JP2017199785A - 半導体装置の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール面において一定の肉厚を確保し、シール面における強度を確保する。【解決手段】インバータ装置１の冷却装置４は、ＩＧＢＴ２１が載置される放熱板２２と、放熱板２２との間に冷却水流路１５を画成する樹脂製の冷却器１４と、を備え、冷却器１４は、冷却水流路１５を囲むように設けられ、放熱板２２に当接するシール面１６と、冷却水流路１５の内外を連通させる供給通路１７と、を有し、供給通路１７は、シール面１６よりも冷却水流路１５の流路底面１５ａの近くで冷却水流路１５に接続される。【選択図】図７

Description

本発明は、半導体装置の冷却装置に関するものである。

特許文献１には、電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、半導体モジュールが樹脂製の冷却ジャケットに取り付けられている。この電力変換装置では、冷却ジャケットの凹部と半導体モジュールの放熱面とによって冷却水の流路が画成される。

特開２００５−１９７５６２号公報

樹脂製の冷却ジャケットを用いる場合には、半導体モジュールと当接するシール面の肉厚が不均一になると、シール面における強度を確保することが困難になるおそれがある。しかしながら、特許文献１では、シール面の肉厚について何ら検討されていない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、シール面において一定の肉厚を確保し、シール面における強度を確保することを目的とする。

本発明のある態様によれば、半導体素子を有する半導体装置を冷却する半導体装置の冷却装置は、前記半導体素子が載置される放熱板と、前記放熱板との間に冷却媒体流路を画成する樹脂製の冷却器と、を備え、前記冷却器は、前記冷却媒体流路を囲むように設けられ、前記放熱板に当接するシール面と、前記冷却媒体流路の内外を連通させる連通路と、を有し、前記連通路は、前記シール面よりも前記冷却媒体流路の底面の近くで前記冷却媒体流路に接続されることを特徴とする。

上記態様では、樹脂製の冷却器において、連通路を形成することに伴って、シール面の肉厚が不均一になることを防止する。これにより、シール面において一定の肉厚を確保し、シール面における強度を確保することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る冷却装置が適用されるインバータ装置が回転電機に取り付けられた状態を説明する図である。 図２は、インバータ装置のカバーを取り外した状態の斜視図である。 図３は、インバータ装置の分解斜視図であり、平滑コンデンサを省略して示した図である。 図４は、インバータ装置のケースの斜視図である。 図５は、インバータ装置のケースの平面図である。 図６は、図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を示す図である。 図７は、図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面を示す図である。 図８は、図５における底面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る冷却装置４が適用されるインバータ装置１について説明する。

まず、図１を参照して、インバータ装置１が回転電機としてのモータジェネレータ２に取り付けられた状態について説明する。

インバータ装置１は、電動自動車，ハイブリッド自動車，又はプラグインハイブリッド自動車（車両）に搭載される。インバータ装置１は、バッテリ（蓄電装置）３の直流電力をモータジェネレータ２の駆動に適した交流電力に変換する。インバータ装置１は、モータジェネレータ２からの回生電力をバッテリ３の充電に適した直流電力に変換する。

バッテリ３は、例えばリチウムイオン二次電池で構成される。バッテリ３は、インバータ装置１に直流電力を供給し、インバータ装置１から供給される直流電力により充電される。バッテリ３の電圧は、例えば２４０Ｖ〜４００Ｖの間で変動し、それよりも高い電圧が入力されることで充電される。

モータジェネレータ２は、例えば永久磁石同期電動機で構成される。モータジェネレータ２は、インバータ装置１から供給される交流電力によって駆動される。モータジェネレータ２は、車両を走行させるときに車両の駆動輪（図示省略）を回転駆動する。モータジェネレータ２は、車両が減速するときには発電機として機能し、回生電力を発生する。

次に、図２及び図３を参照して、インバータ装置１の全体構成について説明する。

インバータ装置１は、ケース１０と、半導体装置としてのパワーモジュール２０と、放熱板２２と、出力バスバーとしてのバスバーモジュール３０と、平滑コンデンサとしてのコンデンサモジュール４０と、ドライバ基板５０と、インバータコントローラ６０と、カバー７０と、を備える。

ケース１０は、支持部１９を介してモータジェネレータ２に直接取り付けられる。ケース１０には、コンデンサモジュール４０が載置され、ボルト締結によって固定される。ケース１０には、パワーモジュール２０とバスバーモジュール３０とドライバ基板５０とインバータコントローラ６０とが、カバー７０との間に収容される。ケース１０の構成については、後で図４から図７を参照して詳細に説明する。

