JP4085236B2 - 冷却機構付きパワーモジュール及びその冷却方法 - Google Patents
冷却機構付きパワーモジュール及びその冷却方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4085236B2 JP4085236B2 JP2001379231A JP2001379231A JP4085236B2 JP 4085236 B2 JP4085236 B2 JP 4085236B2 JP 2001379231 A JP2001379231 A JP 2001379231A JP 2001379231 A JP2001379231 A JP 2001379231A JP 4085236 B2 JP4085236 B2 JP 4085236B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric
- power
- power semiconductor
- semiconductor element
- module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
- H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/45001—Core members of the connector
- H01L2224/45099—Material
- H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
- H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
- H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/481—Disposition
- H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73265—Layer and wire connectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/11—Device type
- H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
- H01L2924/1304—Transistor
- H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボアンプやインバータに用いられると共に、パワー変換回路を構成するパワーモジュールの冷却構造と冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールにおいては、パワー半導体素子を絶縁回路基板に実装し、パワー半導体素子と出力端子および制御端子との接続をアルミワイヤと絶縁回路基板のパターン配線で結線したものを放熱ベース上に実装していた。
図１３に従来装置を示す。１はパワー半導体素子で、２は絶縁回路基板で、３はアルミワイヤで、４は制御端子、５は出力端子、６は放熱ベースである。以上の構成において、パワー半導体素子１と制御端子４と出力端子５を絶縁回路基板２にはんだ付け実装し、パワー半導体素子１と制御端子４および出力端子５とをアルミワイヤ３で電気的に接続したものを放熱ベース６にはんだ実装していた。上記のようなパワーモジュールの構成において、制御端子６に外部装置から制御信号を送りパワー半導体素子１をスイッチングさせてインバータ動作を行い、出力端子５から負荷装置を運転することができるようになっている。また、インバータ動作したときにパワー半導体素子１に生じる熱は一旦絶縁回路基板２に伝熱し、放熱ベースから外部へ放熱するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパワーモジュールにおいては、インバータ動作時に生じる複数のパワー半導体素子の熱を、一旦絶縁回路基板に伝熱し放熱ベースから外部へ放熱するようになっている。このため、インバータ動作した時に通電しているパワー半導体素子が切り替わりパワーモジュール内での発熱位置が変わる場合には、パワーモジュール内の温度分布が時間とともに変化するため、場所によって放熱が十分でなくなり、パワー半導体素子が熱破壊するという問題があった。また、複数のパワー半導体素子に同じ大きさの電流を流した場合、パワーモジュールの中央部に位置するパワー半導体素子の温度上昇はパワーモジュールの端に位置するパワー半導体素子の温度上昇より相対的に高くなり、中央部のパワー半導体素子が優先的に熱破壊する問題があった。したがって本発明の目的は、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールの冷却構造と冷却方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の冷却機構付きパワーモジュールの発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備えたパワーモジュールであって、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、前記パワー半導体素子毎に配置した冷却機構付きパワーモジュールにおいて、前記熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置したことを特徴とする。以上の構成により、複数のパワー半導体素子を個別に冷却することができるため、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制することが出来、パワー半導体素子の熱破壊を防止することができる。
【０００５】
また、請求項２記載の冷却機構付きパワーモジュールの発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備えたパワーモジュールであって、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に取り付けた冷却機構付きパワーモジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域が前記パワー半導体素子毎に個別に配置されたことを特徴とする。
以上の構成により、パワー半導体素子の発熱にあわせて熱電モジュールの領域毎に通電し冷却できるため、パワー半導体素子の温度上昇を個別にあるいは領域毎に制御することができる。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のパワーモジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に素子の搭載数および／又は素子の配置間隔を変えたことを特徴とする。
このように、領域毎の熱電半導体素子の搭載数と素子間隔を変えて配置しているため、複数の領域を同じ条件で制御しても、領域毎に冷却能力を変えることができる。
請求項４記載のパワーモジュールの冷却方法の発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備え、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に前記パワー半導体素子毎に配置し、かつ前記熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置した冷却機構付きパワーモジュールの冷却方法において、前記パワー半導体の複数個の熱電モジュールを個別に導通して冷却することを特徴とする。
