(57)【要約】【課題】パワー半導体モジュールの両面を冷却する冷却流路を有し、冷却流路における圧力損失を低減する。【解決手段】冷却器構成体４００Ａの冷却路４２０は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａを冷却する第１の冷却流路４２１と、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂを冷却する第２の冷却流路と４２２、第１の冷却流路４２１と第２の冷却流路４２２とを接続する折り返し冷却流路４２３とを備えており、第１の冷却流路４２１を流れる冷媒の圧力損失と第２の冷却流路４２２を流れる冷媒の圧力損失とが異なるように構成されている。【選択図】図８
2017055586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面および前記一面に対向する他面に、それぞれ、冷却フィンが突出して形成され、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵するＮ相（Ｎは１以上）用のパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールの前記一面および前記他面を冷却するための冷却路を有する冷却器構成体とを備え、
前記冷却器構成体の前記冷却路は、前記パワー半導体モジュールの前記一面を冷却する第１の冷却流路と、前記パワー半導体モジュールの前記他面を冷却する第２の冷却流路と、前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路とを接続する折り返し冷却流路とを備え、
前記第１の冷却流路を流れる冷媒の圧力損失と前記第２の冷却流路を流れる冷媒の圧力損失とが異なるように構成されている、電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体モジュールに内蔵された前記上下アームの直列回路は、冷媒の流れ方向に沿って配列された複数のパワー半導体素子を有する、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、
前記冷却器構成体の前記冷却路は、前記パワー半導体モジュールの前記一面に対向する第１の内側面、および前記パワー半導体モジュールの前記他面に対向する第２の内側面を有し、前記パワー半導体モジュールの前記一面と前記冷却路の前記第１の内側面間の第１の冷媒流路断面積と、前記パワー半導体モジュールの前記他面と前記冷却路の前記第２の内側面間の第２の冷媒流路断面積とが異なる、電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置おいて、
前記パワー半導体モジュールの前記一面に形成される冷却フィンと、前記パワー半導体モジュールの前記他面に形成される冷却フィンとは、少なくとも、ピッチ、幅もしくは直径、高さ、または形状の１つが異なる、電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記冷却器構成体の前記冷却路内に、異なる位相用の複数のパワー半導体モジュールを備え、
さらに、前記冷却器構成体の前記冷却路内に配置された前記パワー半導体モジュール間に、冷媒が前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路とを流通するのを規制する冷媒仕切り部を備える、電力変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記冷却器構成体は、上面および前記上面に前記パワー半導体モジュールを挿通する開口部が形成されたハウジングを備え、
前記パワー半導体モジュールは、前記開口部内に挿通された状態で前記ハウジングの前記上面上に配置されるフランジを備え、
前記パワー半導体モジュールの前記フランジの下面と、前記パワー半導体モジュールの前記一面に形成された前記冷却フィンとの間に設けられ、冷媒が前記第１の冷却流路を流れるのを規制する第１の上部側流通規制部と、前記パワー半導体モジュールの前記フランジの下面と、前記パワー半導体モジュールの前記他面に形成された前記冷却フィンとの間に設けられ、冷媒が前記第２の冷却流路を流れるのを規制する第２の上部側流通規制部とを、さらに、備える、電力変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記冷却器構成体は、前記パワー半導体モジュールの下面側に配置された支持部を備え、
前記支持部の上面と、前記パワー半導体モジュールの前記一面に形成された前記冷却フィンとの間に設けられ、冷媒が前記第１の冷却流路を流れるのを規制する第１の下部側流通規制部と、前記支持部の上面と、前記パワー半導体モジュールの前記他面に形成された前記冷却フィンとの間に設けられ、冷媒が前記第２の冷却流路を流れるのを規制する第２の下部側流通規制部とを、さらに、備える、電力変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記第１の冷却流路における前記折り返し冷却流路との反対側に冷媒の導入口が設けられ、
前記第２の冷却流路における前記折り返し冷却流路との反対側に冷媒の導出口が設けられ、
前記第２の冷却流路を流れる冷媒の圧力損失が、前記第１の冷却流路を流れる冷媒の圧力損失よりも低い、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵する、例えば、３相用のパワー半導体モジュールを有する電力変換装置は、各パワー半導体モジュールを冷却するための冷却流路を備えている。