JP2016093072A - Semiconductor power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の半導体モジュールを冷却するヒートシンクを備えた半導体電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor power conversion device including a heat sink that cools a plurality of semiconductor modules.
インバータなどの半導体電力変換装置では、電力変換装置を構成する半導体素子が発熱を伴うので、この半導体素子を効率的に冷却できるようにするために、半導体素子をヒートシンクに配置することが行われている。
従来の電力変換装置として代表的な装置は、例えば図9に示すように、商用交流電源からある設定された周波数と電圧の交流電力を交流負荷に出力するインバータ装置が知られている。
In a semiconductor power conversion device such as an inverter, the semiconductor elements constituting the power conversion device generate heat. Therefore, in order to efficiently cool the semiconductor elements, the semiconductor elements are arranged on a heat sink. Yes.
For example, as shown in FIG. 9, an inverter device that outputs AC power having a set frequency and voltage from a commercial AC power source to an AC load is known as a typical device as a conventional power converter.
このインバータ装置は、例えば3相の商用交流電源100から供給される3相交流を直流電圧に変換するダイオード整流器200と、このダイオード整流器200から出力される直流電圧を平滑化するコンデンサ300と、このコンデンサ300で平滑化された直流電圧を3相交流に変換するインバータ回路400とを備えている。そして、インバータ回路400から出力される3相交流が三相交流モータ、ブラシレスモータ等の交流負荷500に供給される。
The inverter device includes, for example, a
ここで、ダイオード整流器200は2つのダイオード201を直列に接続した3組のダイオードアーム202A〜202Cを並列に接続した構成を有し、各ダイオードアーム202A〜202Cの接続中点が商用交流電源100各相に接続されている。
また、インバータ回路400は、半導体スイッチング素子401及びこれに逆並列に接続されたダイオード402の並列回路403を2組直列に接続した3組のスイッチングアーム404A〜404Cを並列に接続した構成を有し、各スイッチングアーム404A〜404Cの接続中点が交流負荷500に接続されている。
Here, the
Further, the
このようなインバータ装置を構成する半導体スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子は、自身の発生損失(定常損失やスイッチング損失)による温度上昇を抑制するために、ヒートシンクに配置する必要がある。
発生損失が少ないダイオードを有するダイオード整流器と発生損失が大きい半導体スイッチング素子を有するインバータ回路とを冷却する場合に、例えば図10に示すように、ダイオード整流器200のダイオードアーム202A〜202Cをモジュール化した半導体モジュール203A〜203Cとインバータ回路400のスイッチングアーム404A〜404Cをモジュール化した半導体モジュール405A〜405Cとを熱抵抗の異なるヒートシンク600及び601上に実装し、冷却ファンによる通風路に対して上流側にヒートシンク600を配置し、下流側にヒートシンク601を配置することにより温度勾配を小さくすることが行われている(例えば、特許文献1参照)。
A semiconductor element such as a semiconductor switching element or a diode constituting such an inverter device needs to be arranged on a heat sink in order to suppress a temperature rise due to its own loss (steady loss or switching loss).
When cooling a diode rectifier having a diode with low generation loss and an inverter circuit having a semiconductor switching element with high generation loss, for example, as shown in FIG. 10, a semiconductor in which
また、図11(a)〜(c)に示すように、半導体モジュール700間の熱的な干渉を低減するためにヒートシンクベース板701に溝702を形成し、溝702の両側に補助フィン703を設け、半導体モジュール700間の間隔を小さくすることも行われている(例えば、特許文献2参照)。
11A to 11C,
しかしながら、半導体電力変換装置を構成する半導体モジュールとしては、シリコン半導体により形成されたIGBT等のスイッチング素子を用いることが一般的である。このシリコン半導体の接合部の最高使用温度は、125℃から150℃程度に設定される。
一方、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンド等の半導体により形成されたワイドバンドギャップ半導体は、最高使用温度は、200℃以上が可能である。
However, as a semiconductor module constituting the semiconductor power conversion device, it is common to use a switching element such as an IGBT formed of a silicon semiconductor. The maximum operating temperature of the silicon semiconductor junction is set to about 125 ° C. to 150 ° C.
