JP5167728B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための冷却媒体を内部に流通させる複数の冷却管とを交互に積層してなる電力変換装置に関する。

従来より、インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置として、半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却するための複数の冷却管とを交互に積層してなる電力変換装置がある（特許文献１）。
この電力変換装置においては、隣合う一対の冷却管の間に、図１４に示すごとく、２個の半導体モジュール９０が配設され、各半導体モジュール９０には、それぞれ２個の半導体素子９が内蔵されている。したがって、一対の冷却管（図示略）の間には、合計４個の半導体素子９が配されることとなる。
そして、この状態で、冷却管に冷却媒体を流通させることにより、半導体モジュール９０に内蔵された半導体素子９の熱を冷却管を介して冷却媒体に伝達し、半導体素子９を冷却している。

しかしながら、これら４個の半導体素子９は、図１４に示すごとく、冷却管の冷媒流路に沿った方向（Ｙ）に一列に並んだ状態で配置されている。
そのため、冷媒流路の上流側に配された半導体素子９は冷却媒体によって充分に冷却されるが、冷媒流路の下流側に配された半導体素子９は充分に冷却され難いという問題がある。すなわち、冷媒流路の下流に配された半導体素子９は、上流に配された半導体素子９から受熱して温度上昇した後の冷却媒体によって冷却することとなるため、充分に冷却され難い。
したがって、下流側の半導体素子９をも充分に冷却するためには、冷却媒体の流量を多くするなどの措置が必要となり、充分な冷却効率を得ることが困難となるおそれがある。

特開２００５−３３２８６３号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、複数の半導体素子を効率よく冷却することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための冷却媒体を内部に流通させる複数の冷却管とを交互に積層してなる電力変換装置であって、
上記冷却管は、上記積層方向及び上記冷却媒体の流通方向に直交する方向に複数に分割された冷媒流路を有し、
隣合う一対の上記冷却管の間には、複数の上記半導体モジュール、或いは、複数の上記半導体素子を内蔵した１個以上の上記半導体モジュールが配設されており、
上記一対の冷却管の間に配される複数の上記半導体素子は、少なくともその中の１個の上記半導体素子が他の該半導体素子に対して上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置されており、
隣合う一対の上記冷却管の間に配される複数の上記半導体素子は、発熱時期が共通する上記半導体素子同士が上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置しており、
共通の上記冷却管を挟んで積層方向に隣合う位置に配された上記半導体素子は、互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、上記冷却管が、上記積層方向及び上記冷却媒体の流通方向に直交する方向に複数に分割された冷媒流路を有する。そのため、各冷媒流路を流れる冷却媒体は、冷却管における冷媒流路の上流から下流まで、冷媒流路方向と積層方向との双方に直交する方向（この方向を以下「Ｚ方向」という。）の略一定の位置を通過することとなる。

そして、上記一対の冷却管の間に配される複数の上記半導体素子は、少なくともその中の１個の半導体素子が他の半導体素子に対して上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向（Ｚ方向）にずれるように配置されている。それ故、少なくとも１個の半導体素子は、他の半導体素子を冷却する冷却媒体が流れる冷媒流路とは異なる冷媒流路を流れる冷却媒体によって冷却される。そのため、他の半導体素子に対してＺ方向にずれて配置された半導体素子が冷媒流路の下流に配されていても、温度上昇していない冷却媒体によって冷却されるため、効率よく冷却されることとなる。また、他の半導体素子に対してＺ方向にずれて配置された半導体素子が冷媒流路の上流に配されていた場合には、その半導体素子と熱交換することなく温度上昇していない冷却媒体が下流側の半導体素子を冷却することとなる。これにより、下流側の半導体素子を効率よく冷却することができる。

このように、一対の冷却管の間に配される複数の上記半導体素子が冷媒流路に沿って一直線状に並んだ状態とせずに、少なくともその中の１個の半導体素子が他の半導体素子に対して上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向（Ｚ方向）にずれるように配置することにより、上記複数の半導体素子を効率よく冷却することが可能となる。

以上のごとく、本発明によれば、複数の半導体素子を効率よく冷却することができる電力変換装置を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。

また、上記半導体素子としては、例えばスイッチング素子の他に、該スイッチング素子におけるコレクタ−エミッタ間に接続され、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオード、或いは、これら双方の機能を併せ持つ、逆方向導通性を有する半導体素子等がある。
また、上記スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ素子を用いることができる。また、上記ダイオードとしては、例えば、フライホイールダイオードを用いることができる。また、上記逆方向導通性を有する半導体素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等がある。

