JP2005349980A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換に用いる半導体部での発熱を回収して有効利用できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】ハイブリッド自動車などに搭載される電力変換用モジュール１は、電力変換に用いるスイッチング素子部(半導体部)２と、スイッチング素子部２での発熱を熱媒体としての水に伝えて熱交換する熱交換部４１とを備えている。そして、熱交換部４１で熱交換された熱媒体を自動車内のエアコン用ヒータに移送し、このヒータの熱源として利用する。これにより、電力変換に用いる半導体部での発熱を回収して有効利用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等に適した電力変換装置に関する。

ガソリンエンジンとモータとを併用したハイブリッド自動車の車室内エアコン用ヒータの熱源としては、ガソリンエンジンからの冷却水の一部を利用したり、車載バッテリーの電力で駆動する電気ヒータを利用したりしている。

一方、電力変換装置としてのハイブリッドシステム（インバータ、ジェネレータおよびモータ）に実装されるスイッチング素子(半導体部)などでは電気的損失によって発熱が生じるが、この発熱については、ハイブリッドシステム用の冷却水系によりラジエータで車外に放熱している。

上記の従来の技術では、ハイブリッドシステムでの発熱が単に廃熱として処理されているため、この熱源の有効利用がなされていない。特に、上述したエアコン用ヒータで利用できれば、省エネなどを図れる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電力変換に用いる半導体部での発熱を回収して有効利用できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、自動車に搭載される電力変換装置であって、(a)電力変換に用いる半導体部と、(b)前記半導体部での発熱を熱媒体に伝えて熱交換する熱交換部とを備え、前記熱交換部で熱交換された熱媒体を前記自動車に搭載されるヒータ装置に移送し、前記ヒータ装置の熱源として利用する。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る電力変換装置において、前記半導体部は、ワイドバンドギャップ半導体で構成される。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る電力変換装置において、前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ半導体である。

また、請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明に係る電力変換装置において、(c)前記半導体部での発熱の一部を冷却する冷却部をさらに備える電力変換装置。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、半導体部での発熱を伝えて熱交換された熱媒体をヒータ装置に移送し、ヒータ装置の熱源として利用するため、電力変換に用いる半導体部での発熱を回収して有効利用できる。

特に、請求項２の発明においては、半導体部がワイドバンドギャップ半導体で構成されるため、比較的高温で使用する場合には、回収する熱量が増加してヒータ装置の性能向上が図れる。

また、請求項４の発明においては、半導体部での発熱の一部を冷却する冷却部をさらに備えるため、ヒータ装置の負荷が小さい場合でも、電力変換装置を確実に冷却できる。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換用モジュール１の断面図である。

電力変換用モジュール１は、例えばハイブリッド自動車に搭載される電力変換装置として働き、スイッチング素子部２と、スイッチング素子部２を制御するための制御基板部３と、スイッチング素子部２で生じる熱を放熱する放熱機構部４とを備えている。

スイッチング素子部(半導体部)２は、電力変換に用いるパワーデバイス、例えばＳｉよりバンドギャップの大きいＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体の一例としてのＳｉＣトランジスタ（ＳｉＣ製ＦＥＴ）２１で構成されている。このようにスイッチング素子部２にＳｉＣトランジスタ２１を採用しているため、例えば２５０度以上の比較的高温となる環境でも、スイッチング素子部２の動作が保証される。

一方、制御基板部３は、Ｓｉ基板として構成されており、このためスイッチング素子部２での保証温度より低い、例えば１２５度以下の温度での動作が保証される。

このようにスイッチング素子部２と制御基板部３とでは、保証される動作温度が相違することから、この両者を熱的に遮断するために断熱性を有する板状の熱遮蔽部５がスイッチング素子部２と制御基板部３との間に設けられている。

放熱機構部４は、スイッチング素子部２に隣接してスイッチング素子部２の下部に接続する熱交換部４１と、熱交換部４１に隣接して熱交換部４１の下部に接続する冷却部４２とで構成されている。

