JP6135546B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータの電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電力の生成に用いられる。
電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを確保するために、大きな駆動電力が必要である。それゆえ、電力変換回路を構成する複数の半導体素子を内蔵した半導体モジュールにおける発熱量が大きくなる傾向にある。
そこで、電力変換装置は、複数の半導体モジュールを冷却するための冷却器を備えると共に、各半導体モジュールの発熱状態に応じて、半導体素子の作動を制御する熱保護制御を行っている。このような電力変換装置としては、例えば特許文献１に示されたものがある。

特許文献１には、半導体モジュールと冷却管との積層体である半導体積層ユニットを備えた電力変換装置が示されている。この電力変換装置は、温度上昇が最大となる半導体素子の温度を監視する温度センサーを有しており、温度センサーによって検出された温度に応じて、熱保護制御を行うように構成されている。

特開２００８−２０６３４５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。
特許文献１に示された電力変換装置においては、組み付け時の変形や、形状のバラつきによって変形が生じる場合がある。例えば、特許文献１に示された半導体積層ユニットはケース内に収納すると共に、加圧部材によって半導体積層ユニットを積層方向に加圧することでケース内に保持することができる。半導体積層ユニットを収納するケースとしては、半導体積層ユニットの積層方向に配置された一対の壁部と、この壁部の一端同士をつなぐ底部とを備えたものが知られている。一対の壁部における、底部が配置された側と反対側の端部は、接続されず開放している。

電力変換装置においては、加圧部材から半導体積層ユニットに加圧力が加えられると、加圧部材と対向する壁部に反力がかかる。このとき、ケースは、底部を配した側に比べ、開放側の剛性が低いため、加圧部材と対向する壁部における開放側の端部が積層方向に広がるように変形し傾斜しやすい。
このように壁部が傾斜することにより、加圧部材の加圧方向が開放側に向かって傾斜し、半導体積層ユニットにかかる加圧力に偏りを生じさせる。そのため、開放側においては、半導体モジュールと冷却管との間の密着力が低下する。したがって、半導体モジュールにおける開放側の部位が十分に冷却されず、半導体モジュール内の温度分布のバラつきが大きくなる。これにより、発熱量から想定される温度が最大になる半導体素子と、実際に温度が最大になる半導体素子とが異なり、想定していたものと違う半導体素子において温度上昇が最大となる場合がある。それゆえ、熱保護制御が適正に行われなくなる。

また、半導体素子の温度を正確に把握することができないため、熱保護制御を行う温度の閾値に余裕を持たせる必要があり、閾値が低く設定される。これにより、熱保護制御が頻繁に作動し、半導体素子が正しく動作しない場合がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールの熱保護制御を効果的に行い、本来の性能を発揮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、２つ以上の半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、
該半導体モジュールを両側から挟持するように配置される冷却管と、
上記半導体モジュールと上記冷却管とを重なり方向に押圧する加圧部材と、
上記重なり方向において、上記半導体モジュール、上記冷却管及び上記加圧部材を挟み込む一対の保持壁部と、該一対の保持壁部の一端同士をつなぐ接続部とを有する保持部材と、
上記半導体素子の温度を検出する温度検出手段とを備えており、
上記一対の保持壁部における上記接続部が配置された側を接続端部側とし、該接続端部側と反対側を開放端部側とし、上記接続端部側と上記開放端部側との並び方向として、上記半導体素子のうち少なくとも２つは、上記並び方向において並んで配置されており、上記温度検出手段は、上記開放端部側に配置された上記半導体素子の温度を検出することを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、上記温度検出手段が上記開放端部側に配置された上記半導体素子の温度を検出している。上記保持部材は、上記一対の保持壁部における上記開放端部側の端部が互いに接続されていないため、上記保持部材の上記開放端部側は、上記接続端部側に比べて剛性が低い。そのため、上記加圧部材の加圧力によって、上記一対の保持壁部における上記開放端部側の端部が積層方向に広がるように変形し傾斜する。したがって、接続端部側においては、上記半導体モジュールと冷却管とが密着するものの、開方端部側においては、上記半導体モジュールと上記冷却管との間の密着力が低下する。これにより、上記半導体モジュールは、上記接続端部側では上記冷却管によって冷却されるが、上記開放端部側では冷却効果が低下し高温となりやすい。

