JP2011200088A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構造で、効果的に半導体モジュールを冷却できるインバータ装置を提供する。
【解決手段】半導体モジュール１０と扁平冷却管５０とを交互に積層したインバータ装置１００であって、半導体モジュール１０は、正極側スイッチング素子１１と電磁鋼板の正極側放熱板７６と、正極側放熱板７６の周囲にコイル状に巻回される正極側バスバ１５と、負極側スイッチング素子１２と、電磁鋼板の負極側放熱板７３と、負極側放熱板７３の周囲にコイル状に巻回される負極側バスバ１６と、を含み、扁平冷却管５０は、内部に電磁鋼板のフィン５６を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、インバータ装置の構造に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車などの電動車両では、バッテリからの直流電力をモータジェネレータ駆動用の三相交流電力に変換するインバータが多く用いられている。インバータは複数のスイッチング素子をオンオフ動作させることによって電力変換を行うもので、スイッチング素子にはＩＧＢＴ等の電力用半導体素子が用いられている。

近年、電動車両が大型化するに従って、インバータに用いられる電力用半導体素子も大容量のものが用いられるようになって来ているが、大容量の電力用半導体素子はその発熱量が大きくなることから、電力用半導体素子の冷却が重要となってくる。また、直流から三相交流に電力の変換を行うインバータでは、６個のＩＧＢＴが用いられるので、多くの電力用半導体素子を効率的に冷却できるコンパクトな構成が求められている。このため、最近は、複数の電力用半導体素子を一体に成形して平板状の半導体モジュールとし、この半導体モジュールの表面に内部に冷媒を流す扁平型冷却器を接触させて電力用半導体素子を冷却することが多い。更に、半導体モジュールと扁平型冷却器とを交互に積層して積層体とし、扁平形冷却器によって電力用半導体素子を両面から冷却するようにしたインバータ装置が用いられている。

このように半導体モジュールと扁平形冷却器を積層したインバータ装置では、半導体モジュールの表面に冷却器の表面を密着させることが冷却効率を高めるうえで必要となってくる。そこで、複数の半導体モジュールと複数の扁平形冷却器とを交互に積層した積層体を積層方向に向かって圧縮するばねを設けることが提案されている（例えば、特許文献１から３参照）。

特開２００６−１５７０４２号公報 特開２００９−１３０９６４号公報 特開２００５−２２８９１９号公報

しかし、特許文献１から３に記載された従来技術では、複数の半導体モジュールと複数の扁平形冷却器とを交互に積層した積層体の積層方向の一端に積層体を保持するベース部材を設け、更に、ベース部材から積層方向の他端側に延びるフレームを設け、このフレームに積層方向の他端側から積層体を圧縮するばね部材を取り付ける構造となっている。つまり、積層体を両側から挟みこむフレームを設けその一端のベース部材と他端のばねとで積層体を圧縮し、半導体モジュールと扁平形冷却器とを密着させている。このため、半導体モジュールと冷却器以外にフレーム、ばね等の部材が必要で構造が複雑となるという問題があった。また、多くの部品を積層構造に組み立てるので、個々の部品の公差が重なり、組み立ての際にばねによって積層体に適当な圧縮力を付加することが難しいという問題があった。各部品の公差によって半導体モジュールにばね力による圧縮力がかからない場合には、半導体モジュールが発熱、熱膨張してからばねによって扁平冷却管に押しつけられるため、十分な冷却性能が得られない場合があるという問題があった。

