JP2007207917A - パワー半導体素子の冷却構造およびインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率に優れたパワー半導体素子の冷却構造およびインバータを提供する。
【解決手段】パワー半導体素子の冷却構造は、冷却水通路２６と、複数のフィン２２とを備える。冷却水通路２６には、パワー半導体素子を冷却する冷却水が流れる。複数のフィン２２は、冷却水通路２６の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設されている。複数のフィン２２は、パワー半導体素子と冷却水との間の熱交換を促進する。複数のフィン２２は、冷却水流れの上流側に対向する端部４１を有する。複数のフィン２２のうち少なくとも１つのフィン２２の端部４１は、そのフィン２２の両側に隣接するフィン２２の端部４１よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、一般的には、パワー半導体素子の冷却構造およびインバータに関し、より特定的には、水冷型のパワー半導体素子の冷却構造およびその冷却構造が用いられたインバータに関する。

従来のパワー半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開２００４−３４９３２４号公報には、高熱伝達率を達成し、冷却効率を高めることを目的とした直接水冷型パワー半導体モジュール構造が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、パワー半導体素子の搭載面の対向面にストライプ状の冷却フィンが形成されている。

また、特開２００２−３６８４７０号公報には、発熱体を十分に冷却するとともに、発熱体をほぼ均一な温度に冷却することを目的とした発熱体冷却装置が開示されている（特許文献２）。また、特開２００３−２３２８１号公報には、電動ファンによる吐出風量を高めて、半導体パッケージ等の発熱体を効率良く、有効に冷却することを目的とした冷却装置が開示されている。特許文献２および３に開示された冷却装置は、空冷式である。

また、特開２００２−４６４８２号公報には、フィンを大型化することなくその放熱性を高めることを目的としたヒートシンク式冷却装置が開示されている（特許文献４）。特許文献４に開示されたヒートシンク式冷却装置は、クーラントが流れる通路を有する。その通路には、クーラントの流れ方向に並行に配置され、その厚み方向に整列された複数のフィンを有するフィン群が配設されている。クーラントの流れ方向に隣り合うフィン群は、互いにフィンの厚み方向に位置をずらして配置されている。
特開２００４−３４９３２４号公報 特開２００２−３６８４７０号公報 特開２００３−２３２８１号公報 特開２００２−４６４８２号公報

上述の特許文献に開示された冷却構造では、冷却効率の向上を図るため、複数のフィンが互いに間隔を隔てて立設されている。しかしながら、フィンは冷却媒体が流れる経路上に配置されるため、冷却媒体として冷却水を用いた場合には、フィンと冷却水通路を流れる冷却水とが衝突することになる。この場合、全てのフィンが冷却水の流れ方向において同じ箇所で冷却水と衝突すると、衝突反力が大きくなり、冷却水流れに渦流れが発生する。これにより、冷却水流れの圧損が大幅に増大して、パワー半導体素子を効率良く冷却できないおそれが生じる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、冷却効率に優れたパワー半導体素子の冷却構造およびインバータを提供することである。

この発明に従ったパワー半導体素子の冷却構造は、冷却水通路と、複数のフィンとを備える。冷却水通路は、パワー半導体素子を搭載する搭載面に対向して形成されている。冷却水通路には、パワー半導体素子を冷却する冷却水が流れる。複数のフィンは、冷却水通路の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設されている。複数のフィンは、パワー半導体素子と冷却水との間の熱交換を促進する。複数のフィンは、冷却水流れの上流側に対向する端部を有する。複数のフィンのうち少なくとも１つのフィンの端部は、そのフィンの両側に隣接するフィンの端部よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている。

このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水通路を流れる冷却水がフィンの端部に衝突する位置を、端部が上流側に配置されたフィンとその両側に隣接するフィンとの間で冷却水の流れ方向にずらすことができる。また、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿った流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、その冷却水流れを、端部が上流側に配置されたフィンによって分断することができる。これにより、冷却水流れに渦流れが形成されることを抑制できる。この結果、冷却水流れの圧損の増大を抑え、パワー半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また好ましくは、端部は、冷却水通路に流れる冷却水と端部とが衝突する位置が、複数のフィン間で冷却水の流れ方向にずれるように配置されている。冷却水と端部との衝突に起因して発生する冷却水流れの圧損が低減される。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、圧損の発生箇所を冷却水の流れ方向に分散させることによって、冷却水流れの圧損を低減し、円滑な冷却水流れを実現できる。

また、冷却水通路には、冷却水通路の断面の一部で冷却水流れを遮る遮蔽部材が設けられている。好ましくは、端部は、遮蔽部材よりも冷却水流れの下流側で遮蔽部材と隣り合って配置されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、遮蔽部材の下流側では冷却水流れが淀むため、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿った流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、渦流れが発生し易くなる。このため、その位置に配置された各フィンの端部を冷却水の流れ方向にずらすことにより、冷却水流れの圧損の増大を効果的に抑制することができる。

また、冷却水通路は、複数のフィンの両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁に挟まれた位置に形成されている。好ましくは、端部は、一対の内壁のそれぞれから離れるに従って冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿った流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、端部が最も上流側に配置されたフィンによって、その冷却水流れを一対の内壁の一方の側と他方の側とに分断することができる。これにより、渦流れの発生を抑え、冷却水流れの圧損の増大を効果的に抑制することができる。

また好ましくは、端部は、複数のフィンの並び方向において、冷却水流れの上流側と下流側とに交互にずれて配置されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿った流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、端部が上流側に配置された各フィンによって、その冷却水流れを分断できる。これにより、渦流れの発生を抑え、冷却水流れの圧損の増大を効果的に抑制することができる。

また好ましくは、冷却水流れの上流側にずれて配置された端部同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されており、冷却水流れの下流側にずれて配置された端部同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水流れの上流側にずれて配置された端部間および冷却水流れの下流側にずれて配置された端部間のそれぞれで、端部と冷却水とが衝突する位置をずらすことができる。これにより、冷却水流れの圧損の増大をさらに効果的に抑制することができる。

この発明に従ったインバータは、上述のいずれかに記載のパワー半導体素子の冷却構造が用いられ、車両に搭載されている。このように構成されたインバータによれば、インバータの冷却効率を向上させることにより、インバータの小型化を図ることができる。また、インバータの冷却のために消費される電力を低減し、車両の燃費を向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、冷却効率に優れたパワー半導体素子の冷却構造およびインバータを提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、ＨＶ（Hybrid Vehicle）システムの冷却系を示す斜視図である。図中に示すＨＶシステムの冷却系は、モータと、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関とを動力源として駆動するハイブリッド車両に搭載されている。

図１を参照して、ハイブリッド車両は、エンジン５２と、駆動用のモータおよび発電用のジェネレータ（以下、モータジェネレータと称する）を内蔵するトランスアクスル５３と、バッテリの直流電圧とモータジェネレータの交流電圧とを相互に変換するインバータ１３０と、ラジエータ６１とを備える。

ラジエータ６１には、互いに独立した２つの冷却水路が設けられており、そのうちの一方が、エンジン５２の冷却系を構成し、他方が、ＨＶシステムの冷却系を構成している。ＨＶシステムの冷却系は、たとえば、ラジエータ６１→インバータ１３０→リザーバタンク５４→ウォータポンプ１０→トランスアクスル５３→ラジエータ６１を順にたどる冷却水路によって形成されている。水路内の冷却水（たとえば、エチレングリコール系のクーラント）は、ウォータポンプ１０によって強制循環され、インバータ１３０や、トランスアクスル５３に設けられたモータジェネレータを順に冷却する。冷却によって温度上昇した冷却水は、ラジエータ６１を通過することによって、温度が下げられる。

図２は、ＨＶシステムの主要部を示す電気回路図である。図２を参照して、ＨＶシステム２００は、モータジェネレータ１１０とインバータ１３０とに加えて、コンバータ１２０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン２２０，２４０，２６０とを含む。なお、モータジェネレータ１１０は、実際には、主にジェネレータとして機能するモータジェネレータＭＧ１と、主にモータとして機能するモータジェネレータＭＧ２とから構成されているが、以降の説明を簡単にするため、１つのモータジェネレータとして示されている。

コンバータ１２０は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３を介してバッテリＢと接続されている。インバータ１３０は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３を介してコンバータ１２０と接続されている。インバータ１３０は、出力ライン２２０，２４０，２６０を介してモータジェネレータ１１０と接続されている。バッテリＢは、直流電源であって、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池から形成されている。バッテリＢは、蓄えた直流電力をコンバータ１２０に供給したり、コンバータ１２０から受け取る直流電力によって充電される。

モータジェネレータ１１０は、たとえば３相交流同期電動発電機であって、インバータ１３０から受け取る交流電力によって駆動力を発生する。モータジェネレータ１１０は、発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により交流電力を発生させ、その発生した交流電力をインバータ１３０に供給する。

コンバータ１２０は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームと、リアクトルＬとを含む。上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。電源ラインＰＬ２に接続される上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１と、パワートランジスタＱ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とからなる。電源ラインＰＬ３に接続される下アームは、パワートランジスタＱ２と、パワートランジスタＱ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とからなる。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１と、上アームおよび下アームの接続点との間に接続されている。

コンバータ１２０は、バッテリＢから受け取る直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、その昇圧した電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ１２０は、インバータ１３０から受け取る直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。なお、コンバータ１２０は必ずしも設けられる必要はない。

インバータ１３０は、Ｕ相アーム１５２と、Ｖ相アーム１５４と、Ｗ相アーム１５６とを含む。Ｕ相アーム１５２、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５６は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続されている。Ｕ相アーム１５２、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５６の各々は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームからなる。各相アームの上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。

Ｕ相アーム１５２の上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３と、パワートランジスタＱ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とからなる。Ｕ相アーム１５２の下アームは、パワートランジスタＱ４と、パワートランジスタＱ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とからなる。Ｖ相アーム１５４の上アームは、パワートランジスタＱ５と、パワートランジスタＱ５に逆並列に接続されるダイオードＤ５とからなる。Ｖ相アーム１５４の下アームは、パワートランジスタＱ６と、パワートランジスタＱ６に逆並列に接続されるダイオードＤ６とからなる。Ｗ相アーム１５６の上アームは、パワートランジスタＱ７と、パワートランジスタＱ７に逆並列に接続されるダイオードＤ７とからなる。Ｗ相アーム５６の下アームは、パワートランジスタＱ８と、パワートランジスタＱ８に逆並列に接続されるダイオードＤ８とからなる。各相アームのパワートランジスタの接続点は、対応する出力ラインを介してモータジェネレータ１１０の対応する相のコイルの反中性点側に接続されている。

なお、図中では、Ｕ相アーム１５２からＷ相アーム１５６の各アームが、パワートランジスタとダイオードとからなる１つの半導体モジュールから構成されている場合が示されているが、複数の半導体モジュールにより構成されても良い。

インバータ１３０は、制御装置１４０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受け取る直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１１０へ出力する。インバータ１３０は、モータジェネレータ１１０によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置１４０は、モータジェネレータ１１０のトルク指令値、各相電流値、およびインバータ１３０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータ１１０の各相コイル電圧を演算する。制御装置１４０は、その演算結果に基づいて、パワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してインバータ１３０へ出力する。モータジェネレータ１１０の各相電流値は、インバータ１３０の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、Ｓ／Ｎ比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。制御装置１４０は、上述したトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算する。制御装置１４０は、その結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１２０へ出力する。

さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータ１１０によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリＢに充電するため、コンバータ１２０およびインバータ１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

続いて、インバータ１３０の冷却構造について説明を行なう。本実施の形態では、本発明によるパワー半導体素子の冷却構造がインバータ１３０に適用されている。図３は、図１中のインバータの冷却構造を示す平面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったインバータの断面図である。

図３および図４を参照して、インバータ１３０は、搭載面２１ａおよび搭載面２１ａの反対側に面する表面２１ｂを有するケース体２１を備える。ケース体２１は、アルミダイキャストにより形成されている。ケース体２１は、これに限定されず、たとえば鉄やマグネシウムから形成されても良い。

搭載面２１ａには、シリコングリス３４を介して放熱板３３が固定されている。放熱板３３上には、さらに、絶縁基板３２を介して複数のチップ３１が固定されている。たとえば、シリコングリス３４および放熱板３３が設けられず、絶縁基板３２が直接、搭載面２１ａに固定されても良い。複数のチップ３１は、搭載面２１ａ上の互いに離間した位置に設けられている。チップ３１は、Ｕ相アーム１５２からＷ相アーム１５６の各アームに対応して設けられており、パワートランジスタとダイオードとからなる半導体モジュールを含む。なお、図３中では、１２個のチップ３１が示されており、各アームが２つのチップ３１から構成されている場合について示されている。

表面２１ｂ上には、冷却水通路２６が形成されている。冷却水通路２６には、チップ３１を冷却するための冷却水が流通する。冷却水通路２６は、チップ３１を搭載する搭載面２１ａに対向して形成されている。冷却水通路２６は、冷却水が供給される供給口２３と、冷却水が排出される排出口２４とを有し、供給口２３と排出口２４との間で延びている。冷却水通路２６は、搭載面２１ａに平行に延びている。冷却水通路２６は、表面２１ｂ上で蛇行しながら延びている。冷却水通路２６は、搭載面２１ａを平面的に見た場合に、チップ３１の搭載位置と重なるように延びている。ケース体２１は、互いに距離を隔てて向い合い、冷却水通路２６を規定する内壁２１ｍおよび２１ｎを有する。

供給口２３を通じて冷却水通路２６に供給された冷却水は、冷却水通路２６の経路に沿って流れる。この間、冷却水は、ケース体２１を介してチップ３１と熱交換を行ない、チップ３１を冷却する。チップ３１との熱交換によって温度上昇した冷却水は、排出口２４を通じて冷却水通路２６から排出される。

冷却水通路２６には、フィン２２が設けられている。フィン２２は、ケース体２１を介して行なわれる、チップ３１と冷却水通路２６に流れる冷却水との間の熱交換を促進させる。フィン２２は、表面２１ｂから突出している。フィン２２は、冷却水と接触する表面を有する。フィン２２は、ケース体２１に一体に形成されている。フィン２２は、これに限定されず、ケース体２１とは別体に設けられ、ケース体２１に固定されても良い。フィン２２の表面に、微細な凹凸形状が形成されても良い。冷却水の流れ方向の直交平面により切断された場合に、フィン２２は、山形、矩形もしくは三角形等、いずれの断面形状を有しても良い。

フィン２２は、冷却水通路２６が延びる方向の直交方向、つまり冷却水の流れ方向の直交方向に間隔を隔てて複数、形成されている。フィン２２は、冷却水通路２６が延びる方向に沿って延びている。複数のフィン２２は、等間隔に配置されている。複数のフィン２２は、異なる間隔で配置されても良い。フィン２２は、冷却水通路２６が延びる方向に沿って波打ちながら延びても良い。フィン２２は、その延びる方向に断続的に途切れている。フィン２２は、冷却水通路２６の冷却水流れの上流側に対向する端部４１を有する。

図５は、図３中の２点鎖線Ｖで囲まれた位置を示す冷却水通路の平面図である。図中の矢印は、冷却水が流れる方向を示す。図５を参照して、冷却水通路２６には、フィン２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄおよび２２Ｅが設けられている。フィン２２Ａから２２Ｅは、挙げた順に冷却水の流れ方向の直交方向に並んでいる。つまり、フィン２２Ａおよび２２Ｅは、それぞれ、内壁２１ｎおよび２１ｍに隣り合って設けられている。フィン２２Ｃは、冷却水流れの直交方向に並ぶ複数のフィン２２の中央部に設けられている。なお、冷却水の流れ方向の直交方向に並ぶフィン２２の数は、図中に示す５枚に限定されず、２以上の適当な数であれば良い。フィン２２の数は、偶数であっても良いし、奇数であっても良い。

複数のフィン２２のうち少なくとも１つのフィン２２の端部４１は、そのフィン２２の両側に隣接するフィン２２の端部４１よりも、冷却水流れの上流側にずれて配置されている。図５中では、フィン２２Ｃの端部４１は、フィン２２Ｃの両側に隣接するフィン２２Ｂおよび２２Ｄの端部４１よりも、冷却水流れの上流側にずれて配置されている。複数のフィン２２は、端部４１の配置形状の少なくとも一部が、冷却水流れの上流側に向かって凸となる山形形状を有するように設けられている。複数のフィン２２の端部４１は、フィン２２が互いに隣り合う全ての位置で冷却水の流れ方向にずれて配置されている。

フィン２２Ｃの端部４１は、冷却水流れの最も上流側に配置されている。フィン２２Ｂの端部４１は、フィン２２Ｃの端部４１よりも冷却水流れの下流側に配置され、フィン２２Ａの端部４１は、フィン２２Ｂの端部４１よりも冷却水流れの下流側に配置されている。フィン２２Ｄの端部４１は、フィン２２Ｃの端部４１よりも冷却水流れの下流側に配置され、フィン２２Ｅの端部４１は、フィン２２Ｄの端部４１よりも冷却水流れの下流側に配置されている。すなわち、複数のフィン２２の端部４１は、内壁２１ｎおよび２１ｍからそれぞれ離れるに従って、冷却水流れの下流側から上流側にずれるように設けられている。

冷却水の流れ方向の直交平面で切断された場合の冷却水通路２６の断面内で、冷却水流れは、端部４１の直前でほぼ均一な速度分布を有する。複数のフィン２２の端部４１は、内壁２１ｎと内壁２１ｍとの中間位置に対してその両側で対称な位置に配置されている。この場合、端部４１の下流側で冷却水の速度分布に大きな偏りが生じることを防止できる。

なお、本実施の形態では、複数のフィン２２の端部４１が、フィン２２が隣り合う全て位置でずれて配置されている場合を説明したが、これに限定されず、端部４１が互いに隣り合う位置で冷却水の流れ方向において同じ箇所に設けられたフィン２２が存在しても良い。

冷却水の流れ方向において、冷却水が各フィン２２の端部４１と同じ箇所で衝突すると、衝突時に生じる反力が大きくなる。これにより、冷却水の流れ方向とは反対方向の冷却水流れが発生し、冷却水通路２６に渦流れが発生するおそれが生じる。渦流れが発生した場合には、冷却水流れの圧損が大きくなり、冷却性能の向上を図ることができない。さらに、冷却水流れの流速に偏りが生じることになる。

これに対して、本実施の形態では、冷却水が各フィン２２の端部４１に衝突する位置が冷却水の流れ方向にずれる。このため、圧損の発生箇所が冷却水の流れ方向に分散される。また、フィン２２Ｃは、冷却水通路２６の中央部で冷却水流れの最も上流側にずれるように配置された端部４１を有する。このため、端部４１との衝突によって流れが妨げられた冷却水が、フィン２２Ｃを中心に内壁２１ｎ側と内壁２１ｍ側とに分断される。このような構成により、冷却水流れに渦流れが発生することを抑制し、冷却水と端部４１との衝突による圧損の増大を小さく抑えることができる。

なお、このような複数のフィン２２の端部４１が冷却水の流れ方向にずれて配置された構造は、冷却水が供給口２３を通じて冷却水通路２６に流れ込む位置を含んで、図３中の複数箇所に設けられている。

図６は、図３中の２点鎖線ＶＩで囲まれた位置を拡大して示す冷却水通路の平面図である。図７は、図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った冷却水通路の断面図である。

図６および図７を参照して、冷却水通路２６には、ボルト２８を挿通するための突出部２７が配設されている。突出部２７は、内壁２１ｎから冷却水通路２６に向かって突出する。突出部２７は、冷却水通路２６の断面の一部で冷却水流れを遮るように設けられている。突出部２７が配設された冷却水通路２６の断面では、冷却水は一様でない速度分布を有する。突出部２７よりも冷却水流れの下流側には、フィン２２の端部４１が配置されている。突出部２７と端部４１とは隣り合って設けられている。

このような構成では、突出部２７とフィン２２との間の空間２９で冷却水流れが淀む。冷却水流れが淀む空間２９では、渦流が発生し易くなり、圧損の増大が特に大きな問題となる。本実施の形態では、フィン２２の端部４１による抵抗を小さくして、渦流れを規制するため、渦流れの発生を抑制し、圧損の低減を図ることができる。このため、冷却水流れに淀みが生じる箇所にフィン２２が設けられた場合の上述の問題を解決することができる。

冷却水の流れ方向の直交平面で切断された場合の冷却水通路２６の断面が、冷却水流れの速度が相対的に小さくなる第１の領域と、冷却水流れの速度が相対的に大きくなる第２の領域とを有する場合、第１の領域に配置される端部４１は、第２の領域に配置される端部４１よりも冷却水流れの下流側に配置されることが好ましい。この場合、端部４１の下流側で冷却水の速度分布をより均一な状態に保つことができる。

この発明の実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造は、冷却水通路２６と、複数のフィン２２とを備える。冷却水通路２６は、パワー半導体素子としてのチップ３１を搭載する搭載面２１ａに対向して形成されている。冷却水通路２６には、チップ３１を冷却する冷却水が流れる。複数のフィン２２は、冷却水通路２６の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設されている。複数のフィン２２は、チップ３１と冷却水との間の熱交換を促進する。複数のフィン２２は、冷却水流れの上流側に対向する端部４１を有する。複数のフィン２２のうち少なくとも１つのフィン２２の端部４１は、そのフィン２２の両側に隣接するフィン２２の端部４１よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却媒体として空気よりも密度が大きい水が使用されているため、冷却水通路２６で生じる圧損が大きくなる傾向がある。本実施の形態では、複数のフィン２２の端部４１を互いに冷却水の流れ方向にずらすことにより、圧損を小さく抑え、インバータ１３０の冷却効率を向上させることができる。これにより、ハイブリッド車両の動力性能を向上させたり、インバータ１３０の小型化を図ることが可能となる。また、ウォータポンプ１０で消費される電力を抑え、ハイブリッド車両の燃費を向上させることができる。

図８は、図５中のフィン形状の変形例を示す冷却水通路の平面図である。図８を参照して、本変形例では、フィン２２Ｂおよび２２Ｄの端部４１が、相対的に冷却水流れの上流側に配置され、フィン２２Ａ、２２Ｃおよび２２Ｅの端部４１が、相対的に冷却水流れの下流側に配置されている。すなわち、複数のフィン２２の端部４１は、冷却水流れの上流側と下流側とに交互にずれるように配置されている。

このような構成により、フィン２２Ｂおよび２２Ｄは、端部４１との衝突によって流れが妨げられた冷却水を分断する役割を果たす。これにより、渦流れの発生を効果的に抑制することができる。

図９は、図５中のフィン形状の別の変形例を示す冷却水通路の平面図である。図９を参照して、本変形例では、図８中に示す変形例の構成に加えて、さらに、冷却水流れの上流側にずれて配置されたフィン２２Ｂの端部４１とフィン２２Ｄの端部４１とが、冷却水の流れ方向にずれて配置されている。冷却水流れの下流側にずれて配置されたフィン２２Ａの端部４１と、フィン２２Ｃの端部４１と、フィン２２Ｅの端部４１とが、冷却水の流れ方向にずれて配置されている。

冷却水流れの上流側にずれて配置されたフィン２２Ｂおよび２２Ｄの端部４１は、内壁２１ｎから内壁２１ｍに向かうに従って、冷却水流れの下流側から上流側にずれるように配置されている。冷却水流れの下流側にずれて配置されたフィン２２Ａ、２２Ｃおよび２２Ｅの端部４１は、内壁２１ｍから内壁２１ｎに向かうに従って、冷却水流れの下流側から上流側にずれるように配置されている。

このような構成により、冷却水が各フィン２２の端部４１に衝突する位置が、冷却水の流れ方向に大きく分散され、渦流れの発生をさらに効果的に抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ＨＶシステムの冷却系を示す斜視図である。 ＨＶシステムの主要部を示す電気回路図である。 図１中のインバータの冷却構造を示す平面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったインバータの断面図である。 図３中の２点鎖線Ｖで囲まれた位置を示す冷却水通路の平面図である。 図３中の２点鎖線ＶＩで囲まれた位置を拡大して示す冷却水通路の平面図である。 図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った冷却水通路の断面図である。 図５中のフィン形状の変形例を示す冷却水通路の平面図である。 図５中のフィン形状の別の変形例を示す冷却水通路の平面図である。

符号の説明

２１ａ 搭載面、２１ｍ，２１ｎ 内壁、２２ フィン、２６ 冷却水通路、２７ 突出部、３１ チップ、４１ 端部、１３０ インバータ。

Claims (7)

1. パワー半導体素子を搭載する搭載面に対向して形成され、前記パワー半導体素子を冷却する冷却水が流れる冷却水通路と、
   前記冷却水通路の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設され、前記パワー半導体素子と冷却水との間の熱交換を促進する複数のフィンとを備え、
   前記複数のフィンは、冷却水流れの上流側に対向する端部を有し、
   前記複数のフィンのうち少なくとも１つのフィンの前記端部は、前記フィンの両側に隣接するフィンの前記端部よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている、パワー半導体素子の冷却構造。
2. 前記端部は、前記冷却水通路に流れる冷却水と前記端部とが衝突する位置が、前記複数のフィン間で冷却水の流れ方向にずれるように配置されており、
   冷却水と前記端部との衝突に起因して発生する冷却水流れの圧損が低減される、請求項１に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
3. 前記冷却水通路には、前記冷却水通路の断面の一部で冷却水流れを遮る遮蔽部材が設けられており、前記端部は、前記遮蔽部材よりも冷却水流れの下流側で前記遮蔽部材と隣り合って配置されている、請求項１または２に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
4. 前記冷却水通路は、前記複数のフィンの両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁に挟まれた位置に形成されており、
   前記端部は、前記一対の内壁のそれぞれから離れるに従って冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
5. 前記端部は、前記複数のフィンの並び方向において、冷却水流れの上流側と下流側とに交互にずれて配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
6. 冷却水流れの上流側にずれて配置された前記端部同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されており、冷却水流れの下流側にずれて配置された前記端部同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されている、請求項５に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却構造が用いられ、車両に搭載された、インバータ。

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