JP2015065759A - コンデンサ冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサを効率的に冷却することができるコンデンサ冷却構造を提供する。【解決手段】コンデンサ冷却構造は、Ｙコンデンサ及び平滑コンデンサ５０１を一体に組み込んで樹脂モールドしたインバータ用コンデンサモジュール５０と、前記Ｙコンデンサのグランド端子が直接接続される冷媒流路形成部材とを備える。冷媒流路形成部材は駆動ユニットのケース７０であり、コンデンサのグランド端子は金属板により形成され、コンデンサモジュールの平滑コンデンサの上面を覆う。【選択図】図２

Description

本開示は、コンデンサ冷却構造に関する。

従来から、スイッチング素子モジュールと制御基板との間に、インバータの入力電源を平滑する平滑コンデンサが配置されるハイブリッド駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このハイブリッド駆動装置では、平滑コンデンサは、スイッチング素子モジュールが固定されたインバータケースに支持ブラケットを介して支持されている。

特開2009-201218号公報

ところで、インバータの小型化・低コスト化・高出力化を図るためには、コンデンサの小型化が重要となる。しかしながら、上記の特許文献１に記載の構成のように、自然放熱を前提としたコンデンサでは、高出力化を図る場合に、発熱密度を下げるためにコンデンサが大型化するという問題がある。また、上記の特許文献１に記載の構成では、インバータケースにて制御ユニット（インバータ搭載領域）と駆動ユニットと熱的に分離しているが、かかるインバータケースを無くす場合には、更にコンデンサに関わる熱環境が問題となる。

そこで、本開示は、コンデンサを効率的に冷却することができるコンデンサ冷却構造の提供を目的とする。

本開示の一局面によれば、Ｙコンデンサ及び平滑コンデンサを一体に組み込んで樹脂モールドしたインバータ用コンデンサモジュールと、
前記Ｙコンデンサのグランド端子が直接接続される冷媒流路形成部材とを備える、コンデンサ冷却構造が提供される。

本開示によれば、コンデンサを効率的に冷却することができるコンデンサ冷却構造が得られる。

一実施例による半導体装置１の冷却構造部分を示す斜視図である。 半導体装置１とコンデンサ冷却構造２の断面図である。 一例によるコンデンサモジュール５０の単品状態を示す図である。 コンデンサモジュール５０の電気回路図である。 他の一例によるコンデンサモジュール５０Ａの単品状態を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

図１は、一実施例による半導体装置１の冷却構造部分を示す斜視図である。図２は、半導体装置１とコンデンサ冷却構造２の断面図である。尚、図１においては、冷媒流路部７２０を見えるようにするための便宜上、図２に示されるヒートシンク４０よりも上側に位置する構成要素については図示が省略されている。また、図１においては、複雑化を防止するための便宜上、ケース７０の一部の図示は省略されている。

尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、図１のＺ方向の上側を上方とする。以下では、半導体装置１は、ハイブリッド車又は電気自動車で使用されるモータ駆動用のインバータであるとして説明する。

ここでは、先ず、半導体装置１の概略構成と半導体装置１の冷却構造部分について概説する。

半導体装置１は、図２に示すように、ヒートシンク４０と、インバータ用コンデンサモジュール５０（以下、単に「コンデンサモジュール５０」と称する）と、ケース７０と、バスバモジュール８０と、制御基板９０とを含む。

ヒートシンク４０は、熱伝導性の良い材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成される。ヒートシンク４０は、上面側に半導体チップ（図示せず）が設けられる。尚、図２に示す断面図では、断面の位置に起因して、半導体チップ等が示されていない。例えば、半導体チップは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）からなる半導体チップと、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）からなる半導体チップとを含んでよい。半導体チップは、銅、アルミなどの熱拡散性の優れた金属から形成されるヒートスプレッダ、及び、絶縁層を介して、ヒートシンク４０上に設けられてよい。

ヒートシンク４０は、下面側にフィン４２を備える。フィン４２の数や配列態様は任意である。フィン４２は、千鳥配置されるピンフィンであってもよいし、ストレートフィンであってもよい。尚、ヒートシンク４０は、２つ以上の部材で構成されてもよい。例えば、ヒートシンク４０は、第１の金属板と、フィンを備えた第２の金属板とを結合して構成されてもよい。

