材を省略 することができ、これにより、装置全体の小 型化及びコストの低減を図れる。
ここで、上記断熱部材(24)は、上記周辺部 品(25)と上記伝熱部材(22)及び上記放熱手段(23) の少なくとも一方とを接着するための耐熱性 接着剤であるのが好ましい(第3の発明)。この ように、断熱性の接着剤を用いることで、チ ップ(21)の熱によって伝熱部材(22)を介して周 部品(25)が高温になるのを防止できるととも に、該周辺部品(25)に伝熱部材(22)及び放熱手 (23)の少なくとも一方を接着固定して支持で きるようになる。なお、上記耐熱性接着剤と しては、ポリイミド系やセラミック系のもの などが好ましい。
また、上記熱絶縁の手段(26)は、上記チッ プ部(20)から上記周辺部品(25)への熱放射を抑 するように設けられた遮熱板(26)であるのが 好ましい(第4の発明)。このように遮熱板(26) 設けることで、上記チップ部(20)からの熱放 も遮ることができ、周辺部品(25)の温度上昇 を確実に抑えることができる。
さらに、上記チップ部(20)と周辺部品(25) は、ボンディングワイヤ(27)によって電気的 接続されているものとする(第5の発明)。こ により、チップ部(20)と周辺部品(25)とを電 的に接続するパターンなどの部材に比べて 熱を抑えられるため、該周辺部品(25)の温度 昇を確実に抑えることができる。
第6の発明では、ワイドバンドギャップ半 導体からなるチップを封入したパッケージ(41 )と該パッケージ(41)の実装されるプリント基 (43)及び該基板(43)上の部品とを熱絶縁する とで、プリント基板(43)及び該基板(43)上の部 品の温度が耐熱温度以下になるようにした。
具体的には、第6の発明では、ワイドバン ドギャップ半導体のチップを封入してなるパ ッケージ(41)と、該パッケージ(41)の端子(42)が 接続されるパターン(44)が形成されたプリン 基板(43)と、を備えた電力変換装置を対象と る。そして、上記チップの温度が、上記プ ント基板(43)及び該基板(43)上の部品のうち なくとも一方の耐熱温度を超える場合でも 上記プリント基板(43)及び該基板(43)上の部品 の温度が耐熱温度以下になるように、上記パ ッケージ(41)とプリント基板(43)及び該基板(43) 上の部品とを熱絶縁したものとする。
この構成により、ワイドバンドギャップ 導体からなるチップを封入したパッケージ( 41)からプリント基板(43)や該基板(43)上の部品 の伝熱を抑制することができ、該プリント 板(43)及び該基板(43)上の部品の温度が耐熱 度を超えるのを確実に防止できる。ここで 上記Si半導体材料の動作可能な最高温度は、 約150度であり、上記プリント基板(43)が樹脂 の基板の場合の耐熱温度は約130度である。
上述のようなチップを封入したパッケー (41)を備えた構成において、上記端子(42)及 パターン(44)の少なくとも一方は、上記プリ ト基板(43)の温度が該基板(43)の耐熱温度以 になるような放熱面積を有していて、上記 絶縁の手段(42,44)は、上記放熱面積を有する なくとも一方の部材であるのが好ましい(第 7の発明)。
これにより、上記パッケージ(41)内のチッ プで発生した熱は、十分な放熱面積を有する 端子(42)及びパターン(44)の少なくとも一方か 放熱されるため、プリント基板(43)の温度が 該基板(43)の耐熱温度を超えるような高温ま 上昇するのを確実に防止することができる
なお、放熱面積を大きくする具体的な構 として、上記端子(42)の場合には、長さを長 くしたり、幅を広くしたり、または表面に凹 凸を設けたりすることが考えられ、上記パタ ーン(44)の場合には、幅等を広げて表面積を きくすることが考えられる。
また、上記熱絶縁の手段(46)は、上記端子 (42)及びパターン(44)の少なくとも一方に向か て風を送る送風手段(46)であるのが好ましい (第8の発明)。このように、送風手段(46)によ て端子(42)及びパターン(44)の少なくとも一方 を冷却することで、チップの熱によってプリ ント基板(43)の温度が高温になるのをより確 に防止できる。
さらに、上述の構成において、上記熱絶 の手段(47)は、上記パッケージ(41)から上記 リント基板(43)への熱放射を抑制するように けられた遮熱板(47)であってもよい(第9の発 )。これにより、上記パッケージ(41)からの 放射によってプリント基板(43)の温度が上昇 るのを確実に防止することができる。
第10の発明では、ワイドバンドギャップ 導体のチップを有するパッケージ(41)を高耐 性プリント基板(51)上に実装し、該高耐熱性 プリント基板(51)に対して低耐熱性プリント 板(53)を熱的に分離することで、上記チップ 熱による該低耐熱性プリント基板(53)の温度 上昇を抑えるようにした。
