JP4789813B2 - 半導体素子の冷却構造 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子の冷却構造に関し、特に、冷媒流路を有するヒートシンク上に搭載される半導体素子の冷却構造に関する。
半導体素子などの発熱体を冷却するための冷却装置が従来から知られている。たとえば、特開2004−103936号公報(特許文献1)には、半導体素子からの熱を逃がすヒートシンクを備えた半導体装置が記載されている。ここでは、冷媒の流路を構成するカバーの内壁に複数の突起が設けられている。
また、特開平10−200278号公報(特許文献2)には、冷却風の流通方向に対して波形状に連続して屈曲した形状のフィンを有する冷却装置が記載されている。
また、特開2004−119939号公報(特許文献3)には、ヒートシンク内にワイヤのループを設けて冷却効率を向上させることが記載されている。
また、特開2001−352025号公報(特許文献4)には、冷媒の流入口からの距離によって流路幅を変化させた冷却装置が記載されている。
特開2004−103936号公報 特開平10−200278号公報 特開2004−119939号公報 特開2001−352025号公報
ヒートシンク内に形成された冷媒流路に冷媒を流すとき、その冷媒流路の下流側に向かうにつれて冷媒流路の壁面上に境界層が発達する。境界層では冷媒の流速が低いため、境界層の発達は、冷却効率の低下に繋がる。
冷却効率を向上させる観点からは、たとえば流路を微細化して伝熱面積を増大させることなどが考えられる。しかしながら、流路を微細化した場合、圧損が増大する。
また、冷媒が沸騰する沸騰冷却時においては、伝熱面上に気泡膜が形成され、この気泡膜により冷媒による冷却が阻害される場合がある。
上記の境界層や気泡膜の発達を妨げるためには、冷媒の流れに乱れを生じさせることが好ましい。しかしながら、上記の特許文献1〜4には、必ずしも効果的な乱れを生じさせて冷却効率を向上させることが可能な構成は開示されていない。たとえば、特許文献1では、冷媒流路を構成するケースの内面に突起が形成されているが、この突起は冷媒の流れ方向に沿って延びるものであり、この突起によって必ずしも十分に乱れの発生を促進して冷却効率を向上させることはできない。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、冷却効率の高い半導体素子の冷却構造を提供することにある。
本発明に係る半導体素子の冷却構造は、複数の半導体素子と、複数の半導体素子が搭載される搭載面を有し、内部に複数の半導体素子が並ぶ方向に該複数の半導体素子の冷却用の冷媒が流れる冷媒流路が形成されたヒートシンクと、ヒートシンクにおける搭載面と反対側に位置する部分に設けられ、冷媒の流れ方向と交差する方向に延在し、冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出する複数の突出部とを備え、複数の突出部は、各々、複数の半導体素子の近傍であって複数の半導体素子の冷媒の流れ方向における中心よりも上流側に各々位置するように設けられ、ヒートシンクは、搭載面を含む第1部材と、該第1部材と対向するように設けられる第2部材とを含み、第1部材は、冷媒流路に沿って形成され冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出する複数のフィンを有し、第2部材は、フィンの長手方向の一部において、複数のフィンの間に嵌合されるように形成された突出部を有し、フィンは、該フィンにより仕切られたチャネル型の冷媒流路が構成されるように、冷媒流路の高さを規定し、複数の突出部は、冷媒の流れの上流側から複数の半導体素子の直下に位置するヒートシンクの搭載面に冷媒の流れを衝突させ、複数の半導体素子のうち1つの半導体素子の近傍に位置する1つの突出部と、1つの半導体素子に対して冷媒の流れ方向の下流側に隣接する他の半導体素子の近傍に設けられる他の突出部との間では、冷媒流路の断面形状が一定である。
上記構成によれば、冷媒流路の底面から突出する突出部が設けられることにより、半導体素子の近傍において、搭載面側の流速が大きい流速分布を生じさせるとともに、冷媒の流れに乱れを発生させて境界層の成長を抑制することができる。この結果、冷媒による熱伝達効率が向上し、半導体素子の冷却効率が向上する。上記構成によれば、フィンと突出部とを嵌合させるように第1と第2部材を組合わせることで、ヒートシンクを構成する際の第1と第2部材の位置決めが容易になる。
上記半導体素子の冷却構造は、好ましくは、ヒートシンクにおける複数の突出部と対向する部分に各々設けられ、冷媒の流れ方向と交差する方向に延在し、冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出し、複数の突出部よりも上流側に各々位置する複数の他の突出部をさらに備える。
