JP2009261125A - パワーコントロールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】小型であって搭載性に優れたパワーコントロールユニットを提供すること。
【解決手段】本発明のパワーコントロールユニット１は、複数の半導体モジュール２１０と、該複数の半導体モジュール２１を両主面２２０から冷却するとともに互いに連結された複数の冷却管２２からなる積層型冷却器２０とを備えた電力変換装置２を有する。隣り合う冷却管２００同士の間に形成される冷却スペース２３の少なくとも一つには、半導体モジュール２１以外の発熱体３から受熱する受熱体４１とヒートパイプ４２とを介して接続された放熱体４３が配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ等の電力変換装置を備えたパワーコントロールユニットに関する。

従来から、内燃機関と電気モータと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備えたパワーコントロールユニット（以下、適宜ＰＣＵという。）が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、図８に示すように、該ＰＣＵ９においては、例えば、インバータ９２とは別に直流電流を電圧の異なる直流電流に変換する補機駆動用のコンバータ９３がインバータ９２に隣接して搭載されている。

そして、近年、例えばハイブリッド自動車等において、上記インバータ９２及び上記コンバータ９３の小型化を図ったり車両への搭載性を向上させたりするために、コンバータ９３とインバータ９２とを一ユニット化することが求められている。
そこで現状では、コンバータ９３冷却用の冷却器９４１を介してコンバータ９３とインバータ９２とを一体化してある。

特開２００７−８４０３号公報 特開２００７−５０８８７号公報

ところが、かかる従来のＰＣＵ９においては、以下のような問題点がある。すなわち、コンバータ９３を冷却するためには、図８に示すように、内部に冷媒流路を設けるために冷却器９４１が必要となる。そして、このように、コンバータ９３を冷却するために新たに冷却器９４１を付加すると、その厚み分（図８における符号ｄ参照）だけＰＣＵ９の体格が大型化するという問題がある。
そしてこれにより、ＰＣＵ９の車両等への搭載が困難なものとなるおそれがある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、小型であって搭載性に優れたパワーコントロールユニットを提供しようとするものである。

本発明は、複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを両主面から冷却するとともに互いに連結された複数の冷却管からなる積層型冷却器とを備えた電力変換装置を有するパワーコントロールユニットであって、
隣り合う上記冷却管同士の間に形成される冷却スペースの少なくとも一つには、上記半導体モジュール以外の発熱体から受熱する受熱体とヒートパイプとを介して接続された放熱体が配設されていることを特徴とするパワーコントロールユニットにある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。
本発明において、隣り合う上記冷却管同士の間に形成される冷却スペースの少なくとも一つに、上記半導体モジュール以外の発熱体から受熱する受熱体とヒートパイプとを介して接続された放熱体が配設されている。これにより、小型であって搭載性に優れるパワーコントロールユニット（以下、適宜ＰＣＵという。）を得ることができる。

すなわち、本発明においては、小型でありながら熱伝導性に優れたヒートパイプを介して受熱体から伝達された発熱体の熱を放熱体に伝達している。そしてさらに、その放熱体の熱を冷却管に伝達しているため、発熱体を十分に冷却することができる。

特に上記構成によれば、積層型冷却器における積層方向の長さを増やして新たに放熱体冷却用の冷却スペースを設けることにより、発熱体を十分に冷却することができる。そのため、本発明のＰＣＵにおいては、発熱体を冷却するためにＰＣＵ内に冷媒を流す必要がない。これにより、ＰＣＵの小型化を図ることができる。
さらにまた、上記のように積層型冷却器を積層方向に長くして冷却スペースを確保するため、積層方向に直交する方向に新たに発熱体を冷却するための冷却器を設ける必要がない。そのため、ＰＣＵの車両等への搭載性を向上させることができる。

以上のとおり、本発明によれば、小型であって搭載性に優れたパワーコントロールユニットを提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記ＰＣＵは、例えば、内燃機関と電気モータと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電気自動車等に用いることができる。
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インバータとすることができる。

上記冷却管は、内部に、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動させる中空部を有してなる管である。

