JP2005073425A

JP2005073425A - 電力変換装置

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Publication number: JP2005073425A
Application number: JP2003301481A
Authority: JP
Inventors: Wataru Takanami; 渉高波; Haruki Hamada; 晴喜浜田
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP4403753B2

Abstract

【課題】部品数を削減しコストを低減する電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力用変換装置１００においては、パワーモジュール１１１，１１２から生じた熱は、パワーモジュール１１１，１１２の下側に設けられたヒートシンク１３０により放熱される。ヒートシンク１３０は、内部に冷却媒体が流れる冷却水路１４０が形成されており効率よく放熱が行われるようになっている。この冷却水路１４０の一部である第５の冷却水路部１４５は、パワーモジュール１１１，１１２側に突出し高さが出るように形成されており、この突出部分に直接的に制御基板１２０が設置される。したがって、この制御基板１２０において発熱部品１２１等から生じた熱も、ヒートシンク１３０に直接的に伝導され放熱される。この結果、部品点数を削減するとともに、冷却効率を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体素子とその電力用半導体素子を制御する制御基板とを有する電力変換装置に関し、特に、構成が簡単で冷却効率の高い電力変換装置に関する。

電力用スイッチング素子等の電力用半導体素子を有するパワーモジュールと、このパワーモジュールを制御する制御回路が設けられた制御基板とを一体的に構成した電力変換装置が知られている。
この種の電力変換装置においては、たとえば特許文献１に記載のパワーモジュールのように、パワーモジュールの一方の面側に取り付け部材を介して制御基板を設置した構成が広く使用されている。

特開２００２−７６２５７号公報

ところで、このような構成の電力変換装置においては、前述したように、パワーモジュールの上方に制御基板等の部品を配置する構成となっているため、取り付け部が必要となり、コストが増加するという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、取り付け部等の部品を不要とすることにより部品点数を削減しコストを低減する電力変換装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、電力用半導体素子を有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールの一方の面側に設けられ、前記パワーモジュールの前記電力用半導体素子を制御する制御回路が形成された制御基板と、前記パワーモジュールの他方の面側に設けられ、前記パワーモジュールを冷却する冷却媒体の流路である冷却流路が内部に形成された冷却流路形成部材とを有する電力変換装置であって、前記冷却流路形成部材は、前記パワーモジュールの側面付近において前記他方の面側から前記一方の面側に突出した突出部を有し、前記制御基板は、前記冷却流路形成部材の前記突出部の先端面に設置される電力変換装置である。

このような構成の電力用変換装置においては、パワーモジュールから生じた熱は、パワーモジュールの他方の面側に設けられた冷却流路形成部材に放熱される。冷却流路形成部材は、内部に冷却媒体が流れる冷却流路が形成され効率よく放熱が行われるようになっており、パワーモジュールは効率よく冷却される。
また、この冷却流路形成部材の一部がパワーモジュールの他方の面側に突出するように形成されており、この突出部分に直接的に制御基板が設置される。したがって、制御基板において生じた熱も、冷却流路形成部材に直接的に伝導され、これにより効率よく放熱される。
この結果、従来の同様の構造の電力用変換装置に必要であった制御基板の取り付け部等の構造が不要となる。

このように本発明によれば、取り付け部等の部品を不要とすることにより部品点数を削減しコストを低減する電力変換装置を提供することができる。

第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態の電力変換装置について図１を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図であり、図１（Ａ）は電力変換装置の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−’Ａの断面図である。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、電力変換装置１００は、２つのパワーモジュール１１１，１１２、制御基板１２０、ヒートシンク（冷却流路形成部材）１３０、冷却水路１４０およびケース１５０を有する。
なお、以下の説明においては、図１（Ａ）に示す平面図において紙面と平行な方向を平面方向と称し、紙面と垂直な方向を垂直方向と称する。また、垂直方向においては、ケース１５０側を上側、ヒートシンク１３０側を下側と称する。