請求項５記載のパワーモジュールの冷却方法の発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備え、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に取り付けた冷却機構付きパワーモジュールの冷却方法において、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域間を配線により結合し、結合した領域毎に個別に通電して冷却することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５記載のパワーモジュールの冷却方法において、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に通電し、前記パワー半導体素子を個別に冷却することを特徴とする。
以上の構成に-より、複数のパワー半導体素子を個別にあるいは領域毎に冷却することができるため、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制することができ、パワー半導体素子の熱破壊を防止することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について図１と図２に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施の形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、７は熱電モジュールであり、熱電半導体素子７ａ、絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃ、端子７ｄからなる。熱電モジュール７は、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが各々直列に接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。絶縁基板７ｂの上面には、パワー半導体素子１と出力端子５を介して電源と負荷が接続されるように回路配線８が施してあり、パワー半導体素子１および制御端子４と出力端子５が固着されている。絶縁基板７ｃは、半田等によって放熱板１に固着されている。
【０００７】
次にこのような熱電モジュール７を放熱ベース上に６個搭載したパワーモジュールの冷却を図２を使って説明する。図は厚さ４ｍｍの銅製放熱ベース６の上に６個の熱電モジュール７に各々ＩＧＢＴパワー半導体素子１を各１個づつ搭載したものをはんだ付けにより実装し、インバータ回路を構成した。６個のパワー半導体素子はそれぞれＵ相上アームのパワー半導体素子１Ｕ１、Ｕ相下アームのパワー半導体素子１Ｕ２、Ｖ相上アームのパワー半導体素子１Ｖ１、Ｖ相下アームのパワー半導体素子１Ｖ２、Ｗ相上アームのパワー半導体素子１Ｗ１、Ｗ相下アームのパワー半導体素子１Ｗ２としている。これらのパワー半導体素子１に取り付ける熱電モジュール７はそれぞれ、Ｕ相上アームの熱電モジュール７Ｕ１、Ｕ相下アームの熱電モジュール７Ｕ２、Ｖ相上アームの熱電モジュール７Ｖ１、Ｖ相下アームの熱電モジュール７Ｖ２、Ｗ相上アームの熱電モジュール７Ｗ１、Ｗ相下アームの熱電モジュール７Ｗ２としている。
このような構成のインバータ回路ではパワー半導体素子の通電を次のように行った。１６．７Ｈｚの周波数で運転する場合には０．０１秒毎に同時にＯＮとなるパワー半導体素子は、まず、▲１▼１Ｕ１・１Ｖ２・１Ｗ１の状態から▲２▼１Ｕ１・１Ｖ２・１Ｗ２、▲３▼１Ｕ１・１Ｖ１・１Ｗ２、▲４▼１Ｕ２・１Ｖ１・１Ｗ２、▲５▼１Ｕ２・１Ｖ１・１Ｗ１、▲６▼１Ｕ２・１Ｖ２・１Ｗ１の状態に順次切り替わる。このため▲１▼〜▲６▼それぞれの状態で、通電する熱電モジュールは０．０１秒ごとに▲１▼７Ｕ１・７Ｖ２・７Ｗ１の状態から▲２▼７Ｕ１・７Ｖ２・７Ｗ２、▲３▼７Ｕ１・７Ｖ１・７Ｗ２、▲４▼７Ｕ２・７Ｖ１・７Ｗ２、▲５▼７Ｕ２・７Ｖ１・７Ｗ１、▲６▼７Ｕ２・７Ｖ２・７Ｗ１とした。
このようにパワー半導体素子１のスイッチングに合わせて、熱電モジュール７の通電を行い、冷却できた。この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。
なお、６個の熱電モジュール７を同時に通電することもできるし、６個の熱電モジュール７を個別に電流値を変えて通電して冷却することもできる。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置し、熱電モジュールを半導体モジュールの通電による温度上昇に併せて個別に導通させて冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【０００８】
本発明の第２の実施の形態について図３に基づいて説明する。
図において、７ｘと７ｙは熱電モジュールであり、熱電半導体素子７ａ、絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃ、端子７ｄからなる。
熱電モジュール７ｘは、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが８個直列にしたものを８列で合計６４個接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。
一方、熱電モジュール７ｙは、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが６個直列にしたものを６列で合計３６個接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。
図のパワーモジュールには熱電半導体素子７ａの搭載数が異なる熱電モジュール７ｘを１個と熱電モジュール７ｙを２個放熱ベース６にはんだ等により実装している。
【０００９】
次にこの熱電モジュール７ｘを１個と熱電モジュール７ｙを２個を混載したパワーモジュールの冷却方法を説明する。
図の両端のパワー半導体素子１が同時にＯＮしたときは、中央のパワー半導体素子１はＯＦＦする動作をし、両端のパワー半導体素子１が同時にＯＦＦしたときは、中央のパワー半導体素子１はＯＮするものとする。従来のパワー半導体素子１と制御端子４と出力端子５を絶縁回路基板２にはんだ付け実装し、パワー半導体素子１と制御端子４および出力端子５とをアルミワイヤ３で電気的に接続したものを放熱ベース６にはんだ実装しているパワーモジュールの場合には、両端のパワー半導体素子１と中央のパワー半導体素子１のスイッチングの繰り返しによる発熱により、放熱ベース６の中央部が両端部より温度が高くなり、その結果中央のパワー半導体素子１のＯＮ時の温度が、両端のパワー半導体素子１の温度より高くなり、中央のパワー半導体素子が優先的に熱破壊してしまう。
本発明では中央のパワー半導体素子１は熱電半導体素子７ａを６４個搭載した熱電モジュール７ｘに取り付けており、両端のパワー半導体素子１には熱電半導体素子７ａを３６個搭載した熱電モジュール７ｙに取り付けている。
熱電モジュール７ｘと熱電モジュール７ｙに同じ電流を常時流した状態で、パワー半導体のスイッチングを行うと、中央のパワー半導体素子１に取り付けた熱電モジュール７ｘは両端のパワー半導体素子１に取り付けた熱電モジュール７ｙより熱電半導体素子が多く搭載してあるため、熱電モジュール７ｘに取り付けられているパワー半導体素子１の温度は両端部に位置するパワー半導体素子１の温度と同じ温度になるように冷却することができた。
なお、中央部に位置する熱電モジュール７ｘに流す電流値を両端に位置する熱電モジュール７ｙに流す電流値より大きな電流を流してもよく、この場合中央部のパワー半導体素子１の温度をさらに下げることもできる。
また、熱電モジュール７ｘと熱電モジュール７ｙに流す電流値を個別に変えてもよい。
【００１０】