具体的には、第10の発明では、ワイドバ ドギャップ半導体のチップを有するパッケ ジ(41)と、該パッケージ(41)の最高温度に耐え られるような耐熱温度の高い高耐熱性プリン ト基板(51)と、上記最高温度よりも耐熱温度 低い低耐熱性プリント基板(53)と、を備えた 力変換装置を対象とする。そして、上記パ ケージ(41)と上記低耐熱性プリント基板(53) を熱絶縁するように、上記高耐熱性プリン 基板(51)上に上記パッケージ(41)を実装したも のとする。
この構成により、ワイドバンドギャップ 導体のチップが高温になっても、該チップ 有するパッケージ(41)が実装されたプリント 基板(51)は高耐熱性のものであるため、該プ ント基板(51)が熱的な損傷を受けるのを防止 きる。そして、このように上記パッケージ( 41)は高耐熱性プリント基板(51)に実装されて て、該プリント基板(51)によって低耐熱性プ ント基板(53)への伝熱が阻害されるため、該 低耐熱性プリント基板(53)の温度が高温にな のを防止できる。
上述の構成において、上記パッケージ(41) から低耐熱性プリント基板(53)への熱放射を 制する遮熱板(54,55)を備えているのが好まし (第11の発明)。こうすることで、上記パッケ ージ(41)からの熱放射によって上記低耐熱性 リント基板(53)が高温になるのを確実に防止 きる。
また、以上の構成において、ワイドバン ギャップ半導体からなる部品が実装された リント基板(61)は、実装される素子(66,67)の 作温度によって高温部(63)と低温部(62)とに分 けられ、該高温部(63)と低温部(62)とを上記プ ント基板(61)上で電気的に接続するパターン (64,64')には、伝熱抑制手段(64a,65)が設けられ いるものとする(第12の発明)。
この構成により、プリント基板上(61)に、 動作温度の高い素子(67)と動作温度の低い素 (66)とが実装され、両者がパターン(64)によっ て電気的に接続されている場合、該パターン (64)に伝熱抑制手段(64a,65)を設けることで、高 温部(63)、すなわち該動作温度の高い素子(67) ら低温部(62)、すなわち動作温度の低い素子 (66)に熱が伝わって該低温部(62)の素子(66)が高 温になるのを防止できる。
上述の構成において、上記伝熱抑制手段( 64)は、上記パターン(64)のうち相対的に熱抵 の大きい部分(64a)であるのが好ましい(第13の 発明)。このように、パターン(64)に相対的に 抵抗の大きい部分(64a)を設けて伝熱抑制手 とすることで、上記高温部(63)から低温部(62) への伝熱を抑えることができ、該低温部(62) 高温になるのを防止できる。
また、上記伝熱抑制手段(65)は、上記パタ ーン(64)に上記高温部(63)から低温部(62)への熱 伝導を阻害するように設けられた抵抗体(65) あってもよい(第14の発明)。このように抵抗 (65)を設けることによっても、上記高温部(63 )から低温部(62)への熱伝導を阻害することが き、該低温部(62)が高温になるのを防止でき る。
第15の発明では、ワイドバンドギャップ 導体の素子(71)を駆動するためのドライバ部( 72)もワイドバンドギャップ半導体によって構 成した場合には、該素子(71)及びドライバ部(7 2)を同一のパッケージ(70)内に配設し、該パッ ケージ(70)と周辺部品(73,74)との間を熱絶縁す ことで、該周辺部品(73,74)が高温になるを防 止するようにした。
具体的には、第15の発明では、ワイドバ ドギャップ半導体の素子(71)と、該素子(71)を 駆動するためのドライバ部(72)とを備えた電 変換装置を対象とする。そして、上記ドラ バ部(72)もワイドバンドギャップ半導体によ て構成され、上記素子(71)とともに同一のパ ッケージ(70)内に配設されるとともに、上記 ッケージ(70)とその周辺に位置する周辺部品( 73,74)とを熱絶縁したものとする。
この構成により、ワイドバンドギャップ 導体の素子(71)だけでなく、該素子(71)を駆 するためのドライバ部(72)もワイドバンドギ ップ半導体によって構成し、それらを同一 パッケージ(70)内にまとめて、該パッケージ (70)と周辺部品(73,74)との間を熱絶縁すること 、該周辺部品(73,74)をパッケージ(70)の熱か 確実に保護できるとともに、通常、上記素 (71)の近くに配置されるドライバ部(72)の熱的 な保護が不要になる。
ここで、上記ワイドバンドギャップ半導 は、SiC半導体である(第16の発明)。このよう にSiC半導体を用いることで、低損失で且つ高 耐熱性の半導体チップ(13)が得られる。
本発明に係る電力変換装置によれば、ワ ドバンドギャップ半導体からなるチップ(21) を含む高温動作可能なチップ部(20)と、それ りも耐熱温度の低い周辺部品(25)との間を熱 縁したため、該周辺部品(25)が上記チップ(21 )の熱によって高温になるのを防止でき、該 辺部品(25)が熱的な損傷を受けるのを防止で る。したがって、ワイドバンドギャップ半 体からなるチップ(21)を高温条件下で動作さ せることが可能になり、該チップ(21)の小型 、高速動作化を図れる。
