CN103391017B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电力转换装置。根据实施方式的电力转换装置包括冷却套。冷却套包括安装面，其上安装包括功率半导体器件的功率模块；多个散热片，其沿着预定方向布置在安装面的背侧的几乎整个区域上；以及凸台，其沿着预定方向布置在背侧的几乎整个区域的中央区域中。

Description

电力转换装置
技术领域
这里讨论的实施方式涉及一种电力转换装置。
背景技术
已知下述传统的电力转换装置，其安装在混动车和电动车上以用于牵引电动机的驱动控制。电力转换装置将电池的DC电力转换为三相AC电力以驱动牵引电动机并且还将牵引电动机在急减速时的再生电力返回到电池。
电力转换装置安装有诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）的功率半导体器件并且还安装有串行布置的功率模块，从而通过使用功率模块执行三相AC电力转换。
由于功率模块控制大电流以驱动牵引电动机，因此功率模块具有非常大的热量。为此，通常的是，电力转换装置包括用于功率模块的冷却机构。在混动车或电动车中，冷却机构在很多情况下采用具有高冷却效率的水冷类型以便于在有限的安装空间中高效地执行冷却。
例如，日本特开专利公开No.2008-311550中公开的功率（半导体）模块串行地布置在基板的表面侧上。在基板的背侧上，设置有与基板成为一体的沿着功率模块的阵列方向平行延伸的散热片。
冷却套固定在基板的背侧上以覆盖散热片。结果，在基板与冷却套之间形成了其中冷却介质在散热片之间流过的冷却介质流路。
传统的电力转换装置具有进一步的改进空间，即，要求冷却机构的压力损失与冷却效率之间的平衡。更具体地，如上所述，在使得冷却介质在散热片之间流过的冷却机构的情况下，通过增加散热片的数目来加速冷却介质的流速并且因此增强冷却效率。然而，存在的问题是，这同时使得压力损失也增加。
鉴于上述问题实现了实施方式的一方面，并且实施方式的目的在于提供一种电力转换装置，其能够保持冷却机构的冷却效率与压力损失之间的平衡。
发明内容
根据实施方式的电力转换装置包括冷却套。冷却套包括安装面，其上安装包括功率半导体器件的功率模块；多个散热片，其沿着预定方向布置在安装面的背侧的几乎整个区域上；以及凸台，其布置在背侧的几乎整个区域的预定方向上的中央区域中。
根据实施方式的方面，能够保持冷却机构的压力损失与冷却效率之间的平衡。
附图说明
图1A是示出根据实施方式的包括电力转换装置的电动机驱动系统的构造的示意图。
图1B是示出根据实施方式的电力转换装置的构造的示意性透视图。
图1C是示出用于冷却水的循环系统的示意图。
图2A是从图1B的A-A’线看的截面图。
图2B是图2A中所示的M1部的放大示意图。
图3A是示出功率模块的构造的示意性透视图。
图3B是示出功率模块的构造的示意性平面图。
图4A是从冷却套的表面侧看的示意性透视图。
图4B是从冷却套的背侧看的示意性透视图。
图5是解释由凸台获得的效果的示意图。
图6A是示出其中提供了伪凸台的替选示例的示意图。
图6B是示出其中供水管与排水管彼此相对布置的替选示例的示意图。
图7A和图7B是示出第一验证示例的前提条件的图。
图8A至图8D是示出第二验证示例的前提条件的图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细描述根据本公开的实施方式的电力转换装置。另外，下面公开的实施方式不意在限制本发明。
下面，将描述处理三相交流电流的电力转换装置作为示例。这里，假设功率模块是包括IGBT作为开关元件的IGBT模块。冷却介质可以被称为“冷却水”。这里，“冷却水”是包括水或者除了水以外的冷却介质的冷却剂的示例。
为了使得说明容易理解，用于下面的描述的各图可以示出包括其竖直向上方向为正方向并且其竖直向下方向为负方向的Z轴的三维直角坐标系。在本实施方式中，直角坐标系中的X轴的正方向被定义为电力转换装置的前向。
下面，只有组件之一具有附图标记，并且可以省略其它组件的附图标记。在该情况下，具有附图标记的一个组件和其它组件具有相同的构造。
图1A是示出包括根据实施方式的电力转换装置10的电动机驱动系统1的构造的示意图。如图1A中所示，电动机驱动系统1包括车辆2、牵引电动机3、电池4和电力转换装置10。
