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JP5434862B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュールを積層してなり、内部に冷媒流路を有する積層体と、発熱部品と、これらを収納する収納ケースとを備える電力変換装置に関する。
例えば、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、図１３に示すごとく、複数の半導体モジュール９２を積層した積層体９６と、該積層体９６を収納する収納ケース９３とを備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。
この電力変換装置９１では、半導体モジュール９２の内部に、冷媒流路９６０，９６１となる空間が予め形成されている。複数の半導体モジュール９２を積層することにより、この空間が連結して冷媒流路９６０，９６１となる。
また、積層体９６には、一対のパイプ９１０，９１１が取り付けられている。一方のパイプ９１０から冷媒９１２を導入すると、冷媒９１２が冷媒流路９６０，９６１内を流れ、他方のパイプ９１１から導出する。これにより、半導体モジュール９２内の半導体素子９２０を冷却している。
一方、電力変換装置９１は、リアクトルやコンデンサ、バスバー、制御回路等の発熱部品９４を備えている。これらの発熱部品９４は、収納ケース９３内に収納されている。
特開２００６−１６５５３４号公報
しかしながら、従来の電力変換装置９１は、発熱部品９４を冷却する機構が設けられていないので、発熱部品９４の冷却効率が低いという問題があった。そのため、発熱量の少ない発熱部品９４を使用する必要があった。
例えば発熱部品９４としてのバスバーについて着目すると、従来は発熱量を減らすために、電気抵抗が低くなるよう太いバスバーを使用する必要があった。リアクトルやコンデンサ、制御回路等の発熱部品９４も、小型化すると発熱量が増える傾向がある。そのため、大きい発熱部品９４を使用する必要があり、電力変換装置９１が大型化しやすくなるという問題があった。そのため、収納ケース内の発熱部品を冷却しやすく、小型化できる電力変換装置が望まれていた。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、収納ケース内の発熱部品を冷却しやすい電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層した積層体と、該積層体を収納する収納ケースと、該収納ケースに収納された発熱部品とを備える電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子から発生する熱を放熱する放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、該封止部に固定され、上記放熱面の法線方向に開口する環状に形成された壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成され上記法線方向に貫通した貫通孔とを有し、
上記積層体は、複数の上記半導体モジュールを上記法線方向に積層してなり、
上記複数の半導体モジュールの上記貫通孔が連通した貫通冷媒流路と、該貫通冷媒流路に連結すると共に上記放熱板に沿って形成された沿面冷媒流路とを上記積層体の内部に有し、
上記積層体と上記収納ケースとが熱的に接触しており、
上記法線方向における上記積層体の一方の端部に位置する上記半導体モジュールと、上記法線方向における上記積層体の他方の端部に位置する上記半導体モジュールとのうち、少なくとも一方の半導体モジュールは、上記開口を塞ぐ蓋を介して上記収納ケースに熱的に接触しており、
上記発熱部品は、上記積層体から離間して配置され、
上記発熱部品は、上記収納ケースの内壁面に直接接触していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。
本発明の作用効果について説明する。本発明の電力変換装置は、積層体と収納ケースとが熱的に接触している。そのため、積層体の内部に流れる冷媒を使って、収納ケース及び該収納ケース内の空気を冷却することができる。これにより、コンデンサやリアクトル、バスバー、制御回路等の発熱部品を効果的に冷却することが可能になる。
また、本発明では発熱部品を効果的に冷却できるため、発熱量が多い発熱部品を用いることができる。例えば、細いバスバーや、小型のコンデンサやリアクトルは発熱量が大きいが、本発明では発熱部品の冷却効率が高いため、このような発熱部品を使用することもできる。そのため、電力変換装置を小型化できる。
