专利名称：功率变换装置的冷却结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用功率半导体元件及滤波电容器的功率变换装置的冷却结构。
背景技术：
关于以往的功率变换装置的冷却结构，例如在专利文献1中作为逆变器电源装置的散热方法，揭示了以下那样的技术。即在放置逆变器电源装置的外壳的底部中间突出形成台阶部分，在台阶部分中形状冷却流体的通路。在台阶的上面放置安装整流器模块及逆变器模块，滤波用电容器通过铜条与整流器模块连接，扼流圈通过端子与整流器模块连接，电解电容器通过铜条与逆变器模块连接。滤波电用容器、扼流圈、以及电解电容器的各自的侧面与台阶部分的台阶面接触，底面与外壳的支持面接触，在这样的状态下固定。然后，设定台阶部分的高度，使各连接面的高度相同(参照专利文献1)。
专利文献1特开2003-243865号公报(第3页、图1)在专利文献1中，由于将由逆变器模块及整流器模块形成的功率半导体元件以1组构成，高出一级配置在外壳中间部分，将滤波电容器及电解电容器与该台阶的一个侧面接触配置，将扼流圈与另一个侧面接触配置，因此两电容器及扼流圈主要冷却与台阶侧面接触的侧面。
例如，在用于汽车等的功率变换装置那样必须小型化及高温环境下使用时，不能忽视因电容器的发热而引起的温度上升，要充分对它进行冷却，这成为是非常重要的事情。在利用上述那样的以往的外壳结构进行的冷却结构中，由于主要冷却与台阶侧面接触的面，因此设置在台阶部分的电容器等电子元器件，在功率变换装置小型化及必须在高温环境下使用时，存在冷却能力不够的问题。
本发明正是为了解决上述那样的问题而提出的，其目的在于得到一种功率变换装置的冷却结构，该功率变换装置的冷却结构能够以简单的制冷剂流通路径使制冷剂流量及压力损失为最低限度，对功率半导体元件及滤波电容器双方高效率地进行冷却。
发明内容
本发明有关的功率变换装置的冷却结构，是在具有功率半导体元件及滤波电容器、从直流向交流或者从交流向直流进行功率变换的功率变换装置中，使功率半导体元件与滤波电容器的单侧相邻连接，构成一组，将多个组配置在冷却板上，使功率半导体元件与滤波电容器交替排列，在功率半导体元件的正下方的冷却板上设置冷却功率半导体元件及滤波电容器用的制冷剂流通路径。
根据本发明的功率变换装置的冷却结构，由于将具有功率半导体元件及滤波电容器的多个组配置在冷却板上，使功率半导体元件与滤波电容器交替排列，在功率半导体元件的正下方的冷却板上设置制冷剂流通路径，因此功率半导体元件利用设置在其正下方的制冷剂流通路径进行冷却，被功率半导体元件夹在当中的、很难散热的滤波电容器利用其两侧的功率半导体元件正下方的制冷剂流通路径，从两侧进行冷却，所以能够以简单结构的制冷剂流通路径对功率半导体元件及滤波电容器双方高效率地进行冷却。
图1为根据本发明实施形态1～5的功率变换装置的电路构成图。
图2为根据本发明实施形态1的功率变换装置的结构图。
图3为根据本发明实施形态2的功率变换装置的结构图。
图4为根据本发明实施形态3的功率变换装置的结构图。
图5为根据本发明实施形态4的功率变换装置的结构图。
图6为根据本发明实施形态5的功率变换装置的结构的部分剖视图。
标号说明1a～1f功率半导体元件2a～2c滤波电容器3a～3c组
5冷却板6a～6c制冷剂流通路径8辅助制冷剂流通路径9连接流通路径10凹下部分11传热脂具体实施方式
实施形态1图1为根据实施形态1的功率变换装置的电路构成图。图2为其结构图，(a)为俯视图，(b)为主视图，在(b)中将(a)的箭头A-A部分作为部分剖视图表示。
