WO2008096839A1 - 半導体素子の冷却構造 - Google Patents

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WO2008096839A1
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heat
cooling structure
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Tadafumi Yoshida
Hiroshi Osada
Yutaka Yokoi
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor element cooling structure, and more particularly to a semiconductor element cooling structure using a latent heat storage material.
  • Patent Document 1 in a cooling system for a hybrid vehicle, an internal combustion engine including particles including a latent heat storage material that changes phase at a cooling target temperature of a motor and an inverter, and an engine It describes that particles containing a latent heat storage material that changes phase at the cooling target temperature of the system are mixed in the refrigerant.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laying-Open No. 2000-116505 describes that a latent heat storage material is used for cooling a heating element of a cooking device.
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-1-1286 (Patent Document 3) describes that the heat of an inverter is absorbed by a heat storage material and the heat is used for heating.
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-223576 (Patent Document 4) describes that the heat generated in the main circuit of the rice cooker is absorbed by the heat storage material injected into the radiating fins.
  • Patent Document 5 JP-A-6 1-7378 (Patent Document 5) describes a specific example of a latent heat storage material.
  • a cooling structure in which a semiconductor element is mounted on a heat sink cooling in a steady state is performed by the heat sink.
  • the amount of heat generated by a semiconductor device may increase rapidly in a short time. If this large amount of heat is absorbed using only a heat sink, the volume of the heat sink increases and the thermal resistance increases. Therefore, there is a problem that the steady cooling performance is lowered. Therefore, a structure capable of absorbing heat generation that increases in a short time while suppressing the increase in the heat sink volume is required.
  • a latent heat storage material mainly uses absorption of heat accompanying the phase change of a substance.
  • Patent Documents 1 to 5 do not disclose a configuration that can sufficiently solve the above problems.
  • Patent Document 1 describes that only a latent heat storage material is mixed in the refrigerant, and that a portion that absorbs steady heat generation and a portion that absorbs rapid heat generation in a short time are provided separately. It has not been. Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor element cooling structure capable of absorbing heat generation even when the heat generation amount of a semiconductor element increases rapidly in a short time while suppressing an increase in the volume of a heat sink. It is in.
  • a semiconductor element cooling structure includes a semiconductor element, a heat sink on which the semiconductor element is mounted, and a heat storage material including a latent heat storage material attached to the semiconductor element so as to be located on the opposite side of the heat sink with respect to the semiconductor element.
  • a member
  • the heat storage member includes a conductive outer shell body and a latent heat storage material stored in the outer shell body, and the semiconductor element and other parts are interposed via the outer shell body. Are electrically connected.
  • the heat storage member is connected to another component via a heat transfer member having a higher thermal conductivity than air.
  • a stress absorbing portion capable of relieving stress generated in the heat storage member fixed to the semiconductor element is formed in the heat storage member.
  • the semiconductor element is included in a control device that controls a rotating electrical machine that drives a vehicle.
  • the heat generation can be absorbed even when the heat generation amount of the semiconductor element increases rapidly in a short time while suppressing the increase in the volume of the heat sink.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of PCU to which a semiconductor element cooling structure according to one embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cooling structure of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a graph illustrating the relationship between the temperature of the latent heat storage material and the amount of heat absorbed.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a modified example of the cooling structure for a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing another modified example of the cooling structure for a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a cooling structure of a semiconductor element cooling structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a top view showing an example of a state in which a semiconductor element is mounted on the heat sink shown in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of a PCU to which a semiconductor element cooling structure according to one embodiment of the present invention is applied.
  • the PCU 100 shown in FIG. 1 is a “control device for a rotating electrical machine that drives a vehicle”.
  • PCU 100 includes a converter 110, inverters 120 and 130, a control device 140, and capacitors C1 and C2.
  • Converter 110 is connected between battery B and inverters 120 and 130, and inverters 120 and 130 are connected to motor generators MG1 and MG2, respectively.
  • Converter 110 includes power transistors Q 1 and Q 2, diodes D 1 and D 2, and a rear tuttle L.
  • the power transistors Q l and Q 2 are connected in series and receive a control signal from the control device 140 as a base.
  • the diodes D 1 and D 2 are connected between the collector emitters of the power transistors Q 1 and Q 2 so that current flows from the emitter side to the collector side of the power transistors Q 1 and Q 2, respectively.