このような電力変換装置の一例として、冷却流路の一端側から導入した冷却水が各パワー半導体モジュールの一面側を冷却するように流通し、他端側で折り返し、折り返し後は、冷却水が各パワー半導体モジュールの他面側を冷却するように流通するようにした冷却構造を有するものが知られている（例えば、特許文献１の図２５（Ｂ）、（Ｃ）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５８０９９７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の電力変換装置では、冷却流路が長くなるために、冷却流路における冷却水の圧力損失が高くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の電力変換装置は、一面および前記一面に対向する他面に、それぞれ、冷却フィンが突出して形成され、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵するＮ相（Ｎは１以上）用のパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの前記一面および前記他面を冷却するための冷却路を有する冷却器構成体とを備え、前記冷却器構成体の前記冷却路は、前記パワー半導体モジュールの前記一面を冷却する第１の冷却流路と、前記パワー半導体モジュールの前記他面を冷却する第２の冷却流路と、前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路とを接続する折り返し冷却流路とを備え、前記第１の冷却流路を流れる冷媒の圧力損失と前記第２の冷却流路を流れる冷媒の圧力損失とが異なるように構成されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、冷却流路における冷却水の圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の電力変換装置の第１の実施形態の分解斜視図。
【図２】図１に図示されたパワー半導体モジュールの拡大図。
【図３】図２に図示されたパワー半導体モジュールのモジュールケースを除去した斜視図。
【図４】図２に図示されたパワー半導体モジュールに内蔵された回路の一例を示す回路図。
【図５】本発明の電力変換装置の回路の一例を示す回路図。
【図６】本発明の電力変換装置の冷却路の一例を示し、図１における切断面ＶＩで切断した断面図。
【図７】図１における切断面ＶＩＩで切断した断面図。
【図８】図１における切断面ＶＩＩＩで切断した断面図。
【図９】比較例としてのパワー半導体モジュールの両面同時冷却型を示す図。
【図１０】図８に対応する比較品の断面図。
【図１１】パワー半導体モジュールの熱抵抗と圧力損失との関係を示す特性図。
【図１２】熱抵抗と圧力損失とにより求められる温度上昇を計算するための等価回路図。
【図１３】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の電力変換装置の第２の実施形態を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
−第１の実施形態−
（電力変換装置の全体構造）
以下、図１〜図１２を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明の電力変換装置の第１の実施形態の分解斜視図である。
電力変換装置１は、３つのパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと、冷却器構成体４００Ａと、６つの上部側流通規制部材４０３とを備えている。
各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、アルミニウム合金等により形成されたモジュールケース３０１にインバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵している。パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの詳細、およびパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃに内蔵されるインバータ回路については、後述する。
【０００９】
冷却器構成体４００Ａは、ハウジング、すなわち冷却器本体４００、および支持部材４０１を有する。冷却器本体４００および支持部材４０１は、アルミニウム合金等の金属部材により形成されている。冷却器本体４００の上部側には、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを挿通する開口部４１１が形成されている。冷却器本体４００には、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃが開口部４１１から挿入された状態で、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと冷却器本体４００の内壁面４１２、４１３（図８参照）との間に冷却路４２０（図６参照）を形成する収容空間が形成されている。冷却器本体４００の長手方向の一端面には、冷却水の導入口４０５および導出口４０６が形成されている。図１に図示されているように、導入・導出口４０５、４０６から最も遠い位置のパワー半導体モジュールを３００ａ、中間位置のパワー半導体モジュールを３００ｂ、最も近い位置のワー半導体モジュールを３００ｃとする。冷却器本体４００の下部側、すなわち３つの開口部４１１の反対面側には、下部開口が形成されている。下部開口は、冷却器本体４００のほぼ全長に亘る長さに形成されている。
【００１０】
支持部材４０１は、冷却器本体４００の下部開口を塞いで、不図示の締結部材により冷却器本体４００に固定される。支持部材４０１には、三対の下部側流通規制部４１６が一体に形成されている。一対の下部側流通規制部４１６は、それぞれ、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの厚さ方向に離間して配置されている。各下部側流通規制部４１６は、冷却器本体４００の内壁面４１２または４１３（図８参照）とパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃそれぞれとの間に配置され、冷却器本体４００の長手方向への冷却水の流通を規制する。この詳細は、後述する。支持部材４０１は、周縁部の所定箇所に接着剤である液状ガスケット４０４を塗布した状態で、冷却器本体４００に締結される。
【００１１】
冷却器本体４００の上面の各開口部４１１の周縁部には、環状シール部材４０２が取りつけられている。各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、長さおよび幅が開口部４１１より大きいフランジ３１１を有している。各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、フランジ３１１の下面を環状シール部材４０２に押し付けた状態で、不図示の締結部材により冷却器本体４００の上面に固定される。
【００１２】
