CN104285293A - 冷却构造体和电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

具备半导体功率组件(11)，在该半导体功率组件的壳体(12)中内置有电力转换用的半导体开关元件，在该壳体的一面形成有散热构件(13)；在散热构件处，在与壳体相反的一侧开口而设有冷却液所流通的冷却室(13a)，并且，在散热构件处接合有用于封闭冷却室的封闭构件(3)。

Description

冷却构造体和电力转换装置
技术领域
本发明涉及一种用于冷却发热体的热的冷却构造体和在内置有电力转换用的半导体开关元件的组件之上与该组件之间保持规定间隔地支承安装基板的电力转换装置，该安装基板安装有包括用于驱动所述半导体开关元件的发热电路部件的电路部件。
背景技术
作为这种电力转换装置，已知有专利文献1所记载的电力转换装置。
该电力转换装置为如下这样的装置：在框体内配置供冷却液通过的水冷套，在该水冷套之上接合有功率组件，该功率组件内置有作为电力转换用的半导体开关元件的IGBT。而且，采用如下的直接冷却方式：在水冷套的与功率组件接合的一侧开口而设置冷却液所流通的冷却室及流路，在功率组件的与水冷套接合的一侧突出地设有多个冷却片，通过将水冷套与功率组件接合起来，从而将功率组件的多个冷却片配置于水冷套的冷却室，利用冷却室内的冷却液对多个冷却片进行直接冷却。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-35346号
发明内容
发明要解决的问题
然而，对于作为大型重物的水冷套而言，难以用加工机械进行处理，有可能由于在该水冷套处形成冷却室和流路而导致加工成本增大。
此外，如图7所示，有可能存在如下隐患：当水冷套50与功率组件51的接合位置发生偏移时，设于水冷套50的冷却室50a的壁面与设于功率组件51的多个冷却片51a的外廓之间的间隙变得不相等(间隙t1≠间隙t2)，自入侧流路50b流入到冷却室50a中的冷却水在间隙大(间隙t1)的区域以较大的流量流向出侧流路50c，在间隙小(间隙t2)的区域以较小的流量流向出侧流路50c，针对多个冷却片51a的冷却分布变得不均匀。
本发明是着眼于上述以往例的未解决课题而完成的，其目的在于提供一种能够实现降低加工成本并且提高发热体的冷却效率的冷却构造体，并且提供一种能够实现降低加工成本并且提高半导体开关元件的冷却效率的电力转换装置。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明的一技术方案的冷却构造体具有发热体以及在该发热体的一面形成的散热构件，其中，在所述散热构件处设有冷却液所流通的冷却室，并且，在所述散热构件处接合有用于封闭所述冷却室的封闭构件。
采用该一技术方案的冷却构造体，能够实现降低加工成本并且提高发热体的冷却效率。
此外，本发明的一技术方案的电力转换装置具有在半导体功率组件的一面形成的散热构件，其中，在所述散热构件处设有冷却液所流通的冷却室，并且，在所述散热构件处接合有用于封闭所述冷却室的封闭构件。
采用该一技术方案的电力转换装置，散热构件并非大型重物，易于用加工机械进行处理，能够容易地形成冷却室，因此，能够实现降低加工成本。而且，能够提高半导体开关元件的冷却效率。
此外，本发明的一技术方案的电力转换装置具备半导体功率组件，在该半导体功率组件的壳体中内置有电力转换用的半导体开关元件，在该壳体的一面形成有散热构件；在所述散热构件处，在与所述壳体相反的一侧开口而设有冷却液所流通的冷却室，并且，在所述散热构件处接合有用于封闭所述冷却室的封闭构件。
采用该一技术方案的电力转换装置，散热构件并非大型重物，易于用加工机械进行处理，能够容易地形成冷却室，因此，能够实现降低加工成本。而且，能够提高半导体开关元件的冷却效率。
此外，本发明的一技术方案的电力转换装置形成有自所述冷却室的底部突出的多个冷却片。
