(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を平滑化するコンデンサと、
該コンデンサの平滑化された直流電力を交流電力に変換する矩形状の半導体パワーモジュールと、
一方の冷却面に前記半導体パワーモジュールを配置し、他方の冷却面に前記コンデンサを配置して、前記半導体パワーモジュール及び前記コンデンサを冷却する冷却体と、を備え、
前記半導体パワーモジュールは、前記冷却体とは反対側の矩形面側における一方の長辺側に前記コンデンサとの間の電気的接続部を接続する接続端子を有し、
前記冷却体は、一方の側縁に形成された切欠部で構成される前記電気的接続部を挿通する挿通部と、前記半導体パワーモジュールに対向し、且つ一方の長辺が前記挿通部に対向して冷却媒体を通流し、相対する長辺及び短辺を有するチャンバーと、該チャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、前記チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出する冷却媒体排出部と、前記チャンバーと前記冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出部との間に当該チャンバーの長辺と対向して前記チャンバーより深い深さで形成した冷却媒体供給側液溜まり部及び冷却媒体排出側液溜まり部とを有し、
前記冷却媒体供給部は、前記チャンバーの一方の長辺に対向する冷却体端面における当該チャンバーの一方の短辺より外側位置から前記冷却媒体供給側液溜まり部に冷却媒体を供給し、
前記冷却媒体排出部は、前記チャンバーの他方の長辺に対向する冷却体端面における前記冷却媒体供給部との対角位置に設けられ、当該チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記冷却媒体供給部と前記冷却媒体供給側液溜まり部との間に、当該冷却媒体供給側液溜まり部の中央部に向かう供給用傾斜通路が設けられ、当該供給用傾斜通路の前記冷却媒体供給側液溜まり部側が幅広とされていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記供給用傾斜通路は、前記冷却媒体供給部の内側側壁から前記冷却媒体供給側液溜まり部の中央部に向かう傾斜側壁と、該傾斜側壁と平行に延長する外側側壁と、該外側側壁と前記冷却媒体供給側液溜まり部の前記チャンバーの短辺の延長線上の側壁との交点から当該チャンバーの短辺に向かう側壁とで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記冷却媒体排出部と前記冷却媒体排出側液溜まり部との間に、当該冷却媒体排出側液溜まり部の中央部から当該冷却媒体排出部に向かう排出側傾斜通路が設けられ、当該排出側傾斜通路の前記冷却媒体排出側液溜まり部側が幅広とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記排出側傾斜通路は、前記冷却媒体排出側液溜まり部の中央部から前記冷却媒体排出部の内側側壁に向かう傾斜側壁と、前記冷却媒体排出部の外側側壁から前記傾斜側壁と平行に前記チャンバー及び冷却媒体排出側液溜まり部の側縁の延長線との交点まで延長する傾斜側壁と、該傾斜側壁の前記交点から前記冷却媒体排出側液溜まり部の側縁まで延長する側壁とで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記冷却体は、前記チャンバー内に複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が冷却媒体の通流方向に配列されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記冷却体は、前記チャンバーの前記半導体パワーモジュールとの対向面を開口し、前記半導体パワーモジュールは、前記チャンバーとの対向面に、当該チャンバー内に挿通される複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が冷却媒体の通流方向に配列されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記冷却体に固定され、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板を囲む第１の筐体を備え、該第１の筐体には、前記半導体パワーモジュールに形成された直流接続端子及び交流接続端子を外部機器に接続する外部接続端子が設けられていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記第１の筐体は、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板の側面を囲み一方の開放端面が前記冷却体に固定された筒体と、該筒体の前記実装基板側の他方の開放端面を塞ぐ蓋体とで構成されていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記冷却体に固定され、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板を囲む第１の筐体を備え、該第１の筐体には、前記半導体パワーモジュールに形成された直流接続端子及び交流接続端子を外部機器に接続する外部接続端子が設けられ、
前記冷却体の前記第１の筐体とは反対側に連結された前記コンデンサを囲む第２の筐体を備えていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記冷却体の冷却媒体排出部の近傍温度を検出する温度検出部を設けたことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記冷却体の冷却媒体供給部の近傍温度を検出する温度検出部を設けたことを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換用の半導体スイッチング素子を内蔵した半導体パワーモジュールを冷却する冷却体を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電力変換装置としては、特許文献１に記載された電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、筐体内に、水冷ジャケットを配置し、この水冷ジャケット上に電力変換用の半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴを内蔵した半導体パワーモジュールを配置して冷却するようにしている。また、筐体内には、半導体パワーモジュールの水冷ジャケットとは反対側に所定距離を保って制御回路基板を配置し、この制御回路基板で発生する熱を、放熱部材を介して制御回路基板を支持する金属ベース板に伝達し、さらに金属ベース板に伝達された熱を、この金属ベース板を支持する筐体の側壁を介して水冷ジャケットに伝達するようにしている。ここで、水冷ジャケットとしては、長方形の一方の短辺側に冷却水入口配管と冷却水出口配管とが設けられ、冷却水入口配管から冷却水が長方形の一方の長辺に沿って流れ、長方形の他方の短辺側で折り返して他方の長辺に沿って流れて冷却水出口配管に達するＵ字形状の冷却水流路が形成されている。【０００３】
また、水冷ジャケットとしては、非特許文献１に記載されたものが知られている。この水冷ジャケットは、半導体パワーモジュールの下面に形成したピン−フィンを挿通するピン−フィン挿通領域の長手方向の一方の端面に給水口及び排水口を設ける場合には、流速が不均一となるとともに、部分的に渦流が発生する。このため、冷却能力が低下する箇所が発生するとともに、圧力損失が大きくなり、冷媒を循環させるポンプに必要以上の能力が要求されるといった問題がある。また、ピン−フィン挿通領域の長手方向の両端面すなわち短辺側における対角線位置に給水口及び排水口を設けた場合には、給水口から給水される冷却水の多くがピン−フィン挿通領域の側壁に沿って進むことになり、この部分の流速は速いが給水口とは反対側の側壁では流速が遅くなるので流速差が大きくなり、半導体パワーモジュール内部に搭載された各ＩＧＢＴやダイオードの冷却能力にバラツキが生じるといった問題がある。このため、図１７に示すように、水冷ジャケット１００に、半導体パワーモジュール１０１の底面側に形成した冷却フィンを挿通するピン−フィン挿通領域１０２を形成する。このピン−フィン挿通領域１０２の一方の長辺側の中央位置に給水口１０３を設けるとともに、他方の長辺側の中央部近くの底面に排水口１０４を設けることにより、圧力損失を少なくして冷却効果を向上させることが提案されている。また、半導体パワーモジュール１０１の上面側には半導体パワーモジュール１０１に内装された半導体スイッチング素子を駆動制御する回路部品を実装したプリント基板１０５が装着されると共に、平滑用のコンデンサ１０６が接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６５７３２９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F.Nagaune,H.Gohara,S.Adachi,H.Shibata,A.Morozumi and A.Nishiura:“Small Size and High Thermal Conductivity IGBT Module for Automotive Applications”,Proceeding PCIM Europe 2011 conference pp.785-pp.790. 17-19 May 2011 Nuremberg,Germany.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、水冷ジャケット内にＵ字状の冷却水通路を形成するようにしているが、冷却水通路の長さが長くなるので、冷却水入口配管側と冷却水出口配管側とでの冷却水温度差が大きくなり、冷却水入口と冷却水出口とでの冷却効果が異なるという未解決の課題がある。【０００７】
