JP2013013255A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換装置は、冷却流路10を形成する筐体1と、冷却流路10内に配置されて冷媒との間で熱交換を行う放熱フィン群33を有しているパワーモジュール3を備え、パワーモジュール3は、半導体素子を収容する筒部31と、筒部31の開口に形成されるフランジ部32とを有し、筒部31は対向配置される1対の側板31aを有し、1対の側板31aのそれぞれには、フランジ部32に対して所定長さの隙間16を介して放熱フィン群33が冷却流路10に突出するように立設されており、筒部31の1対の側板31aのそれぞれに立設される放熱フィン群33とフランジ部32との間の隙間16に配置されて、冷媒を放熱フィン群33へと導く少なくとも1対の邪魔板13が、筐体1からパワーモジュール3の筒部31の側板31a側に向かって突出するように設けられていることを特徴とする。
【選択図】図14
Description
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の電力変換装置において、少なくとも1対の流路制御部材が放熱フィン群の上流側に設けられていることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の電力変換装置において、放熱フィン群は、半導体素子の位置に対応して設けられていることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の電力変換装置において、複数の半導体素子の位置に対応するように、放熱フィン群が冷媒の流れ方向に沿って複数の分割フィン群に分かれて配置され、少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第2流路制御部材とを含んで構成され、第1流路制御部材は放熱フィン群の上流側に設けられ、第2流路制御部材は複数の分割フィン群同士の間に設けられ、筒部を流路形成体の開口部から挿入したときに第2流路制御部材が分割フィン群同士の間を挿通可能とされていることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項3に記載の電力変換装置において、半導体素子は、冷媒の流れ方向に沿って複数配置され、少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第2流路制御部材とを含んで構成され、第1流路制御部材は放熱フィン群の上流側に設けられ、第2流路制御部材は複数の半導体素子同士の間に設けられ、複数のピンフィン同士の間隙を挿通可能な大きさに形成されていることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項2ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置において、少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第3流路制御部材とを含んで構成され、第1流路制御部材は放熱フィン群の上流側に設けられ、第3流路制御部材は放熱フィン群の下流側に設けられていることを特徴とする。
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の電力変換装置において、放熱フィン群が冷媒の流れ方向に沿って第1分割フィン群と第2分割フィン群とに分かれて配置され、少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第2流路制御部材と1対の第3流路制御部材とを含んで構成され、第1流路制御部材は第1分割フィン群の上流側に設けられ、第2流路制御部材は第1分割フィン群と第2分割フィン群との間に設けられ、第3流路制御部材は第2分割フィン群の下流側に設けられ、筒部を流路形成体の開口部から挿入したときに第2流路制御部材が第1分割フィン群と第2分割フィン群との間を挿通可能とされていることを特徴とする。
請求項8に係る発明は、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の電力変換装置において、少なくとも1対の流路制御部材は、上流側に冷媒を放熱フィン群に案内するテーパ面が設けられていることを特徴とする。
請求項9に係る発明は、請求項1ないし8のいずれか1項に記載の電力変換装置において、筒部の下端面と放熱フィン群との間の筒部下部が挿入される凹部を有していることを特徴とする。
請求項10に係る発明は、半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換するインバータ回路を有する電力変換装置において、冷媒が流れる冷却流路が形成された流路形成体と、冷媒との間で熱交換を行う放熱フィン群が突設された筒部に半導体素子を内蔵し、冷却流路に筒部を挿入した状態でフランジ部で流路形成体に固定されるパワーモジュールと、冷媒の流れ方向に直交する流路断面において放熱フィン群とフランジ部との間に形成される隙間流路への冷媒の流入を阻止する突部が流路形成体に設けられていることを特徴とする電力変換装置である。
請求項11に係る発明は、請求項10の電力変換装置において、突部は少なくとも冷却流路の入口側に設けられていることを特徴とする電力変換装置である。
請求項12に係る発明は、請求項11の電力変換装置において、突部は冷却流路の出口側にも設けられていることを特徴とする電力変換装置である。
