半导体功率转换装置的制作方法

本发明涉及将变压器及半导体单元收纳于壳体内的半导体功率转换装置。

背景技术：

具有冷却功能的半导体功率转换装置的现有技术例如被专利文献1(日本专利特开2007-74865号公报)所公开。参照附图对该现有技术进行说明。图6是基于专利文献1的记载的半导体功率转换装置，图6(a)是从左侧面观察到的内部结构图，图6(b)是从正面观察到的内部结构图。该功率转换装置100包括：壳体101、变压器102、半导体单元103、控制·输出盘104、及排气扇105。

如图6(b)所示，从正面观察时，控制·输出盘104配置于壳体101的内部右侧。如图6(a)、(b)所示，铺设在壳体101内部左侧的中段的分隔板101a将剩余的内部空间上下分隔，从而形成下侧空间101b及上侧空间101c。变压器102配置于下侧空间101b中。从图6(b)的正面观察时，上侧空间101c中配置有二列三段的半导体单元103。

在该分隔板101a的背面侧形成有导风口101d。并且，作为下侧空间101b的一部分的变压器102的背面侧的空间即下侧风洞101e和作为上侧空间101c的一部分的半导体单元103的背面侧的空间即上侧风洞101f通过导风口101d而连通。在壳体101的正面形成有未图示的门部，且在该门部形成有未图示的进气口。

关于变压器102的冷却，从未图示的门部前面的进气口获取冷却空气，该 冷却空气沿由图6(a)的单点划线所示的箭头方向流动。冷却空间沿着变压器102的表面流动，对变压器102进行冷却，并流至下侧风洞101e。下侧风洞101e内的温暖的空气通过导风口101d流到上侧风洞101f。

关于半导体单元103的冷却，从未图示的门部前面的进气口获取冷却空气，该冷却空气沿由图6(a)的虚线所示的箭头流动。冷却空气通过配置于半导体单元103的下部的冷却翅片部103a，对半导体单元103的内侧进行冷却并流向上侧风洞101f。上侧风洞101f内的温暖的空气被排气扇105排出，从而进行排热。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2007-74865号公报(段落编号[0006]～[0009]、图1、图2)

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

若使该现有技术的半导体功率转换装置的电压及电容变大，则发现会新产生以下(1)～(3)的问题。

(1)半导体功率转换装置的大型化

在使半导体功率转换装置100的电压及电容变大的情况下，变压器102及半导体单元103也变大。半导体功率转换装置100中，上下配置变压器102及半导体单元103，因此预想尤其会发生壳体101的高度增大，无法机械性稳定地设置半导体功率转换装置100的问题。此外，预想会发生由于高度尺寸的增大而无法设置于机械室等中的问题。对于以即使增大半导体功率转换装置的电压及电容也能稳定地设置半导体功率转换装置那样的小型结构为目标的课题，却并未关注。

(2)排气扇的大型化

在增加半导体功率转换装置100的电压及电容的情况下，为了提高冷却功能，也需要增加排气扇105的容量。然而，在该情况下，由于排气扇105的形状会变大，因此预想会发生无法稳定地设置于壳体101上的其他问题。对于以即使增大排气扇的容量也能稳定地设置半导体功率转换装置那样的小型结构为目标的问题，却并未关注。

(3)排热的困难性

半导体功率转换装置100中，用于排热的导风口101d的通风路径截面积因空间的限制而较小，积极冷却变压器102的能力较低。若因变压器102的大型化而导致损耗变大，则尤其下侧风洞101e、上侧风洞101f内的温度变高，难以有效地进行冷却。若能有效地进行冷却，则能使排气扇的容量变小。对于以即使增大上述半导体功率转换装置的电压及电容也能有效地冷却变压器及半导体单元并抑制温度上升的结构为目标的课题，却并未关注。

因此，本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于，提供一种半导体功率转换装置，该半导体功率转换装置采用有效地冷却变压器及半导体单元的小型且稳定的结构，并使电容及电压变得更大。

