CN106856375B - 逆变器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在用密闭框体覆盖整个装置的情况下也能抑制该密闭框体内的无源元器件的温度上升的逆变器装置。该逆变器装置(1)中，利用与功率半导体模块(13)接合的冷却器(11)的冷却面(11a)和逆变器框体(10)将包含功率半导体模块(13)以及逆变器电路模块(16)的逆变器电路封闭，该逆变器电路模块(16)包含无源元器件，该逆变器装置(1)中，在冷却器(11)的冷却面(11a)上形成密闭绝缘层、即密闭空间(E1～E3)，将密闭空间(E1～E3)的厚度(d1～d3)设为最大对流抑制距离(d)以下。由此，不会在密闭空间(E1～E3)内产生对流，能维持密闭空间(E1～E3)内的高绝热性能。

Description

逆变器装置
技术领域
本发明涉及一种在用密闭框体覆盖整个装置的情况下也能抑制该密闭框体内的无源元器件温度上升的逆变器装置。
背景技术
一直以来，使各种装置的电动机进行驱动的逆变器装置为了降低成本、或收纳在空间有限的电气室内而要求小型轻量化。此外，逆变器装置在室外或存在粉尘等工厂环境下进行使用时，作为耐环境性能，要求高密闭性，以获得IP66那样的高防尘、防水性。
另一方面，在逆变器装置内，对流过电动机的电流进行控制的功率半导体元件会因通电时的导通损耗、开关过渡时产生的开关损耗而产生发热。因此，为了抑制来自功率半导体元件的发热而在逆变器装置中安装了风冷冷却器、水冷冷却器。然而，对于例如使用风冷冷却器的逆变器装置，风冷冷却器的构造部件会占用较大体积。根据设计条件的不同，风冷冷却器的构造部件的体积可能会占用功率半导体模块体积的10倍以上的体积。
因此，为了实现逆变器装置的小型化，需要使冷却器小型化。该冷却器的小型化能通过减小功率半导体元件的损耗、使功率半导体元件能在更高的温度下使用来实现。功率半导体元件的损耗的降低能通过改进功率半导体元件来实现。此外，为了能在更高的温度下使用功率半导体元件，焊料等粘接剂的高可靠性化等封装技术的进步起到关键作用。当前，功率半导体元件的最高结温为175℃，功率半导体元件的连续驱动结温有时允许达到175℃。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2000-14169号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，若使逆变器装置小型化，则逆变器装置内，高温的功率半导体模块、冷却器与以电解电容器代表的无源元器件的距离会变近，无源元器件的温度会上升。
然而，无源元器件并不具有与功率半导体模块同样的耐热性，因而会伴随着温度上升而产生可靠性降低以及寿命缩短。
尤其是作为无源元器件的电解电容器，是一种寿命取决于周围温度的元器件。寿命遵循阿伦尼乌斯法则，温度升高10℃则寿命减半。
而且，在满足IP66等高密闭性的密闭框体的逆变器装置中，由于无法导入外界气体，因此框体内会因包含功率半导体元件的发热在内的逆变器电路的发热而聚集热量。即，密闭框体的逆变器装置与开放型框体的逆变器装置相比，框体内温度更高。
为此，在专利文献1中，记载了为了抑制设置有除功率半导体模块以外还包含电解电容器的逆变器电路的逆变器框体内的温度上升，在设置有功率半导体模块的冷却器与设置有逆变器电路的逆变器框体内之间设置空间，主动利用自然对流、强制风冷来使外界气体流入该空间。
然而，专利文献1所记载的技术并未以IP66等那样的完全密闭为前提，若设置有功率半导体模块的冷却器与设置有逆变器电路的逆变器框体内之间的空间被密闭，则外界气体无法流入该空间，因此在该空间内，会与因功率半导体模块的发热而处于高温的内部空气产生对流。该内部空气的对流热传导使得冷却器的热量传递到逆变器框体内，逆变器框体内的温度会上升，以电解电容器为代表的无源元器件即逆变器电路的寿命会缩短。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种在用密闭框体覆盖整个装置的情况下也能抑制该密闭框体内的无源元器件的温度上升的逆变器装置。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述课题，实现发明目的，本发明的逆变器装置利用与功率半导体模块接合的冷却器的冷却面和逆变器框体将包含所述功率半导体模块以及逆变器电路模块的逆变器电路封闭，该逆变器电路模块包含无源元器件，其特征在于，所述冷却器的冷却面上形成密闭绝热层，且该密闭绝热层的厚度设为最大对流抑制距离以下。