(57)【要約】【課題】半導体モジュールの冷却効率を向上させること。【解決手段】インバータ１０は、冷却器２０と、冷却器２０に熱的に結合された半導体モジュール１１，１２，１３とを備えている。冷却器２０は、ケース２１とフィン２７を備えている。ケース２１は、外形が直方体状をなすとともに内部に冷媒流路Ｐが形成され、冷媒流路Ｐに冷媒が流れる。ケース２１の上板部２４には、開口部２４ａが形成されている。開口部２４ａは、フィン２７における半導体モジュール１１，１２，１３と対向する波頂部２７ａの間の領域に形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースの内部に冷媒流路が形成されるとともに当該冷媒流路にフィンを配置した冷却器と、
前記冷却器の外面に配置された半導体モジュールと、
を備え、
前記ケースに形成した開口部を介して冷媒が前記半導体モジュールに直接接触するとともに、前記フィンにおける前記半導体モジュールに対向する先端部は冷媒を介することなく前記半導体モジュールと熱伝導することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記ケースの外面に、前記半導体モジュールの位置合わせのための位置決め部を有する位置決め部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記ケースの外面と前記位置決め部材の位置決め部の内面とが前記半導体モジュールの接触箇所となっていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記冷媒流路に前記半導体モジュールへ冷媒を案内するガイド部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記開口部は、前記ケースにおける前記フィンでの前記半導体モジュールに対向する先端部の間の領域に形成され、
前記フィンの先端部は前記ケースと接触し当該ケースが前記半導体モジュールと接触することにより前記フィンの先端部は冷媒を介することなく前記半導体モジュールと熱伝導することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記開口部は、前記ケースにおける前記半導体モジュールに対向する領域に形成され、
前記フィンでの前記半導体モジュールに対向する先端部は前記半導体モジュールと接触することにより前記フィンの先端部は冷媒を介することなく前記半導体モジュールと熱伝導することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器で半導体モジュールを冷却する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置としては、例えば、特許文献１に記載の半導体装置が知られている。
特許文献１に記載の半導体装置は、半導体モジュールと、冷却液の流通路を有する液冷部材とを備えている。液冷部材には、流通路の一部が外部に露出するように開口部が形成されている。半導体モジュールは、開口部を閉塞するように液冷部材に接合されている。流通路を流れる冷却液は、開口部を介して半導体モジュールと直接接触することで半導体モジュールを冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２０１２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、半導体モジュールを更に効率よく冷却することが望まれている。
本発明の目的は、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する電力変換装置は、ケースの内部に冷媒流路が形成されるとともに当該冷媒流路にフィンを配置した冷却器と、前記冷却器の外面に配置された半導体モジュールと、を備え、前記ケースに形成した開口部を介して冷媒が前記半導体モジュールに直接接触するとともに、前記フィンにおける前記半導体モジュールに対向する先端部は冷媒を介することなく前記半導体モジュールと熱伝導することを要旨とする。
【０００６】
これによれば、半導体モジュールは、冷媒と直接接触して冷却され、更に、フィンにおける半導体モジュールと対向する先端部と熱伝導することで冷却される。フィンは、冷媒流路を流れる冷媒によって冷却されている。半導体モジュールと冷媒を直接接触させるだけでなく、フィンを通して半導体モジュールを冷却できるため、半導体モジュールの冷却性能が向上されている。
【０００７】