On the other hand, a wide band gap semiconductor formed of silicon carbide (SiC), a gallium nitride-based material, or a semiconductor such as diamond can have a maximum operating temperature of 200 ° C. or higher.
そこで、特許文献1に記載されているように、発生損失の少ないダイオード整流器は、シリコン半導体モジュールを用い、発生損失の多いインバータ回路には、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成し、接合部の最高使用温度を超えないようにヒートシンクの熱抵抗を設定することが必要である。
最高使用温度の異なる半導体モジュールをヒートシンク上に配置する場合、ヒートシンクは、最高使用温度の低いシリコン半導体に合わせて熱抵抗が設定されるため、使用温度の高いワイドバンドギャップ半導体は、動作可能な温度領域に対して、低い温度で使用することとなり、性能を有効利用できないことになる。
Therefore, as described in Patent Document 1, a diode rectifier with low generation loss uses a silicon semiconductor module, and an inverter circuit with high generation loss uses a wide bandgap semiconductor, and has the highest junction. It is necessary to set the heat resistance of the heat sink so as not to exceed the operating temperature.
When semiconductor modules with different maximum operating temperatures are placed on the heat sink, the heat resistance of the heat sink is set according to the silicon semiconductor with the lowest maximum operating temperature. The area is used at a low temperature, and the performance cannot be effectively used.
一方、ワイドバンドギャップ半導体の高温動作可能な領域で使用するようにヒートシンクの熱抵抗を設定すると、熱抵抗を大きくすることができるためヒートシンクを小型化することができる。
しかし、冷却風の上流側と下流側の半導体素子間で熱的な干渉を生じ、シリコン半導体の使用温度を超えないように、シリコン半導体とワイドバンドギャップ半導体との間隔を大きくする必要があり、ヒートシンクが大型化する。
On the other hand, when the heat resistance of the heat sink is set so as to be used in a region where the wide band gap semiconductor can operate at a high temperature, the heat resistance can be increased, so that the heat sink can be reduced in size.
However, it is necessary to increase the distance between the silicon semiconductor and the wide band gap semiconductor so that thermal interference occurs between the semiconductor elements on the upstream side and the downstream side of the cooling air, and the usage temperature of the silicon semiconductor is not exceeded. The heat sink becomes larger.
特許文献1に記載されている電力変換装置では、熱抵抗の異なる2つのヒートシンクを用いることになり、形状の違いによる取り付け構造部品など、部品点数の増加により、制作コストが嵩むという未解決の課題が生じる。
特許文献2に記載されている半導体電力変換装置では、ヒートシンクのベース板に溝を形成した場合には、溝の下部ではヒートシンクが分断されていないので、熱伝導による熱流低減効果は限られたものとならざるを得ないという未解決の課題がある。
In the power conversion device described in Patent Document 1, two heat sinks having different thermal resistances are used, and there is an unsolved problem that production costs increase due to an increase in the number of parts such as mounting structure parts due to differences in shape. Occurs.
In the semiconductor power conversion device described in Patent Document 2, when a groove is formed in the base plate of the heat sink, the heat sink is not divided at the lower part of the groove, so that the heat flow reduction effect by heat conduction is limited. There is an unresolved problem that it must be.
そこで、本発明は、上記特許文献1及び2に記載された発明の未解決の課題に着目してなされたものであり、ヒートシンク上に配置した半導体モジュール間の熱的な干渉を抑制しながら小型化を図ることが可能な半導体点力変換装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention has been made paying attention to the unsolved problems of the invention described in Patent Documents 1 and 2, and is small in size while suppressing thermal interference between semiconductor modules arranged on a heat sink. An object of the present invention is to provide a semiconductor point force conversion device that can be realized.
