JP5772953B2 - 半導体素子の冷却構造 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、半導体素子の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される半導体素子の冷却構造に関する。

従来の半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開２００６−２９５１７８号公報には、電子素子と接触する面の温度が一定であるように吸熱流体の流量を均一に維持することを目的とした電子素子用ヒートシンク装置が開示されている（特許文献１）。

特許文献１に開示されたヒートシンク用装置は、複数の流路壁によって所定間隔で区画された複数の流路と、流入口を通じて流入した吸熱流体を複数の流路のそれぞれに案内する流入案内部とを有する。流入案内部には、その流路断面積が流入口から遠ざかるほど小さくなるように、線形的に傾いた流入案内板が設けられている。また、別のヒートシンク用装置では、流入案内部の流路断面積が流入口から遠ざかるほど小さくなるように、複数の流路壁の一端が、流入口から遠ざかるほど流入案内部側に長く延びるように形成されている。

また、特開２００３−３３００２号公報には、他のヒートシンクの熱干渉を防ぐことができ、さらに冷却気体に対面する部分の面積を増加させることなく、半導体素子の数を増加させることを目的とした電力変換装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された電力変換装置では、複数個の放熱フィンが受熱板に取り付けられてヒートシンクを構成している。ヒートシンクの入り口側の放熱フィンが、冷却気体の入り口から遠い程大きく突出して階段状に形成されている。

特開２００６−２９５１７８号公報 特開２００３−３３００２号公報

上述の特許文献に開示されるように、インバータ回路などに使用される半導体素子（パワー半導体素子）の作動には、非常に大きい発熱を伴うため、各種の冷却構造が採用されている。

これらの冷却構造を用いて複数の半導体素子を一括に冷却する場合、各半導体素子に供給される冷媒の流量に差が生じると、複数の半導体素子が均一に冷却されないという懸念がある。半導体素子の温度にばらつきが生じると、冷媒を供給するためのファンの性能や、半導体素子の負荷率を制限する開始温度を、冷却効率の低い半導体素子を基準にして設定する必要があるため、冷却構造の大型化や半導体素子により発揮される性能の低下などを招いてしまう。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、複数の半導体素子を均一に冷却する半導体素子の冷却構造を提供することである。

この発明に従った半導体素子の冷却構造は、冷媒が流通する冷媒通路と、冷媒通路から分岐し、冷媒通路を挟んだ両側にそれぞれ配置される第１分岐通路および第２分岐通路とが形成され、第１分岐通路および第２分岐通路を流通する冷媒によって複数の半導体素子を冷却する冷却構造である。半導体素子の冷却構造は、冷媒通路における冷媒流れの下流側に設けられる壁部と、冷媒通路における冷媒の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置され、互いに隣り合う位置に第１分岐通路を形成する複数枚の第１フィン部と、冷媒通路における冷媒の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置され、互いに隣り合う位置に第２分岐通路を形成する複数枚の第２フィン部とを備える。第１フィン部および第２フィン部は、冷媒通路に向けて延びる先端に端部を有する。

複数枚の第１フィン部は、第１フィン部の端部が、その第１フィン部と冷媒通路における冷媒流れの下流側に隣り合う第１フィン部の端部よりも、冷媒通路に向けて大きく延出しないように設けられる。複数枚の第２フィン部は、第２フィン部の端部が、その第２フィン部と冷媒通路における冷媒流れの下流側に隣り合う第２フィン部の端部よりも、冷媒通路に向けて大きく延出しないように設けられる。複数枚の第１フィン部間で端部を結んで得られる仮想線および複数枚の第２フィン部間で端部を結んで得られる仮想線の、冷媒通路における冷媒の流れ方向に対する勾配は、冷媒通路における冷媒流れの下流側よりも上流側で大きくなる。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、冷媒通路における冷媒流れの下流側では、冷媒通路を流通する冷媒が壁部に衝突して第１分岐通路および第２分岐通路に流入するため、第１分岐通路および第２分岐通路における冷媒流量が、冷媒通路における冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなる傾向が生じる。これに対して、複数枚の第１フィン部間で端部を結んで得られる仮想線の勾配および複数枚の第２フィン部間で端部を結んで得られる仮想線の勾配を、冷媒通路における冷媒流れの下流側よりも上流側で大きくすることにより、冷媒通路における冷媒流れの下流側よりも上流側で、冷媒通路を流通する冷媒が第１分岐通路および第２分岐通路に流入し易くなる。これにより、冷媒通路における冷媒流れの上流側と下流側との間で、第１分岐通路および第２分岐通路における冷媒流量がばらつくことを抑制し、複数の半導体素子をより均一に冷却することができる。

