JP2014176154A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュール及びコンデンサモジュールの冷却性能を確保しつつ、コンパクトな電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、半導体モジュール２と、コンデンサモジュール３と、冷却器５と、冷却部材６とを有している。冷却部材６は、サブ冷却面６１と、冷却器５と当接する伝達部６２とを有しており、半導体モジュール２の熱を冷却器５へ伝達可能に構成されている。冷却器５は、半導体冷却面５１１と、コンデンサ冷却面５１２とを有する冷却チューブ５１と、冷却チューブ５１内部に冷却媒体を導入又は排出する一対のパイプ５３とを備えている。冷却チューブ５１において、半導体冷却面５１１とコンデンサ冷却面５１２とは、互いに反対向きとなるように形成されており、半導体モジュール２とコンデンサモジュール３との間に冷却チューブ５１が配されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための冷却器とを備えた電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。特許文献１に示された電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、コンデンサを内蔵したコンデンサモジュールと、半導体モジュール及びコンデンサモジュールを冷却するための冷却器とを備えている。

冷却器は、半導体モジュール及びコンデンサモジュールが接触する冷却面と、内部に冷媒を流通する流路とを有する冷却チューブと、半導体モジュールを挟んで冷却チューブと反対側に配された冷却部材とを備えている。
半導体モジュール及びコンデンサモジュールは、１つの冷却面上に並べて配されている。

冷却部材は、アルミニウム合金等によって形成されており、半導体モジュールと接触する押圧面と、冷却チューブに向かって突出した一対の脚部とを有しており、この一対の脚部は冷却チューブの冷却面と当接している。

特許第３５７８３３５号公報

しかしながら、特許文献１に示された電力変換装置には以下の課題がある。
上記電力変換装置は、上述のごとく、半導体モジュールとコンデンサモジュールとが冷却面上に並べて配されているため、冷却チューブは、冷却面の平面方向において大きくなる。そのため、電力変換装置の大型化につながることとなり、電力変換装置の配置自由度の低下等の問題が生じる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、半導体モジュール及びコンデンサモジュールの冷却性能を確保しつつ、小型化により配置自由度を向上することのできる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールと共に電力変換回路を形成するコンデンサモジュールと、
上記半導体モジュールを冷却するための半導体冷却面と、上記コンデンサモジュールを冷却するためのコンデンサ冷却面とを有する冷却チューブと、該冷却チューブ内部に形成された冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出する一対のパイプとを備えた冷却器と、
上記半導体モジュールにおける上記冷却チューブとの当接面と反対の面に当接するサブ冷却面と、上記冷却チューブと当接する伝達部とを有し、上記半導体モジュールの熱を上記冷却チューブへ伝達する冷却部材とを有しており、
上記冷却チューブは、上記半導体冷却面と上記コンデンサ冷却面とが互いに反対向きとなるように形成されており、上記半導体モジュールと上記コンデンサモジュールとの間に上記冷却チューブが配されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置においては、上記冷却チューブが、互いに反対向きに配された上記半導体冷却面と上記コンデンサ冷却面とを有している。そのため、上記半導体モジュール、上記コンデンサモジュール及び上記冷却チューブが、上記半導体冷却面及び上記コンデンサ冷却面の法線方向に並んで配される。したがって、上記冷却チューブの平面方向における大きさをコンパクトにし、ひいては上記電力変換装置を小型化することができる。

また、表裏に配された上記半導体冷却面及び上記コンデンサ冷却面を用いることにより、上記冷却チューブの小型化をしながら、上記半導体モジュール及び上記コンデンサモジュールとの接触面積を確保することができる。これにより、上記冷却チューブの冷却性能を確保することができる。

以上のごとく、上記電力変換装置によれば、半導体モジュール及びコンデンサモジュールの冷却性能を確保しつつ、その大きさをコンパクトにすることができる。

実施例１における、電力変換装置の断面図。 図１における、II−II矢視断面図。 実施例１における、半導体モジュールを示す説明図。 実施例１における、冷却器を示す説明図。 実施例１における、冷却器の部分断面図。 実施例１における、冷却部材を示す説明図。 図６における、VII矢視図。

上記電力変換装置において、上記冷却部材は、上記半導体モジュールを上記冷却チューブに向かって押圧していてもよい（請求項２）。この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを圧接させるための構造を、上記冷却部材に集約することができる。これにより、上記電力変換装置の部品点数を削減し、構造を簡略化することができる。

