JP2007173372A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から挟持するように積層配置された冷却管とを有する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device having a semiconductor module containing a semiconductor element and a cooling pipe that is stacked so as to sandwich the semiconductor module from both main surfaces.
例えば、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源として備えた自動車等では、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大容量のインバータを必要とする。そのため、このインバータを含む電力変換装置が種々開発されてきた。 For example, in a hybrid vehicle having both an internal combustion engine and an electric motor as a drive source, and other vehicles having an electric motor as a drive source, a large-capacity inverter that performs bidirectional conversion between DC power and AC power is required. And Therefore, various power converters including this inverter have been developed.
インバータ回路(電力変換回路)は、IGBT素子等を内蔵した半導体モジュールを用いて構成するが、上記のごとく大容量であるため、発熱量も大きい。そのため、電力変換装置は、上記半導体モジュールを冷却する冷却器を組み込んで構成する(特許文献1参照)。
即ち、該冷却器は、半導体モジュールを両主面から挟持するように冷却管を積層配置してなる。
The inverter circuit (power conversion circuit) is configured using a semiconductor module incorporating an IGBT element or the like, but has a large capacity as described above, and therefore generates a large amount of heat. Therefore, the power converter is configured by incorporating a cooler that cools the semiconductor module (see Patent Document 1).
That is, the cooler is formed by stacking cooling tubes so as to sandwich the semiconductor module from both main surfaces.
しかし、電力変換装置においては、上記のごとく半導体モジュールの冷却は、冷却器によって冷却しているが、コンデンサ等の他の発熱部品については、特に直接の冷却手段を設けていない。それ故、上記発熱部品からの熱は、周囲の空気に放熱されていた。そのため、電力変換装置のケース内において、空気の温度が上昇してしまい、各部品の正常な作動に支障をきたすおそれがある。特に、高温の空気は電力変換装置のケース内の上部に溜まるため、上部に配された部品等に影響を与えるおそれがある。 However, in the power conversion device, as described above, the semiconductor module is cooled by the cooler, but no other direct cooling means is provided for other heat-generating components such as a capacitor. Therefore, the heat from the heat generating component is radiated to the surrounding air. Therefore, the temperature of air rises in the case of the power conversion device, and there is a risk of hindering the normal operation of each component. In particular, since hot air accumulates in the upper part of the case of the power conversion device, there is a risk of affecting components and the like disposed on the upper part.
そのため、これらの部品の耐熱性を向上させる対策をとる必要がある。
一方、コンデンサ等、半導体モジュール以外の発熱部品についても、冷却器に接触させて伝熱放熱させることも考えられるが、かかる構成をとろうとすると、電力変換装置の体格が大きくなってしまうという問題がある。
Therefore, it is necessary to take measures to improve the heat resistance of these components.
On the other hand, heat generating parts other than semiconductor modules, such as capacitors, may be brought into contact with a cooler to dissipate heat and dissipate heat. is there.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、内部の温度上昇を効果的に抑制することができる電力変換装置を提供しようとするものである。 This invention is made | formed in view of this conventional problem, and intends to provide the power converter device which can suppress an internal temperature rise effectively.
本発明は、半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から挟持するように積層配置された冷却管とを有する電力変換装置であって、
上記冷却管は、一対の外殻プレートと、該一対の外殻プレートの間に配された中間プレートと、該中間プレートと上記外殻プレートとの間に配されたインナフィンとを有し、上記中間プレートと上記外殻プレートとの間に冷媒流路を形成してなり、
上記中間プレートは、上記外殻プレートよりも外方へ突出した突出部を有することを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。
The present invention is a power conversion device having a semiconductor module containing a semiconductor element, and a cooling pipe arranged so as to sandwich the semiconductor module from both main surfaces,
The cooling pipe includes a pair of outer shell plates, an intermediate plate disposed between the pair of outer shell plates, and an inner fin disposed between the intermediate plate and the outer shell plate, A refrigerant flow path is formed between the intermediate plate and the outer shell plate,
The intermediate plate has a protruding portion that protrudes outward from the outer shell plate. (Claim 1)
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、半導体モジュールは、該半導体モジュールの両主面に配置された冷却管における冷媒流路を流通する冷却媒体との間で熱交換することにより、冷却される。これは、冷却管を通じて、半導体モジュールと冷却媒体との間の伝熱が行われることによる。
Next, the effects of the present invention will be described.