請求項13に係る発明は、請求項11または12の電力変換装置において、パワーモジュールには、複数の半導体素子を有する半導体素子グループがN組(ただしN≧2)収容され、放熱フィン群は、冷媒の流れ方向に所定間隔をあけて配置された第1の分割フィン群〜第Nの分割フィン群に分割され、N個の分割フィン群のそれぞれはN組の半導体素子グループのそれぞれと対向配置され、N個の分割フィン群の間に対応する隙間流路にも突部が設けられていることを特徴とする電力変換装置である。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図1は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。エンジンEGNおよびモータジェネレータMG1、モータジェネレータMG2は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータMG1およびモータジェネレータMG2は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータMG1あるいはモータジェネレータMG2に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。
(1)筒部31を構成する1対の側板31aのそれぞれには、フランジ部32に対して所定長さzの隙間16を介して放熱フィン群33が立設され、この隙間16に冷媒を放熱フィン群33へと導く邪魔板13a,13bが設けられている。これにより、放熱フィン群33を迂回する流れを抑制して、放熱フィン群33に流れる冷媒の流量を増やし、冷媒の流速を上げることができるため、パワーモジュール3の冷却能力を向上できる。その結果、冷媒を冷却する冷却装置(不図示)とパワーモジュール3の小型化を図ることができるため、電力変換装置全体の小型化を図ることができる。
図15を参照して、第2の実施の形態について説明する。図15は、図14(a)のピンフィン34の代わりに、複数の平板フィン35を設けた場合の実施形態を示す図である。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。図15に示すように、平板フィン35は、上流側と下流側とに分割されている。平板フィン35を設けた場合、ピンフィン34とは異なり一度フィン間に入った冷媒は隙間16に流れ込まない。したがって、上流部用邪魔板13aをパワーモジュール収容部15に設けることで、放熱フィン群33を迂回して流れるバイパス流を防止して、パワーモジュールの冷却能力の向上を図ることができる。なお、電力変換装置の要求仕様によっては、平板フィン35では冷却性能が足りない場合もあるため、状況に応じてフィンの形状は使い分けられる。第2の実施の形態では、上流部用邪魔板13aだけでなく、中間部用邪魔板13bおよび下流部用邪魔板13cも設けられているため、種々のフィン形状を有するパワーモジュール(たとえば、図14(a)のパワーモジュール3)がパワーモジュール収容部15に収容された場合であっても、バイパス流を防止して、冷却能力の向上を図ることができる。
図16を参照して、第3の実施の形態について説明する。図16は、図14(a)のピンフィン34の代わりに、平板フィン36を設けた場合の実施形態を示す図である。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。ここで、平板フィン36は上流側と下流側とで分割されていない。この平板フィン36を用いれば、ピンフィン34を設けた場合(図14(a)参照)とは異なり一度フィン間に入った冷媒は隙間16に流れ込まない。第3の実施の形態では、上流部用邪魔板13dがフィン群の上流側に設けられ、下流部用邪魔板13eがフィン群の下流側に設けられている。
図17を参照して、第4の実施の形態について説明する。図17は、ピンフィン34が碁盤目状に配列されてなる放熱フィン群33gを採用した場合の実施形態を示す図である。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本構造であれば、図14(a)の放熱フィン群33と比べて熱伝達率は若干下がるが、その分圧力損失を低減できるメリットがある。ピンフィン34が碁盤目状に配列されている場合、隣り合うピンフィン34同士の間に、ピンフィン34同士の隙間よりも寸法が短い厚さに設定された中間部用邪魔板13bが配置されている。
図18を参照して、第5の実施の形態について説明する。図18は邪魔板13と各チップレイアウトの位置関係を示す一覧表である。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。第1〜第4の実施の形態では、上下アーム直列回路150を金属ケース30内に収容した2in1のパッケージングのパワーモジュール3であって、半導体素子(IGBT328,330およびダイオード156,166)が2行2列にレイアウトされたパワーモジュール3を例に説明をした(図18の(c2))。ここでは、IGBT(I)およびダイオード(D)のみからなる単一アーム回路である1in1のパッケージングのパワーモジュールや、3相インバータ回路140を構成する6in1のパッケージングのパワーモジュールも含めて説明する。
(1)放熱フィンは、ピン形状や平板形状のものを採用する場合に限定されることなく、種々の形状を採用できる。フィンの形状や個数は、要求される冷却性能や圧力損失から決定される。
Claims (13)
- 半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換装置であって、
冷媒が流れる冷却流路が形成され、前記冷却流路と連通する開口部が形成された流路形成体と、
前記冷却流路内に配置されて前記冷却流路内を流れる冷媒との間で熱交換を行う放熱フィン群を有しているパワーモジュールとを備え、
前記パワーモジュールは、
複数の半導体素子を収容し、前記流路形成体の開口部から前記冷媒の流れ方向と交差するように挿入される筒部と、
前記筒部の開口に形成されて前記流路形成体の開口部を塞ぐように前記流路形成体に固定されるフランジ部とを有し、
