JP2011050197A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、高密度に実装された電力変換装置内の冷却効率の向上である。
【解決手段】半導体素子，駆動回路，制御回路、及びコンデンサを収納するための容器と、前記容器内に気液二相状態で収納される冷媒と、気相状態の前記冷媒を液相状態の前記冷媒に凝縮し、かつ外部と熱交換するための熱交換部と、を有し、前記半導体素子，前記駆動回路，前記制御回路、及び前記コンデンサは、当該車両用電力変換装置が車両に搭載された状態では、前記冷媒に漬かっている状態となるように配置され、前記熱交換部は、気相空間を形成する前記容器の壁側に配置される車両用電力変換装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力変換装置に関し、特に電気自動車およびハイブリッド自動車への車載用の電力変換装置に関する。

電気自動車あるいはハイブリッド自動車においては、車両の動力源としてモータを搭載しており、一般にモータに供給する電力を制御するためにインバータなどの電力変換装置を備えている。

電力変換装置は、ＩＧＢＴなどの電力用半導体を含むパワーモジュールとそのパワーモジュールを駆動する駆動回路、それらを制御する制御回路、および電流平滑化のためのコンデンサを備えている。これらの電子部品は高温に弱いため冷却する必要がある。

特に大容量で発熱量が大きい電力変換装置では、冷却水を循環させる水冷構造の冷却器を備えたものが多いが、それ以外にも、密閉容器中で冷媒が気液二相状態となるよう充填される、通称「沸騰冷却器」と呼ばれる冷却装置を備えるものもある。

上記電力変換装置の部品の中でも発熱量が大きい電力用半導体の冷却装置は、特に高性能なものが要求される。例えば特許３５４６７４８号公報および特許３３８４０６６号公報には、沸騰冷却器を適用した半導体素子の冷却構造が開示されている。

一方で、電力変換装置中の電力用半導体以外の部品、例えば、駆動回路，制御回路，コンデンサといった部品も、発熱部品あるいは高温に弱い部品であり、電力変換装置の大きさや実装密度によっては、パワ−モジュールと同様に個別に冷却をする必要が生じる。例えば特願２０００−５７１５５０号公報には、制御回路中の制御素子を、熱伝導手段を介して筐体に熱的に接触して支持する制御素子の冷却構造が開示されている。

上記従来技術を用いた電力変換装置の冷却器は、上記特許文献１にも記載されているように、ＩＧＢＴなどの電力用半導体の冷却手段として用いている。

しかし、電力変換装置には、電力用半導体以外にも、駆動回路，制御回路、および電流平滑化のためのコンデンサなど、発熱部品あるいは高温に弱い部品が多数搭載されており、これらの電子部品も、電力用半導体と同様な熱管理、すなわち冷却を考慮する必要がある。

特に、電気自動車あるいはハイブリッド自動車用の電力変換装置においては、居住スペースの確保などの観点から、装置の小型化に対する要求が強い。装置の小型化とは、装置全体の発熱密度が増加することを意味しているため、電力変換装置の小型化を追求するほど、装置内に収納される、より多くの部品の冷却手段を講じなくてはならなくなり、最終的にはほぼ全ての部品について冷却手段を講じる必要がある。

これに対し、例えば上記特許文献３のように、一つ一つの部品毎に冷却構造を考えるような設計思想では、対策すべき部品が多くなるにつれて、冷却設計や冷却部品にかかるコストが増加してしまい、製品の経済性が損なわれてしまう。

特許３５４６７４８号公報 特許３３８４０６６号公報 特願２０００−５７１５５０号公報

本発明の課題は、高密度に実装された電力変換装置内の冷却効率の向上である。

前記の課題を解決するために、本発明の車両用電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路と、前記半導体素子に入力される直流電流を平滑化するためのコンデンサと、前記半導体素子，前記駆動回路，前記制御回路、及び前記コンデンサを収納するための容器と、前記容器内に気液二相状態で収納される冷媒と、気相状態の前記冷媒を液相状態の前記冷媒に凝縮し、かつ外部と熱交換するための熱交換部と、を有する車両用電力変換装置であって、前記半導体素子，前記駆動回路，前記制御回路、及び前記コンデンサは、当該車両用電力変換装置が車両に搭載された状態では、前記冷媒に漬かっている状態となるように配置され、前記熱交換部は、気相空間を形成する前記容器の壁側に配置される。