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，所述密闭绝热层为空气层。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，所述密闭绝热层中的多个所述密闭绝热层配置有多层。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，所述密闭绝热层形成为覆盖所述功率半导体模块。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料具有能弯曲的厚度或材质。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料为树脂。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料为铝，且表面进行了耐酸铝处理。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料以及形成所述逆变器框体的材料的表面辐射率为0.8以上。
此外，本发明的逆变器装置的特征在于，在上述发明中，所述功率半导体模块内的功率半导体元件为宽带隙半导体元件。
发明效果
根据本发明，利用与功率半导体模块接合的冷却器的冷却面和逆变器框体将包含所述功率半导体模块以及逆变器电路模块的逆变器电路封闭，该逆变器电路模块包含无源元器件，并且，所述冷却器的冷却面上形成密闭绝热层，且该密闭绝热层的厚度设为最大对流抑制距离以下，以防止在密闭绝热层内产生对流，因此能维持从冷却面到无源元器件侧的较高的绝热性能，能抑制无源元器件的寿命因受热而变短。
附图说明
图1是本发明实施方式的逆变器装置的剖视图。
图2是表示空气层的热阻相对于空气层厚度的变化的图。
图3是表示图1所示的逆变器装置内的温度分布的图。
图4是本发明实施方式的变形例1的逆变器装置的剖视图。
图5是本发明实施方式的变形例2的逆变器装置的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。
图1是本发明实施方式的逆变器装置的剖视图。图1中，逆变器装置1利用逆变器框体10和冷却器11的冷却面11a形成满足IP66等高密闭性的密闭空间E。逆变器框体10和冷却面11a被密封垫(packing)12封闭。
密闭空间E内配置有功率半导体模块13以及逆变器电路模块16，该逆变器电路模块16经由布线14与功率半导体模块13相连，且包含电解电容器15等无源元器件。功率半导体模块13通过螺钉止动等与冷却面11a牢固接合，并利用冷却翅片的散热进行冷却。功率半导体模块13是具有逆变器电路中的整流二极管、半导体开关元件等发热元件的模块，与逆变器电路模块16隔开配置。
图1中，重力方向为-Z方向。通常，由功率半导体模块13产生的热的大部分朝向冷却器11，因而冷却器1的温度会上升。冷却器11的冷却面11a的温度与逆变器框体10内的空气温度的温度差导致在逆变器框体10内产生对流，从而逆变器框体10内的温度会上升。
本实施方式中，密闭空间E被分割成四个密闭空间E1～E4。密闭空间E1是由冷却面11a、与冷却面11a相对配置的功率半导体模块13的基板13a、以及逆变器框体10围成的空间。密闭空间E1形成有作为绝热材料的空气层，起到对来自冷却面11a的热传导进行抑制的密闭绝热层的作用。
密闭空间E2是由基板13a、对流抑制板17以及逆变器框体10围成的空间。密闭空间E2形成有作为绝热材料的空气层，起到对来自密闭空间E1的热传导进行抑制的密闭绝热层的作用。另外，对流抑制板17通过安装在逆变器框体10上的定位用突起17a进行定位。
密闭空间E3是由对流抑制板17、对流抑制板18以及逆变器框体10围成的空间。密闭空间E3形成有作为绝热材料的空气层，起到对来自密闭空间E2的热传导进行抑制的密闭绝热层的作用。另外，对流抑制板18通过安装在逆变器框体10上的定位用突起18a进行定位。
密闭空间E4是由对流抑制板18以及逆变器框体10围成的空间。密闭空间E4是与功率半导体模块13、密闭空间E1、冷却器11隔开最远的空间，配置有逆变器电路模块16。逆变器电路模块16具有基板16a。基板16a与基板13a之间通过布线14相连。布线14贯通对流抑制板17、18而连接。对流抑制板17、18预先设有供布线14通过的贯通孔，在组装时将对流抑制板17、18与布线14粘接。
