JP5676154B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子を内蔵すると共に該半導体素子を冷却するための冷媒流路を内部に設けた半導体モジュールを、複数個積層して構成してなる電力変換装置に関する。
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置として、図15に示すごとく、半導体素子921を内蔵すると共に該半導体素子921を冷却するための冷媒流路94を内部に設けた半導体モジュール92を、複数個積層して構成してなる電力変換装置9がある(特許文献1)。
この電力変換装置9における半導体モジュール92は、半導体素子921と、該半導体素子921と熱的に接続された放熱板922と、該放熱板922の放熱面925を露出させた状態で半導体素子921及び放熱板922を封止する樹脂からなる封止部923と、該封止部923の周囲に形成された樹脂からなる壁部924とを有する。そして、壁部924と封止部923との間に冷媒流路94を有する。
すなわち、半導体モジュール92は、半導体素子921を放熱板922と共に樹脂モールドするとともに、その内部に冷媒流路94となる空間を形成している。
電力変換装置9は、複数の半導体モジュール92を放熱面925の法線方向に積層し、連結して構成されている。これにより、隣り合う半導体モジュール92における放熱板922の放熱面925同士の間にも冷媒流路94が形成される。
そして、冷媒流路94に冷却媒体Wを流通させることにより、半導体素子921の冷却を行うことができる。
かかる電力変換装置9は、上記のように複数の半導体モジュール92を積層することによって、冷媒流路94を備えた状態で構成されるため、別途冷却器を設ける必要がなく、簡素化、小型化、かつ組立容易化を実現することができる。
特開2006−165534号公報
しかしながら、電力変換装置9が扱う被制御電力の大電流化、高電圧化等の要請に伴い、半導体素子の発熱量が大きくなり、その冷却性能を向上させる必要が生じる場合がある。
かかる場合において、上記電力変換装置9の構成では、冷却性能の向上が困難となる場合もある。
具体的には、上記電力変換装置9においては、半導体素子921の熱は、主に放熱板922の放熱面925を介して冷却媒体Wに放熱されるが、樹脂からなる封止部923は熱伝導率が低いため、封止部923に覆われた部分からは、半導体素子921が冷却され難い。
それゆえ、放熱板922を介した半導体素子921の冷却のみでは充分な冷却性能が得られない場合、半導体素子921の温度上昇を招いてしまうおそれがある。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、封止部を介した伝熱をも利用して半導体素子の冷却性能を向上させることができる電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部が配設されており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
かつ、上記封止部は、上記貫通冷媒流路に面する側面に凹凸部を設けてなり、
該凹凸部の凸部は、上記積層方向に直交する方向、かつ、上記貫通冷媒流路内に突出して形成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)。
上記電力変換装置において、上記封止部は、上記貫通冷媒流路に面する側面に凹凸部を設けてなる。そのため、上記貫通冷媒流路を流れる冷却媒体と上記封止部との間の接触面積を大きくすることができる。それゆえ、上記封止部を介した冷却媒体と半導体素子との間の熱交換効率を向上させることができる。
その結果、半導体素子は、上記沿面冷媒流路を流れる冷却媒体による放熱板を介した熱交換のみならず、貫通冷媒流路を流れる冷却媒体による封止部を介した熱交換によっても冷却することができる。すなわち、放熱板を介した伝熱に加え、封止部を介した伝熱をも利用して、冷却媒体によって半導体素子を冷却することができる。
したがって、上記電力変換装置によれば、半導体素子の冷却性能の向上を図ることができる。
以上のごとく、本発明によれば、封止部を介した伝熱をも利用して半導体素子の冷却性能を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。
実施例1における、電力変換装置の斜視展開図。 実施例1における、図1のA−A線矢視断面相当の電力変換装置の断面図。 実施例1における、半導体モジュールの斜視図。 実施例1における、半導体モジュールの正面図。 図4のB−B線矢視断面図。 実施例1における、電力変換装置の回路図。 実施例2における、半導体モジュールの正面図。 図7のC−C線矢視断面図。 実施例3における、電力変換装置の断面図。 実施例3における、半導体モジュールの正面図。 図10のD−D線矢視断面図。 実施例4における、電力変換装置の断面図。 実施例4における、半導体モジュールの正面図。 図13のE−E線矢視断面図。 背景技術における、電力変換装置の断面図。
