JP2014078599A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能に優れ、小型化の容易な電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュール１０と、複数の半導体モジュール１０を冷却する複数の冷媒流路を有する冷却器２と、半導体モジュール１０と冷却器とを保持するフレーム３とを有する電力変換装置１である。複数の半導体モジュール１０と複数の冷媒流路とは互いに積層されて積層体１１を構成している。冷却器２は、積層方向の端部に配された冷媒流路を基端として積層方向に向けてフレーム３の外まで延伸形成された、冷却媒体を導排出する一対の冷媒導排管２０を有している。一対の冷媒導排管２０のうち少なくとも一方の冷媒導排管２０は、フレーム３の内側に配される基端側管部２００が、フレームの外側に配される先端側管部２０１よりも外径が小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却器とを有する電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。該電力変換装置は、その電力変換回路を構成する半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを備えており、高出力かつ小型のものが望まれている。

特許文献１には、半導体モジュールと冷却器の冷媒流路とが交互に積層され、半導体モジュールを両主面から冷却可能に構成された電力変換装置が開示されている。特許文献１に記載された電力変換装置は、冷却性能を向上させて半導体モジュールからの発熱を効率よく除去することにより、高出力化を図ったものである。

特開２０１１−１８２６２８号公報

ところで、特許文献１に記載の電力変換装置を含め、従来の電力変換装置は、冷却器に冷却媒体を循環させるためにポンプを使用しており、冷却媒体を循環させる際にポンプにかかる負荷を低減することが求められている。そのため、電力変換装置とポンプとを接続する外部配管の内径をできるだけ大きくして冷却媒体の流通抵抗を小さくする設計が一般的であった。これに伴い、冷却器の冷媒導排管等に外部配管と適合するものを用いる必要があったため、冷却器の小型化には限界があった。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたもので、冷却性能に優れ、小型化の容易な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、
該複数の半導体モジュールを冷却する複数の冷媒流路を有する冷却器と、
上記半導体モジュールと上記冷却器とを保持するフレームとを有し、
上記複数の半導体モジュールと上記複数の冷媒流路とは互いに積層されて積層体を構成しており、
上記冷却器は、上記積層方向の端部に配された上記冷媒流路を基端として上記積層方向に向けて上記フレームの外まで延伸形成された、冷却媒体を導排出する一対の冷媒導排管を有し、
上記一対の冷媒導排管のうち少なくとも一方の冷媒導排管は、上記フレームの内側に配される基端側管部が、上記フレームの外側に配される先端側管部よりも外径が小さいことを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置は、上記一対の冷媒導排管のうち少なくとも一方の冷媒導排管における上記基端側管部が、上記先端側管部よりも外径が小さくなるよう構成されている。そのため、上記フレームの内側における上記冷媒導排管の占有体積を低減することができ、上記冷媒流路の流路方向における上記フレームの寸法を低減することが容易となる。その結果、上記電力変換装置を上記流路方向に小型化することが容易となる。

また、上記電力変換装置の上記流路方向における寸法を増大させることなく上記先端側管部の外径を上記基端側管部の外径よりも大きくできるため、冷却器内部に流通する冷却媒体の量を多くしやすくなる。その結果、上記電力変換装置は、冷却性能に優れたものとなる。

以上のごとく、上記態様によれば、冷却性能に優れ、小型化の容易な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、制御基板を取り付ける前の電力変換装置を高さ方向から見た平面図。 実施例１における、制御基板を取り付けた後の電力変換装置を高さ方向から見た平面図。 実施例１における、電力変換装置を幅方向から見た平面図。 実施例２における、隣り合う冷却管の間に２つの半導体モジュールを配した電力変換装置の平面図。 実施例３における、一方の冷媒導排管の基端側管部の外径を先端側管部よりも小さくした電力変換装置の平面図。

