(57)【要約】  電力変換装置の電力半導体素子（１）と平滑コンデンサ（２）の両方を効率よく冷却することができる冷却構造を得るために、複数の電力半導体素子（１）を平滑コンデンサ（２）の片側に隣接させて接続して群（３）を構成し、複数個の群（３ａ〜３ｃ）を電力半導体素子（１）と平滑コンデンサ（２）とが交互に並ぶように冷却プレート（５）上に横並びに配置し、電力半導体素子（１）の直下の冷却プレート（５）に、電力半導体（１）と平滑コンデンサ（２）とを冷却するための冷媒を流通させる冷媒流路（６）を設けた。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力半導体素子と平滑コンデンサとを有し、直流から交流へ、あるいは交流から直流へ電力変換する電力変換装置において、
上記電力半導体素子を上記平滑コンデンサの片側に隣接させて接続して群を構成し、複数個の上記群を上記電力半導体素子と上記平滑コンデンサとが交互に並ぶように冷却プレート上に配置し、上記電力半導体素子の直下の上記冷却プレートに上記電力半導体と上記平滑コンデンサとを冷却するための冷媒流路を設けたことを特徴とする電力変換装置の冷却構造。
【請求項２】
上記複数個の群のうち、上記平滑コンデンサが最末端となる末端の群の上記平滑コンデンサの近傍で、上記末端の群の上記電力半導体素子とは反対側に位置する上記冷却プレートに、補助冷媒流路を設けたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項３】
上記冷媒流路と上記補助冷媒流路とを結び全体を一つの直列経路にするための接続流路を上記冷却プレート内に形成したことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項４】
上記平滑コンデンサの形状に合わせて上記冷却プレートに形成した凹部に上記平滑コンデンサを嵌め込んで固定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置の冷却構造。
【請求項５】
上記平滑コンデンサと上記凹部との間に隙間を形成し、上記隙間に伝熱グリースを充填したことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力半導体素子と平滑コンデンサを用いた電力変換装置の冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置の冷却構造に関し、例えば、特許文献１には、インバータ電源装置の放熱方法として次のような技術が開示されている。すなわち、インバータ電源装置を収納するケースの底部中央に段部が突出形成され、段部には冷却流体の通路が形成されている。段部の上面にコンバータモジュール及びインバータモジュールを載置して取り付け、コンバータモジュールには平滑用コンデンサが銅バーを介して、また、チョークコイルが端子を介してそれぞれ接続され、インバータモジュールには電解コンデンサが銅バーを介して接続されている。平滑用コンデンサ，チョークコイル及び電解コンデンサは、それぞれ側面が段部の段差面に当接し、底面がケースの支持面に当接する状態で固定されている。そして、各接続面の高さが同一となるように、段部の高さが設定されている（特許文献１参照）。【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４３８６５号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、インバータモジュール及びコンバータモジュールからなる電力半導体素子を１群で構成し、ケース中央部に一段高く配置しており、その段差の一方の側面に平滑コンデンサと電解コンデンサを当接して配置し、他方の側面にチョークコイルを当接して配置しているので、両コンデンサ及びチョークコイルは、段差側面に接している側の面が主に冷却される。
