JP4636055B2 - パワースタック - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両用回転電機の駆動装置などに用いられるパワースタックに関する。

例えば、特許文献１〜４には、冷却体と半導体素子とが交互に積層されて形成されたパワースタックが紹介されている。半導体素子は、積層方向両側に配置された一対の冷却体に間に、介装されている。通電に伴い発熱する半導体素子は、これら一対の冷却体により、冷却される。このため、特許文献１〜４のパワースタックによると、半導体素子の熱破壊を抑制することができる。
特開平１１−２１４５９９号公報 特公平７−３８４６号公報 特開平３−７６２５６号公報 実公平６−１０６９６号公報

しかしながら、特許文献１〜４には、パワースタックにおける半導体素子のレイアウトについて、何ら記載されていない。このため、特許文献１〜４のパワースタックによると、複数の半導体素子間において発熱量が異なる場合、パワースタック全体における冷却バランスが崩れるおそれがある。

すなわち、半導体素子の発熱量は、電力値、通電時間、制御対象機器の動作タイミングなどに依存する。このため、複数の半導体素子間において、発熱量が異なる場合がある。この場合、発熱量の差異を考慮せずに無秩序に半導体素子をレイアウトすると、パワースタック全体における発熱量の分布が偏ってしまうおそれがある。発熱量分布が偏ると、パワースタックに、局部的に、冷却効率の高い部位と冷却効率の低い部位とが発現してしまう。つまり、パワースタック全体における冷却バランスが悪化してしまう。

したがって、パワースタックにおける半導体素子の配置部位によっては、半導体素子の許容温度に対して、半導体素子が充分に冷却されないおそれがある。

本発明のパワースタックは上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、冷却効率の偏在を抑制でき、冷却バランスに優れたパワースタックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のパワースタックは、冷媒が流れる冷却通路を各々内部に区画する複数の冷却管と、複数の半導体モジュールとが交互に積層されてなり、該半導体モジュールの積層方向両面が該冷却管に面接触するパワースタックにおいて、複数の前記半導体モジュールは、複数の制御対象機器をそれぞれ制御するとともに発熱量が異なる複数の半導体モジュールグループに分類可能であり、複数の前記半導体モジュールグループは、積層方向に並べて配置され、前記半導体モジュールグループのうち、最も発熱量の大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールの少なくとも一つが、隣り合う前記冷却管同士の間に介装され、この隣り合う冷却管が、それぞれ前記最も発熱量が大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールと他の半導体モジュールグループに属する半導体モジュールによって挟まれるように配置されることで、最も発熱量の大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールが、任意の前記冷却管を挟んで積層方向に隣り合わないように、配置され、前記最も発熱量の大きい半導体モジュールグループが、積層方向において、前記他の半導体モジュールグループを構成する前記半導体モジュールを間に介在させて配置されていることを特徴とする。ここで、「発熱量」とは、単位時間あたりの発熱量（Ｗ）をいう。

本発明のパワースタックは、複数の冷却管と複数の半導体モジュールとを備えている。複数の半導体モジュールは、発熱量の異なる複数のグループに分類される。仮に、最も発熱量の高いグループに属する一対の半導体モジュールの間に、任意の冷却管が挟まれると、この挟まれた部位だけ、同じ時刻に冷却管の受ける発熱量が、局部的に大きくなる。したがって、当該部位に限って、冷却効率が低くなる。

この点に鑑み、本発明のパワースタックは、最も発熱量の大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールの少なくとも一つが、隣り合う冷却管同士の間に介装され、この隣り合う冷却管が、それぞれ最も発熱量が大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールと他の半導体モジュールグループに属する半導体モジュールによって挟まれるように配置され、最も発熱量の大きい半導体モジュールグループが、積層方向において、他の半導体モジュールグループを構成する半導体モジュールを間に介在させて配置されることで、最も発熱量の高いグループに属する一対の半導体モジュールの間に、任意の冷却管が配置されないような、半導体モジュールのレイアウトを採用している。このため、本発明のパワースタックによると、冷却効率の偏り抑制することができる。したがって、本発明のパワースタックは、冷却バランスに優れている。
また、本発明のパワースタックは、好ましくは、前記最も発熱量の大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールの列と、前記他の半導体モジュールグループに属する半導体モジュールの列とが、前記積層方向に交互に繰り返される。
また、本発明のパワースタックは、冷媒が流れる冷却通路を各々内部に区画する複数の冷却管と、複数の半導体モジュールと、が交互に積層されてなり、該半導体モジュールの積層方向両面が該冷却管に面接触するパワースタックであって、複数の前記半導体モジュールは、発熱量の異なる複数のグループに分類可能であり、複数の前記半導体モジュールのグループのうち少なくとも一つは、発熱しないダミーモジュールのグループであり、複数の該半導体モジュールは、発熱する前記半導体モジュールと発熱しない前記ダミーモジュールとが前記冷却管を挟んで積層方向に配置されていることを特徴とする。
ダミーモジュールは発熱しない。このため、任意の冷却管には、半導体モジュールが配置されている方からしか熱が伝わらない。このためパワースタックは、冷却効率が高い。

