JP6696407B2

JP6696407B2 - スイッチングモジュール

Info

Publication number: JP6696407B2
Application number: JP2016214602A
Authority: JP
Inventors: 未浩中川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-11-01
Also published as: JP2018074064A

Description

本明細書に開示の技術は、スイッチングモジュールに関する。

特許文献１に、複数のスイッチング素子を備えるスイッチングモジュールが開示されている。各スイッチング素子の間に、冷却器が配置されている。各冷却器の内部に、冷却液が流れる。各スイッチング素子は、動作時に発熱する。冷却器によって、各スイッチング素子が冷却される。

特開２０１６−０５４１７５号公報

スイッチングモジュールの冷却効率をさらに向上させる。

スイッチング素子が、インバータ回路やＤＣ−ＤＣコンバータ回路に使用される場合がある。この種の回路は、高電位配線と、中間配線と、低電位配線と、高電位配線と中間配線の間に接続されている第１スイッチング素子と、中間配線と低電位配線の間に接続されている第２スイッチング素子を有する。第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が同時にオンすると高電位配線と低電位配線の間が短絡するので、この種の回路では、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が同時にオンしないか、または、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が同時にオンする時間が短くなるように制御される。本明細書では、この制御方法に着目して、より冷却性能が高いスイッチングモジュールを提供する。

本明細書が開示するスイッチングモジュールは、高電位配線と、中間配線と、低電位配線と、前記高電位配線と前記中間配線の間に接続されている第１スイッチング素子と、前記中間配線と前記低電位配線の間に接続されている第２スイッチング素子と、ヒートパイプと、内部に冷却液が流れる冷却器を有している。前記ヒートパイプが、第１表面と前記第１表面の反対側の第２表面とを備える第１部分と、第３表面と前記第３表面の反対側の第４表面とを備え、前記第３表面が前記第２表面に対向するように前記第１部分から間隔を開けて配置されている第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続する接続部分と、前記第１部分と前記第２部分と前記接続部分の内部に跨って設けられており、作動液を収容している空洞を有している。前記第１スイッチング素子が、前記第１表面で前記ヒートパイプに接続されており、前記第２スイッチング素子が、前記第４表面で前記ヒートパイプに接続されており、前記冷却器が、前記第２表面と前記第３表面で前記ヒートパイプに接続されている。

このスイッチングモジュールでは、通常、第１スイッチング素子がオンしている（すなわち、発熱している）ときに、第２スイッチング素子がオフしている（すなわち、発熱していない）。第１スイッチング素子が発熱すると、第１スイッチング素子からヒートパイプの第１部分を介して冷却器に熱が伝わる。さらに、このとき、第２スイッチング素子が発熱していないので、ヒートパイプの第２部分は低温である。ヒートパイプは、第１部分と第２部分の一方が他方よりも高温である場合に、高効率で熱を輸送する。したがって、第１スイッチング素子から、第１部分と接続部分を介して第２部分へ熱が伝わる。第２部分へ伝わった熱は、第２部分から冷却器に伝わる。このように、第１スイッチング素子が発熱しているときには、第１部分を介して冷却器に至る放熱経路に加えて、第１部分、接続部分及び第２部分を介して冷却器に至る放熱経路でも放熱が起きる。したがって、第１スイッチング素子を効率的に冷却することができる。また、このスイッチングモジュールでは、通常、第２スイッチング素子がオンしている（すなわち、発熱している）ときに、第１スイッチング素子がオフしている（すなわち、発熱していない）。第２スイッチング素子が発熱すると、第２スイッチング素子からヒートパイプの第２部分を介して冷却器に熱が伝わる。さらに、このとき、第１スイッチング素子が発熱していないので、ヒートパイプの第１部分は低温である。したがって、第２スイッチング素子から、第２部分と接続部分を介して第１部分へ熱が伝わる。第１部分へ伝わった熱は、第１部分から冷却器に伝わる。このように、第２スイッチング素子が発熱しているときには、第２部分を介して冷却器に至る放熱経路に加えて、第２部分、接続部分及び第１部分を介して冷却器に至る放熱経路でも放熱が起きる。したがって、第２スイッチング素子を効率的に冷却することができる。以上に説明したように、このスイッチングモジュールによれば、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を効率的に冷却することができる。

