JP2013048151A - 車両用半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受熱ブロックの半導体取付面における温度バランスを良くし、冷却性能を向上することができる車両用半導体冷却装置を提供する。
【解決手段】車両用半導体冷却装置は、受熱ブロック、複数の半導体素子の列、放熱部材を備える。前記受熱ブロックは第１の面とこの第１の面の反対側に第２の面とを有する。前記複数の半導体素子の列は、前記受熱ブロックの第１の面に、発熱量が互いに異なる半導体素子の列どうしが交互に配置されている。前記放熱部材は前記受熱ブロックの第２の面に、長手方向端部が車両進行方向に一致するように配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、車両用半導体冷却装置に関する。

例えば鉄道の車両の車体の床下には、車両の走行やその他の設備の制御を行うための制御装置が設けられており、制御装置の内部には、発熱源であるインバータやコンバータなどの半導体素子が収容されていることから、制御装置には、制御装置自体を冷却するための車両用半導体冷却装置が備えられている。

従来、制御装置の内部には、一例に並べられたインバータやコンバータなどの半導体素子群を１アームとして、複数のアームを受熱ブロックの半導体素子取付面に列設する一方、受熱ブロックの半導体素子取付面と反対側の面にヒートシンクを取り付け、半導体素子群で発生した熱をヒートシンクで放熱する構造にされている（例えば特許文献１参照）。

通常、半導体素子群は、インバータの機能を構成する半導体素子群と、コンバータの機能を構成する半導体素子群とでそれぞれ機能毎にまとめて受熱ブロックに配置される。

特開２００７−１０４７８４号公報

しかしながら、これら半導体素子群は、インバータとコンバータとで機能毎に熱損失が異なることから受熱ブロックの半導体素子取付面でみた場合、温度バランスが悪く、冷却効率が悪いという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、受熱ブロックの半導体素子取付面における温度バランスを良くし、冷却性能を向上することのできる車両用半導体冷却装置を提供することにある。

実施形態の車両用半導体冷却装置は、受熱ブロック、複数の半導体素子の列、放熱部材を備える。前記受熱ブロックは第１の面とこの第１の面の反対側に第２の面とを有する。前記複数の半導体素子の列は、複数の半導体素子で列を構成し、発熱量が互いに異なる半導体素子の列どうしを交互に配置して前記第１の面に設けている。前記放熱部材は空冷用の間隙が設けられ、この間隙に気流が通過する方向と車両進行方向とを一致させるように前記第２の面に配設されている。

第１実施形態の車両用半導体冷却装置の構成を示す平面図である。 図１の車両用半導体冷却装置を矢印Ａの方向から見たときの側面図である。 第１実施形態の効果を示す温度曲線である。 第２実施形態の車両用半導体冷却装置の構成を示す平面図である。 図４の側面図である。 ２パラ構成にした場合の１アーム分の半導体素子を示す配置図である。 ２パラ構成にした場合の１アーム分の回路図である。 第２実施形態の効果を示す温度曲線である。 第３実施形態の車両用半導体冷却装置の構成を示す平面図である。 第３実施形態の効果を示す温度曲線である。 車両速度に対するコンバータ損失とインバータ損失との関係を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。
一般に、受熱面にインバータとコンバータを実装した車両用半導体冷却装置では、図１１に示すように、車両速度に対するコンバータ損失１４は、低速領域では損失が低く、高速領域では損失が高い。

一方、車両速度に対するインバータ損失１５は、低速領域では損失が高く、高速領域では損失が低い。またコンバータ損失１４とインバータ損失１５とを比較すると、全体として、コンバータ損失１４の方が高い。すなわち、車両速度に対してはコンバータ損失１４とインバータ損失１５とは特性が全く異なるものである。損失はほぼ発熱量と考えることができる。

そこで、このような車速と損失との関係を考慮し、以下、第１〜第３実施形態を説明する。
（第１実施形態）
（構成の説明）
図１は第１実施形態の車両用半導体冷却装置の構成を示す図、図２はそのＡ−Ａ断面図である。

図１、図２に示すように、第１実施形態の車両用半導体冷却装置８は、半導体素子６、６ａ群、受熱ブロック９、放熱器または放熱部材としてのヒートシンク１１などを有している。

半導体素子６、６ａは、機能毎に１つのアーム５を構成している。機能とはインバータまたはコンバータの機能である。コンバータの機能は、交流電圧を直流電圧へ変換する機能である。インバータの機能は、直流電圧を交流電圧へ変換する機能である。
この例では、半導体素子６は、インバータ素子またはコンバータ素子であり、半導体素子６ａは、半導体素子６に比べて少し小型なクランプダイオードである（図７参照）。

受熱ブロック９の半導体素子取付面１０には、１つのアーム５を構成する半導体素子６、６ａの列２２，２３が交互にほぼ平行に５列配置され、実装されている。

半導体素子６、６ａの列２２は、インバータの機能を構成する列である。半導体素子６、６ａの列２３は、コンバータの機能を構成する列である。

すなわち、半導体素子取付面１０には、複数の半導体素子６，６ａで列を構成し、発熱量が互いに異なる半導体素子の列２２，２３どうしを交互に配置した列２２，２３が設けられている。

