(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のパワー半導体モジュールを整列させてプレート状放熱フィン列を備えたヒートシンクのベース板上に並置搭載し、該ヒートシンクのモジュール搭載側および放熱フィン側に冷却空気を通風してパワー半導体モジュールの発生熱を放散させるようにした空冷式のパワー半導体装置において、
前記パワー半導体モジュールを、前記ヒートシンクの放熱フィン列に沿って導風する冷却空気の流れ方向に対して、それぞれ斜めに配置するとともに、
前記複数個のパワー半導体モジュールを、方形状になるヒートシンクのベース板に対して、前記ベース板の対角方向に一列に整列してヒートシンクのベース板上に並置搭載したことを特徴とする空冷式パワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高圧インバータなどの半導体電力変換装置に適用する空冷式のパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
よく知られているように、高圧インバータの電力変換装置は、入力変圧器，該入力変圧器の二次側に接続してインバータ回路を構成するインバータユニット，およびその制御部を個別に分けて収納した変圧器盤，変換器盤，制御盤の列盤で構成し、前記変換器盤には、インバータ回路の各相に対応するインバータユニットが上下段に並べて収納されている。ここで、インバータユニットは、風胴を兼ねたユニットケースに複数個のパワー半導体モジュール(例えば、ＩＧＢＴモジュール)をヒートシンクに搭載して収容し、このユニットケースを経由して盤内に冷却空気を導風してパワー半導体モジュールを空冷冷却するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、通電容量の比較的小さな汎用インバータ装置についても、前記と同様にユニットケース内にインバータ回路を構成する複数個のパワー半導体モジュール１をヒートシンク３に搭載して収容し、ここに冷却空気を送風してパワー半導体モジュール１の発生熱を外部に放熱するようにしている。また、汎用インバータ装置ではパワー半導体モジュール１と一緒に平滑用コンデンサ，プリント基板などをユニットケースに組込み、ここにヒートシンク３の冷却空気とは別にファンにより外気を流して風冷するようにしている。
【０００４】
次に、前記パワー半導体装置の従来例の組立構造を図２（ａ）〜（ｃ）に示す。図において、１は２組のＩＧＢＴ素子２を左右に並べてパッケージ１ａに内蔵した２個組のパワー半導体モジュール、３はベース板３ａの裏面側にプレート状の放熱フィン列３ｂを設けたヒートシンクであり、外形が方形状になるヒートシンク３のベース板３ａ（アルミなどの高伝熱材で作られている）の上面中央には底面に放熱金属ベース（不図示）を備えた複数個（図示例では３個）のパワー半導体モジュール１が前後一列に並べて並置搭載されている。
【０００５】
なお、前記ベース板３ａの面積は、各パワー半導体モジュール１の発生熱により上昇する温度分布の集中を避けるために半導体モジュール１を前後に離間して配列し、さらに左右には十分なマージンの伝熱面を確保した寸法幅に設計されている。また図示してないが、ヒートシンク３に搭載した各パワー半導体モジュール１の外部端子相互間にはインバータ回路の構成に合わせて入，出力導体（バー導体）がその配線インダクタンスを低めるように最短経路に沿って直線的に配線されている。
【０００６】
上記構成で、パワー半導体装置の通電中にヒートシンク３の放熱フィン列３ｂに沿って冷却空気を送風することにより、各パワー半導体素子２の発生熱がモジュールパッケージの底面金属ベースを介してヒートシンク３のベース板３ａに伝熱し、放熱フィン列３ｂに沿って図示の矢印方向に流れる冷却空気流との間の強制対流伝熱により冷却空気側に熱移動して系外に熱放散されることは周知の通りである。
【０００７】
ところで、図２のようにヒートシンク３に流す冷却空気の流れ方向に沿ってベース板３ａ上に複数個のパワー半導体モジュール１を前後一列に整列させて並置搭載した配置では、風上側に配置したパワー半導体モジュールと風下側に並ぶパワー半導体モジュールとを比べた場合に、風上側のパワー半導体モジュールの直下を通過した冷却空気はモジュールからの放熱を受けて空気温度が上昇して風下側に流れる。このために、このままでは前記の熱的干渉により風下側に並ぶパワー半導体モジュールの放熱性が風上側のモジュールに比べて低下するようになる。
