JPH0637219A - パワー半導体装置の冷却装置 - Google Patents

パワー半導体装置の冷却装置

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JPH0637219A
JPH0637219A JP18846492A JP18846492A JPH0637219A JP H0637219 A JPH0637219 A JP H0637219A JP 18846492 A JP18846492 A JP 18846492A JP 18846492 A JP18846492 A JP 18846492A JP H0637219 A JPH0637219 A JP H0637219A
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cooling device
semiconductor device
cold plate
refrigerant
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Izumi Azuma
泉 東
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Fuji Electric Co Ltd
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】 【目的】冷却性能が高く、しかも装置全体の小形，軽量
化が図れるようにしたパワー半導体装置の冷却装置を提
供する。 【構成】複数個の平形パワー半導体素子２を積層して構
成したスタック組立体１に対し、プレート内部に冷媒通
路を形成したコールドプレート３を半導体素子２の各個
片と交互に重ねて介装し、かつ各コールドプレート３と
冷媒循環路のヘッダ管１２，１３との間を絶縁パイプの
分配管１４を介して並列に分岐配管した上で、外部の放
熱器１８との間で送液ポンプ１７によりフロロカーボン
などの電気絶縁性液冷媒１５を強制循環送流し、半導体
素子２の発生熱を放熱器１８を通じて系外に放熱して冷
却する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、車両に搭載して使用す
る電力変換用のサイリスタ，ダイオードモジュールなど
を対象としたパワー半導体装置の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】頭記のパワー半導体装置は、複数個の平
形半導体素子（サイリスタ）をヒートシンクと交互に重
ね合わせて積層したスタック組立体として構成されたも
のである。一方、通電に伴う半導体素子の発生熱を除熱
する冷却方式としては、強制空冷方式，水冷却方式，沸
騰冷却方式などが従来より知られており、最近では冷却
性能，メンテナンス性の面から沸騰冷却方式が多く採用
されている。この沸騰冷却方式は、周知のように半導体
素子のスタック組立体を密閉圧力容器内でフロンなどの
液冷媒に浸漬し、冷媒の沸騰，凝縮サイクルによって半
導体素子の発熱を系外に放熱して冷却するようにしたも
のである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、車両搭載用
パワー半導体装置の冷却装置では、高い冷却性能に加え
て小形，軽量化が重要な課題となる。かかる点、前記し
た沸騰冷却方式では半導体素子のスタック組立体を密封
圧力容器内に組み込んで液冷媒に浸漬させるために、装
置全体が大型で重量が重くなるほか、保安性の面から圧
力容器の強度，シール性が厳しく規制されているために
コスト高となる。
【０００４】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は前記課題を解決して冷却性能が高
く、しかも小形，軽量化が図れるようにしたパワー半導
体装置の冷却装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の冷却装置は、複数個の平形パワー半導体素
子を積層して構成したスタック組立体に対し、プレート
内部に冷媒通路を形成したコールドプレートを半導体素
子の各個片と交互に重ねて介装し、かつ各コールドプレ
ートと冷媒循環路のヘッダ管との間を絶縁パイプにより
並列に分岐配管した上で、外部の放熱器との間で電気絶
縁性の液冷媒を強制循環送流して半導体素子の発生熱を
系外に除熱するよう構成するものとする。
【０００６】また、前記構成の冷却装置の実施に際して
は次記のような実施態様がある。 （１）液冷媒として、電気絶縁性，熱伝導性に優れた性
質を有するクロロカーボンを採用する。 （２）コールドプレートの内部に、入口, 出口側のヘッ
ダ部と、両ヘッダ部の間にまたがる複数条のトンネル状
溝穴とからなる冷媒通路を形成する。さらに冷媒通路を
