JP5526843B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、多相の電力を変換するための複数の半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する The present invention relates to a power conversion device including a plurality of semiconductor modules for converting multiphase power.
特許文献1は、制御回路部と、パワー配線部との間に、複数の半導体モジュールと冷却装置とを配置した多相電力変換装置を開示している。また、特許文献2は、複数の半導体モジュールのための水冷装置を開示している。さらに、特許文献3は、複数の空冷用ヒートシンクと、複数の半導体モジュールとを交互に積層する構成を開示している。 Patent Document 1 discloses a multiphase power conversion device in which a plurality of semiconductor modules and a cooling device are arranged between a control circuit unit and a power wiring unit. Patent Document 2 discloses a water cooling device for a plurality of semiconductor modules. Further, Patent Document 3 discloses a configuration in which a plurality of air cooling heat sinks and a plurality of semiconductor modules are alternately stacked.
従来技術の構成では、半導体モジュールから冷却媒体管に熱を十分に伝熱させるために、半導体モジュールと冷却媒体管とが広い面積で接触することが望ましい。しかしながら、特許文献1および特許文献2の冷却装置は、2もしくはより多い半導体モジュールと、複数の冷却媒体管とを交互に積層している。このため、一部の半導体モジュールと、それに隣接する冷却媒体管との間に、部分的な隙間が形成されることがある。このような隙間は、半導体モジュールと冷却媒体管との間の接触面積を減少させる。従って、一部の伝熱性能が、他の部分の伝熱性能に比べて低下する。例えば、ひとつの半導体モジュールからの伝熱性能が、他の半導体モジュールからの伝熱性能と比較して低下する。このような、部分的な伝熱性能の低下は、その半導体モジュールからの放熱量を低下させる。 In the configuration of the prior art, in order to sufficiently transfer heat from the semiconductor module to the cooling medium pipe, it is desirable that the semiconductor module and the cooling medium pipe are in contact with each other over a wide area. However, the cooling devices of Patent Document 1 and Patent Document 2 alternately stack two or more semiconductor modules and a plurality of cooling medium tubes. For this reason, a partial gap may be formed between some of the semiconductor modules and the cooling medium pipe adjacent thereto. Such a gap reduces the contact area between the semiconductor module and the cooling medium pipe. Therefore, a part of the heat transfer performance is lower than the heat transfer performance of the other parts. For example, the heat transfer performance from one semiconductor module is lower than the heat transfer performance from another semiconductor module. Such a partial reduction in heat transfer performance reduces the amount of heat released from the semiconductor module.
一方、特許文献3の構成でも、2もしくはより多い半導体モジュールと空冷ヒートシンクとを積層している。このため、上記と同様の問題点があった。 On the other hand, in the configuration of Patent Document 3, two or more semiconductor modules and air-cooled heat sinks are stacked. For this reason, there was a problem similar to the above.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の半導体モジュールからの伝熱性能の部分的な低下を抑制することができる多相電力変換装置を提供することである。 This invention is made | formed in view of the said problem, The objective is to provide the multiphase power converter device which can suppress the partial fall of the heat-transfer performance from several semiconductor modules. .
本発明の他の目的は、複数の半導体モジュールからの伝熱性能の部分的な低下を抑制しながら、複数の半導体モジュールからの放熱性能の差の抑制と、複数の半導体モジュールのコンパクトな配置とを両立することができる多相電力変換装置を提供することである。 Another object of the present invention is to suppress a difference in heat dissipation performance from a plurality of semiconductor modules while suppressing a partial decrease in heat transfer performance from the plurality of semiconductor modules, and to provide a compact arrangement of the plurality of semiconductor modules. It is providing the multiphase power converter device which can be compatible.
本発明のさらに他の目的は、複数の半導体モジュールからの伝熱性能の部分的な低下を抑制しながら、複数の半導体モジュールを安定的に固定することができる多相電力変換装置を提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a multi-phase power converter capable of stably fixing a plurality of semiconductor modules while suppressing a partial decrease in heat transfer performance from the plurality of semiconductor modules. It is.
本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。 The present invention employs the following technical means to achieve the above object.
請求項1に記載の発明は、複数の半導体装置と、複数の半導体装置を収容するケースとを備え、それぞれの半導体装置は、半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、半導体モジュールの両側に配置された2つのヒートシンクと、半導体モジュールから2つのヒートシンクへの伝熱が可能となるように、半導体モジュールと2つのヒートシンクとを連結する連結装置とを備え、それぞれの半導体装置において、半導体モジュールと2つのヒートシンクとは、それらだけに属する専用の連結装置によって、ひとまとまりの半導体装置として取り扱うことが可能となるように、連結されており、ケースは、複数の半導体装置を収容するとともに、ヒートシンクへ空気を供給する通風口を有し、半導体モジュールは、半導体モジュールの主面と直交するに突出する電極端子と、電極端子と逆向きに突出する制御信号端子を備え、ヒートシンクは、半導体モジュールの各主面と接合される板状の基板部と、基板部の主面方向に突出する複数個の第1のフィンと、第1のフィンの並び方向における両方の最外側に位置するフィンよりさらに外側において基板部から直角方向に突出する第2のフィンを備え、第2のフィンは、第1のフィンよりも厚さ寸法が大きい肉厚部を備え、第2のフィンは、その厚み方向に垂直な方向であって、半導体モジュールの主面に平行な方向における長さ寸法が第1のフィンよりも短く、連結装置は、平面部と、平面部の両端に位置する脚部を備え、連結装置は、対向する2つのヒートシンクのうち、第2のフィンの両端であって、基板部においてフィンが形成されていない部位同士を脚部により挟持し、平面部の主面が電極端子、及び、制御端子の突出方向を向くように配置して連結していることを特徴とする。この構成によると、半導体モジュールからヒートシンクへの伝熱は、半導体装置ごとに管理することができる。このため、複数の半導体装置をケース内に収容しても、半導体モジュールからの伝熱性能の部分的な低下を抑制することができる。 The invention according to claim 1 is provided with a plurality of semiconductor devices and a case for housing the plurality of semiconductor devices, each of the semiconductor devices having a pair of main surfaces facing each other and incorporating a semiconductor element. A module, two heat sinks disposed on both sides of the semiconductor module, and a coupling device for connecting the semiconductor module and the two heat sinks so that heat transfer from the semiconductor module to the two heat sinks is possible, In the semiconductor device, the semiconductor module and the two heat sinks are connected so that they can be handled as a single semiconductor device by a dedicated connecting device belonging only to them, and the case includes a plurality of semiconductor devices. accommodates the device, air possess vent the supplying to the heat sink, the semiconductor module An electrode terminal projecting perpendicular to the main surface of the semiconductor module, and a control signal terminal projecting in the opposite direction to the electrode terminal, the heat sink is a plate-like substrate portion joined to each main surface of the semiconductor module; A plurality of first fins projecting in the principal surface direction of the substrate part, and a second fin projecting in a direction perpendicular to the substrate part on the outer side further than the fins located on the outermost sides in the arrangement direction of the first fins The second fin includes a thick portion having a thickness dimension larger than that of the first fin, and the second fin is perpendicular to the thickness direction and parallel to the main surface of the semiconductor module. The length dimension in each direction is shorter than that of the first fin, and the coupling device includes a plane portion and leg portions located at both ends of the plane portion, and the coupling device is a second of the two heat sinks facing each other. At both ends of the fin At sites that are not fins are formed to sandwich the leg portion in the substrate portion, and wherein the major surface is the electrode terminals of the flat portion, and that you have linked disposed so as to face the protruding direction of the control terminal To do. According to this configuration, heat transfer from the semiconductor module to the heat sink can be managed for each semiconductor device. For this reason, even if several semiconductor devices are accommodated in a case, the partial fall of the heat-transfer performance from a semiconductor module can be suppressed.
