(57)【要約】【課題】  装置内の温度変動を抑制可能な半導体装置を提供する。【解決手段】  パワートランジスタＱ１１をコンデンサＣ２と接続するバスバー１１２に、ペルチェ効果によってバスバー１１２を冷却制御する冷却素子１１４（熱電変換素子）が取付けられる。冷却素子１１４は、制御装置６０からの電流供給量に応じて冷却能力が制御され、バスバー１１２を冷却することによりパワートランジスタＱ１１を冷却する。制御装置６０は、パワートランジスタＱ１１の温度に基づいて冷却素子１１４への電流供給量を制御し、これにより冷却素子１１４の冷却能力を制御してパワートランジスタＱ１１の温度変動を抑制する。【選択図】        図４
2006287112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に接続される伝熱性の導体配線と、
前記導体配線に取付けられ、前記導体配線の冷却を制御する冷却制御手段と、
前記パワー半導体素子の温度に関する情報または負荷に関する情報に基づいて、前記パワー半導体素子の温度変動を抑制するように前記冷却制御手段の冷却能力を制御する温度制御手段とを備える半導体装置。
【請求項２】
前記導体配線は、前記冷却制御手段の取付部分近傍に形成され、かつ、前記パワー半導体素子の近傍に配置されるように形成された冷却フィンを含む、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記パワー半導体素子に直流電力を供給するコンデンサをさらに備え、
前記導体配線は、前記パワー半導体素子を前記コンデンサと接続する、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記冷却制御手段は、ペルチェ効果を用いて前記導体配線を冷却する冷却素子を含み、
前記冷却素子は、前記温度制御手段によって制御される電流が流されることにより前記導体配線の冷却を制御する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記温度に関する情報は、前記パワー半導体素子の素子温度または前記パワー半導体素子を冷却する冷媒温度を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記負荷に関する情報は、車両の駆動力を発生するモータに接続される電力変換装置として当該半導体装置を搭載する車両が走行する走路の勾配情報を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
駆動輪に連結される交流モータと、
直流電源と、
前記直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、その変換した交流電力を前記交流モータへ出力して前記交流モータを駆動する電力変換装置とを備え、
前記電力変換装置は、
電力変換を行なうためのパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に接続され、前記直流電力を前記パワー半導体素子に供給するための伝熱性の導体配線と、
前記導体配線に取付けられ、前記導体配線の冷却を制御する冷却制御手段と、
前記パワー半導体素子の温度に関する情報または負荷に関する情報に基づいて、前記パワー半導体素子の温度変動を抑制するように前記冷却制御手段の冷却能力を制御する温度制御手段とを含む、車両。
【請求項８】
前記負荷に関する情報を有するカーナビゲーションシステムをさらに備え、
前記温度制御手段は、前記カーナビゲーションシステムの前記負荷に関する情報に基づいて前記電力変換装置の負荷を予測し、その予測した負荷に基づいて、前記パワー半導体素子の温度変動を抑制するように前記冷却制御手段の冷却能力を制御する、請求項７に記載の車両。
【請求項９】
前記負荷に関する情報は、走路の勾配情報を含む、請求項８に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置および車両に関し、特に、車両に搭載される半導体装置の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０００−５８７４６号公報（特許文献１）は、電気自動車に使用されるパワー素子モジュール内を冷却するモジュール内冷却装置を開示する。このモジュール内冷却装置は、半導体チップと、金属細線を介して半導体チップに接続される電極端子とを有するパワー素子モジュール内を冷却する。
【０００３】
このモジュール内冷却装置は、電極端子に取付けられ、かつ、他の部材との電気的接続を行なうバスバーに取付けられる放熱フィンを備える。そして、この放熱フィンによってバスバーを冷却することにより、パワー素子モジュール内が冷却される。このモジュール内冷却装置によれば、パワー素子モジュール内に封止された半導体チップを効果的に冷却することができる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−５８７４６号公報
【特許文献２】特開２００３−２０９２０７号公報
【特許文献３】特開平５−３１５７７９号公報
【特許文献４】特開平１１−１５４７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特開２０００−５８７４６号公報に開示されるモジュール内冷却装置では、モジュール内を効果的に冷却することはできても、パワーモジュール内の温度変動を積極的に抑制することはできない。パワーモジュール内の温度変動が大きいと、パワーモジュール内の各部品の熱膨張係数がそれぞれ異なることにより、温度変動に応じて、各部品を互いに接続する半田などの接合部材にストレスが繰返し加わる。そして、この繰返しのストレスにより接合部材が金属疲労を起こすと、接合部材が破損する。