车辆2是诸如混动车和电动车的汽车，其具有电动机（换言之，将在后面描述的牵引电动机3）作为驱动系统的动力源。
牵引电动机3是车辆2的驱动系统的动力源并且由IPM电动机（内置式永磁电动机）等等构成。虽然在图1A中示出了驱动系统的驱动方法是前轮驱动的情况，但是车辆2的驱动方法不限于此。
电池4是所谓的二次电池，其将电力经由电力转换装置10提供到牵引电动机3并且经由电力转换装置10积累再生电力。
电力转换装置10将来自电池4的DC电力转换为三相AC电力以驱动牵引电动机3。此外，电力转换装置10将牵引电动机3在急减速期间的再生电力返回到电池4以对电池4进行充电。当车辆2是混动车时，电力转换装置10在利用引擎的正常运行期间利用来自用作发电机的牵引电动机3的电力对电池4进行充电。
接下来，将参考图1B描述电力转换装置10的构造。图1B是示出根据实施方式的电力转换装置10的构造的示意性透视图。如图1B中所示，电力转换装置10包括外壳11、盖12、支架13、供水管14和排水管15。
外壳11是具有基本上长方形形状并且其上面开口的容纳部。外壳11容纳将在下面描述的功率模块、冷却机构等等。盖12固定到开口的壳体11的上表面上。
支架13是电力转换装置10安装在车辆2上时的电力转换装置10的支撑件。
供水管14用于冷却水循环并且是从泵5（参见图1C）提供的冷却水的进水口。排水管15是设置在与其上设置供水管14的表面相对的表面上的冷却水的排水口。如图1B中所示，在本实施方式中，供水管14和排水管15被以不同的方式布置，从而彼此斜向相对。
电力转换装置10经由电动机线缆16连接到牵引电动机3。电力转换装置10经由电池线缆17进一步连接到电池4。
这里，将参考图1C描述用于冷却水的循环系统。图1C是示出用于冷却水的循环系统的示意图。在该情况下，图1C中所示的箭头指示冷却水的流动方向。
如图1C中所示，用于冷却水的循环系统包括泵5、散热器6、电力转换装置10和牵引电动机3。
首先，冷却水被从泵5传送到散热器6，并且其热在散热器6中散发。之后。冷却水被提供到电力转换装置10。在电力转换装置10中，通过使用所提供的冷却水来冷却功率模块。冷却水被进一步从电力转换装置10传送到牵引电动机3。
然后，牵引电动机3也由冷却水来冷却。之后，冷却水从牵引电动机3返回到泵5。冷却水通过循环系统循环。因此，例如，在循环系统中减少电力转换装置10的冷却机构的压力损失使得减少了泵5的负荷，减少了功耗并且使得泵5小型化。
接下来，将参考是从图1B的A-A’线看的截面图的图2A和是图2A中所示的M1部的放大图的图2B进一步详细描述电力转换装置10的构造。
如图2A中所示，电力转换装置10包括位于壳体11内的控制板11a、栅极板（gateboard）11b、功率模块11c和冷却机构20。这里，功率模块11c是电力转换装置的示例。冷却机构20是冷却装置的示例。
这里，在参考图2B进行描述之前，将参考图3A和图3B描述功率模块11c的详细构造。图3A是示出功率模块11c的构造的示意性透视图。图3B是示出功率模块11c的构造的示意性平面图。
如图3A中所示，功率模块11c是通过利用模制树脂11ca封装包括功率半导体器件（下面称为“半导体器件”）的电子组件获得的模块。在功率模块11c的主面的中央部中形成有作为贯通孔的螺栓孔11cb。
在功率模块11c上设置有主端子11cc和控制端子11cd。
如图3B中所示，在功率模块11c内以不同的方式布置一对开关元件11ce和一对整流元件11cf。这里，功率模块11c的主发热体是开关元件11ce。因此，功率模块11c的发热区域位于功率模块11c的左和右区域上，而其间布置有功率模块11c的主面的中央部。
在图3B中，开关元件11ce被示出为圆圈并且整流元件11cf被示出为矩形。这样的目的在于使其彼此区分。因此，实施方式不限于这些形状。
在本实施方式中，已经描述了整流元件11cf是续流二极管（FWDi）。然而，这不限制整流元件11cf的类型。
在本实施方式中，一个功率模块11c处理三相交流电流的单相交流电流。因此，三个功率模块11c变为处理三相交流电流所必需的部件。
返回图2B，将描述冷却机构20。如图2B中所示，冷却机构20包括冷却套21。冷却套21是流路形成装置的示例。