また好ましくは、端部を結んで得られる仮想線は、冷媒通路における冷媒流れの下流側で、冷媒通路における冷媒の流れ方向に対して平行方向に延び、冷媒通路における冷媒流れの上流側で、冷媒通路における冷媒の流れ方向に対して斜め方向に延びる。また好ましくは、端部を結んで得られる仮想線は、冷媒通路における冷媒流れの下流側から上流側に向けて、冷媒通路における冷媒の流れ方向に対する勾配を大きくしながら湾曲する。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、冷媒通路における冷媒流れの上流側と下流側との間で、第１分岐通路および第２分岐通路における冷媒流量がばらつくことをより効果的に抑制することができる。

また好ましくは、半導体素子の冷却構造は、壁部を有し、第１フィン部および第２フィン部を収容するケース体と、ケース体に向けて冷媒を供給するファンとをさらに備える。ケース体には、冷媒通路における冷媒流れの上流側で開口する開口部が形成される。ファンは、開口部に直接、接続される。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、ファンとケース体との間に整流用のダクトを介在させることなく、複数の半導体素子を均一に冷却することができる。

また好ましくは、ファンは、遠心ファンであり、開口部に接続される断面において第１フィン部側から第２フィン部側に近づくほど冷媒流量が小さくなるように、開口部に接続される。複数枚の第２フィン部間で端部を結んで得られる仮想線の勾配は、複数枚の第１フィン部間で端部を結んで得られる仮想線の勾配よりも大きい。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、複数枚の第２フィン部間で端部を結んで得られる仮想線の勾配を、複数枚の第１フィン部間で端部を結んで得られる仮想線の勾配よりも大きくすることにより、冷媒通路を流通する冷媒が第１分岐通路よりも第２分岐通路に流入し易くなる。これにより、冷媒通路に供給される冷媒流量に偏りが生じる遠心ファンの特性にもかかわらず、第１分岐通路および第２分岐通路における冷媒流量が互いにばらつくことを抑制することができる。

また好ましくは、半導体素子の冷却構造は、壁部に設けられ、第１分岐通路と第２分岐通路との間で冷媒通路に向けて突出する突出部をさらに備える。

このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、冷媒通路を流通する冷媒をより円滑に第１分岐通路および第２分岐通路に流入させることができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、複数の半導体素子を均一に冷却する半導体素子の冷却構造を提供することができる。

ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造を示す断面図である。 図２中の２点鎖線ＩＩＩに示す範囲を拡大して示した断面図である。 図２中の２点鎖線ＩＶに示す範囲を拡大して示した断面図である。 比較のための半導体素子の冷却構造を模式的に表わす図である。 比較のための半導体素子の冷却構造を模式的に表わす別の図である。 比較のための半導体素子の冷却構造を模式的に表わすさらに別の図である。 図２中の半導体素子の冷却構造の第１変形例を示す断面図である。 図２中の半導体素子の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。 図２中の半導体素子の冷却構造の第３変形例を示す断面図である。 図２中の半導体素子の冷却構造の第４変形例を示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。本実施の形態では、本発明における半導体素子の冷却構造が、ハイブリッド自動車に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される。

図１を参照して、まず、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関して説明すると、ハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。

ハイブリッド自動車は、バッテリユニット１４０と、車両用駆動装置１２０と、図示しないエンジンとを有する。車両用駆動装置１２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、図示しないエンジンおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の間で動力を分配する動力分割機構１２６と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の制御を行なうパワー制御ユニット１２１とを有する。

モータジェネレータＭＧ１は、主にジェネレータとして機能し、エンジンの出力により発電を行なう。また、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン始動時にはスタータとして作動する。モータジェネレータＭＧ２は、主にモータとして機能し、エンジンの出力を補助し、駆動力を高める。また、モータジェネレータＭＧ２は、回生制動時には発電を行ない、バッテリＢを充電する。

バッテリユニット１４０には端子１４１，１４２が設けられている。ＰＣＵ１２１にはＤＣ端子１４３，１４４が設けられている。端子１４１とＤＣ端子１４３との間および端子１４２とＤＣ端子１４４との間は、それぞれ、ケーブル１０６およびケーブル１０８によって電気的に接続されている。

バッテリユニット１４０は、バッテリＢと、バッテリＢの正極と端子１４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの負極と端子１４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と端子１４１との間に直列に接続される、システムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒとを有する。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、後述の制御装置１３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。

バッテリユニット１４０は、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１１とを有する。バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の２次電池や、燃料電池などを用いることができる。バッテリＢに代わる蓄電装置として、電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタを用いることもできる。

パワー制御ユニット１２１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ対応して設けられるインバータ１２２，１１４と、インバータ１２２，１１４に共通して設けられる昇圧コンバータ１１２と、制御装置１３０とを有する。

昇圧コンバータ１１２は、ＤＣ端子１４３，１４４間の電圧を昇圧する。昇圧コンバータ１１２は、一方端が端子１４３に接続されるリアクトル１３２と、昇圧用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）１１３と、平滑用コンデンサ１３３とを有する。昇圧用ＩＰＭ１１３は、昇圧後の電圧ＶＨを出力する昇圧コンバータ１１２の出力端子間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを有する。平滑用コンデンサ１３３は、昇圧コンバータ１１２によって昇圧された電圧を平滑化する。

リアクトル１３２の他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続されている。

インバータ１１４は、車輪を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１１４は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された電力を昇圧コンバータ１１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１１２は、降圧回路として動作するように制御装置１３０によって制御される。

インバータ１１４は、走行用ＩＰＭ１１８を構成するＵ相アーム１１５、Ｖ相アーム１１６およびＷ相アーム１１７を有する。Ｕ相アーム１１５，Ｖ相アーム１１６およびＷ相アーム１１７は、昇圧コンバータ１１２の出力ライン間に並列に接続されている。

Ｕ相アーム１１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを有する。ダイオードＤ３のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続されている。ダイオードＤ４のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続されている。

Ｖ相アーム１１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを有する。ダイオードＤ５のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続されている。ダイオードＤ６のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続されている。

Ｗ相アーム１１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを有する。ダイオードＤ７のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続されている。ダイオードＤ８のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中性点に共に接続されている。Ｕ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続されている。Ｖ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続されている。Ｗ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続されている。

電流センサ１２５は、モータジェネレータＭＧ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置１３０に出力する。電流センサ１２４は、モータジェネレータＭＧ２に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ２として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ２を制御装置１３０に出力する。

インバータ１２２は、昇圧コンバータ１１２に対してインバータ１１４と並列的に接続される。インバータ１２２は、モータジェネレータＭＧ１に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１２２は、昇圧コンバータ１１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジンを始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。

また、インバータ１２２は、エンジンのクランクシャフトから伝達される回転トルクによってモータジェネレータＭＧ１で発電された電力を昇圧コンバータ１１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１１２は降圧回路として動作するように制御装置１３０によって制御される。なお、インバータ１２２の内部の構成はインバータ１１４と同様であるため、詳細な説明は繰返さない。

制御装置１３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＬ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。

ここで、トルク指令値ＴＲ１，モータ回転数ＭＲＮ１およびモータ電流値ＭＣＲＴ１は、モータジェネレータＭＧ１に関するものであり、トルク指令値ＴＲ２，モータ回転数ＭＲＮ２およびモータ電流値ＭＣＲＴ２は、モータジェネレータＭＧ２に関するものである。電圧ＶＢは、バッテリＢの電圧であり、電流ＩＢは、バッテリＢに流れる電流である。電圧ＶＬは、昇圧コンバータ１１２の昇圧前電圧であり、電圧ＶＨは、昇圧コンバータ１１２の昇圧後電圧である。

制御装置１３０は、昇圧コンバータ１１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。

制御装置１３０は、インバータ１１４に対して昇圧コンバータ１１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。制御装置１３０は、インバータ１２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭＧ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭＧ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。

図２は、この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造を示す断面図である。続いて、図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造について説明する。

図２を参照して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、ケース体としての冷却器ケース２１と、複数枚の冷却フィン４３と、複数枚の冷却フィン５３と、遠心ファン（シロッコファン）２８とを有する。

冷却器ケース２１は、矢印１０２に示す方向に延びる筒形状を有する。冷却器ケース２１は、金属から形成されており、本実施の形態では、アルミニウムから形成されている。冷却器ケース２１は、側壁２２、側壁２４および底壁２５を有する。

冷却器ケース２１は、筒形状に延びる方向に直交する平面により切断された場合に矩形形状の断面を有する。側壁２２は、その矩形断面のうちの一辺をなし、側壁２４は、別の一辺をなし、底壁２５は、さらに別の一辺をなす。側壁２２と側壁２４とは、矢印１０２に示す方向に直交する矢印１０１に示す方向において、互いに距離を隔てて対向している。底壁２５は、側壁２２と側壁２４との間で矢印１０１に示す方向に延在している。側壁２４には、冷却器ケース２１の内外を連通させる開口部２３が形成されている。開口部２３に向かい合う位置には、側壁２２が配置されている。