また、上記冷却チューブと上記コンデンサモジュールとの間には、熱伝達部材が配されており、上記冷却チューブと上記コンデンサモジュールの重なり方向から見たとき、上記熱伝達部材の外形が、上記コンデンサ冷却面の外形以上の大きさに設定してあってもよい（請求項３）。この場合には、上記熱伝達部材が上記冷却チューブによって冷却されるため、上記熱伝達部材に冷却性能を付与することができる。これにより、冷却範囲を拡大し、上記コンデンサモジュールをより効率よく冷却することができる。

また、上記熱伝達部材は、上記コンデンサモジュールの周囲における少なくとも四方を囲むように形成されていてもよい（請求項４）。この場合には、上記熱伝達部材と上記コンデンサモジュールとの接触面積を増大し、上記熱伝達部材による冷却範囲をより拡大することができる。これにより、上記コンデンサモジュールの冷却効率をさらに向上することができる。

また、上記半導体モジュール、上記コンデンサモジュール及び上記冷却器を収容するケースを有しており、該ケースの内部は、隔壁によって、上記半導体モジュール及び上記冷却器を収容する半導体側収容部と、上記コンデンサモジュールを収容するコンデンサ側収容部とに分割されており、上記隔壁が上記熱伝達部材の少なくとも一部をなしていてもよい（請求項５）。この場合には、上記ケースに、上記電力変換装置の構成部品を収容する機能と、上記熱伝達部材の機能とを集約することができる。これにより、上記電力変換装置の構成をシンプルにすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置にかかる実施例について、図１〜図７を参照して説明する。
図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール２と、半導体モジュール２と共に電力変換回路を形成するコンデンサモジュール３と、半導体モジュール２及びコンデンサモジュール３を冷却するための冷却器５と、半導体モジュール２の熱を冷却チューブ５１へ伝達する冷却部材６とを有している。

図１及び図２に示すごとく、冷却部材６は、半導体モジュール２における冷却チューブ５１との当接面と反対の面に当接するサブ冷却面６１と、冷却器５と当接する伝達部６２とを有しており、半導体モジュール２の熱を冷却器５へ伝達可能に構成されている。

図１及び図２に示すごとく、冷却器５は、半導体モジュール２を冷却する半導体冷却面５１１と、コンデンサモジュール３を冷却するためのコンデンサ冷却面５１２とを有する冷却チューブ５１と、冷却チューブ５１内部に形成された冷媒流路５１４に冷却媒体を導入又は排出する一対のパイプ５３とを備えている。
冷却チューブ５１において、半導体冷却面５１１とコンデンサ冷却面５１２とは、互いに反対向きとなるように形成されており、半導体モジュール２とコンデンサモジュール３との間に冷却チューブ５１が配されている。

以下、さらに詳細に説明する。
本例において、半導体モジュール２と冷却チューブ５１との重なり方向を上下方向Ｚ、パイプ５３の長手方向を前後方向Ｘ、また、上下方向Ｚ及び前後方向Ｘの両方に対して直交する方向を横方向Ｙとして、以下説明する。
また、上下方向Ｚにおいて、半導体モジュール２を配した側を上方とし、反対側を下方とする。また、前後方向Ｘにおいて、パイプ５３が突出する側を前方とし、反対側を後方とする。

図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２及びコンデンサモジュール３と、半導体モジュール２及びコンデンサモジュール３を冷却する冷却器５と、半導体モジュール２を挟んで冷却器５と反対側に配された冷却部材６と、これらを収容するケース７とを有している。

図３に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を６個内蔵してなる。半導体モジュール２は、６個のスイッチング素子を樹脂モールドしてなる平板状の本体部２１と、本体部２１の前方及び後方端面に配された主電極端子２２及び制御端子２３からなる。半導体モジュール２は、平板状の本体部２１における主面の法線方向が上下方向Ｚとなるように、冷却チューブ５１と重ね合わせてある。

図３に示すごとく、主電極端子２２は、本体部２１の前方端から前方に向かって延びる３本の交流端子２２１と、本体部２１の後方端から後方に向かって延びる２本の直流端子２２２とからなる。交流端子２２１は、図示しない端子台上に配され、三相交流回転電気と接続される。直流端子２２２は、バスバー（図示略）と接続されており、バスバーを介して被制御電力が半導体モジュール２に入出力される。

図３に示すごとく、制御端子２３は、本体部２１の前方端部及び後方端部にそれぞれ３組ずつ、計６組配されており、上方に向かって屈曲して形成されている。制御端子２３は、図１及び図２に示すごとく、制御回路基板４と接続されており、スイッチング素子を制御する制御電流が入力される。