また、第2の発明によれば、上記チップ部 (20)は、チップ(21)の熱を放熱するための放熱 段(23)と該放熱手段(23)にチップ(21)の熱を伝 するための伝熱部材(22)とを有し、上記伝熱 部材(22)及び放熱手段(23)の少なくとも一方は 断熱部材(24)を介して周辺部品(25)に支持さ るため、該周辺部品(25)がチップ(21)の熱によ って高温になるのを確実に防止しつつ上記伝 熱部材(22)及び放熱手段(23)の少なくとも一方 支持構造を簡略化でき、装置全体の小型化 びコスト低減を図れる。
また、第3の発明によれば、上記断熱部材 (24)は、耐熱性接着剤であるため、該接着剤 よって伝熱部材(22)及び放熱手段(23)の少なく とも一方は周辺部品(25)に確実に支持される ともに、該伝熱部材(22)から周辺部品(25)への 熱伝導が抑制されて、該周辺部品(25)が高温 なるのを確実に防止できる。
また、第4の発明によれば、上記チップ部 (20)から上記周辺部品(25)への熱放射は遮熱板( 26)によって抑制されるので、該チップ部(20) 熱によって周辺部品(25)が高温になるのを確 に防止できる。
さらに、第5の発明によれば、上記チップ 部(20)と周辺部品(25)とは、ボンディングワイ (27)によって電気的に接続されているため、 該チップ部(20)と周辺部品(25)とを電気的に接 する部材を介して該チップ部(20)の熱で周辺 部品(25)が高温になるのをより確実に防止で る。
第6の発明に係る電力変換装置によれば、 プリント基板(43)及び該基板(43)上の部品の温 が耐熱温度以下になるように、ワイドバン ギャップ半導体のチップを封入したパッケ ジ(41)から該パッケージ(41)の実装されたプ ント基板(43)及び該基板(43)上の部品への伝熱 を抑制するようにしたため、上記プリント基 板(43)及び該基板(43)上の部品が高温になって 的な損傷を受けるのを防止できる。
また、第7の発明によれば、上記パッケー ジ(41)の端子(42)及びプリント基板(43)上のパタ ーン(44)の少なくとも一方が、該プリント基 (43)の温度が耐熱温度以下になるような放熱 積を有しているため、上記パッケージ(41)内 のチップの熱は、端子(42)及びパターン(44)の なくとも一方から放熱され、上記プリント 板(43)の温度を耐熱温度以下にすることがで き、該基板(43)の熱的な損傷を防止できる。
また、第8の発明によれば、上記端子(42) びパターン(44)の少なくとも一方を冷却する めの送風手段(46)を備えているため、該端子 (42)及びパターン(44)の少なくとも一方からチ プの熱を効率良く放熱することができ、上 プリント基板(43)が高温になるのをより確実 に防止できる。
さらに、第9の発明によれば、上記パッケ ージ(41)から上記プリント基板(43)への熱放射 抑制するように遮熱板(47)が設けられている ため、該プリント基板(43)が高温になるのを らに確実に防止できる。
第10の発明に係る電力変換装置によれば ワイドバンドギャップ半導体のチップを有 るパッケージ(41)を高耐熱性プリント基板(51) に実装することで、該パッケージ(41)から低 熱性プリント基板(53)への伝熱を抑制するよ にしたため、該低耐熱性プリント基板(53)が 高温になって熱的な損傷を受けるのを防止で きる。
また、第11の発明によれば、上記パッケ ジ(41)から上記低耐熱性プリント基板(53)への 熱放射を抑制するように遮熱板(54,55)が設け れているため、該低耐熱性プリント基板が 温になるのをより確実に防止できる。
また、第12の発明によれば、ワイドバン ギャップ半導体を含む素子(66,67)が実装され プリント基板(61)上において、実装される素 子(66,67)の動作温度が高い高温部(63)と動作温 の低い低温部(62)とを接続するパターン(64) 伝熱抑制手段(64a,65)を設けたため、該パター ン(64)を介して高温部(63)の熱により低温部(62) が高温になって熱的な損傷を受けるのを防止 できる。
また、第13の発明によれば、上記パター (64)に相対的に熱抵抗の大きい部分(64a)を設 ることで、高温部(63)の熱の伝導が該パター (64)の熱抵抗の高い部分(64a)によって阻害さ 、低温部(62)が高温になるのを確実に防止で きる。
さらに、第14の発明によれば、上記パタ ン(64)に高温部(63)から低温部(62)への熱伝導 阻害するような抵抗体(65)を設けることで、 パターン(64)を介して高温部(63)の熱により 温部(62)が高温になるのをより確実に防止で る。
