JP2018046195A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a countermeasure technique for refrigerant freezing in a semiconductor device having a laminated unit in which a semiconductor module and a cooler are laminated.SOLUTION: A power converter 2 comprises a laminated unit 20, a housing 30, a refrigerant conducting pipe 34 and a refrigerant discharging pipe 35. The laminated unit 20 is a laminate where a cooler 22 and a semiconductor module 3 which houses a transistor are laminated. The housing 30 houses the laminated unit 20. The refrigerant conducting pipe 34 conducts a liquid refrigerant from outside the housing 30 to the cooler 22. The refrigerant discharging pipe 35 discharges a liquid refrigerant from the cooler 22 to outside the housing. One ends of the refrigerant conducting pipe 34 and the refrigerant discharging pipe 35 are connected to a pair of through holes 30a formed in the housing 30, respectively; and the other ends of the refrigerant conducting pipe 34 and the refrigerant discharging pipe 35 are connected to the cooler 22. The refrigerant conducting pipe 34 and the refrigerant discharging pipe 35 are wound by heat storage materials 37, respectively.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本明細書は、半導体素子を収容した半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されている冷却器が積層された積層ユニットを備える半導体装置を開示する。   The present specification discloses a semiconductor device including a stacked unit in which a semiconductor module containing a semiconductor element and a cooler in which a coolant channel is formed are stacked.

半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が積層された積層ユニットを備える半導体装置が例えば特許文献1に開示されている。特許文献1の半導体装置は、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換装置である。電気自動車の電力変換装置など、半導体素子に大電流が流れる装置では、半導体モジュールを冷却するために、上記したように、半導体モジュールと冷却器を積層した積層ユニット構造が採用されることがある。冷却器は、その内部に冷媒の流路が形成されている。冷媒には、水やLLC(Long Life Coolant)など、液体冷媒が用いられる。積層ユニットの冷却器には、外部から液体冷媒を導入する導入管と、冷却器内で熱を吸収した液体冷媒を外部へ排出する排出管が接続される。導入管と排出管の一端は半導体装置の筐体に設けられた貫通孔に接続している。   For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a stacked unit in which a semiconductor module containing a semiconductor element and a cooler are stacked. The semiconductor device of Patent Document 1 is a power conversion device that converts battery power into driving power for a traveling motor. In a device in which a large current flows through a semiconductor element, such as a power conversion device for an electric vehicle, a stacked unit structure in which a semiconductor module and a cooler are stacked may be employed to cool the semiconductor module as described above. The cooler has a refrigerant flow path formed therein. A liquid refrigerant such as water or LLC (Long Life Coolant) is used as the refrigerant. Connected to the cooler of the stacked unit are an introduction pipe for introducing liquid refrigerant from the outside and a discharge pipe for discharging liquid refrigerant that has absorbed heat in the cooler to the outside. One end of the introduction pipe and the discharge pipe is connected to a through hole provided in the housing of the semiconductor device.

特開2014−187827号公報JP 2014-187827 A

LLCは単純な水よりも凍り難いが、半導体装置が極寒地域で用いられると、凍結するおそれがある。半導体装置が極寒の環境に晒されると、まず筐体の温度が下がり、次いで導入管及び排出管、続いて積層ユニットの冷却器の温度が低下していく。導入管と排出管で液体冷媒が凍ると、次に冷却器内の液体冷媒が凍結膨張したときに凍った冷媒の逃げ場が無くなり、冷却器が膨張、変形してしまう。本明細書は、積層ユニットを備える半導体装置の冷媒凍結対策技術を提供する。   Although LLC is more difficult to freeze than simple water, there is a risk of freezing when semiconductor devices are used in extremely cold regions. When the semiconductor device is exposed to an extremely cold environment, the temperature of the housing first decreases, and then the temperature of the introduction pipe and the discharge pipe, and then the cooler of the stacked unit decreases. When the liquid refrigerant freezes in the introduction pipe and the discharge pipe, when the liquid refrigerant in the cooler next freezes and expands, there is no escape space for the frozen refrigerant, and the cooler expands and deforms. The present specification provides a technique for countermeasures against freezing of a refrigerant in a semiconductor device including a stacked unit.