また、隣合う一対の上記冷却管の間には、複数の上記半導体モジュールが配設されており、該複数の半導体モジュールのうちの少なくとも一つの半導体モジュールは、内蔵する少なくとも一つの上記半導体素子が他の半導体モジュールに内蔵された半導体素子の少なくとも一つに対して上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置されていてもよい（請求項２）。
この場合には、隣合う一対の上記冷却管の間に複数の上記半導体モジュールが配設される際に、複数の半導体素子を効率的に冷却することができる。

また、隣合う一対の上記冷却管の間には、複数の上記半導体素子を内蔵する上記半導体モジュールが配設されており、該半導体モジュールに内蔵された複数の半導体素子の少なくとも一つは、他の半導体素子に対して、上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置していてもよい（請求項３）。
この場合には、複数の上記半導体素子を内蔵する上記半導体モジュールを用いる際に、複数の半導体素子を効率的に冷却することができる。

また、隣合う一対の上記冷却管の間に配される複数の上記半導体素子は、発熱時期が共通する半導体素子同士が上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置している。
これにより、発熱時期が共通する複数の半導体素子を、効率的に冷却することができる。

また、隣合う一対の上記冷却管の間に、逆方向導通性を有する半導体素子が複数個、一個又は複数個の上記半導体モジュールに内蔵された状態で配されており、該複数の半導体素子は、互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置していることが好ましい（請求項４）。
この場合には、逆方向導通性を有する半導体素子を効率的に冷却することができる。すなわち、逆方向導通性を有する半導体素子は発熱量が大きいため、この半導体素子が隣合う一対の冷却管の間に複数配される場合には、これらを互いにずらした状態で配置することにより、それぞれの半導体素子を効率的に冷却することができる。

また、上記冷却管を挟んで積層方向に隣合う位置に配された上記半導体素子は、互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置している。
これにより、冷却管の両面側から一つの冷媒流路を流れる冷却媒体が加熱されることを抑制して、一部の冷却媒体の温度上昇を抑制することができる。これにより、半導体素子のより効率的な冷却を実現することができる。

また、隣合う一対の上記冷却管の間に配され互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置された複数の半導体素子は、該半導体素子の長さの半分以上ずれて配置されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、下流側の半導体素子の半分以上が、上流側の半導体素子と熱交換しなかった冷却媒体によって冷却されることとなる。すなわち、複数の半導体素子を効率よく冷却することができる。

また、隣合う一対の上記冷却管の間に配され互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置された複数の半導体素子は、上記冷媒流路に平行な方向から見たときに互いに重ならないようにずれて配置していることがより好ましい（請求項６）。
この場合には、上流側の半導体素子と熱交換した冷却媒体は、下流側の半導体素子と熱交換することはなく、上流側の半導体素子と熱交換しなかった冷却媒体が下流側の半導体素子と熱交換することとなるとなるため、下流側の半導体素子をより効率的に冷却することができる。すなわち、複数の半導体素子を一層効率よく冷却することができる。

（参考例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図７を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、半導体素子２を内蔵する複数の半導体モジュール２０と、該半導体モジュール２０を冷却するための冷却媒体を内部に流通させる複数の冷却管３とを交互に積層してなる。

上記冷却管３は、積層方向（Ｘ方向）及び冷却媒体の流通方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｚ方向）に複数に分割された冷媒流路３１を有する。
隣合う一対の冷却管３の間には、２個の半導体素子２をそれぞれ内蔵した２個の半導体モジュール２０が配設されている。
上記一対の冷却管３の間に配される複数の半導体素子２は、図４に示すごとく、少なくともその中の１個の半導体素子２が他の半導体素子２に対して積層方向（Ｘ方向）及び冷媒流路３１（Ｙ方向）に直交するＺ方向にずれるように配置されている。本例においては、各半導体モジュール２０における２個の半導体素子２が互いにＺ方向にずれた状態で配置されている。

図１、図２に示すように、本例の電力変換装置１は、冷却管３と半導体モジュール２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３は、アルミニウム製であって、図３に示すごとく、積層方向（Ｘ方向）に潰れた角筒状を呈している。冷却管３の長手方向両端部には、導入口３２１と導出口３２２とが開設されている。これら導入口３２１と導出口３２２とは、冷却管３内部に区画された冷媒流路３１により連通している。冷媒流路３１は、冷却管３の長手方向に延びる複数の冷却リブ３３により仕切られている。

