JP3800938B2 - パワーモジュールの冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールの冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング素子と還流ダイオードとを各相ごとにブリッジに組み、同一基板上に全相のブリッジを配置したパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子を冷却するパワーモジュールの冷却装置として、従来、特開平９−９２７６２号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
この従来のパワーモジュールの冷却装置は、各パワー半導体素子の近傍下の金属基板の内部に直接流路を形成し、冷却材をその流路に流すことにより冷却能力を向上させると共に、パワーモジュール全体の大きさを小形化するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の技術を、例えば、交流発電機、この発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータ、この発電機側インバータの直流電力を交流電力に再変換するモータ側インバータ、そしてこのモータ側インバータの出力する交流電力によって回転駆動される車両駆動用モータで構成されるシリーズハイブリッド車（以下、「ＳＨＥＶ」と称する。）のインバータ部分のパワー半導体素子の冷却装置として適用することが考えられ、これを図５及び図６に示す。
【０００５】
このパワーモジュールの冷却装置では、発電機側インバータ（ＩＮＶ）、モータ側インバータ（ＩＮＶ）それぞれの各相のスイッチング素子としてのＩＧＢＴを冷却基板１上に一直線に配列し、また発電機側ＩＮＶ、モータ側ＩＮＶそれぞれの各相の還流ダイオード（フライホイールダイオード：ＦＷＤ）も冷却基板１上に、ＩＧＢＴの配列に並行させて一直線に配列し、冷却基板１の各配列の直下近傍を通るように１本の冷却水路２を蛇行させて配設し、この冷却水路２内に冷却材として冷却水３を冷却ポンプ４によって通流させ、外部の熱交換器５により熱除去する構造である。
【０００６】
ところが、特にＳＨＥＶのように損失の大きい大電力用のインバータ装置では、パワー半導体素子からの熱を拡散して広げ、熱抵抗を下げようとすると、金属冷却基板１の厚みが増し、かつ各半導体素子の平面的な間隔が必要となり、装置全体が大型化してしまう恐れがある。
【０００７】
そこで、可能な限り冷却基板１の厚みを薄くし、各半導体素子を平均的に冷却するために、上述の図５及び図６に示すように、各半導体素子の直下に冷却水路２を設け、半導体素子からの熱を直接、冷却水路２内の冷却水３に放熱する構造にすることになる。
【０００８】
このような冷却装置の構造においても、装置の小形化のためには冷却水路２の内径を小さくしなければならないが、多数の半導体素子の直下にこのような細い径の冷却水路２を設けると、全体の冷却水路長が長くなり、系の圧力損失が増大し、冷却水ポンプが大型化し、かつこの冷却水ポンプを駆動する仕事率も増大してしまう。
【０００９】
また、図５及び図６に示したように冷却水配管２を何度も蛇行させると曲り部分でも圧力損失が増大してしまう。そのため冷却水路２の曲り回数はできるだけ少ない方が好ましいが、モジュールの小形化のためにすべての半導体素子の直下に冷却水配管を通そうとすると多くの曲り部分ができてしまい、圧力損失の増大の要因となる。
【００１０】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、冷却性能を損なうことなく、小形化が図れるパワーモジュールの冷却装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のパワーモジュールの冷却装置は、発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記直線に沿って配置させたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１のパワーモジュールの冷却装置において、前記発電機側インバータのスイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列し、前記冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング素子と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くしたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３の発明のパワーモジュールの冷却装置は、発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の第１の直線上に配列し、前記発電機側インバータのスイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに、前記冷却板上の前記第１直線に並行する第２の直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記第１の直線配列に沿って配置させ、前記冷却板における各相ごとの前記第２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くし、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくする溝を形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明のパワーモジュールの冷却装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードとモータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記直線配列に沿って配置させた構造にすることにより、冷却材流路の路長を短くし、また流路の曲り回数を少なくすることができ、冷却ポンプによる冷却材通流のための仕事率を小さくし、冷却系のサイズを小さくして、コストの低減が図れる。
【００１５】
請求項２の発明のパワーモジュールの冷却装置では、請求項１の発明の効果に加えて、発電機側インバータのスイッチング素子とモータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに冷却板上の一直線上に配列し、冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング素子と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くしたことにより、それらの配列直下部分の熱容量を大きくし、それらの半導体素子の温度上昇を低く抑えることができる。
【００１６】
請求項３の発明のパワーモジュールの冷却装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードとモータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに冷却板上の第１の直線上に配列し、発電機側インバータのスイッチング素子とモータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに、冷却板上の第１の直線に並行する第２の直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの第１の直線配列に沿って配置させ、冷却板における各相ごとの第２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くし、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくする溝を形成したことにより、請求項１の発明、請求項２の発明の効果に加えて、第２の直線配列の直下部分の熱を溝によって冷却材配管部分に伝導しないように遮ぎることができ、冷却材配管部分の冷却能力を必要最低限度に設定することができ、この結果、冷却ポンプの仕事率を小さくし、冷却系のサイズを小さくし、装置コストを低減することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。まず、シリーズハイブリッド電気自動車（ＳＨＥＶ）について、図１を参照して説明する。ＳＨＥＶは、ガソリンエンジンのような内燃機関（ＩＣＥ）によって直接タイヤ１２を駆動するのではなく、ＩＣＥ１１で交流発電機１３を駆動し、この発電機１３の発電電力でモータ１４を駆動し、このモータ１４によってタイヤ１２を駆動する。
【００１８】
そして発電機１３の交流発電電力を定電圧の直流電力に変換し、再度所望の交流電力に変換するために発電機側インバータ（ＩＮＶ）１５と、モータ側インバータ（ＩＮＶ）１６を設けている。なお、１９は平滑コンデンサである。
【００１９】
これらの発電機側ＩＮＶ１５、モータ側ＩＮＶ１６は、いずれも３相交流−直流の相互変換を行うため、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ごとにパワースイッチング素子としてＩＧＢＴと還流ダイオード（フライホイールダイオード：ＦＷＤ）のブリッジ回路を備え、これらのＩＧＢＴをＰＷＭスイッチング制御することによって所望の電力変換を行う。
【００２０】
このようなＳＨＥＶシステムは、従来の機械式変速機を必要とせず、またＩＣＥ１１も発電のためだけに効率良く運転することが可能となるため、燃費の向上、装置レイアウトの自由度の向上等さまざまなメリットがある。
【００２１】