上記電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールは、隣り合う上記冷媒流路の間に１つずつ配されているとともに、上記積層方向に一列に配列されていてもよい（請求項２）。この場合には、隣り合う上記冷媒流路の間に複数の半導体モジュールが配される場合に比べて、隣り合う上記冷媒流路の間において半導体モジュールより発生する熱量の合計が小さくなる。また、隣り合う上記冷媒流路の間に複数の半導体モジュールが配される場合に比べて、各々の半導体モジュールを冷却する冷却媒体の温度を均一にしやすくなる。これらの各々の作用効果または両者の相乗効果により、上記電力変換装置は、半導体モジュールの冷却を効率よく行うことができ、冷却性能をより向上させることができる。

また、上述のように複数の半導体モジュールを配置する場合には、隣り合う冷媒流路の間において発生する熱量が小さくなる。これにより、半導体モジュールの冷却を行うことが容易となるため、上記基端側管部の外径をより小さくすることができる。さらに、半導体モジュールが流路方向に複数配列されなくなるので、これらの相乗効果により、上記電力変換装置の流路方向における寸法の更なる低減が可能となる。

また、上記フレームは、上記積層方向と上記冷媒流路の流路方向である幅方向との双方と直交する高さ方向に立設された複数のボスを有し、該複数のボスは、上記複数の半導体モジュールの動作を制御する制御基板を締結可能に構成されており、該複数のボスのうち少なくとも一対のボスは、上記一対の冷媒導排管の上記基端側管部に対して上記幅方向の外側に隣接して配されていてもよい（請求項３）。この場合には、上記一対の冷媒導排管の上記基端側管部よりも上記幅方向の外側に生じる上記フレームのデッドスペースを、上記ボスを配設するためのスペースとして有効に活用することができる。また、上述のごとくボスを配設することにより、上記制御基板の締結箇所を４隅になるべく近づけることが可能となる。これにより、上記制御基板を安定して固定することが容易となる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例を、図１〜図３を用いて説明する。図１に示すように、電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュール１０と、複数の半導体モジュール１０を冷却する冷媒流路を構成する複数の冷却管２１を有する冷却器２と、半導体モジュール１０と冷却器２とを保持するフレーム３とを有している。また、複数の半導体モジュール１０と複数の冷却管２１とは互いに積層されて積層体１１を構成している。

冷却器２は、積層体１１の積層方向の端部に配された冷却管２１を基端として積層方向に向けてフレーム３の外まで延伸形成された、冷却媒体を導排出する一対の冷媒導排管２０を有している。そして、一対の冷媒導排管２０は、フレーム３の内側に配される基端側管部２００が、フレーム３の外側に配される先端側管部２０１よりも外径が小さくなるように形成されている。

以下において、積層体１１の積層方向を「積層方向Ｘ」といい、積層方向Ｘと直交する冷媒流路の流路方向を「幅方向Ｙ」という。また、積層方向Ｘと幅方向Ｙとの双方と直交する方向を「高さ方向Ｚ」という。

半導体モジュール１０と冷却器２とは、図１に示すように、これらを四方から囲むフレーム３に保持されている。フレーム３の積層方向Ｘにおける一方の壁部３０には一対の切り欠き開口部３００が形成されており、一対の冷媒導排管２０が切り欠き開口部３００からフレーム３の外方に突出している。また、一対の切り欠き開口部３００は、後述する冷媒導排管２０の中間管部２０２を高さ方向Ｚに支持する支持部３０１を有しており、図には示さない固定クランプと支持部３０１との間に中間管部２０２を狭持可能に構成されている。

また、図１に示すように、フレーム３は、積層方向Ｘと幅方向Ｙとの双方と直交する高さ方向Ｚに立設された４箇所のボス３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）を有している。これらのボス３２は、図２及び図３に示すように、複数の半導体モジュール１０の動作を制御する制御基板１４をボルト３２０により締結可能に構成されている。図１に示すように、４箇所のボス３２のうち一対のボス３２ａ、３２ｂは、一対の冷媒導排管２０の基端側管部２００に対して幅方向Ｙの外側に隣接して配されている。また、他の一対のボス３２ｃ、３２ｄは、フレーム３の積層方向Ｘにおける他方の壁部３１側の２箇所の角部３１０にそれぞれ配されている。