本明細書が開示する半導体装置は、積層ユニットと、積層ユニットを収容する筐体と、導入管と排出管を備える。積層ユニットは、前述したように、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が積層されたデバイスである。冷却器は、内部に冷媒の流路が設けられている。導入管は、筐体の外部から液体冷媒を冷却器に導入する部材である。排出管は、冷却器から筐体の外部へ液体冷媒を排出する部材である。導入管と排出管の夫々の一端は、筐体に設けられた一対の貫通孔の夫々に接続されており、導入管と排出管の夫々の他端は、冷却器に接続されている。本明細書が開示する半導体装置では、導入管と排出管の夫々に蓄熱材が巻かれている。   A semiconductor device disclosed in this specification includes a stacked unit, a housing that houses the stacked unit, an introduction pipe, and a discharge pipe. As described above, the stacked unit is a device in which a semiconductor module containing a semiconductor element and a cooler are stacked. The cooler is provided with a refrigerant flow path therein. The introduction pipe is a member that introduces liquid refrigerant into the cooler from the outside of the casing. The discharge pipe is a member that discharges the liquid refrigerant from the cooler to the outside of the housing. One end of each of the introduction pipe and the discharge pipe is connected to each of a pair of through holes provided in the housing, and the other end of each of the introduction pipe and the discharge pipe is connected to a cooler. In the semiconductor device disclosed in this specification, a heat storage material is wound around each of the introduction pipe and the discharge pipe.

本明細書が開示する半導体装置では、蓄熱材を巻くことで、導入管と排出管の中での冷媒凍結を遅らせる。そうすることで、少ないコストで冷却器を凍結し難くすることができる。また、冷却器の中で冷媒が凍結し始めたとき、蓄熱材のおかげで導入管と排出管が凍結した冷媒で塞がれていなければ、冷却器の中の冷媒の体積膨張分の少なくとも一部は導入管と排出管を通じて外部へ放出することができ、冷却器の膨張変形を軽減することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。   In the semiconductor device disclosed in this specification, the refrigerant freeze in the introduction pipe and the discharge pipe is delayed by winding the heat storage material. By doing so, the cooler can be made difficult to freeze at low cost. In addition, when the refrigerant begins to freeze in the cooler, if the introduction pipe and the discharge pipe are not blocked by the frozen refrigerant due to the heat storage material, at least one of the volume expansion of the refrigerant in the cooler. The part can be discharged to the outside through the introduction pipe and the discharge pipe, and the expansion deformation of the cooler can be reduced. Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.

実施例の半導体装置(電力変換器)を含む電気自動車の電力系のブロック図である。It is a block diagram of the electric power system of the electric vehicle containing the semiconductor device (power converter) of an Example. 電力変換器の筐体内部の部品レイアウトを示す平面図である。It is a top view which shows the component layout inside the housing | casing of a power converter. 電力変換器の筐体内部の部品レイアウトを示す正面図である。It is a front view which shows the component layout inside the housing | casing of a power converter. 図2のIV-IV線に沿った断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 2.

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。実施例の半導体装置は、電気自動車に搭載される電力変換器2である。まず、電力変換器2を含む電気自動車100の電気系統について説明する。図1は、電力変換器2を含む電気自動車100の電力系のブロック図である。電力変換器2は、バッテリ13の直流電力を昇圧した後に交流に変換し、走行用モータ15a、15bに供給するデバイスである。電力変換器2の直流側は、システムメインリレー14を介してバッテリ13に接続されており、交流側は、2個のモータ15a、15bに接続されている。   A semiconductor device according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The semiconductor device according to the embodiment is a power converter 2 mounted on an electric vehicle. First, the electric system of the electric vehicle 100 including the power converter 2 will be described. FIG. 1 is a block diagram of a power system of an electric vehicle 100 including a power converter 2. The power converter 2 is a device that boosts the DC power of the battery 13, converts it to AC, and supplies it to the traveling motors 15 a and 15 b. The DC side of the power converter 2 is connected to the battery 13 via the system main relay 14, and the AC side is connected to the two motors 15a and 15b.

