JP6469720B2

JP6469720B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6469720B2
Application number: JP2016558931A
Authority: JP
Inventors: 佑輔高木; 志村　隆弘; 隆弘志村; 誉久保木; 晃松下
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-10-07
Also published as: US20170313159A1; US10279653B2; JPWO2016076040A1; CN107078659A; WO2016076040A1; DE112015004284T5

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及に伴い、電力変換装置の放熱管理の必要性が増してきている。そこで、パワー半導体モジュールを冷媒が流れる流路に浸漬させて、冷却性能の向上を図っている。

一方で、パワー半導体モジュールを流路に差し込む構造においては冷媒がフィンを迂回して流れ、フィンに供給される冷媒の流量が減少し、パワー半導体モジュールの冷却性能が低下する。
特許文献（特開２０１１−１１４９６５号公報）に記載の技術では、フィンと枠体またはフィンと流路形成体の間に流路制御部材を装着し冷媒がフィンを迂回するのを抑制している。
しかしながら、流路制御部材の装着は自動化が難しく、生産性の課題があった。

特開２０１１−１１４９６５号公報

本発明の課題は、生産性を悪化させることなく、冷却部への冷媒の迂回を抑制することである。

本発明に係る電力変換装置は、半導体素子を有する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が配置される流路及び当該流路と繋がる開口を形成する流路形成体と、を備え、
前記パワー半導体モジュールは、一方の面に第１フィンを形成し、前記半導体素子を挟んで前記一方の面と対向する他方の面に第２フィンを形成し、
前記流路形成体は、前記第１フィンを間に挟むように配置された第１冷媒抑制部と第２冷媒抑制部を有し、
前記第１冷媒抑制部及び前記第２冷媒抑制部は、前記流路形成体と一体に形成され、前記パワー半導体モジュールの前記一方の面の垂直方向から見たとき、前記パワー半導体モジュールの前記第１フィンが形成されていない領域と重なるように形成され、かつ、前記第１冷媒抑制部及び前記第２冷媒抑制部は、前記パワー半導体モジュールを前記流路形成体に形成された前記開口から前記流路に挿入する挿入方向に沿って形成され、
前記第１冷媒抑制部及び前記第２冷媒抑制部に沿って形成される第１流路と、前記パワー半導体モジュールを介して前記開口とは反対側の形成される折り返し流路と、前記第１流路の流れ方向とは反対側であって前記パワー半導体モジュールに沿って形成される第２流路と、を設ける。

本発明により、生産性及び冷却性能を向上させることができる。

図２における電力変換装置２００の平面Ｘで切断した断面図Ｘである。本実施形態に係る電力変換装置２００の外観斜視図である。本実施形態に係る電力変換装置２００の展開斜視図である。図２における電力変換装置２００の平面Ｙで切断した断面図Ｙである。流路形成体４００の入口部４４２を見えるようにした斜視図である。流路形成体４００の出口部４９０を見えるようにした斜視図である。パワー半導体モジュール３００の外観斜視図である。封止樹脂３３１を除した回路体３３０の分解斜視図である。パワー半導体モジュール３００と第１冷媒抑制部４７１及び第２冷媒抑制部４７２の配置関係を示す概要図である。図９の平面Ａ−Ａの矢印方向からみた断面図である。図９におけるパワー半導体モジュール３００と流路形成体４００の断面図Ｂ−Ｂである。

本発明の実施するための形態を図面を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る電力変換装置２００の外観斜視図である。

電力変換装置２００は、モータジェネレータとＵ相，Ｖ相，Ｗ相からなる３相の交流電力を入出力する。

パワー半導体モジュール３００は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相それぞれに対応して設けられ、正極端子３１１と負極端子３１２を通して直流電力を入出力する。またパワー半導体モジュール３００は、交流端子３１３から交流電力を入出力する。信号端子３１４、３１５は、ドライバ回路からの制御信号を受ける。

