JP2012016073A

JP2012016073A - 電力変換装置

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Publication number: JP2012016073A
Application number: JP2010147201A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Harada; 大輔原田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: JP5471891B2

Abstract

【課題】効率的な半導体素子の冷却を行うことができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２を複数個積層して構成してなる電力変換装置１。半導体モジュール２は、半導体素子２１と、放熱板２２と、封止部２３と、壁部２４と、貫通冷媒流路４１とを有する。複数の半導体モジュール２は積層されており、積層方向の両端に蓋部３が配設されており、隣り合う半導体モジュール２の間及び蓋部３と半導体モジュール２との間であって壁部２４の内側には、貫通冷媒流路４１に連通すると共に放熱面２２１に沿った沿面冷媒流路４２が形成されている。複数の半導体モジュール２のうちの少なくとも一つは、他の半導体モジュール２に対して、貫通冷媒流路４１の流路断面積が異なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を内蔵すると共に該半導体素子を冷却するための冷媒流路を内部に設けた半導体モジュールを、複数個積層して構成してなる電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置として、図１５に示すごとく、半導体素子９２１を内蔵すると共に該半導体素子９２１を冷却するための冷媒流路９４を内部に設けた半導体モジュール９２を、複数個積層して構成してなる電力変換装置９がある（特許文献１）。

この電力変換装置９における半導体モジュール９２は、半導体素子９２１と、該半導体素子９２１と熱的に接続された放熱板９２２と、該放熱板９２２の放熱面９２５を露出させた状態で半導体素子９２１及び放熱板９２２を封止する樹脂からなる封止部９２３と、該封止部９２３の周囲に形成された樹脂からなる壁部９２４とを有する。そして、壁部９２４と封止部９２３との間に冷媒流路９４を有する。
すなわち、半導体モジュール９２は、半導体素子９２１を放熱板９２２と共に樹脂モールドするとともに、その内部に冷媒流路９４となる空間を形成している。

電力変換装置９は、複数の半導体モジュール９２を放熱面９２５の法線方向に積層し、連結して構成されている。これにより、隣り合う半導体モジュール９２における放熱板９２２の放熱面９２５同士の間にも冷媒流路９４が形成される。
また、電力変換装置９は、上記冷媒流路９４へ冷却媒体Ｗを導入するための冷媒導入管９５１と、上記冷媒流路９４から冷却媒体Ｗを排出するための冷媒排出管９５２とを、複数の半導体モジュール９２の積層方向の一端に取り付けてなる。
そして、冷媒導入管９５１及び冷媒排出管９５２において、冷却媒体Ｗを導入、排出して、冷媒流路９４に冷却媒体Ｗを流通させることにより、半導体素子９２１の冷却を行うことができる。

かかる電力変換装置９は、上記のように複数の半導体モジュール９２を積層することによって、冷媒流路９４を備えた状態で構成されるため、別途冷却器を設ける必要がなく、簡素化、小型化、かつ組立容易化を実現することができる。

特開２００６−１６５５３４号公報

しかしながら、上記電力変換装置９においては、以下の問題がある。
すなわち、冷媒導入管９５１及び冷媒排出管９５２は、複数の半導体モジュール９２の積層方向の一端に配設されているため、冷媒導入管９５１及び冷媒排出管９５２に近い側（前段側）の半導体モジュール９２に比べ、遠い側（後段側）の半導体モジュール９２の冷媒流路における冷却媒体Ｗの流量が少なくなりやすい。つまり、冷媒導入管９５１及び冷媒排出管９５２から遠ざかるにつれ流路抵抗が大きくなり、後段側の半導体モジュール９２の冷媒流路における冷却媒体Ｗの流量が少なくなりやすい。
それゆえ、最後段の半導体モジュール９２へ必要最小限の冷却媒体Ｗを流通させようとすると、電力変換装置９全体としての冷却媒体Ｗの流量を多くせざるを得ない。その結果、効率的な半導体素子９２１の冷却を行うことが困難となる。