首先，根据图1说明电路构成。另外，图中所示为作为功率变换装置的三相逆变器装置的情况。
构成逆变器装置的功率半导体元件1a～1f是例如将IGBT组成的开关元件串联连接，构成组件，根据容量，将该功率半导体元件并联连接多个使用。在本实施形态中，表示每一相并联连接两个的情况。例如，若是U相，则并联连接功率半导体元件1a及1b，滤波电容器2a与该功率半导体元件1a及1b并联连接，构成一组3a。然后，三相部分的组3a～3c与直流输入端P、N并联连接。
再有，放电电阻4与直流输入端P、N连接，在逆变器装置停止时，使滤波电容器2a～2c中贮存的功率进行放电。进行控制，使得从各组3a～3c的交流输出端U、V、W输出三相交流，例如用作为汽车或车辆的电动机的驱动电源。
下面，根据图2说明结构。若以U相部分进行说明，则两个功率半导体元件1a及1b分别与滤波电容器2a的单侧相邻，横着排列配置。
这时，为了使布线为最短，使两个功率半导体元件1a及1b沿着滤波电容器2a的长度方向，最靠近连接，构成组3a。同样，用功率半导体元件1c及1d和滤波电容器2b构成V相的组3b，用功率半导体元件1e及1f和滤波电容器2c构成W相的组3c。将这些组3a～3c的功率半导体元件与滤波电容器交替排列那样、即如图2所示那样使各组的方向朝向同一方向横向排列成一排，配置固定在冷却板5上。另外，在U相的滤波电容器2a的左边相邻配置放电电阻4，与滤波电容器2a并联连接。
另外，在以下的说明中，像功率半导体元件1a～1f那样标号中有英文字母的添加字母的元器件，在统一说明时，省去添加字母，例如像功率半导体元件1那样简单表示。
冷却板5由于起到固定放置的电子元器件、同时使电子元器件产生的发热进行散热的作用，因此用传热性好的铝等构成。为了更加促使冷却板5冷却，在功率半导体元件1的正下方的位置，对每相从元件排列方向即正面侧向着背面侧的方向形成制冷剂流通路径6。如图2(b)的主视图中的剖视图所示，制冷剂流通路径6的截面形状为了扩大表面积，而形成为排列多个矩形孔的形状。成为制冷剂流通路径6的出入口的制冷剂口7在图中虽设置在冷却板5的上表面，但也可以设置在冷却板5的正面侧和背面侧。作为制冷剂，例如使用混入不冻液的水。
另外，在图2中，省略了整个制冷剂流通路径的连接及各组间的直流输入的连接。另外，还省略了覆盖整个功率变换装置的冷却结构的外壳及控制单元等与本发明的技术没有直接关系的部分。
下面，引用图1及图2说明工作情况。从直流输入端P、N输入的直流功率一旦通过滤波电容器2之后，利用各功率半导体元件1的导通与关断动作，从交流输出端U、V、W输出，作为交流功率供给负载(未图示)。这时，各功率半导体元件1产生损耗。另外，各滤波电容器2也产生损耗。虽取决于容量，但例如功率半导体元件1的热损耗也有几kW左右，在与冷却板5的接触面将上升到90℃左右。滤波电容器2的热损耗若与功率半导体元件1相比虽然要少，是几W左右，但表面温度仍然上升很多，有的情况下在与冷却板5的接触面将达到例如85℃左右。由于滤波电容器2是使用了不耐高温的材料的元器件，有的取决于温度将限制允许脉动电流，因此必须考虑进行充分冷却。
