JP7234783B2 - power converter - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a power converter.
複数の半導体モジュールと、複数の冷却器が交互に積層されている電力変換装置が知られている。このような電力変換装置では、隣り合う冷却器と半導体モジュールの密着性を確保し冷却性能を向上させるため、積層方向に圧力が加えられている。例えば特許文献1にそのような電力変換装置が開示されている。特許文献1においては、冷却器は一対の金属板(特許文献1においては「外殻プレート」と称されている)を組み合わせることにより形成されており、内部に冷媒が流れる流路が形成されている。積層方向の加圧による金属板の変形を抑えるため、上記の一対の金属板の少なくとも一方の金属板の一部は他方の金属板に向けて突出している。突出している箇所はリブを構成し、他方の金属板に当接している。このような構成により、積層方向の加圧力に対して強度の高い電力変換装置を実現している。 A power conversion device is known in which a plurality of semiconductor modules and a plurality of coolers are alternately stacked. In such a power conversion device, pressure is applied in the stacking direction in order to ensure the adhesion between adjacent coolers and semiconductor modules and improve the cooling performance. For example, Patent Literature 1 discloses such a power converter. In Patent Document 1, the cooler is formed by combining a pair of metal plates (referred to as "outer shell plates" in Patent Document 1), and a flow path is formed inside for the coolant to flow. there is In order to suppress deformation of the metal plates due to pressure in the stacking direction, a portion of at least one of the pair of metal plates protrudes toward the other metal plate. The protruding portion constitutes a rib and is in contact with the other metal plate. With such a configuration, a power conversion device having high strength against pressure in the stacking direction is realized.
特許文献1の技術においては、冷却器をなす金属板の一部を変形させることにより、積層方向の加圧力に対する強度を向上させている。また、半導体モジュールの内部には、積層方向からみて流路と交差する方向に複数の半導体素子が並んでおり、金属板の一部を変形して形成したリブは、隣り合う半導体素子の間に設けられている。本明細書は、特許文献1の電力変換装置よりも冷却器の強度を高める技術を提供する。 In the technique disclosed in Patent Document 1, the strength against pressure in the lamination direction is improved by partially deforming the metal plate forming the cooler. In addition, inside the semiconductor module, a plurality of semiconductor elements are arranged in a direction crossing the flow path when viewed from the stacking direction, and ribs formed by deforming a part of the metal plate are provided between the adjacent semiconductor elements. is provided. This specification provides a technique for increasing the strength of the cooler as compared with the power converter of Patent Document 1.
本明細書が開示する電力変換装置は、複数の冷却器が一列に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれており、冷却器と半導体モジュールがそれらの積層方向に加圧されている電力変換装置である。半導体モジュールには複数の半導体素子が収容されている。冷却器の内部には、積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されている。冷却器の内部には、流路方向に沿って延びている補強部材であって、積層方向と交差する冷却器の一面とその対面の両方に接している複数の補強部材が配置されている。半導体モジュールの内部には、積層方向からみたときに少なくとも2個の半導体素子が流路方向と交差する流路幅方向に並んでいる。複数の補強部材は、積層方向からみたときに、半導体素子と重ならないように配置されているとともに、2本は流路幅方向で半導体素子の並びの両側のそれぞれに配置されており、1本は2個の半導体素子の間に配置されている。 In the power conversion device disclosed in this specification, a plurality of coolers are arranged in a line, semiconductor modules are sandwiched between adjacent coolers, and the coolers and semiconductor modules are stacked in the stacking direction. It is a power converter that is under pressure. A semiconductor module accommodates a plurality of semiconductor elements. Inside the cooler, a flow path is formed through which a coolant flows in a direction intersecting the stacking direction. Inside the cooler, a plurality of reinforcing members extending along the direction of the flow path and in contact with both one side of the cooler intersecting the stacking direction and the opposite side are arranged. Inside the semiconductor module, when viewed from the stacking direction, at least two semiconductor elements are arranged in a flow channel width direction that intersects with the flow channel direction. The plurality of reinforcing members are arranged so as not to overlap the semiconductor element when viewed from the stacking direction, and two reinforcing members are arranged on each side of the arrangement of the semiconductor elements in the flow channel width direction. is arranged between two semiconductor elements.
上記の構成によれば、補強部材を冷却器の内部に備えることで、冷却器の強度が向上する。すなわち、冷却器を構成する金属板を変形させる必要がなく、冷却器の強度が向上する。また、半導体素子の並び方向の両側と中間に補強部材を備えることで、より一層強度が向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 According to the above configuration, the strength of the cooler is improved by providing the reinforcing member inside the cooler. That is, there is no need to deform the metal plate that constitutes the cooler, and the strength of the cooler is improved. Further, by providing reinforcing members on both sides and in the middle in the direction in which the semiconductor elements are arranged, the strength is further improved. Details and further improvements of the technique disclosed in this specification are described in the following "Mode for Carrying Out the Invention".
図面を参照して実施例の電力変換装置2を説明する。図1は、実施例の電力変換装置2の斜視図である。実施例の電力変換装置2は、例えば電気自動車に搭載され、バッテリとモータの間で電力変換を行う。しかし、実施例の電力変換装置2は電気自動車に搭載されるものに限定されず、様々な用途の電力変換装置として使用することができる。
A
電力変換装置2は、複数の冷却器10と、複数の半導体モジュール20とを備えている。電力変換装置2は、複数の冷却器10と複数の半導体モジュール20が交互に積層されたデバイスである。なお図1では、1つの冷却器だけに符号10を付し、他の冷却器には符号を省略した。また、1つの半導体モジュールだけに符号20を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。
The
1個の半導体モジュール20は、2個の冷却器10に挟まれている。半導体モジュール20と一方の冷却器10との間、及び、半導体モジュール20と他方の冷却器10との間には、それぞれ絶縁板5が挟まれている。また、図1では、理解し易いように、1個の半導体モジュール20とその両側の絶縁板5を積層体から抜き出して描いてある。
One
詳しくは後述するが、半導体モジュール20は、電力変換用の半導体素子21a、21b、22a、22bを備えている。電力変換に用いられる半導体素子はパワー半導体素子とも呼ばれる。パワー半導体素子に大電流が流れたときの発熱量は大きい。従って、これらのパワー半導体素子を冷却するために、電力変換装置2には冷却器10が備えられている。1個の半導体モジュール20を、その両側から2個の冷却器10で挟むことにより、冷却性能の高い電力変換装置2を実現している。
Although details will be described later, the
半導体モジュール20と冷却器10は、共に平板型であり、複数の側面のうち最大面積の平坦面(幅広面)が対向するように積層されている。半導体モジュール20と冷却器10は交互に積層されており、電力変換装置2の積層方向(図1のX方向)の両端には冷却器10が位置している。冷却器10の内部には、冷媒が通る流路が形成されている。冷媒が流れる流路方向は、積層方向と直交する方向である(図1のY方向)。複数の冷却器10は、連通管4a、4bで連通されている。電力変換装置2の積層方向の一端に位置する冷却器10には、冷媒供給管3aと冷媒排出管3bが連結されている。冷媒供給管3aを通じて供給される冷媒は、連通管4aを通じて全ての冷却器10に分配される。冷媒は各冷却器10を通る間に隣接する半導体モジュール20から熱を吸収する。各冷却器10を通った冷媒は連通管4bを通り、冷媒排出管3bから排出される。図1の矢印は冷媒が流れる方向を示している。冷却器10を流れる冷媒は液体であり、例えば、水、あるいは、LLC(Long Life Coolant)である。
The
電力変換装置2の積層方向の他端に位置する冷却器10には板ばね6が接している。板ばね6は、冷却器10の半導体モジュール20と接している面とは反対側の面に接している。半導体モジュール20と絶縁板5と冷却器10が積層された電力変換装置2は、不図示のケースに収容され、板ばね6により積層方向に加圧される。積層方向への加圧により、冷却器10と絶縁板5と半導体モジュール20の密着性が向上する。それにより、電力変換装置2の冷却性能が向上する。さらに、冷却器10と絶縁板5の間、及び、絶縁板5と半導体モジュール20の間にはグリスが塗布されている。グリスは、熱の伝達効率を向上させるために塗布されている。
A
次に半導体モジュール20について説明する。半導体モジュール20は、樹脂製のパッケージに4個の半導体素子21a、21b、22a、22bが封止されたデバイスである。半導体素子21a、21bは、電力変換用のスイッチング素子であり、本実施例においては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。電力変換装置2は、2個のスイッチング素子(半導体素子21a、21b)を選択的に用いることにより電力を変換する。また、半導体素子22aは、半導体素子21aと逆並列に接続されている還流ダイオードである。半導体素子22bは、半導体素子21bと逆並列に接続されている還流ダイオードである。半導体素子21aと半導体素子21bは、流路方向(図1のY方向)に並んでいる。また、半導体素子22aと半導体素子22bは、流路方向に並んでいる。さらに、半導体素子21aと半導体素子22aは、流路方向と交差する流路幅方向(図1のZ方向)に並んでいる。流路幅方向は、流路方向と直交する方向である。半導体素子21bと半導体素子22bは、流路幅方向に並んでいる。
Next, the
半導体素子21a、21b、22a、22bのそれぞれには、その表面に電極が設けられている。絶縁板5と対向するパッケージの幅広面には、4個の放熱板27a、27b、28a、28bが露出している。図1では隠れて見えないが、反対側の幅広面にも4個の放熱板27a、27b、28a、28bが露出している。半導体素子21aは、2つの幅広面それぞれに備えられている放熱板27aで挟まれている。同様に、半導体素子21bは、2つの幅広面それぞれに備えられている放熱板27bで挟まれている。半導体素子22aは、2つの幅広面それぞれに備えられている放熱板28aで挟まれている。半導体素子22bは、2つの幅広面それぞれに備えられている放熱板28bで挟まれている。放熱板27a、27b、28a、28bは、例えば銅やアルミニウムといった、熱伝導性に優れた材料で構成されている。放熱板27a(27b、28a、28b)は、半導体素子21a(21b、22a、22b)の電極と導通している。
Electrodes are provided on the surfaces of the
半導体モジュール20はさらに、正極端子24と、負極端子25と、中点端子26とを備えている。正極端子24と、負極端子25と、中点端子26は、パッケージの平坦面(幅広面)と交差する幅狭面から延びている。半導体素子21a、21bはパッケージの内部で直列に接続されており、直列接続の正極側と負極側はそれぞれ、正極端子24、負極端子25と導通している。2個の半導体素子21a、21bの直列接続の中点が中点端子26と導通している。
The
放熱板27aは、半導体素子21aの熱を冷却器10に伝える役割を担うとともに、半導体素子21aの電極と端子24、25、26をつなぐ導電経路の役割を担う。同様に、放熱板27bは、半導体素子21bの熱を冷却器10に伝える役割を担うとともに、半導体素子21bの電極と端子24、25、26をつなぐ導電経路の役割を担う。放熱板28aは、半導体素子22aの熱を冷却器10に伝える役割を担うとともに、半導体素子22aの電極と端子24、25、26をつなぐ導電経路の役割を担う。放熱板28bは、半導体素子22bの熱を冷却器10に伝える役割を担うとともに、半導体素子22bの電極と端子24、25、26をつなぐ導電経路の役割を担う。上記のように、各放熱板はいずれかの半導体素子と導通しているので、半導体モジュール20と冷却器10の間には絶縁板5が挟まれている。なお、冷却器10は、銅やアルミニウムといった、熱伝導性に優れた材料で構成されている。
The
半導体モジュール20はさらに、2組の制御端子23a、23bを備えている。2組の制御端子23a、23bは、端子24、25、26が延びている幅狭面とは反対側の幅狭面から延びている。制御端子23aは、半導体素子21aのゲートや温度センサと導通する端子群である。制御端子23bは、半導体素子21bのゲートや温度センサと導通する端子群である。
The
上記の通り、複数の半導体モジュールと、複数の冷却器が交互に積層されている電力変換装置2において、隣り合う冷却器と半導体モジュールの密着性を確保し冷却性能を向上させるため、積層方向に圧力が加えられている。積層方向への加圧力が大きいほど、冷却器と半導体モジュールの密着性は向上する。しかし、積層方向への加圧力を過度に大きくすると、冷却器が加圧力に耐えられなくなり、冷却器が変形してしまうおそれがある。冷却器に変形が生じると、冷却器と半導体モジュールの密着性は悪化してしまう。すなわち、電力変換装置の冷却性能が低下してしまうおそれがある。実施例の電力変換装置2は、冷却器の強度を向上させる構造を備えている。
As described above, in the
図2と図3を参照して、冷却器10の内部構造について説明する。図2は、電力変換装置2を、XZ平面でカットした断面図である。図3は、電力変換装置2を積層方向から見た平面図である。
The internal structure of the cooler 10 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the
冷却器10の内部には、補強部材11、12、13と、フィン15とが備えられている。補強部材11、12、13は細長の部材であり、流路方向に沿って延びるように配置されている。補強部材11、12、13は、積層方向と交差する冷却器10の一面とその対面の両方に接している。補強部材11、12、13は、ろう付けによって冷却器10に固定されている。
Inside the cooler 10, reinforcing
先に述べたように、半導体モジュール20の内部には、4個の半導体素子21a、21b、22a、22bが収容されている。半導体素子21a、22aは、流路幅方向(Z方向)に並んでおり、半導体素子21b、22bも、流路幅方向に並んでいる。補強部材11、13は、流路幅方向で複数の半導体素子21a、22a(21b、22b)の並び方向の両側のそれぞれに配置されている。補強部材12は、流路幅方向で複数の半導体素子21a、22a(21b、22b)の間に配置されている。また、先に述べたように、補強部材11、12、13は、細長い形状を有しおり、流路方向(Y方向)に延びるように配置されている。さらに、補強部材11、12、13は、積層方向からみて、半導体素子21a、21b、22a、22bと重ならないように配置されている。補強部材11、12、13は、横断面が矩形である。
As described above, the
複数の補強部材11、12、13により、以下の効果が期待される。複数の補強部材11、12、13は、流路幅方向で複数の半導体素子21a、22a(21b、22b)の並び方向の両側に配置されているとともに、隣り合う半導体素子21a、22a(21b、22b)の間に配置されている。それゆえ、冷却器10は、積層方向に加圧されても変形し難い。また、補強部材11、12、13は、長手方向が流路方向(冷媒の流れる方向)に沿うように配置されているので、流路抵抗の増加が少ない。なお、補強部材11、12、13は、冷却器10の材料よりも剛性の高い材料で作られている。
The following effects are expected from the plurality of reinforcing
補強部材11、12、13は、積層方向から見て半導体素子21a、21b、22a、22bと重ならないように配置されている。これにより、電力変換装置2の冷却性能が低下することなく、冷却器10の強度が向上する。
The reinforcing
また、補強部材11、12、13は、冷却器10とは別部材である。補強部材を冷却器10の外板を加工して作る場合と比較して製造が容易である。
Moreover, the reinforcing
冷却器10の内部には、フィン15が収容されている。フィン15は、XZ平面に沿った断面図が矩形形状であるような形状である。これにより、冷媒と冷却器10との接触面積を増加させ、電力変換装置2の冷却性能を向上させている。フィン15は、ろう付けによって冷却器10に固定されている。
また、本実施例の電力変換装置2においては、冷却器10と絶縁板5の間、及び、絶縁板5と半導体モジュール20の間にグリスが塗布されている。半導体モジュール20の発熱と冷却の繰り返しによって、冷却器10と絶縁板5の間に塗布されたグリス、又は、絶縁板5と半導体モジュール20の間に塗布されたグリスが流出するおそれがある。このような現象はポンプアウト現象と呼ばれている。ポンプアウト現象が起こると、半導体モジュール20から冷却器10への熱の伝達効率が悪化し、電力変換装置2の冷却性能が低下するおそれがある。
In the
上記の通り、本実施例の電力変換装置2においては、補強部材11、12、13により、冷却器10の強度が向上する。従って、電力変換装置2を、より大きな加圧力で積層方向に加圧することができるため、冷却器10と絶縁板5と半導体モジュール20の密着性が向上する。これにより、ポンプアウト現象を抑制することができ、電力変換装置2の冷却性能の低下を未然に防止することができる。
As described above, in the
以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the technology disclosed in this specification have been described above in detail, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.
2:電力変換装置
3a:冷媒流入管
3b:冷媒排出管
4a、4b:連通管
5:絶縁板
6:板ばね
10:冷却器
11、12、13:補強部材
20:半導体モジュール
21a、21b、22a、22b:半導体素子
27a、27b、28a、28b:放熱板
2: Power converter 3a:
Claims (1)
前記冷却器の内部には、前記積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されており、
前記冷却器の内部には、流路方向に沿って延びている補強部材であって、前記積層方向と交差する前記冷却器の一面とその対面の両方に接している複数の補強部材が配置されており、
前記半導体モジュールの内部には、前記積層方向からみたときに少なくとも2個の前記半導体素子が前記流路方向と交差する流路幅方向に並んでおり、
前記複数の補強部材は、前記積層方向からみたときに、前記半導体素子と重ならないように配置されているとともに、2本は前記流路幅方向で前記半導体素子の並びの両側のそれぞれに配置されており、1本は2個の前記半導体素子の間に配置されている、
電力変換装置。 A plurality of coolers are arranged in a row, a semiconductor module containing a plurality of semiconductor elements is sandwiched between the adjacent coolers, and the coolers and the semiconductor modules are pressurized in their stacking direction. and grease is applied between the cooler and the semiconductor module ,
A flow path through which a coolant flows in a direction crossing the stacking direction is formed inside the cooler,
Inside the cooler, a plurality of reinforcing members extending along the direction of the flow path and in contact with both one surface of the cooler intersecting the stacking direction and the opposite side are arranged. and
Inside the semiconductor module, when viewed from the stacking direction, at least two semiconductor elements are arranged in a flow channel width direction that intersects with the flow channel direction,
The plurality of reinforcing members are arranged so as not to overlap with the semiconductor element when viewed from the stacking direction, and two of the reinforcing members are arranged on both sides of the row of the semiconductor elements in the flow channel width direction. and one disposed between two of said semiconductor elements,
Power converter.
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