(57)【要約】【課題】内部の温度上昇を効果的に抑制することができる電力変換装置を提供すること。【解決手段】半導体素子２１を内蔵する半導体モジュール２と、半導体モジュール２を両主面２５から挟持するように積層配置された冷却管４とを有する電力変換装置。冷却管４は、一対の外殻プレート４１と、一対の外殻プレート４１の間に配された中間プレート４２と、中間プレート４２と外殻プレート４１との間に配されたインナフィン４３とを有し、中間プレート４２と外殻プレート４１との間に冷媒流路４４を形成してなる。中間プレート４２は、外殻プレート４１よりも外方へ突出した突出部４２１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から挟持するように積層配置された冷却管とを有する電力変換装置であって、
上記冷却管は、一対の外殻プレートと、該一対の外殻プレートの間に配された中間プレートと、該中間プレートと上記外殻プレートとの間に配されたインナフィンとを有し、上記中間プレートと上記外殻プレートとの間に冷媒流路を形成してなり、
上記中間プレートは、上記外殻プレートよりも外方へ突出した突出部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１において、上記突出部は、表面積を稼ぐためのフィン構造を設けてなることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から挟持するように積層配置された冷却管とを有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源として備えた自動車等では、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大容量のインバータを必要とする。そのため、このインバータを含む電力変換装置が種々開発されてきた。
【０００３】
インバータ回路（電力変換回路）は、ＩＧＢＴ素子等を内蔵した半導体モジュールを用いて構成するが、上記のごとく大容量であるため、発熱量も大きい。そのため、電力変換装置は、上記半導体モジュールを冷却する冷却器を組み込んで構成する（特許文献１参照）。
即ち、該冷却器は、半導体モジュールを両主面から挟持するように冷却管を積層配置してなる。
【０００４】
しかし、電力変換装置においては、上記のごとく半導体モジュールの冷却は、冷却器によって冷却しているが、コンデンサ等の他の発熱部品については、特に直接の冷却手段を設けていない。それ故、上記発熱部品からの熱は、周囲の空気に放熱されていた。そのため、電力変換装置のケース内において、空気の温度が上昇してしまい、各部品の正常な作動に支障をきたすおそれがある。特に、高温の空気は電力変換装置のケース内の上部に溜まるため、上部に配された部品等に影響を与えるおそれがある。
【０００５】
そのため、これらの部品の耐熱性を向上させる対策をとる必要がある。
一方、コンデンサ等、半導体モジュール以外の発熱部品についても、冷却器に接触させて伝熱放熱させることも考えられるが、かかる構成をとろうとすると、電力変換装置の体格が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−０７３３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、内部の温度上昇を効果的に抑制することができる電力変換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から挟持するように積層配置された冷却管とを有する電力変換装置であって、
上記冷却管は、一対の外殻プレートと、該一対の外殻プレートの間に配された中間プレートと、該中間プレートと上記外殻プレートとの間に配されたインナフィンとを有し、上記中間プレートと上記外殻プレートとの間に冷媒流路を形成してなり、
上記中間プレートは、上記外殻プレートよりも外方へ突出した突出部を有することを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。
【０００９】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、半導体モジュールは、該半導体モジュールの両主面に配置された冷却管における冷媒流路を流通する冷却媒体との間で熱交換することにより、冷却される。これは、冷却管を通じて、半導体モジュールと冷却媒体との間の伝熱が行われることによる。
【００１０】
そして、上記冷却管は、一対の外殻プレートと中間プレートとインナフィンとを有し、中間プレートは、外殻プレートよりも外方へ突出した突出部を有する。そのため、電力変換装置内における上記突出部の周囲の空気の温度上昇をも効果的に抑制することができる。
