WO2007089011A1

WO2007089011A1 - パワー半導体素子の冷却構造およびインバータ

Info

Publication number: WO2007089011A1
Application number: PCT/JP2007/051885
Authority: WO
Inventors: Kenjiro Shiba
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US20100238629A1; EP1981081A1; CN101379611A; CN101379611B; EP1981081B1; US7876563B2; EP1981081A4; AU2007210461B2; JP4770490B2; KR20080096806A; AU2007210461A1; JP2007207917A; AU2007210461B9

Abstract

　パワー半導体素子の冷却構造は、冷却水通路（２６）と、複数のフィン（２２）とを備える。冷却水通路（２６）には、パワー半導体素子を冷却する冷却水が流れる。複数のフィン（２２）は、冷却水通路（２６）の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設されている。複数のフィン（２２）は、パワー半導体素子と冷却水との間の熱交換を促進する。複数のフィン（２２）は、冷却水流れの上流側に対向する端部（４１）を有する。複数のフィン（２２）のうち少なくとも１つのフィン（２２）の端部（４１）は、そのフィン（２２）の両側に隣接するフィン（２２）の端部（４１）よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている。このような構成により、冷却効率に優れたパワー半導体素子の冷却構造およびインバータを提供する。

Description

明細書パワー半導体素子の冷却構造およびィンバータ技術分野

この発明は、一般的には、パワー半導体素子の冷却構造およびインバータに関し、より特定的には、水冷型のパワー半導体素子の冷却構造およびその冷却構造が用いられたインバータに関する。背景技術

従来のパワー半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開 2 0 0 4— 3 4 9 3 2 4号公報には、高熱伝達率を達成し、冷却効率を高めることを目的とした直接水冷型パワー半導体モジユーノレ構造が開示されている（特許文献 1 ) 。特許文献 1では、パワー半導体素子の搭載面の対向面にストライプ状の冷却フィンが形成されている。

また、特開 2 0 0 2— 3 6 8 4 7 0号公報には、'発熱体を十分に冷却するとともに、発熱体をほぼ均一な温度に冷却することを目的とした発熱体冷却装置が開示されている（特許文献 2 ) 。また、特開 2 0 0 3— 2 3 2 8 1号公報には、電動ファンによる吐出風量を高めて、半導体パッケージ等の発熱体を効率良く、有効に冷却することを目的とした冷却装置が開示されている（特許文献 3 ) 。特許文献 2および 3に開示された冷却装置は、空冷式である。

また、特開 2 0 0 2— 4 6 4 8 2号公報には、フィンを大型化することなくその放熱性を高めることを目的としたヒートシンク式冷却装置が開示されている (特許文献 4 ) 。特許文献 4に開示されたヒートシンク式冷却装置は、クーラントが流れる通路を有する。その通路には、クーラントの流れ方向に並行に配置され、その厚み方向に整列された複数のフィンを有するフィン群が配設されている。クーラントの流れ方向に隣り合うフィン群は、互いにフィンの厚み方向に位置をずらして配置されている。

上述の特許文献に開示された冷却構造では、冷却効率の向上を図るため、複数のフィンが互いに間隔を隔てて立設されている。し力しながら、フィンは冷却媒体が流れる経路上に配置されるため、冷却媒体として冷却水を用いた場合には、フィンと冷却水通路を流れる冷却水とが衝突することになる。この場合、全てのフィンが冷却水の流れ方向において同じ箇所で冷却水と衝突すると、衝突反力が大きくなり、冷却水流れに渦流れが発生する。これにより、冷却水流れの圧損が大幅に増大して、パワー半導体素子を効率良く冷却できないおそれが生じる。発明の開示

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、冷却効率に優れたパヮ一半導体素子の冷却構造およびィンバータを提供することである。

この発明に従ったパワー半導体素子の冷却構造は、冷却水通路と、複数のフィンとを備える。冷却水通路は、パワー半導体素子を搭載する搭載面に対向して形成されている。冷却水通路には、ハ°ヮー半導体素子を冷却する冷却水が流れる。複数のフィンは、冷却水通路の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設されている。複数のフィンは、パワー半導体素子と冷却水との間の熱交換を促進する。複数のフィンは、冷却水流れの上流側に対向する端部を有する。複数のフィンのうち少なくとも 1つのフィンの端部は、そのフィンの両側に隣接するフィンの端部よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている。

このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水通路を流れる冷却水がフィンの端部に衝突する位置を、端部が上流側に配置されたフィンとその両側に隣接するフィンとの間で冷却水の流れ方向にずらすことができる。また、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿った流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、その冷却水流れを、端部が上流側に配置されたフィンによって分断することができる。これにより、冷却水流れに渦流れが形成されることを抑制できる。この結果、冷却水流れの圧損の増大を抑え、パヮ一半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また好ましくは、端部は、冷却水通路に流れる冷却水と端部とが衝突する位置力^ 複数のフィン間で冷却水の流れ方向にずれるように配置されている。冷却水と端部との衝突に起因して発生する冷却水流れの圧損が低減される。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、圧損の発生箇所を冷却水の流れ方向に分散させることによって、冷却水流れの圧損を低減し、円滑な冷却水流れを実現できる。

また、冷却水通路には、冷却水通路の断面の一部で冷却水流れを遮る遮蔽部材が設けられている。好ましくは、端部は、遮蔽部材よりも冷却水流れの下流側で遮蔽部材と隣り合って配置されてレ、る。このように構成されたパヮ一半導体素子の冷却構造によれば、遮蔽部材の下流側では冷却水流れが淀むため、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿った流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、渦流れが発生し易くなる。このため、.その位置に配置された各フィンの端部を冷却水の流れ方向にずらすことにより、冷却水流れの圧損の増大を効果的に抑制することができる。

また、冷却水通路は、複数のフィンの両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁に挟まれた位置に形成されている。好ましくは、端部は、一対の内壁のそれぞれから離れるに従って冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿った流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、端部が最も上流側に酉己置されたフィンによって、その冷却水流れを —対の内壁の一方の側と他方の側とに分断することができる。これにより、渦流れの発生を抑え、冷却水流れの圧損の増大.を効果的に抑制することができる。また好ましくは、端部は、複数のフィンの並び方向において、冷却水流れの上流側と下流側とに交互にずれて配置されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水がフィンの端部に衝突し、冷却水通路に沿つた流れ方向とは異なる方向の冷却水流れが発生した場合に、端部が上流側に配置された各フィンによって、その冷却水流れを分断できる。これにより、渦流れの発生を抑え、冷却水流れの圧損の増大を効果的に抑制することができる。

また好ましくは、冷却水流れの上流側にずれて配置された端部同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されており、冷却水流れの下流側にずれて配置された端部同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されている。このように構成されたパヮー半導体素子の冷却構造によれば、冷却水流れの上流側にずれて配置された端部間および冷却水流れの下流側にずれて配置された端部間のそれぞれで、端部と冷却水とが衝突する位置をずらすことができる。これにより、冷却水流れの圧損の増大をさらに効果的に抑制することができる。

また、冷却水通路は、複数のフィンの両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁に挟まれた位置に形成されている。冷却水通路は、搭載面上で蛇行しながら延びる。好ましくは、直線上に延びる冷却水通路のストレート部では、端部が.、一対の内壁のそれぞれから離れるに従って冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置されている。

また、冷却水通路は、搭载面上で蛇行しながら延びる。好ましくは、湾曲して延びる冷却水通路の湾曲部では、端部が、湾曲部の内周側から外周側に向かうに従って冷却水流れの上流側から下流側にずれて配置されている。

また、冷却水通路は、複数のフィンの両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁に挟まれた位置に形成されている。冷却水通路は、搭載面上で蛇行しながら延びる。好ましくは、直線上に延びる冷却水通路のストレート部では、端部が、一対の内壁のそれぞれから離れるに従つて冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置されている。湾曲して延びる冷却水通路の湾曲部では、端部が、湾曲部の内周側から外周側に向かうに従って冷却水流れの上流側から下流側にずれて配置されている。

この発明に従ったインバータは、上述のいずれかに記載のパワー半導体素子の冷却構造が用いられ、車両に搭載されている。このように構成されたインバータによれば、インバ一タの冷却効率を向上させることにより、インバ―タの小型化を図ることができる。また、インバータの冷却のために消費される電力を低減し、車両の燃費を向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、冷却効率に優れたパワー半導体素子の冷却構造およびィンバータを提供することができる。図面の簡単な説明

図 1は、 H Vシステムの冷却系を示す斜視図である。図 2は、 HVシステムの主要部を示す電気回路図である。

図 3は、図 1中のィンバータの冷却構造を示す平面図である。

図 4は、図 3中の I V— I V線上に沿ったインバータの断面図である。

図 5は、図 3中の 2点鎖線 Vで囲まれた位置を示す冷却水通路の平面図である。図 6は、図 3中の 2点鎖線 V Iで囲まれた位置を拡大して示す冷却水通路の平面図である。

図 7は、図 6中の V I I— V I I線上に沿った冷却水通路の断面図である。図 8は、図 5中のフィン形状の変形例を示す冷却水通路の平面図である。

図 9は、図 5中のフィン形状の S の変形例を示す冷却水通路の平面図である。発明を実施するための最良の形態 .

