KR101159992B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 전력 변환 장치의 파워 반도체를 효율적으로 냉각하여, 장치의 소형화를 도모하는 것이다.
복수의 파워 반도체 소자, 수열 부재, 복수의 히트 파이프 및 복수의 방열 핀을 갖고, 상기 복수의 반도체 소자는 상기 수열 부재의 일측에 설치되고, 상기 복수의 히트 파이프는 상기 수열 부재의 타측에 설치되고, 상기 복수의 히트 파이프는 상기 수열 부재에 열적으로 접속된 수열부를 갖고, 상기 복수의 히트 파이프의 일부는 상기 수열부의 양측으로부터 세워진 방열부를 갖고, 상기 복수의 히트 파이프의 다른 일부는 상기 수열부의 편측만으로부터 세워진 방열부를 갖고, 상기 복수의 방열 핀은 상기 복수의 히트 파이프의 방열부에 설치되어, 상기 히트 파이프의 방열부의 파이프를 지그재그 배열 형상으로 배치하는 구조로 하였다.

Description

전력 변환 장치 {POWER CONVERTER}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전력 변환 장치는 전기 철도 차량을 구동하는 전동기를 제어하기 위한 것으로, 차량의 바닥 하부 등에 설치되어 있다. 차량의 바닥 하부 등의 스페이스는 한정되어 있으므로, 전력 변환 장치를 소형화하는 것이 요망되고 있다. 종래의 전력 변환 장치는 특허 문헌 1과 같이 L자 형상의 히트 파이프의 수열부가 수열 부재에 열적으로 접촉하도록 배치하고, 히트 파이프 수열부로부터 세워지는 방열부를 지그재그 형상으로 배치함으로써, 방열 성능을 향상시킨 구조가 알려져 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 평11-251499호 공보
종래 구조에 있어서는, 히트 파이프의 수열부가 수열 부재의 전체에 걸쳐서 배치되어 있지 않으므로, 수열 부재의 위치에 따라서는 냉각이 충분히 행해지지 않아 온도가 높은 부분이 발생한다고 하는 과제가 있었다.
본 발명의 목적은 수열 부재, 또는 파워 반도체 소자를 충분히 냉각함으로써, 소형의 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 전력 변환 장치에서는 복수의 파워 반도체 소자, 수열 부재, 복수의 히트 파이프 및 복수의 방열 핀을 갖는 전력 변환 장치에 있어서, 복수의 파워 반도체 소자는 수열 부재의 일측에 설치되고, 복수의 히트 파이프는 수열 부재의 타측과 수열부에 접속되고, 상기 복수의 히트 파이프는, 상기 수열부의 양측으로부터 상기 수열 부재의 외측으로 세워진 방열부를 갖는 U자형 히트 파이프와, 상기 수열부의 편측만으로부터 상기 수열 부재의 외측으로 세워진 방열부를 갖는 L자형 히트 파이프를 갖고, 상기 L자형 히트 파이프는, 냉각풍의 흐름 방향에 있어서의 상기 수열 부재의 단부에, 상기 방열부가 상기 수열 부재의 내측이 되는 방향으로 배치되고, 복수의 방열 핀은 복수의 히트 파이프의 방열부에 설치되어, 히트 파이프의 방열부를 지그재그 배열 형상으로 배치하는 구조로 하였다.
이와 같은 구조로 함으로써, 히트 파이프의 방열부와 핀의 접촉 부분을 충분히 확보하는 동시에, 수열 부재 전체에 히트 파이프의 수열부를 배치할 수 있으므로, 수열 부재 전체를 양호하게 냉각할 수 있어, 전력 변환 장치를 소형화하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 수평 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 연직 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 히트 파이프의 배치를 도시하는 도면.
도 4는 종래의 구조와 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 구조의 전력 변환 장치의 냉각 성능의 수치 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
도 5는 종래의 전력 변환 장치의 일례를 도시하는 구조도.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 파워 반도체 소자와 히트 파이프의 배치를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 히트 파이프의 배치를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 히트 파이프의 배치를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 히트 파이프의 배치를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 구조도.
도 11은 본 발명의 전력 변환 장치를 철도 차량에 탑재한 구성을 도시하는 도면.