In the power conversion device, the semiconductor module is cooled by exchanging heat with a cooling medium flowing through the refrigerant flow path in the cooling pipes arranged on both main surfaces of the semiconductor module. This is because heat transfer is performed between the semiconductor module and the cooling medium through the cooling pipe.
そして、上記冷却管は、一対の外殻プレートと中間プレートとインナフィンとを有し、中間プレートは、外殻プレートよりも外方へ突出した突出部を有する。そのため、電力変換装置内における上記突出部の周囲の空気の温度上昇をも効果的に抑制することができる。
即ち、冷却管を構成する中間プレートを外殻プレートよりも外側に突出させた突出部を形成して、突出部とその周囲の空気とを接触させることにより、中間プレートを介して、冷却媒体と突出部の周囲の空気との間の熱交換を行うことができる。特に、中間プレートは、冷却管の中央部分に配され冷却媒体との接触面積を充分に有するため、中間プレートを介して冷却媒体と空気との間の熱交換を効率的に行うことができる。これにより、電力変換装置の内部における温度上昇を効果的に抑制することができる。
The cooling pipe has a pair of outer shell plates, an intermediate plate, and inner fins, and the intermediate plate has a protruding portion that protrudes outward from the outer shell plate. Therefore, the temperature rise of the air around the said protrusion part in a power converter device can also be suppressed effectively.
That is, a projecting portion is formed by projecting the intermediate plate constituting the cooling pipe to the outside of the outer shell plate, and the projecting portion and the surrounding air are brought into contact with each other. Heat exchange with the air around the protrusion can be performed. In particular, since the intermediate plate is disposed in the central portion of the cooling pipe and has a sufficient contact area with the cooling medium, heat exchange between the cooling medium and air can be efficiently performed via the intermediate plate. Thereby, the temperature rise in the inside of a power converter device can be suppressed effectively.
上述のごとく、半導体モジュールの熱は該半導体モジュールを挟持する冷却管への伝熱によって放熱されるが、電力変換装置に内蔵されたコンデンサ等の他の発熱部品による熱は、周囲の空気に放熱される。これにより高温となった空気を、上述のごとく、中間プレートの突出部との間で熱交換して冷却し、電力変換装置の内部の温度上昇を抑制することができる。 As described above, the heat of the semiconductor module is dissipated by heat transfer to the cooling pipe that sandwiches the semiconductor module, but the heat from other heat-generating components such as a capacitor built in the power converter is dissipated to the surrounding air. Is done. As a result, as described above, the air heated to a high temperature can be cooled by exchanging heat with the protruding portion of the intermediate plate, thereby suppressing an increase in temperature inside the power converter.
また、上記突出部は、中間プレートを外殻プレートよりも外方へ突出させて冷却管を作製することにより形成することができるため、電力変換装置内に特に新たな部品や機器を配置する必要がない。それ故、製造容易、低コスト、かつコンパクトな電力変換装置を得ることができる。 Moreover, since the said protrusion part can be formed by making an intermediate | middle plate protrude outward from an outer shell plate and producing a cooling pipe, it is necessary to arrange | position especially a new component and apparatus in a power converter device. There is no. Therefore, an easily manufactured, low-cost, and compact power conversion device can be obtained.
以上のごとく、本発明によれば、内部の温度上昇を効果的に抑制することができる電力変換装置を提供することができる。 As mentioned above, according to this invention, the power converter device which can suppress an internal temperature rise effectively can be provided.
本発明(請求項1)において、上記電力変換装置としては、例えば、DC−DCコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
また、上記半導体モジュールは、例えばIGBT素子等の半導体素子を内蔵してなり、電力変換回路の一部を構成する。
また、上記冷却管と上記半導体モジュールとの間には、絶縁材を介在させることもできる。
In the present invention (Claim 1), examples of the power converter include a DC-DC converter and an inverter. Moreover, the said power converter device can be used for the production | generation of the drive current which supplies with electricity to the alternating current motor which is motive power sources, such as an electric vehicle and a hybrid vehicle, for example.
Moreover, the said semiconductor module incorporates semiconductor elements, such as an IGBT element, for example, and comprises a part of power converter circuit.
In addition, an insulating material can be interposed between the cooling pipe and the semiconductor module.
