JP7096255B2 - 半導体構成 - Google Patents

Description

本発明は、半導体構成および半導体構成を組み込むインバータに関し、特に、例えば、一般道路上および一般道路外の車両に対する牽引用電力ユニット、ならびに据付け型電力変換で使用されるインバータに関する。

電気機械は、「電動化の促進（ｍｏｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）」に向けた世界的な傾向によって推進され、過去２０年間にわたって著しく発展してきており、電力およびトルク密度、ならびに最大かつ連続的な電力出力においても向上が示されている、すなわち、電気機械はより小型になり、かつ／またはその電力出力が増加している。

電気機械の例は、例えば、陸、海、および航空用途において、様々なタイプのハイブリッド車、完全な電動車両、水陸両用機および航空機で見出されるプロペラ駆動、ならびに移動用および据付け型発電機に見られる。電気機械がすでに使用されている、または新しい用途を見出しつつある他の多くの例が存在する。

現在の内燃機関（ＩＣＥ）技術がハイブリッド化されつつあり、空間が限られているいくつかの用途において、高電力密度、および小型パッケージサイズのインバータは特に利点がある。エンジン部品がすでに密に詰め込まれているＩＣＥのそばに、電気技術を収容するための空間を増加させることは、パネルおよび構成部品に影響する可能性があり、利用できる空間を変更するために、しばしば非常に高いコストが付随する新しい生産設備が必要になることが多い。

多くの例では、電力インバータ技術は、電気機械の進歩に立ち後れており、またこれは、最良の電気機械に対して、適切なサイズの電力インバータが利用できない状況を生じている、すなわち、電力供給インバータは、最新技術の電気機械と比較して、不釣り合いに大きい。

このような例におけるインバータは、通常、電池または他の供給源から導出される直流を、常にではないが、多くは三相形式である交流に変換して電力を電気機械に供給する。

低い電力密度に加えて、最大電力で、またはいくつかの例では、連続定格電力であっても、進んだ電気機械によって使用されたとき、インバータの過熱が生ずるおそれがある。

よく知られているように、電気機械は、電気的な配線接続における電流の通過、受動および能動部品の動作、および誘導により、ジュール熱（Ｉ²Ｒ）損失を生成するが、これらの損失を最小化するために、特許文献１などの発明により、増加した電力密度を有する取組みが行われており、その場合、ジュール熱損失は管理され、機械から除去されて、それらをより強力に動作できるようにし、したがって、電力／トルク密度を劇的に向上させている。

電気機械を強力に働かせることは、同様に、電力供給インバータを、ＤＣ供給源から頻繁に導出されるＡＣ電力の供給において強力に動作させることを必要とする。このいわゆる「電力変換」は、高電圧、高速な切換え、および一時的な電力保存を処理するように構成された様々な電子部品によって行われる。

電気的および電子的なデバイスはまた、通過した電流に対応するジュール熱を生成し、また受動および能動的な電子デバイスの温度の上昇は、インバータ効率の低下を生じ、最悪の場合、インバータ部品の早すぎる故障を生ずる可能性のあることはよく知られている。したがって、インバータの熱放散機構が必要になる。

電気的なモジュールにおけるジュール熱温度上昇に取り組むために、いくつかの手法が行われてきた。特許文献２は、複数のヒートシンクと機械的／熱的に接触するように構成された電子部品を述べており、電子部品およびヒートシンクは冷却液媒体中に浸漬され、ヒートシンクそれ自体が、筐体の入口からその出口まで、１つの電子部品から別のものへと、冷却媒体のジグザグ形状の流れで冷却媒体をガイドするように構成される。

この手法の欠点は、電子部品がヒートシンクから電気的に絶縁されており、絶縁により生ずる熱抵抗の増加が、電子部品の電力放散を低減し、部品の詰込み密度がコンパクトにならず、それにより、電子モジュールのサイズが増加し、実質的にその電力密度を低下させることである。

代替的手法は、特許文献３により提供され、それは、二重壁の電気または電子的デバイスを教示しており、電気および電子部品により生成された熱は、二重壁のケーシングの内壁上に部品を取り付けることによって放散され、内壁は熱吸収表面を提供し、外壁は空気管路を提供し、空気管路を通って、ファン駆動の空気が、熱を内側ケーシングから、ファンで強制された空気へと移動させ、空気は導管で送出される。

この手法の不利な点はまた、内側ケーシングに電気的にではなく、熱的に接続される電気および電子部品の間の熱抵抗であり、したがって、部品における電力放散は、達成され得るもの未満であり、この二重壁ケーシング手法を用いて組み立てられた電子／電気的デバイスは、それにより大きくなることである。