さらにパワー半導体モジュール３００は、制御信号を受け導通あるいは遮断動作を行い、供給された直流電力を三相交流電力に変換する半導体素子を備える。

そしてパワー半導体モジュール３００は、半導体素子の動作にともなう発熱を、外部から供給される冷媒で冷却される。

電力変換装置２００は、パワー半導体モジュール３００を収納する流路形成体４００を備える。
流路形成体４００は、冷媒の入口である第１パイプ４１１と、冷媒の出口である第２パイプ４１２と、を備える。第１パイプ４１１ないし第２パイプ４１２は、流路形成体４００に圧入される。なお、流路形成体４００は、アルミや樹脂などで成形される。

図３は、本実施形態に係る電力変換装置２００の展開斜視図である。

流路形成体４００は、３つのパワー半導体モジュール３００を挿入するためのそれぞれの開口４５１を形成する。パワー半導体モジュール３００は、開口４５１へ挿入方向３７０の向きに挿入される。

またパワー半導体モジュール３００は、開口４５１をシールするためのシール部材３５１を備える。シール部材３５１は、パワー半導体モジュール３００のシール部３５０に備える。シール部３５０は、接着剤やろう付け、溶接を用いてシールしても良い。
図１は、図２における電力変換装置２００の平面Ｘで切断した断面図Ｘである。図４は、図２における電力変換装置２００の平面Ｙで切断した断面図Ｙである。

流路形成体４００は、冷媒を流す流路４４１を備える。流路４４１は、開口４５１と繋がるように形成される。入口部４４２は、流路形成体４００のシール部４５２に近い側、つまりパワー半導体モジュール３００のシール部３５０に近い側に形成される。

第１流路４４３は、パワー半導体モジュール３００の一方の面３５４側に形成される。第１流路４４３は、シール部４５２と遠ざかる方向に冷媒が流れるように形成される。

第２流路４４４は、パワー半導体モジュール３００の他方の面３５５側に形成される。第２流路４４４は、シール部４５２に近づく方向に冷媒が流れるように形成される。

折り返し流路４４５は、流路形成体４００の開口４５１と反対方向に形成される。折り返し流路４４５は、第１流路４４３と第２流路４４４を繋ぐように配置される。冷媒は、第１流路４４３、折り返し流路４４５、第２流路４４４を通して流れ、パワー半導体モジュール３００を冷却する。第１流路４４３と第２流路４４４は、冷媒の流れ方向が挿入方向３７０と平行になるように形成される。

第１パワー半導体モジュール３００ａ、第２パワー半導体モジュール３００ｂ、第３パワー半導体モジュール３００ｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかに対応する。第１パワー半導体モジュール３００ａ、第２パワー半導体モジュール３００ｂ、第３パワー半導体モジュール３００ｃは、図２及び図３に示すパワー半導体モジュール３００と同じ構造である。

第１パイプ４１１は、流路形成体４００の側面に配置され、流路４４１に冷媒を供給する流路導入部４０１を備える。流路導入部４０１は、流路形成体４００の側面の略中央部に配置され、入口部４４２と繋がり矢印の方向に冷媒を供給する。

第２パイプ４１２は、流路形成体４００の側面に配置され、流路４４１に冷媒を供給する流路導出部４０２を備える。流路導出部４０２は、流路形成体４００の側面の略中央部に配置され、第２流路４４４と繋がり矢印の方向に冷媒を供給する。
図５は、流路形成体４００の入口部４４２を見えるようにした斜視図である。図６は、流路形成体４００の出口部４９０を見えるようにした斜視図である。

流路形成体４００は、第１パワー半導体モジュール３００ａを収納する第１流路空間４４１ａと、第２パワー半導体モジュール３００ｂを収納する第２流路空間４４１ｂと、第３パワー半導体モジュール３００ｃを収納する第３流路空間４４１ｃと、を形成する。

流路形成体４００は、第１流路空間４４１ａと第２流路空間４４１ｂと第３流路空間４４１ｃのそれぞれの間に流路壁を形成する。

図５に示されるように、流路形成体４００は、流路導入部４０１と第１流路空間４４１ａを繋げる第１連結部４４６を備える。また流路形成体４００は、第１流路空間４４１ａと第２流路空間４４１ｂを繋げる第２連結部４４７を備える。さらに流路形成体４００は、第２流路空間４４１ｂと第３流路空間４４１ｃを繋げる第３連結部４４８を備える。さらに図６に示されるように、流路形成体４００は、第３流路空間４４１ｃと流路導出部４０２を繋げる第４連結部４４９を備える。

