CN103001456B - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

提供有电力转换装置。该电力转换装置包括：冷却本体（2），该冷却本体包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，其中，冷却剂流经的通道形成于冷却本体内部；半导体元件（1），该半导体元件设置在冷却本体的第一表面上，其中，冷却本体构造成冷却半导体元件；供给端口（7），该供给端口设置在冷却本体的第二表面上；排出端口（8），该排出端口设置在冷却本体的第二表面上；供给管道（3，5），该供给管道经由供给端口连接到冷却本体，其中，冷却剂从供给管道经由供给端口供给到冷却本体内；以及排出管道（4，6），该排出管道经由排出端口连接到冷却本体，其中，冷却剂从排出端口经由排出管道排出到外部。第二表面包括上侧和沿重力方向与该上侧相对的下侧，排出端口（8）设置在第二表面的上侧附近，而供给端口（7）设置在第二表面的下侧附近。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及一种电力转换装置，并更具体地涉及一种电力转换装置的冷却结构。

背景技术

一般来说，诸如用于将交流电转换成直流电的转换器或用于将直流电转换成交流电的逆变器之类的电力转换装置用于驱动交流（AC）电动机。特别是，电力转换装置的容量近年来不断增大。为此，采用水冷方法作为冷却方法，以应付所产生热量的增加（例如，参见JP-A-2005-117829）。

在此，将参照图6和7来描述现有技术的水冷电力转换装置的冷却结构。

图6是现有技术的电力转换装置的正面的立体图。图7是现有技术的电力转换装置的背面的立体图。附图标记101表示半导体开关元件，附图标记102表示冷却本体，附图标记103表示主管道（供水侧），附图标记104表示主管道（排水侧），附图标记105表示分支管道（供水侧），附图标记106表示分支管道（排水侧），附图标记107表示供水端口，而附图标记108表示排水端口。

将描述现有技术的水冷电力转换装置的结构。

在图6中，两个半导体开关元件101固定到板状冷却本体102。主管道（供水侧）103和主管道（排水侧）104设置在冷却本体102的两侧上。主管道（供水侧）103和冷却本体102通过分支管道（供水侧）105彼此连接。同样，主管道（排水侧）104和冷却本体102通过分支管道（排水侧）106彼此连接。同时，多个冷却本体102沿轴向串联设置。

在图7中，冷却本体102与分支管道（供水侧）105经由供水端口107彼此连接，该供水端口设置在冷却本体102的背面上。同样，冷却本体102与分支管道（排水侧）106经由排水端口108彼此连接，该排水端口设置在冷却本体102的背面上。

同时，设置在冷却本体102的背面上的供水端口107和排水端口108设置在对应的主管道附近，并在冷却本体沿轴向的中间附近。

下面，将描述现有技术的水冷电力转换装置的操作。

在图6和7中，例如，冷却水流入主管道（供水侧）103。此外，冷却水经由分支管道（供水侧）105和供水端口107流入冷却本体102。

同时，冷却水经过冷却本体102，因而，固定到冷却本体102的半导体开关元件101被冷却。然后，流经冷却本体102的冷却水经由排水端口108和分支管道（排水侧）106排放到主管道（排水侧）104。

已在以上描述现有技术的水冷电力转换装置的冷却结构。

现有技术的水冷电力转换装置的冷却结构具有如下问题。

现有技术的电力转换装置具有的问题是，例如在冷却水循环时，气泡根据冷却本体102的固定定向而倾向于留在冷却本体102内。

将参照图8来描述此问题。图8是现有技术的水冷电力转换装置的冷却本体的背面的（第一）内部视图。

如图8中所示，冷却水在冷却本体102内从供水端口107流向排水端口108。此时，当冷却水经过时，气泡倾向于留在冷却本体内的上部。当留有气泡时，留有气泡的一部分的导热率严重变差。为此，不可能充分冷却半导体开关元件101，因而，会担心半导体开关元件101被破坏。