上記電力変換装置は、上記半導体モジュールにおいて、より高温となりやすい上記開放端部側に配置された上記半導体素子の温度を、上記温度検出手段によって検出することができる。そのため、上記半導体モジュールにおいて、温度上昇が最大となる上記半導体素子の温度を検出することができる。したがって、上記半導体モジュールにおいて、温度条件の厳しい上記半導体素子の正確な温度を把握することができ、上記半導体モジュールの熱保護制御を適正な閾値を用いて行うことができる。これにより、上記半導体モジュールの発熱による不具合の発生を抑制すると共に、上記半導体モジュールの本来の性能を発揮することができる。

以上のごとく、上記電力変換装置によれば、半導体モジュールの熱保護制御を効果的に行い、本来の性能を発揮することができる。

実施例１における、電力変換装置を示す平面図。 図１における、II−II矢視断面図。 図１における、III−III矢視断面図。 実施例１における、変形した電力変換装置を示す平面図。 実施例２における、電力変換装置を示す断面図。

また、上記電力変換装置において、上記保持部材は、上記半導体モジュール、上記冷却管及び上記加圧部材を収納するケースによって形成されていることが好ましい。この場合には、上記ケースが上記保持部材を兼ねることにより、上記電力変換装置の部品点数を削減することができる。これにより、上記電力変換装置の生産性の向上及びコスト低減をすることができる。

また、上記半導体モジュールには、４つ以上の上記半導体素子が内蔵されていることが好ましい。この場合には、上記半導体モジュールの数を低減し、上記電力変換装置の生産性を向上することができる。また、上記半導体モジュールの配置スペースを縮小することができる。

また、上記電力変換装置は、複数の上記半導体モジュールと複数の上記冷却管とを有しており、複数の上記半導体モジュール及び複数の上記冷却管は、交互に積層配置されて半導体積層ユニットを形成している場合、より効果的である。上記半導体積層ユニットを用いた場合に開放端部側の変形による傾斜が大きくなるが、上記電力変換装置の構造を採用することで、上記半導体モジュールの発熱による不具合の発生を抑制すると共に、上記半導体モジュールの本来の性能を発揮することができる。

また、上記加圧部材は、弾性変形することにより加圧力を発生する弾性部材を有していることが好ましい。この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却管とを、上記加圧部材によって、定圧で安定して保持することができる。

（実施例１）
上記電力変換装置にかかる実施例について、図１〜図４を参照して説明する。尚、図４においては、電力変換装置の変形を誇張して描いてある。
図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、２つ以上の半導体素子３０を内蔵する半導体モジュール３と、半導体モジュール３と重なって配置される冷却管４１と、半導体モジュール３と冷却管４１とを重なり方向に押圧する加圧部材５と、半導体モジュール３、冷却管４１及び加圧部材５を保持する保持部材６と、半導体素子３０の温度を検出する温度検出手段３３とを備えている。
保持部材６は、重なり方向において、半導体モジュール３、冷却管４１及び加圧部材５を挟み込む一対の保持壁部６１と、一対の保持壁部６１の一端同士をつなぐ接続部６３とを有している。

電力変換装置１においては、一対の保持壁部６１における接続部６３が配置された側を接続端部側とし、接続端部側と反対側を開放端部側とすると共に、接続端部側と開放端部側との並び方向Ｚとする。
半導体モジュール３に内蔵された半導体素子３０のうち少なくとも２つは、並び方向Ｚにおいて並んで配置されており、温度検出手段３３は、開放端部側に配置された半導体素子３０の温度を検出する。

以下、さらに詳細に説明する。
図１〜図３に示すごとく、本例において、半導体モジュール３と冷却管４１とが重ねられた方向を重なり方向Ｘとし、重なり方向Ｘ及び並び方向Ｚ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。

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３と、複数の半導体モジュール３を冷却する冷却管４１と、半導体モジュール３と冷却管４１とを重なり方向Ｘに加圧する加圧部材５と、これらを保持する保持部材６とを有している。

図１及び図３に示すごとく、保持部材６は、重なり方向Ｘにおいて、半導体モジュール３、冷却管４１及び加圧部材５を挟み込む一対の保持壁部６１と、一対の保持壁部６１における並び方向Ｚの接続端部側に配置された一端同士をつなぐ接続部６３と、一対の保持壁部６１における横方向Ｙの両端同士をそれぞれつなぐ一対の側壁部６２とを有している。また、並び方向Ｚにおいて、保持壁部６１及び側壁部６２における接続部６３が配置された接続端部側と反対側の開放端部側は、接続されずに開放されている。

図１〜図３に示すごとく、複数の半導体モジュール３と複数の冷却管４１とは、交互に重ね合わせて配置された半導体積層ユニット２を形成している。
冷却管４１は、アルミニウム等の金属によって構成されており、隣り合う冷却管４１は、横方向Ｙの両端部付近において連結管４２によって、互いに連結されている。また、重なり方向における一端に配置された冷却管４１には、冷却媒体を循環させるための冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４が配設されている。これら冷却管４１、連結管４２、冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４によって、冷却器４が構成されている。

図１及び図３に示すごとく、冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４は、半導体積層ユニット２の前端部に配された冷却管４１の前面から、重なり方向に向かって突出するよう設けてある。冷媒導入管４３から導入された冷却媒体は、適宜連結管４２を通り、各冷却管４１に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管４１を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール３との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、適宜下流側の連結管４２を通り、冷媒排出管４４に導かれ排出される。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（登録商標）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。

図２に示すごとく、複数の半導体モジュール３は、２つのスイッチング素子３１と２つのダイオード３２との計４つの半導体素子３０をそれぞれ内蔵している。
２つのスイッチング素子３１は、横方向Ｙに並ぶように配設されており、２つのダイオード３２は、各スイッチング素子３１の並び方向において接続端部側の位置にそれぞれ配設されている。

スイッチング素子３１としては、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）等を用いることができる。ダイオード３２は、各スイッチング素子３１のコレクタ−エミッタ間において、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように接続されている。

図１及び図２に示すごとく、半導体モジュール３は、スイッチング素子３１及びダイオード３２を樹脂モールドしてなる平板状の本体部３１１と、本体部３１１の端面から互いに反対方向に突出した主電極端子３１２及び制御端子３１３とからなる。主電極端子３１２は、並び方向Ｚの接続端部側に突出させてあり、制御端子３１３は、並び方向Ｚの開放端部側に突出させてある。主電極端子３１２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３に入出力される。また、制御端子３１３は、制御回路基板（図示略）と接続されており、スイッチング素子３１を制御する制御電流が入力される。

半導体素子３０の温度を検出する温度検出手段３３は、温度センサーからなり、半導体素子３０と共に、半導体モジュール３の本体部３１１に樹脂モールドされている。本例においては、半導体モジュール３における、開放端部側に配置された２つのスイッチング素子３１のうち一方の温度を検出するように配置されている。また、温度検出手段３３によって検出された温度情報は、図示しない熱保護制御回路へと出力される。

図１及び図３に示すごとく、半導体積層ユニット２は、加圧部材５と共にフレームの内側に収納される。加圧部材５は、その付勢力によって半導体積層ユニット２を重なり方向Ｘに押圧保持している。また、フレームの内側には、加圧部材５と共に、下記の介在部材を配してある。
加圧部材５は湾曲して形成された板ばねからなり、弾性変形することで加圧力を発生する弾性部材５０である。尚、加圧部材５としては、金属製のバネ以外にもゴムなど、弾性変形により加圧力を発生するものも用いることができる。

介在部材としては、平板状をなす当接プレート５１１と、円筒状をなす支承部材５１２とがある。
当接プレート５１１は、加圧部材５と半導体積層ユニット２との間に配されており、冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４が立設する冷却管４１と、重なり方向において反対側の端部に配設された冷却管４１と面接触している。
支承部材５１２は、加圧部材５と、後述する後方壁部の支持部との間に配されている。

図１〜図３に示すごとく、保持部材６は、一対の保持壁部６１における開放端部側の端部が互いに接続されていないため、保持部材６の開放端部側は、接続端部側に比べて剛性が低い。そのため、図４に示すごとく、保持部材６によって、半導体モジュール３、冷却管４１及び加圧部材５を保持した際には、加圧部材５の加圧力によって、一対の保持壁部６１における開放端部側の端部が積層方向に広がるように変形し傾斜する。

このように、加圧部材５の加圧方向が開方端部側に向かって傾斜することで、半導体積層ユニット２にかかる加圧力に偏りが生じる。そのため、接続端部側においては、半導体モジュール３と冷却管４１とが密着するものの、開方端部側においては、半導体モジュール３と冷却管４１との間の密着力が低下する。したがって、半導体モジュール３は、接続端部側では冷却管４１によって冷却されるが、開放端部側では冷却効果が低下し高温となりやすい。