【０００５】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、装置内の温度変動を抑制可能な半導体装置を提供することである。
【０００６】
また、この発明の別の目的は、装置内の温度変動を抑制可能な半導体装置を搭載した車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によれば、半導体装置は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に接続される伝熱性の導体配線と、導体配線に取付けられ、導体配線の冷却を制御する冷却制御手段と、パワー半導体素子の温度に関する情報または負荷に関する情報に基づいて、パワー半導体素子の温度変動を抑制するように冷却制御手段の冷却能力を制御する温度制御手段とを備える。
【０００８】
好ましくは、冷却制御手段は、ペルチェ効果を用いて導体配線を冷却する冷却素子を含み、冷却素子は、温度制御手段によって制御される電流が流されることにより導体配線の冷却を制御する。
【０００９】
好ましくは、温度に関する情報は、パワー半導体素子の素子温度またはパワー半導体素子を冷却する冷媒温度を含む。
【００１０】
また、好ましくは、負荷に関する情報は、車両の駆動力を発生するモータに接続される電力変換装置として当該半導体装置を搭載する車両が走行する走路の勾配情報を含む。
【００１１】
この発明による半導体装置においては、冷却制御手段は、パワー半導体素子に接続される伝熱性の導体配線の冷却を制御する。そして、温度制御手段は、パワー半導体素子の温度に関する情報または負荷に関する情報に基づいて冷却制御手段の冷却能力を制御することにより、導体配線およびパワー半導体素子の温度制御を行なう。
【００１２】
したがって、この発明による半導体装置によれば、装置内の温度変動を抑制することができる。その結果、温度変動に起因した半導体装置の故障率を低減することができる。
【００１３】
好ましくは、導体配線は、冷却制御手段の取付部分近傍に形成され、かつ、パワー半導体素子の近傍に配置されるように形成された冷却フィンを含む。
【００１４】
この半導体装置においては、冷却フィンは、パワー半導体素子の近傍に配置されるように形成されるので、冷却フィンがその周囲の雰囲気を冷却することによってパワー半導体素子が直接冷却される。したがって、この半導体装置によれば、パワー半導体素子の冷却性が向上する。
【００１５】
好ましくは、半導体装置は、パワー半導体素子に直流電力を供給するコンデンサをさらに備え、導体配線は、パワー半導体素子をコンデンサと接続する。
【００１６】
この半導体装置においては、導体配線は、パワー半導体素子よりも耐熱温度の低いコンデンサに接続されるところ、導体配線に取付けられる冷却制御手段は、パワー半導体素子からコンデンサへの伝熱を抑制する。
【００１７】
したがって、この半導体装置によれば、コンデンサを熱的に保護できる。また、導体配線を短くできるので、導体配線の配線インダクタンスを低減することができる。
【００１８】
また、この発明によれば、車両は、駆動輪に連結される交流モータと、直流電源と、直流電源からの直流電力を交流電力に変換し、その変換した交流電力を交流モータへ出力して交流モータを駆動する電力変換装置とを備え、電力変換装置は、電力変換を行なうためのパワー半導体素子と、パワー半導体素子に接続され、直流電力をパワー半導体素子に供給するための伝熱性の導体配線と、導体配線に取付けられ、導体配線の冷却を制御する冷却制御手段と、パワー半導体素子の温度に関する情報または負荷に関する情報に基づいて、パワー半導体素子の温度変動を抑制するように冷却制御手段の冷却能力を制御する温度制御手段とを含む。
【００１９】
この発明による車両においては、電力変換装置の冷却制御手段は、パワー半導体素子に接続される伝熱性の導体配線の冷却を制御する。そして、電力変換装置の温度制御手段は、パワー半導体素子の温度に関する情報または負荷に関する情報に基づいて冷却制御手段の冷却能力を制御することにより、導体配線およびパワー半導体素子の温度制御を行なう。
【００２０】
したがって、この発明による車両によれば、電力変換装置の温度変動を抑制することができる。その結果、温度変動に起因した電力変換装置の故障率が低減し、車両の信頼性が向上する。
【００２１】
好ましくは、車両は、負荷に関する情報を有するカーナビゲーションシステムをさらに備え、温度制御手段は、カーナビゲーションシステムの負荷に関する情報に基づいて電力変換装置の負荷を予測し、その予測した負荷に基づいて、パワー半導体素子の温度変動を抑制するように冷却制御手段の冷却能力を制御する。
【００２２】
好ましくは、負荷に関する情報は、走路の勾配情報を含む。
【００２３】
この車両においては、カーナビゲーションシステムの有する負荷に関する情報に基づいて電力変換装置の負荷が予測され、その予測負荷に基づいて冷却制御手段の冷却能力を制御することにより、導体配線およびパワー半導体素子の温度が事前に制御される。これにより、電力変換装置の温度上昇が抑制される。
【００２４】
したがって、この車両によれば、電力変換装置を構成する各部品の最小かつ最適設計が可能となり、その結果、車両を低コスト化できる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、導体配線およびパワー半導体素子の温度制御が積極的に行なわれるので、半導体装置の温度変動を抑制することができる。その結果、温度変動に起因した半導体装置の故障率を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２７】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による半導体装置を搭載した車両の一例として示されるハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）の構成を示す概略図である。
