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JP2016092878A - Electric power conversion system - Google Patents

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JP2016092878A
JP2016092878A JP2014221117A JP2014221117A JP2016092878A JP 2016092878 A JP2016092878 A JP 2016092878A JP 2014221117 A JP2014221117 A JP 2014221117A JP 2014221117 A JP2014221117 A JP 2014221117A JP 2016092878 A JP2016092878 A JP 2016092878A
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JP
Japan
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power
air
power conversion
conversion device
cooling
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Pending
Application number
JP2014221117A
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Japanese (ja)
Inventor
宏将 菅原
Hiromasa Sugawara
宏将 菅原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Marelli Corp
Original Assignee
Calsonic Kansei Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Calsonic Kansei Corp filed Critical Calsonic Kansei Corp
Priority to JP2014221117A priority Critical patent/JP2016092878A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric power conversion system which enables simplification of a structure to reduce costs and achieves improvement of the cooling efficiency.SOLUTION: An electric power conversion system includes: power modules PM1 to 3, each of which has power semiconductor devices IGBT1 to 4; a cooler (a water-cooling apparatus 11) disposed on one surface side of each power module and configured to cool the power modules; and air cooling means 20 having a sealing passage R circulating on the one surface side of the cooler and the side of each power module which is opposite to the side on which the cooler is disposed, the air cooling means circulating air in the sealing passage by blower means (a blower 21).SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device.

電力変換装置は、電力変換装置に内蔵されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などから成るパワー半導体モジュール(パワーモジュール)をスイッチング動作させ、直流電力と交流電力との間や、低電圧直流電力と高電圧直流電力との間などで電力変換を行う装置である。このような電力変換装置は、ハイブリッド自動車、電気自動車などで広く用いられている。   The power conversion device performs a switching operation of a power semiconductor module (power module) composed of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) built in the power conversion device, and between DC power and AC power, It is a device that performs power conversion between low-voltage DC power and high-voltage DC power. Such power conversion devices are widely used in hybrid vehicles, electric vehicles, and the like.

ところで、電力変換装置を動作させると、パワーモジュールが発熱して変換効率が低下したり、モジュール自体が熱で破損する等の不具合を生じる。そのため、パワーモジュールを耐熱温度以下に保つように冷却する必要がある。   By the way, when the power converter is operated, the power module generates heat and the conversion efficiency is lowered, or the module itself is damaged by heat. For this reason, it is necessary to cool the power module so as to keep it at a heat resistant temperature or lower.

電力変換装置の冷却に関する技術は種々提案されている(例えば特許文献1等)。   Various techniques relating to cooling of the power converter have been proposed (for example, Patent Document 1).

特許文献1には、パワーモジュールの底面(半導体チップが実装されている面)を水冷方式で冷却し、パワーモジュールの上面を空冷方式で冷却する技術が開示されている。   Patent Document 1 discloses a technique for cooling the bottom surface (surface on which a semiconductor chip is mounted) of a power module by a water cooling method and cooling the top surface of the power module by an air cooling method.

特開2009−27901号公報JP 2009-27901 A

ところで、特許文献1に係る技術では、空冷に用いる空気として、外気を導入している。   By the way, in the technique according to Patent Document 1, outside air is introduced as air used for air cooling.

そのため、例えば電力変換装置を車載する場合などに、通気路等を介して外気をパワーモジュールの近傍まで引き回す必要があり、構造が複雑になり、製造コストも嵩むという問題があった。   For this reason, for example, when the power conversion device is mounted on the vehicle, it is necessary to draw outside air to the vicinity of the power module through a ventilation path or the like, and there is a problem that the structure becomes complicated and the manufacturing cost increases.

また、外気は粉塵や湿気等を含むため、その外気をパワーモジュールの回路基板に直接導入すると、パワー半導体等の素子間におけるショートや腐食等の不具合を生じる虞がある。そのため、外気による場合には、パワーモジュールを収容するケースの外側からしか空冷できず、冷却効率が低いという問題もあった。   In addition, since the outside air contains dust, moisture, and the like, if the outside air is directly introduced into the circuit board of the power module, there is a risk of causing problems such as short circuit or corrosion between elements such as power semiconductors. Therefore, in the case of outside air, there is a problem that cooling can be performed only from the outside of the case housing the power module, and cooling efficiency is low.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、構造を簡易化してコストを低減し、且つ冷却効率を向上させることのできる電力変換装置を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the power converter device which can simplify a structure, reduce cost, and can improve cooling efficiency.

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置の第1の態様は、パワー半導体素子を有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールの一面側に配置され、当該パワーモジュールを冷却する冷却器と、前記冷却器の一面側と前記パワーモジュールの前記冷却器が配置された反対側を循環する密閉通路を有し、前記密閉通路内の空気を送風手段で循環させる空冷手段とを備えることを要旨とする。   In order to achieve the above object, a first aspect of a power conversion device according to the present invention includes a power module having a power semiconductor element, a cooler that is disposed on one side of the power module and cools the power module, The gist includes an air-cooling means that has a sealed passage that circulates on one side of the cooler and the opposite side of the power module where the cooler is disposed, and that circulates air in the sealed passage by a blowing means. To do.

