JP2008252975A - Power conversion device and cooling structure - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置および冷却構造に関し、とくに自動車のモータの電力変換装置および冷却構造に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device and a cooling structure, and more particularly to a power conversion device and a cooling structure for an automobile motor.
自動車にはエンジンが圧倒的に多く用いられてきたが、化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのCO2排出量の抑制などを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集め、とくにハイブリッド自動車はエンジン車に比べて単位燃料当りの走行距離が高いために急激にその台数を増やしている。ハイブリッド車等の自動車用モータには大きな電力が供給されるので、電力変換装置も大きな電力を扱うことになり、電力変換装置自体の電力損失を減らし、効率のよい電力変換を行う必要がある。このため電力変換装置には、電力のオン・オフを繰り返すスイッチとして動作する半導体デバイス、すなわちスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子は、オン状態で電圧ゼロ、またオフ状態で電流ゼロなので、オン・オフの電圧・電流のタイムラグが生じなければ消費電力はゼロである。しかし、実際はタイムラグが生じるため、スイッチング素子の電力消費はゼロではなく、ロスとして熱が発生する。上記のハイブリッド自動車、燃料電池自動車などの電気自動車に搭載されるモータ駆動および電力回生用の電力変換装置では、バッテリーの大容量化、高速スイッチング化に伴い、上記の熱問題が深刻化している。 Engines have been overwhelmingly used in automobiles, but electric cars and hybrid cars have attracted attention, especially against the backdrop of soaring fossil fuels and the suppression of CO 2 emissions to prevent global warming. The number of hybrid vehicles is increasing rapidly because the mileage per unit fuel is higher than that of engine vehicles. Since a large amount of power is supplied to a motor for an automobile such as a hybrid vehicle, the power conversion device also handles a large amount of power, and it is necessary to reduce power loss of the power conversion device itself and perform efficient power conversion. For this reason, a semiconductor device that operates as a switch that repeatedly turns on and off power, that is, a switching element is used in the power conversion device. Since the switching element has zero voltage in the on state and zero current in the off state, the power consumption is zero if there is no time lag between the on / off voltage and current. However, since a time lag actually occurs, the power consumption of the switching element is not zero, and heat is generated as a loss. In a power conversion device for driving a motor and regenerating power mounted in an electric vehicle such as a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle, the above-described thermal problem has become serious as the battery has a large capacity and high-speed switching.
上記半導体素子の温度上昇は、自動車モータ用の電力変換装置に限られず、古くから問題とされ、多くの取り組みがなされている。たとえば、電力用半導体装置の冷却に、蛇行する冷却液の通路を銅で形成し、その上にモリブデン(熱膨張係数が半導体に近い)の薄板を貼り付け、そのモリブデン薄板上に半導体素子を配置した平形液冷構造が開示されている(特許文献1)。この液冷構造によれば、熱伝導度が高い銅やモリブデンを経由して、半導体素子で発生する熱を効率よく外に放出することができる。また、半導体素子と、その搭載面との熱膨張の差に起因するトラブルも抑制される。
しかしながら、上記の液冷構造では冷却液が蛇行するため冷却液路の入口側と出口側とで温度差が生じる。すなわち、半導体素子から放熱された熱により冷却液は徐々に温度上昇するため、入口付近と出口付近とで冷却液の温度が相違する。このため、複数個の半導体素子のオン抵抗値が入口付近に対応する位置の半導体素子と、出口付近に対応する位置の半導体素子とで異なることになる。この結果、電気的にバランスの悪い動作となり、半導体素子の寿命も配置位置によって偏ることになる。 However, in the above liquid cooling structure, the cooling liquid meanders, so that a temperature difference occurs between the inlet side and the outlet side of the cooling liquid passage. That is, since the temperature of the coolant gradually increases due to the heat radiated from the semiconductor element, the temperature of the coolant differs between the vicinity of the inlet and the vicinity of the outlet. For this reason, the on-resistance values of the plurality of semiconductor elements differ between the semiconductor element at the position corresponding to the vicinity of the entrance and the semiconductor element at the position corresponding to the vicinity of the exit. As a result, the operation becomes electrically unbalanced, and the lifetime of the semiconductor element is also biased depending on the arrangement position.
