JP5057838B2 - Power semiconductor element cooling device - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体素子を冷却するためのパワー半導体素子の冷却装置に関する。   The present invention relates to a power semiconductor element cooling apparatus for cooling a power semiconductor element.

一般に、パワー半導体素子の冷却装置は、パワー半導体素子モジュールを空冷ヒートシンクに取り付けて自然冷却またはファンで強制冷却するように構成されている。図９は、従来のパワー半導体素子の冷却装置の説明図である。パワー半導体モジュール１はサーマルインターフェースマテリアル５を介して、例えばボルト締めによる加圧接触などで空冷ヒートシンク８に接続される。   Generally, a power semiconductor element cooling device is configured to attach a power semiconductor element module to an air-cooled heat sink and to perform natural cooling or forced cooling with a fan. FIG. 9 is an explanatory diagram of a conventional cooling device for a power semiconductor element. The power semiconductor module 1 is connected to the air-cooled heat sink 8 through the thermal interface material 5 by, for example, pressure contact by bolting.

パワー半導体モジュール１は、パワー半導体素子２、絶縁板３、電極端子４から構成され、空冷ヒートシンク８にサーマルインターフェースマテリアル５を介して接続される。サーマルインターフェースマテリアル５は、グリース、弾性パッド、サーマルテープ、フェーズチェンジマテリアル、ゲル、熱伝導性接着材、ハンダなどである。また、空冷ヒートシンク８は受熱ブロック６及び放熱フィン７とから構成され、放熱フィン７はファン９からの強制風で冷却される。   The power semiconductor module 1 includes a power semiconductor element 2, an insulating plate 3, and electrode terminals 4, and is connected to an air-cooled heat sink 8 via a thermal interface material 5. The thermal interface material 5 is grease, an elastic pad, a thermal tape, a phase change material, a gel, a thermally conductive adhesive, solder, or the like. The air-cooled heat sink 8 includes a heat receiving block 6 and heat radiating fins 7, and the heat radiating fins 7 are cooled by forced air from the fan 9.

パワー半導体素子２で構成される電力変換装置の運転時において、パワー半導体素子２で発生する熱は、パワー半導体モジュール１から、接触境界であるサーマルインターフェースマテリアル５、空冷ヒートシンク８の受熱ブロック６、空冷ヒートシンク８の放熱フィン７を通過して、周囲環境（大気）へ放熱される。   During operation of the power conversion device composed of the power semiconductor element 2, the heat generated in the power semiconductor element 2 is transmitted from the power semiconductor module 1 to the thermal interface material 5 that is a contact boundary, the heat receiving block 6 of the air cooling heat sink 8, and air cooling. The heat is dissipated to the surrounding environment (atmosphere) through the heat dissipating fins 7 of the heat sink 8.

強制空冷の場合、パワー半導体素子２の発熱密度（数十Ｗ／ｃｍ２）に対して、空冷ヒートシンク８の放熱フィン７の熱伝達率（数十Ｗ／ｍ２Ｋ）が低く、許容する温度差（数十℃）から、放熱面積は発熱面積の数百倍に拡大する必要がある。自然空冷では、熱伝達率はより低い（数Ｗ／ｍ２Ｋ）ので、さらに拡大する必要がある。 In the case of forced air cooling, the heat transfer rate (several tens W / m 2 K) of the radiation fins 7 of the air cooling heat sink 8 is lower than the heat generation density (several tens W / cm 2 ) of the power semiconductor element 2, and the allowable temperature. Due to the difference (several tens of degrees Celsius), it is necessary to expand the heat dissipation area to several hundred times the heat generation area. In natural air cooling, the heat transfer coefficient is lower (several W / m 2 K) and needs to be further expanded.

この拡大過程において、熱伝導抵抗（固体熱伝導による熱抵抗）、接触熱抵抗（固体と固体の接触による熱抵抗）、広がり熱抵抗（発熱部品からの熱が４５°の角度で広がりながら空冷ヒートシンクまで伝わることの熱抵抗）、フィン効率（フィン全体の温度が一様でないことの補正）、空冷ヒートシンク効率（入風温度と出風温度が一様でないことの補正）などの冷却を妨げる要因があるため、パワー半導体モジュール１の体積に比べて、空冷ヒートシンク８の体積は非常に大きくなる。 実際には、強制空冷の場合、電力変換装置のパワー半導体素子２をディレーティング（負担軽減）して使うことで、空冷ヒートシンク８の体積を実用的な範囲まで抑えて使用する。   In this expansion process, heat conduction resistance (heat resistance due to solid heat conduction), contact heat resistance (heat resistance due to contact between solid and solid), spread heat resistance (air cooling heat sink while the heat from the heat generating component spreads at an angle of 45 °) Factors that hinder cooling such as fin efficiency (correction that the temperature of the entire fin is not uniform), air cooling heat sink efficiency (correction that the inlet and outlet temperatures are not uniform) Therefore, the volume of the air-cooled heat sink 8 is very large compared to the volume of the power semiconductor module 1. Actually, in the case of forced air cooling, the power semiconductor element 2 of the power converter is used after being derated (load reduction), thereby reducing the volume of the air cooling heat sink 8 to a practical range.

