JPWO2013140704A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この第3の態様によると、チャンバー内に複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が配置されているので、冷却媒体との接触面積を広くして効率よく冷却を行うことができる。
この第4の態様によると、半導体パワーモジュールの底面に冷却ピン及びブレードの一方が形成され、これが冷却体のチャンバー内に挿通されているので、半導体パワーモジュールをより効率よく冷却することができる。
この第5の態様によると、前記冷却体に第1の筐体を固定し、この第1の筐体で半導体パワーモジュール及び実装基板を囲むので、半導体パワーモジュール及び実装基板を密閉することができ、防塵および防水効果を発揮することができ、自動車等に搭載することが可能となる。
この第6の態様によると、第1の筐体が筒体と蓋体とで構成されているので、筒体の他端を開放した状態で、筒体を冷却体に固定することにより、半導体パワーモジュールと筒体に形成された外部接続端子との電気的接続を容易に行うことができる。そして、電気的接続が完了した時点で筒体の他端を蓋体で閉じて内部を密封する。
この第7の態様によると、コンデンサを第2の筐体で囲むので、第2の筐体を熱伝導率の高い材料で形成することにより、冷却体により第2の筐体を介してコンデンサの側面を冷却することができる。
この第8の態様によると、冷却媒体供給部でチャンバーの一方の長辺側に一方のチャンバーの短辺より外側から冷却媒体を供給するので、一方の短辺にのみ沿って冷却媒体が流れることを阻止して冷却媒体をチャンバーの一方の長辺側へ分散供給することができる。
この第9の態様によると、冷却媒体供給部からチャンバー内に分散されて供給された冷却媒体が他方の長辺側に達したときに、冷却媒体排出部で流路抵抗を変えずに集約して排出することができる。
この第10の態様によると、冷却媒体供給部から供給される冷却媒体が冷却媒体供給側液溜まり部に一旦溜められるので、チャンバーの長辺側に均一に冷却媒体を供給することができる。同様に、チャンバーの他方の長辺から排出される冷却媒体が冷却媒体排出側液溜まり部に一旦溜められるので、チャンバーの他方の長辺側での流路抵抗に偏りが生じることがなく、チャンバー内で冷却媒体を偏ることなく均一に流すことができる。
この第11の態様によると、供給側傾斜通路によって、冷却媒体を冷却媒体供給側液溜まり部に斜めに供給することができ、圧力損失の大きい折れ曲がり通路部を無くして圧力損失を低減できると共に、チャンバーの長辺に沿う冷却媒体供給側液溜まり部で均一な冷却媒体流を形成することができる。
この第12の態様によると、チャンバーの長辺から排出される冷却媒体が冷却媒体排出側液溜まり部に一旦収容され、その後に排出側傾斜通路を通じて冷却媒体排出部に排出されるので、圧力損失の大きい折れ曲がり流路部がなく圧力損失を低減できると共に、チャンバーの長辺に沿う冷却媒体供給側液溜まり部から均一な冷却媒体流で冷却媒体を排出することができる。
この第13の態様によると、冷却媒体排出部の近傍に温度検出部を設けるので、この温度検出部で検出した温度から半導体温度を推定し、より確実な半導体の過熱保護が可能となる。
この第14の態様によると、冷却媒体供給部の近傍に温度検出部を設けるので、この温度検出部で検出した温度から半導体温度を推定し、より確実な半導体の過熱保護が可能となる。
図1は電力変換装置の電気的構成を示す回路図、図2は本発明に係る電力変換装置の主要部を示す正面図、図2は図1の分解斜視図である。
電力変換装置1の電気的構成は、図1に示すように、バッテリ等の直流電源Vbと、この直流電源Vbの直流電力を平滑化する平滑用コンデンサCと、コンデンサCで平滑化された直流電力を3相交流電力に変換するインバータ部INとを備えている。
ここで、上アーム部UAを構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタXT〜WTは交流出力端子TU〜TW側に配置され、フリーホイールダイオードUD〜WDは直流入力端子TP及びTN側に配置されている。一方、下アーム部DAを構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタXT〜ZTは直流入力端子TP及びTN側に配置され、フリーホイールダイオードXD〜ZDは交流出力端子TU〜TW側に配置されている。
また、ケース体4aの上下面の4隅には取付ねじ6を挿通する貫通孔7がそれぞれ形成されている。さらに、ケース体4aの上面には、各貫通孔7の内側に4本の基板支持部8が突出形成されている。
そして、供給側マニホールド部16は、冷却媒体通路18を通じて冷却媒体供給部14に連結されている。この冷却媒体通路18は、冷却媒体供給部14に連結されてケース体11に沿って延長する直線部18aと、この直線部18aの供給側マニホールド部16に対向する端部から直角に折れ曲がって供給側マニホールド部16に達する直線部18bとを有する。
