(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子が実装された半導体モジュールと、前記半導体モジュールを冷却するための冷却液を通す冷却流路が形成されたヒートシンクと、前記冷却流路の一部に設けられた開口部とを備え、
前記半導体モジュールは前記半導体素子と電気回路が放熱基板上に設けられて前記半導体素子と電気回路を内蔵する上ケースが前記放熱基板上に設けられ、前記開口部に前記放熱基板の一部が位置し、前記ヒートシンクの開口部の外側にシール部を備えた電力変換装置において、
前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを締結するためのボルト穴が前記放熱基板に設けられ、前記シール部と前記ボルト穴に挟まれた領域に環状溝を設け、この溝から前記ヒートシンクの前記放熱基板面以外の面に通じる少なくとも１個以上の液排出用穴を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、前記溝の外側に第２シールを設け、前記第２シール上または前記第２シールの外側に前記締結手段を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記溝内に漏水検知手段を設けることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置に係り、特に、小型軽量化が要求されるような、電気自動車や、エンジン、回転電機等の複数のコンポーネントを備えるハイブリッド車用の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換装置としては、例えば、特開平１１−１６３５７２号公報には、回路素子が実装される基板を収納する回路ケースに基板露出窓を設けて、この基板露出窓から露出する基板の反素子搭載面側で冷却ケースの開口（接触冷却用開口）を塞いでいる。さらに、基板露出窓を囲む回路ケースと基板の反素子搭載面との接触領域（回路ケース側の接触領域）は、接触冷却用開口を囲む冷却ケースと基板の反素子搭載面との接触領域（冷却ケース側の接触領域）に対して、外部に連通する液逃がし用の隙間を挟んで配置される構成が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の電力変換装置では、冷却ケースと回路ケースとを間隙をあけることで、シールが破損した場合に、この間隙を外部に連通する液逃がし用の隙間としている。また、冷却ケースと回路基板とを、回路基板側からボルトで締結する構成を用いている。このため、個々のボルトに対してシールが必要となると共に、このボルト部分のシール性能の劣化から回路基板側への漏水の可能性が残るという問題があった。
【０００４】
なお、このような課題の解決方法としては、回路基板とヒートシンクを接合あるいは一体化することが考えられる。しかし、回路の不具合によって回路を交換する場合に、ヒートシンクと一緒に部品を分解・解体する必要が生じる。このため、特に複数の回路を一つの筐体に収納するハイブリッド車両向けの電力変換装置においては、メンテナンスが困難になるという新たな問題が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、冷却性能の優れた、液漏れのなく、装置の小型化、メンテナンスの容易な電力変換装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、複数の半導体素子が実装された半導体モジュールと、前記半導体モジュールを冷却するための冷却液を通す冷却流路が形成されたヒートシンクと、前記冷却流路の一部に設けられた開口部とを備え、前記半導体モジュールは前記半導体素子と電気回路が放熱基板上に設けられて前記半導体素子と電気回路を内蔵する上ケースが前記放熱基板上に設けられ、前記開口部に前記放熱基板の一部が位置し、前記ヒートシンクの開口部の外側にシール部を備えた電力変換装置において、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを締結するためのボルト穴が前記放熱基板に設けられ、前記シール部と前記ボルト穴に挟まれた領域に環状溝を設け、この溝から前記ヒートシンクの前記放熱基板面以外の面に通じる少なくとも１個以上の液排出用穴を設けたことにより達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
【０００８】
まず、図１１を用いて、本発明の電力変換装置の機能を説明する。図１１は、電気自動車の駆動システムの構成を、電力変換装置を中心とした回路図で示したものである。
