电力变换装置.pdf

本发明提供了一种防止由向框体内部散热的动力元件产生的热造成的温度升高的装置。在具有散热部和冷却风扇的框体中，相对于散热部设有长出给定值的导向部。当利用上述导向部进行冷却风扇的强制空气冷却时，不使发热多的基板所加热的气体流入发热较少的基板，导致发热较少的基板温热。为此，将发热多的基板配置在比发热较少的基板更接近冷却风扇的位置上。或者，将发热多的基板配置在比发热较少的基板更接近上述吸气面的位置上。通过在框体中设置上述的导向部，利用已有的冷却风扇，可使发热多的基板和发热较少的基板等散热，可以减少温度升高。

1.  一种电力变换装置，具有：
回路基板；
至少覆盖所述回路基板的框体；
从对气体吸气的吸气面吸入气体，从对气体排气的排气面排出气体、放出热的散热部；以及
设在所述散热部的排气面上的风扇，其特征为，
在所述框体中设置使所述回路基板的周边的气体向着所述吸气面的导向部。

2.  如权利要求1所述的电力变换装置，其特征为，所述导向部与所述散热部的重复部的长度K具有以下关系：
K≤H
式中，所述H表示散热部所具有的散热片的高度，或者为散热片的到达散热部安装位置的长度。

3.  如权利要求1所述的电力变换装置，其特征为，所述导向部与所述散热部的重复部的长度K具有以下关系：
K≤H*(3/5)
式中，所述H表示散热部所具有的散热片的高度，或者为散热片的到达散热部安装位置的长度。

4.  如权利要求1所述的电力变换装置，其特征为，所述导向部和所述散热部之间的间隙的大小为大于等于2mm。

5.  如权利要求1所述的电力变换装置，其特征为，将与所述电力变换基板接触的气体，从所述导向部导入所述散热部的吸气面。

6.  一种电力变换装置，具有：
第一基板和第二基板；
至少覆盖所述第一基板和所述第二基板的框体；
将从吸气面吸入的气体从排气面排出、放出热的散热部；以及
设置在所述散热部的排气面上，使放出热的气体通过所述散热部，从所述排气面排出的风扇，其特征为，
在所述框体中设置将与所述第一基板或所述第二基板接触的气体导入所述吸气面的导向部。

7.  如权利要求6所述的电力变换装置，其特征为，将所述第二基板设置在比所述第一基板更靠近所述散热部的吸气面的位置上。

8.  如权利要求6所述的电力变换装置，其特征为，所述第一基板的动作保证温度比所述第二基板的动作保证温度低，
所述第二基板是通过动作而散发出比所述第一基板多的热的基板。