６つの上部側流通規制部材４０３は、三対として配置されている。一対の上部側流通規制部材４０３は、それぞれ、各パワー半導体モジュール３００の厚さ方向に離間して配置されている。各上部側流通規制部材４０３は、冷却器本体４００の内壁面４１２または４１３（図８参照）とパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとの間に配置され、冷却器本体４００の長手方向への冷却水の流通を規制する。この詳細は、後述する。
【００１３】
（パワー半導体モジュール）
図２は、図１に図示されたパワー半導体モジュールの拡大図であり、図３は、図２に図示されたパワー半導体モジュールのモジュールケースを除去した斜視図である。
パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、同一の構造を有しており、以下では、適宜、パワー半導体モジュール３００として説明する。
上述したように、各パワー半導体モジュール３００は、モジュールケース３０１およびフランジ３１１を有する。フランジ３１１は、モジュールケース３０１に一体成形により形成される。モジュールケース３０１の一面３０１ａおよび他面３０１ｂ（図８参照）には、それぞれ、多数の冷却フィン３０２が突出して形成されている。冷却フィン３０２は、モジュールケース３０１の一面３０１ａまたは他面３０１ｂにマトリックス状に配列されている。モジュールケース３０１の上部には、開口３０４が形成されている。モジュールケース３０１内には、開口３０４から挿入されたパワー半導体組立体３３０が収容されている。モジュールケース３０１内にパワー半導体組立体３３０を収容した状態で、開口３０４からモジュールケース３０１内部に樹脂３３１が充填される。
パワー半導体組立体３３０を電気回路と関連付けて説明する。
【００１４】
（インバータ回路）
図４は、図２に図示されたパワー半導体モジュールに内蔵された回路の一例を示す回路図であり、図５は、本発明の電力変換装置の回路の一例を示す回路図である。
図４に図示されるように、パワー半導体組立体３３０には、２つのＩＧＢＴ１１０、１２０と２つのダイオード１３０、１４０とが内蔵されている。ＩＧＢＴ１１０とダイオード１３０とは上アーム回路を構成する。ＩＧＢＴ１２０とダイオード１４０とは、下アーム回路を構成する。
ＩＧＢＴ１１０のエミッタとＩＧＢＴ１２０のコレクタが接続される。この接続点にはダイオード１３０のアノードとダイオード１４０のカソードの接続点とが接続され、また、交流出力端子１０２が接続される。ＩＧＢＴ１１０のコレクタおよびダイオード１３０のカソードは直流正極性入力端子１０１に接続される。ＩＧＢＴ１２０のエミッタおよびダイオード１３０のアノードは直流負極性入力端子１００に接続される。また、ＩＧＢＴ１１０、１２０のゲートは、それぞれ、ゲート端子１１１、１２１に接続され、ＩＧＢＴ１１０、１２０のエミッタは、それぞれ、エミッタ端子１１２、１２２に接続される。図４に図示された各端子、１００、１０１、１０２、１１１、１１２、１２１、１２２の実装構造は図３に図示されている。但し、図３においては、直流負極性入力端子１００は、１００ａ、１００ｂとして２つ形成され、パワー半導体組立体３３０内部で電気的に接続される。また、直流正極性入力端子１０１は、１０１ａ、１０１ｂとして２つに形成され、パワー半導体組立体３３０内部で電気的に接続される。
【００１５】
上アーム回路のＩＧＢＴ１１０は、図３において左右方向に並んで配置された２つの基板に形成されている。上アーム回路のダイオード１３０は、ＩＧＢＴ１１０が形成された各基板とは別基板に形成され、図３において、ＩＧＢＴ１１０が形成された２つの基板の下方に配置されている。
下アーム回路のＩＧＢＴ１２０は、図３において左右方向に並んで配置された２つの基板に形成されている。下アーム回路のダイオード１４０は、ＩＧＢＴ１２０が形成された各基板とは別基板に形成され、図３においてＩＧＢＴ１２０が形成された２つの基板の下方に配置されている。
【００１６】
図３に図示されるように、上アーム回路のＩＧＢＴ１１０が形成された２つの基板およびダイオード１３０が形成された基板は、導体板３１５、３１８間に配置され、不図示の導電性接合剤により各導体板３１５、３１８に接合されている。また、下アーム回路の２つの基板に形成されたＩＧＢＴ１２０およびダイオード１４０が形成された基板は、導体板３１６、３１９間に配置され、不図示の導電性接合剤により各導体板３１６、３１９に接合されている。導体板３１６と導体板３１８とは不図示の中間電極により接続されている。なお、本発明では、上アーム回路のＩＧＢＴ１１０が形成される基板および下アーム回路のＩＧＢＴ１２０が形成される基板は一つでもよい。
【００１７】
図１に図示された３つのパワー半導体モジュール３００ａ、３００ｂ、３００ｃは、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相として動作するアーム回路としての機能を備えている。パワー半導体モジュール３００ａ、３００ｂ、３００ｃに内蔵される上下のアーム回路は、図５に図示されるように接続される。すなわち、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃのそれぞれの直流正極性入力端子１０１、および直流負極性入力端子１００は、バスバー等で図５に図示された端子２０１または２００に接続される。端子２０１、２００は、図示しない直流電源に接続される。また、パワー半導体モジュール３００ａ、３００ｂ、３００ｃのそれぞれの交流出力端子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは図示しない負荷に電気的に接続される。
なお、図３および図５におけるＴは、ＩＧＢＴを示し、Ｄはダイオードを示す。
【００１８】
図３に図示されるように、直流負極性入力端子１００ａ、１００ｂ（共にパワー半導体組立体３３０内部で端子１００に接続）、直流正極性入力端子１０１ａ、１０１ｂ（共にパワー半導体組立体３３０内部で端子１０１に接続）、交流出力端子１０２は、補助モールド部材３１３によりインサート成形される。補助モールド部材３１３によりモジュールケース３０１と、直流負・正極性入力端子１００ａ、１００ｂ、１０１ａ、１０１ｂとの絶縁が確保される。これらの入出力端子は図示しないバスバーに例えば、ＴＩＧ溶接にて接続される。
【００１９】
同様に、ＩＧＢＴ１１０、１２０のスイッチング制御を行うゲート端子１１１、１２１、エミッタ端子１１２、１２２が補助モールド部材３１３にインサート成形される。補助モールド部材３１３により、モジュールケース３０１と、ゲート端子１１１、１２１、エミッタ端子１１２、１２２との絶縁が確保される。これらの制御端子は図示しない制御回路の所定部に半田により接続される。
なお、図３には参照番号を付加していない４つの端子が示されているが、これらは、ＩＧＢＴ１１０、１２０の過電流や、過温度を検出するためのセンサ信号用の端子である。
【００２０】
（冷却器構成体）
図６は、本発明の電力変換装置の冷却路の一例を示し、図１における切断面ＶＩで切断した断面図である。図７は、図１における切断面ＶＩＩで切断した断面図であり、図８は、図１における切断面ＶＩＩＩで切断した断面図である。
冷却器構成体４００Ａは、冷却器本体４００と、冷却器本体４００の下部開口を塞ぐ支持部材４０１とを備えている。
図６および図８に図示されるように、冷却器本体４００内にパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃが収容された状態で、冷却器本体４００の内壁面４１２とパワー半導体モジュール３００の一面３０１ａとの間に第１の冷却流路４２１が形成される。また、冷却器本体４００の内壁面４１３とパワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂとの間に第２の冷却流路４２２が形成される。図６に図示されるように、冷却器本体４００の冷却路４２０にパワー半導体モジュール３００ａが配置された状態で、パワー半導体モジュール３００ａの奥部に第１の冷却流路４２１と第２の冷却流路４２２を接続する折り返し冷却流路４２３が形成される。
【００２１】
図１、図６、図７に図示されるように、冷却器本体４００には、冷媒仕切り部４３１が一体成形により形成されている。冷媒仕切り部４３１は、パワー半導体モジュール３００ａと３００ｂとの間およびパワー半導体モジュール３００ｂと３００ｃとの間に介在されるように設けられている。パワー半導体モジュール３００ｂおよび３００ｃのそれぞれの一方の側面は、一方の冷媒仕切り部４３１の各側端面に接触している。また、パワー半導体モジュール３００ｂおよび３００ａのそれぞれの一方の側面は、他方の冷媒仕切り部４３１の各側端面に接触している。冷媒仕切り部４３１の幅は、パワー半導体モジュール３００の厚さ、すなわち、一面３０１ａと他面３０１ｂ間の長さと同一か、もしくはそれより少し小さい。図７に図示されるように、冷媒仕切り部４３１の上部は、冷却器本体４００の上部として形成されており、第１、第２の冷却流路４２１、４２２の上部を閉塞している。従って、冷媒仕切り部４３１は、冷却水が第１、第２の冷却流路４２１、４２２間を流れるのを防止する。つまり、第冷媒仕切り部４３１は、冷却水が第１の冷却流路４２１と第２の冷却流路４２２とを流通するのを規制する。
【００２２】
図８に図示されるように、支持部材４０１に設けられた一対の下部側流通規制部４１６は、それぞれ、第１、第２の冷却路４２１、４２２の領域に配置される。各下部側流通規制部４１６の上面は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａおよび他面３０１ｂにマトリックス状に配列された最下段の冷却フィン３０２の下面よりも低い位置に配置されている。また、一対の下部側流通規制部４１６の内側の側面は、それぞれ、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａまたは他面３０１ｂに接触している。また、一対の下部側流通規制部４１６の外側の側面は、それぞれ、冷却器本体４００の内壁面４１２または４１３の接触している。
【００２３】
このため、第１、第２の冷却流路４２１、４２２内の冷却水は、下部側流通規制部４１６により、第１、第２の冷却流路４２１、４２２を冷却水の流通方向に流れるのを規制される。これにより、第１、第２の冷却流路４２１、４２２を流れる冷却水は、冷却効率の高い、冷却フィン３０２が形成された領域を流れる。なお、下部側流通規制部４１６の内側面や外側面は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａ、他面３０１ｂ、または冷却器本体４００の内壁面４１２、４１３に接触しなくてもよい。僅かな隙間、例えば、０．１ｍｍ程度であれば、冷却水の流通を阻止することができる。
【００２４】
また、一対の上部側流通規制部材４０３は、それぞれ、冷却路４２０の領域に配置される。各上部側流通規制部材４０３は、パワー半導体モジュール３００のフランジ３１１の下面と、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａ、他面３０１ｂにマトリックス状に配列された最上段の冷却フィン３０２との間に配置されている。一対の上部側流通規制部材４０３の内側の側面は、それぞれ、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａまたは他面３０１ｂに接触している。また、一対の上部側流通規制部材４０３の外側の側面は、それぞれ、冷却器本体４００の内壁面４１２または４１３に接触している。
【００２５】
このため、第１、第２の冷却流路４２１、４２２内の冷却水は、上部側流通規制部材４０３により、第１、第２の冷却流路４２１、４２２を、冷却水の流通方向に流れるのを規制される。これにより、第１、第２の冷却流路４２１、４２２を流れる冷却水は、冷却効率の高い、冷却フィン３０２が形成された領域を流れる。なお、上部側流通規制部材４０３の内側面や外側面は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａ、他面３０１ｂ、または冷却器本体４００の内壁面４１２、４１３に接触しなくてもよい。僅かな隙間、例えば、０．１ｍｍ程度であれば、冷却水の流通を阻止することができる。
【００２６】
図６において、白抜きの矢印は冷却水の流れ方向を示している。図６に図示されるように、導入口４０５から導入された冷却水は、パワー半導体モジュール３００ｃの一面側、冷媒仕切り部４３１、パワー半導体モジュール３００ｂの一面側、冷媒仕切り部４３１、パワー半導体モジュール３００ａの一面側の順に第１の冷却流路４２１を流れる。そして、折り返し冷却流路４２３を流れて折り返し、パワー半導体モジュール３００ａの他面側、冷媒仕切り部４３１、パワー半導体モジュール３００ｂの他面側、冷媒仕切り部４３１、パワー半導体モジュール３００ｃの他面側の順に第２の冷却流路４２２を流れ、導出口４０６から導出される。
つまり、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの各一面３０１ａ側を冷却した冷却水は、折り返し冷却流路４２３で折り返されて、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの各他面３０１ｂ側を冷却する。このため、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの一面３０１ａ側を流れる冷却水と他面３０１ｂ側を流れる冷却水の流れ方向は逆方向となっている。図６に図示されるこのような冷却構造を、「各面順次冷却型」と称することとする。
【００２７】
図９は、比較例としてのパワー半導体モジュールの両面同時冷却型を示す図である。
これに対し、比較例として図９に図示されるように、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの一面３０１ａ側および他面３０１ｂ側を同時に冷却する冷却構造がある。図９において、白抜きの矢印は、冷却水の流れ方向を示している。
比較例の冷却構造では、パワー半導体モジュール３００ｃとパワー半導体モジュール３００ｂとの間、およびパワー半導体モジュール３００ｂとパワー半導体モジュール３００ａの間に、冷媒仕切り部４３１は配置されていない。冷却水の導入口４０５は、パワー半導体モジュール３００ｃの上流側に配置され、冷却水の導出口４０６は、パワー半導体モジュール３００ａの下流側に設けられている。従って、導入口４０５から導入された冷却水は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａ側および他面３０１ｂ側を同時に冷却しながら、パワー半導体モジュール３００ｃ、３００ｂ、３００ａの順に流れ、導出口４０６から導出される。図９に図示された比較例の冷却構造を、「両面同時冷却型」と称することとする。両面同時冷却型では、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの一面３０１ａ側および他面３０１ｂ側を冷却する冷却水の流れ方向は、同方向である。
【００２８】
上流側のパワー半導体モジュール３００に内蔵されたパワー半導体素子の発熱により、冷却水温度は上昇する。温度が上昇した冷却水により、隣接する下流のパワー半導体モジュール３００が冷却される。このため、隣接する下流側のパワー半導体モジュール３００を冷却する冷却水の温度は、上流側のパワー半導体モジュール３００を冷却する冷却水の温度よりも高くなる。すなわち、図９に示す比較例の冷却構造では、最下流のパワー半導体モジュール３００ａを冷却する冷却水の温度が最も高くなる。
【００２９】
パワー半導体モジュール３００を冷却する冷却水の上昇温度の一例を例示する。
３相インバータの最大出力１００［ｋＷ］、その時の変換効率を９７％とする。
このケースでは、１つのパワー半導体モジュール３００の損失は、１０００[Ｗ]（＝１００，０００＊（１−０．９７）／３）になる。
【００３０】
冷媒の密度１０２６［ｋｇ／ｍ3］、比熱３５２８［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］とし、冷却流路を通過する冷却水の流量が５Ｌ／ｍｉｎの時、１つのパワー半導体モジュール３００の損失１０００［Ｗ］による冷却水の温度上昇は、３．３［℃］（＝１０００＊６０／０．００５／３５２８／１０２６）になる。
【００３１】
従って、３相インバータ回路を構成するパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを冷却した後の冷却水温度は、ほぼ１０℃上昇する。つまり、最終段のパワー半導体モジュール３００ａに内蔵されたパワー半導体素子のうち、冷却水が最後に通過するパワー半導体素子に供給される冷却水の温度は、ほぼ１０[℃]高くなっている。このことは、最終段のパワー半導体モジュール３００ａに内蔵されたパワー半導体素子の温度上昇が、ほぼ１０[℃]上昇した冷却水による冷却でも、許容値に収まるように設計にするという不経済な状態となることを意味する。
【００３２】
ここで、図６に図示された各面順次冷却型を、図９に図示された両面同時冷却型と対比する。
図６における最初段と最終段のパワー半導体モジュール３００ｃ、３００ａに着目する。最初段のパワー半導体モジュール３００ｃの一面３０１ａ側は、導入口４０５より導入される冷却水により冷却される。導入口４０５より導入される冷却水の温度は、冷却路４２０を流れる冷却水の中で最も低い。一方、最初段のパワー半導体モジュール３００ｃの他面３０１ｂ側は、パワー半導体モジュール３００ａ、３００ｂの発熱により温度が上昇した冷却水により冷却される。このため、図６に図示された冷却構造における最終段のパワー半導体モジュール３００ａを冷却する冷却水の温度は、図９に示す比較例の冷却構造における最初段のパワー半導体モジュール３００ｃを冷却する冷却水の温度よりも高くなる。
【００３３】
図６における最終段のパワー半導体モジュール３００ａの一面３０１ａおよび他面３０１ｂに供給される冷却水の温度は、パワー半導体モジュール３００ｃ、３００ｂそれぞれの一面３０１ａ側のみを冷却した冷却水の温度である。
これに対し、比較例として示す図９の冷却構造における最終段のパワー半導体モジュール３００ａの一面３０１ａおよび他面３０１ｂに供給される冷却水の温度は、パワー半導体モジュール３００ｃ、３００ｂそれぞれの一面３０１ａおよび他面３０１ｂの両面を冷却した冷却水の温度である。
従って、図６における最終段のパワー半導体モジュール３００ａの一面３０１ａおよび他面３０１ｂに供給される冷却水の温度は、比較例として示す図９の冷却構造における最終段のパワー半導体モジュール３００ａの一面３０１ａおよび他面３０１ｂに供給される冷却水の温度よりも低い。
【００３４】
要約すれば、図６に示す冷却構造では、図９に示す冷却構造に比し、最初段側のパワー半導体モジュール３００ｃを冷却する冷却水の温度が高く、最終段側のパワー半導体モジュール３００ａを冷却する冷却水の温度が低い。
このことから、図６における冷却構造では、図９に示す冷却構造よりも、冷却路４２０を流れる冷却水の温度を均一化する作用を有する構造であるといえる。これにより、図６における冷却構造では、冷却効率のよい設計が可能となる。
【００３５】
なお、図６に示す冷却構造において、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの一面３０１ａ側と他面３０１ｂ側を冷却する冷却水の流速は、図９に示す冷却構造の、各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの一面３０１ａ側または他面３０１ｂ側を冷却する冷却水の流速とほぼ同一である。従って、図６に示す冷却構造における冷却水の流量は、図９に示す冷却構造における冷却水の流量の概ね、半分程度にすることができる。これに伴い、導入口４０５と導出口４０６との圧力差、すなわち、圧力損失は軽減される。
【００３６】
しかしながら、図６に示す冷却構造は、図９に示す冷却構造に比し、冷却路４２０の長さが長い。このため、この冷却路４２０が長くなることに起因して圧力損失が高くなる。
【００３７】
（圧力損失の低減構造）
再び、図８を参照する。
図８に示す本発明の第１の実施形態では、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａと冷却器本体４００の内壁面４１２との距離をａ1、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂと冷却器本体４００の内壁面４１３との距離をａ2とするとき、ａ1＜ａ2となっている。
換言すれば、第１の冷却流路４２１の幅（ａ1）よりも第２の冷却流路４２２の幅（ａ2）の方が大きくなっている。
【００３８】
一方、図１０に示す比較品では、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａと冷却器本体４００の内壁面４１２との距離ａ1およびパワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂと冷却器本体４００の内壁面４１３との距離ａ1は、同一となっている。
図１０に示す比較品の他の構造は、図８に示す第１の実施形態と同一である。
【００３９】
第１の実施形態では、ａ1＜ａ2としたので、第１の冷却流路４２１を流れる冷却水の圧力損失よりも、第２の冷却流路４２２を流れる冷却水の圧力損失を低くすることができる。つまり、第１、第２の冷却流路４２１、４２２の幅が同一のａ1である比較品よりも冷却水の圧力損失を低くすることができる。
このことについて、さらに、説明する。
【００４０】
図１１は、パワー半導体モジュール３００の熱抵抗θ［Ｋ／Ｗ］と圧力損失ΔＰ［ＫＰａ］との関係を示す特性図である。
図１０に図示される比較品では、熱抵抗θ［Ｋ／Ｗ］および圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］は、ａ1＝ａ2の点に設定されている。この点から、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂと冷却器本体４００の内壁面４１３との距離ａ2を増加させていくと、圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］は低減し、熱抵抗θ［Ｋ／Ｗ］は増加していく。つまり、図１１に示されるように、ａ2を増加させると、圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］は減少するが、熱抵抗θ［Ｋ／Ｗ］は増加するトレードオフ関係にある。
【００４１】
両面が冷却されるパワー半導体モジュール３００を冷却水が通過した際の圧力損失ΔＰ［ｋＰａ］は、（式１）にて求まる。
ΔＰ =ΔＰ1 +ΔＰ2   ［ｋＰａ］  ……  （式１）
ここで、ΔＰ1、ΔＰ2は、一面３０１ａ、他面３０１ｂにおける冷却フィン３０２による圧力損失である。
【００４２】
図１２は、熱抵抗と圧力損失とにより求められる温度上昇を計算するための等価回路図である。
図１２において、
熱抵抗θ1j-c、θ2j-c［Ｋ／Ｗ］は、パワーモジュールに内蔵されたＩＧＢＴまたはダイオード（以下、パワー半導体素子）から一面３０１ａまたは他面３０１ｂに設けられた冷却フィン３０２までのそれぞれの熱抵抗であり、
θ1c-w、θ2c-w［Ｋ／Ｗ］は、一面３０１ａまたは他面３０１ｂに設けられた冷却フィン３０２と冷却水の間のそれぞれの熱抵抗であり、
Ｐd[Ｗ]は、パワー半導体素子に発生する損失である。
この損失による温度変化ΔＴは、図１２を参照して、（式２）にて算出が出来る。
ΔＴ = Ｐd * {θ1 * θ2/(θ1+θ2)}      ［Ｋ］  ……  （式２）
ここで、θ1  =  θ1j-c  +  θ1c-w、θ2  =  θ2j-c  +  θ2c-w
【００４３】
図１０の場合、ΔＰ1 = ΔＰ2 = ΔＰB、θ1=θ2 =θBとおくと、１つのパワー半導体モジュール３００の圧力損失ΔＰと温度変化ΔＴは（式３）となる。
ΔＰ  =  ２ΔＰB
ΔＴ = Ｐd *θB/２
……  （式３）
【００４４】
図６の場合、ΔＰ1 =ΔＰB、ΔＰ2 = ΔＰB  -Δｐ、θ1=θB、θ2 =θB + Δθとおくと、１つのパワー半導体モジュール３００の圧力損失ΔＰと温度変化ΔＴは（式４）となる。但し、上記において、Δｐは、ａ1に対するａ2の圧力損失減少分であり、Δθは、ａ1に対するａ2における熱抵抗増加分である（図１１参照）。
ΔＰ  =  ２ΔＰB -Δｐ
ΔＴ = Ｐd * {θB/２ + (Δθ/ ２θB)/(２θB(1 + Δθ/ ２θB))}
……  （式４）
【００４５】
図６に示す第１の実施形態を採用すると、冷却水が導入口４０５から導入され、３つのパワー半導体モジュール３００ｃ、３００ｂ、３００ａを通過し、導出口４０６から導出される時に発生する圧力損失は３*Δp低減できることが分かる。
【００４６】
一方、温度変化ΔＴは、Ｐd * {(Δθ/ ２θB)/(２θB(1 + Δθ/ ２θB))}大きくなる。言い換えると、パワー半導体素子の温度は、図９に示す冷却構造に比べ、高くなる。
しかし、上述したように、図６に示す各面順次冷却型は、図９に示す両面同時冷却型に比して、冷却水の温度を均一化する作用を有する構造であるので、多少、冷却水温度が上昇したとしても、冷却効率は、十分である。
【００４７】