流れると液冷媒とコールドプレートとの間の熱伝達性を
高めるために、前記ンネル条溝穴を凹凸を呈した溝穴と
する。
【０００７】（３）コールドプレートの内部に、仕切壁
を隔ててプレートの厚さ方向に並ぶ内外二重構造の入
口，出口側ヘッダ部と、入口側ヘッダ部から出口側ヘッ
ダ部に向けて前記仕切壁の壁面に分散穿孔した冷媒の噴
射ノズル穴とからなる冷媒通路を形成する。また、かか
る構造のコールドプレートに対して、機械的強度，伝熱
性をさらに高めるために、入口，出口側の各ヘッダ部の
内部に伝熱フィンを兼ねた放射状の補強リブを設ける。
【０００８】
【作用】前記の構成において、パワー半導体素子の発生
熱は素子の電極面からコールドプレートに伝熱し、さら
にコールドプレート内を強制通流する液冷媒に熱移動し
た後、放熱器を通じて系外に放熱される。ここで、スタ
ック組立体に分散介装した各コールドプレートに対し
て、液冷媒を並列的に流すことにより各半導体素子が均
等冷却される。この場合に、液冷媒として電気絶縁性の
高いフロロカーボンを用い、かつ各コールドプレートと
ヘッダ管の間を絶縁パイプで並列配管したことで、配
管，液冷媒を通じて半導体素子が電気的に短絡したり，
アースされたりするおそれはない。
【０００９】また、コールドプレート内部の冷媒通路を
前項の実施態様（２）ないし（４）のように形成するこ
とにより、コールドプレートを通しての半導体素子と冷
媒との間の熱通過率，つまり除熱性がより高まる。特
に、前項（２）の構成では冷媒通路の伝熱面積が大きく
なるほか、液冷媒の乱流効果も加わって高い伝熱効果が
得られ、さらに前項（３）の構成によれば、仕切壁のノ
ズル穴を通じて液冷媒が半導体素子と接するコールドプ
レートの受熱面に向けて噴射されるので、除熱効果が飛
躍的に向上する。
【００１０】
【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。まず、図１において、１は半導体装置のスタック組
立体であり、パワー半導体素子（サイリスタ）２と、熱
伝導性が高い金属製のコールドプレート３とを交互に重
ね合わせ、さらにその両端側に絶縁板４，加圧ばね５，
端板６などを配し、締結スタッド７を介して一体に組立
てられている。なお、８は外部導出用の端子板である。
また、かかるスタック組立体１はケース９の中に収容
し、ブッシング１０を通じて端子板８に接続したリード
線１１を外方に引き出すようにしている。なお、ケース
９は圧力容器としての機能は必要なく、単純な保護ケー
スとして構成できる。
【００１１】一方、前記コールドプレート３はプレート
内部に後述するような冷媒通路が形成されており、かつ
個々のコールドプレート３は入口ヘッダ管１２と出口ヘ
ッダ管１３の間に絶縁パイプ製の分配管１４を介して並
列に接続されている。さらに、ヘッダ管１３と１４との
間には、液冷媒（フロロカーボン液を採用する）１５を
収容した冷媒タンク１６，循環送液ポンプ１７，空冷式
放熱器１８を経由する冷媒配管１９を接続配管して循環
回路を構成している。なお、２０は放熱器１８の冷却フ
ァンである。
【００１２】かかる構成で半導体装置の運転時にはポン
プ送液により液冷媒１５が系内を強制循環し、その過程
でヘッダ管１２，１３を通じてスタック組立体１に介装
した各コールドプレート３に液冷媒が分流して流れる。
ここで、パワー半導体素子２に発生した熱は素子と重な
り合うコールドプレート３に伝熱し、さらにプレート内
を流れる液冷媒１５に熱移動して除熱される。一方、昇
温した液冷媒１５は系内を循環する途中で放熱器１８を
通じて大気中に放熱し、再び低温になってコールドプレ
ート３に還流する。
【００１３】次に、前記したコールドプレート３の内部
に形成した冷媒通路の具体的な構造を図２，図３，図４
の実施例で説明する。まず、図２の実施例では、液冷媒
の入口，出口側にヘッダ部３ａ，３ｂを画成するととも
に、ヘッダ部３ａと３ｂとの間にまたがって複数条のト
ンネル状溝穴（丸穴，あるいは角穴）３ｃが加工されて
おり、入口側のヘッダ部３ａに流入した液冷媒は溝穴３
ｃを分流した後に出口側ヘッダ部３ｂで合流して流出す
る。
【００１４】また、図３の実施例は図２の構造を改良し
たものであり、ヘッダ部３ａと３ｂとの間に穿孔した溝
穴は、例えばねじ穴のように凹凸のある溝穴３ｄとして
形成されている。このように凹凸のある溝穴３ｄとする
ことで、液冷媒に接する伝熱面積が大きくなるほか、溝
穴３ｃの凹凸面による液冷媒の乱流効果が加わって熱伝
導がより一層促進されるようになる。
【００１５】図４は、図２，図３とさらに異なる実施例
を示すものであり、コールドプレート３の内部には仕切
壁３ｅを隔ててプレートの厚さ方向に並ぶ内外二重構造
のヘッダ部３ｆ，３ｇが形成されており、かつ仕切壁３
ｅの壁面にはヘッダ部３ｆから３ｇに向けて液冷媒の噴
射ノズル穴３ｈが分散開口している。さらに、前記ヘッ
