JP5712750B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュール等を備えた電力変換装置に関する。

従来から、電気自動車、ハイブリッド自動車等の動力源である交流モータと、車両に搭載された直流バッテリーとの間において、電力の変換を行うための電力変換装置がある。
電力変換装置には、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールが配設されているが、これらの半導体モジュールは、そこに流れる被制御電流によって発熱する。そのため、電力変換装置は、発熱する半導体モジュールを冷却するための冷却器を備えている。

また、電力変換装置には、半導体モジュール以外にも、半導体モジュールへの入力電圧を昇圧するためのリアクトル等の電子部品が組み込まれている。そのため、半導体モジュール以外の発熱する電子部品についても十分に冷却を行い、温度上昇を抑制する必要がある。ところが、発熱する電子部品を冷却するための冷却器を別個に設けるとなると、装置全体が大型化してしまい、車両への搭載性も低下する。

そこで、特許文献１には、半導体モジュールとその半導体モジュールを両主面から冷却する冷却管とを積層してなる電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、隣り合う冷却管同士の間に形成される冷却スペースに半導体モジュールが配設されており、その冷却スペースの一部に放熱体が配設されている。そして、リアクトル等の電子部品（発熱体）において発生した熱は、受熱体及びヒートパイプを介して放熱体に伝達され、そこから放熱される。これにより、半導体モジュール以外の電子部品についても冷却することができる。

特開２００９−２６１１２５号公報

しかしながら、上記特許文献１の電力変換装置は、電子部品において発生した熱を受熱体及びヒートパイプを介して放熱体に伝達するため、部品点数が多くなり、複雑な構成となっていた。また、今後、要求される電流仕様によって電流が大きくなり、それに伴って電子部品からの発熱量が大きくなると、電子部品において発生した熱を複数の部材を介して伝達し、放熱する構成では、電子部品を十分に冷却することができないおそれがある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュール以外の電子部品を半導体モジュールと共に簡易な構成で効率よく冷却することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵してな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冷媒を流通させるモジュール冷媒流路を有する冷却器と、
上記半導体モジュール以外の電子部品と、
該電子部品を載置する載置面を有する載置部とを備え、
該載置部の内部には、上記電子部品を冷却する冷媒を流通させる内部冷媒流路が形成されており、
上記載置部の上記内部冷媒流路は、上記冷却器の上記モジュール冷媒流路に接続されていると共に、少なくとも一部が上記載置面に直交する方向において該載置面上に載置された上記電子部品と対向する位置に形成されており、
上記載置部の上記内部冷媒流路は、導入側接続部材及び排出側接続部材を介して、上記冷却器の上記モジュール冷媒流路に接続されており、
上記電子部品は、上記導入側接続部材と上記排出側接続部材との間に配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）。

上記電力変換装置は、半導体モジュール以外の電子部品を載置する載置面を有する載置部を備えており、その載置部の内部には、電子部品を冷却する冷媒を流通させる内部冷媒流路が形成されている。そのため、載置部の内部冷媒流路を流通する冷媒によって、載置部に載置された電子部品を冷却することができる。
また、載置部の内部冷媒流路の少なくとも一部は、載置面に直交する方向において該載置面上に載置された電子部品と対向する位置に形成されている。そのため、電子部品をその電子部品が載置された載置部の載置面から効率よく冷却することができる。

また、載置部の内部冷媒流路は、冷却器のモジュール冷媒流路に接続されている。そのため、半導体モジュールを冷却するための冷却器のモジュール冷媒流路から載置部の内部冷媒流路に冷媒を導入し、電子部品を冷却することができる。これにより、半導体モジュールと半導体モジュール以外の電子部品との両方を簡易な構成で効率よく冷却することができる。
また、電子部品を冷却するための冷却器等を別個に備える必要がないため、装置の小型化を図ることもできる。

このように、本発明によれば、半導体モジュール以外の電子部品を半導体モジュールと共に簡易な構成で効率よく冷却することができる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の全体構成を示す平面図。 実施例１における、電力変換装置の全体構成を示す側面図。 図２におけるＡ−Ａ線矢視断面拡大説明図。 参考例における、電力変換装置の全体構成を示す平面図。 参考例における、電力変換装置の全体構成を示す側面図。 図４におけるＢ−Ｂ線矢視断面拡大説明図。 図４におけるＣ−Ｃ線矢視断面拡大説明図。

上記電力変換装置において、上記電子部品は、上記電力変換装置に組み込まれたコンバータ、コンデンサ、リアクトル等である。
また、上記載置部の上記内部冷媒流路は、上記冷却器の上記モジュール冷媒流路に接続されている。両者は、直接的に接続されていてもよいし、接続するための他の部材等を介して間接的に接続されていてもよい。

また、上記載置部の上記内部冷媒流路は、上記載置面に対してできるだけ近接して、すなわち該載置面上に載置された上記電子部品に対してできるだけ近接して形成されていることが好ましい。この場合には、載置部の内部冷媒流路を流通する冷媒によって電子部品をより一層効率よく冷却することができる。
また、上記載置部の上記内部冷媒流路内に放熱用のフィン等を設け、冷媒との接触面積を増やし、冷却効率を高めることもできる。

また、上記冷却器は、上記モジュール冷媒流路の一部を形成すると共に上記半導体モジュールを両主面から冷却する複数の冷却部を有し、上記半導体モジュールと上記冷却器の上記冷却部とは、互いに積層されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、半導体モジュールを冷却器の冷却部によって効率よく冷却することができる。

また、上記半導体モジュールと上記冷却器の上記冷却部とを互いに積層する構成の場合、例えば、半導体モジュールの両主面に冷却部を形成する冷却管等を接触させ、その冷却管内を流通する冷媒によって半導体モジュールを間接的に冷却する構成であってもよいし、半導体モジュールの両主面に沿って冷却部を形成し、その冷却部を流通する冷媒によって半導体モジュールを直接的に冷却する構成であってもよい。

また、上記載置部の上記内部冷媒流路は、上記冷却器の上記複数の冷却部のうち、積層方向の一端にある接続冷却部に接続されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、冷却器のモジュール冷媒流路と載置部の内部冷媒流路との接続が容易となる。

また、上記冷却器の上記接続冷却部は、上記電子部品に接触するように配置されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、電子部品を載置部だけでなく、冷却器の接続冷却部によっても冷却することができる。これにより、電子部品をより一層効率よく冷却することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、半導体素子を内蔵してなる複数の半導体モジュール２と、半導体モジュール２を冷却する冷媒を流通させるモジュール冷媒流路３０を有する冷却器３と、半導体モジュール２以外の電子部品（リアクトル）４と、電子部品４を載置する載置面５１を有する載置部５とを備えている。

載置部５の内部には、電子部品４を冷却する冷媒を流通させる内部冷媒流路５０が形成されている。載置部５の内部冷媒流路５０は、冷却器３のモジュール冷媒流路３０に接続されていると共に、少なくとも一部が載置面５１に直交する方向において載置面５１上に載置された電子部品４と対向する位置に形成されている。
以下、これを詳説する。

図１、図２に示すごとく、電力変換装置１は、上述のごとく、複数の半導体モジュール２と、その複数の半導体モジュール２を冷却するための冷却器３と、半導体モジュール２への入力電圧を昇圧するための昇圧回路の一部を構成するリアクトル４と、そのリアクトル４を載置するための載置部５とを備えている。

同図に示すごとく、半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等のダイオードを内蔵してなる。
また、半導体モジュール２は、高さ方向Ｚの一方側（上側）に突出してなる制御端子２１と、他方側（下側）に突出してなる電極端子２２とを有する。制御端子２１は、制御回路基板（図示略）と接続されており、電極端子２２は、バスバー（図示略）と接続されている。制御端子２１には、スイッチング素子を制御する制御電流が入力され、電極端子２２からは被制御電力が半導体モジュール２に入出力される。

同図に示すごとく、冷却器３は、半導体モジュール２を両主面から冷却する複数の冷却管（冷却部）３１を有している。そして、半導体モジュール２１と冷却管３１とは、交互に積層されている（以下、両者が積層されている方向を積層方向Ｘという）。
また、隣り合う冷却管３１同士は、その長手方向（幅方向Ｙ）の両端部３１１、３１２において、連結管３２によって互いに連結されている。

また、複数の冷却管３１のうち、積層方向Ｘの一端（前端）に配置された連結冷却管３１ａには、冷媒を導入する冷媒導入管３３と冷媒を排出する冷媒排出管３４とが連結されている。また、積層方向Ｘの他端（後端）に配置された接続冷却管３１ｂの後方側Ｘ２の主面３１４ｂは、リアクトル４の前方側Ｘ１の側面４０１に接触している。
また、冷媒器３のモジュール冷媒流路３０は、上述した冷却管３１、連結管３２、冷媒導入管３３及び冷媒排出管３４の内部に形成されている。

同図に示すごとく、リアクトル４は、半導体モジュール２及び冷却器３の後方側Ｘ２に配置されている。また、リアクトル４は、平板状の載置部５の載置面５１上に載置されている。載置部５は、一方の表面である載置面５１が高さ方向Ｚに直交するように配置されている。
また、リアクトル４は、前方側Ｘ１の側面４０１が冷却器３の接続冷却管３１ｂに接触するように配置されている。

図３に示すごとく、載置部５の内部には、閉塞された空間である内部冷媒流路５０が形成されている。載置部５の内部冷媒流路５０の一部は、載置面５１に直交する方向（高さ方向Ｚ）において、リアクトル４と対向する位置に形成されている。
また、載置部５の内部冷媒流路５０は、冷却器３のモジュール冷媒流路３０に接続されている。

具体的には、図１〜図３に示すごとく、冷却器３の接続冷却管３１ｂの内部に形成されたモジュール冷媒流路３０は、接続冷却管３１ｂの一方の端部３１１ｂにおいて、導入側接続部材６１を介して載置部５の内部冷媒流路５０の幅方向Ｙの一方側に接続されている。また、接続冷却管３１ｂの他方の端部３１２ｂにおいて、排出側接続部材６２を介して載置部５の内部冷媒流路５０の幅方向Ｙの他方側に接続されている。
これにより、載置部５の内部冷媒流路５０は、導入側接続部材６１及び排出側接続部材６２を介して、冷却器３のモジュール冷媒流路３０に間接的に接続されている。

また、図１に示すごとく、冷却器３において、冷媒導入管３３から導入された冷媒は、冷媒導入管３３側の連結管３２を適宜通り、各冷却管３１に分配されると共にその長手方向（幅方向Ｙ）に流通する。そして、冷媒は、各冷却管３１を流れる間に、半導体モジュール２との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷媒は、冷媒排出管３４側の連結管３２を適宜通り、冷媒排出管３４から外部に排出される。

ここで、図１〜図３に示すごとく、冷媒導入管３３から冷媒導入管３３側の連結管３２を通って接続冷却管３１ｂの一方の端部３１１ｂに導入された冷媒の一部は、導入側接続部材６１を介して載置部５の内部冷媒流路５０に導入され、内部冷媒流路５０を幅方向Ｙに流通する。そして、冷媒は、載置部５の内部冷媒流路５０を流れる間に、載置部５の載置面５１に載置されたリアクトル４との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷媒は、排出側接続部材６２を介して接続冷却管３１ｂの他方の端部３１２ｂに排出され、さらに冷媒排出管３４側の連結管３２を通って冷媒排出管３４から外部に排出される。

なお、冷却器３のモジュール冷媒流路３０及び載置部５の内部冷媒流路５０に流通させる冷媒としては、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の冷媒を用いることができる。

次に、本例の電力変換装置１における作用効果について説明する。
本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２以外の電子部品であるリアクトル４を載置する載置面５１を有する載置部５を備えており、その載置部５の内部には、リアクトル４を冷却する冷媒を流通させる内部冷媒流路５０が形成されている。そのため、載置部５の内部冷媒流路５０を流通する冷媒によって、載置部５に載置されたリアクトル４を冷却することができる。
また、載置部５の内部冷媒流路５０の少なくとも一部は、載置面５１に直交する方向（高さ方向Ｚ）において載置面５１上に載置されたリアクトル４と対向する位置に形成されている。そのため、リアクトル４をそのリアクトル４が載置された載置部５の載置面５１から効率よく冷却することができる。

また、載置部５の内部冷媒流路５０は、冷却器３のモジュール冷媒流路３０に接続されている。そのため、半導体モジュール２を冷却するための冷却器３のモジュール冷媒流路３０から載置部５の内部冷媒流路５０に冷媒を導入し、リアクトル４を冷却することができる。これにより、半導体モジュール２と半導体モジュール２以外の電子部品であるリアクトル４との両方を簡易な構成で効率よく冷却することができる。
また、リアクトル４を冷却するための冷却器等を別個に備える必要がないため、装置の小型化を図ることもできる。

また、本例では、冷却器３は、モジュール冷媒流路３０の一部を形成すると共に半導体モジュール２を両主面から冷却する複数の冷却管３１を有し、半導体モジュール２と冷却器３の冷却管３１とは、互いに積層されている。そのため、半導体モジュール２を冷却器３の冷却管３１によって効率よく冷却することができる。

また、載置部５の内部冷媒流路５０は、冷却器３の複数の冷却管３１のうち、積層方向Ｘの後端にある接続冷却管３１ｂに接続されている。そのため、冷却器３のモジュール冷媒流路３０と載置部５の内部冷媒流路５０との接続が容易となる。本例では、導入側接続部材６１及び排出側接続部材６２を介して容易に接続することができる。

また、冷却器３の接続冷却管３１ｂは、リアクトル４に接触するように配置されている。そのため、リアクトル４を載置部５だけでなく、冷却器３の接続冷却管３１ｂによっても冷却することができる。これにより、リアクトル４をより一層効率よく冷却することができる。

このように、本例によれば、半導体モジュール２以外の電子部品（リアクトル４）を半導体モジュール２と共に簡易な構成で効率よく冷却することができる電力変換装置１を提供することができる。

（参考例）
本例は、図４〜図７に示すごとく、冷却器３の接続冷却器３１ｂ及び載置部５の内部冷媒流路５０の構成を変更した例である。
本例では、図４、図５に示すごとく、冷却器３の接続冷却管３１ｂは、載置部５と一体的に形成されている。具体的には、接続冷却管３１ｂの下端部３１６と載置部５の前端部５２１とが接合されており、両者がＬ字状の１つの部材として構成されている。

また、図４〜図６に示すごとく、冷却器３の接続冷却管３１ｂの内部に形成されたモジュール冷媒流路３０は、接続冷却管３１ｂの一方の端部３１１ｂにおいて、載置部５の内部冷媒流路５０の幅方向Ｙの一方側に接続されている。また、接続冷却管３１ｂの他方の端部３１２ｂにおいて、載置部５の内部冷媒流路５０の幅方向Ｙの他方側に接続されている。また、図７に示すごとく、接続冷却部３１ｂの両端部３１１、３１２以外の中央部分では、モジュール冷媒流路３０と載置部５の内部冷媒流路５０とが接続されていない。
これにより、載置部５の内部冷媒流路５０は、冷却器３のモジュール冷媒流路３０に直接的に接続されている。
その他は、実施例１と同様の構成である。

本例の場合には、冷却器３の接続冷却管３１ｂと載置部５とを一体的に形成することにより、冷却器３のモジュール冷媒流路３０と載置部５の内部冷媒流路５０とを直接的に接続することが容易となる。これにより、両者を接続するための部材等が不要となるため、部品点数の削減を図り、組付け性を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
３０ モジュール冷媒流路
４ 電子部品（リアクトル）
５ 載置部
５０ 内部冷媒流路
５１ 載置面

Claims (4)

1. 半導体素子を内蔵してな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冷媒を流通させるモジュール冷媒流路を有する冷却器と、
   上記半導体モジュール以外の電子部品と、
   該電子部品を載置する載置面を有する載置部とを備え、
   該載置部の内部には、上記電子部品を冷却する冷媒を流通させる内部冷媒流路が形成されており、
   上記載置部の上記内部冷媒流路は、上記冷却器の上記モジュール冷媒流路に接続されていると共に、少なくとも一部が上記載置面に直交する方向において該載置面上に載置された上記電子部品と対向する位置に形成されており、
   上記載置部の上記内部冷媒流路は、導入側接続部材及び排出側接続部材を介して、上記冷却器の上記モジュール冷媒流路に接続されており、
   上記電子部品は、上記導入側接続部材と上記排出側接続部材との間に配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、上記冷却器は、上記モジュール冷媒流路の一部を形成すると共に上記半導体モジュールを両主面から冷却する複数の冷却部を有し、上記半導体モジュールと上記冷却器の上記冷却部とは、互いに積層されてい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、上記載置部の上記内部冷媒流路は、上記冷却器の上記複数の冷却部のうち、積層方向の一端に配置された接続冷却部に接続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、上記冷却器の上記接続冷却部は、上記電子部品に接触するように配置されていることを特徴とする電力変換装置。

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