-
Hintergrund der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterleistungsmodul, an dem Leistungshalbleiterelemente, wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (nachstehend als IGBT bezeichnet) oder dergleichen angebracht sind, ein dieselben beinhaltenden Inverter/ Konverter und ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlmantels zum Anbringen des Halbleiterleistungsmoduls.
-
Es ist erforderlich, dass ein Halbleiterleistungsmodul, das für Inverter/Konverter verwendet wird, die an einem Windkraftgenerator angebracht sind, wegen des großen Ausmaßes an Wärmeerzeugung wirksam gekühlt wird, und als Kühlmittel dafür ist eine Flüssigkeitskühlung wirksam. Die Flüssigkeitskühlung wird normalerweise durch Verbinden von Lamellen mit einem Halbleiterleistungsmodul mit beispielsweise Wärmeleitpaste zwischen ihnen und Eintauchen der Lamellen in einen Strömungsdurchgang von Kühlwasser erreicht. Jedoch hat die Wärmeleitpaste den Nachteil, dass sie im Vergleich zu Metallen einen großen Wärmewiderstand aufweist.
-
Im Gegensatz hierzu ist zur Sicherstellung einer höheren Kühlfähigkeit ein Halbleiterleistungsmodul eines Direktkühlungsverfahrens bekannt, bei dem Wärme an Teile, die gekühlt werden, ohne Wärmeleitpaste zwischen ihnen übertragen wird, um eine Kühlung zu erzielen (siehe beispielsweise
JP 2007 -
295 765 A und
JP 2009 -
44 891 A ).
-
Bei dem Halbleiterleistungsmodul des Direktkühlungsverfahrens ist/sind (ein) Leistungshalbleiterelement(e) direkt auf einer Oberseite einer Wärmesenke mit einer isolierten Schicht dazwischen angebracht und Lamellen sind auf der Unterseite der Wärmesenke vorgesehen. Aufgrund jener Konstruktion, in der eine Öffnung auf der Oberseite des Kühlmantels von der Unterseite der Wärmesenke bedeckt und geschlossen wird, wird daraufhin die Unterseite der Wärmesenke in direkten Kontakt mit einem Kühlwasser gebracht, so dass die Kühlwirkung der Wärmesenke verbessert wird.
-
In
JP 2007 -
295 765 A und
JP 2009 -
44 891 A wird eine Verbindung mit (einem) in einem Fahrzeug angebrachten Motor(en) angenommen und ein Kondensatormodul ist auf einer von einem Kühlmantel separaten Oberfläche vorgesehen und weist die gleiche Stellflächengröße wie diejenige des Kühlmantels auf, der von der Wärmesenke des Halbleitermoduls bedeckt und geschlossen ist, mit Ausnahme eines Einlasses/Auslasses, wodurch die Stellflächengröße eines Inverters/Konverters minimiert wird.
-
Da jedoch das Kondensatormodul auf der von dem Kühlmantel separaten Oberfläche vorgesehen ist, wird eine Zwischenverbindungslänge einer leitenden Platte zur Verbindung zwischen einem Gleichstromanschluss des Halbleitermoduls und einem Gleichstromanschluss des Kondensatormoduls um einen Höhenunterschied zwischen der Ebene des Kühlmantels und der Ebene des Kondensatormoduls verlängert. Wenn die Zwischenverbindungslänge der leitenden Platte verlängert wird, ergibt sich eine Erhöhung des Widerstandswerts im Verhältnis zur Länge, so dass eine Verlusterhöhung bewirkt wird.
-
Da eine Induktanz, die einen Stromwiderstand bewirkt, weiterhin erhöht wird, wird in einem solchen Fall, beispielsweise zwischen einem Kondensator einer Gleichstromschaltung und einem IGBT, eine Sprungspannung mit einer Stromänderung beim Schalten erzeugt und somit wird die Möglichkeit nahegelegt, dass der IGBT in dem Fall, in dem die Nennspannung des IGBT überschritten wird, zerstört wird.
-
JP 2008 -
206 243 A offenbart eine Konstruktion, in der ein Kondensatormodul auf der gleichen Ebene wie diejenige eines Kühlmantels angeordnet ist, bei dem eine Wärmesenke eines Halbleitermoduls von der Seite bedeckt und geschlossen ist. Im Vergleich zur Offenbarung der
JP 2007 -
295 765 A und der
JP 2009 -
44 891 A kann eine Verringerung der Induktanz durch Verkürzen eines Verdrahtungsabstands zwischen einem Kondensator und dem IGBT erreicht werden, aber der Zusammenbau ist wegen jener Konstruktion, bei der das Halbleitermodul von der Seite eingebaut wird, von problematisch schlechter Qualität.
-
JP 2009 -
219 270 A offenbart eine Konstruktion, bei der eine Öffnung auf einer Oberseite eines Kühlmantels durch die Verwendung eines Flanschabschnitts eines Halbleitermoduls eines doppelseitigen Direktkühlungsverfahrens bedeckt und geschlossen ist, bei dem ein Leistungshalbleiterelement von zwei Wärmesenken zwischengefügt ist und ein Kondensatormodul auf im Wesentlichen der gleichen Ebene wie derjenigen des Kühlmantels angeordnet ist. Im Vergleich zur Offenbarung der
JP 2007 -
295 765 A und der
JP 2009 -
44 891 A kann eine Verringerung der Induktanz durch Verkürzen des Verdrahtungsabstands zwischen einem Kondensator und einem IGBT erreicht werden, aber die Streuung bei der Kühlleistung wird problematisch groß, da eine Lückentoleranz zwischen dem Wärmesenken und dem Kühlmantel in dem Fall groß wird, in dem das Kondensatormodul nicht von hoher Präzision bei der Positionierung im Verhältnis zum Kühlmantel ist. Die
US 2001/0 014 029 A1 ,
US 6 166 937 A ,
EP 1 863 156 A1 ,
JP 2001-286 156 A ,
DE 43 27 895 A1 ,
JP 2007-36 214 A und die
JP 2002-315 358 A beschreiben jeweils einen Inverter und/ oder Konverter mit einem Halbleiterleistungsmodul und einer Kühlvorrichtung. Die
US 2009/0 241575 A1 ,
DE 10 2006 006 425 A1 ,
US 7 656 672 B2 ,
DE 10 2009 012 042 A1 ,
DE 693 29 103 T2 ,
DE 196 45 636 C1 und die
US 6 434 003 B1 beschreiben jeweils ein Halbleiterleistungsmodul mit einer Kühlvorrichtung.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
In Verbindung mit den vorstehend beschriebenen technischen Problemen ist die Erfindung auf die Bereitstellung eines Inverters oder Konverters mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gerichtet.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Gemäß der Erfindung ist es möglich, einen Inverter oder Konverter mit einem Halbleiterleistungsmodul, die zu einer Verlustsenkung imstande sind, bereitzustellen.