従来の具体例として、大型IGBTモジュールと冷却装置で構成した電力変換装置について述べる。周囲温度４０℃でジャンクション温度１２５℃までとすれば、空冷ヒートシンクは幅３３０ｍｍ×長さ３００ｍｍ×高さ１１０ｍｍ−フィンピッチ４ｍｍ−フィン厚さ０．８ｍｍで、ファンの大きさは１２０ｍｍファン×３並列で強制冷却するのが妥当な一例となる。   As a conventional example, a power conversion device composed of a large IGBT module and a cooling device will be described. If the ambient temperature is 40 ° C and the junction temperature is 125 ° C, the air-cooled heat sink has a width of 330mm x length of 300mm x height of 110mm-fin pitch of 4mm-fin thickness of 0.8mm, and the fan size is 120mm fan x 3 in parallel. A reasonable example is forced cooling at.

この場合、大型IGBTモジュールの熱抵抗は約０．０１３Ｋ／Ｗ（接触含む）、冷却装置の熱抵抗は０．０２８Ｋ／Ｗで、許容可能な発熱損失は約２０００Ｗとなる。空冷ヒートシンク体積１０８９０ｃｍ３で重量８．５ｋｇなので、重量熱抵抗（空冷ヒートシンクの性能指数の１つ）は０．２４ｋｇＫ／Ｗである。 In this case, the thermal resistance of the large IGBT module is about 0.013 K / W (including contact), the thermal resistance of the cooling device is 0.028 K / W, and the allowable heat loss is about 2000 W. Since the air cooling heat sink volume is 10890 cm 3 and the weight is 8.5 kg, the weight heat resistance (one of the performance indexes of the air cooling heat sink) is 0.24 kgK / W.

ここで、空冷ヒートシンク体積を小型化して、パワー半導体素子２をディレーティングせずに使うためには、発生する熱を効率良く逃がすための冷却手段が必要である。その１つの手段は、ヒートパイプ式や沸騰式などの冷媒の蒸発凝縮による潜熱と移動を利用して熱輸送を行う冷却器で、空冷ヒートシンク体積を約１／２〜１／３にすることが可能であり、この空冷ヒートシンクは電気車両用の冷却装置としてもよく用いられる（例えば、特許文献１参照）。   Here, in order to reduce the volume of the air-cooled heat sink and use the power semiconductor element 2 without derating, a cooling means for efficiently releasing generated heat is necessary. One of the means is a cooler that performs heat transport using latent heat and movement caused by evaporative condensation of a refrigerant such as a heat pipe type or a boiling type, and the volume of the air-cooled heat sink can be reduced to about 1/2 to 1/3. This air-cooled heat sink is often used as a cooling device for electric vehicles (see, for example, Patent Document 1).

もう1つの手段は、水冷式などのポンプで冷媒を強制循環して熱輸送を行う冷却器である。近年では、ＩＣチップやパワー半導体素子２の高発熱密度化に伴って、発熱部品の直近にマイクロチャネルを構成することで熱伝導抵抗を減らし、放熱面積を増大して冷媒への熱伝達抵抗を減らす。これにより、冷却可能な熱流速を増大して、高発熱密度の発熱部品の冷却を可能にしているものもある（例えば、特許文献２参照）。また、衝突噴流を用いて、熱伝達抵抗を減らし、同様な効果を得るものもある。
特開２０００−６０１０６号公報 特開平６−３２６２２６号公報 Another means is a cooler that forcibly circulates the refrigerant with a water-cooled pump or the like to transfer heat. In recent years, with the increase in heat generation density of IC chips and power semiconductor elements 2, the heat conduction resistance is reduced by configuring the microchannel in the immediate vicinity of the heat generation component, and the heat dissipation resistance is increased to increase the heat transfer resistance to the refrigerant. cut back. As a result, the heat flow rate that can be cooled is increased to enable cooling of heat-generating components having a high heat generation density (see, for example, Patent Document 2). In addition, there is also one that uses a collision jet to reduce heat transfer resistance and obtain a similar effect.
JP 2000-60106 A JP-A-6-326226

しかしながら、従来のパワー半導体素子の冷却装置では、パワー半導体素子２をディレーティング（負担軽減）する必要はなくなるが、冷媒の循環による熱輸送機構が必要なため、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めた空冷ヒートシンク全体のコストは増大する。すなわち、受熱ブロックは小型化できるが、周囲環境（大気）へ放熱するには、別に気液式熱交換器が必要であり、さらに周辺部品（駆動ポンプやチューブ）を含めれば、水冷式冷却器全体の体積は、ヒートパイプ式や沸騰式冷却器と同等以上となる。   However, in the conventional power semiconductor element cooling device, it is not necessary to derate the power semiconductor element 2, but a heat transport mechanism by circulation of the refrigerant is necessary, so that the heat receiving block, the heat transport mechanism, the radiating fins are required. The cost of the entire air-cooled heat sink including the temperature increases. In other words, although the heat receiving block can be reduced in size, a separate gas-liquid heat exchanger is required to dissipate heat to the surrounding environment (atmosphere), and if a peripheral component (drive pump or tube) is included, a water-cooled cooler The total volume is equal to or greater than that of a heat pipe type or boiling type cooler.

また、受熱ブロックと放熱フィンとが分離できるので、レイアウトの自由度は高いが、受熱ブロック、熱輸送機構、放熱フィンを含めた空冷ヒートシンク全体の体積は、それほど小さくならない（約１／２〜１／３）。さらに冷媒の凍結や液漏れに対する対策が必要となる。   Further, since the heat receiving block and the heat radiating fin can be separated, the degree of freedom of layout is high, but the volume of the entire air-cooled heat sink including the heat receiving block, the heat transport mechanism, and the heat radiating fin is not so small (about 1/2 to 1). / 3). Furthermore, measures against freezing of refrigerant and liquid leakage are required.

