JP5241688B2 - Power converter - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に電気自動車およびハイブリッド自動車への車載用の電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a vehicle-mounted power conversion device for an electric vehicle and a hybrid vehicle.

電気自動車あるいはハイブリッド自動車においては、車両の動力源としてモータを搭載しており、一般にモータに供給する電力を制御するためにインバータなどの電力変換装置を備えている。   An electric vehicle or a hybrid vehicle is equipped with a motor as a power source of the vehicle, and generally includes a power conversion device such as an inverter for controlling electric power supplied to the motor.

電力変換装置は、IGBTなどの電力用半導体を含むパワーモジュールとそのパワーモジュールを駆動する駆動回路、それらを制御する制御回路、および電流平滑化のためのコンデンサを備えている。これらの電子部品は高温に弱いため冷却する必要があり、特に大容量で発熱量が大きい電力変換装置では冷却水を循環させる水冷構造の冷却器を備えたものが多い。   The power conversion device includes a power module including a power semiconductor such as an IGBT, a drive circuit that drives the power module, a control circuit that controls them, and a capacitor for current smoothing. Since these electronic components are vulnerable to high temperatures, it is necessary to cool them. In particular, many power converters having a large capacity and a large calorific value are provided with a water-cooled cooler for circulating cooling water.

上記インバータの部品の中でも発熱量が大きいパワーモジュールの冷却装置は特に高性能のものが要求される。そこで、半導体素子を表裏の両面から冷却する、両面冷却モジュールが実用化されている。例えば特開2006−93293号公報に両面冷却モジュールのための冷却器構造が開示されている。   Among the inverter parts, a power module cooling device that generates a large amount of heat is required to have a particularly high performance. Thus, a double-sided cooling module that cools the semiconductor element from both the front and back sides has been put into practical use. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2006-93293 discloses a cooler structure for a double-sided cooling module.

しかしながら、冷却水が複数のパワーモジュールによって温度上昇した場合であっても冷却性能低下の影響を抑えることが求められている。   However, even when the temperature of the cooling water is increased by a plurality of power modules, it is required to suppress the influence of the cooling performance deterioration.

特開2006−93293号公報JP 2006-93293 A

本発明が解決しようとする課題は、冷却水が複数のパワーモジュールによって温度上昇した場合であっても冷却性能低下の影響を抑えることである。   The problem to be solved by the present invention is to suppress the influence of a decrease in cooling performance even when the temperature of the cooling water is increased by a plurality of power modules.

前述の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、第1半導体チップと、当該第1半導体チップの一方の主面と対向する第1導体板と、当該第1半導体チップの他方の主面と対向する第2導体板と、を有する第1半導体モジュールと、第2半導体チップと、当該第2半導体チップの一方の主面と対向する第3導体板と、当該第2半導体チップの他方の主面と対向する第4導体板と、を有し、当該第3導体板が前記第1半導体モジュールの第2導体と対向するように配置される第2半導体モジュールと、冷媒入口部と、前記第1半導体モジュール及び前記第2半導体モジュールに対して前記冷媒入口部が配置された側に配置された冷媒出口部と、前記第1半導体モジュールの前記第1導体板を挟んで、前記第1半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第1流路と、前記第1半導体モジュールの前記第2導体板を挟んで、前記第1半導体チップの配置側とは反対側に設けられ第2流路と、前記第2半導体モジュールの前記第3導体板を挟んで、前記第2半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第3流路と、前記第2半導体モジュールの前記第4導体板を挟んで、前記第2半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第4流路と、前記冷媒入口部と前記第1流路と接続するための第1中間流路と、前記冷媒出口部と前記第2流路と接続するための第2中間流路と、前記冷媒入口部と前記第3流路と接続するための第3中間流路と、前記冷媒出口部と前記第4流路と接続するための第4中間流路と、を備え、前記第1流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第2流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第1流路と前記第2流路が設けられ、前記第3流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第4流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第3流路と前記第4流路が設けられ、前記冷媒入口部と前記冷媒出口部は、前記第1流路の高さ方向に対して異なる位置に配置され、前記第2中間流路と前記第3中間流路は、前記第1流路の高さ方向から射影した当該第1中間流路の投影部と当該第3中間流路の投影部が交差するように形成される。   In order to solve the above-described problems, a power conversion device according to the present invention includes a first semiconductor chip, a first conductor plate facing one main surface of the first semiconductor chip, and the other of the first semiconductor chip. A first semiconductor module having a second conductor plate facing the main surface; a second semiconductor chip; a third conductor plate facing one main surface of the second semiconductor chip; and A second conductor module having a fourth conductor plate facing the other main surface, the third conductor plate being disposed so as to face the second conductor of the first semiconductor module, and a refrigerant inlet portion. The first semiconductor module and the second semiconductor module sandwiching the refrigerant outlet portion disposed on the side where the refrigerant inlet portion is disposed and the first conductor plate of the first semiconductor module, 1 Semiconductor chip placement side A first flow path provided on the opposite side, a second flow path provided on the opposite side to the arrangement side of the first semiconductor chip across the second conductor plate of the first semiconductor module, and the first 2 sandwiching the third conductor plate of the semiconductor module, sandwiching the third flow path provided on the side opposite to the arrangement side of the second semiconductor chip, sandwiching the fourth conductor plate of the second semiconductor module, A fourth flow path provided on the side opposite to the arrangement side of the second semiconductor chip, a first intermediate flow path for connecting the refrigerant inlet portion and the first flow path, the refrigerant outlet portion, and the A second intermediate flow path for connecting to the second flow path, a third intermediate flow path for connecting to the refrigerant inlet portion and the third flow path, and a connection to the refrigerant outlet portion and the fourth flow path. A fourth intermediate flow path, and a flow direction of the refrigerant flowing in the first flow path and flowing in the second flow path The first flow path and the second flow path are provided such that the flow direction of the refrigerant is opposite, and the flow direction of the refrigerant flowing through the third flow path and the flow direction of the refrigerant flowing through the fourth flow path are The third flow path and the fourth flow path are provided so as to be opposite, and the refrigerant inlet part and the refrigerant outlet part are arranged at different positions with respect to the height direction of the first flow path, In the second intermediate flow path and the third intermediate flow path, the projection part of the first intermediate flow path projected from the height direction of the first flow path intersects the projection part of the third intermediate flow path. Formed.

本発明によれば、冷却水の温度上昇による冷却性能低下の影響を複数のモジュールに分散させて全体の冷却性能の向上を図ることができる。   According to the present invention, the overall cooling performance can be improved by dispersing the influence of the cooling performance decrease due to the temperature rise of the cooling water to the plurality of modules.

本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the circuit block structure of the power converter device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the external appearance perspective view of the power converter device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る電力変換装置筐体の内部構造の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the internal structure of the power converter device housing | casing which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体モジュールの内部構造の例を示した図である。It is the figure which showed the example of the internal structure of the semiconductor module which concerns on embodiment of this invention. 図4のうち、特に3分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した図である。It is the figure which showed the positional relationship of the flow path structure and semiconductor module which reciprocate especially in 3 branches among FIG. インバータ装置が1つの場合の3分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した図である。It is the figure which showed the positional relationship of the flow-path structure reciprocated by 3 branches in the case of one inverter apparatus, and a semiconductor module. 3分岐した流路全てがターン部で合流する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した図である。It is the figure which showed the positional relationship of the flow path structure where all the 3 branched flow paths merge in a turn part, and a semiconductor module. 入口孔付近流路が出口孔付近流路と上下の方向に立体交差し3分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing the positional relationship between a semiconductor module and a flow path structure in which a flow path near an inlet hole intersects with a flow path near an outlet hole in a vertical direction and reciprocates in three branches. 図8の冷却水出口孔12の中心線を通る断面図である。It is sectional drawing which passes along the centerline of the cooling water exit hole 12 of FIG. 図8の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図である。It is sectional drawing which passes along the centerline of the cooling water inlet hole 11 of FIG. 図8の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図である。FIG. 9 is a flowchart schematically showing the flow direction around each module in FIG. 8. 各相半導体モジュールが上流から下流に向けて配列され2分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the positional relationship of the flow-path structure where each phase semiconductor module is arranged toward upstream from downstream, and reciprocates by 2 branches, and a semiconductor module. 図12の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図である。It is sectional drawing which passes along the centerline of the cooling water inlet hole 11 of FIG. 図12の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図である。FIG. 13 is a flowchart schematically showing the flow direction around each module in FIG. 12. 水温上昇の影響を対向する流れで相殺できることの効果を示した図である。It is the figure which showed the effect of being able to cancel the influence of water temperature rise with the opposite flow. 入口孔付近流路から筐体の中央に近い2つの放熱面に液を供給し2分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the positional relationship of the flow-path structure which supplies a liquid to two heat radiating surfaces near the center of a housing | casing from a flow path near an inlet hole, and reciprocates by two branches, and a semiconductor module. 図16の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図である。It is sectional drawing which passes along the centerline of the cooling water inlet hole 11 of FIG. 図16の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図。FIG. 17 is a flowchart schematically showing the flow direction around each module in FIG. 16. V相半導体モジュールが、U相半導体モジュールやW相半導体モジュールに対して垂直な方向に放熱面を有し、その放熱面に対交流を発生させるように2分岐で往復する流路構造を示した斜視図。The V-phase semiconductor module has a heat dissipation surface in a direction perpendicular to the U-phase semiconductor module and the W-phase semiconductor module, and shows a flow path structure that reciprocates in two branches so as to generate an alternating current on the heat dissipation surface. Perspective view. 図19の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図。Sectional drawing which passes along the centerline of the cooling water inlet hole 11 of FIG. 図19の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図。FIG. 20 is a flowchart schematically showing the flow direction around each module in FIG. 19.

本実施形態の具体的構成に説明する前に、本実施形態の原理及び課題について説明する。   Before describing the specific configuration of the present embodiment, the principle and problems of the present embodiment will be described.

電力変換装置の冷却器においては、複数のパワーモジュールに対する冷却水の分配が問題となる。特許文献1に記載されたような流路構成においては冷却水の入口・出口に近い手前側の流路と入口・出口から遠い奥側の流路では流量に差が生じ、手前側の流路の流量が大きく冷却性能も高い傾向になる。   In the cooler of a power converter, distribution of cooling water to a plurality of power modules becomes a problem. In the flow path configuration as described in Patent Document 1, there is a difference in flow rate between the flow path on the near side near the inlet / outlet of the cooling water and the flow path on the far side from the inlet / outlet, and the flow path on the near side. The flow rate is large and the cooling performance tends to be high.

特許文献1に記載の電力変換装置においては、この冷却性能の偏りを逆に利用して、冷却性能の高い部分に発熱量の大きいモジュールを、冷却性能の低い部分に発熱量の小さいモジュールを配置している。この構成によってモジュール間の温度の均一化が図れるとしている。   In the power conversion device described in Patent Document 1, by utilizing this uneven cooling performance, a module with a large amount of heat generation is arranged in a portion with a high cooling performance, and a module with a small amount of heat generation is disposed in a portion with a low cooling performance. doing. According to this configuration, the temperature between modules can be made uniform.

しかし、電力変換装置に搭載される各々のモジュールの発熱量には、必ずしも冷却能力の差を打ち消すだけの発熱量の違いが生じるとは限らない。また、個々のモジュールの発熱量は、車両の走行状態に依存するため、発熱量の大きいモジュールと発熱量の小さいモジュールが常に決まっているとは限らず、ある状態では手前側のモジュールの発熱量が大きいが、別の状態では奥側のモジュールの発熱量が大きいということも起り得る。   However, the amount of heat generated by each module mounted on the power converter does not necessarily have a difference in the amount of heat generated that cancels the difference in cooling capacity. In addition, since the amount of heat generated by each module depends on the running state of the vehicle, a module that generates a large amount of heat and a module that generates a small amount of heat are not always determined. However, it is possible that the heat generation amount of the back module is large in another state.