上記構成によれば、冷媒流路の上面と底面とに設けられた一対の突出部により、半導体素子の搭載部に向かう冷媒の流れが形成しやすくなるので、半導体素子の冷却効率がさらに向上する。
なお、上記構成において「冷媒の流れ方向と交差する方向に延在する」とは、冷媒の流れ方向と交差するように連続的に延在する場合と、冷媒の流れ方向と交差するように断続的に延在する場合とを含む。
1つの例として、上記半導体素子の冷却構造において、半導体素子は、車両を駆動する回転電機を制御する制御装置に含まれる。
本発明によれば、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
図1は、本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用されるPCUの主要部の構成を示す回路図である。なお、図1に示されるPCU100は、「車両を駆動する回転電機の制御装置」である。
図1を参照して、PCU100は、コンバータ110と、インバータ120,130と、制御装置140と、コンデンサC1,C2とを含んで構成される。コンバータ110は、バッテリBとインバータ120,130との間に接続され、インバータ120,130は、それぞれ、モータジェネレータMG1,MG2と接続される。
コンバータ110は、パワートランジスタQ1,Q2と、ダイオードD1,D2と、リアクトルLとを含む。パワートランジスタQ1,Q2は直列に接続され、制御装置140からの制御信号をベースに受ける。ダイオードD1,D2は、それぞれパワートランジスタQ1,Q2のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタQ1,Q2のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルLは、バッテリBの正極と接続される電源ラインPL1に一端が接続され、パワートランジスタQ1,Q2の接続点に他端が接続される。
このコンバータ110は、リアクトルLを用いてバッテリBから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインPL2に供給する。また、コンバータ110は、インバータ120,130から受ける直流電圧を降圧してバッテリBを充電する。
インバータ120,130は、それぞれ、U相アーム121U,131U、V相アーム121V,131VおよびW相アーム121W,131Wを含む。U相アーム121U、V相アーム121VおよびW相アーム121Wは、ノードN1とノードN2との間に並列に接続される。同様に、U相アーム131U、V相アーム131VおよびW相アーム131Wは、ノードN1とノードN2との間に並列に接続される。
U相アーム121Uは、直列接続された2つのパワートランジスタQ3,Q4を含む。同様に、U相アーム131U、V相アーム121V,131VおよびW相アーム121W,131Wは、それぞれ、直列接続された2つのパワートランジスタQ5〜Q14を含む。また、各パワートランジスタQ3〜Q14のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードD3〜D14がそれぞれ接続されている。
インバータ120,130の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータMG1,MG2の各相コイルの各相端に接続されている。そして、モータジェネレータMG1,MG2においては、U,V,W相の3つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。
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。また、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。
インバータ120,130は、制御装置140からの駆動信号に基づいて、コンデンサC2からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータMG1,MG2を駆動する。
制御装置140は、モータトルク指令値、モータジェネレータMG1,MG2の各相電流値、およびインバータ120,130の入力電圧に基づいてモータジェネレータMG1,MG2の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタQ3〜Q14をオン/オフするPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成してインバータ120,130へ出力する。