図７は、パワー半導体モジュール３００の外観斜視図である。

パワー半導体モジュール３００は、正極端子３１１と負極端子３１２を通して直流電力を入出力する。交流端子３１３は、交流電力を出力する。信号端子３１４及び３１５は、ドライバ回路からの制御信号を受ける。

封止樹脂３３１は、正極端子３１１の一部、負極端子３１２の一部、信号端子３１４及び３１５の一部、さらに半導体素子を封止する。ケース３４１は、封止樹脂３３１の一部を収納する。

ケース３４１は、第１フィン３４３ａを形成した第１放熱ベース部３４４ａと、この第１放熱ベース部３４４ａと対向して配置されかつ第２フィン３４３ｂを形成した第２放熱ベース部３４４ｂと、第１放熱ベース部３４４ａと第２放熱ベース部３４４ｂを接続する枠体３４２と、を備える。
第１フィン３４３ａは、パワー半導体モジュール３００の一方の面３５４に形成される。第２フィン３４３ｂは、パワー半導体モジュール３００の一方の面３５５に形成される。

枠体３４２は、第１放熱ベース部３４４ａと接続部３０５を介して接続される。第２放熱ベース部３４４ｂも同様に枠体３４２と接続される。

第１フィン３４３ａ及び第２フィン３４３ｂや第１放熱ベース部３４４ａ及び第２放熱ベース部３４４ｂは、熱伝導の良い材料のほうが好ましく、純アルミ材や純銅、銅合金などで形成される。枠体３４２は、生産性しやすく剛性のある材料のほうが好ましく、アルミダイカスト材やジュラルミンなどで形成される。
接続部３０５は、ＦＳＷやろう付けによって接合され、枠体３４２と第１放熱ベース部３４４ａ、枠体３４２と第２放熱ベース部３４４ｂをシールする。なおここでのシールは、Ｏリングや接着剤でもよい。

図８は、封止樹脂３３１を除した回路体３３０の分解斜視図である。

回路体３３０は、インバータ回路の上アーム及び下アームを構成し、上アーム側半導体素子３２３と下アーム側半導体素子３２４を備える。

上アーム側半導体素子３２３は、ＩＧＢＴ３２１Ｕとダイオード３２２Ｕで構成される。ＩＧＢＴ３２１Ｕ及びダイオード３２２Ｕは、正極側導体板３３４および第１中間導体板３３５とはんだ３６０を介して接続される。

ＩＧＢＴ３２１Ｕは、ボンディングワイヤ３６３を介して信号端子３１４と接続され、信号端子３１４を介してドライバ回路から制御信号を受ける。

下アーム側半導体素子３２４は、ＩＧＢＴ３２１Ｌとダイオード３２２Ｌで構成される。ＩＧＢＴ３２１Ｌ及びダイオード３２２Ｌは、第２中間導体板３３６と負極側導体板３３７とはんだ３６０を介して接続される。

ＩＧＢＴ３２１Ｌは、ボンディングワイヤ３６３を介して信号端子３１５と接続され、信号端子３１４を介してドライバ回路から制御信号を受ける。

ＩＧＢＴ３２１Ｕ及びＩＧＢＴ３２１Ｌは、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい。

第１中間導体板３３５は、はんだ３６１を介して第２中間導体板３３６と接続される。負極側導体板３３７は、中間直流負極端子３１６を備える。中間直流負極端子３１６は、はんだ３６２を介して負極端子３１２と接続される。
正極側導体板３３４は、正極端子３１１と接続される。第２中間導体板３３６は、交流端子３１３と接続される。交流端子３１３は、第１中間導体板３３５に形成されてもよい。
正極側導体板３３４および第１中間導体板３３５および第２中間導体板３３６および負極側導体板３３７は、銅などで形成される。
図９は、パワー半導体モジュール３００と第１冷媒抑制部４７１及び第２冷媒抑制部４７２の配置関係を示す概要図である。図１０は、図９の平面Ａ−Ａの矢印方向からみた断面図である。