ここでＳＨＥＶシステムの運転状況を考えると、定常的には発電→駆動といった電気エネルギの流れとなるが、一般的には発電機１３、モータ１４共に高効率運転制御を行うため、力率が発電機１３では−１、モータ１４では１に近い運転となっている。インバータ１５，１６は通常、ＩＧＢＴのようなパワースイッチング素子とＦＷＤの並列接続から構成されているが、力率が−１（発電）状態では、電力損失のかなりの割合がＦＷＤの部分で、また逆に力率が１（駆動）状態では電力損失のかなりの割合がＩＧＢＴのようなスイッチング素子の部分で発生する。そしてこの割合はＩＧＢＴとＦＷＤのスイッチング損失と定常損失の値により変化するが、スイッチング損失が定常損失よりかなり低いような使い方をした場合にその差は顕著となる。
【００２２】
一般的に車両用モータ１４を駆動するインバータ１６のＰＷＭキャリア周波数は数ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度であり、スイッチング損失が定常損失に比べて少ない状態であることが多く、このような場合にはＩＧＢＴとＦＷＤとの間で消費される電力の差は大きくなる。したがって、定常運転を考慮すると、同じインバータ１６内では、ＩＧＢＴの方がＦＷＤよりも冷却の必要性が大きい。
【００２３】
定常運転とは逆に、電力エネルギが流れるときの動作を考慮する。例えば、ＩＣＥ１１をスタートさせるために発電機１３をモータとして駆動する場合や、減速エネルギを電池などに蓄えるための回生動作としてモータ１４を発電機代わりに使用する場合がこれに相当する。この場合、各インバータ１５，１６の力率は定常運転時とは正反対になり、発電機側ＩＮＶ１５では力率が１近くになり、電力損失は主にＩＧＢＴで発生し、モータ側ＩＮＶ１６では力率が−１近くになり、電力損失は主にＦＷＤで発生することになる。したがって、この場合の冷却を考えると、発電機側ＩＮＶ１５では主にＩＧＢＴを冷却する必要があり、モータ側ＩＮＶ１６では主にＦＷＤを冷却する必要がある。
【００２４】
しかしながら、このような逆の動作はＳＨＥＶシステムにおいては定常的に発生するものではない。例えば、ＩＣＥ１１をスタートさせるために発電機１３を駆動モータとして用い、最大電流を供給する時間を１秒以下に設計することは容易であるし、モータ１４を発電機として用いる回生動作も回生のピーク電流を抑え、継続時間を極短くすることは制御上容易である。
【００２５】
このようなＳＨＥＶシステムの特殊性を考慮すると、定常的に最大電力損失が発生し、それゆえに発熱が顕著なパワー半導体素子に対してその直下近傍に冷却材を通流させることによって集中的に冷却することにより、いずれの半導体素子の表面温度もTjmax（接合の最大温度）を超えないように冷却系を設計することが可能となる。
【００２６】
この場合、最大電力損失が比較的に小さい素子については直接に冷却材で冷却するのではなく、冷却材の通流によって集中的に冷却されている素子に隣接させることにより、その素子の所まで横方向に熱伝達させる冷却構造にすればよい。それによって熱抵抗は高くなってしまうが、本来最大電力損失が小さいので、Tjmaxを一定に抑えることが可能である。また、冷却材流路が直下近傍に存在しない半導体素子の最大電力損失が、それが直下近傍に存在する半導体素子と同程度である場合でも、最大電力損失の発生する状態の継続時間は上述した理由により極短いものであるので、半導体素子直下の金属基板そのものの熱容量で半導体素子の温度上昇をTjmax以下に抑える設計が可能である。
【００２７】
かかる考察に基づき、本発明の第１の実施の形態のパワーモジュールの冷却装置は、図２に示す構造にした。すなわち、交流発電機１３の直流出力を直流電力に変換する発電機側ＩＮＶ１５のＵ，Ｖ，Ｗ各相のパワースイッチング素子としてのＩＧＢＴ及び還流ダイオード（ＦＷＤ）と、発電機側ＩＮＶ１５の直流電力を交流電力に再変換して車両駆動用モータ１５に供給するモータ側ＩＮＶ１６の各相のＩＧＢＴ及びＦＷＤを同一の冷却基板２１上に集積したパワーモジュールに対して、発電機側ＩＮＶ１５のＦＷＤとモータ側ＩＮＶ１６のＩＧＢＴとをＵ，Ｖ，Ｗ各相ごとに冷却基板２１上の第１の直線上に配列し、冷却材である冷却水を通流させる冷却水路２２を各相ごとの第１の直線配列の直下部分のみを通るように蛇行させている。そしてこの冷却水路２２は、図５に示した従来例と同様に熱交換器５に接続し、また冷却ポンプ４によって冷却水を通流させる。
【００２８】
なお、残りのパワー半導体素子、つまり、発電機側ＩＮＶ１５のＩＧＢＴとモータ側ＩＮＶ１６のＦＷＤも、各相ごとに冷却基板２１上の第１の直線に並行する第２の直線上に配列している。
【００２９】
これにより、図５及び図６に示した従来例の冷却水路２と比較すると、冷却水路２２の曲りの回数が５回から２回（１８０度で１回と数えて）に減り、路長もほぼ半分に減っているので、冷却ポンプの圧力損失が下がり、それだけポンプの小形化が可能となる。
【００３０】
より具体的に、圧力損失と流量の関係を想定した計算結果を図３のグラフに示してある。流路断面を長方形状として幅１２ｍｍ、高さ６ｍｍ、そして路長が１４８２ｍｍ、１８０度に曲がる曲り部の個所数を５個とした従来例に相当する冷却水路（１）と、本実施の形態のように路長を半分の長さ（７４１ｍｍ＝１４８２ｍｍ／２）にし、曲り部の個所数を２個にした冷却水路（２）とについて、流量と圧損との関係を求めた結果が図３のグラフである。この図３のグラフから明らかなように、本実施の形態の冷却水路により圧損がほぼ半分になることが分かる。
