JP7163778B2 - semiconductor equipment - Google Patents
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Description
本明細書は、複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されている半導体装置に関する。 The present specification relates to a semiconductor device in which a plurality of semiconductor modules and a plurality of coolers in which coolant flows are stacked.
複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されている半導体装置が知られている。特許文献1、2にそのような半導体装置の一例が開示されている。特許文献1、2に開示されている半導体装置では、複数の半導体モジュールと複数の冷却器に加えて、熱を発しない複数のダミー半導体モジュールが積層されている。特許文献1の半導体装置では、半導体モジュールとダミー半導体モジュールは交互に積層されている。各半導体モジュールとダミー半導体モジュールの間に冷却器が配置されている。
A semiconductor device is known in which a plurality of semiconductor modules and a plurality of coolers in which coolant flows are stacked.
冷却器を流れる冷媒の流量が多ければ冷却性能は保持される。しかしながら、低温などの影響で冷媒の粘度が上昇し冷媒の流量が減少することにより、冷却性能は低下してしまう。また、モータロック中は特定の1つの半導体モジュールの発熱量が通常よりも大きくなる可能性がある。その場合は特定の半導体モジュールに接している冷却器のみで排熱を行わなければならず、冷媒の局所的な温度の上昇により発熱量の大きい半導体モジュールに対する冷却効率が低下してしまうおそれがある。本明細書は、冷媒の流量の減少やモータロック時においても十分な冷却性能を確保することができる技術を提供する。 If the flow rate of the refrigerant flowing through the cooler is large, the cooling performance is maintained. However, the cooling performance is degraded due to the increase in the viscosity of the coolant and the decrease in the flow rate of the coolant due to the influence of low temperatures and the like. Also, during the motor lock, the amount of heat generated by one specific semiconductor module may become larger than usual. In that case, the heat must be exhausted only by the cooler that is in contact with the specific semiconductor module, and there is a risk that the cooling efficiency for the semiconductor module that generates a large amount of heat will decrease due to the local temperature rise of the coolant. . The present specification provides a technique capable of ensuring sufficient cooling performance even when the coolant flow rate is reduced or the motor is locked.
本明細書が開示する半導体装置は、複数の半導体モジュールと、内部に冷媒が流れる複数の冷却器が積層されているデバイスである。複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層方向でそれぞれの半導体モジュールの両側に冷却器が配置されている。半導体モジュールを挟まずに隣り合っている冷却器の間にはグリスが満たされている。 A semiconductor device disclosed in this specification is a device in which a plurality of semiconductor modules and a plurality of coolers in which coolant flows are stacked. Coolers are arranged on both sides of each semiconductor module in the stacking direction of the plurality of semiconductor modules and the plurality of coolers. Grease is filled between the coolers that are adjacent without sandwiching the semiconductor module.
冷却器間にグリスが満たされていることにより、半導体モジュールから発生した熱はその半導体モジュールの両側に配置された冷却器だけでなく、グリスを通じてその隣の冷却器にも排熱される。その結果、冷媒の流量の減少やモータロック時などにおいても十分な冷却性能を確保することができる。 Since the space between the coolers is filled with grease, the heat generated from the semiconductor module is exhausted not only to the coolers arranged on both sides of the semiconductor module but also to the adjacent coolers through the grease. As a result, sufficient cooling performance can be ensured even when the flow rate of the refrigerant is reduced or when the motor is locked.
また、本明細書が開示する半導体装置は接する冷却器間にグリスを満たして圧縮するため、半導体モジュールとダミー半導体モジュールを隔段に配置して構成された半導体装置よりも小型化することができる。 In addition, since the semiconductor device disclosed in this specification is compressed by filling grease between coolers that are in contact with each other, it can be made smaller than a semiconductor device configured by arranging a semiconductor module and a dummy semiconductor module at intervals. .
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。 Details and further improvements of the technique disclosed in this specification are described in the following "Mode for Carrying Out the Invention".