-
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine Ansicht, die eine Schaltungsblockkonfiguration eines Inverters/Konverters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein äußeres Erscheinungsbild eines Kondensatormoduls und eines Invertermoduls des Inverters/Konverters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild eines Einphasen-Invertermoduls gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
- 4 ist eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht, die das Einphasen-Invertermodul gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
- 5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Kühlmantel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine Vorlauf- bzw. Fließrichtung eines Kühlmittels zeigt;
- 6 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VI-VI in 5.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild eines Halbleiterleistungsmoduls gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
- 8 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VIII-VIII in 7;
- 9 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie IX-IX in 3;
- 10A und 10B sind grafische Darstellungen, die eine Beziehung zwischen einem Abstand bzw. Zwischenraum und einem Wärmewiderstandsverhältnis sowie zwischen einem Abstand bzw. Zwischenraum und einem Druckabfall in dem Fall zeigen, in dem Nadellamellenwärmesenken verwendet werden;
- 11 ist eine Querschnittsansicht, ähnlich 9, eines Einphasen-Invertermoduls, wenn eine nicht anspruchsgemäße Wärmesenke ohne Lamellen angebracht ist, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 12 ist eine Querschnittsansicht, ähnlich 9, eines Einphasen-Invertermoduls, wenn eine nicht anspruchsgemäße Wärmesenke ohne Lamellen und ein StrömungsgeschwindigkeitsErhöhungselement angebracht sind, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 13 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Kühlmantel zeigt, auf dem zwei oder mehr Halbleitermodule angebracht sind, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und die ein Beispiel einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels zeigt, die sich nicht verzweigt und vereinigt;
- 14 ist eine Draufsicht, die schematisch den Kühlmantel und das Beispiel der in 13 gezeigten Vorlaufrichtung des Kühlmittels zeigt;
- 15 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Kühlmantel zeigt, auf dem zwei oder mehr Halbleitermodule angebracht sind, gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, und die ein Beispiel einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels zeigt, die sich in zwei Ströme verzweigt und aus zwei Strömen vereinigt;
- 16 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Kühlmantel zeigt, auf dem zwei oder mehr Halbleitermodule angebracht sind, gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und die ein Beispiel einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels zeigt, die sich in drei Ströme verzweigt und aus drei Strömen vereinigt; und
- 17 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Kühlmantel zeigt, auf dem sechs Halbleitermodule angebracht sind, gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und die ein Beispiel einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels zeigt, die sich in sechs Ströme verzweigt und aus sechs Strömen vereinigt.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
(Ein erstes Ausführungsbeispiel)
-
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Schaltungsblockkonfiguration eines Inverters/Konverters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, ist ein Inverter/Konverter 1000 mit einem Blatt 500 und einem Transformator 600 verbunden, um das Blatt 500 zu umfassen, das durch Windkraft gedreht wird, einem Generator 400, der einen Wechselstrom aus einem durch das Blatt 500 erhaltenen Drehmoment erzeugt, einem Konvertermodul 300, das einen von dem Generator 400 zugeführten Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt, einem Kondensatormodul 200, das einen von dem Konvertermodul 300 zugeführten Gleichstrom stabilisiert und glättet, und einem Invertermodul 100, das einen Wechselstrom von vorgegebener Frequenz aus einem Gleichstrom erzeugt. Der von dem Inverter/Konverter erhaltene Wechselstrom wird durch den Transformator 600 in eine vorgegebene Spannung umgewandelt, um in ein externes Elektroleistungssystem eingespeist zu werden.
-
In dem Konvertermodul 300 und dem Invertermodul 100 sind zwei Stromschaltkreise, die eine parallele Verbindungsschaltung eines IGBT 2a und einer Diode 2b umfassen, in Reihe geschaltet, um jede Ober-/Unterarmreihenschaltung 1 zu bilden. Obere und untere Enden der Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 sind jeweils mit positiven und negativen Elektroden des Kondensatormoduls 200 verbunden. Ein Stromschaltkreis, der auf einer Oberseite (positive Elektrodenseite) angeordnet ist und den IGBT 2a und die Diode 2b umfasst, wirkt als so genannter Oberarm, und ein Stromschaltkreis, der auf einer unteren Seite (negativen Elektrodenseite) angeordnet ist und den IGBT 2a und die Diode 2b umfasst, wirkt als so genannter Unterarm.
-
Das Invertermodul 100 umfasst eine so genannte 3-Phasen-Brückenschaltung einschließlich drei Sätzen der Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1. Drehströme u, v, w werden von Mittelpunktpositionen der Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 ausgegeben, d.h. verbundenen Abschnitten der oberen/unteren Stromschaltkreise, und die so ausgegebenen Drehströme u, v, w werden in den Transformator 600 eingespeist.
-
Das Konvertermodul 300 bildet ebenfalls eine Inverterschaltung mit drei Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 und beinhaltet eine Konvertermodul-Treiberschaltung 800, die das Konvertermodul 300 antriebsmäßig steuert, und eine Konvertermodul-Steuerschaltung 900, die der Konvertermodul-Treiberschaltung 800 ein Steuersignal zuführt.
-
Gleichermaßen bildet das Invertermodul 100 eine Inverterschaltung mit drei Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 und beinhaltet eine Invertermodul-Treiberschaltung 810, die den IGBTs 2a betreffender Phasen ein Gate-Signal zuführt, um das Invertermodul 300 antriebsmäßig zu steuern, und eine Invertermodul-Steuerschaltung 910, die der Invertermodul-Treiberschaltung 810 ein Steuersignal zuführt. Vorliegend werden Gate-Signale, die aus den beiden Treiberschaltungen 800, 810 ausgegeben werden, den IGBTs 2a betreffender Phasen zugeführt, um Amplituden und Phasen der Wechselströme u, v, w zu steuern.