特許文献４は、非伝導性のフルオロカーボン冷却液に浸漬されるモータ制御装置組立体を教示する。モータ制御装置は、電力ボードモジュール、およびＭＯＳＦＥＴの半導体スイッチを含む。各スイッチは、冷却液に利用可能な表面積を増加させるために、個々のクリップ取付け式のヒートシンクを有する。

特許文献４は、フルオロカーボン液の冷却液の冷却能力のおかげで、著しく冷却を向上させるが、ヒートシンクを個々のスイッチ部品上に取り付けることは、部品の詰込み密度を減少させ、モータ制御装置のサイズに直接影響を与える。

熱を生成する電気／電子部品と、熱拡散／放散基板の間の熱的接触を向上させ、かつ向上させた熱伝達および冷却を利用して、組立体を小型化するように部品を密に詰込み、かつ部品を電気的に有利な構成に配置することが一般に望ましい。

したがって、我々は、向上させた半導体構成、およびその半導体構成を組み込むインバータに対する必要性を理解してきた。

国際公開第２０１０／０９２４００号パンフレット 国際公開第２０１６／００８５０９号パンフレット 国際公開第２００５／０４８６７２号パンフレット 米国特許出願公開第２０１４／３５５２１２号明細書

本発明は、したがって、半導体構成を提供し、半導体構成は、ヒートシンクに熱的に、かつ電気的に結合される１つまたは複数の半導体デバイスを有するモジュールであって、ヒートシンクは、１つまたは複数の半導体デバイスの間で電力を送るように、１つまたは複数の半導体デバイスを共に電気的に接続するためのバスバーとして構成され、またヒートシンクは、熱を、ヒートシンクから周囲環境へと伝達するための１つまたは複数の熱交換要素を備える、モジュールを備え、ここにおいて、半導体構成は、半導体構成を冷却するために冷却媒体中に浸漬される。

半導体構成は、半導体電力デバイスである１つまたは複数の半導体デバイスから構成することができ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体スイッチデバイス、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、電力ダイオード、および同様のデバイスを備える。

半導体電力デバイスは、電気的に、かつ熱的に伝導性のあるヒートシンクに機械的に取り付けられる、または接合され得る。熱交換要素は、フィン、ピンホール、規則的もしくは不規則な輪郭の穴もしくはスロットを備えることができる。

本発明はまた、ＤＣをＡＣに変換するためのインバータを提供し、インバータは、１つまたは複数のＤＣ電圧を受け取るための１つまたは複数の入力と、１つまたは複数のＡＣ電圧を出力するための１つまたは複数の出力と、上記で述べたような複数の半導体構成モジュールであって、１つまたは複数の入力、および１つまたは複数の出力に結合され、プリント回路板（ＰＣＢ）に取り付けられ、ＰＣＢは、半導体デバイス、１つまたは複数の入力、および１つまたは複数の出力の間で電気的な接続を提供する、複数の半導体構成モジュールと、複数の半導体構成モジュールを、その内部のチャンバに収容するためのハウジングであって、冷却媒体を受け取り、かつ送り出すために、それぞれ、チャンバと流体連通状態にある入口ポートおよび出口ポートを備え、ここにおいて、チャンバは、インバータを冷却するための冷却媒体で満たされている、ハウジングとを備える。

このインバータにおいて、入力ＤＣ電圧は、＋ＤＣ入力電圧および／または－ＤＣ入力電圧を備えることができ、またＡＣ出力は、ＡＣ位相出力電圧を備えることができる。

複数の半導体構成モジュールのそれぞれは長手方向軸を有し、また各モジュールは、モジュールの長手方向軸が互いに平行になるように、ＰＣＢ上に取り付けることができる。モジュールは、少なくとも１つの軸で対称的になるようにＰＣＢ上で配置され得る。

モジュールは、３レベルＴ型トポロジ、または２レベルトポロジを提供するように電気的に構成することができる。

３レベルＴ型トポロジとして構成されたとき、インバータは、ＤＣ／２電圧で第２のＤＣ出力を備えることができる。

モジュール間の電気的な構成は、１つまたは複数のコネクタバーを介して構成可能であり、１つまたは複数のコネクタバーのそれぞれは、３レベルＴ型トポロジまたは２レベルトポロジを提供するために、２つのモジュールのヒートシンクバスバーを共に接続する。