用于解决问题的技术方案

解决上述问题的本发明的特征在于，包括：

壳体，该壳体具有将变压器和半导体单元收纳于内部的内部空间；

分隔部，该分隔部将所述内部空间内的前后进行分隔，并形成有在正面侧收纳所述半导体单元的半导体单元收纳室和在背面侧收纳所述变压器的变压器收纳室；

隔壁部，该隔壁部配置于所述变压器收纳室内的下侧，形成有收纳所述变压器的下侧的一部分，并与所述变压器的内侧相连通的风洞；

形成于所述隔壁部的正面侧开口部；

上侧开口部，该上侧开口部形成于所述分隔部，使所述半导体单元收纳室 与所述变压器收纳室相连通；

下侧开口部，该下侧开口部以与所述隔壁部的所述正面侧开口部相对的方式形成于所述分隔部，使所述半导体单元收纳室与所述风洞相连通；以及

排气扇，该排气扇设置于所述壳体的上侧，从所述变压器收纳室的上侧进行排气，

进入所述半导体单元收纳室的冷却空气分流为第一路径和第二路径，

所述第一路径中，冷却空气通过形成于所述半导体单元的内侧的流路来流动并进行冷却，通过所述上侧开口部，从所述半导体单元收纳室流入所述变压器收纳室，在对所述变压器的外侧进行冷却后，利用所述排气扇将其从所述变压器收纳室排出，

所述第二路径中，冷却空气经由所述半导体单元收纳室、所述下侧开口部及所述正面侧开口部而流入所述风洞，在对所述变压器的内侧进行冷却后流入所述变压器收纳室，利用所述排气扇将该空气从所述变压器收纳室排出。

本发明的半导体功率转换装置的所述第一路径中，从所述半导体单元排出的冷却空气在所述上侧开口部一边加快流速一边被排出，将该冷却空气喷到位于所述半导体单元的后方的所述变压器的外侧来进行冷却。

本发明的功率转换装置的所述第一路径中，在所述半导体单元的后方的不存在所述变压器的部位以与所述上侧开口部隔开一定距离的方式设置板状的屏蔽部，使从所述上侧开口部喷出的冷却空气的流速实现均匀化，并使冷却空气集中流动，使得冷却空气沿着所述屏蔽部流动并接触所述变压器的外侧。

发明效果

根据本发明，能提供一种半导体功率转换装置，该半导体功率转换装置采用有效地冷却变压器及半导体单元的小型且稳定的结构，并使电容及电压变得更大。

附图说明

图1是用于实施本发明的方式的半导体功率转换装置的主视图。

图2是拆除用于实施本发明的方式的半导体功率转换装置中的排气扇、门及控制部门并从正面观察到的内部结构图。

图3是拆除用于实施本发明的方式的半导体功率转换装置中的顶板及排气扇并俯视观察到的内部结构图。

图4是拆除了用于实施本发明的方式的半导体功率转换装置中的排气扇、门、半导体单元及控制部门并从正面观察到的内部结构图。

图5是拆除了用于实施本发明的方式的半导体功率转换装置中的侧壁并从左侧面观察到的内部结构图。

图6是现有技术的半导体功率转换装置，图6(a)是从左侧面观察到的内部结构图，图6(b)是从正面观察到的内部结构图。

具体实施方式

接着，参照附图对用于实施本发明的方式所涉及的半导体功率转换装置进行说明。首先，对本方式的半导体功率转换装置1所具备的结构进行说明。该功率转换装置1的外观如图1所示那样，包括壳体2、控制部3、排气扇4、门5、及进气口6。

在呈长方体且坚固的结构体即壳体2的前面，两扇门5构成为可开闭。在这些门5的前面形成有开口为格栅状的进气口6。壳体2的上侧配置有将空气从半导体功率转换装置1的内部排出的排气扇4。若排气扇4进行工作，则作为冷却空气的外部气体通过进气口6被吸入半导体功率转换装置1内，经过后述的半导体功率转换装置1内的第一、第二路径从排气扇4被排出。

其内部，如图2、图3、图5所示包括半导体单元7，如图3、图5所示包括变压器8、隔壁10、半导体单元收纳室11、变压器收纳室12，如图3、图4、图5所示包括分隔部9，如图5所示包括屏蔽部13、底座部14、风洞15。

