JP5681092B2 - Power module cooling device - Google Patents
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Description
この発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置に関する。 The present invention relates to a power module cooling device in which a heat module having a plurality of semiconductor power chips mounted on a base plate is fixed on a heat sink, whereby the heat generated by the power module is absorbed by the heat sink and radiated to the outside. .
図８，９は、下記特許文献１，２の構成を含む一般的なパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図８はこの上部の平面図，図９はその側面図である。
すなわち図８の平面図において、１１は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈそれぞれを搭載したベース板、１２は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈと同様配置で半導体パワーチップ１２ａ〜１２ｈそれぞれを搭載したベース板、１３は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈと同様配置で半導体パワーチップ１３ａ〜１３ｈをそれぞれ搭載したベース板、１４はアルミニウムなどを素材にしたヒートシンクを示し、この図において、ベース板１１と半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈとでパワーモジュールを形成し、同様に、ベース板１２と半導体パワーチップ１２ａ〜１２ｈとでパワーモジュールを、ベース板１３と半導体パワーチップ１３ａ〜１３ｈとでパワーモジュールをそれぞれ形成している。
8 and 9 are schematic conceptual configuration diagrams of a cooling device for a general power module including the configurations of Patent Documents 1 and 2 below, FIG. 8 is a plan view of the upper portion, and FIG. 9 is a side view thereof. .
That is, in the plan view of FIG. 8, 11 is a base plate on which semiconductor power chips 11a to 11h are mounted, 12 is a base plate on which semiconductor power chips 12a to 12h are mounted in the same arrangement as semiconductor power chips 11a to 11h, and 13 is A base plate on which the semiconductor power chips 13a to 13h are mounted in the same arrangement as the semiconductor power chips 11a to 11h, and 14 is a heat sink made of aluminum or the like. In this figure, the base plate 11 and the semiconductor power chips 11a to 11h In the same manner, the power module is formed by the base plate 12 and the semiconductor power chips 12a to 12h, and the power module is formed by the base plate 13 and the semiconductor power chips 13a to 13h.
また、図９の側面図において、１４ａはヒートシンク１４のフィン部、１５〜１７は伝熱管としての丸棒形のヒートパイプをそれぞれ示し、これらのヒートパイプ１５〜１７はベース板１１〜１３とヒートシンク１４とが接するヒートシンク１４の面側に設けられた溝に埋め込まれている。 Further, in the side view of FIG. 9, reference numeral 14a denotes a fin portion of the heat sink 14, and 15 to 17 denote round bar-shaped heat pipes as heat transfer tubes, respectively. These heat pipes 15 to 17 are the base plates 11 to 13 and the heat sink. 14 is embedded in a groove provided on the surface side of the heat sink 14 in contact with the heat sink 14.
図１０は、従来のパワーモジュールの冷却装置における図９の部分詳細構成図を示し、ヒートパイプ１５をヒートシンク１４に埋め込むための前記溝が半導体パワーチップ１１ａなどのほぼ真下に位置し、また、ヒートパイプ１５が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３それぞれとの隙間には熱伝導性のグリース１８が充填されている。 FIG. 10 is a partial detailed configuration diagram of FIG. 9 in a conventional power module cooling device, in which the groove for embedding the heat pipe 15 in the heat sink 14 is located almost directly below the semiconductor power chip 11a and the like, Thermally conductive grease 18 is filled in the gaps between the groove in which the pipe 15 is embedded and the base plates 11 to 13.
また、図１１は従来のパワーモジュールの冷却装置における図１０とは異なった部位の部分詳細構成図を示し、ヒートパイプ１６をヒートシンク１４に埋め込むための前記溝が半導体パワーチップ１１ｂなどと半導体パワーチップ１１ｃなどとのほぼ中間に位置し、さらに、ヒートパイプ１６が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３それぞれとの隙間には熱伝導性のグリース１９が充填されている。
図８，９に示した従来のパワーモジュールの冷却装置では、ヒートシンク１４のフィン部１４ａの長手方向に沿ってヒートシンク１４のベース板１１〜１３側に埋め込まれたヒートパイプ１５〜１７により、ヒートシンク１４の長手方向に沿い放熱効果を均一化する方式が採用されている。 In the conventional power module cooling device shown in FIGS. 8 and 9, the heat sink 14 is formed by the heat pipes 15 to 17 embedded on the base plates 11 to 13 side of the heat sink 14 along the longitudinal direction of the fin portion 14 a of the heat sink 14. A method of making the heat dissipation effect uniform along the longitudinal direction of the is adopted.