また、上記積層型冷却器は、外部から上記複数の冷却管の内部に冷却媒体を供給するための冷媒供給管と、上記複数の冷却管から外部に冷却媒体を排出するための冷媒排出管とを積層方向の一端の上記冷却管にそれぞれ接続してなり、上記放熱体は、上記冷媒供給管及び上記冷媒排出管が接続された冷却管に密着していることが好ましい（請求項２）。

この場合には、放熱体を冷却スペースに容易に組み付けることができる。
すなわち、ＰＣＵを組み立てる際には、冷媒供給管及び冷媒排出管が接続された冷却管をＰＣＵ本体に固定して、これを基準に例えばばね部材によって冷却管を積層方向に圧縮する。具体的には、まず、冷媒供給管及び冷媒排出管に最も近い冷却管の主面を、ＰＣＵを構成する一部品と接触させて固定する。次いで、冷媒供給管及び冷媒排出管に接続された冷却管における冷却スペース（以下、第一スペースという。）から順に半導体モジュールを冷却スペースに配置していく。その後、冷媒供給管及び冷媒排出管から最も遠い冷却管の主面から、上述したようなばね部材によって冷却管を積層方向に圧縮する。

このような組立手順においては、積層方向における半導体モジュールや冷却管の厚みの寸法公差に起因して、第一スペースから遠ざかるにつれて寸法公差の積み上げが大きくなり、冷却スペースの位置ずれが大きくなってしまうことがある。これに対して、放熱体を冷媒供給管及び冷媒排出管が接続された冷却管に密着させることにより、すなわち、まず放熱体を上記第一スペースに配設することにより、半導体モジュールや冷却管の厚みの寸法公差の積み上げが最小となり、冷却スペースの位置ずれの影響をほとんどなくすことができる。
これにより、組付け性を向上させることができ、放熱体を冷却スペースに容易に組み付けることができる。

また、上記発熱体は、上記電力変換装置の外部に配設されるとともに直流電流を電圧の異なる直流電流に変換するコンバータであってもよい（請求項３）。
この場合には、ＰＣＵの車両等への搭載性を一層向上させることができる。すなわち、冷却スペースに放熱体を配設することにより、新たに大型の冷却器を付加することなく、コンバータを十分に冷却することができる。
その結果、コンバータ及びその冷却器の体格を小さくすることができ、ＰＣＵの一層の小型化を図ることができる。さらに、これにより、ＰＣＵの車両等への搭載性を一層向上させることができる。

また、上記発熱体は、上記電力変換装置に組み込まれたコンデンサであってもよい（請求項４）。
この場合には、電力変換装置の体格を十分に小さくすることができる。さらに、これにより、ＰＣＵの車両等への搭載性を一層向上させることができる。
なお、上記コンデンサとして、例えばサージを吸収するためのスナバコンデンサ等を用いることもできる。

また、上記発熱体は、上記電力変換装置に組み込まれたリアクトルであってもよい（請求項５）。
この場合には、請求項４と同様に、電力変換装置の小型化を図ることができ、ＰＣＵの車両等への搭載性を一層向上させることができる。
なお、リアクトルを収納するケース自体を受熱体としてもよいし、ケースとは別個に受熱体を配置することもできる。

（実施例１）
本発明の実施例に係るパワーコントロールユニットについて、図１〜図４を用いて説明する。
本例のパワーコントロールユニット１（以下、ＰＣＵ１という。）は、図１〜図３に示すように、複数の半導体モジュール２１と、該複数の半導体モジュール２１を両主面２２０から冷却するとともに互いに連結された複数の冷却管２２からなる積層型冷却器２０とを備えた電力変換装置２を有する。
また、隣り合う冷却管２２同士の間に形成される冷却スペース２３の少なくとも一つには、半導体モジュール２１以外の発熱体３から受熱する受熱体４１とヒートパイプ４２とを介して接続された放熱体４３が配設されている。