-
Die jeweiligen Steuerschaltungen 900 umfassen einen Mikrocomputer, der eine Rechenverarbeitung einer Schaltzeiteinstellung jedes IGBT 2a durchführt. Im Übrigen sind Emitteranschlüsse der IGBTs 2a der jeweiligen Arme mit den jeweiligen Treiberschaltungen 800, 810 verbunden. Die jeweiligen Treiberschaltungen 800, 810 führen eine Überstromerfassung im Emitteranschluss jedes IGBT 2a durch. Ein Schaltvorgang jenes IGBT 2a, für den ein Überstrom erfasst wird, wird gestoppt und vor dem Überstrom geschützt. Weiterhin werden Signale von (nicht gezeigten) Temperatursensoren, die auf den Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 vorgesehen sind, Detektoren, die an beiden Enden der Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 angelegte Gleichstromspannungen erfassen, usw., in die jeweiligen Steuerschaltungen 900, 910 eingegeben. Auf der Grundlage der Signale werden eine Anomalität, wie etwa eine übermäßige Temperatur, eine Überspannung usw. erfasst. In dem Fall, dass eine Anomalität, wie etwa eine übermäßige Temperatur, Überspannung, usw. erfasst wird, werden alle IGBTs 2a beim Schaltvorgang gestoppt, wodurch die Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 gegen Überstrom, Überspannung, übermäßige Temperatur usw. geschützt werden.
-
Außerdem kann bei dem vorstehend beschriebenen Inverter/Konverter 1000 ein MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet werden, um die Stromschaltkreise zu bilden, die den IGBT 2a und die Diode 2b umfassen. Auch kann das Invertermodul 100 so aufgebaut sein, dass es zwei Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 umfasst, um zweiphasigen Wechselstrom auszugeben. Gleichermaßen kann das Kondensatormodul 300 so aufgebaut sein, dass es zwei Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 umfasst, in die zweiphasige Wechselströme eingegeben werden. Weiterhin kann der Inverter/Konverter 1000 zusätzlich zu der in 1 gezeigten Schaltungskonfiguration einer sein, der eine Funktion zum Laden einer Batterie mit Elektrizität einschließt. Auch kann zusätzlich zu der in 1 gezeigten Schaltungskonfiguration ein die Geschwindigkeit erhöhendes Getriebe vorgesehen sein, um die Drehfrequenz einer Windmühle in die Drehfrequenz eines Generators umzuwandeln.
-
2 ist eine perspektivische Ansicht eines äußeren Erscheinungsbilds des Kondensatormoduls 200 und des Invertermoduls 100 des Inverters/Konverters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, sind das Kondensatormodul 200 und das Invertermodul 100 miteinander durch positiv leitende Platten 203a und negativ leitende Platten 203b elektrisch verbunden. Mehrere Kondensatorzellen 201 sind auf dem Kondensatormodul 200 angebracht, positiv leitende Platten 202a und negativ leitende Platten 202b sind auf eine Weise angeordnet, dass sie zwischen die jeweiligen Kondensatorzellen 201 eingefügt sind, und jeweilige leitende Platten sind mit den positiv leitenden Platten 203a und den negativ leitenden Platten 203b verbunden. Der Inverter/Konverter 1000 umfasst hauptsächlich Halbleiterleistungsmodule und Kühlmäntel 101, deren Öffnungen durch die Halbleiterleistungsmodule 110 verschlossen sind. Ein Einlassrohr 101a und ein Auslassrohr 101b sind mit dem Kühlmantel einteilig ausgebildet und ein Kühlmittel wird durch das Einlassrohr 101a zugeführt und aus den Auslassrohren 101b herausgenommen. In einem in 2 gezeigten Beispiel sind zwei Halbleiterleistungsmodule 110 vom Zwei-In-Einem-Typ jede Phase an Stellen vorgesehen, die den in 1 gezeigten Ober-/Unterarmreihenschaltungen 1 entsprechend. Infolgedessen sind zum Ausgeben von Drehströmen u, v, w sechs Halbleiterleistungsmodule vom Zwei-In-Einem-Typ vorbereitet und Wechselstrom zuführende leitende Platten 120 sind in einer Weise vorgesehen, dass sie zwei Leistungsmodule koppeln.
-
Da alle Kühlmäntel 101 und alle Halbleiterleistungsmodule 110, die drei Phasen bilden, vom Aufbau her gleich sind, wird der detaillierte Aufbau unter Bezugnahme auf die Zeichnungen (3 bis 10) beschrieben, in denen zwei Halbleiterleistungsmodule 110 für eine Phase auf einem Kühlmantel angebracht sind.
-
3 ist eine perspektivische Ansicht eines äußeren Erscheinungsbilds des Invertermoduls 100 für eine Phase gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und 4 ist eine auseinander gezogene Ansicht des in 3 gezeigten Invertermoduls 100. Das Invertermodul 100 wird durch Bereitstellen des Halbleiterleistungsmoduls 110 von dem Durchgang von Bolzen durch Halbleiterleistungsmodul-Befestigungsbolzenlöcher 103 mit Abdichtungsmaterialien 130, die durch einen O-Ring verkörpert sind, dazwischen gebildet, um Öffnungen 101c zu verschließen, die auf einer Oberseite des Kühlmantels 101 positioniert sind. Da die O-Ringe 130 und die Halbleiterleistungsmodule 110 von oben angebracht werden, wird verhindert, dass die O-Ringe 130 zum Zeitpunkt des Zusammenbaus von den O-Ringnuten 102 abgehen, wodurch die Qualität des Zusammenbaus verbessert wird.
-
Der Kühlmantel 101 ist mittels Gießen (einschließlich Druckgießen) einstückig ausgebildet und die O-Ringnuten 102, die Halbleiterleistungsmodul-Befestigungsbolzenlöcher 103, das Einlassrohr 101a und das Auslassrohr 101b werden nach dem Gießen einer spanenden Bearbeitung unterzogen. Spannvorrichtungen 105 für die spanende Bearbeitung werden verwendet, wenn der Kühlmantel zum Zeitpunkt der spanenden Bearbeitung an einer Feinbearbeitungsmaschine befestigt ist, und durch das Vorsehen der Spannvorrichtungen außerhalb der O-Ringnuten 102 wird die Zuverlässigkeit beim Abdichten in typischer Weise aufrechterhalten. Auch das einstückige Formen des Kühlmantels verbessert die Zuverlässigkeit beim Abdichten, was zu Miniaturisierung und Kostensenkung führt.
-
Außerdem können statt der O-Ringe Flüssigkeitsdichtungen und Metalldichtungen zum Abdichten verwendet werden.
