JP6686813B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書は、半導体素子を収容した半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されている冷却器が積層された積層ユニットを備える半導体装置を開示する。

半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が積層された積層ユニットを備える半導体装置が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の半導体装置は、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換装置である。電気自動車の電力変換装置など、半導体素子に大電流が流れる装置では、半導体モジュールを冷却するために、上記したように、半導体モジュールと冷却器を積層した積層ユニット構造が採用されることがある。冷却器は、その内部に冷媒の流路が形成されている。冷媒には、水やＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）など、液体冷媒が用いられる。積層ユニットの冷却器には、外部から液体冷媒を導入する導入管と、冷却器内で熱を吸収した液体冷媒を外部へ排出する排出管が接続される。導入管と排出管の一端は半導体装置の筐体に設けられた貫通孔に接続している。

特開２０１４−１８７８２７号公報

ＬＬＣは単純な水よりも凍り難いが、半導体装置が極寒地域で用いられると、凍結するおそれがある。半導体装置が極寒の環境に晒されると、まず筐体の温度が下がり、次いで導入管及び排出管、続いて積層ユニットの冷却器の温度が低下していく。導入管と排出管で液体冷媒が凍ると、次に冷却器内の液体冷媒が凍結膨張したときに凍った冷媒の逃げ場が無くなり、冷却器が膨張、変形してしまう。本明細書は、積層ユニットを備える半導体装置の冷媒凍結対策技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、積層ユニットと、積層ユニットを収容する筐体と、導入管と排出管を備える。積層ユニットは、前述したように、半導体素子を収容した半導体モジュールと冷却器が積層されたデバイスである。冷却器は、内部に冷媒の流路が設けられている。導入管は、筐体の外部から液体冷媒を冷却器に導入する部材である。排出管は、冷却器から筐体の外部へ液体冷媒を排出する部材である。導入管と排出管の夫々の一端は、筐体に設けられた一対の貫通孔の夫々に接続されており、導入管と排出管の夫々の他端は、冷却器に接続されている。本明細書が開示する半導体装置では、導入管と排出管の夫々に蓄熱材が巻かれている。

本明細書が開示する半導体装置では、蓄熱材を巻くことで、導入管と排出管の中での冷媒凍結を遅らせる。そうすることで、少ないコストで冷却器を凍結し難くすることができる。また、冷却器の中で冷媒が凍結し始めたとき、蓄熱材のおかげで導入管と排出管が凍結した冷媒で塞がれていなければ、冷却器の中の冷媒の体積膨張分の少なくとも一部は導入管と排出管を通じて外部へ放出することができ、冷却器の膨張変形を軽減することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置（電力変換器）を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 電力変換器の筐体内部の部品レイアウトを示す平面図である。 電力変換器の筐体内部の部品レイアウトを示す正面図である。 図２のIV-IV線に沿った断面図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。実施例の半導体装置は、電気自動車に搭載される電力変換器２である。まず、電力変換器２を含む電気自動車１００の電気系統について説明する。図１は、電力変換器２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図である。電力変換器２は、バッテリ１３の直流電力を昇圧した後に交流に変換し、走行用モータ１５ａ、１５ｂに供給するデバイスである。電力変換器２の直流側は、システムメインリレー１４を介してバッテリ１３に接続されており、交流側は、２個のモータ１５ａ、１５ｂに接続されている。

電気自動車１００は、２個のモータ１５ａ、１５ｂの出力をギアボックス１６で合成し、車軸１７へ動力を伝達して走行する。電気自動車１００は、車両の運動エネルギを使ってモータ１５ａ、１５ｂを車軸側から逆駆動し、発電することもできる。発電で得た電力でバッテリ１３を充電する。発電で得る電力は回生電力と呼ばれることがある。