請求項2に記載の発明は、それぞれの半導体モジュールは、電力を制御するスイッチング素子を備え、電力変換装置は、少なくとも6つの半導体装置を有することを特徴とする。この構成によると、三相の多相電力変換装置を構成するために必要な少なくとも6つのスイッチング素子が設けられる。しかも、それらスイッチング素子からヒートシンクへの伝熱性能の部分的な低下を抑制することができる。 According to a second aspect of the present invention, each semiconductor module includes a switching element that controls electric power, and the power conversion device includes at least six semiconductor devices. According to this configuration, at least six switching elements necessary for configuring a three-phase multiphase power converter are provided. In addition, it is possible to suppress a partial decrease in heat transfer performance from the switching elements to the heat sink.
請求項3に記載の発明は、半導体モジュールは、ケース内において、2×2以上の行列状に配置されていることを特徴とする。この構成によると、複数の半導体モジュールからの伝熱性能の部分的な低下を抑制しながら、複数の半導体モジュールからの放熱性能の差の抑制と、複数の半導体モジュールのコンパクトな配置とを両立することができる。 The invention described in claim 3 is characterized in that the semiconductor modules are arranged in a matrix of 2 × 2 or more in the case. According to this configuration, while suppressing a partial decrease in heat transfer performance from a plurality of semiconductor modules, it is possible to achieve both suppression of the difference in heat dissipation performance from the plurality of semiconductor modules and compact arrangement of the plurality of semiconductor modules. be able to.
請求項4に記載の発明は、半導体装置は、ケース内において、ケースの対向する壁面間に挟まれて支持されていることを特徴とする。この構成によると、複数の半導体モジュールからの伝熱性能の部分的な低下を抑制しながら、複数の半導体モジュールを安定的に固定することができる。 The invention described in claim 4 is characterized in that the semiconductor device is supported by being sandwiched between the opposing wall surfaces of the case in the case. According to this configuration, the plurality of semiconductor modules can be stably fixed while suppressing a partial decrease in heat transfer performance from the plurality of semiconductor modules.
請求項5に記載の発明は、半導体装置とケースとの間に設けられ、半導体装置を弾性的に支持する弾性支持部材をさらに備えることを特徴とする。この構成によると、複数の半導体モジュールからの伝熱性能の部分的な低下を抑制しながら、複数の半導体モジュールを安定的に固定することができる。
The invention described in
請求項6に記載の発明は、ケースは、半導体モジュールとヒートシンクとの積層方向と交差する方向に関して半導体装置を挟んでいることを特徴とする。この構成によると、半導体装置を安定的に固定できるとともに、半導体モジュールとヒートシンクとの間の接触状態の望ましくない変化を抑えることができる。 The invention described in claim 6 is characterized in that the case sandwiches the semiconductor device in a direction intersecting with the stacking direction of the semiconductor module and the heat sink. According to this configuration, the semiconductor device can be stably fixed, and an undesirable change in the contact state between the semiconductor module and the heat sink can be suppressed.
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。 A plurality of modes for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. When only a part of the configuration is described in each mode, the other modes described above can be applied to the other parts of the configuration. Not only combinations of parts that clearly show that combinations are possible in each embodiment, but also combinations of the embodiments even if they are not explicitly stated unless there is a problem with the combination. Is also possible.
(第1実施形態)
本発明は、高出力モータを駆動するモータ駆動装置としてのインバータ装置に適用することができる。このインバータ装置は、直流電力と交流電力との間で双方向変換を行う装置、例えばU相、V相及びW相の三相インバータ装置であり、交流モータを使用するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車等に搭載される。
(First embodiment)
The present invention can be applied to an inverter device as a motor driving device that drives a high-output motor. This inverter device is a device that performs bidirectional conversion between DC power and AC power, for example, a U-phase, V-phase, and W-phase three-phase inverter device, a hybrid vehicle that uses an AC motor, a fuel cell vehicle, Installed in electric vehicles.
第1実施形態では、走行用のモータ3を駆動する三相インバータ回路を有するインバータ装置1に半導体装置10を適用した例について説明する。図1は半導体装置10を適用したインバータ装置1を車両に搭載した状態を示す模式図である。図2は、半導体装置10を適用したインバータ装置1の回路図である。
1st Embodiment demonstrates the example which applied the
図1に示すように、インバータ装置1は、車両前方に搭載された走行用のモータ3に出力可能に有線で接続され、車両後方でバッテリ4に隣接するように搭載されるとともに、冷却用のファン9による送風がダクトで形成された所定の通風経路を流通して半導体装置10に供給されることにより空冷される。インバータ装置1を冷却する空気は、車外または車室内から取り込まれて半導体装置10を通過後、車外に排出される。このようにしてインバータ装置1は所定の機能を発揮できる温度に保たれ得る。
As shown in FIG. 1, the inverter device 1 is connected to a traveling motor 3 mounted on the front side of the vehicle in a wired manner so as to be output, and is mounted on the rear side of the vehicle so as to be adjacent to the battery 4, and for cooling. Air blown by the fan 9 flows through a predetermined ventilation path formed by a duct and is supplied to the
図2に示すように、インバータ回路(インバータ装置1)は、6個の半導体モジュール22a,22b,22c,22d,22e,22f(以下、6個の半導体モジュールのうち、任意の半導体モジュールをさす場合は単に半導体モジュール22と称することがある)を含むパワーモジュール2と、コンデンサ5,6と、抵抗7,8と、制御回路100とから構成されている。インバータ回路の入力側にはバッテリ4が接続されている。インバータ回路の出力側にはモータ3が接続されている。
