JP2021112119A - 三相インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】三相インバータを開示する。【解決手段】インバータは冷却装置を備える。冷却装置は、本体と、本体内部に設けられた冷却剤経路と、を備える。本体は、少なくとも３つの側壁と、第１側面と、第１側面に対向する第２側面と、３つの側壁によって画定される中空部と、第１側面上に設けられた入口と、第２側面上に設けられた出口と、を更に備える。冷却剤経路は入口と出口とを連通する。キャパシタは中空部内に設けられている。３つのパワーモジュールが、各相に対して設けられている。各パワーモジュールは、側壁に接触する対となったトランジスタを備えて、上アーム回路および下アーム回路を直列に構成する。この設計ではインバータが小型化されている。これは、ＥＶの電子機器の小型化に有利である。【選択図】図８

Description

本発明は、インバータ、特に、高速スイッチング半導体装置を使用する三相インバータに関する。

従来、インバータの冷却システム１はプレート形状を有する。また、パワーチップ２（ＳｉＣデバイスなど）は、プレートの表面上に並列に固定されている。（図１において、Ｕ相３１、Ｖ相３２およびＷ相３３をそれぞれ表す三相のアプリケーションが示される。）冷却剤は、入口１１を通って冷却システムに流入し、出口１２を通って冷却システムから流出する。図２および図３を参照すると、２つの従来の蛇行冷却管が使用されている。冷却システムの同じ側に、入口１および出口２が設けられている。パワーチップは、これら蛇行冷却管に沿って設けられている。（図２および図３において、冷却剤の流れが矢印で示される。）したがって、パワーチップによって発生された熱は、冷却剤の流れ３によって放散される。しかしながら、熱交換プロセス中に冷却剤自体の温度が上昇し、これによって温度のアンバランスが発生する。そのため、出口付近の温度は入口付近の温度よりも高い。並列に配置されたパワーチップの数が増加するにつれて、温度の分布はより不均一になる。一般に、ＥＶ（Electric Vehicle／電気自動車）はより大きな電流を必要とし、より多くのＳｉＣデバイスを使用する。それらＳｉＣデバイスが依然として並列に配置されている場合、温度のアンバランスに起因して、不均衡な電流が発生されるであろう。その結果、ＳｉＣデバイスの一部が破壊される可能性さえある。

さらに、電気モータによって全体的または部分的に駆動される商用車（バスおよびトラック）の人気が高まっている。商用車の場合、大きな電流が必要であるしたがって、より多くの電力チップ（１０以上）が、並列で各相に対して結合される。この場合インバータは、並列配置のために、設置スペースをより必要とする。

本発明の一態様は、三相インバータを提供することである。インバータは冷却装置を備える。冷却装置は、本体と、本体内部に設けられた冷却剤経路と、を備える。本体は、少なくとも３つの側壁と、第１側面と、第１側面に対向する第２側面と、３つの側壁によって画定される中空部と、第１側面上に設けられた入口と、第２側面上に設けられた出口と、を更に備える。冷却剤経路は入口と出口とを連通する。キャパシタは中空部内に設けられている。３つのパワーモジュールが、各相に対して設けられている。各パワーモジュールは、側壁に接触する対となったトランジスタを備えて、上アーム回路および下アーム回路を直列に構成する。この設計ではインバータが小型化されている。これは、ＥＶの電子機器の小型化に有利である。

三相のアプリケーションにおける並列パワーチップ配置を示す図である。 従来の冷却剤の流れを示す図である。 別の従来の冷却剤の流れを示す図である。 本発明の一実施形態によるインバータの第１斜視図である。 図４の正面図である。 図４の背面図である。 本発明の一実施形態によるインバータの第２斜視図である。 本発明の一実施形態によるインバータの第３斜視図である。 冷却装置内の冷却剤の流れを示す図である。 本発明の別の実施形態によるインバータの斜視図である。

図4〜図９を参照すると、本発明の一実施形態による三相インバータが詳細に開示される。インバータは冷却装置を備える。冷却装置は、本体１０と、本体１０内部に設けられた冷却剤経路と、を備える。本体は、アルミニウム製の中空の三角柱であり、３つの側壁１１、１２および１３と、第１側面２１と、第１側面２１に対向する第２側面２２と、を備える。中空部１０１は、３つの側壁１１、１２および１３によって画定されている。中空部１０１が、キャパシタ４を収容する空間を供給する。冷却装置は、入口３１および出口３２を更に備える。入口３１および出口３２は、冷却剤経路と連通する。入口３１は、第１側面２１上に設けられている。出口３２は、第２側面２２上に設けられている。入口３１は、出口３２（図９に破線で示す）よりも低い。したがって、側壁全体が冷却剤の影響を受ける。