パワーモジュール１１１，１１２は、各々たとえば大電力用の半導体素子、例えばＩＧＢＴによって構成され、図１（Ｂ）に示すように、ヒートシンク１３０の上面に載置される。また、この２つのパワーモジュール１１１，１１２は、図１（Ａ）に示すように、平面方向に並べて配置される。
ヒートシンク１３０の内部には、これらパワーモジュール１１１，１１２を冷却するための冷却水路１４０が形成される。冷却水路１４０は、２つのパワーモジュール１１１，１１２を１つの水路で冷却するために、図１（Ａ）に示すようにＵ字形状に形成される。すなわち、冷却水路１４０は、電力変換装置１００の一方の端部で折り返され、折り返し部分の前後が各々パワーモジュール１１１，１１２を冷却するための水路として構成される。

より具体的には、冷却水路１４０は、第１の冷却水路部１４１_−１，１４１_−２、第２の冷却水路部１４２_−１，１４２_−２、第３の冷却水路部１４３_−１，１４３_−２、第４の冷却水路部１４４_−１，１４４_−２および第５の冷却水路部１４５により構成される。
これらの水路部のうち、第１の冷却水路部１４１_−１，１４１_−２〜第４の冷却水路部１４４_−１，１４４_−２は、２つのパワーモジュール１１１，１１２を各々冷却する２つの同一形状の冷却水路を構成する。すなわち、冷却水路１４０は、第５の冷却水路部１４５を折り返し部分として、その前後に２つの同一形状の冷却水路が配置された構成となっている。
なお、以下の説明において、これらの同一形状の冷却水路については、いずれの冷却水路かを特段に指定せず、また対応する符号も単に第１の冷却水路部１４１、第２の冷却水路部１４２、第３の冷却水路部１４３および第４の冷却水路部１４４という符合を用いて説明を行うものとする。

第１の冷却水路部１４１は、外部から供給される冷却水の出入口となるパイプ部分であり、円形の断面形状を有する。
第３の冷却水路部１４３は、パワーモジュール１１１，１１２を冷却する主たる水路部分である。第３の冷却水路部１４３は、パワーモジュール１１１，１１２のヒートシンク１３０との接着部分の近傍に形成される。また、第３の冷却水路部１４３は、パワーモジュール１１１，１１２と冷却水路との熱抵抗を小さくするため、パワーモジュール１１１，１１２の接着面と平行な平面方向に水路幅が広くなり、その分、電力変換装置１００の垂直方向に高さが低くなるように形成されている。

第５の冷却水路部１４５は、パワーモジュール１１１，１１２が配置されていない領域に形成される冷却水路１４０の折り返し部分の水路である。第５の冷却水路部１４５は、電力変換装置１００の平面方向のサイズを小さくするために、平面方向には水路幅を狭くし、その分垂直方向に水路の高さが高くなるように形成されている。
この際、第５の冷却水路部１４５が形成される部分およびその周辺のヒートシンク１３０の上面は、ヒートシンク１３０に設置されたパワーモジュール１１１，１１２の上面の高さより高くなるように構成される。すなわち、第５の冷却水路部１４５は、パワーモジュール１１１，１１２側に突出するように構成される。この高くなった第５の冷却水路部１４５の上面（突出部先端面）に、後述する制御基板がネジ留めされ固定される。

第２の冷却水路部１４２は、第１の冷却水路部１４１と第３の冷却水路部１４３とを円滑に接続するための水路である。
また、第４の冷却水路部１４４は、第３の冷却水路部１４３と第５の冷却水路部１４５とを円滑に接続するための水路である。
一般に、断面形状の異なる水路に冷却水を流すと、絞り作用によって圧損が増える。そこで、冷却水路１４０においては、全水路に渡って断面積を等しくし、絞り作用による圧損が増えないようにしている。すなわち、円形断面の第１の冷却水路部１４１、平面方向に扁平な断面の第３の冷却水路部１４３および垂直方向に高い断面の第５の冷却水路部１４５はいずれもその断面積が等しくなるように形成される。また、それらを接続する第２の冷却水路部１４２および第４の冷却水路部１４４も、断面積を一定に維持した状態で、それらの水路を滑らかに接続する。

このように構成されるヒートシンク１３０およびパワーモジュール１１１，１１２の上部に、制御基板１２０が設けられる。制御基板１２０は、第５の冷却水路部１４５が形成される部分のヒートシンク１３０の上面、すなわち、パワーモジュール１１１，１１２よりも高い位置に形成されるヒートシンク１３０の上面に、直接ネジ止めされて固定される。この制御基板１２０には、ＣＰＵ，電源レギュレータ、電源トランスおよびトランジスタ等の種々の回路素子が実装され、また、それらを接続する配線が形成され、パワーモジュール１１１，１１２の制御回路が形成される。