また、制御装置140は、上述したモータ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120,130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し、その演算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110へ出力する。
さらに、制御装置140は、モータジェネレータMG1,MG2によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリBを充電するため、コンバータ110およびインバータ120,130におけるパワートランジスタQ1〜Q14のスイッチング動作を制御する。
PCU100の動作時において、コンバータ110およびインバータ120,130を構成するパワートランジスタQ1〜Q14およびダイオードD1〜D14は発熱する。したがって、これらの半導体素子の冷却を促進するための冷却構造を設ける必要がある。
図2は、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図であり、図3は、図2におけるIII−III断面図である。また、図4は、図2,図3に示される冷却構造の分解斜視図である。図2〜図4を参照して、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造は、半導体素子1と、半導体素子1が搭載されるヒートシンク2とを含んで構成される。
半導体素子1は、たとえば図1におけるパワートランジスタQ1〜Q14およびダイオードD1〜D14である。図2の例では、半導体素子1として、複数の半導体素子11,12が示される。半導体素子1(11,12)は、搭載構造1Aを介してヒートシンク2上に搭載される。ヒートシンク2は、たとえば銅やアルミニウムなどの熱伝達率の比較的高い金属により構成される。また、ヒートシンク2は、第1部材21と第2部材22とを含んで構成される。第1と第2部材21,22の間には、冷媒流路20が形成されている。冷媒流路20内に冷媒が流されることにより、半導体素子1の冷却が行なわれる。
図3,図4に示すように、第1部材21は、第2部材22に向かって突出する複数のフィン4を有する。フィン4は、冷媒流路20の延在方向、すなわち、冷媒が流れる方向(矢印DR1方向)に沿って延在している。また、第2部材22は、第1部材21に向かって突出する複数の突出部3を有する。複数の突出部3とフィン4とは、図3に示すように、互いに噛み合うように設けられている。また、フィン4は、冷媒流路20の高さを規定している。なお、ヒートシンク2を形成する際は、図4に示すように、突出部3とフィン4とを嵌合させるように第1と第2部材21,22が矢印β方向に沿って組合わされる。以上のようにして、ヒートシンク2内に、フィン4により仕切られたチャネル型の冷媒流路20が構成されている。
冷媒流路20に冷媒を流して半導体素子1の冷却を行なう際、冷媒流路20の壁面近傍では、境界層が発達し、冷媒の流速が小さくなりやすい傾向にある。また、冷媒が沸騰する沸騰冷却時には、半導体素子1の搭載部の下部に位置する冷媒流路20の上面20B上には、気泡膜が形成される。冷媒流路20の上面20B側において冷媒の流速が低下したり気泡膜が形成されることにより、半導体素子1の冷却効率が低下しやすくなる。
本願発明者らは、冷媒の流れ方向(矢印DR1方向)と交差する方向に延在し、冷媒流路20の底面20Aから冷媒流路20の内方に向けて突出する突出部3(31,32)を形成することで、半導体素子1の冷却効率を向上させることを考案した。再び図2を参照して、突出部3は、矢印DR1方向に並ぶ突出部31,32を含む。突出部31,32は、それぞれ、冷媒流路20における半導体素子11,12の近傍に位置する部分に形成される。突出部31,32は、冷媒の流れ方向と交差する方向(矢印DR2方向)に沿って断続的に延びる(フィン4により分断される)ように形成されている。図2の例では、半導体素子11,12の上流側に、それぞれ突出部31,32が形成されている。なお、図2中の矢印αは、局所的な冷媒の流れを示す。
上記のような突出部3を設けることにより、半導体素子1の搭載位置において、冷媒の流れを偏向させ、乱れを発生させるとともに、半導体素子1の搭載面側の冷媒の流速を増大させて、境界層の発達を抑制することができる。以上の結果として、半導体素子1の冷却効率が向上する。
なお、突出部3が設けられる位置は、適宜変更可能であるが、典型的には、各半導体素子1の上流側に位置するように設けられる。たとえば、図2の例では、半導体素子12の上流側に設けられる突出部32は、半導体素子11,12の間(換言すると、半導体素子11の下流側であって半導体素子12の上流側)に設けられている。なお、突出部3は、半導体素子1とオーバーラップするように設けられてもよい。たとえば、図2に示される突出部32は、半導体素子12の直下に設けられてもよい。このような場合であっても、突出部32が半導体素子12の(矢印DR1方向の)中心よりも上流側に設けられている場合には、上記と同様の効果が期待できる。
