JP5888253B2

JP5888253B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5888253B2
Application number: JP2013015299A
Authority: JP
Inventors: 浩史清水; 哲矢松岡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: JP2014147258A

Description

本発明は、半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための冷却器とを備えた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には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。特許文献１に示された電力変換装置は、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、半導体モジュールを冷却するための冷却器と、コンデンサ等の発熱部品と、これらが固定される金属製のケースとを備えている。

冷却器は、内部に流路を有する複数の冷却管と、冷却管同士を連通する接続部と、冷却管に冷媒を流入・排出するための一対のパイプとを備えている。複数の半導体モジュールと、複数の冷却管とは、交互に積層して半導体積層ユニットを形成している。一対のパイプに冷媒を流入・排出することで、冷却管の内側に冷媒を流通させて、半導体モジュールを冷却するよう構成されている。

また、一対のパイプは、ケースと金属製のブラケットとによって挟持して固定されている。発熱部品は、ブラケットに固定されており、発熱部品に発生した熱は、ブラケットを介して、一対のパイプへと伝達される。これにより、発熱部品を冷却可能に構成されている。

特開２０１０−１２４５２３号公報

しかしながら、特許文献１に示された電力変換装置には以下の課題がある。
上記電力変換装置において、半導体モジュールは、冷却管と接続管とによって、その周囲４方向を囲まれている。しかし、一般的に、接続管と半導体モジュールの並び方向から見たとき、接続管の直径は、半導体モジュールの外形よりも小さく、接続管による冷却効果は低い。また、発熱部品は、ブラケットによって保持された部位以外は、周囲の空気にさらされているため、保持部に比べて冷却効果が低くなる。
つまり、半導体モジュール及び発熱部品は、冷却器又はブラケットとの接触面において、優れた冷却性能を備えているが、接触面を除く部位においては、接触面に比べて冷却性能が劣っている。そのため、冷却性能のさらなる向上が望まれている。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールを効率よく冷却することのできる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールと当接する冷却面を有する冷却チューブと、該冷却チューブの内部に形成された冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出する一対のパイプとを備えた冷却器とを有しており、
上記一対のパイプは、その軸線方向が、上記冷却チューブの上記冷却面と平行に配されており、
上記一対のパイプは、上記冷却面よりも、上記半導体モジュール側に突出して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）。

上記電力変換装置においては、上記冷却チューブに加えて、上記一対のパイプによっても上記半導体モジュールを冷却することができる。すなわち、上記のごとく、上記一対のパイプを上記冷却面よりも上記半導体モジュール側に突出して配することで、上記冷却チューブと上記一対のパイプとによって囲まれた領域が形成される。
上記一対のパイプは、その内部を冷媒が流通しているため、上記冷却チューブと同様に冷却機能を有している。そのため、領域内の空気は、上記冷却チューブと上記一対のパイプとによって冷却されることで冷却空気となる。したがって、上記冷却チューブ及び上記一対のパイプが直接接触していない部分においても、上記領域内に配された上記半導体モジュールを、上記冷却空気によって、冷却することができる。これにより、上記冷却器における冷却性能を向上することができる。

以上のごとく、上記電力変換装置によれば、上記半導体モジュールを効率よく冷却することができる。

実施例１における、電力変換装置の断面図（図２におけるＩ−Ｉ矢視断面図）。図１における、II−II矢視断面図。実施例１における、半導体モジュールを示す説明図。実施例１における、冷却器を示す説明図。実施例１における、冷却チューブの断面図。実施例１における、冷却器の断面図。実施例２における、冷却器の断面図。

上記電力変換装置において、上記冷却チューブ及び上記半導体モジュールの重なり方向から見たとき、上記一対のパイプの少なくとも一部が、上記冷却チューブの外形より内側で、かつ上記冷却面側に配されており、上記半導体モジュールが、上記一対のパイプの間に配されていてもよい（請求項２）。この場合には、上記一対のパイプの突出量を増大し、上記冷却チューブと上記一対のパイプとによって囲まれた領域における、上記冷却面の法線方向における寸法を拡大することができる。これにより、上記冷却器における冷却性能をさらに向上することができる。
また、上記一対のパイプが、上記冷却面と反対側へ突出しないため、上記冷却器を小型化し、ひいては上記電力変換装置を小型化することができる。

また、上記一対のパイプと、上記半導体モジュールとの間には、それぞれ空隙部が形成されていてもよい（請求項３）。この場合には、上記一対のパイプの間に、上記半導体モジュールを容易に配置することができる。これにより、上記冷却器への上記半導体モジュールの組み付け作業性を向上することができる。
また、上記一対のパイプの一方又は両方に、上記半導体モジュールを接触させてもよい。

また、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとの重なり方向における、上記冷却面からの上記一対のパイプの突出量Ｐと、上記半導体モジュールの高さＨとは、Ｐ≧Ｈの関係を有していてもよい（請求項４）。この場合には、上記一対のパイプと上記冷却チューブとに囲まれた領域内に、上記半導体モジュールを納めることができる。これにより、上記冷却器における冷却性能をより向上することができる。
また、上記一対のパイプは、上記冷却器から同一方向に延びていることが好ましい。また、上記一対のパイプは、必ずしも平行である必要はないが、平行であることが好ましい。

（実施例１）
電力変換装置にかかる実施例について、図１〜図６を参照して説明する。
図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール２と、半導体モジュール２と当接する冷却面３１を有する冷却チューブ３２と、冷却チューブ３２の内部に形成された冷媒流路３２１に冷却媒体を導入又は排出する一対のパイプ３３１、３３２とを備えた冷却器３とを有している。
一対のパイプ３３１、３３２は、その軸線方向が、冷却チューブ３２の冷却面３１と平行に配されると共に、冷却面３１よりも半導体モジュール２側に突出して配されている。

以下、さらに詳細に説明する。
本例において、半導体モジュール２と冷却チューブ３２との重なり方向を上下方向Ｚ、パイプ３３１、３３２の長手方向を前後方向Ｘ、また、上下方向Ｚ及び前後方向Ｘの両方に対して直交する方向を横方向Ｙとして、以下説明する。
また、上下方向Ｚにおいて、半導体モジュール２を配した側を上方とし、反対側を下方とする。また、前後方向Ｘにおいて、パイプ３３１、３３２が突出する側を前方とし、反対側を後方とする。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２と、半導体モジュール２を冷却する冷却器３と、これらを収容するケース７とを有している。

本例の半導体モジュール２は、図３に示すごとく、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を６個内蔵してなる。半導体モジュール２は、６個のスイッチング素子を樹脂モールドしてなる平板状の本体部２１と、本体部２１の前方及び後方端面に配された主電極端子２２及び制御端子２３からなる。図１及び図２に示すごとく、半導体モジュール２は、平板状の本体部２１における主面の法線方向が上下方向Ｚとなるように、冷却チューブ３２と重ね合わせてある。

図３に示すごとく、主電極端子２２は、本体部２１の前方端から前方に向かって延びる３本の交流端子２２１と、本体部２１の後方端から後方に向かって延びる２本の直流端子２２２とからなる。交流端子２２１は、図示しない端子台上に配され、三相誘導電動機と接続される。直流端子２２２は、バスバー（図示略）と接続されており、バスバーを介して被制御電力が半導体モジュール２に入出力される。

また、制御端子２３は、図３に示すごとく本体部２１の前方端部及び後方端部にそれぞれ３組ずつ、計６組配されており、上方に向かって屈曲して形成されている。図１及び図２に示すごとく、制御端子２３は、制御回路基板５と接続されており、スイッチング素子を制御する制御電流が入力される。

図２及び図４に示すごとく、冷却器３は、半導体モジュール２の下方に配される冷却チューブ３２と、冷却チューブ３２へ冷却媒体を循環させるための冷媒導入管３３１及び冷媒排出管３３２からなる一対のパイプ３３１、３３２を有している。冷却チューブ３２は、アルミニウム等の金属によって構成され、その上面は半導体モジュール２と当接する冷却面３１をなしている。また、図５に示すごとく、冷却チューブ３２の内部には、横方向Ｙに延びると共に前後方向Ｘに並んで形成された複数のフィン３２２と、各フィン３２２の間に形成された複数の冷媒流路３２１が形成されている。各冷媒流路３２１は、左右方向の両端において、一対のパイプ３３１、３３２と冷却チューブ３２とをつなぐ連結部３４と連通している。

図４に示すごとく、一対のパイプ３３１、３３２は、円筒状をなしており、その軸方向が冷却面３２と平行でかつ、前後方向Ｘとなるように配されている。また、一対のパイプ３３１、３３２は、冷却チューブ３２の前後方向Ｘにおける長さと略同一の長さを有する小径部３３３と、小径部３３３よりも直径の大きい大径部３３４と、小径部３３３と大径部３３４とをつなぐ、テーパ部３３５とを有している。

図５に示すごとく、一対のパイプ３３１、３３２は、上方から見たとき、横方向Ｙにおける冷却チューブ３２の両端縁よりも内側に配されている。また、一対のパイプ３３１、３３２は、小径部３３３が冷却チューブ３２の上方に配され、大径部３３４及びテーパ部３３５が、冷却チューブ３２よりも前方側に突出している。

図１及び図５に示すごとく、各パイプ３３１、３３２は、一対の連結部３４を介して冷却チューブ３２と連結されている。尚、各連結部３４は、筒状をなしており、その内周は、パイプ３３１、３３２の内周と、冷却チューブ３２の冷媒流路３２１とに連通している。

図６に示すごとく、本例の冷却器３において、一対のパイプ３３１、３３２における冷却チューブ３２の冷却面３１から半導体モジュール２側への突出量Ｐは、パイプ３３１、３３２における小径部３３３の直径と連結部３４の高さ寸法との合計となる。突出量Ｐは、半導体モジュール２における本体部２１の高さ寸法Ｈよりも大きくなるように設定してある。一対のパイプ３３１、３３２及び冷却チューブ３２によって、周囲三方向を囲まれた部分には、領域３０が形成される。

また、図２に示すごとく、横方向Ｙにおいて、一対のパイプ３３１、３３２の間の距離は、半導体モジュール２の幅に比べて大きく設定してあり、一対のパイプ３３１、３３２と半導体モジュール２との間には空隙部３５が形成されている。

図２及び図５に示すごとく、冷媒導入管３３１から導入された冷却媒体は、連結部３４を通り、冷却チューブ３２に流入する。そして、冷却チューブ３２の内部の冷媒流路３２１を流通し、冷媒排出管３３２に導かれ排出される。冷却器３内を流通する冷却媒体は半導体モジュール２及び冷却器３の周囲の空気との間で熱交換が行われ、これらを冷却する。冷却媒体としては、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。

上述の半導体モジュール２及び冷却器３は、図１及び図２に示すごとく、熱伝導性樹脂からなるケース７内に収容されている。尚、本例においては、ケース７を熱伝導性樹脂によって形成したがこれに限るものではなく、アルミニウム合金等の熱伝導性に優れた材料を用いることが好ましい。
ケース７は、上端が開口したケース本体７１と、ケース本体７１における上方の開口部を覆うように配される板状のケース蓋体７７とを有している。

図１及び図２に示すごとく、ケース本体７１は、上方から見て略矩形上をなす底部７２と、底部７２の外周縁全周から上方に向かって立設するとともに上方に開放した壁部７３とを有している。ケース本体７１の内側には、半導体モジュール２及び冷却器３を収容してある。

図１に示すごとく、ケース本体７１の前方壁部７５には、シール部材３３６を配した一対のパイプ３３１、３３２を嵌合する一対のパイプ配置凹部７５１と、一対のパイプ配置凹部７５１の間に貫通形成された交流端子配置孔（図示略）とを有している。また、ケース本体７１の後方壁部７４には、直流端子配置孔（図示略）が貫通形成されている。

図１及び図２に示すごとく、ケース本体７１内に配置された半導体モジュール２及び冷却器３は、アルミニウム合金からなる略板状の押圧部材４によってケース７に固定される。押圧部材４は、半導体モジュール２の上面と当接する当接面４１と、上方から見たとき、冷却器３の外形よりも外側の位置に形成されたボルト挿通穴（図示略）とを有している。押圧部材４は、ボルト挿通穴に挿通された固定ボルト４２を、ケース本体７１に形成されたネジ穴に螺号し、底部７２及び押圧部材４によって挟持した状態で、半導体モジュール２及び冷却器３をケース本体内に固定している。

図１及び図２に示すごとく、押圧部材４の上面には、制御回路基板５が配されており、上述した制御端子２３が接続される。
ケース本体４１内に、半導体モジュール２、冷却器３、押圧部材４及び制御回路基板５を配置した後、壁部７３の上端にケース蓋体７７を固定して電力変換装置１が形成される。

次に、本例の作用効果を説明する。
電力変換装置１においては、冷却チューブ３２に加えて、一対のパイプ３３１、３３２によっても半導体モジュール２を冷却することができる。すなわち、一対のパイプ３３１、３３２は、その内部を冷媒が流通しているため、冷却チューブ３２と同様に冷却機能を有している。したがって、上記のごとく、一対のパイプ３３１、３３２を冷却面３１よりも半導体モジュール２側に突出して配することで、冷却チューブ３２と一対のパイプ３３１、３３２とによって囲まれた領域３０が形成される。この領域３０内の空気は、冷却チューブ３２と一対のパイプ３３１、３３２とによって冷却され、冷却空気となる。そのため。冷却チューブ３２及び一対のパイプ３３１、３３２の半導体モジュール２と直接接触していない部分から、上記冷却空気によって、半導体モジュール２を冷却することができる。これにより、冷却器３の冷却性能を向上することができる。

また、一対のパイプ３３１、３３２を冷却チューブ３２から上方へと突出させると、パイプ３３１、３３２によって冷却された冷却空気が領域３０にとどまりやすくなる。これにより、冷却器３の冷却性能をさらに向上することができる。

また、冷却チューブ３２及び半導体モジュール２の重なり方向から見たとき、一対のパイプ３３１、３３２の少なくとも一部が、冷却チューブ３２の外形より内側で、かつ冷却面３１側に配されており、半導体モジュール２が、一対のパイプ３３１、３３２の間に配されている。そのため、一対のパイプ３３１、３３２の突出量を増大し、冷却チューブ３２と一対のパイプ３３１、３３２とによって囲まれた領域３０における冷却面３１の法線方向における寸法を拡大することができる。これにより、冷却器３における冷却性能をさらに向上することができる。
また、一対のパイプ３３１、３３２は、冷却面３２と反対側へ突出しないため、冷却器３を小型化し、ひいては、電力変換装置１を小型化することができる。

また、一対のパイプ３３１、３３２と、半導体モジュール２との間には、それぞれ空隙部３５が形成されている。そのため、一対のパイプ３３１、３３２の間に、半導体モジュール２を容易に配置することができる。これにより、冷却器３への半導体モジュール２の組み付け作業性を向上することができる。

また、半導体モジュール２と冷却チューブ３２との重なり方向（上下方向Ｚ）における、冷却面３１からの一対のパイプ３３１、３３２の突出量Ｐと、半導体モジュール２の高さＨとは、Ｐ≧Ｈの関係を有している。そのため、一対のパイプ３３１、３３２と冷却チューブ３２とに囲まれた領域３０内に、半導体モジュール２を納めることができる。これにより、冷却器３における冷却性能をより向上することができる。

以上のごとく、本例の電力変換装置１によれば、半導体モジュール２を効率よく冷却することができる。

（実施例２）
本例は、実施例１の電力変換装置１における冷却器３の変形例を示すものである。
本例に示す冷却器３は、一対のパイプ３３１、３３２及び連結部３４の配置を除いて、実施例１に示した冷却器３と同様の構成を有している。

図７に示すごとく、冷却器３において、一対のパイプ３３１、３３２は、冷却チューブ３２の横方向Ｙ両側に配されている。つまり、冷却チューブ３２は、一対のパイプ３３１、３３２によって挟まれたように配されている。
また、一対のパイプ３３１、３３２における冷却面３１から半導体モジュール２側への突出量Ｐは、半導体モジュール２の高さＨよりも小さく設定してある。
その他の構成は実施例１と同様である。

本例の冷却器３においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
また、実施例１及び実施例２に示した電力変換装置及び冷却器の形状は一例であり、種々の形状によって構成することができる。

１電力変換装置
２半導体モジュール
３冷却器
３１冷却面
３２冷却チューブ
３２１冷媒流路
３３１、３３２パイプ

Claims

スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュール（２）と当接する冷却面（３１）を有する冷却チューブ（３２）と、該冷却チューブ（３２）の内部に形成された冷媒流路（３２１）に冷却媒体を導入又は排出する一対のパイプ（３３１、３３２）とを備えた冷却器（３）とを有しており、
上記一対のパイプ（３３１、３３２）は、その軸線方向が、上記冷却チューブ（３２）の上記冷却面（３１）と平行に配されており、
上記一対のパイプ（３３１、３３２）は、上記冷却面（３１）よりも、上記半導体モジュール（２）側に突出して配されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記冷却チューブ（３２）及び上記半導体モジュール（２）の重なり方向から見たとき、上記一対のパイプ（３３１、３３２）の少なくとも一部が、上記冷却チューブ（３２）の外形より内側で、かつ上記冷却面（３１）側に配されており、上記半導体モジュール（２）が、上記一対のパイプ（３３１、３３２）の間に配されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）において、上記一対のパイプ（３３１、３３２）と、上記半導体モジュール（２）との間には、それぞれ空隙部（３５）が形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）において、上記半導体モジュール（２）と上記冷却チューブ（３２）との重なり方向における、上記冷却面（３１）からの上記一対のパイプ（３３１、３３２）の突出量Ｐと、上記半導体モジュール（２）の高さＨとは、Ｐ≧Ｈの関係を有していることを特徴とする電力変換装置（１）。