JP4380637B2 - パワー半導体素子の冷却構造およびインバータ - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、パワー半導体素子の冷却構造およびインバータに関し、より特定的には、蛇行しながら延びる冷媒通路を備えるパワー半導体素子の冷却構造およびその冷却構造が適用されたインバータに関する。

従来のパワー半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開平１１−２６２２４１号公報には、素子の安全性を低下させることなく、装置の複雑化を招くことなく、出力電流を増大させることを目的としたパワー電子回路装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、アルミダイキャストにより作製されたベースプレートに、冷却フィンが形成されている。ベースプレートには、３相インバータ回路を構成するＩＧＢＴチップと、温度センサとが並んで配設されている。

また、特開２００３−１８８６１号公報には、複数のインバータに対して単一の温度センサを配設した場合に、各インバータを構成する電力用半導体素子の接合部分の温度を精度良く演算することを目的としたインバータの冷却制御装置が開示されている（特許文献２）。

また、特開平１１−２１５８３８号公報には、電源がリセットされた場合であっても、その後の駆動対象の保護を適切に行なうことを目的としたインバータ装置が開示されている（特許文献３）。また、特開２００４−３２７１２４号公報には、半導体スイッチング素子の温度を正確に検出し、高絶縁を不要とし、自動機による素早い実装を可能とし、低コストで作製することを目的としたサーミスタ付きプリント基板が開示されている（特許文献４）。
特開平１１−２６２２４１号公報 特開２００３−１８８６１号公報 特開平１１−２１５８３８号公報 特開２００４−３２７１２４号公報

上述の特許文献１では、温度センサにより検出された素子近傍温度に基づいて、３相インバータ回路の出力電流を制限するか否かが判断される。しかしながら、インバータの小型化を図るために複数のチップをより密に配置すると、冷却効率の劣る複数箇所にチップが位置決めされることがある。このような場合に、３相インバータ回路の出力電流を制限するタイミングを的確に判断しようとすると、温度上昇が最も大きいと考えられるその複数箇所でチップの温度を検出、監視する必要が生じる。このため、チップの温度制御が複雑になったり困難になるおそれが生じる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、小型化を図りつつ、素子温度の制御が容易かつ適切に行なわれるパワー半導体素子の冷却構造およびインバータを提供することである。

この発明に従ったパワー半導体素子の冷却構造は、搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、搭載面に対向して形成され、複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、冷媒通路の内壁から冷媒通路内に突出するように設けられたフィンとを備える。冷媒通路は、直線上に延びるストレート部と、ストレート部に接続され、曲りながら延びる接続部とを有する。フィンは、互いに冷媒通路の経路上の異なる区間に配設された第１の部分と第２の部分とを有する。第１の部分は、冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に沿って延在する表面から形成されている。第２の部分は、ストレート部の一部の区間に配設され、第１の部分より冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられている。複数のパワー半導体素子は、接続部に対向して配置されたパワー半導体素子を含む。パワー半導体素子の冷却構造は、接続部に対向して配置されたパワー半導体素子の温度情報に基づいて、複数のパワー半導体素子に流れる電流を制御する制御部をさらに備える。

このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、接続部に対向する位置にパワー半導体素子を配置することにより、ストレート部に対向する位置にのみパワー半導体素子を配置する場合と比較して、より狭い搭載面上により多くのパワー半導体素子を設けることができる。これにより、複数のパワー半導体素子を備える装置の小型化を図ることができる。この場合に、第２の部分をストレート部の一部の区間に設けることによって、その区間に対向して配置されたパワー半導体素子の冷却効率を優先的に向上させることができる。このため、複数のパワー半導体素子に流れる電流の制御を、接続部に対向して配置されたパワー半導体素子の温度情報に基づいて行なうことによって、容易かつ適切な制御を実現することができる。

また好ましくは、搭載面上には、ストレート部に対向し、複数のパワー半導体素子が相対的に密に配置された領域が形成されている。第２の部分は、その領域に対向して設けられている。

このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却効率に優れる第２の部分をより大きい発熱を伴う領域に対向して設けることにより、複数のパワー半導体素子の熱に対する性能を効率良く向上させることができる。