これら実装されたパワーモジュール１１１，１１２や制御基板１２０を覆うように、ヒートシンク１３０にケース１５０が被せられ、電力変換装置１００が構成される。

このような構成の電力変換装置１００においては、冷却水路１４０に対して冷却水が流されることにより、パワーモジュール１１１，１１２からの放熱が効率よく行われ、パワーモジュール１１１，１１２の冷却が促進される。
また、制御基板１２０上の例えば発熱素子１２１等の回路素子からの発熱は、制御基板１２０から直接的にヒートシンク１３０に放熱される。したがって、制御基板１２０上の発熱部品の冷却効率も高めることができる。
また、制御基板１２０が、直接、ヒートシンク１３０に取り付けられていることから、従来必要であったネジ・スタッド付きスペーサ等の取り付け部が不要となり、コストを低減することができる。また、取り付け部をヒートシンク１３０に取り付ける工数を削減することができ、生産性よく電力変換装置１００を製造することができる。

なお、本実施の形態においては、制御基板１２０のみをヒートシンク１３０に取り付けるようにしているが、たとえば、平滑コンデンサや電流センサ等をヒートシンク１３０の第５の冷却水路部１４５近傍の高くなった部分に取り付けるようにしてもよい。そのようにすれば、平滑コンデンサや電流センサの取り付け部が不要となり、一層コストを低減することができる。また、平滑コンデンサや電流センサを直接ヒートシンク１３０に接続することになるので、これらの発熱部品の冷却効果を高めることができる。

第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態の電力変換装置について図２を参照して説明する。
第１の実施の形態においては、制御基板を直接ヒートシンクに取り付ける構成の電力変換装置について説明した。しかしながら、発熱部品が制御基板の中央部にレイアウトされた場合には、その部品からの発熱を効率よくヒートシンクに伝達する必要がある。そのためには、放熱シートおよび銅やアルミニウム等の熱伝導媒体を介して発熱部品の熱をヒートシンクに放熱するのが有効である。そのような構成の電力変換装置について、本発明の第２の実施の形態として説明する。

図２は、本発明の第２の実施の形態の電力変換装置２００の構成を示す断面図である。
電力変換装置２００は、２つのパワーモジュール１１１，１１２、制御基板２２０、ヒートシンク１３０、冷却水路１４０、ケース１５０、熱伝導媒体２６０および放熱シート（非導電性放熱部材）２７１，２７２を有する。
パワーモジュール１１１，１１２、ヒートシンク１３０、冷却水路１４０およびケース１５０の構成は、前述した第１の実施の形態の電力変換装置１００と同一なので説明を省略する。

第２の実施の形態の電力変換装置２００においては、ヒートシンク１３０に設置されたパワーモジュール１１１，１１２の上部であって、第５の冷却水路部１４５が形成される部分のヒートシンク１３０の上面に、まず熱伝導媒体２６０が設置される。熱伝導媒体２６０は、銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い物質で形成された平板上部材である。
この熱伝導媒体２６０の上に、所定の間隙を隔てて制御基板２２０を設置する。制御基板２２０は、任意の位置に発熱部品が実装された基板であるが、ここでは例示のために第１および第２の２つの発熱部品２２１，２２２を図示する。第１の発熱部品２２１は、第５の冷却水路部１４５が形成される部分のヒートシンク１３０のほぼ上部に配置された部品であり、第２の発熱部品２２２は、制御基板２２０のほぼ中央部に配置された部品である。
これら第１および第２の発熱部品２２１，２２２が実装される部分の熱伝導媒体２６０と制御基板２２０との間隙部分には、各々、放熱シート２７１および２７２が配置される。

このような構成の電力変換装置２００においても、冷却水路１４０に対して冷却水が流されることにより、パワーモジュール１１１，１１２からの放熱が効率よく行われ、パワーモジュール１１１，１１２の冷却が促進される。
また、図２に例示する第１および第２の発熱部品２２１，２２２等の制御基板２２０上の発熱部品からの発熱は、制御基板２２０から放熱シート２７１，２７２および熱伝導媒体２６０を介してヒートシンク１３０に放熱される。従来は、これに加えてさらに熱伝導媒体２６０の取り付け部を介して放熱されていたが、本実施の形態においては、前述したように熱伝導媒体２６０がヒートシンク１３０に直接取り付けられているため、取り付け部を介する必要がない。したがって、従来に比して発熱部品の放熱を効果的に行い、冷却効率を高めることができる。

また、熱伝導媒体２６０が、直接、ヒートシンク１３０に取り付けられていることから、従来必要であったネジ・スタッド付きスペーサ等の熱伝導媒体２６０の取り付け部が不要となり、コストを低減することができる。
また、取り付け部をヒートシンク１３０に取り付ける工数を削減することができ、生産性よく電力変換装置２００を製造することができる。

第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態の電力変換装置について図３を参照して説明する。
第２の実施の形態においては、制御基板の任意の位置に発熱部品が配置されていたため、熱伝導媒体を介して放熱を行うようにした。しかしながら、制御基板上の発熱部品の配置が制御基板をヒートシンクに取り付ける位置に限定できるならば、熱伝導媒体を使用しないより簡単な構成で効率よく放熱を行うことができる。そのような構成の電力変換装置について、本発明の第３の実施の形態として説明する。

図３は、本発明の第３の実施の形態の電力変換装置３００の構成を示す断面図である。
電力変換装置３００は、２つのパワーモジュール１１１，１１２、制御基板３２０、ヒートシンク１３０、冷却水路１４０、ケース１５０および放熱シート（非導電性放熱部材）３７０を有する。
パワーモジュール１１１，１１２、ヒートシンク１３０、冷却水路１４０およびケース１５０の構成は、前述した第１の実施の形態の電力変換装置１００と同一なので説明を省略する。

第３の実施の形態の電力変換装置３００においては、ヒートシンク１３０に設置されたパワーモジュール１１１，１１２の上部であって、第５の冷却水路部１４５が形成される部分のヒートシンク１３０の上面に、制御基板３２０がヒートシンク１３０の上面と所定の間隙を隔てて設置されている。
制御基板３２０には、図３に例示する発熱部品３２１等の発熱部品が実装されるが、設計段階で部品レイアウトを考慮することにより、それらの発熱部品は、制御基板３２０の第５の冷却水路部１４５が形成される部分のヒートシンク１３０の上部に配置される。
図３に例示する発熱部品３２１等の発熱部品が実装される部分の制御基板３２０とヒートシンク１３０の上面との間隙部分には、放熱シート３７０が配置される。

このような構成の電力変換装置３００においても、冷却水路１４０に対して冷却水が流されることにより、パワーモジュール１１１，１１２からの放熱が効率よく行われ、パワーモジュール１１１，１１２の冷却が促進される。
また、図３に例示する発熱部品３２１等の制御基板３２０上の発熱部品からの発熱は、制御基板３２０から放熱シート３７０を介してヒートシンク１３０に放熱される。第２の実施の形態として例示した電力変換装置２００においては、これに加えてさらに熱伝導媒体を介して放熱されていたが、本実施の形態においてはこれが不要となっている。したがって、第２の実施の形態の電力変換装置２００に比して発熱部品の放熱を効果的に行い、冷却効率を高めることができる。
したがって、発熱部品の全てを、制御基板３２０上の第５の冷却水路部１４５の上部に相当する領域に配置できる場合には、このような構成とするのが有効である。

また、このような構成であれば、熱伝導媒体が不要となり、コストを低減することができる。
また、熱伝導媒体をヒートシンク１３０に取り付ける工数を削減することができ、生産性よく電力変換装置３００を製造することができる。

なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

たとえば、前述した第１〜第３の実施の形態の電力変換回路においては、冷却水路１４０の中の折り返し部分である第５の冷却水路部１４５の部分のヒートシンク１３０を、パワーモジュール１１１，１１２設置方向に突出させ高さをもたせるように構成し、ここに制御基板や熱伝導媒体を固定する構成であった。しかしながら、パワーモジュール方向に突出させる部分はこれに限られるものではなく任意の位置でよい。たとえば、冷却媒体の出入口である第１の冷却水路部１４１とパワーモジュールを冷却する第３の冷却水路部１４３との間の第２の冷却水路部１４２の部分のヒートシンク１３０を、パワーモジュール設置方向に突出させ、これに制御基板や熱伝導媒体を固定するようにしてもよい。
また、パワーモジュール設置領域の周囲に冷却水路が配置されるような新たな水路をパワーモジュールを冷却するための水路中に形成し、この部分においてその水路を規定するヒートシンクをパワーモジュール側に突出させ、これに制御基板等を固定するようにしてもよい。

なお、それらヒートシンク（冷却流路形成部材）の前記突出部は、その先端面が、前記パワーモジュールの上面（ヒートシンクとの接着面の反対面）を越える位置まで突出するのが好適である。そのように構成することで、これに設置した制御基板や熱伝導媒体を、パワーモジュールの上面と一定の間隙をおいて配置することができるからである。しかしながら、ヒートシンクの突出部の先端面にさらに放熱シートや他の熱伝導体を介在させて制御基板や熱伝導媒体を設置することもでき、そのような場合には、それらの介在物を含めた制御基板等の設置面がパワーモジュールの上面を越していればよい。すなわち、ヒートシンク自体の上面は、パワーモジュールの上面を超えない場合もあり得る。そのような場合も、その構成は本発明の趣旨に沿ったものであり、本発明の範囲内であることは明らかである。

また、前述した第１〜第３の実施の形態の電力変換装置は、２つのパワーモジュール１１１，１１２を具備する構成であった。しかし、パワーモジュールの搭載個数は１個でもよいし３個以上でもよく任意である。
また、前述した第１〜第３の実施の形態の電力変換装置においては、２つのパワーモジュール１１１，１１２に対して１つの冷却水路１４０により冷却を行っていた。しかしながら、冷却水路を、各パワーモジュールに対応して、あるいは、パワーモジュールとは無関係に、複数系統具備する構成としてもよい。
また、冷却水路１４０を流される冷却媒体は水に限られるものではなく、任意の流体を用いてよい。

図１は、本発明の第１の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図であり、図１（Ａ）は電力変換装置の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−’Ａの断面図である。図２は、本発明の第２の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図であり、電力変換装置の断面図である。図３は、本発明の第３の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図であり、電力変換装置の断面図である。

符号の説明

１００，２００，３００…電力変換装置
１１１，１１２…パワーモジュール
１２０，２２０，３２０…制御基板
１２１，２２１，２２２，３２１…発熱部品
１３０…ヒートシンク
１４０…冷却水路
１４１…第１の冷却水路部
１４２…第２の冷却水路部
１４３…第３の冷却水路部
１４４…第４の冷却水路部
１４５…第５の冷却水路部
１５０…ケース
２６０…熱伝導媒体
２７１，２７２，３７０…放熱シート

Claims

電力用半導体素子を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの前記電力用半導体素子を制御する制御回路が形成され、前記パワーモジュールの一方の面側に設けらた制御基板と、
前記パワーモジュールを冷却する冷却媒体の流路である冷却流路が内部に形成され、前記パワーモジュールの他方の面側に設けられた冷却流路形成部材と
を有する電力変換装置であって、
前記冷却流路形成部材は、前記パワーモジュールの側面付近において前記他方の面側から前記一方の面側に突出した突出部を有し、
前記制御基板は、前記冷却流路形成部材の前記突出部の先端面に設置される
電力変換装置。
前記冷却流路形成部材の前記突出部においては、当該突出部の前記先端面近傍に前記冷却流路が形成される
請求項１に記載の電力変換装置。
熱伝導率の高い材料で形成された平板状部材であって、前記冷却流路形成部材の前記突出部の前記先端面に設置された熱伝導媒体をさらに有し、
前記制御基板は、前記熱伝導媒体上に設置される
請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記熱伝導媒体と前記制御基板との間に、非導電性放熱部材が介在された
請求項３に記載の電力変換装置。
前記制御基板は、所定の間隙をおいて前記冷却流路形成部材の前記突出部の先端面に設置され、
前記制御基板と前記冷却流路形成部材との間に、非導電性放熱部材が介在された
請求項１または２に記載の電力変換装置。