また、自動車モータの電力変換装置に用いられるスイッチング素子は、年々性能が向上するにつれ小型化されるとともに、その小型化された素子に大電流が集中するため、発熱も局所的に突出する形態をとる。このため上記のような従来の冷却構造では、適切な対応をとることができない。すなわち、非常に大きな発熱箇所(スイッチング素子)が離散的にかつ局所的に配置される発熱構造において、そのスイッチング素子の温度が限界を超えないように、効果的に冷却する構造となっていない。換言すれば、上記の従来の冷却構造は、スイッチング素子の配置箇所と、スイッチング素子が配置されない非配置箇所とを同一視して、隣接する配置箇所と非配置箇所とを連続的に同様に冷却している。このため、自動車モータの電力変換装置におけるスイッチング素子に特有の発熱形態に対して、冷却技術が未だ十分に対応できていない。 In addition, switching elements used in power conversion devices for automobile motors are miniaturized as performance improves year by year, and a large current concentrates on the miniaturized elements, so that heat generation also protrudes locally. Take. For this reason, the conventional cooling structure as described above cannot take an appropriate measure. That is, in a heat generation structure in which very large heat generation points (switching elements) are discretely and locally arranged, the structure is not effectively cooled so that the temperature of the switching elements does not exceed the limit. In other words, the above-described conventional cooling structure identifies the location where the switching element is disposed and the non-arranged location where the switching element is not disposed, and continuously cools the adjacent disposed location and the non-arranged location in the same manner. is doing. For this reason, the cooling technology has not yet sufficiently coped with the heat generation characteristic peculiar to the switching element in the power conversion device for an automobile motor.
本発明は、非常に大きな発熱箇所であるスイッチング素子が離散的に配置される発熱構造において、そのスイッチング素子の温度が限界を超えないように、圧力損失を抑えつつ効率的に冷却することができ、複数の半導体素子が配置される場合には、各半導体素子の温度が揃うような冷却を行うことができる、冷却構造およびそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention is a heat generation structure in which switching elements, which are extremely large heat generation points, are discretely arranged, and can be efficiently cooled while suppressing pressure loss so that the temperature of the switching elements does not exceed the limit. An object of the present invention is to provide a cooling structure and a power conversion device using the same, which can perform cooling so that the temperatures of the semiconductor elements are uniform when a plurality of semiconductor elements are arranged.
本発明の電力変換装置は、スイッチング動作を行うスイッチング素子と、スイッチング素子に沿うように位置し、スイッチング素子を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路とを備える。そして、冷却媒体路は、スイッチング素子の対向側の壁面に、スイッチング素子の対応領域に向かうように外側から冷却媒体を流入させる流入部を有することを特徴とする。 The power conversion device according to the present invention includes a switching element that performs a switching operation, and a cooling medium path that is positioned along the switching element and allows a cooling medium that cools the switching element to flow. The cooling medium path has an inflow portion for allowing the cooling medium to flow from the outside toward the corresponding region of the switching element on the opposite wall surface of the switching element.
上記構成によれば、スイッチング素子の対応領域に外側から冷却媒体が直接送り込まれ、対応領域の壁面に衝突するようにして冷却する。このため温度上昇していない冷却媒体が上記スイッチング素子対応領域に当たるため、熱抵抗は大きく減少して、放熱性が大幅に向上し、強力な冷却効果を得ることができる。上記冷却は、スイッチング素子対応領域に狙いを定めて、個別的に、局所的に強力冷却するため、スイッチング素子の温度上昇を確実に抑えることができる。 According to the above configuration, the cooling medium is directly fed into the corresponding region of the switching element from the outside, and is cooled so as to collide with the wall surface of the corresponding region. For this reason, since the cooling medium whose temperature has not risen hits the switching element corresponding region, the thermal resistance is greatly reduced, the heat dissipation is greatly improved, and a strong cooling effect can be obtained. Since the cooling is aimed at the switching element corresponding region and individually and locally strongly cools, the temperature rise of the switching element can be surely suppressed.
また、冷却された状態の冷媒が、冷却媒体路において熱交換をすることなく、直接、外側から対応領域に流入するため、スイッチング素子間の温度差は小さくなり、各スイッチング素子の温度を揃えやすい。このため、複数個の半導体素子のオン抵抗値が揃い、電気的にバランスがとれ、半導体素子の寿命は位置によらず、揃うことになる。 In addition, since the cooled refrigerant flows directly into the corresponding region from the outside without performing heat exchange in the cooling medium path, the temperature difference between the switching elements is reduced, and the temperatures of the switching elements are easily aligned. . For this reason, the ON resistance values of a plurality of semiconductor elements are aligned and electrically balanced, and the lifetimes of the semiconductor elements are aligned regardless of the position.