采用该一技术方案的电力转换装置，多个冷却片直接接触于冷却室的冷却液，因此，能够进一步提高冷却效率。
此外，在本发明的一技术方案的电力转换装置中，所述冷却室的流通方向的两个内壁与所述冷却片之间的间隔被设定为均等。
采用该一技术方案的电力转换装置，能够使流通方向的一个内壁侧的冷却液的流量与流通方向的另一个内壁侧的冷却液的流量大致相同，使冷却分布均匀。
此外，在本发明的一技术方案的电力转换装置中，在所述多个冷却片与所述封闭构件之间设有间隙，该间隙被设为相等。
采用该一技术方案的电力转换装置，能够使在多个冷却片间流过的冷却液的流量也大致相同，使冷却室内整个区域的冷却分布更均匀。
并且，在本发明的一技术方案的电力转换装置中，在所述多个冷却片与所述封闭构件之间设有间隙，该间隙被设为相等。
采用该一技术方案的电力转换装置，实施了防腐蚀用的镀层的冷却片与封闭构件之间设有间隙，因此，能够防止因与封闭构件接触而导致镀层剥落。此外，通过将多个冷却片与封闭构件之间的间隙设为相同，从而能够使多个冷却片的顶端侧的冷却液的流量也大致相同，使冷却分布更均匀。
发明的效果
采用本发明的冷却构造体，能够实现降低加工成本并且提高发热体的冷却效率。
此外，采用本发明的电力转换装置，能够实现降低加工成本并且提高半导体开关元件的冷却效率。
附图说明
图1是表示本发明的电力转换装置的整体结构的剖视图。
图2是表示图1中的电力转换装置的主要部分的剖视图。
图3是表示本发明的一体地设于散热构件的冷却室和多个冷却片的图。
图4是表示图1的电力转换装置中的与图2不同位置的主要部分的剖视图。
图5是表示传热支承用金属板的侧视图。
图6是说明发热电路部件的整个散热路径的图。
图7是表示在水冷套处设置有冷却室、在与该水冷套接合的功率组件处设置有多个冷却片的以往的装置的图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明用于实施本发明的方式(以下称作实施方式。)。
图1是表示本发明的整体结构的剖视图，图2是放大地表示图1中的主要部分的图。
图1中的附图标记1是电力转换装置，该电力转换装置1被收纳在框体2内。框体2是将合成树脂材料成形而成的，由隔着后述的封闭构件3而被上下分割开的下部框体2A和上部框体2B构成。
下部框体2A由有底方筒体构成。该下部框体2A的开放上部被封闭构件3覆盖，在该下部框体2A的内部收纳有平滑用的薄膜电容器(film condenser)4。
上部框体2B具备上端和下端开放的方筒体2a和用于封闭该方筒体2a的上端的盖体2b。而且，方筒体2a的下端被封闭构件3封闭。
虽未图示，但在该方筒体2a的下端与封闭构件3之间夹设有通过涂布液状密封剂、夹入橡胶制密封件等实现的密封材料。
电力转换装置1具备功率组件11，该功率组件11内置有作为电力转换用的例如构成逆变电路的半导体开关元件的例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。该功率组件11在扁平的长方体状的绝缘性的壳体12中内置有IGBT，在壳体12的下表面一体地设有长方体状的由热导率较高的铜制成的散热构件13。
在散热构件13中，如图3所示，在散热构件13的下表面中央部形成以成长方形状开口的冷却室13a，在冷却室13a的长度方向一方向侧的壁部，开口有在散热构件13内部形成的供水路径13b的供水口13b1，在冷却室13a的长度方向另一方向侧的壁部，开口有在散热构件13内部形成的排水路径13c的排水口13c1，自供水口13b1流入的冷却水以从图3的左侧到右侧为流通方向流过冷却室13a，自排水口13c1流出。供水路径13b和排水路径13c经由例如挠性软管而与未图示的冷却水供给源相连接。
此外，多个冷却片17自冷却室13a的底部13d突出。
该多个冷却片17中相邻的冷却片17、17之间的间隔被设定为相同，并且，多个冷却片17距底部13d的高度被设定为相同高度，该高度略小于与封闭构件3接合的接合面13f距底部13d的高度。