図１及び図２に示すごとく、コンデンサモジュール３は、４つのコンデンサ素子３１と、４つのコンデンサ素子３１を一体に固定する樹脂層３２とを有している。本例において、コンデンサ素子３１は、誘電体フィルムの表面に金属被膜を形成した金属化フィルムを巻回してなるフィルムコンデンサ素子である。コンデンサモジュール３は、ケース７のコンデンサ側収容部７０２内にコンデンサ素子３１を配した状態で、樹脂モールドして樹脂層３２を形成することにより、ケース７内に固定されている。

図４及び図５に示すごとく、冷却器５は、半導体モジュール２の下方に配される冷却チューブ５１と、冷却チューブ５１へ冷却媒体を循環させるための冷媒導入管５３１及び冷媒排出管５３２からなる一対のパイプ５３を有している。
冷却チューブ５１は、アルミニウム等の金属によって構成され、その上面は半導体モジュール２を冷却する半導体冷却面５１１をなしており、下面はコンデンサモジュール３を冷却するコンデンサ冷却面５１２をなしている。つまり、半導体冷却面５１１とコンデンサ冷却面５１２とは、互いに反対方向を向くように配されている。

図１及び図２に示すごとく、冷却チューブ５１は、半導体冷却面５１１及びコンデンサ冷却面５１２の法線方向から見たとき、その外形形状は、半導体モジュール２よりも大きく、コンデンサモジュール３よりも小さく設定してある。図５に示すごとく、冷却チューブ５１の内部には、横方向Ｙに延びると共に前後方向Ｘに並んで形成された複数のフィン５１３と、各フィン５１３の間に形成された複数の冷媒流路５１４が形成されている。各冷媒流路５１４は、左右方向の両端において、一対のパイプ５３と冷却チューブ５１とをつなぐ連結部５２と連通している。

図４及び図５に示すごとく、一対のパイプ５３は、円筒状をなしており、その軸方向が半導体冷却面５１１及びコンデンサ冷却面５１２と平行でかつ、前後方向Ｘとなるように配されている。また、一対のパイプ５３は、冷却チューブ５１の前後方向Ｘにおける長さと略同一の長さを有する小径部５３３と、小径部５３３よりも直径の大きい大径部５３４と、小径部５３３と大径部５３４とをつなぐ、テーパ部５３５とを有している。

図５に示すごとく、一対のパイプ５３は、上方から見たとき、横方向Ｙにおける冷却チューブ５１の両端縁よりも内側に配されている。また、一対のパイプ５３は、小径部５３３が冷却チューブ５１の上方に配され、大径部５３４及びテーパ部５３５が、冷却チューブ５１よりも前方側に突出している。

図１、図２、図４及び図５に示すごとく、各パイプ５３は、一対の連結部５２を介して冷却チューブ５１とそれぞれ連結されている。尚、各連結部５２は、筒状をなしており、その内周は、パイプ５３の内周と、冷却チューブ５１の冷媒流路５１４とに連通している。

図２及び図５に示すごとく、冷媒導入管５３１から導入された冷却媒体は、連結部５２を通り、冷却チューブ５１に流入する。そして、冷却チューブ５１の内部の冷媒流路５１４を流通し、冷媒排出管５３２に導かれ排出される。冷却器５内を流通する冷却媒体は半導体モジュール２及び冷却器５の周囲の空気との間で熱交換が行われ、これらを冷却する。冷却媒体としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、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媒を用いることができる。

図６及び図７に示すごとく、冷却チューブ５１と共に半導体モジュール２を挟持する冷却部材６は、アルミニウム合金によって形成された略板状をなしており、半導体モジュール２と当接するサブ冷却面６１と、冷却器５と当接する伝達部６２とを有している。本例において、伝達部６２は、サブ冷却面６１に対してＹ方向の両脇に一対、Ｘ方向と平行に形成されており、一対のパイプ５３とそれぞれ当接している。

図６及び図７に示すごとく、伝達部６２のサブ冷却面６１側において、一対のパイプ５３と対応した位置には、一対のパイプ５３の軸方向に沿って、伝達部６２の前後方向Ｘの全長に、溝状凹面６２１が形成されている。溝状凹面６２１は、パイプ５３の外周側面に沿うように形成された円弧状の断面形状からなる曲面を有しており、溝状凹面６２１がパイプ５３に面接触する。尚、本例においては、伝達部６２を一対のパイプ５３にそれぞれ当接させたが、冷却チューブ５１と当接させてもよい。

