CN111917311A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明可获得能够实现性能的提高、并能够更为可靠地对半导体模块和电容器模块分别进行冷却的功率转换装置。在功率转换装置(1)中，电容器模块(5)具有在与冷却器(6)的冷却面(1)相分离的状态下与冷却面(10)相对的电容器模块主体(50)、以及设置于电容器模块主体(50)的热传导构件(54)。电容器模块主体(50)经由N侧汇流条(7)和P侧汇流条(8)与半导体模块(4)连接。热传导构件(54)的散热部(541)在比电容器模块主体(50)的半导体模块(4)一侧的端部更远离半导体模块(4)的位置与冷却面(10)热接触。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及具有半导体模块和电容器模块的功率转换装置。
背景技术
以往，已知有经由汇流条将电容器模块连接至作为发热元器件的半导体模块的功率转换装置。在这种现有的功率转换装置中，由半导体模块产生的热量容易经由汇流条传递至电容器模块。因此，在现有的功率转换装置中，电容器模块所包含的电容器元件的温度容易上升，电容器模块的寿命容易变短。
以往，为了抑制半导体模块和电容器模块各自温度的上升，提出了将半导体模块和电容器模块安装到共通的冷却器的功率转换装置(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013-146179号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
这里，功率转换装置中，为了提高功率转换装置的性能，希望使电容器模块的位置靠近半导体模块的位置从而降低汇流条的电感。但是，在专利文献1所示的现有的功率转换装置中，若使电容器模块靠近半导体模块，则由于半导体模块的发热的影响，电容器模块被配置在温度变高的冷却器的范围内。由此，在以往的功率转换装置中，电容器模块不易被冷却器冷却。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种功率转换装置，能够实现性能的提高，并更为可靠地分别对半导体模块和电容器模块进行冷却。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的功率转换装置包括：形成有冷却面的冷却器、设置于冷却面的半导体模块、以及具有以远离冷却面的状态与冷却面相对的电容器模块主体和设置于电容器模块主体的热传导构件的电容器模块，电容器模块主体经由汇流条与半导体模块相连接，热传导构件具有散热部，散热部在比电容器主体的半导体模块一侧的端部更远离半导体模块的位置与冷却面热连接。
发明效果
根据本发明所涉及的功率转换装置，能够实现功率转换装置的性能的提高，并更为可靠地分别对半导体模块和电容器模块进行冷却。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的功率转换装置的电路图。
图2是表示图1的功率转换装置的俯视图。
图3是沿图2的III-III线的剖视图。
图4是表示本发明的实施方式2所涉及的功率转换装置的剖视图。
图5是表示本发明的实施方式3所涉及的功率转换装置的剖视图。
图6是表示本发明的实施方式4所涉及的功率转换装置的剖视图。
图7是表示本发明的实施方式5所涉及的功率转换装置的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的功率转换装置的电路图。此外，图2是表示图1的功率转换装置的俯视图。并且，图3是沿图2的III-III线的剖视图。功率转换装置1是在电源与负载之间对电能进行转换的装置。在本例中，混合动力汽车、电动车等车辆所搭载的车辆用功率转换装置作为功率转换装置1来使用。
功率转换装置1具有多个半导体模块4、电容器模块5、以及冷却器6。本例中，功率转换装置1包含与三相的各相相对应的三个半导体模块4。
电容器模块5电连接有作为直流电源的电池2。来自电池2的直流电压由电容器模块5进行滤波。
电容器模块5中设有N侧汇流条7和P侧汇流条8作为多个汇流条。N侧汇流条7和P侧汇流条8分别由铜等导电性材料构成。电容器模块5分别经由N侧汇流条7和P侧汇流条8与各半导体模块4单独电连接。此外，电容器模块5还分别经由N侧汇流条7和P侧汇流条8与各半导体模块4热连接。