モータ駆動回路の回路図。スイッチングモジュールの平面図。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図（半導体装置３３の放熱経路を示す図）。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図（半導体装置３７の放熱経路を示す図）。変形例のスイッチングモジュールの平面図。

図１は、実施形態のスイッチングモジュール１０を備えるモータ駆動回路１１を示している。図１のモータ駆動回路１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４と、インバータ回路１６を有している。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４は、バッテリ１２の出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を高電位配線２０と低電位配線２２の間に供給する。インバータ回路１６は、高電位配線２０と低電位配線２２の間に供給される直流電力を三相交流電力に変換し、その三相交流電力をモータ１８に供給する。モータ１８は、三相交流電力の供給を受けて回転する。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４とインバータ回路１６は、スイッチングモジュール１０を有している。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４は、１つのスイッチングモジュール１０を有している。インバータ回路１６は、３つのスイッチングモジュール１０を有している。

各スイッチングモジュール１０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３０とＩＧＢＴ３４の直列回路を有している。ＩＧＢＴは、スイッチング素子の一種である。ＩＧＢＴ３０のコレクタが高電位配線２０に接続されており、ＩＧＢＴ３０のエミッタがＩＧＢＴ３４のコレクタに接続されており、ＩＧＢＴ３４のエミッタが低電位配線２２に接続されている。ＩＧＢＴ３０には、ダイオード３２が並列に接続されている。ダイオード３２のアノードがＩＧＢＴ３０のエミッタに接続されており、ダイオード３２のカソードがＩＧＢＴ３０のコレクタに接続されている。ＩＧＢＴ３４には、ダイオード３６が並列に接続されている。ダイオード３６のアノードがＩＧＢＴ３４のエミッタに接続されており、ダイオード３６のカソードがＩＧＢＴ３４のコレクタに接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４のスイッチングモジュール１０では、ＩＧＢＴ３０とＩＧＢＴ３４とを接続する配線が、入力配線２４に接続されている。入力配線２４は、インダクタ３８を介してバッテリ１２の正極に接続されている。バッテリ１２の負極は、低電位配線２２に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４では、ＩＧＢＴ３０とＩＧＢＴ３４とが交互にオンするようにＩＧＢＴ３０、３４が制御される。誤作動等を除いて、ＩＧＢＴ３０、３４が同時にオンすることはなく、高電位配線２０と低電位配線２２とが短絡することが防止されている。また、ＩＧＢＴ３０とＩＧＢＴ３４とが交互にオンすることによって、バッテリ１２の出力電圧が昇圧され、昇圧された直流電圧が高電位配線２０と低電位配線２２の間に印加される。

インバータ回路１６は、３つの出力配線２６を有している。インバータ回路１６の各スイッチングモジュール１０では、ＩＧＢＴ３０とＩＧＢＴ３４とを接続する各配線が、対応する出力配線２６の一端に接続されている。各出力配線２６の他端は、モータ１８に接続されている。インバータ回路１６の各スイッチングモジュール１０では、ＩＧＢＴ３０とＩＧＢＴ３４とが交互にオンするようにＩＧＢＴ３０、３４が制御される。誤作動等を除いて、ＩＧＢＴ３０、３４が同時にオンすることはなく、高電位配線２０と低電位配線２２とが短絡することが防止されている。インバータ回路１６では、スイッチングモジュール１０の間で、ＩＧＢＴ３０、３４のオンするタイミングが異なる。各スイッチングモジュール１０のＩＧＢＴ３０、３４がスイッチングすることで、高電位配線２０と低電位配線２２の間に印加されている直流電力が三相交流電力に変換され、その三相交流電力が３つの出力配線２６に印加される。三相交流電力は、３つの出力配線２６を介してモータ１８に供給され、モータ１８が回転する。

