JP4450632B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関し、特に、樹脂製の冷却ジャケットを備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter, and more particularly, to a power converter provided with a resin cooling jacket.
従来の電力変換装置では、金属製のヒートシンク上にパワー半導体素子が搭載され、更にヒートシンクの裏面が冷却水により冷却される構造となっていた(例えば、特許文献1)。
かかる構造では、ヒートシンクが有する熱抵抗の分だけ、冷却水によるパワー半導体素子の冷却効果が低下する。換言すると、ヒートシンクの熱抵抗により冷却効果が低下する分だけ、パワー半導体素子の発熱量を抑える必要がある。この結果、パワー半導体素子に供給する電流量が制限され、パワー半導体素子の能力を十分に利用できないという問題があった。 In such a structure, the cooling effect of the power semiconductor element by the cooling water is reduced by the thermal resistance of the heat sink. In other words, it is necessary to suppress the amount of heat generated by the power semiconductor element by the amount that the cooling effect is reduced by the heat resistance of the heat sink. As a result, there is a problem that the amount of current supplied to the power semiconductor element is limited, and the capability of the power semiconductor element cannot be fully utilized.
そこで、本発明は、パワー半導体素子の冷却効率を向上させ、パワー半導体素子の能力を十分に活用した電力変換装置の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a power conversion device that improves the cooling efficiency of the power semiconductor element and fully utilizes the capability of the power semiconductor element.
本発明は、樹脂から成形され、凹部を備えた冷却ジャケットと、放熱面を有する半導体モジュールであって、冷却ジャケット上に載置されて放熱面で凹部を覆う半導体モジュールとを含み、凹部と放熱面で囲まれた領域を冷却水の流路とし、冷却ジャケットは、インサート形成された配線用導体を備え、配線用導体は、一端が半導体モジュールの外部端子と接続され、他端が冷却ジャケットの外部に露出したことを特徴とする電力変換装置である。
The present invention includes a cooling jacket formed of a resin and provided with a recess, and a semiconductor module having a heat dissipation surface, the semiconductor module being placed on the cooling jacket and covering the recess with the heat dissipation surface. The area surrounded by the surface is used as a cooling water flow path, and the cooling jacket is provided with an insert-formed wiring conductor, and the wiring conductor has one end connected to the external terminal of the semiconductor module and the other end of the cooling jacket. The power conversion device is characterized by being exposed to the outside.
本発明にかかる電力変換装置では、パワー半導体素子の冷却効率が向上し、パワー半導体素子の特性を十分に活用できる。 In the power converter according to the present invention, the cooling efficiency of the power semiconductor element is improved, and the characteristics of the power semiconductor element can be fully utilized.
また、樹脂製の冷却ジャケットを用いることにより、電力変換装置の小型軽量化、低コスト化が可能となる。 In addition, by using a resin cooling jacket, the power conversion device can be reduced in size and weight, and the cost can be reduced.
実施の形態1.
図1は、本実施の形態にかかる、全体が100で表される電力変換装置の上面図である。また、図2は、図1をI−I方向に見た場合の断面図である。
FIG. 1 is a top view of a power conversion device denoted as a whole by 100 according to the present embodiment. 2 is a cross-sectional view of FIG. 1 when viewed in the II direction.