各半导体模块4将由电容器模块5滤波后的直流电压转换为交流电压。各半导体模块4如图1所示具有多个开关元件41。在本例中，相互串联连接的两个开关元件41包含于各半导体模块4。半导体模块4的两个开关元件41中，一个开关元件41与N侧汇流条7相连接，另一个开关元件41与P侧汇流条8相连接。
各开关元件41通过未图示的控制装置的控制来单独进行开关动作。因此，各半导体模块4是因各开关元件41的开关动作而发热的发热元器件。由电容器模块5滤波后的直流电压通过各开关元件41的开关动作而被转换成三相交流电压。
各半导体模块4电连接有作为负载的电动机3。电动机3通过从各半导体模块4向电动机3提供的三相交流电压来进行动作。
冷却器6对半导体模块4和电容器模块5进行冷却。冷却器6如图3所示形成有冷却面10。此外，冷却器6中形成有冷却介质流动的未图示的流路。冷却介质从冷却器6的流路入口流入冷却器6的流路。在冷却器6的流路中流动的冷却介质从冷却器6的流路出口向冷却器6的外部排出。
冷却面10因冷却介质在冷却器6中流动而被冷却。作为冷却介质，可使用水、油、空气等。在本例中，将空气作为冷却介质的空冷式的冷却器用作为冷却器6。
半导体模块4设置于冷却面10。此外，半导体模块4的外表面的一部分与冷却面10相接触。由此，各半导体模块4与冷却面10热连接。半导体模块4所产生的热向冷却面10发散。由此，半导体模块4被冷却。传递至冷却面10的热向在冷却器6中流动的冷却介质发散。
电容器模块5具有电容器模块主体50、以及设置于电容器模块主体50的多个热传导构件54。
电容器模块主体50远离各半导体模块4进行配置。此外，电容器模块主体50分别经由N侧汇流条7和P侧汇流条8与各半导体模块4电连接和热连接。并且，电容器模块主体50远离冷却面10进行配置。此外，电容器模块主体50与冷却面10相对。因此，在电容器模块主体50与冷却面10之间产生空间。
电容器模块主体50具有电容器壳体51、配置在电容器壳体51的内部的多个电容器元件53、在电容器壳体51的内部覆盖多个电容器元件53的树脂制的填充构件52。
电容器壳体51如图2所示设置有多个固定部55。各固定部55被固定于冷却面10。由此，电容器模块主体50以远离冷却面10的状态被保持。沿着与冷却面10正交的方向观察功率转换装置1时，各半导体模块4与各固定部55之间的距离比各半导体模块4与电容器模块主体50之间的距离要长。
电容器壳体51中设有开口部。在本例中，电容器壳体51以电容器壳体51的开口部朝向冷却面10的方式被配置。此外，电容器壳体51的外表面露出至外部气体。电容器壳体51由具有热传导性能的金属构成。电容器壳体51的热传导率比填充构件52的热传导率要高。
N侧汇流条7及P侧汇流条8分别从电容器壳体51的开口部插入到电容器壳体51的内部。此外，N侧汇流条7和P侧汇流条8分别贯穿填充构件52而与各电容器元件53相连接。并且，N侧汇流条7和P侧汇流条8分别隔着填充构件52而被保持于电容器壳体51。
填充构件52填充在电容器壳体51的内部。N侧汇流条7的一部分、P侧汇流条8的一部分及各电容器元件53被填充构件52填埋。由此，填充构件52在电容器壳体51的内部对各电容器元件53进行密封。作为构成填充构件52的材料的树脂是具有热传导性能的材料。
由各半导体模块4产生的热的一部分分别在N侧汇流条7和P侧汇流条8中传递并抵达电容器模块主体50。从各半导体模块4抵达电容器模块主体50的热的一部分在填充构件52中传递并从电容器壳体51的外表面向外部气体发散。
各热传导构件54由具有热传导性能的材料构成。在本例中，各热传导构件54由铜等金属构成。各热传导构件54的热传导率比填充构件52的热传导率要高。此外，在本例中，在分别远离N侧汇流条7、P侧汇流条8、电容器壳体51及电容器元件53的位置配置有热传导构件54。
各热传导构件54具有与冷却面10相接触的板状的散热部541、安装于电容器模块主体50的板状的安装部542、以及将散热部541与安装部542相连的连结部543。
安装部542以填埋于填充构件52的状态配置在电容器模块主体50的内部。由此，各热传导构件54经由填充构件52保持于电容器壳体51。
连结部543从安装部542通过电容器壳体51的开口部，并向电容器壳体51的外部延伸。此外，连结部543从填充构件52的内部向填充构件52的外部且朝向冷却面10延伸。由此，电容器模块主体50的内部的热通过安装部542和连结部543向电容器模块主体50的外部传递。并且，连结部543在冷却面10上与散热部541相连。