此外，现有技术的电力转换装置具有的问题是：当例如在维修时排出冷却水时，根据冷却本体102的固定定向，冷却水倾向于留在冷却本体102内的下部。

将参照图9详细描述此问题。图9是现有技术的水冷电力转换装置的冷却本体的背面的（第二）内部视图。

如图9中所示，当例如在维修时要将冷却水排出时，冷却水倾向于留在冷却本体102内的下部。当留有冷却水时，会担心外围装置由于冷却水的喷溅而被破坏。此外，还担心由于留下的冷却水的质量下降而造成对冷却本体102的腐蚀。

此外，担心在留下的冷却水冻结时，例如在零下环境等中，冷却本体会被破坏。

此外，当例如将挠性管道用作现有技术中的水冷电力转换装置内的每个分支管道时，会有可组装性差的问题，这是因为主管道（供水侧）103与供水端口107之间的距离以及主管道（排水侧）104与排水端口108之间的距离较短。

具体来说，由于挠性管道的收缩程度较小，所以难以例如向后在两个位点之间安装挠性管道。为此，在组装时组装误差和吸收量减小。由此，挠性管道不能在没有过分收缩的情况下进行组装。由此，不合理的力施加于管道系统的一定部分。此外，组装的次序也受限制。此外，维护、拆卸和更换也不容易。

此外，由于对应的主管道设置在现有技术中的水冷电力转换装置内的冷却本体102的两侧，所以还有电力转换装置的整个宽度增大的问题。

由此，为了解决上述问题，本发明的目的是防止电力转换装置的冷却结构的性能变差或退化。

发明内容

根据本发明的一个或多个方面，提供了一种电力转换装置。电力转换装置包括：冷却本体（2），该冷却本体包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，其中，冷却剂流经的通道形成于冷却本体内部；半导体元件（1），该半导体元件设置在冷却本体的第一表面上，其中，冷却本体构造成冷却半导体元件；供给端口（7），该供给端口设置在冷却本体的第二表面上；排出端口（8），该排出端口设置在冷却本体的第二表面上；供给管道（3，5），该供给管道经由供给端口连接到冷却本体，其中，冷却剂从供给管道经由供给端口供给到冷却本体内；以及排出管道（4，6），该排出管道经由排出端口连接到冷却本体，其中，冷却剂从排出端口经由排出管道排出到外部。第二表面包括上侧和沿重力方向与该上侧相对的下侧，排出端口（8）设置在第二表面的上侧附近，而供给端口（7）设置在第二表面的下侧附近。

根据本发明，可以防止电力转换装置的冷却结构的性能变差或退化。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的电力转换装置的正面的立体图；

图2是根据本发明的第一实施例的电力转换装置的背面的立体图；

图3是根据本发明的第一实施例的电力转换装置的冷却本体的背面的（第一）内部图；

图4是根据本发明的第一实施例的电力转换装置的冷却本体的背面的（第二）内部图；

图5是根据本发明的第二实施例的电力转换装置的冷却本体的背面的内部图；

图6是现有技术的电力转换装置的正面的立体图；

图7是现有技术电力转换装置的背面的立体图；

图8是现有技术的水冷电力转换装置的冷却本体的背面的（第一）内部图；以及。

图9是现有技术的水冷电力转换装置的冷却本体的背面的（第二）内部图。

具体实施方式

下面，将参照附图来描述本发明的实施例。然而，下述说明仅是本发明的示例，并且本发明不限于下述说明。即，本发明可以由本领域的技术人员以各种方式来修改，而不脱离本发明的范围。

首先，将参照图1和2描述根据本发明第一实施例的电力转换装置的结构。

图1是根据本发明的第一实施例的电力转换装置的正面的立体图。图2是电力转换装置的背面的立体图。附图标记1表示半导体开关元件，附图标记2表示冷却本体，附图标记3表示主管道（供水侧），附图标记4表示主管道（排水侧），附图标记5表示分支管道（供水侧），附图标记6表示分支管道（排水侧），附图标记7表示供水端口，而附图标记8表示排水端口。

