JP2004080856A

JP2004080856A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2004080856A
Application number: JP2002234294A
Authority: JP
Inventors: Kaname Sasaki; 佐々木　要; Haruki Hamada; 浜田　晴喜; Masaaki Hayashi; 林　正明; Ryuichi Saito; 齋藤　隆一; Akihiro Tanba; 丹波　昭浩; Takayoshi Nakamura; 中村　卓義
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】放熱基板に直接冷却液を接触させて冷却性能を向上させる半導体モジュールを利用する電力変換装置において、流路における圧力損失を低減するとともに、均一な流れによる高い放熱性能を得ること。
【解決手段】液冷放熱装置１にフィンを設けて冷却液流路断面積の拡大縮小を抑制すると共に、前記フィンの形状を放熱基板２の拡大伝熱面の接触面において同一にする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換装置の冷却構造として、例えば特開２００１−３０８２４６号公報がある。この従来技術は内部を冷却用の液体が流通するヒートシンクがあり、このヒートシンクの一面に設けられた開口部を閉塞するように、発熱する半導体素子と熱的に接続されたフィンが挿入され、このフィンを通過する液体で半導体素子の熱を放熱するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の電力変換装置は、数百Ｗからの熱が発生するためフィンを冷却液に直接晒しているため、非常に有効な冷却手段である。
【０００４】
ところが、電力変換装置は年々大容量化の要求が高くなっているため、冷却効率の向上を図り、信頼性を向上させる必要が生じてきている。
【０００５】
本発明の目的は、冷却性能の信頼性を向上させた電力変換装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、複数の電力変換用半導体素子が実装された半導体モジュールと、この半導体モジュールの一部に設けられた複数枚の第１のフィンと、このフィンを通過する冷却液を有する冷却ケースを備えた電力変換装置において、前記冷却ケースを構成する上ケースと下ケースと、前記冷却ケースの一部に設けられた冷却液流入口と冷却液流出口と、前記上ケースの一部に設けられた開口と、前記冷却液流入口と流出口の近傍に設けられた第２のフィンとを備え、前記開口から前記第１のフィンを挿入し、この第１のフィンと前記第２のフィンとが接続されたことにより達成される。
【０００７】
また、上記目的は、前記第２のフィンが前記上ケースの内面に取り付けられたことにより達成される。
【０００８】
また、上記目的は、前記第２のフィンが前記下ケースの内面に取り付けられたことにより達成される。
【０００９】
また、上記目的は、前記第２のフィンは前期第１のフィンの枚数と同一であることにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、前記第２のフィンは前期第１のフィン方向に外広がりの形状であることにより達成される。
【００１１】
また、上記目的は、前記第２のフィンは前期第１のフィン方向に厚みが増し、前記第１のフィンと同等の形状で前記第１のフィンと接続されていることにより達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
電力変換装置は、各種動力機械に搭載されているが特に近年注目されているハイブリッド自動車や燃料電池自動車を例にとると、ハイブリット自動車は年々高出力が要求されており、その要求に対応するにはモータの容量を大きくする必要がある。また、燃料電池自動車の場合は、車輪を直接モータで駆動させるため、モータの容量が大きくなってしまう。
このように、モータの容量が大きくなると、その分電力変換装置も大容量を受け入れる必要がある。大容量を受け入れるためには、内部に搭載された半導体素子がその分高発熱化するため、この半導体素子の冷却効率を向上させなければならない。
【００１３】
冷却効率を向上させる手段として、例えば冷却液循環用ポンプの吐出能力を増やすことを考えられるが、ポンプの吐出能力増加は冷却のために用いられるエネルギーを増大させてしまうため、省エネルギーの観点からポンプは小容量であることが望ましい。