しかしながら、図１０に示した如く、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどのほぼ真下に設けられたヒートパイプ１５の溝により、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどの温度上昇値に比して、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの温度上昇値が大きくなるという難点があり、これらの温度上昇値の差をより小さくするために、ヒートパイプ１５が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３との隙間には熱伝導性のグリース１８を充填している。 However, as shown in FIG. 10, the groove of the heat pipe 15 provided almost directly under the semiconductor power chips 11a, 11e, etc., causes the semiconductor power chip 11a to compare with the temperature rise value of the semiconductor power chips 11b, 11f, etc. , 11e, etc., have a disadvantage that the temperature rise value becomes large, and in order to reduce the difference between these temperature rise values, there is heat in the gap between the groove in which the heat pipe 15 is embedded and the base plates 11-13. Conductive grease 18 is filled.
この発明の目的は、パワーモジュールに内蔵され、１つのベース板上に搭載されている前記半導体パワーチップ間の温度上昇値の差をより小さくしつつ、上記放熱効果を改善できるパワーモジュールの冷却装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is a power module cooling device that can be incorporated in a power module and can improve the heat dissipation effect while reducing the difference in temperature rise between the semiconductor power chips mounted on one base plate. Is to provide.
この第１の発明は、ベース板上に１または２以上の半導体パワーチップからなる複数の半導体パワーチップ群を搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールのベース板と接する範囲の前記ヒートシンク面内であって、前記ベース板に搭載された複数の半導体パワーチップ群の中間位置と、前記複数の半導体パワーチップ群の搭載位置の両外側の位置とに溝を設け、この溝に丸棒形の伝熱管を埋設し、前記溝は、前記半導体パワーチップの搭載位置と重ならないように設けられていることを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, a heat module having a plurality of semiconductor power chip groups including one or more semiconductor power chips mounted on a base plate is fixed on a heat sink, so that the heat generated by the power module is absorbed by the heat sink. In the power module cooling device that absorbs heat and radiates to the outside, within the heat sink surface in a range in contact with the base plate of the power module, and an intermediate position of a plurality of semiconductor power chip groups mounted on the base plate A groove is provided at both outer positions of the mounting positions of the plurality of semiconductor power chip groups, and a round bar heat transfer tube is embedded in the groove so that the groove does not overlap with the mounting position of the semiconductor power chip. It is provided in .
第２の発明は、ベース板上に１または２以上の半導体パワーチップからなる複数の半導体パワーチップ群を搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールが固着される前記ヒートシンク面であり、かつ前記パワーモジュールのベース板が接する範囲内であって、前記パワーモジュールのベース板に搭載された複数の半導体パワーチップ群の中間位置と、前記複数の半導体パワーチップ群の搭載位置の両外側の位置とに溝を設け、この溝に丸棒形の伝熱管を埋設し、前記溝の位置と前記半導体パワーチップの搭載位置とを重ならせ、その重なり幅は前記半導体パワーチップの幅の１／２未満であることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, the heat module generates heat generated by the power module by fixing on the heat sink a power module having a plurality of semiconductor power chip groups including one or more semiconductor power chips mounted on the base plate. In a power module cooling apparatus that absorbs and dissipates heat to the outside, the power module is mounted on the power module base plate within a range where the power module is fixed to the heat sink surface and in contact with the power module base plate A groove is provided at an intermediate position of the plurality of semiconductor power chip groups and a position on both outer sides of the mounting position of the plurality of semiconductor power chip groups, and a round bar-shaped heat transfer tube is embedded in the groove, position and the semiconductor power chip mounting position and the overlap with racemate, of the width of the overlapping width of the semiconductor power chip 1 / And less than.
第３の発明は、第２の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記ヒートシンク上の何れかの溝の設置位置の両側に前記ベース板上の半導体パワーチップが搭載され、前記溝の設置位置が該溝に対向した２個の前記半導体パワーチップそれぞれの搭載位置と重なるとき、それぞれの重なり幅の和を前記半導体パワーチップそれぞれの幅の１／２未満にしてなることを特徴とする。
According to a third invention, in the power module cooling apparatus according to the second invention, semiconductor power chips on the base plate are mounted on both sides of any groove installation position on the heat sink, and the groove installation position is Is overlapped with the mounting position of each of the two semiconductor power chips facing the groove, the sum of the overlapping widths is less than half of the width of each of the semiconductor power chips.
第４の発明は、第１〜第３の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールと前記ヒートシンクとの間に熱伝導板を挿設したことを特徴とする。
第５の発明は前記第１〜第４の発明のパワーモジュールの冷却装置において、車両走行時の走行風を利用して前記ヒートシンクが吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部から前記ヒートシンクのフィン部が露出するように配置したことを特徴とする。
According to a fourth invention, in the power module cooling apparatus according to the first to third inventions, a heat conduction plate is inserted between the power module and the heat sink.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the power module cooling apparatus according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, in order to dissipate the heat absorbed by the heat sink by using traveling wind during traveling of the vehicle. It arrange | positions so that the fin part may be exposed.
