(57)【要約】【課題】  冷却性能を確保しつつ、圧力損失を低減した電力変換装置を提供する。【解決手段】  電力変換装置は、バッテリから供給された直流電流を三相交流電流に変換するための複数のスイッチング素子と、複数のスイッチング素子の動作を制御するための駆動制御回路と、スイッチング素子を冷却するために上流側から下流側へ冷媒を流す冷媒通路と、一方の面において、冷媒通路の上流側から下流側の方向に複数のスイッチング素子を配置したベースと、一方の面とは反対側の面において冷媒に浸されるようにベースに設けられた複数のフィンと、バッテリから供給される直流電圧を平滑化するためのコンデンサと、を有し、複数のフィンの配置密度は、冷媒通路の上流側から下流側に向かって大きくなっていくように構成されている。【選択図】図１
2009038842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリから供給された直流電流を三相交流電流に変換するための複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子の動作を制御するための駆動制御回路と、
前記スイッチング素子を冷却するために上流側から下流側へ冷媒を流す冷媒通路と、
一方の面において、前記冷媒通路の前記上流側から前記下流側の方向に前記複数のスイッチング素子を配置したベースと、
前記一方の面とは反対側の面において、前記冷媒に浸されるように前記ベースに設けられた複数のフィンと、
前記バッテリから供給される直流電圧を平滑化するためのコンデンサと、を有し、
前記複数のフィンの配置密度は、前記冷媒通路の前記上流側から前記下流側に向かって大きくなっていくように構成されている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、
前記フィンは、円柱状のピンで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置において、
前記複数のフィンの配置密度は、前記冷媒通路の前記上流側から前記下流側に向かって、段階的に大きくなっていくように構成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３記載の電力変換装置において、
前記フィンの個数は、前記冷媒通路の前記下流側より前記上流側のほうが少ないことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記複数のフィンは、前記冷媒が流れる方向に延びた複数のストレートフィンであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５記載の電力変換装置において、
前記複数のストレートフィンのうち隣り合うストレートフィンの間隔は、前記冷媒通路の前記上流側より前記下流側のほうが狭いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６記載の電力変換装置において、
前記隣り合うストレートフィンの間隔は、段階的に変化し、
段階的に変化する箇所において、前記ストレートフィンは分断されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記複数のスイッチング素子は、平均的に同じ発熱量を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記複数のフィンは、前記冷媒通路の前記下流側のほうが前記上流側より高く形成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１記載の電力変換装置において、
さらに、前記冷媒通路に一定流量を与えるよう制御されたポンプを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１記載の電力変換装置において、
前記複数のスイッチング素子は、前記ベースの上に配置された絶縁基板の上に搭載されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の電力変換装置において、
前記スイッチング素子はＩＧＢＴであ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、流体を流して冷却する構造を備えた電力変換装置に係り、特に、電気車に用いられる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置には、スイッチングや整流を行うため、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子が搭載されている。これらの半導体素子を冷却するため、電力変換装置には冷却媒体を流す流路が設けられている。
【０００３】