因此，在根据本实施形态的发明中，功率半导体元件1采用这样的结构，即利用在正下方配置的制冷剂流通路径6中流过的制冷剂，高效率地进行冷却。而且，滤波电容器采用这样的结构，即利用向冷却板5传热最靠近的制冷剂流通路径6中流过的制冷剂进行冷却。在滤波电容器2中，虽然被功率半导体元件1夹在当中那样配置的滤波电容器2特别是热量不流通，温度影响更严重，但由于功率半导体元件1与滤波电容器2交替排列那样配置，在功率半导体元件1的正下方设置制冷剂流通路径6，因此从滤波电容器2向冷却板5传递的热量如图2(b)中用粗箭头所示，向两侧分开，向制冷剂流通路径6传递，进行冷却。例如，若是滤波电容器2c，则利用最靠近的制冷剂流通路径6b及6c中流过的制冷剂进行冷却。另外，图中位于左端的U相的滤波电容器2a虽然只利用单侧的制冷剂流通路径6a进行冷却，但由于功率半导体元件1a及1b只位于单侧，因此与用功率半导体元件夹住两侧的滤波电容器2b及2c相比，在发热上不严重。
另外，放电电阻4虽然也发热，但该热量通过冷却板5传导，利用最靠近它的制冷剂流通路径6a进行冷却。
如上所述，根据本实施形态的发明，由于将具有功率半导体元件及滤波电容器的多个组配置在冷却板上，使得功率半导体元件与滤波电容器交替排列，并在功率半导体元件的正下方的冷却板设置制冷剂流通路径，因此功率半导体元件利用设置在其正下方的制冷剂流通路径进行冷却，另外，被功率半导体元件夹在当中、散热困难的滤波电容器利用其两侧的功率半导体元件的正下方的制冷剂流通路径从两侧进行冷却，所以能够不用形成滤波电容器用的特别的制冷剂流通路径，而以压力损失少的简单的结构对功率半导体元件及滤波电容器双方高效率地进行冷却。
另外，由于用功率半导体元件及滤波电容器构成一组，因此能够将各组以平面状有规则地排列配置，所以组装时的操作性好，形成制冷剂管道容易取出的结构，再有能够得到可容易实现根据容量的增减自由进行安装设计的功率变换装置。
实施形态2图3为根据实施形态2的功率变换装置的结构图。图(a)表示俯视图，(b)表示主视图，在(b)中将(a)的箭头A-A部分作为部分剖视图表示。与实施形态1的图2相同的部分用同一标号表示，并省略说明。另外，功率变换装置的电路图与实施形态1的图1相同。下面以与实施形态1的不同点为中心，根据图3进行说明。
与实施形态1的图2相同，将由功率半导体元件1及滤波电容器2构成的组3配置在冷却板5上，使得功率半导体元件1与滤波电容器2交替横向排列。与图2不同的地方在于，对于多个组3中的、滤波电容器2成为最末端的一侧的末端组，即图3的情况下U相的组3a相当于此，在该末端组3a的滤波电容器2a的附近，在位于与末端组3a的功率半导体元件1a及1b相反侧的位置的冷却板5，设置辅助制冷剂流通路径8。放电电阻4配置在该辅助制冷剂流通路径8的正上方。若辅助制冷剂流通路径8的截面形状及流通路径方向与其它的制冷剂流通路径6a～6c相同，则能够同样进行加工，容易制造。
下面，说明作用。在图3(b)的图中，用粗箭头表示各元器件的传热路径。辅助制冷剂流通路径8具有冷却位于其正上方的放电电阻4、同时冷却U相的滤波电容器2a的单侧的作用。其结果，变成在全部滤波电容器2的两侧设置制冷剂流通路径。因而，能够将全部滤波电容器2a～2c通过冷却板5从其两侧近似均匀地进行冷却。
如上所述，根据本实施形态的发明，由于在多个组中配置在末端的、滤波电容器成为最末端一侧的末端组的滤波电容器的附近，在位于其外侧的位置的冷却板上设置辅助制冷剂流通路径，因此能够将全部滤波电容器通过冷却板从其两侧进行冷却，所以能够得到组间的冷却能力差异少的冷却效率高的功率变换装置。另外，能够利用辅助制冷剂流通路径冷却是发热体的放电电阻等电子元器件。
