JP2004282804A

JP2004282804A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2004282804A
Application number: JP2003067019A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Obe; 利春大部; Nobumitsu Tada; 伸光田多
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】電力用半導体素子の駆動回路及び制御回路の冷却効率を向上し、かつ、コンパクト化を図る。
【解決手段】電力用半導体素子３の駆動回路１５及び制御回路１７の熱損失を前記電力用半導体素子３を冷却する冷却器２３まで伝熱する複数の伝熱板２９、３１を、前記電力用半導体素子３の上方で、かつ、対向し合う前記電力用半導体素子３の正極及び負極用電極７、９と、３相出力用電極１３との間に配置し、前記電力用半導体素子３を冷却する前記冷却器２３と熱的に接触させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の電力用半導体素子とその電力用半導体素子を駆動する駆動回路及び電力用半導体素子を制御する制御回路を備えた電気自動車に適するインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にインバータ装置は、複数の電力用半導体素子とその電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、前記電力用半導体素子を制御する制御回路の外に、例えば、電力用半導体素子等を冷却する冷却器とを備えた構造となっている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−９２８５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
インバータ装置は通電されると、駆動回路および制御回路を構成する回路部品は発熱し、その回路部品の熱損失の一部は、インバータ装置筐体の内部空気の自然対流熱伝達によりインバータ装置筐体の底面に設けられた前記冷却器へ放熱される。
【０００５】
回路部品の熱損失は数Ｗと小さいが、自然対流熱伝達の熱通過率は約５Ｗ／ｍ^２Ｋと冷却能力も低いので、回路部品の温度上昇は約６０℃位と大きくなる。
【０００６】
この場合、冷却器を流れる冷媒の入水温度は、通常６０℃位である。冷媒の入水温度を６０℃一定に保ち、電力用半導体素子とその電力用半導体素子や回路部品を所定の温度内にて一定に冷却するため、インバータ専用の熱交換器であるインバータ専用ラジエーターにより冷却が行なわれいる。電力用半導体素子や回路部品の熱損失を吸収し温度上昇した冷却器の冷媒は、ウォーターポンプによりインバータ専用ラジエーターまで運ばれ、インバータ専用ラジエーターにより周囲の空気と熱交換し所定の入水温度（６０℃）に戻る循環を繰返す。
【０００７】
この場合、インバータ専用ラジエーターを例えば、電気自動車に採用すると周囲の空気を取込み易いように電気自動車の前面に置かれ、大きなスペースを占める。
【０００８】
冷媒の入水温度を例えば９０℃などより高温にし、冷媒と電気自動車周囲の空気との温度差を確保するほど、インバータ専用ラジエーターは熱交換面積が小さくて済むので小型化できる。これにより、電気自動車の小型化が図れることが可能となる。
【０００９】
しかし、従来のインバータ装置では、回路部品を冷却能力の低い自然対流熱伝達により冷却し温度上昇が大きいので、冷媒の入水温度を従来の６０℃より高温にすると、回路部品の許容動作温度を超えてしまう。
【００１０】
これにより、従来のインバータ装置では、インバータ専用ラジエーターを小型化できないので、それにともないそれを採用する電気自動車の小型化も難しくなっているのが現状である。
【００１１】
そこで、この発明にあっては、電力用半導体素子の駆動回路および制御回路の冷却効率の向上が図れると共に、コンパクト化を図ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の請求項１にあっては、電力用半導体素子と、その電力用半導体素子を挟んで対向して配置されバッテリと接続し合う正極，負極用電極及び、モータと接続し合う３相出力用電極と、前記電力用半導体素子の駆動回路及び制御回路と、前記駆動回路及び制御回路の熱損失を前記電力用半導体素子を冷却する冷却器まで伝熱する複数の伝熱板とを有し、前記伝熱板は、前記電力用半導体素子の上方で、対向し合う前記正極及び負極用電極と３相出力用電極との間に配置されると共に前記電力用半導体素子の冷却器と熱的に接続していることを特徴とする。