【００３１】
これにより、冷却水の配管中の流れが円滑になり、それだけ熱除去性能が向上し、また配管中での冷却水の吸収した熱による温度上昇も抑えられ、それだけ半導体素子からの熱の吸収も効果的に行なえることになる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。第２の実施の形態は、図２に示した第１の実施の形態の構造に対して、さらに、冷却基板２１におけるパワー半導体素子の第２の直線配列の直下部分を厚肉部２３にし、その両側に熱抵抗をあげるための溝２４を形成したことを特徴とする。なお、冷却水路２２の配置は第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
図２に示した第１の実施の形態の構造では、冷却水路２２が設けられていない第２の直線配列上のパワー半導体素子の発熱が比較的大きく、かつ継続時間が長くて接合の最大温度Tjmaxを超える恐れがあるような場合には、この第２の実施の形態の構造にする。
【００３４】
このようにして、冷却水路２２が直下近傍に形成されていない第２の直線配列上の半導体素子に対する熱容量を厚肉部２３により大きくすることにより、多少電力損失の継続する時間が長くなっても素子温度の上昇を抑えることが可能である。
【００３５】
また、冷却基板２１における第２の直線配列とこれに並行する第１の直線配列との間に溝２４を形成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして冷却水路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐことができる。
【００３６】
すなわち、冷却水路２２で放熱すべき半導体素子の温度上昇をTjmaxで抑えるためだけに水路に流すべき冷却水の最低限の流量、発生する圧損等のパラメータは決められているが、近接する半導体素子が発熱した際に冷却基板２１の横方向の熱抵抗が構造上低いと横方向から冷却水路２２への熱流の侵入が生じ、設計以上に冷却水路２２で熱交換を行わなければならなくなる場合が発生する。そしてこれに対応するためには、冷却水路２２での熱伝達率を余計に高めねばならず、設定流量、圧損を増やさざるを得ず、最終的に冷却ポンプ能力を増大させる必要が生じ、その結果として、冷却系のコストが上昇し、またサイズも大きくなってしまう。
【００３７】
しかしながら、本実施の形態のように溝２４を形成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして冷却水路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐ構造にすれば、横方向からの冷却水路２２への熱流の侵入を抑えることができ、上述した問題を避けることができるのである。
【００３８】
なお、上述した実施の形態では、３相交流のパワーモジュールについて説明したが、３相に限らず、例えば、２相に用いた場合も同様の効果をもたらす。
【００３９】
また、上述した実施の形態では、１つの冷却水路を蛇行させるようにしたが、１つの冷却水路が冷却ポンプ側（入口側）で分配されて、各分配された冷却水路が各相ごとの直列配列の直下部分を通った後に集配されて熱交換器へ戻るようにしてもよい。またこの場合、熱交換器にて直接に集配されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なＳＨＥＶシステムの構成を示す回路ブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の構造を示す平面図及び断面図。
【図３】上記の第１の実施の形態による冷却水路と従来例の冷却水路との配管特性を示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態の構造を示す平面図及び断面図。
【図５】従来例の構造を示す斜視図。
【図６】従来例の構造を示す平面図。
【符号の説明】
２１ 冷却基板
２２ 冷却水路
２３ 厚肉部
２４ 溝
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールの冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング素子と還流ダイオードとを各相ごとにブリッジに組み、同一基板上に全相のブリッジを配置したパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子を冷却するパワーモジュールの冷却装置として、従来、特開平９−９２７６２号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
この従来のパワーモジュールの冷却装置は、各パワー半導体素子の近傍下の金属基板の内部に直接流路を形成し、冷却材をその流路に流すことにより冷却能力を向上させると共に、パワーモジュール全体の大きさを小形化するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の技術を、例えば、交流発電機、この発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータ、この発電機側インバータの直流電力を交流電力に再変換するモータ側インバータ、そしてこのモータ側インバータの出力する交流電力によって回転駆動される車両駆動用モータで構成されるシリーズハイブリッド車（以下、「ＳＨＥＶ」と称する。）のインバータ部分のパワー半導体素子の冷却装置として適用することが考えられ、これを図５及び図６に示す。
【０００５】
このパワーモジュールの冷却装置では、発電機側インバータ（ＩＮＶ）、モータ側インバータ（ＩＮＶ）それぞれの各相のスイッチング素子としてのＩＧＢＴを冷却基板１上に一直線に配列し、また発電機側ＩＮＶ、モータ側ＩＮＶそれぞれの各相の還流ダイオード（フライホイールダイオード：ＦＷＤ）も冷却基板１上に、ＩＧＢＴの配列に並行させて一直線に配列し、冷却基板１の各配列の直下近傍を通るように１本の冷却水路２を蛇行させて配設し、この冷却水路２内に冷却材として冷却水３を冷却ポンプ４によって通流させ、外部の熱交換器５により熱除去する構造である。
【０００６】
ところが、特にＳＨＥＶのように損失の大きい大電力用のインバータ装置では、パワー半導体素子からの熱を拡散して広げ、熱抵抗を下げようとすると、金属冷却基板１の厚みが増し、かつ各半導体素子の平面的な間隔が必要となり、装置全体が大型化してしまう恐れがある。
【０００７】
そこで、可能な限り冷却基板１の厚みを薄くし、各半導体素子を平均的に冷却するために、上述の図５及び図６に示すように、各半導体素子の直下に冷却水路２を設け、半導体素子からの熱を直接、冷却水路２内の冷却水３に放熱する構造にすることになる。
【０００８】
このような冷却装置の構造においても、装置の小形化のためには冷却水路２の内径を小さくしなければならないが、多数の半導体素子の直下にこのような細い径の冷却水路２を設けると、全体の冷却水路長が長くなり、系の圧力損失が増大し、冷却水ポンプが大型化し、かつこの冷却水ポンプを駆動する仕事率も増大してしまう。
【０００９】
また、図５及び図６に示したように冷却水配管２を何度も蛇行させると曲り部分でも圧力損失が増大してしまう。そのため冷却水路２の曲り回数はできるだけ少ない方が好ましいが、モジュールの小形化のためにすべての半導体素子の直下に冷却水配管を通そうとすると多くの曲り部分ができてしまい、圧力損失の増大の要因となる。
【００１０】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、冷却性能を損なうことなく、小形化が図れるパワーモジュールの冷却装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のパワーモジュールの冷却装置は、発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記直線に沿って配置させたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１のパワーモジュールの冷却装置において、前記発電機側インバータのスイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列し、前記冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング素子と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くしたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３の発明のパワーモジュールの冷却装置は、発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の第１の直線上に配列し、前記発電機側インバータのスイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに、前記冷却板上の前記第１直線に並行する第２の直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記第１の直線配列に沿って配置させ、前記冷却板における各相ごとの前記第２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くし、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくする溝を形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明のパワーモジュールの冷却装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードとモータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記直線配列に沿って配置させた構造にすることにより、冷却材流路の路長を短くし、また流路の曲り回数を少なくすることができ、冷却ポンプによる冷却材通流のための仕事率を小さくし、冷却系のサイズを小さくして、コストの低減が図れる。
【００１５】
請求項２の発明のパワーモジュールの冷却装置では、請求項１の発明の効果に加えて、発電機側インバータのスイッチング素子とモータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに冷却板上の一直線上に配列し、冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング素子と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くしたことにより、それらの配列直下部分の熱容量を大きくし、それらの半導体素子の温度上昇を低く抑えることができる。
【００１６】
請求項３の発明のパワーモジュールの冷却装置では、発電機側のインバータの還流ダイオードとモータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに冷却板上の第１の直線上に配列し、発電機側インバータのスイッチング素子とモータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに、冷却板上の第１の直線に並行する第２の直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの第１の直線配列に沿って配置させ、冷却板における各相ごとの第２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くし、かつ当該厚肉部分の両側に熱抵抗を大きくする溝を形成したことにより、請求項１の発明、請求項２の発明の効果に加えて、第２の直線配列の直下部分の熱を溝によって冷却材配管部分に伝導しないように遮ぎることができ、冷却材配管部分の冷却能力を必要最低限度に設定することができ、この結果、冷却ポンプの仕事率を小さくし、冷却系のサイズを小さくし、装置コストを低減することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。まず、シリーズハイブリッド電気自動車（ＳＨＥＶ）について、図１を参照して説明する。ＳＨＥＶは、ガソリンエンジンのような内燃機関（ＩＣＥ）によって直接タイヤ１２を駆動するのではなく、ＩＣＥ１１で交流発電機１３を駆動し、この発電機１３の発電電力でモータ１４を駆動し、このモータ１４によってタイヤ１２を駆動する。
【００１８】
そして発電機１３の交流発電電力を定電圧の直流電力に変換し、再度所望の交流電力に変換するために発電機側インバータ（ＩＮＶ）１５と、モータ側インバータ（ＩＮＶ）１６を設けている。なお、１９は平滑コンデンサである。
【００１９】
これらの発電機側ＩＮＶ１５、モータ側ＩＮＶ１６は、いずれも３相交流−直流の相互変換を行うため、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ごとにパワースイッチング素子としてＩＧＢＴと還流ダイオード（フライホイールダイオード：ＦＷＤ）のブリッジ回路を備え、これらのＩＧＢＴをＰＷＭスイッチング制御することによって所望の電力変換を行う。
【００２０】
このようなＳＨＥＶシステムは、従来の機械式変速機を必要とせず、またＩＣＥ１１も発電のためだけに効率良く運転することが可能となるため、燃費の向上、装置レイアウトの自由度の向上等さまざまなメリットがある。
【００２１】
ここでＳＨＥＶシステムの運転状況を考えると、定常的には発電→駆動といった電気エネルギの流れとなるが、一般的には発電機１３、モータ１４共に高効率運転制御を行うため、力率が発電機１３では−１、モータ１４では１に近い運転となっている。インバータ１５，１６は通常、ＩＧＢＴのようなパワースイッチング素子とＦＷＤの並列接続から構成されているが、力率が−１（発電）状態では、電力損失のかなりの割合がＦＷＤの部分で、また逆に力率が１（駆動）状態では電力損失のかなりの割合がＩＧＢＴのようなスイッチング素子の部分で発生する。そしてこの割合はＩＧＢＴとＦＷＤのスイッチング損失と定常損失の値により変化するが、スイッチング損失が定常損失よりかなり低いような使い方をした場合にその差は顕著となる。
【００２２】
一般的に車両用モータ１４を駆動するインバータ１６のＰＷＭキャリア周波数は数ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度であり、スイッチング損失が定常損失に比べて少ない状態であることが多く、このような場合にはＩＧＢＴとＦＷＤとの間で消費される電力の差は大きくなる。したがって、定常運転を考慮すると、同じインバータ１６内では、ＩＧＢＴの方がＦＷＤよりも冷却の必要性が大きい。
【００２３】