なお、本明細書において「熱的に接触している」とは、温度が異なる複数の物体が直接接触するか、または空気よりも熱伝導率の高い物体を介して間接的に接触することにより、これら複数の物体の間で熱交換が可能な状態となっていることを意味する。
以上のごとく、本発明によれば、収納ケース内の発熱部品を冷却しやすい電力変換装置を提供することができる。
実施例１における、電力変換装置の斜視図。 実施例１における、積層体の分解斜視図。 実施例１における、積層体の断面図。 実施例１における、電力変換装置の平面図。 実施例１における、パイプ付の蓋を収納ケースに接触させた、電力変換装置の平面図。 実施例２における、電力変換装置の平面図。 比較例１における、電力変換装置の平面図。 比較例１における、パイプ接続側の半導体モジュールを収納ケースに接触させた、電力変換装置の平面図。 比較例２における、電力変換装置の平面図。 比較例３における、電力変換装置の平面図。 実施例３における、電力変換装置の平面図。 実施例４における、電力変換装置の平面図。 従来例における、電力変換装置の平面図。
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記法線方向における上記積層体の一方の端部に位置する上記半導体モジュールと、上記法線方向における上記積層体の他方の端部に位置する上記半導体モジュールとのうち、少なくとも一方の半導体モジュールは、上記開口を塞ぐ蓋を介して上記収納ケースに熱的に接触している。
このようにすると、蓋を介して、半導体モジュールが収納ケースに熱的に接触しているため、上記開口から冷媒が漏洩する不具合を防止できる。
また、上記法線方向における上記積層体の一方の端部に位置する上記半導体モジュールと、上記法線方向における上記積層体の他方の端部に位置する上記半導体モジュールとのうち、少なくとも一方の半導体モジュールは、上記収納ケースの内壁面に接触して上記壁部の開口を上記内壁面によって塞がれていてもよい。
この場合には、収納ケースの内壁面に冷媒が直接、接触するため、収納ケースの冷却効率をより高めることができる。
また、上記収納ケースは金属からなることが好ましい（請求項２）
このようにすると、金属は熱伝導率が高いため、収納ケースの冷却効率を更に高めることができる。
また、上記収納ケースは、ケース内側に突出するフィンを有することが好ましい（請求項３）。
この場合には、フィンによって、収納ケースの内側の表面積を増やすことができる。そのため、収納ケース内の空気を冷却しやすい。それ故、収納ケース内の温度を下げ、収納ケース内の発熱部品の温度上昇を防ぐことができる。
また、上記発熱部品は、上記収納ケースの内壁面に直接接触している。
このようにすると、発熱部品が収納ケースに直接接触しているため、発熱部品の冷却効率を高めることができる。
また、上記積層体は弾性部材を備え、該弾性部材によって上記半導体モジュールを上記収納ケースに向けて押圧していることが好ましい（請求項４）。
このようにすると、蓋と収納ケースとが接触する場合は、弾性部材の弾性力により、これら蓋と収納ケースとを密着させることができる。そのため、収納ケース及び該収納ケース内の空気をより効果的に冷却することが可能になる。
また、半導体モジュールと収納ケースとが接触する場合は、半導体モジュールを収納ケースへ押圧できるため、半導体モジュールの開口から冷媒が漏洩する不具合を防止できる。
（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、半導体素子を内蔵した半導体モジュール２を複数個積層した積層体６と、該積層体６を収納する収納ケース３と、該収納ケース３に収納された発熱部品４とを備える。
図２、図３に示すごとく、半導体モジュール２は、半導体素子２０と、放熱板２１と、封止部２２と、壁部２３と、貫通孔２４とを有する。放熱板２１は、半導体素子２０から発生する熱を放熱するために設けられている。また、封止部２２は、放熱板２１の放熱面２５を露出させた状態で半導体素子２０及び放熱板２１を封止している。壁部２３は、封止部２２に固定されており、放熱面２５の法線方向Ｘに開口する環状に形成されている。貫通孔２４は、壁部２３と封止部２２との間に形成され、上記法線方向Ｘに貫通している。
積層体６は、複数の半導体モジュール２を放熱面２５の法線方向Ｘに積層してなる。
図３に示すごとく、積層体６の内部には、貫通冷媒流路６０と沿面冷媒流路６１とが形成されている。貫通冷媒流路６０は、複数の半導体モジュール２の貫通孔２４が連通したものである。
また、沿面冷媒流路６１は、貫通冷媒流路６０に連結すると共に放熱板２１に沿って形成されている。
そして、図４に示すごとく、積層体６と収納ケース３とが熱的に接触している。
以下、詳説する。