また、上記突出部は、表面積を稼ぐためのフィン構造を設けてなることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記突出部における周囲の空気との接触面積を大きくすることができる。そのため、上記突出部と空気との熱交換を効率的に行うことができ、電力変換装置の内部の温度上昇を一層効果的に抑制することができる。
Moreover, it is preferable that the said protrusion part provides the fin structure for earning a surface area (Claim 2).
In this case, the contact area with the surrounding air in the protrusion can be increased. Therefore, heat exchange between the protrusion and air can be performed efficiently, and the temperature rise inside the power conversion device can be more effectively suppressed.
(実施例1)
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図1〜図6を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1〜図3に示すごとく、半導体素子21を内蔵する半導体モジュール2と、該半導体モジュール2を両主面25から挟持するように積層配置された冷却管4とを有する。
Example 1
A power converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 to 3, the
冷却管4は、図1、図2に示すごとく、一対の外殻プレート41と、該一対の外殻プレート41の間に配された中間プレート42と、該中間プレート42と外殻プレート41との間に配された波形状のインナフィン43とを有する。中間プレート42と外殻プレート41との間に冷媒流路44が形成されている。
そして、中間プレート42は、外殻プレート41よりも外方へ突出した突出部421を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
中間プレート42は平板状のプレートであって、その両面に、波形状のインナフィン43が接合されている。更に、このインナフィン43を覆うようにして、中間プレート42の両面に、外殻プレート41がその端部において接合されている。また、外殻プレート41はインナフィン43とも接合されている。これにより、扁平形状の冷却管4が形成されている。また、外殻プレート41、中間プレート42、及びインナフィン43は、アルミニウム製であり、これらは、溶接、ろう付け等によって互いに接合されている。
The
そして、中間プレート42は、外殻プレート41との接合部45よりも更に外方まで延設されており、この部分が上記突出部421となっている。突出部421は、図1、図4、図5に示すごとく、冷却管4の長さ方向及び幅方向の何れにも形成されている。
また、外殻プレート41と中間プレート42との間には、冷媒流路44が形成されている。この冷媒流路44には、例えばエチレングリコール系の不凍液を混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、HCFC123、HFC134a等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷却媒体を流通させることができる。
The
A
また、図3〜図5に示すごとく、冷却管4の端部における主面45には、連結パイプ402が配設されており、隣り合う冷却管4との間で連結パイプ402を接続することにより、冷媒流路44を連通させている。なお、図3、図5においては、絶縁材3の図示を省略してある。
As shown in FIGS. 3 to 5, a connecting
また、図1に示すごとく、冷却管4と半導体モジュール2との間には、熱伝導性に優れたセラミック板からなる絶縁材3を介在させている。
また、半導体モジュール2は、両面冷却構造を有し、絶縁材3及び冷却管4は、半導体モジュール2の両主面25に積層配置されている。即ち、半導体モジュール2は、両主面25に放熱板23を露出して配置しており、それぞれの主面25にグリス(図示略)を介して絶縁材3が接触配置され、各絶縁材3にグリス(図示略)を介して冷却管4が接触配置されている。
As shown in FIG. 1, an
In addition, the
更に、上記のように配置された冷却管4の反対側にも同様の構成で、絶縁材3及び半導体モジュール2を介して積層されている。そして、全体としては、図3に示すごとく、冷却管4と半導体モジュール2とが絶縁材3(図示略)を介して交互に積層配置されている。なお、一対の冷却管4の間には、2個の半導体モジュール2が左右に並列配置された状態で挟持されている。
Furthermore, it is laminated | stacked through the insulating
図1に示すごとく、半導体モジュール2は、IGBT等の半導体素子21を内蔵したモジュール本体部20と、該モジュール本体部20から突出させた外部接続端子22とを有する。外部接続端子22には、主電極端子221と、該主電極端子221の突出方向と略180度異なる方向へ突出させた信号端子222とがある。
As shown in FIG. 1, the
また、図3に示すごとく、複数の冷却管4の両端は、それぞれ連結パイプ401によって連結されており、これにより、2箇所のヘッダ部402を形成してある。また、該2箇所のヘッダ部402の一方の端部には、冷却管4に接続された冷媒導入口403と冷媒排出口404とがそれぞれ設けてある。このようにして、複数の冷却管4を並列配置してなる冷却器40が構成されている。
Also, as shown in FIG. 3, both ends of the plurality of cooling
そして、隣り合う冷却管4の間に上述のごとく半導体モジュール2を挟持させ、冷却管4内に冷却媒体を流通させることにより、モジュール本体部20を両面から冷却することができる。このように、冷却管4と半導体モジュール2とを交互に積層して、半導体積層ユニット11を構成している。
The module
上記電力変換装置1としては、DC−DCコンバータやインバータ等がある。また、電力変換装置1は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
電力変換装置1は、図6に示すごとく、ケース10内に、上記半導体積層ユニット11と、半導体モジュール2の信号端子222に電気的に接続され、半導体モジュール2を制御する制御回路部12と、半導体モジュール2の主電極端子221に電気的に接続されたコンデンサ部13とを配置してなる。
Examples of the
As shown in FIG. 6, the
上記コンデンサ部13は、半導体積層ユニット11の下方に配され、上記制御回路部12は、半導体積層ユニット11の上方に配されている。なお、コンデンサ部13には、例えば、断続電流を平滑な直流電流とする平滑コンデンサや、入力電流のリプル成分を除去するフィルタコンデンサ等が配されている。
The
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置1においては、半導体モジュール2は、該半導体モジュール2の両主面25に配置された冷却管4における冷媒流路44を流通する冷却媒体との間で熱交換することにより、冷却される。これは、冷却管4を通じて、半導体モジュール2と冷却媒体との間の伝熱が行われることによる。
Next, the function and effect of this example will be described.
In the
そして、上記冷却管4は、一対の外殻プレート41と中間プレート42とインナフィン43とを有し、中間プレート42は、外殻プレート41よりも外方へ突出した突出部421を有する。そのため、電力変換装置1内における上記突出部421の周囲の空気の温度上昇をも抑制することができる。
The
即ち、冷却管4を構成する中間プレート42を外殻プレート41よりも外側に突出させた突出部421を形成して、突出部421とその周囲の空気とを接触させることにより、中間プレート42を介して、冷却媒体と突出部421の周囲の空気との間の熱交換を行うことができる。特に、中間プレート42は、冷却管4の中央部分に配され冷却媒体との接触面積を充分に有するため、中間プレート42を介して冷却媒体と空気との間の熱交換を効率的に行うことができる。これにより、電力変換装置1の内部における温度上昇を効果的に抑制することができる。
That is, the
上述のごとく、半導体モジュール2の熱は該半導体モジュール2を挟持する冷却管4への伝熱によって放熱されるが、電力変換装置1に内蔵されたコンデンサ等の他の発熱部品による熱は、周囲の空気に放熱される。これにより高温となった空気を、上述のごとく、中間プレート42の突出部421との間で熱交換して冷却し、電力変換装置1の内部の温度上昇を抑制することができる。
As described above, the heat of the
特に、本例においては、図6に示すごとく、発熱部であるコンデンサ部13が冷却管4の下方に配されているため、コンデンサ部13の放熱によって高温となった周囲の空気は、矢印aに示すごとく、ケース10内を上昇する。このとき、空気は、冷却管4の間の空間14、15を通過するが、その多くは、隣り合う冷却管4の突出部421の間の空間14を通過する。即ち、突出部421は中間プレート42が突出しているだけであり、突出部421の間の空間14は、冷却管4の他の部分の間の空間15よりも広いため、この空間14を空気は円滑に通過する。
In particular, in this example, as shown in FIG. 6, since the
これにより、空間14を通過する間に、高温の空気は冷却管4の突出部421へ放熱して冷却される。
そして、冷却管4の上方に配置された制御回路部12への高温の空気の到達を防ぐことができる。これにより、特に制御回路部12周辺の空気の温度上昇を抑制することにより、制御回路部12の温度上昇を抑制し、制御回路部12の正常な動作を確保することができる。
Thereby, while passing through the
And the arrival of hot air to the
また、上記突出部421は、中間プレート42を外殻プレート41よりも外方へ突出させて冷却管4を作製することにより形成することができるため、電力変換装置1内に特に新たな部品や機器を配置する必要がない。それ故、製造容易、低コスト、かつコンパクトな電力変換装置1を得ることができる。
Moreover, since the said
以上のごとく、本例によれば、内部の温度上昇を効果的に抑制することができる電力変換装置を提供することができる。 As described above, according to this example, it is possible to provide a power conversion device that can effectively suppress an internal temperature rise.