本発明によると、冷却効率の偏在を抑制でき、冷却バランスに優れたパワースタックを提供することができる。

以下、本発明のパワースタックの実施の形態について説明する。
＜第一実施形態＞
まず、本実施形態のパワースタックが用いられるＭＧ（Ｍｏｔｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の駆動装置について説明する。図１に、同駆動装置の回路図を示す。図に示すように、駆動装置９は、バッテリ９０と平滑用コンデンサ９１、９２とＤＣ−ＤＣコンバータ９３と第一インバータ回路９４と第二インバータ回路９５とを備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９３は、リアクトル９３０とコンバータ用スイッチングモジュール９３１とを備えている。リアクトル９３０の一端は、後述するハイサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１とローサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１との接続点に、接続されている。リアクトル９３０の他端は、低電位電源線ＶＬを介して、バッテリ９０の高電位端に接続されている。

コンバータ用スイッチングモジュール９３１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｒａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）９３１ａとフライホイルダイオード９３１ｂとを備えている。ＩＧＢＴ９３１ａに対して、フライホイルダイオード９３１ｂは、逆方向に並列接続されている。コンバータ用スイッチングモジュール９３１は、ハイサイド側、ローサイド側にそれぞれ三個ずつ、合計六個配置されている。このうち、ハイサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１は、高電位電源線ＶＨ１、ＶＨ２に接続されている。また、ローサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１は、接地されている。

第一インバータ回路９４は、第一スイッチングモジュール９４０を備えている。第一スイッチングモジュール９４０は、本発明の半導体モジュールに含まれる。第一スイッチングモジュール９４０は、ＩＧＢＴ９４０ａとフライホイルダイオード９４０ｂとを備えている。ＩＧＢＴ９４０ａに対して、フライホイルダイオード９４０ｂは、逆方向に並列接続されている。第一スイッチングモジュール９４０は、合計六個配置されている。

第二インバータ回路９５は、第二スイッチングモジュール９５０を備えている。第二スイッチングモジュール９５０は、本発明の半導体モジュールに含まれる。第二スイッチングモジュール９５０は、ＩＧＢＴ９５０ａとフライホイルダイオード９５０ｂとを備えている。ＩＧＢＴ９５０ａに対して、フライホイルダイオード９５０ｂは、逆方向に並列接続されている。第二スイッチングモジュール９５０は、合計十二個配置されている。

次に、本実施形態のパワースタックが用いられるＭＧの駆動装置の動きについて説明する。電動動作（力行動作）の場合は、ローサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１のＩＧＢＴ９３１ａを、ＰＷＭスイッチングする。当該ＩＧＢＴ９３１ａをオンにすると、リアクトル９３０に電磁エネルギが蓄積される。

この状態で、当該ＩＧＢＴ９３１ａをオフにすると、リアクトル９３０は電流状態を持続しようとする。このため、ハイサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１のフライホイルダイオード９３１ｂを介して、高電位電源線ＶＨ１、ＶＨ２に電流が流れる。この動作の繰り返しにより、持続的に、高電位電源線ＶＨ１、ＶＨ２に直流高電圧が印加される。

第一インバータ回路９４は、高電位電源線ＶＨ１の直流高電圧を三相交流電圧に変換して、ＭＧ９６ａの電機子コイル（図略）に印加する。同様に、第二インバータ回路９５は、高電位電源線ＶＨ２の直流高電圧を三相交流電圧に変換して、ＭＧ９６ｂの電機子コイル（図略）に印加する。ＭＧ９６ａ、ＭＧ９６ｂは、それぞれ、本発明の制御対象機器に含まれる。

発電動作（回生動作）の場合は、ハイサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１のＩＧＢＴ９３１ａを、ＰＷＭスイッチングする。当該ＩＧＢＴ９３１ａをオンにすると、高電位電源線ＶＨ１、ＶＨ２からバッテリ９０に、当該ＩＧＢＴ９３１ａ、リアクトル９３０を介して、電流が流れる。このため、リアクトル９３０に電磁エネルギが蓄積される。

この状態で、当該ＩＧＢＴ９３１ａをオフすると、リアクトル９３０は電流状態を持続しようとする。このため、ローサイド側のコンバータ用スイッチングモジュール９３１のフライホイルダイオード９３１ｂを介して、バッテリ９０に電流が流れる。この動作の繰り返しにより、持続的に、バッテリ９０に直流電圧が印加される。

