(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体を有した、底面、天面、及び４つの側面を有する直方体状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と電気的に接続され、前記パワー半導体モジュールの第１の側面の側もしくは前記第１の側面とは反対側の第２の側面の側に配置されたコンデンサと、
一方の面が前記パワー半導体モジュールの前記底面と熱的に接続された板状のヒートシンクと、
前記ヒートシンクの他方の面に設けられた冷却フィンと、
一方の面が前記冷却フィンを介して前記ヒートシンクの他方の面と対向して配置された板状の第一の仕切り板と、
前記ヒートシンクの他方の面と前記第一の仕切り板の一方の面との間の前記冷却フィンが配置された空間を、前記第１の側面とは垂直な方向に冷媒が流れる冷却流路と、
前記第一の仕切り板の他方の面から当該他方の面から離れる方向に延出すると共に、前記パワー半導体モジュールにおける前記第１の側面に隣り合う第３の側面の側から、前記第３の側面とは反対側の第４の側面の側に延出する板状の第二の仕切り板と、
前記第３の側面の側もしくは前記第４の側面の側に設けられた冷媒流入口から、前記第一の仕切り板の他方の面、及び前記第二の仕切り板における前記第１の側面の側の面に沿って延びると共に、前記冷却流路の前記第１の側面の側の部分に接続された流入流路と、
前記第３の側面の側もしくは前記第４の側面の側に設けられた冷媒流出口から、前記第一の仕切り板の他方の面、及び前記第二の仕切り板における前記第２の側面の側の面に沿って延びると共に、前記冷却流路の前記第２の側面の側の部分に接続された流出流路と、を備え、
前記パワー半導体モジュールの前記第１の側面の長さは前記第３の側面の長さよりも長い電力変換装置。
【請求項２】
パワー半導体を有した、底面、天面、及び４つの側面を有する直方体状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と電気的に接続され、前記パワー半導体モジュールの第１の側面の側もしくは前記第１の側面とは反対側の第２の側面の側に配置されたコンデンサと、
一方の面が前記パワー半導体モジュールの底面と熱的に接続された板状のヒートシンクと、
前記ヒートシンクの他方の面に設けられた冷却フィンと、
一方の面が前記冷却フィンを介して前記ヒートシンクの他方の面と対向して配置され、前記第１の側面の側と前記第２の側面の側との間の部分に貫通部が設けられた板状の第一の仕切り板と、
前記ヒートシンクの他方の面と前記第一の仕切り板の一方の面との間の前記冷却フィンが配置された空間を、前記第１の側面とは垂直な方向に冷媒が流れる冷却流路と、
前記第一の仕切り板の他方の面における前記貫通部よりも前記第１の側面の側の部分から当該他方の面から離れる方向に延出すると共に、前記パワー半導体モジュールにおける前記第１の側面に隣り合う第３の側面の側から、前記第３の側面とは反対側の第４の側面の側に延出する板状の第二の仕切り板と、
前記第一の仕切り板の他方の面における前記貫通部よりも前記第２の側面の側の部分から当該他方の面から離れる方向に延出すると共に、前記第３の側面の側から前記第４の側面の側に延出する板状の第三の仕切り板と、
前記第３の側面の側もしくは前記第４の側面の側に設けられた冷媒流入口または冷媒流出口である第１口から、前記第一の仕切り板の他方の面、及び前記第二の仕切り板における前記第１の側面の側の面に沿って延びると共に、前記冷却流路の前記第１の側面の側の部分に接続された第１の流路と、
前記第１口から、前記第一の仕切り板の他方の面、及び前記第三の仕切り板における前記第２の側面の側の面に沿って延びると共に、前記冷却流路の前記第２の側面の側の部分に接続された第２の流路と、
前記第１口が設けられた側面の側とは反対側の側面の側に設けられた前記冷媒流入口または前記冷媒流出口である第２口から、前記第一の仕切り板の他方の面、前記第二の仕切り板における前記第２の側面の側の面、及び前記第三の仕切り板における前記第１の側面の側の面に沿って延びると共に、前記貫通部に接続された第３の流路と、を備え、
前記第３の側面の側もしくは前記第４の側面の側で前記第二の仕切り板の端部と前記第三の仕切り板の端部とが連結され、
前記パワー半導体モジュールの前記第１の側面の長さは前記第３の側面の長さよりも長い電力変換装置。
【請求項３】
底面が前記ヒートシンクの一方の面と熱的に接続され、前記第１の側面と平行な方向に前記パワー半導体モジュールと同じ向きで前記パワー半導体モジュールと並べて配置された複数の前記パワー半導体モジュールを備え、
前記コンデンサは、複数の前記パワー半導体モジュールの前記第１の側面の側もしくは前記第２の側面の側に、複数の前記パワー半導体モジュールの前記第１の側面もしくは前記第２の側面と対向して配置され、
複数の前記パワー半導体モジュールの前記第１の側面の側の長さは前記第３の側面の側の長さよりも長い請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第一の仕切り板の前記第１の側面の側の端部に沿って配置された流入貫通部と、
前記第一の仕切り板の前記第２の側面の側の端部に沿って配置された流出貫通部と、を備え、
前記冷却流路と前記流入流路とは前記流入貫通部で接続され、前記冷却流路と前記流出流路とは前記流出貫通部で接続され、
前記冷媒流入口は前記第３の側面の側に設けられ、前記冷媒流出口は前記第４の側面の側に設けられ、
前記第二の仕切り板は、前記第３の側面の側から前記第４の側面の側に近づくに従って、前記第２の側面の側から前記第１の側面の側に近づくように延出している請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第一の仕切り板の前記第１の側面の側の端部に沿って配置された第１の貫通部と、
前記第一の仕切り板の前記第２の側面の側の端部に沿って配置された第２の貫通部と、を備え、
前記冷却流路と前記第１の流路とは前記第１の貫通部で接続され、前記冷却流路と前記第２の流路とは前記第２の貫通部で接続され、
前記第１口は前記第３の側面の側に設けられ、前記第２口は前記第４の側面の側に設けられ、
前記第二の仕切り板は、前記第３の側面の側から前記第４の側面の側に近づくに従って、前記第２の側面の側から前記第１の側面の側に近づくように延出し、
前記第三の仕切り板は、前記第３の側面の側から前記第４の側面の側に近づくに従って、前記第１の側面の側から前記第２の側面の側に近づくように延出し、
前記第二の仕切り板の端部と前記第三の仕切り板の端部とは前記第３の側面の側で連結されている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第一の仕切り板の前記第１の側面の側の端部に沿って配置された流入貫通部と、
前記第一の仕切り板の前記第２の側面の側の端部に沿って配置された流出貫通部と、を備え、
前記冷却流路と前記流入流路とは前記流入貫通部で接続され、前記冷却流路と前記流出流路とは前記流出貫通部で接続され、
前記冷媒流入口及び前記冷媒流出口は、前記第３の側面の側に設けられ、
前記第二の仕切り板は、前記冷媒流入口と前記冷媒流出口との間の前記第３の側面の側から前記第４の側面の側に、前記第１の側面と平行に延出している請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
四角形で板状の第１底部、前記第１底部の第１側面から前記第１底部の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第１側壁、及び前記第１底部の第１側面とは反対側の第２側面から前記第１底部の板面に垂直方向に前記第１側壁と対向して立設し、前記第１側壁よりも高さの低い矩形板状の第２側壁を有した第１ウォータジャケットと、
四角形で板状の第２底部、前記第２底部の第１側面から前記第２底部の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第３側壁、及び前記第２底部の第１側面とは反対側の第２側面から前記第２底部の板面に垂直方向に前記第３側壁と対向して立設し、前記第３側壁よりも高さの低い矩形板状の第４側壁を有した第２ウォータジャケットと、備え、
前記第２側壁と前記第４側壁との双方の外壁面が接して前記第２側壁と前記第４側壁とから前記第二の仕切り板が形成され、
前記第２側壁における前記第１底部の側の側面とは反対側の側面、及び前記第４側壁における前記第２底部の側の側面とは反対側の側面は、前記第一の仕切り板の他方の面と接合され、