パワーモジュール２０は、モータジェネレータ２の動作を制御する。パワーモジュール２０は、複数のスイッチング素子（半導体素子）としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２１を有する。パワーモジュール２０は、ＩＧＢＴ２１のＯＮ／ＯＦＦをスイッチング制御することにより、バッテリ３の直流電力とモータジェネレータ２の交流電力とを相互に変換する。ＩＧＢＴ２１は、パワーモジュール２０の上面に積層されるドライバ基板５０によってＯＮ／ＯＦＦが制御される。ドライバ基板５０の上方には、ブラケット６１を介してインバータコントローラ６０が載置される。

パワーモジュール２０は、コンデンサモジュール４０の接続バスバー４１に接続される第１の端子２３と、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相からなる３相のバスバーモジュール３０が接続される第２の端子２４と、を有する。第１の端子２３は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に対応して、正側端子と負側端子とがそれぞれ３組設けられる。第２の端子２４も同様に、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に対応して、３つ設けられる。

パワーモジュール２０は、放熱板２２を介してケース１０の後述するシール面１６に載置される。本実施形態では、パワーモジュール２０と放熱板２２とは別体であるが、放熱板２２がパワーモジュール２０と一体に設けられてパワーモジュール２０の一部を構成するようにしてもよい。

バスバーモジュール３０は、パワーモジュール２０に接続されるパワーモジュール端子３１と、モータジェネレータ２に接続されるモータ端子（負荷端子）３２と、バスバーモジュール３０の電流を検出する電流センサ３３と、を有する。バスバーモジュール３０は、パワーモジュール２０におけるコンデンサモジュール４０の反対の側面に接続される。バスバーモジュール３０は、パワーモジュール２０におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の第２の端子２４にそれぞれ直接接続され、モータジェネレータ２に３相の交流電力を出力する。

バスバーモジュール３０において、パワーモジュール端子３１とモータ端子３２とは、互いに交差する方向に形成される。具体的には、モータ端子３２は、バスバーモジュール３０の下方に配設されるモータジェネレータ２に接続される。パワーモジュール端子３１は、バスバーモジュール３０の側方に配設されるパワーモジュール２０に接続される。よって、モータ端子３２は、パワーモジュール端子３１に対して直角に交差するように形成される。

バスバーモジュール３０は、ケース１０に収容される。モータ端子３２の先端は、ケース１０の底部１１の貫通孔１２を挿通して外部に露出する。これにより、モータ端子３２がハーネス等（図示省略）を介してモータジェネレータ２に接続可能になる。

コンデンサモジュール４０は、複数のコンデンサ素子（図示省略）によって構成される。コンデンサモジュール４０は、例えばバッテリ３から供給される直流電力の電圧やモータジェネレータ２からパワーモジュール２０を介して回生される回生電力の電圧を平滑化する。コンデンサモジュール４０は、電圧を平滑化することで、ノイズの除去や電圧変動の抑制を行う。コンデンサモジュール４０は、側面から側方に突出する接続バスバー４１を介してパワーモジュール２０に接続される。接続バスバー４１には、パワーモジュール２０が直接螺合等によって接続される。

コンデンサモジュール４０には、バッテリ３に接続されるバッテリ端子４２が設けられる。コンデンサモジュール４０は、バッテリ端子４２と接続バスバー４１とを内部バスバー（図示省略）を介して接続する。内部バスバーには、コンデンサ素子が並列に接続される。

インバータコントローラ６０は、車両のコントローラ（図示省略）からコネクタ６２を介して入力される指令信号及び電流センサ３３からのＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電流の検出結果に基づいて、パワーモジュール２０を動作させる信号をドライバ基板５０に出力する。ドライバ基板５０は、インバータコントローラ６０からの信号に基づいて、パワーモジュール２０を制御する。

カバー７０は、ケース１０の立設部１４ａにボルト締結によって取り付けられ、ケース１０の開口部１０ａを閉塞する。これにより、ケース１０とカバー７０との間に、パワーモジュール２０とバスバーモジュール３０とドライバ基板５０とインバータコントローラ６０とが収容される。カバー７０からは、インバータコントローラ６０のコネクタ６２が外部に露出する。

次に、図４から図８を参照して、ケース１０の構成について説明する。

ケース１０は、コンデンサモジュール４０が載置されるコンデンサ載置部１３と、冷却水（冷却媒体）が流通する冷却水流路（冷却媒体流路）１５を放熱板２２との間に画成してパワーモジュール２０を冷却する冷却器１４と、冷却器１４の外周に立設してカバー７０が取り付けられる立設部１４ａと、を有する。