본 발명의 실시 형태를 이하, 도면을 사용하여 설명한다. 도 11에 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치를 철도 차량에 탑재했을 때의 구성을 도시한다. 본 발명의 전력 변환 장치는 철도 차량의 바닥 하부 등에 설치되어, 차량을 구동하는 전동기에 공급하는 전력의 주파수를 바꿈으로써, 전동기의 회전 속도의 제어를 행한다. 도 11에 있어서, 전력 변환 장치(500)는 차체(501)에 현수된 상태로 고정되어 있다. 도 1에 본 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 수평 방향의 단면도를, 도 2에 연직 방향의 단면도를 도시한다. 도 1, 도 2에 있어서, 알루미늄 합금 등의 금속으로 이루어지는 수열 부재(4)의 일측에는, 복수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 파워 반도체 소자와, 그들과 병렬 접속된 FWD(Free Wheel Diode) 소자 등을 포함하는 파워 반도체 모듈(5)이 설치되어 있다. 또한, 복수의 파워 반도체 모듈(5)이 인버터를 구성하고 있다. 파워 반도체 모듈(5)은 그리스 등의 부재(도시하지 않음)를 통해 수열 부재(4)와 나사 등(도시하지 않음)에 의해 고정된다. 수열 부재(4)는 지지 부재(13)에 고정되어 있다. 지지 부재(13)의 파워 반도체 모듈(5)의 측에는 필터 콘덴서(6)나 IGBT 구동 회로(7) 등의 전자 부품이 설치되어 있다. 또한, 전력 변환 장치의 파워 반도체 모듈이 설치된 측은 케이스(8, 9, 10, 11)에 의해 밀폐되어 있다. 수열 부재(4)의 파워 반도체 모듈 설치면의 반대측에는 U자 형상의 히트 파이프(1)의 수열부(101)가 매립되어, 납땜 등에 의해 수열 부재(4)와 열적으로 접속되어 있다. 또한, L자 형상의 히트 파이프(2)의 수열부(201)도 마찬가지로 수열 부재(4)에 매립되어 납땜 등에 의해 접속되어 있다. U자 형상 히트 파이프(1)의 양단부는 방열부(102)가 수열 부재(4)로부터 세워져 있다. 또한, L자 형상 히트 파이프(2)의 편측의 단부로부터 방열부(202)가 세워져 있다. 방열부(102 및 202)에는 복수의 핀(3)이 설치되어 있다. 지지 부재(13)의 히트 파이프(1)의 측에는 커버(12)가 설치되어 있다. 커버(12)의 일부에 개구부를 형성해도 좋다. 차량이 주행함으로써, 공기 도입구(14)로부터 도입된 공기가 화살표(30)의 방향으로 흘러, 공기 배출구(15)로부터 배출된다. 역방향으로 차량이 주행할 때에는, 공기가 흐르는 방향은 반대 방향으로 된다. 또한, 공기를 냉각 팬에 의해 강제적으로 송풍하는 구조로 해도 좋다. 이와 같이, 공기가 핀(3) 사이를 흐르도록 함으로써, 핀(3)으로부터 공기로 방열이 행해진다.
다음에, 파워 반도체 모듈(5)을 냉각하는 동작에 대해 설명한다. 파워 반도체 모듈(5)의 내부에 설치된 파워 반도체 등이 동작함으로써 발생한 열은 수열 부재(4)로 전달되어, 히트 파이프(1)의 수열부(101)에 도달한다. 히트 파이프(1)에는 냉매[순수(純水), 하이드로플루오르카본 등]가 봉입되어 있다. 수열부(101)에 있어서 가열된 냉매는 증발하여 기체로 되어, 방열부(102)로 이동한다. 방열부(102)에 있어서 공기에 의해 냉각된 냉매는 응축하여 액체로 복귀된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 방열부(102)에는 10도 정도의 완만한 경사가 형성되어 있어, 방열부(102)에서 응축한 냉매는 중력에 의해 수열부로 복귀된다. 이와 같이 증발, 응축을 반복하여 냉매가 이동함으로써, 수열 부재(4)의 열이 공기로 방열된다.
도 3에 수열 부재(4)에 있어서의 히트 파이프의 형상과 배치를 도시한다. U 자 형상의 히트 파이프(1, 21)와, L자 형상의 히트 파이프(2)가 배치되어, 각각의 방열부(102, 202) 등이 지그재그 형상으로 배치되어 있다. 또한, L자 형상이나 U자 형상의 히트 파이프 외에, 수열 부재로부터 세워진 방열부를 갖지 않는 균열용 균열 파이프(16)도 설치되어 있다. 이 균열 파이프(16)에 의해, 수열 부재 전체에 열이 퍼지므로, 국소적으로 고온 부분이 발생하는 것을 피할 수 있다. 이와 같이 히트 파이프를 배치함으로써, 수열 부재(4)의 전체에 걸쳐서 히트 파이프를 매립할 수 있고, 또한 히트 파이프의 방열부를 지그재그 형상으로 배치함으로써, 통풍 저항을 억제하면서 방열 핀(3)과 접촉하는 다수의 히트 파이프를 분산하여 배치할 수 있으므로, 대폭으로 파워 반도체 소자의 냉각 성능이 향상되어, 장치를 소형화하는 것이 가능하다.