上記電力変換装置について、前記ケースの外面に、前記半導体モジュールの位置合わせのための位置決め部を有する位置決め部材を設けたことが好ましい。
これによれば、半導体モジュールは、位置決め部に合わせて位置決めされるため、半導体モジュールの位置決め精度が向上される。
【０００８】
上記電力変換装置について、前記ケースの外面と前記位置決め部材の位置決め部の内面とが前記半導体モジュールの接触箇所となっていることが好ましい。
これによれば、ケースの外面と位置決め部材の位置決め部の内面で半導体モジュールと冷却器の間をシールすることができる。
【０００９】
上記電力変換装置について、前記冷媒流路に前記半導体モジュールへ冷媒を案内するガイド部を設けることが好ましい。
これによれば、冷媒を流れる冷媒は、半導体モジュールへ案内され、半導体モジュールの冷却効率が向上される。
【００１０】
上記電力変換装置について、前記開口部は、前記ケースにおける前記フィンでの前記半導体モジュールに対向する先端部の間の領域に形成され、前記フィンの先端部は前記ケースと接触し当該ケースが前記半導体モジュールと接触することにより前記フィンの先端部は冷媒を介することなく前記半導体モジュールと熱伝導することが好ましい。
【００１１】
上記電力変換装置について、前記開口部は、前記ケースにおける前記半導体モジュールに対向する領域に形成され、前記フィンでの前記半導体モジュールに対向する先端部は前記半導体モジュールと接触することにより前記フィンの先端部は冷媒を介することなく前記半導体モジュールと熱伝導することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態のインバータを示す分解斜視図。
【図２】実施形態のインバータを示す図１の２−２線断面図。
【図３】実施形態のインバータを示す図２の３−３線断面図。
【図４】別例のインバータを示す断面図。
【図５】（ａ）は別例のフィンを示す断面図、（ｂ）は別例のフィンを示す半導体モジュールを取り除いた状態の平面図。
【図６】別例のガイド部を示す断面図。
【図７】別例のインバータを示す断面図。
【図８】別例の位置決め部材を示す半導体モジュールを取り除いた状態の平面図。
【図９】別例のインバータを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、電力変換装置をインバータに具体化した一実施形態について説明する。インバータは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載され、スイッチング素子のスイッチング動作によって、バッテリから入力される直流電力を交流電力に変換して走行用モータに出力する。
【００１５】
図１及び図２に示すように、電力変換装置としてのインバータ１０は、冷却器２０と、冷却器２０に熱的に結合された半導体モジュール１１，１２，１３とを備えている。
冷却器２０は、ケース２１とフィン２７を備えている。ケース２１は、外形が直方体状をなすとともに内部に冷媒流路Ｐが形成され、冷媒流路Ｐに冷媒（例えば、冷却液）が流れる。ケース２１は、例えば、アルミニウムなどの金属材料から形成されている。ケース２１は、厚み方向が上下方向になるようにして水平方向に配置される。すなわち、ケース２１の短手方向及びケース２１の長手方向に直交する方向をケース２１の上下方向（厚み方向）としている。
【００１６】
ケース２１の長手方向一端には、入口パイプ２２が設けられている。ケース２１の長手方向他端には、出口パイプ２３が設けられている。冷媒は、入口パイプ２２から供給されて、冷媒流路Ｐをケース２１の長手方向に流れて出口パイプ２３から排出される。
【００１７】
ケース２１の上板部２４の上面（ケース２１の外面）には、矩形平板状をなす位置決め部材としての天板３１が設けられている。天板３１は、例えば、ロウ付けによって上板部２４に接合されている。天板３１は、長手方向及び短手方向が、ケース２１の長手方向及び短手方向と一致するようにケース２１の上板部２４に設けられている。
【００１８】
天板３１には、厚み方向に貫通する矩形状の貫通孔３２，３３，３４が長手方向に間隔をあけて形成されている。そして、この貫通孔３２，３３，３４には、それぞれ、半導体モジュール１１，１２，１３が入り込む。貫通孔３２，３３，３４は、半導体モジュール１１，１２，１３の外形に合わせて（半導体モジュール１１，１２，１３の外形よりも若干大きく）形成され、半導体モジュール１１，１２，１３の位置合わせのための位置決め部として機能している。半導体モジュール１１，１２，１３には、スイッチング素子が内蔵されている。スイッチング素子としては、例えば、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（insulated gate bipolar transistor：ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）等のパワー半導体素子が用いられる。
