JP2018057187A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品の冷却効率をより向上できる電力変換装置を提供すること。【解決手段】積層体１０と、電子部品４と、該電子部品４を冷却する冷却プレート５とを備える。積層体１０は、複数の半導体モジュール２と、複数の冷却管３とを積層してなる。電子部品４は、半導体モジュール２に電気接続している。積層体１０と電子部品４と冷却プレート５とは、積層体１０の積層方向に配列している。冷却プレート５内には、積層方向に直交する方向に冷媒１１が流れるプレート内流路５０が形成されている。冷却プレート５は、冷却管３よりも、積層方向から見たときの面積が大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層した電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層して、積層体を構成したものが知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置では、上記半導体素子をスイッチング動作させ、これにより、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換している。半導体素子をスイッチング動作させると、半導体モジュールが発熱する。そのため、上記冷却管を用いて、半導体モジュールを冷却している。

電力変換装置は、リアクトル、コンデンサ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電子部品をさらに備える。これらの電子部品は、半導体モジュールに電気接続している。電力変換装置を稼働すると、これらの電子部品も発熱する。そのため、近年、これらの電子部品を冷却することが検討されている。

例えば、金属板からなり、冷却管と同様の形状を有する冷却プレートを設けることが検討されている。そして、この冷却プレートと冷却管とによって電子部品を挟持し、冷却プレートを用いて、電子部品から発生した熱を放熱することが検討されている。このようにすれば、電子部品の温度を下げることが可能になる。

特開２０１５−２２０８３９号公報

しかしながら、上記構成を採用しても、電子部品を充分に冷却することができない。すなわち、上記冷却プレートとして単なる金属板を用いても、電子部品から発生する熱を充分に吸収することはできない。また、冷却プレートを、冷却管と同じ形状に形成すると、冷却プレートの面積が小さいため、充分な放熱効果を得ることができない。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電子部品の冷却効率をより向上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、半導体素子（２０）を内蔵した複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュールを冷却する冷媒（１１）が流れる複数の冷却管（３）とを積層した積層体（１０）と、
上記半導体モジュールに電気接続した電子部品（４）と、
該電子部品を冷却する冷却プレート（５）とを備え、
上記積層体と上記電子部品と上記冷却プレートとは、上記積層体の積層方向に配列しており、
上記冷却プレートは上記冷却管と連結しており、上記冷却プレート内に、上記積層方向に直交する方向に上記冷媒が流れるプレート内流路（５０）が形成され、
上記冷却プレートは、上記積層方向から見たときの面積が上記冷却管よりも大きい、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置においては、冷却プレート内に、冷媒が流れる上記プレート内流路を形成してある。
そのため、プレート内流路を流れる冷媒と、電子部品との間で熱交換を行うことができ、電子部品を効果的に冷却することができる。

また、上記電力変換装置の冷却プレートは、冷却管よりも、積層方向から見たときの面積が大きい。
そのため、冷却プレートと電子部品とが熱的に接触する面積を増やすことができ、電子部品を効率よく冷却することができる。
また、冷却プレートの面積を大きくすると、冷却プレート内に大きなプレート内流路を形成することができる。したがって、電子部品の冷却効率を高めることができる。
また、冷却プレートの面積を大きくすると、空気との接触面積が増えるため、冷却プレートの放熱効率を高めることができる。そのため、冷却プレートの温度を低くすることができ、電子部品をより効率的に冷却することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、電子部品の冷却効率をより向上できる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の断面図であって、図７のI-I断面図。 実施形態１における、冷却プレート及び冷却管の斜視図。 図１のIII矢視図。 図１のIV-IV断面図。 図４のV-V断面図。 図１のVI-VI断面図。 図１のVII-VII断面図。 実施形態１における、電力変換装置の回路図。 実施形態２における、電力変換装置の断面図。 実施形態３における、電力変換装置の断面図。 実施形態３における、冷却プレートの内部構造を説明するための断面図。 実施形態３における、冷却プレート及び冷却管の斜視図。 実施形態４における、電力変換装置の断面図。 実施形態５における、電力変換装置の断面図。 実施形態６における、電力変換装置の断面図。 比較形態における、電力変換装置の断面図。

