(57)【要約】【課題】  ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、スイッチング素子を効果的に冷却する技術を提供する。【解決手段】  ＤＣ−ＤＣコンバータであって、上アームスイッチング素子と、下アームスイッチング素子と、上アームスイッチング素子の表面に接続されている第１冷却器と、上アームスイッチング素子の裏面と下アームスイッチング素子の表面に接続されている第２冷却器と、下アームスイッチング素子の裏面に接続されている第３冷却器と、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を検出する検出器と、共通流路と、共通流路から分岐して第１冷却器に冷却液を供給する第１流路と、共通流路から分岐して第２冷却器に冷却液を供給する第２流路と、共通流路から分岐して第３冷却器に冷却液を供給する第３流路を備える冷却液流路と、検出器が検出する動作状態に基づいて、第１流路を開閉する開閉器を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
上アームスイッチング素子と、
下アームスイッチング素子と、
前記上アームスイッチング素子の表面に接続されている第１冷却器と、
前記上アームスイッチング素子の裏面と前記下アームスイッチング素子の表面に接続されている第２冷却器と、
前記下アームスイッチング素子の裏面に接続されている第３冷却器と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を検出する検出器と、
共通流路と、前記共通流路から分岐して前記第１冷却器に冷却液を供給する第１流路と、前記共通流路から分岐して前記第２冷却器に冷却液を供給する第２流路と、前記共通流路から分岐して前記第３冷却器に冷却液を供給する第３流路を備える冷却液流路と、
前記検出器が検出する前記動作状態に基づいて、前記第１流路を開閉する開閉器、
を有するＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＤＣ−ＤＣコンバータ等に用いる半導体モジュールの冷却構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２２８５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、スイッチング素子の冷却性能のさらなる向上が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するＤＣ−ＤＣコンバータは、上アームスイッチング素子と、下アームスイッチング素子と、前記上アームスイッチング素子の表面に接続されている第１冷却器と、前記上アームスイッチング素子の裏面と前記下アームスイッチング素子の表面に接続されている第２冷却器と、前記下アームスイッチング素子の裏面に接続されている第３冷却器と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態を検出する検出器と、共通流路と、前記共通流路から分岐して前記第１冷却器に冷却液を供給する第１流路と、前記共通流路から分岐して前記第２冷却器に冷却液を供給する第２流路と、前記共通流路から分岐して前記第３冷却器に冷却液を供給する第３流路を備える冷却液流路と、前記検出器が検出する前記動作状態に基づいて、前記第１流路を開閉する開閉器を有する。
【０００６】
上アームスイッチング素子は、発熱が少ない動作状態となる場合がある。上記のＤＣ−ＤＣコンバータは、検出器が検出する動作状態に応じて、第１流路を開閉する。すなわち、上アームスイッチング素子の発熱が多い動作状態においては、第１流路を開いて、第１冷却器へ冷却液を供給する。この場合、第１〜第３冷却器が動作する。上アームスイッチング素子は、第１冷却器と第２冷却器によって両面から冷却される。下アームスイッチング素子は、第２冷却器と第３冷却器によって両面から冷却される。また、上アームスイッチング素子の発熱が少ない動作状態においては、第１流路を閉じて、第１冷却器への冷却液の供給を停止する。これによって、第２流路及び第３流路における冷却液の流量が増え、第２冷却器及び第３冷却器の冷却性能が向上する。この場合、下アームスイッチング素子は、冷却性能が向上した第２冷却器及び第３冷却器によって両面から効率的に冷却される。また、上アームスイッチング素子は第２冷却器によって冷却される。上アームスイッチング素子の発熱が少ないため、第２冷却器によって上アームスイッチング素子を十分冷却することができる。このように、このＤＣ−ＤＣコンバータでは、上アームスイッチング素子の発熱量が少ない動作状態において、下アームスイッチング素子の冷却性能が向上される。これによって、より好適な動作が可能とされている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の回路図。