【００１９】
図２に示すように、天板３１の貫通孔３２，３３，３４に入り込んだ半導体モジュール１１，１２，１３は、ケース２１の上板部２４の上面（ケース２１の外面）に接触している。また、半導体モジュール１１，１２，１３は、貫通孔３２，３３，３４の内面にも接触している。すなわち、本実施形態では、上板部２４の上面（ケース２１の外面）と、貫通孔３２，３３，３４の内面３２ａ，３３ａ，３４ａとが、半導体モジュール１１，１２，１３と冷却器２０の間をシールするシール箇所となっている。
【００２０】
半導体モジュール１１，１２，１３は、接着剤３５によってケース２１に接合されている。具体的にいえば、半導体モジュール１１，１２，１３と、上板部２４の上面（ケース２１の外面）との間及び半導体モジュール１１，１２，１３と、貫通孔３２，３３，３４の内面３２ａ，３３ａ，３４ａとの間に接着剤３５が充填されることで、半導体モジュール１１，１２，１３がケース２１に接合されている。
【００２１】
図２及び図３に示すように、ケース２１の内部における下板部２５上には、板状のガイド部２６が設けられている。ガイド部２６は、半導体モジュール１１，１２，１３と対向する位置に設けられている。本実施形態において、ガイド部２６の厚みは、上板部２４の厚みと同じとなっている。
【００２２】
冷媒流路Ｐには、フィン２７が配置されている。フィン２７は、半導体モジュール１１，１２，１３と対向するように設けられている。フィン２７は、波板状をなしており、波頂部２７ａと、波底部２７ｂとが交互に現れる。
【００２３】
フィン２７は、波頂部２７ａと波底部２７ｂがケース２１の短手方向に並ぶように冷媒流路Ｐに設けられている。すなわち、フィン２７は、波頂部２７ａと波底部２７ｂがケース２１の長手方向に延びて、冷媒の流れを阻害しないように配置されている。フィン２７は、例えば、アルミニウムなどの金属材料から形成されている。先端部としての波頂部２７ａは、それぞれ、ケース２１の上板部２４の下面にロウ付けされ、これにより、波頂部２７ａは、ケース２１と接触している。波底部２７ｂは、それぞれ、ガイド部２６にロウ付けされている。
【００２４】
ケース２１の上板部２４には、開口部２４ａが形成されている。開口部２４ａは、フィン２７における半導体モジュール１１，１２，１３と対向する波頂部２７ａの間の領域に形成されている。開口部２４ａは、ケース２１の長手方向に延びる矩形状をなすとともに、ケース２１の短手方向に複数形成されている。この開口部２４ａは、貫通孔３２，３３，３４に囲まれる領域に開口している。これにより、開口部２４ａは、貫通孔３２，３３，３４に入り込んだ半導体モジュール１１，１２，１３によって閉塞されている。
【００２５】
次に、インバータ１０の作用について説明する。
インバータ１０が駆動されると、半導体モジュール１１，１２，１３（スイッチング素子）で熱が生じる。
【００２６】
冷媒流路Ｐには、入口パイプ２２から冷媒が供給されている。冷媒流路Ｐには、ガイド部２６によって段差が設けられている。冷媒流路Ｐにおける下板部２５側を流れる冷媒の流れは、この段差によって阻害される。そして、冷媒の流れる向きは、図３の矢印に示すように、下板部２５から離れる方向、すなわち、開口部２４ａに向けられる。したがって、ガイド部２６は、冷媒流路Ｐを流れる冷媒を半導体モジュール１１，１２，１３に案内している。冷媒流路Ｐを流れる冷媒は、開口部２４ａを介して半導体モジュール１１，１２，１３と直接接触する。
【００２７】
また、半導体モジュール１１，１２，１３と、半導体モジュール１１，１２，１３と対向する波頂部２７ａとは、ケース２１の上板部２４を介して熱伝導する。すなわち、フィン２７における半導体モジュール１１，１２，１３と対向する波頂部２７ａと半導体モジュール１１，１２，１３とが冷媒を介することなく熱伝導する。
【００２８】
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体モジュール１１，１２，１３は、開口部２４ａを介して冷媒と直接接触して冷却される。また、半導体モジュール１１，１２，１３は、フィン２７における半導体モジュール１１と対向する波頂部２７ａとケース２１の上板部２４を介して熱伝導することで冷却される。半導体モジュール１１，１２，１３と冷媒を直接接触させるだけでなく、フィン２７を通して半導体モジュール１１，１２，１３を冷却できるため、半導体モジュール１１，１２，１３の冷却性能が向上されている。なお、半導体モジュール１１，１２，１３への熱伝導部となるフィン２７の先端部は、ケース２１に接合される半導体モジュール１１，１２，１３に接近してくる部位を指し、本実施形態においては、半導体モジュール１１，１２，１３に接近してくる波頂部２７ａが先端部となっている。
