(57)【要約】【課題】本明細書は、半導体モジュールと冷却器が積層された積層ユニットと冷却器で入集できない熱を一時的に蓄える蓄熱体を備えた電力変換装置に関し、蓄熱体を効果的に活用する技術を提供する。【解決手段】電力変換装置２は、積層ユニット２０と、蓄熱体３８を備える。積層ユニット２０は、電力変換用のトランジスタを収容した半導体モジュール３と冷却器２２が積層された積層体である。複数の半導体モジュール３の夫々と蓄熱体３７が、伝熱部材（中点端子２５ｃと放熱板４１）で接続されている。複数の半導体モジュール３と熱的に接続されている一つの蓄熱体３７は、積層ユニット２０で生じる局所的あるいは一時的な熱量を吸収し、空間的あるいは時間的に分散させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換用の半導体素子を収容した複数の半導体モジュールと、
内部に冷媒の流路が形成されており、前記半導体モジュールと交互に積層されている複数の冷却器と、
蓄熱体と、
を備えており、
前記複数の半導体モジュールの夫々と前記蓄熱体が伝熱部材で接続されている、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、電力変換用の半導体素子を収容した複数の半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されており、半導体モジュールと交互に積層されている複数の冷却器を備えた電力変換装置を開示する。
【背景技術】
【０００２】
上記した半導体モジュールと冷却器を備えた電力変換装置が例えば特許文献１−３に開示されている。いずれの文献の電力変換装置も、電気自動車においてバッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換する。電気自動車の電力変換装置は大電力を扱うため、半導体モジュールの発熱量が大きく、夫々の半導体モジュールを両面から冷却することできる上記の電力変換装置は、冷却能力に優れている。
【０００３】
特許文献２の電力変換装置は、急加速時や急発進時など、特定の半導体モジュールの一時的な発熱量の増大に対処すべく、複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層体の一部に、蓄熱体（ヒートマス）を挟んでいる。特許文献３の電力変換装置は、複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層体に蓄熱体を挟み込むとともに、その蓄熱体に別の発熱体を接触させ、半導体モジュールだけでなく、別の発熱体も冷却できるようになっている。なお、以下では、複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層体を積層ユニットと称する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３８６８１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１００７９１号公報
【特許文献３】特開２００９−２６１１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２の電力変換装置は、蓄熱体の近傍に位置する半導体モジュールは一時的に増大した熱量を蓄熱体に吸収させることができるが、蓄熱体から遠い半導体モジュールは蓄熱体を利用できない。熱量が一時的に増大する可能性のある半導体モジュールが積層ユニットの中に点在していると、夫々の半導体モジュールに対して蓄熱体を配置しなければならなくなり、積層ユニットの長さが増してしまう。蓄熱体を組み込む構造には改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する電力変換装置は、電力変換用の半導体素子を収容した複数の半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されており半導体モジュールと交互に積層されている複数の冷却器と、蓄熱体を備えている。複数の半導体モジュールの夫々と蓄熱体が、伝熱部材で接続されている。即ち、本明細書が開示する電力変換装置は、一つの蓄熱体に複数の半導体モジュールを伝熱部材で接続する。そうすることで、複数の半導体モジュールが一つの蓄熱体を共通に利用することができる。積層ユニットのいくつもの蓄熱体を挟む必要がなくなり、積層ユニットの長さの増大を抑えることができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。
