JP2003115684A - パワーコンバータエンクロージャ - Google Patents

パワーコンバータエンクロージャ

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JP2003115684A
JP2003115684A JP2002194664A JP2002194664A JP2003115684A JP 2003115684 A JP2003115684 A JP 2003115684A JP 2002194664 A JP2002194664 A JP 2002194664A JP 2002194664 A JP2002194664 A JP 2002194664A JP 2003115684 A JP2003115684 A JP 2003115684A
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power
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ミシエル・メルメ−ギヤネ
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 全体のサイズが小さいパワー部品を高い信頼
性をもって十分に冷却することを可能にする。 【解決手段】 二重壁を有する下部パネル（３）を備え
たベース（１）を有し、二重壁は、エンクロージャの内
部側にあり且つパワー部品を支持する少なくとも１つの
基板（５）と接触する内壁（３ａ）を有し、前記下部パ
ネル（３）は、二重壁を有する少なくとも２つの側部パ
ネル（２）まで延在し、二重壁の外壁は冷却フィンによ
って冷却され、さらに、下部パネル（３）の２つの壁は
中空の容積部分を形成し、この中空の容積部分は、冷却
液によって部分的に満たされるとともに、２つの壁間に
サーマルブリッジを形成する熱伝導性の透過性材料
（８）を含んでいることを特徴とするパワーコンバータ
エンクロージャ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両トラクシ
ョンシステム用のパワーコンバータにおけるエンクロー
ジャに関する。
【０００２】
【従来の技術】ジュール効果によるパワー損失で発生す
る熱に起因してパワー電子部品が動作中に達する温度に
より、パワー電子モジュールの性能が制限されることは
知られている。例えば、シリコンチップの性能は、１５
０℃を超えると、大きく低下する。また、パワー電子部
品の信頼性も１００℃を超えると大きく低下する。
【０００３】このため、、部品の最適な動作温度を維持
するために、そしてそれによって使用可能なパワーを増
大させるようにするために冷却システムを設けて、発生
する熱を逃がすことが重要である。特に、ＩＧＢＴ等の
幾つかの構成部品において、最大許容電流は、デバイス
が逃がすことができる熱量によって決定される。
【０００４】コンバータで使用されるパワーモジュール
を冷却するために鉄道車両に最も一般的に採用される解
決手段は、冷却フィンを有するアルミヒートシンクを各
パワーモジュールのベースに取り付け、車両の下側に位
置し且つ特に車両の走行中に空気の流れを受用する側で
開口するエンクロージャ内に、モジュールとそれらのヒ
ートシンクとを組み合わせたものを配置することであ
る。
【０００５】しかしながら、この解決手段は、特に車両
が停止している時に、パワーモジュールの冷却をあまり
有効に行なうことができず、空気の流れがヒートシンク
の全体にわたって行き渡らないという欠点を有してい
る。このような冷却不良に伴い、多数のパワー部品を使
用して各パワー部品に流れる電流を低減し、パワー部品
の発熱を抑えなければならなくなる。その結果、コスト
が増大し、パワーコンバータの全体のサイズおよび重量
が増大するという問題が生じる。
【０００６】この問題は、ヒートシンクの全体にわたる
永久的な空気の流れを形成するファンを使用することに
よって部分的に解決することができる。しかしながら、
ファンは、多大のノイズを発生するという欠点があり、
いささか信頼性に欠けるとともに、鉄道環境における耐