【００２９】
（２）ケース２１の上板部２４に設けられる天板３１には、半導体モジュール１１，１２，１３が入り込む貫通孔３２，３３，３４が形成されているため、半導体モジュール１１，１２，１３の位置決め精度が向上される。
【００３０】
（３）天板３１の貫通孔３２，３３，３４の内面３２ａ，３３ａ，３４ａと上板部２４の上面とは、半導体モジュール１１，１２，１３と接触する接触箇所となっている。このため、貫通孔３２，３３，３４の内面３２ａ，３３ａ，３４ａと上板部２４の上面の両方の面が、半導体モジュール１１，１２，１３と冷却器２０との間をシールするシール箇所となり、適切にシールを行うことができる。また、天板３１を兼用してシールを行うことができるため、他の部材を別途用意する必要がなく、部品点数の増加が抑えられている。
【００３１】
（４）冷媒流路Ｐには、冷媒の流れを半導体モジュール１１，１２，１３に案内するガイド部２６が設けられている。従って、開口部２４ａ付近では、噴流が生じるため、半導体モジュール１１，１２，１３の冷却効率が向上する。
【００３２】
（５）ガイド部２６が設けられた部分では、このガイド部２６の厚みによって冷媒流路Ｐの流路面積が小さくなる。一方、開口部２４ａが形成されている部分では、この開口部２４ａの分だけ、すなわち、上板部２４の厚み分だけ流路面積が大きくなる。ガイド部２６の厚みと、ケース２１の上板部２４の厚みを同じにすることで、ガイド部２６と開口部２４ａが対向する部分の流路面積は、ガイド部２６が設けられていない部分の流路面積と同じになる。このため、ケース２１の長手方向全体にわたって冷媒流路Ｐの流路面積の変動が小さく、圧力損失が少ない。
【００３３】
（６）特許文献１に記載の半導体装置では、液冷部材に形成された開口部を閉塞するように半導体モジュールが設けられている。また、特許文献１に記載の半導体装置では、半導体モジュールにおける開口部と対向する部分は、液冷部材と接合されていないため、半導体モジュールに開口部に向かう力が作用した場合の強度的な対策がなされていない。本実施形態のインバータ１０のように、開口部２４ａを閉塞するように半導体モジュール１１，１２，１３を設けるとともに、ケース２１を介してフィン２７の波頂部２７ａと半導体モジュール１１，１２，１３が接合されるようにすることで、半導体モジュール１１，１２，１３はケース２１及びフィン２７によって支持される。このため、半導体モジュール１１，１２，１３に開口部２４ａに向かう力が作用した場合の強度の向上が図られている。
【００３４】
なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図４に示すように、ケース２１の下板部２５の下面にも半導体モジュール１４，１５，１６を接合してもよい。下板部２５の下面にも、実施形態の上板部２４と同様に位置決め用の天板３１が設けられる。また、フィン２７における半導体モジュール１４，１５，１６と対向する先端部としての波底部２７ｂは、ケース２１に接触して接合されている。ケース２１の下板部２５には、開口部２５ａが形成されている。開口部２５ａは、フィン２７における半導体モジュール１４，１５，１６と対向する波底部２７ｂとの間の領域に形成されている。
【００３５】
○  実施形態において、フィン２７の形状はどのような形状であってもよい。例えば、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、フィンとしてピンフィン４１を用いてもよい。ピンフィン４１は、平板状の基部４２と、基部４２の厚み方向両面から突出する円柱状のピン４３からなる。それぞれのピン４３は、図５（ｂ）に示すように千鳥状に配列されている。ピンフィン４１においては、各ピン４３の先端部は、ケース２１の内面に接合されている。この場合、開口部４４は、冷媒の流通方向におけるピン４３の上流側に開口するように形成される。例えば、冷媒流路Ｐに冷媒が流れ、図５（ｂ）において４３ａに示すピンにぶつかると、冷媒の流通方向におけるピン４３ａの上流側の領域Ａ１で乱流が発生する。このため、冷媒の流通方向におけるピン４３の上流側を開口させることで、半導体モジュール１１，１２，１３の冷却効率が向上される。
【００３６】