本発明に係る第2の態様は、第1の態様に係る電力変換装置において、前記パワー半導体素子は、電気的素子と電気的接続を行うビームリードを備え、該ビームリードは、前記送風手段からの送風によって形成される空気流に接触して空冷される露出部を有することを要旨とする。   According to a second aspect of the present invention, in the power conversion device according to the first aspect, the power semiconductor element includes a beam lead that is electrically connected to an electric element, and the beam lead is supplied from the blowing unit. The gist of the present invention is to have an exposed portion that is air-cooled in contact with the air flow formed by the air flow.

本発明に係る第3の態様は、第1の態様または第2の態様に係る電力変換装置において、前記パワー半導体素子を保護する保護層を有することを要旨とする。   The third aspect of the present invention is summarized in that the power conversion device according to the first aspect or the second aspect includes a protective layer for protecting the power semiconductor element.

本発明に係る第4の態様は、第3の態様に係る電力変換装置において、前記保護層は、シリコン系のゲルで構成されることを要旨とする。   A fourth aspect of the present invention is summarized in that, in the power conversion device according to the third aspect, the protective layer is made of a silicon-based gel.

本発明に係る第5の態様は、第2の態様から第4の態様に係る電力変換装置において、前記ビームリードが複数にわたって設けられ、各ビームリード間には仕切壁が形成されていることを要旨とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the power conversion device according to the second to fourth aspects, a plurality of the beam leads are provided, and a partition wall is formed between the beam leads. The gist.

本発明に係る第6の態様は、第2の態様から第5の態様に係る電力変換装置において、前記ビームリードは、前記送風手段によって送給される空気を流通させる流路を備えていることを要旨とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the power conversion device according to the second to fifth aspects, the beam lead includes a flow path for circulating the air fed by the blowing means. Is the gist.

第1の態様に係る電力変換装置によれば、パワーモジュールの表面側および裏面側の両側から冷やすことができるので、冷却効率を向上させることができる。また、空冷手段で冷却した装置内の空気を循環させて利用しているので、空冷用の外気をパワーモジュールまで導く必要がなく、装置全体を簡易化、小型化してコストを低減することができる。また、外気を導入しないので、粉塵等を含まない清浄な空気を用いて冷却することができ、素子間のショートや腐食等の虞がないので、パワーモジュールの表面を直接冷却して、冷却効率を向上させることができる。   According to the power converter concerning the 1st mode, since it can cool from both the surface side and back side of a power module, it can improve cooling efficiency. Further, since the air in the apparatus cooled by the air cooling means is circulated and used, it is not necessary to guide the outside air for air cooling to the power module, and the entire apparatus can be simplified and miniaturized to reduce the cost. . In addition, since outside air is not introduced, it can be cooled using clean air that does not contain dust, etc., and there is no risk of short circuits or corrosion between elements. Can be improved.

第2の態様に係る電力変換装置によれば、送風手段が有する空気流に接触して空冷される露出部を有するビームリードを備えているので、パワー半導体素子を効率的に冷却することができる。   According to the power conversion device according to the second aspect, the power semiconductor element can be efficiently cooled because it includes the beam lead having the exposed portion that is air-cooled in contact with the airflow of the blowing unit. .

第3の態様に係る電力変換装置によれば、パワー半導体素子を保護する保護層を有しているので、冷却性能を確保しつつ、空気によるパワー半導体素子や端子等の酸化などの影響を抑制することができる。   According to the power conversion device according to the third aspect, the protective layer for protecting the power semiconductor element is included, so that the influence of oxidation of the power semiconductor element and terminals due to air is suppressed while ensuring the cooling performance. can do.

第4の態様に係る電力変換装置によれば、保護層はシリコン系のゲルで構成されているので、配線等に加わる応力を低減することができる。   According to the power conversion device of the fourth aspect, since the protective layer is made of a silicon-based gel, the stress applied to the wiring or the like can be reduced.

第5の態様に係る電力変換装置によれば、各ビームリード間には仕切壁が形成されているので、ビームリード間のショート等の発生を防止することができる。   According to the power conversion device of the fifth aspect, since the partition wall is formed between the beam leads, it is possible to prevent the occurrence of a short circuit between the beam leads.

第6の態様に係る電力変換装置によれば、ビームリードは、送風手段によって導入される空気を流通させる流路を備えているので、冷却効率を一層向上させることができる。   According to the power conversion device of the sixth aspect, the beam lead includes the flow path for circulating the air introduced by the air blowing means, so that the cooling efficiency can be further improved.

第1の実施の形態に係る電力変換装置の上面側の内部構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the internal structure of the upper surface side of the power converter device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る電力変換装置の下面側の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the lower surface side of the power converter device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る電力変換装置の側方断面図である。It is a side sectional view of the power converter concerning a 1st embodiment. 第1の実施の形態に係る電力変換装置に適用されるIGBT装置の回路図である。It is a circuit diagram of the IGBT apparatus applied to the power converter device which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係る電力変換装置の上面側の内部構成の一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of internal structure by the side of the upper surface of the power converter device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る電力変換装置の要部の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the principal part of the power converter device which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係る電力変換装置の上面側の内部構成の一部を示す端面図である。It is an end view which shows a part of internal structure by the side of the upper surface of the power converter device which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施の形態に係る電力変換装置の上面側の内部構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the internal structure of the upper surface side of the power converter device which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係る電力変換装置のA−A線端面図である。It is an AA line end elevation of the power converter concerning a 4th embodiment.