【００１３】
これにより、複数の伝熱板によって駆動回路及び制御回路を効率よく確実に冷却することが可能となるため、インバータ装置専用のラジエーターの小型化が図れるようになる。
【００１４】
また、この発明の請求項２にあっては、複数の伝熱板は、前記電力用半導体素子を冷却する冷却器と熱的に面接触し合うと共に前記制御回路が熱的に面接着された第１の伝熱板と、その第１の伝熱板と熱的に面接触し合うと共に前記駆動回路が熱的に面接着された第２の伝熱板とから成ることを特徴とする。
【００１５】
これにより、制御回路を第１の伝熱板で、駆動回路を第２の伝熱板でそれぞれ効率よく確実に冷却することが可能となる。
【００１６】
また、この発明の請求項３にあっては、前記電力用半導体素子と駆動回路、および駆動回路と制御回路を、それぞれフレキシブルな基板にて電気的に接続したことを特徴とする。
【００１７】
これにより、例えば、インバータ装置の駆動回路及び制御回路が異なる位相で振動しても、その振動を吸収することが可能となり、安定した接続状態が長期間にわたって確保される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図５の図面を参照しながらこの発明の第１の実施形態について具体的に説明する。
【００１９】
図４はこの発明にかかるインバータ装置１の全体の回路図を示したものである。
【００２０】
インバータ装置１は、電力用半導体素子３と、バッテリ５と接続し合う正極、負極用電極７、９及びモータ１１と接続し合う３相出力用電極１３と、前記電力用半導体素子３の駆動回路１５及び制御回路１７と、コンデンサ１９とを有している。
【００２１】
図１、図２、図３はその具体的な配置構造を示したもので、前記モータ１１及びバッテリ５を除く前記各部品はインバータ装置筐体２１内に配置セットされている。
【００２２】
インバータ装置筐体２１の底部は、内部に配置セットされた前記電力用半導体素子３を冷却する冷却器２３となっていて、前記電力用半導体素子３のハウジング３ａが冷却器２３の上面となる冷却壁面と接触している。
【００２３】
冷却器２３は、熱伝導性の材質によって冷却壁面が形成されると共に、内部には不凍液等の冷媒が取り入れられる取入口２５と取出口２７とを有している。取入口２５と取出口２７は図外の熱交換器となるラジエーターと接続連通し、ラジエーターで熱交換された冷媒は再び取入口２５へ戻る循環を繰返すようになっている。
【００２４】
駆動回路１５と制御回路１７は、前記電力用半導体素子３の上部に配置セットされると共に、その熱損失は第１、第２の伝熱板２９、３１を介して前記冷却器２３に伝達されるようになっている。
【００２５】
第１の伝熱板２９は、図２に示すようにバッテリ５と接続する対向して配置された電力用半導体素子３の正極用電極７及び負極用電極９と、前記モータ１１と接続するための電力用半導体素子３の３相出力用電極１３との間に配置セットされ、その両支脚部２９ａは電力用半導体素子３を挟むようにして前記冷却器２３の冷却壁面と熱伝導材３３を介して熱的に接続している。これにより、第１の伝熱板２９の熱伝導断面積を最大にすることができるので、熱通過率を大きくすることが可能となる。
【００２６】
また、第１の伝熱板２９には、絶縁性の接着剤３５を介して制御回路１７が面接着している。
【００２７】
第２の伝熱板３１は、前記第１の伝熱板２９と熱的に面接触し合うと共に前記駆動回路１５が絶縁性の接着剤３７を介して熱的に面接着している。
【００２８】
駆動回路１５と電力用半導体素子３とは、図１に示すように電力用半導体素子３から立上がる接続用ターミナル３９に設けられた入出力端子４１とフレキシブルな基板４３を介してハンダ付けされることで電気的に接続している。
【００２９】
これにより、駆動回路１５は第２の伝熱板３１により冷却されながら、かつ、電力用半導体素子３と最短で接続することが可能となる。しかも、最短距離の配線でノイズによる誤作動の回避が可能となっている。
【００３０】
駆動回路１５及び制御回路１７を接着させる絶縁性の接着剤３５、３７の熱伝導率としては、０．５〜１Ｗ／ｍＫ位で、塗布厚みは０．１〜０．２ｍｍ位であることが好ましい。この結果、熱伝導率は大きくないが厚みが薄くなるので熱通過率は約２５００Ｗ／ｍ^２Ｋと大きくなる。一方、熱伝導材３３の熱伝導率としては、１〜５Ｗ／ｍＫ位で、厚みは０．０５〜０．１ｍｍ位であることが好ましい。この結果、熱通過率は約１０００Ｗ／ｍ^２Ｋとなる。
【００３１】
なお、第１の伝熱板２９は、銅やアルミニウムなどの金属や、内部に冷媒が封入されたヒートパイプなどがあり、熱通過率は約１８００Ｗ／ｍ^２Ｋである。また第２の伝熱板３１は、銅やアルミニウムなどの金属である。
【００３２】