また、各半導体モジュール９２に内蔵された半導体素子９２１の発熱量は、すべての半導体モジュール９２について同じであるとは限らない。例えば、電力変換装置９が複数の電力変換回路を備えている場合など、内蔵する半導体素子９２１の発熱量が異なる半導体モジュール９２が併存することもある。
かかる場合、発熱量の大きい半導体素子９２１を備えた半導体モジュール９２における冷却媒体Ｗの流量を、他の半導体モジュール９２よりも意図的に多くすることが望まれる。しかし、上記電力変換装置９のように、同形状の半導体モジュール９２を積層、連結しただけでは、冷却媒体Ｗの流量を半導体モジュール９２ごとに意図的に異ならせることは困難である。

そのため、発熱量の大きい半導体素子９２１を備えた半導体モジュール９２へ多くの冷却媒体Ｗを流通させようとすると、他の半導体モジュール９２への冷却媒体Ｗの流量も必要以上に多くすることとなり、電力変換装置９全体としての冷却媒体Ｗの流量が多くなってしまう。その結果、効率的な半導体素子９２１の冷却を行うことが困難となる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、効率的な半導体素子の冷却を行うことができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部が配設されており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
かつ、上記複数の半導体モジュールのうちの少なくとも一つは、他の上記半導体モジュールに対して、上記貫通冷媒流路の流路断面積が異なることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールのうちの少なくとも一つは、他の上記半導体モジュールに対して、上記貫通冷媒流路の流路断面積が異なる。つまり、すべての半導体モジュールにおける貫通冷媒流路の流路断面積が同等となっているわけではない。これにより、各半導体モジュールにおける貫通冷媒流路の流路抵抗を適宜調整することが可能となる。それゆえ、各半導体モジュールにおける貫通冷媒流路及び沿面冷媒流路に供給される冷却媒体の流量を調整することが可能となる。その結果、効率的な半導体素子の冷却を行うことが可能となる。

例えば、各半導体モジュールにおける半導体素子の発熱量に大きなばらつきがない場合には、すべての半導体モジュールの貫通冷媒流路及び沿面冷媒流路における冷却媒体の流量を同等にすることが望ましい。しかし、複数の半導体モジュールの配置の関係上、各半導体モジュールの貫通冷媒流路及び沿面冷媒流路における冷却媒体の流量に差が生じることもある。かかる場合に、配置の関係上、冷却媒体の流量が少なくなりやすい半導体モジュールにおける貫通冷媒流路の流路断面積を大きくすることにより、複数の半導体モジュールの貫通冷媒流路及び沿面冷媒流路における冷却媒体の流量のばらつきを抑制することができる。
その結果、電力変換装置全体として、効率的な半導体素子の冷却を行うことが可能となる。

また、例えば、複数の半導体モジュールのうちの一部の半導体モジュールに内蔵された半導体素子の発熱量が大きい場合には、その発熱量の大きい半導体素子を内蔵した半導体モジュールを特に冷却する必要が生じる。かかる場合にも、その半導体モジュールにおける貫通冷媒流路の流路断面積を大きくして、貫通冷媒流路及び沿面冷媒流路における冷却媒体の流量を特に多くすることが可能である。つまり、発熱量の小さい半導体素子を内蔵した半導体モジュールにおける冷却媒体の流量を少なく抑えつつ、発熱量の大きい半導体素子を内蔵した半導体モジュールにおける冷却媒体の流量を多くすることが可能である。
その結果、電力変換装置全体として、効率的な半導体素子の冷却を行うことが可能となる。