【００１４】
そこで、本発明の発明者らは、流通する冷却液の圧力損失を低減して放熱性能を向上させることに注目し種々検討した結果、以下のような実施例を得た。
【００１５】
以下、本発明の実施例を図１〜図７を用いて説明する。なお、各実施例を説明する図で同一符号は同一物であるため、その説明は省略する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施例を備えた液冷放熱装置の斜視図である。
図１において、１は液冷放熱装置本体である。この液冷放熱装置１は上部の上蓋２（上ケース）と下部の底板３（下ケース）からなり、箱状に構成されている。２ａは液体の流入口である（図１に記載されていないが液体の流出口が対向する面にある）。４は上蓋２の上部に設けられた半導体モジュールである。この半導体モジュール４は内部に発熱する半導体素子（図２で詳述する）を収納するケース４ａと、このケース４を上蓋２に固定し、半導体素子を冷却するための放熱基板５からなっている。６は放熱基板５を上蓋２に固定するためのボルトである。７はケース４ａの上面に取り付けられた端子である。
【００１７】
図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。
図２において、８はケース４ａの内部に収納された半導体素子である。この半導体素子８は放熱基板５の上部に基板を介して搭載されている。この半導体素子８をケース４ａが覆っている。ケース４ａと上蓋２とは接着剤等で接続されている。この放熱基板５は例えば銅で形成され熱伝導の向上を配慮してある。２ｂは液流入口２ａと対向する位置に設けられた液流出口である。２ｃは上蓋２の内面であって、液流入口２ａ側に設けられたフィンである。２ｄは液流出２ｂ側のフィンである。このフィン２ｃ、２ｄの一端は後述する放熱基板５のフィンと同じ高さとなるように傾斜している。５ａは放熱基板５の内面側に設けられたフィンである。このフィン５ａの先端は底板３と接触している。矢印は液の流れ方向を示す。
【００１８】
図３は、図２のＢ−Ｂ’線断面図である。
図３において、放熱基板５（図示せず）のフィン５ａは複数本設けられ（本実施例では７本）ている。このフィン５ａと連続するように上蓋２のフィン２ｃ、２ｄもフィン５ａと同じ本数で扇状に配列されている。フィン２ｃは液の上流側を薄くし、下流側に行くしたがって厚く、最終的にはフィン５ａの厚さと同じ厚さにしてある。一方フィン２ｄは液の上流側はフィン５ａと同じ厚さとなっており、下流側では薄くなっている。５ｂはボルト６用の穴である。
矢印で示した液体は液流入口２ａに侵入し、フィン２ｃ、フィン５ａ、フィン２ｄを経由して液流出口２ｂから排出される。
【００１９】
図４は、図１のＣ−Ｃ’線断面図である。
図４において、放熱基板５のフィン５ａは上蓋２を貫通し、底板３にまで達している。９は放熱基板５と上蓋２との間に取り付けられたシール材である。このシール材９はＯリングやメタルガスケットを挟むことが望ましい。
【００２０】
ここで、冷却液の流れを説明する。
液流入口２ａから流入した冷却液は先端が薄くなったフィン２ｃによってスブーズに侵入し、徐々に太くなったフィン２ｃによって流路断面積の変化が緩やかとなっているため複数のフィン５ａで形成される複数の冷却液通路に対して冷却液が均等流れる。
同様に、液流入口１ａ側のフィン２ｃの高さは段階的に高く変化しているため、冷却液の流路断面積の変化が緩やかとなり、圧力損失の増大を抑えるのに有効となる。
【００２１】
一方、液流出口１ｂ側のフィン１ｄの高さは段階的に低く変化しているため、冷却液は徐々に絞られて流出する。
【００２２】
このように、液冷放熱装置１における圧力損失の発生を抑制できるため、フィン５ａを流れる冷却液の乱れが抑えられるため、フィン５ａとの熱交換効率が高くなり、高い放熱性能を確保できる。
【００２３】
次に、本発明の他の一実施例を図５を用いて説明する。
図５は、放熱基板とケースの斜視図であって一部を断面した図である。
図５において、１０は半導体素子８と放熱基板５との間に介在されたセラミック基板である。本来、半導体素子５と放熱基板５とは出来るだけ密着させて放熱効果を向上させるのが望ましいが、絶縁が必要であるためセラミック基板１０を取り付けたものである。
【００２４】
図６は、他の実施例を備えた図２に相当する液冷放熱装置の断面図である。
【００２５】