本発明において、上記複数の半導体モジュールの積層方向は、上記放熱面の法線方向と略平行であればよく、隣り合う半導体モジュールの上記半導体素子間に、上記放熱面に沿った上記沿面冷媒流路が形成される状態であればよい。
また、上記半導体モジュールにおける上記放熱板は、上記半導体素子を両側から挟持する状態で配設されていることが好ましいが、上記半導体素子の一方の面側のみに配設されていてもよい。
また、上記封止部と上記壁部とは、樹脂によって成形されていることが好ましい。この場合には、上記封止部、上記壁部、及びこれらの間に形成される上記貫通冷媒流路を容易に形成することができ、電力変換装置の構成の簡素化、小型化、低コスト化を実現することができる。そして、この場合、上記封止部の熱伝導率が低くなりやすいため、冷却媒体による半導体素子の冷却を効率的に行い難くなるが、本発明を適用して伝熱面積を大きくすることにより、半導体素子を冷却しやすくすることができる。その結果、上記半導体素子の温度上昇を防ぎつつ、電力変換装置の簡素化、小型化、低コスト化を、効率的に行うことができる。
また、上記凹凸部は、上記貫通冷媒流路の流路方向に直交する断面形状が凹凸状であることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記凹凸部における、凸部と凸部との間、或いは凹部を、冷却媒体が通過しやすいため、上記凹凸部を設けたことによる冷却媒体の圧力損失の上昇を抑制することができる。その結果、封止部を介した半導体素子の冷却を一層効率的に行うことができる。
また、上記凹凸部は、複数のフィンによって形成されており、該フィンは、上記貫通冷媒流路の流路方向に平行に配置されていることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記フィンに沿って冷却媒体を流通させることができるため、上記凹凸部を設けたことによる冷却媒体の圧力損失の上昇をより抑制することができる。その結果、封止部を介した半導体素子の冷却をより一層効率的に行うことができる。
(実施例1)
本発明の実施例に係る電力変換装置につき、図1〜図6を用いて説明する。
図1、図2に示すごとく、半導体素子21を内蔵した半導体モジュール2を複数個積層して構成してなる。
半導体モジュール2は、図2〜図5に示すごとく、半導体素子21と、放熱板22と、封止部23と、壁部24と、貫通冷媒流路41とを有する。
放熱板22は、半導体素子21と熱的に接続されている。封止部23は、放熱板22の放熱面221を露出させた状態で半導体素子21及び放熱板22を封止している。壁部24は、放熱面221の法線方向に直交する方向における封止部23の周囲に形成されると共に放熱面221よりも法線方向に突出している。貫通冷媒流路41は、壁部24と封止部23との間に形成されている。
図1、図2に示すごとく、複数の半導体モジュール2は、放熱面221の法線方向に積層されている。
積層方向の両端に配される半導体モジュール21には、壁部24における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部3が配設されている。
隣り合う半導体モジュール2の間及び蓋部3と半導体モジュール2との間であって壁部24の内側には、貫通冷媒流路41に連通すると共に放熱面221に沿った沿面冷媒流路42が形成されている。
一対の蓋部3のうちの一方には、冷却媒体Wを貫通冷媒流路41及び沿面冷媒流路42に導入、排出する、冷媒導入管51及び冷媒排出管52が配設されている。
そして、図3〜図5に示すごとく、封止部23は、貫通冷媒流路41に面する側面に凹凸部26を設けてなる。
凹凸部26は、貫通冷媒流路41の流路方向に直交する断面形状が凹凸状であり、鋸歯状である。また、凹凸部26は、複数のフィン261によって形成されている。すなわち、鋸歯の一つ一つの歯に相当する部分を一つのフィン261と捉えることができる。そして、このフィン261は、貫通冷媒流路41の流路方向に平行に配置されている。
本例の電力変換装置1は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、図6に示すごとく、直流電源(バッテリー101)と交流負荷(三相交流の回転電機102)との間の電力変換を行うよう構成されている。
半導体モジュール2は、図2に示すごとく、2個の半導体素子21を備えている。具体的には、半導体モジュール2に内蔵された半導体素子21の一方は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等からなるスイッチング素子であり、他方は、スイッチング素子に逆並列接続されたFWD(フリーホイールダイオード)等のダイオードである(図6参照)。
各半導体モジュール2は、図2に示すごとく、半導体素子21を両側から挟持するように配設された一対の金属製の放熱板22を有する。そして、これらの放熱板22は、はんだ222を介して半導体素子21に電気的、熱的に接続されている。2個の半導体素子21と一対の放熱板22とは、各放熱板22の放熱面221を露出させながら、樹脂製の封止部23によって一体化されて封止されている。封止部23は、図4に示すごとく、放熱面221の全周に形成されている。凹凸部23は、この封止部23の側面に形成されており、凹凸部23を構成する複数のフィン261は、封止部23の一部として一体成形されている。