본 실시 형태의 구조와, 도 5와 같이 U자 형상의 히트 파이프를 인라인에 배치한 경우의 냉각 성능에 대해, 수치 시뮬레이션을 실시하여 냉각 성능을 비교하였다. 도 4의 (a)는 도 5의 구조, 도 4의 (b)는 본 실시 형태의 구조에 있어서의 수열 부재 표면 온도 분포의 시뮬레이션 결과이다. 도 4에서는 공기와 수열 부재의 최대의 온도차를 1로서 정규화한 온도차를 나타내고 있다. 도 4를 보면 알 수 있는 바와 같이, 히트 파이프를 인라인에 배치한 구조[도 4의 (a)]와 비교하여, 본 실시 형태의 구조[도 4의 (b)]에서는 최고 온도가 낮게 억제되어 있다. 이는, 본 실시 형태에서는 통풍 저항이 작으므로 핀 부분을 통과하는 풍속을 크게 할 수 있고, 또한 방열부를 분산하여 배치하고 있으므로, 파워 반도체의 냉각 성능이 향상된 효과를 나타내고 있다.
도 6에 본 실시 형태에 있어서의 파워 반도체 소자와 히트 파이프의 수열 부재 상의 배치를 도시한다. 도 6에 있어서, 부호 50, 부호 51, 부호 52는 파워 반도체 소자, 부호 53은 절연 기판, 부호 54는 방열판이다. 이들 파워 반도체 소자, 절연 기판, 방열판은 도 1, 도 2에 있어서의 파워 반도체 모듈(5)의 내부에 설치되어 있다. 절연 기판(53)은 질화알루미늄 등의 절연 재료의 표면에, 알루미늄 등의 배선 패턴을 접합한 구조로 되어 있고, 파워 반도체 소자는 배선 패턴에 땜납 등에 의해 접합된다. 절연 기판의 반대측에도 얇은 알루미늄의 판이 접합되어 있고, 그 알루미늄판과 방열판(54)이 땜납 등에 의해 접합되어 있다. 방열판(54)은 구리나 AlSiC 등의 열전도율이 비교적 높은 재료로 되어 있어, 파워 반도체 소자의 열을 수평 방향으로도 확산시키는 역할이 있다. 파워 반도체 소자는, 도 6에 도시한 바와 같이, 수열 부재(4)를 개재하여 히트 파이프의 수열부에 따른 위치에 배치된다.
도 6에서 반도체 소자(50과 51)의 거리는 작고, 50과 52의 거리는 약간 크게 취하고 있다. 이로 인해, 파워 반도체 소자가 밀하게 배치되는 방향과 히트 파이프의 길이 방향이 동일 방향으로 되어 있다. 또한, 파워 반도체 소자의 배치에 맞추어, 히트 파이프 사이의 간격을 변화시켜, 파워 반도체 소자의 수열 부재 상의 위치와 상기 히트 파이프의 수열 부재 상의 위치가 개략 겹치도록 배치하고 있다. 이와 같이 반도체 소자와 히트 파이프를 배치함으로써, 반도체 소자와 히트 파이프가 가까운 위치에 배치되므로, 반도체 소자로부터 발생한 열을 보다 효율적으로 히트 파이프로 전할 수 있다.
이상, 설명해 온 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면 파워 반도체 소자의 냉각 성능을 크게 향상시킬 수 있어, 장치를 소형화할 수 있다.
도 7에 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치를 도시한다. 도 7에는 수열 부재(4)와, 수열 부재(4) 상에 있어서의 히트 파이프의 배치를 도시하고 있다. 도 7에 도시하고 있지 않은 부분의 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 세움부가 없는 균열 파이프를 없애고, 모든 히트 파이프를 L자 형상과 U자 형상의 히트 파이프에 의해 구성하였다. 히트 블록으로부터 세워지는 방열부의 파이프(102, 202 등)가 지그재그 형상으로 되도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에서 사용되는 히트 파이프의 종류는 2종류뿐이므로, 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다. 본 실시 형태에 따르면, 수열 부재(4)의 전체에 걸쳐서 히트 파이프를 매립할 수 있고, 또한 통풍 저항을 억제하면서도, 방열 핀(3)과 접촉하는 다수의 히트 파이프를 분산하여 배치할 수 있으므로, 대폭으로 파워 반도체 소자의 냉각 성능이 향상되어, 장치를 소형화하는 것이 가능하다.