【０００８】
この場合に、ヒートシンク３の放熱面積をあらかじめ大きく設定する、あるいは冷却空気の送風量を多くするなどすれば風下側に並ぶパワー半導体モジュールに対しても十分な放熱性能を確保できるものの、ヒートシンク３の放熱面積を大きくするとヒートシンクの包絡容積，占有スペースが大きくなって半導体装置が大型化し、また冷却空気の送風量を高めるには大形送風ファンが必要となってコスト高となるほか、送風に伴う騒音増加の問題も派生する。
【０００９】
そこで、前記問題の対応策の一つとして、当該パワー半導体装置を収容したユニットケース内部の通風路に風向デフレクターを配置し、風下側に並ぶパワー半導体モジュールの直下を通過する冷却空気流の風速を局部的に高めてその強制対流伝熱によるパワー半導体モジュールの放熱性能を高めるようにした構成が本発明と同一出願人より先に提案されている（特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１７４８５１号公報
【特許文献２】特開２００４−１２８４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
先記した図２および特許文献２の構成を含めて、複数のパワー半導体モジュールを前後一列に整列させてヒートシンクのベース板上に並置搭載した構成の空冷式パワー半導体装置では、ヒートシンクに導風する冷却空気流の風上側に配置した半導体モジュールの発熱による影響がそのまま風下側に並ぶ半導体モジュールに対して累積的に干渉してその放熱性能を低下させる。このために、従来装置では放熱面積の大きなヒートシンクを採用する、あるいは大形の送風ファンを用いてヒートシンクに送風する冷却空気風量を増加させるなどして所要の放熱性能を確保するようにしているが、この対応策ではヒートシンクの包絡容積，送風ファン容量増の加に伴う半導体装置の占有スペース増加、ファン騒音などの問題点が残る。また、ユニットケースの通風路に風向デフレクターを追加設置した特許文献２の構成は、ユニットの占有スペースが増して装置が大形化するほか、風損も増すので大形の送風ファンが必要となり、かつ騒音の発生も大きくなる。
【００１２】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は風向デフレクターなどの追加部品を用いずに、ヒートシンクに搭載するパワー半導体モジュールの配列の向きを変更するだけで、モジュール間のリード配線性を損なうことなしに、冷却空気流に対するモジュール相互間の熱的干渉を低減してヒートシンクの小形化、および送風ファンの小形，低騒音化が図れるように改良したパワー半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、この発明によれば、複数個のパワー半導体モジュールを整列させてプレート状放熱フィン列を備えたヒートシンクのベース板上に並置搭載し、該ヒートシンクのモジュール搭載側および放熱フィン側に冷却空気を通風してパワー半導体モジュールの発生熱を放散させるようにした空冷式のパワー半導体装置において、
前記パワー半導体モジュールを、前記ヒートシンクの放熱フィン列に沿って導風する冷却空気の流れ方向に対して、それぞれ斜めに配置するとともに、
前記複数個のパワー半導体モジュールを、方形状になるヒートシンクのベース板に対して、前記ベース板の対角方向に一列に整列して並置搭載する。

【発明の効果】
【００１４】
上記構成によれば、同じ向きに傾けた整列姿勢でヒートシンクのベース板上に配列した複数個のパワー半導体モジュールについて、ヒートシンクの風上側に並ぶモジュールと風下側に並ぶモジュールは、放熱フィンに沿って流れる冷却空気流の方向に対し右方向にずれて整列することになる。これにより、ヒートシンクの風上側に並ぶモジュールの発熱により風下側のモジュールに及ぼす冷却空気の累積的な熱的影響が小さくなり、風下側に並ぶ各モジュールの直下には上流側に並ぶモジュールの発熱により昇温した冷却空気の熱的干渉をあまり受けないで比較的低温状態の冷却空気が通風するようになる。また、ヒートシンクのベース板の対角距離を有効に活用して複数個の半導体モジュール相互間の間隔も広く確保でき、これによりヒートシンクの放熱面積，放熱機能を最大に生かしてここに搭載する複数個のパワー半導体モジュールを効果的に風冷冷却することができる。