以上のごとく、本発明によれば、効率的な半導体素子の冷却を行うことができる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の斜視展開図。実施例１における、図１のＡ−Ａ線矢斜視図相当の電力変換装置の断面図。（Ａ）図２のＢ−Ｂ線矢視断面図、（Ｂ）図２のＣ−Ｃ線矢視断面図。実施例１における、電力変換装置の回路図。実施例２における、貫通冷媒流路内の封止部の横方向の幅を大きくした図２のＢ−Ｂ線矢視断面図相当の断面図。実施例２における、貫通冷媒流路内にテーパ面を形成した図２のＢ−Ｂ線矢視断面図相当の断面図。実施例２における、貫通冷媒流路内にテーパ面を２面形成した図２のＢ−Ｂ線矢視断面図相当の断面図。実施例３における、貫通冷媒流路内に底面を形成した図２のＢ−Ｂ線矢視断面図相当の断面図。実施例３における、貫通冷媒流路内に天井面を形成した図２のＢ−Ｂ線矢視断面図相当の断面図。実施例４における、（Ａ）図２のＢ−Ｂ線矢視断面図、（Ｂ）図２のＣ−Ｃ線矢視断面図。実施例５における、電力変換装置の断面図。実施例５における、電力変換装置の回路図。実施例６における、電力変換装置の斜視展開図。実施例６における、電力変換装置の断面図。背景技術における、電力変換装置の断面図。

本発明において、上記複数の半導体モジュールの積層方向は、上記放熱面の法線方向と略平行であればよく、隣り合う半導体モジュールの上記半導体素子間に、上記放熱面沿った上記沿面冷媒流路が形成される状態であればよい。
また、上記半導体モジュールにおける上記放熱板は、上記半導体素子を両側から狭持する状態で配設されていることが好ましいが、上記半導体素子の一方の面側のみに配設されていてもよい。

また、上記封止部と上記壁部とは、樹脂によって成形されていることが好ましい。この場合には、上記封止部、上記壁部及びこれらの間に形成される上記貫通冷媒流路を容易に形成することができ、電力変換装置の構成の簡素化、小型化、低コスト化を実現することができる。

また、上記一対の蓋部のうちの一方である前方蓋部には、上記冷却媒体を上記貫通冷媒流路及び上記沿面冷媒流路に導入、排出する、冷媒導入管及び冷媒排出管が配設されており、上記複数の半導体モジュールのうち、上記前方蓋部から遠い位置に配された上記半導体モジュールほど、上記貫通冷媒流路の流路断面積が大きいことが好ましい（請求項２）。

この場合には、複数の半導体モジュールにおける上記冷却媒体の流量のばらつきを抑制することができる。すなわち、仮に流路断面積が一定であると、上述のごとく、冷媒導入管及び冷媒排出管から遠いほど流路抵抗が高くなるため、冷却媒体の流量が少なくなる。そこで、冷媒導入管及び冷媒排出管が配設されている上記前方蓋部から遠い位置に配された半導体モジュールほど、上記貫通冷媒流路の流路断面積を大きく形成することにより、複数の半導体モジュールの配置の関係による上記冷却媒体の流量のばらつきを抑制することができる。それゆえ、例えば各半導体モジュールにおける半導体素子の発熱量に大きなばらつきがない場合においては、上記構成とすることにより、上記複数の半導体モジュールの半導体素子をより効率的に冷却することが可能となる。

また、上記複数の半導体モジュールのうちの少なくとも一つに内蔵された上記半導体素子は、他の上記半導体モジュールに内蔵された上記半導体素子よりも発熱量が大きく、発熱量が大きい上記半導体素子を内蔵した上記半導体モジュールは、他の上記半導体モジュールよりも、上記貫通冷媒流路の流路断面積が大きいことが好ましい（請求項３）。

この場合には、特に発熱量の大きい半導体素子を内蔵した半導体モジュールの上記冷却媒体の流量を多くすることができる。すなわち、発熱量の小さい半導体素子を内蔵した半導体モジュールにおける上記冷却媒体の流量を少なく抑えつつ、発熱量の大きい半導体素子を内蔵した半導体モジュールにおける冷却媒体の流量を確実に多くすることができる。そのため、より効率的な半導体素子の冷却を行うことが可能となる。