本発明により、高密度に実装された電力変換装置内の冷却効率が向上する。

本実施形態の第一の実施形態による電力変換装置を正面から見た断面図である。 本実施形態の第一の実施形態を示すものであり、図１に示したＡ方向から見た断面図である。 本実施形態の第二の実施形態による電力変換装置であり、電力用半導体およびその基板の構成を説明する図である。 本実施形態の第三の実施形態による電力変換装置であり、電力用半導体およびその基板の構成を説明する図である。 本実施形態の第四の実施形態による電力変換装置を正面から見た断面図である。

以下、本実施形態の実施例の構成およびその作用効果を説明する。

図１および図２は、本実施形態による電力変換装置を説明するものであり、図１は本実施形態の電力変換装置を正面から見た断面図であり、図２は、図１に示したＡ方向から電力変換装置を見た際の断面図である。

電力変換装置１００１を構成する各部品は、筐体として密閉するための容器１に収納される。容器１中には、冷媒３が気液二相状態になって空間内に充満されるように封入される。本実施形態における冷媒は、電力用半導体を始めとする電子部品に対して腐食等を発生させる恐れの無い、例えばパーフレオロカーボンのようなフッ化系の不活性冷媒を用いることが好ましい。しかし、例えば、電子部品の表面に樹脂材等によるコーティングを施すなどによって電子部品の信頼性が確保できる場合には、他の冷却能力の高い冷媒を用いることも可能である。

なお、パーフレオロカーボンにおいては、大気圧での沸点が５０℃から６０℃程度であることから、室温での飽和蒸気圧は１気圧以下であり、よって本密閉容器が室温環境にある際、密閉容器の内部圧力は大気圧以下となっている。

本実施形態においては、ちょうど冷媒の液相３ａと気相３ｂとの界面３ｄ、すなわち液面が、内部の部品全てを覆う程度の位置にある。電力変換装置１００１が動作していない場合には、密閉容器内部は気液二相の平衡状態を保っている。一方、電力変換装置が動作する場合は、電力用半導体、すなわち基板１１ｕ上に実装されるＩＧＢＴ１２ｕやダイオード１３ｕから大量の熱を発生することから、電力用半導体の表面で沸騰気泡３ｃが発生し、これが周囲液体を攪拌しながら上方へ移動する。この気泡発生による潜熱輸送と周囲液体の攪拌による顕熱輸送によって、電力用半導体は高性能に冷却されることとなる。なお、ＩＧＢＴ１２ｕやダイオード１３ｕは、車両駆動用モータに流れる駆動電流を出力する半導体素子である。

冷媒の液相で発生した沸騰気泡３ｃは冷媒の気液の界面３ｄにたどり着き、冷媒の気相３ｂとなって上部の凝縮器２へ移動し、そこで冷媒の凝縮によって凝縮器２へ伝熱させ、その後、液体となって滴下する。つまり、熱交換部である凝縮器２は、気相状態の冷媒３を液相状態の冷媒３に冷却し、かつ外部と熱交換することになる。なお、凝縮器２は、気相３ｂの空間を形成する容器１の壁側に配置される。

凝縮器２は、内面が冷媒、外面が空気の熱交換器であり、外部に取り付けるファンによって、電力変換装置の各部品から発生した熱が最終的に外気へ排出される。

以上のサイクルが繰り返されることにより、冷媒が相変化しながら循環しつつ、密閉容器内で発生した熱を外部へ逃がしている。

この際に生じる気泡の移動と周囲液体の攪拌は、電力用半導体の上部に位置する制御回路１４ａ又は駆動回路１４ｂの冷却へも大きく寄与し、空気に覆われた空間に配置される場合と比較して、良好な冷却能力を得ることができる。本実施形態においては、電力用半導体，駆動回路１４ｂ，制御回路１４ａ、及びコンデンサ１５は、電力変換装置が車両に搭載された状態では、冷媒３に漬かっている状態となるように配置される。なお、駆動回路１４ｂはＩＧＢＴ１２ｕを駆動するための回路であり、制御回路１４ａは駆動回路１４ｂを制御する回路である。