用年数が短いという欠点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、全体のサイズが小さいパワー部品を高い信頼性
をもって十分に冷却することができ、それによって、鉄
道車両トラクションシステムにおけるインバータ装置の
使用に必要なパワー電子モジュールの数を減らすことが
できるパワー電子モジュール用エンクロージャを提供す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的のため、本発明
は、基板上に実装された１つまたは複数のパワー半導体
部品を備えるパワー電子モジュールを有する鉄道車両ト
ラクションシステム備えることを特に意図されたパワー
コンバータエンクロージャであって、二重壁を有する下
部パネルを備えたベースを有し、二重壁は、エンクロー
ジャの内部側にあり且つパワー部品を支持する少なくと
も１つの基板と接触する内壁を有し、前記下部パネル
は、二重壁を有する少なくとも２つの側部パネルまで延
在し、二重壁の外壁は冷却フィンによって冷却され、さ
らに、下部パネルの２つの壁は中空の容積部分を形成
し、この中空の容積部分は、冷却液によって部分的に満
たされるとともに、２つの壁間にサーマルブリッジを形
成する熱伝導性の透過性材料を含んでいることを特徴と
するパワーコンバータエンクロージャを提供する。
【０００９】本発明に係るエンクロージャの特定の実施
形態は、以下の１または複数の特徴を、単独で、あるい
は、技術的に実現可能な任意の組み合わせで有していて
も良い。
【００１０】熱伝導性の透過性材料は、２つの壁によっ
て画定された前記中空の容積部分内に注入される銅発泡
体等の多孔質材料である。
【００１１】熱伝導性の透過性材料は、２つの壁間に銅
グリッドまたはアルミグリッドが積層されて成る。
【００１２】側部パネルは、前記冷却フィンを画定する
アコーディオン状の外壁を有している。
【００１３】側部パネルは、前記冷却フィンが取り付け
られる平坦な外壁を有している。
【００１４】二重壁側部パネルの内壁には、１つまたは
複数の受動素子が接触している。
【００１５】ベースを補完する形状のカバーが前記エン
クロージャを閉塞する。
【００１６】ベースの下部パネルが平坦な外壁を有して
いる。
【００１７】ベースの下部パネルは、冷却フィンによっ
て冷却される外壁を有している。
【００１８】及び、パワー部品がＩＧＢＴである。
【００１９】以下、添付図面を参照しながら、本発明の
目的、特徴、利点を、以下に続く、非制限的な一例とし
て与えられた本発明の実施形態の記述において説明す
る。
【００２０】
【発明の実施の形態】図面を容易に読み取ることができ
るように、本発明を理解するために必要な部分だけが示
されている。全ての図面にわたって、同じ部材が同一の
参照符号で示されている。
【００２１】図１は、地下鉄の列車トラクションシステ
ムのためのパワーコンバータにおけるエンクロージャを
示している。
【００２２】図示のように、エンクロージャは、下部パ
ネル３を有するベース１を備えている。下部パネル３
は、下部パネル３に対して垂直な２つの側部パネル２ま
で延びる２つの壁３ａ、３ｂを有している。また、２つ
の側部パネル２は、２つの壁２ａ、２ｂを有しており、
側部パネル２と平行で且つエンクロージャの中心を通る
長手方向平面に対して左右対称となっている。ベース１
は、良好な熱伝導性を有する金属によって形成されてい
ることが好ましい。
【００２３】下部パネル３は、エンクロージャの内側に
面するその内壁３ａ上に、インバータのパワーモジュー
ル４を支持している。各パワーモジュールは、例えばア
ルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）等の良好な熱伝導性
を有する電気絶縁材料から成る基板５の導電トラック上
に実装された１つまたは複数のパワー部品（ＩＧＢＴ）
を備えている。基板５の下面は、内壁３ａと直接に接触
するとともに、ベース１に軟質半田付けされている。
【００２４】側部パネル２の内壁２ａは、複数の電子部
品６を支持している。これらの電子部品は、ベース１の
下部パネル３上のモジュール４に組み込まれたパワー部
品よりも少ない熱しか放散しないコンデンサ等の受動素
子であることが好ましい。
【００２５】各側部パネル２の外壁２ｂは、アコーディ