前記第１側壁における前記第１底部の側の側面とは反対側の側面、及び前記第３側壁における前記第２底部の側の側面とは反対側の側面は、前記ヒートシンクの他方の面と接合されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項８】
四角形で板状の第１底部、前記第１底部の第１側面から前記第１底部の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第１側壁、及び前記第１底部の第１側面とは反対側の第２側面と前記第１底部の第１側面との間の前記第１底部の板面から前記第１底部の板面に垂直方向に前記第１側壁と対向して立設し、前記第１側壁よりも高さの低い矩形板状の第２側壁を有した第１ウォータジャケットと、
四角形で板状の第２底部、前記第２底部の第１側面から前記第２底部の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第３側壁、及び前記第２底部の第１側面とは反対側の第２側面と前記第２底部の第１側面との間の前記第２底部の板面から前記第２底部の板面に垂直方向に前記第３側壁と対向して立設し、前記第３側壁よりも高さの低い矩形板状の第４側壁を有した第２ウォータジャケットと、備え、
前記第２側壁から前記第二の仕切り板が形成され、前記第４側壁から前記第三の仕切り板が形成され、
前記第２側壁における前記第１底部の側の側面とは反対側の側面、及び前記第４側壁における前記第２底部の側の側面とは反対側の側面は、前記第一の仕切り板の他方の面と接合され、
前記第１側壁における前記第１底部の側の側面とは反対側の側面、及び前記第３側壁における前記第２底部の側の側面とは反対側の側面は、前記ヒートシンクの他方の面と接合されている請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項９】
矩形板状の底板、及び前記底板の４つの側面のそれぞれから前記底板の板面に垂直方向に立設した側部を有し、前記第１ウォータジャケット、前記第２ウォータジャケット、前記第一の仕切り板、前記ヒートシンク、前記パワー半導体モジュール、及び前記コンデンサを収容したケースを備え、
前記第１ウォータジャケットにおける前記第１底部、前記第２ウォータジャケットにおける前記第２底部、及び前記コンデンサは前記ケースの前記底板に取り付けられている請求項７または請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記流入流路が設けられた前記第１の側面の側に前記コンデンサが配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第２口が前記冷媒流出口である請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第１側壁及び前記第３側壁は、前記ヒートシンクの他方の面と摩擦攪拌で接合されている請求項７または請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記パワー半導体モジュールの動作を制御する制御基板を備え、
前記パワー半導体モジュールと電気的に接続された制御基板は、前記パワー半導体モジュールの前記天面及び前記コンデンサに対向して配置されている請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記パワー半導体モジュールから外部に露出したパワー端子と、前記コンデンサから外部に露出したパワー端子とは、前記パワー半導体モジュール及び前記コンデンサと前記制御基板との間で電気的に接続されている請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
第二の電力変換装置を備え、
前記第二の電力変換装置は、前記第１ウォータジャケット及び前記第２ウォータジャケットが取り付けられた前記ケースの前記底板の面の部分の反対側の前記底板の面の部分に取り付けられている請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記ケースは、前記底板の前記板面から垂直方向に立設した仕切り壁を有し、
前記仕切り壁と前記側部とで囲まれた内部に前記コンデンサの素子部が配置され、前記素子部はポッティング材を介して前記ケースに固定されている請求項９に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車またはハイブリッド自動車のように、駆動源にモータが用いられている電動車両には、複数の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、入力電流を直流から交流、交流から直流、または入力電圧を異なる電圧に変換する装置である。具体的には、商用の交流電源から直流電源に変換して高圧バッテリに充電する充電器、高圧バッテリの直流電源から補助機器用のバッテリの電圧（例えば１２Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、バッテリからの直流電力をモータへの交流電力に変換するインバータ等が挙げられる。
【０００３】
電気自動車またはハイブリッド自動車に搭載される電力変換装置は、小型化及び高出力化が求められている。電力変換装置の高出力化に伴って電力変換装置に収容されたパワー半導体モジュールおよびコンデンサは大電流を扱うことになり、パワー半導体モジュールおよびコンデンサの発熱量は増大している。そのため、電力変換装置にはパワー半導体モジュールおよびコンデンサを冷媒で冷却する冷却構造が設けられる。
【０００４】
電力変換装置は、例えば、中空の筐体内にパワー半導体モジュールとコンデンサとが近接して配置され、パワー半導体モジュールの直下に冷媒が流れる冷却用通路を配置した構造が開示されている（例えば特許文献１参照）。開示された構造では、冷却対象であるコンデンサおよびパワー半導体モジュールの長手方向に冷媒が流れるように冷却用通路が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１３５９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１においては、コンデンサおよびパワー半導体モジュールに近接して冷却用通路が設けられているため、コンデンサおよびパワー半導体モジュールを冷却することができる。しかしながら、パワー半導体モジュールの長手方向に冷媒を流すため、パワー半導体モジュールの長手方向に冷却用通路が長くなることで、冷却用通路の流体抵抗が高くなる。また、パワー半導体モジュールの放熱性を上げるために冷却用通路に冷却フィンを設けると、さらに冷却用通路の流体抵抗が増大する。冷媒を冷却用通路に供給するウォータポンプの押し出し圧には限界があるため、冷却フィンのピッチの間隔を広げて流体抵抗を下げる必要がある。パワー半導体モジュールの長手方向に冷却用通路が設けられると冷却フィンの充填率が下がるので、パワー半導体モジュールの放熱性が低下するという課題があった。
【０００７】
また、パワー半導体モジュールの長手方向に冷媒を流してパワー半導体モジュールを冷却するため、冷媒は冷却用通路の上流は低温で下流は高温になるので、パワー半導体モジュールの上流側と下流側で温度差が発生する。その結果、パワー半導体モジュールの上流側と下流側のそれぞれが有する温度特性によって上流側と下流側の電気特性に差異が発生するため、パワー半導体モジュールの制御性が悪化するという課題があった。
【０００８】