前記筒部は対向配置される1対の側板を有し、前記1対の側板のそれぞれには、前記フランジ部に対して所定長さの隙間を介して放熱フィン群が前記冷却流路に突出するように立設されており、
前記筒部の1対の側板のそれぞれに立設される前記放熱フィン群と前記フランジ部との間の前記隙間に配置されて、前記冷媒を前記放熱フィン群へと導く少なくとも1対の流路制御部材が、前記流路形成体から前記パワーモジュールの筒部の側板側に向かって突出するように設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記少なくとも1対の流路制御部材が前記放熱フィン群の上流側に設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置において、
前記放熱フィン群は、前記半導体素子の位置に対応して設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3に記載の電力変換装置において、
前記複数の半導体素子の位置に対応するように、前記放熱フィン群が冷媒の流れ方向に沿って複数の分割フィン群に分かれて配置され、
前記少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第2流路制御部材とを含んで構成され、
前記第1流路制御部材は前記放熱フィン群の上流側に設けられ、
前記第2流路制御部材は前記複数の分割フィン群同士の間に設けられ、前記筒部を前記流路形成体の開口部から挿入したときに前記第2流路制御部材が前記分割フィン群同士の間を挿通可能とされていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3に記載の電力変換装置において、
前記半導体素子は、冷媒の流れ方向に沿って複数配置され、
前記少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第2流路制御部材とを含んで構成され、
前記第1流路制御部材は前記放熱フィン群の上流側に設けられ、
前記第2流路制御部材は前記複数の半導体素子同士の間に設けられ、前記複数のピンフィン同士の間隙を挿通可能な大きさに形成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2ないし5のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第3流路制御部材とを含んで構成され、
前記第1流路制御部材は前記放熱フィン群の上流側に設けられ、
前記第3流路制御部材は前記放熱フィン群の下流側に設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項6に記載の電力変換装置において、
前記放熱フィン群が前記冷媒の流れ方向に沿って第1分割フィン群と第2分割フィン群とに分かれて配置され、
前記少なくとも1対の流路制御部材は、1対の第1流路制御部材と1対の第2流路制御部材と1対の第3流路制御部材とを含んで構成され、
前記第1流路制御部材は前記第1分割フィン群の上流側に設けられ、
前記第2流路制御部材は前記第1分割フィン群と前記第2分割フィン群との間に設けられ、
前記第3流路制御部材は前記第2分割フィン群の下流側に設けられ、
前記筒部を前記流路形成体の開口部から挿入したときに前記第2流路制御部材が前記第1分割フィン群と前記第2分割フィン群との間を挿通可能とされていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記少なくとも1対の流路制御部材は、上流側に前記冷媒を前記放熱フィン群に案内するテーパ面が設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記筒部の下端面と前記放熱フィン群との間の筒部下部が挿入される凹部を有していることを特徴とする電力変換装置。 - 半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換するインバータ回路を有する電力変換装置において、
冷媒が流れる冷却流路が形成された流路形成体と、
前記冷媒との間で熱交換を行う放熱フィン群が突設された筒部に前記半導体素子を内蔵し、前記冷却流路に前記筒部を挿入した状態でフランジ部で前記流路形成体に固定されるパワーモジュールと、
前記冷媒の流れ方向に直交する流路断面において前記放熱フィン群と前記フランジ部との間に形成される隙間流路への前記冷媒の流入を阻止する突部が前記流路形成体に設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項10の電力変換装置において、
前記突部は少なくとも前記冷却流路の入口側に設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項11の電力変換装置において、
前記突部は前記冷却流路の出口側にも設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項11または12の電力変換装置において、
前記パワーモジュールには、複数の半導体素子を有する半導体素子グループがN組(ただしN≧2)収容され、
前記放熱フィン群は、前記冷媒の流れ方向に所定間隔をあけて配置された第1の分割フィン群〜第Nの分割フィン群に分割され、
N個の分割フィン群のそれぞれは前記N組の半導体素子グループのそれぞれと対向配置され、
前記N個の分割フィン群の間に対応する隙間流路にも前記突部が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
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