【００１５】
その結果、ヒートシンクの放熱面積を必要以上に大きく設計したり送風風量を高めるために大形ファンを用いる必要がなく、これにより装置の小型化，低騒音化が達成できる。
しかも、各パワー半導体モジュール同士は向きを揃えて一列に整列しているので、モジュール相互間に配線する接続導体の配線性が損なわれるおそれもない。
【００１６】
さらに加えて、ヒートシンクの放熱フィン列に沿って送風する冷却空気流とは別に、ヒートシンクのモジュール搭載面側にも冷却空気を送風してモジュール周辺の空気を換気する場合でも、斜め姿勢に整列して並ぶ各モジュールのパッケージ周壁面が風向ガイドとなってモジュール相互間に死角を作ることなく冷却空気を円滑に導風することができて風冷効果がより一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施例によるパワー半導体装置の模式構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図２】図１に対応する従来のパワー半導体装置の模式構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明の実施の形態を図１（ａ）〜（ｃ）に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図２（ａ）〜（ｃ）に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００１９】
この実施例においては、図示のように略正方形になるヒートシンクのベース板３ａに対して、その対角方向に向きを揃えて複数個のパワー半導体モジュール１が斜め方向に整列して並置配列されている。なお、図中に一点鎖線で表す矢印Ａはヒートシンク３の放熱フィン３ｂに沿って送風する冷却空気流を、破線矢印Ｂはベース３ａのモジュール搭載側に流す換気用の冷却空気の流れを表している。
【００２０】
図示の配列から明らかなように、ヒートシンク３のベース板３ａに搭載する複数個のパワー半導体モジュール１をベース板の対角方向に整列して並置配列することにより、放熱フィン列３ｂに沿って通風する冷却空気流Ａの流れ方向に対し、各パワー半導体モジュール１が左右方向にずれて並ぶことになる。これにより、これにより、図２に示した従来の前後一列の配置と比べて、ヒートシンク３の風上側に並ぶモジュールの発熱によって風下側のモジュールに及ぼす累積的な熱的影響が小さくなり、風下側に並ぶ各モジュールの直下には風上側に並ぶモジュールを通過した冷却空気の熱的干渉をあまり受けないで低温状態の冷却空気が流れるようになる。また、ヒートシンク３のベース板３ａの対角距離（一辺の長さの√２倍）を有効に活用して半導体モジュール１の相互間隔も広く確保できる。これによりヒートシンク３の放熱面積，放熱機能を最大に生かしてここに搭載する複数個のパワー半導体モジュール１を効果的に風冷冷却することができる。
【００２１】
これにより、従来のようにヒートシンク３の放熱面積を必要以上に大きく設計したり、冷却空気の送風風量を高めるために大形ファンを用いる必要がなく、これにより占有スペースを縮減して半導体装置の小型化，低騒音化が達成できる。しかも、各パワー半導体モジュール１は向きを揃えて一列に整列しているので、モジュール相互間に配線する接続導体（バー導体）の配線性が損なわれるおそれもない。
【００２２】
また、図示例のようにヒートシンク３の放熱フィン列３ｂに沿って送風する冷却空気Ａとは別に、ヒートシンク３のモジュール搭載面側にも冷却空気Ｂを送風してパワー半導体モジュール周辺の昇温空気を換気する場合でも、図示配列により斜め姿勢に整列した各パワー半導体モジュール１のパッケージ周壁面が風向ガイドとなってモジュールの相互間を縫うように冷却空気Ｂを円滑に導風することができて風冷効果が一層向上する。
【符号の説明】
【００２３】
１    パワー半導体モジュール
２    ＩＧＢＴ素子
３    ヒートシンク
３ａ  ベース板
３ｂ  放熱フィン列
【図１】
0005440061.tif 000002
【図２】
0005440061.tif 000003