  • Rear tuttle L has one end connected to power supply line PL 1 connected to the positive electrode of battery B, and the other end connected to the connection point of power transistors Q 1 and Q 2.
  • This converter 110 is connected to DC power received from battery B using reactor L.
  • the boosted voltage is supplied to the power supply line PL2.
  • Converter 1 10 steps down the DC voltage received from inverters 120 and 130 and charges battery B.
  • Inverters 120 and 130 include U-phase arms 121 U and 131 U, V-phase arms 121 V and 131 V, and W-phase arms 121 W and 131 W, respectively.
  • U-phase arm 121U, V-phase arm 121 V, and W-phase arm 121W are connected in parallel between node N1 and node N2.
  • U-phase arm 131U, V-phase arm 131V, and W-phase arm 131W are connected in parallel between node N1 and node N2.
  • U-phase arm 121U includes two power transistors Q3 and Q4 connected in series.
  • U-phase arm 1 31U, V-phase arms 12 IV and 1 3 IV, and W-phase arms 121W and 13 1W each include two power transistors Q5 to Q14 connected in series.
  • diodes D3 to D14 for passing current from the emitter side to the collector side are connected between the collector emitters of the power transistors Q3 to Q14, respectively.
  • each phase arm of inverters 120 and 130 are connected to the phase ends of the phase coils of motor generators MG 1 and MG 2, respectively.
  • motor generators MG 1 and MG 2 one end of the three coins of the U, V, and W phases is commonly connected to the midpoint.
  • Capacitor C1 is connected between power supply lines PL1 and PL3, and power supply line PL
  • Capacitor C2 is connected between power supply lines PL2 and PL3, and smoothes the voltage level of power supply line PL2.
  • Inverters 120 and 130 convert motors MG 1 and MG 2 by converting the DC voltage from capacitor C 2 into AC voltage based on the drive signal from control device 140.
  • the control device 140 calculates the phase coil voltages of the motor generators MG1 and MG2 based on the motor torque command value, the phase current values of the motor generators MG1 and MG2 ', and the input voltages of the inverters 120 and 130.
  • P WM Pulse Width
  • P WM Pulse Width
  • control device 140 has a duty ratio of the power transistors Q l and Q 2 for optimizing the input voltage of the inverters 1 20 and 1 30 based on the motor torque command value and the motor speed described above. Based on the calculation result, the PWM signal for turning on / off the power transistors Q 1 and Q 2 is generated and output to the converter 110.
  • control device 14 0 converts the AC power generated by motor generators MG 1 and MG 2 into DC power and charges battery B, so that converter 1 10 0 and inverters 1 2 0 and 1 3 0 Controls the switching operation of power transistors Q1 to Q14.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the cooling structure of the semiconductor element according to the present embodiment.
  • the semiconductor element cooling structure according to the present embodiment includes semiconductor element 1 and heat sink 2 on which semiconductor element 1 is mounted.
  • the semiconductor element 1 is, for example, the power transistors Q 1 to Q 14 and the diodes D 1 to D 14 in FIG.
  • the semiconductor element 1 is mounted on the heat sink 2 via the mounting structure 1A.
  • the heat sink 2 is made of a metal having a relatively high thermal conductivity, such as a copper alloy.
  • a refrigerant flow path 20 is formed in the heat sink 2. When the refrigerant flows through the refrigerant flow path 20, the semiconductor element 1 is constantly cooled.
  • a heat storage member 3 is fixed to the opposite surface (hereinafter referred to as “upper surface”) of the heat sink 2 in the semiconductor element 1.
  • the heat storage member 3 includes a case 3 1 and a latent heat storage material 3 2 in the case 3 1.
  • Case 31 can be made of a metal having a relatively high thermal conductivity, such as copper, and good conductivity.
  • the material constituting the latent heat storage material 3 2 can be changed as appropriate. For example, Sn / Zn (melting point: 1999 ° C) or dissolved salt NaOH—KOH (melting point: 1 70 ° C) Is possible.
  • the thickness of the heat storage member 3 is, for example, about 4 mm to 5 mm.
  • FIG. 3 is a graph illustrating the relationship between the temperature of the latent heat storage material 32 and the amount of heat absorbed.
