JP2009038842A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体を流して冷却する構造を備えた電力変換装置に係り、特に、電気車に用いられる電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device having a structure for cooling by flowing a fluid, and more particularly to a power conversion device used for an electric vehicle.
電力変換装置には、スイッチングや整流を行うため、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子が搭載されている。これらの半導体素子を冷却するため、電力変換装置には冷却媒体を流す流路が設けられている。 Semiconductor devices such as MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are mounted on the power conversion device for switching and rectification. In order to cool these semiconductor elements, the power converter is provided with a flow path through which a cooling medium flows.
また、流路の半導体素子側の面には、半導体素子を冷却するためのヒートシンクとしての役目を果たす複数のフィンが設けられている。これらのフィンの配置は、流路の上流から下流に至るまで、同一の高さ,同一のピッチ、及び、同一のフィン数量で形成されるのが一般的である。 A plurality of fins serving as heat sinks for cooling the semiconductor elements are provided on the surface of the flow path on the semiconductor element side. These fins are generally formed with the same height, the same pitch, and the same number of fins from the upstream to the downstream of the flow path.
例えば、ストレート形状のフィンを用いた構造が、特開2004−349324号公報(特許文献1)に開示されている。また、フィンがピンフィンの場合は、図5に示すように、流路全体で一様なピッチで同形状のピンフィンが立っているのが一般的である。 For example, a structure using straight fins is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-349324 (Patent Document 1). In the case where the fin is a pin fin, as shown in FIG. 5, the pin fins having the same shape are generally standing at a uniform pitch over the entire flow path.
通常、ヒートシンクは、流路の入口から出口に至るまで、一様に、同一の高さ,同一のピッチ、及び、同一の数量で、フィンが配置されている。この場合、ヒートシンクには、フィン形成面とは反対側の面において、冷媒の流路と同じ方向に、複数の半導体素子が直列に配置されている。それらの半導体素子が平均的に同等の発熱を発生するとすれば、上流側の素子は下流側に比べ良く冷やされることになる。 Normally, fins are arranged at the same height, the same pitch, and the same quantity from the inlet to the outlet of the flow path. In this case, a plurality of semiconductor elements are arranged in series on the surface of the heat sink opposite to the fin formation surface in the same direction as the flow path of the refrigerant. If these semiconductor elements generate the same amount of heat on average, the upstream elements are cooled better than the downstream elements.
上流側のあおり熱の影響を受ける下流側の半導体素子の温度上昇を抑制しようとする場合、上流側の半導体素子が必要以上によく冷やされるが、上流側では、不必要な圧力損失を生むことになる。一般に、圧力損失が高いと熱伝達率は向上する。しかし、圧力損失は低い方が望ましい。このため、低減可能な圧力損失はできるだけ下げることが望ましい。 When trying to suppress the temperature rise of the downstream side semiconductor element affected by the upstream side heat, the upstream side semiconductor element is cooled more than necessary, but the upstream side causes unnecessary pressure loss. become. Generally, the heat transfer rate is improved when the pressure loss is high. However, a lower pressure loss is desirable. For this reason, it is desirable to reduce the pressure loss that can be reduced as much as possible.
前記課題を解決するため、本発明の電力変換装置のうち代表的な一つは、バッテリから供給された直流電流を三相交流電流に変換するための複数のスイッチング素子(IGBT,MOSFET等)と、複数のスイッチング素子の動作を制御するための駆動制御回路と、スイッチング素子を冷却するために上流側から下流側へ冷媒を流す冷媒通路と、一方の面において、冷媒通路の上流側から下流側の方向に複数のスイッチング素子を配置したベースと、一方の面とは反対側の面において、冷媒に浸されるようにベースに設けられた複数のフィンと、バッテリから供給される直流電圧を平滑化するためのコンデンサと、を有し、複数のフィンの配置密度は、冷媒通路の上流側から下流側に向かって大きくなっていくように構成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a representative one of the power conversion devices of the present invention includes a plurality of switching elements (IGBT, MOSFET, etc.) for converting a direct current supplied from a battery into a three-phase alternating current. A drive control circuit for controlling the operation of the plurality of switching elements, a refrigerant passage for flowing the refrigerant from the upstream side to the downstream side to cool the switching elements, and on one side, from the upstream side to the downstream side of the refrigerant passage Smoothes the DC voltage supplied from the battery, the base with a plurality of switching elements arranged in the direction, the plurality of fins provided on the base so as to be immersed in the refrigerant on the surface opposite to the one surface And the arrangement density of the plurality of fins is configured to increase from the upstream side to the downstream side of the refrigerant passage. And butterflies.
