JP2532352B2 - 流体により冷却される出力トランジスタ装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的に流体による半導体素子の冷却に関
し、詳細には流体により冷却される出力トランジスタ装
置に関する。
し、詳細には流体により冷却される出力トランジスタ装
置に関する。
電気機器及び機械を制御するために半導体スイッチが
大規模に使用される。使用するスイッチの形式にとって
重要なのは、一方では制御する出力量であり、他方では
最大動作周波数である。サイリスタ及びトライアック
は、配電網周波数においてすなわち50Hzのオーダにおい
て使用され、10メガワットのオーダまでの出力制御を可
能にする。しかし多数の用途では、とりわけ電気機械の
制御では、メガヘルツ領域の近くまで到達する高いスイ
ッチング周波数が要求される。10〜100kWのオーダの出
力で10kHzの周波数領域内ではBIMOS出力トランジスタ及
びIGBT出力トランジスタ（Insulated Gate Bipolar Tra
nsistor）を使用できる。しかし、出力がより小さく周
波数がより高い場合、通常はMOSFET出力トランジスタが
使用される。
大規模に使用される。使用するスイッチの形式にとって
重要なのは、一方では制御する出力量であり、他方では
最大動作周波数である。サイリスタ及びトライアック
は、配電網周波数においてすなわち50Hzのオーダにおい
て使用され、10メガワットのオーダまでの出力制御を可
能にする。しかし多数の用途では、とりわけ電気機械の
制御では、メガヘルツ領域の近くまで到達する高いスイ
ッチング周波数が要求される。10〜100kWのオーダの出
力で10kHzの周波数領域内ではBIMOS出力トランジスタ及
びIGBT出力トランジスタ（Insulated Gate Bipolar Tra
nsistor）を使用できる。しかし、出力がより小さく周
波数がより高い場合、通常はMOSFET出力トランジスタが
使用される。
出力半導体素子は冷却されなければならない。半導体
素子のアクティブ領域内では温度は、比較的定温の値を
越えてはならない。損失熱は、半導体基板だけでなく、
半導体基板に装着されている電極薄板及び多層担体プレ
ートも通して排出しなければならない。前述の形式の出
力トランジスタでは半導体基板は、少なくとも１つの側
で、平面的に基板の全アクティブ領域に重なり、タイプ
に依存してコレクタ又はドレイン電極を形成する、ベー
ス金属薄板を備えている。トランジスタのその他の電
極、すなわちベース及びエミッタ又はゲートすなわちソ
ース電極は、半導体基板の対向して位置する平面の上に
装着されている。従来の出力トランジスタでは、面的な
ベース金属薄板に流体により冷却される冷却装置が接続
され、この冷却体装置は、トランジスタのアクティブ領
域の損失熱を半導体基板及びベース金属薄板を通して排
出する。アクティブ領域内の温度は一様に所定限界値の
中に保持しなければならないので、冷却装置が一様な熱
電圧特性で面的に半導体素子の半導体基板に接続するこ
とが重要である。半導体基板への冷却体の直接的接続
は、高い電圧（100V以上）及び高い電流（例えば100ア
ンペア）に起因して通常は不可能であり、従って半導体
基板は絶縁担体の上に装着されなければならず、従来の
出力トランジスタ装置では絶縁担体を介して損失熱が半
導体素子から冷却装置の中に排出されなければならな
い。従って通常は、半導体素子を、両側が銅薄板で被着
されたセラミックプレートの上に装着し、セラミックプ
レートの半導体素子から離れて位置する平面を例えば銅
等の担体プレートの上にはんだ付けすることが行われ
る。銅プレートは、熱伝導性ペーストの中間層を介し
て、例えば水により冷却される冷却素子の上に装着され
る。適切な冷却体装置は、例えばヨーロッパ特許出願公
開第447835号公報から公知である。しかし、出力トラン
ジスタのスイッチング能力が多くの場合に完全に利用で
きないか、又はセラミックプレートを鋼プレートに接合
するはんだ層の中に又は熱伝導性層の中に、半導体素子
が局所的に過熱されてトランジスタを破壊することがあ
る非一様性が残ると出力トランジスタに故障が発生する
ことが分かった。
素子のアクティブ領域内では温度は、比較的定温の値を
越えてはならない。損失熱は、半導体基板だけでなく、
半導体基板に装着されている電極薄板及び多層担体プレ
ートも通して排出しなければならない。前述の形式の出
力トランジスタでは半導体基板は、少なくとも１つの側
で、平面的に基板の全アクティブ領域に重なり、タイプ
に依存してコレクタ又はドレイン電極を形成する、ベー
ス金属薄板を備えている。トランジスタのその他の電
極、すなわちベース及びエミッタ又はゲートすなわちソ
ース電極は、半導体基板の対向して位置する平面の上に
装着されている。従来の出力トランジスタでは、面的な
ベース金属薄板に流体により冷却される冷却装置が接続
され、この冷却体装置は、トランジスタのアクティブ領
域の損失熱を半導体基板及びベース金属薄板を通して排
出する。アクティブ領域内の温度は一様に所定限界値の
中に保持しなければならないので、冷却装置が一様な熱
電圧特性で面的に半導体素子の半導体基板に接続するこ
とが重要である。半導体基板への冷却体の直接的接続
は、高い電圧（100V以上）及び高い電流（例えば100ア
ンペア）に起因して通常は不可能であり、従って半導体
基板は絶縁担体の上に装着されなければならず、従来の
出力トランジスタ装置では絶縁担体を介して損失熱が半
導体素子から冷却装置の中に排出されなければならな
い。従って通常は、半導体素子を、両側が銅薄板で被着
されたセラミックプレートの上に装着し、セラミックプ
レートの半導体素子から離れて位置する平面を例えば銅
等の担体プレートの上にはんだ付けすることが行われ
る。銅プレートは、熱伝導性ペーストの中間層を介し
て、例えば水により冷却される冷却素子の上に装着され
る。適切な冷却体装置は、例えばヨーロッパ特許出願公
開第447835号公報から公知である。しかし、出力トラン
ジスタのスイッチング能力が多くの場合に完全に利用で
きないか、又はセラミックプレートを鋼プレートに接合
するはんだ層の中に又は熱伝導性層の中に、半導体素子
が局所的に過熱されてトランジスタを破壊することがあ
る非一様性が残ると出力トランジスタに故障が発生する
ことが分かった。
出力トランジスタの冷却効果を改善するために、基板
から遠く離れて位置する帯状リード線に、半導体素子の
アクティブ領域の冷却を強化する冷却体を設けることが
公知である（ヨーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−252429
号公報及びヨーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−449435号
公報）。半導体素子のアクティブ面から遠く離れて位置
する平面に、冷却リブが設けられている冷却体を素材結
合し、冷却リブを冷却空気流にさらすことも公知である
（ヨーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−260370号公報）。
から遠く離れて位置する帯状リード線に、半導体素子の
アクティブ領域の冷却を強化する冷却体を設けることが
公知である（ヨーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−252429
号公報及びヨーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−449435号
公報）。半導体素子のアクティブ面から遠く離れて位置
する平面に、冷却リブが設けられている冷却体を素材結
合し、冷却リブを冷却空気流にさらすことも公知である
（ヨーロッパ特許出願公開第EP−Ａ−260370号公報）。
最後に、ドイツ特許出願公開第DE−Ａ−4101205号公
報から、出力ダイオード又は出力サイリスタのプレート
状の半導体素子を冷却流体チャネルの中に配置し、両側
で、可撓性のコンタクトブラシにより接触することが公
知である。コンタクトブラシは、半導体素子に沿って流
れる冷却流体により冷却される互いに平行な個々の多数
の短いワイヤから成る。しかしコンタクトブラシでは、
出力トランジスタの半導体素子の冷却に必要な面的な熱
排出は不可能である。ドイツ特許出願公開第DE−Ａ−41
01205号公報では冷却流体として水、空気、油、炭化水