(第1実施例)図1から図4を参照して第1実施例の半導体装置を説明する。第1実施例の半導体装置は、電気自動車100の電力変換器に用いられる積層ユニットである。積層ユニットを説明する前に、積層ユニットが用いられている電力変換器2の全体の回路構成を説明する。図1に、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を示す。電気自動車100は、走行用のモータ93a、93bを備えている。電力変換器2は、バッテリ91の直流電力を走行用のモータ93a、93bの駆動電力に変換するデバイスである。2個の走行用モータ93a、93bの出力は、ギアボックス95で合成されて車軸96(即ち駆動輪)へと伝達される。
(First Embodiment) A semiconductor device according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. The semiconductor device of the first embodiment is a laminated unit used in the power converter of the
電力変換器2は、システムメインリレー92を介してバッテリ91と接続されている。電力変換器2は、バッテリ91の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路12と、昇圧後の直流電力を交流に変換する2セットのインバータ回路13a、13bを備えている。第1インバータ回路13aがモータ93aの駆動電力を生成し、第2インバータ回路13bがモータ93bの駆動電力を生成する。
電圧コンバータ回路12は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向DC-DCコンバータである。説明の便宜上、以下では、バッテリ側(低電圧側)の端子を入力端18と称し、インバータ側(高電圧側)の端子を出力端19と称する。また、入力端18の正極と負極をそれぞれ、入力正極端18aと入力負極端18bと称する。出力端19の正極と負極をそれぞれ、出力正極端19aと出力負極端19bと称する。「入力端18」、「出力端19」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路12は双方向DC-DCコンバータであるので、出力端19から入力端18へ電力が流れる場合がある。
The
電圧コンバータ回路12は、2個のスイッチング素子9a、9bの直列回路、リアクトル7、フィルタコンデンサ5、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。リアクトル7は、一端が入力正極端18aに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ5は、入力正極端18aと入力負極端18bの間に接続されている。入力負極端18bは、出力負極端19bと直接に接続されている。スイッチング素子9bが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子9aが主に降圧動作に関与する。図1の電圧コンバータ回路12はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号8aが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール8aに対応する。符号11a、11b、11cは、半導体モジュール8aから延出している端子を示している。符号11aは、スイッチング素子9a、9bの直列回路の正極側と導通している端子(正極端子11a)を示している。符号11bは、スイッチング素子9a、9bの直列回路の負極側と導通している端子(負極端子11b)を示している。符号11cは、スイッチング素子9a、9bの直列回路の中点と導通している端子(中点端子11c)を示している。
The
第1インバータ回路13aは、2個のスイッチング素子の直列回路が3セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子9cと9d、スイッチング素子9eと9f、スイッチング素子9gと9hがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。符号8b-8dが示す破線矩形の範囲は、半導体モジュール8aと同じ構造を有している半導体モジュールである。すなわち、3セットの直列回路のそれぞれが、半導体モジュール8aと同じ構造を有している半導体モジュールで実現される。3セットの直列回路の正極側の端子(正極端子11a)が電圧コンバータ回路12の出力正極端19aに接続されており、3セットの直列回路の負極側の端子(負極端子11b)が電圧コンバータ回路12の出力負極端19bに接続されている。3セットの直列回路の中点端子から3相交流(U相、V相、W相)が出力される。
The
第2インバータ回路13bの構成は第1インバータ回路13aと同じであるため、図1では具体的な回路の図示を省略している。第2インバータ回路13bも第1インバータ回路13aと同様に、2個のスイッチング素子の直列回路が3セット並列に接続された構成を有している。3セットの直列回路の正極側の端子が電圧コンバータ回路12の出力正極端19aに接続されており、3セットの直列回路の負極側の端子が電圧コンバータ回路12の出力負極端19bに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール8e、8f、8gと称する。
Since the configuration of the
インバータ回路13a、13bの入力端に平滑コンデンサ6が並列に接続されている。平滑コンデンサ6は、別言すれば、電圧コンバータ回路12の出力端19に並列に接続されている。平滑コンデンサ6は、電圧コンバータ回路12とインバータ回路13a、13bの間を流れる電流の脈動を除去する。
A smoothing