そこで、それぞれのモジュールの発熱量がおよそ均等である場合、あるいは発熱量の大小関係が状況によって変わる場合には、全てのモジュールに均等に冷却水を分配できるような冷却水流路構造が望ましい。   Therefore, when the heat generation amount of each module is approximately equal, or when the magnitude relationship of the heat generation amount changes depending on the situation, a cooling water flow path structure that can distribute the cooling water evenly to all the modules is desirable.

例えば、流量の分配を均一化するために流路の分岐部に流量調節弁などを設ける構造も考えられる。しかし、弁は圧力損失が大きいため、インバータに冷却水を送り込むための動力を増大させるというデメリットがある。また、流路の分岐数が多い場合には、弁を用いたとしても均等に分岐させることは困難である。   For example, a structure in which a flow rate adjusting valve or the like is provided at a branch portion of the flow path in order to make the flow rate distribution uniform can be considered. However, since the valve has a large pressure loss, there is a demerit that the power for feeding cooling water to the inverter is increased. In addition, when the number of branches of the flow path is large, even if a valve is used, it is difficult to branch evenly.

つぎに、特許文献1の冷却水路構造においては流路の分岐数が非常に多いため、それぞれの流路に流れ込む冷却水の流量が小さくなる。冷却フィンの冷却能力は冷却水の流量に依存するため、分岐数が多くなると共に流量が減り、冷却能力が低下するという問題がある。   Next, in the cooling water channel structure of Patent Document 1, since the number of branches of the flow path is very large, the flow rate of the cooling water flowing into each flow path is small. Since the cooling capacity of the cooling fins depends on the flow rate of the cooling water, there is a problem that the number of branches increases, the flow rate decreases, and the cooling capacity decreases.

一方、全く分岐せずに1本の流路を蛇行させて冷却器を構成しようとすると、それぞれのモジュールの冷却器による圧力損失が全て加算されるため、インバータ全体では非常に大きな圧力損失を生じる結果となる。従って、流路の分岐数は冷却能力と圧力損失のバランスを考慮して最適の値を選択する必要がある。   On the other hand, when trying to configure a cooler by meandering one flow path without branching at all, all the pressure losses due to the coolers of the respective modules are added, resulting in a very large pressure loss in the entire inverter. Result. Therefore, it is necessary to select an optimal value for the number of branches of the flow path in consideration of the balance between the cooling capacity and the pressure loss.

また、水冷構造ではパワーモジュールから放出された熱を冷却水が受け取るために、その温度が上昇し、下流側のパワーモジュールの冷却性能が劣化することが問題となる。特に特許文献1のように個々のパワーモジュールに接する冷却水の流量が小さい場合には水温上昇量も大きくなる傾向にある。   Further, in the water cooling structure, since the cooling water receives the heat released from the power module, the temperature rises and the cooling performance of the downstream power module deteriorates. In particular, when the flow rate of cooling water in contact with each power module is small as in Patent Document 1, the amount of water temperature rise tends to increase.

さらに、特許文献1の冷却水路構造においては、冷却水の入口・出口の流路とパワーモジュールの冷却用の流路が垂直に交わる構造を採っており、流路の分岐部では流れが直角に曲げられるため圧力損失が大きい。   Furthermore, the cooling water channel structure of Patent Document 1 employs a structure in which the cooling water inlet / outlet flow channels and the power module cooling flow channels intersect perpendicularly, and the flow is perpendicular to the flow path branching portion. Large pressure loss due to bending.

本実施形態は上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の両面冷却パワーモジュールに対して、およそ均等に冷却水を分配し、かつ、冷却水路全体の圧力損失を小さく保つことである。   The present embodiment has been made in view of the above problems, and its purpose is to distribute the cooling water approximately equally to the plurality of double-sided cooling power modules and to keep the pressure loss of the entire cooling water channel small. It is.

また、本実施形態の別の目的は、インバータ装置に要求される冷却性能と冷却水の圧力損失の制限値に従って冷却流路の最適な分岐数を選択できるような流路構造を提供することにある。   Another object of the present embodiment is to provide a flow path structure that can select the optimal number of branches of the cooling flow path according to the cooling performance required for the inverter device and the limit value of the pressure loss of the cooling water. is there.

また、本実施形態の別の目的は、冷却水の温度上昇による影響が下流側のパワーモジュールに集中することを避け、冷却能力の均一化を図ることである。   Another object of the present embodiment is to make the cooling capacity uniform by avoiding the influence of the temperature rise of the cooling water from concentrating on the downstream power module.

本実施形態のさらに別の目的は、圧力損失の低い流路分岐構造を提供することにある。   Still another object of the present embodiment is to provide a flow path branching structure with low pressure loss.

以下、本実施形態の具体的構成について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, a specific configuration of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。図1に示すように、電力変換装置100は、バッテリ200とモータジェネレータ300とに接続されて、バッテリ200から供給される直流電流を3相の交流電流に変換して、モータジェネレータ300へ供給する装置である。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a circuit block configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, power conversion device 100 is connected to battery 200 and motor generator 300, converts a DC current supplied from battery 200 into a three-phase AC current, and supplies it to motor generator 300. Device.

電力変換装置100は、バッテリ200から供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサ一体モジュール110と、直流電流から3相の交流電流を生成するためのインバータ装置120を含んで構成される。また、インバータ装置120は、U相V相W相の3相を構成する上下アーム直列回路121と、それを制御する制御モジュール130と、を含んで構成されている。   The power conversion apparatus 100 includes a capacitor integrated module 110 for stabilizing and smoothing a direct current supplied from the battery 200 and an inverter device 120 for generating a three-phase alternating current from the direct current. The Moreover, the inverter apparatus 120 is comprised including the upper-lower arm series circuit 121 which comprises three phases of U phase V phase W phase, and the control module 130 which controls it.

尚、図1に示す実施形態では、インバータ装置120が1つである場合を例に挙げて説明するが、図3などを参照して後述するように、インバータ装置120を複数にすることで、変換する電力量の増大や複数のモータジェネレータ300に対応することも可能である。   In the embodiment shown in FIG. 1, a case where there is one inverter device 120 will be described as an example. However, as will be described later with reference to FIG. It is possible to cope with an increase in the amount of electric power to be converted and a plurality of motor generators 300.

インバータ装置120において、上下アーム直列回路121のそれぞれは、IGBT125とダイオード126との並列接続回路からなる2つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路121の上下端は、それぞれ、バッテリ200の正極および負極に直流コネクタ140を介して接続される。そして、その上側(正極側)に配置されたIGBT125とダイオード126とからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、上アームとして動作し、下側(負極側)に配置されたIGBT125とダイオード126とからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、下アームとして動作する。   In the inverter device 120, each of the upper and lower arm series circuits 121 is configured by arranging two current switch circuits including a parallel connection circuit of an IGBT 125 and a diode 126 in series. The upper and lower ends of the upper and lower arm series circuit 121 are connected to the positive electrode and the negative electrode of the battery 200 via the DC connector 140, respectively. The current switch circuit composed of the IGBT 125 and the diode 126 disposed on the upper side (positive side) operates as a so-called upper arm, and the current composed of the IGBT 125 and the diode 126 disposed on the lower side (negative side). The switch circuit operates as a so-called lower arm.

インバータ装置120は、それぞれの上下アーム直列回路121の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分からは、3相の交流電流u,v,wが出力され、その出力された3相の交流電流u,v,wは、交流コネクタ160を介して、モータジェネレータ300へ供給される。   In the inverter device 120, three-phase alternating currents u, v, and w are output from the midpoint position of each of the upper and lower arm series circuits 121, that is, the connecting portion of the upper and lower current switch circuits, and the output three-phase Are supplied to the motor generator 300 through the AC connector 160.

また、制御モジュール130は、3組の上下アーム直列回路121を駆動制御するドライバ回路131と、ドライバ回路131へ制御信号を供給する制御回路132と、を含んで構成される。ここで、ドライバ回路131から出力される信号は、パワーモジュール122の上アームおよび下アームの各IGBT125に供給され、そのスイッチング動作を制御して、各上下アーム直列回路121から出力される交流電流u,v,wの振幅や位相などを制御する。   The control module 130 includes a driver circuit 131 that drives and controls the three sets of upper and lower arm series circuits 121, and a control circuit 132 that supplies a control signal to the driver circuit 131. Here, the signal output from the driver circuit 131 is supplied to each of the IGBTs 125 of the upper arm and the lower arm of the power module 122, controls the switching operation thereof, and the alternating current u output from each of the upper and lower arm series circuits 121. , V, w are controlled in amplitude and phase.

制御回路132は、3組の上下アーム直列回路121における各IGBT125のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。そのマイクロコンピュータには、入力情報として、モータジェネレータ300に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路121からモータジェネレータ300へ供給する電流値、およびモータジェネレータ300の回転子の磁極位置などが入力される。   The control circuit 132 includes a microcomputer for calculating the switching timing of each IGBT 125 in the three sets of upper and lower arm series circuits 121. The microcomputer includes, as input information, a target torque value required for the motor generator 300, a current value supplied from the upper and lower arm series circuit 121 to the motor generator 300, a magnetic pole position of the rotor of the motor generator 300, and the like. Entered.

これらの入力情報のうち、目標トルク値は、図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づく。また、電流値は、各上下アーム直列回路121から出力される交流電流の電流値を検出する電流センサ150の検出信号に基づく。また、磁極位置は、モータジェネレータ300に設けられた図示しない回転磁極センサの検出信号に基づく。   Among these pieces of input information, the target torque value is based on a command signal output from a host controller (not shown). The current value is based on the detection signal of the current sensor 150 that detects the current value of the alternating current output from each upper and lower arm series circuit 121. The magnetic pole position is based on a detection signal from a rotating magnetic pole sensor (not shown) provided in the motor generator 300.

また、制御モジュール130は、過電流,過電圧,過温度などの異常検知を行う機能を有し、上下アーム直列回路121を保護している。ちなみに、各アームのIGBT125のエミッタ電極は、ドライバ回路131に接続され、ドライバ回路131は、それぞれのIGBT125ごとにエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知されたIGBT125については、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。   In addition, the control module 130 has a function of detecting an abnormality such as overcurrent, overvoltage, and overtemperature, and protects the upper and lower arm series circuit 121. Incidentally, the emitter electrode of the IGBT 125 of each arm is connected to the driver circuit 131, and the driver circuit 131 performs overcurrent detection in the emitter electrode for each IGBT 125, and the switching operation is performed for the IGBT 125 in which the overcurrent is detected. To protect against overcurrent.

また、制御回路132には、上下アーム直列回路121に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路121の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度,過電圧などの異常を検知する。そして、過温度,過電圧などの異常を検知した場合には、全てのIGBT125スイッチング動作を停止させ、パワーモジュール122全体を過温度,過電圧などの異常から保護する。   The control circuit 132 receives signals from a temperature sensor (not shown) provided in the upper and lower arm series circuit 121, a detection circuit that detects a DC voltage applied to both ends of the upper and lower arm series circuit 121, and the like. Detect abnormalities such as over-temperature and over-voltage based on this signal. And when abnormality, such as overtemperature and overvoltage, is detected, all IGBT125 switching operation | movements are stopped and the power module 122 whole is protected from abnormality, such as overtemperature and overvoltage.

なお、以上に示した電力変換装置100において、IGBT125およびダイオード126からなる電流スイッチ回路は、MOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いて構成してもよい。また、3組の上下アーム直列回路121は、2つの上下アーム直列回路を含んで構成され、2相の交流電流を出力するものとしてもよい。さらに、電力変換装置100は、図1の回路構成とほとんど同様に構成される3相(2相)の交流電流を直流電流に変換する装置であってもよい。   In the power conversion device 100 described above, the current switch circuit including the IGBT 125 and the diode 126 may be configured using a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). The three sets of upper and lower arm series circuits 121 may be configured to include two upper and lower arm series circuits, and may output a two-phase alternating current. Furthermore, the power conversion device 100 may be a device that converts a three-phase (two-phase) alternating current into a direct current, which is configured almost in the same manner as the circuit configuration of FIG.