ダ部３ｆ，３ｇには仕切壁３ｅを挟んで伝熱フィンを兼
ねた放射状の補強リブ３ｉが設けてある。なお、前記ノ
ズル穴３ｈはコールドプレート３の中心周辺に多く分散
している。
【００１６】かかる構成により、コールドプレート３に
流入した液冷媒は内側ヘッダ部３ｆより仕切壁３ｅに穿
孔したノズル穴３ｈを通じて左右両側のヘッダ部３ｇに
向けて高速噴出し、半導体素子２と接触し合うコールド
プレート３の内壁面を強力に洗流して熱を奪った後、リ
ブ３ｉに沿ってコールドプレート３の出口より流出す
る。これにより半導体素子２の発熱に対して高い除熱性
能が確保できる。また、前記の補強リブ３ｉは、スタッ
ク組立体１に加えた加圧力（１００kgｆ／cm2 程度）で
コールドプレート自身が破壊しないように強度を強める
ほか、伝熱フィンとしての機能を果たす。
【００１７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ス
タック組立体の中でパワー半導体素子と交互に重ね合わ
せたコールドプレートに対し、外部から液冷媒を並列的
に強制通流させるようにしたことにより、効果的に素子
の発生熱を系外に除熱して各半導体素子を均等に冷却す
ることができる。また、コールドプレートの内部に形成
した冷媒通路を請求項３ないし６のように構成すること
で、コールドプレートを介して半導体素子と液冷媒との
間で高い伝熱性が得られる。
【００１８】しかも、従来の沸騰冷却方式のように密閉
圧力容器、および半導体装置のスタック組立体を冷媒中
に浸漬する必要がないので装置全体の小形，軽量化が図
れ、特に小形，軽量化が要求される車両に搭載するパワ
ー半導体装置用として好適な実用的価値の高い冷却装置
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による冷却装置全体の構成配置
図
【図２】図１におけるコールドプレートの一実施例の構
成図であり、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は縦断正面図
【図３】図２の応用実施例の構造を示す縦断側面図
【図４】図１におけるコールドプレートのさらに異なる
実施例の構成図であり、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は
縦断正面図
【符号の説明】
１ スタック組立体 ２ パワー半導体素子 ３ コールドプレート ３ａ ヘッダ部 ３ｂ ヘッダ部 ３ｃ 溝穴 ３ｄ 凹凸のある溝穴 ３ｅ 仕切壁 ３ｆ ヘッダ部 ３ｇ ヘッダ部 ３ｈ ノズル穴 ３ｉ 補強リブ １２ 入口側ヘッダ管 １３ 出口側ヘッダ管 １４ 分配管 １５ 液冷媒 １７ ポンプ １８ 空冷式放熱器

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数個の平形パワー半導体素子を積層して
    構成したスタック組立体に対し、プレート内部に冷媒通
    路を形成したコールドプレートを半導体素子の各個片と
    交互に重ねて介装し、かつ各コールドプレートと冷媒循
    環路のヘッダ管との間を絶縁パイプを介して並列に分岐
    配管した上で、外部の放熱器との間で電気絶縁性の液冷
    媒を強制循環送流して半導体素子の発生熱を系外に除熱
    することを特徴とするパワー半導体装置の冷却装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の冷却装置において、液冷媒
    がクロロカーボンであることを特徴とするパワー半導体
    装置の冷却装置。
  3. 【請求項３】請求項１記載の冷却装置において、コール
    ドプレートの内部に形成した冷媒通路が、入口, 出口側
    のヘッダ部と、両ヘッダ部の間にまたがる複数条のトン
    ネル状溝穴とからなることを特徴とするパワー半導体装
    置の冷却装置。
  4. 【請求項４】請求項２記載の冷却装置において、トンネ
    ル条溝穴が凹凸を呈した溝穴であることを特徴とするパ
    ワー半導体装置の冷却装置。
  5. 【請求項５】請求項１記載の冷却装置において、コール
    ドプレートの内部に形成した冷媒通路が、仕切壁を隔て
    てプレートの厚さ方向に並ぶ内外二重構造の入口，出口
    側ヘッダ部と、入口側ヘッダ部から出口側ヘッダ部に向
    けて前記仕切壁の壁面に分散穿孔した冷媒噴射ノズル穴
    とからなることを特徴とするパワー半導体装置の冷却装
    置。
  6. 【請求項６】請求項４記載の冷却装置において、入口，
    出口側の各ヘッダ部の内部に伝熱フィンを兼ねた放射状
    の補強リブを設けたことを特徴とするパワー半導体装置
    の冷却装置。
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