図３に示すごとく、個々の半導体モジュール２は、ＩＧＢＴやフリーホイールダイオード等の、複数の半導体素子２０を内蔵している。半導体モジュール２は、２枚の放熱板２１を備える。半導体素子２０は、２枚の放熱板２１の間に介在し、これらにはんだ付けされている。
壁部２３は樹脂製であり、封止部２２と一体に形成されている。また、上述したように、半導体モジュール２は、放熱面２５の法線方向Ｘに貫通した貫通孔２４を備える。複数の半導体モジュール２を積層すると、貫通孔２４が連通して貫通冷媒流路６０になると共に、隣り合う半導体モジュール２における放熱面２５の間に沿面冷媒流路６１が形成される。
また、積層体６の両端には金属製の蓋５（５ａ，５ｂ）が取り付けられている。この蓋５によって、壁部２３の開口２８を塞いでいる。２個の蓋５ａ，５ｂのうち、一方の蓋５ａには、一対のパイプ１０，１１が取り付けられている。一方のパイプ１０から冷媒１２を導入すると、冷媒１２は貫通冷媒流路６０及び沿面冷媒流路６１を流れ、他方のパイプ１１から導出する。これにより、半導体素子２０を冷却している。
一方、図２に示すごとく、半導体モジュール２は、半導体素子２０に導通したパワー端子２６と、制御端子２７とを備える。パワー端子２６には、直流電源の正極に接続される正極端子と、直流電源の負極に接続される負極端子と、交流負荷に接続される交流端子とがある。また、制御端子２７には、図示しない制御回路基板が接続される。制御回路基板が半導体素子２０を制御することにより、正極端子と負極端子との間に印加される直流電力を交流電力に変換し、交流端子から出力する。
また、図４に示すごとく、収納ケース３には、積層体６の他に複数の発熱部品４が収納されている。本例では、発熱部品４には、リアクトル、コンデンサ、バスバー、制御回路基板等が含まれる。発熱部品４は、図４に示すごとく、収納ケース３の内壁面３１に直接、接触している。収納ケース３は、銅、アルミニウム、鉄等の、熱伝導率が高い部材で構成されている。
上述したように、本例では、積層体６の両端に蓋５（５ａ，５ｂ）を取り付けてある。積層体６を構成する複数の半導体モジュール２のうち、法線方向Ｘの一方の端部に位置する半導体モジュール２ａには、一対のパイプ１０，１１付きの蓋５ａが取り付けられている。発熱部品４の一部は、蓋５ａと、収納ケース３の内壁面３１との間に挟持されている。また、法線方向Ｘの他方の端部に位置する半導体モジュール２ｂには、パイプを有さない蓋５ｂが取り付けられている。
本例では、法線方向Ｘにおける積層体６の他方の端部に位置する半導体モジュール２ｂが、開口２８を塞ぐ蓋５ｂを介して収納ケース３に熱的に接触している。蓋５ｂは金属製であり、樹脂製の壁部２３よりも熱伝導率が高い。
なお、収納ケース３と熱的に接触する半導体モジュール２は、適宜変更することができる。例えば図５に示すごとく、法線方向Ｘにおける積層体６の一方の端部に位置する半導体モジュール２ａが、開口２８を塞ぐ蓋５ａを介して収納ケース３に熱的に接触するようにしてもよい。
本例の作用効果について説明する。図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、積層体６と収納ケース３とが熱的に接触している。そのため、積層体６の内部に流れる冷媒１２を使って、収納ケース３及び該収納ケース３内の空気を冷却することができる。これにより、コンデンサやリアクトル、バスバー、制御回路等の発熱部品４を効果的に冷却することが可能になる。
また、本例では発熱部品４を効果的に冷却できるため、発熱量が多い発熱部品４を用いることができる。例えば、細いバスバーや、小型のコンデンサやリアクトルは発熱量が大きいが、本例では発熱部品４の冷却効率が高いため、このような発熱部品４を使用することもできる。そのため、電力変換装置１を小型化できる。
また、本例では図４に示すごとく、法線方向Ｘにおける積層体６の一方の端部に位置する半導体モジュール２ａ又は、他方の端部に位置する半導体モジュール２ｂは、開口２８を塞ぐ蓋５を介して収納ケース３に熱的に接触している。
このようにすると、蓋５を介して、半導体モジュール２が収納ケース３に熱的に接触しているため、開口２８から冷媒１２が漏洩する不具合を防止できる。
また、本例では、収納ケース３は金属からなる。金属は熱伝導率が高いため、収納ケース３の冷却効率を高めることができる。
また、本例では図４に示すごとく、発熱部品４が収納ケース３の内壁面３１に直接接触している。そのため、発熱部品４の冷却効率が高い。
なお、発熱部品４としてバスバーを収納する場合は、収納ケース３が金属製であるため、絶縁する必要が生じる。そのため、バスバーの表面を、熱伝導率の高い絶縁フィルム等で保護した状態や樹脂モールドした状態で、収納ケース３の内壁面３１に接触させる。
以上のごとく、本例によれば、収納ケース内の発熱部品を冷却しやすい電力変換装置を提供することができる。
（実施例２）