また、供給側マニホールド部16は、図8に示すように、チャンバー13の深さより深く形成され、チャンバー13より下側で冷却媒体通路18と連結されている。排出側マニホールド部17についても図示しないが図8と同様に、チャンバー13の深さより深く形成され、チャンバー13より下側で冷却媒体通路19と連結されている。
また、ケース体11のチャンバー13の長辺LS2に対向するY方向後端部には、図7に示すように、コンデンサ2の外部接続端子板P及びNを挿通する挿通部としての切欠部23が前方に延長して形成されている。さらに、ケース体11のY方向前端及び後端には、コンデンサ2の取付フランジ部2b及び2cに対向する位置に挿通孔24aを形成した取付フランジ部24b及び24cが形成されている。
また、冷却体3と半導体パワーモジュール4とは、冷却体3の開口12に半導体パワーモジュール4の冷却ピン4cを挿通して冷却体3の上面に半導体パワーモジュール4の下面を接触させた状態で、取付ねじ6を半導体パワーモジュール4の貫通孔7を通じて冷却体3の雌ねじ部22に螺合させて締付けることにより固定される。
先ず、電力変換装置1の主要部を組み立てるには、先ず、コンデンサ2上に冷却体3をコンデンサ2の外部接続端子板P及びNが冷却体3の切欠部23を通じて上方に突出するように載置する。そして、コンデンサ2の取付フランジ部2b及び2cに冷却体3の取付フランジ部23b及び23cを重ね合わせた状態で、上方から取付ねじ25を冷却体3の挿通孔23aを通じてコンデンサ2の取付フランジ部2b及び2cに形成された雌ねじ部2dに螺合して締め付ける。これにより、コンデンサ2の上面が冷却体3の下面に密着されて固定される。
その後又はその前に、半導体パワーモジュール4の上面に形成した基板支持部8に、半導体パワーモジュール4に内装されたインバータ部INの各絶縁ゲートバイポーラトランジスタUT〜WT及びXT〜ZTを駆動制御する電源回路、制御回路及び駆動回路を実装したプリント配線基板5を取付ねじ10によって固定する。このとき、半導体パワーモジュール4の各絶縁ゲートバイポーラトランジスタUT〜WT及びXT〜ZTのゲートとプリント配線基板5に実装された駆動回路とを図示しない接続端子によって電気的に接続する。
そして、電力変換装置1の収容部の半導体パワーモジュール4の直流入力端子TP及びTNをバッテリ等の直流電源Vbに接続し、半導体パワーモジュール4の交流出力端子TU〜TWを例えば自動車を駆動する電動モータに接続する。
また、冷却体3の冷却媒体供給部14及び冷却媒体排出部15をラジエータや冷媒循環ポンプ等の冷却媒体供給源に接続する。
このように、半導体パワーモジュール4の絶縁ゲートバイポーラトランジスタUT〜WT及びXT〜ZTを駆動することにより、これら絶縁ゲートバイポーラトランジスタUT〜WT及びXT〜ZTで発熱することになる。
このため、冷却体3の冷却媒体供給部14に供給される冷却媒体は冷却媒体通路18を通じて供給側マニホールド部16に供給され、この供給側マニホールド部16で冷却媒体を一旦液溜めてからチャンバー13の長辺の全域に冷却媒体が供給される。
これと同時に、コンデンサ2の上面が冷却体3に直接接触されているので、コンデンサ2の発熱も冷却することができる。
そして、チャンバー13から排出される冷却媒体は一旦排出側マニホールド部17に液溜めされてから冷却媒体通路19を通って冷却媒体排出部15から冷却媒体供給源に戻される。
Tj(℃)=ΔTj−w(K)+Tw(℃)
=Rj−w(K/W)×P(W)+Tw(℃)
この第2の実施形態は、冷却体のチャンバーへの冷却媒体の流入出を円滑に行うようにしたものである。
すなわち、第2の実施形態では、冷却体3が前述した第1の実施形態における図6及び図7の構成において、冷却媒体供給部14及び供給側マニホールド部16間のL字状の冷却媒体通路18に代えて冷却媒体供給部14から供給される冷却媒体をチャンバー13の中央部近傍に向けて供給する供給側傾斜通路31が適用されている。
同様に、排出側傾斜通路32は、内側側壁が排出側マニホールド部17から冷却媒体排出部15の内側側壁に向かう直線状の傾斜側壁32aとして形成されている。また、排出側傾斜通路32の反対側の外側側壁は冷却媒体排出部15の外側側壁からチャンバー13及び供給側マニホールド部16の左端側壁の延長線との交点まで傾斜側壁32aと平行に直線状に延長する傾斜側壁32bと、この交点からチャンバー13の左側短辺に向かう直線状の側壁32cとでくの字状に形成されている。
このとき、排出側傾斜通路32が傾斜しており、前述した第1の実施形態のように冷却媒体通路19がL字状に屈曲している場合のように圧力損失の大きい折れ曲がり流路部を形成する必要がないので、冷却媒体の圧力損失を大幅に軽減して排出側マニホールド部17から冷却媒体排出部15への冷却媒体の排出を円滑に行うことができる。