即ち、冷却管を構成する中間プレートを外殻プレートよりも外側に突出させた突出部を形成して、突出部とその周囲の空気とを接触させることにより、中間プレートを介して、冷却媒体と突出部の周囲の空気との間の熱交換を行うことができる。特に、中間プレートは、冷却管の中央部分に配され冷却媒体との接触面積を充分に有するため、中間プレートを介して冷却媒体と空気との間の熱交換を効率的に行うことができる。これにより、電力変換装置の内部における温度上昇を効果的に抑制することができる。
【００１１】
上述のごとく、半導体モジュールの熱は該半導体モジュールを挟持する冷却管への伝熱によって放熱されるが、電力変換装置に内蔵されたコンデンサ等の他の発熱部品による熱は、周囲の空気に放熱される。これにより高温となった空気を、上述のごとく、中間プレートの突出部との間で熱交換して冷却し、電力変換装置の内部の温度上昇を抑制することができる。
【００１２】
また、上記突出部は、中間プレートを外殻プレートよりも外方へ突出させて冷却管を作製することにより形成することができるため、電力変換装置内に特に新たな部品や機器を配置する必要がない。それ故、製造容易、低コスト、かつコンパクトな電力変換装置を得ることができる。
【００１３】
以上のごとく、本発明によれば、内部の温度上昇を効果的に抑制することができる電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明（請求項１）において、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
また、上記半導体モジュールは、例えばＩＧＢＴ素子等の半導体素子を内蔵してなり、電力変換回路の一部を構成する。
また、上記冷却管と上記半導体モジュールとの間には、絶縁材を介在させることもできる。
【００１５】
また、上記突出部は、表面積を稼ぐためのフィン構造を設けてなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記突出部における周囲の空気との接触面積を大きくすることができる。そのため、上記突出部と空気との熱交換を効率的に行うことができ、電力変換装置の内部の温度上昇を一層効果的に抑制することができる。
【実施例】
【００１６】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、半導体素子２１を内蔵する半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を両主面２５から挟持するように積層配置された冷却管４とを有する。
【００１７】
冷却管４は、図１、図２に示すごとく、一対の外殻プレート４１と、該一対の外殻プレート４１の間に配された中間プレート４２と、該中間プレート４２と外殻プレート４１との間に配された波形状のインナフィン４３とを有する。中間プレート４２と外殻プレート４１との間に冷媒流路４４が形成されている。
そして、中間プレート４２は、外殻プレート４１よりも外方へ突出した突出部４２１を有する。
【００１８】
中間プレート４２は平板状のプレートであって、その両面に、波形状のインナフィン４３が接合されている。更に、このインナフィン４３を覆うようにして、中間プレート４２の両面に、外殻プレート４１がその端部において接合されている。また、外殻プレート４１はインナフィン４３とも接合されている。これにより、扁平形状の冷却管４が形成されている。また、外殻プレート４１、中間プレート４２、及びインナフィン４３は、アルミニウム製であり、これらは、溶接、ろう付け等によって互いに接合されている。
【００１９】
そして、中間プレート４２は、外殻プレート４１との接合部４５よりも更に外方まで延設されており、この部分が上記突出部４２１となっている。突出部４２１は、図１、図４、図５に示すごとく、冷却管４の長さ方向及び幅方向の何れにも形成されている。
また、外殻プレート４１と中間プレート４２との間には、冷媒流路４４が形成されている。この冷媒流路４４には、例えばエチレングリコール系の不凍液を混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷却媒体を流通させることができる。
【００２０】
また、図３〜図５に示すごとく、冷却管４の端部における主面４５には、連結パイプ４０２が配設されており、隣り合う冷却管４との間で連結パイプ４０２を接続することにより、冷媒流路４４を連通させている。なお、図３、図５においては、絶縁材３の図示を省略してある。
【００２１】
また、図１に示すごとく、冷却管４と半導体モジュール２との間には、熱伝導性に優れたセラミック板からなる絶縁材３を介在させている。
また、半導体モジュール２は、両面冷却構造を有し、絶縁材３及び冷却管４は、半導体モジュール２の両主面２５に積層配置されている。即ち、半導体モジュール２は、両主面２５に放熱板２３を露出して配置しており、それぞれの主面２５にグリス（図示略）を介して絶縁材３が接触配置され、各絶縁材３にグリス（図示略）を介して冷却管４が接触配置されている。
【００２２】
