JP5447191B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを備えた電力変換装置に関する。

ハイブリッド車等に用いるモータジェネレータ等は、インバータ回路等の電力変換回路によって制御され、電力変換回路は、スイッチング素子をモールド樹脂によって覆って形成した複数の半導体モジュールを用いて構成されている。
例えば、特許文献１のインバータ装置においては、昇圧用のリアクトル、各相用スイッチングユニット、昇圧用スイッチングユニット、昇圧前平滑用コンデンサ、及び昇圧後平滑用コンデンサを含む複数の回路構成部品の中の一部を、冷却プレートの一方の面に当接させ、残りを冷却プレートの他方の面に当接させて配置している。そして、インバータ装置の各回路構成部品を効率的に冷却し、各回路構成部品を１つにまとめて効率的に配置している。

特開２００７−８９２５８号公報

しかしながら、各スイッチングユニットから突出形成され、信号電流が入出力される信号端子は、被制御電流が入出力されるパワー端子と、部分的に近接して配置されている。そのため、パワー端子を流れる被制御電流によって発生する電磁ノイズが、信号端子に影響し、信号端子にノイズ電流が流れてしまうおそれがある。
また、各スイッチングユニットは、その片面のみにおいて冷却プレートに当接しているため、冷却効率が不充分となるおそれがある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールの冷却効率に優れると共に、信号端子にノイズ電流が流れることを防ぐことができる電力変換装置を提供しようとするものである。

第１の発明は、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する２つの冷却器とを備えた電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、スイッチング素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱面を備えた本体部と、該本体部から上記放熱面と平行な方向に突出した信号端子と、該信号端子と反対側に上記本体部から突出したパワー端子とを有し、
上記２つの冷却器は、両者の間に複数の上記半導体モジュールを挟持した状態で平行に配置されており、また、積層方向から見た形状が、一対の直線部分とこれらの一端同士を連結する折返し部分とからなるＵ字形状を有しており、
上記複数の半導体モジュールは、上記本体部における一対の上記放熱面をそれぞれ上記一対の冷却器に接触させ、かつ、上記信号端子の突出方向を上記冷却器のＵ字形状における内側に、上記パワー端子の突出方向を上記冷却器のＵ字形状の外側に、それぞれ統一した状態で、上記一対の冷却器の間に配列されており、
上記冷却器は金属材料からなり、
上記信号端子が接続される制御回路基板を、上記冷却器における上記半導体モジュールとは反対側の面に沿って配置してなり、
上記制御回路基板は、上記積層方向から見て上記パワー端子と重なり合わないように配置されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。
第２の発明は、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する２つの冷却器とを備えた電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、スイッチング素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱面を備えた本体部と、該本体部から上記放熱面と平行な方向に突出した信号端子と、該信号端子と反対側に上記本体部から突出したパワー端子とを有し、
上記２つの冷却器は、両者の間に複数の上記半導体モジュールを挟持した状態で平行に配置されており、また、積層方向から見た形状が、一対の直線部分とこれらの一端同士を連結する折返し部分とからなるＵ字形状を有しており、
上記複数の半導体モジュールは、上記本体部における一対の上記放熱面をそれぞれ上記一対の冷却器に接触させ、かつ、上記信号端子及び上記パワー端子の突出方向を、上記冷却器のＵ字形状における内側又は外側に統一した状態で、一対の冷却器の間に配列されており、
上記冷却器は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を備えており、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分において、上記冷却媒体の温度を検出するための温度検出素子が上記一対の冷却器に挟持されており、
上記温度検出素子の信号端子と、上記複数の半導体モジュールの信号端子とは、その突出方向が、上記冷却器の上記Ｕ字形状の内側又は外側に統一されており、
上記温度検出素子の信号端子の突出方向と、上記複数の半導体モジュールのパワー端子の突出方向とは、上記冷却器の上記Ｕ字形状の内側と外側とに分けられていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項２）。
第３の発明は、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する２つの冷却器とを備えた電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、スイッチング素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱面を備えた本体部と、該本体部から上記放熱面と平行な方向に突出した信号端子と、該信号端子と反対側に上記本体部から突出したパワー端子とを有し、
上記２つの冷却器は、両者の間に複数の上記半導体モジュールを挟持した状態で平行に配置されており、また、積層方向から見た形状が、一対の直線部分とこれらの一端同士を連結する折返し部分とからなるＵ字形状を有しており、
上記複数の半導体モジュールは、上記本体部における一対の上記放熱面をそれぞれ上記一対の冷却器に接触させ、かつ、上記信号端子及び上記パワー端子の突出方向を、上記冷却器のＵ字形状における内側又は外側に統一した状態で、一対の冷却器の間に配列されており、
上記電力変換装置は、構成部品を内部に収容するケースを備え、該ケースの一部は、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分において、上記一対の冷却器の間に挟持されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項３）。