在冷却套21的表面侧形成有孔21a。此外，是基本上圆柱形突出的凸台21b形成冷却套21的背侧并且处于围绕孔21a的区域中。
这里，功率模块11c通过经由上述螺栓孔11cb（参见图3A）将螺栓B（紧固构件）与孔21a螺旋地接合来安装在冷却套21的表面侧。换言之，冷却套21的表面侧是功率模块11c的安装面。这里，螺栓B是固定装置的示例。功率模块11c的安装面是安装装置的示例。此外，凸台21b是用于固定固定装置和分离冷却介质的分离装置的示例。
如图2B中所示，根据凸台21b的突出长度，在冷却套21中在功率模块11c的安装面的背侧的（基本上）整个区域中形成多个散热片21c，其沿着图的Y轴平行地延伸。
这里，上述“背侧的（基本上）整个区域”表示冷却介质流路设置在其上安装有功率模块11c的安装面的背侧的区域。
此外，上述“平行”表示相同方向。此外，“突出长度”表示从凸台21b和散热片21c的根部位置到前端的长度。这里，散热片21c是散热装置的示例。
冷却套21是利用具有高导热率的诸如铝的材料的压铸品。因此，孔21a、凸台21b和散热片21c与冷却套21c成为一体。
盖22以距离凸台21b和散热片21c预定间隙安装在冷却套21的背侧。这里，由结点、垫圈等等密封冷却套21与盖22之间的空间。
结果，形成了包括上述预定间隙的冷却介质流路23，并且因此，冷却水流过冷却介质流路23。下面，沿着图的Y轴的方向可以被称为“预定方向”。
这里，将参考图4A和图4B说明基于上述描述的冷却套21的总构造。图4A是从冷却套21的表面侧看的示意性透视图。图4B是从冷却套21的背侧看的示意性透视图。
如图4A中所示，当电力转换装置10处理三相交流电流时，三个功率模块11c沿着图的Y轴并排地串行地布置在冷却套21上。这与功率模块应用于例如六相交流电流的情况类似。在该情况下，六个功率模块11c被并排地串行布置。
来自供水管14的冷却水沿着由图的箭头401指示的流动方向流动并且从排水管15排出。虽然冷却水的流动方向由图4A中的直线箭头401大致地指示，但是流动方向（和流速）能够由设置在冷却套21中的凸台21b严格地调整以保持冷却效率和压力损失的平衡并且高效地冷却功率模块11c。将参考图5对此进行详细描述。
由于凸台21b与设置在功率模块11c（参见图2B）的中央部中的螺栓孔11cb关联，因此凸台21b沿着图的Y轴布置在冷却套21的背侧的中央区域上，如图4B中所示。接下来，将参考图5描述由如上所述的凸台的布置获得的效果。
图5是解释由凸台21b获得的效果的示意图。如图5中所示，凸台21b沿着图的Y轴布置在冷却套21的背侧的中央区域上，并且因此，来自供水管14的冷却水容易被分到冷却套21的左和右区域（参见图中的空白箭头）。
这表示冷却水的流速容易在冷却套21的左和右区域中增加，也就是说，冷却效率容易在冷却套21的左和右区域中得到改进。
如上面参考图3B所描述的，功率模块11c的主发热区域分布在功率模块11c的左和右侧，而在其间布置有其中央部。因此，如上所述，由于凸台21b容易将冷却水分到冷却套21的左和右区域中，因此，功率模块11c的发热区域能够得到高效的冷却。
如图的黑箭头所指示的，由于凸台21b沿着图的Y轴布置在冷却套21的背侧的中央区域上，因此，在凸台21b的周围容易发生冷却水的湍流。由于利用湍流适度地激荡冷却水，因此，能够获得改进冷却效率的效果。
与没有通过在冷却套21的背侧均匀地提供散热片21c来提供凸台21b的情况相比，提供凸台21b的情况由于在冷却套21的背侧与冷却水的接触面积变小而减少了压力损失。
与完全没有提供凸台21b的情况相比，本实施方式根据如图5中所示的提供三个凸台21b的情况的实验数据获得了压力损失减少5%的验证结果。利用将在下面描述的“第一验证示例”详细描述验证结果。
因此，根据实施方式的电力转换装置10能够将冷却水分到冷却套21的左和右区域中并且增强左和右区域中的流速并且因此能够改进冷却效率并且还减少了压力损失。换言之，能够保持冷却机构20的冷却效率与压力损失的平衡。
在图5中，已经描述了通过沿着图的Y轴在冷却套21的背侧的中央区域中布置凸台21b而容易地将冷却水分到冷却套21的左和右区域中。除此之外，可以进一步提供分离冷却水的机构。