上記本発明の電力変換装置の第１の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）冷却器構成体４００Ａの冷却路４２０は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａを冷却する第１の冷却流路４２１と、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂを冷却する第２の冷却流路４２２と、第１の冷却流路４２１と第２の冷却流路４２２とを接続する折り返し冷却流路４２３とを備えている。そして、第１の冷却流路４２１を流れる冷却水の圧力損失と第２の冷却流路４２２を流れる冷却水の圧力損失とが異なるように構成した。このため、冷却水の温度を均一化する作用を有する各面順次冷却型構造を有するものであって、かつ、冷却流路における冷却水の圧力損失を低減することができる。
【００４８】
（２）冷却器構成体４００Ａの冷却路４２０は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａに対向する第１の内壁面４１２、およびパワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂに対向する第２の内壁面４１３を有し、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａと冷却器本体４００の第１の内壁面４１２間の第１の冷媒流路断面積と、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂと冷却器本体４００の第２の内壁面４１３間の第２の冷媒流路断面積とが異なる構造とした。このため、構造が簡単となり、生産性がよい。
【００４９】
（３）電力変換装置１は、冷却器構成体４００Ａの冷却路４２０内に、異なる位相用の複数のパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを備えている。さらに、電力変換装置１は、冷却器構成体４００Ａの冷却路４２０内に配置されたパワー半導体モジュール３００ｃ、３００ｂ間、およびパワー半導体モジュール３００ｂ、３００ａ間に、冷却水が第１の冷却流路４２１と第２の冷却流路４２２とを流通するのを規制する冷媒仕切り部４３１を備えている。冷媒仕切り部４３１により、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの各一面３０１ａ側を冷却するための第１の冷却流路４２１と、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの各他面３０１ｂ側を冷却するための第２の冷却流路４２２とが形成される。第１、第２の冷却流路４２１、４２２の構造は簡素であり、生産性がよい。
【００５０】
（４）冷却器構成体４００Ａは、上面にパワー半導体モジュール３００を挿通する開口部４１１が形成された冷却器本体４００を備え、パワー半導体モジュール３００は、開口部４１１内に挿通された状態で冷却器本体４００の上面上に配置されるフランジ３１１を備えている。電力変換装置１は、パワー半導体モジュール３００のフランジ３１１の下面と、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａに形成された冷却フィン３０２との間に設けられ、冷却水が第１の冷却流路４２１を流れるのを規制する第１の上部側流通規制部材４０３と、パワー半導体モジュール３００のフランジ３１１の下面と、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂに形成された冷却フィン３０２との間に設けられ、冷却水が第２の冷却流路４２２を流れるのを規制する第２の上部側流通規制部材４０３とを、さらに、備える。このため、第１、第２の冷却流路４２１、４２２内の冷却水は、第１、第２の上部側流通規制部材４０３により、第１、第２の冷却流路４２１、４２２を流れるのを規制される。これにより、第１、第２の冷却流路４２１または４２２を流れる冷却水は、冷却効率の高い、冷却フィン３０２が形成された領域を流れる。つまり、第１、第２の上部側流通規制部材４０３により、冷却効率を向上することができる。
【００５１】
（５）冷却器構成体４００Ａは、パワー半導体モジュール３００の下面側に配置された支持部材４０１を備えている。支持部材４０１は、支持部材４０１の上面と、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａに形成された冷却フィン３０２との間に設けられ、冷却水が第１の冷却流路４２１を流れるのを規制する第１の下部側流通規制部４１６と、支持部材４０１の上面と、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂに形成された冷却フィン３０２との間に設けられ、冷却水が第２の冷却流路４２２を流れるのを規制する第２の下部側流通規制部４１６とを備えている。このため、第１、第２の冷却流路４２１、４２２内の冷却水は、下部側流通規制部４１６により、第１、第２の冷却流路４２１、４２２を流れるのを規制される。これにより、第１、第２の冷却流路４２１、４２２を流れる冷却水は、冷却効率の高い、冷却フィン３０２が形成された領域を流れる。つまり、第１、第２の下部側流通規制部４１６により、冷却効率を向上することができる。
【００５２】
−第２の実施形態−
図１３（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の電力変換装置の第２の実施形態の冷却フィンの配列構造を示す平面図である。
第２の実施形態は、第１の冷却流路４２１と第２の冷却流路４２２との冷却水の圧力損失が異なるようにするために、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａおよび他面３０１ｂに形成される冷却フィン３０２の、ピッチ、幅もしくは直径、高さまたは形状の少なくとも１つを異なるものとした構造を有する。
図１３（Ａ）は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａに形成された冷却フィン３０２ａの配列を示す平面図であり、図１３（Ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂに形成された冷却フィン３０２ｂの配列を示す平面図である。
【００５３】
パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａには、直径ｄ1、高さｈ1の円柱状の冷却フィン３０２ａが、マトリックス状に配列されている。冷却フィン３０２ａの上下方向のピッチはｘ1であり、左右方向のピッチはｙ1である。パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂには、直径ｄ2、高さｈ2の円柱状の冷却フィン３０２ｂが、マトリックス状に配列されている。冷却フィン３０２ｂの上下方向のピッチはｘ2であり、左右方向のピッチはｙ2である。
