JP2015115523A - Semiconductor apparatus for power conversion device, and power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置などに用いる空冷型両面冷却半導体装置および電力変換装置に関する。 The present invention relates to an air-cooled double-sided cooling semiconductor device and a power conversion device used for a power conversion device and the like.
電力変換装置は、電流の通流や阻止を行う半導体素子を用いた回路で構成され、これら半導体素子のスイッチング動作を制御することにより、電流や電圧の交直変換や周波数変換などの機能を実現する。電力変換装置の半導体素子では、通電時とオンとオフのスイッチング時に損失が発生する。この損失による発熱で半導体素子の温度が動作限界点を超えた場合、半導体素子は電流遮断が出来なくなり、電力変換装置は所望の動作が出来なくなる。このため、電力変換装置において、半導体素子を冷却する機器が必要となる。 The power conversion device is composed of a circuit using semiconductor elements that conduct and block current, and realizes functions such as AC / DC conversion and frequency conversion of current and voltage by controlling the switching operation of these semiconductor elements. . In the semiconductor element of the power conversion device, a loss occurs during energization and switching between on and off. When the temperature of the semiconductor element exceeds the operation limit point due to heat generated by this loss, the semiconductor element cannot cut off the current, and the power converter cannot perform a desired operation. For this reason, the apparatus which cools a semiconductor element is needed in a power converter device.
半導体素子は、半導体素子の種類、外形、電気特性などにいくつかの種類があり、各々の特性に応じて冷却器は設計される。例えば、特許文献1では、半導体装置と冷却器の小型化を実現するために、2つの冷却面と電気端子部と、ピン状の突起による冷却器を設けた半導体素子が挙げられている。特許文献2では、特許文献1と同様に、2つの冷却面に高熱伝導体と空冷フィンからなる冷却器を備えている。
There are several types of semiconductor elements, such as the type, external shape, and electrical characteristics of the semiconductor elements, and the cooler is designed according to each characteristic. For example,
特許文献1では、半導体素子を冷却するために冷却水を用いているが、水路、ポンプ、放熱器を別途備える必要がある。また、半導体素子を内部に収納したパワーモジュールは、内部の発熱を冷却するための2つの面があり、各面には多数のフィンを設けた放熱部を有しており、構造が複雑になる問題がある。
In
特許文献2では、半導体素子を冷却するために、放熱器を素子近傍に配置するなどして冷却性能を高める試みがなされているが、構造が複雑化し、パワーモジュールを多数必要とする電力変換装置に適用した場合に、装置が大型化してしまう問題がある。 In Patent Document 2, in order to cool a semiconductor element, an attempt is made to improve the cooling performance by arranging a radiator near the element. However, the structure is complicated, and a power conversion apparatus that requires a large number of power modules. When this is applied, there is a problem that the apparatus becomes large.
本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、パワーモジュールの配置において拡張性があり、複数のパワーモジュールを使用する電力変換装置を小型化できる電力変換装置用半導体装置および電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention is an invention for solving the above-described problems, and is a power conversion device semiconductor device and a power conversion device that have expandability in the arrangement of power modules and can reduce the size of a power conversion device that uses a plurality of power modules. An object is to provide an apparatus.