この実施の形態によれば、請求項１記載のパワーモジュールの熱電モジュールにおいて、熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置したことにより、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１１】
本発明の第３の実施の形態について図４と図５に基づいて説明する。
図４は、本発明の第３の実施の形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図４において、７は熱電モジュールであり、熱電半導体素子７ａ、絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃ、端子７ｄからなる。熱電モジュール７は、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが各々直列に接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。
端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。絶縁基板７ｂの上面には、パワー半導体素子１と出力端子５を介して電源と負荷が接続されるように回路配線８が施してあり、パワー半導体素子１および制御端子４と出力端子５が固着されている。絶縁基板７ｃは、半田等によって放熱板１に固着されている。
【００１２】
次に、熱電半導体素子７ａの素子配置を領域毎に分けた熱電モジュール７を図５を使って説明する。図５はパワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行９列の合計７２個の素子を配置した領域７ｘと同様に６行５列の合計３０個の素子を配置した領域７ｙの二種類を作成した。７ｙを配線し２つを直列に結合したを熱電モジュール７の両端に配置し、中央には７ｘを２つ直列に結合したものを配置した。
この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ結合した７ｘ、７ｙの領域に端子７ｄに個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、７ｘと７ｙの領域にあるパワー半導体素子１の温度上昇を個別に低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。
また、７ｘと７ｙの領域の通電値を変えて冷却することもできる。
さらに図６に示すように、７ｘと７ｙのすべての領域間を配線により結合し、２つの端子７ｄで冷却を制御することもできる。この場合、冷却能力は７ｘと７ｙの素子の搭載数に比例して高くなるため、熱電モジュール７ではモジュールの中央部のパワー半導体素子の温度が高くなることを考慮して中央の領域に７ｘを配置した。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを取り付けたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造であり、請求項１記載のパワーモジュールの熱電モジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域が前記パワー半導体素子に個別に配置したことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造である。また、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域間を配線により結合し、結合した領域毎に個別に冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１３】
本発明の第４の実施の形態について図７と図８に基づいて説明する。
図７と図８において、パワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行９列の合計７２個の素子を配置した領域７ｘと６行５列の合計３０個の素子を熱電半導体素子７ａの２倍の間隔を空け配置した領域７ｍの二種類を作成した。７ｍを直列に２つ結合したものを熱電モジュール７の両端にそれぞれ配置し、中央には７ｘを直列に２つ結合したものを配置した。この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ７ｘ、７ｍの領域の熱電モジュールに端子７ｄに領域毎に個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を領域毎に低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。また、７ｘと７ｍの領域の通電値を変えて冷却制御することもできる。
【００１４】
本発明の第５の実施の形態について図９と図１０に基づいて説明する。
図９と図１０において、パワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行９列の合計７２個の素子を配置した領域７ｘと６行５列の合計３０個の素子を中心の１２個の熱電半導体素子７ａを素子の大きさと配置間隔を同じにした配列とし、周囲の１８個を熱電半導体素子７ａの２倍の間隔を空けた領域７ｎの二種類を作成した。７ｎを２つ直列に結合したものを熱電モジュール７の両端にそれぞれ配置し、中央には７ｘを２つ直列に結合したものを配置した。この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ７ｘ、７ｎの領域の熱電モジュールに端子７ｄに個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を領域毎に低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。また、７ｘと７ｎの領域の通電値を変えて冷却することもできる。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを取り付けたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造であり、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に素子の搭載数と素子の配置間隔を変えたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造である。また、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域間を配線により結合し、結合した領域毎に個別に冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１５】
本発明の第６の実施の形態について図１１と図１２に基づいて説明する。