また好ましくは、第２の部分は、冷媒通路の経路に沿って波打ちながら延びるウェーブフィンから形成されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷媒と第２の部分との接触面積を増大させるとともに、冷媒の流れに積極的に乱流を生じさせることができる。このため、第２の部分と冷媒との熱伝達係数を、第１の部分と冷媒との熱伝達係数よりも大きくすることができる。

また好ましくは、第２の部分は、互いに間隔を隔てて立設された複数のピンフィンから形成されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷媒の流れに積極的に乱流を生じさせることができる。このため、第２の部分と冷媒との熱伝達係数を、第１の部分と冷媒との熱伝達係数よりも大きくすることができる。

この発明に従ったインバータは、上述のいずれかに記載のパワー半導体素子の冷却構造が用いられ、車両に搭載されている。このように構成されたインバータによれば、インバータの小型化を図りつつ、インバータの容易かつ適切な制御を実現することができる。

以上説明したように、この発明に従えば、小型化を図りつつ、素子温度の制御が容易かつ適切に行なわれるパワー半導体素子の冷却構造およびインバータを提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、ＨＶ（Hybrid Vehicle）システムの冷却系を示す斜視図である。図中に示すＨＶシステムの冷却系は、モータと、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関とを動力源として駆動するハイブリッド車両に搭載されている。

図１を参照して、ハイブリッド車両は、エンジン３１０と、駆動用のモータおよび発電用のジェネレータ（以下、モータジェネレータと称する）を内蔵するトランクアクスル３３０と、バッテリの直流電圧とモータジェネレータの交流電圧とを相互に変換するインバータ１３０と、ラジエータ３５０とを備える。

ラジエータ３５０には、互いに独立した２つの冷却水路が設けられており、そのうちの一方が、エンジン３１０の冷却系を構成し、他方が、ＨＶシステムの冷却系を構成している。ＨＶシステムの冷却系は、ラジエータ３５０→インバータ１３０→リザーバタンク３２０→ウォータポンプ３４０→トランクアクスル３３０→ラジエータ３５０を順にたどる冷却水路によって形成されている。水路内の冷却水（たとえば、エチレングリコール系のクーラント）は、ウォータポンプ３４０によって強制循環され、インバータ１３０や、トランクアクスル３３０に設けられたモータジェネレータを順に冷却する。冷却によって温度上昇した冷却水は、ラジエータ３５０を通過することによって、温度が下げられる。なお、使用される冷媒は、液体に限定されず、気体が使用されても良い。

図２は、ＨＶシステムの主要部を示す電気回路図である。図２を参照して、ＨＶシステム２００は、モータジェネレータ１１０およびインバータ１３０に加えて、コンバータ１２０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン２２０，２４０，２６０とを含む。なお、モータジェネレータ１１０は、実際には、主にジェネレータとして機能するモータジェネレータＭＧ１と、主にモータとして機能するモータジェネレータＭＧ２とから構成されているが、以降の説明を簡単にするため、図中では１つのモータジェネレータとして示されている。

コンバータ１２０は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３を介してバッテリＢと接続されている。インバータ１３０は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３を介してコンバータ１２０と接続されている。インバータ１３０は、出力ライン２２０，２４０，２６０を介してモータジェネレータ１１０と接続されている。バッテリＢは、直流電源であって、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池から形成されている。バッテリＢは、蓄えた直流電力をコンバータ１２０に供給したり、コンバータ１２０から受け取る直流電力によって充電される。

モータジェネレータ１１０は、たとえば３相交流同期電動発電機であって、インバータ１３０から受け取る交流電力によって駆動力を発生する。モータジェネレータ１１０は、発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により交流電力を発生させ、その発生した交流電力をインバータ１３０に供給する。

コンバータ１２０は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームと、リアクトルＬとを含む。上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。電源ラインＰＬ２に接続される上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１と、パワートランジスタＱ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とからなる。電源ラインＰＬ３に接続される下アームは、パワートランジスタＱ２と、パワートランジスタＱ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とからなる。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１と、上アームおよび下アームの接続点との間に接続されている。

コンバータ１２０は、バッテリＢから受け取る直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、その昇圧した電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ１２０は、インバータ１３０から受け取る直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。なお、コンバータ１２０は必ずしも設けられる必要はない。

インバータ１３０は、Ｕ相アーム１５２と、Ｖ相アーム１５４と、Ｗ相アーム１５６とを含む。Ｕ相アーム１５２、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５６は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続されている。Ｕ相アーム１５２、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５６の各々は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームからなる。各相アームの上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。

Ｕ相アーム１５２の上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３と、パワートランジスタＱ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とからなる。Ｕ相アーム１５２の下アームは、パワートランジスタＱ４と、パワートランジスタＱ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とからなる。Ｖ相アーム１５４の上アームは、パワートランジスタＱ５と、パワートランジスタＱ５に逆並列に接続されるダイオードＤ５とからなる。Ｖ相アーム１５４の下アームは、パワートランジスタＱ６と、パワートランジスタＱ６に逆並列に接続されるダイオードＤ６とからなる。Ｗ相アーム１５６の上アームは、パワートランジスタＱ７と、パワートランジスタＱ７に逆並列に接続されるダイオードＤ７とからなる。Ｗ相アーム５６の下アームは、パワートランジスタＱ８と、パワートランジスタＱ８に逆並列に接続されるダイオードＤ８とからなる。各相アームのパワートランジスタの接続点は、対応する出力ラインを介してモータジェネレータ１１０の対応する相のコイルの反中性点側に接続されている。

なお、図中では、Ｕ相アーム１５２からＷ相アーム１５６の上アームおよび下アームが、それぞれ、パワートランジスタとダイオードとからなる１つの半導体モジュールから構成されている場合が示されているが、複数の半導体モジュールにより構成されても良い。

インバータ１３０は、制御装置１４０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受け取る直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１１０へ出力する。インバータ１３０は、モータジェネレータ１１０によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置１４０は、モータジェネレータ１１０のトルク指令値、各相電流値、およびインバータ１３０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータ１１０の各相コイル電圧を演算する。制御装置１４０は、その演算結果に基づいて、パワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してインバータ１３０へ出力する。モータジェネレータ１１０の各相電流値は、インバータ１３０の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、Ｓ／Ｎ比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。制御装置１４０は、上述したトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算する。制御装置１４０は、その結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１２０へ出力する。

さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータ１１０によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリＢに充電するため、コンバータ１２０およびインバータ１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

続いて、インバータ１３０の冷却構造について説明を行なう。本実施の形態では、本発明によるパワー半導体素子の冷却構造がインバータ１３０に適用されている。図３は、図１中のインバータの冷却構造を示す平面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったインバータの断面図である。

図３および図４を参照して、インバータ１３０は、搭載面２１ａおよび搭載面２１ａの反対側に面する設置面２１ｂを有するケース体２１を備える。ケース体２１は、アルミダイキャスト等の鋳造工程により製造されている。ケース体２１を形成する材料として、たとえば鉄やマグネシウムを用いても良い。

搭載面２１ａには、シリコングリス３４を介して放熱板３３が固定されている。放熱板３３上には、さらに、絶縁基板３２を介して複数のチップ３１が固定されている。複数のチップ３１は、搭載面２１ａ上の互いに離間した位置に設けられている。チップ３１は、Ｕ相アーム１５２からＷ相アーム１５６を構成する上アームおよび下アームに対応して設けられており、パワートランジスタとダイオードとからなる半導体モジュールを含む。なお、図３中では、１２個のチップ３１が示されており、各アームが２つのチップ３１から構成されている場合について示されている。

設置面２１ｂ上には、冷却水通路２６が形成されている。冷却水通路２６には、チップ３１を冷却するための冷却水が流通する。冷却水通路２６は、チップ３１を搭載する搭載面２１ａに対向して形成されている。冷却水通路２６は、冷却水が供給される供給口２３と、冷却水が排出される排出口２４とを有し、供給口２３と排出口２４との間で延びている。冷却水通路２６は、搭載面２１ａに平行に延びている。冷却水通路２６は、搭載面２１ａを平面的に見た場合に、チップ３１の搭載位置と重なるように延びている。