【図２】電力変換装置の筐体内部の部品レイアウトを示す平面図である。
【図３】電力変換装置の筐体内部の部品レイアウトを示す正面図である。
【図４】積層ユニットの断面図である。
【図５】変形例の積層ユニットを搭載した電力変換装置の筐体内部の部品レイアウトを示す正面図である。
【図６】変形例の積層ユニットの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。実施例の電力変換装置２は、電気自動車に搭載され、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスである。まず、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電気系統について説明する。図１は、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図である。電力変換装置２は、バッテリ１３の直流電力を昇圧した後に交流に変換し、走行用モータ１５ａ、１５ｂに供給する。電力変換装置２の直流端は、システムメインリレー１４を介してバッテリ１３に接続されており、交流端は、２個のモータ１５ａ、１５ｂに接続されている。
【０００９】
電気自動車１００は、２個のモータ１５ａ、１５ｂの出力をギアボックス１６で合成し、車軸１７へ動力を伝達して走行する。電気自動車１００は、車両の運動エネルギを使ってモータ１５ａ、１５ｂを車軸側から逆駆動し、発電することもできる。発電で得た電力でバッテリ１３を充電する。車両の運動エネルギを利用して得た電力は回生電力と呼ばれることがある。
【００１０】
電力変換装置２は、バッテリ１３の電圧を昇圧する電圧コンバータ１２と、直流電力を交流電力に変換する２個のインバータ１０ａ、１０ｂを含む。電圧コンバータ１２は、フィルタコンデンサ４、リアクトル５、２個のトランジスタ９ａ、９ｂ、２個のダイオードを備えている。２個のトランジスタ９ａ、９ｂは、直列に接続されており、トランジスタ９ａ、９ｂの夫々に、ダイオードが逆並列に接続されている。トランジスタ９ａ、９ｂとダイオード、即ち、図１にて破線３ａで囲まれている範囲が、後述する半導体モジュール３ａに相当する。電圧コンバータ１２は、バッテリ１３の電圧を昇圧する機能のほか、インバータ１０ａ、１０ｂから送られてくる回生電力の電圧を降圧してバッテリ１３へ供給する降圧機能も有しており、いわゆる、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。図１の電圧コンバータ１２の回路構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。
【００１１】
インバータ１０ａは、６個のトランジスタ９ｃ−９ｈと、夫々のトランジスタに逆並列に接続されているダイオードを備えている。６個のトランジスタ９ｃ−９ｈは、２個ずつ、直列に接続されている。トランジスタ９ｃと９ｄ、９ｅと９ｆ、９ｇと９ｈが、夫々直列に接続されている。３組の直列接続は、並列に接続されている。各直列接続の中点から交流が出力される。破線３ｂ、３ｃ、３ｄが、夫々、半導体モジュールに相当する。
【００１２】
インバータ１０ｂは、インバータ１０ａと同じ構成を有している。即ち、インバータ１０ｂも、３個の半導体モジュール３ｅ、３ｆ、３ｇを備えている。夫々の半導体モジュール３ｅ−３ｇの中には、２個のトランジスタと２個のダイオードが含まれている。電圧コンバータ１２とインバータ１０ａ、１０ｂの間に、平滑化コンデンサ６が並列に接続されている。トランジスタ９ａ−９ｈ、及び、インバータ１０ｂに内蔵されているトランジスタは、電力変換用のスイッチング素子に相当する。
【００１３】
７個の半導体モジュール３ａ−３ｇのトランジスタは、不図示のコントローラから駆動信号（ＰＷＭ信号）を受けて作動する。以下、７個の半導体モジュール３ａ−３ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール３と表記する。
