(57)【要約】      （修正有）【課題】パワーモジュールの素子の耐熱性を確保しつつ、送風器の駆動に伴う消費電力を低減し、騒音の発生を抑制することが可能な技術を提供する。【解決手段】パワーモジュールを冷却する装置を開示する。冷却装置１０は、送風によってパワーモジュールを冷却する送風器と、パワーモジュールの素子温度を検出する素子温度検出手段と、送風器の吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、送風器の駆動態様を制御するコントローラ１８を備えている。冷却装置では、コントローラが、素子温度と吸気温度の温度差に基づいて、送風器の駆動態様を変更する。【選択図】図１
2013033789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュールを冷却する装置であって、
送風によって前記パワーモジュールを冷却する送風器と、
前記パワーモジュールの素子温度を検出する素子温度検出手段と、
前記送風器の吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、
前記送風器の駆動態様を制御するコントローラを備えており、
前記コントローラが、前記素子温度と前記吸気温度の温度差に基づいて、前記送風器の駆動態様を変更する冷却装置。
【請求項２】
前記コントローラが、
前記送風器を弱い送風能力で駆動しており、かつ前記素子温度と前記吸気温度の温度差が上限しきい値を超えた場合に、前記送風器を強い送風能力で駆動するように切り替え、
前記送風器を強い送風能力で駆動しており、かつ前記素子温度と前記吸気温度の温度差が下限しきい値を下回った場合に、前記送風器を弱い送風能力で駆動するように切り換える請求項１の冷却装置。
【請求項３】
前記コントローラが、前記送風器を駆動しており、かつ前記素子温度と前記吸気温度の温度差が駆動しきい値を下回った場合に、前記送風器の駆動を停止させる請求項１または２の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールを冷却する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドカーなどの分野において、大電流を制御するためのパワーモジュールが開発されている。近年、このようなパワーモジュールにおける消費電力は増大しており、その発熱量も増大する傾向にある。これに伴い、パワーモジュールに組み込まれている半導体素子の耐熱性を確保するために、ブロワやファンなどの送風器を用いた強制冷却が利用されている。
【０００３】
送風器を用いた素子の強制冷却を行う場合、送風器は電力によって駆動されるので、送風器の駆動に伴う消費電力の増大が問題となる。また、送風器の駆動によって発生する騒音が問題となる場合もある。そこで、送風器の駆動による消費電力を低減し、騒音の発生を抑制するための技術が、特許文献１や２に開示されている。
【０００４】
特許文献１には、パワーモジュールに取り付けられた放熱フィンの温度と、パワーモジュールの素子を流れる電流および素子の電圧をそれぞれ検出し、それらの検出値から素子温度を推定し、推定される素子温度に基づいて送風器の送風能力を制御する技術が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、パワーモジュールである電力変換回路の出力電流と、ファンの吸気温度をそれぞれ検出し、それらの検出値に基づいて送風器の送風能力を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−３３１０４号公報
【特許文献２】特開平９−１１７１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パワーモジュールの素子の耐熱性を確保するためには、特許文献１に記載の技術のように、パワーモジュールの素子温度に基づいて送風器の送風能力を調整することが好ましい。しかしながら、素子の温度特性は製品毎にばらつきがあり、素子の経年変化もあるため、素子に流れる電流や素子の電圧に基づいて精度よく素子温度を推定することは困難である。