而且，距冷却室13a的流通方向的两个内壁13g、13h最近的冷却片17与内壁13g、13h之间设定有相同的间隙t3。
在此，在散热构件13的冷却室13a和多个冷却片17的表面实施了防腐蚀用的镀层。
而且，如图1及图2所示，与散热构件13的下表面(接合面)13f接合的封闭构件3是将例如热导率高的铝、铝合金注射成形而形成的。
在封闭构件3的上表面(接合面)3a处，在包围散热构件13的冷却室13a的开口部的位置形成有四边框状的周槽6，在该周槽6中安装有O型圈7。
此外，在封闭构件3的比接合面3a靠外周侧的位置形成有平坦的抵接部3b，该抵接部3b形成为比接合面3a低一级。
此外，在封闭构件13处形成有贯通孔3e，该贯通孔3e供保持在下部框体2A中的薄膜电容器4的被绝缘覆盖的正负电极4a沿上下方向贯通。
返回到图2，在俯视观察时，在壳体12和散热构件13的四角形成有供固定螺钉14贯通的贯通孔15。此外，在壳体12的上表面，在贯通孔15内侧的4个部位突出地形成有规定高度的基板固定部16。
在基板固定部16的上端固定有驱动电路基板21，该驱动电路基板21安装有用于驱动内置在功率组件11中的IGBT的驱动电路等。此外，在驱动电路基板21的上方，与该驱动电路基板21之间保持规定间隔地固定有作为安装基板的控制电路基板22，该控制电路基板22安装有用于控制内置在功率组件11中的IGBT的控制电路等，该控制电路包括发热量相对较大或者发热密度相对较大的发热电路部件。并且，在控制电路基板22的上方，与该控制电路基板22之间保持规定间隔地固定有作为安装基板的电源电路基板23，该电源电路基板23安装有用于向内置在功率组件11中的IGBT供给电源的包括发热电路部件的电源电路等。
而且，驱动电路基板21是通过如下方式固定的：向驱动电路基板21的形成在与基板固定部16相对的位置的贯通孔21a内贯通连接螺钉24的外螺纹部24a，并将该外螺纹部24a螺纹结合于形成在基板固定部16的上表面的内螺纹部16a。
此外，控制电路基板22是通过如下方式固定的：向控制电路基板22的形成在与连接螺钉24的内螺纹部24b相对的位置的贯通孔22a内贯通连接螺钉25的外螺纹部25a，并将该外螺纹部25a螺纹结合于连接螺钉24的内螺纹部24b，其中，该内螺纹部24b形成在连接螺钉24的上端。
并且，电源电路基板23是通过如下方式固定的：向电源电路基板23的形成在与连接螺钉25的内螺纹部25b相对的位置的贯通孔23a内贯通固定螺钉26，并将该固定螺钉26螺纹结合于连接螺钉25的内螺纹部25b，其中，该内螺纹部25b形成在连接螺钉25的上端。
此外，控制电路基板22不借助框体2而独自地形成通向散热构件13的散热路径地被传热支承用金属板32支承，电源电路基板23不借助框体2而独自地形成通向散热构件13的散热路径地被传热支承用金属板33支承。该传热支承用金属板32和传热支承用金属板33由热导率高的金属板例如铝或者铝合金制的金属板形成。
传热支承用金属板32是一体地具备平板形状的传热支承板部32a、自该传热支承板部32a的右侧端部向下方弯折而朝向散热构件13延伸的传热支承侧板部32b、以及自传热支承侧板部32b的下端部向左侧弯折而沿着散热构件13的下表面延伸的冷却体接触板部32c的部件。
控制电路基板22利用固定螺钉36隔着传热构件35固定在传热支承板部32a上。传热构件35由具有伸缩性的弹性体构成为与电源电路基板23相同的外形尺寸。作为该传热构件35，应用了通过使金属填料介入硅橡胶的内部来发挥绝缘性能并提高了传热性的构件。
此外，传热支承用金属板33是一体地具备平板形状的传热支承板部33a、自该传热支承板部33a的左侧端部向下方弯折而朝向散热构件13延伸的传热支承侧板部33b、以及自传热支承侧板部33b的下端部向右侧弯折而沿着散热构件13的下表面延伸的冷却体接触板部33c的部件。
电源电路基板23利用固定螺钉38隔着与前述的传热构件35同样的传热构件37固定在传热支承板部33a上。