図１１と図１２において、パワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行８列の合計６４個の素子を配置した領域７ｏと６行６列の合計３６個の熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり配置した領域７ｐの二種類を作成した。熱電モジュール７の両端には７ｐを４つ配置しそれぞれに端子７ｄを設けた。また中央には７ｏを２つ配置しそれぞれに端子７ｄを設けた。この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ７ｐの４領域と、７ｏの２領域の端子７ｄに個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を６つの素子と領域すべてで低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。また、７ｐと７ｏの領域の通電値を変えて冷却することもできる。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを取り付けたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造であり、請求項１記載のパワーモジュールの熱電モジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域が前記パワー半導体素子に個別に配置したことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造である。また、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に通電し、前記パワー半導体素子を個別に冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置し、熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置し、さらに熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置し、前記複数の領域が前記パワー半導体素子毎に個別に配置され、そして熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に素子の搭載数および／又は素子の配置間隔を変えたことにより、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールとすることができる。
また、発熱してないパワー半導体素子に通電する必要がないため、消費電力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図２】図１のパワーモジュールの斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図１３】従来の実施装置を示す側断面図である。
【符号の説明】
１：パワー半導体素子
１Ｕ１ Ｕ相上アームのパワー半導体素子
１Ｕ２ Ｕ相下アームのパワー半導体素子
１Ｖ１ Ｖ相上アームのパワー半導体素子
１Ｖ２ Ｖ相下アームのパワー半導体素子
１Ｗ１ Ｗ相上アームのパワー半導体素子
１Ｗ２ Ｗ相下アームのパワー半導体素子
２：絶縁回路基板
３：アルミワイヤ
４：制御端子
５：出力端子
６：放熱ベース
７：熱電モジュール
７ａ 熱電半導体素子
７ｂ 絶縁基板
７ｃ 絶縁基板
７ｄ 端子
７ｍ 熱電素子の領域
７ｎ 熱電素子の領域
７ｏ 熱電素子の領域
７ｐ 熱電素子の領域
７ｘ 熱電素子の領域
７ｙ 熱電素子の領域
７Ｕ１ Ｕ相上アームの熱電モジュール
７Ｕ２ Ｕ相下アームの熱電モジュール
７Ｖ１ Ｖ相上アームの熱電モジュール
７Ｖ２ Ｖ相下アームの熱電モジュール
７Ｗ１ Ｗ相上アームの熱電モジュール
７Ｗ２ Ｗ相下アームの熱電モジュール
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボアンプやインバータに用いられると共に、パワー変換回路を構成するパワーモジュールの冷却構造と冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパワーモジュールにおいては、パワー半導体素子を絶縁回路基板に実装し、パワー半導体素子と出力端子および制御端子との接続をアルミワイヤと絶縁回路基板のパターン配線で結線したものを放熱ベース上に実装していた。
図１３に従来装置を示す。１はパワー半導体素子で、２は絶縁回路基板で、３はアルミワイヤで、４は制御端子、５は出力端子、６は放熱ベースである。以上の構成において、パワー半導体素子１と制御端子４と出力端子５を絶縁回路基板２にはんだ付け実装し、パワー半導体素子１と制御端子４および出力端子５とをアルミワイヤ３で電気的に接続したものを放熱ベース６にはんだ実装していた。上記のようなパワーモジュールの構成において、制御端子６に外部装置から制御信号を送りパワー半導体素子１をスイッチングさせてインバータ動作を行い、出力端子５から負荷装置を運転することができるようになっている。また、インバータ動作したときにパワー半導体素子１に生じる熱は一旦絶縁回路基板２に伝熱し、放熱ベースから外部へ放熱するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパワーモジュールにおいては、インバータ動作時に生じる複数のパワー半導体素子の熱を、一旦絶縁回路基板に伝熱し放熱ベースから外部へ放熱するようになっている。このため、インバータ動作した時に通電しているパワー半導体素子が切り替わりパワーモジュール内での発熱位置が変わる場合には、パワーモジュール内の温度分布が時間とともに変化するため、場所によって放熱が十分でなくなり、パワー半導体素子が熱破壊するという問題があった。また、複数のパワー半導体素子に同じ大きさの電流を流した場合、パワーモジュールの中央部に位置するパワー半導体素子の温度上昇はパワーモジュールの端に位置するパワー半導体素子の温度上昇より相対的に高くなり、中央部のパワー半導体素子が優先的に熱破壊する問題があった。したがって本発明の目的は、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールの冷却構造と冷却方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の冷却機構付きパワーモジュールの発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備えたパワーモジュールであって、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、前記パワー半導体素子毎に配置した冷却機構付きパワーモジュールにおいて、前記熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置したことを特徴とする。以上の構成により、複数のパワー半導体素子を個別に冷却することができるため、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制することが出来、パワー半導体素子の熱破壊を防止することができる。
【０００５】
また、請求項２記載の冷却機構付きパワーモジュールの発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備えたパワーモジュールであって、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に取り付けた冷却機構付きパワーモジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域が前記パワー半導体素子毎に個別に配置されたことを特徴とする。
以上の構成により、パワー半導体素子の発熱にあわせて熱電モジュールの領域毎に通電し冷却できるため、パワー半導体素子の温度上昇を個別にあるいは領域毎に制御することができる。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のパワーモジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に素子の搭載数および／又は素子の配置間隔を変えたことを特徴とする。
このように、領域毎の熱電半導体素子の搭載数と素子間隔を変えて配置しているため、複数の領域を同じ条件で制御しても、領域毎に冷却能力を変えることができる。
請求項４記載のパワーモジュールの冷却方法の発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備え、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に前記パワー半導体素子毎に配置し、かつ前記熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置した冷却機構付きパワーモジュールの冷却方法において、前記パワー半導体の複数個の熱電モジュールを個別に導通して冷却することを特徴とする。