冷却フィン３０２ｂの上下方向のピッチｘ2は、冷却フィン３０２ａの上下方向のピッチｘ1よりも大きい。冷却フィン３０２ａの左右方向のピッチｙ1と冷却フィン３０２ｂの左右方向のピッチｙ2、冷却フィン３０２ａの直径ｄ1と冷却フィン３０２ｂの直径ｄ2、冷却フィン３０２ａの高さｈ1と冷却フィン３０２ｂの高さｈ2とは、それぞれ、同一である。このため、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂ側の冷却フィン３０２ｂ間の冷却水が流れる方向に垂直な方向の断面積は、パワー半導体モジュール３００の一面３０１ａ側の冷却フィン３０２ａの冷却水が流れる方向に垂直な方向の断面積よりも大きい。
【００５４】
従って、図８におけるパワー半導体モジュール３００の一面３０１ａと冷却器本体４００の内壁面４１２との距離をａ1と、パワー半導体モジュール３００の他面３０１ｂと冷却器本体４００の内壁面４１３との距離をａ2とが等しい構造であっても、冷却フィン３０２ｂ側を流れる冷却水の圧力損失を、冷却フィン３０２ａ側を流れる冷却水の圧力損失よりも低くすることができる。
【００５５】
上記では、冷却フィン３０２ａの上下方向のピッチｘ1と冷却フィン３０２ｂの上下方向のピッチｘ2とがなる構造として例示した。しかし、冷却フィン３０２ａの左右方向のピッチｙ1と冷却フィン３０２ｂの左右方向のピッチｙ2、冷却フィン３０２ａの直径ｄ1と冷却フィン３０２ｂの直径ｄ2、冷却フィン３０２ａの高さｈ1と冷却フィン３０２ｂの高さｈ2のいずれか１つが異なる構造としてもよい。これらのことは、冷却フィン３０２ａ、３０２ｂを円柱以外の形状、例えば、角柱などにした場合でも適用することができる。あるいは、冷却フィン３０２ａと冷却フィン３０２ｂとの形状を異なるもの、例えば、一方を円柱、他方を角柱とするようにしてもよい。
【００５６】
第２の実施形態の上記以外の構造は、第１の実施形態と同様である。
従って、第２の実施形態においても、第１の実施形態の効果（１）、（３）〜（５）と同様な効果を奏する。
【００５７】
また、第２の実施形態によれば、冷却フィン３０２ａ、３０２ｂのピッチ、直径もしくは幅、高さ、または形状を異なるものとするだけなので、生産性もよい。また、第２の冷却流路４２２の幅を第１の冷却流路４２１の幅よりも大きくする必要が無いので、電力変換装置１を小型化することができる。
【００５８】
なお、上記第１の実施形態において、パワー半導体モジュール３００の側面と冷媒仕切り部４３１の各側端面とが接触している構造として例示した。しかし、パワー半導体モジュール３００の側面と冷媒仕切り部４３１との間に、例えば、０．１ｍｍ程度の微小な隙間を設けてもよい。この程度の微小な隙間が形成されている場合、冷却水の全体に対する冷却に寄与しない分の冷却水の存在は、例えば１％程度未満と、無視できる程度に過ぎない。このように僅かな隙間を許容することによる、組付け工程の効率化の方が大きなメリットとなることもある。
【００５９】
あるいは、パワー半導体モジュール３００の側面と、冷媒仕切り部４３１との間に、ゴム等の弾性部材を介装する構造としてもよい。
冷媒仕切り部４３１を冷却器本体４００に一体成形により形成する構造として例示した。しかし、冷媒仕切り部４３１を冷却器本体４００とは別部材として、モールド成形等により形成するようにしてもよい。
【００６０】
上記実施形態では、３相のアーム回路としての機能を備える、３つのパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを備える電力変換回路として例示した。しかし、図３、図４を参照して説明したように、上下アームの直列回路が、冷却水の流れ方向に沿って配置されているパワー半導体モジュール３００であれば、パワー半導体モジュール３００が１個の場合にも適用することができる。
【００６１】
上記実施形態では、下部側流通規制部４１６を支持部材４０１に一体成形する構造として例示したが、下部側流通規制部４１６を支持部材４０１とは別部材として形成してもよい。
【００６２】
上記実施形態では、上部側流通規制部材４０３を１つの部材として形成したが、パワー半導体モジュール３００のモジュールケース３０１一体成形してもよい。
【００６３】
上記実施形態では、ＩＧＢＴを用いたインバータ回路として例示した。しかし、ＩＧＢＴに代えて、サイリスタや、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）等を用いたインバータ回路にも適用することができる。
【００６４】
また、直流−交流変換を行うインバータ回路に限らず、交流−交流変換を行うマトリックスコンバータ等に適用することができる。
また、冷却水以外の冷媒を用いた電力変換装置に適用することができる。
【００６５】
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１      電力変換装置
１１０      ＩＧＢＴ（上アーム回路）
１２０      ＩＧＢＴ（下アーム回路）
１３０      ダイオード（上アーム回路）
１４０      ダイオード（下アーム回路）
３００、３００ａ〜３００ｃ      パワー半導体モジュール
３０１ａ    一面
３０１ｂ    他面
３０２、３０２ａ、３０２ｂ      冷却フィン
３０４      開口部
３１１      フランジ
４００Ａ    冷却器構成体
４００      冷却器本体（ハウジング）
４０１      支持部材（支持部）
４０３      上部側流通規制部材
４０５      導入口
４０６      導出口
４１２      第１の内壁面（第１の内側面）
４１３      第２の内壁面（第２の内側面）  
４１６      下部側流通規制部
４２０      冷却路
４２１      第１の冷却流路
４２２      第２の冷却流路
４２３      折り返し冷却流路
４３１      冷媒仕切り部
【図１】
2017055586.tif 000003
【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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