この発明に係るパワーモジュールの冷却装置によれば、前記パワーモジュールのベース板上に搭載された半導体パワーチップ間の温度上昇値の差をより小さくすることができる。 According to the power module cooling device of the present invention, it is possible to further reduce the difference in temperature rise between the semiconductor power chips mounted on the base plate of the power module.
図１，２は、この発明の第１の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図１はこの上部の平面図，図２はその側面図である。これらの図において、図８，９に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。 1 and 2 are schematic conceptual configuration diagrams of a cooling device for a power module according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a plan view of the upper portion and FIG. 2 is a side view thereof. In these drawings, components having the same functions as those of the conventional configuration shown in FIGS.
すなわち図１，２に示した構成図では、ヒートシンク２１におけるヒートパイプ１５，ヒートパイプ１７それぞれの埋設位置が図８，９に示した構成図におけるヒートシンク１４での埋設位置とは大きく異なり、全ての半導体パワーチップに重ならないようにヒートパイプの溝が設けられており、図のとおり半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの搭載位置から外れた位置（図１，２の例では重ならない位置）にヒートパイプ１５の溝が設けられ、同様に、半導体パワーチップ１１ｄ，１１ｈなどの搭載位置から外れた位置にヒートパイプ１７の溝が設けられている。 That is, in the configuration diagrams shown in FIGS. 1 and 2, the embedded positions of the heat pipe 15 and the heat pipe 17 in the heat sink 21 are significantly different from the embedded positions in the heat sink 14 in the configuration diagrams shown in FIGS. A groove of the heat pipe is provided so as not to overlap the semiconductor power chip, and as shown in the figure, the heat pipe is positioned away from the mounting position of the semiconductor power chips 11a and 11e (position not overlapping in the example of FIGS. 1 and 2). Similarly, the groove of the heat pipe 17 is provided at a position away from the mounting position of the semiconductor power chips 11d, 11h and the like.
その結果、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では、半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈなどの温度上昇値それぞれの差をより小さくすることができるとともに、後述の図３〜７に示すこの発明の第１〜第４の実施例構成のようにパワーモジュールの冷却装置を形成することにより、これらの温度上昇値もより小さくすることができる。 As a result, in the configuration of the cooling device for the power module shown in FIGS. 1 and 2, the difference between the temperature rise values of the semiconductor power chips 11 a to 11 h and the like can be further reduced, and shown in FIGS. By forming the power module cooling device as in the configurations of the first to fourth embodiments of the present invention, these temperature rise values can be further reduced.
図３は、この発明の第１の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図３に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えば、ヒートシンク２１と同一素材の熱拡散板３１が挿入され、この熱拡散板３１を図４に示すように形成することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１６への直接の熱伝導を改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３１を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値をより小さくなり、従って、その温度差もより少なくすることができる。なお、熱拡散板３１と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。
FIG. 3 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, and shows a partial detailed block diagram of the power module cooling device shown in FIGS.
That is, as shown in FIG. 3, the gap between the groove of the heat pipe 16 and the base plates 11 to 13 provided at almost the intermediate position between the semiconductor power chips 11 b and 11 f and the semiconductor power chips 11 c and 11 g is For example, a heat diffusion plate 31 made of the same material as that of the heat sink 21 is inserted, and the heat diffusion plate 31 is formed as shown in FIG. 4 so that direct heat conduction from the base plates 11 to 13 to the heat pipe 16 is achieved. In addition, by providing a step in the groove, a path for radiating heat from the base plates 11 to 13 to the heat sink 21 via the heat diffusion plate 31 can be obtained. As a result, these semiconductor power chips The temperature rise value at the time becomes smaller, and therefore the temperature difference can also be reduced. In addition, it is desirable to fill a slight gap between the heat diffusion plate 31 and the heat pipe 16 and the base plates 11 to 13 with thermally conductive grease.
図４は図３に示した熱拡散板の詳細構成図を示し、この図のように、熱拡散板３１のベース板１１〜１３側に凸状の僅かな湾曲を、また、熱拡散板３１のヒートハイプ１６側に凹状の僅かな湾曲をそれぞれ持たせることに持たせることにより、ベース板１１〜１３と熱拡散板３１との接触部および熱拡散板３１とヒートパイプ１６との接触部それぞれの熱抵抗をより低減することができる。 FIG. 4 is a detailed configuration diagram of the heat diffusion plate shown in FIG. 3. As shown in this figure, the heat diffusion plate 31 has a slight convex curve on the base plates 11 to 13 side, and the heat diffusion plate 31. By giving each of the concave portions a slight curve on the heat hype 16 side, the contact portions between the base plates 11 to 13 and the heat diffusion plate 31 and the contact portions between the heat diffusion plate 31 and the heat pipe 16 are respectively provided. Thermal resistance can be further reduced.