オン状を成しており、側部パネル２に対して垂直で、熱
を外気に放散するための複数の冷却フィンを形成してい
る。冷却フィンは、地下鉄の列車の軸方向と平行であ
り、列車の走行中に、空気の流れが冷却フィンの全体に
わたって吹き抜けるようになっている。
【００２６】エンクロージャはカバー７によって閉じら
れる。カバー７は、ベース１の形状を補完する形状を成
しており、エンクロージャの内側の部品４、６を外部か
ら保護する。
【００２７】図２には、ベース１が単体で示されてい
る。下部パネル３は、銅発泡体等の透過性材料８で満た
された中空の容積部分を２つの壁３ａ、３ｂ間に有して
おり、これにより、下部パネル３の内壁３ａと外壁３ｂ
との間で良好な熱伝導性を確保している。また、下部パ
ネル３は、銅発泡体８の孔の一部を満たす水等の冷却液
を含んでいる。冷却液の液面高さが図２に破線で示され
ている。図示しない別の実施形態において、透過性材料
８は、内壁３ａと外壁３ｂとの間で同じサーマルブリッ
ジ作用を与える、例えば銅グリッドやアルミグリッドと
いったグリッドの積層体である。
【００２８】結果として生じるベース１は、様々なパワ
ー部品の動作によって温度が上昇する時に銅発泡体８中
に含まれる液体が孔を通して蒸発するとともに、そのよ
うにして放出された蒸気が側部パネル２を通じて移動し
て外壁２ｂすなわち冷却フィン上で凝縮する２相系を構
成する。凝縮されて冷却された液体は、その後、下部パ
ネル３の銅発泡体８中に流れ落ちるとともに、下部パネ
ル３の内壁３ａ上にあるパワーモジュールの冷却に寄与
する。
【００２９】側部パネル２上の受動素子は、側部パネル
２の内壁２ａを介して、熱伝導により冷却される。
【００３０】図３および図４は、本発明に係るエンクロ
ージャの別の実施形態を示している。この実施形態にお
いて、ベースの下部パネル３は、冷却を促進する複数の
フィンを形成するアコーディオン状の外壁３ｂを有して
いる。また、この実施形態において、ベース１の側部パ
ネル２、カバー７、様々なパワーモジュール４のレイア
ウト及び受動素子６は、前述した実施形態と同一であ
る。
【００３１】図４において、下部パネル３は、中空であ
り、銅発泡体８で満たされている。銅発泡体８は、冷却
フィンの内部と、内壁３ａと外壁３ｂとの間の空間とを
満たしており、２つの壁３ａ、３ｂ間にサーマルブリッ
ジを形成する。前述した実施形態と同様の方法で、多孔
質材料８は、水等の冷却液によって部分的に満たされて
いる。冷却液の液面高さが図４に破線で示されている。
【００３２】パワーコンバータにおける前記エンクロー
ジャは、図１および図２に示されるエンクロージャと類
似の方法で作用する２相系を構成し、パワー部品の冷却
は、熱交換表面積の増大によって更に向上する。
【００３３】図５は、図３のエンクロージャの変形例を
示している。この変形例において、側部パネル２および
下部パネル３の外壁２ｂ、３ｂは平坦であり、これらの
外壁に冷却フィンが例えば溶接によって取り付けられて
いる。このパワーコンバータエンクロージャの動作は、
図３および図４に示されたエンクロージャの動作と同一
である。この実施形態は、エンクロージャの製造が容易
になるという利点を有している。
【００３４】本発明に係るパワーコンバータエンクロー
ジャは、エンクロージャ内にパワーモジュールを閉じ込
めることにより、パワーモジュ−ルを外部から確実に保
護するとともに極めて効果的に冷却するという利点を有
している。
【００３５】また、そのようなエンクロージャによって
得られる冷却は、車両が停止している時においても同様
に効果的であり、ベースの下部パネル内の冷却液の蒸発
によって行なわれる。
【００３６】無論、本発明は、単なる一例として与えら
れた前述した実施形態に全く限定されるものではなく、
本発明の保護の範囲から逸脱することなく、特に様々な
構成部品の組成という観点から、あるいは、技術的な等
価物に置き換えることにより、自由に改良することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパワー電子モジ
ュールのためのエンクロージャの斜視図である。
【図２】図１のエンクロージャのベース単体の断面図で
ある。
【図３】本発明に係るエンクロージャの別の実施形態の