電力変換器２は、バッテリ１３の電圧を昇圧するコンバータ１２と、直流電力を交流電力に変換する２個のインバータ１０ａ、１０ｂを含む。コンバータ１２は、フィルタコンデンサ４、リアクトル５、２個のトランジスタ９ａ、９ｂ、２個のダイオードを備えている。２個のトランジスタ９ａ、９ｂは、直列に接続されており、トランジスタ９ａ、９ｂの夫々に、ダイオードが逆並列に接続されている。トランジスタ９ａ、９ｂとダイオード、即ち、図１にて破線３ａで囲まれている範囲が、後述する半導体モジュール３ａに相当する。コンバータ１２は、バッテリ１３の電圧を昇圧する機能のほか、インバータ１０ａ、１０ｂから送られてくる回生電力の電圧を降圧してバッテリ１３へ供給する降圧機能も有しており、いわゆる、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。図１のコンバータ１２の回路構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。

インバータ１０ａは、６個のトランジスタ９ｃ−９ｈと、夫々のトランジスタに逆並列に接続されているダイオードを備えている。６個のトランジスタ９ｃ−９ｈは、２個ずつ、直列に接続されている（トランジスタ９ｃと９ｄ、９ｅと９ｆ、９ｇと９ｈが、夫々直列に接続されている）。３組の直列接続は、並列に接続されている。各直列接続の中点から交流が出力される。破線３ｂ、３ｃ、３ｄが、夫々、半導体モジュールに相当する。

インバータ１０ｂは、インバータ１０ａと同じ構成を有している。即ち、インバータ１０ｂも、３個の半導体モジュール３ｅ、３ｆ、３ｇを備えている。夫々の半導体モジュール３ｅ−３ｇの中には、２個のトランジスタと２個のダイオードが含まれている。コンバータ１２とインバータ１０ａ、１０ｂの間に、平滑化コンデンサ６が並列に接続されている。

７個の半導体モジュール３ａ−３ｇのトランジスタは、不図示のコントローラから駆動信号（ＰＷＭ信号）を受けて作動する。以下、７個の半導体モジュール３ａ−３ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール３と表記する。

電力変換器２のハードウエア構成を説明する。図２に、電力変換器２の平面図を示す。なお、図２は、カバーを外し、筐体３０の内部の部品レイアウトを示した平面図である。図３に電力変換器２の正面図を示す。図３は、図２における右側の筐体壁をカットし、筐体３０の内部の部品レイアウトを示した正面図である。

７個の半導体モジュール３は、８個の冷却器２２とともに、積層ユニット２０を構成する。図２では、積層ユニット２０の両端の冷却器にのみ符号２２を付し、他の冷却器には符号を省略した。積層ユニット２０は、７個の半導体モジュール３と８個の冷却器２２を、一つずつ交互に積層した積層体である。冷却器２２は、内部に液体冷媒が通る流路が設けられている。一つの半導体モジュール３を挟んで隣接する一対の冷却器２２は、２個の連結管２３で接続されている。図２では、一つの連結管にのみ、符号２３を付し、他の連結管には符号を省略した。連結管２３により、全ての冷却器２２が連通する。

図２において右端の冷却器２２には、冷媒導入管３４と冷媒排出管３５が接続されている。２個の連結管２３の一方は、積層方向（図中のＸ方向）からみて冷媒導入管３４と重なるように位置しており、他方の連結管２３は、冷媒排出管３５と重なるように位置している。冷媒導入管３４と冷媒排出管３５は、筐体３０に設けられた貫通孔３０ａを通り、一端が筐体３０の外側に突き出ている。冷媒導入管３４と冷媒排出管３５には、不図示の冷媒循環装置が接続されている。冷媒導入管３４を通じて供給される液体冷媒は、隣接する冷却器２２を連結する一方の連結管２３を通じて全ての冷却器２２に分配される。液体冷媒は、各冷却器２２を通過する間に隣接する半導体モジュール３から熱を吸収し、他方の連結管２３と冷媒排出管３５を通じて電力変換器２の外へ排出される（冷媒循環装置へと戻される）。