【００１４】
電力変換装置２のハードウエア構成を説明する。図２に、電力変換装置２の平面図を示す。なお、図２は、カバーを外し、筐体３０の内部の部品レイアウトを示した平面図である。図３に電力変換装置２の正面図を示す。図３は、図２における右側の筐体壁をカットし、筐体３０の内部の部品レイアウトを示した正面図である。
【００１５】
半導体モジュール３は、本体２１の中に、２個のトランジスタと２個のダイオードを封止したパッケージである。本体２１は、樹脂の射出成形で作られている。７個の半導体モジュール３は、８個の冷却器２２とともに、積層ユニット２０を構成する。図２では、積層ユニット２０の両端の冷却器にのみ符号２２を付し、他の冷却器には符号を省略した。積層ユニット２０は、７個の半導体モジュール３（３ａ−３ｇ）と８個の冷却器２２を、一つずつ交互に積層した積層体である。冷却器２２は、その内部に液体冷媒が通る流路が設けられている。一つの半導体モジュール３を挟んで隣接する一対の冷却器２２は、２個の連結管２３で接続されている。図２では、一つの連結管にのみ、符号２３を付し、他の連結管には符号を省略した。連結管２３により、全ての冷却器２２が連通する。
【００１６】
図２において右端の冷却器２２には、冷媒導入管３４と冷媒排出管３５が接続されている。隣接する一対の冷却器２２を接続する２個の連結管２３の一方は、積層方向（図中のＸ方向）からみて冷媒導入管３４と重なるように位置しており、他方の連結管２３は、冷媒排出管３５と重なるように位置している。冷媒導入管３４と冷媒排出管３５は、筐体３０に設けられた貫通孔３０ａを通り、一端が筐体３０の外側に突き出ている。冷媒導入管３４と冷媒排出管３５には、不図示の冷媒循環装置が接続されている。冷媒導入管３４を通じて供給される液体冷媒は、隣接する一対の冷却器２２を連結する一方の連結管２３を通じて全ての冷却器２２に分配される。液体冷媒は、各冷却器２２を通過する間に隣接する半導体モジュール３から熱を吸収し、他方の連結管２３と冷媒排出管３５を通じて電力変換装置２の外へ排出される（冷媒循環装置へと戻される）。液体冷媒は、例えば、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）である。
【００１７】
各半導体モジュール３の上面から、３個のパワー端子２５（正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃ）が延びている。各半導体モジュール３の下面から複数の制御端子２７が延びている（図３参照）。各半導体モジュール３には、２個のトランジスタの直列接続が収容されており、正極端子２５ａは、半導体モジュール３の本体２１の内部で、直列接続の高電位側に接続されている。負極端子２５ｂは、本体２１の内部で、直列接続の低電位側に接続されており、中点端子２５ｃは、直列接続の中点に接続されている。各半導体モジュール３の正極端子２５ａと負極端子２５ｂは、夫々、正極バスバ３１、負極バスバ３２を介して平滑化コンデンサ６と接続されている。図２では、各半導体モジュール３の中点端子２５ｃの接続先は図示を省略した。図３では、中点端子２５ｃに接続する出力バスバ３９の一部のみを示してある。複数の半導体モジュール３ａ−３ｇの中点端子２５ｃは、蓄熱体３７を通過している。蓄熱体３７については後述する。
【００１８】
制御端子２７は、半導体モジュール３の内部の夫々のトランジスタのゲートにつながっているゲート端子、各トランジスタのセンスエミッタにつながっているセンスエミッタ端子、半導体モジュール３に内蔵されている温度センサにつながっているセンサ端子などである。制御端子は、積層ユニット２０の下方に配置されている制御基板２９に接続されている。制御基板２９は、不図示の上位のコントローラからの指令を受け、各半導体モジュール３に収容されている各トランジスタへ駆動信号を供給する。
【００１９】