図６及び図７に示すごとく、冷却部材６は、半導体モジュール２及び冷却器５の外形よりも外側の位置に形成された６つのボルト挿通穴６３と、上面に突出した６つの基板固定部６４を有している。
６つのボルト挿通穴６３は、冷却部材６の外形から外側に向かって突出して形成された６つの外縁突部６３１に、サブ冷却面６１の法線方向に沿って貫通形成されている。
６つの基板固定部は、上方に突出しており、図１及び図２に示すごとく、制御回路基板４が締結固定されている。

図１及び図２に示すごとく、半導体モジュール２、コンデンサモジュール３、冷却器５及び冷却部材６は、ケース７内に収容されている。ケース７は、半導体モジュール２、コンデンサモジュール３、冷却器５及び冷却部材６を収容するケース本体７１と、ケース本体７１の上部を覆うケース蓋体７５とを有している。

図１及び図２に示すごとく、ケース本体７１は、アルミニウム合金によって形成されており、上方から見て矩形形状を有する底面７２と、底面７２の外周縁全周から上方に向かって立設した壁部７３と、壁部７３の上下方向における略中央位置に配された隔壁７４とを備えている。つまり、ケース本体７１は、隔壁７４によって上下２つに分割されており、上方に配され、半導体モジュール２、冷却器５及び冷却部材６を収容する半導体側収容部７０１と、下方に配され、コンデンサモジュール３を収容するコンデンサ側収容部７０２とを有している。隔壁７４は、上方から見たとき、冷却チューブ５１におけるコンデンサ冷却面５１２の外形よりも大きく、コンデンサモジュール３の外形と略同一の外形からなる。

図１及び図２に示すごとく、半導体側収容部７０１は、隔壁７４と、壁部７３の上端側によって形成されており、壁部７３の上方は開放している。半導体側収容部７０１の内側には、冷却部材６のボルト挿通穴６３と対応した位置に、固定ボルト６５と螺号可能なボルト穴（図示略）が形成されている。

図１及び図２に示すごとく、半導体側収容部７０１に収容された冷却器５は、冷却チューブ５１におけるコンデンサ冷却面５１２が隔壁７４の上面と面接触するように配置されている。また、冷却チューブ５１における半導体冷却面５１１には、半導体モジュール２が配置されている。
図１及び図２に示すごとく、冷却部材６は、サブ冷却面６１を半導体モジュール２の上面に当接させており、冷却チューブ５１と共に半導体モジュール２を挟持している。冷却部材６のボルト挿通穴６３には、固定ボルト６５が挿通されており、この固定ボルト６５を半導体側収容部７０１のボルト穴に螺号することにより、半導体モジュール２を、冷却部材６と冷却チューブ５１とによって挟持、押圧した状態で固定している。

図２に示すごとく、半導体側収容部７０１の前方壁部７３１には、シール部材５４を配した一対のパイプ５３を嵌合する一対のパイプ配置凹部７３２と、一対のパイプ配置凹部７３２の間に貫通形成された交流端子配置孔（図示略）とを有している。また、ケース本体７１の後方壁部７３２には、直流端子配置孔（図示略）が貫通形成されている。
半導体側収容部７０１内に、半導体モジュール２、冷却器５、冷却部材６及び制御回路基板４を配置した後、壁部７３の上端にケース蓋体７５を固定し封止してある。

図１及び図２に示すごとく、ケース７のコンデンサ側収容部７０２には、コンデンサモジュール３が内包されている。コンデンサモジュール３は、コンデンサ側収容部７０２の内側に４つのコンデンサを配置した状態で、コンデンサ側収容部７０２内に樹脂を充填し樹脂モールドすることで形成、固定されている。

本例において、コンデンサ側収容部７０２を形成する底部７２、壁部７３及び隔壁７４によって熱伝達部材８が形成されている。したがって、熱伝達部材８は、コンデンサモジュール３の周囲を囲むように形成されており、冷却チューブ５１とコンデンサモジュール３とが、隔壁７４を介して熱的に接触している。

次に、本例の作用効果について説明する。
電力変換装置１においては、冷却チューブ５１が、互いに反対向きに配された半導体冷却面５１１とコンデンサ冷却面５１２とを有している。そのため、半導体モジュール２、コンデンサモジュール３及び冷却チューブ５１が、半導体冷却面５１１及びコンデンサ冷却面５１２の法線方向に並んで配される。したがって、冷却チューブ５１の平面方向における大きさをコンパクトにし、ひいては電力変換装置１を小型化することができる。

また、表裏に配された半導体冷却面５１１及びコンデンサ冷却面５１２を用いることにより、冷却チューブ５１の小型化をしながら、半導体モジュール２及びコンデンサモジュール３との接触面積を確保することができる。これにより、冷却チューブ５１の冷却性能を確保することができる。