インバータは、３レベルＴ型構成で配置された４つのモジュールを備えることができ、ここにおいて、４つのモジュールのうちの２つのヒートシンクバスバーは、コネクタバーを用いて共に電気的に接続される。この構成において、第１のモジュールと第４のモジュールの間でＰＣＢ上に位置する、第２および第３のモジュールのヒートシンクバスバーは、コネクタバーを用いて共に電気的に接続することができる。

インバータは、２レベル構成で配置された４つのモジュールを備えることができ、ここにおいて、第１のグループの２つのモジュールのヒートシンクバスバーは、第１のコネクタバーを用いて共に電気的に接続され、また第２のグループの２つのモジュールのヒートシンクバスバーは、第２のコネクタバーを用いて共に電気的に接続される。この構成では、第２および第３のモジュールは、第１のモジュールと第４のモジュールの間でＰＣＢ上に位置することができ、また第１および第３のモジュールのヒートシンクバスバーは、第１のコネクタバーを用いて共に電気的に接続され、第２および第４のモジュールのヒートシンクバスバーは、第２のコネクタバーを用いて共に電気的に接続される。

インバータは、３レベルＴ型構成で配置された３つのモジュールを備えることができ、ここで、第１および第３のモジュールは、第２のモジュールのいずれかの側でＰＣＢ上に位置する。

上記のいずれかにおいて、インバータは、２つ以上の複数の半導体構成モジュールを備えることができ、２つ以上の複数の半導体構成モジュールのそれぞれは、多相出力ＡＣ電圧の１つの位相を提供する。

冷却媒体は、誘電性流体など、誘電性の冷却媒体とすることができる。

上記のインバータにおいて、ＰＣＢ、およびＰＣＢ上に取り付けられたさらなる電気および電子部品は、チャンバ内に位置し、かつ冷却媒体中に浸漬され得る。

冷却流体は、媒体が入口ポートと出口ポートの間で流れるようにポンプ送りされ得る。

インバータ入口ポート、および出口ポートは、熱交換器を備える冷却回路に結合することができ、熱交換器は、冷却媒体から熱を除去するためのものである。

インバータの出力は、電気モータに電力を送るように構成することができ、ここで、冷却回路は、電気モータの冷却回路と流体連通状態にある。

インバータの出力は、電気モータに電力を送るように構成され得る。

本発明を、次に例としてに過ぎないが、添付図面を参照して述べるものとする。
フルハイブリッドのレンジエクステンダの概略図である。 ヒートシンクに接合された電力半導体を示す図である。 ヒートシンクに接合された電力半導体を示す図である。 ヒートシンクに接合された電力半導体を示す図である。 バスバー機能を示すヒートシンク構成を示す図である。 バスバー機能回路を示すヒートシンク－バスバー構成を示す図である。 バスバー機能回路を示すヒートシンク－バスバー構成を示す図である。 バスバー機能回路を示すヒートシンク－バスバー構成を示す図である。 ３レベルＴ型トポロジを提供するヒートシンク－バスバー構成を示す図である。 ３レベルＴ型トポロジを提供するヒートシンク－バスバー構成を示す図である。 ２レベルトポロジを提供するヒートシンク－バスバー構成を示す図である。 ２レベルトポロジを提供するヒートシンク－バスバー構成を示す図である。 対称的な構成を備えるインバータモジュールと、流体の流路を示す図である。 冷却液回路の様々な構成を示す図である。 冷却液回路を示す図である。 冷却液回路を示す図である。 冷却液回路を示す図である。

簡単に言えば、本発明は、半導体デバイスが、モジュールとして、ヒートシンクに熱的に、かつ電気的に結合される構成を利用する。ヒートシンクは、１つまたは複数の半導体デバイスの間で電力を送るように、１つまたは複数の半導体デバイスを共に電気的に接続するバスバーとして構成される。これは、半導体デバイスが電気的かつ熱的に取り付けられる構造を用いて、半導体デバイスを冷却できることを意味するので有利である。さらに、本発明は、このモジュール式の構造を、インバータなどのより大きなデバイスで使用できるようにし、さらにこれらのモジュールは、デバイスの冷却をさらに高めるために、冷却媒体中に浸漬できるようにする。

図１を参照すると、フルハイブリッドのレンジエクステンダにおける本発明の例示的な使用が示されており、この場合、電気モータ発電機１１０を駆動するために機械的に連結された内燃機関１００は、制御装置／インバータ組立体１２０（ＤＣ電圧を出力する）にさらに接続され、それは、次いで電池１３０に接続され、電池は、電力を第２の電気モータ／発電機牽引用ユニット１５０に供給する第２の制御装置／インバータ組立体１４０（３相ＡＣ電圧を出力する）にさらに接続される。