【０００８】
また、特許文献１や２に記載の技術のように、送風器を常時駆動し続けることは、消費電力の増加や、騒音の増加を招く要因となる。特に、パワーモジュールがハイブリッドカー等の車両に搭載されている場合には、車両が一旦停止した際や低速走行の際に、送風器から発生する騒音によって車両内の静粛性が損なわれてしまう。
【０００９】
本明細書は、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、パワーモジュールの素子の耐熱性を確保しつつ、送風器の駆動に伴う消費電力を低減し、騒音の発生を抑制することが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書では、パワーモジュールを冷却する装置を開示する。その冷却装置は、送風によってパワーモジュールを冷却する送風器と、パワーモジュールの素子温度を検出する素子温度検出手段と、送風器の吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、送風器の駆動態様を制御するコントローラを備えている。その冷却装置では、コントローラが、素子温度と吸気温度の温度差に基づいて、送風器の駆動態様を変更する。
【００１１】
上記の冷却装置によれば、素子温度検出手段で検出される実際の素子温度と、吸気温度検出手段で検出される送風器の吸気温度に基づいて、送風器の駆動態様を変更することができる。このような構成とすることによって、パワーモジュールの素子の耐熱性を確保しつつ、送風器の送風能力を適切に調整することができ、送風器の駆動に伴う消費電力を低減し、騒音の発生を抑制することができる。
【００１２】
上記の冷却装置では、前記コントローラが、前記送風器を弱い送風能力で駆動しており、かつ前記素子温度と前記吸気温度の温度差が上限しきい値を超えた場合に、前記送風器を強い送風能力で駆動するように切り替え、前記送風器を強い送風能力で駆動しており、かつ前記素子温度と前記吸気温度の温度差が下限しきい値を下回った場合に、前記送風器を弱い送風能力で駆動するように切り換えることが好ましい。
【００１３】
上記の冷却装置によれば、送風器の送風能力についてヒステリシス制御を行うことで、素子の耐熱性が確保される範囲内でパワーモジュールの素子温度を安定させることができる。素子の耐熱性を確保しつつ、不必要に強い送風能力で送風器を駆動してしまうことを防ぐことができる。
【００１４】
上記の冷却装置では、前記コントローラが、前記送風器を駆動しており、かつ前記素子温度と前記吸気温度の温度差が駆動しきい値を下回った場合に、前記送風器の駆動を停止させることが好ましい。
【００１５】
上記の冷却装置によれば、パワーモジュールの素子が十分に冷却されていて、その後の通電による温度上昇に素子が耐えられる場合には、送風器の駆動を停止させることができる。素子の耐熱性を確保しつつ、送風器の不必要な駆動を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本願明細書が開示する冷却装置によれば、パワーモジュールの素子の耐熱性を確保しつつ、送風器の駆動に伴う消費電力を低減し、騒音の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】冷却装置１０の構成を模式的に示す図である。
【図２】インバータモジュール４への通電と温度変動の関係を示す図である。
【図３】コントローラ１８が行う処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本実施例の冷却装置１０を示している。冷却装置１０は、ヒートシンク２に密着して搭載されたインバータモジュール４を冷却するために使用される。本実施例では、インバータモジュール４は、ハイブリッドカーのモータ・ジェネレータに組み込まれて使用される。ヒートシンク２には、空冷用のフィン６が形成されている。冷却装置１０は、ヒートシンク２のフィン６に向けて送風するブロワ１２を備えている。インバータモジュール４で発生した熱は、ヒートシンク２に移動し、フィン６においてブロワ１２からの送風によって放熱される。
【００１９】
冷却装置１０は、ブロワ１２の吸気温度を検出する吸気温度サーミスタ１４と、インバータモジュール４の素子温度を検出する素子温度サーミスタ１６と、ブロワ１２の動作を制御するコントローラ１８を備えている。コントローラ１８は、吸気温度サーミスタ１４で検出される吸気温度と、素子温度サーミスタ１６で検出される素子温度に基づいて、ブロワ１２の動作を制御する。
【００２０】
図２（Ａ）および（Ｂ）は、インバータモジュール４への通電と温度変動の関係を示している。図２（Ａ）に示すように、インバータモジュール４には、通電のオンとオフのサイクルが繰り返される。この場合、図２（Ｂ）に示すように、インバータモジュール４の素子温度Ｔｊは、通電のオンとオフのサイクルに追従して上昇と下降を繰り返しながら、徐々に上昇していく。そして、インバータモジュール４への通電がなされなくなると、インバータモジュール４の素子温度は徐々に下降していく。吸気温度Ｔａは、インバータモジュール４の動作とは無関係に、ほぼ一定に保たれている。
【００２１】
上記のような温度特性を考慮して、本実施例の冷却装置１０では、上限しきい値Ｔ１、下限しきい値Ｔ２、駆動しきい値Ｔ３の３つのしきい値を用いて、ブロワ１２の制御を行う。上限しきい値Ｔ１は、インバータモジュール４への通電のオンとオフの最初のサイクルにおける、最大の素子温度Ｔｊｈ１と、そのときの吸気温度Ｔａｈ１の温度差に対応している。下限しきい値Ｔ２は、インバータモジュール４への通電のオンとオフの２回目のサイクルにおける、最小の素子温度Ｔｊｃ２と、そのときの吸気温度Ｔａｃ２の温度差に対応している。駆動しきい値Ｔ３は、インバータモジュール４への通電のオンとオフの最初のサイクルにおける、最小の素子温度Ｔｊｃ１と、そのときの吸気温度Ｔａｃ１の温度差に対応している。これらの上限しきい値Ｔ１、下限しきい値Ｔ２、駆動しきい値Ｔ３は、冷却装置１０が冷却する対象であるインバータモジュール４およびヒートシンク２について試験等を行うことで、予め適正な値を取得しておくことができる。これらの上限しきい値Ｔ１、下限しきい値Ｔ２、駆動しきい値Ｔ３は、予めコントローラ１８に記憶されている。
【００２２】
図３はコントローラ１８が行う処理のフローチャートである。常時電源（＋Ｂ電源）が投入されると、コントローラ１８はステップＳ２以降の処理を実行する。
【００２３】
ステップＳ２では、ブロワ１２を低速で駆動する。これにより、ブロワ１２からヒートシンク２のフィン６へ、弱い風量での送風がなされる。
【００２４】
ステップＳ４では、所定時間が経過するまで待機する。
【００２５】
ステップＳ６では、素子温度サーミスタ１６で検出される素子温度Ｔｊと吸気温度サーミスタ１６で検出される吸気温度Ｔａの温度差ΔＴが、駆動しきい値Ｔ３を下回るか否かを判断する。温度差ΔＴが駆動しきい値Ｔ３を下回る場合（ＹＥＳである場合）、インバータモジュール４の素子はブロワ１２による冷却を必要としない程度に低温となっているので、ステップＳ８へ進む。
【００２６】
ステップＳ８では、ブロワ１２の駆動を停止して、ステップＳ６へ戻る。
【００２７】
ステップＳ６で温度差ΔＴが駆動しきい値Ｔ３以上である場合（ＹＥＳである場合）、ステップＳ１０へ進む。
【００２８】
ステップＳ１０では、ブロワ１２を低速で駆動する。これにより、ブロワ１２からヒートシンク２のフィン６へ、弱い風量での送風がなされる。
【００２９】
ステップＳ１２では、素子温度Ｔｊと吸気温度Ｔａの温度差ΔＴが上限しきい値Ｔ１以上であるか否かを判断する。温度差ΔＴが上限しきい値Ｔ１を下回っていれば（ＮＯであれば）、処理はステップＳ６へ戻る。温度差ΔＴが上限しきい値Ｔ１以上であれば（ＹＥＳであれば）、処理はステップＳ１４へ進む。
【００３０】
ステップＳ１４では、ブロワ１２を高速で駆動する。これにより、ブロワ１２からヒートシンク２のフィン６へ、強い風量での送風がなされる。
【００３１】
