JP4403753B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
この種の電力変換装置においては、たとえば特許文献1に記載のパワーモジュールのように、パワーモジュールの一方の面側に取り付け部材を介して制御基板を設置した構成が広く使用されている。
また、この冷却流路形成部材の一部がパワーモジュールの他方の面側に突出するように形成されており、この突出部分に直接的に制御基板が設置される。したがって、制御基板において生じた熱も、冷却流路形成部材に直接的に伝導され、これにより効率よく放熱される。
この結果、従来の同様の構造の電力用変換装置に必要であった制御基板の取り付け部等の構造が不要となる。
本発明の第1の実施の形態の電力変換装置について図1を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態の電力変換装置の構成を示す図であり、図1(A)は電力変換装置の平面図であり、図1(B)は図1(A)のA−’Aの断面図である。
図1(A)および図1(B)に示すように、電力変換装置100は、2つのパワーモジュール111,112、制御基板120、ヒートシンク(冷却流路形成部材)130、冷却水路140およびケース150を有する。
なお、以下の説明においては、図1(A)に示す平面図において紙面と平行な方向を平面方向と称し、紙面と垂直な方向を垂直方向と称する。また、垂直方向においては、ケース150側を上側、ヒートシンク130側を下側と称する。
ヒートシンク130の内部には、これらパワーモジュール111,112を冷却するための冷却水路140が形成される。冷却水路140は、2つのパワーモジュール111,112を1つの水路で冷却するために、図1(A)に示すようにU字形状に形成される。すなわち、冷却水路140は、電力変換装置100の一方の端部で折り返され、折り返し部分の前後が各々パワーモジュール111,112を冷却するための水路として構成される。
これらの水路部のうち、第1の冷却水路部141−1,141−2〜第4の冷却水路部144−1,144−2は、2つのパワーモジュール111,112を各々冷却する2つの同一形状の冷却水路を構成する。すなわち、冷却水路140は、第5の冷却水路部145を折り返し部分として、その前後に2つの同一形状の冷却水路が配置された構成となっている。
なお、以下の説明において、これらの同一形状の冷却水路については、いずれの冷却水路かを特段に指定せず、また対応する符号も単に第1の冷却水路部141、第2の冷却水路部142、第3の冷却水路部143および第4の冷却水路部144という符合を用いて説明を行うものとする。
第3の冷却水路部143は、パワーモジュール111,112を冷却する主たる水路部分である。第3の冷却水路部143は、パワーモジュール111,112のヒートシンク130との接着部分の近傍に形成される。また、第3の冷却水路部143は、パワーモジュール111,112と冷却水路との熱抵抗を小さくするため、パワーモジュール111,112の接着面と平行な平面方向に水路幅が広くなり、その分、電力変換装置100の垂直方向に高さが低くなるように形成されている。
この際、第5の冷却水路部145が形成される部分およびその周辺のヒートシンク130の上面は、ヒートシンク130に設置されたパワーモジュール111,112の上面の高さより高くなるように構成される。すなわち、第5の冷却水路部145は、パワーモジュール111,112側に突出するように構成される。この高くなった第5の冷却水路部145の上面(突出部先端面)に、後述する制御基板がネジ留めされ固定される。
また、第4の冷却水路部144は、第3の冷却水路部143と第5の冷却水路部145とを円滑に接続するための水路である。
一般に、断面形状の異なる水路に冷却水を流すと、絞り作用によって圧損が増える。そこで、冷却水路140においては、全水路に渡って断面積を等しくし、絞り作用による圧損が増えないようにしている。すなわち、円形断面の第1の冷却水路部141、平面方向に扁平な断面の第3の冷却水路部143および垂直方向に高い断面の第5の冷却水路部145はいずれもその断面積が等しくなるように形成される。また、それらを接続する第2の冷却水路部142および第4の冷却水路部144も、断面積を一定に維持した状態で、それらの水路を滑らかに接続する。
また、制御基板120上の例えば発熱素子121等の回路素子からの発熱は、制御基板120から直接的にヒートシンク130に放熱される。したがって、制御基板120上の発熱部品の冷却効率も高めることができる。
また、制御基板120が、直接、ヒートシンク130に取り付けられていることから、従来必要であったネジ・スタッド付きスペーサ等の取り付け部が不要となり、コストを低減することができる。また、取り付け部をヒートシンク130に取り付ける工数を削減することができ、生産性よく電力変換装置100を製造することができる。
本発明の第2の実施の形態の電力変換装置について図2を参照して説明する。
第1の実施の形態においては、制御基板を直接ヒートシンクに取り付ける構成の電力変換装置について説明した。しかしながら、発熱部品が制御基板の中央部にレイアウトされた場合には、その部品からの発熱を効率よくヒートシンクに伝達する必要がある。そのためには、放熱シートおよび銅やアルミニウム等の熱伝導媒体を介して発熱部品の熱をヒートシンクに放熱するのが有効である。そのような構成の電力変換装置について、本発明の第2の実施の形態として説明する。
電力変換装置200は、2つのパワーモジュール111,112、制御基板220、ヒートシンク130、冷却水路140、ケース150、熱伝導媒体260および放熱シート(非導電性放熱部材)271,272を有する。
パワーモジュール111,112、ヒートシンク130、冷却水路140およびケース150の構成は、前述した第1の実施の形態の電力変換装置100と同一なので説明を省略する。
この熱伝導媒体260の上に、所定の間隙を隔てて制御基板220を設置する。制御基板220は、任意の位置に発熱部品が実装された基板であるが、ここでは例示のために第1および第2の2つの発熱部品221,222を図示する。第1の発熱部品221は、第5の冷却水路部145が形成される部分のヒートシンク130のほぼ上部に配置された部品であり、第2の発熱部品222は、制御基板220のほぼ中央部に配置された部品である。
これら第1および第2の発熱部品221,222が実装される部分の熱伝導媒体260と制御基板220との間隙部分には、各々、放熱シート271および272が配置される。
また、図2に例示する第1および第2の発熱部品221,222等の制御基板220上の発熱部品からの発熱は、制御基板220から放熱シート271,272および熱伝導媒体260を介してヒートシンク130に放熱される。従来は、これに加えてさらに熱伝導媒体260の取り付け部を介して放熱されていたが、本実施の形態においては、前述したように熱伝導媒体260がヒートシンク130に直接取り付けられているため、取り付け部を介する必要がない。したがって、従来に比して発熱部品の放熱を効果的に行い、冷却効率を高めることができる。
また、取り付け部をヒートシンク130に取り付ける工数を削減することができ、生産性よく電力変換装置200を製造することができる。
本発明の第3の実施の形態の電力変換装置について図3を参照して説明する。
第2の実施の形態においては、制御基板の任意の位置に発熱部品が配置されていたため、熱伝導媒体を介して放熱を行うようにした。しかしながら、制御基板上の発熱部品の配置が制御基板をヒートシンクに取り付ける位置に限定できるならば、熱伝導媒体を使用しないより簡単な構成で効率よく放熱を行うことができる。そのような構成の電力変換装置について、本発明の第3の実施の形態として説明する。
電力変換装置300は、2つのパワーモジュール111,112、制御基板320、ヒートシンク130、冷却水路140、ケース150および放熱シート(非導電性放熱部材)370を有する。
パワーモジュール111,112、ヒートシンク130、冷却水路140およびケース150の構成は、前述した第1の実施の形態の電力変換装置100と同一なので説明を省略する。
制御基板320には、図3に例示する発熱部品321等の発熱部品が実装されるが、設計段階で部品レイアウトを考慮することにより、それらの発熱部品は、制御基板320の第5の冷却水路部145が形成される部分のヒートシンク130の上部に配置される。
図3に例示する発熱部品321等の発熱部品が実装される部分の制御基板320とヒートシンク130の上面との間隙部分には、放熱シート370が配置される。
また、図3に例示する発熱部品321等の制御基板320上の発熱部品からの発熱は、制御基板320から放熱シート370を介してヒートシンク130に放熱される。第2の実施の形態として例示した電力変換装置200においては、これに加えてさらに熱伝導媒体を介して放熱されていたが、本実施の形態においてはこれが不要となっている。したがって、第2の実施の形態の電力変換装置200に比して発熱部品の放熱を効果的に行い、冷却効率を高めることができる。
したがって、発熱部品の全てを、制御基板320上の第5の冷却水路部145の上部に相当する領域に配置できる場合には、このような構成とするのが有効である。
また、熱伝導媒体をヒートシンク130に取り付ける工数を削減することができ、生産性よく電力変換装置300を製造することができる。
また、パワーモジュール設置領域の周囲に冷却水路が配置されるような新たな水路をパワーモジュールを冷却するための水路中に形成し、この部分においてその水路を規定するヒートシンクをパワーモジュール側に突出させ、これに制御基板等を固定するようにしてもよい。
また、前述した第1〜第3の実施の形態の電力変換装置においては、2つのパワーモジュール111,112に対して1つの冷却水路140により冷却を行っていた。しかしながら、冷却水路を、各パワーモジュールに対応して、あるいは、パワーモジュールとは無関係に、複数系統具備する構成としてもよい。
また、冷却水路140を流される冷却媒体は水に限られるものではなく、任意の流体を用いてよい。
111,112…パワーモジュール
120,220,320…制御基板
121,221,222,321…発熱部品
130…ヒートシンク
140…冷却水路
141…第1の冷却水路部
142…第2の冷却水路部
143…第3の冷却水路部
144…第4の冷却水路部
145…第5の冷却水路部
150…ケース
260…熱伝導媒体
271,272,370…放熱シート
Claims (3)
- 並べて配置された第1冷却水路部と第2冷却流路部と、前記第1および第2冷却流路部を接続するための折り返し流路部と、を有する冷却水路を形成する冷却流路形成部材と、
前記冷却流路形成部材の冷却面に固定された第1パワーモジュールと第2パワーモジュールと、
前記第1および第2パワーモジュールに対して前記冷却流路形成部材とは反対側に設けられた制御基板と、を備えており、
前記制御基板には発熱素子が設けられており、
前記第1パワーモジュールは前記第1冷却水路部に沿う状態で前記冷却流路形成部材の冷却面に固定されており、前記第2パワーモジュールは前記第2冷却流路部に沿う状態で前記冷却流路形成部材の冷却面に固定されており、
前記冷却流路形成部材に形成された前記折り返し流路部の幅は、前記第1および第2冷却流路部の幅より狭い形状を成し、
また前記折り返し流路部の深さは、前記第1および第2冷却流路部の深さより深い形状を成し、
前記冷却流路形成部材に形成された前記折り返し流路部の前記第1および第2パワーモジュール側の面が、前記第1および第2パワーモジュールが固定されている冷却面よりも、前記第1および第2パワーモジュールの設けられている側に位置するように形成されており、
前記第1冷却水路部を通過した冷却水は、前記折り返し流路部で前記第1パワーモジュールが固定されている前記冷却面よりも前記第1パワーモジュール側の方に広がって流れ、前記折り返し流路部を通過した後、前記第1パワーモジュール側に広がっていた流れが深さ方向において縮まり、前記第2冷却流路部を通過するように、前記冷却水路が形成され、
前記冷却流路形成部材が配置されている位置を前記電力変換装置の下部と定義すると、前記第1および第2パワーモジュールが固定されている前記冷却流路形成部材の冷却面は前記冷却流路形成部材の上側に位置し、
前記冷却流路形成部材の冷却面の上側に前記パワーモジュールが配置され、
前記パワーモジュールに対して空隙を置いて更に上側に、金属性の熱伝導媒体が配置され、
前記熱伝導媒体に前記制御基板が設けられ、
前記熱伝導媒体は平板形状をなし、前記熱伝導媒体の一端が、前記折り返し流路部を形成する前記冷却流路形成部材の上側の部分に固定されていることを特徴とする電力変換装置。 - 第1冷却水路部と第2冷却流路部と前記第1および第2冷却流路部を接続するための折り返し流路部とを有する冷却水路を形成する冷却流路形成部材と、
前記冷却流路形成部材の冷却面に固定された第1パワーモジュールと第2パワーモジュールと、
前記第1および第2パワーモジュールに対して前記冷却流路形成部材とは反対側に設けられ発熱素子を有する制御基板と、を備える電力変換装置であって、
前記冷却流路形成部材が配置されている位置を前記電力変換装置の下部と定義すると、前記第1および第2パワーモジュールが固定されている前記冷却流路形成部材の冷却面は前記冷却流路形成部材の上側に位置し、
前記冷却流路形成部材の冷却面の上側に前記第1および第2のパワーモジュールが固定されており、
前記電力変換装置の一方側側面に、冷却水を供給及び排出するための入口部及び出口部を設け、
前記冷却流路形成部材によって形成される前記冷却水路の前記第1冷却水路部と第2冷却流路部とは前記電力変換装置の一方側から他方側に伸びるように並べて形成されており、
前記第1パワーモジュールは前記第1冷却水路部に沿う状態で前記冷却流路形成部材の冷却面の上側に固定されており、前記第2パワーモジュールは前記第2冷却流路部に沿う状態で前記冷却流路形成部材の冷却面の上側に固定されており、
前記電力変換装置の他方側に前記冷却流路形成部材の前記折り返し流路部が配置され、
前記折り返し流路部の幅は、前記第1および第2冷却流路部の幅より狭い形状を成し、
また前記折り返し流路部の深さは、前記第1および第2冷却流路部の深さより深い形状を成し、
前記冷却流路形成部材に形成された前記冷却水路の前記折り返し流路部の上側の面が前記第1および第2パワーモジュールが固定されている冷却面よりも上側に位置するように形成されており、
前記入口部から供給された冷却水は、前記第1冷却水路部を通過し、前記折り返し流路部で上側に広がって流れ、前記折り返し流路部を通過した後、上側に広がっていた流れが深さ方向において縮まり、前記第2冷却流路部を通過し、出口部から排出されるように流れ、
前記パワーモジュールの上側には、さらに、空隙を介して金属製の平板状部材が設けられ、
前記金属製の平板状部材の端部は、前記冷却流路形成部材の前記折り返し流路部を形成している部分の上側に固定され、
前記金属製の平板状部材の上側に前記制御基板を配置し、発熱素子の発生熱は、前記金属製の平板状部材を介して前記冷却流路形成部材に伝達されるようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1あるいは2に記載された、いずれかの電力変換装置であって、
前記発熱素子は、電力用半導体素子のスイッチング動作を制御するための制御素子であり、
前記制御素子の発生熱は、前記基板及び前記金属製平板状部材を介して前記折り返し流路部を形成する前記冷却流路形成部材に伝達されることを特徴とする電力変換装置。
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