第15の発明に係る電力変換装置によれば 素子(71)と該素子(71)を駆動するためのドライ バ部(72)とをワイドバンドギャップ半導体に って構成し、両者を同一のパッケージ(70)内 まとめるとともに、該パッケージ(70)と周辺 部品(73,74)との間を熱絶縁したため、高温動 可能なワイドバンドギャップ半導体からな 部品(70)の熱がそれよりも耐熱温度の低い周 部品(73,74)に伝わって、該周辺部品(73,74)に 的な損傷を与えるのを防止できる。しかも 上記素子(71)の近くに配置されるドライバ部( 72)の熱的な保護も不要になる。
また、第16の発明によれば、ワイドバン ギャップ半導体はSiC半導体であり、小型で つ高温動作可能な主スイッチング素子(13)が られる。
10 電力変換装置
20 チップ部
21 チップ
22 銅基板(伝熱部材)
23,45 ヒートシンク(放熱手段)
24 断熱部材
25,61 プリント基板
26,47,54,55 遮熱板
27 ボンディングワイヤ
41,70 パッケージ
42,52 端子
43 プリント基板
44,64 パターン
46 ファン
51 高耐熱性プリント基板
53 低耐熱性プリント基板
62 低温部
63 高温部
64a 熱抵抗の大きい部分
65 抵抗体
66,67,71 素子
72 ドライバ部
73 CPU(周辺部品)
74 周辺回路(周辺部品)
75 熱絶縁
以下、本発明に係る実施形態を図面に基 いて詳細に説明する。尚、以下の好ましい 施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、 発明、その適用物或いはその用途を制限す ことを意図するものではない。
《実施形態1》
-全体構成-
図1は、本発明の実施形態1に係る電力変換
置(10)の回路の一例を示す。この電力変換装
(10)は、交流電圧を直流電圧に変換するコン
バータ部(11)と、該コンバータ部(11)で変換さ
た直流電圧を三相交流電圧に変換するため
インバータ部(12)とを備えていて、上記コン
バータ部(11)が交流電源(1)に、上記インバー
部(12)が負荷としてのモータ(2)に、それぞれ
続されている。
上記コンバータ部(11)及びインバータ部(12 )は、複数の主スイッチング素子(13,13,…)を有 していて、該主スイッチング素子(13,13,…)の イッチング動作によって上記コンバータ部( 12)で交流電圧から直流電圧への整流動作及び 上記インバータ部(13)で直流電圧から三相交 電圧への電力変換動作が行われるようにな ている。
また、上記電力変換装置(10)には、上記コ ンバータ部(11)の出力電圧を平滑化するため 2つのコンデンサ(14,14)が直列に接続された状 態で、該コンバータ部(11)及びインバータ部(1 2)に対して並列に設けられている。
上記コンバータ部(11)は、上記主スイッチ ング素子(13,13)によってハーフブリッジ型に まれた回路を備えていて、上記直列に接続 れた2つのコンデンサ(14,14)の間に、交流電源 (1)の一端が接続されている。これにより、上 記コンバータ部(11)及びコンデンサ(14,14)は倍 圧回路を構成している。なお、本実施形態 は、ハーフブリッジ型の倍電圧回路として るが、この限りではなく、フルブリッジ型 回路であってもよいし、同期整流を行う同 整流回路であってもよい。
上記主スイッチング素子(13)は、導通損失 が低く、高速動作及び高温動作が可能なSiCな どのワイドバンドギャップ半導体によって構 成されている。上記主スイッチング素子(13) 、スイッチング動作できるものであれば、 えば図1に示すようなIGBTであってもよいし、 ユニポーラ型トランジスタのMOSFETなどであっ てもよい。上記各主スイッチング素子(13)に 、それぞれ、ダイオード(15)が逆並列に設け れている。
なお、上記電力変換装置(10)は、上述のよ うな構成に限らず、例えば、交流電圧から直 流電圧への整流動作のみを行うコンバータ装 置であってもよいし、直流電圧から交流電圧 への電力変換のみを行うインバータ装置であ ってもよい。
-チップの実装構造-
次に、上述のような構成の電力変換装置(10)
において、SiCなどのワイドバンドギャップ半
導体によってチップを構成した場合の該チッ
プの実装構造について以下で説明する。なお
、ここでは、上記主スイッチング素子(13)をSi
Cなどのワイドバンドギャップ半導体によっ
構成した例について説明するが、この限り
はなく、他の素子をワイドバンドギャップ
導体によって構成するようにしてもよい。
上記SiCなどのワイドギャップ半導体から るチップ(21)は、高温環境下でも動作可能で あり、該チップ(21)は高温になるため、図2に すように、伝熱部材としての銅基板(22)を介 して放熱手段としてのヒートシンク(23)に接 されていて、該ヒートシンク(23)から上記チ プ(21)の熱を放熱するように構成されている 。すなわち、上記チップ(21)は、ヒートシン (23)、銅基板(22)の順に積層された積層体の表 面上に配設され、該積層体とチップ(21)とに って本発明のチップ部(20)が構成されている