斜視図である。
【図４】図３のエンクロージャのベース単体の断面図で
ある。
【図５】本発明に係るエンクロージャの更に別の実施形
態の断面図である。
【符号の説明】
１ ベース ２ 側部パネル ２ａ、３ａ 内壁 ２ｂ、３ｂ 外壁 ３ 下部パネル ４ 電子モジュール ５ 基板 ６ 電子部品 ７ カバー ８ 透過性材料

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板（５）上に実装された１つまたは複
    数のパワー半導体部品を備えるパワー電子モジュール
    （４）を有する鉄道車両トラクションシステムに備える
    ことを特に意図されたパワーコンバータエンクロージャ
    であって、二重壁（３ａ、３ｂ）を有する下部パネル
    （３）を備えたベース（１）を有し、二重壁は、エンク
    ロージャの内部側にあり且つパワー部品を支持する少な
    くとも１つの基板（５）と接触する内壁（３ａ）を有
    し、前記下部パネル（３）は、二重壁（２ａ、２ｂ）を
    有する少なくとも２つの側部パネル（２）まで延在し、
    二重壁の外壁（２ｂ）は冷却フィンによって冷却され、
    さらに、下部パネル（３）の２つの壁（３ａ、３ｂ）は
    中空の容積部分を形成し、該中空の容積部分は、冷却液
    によって部分的に満たされるとともに、２つの壁（３
    ａ、３ｂ）間にサーマルブリッジを形成する熱伝導性の
    透過性材料（８）を含んでいることを特徴とするパワー
    コンバータエンクロージャ。
  2. 【請求項２】 前記熱伝導性の透過性材料（８）は、２
    つの壁（３ａ、３ｂ）によって画定された前記中空の容
    積部分内に注入される銅発泡体等の多孔質材料であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載のパワーコンバータエン
    クロージャ。
  3. 【請求項３】 前記熱伝導性の透過性材料（８）は、２
    つの壁（３ａ、３ｂ）間に銅グリッドまたはアルミグリ
    ッドが積層されて成ることを特徴とする請求項１に記載
    のパワーコンバータエンクロージャ。
  4. 【請求項４】 前記側部パネル（２）は、前記冷却フィ
    ンを画定するアコーディオン状の外壁（２ｂ）を有して
    いることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に
    記載のパワーコンバータエンクロージャ。
  5. 【請求項５】 前記側部パネル（２）は、前記冷却フィ
    ンが取り付けられる平坦な外壁（２ｂ）を有している請
    求項１から３のいずれか１項に記載のパワーコンバータ
    エンクロージャ。
  6. 【請求項６】 １つまたは複数の受動素子が、二重壁側
    部パネル（２）の内壁（２ａ）に接触していることを特
    徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のパワー
    コンバータエンクロージャ。
  7. 【請求項７】 ベース（１）を補完する形状のカバー
    （７）が前記エンクロージャを閉塞することを特徴とす
    る請求項１から６のいずれか１項に記載のパワーコンバ
    ータエンクロージャ。
  8. 【請求項８】 ベース（１）の下部パネル（３）が平坦
    な外壁（３ｂ）を有していることを特徴とする請求項１
    から７のいずれか１項に記載のパワーコンバータエンク
    ロージャ。
  9. 【請求項９】 ベース（１）の下部パネル（３）は、冷
    却フィンによって冷却される外壁（３ｂ）を有している
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載
    のパワーコンバータエンクロージャ。
  10. 【請求項１０】 パワー部品がＩＧＢＴであることを特
    徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のパワー
    コンバータエンクロージャ。
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