本例は、図６に示すごとく、２個の半導体モジュール２ａ，２ｂを、収納ケース３に熱的に接触させた例である。同図に示すごとく、本例では、法線方向Ｘにおける積層体６の一方の端部に位置する半導体モジュール２ａは、開口２８を塞ぐ蓋５ａを介して収納ケース３に熱的に接触している。また、法線方向Ｘにおける積層体６の他方の端部に位置する半導体モジュール２ｂは、開口２８を塞ぐ蓋５ｂを介して収納ケース３に熱的に接触している。
本例では、３個の半導体モジュール２を使って積層体６を構成してある。中央に位置する半導体モジュール２ｃと、上記半導体モジュール２ｂとの間には、ゴム等からなる弾性部材７が介在している。この弾性部材７によって、半導体モジュール２ａ〜２ｃをそれぞれ法線方向Ｘの外方に向けて押圧し、蓋５を収納ケース３に密着させている。
また、弾性部材７の内部には、一対の穴部７０が形成されている。この穴部７０が、半導体モジュール２の貫通孔２４と連通して、貫通冷媒流路６０を構成している。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
本例の作用効果について説明する。本例では、２個の半導体モジュール２ａ，２ｂを収納ケース３に熱的に接触させたため、収納ケース３及び該収納ケース３内の空気をより効果的に冷却できる。これにより、発熱部品４の冷却効率を高めることが可能になる。
また、本例では、弾性部材７によって、蓋５と収納ケース３とを密着させることができる。そのため、収納ケース３及び該収納ケース３内の空気をより効果的に冷却することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
（比較例１）
本例は、図７に示すごとく、蓋５の数を減らした例である。本例では、一対のパイプ１０，１１を有する蓋５のみを半導体モジュール２ａに取り付け、半導体モジュール２ｂには蓋５を取り付けていない。そして、収納ケース３の内壁面３１に半導体モジュール２ｂを直接、接触させて、壁部２３の開口２８を内壁面３１によって塞いでいる。本例では、積層体６の内部を流れる冷媒１２が、収納ケース３に直接、接触している。
また、本例では、蓋５と収納ケース３との間に、ばね部材８が設けられている。ばね部材８によって、積層体６を法線方向Ｘの他方側へ押圧し、開口２８から冷媒１２が漏れないようにしている。
また、本例は、図８に示すごとく、法線方向Ｘにおける積層体６の一方の端部に位置する半導体モジュール２ａに蓋５を取り付けず、収納ケース３の内壁面３１に半導体モジュール２ａを直接、接触させて、壁部２３の開口２８を内壁面３１によって塞いでもよい。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
本例の作用効果について説明する。本例では、積層体６の内部を流れる冷媒１２が、収納ケース３に直接、接触するため、収納ケース３の冷却効率をより高めることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
（比較例２）
本例は、図９に示すごとく、収納ケース３の内壁面３１に２個の半導体モジュール２ａ，２ｂを直接、接触させて、開口２８を内壁面３１によって塞いだ例である。本例では、積層体６の内部を流れる冷媒１２が、収納ケース３に直接、接触している。
本例では、３個の半導体モジュール２を使って積層体６を構成してある。中央に位置する半導体モジュール２ｃと、半導体モジュール２ｂとの間には、ゴム等からなる弾性部材７が介在している。この弾性部材７によって、半導体モジュール２ａ〜２ｃをそれぞれ法線方向Ｘの外方に向けて押圧し、収納ケース３の内壁面３１との間に挟持することにより、開口２８から冷媒１２が漏れないようにしている。
また、弾性部材７の内部には、一対の穴部７０が形成されている。この穴部７０が、半導体モジュール２の貫通孔２４と連通して、貫通冷媒流路６０を構成している。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
本例の作用効果について説明する。本例では、冷媒１２が収納ケース３に直接、接触している。また、２個の半導体モジュール２ａ，２ｂの開口２８を、収納ケース３の内壁面３１で塞いでいる。そのため、冷媒１２が収納ケース３に接触する面積が大きくなり、収納ケース３をより効率的に冷却することができる。
また、本例では、弾性部材７により、半導体モジュール２を収納ケース３へ押圧できるため、半導体モジュール２の開口２８から冷媒１２が漏洩する不具合を防止できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
（比較例３）
本例は、収納ケース３の形状を変更した例である。本例では図１０に示すごとく、収納ケース３の内壁面３１に、ケース内側へ突出する複数のフィン３０を設けた。個々のフィン３０は、金属等の、熱伝導率が高い材料からなる。