【００２８】
図１を参照して、ハイブリッド自動車１０は、バッテリ１２と、パワーコントロールユニット（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ、以下「ＰＣＵ」と称する。）１４と、動力出力装置１６と、ディファレンシャルギア（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｇｅａｒ、以下「ＤＧ」と称する。）１８と、前輪２０Ｒ，２０Ｌと、後輪２２Ｒ，２２Ｌと、フロントシート２４Ｒ，２４Ｌと、リアシート２６とを備える。
【００２９】
バッテリ１２は、たとえばリアシート２６の後方に配設される。ＰＣＵ１４は、たとえばフロントシート２４Ｒ，２４Ｌの下部に位置するフロア下領域に配設される。動力出力装置１６は、たとえばダッシュボード２８の前方のエンジンルームに配設される。そして、ＰＣＵ１４は、バッテリ１２および動力出力装置１６と電気的に接続される。動力出力装置１６は、ＤＧ１８と連結される。
【００３０】
直流電源であるバッテリ１２は、充放電可能な電池であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池からなる。そして、バッテリ１２は、直流電圧をＰＣＵ１４へ供給するとともに、ＰＣＵ１４からの直流電圧によって充電される。
【００３１】
ＰＣＵ１４は、バッテリ１２から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置１６に含まれるモータジェネレータ（図示せず）を駆動する。また、ＰＣＵ１４は、動力出力装置１６に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１２を充電する。
【００３２】
動力出力装置１６は、エンジン（図示せず）および／またはモータジェネレータにより動力を発生し、その発生した動力をＤＧ１８へ出力する。また、動力出力装置１６は、車両の回生制動時、前輪２０Ｒ，２０Ｌの回転力を用いて発電し、その発電した電力をＰＣＵ１４に供給する。さらに、動力出力装置１６は、エンジンの出力を用いて発電し、その発電した電力をＰＣＵ１４に供給する。
【００３３】
ＤＧ１８は、動力出力装置１６から受ける動力を前輪２０Ｒ，２０Ｌに伝達するとともに、前輪２０Ｒ，２０Ｌの回転力を動力出力装置１６に伝達する。
【００３４】
図２は、図１に示したＰＣＵ１４の主要部の構成を示す回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ１４は、昇圧コンバータ３０と、インバータ４０，５０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、制御装置６０と、温度検出装置７０，７２とを含む。
【００３５】
コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬとの間にバッテリ１２に並列に接続される。昇圧コンバータ３０は、リアクトルＬと、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列に接続される。そして、各パワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続される。
【００３６】
コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に接続される。インバータ４０は、Ｕ相アーム４２、Ｖ相アーム４４およびＷ相アーム４６を含む。Ｕ相アーム４２、Ｖ相アーム４４およびＷ相アーム４６は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。Ｕ相アーム４２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１１，Ｑ１２からなり、Ｖ相アーム４４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１３，Ｑ１４からなり、Ｗ相アーム４６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１５，Ｑ１６からなる。各パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ラインＵＬ１，ＶＬ１，ＷＬ１を介してモータジェネレータＭＧ１の各相コイルの中性点と反対側のコイル端にそれぞれ接続される。
【００３７】
インバータ５０も、インバータ４０と同様の構成からなり、Ｕ相アーム５２、Ｖ相アーム５４およびＷ相アーム５６を含む。Ｕ相アーム５２、Ｖ相アーム５４およびＷ相アーム５６は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ラインＵＬ２，ＶＬ２，ＷＬ２を介してモータジェネレータＭＧ２の各相コイルの中性点と反対側のコイル端にそれぞれ接続される。
【００３８】
モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、たとえば３相交流同期電動発電機からなり、図１に示した動力出力装置１６に含まれる。そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジンによって駆動される発電機として動作するものとしてこのハイブリッド自動車１０に組み込まれる。また、モータジェネレータＭＧ２は、ハイブリッド自動車１０の駆動輪を駆動する電動機としてハイブリッド自動車１０に組み込まれる。