次に、第一スイッチングモジュールの発熱量と第二スイッチングモジュールの発熱量との関係について説明する。第一スイッチングモジュール９４０（合計六個）の方が、第二スイッチングモジュール９５０（合計十二個）よりも、並列数が少ない。このため、第一スイッチングモジュール９４０一個あたりの発熱量は、第二スイッチングモジュール９５０一個あたりの発熱量よりも、大きい。

また、共にＭＧ９６ａを駆動する六個の第一スイッチングモジュール９４０の動作タイミングは、一致している。同様に、共にＭＧ９６ｂを駆動する十二個の第二スイッチングモジュール９５０の動作タイミングは、一致している。しかしながら、ＭＧ９６ａの動作タイミングとＭＧ９６ｂの動作タイミングとは、一致していない。このため、第一スイッチングモジュール９４０の動作タイミングと、第二スイッチングモジュール９５０の動作タイミングとは、一致していない。したがって、第一スイッチングモジュール９４０において発熱量が最大となる時刻と、第二スイッチングモジュール９５０において発熱量が最大となる時刻とは、異なる。

次に、本実施形態のパワースタックの構成について説明する。図２に、本実施形態のパワースタックの部分分解斜視図を示す。図３に、同パワースタックの合体斜視図を示す。図４に、同パワースタックの冷却管の部分断面斜視図を示す。図５に、同パワースタックの第一スイッチングモジュールの分解斜視図を示す。図６に、同パワースタックの積層方向断面図を示す。

これらの図に示すように、本実施形態のパワースタック１は、冷却管２と第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０と導入管４と導出管５と制御基板８とを備えている。

冷却管２は、アルミニウム製であって、積層方向に潰れた角筒状を呈している。冷却管２の長手方向両端部には、導入口２０と導出口２１とが開設されている。これら導入口２０と導出口２１とは、冷却管２内部に区画された冷却通路２２により連通している。冷却通路２２は、長手方向に延びる複数の冷却リブ２３により仕切られている。冷却管２は、合計十枚、互いに略平行に配置されている。

導入管４は、導入本管４０と導入連通管４１とを備えている。導入連通管４１は、アルミニウム製であって伸縮可能な短軸円筒状を呈している。導入連通管４１は、互いに隣接する冷却管２の導入口２０同士を連結している。導入連通管４１は、合計九個、略一直線に並んで配置されている。

導入本管４０は、アルミニウム製であって導入連通管４１よりも長軸の円筒状を呈している。導入本管４０の一端は、積層方向一端の冷却管２の導入口２０を覆っている。導入本管４０を介して、放熱装置１０から冷却管２に、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）が導入される。ＬＬＣは、本発明の冷媒に含まれる。

導出管５は、導出本管５０と導出連通管５１とを備えている。導出連通管５１は、アルミニウム製であって伸縮可能な短軸円筒状を呈している。導出連通管５１は、互いに隣接する冷却管２の導出口２１同士を連結している。導出連通管５１は、合計九個、略一直線に並んで配置されている。

導出本管５０は、アルミニウム製であって円筒状を呈している。導出本管５０は、導入本管４０に対して、略平行に配置されている。導出本管５０の一端は、積層方向一端の冷却管２の導出口２１を覆っている。導出本管５０を介して、冷却管２から放熱装置１０に、熱交換後のＬＬＣが導出される。

第一スイッチングモジュール９４０は、前記ＩＧＢＴ９４０ａ（図５において点線で示す）と前記フライホイルダイオード９４０ｂ（図５において点線で示す）と電極端子９４０ｃと信号端子９４０ｄと絶縁板９４０ｅと樹脂モールド９４０ｆとを備えている。樹脂モールド９４０ｆは、絶縁樹脂製であって、積層方向に潰れた矩形板状を呈している。ＩＧＢＴ９４０ａとフライホイルダイオード９４０ｂとは、樹脂モールド９４０ｆ内部に封入されている。電極端子９４０ｃは、銅製であって短冊状を呈している。電極端子９４０ｃは、樹脂モールド９４０ｆの上面から、突設されている。電極端子９４０ｃは、合計二つ配置されている。このうち、一方の電極端子９４０ｃは、ＩＧＢＴ９４０ａとフライホイルダイオード９４０ｂとからなる並列回路（前出図１参照）の高電位側に接続されている。また、他方の電極端子９４０ｃは、同並列回路の低電位側に接続されている。信号端子９４０ｄは、銅製であってピン状を呈している。信号端子９４０ｄは、樹脂モールド９４０ｆの下面から、突設されている。信号端子９４０ｄは、合計五つ配置されている。信号端子９４０ｄは、制御基板８に区画された接続部８０に接続されている。なお、制御基板８には、六個の第一スイッチングモジュール９４０用、十二個の第二スイッチングモジュール９５０用、合計十八個の接続部８０が区画されている。信号端子９４０ｄを介して、制御基板８からＩＧＢＴ９４０ａ、フライホイルダイオード９４０ｂに、ゲート・エミッタ信号、カレントミラー信号などが入力される。絶縁板９４０ｅは、セラミック製であって矩形板状を呈している。絶縁板９４０ｅは、樹脂モールド９４０ｆの積層方向両面に、合計二枚配置されている。