上記電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールは、上記本体部における一対の上記放熱面をそれぞれ上記一対の冷却器に接触させた状態で、一対の冷却器の間に配列されている。これにより、半導体モジュールを両面から冷却することができ、その冷却効率を高くすることができる。

また、上記複数の半導体モジュールは、上記信号端子及び上記パワー端子の突出方向を、上記冷却器のＵ字形状における内側又は外側に統一した状態で、配列されている。そのため、隣接する半導体モジュール同士において、信号端子とパワー端子とが近接して配置されることを防ぐことができる。そのため、パワー端子を流れる被制御電流の影響によって信号端子にノイズ電流が流れることを防ぐことができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールの冷却効率に優れると共に、信号端子にノイズ電流が流れることを防ぐことができる電力変換装置を提供することができる。

参考例における、電力変換装置の平面図。 参考例における、電力変換装置の側面図。 実施例１における、電力変換装置の平面図。 実施例１における、電力変換装置の側面図。 実施例２における、電力変換装置の平面図。 実施例２における、電力変換装置の側面図。 実施例３における、電力変換装置の平面図。 図７のＡ−Ａ線矢視断面図。

第２の発明又は第３の発明において、上記冷却器は金属材料からなることが好ましい（請求項７）
これにより、上記パワー端子から発生する電磁ノイズを、上記冷却器によって遮蔽することにより、上記信号端子にノイズ電流が流れることを効果的に防ぐことができる。

また、上記信号端子が接続される制御回路基板を、上記冷却器における上記半導体モジュールとは反対側の面に沿って配置してなることが好ましい（請求項８）。
この場合には、半導体モジュールにおいて発生する電磁ノイズを、上記冷却器によって遮蔽することにより、上記制御回路基板にノイズ電流が流れることを効果的に防ぐことができる。

また、第１の発明、第２の発明、又は第３の発明において、上記複数の半導体モジュールは、上記Ｕ字形状の上記直線部分にのみ配置されていてもよい（請求項９）。
この場合には、複数の上記半導体モジュールの上記パワー端子及び上記信号端子を、それぞれ一直線上に配置することができるため、例えばバスバーや制御回路基板等、他部品へのパワー端子及び信号端子の接続を容易に行うことができる。

また、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分に、少なくとも一つの上記半導体モジュールを配置してなることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記折返し部分を有効活用して上記半導体モジュールを配置することにより、電力変換装置の小型化を実現することができる。

また、第１の発明又は第３の発明において、上記冷却器は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を備えており、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分において、上記冷却媒体の温度を検出するための温度検出素子が上記一対の冷却器に挟持されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記折返し部分を有効活用して上記温度検出素子を配置することにより、電力変換装置の小型化を実現することができる。また、上記直線部分に配置された半導体モジュールと上記温度検出素子との間の距離を確保しやすいため、半導体モジュールの熱の影響を小さくしながら上記冷却媒体の温度検出を正確に行いやすくすることができる。

また、上記温度検出素子の信号端子と、上記複数の半導体モジュールの信号端子とは、その突出方向が、上記冷却器の上記Ｕ字形状の内側又は外側に統一されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記半導体モジュールのパワー端子から発生する電磁ノイズの影響を、上記温度検出素子の信号端子に及ぼすことを防ぎ、該信号端子にノイズ電流が流れることを防ぐことができる。

また、第３の発明においては、上記電力変換装置は、構成部品を内部に収容するケースを備え、該ケースの一部は、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分において、上記一対の冷却器の間に挟持されている。
これにより、上記折返し部分において上記冷却器が振動することを防ぐことができる。また、上記ケースに対する上記冷却器の位置決めを容易にすることができる。

また、上記一対の冷却器の間に挟持された上記ケースの一部は、上記電力変換装置の構成部品である発熱部品と熱的に接触していることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記一対の冷却器の間に挟持された上記ケースの一部を介して、上記発熱部品を上記冷却器によって冷却することができる。