そこで、本願は、パワー半導体モジュールの放熱性を向上させると共に、パワー半導体モジュールの場所によらず放熱性を均一にすることができる電力変換装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置は、パワー半導体を有した、底面、天面、及び４つの側面を有する直方体状のパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールと電気的に接続され、パワー半導体モジュールの第１の側面の側もしくは第１の側面とは反対側の第２の側面の側に配置されたコンデンサと、一方の面がパワー半導体モジュールの底面と熱的に接続された板状のヒートシンクと、ヒートシンクの他方の面に設けられた冷却フィンと、一方の面が冷却フィンを介してヒートシンクの他方の面と対向して配置された板状の第一の仕切り板と、ヒートシンクの他方の面と第一の仕切り板の一方の面との間の冷却フィンが配置された空間を、第１の側面とは垂直な方向に冷媒が流れる冷却流路と、第一の仕切り板の他方の面から当該他方の面から離れる方向に延出すると共に、パワー半導体モジュールにおける第１の側面に隣り合う第３の側面の側から、第３の側面とは反対側の第４の側面の側に延出する板状の第二の仕切り板と、第３の側面の側もしくは第４の側面の側に設けられた冷媒流入口から、第一の仕切り板の他方の面、及び第二の仕切り板における第１の側面の側の面に沿って延びると共に、冷却流路の第１の側面の側の部分に接続された流入流路と、第３の側面の側もしくは第４の側面の側に設けられた冷媒流出口から、第一の仕切り板の他方の面、及び第二の仕切り板における第２の側面の側の面に沿って延びると共に、冷却流路の第２の側面の側の部分に接続された流出流路とを備え、パワー半導体モジュールの第１の側面の長さは第３の側面の長さよりも長いものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願に開示される電力変換装置によれば、ヒートシンクの他方の面と第一の仕切り板の一方の面との間の空間をパワー半導体モジュールにおける第１の側面とは垂直な方向に冷媒が流れる冷却流路と、冷媒流入口から第一の仕切り板の他方の面及び第二の仕切り板における第１の側面の側の面に沿って延びると共に、冷却流路の第１の側面の側の部分に接続された流入流路と、冷媒流出口から、第一の仕切り板の他方の面及び第二の仕切り板における第２の側面の側の面に沿って延びると共に、冷却流路の第２の側面の側の部分に接続された流出流路とを備え、パワー半導体モジュールの第１の側面の長さは第３の側面の長さよりも長いため、冷媒はパワー半導体モジュールの短手方向に流れるので冷却流路の流体抵抗が低くなり、冷却フィンの充填率を上げてパワー半導体モジュールの放熱性を向上させることができる。また、冷媒はパワー半導体モジュールの短手方向に流れるので、パワー半導体モジュールの場所によらずパワー半導体モジュールの放熱性を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置のインバータの回路構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る電力変換装置の外観の概略を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る電力変換装置の側面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置の要部断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ断面位置で切断した電力変換装置の要部断面図である。
【図６】図３のＣ−Ｃ断面位置で切断した電力変換装置の要部断面図である。
【図７】図３のＤ−Ｄ断面位置で切断した電力変換装置の要部断面図である。
【図８】実施の形態１に係る電力変換装置のパワー半導体モジュールの構成の概要を示す図である。
【図９】図３のＢ−Ｂ断面位置で切断した別の電力変換装置の要部断面図である。
【図１０】実施の形態２に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【図１２】実施の形態２に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【図１３】実施の形態２に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【図１４】実施の形態２に係る電力変換装置のパワー半導体モジュールの構成の概要を示す図である。
【図１５】実施の形態３に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【図１６】実施の形態３に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【図１７】実施の形態３に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【図１８】実施の形態３に係る電力変換装置の要部の概略を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本願の実施の形態による電力変換装置を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力変換装置１００のインバータの回路構成を示す図、図２は電力変換装置１００の外観の概略を示す斜視図、図３は電力変換装置１００の側面図、図４は図２のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図、図５は図３のＢ−Ｂ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図、図６は図３のＣ−Ｃ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図、図７は図３のＤ−Ｄ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図、図８は電力変換装置１００のパワー半導体モジュール５の構成の概要を示す図である。図３は、電力変換装置１００のケース４の内部に収容された構成部品の一部を破線で示した図である。電力変換装置１００は電力を制御するためのスイッチング回路を有する装置で、入力電流を直流から交流、交流から直流、または入力電圧を異なる電圧に変換する。
【００１４】
＜電力変換装置１００の回路構成＞
電力変換装置１００は、電気自動車またはハイブリッド自動車などの電動車両に搭載されているモータ駆動用インバータ、高電圧から低電圧へ変換する降圧コンバータ、外部電源設備に接続して車載電池を充電する充電器などの電動パワーコンポーネントが該当する。モータ駆動用インバータを例に、電力変換装置１００の回路構成について図１を用いて説明する。モータ駆動用インバータはパワー半導体モジュール５を備え、供給された直流電流を交流電流に変換して、変換した三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電流を負荷であるモータ（図示せず）に供給する。モータは、供給された三相の交流電流により駆動される。パワー半導体モジュール５には、直流電流を平滑化するコンデンサ（図１では図示せず）が接続される。
【００１５】
Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つ各層は、上アーム１０１、１０３、１０５と下アーム１０２、１０４、１０６の２つのアームで構成される。各アームは、パワー半導体で構成される。パワー半導体は、例えば、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはダイオードである。パワー半導体は、数アンペアから数百アンペアの定格電流を制御するものである。パワー半導体素子の材料としては、シリコン（Ｓｉ）の他に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）といった次世代半導体が使用される。
【００１６】
＜電力変換装置１００の部品構成＞
電力変換装置１００は、図２に示すように、蓋２とケース４とで筐体５０が構成される。なお、図２には電力変換装置１００の電気的な入出力に関する開口部は図示していない。ケース４は、矩形板状の底板４ａ、及び底板４ａの４つの側面のそれぞれから底板４ａの板面に垂直方向に立設した側部４ｂを有する。一つの側部４ｂには、冷媒が流入する冷媒流入口１５が設けられる。また、冷媒流入口１５が設けられた側部４ｂの反対側の側部４ｂに冷媒が流出する冷媒流出口１６（図２では図示せず）が設けられる。本実施の形態では、異なる側部４ｂに冷媒流入口１５と冷媒流出口１６とを設けたが、同じ側部４ｂにこれらを設けても構わない。また、冷媒流入口１５と冷媒流出口１６の配置は逆であっても構わない。
【００１７】
電力変換装置１００は、図４に示すように、パワー半導体モジュール５、コンデンサ３、制御基板１、及び冷却器３０を備える。パワー半導体モジュール５は、底面５ａ、天面５ｂ、及び４つの側面（第１の側面５ｃ、第２の側面５ｄ、第３の側面５ｅ、第４の側面５ｆ）を有した直方体状で、内部にパワー半導体１４を有する。パワー半導体モジュール５は、本実施の形態では、図５に示すように、６つのパワー半導体モジュール５が第１の側面５ｃと平行な方向に同じ向きで並べて配置される。全てのパワー半導体モジュール５の底面５ａは、ヒートシンク６の一方の面と熱的に接続される。パワー半導体モジュール５の個数はこれに限るものではなく、１つであっても構わない。またパワー半導体モジュール５は、例えば、図８に示すように、内部に設けられた一つの基板１３に二つのパワー半導体１４が実装して設けられる。基板１３の構成はこれに限るものではなく、複数の基板１３のそれぞれに一つ又は複数のパワー半導体１４を実装した構成であっても構わない。