参照图1来描述电力转换装置的正面。

在图1中，两个半导体开关元件1固定到一个板状冷却本体2。主管道（供水侧）3和主管道（排水侧）4设置在冷却本体2的背面中间附近，以与冷却本体2间隔开。主管道（供水侧）3和主管道（排水侧）4在背面通过分支管道连接到冷却本体2，但这将稍后作描述。此外，多个冷却本体2沿轴向串联设置。同样，对应的冷却本体2在背面通过分支管道连接到冷却本体2。

例如，水冷本体可用作冷却本体2。在此情况下，在冷却本体2内形成冷却水所流经的空间（制冷通道）。

泵安装成冷却水作为整体向下供给以及向上排出。此外，泵（未示出）安装在上侧。泵连接到主管道（供水侧）3和主管道（排水侧）4。冷却水在每个主管道内沿上述方向通过泵的操作来循环。

此外，排水塞（未示出）设置在主管道（供水侧）3和主管道（排水侧）4的每个上（例如在下部），在维修等的时候，水可通过该排水塞排出。

参照图2来描述电力转换装置的背面。

在图2中，冷却本体2经由供水端口7通过分支管道（供水侧）5连接到主管道（供水侧）3。同样，冷却本体2经由排水端口8通过分支管道（排水侧）6连接到主管道（排水侧）4。

供水端口7设置在每个冷却本体2背面的下角落附近。排水端口设置在每个冷却本体2背面的上角落附近。

此外，供水端口7连接到主管道（供水侧）3，而主管道（排水侧）4间设在主管道（供水侧）3与供水端口7之间。分支管道（供水侧）5用于这种连接。同时，分支管道（供水侧）5经过主管道（排水侧）4的后侧，并连接到供水端口7。

同时，排水端口8连接到主管道（排水侧）4，而主管道（供水侧）3间设在主管道（排水侧）4与排水端口8之间。分支管道（排水侧）6用于这种连接。同时，分支管道（排水侧）6经过主管道（供水侧）的后侧，并连接到排水端口8。

例如，挠性管道可用作分支管道（供水侧）5和分支管道（排水侧）6。同时，例如，不锈钢（SUS）、铝、铜、橡胶等可用作挠性管道的材料。

在此，主管道（供水侧）3和主管道（排水侧）4并联地设置在冷却本体2的中间位置附近。

同时，供水端口7连接到主管道（供水侧）3，而主管道（排水侧）4间设在主管道（供水侧）3与供水端口7之间。即，远离供水端口7的主管道作为主管道（供水侧）3而连接到供水端口7。为此，用于这种连接的分支管道（供水侧）5比现有技术中的分支管道（供水侧）长。

同样，排水端口8连接到主管道（排水侧）4，而主管道（供水侧）3间设在主管道（排水侧）4与排水端口8之间。即，远离排水端口8的主管道作为主管道（排水侧）4而连接到排水端口8。为此，用于此连接的分支管道（排水侧）6比现有技术中的分支管道（排水侧）长。

接下来，将参照图1和2描述根据本发明的第一实施例的电力转换装置的操作。

在图1和2中，冷却水从泵（未示出）经由主管道（供水侧）3强制送出。此外，送出的冷却水从分支管道（供水侧）5经由供水端口7流入冷却本体2。

已流入冷却本体2的冷却水通过经过在冷却本体内形成的通道而经过冷却本体2的内部。此时，由固定到冷却本体2的外表面的半导体开关元件1产生的热量损失经过冷却本体2的表面传递到冷却水，该冷却水强制流经形成于冷却本体2内的通道。由此，可以冷却半导体开关元件1并抑制每个半导体开关元件的温升。

此外，已经过冷却本体2内部的冷却水经由排水端口8和分支管道（排水侧）6排出到主管道（排水侧）4。

上面已描述根据本发明的第一实施例的电力转换装置的结构和操作。

根据本发明的第一实施例，由于排水端口8设置在每个冷却本体2的后表面的上部，气泡从冷却本体2的内部经由排水端口8排出到外部。由此，可以使气泡几乎不留在冷却本体内。

将参照图3详细描述此优点。

图3是根据本发明的第一实施例的电力转换装置的冷却本体的背面的（第一）内部图。如图3中所示，在冷却水循环时，冷却水从供水端口7沿冷却本体2内的通道流向排水端口8。此时，当冷却水经过时，气泡倾向于留在冷却本体内的上部。然而，由于排水端口8形成于冷却本体的上部，所以气泡能经由排水端口8排出到外部。