前記目的を達成するため、本発明の電力変換装置用半導体装置は、対向する両面に冷却面を有し、冷却面に隣接する垂直方向のひとつの側面に電気端子(例えば、P端子704P、N端子704N、AC端子704AC、ゲート端子701)を有する複数の半導体モジュール(例えば、両面冷却パワーモジュール500)と、上下に配置された複数の半導体モジュールを両端から挟む受熱ブロック(例えば、受熱ブロック501)と、この受熱ブロックに設けられ半導体モジュールに対して上方の位置に水平方向に設けられた複数の放熱フィン(例えば、放熱フィン503)を有するヒートパイプ(例えば、ヒートパイプ502)とを含んでなる第1および第2の冷却器(例えば、第1の冷却器510Aと第2の冷却器510B)と、半導体モジュールと受熱ブロックとを圧接させる圧接手段(例えば、ボルト504とナット505)とを備え、電気端子の面側から放熱フィンに対し送風されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a semiconductor device for a power conversion device according to the present invention has cooling surfaces on both opposing surfaces, and an electric terminal (for example,
本発明によれば、パワーモジュールの配置において拡張性があり、複数のパワーモジュールを使用する電力変換装置を小型化できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, there exists an expandability in arrangement | positioning of a power module, and the power converter device which uses several power modules can be reduced in size.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態の電力変換装置100(図1、図12、図13参照)は、複数の単位変換器ユニット910(図9、図12参照)から構成されている。単位変換器ユニット910は、複数の両面冷却パワーモジュール500(半導体モジュール、図7参照)を実装した空冷型両面冷却パワーユニット520(電力変換装置用半導体装置、図5参照)を含んで構成される。以下、電力変換装置100の各構成品について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The power converter 100 (refer FIG.1, FIG.12, FIG.13) of this embodiment is comprised from the several unit converter unit 910 (refer FIG.9, FIG.12). The
図1は、本実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。図1に示すように、電力変換装置100には、電力系統の受電点107から変圧器105を介して、適当な電圧に調整された交流電力が供給される。供給される交流電力は、コンバータ102に入力され、直流電力に変換される。直流電力はインバータ103に入力され、交流電力に変換される。この交流電力は三相の交流負荷108にて消費される。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a power converter according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, AC power adjusted to an appropriate voltage is supplied to a
一方、電力系統の不具合等でコンバータ102に電力が供給されない場合、これを上位制御回路109が感知し、チョッパ104が動作する。蓄電池106からチョッパ104に入力される直流電力はチョッパ104で適当な電力に調整され、インバータ103に入力される。インバータ103に入力された直流電力は交流電力へと変換され、三相の交流負荷108にて消費される。
On the other hand, when power is not supplied to the
以上の動作は上位制御回路109で所望の動作を判定し、コンバータへの指令信号110C、インバータへの指令信号110I、チョッパへの指令信号110Xにより調整される。コンバータ102、インバータ103、チョッパ104はその動作に際して、熱が発生し温度が上昇する。この温度上昇を抑制するために、冷却ファン101(送風機)により発生させる冷却風111を送り込み冷却する。以上で構成された電気システムのうち、冷却ファン101、コンバータ102、インバータ103、チョッパ104、上位制御回路109等が実施形態における電力変換装置100に収容される。
The above operation is determined by the
図2は、電力変換装置のコンバータを示す回路図である。図3は、電力変換装置のインバータを示す回路図である。図4は、電力変換装置のチョッパを示す回路図である。図2〜図4を参照してコンバータ102、インバータ103、チョッパ104の回路について説明する。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a converter of the power converter. FIG. 3 is a circuit diagram showing an inverter of the power converter. FIG. 4 is a circuit diagram showing a chopper of the power converter. A circuit of the
図2に示すコンバータ102は、複数の半導体素子で構成されるレグ203(203R,203S,203T)で構成され、レグ203は、複数のスイッチング素子204(例えば、204RH,204RL)とダイオード素子205(例えば、205RH,205RL)で構成される。以後、個々の要素全体を示す場合は総称として、レグ203、スイッチング素子204、ダイオード素子205を用いる。
The
レグ203の両端はコンデンサ201に接続されている。レグ203Rの上側アームは、スイッチング素子204RHと、還流用のダイオード素子205RHとで構成される。また、レグ203Rの下側アームは、スイッチング素子204RLと、還流用のダイオード素子205RLとで構成される。同様に、レグ203Sの上側アームは、スイッチング素子204SHと、還流用のダイオード素子205SHとで構成される。また、レグ203Sの下側アームは、スイッチング素子204SLと、還流用のダイオード素子205SLとで構成される。また、レグ203Tの上側アームは、スイッチング素子204THと、還流用のダイオード素子205THとで構成される。また、レグ203Tの下側アームは、スイッチング素子204TLと、還流用のダイオード素子205TLとで構成される。スイッチング素子204RH,204RL,204SH,204SL,204TH,204TLへのスイッチング信号は、下位制御部であるコンバータゲート制御部202で制御される。