通过将该传热支承用金属板32设为一体部件以及将该传热支承用金属板33设为一体部件，能够减小热阻而进行更高效的散热。此外，通过将传热支承用金属板32中的传热支承板部32a与传热支承侧板部32b之间的连结部以及传热支承侧板部32b与冷却体接触板部32c之间的连结部设为弯曲部，将传热支承用金属板33中的传热支承板部33a与传热支承侧板部33b之间的连结部以及传热支承侧板部33b与冷却体接触板部33c之间的连结部设为弯曲部，能够提高相对于传递到电力转换装置1的上下振动、横向摆动等的耐振动性。
如图4所示，在电源电路基板23的下表面侧安装有发热电路部件39，电源电路基板23、传热构件37以及传热支承板部33a利用固定螺钉38以层叠状态被固定，在传热支承板部33a的下表面，为了缩短绝缘距离而粘贴有绝缘片43。另外，将这些层叠状态的部件称作电源电路单元U3。
此时，安装在电源电路基板23的下表面侧的发热电路部件39利用传热构件37的弹性被塞入在传热构件37内。因此，发热电路部件39与传热构件37能够适度地接触，并且传热构件37与电源电路基板23以及传热构件37与传热支承板部33a之间能够良好地接触，能够减少传热构件37与电源电路基板23以及传热构件37与传热支承板部33a之间的热阻。
此外，虽未图示，但在控制电路基板22的下表面侧也安装有发热电路部件，控制电路基板22、传热构件35以及传热支承板部32a利用固定螺钉36以层叠状态被固定，在传热支承板部32a的下表面，为了缩短绝缘距离而粘贴有绝缘片42。另外，将这些层叠状态的部件称作控制电路单元U2。
而且，安装在控制电路基板22的下表面侧的发热电路部件利用传热构件35的弹性被塞入在传热构件35内，控制电路基板22与传热构件35能够适度地接触，并且传热构件35与控制电路基板22以及传热构件35与传热支承板部32a之间能够良好地接触，能够减少传热构件35与控制电路基板22以及传热构件35与传热支承板部32a之间的热阻。
此外，如图5所示，在传热支承用金属板的传热支承侧板部33b上，在与功率组件11的图1所示的3相交流输出端子11b相对应的位置形成有供后述的母线(日语：ブスバー)55贯通的例如方形的3个贯通孔33i。这样，通过形成3个贯通孔33i，能够在相邻的贯通孔33i之间形成宽度较大的传热路径Lh，能够增加整个传热路径的截面积来高效地传热。此外，也能够确保相对于振动的刚性。
同样地，在传热支承用金属板32的传热支承侧板部32b上，在与功率组件11的正极端子和负极端子11a相对的位置也分别形成有同样的贯通孔32i。通过形成该贯通孔32i，能够获得与上述的贯通孔33i同样的作用效果。
此外，如图2所示，在传热支承用金属板32的冷却体接触板部32c和传热支承用金属板33的冷却体接触板部33c上，在与功率组件11的供固定螺钉14贯通的贯通孔15相对的位置形成有固定构件贯通孔32c1、33c1。
而且，向散热构件13的贯通孔15以及冷却体接触板部32c的固定构件贯通孔32c1、冷却体接触板部33c的固定构件贯通孔33c1中贯通固定螺钉14，使固定螺钉14螺纹结合于形成在封闭构件3中的内螺纹部。
由此，将传热支承用金属板32的冷却体接触板部32c和传热支承用金属板33的冷却体接触板部33c抵接于功率组件11的散热构件13的下表面13a和封闭构件3的抵接部3b，利用散热构件13和封闭构件3夹持来固定传热支承用金属板32的冷却体接触板部32c和传热支承用金属板33的冷却体接触板部33c。
此时，安装在封闭构件3的周槽6中的O型圈7抵接于散热构件13的接合面13f而弹性变形地被挤压，实施用于防止在冷却室13a中积存的冷却水泄漏到外部的液密密封。
此外，如图1所示，在功率组件11的正负的直流输入端子11a上连接有母线55，在母线55的另一端利用固定螺钉51连结有贯通封闭构件3的薄膜电容器4的正负电极4a。此外，在功率组件11的负极端子11a上固定有压接端子53，该压接端子53固定于与外部的转换器(未图示)连接的连接线52的顶端。