詳細は後述するが、本実施例に関する半導体モジュール1は、各相の上下アーム直列回路121に対応して構成する2in1タイプを用いている。ただし、本実施例で示す冷却水路21と半導体モジュール1の位置関係は、1in1タイプの半導体モジュール(上アームと下アームに分けた各アームを1つの単位とした構成)や、6in1タイプの半導体モジュール(3相分の上下アームを一纏めにした構成)でも変わらない。   As will be described in detail later, the semiconductor module 1 according to the present embodiment uses a 2-in-1 type configured corresponding to the upper and lower arm series circuit 121 of each phase. However, the positional relationship between the cooling water channel 21 and the semiconductor module 1 shown in the present embodiment is a 1 in 1 type semiconductor module (a configuration in which each arm divided into an upper arm and a lower arm is a unit) or a 6 in 1 type semiconductor module. Even (a configuration in which upper and lower arms for three phases are combined) does not change.

図2は、本実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図の例を示した図である。図2に示すように、電力変換装置100は、上フタ10,筐体20によって構成される。詳細は後述するが、本実施形態の電力変換装置100は、筐体20の内部には、2つのインバータ装置120が収納されている。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an external perspective view of the power conversion device according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the power conversion device 100 includes an upper lid 10 and a housing 20. Although details will be described later, in the power conversion device 100 of the present embodiment, two inverter devices 120 are housed inside the housing 20.

本実施形態の場合、筐体20の内部には、2つのインバータ装置120が収納されている。筐体20内の上部には、制御モジュール130などが収納され、また、筐体20内の下部には、コンデンサ一体モジュール110が収納されており、筐体20内の中心には上下アーム直列回路121を構成する半導体モジュールが、複数搭載されている。上下アーム直列回路121を構成する半導体モジュールとコンデンサ一体モジュール110は、後述する冷却水路21に上方から挿入し冷却する。   In the case of this embodiment, two inverter devices 120 are housed inside the housing 20. A control module 130 and the like are housed in the upper part of the housing 20, and a capacitor integrated module 110 is housed in the lower part of the housing 20. A plurality of semiconductor modules constituting 121 are mounted. The semiconductor module and the capacitor integrated module 110 constituting the upper and lower arm series circuit 121 are inserted into the cooling water passage 21 to be described later and cooled.

筐体20の1つの側壁には、冷却水流路に冷却水を供給するための冷却水入口孔11と、各発熱部により温められた冷却水を冷却水流路から排出するための冷却水出口孔12と、が設けられている。また、当該冷却水入口孔11が設けられた側壁に、制御モジュール130が上位システムなどの外部装置と信号の送受信を行うための信号線を保持した制御信号用コネクタ30が設けられている。   A cooling water inlet hole 11 for supplying cooling water to the cooling water flow path and a cooling water outlet hole for discharging the cooling water warmed by each heat generating part from the cooling water flow path are provided on one side wall of the housing 20. 12 are provided. In addition, a control signal connector 30 that holds a signal line for the control module 130 to transmit and receive signals to and from an external device such as a host system is provided on the side wall provided with the cooling water inlet hole 11.

さらに、筐体20の他の側壁には、2つのインバータ装置120に対応して図示しない2つの交流コネクタ160を突出させるための横ふた2bが設けられている。   Further, a lateral lid 2 b for projecting two AC connectors 160 (not shown) corresponding to the two inverter devices 120 is provided on the other side wall of the housing 20.

図3は、本実施形態に係る電力変換装置100の筐体20の内部構造の例を示した分解斜視図である。   FIG. 3 is an exploded perspective view showing an example of the internal structure of the housing 20 of the power conversion apparatus 100 according to the present embodiment.

筐体20内には、各相の上下アーム直列回路121に対応して構成する2in1タイプの半導体モジュール1が6個搭載されているため、2つのインバータ装置120を駆動することが可能である。   In the housing 20, six 2 in 1 type semiconductor modules 1 configured corresponding to the upper and lower arm series circuits 121 of each phase are mounted, so that two inverter devices 120 can be driven.

筐体20の内部には、ダイキャストなどで形成された冷却水路21が筐体20の下部側に設けられている。筐体20の上部側には、制御回路基板50やドライバ回路基板40が配置される。   A cooling water channel 21 formed by die casting or the like is provided inside the housing 20 on the lower side of the housing 20. A control circuit board 50 and a driver circuit board 40 are disposed on the upper side of the housing 20.

冷却流路21は、制御回路基板50やドライバ回路基板40が設けられた側に開口が形成された半導体モジュール1の収納空間を形成する。また、冷却流路21は、半導体モジュール1の収納空間と同様に、制御回路基板50やドライバ回路基板40が設けられた側に開口が形成されたコンデンサの収納空間を形成する。   The cooling flow path 21 forms a storage space for the semiconductor module 1 having an opening formed on the side where the control circuit board 50 and the driver circuit board 40 are provided. In addition, the cooling flow path 21 forms a capacitor storage space having an opening formed on the side where the control circuit board 50 and the driver circuit board 40 are provided, similarly to the storage space of the semiconductor module 1.

各半導体モジュール1は、半導体モジュール1の収納空間に収納される。またコンデンサ一体モジュール110も、コンデンサセル111部がコンデンサの収納空間に収納される。   Each semiconductor module 1 is stored in a storage space of the semiconductor module 1. In the capacitor integrated module 110, the capacitor cell 111 is also stored in the capacitor storage space.

直流コネクタ140は、冷却入口孔11が形成された側壁とは反対側の側壁に設けられ、横ふた2aにより絶縁保護される。交流コネクタ160は、横フタ2bにより絶縁保護される。   The DC connector 140 is provided on the side wall opposite to the side wall in which the cooling inlet hole 11 is formed, and is insulated and protected by the horizontal lid 2a. The AC connector 160 is insulated and protected by the horizontal lid 2b.

コンデンサ一体モジュール110は、冷却水路21からドライバ回路基板40の方向に、コンデンサセル111と、PNバスバー112と、コンデンサケース113とにより構成される。   The capacitor integrated module 110 includes a capacitor cell 111, a PN bus bar 112, and a capacitor case 113 in the direction from the cooling water channel 21 to the driver circuit board 40.

コンデンサセル111は、フィルム状の導体を巻回した構造を成し、PNバスバー112の平面部に当該コンデンサセル111の外周面が対向するように配置される。   The capacitor cell 111 has a structure in which a film-like conductor is wound, and is disposed so that the outer peripheral surface of the capacitor cell 111 faces the flat portion of the PN bus bar 112.

PNバスバー112は、正極導体板及び負極導体板と、正極導体板と負極導体板との間に挟まれた絶縁材とに構成されたラミネート構造である。PNバスバー112は、複数のコンデンサセル111を覆うように幅広に構成される。また、PNバスバー112は、6つの半導体モジュール1の端子を貫通させるための孔144を6つ形成する。また、直流コネクタ140に近いPNバスバー112の辺側に、直流端子142が設けられている。   The PN bus bar 112 has a laminated structure constituted by a positive electrode conductor plate and a negative electrode conductor plate, and an insulating material sandwiched between the positive electrode conductor plate and the negative electrode conductor plate. The PN bus bar 112 is configured to be wide so as to cover the plurality of capacitor cells 111. Further, the PN bus bar 112 forms six holes 144 through which the terminals of the six semiconductor modules 1 are passed. A DC terminal 142 is provided on the side of the PN bus bar 112 close to the DC connector 140.

コンデンサケース113は、コンデンサセル111とPNバスバー112を収納するためのケースである。また、コンデンサケース113が、複数の螺子勘合部14を介して螺子により筐体20に固定されると、コンデンサケース113は各半導体モジュール1のフランジを筐体20に押し付けることになる。これにより、冷却流路21から冷媒が漏れることを抑制できる。また、セルを格納するケースを、シール用押圧部材として用いることで、高信頼で小型の電力変換装置が実現できる。   The capacitor case 113 is a case for housing the capacitor cell 111 and the PN bus bar 112. In addition, when the capacitor case 113 is fixed to the housing 20 with screws through the plurality of screw fitting portions 14, the capacitor case 113 presses the flange of each semiconductor module 1 against the housing 20. Thereby, it can suppress that a refrigerant | coolant leaks from the cooling flow path 21. FIG. Further, by using the case for storing the cell as a pressing member for sealing, a highly reliable and small power converter can be realized.

ACバスバー114は、コンデンサケース113の上方に配置され、各半導体モジュール1から交流コネクタ160まで配線される。電流センサ150は、交流コネクタ160に装着され、各半導体モジュール1から出力される交流電流の電流値を検出している。   The AC bus bar 114 is disposed above the capacitor case 113 and wired from each semiconductor module 1 to the AC connector 160. The current sensor 150 is attached to the AC connector 160 and detects the current value of the AC current output from each semiconductor module 1.

本実施形態は半導体モジュール1やコンデンサ一体モジュール110を、冷却水流路21に上方から挿入するスロットイン構造を採用したものであり、その結果組立性が向上する。   This embodiment employs a slot-in structure in which the semiconductor module 1 and the capacitor integrated module 110 are inserted into the cooling water channel 21 from above, and as a result, the assemblability is improved.

図4は、本実施形態に係る2in1タイプ半導体モジュール1の内部構造の例を示した分解図である。半導体モジュール1は、パワー半導体素子(本実施例ではIGBT125とダイオード126)の一方の面側に正極側導体板402aと上下アーム接続用導体板402dを配置し、パワー半導体素子の他方の面側に負極側導体板402bと交流側の導体板402cを配置することによって、図1の上下アーム直列回路121を構成する。   FIG. 4 is an exploded view showing an example of the internal structure of the 2-in-1 type semiconductor module 1 according to the present embodiment. In the semiconductor module 1, a positive-side conductor plate 402a and upper and lower arm connecting conductor plates 402d are arranged on one surface side of a power semiconductor element (in this embodiment, an IGBT 125 and a diode 126), and on the other surface side of the power semiconductor element. The upper and lower arm series circuit 121 of FIG. 1 is configured by arranging the negative electrode side conductor plate 402b and the AC side conductor plate 402c.

このように構成された上下アーム直列回路121は、筒型のケース405に挿入される。ケース405は、一面に信号用端子403a〜403d及び主電流端子を当該ケース405外部に突出させるための開口部406を有する。また、ケース405は、パワー半導体素子の主面と平行な両面にピンフィンが形成されている。本実施例では特にピンフィンを設けるが、平板フィンを用いても良い。   The upper and lower arm series circuit 121 configured as described above is inserted into a cylindrical case 405. The case 405 has an opening 406 for projecting the signal terminals 403a to 403d and the main current terminal to the outside of the case 405 on one surface. Further, the case 405 has pin fins formed on both surfaces parallel to the main surface of the power semiconductor element. In this embodiment, pin fins are particularly provided, but flat fins may be used.

ケース405の内壁と、正極側導体板402a,上下アーム接続用導体板402d,負極側導体板402b及び交流側の導体板402cとの間には、絶縁シート401が設けられる。なお、ケース405内にはモールドレジンが充填される。   An insulating sheet 401 is provided between the inner wall of the case 405 and the positive conductor plate 402a, the upper and lower arm connecting conductor plates 402d, the negative conductor plate 402b, and the AC conductor plate 402c. The case 405 is filled with mold resin.

本実施例では、IGBT125とダイオード126が上アームと下アームそれぞれに2並列された例を示しており、素子を並列化することにより、熱抵抗を減らすことができるメリットがある。ただし、並列数はインバータ要求出力と素子コストに応じて変えても良い。   In this embodiment, an example is shown in which two IGBTs 125 and two diodes 126 are arranged in parallel in the upper arm and the lower arm, respectively, and there is an advantage that the thermal resistance can be reduced by paralleling the elements. However, the parallel number may be changed according to the inverter required output and the element cost.

