JP2002093974A - パワーモジュールの冷却装置 - Google Patents
パワーモジュールの冷却装置Info
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- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
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- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＳＨＥＶシステムにおけるパワーモジュール
の冷却性能を損なうことなく、小形化を図る。 【解決手段】 発電機側のインバータ１５の還流ダイオ
ードＦＷＤとモータ側インバータ１６のスイッチング素
子ＩＧＢＴとを各相ごとに冷却板２１上の一直線上に配
列し、冷却材配管２２を各相ごとの前記直線配列の直下
部分のみを通るように蛇行させた構造にすることによ
り、冷却材流路の路長を短くし、また流路の曲り回数を
少なくし、冷却ポンプによる冷却材通流のための仕事率
を小さくして、冷却系のサイズを小さくしてコストの低
減が図れるようにした。
の冷却性能を損なうことなく、小形化を図る。 【解決手段】 発電機側のインバータ１５の還流ダイオ
ードＦＷＤとモータ側インバータ１６のスイッチング素
子ＩＧＢＴとを各相ごとに冷却板２１上の一直線上に配
列し、冷却材配管２２を各相ごとの前記直線配列の直下
部分のみを通るように蛇行させた構造にすることによ
り、冷却材流路の路長を短くし、また流路の曲り回数を
少なくし、冷却ポンプによる冷却材通流のための仕事率
を小さくして、冷却系のサイズを小さくしてコストの低
減が図れるようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
の冷却装置に関する。
の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】スイッチング素子と還流ダイオードとを
各相ごとにブリッジに組み、同一基板上に全相のブリッ
ジを配置したパワーモジュールにおいて、パワー半導体
素子を冷却するパワーモジュールの冷却装置として、従
来、特開平９−９２７６２号公報に記載されたものが知
られている。
各相ごとにブリッジに組み、同一基板上に全相のブリッ
ジを配置したパワーモジュールにおいて、パワー半導体
素子を冷却するパワーモジュールの冷却装置として、従
来、特開平９−９２７６２号公報に記載されたものが知
られている。
【０００３】この従来のパワーモジュールの冷却装置
は、各パワー半導体素子の近傍下の金属基板の内部に直
接流路を形成し、冷却材をその流路に流すことにより冷
却能力を向上させると共に、パワーモジュール全体の大
きさを小形化するものである。
は、各パワー半導体素子の近傍下の金属基板の内部に直
接流路を形成し、冷却材をその流路に流すことにより冷
却能力を向上させると共に、パワーモジュール全体の大
きさを小形化するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この従来の技術を、例
えば、交流発電機、この発電機出力を直流電力に変換す
る発電機側インバータ、この発電機側インバータの直流
電力を交流電力に再変換するモータ側インバータ、そし
てこのモータ側インバータの出力する交流電力によって
回転駆動される車両駆動用モータで構成されるシリーズ
ハイブリッド車（以下、「ＳＨＥＶ」と称する。）のイ
ンバータ部分のパワー半導体素子の冷却装置として適用
することが考えられ、これを図５及び図６に示す。
えば、交流発電機、この発電機出力を直流電力に変換す
る発電機側インバータ、この発電機側インバータの直流
電力を交流電力に再変換するモータ側インバータ、そし
てこのモータ側インバータの出力する交流電力によって
回転駆動される車両駆動用モータで構成されるシリーズ
ハイブリッド車（以下、「ＳＨＥＶ」と称する。）のイ
ンバータ部分のパワー半導体素子の冷却装置として適用
することが考えられ、これを図５及び図６に示す。
【０００５】このパワーモジュールの冷却装置では、発
電機側インバータ（ＩＮＶ）、モータ側インバータ（Ｉ
ＮＶ）それぞれの各相のスイッチング素子としてのＩＧ
ＢＴを冷却基板１上に一直線に配列し、また発電機側Ｉ
ＮＶ、モータ側ＩＮＶそれぞれの各相の還流ダイオード
（フライホイールダイオード：ＦＷＤ）も冷却基板１上
に、ＩＧＢＴの配列に並行させて一直線に配列し、冷却
基板１の各配列の直下近傍を通るように１本の冷却水路
２を蛇行させて配設し、この冷却水路２内に冷却材とし
て冷却水３を冷却ポンプ４によって通流させ、外部の熱
交換器５により熱除去する構造である。
電機側インバータ（ＩＮＶ）、モータ側インバータ（Ｉ
ＮＶ）それぞれの各相のスイッチング素子としてのＩＧ
ＢＴを冷却基板１上に一直線に配列し、また発電機側Ｉ
ＮＶ、モータ側ＩＮＶそれぞれの各相の還流ダイオード
（フライホイールダイオード：ＦＷＤ）も冷却基板１上
に、ＩＧＢＴの配列に並行させて一直線に配列し、冷却
基板１の各配列の直下近傍を通るように１本の冷却水路
２を蛇行させて配設し、この冷却水路２内に冷却材とし
て冷却水３を冷却ポンプ４によって通流させ、外部の熱
交換器５により熱除去する構造である。
【０００６】ところが、特にＳＨＥＶのように損失の大
きい大電力用のインバータ装置では、パワー半導体素子
からの熱を拡散して広げ、熱抵抗を下げようとすると、
金属冷却基板１の厚みが増し、かつ各半導体素子の平面
的な間隔が必要となり、装置全体が大型化してしまう恐
れがある。
きい大電力用のインバータ装置では、パワー半導体素子
からの熱を拡散して広げ、熱抵抗を下げようとすると、
金属冷却基板１の厚みが増し、かつ各半導体素子の平面
的な間隔が必要となり、装置全体が大型化してしまう恐
れがある。
【０００７】そこで、可能な限り冷却基板１の厚みを薄
くし、各半導体素子を平均的に冷却するために、上述の
図５及び図６に示すように、各半導体素子の直下に冷却
水路２を設け、半導体素子からの熱を直接、冷却水路２