ケース７０は、駆動ユニット（例えば遊星歯車機構やモータ等）のケースであり、例えばアルミの鋳造により形成される。即ち、本例では、インバータ用ケースは省略される。ケース７０は、ヒートシンク４０と協動して冷媒流路部７２０を形成する。ケース７０は、冷媒流路部７２０を画成する凹部を備え、凹部がヒートシンク４０の下面側（フィン４２）に対向する。尚、ヒートシンク４０は、ボルト６０によりケース７０に固定（共締め）されてよい。

冷媒流路部７２０内の冷媒の流れ方は任意である。図１に示す例では、冷媒流路部７２０は、第１チャンバ７２１Ａと、第２チャンバ７２１Ｂと、フィン対向部７２２とを含む。第１チャンバ７２１Ａ及び第２チャンバ７２１Ｂは、図１に示すように、Ｙ方向に直線的に延在する。第１チャンバ７２１Ａ及び第２チャンバ７２１Ｂは、Ｙ方向で冷媒流路部７２０の両端間に延在する。第１チャンバ７２１Ａは、Ｘ方向で冷媒流路部７２０の一端側に形成され、第２チャンバ７２１Ｂは、Ｘ方向で冷媒流路部７２０の他端側に形成される。冷却水（例えば、ＬＬＣ：ロング・ライフ・クーラント）や冷却油のような冷媒は、第２チャンバ７２１ＢにおけるＹ方向の一端側の冷媒入口から導入され（図１の矢印Ｐ１参照）、フィン対向部７２２上をＸ方向に流れ（図１の矢印Ｐ２参照）、第１チャンバ７２１ＡにおけるＹ方向の他端側の冷媒出口から排出される（図１の矢印Ｐ３参照）。尚、冷媒は、フィン対向部７２２上をＸ方向に流れる際、フィン４２と接触する。このようにして、半導体装置１の駆動時に生じる半導体チップからの熱は、ヒートシンク４０のフィン４２から冷媒へと伝達され、半導体装置１の冷却が実現される。

バスバモジュール８０は、半導体チップを外部のモータ（図示せず）や電源（図示せず）に接続するために設けられる。

制御基板９０は、半導体チップを制御するためのハードウェア構成（例えばマイコン）を含んでよい。制御基板９０は、半導体チップと通信可能に接続される。例えば、制御基板９０は、ゲート信号を生成して、ＩＧＢＴからなる半導体チップを駆動する。

次に、コンデンサ冷却構造２について説明する。

コンデンサ冷却構造２は、コンデンサモジュール５０を冷却する構造である。コンデンサ冷却構造２は、コンデンサモジュール５０と、ケース７０とを含む。

図３は、一例によるコンデンサモジュール５０の単品状態を示す図であり、（Ａ）は、斜視図であり、（Ｂ）は、上面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）におけるラインＣ−Ｃに沿った断面図である。図４は、コンデンサモジュール５０の電気回路図である。

コンデンサモジュール５０は、Ｙコンデンサ５４及び平滑コンデンサ５０１を一体に組み込んで樹脂モールドして形成される。Ｙコンデンサ５４は、図４に示すように、２つのコンデンサを備え、各コンデンサは、電源の正極側に接続されるＰ端子５６ｐと、電源の負極側に接続されるＮ端子５６ｎとを、それぞれグランドに接続する。即ち、Ｙコンデンサ５４の一方のコンデンサは、Ｐ端子５６ｐとグランド端子５５ａとの間に接続され、Ｙコンデンサ５４の他方のコンデンサは、Ｎ端子５６ｎとグランド端子５５ｂとの間に接続される。尚、Ｙコンデンサ５４は、図４に示すように、配線がＹ字型になるためＹコンデンサと称される。Ｙコンデンサ５４は、ノイズ対策用に設けられる。平滑コンデンサ５０１は、Ｐ端子５６ｐとＮ端子５６ｎとの間に設けられる。平滑コンデンサ５０１の正極側の端子５８は、インバータの正極側に接続され、平滑コンデンサ５０１の負極側の端子５９は、インバータの正極側に接続される。なお、図４に示す例では、平滑コンデンサ５０１の正極側の端子５８の数は２つであり、平滑コンデンサ５０１の負極側の端子５９の数は４つであるが、これらの数は任意である。

