(57)【要約】【課題】  半導体スタックの構成を有する半導体装置において、パワー半導体素子の冷却性を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】  昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０を形成する複数の半導体モジュールは、冷却器６１〜６８と交互に積層される。積層方向に隣接する半導体モジュールは、パワー半導体素子の発熱中心が対向しないように、交互にずらして配設される。冷却器６１〜６８を接続する接続部材７１〜７７は、半導体モジュールをずらして積層したことにより発生する空きスペースに配設される。そして、各半導体モジュールは、発熱量の多いインバータ３０、インバータ２０および昇圧コンバータ１０の順に冷却系統の上流側から配設される。【選択図】        図２
2006210605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の冷却器と交互に積層される両面冷却型の複数の半導体モジュールを備え、
前記複数の半導体モジュールは、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面方向に互いにずれるように積層される、半導体装置。
【請求項２】
前記複数の半導体モジュールは、前記積層方向に隣接する半導体モジュールが前記積層方向の略垂直方向に互いにずらされて積層される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記積層方向に隣接する冷却器間にそれぞれ設けられ、前記隣接する冷却器の一方から他方へ冷媒を通流する複数の接続部材をさらに備え、
前記複数の接続部材は、前記積層方向に隣接する冷却器間に配設される半導体モジュールの非配置領域にそれぞれ配設される、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記複数の半導体モジュールは、前記積層方向に整列して積層され、
前記複数の半導体モジュールにそれぞれ含まれる複数の半導体素子は、対応する半導体モジュール内において、前記積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子に対して前記積層方向の略垂直方向にずらされて配設される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記複数の冷却器は、冷却系統において直列に接続され、
前記冷却系統において下流に配設される半導体モジュールに含まれる半導体素子は、耐熱性を有する半導体素子からなる、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】
前記耐熱性を有する半導体素子は、シリコンカーバイド素子または窒化ガリウム素子からなる、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
モータに接続される第１のインバータと、
発電機に接続される第２のインバータとを備え、
前記第１および第２のインバータの各々は、両面冷却型の半導体モジュールを少なくとも１つ含み、
前記第１および第２のインバータに含まれる複数の半導体モジュールは、複数の冷却器と交互に積層され、かつ、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面方向に互いにずれるように積層される、負荷駆動装置。
【請求項８】
前記複数の冷却器は、冷却系統において直列に接続され、
前記第１のインバータに対応する半導体モジュールは、前記第２のインバータに対応する半導体モジュールよりも前記冷却系統において上流に配設される、請求項７に記載の負荷駆動装置。
【請求項９】
直流電源から直流電圧を受け、前記直流電圧を昇圧して前記第１および第２のインバータに供給するコンバータをさらに備え、
前記コンバータは、前記両面冷却型の半導体モジュールを少なくとも１つ含み、
前記第１および第２のインバータならびに前記コンバータに含まれる複数の半導体モジュールは、前記複数の冷却器と交互に積層され、かつ、前記積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面方向に互いにずれるように積層される、請求項７に記載の負荷駆動装置。
【請求項１０】
前記複数の冷却器は、冷却系統において直列に接続され、
前記第１のインバータに対応する半導体モジュールは、前記第２のインバータおよび前記コンバータに対応する半導体モジュールよりも前記冷却系統において上流に配設され、
前記コンバータに対応する半導体モジュールは、前記第２のインバータに対応する半導体モジュールよりも前記冷却系統において下流に配設される、請求項９に記載の負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置および負荷駆動装置に関し、特に、両面冷却型の半導体モジュールが複数積層された半導体装置および負荷駆動装置の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、ハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）および電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きく注目されており、ハイブリッド自動車は、既に実用化されている。
【０００３】
ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。すなわち、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換された交流電圧によりモータを回転させることによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。
【０００４】
ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両システムにおいては、インバータやコンバータなどの負荷駆動装置（半導体装置）において多数のパワー半導体素子が用いられる。そして、レイアウト面積や効率的な冷却性などの観点から、一般に、多数のパワー半導体素子は、冷却器と交互に積層され、インバータやコンバータなどの負荷駆動装置（半導体装置）が形成される（以下では、このような構成を「半導体スタック」と称する。）。
【０００５】
たとえば、特開平９−２６０５８５号公報では、冷却性能の高い両面冷却型のパワー半導体素子が冷却器と交互に複数個直列に積層された半導体スタックの構成が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−２６０５８５号公報
【特許文献２】特開２００１−３０８２４５号公報
【特許文献３】特開２００２−３１４２８１号公報
【特許文献４】特開２００１−１３３１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開平９−２６０５８５号公報に開示された半導体スタックでは、冷却体を挟んで隣接するパワー半導体素子が積層方向に沿って同一線上に配設されているため、その隣接するパワー半導体素子間で熱干渉が発生し、パワー半導体素子が十分に冷却されないという問題がある。
【０００７】
また、上述したように、特に車両システムにおいては、車両に搭載される各装置の小型化が強く要求され、インバータやコンバータなどの負荷駆動装置（半導体装置）の小型化も強く要求されるところ、半導体スタックの構成を有する負荷駆動装置（半導体装置）についても、さらなる小型化が求められている。
【０００８】
さらに、半導体スタックの構成を有する半導体装置においては、冷却体とパワー半導体素子との熱交換率が高く、冷媒路下流における冷媒温度は、冷媒路上流における冷媒温度よりも相当高くなる。一方、半導体スタックに含まれる複数のパワー半導体素子の通電量やスイッチング速度は、パワー半導体素子の機能ごとに異なり、その機能ごとに発熱量および要求される冷却性が異なる。そして、このような冷媒の温度差およびパワー半導体素子の機能ごとに要求される冷却性を考慮して冷媒路におけるパワー半導体素子の配置を設計することにより、パワー半導体素子をより効率的に冷却することが可能となる。
【０００９】
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、半導体スタックの構成を有する半導体装置および負荷駆動装置において、パワー半導体素子の冷却性を向上させた半導体装置および負荷駆動装置を提供することである。
【００１０】
また、この発明の別の目的は、半導体スタックの構成を有する半導体装置および負荷駆動装置において、さらなる装置の小型化を図った半導体装置および負荷駆動装置を提供することである。
【００１１】
また、この発明の別の目的は、半導体スタックの構成を有する半導体装置および負荷駆動装置において、冷媒路における冷媒の温度差およびパワー半導体素子の機能ごとに要求される冷却性を考慮してパワー半導体素子を効率的に冷却可能な半導体装置および負荷駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明によれば、半導体装置は、複数の冷却器と交互に積層される両面冷却型の複数の半導体モジュールを備え、複数の半導体モジュールは、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面方向に互いにずれるように積層される。
【００１３】
好ましくは、複数の半導体モジュールは、積層方向に隣接する半導体モジュールが積層方向の略垂直方向に互いにずらされて積層される。
【００１４】
この発明による半導体装置においては、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面に投影した位置で互いにずれるように積層される。これにより、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子間に発生する熱干渉が緩和され、半導体素子の温度上昇が抑制される。したがって、この半導体装置によれば、半導体スタックの構成を有する半導体装置における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、積層方向に隣接する冷却器間にそれぞれ設けられ、かつ、隣接する冷却器の一方から他方へ冷媒を通流する複数の接続部材をさらに備え、複数の接続部材は、積層方向に隣接する冷却器間に配設される半導体モジュールの非配置領域にそれぞれ配設される。
【００１６】
この半導体装置においては、隣接する冷却器をそれぞれ接続する複数の接続部材を配設するに際し、積層方向に隣接する冷却器間の空きスペースが有効利用される。したがって、この半導体装置によれば、半導体装置の体積増加が抑えられ、半導体装置の小型化に寄与することができる。
【００１７】
好ましくは、複数の半導体モジュールは、積層方向に整列して積層され、複数の半導体モジュールにそれぞれ含まれる複数の半導体素子は、対応する半導体モジュール内において、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子に対して積層方向の略垂直方向にずらされて配設される。
【００１８】
この半導体装置においては、複数の半導体モジュールが積層方向に整列して積層されるので、半導体装置の体積増加が無い。したがって、この半導体装置によれば、半導体装置の小型化を阻害することはない。
【００１９】
好ましくは、複数の冷却器は、冷却系統において直列に接続され、冷却系統において下流に配設される半導体モジュールに含まれる半導体素子は、耐熱性を有する半導体素子からなる。
【００２０】
さらに好ましくは、耐熱性を有する半導体素子は、シリコンカーバイドまたは窒化ガリウムからなる。
【００２１】
この半導体装置においては、冷却系統において複数の冷却器が直列に接続されているために冷却系統の下流で冷媒が高温になるところ、冷却系統の下流には、耐熱性を有する半導体素子を含む半導体モジュールが配設されるので、冷却系統の下流に配設される半導体モジュールの冷却性を確保するために冷却系統の能力を増大させる必要はない。したがって、この半導体装置によれば、冷却系統の大型化を防止できる。
【００２２】
また、この発明によれば、負荷駆動装置は、モータに接続される第１のインバータと、発電機に接続される第２のインバータとを備え、第１および第２のインバータの各々は、両面冷却型の半導体モジュールを少なくとも１つ含み、第１および第２のインバータに含まれる複数の半導体モジュールは、複数の冷却器と交互に積層され、かつ、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面方向に互いにずれるように積層される。
【００２３】
好ましくは、負荷駆動装置は、直流電源から直流電圧を受け、直流電圧を昇圧して第１および第２のインバータに供給するコンバータをさらに備え、コンバータは、両面冷却型の半導体モジュールを少なくとも１つ含み、第１および第２のインバータならびにコンバータに含まれる複数の半導体モジュールは、複数の冷却器と交互に積層され、かつ、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面方向に互いにずれるように積層される。
【００２４】
この発明による負荷駆動装置においては、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子の発熱中心が積層面に投影した位置で互いにずれるように積層される。これにより、積層方向に隣接する半導体モジュールの半導体素子間に発生する熱干渉が緩和され、半導体素子の温度上昇が抑制される。したがって、この負荷駆動装置によれば、半導体スタックの構成を有する負荷駆動装置における半導体素子の冷却性が向上する。
【００２５】
好ましくは、複数の冷却器は、冷却系統において直列に接続され、第１のインバータに対応する半導体モジュールは、第２のインバータに対応する半導体モジュールよりも冷却系統において上流に配設される。
【００２６】
さらに好ましくは、複数の冷却器は、冷却系統において直列に接続され、第１のインバータに対応する半導体モジュールは、第２のインバータおよびコンバータに対応する半導体モジュールよりも冷却系統において上流に配設され、コンバータに対応する半導体モジュールは、第２のインバータに対応する半導体モジュールよりも冷却系統において下流に配設される。
【００２７】
この負荷駆動装置においては、発熱量の多い順に冷却系統の上流側から半導体モジュールが配設される。したがって、この負荷駆動装置によれば、冷媒路における冷媒の温度差および半導体素子の機能ごとに要求される冷却性を考慮して半導体素子を効率的に冷却することができる。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、半導体スタックの構成を有する半導体装置および負荷駆動装置において、パワー半導体素子の冷却性を向上させることができる。
【００２９】
また、この発明によれば、半導体スタックの構成を有する半導体装置および負荷駆動装置において、さらなる装置の小型化を図ることができる。
【００３０】
また、この発明によれば、半導体スタックの構成を有する半導体装置および負荷駆動装置において、冷媒路における冷媒の温度差およびパワー半導体素子の機能ごとに要求される冷却性を考慮してパワー半導体素子を効率的に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
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。
【００３２】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による半導体装置の一例として示される負荷駆動装置の概略ブロック図である。図１を参照して、この負荷駆動装置１００は、バッテリＢと、昇圧コンバータ１０と、インバータ２０，３０と、制御装置４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１，ＰＬ２と、接地ラインＳＬと、Ｕ相ラインＵＬ１，ＵＬ２と、Ｖ相ラインＶＬ１，ＶＬ２と、Ｗ相ラインＷＬ１，ＷＬ２とを備える。
【００３３】
この負荷駆動装置１００は、ハイブリッド自動車に搭載される。そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン５２によって駆動される発電機として動作するものとしてハイブリッド自動車に組み込まれ、モータジェネレータＭＧ２は、ハイブリッド自動車の駆動輪５４を駆動する電動機としてハイブリッド自動車に組み込まれる。
【００３４】
モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、回転電機であり、たとえば、３相交流同期電動発電機からなる。そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン５２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２０へ出力する。また、モータジェネレータＭＧ１は、インバータ２０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５２の始動も行なう。モータジェネレータＭＧ２は、インバータ３０から受ける３相交流電圧によって車両の駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ２は、車両の回生制動時、３相交流電圧を発生してインバータ３０へ出力する。
【００３５】
直流電源であるバッテリＢ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。バッテリＢは、発生した直流電圧を昇圧コンバータ１０へ出力し、また、昇圧コンバータ１０から出力される直流電圧によって充電される。
【００３６】
昇圧コンバータ１０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、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。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、制御装置４０からの信号ＰＷＣをベースに受ける。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。
【００３７】
インバータ２０は、Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６を含む。Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６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２２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２４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２６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は、たとえばＩＧＢＴ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、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ライン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。
【００３８】
インバータ３０は、Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４およびＷ相アーム３６を含む。Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４およびＷ相アーム３６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３２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２１，Ｑ２２からなり、Ｖ相アーム３４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２３，Ｑ２４からなり、Ｗ相アーム３６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２５，Ｑ２６からなる。各パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６も、たとえばＩＧＢＴからなる。各パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６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Ｄ２１〜Ｄ２６がそれぞれ接続される。そして、インバータ３０においても、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ライン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。
【００３９】
そして、昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０は、昇圧コンバータ１０の上下各アームおよびインバータ２０，３０のＵ，Ｖ，Ｗ各相アームの上下各アームごとにモジュール化され、それらが積層されて半導体スタックが形成される。この昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０からなる半導体スタックの構造については、後ほど詳しく説明する。
【００４０】
コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬとの間に接続され、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との間に接続され、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。
【００４１】
昇圧コンバータ１０は、バッテリＢから電源ラインＰＬ１を介して供給される直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２へ出力する。より具体的には、昇圧コンバータ１０は、制御装置４０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Ｂからの直流電圧を昇圧し、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１０は、制御装置４０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２０および／または３０から受ける直流電圧をバッテリＢの電圧レベルに降圧してバッテリＢを充電する。
【００４２】
インバータ２０は、エンジン５２からの出力を受けてモータジェネレータＭＧ１が発電した３相交流電圧を制御装置４０からの信号ＰＷＭ１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。また、インバータ２０は、制御装置４０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。これにより、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値によって指定されたトルクを発生するように駆動される。
【００４３】
インバータ３０は、制御装置４０からの信号ＰＷＭ２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ＭＧ２を駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、トルク指令値によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３０は、負荷駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、駆動輪５４からの回転力を受けてモータジェネレータＭＧ２が発電した３相交流電圧を制御装置４０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。
【００４４】
制御装置４０は、外部に設けられる図示されないＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）から出力されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令値およびモータ回転数、バッテリＢのバッテリ電圧、ならびに電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間の電圧に基づいて、昇圧コンバータ１０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１０へ出力する。
【００４５】
また、制御装置４０は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間の電圧、ならびにモータジェネレータＭＧ１のモータ電流およびトルク指令値に基づいて、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２０へ出力する。さらに、制御装置４０は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間の電圧、ならびにモータジェネレータＭＧ２のモータ電流およびトルク指令値に基づいて、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３０へ出力する。
【００４６】
図２は、図１に示した昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０からなる半導体スタックの冷却構造を説明するための図である。図２を参照して、この半導体スタックは、昇圧コンバータ１０の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールと、インバータ２０のＵ，Ｖ，Ｗ各相アームの上下各アームにそれぞれ対応する６つの半導体モジュールと、インバータ３０のＵ，Ｖ，Ｗ各相アームの上下各アームにそれぞれ対応する６つの半導体モジュールと、冷却器６１〜６８と、接続部材７１〜７７と、入水口８１と、出水口８２とを含む。
【００４７】
上記の各半導体モジュールは、冷却器によって両面から冷却される両面冷却型の半導体モジュールである。そして、昇圧コンバータ１０の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールは、冷却器６７，６８間に併設される。インバータ２０のＵ相アーム２２の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールは、冷却器６４，６５間に併設される。インバータ２０のＶ相アーム２４の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールは、冷却器６５，６６間に併設される。インバータ２０のＷ相アーム２６の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールは、冷却器６６，６７間に併設される。
【００４８】
また、インバータ３０のＵ相アーム３２の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールは、冷却器６１，６２間に併設される。インバータ３０のＶ相アーム３４の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールは、冷却器６２，６３間に併設される。インバータ３０のＷ相アーム３６の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールは、冷却器６３，６４間に併設される。
【００４９】
すなわち、この半導体スタックにおいては、併設される２つの半導体モジュールからなるモジュール群と冷却器とが複数交互に積層される。
【００５０】
図３は、図２に示した半導体モジュール３０．１の構造を示す断面図である。なお、図２に示した各半導体モジュールの構造は同じであり、この図３では、インバータ３０のＵ相上アームに対応する半導体モジュール３０．１の構造が代表的に示される。
【００５１】
図３を参照して、この半導体モジュール３０．１は、パワートランジスタＱ２１と、図示されないダイオードＤ２１と、電極１０２，１０４と、絶縁板１０６，１０８と、モールド樹脂１１０とからなる。なお、ダイオードＤ２１は、この断面から見てパワートランジスタＱ２１の背後に配設されている。
【００５２】
パワートランジスタＱ２１は、この断面から見て電極１０２，１０４の略中央部に配設される。電極１０２，１０４は、パワートランジスタＱ２１を両側から挟み込むように配設される。この電極１０２，１０４は、高伝熱性の導体からなり、たとえば銅からなる。これにより、電極１０２，１０４は、パワートランジスタＱ２１からの熱を冷却器（図示せず、以下同じ。）へ伝熱するヒートシンクとしても機能する。
【００５３】
絶縁板１０６，１０８は、電極１０２，１０４を冷却器と絶縁するために設けられる。モールド樹脂１１０は、パワートランジスタＱ２１、電極１０２，１０４、および絶縁板１０６，１０８を固定封止する。
【００５４】
再び図２を参照して、この半導体スタックにおいては、各々が併設された２つの半導体モジュールからなる複数のモジュール群が千鳥配列状（ジグザグ状）に積層される。具体的には、複数のモジュール群は、交互に半導体モジュールの略半分だけ冷却器に沿って同一方向にずらされて積層される。
【００５５】
これにより、各半導体モジュールのパワー半導体素子（パワートランジスタおよびダイオード）の発熱中心は、冷却器を挟んで積層方向に隣接するモジュール群のパワー半導体素子（パワートランジスタおよびダイオード）の発熱中心と積層面に投影した位置で互いにずれるように配設され、冷却器を挟んで積層方向に隣接する半導体モジュールのパワー半導体素子間における熱干渉が緩和される。
【００５６】
冷却器６１〜６８は、内部に冷却水が流され、昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０を形成する複数の半導体モジュールを両面から冷却する。
【００５７】
接続部材７１〜７７は、冷却器６１〜６８の間にそれぞれ配設され、上流側の冷却器から下流側の冷却器へ冷却水を流す。ここで、接続部材７１〜７７は、複数のモジュール群が千鳥配列状（ジグザグ状）に積層されることにより発生する空きスペースに配設される。具体的には、接続部材７２，７４，７６は、積層方向に対して入水口８１側に発生する冷却器間の空きスペースに配設され、接続部材７１，７３，７５，７７は、積層方向に対して出水口８２側に発生する冷却器間の空きスペースに配設される。
【００５８】
これにより、積層方向に隣接する半導体モジュールのパワー半導体素子間における熱干渉を緩和するために半導体モジュールを千鳥配列状（ジグザグ状）に積層したことにより発生した空きスペースが有効利用され、半導体スタックの体積増加が防止される。
【００５９】
この半導体スタックにおいては、冷却器６１〜６８は、接続部材７１〜７７によって直列に接続されており、冷却器６１〜６８を通流する冷却水の温度は、上流側に配設された半導体モジュールからの熱により下流側で高い。したがって、上流側に配設される冷却器に対して下流側に配設される冷却器の冷却効率が低下する。一方、各半導体モジュールにおけるパワー半導体素子の通電量やスイッチング速度は、昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０間で異なり、昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０にそれぞれ対応する半導体モジュール間で発熱量および要求される冷却性は異なる。
【００６０】
そこで、この半導体スタックにおいては、上流と下流とにおける冷却水の温度差、ならびに昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０にそれぞれ対応する半導体モジュール間で異なる発熱量および要求される冷却性を考慮して、インバータ３０に対応する半導体モジュールが冷却系統の最上流に配設され、インバータ２０に対応する半導体モジュールがインバータ３０に対応する半導体モジュールの下流側に配設され、昇圧コンバータ１０に対応する半導体モジュールが冷却系統の最下流に配設される。
【００６１】
このような配置構成とするのは、車両の駆動輪５４に連結されるモータジェネレータＭＧ２を駆動するインバータ３０の発熱量は、エンジン５２に連結されるモータジェネレータＭＧ１を駆動するインバータ２０および昇圧コンバータ１０の発熱量よりも多く、また、インバータ２０，３０に比べて動作頻度の低い昇圧コンバータ１０の発熱量は、インバータ２０，３０の発熱量よりも少ないので、発熱量の多いインバータ３０、インバータ２０および昇圧コンバータ１０の順に上流から配設し、半導体スタックを効率的に冷却するためである。
【００６２】
なお、上述のように、上流側に配設される冷却器に対して下流側に配設される冷却器の冷却効率は低下するところ、下流に配設される半導体モジュールのパワー半導体素子（パワートランジスタおよびダイオード）に高耐熱性の半導体素子を用いてもよい。たとえば、上流に配設される半導体モジュールに含まれるパワー半導体素子には、シリコン（Ｓｉ）素子を用い、下流に配設される半導体モジュールのパワー半導体素子には、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系の素子を用いてもよい。
【００６３】
そして、下流に配設される半導体モジュールのパワー半導体素子に高耐熱性の素子を用いた場合には、発熱量の多いインバータ３０、インバータ２０および昇圧コンバータ１０の順に上流から配設しなくてもよい。
【００６４】
以上のように、この実施の形態１によれば、両面冷却型の複数の半導体モジュールが千鳥配列状（ジグザグ状）に積層されるので、積層方向に隣接する半導体モジュールのパワー半導体素子間における熱干渉が緩和される。したがって、パワー半導体素子の温度上昇が抑制され、パワー半導体素子の冷却性が向上する。また、パワー半導体素子の冷却性が向上することにより、冷却系統を小型化することができる。
【００６５】
また、接続部材７１〜７７は、両面冷却型の複数の半導体モジュールが千鳥配列状（ジグザグ状）に積層されることにより発生する空きスペースにそれぞれ配設されるので、隣接する冷却器間に発生する空きスペースが有効利用される。したがって、半導体スタックの体積増加が抑えられ、負荷駆動装置１００の小型化設計に寄与することができる。
【００６６】
さらに、発熱量の多いインバータ３０、インバータ２０およびコンバータ１０の順に冷却系統の上流側から配設したので、パワー半導体素子を効率的に冷却することができる。
【００６７】
また、さらに、下流に配設される半導体モジュールのパワー半導体素子に高耐熱性の素子を用いた場合には、冷却系統の下流に配設される半導体モジュールの冷却性を確保するために冷却系統の能力を増大させる必要はない。したがって、冷却系統の大型化を防止することができる。
【００６８】
［実施の形態２］
図４は、この発明の実施の形態２による負荷駆動装置における半導体スタックの冷却構造を説明するための図である。なお、実施の形態２による負荷駆動装置の回路構成は、図１に示した負荷駆動装置１００の回路構成と同じである。
【００６９】
図４を参照して、この実施の形態２における半導体スタックは、昇圧コンバータ１０の上下各アームにそれぞれ対応する２つの半導体モジュールと、インバータ２０のＵ，Ｖ，Ｗ各相アームの上下各アームにそれぞれ対応する６つの半導体モジュールと、インバータ３０のＵ，Ｖ，Ｗ各相アームの上下各アームにそれぞれ対応する６つの半導体モジュールと、冷却器６１〜６８と、複数の接続部材９０と、入水口８１と、出水口８３とを含む。
【００７０】
この実施の形態２においては、上記の各半導体モジュールは、２列に整列して積層される。そして、冷却器６１，６２間、冷却器６３，６４間、冷却器６５，６６間、および冷却器６７，６８間に挟み込まれる各半導体モジュールは、冷却器６２，６３間、冷却器６４，６５間、および冷却器６６，６７間に挟み込まれる各半導体モジュールとパワー半導体素子（パワートランジスタおよびダイオード）の配置が異なる。
【００７１】
図５は、図４に示した半導体モジュール３０．１Ａの構造を示す断面図である。なお、冷却器６１，６２間、冷却器６３，６４間、冷却器６５，６６間、および冷却器６７，６８間に挟み込まれる各半導体モジュールの構造は同じであり、この図５では、インバータ３０のＵ相上アームに対応する半導体モジュール３０．１Ａの構造が代表的に示される。
【００７２】
図５を参照して、この半導体モジュール３０．１Ａは、図３に示した半導体モジュール３０．１とパワー半導体素子の配置構成が異なる。具体的には、パワートランジスタＱ２１は、この断面から見て電極１０２，１０４の略中央部から第１の側（紙面左方向）にずれた位置に配設される。なお、この断面から見てパワートランジスタＱ２１の背後に配設される図示されないダイオードＤ２１についても同様である。
【００７３】
図６は、図４に示した半導体モジュール３０．３Ａの構造を示す断面図である。なお、冷却器６２，６３間、冷却器６４，６５間、および冷却器６６，６７間に挟み込まれる各半導体モジュールの構造は同じであり、この図６では、インバータ３０のＶ相上アームに対応する半導体モジュール３０．３Ａの構造が代表的に示される。
【００７４】
図６を参照して、この半導体モジュール３０．３Ａは、図５に示した半導体モジュール３０．１Ａとパワー半導体素子の配置構成が異なる。具体的には、パワートランジスタＱ２３は、この断面から見て電極１０２，１０４の略中央部から第１の側と反対側の第２の側（紙面右方向）にずれた位置に配設される。なお、この断面から見てパワートランジスタＱ２３の背後に配設される図示されないダイオードＤ２３についても同様である。
【００７５】
再び図４を参照して、この半導体スタックにおいては、半導体モジュールは、２列に整列して積層されているが、各半導体モジュールのパワー半導体素子（パワートランジスタおよびダイオード）は、半導体モジュールの積層方向に対して千鳥配列状（ジグザグ状）に配設される。
【００７６】
これにより、各半導体モジュールのパワー半導体素子（パワートランジスタおよびダイオード）の発熱中心は、冷却器を挟んで隣接する半導体モジュールのパワー半導体素子（パワートランジスタおよびダイオード）の発熱中心と積層面に投影した面で互いにずれるように配設され、積層方向に隣接する半導体モジュールのパワー半導体素子間における熱干渉が緩和される。
【００７７】
複数の接続部材９０は、冷却器６１〜６８の間であって、かつ、冷却器６１〜６８の両端部にそれぞれ配設される。そして、この半導体スタックにおいては、入水口８１から供給される冷却水は、冷却器６１〜６８へ並列に流され、出水口８３から外部へ排出される。
【００７８】
以上のように、この実施の形態２によれば、両面冷却型の複数の半導体モジュールにそれぞれ含まれる複数のパワー半導体素子が半導体モジュールの積層方向に対して千鳥配列状（ジグザグ状）に配設されるので、積層方向に隣接する半導体モジュールのパワー半導体素子間における熱干渉が緩和される。したがって、パワー半導体素子の温度上昇が抑制され、パワー半導体素子の冷却性が向上する。
【００７９】
そして、半導体モジュール自体は、整列して積層されるので、半導体スタックの体積増加が無い。したがって、負荷駆動装置の小型化に大きく寄与することができる。
【００８０】
［実施の形態３］
実施の形態１，２では、図２，図４で示される平面（ｘ−ｙ平面とする。）内においてパワー半導体素子が千鳥配列状（ジグザグ状）に配設されたが、この実施の形態３では、ｘ−ｙ平面の法線方向（ｚ方向とする。）に半導体モジュールが交互にずらされることにより、パワー半導体素子が千鳥配列状（ジグザグ状）に配設される。
【００８１】
図７は、この発明の実施の形態３における半導体モジュールの配置構成を説明するための図である。なお、この図７では、半導体モジュールの積層方向に隣接する、インバータ３０のＵ相上アームに対応する半導体モジュール３０．１とインバータ３０のＶ相上アームに対応する半導体モジュール３０．３との相対的な位置関係が代表的に示され、半導体モジュール３０．１，３０．３をその積層方向から見たときの相対的な位置関係が示されている。
【００８２】
図７を参照して、半導体モジュール３０．１，３０．３の各々の構成は、図３に示した半導体モジュールの構成と同じである。電極１３２，１３４は、それぞれ半導体モジュール３０．１，３０．３の電極である。そして、半導体モジュール３０．３は、半導体モジュール３０．１に対してｚ方向にずらされて積層され、半導体モジュール３０．３に含まれるパワー半導体素子（パワートランジスタＱ２３およびダイオードＤ２３）は、半導体モジュール３０．１に含まれるパワー半導体素子（パワートランジスタＱ２１およびダイオードＤ２１）と積層面に投影した位置で互いにずれるように配設される。
【００８３】
なお、特に図示しないが、半導体モジュールの積層方向に隣接するその他の半導体モジュール間の相対的な位置関係についても同様である。
【００８４】
以上のように、この実施の形態３によっても、積層方向に隣接する半導体モジュールのパワー半導体素子間における熱干渉が緩和される。したがって、パワー半導体素子の温度上昇が抑制され、パワー半導体素子の冷却性が向上する。
【００８５】
なお、上記の各実施の形態１〜３においては、昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０における上下各アームごとにモジュール化するものとしたが、対応する上下アームを１つのモジュールで構成するようにしてもよい。
【００８６】
また、上記の各実施の形態１〜３においては、半導体スタックは、昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０を含むものとしたが、インバータ２０，３０だけで半導体スタックを形成してもよく、また、昇圧コンバータ１０およびインバータ２０，３０ごとに半導体スタックを形成してもよい。
【００８７】
なお、上記において、昇圧コンバータ１０は、この発明における「コンバータ」に対応する。また、インバータ２０は、この発明における「第２のインバータ」に対応し、インバータ３０は、この発明における「第１のインバータ」に対応する。
【００８８】
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】
【００８９】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置の一例として示される負荷駆動装置の概略ブロック図である。
【図２】図１に示す昇圧コンバータおよびインバータからなる半導体スタックの冷却構造を説明するための図である。
【図３】図２に示す半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２による負荷駆動装置における半導体スタックの冷却構造を説明するための図である。
【図５】図４に示す半導体モジュール３０．１Ａの構造を示す断面図である。
【図６】図４に示す半導体モジュール３０．３Ａの構造を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３における半導体モジュールの配置構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０  昇圧コンバータ、２０，３０  インバータ、２２，３２  Ｕ相アーム、２４，３４  Ｖ相アーム、２６，３６  Ｗ相アーム、３０．１，３０．１Ａ，３０．３，３０．３Ａ  半導体モジュール、４０  制御装置、５２  エンジン、５４  駆動輪、６１〜６８  冷却器、７１〜７７，９０  接続部材、８１  入水口、８２，８３  出水口、１００  負荷駆動装置、１０２，１０４，１３２，１３４  電極、１０６，１０８  絶縁板、１１０  モールド樹脂、Ｂ  バッテリ、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、ＭＧ１，ＭＧ２  モータジェネレータ、ＵＬ１，ＵＬ２  Ｕ相ライン、ＶＬ１，ＶＬ２  Ｖ相ライン、ＷＬ１，ＷＬ２  Ｗ相ライン、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６  パワートランジスタ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６  ダイオード。
【図１】
2006210605.tif 000003
【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】
2006210605.tif 000008
【図７】
2006210605.tif 000009