スイッチング素子9a-9hは、トランジスタであり、典型的にはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるが、他のトランジスタ、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。半導体モジュール8e-8gに含まれているスイッチング素子も同様である。
The
図1において、破線8a-8gのそれぞれが半導体モジュールに相当する。電力変換器2は、2個のスイッチング素子の直列回路を7セット備えている。ハードウエアとしては、直列回路を構成する2個のスイッチング素子、および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードが一つのパッケージ(半導体モジュール)に収容されている。
In FIG. 1, dashed
7個の半導体モジュール(7セットの直列回路)の正極側の端子(正極端子11a)が平滑コンデンサ6の正極電極に接続され、負極側の端子(負極端子11b)が平滑コンデンサ6の負極電極に接続される。
The positive terminal (positive terminal 11a) of the seven semiconductor modules (seven sets of series circuits) is connected to the positive electrode of the smoothing
半導体モジュール8b-8dのそれぞれの中点端子がモータ93aと接続されており、半導体モジュール8e-8gのそれぞれの中点端子がモータ93bと接続されている。6個の半導体モジュール8b-8gの中点端子は、モータ93a、93bから延びているパワーケーブル97に接続される。
The midpoint terminals of the
電力変換器2は、制御回路3を備えている。制御回路3は、不図示の上位制御装置からの指令を受け、半導体モジュール8a-8gのスイッチング素子を制御する。
The
図2に、半導体モジュール8aの斜視図を示す。半導体モジュール8aは、樹脂製のパッケージ81の内部に2個の半導体チップ82a、82bが埋設されたデバイスである。パッケージ81は扁平であり、幅広面811と幅狭面812を有している。幅狭面812は、幅広面811と交差する面である。半導体チップ82aは、図1のスイッチング素子9aとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ82bは、図1のスイッチング素子9bとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ82a、82bはパッケージ81の内部で直列に接続されており、直列接続の正極側と負極側は、それぞれ、正極端子11a、負極端子11bと導通している。2個の半導体チップ82a、82bの直列接続の中点が中点端子11cと導通している。別言すれば、半導体モジュール8aは、パッケージ81の内部に2個のスイッチング素子9a、9bの直列接続を収容しているとともに、直列接続の正極側と導通している正極端子11a、負極側と導通している負極端子11b、直列接続の中点と導通している中点端子11cを備えている。3個の端子11a-11cは、幅狭面812から延びている。端子11a-11cが設けられている幅狭面812とは反対側の幅狭面から制御端子84a、84bが延びている。制御端子84aは、半導体チップ82aのスイッチング素子9aのゲートや温度センサと導通する端子群であり、制御端子84bは、半導体チップ82bのスイッチング素子9bのゲートや温度センサと導通する端子群である。他の半導体モジュール8b-8gも同様の構造である。
FIG. 2 shows a perspective view of the
電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。すなわち、半導体モジュール8a-8gは発熱量が大きい。電力変換器2では、7個の半導体モジュール8a-8gを効率よく冷却するために、それら半導体モジュール8a-8gを集約した積層ユニット20を備えている。積層ユニット20が第1実施例の半導体装置に相当する。以下では、半導体モジュール8a-8gのいずれか1個を区別なく示すときには半導体モジュール8と称する。
A switching element for power conversion generates a large amount of heat. That is, the
積層ユニット20は、複数の半導体モジュール8と複数の冷却器23が積層されたデバイスである。図3(A)に、積層ユニット20の平面図を示し、図3(B)に積層ユニット20の正面図を示す。複数の半導体モジュール8と複数の冷却器23は、図中の座標系のX方向に積層されている。以下では、図中の座標系のX方向を積層方向と称する場合がある。
The
積層ユニット20では、複数の半導体モジュール8のそれぞれの両側の幅広面に冷却器23が接しており、2個の冷却器23と1個の半導体モジュール8の組が複数構成されており、複数の組が積層されている構造を有している。図3(A)では、積層ユニット20の途中を省略してあり、半導体モジュール8b、8c、8dとそれらに隣接する冷却器23の図示が省略されている。
In the stacked
積層ユニット20は冷媒供給管21と冷媒排出管22を備えている。冷媒供給管21は、複数の冷却器23を積層方向に貫通しているとともに、それぞれの冷却器23と連通している。冷媒排出管22も複数の冷却器23を積層方向に貫通しているとともに、それぞれの冷却器23と連通している。冷媒供給管21と冷媒排出管22は、積層方向からみて半導体モジュール8の両側に位置している。
The
