JP4048439B2 - ヒートシンクを有する電子回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンクを有する電子回路装置に関する。たとえば、本発明は、ヒートシンクに固定された電力用半導体素子を制御する電力制御装置に関する。

従来、インバータやＤＣＤＣコンバータなどの種々の大電流制御回路に用いられる電力用半導体素子は、その冷却改善のためにヒートシンクに固定されるのが通常である。電力用半導体素子の温度管理のためには、ヒートシンクに固定されるすべての電力用半導体素子の内部温度を直接検出するのが最善であるが容易ではない。このため、ヒートシンク温度検出用の温度検出素子（たとえばサーミスタ）をヒートシンクに固定し、検出したヒートシンク温度を利用して電力用半導体素子の電流制御を行う方法が知られている。しかし、この方法によると、通常、プリント回路基板に実装される制御回路とヒートシンクに固定した温度検出素子とを配線したり、温度検出素子をヒートシンクに実装したり作業が必要となる上、配線の複雑化が生じ、更に、回路基板の点検、交換を考えると、プリント回路基板と温度検出素子とを接続する配線中にコネクタを配置する必要も生じ、面倒であった。

このため、本願発明者は、回路基板の導体層パターンをヒートシンクに密着させ、回路基板に実装した温度検出素子をこの導体層パターンに密着させることにより、上記問題点を改善することを創案した（特許文献１）。
特開２０００−９１８８４号公報

しかしながら、本発明者は、種々実験の結果、プリント回路基板に設けた導体層パターンによりヒートシンクと温度検出素子とを熱的に結合する特許文献１のヒートシンク温度検出方法は、温度検出素子をプリント回路基板に実装できるという優れた利点をもつものの、ヒートシンクから温度検出素子への熱流が、ヒートシンクに温度検出素子を直接密着させる従来方法に比べて導体層パターンの伝熱抵抗の分だけ減少し、この伝熱抵抗の熱落差などによりヒートシンク温度の検出性が低下することを見いだした。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、温度検出素子を制御回路及び温度検出回路の他の回路素子と同じく回路基板に実装して、配線作業及び温度検出素子組み付け作業を簡素化し、回路の点検交換が容易とするとともに、優れたヒートシンク温度検出性能をもつヒートシンクを有する電子回路装置を提供することをその目的としている。

上記問題点を解決する本発明のヒートシンクを有する電子回路装置は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクに固定される回路基板と、前記回路基板に実装されて前記ヒートシンクの温度を検出するサーミスタを有する温度検出回路とからなるヒートシンクを有する電子回路装置において、前記ヒートシンクに熱伝導良好に固定されて入力電力に応じて発熱する発熱回路と、前記回路基板に実装されるとともに前記サーミスタが検出した前記ヒートシンクの温度に基づいて前記発熱回路の電流を制御する制御回路とを備え、前記ヒートシンクは、前記回路基板に向けて突出するとともに頂面に前記回路基板が締結される少なくとも１つの突柱を有し、前記回路基板は、前記サーミスタの第１の端子に接合されるとともに前記第１の端子に近接して前記ヒートシンクに密着する形状と配置とを有するヒートシンク密着導体層を有し、前記ヒートシンク密着導体層は、前記回路基板の前記ヒートシンク側の表面に設けられて前記突柱の前記頂面に密着するか、又は、前記突柱の前記頂面に前記締結のためのねじ又はビアホール導体を通じて密着し、前記温度検出回路は、前記サーミスタの前記第１の端子の電位を低電位側の基準電位とするとともに、前記サーミスタの第２の端子の電位変化を増幅することを特徴としている。

このようにすれば、温度検出素子を温度検出回路などの他の回路素子と同じく回路基板に実装して配線作業及び温度検出素子組み付け作業を簡素化し、回路の点検交換が容易とすることができるとともに、この導体層パターンを経由した温度検出素子によるヒートシンク温度検出性能を格段に改善することができる。