○  図６に示すように、ガイド部は、ケース２１の下板部２５の内面から上板部２４の内面に向けて突出する突起部５１であってもよい。この場合、入口パイプ２２から供給された冷媒は、突起部５１にぶつかることで開口部２４ａに向けて流れる。この場合、図６に示すように、冷媒の流通方向において、突起部５１を挟んで両側にフィン２７を設けても、あるいは、フィン２７に突起部５１が入り込む溝などを形成してもよい。
【００３７】
○  実施形態において、半導体モジュール１１の位置決めを行う天板３１は設けられていなくてもよい。この場合、図７に示すように、上板部２４に、上板部２４の厚み方向に凹む凹部５２などを形成し、この凹部５２を位置決め部として機能させてもよい。更に、この凹５２部の内面５２ａと上板部２４の上面を半導体モジュール１１，１２，１３との接触箇所とすることで、半導体モジュール１１，１２，１３と冷却器２０との間をシールしてもよい。
【００３８】
○  図８に示すように、位置決め部は、貫通孔３２，３３，３４に限られず、天板３１の短手方向に切り欠いた切欠部５３であってもよい。
○  図９に示すように、ケース２１の上板部２４における半導体モジュール１１，１２，１３と対向する部分に、半導体モジュール１１，１２，１３が入り込む開口部５４を形成してもよい。この場合、半導体モジュール１１，１２，１３と対向する波頂部２７ａは、半導体モジュール１１，１２，１３と直接接触（接合）される。そして、冷媒流路Ｐに冷媒が流れると、冷媒は、半導体モジュール１１，１２，１３における波頂部２７ａと接触（接合）されていない部分と直接接触する。また、半導体モジュール１１，１２，１３と波頂部２７ａは、冷媒を介することなく直接熱伝導する。この場合、フィン２７の波頂部２７ａが直接半導体モジュール１１，１２，１３と接触するため、半導体モジュール１１，１２，１３とフィン２７が熱伝導しやすく、半導体モジュール１１，１２，１３の冷却効率が向上する。
【００３９】
○  実施形態において、半導体モジュール１１，１２，１３は、接着剤３５以外で固定されていてもよい。例えば、半導体モジュール１１，１２，１３における上板部２４の上面と対向する面とは反対側の面に板バネを載置するとともに、この板バネを半導体モジュール１１，１２，１３に向けて押しつける固定用のブラケットを設けてもよい。この場合、半導体モジュール１１，１２，１３と冷却器２０との間に、シール部材を設けることが好ましい。
【００４０】
○  実施形態において、半導体モジュール１１，１２，１３の数は適宜変更してもよい。
○  実施形態において、天板３１はどのような形状であってもよい。例えば、平面視円形状の板部材であってもよいし、また板状以外の形状であってもよい。
【００４１】
○  実施形態において、ガイド部をフィン２７に設けてもよい。
○  電力変換装置は、ＤＣＤＣコンバータなどに具体化されてもよい。
○  冷媒は、液体状の冷媒でもよいし、気体状の冷媒でもよい。
【００４２】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）ケースの内部に冷媒流路が形成されるとともに当該冷媒流路にフィンを配置した冷却器と、前記冷却器の外面に配置された半導体モジュールと、を備え、前記ケースにおける前記フィンでの前記半導体モジュールに対向する先端部の間の領域に形成した開口部を介して冷媒が前記半導体モジュールに直接接触するとともに、前記フィンの先端部は前記ケースと接触し当該ケースが前記半導体モジュールと接触することを特徴とする電力変換装置。
【００４３】
（ロ）ケースの内部に冷媒流路が形成されるとともに当該冷媒流路にフィンを配置した冷却器と、前記冷却器の外面に配置された半導体モジュールと、を備え、前記ケースにおける前記半導体モジュールに対向する領域に形成した開口部を介して冷媒が前記半導体モジュールに直接接触するとともに、前記フィンでの前記半導体モジュールに対向する先端部は前記半導体モジュールと接触することを特徴とする電力変換装置。
【符号の説明】
【００４４】
Ｐ…冷媒流路、１０…インバータ、１１，１２，１３，１４，１５，１６…半導体モジュール、２０…冷却器、２１…ケース、２４ａ，２５ａ，４４，５４…開口部、２６…ガイド部、２７…フィン、２７ａ…波頂部，２７ｂ…波底部、３１…天板、３２，３３，３４…貫通孔、３２ａ，３３ａ，３４ａ…内面、４１…ピンフィン、５１…突起部、５３…切欠部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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