这里，各密闭空间E1～E3的厚度d1～d3在不会在各密闭空间E1～E3内产生对流的最大对流抑制距离d以下。在发热源即功率半导体模块13配置在逆变器框体10内的重力方向下侧的情况下，如图2所示，空气层的热阻Rtha[m2·K/W]取决于厚度d。热阻Rtha在厚度d增大到10mm的点P之前随着厚度d的增大而增大，但超过厚度d后达到饱和而不再增大。这是因为，若厚度d超过10mm，则由于产生对流导致空气的观察到的热传导变大，因而热阻Rtha不增大。即，在厚度d达到10mm为止的期间，空气层不产生对流，意味着维持了较高的绝热性能。因此，各密闭空间E1～E3的厚度d1～d3设为最大对流抑制距离d＝10mm以下。另外，对于各密闭空间E1～E3，厚度d1～d3越大，绝热性能越高，因此厚度d1～d3优选设为10mm。
基板13a、对流抑制板17、18具有绝热性能。由于对流抑制板17、18不需要具有强度，因此使用容易加工且能弯曲的树脂膜。该树脂优选为具有耐热性的工程塑料、超级工程塑料。
另外，对流抑制板17、18也可以使用金属。在使用铝作为对流抑制板17、18的情况下，优选预先对表面实施耐酸铝处理来使表面辐射率为0.8以上。此外，在使用其它金属作为对流抑制板17、18的情况下，也优选进行镀敷等表面处理来使表面辐射率为0.8以上。另外，树脂、木材、纸等的表面辐射率为0.8以上。
若表面辐射率为0.8以上，则接收到的热量不会传递到空气层，利用辐射进行散热的效率变高。在表面辐射率为0.8以上的情况下，热量被辐射到逆变器框体10，能从逆变器框体10直接向外部散热。因此，优选使逆变器框体10的表面的表面辐射率也在0.8以上。
图3是表示密闭空间E内的温度相对于与冷却面11a的距离Z的变化的图。图3中，曲线L1表示具有图1所示结构时的温度变化，曲线L2表示不具有密闭空间E1～E3的现有结构时的温度变化。另外，距离Z1～Z3分别对应于基板13a、对流抑制板17、对流抑制板18的位置。如图3所示，对于冷却面11a附近的温度，具有密闭空间E1的本实施方式达到温度T2，比现有结构的温度T1高。然而，本实施方式中，由于密闭空间E1～E3的绝热性能，使得温度向着密闭空间E1～E4逐渐下降，最终密闭空间E4内的温度变为T2’。相比于此，在不具有密闭空间E1～E3的现有结构的情况下，由于对流的产生使得高温空气聚集在Z方向的上部，逆变器框体10内的温度上升，在现有结构中，密闭空间E4内的温度变为T1’。由此，能使密闭空间E4内的本实施方式的温度T2’为比现有结构的温度T1’低的温度。
(变形例1)
图4是本发明实施方式的变形例1的逆变器装置的剖视图。图4中，重力方向也为-Z方向。在上述实施方式中，利用基板13a来形成密闭空间E1，而在该变形例1中，使绝缘纸21与密闭空间E1所对应的空间重叠。该变形例1对于功率半导体模块13不具有基板13a、或者基板13a未延伸到逆变器框体10的情况有效。
如图4所示，绝缘纸21在与密闭空间E1对应的空间内形成了多层最大对流抑制距离d以下的密闭绝热层。另外，绝缘纸21形成有供配置在冷却面11a上的功率半导体模块13贯通的孔。另外，若形成密闭绝热层的部件的材料(绝缘纸21、对流抑制板17、18)由能弯曲的厚度、材质形成，则加工较为容易。
另外，也可以不设置多个绝缘纸21，而仅设置与基板13a相对应的一枚绝缘纸21。这是为了由此利用绝缘纸21、冷却面11a以及逆变器框体10形成与实施方式同样的密闭空间E1。另外，该情况下，绝缘纸21与功率半导体模块13以及逆变器框体10粘接。
(变形例2)
图5是本发明实施方式的变形例2的逆变器装置的剖视图。图5中，重力方向也为-Z方向。该变形例2中，使密闭空间E3、E4覆盖功率半导体模块13以及冷却面11a。该结构适用于逆变器框体10的宽度比冷却面11a大的情况。
如图5所示，逆变器装置2的冷却面11a的周围安装有与逆变器框体10的宽度相对应的外框10a。逆变器框体10与外框10a之间设有密封垫12从而被密封。此外，冷却面11a与外框10a的连接部分设有密封垫22从而被密封。该密封垫22的上部设有下表面壳体23。下表面壳体23上竖立设置有用于形成密闭空间E2的对流抑制柱27a、以及用于形成密闭空间E3的对流抑制柱28a。对流抑制柱27a的上端覆盖有对流抑制板27。并且，对流抑制柱28a的上端覆盖有对流抑制板28。
密闭空间E1是由冷却面11a、功率半导体模块13的基板13a、以及对流抑制柱27a下部的一部分围成的空间。密闭空间E2是由对流抑制板27、基板13a、以及对流抑制柱27a上部的一部分围成的空间。密闭空间E3是由对流抑制板28、对流抑制板27、对流抑制柱28a、以及对流抑制柱27a围成的空间，而且是下部开放的具有U字形截面的空间。密闭空间E4是由逆变器框体10、对流抑制板28、对流抑制柱28a、以及外框10a围成的空间，而且是下部开放的具有U字形截面的空间。