素を含有する冷却剤が提案されている。
報から、出力ダイオード又は出力サイリスタのプレート
状の半導体素子を冷却流体チャネルの中に配置し、両側
で、可撓性のコンタクトブラシにより接触することが公
知である。コンタクトブラシは、半導体素子に沿って流
れる冷却流体により冷却される互いに平行な個々の多数
の短いワイヤから成る。しかしコンタクトブラシでは、
出力トランジスタの半導体素子の冷却に必要な面的な熱
排出は不可能である。ドイツ特許出願公開第DE−Ａ−41
01205号公報では冷却流体として水、空気、油、炭化水
素を含有する冷却剤が提案されている。
本発明の課題は、従来技術に比してより確実に出力ト
ランジスタ装置の半導体素子の一様な冷却を保証する流
体により冷却される出力トランジスタ装置を提供するこ
とにある。
ランジスタ装置の半導体素子の一様な冷却を保証する流
体により冷却される出力トランジスタ装置を提供するこ
とにある。
本発明は、プレート状のトランジスタ半導体素子を具
備し、トランジスタ半導体素子はその平面のうちの第１
の平面の上に、半導体素子にその全面を被覆して素材結
合されている金属電極を備え、第２の平面の上に、互い
に間隔をおいて半導体素子の中に素材結合されている端
子を備え、 第１の平面に向かって前記半導体素子を越えて拡がっ
ている電気絶縁性の絶縁担体をさらに具備し、絶縁担体
に半導体素子の絶縁担体から背いて位置する第１の平面
が保持され、 冷却流体チャネルを有し半導体素子のうちの平面のう
ちの少なくとも１つの平面に熱伝導接触している流体形
冷却装置と、冷却チャネルの中で冷却流体の強制流動を
発生する手段とをさらに具備する、電気スイッチ装置の
ための、流体により冷却される出力トランジスタ装置か
ら出発する。なお素材結合とは、蒸着、渡金、融着はん
だ等により素材として一体に形成することをいう。
備し、トランジスタ半導体素子はその平面のうちの第１
の平面の上に、半導体素子にその全面を被覆して素材結
合されている金属電極を備え、第２の平面の上に、互い
に間隔をおいて半導体素子の中に素材結合されている端
子を備え、 第１の平面に向かって前記半導体素子を越えて拡がっ
ている電気絶縁性の絶縁担体をさらに具備し、絶縁担体
に半導体素子の絶縁担体から背いて位置する第１の平面
が保持され、 冷却流体チャネルを有し半導体素子のうちの平面のう
ちの少なくとも１つの平面に熱伝導接触している流体形
冷却装置と、冷却チャネルの中で冷却流体の強制流動を
発生する手段とをさらに具備する、電気スイッチ装置の
ための、流体により冷却される出力トランジスタ装置か
ら出発する。なお素材結合とは、蒸着、渡金、融着はん
だ等により素材として一体に形成することをいう。
このような出力トランジスタ装置から出発して上記課
題は本発明により請求の範囲第１項の特徴部分により、
すなわち、 絶縁担体の上に半導体素子のための制御及び保護回路
も装着され、 絶縁担体及び／又は半導体の平面のうちの少なくとも
１つの平面が、直接に冷却流体チャネルの中の冷却流体
の強制流動にさらされ、冷却流体との接触が平面のほぼ
全面で行われることにより解決される。
題は本発明により請求の範囲第１項の特徴部分により、
すなわち、 絶縁担体の上に半導体素子のための制御及び保護回路
も装着され、 絶縁担体及び／又は半導体の平面のうちの少なくとも
１つの平面が、直接に冷却流体チャネルの中の冷却流体
の強制流動にさらされ、冷却流体との接触が平面のほぼ
全面で行われることにより解決される。
本発明の有利な実施例は第２項〜第28項に記載されて
いる。
いる。
本発明の基礎となる知見は、従来のトランジスタでは
固定するために冷却体に設けられている担体プレート
を、作動に必要な絶縁担体を除いて除去し、その代りに
少なくとも１つの平面有利には絶縁担体及び場合に応じ
て半導体素子をその金属電極の領域内で直接にかつでき
るだけその全平面にわたり冷却流体にさらすことにあ
る。付加的に場合に応じて保護薄膜層が被着されている
半導体素子は絶縁担体から背いて位置する側も冷却流体
にさらすことができる。金属電極は絶縁担体に素材結合
され、その際に有利には金属電極は絶縁担体により全面
を被覆される。金属電極の平面の広がりは、半導体素子
の平面を大幅に越えていなければならず、有利には半導
体素子の平面より少なくとも50％大きくなければならな
い。すなわちこの場合、金属電極は電気的役割の外に別
の１つの重要な役割を果たさなければならない、すなわ
ち発生熱を迅速に吸収してさらに伝導するだけでなく、
その上、面の中にも分散しなければなければならない役
割を果たさなければならない。このようにして、半導体
素子を一様に冷却できる、何故ならば順次に続く材料層
例えば担体プレート等の間の素材結合は、最小に制限さ
れているからである。冷却流体は、ガス例えば大気圧が
印加されているガス有利にはN2、又は液体有利には水又
は油例えば鉱油又はパラフィン油又は合成石油であるこ
ともあるが、しかし２相流体有利には冷媒又はCO2であ
ることもある。
固定するために冷却体に設けられている担体プレート
を、作動に必要な絶縁担体を除いて除去し、その代りに
少なくとも１つの平面有利には絶縁担体及び場合に応じ
て半導体素子をその金属電極の領域内で直接にかつでき
るだけその全平面にわたり冷却流体にさらすことにあ
る。付加的に場合に応じて保護薄膜層が被着されている
半導体素子は絶縁担体から背いて位置する側も冷却流体
にさらすことができる。金属電極は絶縁担体に素材結合
され、その際に有利には金属電極は絶縁担体により全面
を被覆される。金属電極の平面の広がりは、半導体素子
の平面を大幅に越えていなければならず、有利には半導
体素子の平面より少なくとも50％大きくなければならな
い。すなわちこの場合、金属電極は電気的役割の外に別
の１つの重要な役割を果たさなければならない、すなわ
ち発生熱を迅速に吸収してさらに伝導するだけでなく、
その上、面の中にも分散しなければなければならない役
割を果たさなければならない。このようにして、半導体
素子を一様に冷却できる、何故ならば順次に続く材料層
例えば担体プレート等の間の素材結合は、最小に制限さ
れているからである。冷却流体は、ガス例えば大気圧が
印加されているガス有利にはN2、又は液体有利には水又
は油例えば鉱油又はパラフィン油又は合成石油であるこ
ともあるが、しかし２相流体有利には冷媒又はCO2であ
ることもある。
半導体のための制御及び保護回路を同一の絶縁担体の
上に装着すると一連の利点を得られる。すなわち、関与
する素子の熱結合が行われるだけでなく、制御及び保護
回路を別個に冷却することが不要となる。さらに、所要
の接続線が最小化され、これにより障害が発生しにくく
なる。さらに、外部への接続線を数が少なくなる。
上に装着すると一連の利点を得られる。すなわち、関与
する素子の熱結合が行われるだけでなく、制御及び保護
回路を別個に冷却することが不要となる。さらに、所要
の接続線が最小化され、これにより障害が発生しにくく
なる。さらに、外部への接続線を数が少なくなる。
本発明は、例えばIGBT出力トランジスタに適するが、
しかし高い動作周波数で100kW以上の領域内の出力と、
とりわけ100〜1000Vの電圧で５〜100Aの電流とをスイッ
チングできるMOSFET出力トランジスタにも適する。
しかし高い動作周波数で100kW以上の領域内の出力と、
とりわけ100〜1000Vの電圧で５〜100Aの電流とをスイッ
チングできるMOSFET出力トランジスタにも適する。
絶縁担体は、従来と同様に半導体素子の固定に用いら
れる。絶縁担体は、絶縁材例えばセラミックから成る担
体プレートであることもあり、担体プレートには、金属
電極を有する半導体素子がその全面を担体プレートによ
り被覆されて素材結合されている。しかし絶縁担体は、
少なくとも１つの平面の上に絶縁層が被着されている金
属プレートとしても形成できる、すなわち例えば絶縁酸
化層を被着されている金属プレートとして形成できる。
最後に記載の構成はとりわけ、金属プレートが同時に金
属電極を一体的に形成できるので有利である。
れる。絶縁担体は、絶縁材例えばセラミックから成る担
体プレートであることもあり、担体プレートには、金属
電極を有する半導体素子がその全面を担体プレートによ
り被覆されて素材結合されている。しかし絶縁担体は、
少なくとも１つの平面の上に絶縁層が被着されている金
属プレートとしても形成できる、すなわち例えば絶縁酸
化層を被着されている金属プレートとして形成できる。
最後に記載の構成はとりわけ、金属プレートが同時に金