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。   Hereinafter, an embodiment as an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, in the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same members, and duplicate descriptions are omitted. In addition, since description here is the best form by which this invention is implemented, this invention is not limited to the said form.

[第1の実施の形態に係る電力変換装置]
図1から図4を参照して、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aの構成例について説明する。
[Power Conversion Device According to First Embodiment]
A configuration example of the power conversion device 1A according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aの上面側の内部構成を示す斜視図、図2は、電力変換装置1Aの下面側の構成を示す斜視図、図3は、電力変換装置1Aの側方断面図、図4は、電力変換装置1Aに適用されるIGBT装置(パワーモジュール)PM1(PM2,PM3)の回路図である。   1 is a perspective view showing the internal configuration of the upper surface side of the power conversion device 1A according to the first embodiment, FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the lower surface side of the power conversion device 1A, and FIG. FIG. 4 is a circuit diagram of an IGBT device (power module) PM1 (PM2, PM3) applied to the power conversion device 1A.

本実施の形態に係る電力変換装置1Aは、例えば、電動車両に搭載される車両駆動用のインバータ装置などとして用いられる。即ち、パワーモジュールPM1〜PM3によって、3相交流モータの駆動に必要な電力変換を行う。より具体的には、車載電源を構成するバッテリから供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を3相交流モータ等に供給するものである。   Power conversion device 1A according to the present embodiment is used as, for example, an inverter device for driving a vehicle mounted on an electric vehicle. That is, power conversion necessary for driving the three-phase AC motor is performed by the power modules PM1 to PM3. More specifically, DC power supplied from a battery constituting the in-vehicle power source is converted into predetermined AC power, and the obtained AC power is supplied to a three-phase AC motor or the like.

本実施の形態に係る電力変換装置1Aは、図1から図3に示すように、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)で構成されるパワー半導体素子10を有するパワーモジュールPM1〜PM3と、パワーモジュールPM1〜PM3の一面側である裏面側に配置されて、これらのパワーモジュールPM1〜PM3を冷却する冷却器としての水冷装置11と、水冷装置11において、パワーモジュールPM1〜PM3と接する面と反対側の面(本実施の形態では裏面側)に設けられ、樹脂製の筐体C(図3参照)で密閉された装置内に形成される密閉通路R(図3参照)内の空気を送風手段としてのブロワー21で循環させる空冷手段20等を備えている。   As shown in FIGS. 1 to 3, a power conversion device 1 </ b> A according to the present embodiment includes power modules PM <b> 1 to PM <b> 3 having a power semiconductor element 10 composed of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). And a water cooling device 11 as a cooler that is disposed on the back surface side, which is one surface side of the power modules PM1 to PM3, and in contact with the power modules PM1 to PM3 in the water cooling device 11 In a sealed passage R (see FIG. 3) that is provided in a surface opposite to the surface (in this embodiment, the back surface side) and is formed in a device sealed by a resin casing C (see FIG. 3). Air cooling means 20 for circulating air with a blower 21 as air blowing means is provided.

なお、ブロワー21は、駆動制御を行うブロワー回路に接続するブロワー回路接続コネクタ30を備えている(図2参照)。   The blower 21 includes a blower circuit connector 30 that is connected to a blower circuit that performs drive control (see FIG. 2).

水冷装置11は、より具体的には、アルミニウム等の金属で成形され、内部に冷却水等からなる冷媒の流路を有する水冷ジャケット12と、水冷ジャケット12に冷却水等の冷媒を供給する供給口13と、水冷ジャケット12の内部の流路を長手方向(矢印W1および矢印W2方向)に流れた冷媒を排出する排出口14とを備えている。なお、水冷ジャケット12の断面形状は、例えば後述の図7等に示されるような断面が短冊形の冷媒流通用の細孔12aが多数形成された形状とされる。   More specifically, the water-cooling device 11 is formed of a metal such as aluminum and has a water-cooling jacket 12 having a coolant channel made of cooling water or the like inside, and a supply for supplying coolant such as cooling water to the water-cooling jacket 12 A port 13 and a discharge port 14 that discharges the refrigerant that has flowed in the longitudinal direction (arrow W1 and arrow W2 directions) through the flow path inside the water cooling jacket 12 are provided. The cross-sectional shape of the water-cooled jacket 12 is, for example, a shape in which a large number of refrigerant circulation pores 12a having a strip-shaped cross section as shown in FIG.

また、空冷手段20の一部は、アルミニウム等の金属で成形され、内部に空気の流路を有するヒートシンクとして構成される。なお、空冷手段20の一部を構成するヒートシンクの断面形状は、例えば後述の図7等に示されるような断面が短冊形の空気流通用の細孔20aが多数形成された形状とされる。   Further, a part of the air cooling means 20 is formed of a metal such as aluminum and is configured as a heat sink having an air flow path therein. The cross-sectional shape of the heat sink that constitutes a part of the air-cooling means 20 is, for example, a shape in which a large number of air circulation pores 20a having a rectangular cross-section as shown in FIG.