本発明は、冷却性能を確保しつつ、圧力損失を低減した電力変換装置を提供することができる。 The present invention can provide a power conversion device with reduced pressure loss while ensuring cooling performance.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図10は、本発明の電力変換装置が備えられるハイブリッド型の電気自動車の一実施例を示す構成図である。なお、本発明による電力変換装置200は、純粋な電気自動車にもハイブリッド型の電気自動車に適用できるが、以下代表してハイブリッド型の電気自動車の実施例を説明する。
FIG. 10 is a configuration diagram showing an embodiment of a hybrid electric vehicle provided with the power conversion device of the present invention. In addition, although the
ハイブリッド型の電気自動車100には、エンジン120と第1の回転電機130と第2の回転電機140と、第1の回転電機130と第2の回転電機140に高電圧の直流電力供給するバッテリ180が搭載されている。さらに、低電圧電力(14ボルト系電力)を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給するが、図示を省略する。
The hybrid
エンジン120及び第1の回転電機130と第2の回転電機140に基づく回転トルクは、変速機150とデファレンシャルギア160に伝達され、前輪110に伝達される。
The rotational torque based on the
変速機150を制御する変速機制御装置154とエンジン120を制御するエンジン制御装置124と電力変換装置200を制御する回転電機制御回路基板700の回転電機制御回路とリチウムイオン電池等のバッテリ180を制御するバッテリ制御装置184と統合制御装置170とが、それぞれ通信回線174によって接続されている。
A
統合制御装置170は、下位の制御装置である、変速機制御装置154やエンジン制御装置124や電力変換装置200やバッテリ制御装置184から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線174を介して受け取る。これらの情報に基づき、統合制御装置170によって各制御装置の制御指令が演算され、統合制御装置170から各制御装置への制御指令が通信回線174を介してそれぞれの制御装置へ送信される。
The integrated
例えば、バッテリ制御装置184は、リチウムイオン電池であるバッテリ180の放電状況やリチウムイオン電池を構成する各単位セル電池の状態をバッテリ180の状態として、統合制御装置170に報告する。統合制御装置170は、上記報告から、バッテリ180の充電が必要であると判断すると、電力変換装置200に発電運転の指示を出す。
For example, the
統合制御装置170は、エンジン120と第1や第2の回転電気130,140の出力トルクを管理する。統合制御装置170は、エンジンと前記第1や第2の回転電機130,140の出力トルクの総合トルクあるいはトルク分配比を演算処理し、処理結果に基づく制御指令を変速機制御装置154やエンジン制御装置124や電力変換装置200へ送信する。トルク指令に基づき、電力変換装置200は、第1の回転電機130と第2の回転電機140を制御し、どちらか一方の回転電機または両方の回転電機で、指令のトルク出力または発電電力を発生するように、これらの回転電機を制御する。
The integrated
電力変換装置200は、統合制御装置170からの指令に基づき、第1の回転電機130と第2の回転電機140を運転する。このため、インバータを構成するパワー半導体のスイッチング動作を制御する。これらのパワー半導体のスイッチング動作により、第1の回転電機130と第2の回転電機140は、電動機として、または、発電機として運転される。
The
電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ180からの直流電力が電力変換装置200のインバータに加えられる。この直流電力は、インバータを構成するパワー半導体のスイッチング動作により、3相交流電流に変換される。3相交流電流は、回転電機130または140に供給される。
When operating as an electric motor, DC power from the high-
一方、発電機として運転される場合は、回転電機130または140の回転子が外部からの回転トルクで回転し、この回転トルクに基づき回転電機の固定子巻線に3相交流電力を発生する。発生した3相交流電力は、電力変換装置200で直流電力に変換される。直流電力は、高電圧のバッテリ180に供給され、バッテリ180が充電される。
On the other hand, when operated as a generator, the rotor of the rotating
図10に示すとおり、電力変換装置200は、直流電源の電圧変動を押さえる複数の平滑用のコンデンサを有するコンデンサモジュール300と、複数のパワー半導体を内蔵するパワーモジュール500、このパワーモジュール500のスイッチング動作を制御するスイッチング駆動回路を備えたスイッチング駆動回路基板600、及び前記スイッチング動作の時間幅を決める信号すなわちパルスワイドモデュレーションの制御を行うPWM信号を発生する回転電機制御回路を備えた回転電機制御回路基板700から構成されている。
As shown in FIG. 10, the
高電圧のバッテリ180は、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池等の2次電池である。バッテリ180は、250ボルトから600ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。