底壁２５の外表面には、複数の半導体素子２６が接合されている。本実施の形態では、複数の半導体素子２６として、走行用ＩＰＭ１１８（Ｕ相アーム１１５、Ｖ相アーム１１６およびＷ相アーム１１７）を構成する６つのパワー半導体モジュールが設けられている。

遠心ファン２８は、冷却器ケース２１内部に空気を供給するためのファンとして設けられている。遠心ファン２８は、遠心力を利用して、ファンの回転中心側からその半径方向に空気を送り出すファンである。遠心ファン２８は、ファンから空気を流出させる噴き出し口２９を有する。噴き出し口２９は、ファンの回転方向の接線方向に開口している。遠心ファン２８は、開口部２３に直接、接続されている。遠心ファン２８は、噴き出し口２９と開口部２３とが連続するように、冷却器ケース２１に接続されている。

なお、冷却器ケース２１に供給される冷媒は、気体に限られず、ＬＬＣ（ロング・ライフ・クーラント）やオイルなどいった液体であってもよい。また、半導体素子２６の数は特に限定されないが、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、４つ以上の半導体素子２６を一括に冷却する場合により好適に用いられる。

複数枚の冷却フィン４３および複数枚の冷却フィン５３は、冷却器ケース２１に収容されている。複数枚の冷却フィン４３と複数枚の冷却フィン５３とは、矢印１０２に示す方向において互いに距離を隔てた位置に配置されている。

複数枚の冷却フィン４３と複数枚の冷却フィン５３との間には、冷却風通路３１が形成されている。すなわち、冷却風通路３１を挟んで一方の側に複数枚の冷却フィン４３が配置され、冷却風通路３１を挟んで他方の側に複数枚の冷却フィン５３が配置されている。冷却風通路３１は、矢印１０１に示す一方向に延びている。冷却風通路３１における冷却風流れの上流側には開口部２３が配置され、下流側には側壁２２が配置されている。遠心ファン２８の駆動に伴い、開口部２３を通じて冷却風通路３１に冷却風が供給される。冷却風通路３１に供給された冷却風は、矢印１０１に示す方向に流通する。

複数枚の冷却フィン４３は、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置されている。複数枚の冷却フィン４３は、等間隔に配置されている。複数枚の冷却フィン４３は、側壁２２と側壁２４との間に連続的に配列されている。複数枚の冷却フィン５３は、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置されている。複数枚の冷却フィン５３は、等間隔に配置されている。複数枚の冷却フィン５３は、側壁２２と側壁２４との間に連続的に配列されている。

冷却フィン４３および冷却フィン５３は、底壁２５から突出し、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に直交する方向に直線状に延びている。冷却フィン４３および冷却フィン５３は、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に直交する方向に延びる同一線上に配置されている。

冷却フィン４３および冷却フィン５３は、金属から形成されており、本実施の形態では、アルミニウムから形成されている。冷却フィン４３および冷却フィン５３は、冷却器ケース２１に一体に成形されてもよいし、別体に形成された冷却フィン４３および冷却フィン５３が、底壁２５に接合されてもよい。

互いに隣り合う冷却フィン４３間には、冷却風分岐通路４１が形成され、互いに隣り合う冷却フィン５３間には、冷却風分岐通路５１が形成されている。冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１は、冷却風通路３１から互いに反対方向に分岐し、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に直交する方向に直線状に延びている。複数の冷却風分岐通路４１が、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に並び、複数の冷却風分岐通路５１が、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に並んでいる。

本実施の形態では、図２中に示す平面視において、３つの半導体素子２６が冷却風分岐通路４１と重なる位置に配置され、３つの半導体素子２６が冷却風分岐通路５１と重なる位置に配置されている。冷却風分岐通路４１と重なる位置に配置された３つの半導体素子２６は、冷却風分岐通路４１が延びる方向、すなわち、冷却風分岐通路４１における冷却風の流れ方向において直列に並ばないように配置されている。冷却風分岐通路５１と重なる位置に配置された３つの半導体素子２６は、冷却風分岐通路５１が延びる方向、すなわち、冷却風分岐通路５１における冷却風の流れ方向において直列に並ばないように配置されている。

図３は、図２中の２点鎖線ＩＩＩに示す範囲を拡大して示した断面図である。図４は、図２中の２点鎖線ＩＶに示す範囲を拡大して示した断面図である。

図２から図４を参照して、冷却フィン４３および冷却フィン５３は、それぞれ、端部４３ｐおよび端部５３ｐを有する。端部４３ｐは、冷却フィン４３が冷却風通路３１に向けて延びる先端に配置されている。端部５３ｐは、冷却フィン５３が冷却風通路３１に向けて延びる先端に配置されている。端部４３ｐと端部５３ｐとは、冷却風通路３１を隔てて互いに対峙している。

本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、複数枚の冷却フィン４３が、ある冷却フィン４３の端部４３ｐが、その冷却フィン４３と冷却風通路３１における冷却風流れの下流側に隣り合う冷却フィン４３の端部４３ｐよりも、冷却風通路３１に向けて大きく延出しないように設けられている。言い換えれば、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に互いに隣り合って配置された２つの冷却フィン４３に注目した場合に、上流側に配置された冷却フィン４３の端部４３ｐと下流側に配置された冷却フィン４３の端部４３ｐとが、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向において互いに揃って配置されるか、下流側に配置された冷却フィン４３の端部４３ｐが、上流側に配置された冷却フィン４３の端部４３ｐよりも冷却風通路３１に向けて大きく延出する。

たとえば、図３中では、冷却フィン４３Ａ、冷却フィン４３Ｂおよび冷却フィン４３Ｃが、挙げた順に、冷却風通路３１における冷却風流れの上流側から下流側に並び、図４中では、冷却フィン４３Ｄ、冷却フィン４３Ｅおよび冷却フィン４３Ｆが、挙げた順に、冷却風通路３１における冷却風流れの上流側から下流側に並んでいる。図３中では、冷却フィン４３Ａの端部４３ｐは、冷却フィン４３Ｂの端部４３ｐよりも冷却風通路３１に向けて大きく延出せず、冷却フィン４３Ｂの端部４３ｐは、冷却フィン４３Ｃの端部４３ｐよりも冷却風通路３１に向けて大きく延出しない。図４中では、冷却フィン４３Ｄの端部４３ｐは、冷却フィン４３Ｅの端部４３ｐよりも冷却風通路３１に向けて大きく延出せず、冷却フィン４３Ｅの端部４３ｐは、冷却フィン４３Ｆの端部４３ｐよりも冷却風通路３１に向けて大きく延出しない。

同様に、複数枚の冷却フィン５３は、ある冷却フィン５３の端部５３ｐが、その冷却フィン５３と冷却風通路３１における冷却風流れの下流側に隣り合う冷却フィン５３の端部５３ｐよりも、冷却風通路３１に向けて大きく延出しないように設けられている。

複数枚の冷却フィン４３の端部４３ｐを結んで仮想線６１が得られ、複数枚の冷却フィン５３の端部５３ｐを結んで仮想線７１が得られる。本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する仮想線６１の勾配が、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側（図４により拡大される図２中の領域９１）よりも上流側（図３により拡大される図２中の領域９２）で大きくなる。

より具体的には、図４中に示すように、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側では、冷却フィン４３Ｄ、冷却フィン４３Ｅおよび冷却フィン４３Ｆが、各冷却フィンの端部４３ｐの位置が矢印１０２に示す方向において揃うように設けられている。すなわち、仮想線６１は、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に平行な直線により表わされ、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する仮想線６１の勾配は、ゼロである。

一方、図３中に示すように、冷却風通路３１における冷却風流れの上流側では、冷却フィン４３Ｂの端部４３ｐが冷却フィン４３Ａの端部４３ｐよりも冷却風通路３１に向けて大きく延出し、冷却フィン４３Ｃの端部４３ｐが冷却フィン４３Ｂの端部４３ｐよりも冷却風通路３１に向けて大きく延出する。仮想線６１は、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対して一定の勾配を有する直線により表わされる。冷却風通路３１における冷却風流れの上流側では、複数枚の冷却フィン４３の端部４３ｐが階段状に配置されている。

同様に、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する仮想線７１の勾配が、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側（図４により拡大される図２中の領域９１）よりも上流側（図３により拡大される図２中の領域９２）で大きくなる。

本実施の形態では、複数枚の冷却フィン４３と複数枚の冷却フィン５３とが、冷却風通路３１を挟んで対称の形状に設けられている。

続いて、本実施の形態における半導体素子の冷却構造によって奏される作用効果について説明する。

図５から図７は、比較のための半導体素子の冷却構造を模式的に表わす図である。図５から図７を参照して、比較のための半導体素子の冷却構造は、冷却風通路８１を形成するための複数枚の冷却フィン８３と、遠心ファン２８から供給された冷却風を冷却風通路８１に導くための整流用ダクト８５とを有する。冷却風通路８１と重なる位置には、複数の半導体素子２６が配置されている。

図５中では、遠心ファン２８から整流用ダクト８５に流入する冷却風の流れ方向と、冷却風通路８１における冷却風の流れ方向とが直交するように、遠心ファン２８が整流用ダクト８５に接続されている。図６中では、遠心ファン２８から整流用ダクト８５に流入する冷却風の流れ方向と、冷却風通路８１における冷却風の流れ方向とが互いに反対方向となるように、遠心ファン２８が整流用ダクト８５に接続されている。図７中では、遠心ファン２８から整流用ダクト８５に流入する冷却風の流れ方向と、冷却風通路８１における冷却風の流れ方向とが同じ方向となるように、遠心ファン２８が整流用ダクト８５に接続されている。

本実施の形態では、１つのモータジェネレータに対応して設けられたインバータが、６つの半導体素子２６から構成されている。これら複数の半導体素子２６を一括して冷却する場合、複数の半導体素子２６を均一に冷却するという要求がある。これに対して、上記の比較例では、遠心ファン２８から供給された冷却風を均等に複数の半導体素子２６に向けて導くため、遠心ファン２８から供給された冷却風を整流化する整流用ダクト８５を設けている。しかしながら、このような構成では、半導体素子の冷却構造の大型化を招いてしまう。

一方、図２から図４中に示す本実施の形態における半導体素子の冷却構造では、複数枚の冷却フィン４３と複数枚の冷却フィン５３とを冷却風通路３１を挟んだ両側に設けることにより、遠心ファン２８から冷却風通路３１に供給された冷却風をＴ字状に流通させる。そして、その下流側の冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１上に複数の半導体素子２６を並列的に配置することにより、整流用ダクトを用いることなく複数の半導体素子２６に冷却風を均等に流通させる構造を実現している。

この際、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側では、冷却風通路３１を流通する冷却風が側壁２２に衝突して冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１に流入するため、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側よりも上流側で、冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１に流通する冷却風の流量が小さくなる懸念がある。

これに対して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造では、冷却風通路３１における冷却風流れの上流側において、仮想線６１および仮想線７１が冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対して勾配を有する。この場合、図３中に示すように、冷却風通路３１を流通する冷却風が冷却フィン４３に衝突することによって、冷却フィン４３に平行な方向の分散流が生じる。この分散流が、隣接する冷却フィン４３間に形成された冷却風分岐通路４１に流入するため、冷却風分岐通路４１における冷却風の流量が増大する。また同様の理由から、冷却風分岐通路５１における冷却風の流量が増大する。

一方、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側では、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する仮想線６１および仮想線７１の勾配がゼロであるため、上記のような冷却フィン４３および冷却フィン５３による分散流の効果が得られない。結果、冷却風通路３１における冷却風流れの上流側と下流側との間で生じていた冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１における冷却風の流量のばらつきが解消されるため、複数の半導体素子２６を均等な流量の冷却風により冷却することができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、冷媒としての冷却風が流通する冷媒通路としての冷却風通路３１と、冷却風通路３１から分岐し、冷却風通路３１を挟んだ両側にそれぞれ配置される第１分岐通路としての冷却風分岐通路４１および第２分岐通路としての冷却風分岐通路５１とが形成され、冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１を流通する冷却風によって複数の半導体素子２６を冷却する冷却構造である。半導体素子の冷却構造は、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側に設けられる壁部としての側壁２２と、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置され、互いに隣り合う位置に冷却風分岐通路４１を形成する複数枚の第１フィン部としての冷却フィン４３と、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置され、互いに隣り合う位置に冷却風分岐通路５１を形成する複数枚の第２フィン部としての冷却フィン５３とを備える。冷却フィン４３および冷却フィン５３は、それぞれ、冷却風通路３１に向けて延びる先端に端部４３ｐおよび端部５３ｐを有する。

複数枚の冷却フィン４３は、冷却フィン４３の端部４３ｐが、その冷却フィン４３と冷却風通路３１における冷却風流れの下流側に隣り合う冷却フィン４３の端部４３ｐよりも、冷却風通路３１に向けて大きく延出しないように設けられる。複数枚の冷却フィン５３は、冷却フィン５３の端部５３ｐが、その冷却フィン５３と冷却風通路３１における冷却風流れの下流側に隣り合う冷却フィン５３の端部５３ｐよりも、冷却風通路３１に向けて大きく延出しないように設けられる。複数枚の冷却フィン４３間で端部４３ｐを結んで得られる仮想線６１および複数枚の冷却フィン５３間で端部５３ｐを結んで得られる仮想線７１の、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する勾配は、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側よりも上流側で大きくなる。

このように構成された、この発明の実施の形態１における半導体素子の冷却構造によれば、複数枚の冷却フィン４３間で端部４３ｐを結んで得られる仮想線６１および複数枚の冷却フィン５３間で端部５３ｐを結んで得られる仮想線７１の、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する勾配を、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側よりも上流側で大きくすることにより、冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１における冷却風の流量が冷却風通路３１における冷却風流れの上流側と下流側との間でばらつくことを抑制できる。これにより、複数の半導体素子２６をより均一に冷却することができる。

なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載されるパワー制御ユニットに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。

また、本発明は、パワー制御ユニットに限られず、半導体素子の冷却が必要となる各種装置に適用される。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１における半導体素子の冷却構造の各種変形例について説明する。以下では、実施の形態１における半導体素子の冷却構造と比較して、重複する構造については説明を繰り返さない。

図８は、図２中の半導体素子の冷却構造の第１変形例を示す断面図である。図８を参照して、本変形例では、仮想線６１および仮想線７１が、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側から上流側に向けて、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する勾配を大きくしながら湾曲する。仮想線６１および仮想線７１は、側壁２２と側壁２４との間で連続して湾曲している。

図９は、図２中の半導体素子の冷却構造の第２変形例を示す断面図である。図９を参照して、本変形例では、仮想線６１および仮想線７１が、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側（領域９１）および上流側（領域９２）の双方において、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対して一定の勾配を有する直線により表わされる。冷却風通路３１における冷却風流れの上流側（領域９２）における仮想線６１および仮想線７１の勾配は、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側（領域９１）における仮想線６１および仮想線７１の勾配よりも大きい。

仮想線６１および仮想線７１の勾配が大きいほど、冷却風通路３１を流通する冷却風と冷却フィン４３および冷却フィン５３との衝突による分散流が大きくなるため、冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１における冷却風流量が増大する現象が顕著となる。このため、冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１における冷却風の流量のばらつきを抑制するために、複数枚の冷却フィン４３および複数枚の冷却フィン５３の長短を調整し、仮想線６１および仮想線７１の勾配をチューニングする。この際、実施の形態１や上記変形例に示すように、仮想線６１および仮想線７１を、傾きの異なる直線や曲線などを適宜組み合わせた形態としてもよい。

図１０は、図２中の半導体素子の冷却構造の第３変形例を示す断面図である。図１０を参照して、本変形例では、仮想線６１および仮想線７１が、冷却風通路３１における冷却風流れの下流側から上流側に向けて、冷却風通路３１における冷却風の流れ方向に対する勾配を大きくしながら湾曲する。この際、冷却風通路３１における冷却風流れの同じ地点で比較した場合に、複数枚の冷却フィン５３の端部５３ｐを結んで得られた仮想線７１の勾配が、複数枚の冷却フィン４３の端部４３ｐを結んで得られた仮想線６１の勾配よりも大きくなる。

冷却風通路３１に対する冷却風の供給に遠心ファン２８を用いた場合、遠心ファン２８の回転中心から見て外周側から送り出される冷却風の流量が大きくなり、内周側から送り出される冷却風の流量が小さくなる現象が生じる。このような現象に起因して、図１０中に示す遠心ファン２８の接続形態においては、遠心ファン２８が開口部２３に接続される断面において冷却フィン４３側から冷却フィン５３側に近づくほど冷却風の流量が小さくなる流量分布が生じる（矢印１０３に示す流量分布）。

これに対して、本変形例では、複数枚の冷却フィン５３の端部５３ｐを結んで得られた仮想線７１の勾配が、複数枚の冷却フィン４３の端部４３ｐを結んで得られた仮想線６１の勾配よりも大きいため、冷却フィン５３側で、冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１における冷却風流量が増大する現象がより顕著となる。結果、遠心ファン２８の上記特性にもかかわらず、冷却風分岐通路４１における冷却風の流量と冷却風分岐通路５１における冷却風の流量とがばらつくことを抑制できる。