9.  如权利要求6所述的电力变换装置，其特征为，所述第一基板为具有控制所述电力变换装置的控制回路的基板；所述第二基板为具有变换电力的回路的基板。

10.  如权利要求6所述的电力变换装置，其特征为，所述第二基板与所述散热部连接固定，所述第一基板设置在离开所述第二基板规定长度的位置上。

电力变换装置
技术领域
本发明涉及例如向电机等供给电力的电力变换装置的技术。
背景技术
在电力变换装置中，由于含有进行电力变换的IGBT和二极管等的动力元件半导体元件通常产生大量的热，所以在具有散热片的散热部上，通过风扇进行吸气、排气，利用强制空气冷却进行散热。
然而，利用上述风扇和散热部不能充分散热，框体内部的温度升高，使得上述作为动力元件半导体元件以外的元件的温度升高。
特别是，CPU等控制用的半导体元件，与动力元件半导体等比较，保证正常工作的温度(以下称这个温度为动作保证温度)低，因此当高温时，耐久寿命缩短，随着温度升高，由于热散逸等原因，有时不能进行正常的控制。
一般，当超过大约150℃时，半导体元件会被破坏，因此，在上述CPU等的半导体元件中，应设法有效地散热。这点，在特开平7-95771号公报中作了说明。
在特开平7-95771号公报中公开了通过冷却电力用半导体装置的冷却风扇的冷却作用，使电力用半导体装置以外的低温使用品也冷却的技术。
然而，上述特开平7-95771号公报中记载的技术，虽然是利用冷却风扇强制空气冷却电力用半导体装置或作为动力元件半导体以外的低温使用品或CPU等，但是整个装置结构复杂，装置本身尺寸大。例如，使用隔板在框体内分别配置电力用半导体装置和低温使用品，则由于要设置强制空气冷却的空气流通路的空间，装置的尺寸增大。
发明内容
因此，本发明的任务是考虑减小装置的尺寸，同时进行装置、框体内部的散热。
本发明如下所述地解决上述问题。
将发热多的元件和基板等，与发热少的元件和基板等配置在同一个框体内。
通过将发热多的半导体元件、组件或基板，与发热比较少的半导体元件、组件或基板配置在同一个框体内，可以使整个装置尺寸减小。并且，通过将上述发热多的半导体元件、组件或基板与上述发热较少的半导体元件、组件或基板分别放置在不同的基板上，可以防止热从发热多的一方传至发热较少的一方。
并且，在框体中设置使发热多的元件和基板等与发热少的元件和基板等的热放出的气体流动的导向部。
在框体中设置将发热多的基板和发热较少的基板等周边的气体，引导向着在散热部中吸收气体的面(以下称这个面为吸气面)的导向部。通过该导向部，可将发热多的基板和发热较少的基板等周边的气体，从利用风扇的工作而将通过上述散热部的气体排放的面(以下称这个面为排气面)排出并散热。
并且，使来自发热多的基板的气体，不流入发热较少的基板。
当利用上述导向部进行的风扇的强制空气冷却时，为了不使发热多的基板的加热气体流向发热较少的基板，导致发热少的基板变温热，例如将发热多的基板比发热较少的基板配置得更靠近风扇的位置。或者，将发热多的基板比发热较少的基板配置在更接近上述吸气面的位置。
通过在框体中设置上述导向部，即使不设置新的散热用风扇，而利用已有的风扇，也可以排出发热多的基板和发热较少的基板等周边的气体从而散热，可以减少温度升高。
附图说明
图1为本发明的实施例的示意图；
图2为本发明的实施例(从侧面看的实施例的图)；
图3为本发明地实施例(从进深方向看的图)；
图4为模拟特性图；图4(a)为表示使用高风量式冷却风扇，改变导向部的纵向长度情况下的模拟特性图；图4(b)表示使用静态稳定式冷却风扇，改变冷却散热片和导向部的纵向长度情况下的模拟特性图；
图5为使用静态稳定式冷却风扇，改变冷却散热片和导向部的间隙距离情况下的模拟特性图；
图6为使用静态稳定式冷却风扇，改变冷却散热片和导向部的间隙距离情况下的其它模拟特性图；
图7为现有装置与本发明装置的实测结果比较表；
图8为本发明的另一个实施例。
具体实施方式
图1为本发明的实施例的示意图，它表示在将电力变换装置安装在设备的壁等的安装面上的状态下，从侧面看的侧视图。图2表示在制品中实施的情况下的实施例的侧视图。(但是，图2中的向左，在实际安装时为向上)。
在图1中，电力变换装置具有：散热部4，冷却风扇5，密封件7，IGBT或二极管等动力元件半导体8，金属基板9，装置的壳体(一般，壳体称为框体)10，装在装置内的基板11，散热部4的基座20，供散热部4散热的散热片21，以及MCU(称为Micro Controla Unit，包含CPU的半导体芯片等)等半导体22。一般，作为动力元件半导体8相当于发热多的半导体元件和基板，发热较少的半导体元件和基板，制成上述MCU(称为Micro Controla Unit，包含CPU的半导体芯片等)等半导体22。以下，根据这点进行说明。
在框体10中设有导向部19，它可以吸入空气，使通过动力元件半导体8的上面，将动力元件半导体8的热进行冷却的空气流动。
首先，散热部4由基座20和散热片21构成(图3中表示从另外的角度看的结构图)。基座20为接受来自发热体的热传导的部分，散热片21从基座20接受热传导，向周围的空气传热散热。