本発明は、簡便な構造で、効果的に半導体モジュールを冷却できるインバータ装置を提供することを目的とする。

本発明のインバータ装置は、インバータの正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子とが一体に固定される平板状の半導体モジュールと、内部に冷媒の流れる四角断面の冷却管とを交互に積層したインバータ装置であって、前記半導体モジュールは、前記正極側スイッチング素子と、少なくとも電磁鋼板からなり、前記正極側スイッチング素子が取り付けられている正極側放熱板と、前記正極側放熱板の周囲にコイル状に巻回されて前記正極側スイッチング素子と正極側端子とを接続する正極側バスバと、前記負極側スイッチング素子と、少なくとも電磁鋼板からなり、前記負極側スイッチング素子が取り付けられている負極側放熱板と、前記負極側放熱板の周囲にコイル状に巻回されて前記負極側スイッチング素子と負極側端子とを接続する負極側バスバと、を含み、前記冷却管は、内部に固定された磁性体を有すること、を特徴とする。

本発明のインバータ装置において、半導体モジュールは、前記正極側バスバと前記正極側放熱板とが一方の冷却管側に配置され、前記負極側バスバと前記負極側放熱板とが一方の冷却管と対向して前記半導体モジュールを挟み込む他方の冷却管側に配置されていること、としても好適である。

本発明のインバータ装置において、前記磁性体は、電磁鋼板によって形成されたフィンであること、としても好適である。

本発明のインバータ装置において、半導体モジュールは、前記正極側スイッチング素子と前記負極側スイッチング素子とが接続される共通の出力板を含み、前記出力板は、かぎ型に折り曲げられ、前記正極側スイッチング素子は前記出力板の一方の段の一方の面に取り付けられ、負極側スイッチング素子とは前記出力板の他方の段の他方の面に取り付けられていること、としても好適である。

本発明は、簡便な構造で、効果的に半導体モジュールを冷却できるインバータ装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態におけるインバータ装置の外形図である。 本発明の実施形態におけるインバータ装置に用いられる扁平冷却管の分解斜視図である。 本発明の実施形態におけるインバータ装置を搭載する電動車両の駆動系統図である。 本発明の実施形態におけるインバータ装置の半導体モジュールの斜視図である。 本発明の実施形態におけるインバータ装置の半導体モジュールの断面図である。 本発明の実施形態におけるインバータ装置の半導体素子と放熱板とバスバと冷却器とを示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるインバータ装置の動作時の吸引力を示す説明図である。 本発明の他の実施形態におけるインバータ装置の半導体モジュールの斜視図である。 本発明の他の実施形態におけるインバータ装置の動作時の吸引力を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１に示すように本実施形態のインバータ装置１００は、内部にスイッチング素子が固定された平板状の半導体モジュール１０，２０，３０と、内部に冷媒が流れる扁平形状の扁平冷却管５０とを相互に積層したもので、扁平冷却管５０の長手方向両側の両面には各扁平冷却管５０から積層方向にそれぞれ突出したノズル５２，５３が設けられ、各ノズル５２，５３の間には積層方向に伸縮自在の蛇腹管６１が接続されている。積層方向端面にある扁平冷却管５０の一方のノズル５３には冷媒を流入させる冷媒入口管６２が接続され、もう一方のノズル５３には冷媒を排出する冷媒出口管６３が接続されている。各扁平冷却管５０と、各ノズル５２，５３と蛇腹管６１と、冷媒入口管６２と、冷媒出口管６３は冷却器６０を構成する。そして、冷媒入口管６２から流入した冷媒は各ノズル５２，５３、各蛇腹管６１を通って各扁平冷却管５０の中に流入し、半導体モジュール１０，２０，３０を冷却した後、反対側の各ノズル５３に流出し、冷媒出口管６３から外部のラジェータに流れ、ラジェータによって冷却された冷媒は再び冷媒入口管６２に戻ってくる。

図２に示すように、扁平冷却管５０は、２つのノズル５２が表面から突出するように成形された上ケーシング５４と、２つのノズル５３が表面から突出するように成形された下ケーシング５５と、上ケーシング５４と下ケーシング５５との間に形成される扁平流路の中に取り付けられるフィン５６と、から構成されている。