由于以此方式去除在冷却本体2内产生的气泡，所以可以在冷却水循环时将不包含气泡的冷却水继续供给到冷却本体2内。

由此，可以抑制留有气泡的一部分的导热率变差，而这种变差是由于气泡留在冷却本体2内造成的。为此，还可以防止半导体开关元件1的冷却效率变差。

此外，根据本发明的第一实施例，由于供水端口7设置在每个冷却本体2的背面的下部，所以当例如在维修时将排出冷却水时，冷却水从冷却本体2的内部经由供水端口7排出到外部。由此，可以使冷却水几乎不留在冷却本体内。

将参照图4详细描述此优点。

图4是根据本发明的第一实施例的电力转换装置的冷却本体的背面的（第二）内部图。如图4中所示，在维护冷却水等时，冷却水从冷却本体2内的下部排出。此时，冷却水倾向于留在冷却本体的下部。然而，由于供水端口7形成于冷却本体的下部，所以冷却水能经由供水端口7排出到外部。

由于这样在维护时冷却水几乎不会留在冷却本体2内，所以可以不用担心冷却水溅射到外围装置上，也不用担心由于留下的冷却水的质量下降而造成冷却本体2腐蚀等。

此外，还可以防止由于留下的冷却水冻结而造成冷却本体2被破坏。

此外，根据本发明的第一实施例，由于主管道（供水侧）3与主管道（排水侧）4设置在冷却本体2的背面的中间附近，所以可以减少电力转换装置的整体宽度。由此，可以减小电力转换装置的尺寸。

此外，根据本发明的第一实施例，供水端口7和主管道（供水侧）3之间的距离（等于分支管道（供水侧）5的长度）可以设定成比供水端口7与主管道（排水侧）4之间的距离大。此外，排水端口8和主管道（排水侧）4之间的距离（等于分支管道（排水侧）6的长度）可以设定成比排水端口8与主管道（供水侧）3之间的距离大。由此，当例如挠性管道用作每个分支管道5和6时可以提高可组装性。

即，挠性管道的收缩量通常较小。然而，由于供水端口7与主管道（供水侧）3之间的距离以及排水端口8与主管道（排水侧）4之间的距离中的每个距离在第一实施例中都设定成较长，所以即便当采用挠性管道时，也可以例如将挠性管道容易地向后安装在两个位点之间。由此，由于可以增大组装差错和吸收量，不必在组装挠性管道时过度收缩挠性管道。因此，还可以防止不合理的力施加于管道系统。此外，组装的次序也不受限制。还有，还可以容易地维修、拆卸和更换。

此外，根据本发明的第一实施例，由于主管道（供水侧）3与主管道（排水侧）4设置在冷却本体2背面的中间附近（即，在冷却本体2的中间位置附近），所以可以减小电力转换装置的整体宽度。由此，可以减小电力转换装置的尺寸。

上面已描述了本发明的第一实施例的优点。

接下来，将参照图5描述根据本发明第二实施例的电力转换装置的结构。图5是根据本发明的第二实施例的电力转换装置的冷却本体背面的内部图。

电力转换装置的正面的结构对于第一和第二实施例来说是相同的。主管道（供水侧）3与主管道（排水侧）4设置在冷却本体2背面的中间附近的结构对于第一和第二实施例来说也是相同的。此外，供水端口7的位置对于第一和第二实施例来说也是相同的。未具体示出的其它结构对于第一和第二实施例来说也是相同的。

然而，第二实施例与第一实施例的区别在于排水端口8的位置。在此，排水端口8形成于沿轴向经过供水端口7的管道的延长线上。此外，第二实施例与第一实施例的区别甚至在于双（上和下）通道，这些通道使冷却水从下侧流到上侧，并作为用于冷却水的通道形成于冷却本体2内。在此，下通道设有供水端口7，而上通道设有排水端口8。

