JP4905636B2

JP4905636B2 - 車両用電力変換装置

Info

Publication number: JP4905636B2
Application number: JP2005290052A
Authority: JP
Inventors: 和明福田; 暁郎関本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2025-10-03
Also published as: JP2007104784A

Description

本発明は、車両用電力変換装置に関する。

従来の車両用電力変換装置について図を参照し詳細に説明する。図１９は、一般的な主
回路構成が３レベル回路方式である車両用電力変換装置の側面図である。図２０は、車両
用電力変換装置の上面図（図１９のＡ矢視図）である。図２１は、車両用電力変換装置を
正面図（図１９のＢ矢視図）である。図２２は、一般的な３レベルの主回路構成の回路図
である。

図１９〜図２１に示すように、一般的な主回路構成が３レベル回路方式である車両用電力
変換装置１は、車体２の床下に配置される。半導体素子３（ＩＧＢＴ素子であるＱ１半導
体素子３ａ〜Ｑ４半導体素子３ｄ及びクランプダイオード素子であるＣＤｄ１半導体素子
３ｅ〜ＣＤｄ２半導体素子３ｆ）は、冷却器の受熱ブロック４の半導体素子取付面５に直
線上に配列される。半導体素子３からの発熱は、受熱ブロック４を介し放熱部６に伝熱さ
れ、開放部７に設置された放熱部６より開放部７に排熱される。

このように構成された従来の車両用電力変換装置１に実装されている冷却器は、受熱ブロ
ック４及び放熱部６をアルミ材で構成し、半導体素子３からの発熱をアルミ材の熱伝導の
みで放熱部６まで熱輸送し、開放部７に排熱する構成となっている。

そのため、図２２に記載のコンバータ８においては、Ｑ１半導体素子３ａ、Ｑ４半導体素
子３ｄよりＱ２半導体素子３ｂ、Ｑ３半導体素子３ｃの方が発熱量が大きいため、発熱の
大きいＱ２半導体素子３ｂ、Ｑ３半導体素子３ｃの受熱ブロック４の半導体素子取付面５
において発熱量に対し熱輸送量が足りない部分が発生し局部的に温度が高い部分いわゆる
ヒートスポットが生じ、半導体素子３を熱疲労で破壊させてしまう場合がある。

ヒートスポット現象を回避するために、半導体素子取付面５が取り付けられる受熱ブロッ
ク４に、枕木方向１２にヒートパイプ１０を挿入し、局部的に発熱が集中する部分の熱を
損失が小さいＱ１半導体素子３ａ、Ｑ４半導体素子３ｄ側にこのヒートパイプ１０で熱輸
送し、受熱ブロック４内での均熱化を図り、局部的に発熱する部分の温度を低減する構成
となっている。

また、３レベル方式では、回路インダクタンスを低減し半導体素子３からの発生損失を小
さくさせるために、Ｑ１半導体素子３ａ〜Ｑ４半導体素子３ｄ及びＣＤｄ１半導体素子３
ｅとＣＤｄ２半導体素子３ｆを直線状に配列しているため、受熱ブロック４に挿入するヒ
ートパイプ１０の長さもこれに伴い約１ｍと長いものになっている。尚、ヒートパイプ１
０は、受熱ブロック４内に、枕木方向１２に挿入している。
特開２０００−９２８１９号公報

しかしながら、近年の車両の高速化により、図２３に示すとおり車体２を傾斜させてカー
ブを通過する必要があり、レール１３の敷設面１４にもカント角度１５を設けており車体
２の傾斜に伴いヒートパイプ１０も傾く。また、ヒートパイプ１０の長さが長いため、カ
ント角度が小さくてもヒートパイプ１０内の冷媒１６がカント傾斜方向に対し下方に偏り
、上方において液枯れしヒートパイプ１０内に空間層１７が生じやすい。この空間層１７
が、受熱ブロック４内では断熱層となってしまい、その部分においてヒートスポットを発
生させてしまい冷却性能の低下を招いてしまう結果となっていた。

この問題を解決するために、ヒートパイプ径を大きくして、ヒートパイプ１０に封入す
る冷媒量を増やしていたが、ヒートパイプ径を大きくすると、受熱ブロック４の厚みも比
例して厚くなり冷却器の質量増にもなっていた。

そこで本発明は、ヒートスポット現象の発生を減少することができ、軽量化することが出
来る車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題は、受熱ブロックの半導体素子取付け面に車両進行方向に、最も熱発生の低い半導体素子から順に直線上に取り付けられる第１の半導体素子郡と、受熱ブロックの半導体素子取り付け面に最も熱発生の低い半導体素子から順に前記第1の半導体素子郡の直線上に取り付けられる第２の半導体素子郡と、前記受熱ブロックの反半導体素子取付け面に接続された放熱部と、前記受熱ブロック側面に挿入口が設けられ、第1の半導体素子郡の直線上の長さと同程度の長さで、車両進行方向に長手方向が位置するように挿入されたヒートパイプと、前記受熱ブロック側面に挿入口が設けられ、第２の半導体素子郡の直線上の長さと同程度の長さで、車両進行方向に長手方向が位置するように挿入された前記ヒートパイプとは別のヒートパイプと、を有することによって達成することが出来る。

本発明により、ヒートスポット現象の発生を減少することができ、軽量化することが出来
る車両用電力変換装置を提供することが出来る。

（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置について図を参照し詳細に説明
する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の側面図である。
図２は、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の上面図（図１のＣ矢視
図）である。図３は、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（
図１のＤ矢視図）である。図４は、本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装
置の構成図（図１の部分拡大図）である。図５は、本発明に基づく第１の実施の形態の車
両用電力変換装置の構成図（図２の部分拡大図）である。図６は、本発明に基づく第１の
実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図３の部分拡大図）である。本明細書におい
て、Ｑ１半導体素子３ａ、Ｑ２半導体素子３ｂ、Ｑ３半導体素子３ｃ、Ｑ４半導体素子３
ｄ、ＣＤｄ１半導体素子３ｅ、ＣＤｄ２半導体素子３ｆの一固まりを、一相の半導体素子
郡（半導体素子郡という文言は、省力して記載する場合もある）と定義する。

本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置１において、Ｑ１半導体素子３ａ
、Ｑ２半導体素子３ｂ、Ｑ３半導体素子３ｃ、Ｑ４半導体素子３ｄ、ＣＤｄ１半導体素子
３ｅとＣＤｄ２半導体素子３ｆは、車両進行方向１１に直線状に配置され、一相を構成し
ている。相３０、相３１、相３２、相３３は、車両枕木方向に並べて配置されている。受
熱ブロック４の半導体取付面５に取付けられる。受熱ブロック４の反半導体素子取付け面
に放熱部６が接続されている。受熱ブロック４の内部には、Ｑ１半導体素子３ａとＱ２半
導体素子３ｂの間に車両進行方向１１に延びるヒートパイプ１０ａと、Ｑ３半導体素子３
ｃとＱ４半導体素子３ｄの間に車両進行方向１１に延びるヒートパイプ１０ｂが挿入され
ている。このように構成されたヒートパイプ１０は、各相に少なくともひとつは、受熱ブ
ロック４に挿入され組み立てられている。

このように構成された車両用電力変換装置において、半導体素子３からの発熱は、ヒート
パイプ１０により、受熱ブロック４に均等に熱が伝わり、この受熱ブロック４を介し放熱
部６に伝熱され、開放部７に設置された放熱部６より開放部７に排熱される。

たとえば、ヒートパイプ１０ａにおいて、Ｑ２半導体素子３ｂ側での発熱量が大きくなる
と、発熱量が小さいＱ１半導体素子３ａ側にヒートパイプ１０ａの作用により、Ｑ２半導
体素子３ｂからＱ１半導体素子３ａに熱移動し、受熱ブロック４の半導体素子取付面５に
おける均熱化が行われ半導体素子取付面５の温度を低減することができる。

また、本実施の形態の車両用電力変換装置は、車両進行方向１１にヒートパイプ１０を挿
入したことにより、カント角度１５による冷却性能の低下がなくなるので、従来の車両用
電力変換装置に搭載されていたヒートパイプの径も小さくすることができる。そのため、
受熱ブロック４も薄くすることが可能となり車両用電力変換装置の冷却器及びを軽量化す
ることができる。

更に、ヒートパイプ１０を分割したことによりヒートパイプ１０の長さが従来の約半分と
なることから、車両進行方向１１にヒートパイプを挿入しても車両の加速・減速時の加速
度や勾配の影響が小さくなり、冷却効率の低下も起こりづらい。

このように構成された車両用電力変換装置は、車両進行方向１１にヒートパイプ１０を挿
入しているため、従来の電力変換装置で問題になっていたカント角による冷却性能の低下
という減少は無くなる。また、ヒートパイプ１０を分割配置し、ヒートパイプの長さを短
くしているため、車両の加速・減速及び勾配等による冷却性能への影響が小さくなり、冷
却性能の低下するという現象も起こりづらく、更にヒートパイプ１０により受熱部４の温
度を均一化することが出来るので、ヒートスポット現象の発生を減少することが出来る。
またヒートパイプの直径も小さくすることができるので、受熱ブロックの厚みはうすくな
り車両用電力変換装置の軽量化も実現することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電力変換装置について図を参照し詳細に説明
する。図７は、本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電力変換装置の部分構成図であ
る。尚、図１乃至図６に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付し
て説明を省略する。

本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電力変換装置が第１の実施の形態の車両用電力
変換装置と異なる点は、受熱ブロック４には、ヒートパイプ１０が半導体素子３の素子取
付ネジ１９と素子取付ネジ１９の間に少なくとも１個以上挿入されている点である。

そのため、本実施の形態の車両用電力変換装置は、半導体素子３の素子取付ネジ１９を避
けてヒートパイプ１０を挿入するため、ヒートパイプ１０をより半導体素子取付面５に近
い箇所に配置することができ、受熱ブロック４の厚みを更に薄くすることができ、電力変
換装置の軽量化ができる。

尚、本実施の形態の車両用電力変換装置においても、第１の実施の形態の車両用電力変換
装置と同様に、カント角による冷却性能の低下を減少させることが出来、車両の加速・減
速及び勾配等による冷却性能への影響が小さくすることが出来、ヒートスポット現象の発
生を減少することが出来る。また車両用電力変換装置の軽量化も実現することができる。

（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の車両用電力変換装置について図を参照し詳細に説明
する。図８は、本発明に基づく第３の実施の形態の車両用電力変換装置の部分構成図であ
る。尚、図１乃至図７に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付し
て説明を省略する。

本実施の形態の車両用電力変換装置が第１の実施の形態の車両用電力変換装置と異なる点
は、ヒートパイプ１０を半導体素子１内部の半導体チップ２０の実装面積範囲内領域２１
に少なくとも１個以上受熱ブロック４に挿入し組み立てられていることである。

そのため、本実施の形態の車両用電力変化装置は、半導体素子３の熱源である半導体チッ
プ２０毎直下にヒートパイプ１０を配置することから熱輸送が効率よく行え、冷却性能を
向上させることができる。

（第４の実施の形態）
本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電力変換装置について図を参照し詳細に説明す
る。図９は、本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電力変換装置の部分構成図である
。図１０は、本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図である（図
９のＣ矢視図）。

尚、図１乃至図８に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説
明を省略する。

本実施の形態の車両用電力変換装置が第１の実施の形態の車両用電力変換装置と異なる点
は、車両進行方向１２と相対する受熱ブロック４のヒートパイプ挿入口２２を塞ぐ、フタ
２３を設けている点である。

そのため、本実施の形態の車両用電力変換装置では、ヒートパイプ挿入口２２に車両走行
中にゴミ、雨水等がつまり、冷却器の腐食要因となる減少を防止し、冷却器の信頼性向上
を図ることができる。

（第５の実施の形態）
本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置について図を参照し詳細に説明
する。図１１は、本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置の上面図である
。

図１２は、本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図１１のＦ
矢視図）である。図１３は、本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置の構
成図（図１２の一相分）である。図１４は、本発明に基づく第５の実施の形態の一相分の
主回路構成（３レベル方式）の回路図である。図１５は、本発明に基づく第５の実施の形
態の車両用電力変換装置の構成図（図１３のＧ矢視図）である。図１６は、本発明に基づ
く第５の実施の形態の車両用電力変換装置のインバータの構成図である。尚、図１乃至図
１０に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明を省略する
。

本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置は、１相分の半導体素子３を１相
分大きさの受熱ブロック４の半導体素子取付面５に取付け、その受熱ブロック４の半導体
素子取付面５の反対面に一相分の放熱部６を設けた冷却器２４を基本ユニットとして構成
し、必要な装置構成（インバータやコンバータ）に応じて、冷却器２４を組み合わせたこ
とを特徴としており、この点で第１の実施の形態の車両用電力変換装置と異なる。

例えば図２２に記載の従来の車両用電力変換装置の場合は、コンバータ８とインバータ９
共に１相分の主回路構成は同じであるが、相数がことなるため、冷却器に実装する素子数
も異なり、冷却器の形状もコンバータの方が一相分多い冷却器外形となり２種類の冷却器
を製造することになる。従来一体化して構成していた冷却器を、相毎に分割して一相分の
冷却器２４を基本ユニットとした本実施の形態の電力変換装置は、一相分の主回路構成が
同じであるコンバータ８とインバータ９を、基本ユニットの組合せでコンバータ８及びイ
ンバータ９を構成することができる。そのため、本実施の形態の車両用電力変換装置では
、冷却器２４は一種類のみ製造することになり、冷却器２４の製造コストの低減はもとよ
り同一品種を製造することから品質が安定し、冷却器の信頼性向上につながる。

（第６の実施の形態）
本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電力変換装置について図を参照し詳細に説明
する。図１７は、本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電力変換装置の正面図である
。

図１８は、本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電力変換装置の正面図である。尚、
図１乃至図１６に記載したものと同一の構造をとるものについては、同符号を付して説明
を省略する。

本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電力変換装置が第５の実施の形態の車両用電力
変換装置と異なる点は、冷却器２４の受熱ブロック４と放熱部６が分割され組み立てられ
ていることである。

そのため、走行中に例えば、飛石等が放熱部６に当り、放熱部６を破損した場合でも、本
実施の形態の車両用電力変換装置の場合は、放熱部６のみ放熱部６の取付ネジ２６を外し
て交換するため、メンテナンス性がよく補修費用を抑えることができることはもとより、
装置の分解箇所も減ることから、補修時の作業ミスが低減し、装置の信頼性向上につなが
る。

本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の側面図である。本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の上面図（図１のＣ矢視図）である。本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図１のＤ矢視図）である。本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図１の部分拡大図）である。本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図２の部分拡大図）である。本発明に基づく第１の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図３の部分拡大図）である。本発明に基づく第２の実施の形態の車両用電力変換装置の部分構成図である。本発明に基づく第３の実施の形態の車両用電力変換装置の部分構成図である。本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電力変換装置の部分構成図である。本発明に基づく第４の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図である（図９のＣ矢視図）。本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置の上面図である。本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図１１のＦ矢視図）である。本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図１２の一相分）である。本発明に基づく第５の実施の形態の一相分の主回路構成（３レベル方式）の回路図である。本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置の構成図（図１３のＧ矢視図）である。本発明に基づく第５の実施の形態の車両用電力変換装置のインバータの構成図である。本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電力変換装置の正面図である。本発明に基づく第６の実施の形態の車両用電力変換装置の正面図である。一般的な主回路構成が３レベル回路方式である車両用電力変換装置の側面図である。車両用電力変換装置の上面図（図１９のＡ矢視図）である。車両用電力変換装置を正面図（図１９のＢ矢視図）である。一般的な３レベルの主回路構成の回路図である。車両用電力変換装置の走行時の構成図である。車両用電力変換装置の走行時の構成図である。

符号の説明

１車両用半導体冷却装置
２車体
３半導体素子
３ａＱ１半導体素子
３ｂＱ２半導体素子
３ｃＱ３半導体素子
３ｄＱ４半導体素子
３ｅＣＤｄ１半導体素子
３ｆＣＤｄ２半導体素子
４受熱ブロック
５半導体素子取付面
６放熱部
７開放部
８コンバータ
９インバータ
１０ヒートパイプ
１１車両進行方向
１２枕木方向
１３レール
１４敷設面
１５カント角度
１６冷媒
１７空間層
１８ヒートパイプ径
１９素子取付ネジ
２０半導体チップ
２１実装面積範囲内領域
２２ヒートパイプ挿入口
２３フタ
２４冷却器
２５一相分の主回路構成
２６放熱部取付ネジ

Claims

受熱ブロックの半導体素子取付け面に車両進行方向に、最も熱発生の低い半導体素子から順に直線上に取り付けられる第１の半導体素子郡と、
受熱ブロックの半導体素子取り付け面に最も熱発生の低い半導体素子から順に前記第1の半導体素子郡の直線上に取り付けられる第２の半導体素子郡と、
前記受熱ブロックの反半導体素子取付け面に接続された放熱部と、
前記受熱ブロック側面に挿入口が設けられ、第1の半導体素子郡の直線上の長さと同程度の長さで、車両進行方向に長手方向が位置するように挿入されたヒートパイプと、
前記受熱ブロック側面に挿入口が設けられ、第２の半導体素子郡の直線上の長さと同程度の長さで、車両進行方向に長手方向が位置するように挿入された前記ヒートパイプとは別のヒートパイプと、
を有することを特徴とする車両用電力変換装置。
前記請求項１記載の車両用電力変換装置において、
前記受熱ブロックには、車両進行方向に複数直列に前記ヒートパイプが挿入されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
前記請求項１及び２記載の車両用電力変換装置において、
前記ヒートパイプを半導体素子の取付ネジと取付ネジの間に少なくとも１個以上受熱ブロックに挿入したことを特徴とする車両用電力変換装置。
前記請求項１乃至請求項３記載の車両用電力変換装置において、
前記ヒートパイプを半導体素子内部の半導体チップの実装面積範囲内領域に少なくとも１個以上挿入したことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
前記請求項１乃至請求項４記載の車両用電力変換装置において、
前記受熱ブロックのヒートパイプ挿入口を、ヒートパイプ挿入口を含む受熱ブロックと同径のフタで塞いだことを特徴とする車両用電力変換装置。
前記請求項１乃至請求項５記載の車両用電力変換装置の前記冷却器の受熱ブロックと放熱部において、
前記受熱ブロックの両端部側面に設けられているネジを受けと、
前記放熱部の両端部側面に設けられているネジ取付けの孔と、
前記ネジを受けと前記ネジの取付けの孔を位置を固定する放熱部取付ネジと備え、
前記受熱ブロックと前記放熱部が分割可能に構成されていることを特徴とする車両用電力変換装置。