図１１は、図２中の半導体素子の冷却構造の第４変形例を示す断面図である。図中には、図４に示す範囲と同じ範囲が示されている。

図１１を参照して、本変形例では、側壁２２に突出部９６が設けられている。突出部９６は、側壁２２の内表面から冷却風通路３１に向けて突出するように設けられている。突出部９６は、冷却風分岐通路４１と冷却風分岐通路５１との間に配置されている。突出部９６は、冷却風分岐通路４１側と冷却風分岐通路５１側とに対称の形状を有する。突出部９６は、図１１中に示す平面視において、冷却風通路３１に向けて突出する先端に頂点を有する三角形状を有する。

本変形例によれば、冷却風通路３１を流通する冷却風が、突出部９６によって円滑に冷却風分岐通路４１および冷却風分岐通路５１に分流されるため、冷却風流れの圧力損失を低減することができる。これにより、遠心ファン２８の体格を小さくし、半導体素子の冷却構造の小型化を図ることができる。

このように構成された、この発明の実施の形態２における半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、半導体素子を搭載する各種装置の冷却構造に適用される。

２１ 冷却器ケース、２２，２４ 側壁、２３ 開口部、２５ 底壁、２６ 半導体素子、２８ 遠心ファン、２９ 噴き出し口、３１，８１ 冷却風通路、４１，５１ 冷却風分岐通路、４３，４３Ａ〜４３Ｆ，５３，８３ 冷却フィン、４３ｐ，５３ｐ 端部、８５ 整流用ダクト、９１，９２ 領域、９６ 突出部、１０６，１０８ ケーブル、１１０ 電圧センサ、１１１ 電流センサ、１１２ 昇圧コンバータ、１１３ 昇圧用ＩＰＭ、１１４，１２２ インバータ、１１５ Ｕ相アーム、１１６ Ｖ相アーム、１１７ Ｗ相アーム、１１８ 走行用ＩＰＭ、１２０ 車両用駆動装置、１２１ パワー制御ユニット、１２４，１２５ 電流センサ、１２６ 動力分割機構、１３０ 制御装置、１３２ リアクトル、１３３ 平滑用コンデンサ、１４０ バッテリユニット、１４１，１４２ 端子、１４３，１４４ ＤＣ端子。

Claims (1)

1. 冷媒が流通する冷媒通路と、前記冷媒通路から分岐し、前記冷媒通路を挟んだ両側にそれぞれ配置される第１分岐通路および第２分岐通路とが形成され、前記第１分岐通路および前記第２分岐通路を流通する冷媒によって複数の半導体素子を冷却する冷却構造であって、
   前記冷媒通路における冷媒流れの下流側に設けられる壁部と、
   前記冷媒通路における冷媒の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置され、互いに隣り合う位置に前記第１分岐通路を形成する複数枚の第１フィン部と、
   前記冷媒通路における冷媒の流れ方向に互いに間隔を隔てて配置され、互いに隣り合う位置に前記第２分岐通路を形成する複数枚の第２フィン部とを備え、
   前記第１フィン部および前記第２フィン部は、前記冷媒通路に向けて延びる先端に端部を有し、
   複数枚の前記第１フィン部は、前記第１フィン部の前記端部が、その第１フィン部と前記冷媒通路における冷媒流れの下流側に隣り合う前記第１フィン部の前記端部よりも、前記冷媒通路に向けて大きく延出しないように設けられ、複数枚の前記第２フィン部は、前記第２フィン部の前記端部が、その第２フィン部と前記冷媒通路における冷媒流れの下流側に隣り合う前記第２フィン部の前記端部よりも、前記冷媒通路に向けて大きく延出しないように設けられ、
   複数枚の前記第１フィン部間で前記端部を結んで得られる仮想線および複数枚の前記第２フィン部間で前記端部を結んで得られる仮想線の、前記冷媒通路における冷媒の流れ方向に対する勾配は、前記冷媒通路における冷媒流れの下流側よりも上流側で大きくなり、
   前記壁部を有し、前記第１フィン部および前記第２フィン部を収容するケース体と、
   前記ケース体に向けて冷媒を供給するファンとをさらに備え、
   前記ケース体には、前記冷媒通路における冷媒流れの上流側で開口する開口部が形成され、
   前記ファンは、前記開口部に直接、接続され、
   前記ファンは、遠心ファンであり、前記開口部に接続される断面において前記第１フィン部側から前記第２フィン部側に近づくほど冷媒流量が小さくなるように、前記開口部に接続され、
   複数枚の前記第２フィン部間で前記端部を結んで得られる仮想線の勾配は、複数枚の前記第１フィン部間で前記端部を結んで得られる仮想線の勾配よりも大きい、半導体素子の冷却構造。

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