JP2005197562A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製の冷却ジャケットを有し、冷却効率を向上させてパワー半導体素子の能力を十分に活用した電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１００が、樹脂から成形され凹部を備えた冷却ジャケット２と、放熱面を有する半導体モジュール１であって冷却ジャケット２上に載置されて放熱面で凹部を覆う半導体モジュール１とを含み、凹部と放熱面で囲まれた領域を冷却水の流路２１とする。冷却ジャケット２は、半導体モジュール１に接続される配線用導体４０と一体成形されてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、樹脂製の冷却ジャケットを備えた電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置では、金属製のヒートシンク上にパワー半導体素子が搭載され、更にヒートシンクの裏面が冷却水により冷却される構造となっていた（例えば、特許文献１）。
特開２００１−３０８２４６号公報

かかる構造では、ヒートシンクが有する熱抵抗の分だけ、冷却水によるパワー半導体素子の冷却効果が低下する。換言すると、ヒートシンクの熱抵抗により冷却効果が低下する分だけ、パワー半導体素子の発熱量を抑える必要がある。この結果、パワー半導体素子に供給する電流量が制限され、パワー半導体素子の能力を十分に利用できないという問題があった。

そこで、本発明は、パワー半導体素子の冷却効率を向上させ、パワー半導体素子の能力を十分に活用した電力変換装置の提供を目的とする。

本発明は、樹脂から成形され、凹部を備えた冷却ジャケットと、放熱面を有する半導体モジュールであって冷却ジャケット上に載置されて放熱面で凹部を覆う半導体モジュールとを含み、凹部と放熱面で囲まれた領域を冷却水の流路としたことを特徴とする電力変換装置である。

本発明にかかる電力変換装置では、パワー半導体素子の冷却効率が向上し、パワー半導体素子の特性を十分に活用できる。

また、樹脂製の冷却ジャケットを用いることにより、電力変換装置の小型軽量化、低コスト化が可能となる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる、全体が１００で表される電力変換装置の上面図である。また、図２は、図１をＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。

図１に示すように、電力変換装置１００は、３つの半導体モジュール１と冷却ジャケット２とを含む。それぞれの半導体モジュール１は、３つの端子３２、３３、３４を有する。冷却ジャケット２は、ＰＰＳ（Polyphenylene Sulfide）やＰＢＴ（polybutylene terephthalate）などの合成樹脂の射出成形品からなる。冷却ジャケット２には、配線用導体４０〜４４が一体成形されている。それぞれの配線用導体４０〜４４はその一部が冷却ジャケット２の表面に露出している。

図２の断面図に示すように、半導体モジュール１は、Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁基板１１を含む。絶縁基板１１の裏面には、銅等からなる金属箔１２が設けられている。一方、絶縁基板１１の表面には、銅等のヒートスプレッダ１３が設けられ、その上に、ＩＧＢＴ等の半導体素子１４が載置されている。半導体素子１４等は、エポキシ樹脂等の封止樹脂１５により封止されている。

半導体モジュール１は、例えばＯリングのようなシール部材３を挟んで、冷却ジャケット２上に固定される。これにより、冷却水を循環させるための流路２１が形成され、半導体モジュール１の裏面が流路２１の一面を形成する。金属箔１２が設けられた絶縁基板１１は直接冷却水に接触するため、従来のように、一定の熱抵抗を有するヒートシンクを介して冷却する場合に比較して半導体素子１４の冷却効率が向上する。この結果、半導体素子１４に供給できる電流量の上限も大きくなり、半導体素子１４の特性を十分に利用することができる。

上述のように、冷却ジャケット２には配線用導体４０が埋め込まれている。配線用導体４０の一部は接続端子４０ａとなり、例えばボルトにより半導体モジュールの端子１２と接続される。また、配線用導体４０の一部は外部端子４０ｂとなり、バッテリー等の直流電源およびモーター（図示せず）が接続される。

このように、本実施の形態にかかる電力変換装置１００は、半導体モジュール１が直接冷却水で冷却される構造を有する。このため、冷却ジャケット２を形成する材料の熱抵抗は半導体モジュール１の冷却には影響せず、樹脂を用いて冷却ジャケット２が作製できる。

このように冷却ジャケット２の材料に樹脂を用いることにより、冷却ジャケット２中に配線用導体４０〜４４を封止して一体成形でき、部品点数、組立て工程を削減できる。また、流路２１の形状設計の自由度が大きくなる。更に、電力変換装置１００の軽量化が可能となる。

実施の形態２．
図３は、本実施の形態にかかる、全体が２００で表される電力変換装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図３中、図２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