ケース１０は、樹脂材料を用いた射出成形によって一体に形成される。図６及び図７に示すように、ケース１０は、パーティングラインＰＬをコア型（可動型）とキャビティ型（固定型）との分割面として金型を用いて射出成形される。パーティングラインＰＬは、最も面積の大きな平面であるコンデンサ載置部１３の上面と一致するように設定される。

立設部１４ａは、平面視Ｕ字状に形成され、互いに対向するように一対設けられる。一対の立設部１４ａの間には、ケース１０の開口部１０ａが形成される。立設部１４ａは、パワーモジュール２０と放熱板２２とバスバーモジュール３０とドライバ基板５０とインバータコントローラ６０とを収容する側壁部の一部を構成する。立設部１４ａには、インバータコントローラ６０を取り付けるためのブラケット６１とカバー７０とが、ボルト締結によって固定される。

冷却器１４は、冷却水流路１５を囲むように設けられて放熱板２２が当接するシール面１６と、冷却水流路１５の流路底面（底面）１５ａに接続されて冷却水流路１５に冷却水を供給する連通路としての供給通路１７と、冷却水流路１５の流路底面１５ａに接続されて冷却水流路１５から冷却水を排出する排出通路１８と、流路底面１５ａから離れる方向に管部１７ａと比較して大きく突出する支持部１９と、を有する。冷却器１４は、放熱板２２と共にパワーモジュール２０の冷却装置４を構成する。

シール面１６は、冷却水流路１５の周囲に環状に底部１１から立設される。シール面１６は、ケース１０を射出成形する際のパーティングラインＰＬから所定高さＨ１［ｍｍ］（図７参照）の位置にある。シール面１６には、シール部材としてのＯリング（図示省略）が収容される凹状のＯリング溝１６ａが環状に形成される。シール面１６には、Ｏリング溝１６ａにＯリングが収容された状態で放熱板２２を介してパワーモジュール２０が取り付けられる。これにより、冷却水流路１５が画成され、冷却水の流通によって放熱板２２及びパワーモジュール２０を直接的に冷却できるようになる。

流路底面１５ａは、シール面１６と平行に形成される。流路底面１５ａは、シール面１６と比較して低い位置にオフセットして形成され、シール面１６に取り付けられる放熱板２２と対向して放熱板２２との間に冷却水流路１５を画成する。流路底面１５ａにおける冷却水の流れ方向の一方の端部には、供給通路１７が貫通して形成される。流路底面１５ａにおける冷却水の流れ方向の他方の端部には、排出通路１８が貫通して形成される。

供給通路１７は、冷却水流路１５におけるパワーモジュール２０の反対側から冷却水を供給するように形成される。排出通路１８も同様に、冷却水流路１５におけるパワーモジュール２０の反対側から冷却水を排出するように形成される。

このように、冷却水を供給する供給通路１７と冷却水を排出する排出通路１８とは、冷却水流路１５の流路底面１５ａに接続される。そのため、供給通路１７及び排出通路１８がシール面１６に干渉することはなく、シール面１６の肉厚を均等にすることができる。よって、樹脂製の冷却器１４において、管部１７ａを形成することに伴って、シール面１６の肉厚が不均一になることが防止される。これにより、シール面１６において一定の肉厚を確保し、シール面１６における強度を確保することができる。

また、シール面１６の肉厚を均等にすることができるので、樹脂製の冷却器１４にヒケ等の成形不良が発生することを抑制することができる。したがって、シール面１６の平面度を維持できるので、冷却器１４を樹脂で成形した場合にもシール性能を維持することができる。なお、シール面１６の肉厚とは、図６及び図７における高さ方向（図６及び図７では上下方向）の厚さである。

供給通路１７は、冷却器１４の側方に引き出される管部１７ａを有する。

図７に示すように、管部１７ａは、シール面１６よりも流路底面１５ａの近くで冷却水流路１５に接続される。これにより、シール面１６は、所定の肉厚に形成される。具体的には、シール面１６は、パーティングラインＰＬから所定高さＨ１［ｍｍ］の位置にあり、管部１７ａの中心線Ｏからシール面１６までの距離Ｈ２［ｍｍ］は、パーティングラインＰＬからシール面１６までの所定高さＨ１［ｍｍ］と比較して大きい（Ｈ２＞Ｈ１）。

また、管部１７ａは、中心線Ｏが冷却水流路１５の流路底面１５ａからＨ３［ｍｍ］だけ離れるようにオフセットして設けられる。管部１７ａが設けられる位置におけるシール面１６の肉厚Ｄ［ｍｍ］は、管部１７ａがオフセットした分だけ大きく形成される。