Ｙコンデンサ５４及び平滑コンデンサ５０１は、図３に示すように、コンデンサモジュール５０のハウジング５００内に収容される。図３に示す例では、Ｘ方向で左側に４つの平滑コンデンサ５０１がＹ方向に配列されると共に、Ｘ方向で右側に４つの平滑コンデンサ５０１がＹ方向に配列される。即ち、平滑コンデンサ５０１は、Ｙ方向に２列で配置されている。また、図３に示す例では、Ｙコンデンサ５４は、平滑コンデンサ５０１よりも小型であり、Ｙ方向の一番端に配置される平滑コンデンサ５０１に隣接して配置されている。但し、平滑コンデンサ５０１の数、及び、Ｙコンデンサ５４及び平滑コンデンサ５０１の配置態様は任意であってよい。尚、図３には、Ｙコンデンサ５４の１つは、隠れて見えていない。図３には、図示されていないが、ハウジング５００内には、樹脂が充填される。

コンデンサモジュール５０の各端子は、図３に示すように、バスバ（金属板）により形成され、バスバの端部がハウジング５００の上側の開口から露出する。図３に示す例では、Ｙコンデンサ５４のグランド端子５５ａ、５５ｂは、バスバ（金属板）５１０，５２０により形成される。バスバ５１０，５２０は、好ましくは、平滑コンデンサ５０１の上方を延在し、または、平滑コンデンサ５０１の端子５８，５９を形成するバスバ５３０に近接して配置される。

コンデンサモジュール５０は、図２に示すように、ケース７０内に配置される。即ち、ケース７０は、冷媒流路部７２０の下方にコンデンサモジュール５０を収容するための空間７２を備える。尚、空間７２は、図２に示すように、駆動ユニット（例えば遊星歯車機構やモータ等）を収容するための空間７４に隣接して形成されてもよい。コンデンサモジュール５０は、図２に示すように、ケース７０にボルト６２，６４により締結されてもよい。

コンデンサモジュール５０のバスバ５１０，５２０は、ケース７０にボルト６２により締結される。これにより、Ｙコンデンサ５４のグランドが取られる。尚、ボルト６２は、コンデンサモジュール５０のケース７０に対する固定機能も果たしてよい。尚、ボルト６２に代えて、熱伝導性の良い材料から形成される他の締結具が使用されてもよい。図２には、バスバ５１０がケース７０にボルト６２で締結されている部分の断面が示されているが、バスバ５２０についても同様にケース７０に締結されてよい。

バスバ５１０，５２０の締結位置は、好ましくは、バスバ５１０，５２０を介した効率的な熱伝導を実現するように、冷媒流路部７２０の近傍に設定される。例えば、図２に示すように、バスバ５１０，５２０の締結位置が冷媒流路部７２０のＸ方向の側方に設定される場合、バスバ５１０，５２０の締結位置は、好ましくは、冷媒流路部７２０の範囲に対してＹ方向でオーバーラップする位置に設定される。

尚、図２に示す例では、バスバ５１０，５２０の締結位置は、冷媒流路部７２０のＸ方向の側方に設定されているが、バスバ５１０，５２０の締結位置は、冷媒流路部７２０のＹ方向の側方に設定されてもよい。この場合、バスバ５１０，５２０の締結位置は、好ましくは、冷媒流路部７２０の範囲に対してＸ方向でオーバーラップする位置に設定される。また、バスバ５１０，５２０の締結位置は、冷媒流路部７２０の下方側（又は上方側）に設定されてもよい。この場合、バスバ５１０，５２０の締結位置は、好ましくは、冷媒流路部７２０の範囲に対してＺ方向で対向する位置に設定される。