内の冷却水３に放熱する構造にすることになる。
くし、各半導体素子を平均的に冷却するために、上述の
図５及び図６に示すように、各半導体素子の直下に冷却
水路２を設け、半導体素子からの熱を直接、冷却水路２
内の冷却水３に放熱する構造にすることになる。
【０００８】このような冷却装置の構造においても、装
置の小形化のためには冷却水路２の内径を小さくしなけ
ればならないが、多数の半導体素子の直下にこのような
細い径の冷却水路２を設けると、全体の冷却水路長が長
くなり、系の圧力損失が増大し、冷却水ポンプが大型化
し、かつこの冷却水ポンプを駆動する仕事率も増大して
しまう。
置の小形化のためには冷却水路２の内径を小さくしなけ
ればならないが、多数の半導体素子の直下にこのような
細い径の冷却水路２を設けると、全体の冷却水路長が長
くなり、系の圧力損失が増大し、冷却水ポンプが大型化
し、かつこの冷却水ポンプを駆動する仕事率も増大して
しまう。
【０００９】また、図５及び図６に示したように冷却水
配管２を何度も蛇行させると曲り部分でも圧力損失が増
大してしまう。そのため冷却水路２の曲り回数はできる
だけ少ない方が好ましいが、モジュールの小形化のため
にすべての半導体素子の直下に冷却水配管を通そうとす
ると多くの曲り部分ができてしまい、圧力損失の増大の
要因となる。
配管２を何度も蛇行させると曲り部分でも圧力損失が増
大してしまう。そのため冷却水路２の曲り回数はできる
だけ少ない方が好ましいが、モジュールの小形化のため
にすべての半導体素子の直下に冷却水配管を通そうとす
ると多くの曲り部分ができてしまい、圧力損失の増大の
要因となる。
【００１０】本発明はこのような従来の技術的課題に鑑
みてなされたもので、冷却性能を損なうことなく、小形
化が図れるパワーモジュールの冷却装置を提供すること
を目的とする。
みてなされたもので、冷却性能を損なうことなく、小形
化が図れるパワーモジュールの冷却装置を提供すること
を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明のパワー
モジュールの冷却装置は、発電機出力を直流電力に変換
する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダ
イオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流
電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側イ
ンバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一
の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、前記
発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側
インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却
板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記
直線に沿って配置させたことを特徴とするものである。
モジュールの冷却装置は、発電機出力を直流電力に変換
する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダ
イオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流
電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側イ
ンバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一
の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、前記
発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側
インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却
板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記
直線に沿って配置させたことを特徴とするものである。
【００１２】請求項２の発明は、請求項１のパワーモジ
ュールの冷却装置において、前記発電機側インバータの
スイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイ
オードとを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列
し、前記冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング
素子と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を
他の部分よりも厚くしたことを特徴とするものである。
ュールの冷却装置において、前記発電機側インバータの
スイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイ
オードとを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列
し、前記冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング
素子と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を
他の部分よりも厚くしたことを特徴とするものである。
【００１３】請求項３の発明のパワーモジュールの冷却
装置は、発電機出力を直流電力に変換する発電機側イン
バータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記
発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車