【図２】ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の回路図。
【図３】半導体モジュール５０の縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に示すように、本実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、高電位配線１２と、低電位配線１４を有している。高電位配線１２と低電位配線１４の間には、ＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｂが直列に接続されている。ＩＧＢＴ２０ａのコレクタが高電位配線１２に接続されており、ＩＧＢＴ２０ａのエミッタがＩＧＢＴ２０ｂのコレクタに接続されており、ＩＧＢＴ２０ｂのエミッタが低電位配線１４に接続されている。ＩＧＢＴ２０ａに対して並列に、ダイオード２２ａが接続されている。ダイオード２２ａのカソードがＩＧＢＴ２０ａのコレクタに接続されており、ダイオード２２ａのアノードがＩＧＢＴ２０ａのエミッタに接続されている。以下では、ＩＧＢＴ２０ａとダイオード２２ａを上アームと呼ぶ場合がある。ＩＧＢＴ２０ｂに対して並列に、ダイオード２２ｂが接続されている。ダイオード２２ｂのカソードがＩＧＢＴ２０ｂのコレクタに接続されており、ダイオード２２ｂのアノードがＩＧＢＴ２０ｂのエミッタに接続されている。以下では、ＩＧＢＴ２０ｂとダイオード２２ｂを、下アームと呼ぶ場合がある。ＩＧＢＴ２０ｂに対して並列に、バッテリ３０とリアクタンス３２の直列回路が接続されている。バッテリ３０の負極は低電位配線１４に接続されている。バッテリ３０の正極はリアクタンス３２の一端に接続されている。リアクタンス３２の他端は、ＩＧＢＴ２０ｂのコレクタに接続されている。ＩＧＢＴ２０ｂに対して並列に、コンデンサ３４が接続されている。高電位配線１２と低電位配線１４の間にコンデンサ３６が接続されている。また、高電位配線１２と低電位配線１４の間に、負荷４０が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、ハイブリッド車や電気自動車等のモータを動力とする車両に搭載される。本実施例では、負荷４０は、モータに電力を供給するためのインバータ回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、バッテリ３０の出力電圧を昇圧して負荷４０に供給する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、リアクタンス３２に流れる電流の方向を検出する電流検出器３８を有している。
【０００９】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、ＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｂを交互にオン‐オフさせることで動作する。高電位配線１２の電圧が所定値より低い状態では、ＩＧＢＴ２０ａがオフしており、ＩＧＢＴ２０ｂがオンしていると、図１の矢印１５に示す第１還流回路１５に電流が流れる。これによって、リアクタンス３２にエネルギーが蓄えられる。次に、ＩＧＢＴ２０ａがオンし、ＩＧＢＴ２０ｂがオフすると、図１の矢印１６に示す電圧供給回路１６に電流が流れる。この状態では、リアクタンス３２にバッテリ３０と同じ方向に起電力が生じる。このため、高電位配線１２に、バッテリ３０の出力電圧とリアクタンス３２の起電力を重畳した高電圧が出力される。これにより、高電位配線１２が昇圧される。
【００１０】
また、高電位配線１２の電圧が所定値より高い状態では、ＩＧＢＴ２０ａがオンしており、ＩＧＢＴ２０ｂがオフしていると、図２の矢印１８に示す充電回路１８に電流が流れる。この状態では、リアクタンス３２にバッテリ３０と同じ方向に起電力が生じる。このため、このため、バッテリ３０に、高電位配線１２の電圧をリアクタンス３２の起電力分だけ降圧させた電圧が印加される。次に、ＩＧＢＴ２０ａがオフし、ＩＧＢＴ２０ｂがオンすると、リアクタンス３２にバッテリ３０とは逆方向に起電力が生じ、図２の矢印１７に示す第２還流回路１７に電流が流れる。これにより、バッテリ３０が充電される。