本例の電力変換装置１は、半導体モジュール３において、高温となる開放端部側に配置された半導体素子３０の温度を、温度検出手段３３によって検出することができる。そのため、半導体モジュール３において、温度上昇が最大となる半導体素子３０の温度を検出することができる。したがって、半導体モジュール３において、温度条件の厳しい半導体素子３０の正確な温度を把握することができ、半導体モジュール３の熱保護制御を、適正な閾値を用いて正確に行うことができる。これにより、半導体モジュール３の発熱による不具合の発生を抑制すると共に、半導体モジュール３の本来の性能を発揮することができる。

また、電力変換装置１において、保持部材６は、半導体モジュール３、冷却管４１及び加圧部材５を収納するケース６０によって形成されている。そのため、ケース６０が保持部材６を兼ねることにより、電力変換装置１の部品点数を削減することができる。これにより、電力変換装置１の生産性の向上及びコスト低減をすることができる。

また、半導体モジュール３には、４つ以上の半導体素子３０が内蔵されている。そのため、一般には、１つの半導体モジュール３に２つの半導体素子３０が内蔵されている。これに対して、１つの半導体モジュール３に４つ以上の半導体素子３０を内蔵することにより、半導体モジュール３の数を低減し、電力変換装置１の生産性を向上することができる。また、半導体モジュール３の配置スペースを縮小することができる。

また、電力変換装置１は、複数の半導体モジュール３と複数の冷却管４１とを有しており、複数の半導体モジュール３及び複数の冷却管４１は、交互に積層配置されて半導体積層ユニット２を形成している。半導体積層ユニット２を用いた場合においても、電力変換装置１の構造を採用することで、半導体モジュール３の発熱による不具合の発生を抑制すると共に、半導体モジュール３の本来の性能を発揮することができる。

また、加圧部材５は、弾性変形することにより加圧力を発生する弾性部材５０を有している。そのため、半導体モジュール３と冷却管４１とを、加圧部材５によって、定圧で安定して保持することができる。

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３の熱保護制御を効果的に行い、本来の性能を発揮することができる。

（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、実施例１の電力変換装置１における構造を一部変更した例である。
本例の電力変換装置１は、１つの半導体モジュール３と１つの冷却管４１とを備えている。
半導体モジュール３は、保持部材６における一方の保持壁部６１と冷却管４１とによって挟持されている。
また、加圧部材５は、コイル状の圧縮バネや板バネからなり弾性変形することにより、加圧力を発生する弾性部材５０である。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例においても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１ 電力変換装置
２ 半導体積層ユニット
３ 半導体モジュール
３０ 半導体素子
３１ スイッチング素子（半導体素子）
３２ ダイオード（半導体素子）
３３ 温度検出手段
４１ 冷却管
５ 加圧部材
６ 保持部材
６１ 保持壁部
６３ 接続部

Claims (5)

1. ２つ以上の半導体素子（３０、３１、３２）を内蔵する半導体モジュール（３）と、
   該半導体モジュール（３）と重なって配置される冷却管（４１）と、
   上記半導体モジュール（３）と上記冷却管（４１）とを重なり方向に押圧する加圧部材（５）と、
   上記重なり方向において、上記半導体モジュール（３）、上記冷却管（４１）及び上記加圧部材（５）を挟み込む一対の保持壁部（６１）と、該一対の保持壁部（６１）の一端同士をつなぐ接続部（６３）とを有する保持部材（６）と、
   上記半導体素子（３０、３１、３２）の温度を検出する温度検出手段（３３）とを備えており、
   上記一対の保持壁部（６１）における上記接続部（６３）が配置された側を接続端部側とし、該接続端部側と反対側を開放端部側とし、上記接続端部側と上記開放端部側との並び方向として、上記半導体素子（３０、３１、３２）のうち少なくとも２つは、上記並び方向において並んで配置されており、上記温度検出手段（３３）は、上記開放端部側に配置された上記半導体素子（３０、３１、３２）の温度を検出することを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記保持部材（６）は、上記半導体モジュール（３）、上記冷却管（４１）及び上記加圧部材（５）を収納するケース（６０）によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記半導体モジュール（３）には、４つ以上の上記半導体素子（３０、３１、３２）が内蔵されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
4. 複数の上記半導体モジュール（３）と複数の上記冷却管（４１）とを有しており、複数の上記半導体モジュール（３）及び複数の上記冷却管（４１）は、交互に積層配置されて半導体積層ユニット（２）を形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記加圧部材（５）は、弾性変形することにより加圧力を発生する弾性部材（５０）を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）。

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