【００３９】
すなわち、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン６２の出力を用いて３相交流電圧を発生し、その発生した３相交流電圧をインバータ４０へ出力する。また、モータジェネレータＭＧ１は、インバータ４０から受ける３相交流電圧によって駆動力を発生し、エンジン６２の始動も行なう。モータジェネレータＭＧ２は、インバータ５０から受ける３相交流電圧によってハイブリッド自動車１０の駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ２は、ハイブリッド自動車１０の回生制動時、３相交流電圧を発生してインバータ５０へ出力する。
【００４０】
昇圧コンバータ３０は、制御装置６０からの信号ＰＷＣに基づいて、パワートランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて流れる電流をリアクトルＬに磁場エネルギーとして蓄積することによってバッテリ１２からの直流電圧を昇圧する。そして、昇圧コンバータ３０は、その昇圧した昇圧電圧をパワートランジスタＱ２がオフされたタイミングに同期してダイオードＤ１を介して電源ラインＰＬ２へ出力する。また、昇圧コンバータ３０は、制御装置６０からの信号ＰＷＣに基づいて、電源ラインＰＬ２を介してインバータ４０および／または５０から受ける直流電圧をバッテリ１２の電圧レベルに降圧してバッテリ１２を充電する。
【００４１】
インバータ４０は、エンジン６２の始動時、制御装置６０からの信号ＰＷＭ１に基づいて、電源ラインＰＬ２から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ４０は、エンジン６２の始動後は、制御装置６０からの信号ＰＷＭ１に基づいて、モータジェネレータＭＧ１によって発電された交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源ラインＰＬ２へ出力する。
【００４２】
インバータ５０は、制御装置６０からの信号ＰＷＭ２に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２へ出力する。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、所望のトルクを発生して前輪２０Ｒ，２０Ｌを駆動する。また、インバータ５０は、車両の回生制動時、前輪２０Ｒ，２０Ｌの回転力を用いてモータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を制御装置６０からの信号ＰＷＭ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源ラインＰＬ２へ出力する。
【００４３】
コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬとの間の電圧変動を平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間の電圧変動を平滑化する。温度検出装置７０は、たとえば、インバータ４０のパワートランジスタＱ１１の近傍に配設され、パワートランジスタＱ１１の温度に応じて変化する電圧ＶＴ１を制御装置６０へ出力する。温度検出装置７２は、たとえば、インバータ５０のパワートランジスタＱ２１の近傍に配設され、パワートランジスタＱ２１の温度に応じて変化する電圧ＶＴ２を制御装置６０へ出力する。
【００４４】
制御装置６０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令値および回転数、ならびに昇圧コンバータ３０の入出力電圧に基づいて、昇圧コンバータ３０を駆動するための信号ＰＷＣを生成し、その生成した信号ＰＷＣを昇圧コンバータ３０へ出力する。なお、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転数は、図示されない回転センサによって検出され、昇圧コンバータ３０の入出力電圧は、図示されない電圧センサによって検出される。
【００４５】
また、制御装置６０は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値および電流、ならびにインバータ４０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧ１を駆動するための信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ４０へ出力する。さらに、制御装置６０は、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値および電流、ならびにインバータ５０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧ２を駆動するための信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭ２をインバータ５０へ出力する。なお、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の電流は、図示されない電流センサによって検出され、インバータ４０，５０の入力電圧は、昇圧コンバータ３０の出力電圧に相当する。
【００４６】
さらに、制御装置６０は、温度検出装置７０からの電圧ＶＴ１に基づいてパワートランジスタＱ１１の温度を算出し、その算出した温度に基づいて、インバータ４０をコンデンサＣ２と接続する電源ラインＰＬ２を構成するバスバーに取付けられた冷却素子（後述）に流す電流を制御する。また、さらに、制御装置６０は、温度検出装置７２からの電圧ＶＴ２に基づいてパワートランジスタＱ２１の温度を算出し、その算出した温度に基づいて、インバータ５０をコンデンサＣ２と接続する電源ラインＰＬ２を構成するバスバーに取付けられた冷却素子に流す電流を制御する。