また、上記銅基板(22)には、その側方に断 熱部材(24)を介して例えば樹脂製のプリント 板(25,25)が配設されている。詳しくは、この 熱部材(24)は、ポリイミド系やセラミック系 の耐熱接着剤であり、該接着剤によって上記 プリント基板(25,25)は銅基板(22)に対して上面 ほぼ面一になるように接着固定されている なお、上記プリント基板(25)が第1の発明に ける周辺部品に相当する。
これにより、上記銅基板(22)及びヒートシ ンク(23)の支持構造を別に設けることなく、 記プリント基板(25,25)によって支持できるた 、部品点数削減による装置全体の小型化及 コスト低減を図れる。しかも、上記プリン 基板(25,25)は、上記銅基板(22)に対して断熱 材(24)としての耐熱接着剤によって接着固定 れているため、上記銅基板(22)を介してチッ プ(21)の熱によってプリント基板(25,25)が高温 なるのを防止できる。なお、上述のように 記銅基板(22)及びヒートシンク(23)をプリン 基板(25,25)によって支持するものに限らず、 ずれか一方を別の支持部材によって支持す ようにしてもよい。
また、上記チップ部(20)と上記プリント基 板(25,25)との間には、該チップ部(20)からの熱 射による該プリント基板(25,25)の温度上昇を 抑えるための遮熱板(26,26,…)が設けられてい 。具体的には、上記遮熱板(26,26,…)は、上 チップ(21)の実装された銅基板(22)とプリント 基板(25,25)との間、及び該プリント基板(25,25) ヒートシンク(23)との間に、それぞれ配設さ れていて、上記プリント基板(25,25)をチップ (20)からの熱放射から保護するように構成さ ている。上記遮熱板(26,26,…)は、例えばセ ミックなどのような耐熱性を有する部材が ましいが、この限りではなく、上記チップ(2 0)から放射される熱を低減できるものであれ どのようなものであってもよい。
このように、上記遮熱板(26,26,…)を設け ことで、上記チップ(21)の熱の影響によりプ ント基板(25,25)が高温になるのを確実に防止 することができ、該プリント基板(25,25)が熱 な損傷を受けるのを確実に防止できる。
ここで、上述のような構成において、上 チップ(21)及び銅基板(22)と上記プリント基 (25)上のパターン(図示省略)とをそれぞれ電 的に接続するために、ボンディングワイヤ(2 7,27)を用いたワイヤボンドの構成が適用され 。このボンディングワイヤ(27,27)によって接 続することで、パターン等によって接続する 場合に比べて上記チップ部(20)からプリント 板(25,25)への熱伝導を妨げることができるた 、該プリント基板(25,25)の温度上昇を抑制す ることができる。したがって、該プリント基 板(25,25)が高温になって熱的な損傷を受ける をさらに確実に防止することができる。
-実施形態1の効果-
上記実施形態1では、SiCなどのワイドバンド
ギャップ半導体からなるチップ(21)を、銅基
(22)、ヒートシンク(23)の積層体上に実装して
チップ部(20)を構成するとともに、上記銅基
(22)に対して耐熱接着剤(24,24)を介してプリン
ト基板(25,25)を固定するようにしたため、上
チップ(21)の熱を銅基板(22)を介してヒートシ
ンク(23)から効率良く放熱することができる
ともに、上記プリント基板(25,25)の支持構造
別に設けることなく、上記銅基板(22)に支持
させることができ、部品数削減による装置全
体の小型化及び低コスト化を図れる。
しかも、上記プリント基板(25,25)と銅基板 (22)との間は、断熱部材としての耐熱接着剤(2 4)によって接着されているため、該銅基板(22) の熱がプリント基板(25,25)に伝わって該プリ ト基板(25,25)が高温になるのをより確実に防 できる。
また、上記チップ部(20)とプリント基板(25 ,25)との間には、遮熱板(26,26,…)が設けられて いるため、該チップ部(20)からの熱放射によ て上記プリント基板(25,25)が高温になるのを らに確実に防止することができる。
-実施形態1の変形例-
この変形例は、上述の実施形態1とは異なり
、上記図2の状態でパッケージングして、図3
示すように別の基板(33)上に端子(32)を介し
接続した場合の構成例である。なお、パッ
ージ以外は、上記実施形態1とほぼ同じ内容
ので、同じ部分には同じ符号を付し、異な
部分についてのみ説明する。
図3に、この変形例に係る電力変換装置に おけるチップの実装構造を示す。この実施形 態では、上述のとおり、上記実施形態1にお るチップ(21)、銅基板(22)、プリント基板(25,25 )、遮熱板(26,26,…)及びボンディングワイヤ(27 ,27)をパッケージ(31)内に収納していて、該パ ケージ(31)の下側、すなわち上記銅基板(22) 下側にヒートシンク(23)が設けられている。