また、上記の位置に突出部3が設けられることで、冷媒流路20を流れる冷媒の流れは半導体素子1に向けられる。半導体素子1に向けられた冷媒の流れが半導体素子1の直下に位置する冷媒流路20の上面20Bに衝突することにより、上述した気泡膜が破壊される。以上の結果として、半導体素子1の冷却効率がさらに向上する。
図5は、図2〜図4に示される冷却構造の変形例を示す断面図である。図5を参照して、本変形例においては、第2部材22から上方に向けて突出する突出部3Aが設けられるとともに、第1部材21から下方に向けて突出する突出部2Bが設けられている。換言すると、図5の例では、冷媒流路20の底面20Aから冷媒流路20の内方に向けて突出する突出部3Aと、冷媒流路20の上面20Bから冷媒流路20の内方に向けて突出する突出部3Bとが設けられている。なお、図5の例においても、突出部3A,3Bは,冷媒の流れ方向と交差する方向に延びるように設けられている。また、図5中の矢印αは、局所的な冷媒の流れを示す。
上記のような一対の突出部3A,3Bを設けることにより、ヒートシンク2における半導体素子1の直下に位置する部分(たとえば図5中のA部)に向かう冷媒の流れが、より誘導されやすくなる。したがって、半導体素子1の冷却効率のさらなる向上が期待できる。
図2〜図5の例では、第1と第2部材21,22により冷媒流路20を構成する場合について説明したが、ヒートシンク2は、たとえば、図6に示すように、1つの部材によりその内部に中空状流路を形成するものであってもよい。なお、図6の例では、1本の扁平管の下面(半導体素子1の搭載面に対向する面)に凹み5Aを設け、上面(半導体素子1の搭載面)に凹み5Bを設けることにより、冷媒流路20の底面20Aおよび上面20Bから突出する突出部を形成している。なお、図6の例でも、突出部を形成するための凹み5A,5Bは、冷媒の流れ方向(矢印DR1方向)に交差する方向に延びるように形成されている。また、図6中の矢印αは、局所的な冷媒の流れを示す。
図6に示される構成によっても、図2〜図5と同様に、半導体素子1の冷却効率を向上させることができる。また、半導体素子1の発熱により、扁平管に生じる応力が増大する場合があるが、上記の凹み5A,5Bを設けることにより、この応力増大を緩和する効果も得ることができる。
なお、突出部の形状は、図2〜図6において説明した形態に限定されず、たとえば、図7,図8に示すような三角形の形状を採用することも可能である。
図9は、上述した冷却構造を構成するヒートシンクを示す斜視図である。また、図10は、図9に示すヒートシンクに半導体素子を搭載した状態の一例を示す上面図である。図9,図10を参照して、ヒートシンク2は、半導体素子1が搭載される搭載面2Aを有する。図10に示すように、コンバータ110およびインバータ120,130に含まれる半導体素子1(パワートランジスタQ1〜Q14およびダイオードD1〜D14)が搭載面2A上に搭載される。ヒートシンク2は、入口部6および出口部7を有する。ラジエータ(図示せず)において冷却された冷媒は、入口部6からヒートシンク2内に流入し、ヒートシンク2内に形成された冷媒流路20を流れる。冷媒流路20を流れた冷媒は、出口部7から流出し、ラジエータに導かれ、再び冷却される。このようにして、半導体素子1の冷却が促進される。
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造は、半導体素子12および「他の半導体素子」としての半導体素子11を含む半導体素子1と、半導体素子1が搭載される搭載面2Aを有し、内部に半導体素子1の冷却用の冷媒が流れる冷媒流路20が形成されたヒートシンク2と、ヒートシンク2における搭載面2Aと反対側に位置する部分に設けられ、冷媒の流れ方向(矢印DR1方向)と交差する方向(矢印DR2方向)に延在し、冷媒流路20の底面20Aから該冷媒流路20の内方に向かって突出する突出部3とを備える。図2〜図4の例では、半導体素子11,12は、半導体素子11が半導体素子12よりも上流側に位置するように矢印DR1方向に並んで配置され、半導体素子12用の突出部32は、半導体素子11よりも下流側であって半導体素子12の矢印DR1方向における中心よりも上流側に位置するように設けられる。
また、図2〜図4の例では、ヒートシンク2は、搭載面2Aを含む第1部材21と、第1部材21と対向するように設けられる第2部材22とを含む。ここで、第1部材21は、冷媒流路20に沿って形成され冷媒流路20の上面20Bから冷媒流路20の内方に向かって突出する複数のフィン4を有する。また、第2部材22は、フィン4の長手方向の一部において、複数のフィン4の間に嵌合されるように形成され冷媒流路20の底面20Aから冷媒流路20の内方に向かって突出する突出部3を有する。
また、図5の例では、冷媒の流れ方向と交差する方向に延在し、冷媒流路20の底面20Aから冷媒流路20の内方に向かって突出する突出部3Aと、冷媒の流れ方向と交差する方向に延在し、冷媒流路20の上面20Bから冷媒流路20の内方に向かって突出し、突出部3Aよりも上流側に位置する「他の突出部」としての突出部3Bとが設けられている。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、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。
本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用されるPCUの主要部の構成を示す回路図である。 本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図である。 図2におけるIII−III断面図である。 図2,図3に示される冷却構造の分解斜視図である。 本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の変形例を示す断面図である。 本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の他の変形例を示す断面図である。 図2〜図6に示される冷却構造における突出部の変形例を示す図である。 図2〜図6に示される冷却構造における突出部の他の変形例を示す図である。 本発明の1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を構成するヒートシンクを示す斜視図である。 図9に示されるヒートシンクに半導体素子を搭載した状態の一例を示す上面図である。
符号の説明
1,11,12 半導体素子、1A 搭載構造、2 ヒートシンク、2A 搭載面、3,3A,3B,31,32 突出部、4 フィン、5A,5B 凹み、6 入口部、7 出口部、20 冷媒流路、20A 底面、20B 上面、21 第1部材、22 第2部材、100 PCU、110 コンバータ、120,130 インバータ、121U,131U U相アーム、121V,131V V相アーム、121W,131W W相アーム、140 制御装置、B バッテリ、C1,C2 コンデンサ、D1〜D14 ダイオード、L リアクトル、PL1,PL2,PL3 電源ライン、Q1〜Q14 パワートランジスタ。

Claims (3)

  1. 複数の半導体素子と、
    前記複数の半導体素子が搭載される搭載面を有し、内部に前記複数の半導体素子が並ぶ方向に該複数の半導体素子の冷却用の冷媒が流れる冷媒流路が形成されたヒートシンクと、
    前記ヒートシンクにおける前記搭載面と反対側に位置する部分に設けられ、前記冷媒の流れ方向と交差する方向に延在し、前記冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出する複数の突出部とを備え、
    前記複数の突出部は、各々、前記複数の半導体素子の近傍であって前記複数の半導体素子の前記冷媒の流れ方向における中心よりも上流側に各々位置するように設けられ
    前記ヒートシンクは、前記搭載面を含む第1部材と、該第1部材と対向するように設けられる第2部材とを含み、
    前記第1部材は、前記冷媒流路に沿って形成され前記冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出する複数のフィンを有し、
    前記第2部材は、前記フィンの長手方向の一部において、複数の前記フィンの間に嵌合されるように形成された前記突出部を有し、
    前記フィンは、該フィンにより仕切られたチャネル型の前記冷媒流路が構成されるように、前記冷媒流路の高さを規定し、
    前記複数の突出部は、前記冷媒の流れの上流側から前記複数の半導体素子の直下に位置する前記ヒートシンクの前記搭載面に前記冷媒の流れを衝突させ
    前記複数の半導体素子のうち1つの前記半導体素子の近傍に位置する1つの前記突出部と、前記1つの半導体素子に対して前記冷媒の流れ方向の下流側に隣接する他の前記半導体素子の近傍に設けられる他の前記突出部との間では、前記冷媒流路の断面形状が一定である、半導体素子の冷却構造。
  2. 前記ヒートシンクにおける前記複数の突出部と対向する部分に各々設けられ、前記冷媒の流れ方向と交差する方向に延在し、前記冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出し、前記複数の突出部よりも上流側に各々位置する複数の他の突出部をさらに備えた、請求項1に記載の半導体素子の冷却構造。
  3. 前記半導体素子は、車両を駆動する回転電機を制御する制御装置に含まれる、請求項1または請求項2に記載の半導体素子の冷却構造。
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