如图1所示，从正面观察时，半导体功率转换装置1的控制部3配置于壳体2的内部右侧。控制部3中由多个控制设备构成。如图3、图4、图5所示，分隔部9以对剩余的内部空间的前后进行分隔的方式铺设，从而形成半导体单元收纳室11及变压器收纳室12。如图2、图3、图5所示，半导体功率转换装置1的内部结构中，从正面观察时五列三段(特别参照图2)的半导体单元7配置于半导体单元收纳室11中，此外，变压器8配置于变压器收纳室12中。

如图2所示，半导体单元7包括冷却翅片7a、电解电容器7b。半导体单元7例如是包含IGBT(绝缘栅双极晶体管)等半导体开关元件、电解电容器7b以及其他发热量较大的电子元件的功率转换电路，该功率转换电路集中地安装于冷却翅片7a并进行单元化。冷却翅片7a和电解电容器7b配置于流路(参照图5)内，冷却空气通过这些流路。上述半导体单元7为三层，收纳有U、V、W三相。

分隔部9形成有图4所示那样的冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b。冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b是本发明的上侧开口部。分别形成有与半导体单元7相同数量(本方式中分别为15个)的冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b。冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b使半导体单元收纳室11和变压器收纳室12连通，从而冷却空气进行流通。从正面的进气口6进入的冷却空气在半导体单元收纳室11的半导体单元7的内侧流动，通过这些冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b，流至变压器收纳室12。

该分隔部9也形成有图4所示那样的变压器初级绕组用开口部9c。变压器初级绕组用开口部9c是本发明的下侧开口部。后文将进行阐述，形成为与隔壁10的前侧开口部10c相对。

如图5所示，变压器收纳室12中，变压器8设置于分隔部9的背面侧。变压器8的下侧由底座部14所支承。变压器8例如是三相式变压器，铁心8a的一部分 位于上侧和下侧。该变压器8也是发热单元。变压器8是重量较重的物体，因此配置于下部，此外，由于相对而言无需保养，因此配置于背面侧的变压器收纳室12中。

隔壁10具有上板10a、纵板10b、前侧开口部10c，由隔壁10进行划分而形成变压器下部的空间即风洞15。隔壁10的前侧的纵板10b与分隔部9相对(或接触)，此外上板10a的背面侧的端部与壳体2的背面内壁相接触。隔壁10的左右两端也形成有未图示的分隔板，用于划分风洞15。

变压器8的铁心8a位于该风洞15内。隔壁10的上板10a是安装于绕组正下方的平面方向的分隔板，该上板10a上开有孔。该孔例如是供铁心8a通过的孔，此外，是使冷却空气抵达变压器8内部的初级绕组的孔。绕组具有U、V、W三个，形成有使冷却空气分别抵达它们的孔。由变压器初级绕组用开口部9c获取的空气经过前侧开口部10c流入风洞15，对下侧的铁心8a进行冷却，从该风洞15通过孔并通过变压器8的初级绕组的内侧，对上侧的铁心8a进行冷却，最终流入变压器收纳室12。

接着，对冷却空气的流动进行说明。进入半导体单元收纳室11的冷却空气的流动具有两种路径，即、由图5的单点划线的箭头所示的第一路径和由图5的虚线的箭头所示的第二路径。

第一路径是经由半导体单元7的在上侧流动的路径。由正面的门5的进气口6获取的冷却空气如单点划线的箭头所示那样在半导体单元7的配置有冷却翅片部7a及电解电容器部7b的流路上流动，并对半导体单元7的内侧进行冷却。然后，冷却空气通过分隔部9的冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b，并流入变压器收纳室12。该流入的冷却空气对变压器8的次级绕组的前侧进行冷却。并且，绕到变压器8的背面侧，对次级绕组的后侧也进行冷却。冷却空气对次级绕组的整个表面进行冷却，并流向变压器收纳室12的上方，通过排气扇4被排出壳体2的外部，以进行排热。

此处，从半导体单元7排出的冷却空气通过分隔部9的冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b。这些开口部是通风路径截面积较小的孔，通过时冷却空气的流速得以提高，这些冷却空气直接喷到变压器8的次级绕组的表面上。这些流速较快的冷却空气能有效地获取热量，能提高冷却效率。

此外，本方式中，设有屏蔽部13。在变压器8的高度相对于壳体2较低的情况下，若假设没有屏蔽部13，则从上段的半导体单元7排出的冷却空气会直接被排气扇4排出，而不对变压器8的次级绕组进行冷却。为了有效地对变压器8进行冷却，希望使半导体单元7排出的冷却空气尽可能地向变压器8喷射。因此，设置板状的屏蔽部13来改变冷却空气流动的方向，使其流向变压器8。由此，通过冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b的所有冷却空气均对变压器8进行冷却，因此提高了冷却效率。

若假设上段的半导体单元7的后侧没有屏蔽部13，则与中段和下段相比,通过上段的冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b的冷却空气的风速上升，有大量的冷却空气流过上段，可能会导致冷却平衡变差。本发明中，在上段的半导体单元7的后侧设有使冷却空气难以流过的板状的屏蔽部13，因此起到使通过上中下段所有的冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b的冷却空气的风速相等的作用，使得冷却平衡不发生偏移。

第二路径是不经由半导体单元7的在下侧流动的路径。从进气口6进入的冷却空气通过变压器初级绕组用开口部9c及前侧开口部10c，并流入变压器下部的风洞15。对下侧的铁心8a进行冷却，冷却空气通过变压器8的初级绕组的内侧以对其进行冷却，对上侧的铁心8a进行冷却，流入变压器收纳室12，并通过排气扇4被排出到壳体2的外部，从而进行排热。该冷却空气不通过半导体单元7，因此是不温暖的冷却空气，能有效地对变压器8内侧的初级绕组进行冷却。

以上，对本发明的半导体功率转换装置1进行了说明。根据该半导体功率 转换装置1，能将半导体单元7和变压器8以在前后方向上排列的方式收纳于同一壳体2中。由此，特别成为高度较低的装置，实现了小型化，即使在排气扇4、半导体单元7及变压器8变大的情况下，也能降低因变得不稳定而倒塌的风险，实现了稳定化。

根据该半导体功率转换装置1，在第一路径利用寒冷的冷却空气对半导体单元7进行冷却，且在第二路径利用寒冷的冷却空气对变压器8进行冷却，从而半导体单元7及变压器8的冷却效果得以提高，并能提高半导体功率转换装置1的电容的增加或过负载耐量。

变压器8的冷却空气被分为对变压器8的外侧(次级绕组)进行冷却的第一路径和对变压器8的内侧(初级绕组)进行冷却的第二路径。第一路径中，虽然冷却空气经由半导体单元7而变暖了，但由于经由了通风路径截面积较窄的冷却翅片用开口部9a及电解电容器用开口部9b，因此流速变快，通过使流速变快的冷却空气喷到变压器8的次级绕组，从而提高了次级绕组的冷却效率。第二路径中，寒冷的冷却空气对变压器8的温度特别容易上升的内侧有效地进行排热，从而提高了初级绕组的冷却效果。

此外，对用于对半导体单元7和变压器8进行冷却的排气扇4、进气口6采用共用结构，能以较少的元器件个数来有效地导入冷却空气，也有助于小型化。

工业上的实用性

本发明的半导体功率转换装置是使用变压器和半导体单元的装置，例如能适用于将交流电转换成直流电的整流器、将直流电转换成具有所希望的电压和频率的交流电的逆变器等装置中，能期待其被广泛利用。

标号说明

1：半导体功率转换装置

2：壳体

3：控制部

4：排气扇

5：门

6：进气口

7：半导体单元

7a：冷却翅片

7b：电解电容器

8：变压器

8a：铁心

9：分隔部

9a：冷却翅片用开口部

9b：电解电容器用开口部

9c：变压器初级绕组用开口部

10：隔壁

10a：上板

10b：前板

10c：前侧开口部

11：半导体单元收纳室

12：变压器收纳室

13：屏蔽部

14：底座部

15：风洞