本発明の目的は、パワー半導体素子の温度を低く保ち空冷ヒートシンク体積を小型にでき、安価で信頼性の高いパワー半導体素子の冷却装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a power semiconductor element cooling device that can keep the temperature of the power semiconductor element low and reduce the volume of the air-cooled heat sink, and is inexpensive and highly reliable.

本発明のパワー半導体素子の冷却装置は、パワー半導体モジュールの発熱を空冷ヒートシンクで放熱するパワー半導体素子の冷却装置において、複数のパワー半導体モジュールと複数の空冷ヒートシンクとを積み重ねて形成され前記空冷ヒートシンクに冷却風を送風するファンを有し、前記空冷ヒートシンクの放熱フィンのフィン高さは、所定範囲のフィン長さに対してフィン高さをパラメータとした重量熱抵抗が所定範囲となるフィン高さとし、放熱フィンのフィン厚さは、所定範囲のフィン長さに対してフィン厚さをパラメータとしたフィンピッチが所定範囲となるフィン厚さとし、放熱フィンは薄肉かつ狭ピッチに形成されたことを特徴とする。 The power semiconductor element cooling apparatus of the present invention is a power semiconductor element cooling apparatus that dissipates heat generated by a power semiconductor module with an air-cooled heat sink, and is formed by stacking a plurality of power semiconductor modules and a plurality of air-cooled heat sinks. A fan that blows cooling air, and the fin height of the radiating fin of the air-cooled heat sink is a fin height in which the weight thermal resistance with the fin height as a parameter is a predetermined range with respect to the fin length of the predetermined range, The fin thickness of the radiating fin is a fin thickness in which the fin pitch with the fin thickness as a parameter with respect to the fin length in a predetermined range is a predetermined range, and the radiating fin is formed thin and narrow pitch. To do.

本発明によれば、パワー半導体素子の温度を低く保ち空冷ヒートシンク体積を小型にでき、安価で信頼性の高いパワー半導体素子の冷却装置を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the temperature of a power semiconductor element can be kept low, an air cooling heat sink volume can be made small, and the cooling device of a power semiconductor element which is cheap and reliable can be provided.

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。図１において、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とは、積み重ねられ、これより、空冷ヒートシンク８は複数に分割される。すなわち、パワー半導体素子２は、ハンダや導電性接着剤などの接合材あるいは加圧接触にて電極端子４に接続され、パワー半導体モジュール１が構成される。空冷ヒートシンク８を構成する材料としては、シリコン、銅またはアルミが用いられる。 (First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a cooling device for a power semiconductor element according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the power semiconductor module 1 and the air-cooled heat sink 8 are stacked, and the air-cooled heat sink 8 is divided into a plurality of parts. That is, the power semiconductor element 2 is connected to the electrode terminal 4 by a bonding material such as solder or a conductive adhesive or by press contact, and the power semiconductor module 1 is configured. As a material constituting the air-cooled heat sink 8, silicon, copper or aluminum is used.

パワー半導体モジュール１は、空冷ヒートシンク８の受熱ブロック６にサーマルインターフェースマテリアル５を介してボルト締めなどによる加圧接触などで接続される。これにより、パワー半導体素子２の冷却装置が構成される。   The power semiconductor module 1 is connected to the heat receiving block 6 of the air-cooled heat sink 8 through a thermal interface material 5 by pressure contact such as by bolting. Thereby, a cooling device for the power semiconductor element 2 is configured.

パワー半導体モジュール１で構成される電力変換装置の運転時には、パワー半導体素子２で発生する熱は、電極端子４、サーマルインターフェースマテリアル５、受熱ブロック６、放熱フィン７を通って大気へ放散される。   During operation of the power conversion device constituted by the power semiconductor module 1, heat generated in the power semiconductor element 2 is dissipated to the atmosphere through the electrode terminal 4, the thermal interface material 5, the heat receiving block 6, and the heat radiating fins 7.

このように、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とを複数にわけて、従来の平面状から立体状の配置にすることで以下の効果が得られる。まず、１つは放熱経路が従来の１面のみから、２、４、６面のような複数面になることで経路断面積が増加し、熱伝導抵抗、接触熱抵抗、広がり熱抵抗を大幅に減少できる。また、もう1つは空冷ヒートシンク８の長さが短く、かつ空冷ヒートシンク８単体の高さが低くなることで、最適なフィン形状として放熱フィンが薄く狭ピッチなものとなり、重量熱抵抗を大幅に減少できる。   Thus, the following effects can be obtained by dividing the power semiconductor module 1 and the air-cooled heat sink 8 into a plurality of parts and changing the arrangement from a conventional planar shape to a three-dimensional shape. First, the cross-sectional area of the heat dissipation path is increased by changing the heat dissipation path from a conventional surface to multiple surfaces such as 2, 4, and 6, greatly increasing the heat conduction resistance, contact heat resistance, and spreading heat resistance. Can be reduced. The other is that the length of the air-cooled heat sink 8 is short and the height of the air-cooled heat sink 8 itself is reduced. As a result, the heat-radiating fins are thin and narrow pitch as the optimal fin shape, greatly increasing the weight heat resistance. Can be reduced.