複数の半導体モジュール３と複数の冷却器２２の積層ユニット２０の積層方向の一端が筐体３０に設けられた支持壁３６に当接しており、他端は板バネ３３を介して支持柱３８に支持されている。板バネ３３により、積層ユニット２０は、その積層方向に荷重を受ける。積層方向の荷重により、冷却器２２と半導体モジュール３が密着し、半導体モジュール３から冷却器２２への熱伝達の効率が高められる。積層ユニット２０の周囲に、フィルタコンデンサ４、リアクトル５、平滑化コンデンサ６が配置されている。それらと積層ユニット２０との接続は、バスバ３１、３２を除いて図示を省略した。
【００２０】
蓄熱体３７について説明する。図４は、積層ユニット２０を、中点端子２５ｃを横断するＸＺ平面でカットした断面図である。なお、図４では、積層ユニット２０の途中のいくつかの冷却器２２と半導体モジュール３ｃ−３ｅは図示を省略した。まず、半導体モジュール３ａの内部構造について説明する。半導体モジュール３ａの内部では、２枚の放熱板４１、４４の間に、トランジスタチップ４２とスペーサ４３が挟まれている。２枚の放熱板４１、４４とスペーサ４３は、電気と熱をよく伝達する銅で作られている。なお、冷却器２２の内部には、フィン４５が備えられている。フィン４５は、冷却器２２の両側板（半導体モジュールと接する側板）の内側に接している。
【００２１】
２枚の放熱板４１、４４とトランジスタチップ４２とスペーサ４３は、樹脂製の本体２１に埋設されており、放熱板４１、４４の夫々の一方の幅広面が、本体２１から露出している。図４では見えないが、本体２１の紙面奥側に別のトランジスタチップが埋設されている。トランジスタチップ４２と別のトランジスタが、図１のトランジスタ９ａ、９ｂに相当する。トランジスタチップ４２は平板状であり、夫々の幅広面に、エミッタ電極とコレクタ電極が露出している。コレクタ電極が一方の放熱板４１に接合されており、エミッタ電極がスペーサ４３を介して他方の放熱板４４に接合されている。放熱板４１の一端に中点端子２５ｃが接続している。すなわち、放熱板４１は、トランジスタチップ４２の熱を本体表面に移送するだけでなく、トランジスタチップ４２のコレクタ電極を本体２１の外部と導通するための導電経路の一部をなす。放熱板４４は、図の紙面奥側で負極端子２５ｂと接続されている。
【００２２】
放熱板４１には、図４の紙面奥側に位置する別のトランジスタチップのエミッタ電極も接続されている。従って、放熱板４１は、２個のトランジスタチップを直列に接続する役割も担っている。半導体モジュール３の本体２１の表面に露出している放熱板４１、４４は、それぞれ、冷却器２２と接している。トランジスタチップ４２、及び、本体２１に封止されている別のトランジスタチップの熱は、放熱板４１、４４を介して冷却器２２に吸収される。なお、冷却器２２が導電性の物質で作られている場合には、放熱板４１、４４と冷却器２２の間に絶縁板が挟まれる。他の半導体モジュール３ｂ−３ｇも半導体モジュール３ａと同じ内部構造を有している。
【００２３】
放熱板４１を介してトランジスタチップ４２と別のトランジスタチップと接続している中点端子２５ｃに、蓄熱体３７が接続している。全ての半導体モジュール３ａ−３ｇの中点端子２５ｃが蓄熱体３７と接続している。中点端子２５ｃも、放熱板４１と同じく、熱をよく通す銅で作られており、伝熱部材と表現してもよい部材である。従って別言すれば、複数の半導体モジュール３ａ−３ｇの夫々と蓄熱体３７が伝熱部材（中点端子２５ｃと放熱板４１）で接続されていることになる。トランジスタチップ４２と別のトランジスタチップが発生する熱量のうち、半導体モジュール３に隣接している冷却器２２が吸収できない分は、伝熱部材（中点端子２５ｃと放熱板４１）を介して蓄熱体３７が吸収する。
【００２４】
蓄熱体３７は、例えば、ゼオライトやシリカ（酸化シリコン）などの物質や、銅などの金属で作られる。なお、銅などの導電性の金属を用いる場合には、中点端子２５ｃと蓄熱体３７の間に絶縁体が挟まれる。
【００２５】
蓄熱体３７の利点を説明する。一つの蓄熱体３７は、伝熱部材（中点端子２５ｃと放熱板４１）を介して複数の半導体モジュール３ａ−３ｇと熱的に接続されている。蓄熱体３７は、半導体モジュール３ａ−３ｇのいずれかの発熱量が一時的に大きくなったとき、隣接する冷却器２２で吸収しきれない熱量を一時的に受け入れる。蓄熱体３７が受け入れた熱量は、半導体モジュール３ａ−３ｇの発熱量が下がり、冷却器２２に吸熱余裕が生じたときに冷却器２２で吸収される。
【００２６】
