(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、冷却水が複数のパワーモジュールによって温度上昇した場合であっても冷却性能低下の影響を抑えることである。【解決手段】冷却水の入口・出口流路とパワーモジュールの冷却流路が略平行になるようにモジュールを配置する。入口・出口流路は複数に分岐させた上でモジュールの冷却水流路に接続し、モジュールに対して入口・出口と反対側で水流を反転させることによって１往復で冷却水流路を構成する。その際、少なくとも一つのパワーモジュールについて片面の冷却水の方向と対向するように、他の面の冷却水を流すことを特徴とする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体チップと、当該第１半導体チップの一方の主面と対向する第１導体板と、当該第１半導体チップの他方の主面と対向する第２導体板と、を有する第１半導体モジュールと、
第２半導体チップと、当該第２半導体チップの一方の主面と対向する第３導体板と、当該第２半導体チップの他方の主面と対向する第４導体板と、を有し、当該第３導体板が前記第１半導体モジュールの第２導体と対向するように配置される第２半導体モジュールと、
冷媒入口部と、
前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュールに対して前記冷媒入口部が配置された側に配置された冷媒出口部と、
前記第１半導体モジュールの前記第１導体板を挟んで、前記第１半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第１流路と、
前記第１半導体モジュールの前記第２導体板を挟んで、前記第１半導体チップの配置側とは反対側に設けられ第２流路と、
前記第２半導体モジュールの前記第３導体板を挟んで、前記第２半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第３流路と、
前記第２半導体モジュールの前記第４導体板を挟んで、前記第２半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第４流路と、
前記冷媒入口部と前記第１流路と接続するための第１中間流路と、
前記冷媒出口部と前記第２流路と接続するための第２中間流路と、
前記冷媒入口部と前記第３流路と接続するための第３中間流路と、
前記冷媒出口部と前記第４流路と接続するための第４中間流路と、を備え、
前記第１流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第２流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第１流路と前記第２流路が設けられ、
前記第３流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第４流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第３流路と前記第４流路が設けられ、
前記冷媒入口部と前記冷媒出口部は、前記第１流路の高さ方向に対して異なる位置に配置され、
前記第２中間流路と前記第３中間流路は、前記第１流路の高さ方向から射影した当該第１中間流路の投影部と当該第３中間流路の投影部が交差するように形成される電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記第１中間流路は、当該第１中間流路の途中で屈曲部を有するように形成され、かつ当該屈曲部から前記第１流路に至る冷媒の流れ方向が前記第１半導体チップの主面と所定の角度以上となるように形成される電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記冷媒入口部に流れる冷媒の流れ方向が前記第１流路に流れる冷媒の流れ方向が平行になるように、当該冷媒入口部が形成され、
前記冷媒出口部に流れる冷媒の流れ方向が前記第４流路に流れる冷媒の流れ方向が平行になるように、当該冷媒出口部が形成される電力変換装置。
【請求項４】
請求項１または３に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１流路と前記第２流路は、前記第１半導体モジュールを挟んで第１中間流路とは反対側で接続され、
前記第３流路と前記第４流路は、前記第２半導体モジュールを挟んで第４中間流路とは反対側で接続される電力変換装置。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１半導体モジュールは、前記第１半導体チップの主面と垂直方向に突出した第１フィンを有し、
前記第２半導体モジュールは、前記第２半導体チップの主面と垂直方向に突出した第２フィンを有する電力変換装置。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールとの間の空間であって、前記第２流路と前記第３流路に挟まれるよう配置された平滑用コンデンサモジュールとを備える電力変換装置。
【請求項７】
請求項１ないし６に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュールを収納する筐体を備え、
前記冷媒入口部と前記冷媒出口部は、前記筐体の一面側に配置され、
前記第１中間流路と前記第２中間流路と前記第３中間流路と前記第４中間流路は、前記筐体と一体に形成された中間流路形成部に設けられる電力変換装置。
【請求項８】
請求項１ないし７に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１半導体モジュールは、前記第１半導体チップを含んで構成される上アーム回路及び下アーム回路を内蔵し、
前記第２半導体モジュールは、前記第２半導体チップを含んで構成される上アーム回路及び下アーム回路を内蔵する電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載された電力変換装置であって、
前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールは、それぞれ異なるモータを駆動するための半導体モジュールである電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に電気自動車およびハイブリッド自動車への車載用の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車あるいはハイブリッド自動車においては、車両の動力源としてモータを搭載しており、一般にモータに供給する電力を制御するためにインバータなどの電力変換装置を備えている。
【０００３】
電力変換装置は、ＩＧＢＴなどの電力用半導体を含むパワーモジュールとそのパワーモジュールを駆動する駆動回路、それらを制御する制御回路、および電流平滑化のためのコンデンサを備えている。これらの電子部品は高温に弱いため冷却する必要があり、特に大容量で発熱量が大きい電力変換装置では冷却水を循環させる水冷構造の冷却器を備えたものが多い。
【０００４】
上記インバータの部品の中でも発熱量が大きいパワーモジュールの冷却装置は特に高性能のものが要求される。そこで、半導体素子を表裏の両面から冷却する、両面冷却モジュールが実用化されている。例えば特開２００６−９３２９３号公報に両面冷却モジュールのための冷却器構造が開示されている。
【０００５】