一対の冷媒導排管２０は、図１及び図３に示すように、積層方向Ｘにおける一方の壁部３０側に配された冷却管２１を基端として、フレーム３の外方に向けて延伸されている。また、一対の冷媒導排管２０は、基端側管部２００から積層方向Ｘに向けて延伸されつつ２段階に拡径されており、延伸方向（積層方向Ｘ）の先端部が先端側管部２０１を構成している。つまり、基端側管部２００と先端側管部２０１の間には、両者の中間の外径を有する中間管部２０２が形成されており、基端側管部２００と中間管部２０２との境界部分及び中間管部２０２と先端側管部２０１の境界部分の各々にテーパ状の段部２０３が形成されている。

冷却器２は、図１に示すように、内部に冷却媒体を流通させる複数の冷却管２１を積層方向Ｘにおいて所定の間隔を設けて並べて配置すると共に、隣り合う冷却管２１同士を、その長手方向（幅方向Ｙ）の両端部において連結管２２によって連結している。そして、積層方向Ｘの一端に配置された冷却管２１における長手方向の両端部に一対の冷媒導排管２０の基端側管部２００が接続されている。なお、本例において、連結管２２の外径は基端側管部２００の外径と略同一である。

半導体モジュール１０は、略直方体状の本体部１００と、半導体モジュール１０の動作を制御する制御端子１０１と、半導体モジュール１０に電力を入出力する主端子（図示略）とを有している。制御端子１０１と主端子とは、それぞれ本体部１００から互いに反対方向に突出している。本例においては、制御端子１０１は高さ方向Ｚの制御基板１４が配される方向へ向けて突出しており、制御端子１０１と制御基板１４とが電気的に接続可能に構成されている。また、本体部１００には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等からなるスイッチング素子が１個ずつ内蔵されている。

複数の半導体モジュール１０は、図１に示すように、隣り合う冷却管２１の間に１つずつ配されているとともに、積層方向Ｘに一列に配列されている。そして、半導体モジュール１０は、その両主面から一対の冷却管２１によって挟持されている。これにより、複数の冷却管２１と複数の半導体モジュール１０とが交互に積層され、積層体１１を構成している。また、積層方向Ｘに隣り合う半導体モジュール１０は、制御端子１０１が幅方向Ｙにずれた状態で配置されている。

上述のように構成された冷却器２において、一方の冷媒導排管２０から導入された冷却媒体は、連結管２２を適宜通り、各冷却管２１に分配されると共にその長手方向に流通する。そして、各冷却管２１を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール１０との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管２２を適宜通り、他方の冷媒導排管２０に導かれ、冷却器２から排出される。

また、複数の冷却管２１と複数の半導体モジュール１０との積層体１１は、図１に示すように、積層方向Ｘの冷媒導排管２０が接続されている側と反対側からバネ部材１２によって積層方向Ｘに押圧されている。すなわち、フレーム３における切り欠き開口部３００を有する一方の壁部３０に積層方向Ｘの一端に配された冷却管２１が接触し、フレーム３における他方の壁部３１と積層体１１の他端に配された冷却管２１との間に、積層方向Ｘに広がる方向に付勢されたバネ部材１２が配置されている。バネ部材１２と冷却管２１との間には、冷却管２１の変形を防止するための当接板１３が配置されている。

次に、本例の作用効果について説明する。電力変換装置１は、一対の冷媒導排管２０のうち少なくとも一方の冷媒導排管２０における基端側管部２００が、先端側管部２０１よりも外径が小さくなるよう構成されている。そのため、フレーム３の内側における冷媒導排管２０の占有体積を低減することができ、冷媒流路の流路方向（幅方向Ｙ）におけるフレーム３の寸法を低減することが容易となる。その結果、電力変換装置１を幅方向Ｙに小型化することが容易となる。

また、電力変換装置１の幅方向Ｙにおける寸法を増大させることなく先端側管部２０１の外径を基端側管部２００の外径よりも大きくできるため、冷却器２内部に流通する冷却媒体の量を多くしやすくなる。その結果、電力変換装置１は、冷却性能に優れたものとなる。