請求項５記載のパワーモジュールの冷却方法の発明は、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備え、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に取り付けた冷却機構付きパワーモジュールの冷却方法において、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域間を配線により結合し、結合した領域毎に個別に通電して冷却することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５記載のパワーモジュールの冷却方法において、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に通電し、前記パワー半導体素子を個別に冷却することを特徴とする。
以上の構成に-より、複数のパワー半導体素子を個別にあるいは領域毎に冷却することができるため、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制することができ、パワー半導体素子の熱破壊を防止することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について図１と図２に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施の形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図において、７は熱電モジュールであり、熱電半導体素子７ａ、絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃ、端子７ｄからなる。熱電モジュール７は、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが各々直列に接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。絶縁基板７ｂの上面には、パワー半導体素子１と出力端子５を介して電源と負荷が接続されるように回路配線８が施してあり、パワー半導体素子１および制御端子４と出力端子５が固着されている。絶縁基板７ｃは、半田等によって放熱板１に固着されている。
【０００７】
次にこのような熱電モジュール７を放熱ベース上に６個搭載したパワーモジュールの冷却を図２を使って説明する。図は厚さ４ｍｍの銅製放熱ベース６の上に６個の熱電モジュール７に各々ＩＧＢＴパワー半導体素子１を各１個づつ搭載したものをはんだ付けにより実装し、インバータ回路を構成した。６個のパワー半導体素子はそれぞれＵ相上アームのパワー半導体素子１Ｕ１、Ｕ相下アームのパワー半導体素子１Ｕ２、Ｖ相上アームのパワー半導体素子１Ｖ１、Ｖ相下アームのパワー半導体素子１Ｖ２、Ｗ相上アームのパワー半導体素子１Ｗ１、Ｗ相下アームのパワー半導体素子１Ｗ２としている。これらのパワー半導体素子１に取り付ける熱電モジュール７はそれぞれ、Ｕ相上アームの熱電モジュール７Ｕ１、Ｕ相下アームの熱電モジュール７Ｕ２、Ｖ相上アームの熱電モジュール７Ｖ１、Ｖ相下アームの熱電モジュール７Ｖ２、Ｗ相上アームの熱電モジュール７Ｗ１、Ｗ相下アームの熱電モジュール７Ｗ２としている。
このような構成のインバータ回路ではパワー半導体素子の通電を次のように行った。１６．７Ｈｚの周波数で運転する場合には０．０１秒毎に同時にＯＮとなるパワー半導体素子は、まず、▲１▼１Ｕ１・１Ｖ２・１Ｗ１の状態から▲２▼１Ｕ１・１Ｖ２・１Ｗ２、▲３▼１Ｕ１・１Ｖ１・１Ｗ２、▲４▼１Ｕ２・１Ｖ１・１Ｗ２、▲５▼１Ｕ２・１Ｖ１・１Ｗ１、▲６▼１Ｕ２・１Ｖ２・１Ｗ１の状態に順次切り替わる。このため▲１▼〜▲６▼それぞれの状態で、通電する熱電モジュールは０．０１秒ごとに▲１▼７Ｕ１・７Ｖ２・７Ｗ１の状態から▲２▼７Ｕ１・７Ｖ２・７Ｗ２、▲３▼７Ｕ１・７Ｖ１・７Ｗ２、▲４▼７Ｕ２・７Ｖ１・７Ｗ２、▲５▼７Ｕ２・７Ｖ１・７Ｗ１、▲６▼７Ｕ２・７Ｖ２・７Ｗ１とした。
このようにパワー半導体素子１のスイッチングに合わせて、熱電モジュール７の通電を行い、冷却できた。この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。
なお、６個の熱電モジュール７を同時に通電することもできるし、６個の熱電モジュール７を個別に電流値を変えて通電して冷却することもできる。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置し、熱電モジュールを半導体モジュールの通電による温度上昇に併せて個別に導通させて冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【０００８】
本発明の第２の実施の形態について図３に基づいて説明する。
図において、７ｘと７ｙは熱電モジュールであり、熱電半導体素子７ａ、絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃ、端子７ｄからなる。
熱電モジュール７ｘは、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが８個直列にしたものを８列で合計６４個接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。
一方、熱電モジュール７ｙは、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが６個直列にしたものを６列で合計３６個接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。
図のパワーモジュールには熱電半導体素子７ａの搭載数が異なる熱電モジュール７ｘを１個と熱電モジュール７ｙを２個放熱ベース６にはんだ等により実装している。
【０００９】
次にこの熱電モジュール７ｘを１個と熱電モジュール７ｙを２個を混載したパワーモジュールの冷却方法を説明する。
図の両端のパワー半導体素子１が同時にＯＮしたときは、中央のパワー半導体素子１はＯＦＦする動作をし、両端のパワー半導体素子１が同時にＯＦＦしたときは、中央のパワー半導体素子１はＯＮするものとする。従来のパワー半導体素子１と制御端子４と出力端子５を絶縁回路基板２にはんだ付け実装し、パワー半導体素子１と制御端子４および出力端子５とをアルミワイヤ３で電気的に接続したものを放熱ベース６にはんだ実装しているパワーモジュールの場合には、両端のパワー半導体素子１と中央のパワー半導体素子１のスイッチングの繰り返しによる発熱により、放熱ベース６の中央部が両端部より温度が高くなり、その結果中央のパワー半導体素子１のＯＮ時の温度が、両端のパワー半導体素子１の温度より高くなり、中央のパワー半導体素子が優先的に熱破壊してしまう。
本発明では中央のパワー半導体素子１は熱電半導体素子７ａを６４個搭載した熱電モジュール７ｘに取り付けており、両端のパワー半導体素子１には熱電半導体素子７ａを３６個搭載した熱電モジュール７ｙに取り付けている。
熱電モジュール７ｘと熱電モジュール７ｙに同じ電流を常時流した状態で、パワー半導体のスイッチングを行うと、中央のパワー半導体素子１に取り付けた熱電モジュール７ｘは両端のパワー半導体素子１に取り付けた熱電モジュール７ｙより熱電半導体素子が多く搭載してあるため、熱電モジュール７ｘに取り付けられているパワー半導体素子１の温度は両端部に位置するパワー半導体素子１の温度と同じ温度になるように冷却することができた。
