JP2020184826A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器の強度を高める。【解決手段】複数の冷却器が一列に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれており、冷却器と半導体モジュールがそれらの積層方向に加圧されている。半導体モジュールには複数の半導体素子が収容されている。冷却器の内部には、積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されている。冷却器の内部には、流路方向に沿って延びている部材であって、積層方向と交差する冷却器の一面とその対面の両方に接している複数の補強部材が配置されている。半導体モジュールの内部には、積層方向からみたときに少なくとも２個の半導体素子が流路方向と交差する流路幅方向に並んでいる。複数の補強部材は、積層方向からみたときに、半導体素子と重ならないように配置されているとともに、２本は流路幅方向で半導体素子の並びの両側のそれぞれに配置されており、１本は２個の半導体素子の間に配置されている。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。

複数の半導体モジュールと、複数の冷却器が交互に積層されている電力変換装置が知られている。このような電力変換装置では、隣り合う冷却器と半導体モジュールの密着性を確保し冷却性能を向上させるため、積層方向に圧力が加えられている。例えば特許文献１にそのような電力変換装置が開示されている。特許文献１においては、冷却器は一対の金属板（特許文献１においては「外殻プレート」と称されている）を組み合わせることにより形成されており、内部に冷媒が流れる流路が形成されている。積層方向の加圧による金属板の変形を抑えるため、上記の一対の金属板の少なくとも一方の金属板の一部は他方の金属板に向けて突出している。突出している箇所はリブを構成し、他方の金属板に当接している。このような構成により、積層方向の加圧力に対して強度の高い電力変換装置を実現している。

特開２０１４−０８６５０５号公報

特許文献１の技術においては、冷却器をなす金属板の一部を変形させることにより、積層方向の加圧力に対する強度を向上させている。また、半導体モジュールの内部には、積層方向からみて流路と交差する方向に複数の半導体素子が並んでおり、金属板の一部を変形して形成したリブは、隣り合う半導体素子の間に設けられている。本明細書は、特許文献１の電力変換装置よりも冷却器の強度を高める技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、複数の冷却器が一列に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれており、冷却器と半導体モジュールがそれらの積層方向に加圧されている電力変換装置である。半導体モジュールには複数の半導体素子が収容されている。冷却器の内部には、積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されている。冷却器の内部には、流路方向に沿って延びている補強部材であって、積層方向と交差する冷却器の一面とその対面の両方に接している複数の補強部材が配置されている。半導体モジュールの内部には、積層方向からみたときに少なくとも２個の半導体素子が流路方向と交差する流路幅方向に並んでいる。複数の補強部材は、積層方向からみたときに、半導体素子と重ならないように配置されているとともに、２本は流路幅方向で半導体素子の並びの両側のそれぞれに配置されており、１本は２個の半導体素子の間に配置されている。

上記の構成によれば、補強部材を冷却器の内部に備えることで、冷却器の強度が向上する。すなわち、冷却器を構成する金属板を変形させる必要がなく、冷却器の強度が向上する。また、半導体素子の並び方向の両側と中間に補強部材を備えることで、より一層強度が向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置の斜視図である。 実施例の電力変換装置をＸＺ平面でカットした断面図である。 実施例の電力変換装置を積層方向から見た平面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。図１は、実施例の電力変換装置２の斜視図である。実施例の電力変換装置２は、例えば電気自動車に搭載され、バッテリとモータの間で電力変換を行う。しかし、実施例の電力変換装置２は電気自動車に搭載されるものに限定されず、様々な用途の電力変換装置として使用することができる。

電力変換装置２は、複数の冷却器１０と、複数の半導体モジュール２０とを備えている。電力変換装置２は、複数の冷却器１０と複数の半導体モジュール２０が交互に積層されたデバイスである。なお図１では、１つの冷却器だけに符号１０を付し、他の冷却器には符号を省略した。また、１つの半導体モジュールだけに符号２０を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。

１個の半導体モジュール２０は、２個の冷却器１０に挟まれている。半導体モジュール２０と一方の冷却器１０との間、及び、半導体モジュール２０と他方の冷却器１０との間には、それぞれ絶縁板５が挟まれている。また、図１では、理解し易いように、１個の半導体モジュール２０とその両側の絶縁板５を積層体から抜き出して描いてある。