フィン３０は、積層方向Ｘに直交する方向に対向する内壁面３１ａに形成してもよく、また、積層方向Ｘに対向する内壁面３１ｂに形成してもよい。
本例の収納ケース３は、例えば鋳造によって製造することができる。この場合、フィン３０と収納ケース３とを一体に形成することができる。また、収納ケース３とフィン３０を別々に製造しておき、熱伝導率の高い接着剤を使ってフィン３０を収納ケース３の内壁面３１に接着してもよい。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
本例の作用効果について説明する。本例では、フィン３０によって、収納ケース３の内側の表面積を増やすことができる。そのため、収納ケース３内の空気を冷却しやすくなる。これにより、収納ケース内の発熱部品４の冷却効率を高めることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
（実施例３）
本例は、蓋５の形状を変更した例である。本例では、図１１に示すごとく、半導体モジュール２ｂに設けた蓋５ｂの、法線方向Ｘと直交する方向の長さを、半導体モジュール２よりも大きくした。
このようにすると、収納ケース３をより効率よく冷却することができる。
その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を備える。
（実施例４）
本例は、パイプ１１の配置位置を変更した例である。図１２に示すごとく、本例では、冷媒１２を導入するためのパイプ１０を、法線方向Ｘにおける積層体６の一方の端部に設け、冷媒１２を導出するためのパイプ１１を、法線方向Ｘにおける積層体６の他方の端部に設けた。
また、図示しないが、発熱部品４は、パワー端子２６及び制御端子２７の突出方向に配置しても良い。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
本例の作用効果について説明する。
上記構成にすると、流路を流れる冷媒１２の流量バランスを安定させることができる。そのため、半導体モジュールをより効果的に冷却することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
２１ 放熱板
２２ 封止部
２３ 壁部
２４ 貫通孔
３ 収納ケース
４ 発熱部品
６ 積層体
６０ 貫通冷媒流路
６１ 沿面冷媒流路

Claims (4)

  1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層した積層体と、該積層体を収納する収納ケースと、該収納ケースに収納された発熱部品とを備える電力変換装置であって、
    上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子から発生する熱を放熱する放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、該封止部に固定され、上記放熱面の法線方向に開口する環状に形成された壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成され上記法線方向に貫通した貫通孔とを有し、
    上記積層体は、複数の上記半導体モジュールを上記法線方向に積層してなり、
    上記複数の半導体モジュールの上記貫通孔が連通した貫通冷媒流路と、該貫通冷媒流路に連結すると共に上記放熱板に沿って形成された沿面冷媒流路とを上記積層体の内部に有し、
    上記積層体と上記収納ケースとが熱的に接触しており、
    上記法線方向における上記積層体の一方の端部に位置する上記半導体モジュールと、上記法線方向における上記積層体の他方の端部に位置する上記半導体モジュールとのうち、少なくとも一方の半導体モジュールは、上記開口を塞ぐ蓋を介して上記収納ケースに熱的に接触しており、
    上記発熱部品は、上記積層体から離間して配置され、
    上記発熱部品は、上記収納ケースの内壁面に直接接触していることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１において、上記収納ケースは金属からなることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１又は請求項２において、上記収納ケースは、ケース内側に突出するフィンを有することを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記積層体は弾性部材を備え、該弾性部材によって上記半導体モジュールを上記収納ケースに向けて押圧していることを特徴とする電力変換装置。
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