【０００９】
本実施例の電力変換装置は、バッテリー３０２の直流電流をインバータ回路にて可変電圧可変周波数の交流電流に変換し、３相交流電動機３０５を制御し図示していない車両の車輪を駆動するものである。インバータ回路の直流側には、バッテリー３０２からの直流電流のリップル成分を除去するためのフィルタコンデンサ３０３が接続される。また、インバータ回路は、例えばＩＧＢＴといった半導体スイッチング素子３０１ａや逆並列ダイオード３０１ｂ等の電力用半導体素子により構成されている。インバータ回路は、入力された直流を正・負・中性の３つのレベルを有するパルスを出力することにより、ＰＷＭ変調された可変電圧可変周波数の３相交流を出力する。電動機３０５は、可変電圧可変周波数の交流を入力することによってその回転が制御され、その回転が車輪に伝達され自動車が力行する。また、電動機３０５が発電機として動作する回生時は、上記力行時とは反対にエネルギーがバッテリ３０２に流れる。
【００１０】
マイコン制御回路３０８は、電動機３０５の出力トルクと、回転速度を電流センサ３０４とエンコーダ３０６を用いて検出し、これらを演算してＩＧＢＴ３０１のゲート回路３０７を制御することにより、電動機３０５への給電をＰＷＭ制御する。なお、本実施例のＰＷＭ制御においては、キャリア周波数を１０ｋＨｚ程度とすることで、インバータの動作音が騒音とならないようにしている。
【００１１】
以上説明した電力変換装置において、主たる発熱性の電気部品は、半導体スイッチング素子３０１aおよび逆並列ダイオード３０１ｂであり、その大きさは主に冷却能力によって決定される。即ち、半導体素子および半導体モジュールは素子の動作保証、あるいはモジュール構造の熱疲労による破壊といった信頼性の観点から、一定温度以下に保持する必要がある。そのため、冷却能力の高い実装構造を採用することで、半導体素子が処理できる電力量が増大する。つまり、半導体素子の単位体積当たりの電力処理量が増大するため、相対的に半導体素子を小型にすることができる。
【００１２】
一方、このような液冷方式の電力変換装置を車両に搭載する場合、漏水によって電力変換装置内の電気部品が被水すると、装置が機能する際の障害になるだけでなく、回路短絡や絶縁不良により構成部品が破壊あるいは使用不可能となり、部品交換を余儀なくされることになり、修理に多大なコストが生じる。さらに、乗客の安全性の観点からは、乗客への感電といった危険性も充分に排除しなくてはいけない。以上のような理由から、液冷方式の電力変換装置の電気部品に対しては、可能な限り被水しにくい構造を採用する必要がある。
【００１３】
以下に説明する本実施例の電力変換装置は、これらの要請に応じ得るものである。
【００１４】
図１乃至図４を用いて、本発明の電力変換装置の第一実施例を説明する。図１は本発明の電力変換装置の半導体モジュールの冷却構造を示す構成図である。図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。図３は図２におけるＢ−Ｂ断面図である。図４は、図２におけるＣ−Ｃ断面図である。
【００１５】
本実施例は、ハイブリッド車両用の電力変換装置を示しており、２つの回転電機を制御するために、それぞれ独立した２つのインバータ回路を搭載した場合の例を示している。なお、これらの図では、主に、半導体モジュールとこれを冷却するためのヒートシンク（冷却ケースあるいは冷却基板）を示しており、コンデンサやマイコン制御回路といった他の電気部品や配線等の記載は省略されている。
【００１６】
始めに、本実施例の構成を説明する。半導体モジュールは、半導体素子１０２やその他の電気回路部品を絶縁基板１０３に取付ける。更に、この絶縁基板１０３の裏面に放熱基板１０４を取付ける。更に、放熱基板１０４(放熱プレート)には、半導体素子１０２等を搭載した絶縁基板１０３を収納する上蓋１０１がボルト等で固定して構成される。すなわち、放熱基板１０４と上ケースで構成される回路ケース内に少なくとも１つ以上の回路部品（半導体モジュール）を接した構成としている。なお、放熱基板１０４の額縁部（すなわち、上ケースの外側に位置する放熱基板上）には、ボルト締結用の穴が複数個設けられている。この穴にボルト１０６を挿入して、半導体モジュールとヒートシンク１を後述するシールを介して締結している。また、放熱基板１０４には、冷却液との接触面積を増大させ、冷却能力を向上させるための放熱フィン１０５が冷却液の流れ方向に対して平行となるように設けてある。さらに、半導体モジュールと他の電気部品との接続に用いる電極１０７が、放熱基板の放熱面に対し対向する側（上蓋１０１の上）に設けられている。なお、本図において、内部の半導体素子とこの電極との配線は省略している。