また、非特許文献１に記載された従来例にあっては、圧力損失が少ないため必要以上の冷媒循環能力を持つポンプが不要となり，かつ，流速分布が比較的均一化されるため半導体パワーモジュール内部の各々の半導体の冷却効果が均一化されるが、排水口１０４が水冷ジャケット１００の下面側に設けられているで、例えば水冷ジャケット１００の下面側に平滑用のコンデンサ１０６を配置することができず、図１８に示すように、水冷ジャケット１００の側面側に平滑用コンデンサ１０６を配置する他はない。このため、電力変換装置の構成が大型化するという未解決の課題がある。【０００８】
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、半導体パワーモジュールを効率よく冷却しながら、全体の構成を小型化することができる電力変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置の第１の態様は、半導体パワーモジュールと、前記半導体パワーモジュールの一方の面側に配置され、当該半導体パワーモジュールを冷却する冷却体と、を備えている。そして、前記冷却体は、前記半導体パワーモジュール取付位置に対向して設けられた冷却媒体を通流し相対する長辺及び短辺を有するチャンバーと、該チャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、前記チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出する冷却媒体排出部と、前記チャンバーと前記冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出部との間に当該チャンバーの長辺に対向して形成した冷却媒体供給側液溜まり部及び冷却媒体排出側液溜まり部とを備えている。前記冷却媒体供給部は、前記チャンバーの一方の長辺に対向する冷却体端面における当該チャンバーの一方の短辺より外側位置から前記冷却媒体供給側液溜まり部に冷却媒体を供給する。
【００１０】
この構成によると、冷却媒体供給部がチャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を分散させて供給することができ、冷却媒体供給部から供給される冷却媒体がチャンバーの一方の短辺に沿って直接流れることがなく、チャンバーを短手方向通過した冷却媒体は対角側の冷却媒体排出部に流れる。このため、チャンバー内での冷却媒体の流速差を少なくし、且つ圧力損失を抑制し、半導体パワーモジュールに対して効率のよい冷却を行うことができる。
また、冷却媒体供給部でチャンバーの一方の長辺側に一方のチャンバーの短辺より外側から冷却媒体を供給するので、一方の短辺にのみ沿って冷却媒体が流れることを阻止して冷却媒体をチャンバーの一方の長辺側へ分散供給することができる。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置の第１の態様は、直流電力を平滑化するコンデンサと、該コンデンサの平滑化された直流電力を交流電力に変換する矩形状の半導体パワーモジュールと、一方の冷却面に前記半導体パワーモジュールを配置し、他方の冷却面に前記コンデンサを配置して、前記半導体パワーモジュール及び前記コンデンサを冷却する冷却体と、を備えている。そして、前記半導体パワーモジュールは、前記冷却体とは反対側の矩形面側における一方の長辺側に前記コンデンサとの間の電気的接続部を接続する接続端子を有し、前記冷却体は、一方の側縁に形成された切欠部で構成される前記電気的接続部を挿通する挿通部と、前記半導体パワーモジュールに対向し、且つ一方の長辺が前記挿通部に対向して冷却媒体を通流し、相対する長辺及び短辺を有するチャンバーと、該チャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、前記チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出する冷却媒体排出部と、前記チャンバーと前記冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出部との間に当該チャンバーの長辺と対向して前記チャンバーより深い深さで形成した冷却媒体供給側液溜まり部及び冷却媒体排出側液溜まり部とを有している。前記冷却媒体供給部は、前記チャンバーの一方の長辺に対向する冷却体端面における当該チャンバーの一方の短辺より外側位置から前記冷却媒体供給側液溜まり部に冷却媒体を供給し、前記冷却媒体排出部は、前記チャンバーの他方の長辺に対向する冷却体端面における前記冷却媒体供給部との対角位置に設けられ、当該チャンバーの他方の長辺側から冷却媒体を排出する。
【００１２】
この構成によると、冷却媒体供給部がチャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を分散させて供給することができ、冷却媒体供給部から供給される冷却媒体がチャンバーの一方の短辺に沿って直接流れることがなく、チャンバーを短手方向通過した冷却媒体は対角側の冷却媒体排出部に流れる。このため、チャンバー内での冷却媒体の流速差を少なくし、且つ圧力損失を抑制し、半導体パワーモジュールに対して効率のよい冷却を行うことができる。
また、冷却媒体供給部でチャンバーの一方の長辺側に一方のチャンバーの短辺より外側から冷却媒体を供給するので、一方の短辺にのみ沿って冷却媒体が流れることを阻止して冷却媒体をチャンバーの一方の長辺側へ分散供給することができる。
さらに、冷却体の一方の冷却面に半導体パワーモジュールを配置し、他方の冷却面に平滑用のコンデンサを配置し、冷却体にコンデンサ及び半導体パワーモジュールの端子間を接続する電気的接続部を挿通する挿通部が形成されているので、全体の構成を小型化することができる。
また、冷却媒体供給部からチャンバー内に分散されて供給された冷却媒体が他方の長辺側に達したときに、冷却媒体排出部で流路抵抗を変えずに集約して排出することができる。
【００１３】
また、本発明に係る電力変換装置の第２の態様は、前記冷却媒体供給部と前記冷却媒体供給側液溜まり部との間に、当該冷却媒体供給側液溜まり部の中央部に向かう供給用傾斜通路が設けられ、当該供給用傾斜通路の前記冷却媒体供給側液溜まり部側が幅広とされている。
この第３の態様によると、供給側傾斜通路によって、冷却媒体を冷却媒体供給側液溜まり部に斜めに供給することができ、圧力損失の大きい折れ曲がり通路部を無くして圧力損失を低減できると共に、チャンバーの長辺に沿う冷却媒体供給側液溜まり部で均一な冷却媒体流を形成することができる。
【００１４】
また、本発明に係る電力変換装置の第３の態様は、前記供給用傾斜通路は、前記冷却媒体供給部の内側側壁から前記冷却媒体供給側液溜まり部の中央部に向かう傾斜側壁と、該傾斜側壁と平行に延長する外側側壁と、該外側側壁と前記冷却媒体供給側液溜まり部の前記チャンバーの短辺の延長線上の側壁との交点から当該チャンバーの短辺に向かう側壁とで構成されている。
この第３の態様によると、供給用傾斜通路の外側側壁と側壁とがくの字状となるので、冷却媒体供給側液溜まり部に対して幅広形状で連通することができる。
【００１５】
また、本発明に係る電力変換装置の第４の態様は、前記冷却媒体排出部と前記冷却媒体排出側液溜まり部との間に、当該冷却媒体排出側液溜まり部の中央部から当該冷却媒体排出部に向かう排出側傾斜通路が設けられ、当該排出側傾斜通路の前記冷却媒体排出側液溜まり部側が幅広とされている。