实施形态3图4为根据实施形态3的功率变换装置的结构图。图(a)表示俯视图，(b)表示主视图，在(b)中将(a)的箭头A-A部分作为部分剖视图表示。与实施形态2的图3相同的部分用同一标号表示，并省略说明。另外，功率变换装置的电路图与实施形态1的图1相同。下面以与实施形态2的不同点为中心，根据图4进行说明。
将功率半导体元件1与滤波电容器2在冷却板5上交替配置，这与实施形态1或实施形态2相同。另外，在功率半导体元件1的正下方、以及在末端组3a的滤波电容器2a的外侧附近设置辅助制冷剂流通路径8这一点与实施形态2相同。与实施形态2的不同点在于，在冷却板5内形成连接各制冷剂流通路径6a～6c和辅助制冷剂流通路径8、将整个作为一个串联路径用的连接流通路径9。
根据这样的结构，制冷剂的流通路径如图4(a)中用粗箭头所示，从一个制冷剂口7流入的制冷剂冷却放电电阻4及各组的功率半导体元件1知滤波电容器2，然后从另一个制冷剂口7流出。这时，若将三相输出逆变器的一组部分作为一组那样由奇数组构成，在一端设置辅助制冷剂流通路径，则如图所示，可以将制冷剂口7配置在冷却板5的一端。
如上所述，根据本实施形态的发明，由于在冷却板内形成将制冷剂流通路径与辅助制冷剂流通路径串联连接成一条路径用的连接流通路径，因此除了实施形态1或2的效果，再加上具有能够简单地对功率变换装置连接制冷剂输入输出的效果。特别是若制冷剂流通路径的数量(也包含辅助制冷剂流通路径)为偶数，则由于能够将制冷剂口配置在装置的单侧，因此与外部的连接更简单。
实施形态4图5为根据实施形态4的功率变换装置的结构图。图(a)表示俯视图，(b)表示主视图，在(b)中将(a)的箭头B-B部分作为部分剖视图表示。与实施形态3的图4相同的部分用同一标号表示，并省略说明。另外，功率变换装置的电路图与实施形态1的图1相同。下面以与实施形态3的不同点为中心，根据图5进行说明。
本实施形态的功率变换装置如图(b)中的剖视图所示，将滤波电容器2嵌入与滤波电容器2的形状一致的、在冷却板5上形成的凹下部分10进行固定，这一点是与实施形态3的不同点。根据这样的结构，由于滤波电容器2与冷却板5利用底面及侧面接触，因此接触面积增大。除了该接触面积增大，还由于如图5(b)中用粗箭头所示，从滤波电容器2到制冷剂流通路径6(或辅助制冷剂流通路径8)的传热路径的长度缩短，因此滤波电容器2的冷却效果增大。
另外，一般滤波电容器2的高度比功率半导体元件1的高度要高。对于实施形态1～3中所示的滤波电容器2，在将滤波电容器2与功率半导体元件1安装到冷却板5上时，是假设双方的端子具有能够照原样连接的高度，但实际上很多情况下端子的高度不同。即使在这样的情况下，通过调节冷却板5上设置的凹下部分10的凹入深度，即使端子高度在例如图5所示的滤波电容器2那样的位置，也能够使滤波电容器2的端子高度与功率半导体元件1的端子高度一致，能够使导体的连接长度为最短。
另外，图5的制冷剂流通路径所示为与实施形态3相同的串联连接的流通路径，但也可以和实施形态1或实施形态2相同，使它们分别独立。
如上所述，根据本实施形态的发明，由于将滤波电容器嵌入与滤波电容器的形状一致的、在冷却板上形成的凹下部分进行固定，因此滤波电容器与冷却板的接触面积增加，另外，到制冷剂流通路径的传热路径缩短，所以能够增大滤波电容器的冷却效果。
另外，由于通过调节将一般高度比功率半导体元件要高的滤波电容器的底部嵌入冷却板的高度方向的位置，能够使滤波电容器的端子高度接近功率半导体元件的端子高度，减少功率半导体元件与滤波电容器之间的布线电感，能够抑制功率半导体元件在关断时的浪涌电压，因此还具有能够使用低额定电压的功率半导体元件的效果。