散热部541配置在远离电容器模块主体50的位置。此外，散热部541通过与冷却面10相接触而与冷却面10热连接。由此，电容器模块主体50的热通过各热传导构件54向冷却面10发散。
此外，散热部541在比电容器模块主体50的各半导体模块4一侧的端部更远离各半导体模块4的位置与冷却面10相接触。即，沿着与冷却面10正交的方向观察功率转换装置1时，各半导体模块4与散热部541之间的距离比各半导体模块4与电容器模块主体50之间的距离要长。
此外，散热部541从连结部543向各半导体模块4一侧的相反侧沿着冷却面10延伸。由此，散热部541的一部分抵达比与电容器模块主体50相对的冷却面10的区域更远离各半导体模块4的位置。即，沿着与冷却面10正交的方向观察功率转换装置1时，散热部541的一部分如图2所示那样，从电容器模块主体50的区域向各半导体模块4一侧的相反侧突出。
电容器模块主体50和各半导体模块4向在冷却器6中流动的冷却介质的流动的方向排列配置。散热部541在冷却介质的流动中比各半导体模块4的位置更靠上游侧的位置与冷却面10相接触。即，散热部541在比各半导体模块4的位置更靠近冷却器6的流路入口的位置与冷却面10相接触。由此，在冷却器6中流动的冷却介质从散热部541吸收热，然后从各半导体模块4吸收热。
这里，若使电容器模块主体50靠近各半导体模块4，从而缩短N侧汇流条7及P侧汇流条8各自的长度，则N侧汇流条7及P侧汇流条8各自的电感变低。由此，功率转换装置1的性能提高。因此，电容器模块主体50的位置越靠近各半导体模块4越好。
另一方面，在各半导体模块4的周围，由于各半导体模块4所产生的热而导致冷却面10的温度变高。尤其是，在使用冷却能力较低的空冷式的冷却器作为冷却器6的情况下，在各半导体模块4的周围冷却面10的温度容易变高。因此，在靠近各半导体模块4的位置使电容器模块主体50与冷却面10相接触的情况下，电容器模块主体50与温度较高的的冷却面10相接触。在该情况下，无法高效地从电容器模块主体50向冷却面10散热。
但是，在本实施方式的功率转换装置1中，电容器模块主体50远离冷却面10。因此，能够防止由各半导体模块4产生的热经由冷却面10向电容器模块主体50流动。由此，能够使电容器模块主体50的位置靠近各半导体模块4。因此，能够降低N侧汇流条7和P侧汇流条8各自的电感，能够实现功率转换装置1的性能的提高。
此外，散热部541在比电容器模块主体50的各半导体模块4一侧的端部更远离各半导体模块4的位置与冷却面10相接触。因此，能够在不容易受到来自各半导体模块4的热的影响的位置使散热部541与冷却面10相接触。由此，能够高效地使电容器模块主体50的热从散热部541向冷却面10进行发散。根据这种方式，不仅各半导体模块4，电容器模块5也能够更可靠地进行冷却。
此外，散热部541在对冷却面10进行冷却的冷却介质的流动中比各半导体模块4的位置更靠上游侧的位置与冷却面10相接触。因此，能够使散热部541在从各半导体模块4吸收热之前的冷却介质流动的位置与冷却面10相接触。由此，能够将散热部541接触的位置处的冷却面10的温度维持在较低的状态，能够更为高效地使电容器模块主体50的热从散热部541向冷却面10发散。因此，能够更为可靠地对电容器模块5进行冷却。
此外，热传导构件54具有配置在电容器模块主体50的内部的安装部542。因此，能够使电容器模块主体50的内部的热高效地通过热传导构件54引导向电容器模块主体50的外部。由此，能够更为可靠地对电容器模块5进行冷却。并且，由于能够使热传导构件54与电容器模块主体50一体化，因此，能够在功率转换装置1的制造时将电容器模块主体50和热传导构件54作为一个元器件进行处理。由此，能够容易地进行功率转换装置1的制造作业。
此外，N侧汇流条7和P侧汇流条8分别贯穿填充构件52而与电容器元件53相连接。并且，N侧汇流条7和P侧汇流条8分别隔着填充构件52而被保持于电容器壳体51。因此，能够利用填充构件52将从各半导体模块4起分别在N侧汇流条7和P侧汇流条8中传递并抵达电容器模块主体50的热的一部分引导向电容器壳体51。由此，能够从电容器壳体51向外部气体散热，能够更为可靠地抑制电容器模块5的温度的上升。
实施方式2.