負極側導体板402bや交流側導体板402cがパワー半導体素子に接合する面には、IGBT125の位置に相当部位にエミッタ側突起部404a、ダイオード126の位置に相当部位にアノード側突起部404bを設けている。これにより、導体板の平面度を完全に零にしなくても、パワー半導体素子(本実施例ではIGBT125とダイオード126)の両面を挟む際に必要な応力を発生させることができ、かつ突起部で熱を拡散することが可能となり熱抵抗を低減できる効果を持っている。   On the surface where the negative electrode side conductor plate 402b and the AC side conductor plate 402c are joined to the power semiconductor element, an emitter side protrusion 404a is provided at a position corresponding to the IGBT 125, and an anode side protrusion 404b is provided at a position corresponding to the diode 126. ing. As a result, even if the flatness of the conductor plate is not completely zero, it is possible to generate stress necessary for sandwiching both surfaces of the power semiconductor element (in this embodiment, the IGBT 125 and the diode 126), and at the protrusions. It becomes possible to diffuse heat and has an effect of reducing thermal resistance.

また、交流側導体板402cと上下アーム接続用導体板402dとの間には、上下アーム接続用突起部408が位置し、それらは、はんだ接合される。信号用端子403a/403bは、ドライバ回路基板40から出力されるドライブ信号を受取り、各IGBTチップ125を制御する。また、信号用端子403c/403dは、各IGBT125から出力される電流を制御回路基板50へ入力し、過電流検知を行い、過電流が検知された場合には、対応するIGBTのスイッチング動作を停止させ、対応するIGBTを過電流から保護する。   Also, the upper and lower arm connecting projections 408 are located between the AC side conductor plate 402c and the upper and lower arm connecting conductor plate 402d, and they are soldered together. The signal terminals 403a / 403b receive the drive signal output from the driver circuit board 40 and control each IGBT chip 125. Further, the signal terminals 403c / 403d input the current output from each IGBT 125 to the control circuit board 50, detect the overcurrent, and stop the switching operation of the corresponding IGBT when the overcurrent is detected. And protect the corresponding IGBT from overcurrent.

上アーム用IGBTチップ125aを制御するための上アーム用の信号用端子403aや上アーム用IGBTチップ125aから出力される信号を受け取る上アーム用の信号用端子403cと、下アーム用IGBTチップ125bを制御するための下アーム用の信号用端子403bや下アーム用IGBTチップ125bから出力される信号を受け取る上アーム用の信号用端子403dは、全て一方の導体板402に固定するため、導体板402と端子403を繋ぐワイヤボンディングの接続工程を容易にし、生産性や接続信頼性の向上につながる。   An upper arm signal terminal 403a for controlling the upper arm IGBT chip 125a, an upper arm signal terminal 403c for receiving a signal output from the upper arm IGBT chip 125a, and a lower arm IGBT chip 125b are provided. The lower arm signal terminal 403b for control and the upper arm signal terminal 403d that receives signals output from the lower arm IGBT chip 125b are all fixed to one conductor plate 402. This facilitates the wire bonding connection process for connecting the terminal 403 and the terminal 403, leading to improvement in productivity and connection reliability.

図5は、図3で説明した電力変換装置100の内、特に筐体20に半導体モジュール1とコンデンサ一体モジュール110を挿入した際に形成される冷却水路21と冷却水入口孔11と冷却水出口孔12の位置関係を表した図である。   FIG. 5 shows the cooling water passage 21, the cooling water inlet hole 11, and the cooling water outlet that are formed when the semiconductor module 1 and the capacitor integrated module 110 are inserted into the casing 20 in the power conversion device 100 described in FIG. 3. FIG. 6 is a diagram showing a positional relationship of holes 12.

図3に示されるように、コンデンサケース113は、コンデンサセル111の収納するためのコンデンサセル収納部113a〜113cを設ける。また、図5に示されるように、コンデンサセル収納部113aとコンデンサセル収納部113bとの間には、U相を構成する半導体モジュール1aが2つ配置される。2つの半導体モジュール1aは、コンデンサセル収納部113a及びコンデンサセル収納部113bの長手方向に沿って並べて配置される。   As shown in FIG. 3, the capacitor case 113 is provided with capacitor cell storage portions 113 a to 113 c for storing the capacitor cell 111. Further, as shown in FIG. 5, two semiconductor modules 1a constituting the U phase are disposed between the capacitor cell storage portion 113a and the capacitor cell storage portion 113b. The two semiconductor modules 1a are arranged side by side along the longitudinal direction of the capacitor cell storage portion 113a and the capacitor cell storage portion 113b.

また、コンデンサセル収納部113bとコンデンサセル収納部113cとの間には、V相を構成する半導体モジュール1bが2つ配置される。2つの半導体モジュール1bは、コンデンサセル収納部113b及びコンデンサセル収納部113cの長手方向に沿って並べて配置される。   In addition, two semiconductor modules 1b constituting the V phase are arranged between the capacitor cell storage portion 113b and the capacitor cell storage portion 113c. The two semiconductor modules 1b are arranged side by side along the longitudinal direction of the capacitor cell storage portion 113b and the capacitor cell storage portion 113c.

また、コンデンサセル収納部113cと筐体20の側壁との間には、W相を構成する半導体モジュール1cが2つ配置される。2つの半導体モジュール1cは、コンデンサセル収納部113bの長手方向に沿って並べて配置される。   In addition, two semiconductor modules 1c constituting the W phase are disposed between the capacitor cell storage portion 113c and the side wall of the housing 20. The two semiconductor modules 1c are arranged side by side along the longitudinal direction of the capacitor cell storage portion 113b.

第1U相モジュール側流路23aは、半導体モジュール1aの放熱面とコンデンサセル収納部113aとの間に形成される。第2U相モジュール側流路23bは、半導体モジュール1aの放熱面とコンデンサセル収納部113bとの間に形成される。第1V相モジュール側流路23cは、半導体モジュール1bの放熱面とコンデンサセル収納部113bとの間に形成される。第2V相モジュール側流路23dは、半導体モジュール1bの放熱面とコンデンサセル収納部113cとの間に形成される。第1W相モジュール側流路23eは、半導体モジュール1cの放熱面とコンデンサセル収納部113cとの間に形成される。第2W相モジュール側流路23fは、半導体モジュール1cの放熱面と筐体20の内壁との間に形成される。   The first U-phase module side flow path 23a is formed between the heat dissipation surface of the semiconductor module 1a and the capacitor cell storage portion 113a. The second U-phase module side flow path 23b is formed between the heat radiation surface of the semiconductor module 1a and the capacitor cell storage portion 113b. The first V-phase module side flow path 23c is formed between the heat radiation surface of the semiconductor module 1b and the capacitor cell storage portion 113b. The second V-phase module side flow path 23d is formed between the heat radiation surface of the semiconductor module 1b and the capacitor cell storage portion 113c. The first W-phase module side flow path 23e is formed between the heat dissipation surface of the semiconductor module 1c and the capacitor cell storage portion 113c. The second W-phase module-side flow path 23f is formed between the heat radiation surface of the semiconductor module 1c and the inner wall of the housing 20.

次に冷却水入口孔11から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路23へ配分され、どのように冷却水出口孔12へ排出されるのかを説明する。まず冷却水入口孔11から供給される冷却水は、入口側流路22a〜22cで3分岐される。第1入口側流路22aは、第1U相モジュール側流路23aと冷却水入口孔11と繋がる。第2入口側流路22bは、第2U相モジュール側流路23bと冷却水入口孔11と繋がる。第3入口側流路22cは、第1V相モジュール側流路23cと冷却水入口孔11と繋がる。   Next, how the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is distributed to each module side surface flow path 23 and how it is discharged to the cooling water outlet hole 12 will be described. First, the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is branched into three at the inlet-side flow paths 22a to 22c. The first inlet side channel 22 a is connected to the first U-phase module side channel 23 a and the cooling water inlet hole 11. The second inlet side channel 22 b is connected to the second U-phase module side channel 23 b and the cooling water inlet hole 11. The third inlet side channel 22 c is connected to the first V-phase module side channel 23 c and the cooling water inlet hole 11.

冷却水入口孔11と冷却水出口孔12が存在する面と反対側の筐体20の面には、Uターン部流路24a〜24fが設けられる。第1Uターン部流路24aは、第1U相モジュール側流路23aと繋がる。第2Uターン部流路24bは、第1U相モジュール側流路23bと繋がる。第1Uターン部流路24aと第2Uターン部流路24bは、合流部29にて結合され、当該合流部29において冷媒が混ざり合うように構成される。さらに合流部29と繋がる第5Uターン部流路24e及び第6Uターン部流路24fが設けられ、第5Uターン部流路24e及び第6Uターン部流路24fにおいて流路が再び分岐される。第5Uターン部流路24eは、第1W相モジュール側流路23eと繋がる。第6Uターン部流路24fは、第2W相モジュール側流路23fと繋がる。   On the surface of the housing 20 opposite to the surface where the cooling water inlet hole 11 and the cooling water outlet hole 12 are present, U-turn portion flow paths 24a to 24f are provided. The 1st U turn part channel 24a is connected with the 1st U phase module side channel 23a. The second U-turn channel 24b is connected to the first U-phase module side channel 23b. The first U-turn part flow path 24 a and the second U-turn part flow path 24 b are coupled at the junction 29, and are configured such that the refrigerant mixes at the junction 29. Further, a fifth U-turn channel 24e and a sixth U-turn channel 24f connected to the junction 29 are provided, and the channels are branched again in the fifth U-turn channel 24e and the sixth U-turn channel 24f. The fifth U-turn portion flow path 24e is connected to the first W-phase module side flow path 23e. The sixth U-turn portion channel 24f is connected to the second W-phase module side channel 23f.

一方、第3Uターン部流路24cは、第1V相モジュール側流路23cと繋がる、第4Uターン部流路24dは、第3Uターン部流路24cと分岐することなく繋がる。第2V相モジュール側流路23dは、第4Uターン部流路24dと繋がる。   On the other hand, the third U-turn channel 24c is connected to the first V-phase module-side channel 23c, and the fourth U-turn channel 24d is connected to the third U-turn channel 24c without branching. The second V-phase module side channel 23d is connected to the fourth U-turn channel 24d.

第1出口側流路25aは、第2W相モジュール側流路23fと繋がる。第2出口側流路25bは、第1W相モジュール側流路23eと繋がる。第3出口側流路25cは、第2V相モジュール側流路23dと繋がる。そして、第1出口側流路25aと第2出口側流路25bと第3出口側流路25cが、冷却水出口孔12側で結合され、冷媒は当該結合部分において合流した状態で冷却水出口孔12から排出される。   The first outlet-side flow path 25a is connected to the second W-phase module-side flow path 23f. The second outlet side channel 25b is connected to the first W-phase module side channel 23e. The third outlet side channel 25c is connected to the second V-phase module side channel 23d. The first outlet side flow path 25a, the second outlet side flow path 25b, and the third outlet side flow path 25c are combined on the cooling water outlet hole 12 side, and the cooling water outlet is in a state where the refrigerant merges at the connecting portion. It is discharged from the hole 12.