また、複数の半導体モジュール１０は、隣り合う冷却管２１の間に１つずつ配されているとともに、積層方向Ｘに一列に配列されている。そのため、隣り合う冷却管２１の間に複数の半導体モジュール１０が配される場合に比べて、隣り合う冷却管２１の間において半導体モジュール１０より発生する熱量の合計が小さくなる。また、隣り合う冷却管２１の間に複数の半導体モジュール１０が配される場合に比べて、各々の半導体モジュール１０を冷却する冷却媒体の温度を均一にしやすくなる。これらの各々の作用効果または両者の相乗効果により、電力変換装置１は、半導体モジュール１０の冷却を効率よく行うことができ、冷却性能をより向上させることができる。

また、隣り合う冷却管２１の間において発生する熱量が小さくなるため、半導体モジュール１０の冷却が容易となり、基端側管部２００の外径をより小さくすることができる。さらに、半導体モジュール１０が流路方向（幅方向Ｙ）に複数配列されなくなるので、これらの相乗効果により、電力変換装置１の幅方向Ｙにおける寸法の更なる低減が可能となる。

また、フレーム３は、高さ方向Ｚに立設された複数のボス３２を有し、複数のボス３２は、複数の半導体モジュール１０の動作を制御する制御基板１４を締結可能に構成されており、複数のボス３２のうち少なくとも一対のボス３２は、一対の冷媒導排管２０の基端側管部２００に対して幅方向Ｙの外側に隣接して配されている。そのため、一対の冷媒導排管２０の基端側管部２００よりも幅方向Ｙの外側に生じるフレーム３のデッドスペースを、ボス３２を配設するためのスペースとして有効に活用することができる。また、上述のごとくボス３２を配設することにより、制御基板１４の締結箇所を４隅になるべく近づけることが可能となる。これにより、制御基板１４を安定して固定することが容易となる。

以上のごとく、本例によれば、冷却性能に優れ、小型化の容易な電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、実施例１における電力変換装置１の半導体モジュール１０の配置を変更した例である。本例の電力変換装置１０２は、図４に示すように、互いに隣り合う冷却管２１の間に、２つの半導体モジュール１０が幅方向Ｙに互いに並んで配されている。そして、複数の半導体モジュール１０は、積層方向Ｘに向けて２列に配列されている。

また、本例においては、フレーム３に設けられた４箇所のボス３２のうち、積層方向Ｘにおける一方の壁部３０側に配された一対のボス３２ａ、３２ｂが、一対の冷媒導排管２０の基端側管部２００に対して幅方向Ｙの内側に隣接して配されている。その他は実施例１と同様である。なお、図４において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一の符号のものは、特に示さない限り実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例のように、隣り合う冷却管２１の間に複数の半導体モジュール１０が配設されている場合であっても、一方の冷媒導排管２０における基端側管部２００が、先端側管部２０１よりも外径が小さくなるよう構成されていれば、上述のように、冷媒流路の流路方向（幅方向Ｙ）におけるフレーム３の寸法を低減することが容易となり、電力変換装置１０２を幅方向Ｙに小型化することが容易となる。

また、電力変換装置１０２の幅方向Ｙにおける寸法を増大させることなく先端側管部２０１の外径を基端側管部２００の外径よりも大きくできるため、冷却器２内部に流通する冷却媒体の量を多くしやすくなる。その結果、電力変換装置１０２は、冷却性能に優れたものとなる。

（実施例３）
本例は、実施例１における電力変換装置１の一対の冷媒導排管２０（２０ａ、２０ｂ）のうち、一方の冷媒導排管２０ａのみに基端側管部２００よりも外径の大きい先端側管部２０１を形成した例である。本例の電力変換装置１０３は、図５に示すように、一方の冷媒導排管２０ａの先端側管部２０１が、実施例１と同様に基端側管部２００よりも外径が大きくなるよう構成されている。また、他方の冷媒導排管２０ｂは、基端側管部２００と先端側管部２０４とが同一の外径となるよう構成されている。

本例の電力変換装置１は、例えば図５に示すように、他方の冷媒導排管２０ｂの先端側管部２０４に冷媒導排管２０ｂと外部配管とを接続するための接続アダプタ２３を装着して用いられる。接続アダプタ２３は、円筒状のパイプの中央部が略直角方向に屈曲されており、一方の開口端２３０に冷媒導排管２０ｂの先端側管部２０４が挿入される。そして、外部配管と接続される他方の開口端２３１は、幅方向Ｙに向けて開口するように配される。その他は実施例１と同様である。なお、図５において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一の符号のものは、特に示さない限り実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例のように、一方の冷媒導排管２０ａのみに基端側管部２００よりも外径の大きい先端側管部２０１を形成していれば、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。なお、本例の電力変換装置において、冷却器２への冷却媒体の導入は、一方の冷媒導排管２０ａより行ってもよく、他方の冷媒導排管２０ｂから行ってもよい。また、接続アダプタ２３における他方の開口端２３１の向きは特に限定されず、高さ方向Ｚに向いていてもよい。

また、実施例１〜３においては、冷媒流路を冷却管２１によって形成し、冷却管２１を半導体モジュール１０に接触させた例を示したが、冷媒流路の態様はこれに限定されるものではない。例えば、冷媒流路を半導体モジュールと一体に形成し、半導体モジュールに冷却媒体を直接接触させて冷却させる構成も可能である。

また、本例においては、バネ部材１２を積層体１１に対して他方の壁部３１側に配したが、これに限るものではなく、一対の冷媒導排管２０を設けた側に配してもよい。すなわち、例えば、一対の冷媒導排管２０の間にバネ部材１２を配し、積層体１１を他方の壁部３１側に向けて押圧させてもよい。

１、１０２、１０３ 電力変換装置
１０ 半導体モジュール
１１ 積層体
１４ 制御基板
２ 冷却器
２０ 冷媒導排管
２００ 基端側管部
２０１ 先端側管部
２１ 冷却管
３ フレーム
３２ ボス

Claims (3)

1. 電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュール（１０）と、
   該複数の半導体モジュール（１０）を冷却する複数の冷媒流路（２１）を有する冷却器（２）と、
   上記半導体モジュール（１０）と上記冷却器（２）とを保持するフレーム（３）とを有し、
   上記複数の半導体モジュール（１０）と上記複数の冷媒流路（２１）とは互いに積層されて積層体（１１）を構成しており、
   上記冷却器（２）は、上記積層方向の端部に配された上記冷媒流路（２１）を基端として上記積層方向に向けて上記フレーム（３）の外まで延伸形成された、冷却媒体を導排出する一対の冷媒導排管（２０）を有し、
   上記一対の冷媒導排管（２０）のうち少なくとも一方の冷媒導排管（２０）は、上記フレーム（３）の内側に配される基端側管部（２００）が、上記フレーム（３）の外側に配される先端側管部（２０１）よりも外径が小さいことを特徴とする電力変換装置（１、１０２、１０３）。
2. 請求項１に記載の電力変換装置（１、１０２、１０３）において、上記複数の半導体モジュール（１０）は、隣り合う上記冷媒流路（２１）の間に１つずつ配されているとともに、上記積層方向に一列に配列されていることを特徴とする電力変換装置（１、１０３）。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置（１、１０２、１０３）において、上記フレーム（３）は、上記積層方向と上記冷媒流路の流路方向である幅方向との双方と直交する高さ方向に立設された複数のボス（３２）を有し、該複数のボス（３２）は、上記複数の半導体モジュール（１０）の動作を制御する制御基板（１４）を締結可能に構成されており、該複数のボス（３２）のうち少なくとも一対のボス（３２）は、上記一対の冷媒導排管（２０）の上記基端側管部（２００）に対して上記幅方向の外側に隣接して配されていることを特徴とする電力変換装置（１、１０３）。

Images