專利名稱：電力轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力轉換裝置。
背景技術：
電力轉換裝置是用于對驅動電氣化鐵路車輛的電動機進行控制的裝置，其設置在 車輛的地板下面等。由于車輛的地板下面等的空間是有限的，因此優選使電力轉換裝置小 型化。現有的電力轉換裝置公知有如下結構如專利文獻1所示，L字形狀的熱管的受熱部 與受熱構件熱接觸，從熱管受熱部立起的散熱部配置成交錯狀，由此提高散熱性能。專利文獻1 日本特開平11-251499號公報在現有結構中，由于熱管的受熱部沒有遍及受熱構件的整體配置，因此存在由于 受熱構件的位置的不同使得冷卻沒有充分進行而產生溫度高的部分的問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種通過充分地冷卻受熱構件以及功率半導體元件從而 小型化的電力轉換裝置。為了實現上述目的，在本發明的電力轉換裝置中具有多個功率半導體元件、受熱 構件、多個熱管及多個散熱片，所述電力轉換裝置為下述結構多個功率半導體元件安裝在 受熱構件的一側，多個熱管安裝在所述受熱構件的另一側，多個熱管由形狀不同的兩種以 上熱管構成，多個熱管的至少一部分具有從所述受熱部向所述受熱構件的外側立起的散熱 部，多個散熱片設置于多個熱管的散熱部，熱管的散熱部配置成交錯排列狀。發明效果根據形成這樣的結構，能夠充分地確保熱管的散熱部與散熱片的接觸部分，并且 能夠在受熱構件整體配置熱管的受熱部，因此能夠良好地冷卻受熱構件整體，能夠使電力 轉換裝置小型化。
圖1是本發明的一實施方式的電力轉換裝置的水平剖視圖。圖2是本發明的一實施方式的電力轉換裝置的鉛直剖視圖。圖3是表示本發明的一實施方式的熱管的配置的圖。圖4是表示現有的結構和本發明的一實施方式的結構的電力轉換裝置的冷卻性 能的數值模擬結果的圖。圖5是表示現有的電力轉換裝置的一例的結構圖。圖6是表示本發明的一實施方式的功率半導體元件和熱管的配置的圖。圖7是表示本發明的另一實施方式的電力轉換裝置的熱管的配置的圖。圖8是表示本發明的另一實施方式的電力轉換裝置的熱管的配置的圖。圖9是表示本發明的另一實施方式的電力轉換裝置的熱管的配置的圖。
圖10是本發明的另一實施方式的電力轉換裝置的結構圖。圖11是表示將本發明的電力轉換裝置搭載于鐵路車輛的結構的圖。符號說明IU字型熱管2L字型熱管3散熱片4受熱構件5功率半導體組件6濾波電容器7IGBT驅動電路8、9、10、11 殼體12 蓋13支承構件14空氣取人口15空氣排出口16均熱管24具有短的散熱部的熱管101、201、241 受熱部102、202、242 散熱部
具體實施例方式以下，利用
本發明的實施方式。圖11表示將本發明的一實施方式的電力 轉換裝置搭載于鐵路車輛時的結構。本發明的電力轉換裝置設置在鐵路車輛的地板下面 等，通過改變對驅動車輛的電動機供給的電力的頻率來進行電動機的旋轉速度的控制。在 圖11中，電力轉換裝置500以吊掛的狀態固定于車身501。圖1中表示本實施方式的電力 轉換裝置的水平方向的剖視圖，圖2表示鉛直方向的剖視圖。在圖1、圖2中，在由鋁合金 等金屬構成的受熱構件4的一側設置有功率半導體組件5，該功率半導體組件5包括多個 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等功率半導體元件和與所述多個IGBT并列連 接的FWD (Free Wheel Diode)元件等。并且，多個功率半導體組件5構成變換器。功率半 導體組件5隔著潤滑脂等構件(未圖示)與受熱構件4通過螺釘等(未圖示)固定。受熱 構件4固定于支承構件13。在支承構件13的功率半導體組件5的一側設置有濾波電容器 6和IGBT驅動電路7等電子部件。此外，電力轉換裝置的設置有功率半導體組件的一側通 過殼體8、9、10、11密閉。在受熱構件4的功率半導體組件設置面的相反側埋入有U字形狀 的熱管1的受熱部101，受熱部101通過釬焊等與受熱構件4熱連接。并且，L字形狀的熱 管2的受熱部201也同樣埋入于受熱構件4，并通過釬焊等與受熱構件4連接。U字形狀熱 管1的兩端的散熱部102從受熱構件4立起。此外，散熱部202從L字形狀熱管2的一側 端立起。在散熱部102及202上設置有多個散熱片3。在支承構件13的熱管1的一側設置 有蓋12。也可以在蓋12的局部設置開口部。通過車輛行駛，從空氣取入口 14取入的空氣 沿箭頭30的方向流動，并從空氣排出口 15排出。在車輛向反方向行駛時，空氣的流動方向
4變為相反方向。另外，也可以采用利用冷卻風扇而強制性地輸送空氣的結構。如此，通過空 氣在散熱片3之間流動，從而從散熱片3向空氣進行散熱。接下來，對冷卻功率半導體組件5的動作進行說明。由設置在功率半導體組件5 的內部的功率半導體等動作而產生的熱量向受熱構件4傳遞，并到達熱管1的受熱部101。 在熱管1中封入有制冷劑(純水、氟化烴等)。在受熱部101被加熱的制冷劑蒸發而變成氣 體，向散熱部102移動。在散熱部102被空氣冷卻后的制冷劑冷凝而變回液體。如圖2所 示，在散熱部102設置有10度左右的平緩的傾斜度，在散熱部102冷凝后的制冷劑利用重 力返回到受熱部。通過這樣反復蒸發、冷凝而使制冷劑移動，從而受熱構件4的熱量散出到 空氣中。圖3中示出受熱構件4處的熱管的形狀。配置有U字形狀的熱管1、21和L字形 狀的熱管2，且各自的散熱部102、202等配置成交錯狀。并且，除了 L字形狀和U字形狀的 熱管以外，還設置有不具有從受熱構件立起的散熱部的均熱用的均熱管16。由于利用所述 均熱管16使得熱量擴展到受熱構件整體，因此能夠避免在局部產生高溫部分。通過這樣配 置熱管，能夠遍及受熱構件4的整體而埋入熱管，并且通過將熱管的散熱部配置成交錯狀， 從而能夠在抑制通風阻力的同時將與散熱片3接觸的多個熱管分散配置，因此能夠大幅提 高功率半導體元件的冷卻性能，使裝置小型化。對于本實施方式的結構和圖5所示的將U字形狀的熱管配置成直線排列的情況的 冷卻性能，通過實施數值模擬來對冷卻性能進行比較。圖4(a)是圖5的結構的受熱構件表 面溫度分布的模擬結果，圖4(b)是本實施方式的結構的受熱構件表面溫度分布的模擬結 果。在圖4中，示出將空氣與受熱構件的最大的溫度差作為1而標準化的溫度差。觀察圖 4可知，與將熱管配制成直線排列的結構(圖4(a))相比，在本實施方式的結構(圖4(b)) 中最高溫度被抑制得低。該種情況表示下述效果在本實施方式中，由于通風阻力小，因而 能夠使通過散熱片部分的風速大，并且由于將散熱部分散配置，因此功率半導體的冷卻性 會旨提尚。在圖6中示出本實施方式的功率半導體元件和熱管的受熱構件上的配置。在圖 6中，50、51、52是功率半導體元件，53是絕緣基板，54是散熱板。所述的功率半導體元件、 絕緣基板和散熱板配置在圖1、圖2中的功率半導體組件5的內部。絕緣基板53為在氮化 鋁等絕緣材料的表面接合鋁等配線圖案的結構，功率半導體元件通過焊錫等與配線圖案接 合。在絕緣基板的相反側也接合有薄的鋁板，該鋁板與散熱板54通過焊錫等接合。散熱板 54由銅或AlSiC等導熱率較高的材料形成，其具有使功率半導體元件的熱量也向水平方向 擴散的作用。如圖6所示，功率半導體元件隔著受熱構件4配置在沿著熱管的受熱部的位 置。在圖6中，半導體元件50和51的距離取得較小，50和52的距離取得稍大。因此， 功率半導體元件密集地配置的方向與熱管的長度方向為相同方向。并且，與功率半導體元 件的配置對應而使熱管間的間隙變化，配置成功率半導體元件的受熱構件上的位置與所述 熱管的受熱構件上的位置大致重疊。通過這樣配置半導體元件和熱管，從而將半導體元件 和熱管配置在接近的位置，因此，能夠將由半導體元件產生的熱量更高效地向熱管傳遞。以上，如說明所述，根據本實施方式，能夠大幅提高功率半導體元件的冷卻性能， 能夠使裝置小型化。
圖7中示出本發明的另一實施方式的電力轉換裝置。在圖7中示出受熱構件4和 受熱構件4上的熱管的配置。圖7中未圖示的部分的結構與第一實施方式相同。如圖7所 示，在本實施方式中，未設置不具有立起部的均熱管，所有的熱管都由L字形狀和U字形狀 的熱管構成。從受熱塊立起的散熱部的管(102、202等)配置成交錯形狀。由于在本實施 方式中使用的熱管的種類僅為兩種，因此能夠將制造成本抑制得低。根據本實施方式，能夠 遍及受熱構件4的整體而埋入熱管，并且在抑制通風阻力的同時還能夠將與散熱片3接觸 的多個熱管分散配置，因此能夠大幅提高功率半導體元件的冷卻性能，使裝置小型化。在圖8中示出本發明的又一實施方式的電力轉換裝置。在圖8中示出受熱構件4 和在受熱構件4上的熱管的配置。圖8中未圖示的部分的結構與第一實施方式相同。如圖 8所述，在本實施方式中，端部的管全部為L字形狀的管，能夠遍及受熱構件4的整體更加緊 湊地埋入管，因此能夠使裝置小型化。圖9中示出本發明的另一實施方式的電力轉換裝置，圖10中示出本實施方式的電 力轉換裝置的受熱構件4處的熱管的配置。在圖9、圖10中，在熱管24中設置有從熱管中 被埋入的受熱部241向受熱構件的外側立起的短的熱管的散熱部242。為了避免在熱管24的兩端設置散熱部242而引起的通風阻力的增加，在受熱構件 4的端部與熱管24相鄰的熱管采用L字型熱管2。根據本實施方式，即使在寒冷地區周圍 溫度為0°C以下的情況下，具有短的散熱部的熱管由于散熱量少，因此不會凍結地作為熱管 而發揮功能，從而即使在寒冷地區也不會使半導體的溫度上升過多，能夠實現穩定的起動。 并且，根據本實施方式，能夠遍及受熱構件4的整體而埋入熱管，并且能夠在抑制通風阻力 的同時將與散熱片3接觸的多個熱管分散配置，因此，能夠大幅提高功率半導體元件的冷 卻性能，使裝置小型化。
權利要求
1.一種電力轉換裝置，其具有多個功率半導體元件、受熱構件、多個熱管及多個散熱 片，其特征在于，所述多個功率半導體元件安裝在所述受熱構件的一側， 所述多個熱管安裝在所述受熱構件的另一側， 所述多個熱管由形狀不同的兩種以上的熱管構成，所述多個熱管的至少一部分具有從所述受熱部向所述受熱構件的外側立起的散熱部， 所述多個散熱片設置于所述多個熱管的散熱部， 所述熱管的散熱部配置成交錯排列狀。
2.根據權利要求1所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述多個熱管的一種是具有從所述受熱部的兩側向所述受熱構件的外側立起的散熱 部的U字型熱管，所述多個熱管的另一種是具有僅從所述受熱部的一側向所述受熱構件的 外側立起的散熱部的L字型熱管。
3.根據權利要求1所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述電力轉換裝置具有均熱管，該均熱管安裝在所述受熱構件的另一側，且不具有從 受熱部向所述受熱構件的外側立起的散熱部。
4.根據權利要求1的電力轉換裝置，其特征在于，所述電力轉換裝置具備安裝所述多個功率半導體元件的絕緣基板和安裝所述多個絕 緣基板的散熱板，在所述絕緣基板的一側的面上搭載有所述功率半導體元件， 所述絕緣基板的相反側的面與所述散熱板連接， 所述散熱板與所述受熱構件連接，所述多個功率半導體元件以在所述熱管的長度方向上密集的方式配置， 所述多個功率半導體元件以在與所述熱管成直角的方向上稀疏的方式配置， 以密集地配置的功率半導體元件的受熱構件上的位置與所述熱管的受熱構件上的位 置大致重疊的方式配置所述多個功率半導體元件及所述熱管。
5.根據權利要求1所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述多個熱管的至少一種具有比其它的熱管的散熱部短的散熱部。
全文摘要
本發明提供一種電力轉換裝置，其能夠將電力轉換裝置的功率半導體高效地冷卻，并實現裝置的小型化。電力轉換裝置具有多個功率半導體元件、受熱構件、多個熱管及多個散熱片，所述多個半導體元件安裝在所述受熱構件的一側，所述多個熱管安裝在所述受熱構件的另一側，所述多個熱管具有與所述受熱構件熱連接的受熱部，所述多個熱管的一部分具有從所述受熱部的兩側立起的散熱部，所述多個熱管的另一部分具有僅從所述受熱部的一側立起的散熱部，所述多個散熱片設置于所述多個熱管的散熱部，所述熱管的散熱部的管配置成交錯排列狀。
文檔編號H01L23/367GK102005442SQ201010250829
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月10日 優先權日2009年8月27日
發明者安田陽介, 山口智司, 田中健, 舟越砂穗, 菱田昭裕, 鈴木敦 申請人:株式會社日立制作所