例えば、分散配置のIGBTモジュールと冷却装置とで構成した電力変換装置の場合においては、周囲温度４０℃でジャンクション温度１２５℃までとすれば、空冷ヒートシンク８全体は幅１２０ｍｍ×長さ４０ｍｍ×高さ１２０ｍｍ−フィンピッチ１ｍｍ−フィン厚さ０．１ｍｍで、ファンの大きさ１２０ｍｍで強制冷却することが可能である。   For example, in the case of a power conversion device composed of distributed IGBT modules and cooling devices, if the ambient temperature is 40 ° C. and the junction temperature is 125 ° C., the entire air-cooled heat sink 8 is 120 mm wide × 40 mm long × height. It is possible to perform forced cooling with 120 mm-fin pitch 1 mm-fin thickness 0.1 mm and a fan size of 120 mm.

この場合、IGBTモジュールと空冷ヒートシンク８との熱抵抗は０．０４０Ｋ／Ｗ（接触含む）で、許容可能な発熱損失は約２０００Ｗとなる。空冷ヒートシンク８の体積５７６ｃｍ３で重量０．６５ｋｇなので、重量熱抵抗は０．０２６ｋｇＫ／Ｗである。 In this case, the thermal resistance between the IGBT module and the air-cooled heat sink 8 is 0.040 K / W (including contact), and the allowable heat loss is about 2000 W. Since the air-cooled heat sink 8 has a volume of 576 cm 3 and a weight of 0.65 kg, the weight heat resistance is 0.026 kg K / W.

このように分散配置することで得られる効果により、空冷ヒートシンク８の体積を大幅に減少することが可能である。また循環する冷媒による熱輸送機構がないため安価で信頼性が高い。パワー半導体素子２は、取り扱いの簡易なディスクリート型半導体素子を用いてもよいし、ヒータのような一般的な発熱体でもよい。その際、両面冷却が可能なパッケージであれば、より良好な冷却性能が得られる。   The volume of the air-cooled heat sink 8 can be greatly reduced due to the effect obtained by such a distributed arrangement. In addition, since there is no heat transport mechanism by circulating refrigerant, it is inexpensive and highly reliable. The power semiconductor element 2 may be a discrete semiconductor element that is easy to handle, or may be a general heating element such as a heater. At that time, if the package can be cooled on both sides, better cooling performance can be obtained.

また、ファンパワー（ＰＱ特性）と空冷ヒートシンク８の外形（長さ、高さ）を適切に選択すれば、最適な薄く狭ピッチのフィン形状は決定する。いま、高風量高静圧ファンの使用を考えて、単位面積当りのファンパワーＰ（Ｐ＝１２５［Ｗ／ｍ２］）を選定したとする。その場合のフィン長さＬｆ（ｍｍ）とフィン高さＨｆ（ｍｍ）をパラメータに最適フィン形状を選択したときの熱抵抗Θ（Ｋ／Ｗ）を図２に示す。 Further, if the fan power (PQ characteristics) and the outer shape (length and height) of the air-cooled heat sink 8 are appropriately selected, the optimum thin and narrow pitch fin shape is determined. Assume that the fan power P (P = 125 [W / m 2 ]) per unit area is selected in consideration of the use of a high air volume high static pressure fan. FIG. 2 shows the thermal resistance Θ (K / W) when the optimum fin shape is selected using the fin length Lf (mm) and the fin height Hf (mm) as parameters.

図２において、特性曲線Ｓ１はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝２．５ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ２はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝５ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ３はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝１０ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ４はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝１５ｍｍ）のときの熱抵抗Θ、特性曲線Ｓ５はフィン高さＨｆ（Ｈｆ＝２０ｍｍ）のときの熱抵抗Θである。図２から分かるように、放熱フィン７を薄く狭ピッチとする場合、フィン長さＬｆの増大による熱抵抗Θの減少は少なく、フィン長さ６０ｍｍ以上では、冷却能力の向上はほとんど期待できないことが分かる。   In FIG. 2, the characteristic curve S1 is the thermal resistance Θ when the fin height Hf (Hf = 2.5 mm), the characteristic curve S2 is the thermal resistance Θ when the fin height Hf (Hf = 5 mm), and the characteristic curve S3 is Thermal resistance Θ when fin height Hf (Hf = 10 mm), characteristic curve S4 is thermal resistance Θ when fin height Hf (Hf = 15 mm), and characteristic curve S5 is fin height Hf (Hf = 20 mm). Is the thermal resistance Θ. As can be seen from FIG. 2, when the radiating fins 7 are thin and have a narrow pitch, there is little decrease in the thermal resistance Θ due to the increase in the fin length Lf, and if the fin length is 60 mm or more, the improvement of the cooling capacity can hardly be expected. I understand.

次に、同条件における重量熱抵抗Θ・Ｍ（kgＫ／Ｗ）とフィン長さとの関係を図３に示す。特性曲線Ｓ１〜Ｓ５はフィン高さＨｆがＨｆ＝２．５ｍｍ、Ｈｆ＝５ｍｍ、Ｈｆ＝１０ｍｍ、Ｈｆ＝１５ｍｍ、Ｈｆ＝２０ｍｍのときの特性曲線である。図３に示すように、フィン高さＨｆに対する重量熱抵抗Θ・Ｍはバスタブ状曲線を描き、フィン高さ５ｍｍ〜１５ｍｍで最小値を示す。   Next, FIG. 3 shows the relationship between the weight thermal resistance Θ · M (kgK / W) and the fin length under the same conditions. Characteristic curves S1 to S5 are characteristic curves when the fin height Hf is Hf = 2.5 mm, Hf = 5 mm, Hf = 10 mm, Hf = 15 mm, and Hf = 20 mm. As shown in FIG. 3, the weight thermal resistance Θ · M with respect to the fin height Hf draws a bathtub-like curve, and shows a minimum value at a fin height of 5 mm to 15 mm.

次に、重量熱抵抗Θ・Ｍが最小条件である場合おける最適フィン形状について検討する。図４は、最適フィン厚さをパラメータとしたときの最適フィンピッチとフィン長さとの関係を示す特性図である。特性曲線Ｓ１’〜Ｓ５’はフィン厚さＷがＷ＝０．０５ｍｍ、Ｗ＝０．１ｍｍ、Ｗ＝０．１５ｍｍ、Ｗ＝０．２ｍｍ、Ｗ＝０．３ｍｍのときの特性曲線である。図４から分かるように、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍで、最適フィンピッチは０．６ｍｍ〜１．６ｍｍであることがわかる。   Next, the optimum fin shape when the weight thermal resistance Θ · M is the minimum condition will be examined. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the optimum fin pitch and the fin length when the optimum fin thickness is used as a parameter. Characteristic curves S1 'to S5' are characteristic curves when the fin thickness W is W = 0.05 mm, W = 0.1 mm, W = 0.15 mm, W = 0.2 mm, and W = 0.3 mm. As can be seen from FIG. 4, it can be understood that the optimum fin pitch is 0.05 mm to 0.3 mm and the optimum fin pitch is 0.6 mm to 1.6 mm.

ここで、第１の実施の形態のように形成した分散タイプの空冷ヒートシンク８では、高さが低く体積が小さいため、空冷ヒートシンク８の個数とファン９の個数とを１対１に対応させると、ファン特性は悪化しコストが増大する。そこで、複数の空冷ヒートシンク８に対して１つにファン９を使用するようにする。   Here, since the dispersion type air-cooled heat sink 8 formed as in the first embodiment has a low height and a small volume, the number of air-cooled heat sinks 8 and the number of fans 9 correspond to each other on a one-to-one basis. The fan characteristics deteriorate and the cost increases. Therefore, one fan 9 is used for a plurality of air-cooled heat sinks 8.

第１の実施の形態によれば、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とを複数にわけて、平面状から立体状の配置したので、放熱経路が複数面になり経路断面積が増加し、熱伝導抵抗、接触熱抵抗、広がり熱抵抗を大幅に減少できる。また、空冷ヒートシンクの長さが短く、かつ空冷ヒートシンク単体の高さが低くなることで、最適なフィン形状として、放熱フィンが薄く狭ピッチなものとなり、重量熱抵抗を大幅に減少できる。   According to the first embodiment, the power semiconductor module 1 and the air-cooled heat sink 8 are divided into a plurality of parts and arranged from a planar shape to a three-dimensional shape. Conduction resistance, contact thermal resistance, and spreading thermal resistance can be greatly reduced. In addition, since the length of the air-cooled heat sink is short and the height of the air-cooled heat sink alone is reduced, the heat radiation fins are thin and narrow pitch as the optimum fin shape, and the weight heat resistance can be greatly reduced.

（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第２の実施の形態は、一つの空冷ヒートシンク８に複数のパワー半導体モジュール１を接続したものである。図５では、一つの空冷ヒートシンク８に２つのパワー半導体モジュール１を接続したものを示している。 (Second Embodiment)
FIG. 5 is a configuration diagram of a cooling device for a power semiconductor element according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, a plurality of power semiconductor modules 1 are connected to one air-cooled heat sink 8. FIG. 5 shows a structure in which two power semiconductor modules 1 are connected to one air-cooled heat sink 8.

図５において、２つ（複数）のパワー半導体モジュール１を一つの空冷ヒートシンク８に接続する。これは、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とのサイズが必ずしも一致しないためであり、空冷ヒートシンク８がパワー半導体モジュール１より大きい場合には、一つの空冷ヒートシンク８に複数のパワー半導体モジュール１を接続する。これにより、広がり熱抵抗などで冷却能力を悪化させないようにしている。   In FIG. 5, two (plural) power semiconductor modules 1 are connected to one air-cooled heat sink 8. This is because the sizes of the power semiconductor module 1 and the air-cooled heat sink 8 do not necessarily match. When the air-cooled heat sink 8 is larger than the power semiconductor module 1, a plurality of power semiconductor modules 1 are connected to one air-cooled heat sink 8. To do. This prevents the cooling capacity from being deteriorated by spreading thermal resistance or the like.

（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第３の実施の形態は、一つのパワー半導体モジュール１に複数の空冷ヒートシンク８を接続したものである。これは、パワー半導体モジュール１と空冷ヒートシンク８とのサイズが必ずしも一致しないためであり、空冷ヒートシンク８がパワー半導体モジュール１より小さい場合には、一つのパワー半導体モジュール１に複数の空冷ヒートシンク８を接続する。これにより、放熱面積の減少による冷却能力の悪化をさけるようにしている。 (Third embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram of a cooling device for a power semiconductor element according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, a plurality of air-cooled heat sinks 8 are connected to one power semiconductor module 1. This is because the sizes of the power semiconductor module 1 and the air-cooled heat sink 8 do not necessarily match. When the air-cooled heat sink 8 is smaller than the power semiconductor module 1, a plurality of air-cooled heat sinks 8 are connected to one power semiconductor module 1. To do. Thereby, the deterioration of the cooling capacity due to the reduction of the heat radiation area is avoided.

（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図６に示した第３の実施の形態に対し、空冷ヒートシンク８とパワー半導体モジュール１との積層体にファン９からの冷却風を案内するダクト１１と、空冷ヒートシンク８の放熱フィン７間以外の間隙を埋める充填材１２とを設けたものである。 (Fourth embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram of a cooling apparatus for a power semiconductor element according to the fourth embodiment of the present invention. This fourth embodiment is different from the third embodiment shown in FIG. 6 in that a duct 11 that guides cooling air from a fan 9 to a laminated body of an air cooling heat sink 8 and a power semiconductor module 1, and an air cooling A filler 12 that fills the gap of the heat sink 8 other than between the radiation fins 7 is provided.

図７において、パワー半導体素子１の冷却装置はダクト１１で覆われている。空冷ヒートシンク８の圧力損失が大きいため、ファン９からの冷却風（冷媒）は空冷ヒートシンク８を通過しにくい。そこで、放熱フィン７間のギャップにファン９からの冷却風を案内するダクト１１を設け、放熱フィン７間のギャップを通過する風量を増加させる。その場合、単に、ダクト１１を使用した場合には放熱フィン７以外のギャップ（間隙）を冷却風が通過するので、放熱フィン７間のギャップ以外のギャップ（間隙）を充填材１２で埋める。これにより、ファン９からの冷却風（冷媒）は空冷ヒートシンク８の放熱フィン７に流れるようにする。   In FIG. 7, the cooling device for the power semiconductor element 1 is covered with a duct 11. Since the pressure loss of the air-cooled heat sink 8 is large, the cooling air (refrigerant) from the fan 9 does not easily pass through the air-cooled heat sink 8. Therefore, a duct 11 for guiding the cooling air from the fan 9 is provided in the gap between the radiating fins 7 to increase the amount of air passing through the gap between the radiating fins 7. In that case, when the duct 11 is simply used, the cooling air passes through the gap (gap) other than the radiation fins 7, so that the gap (gap) other than the gap between the radiation fins 7 is filled with the filler 12. Thereby, the cooling air (refrigerant) from the fan 9 is caused to flow to the radiation fins 7 of the air cooling heat sink 8.

ここで、ダクト１１としては絶縁材料を用いる。例えば、樹脂などの絶縁物を用いる。これは、ダクト１１が導電材料であるとすると、電極端子４との絶縁が別途必要となるためである。   Here, an insulating material is used as the duct 11. For example, an insulator such as a resin is used. This is because if the duct 11 is made of a conductive material, it is necessary to separately insulate the electrode terminal 4.

第４の実施の形態によれば、放熱フィン７間のギャップにファン９からの冷却風を案内するダクト１１を設けるとともに、放熱フィン７間のギャップ以外のギャップ（間隙）を充填材１２で埋めるので、放熱フィン７間のギャップを通過する風量を増加させることができる。これにより、冷却を効率的に行うことができる。   According to the fourth embodiment, the duct 11 for guiding the cooling air from the fan 9 is provided in the gap between the radiation fins 7 and the gap (gap) other than the gap between the radiation fins 7 is filled with the filler 12. Therefore, the air volume which passes through the gap between the radiation fins 7 can be increased. Thereby, cooling can be performed efficiently.

（第５の実施の形態）
図８は本発明の第５の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図である。この第５の実施の形態は、空冷ヒートシンク８を、パワー半導体モジュール１の電極端子４の一部としたものである。 (Fifth embodiment)
FIG. 8 is a block diagram of a cooling device for a power semiconductor element according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, the air-cooled heat sink 8 is a part of the electrode terminal 4 of the power semiconductor module 1.

図８において、正極電極端子１３は空冷ヒートシンク８ａ、８ｂに接続されている。空冷ヒートシンク８ａはパワー半導体素子１ａの電極端子４ａを介して空冷ヒートシンク８ｃに接続され、空冷ヒートシンク８ｂはパワー半導体素子１ｂの電極端子４ｂを介して空冷ヒートシンク８ｃに接続されている。   In FIG. 8, the positive electrode terminal 13 is connected to air-cooled heat sinks 8a and 8b. The air cooling heat sink 8a is connected to the air cooling heat sink 8c via the electrode terminal 4a of the power semiconductor element 1a, and the air cooling heat sink 8b is connected to the air cooling heat sink 8c via the electrode terminal 4b of the power semiconductor element 1b.

一方、負極電極端子１５は空冷ヒートシンク８ｄ、８ｅに接続されている。空冷ヒートシンク８ｄはパワー半導体素子１ｃの電極端子を介して空冷ヒートシンク８ｆに接続され、空冷ヒートシンク８ｅはパワー半導体素子１ｄの電極端子を介して空冷ヒートシンク８ｆに接続されている。そして、空冷ヒートシンク８ｃ、８ｆは接続電極端子１４で接続されている。   On the other hand, the negative electrode terminal 15 is connected to the air-cooled heat sinks 8d and 8e. The air-cooled heat sink 8d is connected to the air-cooled heat sink 8f via the electrode terminal of the power semiconductor element 1c, and the air-cooled heat sink 8e is connected to the air-cooled heat sink 8f via the electrode terminal of the power semiconductor element 1d. The air-cooled heat sinks 8 c and 8 f are connected by the connection electrode terminal 14.

従って、正極電極端子１３から負極電極端子１５に向けて、図８の矢印に示すような回路が形成される。つまり、複数の空冷ヒートシンク８を接続して電極端子の一部として利用している。この部分は絶縁物を介さないため、熱伝導抵抗を小さくでき、冷却能力を向上できる。この場合、空冷ヒートシンク８ａ、８ｅとの間に、回路構成上、絶縁スペーサ１６が必要となる。このように、複数の空冷ヒートシンク８ａ〜８ｆを並列接続または直列接続して、パワー半導体モジュール１ａ〜１ｄの電極端子の一部としている。図８は一例であり、回路構成に合わせて、色々なバリエーションが考えられる。例えば、奥行き方向に空冷ヒートシンク８を分割して、電極端子とすることも可能である。   Therefore, a circuit as shown by an arrow in FIG. 8 is formed from the positive electrode terminal 13 toward the negative electrode terminal 15. That is, a plurality of air-cooled heat sinks 8 are connected and used as part of the electrode terminals. Since this portion does not include an insulator, the heat conduction resistance can be reduced and the cooling capacity can be improved. In this case, an insulating spacer 16 is required between the air-cooled heat sinks 8a and 8e because of the circuit configuration. In this way, the plurality of air-cooled heat sinks 8a to 8f are connected in parallel or in series to form part of the electrode terminals of the power semiconductor modules 1a to 1d. FIG. 8 is an example, and various variations can be considered according to the circuit configuration. For example, the air-cooled heat sink 8 can be divided in the depth direction to form electrode terminals.

第５の実施の形態によれば、複数の空冷ヒートシンク８を並列接続または直列接続して、パワー半導体モジュール１の電極端子４の一部としたので、必要に応じて適切な回路構成を構築できる。   According to the fifth embodiment, since a plurality of air-cooled heat sinks 8 are connected in parallel or in series to form part of the electrode terminals 4 of the power semiconductor module 1, an appropriate circuit configuration can be constructed as necessary. .

以上の各実施の形態において、回路構成の構築にあたっては、パワー半導体モジュール１の電極端子４と空冷ヒートシンク８との間に絶縁スペーサを設けるようにしてもよい。また、絶縁スペーサ１６としては、例えば熱伝導率の良好なセラミクスや熱伝導性の良好な絶縁樹脂の薄膜を用いることが望ましい。   In each of the embodiments described above, an insulating spacer may be provided between the electrode terminal 4 of the power semiconductor module 1 and the air-cooled heat sink 8 when constructing the circuit configuration. As the insulating spacer 16, it is desirable to use, for example, a ceramic having a good thermal conductivity or a thin film of an insulating resin having a good thermal conductivity.

また、以上の説明では、パワー半導体モジュール１について説明したが、ディスクリート型パワー半導体素子や発熱体、さらには両面冷却可能なパッケージとすることも可能であり、これらの冷却にも使用できることは言うまでもない。   In the above description, the power semiconductor module 1 has been described. However, it is possible to use a discrete power semiconductor element, a heating element, and a package that can be cooled on both sides, and it goes without saying that it can also be used for cooling these. .

本発明の第１の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。The block diagram of the cooling device of the power semiconductor element concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における空冷ヒートシンクのフィン高さＨｆをパラメータとしたときのフィン長さＬｆと熱抵抗Θ（Ｋ／Ｗ）との一例を示す特性図。The characteristic view which shows an example of fin length Lf and thermal resistance (theta) (K / W) when using fin height Hf of the air-cooled heat sink in the 1st Embodiment of this invention as a parameter. 本発明の第１の実施の形態における空冷ヒートシンクのフィン高さＨｆをパラメータとしたときのフィン長さＬｆと重量熱抵抗Θ・Ｍ（Ｋ／Ｗ）との一例を示す特性図。The characteristic view which shows an example of fin length Lf and weight thermal resistance (theta) * M (K / W) when fin height Hf of the air-cooling heat sink in the 1st Embodiment of this invention is made into a parameter. 本発明の第１の実施の形態における最適フィン厚さをパラメータとしたときの最適フィンピッチとフィン長さとの関係を示す特性図。The characteristic view which shows the relationship between the optimal fin pitch and fin length when using the optimal fin thickness in the 1st Embodiment of this invention as a parameter. 本発明の第２の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。The block diagram of the cooling device of the power semiconductor element concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。The block diagram of the cooling device of the power semiconductor element concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。The block diagram of the cooling device of the power semiconductor element concerning the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５の実施の形態に係わるパワー半導体素子の冷却装置の構成図。The block diagram of the cooling device of the power semiconductor element concerning the 5th Embodiment of this invention. 従来のパワー半導体素子の冷却装置の説明図。Explanatory drawing of the cooling device of the conventional power semiconductor element.

符号の説明Explanation of symbols

１…パワー半導体モジュール、２…パワー半導体素子、３…絶縁板、４…電極端子、５…サーマルインターフェースマテリアル、６…受熱ブロック、７…放熱フィン、８…空冷ヒートシンク、９…ファン、１１…ダクト、１２…充填材、１３…正極電極端子、１４…接続電極端子、１５…負極電極端子、１６…絶縁スペーサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power semiconductor module, 2 ... Power semiconductor element, 3 ... Insulating board, 4 ... Electrode terminal, 5 ... Thermal interface material, 6 ... Heat receiving block, 7 ... Radiation fin, 8 ... Air-cooled heat sink, 9 ... Fan, 11 ... Duct , 12 ... filler, 13 ... positive electrode terminal, 14 ... connection electrode terminal, 15 ... negative electrode terminal, 16 ... insulating spacer

Claims (12)

パワー半導体モジュールの発熱を空冷ヒートシンクで放熱するパワー半導体素子の冷却装置において、複数のパワー半導体モジュールと複数の空冷ヒートシンクとを積み重ねて形成され前記空冷ヒートシンクに冷却風を送風するファンを有し、前記空冷ヒートシンクの放熱フィンのフィン高さは、所定範囲のフィン長さに対してフィン高さをパラメータとした重量熱抵抗が所定範囲となるフィン高さとし、放熱フィンのフィン厚さは、所定範囲のフィン長さに対してフィン厚さをパラメータとしたフィンピッチが所定範囲となるフィン厚さとして、放熱フィンは薄肉かつ狭ピッチに形成されたことを特徴とするパワー半導体素子の冷却装置。 In a power semiconductor element cooling device for radiating heat generated by a power semiconductor module with an air-cooled heat sink, the power semiconductor module has a fan that is formed by stacking a plurality of power semiconductor modules and a plurality of air-cooled heat sinks and blows cooling air to the air-cooled heat sink, The fin height of the radiating fin of the air-cooled heat sink is a fin height at which the weight thermal resistance with the fin height as a parameter is within a predetermined range with respect to the fin length of the predetermined range, and the fin thickness of the radiating fin is within the predetermined range. A cooling device for a power semiconductor element, characterized in that the heat radiation fins are formed to be thin and have a narrow pitch with a fin thickness having a fin pitch as a parameter with respect to the fin length . 前記ファンに対面する奥行き方向の前記空冷ヒートシンクの長さを６０ｍｍ以下、かつ積み重ね方向の前記空冷ヒートシンクの高さを５ｍｍ以上で１５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体素子の冷却装置。   The length of the air-cooled heat sink in the depth direction facing the fan is 60 mm or less, and the height of the air-cooled heat sink in the stacking direction is 5 mm or more and 15 mm or less. Cooling system. 前記放熱フィンの厚さを０．０５ｍｍ以上で０．３ｍｍ以下とし、放熱フィンのピッチを０．６ｍｍ以上で１．６ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１または２記載のパワー半導体素子の冷却装置。   The thickness of the said radiation fin shall be 0.05 mm or more and 0.3 mm or less, and the pitch of the radiation fin was 0.6 mm or more and 1.6 mm or less, The power semiconductor element of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. Cooling system. 前記ファンは、前記空冷ヒートシンクの個数より少なくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のパワー半導体素子の冷却装置   4. The cooling device for a power semiconductor element according to claim 1, wherein the number of the fans is less than the number of the air-cooled heat sinks. 一つの空冷ヒートシンクに複数のパワー半導体モジュールを接続したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。   5. The power semiconductor element cooling device according to claim 1, wherein a plurality of power semiconductor modules are connected to one air-cooled heat sink. 一つのパワー半導体モジュールに複数の空冷ヒートシンクを接続したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。   5. The power semiconductor element cooling device according to claim 1, wherein a plurality of air-cooled heat sinks are connected to one power semiconductor module. 前記空冷ヒートシンクと前記パワー半導体モジュールとの積層体に前記ファンからの冷却風を案内するダクトと、前記空冷ヒートシンクの放熱フィン間以外の間隙を埋める充填材とを設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載のパワー半導体素子の冷却装置。   The duct of guiding cooling air from the fan to the laminate of the air-cooled heat sink and the power semiconductor module, and a filler that fills a gap other than between the radiating fins of the air-cooled heat sink are provided. The cooling device for a power semiconductor element according to any one of 1 to 6. 前記ダクトは絶縁材で形成されたことを特徴とする請求項７記載のパワー半導体素子の冷却装置。   8. The power semiconductor element cooling device according to claim 7, wherein the duct is formed of an insulating material. 前記空冷ヒートシンクを構成する材料はシリコンであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。   The power semiconductor element cooling device according to any one of claims 1 to 6, wherein a material constituting the air-cooled heat sink is silicon. 前記空冷ヒートシンクを構成する材料は、銅またはアルミニウムであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。   The power semiconductor element cooling device according to any one of claims 1 to 6, wherein a material constituting the air-cooling heat sink is copper or aluminum. 前記空冷ヒートシンクを、前記パワー半導体モジュールの電極端子の一部としたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のパワー半導体素子の冷却装置。   11. The power semiconductor element cooling device according to claim 1, wherein the air-cooled heat sink is a part of an electrode terminal of the power semiconductor module. 11. 複数の空冷ヒートシンクを並列接続または直列接続して、前記パワー半導体モジュールの電極端子の一部としたことを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体素子の冷却装置。   The cooling device for a power semiconductor element according to claim 11, wherein a plurality of air-cooled heat sinks are connected in parallel or in series to form part of an electrode terminal of the power semiconductor module.
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