【００４７】
図３は、図２に示した温度検出装置７０の構成を示す図である。なお、特に図示しないが、図２に示した温度検出装置７２の構成も、温度検出装置７０の構成と同じである。図３を参照して、温度検出装置７０は、ダイオードＤ３と、電圧センサ７４とからなる。ダイオードＤ３は、アノードが定電流源に接続され、カソードが接地される。電圧センサ７４は、ダイオードＤ３の両端の電圧ＶＴ１を検出し、その検出した電圧ＶＴ１を制御装置６０へ出力する。
【００４８】
この温度検出装置７０においては、温度に応じてダイオードＤ３の両端の電圧が変化するダイオードの電圧特性を利用して温度の検出を行なう。なお、電圧ＶＴ１から温度への変換は、制御装置６０において行なわれるものとするが、電圧ＶＴ１から温度への変換部を温度検出装置７０内に備えてもよい。
【００４９】
図４は、この発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す図である。この半導体装置は、図２に示した昇圧コンバータ３０、コンデンサＣ２およびインバータ４０，５０を構成する。なお、この図４では、インバータ４０のＵ相上アーム近傍の構造が代表的に示され、その他のアームの構造も同様である。
【００５０】
図４を参照して、この半導体装置１００は、パワートランジスタＱ１１と、ダイオードＤ１１と（図示せず）、接合部材１０２，１０４，１０８と、絶縁基板１０６と、放熱板１１０と、バスバー１１２と、コンデンサＣ２と、冷却素子１１４と、電流供給線１１８と、制御装置６０とを備える。
【００５１】
パワートランジスタＱ１１は、絶縁基板１０６上に搭載され、接合部材１０２によって絶縁基板１０６に固設される。絶縁基板１０６は、放熱板１１０上に搭載され、パワートランジスタＱ１１を放熱板１１０と絶縁する。そして、絶縁基板１０６は、接合部材１０８によって放熱板１１０に固設される。放熱板１１０は、図示されないヒートシンク上に搭載され、パワートランジスタＱ１１からの熱をヒートシンクに放熱する。
【００５２】
バスバー１１２は、熱伝導率の高い金属からなり、たとえば銅からなる。そして、バスバー１１２は、接合部材１０４によってパワートランジスタＱ１１に一端が接続され、コンデンサＣ２に他端が接続され、パワートランジスタＱ１１をコンデンサＣ２と電気的に接続する。つまり、このバスバー１１２は、図１における電源ラインＰＬ２に対応するものである。接合部材１０２，１０４，１０８は、たとえば半田などの合金からなり、隣接する２つの部品を互いに接合する。
【００５３】
冷却素子１１４は、ペルチェ効果を利用して物体を冷却する熱電変換素子であって、バスバー１１２に取付けられる。そして、冷却素子１１４は、制御装置６０から電流供給線１１８を介して受ける電流に比例した熱エネルギーをバスバー１１２から吸収することによってバスバー１１２を冷却する。
【００５４】
制御装置６０は、温度検出装置７０からの電圧ＶＴ１に基づいてパワートランジスタＱ１１の温度を算出し、その算出した温度に基づいて、パワートランジスタＱ１１の温度変動を抑制するように、電流供給線１１８を介して冷却素子１１４へ流す電流を制御する。具体的には、制御装置６０は、パワートランジスタＱ１１の温度が上昇したときは、冷却素子１１４へ流す電流を増加し、冷却素子１１４の冷却能力を高める。一方、パワートランジスタＱ１１の温度が低下したときは、制御装置６０は、冷却素子１１４へ流す電流を減少し、冷却素子１１４の冷却能力を抑制する。
【００５５】
この半導体装置１００においては、冷却素子１１４は、電流供給線１１８を介して制御装置６０から受ける電流に比例した冷却能力でバスバー１１２を冷却する。これにより、バスバー１１２を介してパワートランジスタＱ１１が冷却される。そして、制御装置６０は、電圧ＶＴ１に基づいて算出したパワートランジスタＱ１１の温度に基づいて、パワートランジスタＱ１１の温度変動を抑制するように冷却素子１１４の冷却能力を制御する。
【００５６】
図５，図６は、パワートランジスタＱ１１の温度変動の抑制効果を説明するための図である。図５は、パワー半導体素子の温度変動を示す図であり、図６は、パワー半導体素子の温度変動と故障に至る温度サイクル数との関係を示す図である。
【００５７】
図５を参照して、パワー半導体素子の素子温度Ｔは、負荷に応じて繰返し変動する。この温度の繰返し変化を、以下では「温度サイクル」と称する。また、パワー半導体素子の素子温度Ｔは、負荷量に応じて変化する。そして、パワー半導体素子の素子温度Ｔの変動幅（振れ量）をΔＴとする。
【００５８】
図６を参照して、パワー半導体素子の温度変動幅ΔＴが大きくなると、半導体装置の故障に至る温度サイクル数が低下する。すなわち、半導体装置の故障率が上昇する。これは、以下の理由による。パワー半導体素子が温度変動すると、半導体装置を構成する各部品の熱膨張係数がそれぞれ異なることにより、各部品を互いに接続する接合部材（半田など）にストレスが繰返し加わる。そして、このストレスの大きさは、温度変動幅ΔＴに依存し、温度変動幅ΔＴが大きいほどストレスも大きくなる。その結果、温度変動幅ΔＴが大きいほど、接合部材が破損（クラックの発生など）する確率は高くなる。反対に、温度変動幅ΔＴが小さいほど、接合部材が破損する確率は低くなり、その結果、半導体装置の故障率が低減する。
【００５９】
再び図４を参照して、この半導体装置１００においては、配線インダクタンスを極力低減するため、バスバー１１２の長さができるだけ短くなるように設計される。ここで、バスバー１１２の長さが短いと、バスバー１１２の放熱性が低下するため、パワートランジスタＱ１１からの伝熱によって、パワートランジスタＱ１１よりも耐熱温度の低いコンデンサＣ２が熱破壊するおそれがある。