この第４の態様によると、チャンバーの長辺から排出される冷却媒体が冷却媒体排出側液溜まり部に一旦収容され、その後に排出側傾斜通路を通じて冷却媒体排出部に排出されるので、圧力損失の大きい折れ曲がり流路部がなく圧力損失を低減できると共に、チャンバーの長辺に沿う冷却媒体供給側液溜まり部から均一な冷却媒体流で冷却媒体を排出することができる。
また、本発明に係る電力変換装置の第５の態様は、前記排出側傾斜通路は、前記冷却媒体排出側液溜まり部の中央部から前記冷却媒体排出部の内側側壁に向かう傾斜側壁と、前記冷却媒体排出部の外側側壁から前記傾斜側壁と平行に前記チャンバー及び前記冷却媒体排出側液溜まり部の側縁の延長線との交点まで延長する傾斜側壁と、該傾斜側壁の前記交点から前記冷却媒体排出側液溜まり部の側縁まで延長する側壁とで構成されている。
この第５の態様によると、外側の傾斜側壁と側壁とがくの字状に形成されているので、冷却媒体排出側液溜まり部と、排出側傾斜通路との連結部が幅広形状とすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る電力変換装置の第６の態様は、前記冷却体が、前記チャンバー内に複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が冷却媒体の通流方向に配列された構成を有する。
この第６の態様によると、チャンバー内に複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が配置されているので、冷却媒体との接触面積を広くして効率よく冷却を行うことができる。
【００１７】
また、本発明に係る電力変換装置の第７の態様は、前記冷却体が、前記チャンバーの前記半導体パワーモジュールとの対向面を開口し、前記半導体パワーモジュールは、前記チャンバーとの対向面に、当該チャンバー内に挿通される複数の冷却ピン及び複数のブレードの一方が冷却媒体の通流方向に配列されている。
この第７の態様によると、半導体パワーモジュールの底面に冷却ピン及びブレードの一方が形成され、これが冷却体のチャンバー内に挿通されているので、半導体パワーモジュールをより効率よく冷却することができる。
【００１８】
また、本発明に係る電力変換装置の第８の態様は、前記冷却体に固定され、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板を囲む第１の筐体を備え、該第１の筐体には、前記半導体パワーモジュールに形成された直流接続端子及び交流接続端子を外部機器に接続する外部接続端子が設けられている。
この第８の態様によると、冷却体に第１の筐体を固定し、この第１の筐体で半導体パワーモジュール及び実装基板を囲むので、半導体パワーモジュール及び実装基板を密閉することができ、防塵および防水効果を発揮することができ、自動車等に搭載することが可能となる。
【００１９】
また、本発明に係る電力変換装置の第９の態様は、前記第１の筐体が、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板の側面を囲み一方の開放端面が前記冷却体に固定された筒体と、該筒体の前記実装基板側の他方の開放端面を塞ぐ蓋体とで構成されている。
この第９の態様によると、第１の筐体が筒体と蓋体とで構成されているので、筒体の他端を開放した状態で、筒体を冷却体に固定することにより、半導体パワーモジュールと筒体に形成された外部接続端子との電気的接続を容易に行うことができる。そして、電気的接続が完了した時点で筒体の他端を蓋体で閉じて内部を密封する。
【００２０】
また、本発明に係る電力変換装置の第１０の態様は、前記冷却体に固定され、前記半導体パワーモジュール及び前記実装基板を囲む第１の筐体を備え、該第１の筐体には、前記半導体パワーモジュールに形成された直流接続端子及び交流接続端子を外部機器に接続する外部接続端子が設けられ、前記冷却体の前記第１の筐体とは反対側に連結された前記コンデンサを囲む第２の筐体を備えている。
この第１０の態様によると、前記冷却体に第１の筐体を固定し、この第１の筐体で半導体パワーモジュール及び実装基板を囲むので、半導体パワーモジュール及び実装基板を密閉することができ、防塵および防水効果を発揮することができ、自動車等に搭載することが可能となる。
また、コンデンサを第２の筐体で囲むので、第２の筐体を熱伝導率の高い材料で形成することにより、冷却体により第２の筐体を介してコンデンサの側面を冷却することができる。
【００２３】
また、本発明に係る電力変換装置の第１１の態様は、前記冷却体の冷却媒体排出部の近傍温度を検出する温度検出部を設けている。
この第１１の態様によると、冷却媒体排出部の近傍に温度検出部を設けるので、この温度検出部で検出した温度から半導体温度を推定し、より確実な半導体の過熱保護が可能となる。
【００２４】
また、本発明に係る電力変換装置の第１２の態様は、前記冷却体の冷却媒体供給部の近傍温度を検出する温度検出部を設けている。
この第１２の態様によると、冷却媒体供給部の近傍に温度検出部を設けるので、この温度検出部で検出した温度から半導体温度を推定し、より確実な半導体の過熱保護が可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、冷却媒体供給部によりチャンバーの長辺に対向する冷却体端部におけるチャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を分散させて供給するので、冷却媒体供給部から供給される冷却媒体がチャンバーの一方の短辺側に集中して流れることがなく、チャンバーの長辺の全域に亘って分散させて供給することができ、チャンバーを通過した冷却媒体は対角側の冷却媒体排出部に流れる。このため、チャンバー内での冷却媒体の流速差を少なくすると共に、圧力損失を抑制し、半導体パワーモジュールに対して効率のよい冷却を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電力変換装置の電気的構成を示す回路図である。
【図２】本発明に係る電力変換装置の主要部を示す側面図である。
【図３】図２の分解斜視図である。
【図４】半導体パワーモジュールの内部構成を示す透視図である。
【図５】半導体パワーモジュールの冷却ピンを示す底面側の斜視図である。
【図６】冷却体を示す平面図である。
【図７】図６の冷却体に半導体パワーモジュールを装着した状態の冷却ピン配置を仮想線で示す平面図である。
【図８】半導体パワーモジュールを装着した状態のチャンバーの部分断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態を示す冷却体平面図である。
【図１０】図９の冷却体に半導体パワーモジュールを装着した状態の冷却ピン配置を仮想線で示す平面図である。
【図１１】図９の冷却体に半導体パワーモジュールを装着した状態を透視状態で示す平面図である。
【図１２】本発明に係る電力変換装置の第３の実施形態を示す一部を断面とした側面図である。
【図１３】図１２の分解斜視図である。
【図１４】図１２の変形例を示す分解斜視図である。
【図１５】本発明に係る電力変換装置の第３の実施形態を示す分解斜視図である。
【図１６】半導体パワーモジュールの冷却フィンの変形例を示す底面側の斜視図である。
【図１７】従来例を示す分解斜視図である。
【図１８】従来例の組立て状態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面について説明する。
図１は電力変換装置の電気的構成を示す回路図、図２は本発明に係る電力変換装置の主要部を示す正面図、図２は図１の分解斜視図である。
電力変換装置１の電気的構成は、図１に示すように、バッテリ等の直流電源Ｖｂと、この直流電源Ｖｂの直流電力を平滑化する平滑用コンデンサＣと、コンデンサＣで平滑化された直流電力を３相交流電力に変換するインバータ部ＩＮとを備えている。
【００２８】
インバータ部ＩＮは、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に、半導体スイッチング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）ＵＴ及びＸＴの直列回路と、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）ＶＴ及びＹＴの直列回路と、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）ＷＴ及びＺＴの直列回路とが並列に接続されている。
【００２９】
各絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴのそれぞれと逆並列にフリーホイールダイオードＵＤ〜ＷＤ及びＸＤ〜ＺＤが接続されている。ここで、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ、ＶＴ及びＷＴとフリーホイールダイオードＵＤ、ＶＤ及びＷＤとで上アーム部ＵＡが構成されている。また、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＸＴ、ＹＴ及びＺＴとフリーホイールダイオードＸＤ、ＹＤ及びＺＤとで下アーム部ＤＡが構成されている。