【００１７】
本実施例のヒートシンク１には、上述した半導体モジュールが２個搭載されている（この半導体モジュールの個数は２個に限らず１個でも２個以上でも良いことは言うまでもない）。各モジュールは、それぞれ独立したインバータ回路を構成している。なお、このような構成は、例えば、２つのモジュールで１つのインバータ回路を構成し、１つの大容量回転電機を制御する場合にも適用される。なお、図示していないが、本ヒートシンク上には、例えばコンデンサ３０３といった他の電気部品も実装されている。
【００１８】
本実施例のヒートシンク１は、1枚の基板内部に半導体モジュールを冷却する冷却液を通すための冷却流路２が形成されている。この冷却流路２の一部は、半導体モジュールの放熱基板１０４又は冷却液の流れ方向に沿って設けた設けられた複数の放熱フィン１０５に直接冷却液が接触するように、開口部５を設けてある。放熱基板１０４を開口部５上に取り付けることで、冷却流路２が塞がれるようにするため、開口部５の寸法は放熱基板の外寸法より小さく形成される。なお、本明細書中では放熱基板の開口部と接触する部分を基板露出窓と称する場合も有る。また、冷却流路２の両端部の開口部５と反対側の面には、ヒートシンク外部から冷却液を導入・排出するための入口３aと出口３ｂが設けられている。なお、本実施例では、冷却液の入口３ａと出口３ｂをヒートシンクの背面側に設けたが、端部に設けてもよいことは言うまでもない。さらにヒートシンク1の開口部５の外側には、半導体モジュールを取り付けた放熱基板を固定するための複数のボルト穴８が開口部５を取り囲むように配置される。
【００１９】
また、ヒートシンクの外側面（開口部５側の面）の、冷却流路の開口部５とボルト穴８に挟まれた領域に、冷却液が流れることができる程度の寸法の環状溝６が、冷却流路２とは連通しないよう設けられている。さらに、この溝６の底面には、この溝の底面から、ヒートシンク１の底面、即ち半導体モジュールの取り付け面に対し対向する面側に連通する穴が、離散的に複数個設けられている（図示した実施例においては、この穴は一つの開口部に対し、片側に４個、計８個設けられている）。このように、溝を形成することで、半導体モジュールの放熱基板１０４とヒートシンク１の外壁との接触領域は、開口部５と溝６の内周側に挟まれる領域と、溝６の外周側から放熱基板外周に挟まれる領域に分割される。
【００２０】
上記の環状の接触領域に対し、液密性を保持するためのシールがそれぞれの領域に対応して、半導体モジュールとヒートシンク１の取付け面の間に挿入される。具体的には、開口部５と溝６の内周側に挟まれる領域に対して、第１シール部９が、溝６の外周側から放熱基板外周に挟まれる領域に対して第２シール部１０が形成され、そこに第１及び第２シールがそれぞれ挿入される。このシールの材質・種類については、例えば、ゴムやコンパウンドや金属、あるいはこれらを積層・複合した固体ガスケットや液状ガスケット、Ｏリング等が用いられる。また、この２つのシールは、設置しやすさの観点から、部分的に結合させた１枚のガスケットにして、ヒートシンク１と放熱基板１０４との間に挿入することもできる。
【００２１】
本実施例では半導体素子等を収納した回路ケース内部には、何らの締結手段を設けることなく、回路ケース外部で冷却用の流路を備えた基板である冷却ケースからなるヒートシンクに締結するように構成したものである。
【００２２】
次に上述した本実施例の構成における作用を説明する。本実施例において、冷却流路の液密性の確保が最も困難部分は、開口部５の部分である。そのため、この部分には、上述した第１シールを介在させて、圧接することで液密性を確保している。しかし、シールの耐久劣化や、ボルト緩みによる押し付け力低下、あるいは外的要因によって、ヒートシンクおよび半導体モジュールに対し設計上の許容値以上の圧力がかかった場合には、この部分から漏水する可能性がある。
【００２３】
そこで、仮に何らかの原因で第１シール部の液密性が確保できなくなった場合に、漏れた冷却液の挙動について以下説明する。第１シール部９の外側に漏れた冷却液は、まず第１シールの外側に設けた液排出用の溝６に流れ込む。この液排出の溝内には、ヒートシンク外部に通じる液排出用の穴７が複数箇所形成され、大気圧に開放されている。そのため、仮に第１シールから漏れる冷却液の量が多量であったとしても、その漏れた液の圧力は、第２シール部が許容できる(シールできる)冷却液圧力より小さい。その結果、溝６に流れ出た冷却液は、最終的に液排出用の穴７を介してヒートシンク１の外側、具体的には、放熱基板１０４の半導体素子取付け面に対して対向する面側より排出される。このため、半導体モジュールの放熱基板以外の部分が被水することはない。即ち、放熱基板上の半導体モジュール取り付け面側に実装される電気部品が被水する可能性はなくなる。
【００２４】
本実施例の構成と作用に関して特に重要な点は、冷却流路の液密性を保つ機能と、半導体モジュールの回路ケース内部にはヒートシンク１との固定する機能を持たせずに、半導体モジュールの外部側に固定機能を持たせた点である。これによって、冷却流路の液密性を確保する第１シール部の圧接には、ボルト等の締結手段を用いずに済み、ボルト穴を通じて半導体モジュールのケース内部への被水可能性を完全に解消している。さらに、ヒートシンク外へ通じる液逃がし用の穴７を、液逃がし溝の底面に離散的に設けたことから、ヒートシンク１の第１シールの接触領域と第２シールの接触領域を一体で形成でき、ヒートシンクの剛性が大きくなり、その結果本質的なシール性能が向上する。さらには、この液逃がし穴７を冷却流路２の流れ方向に対してのみ設けることで、冷却流路内に流れを阻害する液逃がし穴を形成するための柱を設けず済む。よって、冷却流路内の抵抗が低減することから、冷却液流量を増加することができ、結果的に冷却性能の向上にも寄与することができる。
【００２５】
次に図５を用いて、本発明の電力変換装置の第二実施例を説明する。図５は半導体モジュールの他の冷却構造の断面図である。
【００２６】
本実施例で第一の実施例と異なる点は、第１シール部９の圧接領域に締結用のボルト１０６ｂを設けた点である。この場合注意する点は、第１シール部９をの締結用のボルトは、ヒートシンク１側に貫通穴を設け、放熱基板１０４側のメネジ穴を設けているが、メネジ穴が半導体モジュールのケース内部まで貫通しないように加工した点である。本ボルトは主に第１シール部の圧接領域における面圧の確保や面圧分布の改善を目的とし、一層のシール性能向上に寄与する。また、放熱基板１０４のメネジ穴は貫通していないため、モジュール取り付け面側への漏水可能性が零となる。
【００２７】
次に図６を用いて、本発明の電力変換装置の第三実施例を説明する。図６は本発明の他の実施例の断面図である。
【００２８】
本実施例で第一の実施例と異なる点は、液逃がし用の溝６に、漏水センサ１１を設けた点てある。本漏水センサ１１により漏水を検知することで、例えば警告信号を運転者に対して発したり、電力変換装置の動作を停止させる等の制御を行う。この場合でも、第２シール部へ液圧力がかからないようにするため、装置外の空気雰囲気に連通する液逃がし穴７が、溝６に離散的に設けてある。このに構成することにより、漏水によって他の部品へ故障等の影響が派生する前に電力変換装置を保護することができる。
【００２９】
次に図７を用いて、本発明の電力変換装置の第四実施例を説明する。図７は本発明の他の実施例の断面図である。
【００３０】
本実施例では、第１シール９のヒートシンク１側接触部位および冷却流路の一部をヒートシンク１から切り離し、別部材として冷却流路を構成したヒートシンクカバー１２を半導体モジュールの放熱基板１０４の取付け面と対向する面側から取付けた。この場合は、ヒートシンクカバー１２を挿入することによって、ヒートシンクと１とヒートシンクカバーの間に第一実施例における液逃がし溝に相当する空間が形成される。また、第一実施例で設けた液逃がし穴７は、ヒートシンクカバー１２側に離散的に設けられる。また、この液逃がし穴７の機能は、ヒートシンク１とヒートシンクカバー１２との接触面に特別な液密保持手段を設けないことでも達成することが可能である。
【００３１】
ここで、冷却流路を構成しているヒートシンクカバー１２はヒートシンク１に対して、ボルト等の締結手段によって支持され、そのボルト穴は放熱基板１０４のモジュール取付け面側に被水する可能性がないように、放熱基板１０４のモジュール取付け面側に貫通しないように設けられる。この構成とすることで、モジュール取付け面側が被水する可能性を零にすると共に、溝加工が省略できるという効果がある。また、半導体モジュールを収納した回路ケースの外側でヒートシンク１に締結する構造としている点は第一実施例と同じである。
【００３２】
次に、図８から図１０を用いて、本発明の電力変換装置の第五実施例から第七実施例を説明する。図８は第五実施例の断面図である。図９は第六実施例の断面図である。図１０は第七実施例の断面図である。
【００３３】
第五実施例の第一実施例と異なる点は、半導体モジュールの放熱基板１０４の冷却液に接触する面を平滑面とした点である。即ち、従来グリース等を介してヒートシンクに取付ける方式の半導体モジュールに、直接液冷方式を採用した場合に好適な形態を示している。このようなモジュールをヒートシンクに取り付ける場合の締結方法も、本実施例と同様モジュールの外縁部にボルト穴を形成する方式が一般的である。そのため、このような従来構造の半導体モジュールを直接液冷する場合においても、本発明によるシール方法が有効に機能する。即ち、半導体モジュールを直接液冷方式用に特化することなく冷却性能を向上することができるため、モジュールの低コスト化に寄与することができるという効果がある。
【００３４】
図９は、図８に示した液体接触部を平滑面で構成する場合の実施例に、さらに冷却性能を向上させるため、ヒートシンクの開口部の底面を放熱基板側に近づけて冷却液の流速を早くする構成としたものである。即ち、図８においては、ヒートシンク１０１に溝６を形成する関係から、開口部に一定の厚さが必要なため、開口部の流路断面積が大きくなって流速が低下し、局所的に冷却性能が劣化する可能性がある。これを解決する手段として、図９では、流路断面積を滑らかに縮小させるスペーサ１３を設け、開口部５直下の流路断面積を緩やかに縮小させることで圧力損失の増加をできるだけ小さく押さえつつ流速を増加させ、冷却性能をさらに向上させている。
【００３５】
図１０は、図８において、ヒートシンク側の開口部付近に複数の突起を設けたものである。このように構成することで、開口部５直下の冷却液の流れを乱して、熱の伝達を促進させるための乱れ促進体を挿入した。この乱れ促進体は、例えば円柱群や角柱群あるいは翼状スペーサといった、放熱基板１０４の表面に形成される境界相を乱すことを目的とする物体が挿入される。これにより、直接液冷方式用に特化した半導体モジュールを用いることなく、さらに冷却性能を向上することができるため、モジュールの低コスト化に寄与することができるという効果がある。
【００３６】
なお、以上の実施例では半導体素子を搭載した回路基板（半導体モジュール）を、絶縁部材を介して放熱基板に取付け、図１に示すように放熱基板毎に冷却ケース（ヒートシンク）に開口部を開けて冷却する構成とした。これに対して、放熱基板に取付ける半導体モジュール取付け位置に対応した位置に相当する冷却ケースに開口部を設け、複数の開口部を取り囲むように放熱基板に１つの溝を設け、溝の内周側と外周側にシールを設ける構成としても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の電力変換装置によれば、半導体モジュールを構成する放熱基板を直接冷却液に接触することができると同時に、ヒートシンク上に取り付けられる電気部品への被水可能性を原理的に零にできることから、冷却性能が高くかつ信頼性の極めて高い電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例におけるパワーモジュール冷却部の構成図である。
【図２】図１におけるＡ―Ａ‘面の断面図である。
【図３】図２におけるＢ―Ｂ‘面の断面図である。
【図４】図２におけるＣ―Ｃ‘面の断面図である。
【図５】本発明の第二実施例におけるパワーモジュール冷却部の構成図である。
【図６】本発明の第三実施例におけるパワーモジュール冷却部の構成図である。
【図７】本発明の第四実施例におけるパワーモジュール冷却部の構成図である。
【図８】本発明の第五実施例におけるパワーモジュール冷却部の構成図である。
【図９】本発明の第六実施例におけるパワーモジュール冷却部の構成図である。
【図１０】本発明の第七実施例におけるパワーモジュール冷却部の構成図である。
【図１１】本発明を適用した駆動システムの主回路図である。
【符号の説明】
１…ヒートシンク、２…冷却流路、３a…冷却液入口、３ｂ…冷却液出口、４…冷却流路側壁、５…冷却流路開口部、６…液排出溝、７…液排出穴、８…ボルト穴、９…第１シール、１０…第２シール、１１…漏水センサ、１２…ヒートシンクカバー、１３…スペーサー、１４…乱れ促進体、１０１…パワーモジュール、１０２…半導体素子、１０３…絶縁基板、１０４…放熱基板、１０５…放熱フィン、１０６…ボルト、１０７…電極、３０１a…電力変換用半導体素子、３０１ｂ…逆並列ダイオード、３０２…バッテリー、３０３…コンデンサ、３０４…電流センサ、３０５…電動機、３０６…エンコーダ、３０７…ゲート回路、３０８…マイコン制御回路。
【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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【図１１】
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