図２に示すごとく、冷却管３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３の導入口３２１（図３参照）同士を連結している。導入連通管４１は、合計九個、略一直線上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３の導入口３２１に接続されている。図６に示すごとく、導入本管４０を介して、放熱装置３９から冷却管３に、冷却媒体Ｗが導入される。冷却媒体Ｗとしては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。

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３の導出口３２２（図３参照）同士を連結している。導出連通管５１は、合計九個、略一直線上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３の導出口３２２を覆っている。図６に示すごとく、導出本管５０を介して、冷却管３から放熱装置３９に、熱交換後の冷却媒体Ｗが導出される。

図５に示すごとく、半導体モジュール２０は、半導体素子２としてのＩＧＢＴ（Insurated Gate Bipolar Transistor）２ａとフライホイールダイオード２ｂと電極端子２２と信号端子２３と絶縁板２４と樹脂モールド２５とを備えている。樹脂モールド２５は、絶縁樹脂製であって、積層方向（Ｘ方向）に潰れた矩形板状を呈している。ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとは、樹脂モールド２５内部に封入されている。

そして、図４に示すごとく、ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとは、互いにＺ方向にずれた状態で配置されている。また、隣合う一対の冷却管３の間に並列配置された２個の半導体モジュール２０は、一方の半導体モジュール２０におけるＩＧＢＴ２ａと他方の半導体モジュール２０におけるＩＧＢＴ２ａとが互いにＺ方向にずれるように配置されている。また、一方の半導体モジュール２０におけるフライホイールダイオード２ｂと他方の半導体モジュール２０におけるフライホイールダイオード２ｂとが互いにＺ方向にずれるように配置されている。

図４、図５に示すごとく、電極端子２２は、銅製であって短冊状を呈している。電極端子２２は、樹脂モールド２５の上面から突設されている。電極端子２２は二つ配置されている。このうち、一方の電極端子２２は、ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとからなる並列回路（図７参照）の高電位側に接続されている。また、他方の電極端子２２は、同並列回路の低電位側に接続されている。

信号端子２３は、銅製であってピン状を呈している。信号端子２３は、樹脂モールド２５の下面から突設されている。信号端子２３は五つ配置されている。信号端子２３は、図１、図２に示すごとく、制御基板８に区画された接続部８０に接続されている。信号端子２３を介して、制御基板８からＩＧＢＴ２ａ、フライホイールダイオード２ｂ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。

図５に示すごとく、絶縁板２４は、セラミック製であって矩形板状を呈している。絶縁板２４は、樹脂モールド２５の積層方向両面に、合計二枚配置されている。
これらの半導体モジュール２０は、隣り合う冷却管３同士の間に、二個ずつ介装されている。

次に、本例の電力変換装置１における冷却媒体の流れについて説明する。図６に示すように、冷却媒体Ｗは、放熱装置３９から導入本管４０に供給される。そして、冷却媒体Ｗ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３各々の冷媒流路３１に導入される。

ところで、後述する力行動作（電動動作）、回生動作（発電動作）により、半導体モジュール２０内の半導体素子２は発熱している。これら半導体モジュール２０の熱は、冷却管３の管壁を介して、冷媒流路３１を流れる冷却媒体Ｗに伝達される。半導体モジュール２０の熱を受け昇温した冷却媒体Ｗは、冷媒流路３１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にて合流した冷却媒体Ｗは、放熱装置３９に導出される。放熱装置３９により再冷却された冷却媒体Ｗは、再び導入本管４０に導入される。すなわち、冷却媒体Ｗは、放熱装置３９→導入管４→冷却管３（冷媒流路３１）→導出管５→再び放熱装置３９という経路で、放熱装置３９と電力変換装置１との間を循環している。そして、冷却媒体Ｗは、半導体モジュール２０内の半導体素子２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、本例の電力変換装置１が用いられる回転電機（モータージェネレータ）の駆動装置につき説明する。図７に、該駆動装置の回路図を示す。
図に示すように、駆動装置１０は、バッテリ１００と平滑用コンデンサ１０１、１０２とＤＣ−ＤＣコンバータ１０３と第一インバータ回路１０４と第二インバータ回路１０５とを備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、リアクトル１０７と半導体モジュール２０とを備えている。
リアクトル１０７の一端は、後述するハイサイド側の半導体モジュール２０とローサイド側の半導体モジュール２０との接続点に、接続されている。リアクトル１０７の他端は、低電位電源線ＶＬを介して、バッテリ１００の高電位端に接続されている。