このように構成されたインバータ装置１によれば、駆動回路１５を構成する回路部品の熱損失は、絶縁性の接着剤３５へ熱伝導され、さらに第２の伝熱板３１→熱伝導材３３→第１の伝熱板２９の順に熱伝導され、最終的に冷却器２３による強制対流熱伝達により冷却される。この時の強制対流熱伝達の熱通過率は、約３０００Ｗ／ｍ２Ｋである。また同様に、制御回路１７を構成する回路部品の熱損失は、絶縁性の接着剤３７へ熱伝導され、さらに第１の伝熱板２９→冷却器２３へ熱伝導されることで、強制対流熱伝達により冷却される。
【００３３】
駆動回路１５または制御回路１７を構成する回路部品は、熱通過率の大きい熱伝導及び強制対流熱伝達により冷却されるので、従来の熱通過率の小さい自然対流熱伝達により冷却される場合に比べ、熱抵抗が約１／３となり、温度上昇も約１／３となる。
【００３４】
図５は、本発明のインバータ装置の回路部品の温度上昇と、従来のインバータ装置の回路部品の温度上昇試験結果を比較した図である。約１３００ｓｅｃ後の温度上昇は、本発明のインバータ装置の回路部品の温度上昇が従来に比べ約１／３となっているのが分かる。
【００３５】
この結果、インバータ装置専用のラジエーターの小型化が可能となるため、これを例えば、電気自動車に採用した場合に、ラジエーター領域のコンパクト化が図れるようになる。
【００３６】
図６は、駆動回路１５と制御回路１７をフレキシブルな基板３９により接続した第２の実施形態を示したものである。
【００３７】
フレキシブルな基板３９は、図７に示すように、薄い例えばポリエステルフィルムに、銅箔４１がパターン化されたものであり、銅箔の厚みは約５０〜７０μｍ、トータルの厚みは約１００μｍと非常に薄くフレキシブル性を有する基板となっている。
【００３８】
なお、他の構成要素は前記実施形態と同様である。
【００３９】
この実施形態のインバータ装置１によれば、例えば、電気自動車に搭載されたインバータ装置が振動により加振され、電力用半導体素子３と駆動回路１５と制御回路１７がそれぞれ異なる位相で振動しても、それぞれの接続がフレキシブル性を有するフレキシブルな基板３９により接続されているので、接続不良が発生しない。
【００４０】
さらに、インバータ装置が通電され、電力用半導体素子３や駆動回路１５や制御回路１７や伝熱板２９や伝熱板３１が温度上昇し、それぞれが異なる量で熱膨張しても、それぞれの接続がフレキシブルな基板３９により接続されているので接続不良が発生しない。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、駆動回路及び制御回路の冷却効率を向上させることができ、電力用半導体素子の冷却器の冷媒温度を高温化ができるようになるため、インバータ装置専用のラジエーターの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかるインバータ装置の概要切断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線概要切断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線概要切断面図。
【図４】インバータ装置の全体回路図。
【図５】インバータ装置の特性図。
【図６】フレキシブルな基板で振動回路と制御回路、電力用半導体素子と駆動回路とを接続した別の実施形態の説明図。
【図７】図６のフレキシブルな基板の説明斜視図。
【符号の説明】
３電力用半導体素子
５バッテリ
７正極用電極
９負極用電極
１１モーター
１３３相出力用電極
１５駆動回路
１７制御回路
２３電力用半導体素子用の冷却器
２９第１の伝熱板
３１第２の伝熱板
３９フレキシブルな基板

Claims

電力用半導体素子と、その電力用半導体素子を挟んで対向して配置されバッテリと接続し合う正極，負極用電極及び、モータと接続し合う３相出力用電極と、前記電力用半導体素子の駆動回路及び制御回路と、前記駆動回路及び制御回路の熱損失を前記電力用半導体素子を冷却する冷却器まで伝熱する複数の伝熱板とを有し、前記伝熱板は、前記電力用半導体素子の上方で、対向し合う前記正極及び負極用電極と３相出力用電極との間に配置されると共に前記電力用半導体素子の冷却器と熱的に接続していることを特徴とするインバータ装置。
複数の伝熱板は、前記電力用半導体素子を冷却する冷却器と熱的に面接触し合うと共に前記制御回路が熱的に面接着された第１の伝熱板と、その第１の伝熱板と熱的に面接触し合うと共に前記駆動回路が熱的に面接着された第２の伝熱板とから成ることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
前記電力用半導体素子と駆動回路、および駆動回路と制御回路を、それぞれフレキシブルな基板にて電気的に接続したことを特徴とする請求項１又は２記載のインバータ装置。