JP4715529B2 - Power semiconductor element cooling structure - Google Patents

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Description

この発明は、一般的には、パワー半導体素子の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されたインバータに適用されるパワー半導体素子の冷却構造に関する。   The present invention relates generally to a power semiconductor element cooling structure, and more specifically to a power semiconductor element cooling structure applied to an inverter mounted on a vehicle.

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２００１−３０８２３２号公報には、フィンの総面積を拡大して、放熱性の向上を図ることを目的としたヒートシンクが開示されている（特許文献１）。特許文献１では、基板上に多数の薄板状フィンが並設されている。フィンの先端部には、断面形状が波打つように変化する波打ち部が形成されている。   Regarding a conventional cooling structure for a power semiconductor element, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-308232 discloses a heat sink for the purpose of enlarging the total area of fins and improving heat dissipation (patent). Reference 1). In Patent Document 1, a large number of thin plate fins are arranged side by side on a substrate. A waved portion whose cross-sectional shape changes so as to wave is formed at the tip of the fin.

また、特開２００３−８２６４号公報には、半導体デバイスを小型化しても、冷却用流体の圧力損失を抑えて冷却性能を維持することを目的とした電子部品の冷却装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２では、隔壁を介してパワーデバイスの反対側に、放熱フィンが形成されている。放熱フィンの長さは、パワーデバイスの中心部に対応する位置で最も長く、その両端部に向かうほど徐々に短くなる。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-8264 discloses a cooling apparatus for electronic components for the purpose of maintaining the cooling performance by suppressing the pressure loss of the cooling fluid even if the semiconductor device is downsized ( Patent Document 2). In patent document 2, the radiation fin is formed in the other side of the power device through the partition. The length of the radiating fin is the longest at a position corresponding to the center of the power device, and gradually decreases toward the both ends.

また、特開平１０−２００２７８号公報には、冷却能力を向上させ、高性能化を図ることを目的とした冷却装置が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された冷却装置は、冷却風の流通方向に対して連続して屈曲した形状を有するフィンを備える。また、特開２０００−１１１２２５号公報には、沸騰面積を増大して放熱性能を向上させるとともに、冷媒槽の沸騰部から蒸気冷媒を抜け易くすることを目的とした沸騰冷却装置が開示されている（特許文献４）。特許文献４では、冷媒室の内部に、相対的に大きいピッチで形成された第１の波形フィンと、相対的に小さいピッチで形成された第２の波形フィンとが配置されている。
特開２００１−３０８２３２号公報 特開２００３−８２６４号公報 特開平１０−２００２７８号公報 特開２０００−１１１２２５号公報 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-200308 discloses a cooling device for improving the cooling capacity and improving the performance (Patent Document 3). The cooling device disclosed in Patent Document 3 includes fins having a shape that is continuously bent with respect to the flow direction of the cooling air. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-111225 discloses a boiling cooling device for improving the heat dissipation performance by increasing the boiling area and for easily removing the vapor refrigerant from the boiling portion of the refrigerant tank. (Patent Document 4). In Patent Document 4, first corrugated fins formed with a relatively large pitch and second corrugated fins formed with a relatively small pitch are arranged inside the refrigerant chamber.
JP 2001-308232 A JP 2003-8264 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-200288 JP 2000-11225 A

上述の特許文献１では、フィンの表面積を拡大させ、放熱性能の向上を図るため、フィンに波打ち部が形成されている。しかしながら、冷媒が流通する通路上にフィンを配置する場合、全てのフィンを波打ち形状に形成すると、冷媒流れの圧損が著しく増大する。この場合、冷却効率が返って悪化するおそれが生じる。   In Patent Document 1 described above, a corrugated portion is formed in the fin in order to increase the surface area of the fin and improve the heat dissipation performance. However, in the case where fins are arranged on the passage through which the refrigerant flows, if all the fins are formed in a corrugated shape, the pressure loss of the refrigerant flow significantly increases. In this case, the cooling efficiency may return and deteriorate.

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、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、冷却効率の向上が図られるパワー半導体素子の冷却構造を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a cooling structure for a power semiconductor element that can improve the cooling efficiency while keeping the pressure loss of the refrigerant flow small.

この発明の１つの局面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、冷媒通路に設けられ、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の部分とを有するフィンとを備える。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延在する表面から形成されている。第２の部分は、冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に交差する方向に延在する表面を有する。第２の部分は、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。   A cooling structure for a power semiconductor element according to one aspect of the present invention includes a plurality of power semiconductor elements mounted on a mounting surface and a coolant that is formed to face the mounting surface and cools the plurality of power semiconductor elements. And a fin provided in the refrigerant passage and having a first portion and a second portion disposed in different sections on the refrigerant passage. The first portion is formed from a surface extending in the refrigerant flow direction along the path of the refrigerant passage. The second portion has a surface extending in a direction crossing the flow direction of the refrigerant along the path of the refrigerant passage. The second part is provided in a form in which the heat transfer coefficient with the refrigerant is larger than that of the first part.

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、フィンに第１の部分と第２の部分とを並存させることにより、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、パワー半導体素子の冷却効率を向上させることができる。   According to the cooling structure of the power semiconductor element configured in this way, the cooling efficiency of the power semiconductor element can be improved while keeping the pressure loss of the refrigerant flow small by allowing the first part and the second part to coexist in the fin. Can be improved.

また好ましくは、第２の部分は、設置面上に立設され、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、フィンが第１の部分のみからなる場合と比較して、フィンを設置面上により強固に固定することができる。   Preferably, the second portion is formed from a wave fin that stands on the installation surface and extends while undulating along the path of the refrigerant passage. According to the cooling structure of the power semiconductor element configured as described above, the contact area between the refrigerant and the second portion can be increased, and turbulent flow can be positively generated in the refrigerant flow. For this reason, the heat transfer coefficient between the second part and the refrigerant can be made larger than the heat transfer coefficient between the first part and the refrigerant. Moreover, compared with the case where a fin consists only of a 1st part, a fin can be fixed more firmly on an installation surface.