本例のＰＣＵ１について、詳細に説明する。
本例のＰＣＵ１は、上記の電力変換装置２と、ヘッドライトやラジオ等の補機を駆動するためのＤＣ−ＤＣコンバータとにより構成されている。
なお、このＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電圧を直流電圧に変換するに当たって発熱し高温となるものである。すなわち、本例においてＤＣ−ＤＣコンバータは発熱体である。したがって、以下では、説明の便宜上、発熱体３をＤＣ−ＤＣコンバータ３１ということとする。

また、上記電力変換装置２は、例えば、バッテリの直流電流をモータ駆動用の交流に変換するインバータとすることができる。そこで、以下では、説明の便宜上、電力変換装置２をインバータ２ということとする。

インバータ２は、図３、図４に示すように、積層型冷却器２０のほか、半導体モジュールに対して電流を入出させるパワー部２４と、半導体モジュール２１を制御する制御部２５とを有する。
上記パワー部２４は、本例では、入力電圧を昇圧するための昇圧回路の一部を構成するリアクトル２４１と、半導体モジュール２１のパワー端子を接続する電力ラインを構成するバスバ２４２と、直流電圧を平滑化するコンデンサ２４３とからなる。

また、インバータ２においては、バスバ２４２及びコンデンサ２４３の上方（図３、図４における紙面上方）に積層型冷却器２０が配置されており、さらにその積層型冷却器２０の上方に制御部２５が配置されている。

また、積層型冷却器２０は、外部から複数の冷却管２２の内部に冷却媒体を供給するための冷媒供給管２２１と、複数の冷却管２２から外部に冷却媒体を排出するための冷媒排出管２２２とを有する。
具体的には、図１〜図３に示すように、積層型冷却器２０の積層方向の一端の冷却管２２に冷媒供給管２２１と冷媒排出管２２２とが接続されている。

冷却管２２は、内部に、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動させる中空部を有してなる管である。

また、隣り合う冷却管２２同士の間には、図１〜図３に示すように、二つずつ並列された状態で半導体モジュール２１が配設されている。
そして、該半導体モジュール２１は、冷却管２２の中を流動する冷却媒体によって両面から冷却される。

半導体モジュール２１として、例えばＩＧＢＴ素子やＭＯＳ型ＦＥＴ素子等のスイッチング素子のほか、該スイッチング素子におけるコレクタ−エミッタ間に接続され、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオード、あるいは、これら双方の機能を併せ持つ、逆方向導通性を有する半導体素子等がある。

また、図１〜図３に示すように、隣り合う冷却管２２同士の間に形成される冷却スペース２３の少なくとも一つには、さらに冷却管２２に放出するための放熱体４３が配設されている。そして、発熱体３の熱は受熱体４１とヒートパイプ４２とを介して放熱体４３へと伝達される。

ここで、放熱体４３は、冷媒供給管２２１及び冷媒排出管２２２が接続された冷却管２２に密着している。
すなわち、放熱体４３は、図１〜図３に示すように、冷却スペース２３のうち積層型冷却器２０における冷媒供給管２２１及び冷媒排出管２２２に最も近い冷却スペース２３（以下、第一スペース２３１という。）に配設されている。

放熱体４３及び半導体モジュール２１を冷却管２２に密着させるに当たっては、まず、第一スペース２３１に放熱体４３を配設する。
次いで、積層方向に順に半導体モジュール２１を冷却スペース２３に配設する。
次いで、冷媒供給管２２１及び冷媒排出管２２２から最も遠い位置に配される冷却管２２の端面を、プレート２７を介してばね部材２６によって冷媒供給管２２１及び冷媒排出管２２２に向かって押圧することにより、半導体モジュール２１及び放熱体４３が冷却管２２の主面２２０に密着する。なお、かかるばね部材２６として、例えば、板ばねやコイルばね等種々のものを用いることができる。

また、放熱体４３として、例えば、５ｍｍ程度の熱伝導性に優れる銅材やアルミ材からなる板状体のものを用いることができる。
一方、受熱体４１は、例えば、５ｍｍ程度の熱伝導性に優れる銅材やアルミ材からなる板状体のものを用いることができる。
また、ヒートパイプ４２として、例えば、焼結銅粉タイプのものや、複合ウィックタイプのものを用いることができる。