熱交換部４１は、熱交換器として構成されており、スイッチング素子部２での発熱を熱媒体としての水に伝えて熱交換する部位である。そして、この熱交換部４１で熱交換された水は、図２に示すように所定の配管(不図示)を通って車室エアコン用のヒータ８に移送され、熱源として利用される。これにより、スイッチング素子部２での発熱を回収して有効活用できる。

冷却部４２は、スイッチング素子部２での発熱を、図２に示すように冷却水を媒体としてラジエータ９に輸送し、ラジエータ９で放熱するための部位で、スイッチング素子部２での発熱のうち、熱交換部４１で回収されない一部の熱を冷却する役割を担っている。この冷却部４２により、ヒータ８の負荷が小さい場合でも、電力変換用モジュール１を確実に冷却できる。

以上のような電力変換用モジュール１の構成により、電力変換用モジュールでの発熱をヒータに移送できるため、この発熱を回収して有効利用を行える。特に、電力変換用モジュールでＳｉＣトランジスタを採用する場合には、上述したように比較的高温で使用できるため、回収できる熱量も増加し、ヒータの機能性が向上する。そして、電力変換用モジュールで生じる熱の有効利用を行えば、エンジンの空冷化を図る場合でも、エアコン用ヒータの熱源を確保でき、省エネルギ化や低コスト化が図れる。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る電力変換用モジュール１Ａの断面図である。

電力変換用モジュール１Ａは、第１実施形態の電力変換用モジュール１と類似の構成を有しているが、放熱機構部の構成が異なっている。

すなわち、電力変換用モジュール１Ａの放熱機構部４Ａは、上述した熱交換部４１と冷却部４２とを備えているが、冷却部４２の方がスイッチング素子部２に隣接しており、第１実施形態の電力変換用モジュール１に比べて両者の配置が逆転している。

このような電力変換用モジュール１Ａの構成によっても、電力変換用モジュール１と同様に、電力変換用モジュールでの発熱をエアコン用のヒータに送れるため、この発熱を回収して有効利用ができることとなる。

＜第３実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態に係る電力変換用モジュール１Ｂの平面図である。

電力変換用モジュール１Ｂは、第１実施形態の電力変換用モジュール１と類似の構成を有しているが、放熱機構部の構成が異なっている。

すなわち、電力変換用モジュール１Ｂの放熱機構部４Ｂは、図１や図３に示すように熱交換部４１と冷却部４２とを上下２層に配置する構成でなく、熱交換部４１と冷却部４２とが平面視において並列に隣り合う配置となっている。

このような電力変換用モジュール１Ｂの構成によっても、電力変換用モジュール１と同様に、電力変換用モジュールでの発熱をエアコン用のヒータに送れるため、この発熱を回収して有効利用ができることとなる。

＜変形例＞
◎上記の各実施形態における熱回収部については、熱媒体としての水をヒータに送るのは必須でなく、水以外の液体や空気などを熱媒体としてヒータに送るようにしても良い。また、熱回収部により暖まった空気を、車室に直接引き込んで車室内を暖めるようにしても良い。

◎上記の各実施形態における冷却部については、水冷を採用するのは必須でなく、自然空冷や強制空冷を採用しても良い。

本発明の第１実施形態に係る電力変換用モジュール１の断面図である。 電力変換用モジュール１とヒータ８との関係を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換用モジュール１Ａの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換用モジュール１Ｂの平面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 電力変換用モジュール
２ スイッチング素子部
３ 制御基板部
４、４Ａ、４Ｂ 放熱機構部
８ ヒータ
２１ ＳｉＣトランジスタ
４１ 熱交換部
４２ 冷却部

Claims (4)

1. 自動車に搭載される電力変換装置であって、
   (a)電力変換に用いる半導体部と、
   (b)前記半導体部での発熱を熱媒体に伝えて熱交換する熱交換部と、
   を備え、
   前記熱交換部で熱交換された熱媒体を前記自動車に搭載されるヒータ装置に移送し、前記ヒータ装置の熱源として利用することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記半導体部は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ半導体であることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電力変換装置において、
   (c)前記半導体部での発熱の一部を冷却する冷却部、
   をさらに備える電力変換装置。

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