両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッ
チング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積
したパワーモジュールにおいて、前記発電機側のインバ
ータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイ
ッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の第１の直線
上に配列し、前記発電機側インバータのスイッチング素
子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相
ごとに、前記冷却板上の前記第１直線に並行する第２の
直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記第１の直
線配列に沿って配置させ、前記冷却板における各相ごと
の前記第２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分より
も厚くし、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくす
る溝を形成したことを特徴とするものである。
装置は、発電機出力を直流電力に変換する発電機側イン
バータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記
発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車
両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッ
チング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積
したパワーモジュールにおいて、前記発電機側のインバ
ータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイ
ッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の第１の直線
上に配列し、前記発電機側インバータのスイッチング素
子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相
ごとに、前記冷却板上の前記第１直線に並行する第２の
直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記第１の直
線配列に沿って配置させ、前記冷却板における各相ごと
の前記第２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分より
も厚くし、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくす
る溝を形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の効果】請求項１の発明のパワーモジュールの冷
却装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードと
モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに
冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの
前記直線配列に沿って配置させた構造にすることによ
り、冷却材流路の路長を短くし、また流路の曲り回数を
少なくすることができ、冷却ポンプによる冷却材通流の
ための仕事率を小さくし、冷却系のサイズを小さくし
て、コストの低減が図れる。
却装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードと
モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに
冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの
前記直線配列に沿って配置させた構造にすることによ
り、冷却材流路の路長を短くし、また流路の曲り回数を
少なくすることができ、冷却ポンプによる冷却材通流の
ための仕事率を小さくし、冷却系のサイズを小さくし
て、コストの低減が図れる。
【００１５】請求項２の発明のパワーモジュールの冷却
装置では、請求項１の発明の効果に加えて、発電機側イ
ンバータのスイッチング素子とモータ側インバータの還
流ダイオードとを各相ごとに冷却板上の一直線上に配列
し、冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング素子
と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の
部分よりも厚くしたことにより、それらの配列直下部分
の熱容量を大きくし、それらの半導体素子の温度上昇を
低く抑えることができる。
装置では、請求項１の発明の効果に加えて、発電機側イ
ンバータのスイッチング素子とモータ側インバータの還
流ダイオードとを各相ごとに冷却板上の一直線上に配列
し、冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング素子
と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の
部分よりも厚くしたことにより、それらの配列直下部分
の熱容量を大きくし、それらの半導体素子の温度上昇を
低く抑えることができる。
【００１６】請求項３の発明のパワーモジュールの冷却
装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードとモ
ータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに冷