また、図３、図４に示すように、積層型冷却器２０の制御部２５のさらに上方（図３、図４における紙面上方）には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１が配置されている。
すなわち、上述したように、本例における発熱体は、インバータ２の外部において接続されるとともに直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ３１である。

本例における、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の冷却手順について図１〜図３を用いて説明する。
まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の熱は、上述したように銅材やアルミ材等からなる熱伝導性に優れた受熱体４１に伝熱される。

次いで、受熱体４１に伝達された熱は、さらにヒートパイプ４２へと伝達される。そして、このヒートパイプ４２は、上述したように、例えば、焼結銅粉タイプのものや、複合ウィックタイプのものによって形成されているため、ヒートパイプ４２において受熱体４１と反対側に接続される放熱体４３へと十分に伝熱することができる。

上述したように、冷却スペース２３に配設された放熱体４３は、その両側に配される冷却管２２の主面２２０と密着している。そのため、放熱体４３は、図２における矢印Ｗの方向に冷却管２２内を流動する冷却媒体によって十分に冷却される。

次に、本例の作用効果について説明する。
本例において、隣り合う冷却管２２同士の間に形成される冷却スペース２３の少なくとも一つには、半導体モジュール２１以外の発熱体３から受熱する受熱体４１とヒートパイプ４２とを介して接続された放熱体４３が配設されている。これにより、小型であって搭載性に優れるＰＣＵ１を得ることができる。

すなわち、本例においては、小型でありながら熱伝導性に優れたヒートパイプ４２を介して受熱体４１から伝達された発熱体３の熱を放熱体４３に伝達している。そしてさらに、その放熱体４３の熱を冷却管２２に伝達しているため、発熱体３を十分に冷却することができる。

特に上記構成によれば、積層型冷却器２０における積層方向の長さを増やして新たに放熱体４３冷却用の冷却スペース２３を設けることにより、発熱体３を十分に冷却することができる。そのため、本例のＰＣＵ１においては、発熱体３を冷却するために大型の冷却器を新たに設ける必要がない。これにより、ＰＣＵ１の小型化を図ることができる。
また、上述したように、積層型冷却器２０を積層方向に長くして冷却スペース２３を確保するため、積層方向に直交する方向に新たに冷却器を設ける必要がない。そのため、ＰＣＵ１の車両等への搭載性を向上させることができる。

また、放熱体４３は、冷媒供給管２２１及び冷媒排出管２２２が接続された冷却管２２に密着している。これにより、放熱体４３を第一スペース２３１に容易に組み付けることができる。
すなわち、ＰＣＵ１を組み立てる際には、冷媒供給管２２１及び冷媒排出管２２２が接続された冷却管２２をＰＣＵ１本体に固定して、これを基準に例えばばね部材２６によって冷却管２２を積層方向に圧縮する。具体的には、まず、冷媒供給管２２１及び冷媒排出管２２２に最も近い冷却管２２の主面２２０を、リアクトル２４１と接触させて固定する。次いで、第一スペース２３１から順に半導体モジュール２１を冷却スペース２３に配置していく。その後、上述したようなばね部材２６によって冷却管２２を積層方向に圧縮する。

このような組立手順においては、積層方向における半導体モジュール２１や冷却管２２の厚みの寸法公差に起因して、第一スペース２３１から遠ざかるにつれて寸法公差の積み上げが大きくなり、冷却スペース２３の位置ずれが大きくなってしまうことがある。これに対して、まず放熱体４３を第一スペース２３１に配設することにより、半導体モジュール２１や冷却管２２の厚みの寸法公差の積み上げが最小となり、冷却スペース２３の位置ずれの影響をほとんどなくすことができる。
これにより、組付け性を向上させることができ、放熱体４３を冷却スペース２３に容易に組み付けることができる。

また、発熱体３は、電力変換装置２の外部に配設されるとともに直流電流を電圧の異なる直流電流に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ３１である。そのため、ＰＣＵ１の車両等への搭載性を一層向上させることができる。すなわち、冷却スペース２３１に放熱体４３を配設することにより、新たに大型の冷却器を付加することなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１を十分に冷却することができる。
その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１及びその冷却器の体格を小さくすることができ、ＰＣＵ１の一層の小型化を図ることができる。さらに、これにより、ＰＣＵ１の車両等への搭載性を一層向上させることができる。