図３に示すように、本実施形態のインバータ装置１００は、昇圧コンバータ４０よって昇圧されたバッテリ４３からの直流電力を三相交流電力に変換して電動車両駆動用のモータジェネレータ４８を駆動するもので、正極側電路４５と負極側電路４６との間にＵＶＷの各相に直列に接続された２つのスイッチング素子が３組（１１，１２）、（２１，２２）、（３１，３２）接続されている。各相のスイッチング素子（１１，１２）、（２１，２２）、（３１，３２）の中間にはモータジェネレータ４８の各相への出力線１７，２７，３７が接続されている。また、各スイッチング素子１１，１２，２１，２２，３１，３２には逆並列にダイオード１３，１４，２３，２４，３３，３４が接続されている。そして、正極側電路４５と正極側スイッチング素子１１，２１，３１の間は正極側バスバ１５，２５，３５によって接続され、負極側電路４６と負極側スイッチング素子１２，２２，３２の間は負極側バスバ１６，２６，３６によって接続されている。

半導体モジュール１０の例としてＷ相の半導体モジュール１０について説明する。他の相の半導体モジュールも構造は同様である。図４、図５に示すように、半導体モジュール１０は、内部に正極側スイッチング素子１１、ダイオード１３と、負極側スイッチング素子１２、ダイオード１４とを含んでいる。正極側スイッチング素子１１とダイオード１３、負極側スイッチング素子１２とダイオード１４とはそれぞれ一つのパッケージとなっている。正極側スイッチング素子１１は、四角い平板の正極側放熱板７６の中央に設けられた台座７２と、出力板７５に設けられた台座７２の間に挟みこまれている。同様に負極側スイッチング素子１２は、四角い平板の負極側放熱板７３の中央に設けられた台座７２と出力板７５に設けられた台座７２の間に挟みこまれている。正極側放熱板７６と台座７２、負極側放熱板７３と台座７２はそれぞれ電磁鋼板で一体成形されたものである。図４に示すように出力板７５はかぎ形に曲がっており、正極側放熱板７６、負極側放熱板７３はいずれも出力板７５の表面と対向するように配置されている。図４に示す実施形態では、正極側放熱板７６は図４の手前側に配置され、負極側放熱板７３は図中の奥側に配置されている。また、図５に示すように、正極側放熱板７６，負極側放熱板７３の周囲にはそれぞれ正極側バスバ１５、負極側バスバ１６が巻回されている。各スイッチング素子１１，１２、台座７２、正極側放熱板７６、負極側放熱板７３は、出力板７５は樹脂７８で一体に成形された樹脂パッケージとなっている。半導体モジュール１０の下部には図３で説明した正極側電路４５に接続される正極側端子１８と、負圧側に接続される負極側端子１９と、モータジェネレータ４８のＷ相に接続されている出力端子１７´とが取り付けられている。

図６に示すように、正極側放熱板７６の周囲には、正極側端子１８と正極側スイッチング素子１１とを接続する正極側バスバ１５が巻回されている。正極側バスバ１５は正極側放熱板７６に巻回された後、その終端１５ｅは正極側放熱板７６の側面に接続されている。正極側スイッチング素子１１の入力端は正極側放熱板７６の台座７２に接続されていることから、正極側バスバ１５を正極側放熱板７６に接続することにより、正極側端子１８と正極側スイッチング素子１１とが接続される。また、正極側と同様に、負極側放熱板７３の周囲には、負極側端子１９と負極側スイッチング素子１２とを接続する負極側バスバ１６が巻回されている。負極側バスバ１６は負極側放熱板７３に巻回された後、その終端１６ｅは負極側放熱板７３の側面に接続されている。そして、正極側放熱板７６，負極側放熱板７３はそれぞれ扁平冷却管５０の表面に図示しない樹脂層を介して接し、扁平冷却管５０によって冷却されるよう構成されている。扁平冷却管５０は四角い断面でその内部に山側に折り曲げたフィン５６が取り付けられている。