The
図6は、前述した電力変換装置200の分解斜視図であり、該電力変換装置200の全体的な構成を概略的に示している。また、図7は電力変換装置200の外観図である。
FIG. 6 is an exploded perspective view of the
電力変換装置200は、箱体の形状をなすハウジング210を有し、このハウジング210の底部には、冷却水が循環する冷媒通路216を内部に有する水路形成体220が設けられている。ハウジング210の底部には、冷媒通路216に冷却水を供給するための入口管212及び出口管214がハウジング210の外側へ突出している。水路形成体220は、冷却通路を形成する冷却通路形成体としての機能を持つ。本実施例では、冷媒としてエンジン冷却水が用いられる。
The
本実施例の電力変換装置200では、図10に示されるパワーモジュール500が2つ用いられる。具体的には、図6に示されるように、電力変換装置200は、ハウジング210内に並設される第1のパワーモジュール502と第2のパワーモジュール504を備えている。また、第1のパワーモジュール502と第2のパワーモジュール504には、冷却用の放熱フィン506,507がそれぞれ設けられている。
In the
一方、水路形成体220には、開口218,219が設けられている。第1と第2のパワーモジュール502,504を水路形成体220に固定することで、冷却用の放熱フィン506,507が、それぞれ開口218,219から冷媒通路216の内部に突出する。開口218,219は、放熱フィン506,507の周囲の金属壁で塞がれ、冷却水路が形成されるとともに、冷却水が漏れないように開口が塞がれる。
On the other hand, the water channel formation body 220 is provided with
第1,第2のパワーモジュール502,504は、ハウジング210の冷却水の入口管212及び冷却水の出口管214が形成された側壁面に直交する仮想の線分を境にして左右のそれぞれに配置されている。水路形成体220の内部に形成される冷却水路は、冷却水の入口管212からハウジング底部の長手方向に沿って他端まで延び、他端部でU文字状に折り返され、再びハウジング底部の長手方向に沿って出口管214まで延びている。
The first and
長手方向に沿った並行する2組の水路が水路形成体220内に形成され、水路形成体220にはそれぞれの水路に貫通する形状の前記開口218,219が形成されている。通路に沿って水路形成体220に第1のパワーモジュール502と第2のパワーモジュール504が固定される。第1と第2のパワーモジュール502,504に設けられた放熱フィンが水路に突出することで、効率が良く冷却される。また、金属製の水路形成体220に第1と第2のパワーモジュール502,504の放熱面が密着することで、効率の良い放熱構造を実現できる。さらに、開口218,219は、第1と第2のパワーモジュール502,504の放熱面でそれぞれ塞がれるため、構造が小型になるとともに冷却効果が向上する。
Two sets of parallel water channels along the longitudinal direction are formed in the water channel forming body 220, and the water channel forming body 220 is formed with the
第1のパワーモジュール502と第2のパワーモジュール504にそれぞれ積層して、第1の駆動回路基板602と第2の駆動回路基板604が、並設されて配置されている。第1の駆動回路基板602と第2の駆動回路基板604は、図10で説明したスイッチング駆動回路基板600を構成する。
The first
第1のパワーモジュール502の上方に配置される第1の駆動回路基板602は、平面的に観た場合、第1のパワーモジュール502より若干小さく形成されている。同様に、第2のパワーモジュール504の上方に配置される第2の駆動回路基板604も平面的に観た場合、第2のパワーモジュール504より若干小さく形成されている。
The first
ハウジング210の側面には、冷却水の入口管212及び出口管214が設けられ、この側面にさらに孔260に形成され、この孔260に信号用のコネクタ282が配置される。このコネクタ282の取り付け位置の該ハウジング210内部には、信号用のコネクタ282に近接して固定されるノイズ除去基板560及び第2の放電基板520が配置されている。ノイズ除去基板560及び第2の放電基板520の取り付け面は、第1のパワーモジュール502,第2のパワーモジュール504等の取り付け面と平行の面となるように取り付けられている。
An
複数の駆動回路基板602と604の上方には、平滑用の複数のコンデンサを有するコンデンサモジュール300が配置されている。コンデンサモジュール300は、第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304を有している。第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304は、それぞれ、第1の駆動回路基板602と第2の駆動回路基板604の上方に配置されている。
A
第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304の上方には、平板状の保持板320が、その周辺をハウジング210の内壁面に密着して固定されて配置されている。保持板320は、パワーモジュールの側の面に、第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304を支持するとともに、その反対側の面に回転電機制御回路基板700を保持し、固定している。そして、保持板320は、金属材料から構成され、コンデンサモジュール302と304及び回転電機制御回路基板700の発熱した熱をハウジング210に流して放熱する。
Above the