【００１１】
図１に示す電圧供給回路１６と第１還流回路１５に交互に繰り返し通電されている状態（以下、昇圧動作状態という）では、下アームのＩＧＢＴ２０ｂでオンデューティが大きくなる。このため、下アームで発熱が大きくなる。これに対し、上アームのＩＧＢＴ２０ａ及びダイオード２２ａではそれほど発熱は生じない。
【００１２】
図２に示す充電回路１８と第２還流回路１７に交互に繰り返し通電されている状態（以下、降圧動作状態という）では、上アームのＩＧＢＴ２０ａのオンデューティは小さくなる一方で、下アームのダイオード２２ｂのオンデューティは大きくなる。通常は、ＩＧＢＴ側の損失がダイオードに比べて大きいため、この場合、上アームと下アームの両方で発熱が大きくなる。
【００１３】
次に、ＩＧＢＴ２０ａ、２０ｂ及びダイオード２２ａ、２２ｂを備える半導体モジュール５０の構造について、図３を用いて説明する。半導体モジュール５０は、半導体パッケージ５１〜５４と、冷却器５５〜５７を有している。半導体パッケージ５１〜５４は、ＩＧＢＴ２０を構成する半導体チップとダイオード２２を構成する半導体チップとを樹脂モールドしたパッケージ部品である。半導体パッケージ５１、５２が上アームのＩＧＢＴ２０ａとダイオード２２ａを構成しており、半導体パッケージ５３、５４が下アームのＩＧＢＴ２０ｂとダイオード２２ｂを構成している。なお、図２に示されている２つのＩＧＢＴ２０ａが図１において１つの回路記号によって表されている。同様に、図２の２つのＩＧＢＴ２０ｂが図１では１つの回路記号によって表されており、図２の２つのダイオード２２ａが図１では１つの回路記号によって表されており、図２の２つのダイオード２２ｂが図１では１つの回路記号によって表されている。半導体パッケージ５１、５２の上面は、冷却器５５の下面に固定されている。半導体パッケージ５１、５２の下面は、冷却器５６の上面に固定されている。半導体パッケージ５３、５４の上面は、冷却器５６の下面に固定されている。半導体パッケージ５３、５４の下面は、冷却器５７の上面に固定されている。
【００１４】
冷却器５５〜５７には、循環流路が接続されている。循環流路は、共通流路６０と、共通流路６０から分岐する分岐流路６１〜６３を有している。分岐流路６１は冷却器５５に接続されており、分岐流路６２は冷却器５６に接続されており、分岐流路６３は冷却器５７に接続されている。循環流路内には、冷却液が循環する。すなわち、図示しないポンプが冷却液を送出することで、循環流路内に冷却液が流れる。共通流路６０内を流れる冷却液は、分岐流路６１〜６３のいずれかに流入する。分岐流路６１に流入した冷却液は、冷却器５５内を通過して、再度、共通流路６０に戻る。冷却器５５は、分岐流路６１から供給される冷却液を用いて半導体パッケージ５１、５２を冷却する。分岐流路６２に流入した冷却液は、冷却器５６内を通過して、再度、共通流路６０に戻る。冷却器５６は、分岐流路６２から供給される冷却液を用いて半導体パッケージ５１、５２、５３、５４を冷却する。分岐流路６３に流入した冷却液は、冷却器５７内を通過して、再度、共通流路６０に戻る。冷却器５７は、分岐流路６３から供給される冷却液を用いて半導体パッケージ５３、５４を冷却する。
【００１５】
分岐流路６１には、開閉弁７０が設置されている。開閉弁７０は、分岐流路６１を開閉する。開閉弁７０は、制御装置７２に接続されている。また、制御装置７２には、上述した電流検出器３８（図１参照）が接続されている。制御装置７２は、電流検出器３８が検出する電流に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が、昇圧動作状態にあるのか、降圧動作状態にあるのかを判定する。制御装置７２は、昇圧動作状態にある場合には、開閉弁７０を閉じ、降圧動作状態にある場合には開閉弁７０を開く。
【００１６】
上述したように、降圧動作状態では、上アームと下アームの両方で発熱が大きい。この場合、制御装置７２は、開閉弁７０を開く。したがって、冷却器５５〜５７に略均等に冷却液が供給される。上アームの半導体パッケージ５１、５２は、冷却器５５、５６によって上下両側から冷却される。これによって、上アームの半導体パッケージ５１、５２の温度上昇が抑制される。また、下アームの半導体パッケージ５３、５４は、冷却器５６、５７によって上下両側から冷却される。これによって、下アームの半導体パッケージ５３、５４の温度上昇が抑制される。
【００１７】