도 8에 본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치를 도시한다. 도 8에는 수열 부재(4)와, 수열 부재(4) 상에 있어서의 히트 파이프의 배치를 도시하고 있다. 도 8에 도시되어 있지 않은 부분의 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 단부의 파이프를 모두 L자 형상의 파이프로 함으로써, 수열 부재(4) 전체에 걸쳐서, 보다 콤팩트하게 파이프를 매립할 수 있으므로, 장치를 소형화하는 것이 가능하다.
도 9에 본 발명의 또 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치를, 도 10에 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 있어서의 수열 부재(4)에 있어서의 히트 파이프의 배치를 도시한다. 도 9, 도 10에 있어서, 히트 파이프(24)에는 히트 파이프에 매립된 수열부(241)로부터 수열 부재의 외측으로 세워진 짧은 히트 파이프의 방열부(242)를 설치한다.
히트 파이프(24)의 양단부에 방열부(242)를 설치하는 것에 의한 통풍 저항의 증가를 피하기 위해, 수열 부재(4)의 단부에 있어서 히트 파이프(24)와 인접하는 히트 파이프는 L자형 히트 파이프(2)로 하고 있다. 본 실시 형태에 따르면, 한랭지에 있어서 주위 온도가 0℃ 이하인 경우라도, 짧은 방열부를 갖는 히트 파이프는 방열량이 적으므로 동결되지 않고 히트 파이프로서 기능하므로, 한랭지에서도 파워 반도체의 온도가 지나치게 상승하는 일 없이, 안정된 기동이 실현된다. 또한, 본 실시 형태에 따르면, 수열 부재(4)의 전체에 걸쳐서 히트 파이프를 매립할 수 있고, 또한 통풍 저항을 억제하면서도, 방열 핀(3)과 접촉하는 다수의 히트 파이프를 분산하여 배치할 수 있으므로, 대폭으로 파워 반도체 소자의 냉각 성능이 향상되어, 장치를 소형화하는 것이 가능하다.
1 : U자형 히트 파이프
2 : L자형 히트 파이프
3 : 핀
4 : 수열 부재
5 : 파워 반도체 모듈
6 : 필터 콘덴서
7 : IGBT 구동 회로
8, 9, 10, 11 : 케이스
12 : 커버
13 : 지지 부재
14 : 공기 도입구
15 : 공기 배출구
16 : 균열 파이프
24 : 짧은 방열부를 갖는 히트 파이프
101, 201, 241 : 수열부
102, 202, 242 : 방열부

Claims (5)

  1. 복수의 파워 반도체 소자, 수열 부재, 복수의 히트 파이프 및 복수의 방열 핀을 갖는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 복수의 파워 반도체 소자는 상기 수열 부재의 일측에 설치되고,
    상기 복수의 히트 파이프는 상기 수열 부재의 타측과 수열부에 접속되고,
    상기 복수의 히트 파이프는, 상기 수열부의 양측으로부터 상기 수열 부재의 외측으로 세워진 방열부를 갖는 U자형 히트 파이프와, 상기 수열부의 편측만으로부터 상기 수열 부재의 외측으로 세워진 방열부를 갖는 L자형 히트 파이프를 갖고,
    상기 L자형 히트 파이프는, 냉각풍의 흐름 방향에 있어서의 상기 수열 부재의 단부에, 상기 방열부가 상기 수열 부재의 내측이 되는 방향으로 배치되고,
    상기 복수의 방열 핀은 상기 복수의 히트 파이프의 방열부에 설치되고,
    상기 히트 파이프의 방열부를 지그재그 배열 형상으로 배치한 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수열 부재의 타측에 설치되어, 수열부로부터 상기 수열 부재의 외측으로 세워진 방열부를 갖지 않는 균열 파이프를 갖는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 파워 반도체 소자를 설치하는 절연 기판과 상기 복수의 절연 기판을 설치하는 방열판을 구비하고,
    상기 절연 기판의 편측의 면에 상기 파워 반도체 소자를 탑재하고,
    상기 절연 기판의 반대측의 면을 상기 방열판에 접속하고,
    상기 방열판을 상기 수열 부재에 접속하고,
    상기 복수의 파워 반도체 소자가 상기 히트 파이프의 길이 방향으로 밀해지도록 배치하고,
    상기 복수의 파워 반도체 소자를 상기 히트 파이프와 직각 방향으로는 성기도록 배치하고,
    밀하게 배치한 파워 반도체 소자의 수열 부재 상의 위치와 상기 히트 파이프의 수열 부재 상의 위치가 겹치도록 상기 복수의 파워 반도체 소자 및 상기 히트 파이프를 배치한 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 히트 파이프 중 적어도 1종류는 다른 히트 파이프의 방열부보다도 짧은 방열부를 갖는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
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