図７に示すように、扁平冷却管５０と半導体モジュール１０，２０が積層された状態で、インバータ装置１００が動作すると、正極側バスバ１５，負極側バスバ１６には電流が流れる。図６に示したように、正極側バスバ１５，負極側バスバ１６は電磁鋼板で構成されている正極側放熱板７６、負極側放熱板７３の周囲に巻回されているので、各バスバ１５，１６に通電されると、各バスバ１５，１６によって磁界が発生し、各放熱板７６，７３に垂直な方向に磁極が発生する。本実施形態では、図７の上方向がＮ極、下方向がＳ極となるような磁極が発生する。一方、扁平冷却管５０の内部に取り付けられているフィン５６は、電磁鋼板で構成された磁性体で、図７の図面下方向がＳ極、上方向がＮ極となるように配置されている。本実施形態では、半導体モジュール１０の正極側放熱板７６のＳ極は図７で下側に配置されている扁平冷却管５０の中のフィン５６の上部のＮ極と引き合い、負極側放熱板７３のＮ極は図７で上側に配置されている扁平冷却管５０の中のフィン５６の下部のＳ極と引き合う。このように、半導体モジュール１０は、その積層方向の両面に配置されている扁平冷却管５０を引き寄せる。同様に、Ｖ相の半導体モジュール２０もインバータ装置１００が動作すると、各放熱板に発生する磁力によって積層方向の両面に配置されている扁平冷却管５０を引き寄せる。図７に示すように、この引き寄せ力によって、各扁平冷却管５０の間に設けられている蛇腹管６１にＦ₁，Ｆ₂の圧縮力が作用し、蛇腹管６１が積層方向に圧縮される。すると、各扁平冷却管５０の積層方向の間隔が狭くなり、各扁平冷却管５０の表面が各半導体モジュール１０，２０の表面に密着する。すると、半導体モジュール１０，２０と扁平冷却管５０との間の熱伝導が良好となり、扁平冷却管５０によって効果的に半導体モジュール１０，２０を冷却することが出来る。

インバータ装置１００が停止すると、各バスバ１５，１６への通電が無くなり、各放熱板７６，７３に発生していた磁界がなくなるので半導体モジュール１０，２０が積層方向の両側にある扁平冷却管５０を引き寄せる吸引力が無くなる。すると、圧縮されていた蛇腹管６１が積層方向に伸びて、各扁平冷却管５０の積層方向の間隔が広がり、半導体モジュール１０，２０との間にクリアランスが出来る。このため、インバータ装置１００の分解、点検の際に冷却器６０から各半導体モジュール１０，２０を容易に取り外すことが出来る。

以上説明した本実施形態では、各放熱板７６，７３は電磁鋼板で構成されたものとして説明したが、電磁鋼板に限らず、通常の鉄板で構成してもよい。

図８、図９を参照して本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図７を参照して説明した実施形態と同様の部分については同様の符号を付してその説明は省略する。

図８に示すように、本実施形態の半導体モジュール９０は、出力板８１がかぎ形ではなく、平板で構成されており、出力板８１の一方の面に２つの台座７２が設けられ、正極側放熱板７６，負極側放熱板７３はそれぞれ出力板８１と対向して横に並べて配置され、各放熱板７６，７３に設けられた各台座７２で正極側スイッチング素子１１、負極側スイッチング素子１２を出力板８１と各放熱板７６，７３の間に挟みこんでいる。つまり、出力板８１の一方の面の上に正極側スイッチング素子１１、負極側スイッチング素子１２と、各放熱板７６，７３が配置されている。そして、先に説明した実施形態と同様、正極側放熱板７６の周囲には正極側バスバ１５が巻回され、負極側放熱板７３の周囲には、負極側バスバ１６が巻回されている。