As shown in FIG. 2, the inverter circuit (inverter device 1) includes six
パワーモジュール2は、制御回路100によって制御され、バッテリ4の出力する直流電力を交流電力に変換してモータ3に供給するインバータ回路を構成するための素子で構成されている。パワーモジュール2は、IGBT20a,20b,20c,20d,20e,20f(スイッチング素子)と、フリーホイーリングダイオード21a,21b,21c,21d,21e,21fとからなる。各半導体モジュール22は、IGBTとフリーホイーリングダイオードを各1個含んでいる。
The power module 2 is controlled by the
IGBT20a,20b、IGBT20c,20d、及びIGBT20e,20fは、それぞれ直列に接続されている。上アーム側のIGBT20a,20c,20eのコレクタは、バッテリ4の正極端子側に接続されており、下アーム側のIGBT20dのエミッタは、バッテリ4の負極端子側に接続されている。下アーム側のIGBT20b,20fのエミッタは、それぞれ抵抗7,8を介してバッテリ4の負極端子側に接続されている。また、IGBT20a〜20fのゲートは制御回路100に接続されている。IGBT20a,20c,20eのエミッタは、制御回路100に接続されている。さらに、IGBT20aとIGBT20bの接続点、IGBT20cとIGBT20dの接続点、及びIGBT20eとIGBT20fの接続点は、モータ3に接続されている。IGBT20a〜20fのコレクタ、エミッタ間には、フリーホイーリングダイオード21a〜21fがそれぞれ接続されている。
The
抵抗7,8は、パワーモジュール2からモータ3に供給される電流を電圧に変換する素子である。抵抗7の一端はIGBT20bのエミッタに、他端はバッテリ4の負極端子にそれぞれ接続されている。抵抗8の一端はIGBT20fのエミッタに、他端はバッテリ4の負極端子側にそれぞれ接続されている。また、抵抗7,8の両端は制御回路100に接続されている。
The
コンデンサ5は、バッテリ4の出力電圧を平滑する。コンデンサ6は、パワーモジュール2に侵入するノイズを抑えるとともに、バッテリ4からパワーモジュール2に印加される電圧を検出する。コンデンサ5及びコンデンサ6はバッテリ4に並列に接続されている。コンデンサ6の両端は制御回路100に接続されている。
制御回路100は、外部からの指令、抵抗7,8によって検出されるパワーモジュール2からモータ3に供給される電流、及びコンデンサ6によって検出されるバッテリ4からパワーモジュール2に印加される電圧に基づいて、パワーモジュール2を制御する回路である。制御回路100は、パワーモジュール2、抵抗7,8、及びコンデンサ6にそれぞれ接続されている。
The
次に、図3及び図4を参照して半導体装置10の構成について説明する。図3は半導体装置10の構成を示す分解斜視図である。図4は半導体装置10の構成を示す斜視図である。図3に示すように、一つの半導体装置10は、カード形状の半導体モジュール22と、半導体モジュール22を挟むように本体部226の両側(主面221,222の両面側)のそれぞれに配されたヒートシンク11と、を備え、両面冷却可能な冷却機構を有する。
Next, the configuration of the
半導体モジュール22は、半導体素子であるIGBT20a〜20f及びフリーホイーリングダイオード21a〜21fを内蔵し、対向する一対の主面221,222を有する形状の本体部226と、本体部226から外方に突出するコレクタ側電極端子223、エミッタ側電極端子224、及び制御信号端子225と、を備えている。
The
さらに、半導体モジュール22の本体部226とヒートシンク11との間には、セラミックからなる絶縁基板12が介在しており、さらに絶縁基板12とヒートシンク11及び本体部226との間にはそれぞれ、良熱伝導性を有するシリコン系の放熱グリスが塗布されている。また、絶縁基板12は、窒化アルミニウムフィルムやシリコンゴムシートで形成してもよく、絶縁基板12及び放熱グリスは、絶縁性を有する放熱フィルムを採用してもよい。
Further, an insulating
IGBT及びフリーホイーリングダイオードの半導体素子は、主面221側に位置する金属伝熱板220の内側の主面上にはんだ層により接合され、当該半導体素子の残余の主面には、反対の主面222側に位置する金属伝熱板(図示せず)がはんだ層により接合されている。このようにしてIGBTのコレクタ及びエミッタにフリーホイーリングダイオードのアノード及びカソードがいわゆる逆向き並列(図2参照)に接続される。金属伝熱板220及び主面222側に位置する金属伝熱板は、それぞれコレクタ側電極端子223及びエミッタ側電極端子224に電気的に導通している。また、上記のはんだ層は他の接合機能材料に置換してもよい。
The semiconductor elements of the IGBT and the free wheeling diode are joined to the inner main surface of the metal
本体部226は、例えばエポキシ樹脂からなる矩形板状の部材であり、半導体素子を完全にモールドし、金属伝熱板220及び主面222側に位置する金属伝熱板の外主面すなわち放熱面を露出するようにモールドしている。コレクタ側電極端子223及びエミッタ側電極端子224は、本体部226の一方の側面から主面221,222に平行な方向Xに突出し、リードフレーム端子である複数の制御信号端子225は他方の側面からコレクタ側電極端子223等とは逆向きに突出し、IGBTのゲートに形成された電極等と接続されている。
The
ヒートシンク11は、半導体モジュール22の各主面221,222と熱的に結合される板状の基板部110と、基板部110から直角方向(フィン突出方向Zに相当)に突出する複数個の第1のフィン112と、を一体に備えた部材であり、アルミニウムまたは銅で形成されている。第1のフィン112は、基板部110の主面111とは反対側から突出する矩形状の板部材であり、複数個の第1のフィン112がその厚み方向Yに間隔をあけて列を形成するように並んでいる。
The
ヒートシンク11は、さらに2個の第2のフィン113を備える。第2のフィン113は、複数個の列をなす第1のフィン112のうち厚み方向Yの両方の最外側に位置するフィンよりも、さらに外側において基板部110から直角方向(フィン突出方向Z)に突出する板状のフィンである。第2のフィン113は、第1のフィン112と平行になるように形成され、第1のフィン112よりも厚み寸法が大きい肉厚部を有する。例えば、第2のフィン113の肉厚部は、第1のフィン112の2倍以上の厚みを有する。本実施形態の第2のフィン113は、その全体が等しい肉厚の板状で全体が第1のフィン112よりも厚み寸法が大きい肉厚部になっているが、当該肉厚部は、第2のフィン113の一部にだけに形成される形態であってもよい。
The
第2のフィン113は、その厚み方向Yに垂直な方向であって半導体モジュール22の主面221,222に平行な方向(図3及び図4に示す「主面に平行な方向X」)について、長さ寸法が第1のフィン112よりも小さい。したがって、第2のフィン113は、横幅寸法L2が第1のフィン112の横幅寸法L1がよりも短く、第1のフィン112よりも厚みが大きいフィンである。
The
さらに、第2のフィン113は、基板部110の図3の主面に平行な方向Xについて基板部110の中央部に位置するため、基板部110について第2のフィン113が突出していない部位(フィン無し部位110a)は、図3及び図4に示す「主面に平行な方向X」について第2のフィン113の両側に設けられる。したがって、第2のフィン113は、当該「主面に平行な方向X」について、半導体モジュール22の本体部226の配置箇所に重なるように配置される。このフィン無し部位110aは、半導体モジュール22を挟持する2個のヒートシンク11の両方に設けられている。
Further, since the
図4に示すように、両側のフィン無し部位110aには、弾性力により半導体モジュール22をヒートシンク11を介して両側から挟む力を付勢する弾性部材の一例である板ばね13が取り付けられている。板ばね13は、コの字状の横断面形状を呈しており、フィン無し部位110aにおける厚み方向Yの端面(図4のフィン無し部位110aの頂面)に対向する平面部13aと、平面部13aの両端側から平面部13aに直角に延びる脚部13bと、平面部13aと脚部13bを繋ぐように平面部13aの両端側で湾曲する湾曲部13cと、を一体に形成してなる部材である。
As shown in FIG. 4,
板ばね13は、半導体モジュール22を挟む姿勢で両側に配置された2個のヒートシンク11に対して、フィン無し部位110aに脚部13b側を外側から嵌めるように図4の厚み方向Yに差し込まれ、平面部13aがフィン無し部位110aの頂面に当接または近接するまで深く嵌めこまれて取り付けられる。この操作により、対向するフィン無し部位110aにおけるフィン突出方向Z(基板部110に垂直な方向)の長さよりも短く形成された対向する脚部13b間が外方に押し広げられるため、板ばね13は、元の状態に戻ろうと内方に働く弾性力により、対向するフィン無し部位110aの側面を内側に向かって押す力を挟持力として両側のヒートシンク11に与える。
The
板ばね13は、一つの半導体装置10について、上部の両端部及び下部の両端部にそれぞれ1個ずつ、合計4個取り付けられる。このため、4個の板ばね13は、半導体モジュール22を矩形状の本体部226における4角の外方から均等な力でバランスよく挟持する。これにより、半導体モジュール22の本体部226とその両側の絶縁基板12及び放熱グリスは2個のヒートシンク11の主面111によって強力に挟まれて密着状態に固着されて、図4に示すように一つの半導体装置10が形成される。
A total of four
以上の構成の半導体装置10は1個の半導体モジュール22を備えるため、三相インバータ回路においては、図5に示すように、インバータ回路ユニット30に6個の半導体装置10が隣接配置されることになる。図5は6個の半導体装置10をインバータ回路ユニット30のケースに収納した状態を示す斜視図である。なお、図5は、半導体装置10の配置状態を理解し易くするため、下ケース31の上部に取り付けられる蓋部37を外した状態を示している。図7は半導体装置10をインバータ回路ユニット30のケース内に収納した状態を示す断面図である。
Since the