図1において、水冷ジャケット12の上面側(即ちパワーモジュールPM1〜PM3の裏面側)には、絶縁部材101を介してパワーモジュールPM1〜PM3を搭載した基板102A〜102Cが載置されている。   In FIG. 1, substrates 102 </ b> A to 102 </ b> C on which the power modules PM <b> 1 to PM <b> 3 are mounted are placed on the upper surface side of the water cooling jacket 12 (that is, the back surface side of the power modules PM <b> 1 to PM <b> 3).

各基板102A〜102Cに搭載されるパワーモジュールPM1〜PM3は、例えば図4に示すような回路構成を有している。   The power modules PM1 to PM3 mounted on the substrates 102A to 102C have a circuit configuration as shown in FIG. 4, for example.

図4に示すように、パワーモジュールPM1(PM2,PM3)としてのIGBT装置は、ノードn1、n2を介して並列接続される一対のIGBT1、IGBT2と、ノードn1〜n4を介して並列接続される一対のフライホイールダイオード(Free Wheeling Diode)FWD1、FWD2を備える。   As shown in FIG. 4, the IGBT device as the power module PM1 (PM2, PM3) is connected in parallel via a pair of IGBT1 and IGBT2 connected in parallel via nodes n1 and n2, and via nodes n1 to n4. A pair of flywheel diodes FWD1 and FWD2 are provided.

さらに、IGBT装置は、ノードn6、n8を介して並列接続される一対のIGBT3、IGBT4と、ノードn6〜n9を介して並列接続される一対のフライホイールダイオードFWD3、FWD4を備える。   The IGBT device further includes a pair of IGBT3 and IGBT4 connected in parallel via nodes n6 and n8, and a pair of flywheel diodes FWD3 and FWD4 connected in parallel via nodes n6 to n9.

そして、IGBT1とIGBT2のエミッタ端子と、IGBT3とIGBT4のコレクタ端子とは、ノードn5を介して接続され、且つ、出力端子Oに接続されている。   The emitter terminals of IGBT1 and IGBT2 and the collector terminals of IGBT3 and IGBT4 are connected via a node n5 and connected to an output terminal O.

また、IGBT1とIGBT2のコレクタ端子は、ノードn1を介してプラス端子Pに接続されている。また、IGBT3とIGBT4のエミッタ端子は、ノードn8を介してマイナス端子Nに接続されている。   The collector terminals of the IGBT1 and IGBT2 are connected to the plus terminal P through the node n1. The emitter terminals of the IGBT3 and IGBT4 are connected to the minus terminal N via the node n8.

図1に示すように、パワー半導体素子としてのIGBTは、電気的素子と電気的接続を行うビームリード201A、201Bを備えている。   As shown in FIG. 1, an IGBT as a power semiconductor element includes beam leads 201A and 201B that are electrically connected to an electrical element.

各ビームリード201A、201Bは、銅やアルミニウム等からなる長尺状の金属板を折り曲げて成形される。より具体的には、ビームリード201A、201Bにおける長手方向の両端にチップ側接合部および回路側接合部を設け、これらのチップ側接合部および回路側接合部同士を立ち上がり部および渡り部Hを介して一体に結合している。そして、チップ側接合部はIGBTを構成する半導体チップに、回路側接合部は基板上に形成される回路層に、それぞれハンダを介して接合される。   Each of the beam leads 201A and 201B is formed by bending a long metal plate made of copper, aluminum or the like. More specifically, chip-side joints and circuit-side joints are provided at both ends in the longitudinal direction of the beam leads 201A and 201B, and these chip-side joints and circuit-side joints are connected to each other via a rising part and a crossing part H. Connected together. The chip-side bonding portion is bonded to a semiconductor chip constituting the IGBT, and the circuit-side bonding portion is bonded to a circuit layer formed on the substrate via solder.

各ビームリード201A、201Bの少なくとも一部(例えば、渡り部H)は、ブロワー21からの送風によって形成される空気流500a〜500dに露出されて空冷されるヒートシンク部として機能する。   At least a part of each of the beam leads 201A and 201B (for example, the crossing portion H) functions as a heat sink that is exposed to the airflows 500a to 500d formed by the blower 21 and is air-cooled.

ここで、図1から図3を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置1Aにおける空気(送風)の流れについて説明する。   Here, with reference to FIGS. 1 to 3, the flow of air (air blowing) in power conversion device 1 </ b> A according to the present embodiment will be described.

まず、ブロワー21からの送風は、送風管25を介してパワーモジュールPM1〜PM3が設けられた面へ送給される(矢印500a参照)。なお、送風管25はゴム製の蛇腹部材27を介してブロワー21の吹出し部に接続されている。   First, air blown from the blower 21 is sent to the surface on which the power modules PM1 to PM3 are provided via the air duct 25 (see arrow 500a). The blower pipe 25 is connected to the blow-out portion of the blower 21 via a rubber bellows member 27.

次いで、送風管25の吹出し部25aからパワーモジュールPM1〜PM3が設けられた面へ送給された空気は、負圧となる排気管26の排気部26aに向けて、空気流500b、500cとして流通する。   Next, the air supplied from the blowout part 25a of the blower pipe 25 to the surface where the power modules PM1 to PM3 are provided flows as airflows 500b and 500c toward the exhaust part 26a of the exhaust pipe 26 having a negative pressure. To do.

これにより、空気流500b、500cに対して露出されるビームリード201A、201Bの渡り部H等が空冷され、ひいてはパワーモジュールPM1〜PM3に搭載されるIGBT1〜IGBT4の冷却が促進される。   As a result, the transition portions H of the beam leads 201A and 201B exposed to the airflows 500b and 500c are air-cooled, and as a result, cooling of the IGBT1 to IGBT4 mounted on the power modules PM1 to PM3 is promoted.

排気部26aに流入した空気流500dは、排気管26等を介して空冷手段20側に還流され、空冷手段20内を長手方向に穿設された断面形状が短冊形の細孔(図示せず)を経由して空気流500eとしてブロワー21に戻される。   The air flow 500d that has flowed into the exhaust portion 26a is recirculated to the air cooling means 20 side through the exhaust pipe 26 and the like, and has a strip-shaped fine hole (not shown) formed in the air cooling means 20 in the longitudinal direction. ) To the blower 21 as an air flow 500e.

これにより、ブロワー21→送風管25(空気流500a)→パワーモジュールPM1〜PM3が設けられた面(空気流500b、500c)→排気管26(空気流500d)→空冷手段20(空気流500e)→ブロワー21という空気の循環サイクルが形成される。   Accordingly, the blower 21 → the blower pipe 25 (air flow 500a) → the surface provided with the power modules PM1 to PM3 (air flow 500b, 500c) → the exhaust pipe 26 (air flow 500d) → the air cooling means 20 (air flow 500e). → An air circulation cycle called the blower 21 is formed.

この空気の循環サイクルにより、空冷手段20によって冷却された空気がパワーモジュールPM1〜PM3を空冷し、熱交換により温まった空気は空冷手段20によって再度冷却されるという空冷システムが実現され、水冷ジャケット12による液冷システムと相まってIGBT1〜IGBT4の冷却効率が一層向上される。   By this air circulation cycle, an air cooling system is realized in which the air cooled by the air cooling means 20 cools the power modules PM1 to PM3, and the air warmed by heat exchange is cooled again by the air cooling means 20. In combination with the liquid cooling system, the cooling efficiency of the IGBT1 to IGBT4 is further improved.

しかも、本実施の形態において、空気は筐体C内に形成される密閉通路Rで循環されるので、空冷用の外気をパワーモジュールPM1〜PM3まで導く必要がなく、装置全体を簡易化、小型化してコストを低減することができる。   In addition, in the present embodiment, since air is circulated through the sealed passage R formed in the casing C, it is not necessary to guide the outside air for cooling to the power modules PM1 to PM3, and the entire apparatus is simplified and reduced in size. And cost can be reduced.

また、外気を導入しないので、粉塵や湿気等を含まない清浄な空気を用いて冷却することができ、IGBT1〜IGBT4間のショートや腐食等の虞がないので、パワーモジュールの表面を直接冷却して、冷却効率をより向上させることができる。   In addition, since outside air is not introduced, it can be cooled using clean air that does not contain dust or moisture, and there is no risk of short circuit or corrosion between IGBT1 and IGBT4, so the surface of the power module can be cooled directly. Thus, the cooling efficiency can be further improved.

なお、ビームリード201A、201Bの表面に、後述の図6に示すような放熱フィン302、303を設けるようにしてもよい。これにより、冷却効率をより向上させることができる。   In addition, you may make it provide the radiation fins 302 and 303 as shown in the below-mentioned FIG. 6 on the surface of beam lead 201A, 201B. Thereby, cooling efficiency can be improved more.

また、本実施の形態では、水冷装置11および空冷手段20等をパワーモジュールPM1〜PM3の裏面側に配置する場合について述べたが、これには限定されず、水冷装置11および空冷手段20等をパワーモジュールPM1〜PM3の表面側に配置するようにしてもよい。   Further, in the present embodiment, the case where the water cooling device 11 and the air cooling means 20 are arranged on the back side of the power modules PM1 to PM3 has been described, but the present invention is not limited to this, and the water cooling device 11 and the air cooling means 20 and the like are arranged. You may make it arrange | position on the surface side of power module PM1-PM3.

(保護層について)
第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aにおいて、パワー半導体素子としてのIGBT1〜IGBT4等を保護する保護層を設けるようにしてもよい。保護層は、樹脂やシリコン系のゲルで構成されるようにできる。
(Protective layer)
In the power conversion device 1A according to the first embodiment, a protective layer may be provided to protect the IGBTs 1 to 4 as power semiconductor elements. The protective layer can be made of a resin or silicon gel.

より具体的には、図1において、パワーモジュールPM1〜PM3を搭載した基板102A〜102Cの上に所定の厚みで、樹脂やシリコン系のゲルを流入させて、加熱等の後処理を行うことにより、保護層を形成する。   More specifically, in FIG. 1, a post-treatment such as heating is performed by flowing a resin or silicon-based gel with a predetermined thickness on the substrates 102A to 102C on which the power modules PM1 to PM3 are mounted. Then, a protective layer is formed.