半導体モジュール1a〜1cの放熱面は、冷却水入口孔11内の液進行方向と平行となるように、半導体モジュール1a〜1cが筐体20に配置される。一方、U相を構成する半導体モジュール1aとV相を構成する半導体モジュール1bとW相を構成する半導体モジュール1cとの配置方向は、冷却水入口孔11内の液進行方向と略垂直になるように、半導体モジュール1a〜1cが筐体20に配置される。   The semiconductor modules 1 a to 1 c are arranged in the housing 20 so that the heat radiation surfaces of the semiconductor modules 1 a to 1 c are parallel to the liquid traveling direction in the cooling water inlet hole 11. On the other hand, the arrangement direction of the semiconductor module 1 a constituting the U phase, the semiconductor module 1 b constituting the V phase, and the semiconductor module 1 c constituting the W phase is substantially perpendicular to the liquid traveling direction in the cooling water inlet hole 11. In addition, the semiconductor modules 1 a to 1 c are arranged in the housing 20.

また、本実施例では、1つの筐体20の中に2台のインバータ装置120が内蔵される。つまり、3つの2in1半導体モジュールが1つのモータを駆動するためのインバータを構成し、当該インバータが2つ設けられるので、2in1半導体モジュールは6つ設けられる。   In this embodiment, two inverter devices 120 are built in one housing 20. That is, three 2 in 1 semiconductor modules constitute an inverter for driving one motor, and two such inverters are provided, so six 2 in 1 semiconductor modules are provided.

コンデンサセル111を1箇所の収納空間に集約させず、複数あるモジュール側面流路23に隣接させて複数の領域に離れて配置させる。これにより、コンデンサのセル両面から冷却が可能となるため、コンデンサセル111の冷却性向上につながり、その結果、筐体20の床面積の殆どを占めているコンデンサ一体モジュール110を小型化することができる。   The capacitor cells 111 are not concentrated in one storage space, but are arranged adjacent to the plurality of module side surfaces 23 and separated from the plurality of regions. This allows cooling from both sides of the capacitor cell, leading to improved cooling performance of the capacitor cell 111. As a result, the capacitor integrated module 110 that occupies most of the floor area of the housing 20 can be downsized. it can.

さらに、各半導体モジュール1a〜1cの両面に存在する放熱面に沿って、モジュール側面流路23を設け、冷却水を供給することで、各半導体モジュール1を効率よく冷却できる。   Furthermore, each semiconductor module 1 can be efficiently cooled by providing the module side surface flow path 23 along the heat radiation surfaces present on both surfaces of each of the semiconductor modules 1a to 1c and supplying cooling water.

本実施例では、同一相のモジュール間はモジュール間流路形成体27によって接続されている。モジュール間流路形成体27は、2つのモジュール間で冷却水を淀ませることなく各相2つずつ存在する半導体モジュール対応する流路を繋げる役割を持っている。また、モジュール間流路形成体27は、半導体モジュール1の ケース405に存在するフランジ面と筺体20の接触面積を増やすことができるので、シール性を確保する役割も併せ持っている。   In the present embodiment, modules in the same phase are connected by an inter-module flow path forming body 27. The inter-module flow path forming body 27 has a role of connecting the flow paths corresponding to the semiconductor modules in which two phases exist without causing cooling water to flow between the two modules. Further, the inter-module flow path forming body 27 can increase the contact area between the flange surface present in the case 405 of the semiconductor module 1 and the housing 20, and thus also has a role of ensuring sealing performance.

本構成は、冷却水入口孔11や出口孔12内を流れる液の進行方向と並行な方向に長手方向を持つ半導体モジュール1とモジュール側面流路23a〜23fが設けられているため、流路が分岐合流する箇所で各流路に低圧力損失でおよそ均等に冷却水を分配することが可能となる。また、3分岐の状態で往復しているため、全く分岐せずに1本の流路を蛇行させて冷却器を構成する方法に比べて、圧力損失を小さくすることが可能となる。   In this configuration, the semiconductor module 1 having the longitudinal direction in the direction parallel to the traveling direction of the liquid flowing in the cooling water inlet hole 11 and the outlet hole 12 and the module side flow paths 23a to 23f are provided. It is possible to distribute the cooling water approximately evenly with low pressure loss to each flow path at the branching and joining location. Further, since the reciprocation is performed in a three-branch state, the pressure loss can be reduced as compared with a method in which a cooler is configured by meandering one flow path without branching at all.

さらに、V相半導体モジュール1bは、対向する流れ(往路進行方向3aと復路進行方向3b)に挟まれるように配置されているため、水温上昇の影響を対向する流れで相殺する効果を持っている。つまり、V相半導体モジュール1bは、U相半導体モジュール1aやW相半導体モジュール1cに挟まれるように配置されるため、U相半導体モジュール1aやW相半導体モジュール1cからの熱のあおりを受けやすく、U相やW相に比べて温度が高くなる傾向がある。そこで、V相に関して水温上昇の影響を対向する流れで相殺することによって、全体の冷却性能を向上させられる。   Furthermore, since the V-phase semiconductor module 1b is arranged so as to be sandwiched between the opposing flows (the forward traveling direction 3a and the backward traveling direction 3b), it has the effect of offsetting the influence of the water temperature rise with the opposing flow. . That is, since the V-phase semiconductor module 1b is disposed so as to be sandwiched between the U-phase semiconductor module 1a and the W-phase semiconductor module 1c, it is easy to receive heat from the U-phase semiconductor module 1a and the W-phase semiconductor module 1c. The temperature tends to be higher than that of the U phase or the W phase. Therefore, the overall cooling performance can be improved by offsetting the influence of the water temperature rise with the opposing flow with respect to the V phase.

また、図5に示す入口側流路22a〜22cや出口側流路25a〜25cは、図3に示す制御信号用コネクタ30側に配置され、図5のUターン部流路24は図3の直流コネクタ140側に配置される。モジュール側面流路23a〜23f以外の流路(入口側流路22a〜22cや出口側流路25a〜25cやUターン部流路)は、分岐合流し全てのモジュールに均等に冷却水を分配する機能を持っているが、冷却にはほとんど寄与していない。よって、冷却には寄与していない流路部分の上方に、冷却の必要性に乏しい制御信号用コネクタ30から出る信号線や直流コネクタ140から出るバスバーを設け、筐体20内の冷却水路21のスペース効率を上げることにより、電力変換装置100を小型化することができる。   Further, the inlet side flow paths 22a to 22c and the outlet side flow paths 25a to 25c shown in FIG. 5 are arranged on the control signal connector 30 side shown in FIG. 3, and the U-turn section flow path 24 of FIG. Arranged on the DC connector 140 side. Channels other than the module side channels 23a to 23f (inlet side channels 22a to 22c, outlet side channels 25a to 25c, and U-turn channel) branch and merge to distribute cooling water evenly to all modules. Although it has a function, it hardly contributes to cooling. Therefore, a signal line coming out from the control signal connector 30 and a bus bar coming out from the DC connector 140 are provided above the flow path portion that does not contribute to cooling, and the cooling water passage 21 in the housing 20 is provided. By increasing space efficiency, the power converter 100 can be reduced in size.

入口側流路22a〜22cや出口側流路25a〜25cやUターン部流路の各流路は、各半導体モジュール1a〜1c内部のIGBT125やダイオード126の方向に向かって、液が供給されるように形成される。チップ搭載領域128aは半導体モジュール1a内部に設けられ、当該チップ搭載領域128aは半導体モジュール1aの放熱面と平行に形成される。流れ方向4a及び4bは、チップ搭載領域128aと平行な放熱面に対して所定の角度を持つように、入口側流路22a及び22bを形成する。これにより、チップ搭載領域128aを効率良く冷却することができる。チップ搭載領域128b及び128cについても同様である。このように冷却性能を向上できるため、IGBT125やダイオード126の並列数や素子面積を小さくすることが可能となり、その結果、半導体モジュール1の小型化が可能となる。   The inlet-side channels 22a to 22c, the outlet-side channels 25a to 25c, and the U-turn channel are supplied with liquid toward the IGBT 125 and the diode 126 in the semiconductor modules 1a to 1c. Formed as follows. The chip mounting area 128a is provided inside the semiconductor module 1a, and the chip mounting area 128a is formed in parallel with the heat dissipation surface of the semiconductor module 1a. The inlet-side flow paths 22a and 22b are formed so that the flow directions 4a and 4b have a predetermined angle with respect to the heat radiation surface parallel to the chip mounting region 128a. Thereby, the chip mounting area 128a can be efficiently cooled. The same applies to the chip mounting areas 128b and 128c. Since the cooling performance can be improved in this way, the number of IGBTs 125 and diodes 126 in parallel and the element area can be reduced, and as a result, the semiconductor module 1 can be reduced in size.

なお、冷却水入口孔11や冷却水出口孔12が入れ替わっても、冷却性能が変わらないように、中心のV相半導体モジュール1bを軸に左右対称の流路構造となっている。これにより電力変換装置100の取り付け自由度を増す効果がある。   In addition, even if the cooling water inlet hole 11 and the cooling water outlet hole 12 are replaced, the flow path structure is symmetric with respect to the central V-phase semiconductor module 1b so that the cooling performance does not change. This has the effect of increasing the degree of freedom of attachment of the power converter 100.

図6は、本発明の第2実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例では、インバータ装置120が1つの場合を例にした構造であり、基本的構成は図5とほぼ同じである。特許文献1の流路構成(全ての半導体モジュール1a〜1cの放熱面が冷却水入口孔11に対して垂直な方向に配列)とは異なり、図6に示すように入口側流路22に接続される半導体モジュール1の放熱面を冷却水入口孔11内の液進行方向と平行に配置する。この結果、入口側流路22や出口側流路25が、3つの半導体モジュール1に対して、およそ均等に冷却水を分配し、かつ、冷却水路全体の圧力損失を小さく保つことができる。さらに、U相半導体モジュール1aやW相半導体モジュール1cからの熱のあおりを受けやすいV相半導体モジュール1bは、対向する流れ(往路進行方向3aと復路進行方向3b)を跨ぐように配置されているため、水温上昇の影響を対向する流れで相殺できるため、冷却性能の低下を抑制できる。また、実施例1とは異なり、モジュール間流路形成体27を必要とせず、部品点数を削減することができる。   FIG. 6 is a view showing the positional relationship between the water channel structure and the semiconductor module according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the structure is an example in which the number of inverter devices 120 is one, and the basic configuration is almost the same as that in FIG. Unlike the flow path configuration of Patent Document 1 (the heat radiation surfaces of all the semiconductor modules 1a to 1c are arranged in a direction perpendicular to the cooling water inlet hole 11), it is connected to the inlet side flow path 22 as shown in FIG. The heat radiating surface of the semiconductor module 1 is arranged in parallel with the liquid traveling direction in the cooling water inlet hole 11. As a result, the inlet-side flow path 22 and the outlet-side flow path 25 can distribute the cooling water approximately equally to the three semiconductor modules 1 and keep the pressure loss of the entire cooling water path small. Furthermore, the V-phase semiconductor module 1b that is susceptible to heat from the U-phase semiconductor module 1a and the W-phase semiconductor module 1c is disposed so as to straddle the opposing flows (the forward travel direction 3a and the backward travel direction 3b). Therefore, since the influence of the water temperature rise can be offset by the opposing flow, a decrease in cooling performance can be suppressed. Further, unlike the first embodiment, the inter-module flow path forming body 27 is not required, and the number of parts can be reduced.

図7は、本発明の第3実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例と第1実施例と異なるところは、Uターン流路部の形状である。本実施例の第3Uターン流路部24c及び第4Uターン流路部24dの形状は、3分岐した流路全てがターン部で合流する構造になっている。   FIG. 7 is a view showing the positional relationship between the water channel structure and the semiconductor module according to the third embodiment of the present invention. The difference between the present embodiment and the first embodiment is the shape of the U-turn channel section. The shapes of the third U-turn flow path portion 24c and the fourth U-turn flow path portion 24d of the present embodiment are structured such that all three branched flow paths merge at the turn portion.