同様に、排出側マニホールド部17及び冷却媒体排出部15間に排出側傾斜通路32が形成されているので、圧力損失の大きい折れ曲がり流路部がなく圧力損失を低減することができ、排出側マニホールド部17からの冷却媒体の排出を円滑に行うことができる。
このように、冷却媒体の供給側及び排出側流路の圧力損失を低減することができるので、冷却媒体を供給する冷却媒体供給源の冷媒循環用ポンプの冷媒循環能力を低下させることが可能となる。
また、上記第2の実施形態においては、供給側傾斜通路31及び排出側傾斜通路32が直線状に形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、湾曲形状に形成するようにしてもよい。
この第3の実施形態は、半導体パワーモジュール4を第1の筐体で覆うようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、図12及び図13に示すように、冷却体3の上面に第1の筐体41が半導体パワーモジュール4及びプリント配線基板5を覆うように配置されている。
このとき、プリント配線基板5と冷却体3とを結ぶアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の高い材料で形成された連結部材を配置することにより、プリント配線基板5に配置された発熱回路部品を冷却することができる。このため、プリント配線基板5をより効率良く冷却することができる。
この場合、第2の筐体51は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の高い金属材料で、コンデンサ2に対向する上面を開放した箱状に形成されている。この第2の筐体51は、左右の側板部51a及び51bに、コンデンサ2の取付フランジ部2b及び2cを格納するフランジ格納部51c及び51dが形成されている。これらフランジ格納部51c及び51dには底部に雌ねじ部51eが形成されている。また、第2の筐体51は、前後の側板部51f及び51gの外面における下部側に取付フランジ部51h及び51iが形成されている。
この第4の実施形態は、冷却体と第1の筐体の一部とを一体化するようにしたものである。
すなわち、第4の実施形態では、冷却体3に、前述した第1の筐体41の一部を構成する角筒体45を例えばアルミダイキャストや鋳造等によって一体に形成している。この角筒体45の左右側面の上端部に取付フランジ部45a及び45bが突出形成されている。これら取付フランジ部45a及び45bにはそれぞれ雌ねじ部45cが形成されている。
そして、角筒体45の上面に図示しないシール部材を介して蓋体46を載置する。この状態で、蓋体46の取付フランジ部46a及び46bの上方から取付ねじ47を貫通孔46cを通じて角筒体45の取付フランジ部45a及び45bの雌ねじ部45cに螺合させて締め付けて蓋体46を角筒体45に固定する。
次いで、コンデンサ2の外部接続端子板P及びNと、半導体パワーモジュール4の直流入力端子TP及びTN及び角筒体45に設けた直流コネクタ43とを電気的に接続すると共に、半導体パワーモジュール4の交流出力端子TU、TV及びTWと角筒体45に設けた交流コネクタ42とを電気的に接続する。
この第4の実施形態によると、冷却体3に角筒体45が一体に形成されているので、この角筒体45がヒートシンクとして作用することになり、この角筒体45及び蓋体46で構成される第1の筐体41内に密封される空気を効率よく冷却することができ、発熱回路部品を実装したプリント配線基板5を冷却することができる。
なお、上記第1〜第4の実施形態においては、半導体パワーモジュール4に冷却ピン4cを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図16に示すように、チャンバー13の一方の長辺側から他方の長辺側に向かう冷却ブレード61を平行に配置するようにしてもよい。
また、上記第1〜第4の実施形態においては、冷却冷媒として、液体冷媒を適用した場合について説明したが、気体冷媒を適用するようにしてもよい。
Claims (14)
- 半導体パワーモジュールと、
前記半導体パワーモジュールの一方の面側に配置され、当該半導体パワーモジュールを冷却する冷却体と、を備え、
前記冷却体は、前記半導体パワーモジュール取付位置に対向して設けられた冷却媒体を通流し相対する長辺及び短辺を有するチャンバーと、該チャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、前記チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出する冷却媒体排出部とを備えている
ことを特徴とする電力変換装置。 - 直流電力を平滑化するコンデンサと、
