專利名稱:功率變換裝置的冷卻結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用功率半導體元件及濾波電容器的功率變換裝置的冷卻結構。
背景技術：
關于以往的功率變換裝置的冷卻結構，例如在專利文獻1中作為逆變器電源裝置的散熱方法，揭示了以下那樣的技術。即在放置逆變器電源裝置的外殼的底部中間突出形成臺階部分，在臺階部分中形狀冷卻流體的通路。在臺階的上面放置安裝整流器模塊及逆變器模塊，濾波用電容器通過銅條與整流器模塊連接，扼流圈通過端子與整流器模塊連接，電解電容器通過銅條與逆變器模塊連接。濾波電用容器、扼流圈、以及電解電容器的各自的側面與臺階部分的臺階面接觸，底面與外殼的支持面接觸，在這樣的狀態(tài)下固定。然后，設定臺階部分的高度，使各連接面的高度相同(參照專利文獻1)。
專利文獻1特開2003-243865號公報(第3頁、圖1)在專利文獻1中，由于將由逆變器模塊及整流器模塊形成的功率半導體元件以1組構成，高出一級配置在外殼中間部分，將濾波電容器及電解電容器與該臺階的一個側面接觸配置，將扼流圈與另一個側面接觸配置，因此兩電容器及扼流圈主要冷卻與臺階側面接觸的側面。
例如，在用于汽車等的功率變換裝置那樣必須小型化及高溫環(huán)境下使用時，不能忽視因電容器的發(fā)熱而引起的溫度上升，要充分對它進行冷卻，這成為是非常重要的事情。在利用上述那樣的以往的外殼結構進行的冷卻結構中，由于主要冷卻與臺階側面接觸的面，因此設置在臺階部分的電容器等電子元器件，在功率變換裝置小型化及必須在高溫環(huán)境下使用時，存在冷卻能力不夠的問題。
本發(fā)明正是為了解決上述那樣的問題而提出的，其目的在于得到一種功率變換裝置的冷卻結構，該功率變換裝置的冷卻結構能夠以簡單的制冷劑流通路徑使制冷劑流量及壓力損失為最低限度，對功率半導體元件及濾波電容器雙方高效率地進行冷卻。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明有關的功率變換裝置的冷卻結構，是在具有功率半導體元件及濾波電容器、從直流向交流或者從交流向直流進行功率變換的功率變換裝置中，使功率半導體元件與濾波電容器的單側相鄰連接，構成一組，將多個組配置在冷卻板上，使功率半導體元件與濾波電容器交替排列，在功率半導體元件的正下方的冷卻板上設置冷卻功率半導體元件及濾波電容器用的制冷劑流通路徑。
根據(jù)本發(fā)明的功率變換裝置的冷卻結構，由于將具有功率半導體元件及濾波電容器的多個組配置在冷卻板上，使功率半導體元件與濾波電容器交替排列，在功率半導體元件的正下方的冷卻板上設置制冷劑流通路徑，因此功率半導體元件利用設置在其正下方的制冷劑流通路徑進行冷卻，被功率半導體元件夾在當中的、很難散熱的濾波電容器利用其兩側的功率半導體元件正下方的制冷劑流通路徑，從兩側進行冷卻，所以能夠以簡單結構的制冷劑流通路徑對功率半導體元件及濾波電容器雙方高效率地進行冷卻。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實施形態(tài)1～5的功率變換裝置的電路構成圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明實施形態(tài)1的功率變換裝置的結構圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明實施形態(tài)2的功率變換裝置的結構圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明實施形態(tài)3的功率變換裝置的結構圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明實施形態(tài)4的功率變換裝置的結構圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明實施形態(tài)5的功率變換裝置的結構的部分剖視圖。
