[发明专利]功率转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及使用半导体元件、半导体模块的逆变器装置等功率转换装置。

背景技术

在由多个半导体元件、半导体模块、及对这些半导体进行冷却的冷却器所构成的功率转换装置中，在冷却器中配置有多个半导体元件、半导体模块，因此，在冷却用的制冷剂从上游侧流向下游侧时，其温度会上升。因此，由于该制冷剂的温度上升，因而相比上游侧的半导体元件、半导体模块，对下游侧的半导体元件、半导体模块具有更严格的温度限制，能通电的功率受到限制，因此，导致无法实现功率转换装置的大输出化、小型化、及低成本化的问题。

此处，提出有将两个逆变器和一个整流器一体化的功率转换装置(例如，参照专利文献1)。具体而言，采用以下结构：即，在水套中形成有蜿蜒延伸的槽以构成制冷剂流路，将构成第一逆变器的三个功率模块、构成第二逆变器的三个功率模块、及构成整流器的功率模块依次配置于制冷剂流路，对内置于功率模块的半导体元件进行冷却。

但是，在专利文献1的结构中，因第一逆变器发热而导致制冷剂温度上升，而第二逆变器需要利用温度已上升的制冷剂来进行冷却，因此，第二逆变器需要使其输出低于第一逆变器，降低半导体元件所发出的热量，或提高散热性来减少半导体元件的温度上升，或使用允许温度较高的半导体元件。

但是，存在以下问题：在降低输出的情况下，难以实现大输出化，在提高散热性的情况下，难以实现小型化(散热性与散热面积成正比)、及低成本化(需要使用高热传导性构件)，在使用允许温度较高的半导体元件的情况下，难以实现低成本化(需要使用高耐热性构件)等。

另外，由于第一逆变器和第二逆变器这两者都会发出热量，因此，用于冷却整流器的制冷剂温度相比第二逆变器会进一步上升，因此，在整流器中存在比第二逆变器更严重的问题。

作为上述制冷剂温度上升的对策，提出有通过将发热量较大的半导体元件(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极性晶体管)配置在制冷剂流路的上游侧，并将发热量较小的半导体元件(二极管)配置在制冷剂流路的下游侧，从而减小因冷却剂的温度上升所造成的不良影响(例如参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2009-296708号公报

专利文献2：日本专利特开2007-12722号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，现有技术存在以下问题。

在专利文献2的结构中，相对于制冷剂的流路来串联配置IGBT及二极管，但是构成功率转换装置的各半导体组(例如由IGBT和二极管的组合构成的最小单位)相对于制冷剂流路全部是并列配置的。

在如专利文献2那样由一个逆变器构成的功率转换装置中，形成有6条并联的制冷剂流路，因此，各半导体组所能使用的制冷剂的流量为专利文献1那样采用串联流路的1/6。若制冷剂的流量减小，则冷却器的散热性能降低，此外，各半导体组中的制冷剂的温度上升会增加。

因此，若考虑将专利文献2的结构应用于专利文献1那样的由两个逆变器和一个整流器一体化而形成的大容量的功率转换装置中，则形成有13条并联的制冷剂流路，各半导体组所能使用的制冷剂的流量是1/13，因此，冷却器的散热性能会大幅降低，专利文献2的问题会更为显著。

另外，对于从制冷剂的流路入口到出口之间的温度上升，其取决于从入口到出口之间的总发热量与流量之间的关系。在如专利文献1那样的大容量的功率转换装置中，尽管从入口到出口之间的总发热量增大，但是若此处采用专利文献2那样的并联流路结构，则各半导体组的制冷剂流速会进一步显著减少。

因此，在一个半导体组中所产生的制冷剂的温度上升极大，因而在一个半导体元件内会产生很大的温度差，并会导致以下新问题：例如半导体元件内部的电流分布会恶化，进而因电流集中而使半导体元件局部过热并导致破坏，短路耐量降低等，对半导体元件的电学特性带来不良影响等。

另外，在专利文献2中，为了将所有半导体元件配置在制冷剂流路的最上游，而提出如下技术：即，并列配置半导体元件，以使得半导体元件在个别流路内不会串联排列；在上游侧将流路一分为二，在冷却各一个半导体元件之后，使流路汇合，来构成流向下游侧的流路。