電気自動車100は、2個のモータ15a、15bの出力をギアボックス16で合成し、車軸17へ動力を伝達して走行する。電気自動車100は、車両の運動エネルギを使ってモータ15a、15bを車軸側から逆駆動し、発電することもできる。発電で得た電力でバッテリ13を充電する。発電で得る電力は回生電力と呼ばれることがある。   The electric vehicle 100 combines the outputs of the two motors 15 a and 15 b with the gear box 16 and transmits power to the axle 17 to travel. The electric vehicle 100 can also generate electric power by reversely driving the motors 15a and 15b from the axle side using the kinetic energy of the vehicle. The battery 13 is charged with the power obtained by the power generation. The power obtained by power generation is sometimes called regenerative power.

電力変換器2は、バッテリ13の電圧を昇圧するコンバータ12と、直流電力を交流電力に変換する2個のインバータ10a、10bを含む。コンバータ12は、フィルタコンデンサ4、リアクトル5、2個のトランジスタ9a、9b、2個のダイオードを備えている。2個のトランジスタ9a、9bは、直列に接続されており、トランジスタ9a、9bの夫々に、ダイオードが逆並列に接続されている。トランジスタ9a、9bとダイオード、即ち、図1にて破線3aで囲まれている範囲が、後述する半導体モジュール3aに相当する。コンバータ12は、バッテリ13の電圧を昇圧する機能のほか、インバータ10a、10bから送られてくる回生電力の電圧を降圧してバッテリ13へ供給する降圧機能も有しており、いわゆる、双方向DC−DCコンバータである。図1のコンバータ12の回路構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。   The power converter 2 includes a converter 12 that boosts the voltage of the battery 13 and two inverters 10a and 10b that convert DC power into AC power. The converter 12 includes a filter capacitor 4, a reactor 5, two transistors 9a and 9b, and two diodes. The two transistors 9a and 9b are connected in series, and a diode is connected in antiparallel to each of the transistors 9a and 9b. Transistors 9a and 9b and diodes, that is, a range surrounded by a broken line 3a in FIG. 1, corresponds to a semiconductor module 3a described later. In addition to the function of boosting the voltage of the battery 13, the converter 12 has a function of stepping down the voltage of the regenerative power sent from the inverters 10a and 10b and supplying the voltage to the battery 13, so-called bidirectional DC. -DC converter. Since the circuit configuration of the converter 12 in FIG. 1 is well known, detailed description thereof is omitted.

インバータ10aは、6個のトランジスタ9c−9hと、夫々のトランジスタに逆並列に接続されているダイオードを備えている。6個のトランジスタ9c−9hは、2個ずつ、直列に接続されている(トランジスタ9cと9d、9eと9f、9gと9hが、夫々直列に接続されている)。3組の直列接続は、並列に接続されている。各直列接続の中点から交流が出力される。破線3b、3c、3dが、夫々、半導体モジュールに相当する。   The inverter 10a includes six transistors 9c-9h and a diode connected in antiparallel to each transistor. Two of the six transistors 9c-9h are connected in series (transistors 9c and 9d, 9e and 9f, and 9g and 9h are connected in series, respectively). The three sets of series connections are connected in parallel. AC is output from the midpoint of each series connection. Dashed lines 3b, 3c, and 3d correspond to semiconductor modules, respectively.