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。図 1は、 HV (Hybrid Vehicle) システムの冷却系を示す斜視図である。図中に示す HVシステムの冷却系は、モータと、ガソリンエンジンやディーゼルェンジン等の内燃機関とを動力源として駆動するハイプリッド車両に搭載されている。図 1を参照して、ハイブリッド車両は、エンジン 5 2と、駆動用のモータおよび発電用のジェネレータ（以下、モータジェネレータと称する）を内蔵するトランスアクスル 5 3と、パッテリの直流電圧とモータジェネレータの交流電圧とを相互に変換するインバータ 1 3 0と、ラジェータ 6 1とを備える。

ラジェータ 6 1には、互いに独立した 2つの冷却水路が設けられており、そのうちの一方が、エンジン 5 2の冷却系を構成し、他方が、 HVシステムの冷却系を構成している。 HVシステムの冷却系は、たとえば、ラジェータ 6 1→ィンバータ 1 3 0—リザーバタンク 5 4→ウォータポンプ 1 0→トランスアクスル 5 3 →ラジェ一タ 6 1を順にたどる冷却水路によって形成されている。水路内の冷却水（たとえば、エチレングリコー^/系のクーラント）は、ウォータポンプ 1 0によって強制循環され、インバータ 1 3 0や、トランスアクスル 5 3に設けられたモータジェネレータを順に冷却する。冷却によって温度上昇した冷却水は、ラジエータ 6 1を通過することによって、温度が下げられる。図 2は、 HVシステムの主要部を示す電気回路図である。図 2を参照して、 H Vシステム 2 0 0は、モータジェネレータ 1 1 0とインバータ 1 3 0とにカロえてコンバータ 1 2 0と、制御装置 1 4 0と、コンデンサ C l， C 2と、電源ライン P L 1〜P L 3と、出力ライン 2 2 0 , 2 4 0 , 2 6 0とを含む。なお、モータジェネレータ 1 1 0は、実際には、主にジェネレータとして機能するモータジェネレータ MG 1と、主にモータとして機能するモータジェネレータ MG 2とから構成されているが、以降の説明を簡単にするため、 1つのモータジェネレータとして示されている。

コンバータ 1 2 0は、電源ライン P L 1， P L 3を介してバッテリ Bと接続されている。インバータ 1 3 0は、電源ライン P L 2， P L 3を介してコンバータ 1 2 0と接続されている。インバータ 1 3 0は、出力ライン 2 2 0， 2 4 0 , 2 6 0を介してモータジェネレータ 1 1 0と接続されている。バッテリ Bは、直流電源であって、たとえばニッケノレ水素電池やリチウムイオン電池等の 2次電池から形成されている。バッテリ Bは、蓄えた直流電力をコンバータ 1 2 0に供給したり、コンバータ 1 2 0から受け取る直流電力によって充電される。

モータジェネレータ 1 1 0は、たとえば 3相交流同期電動発電機であって、ィンバータ 1 3 0から受け取る交流電力によって駆動力を発生する。モータジエネレータ 1 1 0は、発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により交流電力を発生させ、その発生した交流電力をインバータ 1 3 0に供給する。コンバータ 1 2 0は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下ァームと、リアタトル Lとを含む。上アームおよび下アームは、電源ライン P L 2， P L 3間に直列に接続されている。電源ライン P L 2に接続される上アームは、ノヽ⁰ヮー卜ランジスタ ( I G B T ： Insulated Gate Bipolar Transistor) Q 1とパワートランジスタ Q 1に逆並列に接続されるダイオード D 1とからなる。電源ライン P L 3に接続される下アームは、パワートランジスタ Q 2と、パワートランジスタ Q 2に逆並列に接続されるダイォード D 2とからなる。リアクトル Lは電源ライン P L 1と、上アームおよび下アームの接続点との間に接続されている, コンバータ 1 2 0は、バッテリ Bから受け取る直流電圧をリアクトノレ Lを用いて昇圧し、その昇圧した電圧を電源ライン P L 2に供給する。コンバータ 1 2 0 は、インバータ 1 3 0から受け取る直流電圧を降圧してバッテリ Bを充電する。なお、コンバータ 1 2 0は必ずしも設けられる必要はない。

ィンバータ 1 3 0は、 U相アーム 1 5 2と、 V相アーム 1 5 4と、 W相アーム 1 5 6とを含む。 U相アーム 1 5 2、 V相アーム 1 5 4および W相アーム 1 5 6 は、電源ライン P L 2， P L 3間に並列に接続されている。 U相アーム 1 5 2、 V相アーム 1 5 4および W相アーム 1 5 6の各々は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームからなる。各相アームの上アームおよび下アームは、電源ライン P L 2 , P L 3間に直列に接続されている。

U相アーム 1 5 2の上アームは、パワートランジスタ（I G B T) Q 3と、ノヽ。ワートランジスタ Q 3に逆並列に接続されるダイオード D 3とからなる。 U相ァーム 1 5 2の下アームは、パワートランジスタ Q 4と、パワートランジスタ Q 4 に逆並列に接続されるダイオード D 4とからなる。 V相アーム 1 5 4の上ァムは、パワートランジスタ Q 5と、ノ、。ワートランジスタ Q 5に逆並列に接続されるダイオード D 5とからなる。 V相アーム 1 5 4の下アームは、パワートランジスタ Q 6と、パワートランジスタ Q 6に逆並列に接続されるダイォ一ド D 6とからなる。 W相アーム 1 5 6の上アームは、パワートランジスタ Q 7と、パワートランジスタ Q 7に逆並列に接続されるダイオード D 7とからなる。 W相アーム 5 6 の下アームは、パワートランジスタ Q 8と、パワートランジスタ Q 8に逆並列に接続されるダイオード D 8と力らなる。各相アームのパワートランジスタの接続点は、対応する出力ラインを介してモータジェネレータ 1 1 0の対応する相のコィルの反中性点側に接続されている。

なお、図中では、 U相アーム 1 5 2から W相アーム 1 5 6の各アームが、パヮ一トランジスタとダイオードとからなる 1つの半導体モジュールから構成されてレ、る場合が示されているが、複数の半導体モジュールにより構成されても良、。ィンバータ 1 3 0は、制御装置 1 4 0からの制御信号に基づいて、電源ライン P L 2から受け取る直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ 1 1 0へ出力する。インバ一タ 1 3 0は、モータジェネレータ 1 1 0によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ライン P L 2に供給する。

コンデンサ C 1は、電源ライン P L 1 , P L 3間に接続され、電源ライン P L 1の電圧レベルを平滑化する。コンデンサ C 2は、電源ライン P L 2 , P L 3間に接続され、電源ライン P L 2の電圧レベルを平滑化する。

制御装置 1 4 0は、モータジェネレータ 1 1 0のトルク指令値、各相電流値、およびィンバータ 1 3 0の入力電圧に基づいて、モータジェネレータ 1 1 0の各相コイル電圧を演算する。制御装置 1 4 0は、その演算結果に基づいて、パワートランジスタ Q 3〜Q 8をオン/オフする P WM信号を生成してインバータ 1 3 0へ出力する。モータジェネレータ 1 1 0の各相電流値は、インバータ 1 3 0の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、 S /N比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。制御装置 1 4 0は、上述したトルク指令値おょぴモータ回転数に基づいてィンバータ 1 3 0の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタ Q 1 , Q 2のデューティ比を演算する。制御装置 1 4 0は、その果に基づいてパワートランジスタ Q 1 , Q 2をオン/オフする P WM信号を生成してコンバータ 1 2 0へ出力する。

さらに、制御装置 1 4 0は、モータジェネレータ 1 1 0によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ Bに充電するため、コンバータ 1 2 0およびィンバータ 1 3 0におけるパワートランジスタ Q 1—Q 8のスィツチング動作を制御する。

続いて、インバータ 1 3 0の冷却構造について説明を行なう。本実施の形態では、本発明によるパワー半導体素子の冷却構造がインバータ 1 3 0に適用されている。図 3は、図 1中のインバータの冷却構造を示す平面図である。図 4は、図 3中の I V— I V線上に沿ったインバータの断面図である。

図 3および図 4を参照して、インバータ 1 3 0は、搭載面 2 l aおよび搭載面 2 1 aの反対側に面する表面 2 1 bを有するケース体 2 1を備える。ケース体 2 1は、アルミダイキャストにより形成されている。ケース体 2 1は、これに限定されず、たとえば鉄やマグネシゥムから形成されても良い。

搭載面 2 1 aには、シリコングリス 3 4を介して放熱板 3 3が固定されている。放熱板 3 3上には、さらに、絶縁基板 3 2を介して複数のチップ 3 1が固定されている。たとえば、シリコングリス 3 4および放熱板 3 3が設けられず、絶縁基板 3 2が直接、搭載面 2 1 aに固定されても良い。複数のチップ 3 1は、搭載面 2 1 a上の互いに離間した位置に設けられている。チップ 3 1は、 U相アーム 1 5 2から W相アーム 1 5 6の各アームに対応して設けられており、パワートランジスタとダイオードとからなる半導体モジュールを含む。なお、図 3中では、 1 2個のチップ 3 1が示されており、各ア^ "ムが 2つのチップ 3 1から構成されている場合について示されている。

表面 2 1 b上には、冷却水通路 2 6が形成されている。冷却水通路 2 6には、チップ 3 1を冷却するための冷却水が流通する。冷却水通路 2 6は、チップ 3 1 を搭載する搭載面 2 1 aに対向して形成されている。冷却水通路 2 6は、冷却水が供給される供給口 2 3と、冷却水が排出される排出口 2 4とを有し、供給口 2 3と排出口 2 4との間で延びている。冷却水通路 2 6は、搭載面 2 1 aに平行に延びている。冷却水通路 2 6は、表面 2 1 b上で蛇行しながら延びている。冷却水通路 2 6は、搭載面 2 1 aを平面的に見た場合に、チップ 3 1の搭載位置と重なるように延びている。ケース体 2 1は、互いに距離を隔てて向い合い、冷却水通路 2 6を規定する内壁 2 l mおよび 2 1 nを有する。

供給口 2 3を通じて冷却水通路 2 6に供給された冷却水は、冷却水通路 2 6の経路に沿って流れる。この間、冷却水は、ケース体 2 1を介してチップ 3 1と熱交換を行ない、チップ 3 1を冷却する。チップ 3 1との熱交換によって温度上昇した冷却水は、排出口 2 4を通じて冷却水通路 2 6から排出される。

冷却水通路 2 6には、フィン 2 2が設けられている。フィン 2 2は、ケース体

2 1を介して行なわれる、チップ 3 1と冷却水通路 2 6に流れる冷却水との間の熱交換を促進させる。フィン 2 2は、表面 2 1 bから突出している。フィン 2 2 は、冷却水と接触する表面を有する。フィン 2 2は、ケース体 2 1に一体に形成されている。フィン 2 2は、これに限定されず、ケース体 2 1とは別体に設けられ、ケース体 2 1に固定されても良い。フィン 2 2の表面に、微細な凹凸形状が形成されても良い。冷却水の流れ方向の直交平面により切断された場合に、フィン 2 2は、山形、矩形もしくは三角形等、いずれの断面形状を有しても良い。フィン 2 2は、冷却水通路 2 6が延びる方向の直交方向、つまり冷却水の流れ方向の直交方向に間隔を隔てて複数、形成されている。フィン 2 2は、冷却水通路 2 6が延びる方向に沿って延びている。複数のフィン 2 2は、等間隔に配置されている。複数のフィン 2 2は、異なる間隔で配置されても良い。フィン 2 2は、冷却水通路 2 6が延びる方向に沿って波打ちながら延びても良い。フィン 2 2は、その延びる方向に断続的に途切れている。フィン 2 2は、冷却水通路 2 6の冷却水流れの上流側に対向する端部 4 1を有する。

図 5は、図 3中の 2点鎖線 Vで囲まれた位置を示す冷却水通路の平面図である。図中の矢印は、冷却水が流れる方向を示す。図 5を参照して、冷却水通路 2 6には、フィン 2 2 A、 2 2 B、 2 2 C、 2 2 Dおよび 2 2 Eが設けられている。フイン 2 2 Aから 2 2 Eは、挙げた順に冷却水の流れ方向の直交方向に並んでいる。つまり、フィン 2 2 Aおよび 2 2 Eは、それぞれ、内壁 2 1 nおよび 2 l mに隣り合って設けられている。フィン 2 2 Cは、冷却水流れの直交方向に並ぶ複数のフィン 2 2の中央部に設けられている。なお、冷却水の流れ方向の直交方向に並ぶフィン 2 2の数は、図中に示す 5枚に限定されず、 2以上の適当な数であれば良い。フィン 2 2の数は、偶数であっても良いし、奇数であっても良い。.

複数のフィン 2 2のうち少なくとも 1つのフィン 2 2の端部 4 1は、そのフィン 2 2の両側に隣接するフィン 2 2の端部 4 1よりも、冷却水流れの上流側にずれて配置されている。図 5中では、フィン 2 2 Cの端部 4 1は、フィン 2 2 Cの両側に隣接するフィン 2 2 Bおよび 2 2 Dの端部 4 1よりも、冷却水流れの上流側にずれて配置されている。複数のフィン 2 2は、端部 4 1の配置形状の少なくとも一部が、冷却水流れの上流側に向かって凸となる山形形状を有するように設けられている。複数のフィン 2 2の端部 4 1は、フィン 2 2が互いに隣り合う全ての位置で冷却水の流れ方向にずれて配置されている。

フィン 2 2 Cの端部 4 1は、冷却水流れの最も上流側に配置されている。フィン 2 2 Bの端部 4 1は、フィン 2 2 Cの端部 4 1よりも冷却水流れの下流側に配置され、フィン 2 2 Aの端部 4 1は、フィン 2 2 Bの端部 4 1よりも冷却水流れの下流側に配置されている。フィン 2 2 Dの端部 4 1は、フィン 2 2 Cの端部 4 1よりも冷却水流れの下流側に配置され、フィン 2 2 Eの端部 4 1は、フィン 2 2 Dの端部 4 1よりも冷却水流れの下流側に配置されている。すなわち、複数のフィン 2 2の端部 4 1は、内壁 2 1 nおよび 2 1 mからそれぞれ離れるに従って、冷却水流れの下流側から上流側にずれるように設けられている。

冷却水の流れ方向の直交平面で切断された場合の冷却水通路 2 6の断面内で、冷却水流れは、端部 4 1の直前でほぼ均一な速度分布を有する。複数のフィン 2 2の端部 4 1は、内壁 2 1 nと内壁 2 1 mとの中間位置に対してその両側で対称な位置に配置されている。この場合、端部 4 1の下流側で冷却水の速度分布に大きな偏りが生じることを防止できる。

なお、本実施の形態では、複数のフィン 2 2の端部 4 1が、フィン 2 2が隣り合う全て位置でずれて配置されている場合を説明したが、これに限定されず、端部 4 1が互いに隣り合う位置で冷却水の流れ方向において同じ箇所に設けられたフィン 2 2が存在しても良い。

冷却水の流れ方向において、冷去 P水が各フイン 2 2の端部 4 1と同じ箇所で衝突すると、衝突時に生じる反力が大きくなる。これにより、冷却水の流れ方向とは反対方向の冷却水流れが発生し、冷却水通路 2 6に渦流れが発生するおそれが生じる。渦流れが発生した場合に (ま、冷却水流れの圧損が大きくなり、冷却性能の向上を図ることができない。さらに、冷却水流れの流速に偏りが生じることになる。

これに対して、本実施の形態では、冷却水が各フィン 2 2の端部 4 1に衝突する位置が冷却水の流れ方向にずれる。このため、圧損の発生箇所が冷却水の流れ方向に分散される。また、フィン 2 2 Cは、冷却水通路 2 6の中央部で冷却水流れの最も上流側にずれるように配置された端部 4 1を有する。このため、端部 4 1との衝突によって流れが妨げられた冷却水が、フィン 2 2 Cを中心に内壁 2 1 n側と内壁 2 1 m側とに分断される。このような構成により、冷却水流れに渦流れが発生することを抑制し、冷却水と端部 4 1との衝突による圧損の増大を小さく抑えることができる。

なお、このような複数のフィン 2 2の端部 4 1が冷却水の流れ方向にずれて配置された構造は、冷却水が供給口 2 3を通じて冷却水通路 2 6に流れ込む位置を含んで、図 3中の複数箇所に設けられている。

図 6は、図 3中の 2点鎮線 V Iで囲まれた位置を拡大して示す冷却水通路の平面図である。図 7は、図 6中の V I I— V I I線上に沿った冷却水通路の断面図である。 .

図 6および図 7を参照して、冷去!]水通路 2 6には、ポルト 2 8を挿通するための突出部 2 7が配設されている。突出部 2 7は、内壁 2 1 nから冷却水通路 2 6 に向かって突出する。突出部 2 7は、冷却水通路 2 6の断面の一部で冷却水流れを遮るように設けられている。突出部 2 7が配設された冷却水通路 2 6の断面では、冷却水は一様でない速度分布を有する。突出部 2 7よりも冷却水流れの下流側には、フィン 2 2の端部 4 1が配置されている。突出部 2 7と端部 4 1とは隣り合って設けられている。

このような構成では、突出部 2 7とフィン 2 2との間の空間 2 9で冷却水流れが淀む。冷却水流れが淀む空間 2 9では、渦流が発生し易くなり、圧損の増大が特に大きな問題となる。本実施の形態では、フィン 2 2の端部 4 1による抵抗を小さくして、渦流れを規制するため、渦流れの発生を抑制し、圧損の低減を図ることができる。このため、冷却水流れに淀みが生じる箇所にフィン 2 2が設けられた場合の上述の問題を解決することができる。

冷却水の流れ方向の直交平面で切断された場合の冷却水通路 2 6の断面が、冷却水流れの速度が相対的に小さくなる第 1の領域と、冷却水流れの速度が相対的に大きくなる第 2の領域とを有する場合、第 1の領域に配置される端部 4 1は、第 2の領域に配置される端部 4 1よりも冷却水流れの下流側に配置されることが好ましい。この場合、端部 4 1の下流側で冷却水の速度分布をより均一な状態に保つことができる。

この発明の実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造は、冷却水通路 2

6と、複数のフィン 2 2とを備える。冷却水通路 2 6は、パワー半導体素子としてのチップ 3 1を搭載する搭載面 2 1 aに対向して形成されている。冷却水通路 2 6には、チップ 3 1を冷却する冷却水が流れる。複数のフィン 2 2は、冷却水通路 2 6の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設されている。複数のフィン 2 2は、チップ 3 1と冷却水との間の熱交換を促進する。複数のフィン 2 2は、冷却水流れの上流側に対向する端部 4 1を有する。複数のフィン 2 2のうち少なくとも 1つのフィン 2 2の端部 4 1は、そのフィン 2 2の両側に隣接するフイン 2 2の端部 4 1よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷却媒体として空気よりも密度が大きい水が使用されているため、冷却水通路 2 6で生じる圧損が大きくなる傾向がある。本実施の形態では、複数のフィン 2 2の端部 4 1を互いに冷却水の流れ方向にずらすことにより、圧損を小さく抑え、インバータ 1 3 0の冷却効率を向上させることができる。これにより、ハイプリッド車両の動力 1"生能を向上させたり、インパータ 1 3 0の小型化を図ることが可能となる。また、ウォータポンプ 1 0で消費される電力を抑え、ハイプリッド車両の燃費を向上させることができる。

図 8は、図 5中のフィン形状の変形例を示す冷却水通路の平面図である。図 8 を参照して、本変形例では、フィン 2 2 Bおよび 2 2 Dの端部 4 1力相対的に冷却水流れの上流側に配置され、フィン 2 2 A、 2 2 Cおよび 2 2 Eの端部 4 1 力 S、相対的に冷却水流れの下流側に配置されている。すなわち、複数のフィン 2 2の端部 4 1は、冷却水流れの上流側と下流側とに交互にずれるように配置されている。

このような構成により、フィン 2 2 Bおよび 2 2 Dは、端部 4 1との衝突によつて流れが妨げられた冷却水を分断する役割を果たす。これにより、渦流れの発生を効果的に抑制することができる。

図 9は、図 5中のフィン形状の別の変形例を示す冷却水通路の平面図である。図 9を参照して、本変形例では、図 8中に示す変形例の構成に加えて、さらに、冷却水流れの上流側にずれて配置されたフィン 2 2 Bの端部 4 1とフィン 2 2 D の端部 4 1とが、冷却水の流れ方向にずれて配置されている。冷却水流れの下流側にずれて配置されたフィン 2 2 Aの端部 4 1と、フィン 2 2 Cの端部 4 1 フィン 2 2 Eの端部 4 1とが、冷却水の流れ方向にずれて配置きれている。

冷却水流れの上流側にずれて配置されたフィン 2 2 Bおよび 2 2 Dの端部 4 1 は、内壁 2 1 nから内壁 2 l mに向かうに従って、冷却水流れの下流側から上流側にずれるように配置されている。冷却水流れの下流側にずれて配置されたフィン 2 2 A、 2 2 Cおよび 2 2 Eの端部 4 1は、内壁 2 1 mから内壁 2 1 nに向かうに従って、冷却水流れの下流側から上流側にずれるように配置されている。このような構成により、冷却水が各フィン 2 2の端部 4 1に衝突する位置が、冷却水の流れ方向に大きく分散され、渦流れの発生をさらに効果的に抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であつ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。産業上の利用可能性

この発明は、主に、車両に搭載され、バッテリの直流電圧とモータジエネレータの交流電圧とを相互に変換するインバータに適用される。 .