また、放熱面221の法線方向に直交する方向の全周にわたって封止部23を囲むように、樹脂製の壁部24が形成されている。
図3〜図5に示すごとく、封止部23及び壁部24からは、放熱面221の法線方向に直交する方向に、一対の主電極端子251が突出し、その反対方向に、複数の制御端子252が突出している。主電極端子251には、被制御電流用のバスバー(図示略)が接続され、制御端子252は、スイッチング素子(半導体素子21)を制御等するための制御回路(図示略)に接続される。
また、放熱面221の法線方向に直交する方向であって、主電極端子251及び制御端子252の突出方向(以下、「高さ方向」という。)に直交する方向(以下、「横方向」という。)における、封止部23と壁部24との間に、一対の貫通冷媒流路41が形成されている。
また、壁部24は、一対の放熱面221よりも、放熱面221の法線方向に突出している。
また、封止部23の側面には、凹凸部26が、貫通冷媒流路41に面して形成されている。凹凸部26は、封止部23の高さ方向の全体にわたって形成されている。また、凹凸部26は、放熱面221の法線方向(冷却媒体Wの流路方向)における封止部23の全体にわたって形成されている。
図1、図2に示すごとく、電力変換装置1は、複数の半導体モジュール2を、放熱面221の法線方向に積層することにより、構成されている。図1、図2においては、半導体モジュール2を3個積層した図を示しているが、実際の電力変換装置1は、より多数の半導体モジュール2を積層してなり、その積層数は特に限定されるものではない。
複数の半導体モジュール2は、壁部24において互いに連結されている。そして、電力変換装置1における積層方向の両端に、樹脂製の蓋部3が、半導体モジュール2の壁部24の開口部を塞ぐように取り付けてある。隣り合う半導体モジュール2の壁部24の間や、半導体モジュール2の壁部24と蓋部3との間には、水密性を確保するためのシール部材を介在させることができる。
一対の蓋部3のうちの一方には、貫通冷媒流路41及び沿面冷媒流路42へ冷却媒体Wを導入するための冷媒導入管51と、冷却媒体Wを排出するための冷媒排出管52とが取り付けてある。これらの冷媒導入管51及び冷媒排出管52は、樹脂からなる。
なお、蓋部3、冷媒導入管51及び冷媒排出管52は、金属製、或いはセラミック製等、他の材質とすることもできる。
このように、複数の半導体モジュール2と一対の蓋部3とを積層して連結することにより、図2に示すごとく、内部に貫通冷媒流路41と沿面冷媒流路42とが連続した冷媒流路4が、壁部24と蓋部3とによって囲まれた内側の空間に形成される。この状態において、各半導体モジュール2に設けられた一対の貫通冷媒流路41は、それぞれ一直線上に配列した状態で連結される。沿面冷媒流路42は、隣り合う半導体モジュール2の放熱面221同士の間、及び半導体モジュール2と蓋部3との間に、貫通冷媒流路41に直交するように、かつこれらに連結するように形成される。
これにより、冷媒導入管51から冷媒流路4に導入された冷却媒体Wは、貫通冷媒流路41を適宜通過しながら、各半導体モジュール2における一対の放熱面221に接触する沿面冷媒流路42を通過する。ここで、半導体素子21と熱交換した冷却媒体Wは、他方の貫通冷媒流路41を適宜通過して、冷媒排出管52から排出される。
なお、冷却媒体Wとしては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、HCFC123、HFC134a等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。
本例の電力変換装置1は、図6に示す電力変換回路を構成しており、直流電源(バッテリー101)の電圧を昇圧するコンバータ11と、昇圧した直流電力を交流電力に変換して交流負荷(回転電機102)へ出力するインバータ12とを有する。インバータ12及びコンバータ11は、上記の機能と反対の機能、すなわち、交流電力を直流電力へ変換する機能、及び直流電力を降圧する機能をもそれぞれ備えている。
コンバータ11は、複数の半導体モジュール2、リアクトル111、及びフィルタコンデンサ112によって構成されている。インバータ12は、複数の半導体モジュール2、スナバコンデンサ121を備えている。さらにコンバータ11とインバータ12との間には、平滑コンデンサ131、放電抵抗132が配線されている。
次に、本例の作用効果につき説明する。
電力変換装置1において、封止部23は、貫通冷媒流路41に面する側面に凹凸部26を設けてなる。そのため、貫通冷媒流路41を流れる冷却媒体Wと封止部23との間の接触面積を大きくすることができる。それゆえ、封止部23を介した冷却媒体Wと半導体素子21との間の熱交換効率を向上させることができる。