【００１８】
コンデンサ３は、エレメント素子２７をコンデンサケース３ａに収容し、エレメント素子２７とコンデンサケース３ａとの間の空隙に樹脂（図示せず）を注入した部品である。コンデンサ３は、例えば、グリースのサーマル・インターフェース・マテリアルを介して、ケース４の底板４ａにねじ締めにより取り付けられる。コンデンサ３は、パワー半導体モジュール５と電気的に接続され、６つのパワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの側もしくは第１の側面５ｃとは反対側の第２の側面５ｄの側に、６つのパワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの側もしくは第２の側面５ｄの側と対向して配置される。本実施の形態では、コンデンサ３は第１の側面５ｃの側に配置される。６つのパワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの長手方向の長さを足し合わせた第１の側面５ｃの側の長さは第１の側面５ｃに隣り合う第３の側面５ｅの側の長さよりも長い。コンデンサ３の長手方向の面が、パワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの側と対向する。制御基板１は、パワー半導体モジュール５と電気的に接続され、パワー半導体モジュール５の動作を制御する信号を出力して、パワー半導体モジュール５の動作の制御を行う。
【００１９】
冷却器３０は、冷媒流入口１５及び冷媒流出口１６と連結され、冷媒が流れる流路を備える。流路の詳細については後述する。冷却器３０は、パワー半導体モジュール５及びコンデンサ３を冷却する。冷媒には、例えば水またはエチレングリコール液が使用される。冷却器３０は、ヒートシンク６、冷却フィン６ａ、第一の仕切り板８、第１ウォータジャケット１０ａ、第２ウォータジャケット１０ｂ、及び第二の仕切り板９を備える。第二の仕切り板９は、第１ウォータジャケット１０ａの一部、及び第２ウォータジャケット１０ｂの一部から形成される。
【００２０】
ヒートシンク６は板状で、一方の面がパワー半導体モジュール５の底面５ａと熱的に接続される。冷却フィン６ａは、ヒートシンク６の他方の面に設けられる。ヒートシンク６及び冷却フィン６ａは、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属で形成される。冷却フィン６ａの充填度を高めることで、冷媒と冷却フィン６ａとが接触する面積が増えるため、パワー半導体モジュール５の放熱性を向上させることができる。一方、冷却フィン６ａの充填度を高めると冷媒が流れる流路の断面積が縮小される。流路の断面積が縮小されると冷媒の流体抵抗が高まるため、冷媒を流す動力であるウォータポンプの性能を上げる必要があり、コストアップにつながる。本実施の形態では、後述するように、第１の側面５ｃに垂直な方向である、６つのパワー半導体モジュール５の全体の短手方向に冷媒を流すため、流体抵抗の高まりを抑制することができる。
【００２１】
第一の仕切り板８は板状で、一方の面が冷却フィン６ａを介してヒートシンク６の他方の面と対向して配置される。第一の仕切り板８には、第一の仕切り板８の第１の側面５ｃの側の端部に沿って流入貫通部２１が配置され、第一の仕切り板８の第２の側面５ｄの側の端部に沿って流出貫通部２２が配置される。第二の仕切り板９は板状で、第一の仕切り板８の他方の面から当該他方の面から離れる方向に延出すると共に、パワー半導体モジュール５における第１の側面５ｃに隣り合う第３の側面５ｅの側から、第３の側面５ｅとは反対側の第４の側面５ｆの側に延出する。第二の仕切り板９は、第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って、第２の側面５ｄの側から第１の側面５ｃの側に近づくように延出している。
【００２２】
第１ウォータジャケット１０ａ及び第２ウォータジャケット１０ｂは、ヒートシンク６及び第一の仕切り板８と共に流路を形成する部材である。第１ウォータジャケット１０ａは、四角形で板状の第１底部１０ａ１、第１底部１０ａ１の第１側面から第１底部１０ａ１の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第１側壁１０ａ２、及び第１底部１０ａ１の第１側面とは反対側の第２側面から第１底部１０ａ１の板面に垂直方向に第１側壁１０ａ２と対向して立設し、第１側壁１０ａ２よりも高さの低い矩形板状の第２側壁１０ａ３を有する。第２ウォータジャケット１０ｂは、四角形で板状の第２底部１０ｂ１、第２底部１０ｂ１の第１側面から第２底部１０ｂ１の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第３側壁１０ｂ２、及び第２底部１０ｂ１の第１側面とは反対側の第２側面から第２底部１０ｂ１の板面に垂直方向に第３側壁１０ｂ２と対向して立設し、第３側壁１０ｂ２よりも高さの低い矩形板状の第４側壁１０ｂ３を有する。第１ウォータジャケット１０ａにおける第１底部１０ａ１、及び第２ウォータジャケット１０ｂにおける第２底部１０ｂ１は、ケース４の底板４ａに取り付けられている。
【００２３】
第２側壁１０ａ３と第４側壁１０ｂ３との双方の外壁面が接して、第２側壁１０ａ３と第４側壁１０ｂ３とから第二の仕切り板９が形成される。第２側壁１０ａ３における第１底部１０ａ１の側の側面とは反対側の側面、及び第４側壁１０ｂ３における第２底部１０ｂ１の側の側面とは反対側の側面は、第一の仕切り板８の他方の面と接合される。第１側壁１０ａ２における第１底部１０ａ１の側の側面とは反対側の側面、及び第３側壁１０ｂ２における第２底部１０ｂ１の側の側面とは反対側の側面は、ヒートシンク６の他方の面と接合される。第一の仕切り板８、第１ウォータジャケット１０ａ、及び第２ウォータジャケット１０ｂは、例えば、金属で作製される。第１側壁１０ａ２及び第３側壁１０ｂ２は、例えば、ヒートシンク６の他方の面と摩擦攪拌で接合されている。これらが摩擦攪拌で接合されている場合、冷却器３０の水密性を確保することができる。第１ウォータジャケット１０ａの一部及び第２ウォータジャケット１０ｂの一部から、第二の仕切り板９が形成されると共に、後述する流路が形成されるので、電力変換装置１００の生産性を向上させることができ、電力変換装置１００を低コストで製造することができる。
【００２４】
＜電力変換装置１００の電気配線の構成＞
本実施の形態では、一つのパワー半導体モジュール５は、図８に示すように、一つの基板単位で構成されており、一つの基板で１アームが構成される。６つのパワー半導体モジュール５で、図１に示した６アームが構成される。パワー半導体モジュール５と電気的に接続された制御基板１は、パワー半導体モジュール５の天面５ｂ及びコンデンサ３に対向して配置されている。パワー半導体モジュール５から外部に露出したパワー端子２８と、コンデンサ３から外部に露出したパワー端子２９とは、パワー半導体モジュール５及びコンデンサ３と制御基板１との間で電気的に接続されている。パワー端子２８とパワー端子２９は、例えば、金属バスバーである。パワー端子２８とパワー端子２９とは、例えば、溶接、ねじ締結、レーザ溶接で接続されている。
【００２５】
コンデンサ３は、パワー半導体モジュール５と近接して配置される。パワー半導体１４の電力変換効率を向上させるためには、パワー半導体モジュール５とコンデンサ３との電気配線である金属バスバーを短くして、寄生インダクタンス及び寄生容量を低減する必要がある。パワー半導体１４は、スイッチング時に電圧サージが発生する。電圧サージは、スイッチング速度（電流の変化率）と金属バスバーに寄生するインダクタンスの掛け算で決定される。電圧サージはパワー半導体１４の耐圧で制約されているため、寄生インダクタンスを小さくすることで、スイッチング速度を上げることが可能になり、パワー半導体１４のスイッチング損失を減らして電力変換効率を向上させることができる。コンデンサ３とパワー半導体モジュール５とを近接して配置しているため、寄生インダクタンス及び寄生容量を低減することができる。また、パワー端子２８とパワー端子２９とを、パワー半導体モジュール５及びコンデンサ３と制御基板１との間で接続した場合、コンデンサ３とパワー半導体モジュール５との電気配線を最短にすることができる。
