JP4595175B2

JP4595175B2 - 間接冷却型回路装置

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Publication number: JP4595175B2
Application number: JP2000220756A
Authority: JP
Inventors: 誠司井上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: JP2002043782A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、間接冷却型回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド車、燃料電池車、純二次電池車など電力を用いて走行する電気自動車では、構成が堅牢、簡素で制御が容易な交流モータを用いるために、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大電力のインバータ装置特に三相インバータ回路と、この三相インバータ回路の直流端対間に接続される平滑コンデンサを必要とする。
【０００３】
上記した電気自動車の走行モータ制御用の三相インバータ回路は、大電力制御が必要とするため、各アームごと又は各相を別々の半導体モジュールで構成することが通常である。また、これら半導体モジュールは、発熱が大きいために空冷では限界があり、間接液冷構造が採用されている。この間接冷却型回路装置に用いる冷却流体（冷媒）としては、不凍性流体や空調用冷凍サイクル装置から分岐した冷媒をなどを用いることが提案あるいは実用化されている。
【０００４】
更に、電気自動車では、上記した三相インバータ装置以外にも走行モータ給電用の高圧バッテリと補機給電用の低圧バッテリ間で送電を行うＤＣ−ＤＣコンバータや空調用圧縮機を制御する三相インバータ回路など、種々の回路装置が搭載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した電気自動車の走行モータ制御用の三相インバータ回路を構成する各半導体モジュールを間接液冷する場合、各半導体モジュール間の冷却性能に差があると、三相インバータ回路の限界性能は、熱的に最も過酷な条件の半導体モジュールにより制約されることになり、各半導体モジュールの放熱性能のばらつきをできるだけ解消することが重要となる。
【０００６】
そのために、所定間隔を隔てて平行に延設される一対のヘッダと、互いに所定間隔を隔てて配列されるとともに両端が両ヘッダに連結される複数の冷却チューブとにより構成される並列貫流式間接冷却方式を採用し、各冷却チューブにこれら半導体モジュールを別々に設置すれば、各半導体モジュール間の温度ばらつきを解消できて三相インバータ回路を半導体モジュールの最大性能範囲で運転でき、三相インバータ回路の性能向上を実現することができる。
【０００７】
しかし、この並列貫流式間接冷却方式は、構造が複雑であり、液冷系の製造コストが嵩むという問題がある。上述したように、電気自動車用回路装置では、この走行モータ制御用の三相インバータ回路の他に上記平滑コンデンサやＤＣ−ＤＣコンバータや空調圧縮機制御用の三相インバータ回路など液冷すべき多くの大電力回路装置があり、液冷系全体の構造の複雑化や配管、取り付けの煩雑化を招いているので、このような走行モータ制御用の三相インバータ回路に複雑な並列貫流式間接冷却構造を採用することは、ますます液冷系の複雑化、煩雑化の度合いが大きくなるという問題があった。
【０００８】
また、設置スペースや搭載重量に大きな制限がある電気自動車では、このような多数の回路部品のそれぞれに、重量及び設置スペースの増大が必要な液冷系を個別に採用することは、車両の大型化を招くという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、重量及び設置スペースの増大を抑止しつつ複数の大発熱回路部品を良好に冷却可能な間接冷却型回路装置を提供することをその目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の間接冷却型回路装置は、角形箱形状を有し所定間隔を隔てて平行に延設されると共に冷却媒体が導入及び導出される一対のヘッダと、互いに所定間隔を隔てて配列されるとともに両端が前記両ヘッダに連結されて内部が連通する複数の冷却チューブと、前記冷却チューブの外層面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置される第１の回路部品と、を有し、冷却媒体を用いて回路部品を間接的に冷却する構造を有する間接冷却型回路装置において、前記両ヘッダの底面が伝熱可能な状態で上面に固定される熱伝導性のベースプレートと、前記ベースプレートの裏面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置される第２の回路部品とを有することを特徴とする間接冷却型回路装置。
【００１１】
すなわち、本発明によれば、第１の回路部品とこの第１の回路部品を冷却する並列貫流式間接冷却器とからなる第一の回路装置と、第２の回路部品とこの第２の回路部品を固定、放熱するベースプレートとからなる第二の回路装置とを有する間接冷却型回路装置において、並列貫流式間接冷却器の両ヘッダをこのベースプレートに固定したものである。
【００１２】
このようにすれば、ベースプレートは第２の回路部品の支持及び放熱部材及びヒートシンクマスとして機能するとともに、両ヘッダを支持して並列貫流式間接冷却器の固定部材として機能することもでき、同時に、ベースプレートをヘッダにより良好に冷却して、第２の回路部品の放熱性能を向上することができる。また、本構成の間接冷却型回路装置では、冷却チューブが設けられないヘッダの余剰の表面の冷却性能を利用して第２の回路部品を伝熱冷却するので、液冷系を複雑化、大型化することなく複数の回路部品を冷却することができる。更に、両回路部品及び間接冷却構造をコンパクトに一体化することができ、冷媒配管も簡素化することができるので、設置スペース及び装置重量を削減することができる。
【００１３】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の間接冷却型回路装置において更に、前記第１の回路部品群は、三相インバータブリッジ回路の各スイッチング素子を構成する複数の半導体モジュールからなり、各前記半導体モジュールは、異なる冷却チューブに密着される。これにより、各半導体モジュール間の温度ばらつきが小さい三相インバータ回路（三相インバータブリッジ回路）を実現することができるとともに、そのヘッダの余剰冷却表面を活用することができるので、請求項１記載の効果を一層向上することができる。
【００１４】
請求項３記載の構成によれば請求項１又は２記載の間接冷却型回路装置において更に、前記ベースプレートは、前記両ヘッダの冷却チューブ側の側面と直角な前記両ヘッダの底面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置され、前記第２の回路部品は、前記両ヘッダの中間又は前記両ヘッダの一方に背向する位置にて前記ベースプレートの冷却チューブとは反対側の裏面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置されることを特徴としている。これにより、請求項１又は２記載の間接冷却型回路装置の一層のコンパクト化を実現することができる。
【００１５】
請求項４記載の構成によれば請求項３記載の間接冷却型回路装置において更に、前記ヘッダの冷却チューブとは反対側の側面に直接密着又は熱伝導性部材を介して配置される第３の回路部品を有するので、ヘッダの冷却可能な余剰表面を用いて簡素な構造で多数の回路部品を冷却することができ、回路装置の一層のコンパクト化することができる。
【００１６】
請求項５記載の構成によれば請求項４記載の間接冷却型回路装置において更に、前記ヘッダのベースプレートとは反対側の頂面に直接又は熱伝導性部材を介して固定されて前記第１、第３の回路部品を電気的に接続する配線部材を有するので、回路装置の大型化を抑止しつつこの配線部材を通じて第１、第３の回路部品を更に良好に冷却することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の間接冷却型回路装置を用いたハイブリッド車用の間接冷却型回路装置の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００１８】
【実施例１】
実施例１の回路装置を図１、図２を参照して以下に説明する。図１は、この回路装置の縦断面図であり、図２はそのＢ視平面図（蓋なし状態）である。
（全体構成）
１は両面冷却型半導体モジュール、２は扁平冷却チューブである。３は入り口側ヘッダ、４は出口側ヘッダである。
【００１９】
図２に示すように、合計６個の半導体モジュール１が合計１２個の扁平冷却チューブ２により１個ごとに挟持されている。扁平冷却チューブ２と半導体モジュール１との間の伝熱抵抗を低減し、半導体モジュール１を機械的に支持するために、図示しない６個のコ字形板ばねが一対の扁平冷却チューブ２とその間の半導体モジュール１とからなる６セットを個別に挟圧している。
【００２０】
半導体モジュール１は、ハイブリッド車の走行モータ制御用三相インバータ回路の各アームを構成している。半導体モジュール１は、たとえばパワーＭＯＳＦＥＴが形成された電力用半導体素子チップの両面すなわちソース電極及びドレイン電極にそれぞれ金属放熱板を半田層を介して密着させ、両金属放熱板の外主面及び制御電極端子を除いて樹脂モールドした構造を有している。半導体モジュール１を他のトランジスタで構成する場合、半導体モジュール１がこのトランジスタと逆並列に接続されたフライホイルダイオードをもつのは周知のとおりである。
【００２１】
扁平冷却チューブ２は、アルミ引き抜き成形品又はアルミ押し出し成形品であり、内部に複数の冷却流体流路用貫通孔（図示せず）を複数、互いに平行に有している。各扁平冷却チューブ２の両端はヘッダ３，４の冷却チューブ側の側面に個別に接合されており、扁平冷却チューブ２の上記冷却流体流路用貫通孔は、ヘッダ３，４内の冷却流体通路（図示せず）に連通している。
【００２２】
ヘッダ３，４は、図示するように、角形厚箱形状を有し、扁平冷却チューブ２は面積最大の一対の側面の一方に接合されている。
【００２３】
５は伝熱シート、６はベースプレートであり、ヘッダ３，４は伝熱シート５を挟んでベースプレート６上に載置されている。３１，４１は図示しない貫通孔をもつヘッダ３，４の締結用リブであり、ボルト３２，４２がこの貫通孔を挿通してベースプレート６の図示しない雌ねじ孔に締結され、これにより、ヘッダ３，４の底面は伝熱シート５を介してベースプレート６の上面をなす一主面に熱伝導良好に固定されている。伝熱シート５はたとえばシリコン樹脂フィルム、シリコングリス、炭素系シートなど公知のフィルム状又はグリス状良熱伝導部材からなる。ベースプレート６は、アルミニウム厚板からなる。
【００２４】
７は、ＤＣ−ＤＣコンバータあるいは車両空調用コンプレッサ駆動用モータを制御する三相インバータ回路（空調インバータ回路ともいう）を内蔵する副回路部品である。７１はこの副回路部品内で最も発熱が大きい半導体モジュールである。副回路部品７は、伝熱シート５と同一構造、同一形状の伝熱シート８を介してベースプレート６の下面をなす他主面に固定されている。７２は貫通孔をもつヘッダ３，４の締結用リブであり、ボルト７３がこの貫通孔を挿通してベースプレート６の図示しない雌ねじ孔に締結され、これにより、副回路部品７の上面は伝熱シート８を介してベースプレート６の下面をなす他主面に熱伝導良好に固定されている。
【００２５】
９は、半導体モジュール１により構成される三相インバータ回路の一対の直流入力端間に接続されてバッテリ電圧の急変を阻止する一対の平滑コンデンサであり、平滑コンデンサ９の底面は伝熱シート５を介してベースプレート６に載置されている。すなわち、ベースプレート６は半導体モジュール１や平滑コンデンサ９を支持する支持部材をなすとともに裏面にて副回路部品７も支持している。また、平滑コンデンサ９の側面はヘッダ３の反冷却チューブ側（すなわち冷却チューブ２と反対側）の側面に密着している。
【００２６】
１０，１１は半導体モジュール１の主電極、１２は半導体モジュール１の制御電極やモニタ電極、１３〜１５は図示しない走行モータの三相端子に接続される三相交流出力端子、１６は負の直流電源ブスバー（配線部材）、１７は正の直流電源ブスバー（配線部材）である。１８は両直流電源ブスバー１６，１７の間に挟設されて両者を電気絶縁する絶縁シートである。半導体モジュール１の主電極１０，１１の一方は三相交流出力端子１３〜１５の一つに、他方は直流電源ブスバー１６，１７の一方に接続されている。直流電源ブスバー１６，１７は平滑コンデンサ９の負、正の端子９１，９２に個別に締結されている。１９は、負の直流電源ブスバー１６をヘッダ３の頂面に締結するねじである。
【００２７】
２０、２１は、ボルト２２によりベースプレート６の周縁部に締結される金属底付き缶であり、これによりて上記液冷系や回路部品が密閉されている。
【００２８】
２３は、半導体モジュール１の制御電極やモニタ電極１２から立設された制御用端子であり、それらの上端部は制御基板２４（図２では図示省略）上のコントローラ（図示せず）に接続されている。なお、制御版２４は図示しない支柱によりベースプレート６に固定されている。
【００２９】
なお、図１、図２では、ヘッダ３に冷却流体を導入する流入配管や、ヘッダ４から冷却流体を導出する流出配管の図示を省略しているが、これら流入配管や流出配管は本質的にヘッダ３，４のどの部位に取り付けても良く、金属底付き缶２０，２１のどちらか又は両方を貫通して装置外部に延設されている。たとえば、これら流入配管や流出配管はベースプレート６及び缶２１を貫通して下方に垂下させてもよい。
【００３０】
（機能）
上記説明したこの実施例の間接冷却型回路装置によれば、ヘッダ３，４を載置するベースプレート６の裏面に第２の回路部品としての副回路部品を、上面に並列貫流式間接冷却器、半導体モジュール（第１の回路部品）１及び平滑コンデンサ（第３の回路部品）９を固定し、ヘッダ３の側面に平滑コンデンサ９の側面を密着させたので、コンパクトかつ小型軽量で冷却性が優れた電気自動車用間接冷却型回路装置を実現することができる。
【００３１】
（変形態様１）
冷却チューブ２の底面をベースプレート６の主面に直接又は伝熱部材を介して密着することにより、冷却チューブ２の放熱性を向上することができる。
【００３２】
（変形態様２）
ベースプレート６は、両ヘッダ３，４を連通する冷却流体流路を有することができ、このようにすれば半導体モジュール７１を一層良好に冷却することができる。なお、半導体モジュール７１はヘッダ３，４の直下又はヘッダ３，４の中間に配置されることが放熱上、有利である。この場合、ベースプレート６に流入配管や流出配管を設けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の間接冷却型回路装置の縦断面図である。
【図２】図１のＢ視平面図である。
【符号の説明】
１：半導体モジュール（第１の回路部品）
２：扁平冷却チューブ
３、４：押さえ板
６：ベースプレート
７１：半導体モジュール（第２の回路部品）
９：平滑コンデンサ（第３の回路部品）
１６：ブスバー（配線部材）

Claims

角形箱形状を有し所定間隔を隔てて平行に延設されると共に冷却媒体が導入及び導出される一対のヘッダと、
互いに所定間隔を隔てて配列されるとともに両端が前記両ヘッダに連結されて内部が連通する複数の冷却チューブと、
前記冷却チューブの外層面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置される第１の回路部品と、
を有し、冷却媒体を用いて回路部品を間接的に冷却する構造を有する間接冷却型回路装置において、
前記両ヘッダの底面が伝熱可能な状態で上面に固定される熱伝導性のベースプレートと、
前記ベースプレートの裏面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置される第２の回路部品と、
を有することを特徴とする間接冷却型回路装置。
請求項１記載の間接冷却型回路装置において、
前記第１の回路部品群は、三相インバータブリッジ回路の各スイッチング素子を構成する複数の半導体モジュールからなり、
各前記半導体モジュールは、異なる冷却チューブに密着されることを特徴とする間接冷却型回路装置。
請求項１又は２記載の間接冷却型回路装置において、
前記ベースプレートは、前記両ヘッダの冷却チューブ側の側面と直角な前記両ヘッダの底面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置され、
前記第２の回路部品は、前記両ヘッダの中間又は前記両ヘッダの一方に背向する位置にて前記ベースプレートの冷却チューブとは反対側の裏面に直接密着して又は熱伝導性部材を介して配置されることを特徴とする間接冷却型回路装置。
請求項３記載の間接冷却型回路装置において、
前記ヘッダの冷却チューブとは反対側の側面に直接密着又は熱伝導性部材を介して配置される第３の回路部品を有することを特徴とする間接冷却型回路装置。
請求項４記載の間接冷却型回路装置において、
前記ヘッダのベースプレートとは反対側の頂面に直接又は熱伝導性部材を介して固定されて前記第１、第３の回路部品を電気的に接続する配線部材を有することを特徴とする間接冷却型回路装置。