上述のように、パワーモジュール500とスイッチング駆動回路基板600とノイズ除去基板560と第2の放電基板520とコンデンサモジュール300と保持板320と回転電機制御回路基板700とをハウジング210内に収納し、ハウジング210の上部の開口は、金属製のカバー290によって塞がれている。
As described above, the
また、ハウジング210の冷却水の入口管212及び出口管214が設けられた側壁を正面とした場合、その側壁には、端子ボックス800が取り付けられて配置されている。端子ボックス800には、バッテリ180から直流電力が供給されるための直流電力用端子812と、その内部に設けられた直流電力用の端子台810と、第1の回転電機130及び第2の回転電機140と接続する交流電力用端子822と、その内部に設けられた交流用の端子台820とが設けられている。
Further, when the side wall of the
直流電力用の端子台810は、バスバーを介して第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304の電極に電気的に接続され、交流用の端子台820はパワーモジュール500を構成する複数のパワーモジュール502と504の端子とそれぞれバスバーを介して電気的に接続されている。
The DC
なお、端子ボックス800は、その本体840に直流電力用の端子台810を配置させた底板部844とカバー部846とが取り付けられることによって構成される。端子ボックス800の組み立てを容易にするためである。
The
また、電力変換装置200は、図7に示されるように、コンパクトな形状をなしている。
Moreover, the
上述のとおり、電力変換装置200の底部には冷媒通路216が形成されている。図8は、ハウジング210の底から上を見た構造図であり、水路形成体220の一部である水路保持部材902を示す。水路保持部材902は、他の水路形成体220である底板934を取り付けるための外周部904を有し、外周部904にはねじ止め用の孔SC9が多数設けられている。一部だけ符号を付し、他は符号を省略する。
As described above, the
外周部904の内側に水漏れを防ぐためのシール溝906が設けられ、シール溝906の内側の水路保持部材902には、両サイドに外側領域部912が設けられ、さらに第1と第2の水路922と924と中央部908とが設けられている。シール溝906にOリングまたはゴム等のシール部材を嵌め、ねじ孔SC9をねじで締めつけることでシールされる。 A seal groove 906 for preventing water leakage is provided on the inner side of the outer peripheral part 904. The water channel holding member 902 on the inner side of the seal groove 906 is provided with outer region parts 912 on both sides. Water channels 922 and 924 and a central portion 908 are provided. A seal member such as an O-ring or rubber is fitted in the seal groove 906 and sealed by tightening the screw hole SC9 with a screw.
水路922(先に冷媒通路216として説明)の入口部916に冷却水が供給され、第1の水路922を矢印の方向に冷却水が流れ、折り返し通路924で冷却水の流れがU字状に変わり、第2の水路924を矢印の方向に流れ、水路924の出口部918から排出される。第1と第2の水路922と924には、孔である開口218と219とが設けられている。底蓋(図示なし)を取り付けることで、水路922と924が形成される。
Cooling water is supplied to the inlet 916 of the water channel 922 (previously described as the refrigerant passage 216), the cooling water flows in the direction of the arrow through the first water channel 922, and the flow of the cooling water is U-shaped in the return passage 924. Instead, it flows through the second water channel 924 in the direction of the arrow, and is discharged from the outlet 918 of the water channel 924. The first and second water channels 922 and 924 are provided with
第1の水路922と第2の水路926との間に設けられた中央部908、及び第1の水路922と外周部904との間及び第2の水路926と外周部904との間に設けられた外側領域部912には、それぞれアルミダイキャストの肉厚を薄くするための窪み932が設けられている。 A central portion 908 provided between the first water passage 922 and the second water passage 926, and a portion between the first water passage 922 and the outer peripheral portion 904 and between the second water passage 926 and the outer peripheral portion 904. Each of the outer region portions 912 is provided with a recess 932 for reducing the thickness of the aluminum die cast.