更に、上記のように配置された冷却管４の反対側にも同様の構成で、絶縁材３及び半導体モジュール２を介して積層されている。そして、全体としては、図３に示すごとく、冷却管４と半導体モジュール２とが絶縁材３（図示略）を介して交互に積層配置されている。なお、一対の冷却管４の間には、２個の半導体モジュール２が左右に並列配置された状態で挟持されている。
【００２３】
図１に示すごとく、半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等の半導体素子２１を内蔵したモジュール本体部２０と、該モジュール本体部２０から突出させた外部接続端子２２とを有する。外部接続端子２２には、主電極端子２２１と、該主電極端子２２１の突出方向と略１８０度異なる方向へ突出させた信号端子２２２とがある。
【００２４】
また、図３に示すごとく、複数の冷却管４の両端は、それぞれ連結パイプ４０１によって連結されており、これにより、２箇所のヘッダ部４０２を形成してある。また、該２箇所のヘッダ部４０２の一方の端部には、冷却管４に接続された冷媒導入口４０３と冷媒排出口４０４とがそれぞれ設けてある。このようにして、複数の冷却管４を並列配置してなる冷却器４０が構成されている。
【００２５】
そして、隣り合う冷却管４の間に上述のごとく半導体モジュール２を挟持させ、冷却管４内に冷却媒体を流通させることにより、モジュール本体部２０を両面から冷却することができる。このように、冷却管４と半導体モジュール２とを交互に積層して、半導体積層ユニット１１を構成している。
【００２６】
上記電力変換装置１としては、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
電力変換装置１は、図６に示すごとく、ケース１０内に、上記半導体積層ユニット１１と、半導体モジュール２の信号端子２２２に電気的に接続され、半導体モジュール２を制御する制御回路部１２と、半導体モジュール２の主電極端子２２１に電気的に接続されたコンデンサ部１３とを配置してなる。
【００２７】
上記コンデンサ部１３は、半導体積層ユニット１１の下方に配され、上記制御回路部１２は、半導体積層ユニット１１の上方に配されている。なお、コンデンサ部１３には、例えば、断続電流を平滑な直流電流とする平滑コンデンサや、入力電流のリプル成分を除去するフィルタコンデンサ等が配されている。
【００２８】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、半導体モジュール２は、該半導体モジュール２の両主面２５に配置された冷却管４における冷媒流路４４を流通する冷却媒体との間で熱交換することにより、冷却される。これは、冷却管４を通じて、半導体モジュール２と冷却媒体との間の伝熱が行われることによる。
【００２９】
そして、上記冷却管４は、一対の外殻プレート４１と中間プレート４２とインナフィン４３とを有し、中間プレート４２は、外殻プレート４１よりも外方へ突出した突出部４２１を有する。そのため、電力変換装置１内における上記突出部４２１の周囲の空気の温度上昇をも抑制することができる。
【００３０】
即ち、冷却管４を構成する中間プレート４２を外殻プレート４１よりも外側に突出させた突出部４２１を形成して、突出部４２１とその周囲の空気とを接触させることにより、中間プレート４２を介して、冷却媒体と突出部４２１の周囲の空気との間の熱交換を行うことができる。特に、中間プレート４２は、冷却管４の中央部分に配され冷却媒体との接触面積を充分に有するため、中間プレート４２を介して冷却媒体と空気との間の熱交換を効率的に行うことができる。これにより、電力変換装置１の内部における温度上昇を効果的に抑制することができる。
【００３１】
上述のごとく、半導体モジュール２の熱は該半導体モジュール２を挟持する冷却管４への伝熱によって放熱されるが、電力変換装置１に内蔵されたコンデンサ等の他の発熱部品による熱は、周囲の空気に放熱される。これにより高温となった空気を、上述のごとく、中間プレート４２の突出部４２１との間で熱交換して冷却し、電力変換装置１の内部の温度上昇を抑制することができる。
【００３２】
特に、本例においては、図６に示すごとく、発熱部であるコンデンサ部１３が冷却管４の下方に配されているため、コンデンサ部１３の放熱によって高温となった周囲の空気は、矢印ａに示すごとく、ケース１０内を上昇する。このとき、空気は、冷却管４の間の空間１４、１５を通過するが、その多くは、隣り合う冷却管４の突出部４２１の間の空間１４を通過する。即ち、突出部４２１は中間プレート４２が突出しているだけであり、突出部４２１の間の空間１４は、冷却管４の他の部分の間の空間１５よりも広いため、この空間１４を空気は円滑に通過する。
【００３３】
これにより、空間１４を通過する間に、高温の空気は冷却管４の突出部４２１へ放熱して冷却される。
