JP2023505595A - 半導体スイッチ素子用の冷却装置、パワーインバータ装置、およびパワーインバータ装置と電気機械とを有する構成体 - Google Patents
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Abstract
半導体スイッチ素子(10、11)を冷却するための冷却装置(15)であって、前記冷却装置(15)は、-前記半導体スイッチ素子(10、11)を支持するための第1側面(18)を有するとともに、前記第1側面(18)の反対側の第2側面(19)を有する第1壁(17)と、-前記第1壁(17)の前記第2側面(19)とともに主冷却チャネル(22)を形成する第1側面(21)を有する第2壁(20)であって、前記第2壁(20)の前記第1側面(21)の反対側の第2側面(25)を有する第2壁(20)と、前記第2壁(20)の前記第2側面(25)とともに補助冷却チャネル(24)を形成する第3壁(23)と、を備え、前記第2壁(20)は、前記補助冷却チャネル(24)を前記主冷却チャネル(22)に流体的に導通した態様で接続する接続手段(26)を備える。
Description
本発明は、半導体スイッチ素子を冷却するための冷却装置であって、前記半導体スイッチ素子を支持するための第1側面を有するとともに、前記第1側面の反対側の第2側面を有する第1壁と、前記第1壁の前記第2側面とともに主冷却チャネルを形成する第1側面を有する第2壁であって、前記第2壁の前記第1側面の反対側の第2側面を有する第2壁と、を備える冷却装置に関する。
さらに、本発明は、パワーインバータ装置と、パワーインバータ装置と電気機械とを備える構成体と、に関する。
例えば電気駆動車両の電気機械に給電するパワーインバータ装置内での半導体スイッチ素子の動作時に、半導体スイッチ素子の過熱による故障を引き起こし得る大きな電力損失が発生する。半導体スイッチ素子を冷却するための冷却装置を使用することが知られている。冷却装置は、半導体スイッチ素子を冷却するように、これに沿って冷却剤を流れさせ得る冷却チャネルを有している。ここで、冷却剤に乱流を発生させることでより大きな熱交換面を生成することを目的として、冷却チャネル内に延びるピンフィン等の追加のヒートシンク構造体が使用される場合がある。
文書US 2004/0150956 A1号は、半導体ダイを備える発熱源から冷却媒体に熱を伝達するための、パワーエレクトロニクス用途で使用されるヒートシンクアセンブリを開示している。ヒートシンクアセンブリは、ベースプレートと、ベースプレートの内部に配置されて発熱源から冷却媒体に熱を伝達するための複数の伝熱ピンと、頂部装着部とこれらの間に形成された冷却チャネルとを有する熱交換アセンブリと、を備え、熱を吸収するための冷却媒体が冷却チャネルに配置されている。
しかしながら、付着する熱の影響により、単一の冷却チャネルの流出領域において冷却剤の温度が流入領域より高くなり、出口側の半導体スイッチ素子からの伝熱が減少し、冷却装置の出口側部分に蓄熱することとなる。
したがって、本発明の目的は、特に車両を駆動するための、パワーインバータ装置における半導体スイッチ素子を冷却するための改善された可能性を提供することである。
本発明によれば、上述の目的は、冒頭に記載した冷却装置であって、前記第2壁の前記第2側面とともに補助冷却チャネルを形成する第3壁をさらに備え、前記第2壁は、前記補助冷却チャネルを前記主冷却チャネルに流体的に導通した態様で接続する接続手段を備える冷却装置により解決される。
本発明による冷却装置は、補助冷却チャネルを提供する。補助冷却チャネルは、半導体スイッチ素子から第2壁を介して熱的に切り離されることにより、主冷却チャネルよりも低温の冷却剤を伝えるものである。接続手段により、冷却剤が補助冷却チャネルから主冷却チャネル内に吐出され得る。このため、乱流が主冷却チャネル内で発生する、および/または、主冷却チャネルに沿って流れる冷却剤流の温度が低下する。これは、冷却剤流が補助冷却チャネルからのより低温の冷却剤流と混合するためである。乱流が発生すること、および冷却剤の温度が低下することの両方により、半導体スイッチ素子から主冷却チャネルに沿って流れる冷却剤へより多くの熱が伝達され得る。有利には、本発明による冷却装置により、半導体スイッチ素子からの放熱を向上させることができる、および/または、ピンフィン等の高価な従来のヒートシンク構造体を省くことができる。
好適には、半導体スイッチ素子は、各々がハーフブリッジ回路を備える半導体スイッチ素子構成体を形成する。ハーフブリッジ回路は、各々が逆並列ダイオード構造体を設けられた2つのトランジスタ構造体の直列接続体を備え得る。典型的には、3つの半導体スイッチ素子構成体が、冷却装置により冷却され得る。典型的には、第1壁は、第2壁および/または第3壁に対して平行に延びる。好適には、第1壁の第2側面と第2壁の第1側面との間の距離は、第2壁の第2側面と第3壁との間の距離よりも大きい。
好適には、本発明による冷却装置の前記接続手段は、複数の貫通孔である。これにより、補助冷却チャネルに沿って流れる冷却剤流は、主冷却チャネル内に吐出され得る。好適には、貫通孔は、第2壁に沿って行列状に配置される。それぞれの行は、主冷却チャネルにおいて冷却剤流の流れ方向に沿って延びる。好適には、各列は、少なくとも5個、より好適には少なくとも10個、より好適には少なくとも15個の貫通孔を備えている。典型的には、貫通孔は、矩形または楕円形のパターン、および/または斜めのパターンで配置される。冷却チャネルの幅に対する貫通孔の直径の比率は、好適には1.5%~10%である。さらに、貫通孔の直径は、実質的に等しくてもよいし、または等しくてもよい。あるいは、貫通孔の直径は異なっていてもよい。好適には、貫通孔の直径は、流れ方向に対して増大または縮小している。これにより、伝熱および圧力損失の所望の要件が満たされ得る。
前記貫通孔は、前記第2壁に平行な平面に対して傾斜することがさらに好適である。好適には、傾斜角度は、少なくとも10°、より好適には少なくとも30°、および/または最大で80°、より好適には最大で60°である。
本発明による冷却装置は、前記主冷却チャネルと前記補助冷却チャネルとに冷却剤を供給するための入口チャネルアセンブリと、前記冷却剤を前記主冷却チャネルから排出するための出口チャネルと、をさらに備え得る。
ここで、前記接続手段の出口チャネル側における前記主冷却チャネルと前記補助冷却チャネルとの間の接続部の密度が、前記接続手段の入口チャネル側におけるよりも高いことが好適である。主冷却チャネルに沿って流れる冷却剤の温度は、典型的には、入口チャネル側から出口チャネル側に向かって上昇するため、出口チャネル側で接続部の密度、例えば貫通孔の密度を高くすることにより、主冷却チャネルに沿って流れる冷却剤の温度分布をよりバランスよくすることができる。
さらに、前記接続手段は、前記第2壁の出口チャネル側端部と、前記出口チャネルと前記入口チャネルアセンブリとの間の位置と、の間で延びる、前記第2壁のセクション内に配置され、前記第2壁は、前記セクションの外側において、前記冷却剤に対して不透過性であり得ることが好適である。
ここで、前記第2壁の前記出口チャネル側端部と前記位置との間の距離が、前記第2壁の長さの最大で60パーセント、好適には最大で50パーセント、より好適には最大で40パーセントである。この場合、補助冷却チャネルからの冷却剤が、主冷却チャネルに沿った冷却剤流が既に加熱されている、主冷却チャネルの領域のみに吐出され得る。これにより、主冷却チャネル内での熱分布をよりバランスよくすることができる。
あるいは、前記第2壁の前記出口チャネル側端部と前記位置との間の距離が、前記第2壁の長さの少なくとも60パーセント、好適には少なくとも75パーセント、より好適には少なくとも90パーセントである。距離がかなり高い場合、例えば前記長さの60パーセントを超える場合、補助冷却チャネルからの冷却剤が、主冷却チャネル内に、主冷却チャネルの広い範囲に亘って吐出され得る。これにより、第1壁の第2側面に分散配置されたピンフィンまたはリボン接合部に匹敵する冷却効果が、そのような高価な構造体を使用せずに達成され得る。
第1の好適な代替案によれば、前記入口チャネルアセンブリは、共通の入口チャネルを備え、前記入口チャネルから、主入口チャネルと前記補助冷却チャネルとが分岐する。これにより、冷却装置を冷却サイクルに組み込むことが容易化され得る。
第2の好適な代替案によれば、前記入口チャネルアセンブリは、互いに離れた主入口チャネルと補助入口チャネルとを備える。これにより、例えば冷却装置のスポーツ車両への組み込みに関して、より高い冷却性能が得られる。特に、主入口チャネルと補助入口チャネルとは、別個の冷却サイクルにより供給を受け得る、または供給を受ける。
典型的には、冷却装置は、主冷却チャネルおよび補助冷却チャネルに対して単一の出口チャネルを有する。
本発明による冷却装置の前記第3壁は、ハウジング要素内に形成されたキャビティの底部により形成されることが好適である。典型的には、キャビティは、金属製のブロックにフライス加工される、またはキャビティを有するようにハウジング要素を鋳造することにより実現される。ハウジング要素は、アルミニウムから構成され得る。典型的には、キャビティは、良好に成形されるとともに、入口チャネルアセンブリを実現する少なくとも1つのボア、および/または出口チャネルを実現するボアを有している。各ボアは、傾斜していてもよい。
有利には、前記第2壁は、前記キャビティの凹部に配置されたプレート状の仕切要素により形成される。これにより、仕切要素がハウジング要素に対して別個の部品となり得るため、冷却装置の組立が容易になる。典型的には、冷却装置の重量を実現するために、仕切要素はプラスチックから構成される。
一般に、本発明による冷却装置に関して、前記第1壁は、ベースプレートにより形成され得る。半導体スイッチ素子は、はんだ付けにより、ベースプレートに装着され得る。
製造のための第1代替例によれば、前記冷却装置は、前記ベースプレートと前記仕切要素との間に配置された固定要素であって、前記ベースプレートが前記キャビティを閉鎖するとき、前記ベースプレートにより弾性変形する固定要素を備える。第2代替例によれば、前記冷却装置は、前記ベースプレートと前記仕切要素との間に配置されたフレーム要素であって、締結手段により前記ハウジング要素のフランジに接続された、または接続可能なフランジを有するフレーム要素を備える。
本発明によれば、上述の目的は、複数の半導体スイッチ素子と、本発明による前記半導体スイッチ素子用の冷却装置と、を備えるパワーインバータ装置によりさらに解決される。
本発明によれば、上述の目的は、本発明によるパワーインバータ装置と、車両を駆動するように構成された電気機械と、を備える構成体であって、前記パワーインバータ装置は、前記電気機械に給電するように構成される、構成体によりさらに解決される。
本発明のさらなる詳細および利点について、以下の実施形態で説明する。説明では、以下を概略的に示す添付図面が参照される。
図1は、パワーインバータ装置2と電気機械3とを有する構成体1の実施形態のブロック図である。パワーインバータ装置2は、電気機械3に給電するように構成されている。電気機械3は、バッテリ電気自動車やハイブリッド電気自動車等の車両を駆動するのに適している。さらに、図1は、パワーインバータ装置2のDCリンク、または構成体1にそれぞれ接続された高電圧バッテリ4を示している。
パワーインバータ装置2は、DCリンクコンデンサ5と、半導体スイッチ素子モジュール6と、を備えている。半導体スイッチ素子モジュール6は、第1半導体スイッチ素子構成体7と、第2半導体スイッチ素子構成体8と、第3半導体スイッチ素子構成体9と、を有している。各半導体スイッチ素子構成体7、8、9は、パワーインバータ装置2の出力相電流を供給するように構成されている。このために、各半導体スイッチ素子構成体7、8、9は、2つの半導体スイッチ素子10、11により形成されたハーフブリッジを備えている。各半導体スイッチ素子は、トランジスタ構造体12と、逆並列ダイオード構造体13と、を有している。トランジスタ構造体12およびダイオード構造体13は、単数または複数のパワーMOSFETにより、またはIGBTとダイオードとの単数または複数の接続部により、形成され得る。
さらに、パワーインバータ装置2は、制御ユニット14を備えている。制御ユニット14は、半導体スイッチ素子モジュール6、すなわち半導体スイッチ素子構成体7、8、9をそれぞれ制御して三相出力電圧を提供するように構成されている。パワーインバータ装置2は、半導体スイッチ素子10、11を冷却するための冷却装置15の第1実施形態をさらに備えている。
図2は、パワーインバータ装置2の第1実施形態の上面図である。図示のように、半導体スイッチ素子構成体7、8、9は、冷却装置15のベースプレート16上に一列に装着されている。
図3は、図2における平面III-IIIに沿ったパワーインバータ装置2の第1実施形態の長手方向断面図である。
冷却装置15は、ベースプレート16により形成された第1壁17を備えている。第1壁17は、半導体スイッチ素子10、11すなわち半導体スイッチ素子構成体7、8、9をそれぞれ支持するための第1側面18と、第1側面18の反対側の第2側面19と、を有している。さらに、冷却装置15は、第1壁17の第2側面19とともに主冷却チャネル22を形成する第1側面21を有する第2壁20を備えている。冷却装置15の第3壁23が、第2壁20の第2側面25とともに補助冷却チャネル24を形成している。主冷却チャネル22および補助冷却チャネル24は、主冷却チャネル22に沿った冷却剤流に直接的に熱接触しているベースプレート16の下方において平行に延びている。
第2壁20は、補助冷却チャネル24を主冷却チャネル22に流体的に導通した態様で接続する接続手段26を備えている。そのために、接続手段26は、第2壁20に平行な平面に対して傾斜した複数の貫通孔26aを備えている。したがって、半導体スイッチ素子10、11から第2壁20により熱的に切り離された補助冷却チャネル24に沿った冷却剤流が、貫通孔26aにより実現された接続部を介して主冷却チャネル22内に吐出される。
さらに、冷却装置15は、主冷却チャネル22および補助入口チャネル24に冷却剤を供給するための入口チャネルアセンブリ27を備えている。冷却剤を主冷却チャネル22から排出するための出口チャネル28が、冷却装置15の入口チャネルアセンブリ27に対して反対側に設けられている。本実施形態において、入口チャネルアセンブリ27は、共通の入口チャネル31を備えている。入口チャネル31から、主冷却チャネル20と補助冷却剤チャネル24とに冷却剤を供給するための主入口チャネル29が分岐している。
入口チャネルアセンブリ27および出口チャネル28は、例えばアルミニウムから構成されたハウジング要素32内の傾斜したボアにより形成されている。さらに、図3は、第1壁17の第2側面19に配置された任意のリボン接合部33を示している。
図4は、第1実施形態の冷却装置15の第2壁20の原理図である。
接続手段26は、第2壁20のセクション34内に配置されている。セクション34は、第2壁20の出口チャネル側端部35と、出口チャネル28と入口チャネルアセンブリ27との間の位置と、の間で延びている。セクション34の外側において、第2壁20は、冷却剤に対して不透過性である。第2壁20の出口チャネル側端部35と当該位置との間の距離は、第2壁20の長さの約50パーセントである。
セクション34は、接続手段26の入口チャネル側にある第1サブセクション36と、接続手段26の出口チャネル側にある第2サブセクション37と、を有している。第2サブセクション37内において、接続部の密度すなわち貫通孔26aの密度は、第1サブセクション36内よりもそれぞれ高い。第1サブセクション36において、貫通孔26aは、正方形のパターンで配置されている。これに対して、第2サブセクション37においては、接続部がより高い密度となるように、貫通孔26aは斜めのパターンである。
これにより、補助冷却チャネル24に沿って流れるより低温の冷却剤が、主冷却チャネル22の領域、すなわち第2スイッチ素子構成体8および第3スイッチ素子構成体9の下方にある領域に吐出される。この領域では、主冷却チャネル22に沿った冷却剤流は、第1スイッチ素子構成体7からの放熱により既に加熱されている。補助冷却チャネル24に沿った冷却剤流は、主冷却チャネル22に沿った冷却剤流よりも低温であるため、第2スイッチ素子構成体8および第3スイッチ素子構成体9の下方の温度は、補助冷却チャネルのない冷却装置に比較して低下する。第3半導体スイッチ素子構成体9の下方にある第2サブセクション37の貫通孔26aの密度は、第1サブセクション36におけるよりも高いため、さらに多くの冷却剤が主冷却チャネル22に吐出される。これにより、補助冷却チャネルのない冷却装置に比較して、主冷却チャネル22に沿った冷却剤流の温度が低下する。貫通孔26aを介して吐出される冷却剤により乱流が発生するため、放熱のさらなる向上が達成される。
図5および図6は、各々パワーインバータ装置2の第1実施形態の簡略化した断面図である。図5は主冷却チャネル22および補助冷却チャネル24を示し、図6は出口チャネル28を示す。図示のように、第1壁17の第2側面19と第2壁20の第1側面21との間の距離は、第2壁20の第2側面25と第3壁23との間の距離よりも大きい。この結果、主冷却チャネル22の高さは、補助冷却チャネル24の高さよりも大きくなっている。
図7は、図2における平面VII-VIIに沿ったパワーインバータ装置2の第1実施形態の断面図である。
第3壁23は、ハウジング要素32内に形成されたキャビティ39の底部38により形成されている。第2壁20は、キャビティ39の凹部41に配置されたプレート状の仕切要素40により形成されている。図8に上面図で示す固定要素42が、ベースプレート16と仕切要素42との間に設けられ、ベースプレート16がキャビティ39を閉鎖するとき、ベースプレート16により弾性変形する。
図9~図12は、冷却装置15のさらなる実施形態を各々有するパワーインバータ装置2のさらなる実施形態を示す。以下では、パワーインバータ装置2および冷却装置15のそれぞれの実施形態と上述のパワーインバータ装置2および冷却装置15の第1実施形態との相違点のみ説明する。同一の参照符号が、同一または同等の構成要素に使用される。あるいは、パワーインバータ装置2のさらなる実施形態の全てが、構成体1に適用され得る。
図9は、冷却装置15の第2実施形態を有するパワーインバータ装置2の第実施形態の長手方向断面図である。本実施形態によれば、主入口チャネル29は、補助入口チャネル30から離れている。このために、入口チャネル29、30の各々用の2つの別個のボアが、ハウジング要素32内に設けられている。主入口チャネル29および補助入口チャネル30は、第1実施形態よりも高い冷却性能を提供するように、異なる冷却サイクルにより供給を受ける。
図10は、冷却装置15の第3実施形態を有するパワーインバータ2の第3実施形態の長手方向断面図である。これらの実施形態において、貫通孔26aは、第2壁20の略全領域に亘って分散配置されている。図11は、冷却装置15の第3実施形態の第2壁20の原理図である。図示のように、セクション34は、出口チャネル側端部35までの距離が第2壁20の長さの90パーセント超である位置まで延びている。ここで、ベースプレート16にリボン接合部は設けられていない。なぜならば、補助冷却チャネル24から主冷却チャネル22内に流れる冷却剤の傾斜したジェットが、第1壁17のリボン接合部の対応する分散配置により発生する乱流と同等の乱流を主冷却チャネル22内で発生させるからである。
図12は、冷却装置15の第4実施形態を有するパワーインバータ装置2の第4実施形態による、図7に対応する断面図である。本実施形態において、冷却装置は、ベースプレート16と仕切要素40との間に配置されたフレーム要素43であって、締結手段46によりハウジング要素32のフランジ45に接続されたフランジ44を有するフレーム要素43を備えている。
Claims (15)
- 半導体スイッチ素子(10、11)を冷却するための冷却装置(15)であって、
-前記半導体スイッチ素子(10、11)を支持するための第1側面(18)を有するとともに、前記第1側面(18)の反対側の第2側面(19)を有する第1壁(17)と、
-前記第1壁(17)の前記第2側面(19)とともに主冷却チャネル(22)を形成する第1側面(21)を有する第2壁(20)であって、前記第2壁(20)の前記第1側面(21)の反対側の第2側面(25)を有する第2壁(20)と、
を備え、
前記第2壁(20)の前記第2側面(25)とともに補助冷却チャネル(24)を形成する第3壁(23)であって、前記第2壁(20)が前記補助冷却チャネル(24)を前記主冷却チャネル(22)に流体的に導通した態様で接続する接続手段(26)を備える、第3壁(23)を特徴とする、
冷却装置(15)。 - 前記接続手段(26)は、複数の貫通孔(26a)である、
請求項1に記載の冷却装置。 - 前記貫通孔(26a)は、前記第2壁(20)に平行な平面に対して傾斜する、
請求項2に記載の冷却装置。 - -前記主冷却チャネル(22)と前記補助冷却チャネル(24)とに冷却剤を供給するための入口チャネルアセンブリ(27)と、
-前記冷却剤を前記主冷却チャネル(22)から排出するための出口チャネル(28)と、
をさらに備える、
請求項1~3のいずれかに記載の冷却装置。 - 前記接続手段(26)の出口チャネル側における前記主冷却チャネル(22)と前記補助冷却チャネル(24)との間の接続部の密度が、前記接続手段(26)の入口チャネル側におけるよりも高い、
請求項4に記載の冷却装置。 - 前記接続手段(26)は、前記第2壁(20)の出口チャネル側端部(35)と、前記出口チャネル(28)と前記入口チャネルアセンブリ(27)との間の位置と、の間で延びる、前記第2壁(20)のセクション(34)内に配置され、
前記第2壁(20)は、前記セクション(34)の外側において、前記冷却剤に対して不透過性である、
請求項4または5に記載の冷却装置。 - 前記第2壁(20)の前記出口チャネル側端部(35)と前記位置との間の距離が、前記第2壁(20)の長さの
-最大で60パーセント、好適には最大で50パーセント、より好適には最大で40パーセント、または、
-少なくとも60パーセント、好適には少なくとも75パーセント、より好適には少なくとも90パーセント
である、
請求項6に記載の冷却装置。 - 前記入口チャネルアセンブリ(27)は、共通の入口(31)チャネルを備え、
前記入口(31)チャネルから、主入口チャネル(29)と前記補助冷却チャネル(24)とが分岐する、
請求項5~7のいずれかに記載の冷却装置。 - 前記入口チャネルアセンブリ(27)は、互いに離れた主入口チャネル(29)と補助入口チャネル(30)とを備える、
請求項5~7のいずれかに記載の冷却装置。 - 前記第3壁(23)は、ハウジング要素(32)内に形成されたキャビティ(39)の底部(38)により形成される、
請求項1~9のいずれかに記載の冷却装置。 - 前記第2壁(20)は、前記キャビティ(39)の凹部(41)に配置されたプレート状の仕切要素(40)により形成される、
請求項10に記載の冷却装置。 - 前記第1壁(17)は、ベースプレート(16)により形成され、
前記冷却装置(15)は、前記ベースプレート(16)と前記仕切要素(40)との間に配置された固定要素(42)であって、前記ベースプレート(16)が前記キャビティ(39)を閉鎖するとき、前記ベースプレート(16)により弾性変形する固定要素(42)を備える、
請求項11に記載の冷却装置。 - 前記第1壁(17)は、ベースプレート(16)により形成され、
前記冷却装置(15)は、前記ベースプレート(16)と前記仕切要素(40)との間に配置されたフレーム要素(43)であって、締結手段(46)により前記ハウジング要素(32)のフランジ(45)に接続された、または接続可能なフランジ(44)を有するフレーム要素(43)を備える、
請求項11に記載の冷却装置。 - 複数の半導体スイッチ素子(10、11)と、前記半導体スイッチ素子(10、11)用の請求項1~13のいずれかに記載の冷却装置(15)と、を備える、パワーインバータ装置(2)。
- 請求項14に記載のパワーインバータ装置(2)と、車両を駆動するように構成された電気機械(3)と、を備える構成体(1)であって、前記パワーインバータ装置(2)は、前記電気機械(3)に給電するように構成される、構成体(1)。
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