本実施例によれば、バスバ５１０，５２０が、冷媒流路部７２０を形成するケース７０に直接接続されるので、コンデンサモジュール５０の冷却は、バスバ５１０，５２０を介して効率的に実現される。具体的には、コンデンサモジュール５０で発生する熱は、先ず、バスバ５１０，５２０に伝達される。バスバ５１０，５２０に伝達された熱は、バスバ５１０，５２０の締結部（ボルト６２）を介してケース７０に直接伝達される。ケース７０に伝達された熱は、冷媒流路部７２０を通る冷媒へと伝達され、コンデンサモジュール５０の冷却が実現される。このようにして、コンデンサモジュール５０を冷媒流路部７２０を通る冷媒により冷却することにより、自然放熱を前提とする構成に比べて、コンデンサ冷却構造２の冷却能力を高めることができる。

また、本実施例では、バスバ５１０，５２０に伝達される熱は、Ｙコンデンサ５４で発生する熱のみならず、平滑コンデンサ５０１で発生する熱をも含む。これは、バスバ５１０，５２０は、平滑コンデンサ５０１の近傍に又は平滑コンデンサ５０１のバスバ５３０の近傍に存在するためである。従って、本実施例によれば、Ｙコンデンサ５４及び平滑コンデンサ５０１の双方を効率的に冷却することができる。この点、バスバ５１０，５２０への平滑コンデンサ５０１からの熱の効率的な伝達を実現すべく、バスバ５１０，５２０とバスバ５３０とは、熱伝導性の良好な絶縁材料（充填する樹脂ではない別の材料）を介して接続されてもよい。

ところで、本実施例のように、冷媒流路部７２０を形成するケース７０が駆動ユニットのケースを兼ねている場合は、冷媒流路部７２０を形成するために別にインバータケースを設ける構成に比べて、部品点数の低減や小型化等を図ることができる。しかしながら、その反面、本実施例では、インバータケースによる断熱効果が得られず、コンデンサモジュール５０が駆動ユニットからの熱を受け易くなる構造となる。しかしながら、本実施例によれば、上述の如く、コンデンサ冷却構造２の冷却能力が高いため、ケース７０が駆動ユニットのケースを兼ねている場合でも、コンデンサモジュール５０を適切に冷却することができる。

図５は、他の一例によるコンデンサモジュール５０Ａの単品状態を示す図であり、（Ａ）は、斜視図であり、（Ｂ）は、上面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）におけるラインＣ−Ｃに沿った断面図である。

図５に示すコンデンサモジュール５０Ａは、図３に示した例によるコンデンサモジュール５０に対して、コンデンサモジュール５０のバスバ５１０，５２０が、バスバ５１０Ａ，５２０Ａに置き換えられた点が主に異なる。他の構成は同様であってよい。

バスバ５１０Ａは、図５（Ｂ）に示すように、Ｘ方向で左側に配列された全ての平滑コンデンサ５０１の上方に延在する。図５に示す例では、バスバ５１０Ａは、ハウジング５００の端部から端部までＹ方向に延在する。また、バスバ５１０Ａは、バスバ５１０よりもＸ方向で広幅に形成される。これにより、バスバ５１０Ａは、Ｘ方向で左側に配列された全ての平滑コンデンサ５０１からの熱を効率的に受け取ることができる。これにより、平滑コンデンサ５０１の冷却能力を更に高めることができる。

また、バスバ５１０Ａは、図５（Ｂ）に示すように、Ｘ方向で左側に配列された平滑コンデンサ５０１の側面を覆う部位５１１を有する。これにより、平滑コンデンサ５０１からの熱を平滑コンデンサ５０１の側方からも受け取ることができると共に、ハウジング５００の断熱性を高めることができる。尚、バスバ５１０Ａは、平滑コンデンサ５０１のＹ方向の側面や下面を覆う部位を備えてもよい。

バスバ５２０Ａは、図５（Ｂ）に示すように、Ｘ方向で右側に配列された全ての平滑コンデンサ５０１の上方に延在する。図５に示す例では、バスバ５２０Ａは、ハウジング５００の端部から端部までＹ方向に延在する。また、バスバ５２０Ａは、Ｘ方向で右側に配列された平滑コンデンサ５０１の幅（Ｘ方向の幅）に対応したＸ方向の幅を有する。これにより、バスバ５２０Ａは、Ｘ方向で右側に配列された全ての平滑コンデンサ５０１からの熱を効率的に受け取ることができる。

