JP3960189B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却装置を備えた電力変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の電力変換装置の冷却装置としては、例えば特開2001−308246号公報にて開示されているように、ヒートシンクの一面に開口部を有し、前記開口部を電気部品によって塞ぐようにしたものがある。
【特許文献1】
特開2001−308246号公報(第3−4頁、第2図)
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の電力変換装置は、数百Wの熱が発生するために電気部品の一部分を冷却液に直接晒して高い放熱性能が得ている。
また放熱性能を向上するために、電気部品の放熱部にはフィン等の拡大伝熱面を取り付けることが一般的に行われている。
【0004】
さて、電気部品は冷却装置に対してボルトに代表される締結手段で取り付けるのが一般的であるが、電機部品近辺に冷却水が接近するため電気部品と冷却装置の間はガスケット等によるシール材で漏水を防いでいる。
【0005】
ところが、実験結果によるとボルトの孔から水が滲み出ることが分かった。
【0006】
本発明の目的は、冷却性能の向上と安全性に優れ、信頼性の高い電力変換装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、放熱フィンを備えた放熱板上に搭載された半導体素子と、この半導体素子を覆う第1のケースと、前記フィンを覆い内部に循環する冷却水を有する第2のケースと、この第2のケースと前記放熱板とを締結するボルトを備えた電力変換装置において、前記放熱板との接合面であって、前記第2のケースの鍔面に溝を設け、この溝に前記半導体素子とは反対方向に開口する貫通穴を設けたことにより達成される。
【0008】
また、上記目的は、前記貫通穴を複数個設けたことにより達成される。
【0011】
【発明の実施の形態】
電力変換装置は、各種動力機械に搭載されているが特に近年注目されているハイブリッド自動車や燃料電池自動車を例にとると、ハイブリット自動車は年々高出力が要求されており、その要求に対応するにはモータの容量を大きくする必要がある。また、燃料電池自動車の場合は、車輪を直接モータで駆動させるため、モータの容量が大きくなってしまう。
このように、モータの容量が大きくなると、その分電力変換装置も大容量を受け入れる必要がある。大容量を受け入れるためには、内部に搭載された半導体素子がその分高発熱化するため、この半導体素子の冷却効率を向上させなければならない。
【0012】
冷却効率を向上させる手段として、例えば冷却液循環用ポンプの吐出能力を増やすことを考えられるが、ポンプの吐出能力増加は冷却のために用いられるエネルギーを増大させてしまうため、省エネルギーの観点からポンプは小容量であることが望ましい。
【0013】
そこで、一般的な電力変換装置の冷却構造を図1、図2、図3で説明する。
図1は、電力変換装置の斜視図である。
図2は、図1のA−A線断面図である。
図3は、図1のB−B線断面図である。
図1において、1は液冷放熱装置本体である。この液冷放熱装置1は上部の上蓋2(上ケース)と下部の底板3(下ケース)からなり、箱状に構成されている。2aは液体の流入口である(図1に記載されていないが液体の流出口が対向する面にある)。4は上蓋2の上部に位置する半導体モジュールである(図示していないが、この半導体モジュールは上蓋2を貫通して上部に露出している)。この半導体モジュール4は内部に発熱する半導体素子(図2で詳述する)を収納するケース4aと、このケース4aを上蓋2に固定し、半導体素子を冷却するための放熱基板5からなっている。6は放熱基板5を上蓋2に固定するためのボルトである。7はケース4aの上面に取り付けられた端子である。
【0014】
図2において、8はケース4aの内部に収納された半導体素子である。この半導体素子8は放熱基板5の上部に基板8aを介して搭載されている。この半導体素子8をケース4aが覆っている。ケース4aと上蓋2とは接着剤等で接続されている。この放熱基板5は例えば銅で形成され熱伝導の向上を配慮してある。2bは液流入口2aと対向する位置に設けられた液流出口である。2cは放熱基板5と上蓋2との間をシールするためのシール部である。このシール部2cは上蓋2に設けられた溝内にOリングが挿入されている。5aは放熱基板5の内面側に設けられたフィンである。このフィン5aの先端は底板3と接触している。矢印は液の流れ方向を示す。
【0015】
図3に示すように、櫛歯状になったフィン5aが形成され、このフィン5aの空間を冷却水が流通し放熱される。
尚、図2,3の符号と図1の符号が同一のものは同一物であるため、その説明は省略した。
【0016】
この様に、一般的な電力変換装置は、ケース4の上部には端子7が取り付けられており、しかも端子7の近傍には冷却水が存在するという安全面では非常に不利な環境にある。
【0017】
そこで、図1〜図3に示したように、放熱基板5と上蓋2とはシール部2cを介在させ放熱基板5側から差し込まれたボルト6で固定したことによって、放熱基板5と上蓋2との間からの水漏れは解消している。
【0018】
ところが、水漏れを解消したとは言え、万が一水漏れが発生した場合も考慮に入れる必用がある。
【0019】
従って、本発明の発明者らは、水漏れが発生した場合の最悪の状況を想定し、水漏れ方向を反端子方向にすることを考えた結果、以下のような実施例を得た。
【0020】
以下、図4に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図4は、第1の実施例を備えた電力変換装置の斜視図(ネジ穴を説明するため部分的に断面している)である。
図4において、9はフィン9aを一体に設けた放熱板である。この放熱板9はフィン9aを覆うように底板10が取り付けられている。この底板10には図示していないが冷却水の吸入口と排出口が取り付けられている。10aは底板10放熱板9とを接続さるための鍔である。11は内部半導体部品を収納したケースである。このケース11と放熱板9とは半田若しくは接着剤で接続されている。12はケース11の表面に取り付けられた端子である。13は底板10、放熱板9、ケース11が一体にブロック化されたものが固定される固定板である。14はボルトであって、底板10鍔10a、放熱板9を貫通し固定板13にねじ込まれている。13aは固定板13に設けられたネジ穴である。このネジ穴13aは固定板13を貫通せず、袋状になっている。
【0021】
ところで、半導体素子で発生した大量の熱を効率良く放熱するためには、液体を用いた強制対流冷却が有効である。しかしながら、例えば自動車のように、冬季において周囲を取り巻く環境温度が水の凝固点以下に下がる場合でも所定の冷却性能を保持する必要がある。そこで冷却液としては、エチレン・グリコールを含む不凍液を混入した水を用いることが一般的である。
【0022】
本実施例によれば、拡大伝熱面を持つ放熱板9に、直接半導体素子及び電気回路が実装され、冷却液に直接晒されているので、良好な放熱性能を得ることができる。
【0023】
ボルト14は反半導体素子15方向から挿入され、更に固定板13のネジ穴13aは貫通することなく袋状になっているため、冷却水がネジ穴13aを通って半導体素子15側漏出することはない。
【0024】
仮に冷却水が鍔10aと放熱板との間を通り、鍔のネジ穴から滲み出してきたとしても液は反半導体素子側に滲み出すので、電気事故の可能性はない。
【0025】
第1の実施例によれば、シール性能が劣化した場合においても、冷却水が半導体モジュール上側に漏れることがなく、信頼性を確保しつつ高い放熱性能を得ることに有効である。
【0026】
次に、第2の実施例を図5乃至図6で説明する。
図5は、第2の実施例を備えた半導体モジュールの断面図であって、図6のC−C断面図である。
図6は、図5のD−D断面図である。
図5において、15はケース11の内部で、放熱板9の表面に直接取り付けられた半導体素子である。ボルト14は底板10の鍔10a、放熱板9を貫通して固定板13のネジ穴13aにねじ込まれている。10bは鍔10aに設けられたシール部である。このシール部10aは鍔10a面に溝が設けられ図示していないが溝内にOリングなどが挿入されている。このシール部10bに放熱板9が密着してシールされる。10cボルト14とシール部10bとの合いだの鍔10a面に設けられた溝である。
尚、溝10は図6で詳細に説明する。
図6において、10cはボルト14とジール部10bとの間に設けられた溝である。この溝に要所には貫通穴10dが設けられている。この貫通穴10dは、仮に冷却水がシール部10bを乗り越えてしまった場合には、溝10cに液を貯めて貫通穴10dから外部に排出する。
【0027】
本実施例によれば、シール部10bのシール性能が劣化した場合に、半導体モジュール側から漏れ出た溝10cに伝わり、最終的には貫通穴10dから外部に放出される。このとき、貫通穴から放出される水はあくまでも反半導体方向へと放出されるので、電気事故を極力押さえるようにしている。
【0028】
更に、溝10cを越えてしまった水はボルト14の穴に伝わって外部の放出される。
【0029】
図7は、本実施例を備えた半導体モジュールの制御回路図である。
【0030】
図7において、100は直流電源、110は電力変換装置、111は平滑用コンデンサ、113〜118は半導体素子である。120は負荷である。直流電源100が供給する直流電力は、電力変換装置110内に実装される半導体素子113〜118を用いて三相交流電力に変換され、負荷120に流される。
尚、半導体素子113〜118の一例としてIGBT素子を示したが、実施に際しては、これに限定するものではない。
【0031】
ここで113〜118の半導体素子は通電時の損失、及び高速度でスイッチングを行う際の損失のために数百W程度の熱を発生する。これらの素子が動作するためには、素子が持つ動作保証温度以下、または半導体素子が実装される半導体モジュールを構成する実装部品の熱応力から制限される温度以下に保持しなければならない。
【0032】
以上のごとく、本実施例による電力変換装置の冷却装置によれば、半導体モジュールを構成する放熱基板を直接冷却液に接触することができると同時に、シール性能劣化による漏水の恐れが生じた場合にも、電力変換装置内に取り付けられる電気部品や回路への被水可能性を原理的に零にできるため、冷却性能が高くかつ信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却性能の向上と安全性に優れ、信頼性の高い電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、一般的な液冷装置を備えた半導体モジュールの斜視図である。
【図2】図2は、図1のA−A断面図である。
【図3】図3は、図1のB−B断面図である。
【図4】図4は、第1の実施例を備えた半導体モジュールの斜視図である。
【図5】図5は、第2の実施例を備えた半導体モジュールの断面図であり、図6のC−C断面図である。
【図6】図6は、図5のD−D断面図である。
【図7】図7は、本実施例の制御回路図である。
【符号の説明】
9・・・放熱板、10・・・底板10、11・・・ケース、12・・・端子、13・・・固定板、14・・・ボルト、10c・・・溝、10d・・・貫通穴、100…直流電源、110…電力変換装置、111…平滑用コンデンサ、113〜118…半導体素子、120…負荷。
Claims (2)
- 放熱フィンを備えた放熱板上に搭載された半導体素子と、この半導体素子を覆う第1のケースと、前記フィンを覆い内部に循環する冷却水を有する第2のケースと、この第2のケースと前記放熱板とを締結するボルトを備えた電力変換装置において、前記放熱板との接合面であって、前記第2のケースの鍔面に溝を設け、この溝に前記半導体素子とは反対方向に開口する貫通穴を設けたことを特徴とする電力変換装置。
- 前記貫通穴を複数個設けたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
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