本発明の一態様によれば、第1半導体素子を含んで電力変換を行う第1半導体モジュールと、第1半導体素子に対して使用温度が高い第2半導体素子を含んで電力変換を行う第2半導体モジュールと、第1半導体モジュール及び第2半導体モジュールを実装面に実装し、冷却風通路を有するヒートシンクとを備え、ヒートシンクは、冷却風通路の上流側に形成した第1半導体モジュールを実装する第1実装面と、冷却風通路の下流側に形成した前記第2半導体モジュールを実装する第2実装面と、第1実装面及び第2実装面間に形成したスリットとを少なくとも有する半導体電力変換装置を提供する。 According to an aspect of the present invention, the first semiconductor module that performs power conversion including the first semiconductor element, and the second semiconductor module that performs power conversion including the second semiconductor element having a higher operating temperature than the first semiconductor element. A semiconductor module, a first semiconductor module and a second semiconductor module are mounted on a mounting surface, and a heat sink having a cooling air passage is provided. The heat sink mounts the first semiconductor module formed on the upstream side of the cooling air passage. A semiconductor power conversion device having at least one mounting surface, a second mounting surface for mounting the second semiconductor module formed on the downstream side of the cooling air passage, and a slit formed between the first mounting surface and the second mounting surface I will provide a.
本発明の一態様によれば、同一ヒートシンクに、第1半導体モジュール及びこの第1半導体モジュールに対して使用温度の高い第2半導体モジュールを実装する場合に、第1半導体モジュール及び第2半導体モジュール間にスリットを形成することにより、半導体モジュール間の熱的干渉を低減して電力変換装置を小型化することができる。 According to one aspect of the present invention, when mounting the first semiconductor module and the second semiconductor module having a high operating temperature on the first semiconductor module on the same heat sink, between the first semiconductor module and the second semiconductor module. By forming a slit in the power converter, it is possible to reduce the thermal interference between the semiconductor modules and reduce the size of the power converter.
以下、本発明の一態様を示す半導体電力変換装置について図面を伴って説明する。
本発明の一態様に係る半導体電力変換装置10は、最高使用温度が125℃〜150℃程度に設定された複数例えば3個の第1半導体モジュール20a、20b及び20cと、最高使用温度が第1半導体モジュール20a〜20cより高い約200℃以上に設定された複数例えば3個の第2半導体モジュール30A、30B及び30Cとを備えている。
Hereinafter, a semiconductor power conversion device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The semiconductor
第1半導体モジュール20A、20B及び20Cを構成する第1半導体素子は、シリコン半導体素子で構成され、例えば前述した図9のインバータ装置におけるダイオード整流器200のダイオードアーム202A〜202Cを構成する直列に接続された第1半導体素子としての2個のダイオードを含んで構成されている。第1半導体モジュール20A、20B及び20Cで3相のダイオード整流器が構成され、商用交流電源を直流電圧に変換するAC−DC電力変換を行う。
The first semiconductor elements constituting the
第2半導体モジュール30A、30B及び30Cを構成する第2半導体素子は、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)系材料、ダイヤモンド等のいずれかを主成分とする半導体により形成されたワイドバンドギャップ半導体素子で構成されている。この第2半導体モジュール30A〜30Cのそれぞれは、例えば図9のインバータ装置におけるインバータ回路400のスイッチングアーム404A〜404Cを構成する、第2半導体素子としてのIGBTやパワーMOSFET等で構成される半導体スイッチング素子401及びダイオード402の並列回路を直列に2組含んで構成されている。
The second semiconductor element constituting the
また、半導体電力変換装置10は、第1半導体モジュール20A〜20C及び第2半導体モジュール30A〜30Cをおもて面に実装する平面から見て長方形状のヒートシンク40と、このヒートシンク40の裏面側における長手方向の一端部に設けられた吸込式の冷却ファン50とを備えている。
ヒートシンク40は、銅、アルミニウムやそれらの合金のように熱伝導率の高い金属材料で構成されている。このヒートシンク40は、例えばおもて面をモジュール実装面41とする実装板部42と、この実装板部42の裏面側に下方に突出して形成された複数の.放熱フィン43とで構成されている。
Further, the semiconductor
The
各放熱フィン43は、図2及び図3に示すように、実装板部42の長手方向に延長する平板状に形成され、且つ実装板部42の幅方向に所定間隔を保って複数平行に配列されている。そして、各放熱フィン43間が冷却ファン50による冷風がヒートシンク40の長手方向の他端側から冷却ファン50に向かって通る冷却風通路44とされている。
実装板部42のモジュール実装面41には、冷却風通路44の上流側に対向する位置に第1半導体モジュール20A〜20Cが実装された第1実装面45が形成され、冷却風通路44の下流側に対向する位置に第2半導体モジュール30A〜30Cが実装された第2実装面46が形成されている。ここで、第1実装面45には、第1半導体モジュール20A〜20Cが冷却風通路44とは交差する幅方向に所定間隔を保って整列されて実装されている。同様に、第2実装面46には、第2半導体モジュール30A〜30Cが第1半導体モジュール20A〜20Cと所定間隔を保って対向するように冷却風通路44とは交差する幅方向に所定間隔を保って整列されて実装されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, each of the
A first mounting
また、実装板部42には、第1実装面45及び第2実装面46間に冷却風通路44と交差する幅方向に延長してスリット47が形成されている。このスリット47は実装板部42の表裏の厚み方向に貫通しており、このスリット47により、互いに対向する第1実装面45に実装された第1半導体モジュール20A〜20Cと第2実装面46に実装された第2半導体モジュール30A〜30Cとの間を分断して両者間の熱的な干渉を大幅に低減することができる。
The mounting
次に、上記実施形態の動作を説明する。
ヒートシンク40の実装板部42のおもて面上の第1実装面45にインバータ装置のダイオード整流器を構成するダイオードアームを含むシリコン半導体素子で構成される第1半導体モジュール20A〜20Cをダイボンド接合等の接合方法によって接合する。同様に、実装板部42のおもて面上の第2実装面46にインバータ装置のインバータ回路を構成するスイッチングアームを含むワイドバンドギャップ半導体素子で構成される第2半導体モジュール30A〜30Cをダイボンド接合等の接合方法によって接合する。
Next, the operation of the above embodiment will be described.
The
この状態で、冷却ファン50を回転駆動して気体を吸い込むことにより、隣接する放熱フィン43間に形成した冷却風通路44に冷却風が冷却ファン50とは反対側から冷却ファン50に向かって流れる。
このとき、インバータ装置を作動させると、ダイオード整流器を構成するダイオードアームを含む第1半導体モジュール20A〜20Cとインバータ回路を構成するスイッチングアームを含む第2半導体モジュール30A〜30Cとが自身の発生損失(定常損失やスイッチング損失)によって温度上昇が生じる。このとき、第1半導体モジュール20A〜20Cの最高使用温度が125℃〜150℃程度であり、第2半導体モジュール30A〜30Cの最高使用温度が200℃以上である。
In this state, the cooling
At this time, when the inverter device is operated, the
これら第1半導体モジュール20A〜20C及び第2半導体モジュール30A〜30Cの発熱は、ヒートシンク40の実装板部42を介して各放熱フィン43に伝達され、さらに放熱フィン43に伝達されて冷却風通路44を通る冷却風と熱交換されて温度上昇が抑制される。
このとき、第1半導体モジュール20A〜20Cは、冷却風通路44の上流側に対向する第1実装面45に実装され、第2半導体モジュール30A〜30Cは、冷却風通路44の下流側に対向する第2実装面に実装されている。このため、ヒートシンク40の熱抵抗を最高使用温度が低い第1半導体モジュール20A〜20Cに合わせて設定しておくことにより、冷却風通路44の上流側で冷却風が第1半導体モジュール20A〜20Cと熱交換されて、第1半導体モジュール20A〜20Cの発熱を放熱フィン43を介して放熱し、最高使用温度である125℃〜150℃程度以内に制御することができる。
Heat generated by the
At this time, the
そして、この第1半導体モジュール20A〜20Cと熱交換して温まった冷却風が下流側の第2半導体モジュール30A〜30Cに供給されるので、この第2半導体モジュール30A〜30Cの発熱が伝達された放熱フィン43で熱交換することにより、第2半導体モジュール30A〜30Cを第1半導体モジュール20A〜20Cより高い使用温度200℃以上に維持することができる。
Then, since the cooling air heated by heat exchange with the
このように、第1半導体モジュール20A〜20Cと第2半導体モジュール30A〜30Cとでは異なる使用温度で動作させることになる。この場合、第1半導体モジュール20A〜20Cを実装した第1実装面45と第2半導体モジュール30A〜30Cを実装した第2実装面46との間に幅方向に延長するスリット47が形成されているので、このスリット47によって、第1実装面45及び第2実装面46間が分断される。したがって、スリット47によって、第1実装面45に実装された第1半導体モジュール20A〜20Cと第2実装面46に実装された第2半導体モジュール30A〜30Cとの間の実装板部42を介する熱的な干渉を大幅に抑制することが可能となる。このため、第1実装面45及び第2実装面46間の距離を短くすることが可能となり、ヒートシンク40の長手方向長さを短縮して、半導体電力変換装置10を小型化することができる。
Thus, the
この場合、図4に示すように、スリット47に対向する放熱フィン43についてもスリット47に対向する溝48を形成することにより、第1実装面45及び第2実装面46間の熱的な干渉をより低減することができる。
なお、半導体電力変換装置10は、図示しないが筐体内に配置し、冷却ファン50によって筐体内で強制対流による冷却を行うこともできる。また、冷却ファン50を筐体に形成した冷却風排出口に臨ませるとともに、ヒートシンク40の冷却ファン50とは反対側の放熱フィン43を冷却風供給口に臨ませることにより、外気による冷却を行うこともできる。さらに、ヒートシンク40の冷却ファン50とは反対側に気体通路を有する熱交換器を配置して冷媒との熱交換を行って冷却風を得るようにしてもよい。
In this case, as shown in FIG. 4, thermal interference between the first mounting
Although not shown, the semiconductor
次に、本発明の一態様を示す第2の実施形態について図5及び図6を伴って説明する。
この第2の実施形態では、ヒートシンク40の実装板部42に形成したスリット形状を変更したものである。
すなわち、第2の実施形態では、前述した第1の実施形態におけるスリット47が第1半導体モジュール20A〜20Cと第2半導体モジュール30A〜30Cとの対向面にのみ形成するように3つに分断されたスリット47a〜47cで構成されている。
Next, a second embodiment showing one aspect of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the second embodiment, the slit shape formed in the mounting
That is, in the second embodiment, the
その他の構成については第1の実施形態と同様の構成を有し、第1の実施形態との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この第2の実施形態によると、実装板部42に形成したスリット47が3つのスリット47a〜47cに分割され、各スリット47a〜47cが第1半導体モジュール20A〜20Cと第2半導体モジュール30A〜30Cとの対向する位置にそれぞれ形成されている。このため、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、隣接するスリットの間すなわち第1半導体モジュール20A〜20Cと第2半導体モジュール30A〜30Cとの対向部以外についてはスリットが形成されておらず、実装板部42が分断されないで連続しているので、スリットを形成することによる実装板部42の機械的強度の低下を抑制して耐久性を向上させることができる。
The other configurations have the same configurations as those of the first embodiment, and the same reference numerals are given to corresponding portions with the first embodiment, and the detailed description thereof will be omitted.
According to the second embodiment, the
次に、本発明の一態様に係る半導体電力変換装置の第3の実施形態について図7及び図8を伴って説明する。
この第3の実施形態は、ヒートシンクの実装板部に形成したスリットをより細かく形成するようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、幅狭の複数のスリット47dを実装板部42の長手方向でその一部が重なるように千鳥状に配置するようにしたものである。
Next, a third embodiment of the semiconductor power conversion device according to one aspect of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the third embodiment, the slit formed in the mounting plate portion of the heat sink is formed more finely.