また、バスバ５２０Ａは、図５（Ｃ）に示すように、Ｘ方向で右側に配列された平滑コンデンサ５０１の側面を覆う部位５２１を有する。これにより、平滑コンデンサ５０１からの熱を平滑コンデンサ５０１の側方からも受け取ることができると共に、ハウジング５００の断熱性を高めることができる。特に、図２に示す例では、コンデンサモジュール５０ＡのＸ方向で右側に駆動ユニットが設けられるので、かかる駆動ユニットからの熱に対して断熱性を高めることが有効となる。尚、バスバ５２０Ａは、平滑コンデンサ５０１のＹ方向の側面や下面を覆う部位を備えてもよい。

尚、図３に示した例と図５に示した例とは組み合わせることも可能である。例えば、バスバ５１０とバスバ５２０Ａとを組み合わせて使用してもよい。

以上説明した本実施例のコンデンサ冷却構造２によれば、とりわけ、以下のような優れた効果が奏される。

上述の如く、バスバ５１０，５２０（バスバ５１０Ａ，５２０Ａ）が、冷媒流路部７２０を形成するケース７０に直接接続されるので、冷却能力を高めることができる。この結果、出力を維持しつつ又は出力を高めつつ平滑コンデンサ５０１の小型化を図ることが可能となる。また、冷却能力が高いことによって、インバータケースを廃止し、部品点数の低減やインバータの小型化を図ることも可能となる。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、本実施例では、好ましい実施例として、バスバ５１０，５２０の双方が冷媒流路部７２０を形成するケース７０に直接接続されているが、バスバ５１０，５２０の一方のみがケース７０に直接接続されてもよい。また、本実施例では、好ましい実施例として、バスバ５１０，５２０の双方が冷媒流路部７２０の近傍でケース７０に直接接続されているが、バスバ５１０，５２０の一方のみが冷媒流路部７２０の近傍でケース７０に直接接続されてもよい。

また、上述した実施例では、好ましい実施例として、冷媒流路部７２０を形成するケース７０は、駆動ユニットのケースを兼ねているが、他のケース（例えば、インバータケース）であってもよいし、ケースとしての機能を有さない部材であってもよい。

また、上述した実施例において、冷媒流路部７２０の構成は多様に変形可能である。例えば、第１チャンバ７２１Ａの冷媒出口及び／又は第２チャンバ７２１Ｂの冷媒入口は逆側に形成されてもよい。また、第２チャンバ７２１Ｂ及び第１チャンバ７２１Ａでは、冷媒がＹ方向に導入及び排出されているが、Ｘ方向に導入及び排出される構成であってもよい。

１ 半導体装置
２ コンデンサ冷却構造
４０ ヒートシンク
４２ フィン
５０，５０Ａ コンデンサモジュール
５４ Ｙコンデンサ
５５ａ、５５ｂ グランド端子
５０１ 平滑コンデンサ
５１０，５１０Ａ バスバ
５２０，５２０Ａ バスバ
７０ ケース
７２０ 冷媒流路部
７２１Ａ 第１チャンバ
７２１Ｂ 第２チャンバ
７２２ フィン対向部
８０ バスバモジュール
９０ 制御基板

Claims (4)

1. Ｙコンデンサ及び平滑コンデンサを一体に組み込んで樹脂モールドしたインバータ用コンデンサモジュールと、
   前記Ｙコンデンサのグランド端子が直接接続される冷媒流路形成部材とを備える、コンデンサ冷却構造。
2. 前記冷媒流路形成部材は、駆動ユニットのケースであり、インバータ冷却用の冷媒流路を形成する、請求項１に記載のコンデンサ冷却構造。
3. 前記Ｙコンデンサのグランド端子は、金属板により形成され、前記金属板は、前記インバータ用コンデンサモジュールのケース内において前記インバータ用コンデンサモジュールの平滑コンデンサの上面を覆う、請求項１又は２に記載のコンデンサ冷却構造。
4. 前記Ｙコンデンサのグランド端子は、金属板により形成され、前記金属板は、前記インバータ用コンデンサモジュールのケース内において前記インバータ用コンデンサモジュールの平滑コンデンサの側面を覆う、請求項１〜３のうちのいずれか1項に記載のコンデンサ冷却構造。

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