図９に示すように、本実施形態のインバータ装置２００が動作すると、先に説明した実施形態と同様、各放熱板７６，７３に巻回された各バスバ１５，１６によって発生する磁界によって各放熱板７６，７３には図９の上方向がＮ、下方向がＳの磁極が発生する。そして、各磁極は半導体モジュール９０の積層方向両側に配置されている扁平冷却管５０の中のフィン５６と引き合い、各扁平冷却管５０を引き寄せる。ただし、本実施形態では、正極側、負極側の各放熱板７６，７３は図９の上側に設けられていることから、半導体モジュール９０は図９の上側の扁平冷却管５０を吸引する力Ｆ₃は大きいが、半導体モジュール９０の下側に配置されている扁平冷却管５０を引き寄せる力Ｆ₄はあまり大きくない。従って、先に図１から図７を参照して説明した実施形態よりも蛇腹管６１を圧縮する力が弱くなるものの、先に説明した実施形態同様、インバータ装置２００が動作すると、半導体モジュール９０が扁平冷却管５０を引き寄せることが出来るので効果的に半導体モジュールを冷却することが出来る。また、本実施形態では、出力板８１が平板で、同一面に各スイッチング素子１１，１２が配置されていることから、半導体モジュール９０の構造が簡便になる。

以上説明したように、各実施形態のインバータ装置１００或いは２００は冷却器６０と半導体モジュール１０，２０，３０或いは９０とを積層したのみで、従来技術のようなフレームやバネのない簡便に構成で効果的に半導体モジュールを冷却することが出来る。

１０，２０，３０，９０ 半導体モジュール、１１，１２，２１，２２，３１，３２ スイッチング素子、１３，１４，２３，２４，３３，３４ ダイオード、１５，２５，３５ 正極側バスバ、１６，２６，３６ 負極側バスバ、１７，２７，２７ 出力線、１７´ 出力端子、１８ 正極側端子、１９ 負極側端子、４０ 昇圧コンバータ、４３ バッテリ、４５ 正極側電路、４６ 負極側電路、４８ モータジェネレータ、５０ 扁平冷却管、５２，５３ ノズル、５４ 上ケーシング、５５ 下ケーシング、５６ フィン、６０ 冷却器、６１ 蛇腹管、６２ 冷媒入口管、６３ 冷媒出口管、７２ 台座
７３ 負極側放熱板、７５，８１ 出力板、７６ 正極側放熱板、７８ 樹脂、１００，２００ インバータ装置。

Claims (4)

1. インバータの正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子とが一体に固定される平板状の半導体モジュールと、内部に冷媒の流れる四角断面の冷却管とを交互に積層したインバータ装置であって、
   前記半導体モジュールは、
   前記正極側スイッチング素子と、少なくとも電磁鋼板からなり、前記正極側スイッチング素子が取り付けられている正極側放熱板と、前記正極側放熱板の周囲にコイル状に巻回されて前記正極側スイッチング素子と正極側端子とを接続する正極側バスバと、
   前記負極側スイッチング素子と、少なくとも電磁鋼板からなり、前記負極側スイッチング素子が取り付けられている負極側放熱板と、前記負極側放熱板の周囲にコイル状に巻回されて前記負極側スイッチング素子と負極側端子とを接続する負極側バスバと、
   を含み、
   前記冷却管は、内部に固定された磁性体を有すること、
   を特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
   半導体モジュールは、
   前記正極側バスバと前記正極側放熱板とが一方の冷却管側に配置され、前記負極側バスバと前記負極側放熱板とが一方の冷却管と対向して前記半導体モジュールを挟み込む他方の冷却管側に配置されていること、
   を特徴とするインバータ装置。
3. 請求項２に記載のインバータ装置であって、
   前記磁性体は、電磁鋼板によって形成されたフィンであること、
   を特徴とするインバータ装置。
4. 請求項２又は３に記載のインバータ装置であって、
   半導体モジュールは、
   前記正極側スイッチング素子と前記負極側スイッチング素子とが接続される共通の出力板を含み、
   前記出力板は、かぎ型に折り曲げられ、前記正極側スイッチング素子は前記出力板の一方の段の一方の面に取り付けられ、負極側スイッチング素子とは前記出力板の他方の段の他方の面に取り付けられていること、
   を特徴とするインバータ装置。

Images