（参考例）
本発明の参考例に係る電力変換装置につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュール２と、半導体モジュール２を冷却する２つの冷却器３とを備えている。
半導体モジュール２は、スイッチング素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱面２１１を備えた本体部２１と、本体部２１から放熱面２１１と平行な方向に突出した信号端子２２と、信号端子２２と反対側に本体部２１から突出したパワー端子２３とを有する。

図２に示すごとく、２つの冷却器３は、両者の間に複数の半導体モジュール２を挟持した状態で平行に配置されている。また、冷却器３は、図１に示すごとく、積層方向から見た形状が、一対の直線部分３１とこれらの一端同士を連結する折返し部分３２とからなるＵ字形状を有している。
複数の半導体モジュール２は、本体部２１における一対の放熱面２１１をそれぞれ一対の冷却器３に接触させ、かつ、信号端子２２及びパワー端子２３の突出方向を、冷却器３のＵ字形状における内側又は外側に統一した状態で、一対の冷却器３の間に配列されている。本例においては、信号端子２２の突出方向を冷却器３のＵ字形状における内側に統一し、パワー端子２３の突出方向を冷却器３のＵ字形状における外側に統一している。

また、冷却器３は金属材料（例えばアルミニウム）からなり、内部に冷却媒体（例えば冷却水）を流通させる冷媒流路を形成してなる。２個の冷却器３は、一対の直線部分３１における、折返し部分３２と反対側の端部において、互いに連結されている。そして、２つの冷却器３は、この連結部分において、冷却媒体を導入する冷媒導入管３３１、及び冷却媒体を排出する冷媒排出管３３２を接続してなる。つまり、２つの冷却器３は、冷媒導入管３３１及び冷媒排出管３３２を共有している。
これにより、冷却媒体は、冷媒導入管３３１から、２個の冷却器３に分配されて導入され、それぞれの冷却器３内の冷媒流路を、一方の直線部分３１、折返し部分３２、他方の直線部分３１を順次通過して、冷媒排出管３３２から排出される。この間に、冷却媒体は、一対の冷却器３に接触した半導体モジュール２と熱交換をする。

また、冷却器３におけるＵ字形状の折返し部分３２にも、半導体モジュール２を配置してなる。この半導体モジュール２についても、信号端子２２の突出方向を冷却器３のＵ字形状における内側に向け、パワー端子２３の突出方向を冷却器３のＵ字形状における外側に向けている。

本例において、各半導体モジュール２は、それぞれ、互いに直列接続された２個のスイッチング素子を内蔵してなる。そして、各半導体モジュール２は、３本のパワー端子２３を備えている。そのうちの２本が直流電源の正極と負極とにそれぞれ電気的に接続される入力端子であり、他の１本が交流負荷に電気的に接続される出力端子である。
また、各半導体モジュール２は、複数の信号端子２２からなる信号端子群を、上記２個のスイッチング素子に対応して２群備えている。

複数の半導体モジュール２を挟持した２個の冷却器３は、電力変換装置１における金属製（例えばアルミニウム製）のケース４内に配置されている。なお、図１、図２における符号４は、ケースの一部を示している。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の電力変換装置１において、複数の半導体モジュール２は、本体部２１における一対の放熱面２１１をそれぞれ一対の冷却器３に接触させた状態で、一対の冷却器３の間に配列されている。これにより、半導体モジュール２を両面から冷却することができ、その冷却効率を高くすることができる。

また、複数の半導体モジュール２は、信号端子２２及びパワー端子２３の突出方向を、冷却器３のＵ字形状における内側又は外側に統一した状態で、配列されている。そのため、隣接する半導体モジュール２同士において、信号端子２２とパワー端子２３とが近接して配置されることを防ぐことができる。そのため、パワー端子２３を流れる被制御電流の影響によって信号端子２２にノイズ電流が流れることを防ぐことができる。

また、冷却器３は金属材料からなるため、パワー端子２３から発生する電磁ノイズを、冷却器３によって遮蔽することにより、信号端子２２にノイズ電流が流れることを効果的に防ぐことができる。
また、冷却器３におけるＵ字形状の折返し部分３２にも、半導体モジュール２を配置してある。そのため、折返し部分３２を有効活用することにより、電力変換装置１の小型化を実現することができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールの冷却効率に優れると共に、信号端子にノイズ電流が流れることを防ぐことができる電力変換装置を提供することができる。

（実施例１）
本例は、図３、図４に示すごとく、制御回路基板５を、冷却器３における半導体モジュール２とは反対側の面に沿って配置した電力変換装置１の例である。
制御回路基板５には、半導体モジュール２の信号端子２２が接続されている。制御回路基板５の制御回路は、信号端子２２を通じて各半導体モジュール２へ信号電流を送ることにより、各スイッチング素子を制御している。
制御回路基板５は、２個の冷却器３と略平行な状態で配置される。
その他は、参考例と同様である。