定常運転とは逆に、電力エネルギが流れるときの動作を考慮する。例えば、ＩＣＥ１１をスタートさせるために発電機１３をモータとして駆動する場合や、減速エネルギを電池などに蓄えるための回生動作としてモータ１４を発電機代わりに使用する場合がこれに相当する。この場合、各インバータ１５，１６の力率は定常運転時とは正反対になり、発電機側ＩＮＶ１５では力率が１近くになり、電力損失は主にＩＧＢＴで発生し、モータ側ＩＮＶ１６では力率が−１近くになり、電力損失は主にＦＷＤで発生することになる。したがって、この場合の冷却を考えると、発電機側ＩＮＶ１５では主にＩＧＢＴを冷却する必要があり、モータ側ＩＮＶ１６では主にＦＷＤを冷却する必要がある。
【００２４】
しかしながら、このような逆の動作はＳＨＥＶシステムにおいては定常的に発生するものではない。例えば、ＩＣＥ１１をスタートさせるために発電機１３を駆動モータとして用い、最大電流を供給する時間を１秒以下に設計することは容易であるし、モータ１４を発電機として用いる回生動作も回生のピーク電流を抑え、継続時間を極短くすることは制御上容易である。
【００２５】
このようなＳＨＥＶシステムの特殊性を考慮すると、定常的に最大電力損失が発生し、それゆえに発熱が顕著なパワー半導体素子に対してその直下近傍に冷却材を通流させることによって集中的に冷却することにより、いずれの半導体素子の表面温度もTjmax（接合の最大温度）を超えないように冷却系を設計することが可能となる。
【００２６】
この場合、最大電力損失が比較的に小さい素子については直接に冷却材で冷却するのではなく、冷却材の通流によって集中的に冷却されている素子に隣接させることにより、その素子の所まで横方向に熱伝達させる冷却構造にすればよい。それによって熱抵抗は高くなってしまうが、本来最大電力損失が小さいので、Tjmaxを一定に抑えることが可能である。また、冷却材流路が直下近傍に存在しない半導体素子の最大電力損失が、それが直下近傍に存在する半導体素子と同程度である場合でも、最大電力損失の発生する状態の継続時間は上述した理由により極短いものであるので、半導体素子直下の金属基板そのものの熱容量で半導体素子の温度上昇をTjmax以下に抑える設計が可能である。
【００２７】
かかる考察に基づき、本発明の第１の実施の形態のパワーモジュールの冷却装置は、図２に示す構造にした。すなわち、交流発電機１３の直流出力を直流電力に変換する発電機側ＩＮＶ１５のＵ，Ｖ，Ｗ各相のパワースイッチング素子としてのＩＧＢＴ及び還流ダイオード（ＦＷＤ）と、発電機側ＩＮＶ１５の直流電力を交流電力に再変換して車両駆動用モータ１５に供給するモータ側ＩＮＶ１６の各相のＩＧＢＴ及びＦＷＤを同一の冷却基板２１上に集積したパワーモジュールに対して、発電機側ＩＮＶ１５のＦＷＤとモータ側ＩＮＶ１６のＩＧＢＴとをＵ，Ｖ，Ｗ各相ごとに冷却基板２１上の第１の直線上に配列し、冷却材である冷却水を通流させる冷却水路２２を各相ごとの第１の直線配列の直下部分のみを通るように蛇行させている。そしてこの冷却水路２２は、図５に示した従来例と同様に熱交換器５に接続し、また冷却ポンプ４によって冷却水を通流させる。
【００２８】
なお、残りのパワー半導体素子、つまり、発電機側ＩＮＶ１５のＩＧＢＴとモータ側ＩＮＶ１６のＦＷＤも、各相ごとに冷却基板２１上の第１の直線に並行する第２の直線上に配列している。
【００２９】
これにより、図５及び図６に示した従来例の冷却水路２と比較すると、冷却水路２２の曲りの回数が５回から２回（１８０度で１回と数えて）に減り、路長もほぼ半分に減っているので、冷却ポンプの圧力損失が下がり、それだけポンプの小形化が可能となる。
【００３０】
より具体的に、圧力損失と流量の関係を想定した計算結果を図３のグラフに示してある。流路断面を長方形状として幅１２ｍｍ、高さ６ｍｍ、そして路長が１４８２ｍｍ、１８０度に曲がる曲り部の個所数を５個とした従来例に相当する冷却水路（１）と、本実施の形態のように路長を半分の長さ（７４１ｍｍ＝１４８２ｍｍ／２）にし、曲り部の個所数を２個にした冷却水路（２）とについて、流量と圧損との関係を求めた結果が図３のグラフである。この図３のグラフから明らかなように、本実施の形態の冷却水路により圧損がほぼ半分になることが分かる。
【００３１】
これにより、冷却水の配管中の流れが円滑になり、それだけ熱除去性能が向上し、また配管中での冷却水の吸収した熱による温度上昇も抑えられ、それだけ半導体素子からの熱の吸収も効果的に行なえることになる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施の形態を図４に基づいて説明する。第２の実施の形態は、図２に示した第１の実施の形態の構造に対して、さらに、冷却基板２１におけるパワー半導体素子の第２の直線配列の直下部分を厚肉部２３にし、その両側に熱抵抗をあげるための溝２４を形成したことを特徴とする。なお、冷却水路２２の配置は第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
図２に示した第１の実施の形態の構造では、冷却水路２２が設けられていない第２の直線配列上のパワー半導体素子の発熱が比較的大きく、かつ継続時間が長くて接合の最大温度Tjmaxを超える恐れがあるような場合には、この第２の実施の形態の構造にする。
