JP6642731B2 - 半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷却器一体型の半導体モジュール及び電力変換装置に関する。
半導体モジュールは、車載用のモータ制御などに使用され、常に小型・軽量化が求められている。小型化を実現するためには、半導体素子を効率よく冷却する構造が必要不可欠である。そこで、半導体素子を冷却フィン上に直接接合して、直接冷却する直冷構造の開発が進んでいる。
半導体素子をフィンで直冷する半導体モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、接続口が流入口２箇所と流出口１箇所の合計３箇所あるため、取り付け工程が煩雑になる可能性がある。また、流入口から流出口を結ぶ経路ではフィンの冷却が進むが、その経路の外側には冷却水が流入し難く、冷却性能が低下するため、より均一な冷却性能を得ることができない。
また、冷却器一体型の半導体モジュールが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、冷却水が分流されずにフィンへ衝突するため、一方向の長い流路となり、上流側の素子と下流側の素子の冷却性能に大きな差異が発生する。
また、冷却水を分流する冷却器一体型モジュールも提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、冷却水の噴流が直接フィンへ衝突して動圧が発生し、フィンが大きな応力を受ける。このため、フィンは高い強度が要求される。動圧発生による圧損悪化も懸念される。更に、複数の噴流口からの水の噴出により、流路内で水流が大きく乱れるため、制御が難しく、結局、流入側と流出側で冷却性能に大きな差異が発生してしまう。
日本特開２０１６−６８２６号公報 日本特開昭６４−７１１５６号公報 日本特開２０１４−８２３１１号公報
従来の冷却器一体型モジュールでは、フィンへの流入・流出時の分流が不十分であり、複数の半導体素子を均一に冷却することができない。そのため、上流と下流で冷却性能に差が発生し、下流に配置された半導体素子の温度にモジュールの熱設計が制限される。また、水流の制御も困難であり、圧損も高くなるため、モジュールの単位体積当たりの発熱許容量が小さい。また、構造も複雑であり、流入口と流出口を底面に設置することは難しく、床面積の低減が困難である。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は複数の半導体素子を均一に冷却することができ、モジュールの単位体積当たりの発熱許容量を向上でき、構造が簡単で床面積を低減することができる半導体モジュール及び電力変換装置を得るものである。
本発明に係る半導体モジュールは、導電性ベース板と、前記導電性ベース板の上面に設けられた絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた導電性パターンと、前記導電性パターン上に設けられた複数の半導体素子と、前記導電性ベース板の下面に設けられた複数のフィンと、前記複数のフィンの先端に設けられた放熱性ベース板と、前記複数のフィン及び前記放熱性ベース板を囲うように設けられ、底面に流入口と流出口を有する冷却器と、前記冷却器と前記放熱性ベース板で囲まれた空間を、前記流入口と繋がっている流入側空間と、前記流出口と繋がっている流出側空間とに分離するパーティションとを備え、前記放熱性ベース板の中央部に第１のスリットが設けられ、流入側から流出側に向かう方向に沿った前記放熱性ベース板の両辺にそれぞれ第２及び第３のスリットが設けられ、前記第１のスリットと前記第２及び第３のスリットの一方が前記流入側空間に接続された流入側スリットであり、他方が前記流出側空間に接続された流出側スリットであることを特徴とする。
本発明では、第１のスリットと第２及び第３のスリットにより複数のフィンへの冷却水の流入又は流出を分流する。このため、一方向の冷却と比較して、複数の半導体素子を均一に冷却することができる。さらに、モジュールの単位体積当たりの発熱許容量を向上できる。また、流入口と流出口がそれぞれ１つで構造が簡単であり、ポンプとの接続が容易となる。また、流入口と流出口を冷却器の底面に設置することができ、床面積を低減することができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを分解した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの導電性ベース板の上面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの導電性ベース板の下面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの放熱性ベース板の上面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却器の上面図である。 図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却水の流れを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却水の流れを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却水の流れを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却水の流れを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却水の流れを示す図である。 冷却水の流路の違いを説明するための上面図である。 冷却水の流路の違いを説明するための上面図である。 冷却水の流路の違いを説明するための上面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの導電性ベース板の下面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの導電性ベース板の下面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す斜視図である。 図１９のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図１９のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。 本発明の実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムを示すブロック図である。
本発明の実施の形態に係る半導体モジュール及び電力変換装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールを分解した状態を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの導電性ベース板の上面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの導電性ベース板の下面図である。図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの放熱性ベース板の上面図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却器の上面図である。図７は、図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図８は、図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。この半導体モジュールは冷却器一体型モジュールである。