属電極を一体的に形成できるので有利である。
半導体素子を完全に冷却流体チャネルの中に配置する
こともでき、これにより冷却流体は、半導体素子の好適
にはプレートとして形成されている絶縁担体の側でも、
半導体素子の絶縁担体から背いて位置する側でも平面に
沿って流れて冷却する。しかし、プレート状の絶縁担体
を有する１つの有利な実施例では、絶縁担体が冷却流体
チャネルの１つの壁を形成する。この構成は絶縁担体
が、隣接し例えば冷却流体強制流動の方向で順次に配置
されている複数の半導体素子を装着されている場合に有
利である、何故ならばこのようにして例えば１つ又は複
数の半ブリッジ又は全ブリッジの形の複数の電気弁をモ
ジュールとして形成できるからである。１つの簡単な解
決方法では、冷却流体チャネルの少なくとも互いに対向
して位置する２つの壁が、それぞれ少なくとも１つの半
導体素子が装着されているプレート状の絶縁担体により
形成されている。一様な冷却及び熱拡散を得るために、
対向して位置する２つの絶縁担体は、有利には同一の数
の半導体素子を有する。１つの簡単な構成の実施例で
は、対向して位置する絶縁担体が密封枠部材により、周
方向で閉じている冷却流体チャネルに連結されている。
こともでき、これにより冷却流体は、半導体素子の好適
にはプレートとして形成されている絶縁担体の側でも、
半導体素子の絶縁担体から背いて位置する側でも平面に
沿って流れて冷却する。しかし、プレート状の絶縁担体
を有する１つの有利な実施例では、絶縁担体が冷却流体
チャネルの１つの壁を形成する。この構成は絶縁担体
が、隣接し例えば冷却流体強制流動の方向で順次に配置
されている複数の半導体素子を装着されている場合に有
利である、何故ならばこのようにして例えば１つ又は複
数の半ブリッジ又は全ブリッジの形の複数の電気弁をモ
ジュールとして形成できるからである。１つの簡単な解
決方法では、冷却流体チャネルの少なくとも互いに対向
して位置する２つの壁が、それぞれ少なくとも１つの半
導体素子が装着されているプレート状の絶縁担体により
形成されている。一様な冷却及び熱拡散を得るために、
対向して位置する２つの絶縁担体は、有利には同一の数
の半導体素子を有する。１つの簡単な構成の実施例で
は、対向して位置する絶縁担体が密封枠部材により、周
方向で閉じている冷却流体チャネルに連結されている。
絶縁担体が冷却流体チャネルの壁を形成する前述の実
施例では、半導体素子を冷却流体チャネルの内面に装着
することも、外面に装着することもでき、後者の構成
は、リード線等の接続が容易である利点を有する。
施例では、半導体素子を冷却流体チャネルの内面に装着
することも、外面に装着することもでき、後者の構成
は、リード線等の接続が容易である利点を有する。
従来の出力トランジスタでは通常はプレート状の絶縁
担体が、半導体素子にその全面を被覆して重畳する。１
つの有利な実施例では、従来の出力トランジスタの絶縁
担体とは異なり、絶縁担体は部分的にしか半導体に重な
らず、有利には半導体素子が恒久的に絶縁担体に固定さ
れることが丁度可能となる程度の広さでしか重ならな
い。これは、半導体素子の金属電極が設けられている平
面を、絶縁担体を中間に挿入せずに直接に冷却流体流に
さらすことができる利点を有する。この場合、絶縁担体
として冷却流体チャネルの壁が利用される。絶縁材のプ
レートであることもある絶縁担体は、好適には貫通凹部
が設けられており、貫通凹部の端縁に半導体素子が固定
され、少なくともその第１の平面が、貫通凹部を貫流す
る冷却流体流にさらされる。とりわけその上、絶縁担体
が、半導体素子の第１の平面に対して横方向に延在する
冷却流体チャネル側壁を有することが可能であり、例え
ばこれは、絶縁担体が少なくとも凹部領域内でほぼＵ形
横断面を有し、従ってＵ形横断面により形成されている
脚部の端縁に半導体素子が装着され、全体でほぼ長方形
横断面を有する冷却流体チャネルが形成されるように構
成される。
担体が、半導体素子にその全面を被覆して重畳する。１
つの有利な実施例では、従来の出力トランジスタの絶縁
担体とは異なり、絶縁担体は部分的にしか半導体に重な
らず、有利には半導体素子が恒久的に絶縁担体に固定さ
れることが丁度可能となる程度の広さでしか重ならな
い。これは、半導体素子の金属電極が設けられている平
面を、絶縁担体を中間に挿入せずに直接に冷却流体流に
さらすことができる利点を有する。この場合、絶縁担体
として冷却流体チャネルの壁が利用される。絶縁材のプ
レートであることもある絶縁担体は、好適には貫通凹部
が設けられており、貫通凹部の端縁に半導体素子が固定
され、少なくともその第１の平面が、貫通凹部を貫流す
る冷却流体流にさらされる。とりわけその上、絶縁担体
が、半導体素子の第１の平面に対して横方向に延在する
冷却流体チャネル側壁を有することが可能であり、例え
ばこれは、絶縁担体が少なくとも凹部領域内でほぼＵ形
横断面を有し、従ってＵ形横断面により形成されている
脚部の端縁に半導体素子が装着され、全体でほぼ長方形
横断面を有する冷却流体チャネルが形成されるように構
成される。
絶縁担体が部分的にしか半導体素子の平面に重畳して
いない実施例でも、半導体素子のうちの複数の半導体素
子が統合されて１つのモジュールを形成できることは自
明である。これは例えば、絶縁担体が所定横断面の成形
体すなわち形材として形成され、この形材は、冷却流体
の流れ方向で順次に配置されている少なくとも１つ又は
複数の半導体素子を有し、それらのうちのそれぞれは、
少なくとも１つの出力トランジスタを有する。冷却流体
チャネルを形成するために用いられる絶縁担体は、半導
体素子に対して横方向に延在する冷却流体チャネル側壁
の外に、半導体素子の平面の中で延在する壁の一部も形
成する。
いない実施例でも、半導体素子のうちの複数の半導体素
子が統合されて１つのモジュールを形成できることは自
明である。これは例えば、絶縁担体が所定横断面の成形
体すなわち形材として形成され、この形材は、冷却流体
の流れ方向で順次に配置されている少なくとも１つ又は
複数の半導体素子を有し、それらのうちのそれぞれは、
少なくとも１つの出力トランジスタを有する。冷却流体
チャネルを形成するために用いられる絶縁担体は、半導
体素子に対して横方向に延在する冷却流体チャネル側壁
の外に、半導体素子の平面の中で延在する壁の一部も形
成する。
前述の実施例では半導体素子は、それぞれ固有にかつ
互いに別個に形材に固定できる。しかし半導体素子が、
従来の製造方法により大きい個数で１つの共通の半導体
基板の上に形成された後、１つの有利な実施例では、そ
れぞれ複数の一体的に互いに接合されている半導体素子
が形材に固定される。これにより冷却流体チャネルの密
封が容易になる。
互いに別個に形材に固定できる。しかし半導体素子が、
従来の製造方法により大きい個数で１つの共通の半導体
基板の上に形成された後、１つの有利な実施例では、そ
れぞれ複数の一体的に互いに接合されている半導体素子
が形材に固定される。これにより冷却流体チャネルの密
封が容易になる。
複数の半導体素子が統合されて１つのモジュールを形
成している１つの簡単な構成の実施例では、冷却流体チ
ャネルの少なくとも互いに対向して位置する２つの壁が
ほぼ完全にそれぞれ少なくとも１つの半導体により形成
され、対向して位置する半導体素子が密封枠部材によ
り、周方向で閉じている冷却流体チャネルに連結されて
いる。密封枠部材は、場合に応じて半導体素子の幅の値
を越える値の高さを有する壁により形成されることもあ
るが、しかし密封枠部材は、比較的偏平な枠部材である
こともある。
成している１つの簡単な構成の実施例では、冷却流体チ
ャネルの少なくとも互いに対向して位置する２つの壁が
ほぼ完全にそれぞれ少なくとも１つの半導体により形成
され、対向して位置する半導体素子が密封枠部材によ
り、周方向で閉じている冷却流体チャネルに連結されて
いる。密封枠部材は、場合に応じて半導体素子の幅の値
を越える値の高さを有する壁により形成されることもあ
るが、しかし密封枠部材は、比較的偏平な枠部材である
こともある。
冷却流体流は、十分な熱伝導を保証するために強制流
動である。半導体又は絶縁担体の汚染物付着又は汚染を
防止するために、好適には流体形冷却装置は、冷却流体
が冷却流体チャネルと冷却器すなわち熱を外部へ排出す
る熱交換器とを順次に通過して循環する閉じた冷却流体
循環路を有する。冷却流体として２相流体が使用される
場合、冷却流体循環路は、有利には蒸発器及び凝縮器を
有し、冷却流体チャネルは蒸発器を形成する。熱ポンプ
の形成で動作するこのような装置は、流体流が僅かな場
合でも十分な冷却を可能にする。
動である。半導体又は絶縁担体の汚染物付着又は汚染を
防止するために、好適には流体形冷却装置は、冷却流体
が冷却流体チャネルと冷却器すなわち熱を外部へ排出す
る熱交換器とを順次に通過して循環する閉じた冷却流体
循環路を有する。冷却流体として２相流体が使用される
場合、冷却流体循環路は、有利には蒸発器及び凝縮器を
有し、冷却流体チャネルは蒸発器を形成する。熱ポンプ
の形成で動作するこのような装置は、流体流が僅かな場
合でも十分な冷却を可能にする。
とりわけ、半導体素子にその全面を被覆して接合され
ている絶縁担体の場合、絶縁担体の半導体素子から背い
て位置し冷却流体流をさらされる側に熱交換面を広げる
構造とりわけリブ又は突出部が設けられていると、冷却
能力が高まる。以上の説明においてそれぞれプレート状
絶縁担体は、このような構造を有するものとする。
ている絶縁担体の場合、絶縁担体の半導体素子から背い
て位置し冷却流体流をさらされる側に熱交換面を広げる
構造とりわけリブ又は突出部が設けられていると、冷却
能力が高まる。以上の説明においてそれぞれプレート状
絶縁担体は、このような構造を有するものとする。
例えば冷却体等の冷却装置において熱交換面を広げる
ためにリブ等を使用することは、公知である。第２の形
態において本発明は、流体冷却装置の冷却能力を高める
ことができる措置に関する。このような流体形冷却装置
は、前述の形式の出力トランジスタ装置において使用で
きるばかりでなく、通常の半導体素子の冷却にも適し、
場合に応じて流体により冷却される冷却体を介しての間
接的に冷却される半導体素子の冷却にも適する。本発明
の第２の形態では、冷却流体流にさらされる冷却流体チ
ャネルの壁表面の少なくとも一部が、又は前述の形式の
出力トランジスタ装置においては絶縁担体又は半導体素
子の表面の少なくとも一部に、冷却流体流境界の層流の
厚さを減少させる表面ミクロ構造が設けられている。こ
の場合、本発明の基礎となる知見は、冷却流体流の冷却
効果は、流体境界の層流の厚さが薄いほど大きいことで
ある。この層流の中では冷却流体流が剪断作用により負
荷され制動される。予想外にも、表面摩擦を減少するミ
クロ構造が冷却流体流の冷却効果を改善することが分か
った。これは、ミクロ構造が境界の層流の厚さを減少す
ることに起因する。表面における流体の摩擦を減少させ
るミクロ構造は、公知であり、とりわけ鮫の皮膚におい
て研究された（D.Bechert及びM.Bartenwerfer共著“縦
方向リブを有する表面における粘性流”（J.Fluidmec.1
989,Vol.206,105〜129頁）及びD.Bechert,G.Hoppe共著
“鮫の皮膚の抵抗減少”（AIAA剪断流制御会議,1985年
３月12〜14日,Boulder,Colorado））。
ためにリブ等を使用することは、公知である。第２の形
態において本発明は、流体冷却装置の冷却能力を高める
ことができる措置に関する。このような流体形冷却装置
は、前述の形式の出力トランジスタ装置において使用で
きるばかりでなく、通常の半導体素子の冷却にも適し、
場合に応じて流体により冷却される冷却体を介しての間
接的に冷却される半導体素子の冷却にも適する。本発明
の第２の形態では、冷却流体流にさらされる冷却流体チ
ャネルの壁表面の少なくとも一部が、又は前述の形式の
出力トランジスタ装置においては絶縁担体又は半導体素
子の表面の少なくとも一部に、冷却流体流境界の層流の
厚さを減少させる表面ミクロ構造が設けられている。こ
の場合、本発明の基礎となる知見は、冷却流体流の冷却
効果は、流体境界の層流の厚さが薄いほど大きいことで
ある。この層流の中では冷却流体流が剪断作用により負
荷され制動される。予想外にも、表面摩擦を減少するミ
クロ構造が冷却流体流の冷却効果を改善することが分か
った。これは、ミクロ構造が境界の層流の厚さを減少す
ることに起因する。表面における流体の摩擦を減少させ
るミクロ構造は、公知であり、とりわけ鮫の皮膚におい
て研究された（D.Bechert及びM.Bartenwerfer共著“縦
方向リブを有する表面における粘性流”（J.Fluidmec.1
989,Vol.206,105〜129頁）及びD.Bechert,G.Hoppe共著
“鮫の皮膚の抵抗減少”（AIAA剪断流制御会議,1985年
３月12〜14日,Boulder,Colorado））。
冷却流体流の流れ方向に延在しほぼ平行なミクロリブ
を有するリブ模様として形成されているミクロ構造は、
冷却能力の改善にとりわけ適することが分かった。これ
は、ミクロリブが少なくとも近似的に、先細りになって
刃となる山部を有する場合にとりわけ当てはまる。リブ
の高さ及びそれらの横方向の相互間隔は、好適に境界層
厚さのオーダにあるか、又は境界層厚の値より小さい。
冷却流体は、好適には１成分系である。
を有するリブ模様として形成されているミクロ構造は、
冷却能力の改善にとりわけ適することが分かった。これ
は、ミクロリブが少なくとも近似的に、先細りになって
刃となる山部を有する場合にとりわけ当てはまる。リブ
の高さ及びそれらの横方向の相互間隔は、好適に境界層
厚さのオーダにあるか、又は境界層厚の値より小さい。
冷却流体は、好適には１成分系である。
次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
る。
第１図は流体により冷却される出力トランジスタ装置
の部分的に断面が示されている斜視図、 第２図〜第４図は第１図の出力トランジスタ装置の変
形の断面図、 第５図は複数の出力トランジスタを有する流体により
冷却するモジュールの斜視図、 第６図は第５図のVI−VI切断線に沿って切断して示す
モジュールの断面図、 第７図は第５図のモジュールの変形の断面図、 第８図は複数のモジュールから成るユニットの断面
図、 第９図は出力トランジスタのために流体形冷却装置の
ブロック回路図、 第10図は出力トランジスタのための冷媒形冷却装置の
ブロック回路図、 第11図は出力トランジスタのためのガス状の冷却流体
を有する冷却装置のブロック回路図、 第12図は冷却能力を改善するための表面ミクロ構造の
斜視図、 第13図は表面構造の変形の斜視図、 第14図は第13図のXIV−XIV切断線に沿って切断して示
す表面ミクロ構造の断面図である。
の部分的に断面が示されている斜視図、 第２図〜第４図は第１図の出力トランジスタ装置の変
形の断面図、 第５図は複数の出力トランジスタを有する流体により
冷却するモジュールの斜視図、 第６図は第５図のVI−VI切断線に沿って切断して示す
モジュールの断面図、 第７図は第５図のモジュールの変形の断面図、 第８図は複数のモジュールから成るユニットの断面
図、 第９図は出力トランジスタのために流体形冷却装置の
ブロック回路図、 第10図は出力トランジスタのための冷媒形冷却装置の
ブロック回路図、 第11図は出力トランジスタのためのガス状の冷却流体
を有する冷却装置のブロック回路図、 第12図は冷却能力を改善するための表面ミクロ構造の
斜視図、 第13図は表面構造の変形の斜視図、 第14図は第13図のXIV−XIV切断線に沿って切断して示
す表面ミクロ構造の断面図である。
第１図は、個々の要素の厚さの比は寸法通りに示さず
に、複数の出力トランジスタを有するトランジスタ回路
を有する第１のチップすなわち半導体素子１と、内力ト
ランジスタのための電子制御装置及び保護回路を有し接
続線５を介して第１の半導体素子１に接続されている第
２のチップとを有するこの場合にはIGBTモジュールであ
る出力トランジスタモジュールを示す。半導体素子1,3
は素材結合により、例えば銅から成る金属薄板７にしっ
かりと接合されている。金属薄板７は、半導体素子１の
出力トランジスタのコレクタを形成し、半導体素子１と
同様にセラミック絶縁プレート９とも素材結合により面
的にかつ一様に接合されている。絶縁プレート９は、部
分的に端縁側で、周方向で閉鎖されている冷却流体チャ
ネル13の線路11の中に保持され、その際、半導体素子１
の絶縁プレート９から背いて位置する平面も、絶縁プレ
ート９の半導体素子１から背いて位置する平面も、矢印
15により示されている冷却流体の流れにさらされるよう
に保持されている。細いワイヤとして形成されている制
御線17と、銅帯として形成されている電流線路19とが、
半導体素子1,3の回路を、冷却チャネル13の外面に配置
されている端子21に接続する。双方の半導体素子1,3の
うちの少なくとも半導体素子１は、熱通路に関しては実
質的に直接に冷却流体流15にされされ、従って両側から
全面が冷却される。コンパクトな寸法にもかかわらず、
このようにして高い出力密度を得ることができる。半導
体素子１と絶縁プレート９との間には金属薄板７のみし
か中間層として存在しないので、十分な確実性で半導体
素子１と絶縁プレート９との間の一様な素材結合が実現
でき、これによりIGBTモジュールの耐温度性及び動作信
頼性が良好になる。線路11は、有利には（例えばエラス
トマーから成り）弾性かつ絶縁性に形成される。
に、複数の出力トランジスタを有するトランジスタ回路
を有する第１のチップすなわち半導体素子１と、内力ト
ランジスタのための電子制御装置及び保護回路を有し接
続線５を介して第１の半導体素子１に接続されている第
２のチップとを有するこの場合にはIGBTモジュールであ
る出力トランジスタモジュールを示す。半導体素子1,3
は素材結合により、例えば銅から成る金属薄板７にしっ
かりと接合されている。金属薄板７は、半導体素子１の
出力トランジスタのコレクタを形成し、半導体素子１と
同様にセラミック絶縁プレート９とも素材結合により面
的にかつ一様に接合されている。絶縁プレート９は、部
分的に端縁側で、周方向で閉鎖されている冷却流体チャ
ネル13の線路11の中に保持され、その際、半導体素子１
の絶縁プレート９から背いて位置する平面も、絶縁プレ
ート９の半導体素子１から背いて位置する平面も、矢印
15により示されている冷却流体の流れにさらされるよう
に保持されている。細いワイヤとして形成されている制
御線17と、銅帯として形成されている電流線路19とが、
半導体素子1,3の回路を、冷却チャネル13の外面に配置
されている端子21に接続する。双方の半導体素子1,3の
うちの少なくとも半導体素子１は、熱通路に関しては実
質的に直接に冷却流体流15にされされ、従って両側から
全面が冷却される。コンパクトな寸法にもかかわらず、
このようにして高い出力密度を得ることができる。半導
体素子１と絶縁プレート９との間には金属薄板７のみし
か中間層として存在しないので、十分な確実性で半導体
素子１と絶縁プレート９との間の一様な素材結合が実現
でき、これによりIGBTモジュールの耐温度性及び動作信
頼性が良好になる。線路11は、有利には（例えばエラス
トマーから成り）弾性かつ絶縁性に形成される。
23において示されているように、冷却チャネル13の中
には複数のIGBTモジュールを流れ方向15で順次に１つの
共通の絶縁プレートの上に配置できる。冷却流体が絶縁
プレート９の両側に冷却チャネル13を貫流案内される必
要はないことは自明である。個々の場合には、半導体素
子1,3から背いて位置する側のみで絶縁プレート９と連
続鋳造13との間の冷却流体を貫流させるだけで十分なこ
ともある。これに代え、冷却チャネル13の半導体素子1,
3を被覆する部分のみを設け又は冷却流体の流れのため
に用いることもできる。IGBTモジュールの代りに半導体
素子1,3を別の出力トランジスタタイプ、例えば駆動段
又は保護回路を有する又は有しないバイポーラ出力トラ
ンジスタ又はMOSFET出力トランジスタにより実現するこ
とも可能である。半導体素子３の上に設けられている制
御回路を、外部の電子回路により置換することも可能で
ある。
には複数のIGBTモジュールを流れ方向15で順次に１つの
共通の絶縁プレートの上に配置できる。冷却流体が絶縁
プレート９の両側に冷却チャネル13を貫流案内される必
要はないことは自明である。個々の場合には、半導体素
子1,3から背いて位置する側のみで絶縁プレート９と連
続鋳造13との間の冷却流体を貫流させるだけで十分なこ
ともある。これに代え、冷却チャネル13の半導体素子1,
3を被覆する部分のみを設け又は冷却流体の流れのため
に用いることもできる。IGBTモジュールの代りに半導体
素子1,3を別の出力トランジスタタイプ、例えば駆動段
又は保護回路を有する又は有しないバイポーラ出力トラ
ンジスタ又はMOSFET出力トランジスタにより実現するこ
とも可能である。半導体素子３の上に設けられている制
御回路を、外部の電子回路により置換することも可能で
ある。
第２図は第１図の構造とは次の点のみが異なるIGBTモ
ジュールの変形を示す。すなわち金属部7aを介してセラ
ミック絶縁プレート9aに素材結合されて絶縁プレート9a
により全面を被覆され、この場合もプレート状である半
導体素子1a,3aは、制御線又はコンタクト帯19aのコンタ
クト個所を除いて、半導体素子1a,3aのアクティブゾー
ンを冷却流体による汚染から保護する薄膜保護層25によ
り被覆されている。保護層25は、例えば金属シートによ
り外方に対して被覆されているシリコンゴム被覆層であ
る。さらに説明するために、次ぎに説明する実施例の場
合と同様に先行の図及びそれらの説明を用いて、同様の
要素の参照番号は先行の図の参照番号を用いるが、しか
し異なる添字を付加する。
ジュールの変形を示す。すなわち金属部7aを介してセラ
ミック絶縁プレート9aに素材結合されて絶縁プレート9a
により全面を被覆され、この場合もプレート状である半
導体素子1a,3aは、制御線又はコンタクト帯19aのコンタ
クト個所を除いて、半導体素子1a,3aのアクティブゾー
ンを冷却流体による汚染から保護する薄膜保護層25によ
り被覆されている。保護層25は、例えば金属シートによ
り外方に対して被覆されているシリコンゴム被覆層であ
る。さらに説明するために、次ぎに説明する実施例の場
合と同様に先行の図及びそれらの説明を用いて、同様の
要素の参照番号は先行の図の参照番号を用いるが、しか
し異なる添字を付加する。
第３図はIGBTモジュールの変形であり、この変形の半
導体1b,3bは、金属部７の機能に相応しこの変形では例
えば銅プレート等の金属プレート7bに素材結合されてこ
の金属プレート7bに密着している。金属プレート7bは、
半導体素子1b,3bの領域の外部にあるが、しかし少なく
とも、半導体素子1b,3bから背いて位置する平面は絶縁
層例えば薄膜酸化層9bにより被覆されている。金属プレ
ート7bは、電極としての役割の外に第１図の絶縁プレー
ト９を固定する役割も果たす。
導体1b,3bは、金属部７の機能に相応しこの変形では例
えば銅プレート等の金属プレート7bに素材結合されてこ
の金属プレート7bに密着している。金属プレート7bは、
半導体素子1b,3bの領域の外部にあるが、しかし少なく
とも、半導体素子1b,3bから背いて位置する平面は絶縁
層例えば薄膜酸化層9bにより被覆されている。金属プレ
ート7bは、電極としての役割の外に第１図の絶縁プレー
ト９を固定する役割も果たす。
第４図に示されている変形では、半導体素子1c,3cが
その全面が金属部7cに接合されている。金属部7cは電極
としての機能を有する。これに対して絶縁プレート9cに
は、少なくとも出力トランジスタを有する半導体素子1c
により覆われている貫通凹部27が設けられ、貫通凹部27
を貫通して冷却流体が直接に金属部7c及びひいては半導
体素子1cに熱交換接触することができ、これにより損失
熱の排出が容易になる。凹部27は、半導体素子7cをほぼ
完全に重なる。半導体素子1cは、凹部27の端縁領域内で
のみ絶縁プレート1cにより支持されている。第４図に破
線13cにより示されているように、冷却チャネルは絶縁
プレート9cと一緒に、この場合には場合に応じて一体的
な長方形横断面の管13cである一定横断面の管の形状を
とることもでき、この一定横断面の管13cの上に半導体
素子1c,3cが後から外部から固定される。このような冷
却チャネル構造が第１図〜第３図の変形においても使用
できることは自明である。
その全面が金属部7cに接合されている。金属部7cは電極
としての機能を有する。これに対して絶縁プレート9cに
は、少なくとも出力トランジスタを有する半導体素子1c
により覆われている貫通凹部27が設けられ、貫通凹部27
を貫通して冷却流体が直接に金属部7c及びひいては半導
体素子1cに熱交換接触することができ、これにより損失
熱の排出が容易になる。凹部27は、半導体素子7cをほぼ
完全に重なる。半導体素子1cは、凹部27の端縁領域内で
のみ絶縁プレート1cにより支持されている。第４図に破
線13cにより示されているように、冷却チャネルは絶縁
プレート9cと一緒に、この場合には場合に応じて一体的
な長方形横断面の管13cである一定横断面の管の形状を
とることもでき、この一定横断面の管13cの上に半導体
素子1c,3cが後から外部から固定される。このような冷
却チャネル構造が第１図〜第３図の変形においても使用
できることは自明である。
第５図は、前述の例と同様にそれぞれのIGBTモジュー
ルが電気スイッチを形成している複数のIGBTモジュール
をスイッチモジュールに統合でき、スイッチモジュール
は、例えば半ブリッジ形又は全ブリッジ形でであり、部
分的に並列回路又は直列回路であり、場合に応じてこれ
らのブリッジのうちの複数のブリッジを統合することも
できる１つの実施例を示す。29により示されているモジ
ュールは、互いに平行に配置されている２つのセラミッ
ク絶縁プレート9dを有し、絶縁プレート9dは、それらの
長手端縁に沿って有利には弾性の密封枠部材31により互
いに連結し、これにより、周方向で閉鎖されている冷却
チャネル13dが形成される。矢印15dは、冷却流体の流れ
方向を示す。２つの絶縁プレート9dのそれぞれは、その
冷却チャネルから遠く離れて位置する平面の上に、流れ
方向15dで順次に配置されている複数の半導体素子1dを
備え、半導体素子1dのそれぞれは、別個のIGBTスイッチ
を形成する。２つの絶縁プレート9dのそれぞれに配置さ
れている半導体素子1dの数は、同一である。第６図から
分かるように半導体素子1dも、その全面が金属部7dを介
して絶縁プレート9dに素材結合されている。端子は19に
示されている。IGBTモジュールのための保護回路及び制
御回路は、第６図〜第８図と同様に別個には示されてい
ない。第２図〜第４図の変形は、モジュール29に適用で
きることは自明である。
ルが電気スイッチを形成している複数のIGBTモジュール
をスイッチモジュールに統合でき、スイッチモジュール
は、例えば半ブリッジ形又は全ブリッジ形でであり、部
分的に並列回路又は直列回路であり、場合に応じてこれ
らのブリッジのうちの複数のブリッジを統合することも
できる１つの実施例を示す。29により示されているモジ
ュールは、互いに平行に配置されている２つのセラミッ
ク絶縁プレート9dを有し、絶縁プレート9dは、それらの
長手端縁に沿って有利には弾性の密封枠部材31により互
いに連結し、これにより、周方向で閉鎖されている冷却
チャネル13dが形成される。矢印15dは、冷却流体の流れ
方向を示す。２つの絶縁プレート9dのそれぞれは、その
冷却チャネルから遠く離れて位置する平面の上に、流れ
方向15dで順次に配置されている複数の半導体素子1dを
備え、半導体素子1dのそれぞれは、別個のIGBTスイッチ
を形成する。２つの絶縁プレート9dのそれぞれに配置さ
れている半導体素子1dの数は、同一である。第６図から
分かるように半導体素子1dも、その全面が金属部7dを介
して絶縁プレート9dに素材結合されている。端子は19に
示されている。IGBTモジュールのための保護回路及び制
御回路は、第６図〜第８図と同様に別個には示されてい
ない。第２図〜第４図の変形は、モジュール29に適用で
きることは自明である。
第５図において、各スイッチの半導体素子1dが互いに
別個に間隔をおいて絶縁プレート９の上に配置されてい
る。当該の形式の半導体素子は、通常は同一の形状で多
数個を隣接して半導体基板ディスクの上に製造できるの
で、場合に応じて半導体素子1dのうちの複数の半導体素
子を、第５図の33に示されているように一体的に互いに
接合できる。
別個に間隔をおいて絶縁プレート９の上に配置されてい
る。当該の形式の半導体素子は、通常は同一の形状で多
数個を隣接して半導体基板ディスクの上に製造できるの
で、場合に応じて半導体素子1dのうちの複数の半導体素
子を、第５図の33に示されているように一体的に互いに
接合できる。
第７図は、一体的に互いに接合されている半導体素子
1eを基礎とする別の１つの変形を示す。それぞれ複数の
電気スイッチの半導体素子1eは一緒に、前述の基板ディ
スクから切取って、金属部（金属電極7e）を被着でき
る。金属電極7eは、冷却流体に向いて位置する面に電気
絶縁層を有する。半導体素子プレート1eは、互いに平行
に配置され、密封するスペーサ枠部材31eを介して互い
に連結されている。スペーサ枠部材31eと一緒に半導体
素子プレート1eは、周方向で閉鎖されている冷却チャネ
ル13eの境界を定めている。電気スイッチの端子は19eに
示されている。
1eを基礎とする別の１つの変形を示す。それぞれ複数の
電気スイッチの半導体素子1eは一緒に、前述の基板ディ
スクから切取って、金属部（金属電極7e）を被着でき
る。金属電極7eは、冷却流体に向いて位置する面に電気
絶縁層を有する。半導体素子プレート1eは、互いに平行
に配置され、密封するスペーサ枠部材31eを介して互い
に連結されている。スペーサ枠部材31eと一緒に半導体
素子プレート1eは、周方向で閉鎖されている冷却チャネ
ル13eの境界を定めている。電気スイッチの端子は19eに
示されている。
第８図は、第５図〜第７図のモジュール29のうちの複
数のモジュールが１つのユニットに統合されているのを
示す。モジュール29fは１つの共通のケーシング35の中
に互いに平行に弾性線路37の中に保持されている。チャ
ネル13fの一端は、共通の冷却流体供給チャネル39に接
続され、他端は、共通の冷却流体排出チャネル41に接続
されている。モジュール29fには、モジュール平面の中
に配置されている保護ウェブ43が配置され、保護ウェブ
43には、端子機構45が設けられている。端子機構45は、
制御線及び電流線路の接続に用いられ、導線19fにより
示されているようにモジュール29fの半導体素子1fに接
続されている。
数のモジュールが１つのユニットに統合されているのを
示す。モジュール29fは１つの共通のケーシング35の中
に互いに平行に弾性線路37の中に保持されている。チャ
ネル13fの一端は、共通の冷却流体供給チャネル39に接
続され、他端は、共通の冷却流体排出チャネル41に接続
されている。モジュール29fには、モジュール平面の中
に配置されている保護ウェブ43が配置され、保護ウェブ
43には、端子機構45が設けられている。端子機構45は、
制御線及び電流線路の接続に用いられ、導線19fにより
示されているようにモジュール29fの半導体素子1fに接
続されている。
冷却流体は、大気圧が印加されているガス例えば窒
素、液体例えば水又は油例えば鉱油又はパラフィン油又
は合成石油等である。しかし２相流体例えば冷媒又はCO
2等でも可である。冷却流体は、強制的に流されて循環
して冷却チャネルを貫流案内される。
素、液体例えば水又は油例えば鉱油又はパラフィン油又
は合成石油等である。しかし２相流体例えば冷媒又はCO
2等でも可である。冷却流体は、強制的に流されて循環
して冷却チャネルを貫流案内される。
第９図は、冷却流体としての流体を有する冷却装置の
実施例を示す。冷却流体は、ポンプ47により冷却器又は
熱交換器49を介して冷却チャネル13gに循環路で供給さ
れる。冷却装置は温度閉ループ制御回路51を有し、温度
閉ループ制御回路51は温度センサ53により、1gにより示
されており冷却流体と熱交換接触している半導体素子の
温度を測定し、例えば冷却器49の冷却能力を制御するブ
ロワ55により半導体温度を、57で調整可能な目標値に保
持する。図を明瞭にする59により冷却流体のための補償
容器が示されている。
実施例を示す。冷却流体は、ポンプ47により冷却器又は
熱交換器49を介して冷却チャネル13gに循環路で供給さ
れる。冷却装置は温度閉ループ制御回路51を有し、温度
閉ループ制御回路51は温度センサ53により、1gにより示
されており冷却流体と熱交換接触している半導体素子の
温度を測定し、例えば冷却器49の冷却能力を制御するブ
ロワ55により半導体温度を、57で調整可能な目標値に保
持する。図を明瞭にする59により冷却流体のための補償
容器が示されている。
第10図は、半導体素子1hを冷却するために２相冷媒が
使用される変形実施例を示す。熱ポンプの形式で、圧縮
機61により圧縮された冷媒が凝縮器63の中で例えばブロ
ワ65により冷却され液化される。冷却チャネル13hは蒸
発器を形成し、蒸発器の中に流体冷媒がノズル67等を介
して導入されて熱を吸収して蒸発する。冷却流体として
冷媒を使用することにより冷却装置の構造をコンパクト
化できる。
使用される変形実施例を示す。熱ポンプの形式で、圧縮
機61により圧縮された冷媒が凝縮器63の中で例えばブロ
ワ65により冷却され液化される。冷却チャネル13hは蒸
発器を形成し、蒸発器の中に流体冷媒がノズル67等を介
して導入されて熱を吸収して蒸発する。冷却流体として
冷媒を使用することにより冷却装置の構造をコンパクト
化できる。
第11図は、図を明瞭にするために、ガス状の冷却流体
のための冷却剤閉鎖循環路を示し、ガス状冷却剤は、圧
縮機59により圧縮され、次いで冷却又は熱交換器72で冷
却され、次いで冷却チャネル13iに供給されて半導体素
子1iと熱接触される。第10図及びd11の変形実施例も温
度の閉ループ制御が可能なように形成できることは自明
である。
のための冷却剤閉鎖循環路を示し、ガス状冷却剤は、圧
縮機59により圧縮され、次いで冷却又は熱交換器72で冷
却され、次いで冷却チャネル13iに供給されて半導体素
子1iと熱接触される。第10図及びd11の変形実施例も温
度の閉ループ制御が可能なように形成できることは自明
である。
半導体素子の冷却する表面、又は半導体素子にその全
面を被覆して素材結合されている金属薄板及び絶縁プレ
ートの冷却する表面の熱伝導は、例えば冷却流体として
の液体を、冷却流体の境界の層流の厚さを減少する表面
ミクロ構造を貫流させることにより改善できる。境界の
層流とは、流体が壁面と摩擦し及び壁面に付着すること
により流れ速度が減少する流体の層流の領域のことであ
る。鮫の皮膚状の表面構造は壁表面の流体摩擦を低減す
るだけでなく、境界層厚さも減少することが分かった。
境界層の厚さが減少すると、放熱面と吸熱冷却流体の流
動領域の間の間隔が短縮する。
面を被覆して素材結合されている金属薄板及び絶縁プレ
ートの冷却する表面の熱伝導は、例えば冷却流体として
の液体を、冷却流体の境界の層流の厚さを減少する表面
ミクロ構造を貫流させることにより改善できる。境界の
層流とは、流体が壁面と摩擦し及び壁面に付着すること
により流れ速度が減少する流体の層流の領域のことであ
る。鮫の皮膚状の表面構造は壁表面の流体摩擦を低減す
るだけでなく、境界層厚さも減少することが分かった。
境界層の厚さが減少すると、放熱面と吸熱冷却流体の流
動領域の間の間隔が短縮する。
第12図は、境界層厚さを減少するこのような表面ミク
ロ構造を例を示す。ミクロ構造、冷却流体の流れ方向15
kに延在する多数の互いに平行なリブ71から成り、リブ7
1の側面は楔状に刃状の山部73に向かって先細りする。
リブ71は、凹状に湾曲している溝を経て互いに移行す
る。リブ71の高さの値とそれらの相互間隔の値は、有利
には境界層厚さの値より小さい。
ロ構造を例を示す。ミクロ構造、冷却流体の流れ方向15
kに延在する多数の互いに平行なリブ71から成り、リブ7
1の側面は楔状に刃状の山部73に向かって先細りする。
リブ71は、凹状に湾曲している溝を経て互いに移行す
る。リブ71の高さの値とそれらの相互間隔の値は、有利
には境界層厚さの値より小さい。
第12図に示されているリブ形状は、好適であることが
分かった。しかし、丸形の山部又は台形の山部を有する
リブ等別のリブ形状でもよい。
分かった。しかし、丸形の山部又は台形の山部を有する
リブ等別のリブ形状でもよい。
第13図及び第14図は、境界層厚さを減少する別の表面
構造を示す。これらの図の上面図は、冷却する表面に対
して垂直に冷却流体の流れ方向151で走行する平面の中
で楔状に上昇するひし形のけば又は隆起部75を示す。隆
起部75により形成されている屋根面は、平面状でもよ
く、711により示されているように第12図に類似のミク
ロリブを設けてもよい。第13図の上面図にひし形状の輪
郭の代りに隆起部75は、通常は多角形等の別の輪郭を有
することも可能である。とりわけ、１つの角が流れ方向
151を指す三角形が適している。第13図及び第14図の実
施例においても隆起部75の寸法は、境界層厚さの値のオ
ーダである。
構造を示す。これらの図の上面図は、冷却する表面に対
して垂直に冷却流体の流れ方向151で走行する平面の中
で楔状に上昇するひし形のけば又は隆起部75を示す。隆
起部75により形成されている屋根面は、平面状でもよ
く、711により示されているように第12図に類似のミク
ロリブを設けてもよい。第13図の上面図にひし形状の輪
郭の代りに隆起部75は、通常は多角形等の別の輪郭を有
することも可能である。とりわけ、１つの角が流れ方向
151を指す三角形が適している。第13図及び第14図の実
施例においても隆起部75の寸法は、境界層厚さの値のオ
ーダである。
本発明のスイッチ構造の１つの重要な利点は、冷却装
置を改善して全体のスペースを小さくできることにあ
る。これにより電気スイッチを、制御する電気機器の空
間的近辺にの中に従来技術に比してより良好に配置する
ことが可能になる。これは、例えば電気スイッチにより
スイッチングする界磁卷線を有する電動機又は発電機等
の電気機械において重要な利点である、何故ならばこれ
により界磁卷線を非常に短いリード線を介して端子に接
続できるからである。リード線を短縮することによりス
イッチング回路のインダクタンスが減少し、ひいては電
気スイッチの応動時間が短縮する。
置を改善して全体のスペースを小さくできることにあ
る。これにより電気スイッチを、制御する電気機器の空
間的近辺にの中に従来技術に比してより良好に配置する
ことが可能になる。これは、例えば電気スイッチにより
スイッチングする界磁卷線を有する電動機又は発電機等
の電気機械において重要な利点である、何故ならばこれ
により界磁卷線を非常に短いリード線を介して端子に接
続できるからである。リード線を短縮することによりス
イッチング回路のインダクタンスが減少し、ひいては電
気スイッチの応動時間が短縮する。
Claims (28)
- 【請求項１】プレート状のトランジスタ半導体素子
（１）を具備し、前記トランジスタ半導体素子（１）の
平面のうちの１つの平面が、前記半導体素子（１）を越
えて拡がっている電気絶縁性の絶縁担体（9;9a;7b,9b;9
c）に接合され、絶縁担体（9;9a;7b,9b;9c）の平面の少
なくとも１つの平面は、冷却流体チャネル（13）の冷却
流体強制流動（15）の中に配置され、冷却流体強制流動
（15）は、半導体素子（１）の平面のうちの少なくとも
１つの平面に熱伝導接触し、冷却流体強制流動（15）を
発生する手段に接続されている流体により冷却される出
力トランジスタ装置において、 トランジスタ半導体素子（１）の平面のうちの１つの平
面に、この平面を被覆しこの平面を越えて広がる金属電
極（７）が被着され、前記金属電極（７）が、半導体素
子（１）に密着して素材結合され、前記半導体素子
（１）の他方の平面に、間隔をおいて互いに素材結合さ
れている複数の端子（５）が装着され、 前記半導体素子（１）が、前記絶縁担体（9;9a;7b,9b;9
c）と共通の接触面を介して冷却流体強制流動（15）の
冷却作用にさらされ、 絶縁担体（9;9a;7b,9b;9c）の上に前記半導体素子
（１）のための制御及び保護回路（３）が配置されてい
ることを特徴とする流体により冷却される出力トランジ
スタ装置。 - 【請求項２】半導体素子（1,1a,1d）の金属電極（7b,7
a,7d）が密着して絶縁担体（9,9a,9d）に素材結合され
ていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の流体
により冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項３】絶縁担体（9,9a,9c,9d）が全体的に絶縁材
有利にはセラミックから形成されていることを特徴とす
る請求の範囲第１項又は第２項に記載の流体により冷却
される出力トランジスタ装置。 - 【請求項４】絶縁担体が、少なくともその１つの平面の
上に絶縁層（9b）を備えている金属プレート（7b）とし
て形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項又
は第２項に記載の流体により冷却される出力トランジス
タ装置。 - 【請求項５】金属プレート（7b）及び金属電極が一体的
に形成されていることを特徴とする請求の範囲第４項に
記載の流体により冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項６】半導体素子（1,1a,1b）から背いて位置す
る平面が、冷却流体強制流動にされされていることを特
徴とする請求の範囲第１項から第５項のうちのいずれか
１つの項に記載の流体により冷却される出力トランジス
タ装置。 - 【請求項７】半導体素子（1a）の絶縁担体（9a）に背い
て位置し有利には保護層（25）を備えている平面も、直
接に冷却流体強制流動にさらされていることを特徴とす