詳しくは後述するが、半導体モジュール２０は、電力変換用の半導体素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを備えている。電力変換に用いられる半導体素子はパワー半導体素子とも呼ばれる。パワー半導体素子に大電流が流れたときの発熱量は大きい。従って、これらのパワー半導体素子を冷却するために、電力変換装置２には冷却器１０が備えられている。１個の半導体モジュール２０を、その両側から２個の冷却器１０で挟むことにより、冷却性能の高い電力変換装置２を実現している。

半導体モジュール２０と冷却器１０は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面（幅広面）が対向するように積層されている。半導体モジュール２０と冷却器１０は交互に積層されており、電力変換装置２の積層方向（図１のＸ方向）の両端には冷却器１０が位置している。冷却器１０の内部には、冷媒が通る流路が形成されている。冷媒が流れる流路方向は、積層方向と直交する方向である（図１のＹ方向）。複数の冷却器１０は、連通管４ａ、４ｂで連通されている。電力変換装置２の積層方向の一端に位置する冷却器１０には、冷媒供給管３ａと冷媒排出管３ｂが連結されている。冷媒供給管３ａを通じて供給される冷媒は、連通管４ａを通じて全ての冷却器１０に分配される。冷媒は各冷却器１０を通る間に隣接する半導体モジュール２０から熱を吸収する。各冷却器１０を通った冷媒は連通管４ｂを通り、冷媒排出管３ｂから排出される。図１の矢印は冷媒が流れる方向を示している。冷却器１０を流れる冷媒は液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ(Long Life Coolant)である。

電力変換装置２の積層方向の他端に位置する冷却器１０には板ばね６が接している。板ばね６は、冷却器１０の半導体モジュール２０と接している面とは反対側の面に接している。半導体モジュール２０と絶縁板５と冷却器１０が積層された電力変換装置２は、不図示のケースに収容され、板ばね６により積層方向に加圧される。積層方向への加圧により、冷却器１０と絶縁板５と半導体モジュール２０の密着性が向上する。それにより、電力変換装置２の冷却性能が向上する。さらに、冷却器１０と絶縁板５の間、及び、絶縁板５と半導体モジュール２０の間にはグリスが塗布されている。グリスは、熱の伝達効率を向上させるために塗布されている。

次に半導体モジュール２０について説明する。半導体モジュール２０は、樹脂製のパッケージに４個の半導体素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが封止されたデバイスである。半導体素子２１ａ、２１ｂは、電力変換用のスイッチング素子であり、本実施例においては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。電力変換装置２は、２個のスイッチング素子（半導体素子２１ａ、２１ｂ）を選択的に用いることにより電力を変換する。また、半導体素子２２ａは、半導体素子２１ａと逆並列に接続されている還流ダイオードである。半導体素子２２ｂは、半導体素子２１ｂと逆並列に接続されている還流ダイオードである。半導体素子２１ａと半導体素子２１ｂは、流路方向（図１のＹ方向）に並んでいる。また、半導体素子２２ａと半導体素子２２ｂは、流路方向に並んでいる。さらに、半導体素子２１ａと半導体素子２２ａは、流路方向と交差する流路幅方向（図１のＺ方向）に並んでいる。流路幅方向は、流路方向と直交する方向である。半導体素子２１ｂと半導体素子２２ｂは、流路幅方向に並んでいる。

半導体素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂのそれぞれには、その表面に電極が設けられている。絶縁板５と対向するパッケージの幅広面には、４個の放熱板２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂが露出している。図１では隠れて見えないが、反対側の幅広面にも４個の放熱板２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂが露出している。半導体素子２１ａは、２つの幅広面それぞれに備えられている放熱板２７ａで挟まれている。同様に、半導体素子２１ｂは、２つの幅広面それぞれに備えられている放熱板２７ｂで挟まれている。半導体素子２２ａは、２つの幅広面それぞれに備えられている放熱板２８ａで挟まれている。半導体素子２２ｂは、２つの幅広面それぞれに備えられている放熱板２８ｂで挟まれている。放熱板２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂは、例えば銅やアルミニウムといった、熱伝導性に優れた材料で構成されている。放熱板２７ａ（２７ｂ、２８ａ、２８ｂ）は、半導体素子２１ａ（２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）の電極と導通している。

半導体モジュール２０はさらに、正極端子２４と、負極端子２５と、中点端子２６とを備えている。正極端子２４と、負極端子２５と、中点端子２６は、パッケージの平坦面（幅広面）と交差する幅狭面から延びている。半導体素子２１ａ、２１ｂはパッケージの内部で直列に接続されており、直列接続の正極側と負極側はそれぞれ、正極端子２４、負極端子２５と導通している。２個の半導体素子２１ａ、２１ｂの直列接続の中点が中点端子２６と導通している。

放熱板２７ａは、半導体素子２１ａの熱を冷却器１０に伝える役割を担うとともに、半導体素子２１ａの電極と端子２４、２５、２６をつなぐ導電経路の役割を担う。同様に、放熱板２７ｂは、半導体素子２１ｂの熱を冷却器１０に伝える役割を担うとともに、半導体素子２１ｂの電極と端子２４、２５、２６をつなぐ導電経路の役割を担う。放熱板２８ａは、半導体素子２２ａの熱を冷却器１０に伝える役割を担うとともに、半導体素子２２ａの電極と端子２４、２５、２６をつなぐ導電経路の役割を担う。放熱板２８ｂは、半導体素子２２ｂの熱を冷却器１０に伝える役割を担うとともに、半導体素子２２ｂの電極と端子２４、２５、２６をつなぐ導電経路の役割を担う。上記のように、各放熱板はいずれかの半導体素子と導通しているので、半導体モジュール２０と冷却器１０の間には絶縁板５が挟まれている。なお、冷却器１０は、銅やアルミニウムといった、熱伝導性に優れた材料で構成されている。

半導体モジュール２０はさらに、２組の制御端子２３ａ、２３ｂを備えている。２組の制御端子２３ａ、２３ｂは、端子２４、２５、２６が延びている幅狭面とは反対側の幅狭面から延びている。制御端子２３ａは、半導体素子２１ａのゲートや温度センサと導通する端子群である。制御端子２３ｂは、半導体素子２１ｂのゲートや温度センサと導通する端子群である。

上記の通り、複数の半導体モジュールと、複数の冷却器が交互に積層されている電力変換装置２において、隣り合う冷却器と半導体モジュールの密着性を確保し冷却性能を向上させるため、積層方向に圧力が加えられている。積層方向への加圧力が大きいほど、冷却器と半導体モジュールの密着性は向上する。しかし、積層方向への加圧力を過度に大きくすると、冷却器が加圧力に耐えられなくなり、冷却器が変形してしまうおそれがある。冷却器に変形が生じると、冷却器と半導体モジュールの密着性は悪化してしまう。すなわち、電力変換装置の冷却性能が低下してしまうおそれがある。実施例の電力変換装置２は、冷却器の強度を向上させる構造を備えている。

図２と図３を参照して、冷却器１０の内部構造について説明する。図２は、電力変換装置２を、ＸＺ平面でカットした断面図である。図３は、電力変換装置２を積層方向から見た平面図である。

冷却器１０の内部には、補強部材１１、１２、１３と、フィン１５とが備えられている。補強部材１１、１２、１３は細長の部材であり、流路方向に沿って延びるように配置されている。補強部材１１、１２、１３は、積層方向と交差する冷却器１０の一面とその対面の両方に接している。補強部材１１、１２、１３は、ろう付けによって冷却器１０に固定されている。

先に述べたように、半導体モジュール２０の内部には、４個の半導体素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが収容されている。半導体素子２１ａ、２２ａは、流路幅方向（Ｚ方向）に並んでおり、半導体素子２１ｂ、２２ｂも、流路幅方向に並んでいる。補強部材１１、１３は、流路幅方向で複数の半導体素子２１ａ、２２ａ（２１ｂ、２２ｂ）の並び方向の両側のそれぞれに配置されている。補強部材１２は、流路幅方向で複数の半導体素子２１ａ、２２ａ（２１ｂ、２２ｂ）の間に配置されている。また、先に述べたように、補強部材１１、１２、１３は、細長い形状を有しおり、流路方向（Ｙ方向）に延びるように配置されている。さらに、補強部材１１、１２、１３は、積層方向からみて、半導体素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂと重ならないように配置されている。補強部材１１、１２、１３は、横断面が矩形である。

複数の補強部材１１、１２、１３により、以下の効果が期待される。複数の補強部材１１、１２、１３は、流路幅方向で複数の半導体素子２１ａ、２２ａ（２１ｂ、２２ｂ）の並び方向の両側に配置されているとともに、隣り合う半導体素子２１ａ、２２ａ（２１ｂ、２２ｂ）の間に配置されている。それゆえ、冷却器１０は、積層方向に加圧されても変形し難い。また、補強部材１１、１２、１３は、長手方向が流路方向（冷媒の流れる方向）に沿うように配置されているので、流路抵抗の増加が少ない。なお、補強部材１１、１２、１３は、冷却器１０の材料よりも剛性の高い材料で作られている。

補強部材１１、１２、１３は、積層方向から見て半導体素子２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂと重ならないように配置されている。これにより、電力変換装置２の冷却性能が低下することなく、冷却器１０の強度が向上する。

また、補強部材１１、１２、１３は、冷却器１０とは別部材である。補強部材を冷却器１０の外板を加工して作る場合と比較して製造が容易である。

冷却器１０の内部には、フィン１５が収容されている。フィン１５は、ＸＺ平面に沿った断面図が矩形形状であるような形状である。これにより、冷媒と冷却器１０との接触面積を増加させ、電力変換装置２の冷却性能を向上させている。フィン１５は、ろう付けによって冷却器１０に固定されている。

また、本実施例の電力変換装置２においては、冷却器１０と絶縁板５の間、及び、絶縁板５と半導体モジュール２０の間にグリスが塗布されている。半導体モジュール２０の発熱と冷却の繰り返しによって、冷却器１０と絶縁板５の間に塗布されたグリス、又は、絶縁板５と半導体モジュール２０の間に塗布されたグリスが流出するおそれがある。このような現象はポンプアウト現象と呼ばれている。ポンプアウト現象が起こると、半導体モジュール２０から冷却器１０への熱の伝達効率が悪化し、電力変換装置２の冷却性能が低下するおそれがある。

上記の通り、本実施例の電力変換装置２においては、補強部材１１、１２、１３により、冷却器１０の強度が向上する。従って、電力変換装置２を、より大きな加圧力で積層方向に加圧することができるため、冷却器１０と絶縁板５と半導体モジュール２０の密着性が向上する。これにより、ポンプアウト現象を抑制することができ、電力変換装置２の冷却性能の低下を未然に防止することができる。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換装置
３ａ：冷媒流入管
３ｂ：冷媒排出管
４ａ、４ｂ：連通管
５：絶縁板
６：板ばね
１０：冷却器
１１、１２、１３：補強部材
２０：半導体モジュール
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ：半導体素子
２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ：放熱板

Claims (1)

1. 複数の冷却器が一列に配置されており、隣り合う前記冷却器の間に複数の半導体素子を収容した半導体モジュールが挟まれており、前記冷却器と前記半導体モジュールがそれらの積層方向に加圧されている電力変換装置であって、
   前記冷却器の内部には、前記積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されており、
   前記冷却器の内部には、流路方向に沿って延びている補強部材であって、前記積層方向と交差する前記冷却器の一面とその対面の両方に接している複数の補強部材が配置されており、
   前記半導体モジュールの内部には、前記積層方向からみたときに少なくとも２個の前記半導体素子が前記流路方向と交差する流路幅方向に並んでおり、
   前記複数の補強部材は、前記積層方向からみたときに、前記半導体素子と重ならないように配置されているとともに、２本は前記流路幅方向で前記半導体素子の並びの両側のそれぞれに配置されており、１本は２個の前記半導体素子の間に配置されている、
   電力変換装置。

Images