例如，凸台21b可以具有在图5的黑箭头的方向上延伸的片。替选地，可以在凸台21b之间提供基本上垂直于冷却水的流动方向的片。
到目前为止，已经描述了提供对应于功率模块11c的凸台21b作为示例。可以在冷却套21的背侧的中央区域中提供不对应于功率模块11c的所谓的伪凸台21b’。
将参考图6A描述该替选示例。图6A是示出提供伪凸台21b’的替选示例的示意图。
如图6A中所示，电力转换装置10能够在冷却套21的背侧的中央区域中设置有不对应于功率模块11c的凸台21b’。换言之，凸台21b’是没有用作用于固定功率模块11c的螺栓B的螺栓接收件的突出。
因此，凸台21b’用于保持冷却机构20的冷却效率与压力损失的平衡。在图6A中，已经示出了凸台21b’以距离凸台21b相等的间隔设置在凸台21b之间。然而，本实施方式不限于此。此外，凸台21b’的数目不限于此。
换言之，仅需要将凸台21b’布置在使得冷却效率与压力损失的平衡最优的位置处。仅需要基于电力转换装置10的设计过程中的模拟结果、验证过程中的试验数据等等来确定布置位置。
到目前为止，已经描述了供水管14和排水管15布置为彼此斜向相对。它们也可以被布置为彼此相对。
将参考图6B描述该替选示例。图6B是示出供水管14和排水管15彼此相对地布置的替选示例的示意图。
如图6B中所示，当凸台21b布置在冷却套21的背侧的中央区域中时，如上所述，冷却水被分到冷却套21的左和右区域中并且被容易地激荡。
因此，即使供水管14和排水管15被布置为彼此相对，功率模块11c也能够得到高效的冷却而没有减少冷却效率。
为了保持冷却机构20的冷却效率和压力损失的平衡，可以考虑供水管14与排水管15之间的布置的位置。换言之，在除了考虑凸台21b和上述凸台21b’的布置位置和数目之外还考虑供水管14与排水管15之间的布置位置的情况下，仅需要调整冷却效率和压力损失使得其平衡最优。
显而易见的是，能够增加构成冷却机构20的其它分量以执行该调整。虽然未示出，但是例如，可以增加散热片21c的突出长度。与此相关的是，可以增加凸台21b的突出相对于散热片21c的突出长度的长度。例如，假设凸台21b的突出长度短于散热片21c的突出长度，则能够获得轻量化的效果。
相反地，凸台21b的突出长度可以长于散热片21c的突出长度。顺便提及，在本实施方式中，该情况的验证结果示出了冷却效率的增强。由将在下面描述的“第二验证示例”来示出验证结果。
到目前为止，已经描述了凸台21b或凸台21b’被串行地布置在冷却套21的中央部中。然而，本实施方式不限于此。例如，可以进行之字形布置。
接下来，对本实施方式的第一和第二验证示例进行描述。在第一和第二验证示例中，使用与图4A和图4B相同类型的冷却套21，其外尺寸为200mm（长度：Y方向）×60mm（宽度：X方向）×20mm（高度：Z方向）并且额定流量为10L/分钟。
第一验证示例
图7A和图7B是示出第一验证示例的前提条件的图。首先，根据第一验证示例，当冷却水的流量在其中不存在凸台21b的图7A中所示的冷却套21’（下面称为“无凸台”）和其中存在凸台21b的图7B中所示的冷却套21（下面称为“有凸台”）中为10L/分钟和20L/分钟时，对其压力损失进行比较。
在流量为10L/分钟和20L/分钟的任何情况下，冷却水的基准温度为20摄氏度。此外，温度的测量点位于分别对应于图7A和图7B中所示的“U相”、“V相”和“W相”的开关元件11ce附近。由表1示出由前提条件验证的第一验证示例的验证结果。
表1
如表1中所示，在冷却水的流量为10L/分钟和20L/分钟的任一情况下，与“无凸台”相比，“有凸台”能够将压力损失减少5%。换言之，能够通过提供凸台21b来减少压力损失。由于压力损失减少，因此，泵5的负荷减小并且能够实现小型化。
第二验证示例
接下来，图8A至图8D是示出第二验证示例的前提条件的图。这里，图8A至图8D是通过进一步简化图2B的放大示意图而获得的图。在第二验证示例中，在通过不同地组合凸台21b的突出长度hb和散热片21c的突出长度hf而获得“条件0”至“条件3”下验证冷却效率。
如图8A中所示，在“条件0”中，凸台21b的突出长度hb和散热片21c的突出长度hf均为“11mm”。换言之，“条件0”对应于“凸台21b的突出长度hb=散热片21c的突出长度hf”的情况。该“条件0”被视为“默认”。