この発明の別の局面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、冷媒通路に設けられ、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の部分とを有するフィンとを備える。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延在する表面から形成されている。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。第２の部分は、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。   A cooling structure for a power semiconductor element according to another aspect of the present invention includes a plurality of power semiconductor elements mounted on a mounting surface and a coolant that is formed to face the mounting surface and cools the plurality of power semiconductor elements. And a fin provided in the refrigerant passage and having a first portion and a second portion disposed in different sections on the refrigerant passage. The first portion is formed from a surface extending in the refrigerant flow direction along the path of the refrigerant passage. The second part is formed of a plurality of pin fins standing upright apart from each other. The second part is provided in a form in which the heat transfer coefficient with the refrigerant is larger than that of the first part.

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、フィンに第１の部分と第２の部分とを並存させることにより、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、パワー半導体素子の冷却効率を向上させることができる。   According to the cooling structure of the power semiconductor element configured in this way, the cooling efficiency of the power semiconductor element can be improved while keeping the pressure loss of the refrigerant flow small by allowing the first part and the second part to coexist in the fin. Can be improved.

また、搭載面上には、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。好ましくは、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、より大きい発熱を伴う領域に、冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられた第２の部分を配置する。これにより、熱に対する複数のパワー半導体素子の性能を効率良く向上させることができる。   In addition, a region where a plurality of power semiconductor elements are arranged relatively densely is formed on the mounting surface. Preferably, the 2nd part is provided facing the area | region. According to the cooling structure of the power semiconductor element configured as described above, the second portion provided in a form in which the heat transfer coefficient with the refrigerant is increased is disposed in the region with larger heat generation. Thereby, the performance of the plurality of power semiconductor elements against heat can be improved efficiently.

この発明のさらに別の局面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、冷媒通路に設けられ、冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に延在する表面から形成されたフィンと、冷媒通路の経路上に開口し、複数のパワー半導体素子のうちの一部のパワー半導体素子に向けて冷媒を噴出する冷媒供給部とを備える。   According to still another aspect of the present invention, a cooling structure for a power semiconductor element includes a plurality of power semiconductor elements mounted on a mounting surface and a coolant that is formed to face the mounting surface and cools the plurality of power semiconductor elements. A refrigerant passage that circulates, a fin that is provided in the refrigerant passage and that extends from the surface extending in the refrigerant flow direction along the refrigerant passage route, and opens on the refrigerant passage route. A refrigerant supply unit that ejects the refrigerant toward some of the power semiconductor elements.

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、複数のパワー半導体素子のうちの一部のパワー半導体素子に向けて冷媒を噴出することにより、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、パワー半導体素子の冷却効率を向上させることができる。   According to the cooling structure of the power semiconductor element configured as described above, the refrigerant is ejected toward a part of the power semiconductor elements among the plurality of power semiconductor elements, thereby suppressing the pressure loss of the refrigerant flow and reducing the power. The cooling efficiency of the semiconductor element can be improved.

以上説明したように、この発明に従えば、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、冷却効率の向上が図られるパワー半導体素子の冷却構造を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a cooling structure for a power semiconductor element that can improve the cooling efficiency while keeping the pressure loss of the refrigerant flow small.

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。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings referred to below, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals.

（実施の形態１）
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。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing a cooling system of an HV (Hybrid Vehicle) system. The cooling system of the HV system shown in the figure is mounted on a hybrid vehicle that is driven by a motor and an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine.

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。   Referring to FIG. 1, a hybrid vehicle includes an engine 310, a trunk axle 330 incorporating a drive motor and a generator for power generation (hereinafter referred to as a motor generator), a DC voltage of a battery, and an AC voltage of a motor generator. Are mutually converted, and a radiator 350 is provided.

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。   The radiator 350 is provided with two independent cooling water channels, one of which constitutes the cooling system of the engine 310 and the other of which constitutes the cooling system of the HV system. The cooling system of the HV system is formed by a cooling water path that follows the radiator 350 → the inverter 130 → the reservoir tank 320 → the water pump 340 → the trunk axle 330 → the radiator 350. Cooling water (for example, ethylene glycol-based coolant) in the water channel is forcibly circulated by the water pump 340 to sequentially cool the inverter 130 and the motor generator provided in the trunk axle 330. The cooling water whose temperature has risen due to cooling passes through the radiator 350, so that the temperature is lowered. In addition, the refrigerant | coolant used is not limited to a liquid, Gas may be used.

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とインバータ１３０とに加えて、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、１つのモータジェネレータとして示されている。   FIG. 2 is an electric circuit diagram showing a main part of the HV system. 2, HV system 200 includes converter 120, control device 140, capacitors C1 and C2, power supply lines PL1 to PL3, and output lines 220 and 240 in addition to motor generator 110 and inverter 130. , 260. Note that the motor generator 110 is actually composed of a motor generator MG1 mainly functioning as a generator and a motor generator MG2 mainly functioning as a motor. Shown as a motor generator.

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。   Converter 120 is connected to battery B via power supply lines PL1 and PL3. Inverter 130 is connected to converter 120 via power supply lines PL2 and PL3. Inverter 130 is connected to motor generator 110 via output lines 220, 240, and 260. Battery B is a DC power source, and is formed of a secondary battery such as a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery. Battery B is charged with the DC power supplied to converter 120 or received from converter 120.

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。   Motor generator 110 is, for example, a three-phase AC synchronous motor generator, and generates a driving force by AC power received from inverter 130. Motor generator 110 is also used as a generator, generates AC power by power generation action (regenerative power generation) during deceleration, and supplies the generated AC power to inverter 130.

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。   Converter 120 includes an upper arm and a lower arm formed of a semiconductor module, and a reactor L. The upper arm and the lower arm are connected in series between the power supply lines PL2 and PL3. The upper arm connected to the power supply line PL2 includes a power transistor (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor) Q1 and a diode D1 connected in antiparallel to the power transistor Q1. The lower arm connected to the power supply line PL3 includes a power transistor Q2 and a diode D2 connected in antiparallel to the power transistor Q2. Reactor L is connected between power supply line PL1 and a connection point between the upper arm and the lower arm.