【００３０】
そして、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）ＵＴ及びＸＴの接続点がＵ相交流出力端子ＴＵに接続され、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のＶＴ及びＹＴの接続点がＶ相交流出力端子ＴＶに接続され、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のＷＴ及びＺＴの接続点がＷ相交流出力端子ＴＷに接続されている。
【００３１】
一方、電力変換装置１の主要部の機械的構成は、図２及び図３に示すように、矩形上面を有する扁平な直方体のケース体２ａを有する前述した平滑用コンデンサＣを構成するコンデンサ２と、このコンデンサ２の上面に配置された冷却体３と、この冷却体３の上面に配置された前述したインバータ部ＩＮを構成する半導体パワーモジュール４と、この半導体パワーモジュール４上に載置された実装基板としてのプリント配線基板５とを備えている。
【００３２】
コンデンサ２は、ケース体２ａ内に例えばプラスチックフィルムを積層して形成したプラスチックフィルムコンデンサが内装されている。そして、図２に示すように、ケース体２ａの上面におけるＹ方向の両端面にそれぞれ雌ねじを形成した取付フランジ部２ｂ及び２ｃがＹ方向に突出形成されていると共に、上面における取付フランジ部２ｃ側のＸ方向の中央部に、正負極の外部接続端子板Ｐ及びＮが上方に延長して突出形成されている。
【００３３】
半導体パワーモジュール４は、図４及び図５に示すように、合成樹脂材で構成されたケース体４ａと、このケース体４ａの底面に配置された熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の高い金属材料で形成された冷却板部４ｂとを有する。このケース体４ａ内には、図４に示すように、前述したインバータ部ＩＮの上アーム部ＵＡを構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びフリーホイールダイオードＵＤ〜ＷＤと、下アーム部ＤＡを構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタＸＴ〜ＺＴ及びフリーホイールダイオードＸＤ〜ＺＤとを配置している。また、後述する冷却体３の冷却媒体排出部１５に対向する位置に温度センサＴＳが配置されている。
【００３４】
また、ケース体４ａの上面には、一方の長辺にコンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮが接続される直流入力端子ＴＰ及びＴＮが形成されていると共に、他方の長辺に交流出力端子ＴＵ、ＴＶ及びＴＷが形成されている。
ここで、上アーム部ＵＡを構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタＸＴ〜ＷＴは交流出力端子ＴＵ〜ＴＷ側に配置され、フリーホイールダイオードＵＤ〜ＷＤは直流入力端子ＴＰ及びＴＮ側に配置されている。一方、下アーム部ＤＡを構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタＸＴ〜ＺＴは直流入力端子ＴＰ及びＴＮ側に配置され、フリーホイールダイオードＸＤ〜ＺＤは交流出力端子ＴＵ〜ＴＷ側に配置されている。
【００３５】
さらに、冷却板部４ｂ下面には、図４及び図５に示すように、多数の冷却フィンとしての冷却ピン４ｃが形成されている。これら冷却ピン４ｃは、図４に示すように、ケース体４ａに内装された絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ、ＸＴ〜ＺＴ及びフリーホイールダイオードＵＤ〜ＷＤ、ＸＤ〜ＺＤの配置位置を囲む矩形領域に形成されている。
また、ケース体４ａの上下面の４隅には取付ねじ６を挿通する貫通孔７がそれぞれ形成されている。さらに、ケース体４ａの上面には、各貫通孔７の内側に４本の基板支持部８が突出形成されている。
【００３６】
プリント配線基板５は、半導体パワーモジュール４の基板支持部８の上面に載置し、４隅に形成された貫通孔９内に取付ねじ１０を挿通することによって基板支持部８上に固定されている。このプリント配線基板５には、半導体パワーモジュール４に内蔵されている各絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴのゲートに供給するゲート信号を形成する駆動回路、各絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴを制御する制御回路、駆動回路及び制御回路に電源を供給する電源回路等が実装されている。
【００３７】
冷却体３は、図６〜図８に示すように、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導率の高い金属材料で形成されたケース体１１を有する。このケース体１１には、上面中央部に、半導体パワーモジュール４の多数の冷却ピン４ｃを挿通する矩形の開口１２が形成されている。また、ケース体１１には、開口１２の内側に半導体パワーモジュール４の冷却ピン４ｃが挿通されて冷却媒体が通流される平面から見て相対する長辺ＬＳ１，ＬＳ２及び短辺ＳＳ１，ＳＳ２を有する矩形で扁平な直方体状の空間でなるチャンバー１３が形成されている。
【００３８】
さらに、ケース体１１には、チャンバー１３の一方の長辺ＬＳ１に対向する前端におけるチャンバー１３の一方の短辺ＳＳ２より外側位置にチャンバー１３の短辺ＳＳ２と平行な冷却媒体供給部１４が形成されている。すなわち、チャンバー１３の一方の長辺ＬＳ１とは直接対向しない短辺ＳＳ２の外側のケース体前端に冷却媒体供給部１４が形成されている。
【００３９】
また、ケース体１１には、チャンバー１３の他方の長辺ＬＳ２に対向する後端における他方の短辺ＳＳ１より外側位置にチャンバー１３の短辺ＳＳ１と平行な冷却媒体通路１５ａを有する冷却媒体排出部１５が形成されている。すなわち、チャンバー１３の他方の長辺ＬＳ２とは直接対向しない短辺ＳＳ１の外側のケース体後端に冷却媒体供給部１４が形成されている。つまり、冷却媒体供給部１４及び冷却媒体排出部１５は、チャンバー１３の対角位置の外側となる前端及び後端に形成されている。
【００４０】
ここで、冷却媒体としては、電力変換装置１を自動車に搭載する場合には、冷却媒体供給源としてのラジエータから供給される不凍液等の冷却水でなる液体冷媒が適用され、冷却媒体供給部１４及び冷却媒体排出部１５がそれぞれラジエータや冷媒循環ポンプ等に接続されている。電力変換装置１を他の装置に搭載する場合には、冷却媒体供給部１４及び冷却媒体排出部１５を任意の冷却媒体供給源に接続する。
【００４１】
また、ケース体１１内には、チャンバー１３の両長辺に対向する位置に冷却媒体供給側液溜まり部となる供給側マニホールド部１６と冷却媒体排出側液溜まり部となる排出側マニホールド部１７が形成されている。
そして、供給側マニホールド部１６は、冷却媒体通路１８を通じて冷却媒体供給部１４に連結されている。この冷却媒体通路１８は、冷却媒体供給部１４に連結されてケース体１１に沿って延長する直線部１８ａと、この直線部１８ａの供給側マニホールド部１６に対向する端部から直角に折れ曲がって供給側マニホールド部１６に達する直線部１８ｂとを有する。
【００４２】
また、排出側マニホールド部１７は、冷却媒体通路１９を通じて冷却媒体排出部１５に連結されている。冷却媒体通路１９は、冷却媒体排出部１５に連結されてケース体１１に沿って延長する直線部１９ａと、この直線部１９ａの排出側マニホールド部１７に対向する端部から直角に折れ曲がって排出側マニホールド部１７に達する直線部１９ｂとを有する。
【００４３】
ここで、チャンバー１３の深さは、図８に示すように、半導体パワーモジュール４に形成された冷却ピン４ｃの突出長さより僅かに深いか同程度に形成され、半導体パワーモジュール４を冷却体３に装着した際に、チャンバー１３の底部の流路抵抗が小さくなりすぎないようにしている。
また、供給側マニホールド部１６は、図８に示すように、チャンバー１３の深さより深く形成され、チャンバー１３より下側で冷却媒体通路１８と連結されている。排出側マニホールド部１７についても図示しないが図８と同様に、チャンバー１３の深さより深く形成され、チャンバー１３より下側で冷却媒体通路１９と連結されている。
【００４４】