そして、上記パッケージ(31)には、複数の 端子(32,32,…)が設けられていて、該端子(32,32, …)が別の基板(33)に接続されている。なお、 記図3において、符号28は、ワイドバンドギ ップ半導体のように高温動作のできない材 (例えばSi半導体)からなるチップである。
これにより、SiCなどのワイドバンドギャ プ半導体からなるチップ(21)を含むようにパ ッケージ化した場合でも、該パッケージ(31) で他のチップ(28)が高温になるのを防止でき とともに、上記別の基板(33)にワイドバンド ギャップ半導体からなるチップ(21)の熱が伝 って該基板(33)が高温になるのを確実に防止 きる。
《実施形態2》
この実施形態2は、上述の実施形態1とは異
り、上記チップ(21)の封入されたパッケージ(
41)において、その内部で熱絶縁するのではな
く、外部で基板(42)側への熱伝導を抑えるよ
にしたものである。
詳しくは、図4に示すとおり、SiCなどのワ イドバンドギャップ半導体からなるチップを 封入したパッケージ(41)は、複数の端子(42,42, )を介して例えば樹脂製のプリント基板(43) 接続されている。より詳しくは、上記プリ ト基板(43)の表面(図3において下面)には、パ ーン(44)が形成されていて、該パターン(44) 上記端子(42,42,…)が電気的に接続されている 。
一方、上記パッケージ(41)には、上記プリ ント基板(43)とは反対側にヒートシンク(45)が けられていて、該ヒートシンク(45)によって 上記チップの封入されたパッケージ(41)の熱 放熱するように構成されている。
そして、上記パッケージ(41)の端子(42,42, )は、該パッケージ(41)から該端子(42,42,…)を して伝わる熱によって上記プリント基板(43) の温度が該基板(43)の耐熱温度を超えないよ に、また、該基板(43)上の周辺回路(48)等の部 品が耐熱温度を超えないように、上記熱を効 率良く放熱できるような形状になっている。
すなわち、上記端子(42,42,…)は、その長 が長く形成されていたり、幅が広くなって たり、表面に突起やリブなどが設けられた して、表面積(放熱面積)が大きくなるように 構成されている。
これにより、上記パッケージ(41)の熱は上 記端子(42,42,…)で効率良く放熱されるため、 記プリント基板(43)や該基板(43)上の部品(48) 高温になって熱的な損傷を受けるのを防止 きる。
また、上記プリント基板(43)上のパターン (44)も、該プリント基板(43)の温度が耐熱温度 超えないように放熱面積が大きくなってい 、これにより、上記パッケージ(41)の熱をパ ターン(44)からも効率良く放熱できるように っている。
なお、上述のような端子(42,42,…)の構成 びパターン(44)の構成は、両方の部材に適用 るのがより効果的であるが、この限りでは く、どちらか一方のみに適用するようにし もよい。
さらに、上記端子(42,42,…)及びパターン(4 4)からの放熱の効率を向上するために、上述 ような構成を有する端子(42,42,…)及びパタ ン(44)の少なくとも一方に風を当てる送風手 としてのファン(46)を設けるようにしてもよ い。このファンは、上記端子(42,42,…)若しく パターン(44)の冷却専用のファンであっても よいし、上記ヒートシンク(45)を冷却するた のファンを兼用するようにしてもよい。
また、上記実施形態1と同様、この実施形 態でも、上記パッケージ(41)とプリント基板(4 3)との間に遮熱板(47)が設けられている。この 遮熱板(47)を設けることで、該パッケージ(41) らの熱放射によって上記プリント基板(43)が 高温になるのを確実に防止することができる 。この遮熱板(47)は、上記実施形態1と同様、 えばセラミックなどのような耐熱性を有す 部材が好ましいが、この限りではなく、上 パッケージ(41)から放射される熱を低減でき るものであればどのようなものであってもよ い。
-実施形態2の効果-
上記実施形態2では、SiCなどのワイドバンド
ギャップ半導体からなるチップをパッケージ
(41)に封入するとともに、該パッケージ(41)の
子(42)をプリント基板(44)のパターン(44)に電
的に接続し、該プリント基板(43)や該基板(43
)上の部品の温度が耐熱温度を超えないよう
該端子(42)及びパターン(44)の放熱面積を大き
くして上記パッケージ(41)の熱を該端子(42)及
パターン(44)から放熱させるようにしたため
、上記パッケージ(41)の熱によってプリント
板(43)が高温になり、熱的な損傷を受けるの
防止できる。
また、上記端子(42)やパターン(44)に対し 、ファン(46)によって風を当てるようにした め、該端子(42)及びパターン(44)での放熱の 率を向上することができ、上記プリント基 (43)が高温になるのをより確実に防止できる