(実施例2)
本例は、図7に示すごとく、冷却管4の突出部421に、表面積を稼ぐためのフィン構造を設けてなる電力変換装置1の例である。
上記フィン構造として、本例においては、図7に示すような波形状を採用した。フィン構造としては、例えば、凹凸形状としたり、リブを配設したりするなど、他にも種々の態様を採用することができる。
その他は、実施例1と同様である。
(Example 2)
As shown in FIG. 7, this example is an example of the
As the fin structure, in this example, a wave shape as shown in FIG. 7 is adopted. As the fin structure, for example, various forms such as an uneven shape or a rib can be adopted.
Others are the same as in the first embodiment.
本例の場合には、上記突出部421における周囲の空気との接触面積を大きくすることができる。そのため、上記突出部421と空気との熱交換を効率的に行うことができ、電力変換装置1の内部の温度上昇を一層効果的に抑制することができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, the contact area with the surrounding air in the said
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
(実施例3)
本例は、図8に示すごとく、中間プレート42の突出部421を、冷却管4の長さ方向にのみ設けた電力変換装置1の例である。
本例における中間プレート42は、幅方向については、外殻プレート41から突出していない。
その他は、実施例1と同様である。
(Example 3)
This example is an example of the
The
Others are the same as in the first embodiment.
本例の場合にも、充分に電力変換装置1の内部の温度上昇を抑制することができる。即ち、電力変換装置1のケース10内の配置が、図6に示すように冷却管4の長さ方向が水平方向となるような配置の場合には、高温となった空気は冷却管4の長さ方向の端部を多く通過する。それ故、この部分に上記突出部421が形成されていることにより、ケース10内の空気を冷却する効果を充分に発揮することができる。
また、冷却管4の幅を小さくすることができるため、電力変換装置1の小型化を一層容易にすることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
Also in the case of this example, the temperature rise inside the
Moreover, since the width | variety of the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
(比較例)
本例は、図9、図10に示すごとく、冷却管40における中間プレート42を突出させていない電力変換装置の例である。
即ち、本例の電力変換装置は、上記実施例1〜3に示した突出部421を設けていない。そして、中間プレート42の端部は一対の外殻プレート41同士の接合部450よりも内側に配されている。
その他は、実施例1と同様である。
(Comparative example)
This example is an example of a power converter that does not project the
That is, the power converter of this example is not provided with the
Others are the same as in the first embodiment.
本例の場合には、上記実施例1〜3に示した突出部421(図1〜図8参照)を設けていないため、電力変換装置内における空気と冷却管40との接触面積が少なく、空気と冷却管40との間の熱交換を充分に行うことが困難となるおそれがある。即ち、本例の構成においては、空気と冷却管40との間の熱交換は、例えば、図3に示した空間15等に対応する部分を空気が通過する際に行われることが考えられるが、この空間15に相当する部分は狭い部分であり、空気が円滑に流通し難い部分である。それ故、高温の空気を充分に冷却して電力変換装置の内部の温度上昇を効果的に抑制することが困難となるおそれがある。
In the case of this example, since the projecting portion 421 (see FIGS. 1 to 8) shown in Examples 1 to 3 is not provided, the contact area between the air and the cooling
これに対して、上述した実施例1〜3に示した本発明の電力変換装置1によれば、突出部421(図1〜図8参照)を設けたことにより、電力変換装置1の内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。
On the other hand, according to the
1 電力変換装置
2 半導体モジュール
21 半導体素子
25 主面
4 冷却管
41 外殻プレート
42 中間プレート
43 インナフィン
44 冷媒流路
DESCRIPTION OF
Claims (2)
上記冷却管は、一対の外殻プレートと、該一対の外殻プレートの間に配された中間プレートと、該中間プレートと上記外殻プレートとの間に配されたインナフィンとを有し、上記中間プレートと上記外殻プレートとの間に冷媒流路を形成してなり、
上記中間プレートは、上記外殻プレートよりも外方へ突出した突出部を有することを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device having a semiconductor module containing a semiconductor element, and a cooling pipe that is stacked so as to sandwich the semiconductor module from both main surfaces,
The cooling pipe includes a pair of outer shell plates, an intermediate plate disposed between the pair of outer shell plates, and an inner fin disposed between the intermediate plate and the outer shell plate, A refrigerant flow path is formed between the intermediate plate and the outer shell plate,
The power converter according to claim 1, wherein the intermediate plate has a protruding portion that protrudes outward from the outer shell plate.
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