本例の場合には、半導体モジュール２において発生する電磁ノイズを、冷却器３によって遮蔽することにより、制御回路基板５にノイズ電流が流れることを効果的に防ぐことができる。
その他、参考例と同様の作用効果を有する。

（実施例２）
本例は、図５、図６に示すごとく、冷却器３におけるＵ字形状の直線部分３１に、複数の半導体モジュール２を配置し、折返し部分３２に、冷却媒体の温度を検出するための温度検出素子６を配置した例である。
温度検出素子６も、半導体モジュール２と同様に、一対の冷却器３に挟持されている。
そして、温度検出素子６の信号端子６２と、複数の半導体モジュール２の信号端子２２とは、その突出方向が、冷却器３のＵ字形状の内側に統一されている。
温度検出素子６としては、例えばサーミスタ素子を用いることができる。
その他は、参考例と同様である。

本例の場合には、複数の半導体モジュール２のパワー端子２３及び信号端子２２を、それぞれ一直線上に配置することができるため、例えばバスバーや制御回路基板等、他部品へのパワー端子２３及び信号端子２２の接続を容易に行うことができる。
また、冷却器３の折返し部分３２に温度検出素子６が配置されているため、折返し部分３２を有効活用して、電力変換装置１の小型化を実現することができる。また、直線部分３１に配置された半導体モジュール２と温度検出素子６との間の距離を確保することができ、半導体モジュール２の熱の影響を小さくしながら冷却媒体の温度検出を正確に行うことができる。

また、温度検出素子６の信号端子６２の突出方向と、複数の半導体モジュール２の信号端子２２の突出方向とが、冷却器３の内側に統一されている。したがって、半導体モジュール２のパワー端子２３が冷却器３の外側に配されるのに対し、温度検出素子６の信号端子６２は冷却器３の内側に配される。そのため、半導体モジュール２のパワー端子２３から発生する電磁ノイズの影響を、温度検出素子６の信号端子６２に及ぼすことを防ぎ、信号端子６２にノイズ電流が流れることを防ぐことができる。
その他、参考例と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図７、図８に示すごとく、構成部品を内部に収容するケース４の一部が、折返し部分３２において、一対の冷却器３の間に挟持されている電力変換装置１の例である。
ケース４には、複数の半導体モジュール２及び冷却器３以外にも、電力変換回路の一部を構成するリアクトル１１が収容されている。そして、ケース４には、リアクトル１１を収容保持するリアクトル保持部４１が形成されている。このリアクトル保持部４１から一対の冷却器３に向かって突出した板状の突出部４２が、ケース４の一部として形成されている。そして、突出部４２が、折返し部分３２において、一対の冷却器３の間に挟持されている。

それゆえ、突出部４２は、発熱部品であるリアクトル１１と熱的に接触している。
また、ケース４において、突出部４２の両主面側には、それぞれ、各冷却器３の折返し部分３２の厚みよりも少し幅広の溝部４３が形成されている。これらの溝部４３に、それぞれ冷却器３の折返し部分３２が配置されることとなる。
その他は、参考例と同様である。

本例の場合には、折返し部分３２において冷却器３が振動することを防ぐことができる。また、ケース４に対する冷却器３の位置決めを容易にすることができる。
また、突出部４２が発熱部品（リアクトル１１）と熱的に接触しているため、突出部４２を介して、発熱部品（リアクトル１１）を冷却器３によって冷却することができる。
その他、参考例と同様の作用効果を有する。

実施例１〜３においては、信号端子２２の突出方向を冷却器３のＵ字形状における内側に統一し、パワー端子２３の突出方向を冷却器３のＵ字形状における外側に統一した例を示したが、実施例２、３においては、これらの突出方向を逆にしてもよい。すなわち、実施例２、３においては、信号端子２２の突出方向を冷却器３のＵ字形状における外側に統一し、パワー端子２３の突出方向を冷却器３のＵ字形状における内側に統一してもよい。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２１ 本体部
２１１ 放熱面
２２ 信号端子
２３ パワー端子
３ 冷却器
３１ 直線部分
３２ 折返し部分
４ ケース
５ 制御回路基板
６ 温度検出素子

Claims (10)