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。   Converter 120 boosts the DC voltage received from battery B using reactor L, and supplies the boosted voltage to power supply line PL2. Converter 120 steps down the DC voltage received from inverter 130 and charges battery B. Converter 120 is not necessarily provided.

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。   Inverter 130 includes a U-phase arm 152, a V-phase arm 154, and a W-phase arm 156. U-phase arm 152, V-phase arm 154 and W-phase arm 156 are connected in parallel between power supply lines PL2 and PL3. Each of the U-phase arm 152, the V-phase arm 154, and the W-phase arm 156 is composed of an upper arm and a lower arm made of semiconductor modules. The upper arm and lower arm of each phase arm are connected in series between power supply lines PL2 and PL3.

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。   The upper arm of the U-phase arm 152 includes a power transistor (IGBT) Q3 and a diode D3 connected in antiparallel to the power transistor Q3. The lower arm of U-phase arm 152 includes power transistor Q4 and diode D4 connected in antiparallel to power transistor Q4. The upper arm of V-phase arm 154 includes power transistor Q5 and diode D5 connected in antiparallel to power transistor Q5. The lower arm of V-phase arm 154 includes power transistor Q6 and diode D6 connected in antiparallel to power transistor Q6. The upper arm of W-phase arm 156 includes power transistor Q7 and a diode D7 connected in antiparallel to power transistor Q7. The lower arm of W-phase arm 56 includes power transistor Q8 and diode D8 connected in antiparallel to power transistor Q8. The connection point of the power transistor of each phase arm is connected to the anti-neutral point side of the coil of the corresponding phase of motor generator 110 via the corresponding output line.

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。   In the figure, a case where the upper arm and the lower arm of the U-phase arm 152 to the W-phase arm 156 are each composed of one semiconductor module composed of a power transistor and a diode is shown. The semiconductor module may be configured.

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。   Inverter 130 converts a DC voltage received from power supply line PL <b> 2 into an AC voltage based on a control signal from control device 140, and outputs the AC voltage to motor generator 110. Inverter 130 rectifies the AC voltage generated by motor generator 110 into a DC voltage and supplies it to power supply line PL2.

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。   Capacitor C1 is connected between power supply lines PL1 and PL3, and smoothes the voltage level of power supply line PL1. Capacitor C2 is connected between power supply lines PL2 and PL3, and smoothes the voltage level of power supply line PL2.

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。   Control device 140 calculates each phase coil voltage of motor generator 110 based on the torque command value of motor generator 110, each phase current value, and the input voltage of inverter 130. Based on the calculation result, control device 140 generates a PWM signal for turning on / off power transistors Q <b> 3 to Q <b> 8 and outputs the PWM signal to inverter 130. Each phase current value of motor generator 110 is detected by a current sensor incorporated in a semiconductor module constituting each arm of inverter 130. This current sensor is disposed in the semiconductor module so as to improve the S / N ratio. Control device 140 calculates the duty ratio of power transistors Q1 and Q2 for optimizing the input voltage of inverter 130 based on the torque command value and the motor speed described above. Based on the result, control device 140 generates a PWM signal for turning on / off power transistors Q1, Q2, and outputs the PWM signal to converter 120.

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。   Further, control device 140 controls the switching operation of power transistors Q1 to Q8 in converter 120 and inverter 130 in order to convert AC voltage generated by motor generator 110 into DC voltage and charge battery B.

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。   Subsequently, the cooling structure of the inverter 130 will be described. In the present embodiment, the power semiconductor element cooling structure according to the present invention is applied to inverter 130. FIG. 3 is a plan view showing a cooling structure of the inverter in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the inverter taken along line IV-IV in FIG.

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。設置面２１ｂは、搭載面２１ａと同じ方向に面しても良い。   3 and 4, inverter 130 includes a case body 21 having a mounting surface 21a and an installation surface 21b facing the opposite side of mounting surface 21a. The case body 21 is manufactured by a casting process such as aluminum die casting. As a material for forming the case body 21, for example, iron or magnesium may be used. The installation surface 21b may face the same direction as the mounting surface 21a.

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。たとえば、シリコングリス３４および放熱板３３が設けられず、絶縁基板３２が直接、搭載面２１ａに固定されても良い。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の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。   A heat radiating plate 33 is fixed to the mounting surface 21 a via silicon grease 34. On the heat radiating plate 33, a plurality of chips 31 are further fixed via an insulating substrate 32. For example, the insulating substrate 32 may be directly fixed to the mounting surface 21a without the silicon grease 34 and the heat radiating plate 33 being provided. The plurality of chips 31 are provided at positions separated from each other on the mounting surface 21a. Chip 31 is provided corresponding to the upper and lower arms of U-phase arm 152 to W-phase arm 156, and includes a semiconductor module including a power transistor and a diode. In FIG. 3, twelve chips 31 are shown, and each arm is constituted by two chips 31.

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３１Ｃおよびチップ３１Ａ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との間に配置されている。   On the mounting surface 21a, regions 11 and 12 in which the chips 31 are disposed relatively sparsely and regions 13 in which the chips 31 are disposed relatively densely are formed. A chip 31C and a chip 31A are disposed in the areas 11 and 12, respectively, and a chip 31B is disposed in the area 13. The chips 31A and 31C have a relatively large distance to the adjacent chip 31, and the chip 31B has a relatively small distance to the adjacent chip 31. The chip 31B is disposed between the chip 31A and the chip 31C.

搭載面２１ａには、後述のストレート部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、後述の湾曲部１６に対向する領域１４とが形成されている。   On the mounting surface 21 a, regions 11 and 12 that face a straight portion 15 described later, a region 13 that faces the straight portion 15, and in which the chips 31 are arranged densely compared to the regions 11 and 12, and a curve that will be described later A region 14 facing the portion 16 is formed.

