JP6701701B2 - インバータ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、装置全体が密閉筐体で覆われた場合であっても、該密閉筐体内の受動部品の温度上昇を抑制することができるインバータ装置に関する。
従来から、各種装置のモータを駆動させるインバータ装置は、コストダウンのためや、限られたスペースの電気室内に収めるために、小型軽量化が求められている。また、インバータ装置は、屋外や粉じんなどが存在する工場環境で使用する場合、耐環境性能としてＩＰ６６のような高い防塵、防水性を得るための高密閉性が求められる。
一方、インバータ装置内で、モータに流れる電流を制御するパワー半導体素子は、通電時の導通損失、オンオフの過渡時に発生するスイッチング損失によって発熱が生じる。このため、インバータ装置は、パワー半導体素子からの発熱を抑制するために、空冷冷却器や水冷冷却器が取り付けられている。しかし、例えば空冷冷却器を用いたインバータ装置は、空冷冷却器の構造部材が大きな体積を占めてしまう。設計条件によっては、空冷冷却器の構造部材の体積は、パワー半導体モジュールの体積に対して１０倍以上の体積を占めてしまう場合がある。
したがって、インバータ装置の小型化を図るためには、冷却器の小型化が必要となる。この冷却器の小型化は、パワー半導体素子の損失を小さくすることや、パワー半導体素子をより高温で使用可能なものとすることによって実現することができる。パワー半導体素子の損失の低減は、パワー半導体素子の進歩によってなされる。また、パワー半導体素子をより高温で使用できるようにするためには、はんだなどの接合剤の高信頼性化などのパッケージ技術の進歩によるところが大きい。現在、パワー半導体素子の最高接合温度は、１７５℃であり、パワー半導体素子の連続駆動接合温度は、１７５℃まで許容されているものがある。
特開２０００−１４１６９号公報
ところで、インバータ装置を小型化すると、インバータ装置内で、高温のパワー半導体モジュールや冷却器と、電解コンデンサをはじめとする受動部品との距離が近くなり、受動部品の温度が上昇してしまう。
ここで、受動部品は、パワー半導体モジュールと同様な耐熱性は有しておらず、温度上昇によって信頼性の低下および寿命の短縮が生じる。
特に、受動部品としての電解コンデンサは、周囲温度によって寿命が決定される部品である。寿命は、アレニウスの法則に従うとされ、温度が１０℃高くなると寿命が半分になるとされている。
さらに、ＩＰ６６などの高密閉性を満足する密閉筐体のインバータ装置では、外気を取り込むことができないため、筐体内は、パワー半導体素子の発熱を含むインバータ回路の発熱によって熱がこもってしまう。すなわち、密閉筐体のインバータ装置は、開放型筐体のインバータ装置に比較して、筐体内温度が高くなってしまう。
そこで、特許文献１では、パワー半導体モジュールを除き、電解コンデンサを含めたインバータ回路が設置されるインバータ筐体内の温度上昇を抑制するため、パワー半導体モジュールが設置される冷却器と、インバータ回路が設置されるインバータ筐体内との間に空間を設け、この空間に自然対流や強制空冷で積極的に外気を流入させるものが記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載されたものは、ＩＰ６６などのような完全密閉を前提としておらず、パワー半導体モジュールが設置される冷却器と、インバータ回路が設置されるインバータ筐体内との間の空間が密閉されるとこの空間に外気を流入できないため、この空間では、パワー半導体モジュールの発熱によって高温となった内部空気に対流が発生する。この内部空気の対流熱伝導によって、冷却器の熱はインバータ筐体内に伝えられ、インバータ筐体内温度が上昇してしまい、電解コンデンサをはじめとする受動部品であるインバータ回路の寿命が短くなる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置全体が密閉筐体で覆われた場合であっても、該密閉筐体内の受動部品の温度上昇を抑制することができるインバータ装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるインバータ装置は、パワー半導体モジュールが接合される冷却器の冷却面とインバータ筐体とで前記パワー半導体モジュールと受動部品を含むインバータ回路モジュールとを含むインバータ回