例えば、自動車等に適用される電力変換装置のように、小型化や高温環境下での使用が必要な場合、コンデンサの発熱による温度上昇が無視できなくなり、その冷却を十分に行うことが非常に重要になってくる。上記のような従来のケース構造による冷却構造では、段差側面に接した面しか主に冷却されないので、段差部に設けるコンデンサ等の電子部品は、電力変換装置の小型化や高温環境下での使用が必要な場合、冷却能力が不足してくるという問題点があった。【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、シンプルな冷媒流路で冷媒流量や圧損を最小限としながら、電力半導体素子と平滑コンデンサの両方を効率よく冷却することができる電力変換装置の冷却構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる電力変換装置の冷却構造は、電力半導体素子と平滑コンデンサとを有し、直流から交流へ、あるいは交流から直流へ電力変換する電力変換装置において、電力半導体素子を平滑コンデンサの片側に隣接させて接続して群を構成し、複数個の群を電力半導体素子と平滑コンデンサとが交互に並ぶように冷却プレート上に配置し、電力半導体素子の直下の冷却プレートに電力半導体素子と平滑コンデンサとを冷却するための冷媒流路を設けたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の電力変換装置の冷却構造よれば、電力半導体素子と平滑コンデンサとを有する複数個の群を、電力半導体素子と平滑コンデンサとが交互に並ぶように冷却プレート上に配置し、電力半導体素子の直下の冷却プレートに冷媒流路を設けたので、電力半導体素子はその直下に設けた冷媒流路で冷却され、電力半導体素子に挟まれて放熱の厳しい平滑コンデンサはその両側の電力半導体素子直下の冷媒流路によって両側から冷却されるため、簡単な構成の冷媒流路で電力半導体素子と平滑コンデンサの双方を効率よく冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。図２は、その構造図であり、（ａ）は平面図，（ｂ）は正面図で、（ａ）の矢視Ａ−Ａ部を（ｂ）に一部断面として示している。
先ず、図１に基づいて、回路構成を説明する。なお、図は電力変換装置として３相のインバータ装置の場合を示している。
インバータ装置を構成する電力半導体素子１ａ〜１ｆは、例えばＩＧＢＴからなるスイッチング素子を直列接続してパッケージ化されたものであり、この電力半導体素子を容量に応じて複数個並列に接続して使用する。本実施の形態では１相につき２個並列に接続した場合を示している。例えば、Ｕ相であれば、電力半導体素子１ａと１ｂが並列接続されており、この電力半導体素子１ａ，１ｂに平滑コンデンサ２ａが並列接続されて１つの群３ａが構成される。そして、３相分の群３ａ〜３ｃが直流入力端子Ｐ，Ｎに並列に接続されている。【０００９】
更に、直流入力端子Ｐ，Ｎには、放電抵抗４が接続されており、インバータ装置停止時に、平滑コンデンサ２ａ〜２ｃに蓄えられた電力を放電するようになっている。それぞれの群３ａ〜３ｃの交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから３相交流が出力するように制御されて、例えば、自動車や車両の電動機の駆動電源として使用される。【００１０】
次に、図２に基づいて構造を説明する。Ｕ相分で説明すると、２個の電力半導体素子１ａ，１ｂは、それぞれ平滑コンデンサ２ａの片側に隣接させて横並びに配置されている。
このとき、配線が最短となるように、平滑コンデンサ２ａの長手方向に２個の電力半導体素子１ａ，１ｂを沿わせ、直近で接続して群３ａを構成している。同様に、電力半導体素子１ｃ，１ｄと平滑コンデンサ２ｂとでＶ相の群３ｂを、電力半導体素子１ｅ，１ｆと平滑コンデンサ２ｃとでＷ相の群３ｃを構成する。これら群３ａ〜３ｃを、電力半導体素子と平滑コンデンサとが交互に並ぶように、すなわち、各群の向きを図２に示すように同方向に向けて横一列に並べ、冷却プレート５上に配置し固定する。また、Ｕ相の平滑コンデンサ２ａの左隣りには、放電抵抗４が配置され、平滑コンデンサ２ａに並列に接続されている。【００１１】
なお、以下の説明において、電力半導体素子１ａ〜１ｆのように、符号にアルファベットの添え字があるものは、一括して説明する場合は添え字を省き、例えば、電力半導体素子１のように簡略に表記する。【００１２】
冷却プレート５は、載置する電子部品を固定すると共に、電子部品から発生する発熱を放熱させる役割を担っているので、熱伝導性の高いアルミ等で構成している。冷却プレート５には更に冷却を促進させるために、電力半導体素子１の直下の位置に、各相毎に素子の並び方向である正面側から背面側の方向に向けて冷媒流路６を形成している。図２（ｂ）の正面図のなかの断面図に示すように、冷媒流路６の断面形状は、表面積を広くするために、矩形状の穴を複数個並べた形になるように形成している。冷媒流路６の出入口となる冷媒口７は、図では冷却プレート５の上面に設けているが、冷却プレート５の正面側と背面側に設けても良い。冷媒としては、例えば、不凍液を混入した水を使用する。
なお、図２では、冷媒流路の全体の接続及び各群間の直流入力の接続は省略している。また、電力変換装置全体を覆うケースや制御部等、本発明の技術に直接関係のない部分も省略している。【００１３】
次に、動作について図１，図２を引用しながら説明する。直流入力端子Ｐ，Ｎから入力された直流電力は、一旦、平滑コンデンサ２を介した後、各電力半導体素子１のオン、オフ動作によって交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗから出力し、交流電力として負荷（図示せず）に供給される。この時、各電力半導体素子１は損失を発生する。また、各平滑コンデンサ２も損失を発生する。容量にもよるが、例えば、電力半導体素子１の熱損失は数ｋＷ程度もあり、冷却プレート５との接触面で９０°Ｃ程度まで上昇する。平滑コンデンサ２の熱損失は電力半導体素子１に比べれば少なく数Ｗ程度であるが、やはり表面温度はかなり上昇し、冷却プレート５との接触面では例えば８５°Ｃ程度にまで達する場合がある。平滑コンデンサ２は高温に弱い材質を使用したものや、温度によって許容リップル電流が制限されるものがあるため、十分に冷却に対する配慮が必要となる。【００１４】
そこで、本実施の形態による発明では、電力半導体素子１は、直下に配置した冷媒流路６に流れる冷媒によって効率よく冷却されるように構成した。そして、平滑コンデンサ２は、冷却プレート５に伝熱して直近にある冷媒流路６に流れる冷媒により冷却されるように構成した。平滑コンデンサ２のうちでも、電力半導体素子１に挟まれるように配置された平滑コンデンサ２が、特に熱がこもって温度的に厳しくなるが、電力用半導体素子１と平滑コンデンサ２が交互に並ぶように配置し、電力半導体素子１の直下に冷媒流路６を設けたので、平滑コンデンサ２から冷却プレート５に伝わった熱は、図２（ｂ）に太矢印で示したように、両側に分かれて冷媒流路６へ伝わり冷却される。例えば、平滑コンデンサ２ｃであれば、直近の冷媒流路６ｂと６ｃに流れる冷媒により冷却される。なお、図で左端に位置するＵ相の平滑コンデンサ２ａは片側の冷媒流路６ａでしか冷却されないが、電力半導体素子１ａ，１ｂが片側のみにあるので、両側を電力半導体素子で挟まれた平滑コンデンサ２ｂ，２ｃより熱的に厳しくない。
また、放電抵抗４も発熱するが、この熱は冷却プレート５を伝導して、それに一番近い冷媒流路６ａで冷却される。【００１５】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、電力半導体素子と平滑コンデンサとを有する複数個の群を、電力半導体素子と平滑コンデンサとが交互に並ぶように冷却プレート上に配置し、電力半導体素子の直下の冷却プレートに冷媒流路を設けたので、電力半導体素子はその直下に設けた冷媒流路で冷却され、また、電力半導体素子に挟まれて放熱の厳しい平滑コンデンサはその両側の電力半導体素子の直下の冷媒流路によって両側から冷却されるので、平滑コンデンサのための特別な冷媒流路を形成することなく、圧損の少ないシンプルな構成で電力半導体素子と平滑コンデンサの双方を効率よく冷却することができる。
また、電力半導体素子と平滑コンデンサとで群を構成したので、群を平面状に規則的に並べて配置できるため、組立時の作業性に優れ、冷媒配管の取り出しが容易な構成となり、更に、容量の増減に応じて自由度のある実装設計を容易に実現できる電力変換装置を得ることができる。【００１６】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２による電力変換装置の構造図である。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図を示し、（ａ）の矢視Ａ−Ａ部を（ｂ）に一部断面として示している。実施の形態１の図２と同等部分は同一符号で示し説明は省略する。また、電力変換装置の回路図は実施の形態１の図１と同じである。実施の形態１と異なる点を中心に、図３に基づいて説明する。【００１７】
実施の形態１の図２と同様に、電力半導体素子１と平滑コンデンサ２からなる群３を、電力半導体素子１と平滑コンデンサ２とが交互に横並びするように、冷却プレート５に配置している。図２と異なるところは、複数個の群３のうちの、平滑コンデンサ２が最末端となる側の末端の群、すなわち、図３の場合では、Ｕ相の群３ａがこれに該当し、この末端の群３ａの平滑コンデンサ２ａの近傍で、末端の群３ａの電力半導体素子１ａ，１ｂとは反対側に位置する冷却プレート５に、補助冷媒流路８を設けた点である。放電抵抗４はその補助冷媒流路８の直上に配置する。補助冷媒流路８の断面形状及び流路方向は他の冷媒流路６ａ〜６ｃと同じにすれば同様に加工することができ製作が容易となる。【００１８】
次に作用について説明する。図３（ｂ）の図中に各部品の伝熱経路を太矢印で示す。補助冷媒流路８は、その直上にある放電抵抗４を冷却すると共に、Ｕ相の平滑コンデンサ２ａの片側を冷却する役割を担っている。この結果、全ての平滑コンデンサ２の両側に冷媒流路が設けられたことになる。従って、全ての平滑コンデンサ２ａ〜２ｃを、冷却プレート５を介してその両側からほぼ均等に冷却することができる。【００１９】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、複数個の群のうちの末端に配置されて、平滑コンデンサが最末端となる側の末端の群の平滑コンデンサの近傍で、その外側に位置する冷却プレートに補助冷媒流路を設けたので、全ての平滑コンデンサを、冷却プレートを通じ両側から冷却することができるため、群間での冷却能力のばらつきが少なく冷却効率の良い電力変換装置が得られる。また、補助冷媒流路によって発熱体である放電抵抗等の電子部品を冷却することができる。【００２０】
実施の形態３．
図４は、実施の形態３による電力変換装置の構造図である。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図を示し、（ａ）の矢視Ａ−Ａ部を（ｂ）に一部断面として示している。実施の形態２の図３と同等部分は同一符号で示し説明は省略する。また、電力変換装置の回路図は実施の形態１の図１と同じである。実施の形態２と異なる点を中心に、図４に基づいて説明する。【００２１】
電力半導体素子１と平滑コンデンサ２とを冷却プレート５上へ交互に配置するのは実施の形態１または実施の形態２と同じである。また、電力半導体素子１の直下、及び、端末の群３ａの平滑コンデンサ２ａの外側近傍に補助冷媒流路８を設けている点は、実施の形態２と同様である。実施の形態２と異なるのは、各冷媒流路６ａ〜６ｃと補助冷媒流路８とを結び、全体を一つの直列経路とするための接続流路９を、冷却プレート５内に形成した点である。【００２２】
このような構成により、冷媒の経路は、図４（ａ）に太矢印で示すようになり、一方の冷媒口７から流入した冷媒は放電抵抗４と各群の電力半導体素子１及び平滑コンデンサ２を冷却して、他方の冷媒口７から流出する。このとき、３相出力インバータの１相分を１群とするような奇数の群で構成し、一端に補助冷媒流路を設ければ、図に示すように、冷媒口７を冷却プレート５の一端側に配置することが可能となる。【００２３】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、冷媒流路と補助冷媒流路を一つの経路に直列接続するための接続流路を冷却プレート内に形成したので、実施の形態１又は２の効果に加え、電力変換装置に対する冷媒入出力の接続をシンプルにできる。特に、冷媒流路の数を（補助冷媒流路も合わせて）偶数にすれば、冷媒口を装置の片側に配置できるので、更に外部からの接続が簡単となる。【００２４】
実施の形態４．
図５は、実施の形態４による電力変換装置の構造図である。図の（ａ）は平面図、（ｂ）は正面側を示し、（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ部を（ｂ）に一部断面として示している。実施の形態３の図４と同等部分は同一符号で示し説明は省略する。また、電力変換装置の回路図は実施の形態１の図１と同じである。実施の形態３と異なる点を中心に、図５に基づいて説明する。【００２５】
本実施の形態の電力変換装置は、図の（ｂ）の中の断面図に示すように、平滑コンデンサ２を、平滑コンデンサ２の形状に合わせて冷却プレート５に形成した凹部１０に嵌め込んで固定しており、この点が実施の形態３と異なる点である。このような構成により、平滑コンデンサ２と冷却プレート５は、底面と側面で接触するので接触面積が大きくなる。この接触面積の増加に加え、図５（ｂ）に太矢印で示すように、平滑コンデンサ２から冷媒流路６（又は補助冷媒流路８）までの伝熱経路の長さが短くなるので、平滑コンデンサ２の冷却効果が大きくなる。【００２６】
また、一般に、平滑コンデンサ２の高さは電力半導体素子１の高さより高い。実施の形態１〜３に示した平滑コンデンサ２は、平滑コンデンサ２と電力半導体１を冷却プレート５に取り付けたとき、双方の端子をそのまま接続できる高さとしたが、実際には端子の高さは異なる場合が多い。その場合でも、冷却プレート５に設ける凹部１０の彫り込み深さを調節することにより、例えば図５に示す平滑コンデンサ２の様な位置に端子高さがあっても、電力半導体素子１の端子の高さに平滑コンデンサ２の端子の高さを合わせることができ、導体の接続長さを最短とすることができる。【００２７】