これは、インバータ技術の用途の一例に過ぎないが、インバータが使用される陸上、水上、および航空用に多くの移動体用途があり、据付け型機械に対しても同様であることが理解されよう。

本発明の例は、ＤＣからＡＣ電力への変換を参照して作られているが、当業者であれば、インバータは、一方向であるように、すなわち、ＤＣをＡＣに、またはＡＣをＤＣに変換するように構成することができる、またはインバータは、双方向に、すなわち、ＤＣをＡＣに、またＡＣをＤＣにするように構成することができ、本発明は、電力変換のこのような構成のすべてに適用可能であることが理解されよう。

図２ａ、図２ｂ、図２ｃは、例示的な半導体構成を示す。この構成では、電力半導体スイッチ１０のグループが、目的の電気的なモジュール用途に適切なグループ化において、ヒートシンク２０に直接接合され、または取り付けられる。接合は、例えば、半導体部品１０の動作に悪影響を与えないように、短い時間枠内で実行される高温半田付け法（述べられていない）とすることができる。直接接合を使用することは、低い電気抵抗の電気的インターフェース、および対応する低い熱抵抗の熱的インターフェースを提供する。

図２ａ、図２ｂ、図２ｃは、バスバー－ヒートシンク２０の３つの異なる構成を示す。通常、ヒートシンク２０に電気的に取り付けられるのは、（エミッタまたはゲートではなく）コレクタであり、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体スイッチデバイス１０を並列化することにより、それに対応して、電流出力を増加させることが可能になる。

電力半導体１０は、位相インバータ４０の１つのアクティブアーム（active arm）を提供するように構成されたスイッチデバイス１０から熱を除去するために、電気的に、かつ熱的に伝導性のあるヒートシンク２０に直接半田付けされる。

ヒートシンク－バスバーは、電気的に伝導性があり、かつそれに応じて高い熱伝導性を有し、また例えば、処理／形成特性を向上させるために多の元素と合金化され得るアルミニウムまたは銅などの高い熱伝導性および導電性材料から通常作られる。

半導体スイッチ１０は、近接させた状態に、かつ高い精度で容易に再現してモジュール４０を形成する方式で取り付けることができ、それにより、機械的に対称にできるように最適化し、望ましい電気的な対称性に強力に寄与することが、図２ａ、図２ｂ、図２ｃで分かる。半導体および電気部品のレイアウトは、一部には、部品の近接性によって達成される部品間のインダクタンスを最小化するように設計され、またさらに各位相に対して、特に各位相内の半導体デバイススイッチ１０に対して対称的な経路を提供する。

半導体デバイスから広がり、その後に放散する熱に対して異なる手法を本発明で使用することができるが、例えば、図２ａ、図２ｃの一般に使用されるフィン付きヒートシンク、さらに精巧なピングリッドヒートシンク（図示せず）、または図２ｂの新しい驚くほど効率的な穴付きシートシンクなどであり、各場合において、ヒートシンクはまた、通常、高電流バスバーとして働く、電気回路の一体化された部品である。

電力部品の電流経路内のインダクタンスを最小化することは、高電流をスイッチングするとき、効率を向上させるために重要である。インダクタンスを最小化することは、直線的であって湾曲しない導体経路を使用し、かつ導体経路を可能な限り短く維持することによって達成することができる。

図３は、ヒートシンク－バスバー２０に電気的に接合され、またさらにプリント回路板６０によって、キャパシタ７０に電気的に接続された半導体デバイススイッチ１０のモジュール４０構成を示している。出力はコネクタ８０を介する。

電流経路内の浮遊インダクタンスは、「リンギング」と呼ばれることのある減衰振動を生じ、それは、あらゆるスイッチング事象の後に生ずる。このような振動は、供給電圧上に重畳されて、半導体デバイスおよびキャパシタが、短い期間にわたり、供給されるものよりも高い電圧を受けることになる。これは、デバイスの定格および寿命に影響を与え、製品によって生成される電磁妨害（ＥＭＩ）の放出を増加させる。振動ピークは、半導体デバイスが、低インピーダンス「オン」状態から高インピーダンス「オフ」状態に変えるのに要する時間を増加させることによって低減することができる。残念ながら、「オン」から「オフ」状態に変えることは、半導体スイッチデバイスが、線形モードで動作することを含み、その場合、抵抗は、非常に低い「オン」から非常に高い「オフ」へと徐々に増加する。この時間の間、デバイスは、エネルギーを放散し、熱は上昇する。したがって、デバイスは、さらなる冷却を必要とする、またはインバータの電流定格を低減する必要がある。したがって、一般に、より高いスイッチング速度が好ましいが、これには、低い浮遊インダクタンスが必要になる。実際には、スイッチング速度および熱放散に対して妥協が生ずる。

本発明は、これらの点において、価値のある利点を提供し、図２および図３で示されるように近接性（短い伝導経路）可能にする、ここで、近接した間隔の半導体部品１０は、大きな低インダクタンスのバスバーヒートシンク２０により、互いに半田接続される（高い熱放散経路）。半導体デバイススイッチ１０を並列化することは、電流容量を増加し、また直列接続は、電圧共有を可能にする。両方の手法は、関連する管理回路のクランピング、および電流および電圧をそれぞれ等化するための緩衝器を備える。本発明により提供される価値のある利点は、優れた物理的な対称性を用いる場合、これらの等化回路のタスクは、主として、部品内部の変動が対象になることである。

整合されたインピーダンスを有するインバータ内で位相を提供することは、対称的な設計を提供し、各位相は同様に挙動することを意味する。対称的な位相は、電流／電圧制御を大幅に簡単化し、かつ／または電流およびトルクリップルを低減する。

理解されるように、本発明は、大規模のバスバー－ヒートシンク上における半導体スイッチデバイスの近接性を大幅に向上させ、それにより、並外れた部品の熱放散を有する機械的な対称性を容易に提供することができる。

図４ａ、図４ｂ、図４ｃでは、インバータサブアセンブリ４０の電力半導体スイッチ１０は、ヒートシンク－バスバー２２、２３、２４、２５に半田接合され、かつ作成中に簡単な変更を可能にするようにグループ化されて、２レベルインバータ（図４ａ）、または３レベルＴ型インバータ（図４ｂ）トポロジを提供する。

図４ｃは、中間のスイッチ電圧コレクタを、キャパシタ１１、１２のＤＣ／２中点に結合することにより、３レベルＴ型インバータに対する半導体デバイススイッチ１０にわたる電圧分割の概略図を示す。３レベルＴ型インバータに対するこのようなモジュールサブアセンブリからの出力１７は、Ｕ，Ｖ、またはＷ位相のうちの１つである。

図４ｂの３電圧レベルＴ型インバータの場合、中間供給電圧コレクタは共通であり、ヒートシンク２２、２４上に共に半田接合することによって接続される。接合の他の適切な手段は、機械的な取付け、銀またはアルミニウムろう付け、金シリコン共晶接合、室温液体金属接続を含み、またすべての例において、接合は、十分な機械的、優れた熱的、かつ電気的接続を達成すべきである。その結果は、出力位相当たり４つのヒートシンク－バスバーであり、その電位は、
・＋ＤＣバス２３
・キャパシタ１１の電位の中間スイッチコレクタ２４
・キャパシタ１２の電位の中間スイッチコレクタ２２
・出力位相２７
である。

３電圧レベルＴ型インバータの場合、中間スイッチコレクタ２２および２４は、適切なサイズの電気的ブリッジ９により電気的に接続される。

当業者であれば、中間スイッチコレクタ（ヒートシンク－バスバー）２２および中間スイッチコレクタ（ヒートシンク－バスバー）２４は、２電圧レベルインバータに変更できることが必要ではない場合、単一のヒートシンク－バスバーであり得ることが理解されよう。これは、出力位相当たり３つのヒートシンク－バスバーが得られることになる。

当業者であればまた、＋ＤＣバスのヒートシンク－バスバーは、３つのすべての位相により共用され得ることが理解されよう。

図５ｂを参照すると、位相サブモジュール４０の構成が示されており、図では、半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴ）１０が、ヒートシンク－バスバー２２と２４の間のブリッジ９を備えるヒートシンク－バスバー２２、２３、２４、２５により相互に接続され、１つのこのようなサブモジュール４０が、破線ボックスで輪郭が描かれており、モジュール４０は、前に使用されたその意味を含む参照数字を有する。加えて、関連するキャパシタ１１、１２が示されており、共に、３レベルＴ型トポロジの３相ＡＣインバータ２００へのＤＣを形成する。

図５ａは、機能的な回路、およびキャパシタ１１、１２への関連性を示す、図５ｂのインバータサブモジュール４０の概略図である。

図６ａ、図６ｂの２レベルトポロジのインバータは、ヒートシンクバスバーの間に、異なる構成のブリッジリンク９を有する。

２電圧レベルインバータの場合、図４ａ、および図６ａ、図６ｂを参照すると、中間スイッチコレクタのヒートシンク－バスバー２４は、出力位相ヒートシンク－バスバー２５に電気的に接続され、また中間スイッチコレクタのヒートシンク－バスバー２２は、ＤＣ＋ｖｅ電位に保持されたヒートシンク－バスバー２３に電気的に接続される。

当業者であれば、３電圧レベルインバータに変更できることが必要ではない場合、中間スイッチコレクタ２４および出力位相ヒートシンク－バスバー２５を、単一のヒートシンク－バスバーにできること、ならびに中間スイッチコレクタ２２および＋ＤＣバスヒートシンク－バスバー２３を、単一のヒートシンク－バスバーにできることが理解されよう。こうすることは、出力位相当たり２つのヒートシンク－バスバーになる。

固定形式または適応可能な形式のいずれかの２レベルインバータまたは３レベルＴ型インバータにおいて、ヒートシンク－バスバー上の例えば、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチデバイスの構成は、なおスイッチデバイスの近接性、および部品配置および接続の対称性における正確さを可能にすることが理解されよう。

実施形態では、ヒートシンクは、熱管理に対してと、接続されたデバイスの間で電流を伝えるためのバスバーとしての両方で使用される。それにより、ヒートシンクは、インバータ回路の能動部品となり、短い、大規模な伝導経路のおかげで、整合され、かつ低減された誘導インピーダンスが得られる。半導体デバイススイッチの直接的な半田接合を使用することは、共通の低い電気抵抗の電気的インターフェースと、低い熱抵抗の熱的インターフェースとを提供し、後者の態様は、デバイスが熱的に制限される前に、より多くの電力を搬送できるようにする。

交流下で電気的な対称性を提供し、またヒートシンクバスバーのおかげで熱を除去する容易さは、誘電性の冷却媒体中に、本発明のインバータの電気および電子部品を浸漬することによってさらに高められるが、冷却媒体は、インバータ部品を含む液密のケーシング内の所定の冷却経路に沿ってポンプ送りされることが好ましい。

図７は、ヒートシンク－バスバー２０に電気的に、熱的に、かつ機械的に取り付けられるように接合された半導体デバイスの対称的な構成を示し、それは、明確に画定された狭いチャネル２００を備える明確に画定された流路を可能にする。半導体デバイスは、プリント回路板（図示せず）により電気的にさらに接続され、そのプリント回路板上に、インバータの適正な機能を可能にするさらなる電気および電子部品を取り付けることもできる。

図７では、穴付きのヒートシンク－バスバー２０に接合された半導体スイッチデバイス１０（例えば、ＩＧＢＴ）、さらにプリント回路板、およびさらなる構成部品（図示せず）の構成が見られ、全体構成、すなわち、ヒートシンク－バスバー、半導体デバイススイッチ（ＩＧＢＴ）、プリント回路板、さらなる電気および構成部品が、冷却液媒体に浸漬され、冷却媒体は右手側２５０から入り、ヒートシンク－バスバー２０にある貫通孔２６０を流れ、それにより、熱を半導体スイッチデバイス１０から除去する。冷却液媒体は、例えば、ポンプ送りされることにより流される。

図８で示される同様に対称的な構成では、ヒートシンク－バスバー２０に電気的に、熱的に、かつ機械的に接合されるように取り付けられた半導体デバイスのグループが、明確に画定された狭いチャネル２１０を備えた明確に画定された流路を可能にする。図８では、押し出し成形されたフィン付きヒートシンク－バスバー２０に接合された半導体スイッチデバイス１０（ＩＧＢＴ）の構成が見られ、構成は冷却液媒体に浸漬され、ここにおいて、冷却媒体は、アレイの上部左手側２９０から入り、ヒートシンク－バスバー２０の少なくともヒートシンクフィンチャネル２１０部分に沿って前後に往復して流れるようにし、それにより、熱を半導体スイッチデバイス１０から除去する。冷却液媒体は、ポンプ送りされるため、流れるように強制される。

本発明のインバータシステムは、電気的に、熱的に、かつ機械的に接合されるように半導体デバイススイッチが取り付けられるヒートシンクバスバーを備え、半導体デバイスはまた、プリント回路板により相互に接続され、かつ電気および電子部品とさらに電気的に接続されてインバータを形成し、またおそらく制御装置回路は、冷却液媒体の入口／出口（図示せず）用のポートと、電気的なインターフェース（図示せず）用のポートとを有する液密ハウジング（図示せず）に収容される。冷却液媒体は、ポンプ送りされて流れるようにし、したがって、インバータシステムから熱の除去を可能にし、また冷却液媒体は、通常、外部の熱交換器へと移動される。いくつかの用途では、十分な熱を、ハウジング表面に取り付けられた、または形成された熱放散フィンにより放散させることが可能である。いくつかの実施形態では、ハウジング内のポンプは、ハウジングのフィンだけを使用し、冷却液媒体を閉回路中に移動させて、インバータシステムから熱を除去することも可能である。

本発明に使用される冷却液媒体は、誘電性流体、例えば、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）、Ｆｌｕｒｏｉｎｅｒｔ（商標）などのフルオロカーボン流体であり、冷却流体は、単相または２相のものとすることができ、冷却は、液体の熱容量、または気化熱から導出され得るが、このような冷却液媒体は、よく知られており、例えば、半導体デバイス、キャパシタ、および抵抗などの電子部品、およびシステム、ならびにインバータおよび制御装置を形成するように組み立てられたサブアセンブリを冷却するために有用である。冷却液はまた、電子システムによって電力が供給される／制御され得る、例えば、モータ／発電機などの電気機械を冷却するためにも使用することもできる。

図９ａ、図９ｂ、図９ｃを参照すると、図９ａは、２つの別々の冷却液回路を示しており、１つは、例えば、インバータ／制御装置３００などの制御／電力供給システムに対するものであり、もう一方は、例えば、モータ／発電機４００などの電気機械に対するものである。各冷却液回路は、熱交換器３５０、ポンプ３６０，および流体供給／戻り管路３７０を備えることができる。

図９ｂおよび図９ｃは、単一の熱交換器３５０、および単一のポンプ３６０が、インバータ／制御装置３００を冷却し、その後に、電気機械４００を冷却するために使用される。

図９ｂでは冷却液媒体を、流体管路３７０に沿って冷却液回路を回るように強制するポンプ３６０が、インバータ／制御装置３００と電気機械４００の間に配置される。ポンプの配置は、いくつかの要因がある中で特に、空間、アクセスの容易さ、および空気溜まりの除去に応じたものとし、図９ｃの熱交換器３５０と電気機械４００の間にも容易に配置することができる。

電気機械、または制御装置／電源のどちらを最初に冷却するかの判断は、通常、使用されるとき、どちらが最も熱を放散するかに基づく。

当業者であれば、多くの他の有効な代替形態が想到されることは疑いのないことである。本発明は、述べられた実施形態に限定されることなく、本明細書に添付された特許請求の範囲に含まれる当業者には明らかな変更形態を包含することが理解されよう。

Claims (21)

1. ＤＣをＡＣに変換するためのインバータであって、
   １つまたは複数のＤＣ電圧を受け取るための１つまたは複数の入力と、
   １つまたは複数のＡＣ電圧を出力するための１つまたは複数の出力と、
   複数の半導体構成のモジュールであって、各モジュールは、ヒートシンクに熱的に、かつ電気的に結合される１つまたは複数の半導体デバイスを有し、前記ヒートシンクは、前記１つまたは複数の半導体デバイスの間で電力を送るように、前記１つまたは複数の半導体デバイスを共に電気的に接続するためのバスバーとして構成され、また前記ヒートシンクは、熱を、前記ヒートシンクから周囲環境へと伝達するための１つまたは複数の熱交換要素を備え、前記複数の半導体構成のモジュールは、前記１つまたは複数の入力および前記１つまたは複数の出力に結合され、前記複数の半導体構成のモジュールはプリント回路板（ＰＣＢ）に取り付けられ、前記ＰＣＢは、前記半導体デバイス、前記１つまたは複数の入力、および前記１つまたは複数の出力の間で電気的な接続を提供する、前記複数の半導体構成モジュールと、
   前記複数の半導体構成モジュールを、その内部のチャンバに収容するためのハウジングであって、誘電性の冷却媒体を受け取り、かつ送り出すために、それぞれ、前記チャンバと流体連通状態にある入口ポートおよび出口ポートを備え、前記チャンバは、前記インバータを冷却するための流れる前記冷却媒体で満たされている、ハウジングと
   を備え、
   前記ＰＣＢ、および前記ＰＣＢ上に取り付けられたさらなる電気および電子部品は、前記チャンバ内に位置し、かつ前記冷却媒体中に浸漬される
   インバータ。
2. 前記１つまたは複数の半導体デバイスは、半導体電力デバイスである請求項１に記載のインバータ。
3. 前記１つまたは複数の半導体デバイスは、ＩＧＢＴ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体スイッチデバイス、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または電力ダイオードを備える請求項１または２に記載のインバータ。
4. 前記１つまたは複数の半導体デバイスは、前記ヒートシンクに機械的に取り付けられる、または接合される請求項１、２、または３に記載のインバータ。
5. 前記熱交換要素は、フィン、ピンホール、規則的もしくは不規則な輪郭の穴もしくはスロットを備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載のインバータ。
6. 前記入力ＤＣ電圧は、＋ＤＣ入力電圧および／または－ＤＣ入力電圧を備え、また前記ＡＣ出力は、ＡＣ位相出力電圧を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインバータ。
7. 前記複数の半導体構成モジュールのそれぞれは長手方向軸を有し、また各モジュールは、前記モジュールの前記長手方向軸が互いに平行になるように、前記ＰＣＢ上に取り付けられる請求項１乃至６のいずれか一項に記載のインバータ。
8. 前記モジュール（４０）は、少なくとも１つの軸において対称的であるように、前記ＰＣＢ(６０)上に配置される請求項７に記載のインバータ。
9. 前記モジュール（４０）は、３レベルＴ型トポロジ、または２レベルトポロジを提供するように電気的に構成される請求項１乃至８のいずれか一項に記載のインバータ。
10. ３レベルＴ型トポロジとして構成される場合、前記インバータは、ＤＣ／２電圧で第２のＤＣ出力を備える請求項９に記載のインバータ。
11. モジュール間の前記電気的な構成は、１つまたは複数のコネクタバーを介して構成可能であり、前記１つまたは複数のコネクタバーのそれぞれは、前記３レベルＴ型トポロジ、または前記２レベルトポロジを提供するために、２つのモジュールの前記ヒートシンクバスバーを共に接続する請求項９または１０に記載のインバータ。
12. 前記インバータは、３レベルＴ型構成で配置された４つのモジュールを備え、また前記４つのモジュールのうちの２つの前記ヒートシンクバスバーは、コネクタバーを用いて共に電気的に接続される請求項１１に記載のインバータ。
13. 第１と第４の前記モジュールの間で前記ＰＣＢ上に位置する、第２および第３の前記モジュールの前記ヒートシンクバスバーは、前記コネクタバーを用いて電気的に共に接続される請求項１２に記載のインバータ。
14. 前記インバータは、２レベルＴ型構成で配置された４つのモジュールを備え、また第１のグループの２つのモジュールの前記ヒートシンクバスバーは、第１のコネクタバーを用いて電気的に共に接続され、また第２のグループの２つのモジュールの前記ヒートシンクバスバーは、第２のコネクタバーを用いて電気的に共に接続される請求項１１に記載のインバータ。
15. 前記モジュールの第２および第３のものは、前記第１のモジュールと前記第４のモジュールの間で前記ＰＣＢ上に位置し、前記第１および第３のモジュールの前記ヒートシンクバスバーは、前記第１のコネクタバーを用いて電気的に共に接続され、また前記第２および第４のモジュールの前記ヒートシンクバスバーは、前記第２のコネクタバーを用いて電気的に共に接続される請求項１４に記載のインバータ。
16. 前記インバータは、３レベルＴ型構成で配置された３つのモジュールを備え、第１および第３の前記モジュールは、第２の前記モジュールのいずれかの側で前記ＰＣＢ上に位置する請求項９または１０に記載のインバータ。
17. ２つ以上の複数の半導体構成モジュールを備え、前記２つ以上の複数の半導体構成モジュールのそれぞれは、多相出力ＡＣ電圧の１つの位相を提供する請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のインバータ。
18. 前記冷却媒体は、前記媒体が前記入口ポートと前記出口ポートの間で流れるようにポンプ送りされる請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のインバータ。
19. 前記インバータの入口ポートおよび出口ポートは、熱交換器を備える冷却回路に結合され、前記熱交換器は、前記冷却媒体から熱を除去するためのものである請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のインバータ。
20. 前記インバータの前記出力は、電気モータに電力を送るように構成され、また前記冷却回路は、前記電気モータの冷却回路と流体連通状態にある請求項１９に記載のインバータ。
21. 前記インバータの前記出力は、電気モータに電力を送るように構成される請求項１乃至２０のいずれか一項に記載のインバータ。

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