1. 電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する２つの冷却器とを備えた電力変換装置であって、
   上記半導体モジュールは、スイッチング素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱面を備えた本体部と、該本体部から上記放熱面と平行な方向に突出した信号端子と、該信号端子と反対側に上記本体部から突出したパワー端子とを有し、
   上記２つの冷却器は、両者の間に複数の上記半導体モジュールを挟持した状態で平行に配置されており、また、積層方向から見た形状が、一対の直線部分とこれらの一端同士を連結する折返し部分とからなるＵ字形状を有しており、
   上記複数の半導体モジュールは、上記本体部における一対の上記放熱面をそれぞれ上記一対の冷却器に接触させ、かつ、上記信号端子の突出方向を上記冷却器のＵ字形状における内側に、上記パワー端子の突出方向を上記冷却器のＵ字形状の外側に、それぞれ統一した状態で、上記一対の冷却器の間に配列されており、
   上記冷却器は金属材料からなり、
   上記信号端子が接続される制御回路基板を、上記冷却器における上記半導体モジュールとは反対側の面に沿って配置してなり、
   上記制御回路基板は、上記積層方向から見て上記パワー端子と重なり合わないように配置されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する２つの冷却器とを備えた電力変換装置であって、
   上記半導体モジュールは、スイッチング素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱面を備えた本体部と、該本体部から上記放熱面と平行な方向に突出した信号端子と、該信号端子と反対側に上記本体部から突出したパワー端子とを有し、
   上記２つの冷却器は、両者の間に複数の上記半導体モジュールを挟持した状態で平行に配置されており、また、積層方向から見た形状が、一対の直線部分とこれらの一端同士を連結する折返し部分とからなるＵ字形状を有しており、
   上記複数の半導体モジュールは、上記本体部における一対の上記放熱面をそれぞれ上記一対の冷却器に接触させ、かつ、上記信号端子及び上記パワー端子の突出方向を、上記冷却器のＵ字形状における内側又は外側に統一した状態で、一対の冷却器の間に配列されており、
   上記冷却器は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を備えており、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分において、上記冷却媒体の温度を検出するための温度検出素子が上記一対の冷却器に挟持されており、
   上記温度検出素子の信号端子と、上記複数の半導体モジュールの信号端子とは、その突出方向が、上記冷却器の上記Ｕ字形状の内側又は外側に統一されており、
   上記温度検出素子の信号端子の突出方向と、上記複数の半導体モジュールのパワー端子の突出方向とは、上記冷却器の上記Ｕ字形状の内側と外側とに分けられていることを特徴とする電力変換装置。
3. 電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する２つの冷却器とを備えた電力変換装置であって、
   上記半導体モジュールは、スイッチング素子を内蔵すると共に一対の主面に放熱面を備えた本体部と、該本体部から上記放熱面と平行な方向に突出した信号端子と、該信号端子と反対側に上記本体部から突出したパワー端子とを有し、
   上記２つの冷却器は、両者の間に複数の上記半導体モジュールを挟持した状態で平行に配置されており、また、積層方向から見た形状が、一対の直線部分とこれらの一端同士を連結する折返し部分とからなるＵ字形状を有しており、
   上記複数の半導体モジュールは、上記本体部における一対の上記放熱面をそれぞれ上記一対の冷却器に接触させ、かつ、上記信号端子及び上記パワー端子の突出方向を、上記冷却器のＵ字形状における内側又は外側に統一した状態で、一対の冷却器の間に配列されており、
   上記電力変換装置は、構成部品を内部に収容するケースを備え、該ケースの一部は、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分において、上記一対の冷却器の間に挟持されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、上記一対の冷却器の間に挟持された上記ケースの一部は、上記電力変換装置の構成部品である発熱部品と熱的に接触していることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１又は３に記載の電力変換装置において、上記冷却器は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を備えており、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分において、上記冷却媒体の温度を検出するための温度検出素子が上記一対の冷却器に挟持されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、上記温度検出素子の信号端子と、上記複数の半導体モジュールの信号端子とは、その突出方向が、上記冷却器の上記Ｕ字形状の内側又は外側に統一されていることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項２又は３に記載の電力変換装置において、上記冷却器は金属材料からなることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置において、上記信号端子が接続される制御回路基板を、上記冷却器における上記半導体モジュールとは反対側の面に沿って配置してなることを特
   徴とする電力変換装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールは、上記Ｕ字形状の上記直線部分にのみ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記冷却器における上記Ｕ字形状の上記折返し部分に、少なくとも一つの上記半導体モジュールを配置してなることを特徴とする電力変換装置。

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