然后，将IGBT或者二极管等动力元件半导体8放置在金属基板9上，一般利用密封件7(该密封件又称为树脂)密封。
在上述电力变换装置中，在IGBT、二极管等动力元件半导体8中，由变换损失产生的热大部分传至散热部4的基座20。
在散热部4中，从图1所示的吸气面吸入的周边大气中的空气等气体，利用安装在排气面上的冷却风扇5，被排出至周边大气中。上述吸入的空气等气体通过散热片21时，上述吸入的气体夺取传至散热部4的散热片21等上的热，再排至周边的大气中，进行散热部4的散热。
另一方面，如图1所示，从动力元件半导体8等向着框体内部放出的热，通过设在框体10中的导向部19，利用由冷却风扇5产生的风的一部分，进行强制空气冷却。
如图1所示，在本实施例中，在同一个框体内配置包含动力元件半导体8的基板，和包含MCU等半导体22的基板，因此可以减小装置的尺寸。
然而，由于动力元件半导体8散发相当大量的热，当上述强制空气冷却时，当由动力元件半导体8加热的气体流入包含MCU等半导体22的基板时，变得温热，结果，使MCU等半导体22的温度升高。
因此，在安装允许的范围内，使包含动力元件半导体8的基板，与包含MCU等半导体22的基板分离配置。另外，使包含动力元件半导体8的基板位置比包含MCU等半导体22的基板位于作为强制空气冷却时的气体流动的所谓风下游的位置。因此，如图1所示，将包含动力元件半导体8的基板比包含MCU等半导体22的基板配置在更靠近散热部4的吸气面附近的位置。
这种配置可以防止动力元件半导体8加热的气体进入包含MCU等半导体22的基板，导致温度升高。
另外，上述配置不限于各个基板位置，在基板上也可以设法将动力元件半导体8本身配置在更靠近吸气面的位置。
其次，图3表示在散热部4的制品中，从进深方向看的图。
如图3所示，散热部4具有基座20和散热片21，从吸气面吸入的气体通过散热片21。
又如图3所示，后述的散热部4的高度H，为至散热片21在基座20上的安装位置的长度。
图4表示在图1的实施例中的散热部和导向部重叠的纵向长度，通过模拟验证的结果。图4中表示散热部4上的温度，密封件7上的温度和MCU22(包含CPU的半导体芯片等)上的温度。又由于动力元件半导体8用密封件7密封，因此，测定的温度也是密封件7的温度。因此，以下用密封件7的温度代替动力元件半导体8的温度进行说明。
首先，图4(a)的模拟条件如下所示。
(1)周围温度为35℃；
(2)模拟温度为散热部14上的温度，密封件16上的温度和MCU22上的温度。
(3)散热部和导向部的间隙距离定为10mm。
(4)改变散热部和导向部重叠的纵向长度，进行模拟。
(5)使用的冷却风扇一般称为高风量式的。
在图4(a)中，纵轴表示散热部、MCU和密封件的温度；横轴表示散热部和导向部重叠的纵向长度。散热部的高度为50mm。
另外，在上述(5)中，所谓高风量式的风扇，是指在工业用制品中使用的、尽管冷却风扇的声音大可该声音不会成为问题的环境中使用的类型。
另外，图4(b)在与图4(a)相同的模拟中，在条件(5)中使用的冷却风扇，一般称为静态稳定式。
所谓静态稳定式是指在办公室或家庭等使用的制品中的、在冷却风扇的声音大的情况下，由于人的听觉上感到不舒服，因此在需要静态稳定的情况下使用的类型。
从图4(a)、(b)可看出，仅通过设置导向部，密封件上的温度即可降低。另外，散热部和导向部重叠的纵向长度，与散热部的长度大致相同，因此，密封件上的温度降低。但是，当导向部的纵向比散热部的长度长时，密封件、散热部、MCU的温度都升高。因此，可判断，导向部的纵向比散热部的长度长时，对温度升高无效果。
因此，从这些结果可看出，为了减少密封件上的温度升高，首先，应使导向部的重叠的纵向长度与散热部的长度大致相同。这样，一般，相对于散热部的高度，导向部的纵向长度K，可以下式(1)表示。
                     K≤H  (1)
式中H表示散热部具有的散热片的高度(散热片21至基座20的安装位置的长度，参照图3)。
这里，再次说明，K为散热部和导向部重叠的纵向长度。如换一种表述，则K为导向部与散热部重复部分的长度。
另外，图4(a)、(b)中记载的“开放”表示不设置导向部。
又如上所述，当半导体元件超过大致150℃时，一般会被破坏。由此可看出，为了使放置在散热部上的半导体的温度不超过150℃，应该考虑使用的环境温度和条件。优选散热部的温度不超过100℃。
从图4(b)可看出，为了使散热部的温度不超过100℃，需要使导向部的纵向长度在30mm以下。一般，可用以下的式(2)表示。
              K≤H^*(3/5)   (2)
另外，在现有的装置中，由于风与自然对流产生的流动的风方向相反地流动，使配置在风的流动下游部分上的基板上的MCU不受从密封件上放出的热的影响，因此，温度上升与在密封件上那样，在散热部和导向部的纵向长度与冷却散热片的长度大致相同之前，显示MCU的温度降低。