該コンデンサの平滑化された直流電力を交流電力に変換する矩形状の半導体パワーモジュールと、
一方の冷却面に前記半導体パワーモジュールを配置し、他方の冷却面に前記コンデンサを配置して、前記半導体パワーモジュール及び前記コンデンサを冷却する冷却体と、を備え、
前記半導体パワーモジュールは、前記冷却体とは反対側の矩形面側における一方の長辺側に前記コンデンサとの間の電気的接続部を接続する接続端子を有し、
前記冷却体は、前記電気的接続部を挿通する挿通部と、前記半導体パワーモジュールに対向し、且つ一方の長辺が前記挿通部に対向して冷却媒体を通流し、相対する長辺及び短辺を有するチャンバーと、該チャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、前記チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出する冷却媒体排出部とを有する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記冷却体は、前記チャンバー内に複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が冷却媒体の通流方向に配列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。
- 前記冷却体は、前記チャンバーの前記半導体パワーモジュールとの対向面を開口し、前記半導体パワーモジュールは、前記チャンバーとの対向面に、当該チャンバー内に挿通される複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が冷却媒体の通流方向に配列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。
- 前記冷却体に固定され、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板を囲む第1の筐体を備え、該第1の筐体には、前記半導体パワーモジュールに形成された直流接続端子及び交流接続端子を外部機器に接続する外部接続端子が設けら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。
- 前記第1の筐体は、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板の側面を囲み一方の開放端面が前記冷却体に固定された筒体と、該筒体の前記実装基板側の他方の開放端面を塞ぐ蓋体とで構成されていることを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記冷却体の前記第1の筐体とは反対側に連結された前記コンデンサを囲む第2の筐体を備えていることを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記冷却媒体供給部は、前記チャンバーの一方の長辺に対向する冷却体端面における当該チャンバーの一方の短辺より外側位置から前記チャンバーの長辺側に冷却媒体を供給す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。
- 前記冷却媒体排出部は、前記チャンバーの他方の長辺に対向する冷却体端面における前記冷却媒体供給部との対角位置に設けられ、当該チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出することを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記チャンバーと前記冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出部との間に冷却媒体供給側液溜まり部及び冷却媒体排出側液溜まり部を形成した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。
- 前記冷却媒体供給部は、前記冷却媒体供給側液溜まり部との間に前記チャンバーの中央部に向かう供給用傾斜通路が設けられていることを特徴とする請求項10に記載の電力変換装置。
- 前記冷却媒体排出部は、前記冷却媒体排出側液溜まり部との間に前記チャンバーの中央部から当該冷却媒体排出部に向かう排出側傾斜通路が設けられていることを特徴とする請求項10に記載の電力変換装置。
- 前記冷却体の冷却媒体排出部の近傍温度を検出する温度検出部を設けた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。
- 前記冷却体の冷却媒体供給部の近傍温度を検出する温度検出部を設けた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。
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