【００２６】
＜冷却器３０の流路の構成＞
本願の要部である冷却器３０の流路の構成について説明する。冷却器３０の流路は、図４に示すように、冷却流路７、流入流路１１、及び流出流路１２から構成される。流入流路１１及び流出流路１２の上に冷却流路７が設けられ、流路は二段で構成される。
【００２７】
冷却流路７はヒートシンク６の他方の面と第一の仕切り板８の一方の面との間の冷却フィン６ａが配置された空間で、図６に示すように、第１の側面５ｃとは垂直な方向に冷媒が流れる。図に示した矢印は、冷媒の流れる方向を示す流れ方向２０である。冷却フィン６ａは、流れ方向２０に沿って配置される。冷却フィン６ａの個数は図に示した個数に限るものではなく、冷媒の流体抵抗を極端に高めない範囲の個数で設けられる。冷却流路７に冷媒が流れることで、冷却フィン６ａ及びヒートシンク６が冷却される。冷却フィン６ａ及びヒートシンク６が冷却されることで、パワー半導体モジュール５も冷却される。流入流路１１は、第３の側面５ｅの側に設けられた冷媒流入口１５から、第一の仕切り板８の他方の面、及び第二の仕切り板９における第１の側面５ｃの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第１の側面５ｃの側の部分に接続される。冷却流路７と流入流路１１とは、流入貫通部２１で接続される。流出流路１２は、第４の側面５ｆの側に設けられた冷媒流出口１６から、第一の仕切り板８の他方の面、及び第二の仕切り板９における第２の側面５ｄの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第２の側面５ｄの側の部分に接続される。冷却流路７と流出流路１２とは、流出貫通部２２で接続される。本実施の形態では、コンデンサ３は第１の側面５ｃの側に配置されるので、コンデンサ３は流入流路１１に近接する。冷媒流入口１５と冷媒流出口１６は異なる側部４ｂに対向して配置され、第二の仕切り板９で流入流路１１と流出流路１２とが仕切られるので、冷媒が流れる流路長、流路幅を流入流路１１と流出流路１２で同一にでき、冷媒の流速を均一に保つことができる。
【００２８】
冷媒は、図７に示すように、冷媒流入口１５から流入流路１１に流入する。流入流路１１は、第二の仕切り板９が第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って、第２の側面５ｄの側から第１の側面５ｃの側に近づくように延出しているので、冷媒が流れる方向に断面積が小さくなるように構成されている。そのため、冷媒流入口１５から遠い箇所でも冷媒の流速は遅くならない。冷媒は、流入貫通部２１を介して流入流路１１から冷却流路７に流入する。冷却フィン６ａの間を通過した冷媒は、流出貫通部２２を介して冷却流路７から流出流路１２に流入する。流出流路１２は、冷媒流出口１６に向かって断面積が大きくなるように構成されている。そのため、冷媒流出口１６から遠い箇所でも冷媒の流速は遅くならない。冷却器３０の流路を通過した冷媒は、冷媒流出口１６から外部に排出される。冷却器３０の流路を流れる冷媒の温度は、冷却流路７を通過する前の流入流路１１で低く、冷却流路７を通過した後の流出流路１２で高くなる。パワー半導体モジュール５において、冷媒の流れ方向２０は図８に示した矢印の方向になる。
【００２９】
この構成によれば、６つのパワー半導体モジュール５の全体における短手方向に冷媒を流すことができる。そのため、流体抵抗が高まることを抑制できるので、冷却フィン６ａの充填率を下げる必要がなく冷却フィン６ａは高密度で配置され、パワー半導体モジュール５の放熱性を向上することができる。また、６つのパワー半導体モジュール５に対して冷媒は並列に流れるので、６つのパワー半導体モジュール５のそれぞれに温度差が生じないため、場所によらず６つのパワー半導体モジュール５の放熱性を均一にすることができる。６つのパワー半導体モジュール５の放熱性を均一にすることができるので、温度特性を有する６つのパワー半導体モジュール５の電気特性が６つのパワー半導体モジュール５で均一になり、電力変換装置１００のスイッチング制御性を向上させることができる。
【００３０】
また、コンデンサ３は冷媒の温度が低い流入流路１１に近接して配置されるので、冷媒流入口１５に流入される冷媒の初期温度でコンデンサ３を冷却することが可能になり、熱的に弱いコンデンサ３を低温側の冷媒で冷却することができる。また、流入流路１１及び流出流路１２の上に冷却流路７が設けられ、冷却流路７の上にパワー半導体モジュール５が設けられており、パワー半導体モジュール５の側面周りに流路がないため、コンデンサ３をパワー半導体モジュール５に近接して配置することができる。コンデンサ３をパワー半導体モジュール５に近接して配置することができるので、パワー半導体モジュール５とコンデンサ３を金属バスバーにより最短距離で配線することができ、金属バスバーにおける寄生インダクタンスを削減して、パワー半導体モジュール５のパワー半導体１４を高速スイッチングで動作させることができる。
【００３１】
また、パワー半導体モジュール５と冷却器３０の高さの和はコンデンサ３の高さと一致するため、ケース４の内部のデッドスペースが小さくなり、電力変換装置１００を小型化することができる。また、パワー半導体モジュール５とコンデンサ３の高さが一致しているため、パワー半導体モジュール５とコンデンサ３の電気配線は最短距離となるので、電力変換装置１００の小型化に加えて電力変換装置１００の低インダクタンス化を実現することができる。
【００３２】
なお、電力変換装置１００が一つのパワー半導体モジュール５を備えた場合、図９に示すように、パワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの長さは第３の側面５ｅの長さよりも長い。図９において、コンデンサ３は第１の側面５ｃの側に配置される。冷媒は、図６と同様に、第１の側面５ｃとは垂直な方向に流れるので、パワー半導体モジュール５の短手方向に冷媒を流すことができる。
【００３３】
以上のように、実施の形態１による電力変換装置１００において、ヒートシンク６の他方の面と第一の仕切り板８の一方の面との間の空間をパワー半導体モジュール５における第１の側面５ｃとは垂直な方向に冷媒が流れる冷却流路７と、冷媒流入口１５から第一の仕切り板８の他方の面及び第二の仕切り板９における第１の側面５ｃの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第１の側面５ｃの側の部分に接続された流入流路１１と、冷媒流出口１６から第一の仕切り板８の他方の面及び第二の仕切り板９における第２の側面５ｄの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第２の側面５ｄの側の部分に接続された流出流路１２とを備え、パワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの長さは第３の側面５ｅの長さよりも長いため、冷媒はパワー半導体モジュール５の短手方向に流れるので冷却流路７の流体抵抗が低くなり、冷却フィンの充填率を上げてパワー半導体モジュール５の放熱性を向上させることができる。また、冷媒はパワー半導体モジュール５の短手方向に流れるので、パワー半導体モジュール５の場所によらずパワー半導体モジュール５の放熱性を均一にすることができる。
【００３４】
また、複数のパワー半導体モジュール５を第１の側面５ｃと平行な方向に同じ向きで並べて配置し、コンデンサ３を複数のパワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの側に複数のパワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃと対向して配置して、複数のパワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの側の長さが第３の側面５ｅの側の長さよりも長い場合、冷媒は複数のパワー半導体モジュール５の短手方向に流れるので冷却流路７の流体抵抗が低くなり、冷却フィンの充填率を上げて複数のパワー半導体モジュール５の放熱性を向上させることができる。また、冷媒は複数のパワー半導体モジュール５の短手方向に流れるので、複数のパワー半導体モジュール５の場所によらず複数のパワー半導体モジュール５の放熱性を均一にすることができる。