標號說明1a～1f功率半導體元件2a～2c濾波電容器3a～3c組
5冷卻板6a～6c制冷劑流通路徑8輔助制冷劑流通路徑9連接流通路徑10凹下部分11傳熱脂具體實施方式
實施形態(tài)1圖1為根據(jù)實施形態(tài)1的功率變換裝置的電路構成圖。圖2為其結構圖，(a)為俯視圖，(b)為主視圖，在(b)中將(a)的箭頭A-A部分作為部分剖視圖表示。
首先，根據(jù)圖1說明電路構成。另外，圖中所示為作為功率變換裝置的三相逆變器裝置的情況。
構成逆變器裝置的功率半導體元件1a～1f是例如將IGBT組成的開關元件串聯(lián)連接，構成組件，根據(jù)容量，將該功率半導體元件并聯(lián)連接多個使用。在本實施形態(tài)中，表示每一相并聯(lián)連接兩個的情況。例如，若是U相，則并聯(lián)連接功率半導體元件1a及1b，濾波電容器2a與該功率半導體元件1a及1b并聯(lián)連接，構成一組3a。然后，三相部分的組3a～3c與直流輸入端P、N并聯(lián)連接。
再有，放電電阻4與直流輸入端P、N連接，在逆變器裝置停止時，使濾波電容器2a～2c中貯存的功率進行放電。進行控制，使得從各組3a～3c的交流輸出端U、V、W輸出三相交流，例如用作為汽車或車輛的電動機的驅動電源。
下面，根據(jù)圖2說明結構。若以U相部分進行說明，則兩個功率半導體元件1a及1b分別與濾波電容器2a的單側相鄰，橫著排列配置。
這時，為了使布線為最短，使兩個功率半導體元件1a及1b沿著濾波電容器2a的長度方向，最靠近連接，構成組3a。同樣，用功率半導體元件1c及1d和濾波電容器2b構成V相的組3b，用功率半導體元件1e及1f和濾波電容器2c構成W相的組3c。將這些組3a～3c的功率半導體元件與濾波電容器交替排列那樣、即如圖2所示那樣使各組的方向朝向同一方向橫向排列成一排，配置固定在冷卻板5上。另外，在U相的濾波電容器2a的左邊相鄰配置放電電阻4，與濾波電容器2a并聯(lián)連接。
另外，在以下的說明中，像功率半導體元件1a～1f那樣標號中有英文字母的添加字母的元器件，在統(tǒng)一說明時，省去添加字母，例如像功率半導體元件1那樣簡單表示。
冷卻板5由于起到固定放置的電子元器件、同時使電子元器件產(chǎn)生的發(fā)熱進行散熱的作用，因此用傳熱性好的鋁等構成。為了更加促使冷卻板5冷卻，在功率半導體元件1的正下方的位置，對每相從元件排列方向即正面?zhèn)认蛑趁鎮(zhèn)鹊姆较蛐纬芍评鋭┝魍窂?。如圖2(b)的主視圖中的剖視圖所示，制冷劑流通路徑6的截面形狀為了擴大表面積，而形成為排列多個矩形孔的形狀。成為制冷劑流通路徑6的出入口的制冷劑口7在圖中雖設置在冷卻板5的上表面，但也可以設置在冷卻板5的正面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)取Ｗ鳛橹评鋭?，例如使用混入不凍液的水?br> 另外，在圖2中，省略了整個制冷劑流通路徑的連接及各組間的直流輸入的連接。另外，還省略了覆蓋整個功率變換裝置的冷卻結構的外殼及控制單元等與本發(fā)明的技術沒有直接關系的部分。
下面，引用圖1及圖2說明工作情況。從直流輸入端P、N輸入的直流功率一旦通過濾波電容器2之后，利用各功率半導體元件1的導通與關斷動作，從交流輸出端U、V、W輸出，作為交流功率供給負載(未圖示)。這時，各功率半導體元件1產(chǎn)生損耗。另外，各濾波電容器2也產(chǎn)生損耗。雖取決于容量，但例如功率半導體元件1的熱損耗也有幾kW左右，在與冷卻板5的接觸面將上升到90℃左右。濾波電容器2的熱損耗若與功率半導體元件1相比雖然要少，是幾W左右，但表面溫度仍然上升很多，有的情況下在與冷卻板5的接觸面將達到例如85℃左右。由于濾波電容器2是使用了不耐高溫的材料的元器件，有的取決于溫度將限制允許脈動電流，因此必須考慮進行充分冷卻。