Both ends of the leg 203 are connected to the
なお、本実施形態のスイッチング素子は、電流のオン・オフを切り替え可能な素子なら使用することが可能である。例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)がある。 In addition, the switching element of this embodiment can be used if it is an element which can switch on / off of an electric current. For example, there are an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
図3に示すインバータ103は、複数の半導体素子で構成されるレグ203(203U,203V,203W)で構成され、レグ203の両端はコンデンサ301に接続されている。レグ203Uの上側アームは、スイッチング素子204UHと、還流用のダイオード素子205UHとで構成される。また、レグ203Uの下側アームは、スイッチング素子204ULと、還流用のダイオード素子205ULとで構成される。同様に、レグ203Vの上側アームは、スイッチング素子204VHと、還流用のダイオード素子205VHとで構成される。また、レグ203Vの下側アームは、スイッチング素子204VLと、還流用のダイオード素子205VLとで構成される。また、レグ203Wの上側アームは、スイッチング素子204WHと、還流用のダイオード素子205WHとで構成される。また、レグ203Wの下側アームは、スイッチング素子204WLと、還流用のダイオード素子205WLとで構成される。スイッチング素子204UH,204UL,204VH,204VL,204WH,204WLへのスイッチング信号は、下位制御部であるインバータゲート制御部302で制御される。
The
図4に示すチョッパ104は、半導体素子で構成されるレグ203(203X)で構成され、レグ203の両端はコンデンサ401に接続されている。レグ203Xの上側アームは、スイッチング素子204XHと、還流用のダイオード素子205XHとで構成される。また、レグ203Xの下側アームは、スイッチング素子204XLと、還流用のダイオード素子205XLとで構成される。スイッチング素子204XH,204XLの連系点は、リアクトル403を介して蓄電池106(図1参照)に接続されている。スイッチング素子204XH,204XLへのスイッチング信号は、下位制御部であるチョッパゲート制御部402で制御される。
The
制御動作の例として、チョッパゲート制御部402の一例について説明する。
チョッパ104に与えられるスイッチング信号は、昇圧降圧切換回路(図示せず)を通して与えられる。これらの選択は、コンバータ102、インバータ103の間の直流電圧値とコンバータ102(整流機能)の出力電圧値の大小関係に依存する。そして、チョッパ104の出力がコンバータ102の出力電圧より大きい時、スイッチング素子204XLにPWM(Pulse Width Modulation)信号を送信し、逆の場合は、スイッチング素子204XHにPWM信号を送信する。
As an example of the control operation, an example of the chopper
A switching signal applied to the
蓄電池106の電力を放電する場合は、スイッチング素子204XLをPWM信号に従いスイッチングする。スイッチング素子がオンしたときリアクトル403にエネルギーを蓄積する。一方、オフしたとき、蓄電池106の電圧とリアクトル403のエネルギーにより蓄電池106の電圧より高い電圧をコンデンサ401に、スイッチング素子204XHに接続されているダイオード素子205XHを介して充電する。
When discharging the power of the
蓄電池106に電力を充電する場合は、スイッチング素子204XHをPWM信号に従いスイッチングし、スイッチング素子204XHがオンしたときリアクトル403を介して、コンデンサ401の電力を蓄電池106に充電する。スイッチング素子204XHがオフしているとき、スイッチング素子204XLに接続されているダイオード素子205XLを介してリアクトル403に蓄積したエネルギーを循環させる。これらの動作により、蓄電池106の電力を充放電させることができる。
When charging the
なお、一般的な電力変換装置では、コンデンサは一括して配置する場合もあるが、本実施形態では、後記する単位変換器ユニット910(図9参照)の構成を規格化する観点からコンデンサ201,301,401を分割している。具体的には、コンデンサ201,301は、レグ203ごとに更に分割される。
In the general power conversion device, the capacitors may be arranged in a lump, but in the present embodiment, the
図2〜図4に示すレグ203のスイッチング素子204とダイオード素子205による電流の通電と阻止を行うことで、コンバータ102では交流から直流変換を、インバータ103では直流から交流変換を行っている。通電時にはスイッチング素子204とダイオード素子205に内蔵する抵抗により損失が発生する。また、通電状態から阻止状態に切り替える際にも損失が発生する。このため、電力変換装置100の作動には発熱が伴う。
2 to 4, current is applied and blocked by the switching
(空冷型両面冷却パワーユニット)
次に、本実施形態の空冷型両面冷却パワーユニット520における冷却構造について図5から図8を用いて説明する。
図5は、複数の両面冷却パワーモジュールを配置した空冷型両面冷却パワーユニットを示す斜視図である。図6は、空冷型両面冷却パワーユニット内の両面冷却パワーモジュールの配置構成を示す分解図である。
(Air-cooled double-sided cooling power unit)
Next, the cooling structure in the air-cooled double-sided
FIG. 5 is a perspective view showing an air-cooled double-sided cooling power unit in which a plurality of double-sided cooling power modules are arranged. FIG. 6 is an exploded view showing an arrangement configuration of the double-sided cooling power module in the air-cooling type double-sided cooling power unit.