また、冷却部材６は、半導体モジュール２を冷却チューブ５１に向かって押圧している。そのため、半導体モジュール２と冷却チューブ５１とを圧接させるための構造を、冷却部材６に集約することができる。これにより、電力変換装置１の部品点数を削減し、構造を簡略化することができる。

また、冷却チューブ５１とコンデンサモジュール３との間には、熱伝達部材８が配されており、冷却チューブ５１とコンデンサモジュール３の重なり方向から見たとき、熱伝達部材８の外形が、コンデンサ冷却面５１２の外形以上の大きさに設定してある。熱伝達部材は、冷却チューブ５１によって冷却されるため、熱伝達部材に冷却性能が付与される。これにより、冷却範囲を拡大し、コンデンサモジュール３をより効率よく冷却することができる。

また、熱伝達部材８は、コンデンサモジュール３の周囲における四方を囲むように形成されている。そのため、熱伝達部材８とコンデンサモジュール３との接触面積を増大し、熱伝達部材８による冷却範囲をより拡大することができる。これにより、コンデンサモジュール３の冷却効率をさらに向上することができる。

また、半導体モジュール２、コンデンサモジュール３及び冷却器５を収容するケース７を有しており、該ケース７の内部は、隔壁７４によって、半導体モジュール２及び冷却器５を収容する半導体側収容部７０１と、コンデンサモジュール３を収容するコンデンサ側収容部７０２とに分割されており、隔壁７４が熱伝達部材８の一部をなしている。そのため、ケース７に、電力変換装置１の構成部品を収容する機能と、熱伝達部材の機能とを集約することができる。これにより、電力変換装置１の構成をシンプルにすることができる。

以上のごとく、本例の電力変換装置１によれば、半導体モジュール２及びコンデンサモジュール３の冷却性能を確保しつつ、その大きさをコンパクトにすることができる。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
３ コンデンサモジュール
５ 冷却器
５１ 冷却チューブ
５１１ 半導体冷却面
５１２ コンデンサ冷却面
５１４ 冷媒流路
５３ パイプ
６ 冷却部材
６１ サブ冷却面
６２ 伝達部

Claims (5)

1. スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、
   該半導体モジュール（２）と共に電力変換回路を形成するコンデンサモジュール（３）と、
   上記半導体モジュール（２）を冷却するための半導体冷却面（５１１）と、上記コンデンサモジュール（３）を冷却するためのコンデンサ冷却面（５１２）とを有する冷却チューブ（５１）と、該冷却チューブ（５１）内部に形成された冷媒流路（５１４）に冷却媒体を導入又は排出する一対のパイプ（５３）とを備えた冷却器（５）と、
   上記半導体モジュール（２）における上記冷却チューブ（５１）との当接面と反対の面に当接するサブ冷却面（６１）と、上記冷却器（５）と当接する伝達部（６２）とを有し、上記半導体モジュール（２）の熱を上記冷却チューブ（５１）へ伝達する冷却部材（６）とを有しており、
   上記冷却チューブ（５１）は、上記半導体冷却面（５１１）と上記コンデンサ冷却面（５１２）とが互いに反対向きとなるように形成されており、上記半導体モジュール（２）と上記コンデンサモジュール（３）との間に上記冷却チューブ（５１）が配されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記冷却部材（６）は、上記半導体モジュール（２）を上記冷却チューブ（５１）に向かって押圧していることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）において、上記冷却チューブ（５１）と上記コンデンサモジュール（３）との間には、熱伝達部材（８）が配されており、上記冷却チューブ（５１）と上記コンデンサモジュール（３）の重なり方向から見たとき、上記熱伝達部材（８）の外形が、上記コンデンサ冷却面（５１２）の外形以上の大きさに設定してあることを特徴とする電力変換装置（１）。
4. 請求項３に記載の電力変換装置（１）において、上記熱伝達部材（８）は、上記コンデンサモジュール（３）の周囲における少なくとも四方を囲むように形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
5. 請求項３又は４に記載の電力変換装置（１）において、上記半導体モジュール（２）、上記コンデンサモジュール（３）及び上記冷却器（５）を収容するケース（７）を有しており、該ケース（７）の内部は、隔壁（７４）によって、上記半導体モジュール（２）及び上記冷却器（５）を収容する半導体側収容部（７０１）と、上記コンデンサモジュール（３）を収容するコンデンサ側収容部（７０２）とに分割されており、上記隔壁（７４）が上記熱伝達部材（８）の一部をなしていることを特徴とする電力変換装置（１）。

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