なお、第一スイッチングモジュール９４０の構成と第二スイッチングモジュール９５０の構成とは、同様である。したがって、第二スイッチングモジュール９５０の構成については、説明を割愛する。

これら六個の第一スイッチングモジュール９４０、および十二個の第二スイッチングモジュール９５０は、隣り合う冷却管２同士の間に、二個ずつ介装されている。第一スイッチングモジュール９４０および第二スイッチングモジュール９５０のレイアウトについては後述する。

次に、本実施形態のパワースタックにおけるＬＬＣの流れについて説明する。図６に示すように、ＬＬＣは、放熱装置１０から導入本管４０に供給される。そして、ＬＬＣは、導入本管４０から、直接あるいは導入連通管４１を介して、十枚の冷却管２各々の冷却通路２２に、導入される。ところで、前述した電動動作、発電動作により、第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０は、発熱している。これら第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０の熱は、冷却管２の管壁を介して、冷却通路２２を流れるＬＬＣに伝達される。第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０の熱を受け昇温したＬＬＣは、冷却通路２２から、直接あるいは導出連通管５１を介して、導出本管５０に流れ込む。導出本管５０にて合流したＬＬＣは、放熱装置１０に導出される。放熱装置１０により再冷却されたＬＬＣは、再び導入本管４０に導入される。すなわち、ＬＬＣは、放熱装置１０→導入管４→冷却管２（冷却通路２２）→導出管５→再び放熱装置１０という経路で、放熱装置１０とパワースタック１との間を循環している。そして、ＬＬＣは、第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０の温度を、各々の許容温度以下になるように、保持している。

次に、本実施形態のパワースタックにおける第一スイッチングモジュール、第二スイッチングモジュールのレイアウトについて説明する。図７（ａ）に、本実施形態のパワースタックの上面模式図を示す。図７（ｂ）に、同パワースタックの制御基板の上面模式図を示す。

図７（ａ）に示すように、第一スイッチングモジュール９４０（説明の便宜上、右上がりハッチングを施す）と第二スイッチングモジュール９５０（説明の便宜上、左上がりハッチングを施す）とは、所定のパターンで、積層方向に繰り返し配置されている。

具体的には、導入本管４０および導出本管５０から遠ざかる方向に、第一スイッチングモジュール９４０一列（一つの列に二つの第一スイッチングモジュール９４０が二つ配置されている）、第二スイッチングモジュール９５０二列（一つの列に二つの第二スイッチングモジュール９５０が二つ配置されている）というパターンが、三回繰り返されている。

第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０とがこのようなレイアウトを採るため、任意の一枚の冷却管２は、積層方向両側から、二つの第一スイッチングモジュール９４０により挟まれる場合がない。すなわち、任意の一枚の冷却管２は、第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０とにより、あるいは一対の第二スイッチングモジュール９５０により、挟まれている。

また、第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０とが、このようなレイアウトを採るため、第二スイッチングモジュール９５０が、積層方向に、周期的に二列連続している。図７（ｂ）に示すように、互いに積層方向に隣り合う第二スイッチングモジュール９５０の接続部８０同士の間隔は、比較的近接している。これに対して、互いに積層方向に隣り合う第一スイッチングモジュール９４０の接続部８０と、第二スイッチングモジュール９５０の接続部８０との間隔は、比較的離間している。このため、第二スイッチングモジュール９５０二列分の接続部８０配置エリア（説明の便宜上、左上がりハッチングを施す）のエリア幅Ｄ２と、第一スイッチングモジュール９４０一列分の接続部８０配置エリア（説明の便宜上、右上がりハッチングを施す）のエリア幅Ｄ１とは、略一致している。

次に、本実施形態のパワースタックの作用効果について説明する。本実施形態のパワースタック１には、発熱量の大きい第一スイッチングモジュール９４０同士が、冷却管２を積層方向両側から挟み込むケースがない（前出図７参照）。このため、局部的に発熱量が大きくなるのを抑制することができる。言い換えると、冷却効率の偏りを抑制することができる。したがって、本実施形態のパワースタック１は、冷却バランスに優れている。

また、第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０、冷却管２は、各々、積層方向に潰れた扁平形状を呈している。このため、第一スイッチングモジュール９４０と冷却管２との伝熱面積、および第二スイッチングモジュール９５０と冷却管２との伝熱面積が、比較的大きい。また、第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０、冷却管２が扁平形状を呈しているため、パワースタック１の積層方向長さが短い。