インバータは３つのパワーモジュールを備える。パワーモジュールは、それぞれ、１つの相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）に対応する。各パワーモジュールは、側壁に接触する対となったトランジスタ６を備える。図８を参照すると、単相については、１０個のトランジスタ６が並列に結合されて上アーム回路５１を構成し、別の１０個の並列なトランジスタ６が下アーム回路５２を構成する。同じ相に属する上アーム回路５１および下アーム回路５２は、同一の側壁上に設けられている。全てのトランジスタは、クリップ７によって固定されている。各トランジスタの加熱面は、側壁に接触する。高いスイッチング速度を達成するために、トランジスタとしてＳｉＣデバイスが使用されており、スイッチング中に大量の熱が発生される。トランジスタのスイッチングプロセス中に発生された熱は、側壁に伝達され、冷却剤の循環する間にインバータから取り除かれる。従来の平坦な冷却装置と比較すると、この三次元冷却装置で、三相に属するトランジスタがまとめて冷却される。

図４〜８を参照すると、インバータは、３つの側壁に対応する３つのＰＣＢ８（１つのＰＣＢのみが示される）を更に備える。各ＰＣＢは、対応する側壁に平行である。各側壁に設けられたパワーモジュールは、対応するＰＣＢに電気的に接続されている。キャパシタ４もＰＣＢに電気的に結合されている。ＰＣＢ８には、インバータのＤＣ入力８１と、インバータのＡＣ出力８２と、が設けられている。

別の好ましい実施形態において、図１０を参照すると、各パワーモジュールの上アーム回路５１および下アーム回路５２は、それぞれ、２つの隣接する側壁１２および１３上に設けられている。インバータは、３つのパワーモジュールに対応する３つのＰＣＢ８（１つのＰＣＢのみが示される）を備える。各パワーモジュールは、対応するＰＣＢに電気的に接続されている。また、パワーモジュールを効率的に冷却するために、３つの直線冷却経路が本体に設けられている。したがって、３つの入口３１および３つの出口３２が設けられている。同一の冷却経路の入口と出口とは、同一の高さにある。そうすることで、３つの側壁上に設けられたパワーモジュールが、独立して冷却される。

したがって、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、この説明は、本発明を例示するものであり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者は多様な変形および応用を想起しうる。

Claims (6)

1. 三相インバータであって、
   冷却装置を備え、前記冷却装置は、本体と、本体内部に設けられた少なくとも１つの冷却剤経路と、を備え、前記本体は、少なくとも３つの側壁と、第１側面と、前記第１側面に対向する第２側面と、前記３つの側壁によって画定される中空部と、前記第１側面上に設けられた少なくとも１つの入口と、前記第２側面上に設けられた少なくとも１つの出口と、を備え、前記冷却剤経路は前記入口と前記出口とを連通し、
   キャパシタは前記中空部内に設けられ、
   ３つのパワーモジュールが各相に対して設けられ、各パワーモジュールは、前記側壁に接触する対となったトランジスタを備えて、上アーム回路および下アーム回路を直列に構成する、三相インバータ。
2. 請求項１に記載のインバータであって、３つのパワーモジュールにそれぞれ対応する３つのＰＣＢを備え、各パワーモジュールは、対応する前記ＰＣＢに電気的に接続されている、インバータ。
3. 請求項２に記載のインバータであって、各パワーモジュールの前記上アーム回路および前記下アーム回路は、同一の側壁上に設けられ、前記パワーモジュールに接続された前記ＰＣＢは、前記側壁に平行である、インバータ。
4. 請求項２に記載のインバータであって、各パワーモジュールの前記上アーム回路および前記下アーム回路は、それぞれ、２つの隣接する側壁上に設けられている、インバータ。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のインバータであって、前記本体は中空の三角柱である、インバータ。
6. 請求項１〜４の何れか一項に記載のインバータであって、前記トランジスタはＳｉＣデバイスである、インバータ。
   

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