却板上の第１の直線上に配列し、発電機側インバータの
スイッチング素子とモータ側インバータの還流ダイオー
ドとを各相ごとに、冷却板上の第１の直線に並行する第
２の直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの第１の直
線配列に沿って配置させ、冷却板における各相ごとの第
２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚く
し、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくする溝を
形成したことにより、請求項１の発明、請求項２の発明
の効果に加えて、第２の直線配列の直下部分の熱を溝に
よって冷却材配管部分に伝導しないように遮ぎることが
でき、冷却材配管部分の冷却能力を必要最低限度に設定
することができ、この結果、冷却ポンプの仕事率を小さ
くし、冷却系のサイズを小さくし、装置コストを低減す
ることができる。
装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードとモ
ータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに冷
却板上の第１の直線上に配列し、発電機側インバータの
スイッチング素子とモータ側インバータの還流ダイオー
ドとを各相ごとに、冷却板上の第１の直線に並行する第
２の直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの第１の直
線配列に沿って配置させ、冷却板における各相ごとの第
２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚く
し、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくする溝を
形成したことにより、請求項１の発明、請求項２の発明
の効果に加えて、第２の直線配列の直下部分の熱を溝に
よって冷却材配管部分に伝導しないように遮ぎることが
でき、冷却材配管部分の冷却能力を必要最低限度に設定
することができ、この結果、冷却ポンプの仕事率を小さ
くし、冷却系のサイズを小さくし、装置コストを低減す
ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。まず、シリーズハイブリッド電気自
動車（ＳＨＥＶ）について、図１を参照して説明する。
ＳＨＥＶは、ガソリンエンジンのような内燃機関（ＩＣ
Ｅ）によって直接タイヤ１２を駆動するのではなく、Ｉ
ＣＥ１１で交流発電機１３を駆動し、この発電機１３の
発電電力でモータ１４を駆動し、このモータ１４によっ
てタイヤ１２を駆動する。
基づいて詳説する。まず、シリーズハイブリッド電気自
動車（ＳＨＥＶ）について、図１を参照して説明する。
ＳＨＥＶは、ガソリンエンジンのような内燃機関（ＩＣ
Ｅ）によって直接タイヤ１２を駆動するのではなく、Ｉ
ＣＥ１１で交流発電機１３を駆動し、この発電機１３の
発電電力でモータ１４を駆動し、このモータ１４によっ
てタイヤ１２を駆動する。
【００１８】そして発電機１３の交流発電電力を定電圧
の直流電力に変換し、再度所望の交流電力に変換するた
めに発電機側インバータ（ＩＮＶ）１５と、モータ側イ
ンバータ（ＩＮＶ）１６を設けている。なお、１９は平
滑コンデンサである。
の直流電力に変換し、再度所望の交流電力に変換するた
めに発電機側インバータ（ＩＮＶ）１５と、モータ側イ
ンバータ（ＩＮＶ）１６を設けている。なお、１９は平
滑コンデンサである。
【００１９】これらの発電機側ＩＮＶ１５、モータ側Ｉ
ＮＶ１６は、いずれも３相交流−直流の相互変換を行う
ため、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ごとにパワースイッチング素子と
してＩＧＢＴと還流ダイオード（フライホイールダイオ
ード：ＦＷＤ）のブリッジ回路を備え、これらのＩＧＢ
ＴをＰＷＭスイッチング制御することによって所望の電
力変換を行う。
ＮＶ１６は、いずれも３相交流−直流の相互変換を行う
ため、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ごとにパワースイッチング素子と
してＩＧＢＴと還流ダイオード（フライホイールダイオ
ード：ＦＷＤ）のブリッジ回路を備え、これらのＩＧＢ
ＴをＰＷＭスイッチング制御することによって所望の電
力変換を行う。
【００２０】このようなＳＨＥＶシステムは、従来の機
械式変速機を必要とせず、またＩＣＥ１１も発電のため
だけに効率良く運転することが可能となるため、燃費の
向上、装置レイアウトの自由度の向上等さまざまなメリ
ットがある。
械式変速機を必要とせず、またＩＣＥ１１も発電のため
だけに効率良く運転することが可能となるため、燃費の
向上、装置レイアウトの自由度の向上等さまざまなメリ
ットがある。
【００２１】ここでＳＨＥＶシステムの運転状況を考え
ると、定常的には発電→駆動といった電気エネルギの流
れとなるが、一般的には発電機１３、モータ１４共に高
効率運転制御を行うため、力率が発電機１３では−１、
モータ１４では１に近い運転となっている。インバータ
１５，１６は通常、ＩＧＢＴのようなパワースイッチン
グ素子とＦＷＤの並列接続から構成されているが、力率
が−１（発電）状態では、電力損失のかなりの割合がＦ
ＷＤの部分で、また逆に力率が１（駆動）状態では電力
損失のかなりの割合がＩＧＢＴのようなスイッチング素
子の部分で発生する。そしてこの割合はＩＧＢＴとＦＷ
Ｄのスイッチング損失と定常損失の値により変化する
が、スイッチング損失が定常損失よりかなり低いような
使い方をした場合にその差は顕著となる。
ると、定常的には発電→駆動といった電気エネルギの流
れとなるが、一般的には発電機１３、モータ１４共に高
効率運転制御を行うため、力率が発電機１３では−１、
モータ１４では１に近い運転となっている。インバータ
１５，１６は通常、ＩＧＢＴのようなパワースイッチン
グ素子とＦＷＤの並列接続から構成されているが、力率