図６において、本実施例では図２に示したフィン２ｃ、２ｄが底板３に取り付けられたものである。
３ａは液流入口２ａ側に設けられたフィンである。３ｂは液流出口２ｂ側に設けられたフィンである。このフィン３ａ、３ｂも図２で示したフィン２ｃ、２ｄと同じようにフィン５ａに向かって傾斜し、フィン５ａと同じ高さで接触している。
【００２６】
本実施例によれば、フィン３ａ、３ｂが緩やかな傾斜から最終的には、フィン５ａと同じ高さと厚みで接触しているので、フィン５ａ内に侵入するまでの冷却液の偏りが抑えられ圧力損失の低減を図ることができる。
【００２７】
また、本実施例では、フィン３ａ，３ｂを底板３に設けているので、フィン３ａ，３ｂの製造が容易である。
【００２８】
次に、電力変換装置の電力の流れを図７を用いて説明する。
図７は、電力変換装置の負荷制御回路図である。
図７において、１００は直流電源、１１０は電力変換装置、１１１は平滑用コンデンサ、１１３〜１１８は半導体素子、１２０は負荷である。直流電源１００が供給する直流電力は、電力変換装置１１０内に実装される半導体素子１１３〜１１８を用いて三相交流に変換され、負荷１２０に流される。半導体素子１１３〜１１８の一例としてＩＧＢＴ素子を示したが、実施に際しては、これに限定されるものではない。
【００２９】
ここで、１１３〜１１８の半導体素子は通電時の損失及び高速度でスイッチングを行う際の損失のために数百Ｗ程度の熱を発生する。これらの素子が動作するためには、素子が持つ動作保証温度以下、または半導体素子が実装される半導体モジュールを構成する実装部品の熱応力から制限される温度以下に保持しなければならない。
【００３０】
以上のごとく、本実施例によれば、半導体モジュールを構成する放熱基板を直接冷却液に接触して高い放熱性能を得られると同時に、急激な流路断面積の変化に伴う圧力損失増大を抑制することができる。
また、放熱基板から構成される流路間を流れる冷却液は均一な流量を確保でき、結果として、簡便な構造によって信頼性が高い電力変換装置を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却性能の信頼性を向上させた電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例を備えた液冷放熱装置の斜視図である。
【図２】図２は、図１のＡ―Ａ’線断面図である。
【図３】図３は、図２のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図４】図４は、図１のＣ−Ｃ’線断面図である。
【図５】図５は、他の実施例を備えた液冷放熱装置の斜視図であって、一部を断面した図である。
【図６】図６は、他の実施例を備えた図２相当の断面図である。
【図７】図７は、電力変換装置の電力の流れを説明するブロック図である。
【符号の説明】
１…液冷放熱装置、２…上蓋、３…底板、４…半導体モジュール、５…放熱基板、６…ボルト、７…端子、８…半導体素子、９…シール材。

Claims

複数の電力変換用半導体素子が実装された半導体モジュールと、この半導体モジュールの一部に設けられた複数枚の第１のフィンと、このフィンを通過する冷却液を有する冷却ケースを備えた電力変換装置において、
前記冷却ケースを構成する上ケースと下ケースと、前記冷却ケースの一部に設けられた冷却液流入口と冷却液流出口と、前記上ケースの一部に設けられた開口と、前記冷却液流入口と流出口の近傍に設けられた第２のフィンとを備え、前記開口から前記第１のフィンを挿入し、この第１のフィンと前記第２のフィンとが接続されたことを特徴とする電力変換装置。
前記第２のフィンが前記上ケースの内面に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第２のフィンが前記下ケースの内面に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第２のフィンは前期第１のフィンの枚数と同一であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第２のフィンは前期第１のフィン方向に外広がりの形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置。
前記第２のフィンは前期第１のフィン方向に厚みが増し、前記第１のフィンと同等の形状で前記第１のフィンと接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換装置。