-
Wie in 3 gezeigt, umfasst das Halbleiterleistungsmodul 110 einen Halbleiterleistungsmodulkörper, Gleichstromanschlüsse und einen Wechselstromanschluss, und ein Positivelektroden-Gleichstromanschluss 111a und ein Negativelektrode-Gleichstromanschluss 111b sind auf einer Seite des Halbleiterleistungsmodulkörpers vorgesehen, ein Wechselstromanschluss 111c ist auf einer gegenüberliegenden Seite vorgesehen. Da gerade unterhalb dieser Anschlüsse keine Leistungshalbleiterelemente (IGBT oder Diode) 2 vorhanden sind, wie in 8 gezeigt, besteht keine Notwendigkeit, eine Wärmesenke 4 gerade unterhalb der Anschlüsse vorzusehen, und wenn der Kühlmantel 101 auf einer Unterseite des Halbleiterleistungsmodulkörpers angeordnet ist, ist es möglich, eine Kühlwirkung zu erzeugen. Daher ist es durch Anordnen eines Strömungsdurchgangs 106, der zwischen Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, gerade unterhalb der Gleichstromanschlüsse und der Wechselstromanschlüsse der Halbleiterleistungsmodule 110, möglich, die Raumwirksamkeit des Strömungsdurchgangs 106 zu erhöhen und eine Stellflächengröße (X_Kanal x Y_Kanal) des Kühlmantels 101 herzustellen, auf dem die Halbleiterleistungsmodule 110 angebracht sind, ausgenommen die Einlass-/Auslassrohre 101a, 101b, die gleich oder kleiner als eine Stellflächengröße (X_Modul x Y_Modul) der Halbleiterleistungsmodule 110 ist. Auch sind die Positivelektrode-Gleichstromarischlüsse 111a und die Negativelektrode-Gleichstromanschlüsse 111b mit den Kondensatormodul 200 verbunden. Die Positivelektrode-Gleichstromanschlüsse 111a und die Negativelektrode-Gleichstromanschlüsse 111b stehen in Richtung des Kondensatormoduls 200 von dem Kühlmantel 101 vor, um eine Zwischenverbindungslänge zu verkürzen, die für den Kontakt mit dem Kondensatormodul erforderlich ist.
-
Infolgedessen ist das Kondensatormodul 200 in Fluchtung mit und neben den Halbleiterleistungsmodulen 110 angeordnet, so dass es möglich ist, die Länge der leitenden Platte 203 zur Verbindung zwischen dem Kondensatormodul 200 und den Halbleiterleistungsmodul 110 zu verkürzen und eine Induktanz, die einen Stromwiderstand ausmacht, zu senken. Daher ist es möglich, den Verlust der Vorrichtung zu senken und eine Sprungspannung im Gefolge einer Änderung des Stroms beim Schalten zu verhindern, um einen Bruch bzw. einen Schaden der IGBTs zu verhindern.
-
5 ist eine Ansicht, die den Kühlmantel 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und ein Beispiel einer Vorlauf- bzw. Fließrichtung eines Kühlmittels zeigt. Das Kühlmittel fließt in den Kühlmantel 101 von dem Einlassrohr 101a in einer Vorlaufrichtung 150a des Kühlmittels in das Einlassrohr, um in die Mantelöffnung 101c vorzudringen, in die die Wärmesenke 4 eines ersten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt ist, in eine Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in die Wärmesenke, um ihre Vorlaufrichtung in dem Strömungsdurchgang 106 zu ändern, der eine Verbindung zwischen den Öffnungen des Kühlmantels herstellt, in eine Vorlaufrichtung 150d des Kühlmittels im Strömungsdurchgang, um in die Mantelöffnung 101c vorzudringen, in die die Wärmesenke 4 eines zweiten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt ist, in eine Vorlaufrichtung 150e des Kühlmittels in die Wärmesenke entgegen der Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der ersten Wärmesenke, und fließt aus dem Kühlmantel 101 durch das Auslassrohr 101b in eine Vorlaufrichtung 150b des Kühlmittels im Auslassrohr hinaus.
-
6 ist eine Querschnittsansicht längs einer Linie VI-VI in 5. Da der Kühlmantel mittels Gießen einstückig ausgebildet ist, weist er typischerweise einen Freiwinkel von 1° oder mehr und eine Wanddicke 108b, auf der der Freiwinkel vorhanden ist, von 3 mm oder mehr auf. Die Mantelöffnungen 101c, in die die Wärmesenken 4 des Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt sind, sind so hergestellt, dass sie eine Öffnungskanalquerschnittsfläche 107d haben, die kleiner als eine Einlass-/Auslassrohrkanalquerschnittsfläche 107a ist, eine Düsenminimalabschnittskanalquerschnittsfläche 107b und eine Modulzwischenkanalquerschnittsfläche 107c, wodurch nur bei Stellen, die zu kühlen sind (die Mantelöffnungen 101c, in die die Wärmesenken 4 eingefügt sind), die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird, um eine Verbesserung der Kühlleistung zu erreichen, und bei Stellen, die nicht zum Kühlen beitragen (das Einlassrohr 101a, das Auslassrohr 101b, der Strömungsdurchgang 106, der eine Verbindung zwischen den Öffnungen des Kühlmantels herstellt), wird die Strömungsgeschwindigkeit gesenkt, um eine Verringerung des Druckabfalls zu erreichen. Weiterhin ist es möglich, im Hinblick auf eine Entlastung einen Raum 104 an einer Unterseite des Kühlmantels vorzusehen, wo kein Kanal für das Kühlmittel vorgesehen ist.
-
Da das Material des Kühlmantels im Allgemeinen eine Aluminiumlegierung ist und das Material der Wärmesenken 4 Kupfer ist, werden zum Zweck der Verhinderung einer galvanischen Korrosion der Kühlmantel und die Wärmesenken 4 auch einer Oberflächenvorbereitung zur Verhinderung der Korrosion unterzogen. Ebenfalls wird eine Imprägnierung aufgetragen, um ein Harz in Hohlräume der Form und Lücken gesinterter Teile zum Härten derselben zu gießen, was es ermöglicht, deren nicht notwendige Löcher zu füllen, so dass eine Verbesserung der Zuverlässigkeit erreicht wird.
