JP4525615B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、電気モータから大きな駆動トルクを得る必要があるため、駆動電流として大電流が必要となる。
そしてそのため、その電気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。
そして、半導体モジュールと冷却管との間にグリースを介在させて、両者の間の空間をグリースによって埋めることにより、上述した電力変換装置における半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。
これにより、グリース中の油分が分離するブリード現象が起こり、グリース中にエアが混入してしまうおそれがある。その結果、グリースの熱伝導性が低下し、半導体モジュールの放熱が不充分となるおそれがある。
電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置であって、
上記半導体モジュールと上記冷却部材との間には、熱伝導性を有するゲルグリースが介在しており、
該ゲルグリースは、架橋度が16〜80%であることを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。
本発明にかかる、電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置においては、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間に、上記ゲルグリースが介在している。そのため、上記半導体モジュールと上記冷却部材とを、両者間に空隙を形成することなく、ゲルグリースを介して密着させることができる。それ故、半導体モジュールと冷却部材との間の熱抵抗を低減して、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。
電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置を製造する方法であって、
上記半導体モジュールと上記冷却部材との少なくとも一方の主面に、熱伝導性を有すると共に架橋度が16〜80%であるゲルグリースをスクリーン印刷法により塗布する塗布工程と、
上記半導体モジュールと上記冷却部材とを、上記ゲルグリースを介して積層する積層工程とを有することを特徴とする電力変換装置の製造方法にある(請求項4)。
上記電力変換装置の製造方法は、上記塗布工程と上記積層工程とを有する。これにより、上記半導体モジュールと上記冷却部材とを、両者間に空隙を形成することなく、ゲルグリースを介して密着させることができる。
それ故、電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための、電力変換装置において、上記半導体モジュールと冷却部材との間の熱抵抗を低減して、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。
これにより、半導体モジュールの冷却効率を確保することができると共に、電力変換装置の生産性を向上させることができる。
電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置を製造する方法であって、
上記半導体モジュールと上記絶縁部材との少なくとも一方の主面、及び上記冷却部材と上記絶縁部材との少なくとも一方の主面に、熱伝導性を有すると共に架橋度が16〜80%であるゲルグリースをスクリーン印刷法により塗布する塗布工程と、
上記半導体モジュールと上記絶縁部材と上記冷却部材とを、上記ゲルグリースを介して積層する積層工程とを有することを特徴とする電力変換装置の製造方法にある(請求項6)。
従って、本発明によれば、放熱効率に優れ、生産性に優れた、電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置の製造方法を提供することができる。
また、上記ゲルグリースの架橋度が16%未満の場合には、熱ストレスに起因するブリード現象を充分に抑制することが困難となる。その結果、ゲルグリースの熱伝導性の低下を招き、半導体モジュールの放熱効率を充分に確保することが困難となるおそれがある。一方、上記架橋度が80%を超える場合には、ゲルグリースの粘度が高くなりすぎて、半導体モジュールや冷却部材等の主面にゲルグリースを塗布する際に、かすれ等を生じるおそれがあり、均一に塗布することが困難となるおそれがある。
また、上記半導体モジュールとしては、例えば、MOS型FET素子、IGBT素子、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、パワー集積回路等を内蔵したものがある。
この場合には、半導体モジュールと冷却部材との間に、上記ゲルグリースのみを介在させることとなる。それ故、熱抵抗の低減を図ることができる。
この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間の電気的絶縁を確保することができる。例えば、半導体モジュールの主面に電極と電気的に接続された放熱板等が配置されている場合に、この放熱板と冷却部材との間の電気的絶縁を確保し、電力変換装置の正常な動作を確保する必要がある。かかる場合においても、本発明を適用して、放熱効率に優れ、生産性に優れた電力変換装置を得ることができる。
この場合には、半導体モジュールと冷却部材との間、或いは、半導体モジュールと絶縁部材との間、及び絶縁部材と冷却部材との間の熱抵抗を低減して、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。
本発明の実施例にかかる電力変換装置及びその製造方法につき、図1〜図7を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1、図2に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール2と、該半導体モジュール2を両面から冷却するための冷却部材としての冷却管4とを積層配置してなる。
また、上記半導体モジュール2としては、例えば、MOS型FET素子、IGBT素子、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ等の半導体素子を内蔵したものがある。
そして、半導体モジュール2は、半導体素子を内蔵するモジュール本体部20と、該モジュール本体部20から突出させた主電極端子221と信号端子222とを有する。また、モジュール本体部20の両主面には、上記主電極端子と電気的に接続された放熱板23が露出している。
この放熱板23と上記絶縁部材3とが対向配置され、両者の間にゲルグリース5が介在している。
図1に示すごとく、冷却管4は、その内部に冷媒流路41を有しており、これに冷却媒体を流通させることができるよう構成してある。また、図2に示すごとく、複数の冷却管4の両端をそれぞれ連結するように連結パイプ401を配置し、2箇所のヘッダ部402を形成してある。また、該2箇所のヘッダ部401、402の一方の端部には、冷却管4に接続された冷媒導入口403と冷媒排出口404とがそれぞれ設けてある。このようにして、複数の冷却管4を並列配置してなる冷却器40が構成されている。
そして、隣り合う冷却管4の間に上述のごとく半導体モジュール2を挟持させ、冷却管4内に冷却媒体を流通させることにより、半導体モジュール2を両面から冷却することができる。
まず、図3に示すごとく、半導体モジュール2を、その一方の主面が上方を向く状態で、チャック治具61によって保持する。そして、上記半導体モジュール2の主面(放熱板23の表面)に、スクリーン印刷法によってゲルグリース5を印刷する。即ち、半導体モジュール2の主面に、印刷パターン621を有するスクリーンマスク62を覆い被せる。そして、該スクリーンマスク62の上面にゲルグリース5を載せると共に、ゲルグリース5を、スキージ63によってこすり付けるようにスクリーンマスク62の印刷パターン621からその下方の半導体モジュール2の主面に印刷する。
次いで、図5に示すごとく、ゲルグリース5を塗布した半導体モジュール2の主面に、ゲルグリース5を介して、絶縁部材3を積層する。このとき、所定の加圧力で半導体モジュール2の主面に絶縁部材3を押し付けることにより、ゲルグリース5を押し潰して、半導体モジュール2と絶縁部材3との間に、薄く均一に拡げる。このときのゲルグリース5の膜厚は10μm以下とする。
次いで、図6に示すごとく、半導体モジュール2に積層した絶縁部材3の主面に、ゲルグリース5をスクリーン印刷する。スクリーン印刷の方法は、半導体モジュール2の主面への印刷時(図3)と同様である。
これにより、図7に示すごとく、絶縁部材3の主面に、ゲルグリース5を略均一厚みに形成する。このゲルグリース5の塗布厚みは20〜100μmである。
次いで、図1に示すごとく、半導体モジュール2を隣り合う冷却管4の間に配置すると共に、冷却管4によって、半導体モジュール2の両主面からゲルグリース5を介して挟み込む。このとき、ゲルグリース5を、膜厚が10μm以下となるように押し潰す。
そして、複数の半導体モジュール2について、同様の組付け方法によって、冷却管4と積層することにより、図2に示すような電力変換装置1を得る。
上記電力変換装置1においては、上記半導体モジュール2と上記冷却管4との間に、上記ゲルグリース5が介在している。そのため、半導体モジュール2と冷却管4とを、両者間に空隙を形成することなく、ゲルグリース5を介して密着させることができる。それ故、半導体モジュール2と冷却管4との間の熱抵抗を低減して、半導体モジュール2の冷却効率を向上させることができる。
本例は、図8に示すごとく、半導体モジュール2と冷却管4との間に、絶縁部材(図1の符号3参照)を介在させずに、ゲルグリース5のみを介在させた構成の電力変換装置1の例である。
ゲルグリース5は、半導体モジュール2と冷却管4との双方に直接密着している。
また、本例の半導体モジュール2は、主面に放熱板(図1の符号23参照)を露出させていない。そのため、半導体モジュール2と冷却管4との間に絶縁部材を介在させる必要がない。