が−１（発電）状態では、電力損失のかなりの割合がＦ
ＷＤの部分で、また逆に力率が１（駆動）状態では電力
損失のかなりの割合がＩＧＢＴのようなスイッチング素
子の部分で発生する。そしてこの割合はＩＧＢＴとＦＷ
Ｄのスイッチング損失と定常損失の値により変化する
が、スイッチング損失が定常損失よりかなり低いような
使い方をした場合にその差は顕著となる。
【００２２】一般的に車両用モータ１４を駆動するイン
バータ１６のＰＷＭキャリア周波数は数ｋＨｚ〜１０ｋ
Ｈｚ程度であり、スイッチング損失が定常損失に比べて
少ない状態であることが多く、このような場合にはＩＧ
ＢＴとＦＷＤとの間で消費される電力の差は大きくな
る。したがって、定常運転を考慮すると、同じインバー
タ１６内では、ＩＧＢＴの方がＦＷＤよりも冷却の必要
性が大きい。
バータ１６のＰＷＭキャリア周波数は数ｋＨｚ〜１０ｋ
Ｈｚ程度であり、スイッチング損失が定常損失に比べて
少ない状態であることが多く、このような場合にはＩＧ
ＢＴとＦＷＤとの間で消費される電力の差は大きくな
る。したがって、定常運転を考慮すると、同じインバー
タ１６内では、ＩＧＢＴの方がＦＷＤよりも冷却の必要
性が大きい。
【００２３】定常運転とは逆に、電力エネルギが流れる
ときの動作を考慮する。例えば、ＩＣＥ１１をスタート
させるために発電機１３をモータとして駆動する場合
や、減速エネルギを電池などに蓄えるための回生動作と
してモータ１４を発電機代わりに使用する場合がこれに
相当する。この場合、各インバータ１５，１６の力率は
定常運転時とは正反対になり、発電機側ＩＮＶ１５では
力率が１近くになり、電力損失は主にＩＧＢＴで発生
し、モータ側ＩＮＶ１６では力率が−１近くになり、電
力損失は主にＦＷＤで発生することになる。したがっ
て、この場合の冷却を考えると、発電機側ＩＮＶ１５で
は主にＩＧＢＴを冷却する必要があり、モータ側ＩＮＶ
１６では主にＦＷＤを冷却する必要がある。
ときの動作を考慮する。例えば、ＩＣＥ１１をスタート
させるために発電機１３をモータとして駆動する場合
や、減速エネルギを電池などに蓄えるための回生動作と
してモータ１４を発電機代わりに使用する場合がこれに
相当する。この場合、各インバータ１５，１６の力率は
定常運転時とは正反対になり、発電機側ＩＮＶ１５では
力率が１近くになり、電力損失は主にＩＧＢＴで発生
し、モータ側ＩＮＶ１６では力率が−１近くになり、電
力損失は主にＦＷＤで発生することになる。したがっ
て、この場合の冷却を考えると、発電機側ＩＮＶ１５で
は主にＩＧＢＴを冷却する必要があり、モータ側ＩＮＶ
１６では主にＦＷＤを冷却する必要がある。
【００２４】しかしながら、このような逆の動作はＳＨ
ＥＶシステムにおいては定常的に発生するものではな
い。例えば、ＩＣＥ１１をスタートさせるために発電機
１３を駆動モータとして用い、最大電流を供給する時間
を１秒以下に設計することは容易であるし、モータ１４
を発電機として用いる回生動作も回生のピーク電流を抑
え、継続時間を極短くすることは制御上容易である。
ＥＶシステムにおいては定常的に発生するものではな
い。例えば、ＩＣＥ１１をスタートさせるために発電機
１３を駆動モータとして用い、最大電流を供給する時間
を１秒以下に設計することは容易であるし、モータ１４
を発電機として用いる回生動作も回生のピーク電流を抑
え、継続時間を極短くすることは制御上容易である。
【００２５】このようなＳＨＥＶシステムの特殊性を考
慮すると、定常的に最大電力損失が発生し、それゆえに
発熱が顕著なパワー半導体素子に対してその直下近傍に
冷却材を通流させることによって集中的に冷却すること
により、いずれの半導体素子の表面温度もTjmax（接合
の最大温度）を超えないように冷却系を設計することが
可能となる。
慮すると、定常的に最大電力損失が発生し、それゆえに
発熱が顕著なパワー半導体素子に対してその直下近傍に
冷却材を通流させることによって集中的に冷却すること
により、いずれの半導体素子の表面温度もTjmax（接合
の最大温度）を超えないように冷却系を設計することが
可能となる。
【００２６】この場合、最大電力損失が比較的に小さい
素子については直接に冷却材で冷却するのではなく、冷
却材の通流によって集中的に冷却されている素子に隣接
させることにより、その素子の所まで横方向に熱伝達さ
せる冷却構造にすればよい。それによって熱抵抗は高く
なってしまうが、本来最大電力損失が小さいので、Tjma
xを一定に抑えることが可能である。また、冷却材流路
が直下近傍に存在しない半導体素子の最大電力損失が、
それが直下近傍に存在する半導体素子と同程度である場
合でも、最大電力損失の発生する状態の継続時間は上述
した理由により極短いものであるので、半導体素子直下
の金属基板そのものの熱容量で半導体素子の温度上昇を
Tjmax以下に抑える設計が可能である。
素子については直接に冷却材で冷却するのではなく、冷
却材の通流によって集中的に冷却されている素子に隣接
させることにより、その素子の所まで横方向に熱伝達さ
せる冷却構造にすればよい。それによって熱抵抗は高く
なってしまうが、本来最大電力損失が小さいので、Tjma
xを一定に抑えることが可能である。また、冷却材流路
が直下近傍に存在しない半導体素子の最大電力損失が、
それが直下近傍に存在する半導体素子と同程度である場
合でも、最大電力損失の発生する状態の継続時間は上述
した理由により極短いものであるので、半導体素子直下
の金属基板そのものの熱容量で半導体素子の温度上昇を
Tjmax以下に抑える設計が可能である。
【００２７】かかる考察に基づき、本発明の第１の実施
の形態のパワーモジュールの冷却装置は、図２に示す構
造にした。すなわち、交流発電機１３の直流出力を直流
電力に変換する発電機側ＩＮＶ１５のＵ，Ｖ，Ｗ各相の
パワースイッチング素子としてのＩＧＢＴ及び還流ダイ
オード（ＦＷＤ）と、発電機側ＩＮＶ１５の直流電力を
交流電力に再変換して車両駆動用モータ１５に供給する
モータ側ＩＮＶ１６の各相のＩＧＢＴ及びＦＷＤを同一
の冷却基板２１上に集積したパワーモジュールに対し
て、発電機側ＩＮＶ１５のＦＷＤとモータ側ＩＮＶ１６