インバータ10bは、インバータ10aと同じ構成を有している。即ち、インバータ10bも、3個の半導体モジュール3e、3f、3gを備えている。夫々の半導体モジュール3e−3gの中には、2個のトランジスタと2個のダイオードが含まれている。コンバータ12とインバータ10a、10bの間に、平滑化コンデンサ6が並列に接続されている。   The inverter 10b has the same configuration as the inverter 10a. That is, the inverter 10b also includes three semiconductor modules 3e, 3f, and 3g. Each semiconductor module 3e-3g includes two transistors and two diodes. A smoothing capacitor 6 is connected in parallel between the converter 12 and the inverters 10a and 10b.

7個の半導体モジュール3a−3gのトランジスタは、不図示のコントローラから駆動信号(PWM信号)を受けて作動する。以下、7個の半導体モジュール3a−3gのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール3と表記する。   The transistors of the seven semiconductor modules 3a to 3g operate by receiving drive signals (PWM signals) from a controller (not shown). Hereinafter, when any one of the seven semiconductor modules 3a to 3g is shown without distinction, it is referred to as a semiconductor module 3.

電力変換器2のハードウエア構成を説明する。図2に、電力変換器2の平面図を示す。なお、図2は、カバーを外し、筐体30の内部の部品レイアウトを示した平面図である。図3に電力変換器2の正面図を示す。図3は、図2における右側の筐体壁をカットし、筐体30の内部の部品レイアウトを示した正面図である。   A hardware configuration of the power converter 2 will be described. FIG. 2 shows a plan view of the power converter 2. FIG. 2 is a plan view showing a component layout inside the housing 30 with the cover removed. FIG. 3 shows a front view of the power converter 2. FIG. 3 is a front view showing a component layout inside the housing 30 by cutting the right housing wall in FIG. 2.

7個の半導体モジュール3は、8個の冷却器22とともに、積層ユニット20を構成する。図2では、積層ユニット20の両端の冷却器にのみ符号22を付し、他の冷却器には符号を省略した。積層ユニット20は、7個の半導体モジュール3と8個の冷却器22を、一つずつ交互に積層した積層体である。冷却器22は、内部に液体冷媒が通る流路が設けられている。一つの半導体モジュール3を挟んで隣接する一対の冷却器22は、2個の連結管23で接続されている。図2では、一つの連結管にのみ、符号23を付し、他の連結管には符号を省略した。連結管23により、全ての冷却器22が連通する。   The seven semiconductor modules 3 together with the eight coolers 22 constitute a stacked unit 20. In FIG. 2, reference numeral 22 is given only to the coolers at both ends of the laminated unit 20, and reference numerals are omitted for the other coolers. The stacked unit 20 is a stacked body in which seven semiconductor modules 3 and eight coolers 22 are alternately stacked one by one. The cooler 22 is provided with a flow path through which the liquid refrigerant passes. A pair of coolers 22 adjacent to each other with one semiconductor module 3 interposed therebetween are connected by two connecting pipes 23. In FIG. 2, reference numeral 23 is attached to only one connecting pipe, and reference numerals are omitted for the other connecting pipes. All the coolers 22 communicate with each other through the connecting pipe 23.

図2において右端の冷却器22には、冷媒導入管34と冷媒排出管35が接続されている。2個の連結管23の一方は、積層方向(図中のX方向)からみて冷媒導入管34と重なるように位置しており、他方の連結管23は、冷媒排出管35と重なるように位置している。冷媒導入管34と冷媒排出管35は、筐体30に設けられた貫通孔30aを通り、一端が筐体30の外側に突き出ている。冷媒導入管34と冷媒排出管35には、不図示の冷媒循環装置が接続されている。冷媒導入管34を通じて供給される液体冷媒は、隣接する冷却器22を連結する一方の連結管23を通じて全ての冷却器22に分配される。液体冷媒は、各冷却器22を通過する間に隣接する半導体モジュール3から熱を吸収し、他方の連結管23と冷媒排出管35を通じて電力変換器2の外へ排出される(冷媒循環装置へと戻される)。   In FIG. 2, a refrigerant introduction pipe 34 and a refrigerant discharge pipe 35 are connected to the rightmost cooler 22. One of the two connecting pipes 23 is positioned so as to overlap the refrigerant introduction pipe 34 as viewed from the stacking direction (X direction in the figure), and the other connecting pipe 23 is positioned so as to overlap the refrigerant discharge pipe 35. doing. The refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35 pass through a through hole 30 a provided in the casing 30, and one end protrudes to the outside of the casing 30. A refrigerant circulation device (not shown) is connected to the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35. The liquid refrigerant supplied through the refrigerant introduction pipe 34 is distributed to all the coolers 22 through one connection pipe 23 that connects the adjacent coolers 22. The liquid refrigerant absorbs heat from the adjacent semiconductor module 3 while passing through each cooler 22 and is discharged out of the power converter 2 through the other connecting pipe 23 and the refrigerant discharge pipe 35 (to the refrigerant circulation device). Is returned).