また、上記電力変換装置は、複数の電力変換回路を備えており、それぞれの該電力変換回路を構成する上記半導体モジュールごとに、上記貫通冷媒流路の流路断面積が異なることが好ましい（請求項４）。
この場合には、それぞれの電力変換回路を構成する上記複数の半導体モジュールごとの発熱量に応じて冷却媒体の流量を調整することができ、それぞれの電力変換回路を構成する上記複数の半導体モジュールの発熱量に適した効率的な半導体素子の冷却を行うことが可能となる。

上記複数の半導体モジュールにおける上記貫通冷媒流路は、上記半導体素子との並列方向及び流路方向の双方に直交する方向の上記半導体素子に対する位置が一定であることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記貫通冷媒流路を流れる冷却媒体による上記封止部材を介した半導体素子の冷却をより効率的に行うことができる。

上記複数の半導体モジュールのうちの一部における上記貫通冷媒流路は、上記封止部及び上記壁部とは別体の挿入部材によって、少なくとも一部の流路内壁面を構成していることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記挿入部材によって、上記貫通冷媒流路の流路断面積を容易に調整することができる。その結果、例えば、同形状の半導体モジュールを複数用意しておき、その中の一部の半導体モジュールに上記挿入部材を挿入して上記貫通冷媒流路の流路断面積を異ならせることができる。これにより、電力変換装置の生産効率の向上及びコスト低減を図ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２を複数個積層して構成される。

半導体モジュール２は、図２、図３に示すごとく、半導体素子２１と、半導体素子２１と熱的に接続された放熱板２２と、放熱板２２の放熱面２２１を露出させた状態で半導体素子２１及び放熱板２２を封止する封止部２３と、放熱面２２１の法線方向に直交する方向における封止部２３の周囲に形成されると共に放熱面２２１よりも法線方向に突出した壁部２４と、壁部２４と封止部２３との間に形成された貫通冷媒流路４１とを有する。

また、図２に示すごとく、複数の半導体モジュール２は、放熱面２２１の法線方向に積層されており、積層方向の両端に配される半導体モジュール２には、壁部２４における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部３が配設されている。
隣り合う半導体モジュール２の間及び蓋部３と半導体モジュール２との間であって壁部２４の内側には、貫通冷媒流路４１に連通すると共に放熱面２２１に沿った沿面冷媒流路４２が形成されている。
複数の半導体モジュール２のうちの少なくとも一つは、他の半導体モジュール２に対して、貫通冷媒流路４１の流路断面積が異なる。

また、一対の蓋部３のうちの一方である前方蓋部３０には、冷却媒体Ｗを冷媒流路４（貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２）に導入、排出する、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２が配設されており、複数の半導体モジュール２のうち、前方蓋部３０から遠い位置に配された半導体モジュール２ほど、貫通冷媒流路４１の流路断面積を大きく形成する。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、図４に示すごとく、直流電源（バッテリー１０１）と交流負荷（三相交流の回転電機１０２）との間の電力変換を行うよう構成されている。
半導体モジュール２は、図２、図３に示すごとく、２個の半導体素子２１を備えている。具体的には、半導体モジュール２に内蔵された半導体素子２１の一方は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなるスイッチング素子であり、他方は、スイッチング素子に逆並列接続されたＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードである（図４参照）。

各半導体モジュール２は、図２、図３に示すごとく、半導体素子２１を両側から挟持するように配設された一対の金属製の放熱板２２を有する。そして、これらの放熱板２２は、はんだ２２２を介して半導体素子２１に電気的、熱的に接続されている。２個の半導体素子２１と一対の放熱板２２とは、各放熱板２２の放熱面２２１を露出させながら、樹脂製の封止部２３によって一体化されて封止されている。封止部２３は、放熱面２２１の全周に形成されている。
また、放熱面２２１の法線方向に直交する方向の全周にわたって封止部２３を囲むように、樹脂製の壁部２４が形成されている。