のＩＧＢＴとをＵ，Ｖ，Ｗ各相ごとに冷却基板２１上の
第１の直線上に配列し、冷却材である冷却水を通流させ
る冷却水路２２を各相ごとの第１の直線配列の直下部分
のみを通るように蛇行させている。そしてこの冷却水路
２２は、図５に示した従来例と同様に熱交換器５に接続
し、また冷却ポンプ４によって冷却水を通流させる。
の形態のパワーモジュールの冷却装置は、図２に示す構
造にした。すなわち、交流発電機１３の直流出力を直流
電力に変換する発電機側ＩＮＶ１５のＵ，Ｖ，Ｗ各相の
パワースイッチング素子としてのＩＧＢＴ及び還流ダイ
オード（ＦＷＤ）と、発電機側ＩＮＶ１５の直流電力を
交流電力に再変換して車両駆動用モータ１５に供給する
モータ側ＩＮＶ１６の各相のＩＧＢＴ及びＦＷＤを同一
の冷却基板２１上に集積したパワーモジュールに対し
て、発電機側ＩＮＶ１５のＦＷＤとモータ側ＩＮＶ１６
のＩＧＢＴとをＵ，Ｖ，Ｗ各相ごとに冷却基板２１上の
第１の直線上に配列し、冷却材である冷却水を通流させ
る冷却水路２２を各相ごとの第１の直線配列の直下部分
のみを通るように蛇行させている。そしてこの冷却水路
２２は、図５に示した従来例と同様に熱交換器５に接続
し、また冷却ポンプ４によって冷却水を通流させる。
【００２８】なお、残りのパワー半導体素子、つまり、
発電機側ＩＮＶ１５のＩＧＢＴとモータ側ＩＮＶ１６の
ＦＷＤも、各相ごとに冷却基板２１上の第１の直線に並
行する第２の直線上に配列している。
発電機側ＩＮＶ１５のＩＧＢＴとモータ側ＩＮＶ１６の
ＦＷＤも、各相ごとに冷却基板２１上の第１の直線に並
行する第２の直線上に配列している。
【００２９】これにより、図５及び図６に示した従来例
の冷却水路２と比較すると、冷却水路２２の曲りの回数
が５回から２回（１８０度で１回と数えて）に減り、路
長もほぼ半分に減っているので、冷却ポンプの圧力損失
が下がり、それだけポンプの小形化が可能となる。
の冷却水路２と比較すると、冷却水路２２の曲りの回数
が５回から２回（１８０度で１回と数えて）に減り、路
長もほぼ半分に減っているので、冷却ポンプの圧力損失
が下がり、それだけポンプの小形化が可能となる。
【００３０】より具体的に、圧力損失と流量の関係を想
定した計算結果を図３のグラフに示してある。流路断面
を長方形状として幅１２ｍｍ、高さ６ｍｍ、そして路長
が１４８２ｍｍ、１８０度に曲がる曲り部の個所数を５
個とした従来例に相当する冷却水路（１）と、本実施の
形態のように路長を半分の長さ（７４１ｍｍ＝１４８２
ｍｍ／２）にし、曲り部の個所数を２個にした冷却水路
（２）とについて、流量と圧損との関係を求めた結果が
図３のグラフである。この図３のグラフから明らかなよ
うに、本実施の形態の冷却水路により圧損がほぼ半分に
なることが分かる。
定した計算結果を図３のグラフに示してある。流路断面
を長方形状として幅１２ｍｍ、高さ６ｍｍ、そして路長
が１４８２ｍｍ、１８０度に曲がる曲り部の個所数を５
個とした従来例に相当する冷却水路（１）と、本実施の
形態のように路長を半分の長さ（７４１ｍｍ＝１４８２
ｍｍ／２）にし、曲り部の個所数を２個にした冷却水路
（２）とについて、流量と圧損との関係を求めた結果が
図３のグラフである。この図３のグラフから明らかなよ
うに、本実施の形態の冷却水路により圧損がほぼ半分に
なることが分かる。
【００３１】これにより、冷却水の配管中の流れが円滑
になり、それだけ熱除去性能が向上し、また配管中での
冷却水の吸収した熱による温度上昇も抑えられ、それだ
け半導体素子からの熱の吸収も効果的に行なえることに
なる。
になり、それだけ熱除去性能が向上し、また配管中での
冷却水の吸収した熱による温度上昇も抑えられ、それだ
け半導体素子からの熱の吸収も効果的に行なえることに
なる。
【００３２】次に、本発明の第２の実施の形態を図４に
基づいて説明する。第２の実施の形態は、図２に示した
第１の実施の形態の構造に対して、さらに、冷却基板２
１におけるパワー半導体素子の第２の直線配列の直下部
分を厚肉部２３にし、その両側に熱抵抗をあげるための
溝２４を形成したことを特徴とする。なお、冷却水路２
２の配置は第１の実施の形態と同様である。
基づいて説明する。第２の実施の形態は、図２に示した
第１の実施の形態の構造に対して、さらに、冷却基板２
１におけるパワー半導体素子の第２の直線配列の直下部
分を厚肉部２３にし、その両側に熱抵抗をあげるための
溝２４を形成したことを特徴とする。なお、冷却水路２
２の配置は第１の実施の形態と同様である。
【００３３】図２に示した第１の実施の形態の構造で
は、冷却水路２２が設けられていない第２の直線配列上
のパワー半導体素子の発熱が比較的大きく、かつ継続時
間が長くて接合の最大温度Tjmaxを超える恐れがあるよ
うな場合には、この第２の実施の形態の構造にする。
は、冷却水路２２が設けられていない第２の直線配列上
のパワー半導体素子の発熱が比較的大きく、かつ継続時
間が長くて接合の最大温度Tjmaxを超える恐れがあるよ
うな場合には、この第２の実施の形態の構造にする。
【００３４】このようにして、冷却水路２２が直下近傍
に形成されていない第２の直線配列上の半導体素子に対
する熱容量を厚肉部２３により大きくすることにより、
多少電力損失の継続する時間が長くなっても素子温度の
上昇を抑えることが可能である。
に形成されていない第２の直線配列上の半導体素子に対
する熱容量を厚肉部２３により大きくすることにより、
多少電力損失の継続する時間が長くなっても素子温度の
上昇を抑えることが可能である。
【００３５】また、冷却基板２１における第２の直線配
列とこれに並行する第１の直線配列との間に溝２４を形
成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして冷却水
路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐことができ
る。
列とこれに並行する第１の直線配列との間に溝２４を形
成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして冷却水
路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐことができ
る。
【００３６】すなわち、冷却水路２２で放熱すべき半導
体素子の温度上昇をTjmaxで抑えるためだけに水路に流
すべき冷却水の最低限の流量、発生する圧損等のパラメ
ータは決められているが、近接する半導体素子が発熱し
た際に冷却基板２１の横方向の熱抵抗が構造上低いと横
方向から冷却水路２２への熱流の侵入が生じ、設計以上
に冷却水路２２で熱交換を行わなければならなくなる場
合が発生する。そしてこれに対応するためには、冷却水
路２２での熱伝達率を余計に高めねばならず、設定流
量、圧損を増やさざるを得ず、最終的に冷却ポンプ能力
を増大させる必要が生じ、その結果として、冷却系のコ
ストが上昇し、またサイズも大きくなってしまう。
体素子の温度上昇をTjmaxで抑えるためだけに水路に流
すべき冷却水の最低限の流量、発生する圧損等のパラメ
ータは決められているが、近接する半導体素子が発熱し
た際に冷却基板２１の横方向の熱抵抗が構造上低いと横
方向から冷却水路２２への熱流の侵入が生じ、設計以上
に冷却水路２２で熱交換を行わなければならなくなる場
合が発生する。そしてこれに対応するためには、冷却水
路２２での熱伝達率を余計に高めねばならず、設定流
量、圧損を増やさざるを得ず、最終的に冷却ポンプ能力
を増大させる必要が生じ、その結果として、冷却系のコ
ストが上昇し、またサイズも大きくなってしまう。
【００３７】しかしながら、本実施の形態のように溝２
４を形成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして
冷却水路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐ構造に
すれば、横方向からの冷却水路２２への熱流の侵入を抑
えることができ、上述した問題を避けることができるの
である。
４を形成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして
冷却水路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐ構造に
すれば、横方向からの冷却水路２２への熱流の侵入を抑
えることができ、上述した問題を避けることができるの
である。
【００３８】なお、上述した実施の形態では、３相交流
のパワーモジュールについて説明したが、３相に限ら
ず、例えば、２相に用いた場合も同様の効果をもたら
す。
のパワーモジュールについて説明したが、３相に限ら
ず、例えば、２相に用いた場合も同様の効果をもたら
す。
【００３９】また、上述した実施の形態では、１つの冷
却水路を蛇行させるようにしたが、１つの冷却水路が冷
却ポンプ側（入口側）で分配されて、各分配された冷却
水路が各相ごとの直列配列の直下部分を通った後に集配
されて熱交換器へ戻るようにしてもよい。またこの場
合、熱交換器にて直接に集配されてもよい。
却水路を蛇行させるようにしたが、１つの冷却水路が冷
却ポンプ側（入口側）で分配されて、各分配された冷却
水路が各相ごとの直列配列の直下部分を通った後に集配
されて熱交換器へ戻るようにしてもよい。またこの場
合、熱交換器にて直接に集配されてもよい。
【図１】一般的なＳＨＥＶシステムの構成を示す回路ブ
ロック図。
ロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の構造を示す平面図
及び断面図。
及び断面図。
【図３】上記の第１の実施の形態による冷却水路と従来
例の冷却水路との配管特性を示すグラフ。
例の冷却水路との配管特性を示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態の構造を示す平面図
及び断面図。
及び断面図。
【図５】従来例の構造を示す斜視図。
【図６】従来例の構造を示す平面図。
２１ 冷却基板 ２２ 冷却水路 ２３ 厚肉部 ２４ 溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｍ 7/04 Ｂ６０Ｋ 9/00 ＺＨＶＣ 7/48 Ｈ０１Ｌ 25/04 Ｃ Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｆターム(参考） 5E322 AA07 AA10 AA11 AB11 EA10 FA01 5F036 AA01 BA10 BB43 BB44 5H006 BB05 CA01 CA07 CC02 HA03 HA07 HA08 5H007 BB06 CA01 CC03 HA03 HA04 HA05 5H115 PA00 PA12 PC06 PG04 PI16 PI24 PI29 PO02 PO06 PO10 PO17 PU08 PU24 PU26 PV07 PV09 PV23 QE10 QI04 RB22 TR05 TU12 UI30 UI36 UI40
Claims (3)
- 【請求項１】 発電機出力を直流電力に変換する発電機
側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオード
と、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変
換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータ
のスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板
上に集積したパワーモジュールにおいて、 前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モー
タ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記
冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの
前記直線配列に沿って配置させたことを特徴とするパワ
ーモジュールの冷却装置。 - 【請求項２】 前記発電機側インバータのスイッチング
素子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各
相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列し、前記冷却板
におけるこれら各相ごとのスイッチング素子と還流ダイ
オードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも
厚くしたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジ
ュールの冷却装置。 - 【請求項３】 発電機出力を直流電力に変換する発電機
側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオード
と、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変
換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータ
のスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板
上に集積したパワーモジュールにおいて、 前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モー
タ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記
冷却板上の第１の直線上に配列し、 前記発電機側インバータのスイッチング素子と前記モー
タ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに、前記
冷却板上の前記第１直線に並行する第２の直線上に配列
し、 冷却材配管を各相ごとの前記第１の直線配列に沿って配
置させ、 前記冷却板における各相ごとの前記第２の直線配列の直
下部分の肉厚を他の部分よりも厚くし、かつ当該肉厚部
分の両側に熱抵抗を大きくする溝を形成したことを特徴
とするパワーモジュールの冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000278539A JP3800938B2 (ja) | 2000-09-13 | 2000-09-13 | パワーモジュールの冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000278539A JP3800938B2 (ja) | 2000-09-13 | 2000-09-13 | パワーモジュールの冷却装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002093974A true JP2002093974A (ja) | 2002-03-29 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP (1) | JP3800938B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| WO2006064666A1 (ja) * | 2004-12-13 | 2006-06-22 | Daikin Industries, Ltd. | パワーモジュールとその製造方法および空気調和機 |
| WO2006103721A1 (ja) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | 電力変換装置の冷却構造 |
| US7304379B2 (en) | 2003-08-27 | 2007-12-04 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device with pipe for passing refrigerant liquid |
| JP2008187101A (ja) * | 2007-01-31 | 2008-08-14 | Yamaha Corp | 半導体装置及び半導体装置の実装構造 |
| US7646182B2 (en) | 2006-03-29 | 2010-01-12 | Mitsubishi Electric Corporation | Power supply apparatus |
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| US8159823B2 (en) | 2008-02-06 | 2012-04-17 | Honda Motor Co., Ltd. | Electric vehicle and method of cooling vehicular DC/DC converter |
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| US9472488B2 (en) | 2012-04-16 | 2016-10-18 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor device and cooler thereof |
| WO2018066771A1 (ko) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | 엘지전자 주식회사 | Igbt 모듈 냉각 열 교환기 |
-
2000
- 2000-09-13 JP JP2000278539A patent/JP3800938B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2011018882A1 (en) | 2009-08-10 | 2011-02-17 | Fuji Electric Systems Co., Ltd. | Semiconductor module and cooling unit |
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