例えば、車両の縁石乗り上げ等でモータがロック(ストール)状態にあるときには、各相の半導体モジュール1a〜1cの内、電流が流れる特定の相に発熱が集中する場合がある。このとき、V相半導体モジュール1bに発熱が集中する場合は、水温上昇が少ないU相半導体モジュール1a側からもV相の復路側流路に液を供給できるようにする方が望ましい。本実施例のUターン流路の形状は、3分岐した流路全てがターン部で合流する構造になっているため、上記のようにV相半導体モジュール1bに発熱が集中する場合に、第1Uターン部流路部24aや第2Uターン流路部24bからも第4Uターン部流路部24dへ向かって水温上昇していない液を供給することができ、V相の素子温度を下げる効果が期待できる。   For example, when the motor is in a locked (stall) state due to a curb ride on the vehicle or the like, heat may concentrate on a specific phase in which current flows among the semiconductor modules 1a to 1c of each phase. At this time, when heat generation concentrates on the V-phase semiconductor module 1b, it is desirable that the liquid can be supplied from the U-phase semiconductor module 1a side where the temperature rise is small to the V-phase return path. The shape of the U-turn flow path of the present embodiment has a structure in which all three branched flow paths merge at the turn portion. Therefore, when heat generation is concentrated on the V-phase semiconductor module 1b as described above, The liquid whose temperature has not increased can be supplied from the turn part flow path part 24a and the second U turn flow path part 24b toward the fourth U turn part flow path part 24d, and the effect of lowering the element temperature of the V phase is expected. it can.

図8〜図11は、本発明の第4実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図5や図7と同様に、半導体モジュール1a〜1cの放熱面は、冷却水入口孔11内の液進行方向と平行となるように、半導体モジュール1a〜1cが筐体20に配置される。一方、U相を構成する半導体モジュール1aとV相を構成する半導体モジュール1bとW相を構成する半導体モジュール1cとの配置方向は、冷却水入口孔11内の液進行方向と略垂直になるように、半導体モジュール1a〜1cが筐体20に配置される。   8-11 is the figure which showed the positional relationship of the water channel structure and semiconductor module which concern on 4th Embodiment of this invention. In this embodiment, as in FIGS. 5 and 7, the semiconductor modules 1 a to 1 c are arranged in the housing 20 so that the heat radiation surfaces of the semiconductor modules 1 a to 1 c are parallel to the liquid traveling direction in the cooling water inlet hole 11. Placed in. On the other hand, the arrangement direction of the semiconductor module 1 a constituting the U phase, the semiconductor module 1 b constituting the V phase, and the semiconductor module 1 c constituting the W phase is substantially perpendicular to the liquid traveling direction in the cooling water inlet hole 11. In addition, the semiconductor modules 1 a to 1 c are arranged in the housing 20.

さらに、第1Uターン部流路24aが第2Uターン部流路24bに繋がり、第3Uターン部流路24cが第4Uターン部流路24dに繋がり、第5Uターン部流路24eが第6Uターン部流路24fに繋がる点も、図5や図7とは異なる。   Further, the first U-turn portion channel 24a is connected to the second U-turn portion channel 24b, the third U-turn portion channel 24c is connected to the fourth U-turn portion channel 24d, and the fifth U-turn portion channel 24e is connected to the sixth U-turn portion. The point connected to the flow path 24f is also different from those in FIGS.

図8は、半導体モジュール1a〜1cを筐体20に差し込んだ状態の斜視図であり、全ての半導体モジュール1a〜1cが対向する流れに挟まれていることを特徴とする。   FIG. 8 is a perspective view of a state in which the semiconductor modules 1a to 1c are inserted into the housing 20, and is characterized in that all the semiconductor modules 1a to 1c are sandwiched between opposing flows.

図9は、図8の冷却水出口孔12の中心線を通る断面図であり、図10は図8の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図である。また図11は各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図を表す。   9 is a cross-sectional view passing through the center line of the cooling water outlet hole 12 of FIG. 8, and FIG. 10 is a cross-sectional view passing through the center line of the cooling water inlet hole 11 of FIG. FIG. 11 is a flowchart schematically showing the flow direction around each module.

次に冷却水入口孔11から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路へ配分され、どのように冷却水出口孔12へ排出されるのかを説明する。まず冷却水入口孔11から供給される冷却水は、入口側流路22で3分岐される。第1U相モジュール側流路23aと冷却水入口孔11は第1入口側流路22aによって接続され、第1V相モジュール側流路23cと冷却水入口孔11は第2入口側流路22bによって接続され、第1W相モジュール側流路23eと冷却水入口孔11は第3入口側流路22cによって接続される。   Next, how the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is distributed to each module side surface flow path and how it is discharged to the cooling water outlet hole 12 will be described. First, the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is branched into three at the inlet-side flow path 22. The first U-phase module side channel 23a and the cooling water inlet hole 11 are connected by a first inlet side channel 22a, and the first V-phase module side channel 23c and the cooling water inlet hole 11 are connected by a second inlet side channel 22b. Then, the first W-phase module side channel 23e and the cooling water inlet hole 11 are connected by the third inlet side channel 22c.

冷却水入口孔11と冷却水出口孔12が存在する面と逆の面側で、第1U相モジュール側流路23aと第2U相モジュール側流路23b、第1V相モジュール側流路23cと第2V相モジュール側流路23d、第1W相モジュール側流路23eと第2W相モジュール側流路23fがUターン部流路24a〜24fによってそれぞれ接続される。   The first U-phase module-side flow path 23a, the second U-phase module-side flow path 23b, the first V-phase module-side flow path 23c, and the first The 2V-phase module side flow path 23d, the first W-phase module side flow path 23e, and the second W-phase module side flow path 23f are connected by U-turn section flow paths 24a to 24f, respectively.

第2U相モジュール側流路23bと冷却水出口孔12が第1出口側流路25aによって接続され、第2V相モジュール側流路23dと冷却水出口孔12が第1出口側流路25bによって接続され、第2W相モジュール側流路23fと冷却水出口孔12が第3出口側流路25cによって接続され、3つの出口側流路25が合流した状態で冷却水出口孔12へ排出される。   The second U-phase module side channel 23b and the cooling water outlet hole 12 are connected by the first outlet side channel 25a, and the second V-phase module side channel 23d and the cooling water outlet hole 12 are connected by the first outlet side channel 25b. Then, the second W-phase module side flow path 23f and the cooling water outlet hole 12 are connected by the third outlet side flow path 25c, and the three outlet side flow paths 25 are discharged to the cooling water outlet hole 12 in a joined state.

流路を分岐させる入口側流路22が流路を合流させる出口側流路25と上下の方向に立体交差させることにより、全ての半導体モジュール1a〜1cが対向する流れに挟まれるように配置することが可能となる。本実施例では流路が3分岐しているため、全く分岐せずに1本の流路を蛇行させて冷却器を構成するよりも圧力損失を下げることができ、全ての半導体モジュール1で水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる。   The inlet side flow path 22 for branching the flow path is three-dimensionally intersected with the outlet side flow path 25 for merging the flow paths in the vertical direction so that all the semiconductor modules 1a to 1c are sandwiched between the opposing flows. It becomes possible. In this embodiment, since the flow path is branched into three, the pressure loss can be lowered as compared with the case where a single flow path is meandered without being branched at all to constitute a cooler. The effect of the rise can be offset by the opposing flow.

図12〜図14は、本発明の第5実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図8〜図11と同様に、流路を分岐させる入口側流路22が流路を合流させる出口側流路25と上下の方向に立体交差されている。   12-14 is the figure which showed the positional relationship of the water channel structure and semiconductor module which concern on 5th Embodiment of this invention. In this embodiment, as in FIGS. 8 to 11, the inlet-side channel 22 that branches the channel is three-dimensionally intersected with the outlet-side channel 25 that joins the channel in the vertical direction.

ただし、U相・V相・W相の順で半導体モジュール1a〜1cが上流から下流に向けて直列配列されていることや、流路が2分岐されていることが図8〜図11とは異なる。次に冷却水入口孔11から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路23へ配分され、どのように冷却水出口孔12へ排出されるのかを説明する。   However, the fact that the semiconductor modules 1a to 1c are arranged in series from upstream to downstream in the order of U phase, V phase, and W phase, and that the flow path is bifurcated are as shown in FIGS. Different. Next, how the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is distributed to each module side surface flow path 23 and how it is discharged to the cooling water outlet hole 12 will be described.

まず冷却水入口孔11から供給される冷却水は、入口側流路22で2分岐し、2つの第1U相モジュール側流路23aと冷却水入口孔11は、それぞれ第1入口側流路22aと第2入口側流路22bによって接続される。冷却水入口孔11と冷却水出口孔12が存在する面と逆の面側で、第1W相モジュール側流路23eと第2W相モジュール側流路23fがUターン部流路24によって接続される。   First, the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is branched into two at the inlet side flow path 22, and the two first U-phase module side flow paths 23 a and the cooling water inlet hole 11 are respectively connected to the first inlet side flow path 22 a. And the second inlet side flow path 22b. The first W-phase module side flow path 23e and the second W-phase module side flow path 23f are connected by the U-turn section flow path 24 on the side opposite to the surface where the cooling water inlet hole 11 and the cooling water outlet hole 12 exist. .

ここで2つのW相半導体モジュール1cはそれぞれ独立に流路を形成し、第1Uターン部流路24aは第2Uターン部流路24bに接続され、第3Uターン部流路24cは第4Uターン部流路24dに接続される。   Here, the two W-phase semiconductor modules 1c each independently form a flow path, the first U-turn section flow path 24a is connected to the second U-turn section flow path 24b, and the third U-turn section flow path 24c is the fourth U-turn section. Connected to the flow path 24d.

2つの第2U相モジュール側流路23bと冷却水出口孔12が、それぞれ第1出口側流路25aと第2出口側流路25bによって接続され、2つの出口側流路25が合流した状態で冷却水出口孔12へ排出される。   The two second U-phase module side flow paths 23b and the cooling water outlet hole 12 are connected by the first outlet side flow path 25a and the second outlet side flow path 25b, respectively, and the two outlet side flow paths 25 are joined together. It is discharged to the cooling water outlet hole 12.

なお、冷却水出口孔12は、半導体モジュール1a〜1cに対して冷却水入口孔11が配置された側に同じ側であって、筐体20の一面に設けられる。図12に示される第1入口側流路22aと第2入口側流路22bは、冷却水入口孔11と半導体モジュール側の流路を繋ぐ中間流路として機能する。同じく、第1出口側流路25aと第2出口側流路25bは、冷却水出口孔12と半導体モジュール側の流路を繋ぐ中間流路として機能する。   The cooling water outlet hole 12 is provided on one surface of the housing 20 on the same side as the side where the cooling water inlet hole 11 is disposed with respect to the semiconductor modules 1a to 1c. The first inlet side channel 22a and the second inlet side channel 22b shown in FIG. 12 function as intermediate channels that connect the cooling water inlet hole 11 and the channel on the semiconductor module side. Similarly, the first outlet side channel 25a and the second outlet side channel 25b function as an intermediate channel that connects the coolant outlet hole 12 and the channel on the semiconductor module side.

また、本実施形態においては、入口側流路22と出口側流路25と上下の方向に立体交差させるために、冷却水入口孔11と冷却水出口孔12は、半導体モジュール1a〜1cの高さ方向、若しくは半導体モジュール側の流路の高さ方向に対して異なる位置に配置される。ここで、入口側流路22と出口側流路25と上下の方向に立体交差させるということは、第1入口側流路22aと第2出口側流路25bを半導体モジュール側の流路の高さ方向から射影した場合における第1入口側流路22aの投影部と出口側流路25の投影部が交差するように、第1入口側流路22aと第2出口側流路25bを形成することである。   Further, in the present embodiment, the cooling water inlet hole 11 and the cooling water outlet hole 12 are formed at the heights of the semiconductor modules 1a to 1c in order to make a three-dimensional intersection with the inlet side flow path 22 and the outlet side flow path 25 in the vertical direction. They are arranged at different positions with respect to the vertical direction or the height direction of the flow path on the semiconductor module side. Here, three-dimensionally intersecting the inlet-side channel 22 and the outlet-side channel 25 in the vertical direction means that the first inlet-side channel 22a and the second outlet-side channel 25b are higher than the channel on the semiconductor module side. The first inlet-side channel 22a and the second outlet-side channel 25b are formed so that the projected portion of the first inlet-side channel 22a and the projected portion of the outlet-side channel 25 intersect when projected from the vertical direction. That is.