【００３４】
このようにして、冷却水路２２が直下近傍に形成されていない第２の直線配列上の半導体素子に対する熱容量を厚肉部２３により大きくすることにより、多少電力損失の継続する時間が長くなっても素子温度の上昇を抑えることが可能である。
【００３５】
また、冷却基板２１における第２の直線配列とこれに並行する第１の直線配列との間に溝２４を形成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして冷却水路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐことができる。
【００３６】
すなわち、冷却水路２２で放熱すべき半導体素子の温度上昇をTjmaxで抑えるためだけに水路に流すべき冷却水の最低限の流量、発生する圧損等のパラメータは決められているが、近接する半導体素子が発熱した際に冷却基板２１の横方向の熱抵抗が構造上低いと横方向から冷却水路２２への熱流の侵入が生じ、設計以上に冷却水路２２で熱交換を行わなければならなくなる場合が発生する。そしてこれに対応するためには、冷却水路２２での熱伝達率を余計に高めねばならず、設定流量、圧損を増やさざるを得ず、最終的に冷却ポンプ能力を増大させる必要が生じ、その結果として、冷却系のコストが上昇し、またサイズも大きくなってしまう。
【００３７】
しかしながら、本実施の形態のように溝２４を形成することにより、横方向の熱抵抗を大きくして冷却水路２２での実効的な熱伝達率の低下を防ぐ構造にすれば、横方向からの冷却水路２２への熱流の侵入を抑えることができ、上述した問題を避けることができるのである。
【００３８】
なお、上述した実施の形態では、３相交流のパワーモジュールについて説明したが、３相に限らず、例えば、２相に用いた場合も同様の効果をもたらす。
【００３９】
また、上述した実施の形態では、１つの冷却水路を蛇行させるようにしたが、１つの冷却水路が冷却ポンプ側（入口側）で分配されて、各分配された冷却水路が各相ごとの直列配列の直下部分を通った後に集配されて熱交換器へ戻るようにしてもよい。またこの場合、熱交換器にて直接に集配されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なＳＨＥＶシステムの構成を示す回路ブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の構造を示す平面図及び断面図。
【図３】上記の第１の実施の形態による冷却水路と従来例の冷却水路との配管特性を示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態の構造を示す平面図及び断面図。
【図５】従来例の構造を示す斜視図。
【図６】従来例の構造を示す平面図。
【符号の説明】
２１ 冷却基板
２２ 冷却水路
２３ 厚肉部
２４ 溝
Claims (3)
- 発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、
前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列し、冷却材配管を各相ごとの前記直線配列に沿って配置させたことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。 - 前記発電機側インバータのスイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに前記冷却板上の一直線上に配列し、前記冷却板におけるこれら各相ごとのスイッチング素子と還流ダイオードとの直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くしたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの冷却装置。
- 発電機出力を直流電力に変換する発電機側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードと、前記発電機側インバータの直流電力を交流電力に変換して車両駆動用モータに供給するモータ側インバータのスイッチング素子及び還流ダイオードを同一の冷却板上に集積したパワーモジュールにおいて、
前記発電機側のインバータの還流ダイオードと前記モータ側インバータのスイッチング素子とを各相ごとに前記冷却板上の第１の直線上に配列し、
前記発電機側インバータのスイッチング素子と前記モータ側インバータの還流ダイオードとを各相ごとに、前記冷却板上の前記第１直線に並行する第２の直線上に配列し、
冷却材配管を各相ごとの前記第１の直線配列に沿って配置させ、
前記冷却板における各相ごとの前記第２の直線配列の直下部分の肉厚を他の部分よりも厚くし、かつ当該肉厚部分の両側に熱抵抗を大きくする溝を形成したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
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