その結果、半導体素子21は、沿面冷媒流路42を流れる冷却媒体Wによる放熱板22を介した熱交換のみならず、貫通冷媒流路41を流れる冷却媒体Wによる封止部23を介した熱交換によっても冷却することができる。すなわち、放熱板22を介した伝熱に加え、封止部23を介した伝熱をも利用して、冷却媒体Wによって半導体素子21を冷却することができる。
したがって、上記電力変換装置1によれば、半導体素子21の冷却性能の向上を図ることができる。
また、凹凸部26は、貫通冷媒流路41の流路方向に直交する断面形状が凹凸状である。特に、凹凸部26を構成する複数のフィン261のそれぞれが、貫通冷媒流路41の流路方向に平行に配置されている。これにより、フィン261に沿って冷却媒体Wを流通させることができるため、凹凸部26を設けたことによる冷却媒体Wの圧力損失の上昇をより抑制することができる。その結果、封止部23を介した半導体素子21の冷却をより一層効率的に行うことができる。
以上のごとく、本例によれば、封止部を介した伝熱をも利用して半導体素子の冷却性能を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。
(実施例2)
本例は、図7、図8に示すごとく、凹凸部26を、複数の平板状のフィン261によって構成した例である。
すなわち、本例の電力変換装置1における半導体モジュール2は、封止部23から横方向に複数の平板状のフィン261を突出させてなる。複数のフィン261は互いに平行にかつ略等間隔に配設されている。
また、フィン261は、貫通冷媒流路41における冷却媒体Wの流路方向に平行に形成されている。また、複数のフィン261は、封止部23の一部として一体成形されている。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合にも、実施例1と同様の作用効果を奏する。
(実施例3)
本例は、図9〜図11に示すごとく、凹凸部26を、主電極端子251及び制御端子252の突出方向(高さ方向)から見た形状において鋸歯状となるような形状とした例である。
すなわち、凹凸部26を構成する複数のフィン261のそれぞれは、高さ方向に平行に配設されており、これらが封止部23の側面において、積層方向(冷却媒体Wの流路方向)に複数個、連続的に形成されている。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合にも、実施例1と同様の作用効果を奏する。
(実施例4)
本例は、図12〜図14に示すごとく、凹凸部26を、多数のピン状のフィン261によって構成した例である。
すなわち、本例の電力変換装置1における半導体モジュール2は、封止部23から横方向に多数のピン状のフィン261を突出させてなる。複数のフィン261は互いに平行にかつ略等間隔に配設されている。
その他は、実施例1と同様である。
本例の場合にも、実施例1と同様の作用効果を奏する。
本発明は、上記実施例以外にも種々の態様をとることができる。
すなわち、上記半導体モジュール2における封止部23に上記凹凸部26が形成されていればよく、その形状は上記実施例に示したものに限らず、種々の形状を採用することができる。
1 電力変換装置
2 半導体モジュール
21 半導体素子
22 放熱板
221 放熱面
23 封止部
24 壁部
26 凹凸部
3 蓋部
4 冷媒流路
41 貫通冷媒流路
42 沿面冷媒流路
51 冷媒導入管
52 冷媒排出管

Claims (3)

  1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
    上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
    複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
    積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部が配設されており、
    隣り合う上記半導体モジュールの間及び上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
    かつ、上記封止部は、上記貫通冷媒流路に面する側面に凹凸部を設けてなり、
    該凹凸部の凸部は、上記積層方向に直交する方向、かつ、上記貫通冷媒流路内に突出して形成されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置において、上記凹凸部は、上記貫通冷媒流路の流路方向に直交する断面形状が凹凸状であることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項2に記載の電力変換装置において、上記凹凸部は、複数のフィンによって形成されており、該フィンは、上記貫通冷媒流路の流路方向に平行に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
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