空冷型両面冷却パワーユニット520は、基本的に冷却器510(第1の冷却器510A,第2の冷却器510B)と、複数の両面冷却パワーモジュール500を含んで構成さされる。冷却器510は、受熱ブロック501、ヒートパイプ502、放熱フィン503で構成される。第1の冷却器510Aは、受熱ブロック501A、ヒートパイプ502A、放熱フィン503Aで構成される。第2の冷却器510Bは、受熱ブロック501B、ヒートパイプ502B、放熱フィン503Bで構成される。空冷型両面冷却パワーユニット520は、両面冷却パワーモジュール500の実装において、複数のパワーモジュールを配置できる拡張性があり、スリムで簡素な構造であることが特徴となっている。
The air-cooled double-sided
空冷型両面冷却パワーユニット520を組み立てる際、発熱源である半導体素子を内蔵する2つ以上の両面冷却パワーモジュール500を受熱ブロック501で挟み込む。挟み込んだ後、両面冷却パワーモジュール500と受熱ブロック501とを圧接させる圧接手段であるボルト504とナット505を用いて固定する。受熱ブロック501の内部には一本以上のヒートパイプ502の片端が接続される。ヒートパイプ502のもう一方の端部は上方に延び、受熱ブロック501から出された部分で、複数の放熱フィン503と接続される。
When assembling the air-cooled double-sided
両面冷却パワーモジュール500と受熱ブロック501A,501Bとの間には、熱伝導性が高く、やわらかい熱伝導グリス506(熱伝導剤)を塗布し、各々の表面粗さ、寸法公差に起因する熱接触不良を軽減してもよい。
Between the double-sided
図7は、両面冷却パワーモジュールを示す説明図であり、(a)は外観図、(b)は回路図である。図7(b)に示すように、両面冷却パワーモジュール500にはスイッチング素子204MH,204MLとダイオード素子205MH,205MLとが含まれる。各々の半導体素子間は、レグ203(例えば、図2参照)を構成するように接続される。
FIG. 7 is an explanatory view showing a double-sided cooling power module, where (a) is an external view and (b) is a circuit diagram. As shown in FIG. 7B, the double-sided
図7(a)に示すように、P端子704P(直流正極端子)、N端子704N(直流負極端子)、AC端子704AC(交流端子)、スイッチング素子のオンとオフとを制御するゲート端子701とは、絶縁体703を用いて、各々電気的に絶縁されながら、その上部に外部と接続可能なように引き出される。前述の半導体素子が動作する際、これらの電気端子を経由して外部と電気的な導通を得る一方で、同時に生じる発熱を絶縁体703に接する冷却面702を経由して排熱する。すなわち、ゲート端子701と冷却面702は電気的に絶縁されており、熱輸送経路と電気経路は独立している。
As shown in FIG. 7A, a
本実施形態の両面冷却パワーモジュール500は、対向する両面に冷却面702を有し、冷却面702に隣接する垂直方向のひとつの側面にパワーモジュールの電気端子であるP端子704P、N端子704N、AC端子704AC、ゲート端子701を有することが特徴である。
The double-sided
図8は、空冷型両面冷却パワーユニットの熱輸送経路を示す説明図である。図8は、図5の一断面図を示す。上下に実装された複数の両面冷却パワーモジュール500において、内蔵される複数の半導体素子802で生じる熱は、受熱ブロック501を介してヒートパイプ502に伝わり、垂直方向に速やかに熱801が輸送される。この熱801は上部で放熱フィン503へと伝わり、放熱フィン503の間に流れる冷却風803によって排出される。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a heat transport path of the air-cooled double-sided cooling power unit. FIG. 8 shows a cross-sectional view of FIG. In a plurality of double-sided
(単位変換器ユニット)
本発明の実施形態に係る電力変換装置100における単位変換器ユニット910について図9〜図11を参照して説明する。図9は、単位変換器ユニットを示す斜視図である。図10は、単位変換器ユニットの配置構成を示す分解図である。図11は、単位変換器ユニットを示す回路図である。
(Unit converter unit)
A
図9に示す単位変換器ユニット910は、前述の空冷型両面冷却パワーユニット520の電気端子のP端子704P、N端子704N、AC端子704AC(図7参照)をP・N・AC積層ラミネートバスバ905のP層、N層、AC層のそれぞれに接続する。さらに、電気端子のゲート端子701をゲートドライバ基板904に接続する。また、複数のコンデンサ901の正極端子902Pと負極端子902NをP・N・AC積層ラミネートバスバ905のP層とN層にそれぞれ接続する。さらに、正極フューズ903Pと負極フューズ903NをP・N・AC積層ラミネートバスバ905のP層とN層にそれぞれ接続する。
The
図10は、図9の分解図である。P・N・AC積層ラミネートバスバ905は、Pバスバ905P、Nバスバ905N、ACバスバ905ACで構成されており、各バスバ間は絶縁層(図示せず)で絶縁されている。単位変換器ユニット910において、さらに説明すると、両面冷却パワーモジュールのP端子704P、N端子704N、AC端子704ACは、Pバスバ905P、Nバスバ905N、ACバスバ905ACにそれぞれ接続される。両面冷却パワーモジュール500のゲート端子701は、ゲートドライバ基板904に接続される。また、コンデンサ901のP端子をPバスバ905Pに、N端子をNバスバ905Nに接続する。以上の構成を電気回路図で示すと図11のようになる。
FIG. 10 is an exploded view of FIG. The P / N / AC laminated
本実施形態では、図9に示すように、電気端子の面側から放熱フィン503に対し冷却風803を送風する。これにより、電力変換装置100に単位変換器ユニット910を横並びに密に実装しても、各単位変換器ユニット910間の冷却効果を低減させることがない利点を有する。なお、本実施形態では、電気端子の面側から送風しているがこれに限定されるものではなく、例えば、電気端子の対向面から放熱フィン503に対し送風してもよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, cooling
(電力変換装置)
図12は、複数の単位変換器ユニットを配置した電力変換装置を示す外観図である。図13は、電力変換装置内の単位変換器ユニットの冷却方法を示す説明図である。
(Power converter)
FIG. 12 is an external view showing a power conversion device in which a plurality of unit converter units are arranged. FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a cooling method for the unit converter unit in the power conversion device.
電力変換装置100内にコンバータ102、インバータ103、チョッパ104を横並びに配置している。コンバータ102は、図2に示した3つのレグ203R,203S,203Tに対応する単位変換器ユニット910で構成されている。インバータ103は、図3に示した3つのレグ203U,203V,203Wに対応する単位変換器ユニット910で構成されている。チョッパ104は、図4では1つのレグ203Xで示したが、電力容量を考慮して2つのレグ203Xに対応する単位変換器ユニット910で構成されている。
In the
コンバータ102は3つの単位変換器ユニット910をP・N積層相間ラミネートバスバ1003をそれぞれの正極端子1001と負極端子1002とを接続することで構成する。インバータ103もコンバータ102と同様に構成する。チョッパ104は2つの単位変換器ユニット910を並列に接続することで構成する。
The
以上のような構成を備えるコンバータ102、インバータ103、チョッパ104において、1レグにつき単位変換器ユニット907を複数個並列に接続することもできる。このため電力変換装置の定格出力容量を大きくすることができる。
In
図13に示す電力変換装置内の単位変換器ユニット910の冷却方法において、図9と同様に、電気端子の面側から放熱フィン503に対し冷却風803を送風している。これにより、電力変換装置100に単位変換器ユニット910を横並びに密に実装しても、各単位変換器ユニット910間の冷却効果を低減させることがない利点を有する。また、コンバータ102、インバータ103、チョッパ104の発熱量が異なる場合、冷却風803A,803B,803Cの風速などを変更してもよい。
In the cooling method of the
(放熱フィン構造)
次に放熱フィン構造について、図14〜図16を参照して説明する。
図14は、第1および第2の冷却器の放熱フィンが入れ子状態に配置されている場合を示す斜視図であり、(a)は全体図、(b)は拡大図である。図14の放熱フィン503は、第1の冷却器510Aの放熱フィン1401Aと、第2の冷却器510Bの放熱フィン1401Bとの高さが異なり、互いの放熱フィン間の空隙に入れ子になるように配置されている。この点が図5の放熱フィン503と異なる。これにより、放熱フィン1401Aおよび放熱フィン1401Bのそれぞれの放熱面積を増加できる利点がある。
(Heat radiation structure)
Next, the radiation fin structure will be described with reference to FIGS.
FIG. 14 is a perspective view showing a case where the heat dissipating fins of the first and second coolers are arranged in a nested state, where (a) is an overall view and (b) is an enlarged view. The
図15は、第1および第2の冷却器のヒートパイプに、同じ放熱フィンが設置されている場合を示す斜視図であり、(a)は全体図、(b)は拡大図である。図15の放熱フィン1501は、図5の放熱フィン503と異なり、第1の冷却器510Aと第2の冷却器510Bの放熱フィンを、同じ放熱フィンで構成されていることである。これにより、第1の冷却器510A側と第2の冷却器510B側での発熱量が異なっていた場合においても、同一の放熱フィン1501により、均一化できる利点がある。
FIG. 15 is a perspective view showing a case where the same heat radiation fins are installed in the heat pipes of the first and second coolers, where (a) is an overall view and (b) is an enlarged view. The
図16は、第1および第2の冷却器の放熱フィンの間が、波状の剛性緩和部を設けて結合されている場合の斜視図であり、(a)は全体図、(b)は拡大図である。図16の放熱フィン1601は、第1の冷却器510Aと第2の冷却器510Bとの放熱フィンの間は、波状の剛性緩和部1602を設けて結合されている。この点が図5の放熱フィン503と異なる。これにより、第1の冷却器510Aと第2の冷却器510Bとで構成される空冷型両面冷却パワーユニット520の機械的強度を増すことができる利点がある。
FIGS. 16A and 16B are perspective views in the case where the radiating fins of the first and second coolers are coupled with a wave-like rigidity relaxation portion, where FIG. 16A is an overall view and FIG. 16B is an enlarged view. FIG. The
本実施形態の電力変換器用半導体装置(例えば、空冷型両面冷却パワーユニット520
)は、電気端子と電気端子と電気的に絶縁された第1の冷却面(例えば、冷却面702)と第1の冷却面と対向する第2の冷却面(例えば、冷却面702)を備える両面冷却半導体モジュール(例えば、両面冷却パワーモジュール500)と、複数の両面冷却半導体モジュールの第1の冷却面とが接する第1の受熱ブロック(例えば、受熱ブロック501A)と、第1の受熱ブロックとその内部で一方の端部が熱的に接続された一つ以上の第1のヒートパイプ(例えば、ヒートパイプ502A)と、第1のヒートパイプのもう一方の端部で熱的に接続された1つ以上の第1の放熱フィン(例えば、放熱フィン503A)と、複数の両面冷却半導体モジュールの第2の冷却面とが接する第2の受熱ブロック(例えば、受熱ブロック501B)と、第2の受熱ブロックとその内部で一方の端部が熱的に接続された一つ以上の第2のヒートパイプ(例えば、ヒートパイプ502B)と、第2のヒートパイプのもう一方の端部で熱的に接続された1つ以上の第2の放熱フィン(例えば、放熱フィン503B)と、第1の受熱ブロックと第二受熱ブロックとを固定する固定具(例えば、ボルト504とナット505)とを備えている。
Semiconductor device for power converter of this embodiment (for example, air-cooled double-sided
) Includes a first cooling surface (for example, cooling surface 702) electrically insulated from the electrical terminal and the electrical terminal, and a second cooling surface (for example, cooling surface 702) opposite to the first cooling surface. A first heat receiving block (for example,
これにより、両面冷却パワーモジュール500の配置において拡張性があり、複数の両面冷却パワーモジュール500を使用する空冷型両面冷却パワーユニット520を小型化できる効果がある。図5に示す空冷型両面冷却パワーユニット520は、2つの両面冷却パワーモジュール500の実装について説明したがこれに限定されるわけではない。例えば、図5においては、図面の上下方向に2つの両面冷却パワーモジュール500を配置しているが、3つ以上を配置してもよい。
Thereby, the arrangement of the double-sided
以上の実施形態についてまとめると、電力変換器用半導体装置は、対向する平坦な冷却面とこれらの冷却面とその内部で電気的に絶縁された電気端子部を持つ2つ以上の両面冷却半導体モジュールと、両面冷却半導体モジュールを両面から挟み込む冷却器510(放熱器)とを備えている。冷却器510は平坦面を有する受熱ブロック501と呼ぶ部材と、ヒートパイプ502および放熱フィン503とを備える。電力変換器用半導体装置は、両面冷却半導体モジュールの実装に拡張性があり、スリムで簡素な構造であることが特徴となっている。
Summarizing the above embodiments, the power converter semiconductor device includes two or more double-sided cooling semiconductor modules having opposing flat cooling surfaces, these cooling surfaces, and electrical terminal portions electrically insulated therein. And a cooler 510 (heat radiator) that sandwiches the double-sided cooling semiconductor module from both sides. The cooler 510 includes a member called a
両面冷却半導体モジュールの冷却面と、受熱ブロック501の平坦面とを接することで、両面冷却半導体モジュール内の半導体素子802で発生する熱量を受熱ブロック501へ伝える。受熱ブロック501内部において、受熱ブロック501の平坦面と平行方向にヒートパイプ502を直線状に延在させる。ヒートパイプ502の片端は受熱ブロック501に埋め込まれ、もう一方は受熱ブロック501より外に伸ばす。受熱ブロック501から延在するヒートパイプ502と放熱フィン503とが接続される。この放熱フィン503の間に冷却風803を流すことにより、放熱フィン503と冷却風803との間で熱交換が行われる。その結果、両面冷却半導体モジュール内の半導体素子802は冷却される。
The amount of heat generated in the
このように構成された冷却構造によれば、半導体素子802の発熱をヒートパイプ502を経由して速やかに拡散し、放熱フィン503に伝えることができるため、放熱フィン効率を向上することができる。また、冷却器510と両面冷却半導体モジュールとの接続において、受熱ブロック501を介するため、例えば、故障した両面冷却半導体モジュールを容易に交換することができる。
According to the cooling structure configured as described above, the heat generation of the
100 電力変換装置
101 冷却ファン(送風機)
102 コンバータ
103 インバータ
104 チョッパ
105 変圧器
106 蓄電池
107 受電点
108 交流負荷
109 上位制御回路
110I インバータへの指令信号
110C コンバータへの指令信号
110X チョッパへの指令信号
111 冷却風
201,301,401,901 コンデンサ
202 コンバータゲート制御部
203 レグ
204 スイッチング素子
205 ダイオード素子
302 インバータゲート制御部
402 チョッパゲート制御部
403 リアクトル
500 両面冷却パワーモジュール(半導体モジュール)
501 受熱ブロック
502 ヒートパイプ
503 放熱フィン
504 ボルト(圧接手段)
505 ナット(圧接手段)
506 熱伝導グリス(熱伝導剤)
510 冷却器
520 空冷型両面冷却パワーユニット(電力変換装置用半導体装置)
701 ゲート端子(電気端子)
702 冷却面
704P P端子(電気端子)
704N N端子(電気端子)
704AC AC端子(電気端子)
802 半導体素子
803 冷却風
902P 正極端子
902N 負極端子
903P 正極フューズ
903N 負極フューズ
904 ゲートドライバ基板
905 P・N・AC積層ラミネートバスバ
910 単位変換器ユニット
1001 正極
1002 負極
1003 P・N積層相間ラミネートバスバ
1602 剛性緩和部
100
DESCRIPTION OF
501
505 Nut (pressure contact means)
506 Thermal conductive grease (thermal conductive agent)
510 cooler 520 air-cooled double-sided cooling power unit (semiconductor device for power converter)
701 Gate terminal (electrical terminal)
702
704N N terminal (electrical terminal)
704AC AC terminal (electrical terminal)
802
Claims (9)
上下に配置された複数の半導体モジュールを両端から挟む受熱ブロックと、この受熱ブロックに設けられ前記半導体モジュールに対して上方の位置に水平方向に設けられた複数の放熱フィンを有するヒートパイプとを含んでなる第1および第2の冷却器と、
前記半導体モジュールと前記受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備え、
前記電気端子の面側から前記放熱フィンに対し送風される
ことを特徴とする電力変換装置用半導体装置。 A plurality of semiconductor modules having cooling surfaces on opposite sides and having electrical terminals on one side surface in the vertical direction adjacent to the cooling surface;
A heat receiving block that sandwiches a plurality of semiconductor modules arranged from above and below from both ends, and a heat pipe that is provided in the heat receiving block and has a plurality of heat dissipating fins provided horizontally above the semiconductor module. First and second coolers comprising:
Press contact means for press-contacting the semiconductor module and the heat receiving block;
The semiconductor device for a power converter, wherein the air is blown from the surface side of the electrical terminal to the heat radiating fin.
前記冷却面は、熱伝導剤が塗布されている
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置用半導体装置。 The cooling surface is electrically insulated from the electrical terminals of the semiconductor module;
The semiconductor device for a power converter according to claim 1, wherein the cooling surface is coated with a thermal conductive agent.
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置用半導体装置。 2. The semiconductor device for a power converter according to claim 1, wherein a gap is provided between the heat dissipating fins of the first and second coolers and is disposed at the same height.
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置用半導体装置。 2. The power conversion device according to claim 1, wherein the heat dissipating fins of the first and second coolers have different heights and are disposed so as to be nested in a gap between the heat dissipating fins. Semiconductor device.
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置用半導体装置。 The semiconductor device for a power conversion device according to claim 1, wherein the same heat radiation fin is installed in the heat pipes of the first and second coolers.
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置用半導体装置。 2. The semiconductor device for a power converter according to claim 1, wherein a wave-like rigidity relaxation portion is provided between the heat dissipating fins of the first and second coolers.
ことを特徴とする電力変換装置。 A plurality of the semiconductor devices for a power conversion device according to any one of claims 1 to 6 are arranged side by side. A power conversion device.
ことを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 7, wherein the power conversion device includes a blower that blows air to the heat radiating fins from a surface side of the electric terminal inside the housing.
上下に配置された複数の半導体モジュールを両端から挟む受熱ブロックと、この受熱ブロックに設けられ前記半導体モジュールに対して上方の位置に水平方向に設けられた複数の放熱フィンを有するヒートパイプとを含んでなる第1および第2の冷却器と、
前記半導体モジュールと前記受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備える電力変換装置用半導体装置を複数含んで構成されており、
前記複数の電力変換装置用半導体装置の各電気端子の面は、同一面に配置され、前記同一面側から放熱フィンに対し送風機から送風される
ことを特徴とする電力変換装置。 A plurality of semiconductor modules having cooling surfaces on opposite sides and having electrical terminals on one side surface in the vertical direction adjacent to the cooling surface;
A heat receiving block that sandwiches a plurality of semiconductor modules arranged from above and below from both ends, and a heat pipe that is provided in the heat receiving block and has a plurality of heat dissipating fins provided horizontally above the semiconductor module. First and second coolers comprising:
Comprising a plurality of semiconductor devices for a power conversion device comprising pressure contact means for pressure-contacting the semiconductor module and the heat receiving block;
The surface of each electric terminal of the semiconductor devices for a plurality of power conversion devices is arranged on the same surface, and is blown from a blower to the heat radiating fin from the same surface side.
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