各スイッチングモジュール１０は、配線の接続を除いて、同じ構造を有している。図２は、スイッチングモジュール１０の構造を示している。スイッチングモジュール１０は、半導体装置３３、３７を有している。半導体装置３３は、ＩＧＢＴ３０とダイオード３２を備える半導体基板を内蔵している。半導体装置３３は、図示しない端子を介して、図１に示すように電気的に接続されている。半導体装置３７は、ＩＧＢＴ３４とダイオード３６を備える半導体基板を内蔵している。半導体装置３７は、図示しない端子を介して、図１に示すように電気的に接続されている。

スイッチングモジュール１０は、さらに、冷却器と、ヒートパイプ５０と、絶縁板６０ａ〜６０ｄを有している。

冷却器は、冷却液供給管４２と、冷却板４０ａ〜４０ｃと、冷却液排出管４４を有している。冷却板４０ａ〜４０ｃは、板形状を有するとともに、内部に空洞を有している。冷却板４０ａ〜４０ｃのそれぞれの一方の端部が冷却液供給管４２に接続されており、冷却板４０ａ〜４０ｃのそれぞれの他方の端部が冷却液排出管４４に接続されている。図示しないポンプによって、冷却液供給管４２に冷却液が供給される。図２の矢印に示すように、冷却液は、冷却液供給管４２から冷却板４０ａ〜４０ｃのそれぞれに流入し、冷却板４０ａ〜４０ｃのそれぞれに流入した冷却液は冷却液排出管４４を介してポンプへ戻される。冷却器の外殻は、アルミニウムによって構成されている。

図３に示すように、ヒートパイプ５０は、略Ｕ字状に屈曲している。ヒートパイプ５０は、板状の第１部分５１と、板状の第２部分５２と、第１部分５１と第２部分５２を接続する接続部分５４を有している。第１部分５１は第２部分５２に対して略平行に伸びている。第１部分５１と第２部分５２の間に間隔が設けられている。第１部分５１と第２部分５２の間に、冷却板４０ｂが配置されている。冷却板４０ｂは、第１部分５１の内側表面（第２部分５２に対向する表面）に接しているとともに、第２部分５２の内側表面（第１部分５１に対向する表面）に接している。ヒートパイプ５０は、内部に空洞５６を有している。空洞５６は、密閉されている。空洞５６内に、作動液（例えば、水）が収容されている。但し、空洞５６内は水で満たされておらず、空洞５６内に空間が存在する。また、空洞５６内には、作動液を毛細管現象によって移動させるためのウィックや溝が設けられている。空洞５６は、第１部分５１と接続部分５４と第２部分５２に亘って設けられている。ヒートパイプ５０の外殻は、銅等の高熱伝導部材によって構成されている。

ヒートパイプ５０の第１部分５１が加熱されると、第１部分５１の空洞５６内で作動液が気化し、第１部分５１から熱が奪われる。作動液が気化した気体は、空洞５６内を第２部分５２まで移動し、第２部分５２で冷えて液化する。液化した作動液は、毛細管現象によって、空洞５６内を第１部分５１まで移動する。このようなサイクルによって、第１部分５１から第２部分５２へ高効率で熱が伝えられる。

また、第２部分５２が加熱されると、第２部分５２の空洞５６内で作動液が気化し、第２部分５２から熱が奪われる。作動液が気化した気体は、空洞５６内を第１部分５１まで移動し、第１部分５１内で冷えて液化する。液化した作動液は、毛細管現象によって、空洞５６内を第２部分５２まで移動する。このようなサイクルによって、第２部分５２から第１部分５１へ高効率で熱が伝えられる。

半導体装置３３は、冷却板４０ａと冷却板４０ｂの間に配置されている。半導体装置３３の冷却板４０ａ側の表面は、グリス７０を介して絶縁板６０ａに接続されている。絶縁板６０ａの反対側の表面は、グリス７０を介して冷却板４０ａに接続されている。半導体装置３３は、グリス７０と絶縁板６０ａを介して冷却板４０ａに熱的に接続されている。半導体装置３３と冷却板４０ａの間には、ヒートパイプは設置されていない。