図５は、この発明の第２の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における図３とは異なった部位での部分詳細構成図を示している。
すなわち、図５に示した如く、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの搭載位置に対して外れた位置にヒートパイプ１５の溝を設け、また、ベース板１１〜１３との隙間には、図３に示した熱拡散板３１と同一素材，形状の熱拡散板３２を挿入することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１５への直接の熱伝導を改善できるともに、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどと、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｆなどとの温度上昇値の差をより少なくすることができる。なお、図３と同様に、熱拡散板３２と、ヒートパイプ１５およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１７に対しても、図５に示した構成を用いることができる。
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention, and shows a partial detailed block diagram of a portion different from FIG. 3 in the cooling device for the power module shown in FIGS.
That is, as shown in FIG. 5, the groove of the heat pipe 15 is provided at a position deviated from the mounting position of the semiconductor power chips 11a, 11e, etc., and the gap between the base plates 11-13 is shown in FIG. By inserting a heat diffusion plate 32 of the same material and shape as the heat diffusion plate 31 shown, direct heat conduction from the base plates 11 to 13 to the heat pipe 15 can be improved, and the semiconductor power chips 11a, 11e, etc. And the difference of the temperature rise value with semiconductor power chip 11a, 11f etc. can be decreased more. As in FIG. 3, it is desirable to fill a slight gap between the heat diffusion plate 32, the heat pipe 15 and the base plates 11 to 13 with thermally conductive grease. The configuration shown in FIG. 5 can also be used for the heat pipe 17.
図６は、この発明の第３の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図６に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えば、ヒートシンク２１と同一素材の熱拡散板３３が挿入される。この熱拡散板３３の断面形状は、ヒートパイプ１６と接する側にはヒートパイプ１６の外周とほぼ同一形状の湾曲を持たせるとともにベース板１１と接する側は平らとすることにより、熱拡散板３３からヒートパイプ１６への熱伝導をより改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３３を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値を小さくしつつ、その差を少なくすることができる。なお、熱拡散板３３と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１５，１７に対しても、図６に示した構成を用いることができる。
FIG. 6 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention, and shows a partial detailed block diagram of the power module cooling device shown in FIGS.
That is, as shown in FIG. 6, the gap between the groove of the heat pipe 16 and the base plates 11 to 13 provided at almost the intermediate position between the semiconductor power chips 11 b and 11 f and the semiconductor power chips 11 c and 11 g is For example, a heat diffusion plate 33 made of the same material as the heat sink 21 is inserted. The cross-sectional shape of the heat diffusing plate 33 is such that the side in contact with the heat pipe 16 has a curve having substantially the same shape as the outer periphery of the heat pipe 16 and the side in contact with the base plate 11 is flattened. The heat conduction from the heat pipe 16 to the heat pipe 16 can be further improved, and by providing a step in the groove, a path for radiating heat from the base plates 11 to 13 to the heat sink 21 via the heat diffusion plate 33 can be created. As a result, the difference in temperature can be reduced while reducing the temperature rise value in these semiconductor power chips. In addition, it is desirable to fill a slight gap between the heat diffusion plate 33 and the heat pipe 16 and the base plates 11 to 13 with thermally conductive grease. The configuration shown in FIG. 6 can also be used for the heat pipes 15 and 17.
図７は、この発明の第４の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図７に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えばヒートシンク２１と同一素材、且つ２分割されたそれぞれの断面形状が略三角形状の勝手違いの熱拡散板３４，３５それぞれを挿入することにより、熱拡散板３４，３５からヒートパイプ１６への熱伝導をより改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３４，３５を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値を小さくしつつ、その差を少なくすることができる。
FIG. 7 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention, and shows a partial detailed block diagram of the power module cooling device shown in FIGS.
That is, as shown in FIG. 7, the gap between the groove of the heat pipe 16 and the base plates 11 to 13 provided at almost the intermediate position between the semiconductor power chips 11 b and 11 f and the semiconductor power chips 11 c and 11 g is formed in the gap between the base plates 11 to 13. For example, by inserting the heat diffusion plates 34 and 35 having the same material as the heat sink 21 and each having a substantially triangular cross-section, the heat diffusion plates 34 and 35 from the heat diffusion plates 34 and 35 to the heat pipe 16 are inserted. The heat conduction can be further improved, and by providing a step in the groove, a path for radiating heat from the base plates 11 to 13 to the heat sink 21 via the heat diffusion plates 34 and 35 can be obtained. The difference in temperature can be reduced while reducing the temperature rise value in these semiconductor power chips.
さらに、図７に示したような構成にすることにより、ベース板１５〜１７と熱拡散板３４，３５および熱拡散板３４，３５とヒートパイプ１６との接触を確実なものとすると同時に、ヒートパイプ１６に無理な力が加わらないようにするこができる。なお、熱拡散板３４，３５と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１５，１７に対しても、図７に示した構成を用いることができる。 Further, by adopting the configuration as shown in FIG. 7, the base plates 15 to 17 and the heat diffusion plates 34 and 35 and the heat diffusion plates 34 and 35 and the heat pipe 16 can be reliably contacted with each other, and at the same time It is possible to prevent an excessive force from being applied to the pipe 16. In addition, it is desirable to fill a slight gap between the heat diffusion plates 34 and 35 and the heat pipe 16 and the base plates 11 to 13 with thermally conductive grease. The configuration shown in FIG. 7 can also be used for the heat pipes 15 and 17.
図１２は、この発明の第２の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図１２（ａ）はこの上部の部分平面図，図１２（ｂ）はその部分側面図である。 FIG. 12 is a schematic conceptual block diagram of a power module cooling device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 12 (a) is a partial plan view of this upper part, and FIG. 12 (b) is its part. It is a side view.
すなわち図１２に示した構成では、ヒートシンク２２の溝に埋設されたヒートパイプ２３は、パワーモジュールのベース板２６での半導体パワーチップＣｐ１Ａ，１ＢとＣｐ２Ａ，２Ｂとのほぼ中間位置に、前記双方のチップの搭載位置には重ならないように配置され、また、ヒートシンク２２の溝に埋設されたヒートパイプ２４，２５それぞれは、パワーモジュールのベース板２６での半導体パワーチップＣｐ４Ａ，４Ｂや、Ｃｐ６Ａ，６Ｂの搭載位置に重なっているが、その重なり幅をそれぞれの半導体パワーチップの幅の１／２未満にしている。なお、ヒートパイプ２３〜２５それぞれとベース板２６との間の隙間には熱伝導性のグリースを充填している。 In other words, in the configuration shown in FIG. 12, the heat pipe 23 embedded in the groove of the heat sink 22 is located at a substantially intermediate position between the semiconductor power chips Cp1A, 1B and Cp2A, 2B on the base plate 26 of the power module. The heat pipes 24 and 25, which are arranged so as not to overlap the chip mounting position and are embedded in the groove of the heat sink 22, are respectively semiconductor power chips Cp4A and 4B and Cp6A and 6B on the base plate 26 of the power module. However, the overlap width is set to be less than ½ of the width of each semiconductor power chip. A gap between each of the heat pipes 23 to 25 and the base plate 26 is filled with thermally conductive grease.
図１３は、パワーモジュールの冷却装置の実験モデルを用いた解析により得られた温度上昇値の特性グラフであり、その実線グラフは上述の図１２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値であり、また、破線グラフはヒートパイプ２３が半導体パワーチップＣｐ１Ａ，１ＢおよびＣｐ２Ａ，２Ｂの搭載位置に重ならない中間位置、ヒートパイプ２４が半導体パワーチップＣｐ３Ａ，３ＢおよびＣｐ４Ａ，４Ｂの搭載位置に重ならない中間位置、ヒートパイプ２５が半導体パワーチップＣｐ５Ａ，５Ｂの搭載位置にほぼ一致する位置にそれぞれ配置されたときの値である。 FIG. 13 is a characteristic graph of the temperature rise value obtained by the analysis using the experimental model of the power module cooling device, and the solid line graph is a value in the configuration of the power module cooling device shown in FIG. Further, the broken line graph shows an intermediate position where the heat pipe 23 does not overlap the mounting position of the semiconductor power chips Cp1A, 1B and Cp2A, 2B, and the heat pipe 24 overlaps the mounting position of the semiconductor power chips Cp3A, 3B and Cp4A, 4B. This is a value when the heat pipe 25 is disposed at a position that substantially coincides with the mounting position of the semiconductor power chips Cp5A and 5B.
すなわち、図１３に示した実線グラフの特性から明らかなように、破線グラフにおける半導体パワーチップＣｐ５Ａ，５Ｂの温度上昇値が６２．４Ｋと他のチップに比して極端に高くなっており、これを解消して各チップ間の温度上昇値を均一化するためにも、半導体パワーチップとヒートパイプとの重なり幅を最大１／２チップ幅に抑える必要があり、実線グラフで示した図１２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では半導体パワーチップＣｐ１Ａ，Ｃｐ１Ｂ〜Ｃｐ６Ａ，Ｃｐ６Ｂの温度上昇値それぞれの差がより小さくなっている。なお、図１２に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。 That is, as is apparent from the characteristics of the solid line graph shown in FIG. 13, the temperature rise value of the semiconductor power chips Cp5A and 5B in the broken line graph is 62.4K, which is extremely higher than other chips. In order to solve this problem and to make the temperature rise value between the chips uniform, it is necessary to suppress the overlap width between the semiconductor power chip and the heat pipe to a maximum of ½ chip width, which is shown in FIG. In the configuration of the cooling device for the power module shown, the differences in the temperature rise values of the semiconductor power chips Cp1A, Cp1B to Cp6A, Cp6B are smaller. In the configuration diagram shown in FIG. 12 as well, thermal conductivity can be improved by inserting any of the thermal diffusion plates 31 to 35 shown in FIGS.
図１４は、この発明の第３の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち図１４に示した構成は、一つの溝に対して２個の半導体パワーチップが重なる例を示したものであり、ヒートシンク２７におけるヒートパイプ２８，２９それぞれの埋設位置が、図示の如く、パワーモジュールのベース板３０での半導体パワーチップＣｐ２，Ｃｐ３およびＣｐ５，Ｃｐ６の搭載位置に重なっているが、半導体パワーチップＣｐ２，Ｃｐ３それぞれの幅をａとし、Ｃｐ２での重なり幅をｂとし、Ｃｐ３での重なり幅をｃとすると、ａ／２＞ｂ＋ｃの関係を持たせた配置にしている。同様に、半導体パワーチップＣｐ５，Ｃｐ６それぞれの幅をｋとし、Ｃｐ５での重なり幅をｍとし、Ｃｐ６での重なり幅をｎとすると、ｋ／２＞ｍ＋ｎの関係を持たせた配置にしている。なお、ヒートパイプ２８，２９とベース板３０との間の隙間には熱伝導性のグリースを充填している。また、図１４に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。
FIG. 14 is a partial side view as a schematic conceptual configuration diagram of a power module cooling device according to a third embodiment of the present invention.
That is, the configuration shown in FIG. 14 shows an example in which two semiconductor power chips overlap one groove, and the embedded positions of the heat pipes 28 and 29 in the heat sink 27 are as shown in the figure. The semiconductor power chips Cp2, Cp3 and Cp5, Cp6 are superimposed on the mounting positions of the module base plate 30. The width of each of the semiconductor power chips Cp2, Cp3 is a, the overlapping width at Cp2 is b, and Cp3 If the overlap width of c is c, the arrangement has a relationship of a / 2> b + c. Similarly, if the width of each of the semiconductor power chips Cp5 and Cp6 is k, the overlap width at Cp5 is m, and the overlap width at Cp6 is n, the arrangement is such that k / 2> m + n. . A gap between the heat pipes 28 and 29 and the base plate 30 is filled with thermally conductive grease. Moreover, also in the block diagram shown in FIG. 14, thermal conductivity can be improved by inserting any of the thermal diffusion plates 31-35 shown in FIGS.
図１５は、この発明の第４の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち、図１５に示した構成が上述の図１４に示した構成と異なる点は、ヒートシンク２７とベース板３０との間に銅板などの熱伝導板３７を挿設していることである。
FIG. 15: is a partial side view as a typical conceptual block diagram of the cooling device of the power module which shows 4th Embodiment of this invention.
That is, the configuration shown in FIG. 15 is different from the configuration shown in FIG. 14 described above in that a heat conductive plate 37 such as a copper plate is inserted between the heat sink 27 and the base plate 30.
図１６は、パワーモジュールの冷却装置の実験モデルを用いた解析により得られた温度上昇値の特性グラフであり、その実線グラフは上述の図１５に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値であり、また、破線グラフは上述の図１４に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値である。 FIG. 16 is a characteristic graph of a temperature rise value obtained by analysis using an experimental model of a power module cooling apparatus, and the solid line graph is a value in the configuration of the power module cooling apparatus shown in FIG. Moreover, the broken line graph is a value in the configuration of the cooling device for the power module shown in FIG.
すなわち、図１６に示した実線グラフの特性から明らかなように、図１５に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では半導体パワーチップＣｐ１〜Ｃｐ６それぞれの温度上昇値の差を、図１４に示したパワーモジュールの冷却装置の構成に比して、より小さくすることができる。なお、図１５に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。 That is, as apparent from the characteristics of the solid line graph shown in FIG. 16, in the configuration of the power module cooling device shown in FIG. 15, the difference in the temperature rise values of the semiconductor power chips Cp1 to Cp6 is shown in FIG. Compared to the configuration of the cooling device for the power module, it can be made smaller. In the configuration diagram shown in FIG. 15 as well, thermal conductivity can be improved by inserting any of the thermal diffusion plates 31 to 35 shown in FIGS.
なお、先述の図１３に示した特性グラフと上述の図１６に示した特性グラフと温度上昇値が異なるのは、図１３の構成では半導体パワーチップがＩＧＢＴであるのに対して、図１４，図１５の構成では半導体パワーチップが比較的温度上昇値の大きいダイオードチップであることやヒートパイプの本数の差に起因している。 The characteristic graph shown in FIG. 13 and the characteristic graph shown in FIG. 16 are different in temperature rise value because the semiconductor power chip is an IGBT in the configuration of FIG. In the configuration of FIG. 15, the semiconductor power chip is a diode chip having a relatively large temperature rise value and the difference in the number of heat pipes.
図１７は、この発明の第５の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち、図１７に示した構成が上述の図１４に示した構成と異なる点は、ヒートシンク２７に代えて、貫通穴を有するヒートシンク２７ａとし、この貫通穴にヒートパイプ２８，２９を挿設していることであり、このような構成にすることにより、上述の図１５に示した構成と同様の効果を得ることができる。このとき、温度上昇値を小さくするために、前記貫通穴とヒートパイプとの隙間に熱伝導性のグリースや半田を充填する、または、ヒートパイプを拡管して貫通穴に密着させることなどが行われる。
FIG. 17 is a partial side view as a schematic conceptual configuration diagram of a power module cooling device according to a fifth embodiment of the present invention.
That is, the configuration shown in FIG. 17 is different from the configuration shown in FIG. 14 in that a heat sink 27a having a through hole is used instead of the heat sink 27, and heat pipes 28 and 29 are inserted into the through holes. By adopting such a configuration, the same effect as the configuration shown in FIG. 15 can be obtained. At this time, in order to reduce the temperature rise value, the gap between the through hole and the heat pipe is filled with thermally conductive grease or solder, or the heat pipe is expanded and brought into close contact with the through hole. Is called.
なお、図１７に示した構成の場合にも、図１２や図１３に示した構成のように、半導体パワーチップとヒートパイプとの重なり幅を半導体パワーチップ幅の１／２未満とすることにより、半導体パワーチップ間の温度上昇値の差をより小さくすることが可能となる。 In the case of the configuration shown in FIG. 17 as well, the overlap width of the semiconductor power chip and the heat pipe is set to be less than half of the semiconductor power chip width as in the configuration shown in FIGS. Thus, the difference in temperature rise value between the semiconductor power chips can be further reduced.
図１８は、この種のパワーモジュールの冷却装置が使用される鉄道車両用電力変換装置の回路構成図であり、主変圧器（ＭＴｒ）の二次巻線から得られる単相交流電圧を３レベルコンバータ（Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）により直流電圧に変換し、この直流電圧を３レベルインバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）により所望の周波数，振幅の三相交流電圧に変換し、この三相交流電圧により電動機（ＩＭ）を可変速駆動する回路構成である。 FIG. 18 is a circuit configuration diagram of a railway vehicle power conversion device in which this type of power module cooling device is used. Three levels of single-phase AC voltage obtained from the secondary winding of the main transformer (MTr) are shown. A DC voltage is converted by a converter (Converter), and the DC voltage is converted to a three-phase AC voltage having a desired frequency and amplitude by a three-level inverter (Inverter). Circuit configuration.
また図１９は、上述の鉄道車両用電力変換装置が搭載される鉄道車両の模式的断面構成図であり、Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，Ｉｎｖｅｒｔｅｒをパワーユニットとし、車両走行時の走行風を利用して前記パワーユニットのヒートシンク（冷却体）が吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部からヒートシンクのフィン部（冷却フィン）が露出するように配置している。 FIG. 19 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a railway vehicle on which the above-described railway vehicle power conversion device is mounted. The converter and inverter are power units, and the heat sink ( In order to dissipate the heat absorbed by the (cooling body), the fins (cooling fins) of the heat sink are arranged to be exposed from the lower part of the vehicle.
図２０は、この発明の第６の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図であり、上述の図１８，図１９に示したＣｏｎｖｅｒｔｅｒの一部を形成する半導体パワーモジュール４１〜４６、ヒートシンク５０、ヒートパイプ５１〜５３などから構成されている。このとき、ヒートパイプ５０のフィン部５０ａは走行風に沿うように設置されている。 FIG. 20 is a schematic conceptual block diagram of a power module cooling device according to the sixth embodiment of the present invention. The semiconductor power module 41 forms part of the converter shown in FIGS. 18 and 19 described above. To 46, a heat sink 50, heat pipes 51 to 53, and the like. At this time, the fin part 50a of the heat pipe 50 is installed along the traveling wind.
図２１は、図２０に示した構成において、走行風の入口の空気温度と発熱している半導体パワーモジュール４１〜４６それぞれの表面温度との差（実測値）を示す特性グラフであり、実線グラフはヒートパイプ５１〜５３を設置したときの値を示し、破線グラフはヒートパイプ５１〜５３を省略したときの値を示している。 FIG. 21 is a characteristic graph showing a difference (actual value) between the air temperature at the entrance of the traveling wind and the surface temperature of each of the semiconductor power modules 41 to 46 that is generating heat in the configuration shown in FIG. Indicates a value when the heat pipes 51 to 53 are installed, and a broken line graph indicates a value when the heat pipes 51 to 53 are omitted.
すなわち、ヒートパイプ５１〜５３を設けたことにより、図２１に示した実線グラフと破線グラフとから明らかなように、半導体パワーモジュール４１〜４６それぞれの温度差の違いがより小さくすることができ、また、実線グラフから明らかなように、風上と風下での半導体パワーモジュール間の値の違いもより小さくすることができる。 That is, by providing the heat pipes 51 to 53, as is apparent from the solid line graph and the broken line graph shown in FIG. 21, the difference in temperature difference between the semiconductor power modules 41 to 46 can be further reduced. Further, as is clear from the solid line graph, the difference in value between the semiconductor power modules on the windward and leeward sides can be further reduced.
なお、図２０に示した構成ではヒートパイプをパワーモジュール各列に対して３本ずつ設けた場合について示しているが、ヒートパイプの本数は適宜決定されるものである。 In the configuration shown in FIG. 20, a case where three heat pipes are provided for each row of power modules is shown, but the number of heat pipes is appropriately determined.
１１〜１３…ベース板、１４…ヒートシンク、１５〜１７…ヒートパイプ、１８，１９…グリース、２１，２２…ヒートシンク、２３〜２５…ヒートパイプ、２６…ベース板、２７…ヒートシンク、２８，２９…ヒートパイプ、３０…ベース板、３１〜３５…熱拡散板、３７…熱伝導板、４１〜４６…パワーモジュール、５０…ヒートシンク、５１〜５３…ヒートパイプ。 11-13 ... Base plate, 14 ... Heat sink, 15-17 ... Heat pipe, 18, 19 ... Grease, 21, 22 ... Heat sink, 23-25 ... Heat pipe, 26 ... Base plate, 27 ... Heat sink, 28, 29 ... Heat pipe, 30 ... base plate, 31-35 ... heat diffusion plate, 37 ... heat conduction plate, 41-46 ... power module, 50 ... heat sink, 51-53 ... heat pipe.
Claims (5)
前記パワーモジュールが固着される前記ヒートシンク面であり、かつ前記パワーモジュールのベース板が接する範囲内であって、前記パワーモジュールのベース板に搭載された複数の半導体パワーチップ群の中間位置と、前記複数の半導体パワーチップ群の搭載位置の両外側の位置とに溝を設け、この溝に丸棒形の伝熱管を埋設し、
前記溝は、前記半導体パワーチップの搭載位置と重ならないように設けられていることを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
By fixing a power module comprising a plurality of semiconductor power chip groups comprising one or more semiconductor power chips on a base plate on a heat sink, the heat generated by the power module is absorbed by the heat sink and radiated to the outside. In the power module cooling device
The heat sink surface to which the power module is fixed, and within a range where the base plate of the power module is in contact, and an intermediate position of a plurality of semiconductor power chip groups mounted on the base plate of the power module; A groove is provided at both outer positions of the mounting positions of the plurality of semiconductor power chip groups, and a round bar-shaped heat transfer tube is embedded in the groove ,
The cooling device for a power module, wherein the groove is provided so as not to overlap a mounting position of the semiconductor power chip .
前記パワーモジュールが固着される前記ヒートシンク面であり、かつ前記パワーモジュールのベース板が接する範囲内であって、前記パワーモジュールのベース板に搭載された複数の半導体パワーチップ群の中間位置と、前記複数の半導体パワーチップ群の搭載位置の両外側の位置とに溝を設け、この溝に丸棒形の伝熱管を埋設し、
前記溝の位置と前記半導体パワーチップの搭載位置とを重ならせ、その重なり幅は前記半導体パワーチップの幅の１／２未満であることを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。 By fixing a power module comprising a plurality of semiconductor power chip groups comprising one or more semiconductor power chips on a base plate on a heat sink, the heat generated by the power module is absorbed by the heat sink and radiated to the outside. In the power module cooling device
The heat sink surface to which the power module is fixed, and within a range where the base plate of the power module is in contact, and an intermediate position of a plurality of semiconductor power chip groups mounted on the base plate of the power module; A groove is provided at both outer positions of the mounting positions of the plurality of semiconductor power chip groups, and a round bar-shaped heat transfer tube is embedded in the groove,
Cooling device characteristics and to Rupa word module that position and the semiconductor power chip mounting position and the overlap with racemate of the groove, the overlapping width is less than half of the width of the semiconductor power chips.
車両走行時の走行風を利用して前記ヒートシンクが吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部から前記ヒートシンクのフィン部が露出するように配置したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
The power module cooling device according to any one of claims 1 to 4 ,
A cooling device for a power module, wherein a fin portion of the heat sink is disposed so as to be exposed from a lower portion of the vehicle in order to dissipate heat absorbed by the heat sink using traveling wind during vehicle travel.
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