以上のように構成されることにより、管部１７ａが冷却器１４の側方に引き出された場合にも、シール面１６の肉厚を均等にすることができる。よって、樹脂製の冷却器１４において、管部１７ａを形成することに伴って、シール面１６の肉厚が不均一になることが防止される。これにより、シール面１６において一定の肉厚を確保し、シール面１６における強度を確保することができる。

また、管部１７ａが冷却器１４の側方に引き出された場合にも、樹脂製の冷却器１４にヒケ等の成形不良が発生することを抑制することができる。したがって、シール面１６の平面度を維持できるので、冷却器１４を樹脂で成形した場合にもシール性能を維持することができる。

管部１７ａは、望ましくは、シール面１６に最も近い部分（図７では上端部分）がシール面１６から所定の距離Ｈ４［ｍｍ］だけ離れて形成される。これにより、管部１７ａ全体がシール面１６から離間するので、シール面１６の肉厚を更に均等にすることができる。ここで、所定の距離は、ヒケ等の成形不良が発生しない程度にシール面１６の肉厚Ｄ［ｍｍ］を確保できる距離に設定される。

なお、管部１７ａは、冷却器１４の側方ではなく、冷却器１４の下方に引き出されてもよい。この場合、管部１７ａとシール面１６とは全く干渉しないので、シール面１６の肉厚を均等にすることができる。また、供給通路１７が管部１７ａを有する構成に代えて、排出通路１８が側方に引き出される管部を有していてもよく、供給通路１７と排出通路１８とがともに側方に引き出される管部を有していてもよい。

インバータ装置１は、上述したように、モータジェネレータ２に冷却器１４が臨むように配置される。排出通路１８から排出された冷却水は、モータジェネレータ２に導かれてモータジェネレータ２を冷却する。よって、単一の冷却水路によってパワーモジュール２０とモータジェネレータ２との両方を冷却することができる。

また、樹脂製のケース１０を用いることで、例えばアルミニウム等の金属製のケースを用いた場合と比較して、モータジェネレータ２からインバータ装置１への熱伝達を抑制することができる。よって、モータジェネレータ２の発熱の影響を受けずに、インバータ装置１を充分に冷却することができる。

支持部１９は、シール面１６と重ならない位置に形成される。即ち、シール面１６と支持部１９とがケース１０の高さ方向（上下方向）に重なることはない。これにより、支持部１９が形成された場合にも、シール面１６の肉厚への影響はない。

図８に示すように、冷却器１４は、射出成形の際の突き出しピン（図示省略）による突き出し痕１０ｂを有する。シール面１６及びシール面１６の裏側の面は、突き出し痕１０ｂを避けた位置に設けられる。冷却器１４は、射出成形時には、支持部１９が形成される面から、突き出しピンによって突き出される。突き出しピンは、シール面１６の裏側の面から外れた位置を突き出すように配置される。

よって、冷却器１４は、シール面１６及びシール面１６の裏側の面には突き出しピンによる突き出し痕１０ｂを有さない。したがって、突き出しピンによって突き出されて平面度に影響を及ぼすことが防止されるので、冷却器１４を樹脂で成形した場合にもシール面１６の平面度を維持できる。

なお、突き出しピンによる突き出し痕１０ｂの位置は、図８に示す限りではなく、シール面１６及びシール面１６の裏側の面を除いた任意の位置に設定可能である。

また、本実施形態においては、冷却器１４の上面側（図５で見える面）をキャビティ型に、冷却器１４の裏面をコア型で成形しているが、その逆でもよい。この場合においても、突き出しピンはシール面１６を避けて突き出すように配置される。このように、射出成形時における突き出し位置は、冷却器の平面視において、シール面１６からオフセットした位置とする。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

インバータ装置１では、シール面１６は、パーティングラインＰＬから所定高さＨ１［ｍｍ］の位置にあり、管部１７ａの中心線Ｏからシール面１６までの距離Ｈ２［ｍｍ］は、パーティングラインＰＬからシール面１６までの所定の距離と比較して大きい。これにより、樹脂製の冷却器１４において、管部１７ａを形成することに伴って、シール面１６の肉厚が不均一になることが防止される。これにより、シール面１６において一定の肉厚を確保し、シール面１６における強度を確保することができる。

また、冷却水を供給する供給通路１７は、冷却水流路１５の流路底面１５ａに接続される。そのため、供給通路１７がシール面１６に干渉することはなく、シール面１６の肉厚が不均一になるのを抑制することができる。これにより、樹脂成形品において肉厚の不均一が原因で生じるヒケ等の不具合を抑制することができる。したがって、シール面１６の平面度を維持できるので、冷却器１４を樹脂で成形した場合にもシール性能を維持することができる。

