JP2005353880A

JP2005353880A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005353880A
Application number: JP2004173769A
Authority: JP
Inventors: Mutsumi Ito; 睦伊藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】電力変換に用いる半導体部に対する放熱性を向上できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】ハイブリッド自動車などに搭載される電力変換用モジュール１は、電力変換に用いるスイッチング素子(半導体部)２２と、スイッチング素子２２を覆うモジュールケース２０と、スイッチング素子２２の近傍に設けられておりモジュールケース２０に形成された流入口２０ａから流出口２０ｂに冷却空気を流す流路部２ｐとを備えている。このような構造により、流路部２ｐを流れる冷却空気により充填剤２９を介してスイッチング素子２２の放熱Ｒａを行えるため、半導体部に対する放熱性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等に適した電力変換装置に関する。

従来、ハイブリッド自動車においては、バッテリの直流電力と３相モータ等における交流電力との間の変換のために、電力変換装置としてのインバータが用いられている。例えば、バッテリとモータとの相互間にインバータが介在され、インバータはバッテリからの直流電流を交流に変換して３相モータに供給するように構成されている。

このようなインバータ内には、スイッチング素子などのパワーデバイスを実装した電力変換用のパワーモジュールが配設されている。そして、パワーデバイスにおいて、電力損失により発熱が生じるため、パワーモジュールには例えば放熱板が取り付けられている。

上記のパワーモジュールにおいては、放熱板が取り付けられているものの、パワーデバイス(半導体部)がモジュールケースなどで密閉されているため、この密閉空間に蓄えられる熱を放熱板のみで処理するには限界がある。

特に、近年、ハイブリッド自動車に搭載されるパワーモジュールに対して、大容量化が要求されており、これに伴うパワーモジュールからの発熱も増加する傾向にあるが、このような大きな発熱に対して放熱板のみで冷却するのは難しいと考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電力変換に用いる半導体部に対する放熱性を向上できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、電力変換装置であって、(a)電力変換に用いる半導体部と、(b)前記半導体部を覆うケーシングと、(c)前記半導体部の近傍に設けられており、前記ケーシングに形成された流入口から流出口に冷却媒体を流す流路部とを備える。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る電力変換装置において、前記半導体部は、ワイドバンドギャップ半導体で構成される。

また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る電力変換装置において、前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ半導体である。

また、請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明に係る電力変換装置において、前記流路部を流れた冷却媒体を、自動車に搭載されるヒータ装置の熱源として利用する。

また、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明に係る電力変換装置において、前記ケーシングと前記半導体部との間の空間部には、前記流路部が占有する空間部分を除き充填剤が充填されている。

また、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明に係る電力変換装置において、(c)前記半導体部の放熱を行うための放熱板をさらに備える。

請求項１ないし請求項６の発明によれば、半導体部の近傍に設けられ、ケーシングに形成された流入口から流出口に冷却媒体を流す流路部を備えるため、半導体部に対する放熱性を向上できる。

特に、請求項２の発明においては、半導体部がワイドバンドギャップ半導体で構成されるため、比較的高温で使用する場合でも、放熱性能を確保できる。

また、請求項４の発明においては、流路部を流れた冷却媒体を自動車に搭載されるヒータ装置の熱源として利用するため、ハイブリッド自動車などにおいて半導体部での発熱を回収して有効利用できる。

また、請求項５の発明においては、ケーシングと半導体部との間の空間部には流路部が占有する空間部分を除き充填剤が充填されているため、流路部を簡易に形成できる。

また、請求項６の発明においては、半導体部の放熱を行う放熱板をさらに備えるため、放熱性能を一層向上できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換用モジュール１の断面図である。

電力変換用モジュール１は、例えばハイブリッド自動車に搭載される電力変換装置として働き、モジュール本体２と、モジュール本体２の下部に取り付けられている放熱板３とを備えている。

モジュール本体２は、モジュールケース２０と、配線基板２１と、配線基板２１上に実装されるスイッチング素子２２とを備えており、配線基板２１およびスイッチング素子２２は、絶縁破壊の防止やゴミ等の異物の混入防止などを図るために充填剤２９で覆われている。