さらに、上記パッケージ(41)とプリント基 板(43)との間に、遮熱板(47)を設けることで、 パッケージ(41)からの熱放射によって上記プ リント基板(43)が高温になるのをさらに確実 防止できる。
《実施形態3》
この実施形態3は、上記実施形態2とは異な
、パッケージ(41)を直接、プリント基板(43)上
に実装するのではなく、高耐熱性のプリント
基板(51)に実装した状態で、低耐熱性のプリ
ト基板(53)に端子(52)を介して接続するように
したものである。なお、上記実施形態2と同
構成については同じ符号を付し、異なる部
についてのみ以下で説明する。
具体的には、図5に示すように、SiCなどの ワイドバンドギャップ半導体のチップが封入 されたパッケージ(41)は、該ワイドバンドギ ップ半導体の動作可能な温度よりも高い耐 温度を有する高耐熱性プリント基板(51)に実 されている。このような高耐熱性プリント 板(51)としては、例えば高耐熱性の樹脂や金 属基板などがある。
そして、上述のようにパッケージ(41)の実 装された高耐熱性プリント基板(51)は、複数 端子(52,52,…)を介して低耐熱性のプリント基 板(53)に接続されている。この低耐熱性プリ ト基板(53)は、例えば一般的な樹脂製のプリ ト基板である。
このように、SiCなどのワイドバンドギャ プ半導体の封入されたパッケージ(41)を、高 耐熱性プリント基板(51)に実装し、上記低耐 性プリント基板(53)と熱的に分離することで 該低耐熱性プリント基板(53)がパッケージ(41 )の熱の影響を直接受けて高温になるのを防 することができる。
さらに、上記図5に示すように、上記高耐 熱性プリント基板(51)と低耐熱性プリント基 (53)との間に遮熱板(54)を設けることで、上記 パッケージ(41)や高耐熱性プリント基板(51)か の熱放射を抑えることができ、これにより 上記低耐熱性プリント基板(53)が高温になっ て熱的な損傷を受けるのをより確実に防止で きる。
-実施形態3の効果-
上記実施形態3では、SiCなどのワイドバンド
ギャップ半導体からなるチップをパッケージ
(41)に封入するとともに、該パッケージ(41)を
耐熱性のプリント基板(51)上に実装し、低耐
熱性のプリント基板(53)とは端子(52)によって
続するようにしたため、上記パッケージ(41)
の熱によって低耐熱性プリント基板(53)が高
になり、熱的な損傷を受けるのを防止でき
。
また、上記高耐熱性プリント基板(51)と低 耐熱性プリント基板(53)との間に、遮熱板(54) 設けることで、パッケージ(41)及び高耐熱性 プリント基板(51)からの熱放射によって上記 耐熱性プリント基板(53)が高温になるのをよ 確実に防止できる。
-実施形態3の変形例-
この変形例は、上述の実施形態3とは異なり
、上記低耐熱性プリント基板(53)と高耐熱性
リント基板(51)とを並べただけのものである
なお、基板(51,53)同士を並べたこと以外は、
上記実施形態3とほぼ同じ構成なので、同じ
分には同じ符号を付し、異なる部分につい
のみ説明する。
具体的には、図6に示すように、SiCなどの ワイドバンドギャップ半導体からなるチップ の封入されたパッケージ(41)を高耐熱性プリ ト基板(51)上に実装するとともに、該高耐熱 プリント基板(51)に対して低耐熱性のプリン ト基板(53)を横に並べて配置する。なお、上 高耐熱性プリント基板(51)と低耐熱性プリン 基板(53)との間は、例えばボンディングワイ ヤによって電気的に接続されている。
そして、上記高耐熱性プリント基板(51)と 低耐熱性プリント基板(53)との間には、上記 ッケージ(41)及び高耐熱性プリント基板(51)か らの熱放射によって該低耐熱性プリント基板 (53)が高温になるの防止するための遮熱板(55) 設けられている。これにより、上記低耐熱 プリント基板(53)が上記パッケージ(41)から 熱放射によって熱的な損傷を受けるのを確 に防止できる。
《実施形態4》
この実施形態4は、同じプリント基板(61)上
の素子(66,67)の動作温度によって低温部(62)と
高温部(63)とを構成し、且つ両者がパターン(6
4)によって接続されている場合、該高温部(63)
で発生した熱がパターン(64)を介して低温部(6
2)に伝わって該低温部(62)が高温になるのを防
止するものである。
具体的には、図7に示すように、プリント 基板(61)上に、複数の素子(66,67)が実装されて る場合、その動作温度によって低温部(62)と 高温部(63)とに分けられる。そして、両者が 記プリント基板(61)上に形成されたパターン( 64)によって電気的に接続されている場合、該 パターン(64)を介して上記高温部(63)の素子(67) の熱が低温部(62)の素子(66)に伝わって、該素 (66)の温度を上昇させることになる。