本実施例の半導体モジュール1の配置でも、全ての半導体モジュール1が対向する流れを跨ぐように配置することが可能となり、全く分岐せずに1本の流路を蛇行させて冷却器を構成するよりも圧力損失を下げることができ、全ての半導体モジュール1で水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる。   Even with the arrangement of the semiconductor modules 1 of the present embodiment, it is possible to arrange all the semiconductor modules 1 so as to straddle the opposing flows, and configure a cooler by meandering one flow path without branching at all. The pressure loss can be further reduced, and the influence of the water temperature rise can be offset by the opposing flow in all the semiconductor modules 1.

ここで、水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる点について、図15を用いて説明する。図15は、入口孔からの距離と液温やIGBT温度の関係を示す。液温とIGBT温度の温度差ΔTは、熱抵抗に発熱量を乗じることによって得られる値で、各半導体モジュール部のフィン間流速が一定であれば、入口孔から出口孔まで、ほぼ一定の値を示す。液温は各半導体モジュールから熱を受取り出口孔に向かって上昇する。例えば、インバータ全損失が6kWで、エチレングリコール水溶液50%を10L/min流したとすると入口孔と出口孔の液温差は約10℃になる。従来構成のIGBT温度は液温が上昇した分だけ上昇することになり、出口孔付近のIGBTの温度は高くなる。一方、本発明で提案する両面放熱構造は、片側の放熱面に低温側の冷媒が接し、反対側の放熱面に高温側の冷媒が接するため、液温上昇の影響は相殺され平均温度からの温度差ΔTを考えれば良い。故に、出口孔付近のIGBTの温度は従来構造に比べて低くなり、その結果製品寿命を延命できる。   Here, the point that the influence of the water temperature rise can be offset by the opposing flow will be described with reference to FIG. FIG. 15 shows the relationship between the distance from the inlet hole, the liquid temperature, and the IGBT temperature. The temperature difference ΔT between the liquid temperature and the IGBT temperature is a value obtained by multiplying the heat resistance by the calorific value. If the flow velocity between the fins of each semiconductor module part is constant, it is a substantially constant value from the inlet hole to the outlet hole. Indicates. The liquid temperature receives heat from each semiconductor module and rises toward the outlet hole. For example, if the total inverter loss is 6 kW and 50% ethylene glycol aqueous solution is flowed at 10 L / min, the liquid temperature difference between the inlet hole and the outlet hole is about 10 ° C. The IGBT temperature of the conventional configuration is increased by the amount of increase in the liquid temperature, and the temperature of the IGBT near the outlet hole is increased. On the other hand, in the double-sided heat dissipation structure proposed in the present invention, the low-temperature side refrigerant is in contact with one side of the heat-dissipation surface, and the high-temperature side refrigerant is in contact with the opposite side of the heat-dissipation surface. Considering the temperature difference ΔT. Therefore, the temperature of the IGBT near the outlet hole is lower than that of the conventional structure, and as a result, the product life can be extended.

図12は、半導体モジュール1を筐体20に差し込んだ状態の斜視図であり、放熱面と平行に配列された全ての半導体モジュール1が、対向する流れを跨いでいることを特徴とする。図13は、図12の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図である。また、図14は各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図を表す。本実施例では流路が2分岐しているため、全く分岐せずに1本の流路を蛇行させて冷却器を構成するよりも圧力損失を下げることができ、全ての半導体モジュール1で水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる。   FIG. 12 is a perspective view of a state in which the semiconductor module 1 is inserted into the housing 20, and is characterized in that all the semiconductor modules 1 arranged in parallel with the heat radiating surface straddle the opposing flows. 13 is a cross-sectional view passing through the center line of the cooling water inlet hole 11 of FIG. FIG. 14 is a flowchart schematically showing the flow direction around each module. In this embodiment, since the flow path is bifurcated, the pressure loss can be reduced as compared with the case where a single flow path meanders without being branched at all and the cooler is configured. The effect of the rise can be offset by the opposing flow.

図16〜図18は、本発明の第6実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図12〜図14と同様に、流路を2分岐させる入口側流路22が流路を合流させる出口側流路25と上下の方向に立体交差されている。ただし、2つあるU相半導体モジュール1aの4つの放熱面のうち、筐体20の中央に近い2つの放熱面(片方は第2U相モジュール側面流路23b、もう片方は第1U相モジュール側面流路23a)に、入口側流路22から冷媒液を供給することが図12〜図14とは異なる。次に冷却水入口孔11から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路23へ配分され、どのように冷却水出口孔12へ排出されるのかを説明する。   16 to 18 are views showing the positional relationship between the water channel structure and the semiconductor module according to the sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment, like FIG. 12 to FIG. 14, the inlet-side channel 22 that divides the channel into two branches intersects with the outlet-side channel 25 that merges the channel in the vertical direction. However, of the four heat radiating surfaces of the two U-phase semiconductor modules 1a, two heat radiating surfaces close to the center of the housing 20 (one is the second U-phase module side channel 23b and the other is the first U-phase module side flow It differs from FIGS. 12-14 in supplying a refrigerant | coolant liquid from the inlet side flow path 22 to the path 23a). Next, how the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is distributed to each module side surface flow path 23 and how it is discharged to the cooling water outlet hole 12 will be described.

まず冷却水入口孔11から供給される冷却水は、入口側流路22で2分岐し、筐体20の外側に近い2つの放熱面に対応する放熱面に供給される。第1U相モジュール側流路23aが筐体20の外側に位置するモジュールには、第1入口側流路22aと第1U相モジュール側面流路23aが接続される。一方、第2U相モジュール側流路23bが筐体20の外側に位置するモジュールには、第2入口側流路22bと第2U相モジュール側面流路23bが接続される。冷却水入口孔11と冷却水出口孔12が存在する面と逆の面側で、第1W相モジュール側流路23eと第2W相モジュール側流路23fがUターン部流路24によって接続される。   First, the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is branched into two at the inlet-side flow path 22 and supplied to the heat radiating surfaces corresponding to the two heat radiating surfaces near the outside of the housing 20. The first inlet-side channel 22a and the first U-phase module side channel 23a are connected to the module in which the first U-phase module-side channel 23a is located outside the housing 20. On the other hand, the second inlet-side channel 22b and the second U-phase module side channel 23b are connected to the module in which the second U-phase module-side channel 23b is located outside the housing 20. The first W-phase module side flow path 23e and the second W-phase module side flow path 23f are connected by the U-turn section flow path 24 on the side opposite to the surface where the cooling water inlet hole 11 and the cooling water outlet hole 12 exist. .

ここで2つのW相半導体モジュールはそれぞれ独立に流路を形成し、第1Uターン部流路24aは第2Uターン部流路24bに接続され、第3Uターン部流路24cは第4Uターン部流路24dに接続される。第2U相モジュール側流路23bが筐体20の中央に位置するモジュールには、第1出口側流路25aと第2U相モジュール側流路23bが接続される。一方、第1U相モジュール側流路23aが筐体20の中央に位置するモジュールには、第2出口側流路25bと第1U相モジュール側流路23aが接続される。   Here, the two W-phase semiconductor modules each independently form a channel, the first U-turn channel 24a is connected to the second U-turn channel 24b, and the third U-turn channel 24c is the fourth U-turn channel. Connected to the path 24d. The first outlet side channel 25a and the second U phase module side channel 23b are connected to the module in which the second U phase module side channel 23b is located at the center of the housing 20. On the other hand, the second outlet side channel 25b and the first U phase module side channel 23a are connected to the module in which the first U phase module side channel 23a is located at the center of the housing 20.

最後に、2つの出口側流路25が合流した状態で冷却水出口孔12へ排出される。図15は、半導体モジュール1を筐体20に差し込んだ状態の斜視図であり、放熱面と平行に配列された全ての半導体モジュール1が、対向する流れを跨いでいることを特徴とする。図17は、図16の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図である。   Finally, the two outlet side flow paths 25 are discharged to the cooling water outlet hole 12 in a state where they merge. FIG. 15 is a perspective view of a state in which the semiconductor module 1 is inserted into the housing 20, and is characterized in that all the semiconductor modules 1 arranged in parallel with the heat dissipation surface straddle opposing flows. FIG. 17 is a cross-sectional view through the center line of the cooling water inlet hole 11 of FIG.

また、図18は各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図を表す。本実施例の流路構造は、筐体20の中央に近い2つの放熱面に、水温上昇が少ない冷媒液を供給するため、流路隣接空間22に例えばコンデンサ一体モジュール110のような他の発熱部材を積極的に冷却できる機能を持っている。また筐体20の中央は多くの部材からの熱のあおりを受けやすい部分であるため、水温上昇が少ない冷媒液を供給することにより冷却性能を高めることが可能となる。本実施例は、冷媒液を逆流させるようなことがない場合、特に好的である。   FIG. 18 is a flowchart schematically showing the flow direction around each module. The flow path structure of this embodiment supplies other heat generation such as the capacitor integrated module 110 to the flow path adjacent space 22 in order to supply refrigerant liquid with a small increase in water temperature to the two heat radiating surfaces near the center of the housing 20. It has a function to actively cool the members. In addition, since the center of the housing 20 is a portion that is easily subjected to heat from many members, it is possible to improve the cooling performance by supplying a refrigerant liquid with a small increase in water temperature. This embodiment is particularly preferable when the refrigerant liquid does not flow backward.

図19〜図21は、本発明の第7実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図12〜図14と同様に、流路を2分岐させる入口側流路22が流路を合流させる出口側流路25と上下の方向に立体交差されている。ただし、各半導体モジュール1の配置が図12〜図14とは異なる。半導体モジュール1は、入口側流路22に近い場所から時計回りに2つのU相半導体モジュール1a、2つのV相半導体モジュール1b、2つのW相半導体モジュール1c、の順で直列配置されている。   FIGS. 19-21 is the figure which showed the positional relationship of the water channel structure and semiconductor module which concern on 7th Embodiment of this invention. In the present embodiment, like FIG. 12 to FIG. 14, the inlet-side channel 22 that divides the channel into two branches intersects with the outlet-side channel 25 that merges the channel in the vertical direction. However, the arrangement of the semiconductor modules 1 is different from those shown in FIGS. The semiconductor module 1 is arranged in series in the order of two U-phase semiconductor modules 1a, two V-phase semiconductor modules 1b, and two W-phase semiconductor modules 1c in a clockwise direction from a location near the inlet-side flow path 22.

特にV相半導体モジュール1bは、U相半導体モジュール1aやW相半導体モジュール1cに対して垂直な方向に放熱面を有することが特徴となる。図19は、半導体モジュール1を筐体20に差し込んだ状態の斜視図であり、放熱面と平行に配列された全ての半導体モジュール1が、対向する流れを跨いでいることを特徴とする。図20は、図19の冷却水入口孔11の中心線を通る断面図である。図19と図20の、V相半導体モジュール1bのモジュール側面流路23cと23dは、Uターン部流路24を形成する構造になっている。   In particular, the V-phase semiconductor module 1b is characterized by having a heat dissipation surface in a direction perpendicular to the U-phase semiconductor module 1a and the W-phase semiconductor module 1c. FIG. 19 is a perspective view of a state in which the semiconductor module 1 is inserted into the housing 20, and is characterized in that all the semiconductor modules 1 arranged in parallel with the heat radiating surface straddle the opposing flows. 20 is a cross-sectional view through the center line of the cooling water inlet hole 11 of FIG. 19 and FIG. 20, the module side surface channels 23c and 23d of the V-phase semiconductor module 1b are structured to form a U-turn portion channel 24.