冷媒が冷媒供給管21を通じてそれぞれの冷却器23へ供給され、それぞれの冷却器23の内部を通り、冷媒排出管22から排出される。冷却器23は扁平であり、半導体モジュール8の一方の幅広面811(図2参照)とその反対側の幅広面に、2つの冷却器23のそれぞれの幅広面が向かい合うように配置されている。すなわち、2つの冷却器23が半導体モジュール8の両側に接するように配置されている。以下では、上記半導体モジュール8とその両側に配置された2つの冷却器23を冷却器セットと称することにする。複数の半導体モジュール8と複数の冷却器23は、上記の冷却器セットが図中の座標系のX方向(すなわち積層方向)に並ぶように配置される。2つの冷却器セットが接する部分、すなわち、1つの冷却器セットの冷却器の幅広面で半導体モジュール8に接していない面と、もう1つの冷却器セットの冷却器の幅広面で半導体モジュール8に接していない面との間にグリス24が満たされている。
A coolant is supplied to each cooler 23 through a
図4に、積層ユニット20を図中の座標系のXY平面と平行な面でカットした断面図を示す。図4の符号25が冷却器セットを示している。また、図4において、冷媒の流れを太矢印で示す。さらに、図4では、半導体モジュール8a、8c、8g以外の半導体モジュールには、「8b」等の符号を省略した。半導体モジュール8gのみ、内部の半導体チップに符号82a、88bを付し、他の半導体モジュールでは半導体チップへの符号を省略した。さらにまた、半導体モジュール8cの近傍の冷却器を他の冷却器と区別するため、符号23a-23dを付した。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the
冷媒供給管21から冷媒が供給される。供給された冷媒は各冷却器23へ流入する。冷媒は冷却器23を通り半導体モジュール8で発生する熱を吸収し、冷媒排出管22へ排出される。
A coolant is supplied from the
冷却器23を流れる冷媒の流量が多ければ冷却性能は保持される。しかしながら、低温などの影響で冷媒の粘度が上昇し冷媒の流量が減少することによって冷却性能が低下してしまうおそれがある。 If the flow rate of the refrigerant flowing through the cooler 23 is large, the cooling performance is maintained. However, there is a possibility that the cooling performance may deteriorate due to the increase in the viscosity of the refrigerant and the decrease in the flow rate of the refrigerant due to the influence of low temperature or the like.
図4において、半導体モジュール8cで発生した熱の排熱経路を破線矢印で示す。半導体モジュール8cで発生した熱は、幅広面811とその反対側の幅広面に向かい合って配置された2つの冷却器23a、23bへ排熱される。さらに、冷却器23aとこれに接している冷却器23cの間、冷却器23bとこれに接している冷却器23dの間にはグリス24が満たされている。半導体モジュール8cの熱は、グリス24を通じて冷却器23c、23dへも排熱される。このように、より多くの冷却器23が半導体モジュール8cで発生した熱を吸収する役割を担うことで冷媒の温度上昇は緩やかになる。すなわち、低温などの影響で冷媒の粘度が上昇し冷媒の流量が減少した場合においても、積層ユニット20は十分な冷却性能を確保することができる。
In FIG. 4, the heat exhaust path of the heat generated in the
第1実施例の積層ユニット20はモータロック時においても十分な冷却性能を確保することができる。モータロックは、モータがトルクを出力しているにもかかわらずに車輪が回転しない状況を意味する。モータロックは、例えば車輪が車輪止めに乗り上げかかっている状況で発生する。インバータ回路13a、13bは、走行中は三相交流電力を出力する。しかしながら、モータロック中は、モータが回転しないので、三相のそれぞれが一定電流となる。従ってモータロック中は、三相のいずれかが高い一定電流となり得る。すなわち、モータロック中は積層された複数の半導体モジュール8のうちいずれか1つの発熱量が通常よりも大きくなるおそれがあるこの場合、過熱するいずれか1つの半導体モジュール8に接している2つの冷却器23を流れる冷媒の温度上昇が著しく、他の冷却器23を流れる冷媒の温度はほとんど変化しない。すなわち、冷媒の局所的な温度の上昇によって冷却効率が低下してしまうおそれがある。
The
例えば半導体モジュール8cの発熱量が局所的に大きくなった場合、先に述べたように、半導体モジュール8cの熱は、両隣の冷却器23a、23bだけでなく、グリス24を通じてさらにそれらの隣の冷却器23c、23dにも排熱される。このように、より多くの冷却器23が半導体モジュール8cで発生した熱を吸収することができるので、モータロック時においても積層ユニット20は十分な冷却性能を確保することができる。
For example, when the amount of heat generated by the
(第2実施例)図5を用いて第2実施例の積層ユニット20aを説明する。図5に、積層ユニット20aの断面図を示す。図5は、図4と同じく、積層ユニット20aを図中の座標系のXY平面と平行な面でカットした断面図である。第2実施例における積層ユニット20aも電気自動車100の電力変換器2の一部として用いられる。ただし、第2実施例の場合、電力変換器2では、インバータ回路13aに接続されているモータ93aは、モータ93bよりも出力が小さい。電力変換器2では、インバータ回路13bに用いられている半導体モジュール8e-8gの出力が最も大きく、次に電圧コンバータ回路12に用いられる半導体モジュール8aの出力が大きく、インバータ回路13aに用いられる半導体モジュール8b-8dの出力が最も小さい。すなわち、半導体モジュール8e-8gの発熱量が他の半導体モジュール8a-8dの発熱量よりも大きい。また、半導体モジュール8b-8dの発熱量は他の半導体モジュール8a、8e-8gよりも小さい。