这里，厚度d1～d3、d31在最大对流抑制距离d以下。因此，由于在密闭空间E1～E3内不产生对流，因此与实施方式同样，具有较高的绝热性能。
另外，优选将对流抑制柱28a设置在冷却面11a的外侧。即，优选采用密闭空间E4与冷却面11a不直接接合的配置。
此外，也可以与变形例1同样，在密闭空间E1内重叠绝缘纸21，还可以设置绝缘纸21来代替基板13a。
另外，上述实施方式、变形例1、2中，也可以进一步对各密闭空间E1～E3进行分割。例如，可以对变形例2的密闭空间E3的宽度方向和高度方向进行分割。
此外，在上述实施方式、变形例1、2中，形成了三个密闭绝热层、即密闭空间E1～E3，但只要形成至少一个密闭绝热层、即密闭空间E1即可。但是，优选密闭空间E1覆盖功率半导体模块13，因此优选形成密闭空间E1、E2。另外，在功率半导体模块13的厚度小于最大对流抑制距离d的情况下，也可以不形成密闭空间E1，将密闭空间E1、E2作为一个密闭空间。
并且，虽然密闭空间E1优选为绝热性能较高的空气，但也可以填充玻璃棉等绝热材料。
此外，也可以使密闭空间E1～E3为真空状态。在真空状态下，由于不产生对流，因此绝热性能较高。然而，优选考虑真空状态的劣化，设为上述最大对流抑制距离d以下的厚度。
另外，逆变器装置1、2的设置方向是任意的。即，密闭空间E1～E3的厚度方向可以是垂直方向，也可以是水平方向。其原因在于，无论哪一种情况，都不会在厚度方向产生对流，因此最终不会在密闭空间E1～E3内产生对流。
然而，近年来，作为下一代器件，SiC功率半导体等宽带隙半导体备受瞩目。宽带隙半导体由碳化硅、氮化镓、金刚石等构成，虽达到损耗降低的界限，损耗降低的潜力高于某些Si功率半导体，且能在200℃以上的结温下使用。若应用SiC功率半导体等宽带隙功率半导体，则与使用Si功率半导体的情况相比，能显著实现逆变器装置的小型轻量化。因此，优选功率半导体模块13的功率半导体元件为宽带隙功率半导体元件。
在上述实施方式、变形例1、2中，在密闭框体的逆变器装置内在高温下使用功率半导体模块来实现冷却器的小型化的情况下，也能利用密闭绝热层、即密闭空间E1～E3来抑制电解电容器等无源元器件的温度上升，其结果，能延长无源元器件的寿命，能提高无源元器件的可靠性。
标号说明
1、2 逆变器装置
10 逆变器框体
10a 外框
11 冷却器
11a 冷却面
12、22 密封垫
13 功率半导体模块
13a、16a 基板
14 布线
15 电解电容器
16 逆变器电路模块
17、18、27、28 对流抑制板
17a、18a 定位用突起
21 绝缘纸
23 下表面壳体
27a、28a 对流抑制柱
d 最大对流抑制距离
E、E1～E4 密闭空间

Claims (9)

1.一种逆变器装置，利用与功率半导体模块接合的冷却器的冷却面和逆变器框体将包含所述功率半导体模块以及逆变器电路模块的逆变器电路封闭，该逆变器电路模块包含无源元器件，其特征在于，
所述冷却器的冷却面上形成密闭绝热层，且该密闭绝热层的厚度设为最大对流抑制距离以下，
所述密闭绝热层形成为至少覆盖所述功率半导体模块的一部分。
2.如权利要求1所述的逆变器装置，其特征在于，所述密闭绝热层为空气层。
3.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，所述密闭绝热层中的多个所述密闭绝热层配置有多层。
4.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，所述密闭绝热层形成为覆盖整个所述功率半导体模块。
5.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料具有能弯曲的厚度或材质。
6.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料为树脂。
7.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料为铝，且表面进行了耐酸铝处理。
8.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，以封闭方式形成所述密闭绝热层的部件的材料以及形成所述逆变器框体的材料的表面辐射率为0.8以上。
9.如权利要求1或2所述的逆变器装置，其特征在于，所述功率半导体模块内的功率半导体元件为宽带隙半导体元件。
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