因此，在根據(jù)本實施形態(tài)的發(fā)明中，功率半導體元件1采用這樣的結構，即利用在正下方配置的制冷劑流通路徑6中流過的制冷劑，高效率地進行冷卻。而且，濾波電容器采用這樣的結構，即利用向冷卻板5傳熱最靠近的制冷劑流通路徑6中流過的制冷劑進行冷卻。在濾波電容器2中，雖然被功率半導體元件1夾在當中那樣配置的濾波電容器2特別是熱量不流通，溫度影響更嚴重，但由于功率半導體元件1與濾波電容器2交替排列那樣配置，在功率半導體元件1的正下方設置制冷劑流通路徑6，因此從濾波電容器2向冷卻板5傳遞的熱量如圖2(b)中用粗箭頭所示，向兩側分開，向制冷劑流通路徑6傳遞，進行冷卻。例如，若是濾波電容器2c，則利用最靠近的制冷劑流通路徑6b及6c中流過的制冷劑進行冷卻。另外，圖中位于左端的U相的濾波電容器2a雖然只利用單側的制冷劑流通路徑6a進行冷卻，但由于功率半導體元件1a及1b只位于單側，因此與用功率半導體元件夾住兩側的濾波電容器2b及2c相比，在發(fā)熱上不嚴重。
另外，放電電阻4雖然也發(fā)熱，但該熱量通過冷卻板5傳導，利用最靠近它的制冷劑流通路徑6a進行冷卻。
如上所述，根據(jù)本實施形態(tài)的發(fā)明，由于將具有功率半導體元件及濾波電容器的多個組配置在冷卻板上，使得功率半導體元件與濾波電容器交替排列，并在功率半導體元件的正下方的冷卻板設置制冷劑流通路徑，因此功率半導體元件利用設置在其正下方的制冷劑流通路徑進行冷卻，另外，被功率半導體元件夾在當中、散熱困難的濾波電容器利用其兩側的功率半導體元件的正下方的制冷劑流通路徑從兩側進行冷卻，所以能夠不用形成濾波電容器用的特別的制冷劑流通路徑，而以壓力損失少的簡單的結構對功率半導體元件及濾波電容器雙方高效率地進行冷卻。
另外，由于用功率半導體元件及濾波電容器構成一組，因此能夠將各組以平面狀有規(guī)則地排列配置，所以組裝時的操作性好，形成制冷劑管道容易取出的結構，再有能夠得到可容易實現(xiàn)根據(jù)容量的增減自由進行安裝設計的功率變換裝置。
實施形態(tài)2圖3為根據(jù)實施形態(tài)2的功率變換裝置的結構圖。圖(a)表示俯視圖，(b)表示主視圖，在(b)中將(a)的箭頭A-A部分作為部分剖視圖表示。與實施形態(tài)1的圖2相同的部分用同一標號表示，并省略說明。另外，功率變換裝置的電路圖與實施形態(tài)1的圖1相同。下面以與實施形態(tài)1的不同點為中心，根據(jù)圖3進行說明。
與實施形態(tài)1的圖2相同，將由功率半導體元件1及濾波電容器2構成的組3配置在冷卻板5上，使得功率半導體元件1與濾波電容器2交替橫向排列。與圖2不同的地方在于，對于多個組3中的、濾波電容器2成為最末端的一側的末端組，即圖3的情況下U相的組3a相當于此，在該末端組3a的濾波電容器2a的附近，在位于與末端組3a的功率半導體元件1a及1b相反側的位置的冷卻板5，設置輔助制冷劑流通路徑8。放電電阻4配置在該輔助制冷劑流通路徑8的正上方。若輔助制冷劑流通路徑8的截面形狀及流通路徑方向與其它的制冷劑流通路徑6a～6c相同，則能夠同樣進行加工，容易制造。
下面，說明作用。在圖3(b)的圖中，用粗箭頭表示各元器件的傳熱路徑。輔助制冷劑流通路徑8具有冷卻位于其正上方的放電電阻4、同時冷卻U相的濾波電容器2a的單側的作用。其結果，變成在全部濾波電容器2的兩側設置制冷劑流通路徑。因而，能夠將全部濾波電容器2a～2c通過冷卻板5從其兩側近似均勻地進行冷卻。
如上所述，根據(jù)本實施形態(tài)的發(fā)明，由于在多個組中配置在末端的、濾波電容器成為最末端一側的末端組的濾波電容器的附近，在位于其外側的位置的冷卻板上設置輔助制冷劑流通路徑，因此能夠將全部濾波電容器通過冷卻板從其兩側進行冷卻，所以能夠得到組間的冷卻能力差異少的冷卻效率高的功率變換裝置。另外，能夠利用輔助制冷劑流通路徑冷卻是發(fā)熱體的放電電阻等電子元器件。
