JP4123279B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路を構成する半導体モジュールの冷却手段を備えた電力変換装置に関する。

従来より、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するのに用いられることがある。

一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、市場拡大に向けて大型車種への展開や動力性能の向上が図られており、交流モータから大きな駆動トルクを確保するため大きな駆動電流が必要となってきている。

それ故、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。

そこで、電力変換回路を構成する複数の半導体モジュールを均一性高く冷却できるように、冷却用媒体（冷媒）の供給及び排出を担う一対のヘッダの間に多数の扁平冷却チューブを配置し、該扁平冷却チューブの間に半導体モジュールを挟持した冷却チューブ並列型の電力変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、上記従来の電力変換装置では次のような問題がある。すなわち、上記電力変換装置では、上記扁平冷却チューブの長手方向の両端側に上記ヘッダを配設する必要があるため、上記電力変換装置全体の大型化を招来するおそれがある。

特に、電気自動車やハイブリッド自動車等に車載される電力変換装置では、エンジンルームやトランクルーム等の狭いスペースに収容しようとしたときサイズ上の問題が顕在化するおそれがある。
特開２００２−２６２１５号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、小型であって、かつ、信頼性の高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、アルミ合金材料よりなる冷媒の流路をなす管形状の冷却チューブと、電力変換回路を構成する半導体モジュールとを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有してなり、上記半導体積層ユニットは、隣り合う冷却チューブの間に２つの半導体モジュールを並列配置していると共に、積層方向の一方の端面から上記冷却チューブの長手方向中央部に１つのばね材の押圧力が付与されるものであって、上記半導体積層ユニットと上記ばね材との間に鉄鋼材料よりなる挟圧プレートを上記２つの半導体モジュールに対向するように介設することにより上記ばね材の押圧力を均等に分配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）。

本発明の電力変換装置では、隣り合う冷却チューブの間に複数の半導体モジュールを並列配置していると共に、積層方向の一方の端面からばね材の押圧力が付与される構成を有している。そのため、冷却チューブと半導体モジュールとの間で接触面積を確保できると共に、両者間の熱伝導を促進することができ、半導体モジュールを効率良く冷却することができる。また、本発明の電力変換装置では、鉄鋼材料よりなる挟圧プレートを介設することにより、ばね材の弾性変形による押圧力を均等に近く分配して作用できる。

本例の電力変換装置１について、図１〜図８を用いて説明する。

この電力変換装置１は、図１に示すごとく、冷媒の流路をなす扁平管形状の冷却チューブ２０と、電力変換回路を構成する平板状の半導体モジュール１０とを交互に積層してなる半導体積層ユニット２を有してなる。

図２に示すごとく、各冷却チューブ２０は、隣り合って積層した冷却チューブ２０と所定の隙間を空けて相互に対面する扁平表面２１０同士の間隙に配設されたヘッダ管４００を介して相互に連結してあると共に、該ヘッダ管４００を経由して冷媒の供給又は排出を行うように構成してある。

そして、各冷却チューブ２０の端部２９０は、該冷却チューブ２０の内側に嵌入する嵌入部２３０を有する封止部材２３を用い、嵌入部２３０を各冷却チューブ２０の内側に嵌入するよう封止部材２３を接合して封止してある。

以下に、この内容について詳しく説明する。

本例の電力変換装置１は、例えば、電気自動車用の走行モータに通電する駆動電流を生成するための装置である。

この電力変換装置１は、図１に示すごとく、上記半導体積層ユニット２のほか、半導体モジュール１０に制御信号を入力する図示しない制御基板や、コンデンサやリアクトル等から構成される図示しない電力回路等より構成される装置である。

上記の半導体積層ユニット２は、図２に示すごとく、複数の半導体モジュール１０と扁平形状の冷却チューブ２０とを交互に積層してなる多層積層構造のユニットである。

本例の半導体積層ユニット２では、隣り合わせで積層した冷却チューブ２０の間に、それぞれ２個の半導体モジュール１０を並列配置してある。

この半導体モジュール１０は、図３及び図４に示すごとく、電力用半導体素子であるＩＧＢＴ素子１１と、モータの回転を滑らかにするために必要なフライホイールダイオード素子１２とを相互に対面する一対の電極放熱板１５（図４）の間に配置したモジュールである。