下ケース31は、上面及び対向する二側面が開口した直方体状の箱体であり、上面には図7に示すように蓋部37が取り付けられ、対向する二側面のそれぞれには板状の通風路形成部材32,33が取り付けられる。通風路形成部材32,33のそれぞれには、横方向(フィン突出方向Zに相当)に並ぶ複数の通風口32b(本例では各4個の通風口)が形成されている。通風路形成部材32,33は、下ケース31の二側面それぞれの4角に形成された雌ねじ部に取付ねじ36aによってねじ締めされることにより下ケース31に固定される。下ケース31、蓋部37及び通風路形成部材32,33は、それぞれ樹脂製の部材である。
The
下ケース31及び通風路形成部材32,33が一体となったケースには、6個の半導体装置10が所定の位置に上方から挿入設置される。半導体装置10は、縦方向(主面に平行な方向Xに相当)に2個、横方向(フィン突出方向Zに相当)に3個、それぞれ直線状に整列して近接配置され、6個の半導体モジュール装置は当該横方向にU相、V相及びW相、当該縦方向に同相の上アーム及び下アームを構成するように配置された後、電気的に有線接続されている。また、各半導体装置10は、制御信号端子225が上に、コレクタ側電極端子223及びエミッタ側電極端子224が下になるようにケース内に搭載されている。したがって、当該ケース内では、各半導体装置10について、中ほどに複数個並ぶ第1のフィン112を挟むように上下両側それぞれに第2のフィン113が位置するようになっている。
In the case in which the
隣り合う通風口32b間は通風路形成部材32,33に形成された仕切り部32aによって横方向(フィン突出方向Zに相当)に仕切られている。各仕切り部32aは、下ケース31内の半導体装置10に対してヒートシンク11の第1のフィン112が形成されていない部位に対応するように設けられている。したがって、通風路形成部材32,33のそれぞれに4個ずつ形成される仕切り部32aは、半導体装置10の側部における本体部226と両側の基板部110とを含む部分に対向する。
The
これにより、各ヒートシンク11について、主面に平行な方向Xの端部に位置する第1のフィン112の側部が通風路形成部材32,33にそれぞれに形成された4個の通風口32bに対応している。対辺位置にある二側面の通風路形成部材32,33に形成された通風口32b同士は、主面に平行な方向Xについて、その間に並ぶ第1のフィン112を介して連通する。すなわち、空気流れ上流側と空気流れ下流側の半導体装置10について、厚み方向Yに並ぶ複数個の第1のフィン112は、主面に平行な方向Xに一直線上となるように厚み方向Yに一致して配置されている。これにより、厚み方向Yに並ぶ第1のフィン112間に形成された各隙間は、空気流れ上流側及び空気流れ上流側の半導体装置10において接続され、主面に平行な方向Xに直線状に連なるようになっている。このように接続された第1のフィン112間の各隙間によって、上記の二側面の通風路形成部材32,33に形成された通風口32b同士は連通し、当該二側面に位置する通風口32bを結ぶ通路が形成されることになる。
Thereby, about each
ファン9によってインバータ装置1に対して強制風が供給されると、空気流れ上流側に位置する通風口32bから空気が流入し、続いて上記の第1のフィン112間の各隙間を流れた後、空気流れ下流側に位置する通風口32bから外部に排出される。したがって、当該強制風がインバータ回路ユニット30内を流通する方向は、主面に平行な方向Xに一致する。6個の半導体モジュール22で構成されるインバータ回路ユニット30の運転時には、各半導体素子で発生する熱は、絶縁基板12、両側の放熱グリス、基板部110、第1のフィン112、あるいは第2のフィン113を通って、上記の強制風が第1のフィン112間の各隙間を流下する際に半導体モジュール22の両側から強制風に放出されて各半導体モジュール22が冷却される。
When forced air is supplied to the inverter device 1 by the fan 9, air flows in from the
図6はインバータ装置1の外観を示す斜視図である。図6に示すように、モータ3を駆動制御するインバータ装置1は、コンデンサユニット50、インバータ回路ユニット30、及び制御回路ユニット40を三段に積み重ねて一体化した装置である。コンデンサユニット50は、ケース51の内部にコンデンサ5及びコンデンサ6を搭載している。制御回路ユニット40は、ケース41の内部に制御回路100を構成する制御基板を搭載している。
FIG. 6 is a perspective view showing the appearance of the inverter device 1. As shown in FIG. 6, the inverter device 1 that drives and controls the motor 3 is a device in which a
下ケース31下部の4角の4箇所には、インバータ回路ユニット30を下方に設置されるコンデンサユニット50のケース51に取り付けるための雌ねじ部を有した取付脚35が設けられている。コンデンサユニット50は、各取付ねじ53によってケース51を各取付脚35にねじ締め固定することにより、インバータ回路ユニット30の下方に一体に取り付けられる。
Mounting
下ケース31上部の4角の4箇所には、上方に設置される制御回路ユニット40のケース41をインバータ回路ユニット30のケースに取り付けるための雌ねじ部を有した取付脚34aが設けられている。制御回路ユニット40は、制御回路ユニット40の制御基板をインバータ回路ユニット30のケースにねじ締め等により固定してから、上方からかぶせたケース41を各取付ねじ44によって各取付脚34aにねじ締め固定することにより、インバータ回路ユニット30の上方に一体に取り付けられる。
Mounting
また、インバータ回路ユニット30のケースからは、モータ3へ出力する出力線を接続するための三相端子部52が露出しており、バッテリ4からの電源入力線を接続をするための端子部(図示せず)が露出している。また、制御回路ユニット40のケース41は、制御回路100に車両側の電源を投入する電源線及び車両ECUからの信号線を接続するためのコネクタ部43が露出しており、コンデンサユニット50及びインバータ回路ユニット30からのリード線を制御回路ユニット40に引き込むためのリード線通路42を備えている。ケース41及びケース51は、それぞれ樹脂製の部材である。
Further, from the case of the
次に、第2のフィン113の働きについて詳述する。図7は、半導体装置10をインバータ回路ユニット30のケース内に収納した状態を示す断面図である。6個の半導体装置10はインバータ回路ユニット30のケース内に搭載されるときに、下ケース31に対して蓋部37をねじ締め等により固定するため、図7に示すように、各ヒートシンク11は、その上部に蓋部37から下方への外力がかかり、一方、各ヒートシンク11の下部が下ケース31の底部を押すため、当該底部から上方に向けた反力を受ける。すなわち、6個の半導体装置10の全てのヒートシンク11は、インバータ回路ユニット30のケースから内方(厚み方向Y)に向かって押さえつけられることになる。
Next, the function of the
このため、各ヒートシンク11において当該ケースから直接的に外力を受ける上下両端部には、過大な加重がかかる場合があり、組立て過程においてフィンの変形が発生してしまうことがある。本実施形態の半導体装置10では、ヒートシンク11の上下両端部に位置する第2のフィン113が第1のフィン112よりも肉厚が大きくなっているため、第2のフィン113の強度向上が図れる。したがって、半導体装置10は、当該ケースからの直接的な外力に対して変形し難いフィン部分を備えているのである。
For this reason, an excessive load may be applied to the upper and lower ends of each
さらに半導体素子が発熱した場合には、当該発熱は、まず絶縁基板12等を介して基板部110に伝わり、そして基板部110に一体に形成される第1のフィン112及び第2のフィン113に伝わる。特に第2のフィン113は、第1のフィン112に比べて、その肉厚が大きく長さ当たりの体積が大きいため、大きな熱容量を有する。したがって、第2のフィン113は、一時的に蓄熱する能力が優れており、ヒートシンク11においてヒートマスとしての機能を大きく担っている。
Further, when the semiconductor element generates heat, the generated heat is first transmitted to the
半導体素子の発熱過程に伴う温度変化の際には、半導体素子の温度上昇過程から温度が一定に近づく定常状態に移行する。そして、この温度上昇過程では、半導体素子からの発熱量が大きく変化し、このような過渡状態における熱移動特性(以下、単に「過渡特性」ともいう)を向上させることによって、半導体素子の温度変化を抑制でき、半導体素子の熱負荷を低減して寿命延長等の効果を得ることができる。 In the case of a temperature change accompanying the heat generation process of the semiconductor element, the temperature shifts from the temperature increase process of the semiconductor element to a steady state where the temperature approaches a constant value. In this temperature rise process, the amount of heat generated from the semiconductor element changes greatly, and the temperature change of the semiconductor element is improved by improving the heat transfer characteristic in such a transient state (hereinafter also simply referred to as “transient characteristic”). And the effect of extending the life can be obtained by reducing the thermal load of the semiconductor element.
そこで、半導体装置10では、インバータ回路ユニット30の運転時に半導体素子が発熱すると、その熱は両側の基板部110に伝わってから第1のフィン112及び第2のフィン113に伝わる。このとき、厚肉部を有する1個の第2のフィン113は蓄熱能力が高いため、基板部110に伝わった熱は第2のフィン113に移動し易く、基板部110での熱を外側に逃がし易くなる。このため、半導体素子が短時間に発熱する場合には、基板部110からの熱の放出が迅速に行われて、さらなる半導体素子の発熱は基板部110に移動し、半導体素子の急激な温度変化や温度上昇が抑制される。したがって、半半導体素子の温度変化の応答速度が鈍くなり、半導体装置10の過渡特性が向上して、半導体素子に過大な熱負荷がかかることを抑制することができる。そして、ファン9による強制風が供給されている場合には、半導体モジュール22の両側において第1のフィン112または第2のフィン113から熱が奪われ、第2のフィン113から第1のフィン112への熱移動や第2のフィン113から空気への熱移動の促進により、結果的に第2のフィン113での蓄熱容量に空きが生じるので、第2のフィン113の働きによって、さらに過渡特性の向上が可能になる。
Therefore, in the
図5に戻り、複数の半導体装置10は、平面上に並べられることによって、組立体30sを構成している。複数の半導体装置10は、2×2以上のマトリックス状に配列されている。複数の半導体装置10は、通風方向と直交する方向を行方向とし、通風方向を列方向とするマトリックス状に配列されている。複数の半導体装置10は、上流側の行と、下流側の行との温度差を抑制するために、2行に構成されることが望ましい。図示の実施形態では、6つの半導体装置10は、2行×3列のマトリックス状に配列されている。6つの半導体装置10は、それらの間に介在物を置くことなく、ヒートシンク11を直接に接触させて配置されている。
Returning to FIG. 5, the plurality of
図6および図7において、下ケース31、蓋部37、および通風路形成部材32、33は、組立体30sを収容するケース30hを構成する。下ケース31には、蓋部37が配置される上面に、複数の雌ねじ部34bが設けられている。蓋部37は、複数の取付ねじ36bによって、下ケース31へ向けて締め付けられ、下ケース31に固定されている。通風路形成部材32、33は、取付ねじ36aによって、下ケース31へ向けて締め付けられ、下ケース31に固定されている。従って、ケース30hは、半導体モジュール22とヒートシンク11との積層方向Zと交差する方向XおよびYに沿って、組立体30sを締め付けることができるように構成されている。取付ねじ36aと雌ねじ部34bとは、締め付け手段を提供する。
6 and 7, the
組立体30sとケース30hとを組立てるとき、通風路形成部材32、33は、組立体30sを締め付けながら、下ケース31へ向けて締め付けられる。蓋部37は、組立体30sを締め付けながら、下ケース31へ向けて締め付けられる。従って、複数の半導体装置10は、ケース30h内において、少なくとも一組の対向している内壁間に挟まれて支持されている。言い換えると、複数の半導体装置10は、ケース30h内に、押し込まれた状態で収納されている。ケース30hは、車両に想定される振動では大きく動かない程度に、複数の半導体装置10を、きつく締め付けている。
When assembling the
ケース30hは、方向XおよびYの少なくとも一方に沿って、ヒートシンク11に対して加圧力を及ぼしている。ケース30hが方向XおよびYの少なくとも一方に関して半導体装置10に与える加圧力は、ケース30hが方向Zに関して半導体装置10に与える加圧力に比べて強い。これに代えて、ケース30hが半導体モジュール22とヒートシンク11との積層方向Zに関して組立体30sに加える加圧力は、ゼロとしてもよい。すなわち、ケース30hは、ヒートシンク11だけを挟んで、組立体30sを固定してもよい。これらの構成においては、ケース30hは、主としてヒートシンク11を挟んで、組立体30sを支持する。この構成は、半導体モジュール22とヒートシンク11との接触状態の望ましくない変化を抑制する。
The
この実施形態では、インバータ1は、多相電力変換装置を構成している。インバータ1は、6つの半導体装置10を備える。それぞれの半導体装置10は、ひとつの半導体モジュール22と、その両面に装着された2つのヒートシンク11とを備える。そして、半導体モジュール22と一対のヒートシンク11とは、それらだけに属する専用の連結装置である板ばね13によって連結されている。板ばね13は、半導体モジュール22からヒートシンク11への伝熱が可能となるように、かつ、半導体モジュール22と2つのヒートシンク11とをひとまとまりの部品として取り扱うことが可能となるように、それらを連結している。よって、半導体モジュール22からヒートシンク11への伝熱性能は、ひとつの半導体モジュール22と一対のヒートシンク11との関係の下で管理することができる。このため、ひとつの半導体モジュール22とヒートシンク11との間において、望ましい水準の伝熱性能を得ることができる。しかも、望ましい水準の伝熱性能が、すべての半導体装置10で得られる。このため、部分的な伝熱性能の低下が抑制される。
In this embodiment, the inverter 1 constitutes a multiphase power converter. The inverter 1 includes six
複数の半導体装置10は、2×2以上の行列状に配列される。これにより、ヒートシンクからの放熱性の差の抑制と、コンパクトな配置とを両立することができる。複数の半導体装置10はケース内に収納され、固定される。複数の半導体装置10は、ケース30hの対向する壁面間に挟まれて支持されている。これにより、複数の半導体装置10を簡単に固定することができる。
The plurality of
本実施形態の半導体装置10は、半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面221,222を有する形状の半導体モジュール22と、ヒートシンク11とを備える。ヒートシンク11は、半導体モジュール22の主面221,222と熱的に結合される基板部110、及び主面221,222とは反対側に厚み方向に間隔をあけて列を形成するように基板部110からそれぞれ突出する複数個の第1のフィン112を有して構成され、半導体モジュール22を挟む両側それぞれに配される。ヒートシンク11は、厚み方向における両方の最外側に位置する第1のフィン112よりもさらに外側において基板部110から突出するフィンであって、第1のフィン112よりも厚み寸法が大きい肉厚部を有する第2のフィン113をさらに備える。
The
以上の構成によれば、第2のフィン113が内側の第1のフィン112よりも厚み寸法が大きい肉厚部を有することにより、第2のフィン113は第1のフィン112よりも強度が大きく、かつ熱を蓄える熱容量が大きい。このため、ヒートシンク11におけるフィンの強度向上と上記のヒートマス機能の向上とを図ることができる。これにより、組立て工程等において半導体装置10に加わる荷重によって起こり得る第1のフィン112の変形を抑制し、所望の冷却効果を発揮し得る状態を確保できるとともに、半導体モジュール22の急激な温度上昇等を抑制する放熱特性を高めることができる。
According to the above configuration, the
さらに、第2のフィン113は、フィン突出方向Zについても、下ケース31や隣り合う半導体装置10から加わる荷重に対して、上記肉厚部が下ケース31の内面から受ける力に対する強度を発揮し、また、隣り合う肉厚部同士が接触するため、互いに強度を発揮する。このため、厚み方向Y及びフィン突出方向Zの両方について、第1のフィン112を強度的に保護する機能を有し、変形を抑制する。このように第1のフィン112の変形が抑制できると、第1のフィン112間に形成される各隙間である空気通路が所定の大きさに保たれる。このため、通風抵抗が大きくなる冷却空気の流れにくい箇所が存在せず、各半導体装置10は所望の冷却性能を発揮することができ、半導体装置10の寿命延長が図れる。また、このように第1のフィン112の変形が抑制できると、半導体装置10をインバータ回路ユニット30のケースに収納する際に組立ての不具合が生じ難く、生産性の向上にも寄与する。
Further, the
さらに半導体装置10によれば、ヒートシンク11は半導体モジュール22の主面両面から受熱可能な両面冷却構造であるため、第2のフィン113の上記肉厚部による上記の過渡特性の向上と合わせ、優れた放熱性能を発揮する。
Furthermore, according to the
また、半導体装置10において第2のフィン113は、厚み方向Yに垂直な方向であって半導体モジュールの主面に平行な方向Xについての長さ寸法が第1のフィン112よりも小さくなっており、半導体モジュール22を挟む両側のヒートシンク11の基板部110において第2のフィン113が突出していないフィン無し部位110aに、弾性力により半導体モジュール22を挟む力を付勢する板ばね13(弾性部材)を設けている。
In the
この構成によれば、第2のフィン113は、半導体モジュール22の主面221,222に平行な方向についての長さが第1のフィン112よりも短いため、ヒートシンク11の基板部110において第2のフィン113が突出しないスペースを構築することができる。さらに当該スペースに半導体モジュール22を挟む力を付勢する板ばね13を設けるため、フィン強度及びヒートマス機能の向上とともに、半導体モジュール22とヒートシンク11との熱的接合手段を有効的に配置する搭載性とを同時に実現することができる。したがって、フィン強度及びヒートマス機能の向上と装置の小型化とを兼ね備えた半導体装置10が得られる。
According to this configuration, the
また、半導体装置10においてヒートシンク11の基板部110における第2のフィン113が突出していないフィン無し部位110aは、厚み方向Yに垂直な方向であって半導体モジュール22の主面221,222に平行な方向における第2のフィン113の両側に設けられている。
Further, in the
この構成によれば、第2のフィン113の上記両側に第2のフィン113が突出しない部位を設けることにより、主面221,222に平行な方向における中央部に第2のフィン113が位置するため、半導体モジュール22からの発熱がより効率的に第2のフィン113に移動し易くなる。したがって、半導体装置10は、半導体モジュール22からの発熱を一時的に蓄えるヒートマス機能をさらに効率的に発揮させることが可能になる。また、板ばね13によって半導体モジュール22を挟む力を半導体モジュール22の本体部226の外側に付与するため、板ばね13によるグリップ力を効率的に供給することができる。これらにより、半導体モジュール22とヒートシンク11との良好な密着性が得られて両者間の熱抵抗を低減できるので、半導体モジュール22の冷却効果の向上が図れる。
According to this configuration, the
また、本実施形態によれば、同相の上、下のアームをなす一対の半導体モジュール22が隣接して配置されるとともに、6個の半導体モジュール22が各アームをなす三相インバータ回路において、6個の半導体モジュール22の熱をヒートシンク11を介して空気中に放熱する。
Further, according to the present embodiment, in the three-phase inverter circuit in which the pair of
この構成によれば、同相の上下アームをなす一対の半導体装置10は、半導体モジュール22の両側に配されたヒートシンク11における強度向上と優れた放熱特性とを有するので、放熱特性の向上によるヒートシンク11の小型化が可能になる。さらに、強度向上による半導体装置10の高密度な配置が可能になるので、半導体装置10を配置するインバータ回路ユニット30のケースの小型化が図れ、また当該高密度な配置による半導体装置10の振動抑制が図れ、装置の故障、不具合の発生を低減できる。特に、電気自動車等の高振動環境においては半導体装置10の隙間が生じることによってフィンが損傷することがあるが、これを防止し、信頼性の高い製品を提供することができるのである。また、これら6個の半導体装置を一種類の半導体装置10で構成することが可能であるので、部品点数の低減、製作費用及び管理費用の低減が図れる。
According to this configuration, the pair of
(第2実施形態)
図8は、本発明の第2実施形態に係るインバータ回路ユニット30Aの斜視図である。インバータ回路ユニット30Aは、箱状のケース30hを有する。ケース30hは、6面を構成する6つの板状の部材と、それらを連結する連結部材としての複数の取付ねじを有する。ケース30hは、底板30h1と、蓋部37としての天板30h2とを有する。底板30h1および天板30h2には、端子を貫通させて配置するための複数の開口が開設されている。ケース30hは、左右の側板30h3、30h4を有する。さらに、ケース30hは、通風路形成部材32、33としてのグリッド板30h5、30h6を有する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a perspective view of an
図9は、第2実施形態に係る組立体30sと弾性部材30eとの分解状態を示す斜視図である。図10は、第2実施形態に係るケースの断面図である。組立体30sとケース30hとの間には、組立体30sを、少なくとも一軸方向に関して弾性的に支持する弾性支持部材30eが設けられている。図示の実施形態では、三軸方向に関して弾性支持部材30eが設けられている。三軸方向は、インバータ回路ユニット30Aとしての奥行き方向X、高さ方向Y、および横方向Zに相当する。組立体30sとケース30hとの間には、弾性支持部材30eを提供する板状の弾性部材30eが配置されている。弾性部材30eは、電気絶縁材でもある。弾性部材30eは、樹脂製またはゴム製である。組立体30sと底板30h1との間には、弾性部材30e1が配置されている。弾性部材30e1は、すべての半導体装置10の下面にわたって広がる大きさをもつ。弾性部材30e1には、端子を貫通させるための複数の穴が開設されている。組立体30sと天板30h2との間には、弾性部材30e2が配置されている。弾性部材30e2は、すべての半導体装置10の上面にわたって広がる大きさをもつ。弾性部材30e2には、端子を貫通させるための複数の穴が開設されている。組立体30sと側板30h3との間には、弾性部材30e3が配置されている。組立体30sと下ケース31の側板30h4との間には、弾性部材30e4が配置されている。組立体30sとグリッド板30h5との間には、弾性部材30e5が配置されている。組立体30sとグリッド板30h6との間には、弾性部材30e6が配置されている。弾性部材30e5、30e6には、通風口32bに対応する開口部が開設されている。この結果、直方体状の組立体30sの6面に弾性部材30eが配置される。
FIG. 9 is a perspective view showing an exploded state of the
図11は、第2実施形態に係る組立体30sと弾性部材30eとの分解状態を示す正面図である。グリッド板30h5は、外枠部と、仕切り部32aとを有し、複数の通風口32bを提供している。仕切り部32aは、半導体モジュール22と、その両側の一対の基板部110とにほぼ相当する幅を有している。弾性部材30e5は、仕切り部32aに相当する仕切り部を有し、通風口32bに相当する通風口を形成している。
FIG. 11 is a front view showing an exploded state of the
図12は、第2実施形態に係るケース30hの分解状態を示す側面図である。図13は、第2実施形態に係るケース30hの分解状態を示す正面図である。側板30h3、30h4には、取付ねじ36a、36bを受け入れるための複数の雌ねじ部が設けられている。さらに、グリッド板30h5、30h6には、仕切り部材32aに対応して、取付ねじ36bを受け入れるための雌ねじ部が設けられている。
FIG. 12 is a side view showing an exploded state of the
グリッド板30h5は、取付ねじ36aによって、側板30h3、30h4に向けて締め付けられることによって、側板30h3、30h4に固定されている。グリッド板30h6は、取付ねじ36aによって、側板30h3、30h4に向けて締め付けられることによって、側板30h3、30h4に固定されている。取付ねじ36aおよび雌ねじは、グリッド板30h5、30h6を締め付ける締め付け手段を提供する。
The grid plate 30h5 is fixed to the side plates 30h3 and 30h4 by being tightened toward the side plates 30h3 and 30h4 by the mounting
底板30h1は、取付ねじ36bによって、側板30h3、30h4に向けて締め付けられることによって、側板30h3、30h4に固定されている。天板30h2は、取付ねじ36bによって、側板30h3、30h4に向けて締め付けられることによって、側板30h3、30h4に固定されている。取付ねじ36bおよび雌ねじは、底板30h1、および天板30h2を締め付ける締め付け手段を提供する。
The bottom plate 30h1 is fixed to the side plates 30h3 and 30h4 by being tightened toward the side plates 30h3 and 30h4 by the mounting
底板30h1と、天板30h2と、組立体30sとは、弾性部材30e1、30e2を圧縮している。また、側板30h3と、側板30h4と、組立体30sとは、弾性部材30e3、30e4をわずかに圧縮している。さらに、グリッド板30h5と、グリッド板30h6と、組立体30sとは、弾性部材30e5、30e6を圧縮している。この結果、すべての弾性部材30eは、圧縮方向へ弾性変形している。従って、複数の半導体装置10は、ケース30h内に、押し込まれた状態で収納されている。言い換えると、組立体30sは、ケース30h内において弾性的に支持されている。弾性部材30eは、組立体30sを、車両に想定される振動では大きく動かない程度に、きつく締め付けている。弾性部材30e3、30e4の圧縮量は、他の弾性部材30e1、30e2、30e5、30e6に比べて少なくすることができる。
The bottom plate 30h1, the top plate 30h2, and the
ケース30hと組立体30sとの組立方法は、種々の手順をとることができる。例えば、まず、底板30h1、側板30h3、および側板30h4を連結する。次に、弾性部材30e3、30e4をわずかに圧縮しながら、組立体30sを、側板30h3、30h4間に挿入する。次に、グリッド板30h5、30h6を、弾性部材30e5、30e6をわずかに圧縮しながら、側板30h3、30h4へ向けて締め付ける。最後に、天板30h2を、弾性部材30e1、30e2をわずかに圧縮しながら、側板30h3、30h4へ向けて締め付ける。
The assembling method of the
この構成では、複数の半導体装置10は、底板30h1と天板30h2との間、およびグリッド板30h5とグリッド板30h6との間の少なくとも一方に挟まれて支持されている。ケース30hは、ヒートシンク11を強く挟んで、組立体30sを固定している。ケース30hは、方向XおよびYの少なくとも一方に沿って、ヒートシンク11に対して加圧力を及ぼしている。側板30h3と側板30h4との対向する方向は、半導体モジュール22とヒートシンク11との積層方向Zである。ケース30hが積層方向Zと交差する方向XおよびYの少なくとも一方に関して半導体装置10に与える加圧力は、ケース30hが積層方向Zに関して半導体装置10に与える加圧力に比べて強い。この構成においては、ケース30hは、主としてヒートシンク11を挟んで、組立体30sを弾性的に支持する。この構成は、半導体モジュール22とヒートシンク11との接触状態の望ましくない変化を抑制する。
In this configuration, the plurality of
この実施形態によると、前述の実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに加えて、複数の半導体装置10は、弾性部材30eによって弾性的にケース30h内に支持される。これにより、複数の半導体装置10を長期間にわたって安定的に固定することができる。
According to this embodiment, the same effect as the above-described embodiment can be obtained. In addition, the plurality of
(第3実施形態)
図14は、本発明の第3実施形態に係る通風路形成部材の正面図である。図15は、第3実施形態に係る通風路形成部材の横断面図である。図16は、第3実施形態に係る通風路形成部材の縦断面図である。通風路形成部材としてのグリッド板30h5、30h6は、図示されるように、台形状の断面形状をもつ仕切り部332aを備えることができる。通風口332bは、ファンネル状の空気通路を区画する。上流側に配置されるグリッド板30h5においては、図示されるように空気を流すことで、通風抵抗を抑えることができる。
(Third embodiment)
FIG. 14 is a front view of a ventilation path forming member according to a third embodiment of the present invention. FIG. 15 is a cross-sectional view of the ventilation path forming member according to the third embodiment. FIG. 16 is a longitudinal sectional view of a ventilation path forming member according to the third embodiment. As illustrated, the grid plates 30h5 and 30h6 as the ventilation path forming member may include a
図17は、第3実施形態に係る通風路形成部材の正面図である。複数の通風口332bの開口面積は、ケース30h内の半導体装置10の通風路断面積に対応して設定されている。この実施形態では、幅W11は、幅W12のほぼ2倍に等しいか、もしくは幅W12の2倍よりわずかに大きく設定されている。幅W11は、2つの半導体装置10にまたがって開口し、内側に位置する通風口332bの幅である。幅W12は、ひとつの半導体装置10にのみ対応して開口し、端に位置する通風口332bの幅である。グリッド板30h5、30h6の通風口332bの開口面積は、複数の半導体装置10の冷却を促進するために、あるいは複数の半導体装置10の間の温度差を抑制するために、調節することができる。
FIG. 17 is a front view of the ventilation path forming member according to the third embodiment. The opening areas of the plurality of
(第4実施形態)
図18は、本発明の第4実施形態に係る通風路形成部材の正面図である。この実施形態では、幅W21は、幅W22の2倍よりも小さく設定されている。この構成は、端に位置する通風口432bの風量を相対的に多くするために有効である。
(Fourth embodiment)
FIG. 18 is a front view of a ventilation path forming member according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the width W21 is set to be smaller than twice the width W22. This configuration is effective for relatively increasing the air volume at the
(第5実施形態)
図19は、本発明の第5実施形態に係る通風路形成部材の正面図である。この実施形態では、幅W31は、幅W32の2倍よりも明らかに大きく設定されている。この構成は、端に位置する通風口532bの風量を相対的に少なくするために有効である。
(Fifth embodiment)
FIG. 19 is a front view of a ventilation path forming member according to a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, the width W31 is set to be clearly larger than twice the width W32. This configuration is effective for relatively reducing the air volume of the
(第6実施形態)
第6実施形態の半導体装置10Cについて図20を参照して説明する。図20は半導体装置10Cの構成を示す斜視図である。図20において同一符号を付した構成部品は、第1実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。また、第6実施形態の半導体装置10Cは、2個の半導体モジュール22を備える点以外の構成については第1実施形態と同一であり、同様の作用効果を奏する。
(Sixth embodiment)
A semiconductor device 10C of the sixth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a perspective view showing the configuration of the semiconductor device 10C. In FIG. 20, the components denoted by the same reference numerals are the same as those in the first embodiment, and have the same effects. In addition, the semiconductor device 10C of the sixth embodiment is the same as that of the first embodiment except for the configuration including the two
半導体装置10Cは、2個のヒートシンク11Cが主面に平行な方向Xに並ぶ2個の半導体モジュール22を両者間に挟む構成である。各ヒートシンク11Cは、2個の半導体モジュール22の各主面221,222と熱的に結合される板状の基板部110と、基板部110から直角方向(フィン突出方向Zに相当)に突出する複数個の第1のフィン112と、上下両端側にそれぞれ2個ずつ設けられる第2のフィン113と、を備えている。基板部110における第2のフィン113が突出していない部位は、ヒートシンク11Cの上下両端側にそれぞれ3箇所設けられており、これらすべての6箇所に板ばね13が取り付けられて、弾性力により2個の半導体モジュール22を挟む力を付勢している。
The semiconductor device 10C has a configuration in which two
上記構成により、インバータ回路ユニット30のケースには、3個の半導体装置10Cが所定の位置に上方から挿入設置される。3個の半導体装置10Cは、横方向(フィン突出方向Zに相当)に整列して近接配置され、それぞれU相、V相、W相を構成し、各半導体装置10Cの2個の半導体モジュール22は、同相の上アーム及び下アームを構成するように配置され、その後、電気的に有線接続される。
With the above configuration, the three
この実施形態でも、半導体モジュール22からヒートシンク11Cへの伝熱性能は、2つの半導体モジュール22と一対のヒートシンク11Cとの関係の下で管理することができる。このため、半導体モジュール22とヒートシンク11Cとの間において、望ましい水準の伝熱性能を得ることができる。しかも、望ましい水準の伝熱性能が、すべての半導体装置10Cで得られる。このため、部分的な伝熱性能の低下が抑制される。また、複数の半導体装置10Cは、複数の半導体モジュール22を2×2以上の行列状に配列するように、配置される。これにより、複数の半導体モジュール22からの放熱性の差の抑制と、コンパクトな配置とを両立することができる。複数の半導体装置10Cは、先行する実施形態のケース30h内に収納され、固定される。これにより、複数の半導体装置10Cを簡単に、かつ安定的に固定することができる。
Also in this embodiment, the heat transfer performance from the
(他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。 The structure of the said embodiment is an illustration to the last, Comprising: The scope of the present invention is not limited to the range of these description. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
例えば、6つの半導体装置10の間に、弾力性をもつ部材、または、電気絶縁性をもつ部材を設けてもよい。また、弾性部材30eは、板ばねと電気絶縁性フィルムとによって構成されてもよい。ひとつの軸方向に関して平行に配置された対をなす弾性部材は、片側だけに設けることができる。例えば、弾性部材30e1と弾性部材30e2は対をなしている。弾性部材30e1を省略し、弾性部材30e2のみを設けてもよい。また、二軸方向に関してのみ弾性支持部材を配置してもよい。また、一軸方向に関してのみ弾性支持部材を配置してもよい。複数の実施形態に示した部分的な構成は、他の実施形態の構成に組み合わせて、あるいは置換して採用することができる。例えば、第6実施形態の半導体装置10Cは、先行する実施形態のいずれかと組み合わせることができる。
For example, a member having elasticity or a member having electrical insulation may be provided between the six
上記実施形態では、半導体チップとして大出力用のIGBTが形成されているが、低出力用のMOSFET,JFETなどが形成された半導体チップを用いてもよい。 In the above embodiment, a high output IGBT is formed as a semiconductor chip, but a semiconductor chip in which a low output MOSFET, JFET, or the like is formed may be used.
上記実施形態のインバータ装置により駆動されるモータの用途は、車両の走行に限らず、発電、エンジン始動、コンプレッサ等の補機の駆動等であり、その用途や必要能力に応じて、複数のモータを駆動したり、複数段に積載したインバータ装置を備えたりしてもよい。 The use of the motor driven by the inverter device of the above embodiment is not limited to vehicle travel, but includes power generation, engine starting, driving of auxiliary equipment such as a compressor, etc., and a plurality of motors depending on the use and required capacity Or an inverter device loaded in a plurality of stages may be provided.
1…インバータ装置
10、10C…半導体装置
11、11C…ヒートシンク
13…板ばね(連結装置)
20a〜20f…IGBT(半導体素子)
21a〜21f…フリーホイーリングダイオード(半導体素子)
22,22a〜22f…半導体モジュール
30h…ケース
31…下ケース
37…蓋
110…基板部
110a…フィン無し部位(部位)
112…第1のフィン
113…第2のフィン
221,222…主面(一対の主面)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
20a to 20f ... IGBT (semiconductor element)
21a-21f ... Free wheeling diode (semiconductor element)
22, 22a-22f ...
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記複数の半導体装置を収容するケースとを備え、
それぞれの前記半導体装置は、
半導体素子を内蔵し、対向する一対の主面を有する形状の半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの両側に配置された2つのヒートシンクと、
前記半導体モジュールから2つの前記ヒートシンクへの伝熱が可能となるように、前記半導体モジュールと2つの前記ヒートシンクとを連結する連結装置とを備え、
それぞれの前記半導体装置において、前記半導体モジュールと2つの前記ヒートシンクとは、それらだけに属する専用の前記連結装置によって、ひとまとまりの前記半導体装置として取り扱うことが可能となるように、連結されており、
前記ケースは、前記複数の半導体装置を収容するとともに、前記ヒートシンクへ空気を供給する通風口を有し、
前記半導体モジュールは、前記半導体モジュールの主面と直交するに突出する電極端子と、前記電極端子と逆向きに突出する制御信号端子を備え、
前記ヒートシンクは、前記半導体モジュールの各主面と接合される板状の基板部と、基板部の主面方向に突出する複数個の第1のフィンと、前記第1のフィンの並び方向における両方の最外側に位置するフィンよりさらに外側において前記基板部から直角方向に突出する第2のフィンを備え、
前記第2のフィンは、前記第1のフィンよりも厚さ寸法が大きい肉厚部を備え、
前記第2のフィンは、その厚み方向に垂直な方向であって、前記半導体モジュールの主面に平行な方向における長さ寸法が前記第1のフィンよりも短く、
前記連結装置は、平面部と、前記平面部の両端に位置する脚部を備え、
前記連結装置は、対向する2つの前記ヒートシンクのうち、前記第2のフィンの両端であって、前記基板部においてフィンが形成されていない部位同士を前記脚部により挟持し、前記平面部の主面が前記電極端子、及び、前記制御端子の突出方向を向くように配置して連結していることを特徴とする電力変換装置。 A plurality of semiconductor devices;
A case for housing the plurality of semiconductor devices,
Each of the semiconductor devices is
A semiconductor module containing a semiconductor element and having a pair of opposing main surfaces;
Two heat sinks disposed on both sides of the semiconductor module;
A connection device for connecting the semiconductor module and the two heat sinks so that heat transfer from the semiconductor module to the two heat sinks is possible;
In each of the semiconductor devices, the semiconductor module and the two heat sinks are connected so as to be handled as a group of the semiconductor devices by the dedicated connecting device belonging only to them,
The case is configured to accommodate a plurality of semiconductor devices, possess vent for supplying air to the heat sink,
The semiconductor module includes an electrode terminal projecting perpendicular to the main surface of the semiconductor module, and a control signal terminal projecting in the opposite direction to the electrode terminal,
The heat sink includes both a plate-like substrate portion joined to each main surface of the semiconductor module, a plurality of first fins projecting in the main surface direction of the substrate portion, and an arrangement direction of the first fins. A second fin projecting in a direction perpendicular to the substrate portion on the outer side of the fin located on the outermost side of
The second fin includes a thick portion having a thickness dimension larger than that of the first fin,
The second fin is a direction perpendicular to the thickness direction of the second fin, and a length dimension in a direction parallel to the main surface of the semiconductor module is shorter than the first fin.
The coupling device includes a flat portion and leg portions located at both ends of the flat portion,
The coupling device sandwiches the portions of the two fins facing each other at both ends of the second fin, where the fins are not formed in the substrate portion, by the leg portion, It faces the electrode terminal, and the power conversion apparatus characterized that you have linked disposed so as to face the protruding direction of the control terminal.
前記電力変換装置は、少なくとも6つの前記半導体装置を有することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 Each of the semiconductor modules includes a switching element that controls power,
The power converter according to claim 1, wherein the power converter includes at least six of the semiconductor devices.
6. The power conversion device according to claim 4, wherein the case sandwiches the semiconductor device in a direction crossing a stacking direction of the semiconductor module and the heat sink.
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