また、上述したように、昇圧動作状態では、下アームで発熱が大きくなるのに対し、上アームではそれほど発熱は生じない。この場合、制御装置７２は、開閉弁７０を閉じる。したがって、冷却器５５には冷却液が供給されない。このため、共通流路６０から分岐流路６２、６３のみに冷却液が供給されることになり、分岐流路６２、６３における冷却液の流量が増加する。したがって、冷却器５６、５７の冷却能力が向上する。この状態では、冷却器５５が動作しないため、上アームの半導体パッケージ５１、５２は、冷却器５６によって冷却される。上アームの半導体パッケージ５１、５２の発熱量が小さいため、冷却器５６のみでも十分に半導体パッケージ５１、５２の温度上昇を抑制することができる。また、下アームの半導体パッケージ５３、５４は、冷却器５６、５７によって上下両側から冷却される。冷却器５６、５７の冷却能力が向上しているため、下アームの半導体パッケージ５１、５２はより効果的に冷却される。したがって、発熱量が多い下アームの半導体パッケージ５１、５２の温度上昇を抑制することができる。
【００１８】
以上に説明したように、このＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、上アームと下アームの両方で発熱が大きい降圧動作状態では、全ての冷却器５５〜５７に冷却液を供給して、上アームと下アームを冷却する。また、下アームで発熱がより大きい昇圧動作状態では、冷却器５５への冷却液の供給を停止して冷却器５６、５７への冷却液の供給量を増加させることで、上アームに対する冷却能力を低下させるとともに下アームに対する冷却能力を上昇させる。このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、動作状態に応じて各冷却器の冷却能力を変更するため、冷却が必要な個所をより効果的に冷却することができる。また、このように各半導体パッケージ５１〜５４を適切に冷却できるため、各半導体チップのサイズの小型化が可能となり、低コスト化が可能となる。
【００１９】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作状態の１つとして、パススルー動作を採用してもよい。パススルー動作では、上アームのＩＧＢＴ２０ａが常時オンとなる。パススルー動作では、上アームと下アームの両方で発熱する。この場合、制御装置７２は、ＩＧＢＴ２０ａ、２０ｂのゲート電圧を制御するコントローラから現在の動作状態を取得し、パススルー動作状態においては開閉弁７０を開いてもよい。これによって、上アームと下アームの両方を冷却することが可能となる。すなわち、パススルー動作状態及び降圧動作状態では開閉弁７０を開き、昇圧動作状態では開閉弁７０を閉じるようにしてもよい。
【００２０】
また、上述したＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、上アームと下アームのそれぞれに対して２つの半導体パッケージを有していたが、半導体パッケージは上アームと下アームのそれぞれに対して少なくとも１つあればよい。また、上述したＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、ＩＧＢＴとダイオードが別の半導体チップにより構成されていたが、１つの半導体チップにＩＧＢＴとダイオードが形成されていてもよい。また、上記の実施例では、開閉弁７０が冷却器５５の入口側の分岐流路６１に設けられていたが、開閉弁７０は冷却器５５の出口側の分岐流路６１に設けられていてもよい。
【００２１】
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、単独であるいは各種の組み合わ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】
【００２２】
１０：コンバータ
１２：高電位配線
１４：低電位配線
１５：第１還流回路
１６：電圧供給回路
１７：第２還流回路
１８：充電回路
２０：ＩＧＢＴ
２２：ダイオード
３０：バッテリ
３２：リアクタンス
３４：コンデンサ
３６：コンデンサ
３８：電流検出器
４０：負荷
５０：半導体モジュール
５１〜５４：半導体パッケージ
５５〜５７：冷却器
６０：共通流路
６１〜６３：分岐流路
７０：開閉弁
７２：制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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