半導体装置３３の冷却板４０ｂ側の表面は、グリス７０を介して絶縁板６０ｂに接続されている。絶縁板６０ｂの反対側の表面は、グリス７０を介してヒートパイプ５０の第１部分５１の外側表面（上述した内側表面の反対側の表面）に接続されている。上述したように、第１部分５１の内側表面は、冷却板４０ｂに接している。したがって、半導体装置３３は、グリス７０と絶縁板６０ｂとヒートパイプ５０の第１部分５１を介して冷却板４０ｂに熱的に接続されている。

半導体装置３７は、冷却板４０ｂと冷却板４０ｃの間に配置されている。半導体装置３７の冷却板４０ｂ側の表面は、グリス７０を介して絶縁板６０ｃに接続されている。絶縁板６０ｃの反対側の表面は、グリス７０を介してヒートパイプ５０の第２部分５２の外側表面（上述した内側表面の反対側の表面）に接続されている。上述したように、第２部分５２の内側表面は、冷却板４０ｂに接している。したがって、半導体装置３７は、グリス７０と絶縁板６０ｃとヒートパイプ５０の第２部分５２を介して冷却板４０ｂに熱的に接続されている。

半導体装置３７の冷却板４０ｃ側の表面は、グリス７０を介して絶縁板６０ｄに接続されている。絶縁板６０ｄの反対側の表面は、グリス７０を介して冷却板４０ｃに接続されている。半導体装置３７は、グリス７０と絶縁板６０ｄを介して冷却板４０ｃに熱的に接続されている。半導体装置３７と冷却板４０ｃの間には、ヒートパイプは設置されていない。

次に、スイッチングモジュール１０の動作について説明する。スイッチングモジュール１０の動作時には、冷却器内に冷却液が流れる。また、上述したように、ＩＧＢＴ３０とＩＧＢＴ３４は交互にオンする。したがって、半導体装置３３と半導体装置３７は、交互に発熱する。つまり、半導体装置３３が発熱しているときには半導体装置３７は発熱しておらず、半導体装置３７が発熱しているときには半導体装置３３は発熱していない。

図３の矢印８２〜８６は、半導体装置３３が発熱しているときの放熱経路を示している。半導体装置３３が発熱すると、矢印８２に示すように、冷却板４０ａに熱が伝わる。これによって、半導体装置３３の温度上昇が抑制される。また、半導体装置３３が発熱すると、矢印８４に示すように、ヒートパイプ５０の第１部分５１を介して冷却板４０ｂに熱が伝わる。これによって、半導体装置３３の温度上昇が抑制される。さらに、半導体装置３３が発熱するときには半導体装置３７が発熱していないので、ヒートパイプ５０の第２部分５２が低温となっている。つまり、第１部分５１が高温になっているとともに第２部分５２が低温となっている。このため、ヒートパイプ５０内で作動液が循環し、矢印８６に示すように、第１部分５１から接続部分５４を経由して第２部分５２へ高効率で熱が伝わる。第２部分５２に伝わった熱は、冷却板４０ｂに伝わる。これによって、半導体装置３３の温度上昇が抑制される。このように、半導体装置３３が効率的に冷却される。

以上に説明したように、半導体装置３３が発熱したときには、半導体装置３７が発熱していないので、ヒートパイプ５０の第１部分５１が第２部分５２よりも高温となる。したがって、ヒートパイプ５０によって第１部分５１から第２部分５２へ効率的に熱が輸送される。このため、第１部分５１から直接冷却板４０ｂに伝わる放熱経路（矢印８４）のみならず、接続部分５４と第２部分５２を介して冷却板４０ｂに伝わる放熱経路（矢印８６）でも、半導体装置３３から冷却板４０ｂへ熱が伝わる。このため、半導体装置３３の温度上昇を効果的に抑制することができる。