さらに、ケース体１１の上面には、図８に示すように、開口１２の周囲に環状溝２０が形成され、この環状溝２０内にＯリング２１が挿入され、このＯリング２１によって冷却媒体の開口１２からの漏出を防止している。そして、ケース体１１の開口１２の４隅に対応する環状溝２０の外側に雌ねじ部２２が形成されている。
また、ケース体１１のチャンバー１３の長辺ＬＳ２に対向するＹ方向後端部には、図７に示すように、コンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮを挿通する挿通部としての切欠部２３が前方に延長して形成されている。さらに、ケース体１１のＹ方向前端及び後端には、コンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃに対向する位置に挿通孔２４ａを形成した取付フランジ部２４ｂ及び２４ｃが形成されている。
【００４５】
そして、コンデンサ２と冷却体３とを、コンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃに冷却体３の取付フランジ部２４ｂ及び２４ｃを接触させた状態で、取付ねじ２５で固定する。
また、冷却体３と半導体パワーモジュール４とは、冷却体３の開口１２に半導体パワーモジュール４の冷却ピン４ｃを挿通して冷却体３の上面に半導体パワーモジュール４の下面を接触させた状態で、取付ねじ６を半導体パワーモジュール４の貫通孔７を通じて冷却体３の雌ねじ部２２に螺合させて締付けることにより固定される。
【００４６】
次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
先ず、電力変換装置１の主要部を組み立てるには、先ず、コンデンサ２上に冷却体３をコンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮが冷却体３の切欠部２３を通じて上方に突出するように載置する。そして、コンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃに冷却体３の取付フランジ部２３ｂ及び２３ｃを重ね合わせた状態で、上方から取付ねじ２５を冷却体３の挿通孔２３ａを通じてコンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃに形成された雌ねじ部２ｄに螺合して締め付ける。これにより、コンデンサ２の上面が冷却体３の下面に密着されて固定される。
【００４７】
次いで、又はその前に、冷却体３の上面に半導体パワーモジュール４を、その交流出力端子ＴＵ〜ＴＷ側を供給側マニホールド部１６側とし、直流入力端子ＴＰ及びＴＮ側を排出側マニホールド部１７側とし、さらに冷却ピン４ｃが冷却体３の開口１２を通じてチャンバー１３内に挿通されるように載置する。この状態で、半導体パワーモジュール４の上方から取付ねじ６を半導体パワーモジュール４の貫通孔７を通じて冷却体３に形成した雌ねじ部２２に螺合させて締め付ける。これにより、冷却体３の環状溝２０に挿通されたＯリング２１が半導体パワーモジュール４の下面によって押圧されて変形し、冷却体３の開口１２からの冷却媒体の漏出を防止する。
【００４８】
そして、コンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮを、導電板ＣＰを介して半導体パワーモジュール４の直流入力端子ＴＰ及びＴＮにねじ止めする。
その後又はその前に、半導体パワーモジュール４の上面に形成した基板支持部８に、半導体パワーモジュール４に内装されたインバータ部ＩＮの各絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴを駆動制御する電源回路、制御回路及び駆動回路を実装したプリント配線基板５を取付ねじ１０によって固定する。このとき、半導体パワーモジュール４の各絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴのゲートとプリント配線基板５に実装された駆動回路とを図示しない接続端子によって電気的に接続する。
【００４９】
以上によって、図２に示すように、電力変換装置１の主要部が構成される。
そして、電力変換装置１の収容部の半導体パワーモジュール４の直流入力端子ＴＰ及びＴＮをバッテリ等の直流電源Ｖｂに接続し、半導体パワーモジュール４の交流出力端子ＴＵ〜ＴＷを例えば自動車を駆動する電動モータに接続する。
また、冷却体３の冷却媒体供給部１４及び冷却媒体排出部１５をラジエータや冷媒循環ポンプ等の冷却媒体供給源に接続する。
【００５０】
この状態で、直流電源Ｖｂの直流電力を平滑用のコンデンサ２で平滑化することができ、この平滑化された直流電力を半導体パワーモジュール４に内装されたインバータ部ＩＮに供給する。そして、プリント配線基板５に実装した電源回路、制御回路及び駆動回路によって、半導体パワーモジュール４に内装された絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴを駆動制御することにより、半導体パワーモジュール４の交流出力端子ＴＵ〜ＴＷから出力される三相交流電力が電動モータに供給されて、電動モータが回転駆動される。
【００５１】
また、電動モータを使用して回生制動する場合には、電動モータで発電される交流電力をインバータ部ＩＮに供給し、このインバータ部ＩＮを制御回路でコンバータとして制御することにより、直流電力に変換して直流電源Ｖｂに回生することができる。
このように、半導体パワーモジュール４の絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴを駆動することにより、これら絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴで発熱することになる。
【００５２】
しかしながら、半導体パワーモジュール４の底面に形成された冷却ピン４ｃが冷却体３のチャンバー１３内に挿通されている。このチャンバー１３は、供給側マニホールド部１６及び冷却媒体通路１８を介して冷却媒体供給部１４に連結されている。
このため、冷却体３の冷却媒体供給部１４に供給される冷却媒体は冷却媒体通路１８を通じて供給側マニホールド部１６に供給され、この供給側マニホールド部１６で冷却媒体を一旦液溜めてからチャンバー１３の長辺の全域に冷却媒体が供給される。
【００５３】
すなわち、チャンバー１３内では半導体パワーモジュール４の底面に形成された多数の冷却ピン４ｃが挿通されているので流路抵抗が大きい。このため、冷却媒体供給部１４から冷却媒体通路１８を通じて供給側マニホールド部１６に供給された冷却媒体は、供給側マニホールド部１６の全域に冷却媒体が行き渡って供給側マニホールド部１６の全体の圧力が高まってからチャンバー１３の長辺側に冷却媒体が供給される。したがって、チャンバー１３の長辺の全域で略等しい流量と流速で冷却媒体が供給され、この冷却媒体がチャンバー１３の短手方向へ流れる。
【００５４】
この結果、チャンバー１３内で冷却媒体の流速が偏ることなく、略等しい流速でチャンバー１３内を冷却媒体が通過する。このため、半導体パワーモジュール４の冷却ピン４ｃを効率よく冷却することができ、半導体パワーモジュール４の各絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴの冷却を効率よく行うことができる。したがって、半導体パワーモジュール４の温度上昇を効率よく抑えることができる。
これと同時に、コンデンサ２の上面が冷却体３に直接接触されているので、コンデンサ２の発熱も冷却することができる。
そして、チャンバー１３から排出される冷却媒体は一旦排出側マニホールド部１７に液溜めされてから冷却媒体通路１９を通って冷却媒体排出部１５から冷却媒体供給源に戻される。
【００５５】
このように、上記第１の実施形態によると、冷却体３で、半導体パワーモジュール４の冷却ピン４ｃを挿通するチャンバー１３の一方の長辺側における一方の短辺側より外側に冷却媒体供給部１４を配置し、この冷却媒体供給部１４に供給される冷却媒体をチャンバー１３内に一方の長辺側から供給し、他方の長辺側から排出される冷却媒体を冷却媒体供給部１４とはチャンバー１３を挟んで対角位置に配置した冷却媒体排出部１５から排出する。このため、冷却媒体がチャンバー１３の一方の長辺側から他方の長辺側へすなわち短手方向へ流れることになり、チャンバー１３内での冷却媒体の流速を長手方向の全域で均一化することができる。したがって、チャンバー１３によって半導体スイッチング素子を内装した半導体パワーモジュール４を効率よく冷却することができる。
【００５６】
しかも、冷却体３は、冷却媒体供給部１４及び冷却媒体排出部１５が２次元平面上の前端及び後端の対角位置に配置され、冷却体３の上下面に突出部が形成されないので、冷却体３の一方の面に半導体パワーモジュール４を、他方の面に平滑用のコンデンサ２を配置することができ、１つの冷却体３で半導体パワーモジュール４及びコンデンサ２の双方を効率よく冷却することができる。