【００３５】
また、冷媒流入口１５はパワー半導体モジュール５の第３の側面５ｅの側に設けられ、冷媒流出口１６はパワー半導体モジュール５の第４の側面５ｆの側に設けられ、第二の仕切り板９は第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って第２の側面５ｄの側から第１の側面５ｃの側に近づくように延出している場合、冷媒が流れる流路長、流路幅を冷却流路７と流入流路１１で同一にでき、冷媒の流速を均一に保つことができる。
【００３６】
また、第１ウォータジャケット１０ａの一部及び第２ウォータジャケット１０ｂの一部から第二の仕切り板９が形成されると共に、第１ウォータジャケット１０ａ及び第２ウォータジャケット１０ｂから流入流路１１と流出流路１２が形成される場合、電力変換装置１００の生産性を向上させることができ、電力変換装置１００を低コストで製造することができる。また、第１ウォータジャケット１０ａにおける第１底部１０ａ１、第２ウォータジャケット１０ｂにおける第２底部１０ｂ１、及びコンデンサ３がケース４の底板４ａに取り付けられている場合、電力変換装置１００の生産性を向上させることができ、電力変換装置１００を低コストで製造することができる。
【００３７】
また、流入流路１１が設けられた第１の側面５ｃの側にコンデンサ３が配置されている場合、コンデンサ３は冷媒の温度が低い流入流路１１に近接して配置されるので、冷媒流入口１５に流入される冷媒の初期温度でコンデンサ３を冷却することが可能になり、熱的に弱いコンデンサ３を低温側の冷媒で冷却することができる。また、第１側壁１０ａ２及び第３側壁１０ｂ２がヒートシンク６の他方の面と摩擦攪拌で接合されている場合、冷却器３０の水密性を確保することができる。
【００３８】
また、パワー半導体モジュール５と電気的に接続された制御基板１がパワー半導体モジュール５の天面５ｂ及びコンデンサに対向して配置されている場合、電力変換装置１００を小型化することができ、電力変換装置１００の低インダクタンス化を実現することができる。また、パワー半導体モジュール５から外部に露出したパワー端子２８とコンデンサ３から外部に露出したパワー端子２９とが、パワー半導体モジュール５及びコンデンサ３と制御基板１との間で電気的に接続されている場合、コンデンサ３とパワー半導体モジュール５との電気配線を最短にすることができ、電力変換装置１００の低インダクタンス化を実現することができる。
【００３９】
実施の形態２．
実施の形態２に係る電力変換装置１００について説明する。図１０は実施の形態２に係る電力変換装置１００の要部の概略を示す断面図、図１１から図１３のそれぞれは電力変換装置１００の要部の概略を示す別の断面図、図１４は電力変換装置１００のパワー半導体モジュール５の構成の概要を示す図である。図１０は図２のＡ−Ａ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態２に係る電力変換装置１００の断面図、図１１は図３のＢ−Ｂ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態２に係る電力変換装置１００の断面図、図１２は図３のＣ−Ｃ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態２に係る電力変換装置１００の断面図、図１３は図３のＤ−Ｄ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態２に係る電力変換装置１００の断面図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００は、冷却器３０において冷却流路７の下部に構成される流路が、実施の形態１に示した電力変換装置１００とは異なる構成になっている。
【００４０】
＜電力変換装置１００の部品構成＞
パワー半導体モジュール５は、図１１に示すように、６つのパワー半導体モジュール５が第１の側面５ｃと平行な方向に同じ向きで並べて配置される。パワー半導体モジュール５の個数はこれに限るものではなく、１つであっても構わない。図１１に破線で示した貫通部２３が、６つのパワー半導体モジュール５の中央となる位置で第一の仕切り板８に設けられる。本実施の形態では、パワー半導体モジュール５は、図１４に示すように、内部に設けられた二つの基板１３のそれぞれに一つのパワー半導体１４が実装して設けられる。
【００４１】
冷却器３０は、ヒートシンク６、冷却フィン６ａ、第一の仕切り板８、第１ウォータジャケット１０ａ、第２ウォータジャケット１０ｂ、第二の仕切り板９、及び第三の仕切り板３１を備える。第二の仕切り板９は第１ウォータジャケット１０ａの一部から形成され、第三の仕切り板３１は第２ウォータジャケット１０ｂの一部から形成される。
【００４２】
第一の仕切り板８は板状で、一方の面が冷却フィン６ａを介してヒートシンク６の他方の面と対向して配置され、第１の側面５ｃの側と第２の側面５ｄの側との間の部分に貫通部２３が設けられる。第一の仕切り板８には、第一の仕切り板８の第１の側面５ｃの側の端部に沿って第１の貫通部２４が配置され、第一の仕切り板８の第２の側面５ｄの側の端部に沿って第２の貫通部２５が配置される。第二の仕切り板９は板状で、第一の仕切り板８の他方の面における貫通部２３よりも第１の側面５ｃの側の部分から当該他方の面から離れる方向に延出すると共に、パワー半導体モジュール５における第１の側面５ｃに隣り合う第３の側面５ｅの側から、第３の側面５ｅとは反対側の第４の側面５ｆの側に延出する。第二の仕切り板９は、第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って、第２の側面５ｄの側から第１の側面５ｃの側に近づくように延出している。
【００４３】
第三の仕切り板３１は板状で、第一の仕切り板８の他方の面における貫通部２３よりも第２の側面５ｄの側の部分から当該他方の面から離れる方向に延出すると共に、パワー半導体モジュール５における第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に延出する。第三の仕切り板３１は、第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って、第１の側面５ｃの側から第２の側面５ｄの側に近づくように延出している。第二の仕切り板９の端部と第三の仕切り板３１の端部とは、第３の側面５ｅの側で連結されている。
【００４４】
第１ウォータジャケット１０ａは、四角形で板状の第１底部１０ａ１、第１底部１０ａ１の第１側面から第１底部１０ａ１の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第１側壁１０ａ２、及び第１底部１０ａ１の第１側面とは反対側の第２側面と第１底部１０ａ１の第１側面との間の第１底部１０ａ１の板面から第１底部１０ａ１の板面に垂直方向に第１側壁１０ａ２と対向して立設し、第１側壁１０ａ２よりも高さの低い矩形板状の第２側壁１０ａ３を有する。第２ウォータジャケット１０ｂは、四角形で板状の第２底部１０ｂ１、第２底部１０ｂ１の第１側面から第２底部１０ｂ１の板面に垂直方向に立設した矩形板状の第３側壁１０ｂ２、及び第２底部１０ｂ１の第１側面とは反対側の第２側面と第２底部１０ｂ１の第１側面との間の第２底部１０ｂ１の板面から第２底部１０ｂ１の板面に垂直方向に第３側壁１０ｂ２と対向して立設し、第３側壁１０ｂ２よりも高さの低い矩形板状の第４側壁１０ｂ３を有する。第２側壁１０ａ３から第二の仕切り板９が形成され、第４側壁１０ｂ３から第三の仕切り板３１が形成される。
【００４５】
＜冷却器３０の流路の構成＞
冷却器３０の流路は、図１０に示すように、冷却流路７、第１の流路１７、第２の流路１８、及び第３の流路１９から構成される。第１の流路１７、第２の流路１８、及び第３の流路１９の上に冷却流路７が設けられ、流路は二段で構成される。
【００４６】
第１の流路１７は、第３の側面５ｅの側に設けられた冷媒流入口１５である第１口から、第一の仕切り板８の他方の面、及び第二の仕切り板９における第１の側面５ｃの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第１の側面５ｃの側の部分に接続される。冷却流路７と第１の流路１７とは、第１の貫通部２４で接続される。第２の流路１８は、第１口から、第一の仕切り板８の他方の面、及び第三の仕切り板３１における第２の側面５ｄの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第２の側面５ｄの側の部分に接続される。冷却流路７と第２の流路１８とは、第２の貫通部２５で接続される。第３の流路１９は、第１口が設けられた側面の側とは反対側の側面の側に設けられた冷媒流出口１６である第２口から、第一の仕切り板８の他方の面、第二の仕切り板９における第２の側面５ｄの側の面、及び第三の仕切り板３１における第１の側面５ｃの側の面に沿って延びると共に、貫通部２３に接続される。本実施の形態では、コンデンサ３は第１の側面５ｃの側に配置され、第二の仕切り板９の端部と第三の仕切り板３１の端部とが第３の側面５ｅの側で連結され、第２口が冷媒流出口１６なので、コンデンサ３は冷媒が流入する第１の流路１７に近接する。冷媒が流れる流路長、及び流路幅を第１の流路１７と第２の流路１８で同一になるように第二の仕切り板９と第三の仕切り板３１が配置されるので、分流された冷媒の流速を均一に保つことができる。
【００４７】
冷媒は、図１３に示すように、冷媒流入口１５から分流して第１の流路１７と第２の流路１８に流入する。第１の流路１７は、第二の仕切り板９が第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って、第２の側面５ｄの側から第１の側面５ｃの側に近づくように延出しているので、冷媒が流れる方向に断面積が小さくなるように構成されている。第２の流路１８も、第三の仕切り板３１が第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って、第１の側面５ｃの側から第２の側面５ｄの側に近づくように延出しているので、冷媒が流れる方向に断面積が小さくなるように構成されている。そのため、冷媒流入口１５から遠い箇所でも冷媒の流速は遅くならない。冷媒は、第１の貫通部２４及び第２の貫通部２５を介して第１の流路１７及び第２の流路１８から冷却流路７に流入する。冷却フィン６ａの間を通過した冷媒は合流して、貫通部２３を介して冷却流路７から第３の流路１９に流入する。第３の流路１９は、冷媒流出口１６に向かって断面積が大きくなるように構成されている。そのため、冷媒流出口１６から遠い箇所でも冷媒の流速は遅くならない。冷却器３０の流路を通過した冷媒は、冷媒流出口１６から外部に排出される。冷却器３０の流路を流れる冷媒の温度は、冷却流路７を通過する前の第１の流路１７と第２の流路１８で低く、冷却流路７を通過した後の第３の流路１９で高くなる。パワー半導体モジュール５において、冷媒の流れ方向２０は図１４に示した２つの矢印の方向になる。
【００４８】
この構成によれば、６つのパワー半導体モジュール５の全体における短手方向で、パワー半導体モジュール５の中央から外側に向けて冷媒を流すことができる。そのため、流体抵抗が高まることを抑制できるので、冷却フィン６ａの充填率を下げる必要がなく冷却フィン６ａは高密度で配置され、パワー半導体モジュール５の放熱性を向上することができる。また、６つのパワー半導体モジュール５のそれぞれが備えた二つの基板１３のそれぞれに対して冷媒は並列に流れるので、６つのパワー半導体モジュール５の二つの基板１３のそれぞれに温度差が生じないため、場所によらず６つのパワー半導体モジュール５の基板１３の放熱性を均一にすることができる。６つのパワー半導体モジュール５の基板１３の放熱性を均一にすることができるので、温度特性を有する６つのパワー半導体モジュール５の各基板の電気特性が６つのパワー半導体モジュール５で均一になり、電力変換装置１００のスイッチング制御性を向上させることができる。
【００４９】
また、コンデンサ３は冷媒の温度が低い第１の流路１７に近接して配置されるので、冷媒流入口１５に流入される冷媒の初期温度でコンデンサ３を冷却することが可能になり、熱的に弱いコンデンサ３を低温側の冷媒で冷却することができる。また、第１の流路１７、第２の流路１８、及び第３の流路１９の上に冷却流路７が設けられ、冷却流路７の上にパワー半導体モジュール５が設けられており、パワー半導体モジュール５の側面周りに流路がないため、コンデンサ３をパワー半導体モジュール５に近接して配置することができる。コンデンサ３をパワー半導体モジュール５に近接して配置することができるので、パワー半導体モジュール５とコンデンサ３を金属バスバーにより最短距離で配線することができ、金属バスバーにおける寄生インダクタンスを削減して、パワー半導体モジュール５のパワー半導体１４を高速スイッチングで動作させることができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、第１口を冷媒流入口１５とし、第２口を冷媒流出口１６としたがこれに限るものではなく、第１口を冷媒流出口１６とし、第２口を冷媒流入口１５としても構わない。また、第二の仕切り板９を第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って第１の側面５ｃの側から第２の側面５ｄの側に近づくように延出させ、第三の仕切り板３１を第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に近づくに従って第２の側面５ｄの側から第１の側面５ｃの側に近づくように延出させ、第二の仕切り板９の端部と第三の仕切り板３１の端部とを第４の側面５ｆの側で連結させても構わない。
【００５１】
以上のように、実施の形態２による電力変換装置１００において、ヒートシンク６の他方の面と第一の仕切り板８の一方の面との間の空間をパワー半導体モジュール５における第１の側面５ｃとは垂直な方向に冷媒が流れる冷却流路７と、冷媒流入口１５である第１口から第一の仕切り板８の他方の面、及び第二の仕切り板９における第１の側面５ｃの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第１の側面５ｃの側の部分に接続された第１の流路１７と、第１口から第一の仕切り板８の他方の面、及び第三の仕切り板３１における第２の側面５ｄの側の面に沿って延びると共に、冷却流路７の第２の側面５ｄの側の部分に接続された第２の流路１８と、冷媒流出口１６である第２口から第一の仕切り板８の他方の面、第二の仕切り板９における第２の側面５ｄの側の面、及び第三の仕切り板３１における第１の側面５ｃの側の面に沿って延びると共に、貫通部２３に接続された第３の流路１９とを備え、パワー半導体モジュール５の第１の側面５ｃの側の長さは第３の側面５ｅの側の長さよりも長いため、冷媒はパワー半導体モジュール５の短手方向に流れるので冷却流路７の流体抵抗が低くなり、冷却フィンの充填率を上げてパワー半導体モジュール５の放熱性を向上させることができる。
【００５２】
また、第１ウォータジャケット１０ａの一部から第二の仕切り板９が形成され、第２ウォータジャケット１０ｂの一部から第三の仕切り板３１が形成されると共に、第１ウォータジャケット１０ａ及び第２ウォータジャケット１０ｂから第１の流路１７、第２の流路１８、及び第３の流路１９が形成される場合、電力変換装置１００の生産性を向上させることができ、電力変換装置１００を低コストで製造することができる。また、冷媒はパワー半導体モジュール５の中央から外側に向かって短手方向に流れるので、パワー半導体モジュール５の場所によらずパワー半導体モジュール５の放熱性を均一にすることができる。また、パワー半導体モジュール５が冷媒の流れる方向に沿って２枚の基板１３を備えた場合、２枚の基板１３のそれぞれに温度差が生じないため、温度特性を有するパワー半導体モジュール５の各基板の電気特性がパワー半導体モジュール５で均一になり、電力変換装置１００のスイッチング制御性を向上させることができる。
【００５３】
また、コンデンサ３は第１の側面５ｃの側に配置され、第二の仕切り板９の端部と第三の仕切り板３１の端部とが第３の側面５ｅの側で連結され、第２口が冷媒流出口１６である場合、コンデンサ３は冷媒の温度が低い第１の流路１７に近接して配置されるので、冷媒流入口１５に流入される冷媒の初期温度でコンデンサ３を冷却することが可能になり、熱的に弱いコンデンサ３を低温側の冷媒で冷却することができる。
【００５４】
実施の形態３．