なお、中央部に位置する熱電モジュール７ｘに流す電流値を両端に位置する熱電モジュール７ｙに流す電流値より大きな電流を流してもよく、この場合中央部のパワー半導体素子１の温度をさらに下げることもできる。
また、熱電モジュール７ｘと熱電モジュール７ｙに流す電流値を個別に変えてもよい。
【００１０】
この実施の形態によれば、請求項１記載のパワーモジュールの熱電モジュールにおいて、熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置したことにより、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１１】
本発明の第３の実施の形態について図４と図５に基づいて説明する。
図４は、本発明の第３の実施の形態を示すパワーモジュールの側断面図である。図４において、７は熱電モジュールであり、熱電半導体素子７ａ、絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃ、端子７ｄからなる。熱電モジュール７は、Ｎ型およびＰ型の熱電半導体素子７ａを順番に並べて絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃで挟み込んでいる。熱電半導体素子７ａ側となる絶縁基板７ｂの下面、および絶縁基板７ｃの上面には熱電半導体素子７ａが各々直列に接続されるように回路配線が施してあり、熱電半導体素子７ａと絶縁基板７ｂ、絶縁基板７ｃは半田等によって固着されている。
端子７ｄは、一方の端部が絶縁基板７ｃ上の熱電半導体素子７ａが接続された回路配線の始点と終点に接続されている。絶縁基板７ｂの上面には、パワー半導体素子１と出力端子５を介して電源と負荷が接続されるように回路配線８が施してあり、パワー半導体素子１および制御端子４と出力端子５が固着されている。絶縁基板７ｃは、半田等によって放熱板１に固着されている。
【００１２】
次に、熱電半導体素子７ａの素子配置を領域毎に分けた熱電モジュール７を図５を使って説明する。図５はパワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行９列の合計７２個の素子を配置した領域７ｘと同様に６行５列の合計３０個の素子を配置した領域７ｙの二種類を作成した。７ｙを配線し２つを直列に結合したを熱電モジュール７の両端に配置し、中央には７ｘを２つ直列に結合したものを配置した。
この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ結合した７ｘ、７ｙの領域に端子７ｄに個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、７ｘと７ｙの領域にあるパワー半導体素子１の温度上昇を個別に低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。
また、７ｘと７ｙの領域の通電値を変えて冷却することもできる。
さらに図６に示すように、７ｘと７ｙのすべての領域間を配線により結合し、２つの端子７ｄで冷却を制御することもできる。この場合、冷却能力は７ｘと７ｙの素子の搭載数に比例して高くなるため、熱電モジュール７ではモジュールの中央部のパワー半導体素子の温度が高くなることを考慮して中央の領域に７ｘを配置した。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを取り付けたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造であり、請求項１記載のパワーモジュールの熱電モジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域が前記パワー半導体素子に個別に配置したことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造である。また、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域間を配線により結合し、結合した領域毎に個別に冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１３】
本発明の第４の実施の形態について図７と図８に基づいて説明する。
図７と図８において、パワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行９列の合計７２個の素子を配置した領域７ｘと６行５列の合計３０個の素子を熱電半導体素子７ａの２倍の間隔を空け配置した領域７ｍの二種類を作成した。７ｍを直列に２つ結合したものを熱電モジュール７の両端にそれぞれ配置し、中央には７ｘを直列に２つ結合したものを配置した。この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ７ｘ、７ｍの領域の熱電モジュールに端子７ｄに領域毎に個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を領域毎に低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。また、７ｘと７ｍの領域の通電値を変えて冷却制御することもできる。
【００１４】
本発明の第５の実施の形態について図９と図１０に基づいて説明する。
図９と図１０において、パワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行９列の合計７２個の素子を配置した領域７ｘと６行５列の合計３０個の素子を中心の１２個の熱電半導体素子７ａを素子の大きさと配置間隔を同じにした配列とし、周囲の１８個を熱電半導体素子７ａの２倍の間隔を空けた領域７ｎの二種類を作成した。７ｎを２つ直列に結合したものを熱電モジュール７の両端にそれぞれ配置し、中央には７ｘを２つ直列に結合したものを配置した。この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ７ｘ、７ｎの領域の熱電モジュールに端子７ｄに個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を領域毎に低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。また、７ｘと７ｎの領域の通電値を変えて冷却することもできる。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを取り付けたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造であり、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に素子の搭載数と素子の配置間隔を変えたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造である。また、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域間を配線により結合し、結合した領域毎に個別に冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１５】
本発明の第６の実施の形態について図１１と図１２に基づいて説明する。
図１１と図１２において、パワー半導体素子１を６個搭載した場合の熱電モジュール７内を６つの領域にわけて熱電半導体素子を配置したものである。この熱電モジュール７には熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり８行８列の合計６４個の素子を配置した領域７ｏと６行６列の合計３６個の熱電半導体素子７ａの大きさと配置間隔を同じ大きさにとり配置した領域７ｐの二種類を作成した。熱電モジュール７の両端には７ｐを４つ配置しそれぞれに端子７ｄを設けた。また中央には７ｏを２つ配置しそれぞれに端子７ｄを設けた。この熱電モジュール７では、パワー半導体素子１のスイッチングに同期させて、それぞれ７ｐの４領域と、７ｏの２領域の端子７ｄに個別に通電して冷却の制御を行った。
この結果、パワー半導体素子１の温度上昇を６つの素子と領域すべてで低く抑えることができ、しかも各素子の温度を均一化することができた。このため、素子配置より影響を受けるパワー半導体素子１の熱破壊による寿命のばらつきを少なくすることができた。また、７ｐと７ｏの領域の通電値を変えて冷却することもできる。
この実施の形態によれば、複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを取り付けたことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造であり、請求項１記載のパワーモジュールの熱電モジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域が前記パワー半導体素子に個別に配置したことを特徴とするパワーモジュールの冷却構造である。また、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に通電し、前記パワー半導体素子を個別に冷却するため、パワーモジュールの複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子からなるパワーモジュールにおいて、前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置し、熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置し、さらに熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置し、前記複数の領域が前記パワー半導体素子毎に個別に配置され、そして熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に素子の搭載数および／又は素子の配置間隔を変えたことにより、複数のパワー半導体素子の発熱によって生じる温度分布を抑制し、パワー半導体素子を均一に冷却することでパワー素子を破壊させない、信頼性の高いパワーモジュールとすることができる。
また、発熱してないパワー半導体素子に通電する必要がないため、消費電力を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すパワーモジュールの側断面図である。
【図２】図１のパワーモジュールの斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態のパワーモジュールを示す側断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態の熱電半導体素子の配線図である。
【図１３】従来の実施装置を示す側断面図である。
【符号の説明】
１：パワー半導体素子
１Ｕ１ Ｕ相上アームのパワー半導体素子
１Ｕ２ Ｕ相下アームのパワー半導体素子
１Ｖ１ Ｖ相上アームのパワー半導体素子
１Ｖ２ Ｖ相下アームのパワー半導体素子
１Ｗ１ Ｗ相上アームのパワー半導体素子
１Ｗ２ Ｗ相下アームのパワー半導体素子
２：絶縁回路基板
３：アルミワイヤ
４：制御端子
５：出力端子
６：放熱ベース
７：熱電モジュール
７ａ 熱電半導体素子
７ｂ 絶縁基板
７ｃ 絶縁基板
７ｄ 端子
７ｍ 熱電素子の領域
７ｎ 熱電素子の領域
７ｏ 熱電素子の領域
７ｐ 熱電素子の領域
７ｘ 熱電素子の領域
７ｙ 熱電素子の領域
７Ｕ１ Ｕ相上アームの熱電モジュール
７Ｕ２ Ｕ相下アームの熱電モジュール
７Ｖ１ Ｖ相上アームの熱電モジュール
７Ｖ２ Ｖ相下アームの熱電モジュール
７Ｗ１ Ｗ相上アームの熱電モジュール
７Ｗ２ Ｗ相下アームの熱電モジュール
Claims (6)
- 複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備えたパワーモジュールであって、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に、前記パワー半導体素子毎に配置した冷却機構付きパワーモジュールにおいて、
前記熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置したことを特徴とする冷却機構付きパワーモジュール。 - 複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備えたパワーモジュールであって、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に取り付けたる冷却機構付きパワーモジュールにおいて、
前記熱電半導体素子を配置した複数の領域が前記パワー半導体素子毎に個別に配置されたことを特徴とする冷却機構付きパワーモジュール。 - 請求項２記載のパワーモジュールにおいて、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に素子の搭載数および／又は素子の配置間隔を変えたことを特徴とする冷却機構付きパワーモジュール。
- 複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備え、熱電変換する熱電半導体素子に絶縁基板を設けた熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に前記パワー半導体素子毎に配置し、かつ前記熱電半導体素子の素子搭載数が異なった熱電モジュールを前記パワー半導体素子に個別に配置した冷却機構付きパワーモジュールの冷却方法において、前記パワー半導体の複数個の熱電モジュールを個別に導通して冷却することを特徴とするパワーモジュールの冷却方法。
- 複数のパワー半導体素子と放熱ベースと出力端子と制御端子を備え、熱電変換する熱電半導体素子を絶縁基板上に複数の領域に分けて配置した熱電モジュールを前記パワー半導体素子の下面に密着若しくは近接した位置に取り付けた冷却機構付きパワーモジュールの冷却方法において、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域間を配線により結合し、結合した領域毎に個別に通電して冷却することを特徴とするパワーモジュールの冷却方法。
- 請求項５記載のパワーモジュールの冷却方法において、前記熱電半導体素子を配置した複数の領域毎に通電し、前記パワー半導体素子を個別に冷却することを特徴とするパワーモジュールの冷却方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001379231A JP4085236B2 (ja) | 2001-12-12 | 2001-12-12 | 冷却機構付きパワーモジュール及びその冷却方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001379231A JP4085236B2 (ja) | 2001-12-12 | 2001-12-12 | 冷却機構付きパワーモジュール及びその冷却方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003179204A JP2003179204A (ja) | 2003-06-27 |
| JP4085236B2 true JP4085236B2 (ja) | 2008-05-14 |
Family
ID=19186687