【００５７】
.  さらに、半導体パワーモジュール４の絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ、ＸＴ〜ＺＴ及びフリーホイールダイオードＵＤ〜ＷＤ、ＸＤ〜ＺＤに対向して配置された冷却ピン４ｃが冷却体３のチャンバー１３内に直接浸漬されている。このため、冷却ピン４ｃを直接冷却媒体で冷却できると共に、冷却部位の表面積を大きくすることができる。したがって、半導体パワーモジュール４をより効率よく冷却することができる。
【００５８】
また、冷却体３のチャンバー１３の一方の長辺側に冷却媒体供給側液溜まり部となる供給側マニホールド部１６を配置し、チャンバー１３の他方の長辺側に冷却媒体排出側液溜まり部となる排出側マニホールド部１７を配置している。このため、供給側マニホールド部１６で冷却媒体を一旦貯留することができ、チャンバー１３の長辺方向でより均一な流速で冷却媒体を供給することができる。また、チャンバー１３の排出側でも排出側マニホールド部１７でチャンバー１３の長辺方向から流出する冷却媒体を一旦貯留するので、チャンバー１３の排出側で部分的に流路抵抗が大きくなることを防止して、冷却媒体の排出を円滑に行うことができる。
【００５９】
また、コンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮを冷却体３の後端側に形成した切欠部２３を通じて上方に突出させ、外部接続端子板Ｐ及びＮと半導体パワーモジュール４の直流入力端子ＴＰ及びＴＮとを近接させることができ、コンデンサ２と半導体パワーモジュール４との間の電気配線の長さを低減でき、配線インダクタンスの低減が可能になる。これにより、半導体パワーモジュール４に内蔵される絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴがオフ状態となって電流を遮断する際に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴに生じるスパイク電圧の大きさを低減することができる。したがって、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＵＴ〜ＷＴ及びＸＴ〜ＺＴを過電圧保護するためのスナバー回路の大きさの低減、あるいはスナバー回路を省略することが可能となり、装置全体の小型化に寄与することができる。
【００６０】
また、冷却媒体による冷却方式を再使用した電力変換装置において、冷却媒体の温度Ｔｗ（℃）に対する半導体の温度上昇幅ΔＴｊ−ｗ（Ｋ）は、前述した非特許文献１に記載されているように、冷却媒体と半導体との間に存在する部材の熱抵抗Ｒｊ−ｗ（Ｋ／Ｗ）によって決まり、半導体温度Ｔｊ（℃）は、半導体の損失をＰ（Ｗ）とすると、以下の数式で表せる。
Ｔｊ（℃）＝ΔＴｊ−ｗ（Ｋ）＋Ｔｗ（℃）
＝Ｒｊ−ｗ（Ｋ／Ｗ）×Ｐ（Ｗ）＋Ｔｗ（℃）
【００６１】
この関係を用いて、電力変換装置の破壊を防ぐ目的で、半導体温度Ｔｊ（℃）を推定することにより、電力変換装置を構成する半導体の過熱保護を行う手法が知られている。半導体の温度推定手法としては、例えば特許第３０７５３０３号公報に記載されているように、予め熱抵抗Ｒｊ−ｗを装置のマイクロコンピュータ等で記憶しておき、マイクロコンピュータで、電力変換装置の運転状況に応じて半導体損失Ｐ（Ｗ）を計算して、上記式に基づき、半導体の温度上昇幅ΔＴｊ−ｗ（Ｋ）を計算する。
【００６２】
次いで、基準となる冷却媒体の温度Ｔｗ（Ｋ）を検出し、計算した温度上昇幅ΔＴｊ−ｗ（Ｋ）に検出した温度Ｔｗ（Ｋ）を加算することにより、半導体温度Ｔｊ（Ｋ）を推定する。この場合、基準となる温度Ｔｗ（Ｋ）は、温度検出素子であるサーミスタ等で検出した値であるが、その値が推定する温度Ｔｊの基準となるため、冷却媒体の温度の検出は、重要な要素となる。
【００６３】
さて、前記冷却媒体の冷却方式を採用した電力変換装置では、前記非特許文献１にも記載されているように、冷却媒体の供給口よりも排出口の方が冷却媒体の温度Ｔｗが高くなる。しかるに、冷却媒体の温度Ｔｗ（Ｋ）を検出するサーミスタ等の温度検出素子を冷却媒体の排出口付近に設けて、排出口付近の冷却媒体の温度Ｔｗ（Ｋ）を検出し、その検出値を基に、上述の式や推定方法で半導体温度を推定することで、より確実な半導体の過熱保護が可能となる。
【００６４】
なお、サーミスタ等の温度センサＴＳは、図４に示したように、半導体パワーモジュール内部に備え付けてもよいし、図示しないが、冷却媒体排出口近傍の冷却体３の表面等に備え付けてもよい。冷却媒体方式を用いた半導体電力変換装置では、半導体の発熱は、例えば図７において、半導体パワーモジュール４の短手方向や長手方向の平面的に伝わる熱量よりも、奥行き方向（図では、紙面の表から裏に向かう方向が奥行き方向に相当）に伝わる熱量が圧倒的に大きい。これは冷却媒体と半導体との間の奥行き方向の熱抵抗が平面方向の熱抵抗に比べて十分小さいためである。したがって、半導体パワーモジュール４内部に温度センサを備え付けたとしても、ある程度、半導体から離れていれば、半導体の発熱に影響されずに、冷却媒体の温度を測定することが可能になり、さらには、確実な半導体の温度推定、ひいては、電力変換装置の過熱保護を確実に行うことが可能となる。
【００６５】
なお、これまでは、冷却媒体排出口近傍に温度検出素子を設けることを前提に説明をしてきた。しかし，前式において，半導体の温度推定に用いる熱抵抗Ｒｊ−ｗが、冷却媒体の供給部の温度に対する熱抵抗として定義される場合もある。この場合は、冷却媒体排出口近傍よりもむしろ供給口付近に温度検出素子を設け、検出した冷媒温度を元に前式を用いて半導体温度を推定しても良い。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態を図９〜図１１について説明する。
この第２の実施形態は、冷却体のチャンバーへの冷却媒体の流入出を円滑に行うようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、冷却体３が前述した第１の実施形態における図６及び図７の構成において、冷却媒体供給部１４及び供給側マニホールド部１６間のＬ字状の冷却媒体通路１８に代えて冷却媒体供給部１４から供給される冷却媒体をチャンバー１３の中央部近傍に向けて供給する供給側傾斜通路３１が適用されている。
【００６７】
同様に、冷却媒体排出部１５及び排出側マニホールド部１７間のＬ字状の冷却媒体通路１９に代えて排出側マニホールド部１７から排出される冷却媒体をチャンバー１３の中央部近傍から冷却媒体排出部１５に向けて排出する排出側傾斜通路３２が適用されている。供給側傾斜通路３１及び排出側傾斜通路３２はチャンバー１３の中央位置で点対象に配置されている。
【００６８】
ここで、供給側傾斜通路３１は、内側側壁が冷却媒体供給部１４の内側側壁から供給側マニホールド部１６に向かう直線状の傾斜側壁３１ａとして形成されている。また、供給側傾斜通路３１の反対側の外側側壁は冷却媒体供給部１４の外側側壁からチャンバー１３及び供給側マニホールド部１６の右端側壁の延長線との交点まで傾斜側壁３１ａと平行に直線状に延長する傾斜側壁３１ｂと、この交点からチャンバー１３の右側短辺に向かう直線状の側壁３１ｃとでくの字状に形成されている。
【００６９】
したがって、冷却媒体供給部１４から供給される冷却媒体が供給側傾斜通路３１を通って供給側マニホールド部１６に供給されるが、供給側マニホールド部１６の近傍で供給側傾斜通路３１が幅広となる。このため、冷却媒体を供給側マニホールド部１６に広範囲に供給することができると共に、供給側マニホールド部１６の右端側にも冷却媒体を確実に供給することができる。
【００７０】
このとき、供給側傾斜通路３１が傾斜しており、前述した第１の実施形態のように冷却媒体通路１８がＬ字状に屈曲している場合のように圧力損失の大きい折れ曲がり流路部を形成する必要がないので、冷却媒体の圧力損失を大幅に軽減して冷却媒体を供給側マニホールド部１６へ円滑に供給することができる。
同様に、排出側傾斜通路３２は、内側側壁が排出側マニホールド部１７から冷却媒体排出部１５の内側側壁に向かう直線状の傾斜側壁３２ａとして形成されている。また、排出側傾斜通路３２の反対側の外側側壁は冷却媒体排出部１５の外側側壁からチャンバー１３及び供給側マニホールド部１６の左端側壁の延長線との交点まで傾斜側壁３２ａと平行に直線状に延長する傾斜側壁３２ｂと、この交点からチャンバー１３の左側短辺に向かう直線状の側壁３２ｃとでくの字状に形成されている。
【００７１】
したがって、排出側傾斜通路３２は排出側マニホールド部１７には幅広の開口部で連結しているので、排出側マニホールド部１７の左端側で冷却媒体が滞留することなく、排出側マニホールド部１７から冷却媒体を冷却媒体排出部１５に円滑に排出することができる。