図1に示すように、電力変換装置100は、3つの半導体モジュール1と冷却ジャケット2とを含む。それぞれの半導体モジュール1は、3つの端子32、33、34を有する。冷却ジャケット2は、PPS(Polyphenylene Sulfide)やPBT(polybutylene terephthalate)などの合成樹脂の射出成形品からなる。冷却ジャケット2には、配線用導体40〜44が一体成形されている。それぞれの配線用導体40〜44はその一部が冷却ジャケット2の表面に露出している。
As shown in FIG. 1, the
図2の断面図に示すように、半導体モジュール1は、Al2O3等の絶縁基板11を含む。絶縁基板11の裏面には、銅等からなる金属箔12が設けられている。一方、絶縁基板11の表面には、銅等のヒートスプレッダ13が設けられ、その上に、IGBT等の半導体素子14が載置されている。半導体素子14等は、エポキシ樹脂等の封止樹脂15により封止されている。
As shown in the sectional view of FIG. 2, the
半導体モジュール1は、例えばOリングのようなシール部材3を挟んで、冷却ジャケット2上に固定される。これにより、冷却水を循環させるための流路21が形成され、半導体モジュール1の裏面が流路21の一面を形成する。金属箔12が設けられた絶縁基板11は直接冷却水に接触するため、従来のように、一定の熱抵抗を有するヒートシンクを介して冷却する場合に比較して半導体素子14の冷却効率が向上する。この結果、半導体素子14に供給できる電流量の上限も大きくなり、半導体素子14の特性を十分に利用することができる。
The
上述のように、冷却ジャケット2には配線用導体40が埋め込まれている。配線用導体40の一部は接続端子40aとなり、例えばボルトにより半導体モジュールの端子12と接続される。また、配線用導体40の一部は外部端子40bとなり、バッテリー等の直流電源およびモーター(図示せず)が接続される。
As described above, the
このように、本実施の形態にかかる電力変換装置100は、半導体モジュール1が直接冷却水で冷却される構造を有する。このため、冷却ジャケット2を形成する材料の熱抵抗は半導体モジュール1の冷却には影響せず、樹脂を用いて冷却ジャケット2が作製できる。
Thus, the
このように冷却ジャケット2の材料に樹脂を用いることにより、冷却ジャケット2中に配線用導体40〜44を封止して一体成形でき、部品点数、組立て工程を削減できる。また、流路21の形状設計の自由度が大きくなる。更に、電力変換装置100の軽量化が可能となる。
Thus, by using resin as the material of the
実施の形態2.
図3は、本実施の形態にかかる、全体が200で表される電力変換装置の断面図であり、図1のI−I方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図3中、図2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the power conversion device denoted as a whole by 200 according to the present embodiment, and is a cross-sectional view when viewed in the same direction as the II direction of FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding parts.
電力変換装置200では、冷却ジャケット2が、半導体モジュール1の周囲を囲むように上方に延び、壁部2aを形成する。壁部2aの上端は、例えばエポキシ樹脂からなるカバー7により蓋され、筐体が形成される。筐体中には、平滑コンデンサ5、半導体モジュール1を制御する制御基板6が収納される。平滑コンデンサ5、制御基板6は、適当な固定手段(図示せず)で固定される。
なお、壁部2aとカバー7との間にシール材(図示せず)を配置することにより、筐体内部の防水が可能となる。
In the
In addition, the inside of a housing | casing can be waterproofed by arrange | positioning a sealing material (not shown) between the wall part 2a and the
本実施の形態にかかる電力変換装置200では、平滑コンデンサ5、制御基板6が、冷却ジャケットと一体成形された筐体内に設けられるため、別個に筐体を設ける必要がない。更に、同一筐体内で半導体モジュール1、平滑コンデンサ5、制御基板6を接続するため、電力変換装置200の外部に露出する端子は外部端子40bのみとなり、カバー7を取り付けることにより外部端子40b以外の端子の防水が容易に行なえる。
In the
実施の形態3.
図4は、本実施の形態にかかる、全体が300で表される電力変換装置の断面図であり、図1のI−I方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図4中、図2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the power conversion device represented as a whole by 300 according to the present embodiment, and is a cross-sectional view when viewed in the same direction as the II direction of FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding parts.
電力変換装置300では、上述の電力変換装置200と同様に、冷却ジャケット2が、半導体モジュール1の周囲を囲むように上方に延び、筐体が形成されている。筐体中には、平滑コンデンサ、制御基板6が収納され、適当な固定手段(図示せず)で固定されている。
In the
更に、半導体モジュール1の上に押え部材8を配置し、押え部材8で半導体モジュール1を冷却ジャケット2に押しつけた状態で押え部材8が固定される。好適には、図1に示す3つの半導体モジュール1が一つの押え部材8で押えられ、固定される。これにより、ナット等の固定手段の部品点数を削減できる。
Further, the
押え部材8には、例えばステンレス鋼などの強度の高い金属板が用いられ、半導体モジュール1が発する電磁波を遮蔽する効果も有する。
For the
また、押え部材8は曲げ部8aを含み、押え部材8の板厚が薄くても高い曲げ剛性を確保するようになっている。曲げ部8aは、例えば、冷却ジャケット2に固定するナットを通す穴の近傍のように、局所的に応力がかかる部分に設けられることが好ましい。
Further, the
また、一つの押え部材8で3つの半導体モジュール1を押える場合、押え部材8は、半導体モジュールと半導体モジュールとの間の位置に、半導体モジュールの一辺に沿ったスリットを有する構造としても良い。かかるスリットを有することにより、押え部材8が部分的に歪みやすくなり、半導体モジュールの厚みの違い等による押え部材8の押え力のばらつきを小さくできる。
Further, when the three
実施の形態4.
図5は、本実施の形態にかかる、全体が400で表される電力変換装置の断面図であり、図1のI−I方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図5中、図2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the power conversion device denoted as a whole by 400 according to the present embodiment, and is a cross-sectional view when viewed in the same direction as the II direction of FIG. 1. 5, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or corresponding parts.
電力変換装置400では、上述の電力変換装置300に加えて、冷却ジャケット2に設けられた流路21の底面に台部が設けられている。台部上には、台部の上面より広がった板状の仕切り板24が載置されている。流路21は、仕切り板24により、入口側ヘッダ流路21a、出口側ヘッダ流路21b、冷却流路27に区切られている。即ち、略平行に設けられた入口側ヘッダ流路21aと出口側ヘッダ流路21bとの間が、冷却流路27により接続された構造となっている。
In the
入口側ヘッダ流路21aに入った冷却水は、仕切り板24の一方の端部に沿って図5の紙面に垂直な方向に流れる。冷却流路27は、それぞれの半導体モジュール1の下方に設けられ、入口側ヘッダ流路21aと出口側ヘッダ流路21bとを接続する。このため、入口側ヘッダ流路21aを通る冷却水は、冷却流路27を通って半導体モジュール1を冷却した後、出口側ヘッダ流路21bに入り、排出される。
The cooling water that has entered the inlet-side header flow path 21a flows along the one end of the
なお、入口側ヘッダ流路21aから冷却流路27を経由して出口側ヘッダ流路21bに至るまでの圧力損失は、入口側ヘッダ流路21a、出口側ヘッダ流路21bでの圧力損失より、3倍以上大きいことが好ましい。これにより、冷却流路27中での流速分布を小さくできる。また、本実施の形態のように、複数(ここでは3つ)の冷却流路27が、入口側ヘッダ流路21aと出口側ヘッダ流路21bとの間に並列配置された場合には、各冷却流路27間での流速分布も小さくできる。
In addition, the pressure loss from the inlet side header flow path 21a to the outlet side
実施の形態5.
図6は、本実施の形態にかかる、全体が500で表される電力変換装置の断面図であり、図1のI−I方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図6中、図2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the power conversion device denoted as a whole by 500 according to the present embodiment, and is a cross-sectional view when viewed in the same direction as the II direction of FIG. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding parts.
電力変換装置500では、上述の電力変換装置400に加えて、仕切り板24の上面に複数の突起部28が設けられている。突起部28は、四角柱、円柱等の形状でも良いし、図6の紙面に垂直な方向に延びたストライプ形状でも良い。
In the
このように、冷却流路27中に突起部28を設けることにより、冷却流路27を流れる冷却水中に乱流が発生しやすくなり、半導体モジュール1の冷却効率が向上する。
Thus, by providing the
実施の形態6.
図7は、本実施の形態にかかる、全体が600で表される電力変換装置の断面図であり、図1のI−I方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図7中、図2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the power conversion apparatus denoted as a whole by 600 according to the present embodiment, and is a cross-sectional view when viewed in the same direction as the II direction of FIG. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same or corresponding parts.