半導体モジュール２０は、半導体素子２として、ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとを備えている。ＩＧＢＴ２ａに対して、フライホイールダイオード２ｂは、逆方向に並列接続されている。半導体モジュール２０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、ハイサイド側の半導体モジュール２０は、高電位電源線ＶＨ１、ＶＨ２に接続されている。

第一インバータ回路１０４は、六個の半導体モジュール２０を備えている。半導体モジュール２０は、ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとを備えている。ＩＧＢＴ２ａに対して、フライホイールダイオード２ｂは、逆方向に並列接続されている。
半導体モジュール２０は、ハイサイド側、ローサイド側にそれぞれ三個ずつ配置されている。このうち、ハイサイド側の半導体モジュール２０は、高電位電源線ＶＨ１に接続されている。そして、ハイサイド側の半導体モジュール２０とローサイド側の半導体モジュール２０とが互いに直列に接続されており、３個のアームを形成している。また、各アームにおける一対の半導体モジュール２０の接続点から、三相交流モータージェネレータである回転電機１０６ａの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電極とそれぞれ接続する出力線１０８が配線されている。

第二インバータ回路１０５は、十二個の半導体モジュール２０を備えている。半導体モジュール２０は、ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとを備えている。ＩＧＢＴ２ａに対して、フライホイールダイオード２ｂは、逆方向に並列接続されている。
第二インバータ回路１０５においては、半導体モジュール２０は、ハイサイド側、ローサイド側にそれぞれ六個ずつ配置されている。このうち、ハイサイド側の半導体モジュール２０は、高電位電源線ＶＨ２に接続されている。そして、ハイサイド側の並列接続された二個の半導体モジュール２０とローサイド側の並列接続された二個の半導体モジュール２０とが互いに直列に接続されて、一つのアームを形成している。このようにして形成されたアームが３個あり、各アームにおけるハイサイド側の半導体モジュール２０とローサイド側の半導体モジュール２０との接続点から、三相交流モータージェネレータである回転電機１０６ａの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電極とそれぞれ接続する出力線１０８が配線されている。
図１、図２に示す本例の電力変換装置１は、第一インバータ回路１０４と第二インバータ回路１０５とを構成している。

次に、本例の電力変換装置１が用いられる回転電機１０６ａ，１０６ｂの駆動装置１０の動きについて説明する。力行動作（電動動作）の場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３におけるローサイド側の半導体モジュール２０のＩＧＢＴ２ａを、ＰＷＭスイッチングする。当該ＩＧＢＴ２ａをオンにすると、リアクトル１０７に電磁エネルギが蓄積される。
この状態で、当該ＩＧＢＴ２ａをオフにすると、リアクトル１０７は電流状態を持続しようとする。このため、ハイサイド側の半導体モジュール２０のフライホイールダイオード２ｂ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１０４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、回転電機１０６ａ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１０５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、回転電機１０６ｂの電機子コイル（図略）に印加する。
この力行動作の場合、第一インバータ回路１０４及び第二インバータ回路１０５における半導体モジュール２０においては、主にＩＧＢＴ２ａに電流が流れ、ＩＧＢＴ２ａが大きく発熱する。

回生動作（発電動作）の場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３におけるハイサイド側の半導体モジュール２０のＩＧＢＴ２ａを、ＰＷＭスイッチングする。当該ＩＧＢＴ２ａをオンにすると、高電位電源線ＶＨ１、ＶＨ２からバッテリ１００に、当該ＩＧＢＴ２ａ、リアクトル１０７を介して、電流が流れる。このため、リアクトル１０７に電磁エネルギが蓄積される。

この状態で、当該ＩＧＢＴ２ａをオフすると、リアクトル１０７は電流状態を持続しようとする。このため、ローサイド側の半導体モジュール２０のフライホイールダイオード２ｂを介して、バッテリ１００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１００に直流電圧が印加される。
この回生動作の場合、第一インバータ回路１０４及び第二インバータ回路１０５における半導体モジュール２０においては、主にフライホイールダイオード２ｂに電流が流れ、フライホイールダイオード２ｂが大きく発熱する。