各半導体モジュール3の上面から、3個のパワー端子25(正極端子25a、負極端子25b、中点端子25c)が延びている。各半導体モジュール3の下面から複数の制御端子27が延びている(図3参照)。各半導体モジュール3には、2個のトランジスタの直列接続が収容されており、正極端子25aは、半導体モジュール3の本体21の内部で、直列接続の高電位側に接続されている。負極端子25bは、本体21の内部で、直列接続の低電位側に接続されており、中点端子25cは、直列接続の中点に接続されている。各半導体モジュール3の正極端子25aと負極端子25bは、夫々、正極バスバ31、負極バスバ32を介して平滑化コンデンサ6と接続されている。図2、図3では、各半導体モジュール3の中点端子25cの接続先は図示を省略した。   Three power terminals 25 (a positive terminal 25a, a negative terminal 25b, and a midpoint terminal 25c) extend from the upper surface of each semiconductor module 3. A plurality of control terminals 27 extend from the lower surface of each semiconductor module 3 (see FIG. 3). Each semiconductor module 3 accommodates a series connection of two transistors, and the positive electrode terminal 25 a is connected to the high potential side of the series connection inside the main body 21 of the semiconductor module 3. The negative electrode terminal 25b is connected to the low potential side in series connection inside the main body 21, and the midpoint terminal 25c is connected to the midpoint of series connection. The positive terminal 25a and the negative terminal 25b of each semiconductor module 3 are connected to the smoothing capacitor 6 via the positive bus bar 31 and the negative bus bar 32, respectively. 2 and 3, the connection destination of the midpoint terminal 25c of each semiconductor module 3 is not shown.

制御端子27は、半導体モジュール3の内部の夫々のトランジスタのゲートにつながっているゲート端子、各トランジスタのセンスエミッタにつながっているセンスエミッタ端子、半導体モジュール3に内蔵されている温度センサにつながっているセンサ端子などである。制御端子は、積層ユニットと20の下方に配置されている制御基板29に接続されている。制御基板29は、不図示の上位のコントローラからの指令を受け、各半導体モジュール3に収容されている各トランジスタへ駆動信号を供給する。   The control terminal 27 is connected to a gate terminal connected to the gate of each transistor inside the semiconductor module 3, a sense emitter terminal connected to the sense emitter of each transistor, and a temperature sensor built in the semiconductor module 3. Sensor terminals. The control terminal is connected to the control unit 29 disposed below the stacked unit 20. The control board 29 receives a command from an upper controller (not shown) and supplies a drive signal to each transistor housed in each semiconductor module 3.

複数の半導体モジュール3と複数の冷却器22の積層ユニット20の積層方向の一端が筐体30に設けられた支持壁36に当接しており、他端は板バネ33を介して支持柱38に支持されている。板バネ33により、積層ユニット20は、その積層方向に荷重を受ける。積層方向の荷重により、冷却器22と半導体モジュール3が密着し、半導体モジュール3から冷却器22への熱伝達の効率が高められる。積層ユニット20の周囲に、フィルタコンデンサ4、リアクトル5、平滑化コンデンサ6が配置されている。それらと積層ユニット20との接続は、バスバ31、32を除いて図示を省略した。   One end of the stacking unit 20 of the plurality of semiconductor modules 3 and the plurality of coolers 22 in the stacking direction is in contact with the support wall 36 provided in the housing 30, and the other end is in contact with the support pillar 38 via the leaf spring 33. It is supported. The laminated unit 20 receives a load in the laminating direction by the leaf spring 33. Due to the load in the stacking direction, the cooler 22 and the semiconductor module 3 are in close contact with each other, and the efficiency of heat transfer from the semiconductor module 3 to the cooler 22 is increased. A filter capacitor 4, a reactor 5, and a smoothing capacitor 6 are disposed around the multilayer unit 20. The connection between them and the laminated unit 20 is omitted except for the bus bars 31 and 32.

先に述べたように、冷媒導入管34と冷媒排出管35の夫々の一端は、筐体30に設けられた一対の貫通孔30aの夫々に接続されており、冷媒導入管34と冷媒排出管35の夫々の他端は積層ユニット20の端の冷却器22に接続されている。冷媒導入管34と冷媒排出管35の夫々に、蓄熱材37が巻かれている。蓄熱材37は、例えば、ゼオライトやパラフィンで作られている。   As described above, one end of each of the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35 is connected to each of the pair of through holes 30a provided in the housing 30, and the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe Each other end of 35 is connected to a cooler 22 at the end of the laminated unit 20. A heat storage material 37 is wound around each of the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35. The heat storage material 37 is made of, for example, zeolite or paraffin.

冷媒排出管35に巻かれた蓄熱材37の表面に温度センサ39が取り付けられている。温度センサ39は、蓄熱材37の表面温度を計測する。温度センサ39の信号線は、積層ユニット20の下方に位置する制御基板29に接続されている。   A temperature sensor 39 is attached to the surface of the heat storage material 37 wound around the refrigerant discharge pipe 35. The temperature sensor 39 measures the surface temperature of the heat storage material 37. The signal line of the temperature sensor 39 is connected to the control board 29 located below the laminated unit 20.

蓄熱材37の利点について説明する。図4に、図2のIV−IV線に沿った断面図を示す。図4は、冷媒導入管34をその軸線と平行にカットした積層ユニット20の断面を示している。図4は、積層ユニット20の断面と、筐体30の一部の断面を示しており、他の部品は図示を省略した。各冷却器22はアルミニウムの板で作られており、その内部は単純な空洞である。冷却器22は、いくつかの孔を有する単純な容器であり、その内部空間が冷媒の流路となる。なお、冷却器22の内部空間に、冷却器22のケース内面に接する複数のフィンが設けられることもある。   The advantages of the heat storage material 37 will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. FIG. 4 shows a cross section of the laminated unit 20 in which the refrigerant introduction pipe 34 is cut in parallel to the axis thereof. FIG. 4 shows a cross section of the laminated unit 20 and a partial cross section of the housing 30, and other components are not shown. Each cooler 22 is made of an aluminum plate, and its inside is a simple cavity. The cooler 22 is a simple container having several holes, and the internal space serves as a refrigerant flow path. A plurality of fins that contact the inner surface of the case of the cooler 22 may be provided in the internal space of the cooler 22.

冷媒導入管34を介して供給された冷媒は、連結管23を介して各冷却器22へ分配される。冷媒は、液体のLLC(Long Life Coolant)であるが、外気温度が極低温になると凍結する可能性がある。電気自動車100が極寒地域で採用されると、冷媒が凍結する可能性がある。電力変換器2が極寒の環境に晒されると、まず、筐体30の温度が下がり、次いで、筐体30に接している冷媒導入管34及び冷媒排出管35、そして、積層ユニット20の順に温度が低下していく。冷媒導入管34と冷媒排出管35で液体冷媒が凍結すると、次に冷却器22の中の液体冷媒が凍結膨張したときに冷媒の逃げ場が無くなり、冷却器22が膨張、変形してしまう。蓄熱材37を巻くことで、冷媒導入管34と冷媒排出管35の中(図4にて符号S1が示す箇所)での冷媒凍結を遅らせることができる。そうすることで、少ないコストで冷却器22の内部の冷媒を凍結し難くすることができる。また、冷却器22の中(例えば図4にて符号S2が示す箇所)で冷媒が凍結し始めたとき、蓄熱材37のおかげで冷媒導入管34と冷媒排出管35が凍結した冷媒で塞がれていなければ、冷却器22の中の冷媒の体積膨張分の少なくとも一部は冷媒導入管34と冷媒排出管35を通じて外部へ放出でき、冷却器22の膨張変形を軽減することができる。   The refrigerant supplied via the refrigerant introduction pipe 34 is distributed to each cooler 22 via the connection pipe 23. The refrigerant is liquid LLC (Long Life Coolant), but may freeze when the outside air temperature becomes extremely low. If the electric vehicle 100 is employed in an extremely cold region, the refrigerant may freeze. When the power converter 2 is exposed to an extremely cold environment, the temperature of the casing 30 first decreases, and then the temperature of the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35 that are in contact with the casing 30 and the stacked unit 20 in that order. Will go down. If the liquid refrigerant freezes in the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35, the next time the liquid refrigerant in the cooler 22 freezes and expands, there is no escape space for the refrigerant, and the cooler 22 expands and deforms. By winding the heat storage material 37, it is possible to delay the refrigerant freezing in the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35 (location indicated by reference numeral S1 in FIG. 4). By doing so, it is possible to make the refrigerant inside the cooler 22 difficult to freeze at a low cost. Further, when the refrigerant begins to freeze in the cooler 22 (for example, the location indicated by S2 in FIG. 4), the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35 are blocked by the frozen refrigerant because of the heat storage material 37. If not, at least a part of the volume expansion of the refrigerant in the cooler 22 can be discharged to the outside through the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35, and expansion deformation of the cooler 22 can be reduced.

電力変換器2は、さらに、冷媒導入管34の内部の冷媒が凍結しそうになると、冷媒導入管34と冷媒排出管35に接続されている外部の冷媒循環装置(不図示)を作動させ、冷媒を循環させて凍結を防止する。先に述べたように、冷媒導入管34に巻かれた蓄熱材37の表面には温度センサ39が取り付けられている(図2、図3参照)。制御基板29には、凍結防止プログラムが実装されており、定期的に温度センサ39の温度をモニタする。温度センサ39で取得した蓄熱材37の表面温度が所定の温度(例えばマイナス20℃)を下回ると、制御基板29の凍結防止プログラムは、外部の冷媒循環装置を一定時間作動させる(例えば30分)。冷媒循環装置を作動させることで、積層ユニット20の複数の冷却器22の中の冷媒が循環・撹拌され、冷媒が凍結することが防止される。   Further, when the refrigerant inside the refrigerant introduction pipe 34 is likely to freeze, the power converter 2 operates an external refrigerant circulation device (not shown) connected to the refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35, thereby To prevent freezing. As described above, the temperature sensor 39 is attached to the surface of the heat storage material 37 wound around the refrigerant introduction pipe 34 (see FIGS. 2 and 3). A freeze prevention program is mounted on the control board 29 and periodically monitors the temperature of the temperature sensor 39. When the surface temperature of the heat storage material 37 acquired by the temperature sensor 39 falls below a predetermined temperature (for example, minus 20 ° C.), the freeze prevention program for the control board 29 operates the external refrigerant circulation device for a certain time (for example, 30 minutes). . By operating the refrigerant circulation device, the refrigerant in the plurality of coolers 22 of the stacked unit 20 is circulated and agitated, and the refrigerant is prevented from freezing.