なお、空気流による冷却効果を損なわないように、各ビームリード201A、201Bの少なくとも一部(例えば、渡り部H等)が露出するように、保護層の厚さが調整される。   Note that the thickness of the protective layer is adjusted so that at least a part of each of the beam leads 201A and 201B (for example, the crossover portion H) is exposed so as not to impair the cooling effect by the air flow.

この保護層を設ける場合には、冷却性能を確保しつつ、空気によるIGBT1〜IGBT4や端子等の酸化などの影響を抑制することができる。   In the case of providing this protective layer, it is possible to suppress the effects of oxidation of the IGBTs 1 to 4 and the terminals due to air while ensuring the cooling performance.

特に、保護層をシリコン系のゲルで構成した場合には、配線等に加わる応力を低減することができる。   In particular, when the protective layer is made of a silicon-based gel, the stress applied to the wiring or the like can be reduced.

[第2の実施の形態に係る電力変換装置]
次に、図5および図6を参照して、第2の実施の形態に係る電力変換装置1Bについて説明する。
[Power Conversion Device According to Second Embodiment]
Next, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, the power converter device 1B which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated.

図5は、第2の実施の形態に係る電力変換装置1Bの上面側の内部構成の一部を示す斜視図、図6は、電力変換装置1Bの要部の構成例を示す説明図である。   FIG. 5 is a perspective view illustrating a part of the internal configuration on the upper surface side of the power conversion device 1B according to the second embodiment, and FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of a main part of the power conversion device 1B. .

なお、第2の実施の形態に係る電力変換装置1Bの基本構成は、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aと同様である。   The basic configuration of the power conversion device 1B according to the second embodiment is the same as that of the power conversion device 1A according to the first embodiment.

第2の実施の形態に係る電力変換装置1Bが、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aと異なる点は、ビームリード201A、201Bに代えて、全体でビームリードを兼ねるヒートシンク301A、301Bを備える点である。   The power conversion device 1B according to the second embodiment is different from the power conversion device 1A according to the first embodiment in that instead of the beam leads 201A and 201B, the heat sinks 301A and 301B that also serve as beam leads as a whole. It is a point provided with.

ヒートシンク301A、301Bは、図5および図6に示すように、アルミニウムや銅等の金属によりインゴット状に形成されている。   As shown in FIGS. 5 and 6, the heat sinks 301 </ b> A and 301 </ b> B are formed in an ingot shape from a metal such as aluminum or copper.

そして、ヒートシンク301A、301Bは、インゴット状の台形側の面304を接触面として、IGBT1〜IGBT4を構成する半導体チップ等にハンダ付けされている。これにより、IGBT1〜IGBT4や端子との電気的導通が図られる。   The heat sinks 301A and 301B are soldered to semiconductor chips and the like constituting the IGBTs 1 to 4 with the ingot-shaped trapezoidal surface 304 as a contact surface. Thereby, electrical conduction with IGBT1-IGBT4 and a terminal is achieved.

また、板金で構成されたビームリード201A、201Bに比して、インゴット状に形成されたヒートシンク301A、301Bは熱容量が大きいため、より効率的にIGBT1〜IGBT4からの熱を吸収して冷却効率を向上させることができる。   In addition, since the heat sinks 301A and 301B formed in an ingot shape have a larger heat capacity than the beam leads 201A and 201B made of sheet metal, the heat efficiency from the IGBTs 1 to 4 is more efficiently absorbed. Can be improved.

また、ヒートシンク301A、301Bは、前出の図1に示す空気流500b、500cと接触する面積が比較的大きいため、より効率的に空冷することができる。   Moreover, since the heat sinks 301A and 301B have a relatively large area in contact with the airflows 500b and 500c shown in FIG. 1, the air can be cooled more efficiently.

特に、図6に示すように、空気流500b、500cの流通方向に沿った複数の放熱フィン302、303をヒートシンク301A、301Bの上面に設ける場合には、空気流空気流500b、500cと接触する面積を増大させることができ、冷却効率を一層向上させることができる。   In particular, as shown in FIG. 6, when a plurality of radiating fins 302 and 303 along the flow direction of the airflows 500b and 500c are provided on the upper surfaces of the heat sinks 301A and 301B, they come into contact with the airflow and airflows 500b and 500c. The area can be increased, and the cooling efficiency can be further improved.

なお、シリコン系のゲル等による保護層を設ける場合において、ヒートシンク301A、301Bの上部または放熱フィン302、303を設ける際には、当該放熱フィン302、303の全部または一部が保護層から露出するようにする。これにより、冷却性能を確保しつつ、空気によるIGBT1〜IGBT4や端子等の酸化などの影響を抑制することができる。   In the case of providing a protective layer made of silicon-based gel or the like, when providing the upper portions of the heat sinks 301A and 301B or the radiating fins 302 and 303, all or part of the radiating fins 302 and 303 are exposed from the protective layer. Like that. Thereby, influences, such as oxidation of IGBT1-IGBT4, a terminal, etc. by air, can be controlled, ensuring cooling performance.

[第3の実施の形態に係る電力変換装置]
次に、図7を参照して、第3の実施の形態に係る電力変換装置1Cについて説明する。
[Power Conversion Device According to Third Embodiment]
Next, with reference to FIG. 7, 1 C of power converter devices which concern on 3rd Embodiment are demonstrated.