實施形態(tài)3圖4為根據(jù)實施形態(tài)3的功率變換裝置的結構圖。圖(a)表示俯視圖，(b)表示主視圖，在(b)中將(a)的箭頭A-A部分作為部分剖視圖表示。與實施形態(tài)2的圖3相同的部分用同一標號表示，并省略說明。另外，功率變換裝置的電路圖與實施形態(tài)1的圖1相同。下面以與實施形態(tài)2的不同點為中心，根據(jù)圖4進行說明。
將功率半導體元件1與濾波電容器2在冷卻板5上交替配置，這與實施形態(tài)1或實施形態(tài)2相同。另外，在功率半導體元件1的正下方、以及在末端組3a的濾波電容器2a的外側附近設置輔助制冷劑流通路徑8這一點與實施形態(tài)2相同。與實施形態(tài)2的不同點在于，在冷卻板5內(nèi)形成連接各制冷劑流通路徑6a～6c和輔助制冷劑流通路徑8、將整個作為一個串聯(lián)路徑用的連接流通路徑9。
根據(jù)這樣的結構，制冷劑的流通路徑如圖4(a)中用粗箭頭所示，從一個制冷劑口7流入的制冷劑冷卻放電電阻4及各組的功率半導體元件1知濾波電容器2，然后從另一個制冷劑口7流出。這時，若將三相輸出逆變器的一組部分作為一組那樣由奇數(shù)組構成，在一端設置輔助制冷劑流通路徑，則如圖所示，可以將制冷劑口7配置在冷卻板5的一端。
如上所述，根據(jù)本實施形態(tài)的發(fā)明，由于在冷卻板內(nèi)形成將制冷劑流通路徑與輔助制冷劑流通路徑串聯(lián)連接成一條路徑用的連接流通路徑，因此除了實施形態(tài)1或2的效果，再加上具有能夠簡單地對功率變換裝置連接制冷劑輸入輸出的效果。特別是若制冷劑流通路徑的數(shù)量(也包含輔助制冷劑流通路徑)為偶數(shù)，則由于能夠將制冷劑口配置在裝置的單側，因此與外部的連接更簡單。
實施形態(tài)4圖5為根據(jù)實施形態(tài)4的功率變換裝置的結構圖。圖(a)表示俯視圖，(b)表示主視圖，在(b)中將(a)的箭頭B-B部分作為部分剖視圖表示。與實施形態(tài)3的圖4相同的部分用同一標號表示，并省略說明。另外，功率變換裝置的電路圖與實施形態(tài)1的圖1相同。下面以與實施形態(tài)3的不同點為中心，根據(jù)圖5進行說明。
本實施形態(tài)的功率變換裝置如圖(b)中的剖視圖所示，將濾波電容器2嵌入與濾波電容器2的形狀一致的、在冷卻板5上形成的凹下部分10進行固定，這一點是與實施形態(tài)3的不同點。根據(jù)這樣的結構，由于濾波電容器2與冷卻板5利用底面及側面接觸，因此接觸面積增大。除了該接觸面積增大，還由于如圖5(b)中用粗箭頭所示，從濾波電容器2到制冷劑流通路徑6(或輔助制冷劑流通路徑8)的傳熱路徑的長度縮短，因此濾波電容器2的冷卻效果增大。
另外，一般濾波電容器2的高度比功率半導體元件1的高度要高。對于實施形態(tài)1～3中所示的濾波電容器2，在將濾波電容器2與功率半導體元件1安裝到冷卻板5上時，是假設雙方的端子具有能夠照原樣連接的高度，但實際上很多情況下端子的高度不同。即使在這樣的情況下，通過調節(jié)冷卻板5上設置的凹下部分10的凹入深度，即使端子高度在例如圖5所示的濾波電容器2那樣的位置，也能夠使濾波電容器2的端子高度與功率半導體元件1的端子高度一致，能夠使導體的連接長度為最短。
另外，圖5的制冷劑流通路徑所示為與實施形態(tài)3相同的串聯(lián)連接的流通路徑，但也可以和實施形態(tài)1或實施形態(tài)2相同，使它們分別獨立。
如上所述，根據(jù)本實施形態(tài)的發(fā)明，由于將濾波電容器嵌入與濾波電容器的形狀一致的、在冷卻板上形成的凹下部分進行固定，因此濾波電容器與冷卻板的接觸面積增加，另外，到制冷劑流通路徑的傳熱路徑縮短，所以能夠增大濾波電容器的冷卻效果。
另外，由于通過調節(jié)將一般高度比功率半導體元件要高的濾波電容器的底部嵌入冷卻板的高度方向的位置，能夠使濾波電容器的端子高度接近功率半導體元件的端子高度，減少功率半導體元件與濾波電容器之間的布線電感，能夠抑制功率半導體元件在關斷時的浪涌電壓，因此還具有能夠使用低額定電壓的功率半導體元件的效果。