このとき、排出側傾斜通路３２が傾斜しており、前述した第１の実施形態のように冷却媒体通路１９がＬ字状に屈曲している場合のように圧力損失の大きい折れ曲がり流路部を形成する必要がないので、冷却媒体の圧力損失を大幅に軽減して排出側マニホールド部１７から冷却媒体排出部１５への冷却媒体の排出を円滑に行うことができる。
【００７２】
このように、上記第２の実施形態によると、前述した第１の実施形態効果に加えて、冷却媒体供給部１４及び供給側マニホールド部１６間に供給側傾斜通路３１が形成されているので、圧力損失が大きい折れ曲がり通路がなく、冷却媒体を供給側マニホールド部１６に円滑に供給することができる。
同様に、排出側マニホールド部１７及び冷却媒体排出部１５間に排出側傾斜通路３２が形成されているので、圧力損失の大きい折れ曲がり流路部がなく圧力損失を低減することができ、排出側マニホールド部１７からの冷却媒体の排出を円滑に行うことができる。
このように、冷却媒体の供給側及び排出側流路の圧力損失を低減することができるので、冷却媒体を供給する冷却媒体供給源の冷媒循環用ポンプの冷媒循環能力を低下させることが可能となる。
【００７３】
また、前述した図１７に記載した従来例のようにピン−フィン挿通領域１０２の長手方向の中央部に給水口１０３及び排水口１０４を設ける場合には、ピン−フィン挿通領域１０２の長手方向の中央部の流速は速くなり、左右両側の流速は遅くなる傾向となる。これに対し、第２の実施形態では、供給側傾斜通路３１及び排出側傾斜通路３２を形成しているので、チャンバー１３の中央に向かう流速を抑制することができ、チャンバー１３内の流速分布をより均一化することができる。
【００７４】
なお、上記第２の実施形態においては、冷却媒体供給部１４と供給側傾斜通路３１との間の連結部や外側側壁の傾斜側壁３１ｂ及び側壁３１ｃの連結部が角張っている場合について説明したが、各角部にＲ面取りを行うことにより、より圧力損失を低減することができる。同様に、排出側傾斜通路３２と冷却媒体排出部１５との間の連結部や外側側壁の傾斜側壁３２ｂ及び側壁３２ｃの連結部の各角度部Ｒ面取りを行うことにより、より圧力損失を低減することができる。
また、上記第２の実施形態においては、供給側傾斜通路３１及び排出側傾斜通路３２が直線状に形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、湾曲形状に形成するようにしてもよい。
【００７５】
次に、本発明の第３の実施形態を図１２及び図１３について説明する。
この第３の実施形態は、半導体パワーモジュール４を第１の筐体で覆うようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、図１２及び図１３に示すように、冷却体３の上面に第１の筐体４１が半導体パワーモジュール４及びプリント配線基板５を覆うように配置されている。
【００７６】
この第１の筐体４１は、冷却体３に対向する下端面を開放した箱状に形成されている。第１の筐体４１の左右の側板部４１ａ及び４１ｂには、冷却体３の取付フランジ部２４ｂ及び２４ｃに対向する下端位置に、貫通孔４１ｃを形成した取付フランジ部４１ｄ及び４１ｅが形成されている。また、第１の筐体４１の左右の側板部４１ａ及び４１ｂの上下方向の中央位置には交流コネクタ４２及び直流コネクタ４３が配設されている。
【００７７】
また、冷却体３には、排出側マニホールド部１７の後方側にコンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮを挿通する端子板挿通孔２４ｄがケース体１１を貫通して形成されている。そして、コンデンサ２が、冷却体３の端子板挿通孔２４ｄ内に外部接続端子板Ｐ及びＮを挿通してその先端を冷却体３の上面から突出させて半導体パワーモジュール４の直流入力端子ＴＰ及びＴＮと対向させた状態で、コンデンサ２の上面外周部に配置したシール部材を介して冷却体３の下面に密着配置される。
【００７８】
また、第１の筐体４１の交流コネクタ４２は、半導体パワーモジュール４の交流出力端子ＴＵ、ＴＶ及びＴＷに３本の接続ケーブル４４ａで接続されている。また、直流コネクタ４３は、半導体パワーモジュール４の直流入力端子ＴＰ及びＴＮに個別に導電板ＣＰで接続されたコンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮに２本の接続ケーブル４４ｂで接続されている。
【００７９】
そして、第１の筐体４１を冷却体３の上面に図示しないシール部材を介在させて載置する。この状態で、取付フランジ部４１ｄ及び４１ｅの上方から取付ねじ２５を貫通孔４１ｃに挿通して冷却体３の挿通孔２４ａを通じてコンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃの雌ねじ部２ｄに螺合させて締め付けることにより、第１の筐体４１をその内部を密封状態で冷却体３に固定すると共に、コンデンサ２をその外周部をシール部材でシールして密封状態で冷却体３に固定する。
【００８０】
この第３の実施形態によると、半導体パワーモジュール４及びプリント配線基板５が第１の筐体４１によって密封状態で覆われているので、防塵及び防水効果を発揮することができ、自動車等に搭載することが可能となる。このとき、冷却体３の下面側にコンデンサ２が外周部にシール材を介して密着配置され、コンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮが冷却体３の端子板挿通孔２４ｄを通って、冷却体３の第１の筐体４１内の上面側に突出される。このため、冷却体３の下面側にコンデンサ２をシール部材を介して配置し、冷却体３の上面側に第１の筐体４１を、同様にシール部材を介して配置する。そして、第１の筐体４１取付ねじ２５でコンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃに固定することにより、第１の筐体４１の内部が密封状態となる。
【００８１】
このため、第１の筐体４１内部の空気も冷却体３によって冷却され、半導体パワーモジュール４及びプリント配線基板５を第１の筐体４１内で外部からも冷却することができ、冷却効率をより向上させることができる。
このとき、プリント配線基板５と冷却体３とを結ぶアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の高い材料で形成された連結部材を配置することにより、プリント配線基板５に配置された発熱回路部品を冷却することができる。このため、プリント配線基板５をより効率良く冷却することができる。
【００８２】
なお、上記第３の実施形態においては、半導体パワーモジュール４及びプリント配線基板５を囲む第１の筐体４１を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１４に示すように、コンデンサ２の側面及び底面に密着して覆う第２の筐体５１を設けるようにしてもよい。
この場合、第２の筐体５１は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の高い金属材料で、コンデンサ２に対向する上面を開放した箱状に形成されている。この第２の筐体５１は、左右の側板部５１ａ及び５１ｂに、コンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃを格納するフランジ格納部５１ｃ及び５１ｄが形成されている。これらフランジ格納部５１ｃ及び５１ｄには底部に雌ねじ部５１ｅが形成されている。また、第２の筐体５１は、前後の側板部５１ｆ及び５１ｇの外面における下部側に取付フランジ部５１ｈ及び５１ｉが形成されている。
【００８３】
そして、第２の筐体５１の開放上面からコンデンサ２を挿入し、フランジ格納部５１ｃ及び５１ｄにコンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃを格納する。この状態で、コンデンサ２の上面に冷却体３を載置する。その後又はその前に、この冷却体３の開口１２内に冷却ピン４ｃを挿通して半導体パワーモジュール４を載置し、その後又はその前に半導体パワーモジュール４の上面側にプリント配線基板５を載置する。
【００８４】
最後に、冷却体３の上面に第１の筐体４１を半導体パワーモジュール４及びプリント配線基板５を覆い且つシール部材を介して配置して、第１の筐体４１の取付フランジ部４１ｄ及び４１ｅの貫通孔４１ｃに上面から取付ねじ２５を挿通する。この取付ねじ２５を冷却体３の取付フランジ部２４ｂ及び２４ｃの挿通孔２４ａを通り、コンデンサ２の取付フランジ部２ｂ及び２ｃの貫通孔２ｄを通って第２の筐体５１のフランジ格納部５１ｃ及び５１ｄの雌ねじ部５１ｅに螺合させて締め付けることにより、第２の筐体５１、コンデンサ２、冷却体３及び第１の筐体４１を一体に固定して電力変換装置１を構成する。
【００８５】