如图8B中所示，在“条件1”中，凸台21b的突出长度hb为通过将1mm添加到默认而获得的“12mm”。此外，散热片21c的突出长度hf是等于默认的“11mm”。换言之，“条件1”对应于“凸台21b的突出长度hb＞散热片21c的突出长度hf”的情况。
如图8C中所示，在“条件2”中，凸台21b的突出长度hb为等于默认的“11mm”。此外，散热片21c的突出长度hf为通过将1mm添加到默认而获得的“12mm”。换言之，“条件2”对应于“凸台21b的突出长度hb＜散热片21c的突出长度hf”的情况。
如图8D中所示，在“条件3”中，凸台21b的突出长度hb为等于默认的“11mm”。此外，散热片21c的突出长度hf为通过取默认的长度的一半而获得的“5.5mm”。换言之，“条件3”对应于“凸台21b的突出长度hb=散热片21c的突出长度hf×2”的情况。
在“条件0”至“条件3”的任一情况下，供水管14（入口）中的冷却水的温度为65摄氏度并且其流量为10L/分钟。此外，与第一验证示例类似地，温度的测量点位于分别对应于“U相”、“V相”和“W相”的开关元件11ce附近（参见图7A和图7B）。由表2示出通过前提条件验证的第二验证示例的验证结果。
表2
如表2中所示，与“条件0”相比，“条件1”能够较大地改进冷却效率。此外，与“条件0”相比，“条件2”也能够改进冷却效率。这里，“条件2”的冷却效率低于“条件1”的冷却效率。然而，在“条件2”的情况下，与“条件0”和“条件1”相比，由于凸台21b比散热片21c短并且因此随着散热片21c变长，与冷却水的接触面积增大。
“条件3”能够获得与“条件0”基本上相等的冷却效果。此外，“条件3”由于能够显著地减小散热片21c与冷却水之间的接触面积而能够显著地减小压力损失。
根据第二验证示例的验证结果，至少在“凸台21b的突出长度hb≥散热片21c的突出长度hf”的情况下，能够改进冷却效率并且能够适当地减少压力损失。换言之，能够保持冷却机构20的冷却效率与压力损失的平衡。
如上所述，根据实施方式的电力转换装置包括冷却套。该冷却套包括安装面，其上安装包括功率半导体器件的功率模块；多个散热片，其沿着预定方向布置在安装面的背侧的几乎整个区域上；以及凸台，其沿着预定方向布置在背侧的几乎整个区域的中央区域中。
因此，根据根据实施方式的电力转换装置，能够保持冷却机构的冷却效率与压力损失之间的平衡。
在上述实施方式中，已经描述了功率模块包括IGBT作为开关元件并且包括FWDi作为整流器件以作为示例。然而，本实施方式不限于此。例如，功率模块可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和肖特基势垒二极管（SBD）。

Claims (4)

1.一种电力转换装置，所述电力转换装置包括：
冷却套；以及
多个功率模块，每个功率模块包括功率半导体器件，
所述冷却套包括：
安装面，在所述安装面上沿着预定方向安装有所述多个功率模块；
多个凸台，所述多个凸台沿着所述预定方向布置以朝着所述安装面的背侧凸出，所述多个凸台中的每一个位于相应功率模块的中心区域；以及
多个散热片，所述多个散热片被布置为沿着所述预定方向在除了所述中心区域以外的所述安装面的所述背侧的几乎整个区域上延伸。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中
在所述多个功率模块的主面的中央部中形成有贯通孔，并且
在所述多个凸台中形成有孔，穿过所述贯通孔的紧固件被插入并固定于所述孔中。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中
在所述冷却套的外表面中的在预定方向上彼此面对的表面中，所述冷却套在一个表面具有冷却介质的冷却介质供应口，在另一表面具有冷却介质的排出口，并且
所述冷却介质供应口和所述排出口布置在彼此不同的位置。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，所述凸台被设置为所述凸台的突出长度不小于所述散热片的突出长度。
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