領域１１および１２には、それぞれ、チップ３１Ｃおよびチップ３１Ａ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３１Ｃおよび３１Ａ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。   In each of the regions 11 and 12, a plurality of chips 31C and a plurality of chips 31A are provided. In the region 13, a plurality of chips 31B are arranged. When the average value of the distance between adjacent chips in each region is obtained (for example, the average value of the distance between chips in region 11 is (L1 + L2) / 2), the average of the distance between chips in region 13 The value is smaller than the average value of the distance between the chips in the regions 11 and 12. That is, the chips 31C and 31A are arranged so that the distance between adjacent chips is relatively large, and the chip 31B is arranged so that the distance between adjacent chips is relatively small. In the region 14, a chip 31D is disposed.

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。   A cooling water passage 26 is formed on the installation surface 21b. Cooling water for cooling the chips 31 flows through the cooling water passage 26. The cooling water passage 26 is formed to face the mounting surface 21a on which the chip 31 is mounted. The cooling water passage 26 has a supply port 23 through which cooling water is supplied and a discharge port 24 through which cooling water is discharged, and extends between the supply port 23 and the discharge port 24. The cooling water passage 26 extends parallel to the mounting surface 21a. The cooling water passage 26 extends so as to overlap the mounting position of the chip 31 when the mounting surface 21a is viewed in plan.

冷却水通路２６は、設置面２１ｂ上で蛇行しながら延びている。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湾曲部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と湾曲部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。湾曲部１６は、隣り合う複数のストレート部１５間を接続している。湾曲部１６は、延びる方向を１８０°変化させながら延びている。チップ３１Ａ、３１Ｂおよび３１Ｃは、ストレート部１５に対向する位置で順に並んでいる。   The cooling water passage 26 extends while meandering on the installation surface 21b. The cooling water passage 26 includes a straight portion 15 that extends linearly on the installation surface 21b, and a curved portion 16 that is connected to the straight portion 15 and extends while bending on the installation surface 21b. Straight portions 15 and curved portions 16 are alternately provided on the path of the cooling water passage 26 from the supply port 23 toward the discharge port 24. A plurality of straight portions 15 are provided side by side in one direction. The plurality of straight portions 15 extend in parallel to each other. The plurality of straight portions 15 may extend in different directions. The curved portion 16 connects between a plurality of adjacent straight portions 15. The bending portion 16 extends while changing the extending direction by 180 °. The chips 31 </ b> A, 31 </ b> B, and 31 </ b> C are arranged in order at positions facing the straight portion 15.

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。   The cooling water supplied to the cooling water passage 26 through the supply port 23 flows along the path of the cooling water passage 26. During this time, the cooling water exchanges heat with the chip 31 via the case body 21 to cool the chip 31. The cooling water whose temperature has been increased by heat exchange with the chip 31 is discharged from the cooling water passage 26 through the discharge port 24.

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、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、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。フィン４１は、ケース体２１とは別体に設けられ、ケース体２１に固定されても良い。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。   FIG. 5 is a perspective view showing a cooling water passage in FIG. 3. With reference to FIGS. 3 to 5, fins 41 are provided in cooling water passage 26. The fin 41 promotes heat exchange between the chip 31 and the cooling water flowing in the cooling water passage 26 performed through the case body 21. The fin 41 protrudes from the installation surface 21b. The fins 41 are formed integrally with the case body 21. The fins 41 may be provided separately from the case body 21 and may be fixed to the case body 21. The cross-sectional shape of the fin 41 when cut by a plane orthogonal to the flow direction of the cooling water is not limited to the rectangle shown in FIG. 4 and may be, for example, a mountain shape.

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。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。   A plurality of fins 41 are formed at intervals in the direction orthogonal to the direction in which the cooling water passage 26 extends. The fin 41 extends along the direction in which the cooling water passage 26 extends. The plurality of fins 41 are arranged at equal intervals. The plurality of fins 41 may be arranged at different intervals.

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とのみから構成されている。   The fin 41 has a straight fin portion 42 and a wave fin portion 43. The straight fin portion 42 and the wave fin portion 43 are disposed in different sections of the section in which the fin 41 extends along the cooling water passage 26. The fin 41 includes only the straight fin portion 42 and the wave fin portion 43.

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。   The straight fin portion 42 is formed from a straight fin. That is, the straight fin portion 42 is formed from a surface 42 a that extends in the flow direction of the cooling water along the path of the cooling water passage 26. The surface 42a is formed by a smooth surface. The straight fin portion 42 extends parallel to the path of the cooling water passage 26. The straight fin part 42 is formed by the surface 42a from the lower end connected to the installation surface 21b to the upper end located on the opposite side.

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。   The wave fin portion 43 is formed from a wave fin. That is, the wave fin portion 43 has a surface 43 a that extends in a direction that intersects the flow direction of the cooling water along the path of the cooling water passage 26. The surface 43 a is formed by an uneven surface that repeats unevenness along the path of the cooling water passage 26. The surface 43a is formed by a curved surface. The wave fin portion 43 extends while undulating along the path of the cooling water passage 26. The wave fin portion 43 is formed by a surface 43a from the lower end to the upper end. The area of the surface 43a per unit length of the path of the cooling water passage 26 is larger than the area of the surface 42a.

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。なお、領域１４に対向する位置には、ストレートフィン部４２に替えてウェーブフィン部４３が設けられても良い。   The straight fin portion 42 is provided so as to face the regions 11, 12 and 14. The wave fin portion 43 is provided so as to face the region 13. That is, when the mounting surface 21a is viewed in a plan view, the straight fin portion 42 is provided so as to overlap the chips 31A, 31C, and 31D. The wave fin portion 43 is provided so as to overlap the chip 31B. A wave fin portion 43 may be provided at a position facing the region 14 instead of the straight fin portion 42.

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。   FIG. 6 is a diagram illustrating a method of comparing the heat transfer coefficient between the cooling water and the fin between the wave fin portion and the straight fin portion. 6A and 6B show a wave fin portion 43 and a straight fin portion 42, respectively.

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。   Referring to FIG. 6, the wave fin portion 43 is provided so that the heat transfer coefficient with the cooling water flowing through the cooling water passage 26 is larger than that of the straight fin portion 42. On the surface 43 a of the wave fin portion 43, a turbulent flow is positively formed by the flow of the cooling water, and heat exchange between the cooling water and the wave fin portion 43 is promoted.

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。   The magnitude relationship of the heat transfer coefficient between the wave fin part 43 and the straight fin part 42 is measured by the method demonstrated below, for example.

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。   In the vicinity of the chip 31, a heat chip 45 including a resistor and generating heat by supplying a current is disposed. The heat chip 45 is caused to generate heat, and a heat quantity Q is given to the chip 31. After a certain time has elapsed, the temperature Ta of the chip 31 and the temperature Tb of the cooling water are measured. A temperature difference ΔT (= Ta−Tb) between the temperature Ta of the chip 31 and the temperature Tb of the cooling water is calculated. The above measurement is performed in each of the case where the straight fin portion 42 is used and the case where the wave fin portion 43 is used. At this time, each measurement is performed under the same conditions such as the amount of heat Q applied to the chip 31, the flow condition of cooling water such as a flow rate and temperature, and the boundary condition between the chip 31 and the fin 41.

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。   The temperature difference ΔT is compared between when the straight fin portion 42 is used and when the wave fin portion 43 is used. When the temperature difference ΔT is larger when the wave fin portion 43 is used than when the straight fin portion 42 is used, the heat transfer coefficient between the cooling water and the wave fin portion 43 is less than the cooling water and the straight fin portion. It is judged that it is larger than the heat transfer coefficient with 42.

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３１Ｃ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。   FIG. 7 is a graph showing the temperature of the chip in FIG. Referring to FIG. 7, in the graph, the temperatures of chips 31A to 31C in FIG. 3 are shown. A line segment 101 indicates the temperature of the chip 31 when the fins 41 are not provided. A line segment 102 indicates the temperature of the chip 31 when the fin 41 using both the straight fin portion 42 and the wave fin portion 43 is provided.

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に配置されたチップ３１Ｃおよび３１Ａ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。   When the fins 41 are not provided, the temperature of the chip 31B disposed in the region 13 is greatly affected by the temperature of the chip 31 disposed in the surrounding area, and thus is relatively high, and is disposed in the regions 11 and 12. The temperatures of the chips 31C and 31A are relatively less affected by the temperature of the chips 31 arranged around them, and are thus relatively low.

本実施の形態では、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を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および３１Ｃ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。熱に対するインバータ１３０の性能は、温度が最も高くなるチップ３１により決定されるため、インバータ１３０の性能を効果的に向上させることができる。   In the present embodiment, the cooling efficiency of the chip 31 </ b> B is preferentially improved by providing the fin 41 using both the straight fin portion 42 and the wave fin portion 43. Thereby, compared with the chips 31A and 31C, the temperature of the chip 31B can be significantly reduced. Since the performance of the inverter 130 with respect to heat is determined by the chip 31 having the highest temperature, the performance of the inverter 130 can be effectively improved.

仮にフィン４１をウェーブフィン部４３のみから形成した場合、チップ３１Ａから３１Ｃの温度を一様に低減することができる。しかしながら、冷却水流れは、ウェーブフィン部４３によって妨げられるため、冷却水流れの圧損が増大するおそれが生じる。これに対して、本実施の形態では、ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とを併用するため、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。   If the fin 41 is formed only from the wave fin portion 43, the temperature of the chips 31A to 31C can be reduced uniformly. However, since the cooling water flow is hindered by the wave fin portion 43, the pressure loss of the cooling water flow may increase. On the other hand, in this Embodiment, since the straight fin part 42 and the wave fin part 43 are used together, the increase in the pressure loss of a cooling water flow can be suppressed to the minimum.

この発明の実施の形態１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に設けられたフィン４１とを備える。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、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。ウェーブフィン部４３は、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。   The power semiconductor element cooling structure according to the first embodiment of the present invention includes a chip 31 as a plurality of power semiconductor elements mounted on the mounting surface 21a and a coolant that is formed to face the mounting surface 21a and cools the chip 31. As a refrigerant passage through which cooling water flows, a cooling water passage 26 and fins 41 provided in the cooling water passage 26 are provided. The fin 41 includes a straight fin portion 42 as a first portion and a wave fin portion 43 as a second portion, which are disposed in different sections on the cooling water passage 26. The straight fin portion 42 is formed from a surface 42 a that extends in the flow direction of the cooling water along the path of the cooling water passage 26. The wave fin portion 43 has a surface 43 a that extends in a direction that intersects the flow direction of the cooling water along the path of the cooling water passage 26. The wave fin portion 43 is provided in a form in which the heat transfer coefficient with the cooling water is larger than that of the straight fin portion 42.

このように構成された、この発明の実施の形態１におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、比較的温度が高くなるチップ３１の冷却効率を優先的に改善しつつ、冷却水流量の確保を図ることで、インバータ１３０の冷却性能を効果的に向上させることができる。これにより、インバータ１３０の小型化を図り、ハイブリッド車両に対するインバータ１３０の搭載性を向上させることができる。また、ウォータポンプ３４０で消費される電力を抑え、ハイブリッド車両の燃費を向上させたり、ウォータポンプ３４０で発生するノイズや振動（ＮＶ：Noise and Vibration）を低減することができる。   According to the cooling structure of the power semiconductor element in the first embodiment of the present invention configured as described above, the cooling water flow rate can be secured while preferentially improving the cooling efficiency of the chip 31 having a relatively high temperature. By doing so, the cooling performance of the inverter 130 can be effectively improved. Thereby, size reduction of the inverter 130 can be achieved and the mounting property of the inverter 130 with respect to a hybrid vehicle can be improved. Moreover, the electric power consumed by the water pump 340 can be suppressed, fuel efficiency of the hybrid vehicle can be improved, and noise and vibration (NV: Noise and Vibration) generated by the water pump 340 can be reduced.

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。   FIG. 8 is a perspective view of a cooling water passage showing a modification of the fin in FIG. Referring to FIG. 8, wave fin portion 43 in FIG. 5 has a constant thickness, whereas in this modification, wave fin portion 43 repeatedly increases or decreases the thickness along the path of cooling water passage 26. It extends while letting.

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。これらの変形例によっても、上述の効果を同様に得ることができる。   As another modification, the fin 41 may include a straight fin portion 42 and a bent fin portion extending in a zigzag manner along the path of the cooling water passage 26 instead of the wave fin portion 43. The above-described effects can be obtained in the same manner by these modified examples.

また、ウェーブフィン部４３が設けられる位置は、チップ３１の発熱が最も大きくなる領域１３に限定されず、他の領域であっても良い。   The position where the wave fin portion 43 is provided is not limited to the region 13 where the heat generation of the chip 31 is the largest, and may be another region.

図９は、チップの温度のばらつきを示すグラフである。図９を参照して、グラフ中では、相対的に大きい発熱を伴うチップ３１Ｘと、相対的に小さい発熱を伴うチップ３１Ｙとが想定されている。図９（Ａ）は、フィン４１が設けられていない場合のチップの温度のばらつきを示す。図９（Ｂ）は、ストレートフィン部４２がチップＸに対向して設けられ、ウェーブフィン部４３がチップ３１Ｙに対向して設けられた場合のチップの温度のばらつきを示す。チップ３１Ｘおよび３１Ｙには、それぞれ、温度のばらつき７１および７２が存在する。   FIG. 9 is a graph showing variations in chip temperature. Referring to FIG. 9, in the graph, a chip 31X with relatively large heat generation and a chip 31Y with relatively small heat generation are assumed. FIG. 9A shows the temperature variation of the chip when the fins 41 are not provided. FIG. 9B shows the temperature variation of the chip when the straight fin portion 42 is provided facing the chip X and the wave fin portion 43 is provided facing the chip 31Y. Chips 31X and 31Y have temperature variations 71 and 72, respectively.

チップ３１の温度情報に基づいてインバータ１３０に対する負荷を抑える制御を、チップ３１の温度検出箇所を少なく抑えて実施しようとすると、相対的に大きい発熱を伴うチップ３１Ｘの温度をセンシングする必要がある。   If control for reducing the load on the inverter 130 based on the temperature information of the chip 31 is to be performed with a small number of temperature detection locations on the chip 31, it is necessary to sense the temperature of the chip 31X with relatively large heat generation.

しかしながら、図９（Ａ）中のフィン４１が設けられていない場合、ばらつき７１とばらつき７２とがオーバラップする温度領域７３が存在すると、ばらつき７１の下限温度Ｔ１よりも小さい、ばらつき７２の下限温度Ｔ２で、インバータ１３０への負荷を抑えなければならない。これに対して、ウェーブフィン部４３をチップ３１Ｙに対向して設け、チップ３１Ｙの冷却効率を優先的に改善させることにより、温度領域７３を存在させないようにばらつき７１および７２を設定することが可能になる。このとき、ばらつき７１の下限温度Ｔ３でインバータ１３０への負荷を抑えることができる。   However, when the fin 41 in FIG. 9A is not provided, if there is a temperature region 73 where the variation 71 and the variation 72 overlap, the lower limit temperature of the variation 72 is smaller than the lower limit temperature T1 of the variation 71. At T2, the load on the inverter 130 must be suppressed. On the other hand, by providing the wave fin portion 43 opposite to the chip 31Y and preferentially improving the cooling efficiency of the chip 31Y, the variations 71 and 72 can be set so that the temperature region 73 does not exist. become. At this time, the load on the inverter 130 can be suppressed at the lower limit temperature T3 of the variation 71.

（実施の形態２）
図１０は、この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す斜視図である。図１０は、実施の形態１における図５に対応する図である。本実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造は、実施の形態１におけるパワー半導体素子の冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。 (Embodiment 2)
FIG. 10 is a perspective view showing a cooling structure for the power semiconductor element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram corresponding to FIG. 5 in the first embodiment. The power semiconductor element cooling structure in the present embodiment is basically similar to the power semiconductor element cooling structure in the first embodiment. Hereinafter, the description of the overlapping structure will not be repeated.

図１０を参照して、本実施の形態では、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。   Referring to FIG. 10, in the present embodiment, fin 41 includes straight fin portion 42 and pin fin portion 51 provided in place of wave fin portion 43 in FIG. 5. The pin fin portion 51 is formed of a plurality of pin fins that protrude from the installation surface 21 b toward the cooling water passage 26. The plurality of pin fins are arranged at intervals. The plurality of pin fins are arranged at equal intervals. The plurality of pin fins are arranged in a staggered manner in the flow direction of the cooling water. The plurality of pin fins may be arranged in a matrix.

ピンフィン部５１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。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。   The pin fin portion 51 is provided such that the heat transfer coefficient with the cooling water flowing through the cooling water passage 26 is larger than that of the straight fin portion 42. When the cooling water flowing through the cooling water passage 26 collides with the pin fin portion 51, a turbulent flow is positively formed by the flow of the cooling water, and heat exchange between the cooling water and the pin fin portion 51 is promoted.

この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造では、第２の部分としてのピンフィン部５１が、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。   In the power semiconductor element cooling structure according to the second embodiment of the present invention, the pin fin portion 51 as the second portion is formed of a plurality of pin fins erected at intervals.

このように構成された、この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。   According to the cooling structure of the power semiconductor element in the second embodiment of the present invention configured as described above, the effect described in the first embodiment can be obtained similarly.

（実施の形態３）
図１１は、この発明の実施の形態３におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す平面図である。図１１は、実施の形態１における図３に対応する図である。図１２は、図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った冷却水通路の断面図である。本実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造は、実施の形態１におけるパワー半導体素子の冷却構造と比較して、部分的に同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。 (Embodiment 3)
FIG. 11 is a plan view showing a cooling structure for a power semiconductor element according to the third embodiment of the present invention. FIG. 11 is a diagram corresponding to FIG. 3 in the first embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view of the cooling water passage along line XII-XII in FIG. The power semiconductor element cooling structure in the present embodiment is partially provided with the same structure as that of the power semiconductor element cooling structure in the first embodiment. Hereinafter, the description of the overlapping structure will not be repeated.

図１１および図１２を参照して、本実施の形態では、冷却水通路２６が、複数のストレート部１５を有する。複数のチップ３１が、ストレート部１５に対向する位置に並んでいる。チップ３１が相対的に密に配置された領域１３には、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆが配設されており、チップ３１が相対的に疎に配置された領域１２には、その他のチップ３１が配設されている。チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆは、それぞれ、ストレート部１５に対向して並ぶ複数のチップ３１の中央部に配置されている。   With reference to FIGS. 11 and 12, in the present embodiment, cooling water passage 26 has a plurality of straight portions 15. A plurality of chips 31 are arranged at positions facing the straight portion 15. Chips 31D, 31E and 31F are arranged in the region 13 where the chips 31 are relatively densely arranged, and other chips 31 are arranged in the region 12 where the chips 31 are arranged relatively sparsely. It is arranged. The chips 31D, 31E, and 31F are respectively disposed at the center of the plurality of chips 31 that are arranged to face the straight portion 15.

本実施の形態では、フィン４１は、ストレートフィン部４２から構成されている。フィン４１は、領域１２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、フィン４１は、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆを除いた残りのチップ３１に重なるように設けられている。   In the present embodiment, the fin 41 is composed of a straight fin portion 42. The fin 41 is provided to face the region 12. That is, when the mounting surface 21a is viewed in plan, the fins 41 are provided so as to overlap the remaining chips 31 excluding the chips 31D, 31E, and 31F.

冷却水通路２６に向けて冷却水を供給する供給口２３は、冷却水通路２６の経路上に開口している。供給口２３は、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆに向い合って開口している。供給口２３から冷却水通路２６に供給された冷却水は、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆに向けて噴出される。   The supply port 23 for supplying the cooling water toward the cooling water passage 26 opens on the path of the cooling water passage 26. The supply port 23 opens toward the chips 31D, 31E, and 31F. The cooling water supplied from the supply port 23 to the cooling water passage 26 is ejected toward the chips 31D, 31E, and 31F.

このような構成により、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆの冷却効率が、他のチップ３１の冷却効率よりも優先的に改善される。また、全てのチップ３１に向けて冷却水を噴出するように供給口２３を設ける場合と比較して、冷却水流れの圧損を小さく抑えることができる。   With such a configuration, the cooling efficiency of the chips 31D, 31E, and 31F is preferentially improved over the cooling efficiency of the other chips 31. Moreover, compared with the case where the supply port 23 is provided so that the cooling water is ejected toward all the chips 31, the pressure loss of the cooling water flow can be suppressed to be small.

この発明の実施の形態３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に設けられ、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に延在する表面４２ａから形成されたフィン４１と、冷却水通路２６の経路上に開口し、複数のチップ３１のうちの一部のチップ３１としてのチップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆに向けて冷却水を噴出する冷媒供給部としての供給口２３とを備える。   The power semiconductor element cooling structure according to the third embodiment of the present invention includes a chip 31 as a plurality of power semiconductor elements mounted on the mounting surface 21a and a coolant that is formed facing the mounting surface 21a and cools the chip 31. A cooling water passage 26 serving as a coolant passage through which the cooling water flows, and fins formed in the cooling water passage 26 and formed from a surface 42 a extending in the cooling water flow direction along the cooling water passage 26. 41 and a supply port 23 serving as a refrigerant supply unit that opens on the path of the cooling water passage 26 and ejects cooling water toward the chips 31D, 31E, and 31F as some of the chips 31 of the plurality of chips 31. With.

このように構成された、この発明の実施の形態３におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。   According to the cooling structure of the power semiconductor element in the third embodiment of the present invention configured as described above, the same effect as that described in the first embodiment can be obtained.

なお、実施の形態１から３に説明したパワー半導体素子の冷却構造を適宜、組み合わせて、別の冷却構造を構成しても良い。以下、その一例について説明を行なう。   Note that another cooling structure may be configured by appropriately combining the power semiconductor element cooling structures described in the first to third embodiments. Hereinafter, an example thereof will be described.

図１３は、複数の実施の形態が組み合わされて構成されたインバータの冷却構造を示す断面図である。図１３を参照して、この例では、ケース体２１によって、冷却水通路２６ｐおよび２６ｑが互いに対向して形成されている。冷却水通路２６ｐに対して冷却水通路２６ｑの反対側と、冷却水通路２６ｑに対して冷却水通路２６ｐの反対側との双方に、チップ３１が配設されている。   FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a cooling structure of an inverter configured by combining a plurality of embodiments. Referring to FIG. 13, in this example, cooling water passages 26 p and 26 q are formed to face each other by case body 21. Chips 31 are arranged on both the opposite side of the cooling water passage 26q with respect to the cooling water passage 26p and on the opposite side of the cooling water passage 26p with respect to the cooling water passage 26q.

冷却水通路２６ｐと冷却水通路２６ｑとは、供給口２３を通じて連通している。供給口２３は、チップ３１と向い合うように冷却水通路２６ｑに開口している。冷却水通路２６ｐは、冷却水流れの上流側に配置され、冷却水通路２６ｑは、冷却水流れの下流側に配置されている。すなわち、冷却水通路２６ｐを流通する冷却水は、供給口２３を通って冷却水通路２６ｑに供給される。   The cooling water passage 26p and the cooling water passage 26q communicate with each other through the supply port 23. The supply port 23 opens to the cooling water passage 26q so as to face the chip 31. The cooling water passage 26p is disposed on the upstream side of the cooling water flow, and the cooling water passage 26q is disposed on the downstream side of the cooling water flow. That is, the cooling water flowing through the cooling water passage 26p is supplied to the cooling water passage 26q through the supply port 23.