電力変換装置２００では、冷却ジャケット２が、半導体モジュール１の周囲を囲むように上方に延び、壁部２ａを形成する。壁部２ａの上端は、例えばエポキシ樹脂からなるカバー７により蓋され、筐体が形成される。筐体中には、平滑コンデンサ５、半導体モジュール１を制御する制御基板６が収納される。平滑コンデンサ５、制御基板６は、適当な固定手段（図示せず）で固定される。
なお、壁部２ａとカバー７との間にシール材（図示せず）を配置することにより、筐体内部の防水が可能となる。

本実施の形態にかかる電力変換装置２００では、平滑コンデンサ５、制御基板６が、冷却ジャケットと一体成形された筐体内に設けられるため、別個に筐体を設ける必要がない。更に、同一筐体内で半導体モジュール１、平滑コンデンサ５、制御基板６を接続するため、電力変換装置２００の外部に露出する端子は外部端子４０ｂのみとなり、カバー７を取り付けることにより外部端子４０ｂ以外の端子の防水が容易に行なえる。

実施の形態３．
図４は、本実施の形態にかかる、全体が３００で表される電力変換装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図４中、図２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

電力変換装置３００では、上述の電力変換装置２００と同様に、冷却ジャケット２が、半導体モジュール１の周囲を囲むように上方に延び、筐体が形成されている。筐体中には、平滑コンデンサ、制御基板６が収納され、適当な固定手段（図示せず）で固定されている。

更に、半導体モジュール１の上に押え部材８を配置し、押え部材８で半導体モジュール１を冷却ジャケット２に押しつけた状態で押え部材８が固定される。好適には、図１に示す３つの半導体モジュール１が一つの押え部材８で押えられ、固定される。これにより、ナット等の固定手段の部品点数を削減できる。

押え部材８には、例えばステンレス鋼などの強度の高い金属板が用いられ、半導体モジュール１が発する電磁波を遮蔽する効果も有する。

また、押え部材８は曲げ部８ａを含み、押え部材８の板厚が薄くても高い曲げ剛性を確保するようになっている。曲げ部８ａは、例えば、冷却ジャケット２に固定するナットを通す穴の近傍のように、局所的に応力がかかる部分に設けられることが好ましい。

また、一つの押え部材８で３つの半導体モジュール１を押える場合、押え部材８は、半導体モジュールと半導体モジュールとの間の位置に、半導体モジュールの一辺に沿ったスリットを有する構造としても良い。かかるスリットを有することにより、押え部材８が部分的に歪みやすくなり、半導体モジュールの厚みの違い等による押え部材８の押え力のばらつきを小さくできる。

実施の形態４．
図５は、本実施の形態にかかる、全体が４００で表される電力変換装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図５中、図２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

電力変換装置４００では、上述の電力変換装置３００に加えて、冷却ジャケット２に設けられた流路２１の底面に台部が設けられている。台部上には、台部の上面より広がった板状の仕切り板２４が載置されている。流路２１は、仕切り板２４により、入口側ヘッダ流路２１ａ、出口側ヘッダ流路２１ｂ、冷却流路２７に区切られている。即ち、略平行に設けられた入口側ヘッダ流路２１ａと出口側ヘッダ流路２１ｂとの間が、冷却流路２７により接続された構造となっている。

入口側ヘッダ流路２１ａに入った冷却水は、仕切り板２４の一方の端部に沿って図５の紙面に垂直な方向に流れる。冷却流路２７は、それぞれの半導体モジュール１の下方に設けられ、入口側ヘッダ流路２１ａと出口側ヘッダ流路２１ｂとを接続する。このため、入口側ヘッダ流路２１ａを通る冷却水は、冷却流路２７を通って半導体モジュール１を冷却した後、出口側ヘッダ流路２１ｂに入り、排出される。

なお、入口側ヘッダ流路２１ａから冷却流路２７を経由して出口側ヘッダ流路２１ｂに至るまでの圧力損失は、入口側ヘッダ流路２１ａ、出口側ヘッダ流路２１ｂでの圧力損失より、３倍以上大きいことが好ましい。これにより、冷却流路２７中での流速分布を小さくできる。また、本実施の形態のように、複数（ここでは３つ）の冷却流路２７が、入口側ヘッダ流路２１ａと出口側ヘッダ流路２１ｂとの間に並列配置された場合には、各冷却流路２７間での流速分布も小さくできる。

実施の形態５．
図６は、本実施の形態にかかる、全体が５００で表される電力変換装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図６中、図２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

電力変換装置５００では、上述の電力変換装置４００に加えて、仕切り板２４の上面に複数の突起部２８が設けられている。突起部２８は、四角柱、円柱等の形状でも良いし、図６の紙面に垂直な方向に延びたストライプ形状でも良い。

このように、冷却流路２７中に突起部２８を設けることにより、冷却流路２７を流れる冷却水中に乱流が発生しやすくなり、半導体モジュール１の冷却効率が向上する。

実施の形態６．
図７は、本実施の形態にかかる、全体が６００で表される電力変換装置の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図７中、図２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

電力変換装置６００では、上述の電力変換装置５００に加えて、流路２１の底部にも開口部が設けられ、この開口部を熱伝達率の高い金属からなるシール板９で塞いでいる。電力変換装置６００では、筐体内に配置された平滑コンデンサ５が、シール板９に接触するように載置されている。これにより、平滑コンデンサ５の冷却が行なわれる。平滑コンデンサ５の電極５１は、配線用導体４０に接続されている。

また、冷却ジャケット２の壁部２３は、冷却ジャケット２の底部側、即ち平滑コンデンサ５の周囲にも設けられ、その端部にはシール部材（図示せず）を介してカバー７が取り付けられている。かかる構造により、平滑コンデンサ５の保護、防水を行なっている。

かかる構造は、図４、５に示す電力変換装置３００、４００に適用しても構わない。

なお、実施の形態１〜６では、直流を３相交流に変換する電力変換装置について説明したが、本発明は、かかる構造に限定されるものではなく、冷却を必要とする半導体モジュールを用いた他の電力変換装置の構造にも適用できる。

また、実施の形態１〜６では３つの半導体モジュール１を含む場合について述べたが、本発明は、３つ以外の半導体モジュール１を有する場合にも適用できる。

本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態６にかかる電力変換装置の断面図である。

符号の説明

１ 半導体モジュール、２ 冷却ジャケット、３ シール部材、１１ 絶縁基板、１２ 金属箔、１３ ヒートスプレッダ、１４ 半導体素子、１５ 封止樹脂、２１ 流路、３２ 端子、４０ 配線用導体、４０ａ 接続端子、４０ｂ 外部端子、１００ 電力変換装置。

Claims (16)

1. 樹脂から成形され、凹部を備えた冷却ジャケットと、
   放熱面を有する半導体モジュールであって、該冷却ジャケット上に載置されて該放熱面で該凹部を覆う半導体モジュールとを含み、
   該凹部と該放熱面で囲まれた領域を冷却水の流路としたことを特徴とする電力変換装置。
2. 上記半導体モジュールが、少なくとも、表面と裏面とを有する絶縁基板と該絶縁基板の表面に載置された半導体素子とを樹脂封止した半導体モジュールからなり、
   上記放熱面が、該絶縁基板の裏面であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記絶縁基板の裏面が、更に金属膜で覆われたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 更に、上記半導体モジュール上に載置され、上記冷却ジャケットとの間に該半導体モジュールを狭持する板状の押え部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 複数の上記半導体モジュールが、所定の間隔で上記冷却ジャケット上に配置され、１つの上記押え部材で該冷却ジャケットとの間に狭持されたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 上記押え部材が、上記半導体モジュールに接する部分に挟まれたスリットを有することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 上記押え部材が、金属板からなることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
8. 上記押え部材が、その板状平面から折り曲げられた曲げ部を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
9. 更に、上記冷却ジャケットが上記半導体モジュールの周囲を囲む壁部を含み、該壁部の上端が蓋部で覆われ、該壁部と該蓋部に囲まれた部分を筐体としたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
10. 上記筐体中に、上記半導体モジュールを制御する制御手段と、コンデンサとが設けられたことを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
11. 上記冷却ジャケットと、上記半導体モジュールに接続される配線用導体とが一体成形されたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
12. 上記冷却ジャケットが、上記凹部の底面から突出した台部を有し、
    上記流路が、該台部を挟んで略平行に設けられた入口側ヘッダ流路および出口側ヘッダ流路と、該台部の上で該入口側ヘッダ流路と該出口側ヘッダ流路とを接続する冷却流路とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
13. 上記冷却流路での冷却水の圧力損失が、上記入口側ヘッダ流路および上記出口側ヘッダ流路での冷却水の圧力損失の略３倍以上であることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
14. 上記台部上に、該台部の上面より外方に広がった板状の仕切り板が載置され、該仕切り板の上側が上記冷却流路となり、該仕切り板の下側が上記入口側ヘッダ流路および上記出口側ヘッダ流路となることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
15. 上記仕切り板が、上記冷却流路に突出した突起部を表面に有することを特徴とする請求項１４に記載の電力変換装置。
16. 更に、上記凹部の底面に開口部が設けられ、該開口部が、コンデンサを載置した金属板で閉じられたことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の電力変換装置。
    

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