この構成によると、コンデンサ２を冷却体に固定した熱伝導率の高い金属材料で形成された第２の筐体５１内に密着状態で配置するので、コンデンサ２の上面だけでなく、側面及び底面を第２の筐体５１で冷却することができ、コンデンサ２をより効率よく冷却することができる。
【００８６】
次に、本発明の第４の実施形態を図１５について説明する。
この第４の実施形態は、冷却体と第１の筐体の一部とを一体化するようにしたものである。
すなわち、第４の実施形態では、冷却体３に、前述した第１の筐体４１の一部を構成する角筒体４５を例えばアルミダイキャストや鋳造等によって一体に形成している。この角筒体４５の左右側面の上端部に取付フランジ部４５ａ及び４５ｂが突出形成されている。これら取付フランジ部４５ａ及び４５ｂにはそれぞれ雌ねじ部４５ｃが形成されている。
【００８７】
また、角筒体４５の上端を閉塞するように蓋体４６が着脱可能に設けられている。この蓋体４６は、左右端部における角筒体４５の取付フランジ部４５ａ及び４５ｂに対向する位置に取付フランジ部４６ａ及び４６ｂが形成されている。これら取付フランジ部４６ａ及び４６ｂには、それぞれ上下に貫通する貫通孔４６ｃが形成されている。
そして、角筒体４５の上面に図示しないシール部材を介して蓋体４６を載置する。この状態で、蓋体４６の取付フランジ部４６ａ及び４６ｂの上方から取付ねじ４７を貫通孔４６ｃを通じて角筒体４５の取付フランジ部４５ａ及び４５ｂの雌ねじ部４５ｃに螺合させて締め付けて蓋体４６を角筒体４５に固定する。
【００８８】
この第４の実施形態によると、冷却体３に直接設けた角筒体４５の上端を開放した状態で、冷却体３の下端側にコンデンサ２をその側面を密着させて収納した第２の筐体５１を装着する。この第２の筐体５１の装着は、コンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮを冷却体３の角孔２６内に挿通して先端を冷却体３の上面に突出させた状態で、取付ねじ２５によって冷却体３及び第２の筐体５１を固定する。
【００８９】
そして、冷却体３の上面に半導体パワーモジュール４をその冷却ピン４ｃを冷却体３の開口１２を介してチャンバー１３内に挿通して載置し、この半導体パワーモジュール４を冷却体３に取付ねじ６によって固定する。その後又はその前に半導体パワーモジュール４上にプリント配線基板５を取付ねじ１０によって固定する。
次いで、コンデンサ２の外部接続端子板Ｐ及びＮと、半導体パワーモジュール４の直流入力端子ＴＰ及びＴＮ及び角筒体４５に設けた直流コネクタ４３とを電気的に接続すると共に、半導体パワーモジュール４の交流出力端子ＴＵ、ＴＶ及びＴＷと角筒体４５に設けた交流コネクタ４２とを電気的に接続する。
【００９０】
最後に、角筒体４５の上端に図示しないシール部材を介して蓋体４６を載置し、取付ねじ４７によって固定する。
この第４の実施形態によると、冷却体３に角筒体４５が一体に形成されているので、この角筒体４５がヒートシンクとして作用することになり、この角筒体４５及び蓋体４６で構成される第１の筐体４１内に密封される空気を効率よく冷却することができ、発熱回路部品を実装したプリント配線基板５を冷却することができる。
【００９１】
また、冷却体３に第１の筐体４１の一部を構成する角筒体４５を一体に形成したので、第１の筐体４１を単独で構成する場合に比較して、第１の筐体４１を容易に構成することができる。
なお、上記第１〜第４の実施形態においては、半導体パワーモジュール４に冷却ピン４ｃを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１６に示すように、チャンバー１３の一方の長辺側から他方の長辺側に向かう冷却ブレード６１を平行に配置するようにしてもよい。
【００９２】
また、上記第１〜第４の実施形態においては、半導体パワーモジュール４上に配置するプリント配線基板５が１枚である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、実装する回路部品数が多い場合には、２枚或いは３枚以上のプリント配線基板を所定間隔を保って配置するようにしてもよい。この場合、例えば駆動回路を構成する回路部品を実装した駆動回路基板、制御回路を構成する回路部品を実装した制御回路基板及び電源回路を構成する回路部品を実装した電源回路基板の３枚を、所定間隔を保って配置する。そして、発熱回路部品を実装する制御回路基板及び電源回路基板については冷却体３に固定したアルミニウム、アルミニウム合金、銅等の熱伝導率の高い金属材料で形成した伝熱支持板部で伝熱部材を介して支持する。そして、伝熱支持板部を、冷却体３の上面に固定した伝熱支持側板部で支持することにより、伝熱部材、伝熱支持板部及び伝熱支持板部を経由する放熱経路を構成することが好ましい。
【００９３】
また、上記第１〜第４の実施形態においては、冷却体３の左端側に冷却媒体供給部１４を設け、右端側に冷却媒体排出部１５を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、冷却媒体供給部１４を冷却媒体排出部１５とし、冷却媒体排出部１５を冷却媒体供給部１４として逆関係に配置するようにしてもよい。さらには、冷却媒体供給部１４及び冷却媒体排出部１５をチャンバー１３の中心を通るＹ軸に平行な線に対して線対称に配置するようにしてもよい。要は、冷却媒体供給部１４及び冷却媒体排出部１５がチャンバー１３に対して対角位置に配置されていればよいものである。
【００９４】
また、上記第１〜第４の実施形態においては、半導体パワーモジュール４に冷却ピン４ｃ又は冷却ブレード６１を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、冷却ピン又は冷却ブレードを省略すると共に、冷却体３の開口１２を省略して、半導体パワーモジュール４のケース体４ａを直接冷却体３に接触させるようにしてもよい。さらには、チャンバー１３内に冷却ピン又は冷却ブレードを開口１２の上面と等しいか又はこれより僅かに突出させて設置し、これら冷却ピン又は冷却ブレードに半導体パワーモジュール４の底面を接触させるようにしてもよい。
【００９５】
また、上記第１〜第４の実施形態においては、冷却体３に形成したチャンバー１３が平面から見て矩形である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、長辺ＬＳ１，ＬＳ２及び短辺ＳＳ１，ＳＳ２は必ずしも直線とする必要はなく円弧状、三角波状や波形状等の任意形状を適用することができる。また、平面形状も矩形以外に平行四辺形、菱形等に形成することができる。
また、上記第１〜第４の実施形態においては、冷却冷媒として、液体冷媒を適用した場合について説明したが、気体冷媒を適用するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明によれば、冷却媒体供給部によりチャンバーの長辺に対向する冷却体端部におけるチャンバーの一方の長辺側に冷却媒体を分散させて供給するので、チャンバー内での冷却媒体の流速差を少なくすると共に、圧力損失を抑制し、半導体パワーモジュールに対して効率のよい冷却を行うことができ、小型化された電力変換装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１…電力変換装置、２…コンデンサ、３…冷却体、４…半導体パワーモジュール、４ｃ…冷却ピン、５…プリント配線基板、１１…ケース体、１２…開口、１３…チャンバー、１４…冷却媒体供給部、１５…冷却媒体排出部、１６…供給側マニホールド部（冷却媒体供給側液溜まり部）、１７…排出側マニホールド部（冷却媒体排出側液溜まり部）、１８，１９…流体通路、３１…供給側傾斜通路、３２…排出側傾斜通路、４１…第１の筐体、４２…交流コネクタ、４３…直流コネクタ、４５…角筒体、４５…蓋体、５１…第２の筐体、６１…冷却ブレード
【図１】
0005962752.tif 000002
【図２】
0005962752.tif 000003
【図３】
0005962752.tif 000004
【図４】
0005962752.tif 000005
【図５】
0005962752.tif 000006
【図６】
0005962752.tif 000007
【図７】
0005962752.tif 000008
【図８】
0005962752.tif 000009
【図９】
0005962752.tif 000010
【図１０】
0005962752.tif 000011
【図１１】
0005962752.tif 000012
【図１２】
0005962752.tif 000013
【図１３】
0005962752.tif 000014
【図１４】
0005962752.tif 000015
【図１５】
0005962752.tif 000016
【図１６】
0005962752.tif 000017
【図１７】
0005962752.tif 000018
【図１８】
0005962752.tif 000019