その他は、実施例1と同様である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図9に示すごとく、架橋度の異なる複数のゲルグリースの熱抵抗が、冷熱試験によってどのように変化するかを調べた例である。
試験に当たっては、架橋度をそれぞれ0%、50%、60%、70%、80%、100%としたゲルグリースを用意した。そして、ゲルグリースの初期塗布厚を50μmとし、2つの部材で挟み込み、約5μmの膜厚となるように押し潰した。そして、そのゲルグリースの表裏の間の熱抵抗を測定した。なお、冷熱試験を行う最中にゲルグリースの膜厚は多少薄くなる。
その結果を図9に示す。
この結果から、架橋度0、即ちゲル化していないグリースの場合には、熱ストレスに起因するブリード現象によって、ゲルグリースの熱伝導性の低下を招くおそれがあり、架橋させることにより、熱伝導性の低下を抑制することができることが分かる。
本例は、図10に示すごとく、ゲルグリースの架橋度と塗布状態との関係を調べた例である。
即ち、架橋度の異なる複数のゲルグリースを、種々の印刷速度(スキージの速度)にて、半導体モジュールの主面にスクリーン印刷し、その印刷状態を目視によって確認した。
観察結果を図10に示す。同図において、かすれのない良好なものを○、若干のかすれのあるものを△、かすれが多いものを×として表した。
本例は、図11に示すごとく、耐久性及び粘度の観点から、ゲルグリースの粘度の適正範囲を考察した例である。
即ち、上記実施例3において示した冷熱試験前後の熱抵抗の変化率についての架橋度依存性を、実線L1にて表す。また、架橋度と粘度との関係を実線L2にて表す。なお、図11において、左側の縦軸に冷熱試験前後の熱抵抗の変化率のスケールを示し、右側の縦軸に粘度のスケールを示す。また、粘度については、マルコム粘度計を用いて測定した。
2 半導体モジュール
3 絶縁部材
4 冷却管
5 ゲルグリース
Claims (7)
- 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両面から冷却するための冷却部材とを積層配置してなり、
電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置であって、
上記半導体モジュールと上記冷却部材との間には、熱伝導性を有するゲルグリースが介在しており、
該ゲルグリースは、架橋度が16〜80%であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、上記ゲルグリースは、上記半導体モジュールと上記冷却部材との双方に直接密着していることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1において、上記半導体モジュールと上記冷却部材との間には、絶縁部材が介在しており、上記ゲルグリースは、上記絶縁部材と上記半導体モジュールとの間、及び上記絶縁部材と上記冷却部材との間の双方にそれぞれ介在していることを特徴とする電力変換装置。
- 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両面から冷却するための冷却部材とを積層配置してなり、
電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置を製造する方法であって、
上記半導体モジュールと上記冷却部材との少なくとも一方の主面に、熱伝導性を有すると共に架橋度が16〜80%であるゲルグリースをスクリーン印刷法により塗布する塗布工程と、
上記半導体モジュールと上記冷却部材とを、上記ゲルグリースを介して積層する積層工程とを有することを特徴とする電力変換装置の製造方法。 - 請求項4において、上記積層工程の前における上記ゲルグリースの塗布厚みは20〜100μmであることを特徴とする電力変換装置の製造方法。
- 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両面から冷却するための冷却部材とを、両者の間に絶縁部材を介して積層配置してなり、
電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である電気モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置を製造する方法であって、
上記半導体モジュールと上記絶縁部材との少なくとも一方の主面、及び上記冷却部材と上記絶縁部材との少なくとも一方の主面に、熱伝導性を有すると共に架橋度が16〜80%であるゲルグリースをスクリーン印刷法により塗布する塗布工程と、
上記半導体モジュールと上記絶縁部材と上記冷却部材とを、上記ゲルグリースを介して積層する積層工程とを有することを特徴とする電力変換装置の製造方法。 - 請求項6において、上記積層工程の前における上記ゲルグリースの塗布厚みは20〜100μmであることを特徴とする電力変換装置の製造方法。
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