図３（Ａ）、（Ｂ）に示すごとく、封止部２３及び壁部２４からは、放熱面２２１の法線方向に直交する方向に、一対の主電極端子２５１が突出し、その反対方向に、複数の制御端子２５２が突出している。主電極端子２５１には、被制御電流用のバスバー（図示略）が接続され、制御端子２５２は、スイッチング素子（半導体素子２１）を制御等するための制御回路（図示略）に接続される。

また、放熱面２２１の法線方向に直交する方向であって、主電極端子２５１及び制御端子２５２の突出方向（以下、「高さ方向」という。）に直交する方向（以下、「横方向」という。）における、封止部２３と壁部２４との間に、一対の貫通冷媒流路４１が形成されている。
また、壁部２４は、一対の放熱面２２１よりも、放熱面２２１の法線方向に突出している。

本例においては、この壁部２４のうち貫通冷媒流路４１の横方向外側に配される部分の厚みを各半導体モジュール２ごとに異ならせることにより、貫通冷媒流路４１の流路断面積を異ならせている。
すなわち、前方蓋部３０に近い側に配された半導体モジュール２の流路断面積を、図３（Ａ）に示すごとく、貫通冷媒流路４１を形成する壁部２４の横方向外側に配される部分の厚みを大きくして、流路断面積を狭く形成する。また、前方蓋部３０から遠い半導体モジュール２の流路断面積を、図３（Ｂ）に示すごとく、貫通冷媒流路４１を形成する壁部２４の横方向外側に配される部分の厚みを小さくして、流路断面積を広く形成する。

しかも、本例においては、各半導体モジュール２ごとにおいても、前方蓋部３０に近い側から遠い側に向かって壁部２４の厚みが小さくなるように、すなわち、貫通冷媒流路４１の流路断面積が大きくなるように形成される。
また、本例においては、貫通冷媒流路４１は、半導体素子２１との並列方向及び流路方向の双方に直交する方向（高さ方向）の半導体素子２１に対する位置（高さ方向両端の位置）が一定となるように構成してある。

図１、図２に示すごとく、電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２を、放熱面２２１の法線方向に積層することにより、構成されている。このとき、貫通冷媒流路４１の流路断面積が小さい半導体モジュール２ほど、前方蓋部３０に近い位置に配置する。そして、隣り合う半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１の流路断面積は面一に連続して形成される。
なお、図１、図２においては、半導体モジュール２を３個積層した図を示しているが、実際の電力変換装置１は、より多数の半導体モジュール２を積層してなり、その積層数は特に限定されるものではない。

複数の半導体モジュール２は、壁部２４において互いに連結されている。そして、電力変換装置１における積層方向の両端に、樹脂製の蓋部３が、半導体モジュール２の壁部２４の開口部を塞ぐように取り付けてある。隣り合う半導体モジュール２の壁部２４の間や、半導体モジュール２の壁部２４と蓋部３との間には、水密性を確保するためのシール部材を介在させることができる。

一対の蓋部３のうちの一方には、貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２へ冷却媒体Ｗを導入するための冷媒導入管５１と、冷却媒体Ｗを排出するための冷媒排出管５２とが取り付けてある。これらの冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２は、樹脂からなる。
なお、蓋部３、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２は、金属製、或いはセラミック製等、他の材質とすることもできる。

このように、複数の半導体モジュール２と一対の蓋部３とを積層して連結することにより、図２に示すごとく、内部に貫通冷媒流路４１と沿面冷媒流路４２とが連続した冷媒流路４が、壁部２４と蓋部３とによって囲まれた内側の空間に形成される。この状態において、各半導体モジュール２に設けられた一対の貫通冷媒流路４１は、それぞれ一直線上に配列した状態で連結される。沿面冷媒流路４２は、隣り合う半導体モジュール２の放熱面２２１同士の間、及び半導体モジュール２と蓋部３との間に、貫通冷媒流路４１に直交するように、かつこれらに連結するように形成される。

これにより、冷媒導入管５１から冷媒流路４に導入された冷却媒体Ｗは、貫通冷媒流路４１を適宜通過しながら、各半導体モジュール２における一対の放熱面２２１に接触する沿面冷媒流路４２を通過する。ここで、半導体素子２１と熱交換した冷却媒体Ｗは、他方の貫通冷媒流路４１を適宜通過して、冷媒排出管５２から排出される。
なお、冷却媒体Ｗとしては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。