図9は、本実施例に用いられるパワーモジュール500の外観図である。
FIG. 9 is an external view of a
パワーモジュール500は、銅等の金属から構成されるベース2の上に、スイッチング素子であるIGBTやMOSFETが複数配置される。これらのスイッチング素子は、樹脂ケース17により覆われている。
In the
樹脂ケース17には、その上部において、複数の直流端子IT1P,IT1N,及び、交流端子OT1u,OT1v,OT1wが設けられている。また、樹脂ケース17からは、複数の制御端子CTが突出している。
The
正極側の直流端子IT1P及び負極側の直流端子IT1Nは、バッテリ180に接続される。バッテリ180から出力された直流電流は、直流端子IT1P,IT1Nを介して、スイッチング素子に供給される。スイッチング素子は、スイッチング駆動回路基板600から制御端子CTに出力される制御信号に基づいて、オン/オフ制御される。バッテリ180から供給される直流電流は、複数のスイッチング素子がオン/オフ制御することにより、三相の交流電流に変換される。変換された三相交流電流は、U相,V相,W相として、それぞれ交流端子OT1u,OT1v,OT1wから出力され、回転電機130,140を駆動するのに用いられる。
The DC terminal IT1P on the positive side and the DC terminal IT1N on the negative side are connected to the
樹脂ケース17を外した状態のパワーモジュール500の内部平面図を図1(a)に、また、パワーモジュール500の裏面平面図を図1(b)に示す。
An internal plan view of the
図1(a)において、それぞれの絶縁基板15に接着されている3組の半導体チップは、半導体素子群5を構成し、IGBTチップ13とダイオードチップ14からなる。これらの半導体チップは、絶縁基板15に接着されている。各絶縁基板15に対して、それぞれ3個のIGBTチップ13と3個のダイオードチップ14が高温半田で接着される。また、これら6個の半導体チップを備えた絶縁基板15が6個、図1(a)に示す配列でベース2に低温半田で接着される。2つの絶縁基板15に搭載された半導体チップ毎に、U相,V相,W相のアームを構成し、これら2つの絶縁基板15の半導体チップは、それぞれ、上アームと下アームを構成する。各絶縁基板15に搭載された半導体素子群5は、平均的に同じ発熱量を有する。
In FIG. 1A, three sets of semiconductor chips bonded to each insulating
なお、本実施例では、半導体チップとしてIGBTチップ13を用いているが、IGBTチップに代えて、MOSFETチップを用いても良い。この場合には、ダイオードチップ14を不要とすることができる。
In this embodiment, the
図1(b)に示すように、半導体素子群5が搭載されたベース2の裏面には、ピン形状のフィン1が形成されている。
As shown in FIG. 1B, pin-shaped
フィン1のピッチ(分布密度)は、冷媒通路216における冷却水の流れる向きに沿って変化している。本実施例では、冷媒通路216の上流側におけるフィン1の密度を粗く、下流側におけるフィン1を密に配置されている。上流側のフィン1の密度を下流側より粗く配置することにより、下流側の半導体素子群5を効果的に冷却しつつ、上流側での圧力損失を低減させることができる。すなわち、最も高温になる半導体チップに対する冷却性能を確保しつつ、ヒートシンク全体の圧力損失を低減させることが可能になる。
The pitch (distribution density) of the
図1(b)のフィン密度は、冷媒通路216の上流から下流に至るまでに3段階に変化しているが、特にこのような構成に限定されない。上流から下流に至るまで2段階や4段階以上で変化する構成であってもよい。また、上流から下流に至るまで連続的にフィン密度が変化するような構造とすることもできる。
The fin density in FIG. 1B changes in three stages from upstream to downstream of the
なお、このフィン配置は、ある流量の時に最適となるよう設計されており、水温に関わらず常に最適な一定流量を与えるよう制御されたポンプやファン等(図示されていない)が設けられている。これらのポンプやファン等は、電力変換装置200の内部に設けても良いし、また、外部に配置するものであっても良い。
This fin arrangement is designed to be optimal at a certain flow rate, and is provided with a pump, a fan, etc. (not shown) controlled so as to always give an optimal constant flow rate regardless of the water temperature. . These pumps, fans, and the like may be provided inside the
図2は、パワーモジュール1個あたりの熱解析結果を示したものである。ヒートシンクの形状として、従来のようなフィン密度が一定の場合と、図1のように冷媒通路216の上流側と下流側で密度を変化させた本実施例の場合とを比較している。IGBTチップの最大温度で比較したものと、ヒートシンク全体での圧力損失を比較したものをそれぞれ示す。
FIG. 2 shows the thermal analysis result per power module. As the shape of the heat sink, a case where the fin density is constant as in the prior art and a case where the density is changed on the upstream side and the downstream side of the
従来構造と本実施例の構造とを比較すると、IGBTチップの温度上昇は同等であるにも関わらず、本実施例のヒートシンクの圧力損失は、従来構造に比べて3割以上低減している。また、フィン1の個数は、冷媒通路216の下流側より上流側のほうが少ない。例えば本実施例では、フィン1のピン本数を従来に比べて約2.5割削減することができ、それに伴いコストも下がることになる。
When the conventional structure and the structure of the present embodiment are compared, the pressure loss of the heat sink of the present embodiment is reduced by 30% or more compared to the conventional structure, although the temperature rise of the IGBT chip is equivalent. Further, the number of
なお、本実施例では、フィン1のピッチ(密度)を変化させるように配置したが、これに代えて、上流側と下流側との間のフィン1の高さを変える構成にしても、最も高温になる半導体チップに対する冷却性能を確保しつつ、ヒートシンク全体の圧力損失を低減させるという効果を得ることができる。フィン1の高さを変える場合には、冷媒通路216の上流側のフィン1を低くして、下流側のフィン1を高くする。また、フィン1のピッチ(密度)と高さの両方を変化させる構成とすることもできる。
In this embodiment, the
本実施例では円柱のピンフィンを用いているが、例えば、四角柱,三角柱等の他のピンフィン形状を採用することもできる。また、ピンフィン以外の他のフィン形状でも、フィンの高さとピッチ(密度)を変化させることにより、ピンフィンの場合と同じように、冷却性能を確保しつつ圧力損失を低減させることができるという効果を得ることができる。 In this embodiment, cylindrical pin fins are used, but other pin fin shapes such as a quadrangular prism and a triangular prism can also be employed. In addition, in the fin shape other than the pin fin, by changing the height and pitch (density) of the fin, the pressure loss can be reduced while ensuring the cooling performance as in the case of the pin fin. Obtainable.
図3(a)及び図3(b)は、ピンフィンの代わりに、ストレートフィンを採用した一例を示したものである。図3(a)は、半導体素子群5の配置と冷却水の方向及びフィンピッチの変化の関係を示している。
3A and 3B show an example in which straight fins are used instead of pin fins. FIG. 3A shows the relationship between the arrangement of the
隣り合う同士のストレートフィンの間隔は、冷媒通路216の下流側が上流側より狭い。換言すると、下流側のストレートフィンの本数は、上流側の本数より多い。本実施例では、ストレートフィンのフィンピッチは3段階に分かれている。ただし、これに限られず、3段階に分ける以外の構成を採用するものであってもよい。なお、段階的に変化する箇所において、ストレートフィンは分断されている。このように、ストレートフィンを採用した場合でも、冷却性能を確保しつつ圧力損失を低減させることができるという効果を得ることができる。
The interval between adjacent straight fins is narrower on the downstream side of the
図3(b)は、図3(a)のX−Yで切断した断面構造の概略図を示したものである。 FIG. 3B shows a schematic diagram of a cross-sectional structure cut along XY in FIG.
本図では、銅等の金属からなるベース2に直接フィン1を付け、それを冷却する直接冷却方式の構造を示している。ただし、これに代えて、図4に示すように、アルミ等の金属からなる筐体21に冷媒通路216及びフィン1を設ける構成を採用することもできる。冷媒通路216は、底蓋22を筐体21に固定することにより形成される。また、筐体21の上にベース2及び半導体チップを配列することにより、半導体チップは間接的に冷却される。このような構成を、間接水冷方式の電力変換装置という。
This figure shows a direct cooling system structure in which
以上、上記実施例によれば、冷却水の上流側における圧力損失を低減させるとともに、半導体チップを冷却するための最低限の熱伝達率を確保することができる。結果として、従来と同等の冷却性能を備えた上で、より低い圧力損失で達成する電力変換装置を提供することが可能となる。 As mentioned above, according to the said Example, while reducing the pressure loss in the upstream of cooling water, the minimum heat transfer rate for cooling a semiconductor chip is securable. As a result, it is possible to provide a power conversion device that has a cooling performance equivalent to that of the prior art and achieves a lower pressure loss.