【００６０】
しかしながら、この半導体装置１００においては、冷却素子１１４がバスバー１１２を冷却するので、コンデンサＣ２の耐熱温度を超えるようなコンデンサＣ２への伝熱が防止される。言い換えると、冷却素子１１４によってパワートランジスタＱ１１からコンデンサＣ２への伝熱が防止されるので、バスバー１１２の長さをさらに短くでき、その結果、配線インダクタンスをさらに低減することができる。
【００６１】
図７は、図４に示した制御装置６０による温度制御に関する機能ブロック図である。なお、以下では、電圧ＶＴ１に基づくパワートランジスタＱ１１の温度制御について代表的に説明するが、電圧ＶＴ２に基づくパワートランジスタＱ２１の温度制御についても同様である。図７を参照して、制御装置６０は、温度演算部１２２と、温度制御部１２４と、通電制御部１２６とを含む。
【００６２】
温度演算部１２２は、温度検出装置７０からの電圧ＶＴ１に基づいて、パワートランジスタＱ１１の温度を算出する。具体的には、温度検出装置７０に含まれるダイオードＤ３の両端の電圧が温度に応じて変化するダイオードの電圧特性を利用して、予め設定された電圧−温度変換マップなどを用いて電圧ＶＴ１からパワートランジスタＱ１１の温度を算出する。
【００６３】
温度制御部１２４は、温度演算部１２２からのパワートランジスタＱ１１の温度に基づいて、パワートランジスタＱ１１の温度を所定の目標温度に制御するようにフィードバック制御を行なう。具体的には、温度制御部１２４は、温度演算部１２２からのパワートランジスタＱ１１の温度と所定の目標温度との偏差に基づいて冷却素子１１４の通電量を決定し、その決定した通電量を通電制御部１２６へ出力する。
【００６４】
通電制御部１２６は、温度制御部１２４からの通電量に基づいて、電流供給線１１８を介して冷却素子１１４へ電流を供給する。
【００６５】
なお、図４に示した半導体装置１００の構成において、図８に示すように、バスバー１１２の冷却素子１１４が据付けられる部分の厚みを厚くしてもよい。この厚み領域１３２により、この部分でのバスバー１１２の熱容量が増大するので、冷却素子１１４による吸熱効率が向上する。また、この厚み領域１３２においては、断面積の増加により抵抗が小さくなるので、バスバー１１２からの発熱も抑制される。
【００６６】
図９は、この発明の実施の形態１による半導体装置の他の構成を示す図である。図９を参照して、この半導体装置１００Ａは、図４に示した半導体装置１００の構成において、バスバー１１２に代えてバスバー１１２Ａを備える。
【００６７】
バスバー１１２Ａは、冷却素子１１４と対向する側に形成され、かつ、パワートランジスタＱ１１の上方近傍に配置されるように形成される冷却フィン１３４を有する。この冷却フィン１３４は、バスバー１１２の放熱性を向上させる。また、冷却フィン１３４は、冷却素子１１４によって冷却されることによりその周囲の雰囲気を冷却する。そして、上述のように、冷却フィン１３４は、パワートランジスタＱ１１の上方近傍に配置されるように形成されているので、冷却フィン１３４によってその周囲の雰囲気が冷却されることにより、パワートランジスタＱ１１も冷却される。
【００６８】
以上のように、この実施の形態１によれば、パワートランジスタの温度に基づいて冷却素子１１４の冷却能力を制御することにより、パワートランジスタの温度を制御するようにしたので、半導体装置内の温度変動を抑制することができる。
【００６９】
また、冷却素子１１４は、パワートランジスタをコンデンサＣ２と接続するバスバー１１２に取付けられるので、パワートランジスタからコンデンサＣ２への伝熱が抑制される。したがって、コンデンサＣ２をパワートランジスタの熱から保護することができる。
【００７０】
［実施の形態２］
図１０は、この発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す図である。図１０を参照して、この半導体装置１００Ｂは、図４に示した実施の形態１による半導体装置１００の構成において、制御装置６０に代えて制御装置６０Ａを備える。
【００７１】
制御装置６０Ａと接続されるナビゲーションシステム１４２は、この半導体装置１００Ｂが搭載される図１に示したハイブリッド自動車１０に搭載される。そして、このナビゲーションシステム１４２は、ロードマップのほか、走路の勾配情報を含む種々の情報を有している。
【００７２】
制御装置６０Ａは、ナビゲーションシステム１４２の有する走路の勾配情報に基づいて、この半導体装置１００Ｂの将来的な負荷を予測し、その予測した負荷に基づいて、パワートランジスタＱ１１の温度変動を抑制するように、電流供給線１１８を介して冷却素子１１４へ流す電流を制御する。具体的には、制御装置６０Ａは、ナビゲーションシステム１４２からの勾配情報に基づいて半導体装置１００Ｂの負荷が上昇すると予測したときは、冷却素子１１４へ流す電流を増加し、冷却素子１１４の冷却能力を事前に高める。すなわち、制御装置６０Ａは、将来の負荷上昇によるパワートランジスタＱ１１の温度上昇に備えて、予め冷却素子１１４へ流す電流を増加してバスバー１１２およびパワートランジスタＱ１１を冷却しておく。一方、制御装置６０Ａは、半導体装置１００Ｂの負荷が低下すると予測したときは、冷却素子１１４へ流す電流を減少し、冷却素子１１４の冷却能力を抑制する。
【００７３】
この半導体装置１００Ｂにおいては、ナビゲーションシステム１４２からの勾配情報に基づいて予測した半導体装置１００Ｂの負荷に基づいて、パワートランジスタＱ１１の温度変動を抑制するように冷却素子１１４の冷却能力を制御する。これにより、パワートランジスタＱ１１の温度変動が抑制される。
【００７４】