しかしながら、冷却水が複数のパワーモジュールによって温度上昇した場合であっても冷却性能低下の影響を抑えることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９３２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、冷却水が複数のパワーモジュールによって温度上昇した場合であっても冷却性能低下の影響を抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、第１半導体チップと、当該第１半導体チップの一方の主面と対向する第１導体板と、当該第１半導体チップの他方の主面と対向する第２導体板と、を有する第１半導体モジュールと、第２半導体チップと、当該第２半導体チップの一方の主面と対向する第３導体板と、当該第２半導体チップの他方の主面と対向する第４導体板と、を有し、当該第３導体板が前記第１半導体モジュールの第２導体と対向するように配置される第２半導体モジュールと、冷媒入口部と、前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュールに対して前記冷媒入口部が配置された側に配置された冷媒出口部と、前記第１半導体モジュールの前記第１導体板を挟んで、前記第１半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第１流路と、前記第１半導体モジュールの前記第２導体板を挟んで、前記第１半導体チップの配置側とは反対側に設けられ第２流路と、前記第２半導体モジュールの前記第３導体板を挟んで、前記第２半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第３流路と、前記第２半導体モジュールの前記第４導体板を挟んで、前記第２半導体チップの配置側とは反対側に設けられた第４流路と、前記冷媒入口部と前記第１流路と接続するための第１中間流路と、前記冷媒出口部と前記第２流路と接続するための第２中間流路と、前記冷媒入口部と前記第３流路と接続するための第３中間流路と、前記冷媒出口部と前記第４流路と接続するための第４中間流路と、を備え、前記第１流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第２流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第１流路と前記第２流路が設けられ、前記第３流路を流れる冷媒の流れ方向と前記第４流路を流れる冷媒の流れ方向が反対となるように、前記第３流路と前記第４流路が設けられ、前記冷媒入口部と前記冷媒出口部は、前記第１流路の高さ方向に対して異なる位置に配置され、前記第２中間流路と前記第３中間流路は、前記第１流路の高さ方向から射影した当該第１中間流路の投影部と当該第３中間流路の投影部が交差するように形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、冷却水の温度上昇による冷却性能低下の影響を複数のモジュールに分散させて全体の冷却性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図の例を示した図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置筐体の内部構造の例を示した図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの内部構造の例を示した図である。
【図５】図４のうち、特に３分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した図である。
【図６】インバータ装置が１つの場合の３分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した図である。
【図７】３分岐した流路全てがターン部で合流する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した図である。
【図８】入口孔付近流路が出口孔付近流路と上下の方向に立体交差し３分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した斜視図である。
【図９】図８の冷却水出口孔１２の中心線を通る断面図である。
【図１０】図８の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図である。
【図１１】図８の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図である。
【図１２】各相半導体モジュールが上流から下流に向けて配列され２分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した斜視図である。
【図１３】図１２の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図である。
【図１４】図１２の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図である。
【図１５】水温上昇の影響を対向する流れで相殺できることの効果を示した図である。
【図１６】入口孔付近流路から筐体の中央に近い２つの放熱面に液を供給し２分岐で往復する流路構造と半導体モジュールの位置関係を示した斜視図である。
【図１７】図１６の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図である。
【図１８】図１６の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図。
【図１９】Ｖ相半導体モジュールが、Ｕ相半導体モジュールやＷ相半導体モジュールに対して垂直な方向に放熱面を有し、その放熱面に対交流を発生させるように２分岐で往復する流路構造を示した斜視図。
【図２０】図１９の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図。
【図２１】図１９の各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態の具体的構成に説明する前に、本実施形態の原理及び課題について説明する。
【００１２】
電力変換装置の冷却器においては、複数のパワーモジュールに対する冷却水の分配が問題となる。特許文献１に記載されたような流路構成においては冷却水の入口・出口に近い手前側の流路と入口・出口から遠い奥側の流路では流量に差が生じ、手前側の流路の流量が大きく冷却性能も高い傾向になる。
【００１３】
特許文献１に記載の電力変換装置においては、この冷却性能の偏りを逆に利用して、冷却性能の高い部分に発熱量の大きいモジュールを、冷却性能の低い部分に発熱量の小さいモジュールを配置している。この構成によってモジュール間の温度の均一化が図れるとしている。
【００１４】
しかし、電力変換装置に搭載される各々のモジュールの発熱量には、必ずしも冷却能力の差を打ち消すだけの発熱量の違いが生じるとは限らない。また、個々のモジュールの発熱量は、車両の走行状態に依存するため、発熱量の大きいモジュールと発熱量の小さいモジュールが常に決まっているとは限らず、ある状態では手前側のモジュールの発熱量が大きいが、別の状態では奥側のモジュールの発熱量が大きいということも起り得る。
【００１５】
そこで、それぞれのモジュールの発熱量がおよそ均等である場合、あるいは発熱量の大小関係が状況によって変わる場合には、全てのモジュールに均等に冷却水を分配できるような冷却水流路構造が望ましい。
【００１６】
例えば、流量の分配を均一化するために流路の分岐部に流量調節弁などを設ける構造も考えられる。しかし、弁は圧力損失が大きいため、インバータに冷却水を送り込むための動力を増大させるというデメリットがある。また、流路の分岐数が多い場合には、弁を用いたとしても均等に分岐させることは困難である。
【００１７】
つぎに、特許文献１の冷却水路構造においては流路の分岐数が非常に多いため、それぞれの流路に流れ込む冷却水の流量が小さくなる。冷却フィンの冷却能力は冷却水の流量に依存するため、分岐数が多くなると共に流量が減り、冷却能力が低下するという問題がある。
【００１８】
一方、全く分岐せずに１本の流路を蛇行させて冷却器を構成しようとすると、それぞれのモジュールの冷却器による圧力損失が全て加算されるため、インバータ全体では非常に大きな圧力損失を生じる結果となる。従って、流路の分岐数は冷却能力と圧力損失のバランスを考慮して最適の値を選択する必要がある。
【００１９】
また、水冷構造ではパワーモジュールから放出された熱を冷却水が受け取るために、その温度が上昇し、下流側のパワーモジュールの冷却性能が劣化することが問題となる。特に特許文献１のように個々のパワーモジュールに接する冷却水の流量が小さい場合には水温上昇量も大きくなる傾向にある。
【００２０】
さらに、特許文献１の冷却水路構造においては、冷却水の入口・出口の流路とパワーモジュールの冷却用の流路が垂直に交わる構造を採っており、流路の分岐部では流れが直角に曲げられるため圧力損失が大きい。
【００２１】
本実施形態は上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の両面冷却パワーモジュールに対して、およそ均等に冷却水を分配し、かつ、冷却水路全体の圧力損失を小さく保つことである。
【００２２】
また、本実施形態の別の目的は、インバータ装置に要求される冷却性能と冷却水の圧力損失の制限値に従って冷却流路の最適な分岐数を選択できるような流路構造を提供することにある。
【００２３】
また、本実施形態の別の目的は、冷却水の温度上昇による影響が下流側のパワーモジュールに集中することを避け、冷却能力の均一化を図ることである。
【００２４】
本実施形態のさらに別の目的は、圧力損失の低い流路分岐構造を提供することにある。
【００２５】
以下、本実施形態の具体的構成について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。図１に示すように、電力変換装置１００は、バッテリ２００とモータジェネレータ３００とに接続されて、バッテリ２００から供給される直流電流を３相の交流電流に変換して、モータジェネレータ３００へ供給する装置である。
【００２７】
電力変換装置１００は、バッテリ２００から供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサ一体モジュール１１０と、直流電流から３相の交流電流を生成するためのインバータ装置１２０を含んで構成される。また、インバータ装置１２０は、Ｕ相Ｖ相Ｗ相の３相を構成する上下アーム直列回路１２１と、それを制御する制御モジュール１３０と、を含んで構成されている。
【００２８】
尚、図１に示す実施形態では、インバータ装置１２０が１つである場合を例に挙げて説明するが、図３などを参照して後述するように、インバータ装置１２０を複数にすることで、変換する電力量の増大や複数のモータジェネレータ３００に対応することも可能である。
【００２９】
インバータ装置１２０において、上下アーム直列回路１２１のそれぞれは、ＩＧＢＴ１２５とダイオード１２６との並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路１２１の上下端は、それぞれ、バッテリ２００の正極および負極に直流コネクタ１４０を介して接続される。そして、その上側（正極側）に配置されたＩＧＢＴ１２５とダイオード１２６とからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、上アームとして動作し、下側（負極側）に配置されたＩＧＢＴ１２５とダイオード１２６とからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、下アームとして動作する。
【００３０】
インバータ装置１２０は、それぞれの上下アーム直列回路１２１の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分からは、３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗが出力され、その出力された３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗは、交流コネクタ１６０を介して、モータジェネレータ３００へ供給される。
【００３１】
また、制御モジュール１３０は、３組の上下アーム直列回路１２１を駆動制御するドライバ回路１３１と、ドライバ回路１３１へ制御信号を供給する制御回路１３２と、を含んで構成される。ここで、ドライバ回路１３１から出力される信号は、パワーモジュール１２２の上アームおよび下アームの各ＩＧＢＴ１２５に供給され、そのスイッチング動作を制御して、各上下アーム直列回路１２１から出力される交流電流ｕ，ｖ，ｗの振幅や位相などを制御する。
【００３２】
制御回路１３２は、３組の上下アーム直列回路１２１における各ＩＧＢＴ１２５のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。そのマイクロコンピュータには、入力情報として、モータジェネレータ３００に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１２１からモータジェネレータ３００へ供給する電流値、およびモータジェネレータ３００の回転子の磁極位置などが入力される。
【００３３】
これらの入力情報のうち、目標トルク値は、図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づく。また、電流値は、各上下アーム直列回路１２１から出力される交流電流の電流値を検出する電流センサ１５０の検出信号に基づく。また、磁極位置は、モータジェネレータ３００に設けられた図示しない回転磁極センサの検出信号に基づく。
【００３４】
また、制御モジュール１３０は、過電流，過電圧，過温度などの異常検知を行う機能を有し、上下アーム直列回路１２１を保護している。ちなみに、各アームのＩＧＢＴ１２５のエミッタ電極は、ドライバ回路１３１に接続され、ドライバ回路１３１は、それぞれのＩＧＢＴ１２５ごとにエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知されたＩＧＢＴ１２５については、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。
【００３５】
また、制御回路１３２には、上下アーム直列回路１２１に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１２１の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度，過電圧などの異常を検知する。そして、過温度，過電圧などの異常を検知した場合には、全てのＩＧＢＴ１２５スイッチング動作を停止させ、パワーモジュール１２２全体を過温度，過電圧などの異常から保護する。
【００３６】
なお、以上に示した電力変換装置１００において、ＩＧＢＴ１２５およびダイオード１２６からなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。また、３組の上下アーム直列回路１２１は、２つの上下アーム直列回路を含んで構成され、２相の交流電流を出力するものとしてもよい。さらに、電力変換装置１００は、図１の回路構成とほとんど同様に構成される３相（２相）の交流電流を直流電流に変換する装置であってもよい。
【００３７】
詳細は後述するが、本実施例に関する半導体モジュール１は、各相の上下アーム直列回路１２１に対応して構成する２in１タイプを用いている。ただし、本実施例で示す冷却水路２１と半導体モジュール１の位置関係は、１in１タイプの半導体モジュール（上アームと下アームに分けた各アームを１つの単位とした構成）や、６in１タイプの半導体モジュール（３相分の上下アームを一纏めにした構成）でも変わらない。
【００３８】
図２は、本実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図の例を示した図である。図２に示すように、電力変換装置１００は、上フタ１０，筐体２０によって構成される。詳細は後述するが、本実施形態の電力変換装置１００は、筐体２０の内部には、２つのインバータ装置１２０が収納されている。
【００３９】
本実施形態の場合、筐体２０の内部には、２つのインバータ装置１２０が収納されている。筐体２０内の上部には、制御モジュール１３０などが収納され、また、筐体２０内の下部には、コンデンサ一体モジュール１１０が収納されており、筐体２０内の中心には上下アーム直列回路１２１を構成する半導体モジュールが、複数搭載されている。上下アーム直列回路１２１を構成する半導体モジュールとコンデンサ一体モジュール１１０は、後述する冷却水路２１に上方から挿入し冷却する。
【００４０】
筐体２０の１つの側壁には、冷却水流路に冷却水を供給するための冷却水入口孔１１と、各発熱部により温められた冷却水を冷却水流路から排出するための冷却水出口孔１２と、が設けられている。また、当該冷却水入口孔１１が設けられた側壁に、制御モジュール１３０が上位システムなどの外部装置と信号の送受信を行うための信号線を保持した制御信号用コネクタ３０が設けられている。
【００４１】
さらに、筐体２０の他の側壁には、２つのインバータ装置１２０に対応して図示しない２つの交流コネクタ１６０を突出させるための横ふた２ｂが設けられている。
【００４２】
図３は、本実施形態に係る電力変換装置１００の筐体２０の内部構造の例を示した分解斜視図である。
【００４３】
筐体２０内には、各相の上下アーム直列回路１２１に対応して構成する２in１タイプの半導体モジュール１が６個搭載されているため、２つのインバータ装置１２０を駆動することが可能である。
【００４４】
筐体２０の内部には、ダイキャストなどで形成された冷却水路２１が筐体２０の下部側に設けられている。筐体２０の上部側には、制御回路基板５０やドライバ回路基板４０が配置される。
【００４５】
冷却流路２１は、制御回路基板５０やドライバ回路基板４０が設けられた側に開口が形成された半導体モジュール１の収納空間を形成する。また、冷却流路２１は、半導体モジュール１の収納空間と同様に、制御回路基板５０やドライバ回路基板４０が設けられた側に開口が形成されたコンデンサの収納空間を形成する。
【００４６】
各半導体モジュール１は、半導体モジュール１の収納空間に収納される。またコンデンサ一体モジュール１１０も、コンデンサセル１１１部がコンデンサの収納空間に収納される。
【００４７】
直流コネクタ１４０は、冷却入口孔１１が形成された側壁とは反対側の側壁に設けられ、横ふた２ａにより絶縁保護される。交流コネクタ１６０は、横フタ２ｂにより絶縁保護される。
【００４８】
コンデンサ一体モジュール１１０は、冷却水路２１からドライバ回路基板４０の方向に、コンデンサセル１１１と、ＰＮバスバー１１２と、コンデンサケース１１３とにより構成される。
【００４９】
コンデンサセル１１１は、フィルム状の導体を巻回した構造を成し、ＰＮバスバー１１２の平面部に当該コンデンサセル１１１の外周面が対向するように配置される。
【００５０】
ＰＮバスバー１１２は、正極導体板及び負極導体板と、正極導体板と負極導体板との間に挟まれた絶縁材とに構成されたラミネート構造である。ＰＮバスバー１１２は、複数のコンデンサセル１１１を覆うように幅広に構成される。また、ＰＮバスバー１１２は、６つの半導体モジュール１の端子を貫通させるための孔１４４を６つ形成する。また、直流コネクタ１４０に近いＰＮバスバー１１２の辺側に、直流端子１４２が設けられている。
【００５１】
コンデンサケース１１３は、コンデンサセル１１１とＰＮバスバー１１２を収納するためのケースである。また、コンデンサケース１１３が、複数の螺子勘合部１４を介して螺子により筐体２０に固定されると、コンデンサケース１１３は各半導体モジュール１のフランジを筐体２０に押し付けることになる。これにより、冷却流路２１から冷媒が漏れることを抑制できる。また、セルを格納するケースを、シール用押圧部材として用いることで、高信頼で小型の電力変換装置が実現できる。
【００５２】
ＡＣバスバー１１４は、コンデンサケース１１３の上方に配置され、各半導体モジュール１から交流コネクタ１６０まで配線される。電流センサ１５０は、交流コネクタ１６０に装着され、各半導体モジュール１から出力される交流電流の電流値を検出している。
【００５３】
本実施形態は半導体モジュール１やコンデンサ一体モジュール１１０を、冷却水流路２１に上方から挿入するスロットイン構造を採用したものであり、その結果組立性が向上する。
【００５４】
図４は、本実施形態に係る２in１タイプ半導体モジュール１の内部構造の例を示した分解図である。半導体モジュール１は、パワー半導体素子（本実施例ではＩＧＢＴ１２５とダイオード１２６）の一方の面側に正極側導体板４０２ａと上下アーム接続用導体板４０２ｄを配置し、パワー半導体素子の他方の面側に負極側導体板４０２ｂと交流側の導体板４０２ｃを配置することによって、図１の上下アーム直列回路１２１を構成する。
【００５５】
このように構成された上下アーム直列回路１２１は、筒型のケース４０５に挿入される。ケース４０５は、一面に信号用端子４０３ａ〜４０３ｄ及び主電流端子を当該ケース４０５外部に突出させるための開口部４０６を有する。また、ケース４０５は、パワー半導体素子の主面と平行な両面にピンフィンが形成されている。本実施例では特にピンフィンを設けるが、平板フィンを用いても良い。
【００５６】
ケース４０５の内壁と、正極側導体板４０２ａ，上下アーム接続用導体板４０２ｄ，負極側導体板４０２ｂ及び交流側の導体板４０２ｃとの間には、絶縁シート４０１が設けられる。なお、ケース４０５内にはモールドレジンが充填される。
【００５７】
本実施例では、ＩＧＢＴ１２５とダイオード１２６が上アームと下アームそれぞれに２並列された例を示しており、素子を並列化することにより、熱抵抗を減らすことができるメリットがある。ただし、並列数はインバータ要求出力と素子コストに応じて変えても良い。
【００５８】