図４の矢印９２〜９６は、半導体装置３７が発熱しているときの放熱経路を示している。半導体装置３７が発熱すると、矢印９２に示すように、冷却板４０ｃに熱が伝わる。これによって、半導体装置３７の温度上昇が抑制される。また、半導体装置３７が発熱すると、矢印９４に示すように、ヒートパイプ５０の第２部分５２を介して冷却板４０ｂに熱が伝わる。これによって、半導体装置３７の温度上昇が抑制される。さらに、半導体装置３７が発熱するときには半導体装置３３が発熱していないので、ヒートパイプ５０の第１部分５１が低温となっている。つまり、第２部分５２が高温になっているとともに第１部分５１が低温となっている。このため、ヒートパイプ５０内で作動液が循環し、矢印９６に示すように、第２部分５２から接続部分５４を経由して第１部分５１へ高効率で熱が伝わる。第１部分５１に伝わった熱は、冷却板４０ｂに伝わる。これによって、半導体装置３７の温度上昇が抑制される。このように、半導体装置３７が効率的に冷却される。

以上に説明したように、半導体装置３７が発熱したときには、半導体装置３３が発熱していないので、ヒートパイプ５０の第２部分５２が第１部分５１よりも高温となる。したがって、ヒートパイプ５０によって第２部分５２から第１部分５１へ効率的に熱が輸送される。このため、第２部分５２から直接冷却板４０ｂに伝わる放熱経路（矢印９４）のみならず、接続部分５４と第１部分５１を介して冷却板４０ｂに伝わる放熱経路（矢印９６）でも、半導体装置３７から冷却板４０ｂへ熱が伝わる。このため、半導体装置３７の温度上昇を効果的に抑制することができる。

以上に説明したように、本実施形態のスイッチングモジュール１０によれば、半導体装置３３（すなわち、ＩＧＢＴ３０）と半導体装置３７（すなわち、ＩＧＢＴ３４）を効率的に冷却することができる。

なお、上述した実施形態では、各部材の間にグリス７０が介在していたが、各部材が溶接、ろう付け等のような、より熱伝導し易い態様で接続されていてもよい。

また、上述した実施形態では、半導体装置３３とヒートパイプ５０の間に絶縁板６０ｂが配置されており、半導体装置３７とヒートパイプ５０の間に絶縁板６０ｃが配置されていた。しかしながら、図５に示すように、ヒートパイプ５０の表面に絶縁膜６２を形成し、絶縁膜６２を半導体装置３３、３７に接続してもよい。絶縁膜６２として、アルマイト処理層、樹脂、セラミック、ガラス系材料のコーティング層、絶縁シート等を用いることができる。この構成によれば、グリス７０を削減できるので、より放熱性を高めることができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：スイッチングモジュール
１１：モータ駆動回路
１２：バッテリ
１４：ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
１６：インバータ回路
１８：モータ
２０：高電位配線
２２：低電位配線
２４：入力配線
２６：出力配線
３０：ＩＧＢＴ
３２：ダイオード
３３：半導体装置
３４：ＩＧＢＴ
３６：ダイオード
３７：半導体装置
３８：インダクタ
４０ａ〜４０ｃ：冷却板
４２：冷却液供給管
４４：冷却液排出管
５０：ヒートパイプ
５１：第１部分
５２：第２部分
５４：接続部分
５６：空洞
６０ａ〜６０ｄ：絶縁板
７０：グリス

Claims

高電位配線と、
中間配線と、
低電位配線と、
前記高電位配線と前記中間配線の間に接続されている第１スイッチング素子と、
前記中間配線と前記低電位配線の間に接続されている第２スイッチング素子と、
ヒートパイプと、
内部に冷却液が流れる冷却器、
を有しており、
前記ヒートパイプが、
第１表面と前記第１表面の反対側の第２表面とを備える第１部分と、
第３表面と前記第３表面の反対側の第４表面とを備え、前記第３表面が前記第２表面に対向するように前記第１部分から間隔を開けて配置されている第２部分と、
前記第１部分と前記第２部分とを接続する接続部分と、
前記第１部分と前記第２部分と前記接続部分の内部に跨って設けられており、作動液を収容している空洞、
を有しており、
前記第１スイッチング素子が、前記第１表面で前記ヒートパイプに接続されており、
前記第２スイッチング素子が、前記第４表面で前記ヒートパイプに接続されており、
前記冷却器が、前記第２表面と前記第３表面で前記ヒートパイプに接続されている、
スイッチングモジュール。