(Second Embodiment) A
図5では、複数の冷却器23を個別に区別するためにそれぞれに符号23a-23lを付している。積層ユニット20では、最も発熱量の大きい第2インバータ回路13bに用いられる半導体モジュール8e-8gが積層方向(図中の座標系のX方向)の一方の端に配置されている。積層ユニット20aでは、次に発熱量の大きい電圧コンバータ回路12に用いられる半導体モジュール8aが積層方向の他端に配置されている。積層ユニット20aでは、最も発熱量の小さい第1インバータ回路13aに用いられる半導体モジュール8b-8dは、積層方向の中央部分に配置されている。
In FIG. 5,
電圧コンバータ回路12、および第2インバータ回路13bに用いられる半導体モジュール8a、8e-8gについては、第1実施例の積層ユニット20と同様に各半導体モジュール8の幅広面811とその反対側の幅広面に、冷却器23の幅広面と向かい合わせて配置する。ここでも、半導体モジュール8とその両側に配置された2つの冷却器23を冷却器セット25と称する。積層ユニット20aでは、4個の半導体モジュール8a、8e、8f、8gのそれぞれに対して冷却器セット25a、25b、25c、25dが構成される。隣り合う冷却器セットの間はグリス24が満たされている。
As for the
冷却器セット25aと冷却器セット25bの間では、半導体モジュール8b-8dと冷却器23c-23fが1個ずつ交互に積層されている。発熱量の小さい半導体モジュール8b-8dに対しては、冷却器セットを組むことなく、冷却器の両側に半導体モジュール8が隣接する。ただし、冷却器23cの隣には冷却器セット25aが隣接するので、それらの間にはグリス24が満たされる。同様に、冷却器23fの隣には冷却器セット25bが隣接するのでそれらの間にはグリス24が満たされる。
Between the
積層ユニット20aでは、発熱量の大きい半導体モジュール8a、8e-8gに対しては冷却器セット25を構成して大きな冷却能力を確保し、発熱量の小さい半導体モジュール8b-8dに対しては冷却器23を交互にする。
In the
このように複数の半導体モジュール8の間で発熱量に差がある場合、半導体モジュール8の配置や冷却器23の配置を工夫することで、発熱量の大きい半導体モジュールに対しては十分な冷却性能を確保しつつ、冷却器23の数を減らすことができる。すなわち、積層ユニットの小型化やコスト削減を実現できる。
When there is a difference in the amount of heat generated among a plurality of
以上、本明細書が開示する技術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。 Although specific examples of the technology disclosed in this specification have been described above in detail, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.
2:電力変換器
3:制御回路
5、6:コンデンサ
7:リアクトル
8、8a-8g:半導体モジュール
9a-9h:スイッチング素子
12:電圧コンバータ回路
13a、13b:インバータ回路
20、20a:積層ユニット(半導体装置)
21:冷媒供給管
22:冷媒排出管
23:冷却器
24:グリス
25:冷却器セット
81:パッケージ
82a、82b:半導体チップ
84a、84b:制御端子
100:電気自動車
2: Power converter 3:
21: Coolant supply pipe 22: Coolant discharge pipe 23: Cooler 24: Grease 25: Cooler set 81:
Claims (1)
複数の前記半導体モジュールと複数の前記冷却器の積層方向でそれぞれの前記半導体モジュールの両側に前記冷却器が配置されており、
前記積層方向から見て前記半導体モジュールを挟むように位置している冷媒供給管と冷媒排出管であって複数の前記冷却器を前記積層方向に貫通しているとともにそれぞれの前記冷却器と連通している前記冷媒供給管と前記冷媒排出管とを備えており、
隣り合う前記冷却器の間にグリスが満たされている、
半導体装置。 A semiconductor device in which a plurality of semiconductor modules and a plurality of coolers in which a coolant flows are stacked,
The coolers are arranged on both sides of each of the semiconductor modules in a stacking direction of the plurality of semiconductor modules and the plurality of coolers,
A coolant supply pipe and a coolant discharge pipe positioned so as to sandwich the semiconductor module when viewed from the stacking direction, pass through the plurality of coolers in the stacking direction, and communicate with the respective coolers. The refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe are provided,
Grease is filled between the adjacent coolers,
semiconductor device.
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