实施形态5图6为根据实施形态5的功率变换装置的结构的部分剖视图。整体结构图与实施形态4相同，图6所示为相当于图5的B-B剖视图的部分的剖视图。因而，除此以外，由于与实施形态4相同，因此省略相同部分的说明，以不同点为中心进行说明。
本实施形态的功率变换装置在滤波电容器2与冷却板5上形成的凹下部分10之间形成间隙，在该间隙中充填传热脂11。间隙例如取1mm左右。另外，图6为代表性地表示W相部分，但U相及V相也相同。
根据这样的结构，在功率变换装置通电时，由滤波电容器2产生的热量如图中用粗箭头所示，通过传热脂11，向冷却板5传热，利用最靠近的制冷剂流通路径6中流过的制冷剂进行冷却。
如上所述，根据本实施形态的发明，由于在滤波电容器与冷却板上形成的凹下部分之间形成间隙，在间隙中充填传热脂，因此能够用传热脂部分吸收滤波电容器因热膨胀而产生的尺寸变化，而且能够减小与冷却板的接触热阻，所以能够提高滤波电容器的冷却效果。
另外，在上述说明的实施形态1～5的任一发明中，功率半导体元件也可以是各相为1个，或者也可以是3个以上并联。另外，说明的是各组横向排列成1排的情况，但若为更大容量，则也可以以相同的交替配置横向排列2排。另外，功率半导体元件是作为IGBT进行说明的，但也可以使用GTO或晶体管等其它的开关元件。再有，功率变换装置说明的是逆变器装置，但也可以是整流器装置。
工业上的实用性本发明是例如电动汽车等中使用的功率变换装置，适用于将功率半导体元件作为多组件时的功率变换装置的冷却结构。
权利要求
1.一种功率变换装置的冷却结构，功率变换装置具有功率半导体元件及滤波电容器、从直流向交流或者从交流向直流进行功率变换，其特征在于，使所述功率半导体元件与所述滤波电容器的单侧相邻连接，构成一组，将多个所述组配置在冷却板上，使所述功率半导体元件与所述滤波电容器交替排列，在所述功率半导体元件的正下方的所述冷却板上设置冷却所述功率半导体元件及所述滤波电容器用的制冷剂流通路径。
2.如权利要求1所述的功率变换装置的冷却结构，其特征在于，在所述多个组中的、所述滤波电容器成为最末端的末端组的所述滤波电容器的附近，在位于与所述末端组的所述功率半导体元件相反侧的位置的所述冷却板上，设置辅助制冷剂流通路径。
3.如权利要求2所述的功率变换装置的冷却结构，其特征在于，在所述冷却板内形成连接所述制冷剂流通路径和所述辅助制冷剂流通路径、将整个作为一个串联路径用的连接流通路径。
4.如权利要求1至3的任一项所述的功率变换装置的冷却结构，其特征在于，将所述滤波电容器嵌入与所述滤波电容器的形状一致的、在所述冷却板上形成的凹下部分进行固定。
5.如权利要求4所述的功率变换装置的冷却结构，其特征在于，在所述滤波电容器与所述凹下部分之间形成间隙，在所述间隙中充填传热脂。
全文摘要
为了得到能够对功率变换装置的功率半导体元件(1)及滤波电容器(2)双方高效率地进行冷却的冷却结构，使多个功率半导体元件(1)与滤波电容器(2)的单侧相邻连接，构成组(3)，将多个组(3a～3c)横向排列配置在冷却板(5)上，使得功率半导体元件(1)与滤波电容器(2)交替排列，在功率半导体元件(1)正下方的冷却板(5)上设置使冷却功率半导体元件(1)及滤波电容器(2)用的制冷剂流通的制冷剂流通路径(6)。
文档编号H02M1/00GK1993875SQ20058002573
公开日2007年7月4日 申请日期2005年3月25日 优先权日2005年3月25日
发明者小林知宏 申请人:三菱电机株式会社