冷却水通路２６は、設置面２１ｂ上で直線上に延びるストレート部１５と、ストレート部１５に接続され、設置面２１ｂ上で湾曲しながら延びる接続部１６とを有する。供給口２３から排出口２４に向かう冷却水通路２６の経路上に、ストレート部１５と接続部１６とが交互に設けられている。ストレート部１５は、一方向に並んで複数、設けられている。複数のストレート部１５は、互いに平行に延びている。複数のストレート部１５は、互いに異なる方向に延びても良い。接続部１６は、隣り合う複数のストレート部１５間を接続している。接続部１６は、延びる方向を１８０°変化させながら延びている。

供給口２３を通じて冷却水通路２６に供給された冷却水は、冷却水通路２６の経路に沿って流れる。この間、冷却水は、ケース体２１を介してチップ３１と熱交換を行ない、チップ３１を冷却する。チップ３１との熱交換によって温度上昇した冷却水は、排出口２４を通じて冷却水通路２６から排出される。

図５は、図３中の冷却水通路を示す斜視図である。図３から図５を参照して、搭載面２１ａには、チップ３１が相対的に疎に配置された領域１１および１２と、チップ３１が相対的に密に配置された領域１３とが形成されている。領域１１および１２には、それぞれ、チップ３１Ａおよびチップ３１Ｃが配設されており、領域１３には、チップ３１Ｂが配設されている。チップ３１Ａおよび３１Ｃは、隣り合うチップ３１との距離が相対的に大きく、チップ３１Ｂは、隣り合うチップ３１との距離が相対的に小さい。チップ３１Ｂは、チップ３１Ａとチップ３１Ｃとの間に位置決めされている。

搭載面２１ａには、ストレート部１５に対向する領域１１および１２と、ストレート部１５に対向し、領域１１および１２と比較してチップ３１が密に配置された領域１３と、接続部１６に対向する領域１４とが形成されている。

領域１１および１２には、それぞれ、チップ３１Ａおよびチップ３１Ｃが複数ずつ配設されている。領域１３には、チップ３１Ｂが複数、配設されている。それぞれの領域で互いに隣り合うチップ間の距離の平均値を求めた場合に（たとえば、領域１１におけるチップ間の距離の平均値は、（Ｌ１＋Ｌ２）／２）、領域１３におけるチップ間の距離の平均値は、領域１１および１２におけるチップ間の距離の平均値よりも小さくなる。すなわち、チップ３１Ａおよび３１Ｃは、隣り合うチップ間の距離が相対的に大きくなるように配設され、チップ３１Ｂは、隣り合うチップ間の距離が相対的に小さくなるように配設されている。領域１４には、チップ３１Ｄが配設されている。

冷却水通路２６には、フィン４１が設けられている。フィン４１は、ケース体２１を介して行なわれる、チップ３１と冷却水通路２６に流れる冷却水との間の熱交換を促進させる。フィン４１は、冷却水通路２６の内壁の一部を形成する設置面２１ｂから突出している。フィン４１は、ケース体２１に一体に形成されている。冷却水の流れ方向の直交平面により切断された場合のフィン４１の断面形状は、図４中に示す矩形に限定されず、たとえば山形であっても良い。

フィン４１は、冷却水通路２６が延びる方向の直交方向に間隔を隔てて複数、形成されている。フィン４１は、冷却水通路２６が延びる方向に沿って延びている。フィン４１は、冷却水通路２６の内壁から冷却水通路２６内の空間に向かって突出するように設けられている。本実施の形態では、フィン４１が、冷却水通路２６に流れる冷却水を案内するガイド部材としての役割を果たしている。複数のフィン４１は、等間隔に配置されている。複数のフィン４１は、異なる間隔で配置されても良い。

フィン４１は、ストレートフィン部４２と、ウェーブフィン部４３とを有する。ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とは、フィン４１が冷却水通路２６に沿って延びる区間の互いに異なる区間に配設されている。フィン４１は、ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とから構成されている。

ストレートフィン部４２は、ストレートフィンから形成されている。すなわち、ストレートフィン部４２は、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に沿って延在する表面４２ａから形成されている。表面４２ａは、平滑面により形成されている。ストレートフィン部４２は、冷却水通路２６の経路に平行に延びている。ストレートフィン部４２は、設置面２１ｂに接続される下端からその反対側に位置する上端まで、表面４２ａにより形成されている。

ウェーブフィン部４３は、ウェーブフィンから形成されている。すなわち、ウェーブフィン部４３は、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に交差する方向に延在する表面４３ａを有する。表面４３ａは、冷却水通路２６の経路に沿って凹凸を繰り返す凹凸面により形成されている。表面４３ａは、湾曲面により形成されている。ウェーブフィン部４３は、冷却水通路２６の経路に沿って波打ちながら延びている。ウェーブフィン部４３は、下端から上端まで表面４３ａにより形成されている。冷却水通路２６の経路の単位長さ当たりの表面４３ａの面積は、表面４２ａの面積よりも大きい。

ストレートフィン部４２は、領域１１、１２および１４に対向するように設けられている。ウェーブフィン部４３は、領域１３に対向するように設けられている。すなわち、搭載面２１ａを平面的に見た場合に、ストレートフィン部４２は、チップ３１Ａ、３１Ｃおよび３１Ｄに重なるように設けられている。ウェーブフィン部４３は、チップ３１Ｂに重なるように設けられている。

チップ３１が相対的に密に配置された領域１３は、仮に冷却水通路２６の全区間にストレートフィン部４２が設けられているとした場合に、領域１３に配置されたチップ３１Ｂの温度が、領域１４に配置されたチップ３１Ｄの温度と同じか、それ以上となる領域である。

図６は、冷却水とフィンとの熱伝達係数を、ウェーブフィン部およびストレートフィン部間で比較する方法を示す図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）には、それぞれ、ウェーブフィン部４３およびストレートフィン部４２が示されている。

図６を参照して、ウェーブフィン部４３は、冷却水通路２６に流通する冷却水との熱伝達係数が、ストレートフィン部４２よりも大きくなるように設けられている。ウェーブフィン部４３の表面４３ａ上では、冷却水の流れにより積極的に乱流が形成され、冷却水とウェーブフィン部４３との熱交換が促進される。

ウェーブフィン部４３およびストレートフィン部４２間の熱伝達係数の大小関係は、たとえば、以下に説明する方法により測定される。

チップ３１の近傍に、抵抗を含み、電流を供給することによって発熱するヒートチップ４５を配置する。ヒートチップ４５を発熱させ、チップ３１に熱量Ｑを与える。一定の時間が経過した後、チップ３１の温度Ｔａと冷却水の温度Ｔｂとを測定する。チップ３１の温度Ｔａと冷却水の温度Ｔｂとの温度差ΔＴ（＝Ｔａ−Ｔｂ）を算出する。以上の測定を、ストレートフィン部４２を用いた場合と、ウェーブフィン部４３を用いた場合とのそれぞれで実施する。この際、チップ３１に加える熱量Ｑや、流速、温度等の冷却水の流通条件、チップ３１およびフィン４１間の境界条件等、全て等しい条件のもとでそれぞれの測定を行なう。

ストレートフィン部４２を用いた場合と、ウェーブフィン部４３を用いた場合とで、温度差ΔＴを比較する。温度差ΔＴが、ストレートフィン部４２を用いた場合よりもウェーブフィン部４３を用いた場合の方が大きい場合に、冷却水とウェーブフィン部４３との熱伝達係数が、冷却水とストレートフィン部４２との熱伝達係数よりも大きいと判断される。

図２および図３を参照して、制御装置１４０は、チップ３１Ｄに内蔵された温度検出部からの信号に基づいてチップ３１Ｄの温度を検知する。制御装置１４０は、検知されたチップ３１Ｄの温度が予め定められた上限値よりも高いか否かを判断する。制御装置１４０は、チップ３１Ｄの温度が予め定められた上限値よりも高いと判断した場合に、出力電流を小さく抑える制御信号をインバータ１３０に出力する。なお、制御装置１４０は、チップ３１Ｄ以外の接続部１６に対向して設けられたチップ３１の温度情報に基づいて、インバータ１３０の出力電流を制御しても良い。

図７は、図３中のチップの温度を示すグラフである。図７を参照して、グラフ中では、図３中のチップ３１Ａから３１Ｄの温度が示されている。線分１０１は、フィン４１が設けられていない場合のチップ３１の温度を示す。線分１０２は、ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とを併用したフィン４１が設けられている場合のチップ３１の温度を示す。

湾曲しながら延びる接続部１６では、ストレート部１５と比較して冷却水による冷却効率が低い傾向がある。このため、領域１４に配置されたチップ３１Ｄの温度は、領域１１および１２にそれぞれ配置されたチップ３１Ａおよび３１Ｃの温度よりも高くなる。

また、フィン４１が設けられていない場合、領域１３に配置されたチップ３１Ｂの温度は、周りに配置されたチップ３１の温度の影響を大きく受けるため、相対的に高くなり、領域１１および１２にそれぞれ配置されたチップ３１Ａおよび３１Ｃの温度は、周りに配置されたチップ３１の温度の影響をあまり受けないため、相対的に低くなる。この結果、チップ３１Ｂの温度は、チップ３１Ｂがストレート部１５に対向して配置されているにもかかわらず、チップ３１Ｄの温度と同じか、それ以上となる。

本実施の形態では、ウェーブフィン部４３をチップ３１Ｂに重なるように設けることによって、チップ３１Ｂの冷却効率を優先的に改善する。これにより、チップ３１Ａ、３１Ｃおよび３１Ｄと比較して、チップ３１Ｂの温度を大幅に低減させることができる。結果、本実施の形態では、接続部１６に対向する領域１４に設けられたチップ３１Ｄが、最も高い温度に設定される。

また、ウェーブフィン部４３を設けることにより冷却水流れが妨げられるが、本実施の形態では、ストレート部１５にストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とが併用されている。このため、ウェーブフィン部４３のみを設けた場合と比較して、冷却水流れの圧損の増大を最小限に抑えることができる。

この発明の実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造は、搭載面２１ａに搭載された複数のパワー半導体素子としてのチップ３１と、搭載面２１ａに対向して形成され、チップ３１を冷却する冷媒としての冷却水が流通する冷媒通路としての冷却水通路２６と、冷却水通路２６の内壁から冷却水通路２６内に突出するように設けられたフィン４１とを備える。冷却水通路２６は、直線上に延びるストレート部１５と、ストレート部１５に接続され、曲りながら延びる接続部１６とを有する。フィン４１は、互いに冷却水通路２６の経路上の異なる区間に配設された第１の部分としてのストレートフィン部４２と第２の部分としてのウェーブフィン部４３とを有する。ストレートフィン部４２は、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に沿って延在する表面４２ａから形成されている。ウェーブフィン部４３は、ストレート部１５の一部の区間に配設され、ストレートフィン部４２より冷却水との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられている。チップ３１は、接続部１６に対向して配置されたチップ３１Ｄを含む。パワー半導体素子の冷却構造は、接続部１６に対向して配置されたチップ３１Ｄの温度情報に基づいて、チップ３１に流れる電流を制御する制御部としての制御装置１４０をさらに備える。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、チップ３１が、ストレート部１５に対向する領域１１、１２および１３のみならず冷却効率に劣る接続部１６に対向する領域１４にも配置されている。このため、所定数のチップ３１を、より狭い搭載面２１ａ上に搭載することができる。これにより、インバータ１３０の小型化を図ることができる。また、ウェーブフィン部４３をストレート部１５の中でも比較的大きい発熱を伴う位置に設けることによって、インバータ１３０の熱に対する性能を効果的に向上させることができる。

ストレート部１５にウェーブフィン部４３が設けられない場合、チップ３１Ｂおよびチップ３１Ｄの双方の温度を管理して、インバータ１３０の出力電流を制御する必要がある。この場合、制御を容易かつ適切に行なうことが困難となる。これに対して、本実施の形態ではストレート部１５にウェーブフィン部４３が設けられた結果、接続部１６に対向して設けられたチップ３１Ｄが最も高い温度に設定される。このため、そのチップ３１Ｄの温度に基づいてインバータ１３０の出力電流を制御することにより、チップ３１の温度制御を容易かつ適切に行なうことができる。

図８は、図５中のフィンの変形例を示す冷却水通路の斜視図である。図８を参照して、図５中のウェーブフィン部４３が一定の厚みを有するのに対して、本変形例では、ウェーブフィン部４３が、冷却水通路２６の経路に沿って繰り返し厚みを増減させながら延びている。

また、別の変形例として、フィン４１は、ストレートフィン部４２と、ウェーブフィン部４３に替えて、冷却水通路２６の経路に沿ってジグザグ状に延びる屈曲フィン部とを有しても良い。

図９は、図５中のフィンのさらに別の変形例を示す冷却水通路の斜視図である。図９を参照して、本変形例では、フィン４１は、ストレートフィン部４２と、図５中のウェーブフィン部４３に替えて設けられたピンフィン部５１とを備える。ピンフィン部５１は、設置面２１ｂから冷却水通路２６に向けて突出する複数のピンフィンから形成されている。複数のピンフィンは、互いに間隔を隔てて配置されている。複数のピンフィンは、等間隔に配置されている。複数のピンフィンは、冷却水の流れ方向において千鳥状に配置されている。複数のピンフィンは、マトリクス状に配置されても良い。

冷却水通路２６を流通する冷却水がピンフィン部５１に衝突することによって、冷却水の流れにより積極的に乱流が形成され、冷却水とピンフィン部５１との間の熱交換が促進される。

これらの変形例においても、インバータ１３０の出力電流を、最も高い温度に設定されるチップ３１Ｄの温度に基づいて制御することにより、上述の効果を同様に得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ＨＶシステムの冷却系を示す斜視図である。 ＨＶシステムの主要部を示す電気回路図である。 図１中のインバータの冷却構造を示す平面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったインバータの断面図である。 図３中の冷却水通路を示す斜視図である。 冷却水とフィンとの熱伝達係数を、ウェーブフィン部およびストレートフィン部間で比較する方法を示す図である。 図３中のチップの温度を示すグラフである。 図５中のフィンの変形例を示す冷却水通路の斜視図である。 図５中のフィンのさらに別の変形例を示す冷却水通路の斜視図である。

符号の説明

１１，１２，１３，１４ 領域、１５ ストレート部、１６ 接続部、２１ａ 搭載面、２６ 冷却水通路、３１，３１Ａ〜３１Ｄ チップ、４１ フィン、４２ ストレートフィン部、４２ａ 表面、４３ ウェーブフィン部、５１ ピンフィン部、１４０ 制御装置。

Claims (5)

1. 搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、
   直線上に延びるストレート部と、前記ストレート部に接続され、曲りながら延びる接続部とを有し、前記搭載面に対向して形成され、前記複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、
   前記冷媒通路の内壁から前記冷媒通路内に突出するように設けられ、互いに前記冷媒通路の経路上の異なる区間に配設された第１の部分と第２の部分とを有するフィンとを備え、
   前記第１の部分は、前記冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に沿って延在する表面から形成されており、前記第２の部分は、前記ストレート部の一部の区間に配設され、前記第１の部分より冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられており、
   前記複数のパワー半導体素子は、前記接続部に対向して配置されたパワー半導体素子を含み、さらに、
   前記接続部に対向して配置された前記パワー半導体素子の温度情報に基づいて、前記複数のパワー半導体素子に流れる電流を制御する制御部を備える、パワー半導体素子の冷却構造。
2. 前記搭載面上には、前記ストレート部に対向し、前記複数のパワー半導体素子が相対的に密に配置された領域が形成され、
   前記第２の部分は、前記領域に対向して設けられている、請求項１に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
3. 前記第２の部分は、前記冷媒通路の経路に沿って波打ちながら延びるウェーブフィンから形成されている、請求項１または２に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
4. 前記第２の部分は、互いに間隔を隔てて立設された複数のピンフィンから形成されている、請求項１または２に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却構造が用いられ、車両に搭載された、インバータ。

Images