そして、冷却管４の上方に配置された制御回路部１２への高温の空気の到達を防ぐことができる。これにより、特に制御回路部１２周辺の空気の温度上昇を抑制することにより、制御回路部１２の温度上昇を抑制し、制御回路部１２の正常な動作を確保することができる。
【００３４】
また、上記突出部４２１は、中間プレート４２を外殻プレート４１よりも外方へ突出させて冷却管４を作製することにより形成することができるため、電力変換装置１内に特に新たな部品や機器を配置する必要がない。それ故、製造容易、低コスト、かつコンパクトな電力変換装置１を得ることができる。
【００３５】
以上のごとく、本例によれば、内部の温度上昇を効果的に抑制することができる電力変換装置を提供することができる。
【００３６】
（実施例２）
本例は、図７に示すごとく、冷却管４の突出部４２１に、表面積を稼ぐためのフィン構造を設けてなる電力変換装置１の例である。
上記フィン構造として、本例においては、図７に示すような波形状を採用した。フィン構造としては、例えば、凹凸形状としたり、リブを配設したりするなど、他にも種々の態様を採用することができる。
その他は、実施例１と同様である。
【００３７】
本例の場合には、上記突出部４２１における周囲の空気との接触面積を大きくすることができる。そのため、上記突出部４２１と空気との熱交換を効率的に行うことができ、電力変換装置１の内部の温度上昇を一層効果的に抑制することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００３８】
（実施例３）
本例は、図８に示すごとく、中間プレート４２の突出部４２１を、冷却管４の長さ方向にのみ設けた電力変換装置１の例である。
本例における中間プレート４２は、幅方向については、外殻プレート４１から突出していない。
その他は、実施例１と同様である。
【００３９】
本例の場合にも、充分に電力変換装置１の内部の温度上昇を抑制することができる。即ち、電力変換装置１のケース１０内の配置が、図６に示すように冷却管４の長さ方向が水平方向となるような配置の場合には、高温となった空気は冷却管４の長さ方向の端部を多く通過する。それ故、この部分に上記突出部４２１が形成されていることにより、ケース１０内の空気を冷却する効果を充分に発揮することができる。
また、冷却管４の幅を小さくすることができるため、電力変換装置１の小型化を一層容易にすることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００４０】
（比較例）
本例は、図９、図１０に示すごとく、冷却管４０における中間プレート４２を突出させていない電力変換装置の例である。
即ち、本例の電力変換装置は、上記実施例１〜３に示した突出部４２１を設けていない。そして、中間プレート４２の端部は一対の外殻プレート４１同士の接合部４５０よりも内側に配されている。
その他は、実施例１と同様である。
【００４１】
本例の場合には、上記実施例１〜３に示した突出部４２１（図１〜図８参照）を設けていないため、電力変換装置内における空気と冷却管４０との接触面積が少なく、空気と冷却管４０との間の熱交換を充分に行うことが困難となるおそれがある。即ち、本例の構成においては、空気と冷却管４０との間の熱交換は、例えば、図３に示した空間１５等に対応する部分を空気が通過する際に行われることが考えられるが、この空間１５に相当する部分は狭い部分であり、空気が円滑に流通し難い部分である。それ故、高温の空気を充分に冷却して電力変換装置の内部の温度上昇を効果的に抑制することが困難となるおそれがある。
【００４２】
これに対して、上述した実施例１〜３に示した本発明の電力変換装置１によれば、突出部４２１（図１〜図８参照）を設けたことにより、電力変換装置１の内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１における、半導体モジュールとこれを挟持する一対の冷却管の断面図。
【図２】実施例１における、冷却管の一部断面斜視図。
【図３】実施例１における、半導体積層ユニットの平面図。
【図４】実施例１における、冷却管の端部付近の正面図。
【図５】実施例１における、冷却管の端部付近の断面図。
【図６】実施例１における、電力変換装置の説明図。
【図７】実施例２における、半導体モジュールとこれを挟持する一対の冷却管の断面図。
【図８】実施例３における、冷却管の端部付近の平面図。
【図９】比較例における、半導体モジュールとこれを挟持する一対の冷却管の断面図。
【図１０】比較例における、冷却管の端部付近の平面図。
【符号の説明】
【００４４】
１  電力変換装置
２  半導体モジュール
２１  半導体素子
２５  主面
４  冷却管
４１  外殻プレート
４２  中間プレート
４３  インナフィン
４４  冷媒流路
【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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