また、管部１７ａが冷却器１４の側方に引き出された場合にも、シール面１６の肉厚を均等化を図ることができるので、樹脂製の冷却器１４にヒケ等の成形不良が発生することを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、半導体装置がインバータ装置１のパワーモジュール２０である場合について説明したが、これに限られず、半導体装置が冷却を要する他の電装部品であってもよい。

１ インバータ装置
２ モータジェネレータ（回転電機）
４ 冷却装置
１０ ケース
１４ 冷却器
１５ 冷却水流路（冷却媒体流路）
１５ａ 流路底面
１６ シール面
１７ 供給通路
１７ａ 管部
１８ 排出通路
１９ 支持部
２０ パワーモジュール（半導体装置）
２１ ＩＧＢＴ（半導体素子）
２２ 放熱板

本発明のある態様によれば、半導体素子を有する半導体装置を冷却する半導体装置の冷却装置は、前記半導体素子が載置される放熱板と、前記放熱板との間に冷却媒体流路を画成する樹脂製の冷却器と、を備え、前記冷却器は、前記冷却媒体流路を囲むように設けられ、前記放熱板に当接するシール面と、前記冷却媒体流路の内外を連通させる連通路と、を有し、前記シール面は、前記冷却器を射出成形する際のパーティングラインの一方側に位置し、前記連通路の中心は、前記パーティングラインよりも前記シール面から離れるようにオフセットして設けられることを特徴とする。

本発明のある態様によれば、半導体素子を有する半導体装置を冷却する半導体装置の冷却装置は、前記半導体素子が載置される放熱板と、前記放熱板との間に冷却媒体流路を画成する樹脂製の冷却器と、を備え、前記冷却器は、前記冷却媒体流路を囲むように設けられ、前記放熱板に当接するシール面と、前記冷却媒体流路の内外を連通させる連通路と、を有し、前記シール面は、前記冷却器を射出成形する際のパーティングラインの一方側に位置し、前記連通路の中心は、前記パーティングラインよりも前記シール面から離れるようにオフセットして設けられ、前記シール面は、射出成形の際の突き出しピンによる突き出し痕を避けた位置に設けられることを特徴とする。

Claims (8)

1. 半導体素子を有する半導体装置を冷却する半導体装置の冷却装置であって、
   前記半導体素子が載置される放熱板と、
   前記放熱板との間に冷却媒体流路を画成する樹脂製の冷却器と、を備え、
   前記冷却器は、
   前記冷却媒体流路を囲むように設けられ、前記放熱板に当接するシール面と、
   前記冷却媒体流路の内外を連通させる連通路と、を有し、
   前記連通路は、前記シール面よりも前記冷却媒体流路の底面の近くで前記冷却媒体流路に接続されることを特徴とする半導体装置の冷却装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置の冷却装置であって、
   前記シール面は、前記冷却器を射出成形する際のパーティングラインから所定高さの位置にあり、
   前記連通路は、前記冷却器の側方に引き出される管部を有し、
   前記管部の中心から前記シール面までの距離は、前記パーティングラインから前記シール面までの前記所定高さと比較して大きいことを特徴とする半導体装置の冷却装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置の冷却装置であって、
   前記管部は、前記シール面に最も近い部分が前記シール面から所定の距離だけ離れて形成されることを特徴とする半導体装置の冷却装置。
4. 請求項２又は３に記載の半導体装置の冷却装置であって、
   前記冷却器は、前記底面から離れる方向に前記管部よりも大きく突出して前記冷却器を支持する支持部を有することを特徴とする半導体装置の冷却装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置の冷却装置であって、
   前記支持部は、前記シール面と重ならない位置に形成されることを特徴とする半導体装置の冷却装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の半導体装置の冷却装置であって、
   前記シール面は、射出成形の際の突き出しピンによる突き出し痕を避けた位置に設けられることを特徴とする半導体装置の冷却装置。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の半導体装置の冷却装置であって、
   前記連通路は、前記冷却媒体流路の前記底面に接続されて前記冷却媒体流路に冷却媒体を供給する供給通路であり、
   前記冷却器は、前記冷却媒体流路の前記底面に接続されて前記冷却媒体流路から冷却媒体を排出する排出通路を更に有することを特徴とする半導体装置の冷却装置。
8. 請求項７に記載の半導体装置の冷却装置であって、
   前記半導体装置は、回転電機に前記冷却器が臨むように配置されて前記回転電機の動作を制御するパワーモジュールであって、
   前記排出通路から排出された冷却媒体は前記回転電機に導かれて前記回転電機を冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置。

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