Claims

請求の範囲

1. パヮ半導体素子（3 1) を搭載する搭載面（2 1 a) に対向して形成され、前記パワー半導体素子（3 1) を冷却する冷却水が流れる冷却水通路（26) と、前記冷却水通路（26) の経路上に設けられ、冷却水の流れ方向に直交する方向に互いに間隔を隔てて立設され、前記パワー半導体素子（3 1) と冷却水との間の熱交換を促進する複数のフィン（22) とを備え、

前記複数のフィン（2 2) は、冷却水流れの上流側に対向する端部（4 1) を有し、

前記複数のフィン（22) のうち少なくとも 1つのフィン（22) の前記端部 (4 1) は、前記フィン（2 2) の両側に隣接するフィン（2 2) の前記端部 (41) よりも冷却水流れの上流側にずれて配置されている、パワー半導体素子の冷却構造。

2. 前記端部（4 1) は、前記冷却水通路（2 6) に流れる冷却水と前記端部 (41) とが衝突する位置が、前記複数のフィン（22) 間で冷却水の流れ方向にずれるように配置されており、

冷却水と前記端部（ 4 1 ) との衝突に起因して発生する冷却水流れの圧損が低減される、請求の範囲 1に記載のパワー半導体素子の冷却構造。

3. 前記冷却水通路（26) には、前記冷却水通路（26) の断面の一部で冷却水流れを遮る遮蔽部材（27) が設けられており、前記端部（4 1) は、前記遮蔽部材（27) よりも冷却水流れの下流側で前記遮蔽部材（2 7) と隣り合って配置されている、請求の範囲 1に記載のパワー半導体素子の冷却構造。

4. 前記冷却水通路（26) は、前記複数のフィン（22) の両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁（2 lm, 2 1 η) に挟まれた位置に形成されており、前記端部（4 1) は、前記一対の内壁（2 1m， 2 1 η) のそれぞれから離れるに従って冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置されている、請求の範囲 1に記載のパワー半導体素子の冷却構造。

5. 前記端部（4 1) は、前記複数のフィン（2 2) の並び方向において、冷却水流れの上流側と下流側とに交互にずれて配置されている、請求の範囲 1に記載のパヮ一半導体素子の冷却構造。

6. 冷却水流れの上流側にずれて配置された前記端部（4 1) 同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されており、冷却水流れの下流側にずれて配置された前記端部（4 1) 同士は、冷却水の流れ方向にずれて配置されている、請求の範囲 5 に記载のパヮ半導体素子の冷却構造。

7. 前記冷却水通路（26) は、前記複数のフィン（22) の両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁（2 lm， 2 1 η) に挟まれた位置に形成され、前記冷却水通路（26) は、前記搭載面（2 1 a) 上で蛇行しながら延び、直線上に延びる前記冷却水通路（2 6) のストレート部では、前記端部（4 1) 力前記一対の内壁（2 1m, 2 1 η) のそれぞれから離れるに従って冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置されている、請求の範囲 1に記載のパヮ一半導体素子の冷却構造。

8. 前記冷却水通路（26) は、前記搭載面（2 1 a) 上で蛇行しながら延び、湾曲して延びる前記冷却水通路（26) の湾曲部では、前記端部（41) 1 · 前記湾曲部の内周側から外周側に向かうに従って冷却水流れの上流側から下流側にずれて配置されている、請求の範囲 1に記載のパワー半導体素子の冷却構造。

9. 前記冷却水通路（26) は、前記複数のフィン（22) の両側に配置され、互いに向い合う一対の内壁（2 lm， 2 1 η) に挟まれた位置に形成され、前記冷却水通路（26) は、前記搭載面（2 1 a) 上で蛇行しながら延び、直線上に延びる前記冷却水通路（2 6) のストレート部では、前記端部（4

1) 、前記一対の内壁（2 1m， 2 1 η) のそれぞれから離れるに従って冷却水流れの下流側から上流側にずれて配置され、

湾曲して延びる前記冷却水通路（26) の湾曲部では、前記端部（4 1) 力前記湾曲部の内周側から外周側に向かうに従って冷却水流れの上流側から下流側にずれて配置されている、請求の範囲 1に記載のパワー半導体素子の冷却構造。

10. 請求の範囲 1に記載のパワー半導体素子の冷却構造が用いられ、車両に搭載された、インバータ。