図１１は、図１０に示した制御装置６０Ａによる温度制御に関する機能ブロック図である。図１１を参照して、制御装置６０Ａは、勾配情報入力部１４４と、負荷予測部１４６と、温度制御部１２４Ａと、通電制御部１２６とを含む。勾配情報入力部１４４は、ナビゲーションシステム１４２が有する各種情報の中からの勾配情報ＧＲＤを入力し、その勾配情報ＧＲＤを負荷予測部１４６へ出力する。
【００７５】
負荷予測部１４６は、勾配情報入力部１４４からの勾配情報ＧＲＤに基づいて、この半導体装置１００Ａの将来的な負荷を予測する。たとえば、負荷予測部１４６は、勾配情報ＧＲＤに基づいてこの後長い登り坂が続くと判断すると、今後、半導体装置１００Ａの負荷が大きく増大するものと予測する。
【００７６】
温度制御部１２４Ａは、負荷予測部１４６による予測負荷に基づいて、パワートランジスタＱ１１の温度を所定の目標温度に制御するようにフィードバック制御を行なう。具体的には、温度制御部１２４Ａは、負荷予測部１４６からの予測負荷に応じたパワートランジスタＱ１１の予測温度と所定の目標温度との偏差に基づいて冷却素子１１４の通電量を決定し、その決定した通電量を通電制御部１２６へ出力する。なお、通電制御部１２６については、図７で説明したとおりである。
【００７７】
図１２は、図１０に示した制御装置６０Ａによる温度制御時のパワートランジスタＱ１１の温度の変化を示す図である。図１２を参照して、実線は、制御装置６０Ａによる温度制御時のパワートランジスタＱ１１の温度の変化を示す。点線は、比較のために、パワートランジスタＱ１１を温度制御しない場合のパワートランジスタＱ１１の温度の変化を示す。
【００７８】
パワートランジスタＱ１１を温度制御しない場合（点線）、タイミングｔ２において負荷が上昇すると、それに応じてパワートランジスタＱ１１の温度が上昇する。
【００７９】
一方、制御装置６０Ａによる温度制御が行なわれる場合（実線）、タイミングｔ１において、制御装置６０Ａは、ナビゲーションシステム１４２からの勾配情報に基づいて半導体装置１００Ｂの負荷が上昇すると予測し、冷却素子１１４へ流す電流を増加する。これにより、パワートランジスタＱ１１の温度は低下し、パワートランジスタＱ１１は、将来の負荷上昇に備えて事前に冷却される。
【００８０】
そして、タイミングｔ２において負荷が上昇すると、それに応じてパワートランジスタＱ１１の温度は上昇し始めるが、冷却素子１１４の冷却能力も高められているので、パワートランジスタＱ１１の温度上昇が抑制され、パワートランジスタＱ１１の温度変動（温度上昇）は抑制される。
【００８１】
図１３は、この実施の形態２における制御装置の温度制御に関する他の機能ブロック図である。図１３を参照して、この制御装置６０Ｂは、温度演算部１２２と、温度制御部１２４Ｂと、通電制御部１２６と、勾配情報入力部１４４と、負荷予測部１４６とを含む。
【００８２】
温度制御部１２４Ｂは、温度演算部１２２からパワートランジスタＱ１１の温度を受け、負荷予測部１４６からこの半導体装置１００Ａの予測負荷を受ける。そして、温度制御部１２４Ｂは、負荷予測部１４６からの予測負荷に対応したパワートランジスタＱ１１の温度変化が発生すると、パワートランジスタＱ１１の温度を所定の目標温度に制御するようにフィードバック制御を行なう。
【００８３】
図１４は、図１３に示した制御装置６０Ｂによる温度制御時のパワートランジスタＱ１１の温度の変化を示す図である。図１４を参照して、実線は、制御装置６０Ｂによる温度制御時のパワートランジスタＱ１１の温度の変化を示す。点線は、比較のために、パワートランジスタＱ１１を温度制御しない場合のパワートランジスタＱ１１の温度の変化を示す。
【００８４】
パワートランジスタＱ１１を温度制御しない場合（点線）、タイミングｔ１において負荷が上昇すると、それに応じてパワートランジスタＱ１１の温度が上昇する。
【００８５】
一方、制御装置６０Ｂによる温度制御が行なわれる場合（実線）、制御装置６０Ｂは、ナビゲーションシステム１４２からの勾配情報に基づいて半導体装置１００Ｂの負荷が上昇すると予測しており、タイミングｔ２において、その予測負荷に対応したパワートランジスタＱ１１の温度上昇が生じたと判断すると、冷却素子１１４へ流す電流を増加する。これにより、パワートランジスタＱ１１の温度上昇が抑制され、パワートランジスタＱ１１の温度変動は抑制される。
【００８６】
以上のように、この実施の形態２によれば、カーナビゲーションシステム１４２の有する勾配情報を用いて半導体装置の負荷を予測する。そして、その予測負荷に基づいて冷却素子１１４の冷却能力を制御することにより、パワートランジスタの温度を制御するようにしたので、半導体装置内の温度変動を抑制することができる。
【００８７】
［実施の形態３］
図１５は、この発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す図である。図１５を参照して、この半導体装置１００Ｃは、図４に示した半導体装置１００の構成において、バスバー１１２に代えてバスバー１１２Ｂを備え、封止材１５４をさらに備える。
【００８８】
バスバー１１２Ｂは、パワートランジスタＱ１１の上部においてコの字型に形成され、そのコの字型に形成された部分の上部に冷却素子１１４が配設される。バスバー１１２Ｂの冷却素子１１４に対向する側には、下方（パワートランジスタＱ１１に向かう方向）に向かって延びる冷却フィン１５２が形成される。封止材１５４は、たとえばシリコンゲルからなり、パワートランジスタＱ１１および絶縁基板１０６を封止する。そして、バスバー１１２Ｂの冷却フィン１５２は、封止材１５４に挿入されている。
【００８９】
なお、上記において、制御装置６０に代えて制御装置６０Ａ，６０Ｂを備えてもよい。
【００９０】
この半導体装置１１０Ｃによれば、冷却素子１１４は、バスバー１１２Ｂを冷却するとともに、冷却フィン１５２を介して封止材１５４も冷却する。したがって、パワートランジスタＱ１１の冷却性が向上する。