電力変換装置600では、上述の電力変換装置500に加えて、流路21の底部にも開口部が設けられ、この開口部を熱伝達率の高い金属からなるシール板9で塞いでいる。電力変換装置600では、筐体内に配置された平滑コンデンサ5が、シール板9に接触するように載置されている。これにより、平滑コンデンサ5の冷却が行なわれる。平滑コンデンサ5の電極51は、配線用導体40に接続されている。
In the
また、冷却ジャケット2の壁部23は、冷却ジャケット2の底部側、即ち平滑コンデンサ5の周囲にも設けられ、その端部にはシール部材(図示せず)を介してカバー7が取り付けられている。かかる構造により、平滑コンデンサ5の保護、防水を行なっている。
The wall portion 23 of the cooling
かかる構造は、図4、5に示す電力変換装置300、400に適用しても構わない。
Such a structure may be applied to the
なお、実施の形態1〜6では、直流を3相交流に変換する電力変換装置について説明したが、本発明は、かかる構造に限定されるものではなく、冷却を必要とする半導体モジュールを用いた他の電力変換装置の構造にも適用できる。 In addition, although Embodiment 1-6 demonstrated the power converter device which converts direct current into three-phase alternating current, this invention is not limited to this structure, The semiconductor module which requires cooling was used. The present invention can also be applied to other power conversion device structures.
また、実施の形態1〜6では3つの半導体モジュール1を含む場合について述べたが、本発明は、3つ以外の半導体モジュール1を有する場合にも適用できる。
Moreover, although the case where the three
1 半導体モジュール、2 冷却ジャケット、3 シール部材、11 絶縁基板、12 金属箔、13 ヒートスプレッダ、14 半導体素子、15 封止樹脂、21 流路、32 端子、40 配線用導体、40a 接続端子、40b 外部端子、100 電力変換装置。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
放熱面を有する半導体モジュールであって、該冷却ジャケット上に載置されて該放熱面で該凹部を覆う半導体モジュールとを含み、
該凹部と該放熱面で囲まれた領域を冷却水の流路とし、
該冷却ジャケットは、インサート形成された配線用導体を備え、
該配線用導体は、一端が該半導体モジュールの外部端子と接続され、他端が該冷却ジャケットの外部に露出したことを特徴とする電力変換装置。 A cooling jacket molded from resin and provided with a recess;
A semiconductor module having a heat dissipating surface, the semiconductor module being placed on the cooling jacket and covering the recess with the heat dissipating surface,
A region surrounded by the recess and the heat radiating surface is a cooling water flow path,
The cooling jacket includes an insert-formed wiring conductor;
One end of the wiring conductor is connected to an external terminal of the semiconductor module, and the other end is exposed to the outside of the cooling jacket .
該台部上に、該台部の上面より外方に広がった板状の仕切り板が載置され、A plate-like partition plate that spreads outward from the upper surface of the base part is placed on the base part,
上記流路が、該台部を挟んで略平行に設けられ、該仕切り板の下側に位置する入口側ヘッダ流路および出口側ヘッダ流路と、該仕切り板の上側で該入口側ヘッダ流路と該出口側ヘッダ流路とを接続する冷却流路とを含むことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。The flow path is provided substantially in parallel with the base portion interposed therebetween, and the inlet-side header flow path and the outlet-side header flow path positioned below the partition plate, and the inlet-side header flow path above the partition plate The power conversion device according to claim 1, further comprising a cooling flow path that connects the path and the outlet-side header flow path.
該流路が、該台部を挟んで略平行に設けられた入口側ヘッダ流路および出口側ヘッダ流路と、該台部の上で該入口側ヘッダ流路と該出口側ヘッダ流路とを接続する冷却流路とを含み、An inlet-side header channel and an outlet-side header channel provided substantially parallel to each other across the platform, and the inlet-side header channel and the outlet-side header channel on the platform A cooling flow path connecting the
更に、該凹部の底面に開口部が設けられ、該開口部が、コンデンサを載置した金属板で閉じられたことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。The power converter according to claim 1, further comprising an opening provided on a bottom surface of the recess, the opening being closed by a metal plate on which a capacitor is placed.
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