図１を用いて、電力変換装置の各部品の配置について説明する。

基板１１ｕは、ＩＧＢＴ１２ｕ及びダイオード１３ｕを搭載し、かつ容器１の底面側に配置される。コンデンサ１５は、車両電源からＩＧＢＴ１２ｕ及びダイオード１３ｕに入力される直流電流を平滑化し、かつ容器１の底面側に配置される。駆動回路１４ｂは、電力変換装置１００１が車両に搭載された状態における冷媒３の界面３ｄと電力半導体と間であって、電力半導体の上方に配置される。制御回路１４ａは、コンデンサ１５の上方に配置される。

駆動回路１４ｂはＩＧＢＴ１２ｕを駆動するためのスイッチング素子を備えており、制御回路１４ａは駆動回路１４ｂを制御するためのマイクロコンピュータを備えている。よって、一般的には、駆動回路１４ｂは制御回路１４ａよりも発熱量が大きくなる。そこで、本実施形態においては、駆動回路１４ｂが電力半導体の上方に配置され、かつ電力半導体周辺から激しく発生する気泡の移動と周囲液体の攪拌によって、制御回路１４ａよりも冷却効率を向上させている。一方、制御回路１４ａは、電力半導体よりも気泡の発生が少ないコンデンサ１５の上方に配置されている。したがって、本実施形態は、電力変換装置１００１全体の冷却バランスを考慮しながら、小型化のために配置を達成している。

なお、制御回路１４ａと駆動回路１４ｂを合わせた面積が、電力半導体の上方の空間に収まる場合には、当該制御回路１４ａ及び駆動回路１４ｂを電力半導体の上方に収めて、双方の冷却効率を向上させてもよい。

電力用半導体に隣接して配置されているコンデンサ１５については、上部に配置された場合ほどの冷却能力の向上は期待できないものの、冷媒の液相状態における熱伝導率は、気体である空気の熱伝導率と比較して少なくとも数倍は大きいことから、冷媒の積極的な流動無しでも、十分な冷却能力が確保できる。

ＩＧＢＴ１２ｕ及びダイオード１３ｕは、モータに供給される３相交流電流のＵ相電流を出力するためのＵ相半導体素子であり、ＩＧＢＴ１２ｖ及びダイオード１３ｖは、Ｖ相電流を出力するためのＶ相半導体素子であり、ＩＧＢＴ１２ｗ及びダイオード１３ｗは、Ｗ相電流を出力するためのＷ相半導体素子である。本実施形態においては、Ｕ相半導体素子と容器１の底部との距離と、Ｖ相半導体素子と容器１の底部との距離と、Ｗ相半導体素子と容器１の底部との距離が揃うように、各相の半導体素子は容器１の底部に沿って並べて配置される。

これにより、冷媒３の深さ方向に温度勾配が生じていたとしても、各相の半導体素子がバランス良く冷却することができる。

図１及び図２に示されるように、容器１は、奥行きＤが高さＨ及び幅Ｗよりも小さくなるように形成されている。また、各半導体素子は、その主面が容器１の高さＨ方向の辺と幅Ｗ方向の辺とにより構成される面と略平行となるように、配置される。

これにより、各半導体素子から発生した気泡は、容器１の奥行きＤ方向に拡がることが抑制され、高さＨ方向に向かって上昇することになるので、冷媒の流速が上昇する。よって、周囲液体の攪拌による顕熱輸送の効率が向上することになる。特に、容器１の高さＨがより大きくなる場合には、周囲液体の攪拌による顕熱輸送の効率を向上させることが重要になる。

図３は、本実施形態による電力変換装置の第二実施形態を説明するものである。本実施例は、第一実施形態における基板１１ｕをヒートシンク２１ａとして構成したものである。このような構成をとることにより、電力用半導体素子の両面からの冷却が容易に可能となり、さらなる冷却能力の向上を可能とする。また、基板１１ｕの両面に複数の電力用半導体をそれぞれ実装することが可能となり、電力変換装置の小型化が可能となる。

図４は、本実施形態による電力変換装置の第三実施形態を説明するものである。本実施例は、第一実施形態において、ＩＧＢＴ１２ｕおよびダイオード１３ｕの表面にヒートシンク２１ｂを搭載したものである。このような構成をとることにより、電力用半導体素子の両面からの冷却がさらに高性能なものとなる。

図５は、本実施形態による電力変換装置の第四実施形態を説明するものである。本実施例は、第一実施形態において、ＩＧＢＴ１２ｕおよびダイオード１３ｕを搭載した基板の下側に、ヒーター２２を設けたものである。