導電性ベース板１はＡｌ又はＣｕからなり、大きさは約８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚みは２〜４ｍｍ程度である。Ａｌ又はＣｕからなる導電パターンが両面に張り付けられた絶縁基板２が導電性ベース板１の上面にはんだ又はろう材などの接合材を介して接合されている。絶縁基板２はＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなり、厚みは０．３２〜１ｍｍ程度である。熱抵抗低減のため、絶縁基板２の厚みは最小限とすることが望ましい。
絶縁基板２の上面には導電性パターン３ａ〜３ｄが設けられ、その上面に接合材を介して半導体素子４ａ〜４ｆ，５ａ〜５ｆが接合されている。ここでは、導電性パターン３ａ上に半導体素子４ａ〜４ｃ，５ａ〜５ｃが設けられ、導電性パターン３ｂ上に半導体素子４ｄ，５ｄが設けられ、導電性パターン３ｃ上に半導体素子４ｅ，５ｅが設けられ、導電性パターン３ｄ上に半導体素子４ｆ，５ｆが設けられている。例えば、半導体素子４ａ〜４ｆはＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子であり、半導体素子５ａ〜５ｆは還流ダイオードである。半導体素子４ａ〜４ｆ，５ａ〜５ｆを保護するため、導電性ベース板１の上面をケース又はモールド樹脂で覆うことが望ましい。
冷却性能を向上させるため、導電性ベース板１の下面に複数のフィン６が設けられている。複数のフィン６はピンフィン、ストレートフィン又はコニカルフィンである。複数のフィン６の先端に放熱性ベース板７がろう付けされている。
冷却器８が複数のフィン６及び放熱性ベース板７を囲うように設けられている。冷却器８の底面に流入口９ａと流出口９ｂが設けられている。パーティション１０が、冷却器８と放熱性ベース板７で囲まれた空間を、流入口９ａと繋がっている流入側空間１１ａと、流出口９ｂと繋がっている流出側空間１１ｂとに分離する。
放熱性ベース板７の中央部に、流入側から流出側に向かう方向に延びた第１のスリット１２ａが設けられている。流入側から流出側に向かう方向に沿った放熱性ベース板７の両辺にそれぞれ第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃが設けられている。第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃが流入側空間１１ａに接続された流入側スリットであり、第１のスリット１２ａが流出側空間１１ｂに接続された流出側スリットである。
図９から図１３は、本発明の実施の形態１に係る半導体モジュールの冷却水の流れを示す図である。図９及び図１３は図６の上面図に対応し、図１０は図７の断面図に対応し、図１１及び図１２は図８の断面図に対応する。図中の矢印は冷却水の流れを示す。
まず、図９に示すように、流入口９ａから流入した冷却水は流入側空間１１ａを満たす。次に、図１０に示すように、冷却水は第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃを通じて放熱性ベース板７の上側へ流入する。この際に、２つのスリットにより水流は互いに逆の方向へ分流される。次に、図１１に示すように、水流は複数のフィン６を外側から中央の順で冷却する。次に、図１２に示すように、冷却水は中央の第１のスリット１２ａを通じて流出側空間１１ｂへ流入する。次に、図１３に示すように、冷却水は流出口９ｂを通じて排水される。
以上説明したように、本実施の形態では、第１のスリット１２ａと第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃにより複数のフィン６への冷却水の流入を分流する。流入口９ａから流入した冷却水が第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃで分流されて複数のフィン６を両側から冷却する。このため、一方向の冷却と比較して、複数の半導体素子４ａ〜４ｆ，５ａ〜５ｆを均一に冷却することができる。さらに、モジュールの単位体積当たりの発熱許容量を向上できる。また、流入口９ａと流出口９ｂがそれぞれ１つで構造が簡単であり、ポンプとの接続が容易となる。また、流入口と流出口を冷却器８の底面に設置することができ、床面積を低減することができる。
また、冷却水の流入する流入側スリット上の素子が優先的に冷却される。そこで、半導体素子５ａ〜５ｆよりも発熱量が大きい半導体素子４ａ〜４ｆを、半導体素子５ａ〜５ｆよりも流入側スリットの近くに配置する。即ち、半導体素子４ａ〜４ｆを、放熱性ベース板７の外側にある第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃの上方に配置する。これにより、発熱量の大きい半導体素子４ａ〜４ｆを優先的に冷却できるため、モジュール全体を効果的に冷却し、温度上昇を抑制できる。
図１４から図１６は、冷却水の流路の違いを説明するための上面図である。図１４のように一方の端から他方の端に一方向に冷却水を流した場合、発熱量の大きい半導体素子４ａ〜４ｃの群は優先的かつ均一に冷却されるが、発熱量の大きい半導体素子４ｄ〜４ｆの群は優先的に冷却されない。図１５のように冷却水を流した場合、両方の素子群とも優先的にも均一にも冷却されない。本実施の形態では、図１６のように両端から中央に向かって冷却水を流すため、両方の素子群とも優先的かつ均一に冷却される。
なお、第１のスリット１２ａが流入側スリット、第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃが流出側スリットでもよい。この場合には、冷却器８の流入口９ａより流入した冷却水は、１つの第１のスリット１２ａを通じて複数のフィン６へ導入され、第２及び第３のスリット１２ｂ，１２ｃを通じて複数のフィン６から冷却器８へ排出される。従って、発熱量の大きい半導体素子４ａ〜４ｆを、放熱性ベース板７の中央にある第１のスリット１２ａの上方に配置することで、優先的に冷却できる。
実施の形態２．
図１７は、本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの導電性ベース板の下面図である。複数のフィン６のうち流入側のフィンは流出側のフィンよりもフィン密度が高い。従って、水流が強い流入側のフィンは水流が弱い流出側のフィンよりも冷却水が通過し難い形状となっている。これにより、冷却水が流入側のフィンに集中するのを抑制し、流出側のフィンへの流入を増加させて、冷却水通過量をフィン全体で均一にして均一に冷却することができる。
実施の形態３．
図１８は、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの導電性ベース板の下面図である。複数のフィン６の形状は流入側に中心を持つ放射状の楕円弧である。この場合にも、流入側のフィンは流出側のフィンよりも冷却水が通過し難い形状となるため、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