配線基板２１は、表面・裏面での絶縁が施された構造となっており、放熱板３に半田２３によって固設されている。

スイッチング素子２２は、電力変換に用いる半導体部として機能し、パワーデバイス、例えばＳｉよりバンドギャップの大きいＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体の一例としてのＳｉＣトランジスタ（ＳｉＣ製ＦＥＴ）で構成されている。なお、ＳｉＣトランジスタは、例えば２５０度以上の高温環境下でも動作可能となっている。

モジュールケース２０は、例えば箱型の形状を有するケーシングであり、対向する側面には冷却空気(冷却媒体)を流すための流入口２０ａおよび流出口２０ｂが形成されている。そして、モジュールケース２０とスイッチング素子２２との間の空間部には、冷却空気を流すための流路部２ｐが占有する空間部分を除き、充填剤２９が充填されている。このようにスイッチング素子２２の近傍に流路部２ｐが空洞として形成されるが、この流路部２ｐ内に冷却空気を強制的に流して放熱Ｒａを促すことで、充填剤２９を介してスイッチング素子２２で生じる熱を放熱できることとなる。さらに、電力変換用モジュール１では、スイッチング素子２２に関して上記の流路部２ｐと反対側に設けられる放熱板３からの放熱Ｒｂも行えるため、スイッチング素子２２の放熱性が一層向上する。

以上のような電力変換用モジュールの構成により、スイッチング素子の上方に形成された流路部を冷却空気が流れるため、スイッチング素子に対する放熱性の向上が図れる。特に、スイッチング素子がＳｉＣトランジスタなどで構成される場合には、比較的高温の状態で使用される場合があるが、この場合でも十分な放熱性能を確保できる。

なお、電力変換用モジュール１については、流路部２ｐに冷却空気を流すのは必須でなく、冷却媒体としての冷却水を流すようにしても良い。この場合でも、スイッチング素子２２に対する放熱性の向上を図ることができる。

このように流路部２ｐに冷却水を流す場合には、流路部２ｐを流れ、流出口２０ｂから電力変換用モジュール１の外に流れ出た冷却水を、図２に示すようにハイブリッド自動車に搭載されるヒータ９まで移送し、このヒータ９の熱源として車室内エアコンに利用することができる。すなわち、電力変換用モジュールでの発熱を冷却水による熱交換で回収し、回収した熱をヒータ９で有効活用できる。特に、電力変換用モジュールでＳｉＣトランジスタを採用している場合には、比較的高温で使用されるため、この発熱を回収することによって、ヒータの機能性の向上が図れる。

以上のように、電力変換モジュールで生じる熱の有効利用を行えば、エンジンの空冷化を図る場合でも、エアコン用ヒータの熱源を確保でき、省エネルギ化や低コスト化が図れる。

＜変形例＞
◎上記の実施形態においては、電力変換用モジュールの流路部を通過した空気を車室内に直接引き込むようにしても良い。この場合には、電力変換用モジュールの放熱が図れるとともに、車室内を暖めることができる。

◎上記の実施形態においては、スイッチング素子としてトランジスタを使用するのは必須でなく、還流ダイオードを使用しても良い。

本発明の実施形態に係る電力変換用モジュール１の断面図である。電力変換用モジュール１とヒータ９との関係を説明するための図である。

符号の説明

１電力変換用モジュール
２モジュール本体
２ｐ流路部
３放熱板
２０モジュールケース
２０ａ流入口
２０ｂ流出口
２２スイッチング素子
２９充填剤
Ｒａ、Ｒｂ放熱

Claims

電力変換装置であって、
(a)電力変換に用いる半導体部と、
(b)前記半導体部を覆うケーシングと、
(c)前記半導体部の近傍に設けられており、前記ケーシングに形成された流入口から流出口に冷却媒体を流す流路部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記半導体部は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されることを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ半導体であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記流路部を流れた冷却媒体を、自動車に搭載されるヒータ装置の熱源として利用することを特徴とする電力変換装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記ケーシングと前記半導体部との間の空間部には、前記流路部が占有する空間部分を除き充填剤が充填されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電力変換装置において、
(c)前記半導体部の放熱を行うための放熱板、
をさらに備えることを特徴とする電力変換装置。