另外，图5，图6表示其它的模拟结果。在图5和图6的模拟中，以下所示模拟条件与图4有区别，除此以外，与图4相同。
(3)改变散热部和导向部的间隙距离而进行模拟。
(4)使散热部和导向部重叠的纵向长度定为15mm。
(5)使用的冷却风扇一般称为静态稳定式。
在图5和图6中，纵轴表示散热部、MCU和密封件的温度；横轴表示散热部和导向部的间隙距离。
从图5中可看出，仅在散热部和导向部之间设置间隙，即可使密封件上和MCU的温度降低。当间隙在5～10mm以上时，密封件上和MCU的温度上升的降低效果没有大的变化。
另外，即使散热部和导向部的间隙大小变化，在散热部上的变化也少，即使通过设置导向部，散热部的散热效果也不会降低。
一方面保持风扇的驱动散热部的本来的散热功能，并且能得到散热多的基板和散热较少的基板等的散热效果；另一方面在避免装置尺寸增大这一点，应限制导向部的重复部分的面积。间隙也不是无限制地大，优选为10mm左右。
另一方面，参照图6可看出，散热部和导向部之间的间隙从大约为2mm开始产生散热效果。因此，散热部和导向部之间的间隙至少需要在大约2mm以上。
图7表示现有的装置和以本实施例为基础的装置的实测比较。取本实施例的导向部的纵向长度为10mm，与导向部的距离为10mm，进行实测。从这个结果可看出，可以抑制散热部的温度升高，同时与以往比较，密封件的温度升高降低了9.5℃，MCU的温度升高降低了14.9℃。由于在MCU中安装CPU等动作保证温度比较低的半导体元件，因此，上述温度升高的降低，有助于进行装置的稳定控制等。
这样，通过设置导向部，可使MCU的温度升高大幅度地降低。可得到以下的动作。
(1)通过对成为热源的密封件的强制空气冷却，可降低密封件的
温度升高。
(2)密封件使变温热的气体不流向MCU。
(3)进行MCU的强制空气冷却，使MCU的温度升高降低。
仅通过设置导向部，上述实施例即可获得这些效果。
图8表示另一个实施例。
图8为与图2相同的实施例，所不同的是，在导向部19中设置倾斜部23，来自密封件、MCU等半导体的气体，容易流至吸气面。因此，根据流体的流动等，也可以将倾斜部23作成曲面，使流动更加容易。
如上述实施例那样，通过具有适当的散热部和导向部的重叠量和距离，可使框体的大小达到最适合，而且，即使不另外安装促进冷却用的机器，也可防止框体内部的温度升高。
因此，特别是如小型装置那样，适合于不另外配置冷却风扇的装置，可以得到有用的降低温度升高的效果。
在上述实施例中，根据电力变换装置的实施例进行说明。但是，不限于此。例如，根据动作，与发热小的半导体元件、组件和基板等比较，在安装具有发热大的半导体元件、组件和基板等装置时有用。
在这种情况下，采用本发明的实施例，将发热小的半导体元件、组件和基板等安装在第一基板上；另一方面，将发热大的半导体元件、组件和基板等安装在第二基板上。另外，将第一基板固定在仅离开第二基板规定长度的位置上。这样，可以遮断从发热大的半导体元件等产生的热传导至安装在第一基板上的半导体元件等上。
其次，通过将第二基板固定在具有散热片的散热部上，在散热部上使用风扇进行强制空气冷却，放出从第二基板发出的热。
另外，在框体中设有导向部，用于使上述第一基板和第二基板周边的气体，向着上述散热部的吸气面流动。当风扇动作时，利用该导向部，可以对上述第一基板和第二基板进行强制空气冷却。结果，不必设置新的风扇，即可以降低上述第一基板，第二基板和框体内部的温度升高。另外，在强制空气冷却时，将上述第二基板比第一基板配置在更接近风的下游。
通过将半导体的动作保证温度比较低的半导体、CPU等的控制元件安装在上述第一基板上，可以进一步得到降低温度升高的效果。
现在再次说明在本发明的实施例中设置的导向部的工作。如图1，图2，图4，图5，图6和图8等所示，在上述实施例中，利用风扇将基板9，基板11等周边的气体排出。通过这种工作，将具有基板9，基板11等发出的热的气体排出，这些基板的热也可以放出。这时，将导向部19设置在风扇排出散热部的气体的气体流动，与排出上述基板9、基板11等周边的气体的气体流动合流的位置上。
例如，设想在没有图1所示的导向部19的情况下，利用风扇5难以使基板9，基板11等的周边气体流向排出方向。风扇5排出通过散热部4的气体，进行散热，对基板9和基板11等的周边的气体很难有影响。
另一方面，当如图1所示那样，设置导向部19时，在风扇5吸入来自散热部4的吸气面的气体，从散热部4的排气面排气时，有可能将基板9和基板11等周边的气体一起吸入。也可使导向部19与散热部4的吸气面的一部分重复地设置重复部来进行。
在上述实施例中，说明了该重复部的形状和设置方法，但不限于此。如果利用风扇5吸入和排出基板9和基板11等周边的气体，则适当改变实施方式也可以。关于上述重复部，在设定基板9，基板11等周边气体流动空间的间隙大小和与散热部的吸气面重复的面积大小时，可以参考上述图4，图5，图6所示的模拟结果等。
发明的效果
采用本发明的实施例，可以改善配置在装置内部的电子零件或散热部的温度升高的降低对策。并且可以减小装置的尺寸。