各半導体モジュール３の上面から、３個のパワー端子２５（正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃ）が延びている。各半導体モジュール３の下面から複数の制御端子２７が延びている（図３参照）。各半導体モジュール３には、２個のトランジスタの直列接続が収容されており、正極端子２５ａは、半導体モジュール３の本体２１の内部で、直列接続の高電位側に接続されている。負極端子２５ｂは、本体２１の内部で、直列接続の低電位側に接続されており、中点端子２５ｃは、直列接続の中点に接続されている。各半導体モジュール３の正極端子２５ａと負極端子２５ｂは、夫々、正極バスバ３１、負極バスバ３２を介して平滑化コンデンサ６と接続されている。図２、図３では、各半導体モジュール３の中点端子２５ｃの接続先は図示を省略した。

制御端子２７は、半導体モジュール３の内部の夫々のトランジスタのゲートにつながっているゲート端子、各トランジスタのセンスエミッタにつながっているセンスエミッタ端子、半導体モジュール３に内蔵されている温度センサにつながっているセンサ端子などである。制御端子は、積層ユニットと２０の下方に配置されている制御基板２９に接続されている。制御基板２９は、不図示の上位のコントローラからの指令を受け、各半導体モジュール３に収容されている各トランジスタへ駆動信号を供給する。

複数の半導体モジュール３と複数の冷却器２２の積層ユニット２０の積層方向の一端が筐体３０に設けられた支持壁３６に当接しており、他端は板バネ３３を介して支持柱３８に支持されている。板バネ３３により、積層ユニット２０は、その積層方向に荷重を受ける。積層方向の荷重により、冷却器２２と半導体モジュール３が密着し、半導体モジュール３から冷却器２２への熱伝達の効率が高められる。積層ユニット２０の周囲に、フィルタコンデンサ４、リアクトル５、平滑化コンデンサ６が配置されている。それらと積層ユニット２０との接続は、バスバ３１、３２を除いて図示を省略した。

先に述べたように、冷媒導入管３４と冷媒排出管３５の夫々の一端は、筐体３０に設けられた一対の貫通孔３０ａの夫々に接続されており、冷媒導入管３４と冷媒排出管３５の夫々の他端は積層ユニット２０の端の冷却器２２に接続されている。冷媒導入管３４と冷媒排出管３５の夫々に、蓄熱材３７が巻かれている。蓄熱材３７は、例えば、ゼオライトやパラフィンで作られている。

冷媒排出管３５に巻かれた蓄熱材３７の表面に温度センサ３９が取り付けられている。温度センサ３９は、蓄熱材３７の表面温度を計測する。温度センサ３９の信号線は、積層ユニット２０の下方に位置する制御基板２９に接続されている。

蓄熱材３７の利点について説明する。図４に、図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。図４は、冷媒導入管３４をその軸線と平行にカットした積層ユニット２０の断面を示している。図４は、積層ユニット２０の断面と、筐体３０の一部の断面を示しており、他の部品は図示を省略した。各冷却器２２はアルミニウムの板で作られており、その内部は単純な空洞である。冷却器２２は、いくつかの孔を有する単純な容器であり、その内部空間が冷媒の流路となる。なお、冷却器２２の内部空間に、冷却器２２のケース内面に接する複数のフィンが設けられることもある。

冷媒導入管３４を介して供給された冷媒は、連結管２３を介して各冷却器２２へ分配される。冷媒は、液体のＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）であるが、外気温度が極低温になると凍結する可能性がある。電気自動車１００が極寒地域で採用されると、冷媒が凍結する可能性がある。電力変換器２が極寒の環境に晒されると、まず、筐体３０の温度が下がり、次いで、筐体３０に接している冷媒導入管３４及び冷媒排出管３５、そして、積層ユニット２０の順に温度が低下していく。冷媒導入管３４と冷媒排出管３５で液体冷媒が凍結すると、次に冷却器２２の中の液体冷媒が凍結膨張したときに冷媒の逃げ場が無くなり、冷却器２２が膨張、変形してしまう。蓄熱材３７を巻くことで、冷媒導入管３４と冷媒排出管３５の中（図４にて符号Ｓ１が示す箇所）での冷媒凍結を遅らせることができる。そうすることで、少ないコストで冷却器２２の内部の冷媒を凍結し難くすることができる。また、冷却器２２の中（例えば図４にて符号Ｓ２が示す箇所）で冷媒が凍結し始めたとき、蓄熱材３７のおかげで冷媒導入管３４と冷媒排出管３５が凍結した冷媒で塞がれていなければ、冷却器２２の中の冷媒の体積膨張分の少なくとも一部は冷媒導入管３４と冷媒排出管３５を通じて外部へ放出でき、冷却器２２の膨張変形を軽減することができる。

電力変換器２は、さらに、冷媒導入管３４の内部の冷媒が凍結しそうになると、冷媒導入管３４と冷媒排出管３５に接続されている外部の冷媒循環装置（不図示）を作動させ、冷媒を循環させて凍結を防止する。先に述べたように、冷媒導入管３４に巻かれた蓄熱材３７の表面には温度センサ３９が取り付けられている（図２、図３参照）。制御基板２９には、凍結防止プログラムが実装されており、定期的に温度センサ３９の温度をモニタする。温度センサ３９で取得した蓄熱材３７の表面温度が所定の温度（例えばマイナス２０℃）を下回ると、制御基板２９の凍結防止プログラムは、外部の冷媒循環装置を一定時間作動させる（例えば３０分）。冷媒循環装置を作動させることで、積層ユニット２０の複数の冷却器２２の中の冷媒が循環・撹拌され、冷媒が凍結することが防止される。

なお、変形例として、制御基板２９は、蓄熱材３７の表面温度が所定の温度を下回ったとき、半導体モジュール３の内部のトランジスタを動作させてもよい。トランジスタの発熱により、冷媒の凍結が防止される。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換器２が、請求項の「半導体装置」の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、電気自動車用の電力変換器に限られず、他の装置であってもよい。実施例の冷媒導入管３４と冷媒排出管３５が、それぞれ、請求項の「導入管」と「排出管」の一例に相当する。実施例のトランジスタ９ａ−９ｈが、請求項の「半導体素子」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３、３ａ−３ｇ：半導体モジュール
４：フィルタコンデンサ
５：リアクトル
６：平滑化コンデンサ
９ａ−９ｈ：トランジスタ
１０ａ、１０ｂ：インバータ
１２：コンバータ
１３：バッテリ
１４：システムメインリレー
１５ａ、１５ｂ：モータ
１６：ギアボックス
１７：車軸
２０：積層ユニット
２１：本体
２２：冷却器
２３：連結管
２５ａ：正極端子
２５ｂ：負極端子
２５ｃ：中点端子
２７：制御端子
２９：制御基板
３０：筐体
３０ａ：貫通孔
３１：正極バスバ
３２：負極バスバ
３３：板バネ
３４：冷媒導入管
３５：冷媒排出管
３６：支持壁
３７：蓄熱材
３８：支持柱
３９：温度センサ
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 半導体素子を収容した半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されている冷却器が積層された積層ユニットと、
   前記積層ユニットを収容する筐体と、
   前記筐体の外部から液体冷媒を前記冷却器に導入する導入管と、
   前記冷却器から前記筐体の外部へ前記液体冷媒を排出する排出管と、
   を備えており、
   前記導入管と前記排出管の夫々の一端は、前記筐体に設けられた一対の貫通孔の夫々に接続されており、前記導入管と前記排出管の夫々の他端は前記冷却器に接続されており、
   前記導入管と前記排出管の夫々に蓄熱材が巻かれている、半導体装置。

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