また、図１に示すように、複数の半導体モジュール３ａ−３ｇは、電圧コンバータ１２に用いられるもの（半導体モジュール３ａ）、モータ１５ａ用のインバータ１０ａに用いられるもの（半導体モジュール３ｂ−３ｄ）、モータ１５ｂ用のインバータ１０ｂに用いられるもの（半導体モジュール３ｅ−３ｇ）がある。半導体モジュール３ａ−３ｇは、異なる回路で用いられる半導体モジュールの集合であり、状況に応じて発熱の大きい半導体モジュールが異なる。発熱量の大きい半導体モジュールの熱量は、隣接する冷却器２２のみならず、伝熱部材（中点端子２５ｃと放熱板４１）と蓄熱体３７を介して、吸熱余裕のある別の冷却器２２が吸収することができる。即ち、複数の半導体モジュール３ａ−３ｇと伝熱部材（中点端子２５ｃと放熱板４１）で接続されている蓄熱体３７は、積層ユニット２０で局所的に発生した熱量を均一化する方向に分散させる効果がある。
【００２７】
上記したように、蓄熱体３７は、積層ユニット２０で発生する一時的に増大する熱量、あるいは、局所的に増大する熱量を受け入れる。そして、受け入れた熱量を、時間的に、あるいは、空間的に分散して冷却器２２に移送する。それゆえ、複数の冷却器２２は、全体で、積層ユニット２０の時間的／空間的に平均的な発熱量を吸収できるだけの能力があればよい。冷却器２２には、積層ユニット２０の局所的あるいは、一時的な高発熱量を吸収する能力が不要となり、そのサイズを小型化することができる。
【００２８】
また、蓄熱体３７は、積層ユニット２０の中で冷却器２２あるいは半導体モジュール３に挟まれているのではなく、積層ユニット２０に隣り合うように配置される。従って、蓄熱体３７は、積層ユニット２０の長手方向の長さの増大を招かない、という利点がある。
【００２９】
図５と図６を参照して、変形例の積層ユニット１２０を説明する。図５は、変形例の積層ユニット１２０を含む電力変換装置１０２の正面図（筐体３０の一部の壁をカットした正面図）である。図６は、積層ユニット１２０の側面図である。積層ユニット１２０は、蓄熱体１３７を伴う。先の積層ユニット２０では、蓄熱体３７は、半導体モジュール３の本体２１の内部でトランジスタチップ４２に接している伝熱部材（中点端子２５ｃと放熱板４１）を介して半導体モジュール３（内部のトランジスタ）と熱的に接続されている。変形例の積層ユニット１２０は、隣接する半導体モジュール３と冷却器２２の間に伝熱板１３６を挟み込み、その伝熱板１３６から枝部１３６ａを延ばし、その枝部１３６ａが蓄熱体１３７と接続している。別言すれば、変形例の積層ユニット１２０では、複数の半導体モジュール３の夫々に伝熱板１３６が接しており、その伝熱板１３６を介して複数の半導体モジュール３が一つの蓄熱体１３７と熱的に接続されている。この変形例では、伝熱板１３６の枝部１３６ａの位置と形状を変えることで、蓄熱体１３７の配置に自由度を与えることができる。
【００３０】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の中点端子２５ｃと放熱板４１が、請求項の「伝熱部材」の一例に相当する。変形例の積層ユニット１２０における伝熱板１３６が、請求項の「伝熱部材」の別の例に相当する。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３２】
２：電力変換装置
３、３ａ−３ｇ：半導体モジュール
４：フィルタコンデンサ
５：リアクトル
６：平滑化コンデンサ
９ａ−９ｈ：トランジスタ
１０ａ、１０ｂ：インバータ
１２：電圧コンバータ
１３：バッテリ
１４：システムメインリレー
１５ａ、１５ｂ：走行用モータ
１６：ギアボックス
１７：車軸
２０、１２０：積層ユニット
２１：本体
２２：冷却器
２３：連結管
２５ａ：正極端子
２５ｂ：負極端子
２５ｃ：中点端子
２７：制御端子
２９：制御基板
３０：筐体
３１：正極バスバ
３２：負極バスバ
３３：板バネ
３４：冷媒導入管
３５：冷媒排出管
３６：支持壁
３７、１３７：蓄熱体
３９：出力バスバ
４１、４４：放熱板
４２：トランジスタチップ
４３：スペーサ
４５：フィン
１００：電気自動車
１３６：伝熱板
１３６ａ：枝部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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