ステップＳ１６では、素子温度Ｔｊと吸気温度Ｔａの温度差ΔＴが下限しきい値Ｔ２以下であるか否かを判断する。温度差ΔＴが下限しきい値Ｔ２を超えていれば（ＮＯであれば）、処理はステップＳ１４へ戻る。温度差ΔＴが下限しきい値Ｔ２以下であれば（ＹＥＳであれば）、処理はステップＳ１０へ戻る。
【００３２】
コントローラ１８がブロワ１２を上記のように制御することにより、冷却装置１０は以下のような動作をする。
【００３３】
冷却装置１０では、常時電源（＋Ｂ電源）が投入されると、ブロワ１２を低速で駆動させ、温度差ΔＴが上限しきい値Ｔ１を超えるまで、ブロワ１２の低速での駆動を継続する。インバータモジュール４への通電がオンすることによって素子温度Ｔｊが上昇し、温度差ΔＴが上限しきい値Ｔ１を越えた時点で、ブロワ１２を低速での駆動から高速での駆動に切り換える。その後、温度差ΔＴが下限しきい値Ｔ２を下回るまで、ブロワ１２の高速での駆動を継続する。インバータモジュール４への通電がオフして、ブロワ１２による冷却によって素子温度Ｔｊが低下し、温度差ΔＴが下限しきい値Ｔ２を下回ると、ブロワ１２を高速での駆動から低速での駆動に切り換える。このように、本実施例の冷却装置１０では、ブロワ１２の送風能力についてヒステリシス制御を行い、素子の耐熱性が確保される範囲内でインバータモジュール４の素子温度を安定させている。
【００３４】
また、冷却装置１０では、ブロワ１２を駆動している間に、インバータモジュール４の素子温度Ｔｊが十分に低下して、温度差ΔＴが駆動しきい値Ｔ３を下回れば、その時点でブロワ１２の駆動を停止する。冷却装置１０は、その後に再び温度差ΔＴが駆動しきい値Ｔ３以上となるまで、ブロワ１２の駆動を停止させる。インバータモジュール４の素子が十分に冷却されて、次に通電がオンした場合の温度上昇に素子が耐えられることを確認した上でブロワ１２の駆動を停止しているので、インバータモジュール４の素子の耐熱性を確保しつつ、ブロワ１２の駆動を停止させることができる。なお、上記の冷却装置１０では、インバータモジュール４がある程度の熱容量を有するヒートシンク２に密着して搭載されているので、ブロワ１２が駆動していない期間においても、短時間であればインバータモジュール４の発熱をヒートシンク２へ逃がして、素子の耐熱性を確保することができる。
【００３５】
以上のように、本実施例の冷却装置１０によれば、ブロワ１２を不必要に駆動することがなく、ブロワ１２を駆動する際にも不必要に高速で駆動することがない。このような構成とすることによって、ブロワ１２を構成する機械部品の劣化を抑制し、ブロワ１２の長寿命化を図ることができる。また、ブロワ１２の駆動に伴う消費電力を低減し、ブロワ１２から発生する騒音の低減を図ることができる。
【００３６】
本実施例の冷却装置１０では、素子温度サーミスタ１６で検出される素子温度Ｔｊと、吸気温度サーミスタ１４で検出される吸気温度Ｔａの２つのパラメータに基づいて、ブロワ１２の駆動態様を制御している。コントローラ１８が扱う制御パラメータの数が少ないので、コントローラ１８の構成を簡素なものとし、コントローラ１８における処理を簡易なものとすることができる。これにより、コントローラ１８の誤動作に起因する不具合発生のリスクを低減することができる。
【００３７】
上記の実施例では、冷却装置１０が冷却するパワーモジュールがインバータモジュール４である場合について説明したが、冷却装置１０が冷却するパワーモジュールはこれに限られない。例えば、冷却装置１０が冷却するパワーモジュールは、ＤＣＤＣコンバータであってもよい。
【００３８】
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】
【００３９】
２  ヒートシンク
４  インバータモジュール
６  フィン
１０  冷却装置
１２  ブロワ
１４  吸気温度サーミスタ
１６  素子温度サーミスタ
１８  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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