る請求の範囲第６項に記載の流体により冷却される出力
トランジスタ装置。 - 【請求項８】金属電極（7,7a,7b,7c,7d）が、半導体素
子（１）の第１の平面を大幅に有利には50％越えて被覆
する寸法を有する金属プレートの形に形成されている請
求の範囲第１項から第７項のうちのいずれか１つの項に
記載の流体により冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項９】絶縁担体（9;9d）プレートとして形成さ
れ、冷却流体チャネル（13;13d）のカバーを形成するこ
とを特徴とする請求の範囲第１項から第８項のうちのい
ずれか１つの項に記載の流体により冷却される出力トラ
ンジスタ装置。 - 【請求項１０】絶縁担体（9;9d）が、隣接し冷却流体強
制流動（15;15d）の方向に配置されている複数の半導体
素子（1;1d）を装着されていることを特徴とする請求の
範囲第９項に記載の流体により冷却される出力トランジ
スタ装置。 - 【請求項１１】冷却流体チャネル（13d）の少なくとも
互いに対向して位置する２つの壁が、それぞれ少なくと
も１つの半導体素子（1d）を装着されているプレート状
の絶縁担体（9d）により形成されていることを特徴とす
る請求の範囲第10項又は第11項に記載の流体により冷却
される出力トランジスタ装置。 - 【請求項１２】互いに対向して位置する２つの絶縁担体
（9d）が、同一の数の半導体素子（1d）を装着されてい
ることを特徴とする請求の範囲第11項に記載の流体によ
り冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項１３】対向して位置する絶縁担体（9d）が密封
枠部材（31）により、周方向で閉じている冷却流体チャ
ネル（13d）に連結されていることを特徴とする請求の
範囲第11項又は第12項に記載の流体により冷却される出
力トランジスタ装置。 - 【請求項１４】絶縁材製担体プレートとして形成されて
いる絶縁担体（9c）が、半導体素子（1c）により被覆さ
れている貫通凹部（27）を有し、前記貫通凹部（27）の
端縁に前記半導体素子（1c）固定され、前記半導体素子
（1c）の少なくとも金属電極（7c）を有する第１の平面
が、貫通凹部（27）をして到来する冷却流体流にさらさ
れることを特徴とする請求の範囲第１項から第13項のう
ちのいずれか１つの項に記載の流体により冷却される出
力トランジスタ装置。 - 【請求項１５】絶縁担体（9c）が、長方形横断面の管の
冷却流体チャネル（13c）を形成する部分であることを
特徴とする請求の範囲第14項に記載の流体により冷却さ
れる出力トランジスタ装置。 - 【請求項１６】絶縁担体（9,9a,9c,9d）が、有利には一
体的に互いに接合され冷却流体の流れ方向で順次に配置
されている複数の半導体素子（1,1a,1c,1d）を装着さ
れ、それぞれの前記半導体素子（1,1a,1c,1d）が、少な
くとも１つの出力トランジスタを有することを特徴とす
る請求の範囲第１項から第15項のうちのいずれか１つの
項に記載の流体により冷却される出力トランジスタ装
置。 - 【請求項１７】冷却流体チャネル（13d）の少なくとも
互いに対向して位置する２つの壁が、複数の一体的に互
いに接合され冷却流体の流れ方向で順次配置され、それ
ぞれ少なくとも１つの出力トランジスタを有するそれぞ
れ少なくとも１つの半導体素子（1d）のみにより形成さ
れ、対向して位置する半導体素子（1d）が密封枠部材
（31）により、周方向で閉じている冷却流体チャネルに
連結されていることを特徴とする請求の範囲第１項から
第16項のうちのいずれか１つの項に記載の流体により冷
却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項１８】流体形冷却装置が、冷却流体が冷却流体
チャネル（13g;13h;13i）と冷却器（49;63;71）とを順
次に循環する閉じている冷却流体循環路（13g,47,49;13
h,61,63;13i,69,71）を有することを特徴とする請求の
範囲第１項から第17項のうちのいずれか１つの項に記載
の流体により冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項１９】冷却流体循環路が蒸発器及び凝縮器（6
3）を有し、冷却流体チャネルが蒸発器（13h）を形成す
ることを特徴とする請求の範囲第18項に記載の流体によ
り冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項２０】冷却流体が、ガス又は油等の液体、又は
２相流体であることを特徴とする請求の範囲第１項から
第19項のうちのいずれか１つの項に記載の流体により冷
却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項２１】絶縁担体（9;7b,9b）に、冷却流体流に
さらされている領域の中で、熱交換面を広げる構造リブ
（71）又は突出（74）が設けられている請求の範囲第１
項から第20項のうちのいずれか１つの項に記載の流体に
より冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項２２】絶縁担体（9;7b,9b）又は半導体素子
（１）の冷却流にさらされる表面に、冷却流体流の境界
層厚さを減少する表面ミクロ構造（71;75）が設けられ
ていることを特徴とする請求の範囲第１項から第21項の
うちのいずれか１つの項に記載の流体により冷却される
出力トランジスタ装置。 - 【請求項２３】ミクロ構造が、冷却流体流の流れ方向
（15k）に沿って延在するミクロリブ（71）を有するリ
ブ模様として形成されていることを特徴とする請求の範
囲第22項に記載の流体により冷却される出力トランジス
タ装置。 - 【請求項２４】ミクロリブ（71）が、先細りして少なく
とも近似的に刃（73）を形成する山部を有することを特
徴とする請求の範囲第23項に記載の流体により冷却され
る出力トランジスタ装置。 - 【請求項２５】リブ（71）の高さと前記リブ（71）の横
方向の相互間隔が、境界線厚さの値のオーダである又は
それより小さいことを特徴とする請求の範囲第23項又は
第24項に記載の流体により冷却される出力トランジスタ
装置。 - 【請求項２６】ミクロ構造が、有利にはラスタ状に配置
されている多数のミクロ隆起部（75）を有することを特
徴とする請求の範囲第22項から第25項のうちのいずれか
１つの項に記載の流体により冷却される出力トランジス
タ装置。 - 【請求項２７】ミクロ隆起部（75）が、上面図で見て多
角形を有することを特徴とする請求の範囲第26項に記載
の流体により冷却される出力トランジスタ装置。 - 【請求項２８】ミクロ隆起部（75）が、流れ方向（15
1）で走行する平面の中で見て表面に対して垂直に楔状
に上昇することを特徴とする請求の範囲項26項又は第27
項に記載の流体により冷却される出力トランジスタ装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19924217289 DE4217289C2 (de) | 1992-05-25 | 1992-05-25 | Fluidgekühlte Leistungstransistoranordnung |
| DE4217289.6 | 1992-05-25 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07507658A JPH07507658A (ja) | 1995-08-24 |
| JP2532352B2 true JP2532352B2 (ja) | 1996-09-11 |
Family
ID=6459694
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6500086A Expired - Fee Related JP2660879B2 (ja) | 1992-05-25 | 1993-05-24 | 半導体スイッチを有する電気機械 |
| JP6500085A Expired - Fee Related JP2532352B2 (ja) | 1992-05-25 | 1993-05-24 | 流体により冷却される出力トランジスタ装置 |
Family Applications Before (1)
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