并且，在功率组件11的3相交流输出端子11b上利用固定螺钉56连接母线55的一端，在该母线55的中段配置有电流传感器57。而且，在母线55的另一端利用固定螺钉60连接有压接端子59。压接端子59固定于与外部的3相电动马达(未图示)连接的马达连接线缆58。
在该状态下，从外部的转换器(未图示)供给直流电力，并且使安装于电源电路基板23的电源电路、安装于控制电路基板22的控制电路处于工作状态，将例如由脉冲宽度调制信号构成的栅极信号从控制电路经由安装于驱动电路基板21的驱动电路供给到功率组件11。由此，控制内置在功率组件11中的IGBT，将直流电力转换为交流电力。将转换得到的交流电力从3相交流输出端子11b经由母线55供给到马达连接线缆58，驱动控制3相电动马达(未图示)。
此时，虽因内置在功率组件11中的IGBT而发热，但由于功率组件11的散热构件13构成具备冷却水所流通的冷却室13a和自冷却室13a的底部13b突出的多个冷却片17的水冷套，因此，功率组件11被高效地冷却。
另一方面，在安装于控制电路基板22的控制电路和安装于电源电路基板23的电源电路中包括发热电路部件39，因这些发热电路部件39而发热。此时，发热电路部件39安装在控制电路基板22和电源电路基板23的下表面侧。
而且，在控制电路基板22的下表面侧隔着热导率高且具有弹性的传热构件35设有传热支承用金属板32的传热支承板部32a，在控制电路基板23的下表面侧隔着热导率高且具有弹性的传热构件37设有传热支承用金属板33的传热支承板部33a。传热支承用金属板32是将传热支承板部32a、传热支承侧板部32b以及冷却体接触板部32c一体化而成的部件且是热阻小的构件，传热支承用金属板33是将传热支承板部33a、传热支承侧板部33b以及冷却体接触板部33c一体化而成的部件且是热阻小的构件，因此，如图6所示，传递到传热支承用金属板32的热从与构成水冷套的散热构件13直接接触的冷却体接触板部32c发散到散热构件13，传递到传热支承用金属板33的热从与构成水冷套的散热构件13直接接触的冷却体接触板部33c发散到散热构件13，从而能够进行高效的散热。
另外，本发明的发热体与功率组件11相对应。
采用本实施方式的电力转换装置1，散热构件13并非大型重物，易于用加工机械进行处理，能够容易地形成冷却室13a和多个冷却片17，因此，能够实现降低加工成本。
此外，多个冷却片17在散热构件13的冷却室13a中突出，该多个冷却片17与流通方向的两个内壁13g、13h之间的间隙被设定为相同(t3)，自供水路径13b流入到冷却室13a的冷却水以在流通方向的内壁13g、13h侧的流量大致相同的方式流至排水路径13c。此外，多个冷却片17中的相邻的冷却片17、17之间的间隔也被设定为相同，因此，在多个冷却片17间流过的冷却水的流量也大致相同。因而，在冷却室13a中流通的冷却水能够使多个冷却片17的冷却分布均匀。
此外，在图7所示的以往装置中，当水冷套50与功率组件51的接合位置发生偏移时，设于水冷套50的冷却室50a与功率组件51的配置于该冷却室50a的多个冷却片51a的位置会发生变化，但是由于如本实施方式那样散热构件13具备冷却室13a和多个冷却片17，因此，冷却室13a内的多个冷却片17不需要对位。
此外，当散热构件13与封闭构件3接合时，多个冷却片17的顶端与封闭构件3之间设有些许间隙地相对。由此，避免多个冷却片17的顶端接触于封闭构件3，防止了覆盖冷却片17表面的镀层的剥落，因此，能够防止因镀层的剥落造成的冷却片的腐蚀。
另外，在图1和图2所示的控制电路单元U2和电源电路单元U3中，对将传热构件35和37设为与控制电路基板22和电源电路基板23相同的外形的情况进行了说明。但是，本发明并不限定于上述结构，也可以将传热构件35和37仅设于发热电路部件39所存在的部位。