なお、スイッチング素子の対応領域は、スイッチング素子1個を対象にする場合、スイッチング素子側の冷却媒体路の壁面であって、平面的に見てスイッチング素子に重なる領域である。また、スイッチング素子が一まとまりの複数個の単位がいくつか配置される場合には、複数個の一まとまりのスイッチング素子の単位を、1個のスイッチング素子とみなして対応領域を考える場合もある。しかし、後者の場合であっても、あくまで1個のスイッチング素子ごとに対応領域を定めることもある。また、スイッチング素子に沿うように位置するとは、スイッチング素子を実装する実装基板を介在させてもよく、また実装基板の下に放熱板や筐体壁をさらに介在させる形態であってもよい。冷却媒体路が、筐体内に作り込まれている構造であってもよい。 Note that the corresponding region of the switching element is a wall surface of the cooling medium path on the switching element side when one switching element is a target, and is an area overlapping the switching element when seen in a plan view. Further, when several units each having a group of switching elements are arranged, the corresponding region may be considered by regarding the unit of a plurality of groups of switching elements as a single switching element. However, even in the latter case, a corresponding region may be defined for each switching element. Further, the positioning along the switching element may include a mounting board on which the switching element is mounted, or may be a form in which a heat sink or a housing wall is further interposed under the mounting board. The cooling medium path may be structured in a housing.
上記の冷却媒体路は、スイッチング素子側の内面にスイッチング素子の対応領域の中心から放射状に延在する放射状フィンを有することができる。この構成により、流入部からスイッチング素子対応領域に向かわされた冷却媒体をスイッチング素子対応領域の中心から放射状に外側にスムースに流すことができる。このため、スイッチング素子対応領域に配置された放射状フィンの放熱効果を、スイッチング素子対応領域ごとに得ることができる。この結果、強力な放熱性をより一層向上させることができる。 The cooling medium path may have radial fins extending radially from the center of the corresponding region of the switching element on the inner surface on the switching element side. With this configuration, it is possible to smoothly flow the cooling medium directed from the inflow portion toward the switching element corresponding region radially outward from the center of the switching element corresponding region. For this reason, the heat dissipation effect of the radial fins arranged in the switching element corresponding region can be obtained for each switching element corresponding region. As a result, the powerful heat dissipation can be further improved.
また、上記のスイッチング素子が、複数個、実装基板に実装され、冷却媒体路は実装基板に沿って位置し、冷却媒体路は、スイッチング素子の対応領域ごとに流入部を有する構成をとることができる。この構成によれば、複数個のスイッチング素子を対応領域ごとの流入部から冷却媒体で直接冷却する。このため、強力な冷却効果をスイッチング素子対応領域ごとに局所的に得ながら、各流入部の冷却媒体の温度を同一にできるので各スイッチング素子の温度を揃えることが容易となる。この結果、各スイッチング素子のオン抵抗値を揃え、電気的バランスを維持し、素子寿命を位置によらず揃えることができる。なお、実装基板に沿って位置するとは、実装基板の下に放熱板等を介在させる形態を含む。冷却媒体路は、スイッチング素子モジュールの筐体内に作り込まれていてもよい。 In addition, a plurality of the above switching elements may be mounted on the mounting board, the cooling medium path may be located along the mounting board, and the cooling medium path may have a configuration having an inflow portion for each corresponding region of the switching element. it can. According to this configuration, the plurality of switching elements are directly cooled by the cooling medium from the inflow portion for each corresponding region. For this reason, since the temperature of the cooling medium in each inflow portion can be made the same while locally obtaining a strong cooling effect for each switching element corresponding region, it is easy to make the temperatures of the respective switching elements uniform. As a result, the on-resistance values of the switching elements can be made uniform, the electrical balance can be maintained, and the element lifetime can be made uniform regardless of the position. Note that “positioning along the mounting substrate” includes a form in which a heat sink or the like is interposed under the mounting substrate. The cooling medium path may be built in the housing of the switching element module.
上記の冷却媒体路は、流入部またはその流入部から流入した冷媒を流出する流出部を、その冷却媒体路を形成する壁内に埋設する構造とできる。この構成により、空間利用効率を害さずに所定の冷却を実現することができ、また冷却媒体路の底部外面に平坦部を広くとれるので、他の装置たとえばエアコン用のコンバータ用半導体素子などを配置して冷却することが容易となる。すなわち、自動車用モータの電力変換装置は、他の装置モジュールと互いに積み重ねられて配置される場合が多く、その場合、流入部や流出部に接続される配管が実装基板に交差する方向に配置されると、空間利用効率を害するおそれがあるが、上記のような、流入部およびその流入部から流入した冷媒を流出する流出部の少なくとも一方を、その冷却媒体路を形成する壁内に埋設する構造により、高い空間利用効率を確保することができる。 The cooling medium path may have a structure in which the inflow part or the outflow part from which the refrigerant flowing in from the inflow part flows out is embedded in a wall forming the cooling medium path. With this configuration, predetermined cooling can be realized without impairing space utilization efficiency, and a flat portion can be widened on the outer surface of the bottom of the cooling medium path, so that other devices such as converter semiconductor elements for air conditioners are arranged. And it becomes easy to cool. In other words, the power conversion device for an automobile motor is often placed in a stack with other device modules. In this case, the pipe connected to the inflow portion or the outflow portion is disposed in a direction intersecting the mounting substrate. Then, although space utilization efficiency may be impaired, at least one of the inflow portion and the outflow portion that flows out the refrigerant flowing in from the inflow portion as described above is embedded in the wall forming the cooling medium path. High space utilization efficiency can be ensured by the structure.
上記の冷却媒体路は、スイッチング素子の対向側の外面の平坦部において、上記スイッチング素子と異なる他の素子を配置してもよい。この構成により、電力変換用のスイッチング素子以外の素子を上記対向側の外面に配置して、冷却することができ、冷却装置の有効利用をはかり、かつ空間利用効率を高めることができる。 In the cooling medium path, another element different from the switching element may be arranged on the flat portion of the outer surface on the opposite side of the switching element. With this configuration, elements other than the power conversion switching elements can be arranged and cooled on the outer surface on the opposite side, the cooling device can be used effectively, and the space utilization efficiency can be increased.
本発明の冷却構造は、平板状の被冷却部品に沿うように位置し、被冷却部品を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路を備える。そして、冷却媒体路が、被冷却部品の対向側の壁面に、被冷却部品の対応領域に向かうように外側から冷却媒体を流入させる流入部を有することを特徴とする。 The cooling structure of the present invention includes a cooling medium path that is positioned along a flat plate-like component to be cooled and that flows a cooling medium that cools the component to be cooled. The cooling medium path has an inflow portion for allowing the cooling medium to flow from the outside toward the corresponding region of the component to be cooled on the wall surface on the opposite side of the component to be cooled.
上記構成によれば、被冷却部品の対応領域に外側から冷却媒体が直接送り込まれ、対応領域壁面に衝突するようにして冷却する。このため冷却媒体路で熱交換を経ない冷却媒体が上記対応領域に当たるため、熱抵抗は大きく減少して、放熱性が大幅に向上し、強力な冷却効果を得ることができる。記冷却は、被冷却部品の対応領域に狙いを定めて、個別的に、局所的に強力冷却するので、被冷却部品を確実に冷却することができる。また、被冷却部品の対応領域に、冷却媒体路での熱交換を経ない冷却された状態のまま冷媒が流入するので、被冷却部品の性能を揃えることができる。 According to the above configuration, the cooling medium is directly fed into the corresponding region of the component to be cooled from the outside, and is cooled so as to collide with the corresponding region wall surface. For this reason, since the cooling medium that does not undergo heat exchange in the cooling medium path hits the corresponding region, the thermal resistance is greatly reduced, the heat dissipation is greatly improved, and a strong cooling effect can be obtained. Since the cooling is aimed at the corresponding region of the component to be cooled and is individually and locally strongly cooled, the component to be cooled can be reliably cooled. In addition, since the refrigerant flows into the corresponding region of the component to be cooled while being cooled without undergoing heat exchange in the cooling medium path, the performance of the component to be cooled can be made uniform.
なお、被冷却部品の対応領域は、被冷却部品1個を対象にする場合、平面的に見て被冷却部品に重なる、被冷却部品側の冷却媒体路の壁面領域である。また、被冷却部品の一まとまり複数個の単位が、いくつか配置される構造を対象とする場合には、複数個の一まとまりの被冷却部品を、1個の被冷却部品とみなして対応領域を考える場合もある。しかし、後者の場合であっても、あくまで1個の被冷却部品ごとに対応領域を定めることもある。また、被冷却部品に沿うように位置するとは、実装基板を実装する実装基板を介在させてもよく、また実装基板の下に放熱板や筐体壁をさらに介在させる形態をも含むものである。冷却媒体路が、放熱板を含む筐体内に作り込まれている構造であってもよい。 Note that the corresponding region of the component to be cooled is a wall surface region of the cooling medium path on the component to be cooled side that overlaps the component to be cooled in plan view when one component to be cooled is targeted. Further, when a structure in which several units of a plurality of parts to be cooled are arranged is targeted, a plurality of the parts to be cooled are regarded as one part to be cooled and the corresponding region. There are also cases where However, even in the latter case, the corresponding area may be determined for each piece of component to be cooled. In addition, the positioning along the component to be cooled includes a mounting substrate on which the mounting substrate is mounted, and includes a form in which a heat sink and a housing wall are further interposed under the mounting substrate. The cooling medium path may be structured in a housing including a heat sink.
上記の冷却媒体路は、被冷却部品側の内面に被冷却部品の対応領域の中心から放射状に延在する放射状フィンを有することができる。この構成により、流入部から流入した冷却媒体を被冷却部品の対応領域の中心から放射状に外側にスムースに流すことができる。このため、被冷却部品の対応領域に配置された放射状フィンの放熱効果を、被冷却部品の対応領域ごとに個別的、局所的に得ることができる。この結果、強力な放熱性をより一層向上させることができる。 The cooling medium path may have radial fins extending radially from the center of the corresponding region of the component to be cooled on the inner surface of the component to be cooled. With this configuration, it is possible to smoothly flow the cooling medium flowing in from the inflow portion radially outward from the center of the corresponding region of the component to be cooled. For this reason, the heat dissipation effect of the radial fins arranged in the corresponding region of the component to be cooled can be obtained individually and locally for each corresponding region of the component to be cooled. As a result, the powerful heat dissipation can be further improved.
上記の被冷却部品が、複数個、実装基板に実装され、冷却媒体路は実装基板に沿って位置し、冷却媒体路は、被冷却部品の対応領域ごとに流入部を有することができる。この構成によれば、複数個の被冷却部品を対応領域ごとの流入部から冷却媒体で直接冷却する。このため、強力な冷却効果を被冷却部品の対応領域ごとに局所的に得ながら、各流入部の冷却媒体の温度を同一にできるので各被冷却部品の温度を揃えることが容易となる。この結果、各被冷却部品のオン抵抗値を揃え、電気的バランスを維持し、素子寿命を位置によらず揃えることができる。なお、実装基板に沿って位置するとは、実装基板の下に放熱板等を介在させる形態を含む。冷却媒体路は、放熱板を内蔵する、被冷却部品用モジュールの筐体内に作り込まれていてもよい。 A plurality of the components to be cooled are mounted on the mounting board, the cooling medium path is located along the mounting board, and the cooling medium path can have an inflow portion for each corresponding region of the cooled component. According to this configuration, the plurality of parts to be cooled are directly cooled by the cooling medium from the inflow portion for each corresponding region. For this reason, since the temperature of the cooling medium in each inflow portion can be made the same while locally obtaining a strong cooling effect for each corresponding region of the component to be cooled, it is easy to equalize the temperature of each component to be cooled. As a result, the ON resistance values of the components to be cooled can be made uniform, the electrical balance can be maintained, and the device life can be made uniform regardless of the position. Note that “positioning along the mounting substrate” includes a form in which a heat sink or the like is interposed under the mounting substrate. The cooling medium path may be built in a casing of a module for a component to be cooled that incorporates a heat sink.
上記の冷却媒体路は、流入部およびその流入部から流入した冷媒を流出する流出部のうちの少なくとも一方を、その冷却媒体路を形成する壁内に埋設する構造とできる。この構成により、空間利用効率を害さずに所定の冷却を実現することができ、また冷却媒体路の底部外面に平坦部を広くとれるので、他の装置たとえばエアコン用のコンバータ用半導体素子などを配置して冷却することが容易となる。 The cooling medium path may have a structure in which at least one of the inflow part and the outflow part from which the refrigerant flowing in from the inflow part flows out is embedded in the wall forming the cooling medium path. With this configuration, predetermined cooling can be realized without impairing space utilization efficiency, and a flat portion can be widened on the outer surface of the bottom of the cooling medium path, so that other devices such as converter semiconductor elements for air conditioners are arranged. And it becomes easy to cool.
上記の冷却媒体路は、被冷却部品の対向側の外面に、上記スイッチング素子と異なる他の素子を配置するための平坦部を有することができる。この構成により、電力変換用の被冷却部品以外の部品を上記対向側の外面に配置して、冷却することができ、冷却装置の有効利用をはかり、かつ空間利用効率を高めることができる。 The cooling medium path may have a flat portion for disposing another element different from the switching element on the outer surface on the opposite side of the component to be cooled. With this configuration, components other than the component to be cooled for power conversion can be arranged and cooled on the outer surface on the opposite side, the cooling device can be used effectively, and the space utilization efficiency can be increased.
本発明の電力変換装置および冷却構造によれば、スイッチング素子が離散的に配置される発熱構造において、そのスイッチング素子の温度が限界を超えないように、圧力損失を抑えつつ効率的に冷却することができ、複数の半導体素子が配置される場合には、各半導体素子の温度が揃うような冷却を行うことができる According to the power conversion device and the cooling structure of the present invention, in the heat generation structure in which the switching elements are discretely arranged, the temperature of the switching elements is efficiently cooled while suppressing the pressure loss so as not to exceed the limit. When a plurality of semiconductor elements are arranged, it is possible to perform cooling so that the temperature of each semiconductor element is uniform.
図1は、本発明の実施の形態における電力交換装置を説明するための図である。この電力変換装置10は、ハイブリッド自動車のモータ用の端子である、U相端子、V相端子およびW相端子を有し、また発電機用の端子である、+端子および−端子を有する。スイッチング素子7は、モータ用のスイッチング素子7a,7bと、発電機用のスイッチング素子7cとが配置される。モータ用スイッチング素子はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)7aと、還流ダイオード7bとがある。還流ダイオードはインダクタンスを含む図示しない負荷と並列に配置されるダイオードであり、負荷電流を平準化するために用いられる。本発明の実施の形態の説明において、厳密にはスイッチング素子ではないが、スイッチング素子とともに同じ回路に用いられる半導体素子もスイッチング素子と呼ぶこととする。これらスイッチング素子7a,7b,7cは、図示を省略した実装基板上に実装され、その実装基板の下に放熱板3が配置される。上記のスイッチング素子7、実装基板等は、筐体31に収納される。上記筐体31内には、スイッチング素子7の上に絶縁板を介在させて、上記スイッチング素子のゲート信号を制御する半導体素子等が実装された、図示しない制御信号用実装基板が配置される。
FIG. 1 is a diagram for explaining a power exchange device according to an embodiment of the present invention. This
上記放熱板3の下にその放熱板3に接するように、冷却媒体が流れる冷却媒体路5が設けられる。冷却媒体には、不凍液であるエチレングリコール水溶液などを用いることができる。冷却媒体路5は、スイッチング素子モジュールの筐体31の一部として形成されていてもよい。次に、本発明の実施の形態の電力変換装置または冷却構造について、実施の形態1〜4にしたがって説明する。
A cooling
(実施の形態1)
図2および図3は、本発明の実施の形態1における冷却構造を説明するための図である。図2は、縦断面図であり、図3は、スイッチング素子7の対向側の底面側から見た下面図である。本発明の実施の形態においては、流入部32が、外側から冷媒を流入させる流入管によって形成されている点に特色がある。冷却媒体路5は、スイッチング素子モジュールの筐体31内に作り込まれていてもよい。この流入部32により、冷媒は、冷却装置で冷却されたままの状態で、スイッチング素子対応領域側の壁面へと押し出され、その壁面に衝突する。このスイッチング素子対応領域には、放射状に延在するフィン11が設けられており、このフィン11に導かれてスイッチング素子対応領域から外側へと流れ出る。上記の冷却媒体の流入に伴って次々に生じる渦流は、スイッチング素子で発生した熱を伴って次々に流れ出て行く。フィン11は、放熱板3と一体成型加工で製作されることが望ましい。しかし、放熱板の対応領域の部分を別部品として、その別部品にフィン11を一体成型加工で形成し、その別部品を放熱板の該当部分(孔部としてある)に嵌め入れて縁同士を溶接して形成してもよい。
(Embodiment 1)
2 and 3 are diagrams for explaining a cooling structure according to Embodiment 1 of the present invention. 2 is a longitudinal sectional view, and FIG. 3 is a bottom view as seen from the bottom side of the
上記のような冷却された直後の冷却媒体が、高い渦流密度で対応領域壁面5aに沿って流れるため、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。また、冷却された状態の冷媒が外側から流入するため、スイッチング素子間の温度差は小さくなり、スイッチング素子の温度が揃いやすい。このため、複数個の半導体素子のオン抵抗値が揃い、電気的にバランスがとれ、半導体素子の寿命は配置位置によらず、揃うことになる。また、図2に示すように、冷却媒体路の底部外面において、流出部32に接続する配管の間に平坦部25をとり、ここに他の装置たとえばエアコン用半導体素子を配置して冷却することができる。
Since the cooling medium immediately after being cooled as described above flows along the corresponding region wall surface 5a with a high eddy current density, it is possible to aim at the switching element corresponding region and improve the heat dissipation of the region. In addition, since the cooled refrigerant flows from the outside, the temperature difference between the switching elements becomes small, and the temperatures of the switching elements are easily aligned. For this reason, the ON resistance values of a plurality of semiconductor elements are aligned and electrically balanced, and the lifetime of the semiconductor elements is aligned regardless of the arrangement position. Further, as shown in FIG. 2, a
また、流入部32すべての口径面積の和および流出部33すべての口径面積の和を十分大きくとることにより、全体の圧力損失を抑えることができる。流出部33は、一つのスイッチング素子7を取り囲むように、4個、配置されている。このため、圧力損失を抑えてスムースな冷媒の排出が可能である。また、冷媒は、主として1つのスイッチング素子の冷却に用いられ、流出部33にいたるため、温度上昇を低く抑えることができる。
Moreover, the overall pressure loss can be suppressed by sufficiently increasing the sum of the caliber areas of all the
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2における冷却構造を説明するための上面図である。本実施の形態では、2個の一まとまりのスイッチング素子7a,7bを1つのスイッチング素子とみなして、スイッチング素子対応領域A1を定めた点に特色がある。流入部33は、スイッチング素子対応領域A1の中心部に位置するように配置する。また、流出部33は、スイッチング素子対応領域A1の周りを囲むように、4つ配置する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a top view for explaining the cooling structure in the second embodiment of the present invention. In this embodiment, two single group of switching
上記のようにスイッチング素子対応領域A1(スイッチング素子2個を含む領域)を定め、流入部をそのA1に対して1個配置することにより、部品点数および製作工数を減らし、製造コストを抑制することができる。そして、その上で、放熱性を実施の形態1の場合と遜色ないレベルに維持することができる。 By defining the switching element corresponding area A 1 (area including two switching elements) as described above and arranging one inflow portion with respect to the A 1 , the number of parts and manufacturing man-hours are reduced, and the manufacturing cost is suppressed. can do. In addition, heat dissipation can be maintained at a level comparable to that of the first embodiment.
(実施の形態3)
図5および図6は、本発明の実施の形態3における冷却構造を説明するための図である。図5は、側面図であり、図3は、スイッチング素子7の対向側の底面側から見た下面図である。本発明の実施の形態においては、流入部52および流出部53が筐体31または放熱板3内に埋め込まれるように設けられる点に特色を有する。
(Embodiment 3)
5 and 6 are diagrams for explaining a cooling structure according to
自動車用モータの電力変換装置は、他の装置モジュールと互いに積み重ねられて配置される場合が多く、その場合、流入部や流出部に接続される配管が実装基板に交差する方向に配置されると、空間利用効率を害するおそれがある。しかし、図5および図6に示すように、実装基板の側部に配管が接続される構成によれば、空間利用効率を害さずに所定の冷却を実現することができる。とくに本実施の形態においては、冷却媒体路の底部外面に平坦部25を広くとれるので、他の装置たとえばエアコン用のコンバータ用半導体素子などを配置して冷却することが容易となる。
In many cases, power conversion devices for motors for automobiles are stacked with other device modules, and in that case, when piping connected to an inflow portion or an outflow portion is disposed in a direction intersecting the mounting substrate. , There is a risk of harming space utilization efficiency. However, as shown in FIGS. 5 and 6, according to the configuration in which the pipe is connected to the side portion of the mounting substrate, predetermined cooling can be realized without impairing the space utilization efficiency. In particular, in the present embodiment, the
(実施の形態4)
図7は、本発明の実施の形態4における冷却構造を説明するための、スイッチング素子側から見た上面図である。本実施の形態では、実施の形態2と同様に、2つの一まとまりのスイッチング素子7a,7bを1つのスイッチング素子とみなして、スイッチング素子対応領域(図7の簡明性を確保するため範囲A1を記載しない)を定め、かつ実施の形態3と同様に、流入部53および流出部53,54を筐体31等に埋設した構造とした点に特色がある。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a top view seen from the switching element side for explaining the cooling structure in the fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, as in the second embodiment, the two
流入部33は、スイッチング素子対応領域A1の中心部に位置するように配置する。また、流出部33は、スイッチング素子対応領域A1の周りを囲むように、4つ配置する。このため、部品点数および製作工数を減らし、製造コストを抑制しながら、放熱性を実施の形態1の場合と遜色ないレベルに維持することができる。また、実装基板の側部に配管が接続される構成により、空間利用効率を害さずに所定の冷却を実現することができる。
上記のような冷却された直後の冷却媒体が、高い渦流密度で対応領域壁面5aに沿って流れるため、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。また、冷却された状態の冷媒が、冷却媒体路での熱交換を経ずに外側から流入するため、スイッチング素子間の温度差は小さくなり、スイッチング素子の温度が揃いやすい。このため、複数個の半導体素子のオン抵抗値が揃い、電気的にバランスがとれ、半導体素子の寿命は配置位置によらず、揃うことになる。 Since the cooling medium immediately after being cooled as described above flows along the corresponding region wall surface 5a with a high eddy current density, it is possible to aim at the switching element corresponding region and improve the heat dissipation of the region. In addition, since the cooled refrigerant flows from the outside without undergoing heat exchange in the cooling medium path, the temperature difference between the switching elements is reduced, and the temperatures of the switching elements are easily aligned. For this reason, the ON resistance values of a plurality of semiconductor elements are aligned and electrically balanced, and the lifetime of the semiconductor elements is aligned regardless of the arrangement position.
また、流入部32すべての口径面積の和および流出部33すべての口径面積の和を十分大きくとることにより、全体の圧力損失を抑えることができる。流出部33は、一つのスイッチング素子7を取り囲むように、4個、配置されている。このため、圧力損失を抑えてスムースな冷媒の排出が可能である。また、冷媒は、主として1つのスイッチング素子の冷却に用いられ、流出部33にいたるため、温度上昇を低く抑えることができる。
Moreover, the overall pressure loss can be suppressed by sufficiently increasing the sum of the caliber areas of all the
上記本発明の実施の形態1〜4を例示して説明したが、本発明は上記実施の形態1〜4の例示に限定されるべきではない。たとえば、流入部は壁面から突き出さない形状を例示したが、上記壁面から冷却媒体路内に管路が突き出す形状であってもよい。 Although the first to fourth embodiments of the present invention have been illustrated and described, the present invention should not be limited to the exemplification of the first to fourth embodiments. For example, although the inflow part illustrated the shape which does not protrude from a wall surface, the shape which a pipe line protrudes in the cooling medium path from the said wall surface may be sufficient.
要は、スイッチング素子対応領域に狙いを定めて、流入部から冷媒を流入させるものであればよい。換言すれば、本発明においては、スイッチング素子対応領域に狙いを定めて流入部を設けることにより、冷却構造の装置を過度に大きくすることなく、スイッチング素子の温度上昇を抑制することにポイントがある。スイッチング素子対応領域および非対応領域の両方に対して、同じように放熱性を高めることは、装置を過度に大きくすることになり、本発明と相容れない。また、一まとまりの複数個のスイッチング素子が一つの単位となって、複数単位のスイッチング素子が配置される場合、「スイッチング素子の対応領域」の範囲を適宜拡張して、上記一つの単位を一個のスイッチング素子のように解釈して流入部を配置することができる。 In short, what is necessary is just to aim at a switching element corresponding | compatible area | region and to make a refrigerant | coolant flow in from an inflow part. In other words, in the present invention, the aim is to suppress the temperature rise of the switching element without excessively increasing the size of the cooling structure device by providing an inflow portion aiming at the switching element corresponding region. . For both the switching element corresponding region and the non-corresponding region, the same increase in heat dissipation results in an excessively large device and is incompatible with the present invention. In addition, when a plurality of switching elements are grouped as a unit and a plurality of units of switching elements are arranged, the range of “corresponding region of switching elements” is appropriately expanded so that one unit is The inflow portion can be arranged by being interpreted as a switching element.
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明の電力変換装置および冷却構造では、大きな発熱体であるスイッチング素子または被冷却部品に狙いを定めて、その対応領域における放熱性を高めるよう流出部を設けるので、スイッチング素子間の温度差を生じにくく、そのスイッチング素子または被冷却部品の温度上昇を効率的に抑制することができる。 In the power conversion device and the cooling structure of the present invention, a switching element or a component to be cooled, which is a large heating element, is aimed and an outflow portion is provided so as to enhance heat dissipation in the corresponding region. It is difficult to occur, and the temperature rise of the switching element or the component to be cooled can be efficiently suppressed.
3 放熱板、5 冷却媒体路(流路)、7 スイッチング素子、7a IGBT(スイッチング素子)、7b 還流ダイオード(スイッチング素子)、7c スイッチング素子、10 電力変換装置、11 フィン、25 冷却媒体路の底部壁の外面の平坦部、31 筐体、32 流入部、33 流出部、52 流入部、52a 流入口、53 流出部(端側)、54 流出部(中央部)、31 筐体、A1 スイッチング素子対応領域。 3 heat sink, 5 cooling medium path (flow path), 7 switching element, 7a IGBT (switching element), 7b reflux diode (switching element), 7c switching element, 10 power converter, 11 fin, 25 bottom of cooling medium path Flat portion of the outer surface of the wall, 31 housing, 32 inflow portion, 33 outflow portion, 52 inflow portion, 52a inflow port, 53 outflow portion (end side), 54 outflow portion (central portion), 31 housing, A 1 switching Element corresponding area.
Claims (6)
前記スイッチング素子に沿うように位置し、前記スイッチング素子を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路とを備え、
前記冷却媒体路は、前記スイッチング素子の対向側の壁面に、前記スイッチング素子の対応領域に向かうように外側から前記冷却媒体を流入させる流入部を有することを特徴とする、電力変換装置。 A switching element for performing a switching operation;
A cooling medium path that is positioned along the switching element and that flows a cooling medium that cools the switching element;
The power conversion device according to claim 1, wherein the cooling medium path has an inflow portion for allowing the cooling medium to flow from the outside toward a corresponding region of the switching element on a wall surface on the opposite side of the switching element.
前記冷却媒体路が、前記被冷却部品の対向側の壁面に、前記被冷却部品の対応領域に向かうように外側から前記冷却媒体を流入させる流入部を有することを特徴とする、冷却構造。
A cooling medium path is provided along a flat plate-shaped component to be cooled, and a cooling medium path for flowing a cooling medium for cooling the component to be cooled is provided.
The cooling structure according to claim 1, wherein the cooling medium path has an inflow portion for allowing the cooling medium to flow from the outside toward a corresponding region of the component to be cooled on a wall surface on the opposite side of the component to be cooled.
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