包括具有层叠结构的半导体模块的功率转换设备的制作方法

本发明涉及一种电力转换设备。

背景技术：

存在将被安装在例如电动车辆或混合动力车辆中的电力转换设备，电力转换设备具有其中半导体模块和冷却板被层叠的结构。例如，jp-a2010-16402公开了作为电连接至半导体模块的组件的电容器也与半导体模块和冷却板层叠。通过这样的配置，不仅半导体模块，而且电容器也可以被冷却板冷却。

然而，在通过将组件与半导体模块和冷却板层叠在一起而构成层叠体的情况下，可认为如果层叠体的堆叠方向的尺寸变大，则不利于抗振性。一方面，如果组件偏离层叠体布置，则组件的冷却不能通过冷却板执行。

技术实现要素：

本公开提供了一种电力转换设备，其抗振性优异且能够执行组件的冷却。

本公开的实施例是一种电力转换设备，包括：并入开关元件的半导体模块、电连接至所述半导体模块的多个组件，以及设置有多个冷却板的层叠冷却器、通过将至少所述多个冷却板与所述半导体模块层叠构成的层叠体。构成所述层叠体的所述多个冷却板之中的至少一个是其中从堆叠方向上观察的投影面积大于所述冷却板的的投影面积的大面积冷却板，以及所述组件中的至少一个是特定布置组件，特定布置组件在从所述堆叠方向观察时，被布置在与所述大面积冷却板重叠的特定位置中，并且在从与所述堆叠方向正交的方向观察时与所述层叠体重叠。

在所述功率转换设备中，所述组件中的至少一个是所述特定布置组件。因此，可抑制层叠体的堆叠方向的尺寸，并且使通过大面积冷却板冷却所述组件变得可能。

也就是说，所述组件中的至少一个是不作为层叠体的一部分的特定布置组件，因此与组件被形成作为层叠体的一部分的情况相比，层叠体的堆叠方向的尺寸可被最小化。因此，能够提高层叠体的抗振性。

进一步，特定布置组件被布置在所述特定位置中，因此，可能通过大面积冷却板直接或间接执行冷却。因此，可在不被并入到层叠体的一部分中的情况下冷却组件中的至少一个。

如上所述，所述实施例提供了一种电力转换设备，其具有优异的抗振性并且可以执行组件的冷却。

值得注意的是，权利要求书和用于解决问题的方法中所描述的括号中的附图标记表示以下实施例中描述的具体手段之间的对应关系，并且不限制本发明的技术范围。

附图说明

[图1]是根据第一实施例的电力转换设备的侧视图。

[图2]是根据第一实施例的电力转换设备的平面图。

[图3]是根据第一实施例的电力转换设备的前视图。

[图4]是根据第一实施例的电力转换设备的电路示意图。

[图5]是电力转换设备的侧视图，其中电容器和电抗器被并入到层叠体的一部分中。

[图6]是根据第二实施例的电力转换设备的侧视图。

[图7]是根据第三实施例的电力转换设备的侧视图。

[图8]是根据第四实施例的电力转换设备的侧视图。

[图9]是跨越图8的线ix-ix截取的剖面箭头截面图。

[图10]是根据第五实施例的电力转换设备的电路示意图。

[图11]是根据第五实施例的电力转换设备的侧视图。

[图12]是根据第五实施例的电力转换设备的平面图。

[图13]是根据第六实施例的电力转换设备的侧视图。

[图14]是根据第七实施例的电力转换设备的侧视图。

[图15]是根据第七实施例的电力转换设备的平面图。

[图16]是根据第八实施例的电力转换设备的侧视图。

[图17]是根据第九实施例的电力转换设备的侧视图。

具体实施方式

(第一实施例)

将参照图1至4说明电力转换设备的实施例。

如图1和图2所示，根据第一实施例的电力转换设备1包括半导体模块2、作为电连接至半导体模块2的组件的电容器31、电抗器32与电路板33，以及层叠冷却器4。

半导体模块2并入开关元件。层叠冷却器4包括多个冷却板40。层叠体10通过将至少多个冷却板40与半导体模块2层叠组成。组成层叠体10的多个冷却板40中的至少一个是大区域冷却板41，大区域冷却板41在堆叠方向x上的投影面积大于其他冷却板40。

在本实施例中，电容器31是布置在特定位置中的特定布置组件30。特定位置指的是，在从堆叠方向x观察时与大面积冷却板41重合，并且从与堆叠方向x正交的方向观察时与层叠体10重叠的位置。而且，布置在特定位置意味着，至少一个部分被布置在与特定位置对应的空间中。因此，特定布置组件30的至少一部分，在从堆叠方向x观察时与大面积冷却板41重叠，并且在从与堆叠方向x正交的方向观察时与层叠体10重叠。

在本公开中，层叠体10与特定布置组件30对齐方向被称为高度方向z，该对齐方向是与堆叠方向x正交的方向。此外，与高度方向z和堆叠方向x两者正交的方向被称为横向方向y。作为特定布置组件30的电容器31，在从堆叠方向x观察时与大面积冷却板41重叠，并且在从高度方向z观察时与层叠体10重叠。在本实施例中，电容器31，如图3所示，在从堆叠方向x观察时安置于大面积冷却板41的轮廓内，并且如图2所示，在从高度方向z观察时安置于层叠体10的轮廓中。

此外，在本实施例中，如图1和2所示，通过将电抗器32与冷却板40和半导体模块2层叠获得层叠体10，电抗器32是除特定布置组件30以外的组件。

而且，如图1和3所示，层叠体10被布置在高度方向z上的两个组件之间。此外，作为两个组件中的一个的电容器31成为特定布置组件30。进一步，彼此相对地布置在的一侧上并且在高度方向z上把层叠体10夹在中间的两个组件中的另一组件是电路板33，半导体模块2的信号端子3连接至电路板33。即，层叠体10被布置在高度方向z上的电容器31和电路基板33之间。

层叠冷却器4被构成使得冷却剂穿过内部。在每个冷却板40内侧形成冷却剂流动路径。除大面积冷却板41之外的冷却板40中的冷却剂流动路径沿着横向方向y形成。

如图1和2所示，大面积冷却板41被布置在层叠冷却器4之中的堆叠方向x的一端处。此外，大面积冷却板41设置有用于将冷却剂引入层叠冷却器4的冷却剂引入管421，以及用于将冷却剂从层叠冷却器4排出的冷却剂排放管422。

电抗器32被布置在大面积冷却板41和相邻的冷却板40之间。

就多个冷却板40而言，在堆叠方向x上彼此相邻的冷却板40通过在横向方向y的两端的连接管43彼此连接。此外，冷却剂引入管421和冷却剂排放管422连接至布置在堆叠方向x的一端的大面积冷却板41。因此，从冷却剂引入管421引入的冷却剂被分流并流至多个冷却板40，并且从冷却剂排放管422排出。而且，半导体模块2、电抗器32和冷却剂在冷却剂流过多个冷却板40时进行热交换。半导体模块2和电抗器32由此被冷却。此外，电容器31被流过大面积冷却板41的冷却剂间接冷却。

如图3所示，在从堆叠方向x观察时，冷却板40优选地具有形成于沿着其大致整体的内部的冷却剂流动路径401。具体而言，在从堆叠方向x观察时，大面积冷却板41优选具有形成于与半导体模块2重叠的部分中以及与特定布置组件30重叠的部分中的冷却剂流动路径401。在这种情况下，作为并入层叠体10中的组件的电抗器32和作为具体布置组件30的电容器31可被更有效地冷却。值得注意的是，在除了图3以外的附图中省略了对冷却剂流动路径401的描述。

然而，冷却板40可以具有其中未形成冷却剂流动路径的部分。例如，大面积冷却板41可以由设置在面向电抗器32的位置中或不设置在面向电容器31的位置中的冷却剂流动路径构成。关于此，从作为特定布置组件30的电容器31的冷却性能的观点出发，如上所述，大面积冷却板41中的冷却剂流动路径401优选被构成为设置在面向电抗器32的位置中和面向电容器31的位置中。

此外，构成层叠冷却器4的构件是诸如铝合金之类的金属。

根据第一实施例的电力转换设备被构成为执行例如在dc电源51和三相ac旋转电机52之间电力转换，如图4所示。电力转换设备1具有升压电路12和逆变器电路13。升压电路12由电抗器32和半导体模块2等构成。逆变器电路13由半导体模块2等构成。电容器31用作平滑电容器。电力转换设备1被构成为将dc电力转换为三相ac电力，以驱动旋转电机52。此外，在旋转电机52中生成的电力也可通过转换为逆变器电路13中直流电流再生。

每个半导体模块2结合有作为开关元件的上臂开关元件2u和下臂开关元件2d。

逆变器电路13设置有通过将上臂开关元件2u与下臂开关元件2d串联连接而获得的三相桥臂。每个开关元件由igbt(即，绝缘栅双极晶体管)构成。此外，续流二极管分别以反平行的方式连接至上臂开关元件2u和下臂开关元件2d。每个桥臂中的上臂开关元件2u和下臂开关元件2d的连接点分别连接至旋转电机52的三个电极。值得注意的是，开关元件不限于igbt，而且例如，可使用mosfet，即，mos场效应晶体管。

在本实施例中，构成逆变器电路13中的各个相的上臂开关元件2u和下臂开关元件2d具有两个相应开关元件的并联结构。此外，彼此串联连接的一个上臂开关元件2u和一个下臂开关元件2d被集成在一个半导体模块2中。

升压电路12包括彼此并联连接的两个上臂开关元件2u和彼此并联连接的两个下臂开关元件2d。此外，彼此并联连接的一个上臂开关元件2u和一个下臂开关元件2d被集成在一个半导体模块2中。

接下来，将说明本实施例的功能和效果。

作为所述电力转换设备1中的组件中的一个的电容器31是具体布置组件30。因此，可抑制层叠体10的堆叠方向x的尺寸，并且使通过大面积冷却板41冷却电容器31变得可能。

也就是说，如图1至3所示，电容器31是不作为层叠体10的一部分的特定布置组件30。因此，与电容器31被形成作为层叠体10的一部分的情况(如图5所示)相比，层叠体10的堆叠方向x的尺寸可被最小化。因此，能够提高层叠体10的抗振性。因此，通过抑制层叠体10的堆叠方向x的尺寸，即使例如将电力转换设备1安装在车辆的变速器中，从抗振性的视角来看也是有利的。此外，通过抑制堆叠方向x的尺寸，共振频率可增加，并且使防止发动机共振变得容易。

此外，电容器31被布置在所述特定位置中，因此，使通过大面积冷却板41直接冷却或间接冷却变成可能。

因此，通过将电容器31布置在所述特定位置中能够确保电容器31的抗振性和冷却性能的稳固性两者。

层叠体10通过将电抗器32与冷却板40和半导体模块2层叠获得，电抗器32是作为除特定布置组件30以外的组件。因此，当存在需要冷却的多个组件时，在最大程度抑制叠层体10的堆叠方向x的尺寸的同时，能够有效地冷却多个组件。

此外，在电容器31和电抗器32之中，具有相对大的发热量的电抗器32被并入层叠体10中并且被主动冷却，而具有相对小发热量的电容器31被布置在所述特定位置中。也就是说，如上所述，与可以吸收噪声的电容器31相比，用于升压的电抗器32容易产生噪声并且具有发热量。电抗器32被并入层叠体10中并且被主动冷却。另一方面，即使通设将特定布置组件30设置成远离层叠体10，电容器31也能够被充分冷却。因此，使实现整个电力转换设备1的有效冷却变得容易。

层叠体10被布置在电容器31和电路板33之间，电容器31和电路基板33是在高度方向z上的两个组件。此外，电容器31是特定布置组件30。因此，可在冷却电容器31的同时，抑制电路板33与电容器31之间的热干扰。

此外，大面积冷却板41被布置在层叠冷却器4之中的堆叠方向x的一端。与所述特定位置对应的空间可由此变得更大。因此，容易将特定布置组件30布置在特定位置中，并且可抑制电力转换设备1的增大。

此外，冷却剂引入管421和冷却剂排放管422被设置在大面积冷却板41中。因此，冷却剂引入管421和冷却剂排放管422的布置的自由度可被增加。

如上所述，所述实施例提供了一种电力转换设备，其具有优异抗振性并且可执行组件的冷却。。

(第二实施例)

第二实施例是如图6所示的配置，其中作为特定布置组件30的电容器31与大面积冷却板41表面接触。

也就是说，电容器31从堆叠方向x的一端与大面积冷却板41表面接触。电容器31和大面积冷却板41可直接表面接触，或者可经由传热组件(诸如，散热片)表面接触。

其他配置与第一实施例相同。

值得注意的是，在第二实施例中使用的附图标记之中，除非特别指出，在前述实施例中使用的相同附图标记指的是前述实施例中的相同的组成元件。

在本实施例中，电容器31可被更有效地冷却。

此外，第二实施例具有与第一实施例相同的操作效果。

(第三实施例)

在第三实施例中，如图7所示，至少一个组件分别布置成面向大面积冷却板41中的堆叠方向x上的两个表面。即，在本实施例中，dc-dc转换器34被布置第一面411中，第一面411是大面积冷却板41中的与半导体模块2侧相反的面。此外，电抗器32被布置在第二面412中，第二面412是大面积冷却板41中的与第一面411相对的侧上的面。此外，作为特定布置组件30的电容器31也被布置成面向大面积冷却板41的第二面412。

dc-dc转换器34设置有例如变压器、开关元件等，并且被构成为将高压dc电力转换为低压dc电力。

图7示出了其中电容器31被布置成面向大面积冷却板41并且在其间设置有空间的结构，但是电容器31可与大面积冷却板41表面接触。另外，图7示出了其中dc-dc转换器34与大面积冷却板41表面接触的结构，但是dc-dc转换器34可被布置成面向大面积冷却板41，并且可在dc-dc转换器34和大面积冷却板41之间设置空间。此外，在图7中省略了冷却剂引入管421和冷却剂排放管422，但是冷却剂引入管421和冷却剂排放管422可被适当地布置在层叠冷却器4中的适当位置处。其他配置细节与第一实施例中的相同。

在本实施例中，dc-dc转换器34也可通过大面积冷却板41冷却。因此，可能在也设置有dc-dc转换器34的电力转换设备1中执行有效的冷却。

此外，第三实施例具有与第一实施例相同的操作效果。

(第四实施例)

如图8和图9所示，第四实施例是电力转换设备1，电力转换设备1被构成为使得特定布置组件30的热量经由壳体6散发到大面积冷却板41。

也就是说，电力转换设备1设置有金属壳体6，金属壳体6容纳有半导体模块2、电容器31和层叠冷却器4。大面积冷却板41与壳体6接触。此外，作为特定布置组件30的电容器31被组装在壳体6中。

壳体6具有电容器31和设置在电抗器32和层叠体10之间的中间壁部61。此外，电容器31通过未图示出的螺栓固定至中间壁部61。壳体6的高度方向z的两侧被形成为开放表面。此外，盖601、602被附接至一对开放的表面，使得开放表面可被封闭。

此外，壳体6在堆叠方向x的一侧设置有开口62。壳体6被构成为使得层叠体10能够从开口62插入壳体6中。此外，大面积冷却板41与壳体6的外表面接触以封闭开口62。此外，dc-dc转换器34与大面积冷却板41的第一面411表面接触。即，dc-dc转换器34被布置在壳体6的外部。

其他结构与第三实施例相同。

在本实施例的情况下，作为特定布置组件30的电容器31的热量可经由壳体6被散发到大面积冷却板41。因此，能够有效地散发特定布置组件30的热量。此外，可改善特定布置组件30的布置的自由度。进一步，中间壁部61被布置在电容器31和半导体模块2之间，并因此可抑制电容器31和半导体模块2之间的热干扰。

此外，第四实施例具有与第三实施例相同的操作效果。

(第五实施例)

在第五实施例中，如图10至12所示，半导体模块2与彼此并联连接的多个上臂开关元件2u和彼此并联连接的多个下臂开关元件2d集成。

在本实施例中，并联连接的两个上臂开关元件2u和并联连接的两个下臂开关元件2d的四个开关元件被并入一个半导体模块2中。

其他结构与第一实施例相同。

在本实施例中，半导体模块2的数量可被最小化。因此，如图11和12所示，层叠体10的堆叠方向x的尺寸能够被最小化。也就是说，与第一实施例的情况相比，层叠体10中的半导体模块2的数量可减少一半。因此，层叠体10的堆叠方向x的大小能够显著减小。因此，可获得具有更优异的抗振性的电力转换设备1。此外，第五实施例具有与第一实施例相同的操作效果。

(第六实施)

在第六实施例中，如图13所示，两个组件被形成作为特定布置组件30。

也就是说，电容器31和电路板33被布置在特定位置中作为特定布置组件30。简而言之，在本实施例中，电路板33被布置在从堆叠方向x观察时与大面积冷却板41重叠以及在从高度方向z观察时与层叠体10重叠的位置中。

其他结构与第一实施例相同。

在本实施例的情况下，电路板33是特定布置组件30，因此能够有效地执行电路基板33的冷却。

此外，第六实施例具有与第一实施例相同的操作效果。

(第七实施例)

如图14和图15所示，第七实施例是电力转换设备1，其中冷却剂引入管421和冷却剂排放管422连接至除大面积冷却板41以外的冷却板40。在本实施方式中，冷却剂引入管421和冷却剂排放管422不连接至大面积冷却板41。此外，冷却剂引入管421和冷却剂排放管422连接至与大面积冷却板41被布置在层叠冷却器4中的一侧相对的堆叠方向x的一端的冷却板40。其他结构与第一实施例相同。

在本实施例的情况下，组件容易地布置成面向第一面411，第一面411是在大面积冷却板41中的与半导体模块2侧相反的一侧上。即，例如，如图14和15所示，dc-dc转换器34可被布置成面向大面积冷却板41的第一面411中的广泛区域。此外，使dc-dc转换器34与大面积的表面接触变得容易。因此，可有效地执行dc-dc转换器34的冷却。此外，第七实施例具有与第一实施例相同的操作效果。

(第八实施例)

在第八实施例中，如图16所示，层叠体10由冷却板40和半导体模块2构成。

也就是说，诸如电抗体32之类的组件没有在层叠体10中被层叠。此外，电容器31被认为是被布置在特定位置中的特定布置组件30。在从堆叠方向x观察时，仅电容器31的一部分与大面积冷却板41重叠。此外，在从高度方向z观察时，仅电容器31的一部分与层叠体10重叠。

其他结构与第一实施例相同。本实施例可产生与第一实施例相同的操作效果。

(第九实施例)

在第九实施例中，如图17所示，层叠冷却器4中的除堆叠方向x的任一端以外的冷却板40被形成作为大面积冷却板41。其他结构与第八实施例相同。本实施例可产生与第一实施例相同的操作效果。

本发明不限于所述实施例，并且可在不脱离本发明的范围的情况下进行相应修改。此外，在所述实施方式中，电容器或电路基板被形成作为具体布置组件，但是特定布置组件不限于此。例如，dc-dc转换器、电抗器和其他组件可被用作特定布置组件。