また、本実施形態のパワースタック１によると、第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０とが、積層方向に、一列→二列のパターンで、繰り返し配置されている（前出図７参照）。このパターンを単純に積層方向に繰り返すだけで、比較的簡単に、冷却バランスに優れた理想的レイアウトを達成することができる。

また、本実施形態のパワースタック１によると、第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０との上記パターンと、第一スイッチングモジュール９４０用の接続部８０と第二スイッチングモジュール９５０用の接続部８０とのパターンとが、一致している（前出図７参照）。このため、実装時において、信号端子９４０ｄと接続部８０との対応が判りやすい。

また、前述したように、第二スイッチングモジュール９５０二列分の接続部８０配置エリアのエリア幅Ｄ２と、第一スイッチングモジュール９４０一列分の接続部８０配置エリアのエリア幅Ｄ１とは、略一致している。すなわち、同じグループの半導体モジュールを二列連続して並べることにより、エリア幅が短縮化されている。このため、第一スイッチングモジュール９４０一列と第二スイッチングモジュール９５０一列とを、積層方向に交互に並べる場合と比較して、制御基板８の積層方向長さが短い。

また、前述したように、ＭＧ９６ａの動作タイミングとＭＧ９６ｂの動作タイミングとは、一致していない。このため、第一スイッチングモジュール９４０において発熱量が最大となる時刻と、第二スイッチングモジュール９５０において発熱量が最大となる時刻とは、異なる。したがって、第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０とにより積層方向両側から挟まれる任意の冷却管２に対し、両側から同時に大量の熱が伝達されるケースが抑制される。この点においても、本実施形態のパワースタック１によると、冷却効率の偏りを抑制することができる。
＜第二実施形態＞
本実施形態と第一実施形態との相違点は、パワースタックに、前出図１のリアクトル９３０、コンバータ用スイッチングモジュール９３１が配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図８に、本実施形態のパワースタックの部分分解斜視図を示す。図２と対応する部位については同じ符号で示す。図９に、同パワースタックの合体斜視図を示す。図３と対応する部位については同じ符号で示す。図１０に、同パワースタックの積層方向断面図を示す。図６と対応する部位については同じ符号で示す。

例えば、図１０と前出図６とを比較して判るように、本実施形態のパワースタック１の導入本管４０、導出本管５０は、第一実施形態の導入本管、導出本管よりも、長軸である。導入本管４０の長軸部分と導出本管５０の長軸部分との間には、アルミニウム製であって、矩形箱状のリアクトルケース９３０ａが架設されている。具体的には、リアクトルケース９３０ａの長手方向両端部には、導入本管用孔９３０ｂと導出本管用孔９３０ｃとが開設されている。導入本管用孔９３０ｂに導入本管４０が、導出本管用孔９３０ｃに導出本管５０が、それぞれ挿通されることにより、リアクトルケース９３０ａは、導入本管４０の長軸部分と導出本管５０の長軸部分との間に、介装されている。図１０に示すように、導入本管４０における導入本管用孔９３０ｂ収容部分、導出本管５０における導出本管用孔９３０ｃ収容部分には、それぞれ直線区間Ｓが確保されている。リアクトル９３０は、このリアクトルケース９３０ａに固定されている。リアクトル９３０は、本発明の発熱部材に含まれる。

このリアクトル９３０と協動するコンバータ用スイッチングモジュール９３１は、第一スイッチングモジュール９４０および第二スイッチングモジュール９５０と共に、隣り合う冷却管２同士の隙間に、介装されている。コンバータ用スイッチングモジュール９３１は、本発明の半導体モジュールに含まれる。コンバータ用スイッチングモジュール９３１の構成は、前出図５に示す第一スイッチングモジュール９４０の構成と同様である。したがって、ここでは説明を割愛する。前出図１に示すように、コンバータ用スイッチングモジュール９３１は、合計六個配置されている。このため、第一実施形態において合計十枚配置されていた冷却管２は、合計十三枚に増設されている。

図１１に、本実施形態のパワースタックの上面模式図を示す。なお、図７（ａ）と対応する部位については、同じ符号、同じハッチングで示す。図に示すように、第一スイッチングモジュール９４０と第二スイッチングモジュール９５０とコンバータ用スイッチングモジュール９３１（説明の便宜上、横ハッチングを施す）とは、所定のパターンで、積層方向に繰り返し配置されている。具体的には、導入本管４０および導出本管５０から遠ざかる方向に、第一スイッチングモジュール９４０一列、第二スイッチングモジュール９５０二列、コンバータ用スイッチングモジュール９３１一列というパターンが、三回繰り返されている。

本実施形態のパワースタック１は、第一実施形態のパワースタックと同様の作用効果を有する。また、本実施形態のパワースタック１によると、リアクトル９３０が、導入本管４０と冷却管２と導出本管５０とにより、コ字状に囲われている。このため、リアクトル９３０を冷却することができる。

なお、リアクトル９３０が配置されているコ字状空間の冷却能力は、第一スイッチングモジュール９４０や第二スイッチングモジュール９５０やコンバータ用スイッチングモジュール９３１が配置されている冷却管２同士の間の冷却能力よりも、劣る。

しかしながら、リアクトル９３０の発熱量は、第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０、コンバータ用スイッチングモジュール９３１の発熱量よりも、小さい。加えて、リアクトル９３０の許容温度は、第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０、コンバータ用スイッチングモジュール９３１の許容温度よりも、高い。このため、コ字状空間の冷却能力により、充分にリアクトル９３０の熱破壊を抑制することができる。このように、本実施形態のパワースタック１によると、導入管４の分流前区間と導出管５の合流後区間との間のスペースを、有効に利用することができる。したがって、別途、リアクトル９３０専用の設置スペースを確保する場合と比較して、設置スペースを小さくできる。また、別途、リアクトル９３０専用の冷却装置を配置する場合と比較して、部品点数が少なくて済む。

また、本実施形態のパワースタック１によると、導入本管４０における導入本管用孔９３０ｂ収容部分、導出本管５０における導出本管用孔９３０ｃ収容部分に、それぞれ直線区間Ｓが確保されている（前出図１０参照）。

このため、十三枚の冷却管２に分流する前におけるＬＬＣの流れを、整流することができる。したがって、分流前におけるＬＬＣの流れに、乱流が発生するのを抑制することができる。並びに、十三枚の冷却管２から合流した後におけるＬＬＣの流れを、整流することができる。したがって、合流後におけるＬＬＣの流れに、乱流が発生するのを抑制することができる。本実施形態のパワースタック１によると、ＬＬＣの循環量が大きくなる。すなわち、各冷却管２の冷却通路２２におけるＬＬＣの流量が大きくなる。したがって、ＬＬＣによる冷却管２からの単位時間あたりの熱の持ち出し量が大きくなる。
＜第三実施形態＞
本実施形態と第二実施形態との相違点は、第一スイッチングモジュール、第二スイッチングモジュール、コンバータ用スイッチングモジュールのレイアウトのみである。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図１２に、本実施形態のパワースタックの上面模式図を示す。なお、図１１と対応する部位については、同じ符号、同じハッチングで示す。図に示すように、合計十二個の第二スイッチングモジュール９５０は、全て、冷却管２におけるＬＬＣの流れ方向（前出図１０参照）の下流側に配置されている。このうち、リアクトル９３０に近い六個の第二スイッチングモジュール９５０の上流側には、それぞれコンバータ用スイッチングモジュール９３１が配置されている。また、リアクトル９３０から離れた残りの六個の第二スイッチングモジュール９５０の上流側には、それぞれ第一スイッチングモジュール９４０が配置されている。

冷却管２の冷却通路中のＬＬＣの温度は、下流側よりも上流側の方が低い。このため、冷却管２の冷却能力は、下流側よりも上流側の方が高い。この点に鑑み、本実施形態のパワースタック１の場合、上流側に発熱量の大きいコンバータ用スイッチングモジュール９３１および第一スイッチングモジュール９４０を、下流側に発熱量の小さい第二スイッチングモジュール９５０を、それぞれ配置している。本実施形態のパワースタック１によると、冷却効率の偏りを抑制することができる。したがって、本実施形態のパワースタック１は、冷却バランスに優れている。
＜第四実施形態＞
本実施形態と第一実施形態との相違点は、第二スイッチングモジュールの代わりにダミーモジュールが配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図１３に、本実施形態のパワースタックの上面模式図を示す。なお、図７（ａ）と対応する部位については、同じ符号、同じハッチングで示す。図に示すように、本実施形態のパワースタック１によると、合計十個の第一スイッチングモジュール９４０と、合計八個のダミーモジュール９７とが、積層方向に交互に配置されている。ダミーモジュール９７は、第一スイッチングモジュール９４０と、略同じ形状を呈している。

本実施形態のパワースタック１は、第一実施形態のパワースタックと同様の作用効果を有する。また、ダミーモジュール９７は発熱しない。このため、任意の冷却管２には、第一スイッチングモジュール９４０が配置されている方からしか熱が伝わらない。このため、本実施形態のパワースタック１は、冷却効率が高い。

また、各冷却管２は、冷却管２の集合体が積層方向片側もしくは両側から圧縮されることにより、ダミーモジュール９７および第一スイッチングモジュール９４０に圧接している。このため、仮にダミーモジュール９７を配置しないと、この圧縮力が冷却管２の集合体全体に行き渡らないおそれがある。したがって、第一スイッチングモジュール９４０と冷却管２との間に、充分な伝熱面積を確保しにくくなる。

並びに、仮にダミーモジュール９７を配置しないと、隣り合う冷却管２同士の間に、ダミーモジュール９７分の隙間が発生することになる。このため、前記圧縮力により、隙間を介して隣り合う冷却管２が変形するおそれがある。したがって、この場合も、第一スイッチングモジュール９４０と冷却管２との間に、充分な伝熱面積を確保しにくくなる。

これに対して、ダミーモジュール９７を備える本実施形態のパワースタック１は、積層方向両側から加えられる圧縮力を、充分に冷却管２の集合体全体に行き渡らせることができる。並びに、冷却管２の変形を抑制することができる。このため、第一スイッチングモジュール９４０と冷却管２との間に、充分な伝熱面積を確保することができる。
＜第五実施形態＞
本実施形態と第一実施形態との相違点は、第一スイッチングモジュールの一列、および第二スイッチングモジュールの一列が、各々三個のスイッチングモジュールにより構成されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図１４に、本実施形態のパワースタックの上面模式図を示す。なお、図７（ａ）と対応する部位については、同じ符号、同じハッチングで示す。図に示すように、本実施形態のパワースタック１によると、冷却管２長手方向に延びる第一スイッチングモジュール９４０の一列が、合計三個の第一スイッチングモジュール９４０により構成されている。並びに、冷却管２長手方向に延びる第二スイッチングモジュール９５０の一列が、合計三個の第二スイッチングモジュール９５０により構成されている。

本実施形態のパワースタック１は、第一実施形態のパワースタックと同様の作用効果を有する。また、本実施形態のパワースタック１によると、一列に三個のスイッチングモジュールが配置されている分、積層方向長さを短縮できる。並びに、冷却管２の枚数が少なくて済む。
＜第六実施形態＞
本実施形態と第五実施形態との相違点は、第一スイッチングモジュールと第二スイッチングモジュールとが同じ列に配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図１５に、本実施形態のパワースタックの上面模式図を示す。なお、図１４と対応する部位については、同じ符号、同じハッチングで示す。図に示すように、本実施形態のパワースタック１によると、最上流側の第一スイッチングモジュール９４０と、中間の第二スイッチングモジュール９５０と、最下流側の第二スイッチングモジュール９５０とにより、隣り合う冷却管２間の隙間が埋められている。

前述したように、冷却管２の冷却通路中のＬＬＣの温度は、下流側よりも上流側の方が低い。このため、冷却管２の冷却能力は、下流側よりも上流側の方が高い。この点に鑑み、本実施形態のパワースタック１の場合、最上流側に発熱量の大きい第一スイッチングモジュール９４０が、中間および最下流側に発熱量の小さい第二スイッチングモジュール９５０が、それぞれ配置されている。本実施形態のパワースタック１によると、冷却効率の偏りを抑制することができる。したがって、本実施形態のパワースタック１は、冷却バランスに優れている。また、本実施形態のパワースタック１によると、一列に三個のスイッチングモジュールが配置されている分、積層方向長さを短縮できる。並びに、冷却管２の枚数が少なくて済む。
＜その他＞
以上、本発明のパワースタックの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

例えば、上記実施形態の第一スイッチングモジュール９４０、第二スイッチングモジュール９５０、コンバータ用スイッチングモジュール９３１は、いずれもＩＧＢＴとフライホイルダイオードとを備えている。しかしながら、半導体素子の種類は、これらＩＧＢＴ、フライホイルダイオードに特に限定するものではない。例えば、パワーＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などであってもよい。また、一つの半導体モジュールにおける半導体素子の配置数も特に限定するものではない。例えば、一つの半導体モジュールに一つのパワーＭＯＳを配置してもよい。

また、上記実施形態においては、ダミーモジュール９７の形状を第一スイッチングモジュール９４０の形状と略同形状としたが、ダミーモジュール９７の形状も特に限定するものではない。隣り合う冷却管２同士の積層方向隙間が埋められればよい。

また、例えば、第一実施形態においては、六個の第一スイッチングモジュール９４０からなる発熱量の大きいグループと、十二個の第二スイッチングモジュール９５０からなる発熱量の小さいグループとに、スイッチングモジュールを分類した。しかしながら、各グループにおける半導体モジュールの個数は特に限定するものではない。例えば、単一の半導体モジュールからなるグループがあってもよい。

また、第二実施形態、第三実施形態においては、導入本管４０と冷却管２と導出本管５０とによりリアクトル９３０を冷却したが、これらの部材のうち少なくとも一つの部材により、リアクトル９３０を冷却すればよい。また、冷却管２長手方向一列の半導体モジュールの配置数も特に限定するものではない。

また、第二実施形態のように三つ以上のグループに分類される場合、全てのグループのスイッチングモジュールが交互配置である形態に限定されるものではなく、発熱量の異なる二つ以上のグループが交互配置されている構成でもよい。

第一実施形態のパワースタックが用いられるＭＧの駆動装置の回路図である。 同パワースタックの部分分解斜視図である。 同パワースタックの合体斜視図である。 同パワースタックの冷却管の部分断面斜視図である。 同パワースタックの第一スイッチングモジュールの分解斜視図である。 同パワースタックの積層方向断面図である。 （ａ）は同パワースタックの上面模式図、（ｂ）は制御基板の上面模式図である。 第二実施形態のパワースタックの部分分解斜視図である。 同パワースタックの合体斜視図である。 同パワースタックの積層方向断面図である。 同パワースタックの上面模式図である。 第三実施形態のパワースタックの上面模式図である。 第四実施形態のパワースタックの上面模式図である。 第五実施形態のパワースタックの上面模式図である。 第六実施形態のパワースタックの上面模式図である。

符号の説明

１：パワースタック、２：冷却管、２０：導入口、２１：導出口、２２：冷却通路、２３：冷却リブ、４：導入管、４０：導入本管、４１：導入連通管、５：導出管、５０：導出本管、５１：導出連通管、８：制御基板、８０：接続部、９：駆動装置、９０：バッテリ、９１：平滑用コンデンサ、９２：平滑用コンデンサ、９３：ＤＣ−ＤＣコンバータ、９３０：リアクトル（発熱部材）、９３０ａ：リアクトルケース、９３０ｂ：導入本管用孔、９３０ｃ：導出本管用孔、９３１：コンバータ用スイッチングモジュール（半導体モジュール）、９３１ａ：ＩＧＢＴ、９３１ｂ：フライホイルダイオード、９４：第一インバータ回路、９４０：第一スイッチングモジュール（半導体モジュール）、９４０ａ：ＩＧＢＴ、９４０ｂ：フライホイルダイオード、９４０ｃ：電極端子、９４０ｄ：信号端子、９４０ｅ：絶縁板、９４０ｆ：樹脂モールド、９５：第二インバータ回路、９５０：第二スイッチングモジュール（半導体モジュール）、９５０ａ：ＩＧＢＴ、９５０ｂ：フライホイルダイオード、９６ａ：ＭＧ（制御対象機器）、９６ｂ：ＭＧ（制御対象機器）、９７：ダミーモジュール、１０：放熱装置、Ｄ１：エリア幅、Ｄ２：エリア幅、Ｓ：直線区間、ＶＬ：低電位電源線、ＶＨ１：高電位電源線、ＶＨ２：高電位電源線。

Claims (3)

1. 冷媒が流れる冷却通路を各々内部に区画する複数の冷却管と、複数の半導体モジュールと、が交互に積層されてなり、該半導体モジュールの積層方向両面が該冷却管に面接触するパワースタックにおいて、
   複数の前記半導体モジュールは、複数の制御対象機器をそれぞれ制御するとともに発熱量が異なる複数の半導体モジュールグループに分類可能であり、
   複数の前記半導体モジュールグループは、積層方向に並べて配置され、
   前記半導体モジュールグループのうち、最も発熱量の大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールの少なくとも一つが、隣り合う前記冷却管同士の間に介装され、この隣り合う冷却管が、それぞれ前記最も発熱量が大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールと他の半導体モジュールグループに属する半導体モジュールによって挟まれるように配置されることで、前記最も発熱量の大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールが、任意の前記冷却管を挟んで積層方向に隣り合わないように、配置され、
   前記最も発熱量の大きい半導体モジュールグループが、積層方向において、前記他の半導体モジュールグループを構成する前記半導体モジュールを間に介在させて配置されていることを特徴とするパワースタック。
2. 前記最も発熱量の大きい半導体モジュールグループに属する半導体モジュールの列と、前記他の半導体モジュールグループに属する半導体モジュールの列とが、前記積層方向に交互に繰り返されていることを特徴とする請求項１に記載のパワースタック。
3. 冷媒が流れる冷却通路を各々内部に区画する複数の冷却管と、複数の半導体モジュールと、が交互に積層されてなり、該半導体モジュールの積層方向両面が該冷却管に面接触するパワースタックであって、
   複数の前記半導体モジュールは、発熱量の異なる複数のグループに分類可能であり、複数の前記半導体モジュールのグループのうち少なくとも一つは、発熱しないダミーモジュールのグループであり、
   複数の該半導体モジュールは、発熱する前記半導体モジュールと発熱しない前記ダミーモジュールとが前記冷却管を挟んで積層方向に配置されていることを特徴とするパワースタック。

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