-
7 ist eine perspektivische Ansicht eines äußeren Erscheinungsbilds des Halbleiterleistungsmoduls 110 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und 8 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie VIII-VIII in 7. Durch Vorsehen des Positivelektrode-Gleichstromanschlusses 111a und des Negativelektrode-Gleichstromanschlusses 111b auf einer Seite des Halbleiterleistungsmodulkörpers, Vorsehen des Wechselstromanschlusses 111a auf der anderen Seite gegenüber der Seite, auf der die Gleichstromanschlüsse angeordnet sind, und Vorsehen von Niederspannungs- (Gate-Signal, Temperaturerfassungssignal, Emittersignal) -Elektroden 112 auf einer von den Seiten getrennten Seite, auf der Hochspannungsanschlüsse (Gleichstrom- und Wechselstromanschlüsse 111) vorgesehen sind, ist es möglich, das Niederspannungssystem von dem Hochspannungssystem zu trennen, so dass es möglich ist, das Rauschen jeweiliger Signale (Gate-Signal, Temperaturerfassungssignal, Emittersignal) zu verhindern.
-
Um den Leistungshalbleiterelementen 2 von den Hochspannungsanschlüssen (Gleichstrom- und Wechselstromanschlüsse 111) einen elektrischen Strom zuzuführen, ist über den Leistungshalbleiterelementen 2 eine laminierte flache Platte 113 vorgesehen. Die laminierte flache Platte 113 wird durch Laminieren einer Negativelektrode-Leitungsplatte 113a, eines Isoliermaterials 113b, einer Positivelektrode-Leitungsplatte 113c, eines Isoliermaterials 113d und einer Wechselstrom-Leitungsplatte 113e in dieser Reihenfolge von oben in Schichtweise gebildet. Die Negativelektrode-Leitungsplatte 113a und die Positivelektrode-Leitungsplatte 113c sind parallel mit dem Isoliermaterial 113b dazwischen angeordnet und es fließt der gleiche, aber entgegengesetzt gerichtete elektrische Strom hindurch. Infolgedessen heben sich Magnetfelder, die durch gegenseitige elektrische Ströme erzeugt werden, in einem Raum zwischen der Negativelektrode-Leitungsplatte 113a und der Positivelektrode-Leitungsplatte 113c gegenseitig auf, mit dem Ergebnis, dass die Induktanz des Stromwegs gesenkt wird. Außerdem ist das Isoliermaterial 113b (113d) zum Zweck einer elektrischen Isolierung jeweiliger leitender Platten (der Negativelektrode-Leitungsplatte 113a, der Positivelektrode-Leitungsplatte 113c, der Wechselstrom-Leitungsplatte (113e) vorgesehen und mittels eines Verfahrens zum Verbinden eines Isolierpapiers mit einer leitenden Platte und eines Verfahrens zum Laminierungsbeschichten einer leitenden Platte angebracht.
-
Bei Betrachtung von oben ist die laminierte flache Platte auch im Wesentlichen von trapezartiger Form und in ihrer Form so gekennzeichnet, dass ein elektrischer Strom zu jeweiligen Anschlüssen fließt, die mit einem Metallmuster auf dem Isoliersubstrat mit niedriger Induktanz verbunden sind.
-
Obwohl es nur in 8 gezeigt ist, ist ein Gel innerhalb des Halbleiterleistungsmoduls zum Zweck der Verhinderung eines Anhaftens von Staub an inneren Teilen, wie etwa der Leistungshalbleiterelemente 2, einer Befestigung, Aufrechterhaltung der Isolierleistung oder dergleichen versiegelt Das Gel wird eingefüllt, so dass es sich über einer Bodenfläche einer obersten leitenden Platten (im Ausführungsbeispiel die Negativelektrode-Leitungsplatte 113a) der laminierten flachen Platte 113 ansammelt, wodurch es möglich ist, eine Isolierleistung gegenüber anderen leitenden Platten sicherzustellen.
-
Ein Kriechabstand zwischen dem Positivelektrode-Gleichstromanschluss 111a und dem Negativelektrode-Gleichstromanschluss 111b wird auf mindestens 10 mm ausgeführt und somit besteht keine Notwendigkeit eines Isoliermaterials dazwischen. Andererseits besteht, da die Positivelektrode-Leitungsplatte 113c und die Negativelektrode-Leitungsplatte 113a nebeneinander angeordnet sind, eine Notwendigkeit eines Isoliermaterials dazwischen, um eine Isolierleistung sicherzustellen, und es ist erforderlich, dass mindestens eine der leitenden Platten im Gel aufgenommen ist. Um eine Isolierleistung sicherzustellen, ist es daher erforderlich, dass ein Pegel 114 einer Gelfläche an einer Stelle 117a für die Verbindung des Positivelektrode-Gleichstromanschlusses 111a mit der Positivelektrode-Leitungsplatte 113c und eine Stelle 117b für die Verbindung des Negativelektrode-Gleichstromanschlusses 111b mit der Negativelektrode-Leitungsplatte 113a höher als ein Pegel 115 einer Stelle ist, an der ein Kriechabstand zwischen der Positivelektrode-Leitungsplatte und der Negativelektrode-Leitungsplatte verkürzt ist.
-
Andererseits sollte eine Plattenbreite 118 eines minimalen Halsabschnitts der Stelle 117a zur Verbindung des Positivelektrode-Gleichstromanschlusses 111a mit der Positivelektrode-Leitungsplatte 113c zumindest gleich oder größer als 5 mm zum Zweck von Vibrationswiderstand und niedriger Induktanz ausgeführt werden. Daraufhin wird es, indem der minimale Halsabschnitt zu einer leitenden Platte 116 gemacht wird, die halbkreisförmig ist, um eine Rundung zu haben, ermöglicht, den Pegel 114 der Geloberfläche höher als den Pegel 115 jener Stelle zu machen, an der ein Kriechabstand zwischen der Positivelektrode-Leitungsplatte und der Negativelektrode-Leitungsplatte verkürzt ist, ohne den Pegel des gesamten Halbleitermoduls zu erhöhen, wodurch es ermöglicht wird, eine Isolierleistung sicherzustellen und den Abstand zwischen dem Positivelektrode-Gleichstromanschluss 111a und der laminierten flachen Platte 113 zu verringern, mit dem Ergebnis, dass es möglich ist, eine in 4 gezeigte Modullänge X_Modul zu verkürzen, wodurch eine Miniaturisierung des Halbleiterleistungsmoduls 110 ermöglicht wird. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform das Gel verwendet wird, kann außerdem eine Pressspritzform anstelle des Gels verwendet werden.
-
9 ist eine Querschnittsansicht des Einphasen-Invertermoduls entlang IX-IX in 3. Das Invertermodul 100 wird durch Einfügen der Halbleiterleistungsmodule 110 in den Kühlmantel 101 ausgebildet. Wenn die Wärmesenken 4 der Halbleiterleistungsmodule 110 mit dem Kühlmantel in Kontakt gebracht werden, wenn die Halbleiterleistungsmodule 110 an dem Kühlmantel 101 angebracht werden, werden die O-Ringe 130 nicht vollständig zusammengedrückt und können keine Isolierungsleistung sicherstellen. Daher ist es notwendig, einen vorgegebenen Abstand 109a zwischen den Wärmesenken 4 und dem Kühlmantel 101 sicherzustellen. Da der Abstand 109a zwischen Lamellenspitzenenden der in 9 gezeigten Wärmesenken 4 und dem Kühlmantel 101 einen Einfluss auf die Kühlleistung (Wärmewiderstand, Druckabfall) hat, ist andererseits die Steuerung des Abstands 109a zwischen den Lamellenspitzenenden der Wärmesenken 4 und des Kühlmantels 101 zusätzlich zur Herstellungstoleranz und Anbringungstoleranz von Bedeutung.
-
10A und 10B sind Grafiken, die die Beziehung zwischen dem (als Lamellenspitzenlücke beschriebenen) Abstand zwischen den Lamellenspitzenenden der Wärmesenken 4 und dem Kühlmantel 101, sowie dem Wärmewiderstand und dem Druckabfall angeben. Die Grafiken zeigen eine Lamellenspitzenlücke auf der Abszissenachse und ein Leistungsverhältnis, wenn eine Lamellenspitzenlücke vorhanden ist, sowie auf der Ordinatenachse, wenn eine Lamellenspitzenlücke Null ist.
-
Aus 10A und 10B ist ersichtlich, dass, wenn die Lamellenspitzenlücke größer wird, der Wärmewiderstand zunimmt und der Druckabfall geringer wird. Es ist auch ersichtlich, dass, wenn eine Lamellenspitzenlücke gleich oder kleiner 2,0 mm ist, die Zunahme des Wärmewiderstands im Vergleich zu einem Absinken des Druckabfalls nicht groß ist. Daher wird durch Spezifizieren der Herstellungstoleranz und der Anbringungstoleranz so, dass der Abstand (Lamellenspitzenlücke) 109a zwischen den Lamellenspitzenenden der Wärmesenken 4 und des Kühlmantels 101 zumindest 0,1 mm, aber höchstens 2,0 mm gemacht wird, die Wärmesenken 4 nicht mit dem Kühlmantel 101 in Kontakt kommen und die Kühlleistung aufrechterhalten werden kann.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stehen die Positivelektrode-Gleichstromanschlüsse 111a und die Negativelektrode-Gleichstromanschlüsse 111b über den Kühlmantel 101 hinaus zum Kondensatormodul 200 vor, um eine Zwischenverbindungslänge zu verkürzen, die für den Kontakt mit dem Kondensatormodul erforderlich ist, wodurch eine Verringerung der Induktanz und eine Verringerung des Druckabfalls erzielt wird.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Invertermodul 100 zwar als Beispiel gezeigt, kann aber durch das Konvertermodul 300 ersetzt werden. Zwar sind Wärmesenkenlamellen 4b in der Form einer Nadellamelle gezeigt, können aber auch Flachplattenlamellen und gewellte Lamellen umfassen. Auch ist der Inverter/Konverter 1000 in dem Ausführungsbeispiel für eine Windkrafterzeugung geeignet und im Übrigen anwendbar auf Inverter/Konverter für Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, Inverter/Konverter für Straßenbahnen, Schiffe und Flugzeuge, industrielle Inverter/Konverter, die als Steuerungsvorrichtungen für Motoren eingesetzt werden, die Werkstatteinrichtungen ansteuern, sowie Haushaltsinverter/-konverter, die für Steuerungsvorrichtungen von Motoren verwendet werden, die Haushalts-Sonnenlichterzeugungssysteme und Haushalts-Elektrifizierungsprodukte ansteuern.
-
(Ein zweites Ausführungsbeispiel)
-
11 ist eine Querschnittsansicht, ähnlich 6, eines Einphasen-Invertermoduls in dem Fall, dass Wärmesenken ohne Lamellen angebracht sind. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel wird eine Verringerung des Wärmeflächenbereichs nach Maßgabe eines Betrags erzielt, bis zu dem die Wärmesenkenlamellen 4b entfernt sind, so dass sie zu einer Verschlechterung der Kühlleistung führt, aber es wird eine Verringerung der Kosten erwartet, da Wärmesenken 4 in einfacher Form ausgeführt werden können, vorausgesetzt, dass Leistungshalbleiterelemente, die ein zu kühlendes Objekt darstellen, bis zu einem notwendigen Ausmaß gekühlt werden. In diesem Fall beträgt der Abstand 109b zwischen Wärmesenkenbasen 4a und dem Kühlmantel 101 vorzugsweise mindestens 0,5 mm im Hinblick auf die Verhinderung von Staubverstopfung und Verhinderung von Hohlstellenerosion. Beispielsweise beträgt in dem Fall, in dem die Breite eines Strömungsdurchgangs 30 mm und die Strömungsrate 1,0 l/min. beträgt, die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit ungefähr 1,1 m/s, wenn der Abstand 109b zwischen den Wärmesenkenbasen 4a und dem Kühlmantel 1010,5 mm beträgt, und somit ist die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit kleiner als eine allgemein bekannte zulässige Strömungsgeschwindigkeit (1,5 m/s), so dass keine Bedenken hinsichtlich einer Erzeugung von Hohlstellenerosion bestehen ([Bibliografie] „Anti corrosion guide for copper pipes used in building pipe lines“, Jpn. Copp. Develop. Assoc., Seite 16 (1987)).
-
(Ein drittes Ausführungsbeispiel)
-
12 ist eine Querschnittsansicht, ähnlich 6, eines Einphasen-Invertermoduls in dem Fall, in dem Wärmesenken ohne Lamellen angebracht sind und ein Strömungsgeschwindigkeitserhöhungselement vorgesehen ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Strömungsgeschwindigkeitserhöhungselement zusätzlich zu dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, wodurch eine Wärmeübertragung in einem Turbulenzzustand mit einer Reynoldszahl von 2000 oder mehr ermöglicht wird und eine Verbesserung der Kühlleistung erzielt werden kann.
-
(Ein viertes Ausführungsbeispiel)
-
13 ist eine Ansicht, die einen Kühlmantel zeigt, auf dem zwei oder mehr Halbleitermodule angebracht sind, und ein Beispiel einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels, das sich nicht verzweigt und vereinigt, und 14 ist eine Draufsicht, die den Kühlmantel und das Beispiel der Vorlaufrichtung des Kühlmittels in 13 schematisch zeigt.
-
Das Kühlmittel fließt von einem Einlassrohr 101a in einen Kühlmantel 101 in einer Vorlaufrichtung 150a des Kühlmittels im Einlassrohr, um in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls zu fließen, das mit dem Einlassrohr in einer Vorlaufrichtung 151 jenes Kühlmittels in einem Strömungsdurchgang verbunden ist, das in die untere Schicht des Halbleiterleistungsmoduls fließt, um von unterhalb nach oben zu einer Mantelöffnung 101c zu fließen, in die eine Wärmesenke 4 eines Halbleiterleistungsmoduls 100, das an einer Stelle positioniert ist, die von einer darauf vorgesehenen Fläche mit dem Einlassrohr 101a und einem Auslassrohr 101b am weitesten entfernt ist, eingefügt ist, um in eine Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der Wärmesenke vorzudringen, um ihre Vorlaufrichtung in einen Strömungsdurchgang 106 zu ändern, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, in eine Vorlaufrichtung 150d des Kühlmittels in den Strömungsdurchgang, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, um in die Mantelöffnung 101c vorzudringen, in die eine Wärmesenke 4 eines zweiten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt ist, in eine Vorlaufrichtung 150e des Kühlmittels in der Wärmesenke entgegen der Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der ersten Wärmesenke, um ihre Vorlaufrichtung in einen Strömungsdurchgang 106 zu ändern, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, in eine Vorlaufrichtung 150d des Kühlmittels in den Strömungsdurchgang, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, um in die Mantelöffnung 101c vorzudringen, in die eine Wärmesenke 4 eines dritten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt ist, in eine Vorlaufrichtung 150f des Kühlmittels in der Wärmesenke entgegen der Vorlaufrichtung 150e des Kühlmittels in der zweiten Wärmesenke, die Wiederholung dieses Vorgangs bewirkt, dass das Kühlmittel in jene Mantelöffnungen 101c fließt, in die Wärmesenken 4 des vierten, fünften und sechsten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt sind, entgegen der Vorlaufrichtungen 150 des Kühlmittels in benachbarte Wärmesenken, um schließlich in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls zu fließen, das mit dem Auslassrohr in einer Vorlaufrichtung 152 jenes Kühlmittels in einem Strömungsdurchgang verbunden ist, das in die untere Schicht des Halbleiterleistungsmoduls fließt, und das Kühlmittel fließt aus dem Kühlmantel 101 durch das Auslassrohr 101b in einer Vorlaufrichtung 150b des Kühlmittels in das Auslassrohr. Die vorliegende Konstruktion weist das Merkmal auf, dass alle Halbleiterleistungsmodule durch einen Einzelhub-Strömungsdurchgang miteinander gekoppelt sind. Ein Verzweigen und Vereinen erfolgen nicht, wodurch es nicht notwendig ist, auf eine Verteilung mit gleichmäßiger Strömungsrate zu achten, und im Vergleich zu einem später beschriebenen fünften und sechsten Ausführungsbeispiel, bei denen Verzweigen und Vereinen erfolgen, kann die Strömungsgeschwindigkeit an Stellen, an denen die Wärmesenken 4 der Halbleiterleistungsmodule 100 eingefügt sind, maximal gemacht werden, so dass es möglich ist, eine Verringerung des Wärmewiderstands zu erreichen.
-
(Ein fünftes Ausführungsbeispiel)
-
15 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Kühlmantel, auf dem zwei oder mehr Halbleitermodule angebracht sind, und ein Beispiel einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels zeigt, der sich in zwei Ströme verzweigt und aus zwei Strömen vereinigt.
-
Das Kühlmittel fließt in einen Kühlmantel 101 von einem Einlassrohr 101a in eine Vorlaufrichtung 150a des Kühlmittels in das Einlassrohr, um in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls zu fließen, das mit dem Einlassrohr in einer Vorlaufrichtung 151 jenes Kühlmittels in einem Strömungsdurchgang verbunden ist, das in die untere Schicht des Halbleiterleistungsmoduls fließt, um sich in zwei Ströme zu verzweigen, um von unterhalb nach oben zu einer Mantelöffnung 101c zu fließen, in die eine Wärmesenke 4 eines Halbleiterleistungsmoduls 100 eingefügt ist, um in eine Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der Wärmesenke vorzudringen, um ihre Vorlaufrichtung in einen Strömungsdurchgang 106 zu ändern, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, in eine Vorlaufrichtung 150d des Kühlmittels in den Strömungsdurchgang, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, um in die Mantelöffnung 101c vorzudringen, in die eine Wärmesenke 4 eines zweiten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt ist, in eine Vorlaufrichtung 150e des Kühlmittels in der Wärmesenke entgegen der Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der ersten Wärmesenke, um ihre Vorlaufrichtung in einen Strömungsdurchgang 106 zu ändern, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, in eine Vorlaufrichtung 150d des Kühlmittels in den Strömungsdurchgang, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, um in die Mantelöffnung 101c vorzudringen, in die eine Wärmesenke 4 eines dritten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt ist, in eine Vorlaufrichtung 150f des Kühlmittels in der Wärmesenke entgegen der Vorlaufrichtung 150e des Kühlmittels in der zweiten Wärmesenke, um in die untere Schicht des Halbleiterleistungsmoduls in eine Vorlaufrichtung 152 jenes Kühlmittels in einem Strömungsdurchgang zu fließen, das in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls fließt, das mit einem Auslassrohr verbunden ist, um sich aus zwei Strömungsdurchgängen zu vereinigen, und aus dem Kühlmantel 101 durch das Auslassrohr 101b in eine Vorlaufrichtung 150b des Kühlmittels in das Auslassrohr fließt. Da in der vorliegenden Konstruktion die Anzahl von Verzweigungen im Vergleich zu dem später beschriebenen sechsten Ausführungsbeispiel verringert ist, kann die Strömungsrate leicht gleichmäßig auf jeweilige Strömungsdurchgänge verteilt werden, und die Strömungsgeschwindigkeit kann an Stellen, an denen die Wärmesenken 4 der Halbleiterleistungsmodule 100 eingefügt sind, erhöht werden, so dass es möglich ist, eine Verringerung des Wärmewiderstands zu erreichen.
-
(Ein sechstes Ausführungsbeispiel)
-
16 ist eine Draufsicht, die schematisch ein Beispiel eines Kühlmantels, auf dem zwei oder mehr Halbleitermodule angebracht sind, und einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels zeigt, das sich in drei Ströme verzweigt und aus drei Strömen vereinigt.
-
Das Kühlmittel fließt in den Kühlmantel 101 von dem Einlassrohr 101a in der Vorlaufrichtung 150a des Kühlmittels im Einlassrohr, um in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls zu fließen, das mit dem Einlassrohr 101a in einer Vorlaufrichtung 151 jenes Kühlmittels in einem Strömungsdurchgang verbunden ist, das in die untere Schicht des Halbleiterleistungsmoduls fließt, um sich in drei Ströme (jeweilige Phasen von u, v, w) zu verzweigen, um von unterhalb nach oben zu einer Mantelöffnung 101c zu fließen, in die eine Wärmesenke 4 eines Halbleiterleistungsmoduls 100 eingefügt ist, um in eine Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der Wärmesenke vorzudringen, um ihre Vorlaufrichtung in einen Strömungsdurchgang 106 zu ändern, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, in eine Vorlaufrichtung 150d des Kühlmittels in den Strömungsdurchgang, der zwischen den Öffnungen des Kühlmantels eine Verbindung herstellt, um in die Mantelöffnung 101c vorzudringen, in die eine Wärmesenke 4 eines zweiten Halbleiterleistungsmoduls 110 eingefügt ist, in eine Vorlaufrichtung 150e des Kühlmittels in der Wärmesenke entgegen der Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der ersten Wärmesenke, um in die untere Schicht des Halbleiterleistungsmoduls in eine Vorlaufrichtung 152 jenes Kühlmittels in einen Strömungsdurchgang zu fließen, das in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls fließt, das mit einem Auslassrohr verbunden ist, um sich aus drei Strömungsdurchgängen (jeweiligen Phasen u, v, w) zu vereinigen, und fließt aus dem Kühlmantel 101 durch das Auslassrohr 101b in eine Vorlaufrichtung 150b des Kühlmittels in dem Auslassrohr. Da in der vorliegenden Konstruktion alle sechs Halbleitermodule 10 (jede Phase 2x3 Phase = 6) durch einen einzigen Kühlmantel 101 gekühlt wird, um einen Drehstrom zu erhalten, wird es ermöglicht, die Anzahl (nicht gezeigter) Koppler zu verringern, die an dem Einlassrohr 101a und dem Auslassrohr 101b angebracht sind, um eine Verbesserung der Zuverlässigkeit zu erreichen und um die Zahl der Koppler auf nur 2 zu senken, wodurch eine Kostensenkung umgesetzt wird. Auch ergibt sich der Vorteil, dass die jeweiligen drei Phasen (u, v, w) unter der gleichen Bedingung gekühlt werden können. Während das Kühlmittel durch die jeweiligen Module hindurchgeht, um zu erreichen, dass eine Wärmemenge in der Flüssigkeitstemperatur ansteigt, während es in Richtung des Auslassrohrs 101b von dem Einlassrohr 101a Vorlauft, fließt das Kühlmittel zusätzlich in eine entgegengesetzte Richtung, um Wirkungen des Flüssigkeitstemperaturanstiegs aufzuheben, weshalb der Kühlmantel vorzugsweise aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit geformt ist.
-
(Ein siebtes Ausführungsbeispiel)
-
17 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Kühlmantel, auf dem sechs Halbleitermodule angebracht sind, und ein Beispiel einer Vorlaufrichtung eines Kühlmittels zeigt, das sich in sechs Ströme verzweigt und aus sechs Strömen vereinigt.
-
Das Kühlmittel fließt in einen Kühlmantel 101 von einem Einlassrohr 101a in einer Vorlaufrichtung 150a des Kühlmittels im Einlassrohr, um in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls zu fließen, das mit dem Einlassrohr in einer Vorlaufrichtung 151 jenes Kühlmittels in einem Strömungsdurchgang verbunden ist, das in die untere Schicht des Halbleiterleistungsmoduls fließt, um sich in alle (sechs) Module zu verzweigen, um von unterhalb nach oben zu einer Mantelöffnung 101c zu fließen, in die eine Wärmesenke 4 eines Halbleiterleistungsmoduls 100 eingefügt ist, um in eine Vorlaufrichtung 150c des Kühlmittels in der Wärmesenke vorzudringen, um in eine untere Schicht eines Halbleiterleistungsmoduls zu fließen, das mit einem Auslassrohr in einer Vorlaufrichtung 152 jenes Kühlmittels in einem Strömungsdurchgang verbunden ist, das in der unteren Schicht des Halbleiterleistungsmoduls fließt, um sich aus sechs Strömungsdurchgängen zu vereinigen, und fließt durch das Auslassrohr 101b aus dem Kühlmantel 101 in eine Vorlaufrichtung 150b des Kühlmittels in dem Auslassrohr. Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist ein Merkmal auf, dass die Anzahl der Module die gleiche wie die Anzahl von Strömungsdurchgängen ist, wo ein Verzweigen und Vereinigen auftritt, und ist bevorzugt, da es möglich ist, zu verhindern, dass Einflüsse eines Flüssigkeitstemperaturanstiegs in jedes Modul verstreut werden, insbesondere in einem Fall, in dem die Anzahl der Module groß ist. Weiterhin können die Strömungsdurchgänge 106 zur Verbindung zwischen den Öffnungen des Kühlmantels miteinander verbunden werden, ohne eine Änderung der Vorlaufrichtung des Kühlmittels, um die Strömungsgeschwindigkeit an Stellen, an denen die Wärmesenken 4 der Halbleiterleistungsmodule 100 eingefügt sind, in der zu verringern, so dass es möglich ist, eine Verringerung des Druckabfalls zu erreichen.
-
Während das vierte bis siebte Ausführungsbeispiel unter der Annahme beschrieben worden sind, dass die Halbleiterleistungsmodule 100 sechs Stück zählen, ist es außerdem möglich, Strömungsdurchgänge in der gleichen Weise wie vorstehend zu gestalten, vorausgesetzt, dass die Halbleiterleistungsmodule 100 sechs Stück oder mehr zählen.