図7は、第3の実施の形態に係る電力変換装置1Cの上面側の内部構成の一部を示す端面図である。   FIG. 7 is an end view showing a part of the internal configuration on the upper surface side of the power conversion device 1C according to the third embodiment.

なお、第3の実施の形態に係る電力変換装置1Cの基本構成は、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aと同様である。   The basic configuration of the power conversion device 1C according to the third embodiment is the same as that of the power conversion device 1A according to the first embodiment.

第3の実施の形態に係る電力変換装置1Cが、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aと異なる点は、ビームリード201A、201B間に、仕切壁300が形成されている点である。   The power converter 1C according to the third embodiment is different from the power converter 1A according to the first embodiment in that a partition wall 300 is formed between the beam leads 201A and 201B. .

なお、図7に示す実施の形態では、ビームリード201Aと側壁との間、ビームリード201Bと側壁との間にも仕切壁310が形成されている。この仕切壁300、310は、絶縁性の樹脂で構成するとよい。   In the embodiment shown in FIG. 7, a partition wall 310 is also formed between the beam lead 201A and the side wall and between the beam lead 201B and the side wall. The partition walls 300 and 310 are preferably made of an insulating resin.

ビームリード201A、201B間に仕切壁300を設けることにより、ビームリード間201A、201Bのショート等の発生を防止することができる。   By providing the partition wall 300 between the beam leads 201A and 201B, it is possible to prevent the occurrence of a short circuit between the beam leads 201A and 201B.

また、仕切壁310を設けることにより、空気が流通する流路の断面積を比較的小さくすることができ、空気の流速を高めて、冷却効率を向上させることができる。   Moreover, by providing the partition wall 310, the cross-sectional area of the flow path through which air flows can be made relatively small, the air flow rate can be increased, and the cooling efficiency can be improved.

[第4の実施の形態に係る電力変換装置]
次に、図8および図9を参照して、第4の実施の形態に係る電力変換装置1Dについて説明する。
[Power Converter According to Fourth Embodiment]
Next, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, the power converter device 1D which concerns on 4th Embodiment is demonstrated.

図8は、第4の実施の形態に係る電力変換装置1Dの上面側の内部構成を示す斜視図、図9は、電力変換装置1DのA−A線端面図である。   FIG. 8 is a perspective view showing the internal configuration of the upper surface side of the power conversion device 1D according to the fourth embodiment, and FIG. 9 is an end view taken along line AA of the power conversion device 1D.

なお、第4の実施の形態に係る電力変換装置1Dの基本構成は、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aと同様である。   The basic configuration of the power conversion device 1D according to the fourth embodiment is the same as that of the power conversion device 1A according to the first embodiment.

第4の実施の形態に係る電力変換装置1Cが、第1の実施の形態に係る電力変換装置1Aと異なる点は、ビームリード201A、201Bに代えて、送風手段によって送給される空気を流通させる流路50a、51aを備える中空のパイプ部材50、51を用いた点である。   The power conversion device 1C according to the fourth embodiment is different from the power conversion device 1A according to the first embodiment in that the air supplied by the blower is distributed instead of the beam leads 201A and 201B. It is a point using the hollow pipe members 50 and 51 provided with the flow paths 50a and 51a to be made.

図8に示すようにパイプ部材50は、一本のパイプとして形成され、IGBT等の電気的素子間の電気的導通を図るために、銅やアルミニウム等の金属で構成されている。   As shown in FIG. 8, the pipe member 50 is formed as a single pipe, and is made of a metal such as copper or aluminum in order to achieve electrical continuity between electrical elements such as IGBTs.

一方、複数(図8では3本)のパイプ部材51は、IGBT等の電気的素子間の電気的導通を図るために、銅やアルミニウム等の金属で構成されると共に、各パイプ部材51の間は、ゴム等の可撓性材料で成形される中空状の接続部材52を介して接続されている。これにより、各パイプ部材51および接続部材52の中空部を介して空気を流通させて、IGBT等を空冷することができると共に、各パイプ部材51やIGBT等の電気的素子の熱による膨張や収縮による応力を接続部材52で吸収することができる。   On the other hand, a plurality (three in FIG. 8) of pipe members 51 are made of a metal such as copper or aluminum in order to achieve electrical continuity between electrical elements such as IGBTs, and between the pipe members 51. Are connected via a hollow connection member 52 formed of a flexible material such as rubber. Thereby, air can be circulated through the hollow portions of the pipe members 51 and the connection members 52 to cool the IGBTs and the like, and the expansion and contraction due to the heat of the electrical elements such as the pipe members 51 and the IGBTs. The connection member 52 can absorb the stress caused by the above.

なお、接続部材52に代えて、一本のパイプ材の途中に蛇腹部を形成して、応力を吸収させるようにしてもよい。   In place of the connection member 52, a bellows portion may be formed in the middle of one pipe material to absorb the stress.

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。   Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and are not limited to the disclosed technology. Should not be considered. That is, the technical scope of the present invention should not be construed restrictively based on the description in the above embodiment, but should be construed according to the description of the scope of claims. All the modifications within the scope of the claims and the equivalent technique to the described technique are included.