本例の電力変換装置１は、図４に示すごとく、電力変換回路を構成しており、直流電源（バッテリー１０１）の電圧を昇圧するコンバータ１１と、昇圧した直流電力を交流電力に変換して交流負荷（回転電機１０２）へ出力するインバータ１２とを有する。インバータ１２及びコンバータ１１は、上記の機能と反対の機能、すなわち、交流電力を直流電力へ変換する機能、及び直流電力を降圧する機能をもそれぞれ備えている。

コンバータ１１は、複数の半導体モジュール２、リアクトル１１１及びフィルタコンデンサ１１２によって構成されている。インバータ１２は、複数の半導体モジュール２、スナバコンデンサ１２１を備えている。さらにコンバータ１１とインバータ１２との間には、平滑コンデンサ１３１、放電抵抗１３２が配線されている。

次に本例の作用効果につき説明する。
電力変換装置１において、複数の半導体モジュール２のうちの少なくとも一つは、他の半導体モジュール２に対して、貫通冷媒流路４１の流路断面積が異なる。つまり、すべての半導体モジュール２における貫通冷媒流路４１の流路断面積が同等となっているわけではない。これにより、各半導体モジュール２における貫通冷媒流路４１の流路抵抗を適宜調整することが可能となる。それゆえ、各半導体モジュール２における貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２に供給される冷却媒体Ｗの流量を調整することが可能となる。その結果、効率的な半導体素子２１の冷却を行うことが可能となる。

例えば、各半導体モジュール２における半導体素子２１の発熱量に大きなばらつきがない場合には、すべての半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２における冷却媒体Ｗの流量を同等にすることが望ましい。
そのため、配置の関係上、冷却媒体Ｗの流量が少なくなりやすい半導体モジュール２における貫通冷媒流路４１の流路断面積を大きくすることにより、複数の半導体モジュール２上記冷却媒体Ｗの流量のばらつきを抑制することができる。
その結果、電力変換装置１全体として、効率的な半導体素子２１の冷却を行うことが可能となる。

また、例えば、複数の半導体モジュール２のうちの一部の半導体モジュール２に内蔵された半導体素子２１の発熱量が大きい場合には、その発熱量の大きい半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２を特に冷却する必要が生じる。かかる場合にも、その半導体モジュール２における貫通冷媒流路４１の流路断面積を大きくして、上記冷却媒体Ｗの流量を特に多くすることが可能である。つまり、発熱量の小さい半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２における冷却媒体Ｗの流量を少なく抑えつつ、発熱量の大きい半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２における冷却媒体Ｗの流量を多くすることが可能である。
その結果、電力変換装置１全体として、効率的な半導体素子２１の冷却を行うことが可能となる。

また、本例においては、貫通冷媒流路４１を半導体素子２１との並列方向及び流路方向の双方に直交する方向（高さ方向）の半導体素子２１に対する位置（高さ方向両端の位置）が一定となるように構成してある。これにより、貫通冷媒流路４１を流れる冷却媒体Ｗによる封止部材２３を介した半導体素子２１の冷却をより効率的に行うことができる。

また、本例においては、図２に示すごとく、一対の蓋部３のうちの一方である前方蓋部３０には、冷却媒体Ｗを貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２に導入、排出する、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２が配設されており、複数の半導体モジュール２のうち、前方蓋部３０から遠い位置に配された半導体モジュール２ほど、貫通冷媒流路４１の流路断面積を大きく形成する。

これによって、複数の半導体モジュール２における冷却媒体Ｗの流量のばらつきを抑制することができる。すなわち、仮に流路断面積が一定であると上述のごとく、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２から遠いほど流路抵抗が高くなるため、冷却媒体Ｗの流量が少なくなる。

そこで、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２が配設されている前方蓋部３０から遠い位置に配された半導体モジュール２ほど、貫通冷媒流路４１の流路断面積を大きく形成することにより、複数の半導体モジュール２の配置の関係による冷却媒体Ｗの流量のばらつきを抑制することができる。それゆえ、例えば各半導体モジュール２における半導体素子２１の発熱量に大きなばらつきがない場合においては、上記構成とすることにより、複数の半導体モジュール２の半導体素子２１をより効率的に冷却することが可能となる。

（実施例２）
本例は、図５〜図７に示すごとく、複数の半導体モジュール２における貫通冷媒流路４１の流路断面積の異ならせ方を種々変更した例である。
例えば、図５に示すごとく、貫通冷媒流路４１の封止部２３の横方向の幅を半導体モジュール２ごとに変更することにより、貫通冷媒流路４１の横方向の幅を異ならせ、流路断面積を異ならせることができる。また、同図の破線は、図２のＣ−Ｃ線矢視の断面図に相当する断面の貫通冷媒流路４１の輪郭を示す。なお、図６〜図９における破線も同様である。

あるいは、図６、図７に示すごとく、貫通冷媒流路４１の断面形状において、四角形の一部を切り欠くようなテーパ面４１２を形成して、該テーパ面４１２の大きさを変更することにより、流路断面積を異ならせることができる。なお、この場合の貫通冷媒流路４１の断面形状は、流路断面積が最も小さい場合に三角形状をなし、流路断面積が最も大きい場合には四角形状をなすように形成される。

なお、本例は、実施例１と同様に、半導体素子２１との並列方向及び流路方向の双方に直交する方向（高さ方向）の半導体素子２１に対する位置（高さ方向両端の位置）が一定となるように構成してある。
その他は、実施例１と同様であり、本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図８、図９に示すごとく、複数の半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１の流路断面積の異ならせ方を上記実施例１及び実施例２とは別の構成をなした例である。
以下に、図８、図９に示す半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１の流路断面積の構成について、説明する。

まず、図８に示すごとく、貫通冷媒流路４１の底面４１３の高さ方向の位置を変更することにより、流路断面積を狭く形成することができる。
さらに、図９に示すごとく、貫通冷媒流路４１の天井面４１４の高さ方向の位置を変更することにより、流路断面積を狭く形成することができる。
その他は、実施例１と同様であり、本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図１０に示すごとく、貫通冷媒流路４１の形状を楕円形又は円形に形成し、その形状を半導体モジュール２ごとに異ならせることにより、貫通冷媒流路４１の流路断面積の異ならせた例である。
以下に、図１０に示す半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１の流路断面積の構成について、説明する。

図１０（Ａ）に示すごとく、前方蓋部３０に近い側に配された半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１を断面略円形状に形成し、流路断面積を狭く形成する。そして、同図（Ｂ）に示すごとく、前方蓋部３０から遠い側に配された半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１ほど、高さ方向の寸法が大きく断面略楕円形状に形成され、流路断面積を広く形成するように構成にしている。
その他は、実施例１と同様であり、同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図１１、図１２に示すごとく、内蔵する半導体素子２１の発熱量が異なる複数の半導体モジュール２を備えた電力変換装置１の例である。
そして、発熱量が大きい半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２は、他の半導体モジュール２よりも、貫通冷媒流路４１の流路断面積を大きく形成してなる。
その他は、実施例１と同様である。

また、本例の電力変換装置１は、図１２に示すごとく、複数の電力変換回路（インバータ１２Ａ、１２Ｂ）を備えており、それぞれのインバータ１２Ａ、１２Ｂを構成する半導体モジュール２ごとに、貫通冷媒流路４１の流路断面積が異なるように構成した例である。
上記２つのインバータ１２Ａ及び１２Ｂは、互いに異なる回転電機１０２Ａ、１０２Ｂに接続している。
ここで、一般に回生用の回転電機１０２Ａ用のインバータ１２Ａよりも、駆動用の回転電機１０２Ｂ用のインバータ１２Ｂを構成するスイッチング素子（半導体素子２１）の方が発熱量は大きいものとされる。

そこで、本例では、インバータ１２Ｂを構成する半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１の流路断面積を大きく形成し、インバータ１２Ａを構成する半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１の流路断面積を小さく形成することにより、発熱量の大きいインバータ１２Ｂを構成する半導体モジュール２への冷却媒体Ｗの流量を多くできる。
しかも、本例では、インバータ１２Ｂを構成する半導体モジュール２を前方蓋部３０に近い側に配置してある。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、複数の電力変換回路を備える電力変換装置１において、それぞれの電力変換回路を構成する複数の半導体モジュール２のごとの発熱量に応じて冷却媒体Ｗの流量を調整することができ、それぞれの電力変換回路を構成する複数の半導体モジュール２の発熱量に適した効率的な半導体素子２１の冷却を行うことが可能となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１３、図１４に示すごとく、複数の半導体モジュール２のうち一部における貫通冷媒流路４１が、封止部２３及び壁部２４とは別体の挿入部材６によって、一部の流路内壁面４１１を構成されている例である。
挿入部材６は、所定の厚みを有する板状体からなる。また、挿入部材６は貫通冷媒流路４１と略同等の高さを有すると共に、各半導体モジュール２の貫通冷媒流路４１の積層方向の寸法の約３倍の長さを有する。ここで、挿入部材６は、例えば、樹脂によって構成することができる。

挿入部材６は、インバータ１２Ａを構成する半導体モジュール２において、貫通冷媒流路４１の一部の流路内壁面４１１を構成している。すなわち、インバータ１２Ａを構成する互いに積層された複数の半導体モジュールにおいて連結された壁部２４の内側面に沿って、挿入部材６が配置されている。
一方、インバータ１２Ｂを構成する半導体モジュール２には挿入部材６は配置していない。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、挿入部材６によって、貫通冷媒流路４１の流路断面積を容易に調整することができる。その結果、例えば、同形状の半導体モジュール２を複数用意しておき、その中の一部の半導体モジュール２に挿入部材６を挿入して貫通冷媒流路４１の流路断面積を異ならせることができる。これにより、電力変換装置１の生産効率の向上コスト低減を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１電力変換装置
２半導体モジュール
２１半導体素子
２２放熱板
２３封止部
２４壁部
３蓋部
４１貫通冷媒流路
４２沿面冷媒流路

Claims

半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部が配設されており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
かつ、上記複数の半導体モジュールのうちの少なくとも一つは、他の上記半導体モジュールに対して、上記貫通冷媒流路の流路断面積が異なることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、上記一対の蓋部のうちの一方である前方蓋部には、上記冷却媒体を上記貫通冷媒流路及び上記沿面冷媒流路に導入、排出する、冷媒導入管及び冷媒排出管が配設されており、上記複数の半導体モジュールのうち、上記前方蓋部から遠い位置に配された上記半導体モジュールほど、上記貫通冷媒流路の流路断面積が大きいことを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールのうちの少なくとも一つに内蔵された上記半導体素子は、他の上記半導体モジュールに内蔵された上記半導体素子よりも発熱量が大きく、発熱量が大きい上記半導体素子を内蔵した上記半導体モジュールは、他の上記半導体モジュールよりも、上記貫通冷媒流路の流路断面積が大きいことを特徴とする電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置において、複数の電力変換回路を備えており、それぞれの該電力変換回路を構成する上記半導体モジュールごとに、上記貫通冷媒流路の流路断面積が異なることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜４に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールにおける上記貫通冷媒流路は、上記半導体素子との並列方向及び流路方向の双方に直交する方向の上記半導体素子に対する位置が一定であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜５に記載の電力変換装置において、上記複数の半導体モジュールのうちの一部における上記貫通冷媒流路は、上記封止部及び上記壁部とは別体の挿入部材によって、少なくとも一部の流路内壁面を構成していることを特徴とする電力変換装置。