なお、変形例として、制御基板29は、蓄熱材37の表面温度が所定の温度を下回ったとき、半導体モジュール3の内部のトランジスタを動作させてもよい。トランジスタの発熱により、冷媒の凍結が防止される。   As a modification, the control board 29 may operate the transistor inside the semiconductor module 3 when the surface temperature of the heat storage material 37 falls below a predetermined temperature. The heat generation of the transistor prevents the refrigerant from freezing.

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換器2が、請求項の「半導体装置」の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、電気自動車用の電力変換器に限られず、他の装置であってもよい。実施例の冷媒導入管34と冷媒排出管35が、それぞれ、請求項の「導入管」と「排出管」の一例に相当する。実施例のトランジスタ9a−9hが、請求項の「半導体素子」の一例に相当する。   Points to be noted regarding the technology described in the embodiments will be described. The power converter 2 of the embodiment corresponds to an example of “semiconductor device” in the claims. The technology disclosed in this specification is not limited to a power converter for an electric vehicle, and may be another device. The refrigerant introduction pipe 34 and the refrigerant discharge pipe 35 of the embodiment correspond to examples of “introduction pipe” and “discharge pipe” in the claims, respectively. The transistors 9a to 9h in the example correspond to an example of “semiconductor element” in the claims.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

2:電力変換器
3、3a−3g:半導体モジュール
4:フィルタコンデンサ
5:リアクトル
6:平滑化コンデンサ
9a−9h:トランジスタ
10a、10b:インバータ
12:コンバータ
13:バッテリ
14:システムメインリレー
15a、15b:モータ
16:ギアボックス
17:車軸
20:積層ユニット
21:本体
22:冷却器
23:連結管
25a:正極端子
25b:負極端子
25c:中点端子
27:制御端子
29:制御基板
30:筐体
30a:貫通孔
31:正極バスバ
32:負極バスバ
33:板バネ
34:冷媒導入管
35:冷媒排出管
36:支持壁
37:蓄熱材
38:支持柱
39:温度センサ
100:電気自動車
2: Power converter 3, 3a-3g: Semiconductor module 4: Filter capacitor 5: Reactor 6: Smoothing capacitor 9a-9h: Transistor 10a, 10b: Inverter 12: Converter 13: Battery 14: System main relay 15a, 15b: Motor 16: Gearbox 17: Axle 20: Laminating unit 21: Main body 22: Cooler 23: Connecting pipe 25a: Positive terminal 25b: Negative terminal 25c: Midpoint terminal 27: Control terminal 29: Control board 30: Housing 30a: Through hole 31: Positive electrode bus bar 32: Negative electrode bus bar 33: Leaf spring 34: Refrigerant introduction pipe 35: Refrigerant discharge pipe 36: Support wall 37: Thermal storage material 38: Support column 39: Temperature sensor 100: Electric vehicle

Claims (1)

半導体素子を収容した半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されている冷却器が積層された積層ユニットと、
前記積層ユニットを収容する筐体と、
前記筐体の外部から液体冷媒を前記冷却器に導入する導入管と、
前記冷却器から前記筐体の外部へ前記液体冷媒を排出する排出管と、
を備えており、
前記導入管と前記排出管の夫々の一端は、前記筐体に設けられた一対の貫通孔の夫々に接続されており、前記導入管と前記排出管の夫々の他端は前記冷却器に接続されており、
前記導入管と前記排出管の夫々に蓄熱材が巻かれている、半導体装置。
A laminated unit in which a semiconductor module containing a semiconductor element and a cooler in which a coolant channel is formed are laminated;
A housing for accommodating the laminated unit;
An introduction pipe for introducing liquid refrigerant into the cooler from the outside of the housing;
A discharge pipe for discharging the liquid refrigerant from the cooler to the outside of the housing;
With
One end of each of the introduction pipe and the discharge pipe is connected to each of a pair of through holes provided in the casing, and the other end of each of the introduction pipe and the discharge pipe is connected to the cooler. Has been
A semiconductor device in which a heat storage material is wound around each of the introduction pipe and the discharge pipe.
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