実施の形態３に係る電力変換装置１００について説明する。図１５は実施の形態３に係る電力変換装置１００の要部の概略を示す断面図、図１６から図１８のそれぞれは電力変換装置１００の要部の概略を示す別の断面図である。図１５は図２のＡ−Ａ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態３に係る電力変換装置１００の断面図、図１６は図３のＢ−Ｂ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態３に係る電力変換装置１００の断面図、図１７は図３のＣ−Ｃ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態３に係る電力変換装置１００の断面図、図１８は図３のＤ−Ｄ断面位置と同等の位置で切断した実施の形態３に係る電力変換装置１００の断面図である。実施の形態３に係る電力変換装置１００は、冷却器３０における第二の仕切り板９の配置と冷媒流出口１６の位置が、実施の形態１に示した電力変換装置１００とは異なる構成になっている。
【００５５】
＜電力変換装置１００の部品構成＞
パワー半導体モジュール５は、図１６に示すように、６つのパワー半導体モジュール５が第１の側面５ｃと平行な方向に同じ向きで並べて配置される。パワー半導体モジュール５は、例えば、図８に示すように、内部に設けられた一つの基板１３に二つのパワー半導体１４が実装して設けられる。ケース４におけるパワー半導体モジュール５の第３の側面５ｅの側の側部４ｂに、冷媒が流入する冷媒流入口１５と冷媒が流出する冷媒流出口１６の双方が設けられる。
【００５６】
ケース４は、図１５に示すように、底板４ａの板面から垂直方向に立設した仕切り壁４ｃを有する。仕切り壁４ｃと側部４ｂとで囲まれた内部にコンデンサ３の素子部であるエレメント素子２７が配置され、エレメント素子２７はポッティング材２６を介してケース４に固定されている。コンデンサ３は、第１の側面５ｃの側に配置される。電力変換装置１００は第二の電力変換装置２００を備える。第二の電力変換装置２００は、第１ウォータジャケット１０ａ及び第２ウォータジャケット１０ｂが取り付けられたケース４の底板４ａの面の部分の反対側の底板４ａの面の部分に取り付けられている。第１ウォータジャケット１０ａ及び第２ウォータジャケット１０ｂに形成された流入流路１１及び流出流路１２と第二の電力変換装置２００とは熱的に接続されているため、第二の電力変換装置２００はこれらの流路を流れる冷媒で冷却される。
【００５７】
冷却器３０は、ヒートシンク６、冷却フィン６ａ、第一の仕切り板８、第１ウォータジャケット１０ａ、第２ウォータジャケット１０ｂ、及び第二の仕切り板９を備える。第二の仕切り板９は、第１ウォータジャケット１０ａの一部、及び第２ウォータジャケット１０ｂの一部から形成される。第二の仕切り板９は、図１８に示すように、冷媒流入口１５と冷媒流出口１６との間の第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に、第１の側面５ｃと平行に延出している。
【００５８】
＜冷却器３０の流路の構成＞
冷却器３０の流路は、図１５に示すように、冷却流路７、流入流路１１、及び流出流路１２から構成される。流入流路１１及び流出流路１２の上に冷却流路７が設けられ、流路は二段で構成される。流入流路１１と流出流路１２の流路長と流路幅は同一である。冷媒は、図１８に示すように、冷媒流入口１５から流入流路１１に流入する。冷媒は、図１７に示すように、流入貫通部２１を介して流入流路１１から冷却流路７に流入する。冷却フィン６ａの間を通過した冷媒は、流出貫通部２２を介して冷却流路７から流出流路１２に流入する。冷却器３０の流路を通過した冷媒は、冷媒流出口１６から外部に排出される。６つのパワー半導体モジュール５に対して、冷媒は並列に流れる。冷却器３０の流路を流れる冷媒の温度は、冷却流路７を通過する前の流入流路１１で低く、冷却流路７を通過した後の流出流路１２で高くなる。なお、冷媒流入口１５及び冷媒流出口１６のいずれか一方もしくは双方を第４の側面５ｆの側に設けても構わない。
【００５９】
以上のように、実施の形態３による電力変換装置１００において、第二の仕切り板９は第３の側面５ｅの側から第４の側面５ｆの側に第１の側面５ｃと平行に延出しているため、冷媒流入口１５及び冷媒流出口１６の双方がパワー半導体モジュール５の第３の側面５ｅの側に設けられるので、冷媒流入口１５と冷媒流出口１６のレイアウトの自由度を向上させることができる。また、第１ウォータジャケット１０ａ及び第２ウォータジャケット１０ｂが取り付けられたケース４の底板４ａの面の部分の反対側の底板４ａの面の部分に、第二の電力変換装置２００が取り付けられているため、電力変換装置１００に設けられた冷却器３０で第二の電力変換装置２００を冷却することができる。また、電力変換装置１００の冷却器３０で第二の電力変換装置２００を冷却することで、第二の電力変換装置２００には冷却器が不要になるため、第二の電力変換装置２００を小型化することができる。また、第二の仕切り板９が第二の電力変換装置２００に対して冷却フィンとして機能するため、第二の電力変換装置２００の冷却性能を向上させることができる。
【００６０】
また、ケース４における底板４ａの板面から垂直方向に立設した仕切り壁４ｃと側部４ｂとで囲まれた内部にコンデンサ３のエレメント素子２７が配置され、エレメント素子２７はポッティング材２６を介してケース４に固定されているため、コンデンサケース３ａが不要でエレメント素子２７とケース４との間に接触界面がなくなり、接触熱抵抗が小さくなってエレメント素子２７の放熱性が上がるので、エレメント素子２７の寿命を向上させることができる。また、パワー半導体モジュール５と第二の電力変換装置２００との間に配置される第一の仕切り板８が遮熱板になるため、パワー半導体モジュール５と第二の電力変換装置２００の互いの熱干渉を防ぐことになり、パワー半導体モジュール５と第二の電力変換装置２００を効率的に冷却することができる。
【００６１】
以上では、電力変換装置１００は、３相交流を出力する電力変換装置とした例に説明した。しかし、電力変換装置１００は、ＤＣ―ＤＣコンバータ等の各種の電力変換装置とされてもよく、コンデンサ３は、負荷に接続される出力側等、平滑化が必要な各部に設けられてもよい。また、コンデンサ３が接続されるのはパワー半導体モジュール５に限るものではなく、例えば、パワー半導体１４を備えた基板であっても構わない。
【００６２】
また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００６３】
１  制御基板、２  蓋、３  コンデンサ、３ａ  コンデンサケース、４  ケース、４ａ  底板、４ｂ  側部、４ｃ  仕切り壁、５  パワー半導体モジュール、５ａ  底面、５ｂ  天面、５ｃ  第１の側面、５ｄ  第２の側面、５ｅ  第３の側面、５ｆ  第４の側面、６  ヒートシンク、６ａ  冷却フィン、７  冷却流路、８  第一の仕切り板、９  第二の仕切り板、１０ａ  第１ウォータジャケット、１０ａ１  第１底部、１０ａ２  第１側壁、１０ａ３  第２側壁、１０ｂ  第２ウォータジャケット、１０ｂ１  第２底部、１０ｂ２  第３側壁、１０ｂ３  第４側壁、１１  流入流路、１２  流出流路、１３  基板、１４  パワー半導体、１５  冷媒流入口、１６  冷媒流出口、１７  第１の流路、１８  第２の流路、１９  第３の流路、２０  流れ方向、２１  流入貫通部、２２  流出貫通部、２３  貫通部、２４  第１の貫通部、２５  第２の貫通部、２６  ポッティング材、２７  エレメント素子、２８  パワー端子、２９  パワー端子、３０  冷却器、３１  第三の仕切り板、５０  筐体、１００  電力変換装置、１０１  上アーム、１０２  下アーム、２００  第二の電力変換装置
【要約】
【課題】パワー半導体モジュールの放熱性を向上させると共に、場所によらず放熱性を均一にすることができる電力変換装置を得ること。
【解決手段】パワー半導体モジュールと、コンデンサと、パワー半導体モジュールに接続されたヒートシンクと、冷却フィンと、ヒートシンクと対向した第一の仕切り板と、ヒートシンクと第一の仕切り板との間を第１の側面とは垂直な方向に冷媒が流れる冷却流路と、第一の仕切り板から延出し第３の側面の側から第４の側面の側に延出する第二の仕切り板と、冷媒流入口から第一の仕切り板の他方の面及び第二の仕切り板の第１の側面の側の面に沿って延び冷却流路の第１の側面の側に接続された流入流路と、冷媒流出口から第一の仕切り板の他方の面及び第二の仕切り板の第２の側面の側の面に沿って延び冷却流路の第２の側面の側に接続された流出流路とを備え、パワー半導体モジュールの第１の側面の長さは第３の側面の長さよりも長い。
【選択図】図４【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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