1 フィン
2 ベース
5 半導体素子群
13 IGBTチップ
14 ダイオードチップ
15 絶縁基板
17 樹脂ケース
200 電力変換装置
216 冷媒通路
500 パワーモジュール
1
Claims (12)
前記複数のスイッチング素子の動作を制御するための駆動制御回路と、
前記スイッチング素子を冷却するために上流側から下流側へ冷媒を流す冷媒通路と、
一方の面において、前記冷媒通路の前記上流側から前記下流側の方向に前記複数のスイッチング素子を配置したベースと、
前記一方の面とは反対側の面において、前記冷媒に浸されるように前記ベースに設けられた複数のフィンと、
前記バッテリから供給される直流電圧を平滑化するためのコンデンサと、を有し、
前記複数のフィンの配置密度は、前記冷媒通路の前記上流側から前記下流側に向かって大きくなっていくように構成されていることを特徴とする電力変換装置。 A plurality of switching elements for converting a direct current supplied from the battery into a three-phase alternating current;
A drive control circuit for controlling operations of the plurality of switching elements;
A refrigerant passage for flowing a refrigerant from the upstream side to the downstream side in order to cool the switching element;
On one side, a base in which the plurality of switching elements are arranged in the direction from the upstream side to the downstream side of the refrigerant passage;
A plurality of fins provided on the base so as to be immersed in the refrigerant on a surface opposite to the one surface;
A capacitor for smoothing the DC voltage supplied from the battery,
The power conversion device, wherein the arrangement density of the plurality of fins is configured to increase from the upstream side to the downstream side of the refrigerant passage.
前記フィンは、円柱状のピンで構成されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The said fin is comprised with the cylindrical pin, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記複数のフィンの配置密度は、前記冷媒通路の前記上流側から前記下流側に向かって、段階的に大きくなっていくように構成されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
The power conversion device, wherein the arrangement density of the plurality of fins is configured to increase stepwise from the upstream side to the downstream side of the refrigerant passage.
前記フィンの個数は、前記冷媒通路の前記下流側より前記上流側のほうが少ないことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 3,
The power conversion device according to claim 1, wherein the number of fins is smaller on the upstream side than on the downstream side of the refrigerant passage.
前記複数のフィンは、前記冷媒が流れる方向に延びた複数のストレートフィンであることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The plurality of fins are a plurality of straight fins extending in a direction in which the refrigerant flows.
前記複数のストレートフィンのうち隣り合うストレートフィンの間隔は、前記冷媒通路の前記上流側より前記下流側のほうが狭いことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 5, wherein
An interval between adjacent straight fins among the plurality of straight fins is narrower on the downstream side than on the upstream side of the refrigerant passage.
前記隣り合うストレートフィンの間隔は、段階的に変化し、
段階的に変化する箇所において、前記ストレートフィンは分断されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6, wherein
The interval between the adjacent straight fins changes in stages,
The power converter according to claim 1, wherein the straight fin is divided at a portion that changes stepwise.
前記複数のスイッチング素子は、平均的に同じ発熱量を有することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The plurality of switching elements have the same calorific value on average.
前記複数のフィンは、前記冷媒通路の前記下流側のほうが前記上流側より高く形成されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The plurality of fins are formed such that the downstream side of the refrigerant passage is higher than the upstream side.
さらに、前記冷媒通路に一定流量を与えるよう制御されたポンプを有することを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The power conversion device further includes a pump controlled to give a constant flow rate to the refrigerant passage.
前記複数のスイッチング素子は、前記ベースの上に配置された絶縁基板の上に搭載されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The plurality of switching elements are mounted on an insulating substrate disposed on the base.
前記スイッチング素子はIGBTであることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 11, wherein
The power conversion device, wherein the switching element is an IGBT.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2007198273A JP2009038842A (en) | 2007-07-31 | 2007-07-31 | Power converter |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015074015A (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | 株式会社デンソー | Power converter |
JP2017055586A (en) * | 2015-09-10 | 2017-03-16 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Electric power conversion device |
WO2024202188A1 (en) * | 2023-03-24 | 2024-10-03 | 三菱重工業株式会社 | Power conversion device |
-
2007
- 2007-07-31 JP JP2007198273A patent/JP2009038842A/en active Pending
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JP2017055586A (en) * | 2015-09-10 | 2017-03-16 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Electric power conversion device |
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