このヒーター２２は、電力変換装置の制御回路１４ａからの指令信号に応じて通電加熱することで、電力用半導体の通電状況に応じて、あるいは通電状況に寄らず、沸騰気泡を任意の時刻に発生させることが可能である。これにより、電力変換装置の冷却条件を制御することが可能となり、電力変換装置の熱管理をより容易にすることが可能となる。

例えば、電力用半導体が非常に短い時間に大量の熱を発生するような場合には、半導体の熱で冷媒が沸騰を開始するまでの間に半導体が許容温度まで上昇するような条件が想定される。このような場合に、このヒーターを用いて電力用半導体以上の発熱密度で熱を発生させて、半導体の周りに事前に沸騰気泡を発生させるようにすることで、冷却能力を適切に制御することが可能となる。

１ 容器
２ 凝縮器
３ａ 冷媒（液相）
３ｂ 冷媒（気相）
３ｃ 冷媒（気泡）
４ ファン
１１ｕ 基板
１２ｕ ＩＧＢＴ
１３ｕ ダイオード
１４ａ 制御回路
１４ｂ 駆動回路
１５ コンデンサ
２１ａ，２１ｂ ヒートシンク
２２ ヒーター
１００１ 電力変換装置

Claims (8)

1. モータ駆動電流を出力する半導体素子と、
   前記半導体素子を駆動する駆動回路と、
   前記駆動回路を制御する制御回路と、
   前記半導体素子に入力される直流電流を平滑化するためのコンデンサと、
   前記半導体素子，前記駆動回路，前記制御回路、及び前記コンデンサを収納するための容器と、
   前記容器内に気液二相状態で収納される冷媒と、
   気相状態の前記冷媒を液相状態の前記冷媒に凝縮し、かつ外部と熱交換するための熱交換部と、を有する車両用電力変換装置であって、
   前記半導体素子，前記駆動回路，前記制御回路、及び前記コンデンサは、当該車両用電力変換装置が車両に搭載された状態では、前記冷媒に漬かっている状態となるように配置され、
   前記熱交換部は、気相空間を形成する前記容器の壁側に配置される車両用電力変換装置。
2. 請求項１に記載の車両用電力変換装置であって、
   前記半導体素子の上部に、少なくとも一つ以上の他の部品を配置することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の車両用電力変換装置であって、
   前記半導体素子と前記コンデンサは、前記容器の底面に沿って並べて配置され、
   前記駆動回路は、当該車両用電力変換装置が車両に搭載された状態における前記冷媒の気液二相の界面と前記半導体素子と間であって、当該半導体素子の上方に配置され、
   前記制御回路は、前記コンデンサの上方に配置される車両用電力変換装置。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの車両用電力変換装置であって、
   前記半導体素子は、前記モータに供給される３相交流電流の中で、Ｕ相電流を出力するためのＵ相半導体素子と、Ｖ相電流を出力するためのＶ相半導体素子と、Ｗ相電流を出力するためのＷ相半導体素子と、により構成され、
   前記容器の底部と当該各相半導体素子とのそれぞれの距離が揃うように、前記各相半導体素子は、当該容器の底部に沿って並べられる車両用電力変換装置。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの車両用電力変換装置であって、
   前記容器は、その奥行きがその高さ及び幅よりも小さく形成され、
   前記半導体素子の主面が前記容器の高さ方向の辺と前記容器の幅方向の辺とにより構成される面と略平行となるように、当該半導体素子が配置される車両用電力変換装置。
6. 請求項１ないし５に記載のいずれかの車両用電力変換装置であって、
   前記半導体素子を実装するための基板を備え、
   前記半導体素子は、複数の半導体素子で構成され、かつ当該複数の半導体素子は、前記基板の両面に分かれて配置される車両用電力変換装置。
7. 請求項１ないし６に記載のいずれかの車両用電力変換装置であって、
   前記制御回路からの指令信号に応じて通電加熱することで前記冷媒を気化させ、当該冷媒を流動させるためのヒーターを備える車両用電力変換装置。
8. 請求項１ないし７に記載のいずれかの車両用電力変換装置であって、
   前記半導体素子，前記駆動回路，前記制御回路、又は前記コンデンサのいずれかの表面に、樹脂材によるコーティングを施すことを特徴とする電力変換装置。

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