例えば、上記実施の形態に係る電力変換装置1A〜1Dにおいて、筐体Cの内側に除湿剤を配設するようにしてもよい。これにより、筐体C内に封入されている空気の湿気を除去して、IGBT等の電気的素子の腐食等を一層抑制することができる。   For example, you may make it arrange | position a dehumidifying agent inside the housing | casing C in power converter device 1A-1D which concerns on the said embodiment. Thereby, the humidity of the air enclosed in the housing | casing C can be removed, and corrosion etc. of electrical elements, such as IGBT, can be suppressed further.

また、上記実施の形態では、冷却器としての水冷装置11をパワーモジュールPM1〜PM3の一面側である裏面側に設ける場合について説明したが、これに限定されず、表側や側面側に設けるようにしてもよい。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the water-cooling apparatus 11 as a cooler was provided in the back surface side which is the one surface side of power modules PM1-PM3, it is not limited to this and should be provided in a front side or a side surface side. May be.

また、上記実施の形態では、冷却器としての水冷装置11の一面側である裏面側に密閉通路Rの一部を設けた場合について説明したが、これに限定されず、水冷装置11の一面側である側面等に密閉通路Rの一部を設けるようにしてもよい。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a part of sealed passage R was provided in the back surface side which is the one surface side of the water cooling apparatus 11 as a cooler, it is not limited to this, The one surface side of the water cooling apparatus 11 A part of the sealed passage R may be provided on the side surface.

1A〜1D…電力変換装置
10…パワー半導体素子
11…水冷装置(冷却器)
12…水冷ジャケット
12a…細孔
13…供給口
14…排出口
20…空冷手段
20a…細孔
21…ブロワー(送風手段)
25…送風管
26…排気管
27…蛇腹部材
30…ブロワー回路接続コネクタ
50、51…パイプ部材
50a、51a…流路
52…接続部材
101…絶縁部材
102A〜102C…基板
201A、201B…ビームリード
300、310…仕切壁
301A、301B…ヒートシンク
302、303…放熱フィン
500a〜500e…空気流
C…筐体
H…渡り部
PM1〜PM3…パワーモジュール
R…密閉通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A-1D ... Power converter 10 ... Power semiconductor element 11 ... Water cooling apparatus (cooler)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Water cooling jacket 12a ... Fine hole 13 ... Supply port 14 ... Discharge port 20 ... Air cooling means 20a ... Fine pore 21 ... Blower (blower means)
25 ... Air blow pipe 26 ... Exhaust pipe 27 ... Bellows member 30 ... Blower circuit connection connector 50, 51 ... Pipe member 50a, 51a ... Flow path 52 ... Connection member 101 ... Insulation member 102A-102C ... Substrate 201A, 201B ... Beam lead 300 310 ... Partition walls 301A, 301B ... Heat sinks 302, 303 ... Radiating fins 500a to 500e ... Air flow C ... Housing H ... Crossover part PM1-PM3 ... Power module R ... Sealed passage

Claims (6)

パワー半導体素子(IGBT1〜4)を有するパワーモジュール(PM1〜3)と、
前記パワーモジュールの一面側に配置され、当該パワーモジュールを冷却する冷却器(水冷装置11)と、
前記冷却器の一面側と前記パワーモジュールの前記冷却器が配置された反対側を循環する密閉通路(R)を有し、前記密閉通路内の空気を送風手段(ブロワー21)で循環させる空冷手段(20)と
を備えることを特徴とする電力変換装置。
Power modules (PM1 to 3) having power semiconductor elements (IGBT1 to IGBT4);
A cooler (water cooling device 11) that is disposed on one side of the power module and cools the power module;
An air cooling means having a sealed passage (R) that circulates on one side of the cooler and the opposite side of the power module where the cooler is disposed, and that circulates air in the sealed passage by a blower means (blower 21). (20) A power conversion device comprising:
前記パワー半導体素子は、電気的素子と電気的接続を行うビームリード(201A、201B)を備え、
該ビームリードは、前記送風手段からの送風によって形成される空気流(500b,500c)に接触して空冷される露出部を有することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
The power semiconductor element includes a beam lead (201A, 201B) that makes electrical connection with an electrical element,
2. The power conversion device according to claim 1, wherein the beam lead has an exposed portion that is air-cooled in contact with an air flow (500 b, 500 c) formed by blowing from the blowing unit.
前記パワー半導体素子を保護する保護層を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, further comprising a protective layer that protects the power semiconductor element. 前記保護層は、シリコン系のゲルで構成されることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 3, wherein the protective layer is made of a silicon-based gel. 前記ビームリードが複数にわたって設けられ、各ビームリード間には仕切壁(300)が形成されていることを特徴とする請求項2から請求項4の何れか1項に記載の電力変換装置。   The power converter according to any one of claims 2 to 4, wherein a plurality of the beam leads are provided, and a partition wall (300) is formed between the beam leads. 前記ビームリードは、前記送風手段によって送給される空気を流通させる流路(50a、51a)を備えていることを特徴とする請求項2から請求項5の何れか1項に記載の電力変換装置。   6. The power conversion according to claim 2, wherein the beam lead includes a flow path (50 a, 51 a) through which air supplied by the air blowing means is circulated. apparatus.
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