特に、上記高温部(63)の素子(67)が、高温 件下でも動作可能なSiCなどのワイドバンド ャップ半導体によって構成されたパッケー (41)であり、上記低温部(62)の素子(66)が高温 件下では動作できないSi半導体などによって 構成されている場合には、該高温部(63)の素 (67)が高温になると、その熱は上記パターン( 64)を介して低温部(62)の素子(66)に伝わり、該 温部(62)の素子(66)の温度が耐熱温度を超え しまう場合がある。
そのため、上記プリント基板(61)のパター ン(64)を、熱抵抗が高くなるような形状にす 。すなわち、上記図7に示すように、上記パ ーン(64)の途中の部分(64a)を蛇腹状に屈曲さ て上記高温部(63)と低温部(62)との間のパタ ン(64)の長さをできるだけ長くすることで、 パターン(64)の熱抵抗を大きくする。
これにより、上記高温部(63)から上記低温 部(62)への伝熱が阻害されて、該低温部(63)の 子(66)の温度上昇が抑えられる。
また、上述のように、パターン(64)自身の 熱抵抗を大きくするものに限らず、図8に示 ように、パターン(64')の途中に抵抗体(65)を けるようにしてもよい。この抵抗体(65)は、 ターン(64')に比べて熱抵抗の大きいもので 上記高温部(63)から低温部(62)への伝熱を妨げ るように構成されている。
-実施形態4の効果-
上記実施形態4では、同一のプリント基板(61
)上に、SiCなどのワイドバンドギャップ半導
からなる素子やSi半導体からなる素子などの
ように動作温度の異なる複数の素子(66,67)が
装されていて、相対的に動作温度の高い素
(67)からなる高温部(63)と動作温度の低い素子
(66)からなる低温部(62)とがパターン(64)によっ
て接続されている場合に、該パターン(64)の
さを長くしたり、途中に抵抗体(65)を設けた
することで、上記高温部(63)と低温部(62)と
間の熱抵抗を大きくすることができ、これ
より、該高温部(63)の熱によって低温部(62)の
温度上昇を抑えることができる。
したがって、上記低温部(62)が高温になっ て熱的な損傷を受けるのを確実に防止するこ とができる。
《実施形態5》
この実施形態5は、上述の実施形態1~4とは異
なり、チップなどの素子(71)だけでなく、該
子(71)を駆動させるためのドライバ部(72)もSiC
などのワイドバンドギャップ半導体によって
構成し、高温動作可能な素子(71)及びドライ
部(72)と、耐熱温度の低い周辺部品(73,74)との
間を熱絶縁したものである。なお、ここでい
う熱絶縁とは、完全に伝熱を遮断するもので
はなく、伝熱を抑制するものも含む。
具体的には、上記実施形態1~4のように、 ップ(21)などの素子(71)だけをワイドバンド ャップ半導体によって構成し、他の部品と 間の伝熱を抑制する(図9(a))のではなく、該 子(71)を駆動させるドライバ部(72')もワイド ンドギャップ半導体によって構成し、上記 子(71)及びドライバ部(72')を同一のパッケー (70)内に収める。上記素子(71)を駆動させるド ライバ部(72')は、損失等の観点から該素子(71) になるべく近い位置に設けるのが好ましいか らである。
そして、上記高温動作可能な部品からな パッケージ(70)と、それ以外の耐熱温度の低 い部品(図9の例では、CPU(73)や周辺回路(74)等) の間に熱絶縁(75)を設ける。この熱絶縁(75) 、例えば上述の実施形態1~4のような構成で り、上記パッケージ(70)から耐熱温度の低い 品(73,74)への伝熱を妨げるように構成されて いる。
-実施形態5の効果-
上記実施形態5では、チップ(21)などの素子(7
1)だけでなく、該素子(71)を駆動させるための
ドライバ部(72')もSiCなどのワイドバンドギャ
プ半導体によって構成し、上記素子(71)及び
ドライバ(72')を同一のパッケージ(70)内に収納
して、該パッケージ(70)と耐熱温度の低い部
(73,74)との間を熱絶縁するようにしたため、
温動作可能なワイドバンドギャップ半導体
よって構成される部品(71,73')の熱が耐熱温
の低い部品(73,74)に伝わって該部品(73,74)が高
温になるのを防止できる。
したがって、上記耐熱温度の低い部品(73, 74)が高温になって熱的な損傷を受けるのを確 実に防止することができる。
また、通常、上記素子(71)の近くに配置さ れるドライバ部(72')を熱的に保護する必要が くなるため、該ドライバ部(72’)のための伝 熱制御手段を省略することができる。
《その他の実施形態》
本発明は、上記各実施形態について、以下
ような構成としてもよい。
上記各実施形態では、ワイドバンドギャ プ半導体としてSiCを用いるようにしている 、この限りではなく、GaNなどSiよりも大き バンドギャップの値の半導体材料であれば のような材料であってもよい。
以上説明したように、本発明における電 変換装置は、ワイドバンドギャップ半導体 らなるチップなどの素子を有するものに特 有用である。
Next Patent: DEFORMABLE GANTRY TYPE WORKING APPARATUS