図１０に示されるように、パワー半導体モジュール３００は、一方の面３５４に第１フィン３４３ａを形成し、一方の面３５４と対向する他方面３５５に第２フィン３４３ｂを形成する。

図９に示されるように、パワー半導体モジュール３００は、挿入方向３７０の向きに沿って、流路形成体４００に設けられた開口４５１に挿入される。流路形成体４００は、第１フィン３４３ａを間に挟むように第１冷媒抑制部４７１および第２冷媒抑制部４７２を備える。第１冷媒抑制部４７１および第２冷媒抑制部４７２は、パワー半導体モジュール３００の一方の面３５４の垂直方向から見たとき、パワー半導体モジュール３００の第１フィン３４３ａが形成されていない領域と重なるように形成される。
流路形成体４００は、第１冷媒抑制部４７１および前記第２冷媒抑制部４７２に沿って形成される第１流路４４３を設ける。また流路形成体４００は、パワー半導体モジュール３００を介して開口４５１とは反対側の形成される折り返し流路４４５を設ける。さらに流路形成体４００は、第１流路４４３の流れ方向とは反対側であってパワー半導体モジュール３００に沿って形成される第２流路４４４を設ける。

第１冷媒抑制部４７１および第２冷媒抑制部４７２は、第１フィン３４３ａが形成されていない一方面に配置することでフィン側面への冷媒の迂回を抑制し、冷却性能の低下を抑える。
第１流路４４３と第２流路４４４は、第１冷媒抑制部４７１及び第２冷媒抑制部４７２とパワー半導体モジュール３００に沿うことで、流路形成体４００と一体で流路４４１を形成することが可能となる。

第１冷媒抑制部４７１および第２冷媒抑制部４７２は、流路形成体４００と一体で構成することで、流路制御部材を装着することないため組立工数低減と部品削減ができ、生産性を向上できる。
図１０に示されるように、流路形成体４００は、第２フィン３４３ｂを間に挟むように第３冷媒抑制部４７３および第４冷媒抑制部４７４を備える。第３冷媒抑制部４７３および第４冷媒抑制部４７４は、パワー半導体モジュール３００の他方の面３５５の垂直方向から見たとき、パワー半導体モジュール３００の第１フィン３４３ｂが形成されていない領域と重なるように形成される。
第３冷媒抑制部４７１および第４冷媒抑制部４７２は、第２フィン３４３ａの形成されていない他方面３４５に流れる冷媒を抑制することができ、第１冷媒抑制部４７１および前記第２冷媒抑制部４７２と同様の効果を得ることができる。
第１冷媒抑制部４７１と第２冷媒抑制部４７２が挿入方向３７０とは別の方向にした場合、開口４５１とは別の加工するための開口が必要となる。本実施形態においては、第１冷媒抑制部４７１と第２冷媒抑制部４７２は、パワー半導体モジュール３００を開口４５１から流路４４１に挿入する挿入方向３７０に沿って形成される。これにより、容易に製造が可能となり生産性の向上に繋がる。
図１１は、図９におけるパワー半導体モジュール３００と流路形成体４００の断面図Ｂ−Ｂである。

回路体３３０は、半導体素子や導体板を封止樹脂３３１で封止し、絶縁部材として機能する絶縁シート３３３で絶縁された状態で、ケース３４１に収納される。半導体素子は、インバータ回路の上アーム側半導体素子３２３と下アーム側半導体素子３２４を構成している。上アーム側半導体素子３２３は、ＩＧＢＴ３２１Ｕ、ダイオード３２２Ｕである。下アーム側半導体素子３２４は、ＩＧＢＴ３２１Ｌ、ダイオード３２２Ｌである。半導体素子は、はんだ３６０を介して半導体素子を挟むように導体板を接続される。

導体板は、正極側導体板３３４、第１中間点導体板３３５、第２中間点導体板３３６、負極側導体板３３７で構成される。ＩＧＢＴ３２１Ｕは、ボンディングワイヤ３６３を介して信号線３１４に接続される。ＩＧＢＴ３２２Ｌは、ボンディングワイヤ３６３を介して信号線３１５に接続される。
ケース３４１は、第１放熱ベース部３４４ａと、第２放熱ベース部３４４ｂと、枠体３４２とにより構成される。枠体３４２は、第１放熱ベース部３４４ａ、第２放熱ベース部３４４ｂと接続部３０５を介して接続される。フィンは、第１フィン３４３ａと第２フィン３４３ｂで構成される。第１フィン３４３ａは、パワー半導体モジュール３００の一方の面３５４に形成される。第２フィン３４３ｂは、半導体素子を挟んで一方の面３５４の対向する他方の面３５５に形成される。

パワー半導体モジュール３００は、流路４４１を形成する流路形成体４００に収納される。流路形成体４００は、流路４４１と繋がるように開口４５１を備える。開口４５１は、ケース３４１に設けたシール部３５０とシール部材３５１でシールされる。
流路形成体４００は、シール部３５０に近い位置に設けられた接続部３０５と対向する位置に入口部４４２を備える。入口部４４２は、パワー半導体モジュール３００に沿ってシール部３５０と遠ざかる方向に第１流路４４３と繋がる。

第１流路４４３は、開口４５１と反対方向に設けた折り返し流路４４５と繋がる。折り返し流路４４５は、第１流路の流れ方向と反対方向であってパワー半導体モジュール３００に沿って形成される第２流路と繋がる。

接続部３０５は、接続部３０５のない場合のケース３４１の構造と比較する場合、フィンが形成されない領域が大きくなる。なぜなら、第１放熱ベース部３４４ａと枠体３４２との接続工程後に、接続部３０５にフィンを形成することは製造コストが不利になるからである。

本実施形態に係る流路形成体４００は、接続部３０５を持つ構造であっても、図９に示した第１冷媒抑制部４７１、第２冷媒抑制部４７２、第３冷媒抑制部４７３及び第４冷媒抑制部４７３を容易に形成することができ、生産性を向上できる。
また、上アーム側半導体素子３４３および下アーム側半導体素子３４４は、図８に示すように挿入方向３７０と略垂直方向に配置され、第１流路４４３を流れる冷媒の流れ方向を横切る方向に並べられる。
これにより、上アーム側半導体素子３４３および下アーム側半導体素子３４４は、冷媒流れ方向に対して重なることがないため、上下アーム間の冷却状態のばらつきを抑制でき、冷却性能の向上ができる。
また、半導体素子は、一方の面に第１電極面３２５及び制御電極面３２６を形成し、他方の面に第２電極面３２７を形成する。半導体素子は、第２電極面３２７が第２流路４４４よりも第１流路４４３に近くなるように配置される。第１電極面３２５および第２電極面３２７は、はんだ３６０を介して導体板に接続される。導体板は、放熱ベース部３４４および第１フィン３４３ａ、第２フィン３４３ｂを介して冷媒により冷却される。第１電極面は、たとえばエミッタ電極面である。制御電極面は、たとえばゲート電極面である。第２電極面は、たとえばコレクタ電極面である。
これにより、第２電極面３２７は、制御電極面３２６をもつ第１電極面３２５も面積が大きく、放熱に寄与する面積が大きい。第１流路４４３は、入口部４４２付近にあり放熱ベース近傍の流速が大きくなるため、冷却性能を向上できる。

なお、パワー半導体モジュール３００は、１個の流路形成体４００に対して３個に限定されず、たとえば１個の構成でも、６個の構成でもよい。流路４４１は、複数のパワー半導体モジュール３００に対して、冷媒の流れを分岐して流してもよく、冷媒の供給量が十分に確保できる場合、分岐しない場合より圧損を低減することができる。

２００…電力変換装置、３００…パワー半導体モジュール、３００ａ…第１パワー半導体モジュール、３００ｂ…第２パワー半導体モジュール、３００ｃ…第３パワー半導体モジュール、３０５…接続部、３１１…正極端子、３１２…負極端子、３１３…交流端子、３１４…信号端子、３１５…信号端子、３１６…中間直流負極端子、３２１Ｌ …ＩＧＢＴ、３２１Ｕ …ＩＧＢＴ、３２２Ｌ…ダイオード、３２２Ｕ…ダイオード、３２３…上アーム側半導体素子、３２４…下アーム側半導体素子、３３０…回路体、３３１…封止樹脂、３３３…絶縁シート、３３４…正極側導体板、３３５…第１中間導体板、３３６…第２中間導体板、３３７…負極側導体板、３４１…ケース、３４２…枠体、３４３ａ…第１フィン、３４３ｂ…第２フィン、３４４ａ…第１放熱ベース部、３４４ｂ…第２放熱ベース部、３５０…シール部、３５１…シール部材、３５４…一方の面、３５５…他方の面、３６０…はんだ、３６１…はんだ、３６２…はんだ、３６３…ボンディングワイヤ、３７０…挿入方向、４０１…流路導入部、４０２…流路導出部、４４０…流路形成体、４１１…第１パイプ、４１２…第２パイプ、４４１…流路、４４１ａ…第１流路空間、４４１ｂ…第２流路空間、４４１ｃ…第３流路空間、４４２…入口部、４４３…第１流路、４４４…第２流路、４４５…折り返し流路、４４６…第１連結部、４４７…第２連結部、４４８…第３連結部、４４９…第４連結部、４５１…開口、４５２…シール部、４７１…第１冷媒抑制部、４７２…第２冷媒抑制部、４７３…第３冷媒抑制部、４７４…第４冷媒抑制部

Claims

半導体素子を有する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が配置される流路及び当該流路と繋がる開口を形成する流路形成体と、を備え、
前記パワー半導体モジュールは、一方の面に第１フィンを形成し、前記半導体素子を挟んで前記一方の面と対向する他方の面に第２フィンを形成し、
前記流路形成体は、前記第１フィンを間に挟むように配置された第１冷媒抑制部と第２冷媒抑制部を有し、
前記第１冷媒抑制部及び前記第２冷媒抑制部は、前記流路形成体と一体に形成され、前記パワー半導体モジュールの前記一方の面の垂直方向から見たとき、前記パワー半導体モジュールの前記第１フィンが形成されていない領域と重なるように形成され、かつ、前記第１冷媒抑制部及び前記第２冷媒抑制部は、前記パワー半導体モジュールを前記流路形成体に形成された前記開口から前記流路に挿入する挿入方向に沿って形成され、
前記第１冷媒抑制部及び前記第２冷媒抑制部に沿って形成される第１流路と、前記パワー半導体モジュールを介して前記開口とは反対側の形成される折り返し流路と、前記第１流路の流れ方向とは反対側であって前記パワー半導体モジュールに沿って形成される第２流路と、を設ける電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、前記半導体素子を有する回路体と、前記回路体を収納するケースと、を有し、
前記ケースは、前記第１フィンが形成された前記一方の面と前記第２フィンが形成された前記他方の面を有する放熱ベース部と、当該放熱ベース部と接続部を介して接続される枠体と、前記流路形成体の開口を塞ぐシール部と、を有し、
前記流路形成体は、前記シール部に近い位置に設けられた前記接続部と対向しておりかつ前記第１流路と繋がる入口部を設ける電力変換装置。
請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールの前記半導体素子は、インバータ回路の上アームを構成する複数の上アーム側半導体素子と、前記インバータ回路の下アームを構成する複数の下アーム側半導体素子と、を有し、
前記複数の上アーム側半導体素子及び前記複数の下アーム側半導体素子は、前記第１流路を流れる冷媒の流れ方向を横切る方向に並べられる電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置であって、
前記半導体素子は、一方の面に第１電極面及び制御電極面を形成し、他方の面に第２電極面を形成し、
さらに前記半導体素子は、前記第２電極面が前記第２流路よりも前記第１流路に近くなるように配置される電力変換装置。