接下来，将同样参照图5描述根据本发明第二实施例的电力转换装置的操作。

电力转换装置的基本操作对于第一和第二实施例来说是相同的，但第二实施例与第一实施例的区别在于冷却本体2内的冷却水的流动。已从供水端口7流入冷却本体2的冷却水在经过形成于冷却本体内的下通道之后经上通道到达排水端口8。此外，冷却水通过行进到来自排水端口8的管道而进行循环。

上面已描述了本发明的第二实施例的电力转换装置的结构和操作。

根据本发明的第二实施例，由于排水端口8设置在每个冷却本体2的背面的上部，所以气泡从冷却本体2的内部经由排水端口8排出到外部。由此，可以使气泡几乎不留在冷却本体内。

此外，根据本发明的第二实施例，由于供水端口7设置在每个冷却本体2的背面的下部，所以当冷却水在例如维护时被排出时，冷却水从冷却本体2的内部经由供水端口7排出到外部。由此，可以使冷却水几乎不留在冷却本体内。

上面已描述了本发明的第二实施例的优点。

同时，在第一和第二实施例中，供水端口7设置在冷却本体的下部，但本发明并不限于此。相反，即便排水端口8设置在冷却本体的下部，冷却水在维护时也经由该排出端口排出。由此，可以使冷却水几乎不留在冷却本体2内。

此外，在第一和第二实施例中，供水端口7和排水端口8设置在冷却本体的角落附近，但本发明不限于此。排水端口8仅必须设置在冷却本体2的内部的上部，以使气泡能排出到外部。供水端口7仅必须设置在冷却本体2的内部的下部，以使冷却水能排出到外部。

同时，供水端口7与主管道（供水侧）3之间的距离以及排水端口8与主管道（排水侧）4之间的距离在第一和第二实施例中都已设定成较长。然而，即便这些距离中的任一个设定成较长，也可以提高可组装性许多。

此外，主管道（供水侧）3和主管道（排水侧）4在第一和第二实施例中设置在冷却本体2的中间位置附近。然而，主管道（供水侧）3与主管道（排水侧）4可以如现有技术中那样设置在冷却本体2的两侧，且供水端口7与排水端口8可以与现有技术中相反地定位。即，供水端口7设置在远离主管道（供水侧）3的位置处，而排水端口8设置在远离主管道（排水侧）4的位置处。这样，可以加大主管道（供水侧）3与供水端口7之间的距离。此外，主管道（排水侧）4与排水端口8之间的距离也可以增大。

此外，在第一和第二实施例中，泵安装在上侧，以使冷却水作为整体向下供给以及向上排出。然而，使冷却水循环的泵的安装位置不限于上侧。泵仅必须设置在泵能使冷却水循环的位置处。此外，冷却水可以沿与第一和第二实施例中的方向相反的方向供给和排出。

同时，水冷本体用作第一和第二实施例中的冷却本体2，但冷却本体2不限于水冷本体。可以使用采用其它制冷剂作为冷却剂的冷却本体。

此外，挠性管道用作第一和第二实施例中的分支管道中的每个管道，并且每个分支管道不限于挠性管道。可以使用任何构件，只要构件由像挠性管道的弹性材料制成。

此外，冷却本体2在第一和第二实施例中具有矩形形状。然而，冷却本体2的形状不必限制于矩形形状。冷却本体2可具有正方形形状或大体柱形。

此外，半导体开关元件1可安装在单独的冷却本体2上，以对应于各阶段，对应的主管道可连接成对应于对应的冷却本体2的各阶段，而对应的冷却本体2可串联连接。具体来说，安装在冷却本体2上的半导体开关元件1从上侧到下侧依次对应于U阶段、V阶段和W阶段。在此情况下，由于对应的主管道可串联连接成对应于各个阶段，所以可以简化管道。