更に説明すると、この発明では、温度検出素子の端子がヒートシンクに密着する導体層パターンに直接接合される。このようにすると、ヒートシンクに接合されるヒートシンク密着導体層は、たとえば銅などを素材として形成されて良好な熱伝導体である温度検出素子の上記第１の端子にはんだなどにより熱的に良好に接合されるため、温度検出素子とヒートシンクとの間の伝熱抵抗が、たとえヒートシンク密着導体層の介在により多少増加したとしても、ヒートシンク密着導体層と温度検出素子内部の温度検出部位との間の伝熱抵抗が格段に改善されるため、全体としてヒートシンク温度を格段に良好に検出することができるわけである。更に、この端子の電位は通常において通常接地電位又は基準電位と呼ばれるヒートシンク電位となるが、この発明では、この温度検出素子を含む温度検出回路がこのヒートシンク電位を基準として温度検出素子から出力される信号電圧を処理するため、回路的な問題は生じない。なお、ヒートシンク密着導体層は、ヒートシンクに直接密着する他、ねじや回路基板に設けたビアホール導体を通じて密着してもよい。

本発明では、前記ヒートシンクに熱伝導良好に固定されて入力電力に応じて発熱する発熱回路と、前記回路基板に実装されるとともに前記温度検出素子が検出した前記ヒートシンクの温度に基づいて前記発熱回路の電流を制御する制御回路とを備えることを特徴とする。このようにすれば、配線を複雑化することなくヒートシンクを通じてそれに実装された発熱回路の温度を良好に制御することができる。
本発明では、前記温度検出回路は、前記温度検出素子をなすサーミスタの一対の端子のうち前記第１の端子とは異なる第２の端子の電位変化を増幅する。このようにすれば、本発明の効果を良好に実現することができる。
本発明では、前記回路基板は、前記ヒートシンクから前記回路基板に向けて突出するとともに頂面に前記回路基板が締結される少なくとも１つの突柱を有し、前記ヒートシンク密着導体層は、前記回路基板の前記ヒートシンク側の表面に設けられて前記突柱の前記頂面に密着することを特徴とする。このようにすれば、回路基板をヒートシンクに締結する作業により自動的にヒートシンクとヒートシンク密着導体層とを良好に密着させることができる。もしくは、本発明では、前記回路基板は、前記ヒートシンクから前記回路基板に向けて突出するとともに頂面に前記回路基板が締結される少なくとも１つの突柱を有し、前記ヒートシンク密着導体層は、前記回路基板の前記ヒートシンク側と反対側の表面に設けられて前記突柱の前記頂面に前記締結のためのねじ又はビアホール導体を通じて密着することを特徴とする。このようにすれば、回路基板の表側に実装された温度検出素子を良好にヒートシンクに熱結合することができる。

好適な態様において、前記温度検出素子又は前記温度検出回路は、前記ヒートシンク密着導体層及び前記ヒートシンクを通じて電源回路に接続されて前記ヒートシンク密着導体層及び前記ヒートシンクを通じて前記電源回路から電源電力を給電される。このようにすれば、電気抵抗が極めて小さいヒートシンクを利用して温度検出素子又は温度検出回路への電源配線を行うことができるので、配線の簡素化と配線損失の低減を行うことができる。

好適な態様において、前記ヒートシンク密着導体層は、前記サーミスタの前記第１の端子に電位を付与する配線をなすことを特徴としている。これにより、このヒートシンク密着導体層はヒートシンクからサーミスタへの優れた熱伝導体をなすとともに、サーミスタへの配線の簡素化を実現することができる。

以下、本発明のヒートシンクを有する電子回路装置を適用した充電装置を以下の実施例により具体的に説明する。もちろん、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を公知の技術要素又はそれと同等な特性をもつ技術要素を組み合わせて構成してもよい。

この充電装置１は、図１に示すように本質的にＤＣ／ＤＣコンバ−タにより構成されており、低圧のバッテリ２、入力側平滑コンデンサ３ａ、インバータ用のパワ−ＭＯＳトランジスタ４、５、昇圧トランス６、ダイオードブリッジ形式の整流回路７、チョークコイル８、出力側平滑コンデンサ３ｂ、電流検出用抵抗素子９、制御回路１０及び温度検出回路１１を備え、温度検出回路１１はサーミスタ１２を備えている。パワ−ＭＯＳトランジスタ４、５を交互にオンすることにより、昇圧トランス６の二次コイルに交流電圧が発生し、この交流電圧は整流回路７により整流され、チョークコイル８及び出力側平滑コンデンサ３ｂにより平滑されて出力される。制御回路１０は、通常では電流検出用抵抗素子９の電圧降下を一定となるようにパワ−ＭＯＳトランジスタ４、５のデューティ比を制御するが、温度検出回路１１の出力電圧レベルにより温度の過昇を検出するとパワ−ＭＯＳトランジスタ４、５への通電を禁止する。この種の充電装置１を構成するＤＣ／ＤＣコンバ−タ自体は周知の構成であり、これ以上の説明を省略する。

温度検出回路１１の回路構成を図２を参照して説明する。サーミスタ１２は抵抗素子１３〜１５と分圧回路１６を構成している。ＩＣ１はコンパレータ１７のオペアンプ、Ｒ５、Ｒ６はコンパレータ１７に接続される抵抗素子である。制御回路１０は、温度検出回路１１からの入力信号電圧に基づいてサーミスタ１２の検出温度が所定値を超えたと判定した場合にパワ−ＭＯＳトランジスタ４、５のスイッチングを停止するように抵抗素子１３〜１５、Ｒ５、Ｒ６は定数設定されている。

Ｈは温度検出回路１１に電源回路Ｅ１が出力する電源電圧のうち高電位側の電位を印加する高電位側電源線、Ｌは温度検出回路１１に電源回路Ｅ１の低電位側の電位を印加する低電位側電源線、Ｘはサーミスタ１２の第２の端子、Ｙはサーミスタ１２の第１の端子であり、サーミスタ１２の第１の端子Ｙはこの低電位側電源線Ｌに接続されている。電源回路Ｅ１はバッテリ２から給電されて制御用の定電圧を形成する定電圧回路により構成されている。この種のサーミスタ式温度検出回路自体も周知の構成であり、これ以上の説明を省略する。

以下、この実施例の特徴をなすサーミスタ１２の配置、接続について図２に示す充電装置１の模式縦断面図例を参照して説明する。

２０はこの充電装置１を収容するケースの底板を兼ねる長方形のヒートシンクであり、その外縁部には角枠状の突柱２１が立設されている。ヒートシンク２０の上面には絶縁フィルムを介してパワ−ＭＯＳトランジスタ４、５、昇圧トランス６、ダイオードブリッジ形式の整流回路７が固定されているが、図３ではパワ−ＭＯＳトランジスタ４、５だけが図示されている。

２２は制御回路１０が実装されたプリント回路基板、２３はねじであり、プリント回路基板２２はねじ２３によりヒートシンク２０の突柱２１の頂面に固定されている。２４はプリント回路基板２２の下面に形成された銅箔からなる導体層パターン（ヒートシンク密着導体層）であり、突柱２１の頂面に密着している。２５はプリント回路基板２２の下面に形成された銅箔からなる導体層パターンであり、導体層パターン２５にはプリント回路基板２２の下面に実装されたサーミスタ１２の第１の端子Ｘがはんだ付けされている。また、サーミスタ１２の第２の端子Ｙは導体層パターンすなわちヒートシンク密着導体層２４にはんだ付けされている。図３では図示しない電源回路Ｅ１や温度検出回路１１の他の回路素子もプリント回路基板２２に実装されている。

電源回路Ｅ１は、温度検出回路１１及びサーミスタ１２の第２の端子Ｙに低電位側の電位をヒートシンク２０及び導体層パターン２４を通じて低電位を印加し、したがって、図１、図２に示す低電位側電源線Ｌは、主としてヒートシンク２０により構成されている。このようにすれば、サーミスタ１２を有する温度検出回路１１は、ヒートシンク２０の温度を良好に検出することができ、このヒートシンク温度に基づいて、パワ−ＭＯＳトランジスタ４、５を推定してそれらへの通電を制御することによりパワ−ＭＯＳトランジスタ４、５の温度過昇を良好に防止することができる。

また、この実施例では、サーミスタ１２の第２の端子Ｙがヒートシンク密着導体層である導体層パターン２４にはんだ付けされているため、サーミスタ１２は導体層パターン２４を通じて電位を印加されるとともにヒートシンク２０に良好に熱結合されることができ、ヒートシンク２０の温度を良好に検出することができる。また、ヒートシンク２０の温度に比例するその出力電圧を検出するための回路である温度検出回路１１の基準電圧をこのヒートシンク２０の電位を基準として行っているために、サーミスタ１２の第２の端子Ｙ及び温度検出回路１１に電源回路Ｅ１の低電位を印加することによる問題は派生することはない。なお、コンパレータＩＣ１の電源電圧のうちの低電位側の電位も電源回路Ｅ１から印加することが好ましいが、別に作成してもよい。

他の実施例を図４を参照して説明する。

この実施例は、図３に示す導体層パターン２４、２５を回路基板２２の上面に配置したものであり、このようにすれば、ヒートシンク密着導体層である導体層パターン２４にはんだ付けされたサーミスタ１２の第２の端子Ｙは、導体層パターン２４、ねじ２３を通じてヒートシンク２０の温度を良好に検出できるとともに、ヒートシンク２０を低電位側の電源線として利用することができる。

他の実施例を図５を参照して説明する。

この実施例は、導体層パターン２４を図３と同じくプリント回路基板２２の下面に形成し、導体層パターン２５をプリント回路基板２２の上面に形成したものであり、サーミスタ１２の第２の端子Ｙはプリント回路基板２２の端子貫通孔を通じてプリント回路基板２２の下面に貫通し、導体層パターン２４にはんだ付けされている。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

（変形態様）
その他、サーミスタ１２をプリント回路基板２２の上面に実装し、その第２の端子Ｙがプリント回路基板２２を貫通しない場合、たとえばプリント回路基板２２を厚さ方向に貫通して突柱２１の頂面に密着するビアホール導体を用いることにより、ヒートシンク２０の熱をプリント回路基板２２の上面に導くことができ、この熱をこのビアホール導体に接続されるべくプリント回路基板２２の上面に形成された導体層パターンなどによりサーミスタ１２の第２の端子Ｙに導入し、かつ、サーミスタ１２に電源電力を給電することができる。

（変形態様）
図３に示すように、サーミスタ１２の表面は導体層パターン２４に密着させると、サーミスタ１２は更に良好にヒートシンク２０の温度を検出することができる。

本発明のヒートシンクを有する電子回路装置を適用した充電装置を示す回路図である。 図１に示す温度検出回路を示す回路図である。 図１、図２に示す装置の一実施例を示す模式縦断面図である。 他実施例を示す模式縦断面図である。 他実施例を示す模式縦断面図である。

符号の説明

Ｅ１ 電源回路
ＩＣ１ コンパレータ
Ｌ 低電位側電源線
Ｘ サーミスタの非接地側の端子
Ｙ サーミスタの接地側の端子
１ 充電装置
２ バッテリ
４、５ パワ−ＭＯＳトランジスタ
６ 昇圧トランス
７ 整流回路
８ チョークコイル
９ 電流検出用抵抗素子
１０ 制御回路
１１ 温度検出回路
１２ サーミスタ
１３〜１５ 抵抗素子
１６ 分圧回路（温度検出回路）
１７ コンパレータ
２０ ヒートシンク
２１ 突柱
２２ プリント回路基板
２４ 導体層パターン（ヒートシンク密着導体層）

Claims (3)

1. ヒートシンクと、
   前記ヒートシンクに固定される回路基板と、
   前記回路基板に実装されて前記ヒートシンクの温度を検出するサーミスタを有する温度検出回路と、
   を有するヒートシンクを有する電子回路装置において、
   前記ヒートシンクに熱伝導良好に固定されて入力電力に応じて発熱する発熱回路と、
   前記回路基板に実装されるとともに前記サーミスタが検出した前記ヒートシンクの温度に基づいて前記発熱回路の電流を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記ヒートシンクは、前記回路基板に向けて突出するとともに頂面に前記回路基板が締結される少なくとも１つの突柱を有し、
   前記回路基板は、
   前記サーミスタの第１の端子に接合されるとともに前記第１の端子に近接して前記ヒートシンクに密着する形状と配置とを有するヒートシンク密着導体層を有し、
   前記ヒートシンク密着導体層は、
   前記回路基板の前記ヒートシンク側の表面に設けられて前記突柱の前記頂面に密着するか、又は、前記突柱の前記頂面に前記締結のためのねじ又はビアホール導体を通じて密着し、
   前記温度検出回路は、
   前記サーミスタの前記第１の端子の電位を低電位側の基準電位とするとともに、前記サーミスタの第２の端子の電位変化を増幅することを特徴とするヒートシンクを有する電子回路装置。
2. 請求項１記載のヒートシンクを有する電子回路装置において、
   前記温度検出素子又は前記温度検出回路は、
   前記ヒートシンク密着導体層及び前記ヒートシンクを通じて電源回路に接続されて前記ヒートシンク密着導体層及び前記ヒートシンクを通じて前記電源回路から電源電力を給電されることを特徴とするヒートシンクを有する電子回路装置。
3. 請求項１記載のヒートシンクを有する電子回路装置において、
   前記ヒートシンク密着導体層は、
   前記サーミスタの前記第１の端子に電位を付与する配線を兼ねるヒートシンクを有する電子回路装置。

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