そして、この半導体モジュール１０は、上記一対の電極放熱板１５と上記各素子１１、１２とを、モールド樹脂１３により一体成形してモジュール化してなる。

上記半導体モジュール１０は、図４に示すごとく、両面に電極放熱板１５が露出するように樹脂成形してなり、この露出した電極放熱板１５がＩＧＢＴ素子１１等の放熱面として機能するように構成してある。

上記の半導体モジュール１０は、図３に示すごとく、上記各電極放熱板１５と一体に形成した電力端子１５０と、モールド樹脂１３中に保持した制御端子１６０とを有してなる。そして、電力端子１５０と制御端子１６０とは、上記電極放熱板１５に平行な面内において対向配置してある。

そのため、この半導体モジュール１０を用いた半導体積層ユニット２においては、該半導体積層ユニット２の表面側に電力端子１５０を突出させ、裏面側に制御端子１６０を突出させることができる。

本例の冷却チューブ２０は、図５に示すごとく、長手方向に配設された仕切り板２２によって内部を複数の流路に区画した扁平管形状をなす多穴管である。本例では、アルミ合金材料の押し出し材により上記冷却チューブ２０を形成してある。その他、アルミ合金材料よりなる引き抜き材より上記冷却チューブ２０を形成することもできる。

この冷却チューブ２０は、その両端部２９０付近の扁平表面２１０に、ヘッダ管４００を接続するための貫通穴２１５（図７）を穿孔してなる。そして、冷却チューブ２０の両端部２９０は、シール用の封止部材２３をろう付け接合するように構成してある。

本例の封止部材２３は、同図に示すごとく、アルミ合金材料を基材とし、その表面にろう材及び犠牲陽極材を配置したブレージング材より形成したものである。封止部材２３の材質としては本例のブレージング材に限定されるものではなく、アルミ合金材料のみから形成しても良い。この場合には、封止部材２３を冷却チューブ２０の端部２９０にろう付け接合する際、両者の間に別途、ろう材を配設する必要がある。

一方、上記ブレージング材よりなる本例の封止部材２３では、加熱によりその表面のろう材が溶融するため、冷却チューブ２０との間にろう材等を配置したり、塗布したりする必要がない。

本例の封止部材２３は、図５に示すごとく、サイジング加工を施した冷却チューブ２０の端部２９０に取り付けるように構成してある。ここで、このサイジング加工とは、冷却チューブ２０の仕切り板２２の端面２２１を内方に後退させると共に、冷却チューブ２０の端部２９０の内側形状を封止部材２３の嵌入部２３０を嵌入可能な形状に形成する加工である。

封止部材２３は、図５〜図７に示すごとく、冷却チューブ２０の端部２９０の内側に嵌入させる嵌入部２３０と、冷却チューブ２０の長手方向の端面２９１に当接するつば状のフランジ部２３５とを組み合わせてなる形状を有する。

ここで、図５に示すごとく、フランジ部２３５に対する嵌入部２３０の突出高さＨは、上記サイジング加工による仕切り板２２の端面２２１の後退量Ｒと略一致させてある。

そのため、冷却チューブ２０の端部２９０に取り付けた封止部材２３では、上記仕切り板２２の各端面２２１に対して上記嵌入部２３０の先端面２３１を当接させて接合できる。

そして、上記半導体積層ユニット２は、図２に示すごとく、上記冷媒の供給、排出のための冷媒ヘッダとして供給用のヘッダ部４１と排出用のヘッダ部４２とを有している。本例では、長さ方向に伸縮可能なアルミ材よりなる上記ベローズ状のヘッダ管４００を隣り合う冷却チューブ２０の間隙に配置し、同軸上に配置した複数のヘッダ管４００により上記ヘッダ部４１、４２を形成してある。

上記ヘッダ管４００は、図６及び図７に示すごとく、その流動方向の両端に連結管４１０を有してなり、該両端の連結管４１０の中間に該連結管４１０よりも大径の蛇腹部分を有する管である。

本例のヘッダ管４００は、隣り合わせで積層した冷却チューブ２０の間隙に配置するように構成してある。そして、ヘッダ管４００は、その両端の連結管４１０を冷却チューブ２０の上記貫通穴２１５（図７参照。）に嵌入した状態で各冷却チューブ２０に接続してある。

ここで、本例では、冷却チューブ２０に対する上記ヘッダ管４００の接合構造において、作製する半導体積層ユニット２における冷却チューブ２０の長手方向の体格を小型化できるように工夫してある。

すなわち、図６及び図７に示すごとく、ヘッダ管４００の両端の連結管４１０の管径が、ヘッダ管４００の中間部分の外径と比べて大幅に小径であることを有効に活用し、敢えて、ヘッダ管４００の外周部と、封止部材２３の嵌入部２３０とが積層方向に重なり合うようにヘッダ管４００を接合してある。

このように冷媒供給用及び冷媒排出用の一対のヘッダ管４００を配置すれば、該一対のヘッダ管４００の間に冷却流路長を十分に確保しながら、そもそも冷媒の流路形成に貢献しない冷却チューブ２０の端部２９０の長さを短縮することができる。

なお、図２に示すごとく、上記半導体モジュール１０を冷却チューブ２０の間に配置して上記半導体積層ユニット２を作製する際には、まず、上記各ヘッダ部４１、４２を構成するベローズ状のヘッダ管４００を積層方向に伸ばした状態で半導体モジュール１０を冷却チューブ２０間の隙間に配置する。その後、積層方向の圧縮荷重を作用させてヘッダ管４００を積層方向に縮めることにより、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０とを密着させる。

また、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との間には、電気的な絶縁性を確保するためのセラミック板（図示略）と、熱伝導率を向上するためのシリコングリス層を配設してある。

そして、本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、略平板状を呈するプレート部５１と、該プレート部５１に配設した一対のフレーム５３と、該一対のフレーム５３間に配設したばね材５５とにより上記半導体積層ユニット２を保持してなる装置である。

上記一対のフレーム５３は、上記半導体積層ユニット２の長手方向のサイズよりもわずかに大きい間隙を空けて相互に対面するよう、上記プレート部５１上に直立するように配設してある。各フレーム５３は、一対のフレーム５３間に渡したばね材５５の端部を係止するための固定ピン５３８を有してなる。そして、上記電力変換装置１では、上記プレート部５１とばね材５５との間に形成される空間に半導体積層ユニット２を組み込んである。

ここで、上記プレート部５１には、図１に示すごとく、上記一対のヘッダ部４１、４２に連通する冷媒流路５１１、５１２を形成してある。そして、上記一対のフレーム５３の間隙に上記半導体積層ユニット２を挿入して組み付けた際、冷媒流路５１１、５１２が各ヘッダ部４１、４２と連通するようにしてある。

なお、本例では、半導体積層ユニット２の積層方向の他方の端面は、上記プレート部５１の表面に接合してある。

本例の電力変換装置１では、同図に示すごとく、上記半導体積層ユニット２と上記ばね材５５との間に、鉄鋼材料等を用いてなる強度部材である挟圧プレート５５０を配設してある。すなわち、半導体積層ユニット２の積層方向の端面をなす冷却チューブ２０の扁平表面２１０に対して、挟圧プレート５５０が当接するようにしてある。

そのため、本例の電力変換装置１では、上記挟圧プレート５５０を介設することにより、上記扁平表面２１０に対して上記ばね材５５の弾性変形による押圧力を均等に近く分配して作用できるのである。

なお、本例の電力変換装置１では、上記ばね材５５のばね定数を適宜、変更することにより、半導体積層ユニット２を積層方向に加圧する荷重を調節することができる。

上記のように、本例の電力変換装置１においては、半導体積層ユニット２に対して積層方向の荷重を作用することにより、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との間に適切な当接荷重を作用できる。そして、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との間で接触面積を確保できると共に、両者間の熱伝導を促進することができる。

そのため、本例の電力変換装置１では、半導体モジュール１０と冷却チューブ２０との間の熱の移動を促進でき、半導体モジュール１０を効率良く冷却することができる。

特に、本例の電力変換装置２では、半導体モジュール１０の両面側に冷却チューブ２０が当接しているため、該半導体モジュール１０を冷却する性能が非常に高い。

また、上記のごとく、本例の電力変換装置１においては、半導体モジュール１０の電力端子１５０が半導体冷却ユニット２の表面側に突出すると共に、制御端子１６０が裏面側に突出するように構成してある。

そのため、この電力変換装置１では、各半導体モジュール１０の電力端子１５０を結線するための電力バスバー（図示略）を半導体積層ユニット２の上記表面側に配設することにより、電力信号線の効率的な取り回しが可能となる。そして、上記電力変換装置１の上記裏面側においては、上記制御端子１６０に接続すべき信号用配線等の効率的な取り回しが可能であり、さらには、上記信号用配線を形成するプリント基板等を直接的に配設することもできる。

以上のように、本例の電力変換装置１を構成する半導体積層ユニット２では、隣り合って積層された冷却チューブ２０の間隙にベローズ状のヘッダ管４００を配設してある。そして、このヘッダ管４００を介して各冷却チューブ２０を相互に連結し、上記ヘッダ部４１、４２を形成してある。

そのため、この半導体積層ユニット２では、冷却チューブ２０の長手方向の端部２９０のさらに外側に別途、冷媒ヘッダを形成するタンク等を配設する必要がない。それ故、上記半導体積層ユニット２における長手方向の寸法を小型に構成することができる。

さらに、上記冷却チューブ２０の端部２９０は、冷却チューブ２０の内周側に収容する嵌入部２３０と、冷却チューブ２０の長手方向の端面２９１に当接するフランジ部２３５とからなる封止部材２３を接合して封止するように構成してある。

該封止部材２３によれば、上記冷却チューブ２０の外周側に覆い被せるように接合するオーバーキャップ（図１３）等と比べて、上記冷却チューブ２０の端部２９０がその幅方向に大きくなることを抑制することができる。

また、本例の封止部材２３では、上記のごとく、冷却チューブ２０の内部に嵌入した上記嵌入部２３０に対して、ベローズ管４００の外周部が積層方向に重合する状態でベローズ管４００を配設してある。そのため、本例の半導体冷却ユニット２では、冷却チューブ２０の端部２９０の長さを抑制することができる。

さらに、本例の封止部材２３では、嵌入部２３０における冷却チューブ２０の長手方向の内方に面する先端面２３１と、嵌入部２３０の長手方向に略平行な外周面と、フランジ部２３５における冷却チューブ２０側の端面とよりなる３面の接合面を利用して、冷却チューブ２０にろう付け接合することができる。

そのため、冷却チューブ２０と封止部材２３との間の間隙は、上記の３面の接合面によりシールでき、冷却チューブ２０の内部の機密性を信頼性高く実現することができる。また、上記の３面の接合面を利用して接合した封止部材２３は、高い接合強度を呈し、長期間に渡る使用に際してもシール漏れ等のトラブルを生じるおそれが少ない。

なお、図８に示すごとく、本例の封止部材２３からフランジ部２３５（図５）を省略して嵌入部２３０のみにより構成することもできる。

この場合には、上記嵌入部２３０のみからなる封止部材２３の全体を上記冷却チューブ２０の内側に収容することで、冷却チューブ２０の長手方向の寸法変化をほとんどなくすことができる。

実施例１における、電力変換装置の一部を示す斜視図。 実施例１における、半導体積層ユニットを示す正面図。 実施例１における、半導体モジュールを示す上面図。 実施例１における、半導体モジュールの断面構造を示す断面図（図３におけるＣ−Ｃ線矢視断面図。）。 実施例１における、冷却チューブに対する封止部材の取り付け構造を示す説明図。 実施例１における、半導体積層ユニットにおける冷却チューブの端部を示す拡大断面図（図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図。）。 実施例１における、半導体積層ユニットにおける冷却チューブの端部を示す拡大図（図２におけるＢ部分の拡大図。）。 実施例１における、その他の冷却チューブに対する封止部材の取り付け構造を示す説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
１０ 半導体モジュール
１１ ＩＧＢＴ素子
１２ フライホイールダイオード素子
２ 半導体積層ユニット
２０ 冷却チューブ
２１０ 扁平表面
２９０ 端部
２９１ 端面
２３ 封止部材
２３０ 嵌入部
２３５ フランジ部
４１、４２ ヘッダ部
４００ ヘッダ管

Claims (2)

1. アルミ合金材料よりなる冷媒の流路をなす管形状の冷却チューブと、電力変換回路を構成する半導体モジュールとを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有してなり、
   上記半導体積層ユニットは、隣り合う冷却チューブの間に２つの半導体モジュールを並列配置していると共に、積層方向の一方の端面から上記冷却チューブの長手方向中央部に１つのばね材の押圧力が付与されるものであって、上記半導体積層ユニットと上記ばね材との間に鉄鋼材料よりなる挟圧プレートを上記２つの半導体モジュールに対向するように介設することにより上記ばね材の押圧力を均等に分配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、上記ばね材は、その端部が上記半導体積層ユニットが固定されるフレームに設けられた一対の固定ピンに係止していることを特徴とする電力変換装置。

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