また、流路の半導体素子側の面には、半導体素子を冷却するためのヒートシンクとしての役目を果たす複数のフィンが設けられている。これらのフィンの配置は、流路の上流から下流に至るまで、同一の高さ，同一のピッチ、及び、同一のフィン数量で形成されるのが一般的である。
【０００４】
例えば、ストレート形状のフィンを用いた構造が、特開２００４−３４９３２４号公報（特許文献１）に開示されている。また、フィンがピンフィンの場合は、図５に示すように、流路全体で一様なピッチで同形状のピンフィンが立っているのが一般的である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４９３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、ヒートシンクは、流路の入口から出口に至るまで、一様に、同一の高さ，同一のピッチ、及び、同一の数量で、フィンが配置されている。この場合、ヒートシンクには、フィン形成面とは反対側の面において、冷媒の流路と同じ方向に、複数の半導体素子が直列に配置されている。それらの半導体素子が平均的に同等の発熱を発生するとすれば、上流側の素子は下流側に比べ良く冷やされることになる。
【０００７】
上流側のあおり熱の影響を受ける下流側の半導体素子の温度上昇を抑制しようとする場合、上流側の半導体素子が必要以上によく冷やされるが、上流側では、不必要な圧力損失を生むことになる。一般に、圧力損失が高いと熱伝達率は向上する。しかし、圧力損失は低い方が望ましい。このため、低減可能な圧力損失はできるだけ下げることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明の電力変換装置のうち代表的な一つは、バッテリから供給された直流電流を三相交流電流に変換するための複数のスイッチング素子（ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等）と、複数のスイッチング素子の動作を制御するための駆動制御回路と、スイッチング素子を冷却するために上流側から下流側へ冷媒を流す冷媒通路と、一方の面において、冷媒通路の上流側から下流側の方向に複数のスイッチング素子を配置したベースと、一方の面とは反対側の面において、冷媒に浸されるようにベースに設けられた複数のフィンと、バッテリから供給される直流電圧を平滑化するためのコンデンサと、を有し、複数のフィンの配置密度は、冷媒通路の上流側から下流側に向かって大きくなっていくように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、冷却性能を確保しつつ、圧力損失を低減した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】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１０は、本発明の電力変換装置が備えられるハイブリッド型の電気自動車の一実施例を示す構成図である。なお、本発明による電力変換装置２００は、純粋な電気自動車にもハイブリッド型の電気自動車に適用できるが、以下代表してハイブリッド型の電気自動車の実施例を説明する。
【００１２】
ハイブリッド型の電気自動車１００には、エンジン１２０と第１の回転電機１３０と第２の回転電機１４０と、第１の回転電機１３０と第２の回転電機１４０に高電圧の直流電力供給するバッテリ１８０が搭載されている。さらに、低電圧電力（１４ボルト系電力）を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給するが、図示を省略する。
【００１３】
エンジン１２０及び第１の回転電機１３０と第２の回転電機１４０に基づく回転トルクは、変速機１５０とデファレンシャルギア１６０に伝達され、前輪１１０に伝達される。
【００１４】
変速機１５０を制御する変速機制御装置１５４とエンジン１２０を制御するエンジン制御装置１２４と電力変換装置２００を制御する回転電機制御回路基板７００の回転電機制御回路とリチウムイオン電池等のバッテリ１８０を制御するバッテリ制御装置１８４と統合制御装置１７０とが、それぞれ通信回線１７４によって接続されている。
【００１５】
統合制御装置１７０は、下位の制御装置である、変速機制御装置１５４やエンジン制御装置１２４や電力変換装置２００やバッテリ制御装置１８４から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線１７４を介して受け取る。これらの情報に基づき、統合制御装置１７０によって各制御装置の制御指令が演算され、統合制御装置１７０から各制御装置への制御指令が通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。
【００１６】
例えば、バッテリ制御装置１８４は、リチウムイオン電池であるバッテリ１８０の放電状況やリチウムイオン電池を構成する各単位セル電池の状態をバッテリ１８０の状態として、統合制御装置１７０に報告する。統合制御装置１７０は、上記報告から、バッテリ１８０の充電が必要であると判断すると、電力変換装置２００に発電運転の指示を出す。