图4是表示本发明的实施方式2所涉及的功率转换装置的剖视图。在N侧汇流条7与安装部542之间，存在有作为与填充构件52不同的绝缘构件的绝缘纸56。由此，热传导构件54的安装部542在电容器壳体51的内部隔着绝缘纸56配置在N侧汇流条7。绝缘纸56的热传导率比填充构件52的热传导率要高。此外，绝缘纸56是具有电气绝缘性能的绝缘构件。绝缘纸56的电气绝缘性能比填充构件52的电气绝缘性能要高。
传递至N侧汇流条7的热的一部分通过绝缘纸56传递至安装部542。从N侧汇流条7传递至安装部542的热通过连结部543和散热部541向冷却面10发散。其他结构与实施方式1相同。
在这种功率转换装置1中，热传导率比填充构件52要高的绝缘纸56存在于热传导构件54的安装部542与N侧汇流条7之间。因此，能够容易地从N侧汇流条7向热传导构件54传递热。由此，能够更为高效地使电容器模块主体50的热向冷却面10进行发散。
另外，在上述示例中，使用绝缘纸56作为存在于安装部542与N侧汇流条7之间的绝缘构件。但是，若是热传导率比填充构件52要高的绝缘构件，则可以不采用绝缘纸56。于是，也可以使用树脂制的导热片材、陶瓷板等来作为绝缘构件。
此外，在上述示例中，在安装部542与N侧汇流条7之间存在有绝缘纸56。但是，也可以在电容器壳体51的内部将安装部542配置为与P侧汇流条8相对，在安装部542与P侧汇流条8之间存在绝缘纸56。并且，也可以在电容器壳体51的内部将安装部542配置为与电容器元件53相对，在安装部542与电容器元件53之间存在绝缘纸56。由此，也能够更为高效地使电容器模块主体50的热向冷却面10进行发散。因此，通过使绝缘纸56存在于N侧汇流条7、P侧汇流条8及电容器元件53中的至少任意一个与安装部542之间，从而能够更为高效地使电容器模块主体50的热向冷却面10发散。
实施方式3.
图5是表示本发明的实施方式3所涉及的功率转换装置的剖视图。在电容器模块主体50与冷却面10之间，存在有绝热构件57。此外，电容器模块主体50隔着绝热构件57支承于冷却面10。
绝热构件57由热传导率比电容器模块主体50要低的材料构成。即，绝热构件57由热传导率比电容器壳体51、填充构件52及电容器元件53分别要低的材料构成。作为构成绝热构件57的材料，可使用树脂、橡胶等。其他结构与实施方式2相同。
在这种功率转换装置1中，由热传导率比电容器模块主体50要低的材料所构成的绝热构件57存在于电容器模块主体50与冷却面10之间。因此，能够利用绝热构件57更为可靠地抑制从冷却面10向电容器模块主体50的热的移动。由此，能够更为可靠地对各半导体模块4和电容器模块5进行冷却。并且，能够利用绝热构件57稳定地将电容器模块主体50支承于冷却面10。由此，能够提高功率转换装置1的耐振性能，能够抑制功率转换装置1的故障的发生。
实施方式4.
图6是表示本发明的实施方式4所涉及的功率转换装置的剖视图。热传导构件54的安装部542安装于电容器模块主体50的外表面。此外，安装部542与电容器模块主体50的外表面相接触。安装部542通过与电容器模块主体50的外表面相接触，从而与电容器模块主体50的外表面热连接。本例中，安装部542与电容器壳体51的外表面相接触。因此，在本例中，热传导构件54不插入到电容器模块主体50的内部。
电容器壳体51以电容器壳体51的开口部朝向各半导体模块4一侧的方式进行配置。由此，电容器壳体51的外表面的一部分与冷却面10相对。
安装部542安装于电容器壳体51的外表面中的与冷却面10相对的部分。电容器模块主体50的热从电容器壳体51通过热传导构件54向冷却面10发散。其他结构与实施方式1相同。
由此，即使将热传导构件54的安装部542安装于电容器模块主体50的外表面，也能够高效地将电容器模块主体50的热传递至热传导构件54。由此，能够更为可靠地对电容器模块主体50进行冷却。
另外，在上述示例中，安装部542与电容器模块主体50的外表面相接触。但是，也可以隔着具有热传导性能的紧贴构件将安装部542安装于电容器模块主体50的外表面。该情况下，紧贴构件无间隙地与电容器模块主体50的外表面及安装部542分别紧贴。此外，该情况下，安装部542隔着紧贴构件安装于电容器模块主体50的外表面，从而与电容器模块主体50的外表面热连接。作为紧贴构件，可以使用散热润滑油、树脂制的导热片材等。紧贴构件的热传导率优选为比电容器壳体51和热传导构件54各自的热传导率要高。但是，紧贴构件的热传导率可以与电容器壳体51和热传导构件54各自的热传导率相同，也可以比它们低。若如此，则能够利用紧贴构件填埋电容器模块主体50的外表面与安装部542之间产生的间隙，电容器模块主体50的热能够更为高效地传递至热传导构件54。因此，能够更为可靠地对电容器模块主体50进行冷却。
此外，在上述示例中，电容器壳体51的开口部朝向各半导体模块4一侧配置电容器模块主体50。但是，电容器壳体51的开口部也可以与冷却面10相对。
实施方式5.
图7是表示本发明的实施方式5所涉及的功率转换装置的剖视图。热传导构件54与电容器壳体51一体形成。此外，电容器壳体51由与热传导构件54相同的材料构成。即，由相同材料构成的单一构件的一部分成为电容器壳体51，单一构件的剩余部分成为热传导构件54。作为构成电容器壳体51和热传导构件54的材料，可使用具有较高的热传导性能的铝等金属。电容器壳体51和热传导构件54成为一体的构件的热传导率比填充构件52的热传导率要高。
热传导构件54从电容器壳体51的开口部的边缘部向冷却面10突出。此外，热传导构件54具有与冷却面10相接触的板状的散热部541、以及将散热部541与电容器壳体51相连的连结部543。散热部541和连结部543各自的结构与实施方式1相同。其他结构也与实施方式1相同。
在这种功率转换装置1中，热传导构件54与电容器壳体51一体形成。因此，能够将电容器壳体51与热传导构件54作为一个元器件进行处理，能够实现元器件个数的减少。由此，能够容易地进行功率转换装置1的制造作业。
另外，在上述示例中，在N侧汇流条7、P侧汇流条8及电容器元件53分别与电容器壳体51之间存在有填充构件52。但是，N侧汇流条7、P侧汇流条8及电容器元件53的至少任意一个与电容器壳体51之间可以存在与填充构件52不同的绝缘构件。该情况下，热传导率比填充构件52要高的构件可以用作为绝缘构件。此外，该情况下，电气绝缘性能比填充构件52要高的构件可以用作为绝缘构件。作为绝缘构件，可以使用绝缘纸、树脂制的导热片材、陶瓷板等。若如此，则热容易从N侧汇流条7、P侧汇流条8及电容器元件53的至少任意一个向电容器壳体51和热传导构件54传递。由此，能够更为高效地使电容器模块主体50的热向冷却面10进行发散。
此外，实施方式3中，绝热构件57可适用于实施方式2的功率转换装置1。但是，绝热构件57也可以适用于实施方式1、4或5的功率转换装置1。
此外，各上述实施方式中，散热部541与冷却面10相接触。但是，散热部541也可以隔着具有热传导性的导热物配置于冷却面10。该情况下，散热部541隔着导热物与冷却面10热连接。此外，在该情况下，导热物以无间隙地与散热部541和冷却面10分别紧贴的状态存在于散热部541与冷却面10之间。作为导热物，可以使用散热润滑油、树脂制的导热片材等。导热物的热传导率优选为比热传导构件54的热传导率要高。但是，导热物的热传导率也可以与热传导构件54的热传导率相同，也可以比它低。若如此，则能够利用导热物填埋散热部541与冷却面10之间产生的间隙，能够将来自散热部541的热高效地向冷却面10传递。因此，能够更为高效地使电容器模块主体50的热向冷却面10进行发散。