上記のごとく、一般にＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂの発熱量は、力行動作の場合はＩＧＢＴ２ａの方がフライホイールダイオード２ｂよりも極めて大きく、回生動作の場合は、この逆となる。
そして、本例においては、冷却媒体の上流側（図４の左側）に位置する半導体モジュール２０のＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂの位置は、図４においてＩＧＢＴ２ａが上側となるようにＺ方向にオフセットして配置されている。一方下流側（図４の右側）の半導体モジュール２０のＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂの位置は、図４においてＩＧＢＴ２ａが下側となるようにＺ方向にオフセットして配置されている。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、冷却管３が、積層方向及び冷却媒体の流通方向に直交するＺ方向に複数に分割された冷媒流路３１を有する。そのため、各冷媒流路３１を流れる冷却媒体は、冷却管３における冷媒流路３１の上流から下流まで、Ｚ方向の略一定の位置を通過することとなる。

そして、上記一対の冷却管３の間に配される複数の半導体素子２は、少なくともその中の１個の半導体素子２が他の半導体素子２に対してＺ方向にずれるように配置されている。
それ故、少なくとも１個の半導体素子２は、他の半導体素子２を冷却する冷却媒体が流れる冷媒流路３１とは異なる冷媒流路３１を流れる冷却媒体によって冷却される。そのため、他の半導体素子２に対してＺ方向にずれて配置された半導体素子２が冷媒流路３１の下流に配されていても、温度上昇していない冷却媒体によって冷却されるため、効率よく冷却されることとなる。また、他の半導体素子２に対してＺ方向にずれて配置された半導体素子２が冷媒流路３１の上流に配されていた場合には、その半導体素子２と熱交換することなく温度上昇していない冷却媒体が下流側の半導体素子２を冷却することとなる。これにより、下流側の半導体素子２を効率よく冷却することができる。

本例においては、特に、冷却媒体の上流側に配された半導体モジュール２０のＩＧＢＴ２ａと下流側に配された半導体モジュール２０のＩＧＢＴ２ａとがＺ方向にずれて配置されている。また、冷却媒体の上流側に配された半導体モジュール２０のフライホイールダイオード２ｂと下流側に配された半導体モジュール２０のフライホイールダイオード２ｂとがＺ方向にずれて配置されている。

ここで、電力変換装置１が力行動作（電動動作）を行うときを例にとって考察する。このとき、半導体モジュール２０における半導体素子２のうち、ＩＧＢＴ２ａが大きく発熱する。
そこで、ＩＧＢＴ２ａが上記のような配置となっていることにより、一方の半導体モジュール２０のＩＧＢＴ２ａは、他方の半導体モジュール２０のＩＧＢＴ素子２ａを冷却する冷却媒体が流れる冷媒流路３１とは異なる冷媒流路３１を流れる冷却媒体によって冷却される。そのため、他のＩＧＢＴ２ａに対してＺ方向にずれて配置されたＩＧＢＴ２ａは、冷媒流路３１の下流に配されていても、温度上昇していない冷却媒体によって冷却されるため、効率よく冷却されることとなる。

また、他方のＩＧＢＴ２ａに対してＺ方向にずれて配置されたＩＧＢＴ２ａが冷媒流路３１の上流に配されていた場合には、そのＩＧＢＴ２ａと熱交換することなく温度上昇していない冷却媒体が下流側のＩＧＢＴ２ａを冷却することとなる。これにより、下流側のＩＧＢＴ２ａを効率よく冷却することができる。

次に、電力変換装置１が回生動作（発電動作）を行うときを例にとって考察する。このとき、半導体モジュール２０における半導体素子２のうち、フライホイールダイオード２ｂが大きく発熱する。
本例においては、上流側の半導体モジュール２０におけるフライホイールダイオード２ｂと下流側の半導体モジュール２０におけるフライホイールダイオード２ｂとが、Ｚ方向にずれて配置されている。それ故、上記力行動作時におけるＩＧＢＴ２ａの場合と同様に、下流側のフライホイールダイオード２ｂを効率よく冷却することができる。

このように、一対の冷却管３の間に配される複数の半導体素子２が冷媒流路３１に沿って一直線状に並んだ状態とせずに、少なくともその中の１個の半導体素子２が他の半導体素子２に対してＺ方向にずれるように配置することにより、複数の半導体素子２を効率よく冷却することが可能となる。