なお、図５の冷媒流路は、実施の形態３と同様に直列に接続したものを示しているが、実施の形態１又は実施の形態２の場合と同様に、それぞれ独立させたものでもよい。【００２８】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、平滑コンデンサを、平滑コンデンサの形状に合わせて冷却プレートに形成した凹部に嵌め込んで固定したので、平滑コンデンサと冷却プレートの接触面積が増加し、また、冷媒流路までの伝熱経路が短くなるため、平滑コンデンサの冷却効果を大きくできる。
また、一般に電力半導体素子より高さの高い平滑コンデンサの底部を冷却プレートに嵌め込んで高さ方向の位置を調節することにより、電力半導体素子の端子の高さに平滑コンデンサの端子の高さを近づけ、電力半導体素子と平滑コンデンサ間の配線インダクタンスを低減して、電力半導体素子のターンオフ時のサージ電圧を抑制できるので、低い電圧定格の電力半導体素子が使用可能になるという効果もある。【００２９】
実施の形態５．
図６は、実施の形態５による電力変換装置の構造図の部分断面図である。全体の構造図は、実施の形態４と同等であり、図６は図５のＢ−Ｂ断面図に相当する部分の断面図を示している。従って、それ以外は実施の形態４と同等なので同等部分の説明は省略し、相違点を中心に説明する。【００３０】
本実施の形態の電力変換装置は、平滑コンデンサ２ｃと冷却プレート５に形成した凹部１０との間に隙間を形成し、この隙間に伝熱グリース１１を充填した。隙間は、例えば１ｍｍ程度とする。なお、図６はＷ相部分を代表して示しているが、Ｕ相及びＶ相も同様である。
このような構成により、電力変換装置の通電時に平滑コンデンサ２で発生した熱は、図中に太矢印で示すように、伝熱グリース１１を介して冷却プレート５に伝熱され、直近の冷媒流路６に流れる冷媒によって冷却される。【００３１】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、平滑コンデンサと冷却プレートに形成した凹部との間に隙間を形成し、隙間に伝熱グリースを充填したので、平滑コンデンサの熱膨張による寸法変化をグリース部で吸収でき、且つ、冷却プレートとの接触熱抵抗を小さくできるので、平滑コンデンサの冷却効果を上げることができる。【００３２】
なお、上記で説明した実施の形態１〜５のいずれの発明においても、電力半導体素子は各相１個でも良く、また３個以上並列にしたものでも良い。また、各群を横１列に並べた場合を説明したが、更に大容量になれば、同じような交互配置で横２列としても良い。また、電力半導体素子はＩＧＢＴとして説明したが、ＧＴＯやトランジスタ等、他のスイッチング素子を用いても良い。更にまた、電力変換装置はインバータ装置の場合について説明したが、コンバータ装置であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
この発明は、例えば、電気自動車等に使用される電力変換装置で、電力半導体素子をマルチパッケージとした場合の電力変換装置の冷却構造に適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の実施の形態１〜５による電力変換装置の回路構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電力変換装置の構造図である。
【図３】この発明の実施の形態２による電力変換装置の構造図である。
【図４】この発明の実施の形態３による電力変換装置の構造図である。
【図５】この発明の実施の形態４による電力変換装置の構造図である。
【図６】この発明の実施の形態５による電力変換装置の構造の部分断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ａ〜１ｆ  電力半導体素子
２ａ〜２ｃ  平滑コンデンサ
３ａ〜３ｃ  群
５  冷却プレート
６ａ〜６ｃ  冷媒流路
８  補助冷媒流路
９  接続流路
１０  凹部
１１  伝熱グリース
【図１】
2006103721.tif 000002
【図２】
2006103721.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006103721.tif 000007
【国際調査報告】
2006103721.tif 000008
2006103721.tif 000009
2006103721.tif 000010
2006103721.tif 000011