此外，垂直位置可改变成与图1和2中所示的垂直位置倒置的垂直位置。此外，即使垂直位置并非精确地是垂直位置并包含倾斜元素，但垂直结构仅必须实现成能实现本发明的操作。

同时，将要冷却的目标物体在第一和第二实施例中是半导体开关元件1，但将要冷却的目标物体不限于是半导体开关元件1。除了半导体开关元件以外，使由半导体开关元件转换的电流平稳的电容器、用于实现电容器的电压平衡的电阻器、抑制半导体开关元件的电涌的电容器或电阻器、反应器、基片等可用作将要冷却的物体。

此外，在第一和第二实施例中，供水端口7和排水端口8安装在冷却本体的与其安装有半导体开关元件1的外表面（正面）相对的表面（背面）上，但冷却本体的安装有供水端口7和排水端口8的表面并不限于此。如果可能，供水端口7与排水端口8可设置在冷却本体的正面上。

此外，在第一和第二实施例中，主管道（供水侧）3、主管道（排水侧）4、分支管道（供水侧）5和分支管道（排水侧）6是圆柱形管道，但不限于此。这些管道可以具有诸如板状而不是圆柱形的形状。

尽管描述了一定的实施例，但这些实施例仅借助示例来表示，并不意在限制本发明的范围。实际上，文中所述的新颖的方法和系统可以多种其它方式来实施。此外，可以进行文中所述的方法和系统的形式上的各种省略、替代和改变，而不脱离本发明的精神。所附权利要求书及其等同物意在覆盖如将落入本发明的精神和范围的这种形式或修改。

Claims (9)

1.一种电力转换装置，包括：

冷却本体(2)，所述冷却本体包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中，冷却剂所流经的通道形成于所述冷却本体内部；

半导体元件(1)，所述半导体元件设置在所述冷却本体的所述第一表面上，其中，所述冷却本体构造成冷却所述半导体元件；

供给端口(7)，所述供给端口设置在所述冷却本体的所述第二表面上；

排出端口(8)，所述排出端口设置在所述冷却本体的所述第二表面上；

供给管道(3，5)，所述供给管道经由所述供给端口连接到所述冷却本体，其中，所述冷却剂从所述供给管道经由所述供给端口供给到所述冷却本体内；以及

排出管道(4，6)，所述排出管道经由所述排出端口连接到所述冷却本体，其中，所述冷却剂经由所述排出管道从所述排出端口排出到外部，

其中，所述第二表面包括上侧和沿重力方向与所述上侧相对的下侧，以及

所述排出端口(8)设置在所述第二表面的所述上侧附近，而所述供给端口(7)设置在所述第二表面的所述下侧附近；

所述供给管道包括：

主供给管道(3)，所述冷却剂从外部供给到所述主供给管道；以及

分支供给管道(5)，所述分支供给管道连接所述主供给管道(3)和所述供给端口(7)，以及

所述排出管道包括：

主排出管道(4)，所述冷却剂从所述主排出管道排出到外部；以及

分支排出管道(5)，所述分支排出管道连接所述主排出管道(4)和所述排出端口(8)；

所述分支排出管道的长度大于所述排出端口(8)与所述主供给管道(3)之间沿垂直于重力方向的距离。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，

其特征在于，所述冷却本体形成为板状，以及

所述排出端口设置在所述第二表面的上角落附近。

3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，

所述供给端口设置在所述第二表面的下角落附近。

4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，所述分支供给管道(6)的长度大于所述供给端口(7)与所述主排出管道(4)之间沿垂直于重力方向的距离。

5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述分支排出管道是挠性管道。

6.如权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于，

所述分支供给管道是挠性管道。

7.如权利要求5或6所述的电力转换装置，其特征在于，

所述主供给管道(3)与所述主排出管道(4)设置在所述冷却本体的中间位置附近。

8.如权利要求5或6所述的电力转换装置，其特征在于，

所述主供给管道(3)与所述主排出管道(4)设置在所述供给端口(7)与所述排出端口(8)之间。

9.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述半导体元件(1)包括用于第一阶段的第一半导体元件和用于第二阶段的第二半导体元件，

所述冷却本体(2)包括串联设置的第一冷却本体和第二冷却本体，

所述第一半导体元件设置在所述第一冷却本体上，而所述第二半导体元件设置在所述第二冷却本体上。