負極側導体板４０２ｂや交流側導体板４０２ｃがパワー半導体素子に接合する面には、ＩＧＢＴ１２５の位置に相当部位にエミッタ側突起部４０４ａ、ダイオード１２６の位置に相当部位にアノード側突起部４０４ｂを設けている。これにより、導体板の平面度を完全に零にしなくても、パワー半導体素子（本実施例ではＩＧＢＴ１２５とダイオード１２６）の両面を挟む際に必要な応力を発生させることができ、かつ突起部で熱を拡散することが可能となり熱抵抗を低減できる効果を持っている。
【００５９】
また、交流側導体板４０２ｃと上下アーム接続用導体板４０２ｄとの間には、上下アーム接続用突起部４０８が位置し、それらは、はんだ接合される。信号用端子４０３ａ／４０３ｂは、ドライバ回路基板４０から出力されるドライブ信号を受取り、各ＩＧＢＴチップ１２５を制御する。また、信号用端子４０３ｃ／４０３ｄは、各ＩＧＢＴ１２５から出力される電流を制御回路基板５０へ入力し、過電流検知を行い、過電流が検知された場合には、対応するＩＧＢＴのスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴを過電流から保護する。
【００６０】
上アーム用ＩＧＢＴチップ１２５ａを制御するための上アーム用の信号用端子４０３ａや上アーム用ＩＧＢＴチップ１２５ａから出力される信号を受け取る上アーム用の信号用端子４０３ｃと、下アーム用ＩＧＢＴチップ１２５ｂを制御するための下アーム用の信号用端子４０３ｂや下アーム用ＩＧＢＴチップ１２５ｂから出力される信号を受け取る上アーム用の信号用端子４０３ｄは、全て一方の導体板４０２に固定するため、導体板４０２と端子４０３を繋ぐワイヤボンディングの接続工程を容易にし、生産性や接続信頼性の向上につながる。
【００６１】
図５は、図３で説明した電力変換装置１００の内、特に筐体２０に半導体モジュール１とコンデンサ一体モジュール１１０を挿入した際に形成される冷却水路２１と冷却水入口孔１１と冷却水出口孔１２の位置関係を表した図である。
【００６２】
図３に示されるように、コンデンサケース１１３は、コンデンサセル１１１の収納するためのコンデンサセル収納部１１３ａ〜１１３ｃを設ける。また、図５に示されるように、コンデンサセル収納部１１３ａとコンデンサセル収納部１１３ｂとの間には、Ｕ相を構成する半導体モジュール１ａが２つ配置される。２つの半導体モジュール１ａは、コンデンサセル収納部１１３ａ及びコンデンサセル収納部１１３ｂの長手方向に沿って並べて配置される。
【００６３】
また、コンデンサセル収納部１１３ｂとコンデンサセル収納部１１３ｃとの間には、Ｖ相を構成する半導体モジュール１ｂが２つ配置される。２つの半導体モジュール１ｂは、コンデンサセル収納部１１３ｂ及びコンデンサセル収納部１１３ｃの長手方向に沿って並べて配置される。
【００６４】
また、コンデンサセル収納部１１３ｃと筐体２０の側壁との間には、Ｗ相を構成する半導体モジュール１ｃが２つ配置される。２つの半導体モジュール１ｃは、コンデンサセル収納部１１３ｂの長手方向に沿って並べて配置される。
【００６５】
第１Ｕ相モジュール側流路２３ａは、半導体モジュール１ａの放熱面とコンデンサセル収納部１１３ａとの間に形成される。第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂは、半導体モジュール１ａの放熱面とコンデンサセル収納部１１３ｂとの間に形成される。第１Ｖ相モジュール側流路２３ｃは、半導体モジュール１ｂの放熱面とコンデンサセル収納部１１３ｂとの間に形成される。第２Ｖ相モジュール側流路２３ｄは、半導体モジュール１ｂの放熱面とコンデンサセル収納部１１３ｃとの間に形成される。第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅは、半導体モジュール１ｃの放熱面とコンデンサセル収納部１１３ｃとの間に形成される。第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆは、半導体モジュール１ｃの放熱面と筐体２０の内壁との間に形成される。
【００６６】
次に冷却水入口孔１１から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路２３へ配分され、どのように冷却水出口孔１２へ排出されるのかを説明する。まず冷却水入口孔１１から供給される冷却水は、入口側流路２２ａ〜２２ｃで３分岐される。第１入口側流路２２ａは、第１Ｕ相モジュール側流路２３ａと冷却水入口孔１１と繋がる。第２入口側流路２２ｂは、第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂと冷却水入口孔１１と繋がる。第３入口側流路２２ｃは、第１Ｖ相モジュール側流路２３ｃと冷却水入口孔１１と繋がる。
【００６７】
冷却水入口孔１１と冷却水出口孔１２が存在する面と反対側の筐体２０の面には、Ｕターン部流路２４ａ〜２４ｆが設けられる。第１Ｕターン部流路２４ａは、第１Ｕ相モジュール側流路２３ａと繋がる。第２Ｕターン部流路２４ｂは、第１Ｕ相モジュール側流路２３ｂと繋がる。第１Ｕターン部流路２４ａと第２Ｕターン部流路２４ｂは、合流部２９にて結合され、当該合流部２９において冷媒が混ざり合うように構成される。さらに合流部２９と繋がる第５Ｕターン部流路２４ｅ及び第６Ｕターン部流路２４ｆが設けられ、第５Ｕターン部流路２４ｅ及び第６Ｕターン部流路２４ｆにおいて流路が再び分岐される。第５Ｕターン部流路２４ｅは、第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅと繋がる。第６Ｕターン部流路２４ｆは、第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆと繋がる。
【００６８】
一方、第３Ｕターン部流路２４ｃは、第１Ｖ相モジュール側流路２３ｃと繋がる、第４Ｕターン部流路２４ｄは、第３Ｕターン部流路２４ｃと分岐することなく繋がる。第２Ｖ相モジュール側流路２３ｄは、第４Ｕターン部流路２４ｄと繋がる。
【００６９】
第１出口側流路２５ａは、第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆと繋がる。第２出口側流路２５ｂは、第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅと繋がる。第３出口側流路２５ｃは、第２Ｖ相モジュール側流路２３ｄと繋がる。そして、第１出口側流路２５ａと第２出口側流路２５ｂと第３出口側流路２５ｃが、冷却水出口孔１２側で結合され、冷媒は当該結合部分において合流した状態で冷却水出口孔１２から排出される。
【００７０】
半導体モジュール１ａ〜１ｃの放熱面は、冷却水入口孔１１内の液進行方向と平行となるように、半導体モジュール１ａ〜１ｃが筐体２０に配置される。一方、Ｕ相を構成する半導体モジュール１ａとＶ相を構成する半導体モジュール１ｂとＷ相を構成する半導体モジュール１ｃとの配置方向は、冷却水入口孔１１内の液進行方向と略垂直になるように、半導体モジュール１ａ〜１ｃが筐体２０に配置される。
【００７１】
また、本実施例では、１つの筐体２０の中に２台のインバータ装置１２０が内蔵される。つまり、３つの２in１半導体モジュールが１つのモータを駆動するためのインバータを構成し、当該インバータが２つ設けられるので、２in１半導体モジュールは６つ設けられる。
【００７２】
コンデンサセル１１１を１箇所の収納空間に集約させず、複数あるモジュール側面流路２３に隣接させて複数の領域に離れて配置させる。これにより、コンデンサのセル両面から冷却が可能となるため、コンデンサセル１１１の冷却性向上につながり、その結果、筐体２０の床面積の殆どを占めているコンデンサ一体モジュール１１０を小型化することができる。
【００７３】
さらに、各半導体モジュール１ａ〜１ｃの両面に存在する放熱面に沿って、モジュール側面流路２３を設け、冷却水を供給することで、各半導体モジュール１を効率よく冷却できる。
【００７４】
本実施例では、同一相のモジュール間はモジュール間流路形成体２７によって接続されている。モジュール間流路形成体２７は、２つのモジュール間で冷却水を淀ませることなく各相２つずつ存在する半導体モジュール対応する流路を繋げる役割を持っている。また、モジュール間流路形成体２７は、半導体モジュール１の  ケース４０５に存在するフランジ面と筺体２０の接触面積を増やすことができるので、シール性を確保する役割も併せ持っている。
【００７５】
本構成は、冷却水入口孔１１や出口孔１２内を流れる液の進行方向と並行な方向に長手方向を持つ半導体モジュール１とモジュール側面流路２３ａ〜２３ｆが設けられているため、流路が分岐合流する箇所で各流路に低圧力損失でおよそ均等に冷却水を分配することが可能となる。また、３分岐の状態で往復しているため、全く分岐せずに１本の流路を蛇行させて冷却器を構成する方法に比べて、圧力損失を小さくすることが可能となる。
【００７６】
さらに、Ｖ相半導体モジュール１ｂは、対向する流れ（往路進行方向３ａと復路進行方向３ｂ）に挟まれるように配置されているため、水温上昇の影響を対向する流れで相殺する効果を持っている。つまり、Ｖ相半導体モジュール１ｂは、Ｕ相半導体モジュール１ａやＷ相半導体モジュール１ｃに挟まれるように配置されるため、Ｕ相半導体モジュール１ａやＷ相半導体モジュール１ｃからの熱のあおりを受けやすく、Ｕ相やＷ相に比べて温度が高くなる傾向がある。そこで、Ｖ相に関して水温上昇の影響を対向する流れで相殺することによって、全体の冷却性能を向上させられる。
【００７７】
また、図５に示す入口側流路２２ａ〜２２ｃや出口側流路２５ａ〜２５ｃは、図３に示す制御信号用コネクタ３０側に配置され、図５のＵターン部流路２４は図３の直流コネクタ１４０側に配置される。モジュール側面流路２３ａ〜２３ｆ以外の流路（入口側流路２２ａ〜２２ｃや出口側流路２５ａ〜２５ｃやＵターン部流路）は、分岐合流し全てのモジュールに均等に冷却水を分配する機能を持っているが、冷却にはほとんど寄与していない。よって、冷却には寄与していない流路部分の上方に、冷却の必要性に乏しい制御信号用コネクタ３０から出る信号線や直流コネクタ１４０から出るバスバーを設け、筐体２０内の冷却水路２１のスペース効率を上げることにより、電力変換装置１００を小型化することができる。
【００７８】
入口側流路２２ａ〜２２ｃや出口側流路２５ａ〜２５ｃやＵターン部流路の各流路は、各半導体モジュール１ａ〜１ｃ内部のＩＧＢＴ１２５やダイオード１２６の方向に向かって、液が供給されるように形成される。チップ搭載領域１２８ａは半導体モジュール１ａ内部に設けられ、当該チップ搭載領域１２８ａは半導体モジュール１ａの放熱面と平行に形成される。流れ方向４ａ及び４ｂは、チップ搭載領域１２８ａと平行な放熱面に対して所定の角度を持つように、入口側流路２２ａ及び２２ｂを形成する。これにより、チップ搭載領域１２８ａを効率良く冷却することができる。チップ搭載領域１２８ｂ及び１２８ｃについても同様である。このように冷却性能を向上できるため、ＩＧＢＴ１２５やダイオード１２６の並列数や素子面積を小さくすることが可能となり、その結果、半導体モジュール１の小型化が可能となる。
【００７９】
なお、冷却水入口孔１１や冷却水出口孔１２が入れ替わっても、冷却性能が変わらないように、中心のＶ相半導体モジュール１ｂを軸に左右対称の流路構造となっている。これにより電力変換装置１００の取り付け自由度を増す効果がある。
【実施例２】
【００８０】
図６は、本発明の第２実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例では、インバータ装置１２０が１つの場合を例にした構造であり、基本的構成は図５とほぼ同じである。特許文献１の流路構成（全ての半導体モジュール１ａ〜１ｃの放熱面が冷却水入口孔１１に対して垂直な方向に配列）とは異なり、図６に示すように入口側流路２２に接続される半導体モジュール１の放熱面を冷却水入口孔１１内の液進行方向と平行に配置する。この結果、入口側流路２２や出口側流路２５が、３つの半導体モジュール１に対して、およそ均等に冷却水を分配し、かつ、冷却水路全体の圧力損失を小さく保つことができる。さらに、Ｕ相半導体モジュール１ａやＷ相半導体モジュール１ｃからの熱のあおりを受けやすいＶ相半導体モジュール１ｂは、対向する流れ（往路進行方向３ａと復路進行方向３ｂ）を跨ぐように配置されているため、水温上昇の影響を対向する流れで相殺できるため、冷却性能の低下を抑制できる。また、実施例１とは異なり、モジュール間流路形成体２７を必要とせず、部品点数を削減することができる。
【実施例３】
【００８１】
図７は、本発明の第３実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例と第１実施例と異なるところは、Ｕターン流路部の形状である。本実施例の第３Ｕターン流路部２４ｃ及び第４Ｕターン流路部２４ｄの形状は、３分岐した流路全てがターン部で合流する構造になっている。
【００８２】
例えば、車両の縁石乗り上げ等でモータがロック（ストール）状態にあるときには、各相の半導体モジュール１ａ〜１ｃの内、電流が流れる特定の相に発熱が集中する場合がある。このとき、Ｖ相半導体モジュール１ｂに発熱が集中する場合は、水温上昇が少ないＵ相半導体モジュール１ａ側からもＶ相の復路側流路に液を供給できるようにする方が望ましい。本実施例のＵターン流路の形状は、３分岐した流路全てがターン部で合流する構造になっているため、上記のようにＶ相半導体モジュール１ｂに発熱が集中する場合に、第１Ｕターン部流路部２４ａや第２Ｕターン流路部２４ｂからも第４Ｕターン部流路部２４ｄへ向かって水温上昇していない液を供給することができ、Ｖ相の素子温度を下げる効果が期待できる。
【実施例４】
【００８３】
図８〜図１１は、本発明の第４実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図５や図７と同様に、半導体モジュール１ａ〜１ｃの放熱面は、冷却水入口孔１１内の液進行方向と平行となるように、半導体モジュール１ａ〜１ｃが筐体２０に配置される。一方、Ｕ相を構成する半導体モジュール１ａとＶ相を構成する半導体モジュール１ｂとＷ相を構成する半導体モジュール１ｃとの配置方向は、冷却水入口孔１１内の液進行方向と略垂直になるように、半導体モジュール１ａ〜１ｃが筐体２０に配置される。
【００８４】
さらに、第１Ｕターン部流路２４ａが第２Ｕターン部流路２４ｂに繋がり、第３Ｕターン部流路２４ｃが第４Ｕターン部流路２４ｄに繋がり、第５Ｕターン部流路２４ｅが第６Ｕターン部流路２４ｆに繋がる点も、図５や図７とは異なる。
【００８５】
図８は、半導体モジュール１ａ〜１ｃを筐体２０に差し込んだ状態の斜視図であり、全ての半導体モジュール１ａ〜１ｃが対向する流れに挟まれていることを特徴とする。
【００８６】
図９は、図８の冷却水出口孔１２の中心線を通る断面図であり、図１０は図８の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図である。また図１１は各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図を表す。
【００８７】
次に冷却水入口孔１１から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路へ配分され、どのように冷却水出口孔１２へ排出されるのかを説明する。まず冷却水入口孔１１から供給される冷却水は、入口側流路２２で３分岐される。第１Ｕ相モジュール側流路２３ａと冷却水入口孔１１は第１入口側流路２２ａによって接続され、第１Ｖ相モジュール側流路２３ｃと冷却水入口孔１１は第２入口側流路２２ｂによって接続され、第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅと冷却水入口孔１１は第３入口側流路２２ｃによって接続される。
【００８８】
冷却水入口孔１１と冷却水出口孔１２が存在する面と逆の面側で、第１Ｕ相モジュール側流路２３ａと第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂ、第１Ｖ相モジュール側流路２３ｃと第２Ｖ相モジュール側流路２３ｄ、第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅと第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆがＵターン部流路２４ａ〜２４ｆによってそれぞれ接続される。
【００８９】
第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂと冷却水出口孔１２が第１出口側流路２５ａによって接続され、第２Ｖ相モジュール側流路２３ｄと冷却水出口孔１２が第１出口側流路２５ｂによって接続され、第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆと冷却水出口孔１２が第３出口側流路２５ｃによって接続され、３つの出口側流路２５が合流した状態で冷却水出口孔１２へ排出される。
【００９０】
流路を分岐させる入口側流路２２が流路を合流させる出口側流路２５と上下の方向に立体交差させることにより、全ての半導体モジュール１ａ〜１ｃが対向する流れに挟まれるように配置することが可能となる。本実施例では流路が３分岐しているため、全く分岐せずに１本の流路を蛇行させて冷却器を構成するよりも圧力損失を下げることができ、全ての半導体モジュール１で水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる。
【実施例５】
【００９１】
図１２〜図１４は、本発明の第５実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図８〜図１１と同様に、流路を分岐させる入口側流路２２が流路を合流させる出口側流路２５と上下の方向に立体交差されている。
【００９２】
ただし、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相の順で半導体モジュール１ａ〜１ｃが上流から下流に向けて直列配列されていることや、流路が２分岐されていることが図８〜図１１とは異なる。次に冷却水入口孔１１から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路２３へ配分され、どのように冷却水出口孔１２へ排出されるのかを説明する。
【００９３】
まず冷却水入口孔１１から供給される冷却水は、入口側流路２２で２分岐し、２つの第１Ｕ相モジュール側流路２３ａと冷却水入口孔１１は、それぞれ第１入口側流路２２ａと第２入口側流路２２ｂによって接続される。冷却水入口孔１１と冷却水出口孔１２が存在する面と逆の面側で、第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅと第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆがＵターン部流路２４によって接続される。
【００９４】
ここで２つのＷ相半導体モジュール１ｃはそれぞれ独立に流路を形成し、第１Ｕターン部流路２４ａは第２Ｕターン部流路２４ｂに接続され、第３Ｕターン部流路２４ｃは第４Ｕターン部流路２４ｄに接続される。
【００９５】
２つの第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂと冷却水出口孔１２が、それぞれ第１出口側流路２５ａと第２出口側流路２５ｂによって接続され、２つの出口側流路２５が合流した状態で冷却水出口孔１２へ排出される。
【００９６】
なお、冷却水出口孔１２は、半導体モジュール１ａ〜１ｃに対して冷却水入口孔１１が配置された側に同じ側であって、筐体２０の一面に設けられる。図１２に示される第１入口側流路２２ａと第２入口側流路２２ｂは、冷却水入口孔１１と半導体モジュール側の流路を繋ぐ中間流路として機能する。同じく、第１出口側流路２５ａと第２出口側流路２５ｂは、冷却水出口孔１２と半導体モジュール側の流路を繋ぐ中間流路として機能する。
【００９７】
また、本実施形態においては、入口側流路２２と出口側流路２５と上下の方向に立体交差させるために、冷却水入口孔１１と冷却水出口孔１２は、半導体モジュール１ａ〜１ｃの高さ方向、若しくは半導体モジュール側の流路の高さ方向に対して異なる位置に配置される。ここで、入口側流路２２と出口側流路２５と上下の方向に立体交差させるということは、第１入口側流路２２ａと第２出口側流路２５ｂを半導体モジュール側の流路の高さ方向から射影した場合における第１入口側流路２２ａの投影部と出口側流路２５の投影部が交差するように、第１入口側流路２２ａと第２出口側流路２５ｂを形成することである。
【００９８】
本実施例の半導体モジュール１の配置でも、全ての半導体モジュール１が対向する流れを跨ぐように配置することが可能となり、全く分岐せずに１本の流路を蛇行させて冷却器を構成するよりも圧力損失を下げることができ、全ての半導体モジュール１で水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる。
【００９９】
ここで、水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる点について、図１５を用いて説明する。図１５は、入口孔からの距離と液温やＩＧＢＴ温度の関係を示す。液温とＩＧＢＴ温度の温度差ΔＴは、熱抵抗に発熱量を乗じることによって得られる値で、各半導体モジュール部のフィン間流速が一定であれば、入口孔から出口孔まで、ほぼ一定の値を示す。液温は各半導体モジュールから熱を受取り出口孔に向かって上昇する。例えば、インバータ全損失が６ｋＷで、エチレングリコール水溶液５０％を１０Ｌ／min流したとすると入口孔と出口孔の液温差は約１０℃になる。従来構成のＩＧＢＴ温度は液温が上昇した分だけ上昇することになり、出口孔付近のＩＧＢＴの温度は高くなる。一方、本発明で提案する両面放熱構造は、片側の放熱面に低温側の冷媒が接し、反対側の放熱面に高温側の冷媒が接するため、液温上昇の影響は相殺され平均温度からの温度差ΔＴを考えれば良い。故に、出口孔付近のＩＧＢＴの温度は従来構造に比べて低くなり、その結果製品寿命を延命できる。
【０１００】
図１２は、半導体モジュール１を筐体２０に差し込んだ状態の斜視図であり、放熱面と平行に配列された全ての半導体モジュール１が、対向する流れを跨いでいることを特徴とする。図１３は、図１２の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図である。また、図１４は各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図を表す。本実施例では流路が２分岐しているため、全く分岐せずに１本の流路を蛇行させて冷却器を構成するよりも圧力損失を下げることができ、全ての半導体モジュール１で水温上昇の影響を対向する流れで相殺できる。
【実施例６】
【０１０１】
図１６〜図１８は、本発明の第６実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図１２〜図１４と同様に、流路を２分岐させる入口側流路２２が流路を合流させる出口側流路２５と上下の方向に立体交差されている。ただし、２つあるＵ相半導体モジュール１ａの４つの放熱面のうち、筐体２０の中央に近い２つの放熱面（片方は第２Ｕ相モジュール側面流路２３ｂ、もう片方は第１Ｕ相モジュール側面流路２３ａ）に、入口側流路２２から冷媒液を供給することが図１２〜図１４とは異なる。次に冷却水入口孔１１から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路２３へ配分され、どのように冷却水出口孔１２へ排出されるのかを説明する。
【０１０２】
まず冷却水入口孔１１から供給される冷却水は、入口側流路２２で２分岐し、筐体２０の外側に近い２つの放熱面に対応する放熱面に供給される。第１Ｕ相モジュール側流路２３ａが筐体２０の外側に位置するモジュールには、第１入口側流路２２ａと第１Ｕ相モジュール側面流路２３ａが接続される。一方、第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂが筐体２０の外側に位置するモジュールには、第２入口側流路２２ｂと第２Ｕ相モジュール側面流路２３ｂが接続される。冷却水入口孔１１と冷却水出口孔１２が存在する面と逆の面側で、第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅと第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆがＵターン部流路２４によって接続される。
【０１０３】
ここで２つのＷ相半導体モジュールはそれぞれ独立に流路を形成し、第１Ｕターン部流路２４ａは第２Ｕターン部流路２４ｂに接続され、第３Ｕターン部流路２４ｃは第４Ｕターン部流路２４ｄに接続される。第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂが筐体２０の中央に位置するモジュールには、第１出口側流路２５ａと第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂが接続される。一方、第１Ｕ相モジュール側流路２３ａが筐体２０の中央に位置するモジュールには、第２出口側流路２５ｂと第１Ｕ相モジュール側流路２３ａが接続される。
【０１０４】
最後に、２つの出口側流路２５が合流した状態で冷却水出口孔１２へ排出される。図１５は、半導体モジュール１を筐体２０に差し込んだ状態の斜視図であり、放熱面と平行に配列された全ての半導体モジュール１が、対向する流れを跨いでいることを特徴とする。図１７は、図１６の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図である。
【０１０５】
また、図１８は各モジュール周辺の流れの方向を模式的に表したフロー図を表す。本実施例の流路構造は、筐体２０の中央に近い２つの放熱面に、水温上昇が少ない冷媒液を供給するため、流路隣接空間２２に例えばコンデンサ一体モジュール１１０のような他の発熱部材を積極的に冷却できる機能を持っている。また筐体２０の中央は多くの部材からの熱のあおりを受けやすい部分であるため、水温上昇が少ない冷媒液を供給することにより冷却性能を高めることが可能となる。本実施例は、冷媒液を逆流させるようなことがない場合、特に好的である。
【実施例７】
【０１０６】
図１９〜図２１は、本発明の第７実施形態に係る水路構造および半導体モジュールの位置関係を示した図である。本実施例は、図１２〜図１４と同様に、流路を２分岐させる入口側流路２２が流路を合流させる出口側流路２５と上下の方向に立体交差されている。ただし、各半導体モジュール１の配置が図１２〜図１４とは異なる。半導体モジュール１は、入口側流路２２に近い場所から時計回りに２つのＵ相半導体モジュール１ａ、２つのＶ相半導体モジュール１ｂ、２つのＷ相半導体モジュール１ｃ、の順で直列配置されている。
【０１０７】
特にＶ相半導体モジュール１ｂは、Ｕ相半導体モジュール１ａやＷ相半導体モジュール１ｃに対して垂直な方向に放熱面を有することが特徴となる。図１９は、半導体モジュール１を筐体２０に差し込んだ状態の斜視図であり、放熱面と平行に配列された全ての半導体モジュール１が、対向する流れを跨いでいることを特徴とする。図２０は、図１９の冷却水入口孔１１の中心線を通る断面図である。図１９と図２０の、Ｖ相半導体モジュール１ｂのモジュール側面流路２３ｃと２３ｄは、Ｕターン部流路２４を形成する構造になっている。
【０１０８】
次に冷却水入口孔１１から供給される冷却水が、どのように各モジュール側面流路２３へ配分され、どのように冷却水出口孔１２へ排出されるのかを説明する。まず冷却水入口孔１１から供給される冷却水は、入口側流路２２で２分岐し、第１Ｕ相モジュール側流路２３ａと冷却水入口孔１１は、第１入口側流路２２ａ、第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆと冷却水入口孔１１は、第２入口側流路２２ｂによって接続される。
【０１０９】
冷却水入口孔１１と冷却水出口孔１２が存在する面と逆の面側で、第１Ｕ相モジュール側流路２３ａと第１Ｖ相モジュール側流路２３ｃが第１コーナー部流路２６ａによって接続され、第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂと第２Ｖ相モジュール側流路２３ｄが第２コーナー部流路２６ｂによって接続され、さらに、第１Ｖ相モジュール側流路２３ｃと第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅが第３コーナー部流路２６ｃによって接続され、第２Ｖ相モジュール側流路２３ｄと第２Ｗ相モジュール側流路２３ｆが第４コーナー部流路２６ｄによって接続される。
【０１１０】
ここで第１Ｖ相側面流路２３ｃと第２Ｖ相側面流路２３ｄは、それぞれ、第１Ｕターン部流路２４ａと第２Ｕターン部流路２４ｂを構成している点が特徴である。最後に、第２Ｕ相モジュール側流路２３ｂと冷却水出口孔１２が第１出口側流路２５ａによって接続され、第１Ｗ相モジュール側流路２３ｅと冷却水出口孔１２が第２出口側流路２５ｂによって接続され、２つの出口側流路２５が合流した状態で冷却水出口孔１２へ排出される。
【０１１１】
コーナー部流路２６は、モジュール側面流路２３内を流れる冷媒の進行方向を、それぞれ別々に約９０゜変える機能を有する。本実施例の流路構造は、流路隣接空間２８を他の実施例よりも大きくとることができるため、例えばコンデンサ一体モジュール１１０のような他の発熱部材が比較的大きくても筐体２０に収納することが容易であり、かつそれらを冷却することが可能である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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