此外，在图1和图2中，对在控制电路基板22和电源电路基板23中将发热电路部件39安装在背面侧的传热构件35和37侧的情况进行了说明。但是，本发明并不限定于上述结构。即，也可以在控制电路基板22的与传热构件35相反的一侧的外周区域和电源电路基板23的与传热构件37相反的一侧的外周区域安装发热电路部件39。
并且，在图1和图2中，对应用了薄膜电容器4作为平滑用的电容器的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以应用圆柱状的电解电容器。
此外，对将本发明的电力转换装置1应用于电动车的情况进行了说明，但并不限定于此，既可以将本发明应用于在钢轨上行驶的铁道车辆，也可以应用于任意的电力驱动车辆。并且，作为电力转换装置1，并不限定于电力驱动车辆，在驱动其它产业设备的电动马达等致动器的情况下，能够应用本发明的电力转换装置1。
产业上的可利用性
像以上那样，本发明的冷却构造体可用于实现降低加工成本并且提高发热体的冷却效率，本发明的电力转换装置可用于实现降低加工成本并且提高半导体开关元件的冷却效率。
附图标记说明
1、电力转换装置；2、框体；2A、下部框体；2B、上部框体；2a、方筒体；2b、盖体；3、封闭构件；3b、抵接部；3c、冷却体的上表面；3e、贯通孔；4、薄膜电容器；4a、正负电极；5、浸渍部；6、周槽；7、O型圈；8、抵接部；11、功率组件；11a、负极端子；11b、3相交流输出端子；12、壳体；13、散热构件；13a、冷却室；13b、供水路径；13b1、供水口；13c、排水路径；13c1、排水口；13d、底部；13f、接合面；13g、13h、内壁；14、固定螺钉；15、贯通孔；16、基板固定部；16a、内螺纹部；17、冷却片；21、驱动电路基板；21a、贯通孔；22、控制电路基板；22a、贯通孔；23、电源电路基板；23a、贯通孔；24a、外螺纹部；24b、内螺纹部；25a、外螺纹部；25b、内螺纹部；32、33、传热支承用金属板；32a、传热支承板部；32b、传热支承侧板部；32c、冷却体接触板部；32c、33c、冷却体接触板部；32c1、33c1、固定构件贯通孔；32i、贯通孔；33a、传热支承板部；33b、传热支承侧板部；33c、冷却体接触板部；33i、贯通孔；35、传热构件；37、传热构件；39、发热电路部件；42、绝缘片；43、绝缘片；51、固定螺钉；52、连接线；53、59、压接端子；55、母线；57、电流传感器；58、马达连接线缆；60、固定螺钉

Claims (6)

1.一种冷却构造体，其具有发热体以及在该发热体的一面形成的散热构件，该冷却构造体的特征在于，
在所述散热构件处设有冷却液所流通的冷却室，并且，
在所述散热构件处接合有用于封闭所述冷却室的封闭构件。
2.一种电力转换装置，其具有在半导体功率组件的一面形成的散热构件，该电力转换装置的特征在于，
在所述散热构件处设有冷却液所流通的冷却室，并且，
在所述散热构件处接合有用于封闭所述冷却室的封闭构件。
3.一种电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置具备半导体功率组件，在该半导体功率组件的壳体中内置有电力转换用的半导体开关元件，在该壳体的一面形成有散热构件；
在所述散热构件处，在与所述壳体相反的一侧开口而设有冷却液所流通的冷却室，并且，
在所述散热构件处接合有用于封闭所述冷却室的封闭构件。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，
形成有自所述冷却室的底部突出的多个冷却片。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，
所述冷却室的流通方向的两个内壁与所述冷却片之间的间隔被设定为均等。
6.根据权利要求4或5所述的电力转换装置，其特征在于，
在所述多个冷却片与所述封闭构件之间设有间隙，该间隙被设为相等。
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