また、本例においては、発熱時期が共通する半導体素子２同士（ＩＧＢＴ２ａ同士、あるいはフライホイールダイオード２ｂ同士）がＺ方向にずれるように配置されている。すなわち、力行動作時に発熱するＩＧＢＴ２ａ同士、或いは回生動作時に発熱するフライホイールダイオード２ｂ同士がＺ方向にずれるように配置されている。そのため、力行動作時においても、回生動作時においても、発熱時期が共通する複数の半導体素子２を、効率的に冷却することができる。

以上のごとく、本例によれば、複数の半導体素子を効率よく冷却することができる電力変換装置を提供することができる。

（実施例１）
本例は、図８に示すごとく、冷却管３を挟んで積層方向に隣合う位置に配された半導体素子２が、互いに積層方向（Ｘ方向）及び冷媒流路（Ｙ方向）に直交するＺ方向にずれるように配置している例である。
参考例１と同様に、各半導体モジュール２０には、ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとが内蔵されている。そして、冷却管３を挟んで積層方向に隣合う位置に配された半導体モジュール２０に内蔵されたＩＧＢＴ２ａ同士、およびフライホイールダイオード２ｂ同士は、互いにＺ方向にずれた状態で配設されている。
その他は、参考例１と同様である。

本例の場合には、冷却管３の両面側から一つの冷媒流路３１を流れる冷却媒体が加熱されることを抑制して、一部の冷却媒体の温度上昇を抑制することができる。これにより、半導体素子２のより効率的な冷却を実現することができる。
その他、参考例１と同様の作用効果を有する。

（参考例２）
本例は、図９に示すごとく、逆方向導通性を有する半導体素子２を一個内蔵した半導体モジュール２０を、隣合う一対の冷却管３の間に二個配設した例である。
上記逆方向導通性を有する半導体素子２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor）２ｃからなり、参考例１において示したＩＧＢＴ２ａの機能とフライホイールダイオード２ｂの機能とを併せ持つ素子である。それ故、半導体モジュール２には、一つの半導体素子２を搭載すればよい。

この場合において、一対の冷却管３の間に配された上流側の半導体モジュール２０に内蔵されたＭＯＳＦＥＴ２ｃと下流側の半導体モジュール２０に内蔵されたＭＯＳＦＥＴ２ｃとは、互いにＺ方向にずれた位置に配されている。
その他は、参考例１と同様である。

本例の場合には、逆方向導通性を有する半導体素子２（ＭＯＳＦＥＴ２ｃ）を効率的に冷却することができる。すなわち、逆方向導通性を有する半導体素子２は発熱量が大きいため、この半導体素子２が隣合う一対の冷却管３１の間に複数配される場合には、これらを互いにずらした状態で配置することにより、それぞれの半導体素子２を効率的に冷却することができる。
その他、参考例１と同様の作用効果を有する。
なお、上記逆方向導通性を有する半導体素子２としては、上記ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ素子にフライホイールダイオード機能を取り込んだ複合素子を用いることもできる。

（参考例３）
本例は、図１０に示すごとく、一つの半導体モジュール２０に２個の逆方向導通性を有する半導体素子２（ＭＯＳＦＥＴ２ｃ）を内蔵した例である。
半導体モジュール２０には、５本一組の信号端子２３が二組設けてある。
そして、各半導体モジュール２０に内蔵された２個の半導体素子２は、互いにＺ方向にずれた状態にある。
その他は、参考例２と同様である。
本例の場合には、２個の半導体素子２を用いてスイッチングを行うことができるため、より大電流を制御する電力変換装置を得ることができる。
そして、本例の場合にも、上記のごとく、各半導体モジュール２０に内蔵された２個の半導体素子２を、互いにＺ方向にずれた状態に配置することにより、半導体素子２の充分な冷却効率を確保することができる。

（参考例４）
本例は、図１１に示すごとく、隣合う一対の冷却管３の間に一個の半導体モジュール２０が配されており、その半導体モジュール２０に二個の逆方向導通性を有する半導体素子２（ＭＯＳＦＥＴ２ｃ）を内蔵した例である。
そして、半導体モジュール２０に内蔵された二個の半導体素子２は、互いにＺ方向にずれた状態にある。
その他は、参考例３と同様である。
本例の場合にも、複数の半導体素子２の充分な冷却効率を確保することができる。

（参考例５）
本例は、図１２に示すごとく、隣合う一対の冷却管３の間に配され互いにＺ方向にずれるように配置された複数の半導体素子２が、冷媒流路３１に平行な方向から見たときに互いに重ならないようにずれて配置された例である。
その他は、参考例２と同様である。

本例の場合には、上流側の半導体素子２と熱交換した冷却媒体は、下流側の半導体素子２と熱交換することはなく、上流側の半導体素子２と熱交換しなかった冷却媒体が下流側の半導体素子２と熱交換することとなるとなるため、下流側の半導体素子２をより効率的に冷却することができる。すなわち、複数の半導体素子２を一層効率よく冷却することができる。
その他、参考例２と同様の作用効果を有する。

（参考例６）
本例は、図１３に示すごとく、隣合う一対の冷却管３の間に配され互いにＺ方向にずれるように配置された二個の半導体素子２が、該半導体素子２の長さＬの半分の長さ分ずれて配置されている。この半導体素子２の長さＬは、Ｚ方向の長さである。
その他は、参考例２と同様である。

本例の場合には、下流側の半導体素子２の半分が、上流側の半導体素子２と熱交換しなかった冷却媒体によって冷却されることとなる。そのため、参考例５に比べると、下流側の半導体素子２の冷却効率は劣るが、従来（図１４参照）に比べれば、充分に、二個の半導体素子２の冷却効率を向上させることができる。
その他、参考例２と同様の作用効果を有する。
なお、上記二個の半導体素子２のＺ方向のずれ量は、Ｌ／２以上であることが望ましい。これにより、下流側の半導体素子２の半分以上が、上流側の半導体素子２と熱交換しなかった冷却媒体によって冷却されることとなり、冷却効率を充分に確保することができる。

参考例１における、電力変換装置の分解斜視図。 参考例１における、電力変換装置の斜視図。 参考例１における、冷却管の一部断面斜視図。 参考例１における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。 参考例１における、半導体モジュールの斜視説明図。 参考例１における、電力変換装置のＺ方向に直交する平面による断面図。 参考例１における、電力変換装置を用いた駆動装置の回路図。 実施例１における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。 参考例２における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。 参考例３における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。 参考例４における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。 参考例５における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。 参考例６における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。 従来例における、一対の冷却管の間に配された２個の半導体モジュールの斜視説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 半導体素子
２０ 半導体モジュール
３ 冷却管
３１ 冷媒流路

Claims (6)

1. 半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための冷却媒体を内部に流通させる複数の冷却管とを交互に積層してなる電力変換装置であって、
   上記冷却管は、上記積層方向及び上記冷却媒体の流通方向に直交する方向に複数に分割された冷媒流路を有し、
   隣合う一対の上記冷却管の間には、複数の上記半導体モジュール、或いは、複数の上記半導体素子を内蔵した１個以上の上記半導体モジュールが配設されており、
   上記一対の冷却管の間に配される複数の上記半導体素子は、少なくともその中の１個の上記半導体素子が他の該半導体素子に対して上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置されており、
   隣合う一対の上記冷却管の間に配される複数の上記半導体素子は、発熱時期が共通する上記半導体素子同士が上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置しており、
   共通の上記冷却管を挟んで積層方向に隣合う位置に配された上記半導体素子は、互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、隣合う一対の上記冷却管の間には、複数の上記半導体モジュールが配設されており、該複数の半導体モジュールのうちの少なくとも一つの半導体モジュールは、内蔵する少なくとも一つの上記半導体素子が他の半導体モジュールに内蔵された半導体素子の少なくとも一つに対して上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、隣合う一対の上記冷却管の間には、複数の上記半導体素子を内蔵する上記半導体モジュールが配設されており、該半導体モジュールに内蔵された複数の半導体素子の少なくとも一つは、他の半導体素子に対して、上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置していることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、隣合う一対の上記冷却管の間に、逆方向導通性を有する半導体素子が複数個、一個又は複数個の上記半導体モジュールに内蔵された状態で配されており、該複数の半導体素子は、互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置していることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、隣合う一対の上記冷却管の間に配され互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置された複数の半導体素子は、該半導体素子の長さの半分以上ずれて配置されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５において、隣合う一対の上記冷却管の間に配され互いに上記積層方向及び上記冷媒流路に直交する方向にずれるように配置された複数の半導体素子は、上記冷媒流路に平行な方向から見たときに互いに重ならないようにずれて配置していることを特徴とする電力変換装置。

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