  • the temperature rises as the latent heat storage material 32 absorbs heat.
  • the phase of the latent heat storage material 3 2 changes (here, the phase changes from the solid phase to the liquid phase) (that is, when the latent heat storage material 3 2 melts)
  • the heat of fusion of the latent heat storage material 3 2 As a result, the endothermic condition (amount of heat: AQ) occurs with the temperature kept constant.
  • the melting point T of the latent heat storage material 3 2 is set to be higher than the steady-state temperature of the semiconductor element 1 and lower than the cooling target temperature of the semiconductor element 1 during the unsteady temperature increase. To do. In this way, the semiconductor element 1 is cooled mainly by the heat sink 2 during the steady state, and the temperature of the heat storage member 3 is utilized by using the heat of fusion of the latent heat storage material 3 2 during the unsteady temperature rise. The heat generated by the semiconductor element 1 can be absorbed while the value is kept constant. As a result, the temperature rise level of the semiconductor element 1 can be reduced.
  • dimples 3 3 are formed on the surface of case 31 of heat storage member 3.
  • stress may be generated in the heat storage member 3 due to a difference in linear expansion coefficient between the heat storage member 3 and the semiconductor element 1.
  • stress may be generated in the heat storage member 3 due to a change in its volume.
  • the dimple 33 as described above, the stress generated in the heat storage member 3 is relieved.
  • the heat storage member 3 and the heat sink 2 are connected by a heat transfer sheet 4 made of a metal having a relatively high thermal conductivity such as copper.
  • a heat transfer sheet 4 made of a metal having a relatively high thermal conductivity such as copper.
  • the heat transfer sheet 4 is not limited to a metal sheet, and the heat transfer sheet 4 can be made of any material having a higher thermal conductivity than air.
  • the semiconductor is conducted through the conductive case 3 1 and the heat transfer sheet 4.
  • the body element 1 and the bus bar 5 are electrically connected.
  • two semiconductor elements 1 are provided, a heat storage member 3 A is provided on the upper surface of one semiconductor element 1, and a heat storage member 3 B is provided on the upper surface of the other semiconductor element 1.
  • the heat storage members 3 A, 3 B and the bus bar 5 are connected by the heat transfer sheet 4.
  • the two semiconductor elements 1 are, for example, the power transistor Q 3 and the diode D 3 included in the U-phase arm 1 2 1 U. According to the configuration shown in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a heat sink constituting the above-described rejection structure.
  • FIG. 7 is a top view showing an example of a state in which a semiconductor element is mounted on the heat sink shown in FIG. 6 and 7, the heat sink 2 has a mounting surface 2A on which the semiconductor element 1 is mounted.
  • the semiconductor device 1 power transistors Q 1 to Q 14 and diodes D 1 to D 14 included in the converter 1 1 0 and the inverters 1 2 0 and 1 3 0 is mounted on the mounting surface 2.
  • the heat sink 2 has an inlet 6 and an outlet 7.
  • the refrigerant cooled in the radiator (not shown) flows into the heat sink 2 from the inlet 6 and flows through the refrigerant flow path 20 formed in the heat sink 2.
  • the refrigerant that has flowed through the refrigerant flow path 20 flows out from the outlet 7 force, is guided to the radiator, and is cooled again. In this way, the cooling of the semiconductor element 1 is promoted.
  • the semiconductor element cooling structure includes the semiconductor element 1, the heat sink 2 on which the semiconductor element 1 is mounted, and the semiconductor element so as to be located on the opposite side of the heat sink 2 with respect to the semiconductor element 1.
  • 1 includes a case 3 1 as an “outer shell” and a heat storage member 3 including a latent heat storage material 3 2.
  • the heat storage member 3 is connected to the heat sink 2 as “another part” via the heat transfer sheet 4 as the heat transfer member j.
  • the stress generated in the heat storage member 3 fixed to the semiconductor element 1 The heat storage member 3 is formed with dimples 3 3 as “stress absorbing portions” that can relieve heat.
  • the semiconductor element 1 and the bus bar 5 as “another part” are electrically connected via the conductive case 3 1.
