電力變換裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種電力變換裝置，其包括層疊單元（10）、電抗器（8）、遮蔽板（24）和冷卻劑通道（13a、13b、21、32）。在層疊單元中，容納半導體元件的平板半導體模塊（14）和平板冷卻板（12）被層疊。遮蔽板被置入電抗器和電子部件之間。冷卻劑通道向層疊單元供應冷卻劑或者從那里排出冷卻劑。冷卻劑通道通過遮蔽板的內部。
【專利說明】電力變換裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電力變換裝置。
【背景技術】
[0002]電動車輛包括電力變換裝置，電力變換裝置將電池的直流電變換成適合于驅動用于車輛行駛的馬達的交流電。一種典型的電力變換裝置是逆變器或者電壓變換器。因為電動車輛的電力變換裝置以大功率操作，所以可以在電力變換裝置中產生大量的熱。同時，對于用于車輛的裝置需求緊湊度。對于用于電動車輛的電力變換裝置需求熱控制和緊湊度這兩者。
[0003]可以在電力變換裝置的裝置諸如半導體元件和電抗器中產生大量的熱。半導體元件的實例包括功率晶體管諸如IGBT和功率元件諸如被與功率晶體管并聯連接的飛輪二極管。電抗器連同半導體元件一起地構成電壓變換電路。日本專利申請公報N0.2011-228426(JP2011-228426A)提出了電力變換裝置，其緊湊地容納半導體元件、電抗器，和冷卻它們的冷卻設備。電力變換裝置的冷卻設備具有多個冷卻板，其被與包含半導體元件的多個平板半導體模塊交替地層疊。這種層疊體將在下文中被稱作“層疊單元”。層疊單元具有流過該多個冷卻板的兩個冷卻劑通道。在JP2011-228426A的層疊單元中，與冷卻劑通道線性地對準的冷卻劑供應管道和冷卻劑排出管道被連接到沿著層疊方向位于端部處的冷卻板。冷卻劑供應管道和冷卻劑排出管道相互平行地延伸，并且電抗器被置放在管道之間。
[0004]此外，日本專利申請公報N0.2009-261125 (JP2009-261125A)公開了一項與層疊單元和電抗器的冷卻有關的技術。JP2009-261125A的電力變換裝置具有置放在上述冷卻劑供應管道和冷卻劑排出管道的附近的電抗器。附帶說一句，電力變換裝置包括用于平滑化電池的輸出電流的大容量電容器。在JP2009-261125A的技術中，熱接收板被置放在電抗器和電容器之間，并且熱接收板的熱被層疊單元的冷卻板吸收。具體地，散熱板介于層疊單元中的該一對冷卻板之間，并且散熱板和熱接收板被熱管連接到一起。電容器的熱被熱接收板吸收，接著通過熱管傳遞到散熱板，然后傳遞到冷卻板。
【發明內容】
[0005]本發明涉及層疊單元和電抗器的冷卻，并且提供一種能夠減小電抗器的熱對于其它電子部件的影響的電力變換裝置。
[0006]本發明的第一方面提供一種電力變換裝置，包括:層疊單元；電抗器；遮蔽部。在層疊單元中，平板半導體模塊和平板冷卻板被層疊。平板半導體模塊容納半導體元件。遮蔽部介于電抗器和電子部件之間。遮蔽部具有通過遮蔽部向層疊單元供應冷卻劑或者從層疊單元排出冷卻劑的冷卻劑通道。以上構造允許利用流過冷卻劑通道的冷卻劑冷卻遮蔽部并且減小電抗器的熱對于位于遮蔽部的相對側上的其它電子部件的影響。
[0007]在該電力變換裝置中，冷卻劑通道的一個部分可以與遮蔽部成一體。以上構造改進在構成冷卻劑通道的冷卻劑管道和遮蔽部之間的熱傳遞效率。此外，一體成型提供在生產成本方面的優點。
[0008]在該電力變換裝置中，遮蔽部可以包括被聯接到一起的多個板。在該電力變換裝置中，遮蔽部可以接觸電抗器。在該電力變換裝置中，遮蔽部接觸層疊單元沿著層疊方向的端面。
[0009]在該電力變換裝置中，電子部件可以是電容器模塊和控制板。遮蔽板可以包括冷卻塊、上板和側板。冷卻塊可以具有冷卻劑通道，其通過冷卻劑通道向層疊單元供應冷卻劑或者從那里排出冷卻劑。上板可以介于電抗器和控制板之間。側板可以介于電抗器和電容器模塊之間。在以上構造中，在層疊單元沿著層疊方向的端部處遮蔽部被冷卻板冷卻。因為這種遮蔽部能夠向位于層疊單元的端部處的冷卻板和冷卻劑通道這兩者傳遞熱，所以電抗器能夠被有效率地冷卻。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]將在下面參考附圖描述本發明的示例性實施例的特征、優點，以及技術和工業意義，其中類似的數字表示類似的元件，并且其中:
[0011]圖1是根據本發明的一個實施例的電力變換裝置的電氣系統的框圖；
[0012]圖2是該實施例的電力變換裝置的平面視圖；
[0013]圖3是沿著圖2中的線II1-1II截取的截面視圖；
[0014]圖4是沿著圖2中的線IV-1V截取的截面視圖；
[0015]圖5是示出根據該實施例在層疊單元、電抗器、冷卻塊，和電容器模塊之間的位置關系的透視圖；
[0016]圖6是如從另一個角度看到的、根據該實施例的冷卻塊的透視圖；并且
[0017]圖7是如從又一個角度看到的、根據該實施例的冷卻塊的透視圖。
【具體實施方式】
[0018]將參考附圖描述實施例的電力變換裝置2。電力變換裝置2被安裝在電動車輛50中并且將電池51的直流電變換成適合于馬達驅動的交流電。將參考圖1描述電動車輛50的電氣系統(驅動系統)。電力變換裝置2升高電池51的輸出電壓并且此后將直流電變換成交流電。換言之，電力變換裝置2包括升壓電路54和逆變電路55。升壓電路54包括各種構件，諸如兩個晶體管、兩個二極管，和電抗器8。這些構件構成圖1所示升壓電路54。將不給出圖1所示升壓電路54的構造的詳細說明。電動車輛50的電力變換裝置2以大電流操作。因此，由半導體諸如晶體管和電抗器8產生大量的熱。與升壓電路54的其它構件相比較，電抗器8具有相對更大的尺寸。
[0019]用于平滑化電池51的輸出電流的電容器52被連接到升壓電路54的輸入側。用于平滑化升壓電路54的輸出電流的電容器53被連接到升壓電路54的輸出側，即，逆變電路55的輸入側。因為大的電流流過電容器52、53，所以電容器具有大電容和大的物理體積。
[0020]逆變電路55的輸出被供應到馬達56。馬達56的輸出扭矩經由差動齒輪57而被傳遞到驅動輪58。雖然未在圖1中示出，但是電力變換裝置2包括控制升壓電路54和逆變電路55的晶體管的控制電路。控制裝置根據車輛速度或者加速器位置確定電池電壓的升壓比率或者逆變電路的輸出頻率并且產生與此相應的晶體管控制信號，即，PWM信號。[0021]除了升壓電路54之外降壓變換器59被連接到電池51。降壓變換器59將電池51的電壓減小為適合于輔助裝置的電壓并且將電壓供應于輔助裝置。“輔助裝置”是用于以比存儲用于行駛的電力的電池51的輸出電壓更低的電壓操作的裝置諸如室內燈或者汽車導航系統的總稱。
[0022]將描述電力變換裝置2的硬件構造。圖2示出電力變換裝置2的平面視圖。附圖標記3表示電力變換裝置2的外罩。置放在外罩中的主要構件有電容器模塊4、層疊單元10、電抗器8，和冷卻塊20。將在下面參考示出構件的布置的透視圖(圖5)和如從其它角度看到的冷卻塊20的透視圖(圖6和7)具體地描述冷卻塊20的構造。
[0023]電容器模塊4包括在圖1的電路上的電容器52、53。具體地,多個電容器兀件被聚集在電容器模塊4中。其一個部分對應于上述電容器52，并且其余部分對應于電容器53。
[0024]層疊單元10是在其中集成利用電池的輸出電流操作的半導體元件的裝置。具體地，在層疊單元10中，是利用樹脂成型的半導體元件的多個平板半導體模塊14和多個平板冷卻板12被一起地層疊。在單一半導體模塊14中，在上述升壓電路54和逆變電路55中包含的單一和成組的幾個晶體管和二極管(見圖1)每一個均是利用樹脂成型的。冷卻劑通過冷卻板12的內部。冷卻板12的兩側接觸并且冷卻半導體模塊14。鄰接的冷卻板12被兩個連接管道13a、13b連接。通過一個連接管道13a供應冷卻劑并且通過另一個連接管道13b排出冷卻劑。層疊單元10具有多個半導體模塊、多個冷卻板，和多個連接管道；然而，圖2沒有示出半導體模塊、冷卻板，和連接管道的某些部分的附圖標記和符號。
[0025]層疊單兀10被置入并且支撐在外罩3的壁表面和冷卻塊20之間。板簧5被插入外罩3的壁表面和層疊單元10之間。層疊單元10沿著它的層疊方向被板簧5加壓。沿著層疊方向的壓力使得相互鄰接的半導體模塊14和冷卻板12緊密地裝配到一起。這增強了在半導體模塊14和冷卻板12之間的熱傳遞效率。
[0026]圖3示出沿著圖2中的線II1-1II截取的截面，并且圖4示出沿著圖2中的線IV-1V截取的截面。由圖3和4中的附圖標記33表示的長方形代表控制板。在控制板33中實現升壓電路54和逆變電路55的控制電路。圖2沒有示出控制板33，在電抗器8和外罩3之間的支撐結構。如在圖4中所示，冷卻塊20對應于上板23和側板24的聯接片段。上板23位于電抗器8和在電抗器8上方的控制板33之間。側板24位于電抗器8和在電抗器8的橫向側上的電容器模塊4之間。上板23和側板24與由鋁形成的冷卻塊20集成。因此，上板23和側板24被流過通道Rl的冷卻劑冷卻。上板23阻擋電抗器8的熱從而防止電抗器8的熱影響控制板33。類似地，側板24阻擋電抗器8的熱從而防止電抗器8的熱影響電容器模塊4。冷卻塊20、上板23和側板24被視為遮蔽部。關于側板24見圖3。冷卻塊20對應于上板23和側板24的聯接片段。冷卻塊20被視為“遮蔽部”的一個部分；然而，為了說明方便起見將使用“塊”的表述。
[0027]設置在電抗器8的上表面上的突起8a接觸上板23。電抗器8的熱經由突起8a主動地被上板23吸收(B卩，冷卻塊20經由突起8a和上板23吸收熱)。上板23被突起8a固定到電抗器8。S卩，冷卻塊20經由上板23和突起8a而被固定到電抗器8。
[0028]冷卻塊20被電抗器8支撐，并且電抗器8被固定到外罩3。冷卻塊20支撐層疊單元10沿著層疊方向的一端。具體地，冷卻塊20直接地接觸位于層疊單元10的一個端部片段中的冷卻板12a并且由此支撐層疊單元10。在冷卻塊20的內部中形成冷卻劑的通道。從外側供應的冷卻劑首先流過在外罩3下面的空間(在下面描述)，接著冷卻塊20并且移動到層疊單元10。在冷卻層疊單元中的半導體模塊14之后的冷卻劑再次流過冷卻塊20和然后在外罩3下面的空間并且被排出到外罩的外側。冷卻塊20由鋁或者銅形成并且將與其接觸的電抗器8的熱傳遞到冷卻劑。換言之，冷卻塊20冷卻電抗器8。如上所述，冷卻塊20還是“遮蔽部”的一個部分。
[0029]將參考圖3和4描述冷卻劑的通道。冷卻劑被從冷卻劑供應開口 6供應并且被從冷卻劑排出開口 7排出。如在圖3和4中所示，外罩3被劃分成是上空間和下空間的兩個空間。圖2示出上空間中的構件布置。降壓變換器59被置放在下空間中，并且冷卻劑通過圍繞降壓變換器59的空間R2流動。冷卻劑供應開口 6被連接到下空間R2，并且從冷卻劑供應開口 6進入的冷卻劑首先冷卻空間R2中的降壓變換器59。冷卻劑接著通過將外罩3的上空間和下空間連接到一起的連接孔31移動到上空間。冷卻劑管道32的一端被連接到連接孔31，并且冷卻劑管道32的另一端被連接到形成冷卻塊20的一個部分的肘管21。已經移動到上空間的冷卻劑流過冷卻劑管道32和肘管21并且移動到冷卻塊20的內部。冷卻劑通道Rl形成在冷卻塊20的內部中。冷卻劑通道Rl在冷卻塊20的一個表面(在下面描述的單元支撐表面20a)上打開。層疊單元10緊密地裝配在單元支撐表面20a上。冷卻劑通道Rl被連接到在層疊單元10的端部片段中的冷卻板12a的開口(見圖2)。已經流過冷卻劑通道Rl的冷卻劑流入層疊單元10的冷卻板12a中并且接著經由連接管道13a分布到在層疊單元10中包含的所有的冷卻板12。圖3中的參考符號R3表示冷卻板12中的冷卻劑通道。
[0030]已經流過冷卻塊20的冷卻劑被供應到層疊單元10。已經流過冷卻板12的冷卻劑再次返回冷卻塊20。已經返回冷卻塊20的冷卻劑通過形成冷卻塊20的部分的肘管22移動到下空間。在圖4中由參考符號3a表示的片段代表在下空間中返回的冷卻劑流過的通道。由參考符號3a表示的片段被稱作“排出通道”。已經返回下空間的冷卻劑流過排出通道3a并且通過冷卻劑排出開口 7排出到外罩的外側。
[0031]如上所述，在電力變換裝置2中，進入的冷卻劑冷卻外罩3的下側上的降壓變換器59并且接著移動到冷卻塊20。冷卻劑冷卻冷卻塊20中的電抗器8并且阻擋電抗器8的熱從而防止熱影響控制板33和電容器模塊4。遮蔽部(上板23，側板24，和冷卻塊20)有助于熱阻擋。冷卻劑此后移動到層疊單元10并且冷卻半導體模塊14中的半導體元件。如上所述，在電力變換裝置2中，允許冷卻劑移動到各種位置，由此冷卻多個構件。
[0032]接著將詳細地描述是遮蔽部一部分的冷卻塊20的構造。圖5是示出層疊單元10、電抗器8、冷卻塊20，和電容器模塊4的布置的透視圖。圖5利用虛線示出被冷卻塊20覆蓋并且在電抗器8中難以看到的片段，從而易于理解在冷卻塊20和電抗器8之間的位置關系。通過隱藏線移除隱蔽其它構件。如具體地圖5所示，側板24位于電抗器8和電容器模塊4之間。
[0033]圖6是如從另一個方向看到的冷卻塊20的透視圖。圖6是如從圖5的視點的基本相反的方向看到的冷卻塊20的透視圖。單元支撐表面20a是平坦的并且支撐層疊單元
10。即，在層疊單元10沿著層疊方向的端部片段中的冷卻板12a直接地接觸單元支撐表面20a。冷卻劑通道Rl和R4的端部片段在單元支撐表面20a上打開。該開口與位于層疊單元10的端部處的冷卻板12a的端面上的開口連通。從層疊單元10排出的冷卻劑流過冷卻劑通道R4。
[0034]圖7是如從又一個視點看到的冷卻塊20的透視圖。圖7對應于如從后側看到的冷卻塊20的視圖。三個肋條25被設置在上板23的后側上并且增強上板23。
[0035]將描述關于在該實施例中描述的技術需要指出的要點。在本說明書中公開的技術特別地由遮蔽板表征。遮蔽板包括冷卻塊20、上板23和側板24。特征之一如下。冷卻劑流過冷卻塊20，并且冷卻塊20接觸并且冷卻電抗器8。同時，冷卻塊20被與上板23、側板24集成。上板23和側板24在電抗器8和其它電子部件之間延伸并且由此減小電抗器8的熱對于其它電子部件的影響。其它電子部件的典型實例有控制板33和電容器模塊4。特別地，電容器并不具有高的耐熱性，并且在本說明書中公開的遮蔽部因此是有效的。冷卻塊20對應于該多個板(上板23、側板24)的聯接片段并且用作遮蔽部的一部分。
[0036]冷卻劑通道形成在是遮蔽部一部分的冷卻塊20的內部中。換言之，向層疊單元10供應或者從那里排出的冷卻劑的通道流過遮蔽部的內部。
[0037]根據本發明的冷卻劑通道包括冷卻劑供應管道13a、冷卻劑排出管道13b、肘管21，和冷卻劑管道32并且用作冷卻劑流過那里的管道的總稱。根據本發明的冷卻劑通道的一個部分可以被與遮蔽部一體地形成。例如，能夠通過利用鋁注射成型等一體地制造該冷卻劑通道部分和遮蔽部。另外，“遮蔽板”不限于簡單的平板。
[0038]在前面，已經詳細描述了本發明的具體實例。然而，那些實例僅僅是示意性的而不限制權利要求。在權利要求中敘述的技術包括上述具體實例的修改和變化。在本說明書和附圖中描述的技術元件以其自身或者以各種組合提供技術有用性并且不限于在該申請中的權利要求中敘述的組合。此外，在本說明書或者附圖中例示的技術能夠同時地實現多個目的，并且在那些目的中的單個目的的實現提供技術有用性。
【權利要求】
1.一種電力變換裝置，其特征在于包括: 層疊單元(10)，在所述層疊單元(10)中，平板形半導體模塊(14)和平板形冷卻板(12)被層疊起來，所述平板形半導體模塊容納半導體元件； 電抗器(8);和 遮蔽部(20、23、24)，所述遮蔽部(20、23、24)介于所述電抗器和電子部件(4，33)之間，所述遮蔽部具有冷卻劑通道(Rl )，所述冷卻劑通道(Rl)通過所述遮蔽部向所述層疊單元供應冷卻劑或者從所述層疊單元排出冷卻劑。
2.根據權利要求1所述的電力變換裝置， 其中，所述冷卻劑通道的一部分與所述遮蔽部形成為一體。
3.根據權利要求1或2所述的電力變換裝置， 其中，所述遮蔽部接觸所述層疊單元的在層疊方向上的端面。
4.根據權利要求1到3中的任一項所述的電力變換裝置， 其中，所述遮蔽部包括被聯接到一起的多個板。
5.根據權利要求1到4中的任一項所述的電力變換裝置， 其中，所述遮蔽部接觸所述電抗器。
6.根據權利要求1到5中的任一項所述的電力變換裝置， 其中，所述電子部件是電容器模塊(4 )和控制板(33 )，并且 所述遮蔽部是冷卻塊(20)，所述冷卻塊包括上板(23)和側板(24)，所述冷卻塊具有向所述層疊單元供應冷卻劑或者從所述層疊單元排出冷卻劑的所述冷卻劑通道，所述上板介于所述電抗器和所述控制板之間，并且所述側板介于所述電抗器和所述電容器模塊之間。
【文檔編號】H05K7/20GK103929070SQ201410014582
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2013年1月15日
【發明者】馬場隆介, 森元豐, 井村仁史 申請人:豐田自動車株式會社