次に冷却水入口孔11から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路23へ配分され、どのように冷却水出口孔12へ排出されるのかを説明する。まず冷却水入口孔11から供給される冷却水は、入口側流路22で2分岐し、第1U相モジュール側流路23aと冷却水入口孔11は、第1入口側流路22a、第2W相モジュール側流路23fと冷却水入口孔11は、第2入口側流路22bによって接続される。   Next, how the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is distributed to each module side surface flow path 23 and how it is discharged to the cooling water outlet hole 12 will be described. First, the cooling water supplied from the cooling water inlet hole 11 is branched into two at the inlet side flow path 22, and the first U-phase module side flow path 23 a and the cooling water inlet hole 11 are connected to the first inlet side flow path 22 a and the second W. The phase module side flow path 23f and the cooling water inlet hole 11 are connected by the second inlet side flow path 22b.

冷却水入口孔11と冷却水出口孔12が存在する面と逆の面側で、第1U相モジュール側流路23aと第1V相モジュール側流路23cが第1コーナー部流路26aによって接続され、第2U相モジュール側流路23bと第2V相モジュール側流路23dが第2コーナー部流路26bによって接続され、さらに、第1V相モジュール側流路23cと第1W相モジュール側流路23eが第3コーナー部流路26cによって接続され、第2V相モジュール側流路23dと第2W相モジュール側流路23fが第4コーナー部流路26dによって接続される。   The first U-phase module side channel 23a and the first V-phase module side channel 23c are connected by the first corner channel 26a on the side opposite to the surface where the cooling water inlet hole 11 and the cooling water outlet hole 12 exist. The second U-phase module side flow path 23b and the second V-phase module side flow path 23d are connected by the second corner portion flow path 26b, and further, the first V-phase module side flow path 23c and the first W-phase module side flow path 23e are connected. The second V-phase module side channel 23d and the second W-phase module side channel 23f are connected by the fourth corner portion channel 26d.

ここで第1V相側面流路23cと第2V相側面流路23dは、それぞれ、第1Uターン部流路24aと第2Uターン部流路24bを構成している点が特徴である。最後に、第2U相モジュール側流路23bと冷却水出口孔12が第1出口側流路25aによって接続され、第1W相モジュール側流路23eと冷却水出口孔12が第2出口側流路25bによって接続され、2つの出口側流路25が合流した状態で冷却水出口孔12へ排出される。   Here, the first V-phase side channel 23c and the second V-phase side channel 23d are characterized in that they constitute a first U-turn channel 24a and a second U-turn channel 24b, respectively. Finally, the second U-phase module side channel 23b and the cooling water outlet hole 12 are connected by the first outlet side channel 25a, and the first W-phase module side channel 23e and the cooling water outlet hole 12 are connected to the second outlet side channel. 25 b and are discharged to the cooling water outlet hole 12 in a state where the two outlet-side flow paths 25 are joined.

コーナー部流路26は、モジュール側面流路23内を流れる冷媒の進行方向を、それぞれ別々に約90゜変える機能を有する。本実施例の流路構造は、流路隣接空間28を他の実施例よりも大きくとることができるため、例えばコンデンサ一体モジュール110のような他の発熱部材が比較的大きくても筐体20に収納することが容易であり、かつそれらを冷却することが可能である。   The corner channel 26 has a function of individually changing the traveling direction of the refrigerant flowing in the module side channel 23 by about 90 °. Since the flow path structure of the present embodiment can make the flow path adjacent space 28 larger than the other embodiments, for example, even if other heat generating members such as the capacitor integrated module 110 are relatively large, It is easy to store and it is possible to cool them.

Claims (9)

第1半導体チップと、当該第1半導体チップの一方の主面と対向する第1導体板と、当該第1半導体チップの他方の主面と対向する第2導体板と、を有する第1半導体モジュールと、
第2半導体チップと、当該第2半導体チップの一方の主面と対向する第3導体板と、当該第2半導体チップの他方の主面と対向する第4導体板と、を有し、当該第3導体板が前記第1半導体モジュールの第2導体と対向するように配置される第2半導体モジュールと、
冷媒入口部と、
前記第1半導体モジュール及び前記第2半導体モジュールに対して前記冷媒入口部が配置された側に配置された冷媒出口部と、
前記第1半導体モジュールの前記第1導体板を挟んで、前記第1半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第1流路と、
前記第1半導体モジュールの前記第2導体板を挟んで、前記第1半導体チップの配置側とは反対側に設けられ第2流路と、
前記第2半導体モジュールの前記第3導体板を挟んで、前記第2半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第3流路と、
前記第2半導体モジュールの前記第4導体板を挟んで、前記第2半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第4流路と、
前記冷媒入口部と前記第1流路と接続するための第1中間流路と、
前記冷媒出口部と前記第2流路と接続するための第2中間流路と、
前記冷媒入口部と前記第3流路と接続するための第3中間流路と、
前記冷媒出口部と前記第4流路と接続するための第4中間流路と、を備え、
前記第1流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第2流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第1流路と前記第2流路が設けられ、
前記第3流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第4流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第3流路と前記第4流路が設けられ、
前記冷媒入口部と前記冷媒出口部は、前記第1流路の高さ方向に対して異なる位置に配置され、
前記第2中間流路と前記第3中間流路は、前記第1流路の高さ方向から射影した当該第2中間流路の投影部と当該第3中間流路の投影部が交差するように形成される電力変換装置。
A first semiconductor module having a first semiconductor chip, a first conductor plate facing one main surface of the first semiconductor chip, and a second conductor plate facing the other main surface of the first semiconductor chip. When,
A second semiconductor chip; a third conductor plate facing one main surface of the second semiconductor chip; and a fourth conductor plate facing the other main surface of the second semiconductor chip. A second semiconductor module disposed such that a three-conductor plate faces the second conductor of the first semiconductor module;
A refrigerant inlet,
A refrigerant outlet portion disposed on a side where the refrigerant inlet portion is disposed with respect to the first semiconductor module and the second semiconductor module;
A first flow path provided on a side opposite to the arrangement side of the first semiconductor chip across the first conductor plate of the first semiconductor module;
A second flow path provided on the opposite side of the first semiconductor chip across the second conductor plate of the first semiconductor module;
A third flow path provided on the opposite side to the arrangement side of the second semiconductor chip across the third conductor plate of the second semiconductor module;
A fourth flow path provided on the side opposite to the arrangement side of the second semiconductor chip across the fourth conductor plate of the second semiconductor module;
A first intermediate flow path for connecting the refrigerant inlet and the first flow path;
A second intermediate flow path for connecting the refrigerant outlet and the second flow path;
A third intermediate flow path for connecting the refrigerant inlet and the third flow path;
A fourth intermediate flow path for connecting the refrigerant outlet portion and the fourth flow path,
The first flow path and the second flow path are provided such that the flow direction of the refrigerant flowing through the first flow path is opposite to the flow direction of the refrigerant flowing through the second flow path,
The third flow path and the fourth flow path are provided so that the flow direction of the refrigerant flowing through the third flow path is opposite to the flow direction of the refrigerant flowing through the fourth flow path,
The refrigerant inlet portion and the refrigerant outlet portion are arranged at different positions with respect to the height direction of the first flow path,
The third interim flow path and the second intermediate passage, the projection portion of the projection portion and the third intermediate channel of the second during passage of projecting in the height direction of the first flow path cross A power conversion device formed as described above.
請求項1に記載された電力変換装置であって、
前記第1中間流路は、当該第1中間流路の途中で屈曲部を有するように形成され、かつ当該屈曲部から前記第1流路に至る冷媒の流れ方向が前記第1半導体チップの主面と所定の角度以上となるように形成される電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1,
The first intermediate channel is formed so as to have a bent portion in the middle of the first intermediate channel, and the flow direction of the refrigerant from the bent portion to the first channel is the main of the first semiconductor chip. The power converter formed so that it may become more than a predetermined angle with a surface.
請求項1または2に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記冷媒入口部に流れる冷媒の流れ方向が前記第1流路に流れる冷媒の流れ方向が平行になるように、当該冷媒入口部が形成され、
前記冷媒出口部に流れる冷媒の流れ方向が前記第4流路に流れる冷媒の流れ方向が平行になるように、当該冷媒出口部が形成される電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 or 2, wherein
The refrigerant inlet portion is formed such that the flow direction of the refrigerant flowing through the refrigerant inlet portion is parallel to the flow direction of the refrigerant flowing through the first flow path,
The power conversion device in which the refrigerant outlet part is formed so that the flow direction of the refrigerant flowing through the refrigerant outlet part is parallel to the flow direction of the refrigerant flowing through the fourth flow path.
請求項1または3に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第1流路と前記第2流路は、前記第1半導体モジュールを挟んで第1中間流路とは反対側で接続され、
前記第3流路と前記第4流路は、前記第2半導体モジュールを挟んで第4中間流路とは反対側で接続される電力変換装置。
The power conversion device according to any one of claims 1 and 3,
The first channel and the second channel are connected on the opposite side of the first intermediate channel across the first semiconductor module,
The power conversion device, wherein the third flow path and the fourth flow path are connected on the opposite side to the fourth intermediate flow path with the second semiconductor module interposed therebetween.
請求項1ないし4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第1半導体モジュールは、前記第1半導体チップの主面と垂直方向に突出した第1フィンを有し、
前記第2半導体モジュールは、前記第2半導体チップの主面と垂直方向に突出した第2フィンを有する電力変換装置。
The power conversion device according to any one of claims 1 to 4,
The first semiconductor module has a first fin protruding in a direction perpendicular to a main surface of the first semiconductor chip,
The second semiconductor module is a power conversion device having second fins protruding in a direction perpendicular to a main surface of the second semiconductor chip.
請求項1ないし5に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第1半導体モジュールと前記第2半導体モジュールとの間の空間であって、前記第2流路と前記第3流路に挟まれるよう配置された平滑用コンデンサモジュールとを備える電力変換装置。
The power conversion device according to any one of claims 1 to 5,
A power conversion apparatus comprising: a smoothing capacitor module disposed between the second flow path and the third flow path, which is a space between the first semiconductor module and the second semiconductor module.
請求項1ないし6に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第1半導体モジュール及び前記第2半導体モジュールを収納する筐体を備え、
前記冷媒入口部と前記冷媒出口部は、前記筐体の一面側に配置され、
前記第1中間流路と前記第2中間流路と前記第3中間流路と前記第4中間流路は、前記筐体と一体に形成された中間流路形成部に設けられる電力変換装置。
The power conversion device according to any one of claims 1 to 6,
A housing for housing the first semiconductor module and the second semiconductor module;
The refrigerant inlet and the refrigerant outlet are disposed on one side of the housing,
The first intermediate flow path, the second intermediate flow path, the third intermediate flow path, and the fourth intermediate flow path are provided in an intermediate flow path forming portion that is formed integrally with the housing.
請求項1ないし7に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第1半導体モジュールは、前記第1半導体チップを含んで構成される上アーム回路及び下アーム回路を内蔵し、
前記第2半導体モジュールは、前記第2半導体チップを含んで構成される上アーム回路及び下アーム回路を内蔵する電力変換装置。
The power conversion device according to any one of claims 1 to 7,
The first semiconductor module includes an upper arm circuit and a lower arm circuit configured to include the first semiconductor chip,
The second semiconductor module is a power conversion device including an upper arm circuit and a lower arm circuit configured to include the second semiconductor chip.
請求項8に記載された電力変換装置であって、
前記第1半導体モジュールと前記第2半導体モジュールは、それぞれ異なるモータを駆動するための半導体モジュールである電力変換装置。
The power conversion device according to claim 8, wherein
The first semiconductor module and the second semiconductor module are power conversion devices that are semiconductor modules for driving different motors.
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