  • the semiconductor element cooling structure As described above, while the semiconductor element 1 is constantly cooled by the heat sink 2, the heat generation amount of the semiconductor element 1 rapidly increases in a short time. In this case, the amount of heat can be absorbed by the phase change of the latent heat storage material 3. Therefore, it is possible to improve the cooling performance of the semiconductor element 1 while suppressing the heat sink 2 from becoming excessively large.
  • the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive.
  • the scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
  • the present invention can be applied to, for example, a semiconductor element cooling structure using a latent heat storage material.

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Abstract

　半導体素子の冷却構造は、半導体素子（１）と、半導体素子（１）が搭載されるヒートシンク（２）と、半導体素子（１）に対してヒートシンク（２）の反対側に位置するように半導体素子（１）に取付けられ、ケース（３１）および潜熱蓄熱材（３２）を含む蓄熱部材（３）とを備える。

Description

明細書 半導体素子の冷却構造 技術分野
本発明は、 半導体素子の冷却構造に関し、 特に、 潜熱蓄熱材を用いた半導体素 子の冷却構造に関する。 背景技術
物質の相変化に伴なう熱量の吸収を利用して蓄熱を行なう潜熱蓄熱材を用いた 冷却構造が従来から知られている。
たとえば、 特開 2006— 240501号公報 （特許文献 1 ) においては、 ハ イブリッド車両用の冷却システムにおいて、 モータおよびインバータの冷却目標 温度で相変化する潜熱蓄熱材を含む粒子と、 エンジンを含む内燃機関系の冷却目 標温度で相変化する潜熱蓄熱材を含む粒子とを冷媒に混入させることが記載され ている。
また、 特開 2000— 1 16505号公報 （特許文献 2 ) においては、 調理器 の発熱素子の冷却に潜熱蓄熱材を用いることが記載されている。
また、 特開平 6—1 1286号公報 （特許文献 3) においては、 インバータの 熱を蓄熱材により吸収し、 その熱を暖房に利用することが記載されている。 また、 特開平 9— 223576号公報 （特許文献 4) においては、 炊飯器の主 回路の発熱を放熱フィンに注入された蓄熱材によって吸収することが記載されて いる。
また、 特開昭 6 1- 7378号公報 （特許文献 5) においては、 潜熱蓄熱材の 具体例が記載されている。
半導体素子をヒートシンク上に搭載した冷却構造においては、 定常的な状態で の冷却は、 ヒートシンクにより行なわれる。 しかしながら、 半導体素子の発熱量 は、 短時間で急激に増大する場合があり、 この大きな発熱をヒートシンクのみを 用いて吸収しょうとすると、 ヒートシンクの体積が増大し、 熱抵抗が増加するた め、 定常的な冷却性能が低下するという問題がある。 そこで、 ヒートシンクの体 積の増大を抑制しながら短時間で増大する発熱を吸収可能な構造が求められる。 他方、 潜熱蓄熱材は、 主に物質の相変化に伴なう熱量の吸収を利用するもので あり、 たとえば固相の蓄熱材が融解して液相となった場合、 該蓄熱材は、 再度固 相に戻るまでは潜熱による熱量の吸収を行なうことができない。 したがって、 潜 熱蓄熱材は、 ヒートシンクと比較して、 定常的な冷却に適さない傾向にある。 特許文献 1〜 5においては、 上記の課題を十分に解決可能な構成は開示されて いない。 たとえば、 特許文献 1では、 冷媒中に潜熱蓄熱材を混入させているだけ であり、 定常的な発熱を吸収する部分と短時間での急激な発熱を吸収する部分と を別々に設けることは記載されていない。 発明の開示
本発明の目的は、 ヒートシンクの体積の増大を抑制しながら、 半導体素子の発 熱量が短時間で急激に増大した場合も当該発熱を吸収することが可能な半導体素 子の冷却構造を提供することにある。
本発明に係る半導体素子の冷却構造は、 半導体素子と、 半導体素子が搭載され るヒートシンクと、 半導体素子に対してヒートシンクの反対側に位置するように 半導体素子に取付けられた潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材とを備える。
上記構成によれば、 ヒートシンクによって半導体素子の定常的な冷却を行ない ながら、 該半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、 潜熱蓄熱材 の相変化により当該熱量を吸収することができる。 この結果、 ヒートシンクの体 積の増大を抑制しながら半導体素子の冷却性能を向上させることができる。 好ましくは、 上記半導体素子の冷却構造において、 蓄熱部材は、 導電性の外殻 体と、 該外殻体内に貯留された潜熱蓄熱材とを含み、 外殻体を介して半導体素子 と他の部品とが電気的に接続される。
このようにすることで、 蓄熱部材の外殻体を利用して半導体素子への電気的接 続を実現することができる。 したがって、 蓄熱部材を避けるように配線を取り回 す必要がなく、 蓄熱部材の面積を大きく取ることができるので、 半導体素子の冷 却性能をさらに向上させることができる。 好ましくは、.上記半導体素子の冷却構造において、 蓄熱部材は、 空気よりも熱 伝導率の高い伝熱部材を介して他の部品と接続される。
このようにすることで、 伝熱部材を介して蓄熱部材からの放熱を促進すること ができる。 この結果、 蓄熱部材の冷却を速やかに行なうことが可能になり、 連続 的な短時間の高負荷にも対応することが可能になる。
好ましくは、 上記半導体素子の冷却構造において、 半導体素子に固定された蓄 熱部材に生じる応力を緩和することが可能な応力吸収部が蓄熱部材に形成される。 このようにすることで、 潜熱蓄熱材の相変化に伴なう体積変化や蓄熱部材と半 導体素子との線膨張係数の差に起因して生じる応力の増大を抑制することができ る。
1つの例として、 上記半導体素子の冷却構造において、 半導体素子は、 車両を 駆動する回転電機を制御する制御装置に含まれる。
本発明によれば、 上述したように、 ヒートシンクの体積の増大を抑制しながら、 半導体素子の発熱量が短時間で急激に増大した場合も当該発熱を吸収することが できる。
なお、 上述した構成のうちの 2つ以上の構成を適宜組合わせてもよい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の 1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用される P C Uの主要部の構成を示す回路図である。
図 2は、 本発明の 1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図 である。
図 3は、 潜熱蓄熱材の温度とその吸収する熱量との関係を説明するグラフであ る。
図 4は、 本発明の 1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の変形例を示 す断面図である。
図 5は、 本発明の 1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の他の変形例 を示す断面図である。
図 6は、 本発明の 1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を構成するヒ ートシンクを示す斜視図である。
図 7は、 図 6に示されるヒートシンクに半導体素子を搭載した状態の一例を示 す上面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下に、 本発明の実施の形態について説明する。 なお、 同一または相当する部 分に同一の参照符号を付し、 その説明を繰返さない場合がある。
なお、 以下に説明する実施の形態において、 個数、 量などに言及する場合、 特 に記載がある場合を除き、 本発明の範囲は必ずしもその個数、 量などに限定され ない。 また、 以下の実施の形態において、 各々の構成要素は、 特に記載がある場 合を除き、 本発明にとって必ずしも必須のものではない。 また、 以下に複数の実 施の形態が存在する場合、 特に記載がある場合を除き、 各々の実施の形態の構成 を適宜組合わせることは、 当初から予定されている。
図 1は、 本発明の 1つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用される PCUの主要部の構成を示す回路図である。 なお、 図 1に示される PCU 100 は、 「車両を駆動する回転電機の制御装置」 である。
図 1を参照して、 PCU 100は、 コンバータ 1 10と、 インバータ 120, 1 30と、 制御装置 140と、 コンデンサ C l， C 2とを含んで構成される。 コ ンバータ 1 10は、 バッテリ Bとインバータ 120， 130との間に接続され、 インバータ 120， 130は、 それぞれ、 モータジェネレータ MG 1 , MG2と 接続される。
コンバータ 1 10は、 パワートランジスタ Q l, Q 2と、 ダイォード D 1 , D 2と、 リアタトル Lとを含む。 パワートランジスタ Q l, Q 2は直列に接続され、 制御装置 140からの制御信号をベースに受ける。 ダイオード D 1， D 2は、 そ れぞれパワートランジスタ Q 1， Q 2のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流す ようにパワートランジスタ Q 1， Q 2のコレクタ一ェミッタ間にそれぞれ接続さ れる。 リアタトル Lは、 バッテリ Bの正極と接続される電源ライン PL 1に一端 が接続され、 パワートランジスタ Q l, Q 2の接続点に他端が接続される。
このコンバータ 1 10は、 リアク トル Lを用いてバッテリ Bから受ける直流電 圧を昇圧し、 その昇圧した昇圧電圧を電源ライン PL 2に供給する。 また、 コン バータ 1 10は、 インバータ 1 20， 1 30から受ける直流電圧を降圧してバッ テリ Bを充電する。
ィンバータ 120， 1 30は、 それぞれ、 U相アーム 121 U, 131 U、 V 相アーム 121V, 131 Vおよび W相アーム 121 W， 131Wを含む。 U相 アーム 121U、 V相アーム 121 Vおよび W相アーム 121Wは、 ノード N1 とノード N 2との間に並列に接続される。 同様に、 U相アーム 131U、 V相ァ ーム 131 Vおよび W相アーム 131Wは、 ノード N 1とノード N 2との間に並 列に接続される。
U相アーム 121Uは、 直列接続された 2つのパワートランジスタ Q3, Q4 を含む。 同様に、 U相アーム 1 31U、 V相アーム 12 IV， 1 3 IVおよび W 相アーム 121W, 13 1Wは、 それぞれ、 直列接続された 2つのパワートラン ジスタ Q 5〜Q 14を含む。 また、 各パワートランジスタ Q 3〜Q 14のコレク タ一ェミッタ間には、 ェミツタ側からコレクタ側へ電流を流すダイォード D 3〜 D 14がそれぞれ接続されている。
ィンバータ 120， 1 30の各相アームめ中間点は、 それぞれ、 モータジエネ レータ MG 1， MG 2の各相コイルの各相端に接続されている。 そして、 モータ ジェネレータ MG 1, MG 2においては、 U, V, W相の 3つのコィノレの一端が 中点に共通接続されて構成される。
コンデンサ C 1は、 電源ライン PL 1， PL 3間に接続され、 電源ライン PL
1の電圧レベルを平滑化する。 また、 コンデンサ C 2は、 電源ライン PL 2, . P L 3間に接続され、 電源ライン PL 2の電圧レベルを平滑化する。
インバータ 120， 130は、 制御装置 140からの駆動信号に基づいて、 コ ンデンサ C 2からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ MG 1， MG 2を駆動する。
制御装置 140は、 モータトルク指令値、 モータジェネレータ MG 1, MG2 ' の各相電流値、 およびインバータ 120, 130の入力電圧に ¾づいてモータジ エネレータ MG1， MG 2の各相コイル電圧を演算し、 その演算結果に基づいて パワートランジスタ Q 3〜Q 1 4をオン/オフする P WM (Pulse Width Modulation) 信号を生成してインバータ 1 2 0 , 1 3 0へ出力する。
また、 制御装置 1 4 0は、 上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に 基づいてィンバータ 1 2 0， 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 l， Q 2のデューティ比を演算し、 その演算結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 1 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 MG 1 , MG 2によって発電 された交流電力を直流電力に変換してバッテリ Bを充電するため、 コンバータ 1 1 0およびインバータ 1 2 0， 1 3 0におけるパワートランジスタ Q 1〜Q 1 4 のスィツチング動作を制御する。
P C U 1 0 0の動作時において、 コンバータ 1 1 0およびィンバータ 1 2 0， 1 3 0を構成するパワートランジスタ Q 1〜Q 1 4およびダイオード D 1〜D 1 4は発熱する。 したがって、 これらの半導体素子の冷却を促進するための冷却構 造を設ける必要がある。
図 2は、 本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図である。 図 2 を参照して、 本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造は、 半導体素子 1と、 半 導体素子 1が搭載されるヒートシンク 2とを含んで構成される。
半導体素子 1は、 たとえば図 1におけるパワートランジスタ Q 1〜Q 1 4およ びダイオード D 1〜D 1 4である。 半導体素子 1は、 搭載構造 1 Aを介してヒー トシンク 2上に搭載される。 ヒートシンク 2は、 たとえば銅ゃァノレミエゥムなど の熱伝導率の比較的高い金属により構成される。 また、 ヒートシンク 2内には、 冷媒流路 2 0が形成されている。 冷媒流路 2 0内に冷媒が流されることにより、 半導体素子 1の定常的な冷却が行なわれる。
半導体素子 1におけるヒートシンク 2の反対側の面 （以下 「上面」 という。 ） には、 蓄熱部材 3が固定されている。 蓄熱部材 3は、 ケース 3 1と、 ケース 3 1 内に潜熱蓄熱材 3 2とを含んで構成される。 ケース 3 1は、 たとえば銅などの比 較的熱伝導率が高く、 導電性の良好な金属により構成され得る。 また、 潜熱蓄熱 材 3 2を構成する素材は、 適宜変更が可能であるが、 たとえば S n / Z n (融 点： 1 9 9 °C) や溶解塩 N a O H— KO H (融点： 1 7 0 °C) などを採用するこ とが可能である。 また、 蓄熱部材 3の厚みは、 たとえば 4 mm〜 5 mm程度であ る。
図 3は、 潜熱蓄熱材 3 2の温度とその吸収する熱量との関係を説明するグラフ である。 図 3に示すように、 潜熱蓄熱材 3 2が熱量を吸収するにつれて、 その温 度が上昇する。 しかしながら、 潜熱蓄熱材 3 2の相が変化 （ここでは、 固相状態 から液相状態 と変化） する際 （すなわち、 潜熱蓄熱材 3 2が融解する際） に、 潜熱蓄熱材 3 2の融解熱により、 温度が一定のまま吸熱 （熱量： A Q) が行なわ れる状態が生じる。 本実施の形態では、 潜熱蓄熱材 3 2の融点 Tを、 半導体素子 1の定常時の温度よりも高く、 かつ、 半導体素子 1の非定常的な昇温時の冷却目 標温度よりも低く設定する。 このようにすることで、 定常時には、 主にヒートシ ンク 2によって半導体素子 1の冷却を行ない、 非定常的な昇温時には、 潜熱蓄熱 材 3 2の融解熱を利用して、 蓄熱部材 3の温度を一定に保ったまま、 半導体素子 1の発熱を吸収することができる。 この結果、 半導体素子 1の昇温レベルを低減 することが可能になる。
次に、 図 4 ,図 5を用いて、 上記冷却構造の変形例について説明する。
図 4に示す変形例では、 蓄熱部材 3のケース 3 1の表面にディンプル 3 3が形 成されている。 半導体素子 1が発熱した際、 蓄熱部材 3と半導体素子 1との線膨 張係数の差により、 蓄熱部材 3に応力が生じる場合がある。 また、 潜熱蓄熱材 3 2が相変化する際、 その体積が変化することにより蓄熱部材 3に応力が生じる場 合がある。 これに対し、 上記のようにディンプル 3 3が設けられることにより、 蓄熱部材 3に生じた応力が緩和される。
また、 図 4に示す変形例では、 たとえば銅などの比較的熱伝導率の高い金属に より構成された伝熱シート 4により、 蓄熱部材 3とヒートシンク 2とが接続され ている。 このようにすることで、 伝熱シート 4を介して蓄熱部材 3の熱をヒート シンク 2に逃がすことができるので、 蓄熱部材 3の冷却を速やかに行なうことが 可能になり、 連続的な短時間の高負荷にも対応することが可能になる。
なお、 伝熱シート 4は、 金属製のものに限定されず、 空気よりも熱伝導率の高 い任意の素材で伝熱シート 4を構成することが可能である。
図 5に示す変形例では、 導電性のケース 3 1および伝熱シート 4を介して半導 体素子 1とバスバー 5とを電気的に接続している。 図 5の例においては、 2つの 半導体素子 1が設けられ、 一方の半導体素子 1の上面に蓄熱部材 3 Aが設けられ、 他方の半導体素子 1の上面に蓄熱部材 3 Bが設けられる。 そして、 蓄熱部材 3 A, 3 Bとバスバー 5とが伝熱シート 4により接続される。 ここで、 2つの半導体素 子 1は、 たとえば、 U相アーム 1 2 1 Uに含まれるパワートランジスタ Q 3およ びダイオード D 3である。 図 5に示す構成によれば、 伝熱シート 4を用いてバス パー 5と半導体素子 1との電気的接続を行なうに際し、 半導体素子 1の上面にお いて蓄熱部材 3を避けるように配線を取り回す必要がなく、 蓄熱部材 3の面積を 大きく取ることができるので、 半導体素子 1の冷却性能をさらに向上させること ができる。
図 6は、 上述した ^却構造を構成するヒートシンクを示す斜視図である。 また、 図 7は、 図 6に示すヒートシンクに半導体素子を搭載した状態の一例を示す上面 図である。 図 6， 図 7を参照して、 ヒートシンク 2は、 半導体素子 1が搭載され る搭載面 2 Aを有する。 図 7に示すように、 コンバータ 1 1 0およびインバータ 1 2 0， 1 3 0に含まれる半導体素子 1 (パワートランジスタ Q 1〜Q 1 4およ びダイオード D 1〜D 1 4 ) が搭載面 2 A上に搭載される。 ヒートシンク 2は、 入口部 6および出口部 7を有する。 ラジェータ （図示せず） において冷却された 冷媒は、 入口部 6からヒートシンク 2内に流入し、 ヒー.トシンク 2内に形成され た冷媒流路 2 0を流れる。 冷媒流路 2 0を流れた冷媒は、 出口部 7力、ら流出し、 ラジェータに導かれ、 再び冷却される。 このようにして、 半導体素子 1の冷却が 促進される。
上述した内容について要約すると、 以下のようになる。 すなわち、 本実施の形 態に係る半導体素子の冷却構造は、 半導体素子 1と、 半導体素子 1が搭載される ヒートシンク 2と、 半導体素子 1に対してヒートシンク 2の反対側に位置するよ うに半導体素子 1に取付けられ、 「外殻体」 としてのケース 3 1および潜熱蓄熱 材 3 2を含む蓄熱部材 3とを備える。
図 4の変形例では、 蓄熱部材 3は、 「伝熱部材 j としての伝熱シート 4を介し て 「他の部品」 としてのヒートシンク 2と接続される。
また、 図 4の変形例では、 半導体素子 1に固定された蓄熱部材 3に生じる応力 を緩和することが可能な 「応力吸収部」 としてのディンプル 3 3が蓄熱部材 3に 形成されている。
図 5の変形例では、 導電性のケース 3 1を介して半導体素子 1と 「他の部品」 としてのバスバー 5とが電気的に接続される。
本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造によれば、 上述したように、 ヒート シンク 2によって半導体素子 1の定常的な冷却を行ないながら、 該半導体素子 1 の発熱量が短時間で急激に増大した場合には、 潜熱蓄熱材 3の相変化により当該 熱量を吸収することができる。 したがって、 ヒートシンク 2が過度に大型化する ことを抑制しながら半導体素子 1の冷却性能を向上させることが可能になる。 以上、 本発明の実施の形態について説明したが、 今回開示された実施の形態は すべての点で例示であっ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 のすベ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
本発明は、 たとえば、 潜熱蓄熱材を用いた半導体素子の冷却構造などに適用可 能である。

Claims

請求の範囲
1. 半導体素子 （1) と、
前記半導体素子 （1) が搭載されるヒートシンク （2) と、
前記半導体素子 （1) に対して前記ヒートシンク （2) の反対側に位置するよ うに前記半導体素子 （1) に取付けられた潜熱蓄熱材 （3 2) を含む蓄熱部材 (3) とを備えた、 半導体素子の冷却構造。
2. 前記蓄熱部材 （3) は、 導電性の外殻体 （3 1) と、 該外殻体 （31) 内 に貯留された潜熱蓄熱材 （32) とを含み、
前記外殻体 （31) を介して前記半導体素子 （1) と他の部品 （5) とが電気 的に接続される、 請求の範囲第 1項に記載の半導体素子の冷却構造。
3. 前記蓄熱部材 （3) は、 空気よりも熱伝導率の高い伝熱部材 （4) を介し て他の部品 （2, 5) と接続される、 請求の範囲第 1項に記載の半導体素子の冷 却構造。
4. 前記半導体素子 （1) に固定された前記蓄熱部材 （3) に生じる応力を緩 和することが可能な応力吸収部 （33) が前記蓄熱部材 （3) に形成される、 請 求の範囲第 1項に記載の半導体素子の冷却構造。
5. 前記半導体素子 （1) は、 車両を駆動する回転電機 (MG 1, MG2) を 制御する制御装置 （100) に含まれる、 請求の範囲第 1項に記載の半導体素子 の冷却構造。
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