冷却水通路２６ｐには、実施の形態１におけるストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とからなるフィン４１が配設されている。冷却水通路２６ｐには、実施の形態２におけるストレートフィン部４２とピンフィン部５１とからなるフィン４１が配設されても良い。冷却水通路２６ｑには、実施の形態３におけるストレートフィン部４２からなるフィン４１が配設されている。   The cooling water passage 26p is provided with the fin 41 composed of the straight fin portion 42 and the wave fin portion 43 in the first embodiment. The cooling water passage 26p may be provided with the fin 41 composed of the straight fin portion 42 and the pin fin portion 51 in the second embodiment. The fin 41 which consists of the straight fin part 42 in Embodiment 3 is arrange | positioned in the cooling water channel | path 26q.

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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

ＨＶシステムの冷却系を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling system of an HV system. ＨＶシステムの主要部を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows the principal part of an HV system. 図１中のインバータの冷却構造を示す平面図である。It is a top view which shows the cooling structure of the inverter in FIG. 図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったインバータの断面図である。It is sectional drawing of the inverter along the IV-IV line in FIG. 図３中の冷却水通路を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a cooling water passage in FIG. 3. 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。It is a figure which shows the method of comparing the heat transfer coefficient of a cooling water and a fin between a wave fin part and a straight fin part. 図３中のチップの温度を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of the chip | tip in FIG. 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。FIG. 6 is a perspective view of a cooling water passage showing a modification of the fin in FIG. チップの温度のばらつきを示すグラフである。It is a graph which shows the dispersion | variation in the temperature of a chip | tip. この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cooling structure of the power semiconductor element in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態３におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す平面図である。It is a top view which shows the cooling structure of the power semiconductor element in Embodiment 3 of this invention. 図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った冷却水通路の断面図である。It is sectional drawing of the cooling water path along the XII-XII line | wire in FIG. 複数の実施の形態が組み合わされて構成されたインバータの冷却構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cooling structure of the inverter comprised by combining several embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１１，１２，１３，１４ 領域、２１ａ 搭載面、２３ 供給口、２６，２６ｐ，２６ｑ 冷却水通路、３１，３１Ａ〜３１Ｆ チップ、４１ フィン、４２ ストレートフィン部、４２ａ，４３ａ 表面、４３ ウェーブフィン部、５１ ピンフィン部、１３０ インバータ。   11, 12, 13, 14 region, 21a mounting surface, 23 supply port, 26, 26p, 26q cooling water passage, 31, 31A to 31F chip, 41 fin, 42 straight fin portion, 42a, 43a surface, 43 wave fin portion , 51 Pin fin part, 130 Inverter.

Claims (3)

搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、
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、前記冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に交差する方向に延在する表面を有し、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、
前記冷媒通路は、直線状に延びるストレート部と、前記ストレート部に接続され、湾曲しながら延びる湾曲部とを有し、
前記搭載面上には、前記ストレート部に対向する第１領域と、前記ストレート部に対向し、前記第１領域よりも前記複数のパワー半導体素子が密に配置された第２領域と、前記湾曲部に対向する第３領域とが形成され、
前記第１の部分は、前記第１領域および前記第３領域に対向して設けられ、前記第２の部分は、前記第２領域に対向して設けられている、パワー半導体素子の冷却構造。 A plurality of power semiconductor elements mounted on the mounting surface;
A refrigerant passage formed to face the mounting surface and through which a refrigerant for cooling the plurality of power semiconductor elements flows;
A fin having a first portion and a second portion provided in the refrigerant passage and disposed in different sections on a path of the refrigerant passage;
The first portion is formed from a surface extending in the flow direction of the refrigerant along the path of the refrigerant passage,
The second part has a surface extending in a direction intersecting the refrigerant flow direction along the path of the refrigerant passage, and is provided in a form in which a heat transfer coefficient with the refrigerant is larger than that of the first part. It is,
The refrigerant passage has a straight portion that extends linearly, and a curved portion that is connected to the straight portion and extends while being curved,
On the mounting surface, a first region facing the straight portion, a second region facing the straight portion and where the plurality of power semiconductor elements are arranged more densely than the first region, and the curve A third region facing the portion is formed,
The power semiconductor element cooling structure , wherein the first portion is provided to face the first region and the third region, and the second portion is provided to face the second region . 前記第２の部分は、設置面上に立設され、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に記載のパワー半導体素子の冷却構造。   2. The power semiconductor element cooling structure according to claim 1, wherein the second part is formed of a wave fin that is erected on an installation surface and extends while undulating along a path of the refrigerant passage. 搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、
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延在する表面から形成されており、
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、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、
前記冷媒通路は、直線状に延びるストレート部と、前記ストレート部に接続され、湾曲しながら延びる湾曲部とを有し、
前記搭載面上には、前記ストレート部に対向する第１領域と、前記ストレート部に対向し、前記第１領域よりも前記複数のパワー半導体素子が密に配置された第２領域と、前記湾曲部に対向する第３領域とが形成され、
前記第１の部分は、前記第１領域および前記第３領域に対向して設けられ、前記第２の部分は、前記第２領域に対向して設けられている、パワー半導体素子の冷却構造。 A plurality of power semiconductor elements mounted on the mounting surface;
A refrigerant passage formed to face the mounting surface and through which a refrigerant for cooling the plurality of power semiconductor elements flows;
A fin having a first portion and a second portion provided in the refrigerant passage and disposed in different sections on a path of the refrigerant passage;
The first portion is formed from a surface extending in the flow direction of the refrigerant along the path of the refrigerant passage,
The second part is formed of a plurality of pin fins standing upright apart from each other, and is provided in a form in which a heat transfer coefficient with the refrigerant is larger than that of the first part .
The refrigerant passage has a straight portion that extends linearly, and a curved portion that is connected to the straight portion and extends while being curved,
On the mounting surface, a first region facing the straight portion, a second region facing the straight portion and where the plurality of power semiconductor elements are arranged more densely than the first region, and the curve A third region facing the portion is formed,
The power semiconductor element cooling structure , wherein the first portion is provided to face the first region and the third region, and the second portion is provided to face the second region .
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