【００１７】
統合制御装置１７０は、エンジン１２０と第１や第２の回転電気１３０，１４０の出力トルクを管理する。統合制御装置１７０は、エンジンと前記第１や第２の回転電機１３０，１４０の出力トルクの総合トルクあるいはトルク分配比を演算処理し、処理結果に基づく制御指令を変速機制御装置１５４やエンジン制御装置１２４や電力変換装置２００へ送信する。トルク指令に基づき、電力変換装置２００は、第１の回転電機１３０と第２の回転電機１４０を制御し、どちらか一方の回転電機または両方の回転電機で、指令のトルク出力または発電電力を発生するように、これらの回転電機を制御する。
【００１８】
電力変換装置２００は、統合制御装置１７０からの指令に基づき、第１の回転電機１３０と第２の回転電機１４０を運転する。このため、インバータを構成するパワー半導体のスイッチング動作を制御する。これらのパワー半導体のスイッチング動作により、第１の回転電機１３０と第２の回転電機１４０は、電動機として、または、発電機として運転される。
【００１９】
電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置２００のインバータに加えられる。この直流電力は、インバータを構成するパワー半導体のスイッチング動作により、３相交流電流に変換される。３相交流電流は、回転電機１３０または１４０に供給される。
【００２０】
一方、発電機として運転される場合は、回転電機１３０または１４０の回転子が外部からの回転トルクで回転し、この回転トルクに基づき回転電機の固定子巻線に３相交流電力を発生する。発生した３相交流電力は、電力変換装置２００で直流電力に変換される。直流電力は、高電圧のバッテリ１８０に供給され、バッテリ１８０が充電される。
【００２１】
図１０に示すとおり、電力変換装置２００は、直流電源の電圧変動を押さえる複数の平滑用のコンデンサを有するコンデンサモジュール３００と、複数のパワー半導体を内蔵するパワーモジュール５００、このパワーモジュール５００のスイッチング動作を制御するスイッチング駆動回路を備えたスイッチング駆動回路基板６００、及び前記スイッチング動作の時間幅を決める信号すなわちパルスワイドモデュレーションの制御を行うＰＷＭ信号を発生する回転電機制御回路を備えた回転電機制御回路基板７００から構成されている。
【００２２】
高電圧のバッテリ１８０は、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池等の２次電池である。バッテリ１８０は、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。
【００２３】
図６は、前述した電力変換装置２００の分解斜視図であり、該電力変換装置２００の全体的な構成を概略的に示している。また、図７は電力変換装置２００の外観図である。
【００２４】
電力変換装置２００は、箱体の形状をなすハウジング２１０を有し、このハウジング２１０の底部には、冷却水が循環する冷媒通路２１６を内部に有する水路形成体２２０が設けられている。ハウジング２１０の底部には、冷媒通路２１６に冷却水を供給するための入口管２１２及び出口管２１４がハウジング２１０の外側へ突出している。水路形成体２２０は、冷却通路を形成する冷却通路形成体としての機能を持つ。本実施例では、冷媒としてエンジン冷却水が用いられる。
【００２５】
本実施例の電力変換装置２００では、図１０に示されるパワーモジュール５００が２つ用いられる。具体的には、図６に示されるように、電力変換装置２００は、ハウジング２１０内に並設される第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４を備えている。また、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４には、冷却用の放熱フィン５０６，５０７がそれぞれ設けられている。
【００２６】
一方、水路形成体２２０には、開口２１８，２１９が設けられている。第１と第２のパワーモジュール５０２，５０４を水路形成体２２０に固定することで、冷却用の放熱フィン５０６，５０７が、それぞれ開口２１８，２１９から冷媒通路２１６の内部に突出する。開口２１８，２１９は、放熱フィン５０６，５０７の周囲の金属壁で塞がれ、冷却水路が形成されるとともに、冷却水が漏れないように開口が塞がれる。
【００２７】
第１，第２のパワーモジュール５０２，５０４は、ハウジング２１０の冷却水の入口管２１２及び冷却水の出口管２１４が形成された側壁面に直交する仮想の線分を境にして左右のそれぞれに配置されている。水路形成体２２０の内部に形成される冷却水路は、冷却水の入口管２１２からハウジング底部の長手方向に沿って他端まで延び、他端部でＵ文字状に折り返され、再びハウジング底部の長手方向に沿って出口管２１４まで延びている。
【００２８】
長手方向に沿った並行する２組の水路が水路形成体２２０内に形成され、水路形成体２２０にはそれぞれの水路に貫通する形状の前記開口２１８，２１９が形成されている。通路に沿って水路形成体２２０に第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４が固定される。第１と第２のパワーモジュール５０２，５０４に設けられた放熱フィンが水路に突出することで、効率が良く冷却される。また、金属製の水路形成体２２０に第１と第２のパワーモジュール５０２，５０４の放熱面が密着することで、効率の良い放熱構造を実現できる。さらに、開口２１８，２１９は、第１と第２のパワーモジュール５０２，５０４の放熱面でそれぞれ塞がれるため、構造が小型になるとともに冷却効果が向上する。
【００２９】
第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４にそれぞれ積層して、第１の駆動回路基板６０２と第２の駆動回路基板６０４が、並設されて配置されている。第１の駆動回路基板６０２と第２の駆動回路基板６０４は、図１０で説明したスイッチング駆動回路基板６００を構成する。
【００３０】
第１のパワーモジュール５０２の上方に配置される第１の駆動回路基板６０２は、平面的に観た場合、第１のパワーモジュール５０２より若干小さく形成されている。同様に、第２のパワーモジュール５０４の上方に配置される第２の駆動回路基板６０４も平面的に観た場合、第２のパワーモジュール５０４より若干小さく形成されている。
【００３１】
ハウジング２１０の側面には、冷却水の入口管２１２及び出口管２１４が設けられ、この側面にさらに孔２６０に形成され、この孔２６０に信号用のコネクタ２８２が配置される。このコネクタ２８２の取り付け位置の該ハウジング２１０内部には、信号用のコネクタ２８２に近接して固定されるノイズ除去基板５６０及び第２の放電基板５２０が配置されている。ノイズ除去基板５６０及び第２の放電基板５２０の取り付け面は、第１のパワーモジュール５０２，第２のパワーモジュール５０４等の取り付け面と平行の面となるように取り付けられている。
【００３２】
複数の駆動回路基板６０２と６０４の上方には、平滑用の複数のコンデンサを有するコンデンサモジュール３００が配置されている。コンデンサモジュール３００は、第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４を有している。第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４は、それぞれ、第１の駆動回路基板６０２と第２の駆動回路基板６０４の上方に配置されている。
【００３３】
第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４の上方には、平板状の保持板３２０が、その周辺をハウジング２１０の内壁面に密着して固定されて配置されている。保持板３２０は、パワーモジュールの側の面に、第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４を支持するとともに、その反対側の面に回転電機制御回路基板７００を保持し、固定している。そして、保持板３２０は、金属材料から構成され、コンデンサモジュール３０２と３０４及び回転電機制御回路基板７００の発熱した熱をハウジング２１０に流して放熱する。
【００３４】
上述のように、パワーモジュール５００とスイッチング駆動回路基板６００とノイズ除去基板５６０と第２の放電基板５２０とコンデンサモジュール３００と保持板３２０と回転電機制御回路基板７００とをハウジング２１０内に収納し、ハウジング２１０の上部の開口は、金属製のカバー２９０によって塞がれている。
【００３５】
また、ハウジング２１０の冷却水の入口管２１２及び出口管２１４が設けられた側壁を正面とした場合、その側壁には、端子ボックス８００が取り付けられて配置されている。端子ボックス８００には、バッテリ１８０から直流電力が供給されるための直流電力用端子８１２と、その内部に設けられた直流電力用の端子台８１０と、第１の回転電機１３０及び第２の回転電機１４０と接続する交流電力用端子８２２と、その内部に設けられた交流用の端子台８２０とが設けられている。
【００３６】
直流電力用の端子台８１０は、バスバーを介して第１のコンデンサモジュール３０２と第２のコンデンサモジュール３０４の電極に電気的に接続され、交流用の端子台８２０はパワーモジュール５００を構成する複数のパワーモジュール５０２と５０４の端子とそれぞれバスバーを介して電気的に接続されている。
【００３７】
なお、端子ボックス８００は、その本体８４０に直流電力用の端子台８１０を配置させた底板部８４４とカバー部８４６とが取り付けられることによって構成される。端子ボックス８００の組み立てを容易にするためである。
【００３８】
また、電力変換装置２００は、図７に示されるように、コンパクトな形状をなしている。
【００３９】
上述のとおり、電力変換装置２００の底部には冷媒通路２１６が形成されている。図８は、ハウジング２１０の底から上を見た構造図であり、水路形成体２２０の一部である水路保持部材９０２を示す。水路保持部材９０２は、他の水路形成体２２０である底板９３４を取り付けるための外周部９０４を有し、外周部９０４にはねじ止め用の孔ＳＣ９が多数設けられている。一部だけ符号を付し、他は符号を省略する。
【００４０】
外周部９０４の内側に水漏れを防ぐためのシール溝９０６が設けられ、シール溝９０６の内側の水路保持部材９０２には、両サイドに外側領域部９１２が設けられ、さらに第１と第２の水路９２２と９２４と中央部９０８とが設けられている。シール溝９０６にＯリングまたはゴム等のシール部材を嵌め、ねじ孔ＳＣ９をねじで締めつけることでシールされる。
【００４１】
水路９２２（先に冷媒通路２１６として説明）の入口部９１６に冷却水が供給され、第１の水路９２２を矢印の方向に冷却水が流れ、折り返し通路９２４で冷却水の流れがＵ字状に変わり、第２の水路９２４を矢印の方向に流れ、水路９２４の出口部９１８から排出される。第１と第２の水路９２２と９２４には、孔である開口２１８と２１９とが設けられている。底蓋（図示なし）を取り付けることで、水路９２２と９２４が形成される。
【００４２】
第１の水路９２２と第２の水路９２６との間に設けられた中央部９０８、及び第１の水路９２２と外周部９０４との間及び第２の水路９２６と外周部９０４との間に設けられた外側領域部９１２には、それぞれアルミダイキャストの肉厚を薄くするための窪み９３２が設けられている。
【００４３】
図９は、本実施例に用いられるパワーモジュール５００の外観図である。
【００４４】
パワーモジュール５００は、銅等の金属から構成されるベース２の上に、スイッチング素子であるＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが複数配置される。これらのスイッチング素子は、樹脂ケース１７により覆われている。
【００４５】
樹脂ケース１７には、その上部において、複数の直流端子ＩＴ１Ｐ，ＩＴ１Ｎ，及び、交流端子ＯＴ１ｕ，ＯＴ１ｖ，ＯＴ１ｗが設けられている。また、樹脂ケース１７からは、複数の制御端子ＣＴが突出している。
【００４６】
正極側の直流端子ＩＴ１Ｐ及び負極側の直流端子ＩＴ１Ｎは、バッテリ１８０に接続される。バッテリ１８０から出力された直流電流は、直流端子ＩＴ１Ｐ，ＩＴ１Ｎを介して、スイッチング素子に供給される。スイッチング素子は、スイッチング駆動回路基板６００から制御端子ＣＴに出力される制御信号に基づいて、オン／オフ制御される。バッテリ１８０から供給される直流電流は、複数のスイッチング素子がオン／オフ制御することにより、三相の交流電流に変換される。変換された三相交流電流は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相として、それぞれ交流端子ＯＴ１ｕ，ＯＴ１ｖ，ＯＴ１ｗから出力され、回転電機１３０，１４０を駆動するのに用いられる。
【００４７】
樹脂ケース１７を外した状態のパワーモジュール５００の内部平面図を図１（ａ）に、また、パワーモジュール５００の裏面平面図を図１（ｂ）に示す。
【００４８】
図１（ａ）において、それぞれの絶縁基板１５に接着されている３組の半導体チップは、半導体素子群５を構成し、ＩＧＢＴチップ１３とダイオードチップ１４からなる。これらの半導体チップは、絶縁基板１５に接着されている。各絶縁基板１５に対して、それぞれ３個のＩＧＢＴチップ１３と３個のダイオードチップ１４が高温半田で接着される。また、これら６個の半導体チップを備えた絶縁基板１５が６個、図１（ａ）に示す配列でベース２に低温半田で接着される。２つの絶縁基板１５に搭載された半導体チップ毎に、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のアームを構成し、これら２つの絶縁基板１５の半導体チップは、それぞれ、上アームと下アームを構成する。各絶縁基板１５に搭載された半導体素子群５は、平均的に同じ発熱量を有する。
【００４９】
なお、本実施例では、半導体チップとしてＩＧＢＴチップ１３を用いているが、ＩＧＢＴチップに代えて、ＭＯＳＦＥＴチップを用いても良い。この場合には、ダイオードチップ１４を不要とすることができる。
【００５０】
図１（ｂ）に示すように、半導体素子群５が搭載されたベース２の裏面には、ピン形状のフィン１が形成されている。
【００５１】
フィン１のピッチ（分布密度）は、冷媒通路２１６における冷却水の流れる向きに沿って変化している。本実施例では、冷媒通路２１６の上流側におけるフィン１の密度を粗く、下流側におけるフィン１を密に配置されている。上流側のフィン１の密度を下流側より粗く配置することにより、下流側の半導体素子群５を効果的に冷却しつつ、上流側での圧力損失を低減させることができる。すなわち、最も高温になる半導体チップに対する冷却性能を確保しつつ、ヒートシンク全体の圧力損失を低減させることが可能になる。
【００５２】
図１（ｂ）のフィン密度は、冷媒通路２１６の上流から下流に至るまでに３段階に変化しているが、特にこのような構成に限定されない。上流から下流に至るまで２段階や４段階以上で変化する構成であってもよい。また、上流から下流に至るまで連続的にフィン密度が変化するような構造とすることもできる。
【００５３】
なお、このフィン配置は、ある流量の時に最適となるよう設計されており、水温に関わらず常に最適な一定流量を与えるよう制御されたポンプやファン等（図示されていない）が設けられている。これらのポンプやファン等は、電力変換装置２００の内部に設けても良いし、また、外部に配置するものであっても良い。
【００５４】
図２は、パワーモジュール１個あたりの熱解析結果を示したものである。ヒートシンクの形状として、従来のようなフィン密度が一定の場合と、図１のように冷媒通路２１６の上流側と下流側で密度を変化させた本実施例の場合とを比較している。ＩＧＢＴチップの最大温度で比較したものと、ヒートシンク全体での圧力損失を比較したものをそれぞれ示す。
【００５５】
従来構造と本実施例の構造とを比較すると、ＩＧＢＴチップの温度上昇は同等であるにも関わらず、本実施例のヒートシンクの圧力損失は、従来構造に比べて３割以上低減している。また、フィン１の個数は、冷媒通路２１６の下流側より上流側のほうが少ない。例えば本実施例では、フィン１のピン本数を従来に比べて約２.５割削減することができ、それに伴いコストも下がることになる。
【００５６】
なお、本実施例では、フィン１のピッチ（密度）を変化させるように配置したが、これに代えて、上流側と下流側との間のフィン１の高さを変える構成にしても、最も高温になる半導体チップに対する冷却性能を確保しつつ、ヒートシンク全体の圧力損失を低減させるという効果を得ることができる。フィン１の高さを変える場合には、冷媒通路２１６の上流側のフィン１を低くして、下流側のフィン１を高くする。また、フィン１のピッチ（密度）と高さの両方を変化させる構成とすることもできる。
【００５７】
本実施例では円柱のピンフィンを用いているが、例えば、四角柱，三角柱等の他のピンフィン形状を採用することもできる。また、ピンフィン以外の他のフィン形状でも、フィンの高さとピッチ（密度）を変化させることにより、ピンフィンの場合と同じように、冷却性能を確保しつつ圧力損失を低減させることができるという効果を得ることができる。
【００５８】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ピンフィンの代わりに、ストレートフィンを採用した一例を示したものである。図３（ａ）は、半導体素子群５の配置と冷却水の方向及びフィンピッチの変化の関係を示している。
【００５９】
隣り合う同士のストレートフィンの間隔は、冷媒通路２１６の下流側が上流側より狭い。換言すると、下流側のストレートフィンの本数は、上流側の本数より多い。本実施例では、ストレートフィンのフィンピッチは３段階に分かれている。ただし、これに限られず、３段階に分ける以外の構成を採用するものであってもよい。なお、段階的に変化する箇所において、ストレートフィンは分断されている。このように、ストレートフィンを採用した場合でも、冷却性能を確保しつつ圧力損失を低減させることができるという効果を得ることができる。
【００６０】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のＸ−Ｙで切断した断面構造の概略図を示したものである。
【００６１】
本図では、銅等の金属からなるベース２に直接フィン１を付け、それを冷却する直接冷却方式の構造を示している。ただし、これに代えて、図４に示すように、アルミ等の金属からなる筐体２１に冷媒通路２１６及びフィン１を設ける構成を採用することもできる。冷媒通路２１６は、底蓋２２を筐体２１に固定することにより形成される。また、筐体２１の上にベース２及び半導体チップを配列することにより、半導体チップは間接的に冷却される。このような構成を、間接水冷方式の電力変換装置という。
【００６２】
以上、上記実施例によれば、冷却水の上流側における圧力損失を低減させるとともに、半導体チップを冷却するための最低限の熱伝達率を確保することができる。結果として、従来と同等の冷却性能を備えた上で、より低い圧力損失で達成する電力変換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】（ａ）パワーモジュールの内部平面図、及び、（ｂ）パワーモジュールの裏面平面図である。
【図２】パワーモジュールの熱解析結果を示す図である。
【図３（ａ）】ストレートフィンを用いた場合の電力変換装置の図である。
【図３（ｂ）】図３（ａ）のＸ−Ｙでの断面図である。
【図４】間接水冷方式の電力変換装置を示す図である。
【図５】従来の電力変換装置におけるフィン配置を示す図である。
【図６】電力変換装置の分解斜視図である。
【図７】電力変換装置の外観図である。
【図８】電力変換装置の冷媒通路を示す図である。
【図９】パワーモジュールの外観図である。
【図１０】ハイブリッド型の電気自動車の代表構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  フィン
２  ベース
５  半導体素子群
１３  ＩＧＢＴチップ
１４  ダイオードチップ
１５  絶縁基板
１７  樹脂ケース
２００  電力変換装置
２１６  冷媒通路
５００  パワーモジュール
【図１】
2009038842.tif 000003
【図２】
2009038842.tif 000004
【図３（ａ）】
2009038842.tif 000005
【図３（ｂ）】
2009038842.tif 000006
【図４】
2009038842.tif 000007
【図５】
2009038842.tif 000008
【図６】
2009038842.tif 000009
【図７】
2009038842.tif 000010
【図８】
2009038842.tif 000011
【図９】
2009038842.tif 000012
【図１０】
2009038842.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月31日(2007.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図１０に示すとおり、電力変換装置２００は、直流電源の電圧変動を押さえる複数の平滑用のコンデンサを有するコンデンサモジュール３００と、複数のパワー半導体を内蔵するパワーモジュール５００、このパワーモジュール５００のスイッチング動作を制御するスイッチング駆動回路を備えたスイッチング駆動回路基板６００、及び前記スイッチング動作の時間幅を決める信号すなわちパルスワイドモデュレーション（パルス幅変調）の制御を行うＰＷＭ信号を発生する回転電機制御回路を備えた回転電機制御回路基板７００から構成されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本実施例の電力変換装置２００では、図１０に示されるパワーモジュール５００が２つ用いられる。具体的には、図６に示されるように、電力変換装置２００は、ハウジング２１０内に並設される第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４を備えている。また、第１のパワーモジュール５０２と第２のパワーモジュール５０４には、後述の冷却用の放熱フィン１がそれぞれ設けられている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図８に示すように、一方、水路形成体２２０には、開口２１８，２１９が設けられている。第１と第２のパワーモジュール５０２，５０４を水路形成体２２０に固定することで、冷却用の放熱フィン１が、それぞれ開口２１８，２１９から冷媒通路２１６の内部に突出する。開口２１８，２１９は、放熱フィン１の周囲の金属壁で塞がれ、冷却水路が形成されるとともに、冷却水が漏れないように開口が塞がれる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
上述のとおり、電力変換装置２００の底部には冷媒通路２１６が形成されている。図８は、ハウジング２１０の底から上を見た構造図であり、水路形成体２２０の一部である水路保持部材９０２を示す。水路保持部材９０２は、他の水路形成体２２０である底板を取り付けるための外周部９０４を有し、外周部９０４にはねじ止め用の孔ＳＣ９が多数設けられている。一部だけ符号を付し、他は符号を省略する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
水路９２２（先に冷媒通路２１６として説明）の入口部９１６に冷却水が供給され、第１の水路９２２を矢印の方向に冷却水が流れ、折り返し通路９２４で冷却水の流れがＵ字状に変わり、第２の水路９２６を矢印の方向に流れ、水路９２４の出口部９１８から排出される。第１と第２の水路９２２と９２６には、孔である開口２１８と２１９とが設けられている。底蓋（図示なし）を取り付けることで、水路９２２と９２６が形成される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2009038842.tif 000014
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2009038842.tif 000015
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2009038842.tif 000016