単相交流を一旦直流に変換しそれから３相交流に変換する電力変換では、コンバータの機能を構成する列２３は１相分で２列必要であり、インバータの機能を構成する列２２は、３相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の分だけ３列必要であり、列は最低５列必要になる。

受熱ブロック９の半導体素子取付面１０の半導体素子６、６ａは、ケース８ａで覆われている。

受熱ブロック９の半導体素子取付面１０の反対側の面には、ヒートシンク１１が配設されている。ヒートシンク１１には、放熱部材である複数の板状のフィン（放熱板）が列設されている。それぞれのフィンの長手方向端部は、送風方向１８に対して風が抜ける方向にそれぞれ平行している。送風方向１８は車両が進行する方向と同じであり、車両進行方向といえる。言い換えると、放熱部材は、その長手方向が車両進行方向一致し、放熱部材間の間隙が車両進行方向に沿って、設けられていることになる。

すなわち、ヒートシンク１１は、空冷用の間隙が設けられ、この間隙に風（気流）が通過する方向と車両進行方向とを一致させるように導体素子取付面１０の反対側の面に配設されている。なお、半導体素子取付面１０を第１の面、半導体素子取付面１０の反対側の面を第２の面という。送風方向１８は、この装置が車両に取り付けられた場合でいうと、車両進行方向と矢印の向きが逆の方向である。

この車両用半導体冷却装置８は、ヒートシンク１１の部分を外部に露出するように車両の床下１７に取り付けられており、受熱ブロック９に列をなすように配置された半導体素子６、６ａで生じた発熱をその裏側のヒートシンク１１から外部へ放熱するものである。

換言すると、この車両用半導体冷却装置８は、複数の半導体素子６、６ａで１つのアーム５を構成し、複数のアーム５を半導体素子取付面１０に配置する上で、発熱量が互いに異なる複数個の半導体素子６、６ａの列２２，２３を交互（一列おき）に配置して半導体素子取付面１０に設けている。

（作用の説明）
この第１実施形態の作用を説明する。
この第１実施形態では、発熱源でありかつ発熱量が互いに異なる複数個の１アームを構成している半導体素子６，６ａの列、つまりインバータの１相を構成する半導体素子６，６ａの列２２と、コンバータの１相を構成する半導体素子６，６ａの列２３とを一つの受熱ブロック９の半導体素子取付面１０に交互に配置したことにより、半導体素子取付面１０への入熱が分散される。

このことから、図３に示すように、インバータの機能を構成する半導体素子の列２２とコンバータの機能を構成する半導体素子の列２３とを機能毎にまとめて配置した場合の比較例の温度上昇曲線２０とこの第１実施形態の温度上昇曲線２４とを比較すると、この第１実施形態の温度上昇曲線２４の方が冷却装置としての温度上昇の最大値と最小値間の温度差が小さくなり、受熱面全体の温度の均熱化が図られていることが分かる。

この結果、受熱ブロック９の反対側の面に列設したヒートシンクのフィンによる冷却効率が上がり、比較例よりも冷却装置の最大温度上昇値が低下した状態２５を常に継続（維持）できるようになり、冷却性能を向上することができる。

（効果の説明）
このようにこの第１実施形態によれば、一つの受熱ブロック９の半導体素子取付面１０に、発熱量が互いに異なる複数個の半導体素子６，６ａの相毎の列２２，２３を交互に配置することにより、ヒートスポットを生じることなく本来のヒートシンク１１のフィンの冷却効率を維持しながら、受熱ブロック９の半導体素子取付面１０における均熱化を図り、冷却性能を向上することができる。

（第２実施形態）
次に、図４〜図８を参照して第２実施形態を説明する。
（構成の説明）
第１実施形態では、コンバータの機能を構成する半導体素子６、６ａの列を１相２列で構成したが、この第２実施形態では、１相４列で構成するように２列を回路的に並列接続した構成（以下これを「２パラ」と称す）とし、コンバータの機能を構成する２つのアーム５ａ（列２３ａと列２３ｂ）の間に、インバータ１相分の機能を構成する半導体素子６、６ａの列２２を配置して実装している。

具体的に、この例では、受熱ブロック９の半導体素子取付面１０には、１つのアーム５を構成する発熱量の異なる半導体素子６、６ａの列２２，２３ａ，２３ｂが交互にほぼ並行に７列配置され、実装されている。

コンバータ１相分の機能を構成するアーム５ａをそれぞれ列２３ａと列２３ｂの２つにしたことで、コンバータ１相分のアームの数は４列必要であり、インバータの３列との合計では７列となる。

この場合、コンバータの列２３ａ，２３ｂの数に比べてインバータの列２２の数が一つ少ないことから、機能の異なるアーム（発熱量の異なる列）が交互に配置されるように、両縁にコンバータの機能を構成する列２３ａ，２３ｂを配置し、その間にインバータの列２２とコンバータの列２３ｂ，２３ａとを交互に配置している。

２パラのコンバータ、１アーム５ａ分の半導体素子の実装状態を図６に示し、その回路構成（半導体素子６，６ａを並列接続した回路）を図７に示す。図７において、符号７はフィルタコンデンサであり、図６には示していない。

図７に示すように、この第２実施形態は、複数の半導体素子の列２２，２３ａ，２３ｂのうち発熱量が高い半導体素子６，６ａの列、二列２３ａ，２３ｂ分を電気的に並列に接続している。

（作用および効果の説明）
この第２実施形態では、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、図６、７に示したように、例えば３レベルの主回路構成でコンバータを構成する半導体素子６、６ａをそれぞれ２パラとした場合、コンバータの１アーム分の構成は半導体素子６，６ａの２列２３ａ、２３ｂを並列接続した構成となる。

そこで、図４，５に示したように、コンバータの１相を構成する２パラの半導体素子６，６ａの列２３ａ、２３ｂの間にインバータの１相を構成する半導体素子の列２２を配置することにより、損失が異なる素子列が交互に配置されることになる。

従って、図８に示すように、インバータとコンバータの素子を機能毎にまとめて配置した比較例の温度上昇曲線２０ａと第２実施形態の温度上昇曲線２４ａとを比較すると、第２実施形態の温度上昇曲線２４ａの方が温度上昇の最大値と最小値間の温度差が小さくなり、受熱面全体の温度の均熱化を図ることができる。

この結果、受熱ブロック９の反対側の面にほぼ並行に配置したヒートシンク１１のフィンによる冷却効率が上がり、結果的には、比較例よりも冷却装置の最大温度上昇値が低下した状態２５ａを常に継続（維持）できるようになり、冷却性能を向上することができる。

（第３実施形態）
次に、図９，図１０を参照して第３実施形態について説明する。
（構成の説明）
第１および第２実施形態では、半導体素子６、６ａの列２２，２３あるいは列２２，２３ａ，２３ｂを、ヒートシンク１１への送風方向１８と直交する方向に向けて配置していたが、この第３実施形態では、各相内の半導体素子６、６ａの列２２，２３ａ，２３ｂの方向を、ヒートシンク１１への送風方向１８と平行に配置している。

すなわち、この第３実施形態の車両用半導体冷却装置８は、個々の半導体素子６、６ａの列２２，２３あるいは列２２，２３ａ，２３ｂの方向を、送風方向１８（車両進行方向と逆の方向）に沿って配置している。

（作用および効果の説明）
この第３実施形態では、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果が得られると共に、車両を走行させて送風すると、送風方向１８に対して半導体素子取付面１０は、風上２９、風下３０の影響が生じる。

これにより、風下に配置される半導体素子部６、６ａは、風上に配置される半導体素子６、６ａからの熱のあおりを受けて、風上と風下の熱分布に差が生じる。

各相内の半導体素子６，６ａの列２２，２３あるいは列２２，２３ａ，２３ｂの方向が、送風方向１８と平行であれば、風下の影響は風上に配置される素子からの影響のみとなり、アーム５の単位で温度分布が決まり、各列を送風方向１８と直交する方向に配置した場合と比べて受熱ブロック９の受熱面における温度ばらつきを最小限に抑えることができる。

図１０に示すように、インバータとコンバータの素子を機能毎にまとめて配置した比較例の温度上昇曲線２０ｂと第３実施形態の温度上昇曲線２４ｂとを比較すると、第３実施形態の温度上昇曲線２４ｂの方が冷却装置の温度上昇の最大値と最小値間の温度差が小さくなり、受熱面全体の温度上昇の均熱化を図ることができる。

この結果、受熱ブロック９の反対側の面にほぼ平行に配置したヒートシンク１１のフィン効率が上がり、結果的に、比較例よりも冷却装置の最大温度上昇値が低下した状態２５ｂを常に継続（維持）できるようになり、冷却性能を向上することができる。

すなわち、上述した各実施形態によれば、受熱ブロック９の半導体素子取付面１０における温度バランスを良くし、車両用半導体冷却装置８の冷却性能を向上することができる。

なお上記実施形態では、主回路構成を３レベル主体で記載したが、当然のことながら２レベルの主回路構成においても同様な効果が得られることはいうまでもない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５…アーム、６，６ａ…半導体素子、８…車両用半導体冷却装置、８ａ…ケース、９…受熱ブロック、１０…半導体素子取付面、１１…ヒートシンク、１７…床下、２２，２３，２３ａ，２３ｂ…半導体素子の列。

Claims (3)

1. 第１の面とこの第１の面の反対側に第２の面とを有する受熱ブロックと、
   前記受熱ブロックの第１の面に、発熱量が互いに異なる半導体素子の列どうしを交互に配置した複数の半導体素子の列と、
   前記受熱ブロックの第２の面に、長手方向端部が車両進行方向に一致するように配設された放熱部材と
   を具備する車両用半導体冷却装置。
2. 前記複数の半導体素子の列のうち前記発熱量が高い半導体素子の列二列分を電気的に並列に接続した請求項１に記載の車両用半導体冷却装置。
3. 前記複数の半導体素子の列をそれぞれ、前記車両進行方向に沿って配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用半導体冷却装置。

Images