實施形態(tài)5圖6為根據(jù)實施形態(tài)5的功率變換裝置的結構的部分剖視圖。整體結構圖與實施形態(tài)4相同，圖6所示為相當于圖5的B-B剖視圖的部分的剖視圖。因而，除此以外，由于與實施形態(tài)4相同，因此省略相同部分的說明，以不同點為中心進行說明。
本實施形態(tài)的功率變換裝置在濾波電容器2與冷卻板5上形成的凹下部分10之間形成間隙，在該間隙中充填傳熱脂11。間隙例如取1mm左右。另外，圖6為代表性地表示W(wǎng)相部分，但U相及V相也相同。
根據(jù)這樣的結構，在功率變換裝置通電時，由濾波電容器2產(chǎn)生的熱量如圖中用粗箭頭所示，通過傳熱脂11，向冷卻板5傳熱，利用最靠近的制冷劑流通路徑6中流過的制冷劑進行冷卻。
如上所述，根據(jù)本實施形態(tài)的發(fā)明，由于在濾波電容器與冷卻板上形成的凹下部分之間形成間隙，在間隙中充填傳熱脂，因此能夠用傳熱脂部分吸收濾波電容器因熱膨脹而產(chǎn)生的尺寸變化，而且能夠減小與冷卻板的接觸熱阻，所以能夠提高濾波電容器的冷卻效果。
另外，在上述說明的實施形態(tài)1～5的任一發(fā)明中，功率半導體元件也可以是各相為1個，或者也可以是3個以上并聯(lián)。另外，說明的是各組橫向排列成1排的情況，但若為更大容量，則也可以以相同的交替配置橫向排列2排。另外，功率半導體元件是作為IGBT進行說明的，但也可以使用GTO或晶體管等其它的開關元件。再有，功率變換裝置說明的是逆變器裝置，但也可以是整流器裝置。
工業(yè)上的實用性本發(fā)明是例如電動汽車等中使用的功率變換裝置，適用于將功率半導體元件作為多組件時的功率變換裝置的冷卻結構。
權利要求
1.一種功率變換裝置的冷卻結構，功率變換裝置具有功率半導體元件及濾波電容器、從直流向交流或者從交流向直流進行功率變換，其特征在于，使所述功率半導體元件與所述濾波電容器的單側相鄰連接，構成一組，將多個所述組配置在冷卻板上，使所述功率半導體元件與所述濾波電容器交替排列，在所述功率半導體元件的正下方的所述冷卻板上設置冷卻所述功率半導體元件及所述濾波電容器用的制冷劑流通路徑。
2.如權利要求
1所述的功率變換裝置的冷卻結構，其特征在于，在所述多個組中的、所述濾波電容器成為最末端的末端組的所述濾波電容器的附近，在位于與所述末端組的所述功率半導體元件相反側的位置的所述冷卻板上，設置輔助制冷劑流通路徑。
3.如權利要求
2所述的功率變換裝置的冷卻結構，其特征在于，在所述冷卻板內(nèi)形成連接所述制冷劑流通路徑和所述輔助制冷劑流通路徑、將整個作為一個串聯(lián)路徑用的連接流通路徑。
4.如權利要求
1至3的任一項所述的功率變換裝置的冷卻結構，其特征在于，將所述濾波電容器嵌入與所述濾波電容器的形狀一致的、在所述冷卻板上形成的凹下部分進行固定。
5.如權利要求
4所述的功率變換裝置的冷卻結構，其特征在于，在所述濾波電容器與所述凹下部分之間形成間隙，在所述間隙中充填傳熱脂。
專利摘要
為了得到能夠對功率變換裝置的功率半導體元件(1)及濾波電容器(2)雙方高效率地進行冷卻的冷卻結構，使多個功率半導體元件(1)與濾波電容器(2)的單側相鄰連接，構成組(3)，將多個組(3a～3c)橫向排列配置在冷卻板(5)上，使得功率半導體元件(1)與濾波電容器(2)交替排列，在功率半導體元件(1)正下方的冷卻板(5)上設置使冷卻功率半導體元件(1)及濾波電容器(2)用的制冷劑流通的制冷劑流通路徑(6)。
文檔編號H02M1/00GK1993875SQ200580025737
公開日2007年7月4日 申請日期2005年3月25日
發(fā)明者小林知宏 申請人:三菱電機株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan