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公開番号2021103932
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2019235121
出願日20191225
発明の名称電力変換システム
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】冷却器としての汎用性を確保しつつ、半導体モジュールが備える最大発熱量が異なる複数の半導体素子を効率よく冷却できる技術を提供する。
【解決手段】電力変換システムは、電力変換器の1つの相単位として作動するレグを構成する複数の半導体素子271,272が一体化された半導体モジュール27と、前記レグを構成する前記複数の半導体素子を冷却する冷却流路を備える冷却器と、を備え、前記半導体モジュールは、前記レグを構成する前記複数の半導体素子のうち、最大発熱量が大きい半導体素子271が前記冷却流路の上流側となり、前記最大発熱量が小さい半導体素子272が前記冷却流路の下流側となるように前記冷却器に対して配置される。
【選択図】 図2
特許請求の範囲【請求項1】
電力変換器の1つの相単位として作動するレグを構成する複数の半導体素子(271,272,51〜56,811,812,821,822,831,832,841,842,851,852,861,862,111〜116)が一体化された半導体モジュール(21〜27,50,81〜86,110)と、
冷媒が流れることにより前記レグを構成する前記複数の半導体素子を冷却する冷却流路(40〜47,63〜65,73〜75,93〜95,103〜105,123〜125)を備える冷却器(30,60,70,90,100,120)と、
を備える電力変換システム(1〜6)であって、
前記半導体モジュールは、前記レグを構成する前記複数の半導体素子のうち、最大発熱量が大きい半導体素子(271,51〜53,811,821,831,841,851,861,111,113,115)が前記冷却流路の上流側となり、前記最大発熱量が小さい半導体素子(272,54〜56,812,822,832,842,852,862,112,114,116)が前記冷却流路の下流側となるように前記冷却器に対して配置される電力変換システム。
続きを表示(約 1,200 文字)【請求項2】
複数の前記半導体素子は、上面視したときの形状が略長方形であり、
前記半導体モジュールは、複数の前記半導体素子の略長方形の短辺方向が、前記冷却流路の冷媒の流れ方向に略平行となる位置関係で配置される請求項1に記載の電力変換システム。
【請求項3】
前記冷却器は、前記冷却流路を内部に備えるとともに厚み方向に積層された複数の冷却板(40〜47)と、前記複数の冷却板の積層方向に連結する入口流路(31)および出口流路(32)とを備える積層冷却器であり、
前記冷媒は、前記入口流路から流入して前記複数の冷却板の冷却流路を通過して前記出口流路から流出し、
複数の前記半導体モジュールは、前記積層冷却器の前記冷却板の間に、最大発熱量が大きい前記半導体モジュールほど前記入口流路の上流側となる順序で配置される請求項1または2に記載の電力変換システム。
【請求項4】
前記半導体モジュールは、その外部に露出するとともに前記複数の半導体素子のそれぞれに電気的に接続する複数の外部端子(271g,272g,276,51d,56d,111d,116d)と、を備え、
前記複数の外部端子が露出する方向は、前記半導体素子に対して前記冷却流路の冷媒の流れ方向に略垂直な方向である請求項1〜3のいずれかに記載の電力変換システム。
【請求項5】
前記レグを構成する複数の半導体素子は、直列に接続された1組の上アームスイッチおよび下アームスイッチであり、
前記半導体モジュールは、前記上アームスイッチと前記下アームスイッチのうち、前記電力変換器が作動する際の最大発熱量が大きい側の一方のスイッチは前記冷却流路の上流側となり、他方のスイッチは前記冷却流路の下流側となるように配置される請求項1〜4のいずれかに記載の電力変換システム。
【請求項6】
前記半導体モジュール(50,110)は、前記上アームスイッチおよび前記下アームスイッチの組を複数含み、
前記冷却器は、前記上アームスイッチおよび前記下アームスイッチの各組を冷却する複数の前記冷却流路を含み、
複数の前記上アームスイッチおよび前記下アームスイッチの組は、互いに前記冷却流路における前記冷媒の流れ方向に略直交する方向に沿って配置される請求項5に記載の電力変換システム。
【請求項7】
複数の前記半導体モジュール(81〜86)をそれぞれ冷却する前記冷却流路が直列に接続されており、
複数の前記半導体モジュールは、各々に含まれる複数の半導体素子のうち、最大発熱量が大きい半導体素子ほど前記冷却流路の上流側となり、前記最大発熱量が小さい半導体素子ほど前記冷却流路の下流側となるように配置される請求項1〜6のいずれかに記載の電力変換システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換器として作動する複数の半導体素子を含む半導体モジュールと、この複数の半導体素子を冷却する冷却器とを備えた電力変換システムに関する。
続きを表示(約 7,400 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1に、電力変換器として機能する半導体モジュールと、冷却装置とを含む電力変換装置(電力変換システム)が記載されている。半導体モジュールは、最大発熱量が異なる複数の発熱素子(半導体素子)を含む。冷却装置は、発熱素子を冷却するための冷却ブロックと、冷却ブロックを介して発熱素子による発熱を放熱する冷却フィンとを備える。この冷却装置では、冷却ブロックの均熱化を目的として、冷却ブロックに接触するヒートパイプが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2012−75251号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電力変換システムにおいて、インバータのスイッチング素子として複数の半導体素子が用いられる。複数の半導体素子の最大発熱量が互いに異なると、最大発熱量の大きい半導体素子ほど素子温度が高温となって素子の劣化が早くなる等の特性のばらつきが生じ得ることが懸念される。これを抑制するためには、最大発熱量が大きい半導体素子を効率よく冷却し、除熱量を大きくして、複数の半導体素子間の素子温度のばらつきを抑制することが有効である。
【0005】
特許文献1では、複数の発熱素子の発熱量に偏りが生じる場合において冷却効率が低下することを抑制するために、ヒートパイプは、最大発熱量が比較的大きい発熱素子の近傍で分割されている。すなわち、冷却する半導体モジュールにおける最大発熱量が比較的大きい半導体素子の位置に応じてヒートパイプの形状が決定される。このため、ヒートパイプを含む冷却装置の構成は、実質的に、冷却する半導体モジュール専用に設計されるものとなる。このため、最大発熱量が大きい半導体素子の位置が異なる半導体モジュールや、各半導体素子の最大発熱量が殆ど相違しない半導体モジュールなどに適用する際に、冷却装置としての機能を十分に活かすことができない場合があり、汎用性が低い。
【0006】
上記に鑑み、本発明は、冷却器としての汎用性を確保しつつ、半導体モジュールが備える最大発熱量が異なる複数の半導体素子を効率よく冷却できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、電力変換器の1つの相単位として作動するレグを構成する複数の半導体素子がモールド材に一体に封止された半導体モジュールと、前記レグを構成する前記複数の半導体素子を冷却する冷却流路を備える冷却器と、を備える電力変換システムを提供する。この電力変換システムでは、前記半導体モジュールは、前記レグを構成する前記複数の半導体素子のうち、最大発熱量が大きい半導体素子が前記冷却流路の上流側となり、前記最大発熱量が小さい半導体素子が前記冷却流路の下流側となるように前記冷却器に対して配置される。
【0008】
本発明の電力変換システムでは、電力変換器の1つの相単位として作動するレグを構成する複数の半導体素子のうち、最大発熱量が大きい半導体素子が冷却流路の上流側となり、最大発熱量が小さい半導体素子が冷却流路の下流側となるように、半導体モジュールが冷却器に対して配置される。このため、最大発熱量が大きい半導体素子については、冷却流路における上流側を流れる比較的低温の冷媒によって冷却でき、除熱量を大きくすることができる。また、最大発熱量が小さい半導体素子については、冷却流路における下流側を流れる、上流側よりも温度が上昇した冷媒によって冷却でき、除熱量は比較的小さくなる。最大発熱量が大きい半導体素子ほど冷却流路の上流側に配置されて、より低温の冷媒によって効率よく冷却することにより除熱量が大きくなるため、半導体素子間の温度のばらつきを抑制できる。さらには、冷却器における冷却流路の冷媒の流れ方向に応じて、半導体モジュールを配置することにより、半導体素子間の温度のばらつきを抑制する効果を得られる。このため、電力変換システムにおいて、冷却器としての汎用性を確保しつつ、半導体モジュールが備える最大発熱量が異なる複数の半導体素子を効率よく冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
第1実施形態に係る電力変換システムの概要図。
図1に示す電力変換システムにおける冷却板と半導体モジュールとの位置関係を示す図。
図1に示す半導体モジュールの平面図。
図3のIV−IV線断面図。
図3のV−V線断面図。
図3に示す半導体モジュールを示す回路図。
半導体モジュールが適用される回転電機の駆動装置。
回転電機をH駆動する際の非対称スイッチング制御の一例としての交互PWM駆動の駆動パターンを示す図。
図7に示す交互PWM駆動時の電流経路を示す図。
図1に示す冷却器における半導体モジュールの設置位置と熱抵抗との関係を示す図。
冷却板と半導体素子との関係を示す図。
第2実施形態に係る電力変換システムの概要図。
第3実施形態に係る電力変換システムの平面図。
図13のXIV−XIV線断面図。
第4実施形態に係る電力変換システムの平面図。
図15のXVI−XVI線断面図。
変形例に係る電力変換システムの概要図。
変形例に係る電力変換システムの概要図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
(第1実施形態)
図1に示すように、第1実施形態に係る電力変換システム1は、冷却器30と、複数の半導体モジュール21〜27とを備えている。
【0011】
図1,2に示すように、冷却器30は、厚み方向(図1に示すy軸方向)に積層された複数の冷却板40〜47と、冷却板40〜47の積層方向に延在し、冷却板40〜47とを連結する入口流路31および出口流路32とを備える積層冷却器である。冷却板40〜47は、大きさおよび形状が同一であり、互いに概ね等間隔で、y軸の正方向から負方向に向かって冷却板40,41,…,47の順序で配置されている。
【0012】
冷却板40〜47の形状について、図2に冷却板47を例示してさらに説明する。zx平面視すると、冷却板47は、略六角形状であり、その内部に冷媒が流れる流路である冷媒流路が設けられている。冷却板47は、x軸の正方向の端部に入口側接続孔471を備え、x軸の負方向の端部に出口側接続孔472を備えている。入口側接続孔471には、入口流路31が接続され、出口側接続孔472には、出口流路32が接続される。入口流路31と、冷却板47内の冷媒流路と、出口流路32とは、連通するように接続されている。入口流路31から冷却器30に供給される冷媒は、入口流路31内をy軸の負方向に向かって流れて、入口側接続孔471から冷却板47内に流入する。冷媒は、冷却板47内をx軸の正方向に向かって流れて、出口側接続孔472から出口流路32の内部に流出する。出口流路32においては、冷媒はy軸の正方向に向かって流れて、冷却器30から排出される。冷却板40〜46においても、同様に、入口流路31内をy軸の負方向に向かって流れる冷媒は、入口側接続孔から冷却板40〜46に流入し、冷却板40〜46内をx軸の正方向に向かって流れて、出口側接続孔から出口流路32の内部に流出する。
【0013】
冷却板40〜47内には、インナーフィン等の冷媒の流れ方向や乱れ等を調整する構成が設けられていてもよい。冷却板40〜47内の冷媒の流路は、x軸の正方向に向かって直線的に形成された流路である必要はなく、z軸方向やy軸方向に蛇行しながら全体としてx軸の負方向側が上流かつ正方向側が下流となっていればよい。
【0014】
複数の半導体モジュール21〜27は、外観の形状および大きさが同じ半導体モジュールである。図3〜5に例示する半導体モジュール27は、zx平面視するときに略長方形となるモールド材273と、モールド材273の長方形の長辺側からz軸の負方向に突出する第1外部端子271g,272gと、z軸の正方向に突出する第2外部端子276と、モールド材273のy方向の両面においてモールド材273から露出する電極271a,272a,271f,272fとを備えている。
【0015】
半導体モジュール21〜27は、モールド材273の略長方形の長辺方向が、冷却板40〜47内を流れる冷媒の流れ方向に略平行となる位置関係で配置されている。第1外部端子271g,272gおよび第2外部端子276がモールド材273から露出する方向は、冷却流路としての冷却板47における冷媒の流れ方向(x軸方向)に略垂直な方向(z軸方向)である。冷却板40〜47を冷媒が通過することによって、半導体モジュール21〜27におけるレグを構成する2つの半導体素子を冷却できる。冷却板40〜47は、冷媒が流れることによりレグを構成する複数の半導体素子を冷却する冷却流路の機能を有する。
【0016】
モールド材273の内部には、x軸方向に隣接して配置された状態で、上面視したときの形状が略長方形である2つの半導体素子271,272が封止されている。半導体素子271,272は、その略長方形の短辺方向(x軸方向)に並べて配置された状態で、モールド材273に封止されている。例えば、半導体素子271,272が縦型のMOSFETである場合には、y軸の正方向側がドレイン電極であり、y軸の負方向側がソース電極である。
【0017】
半導体素子271,272のドレイン電極は、それぞれ、はんだ接合層271b、272bを介して電極271a,272aに接合されている。半導体素子271,272のソース電極は、それぞれ、はんだ接合層271c,271e,272c,272eおよび電極271d,272dを介して、電極271f,272fに接合されている。電極271fと電極272aとは、接続部277によって電気的に接続されている。これによって、図6に示すように、半導体素子271のソース電極と、半導体素子272のドレイン電極とは互いに接続されて、半導体素子271と半導体素子272とは直列接続されている。
【0018】
第1外部端子271g,272gは、それぞれ、半導体素子271,272の電極パッドにボンディングワイヤによって接続された制御端子である。第2外部端子276は、それぞれ、半導体素子271,272のパワー端子である。より具体的には、図3,6に示すように、制御端子である第1外部端子271g,272gは、それぞれ、半導体素子271,272のエミッタ端子(E端子)、ゲート端子(G端子)、電流検出セル端子(S端子)、温度検出ダイオードのアノード端子(A端子)およびカソード端子(K端子)を含んでいる。また、パワー端子である第2外部端子276は、正極端子(P端子)、負極端子(N端子)、出力端子(O端子)を含んでいる。P端子は、電極271aと電気的に接続しており、N端子は、電極272fと電気的に接続しており、O端子は、電極271fおよび電極272aと電気的に接続している。
【0019】
図1に示すように、半導体モジュール21〜27は、冷却器30の冷却板40の間に1つずつ収容され、冷却板41〜46を介して厚み方向(y軸方向)に積層された状態で配置される。半導体モジュール21は、冷却板40と冷却板41とに接して挟持されている。半導体モジュール22は、冷却板41と冷却板42とに接して挟持されている。半導体モジュール23は、冷却板42と冷却板43とに接して挟持されている。半導体モジュール24は、冷却板43と冷却板44とに接して挟持されている。半導体モジュール25は、冷却板44と冷却板45とに接して挟持されている。半導体モジュール26は、冷却板45と冷却板46とに接して挟持されている。半導体モジュール27は、冷却板46と冷却板47とに接して挟持されている。冷却板40〜47は、半導体モジュール21〜27の2つの平面に露出して設けられた電極(例えば電極271a,271f,272a,272f)を介して、モールド材の内部の半導体素子(例えば半導体素子271,272)を冷却する。半導体モジュール21〜27における発熱は、y軸の正方向および負方向において接する2つの冷却板によって効率よく除熱される。
【0020】
図2に示すように、半導体モジュール27は、冷媒の流れ方向の上流側(x軸の負方向側)に半導体素子271が配置され、下流側(x軸の正方向側)に半導体素子272が配置された状態となるように、冷却板46と冷却板47との間に挟持されている。冷却板46および冷却板47内を流れる冷媒は、半導体素子271を冷却した後に、半導体素子272を冷却する。半導体モジュール21〜27は、2つの半導体素子271,272の略長方形の短辺方向が、冷却板40〜47の冷媒の流れ方向に略平行となる位置関係で配置されている。
【0021】
半導体モジュール21〜27は、最大発熱量が大きい半導体モジュールほど入口流路の上流側となる順序で配置される。半導体素子271,272は、電力変換器の1つの相単位として作動するレグを構成する2つの半導体素子であり、より具体的には、直列に接続された1組の上アームスイッチおよび下アームスイッチである。
【0022】
図7に、半導体素子271,272が適用される電力変換回路の一例を示す。図7は、回転電機の駆動制御を実行する駆動装置10を示す。回転電機は、U相巻線Uと、V相巻線Vと、W相巻線Wとを備えている。駆動装置10は、駆動回路11と、制御部12と、直流電源VDCとを備えている。駆動回路11は、第1インバータINV1と、第2インバータINV2と、高電位接続線Laと、低電位接続線Lbと、接続線スイッチSCとを備えている。
【0023】
第1インバータINV1は、直流電源VDCに接続されており、回転電機のU相巻線の一端に接続された上アームスイッチSU1a及び下アームスイッチSU1bと、V相巻線の一端に接続された上アームスイッチSV1a及び下アームスイッチSV1bと、W相巻線の一端に接続された上アームスイッチSW1a及び下アームスイッチSW1bとを備える。
【0024】
第2インバータINV2は、直流電源VDCに接続されており、回転電機のU相巻線の他端に接続された上アームスイッチSU2a及び下アームスイッチSU2bと、V相巻線の他端に接続された上アームスイッチSV2a及び下アームスイッチSV2bと、W相巻線の他端に接続された上アームスイッチSW2a及び下アームスイッチSW2bとを備える。
【0025】
半導体素子271,272は、それぞれ、直列に接続された1組の上アームスイッチおよび下アームスイッチとして機能する。高電位接続線Laは、第1インバータINV1の直流高電位側と第2インバータINV2の直流高電位側とを接続する配線である。低電位接続線Lbは、第1インバータINV1の直流低電位側と第2インバータの直流低電位側とを接続する。
【0026】
第1インバータINV1において、各相の上アームスイッチSU1a,SV1a,SW1aの高電位側端子は直流電源VDCの正極端子に接続され、各相の下アームスイッチSU1b,SV1b,SW1bの低電位側端子は直流電源VDCの負極端子に接続されている。
【0027】
第2インバータINV2において、各相の上アームスイッチSU2a,SV2a,SW2aの高電位側端子は高電位接続線Laに接続され、各相の下アームスイッチSU2b,SV2b,SW2bの低電位側端子は低電位接続線Lbに接続されている。
【0028】
第1インバータINV1において、各相の上アームスイッチSU1a,SV1a,SW1aと下アームスイッチSU1b,SV1b,SW1bとの間の中間点には、それぞれ、巻線U、V、Wの一端(第2インバータINV2と接続されていない一端)が接続されている。第2インバータINV2において、各相の上アームスイッチSU2a,SV2a,SW2aと下アームスイッチSU2b,SV2b,SW2bとの間の中間点には、それぞれ、巻線U、V、Wの一端(第1インバータINV1と接続されていない一端)が接続されている。
【0029】
接続線スイッチSCは、高電位接続線Laに設けられており、高電位接続線Laを導通または遮断することにより、第1インバータINV1と第2インバータINV2とを導通または遮断する。接続線スイッチSCが閉状態(オン状態)の場合には、駆動回路11は、Hブリッジ回路として利用することができ、回転電機のH駆動が可能となる。
【0030】
接続線スイッチSCが開状態(オフ状態)の場合には、駆動回路11によって回転電機のY駆動が可能となる。例えば、第2インバータINV2の全ての上アームスイッチSU2a,SV2a,SW2aを閉状態とするとともに全ての下アームスイッチSU2b,SV2b,SW2bを開状態とすることにより、回転電機のY駆動が可能となる。すなわち、回転電機のU相巻線Uと、V相巻線Vと、W相巻線WとをY結線で接続することができる。この場合、上アームスイッチSU2a,SV2a,SW2aは、Y結線(星形結線)の中性点を構成する中性点構成スイッチに相当する。
(【0031】以降は省略されています)

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