路を密閉したインバータ装置であって、前記冷却器の冷却面上に密閉断熱層を形成し、該密閉断熱層の厚さを最大対流抑制距離以下とすることを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記密閉断熱層は、空気層であることを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記密閉断熱層は、複数の前記密閉断熱層が多層配置されることを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記密閉断熱層は、前記パワー半導体モジュールを覆うように形成したことを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料は、折り曲げ可能な厚さあるいは材質であることを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料は、樹脂であることを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料は、アルミニウムであり、かつ、表面がアルマイト処理されていることを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料および前記インバータ筐体を形成する材料の表面放射率は、０．８以上であることを特徴とする。
また、本発明にかかるインバータ装置は、上記の発明において、前記パワー半導体モジュール内のパワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする。
本発明によれば、パワー半導体モジュールが接合される冷却器の冷却面とインバータ筐体とで前記パワー半導体モジュールと受動部品を含むインバータ回路モジュールとを含むインバータ回路を密閉したインバータ装置であって、前記冷却器の冷却面上に密閉断熱層を形成し、該密閉断熱層の厚さを最大対流抑制距離以下として密閉断熱層内で対流が生じないようにしているので、冷却面から受動部品側への断熱性能が高く維持され、熱によって受動部品の寿命が短くなるのを抑えることができる。
図１は、本発明の実施の形態であるインバータ装置の断面図である。 図２は、空気層の厚さに対する空気層の熱抵抗の変化を示す図である。 図３は、図１に示したインバータ装置内の温度分布を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態の変形例１であるインバータ装置の断面図である。 図５は、本発明の実施の形態の変形例２であるインバータ装置の断面図である。
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態であるインバータ装置の断面図である。図１において、インバータ装置１は、インバータ筐体１０と冷却器１１の冷却面１１ａとによって、ＩＰ６６などの高密閉性を満足する密閉空間Ｅを形成している。インバータ筐体１０と冷却面１１ａとはパッキン１２によってシールされている。
密閉空間Ｅ内には、パワー半導体モジュール１３と、パワー半導体モジュール１３に配線１４を介して接続され、電解コンデンサ１５などの受動部品を含むインバータ回路モジュール１６とが配置される。パワー半導体モジュール１３は、ねじ止めなどによって冷却面１１ａに強く接合され、冷却フィンの放熱によって冷却される。パワー半導体モジュール１３は、インバータ回路のうちの整流ダイオードや半導体スイッチング素子などの発熱素子を有したモジュールであり、インバータ回路モジュール１６から離隔されて配置される。
図１において、重力方向は−Ｚ方向である。一般にパワー半導体モジュール１３から発生する熱は、大部分が冷却器１１に向かい、冷却器１１の温度が上昇する。冷却器１１の冷却面１１ａの温度とインバータ筐体１０内の空気温度との温度差によってインバータ筐体１０内に対流が発生し、インバータ筐体１０内の温度が上昇する。
本実施の形態では、密閉空間Ｅが、４つの密閉空間Ｅ１〜Ｅ４に分割される。密閉空間Ｅ１は、冷却面１１ａと、冷却面１１ａに対向して配置されるパワー半導体モジュール１３の基板１３ａと、インバータ筐体１０とで囲まれた空間である。密閉空間Ｅ１は、断熱材としての空気層が形成され、冷却面１１ａからの熱伝導を抑止する密閉断熱層として機能する。