以上のとおり、本例によれば、小型であって搭載性に優れたパワーコントロールユニットを提供することができる。

なお、上記においては、図４に示すように、電力変換装置２の上方にＤＣ−ＤＣコンバータ３１を配設したが、図５に示すように、電力変換装置２の下方にＤＣ−ＤＣコンバータ３１を配設することもできる。かかる場合であっても、本例の作用効果を十分に発揮することができる。

（実施例２）
本例は、図６に示すように、発熱体３が、インバータ２に組み込まれたコンデンサ２４３であるＰＣＵ１の例である。すなわち、ＰＣＵ１は、コンデンサ２４３の熱を、受熱体４１とヒートパイプ４２と放熱体４３とを介して積層型冷却器２０の冷却スペース２３に伝達するよう構成されている。
そして、受熱体４１は、発熱体３であるコンデンサ２４３における積層型冷却器２０側の面に配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

上記のように、本例において発熱体３は、インバータ２に組み込まれたコンデンサ２４３であるため、インバータ２の体格を十分に小さくすることができる。このため、ＰＣＵ１の車両等への搭載性を一層向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図７に示すように、発熱体３が、インバータ２に組み込まれたリアクトル２４１であるＰＣＵ１の例である。すなわち、ＰＣＵ１は、リアクトル２４１の熱を、受熱体４１とヒートパイプ４２と放熱体４３とを介して積層型冷却器２０の冷却スペース２３に伝達するよう構成されている。
そして、受熱体４１は、発熱体３であるリアクトル２４１におけるコンデンサ２４３側の面に配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

上記のように、本例において発熱体３は、インバータ２に組み込まれたリアクトル２４１であるため、ＰＣＵ１の小型化を図ることができ、ＰＣＵ１の車両等への搭載性を一層向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、パワーコントロールユニットの斜視図。 実施例１における、積層型冷却器の横断面説明図。 実施例１における、パワーコントロールユニットの縦断面図。 実施例１における、パワーコントロールユニットの断面模式図。 実施例１における、別形態のパワーコントロールユニットの断面模式図。 実施例２における、パワーコントロールユニットの縦断面図。 実施例３における、パワーコントロールユニットの縦断面図。 従来例における、パワーコントロールユニットの斜視図。

符号の説明

１ パワーコントロールユニット
２ 電力変換装置
２０ 積層型冷却器
２１ 半導体モジュール
２２ 冷却管
２２０ 主面
２３ 冷却スペース
３ 発熱体
４１ 受熱体
４２ ヒートパイプ
４３ 放熱体

Claims (5)

1. 複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを両主面から冷却するとともに互いに連結された複数の冷却管からなる積層型冷却器とを備えた電力変換装置を有するパワーコントロールユニットであって、
   隣り合う上記冷却管同士の間に形成される冷却スペースの少なくとも一つには、上記半導体モジュール以外の発熱体から受熱する受熱体とヒートパイプとを介して接続された放熱体が配設されていることを特徴とするパワーコントロールユニット。
2. 請求項１において、上記積層型冷却器は、外部から上記複数の冷却管の内部に冷却媒体を供給するための冷媒供給管と、上記複数の冷却管から外部に冷却媒体を排出するための冷媒排出管とを、積層方向の一端の上記冷却管にそれぞれ接続してなり、上記放熱体は、上記冷媒供給管及び上記冷媒排出管が接続された冷却管に密着していることを特徴とするパワーコントロールユニット。
3. 請求項１又は２において、上記発熱体は、上記電力変換装置の外部に配設されるとともに直流電流を電圧の異なる直流電流に変換するコンバータであることを特徴とするパワーコントロールユニット。
4. 請求項１又は２において、上記発熱体は、上記電力変換装置に組み込まれたコンデンサであることを特徴とするパワーコントロールユニット。
5. 請求項１又は２において、上記発熱体は、上記電力変換装置に組み込まれたリアクトルであることを特徴とするパワーコントロールユニット。

Images