実施の形態４．
図１９は、本発明の実施の形態４に係る半導体モジュールを示す斜視図である。図２０は、図１９のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図２１は、図１９のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。流入口９ａ及び流出口９ｂの上方に複数のフィン６及び放熱性ベース板７が無い吹き抜け構造１３が設けられている。吹き抜け構造１３により流入口９ａ及び流出口９ｂ周囲の空間体積が増えて水溜まり部になるため、モジュールの圧損を低減させることができる。
なお、実施の形態１〜４において、半導体素子４ａ〜４ｆ，５ａ〜５ｆは、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワー半導体素子は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化された素子を用いることで、この素子を組み込んだ半導体モジュールも小型化できる。また、素子の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、素子の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。
実施の形態５．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜４にかかる半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下では三相のインバータに適用した場合について説明する。
図２２は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置を適用した電力変換システムを示すブロック図である。電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００を有する。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成できる。交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成してもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、又は、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子及び各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜４の半導体モジュールの何れかに相当する半導体装置２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上のオン信号であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下のオフ信号となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべきオン時間を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御信号を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜４にかかる半導体モジュールを適用するため、小型化を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
１ 導電性ベース板、２ 絶縁基板、３ａ〜３ｄ 導電性パターン、４ａ〜４ｆ，５ａ〜５ｆ 半導体素子、６ フィン、７ 放熱性ベース板、８ 冷却器、９ａ 流入口、９ｂ 流出口、１０ パーティション、１１ａ 流入側空間、１１ｂ 流出側空間、１２ａ 第１のスリット、１２ｂ 第２のスリット、１２ｃ 第３のスリット、１３ 吹き抜け構造、２０１ 主変換回路、２０３ 制御回路

Claims (10)

  1. 導電性ベース板と、
    前記導電性ベース板の上面に設けられた絶縁基板と、
    前記絶縁基板上に設けられた導電性パターンと、
    前記導電性パターン上に設けられた複数の半導体素子と、
    前記導電性ベース板の下面に設けられた複数のフィンと、
    前記複数のフィンの先端に設けられた放熱性ベース板と、
    前記複数のフィン及び前記放熱性ベース板を囲うように設けられ、底面に流入口と流出口を有する冷却器と、
    前記冷却器と前記放熱性ベース板で囲まれた空間を、前記流入口と繋がっている流入側空間と、前記流出口と繋がっている流出側空間とに分離するパーティションとを備え、
    前記放熱性ベース板の中央部に第１のスリットが設けられ、
    流入側から流出側に向かう方向に沿った前記放熱性ベース板の両辺にそれぞれ第２及び第３のスリットが設けられ、
    前記第１のスリットと前記第２及び第３のスリットの一方が前記流入側空間に接続された流入側スリットであり、他方が前記流出側空間に接続された流出側スリットであることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記複数の半導体素子は、第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子よりも発熱量が大きい第２の半導体素子とを有し、
    前記第２の半導体素子は、前記第１の半導体素子よりも前記流入側スリットの近くに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記第２及び第３のスリットが前記流入側スリットであり、
    前記第２の半導体素子は前記第２及び第３のスリットの上方に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記第１のスリットが前記流入側スリットであり、
    前記第２の半導体素子は前記第１のスリットの上方に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
  5. 前記複数のフィンのうち流入側のフィンは流出側のフィンよりも冷却水が通過し難い形状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記流入側のフィンは前記流出側のフィンよりもフィン密度が高いことを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 前記複数のフィンの形状は前記流入側に中心を持つ放射状の楕円弧であることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。
  8. 前記流入口及び前記流出口の上方に前記複数のフィン及び前記放熱性ベース板が無い吹き抜け構造が設けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  9. 前記複数の半導体素子はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体モジュール。
  10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。
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