上記電力変換装置は、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。

（実施形態１）
上記電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。図１に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、積層体１０と、電子部品４と、冷却プレート５とを備える。積層体１０は、複数の半導体モジュール２と、複数の冷却管３とを積層してなる。

半導体モジュール２は、半導体素子２０（図８参照）を内蔵している。冷却管３内には、冷媒１１が流れる管内流路３０が形成されている（図５参照）。この冷媒１１と半導体モジュール２との間で熱交換を行うことにより、半導体モジュール２を冷却するよう構成されている。

電子部品４（４ａ，４ｂ）は、半導体モジュール２に電気接続している（図８参照）。電子部品４は、半導体モジュール２よりも体積が大きい。
冷却プレート５は、電子部品４を冷却するために設けられている。

図１に示すごとく、冷却プレート５は、その厚さ方向が積層体１０の積層方向（Ｘ方向）と一致するように配されている。積層体１０と電子部品４と冷却プレート５とは、Ｘ方向に配列している。

冷却プレート５は、一対のパイプ１４（１４ａ，１４ｂ）によって、冷却管３に連結されている。図２〜図６に示すごとく、冷却プレート５内には、Ｘ方向に直交する方向に冷媒１１が流れるプレート内流路５０が形成されている。
図２に示すごとく、冷却プレート５は、Ｘ方向から見たときの面積が冷却管３よりも大きい。

本形態の電力変換装置１は、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。図１に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、第１電子部品４ａと第２電子部品４ｂとの、２個の電子部品４を備える。第１電子部品４ａはリアクトルであり、第２電子部品４ｂはＤＣ−ＤＣコンバータである。図８に示すごとく、一部の半導体モジュール２ａと第１電子部品４ａ（リアクトル）とフィルタコンデンサ１９とによって、直流電源８０の電圧を昇圧する昇圧回路１００を構成してある。

また、他の半導体モジュール２ｂと平滑コンデンサ１８とによって、インバータ回路１０１を構成してある。半導体モジュール２ｂ内の半導体素子２０をスイッチング動作させることにより、昇圧後の直流電力を交流電力に変換している。これにより、交流負荷８１（三相交流モータ）を駆動し、上記車両を走行させている。

また、上記第２電子部品４ｂ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）は、フィルタコンデンサ１９に並列接続している。このＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、直流電源８０の電圧を降圧し、低圧バッテリー８２を充電するよう構成されている。

図７に示すごとく、半導体モジュール２は、上記半導体素子２０（図８参照）を内蔵した本体部２１と、該本体部２１から突出したパワー端子２２と、制御端子２３とを備える。パワー端子２２には、直流電圧が加わる正極端子２２ｐ及び負極端子２２ｎと、交流負荷８１に電気接続される交流端子２２ａとがある。また、制御端子２３は、制御回路基板１７に接続している。この制御回路基板１７によって、半導体素子２０のスイッチング動作を制御している。

また、図１に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、積層体１０と第１電子部品４ａとを収容するケース６を備える。ケース６には、Ｘ方向に貫通した貫通穴６０が形成されている。この貫通穴６０を、冷却プレート５によって、ケース６の外側から塞いである。冷却プレート５は、ボルト６９によって、ケース６に締結されている。

冷却プレート５と積層体１０との間に、第１電子部品４ａが介在している。また、冷却プレート５の、第１電子部品４ａを配した側とは反対側に、第２電子部品４ｂを設けてある。冷却プレート５によって、第１電子部品４ａと第２電子部品４ｂとの、２個の電子部品４をそれぞれ冷却している。

ケース６の壁部６２と積層体１０との間には、加圧部材１６（板ばね）が配されている。この加圧部材１６によって、積層体１０を第１電子部品４ａに向けて加圧している。これにより、半導体モジュール２と冷却管３との接触圧を確保しつつ、積層体１０をケース６内に固定している。

Ｘ方向に隣り合う２本の冷却管３は、連結管１５によって連結されている。連結管１５は、パワー端子２２の突出方向（Ｚ方向）とＸ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における、冷却管３の両端にそれぞれ設けられている。

また、図１〜図３に示すごとく、冷却プレート５には、冷媒１１を導入するための導入管１２と、冷媒１１を導出するための導出管１３とが接続している。導入管１２と導出管１３とは、Ｚ方向から見たときに、互いに重なり合う位置に配されている。

図１、図２に示すごとく、ケース６内に、２本のパイプ１４（１４ａ，１４ｂ）が設けられている。これら２本のパイプ１４は、冷却プレート５と積層体１０との間に介在している。パイプ１４には、導入管１２に連結した導入側パイプ１４ａと、冷却管３内を通過した冷媒１１が通る導出側パイプ１４ｂとがある。

２本のパイプ１４は、積層体１０を構成する複数の冷却管３のうち、Ｘ方向において第１電子部品４ａに最も近い位置に配された端部冷却管３ａと、冷却プレート５とを連結している。導入側パイプ１４ａは、Ｙ方向における、端部冷却管３ａの一方の端部３８に接続している。導出側パイプ１４ｂは、Ｙ方向における、端部冷却管３ｂの他方の端部３９に接続している。２本のパイプ１４ａ，１４ｂは、Ｘ方向における長さが、連結管１５よりも長い。これら２本のパイプ１４ａ，１４ｂの間に、第１電子部品４ａが配されている。

図２〜図６に示すごとく、冷却プレート５内には、冷媒１１が流れるプレート内流路５０が形成されている。プレート内流路５０は、冷却管３内に形成された管内流路３０（図５参照）よりも、Ｘ方向から見たときの面積が大きい。

図５に示すごとく、冷媒１１を導入管１２に導入すると、冷媒１１は、導入側パイプ１４ａを流れ、連結管１５を通って、複数の冷却管３（管内流路３０）に分配される。その後、冷媒１１は合流し、導出側パイプ１４ｂ、プレート内流路５０を流れて、導出管１３から導出される。このように、冷媒１１を管内流路３０及びプレート内流路５０に流すことにより、半導体モジュール２及び電子部品４ａ，４ｂを冷却している。

次に、本形態の作用効果について説明する。図２、図５に示すごとく、本形態では、冷却プレート５内に、冷媒１１が流れるプレート内流路５０を形成してある。
そのため、プレート内流路５０を流れる冷媒１１と、電子部品４との間で熱交換を行うことができ、電子部品４を効果的に冷却することができる。

また、本形態の冷却プレート５は、冷却管３よりも、Ｘ方向から見たときの面積が大きい。
そのため、冷却プレート５と電子部品４とが熱的に接触する面積を増やすことができ、電子部品４を効率よく冷却することができる。
また、冷却プレート５の面積を大きくすると、冷却プレート５内に大きなプレート内流路５０を形成することができる。したがって、電子部品４の冷却効率をより高めることができる。
また、冷却プレート５の面積を大きくすると、空気との接触面積が増えるため、冷却プレート５の放熱効率を高めることができる。そのため、冷却プレート５の温度を低くすることができ、電子部品４をより効率的に冷却することができる。

なお、本形態では、冷媒１１がプレート内流路５０を、Ｘ方向に直交する方向へ流れるよう構成してある。そのため、冷却プレート５の面積を大きくすることにより、電子部品４を冷却する効果を高めることが可能になる。すなわち、仮に図１６に示すごとく、冷却プレート５内に、冷媒１１がＸ方向に流れる流路９５を形成したとすると、冷却プレート５内の冷媒１１は、電子部品４の隣には流れないため、この冷媒１１は、電子部品４の冷却に寄与しない。そのため、冷却プレート５の面積を大きくしても、電子部品４の冷却効率を充分に高めることができなくなる。

これに対して、図２、図５に示すごとく、本形態のように、冷却プレート５内に、Ｘ方向に直交する方向へ冷媒１１が流れる流路（プレート内流路５０）を形成すれば、冷却プレート５内の冷媒１１を、Ｘ方向において電子部品４に隣り合う位置に流すことができる。そのため、冷媒１１によって電子部品４を冷却することができる。また、冷却プレート５の面積を大きくすることにより、プレート内流路５０の面積を大きくすることができ、電子部品４と冷媒１１との熱交換を行いやすくなる。したがって、電子部品４の冷却効率を高めることが可能になる。

また、図１に示すごとく、本形態では、ケース６に、Ｘ方向に貫通した貫通穴６０を形成してある。この貫通穴６０を、冷却プレート５によって塞いである。
このように貫通穴６０を形成すると、ケース６を構成する金属材料の使用量を少なくすることができる。そのため、ケース６を軽量化することができると共に、ケース６の製造コストを低減できる。また、ケース６の側壁６１に流路を形成することは困難であるが、ケース６とは別体に設けた冷却プレート５内であれば、流路を容易に形成することができる。そのため、内部に流路（プレート内流路５０）を有する冷却プレート５を形成し、これをケース６に取り付ければ、流路を有するケース６を容易に製造することができる。
また、冷却プレート５とケース６とを接触させると、冷却プレート５の熱をケース６に伝えることができる。そのため、冷却プレート５の温度をより低減でき、電子部品４の冷却効率をより高めることができる。

また、本形態では、電子部品４の、冷却プレート５に対向する面積Ｓ１（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ）は、半導体モジュール２の、冷却管３に対向する面積Ｓ２よりも大きい。
そのため、電子部品４の、冷却プレート５に対向する面積を増やすことができ、冷却プレート５による電子部品４の冷却効率を高めることができる。

また、図１に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、第１電子部品４ａと第２電子部品４ｂとの、２個の電子部品４ａ，４ｂを備える。これら２個の電子部品４ａ，４ｂの間に冷却プレート５が介在している。
そのため、冷却プレート５によって２個の電子部品４ａ，４ｂを冷却することができる。

また、本形態では、図１に示すごとく、端部冷却管３ａと冷却プレート５とによって、第１電子部品４ａを挟持している。
そのため、第１電子部品４ａを、端部冷却管３ａと冷却プレート５とを用いて冷却することができ、第１電子部品４ａの冷却効率をさらに高めることができる。

また、本形態では図２、図３に示すごとく、導入管１２と導出管１３とを、Ｚ方向から見たときに、互いに重なる位置に配置してある。そのため、図５に示すごとく、冷却プレート５のうち、Ｘ方向における、導出用パイプ１４ｂに接続した側とは反対側の部位５７を、第２電子部品４ｂを冷却する部位として利用することができる。したがって、冷却プレート５の、第２電子部品４ｂを冷却する面積を増やすことができる。

以上のごとく、本形態によれば、電子部品の冷却効率をより向上できる電力変換装置を提供することができる。

なお、本形態では、図２に示すごとく、導入管１２から導入した冷媒１１を、先ず冷却管３内に流し、その後、冷却プレート５内に流しているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、導入管１２と導出管１３とを逆にし、冷媒１１を先ず冷却プレート５内に流して、その後、冷却管３内に流しても良い。

また、本形態では、冷却プレート５によって冷却する電子部品４として、リアクトル及びＤＣ−ＤＣコンバータを採用したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、冷却プレート５によって平滑コンデンサ１８（図８参照）等を冷却してもよい。

（実施形態２）
本形態は、電子部品４及び冷却プレート５の配置位置を変更した例である。図９に示すごとく、本形態では、ケース６を構成する壁部のうち、導入管１２及び導出管１３を取り付けた壁部（第１壁部６１）とは反対側の壁部（第２壁部６２）に、貫通穴６０を形成してある。そして、この貫通穴６０を、冷却プレート５によって塞いである。

冷却プレート５内には、実施形態１と同様に、プレート内流路５０が形成されている。冷却プレート５と積層体１０との間に、第１電子部品４ａが介在している。また、冷却プレート５の、第１電子部品４ａを設けた側とは反対側に、第２電子部品４ｂが配されている。これら２個の電子部品４ａ，４ｂを、冷却プレート５によって冷却している。

また、図９に示すごとく、本形態では、第１壁部６１と積層体１０との間に、加圧部材１６を設けてある。この加圧部材１６によって、積層体１０を、冷却プレート５に向けて加圧している。これにより、積層体１０をケース６内に固定している。

冷媒１１を導入管１２から導入すると、冷媒１１は、複数の冷却管３と冷却プレート５とに分配される。その後、冷媒１１は合流し、導出管１３から導出する。これにより、半導体モジュール２及び電子部品４ａ，４ｂを冷却している。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態３）
本形態は、冷却プレート５の構造を変更した例である。図１０〜図１２に示すごとく、本形態では、冷却プレート５に導入管１２と導出管１３とを取り付けてある。導入管１２は、Ｘ方向から見たときに、導入側パイプ１４ａと重なる位置に設けられている。また、導出管１３は、Ｘ方向から見たときに、導出用パイプ１４ｂと重なる位置に設けられている。

図１１に示すごとく、冷却プレート５内には、中板５８が設けられている。この中板５８によって、プレート内流路５０を、第１部分５０ａと第２部分５０ｂとに区画している。導出用パイプ１４ｂを通過した冷媒１１は、第１部分５０ａを流れ、折返部５９、第２部分５０ｂを通って、導出管１３から導出される。冷却プレート５内を流れる冷媒１１によって、２個の電子部品４（４ａ，４ｂ）を冷却している。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態４）
本形態は、冷却プレート５の形状および取付位置を変更した例である。図１３に示すごとく、本形態では、冷却プレート５に、導入管１２と導出管１３とを接続してある。導入管１２から冷媒１１を導入すると、冷媒１１は、プレート内流路５０と、複数の管内流路３０とに分流する。その後、冷媒１１は合流して、導出管１３から導出される。

このように、導入管１２から導入した冷媒１１の一部を、管内流路３０に流さずにプレート内流路５０へ流すことにより、プレート内流路５０に温度の低い冷媒１１を流すことができ、電子部品４ａ，４ｂの冷却効率をより高めることが可能になる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態５）
本形態は、電子部品４の数を変更した例である。図１４に示すごとく、本形態では、冷却プレート５を用いて、１個の電子部品４のみを冷却している。電子部品４は、ケース６の内側に配されている。電子部品４は、冷却プレート５と冷却管３との間に介在している。これら冷却プレート５と冷却管３とによって、電子部品４を冷却している。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態６）
本形態は、電子部品４の数を変更した例である。図１５に示すごとく、本形態では、冷却プレート５を用いて、１個の電子部品４を冷却している。電子部品４は、ケース６の外側に配されている。冷却プレート５の、電子部品４を配した側とは反対側には、半導体モジュール２ａが配されている。冷却プレート５を用いて、半導体モジュール２ａと電子部品４とを冷却するよう構成されている。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 電力変換装置
１０ 積層体
１１ 冷媒
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
３ 冷却管
４ 電子部品
５ 冷却プレート
５０ プレート内流路

Claims (4)

1. 半導体素子（２０）を内蔵した複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュールを冷却する冷媒（１１）が流れる複数の冷却管（３）とを積層した積層体（１０）と、
   上記半導体モジュールに電気接続した電子部品（４）と、
   該電子部品を冷却する冷却プレート（５）とを備え、
   上記積層体と上記電子部品と上記冷却プレートとは、上記積層体の積層方向に配列しており、
   上記冷却プレートは上記冷却管と連結しており、上記冷却プレート内に、上記積層方向に直交する方向に上記冷媒が流れるプレート内流路（５０）が形成され、
   上記冷却プレートは、上記積層方向から見たときの面積が上記冷却管よりも大きい、電力変換装置（１）。
2. 上記積層体を収容するケース（６）を備え、該ケースには、上記積層方向に貫通した貫通穴（６０）が形成され、該貫通穴を上記冷却プレートによって塞いである、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記電子部品の、上記冷却プレートに対向する面積（Ｓ１）は、上記半導体モジュールの、上記冷却管に対向する面積（Ｓ２）よりも大きい、請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 第１電子部品（４ａ）と第２電子部品（４ｂ）との、２個の上記電子部品を備え、該２個の電子部品の間に上記冷却プレートが介在している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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