That is, in the third embodiment, a plurality of
その他の構成については第1及び第2の実施形態と同様の構成を有し、第1及び第2の実施形態との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この第3の実施形態によると、幅狭のスリット47dを実装板部42の長手方向で一部が重なるように千鳥状に配置しているので、第1半導体モジュール20A〜20Cと第2半導体モジュール30A〜30Cとの間の熱伝導距離を長くすることができるとともに、スリット47d間の熱伝導路の断面積を小さくすることができる。したがって、してスリット形成位置での第1半導体モジュール20A〜20Cと第2半導体モジュール30A〜30Cとの間の熱伝導率を低下させることができ、熱的な干渉を低減する効果を第1の実施形態及び第2の実施形態に比較してさらに高めることができる。
About another structure, it has the structure similar to 1st and 2nd embodiment, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding part with 1st and 2nd embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.
According to the third embodiment, since the
なお、上記各実施形態では、第1半導体モジュール及び第2半導体モジュールを3個ずつ並列に整列させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、半導体電力変換装置10を流れる電流量が増加する場合には、第1半導体モジュール及び第2半導体モジュールを3n(nは2以上の整数)個を並列配置するようにしても良い。また、実装板部42に第1半導体モジュール及び第2半導体モジュールを1組だけ対向配置するようにしてもよい。さらには、ダイオード整流器200のダイオード201を一つずつモジュール化して第1半導体モジュールとし、同様にインバータ回路400の半導体スイッチング素子とダイオードとの並列回路についても一つずつモジュール化して第2半導体モジュールとすることができる。
In each of the above embodiments, the case where three first semiconductor modules and three second semiconductor modules are aligned in parallel has been described. However, the present invention is not limited to this, and the amount of current flowing through the semiconductor
また、上記各実施形態では、ヒートシンク40の放熱フィン43が平板状に形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円柱あるいは角柱等のピン状に形成するようにしてもよい。
さらに、上記各実施形態では、冷却ファン50として吸込形となるように配置した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートシンク40の他端側に吐出形となるように配置して、冷却風通路に冷却風を供給するようにしてもよい。
In each of the above embodiments, the case where the
Further, in each of the above embodiments, the case where the cooling
10…半導体電力変換装置
20A〜20C…第1半導体モジュール
30A〜30C…第2半導体モジュール
40…ヒートシンク
41…モジュール実装面
42…実装板部
43…放熱フィン
44…冷却風通路
45…第1実装面
46…第2実装面
47、47a〜47d…スリット
50…冷却ファン
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第1半導体素子に対して使用温度が高い第2半導体素子を含んで電力変換を行う第2半導体モジュールと、
前記第1半導体モジュール及び前記第2半導体モジュールを実装面に実装し、冷却風通路を有するヒートシンクとを備え、
前記ヒートシンクは、前記冷却風通路の上流側に形成した前記第1半導体モジュールを実装する第1実装面と、前記冷却風通路の下流側に形成した前記第2半導体モジュールを実装する第2実装面と、前記第1実装面及び第2実装面間に形成したスリットとを少なくとも有する
ことを特徴とする半導体電力変換装置。 A first semiconductor module including the first semiconductor element for performing power conversion;
A second semiconductor module that performs power conversion including a second semiconductor element having a high operating temperature relative to the first semiconductor element;
Mounting the first semiconductor module and the second semiconductor module on a mounting surface, and a heat sink having a cooling air passage;
The heat sink has a first mounting surface for mounting the first semiconductor module formed on the upstream side of the cooling air passage, and a second mounting surface for mounting the second semiconductor module formed on the downstream side of the cooling air passage. And a slit formed between the first mounting surface and the second mounting surface. A semiconductor power conversion device comprising:
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