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001379231A Expired - Fee Related JP4085236B2 (ja) | 2001-12-12 | 2001-12-12 | 冷却機構付きパワーモジュール及びその冷却方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4085236B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7603205B2 (en) * | 2006-08-22 | 2009-10-13 | Brilliant Telecommmunications, Inc. | Apparatus and method for thermal stabilization of PCB-mounted electronic components within an enclosed housing |
| US8649179B2 (en) * | 2011-02-05 | 2014-02-11 | Laird Technologies, Inc. | Circuit assemblies including thermoelectric modules |
| CN105308743B (zh) | 2013-12-19 | 2018-01-09 | 富士电机株式会社 | 半导体模块及电驱动车辆 |
| KR20170097421A (ko) | 2016-02-18 | 2017-08-28 | 엘에스산전 주식회사 | 2차원 배열 전력변환장치용 냉각 시스템 |
| KR20180112832A (ko) * | 2016-03-22 | 2018-10-12 | 젠썸 인코포레이티드 | 불균일한 열전달 특징을 가진 분포된 열전 장치 |
| EP4050670A4 (en) * | 2019-10-25 | 2022-12-21 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | THERMOELECTRIC CONVERSION DEVICE, METHOD FOR CONTROLLING THE THERMOELECTRIC CONVERSION DEVICE, METHOD FOR COOLING AND/OR HEATING AN OBJECT BY MEANS OF THE THERMOELECTRIC CONVERSION DEVICE, AND ELECTRONIC DEVICE |
| CN116741725A (zh) * | 2023-08-08 | 2023-09-12 | 湖南大学 | 一种功率模块的自冷式近结热管理结构 |
-
2001
- 2001-12-12 JP JP2001379231A patent/JP4085236B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003179204A (ja) | 2003-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4127437B2 (ja) | サーモモジュール | |
| JPH10125838A (ja) | 高電力半導体モジュールのための液体冷却装置 | |
| JPH0574993A (ja) | 熱電冷却式集積回路パツケージ | |
| JPH09275211A (ja) | 電力用半導体モジュール | |
| JP2007236044A (ja) | 電力半導体装置及びそれを使用したインバータブリッジモジュール | |
| JP4715040B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2001244391A5 (ja) | ||
| JP4085236B2 (ja) | 冷却機構付きパワーモジュール及びその冷却方法 | |
| JP2019079839A (ja) | 半導体パワーモジュール | |
| JP4471823B2 (ja) | 電力半導体装置 | |
| US7968988B2 (en) | Power semiconductor module having a thermally conductive base plate on which at least four substrates are arranged in at least one single row | |
| KR102076869B1 (ko) | 전력 반도체 모듈 | |
| JP2001036001A (ja) | 電力半導体モジュール | |
| JP3085453B2 (ja) | 半導体モジュール及びこれを用いたインバータ装置 | |
| WO2022179151A1 (zh) | 一种智能功率模块及其制备方法 | |
| JP2020047867A (ja) | モジュール及びプリント基板 | |
| JP2006165322A (ja) | 半導体モジュール | |
| JP2019091850A (ja) | 電力用半導体装置 | |
| JP2006066464A (ja) | 半導体装置 | |
| JP5950872B2 (ja) | 半導体モジュール | |
| JP2006019660A (ja) | パワー素子面実装用の回路基板 | |
| JPH08274228A (ja) | 半導体搭載基板、電力用半導体装置及び電子回路装置 | |
| JP2004022983A (ja) | 半導体装置 | |
| JP4214880B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP6540587B2 (ja) | パワーモジュール |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041118 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20060324 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061024 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061101 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061228 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071107 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20071127 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071226 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080123 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080205 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110228 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120229 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120229 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130228 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140228 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |