JP5315073B2 - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子が実装された金属ベース板を冷媒により直接冷却する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that directly cools a metal base plate on which a semiconductor element is mounted with a refrigerant.
従来、パワー半導体素子が固定された金属ベースに放熱用のフィンを形成し、そのフィンを冷却水路部の冷却水に直接接触させることで、パワー半導体素子で発生した熱を冷却水へ放熱するような構成のパワーモジュールが知られている(例えば、特許文献1参照)。パワーモジュールは、フィンが形成された放熱面で冷却水路開口を覆うように冷却水路部に取り付けられている。金属ベースの裏面(冷却水路側の面)と冷却水路部との間には、冷却水路部からの冷媒漏れを防止するためのシール部材が設けられおり、パワーモジュールをボルトやビス等のネジ部品により冷却水路部に固定することで、シール部材による封止が行われる。 Conventionally, a heat radiation fin is formed on a metal base to which a power semiconductor element is fixed, and the fin is brought into direct contact with the cooling water in the cooling water channel portion so that heat generated in the power semiconductor element is radiated to the cooling water. A power module having a simple structure is known (see, for example, Patent Document 1). The power module is attached to the cooling water channel portion so as to cover the cooling water channel opening with the heat radiating surface on which the fins are formed. A seal member is provided between the back surface of the metal base (the surface on the cooling water channel side) and the cooling water channel part to prevent refrigerant leakage from the cooling water channel part, and the power module is a screw component such as a bolt or screw. By sealing to a cooling water channel part by this, sealing with a sealing member is performed.
ところで、金属ベース上には、パワー半導体素子等の実装部品を配置するためのスペースが必要であるが、さらに、ボルト固定用の締結座面やボルト締め付け時の工具スペースも確保する必要がある。一方、シール部材の封止性能を確保するためには、ボルト固定の際のボルト間隔を、冷媒の圧力やベース金属の剛性等に応じた所定間隔以下にする必要がある。そのため、部品実装領域以外の領域が増加し、パワーモジュールが大型化してしまうという問題があった。 Incidentally, on the metal base, a space for arranging mounting parts such as power semiconductor elements is necessary, but it is also necessary to secure a fastening seat surface for fixing bolts and a tool space for tightening the bolts. On the other hand, in order to ensure the sealing performance of the seal member, it is necessary to set the bolt interval at the time of bolt fixing to a predetermined interval or less according to the refrigerant pressure, the rigidity of the base metal, and the like. For this reason, there is a problem that the area other than the component mounting area is increased and the power module is increased in size.
請求項1の発明による電力変換装置は、冷媒が流れる流路と流路の一部が露出している開口とが形成された冷却ジャケットと、インバータ回路を構成する上アーム用半導体素子および下アーム用半導体素子を具備し、直流電力と交流電力とを相互に変換するための半導体素子と、板状部材の一方の面に半導体素子が実装されるとともに、他方の面が開口を塞ぐように冷却ジャケットに固定されて冷媒に接触する金属ベース板と、金属ベース板と冷却ジャケットとの間に挟持され、開口からの冷媒の漏れを封止するシール部材と、を備えた電力変換装置であって、金属ベース板は、半導体素子が実装され、上アーム用半導体素子のための第1実装領域と、下アーム用半導体素子のための第2実装領域とを備える実装領域と、シール部材を押圧して冷却ジャケットに固定する固定領域とを有し、第1実装領域および第2実装領域のそれぞれに対応する第1フィン形成領域および第2フィン形成領域とを備え、金属ベース板は、温度サイクルにより金属ベース板に発生する応力が降伏応力に到達しないビッカース硬度を有する材料より成り、実装領域の厚さを半導体素子から発生する熱を冷媒に放熱するための放熱量に応じて定め、さらに、実装領域の他方の面にフィン形成領域を設け、フィン形成領域に流路内に突出する複数の冷却フィンを形成し、固定領域の厚さを実装領域の厚さよりも大きく設定し、固定領域の剛性を実装領域の剛性よりも大きく設定したことを特徴とする。
請求項2の発明による電力変換装置は、請求項1に記載の電力変換装置において、実装領域の厚さは3〜4mmであることを特徴とする。
請求項3の発明による電力変換装置は、請求項1または2に記載の電力変換装置において、金属板材を鍛造加工することにより、実装領域と固定領域と冷却フィンとを一体成型したことを特徴とする。
請求項4の発明による電力変換装置は、請求項1または2に記載の電力変換装置において、金属粉末射出成型法により、実装領域と固定領域と冷却フィンとを一体成型したことを特徴とする。
請求項5の発明による電力変換装置は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置において、金属ベースの基板形状は矩形であって、その矩形領域の周縁の矩形枠領域を固定領域とし、矩形枠領域の四隅を締結部品により冷却ジャケットに締結したことを特徴とする。
Power converter according to a first aspect of the present invention, a cooling jacket opening and is formed where part of the flow path and a flow path through which the refrigerant flows is exposed, the semiconductor element and the lower arm upper arm constituting the inverter circuit comprising a use semiconductor device, a semiconductor element for converting a DC power and AC power together, along with the semi-conductor element is mounted on one surface of the plate-like member, so that the other face closes the apertures A metal base plate that is fixed to the cooling jacket and contacts the refrigerant, and a seal member that is sandwiched between the metal base plate and the cooling jacket and seals leakage of the refrigerant from the opening. The metal base plate includes a mounting region on which a semiconductor element is mounted , a first mounting region for the upper arm semiconductor device, and a second mounting region for the lower arm semiconductor device, and a seal member. Press And a fixing region for fixing to the cooling jacket, and a first fin forming region and the second fin forming region corresponding to each of the first mounting area and the second mounting region, the metal base plate is a metal with a temperature cycle stress generated in the base plate is made from a material having a Vickers hardness not reaching the yield stress, determined according to the heat generated the thickness of the mounting area from the semiconductor element to the heat radiation amount for radiating the refrigerant further, the mounting area A fin forming region is provided on the other surface of the substrate, a plurality of cooling fins protruding into the flow path are formed in the fin forming region, the thickness of the fixing region is set larger than the thickness of the mounting region, and the rigidity of the fixing region is increased. It is characterized by being set larger than the rigidity of the mounting area.
A power conversion device according to a second aspect of the present invention is the power conversion device according to the first aspect, wherein the mounting region has a thickness of 3 to 4 mm.
A power converter according to a third aspect of the present invention is the power converter according to the first or second aspect, wherein the mounting region, the fixed region, and the cooling fin are integrally formed by forging the metal plate material. To do.
A power converter according to a fourth aspect of the present invention is the power converter according to the first or second aspect, wherein the mounting region, the fixed region, and the cooling fin are integrally molded by a metal powder injection molding method.
A power conversion device according to a fifth aspect of the present invention is the power conversion device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the metal-based substrate has a rectangular shape, and a rectangular frame region at a periphery of the rectangular region. The fixed area is formed, and the four corners of the rectangular frame area are fastened to the cooling jacket by fastening parts.
本発明によれば、金属ベースの剛性向上を図ることにより、冷却性能を維持しつつ装置の小型化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the size of the apparatus while maintaining the cooling performance by improving the rigidity of the metal base.
本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能である。ここでは、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の、制御構成と電力変換装置の回路構成について、図1と図2を用いて説明する。 A power converter according to an embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The power conversion device according to the embodiment of the present invention can be applied to a hybrid vehicle or a pure electric vehicle. Here, as a representative example, a control configuration and a circuit configuration of the power conversion device when the power conversion device according to the embodiment of the present invention is applied to a hybrid vehicle will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は、運転モードに応じて車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。 The power conversion device according to the embodiment of the present invention is used in a vehicle-mounted power conversion device for a vehicle-mounted electrical system mounted on an automobile, in particular, a vehicle drive electrical system, and has a very severe mounting environment and operational environment. The inverter device will be described as an example. A vehicle drive inverter device is provided in a vehicle drive electrical system as a control device for controlling the drive of a vehicle drive motor, and a DC power supplied from an onboard battery or an onboard power generator constituting an onboard power source is a predetermined AC power. Then, the AC power obtained is supplied to the vehicle drive motor to control the drive of the vehicle drive motor. Further, since the vehicle drive motor also has a function as a generator, the vehicle drive inverter device also has a function of converting AC power generated by the vehicle drive motor into DC power according to the operation mode. ing. The converted DC power is supplied to the on-vehicle battery.
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置に対しても適用可能である。例えば、電車や船舶、航空機などの電力変換装置や、工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、あるいは、家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする、家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。 Note that the configuration of the present embodiment is optimal as a power converter for driving a vehicle such as an automobile or a truck, but can be applied to other power converters. For example, power converters for trains, ships, airplanes, etc., industrial power converters used as control devices for motors that drive factory equipment, or motors that drive household solar power generation systems and household appliances The present invention can also be applied to a household power conversion device that is used in other control devices.
図1はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図1において、ハイブリッド電気自動車(以下、「HEV」と記述する)110は1つの電動車両であり、2つの車両駆動用システムを備えている。その1つは、内燃機関であるエンジン120を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてHEV110の駆動源として用いられる。もう1つは、モータジェネレータ192,194を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてHEV110の駆動源およびHEV110の電力発生源として用いられる。モータジェネレータ192,194は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
FIG. 1 is a diagram showing a control block of a hybrid vehicle. In FIG. 1, a hybrid electric vehicle (hereinafter referred to as “HEV”) 110 is one electric vehicle and includes two vehicle drive systems. One of them is an engine system that uses an
車体のフロント部には前輪車軸114が回転可能に軸支されている。前輪車軸114の両端には1対の前輪112が設けられている。車体のリア部には後輪車軸(図示省略)が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には1対の後輪が設けられている。本実施形態のHEV110では、動力によって駆動される主輪を前輪112とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
A
前輪車軸114の中央部には、前輪側デファレンシャルギア(以下、「前輪側DEF」と記述する)116が設けられている。前輪車軸114は、前輪側DEF116の出力側に機械的に接続されている。前輪側DEF116の入力側には、変速機118の出力軸が機械的に接続されている。前輪側DEF116は、変速機118によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸114に分配する差動式動力分配機構である。変速機118の入力側には、モータジェネレータ192の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ192の入力側には、動力分配機構122を介してエンジン120の出力側およびモータジェネレータ194の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ192,194および動力分配機構122は、変速機118の筐体の内部に収納されている。
A front wheel side differential gear (hereinafter referred to as “front wheel side DEF”) 116 is provided at the center of the
モータジェネレータ192,194は回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置140,142によって制御されることにより、モータジェネレータ192,194の駆動が制御される。インバータ装置140,142にはバッテリ136が接続されており、バッテリ136とインバータ装置140,142との間において電力の授受が可能である。
The
本実施形態では、HEV110は、モータジェネレータ192およびインバータ装置140からなる第1電動発電ユニットと、モータジェネレータ194およびインバータ装置142からなる第2電動発電ユニットとの2つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン120からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第1電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第2電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、バッテリ136の電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ192の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第1電動発電ユニットまたは第2電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン120の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ136の充電ができる。
In the present embodiment, the vehicle can be driven only by the power of the
バッテリ136は、さらに補機用のモータ195を駆動するための電源としても使用される。補機としては、たとえばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータがあり、バッテリ136からインバータ装置43に供給された直流電力はインバータ装置43で交流の電力に変換され、モータ195に供給される。インバータ装置43はインバータ装置140,142と同様の機能を持ち、モータ195に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。たとえば、モータ195の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ195はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ195は発電機として作用し、モータ195は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置43の制御機能は、インバータ装置140,142の制御機能と同様である。モータ195の容量がモータジェネレータ192,194の容量より小さいので、インバータ装置43の最大変換電力はインバータ装置140,142より小さいが、インバータ装置43の回路構成は基本的にインバータ装置140,142の回路構成と同じである。
The
インバータ装置140,142および43とコンデンサモジュール500とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置200は、インバータ装置140,142および43とコンデンサモジュール500とを電力変換装置200の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
次に、図2を用いてインバータ装置140や142あるいはインバータ装置43の電気回路構成を説明する。なお、図1〜図2に示す実施形態では、インバータ装置140や142あるいはインバータ装置43を、それぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置140,142および43は同様の構成、作用および機能を有しており、ここでは、代表例としてインバータ装置140の説明を行う。
Next, the electric circuit configuration of the
インバータ装置140は、インバータ回路144と制御部170とを有している。インバータ回路144は、U相、V相およびW相に対応した3つの上下アーム直列回路150を備えている。各上下アーム直列回路150は、上アームとして動作するIGBT328(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)およびダイオード156と、下アームとして動作するIGBT330およびダイオード166とを有している。それぞれの上下アーム直列回路150の中点部分(中間電極169)の交流端子159には、モータジェネレータ192への交流電力線(交流バスバー)186が接続されている。交流電力線186は、交流コネクタ188を介してモータジェネレータ192の電機子巻線の対応する相巻線に電気的に接続されている。制御部170は、インバータ回路144を駆動制御するドライバ回路174と、信号線176を介してドライバ回路174へ制御信号を供給する制御回路172とを有している。
The
上アームと下アームのIGBT328,330は、スイッチング用パワー半導体素子である。IGBT328,330は制御部170から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ136から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ192の電機子巻線に供給される。
The upper arm and the
インバータ回路144は3相ブリッジ回路により構成され、3相分の上下アーム直列回路150は、バッテリ136の正極側に電気的に接続されている直流正極端子314と負極側に電気的に接続されている直流負極端子316との間に、電気的に並列に接続されている。
The
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてIGBT328,330が用いられている。IGBT328,330は、コレクタ電極153,163、エミッタ電極(信号用エミッタ電極端子155,165)、ゲート電極(ゲート電極端子154,164)を備えている。IGBT328,330のコレクタ電極153,163とエミッタ電極との間にはダイオード156,166が図示するように電気的に接続されている。ダイオード156,166は、IGBT328,330のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がIGBT328,330のコレクタ電極に、アノード電極がIGBT328,330のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いてもよい、この場合はダイオード156やダイオード166は不要となる。
In this embodiment,
上述したように、上下アーム直列回路150は、モータジェネレータ192の電機子巻線の各相巻線に対応して3相分設けられており、各々は電気的に並列接続されている。上アームのIGBT328のコレクタ電極153は正極端子(P端子)157を介してコンデンサモジュール500の正極側コンデンサ電極に、下アームのIGBT330のエミッタ電極は負極端子(N端子)158を介してコンデンサモジュール500の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続(直流バスバーで接続)されている。
As described above, the upper and lower
コンデンサモジュール500は、IGBT328,330のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成している。コンデンサモジュール500の正極側コンデンサ電極にはバッテリ136の正極側が、コンデンサモジュール500の負極側コンデンサ電極にはバッテリ136の負極側がそれぞれ直流コネクタ138を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール500は、上アーム用IGBT328のコレクタ電極153とバッテリ136の正極側との間と、下アーム用IGBT330のエミッタ電極とバッテリ136の負極側との間で接続され、バッテリ136と上下アーム直列回路150に対して電気的に並列接続される。
制御部170はIGBT328,330を作動させるためのものであり、制御回路172とドライブ回路174とを備えている。制御回路172は、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、IGBT328,330のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライブ回路174は、制御回路172から出力されたタイミング信号に基づいて、IGBT328,330をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成する。
The
制御回路172は、IGBT328,330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(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンには、モータジェネレータ192に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路からモータジェネレータ192の電機子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ192の回転子の磁極位置が、入力情報として入力される。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ180から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ192に設けられた回転磁極センサ(不図示)から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では3相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、2相分の電流値を検出するようにしても構わない。
The
制御回路172内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ192のd,q軸の電流指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電流指令値と、検出されたd,q軸の電流値との差分に基づいてd,q軸の電圧指令値を演算する。さらにマイコンは、この演算されたd,q軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてU相、V相、W相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、U相、V相、W相の電圧指令値に基づく基本波(正弦波)と搬送波(三角波)との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をPWM(パルス幅変調)信号としてドライバ回路174に出力する。
The microcomputer in the
ドライバ回路174は、下アームを駆動する場合、PWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのIGBT330のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路174は、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからPWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT328のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各IGBT328,330は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
When driving the lower arm, the
また、制御部170は、異常検知(過電流、過電圧、過温度など)を行い、上下アーム直列回路150を保護している。このため、制御部170にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用エミッタ電極端子155,165からは各IGBT328,330のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部(IC)に入力されている。これにより、各駆動部(IC)は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するIGBT328,330のスイッチング動作を停止させ、対応するIGBT328,330を過電流から保護する。上下アーム直列回路150に設けられた温度センサ(不図示)からは上下アーム直列回路150の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路150の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのIGBT328,330のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路150を過温度或いは過電圧から保護する。
In addition, the
インバータ装置140の上下アームのIGBT328,330の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時にモータジェネレータ192の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード156,166を含む回路を流れる。なお、本実施形態の電力変換装置200では、インバータ装置140の各相に1つの上下アーム直列回路150を設けたが、モータジェネレータ192へ出力する3相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に2つの上下アーム直列回路150を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。
The conduction and cut-off operations of the
図3は電力変換装置200の概観を示す斜視図であり、図4は電力変換装置200の内部構成を示す分解斜視図である。電力変換装置200の外観部品としては、上面あるいは底面が略長方形の筐体12と、筐体12の短辺側の外周の1つに設けられた冷却水入口配管13および冷却水出口配管14と、筐体12の上部開口を塞ぐための上部ケース10と、筐体12の下部開口を塞ぐための下部ケース16とを備えている。上部ケース10および下部ケース16は、例えばネジやボルト等の締結部品により筐体12に固定される。筐体12の底面側あるいは上面側の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。
FIG. 3 is a perspective view showing an overview of the
電力変換装置200の長辺側の外周には、各モータジェネレータ192,194との接続に用いる2組の交流ターミナルケース17が設けられている。交流ターミナル18は、図4に示すパワーモジュール300とモータジェネレータ192、194とを電気的に接続するために用いられる。電力変換装置200には、2つのパワーモジュール300が設けられている。一方のパワーモジュール300にはインバータ回路144が内蔵され、他方のパワーモジュール300にはインバータ回路145が内蔵されている。パワーモジュール300から出力される交流電流は、交流ターミナル18を介して、モータジェネレータ192、194へ伝達される。
Two sets of
コネクタ21は、筐体12に内蔵された制御回路基板20に接続されている。制御回路基板20には上述した制御回路172が設けられている。外部からの各種信号は、コネクタ21を介して制御回路基板20に伝送される。本実施形態では、コネクタ21は、筐体12の短辺側の外周面の一方側に設けられる。
The
直流(バッテリ)負極側接続端子部510と直流(バッテリ)正極側接続端子部512は、バッテリ136とコンデンサモジュール500とを電気的に接続する。一方、直流(バッテリ)負極側接続端子部510と直流(バッテリ)正極側接続端子部512は、コネクタ21が設けられた面とは反対側の短辺側の外周面に設けられる。つまり、コネクタ21と直流(バッテリ)負極側接続端子部510が離れた配置となっている。これにより、直流(バッテリ)負極側接続端子部510から筐体12に侵入し、さらにコネクタ21まで伝播するノイズを低減することでき、制御回路基板20によるモータの制御性を向上させることができる。
The direct current (battery) negative electrode side
図4に示すように、筐体12の高さ方向ほぼ中央には、内部に冷却水流路19が形成された冷却ジャケット19Aが設けられている。冷却ジャケット19Aの上部には、流れの方向に沿って開口400,402が形成されている。開口400,402は冷却水流路19の往路と復路とにそれぞれ形成されており、一対の開口400を塞ぐように配置されたパワーモジュール300と、一対の開口402を塞ぐように配置されたパワーモジュール300とがそれぞれ冷却ジャケット19Aの上面に固定されている。各パワーモジュール300には放熱のための冷却フィン305(図7参照)が設けられており、各パワーモジュール300の冷却フィン305はそれぞれ冷却ジャケット19Aの開口400,402から冷却水流路19中に突出している。
As shown in FIG. 4, a cooling
また、冷却ジャケット19Aの下面には、補機用のインバータ装置43が取り付けられている。補機用のインバータ装置43は、図2に示したようにインバータ回路146を構成するパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用のインバータ装置43は、内蔵しているパワーモジュールの放熱金属面が冷却ジャケット19Aの下面に対向するようにして、冷却ジャケット19Aの下面に固定されている。
In addition, an
本実施の形態では筐体12はアルミ鋳造で形成される。冷却ジャケット19Aの下面には、アルミ鋳造を行いやすくするための開口404が形成され、開口404は下カバー420で塞がれている。パワーモジュール300と筐体12との間には、シールをするためのOリング800が設けられ、さらに下カバー420と筐体12との間にもOリング802が設けられている。本実施形態ではシール材をOリングとしているが、Oリングの代わりに樹脂材、液状シール、パッキンなどで代用しても良い。特に、液状シールを用いた場合には電力変換装置200の組立性を向上させることができる。
In the present embodiment, the
上述したように、冷却ジャケット19Aの上面開口をパワーモジュール300で覆い、下面開口を下カバー420で覆うことにより、冷却ジャケット19Aの内部に冷却水流路19が形成される。水漏れ試験は組み立て途中に行われ、水漏れ試験に合格した後に、筐体12の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール500を取り付ける作業を行う。このように筐体12の中央に冷却ジャケット19Aを配置し、水漏れ試験後に、筐体12の上下開口から必要な部品を固定する作業が行えるような構造を採用しているので、生産性が向上する。また、水漏れ試験後にその他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。
As described above, the cooling
さらに、図3,4に示すように冷却ジャケット19Aの下方には下部ケース16が設けられ、下部ケース16にはコンデンサモジュール500が設けられている。コンデンサモジュール500は、その金属製ケースの放熱面が下部ケース16の底板内面に接するように、下部ケース16の底板内面に固定されている。この構造により、冷却ジャケット19Aの上面と下面とを利用して、パワーモジュール300およびインバータ装置43を効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
3 and 4, a
冷却水入出口配管13,14からの冷却水が冷却水流路19を流れると、開口400,402を塞ぐように固定されたパワーモジュール300の放熱面、すなわち冷却フィンが設けられた面が冷却水により直接冷却され、2個のパワーモジュール300全体が冷却されることになる。冷却ジャケット19Aの下面に設けられた補機用のインバータ装置43も、同様に冷却水によって直接冷却される。
When the cooling water from the cooling water inlet /
さらに冷却ジャケット19Aが設けられている筐体12が冷却されることにより、筐体12の下部に設けられた下部ケース16が冷却される。その結果、コンデンサモジュール500の熱が下部ケース16および筐体12を介して冷却水に熱的に伝導され、コンデンサモジュール500が冷却される。
Further, the
パワーモジュール300の上方には、パワーモジュール300とコンデンサモジュール500とを電気的に接続するための積層導体板700が配置される。この積層導体板700は、2つのパワーモジュール300に跨って、2つのパワーモジュール300の並列配置方向に幅広に構成されている。積層導体板700は、コンデンサモジュール500の正極導体板507および負極導体板50に接続される正極側導体板および負極側導体板と、それらの導体板間に配置される絶縁シートによって構成される。このような構成により、積層導体板700の積層面積を広げることができ、パワーモジュール300からコンデンサモジュール500までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。また、一つの 積層導体板700を2つのパワーモジュール300に載置した後、積層導体板700とパワーモジュール300とコンデンサモジュール500との電気的な接続を行うことが出来るので、パワーモジュール300を2つ備える電力変換装置であっても、その組立工数を抑えることができる。
A
積層導体板700の上方には制御回路基板20と駆動回路基板22とが配置されている。また、駆動回路基板22と制御回路基板20との間には金属ベース板11が配置されている。金属ベース板11は、両基板22,20に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に、駆動回路基板22と制御回路基板20とに発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体12の中央部に冷却ジャケット19Aを設け、その一方の側にモータジェネレータ192,194駆動用のパワーモジュール300を配置し、また他方の側に補機用のインバータ装置(パワーモジュール)43を配置することで、少ない空間でそれらを効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。
A
また、アルミ鋳造で冷却ジャケット19Aと筐体12とを一体に形成することにより、冷却ジャケット19Aの冷却効果に加え、その機械的強度を強くする効果も得られる。またアルミ鋳造により筐体12と冷却ジャケット19Aとを一体成形構造としたので熱伝導が良くなり、冷却ジャケット19Aから遠い位置にある駆動回路基板22,制御回路基板20およびコンデンサモジュール500に対する冷却効率が向上する。
Further, by integrally forming the cooling
駆動回路基板22には、金属ベース板11を通り抜けて、制御回路基板20の回路群との接続を行う基板間コネクタ23が設けられている。また、制御回路基板20には外部との電気的接続を行うコネクタ21が設けられている。コネクタ21を利用して、電力変換装置の外部に設けた車載バッテリ136、すなわちリチウム電池モジュールとの間で信号の伝送が行われる。リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が制御回路基板20に送られてくる。図2に示す信号線176(図4では不図示)が基板間コネクタ23に結線され、制御回路基板20からインバータ回路のスイッチングタイミング信号が駆動回路基板22に伝達され、駆動回路基板22はゲート駆動信号を発生してパワーモジュールのそれぞれのゲート電極に印加する。
The
図5は筐体12の構造を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は上面図、(c)は筐体12の下面側を示す図である。図5(a)に示すように、平面視形状が略長方形である筐体12の短辺の一方側側面には、冷却水を取り入れるための冷却水入口配管13と冷却水入口配管14とが設けられている。冷却水入口配管13から冷却水流路19に流入した冷却水は、矢印418の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側の側面の手前近傍で矢印421a,421bのように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印422の方向に流れ、不図示の出口孔から冷却水入口配管14へ流出する。
5A and 5B are diagrams showing the structure of the
前述したように、冷却ジャケット19Aの上面には、冷却水流路19の往路および復路のそれぞれに各開口400,402が設けられている。図5(b)に示すように、冷却ジャケット19Aのパワーモジュール取り付け面410Sには、開口400の周囲を囲むようにシール材(Oリング800)が設けられている。パワーモジュール300をこの取り付け面410Sに固定すると、Oリング800によって開口周囲が水密に封止される。開口402に関しても同様にOリング800が設けられている。
As described above, on the upper surface of the cooling
取り付け面410Sの開口400と開口402との間に位置する部分については、支持部410と呼ぶことにする。2つのパワーモジュール300の一方は、支持部410に対して冷却水の出入り口側に設けられた一対の開口400を塞ぐように、往路と復路とに跨って配設される。他方のパワーモジュール300は、支持部410に対して冷却水の折り返し側に設けられた一対の開口402を塞ぐように、往路と復路とに跨って配設される。各パワーモジュール300の放熱用フィンは、それぞれの開口から冷却水流路19の冷却水中に突出する。取り付け面410Sに形成された複数のネジ穴412は、出入り口側のパワーモジュール300を固定するために用いられる。一方、ネジ穴414は、折り返し側のパワーモジュール300を固定するために用いられる。
A portion located between the
このように冷却水流路19の往路と復路の両方を跨ぐように各パワーモジュール300を配置することで、インバータ回路144,145を金属ベース304(図7参照)の上に高密度で集積でき、パワーモジュール300の小型化が可能となり電力変換装置200の小型化にも大きく寄与する。
Thus, by arranging each
出入り口側のパワーモジュール300は、冷却水入口配管13からの冷たい冷却水と、出口側に近く発熱部品からの熱によって暖められた冷却水とにより冷やされることとなる。一方、折り返し側のパワーモジュール300は、少し温められた冷却水および、出口孔403近くの冷却水よりは少し冷えた状態の冷却水によって冷却される。結果として折り返し冷却通路と2つのパワーモジュール300の配置関係は、2つのパワーモジュール300の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。
The
上述した支持部410は、Oリング800を配設面に利用されるだけでなく、筐体12の強度の強化に大きな効果がある。また、冷却水流路19には往路と復路とを隔てる隔壁408が設けられ、この隔壁408は支持部410と一体に作られている。この隔壁408も、筐体12の機械的な強度を高める機能を有している。なお、この隔壁408を介して復路内の冷却水から往路内の冷却水へ熱が伝達され、冷却水の温度が均一化される。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなるが、この隔壁408が支持部410と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果が有る。
The above-described
図5(c)は冷却ジャケット19Aの裏面を示しており、支持部410が設けられている部分の裏面側に開口404が形成されている。開口404を形成することにより、支持部410と冷却水流路19の底部との二重構造が避けられ、鋳造し易く、生産性が向上する。
FIG. 5C shows the back surface of the cooling
冷却水流路19の側部外側には貫通穴406が形成されている。冷却水流路19を挟んで両側に設置される電気部品(パワーモジュール300およびコンデンサモジュール500)同士が、この貫通穴406を介して接続される。
A through
筐体12は、冷却ジャケット19Aと一体構造として製造できるので、鋳造生産、特にアルミダイキャスト生産に適している。
Since the
図6は、冷却ジャケット19Aの下面に固定されたインバータ装置43を示す図である。筐体12の長方形の一方の長辺側において、筐体12の外に交流電力線186および交流コネクタ188が突出している。図6では、筐体12に形成された貫通孔406を通して、パワーモジュール300と接続される積層導体板700の一部が見えている。
FIG. 6 is a diagram showing the
補機用インバータ装置43は、直流正極側接続端子部512が接続された筐体12の側面の近傍に配置される。また、図4に示したように、補機用インバータ装置43の下方(冷却水流路19がある側とは反対側)にコンデンサモジュール500が配置される。補機用正極端子44と補機用負極端子45は、下方向(コンデンサモジュール500が配置された方向)に突出し、コンデンサモジュール500側の補機用正極端子532と補機用負極端子534にそれぞれ接続される。これにより、コンデンサモジュール500から補機用インバータ装置43までの配線距離が短くなるので、コンデンサモジュール500側の補機用正極端子532および補機用負極端子534から金属製の筐体12を介して制御回路基板20に侵入するノイズを低減することができる。
The
また、補機用インバータ装置43は冷却水流路19とコンデンサモジュール500との隙間に配置され、さらに補機用インバータ装置43の高さは下カバー420の高さと同程度となっている。そのため、補機用インバータ装置43を冷却するとともに電力変換装置200の高さの増加を抑えることができる。
In addition, the
図7は、図6のA−A断面図であり、開口402上に設けられたパワーモジュール300の部分の断面を示している。 筐体12の上下方向のほぼ中央には、筐体内部空間を上下に仕切るような形で冷却ジャケット19Aが一体に形成されている。冷却ジャケット19Aには冷却水流路19が形成されており、図示左側の水路が往路であり、右側の水路が復路である。パワーモジュール300の交流端子159には、板状の交流電力線186の一端が接続されている。交流電力線186の他端は、電力変換装置200内部から突出して交流コネクタを形成している。
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 6 and shows a cross section of a portion of the
パワーモジュール300は、往路および復路に跨るように冷却ジャケット19Aに固定されている。詳細は後述するが、パワーモジュール300には放熱用の金属ベース304が設けられており、パワーモジュール300のIGBT328,330およびダイオード156,166は、絶縁基板(不図示)を介して金属ベース304の上面に設けられている。金属ベース304の下面には、多数の冷却フィン305が形成されている。なお、本実施の形態の冷却フィン305はピンフィンで構成されているが、ピンフィンに限らずストレートフィン等でも構わない。
The
金属ベース304上において、上アーム用のIGBT328およびダイオード156は、冷却水流路19の往路側開口400(図5参照)に対応する領域に設けられている。一方、下アーム用のIGBT330およびダイオード166は、冷却水流路19の復路側開口402(図5参照)に対応する領域に設けられている。また、冷却フィン305は、上アーム用のIGBT328およびダイオード156が設けられた領域の下面と、下アーム用のIGBT330およびダイオード166が設けられた領域の下面との2つの領域に分けられて形成されている。各領域に形成された冷却フィン305は、それぞれ開口400,402(図5参照)から冷却水流路19内に突出し、流路内の冷却水によって直接に冷却される。また、冷却ジャケット19Aの下面には、補機用のインバータ装置43が固定されている。
On the
金属ベース304の基板厚さは、冷却フィン305が形成されている領域(以下ではフィン領域と称する)では薄く、それ以外の領域(以下では厚肉領域と称する)304a,304bでは厚く設定されている。厚肉領域304a,304bは、冷却ジャケット19Aの支持部410、パワーモジュール取り付け面410Sおよび隔壁408に対向している。これらの対向する面には、Oリング800が配設されている。すなわち、厚肉領域304a,304bの面は、シール面として機能している。
The substrate thickness of the
パワーモジュール300の上方には、ドライバ回路174(不図示)を実装した駆動回路基板22が配置されている。駆動回路基板22の上方には、放熱および電磁シールドの効果を高めるための金属ベース板11が設けられ、さらにその上方には、制御回路基板20が配置されている。なお制御回路基板20には図2に示した制御回路172(不図示)が搭載されている。また、冷却ジャケット19Aの下面に固定された補機用インバータ装置43の下方には、コンデンサモジュール500が下部ケース16に固定されるように設けられている。
Above the
上述したように冷却水流路19の一方の面にパワーモジュール300を固定し、他方の面に補機用インバータ装置43を固定することで、冷却水流路19でパワーモジュール300と補機用インバータ装置43を同時に冷却する。パワーモジュール300の場合には、金属ベース304の下面および冷却フィン305が冷却水と直接に接しているので、冷却効果をより高めることができる。
As described above, the
また、本実施の形態では、発熱量の大きいパワーモジュール300は冷却フィン305を冷却水で直接冷却する構造にして効率良く冷却し、次に放熱量の大きい補機用インバータ装置43を冷却水流路19の他方の面で冷却し、さらに次に発熱量が大きいコンデンサモジュール500を筐体12および下部ケース16を介して冷却する構造としている。このように放熱量の多さにあわせた冷却構造としているので、冷却効率や信頼性が向上すると共に、電力変換装置200をより小型化することができる。
Further, in the present embodiment, the
さらに、冷却ジャケット19Aが冷却水により冷却されることにより、筐体12も冷却されることになる。この筐体12に下部ケース16や金属ベース板11を固定することにより、下部ケース16や金属ベース板11が冷却される。下部ケース16にはコンデンサモジュール500の金属ケースが固定されるので、筐体12および下部ケース16を介してコンデンサモジュール500が冷却される。さらに金属ベース板11に制御回路基板20および駆動回路基板22を固定することで、これらが冷却されることになる。
Further, the
図8は本実施形態のパワーモジュール300を示す図であり、(a)は上方斜視図、(b)は上面図である。パワーモジュール300は、主に、パワーモジュールケース302と、パワーモジュールケース302内に設けられた半導体モジュール部と、金属ベース304と、外部との接続を行う接続端子と、から構成される。パワーモジュールケース302は樹脂材料等の電気的絶縁材料により形成され、金属ベース304には例えばCu,Al,AlSiCなど金属材料が用いられる。接続端子としては、例えば、制御回路との接続を行う制御端子320Uや、コンデンサモジュール500との接続を行う直流正極端子および直流負極端子や、モータジェネレータとの接続を行う交流端子159などを備えている。314aおよび316aは直流正極端子および直流負極端子の端子部であり、パワーモジュールケース302の上面に設けられている。なお、直流正極端子314aおよび直流負極端子316aは一部が重ねて配設されており、318はそれらの間に設けられる絶縁紙である。パワーモジュールケース302の上面には、交流端子159も設けられている。
FIG. 8 is a view showing the
半導体モジュール部においては、金属ベース304上に絶縁基板が固着され、その絶縁基板上に上下アームのIGBT328,330、ダイオード156/166等が設けられている。パワーモジュールケース302で囲まれた半導体モジュール部には、レジンまたはシリコンゲル(不図示)が充填され、半導体モジュール部に設けられた半導体素子や配線が保護される。絶縁基板はセラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シートであっても構わない。
In the semiconductor module unit, an insulating substrate is fixed on the
図8(b)において、点線で示す3つの矩形領域151は、上下アーム直列回路150の内のIGBT328およびダイオード156が配設されている上アーム回路を示している。左側からU相、V相、W相となっている。一方、下側の矩形領域152は、上下アーム直列回路150の内のIGBT330およびダイオード166が配設されている下アーム回路を示している。こちらも左側からU相、V相、W相となっている。図8に示す例では、IGBT328,330とダイオード327、332とをそれぞれ2つ並列接続して上アーム、下アームを構成し、上下アームに通電可能な電流容量を増やしている。
8B, three
図9は、パワーモジュール300の下面側、すなわち金属ベース304の下面側を示す斜視図である。また、図10は、パワーモジュール300の断面図である。金属ベース304の下面には凹部304fが2つ形成されている。これらの凹部304fの形成領域は、上下アームの半導体素子(IGBTおよびダイオード)の配設領域に対応して設定されている。各凹部304f内には、冷却フィン305が形成されている。図10の断面図に示すように、凹部304fの金属ベース304の厚さMに対して、凹部304fの周囲に設けられた厚肉部304a,304bは、凹部304fよりも寸法Nだけ大きい寸法Lに設定されている。矩形状金属ベース304の四隅には、金属ベース304を冷却ジャケット19Aのパワーモジュール取り付け面410Sに固定するための締結用貫通孔301が形成されている。金属ベース304は、4本のボルト303によってパワーモジュール取り付け面410Sに固定される。
FIG. 9 is a perspective view showing the lower surface side of the
ハイブリッド車両等の電動車両に用いられる電力変換装置ではパワーモジュール300が大型化し、金属ベース304の一辺の寸法は100mm以上(例えば、145×120)となる。また、電動車両のパワーモジュールはパワー素子(IBGT等)の発熱が大きく、温度上昇による素子寿命の低下を防止するためには金属ベース304の放熱性能を高める必要がある。
In a power conversion device used for an electric vehicle such as a hybrid vehicle, the
一方、パワーモジュール300は冷却水が流れる冷却水流路19の開口400,402を塞ぐように取り付けられており、金属ベース304の下面には冷却水による水圧が加わる。そのため、金属ベース304のシール部(Oリング800が対向する部分)の水圧による変形を、Oリング800によるシール性が確保されて水漏れが防止できる程度に抑える必要がある。もちろん、金属ベース304を固定するボルト303の本数を増やして貫通孔301の間隔(ピッチ)を小さくすれば、金属ベース304を小さくすることは可能である。しかし、端子159等の配設場所を確保しつつ、ボルト締結に必要なスペースを確保する必要があるため、必然的にパワーモジュール300全体が大きくなってしまうという欠点があった。
On the other hand, the
そこで、本実施の形態では、図9に示したように、上下アームの半導体素子(IGBTおよびダイオード)が配設される領域(凹部304fが対応している)については、放熱性能が十分確保できる基板厚さM(例えば、M=3mm)に設定し、その他の領域(厚肉部304a,304b)においては、シール性が確保できるような厚さL(=M+N)に設定するようにした。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 9, sufficient heat dissipation performance can be ensured in the region where the semiconductor elements (IGBT and diode) of the upper and lower arms are disposed (corresponding to the
金属ベース304の基板厚さMは、放熱性能および半田寿命等を考慮して決定される。また、金属ベース304の材料としては、できるだけ熱伝導率の高いものが望ましい。冷却能力を向上させるため、たとえば、無酸素銅ないしタフピッチ銅を使用するのが好ましい。前述したように、IGBT328,330およびダイオード156,166は、絶縁基板を介して金属ベース304の上面に設けられている。IGBT328,330およびダイオード156,166はセラミック基板等で形成された絶縁基板上に半田付けされ、その絶縁基板は金属ベース304上に半田付けされる。
The substrate thickness M of the
金属ベース304の熱膨張率は絶縁基板の熱膨張率よりも大きいので、高温時には、金属ベース304の伸びが絶縁基板の伸びよりも大きい。そのため、高温−低温の熱サイクルが繰り返されると、ラチェット変形という現象が生じる。高温時には、絶縁基板と金属ベース304を接続する接合半田が軟らかくなるため、伸び量の差は、接合半田のせん断変形によって吸収される。この結果、金属ベース304に反りは発生しにくい。一方、低温時には、金属ベース304の収縮量が絶縁基板の収縮量より大きくなり、また、接合半田のせん断変形量が小さくなる。そのため、金属ベース304と絶縁基板の縮み量の差が接合半田で吸収しきれず、金属ベース304は、絶縁基板側に凸となる形状に湾曲する。
Since the thermal expansion coefficient of the
このとき、金属ベース304には、曲げモーメントと同時に引張り力が作用するため、最大応力はその絶縁基板との接合面に生じる。金属ベース304の降伏応力が上記最大応力よりも大きければ、金属ベース304の変形量は弾性変形可能な範囲内であり、温度サイクルを繰り返してもその都度元の形状に戻ることができる。しかし、上記最大応力が金属ベース304の降伏応力を超えた場合には、その金属ベース304は塑性変形する。塑性変形が発生すると、金属ベース304が再び高温になっても、元の形状に戻るような曲げ力が働かず、せん断変形して曲がった金属ベース304の面に沿って絶縁基板が半田で固定されることになる。
At this time, since a tensile force acts simultaneously with the bending moment on the
以上説明したように、金属ベース304には、低温時に絶縁基板側が凸形状に湾曲するような塑性変形が発生する。金属ベース304の塑性変形は、温度サイクルを繰り返すと蓄積され、次第に変形量が大きくなる。このようなメカニズムで発生する現象をラチェット変形と呼ぶ。金属ベース304の熱負荷サイクル(温度サイクル)に起因してラチェット現象が発生すると、絶縁基板が損傷してパワーモジュール300が故障するおそれがある。そこで、パワーモジュールにおいては、このようなラチェット変形を防止する必要がある。
As described above, the
ラチェット変形を防止する方法としては、金属ベース304を厚くすることにより、温度サイクルにより発生する応力を低減する方法がある。ただし、素材の厚みによるラチェット変形防止対策では、金属ベースの厚さと接合半田の温度サイクル寿命を示す図20から分かるように、絶縁基板と金属ベース304を接合する半田の熱疲労寿命が短くなってしまう。この理由は、温度サイクルにより発生するせん断応力は、金属ベース304が厚いほど大きくなるからである。この実施の形態のHEV110では、−40〜125℃の温度サイクル寿命を1000回以上とするため、図20に示す相関特性によれば、板厚は4mmよりも薄くする必要があるが、薄すぎると上述したラチェット変形が問題となるので、結局、3mm〜4mmが適していることが分かる。そこで、本実施形態では金属ベース304の厚さを3mmとした。
As a method of preventing ratchet deformation, there is a method of reducing the stress generated by the temperature cycle by making the
パワーモジュール300の金属ベース304の材質を銅とし、厚みを3mmとした場合についてラチェット変形を考える。HEV110は、通常、−40〜125℃の範囲の環境下で使用されるので、この実施の形態で想定する温度サイクルを、低温側下限温度−40℃、高温側上限温度+125℃と想定する。このような条件で金属ベース304に熱負荷を与えた場合の最大応力は、以下のように算出することができる。
A ratchet deformation is considered when the
3mmの金属ベース304に絶縁基板を接合した状態での弾性応力を解析すると、125℃から−40℃の温度変化に伴って、金属ベース304の最大応力は150MPaであった。金属ベース304の変形が、上記温度サイクルの中間温度で中立状態になるものと仮定すると、高温側に圧縮、低温側に引張り応力として均等に分配すれば、低温時の金属ベース304に加えられる最大応力は75MPaとなる。
When the elastic stress in the state where the insulating substrate was bonded to the 3
図21は、横軸を降伏応力、縦軸をビッカース硬さとしたグラフである。図21からわかるように、金属材料のビッカース硬さと降伏応力は相関がある。上述したとおり、温度サイクルに伴って金属ベース304に発生する最大応力は75MPaである。したがって、図16のグラフから、鍛造後のビッカース硬度が60以上となる材料を選択すれば、ラチェット変形を防止できることが分る。金属ベース304の材料として上述した無酸素銅やタフピッチ銅を使用した場合でも、金属ベース304は鍛造により作製されるので、その加工硬化により硬度が高くなっている。従って、厚さM=3mmの無酸素銅またはタフピッチ銅で金属ベース304を鍛造加工すれば、ビッカース硬度が60以上となってラチェット変形を防止することができる。
FIG. 21 is a graph with the horizontal axis representing yield stress and the vertical axis representing Vickers hardness. As can be seen from FIG. 21, there is a correlation between the Vickers hardness of the metal material and the yield stress. As described above, the maximum stress generated in the
一方、厚さLは金属ベース304の大きさやボルトピッチに応じて異なる。例えば、本実施形態では金属ベース304の長辺寸法×短辺寸法=145mm×120mm、貫通孔301のピッチが短辺側111.5mm、長辺側130.5mm、基板厚さM=3mmとしているが、従来のように金属ベースの厚さを均一に3mmとした場合、水圧による変形によってシール性が不十分となる。しかし、厚さL=7mm(=3mm+4mm)の厚肉部304a,304bを設けることで、金属ベース304のシール部分の剛性が向上し、金属ベース304の四隅をボルト固定するだけでシール性を確保することができる。
On the other hand, the thickness L varies depending on the size of the
このように、金属ベース304の発熱素子配設領域を薄肉(ここでは3mm)とし、その他の領域を厚肉(ここでは7mm)とすることで、放熱性能およびシール性能を確保しつつボルトピッチを大きくすることが可能となり、パワーモジュール300の小型化を図ることができる。ここでは、半導体素子(IGBTやダイオード)が実装される発熱素子配設領域(フィン領域に対応する領域)を薄肉とし、その他の領域全てを厚肉としたが、金属ベース304のシール部の剛性が確保されて十分なシール性が得られるならば、発熱素子配設領域を含むより大きな領域を薄肉領域としても構わない。
Thus, by making the heat generating element arrangement area of the
例えば、図11,12に示す第1の変形例では、金属ベース304の冷却フィン305が形成されている下面ではなく、上下アーム直列回路150のIGBTおよびダイオードが固定される上面側に凹部領域304dを形成した。そのため、金属ベース304の下面の形状は、図12に示すように従来のパワーモジュールの場合と同様の形状となっている。凹部領域304dの周囲の厚肉部304eには、パワーモジュールケース302が実装される。ボルト303用の貫通孔301は、枠形状を成す厚肉部304eに形成されている。
For example, in the first modification shown in FIGS. 11 and 12, the recessed
図13は、図11に示すように枠形状の厚肉部304eを形成し、4本のボルト303で固定した場合の、水圧による金属ベース304のシール部の変形量を説明する図である。ここでは、金属ベース304の下面に加わる面圧、すなわち冷却水による水圧を200kPaとしたときの、シール部を構成する枠部分(厚肉部304e)の垂直方向への変位量を計算(有限要素法)により求めた。図13において、縦軸は図11の厚肉部304eの変位量(mm)を表す。また、横軸は、図11の直線Lに沿った方向の位置を表しており、ボルトピッチの中央をx=0とした場合の位置xを表している。なお、ここでは、計算を簡単にするために冷却フィンが形成されていない場合について計算した。
FIG. 13 is a diagram for explaining the deformation amount of the seal portion of the
図13では、金属ベース304の板厚MをM=3(mm)とし、厚肉部304eにおける厚さ増分Nをパラメータとして変位を求めた。L11はN=4mmの場合であって、順に、L12はN=5mmの場合、L13はN=6mmの場合、L14はN=7mmの場合を示す。厚肉部304eの厚さ増分Nが大きくなるほど変位は小さくなっており、厚肉部304eの厚さを増すほど金属ベース304のシール部の剛性が大きくなることが分かる。
In FIG. 13, the plate thickness M of the
また、図14は、寸法Nを変えたときの中央位置の変位(たわみ量)を示したものであり、縦軸はたわみ量(mm)を、横軸は寸法N(mm)を表している。上側の2種類のデータは、厚肉部304eの幅寸法dが7mmの場合と10mmの場合の金属ベース304を、4本のボルト303で固定したときのたわみ量を示している。一方、下側の2種類のデータは、厚肉部304eの幅寸法dが7mmの場合と10mmの場合の金属ベース304を、6本のボルト303で固定したときのたわみ量を示している。ボルト本数が4であっても6であっても、幅寸法に違いによるたわみ量の差違は変わらず、d=7とd=10の場合のたわみ量の差は小さい。一方、ボルト本数を4から6に増やすと、たわみ量は大きく減少することがわかる。図13,14に示すような計算結果からも、厚肉部304eを設けることにより、金属ベース304のシール部の変位を効果的に抑えることができることが分かる。
FIG. 14 shows the displacement (deflection amount) of the center position when the dimension N is changed. The vertical axis represents the deflection amount (mm), and the horizontal axis represents the dimension N (mm). . The upper two types of data indicate the amount of deflection when the
図9〜12に示した例では、金属ベース304に厚肉部304a,304b,304eを形成することにより剛性の向上を図ったが、図15,16の第2の変形例に示すような構造により剛性の向上を図るようにしても良い。図15は、図11の場合と同様に、金属ベース304とパワーモジュールケース302とを示す図である。第2の変形例では、基板の厚さは寸法Mで一定であるが、金属ベース304に折れ曲がった段差部304mを設けることで、シール部の剛性が平板状のものよりも高くなるようにした。
In the example shown in FIGS. 9 to 12, the rigidity is improved by forming the
図16はパワーモジュール300の断面を示す図であり、(a)はC−C断面図、(b)はD−D断面図である。金属ベース304は段差構造を有しており、上下アーム直列回路150のIGBTおよびダイオードが固定される発熱素子配設領域304gは、周辺領域304hに対して図示上側に突出している。そのため、金属ベース304の下面は、発熱素子配設領域304gが窪んでおり、その窪み領域に冷却フィン305が形成されている。周辺領域304hの下面は、冷却ジャケット19Aのパワーモジュール取り付け面410Sに固定したときのシール面として機能する。一例として、基板厚さMはM=3mm、発熱素子配設領域304gの部分の段差は4mmである。
FIGS. 16A and 16B are views showing a cross section of the
図15,16に示す第2の変形例では、上アームおよび下アーム毎に段差部304mを形成して2つの発熱素子配設領域304gを設けたが、図17〜19に示す第3の変形例のように、金属ベース304の周辺部分を固定部とし、その内側の発熱素子配設領域304jとの間に段差部304mを設けるようにしても良い。図18はパワーモジュール300の下面側を示す斜視図であり、図9(a)は図17のE−E断面図、図19(b)はF−F断面図である。
In the second modification shown in FIGS. 15 and 16, the
図17は図15と同様の図であり、金属ベース304とパワーモジュールケース302とを示す図である。金属ベース304には、上方に突出するように形成された発熱素子配設領域304jと、その周囲を囲むように設けられた矩形枠状の周辺領域304kが形成され、両領域の間には段差部304mが形成されている。発熱素子配設領域304jの下面側は、図18に示すように窪んでおり、その窪み内(フィン形成領域)に、上アーム用および下アーム用の冷却フィン305がそれぞれ形成されている。
FIG. 17 is a view similar to FIG. 15, showing the
図16(b)の断面図と図19(b)の断面図とを比較すると、第3の変形例では、上下アーム用冷却フィン305を構成する各フィン群の間の基板部分は、冷却フィン305が設けられている部分度同様に上側に突出している。そのため、金属ベース304の周囲部分の周辺領域304kの下面が、シール面として利用される。
Comparing the cross-sectional view of FIG. 16B and the cross-sectional view of FIG. 19B, in the third modification, the substrate portion between the fin groups constituting the upper and lower
なお、金属ベース304の製造方法としては、板材を鍛造加工して厚肉部および冷却フィンを一体に形成する方法や、鋳造により基板部分、厚肉部および冷却フィンを一体に形成する方法がある。また、板材をプレス加工して図15,16に示すような窪みを形成し、その窪み内に冷却フィン305をロー付けしても良い。鋳造の場合には、金属粉末射出成形法(Metal Injection Molding)が適している。金属粉末射出成形法では、金属粉末と樹脂バインダとを混合して射出成型した後に、焼成することにより成型品を得る。
In addition, as a manufacturing method of the
以上説明した実施の形態は、次のような作用効果を奏することができる。
(1)パワーモジュール300に設けられた金属ベース304は、一方の面に半導体素子(IGBTおよびダイオード)が実装されるとともに、他方の面が冷却ジャケット19Aの冷却水流路19に形成された開口400,402を塞ぐように固定されている。そして、金属ベース304において、半導体素子の実装領域の基板厚さMは、半導体素子から発生する熱を前記冷媒に放熱するための放熱量に応じて定められる。車両用電力変換装置の場合は発熱量が大きく、半導体素子の耐熱等を考慮するとMは3mm程度となる。金属ベース304のシール部を含む固定領域(厚肉部304a,304b)を厚肉とすることで実装領域よりも剛性を大きくすることで、冷却水の圧力による金属ベース304のシール部の変形が抑制され、Oリング800による封止性能が確保される。それにより、金属ベース304を固定するボルト303のピッチを従来よりも大きくして、ボルト303の本数を少なくすることができる。その結果、放熱性能を従来と同様に維持しつつ、パワーモジュール300を小型化することが可能となる。
(2)例えば、金属ベース304の固定領域(厚肉部304a,304bの領域)の基板厚さLを、実装領域である凹部304fの基板厚さMよりも大きく設定して、シール部の剛性を向上させることで水漏れを防止する。
(3)また、図16に示すように実装領域厚さと固定領域の厚さとを等しい値Mに設定し、
固定領域304hの剛性が実装領域304gの剛性よりも大きくなるように、両領域の境界部に段差を設けても良い。そのように折れ曲がった段差部304mを形成する。このような段差部304を形成することにより、固定部である周辺領域304hの剛性向上を図ることができ、シール部からの水漏れを防止することができる。
(4)図10に示すように、半導体素子(IGBTおよびダイオード)の実装領域として厚さMに設定された部分の下面側、すなわち凹部304fをフィン形成領域とし、そこに冷却フィン305を形成するようにした。その凹部304fに形成された冷却フィン305を冷却水の流れに突出させて直接冷却することにより、半導体素子で発生した熱を冷却水へと放熱する放熱性能の向上を図ることができる。
(5)金属ベース304に複数の半導体配設領域が有る場合には、それぞれに対応して冷却フィン305が形成される領域を複数形成するようにしても良い。例えば、図9に示すように、上アーム用と下アーム用とに分かれて半導体素子が配設されている場合には、それぞれに対応してフィン形成領域を設ける。このように、フィン形成領域を2つの領域に分けた場合、2段階に分けて別々に鍛造により形成することで、鍛造時のプレス圧力を小さく抑えることができ、加工装置が大型化するのを避けることができる。
(6)金属板材(例えば、銅の板材)を鍛造加工して、図9に示すような厚肉部304a,304bと、凹部304f内の冷却フィン305を一体に形成しても良い。厚肉部304a,304bを形成することにより、金属ベース304のシール部の剛性が向上する。また、鍛造加工時における加工硬化によって、金属板材そのものの硬度が高くなる。
(7)また、金属粉末射出成形法(Metal Injection Molding)により金属ベース板304を一体成型しても良い。冷却フィン305がピンフィンのように細長い形状をしていても、容易に一定成型することができる。
(8)金属ベース304の基板形状が矩形であって、その矩形領域の周縁の矩形枠領域をシール部とし、矩形枠領域の四隅をボルト等の締結部品により冷却ジャケットに締結するようにしても良い。シール部を厚肉としたり、段差部304mを設けたりすることにより、シール部の剛性が向上するため、四隅のみをボルト締結により固定するだけで、十分なシール性を確保することができる。その結果、装置の小型化、組み立て工数の低減を図ることができる。
The embodiment described above can provide the following operational effects.
(1) The
(2) For example, by setting the substrate thickness L of the fixed region of the metal base 304 (the region of the
(3) Also, as shown in FIG. 16, the mounting area thickness and the fixed area thickness are set to the same value M,
A step may be provided at the boundary between the two regions so that the rigidity of the fixed
(4) As shown in FIG. 10, a cooling
(5) When the
(6)
(7) Further, the
(8) The substrate shape of the
実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。変形例をどのように組み合わせることも可能である。 It is also possible to combine one or a plurality of embodiments and modifications. Any combination of the modified examples is possible.
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態で金属ベース304に冷却フィン305を形成して放熱性能の向上を図るようにしたが、半導体素子の発熱がそれほど大きくなく冷却フィン305を形成しなくても十分な放熱性能が確保できる場合には、必ずしも冷却フィン305を形成する必要はない。その場合、冷却フィン305を省略することで、金属ベース304の加工が下すくなり、コストダウンを図ることができる。
The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment. For example, although the cooling
10:上部ケース、11:金属ベース板、12:筐体、13:冷却水入口配管、14:冷却水出口配管、16:下部ケース、19:冷却水流路、19A:冷却ジャケット、43,140,142:インバータ装置、136:バッテリ、144,145:インバータ回路、150:上下アーム直列回路、156,166:ダイオード、192,194:モータジェネレータ、200:電力変換装置、300:パワーモジュール、302:パワーモジュールケース、303:ボルト、304:金属ベース、304a,304b,304e:厚肉部、304d,304f:凹部、304g,304j:発熱素子配設領域、304h,304k:周辺領域、304m:段差部、305:冷却フィン、328,330:IGBT、400,402:開口、800,802:Oリング、 10: Upper case, 11: Metal base plate, 12: Housing, 13: Cooling water inlet piping, 14: Cooling water outlet piping, 16: Lower case, 19: Cooling water flow path, 19A: Cooling jacket, 43, 140, 142: inverter device, 136: battery, 144, 145: inverter circuit, 150: upper and lower arm series circuit, 156, 166: diode, 192, 194: motor generator, 200: power converter, 300: power module, 302: power Module case, 303: Bolt, 304: Metal base, 304a, 304b, 304e: Thick portion, 304d, 304f: Recess, 304g, 304j: Heating element placement region, 304h, 304k: Peripheral region, 304m: Stepped portion, 305: Cooling fin, 328, 330: IGBT, 400, 402: Opening 800,802: O-ring,
Claims (5)
インバータ回路を構成する上アーム用半導体素子および下アーム用半導体素子を具備し、直流電力と交流電力とを相互に変換するための半導体素子と、
板状部材の一方の面に前記半導体素子が実装されるとともに、他方の面が前記開口を塞ぐように前記冷却ジャケットに固定されて前記冷媒に接触する金属ベース板と、
前記金属ベース板と前記冷却ジャケットとの間に挟持され、前記開口からの前記冷媒の漏れを封止するシール部材と、を備えた電力変換装置であって、
前記金属ベース板は、前記半導体素子が実装され、前記上アーム用半導体素子のための第1実装領域と、前記下アーム用半導体素子のための第2実装領域とを備える実装領域と、前記シール部材を押圧して前記冷却ジャケットに固定する固定領域とを有し、前記第1実装領域および第2実装領域のそれぞれに対応する第1フィン形成領域および第2フィン形成領域とを備え、
前記金属ベース板は、温度サイクルにより前記金属ベース板に発生する応力が降伏応力に到達しないビッカース硬度を有する材料より成り、
前記実装領域の厚さを前記半導体素子から発生する熱を前記冷媒に放熱するための放熱量に応じて定め、さらに、前記実装領域の他方の面にフィン形成領域を設け、該フィン形成領域に前記流路内に突出する複数の冷却フィンを形成し、
前記固定領域の厚さを前記実装領域の厚さよりも大きく設定し、前記固定領域の剛性を前記実装領域の剛性よりも大きく設定したことを特徴とする電力変換装置。 A cooling jacket in which a flow path through which the refrigerant flows and an opening in which a part of the flow path is exposed;
A semiconductor element for converting the DC power and the AC power to each other, comprising an upper arm semiconductor element and a lower arm semiconductor element constituting an inverter circuit ;
The semiconductor element is mounted on one surface of a plate-like member, and a metal base plate that is fixed to the cooling jacket so that the other surface closes the opening and contacts the refrigerant;
A sealing member sandwiched between the metal base plate and the cooling jacket and sealing leakage of the refrigerant from the opening,
The metal base plate is mounted with the semiconductor element, and includes a first mounting area for the upper arm semiconductor element, and a second mounting area for the lower arm semiconductor element , A fixing region that presses and seals the seal member to the cooling jacket, and includes a first fin forming region and a second fin forming region corresponding to each of the first mounting region and the second mounting region,
The metal base plate is made of a material having a Vickers hardness in which a stress generated in the metal base plate due to a temperature cycle does not reach a yield stress,
The thickness of the mounting region is determined according to the amount of heat released to dissipate heat generated from the semiconductor element to the refrigerant, and a fin formation region is provided on the other surface of the mounting region, and the fin formation region Forming a plurality of cooling fins protruding into the flow path;
The power converter according to claim 1, wherein a thickness of the fixed area is set larger than a thickness of the mounting area, and a rigidity of the fixed area is set larger than a rigidity of the mounting area.
前記実装領域の厚さは3〜4mmであることを特徴とする電力変換装置。A thickness of the mounting area is 3 to 4 mm.
金属板材を鍛造加工することにより、前記実装領域と前記固定領域と前記冷却フィンとを一体成型したことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1 or 2 ,
The power conversion device, wherein the mounting region, the fixed region, and the cooling fin are integrally formed by forging a metal plate material.
金属粉末射出成型法により、前記実装領域と前記固定領域と前記冷却フィンとを一体成型したことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1 or 2 ,
The power conversion device, wherein the mounting region, the fixed region, and the cooling fin are integrally formed by a metal powder injection molding method.
前記金属ベースの基板形状は矩形であって、その矩形領域の周縁の矩形枠領域を前記固定領域とし、
前記矩形枠領域の四隅を締結部品により前記冷却ジャケットに締結したことを特徴とする電力変換装置。
In the power converter device as described in any one of Claims 1-4 ,
The substrate shape of the metal base is a rectangle, and a rectangular frame region at the periphery of the rectangular region is the fixed region,
The power conversion device, wherein four corners of the rectangular frame region are fastened to the cooling jacket by fastening parts.
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