【００９１】
なお、上記の各実施の形態１〜３において、温度検出装置７０，７２は、ダイオードの電圧特性を利用して温度検出するものとしたが、サーミスタなどの温度センサを用いて直接温度検出してもよい。また、素子温度に代えて半導体装置の冷却水温の温度を用いて、パワートランジスタの温度制御を行なってもよい。
【００９２】
また、上記においては、バッテリ１２は、充放電可能な二次電池としたが、燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であってもよい。そして、上記においては、半導体装置は、ハイブリッド自動車１０に搭載されるものとしたが、この発明の適用範囲は、ハイブリッド自動車に搭載される半導体装置に限定されるものではなく、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）や燃料電池車に搭載されるものであってもよい。
【００９３】
なお、上記において、バスバー１１２，１１２Ａ，１１２Ｂの各々は、この発明における「導体配線」に対応し、冷却素子１１４は、この発明における「冷却制御手段」に対応する。また、制御装置６０，６０Ａ，６０Ｂの各々は、この発明における「温度制御手段」に対応し、半導体装置１００，１００Ａ〜１００Ｃの各々は、この発明における「電力変換装置」に対応する。さらに、モータジェネレータＭＧ２は、この発明における「交流モータ」に対応し、バッテリ１２は、この発明における「直流電源」に対応する。
【００９４】
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、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置を搭載した車両の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。
【図３】図２に示す温度検出装置の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による半導体装置の構成を示す図である。
【図５】パワー半導体素子の温度変動を示す図である。
【図６】パワー半導体素子の温度変動と故障に至る温度サイクル数との関係を示す図である。
【図７】図４に示す制御装置による温度制御に関する機能ブロック図である。
【図８】バスバーの他の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態１による半導体装置の他の構成を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による半導体装置の構成を示す図である。
【図１１】図１０に示す制御装置による温度制御に関する機能ブロック図である。
【図１２】図１０に示す制御装置による温度制御時のパワートランジスタの温度の変化を示す図である。
【図１３】この実施の形態２における制御装置の温度制御に関する他の機能ブロック図である。
【図１４】図１３に示す制御装置による温度制御時のパワートランジスタの温度の変化を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態３による半導体装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０  ハイブリッド自動車、１２  バッテリ、１４  ＰＣＵ、１６  動力出力装置、１８  ＤＧ、２０Ｒ，２０Ｌ  前輪、２２Ｒ，２２Ｌ  後輪、２４Ｒ，２４Ｌ  フロントシート、２６  リアシート、２８  ダッシュボード、３０  昇圧コンバータ、４０，５０  インバータ、４２，５２  Ｕ相アーム、４４，５４  Ｖ相アーム、４６，５６  Ｗ相アーム、６０，６０Ａ，６０Ｂ  制御装置、６２  エンジン、７０，７２  温度検出装置、７４  電圧センサ、１００，１００Ａ〜１００Ｃ  半導体装置、１０２，１０４，１０８  接合部材、１０６  絶縁基板、１１０  放熱板、１１２，１１２Ａ，１１２Ｂ  バスバー、１１４  冷却素子、１１８  電流供給線、１２２  温度演算部、１２４，１２４Ａ，１２４Ｂ  温度制御部、１２６  通電制御部、１３２  厚み領域、１３４，１５２  冷却フィン、１４２  ナビゲーションシステム、１４４  勾配情報入力部、１４６  負荷予測部、１５４  封止材、Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ、ＰＬ１，ＰＬ２  電源ライン、ＳＬ  接地ライン、Ｌ  リアクトル、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６  パワートランジスタ、Ｄ１〜Ｄ３，Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６  ダイオード、ＵＬ１，ＶＬ１，ＷＬ１，ＵＬ２，ＶＬ２，ＷＬ２  出力ライン、ＭＧ１，ＭＧ２  モータジェネレータ。
【図１】
2006287112.tif 000003
【図２】
2006287112.tif 000004
【図３】
2006287112.tif 000005
【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】
2006287112.tif 000011
【図１０】
2006287112.tif 000012
【図１１】
2006287112.tif 000013
【図１２】
2006287112.tif 000014
【図１３】
2006287112.tif 000015
【図１４】
2006287112.tif 000016
【図１５】
2006287112.tif 000017