密閉空間Ｅ２は、基板１３ａと対流抑制板１７とインバータ筐体１０とで囲まれた空間である。密閉空間Ｅ２は、断熱材としての空気層が形成され、密閉空間Ｅ１からの熱伝導を抑止する密閉断熱層として機能する。なお、対流抑制板１７は、インバータ筐体１０に取り付けられた位置決め用突起１７ａによって位置決めされる。
密閉空間Ｅ３は、対流抑制板１７と対流抑制板１８とインバータ筐体１０とで囲まれた空間である。密閉空間Ｅ３は、断熱材としての空気層が形成され、密閉空間Ｅ２からの熱伝導を抑止する密閉断熱層として機能する。なお、対流抑制板１８は、インバータ筐体１０に取り付けられた位置決め用突起１８ａによって位置決めされる。
密閉空間Ｅ４は、対流抑制板１８とインバータ筐体１０とで囲まれた空間である。密閉空間Ｅ４は、パワー半導体モジュール１３、密閉空間Ｅ１、冷却器１１から最も離隔された空間であり、インバータ回路モジュール１６が配置される。インバータ回路モジュール１６は、基板１６ａを有する。基板１６ａと基板１３ａとの間は、配線１４によって接続される。配線１４は、対流抑制板１７，１８を貫通して接続される。対流抑制板１７，１８は、配線１４を通す貫通孔を予め設けておき、組立時に対流抑制板１７，１８と配線１４とを接着する。
ここで、各密閉空間Ｅ１〜Ｅ３の厚さｄ１〜ｄ３は、各密閉空間Ｅ１〜Ｅ３内で対流が生じない最大対流抑制距離ｄ以下である。発熱源であるパワー半導体モジュール１３がインバータ筐体１０内で重力方向の下側に配置された場合、図２に示すように、空気層の熱抵抗Ｒｔｈａ［ｍ２・Ｋ／Ｗ］は、厚さｄに依存する。熱抵抗Ｒｔｈａは、厚さｄの増大に伴って厚さｄが１０ｍｍの点Ｐまでは増大するが、厚さｄを超えると飽和して増大しない。これは、厚さｄが１０ｍｍを超えると、対流の発生によって空気の見かけ上の熱伝導が大きくなって、熱抵抗Ｒｔｈａが増大しないためである。すなわち、厚さｄが１０ｍｍまでの間は、空気層に対流が生じないため、断熱性能が高く維持されることを意味する。したがって、各密閉空間Ｅ１〜Ｅ３の厚さｄ１〜ｄ３は、最大対流抑制距離ｄ＝１０ｍｍ以下としている。なお、各密閉空間Ｅ１〜Ｅ３は、厚さｄ１〜ｄ３が大きいほど断熱性能が高いため、厚さｄ１〜ｄ３は、１０ｍｍとすることが好ましい。
基板１３ａ、対流抑制板１７，１８は、断熱性能を有する。対流抑制板１７，１８は、強度が必要とされないので、加工が容易な折り曲げ可能な樹脂フィルムを用いている。この樹脂は、耐熱性を有したエンジニアリングプラスチックや、スーパーエンジニアリングプラスチックが好ましい。
なお、対流抑制板１７，１８は金属を用いてもよい。対流抑制板１７，１８としてアルミニウムを用いる場合は、表面にアルマイト処理を施して表面放射率を０．８以上にしておくことが好ましい。また、対流抑制板１７，１８として他の金属を用いる場合も、メッキなどの表面処理を行って表面放射率を０．８以上にしておくことが好ましい。なお、樹脂や木材、紙等の表面放射率は０．８以上である。
表面放射率が０．８以上であると、受け取った熱を空気層に伝熱せず、輻射によって放熱する効率が高くなる。表面放射率が０．８以上の場合、熱はインバータ筐体１０に輻射され、インバータ筐体１０から直接、外部に放熱することができる。したがって、インバータ筐体１０の表面も表面放射率を０．８以上としておくことが好ましい。
図３は、冷却面１１ａからの距離Ｚに対する密閉空間Ｅ内の温度変化を示す図である。図３において、曲線Ｌ１は、図１に示した構造をもつ場合の温度変化を示し、曲線Ｌ２は、密閉空間Ｅ１〜Ｅ３を持たない従来の構造である場合の温度変化を示している。なお、距離Ｚ１〜Ｚ３は、それぞれ基板１３ａ、対流抑制板１７、対流抑制板１８の位置に対応している。図３に示すように、冷却面１１ａ近傍の温度は、密閉空間Ｅ１をもつ本実施の形態の方が温度Ｔ２となって従来構造の温度Ｔ１に比して高い。しかし、本実施の形態では、密閉空間Ｅ１〜Ｅ３の断熱性能によって、密閉空間Ｅ１〜Ｅ４に向かって徐々に温度が降下し、最終的に密閉空間Ｅ４における温度はＴ２´となる。これに対して密閉空間Ｅ１〜Ｅ３を持たない従来の構造の場合、対流の発生よってＺ方向の上部に高温の空気が溜まり、インバータ筐体１０内の温度が上昇し、従来の構造では密閉空間Ｅ４における温度はＴ１´となる。このように、密閉空間Ｅ４での本実施の形態の温度Ｔ２´は、従来構造の温度Ｔ１´に比して低い温度とすることができる。
（変形例１）
図４は、本発明の実施の形態の変形例１のインバータ装置の断面図である。なお、図４においても重力方向は−Ｚ方向である。上述した実施の形態では、密閉空間Ｅ１を、基板１３ａを用いて形成していたが、この変形例１では、密閉空間Ｅ１に対応する空間に絶縁紙２１を重ねている。この変形例１では、パワー半導体モジュール１３に基板１３ａを持たない場合、あるいは基板１３ａがインバータ筐体１０まで広がっていないものである場合に有効である。
図４に示すように、絶縁紙２１は、密閉空間Ｅ１に対応する空間に、最大対流抑制距離ｄ以下の密閉断熱層を複数層、形成している。なお、絶縁紙２１は、冷却面１１ａ上に配置されるパワー半導体モジュール１３を貫通する穴が形成されている。なお、密閉断熱層を形成する部材の材料（絶縁紙２１、対流抑制板１７，１８）は、折り曲げ可能な厚さや材質によって形成すると、加工が容易になる。
なお、複数の絶縁紙２１を設けず、基板１３ａに対応する１枚の絶縁紙２１のみを設けてもよい。これによって、絶縁紙２１と冷却面１１ａとインバータ筐体１０とによって、実施の形態と同様な密閉空間Ｅ１が形成されるからである。なお、この場合、絶縁紙２１は、パワー半導体モジュール１３およびインバータ筐体１０に接着する。
（変形例２）
図５は、本発明の実施の形態の変形例２のインバータ装置の断面図である。なお、図５においても重力方向は−Ｚ方向である。この変形例２では、密閉空間Ｅ３，Ｅ４がパワー半導体モジュール１３および冷却面１１ａを覆うようにしている。この構成は、インバータ筐体１０の幅が冷却面１１ａに比して大きい場合に適している。
図５に示すように、インバータ装置２の冷却面１１ａの周囲は、インバータ筐体１０の幅に応じたフレーム１０ａが取り付けられる。インバータ筐体１０とフレーム１０ａとの間にはパッキン１２が設けられてシールされる。また、冷却面１１ａとフレーム１０ａとの接続部分には、パッキン２２が設けられてシールされる。このパッキン２２の上部に下面ケース２３が設けられる。下面ケース２３上には、密閉空間Ｅ２を形成するための対流抑制柱２７ａおよび密閉空間Ｅ３を形成するための対流抑制柱２８ａが立設される。また、対流抑制柱２７ａの上端には、対流抑制板２７が覆われる。さらに、対流抑制柱２８ａの上端には、対流抑制板２８が覆われる。
密閉空間Ｅ１は、冷却面１１ａと、パワー半導体モジュール１３の基板１３ａと、対流抑制柱２７ａの下部の一部とで囲まれた空間である。密閉空間Ｅ２は、対流抑制板２７と、基板１３ａと、対流抑制柱２７ａの上部の一部とで囲まれた空間である。密閉空間Ｅ３は、対流抑制板２８と、対流抑制板２７と、対流抑制柱２８ａと、対流抑制柱２７ａとで囲まれた空間であって、下部が開放したコの字状の断面を有する空間である。密閉空間Ｅ４は、インバータ筐体１０と、対流抑制板２８と、対流抑制柱２８ａと、フレーム１０ａとによって囲まれた空間であって、下部が開放したコの字状の断面を有する空間である。
ここで、厚さｄ１〜ｄ３，ｄ３１は、最大対流抑制距離ｄ以下である。したがって、密閉空間Ｅ１〜Ｅ３内では対流が生じないので、実施の形態と同様に、高い断熱性能を有する。
なお、対流抑制柱２８ａは、冷却面１１ａの外側に設けることが好ましい。すなわち、密閉空間Ｅ４と冷却面１１ａとが直接接合しない配置とすることが好ましい。
また、変形例１と同様に、密閉空間Ｅ１内に絶縁紙２１を重ねてもよいし、基板１３ａに替えて絶縁紙２１を設けてもよい。
なお、上述した実施の形態、変形例１，２において、各密閉空間Ｅ１〜Ｅ３は、さらに分割してもよい。例えば、変形例２の密閉空間Ｅ３の幅方向と高さ方向とを分割してもよい。
また、上述した実施の形態、変形例１，２では、３つの密閉断熱層である密閉空間Ｅ１〜Ｅ３を形成するようにしたが、少なくとも１つの密閉断熱層である密閉空間Ｅ１が形成されればよい。ただし、密閉空間Ｅ１は、パワー半導体モジュール１３を覆うことが好ましいため、密閉空間Ｅ１，Ｅ２を形成することが好ましい。なお、パワー半導体モジュール１３の厚さが最大対流抑制距離ｄ未満である場合には、密閉空間Ｅ１を形成せず、密閉空間Ｅ１，Ｅ２を１つの密閉空間としてもよい。
さらに、密閉空間Ｅ１は、断熱性能が高い空気であることが好ましいが、グラスウールなどの断熱材を充填してもよい。
また、密閉空間Ｅ１〜Ｅ３は、真空状態としてもよい。真空状態では対流が生じないため断熱性能が高くなる。ただし、真空状態の劣化を考慮して、上述した最大対流抑制距離ｄ以下の厚さとしておくことが好ましい。
さらに、インバータ装置１，２の設置方向は任意である。すなわち、密閉空間Ｅ１〜Ｅ３の厚さ方向は、鉛直方向であってもよいし、水平方向であってもよい。いずれの場合でも、厚さ方向への対流が生じないため、結果的に、密閉空間Ｅ１〜Ｅ３内での対流が生じないからである。
ところで、近年では、次世代デバイスとしてＳｉＣパワー半導体等のワイドバンドギャップ半導体が注目されている。ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ダイアモンド等からなり、損失低減の限界に達しつつあるＳｉパワー半導体に比べて損失低減のポテンシャルが高く、接合温度を２００℃以上でも使用可能とされている。ＳｉＣパワー半導体等のワイドバンドギャップパワー半導体を適用すると、Ｓｉパワー半導体を用いた場合に比して劇的にインバータ装置の小型軽量化を図ることができる。したがって、パワー半導体モジュール１３のパワー半導体素子は、ワイドバンドギャップパワー半導体素子であることが好ましい。
上述した実施の形態、変形例１，２では、密閉筐体のインバータ装置で、パワー半導体モジュールを高温で使用して冷却器の小型化を図る場合であっても、密閉断熱層である密閉空間Ｅ１〜Ｅ３によって電解コンデンサなどの受動部品の温度上昇を抑制でき、結果的に受動部品の寿命を延ばし、受動部品の信頼性を高めることができる。
１，２ インバータ装置
１０ インバータ筐体
１０ａ フレーム
１１ 冷却器
１１ａ 冷却面
１２，２２ パッキン
１３ パワー半導体モジュール
１３ａ，１６ａ 基板
１４ 配線
１５ 電解コンデンサ
１６ インバータ回路モジュール
１７，１８，２７，２８ 対流抑制板
１７ａ，１８ａ 位置決め用突起
２１ 絶縁紙
２３ 下面ケース
２７ａ，２８ａ 対流抑制柱
ｄ 最大対流抑制距離
Ｅ，Ｅ１〜Ｅ４ 密閉空間

Claims (8)

  1. パワー半導体モジュールが接合される冷却器の冷却面とインバータ筐体とで前記パワー半導体モジュールと受動部品を含むインバータ回路モジュールとを含むインバータ回路を密閉したインバータ装置であって、
    前記冷却器の冷却面に直接接する空気層である密閉断熱層を形成し、該密閉断熱層の厚さを空気の対流が生じない最大対流抑制距離以下とすることを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記密閉断熱層上に、前記冷却器の冷却面に直接接しない空気層であって、空気層の厚さを空気の対流が生じない最大対流抑制距離以下とした密閉断熱層を１以上さらに形成し、密閉断熱層を多層配置したことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
  3. 前記密閉断熱層は、前記パワー半導体モジュールを覆うように形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ装置。
  4. 前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料は、折り曲げ可能な厚さあるいは材質であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のインバータ装置。
  5. 前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料は、樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のインバータ装置。
  6. 前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料は、アルミニウムであり、かつ、表面がアルマイト処理されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のインバータ装置。
  7. 前記密閉断熱層を密閉して形成する部材の材料および前記インバータ筐体を形成する材料の表面放射率は、０．８以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のインバータ装置。
  8. 前記パワー半導体モジュール内のパワー半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のインバータ装置。
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