此外，在各上述实施方式中，在冷却介质的流动中比半导体模块4的位置更靠上游侧的位置处，散热部541与冷却面10热连接。但是，散热部541位置不限于比半导体模块4的位置更靠冷却介质的流动的上游侧的位置。例如，也可以在从半导体模块4的位置向与冷却介质流动的方向正交的方向偏离的位置处使散热部541与冷却面10热连接。
此外，在各上述实施方式中，在相比于与电容器模块主体50相对的冷却面10的区域更远离各半导体模块4的位置处配置散热部541的一部分。但是，也可以在相比于与电容器模块主体50相对的冷却面10的区域更远离各半导体模块4的位置处配置散热部541的全部。
标号说明
1功率转换装置、4半导体模块、5电容器模块、6冷却器、7N侧汇流条、8P侧汇流条、10冷却面、50电容器模块主体、51电容器壳体、52填充构件、53电容器元件、54热传导构件、57绝热构件、541散热部、542安装部。

Claims (10)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
冷却器，该冷却器形成有冷却面；
半导体模块，该半导体模块设置于所述冷却面；以及
电容器模块，该电容器模块具有电容器模块主体和热传导构件，所述电容器模块主体以远离所述冷却面的状态与所述冷却面相对，所述热传导构件设置于所述电容器模块主体，
所述电容器模块主体经由汇流条与所述半导体模块相连接，
所述热传导构件具有散热部，
所述散热部在比所述电容器模块主体的所述半导体模块一侧的端部更远离所述半导体模块的位置处与所述冷却面热连接。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述冷却面形成为被流过所述冷却器的冷却介质冷却，
所述散热部在所述冷却介质的流动中比所述半导体模块的位置更靠上游侧的位置处与所述冷却面热连接。
3.如权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述电容器模块主体与所述冷却面之间，存在有由热传导率比所述电容器模块主体要低的材料构成的绝热构件。
4.如权利要求1至3的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述热传导构件具有配置在所述电容器模块主体的内部的安装部。
5.如权利要求1至3的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述热传导构件具有与所述电容器模块主体的外表面相接触的安装部。
6.如权利要求1至3的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述热传导构件具有隔着具有热传导性能的紧贴构件安装于所述电容器模块主体的外表面的安装部，
所述紧贴构件与所述电容器模块主体的外表面以及所述安装部分别紧贴。
7.如权利要求1至3的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述电容器模块主体具有电容器壳体、配置在所述电容器壳体的内部的电容器元件、以及在所述电容器壳体的内部覆盖所述电容器元件的树脂制的填充构件，
所述汇流条贯穿所述填充构件并与所述电容器元件相连接，且隔着所述填充构件保持于所述电容器壳体。
8.如权利要求7所述的功率转换装置，其特征在于，
所述电容器壳体由与所述热传导构件相同的材料构成，
所述热传导构件与所述电容器壳体一体形成。
9.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于，
在所述电容器元件和所述汇流条中的至少任意一个与所述电容器壳体之间，存在有热传导率比所述填充构件要高的绝缘构件。
10.如权利要求7所述的功率转换装置，其特征在于，
所述热传导构件具有配置在所述填充构件的内部的安装部，
在所述电容器元件和所述汇流条中的至少任意一个与所述安装部之间，存在有热传导率比所述填充构件要高的绝缘构件。
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