(57)【要約】【課題】バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供する。【解決手段】  パワー半導体ユニット１は、パワー半導体素子２、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３、パワー半導体素子２への給電のためのバスバー４、及び冷却器８を備える。バスバー４は、導電部１０と、導電部１０を支持する樹脂製の基台１１とを有する。バスバー４の冷却天板９には、上面９ａから立設されると共に導電部１０の直下位置まで延在する突起部１２が設けられている。これらの突起部１２は、内部に冷媒を流通させるために中空状に加工されている。【選択図】  図１
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【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給電するバスバーとを備えたパワー半導体ユニットにおいて、
前記バスバーは、前記パワー半導体素子への給電のための導電部と前記導電部を支持する基台とを有し、
前記基台には、冷媒を流通させる冷媒流路が設けられていることを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項２】
前記冷媒は、ジェット噴流を形成することを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体ユニットに関し、特に電気自動車やハイブリッド車等の車両に用いられるパワー半導体ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に用いられるパワー半導体ユニットとして、特開２００９−１３５２７８号公報に記載されるように、パワー半導体素子が実装された絶縁基板と、パワー半導体素子にボンディングワイヤによって電気的に接続されるバスバーと、絶縁基板を搭載する冷却器とを有するものが知られている。そして、パワー半導体素子と冷却器とを一体に構成することにより、パワー半導体素子からの熱を効率良く冷却器に伝達し、ユニット全体を冷却することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高直流電圧を車両のモータに印加して出力効率を高める場合、パワー半導体素子の発熱量が大きくなり、ボンディングワイヤからバスバーに伝達する熱量が増加してバスバーの温度が上昇するので、上述のパワー半導体ユニットの冷却構造では対応し難く、ユニットの冷却性能を高める必要がある。
【０００５】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るパワー半導体ユニットは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に給電するバスバーとを備えたパワー半導体ユニットにおいて、バスバーは、パワー半導体素子への給電のための導電部と導電部を支持する基台とを有し、基台には、冷媒を流通させる冷媒流路が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るパワー半導体ユニットでは、バスバーの導電部を支持する基台に冷媒を流通させる冷媒流路が設けられているので、冷媒を利用しバスバーの熱を吸収してバスバーを直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット全体の温度上昇を抑制することができる。
【０００８】
本発明に係るパワー半導体ユニットにおいて、冷媒は、ジェット噴流を形成することが好適である。この場合にあっては、ジェット噴流冷媒を用いることによりバスバーの熱を効率良く吸収することができ、バスバーの温度上昇を抑えることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係るパワー半導体ユニットの断面図である。
【図２】３相インバータを示す電気回路図である。
【図３】バスバーの変形例を示す部分破断斜視図である。
【図４】バスバーの変形例を示す部分破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
図１は実施形態に係るパワー半導体ユニットの断面図である。図１に示すように、パワー半導体ユニット１は、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３と、パワー半導体素子２に給電するバスバー４と、パワー半導体素子２、絶縁基板３及びバスバー４を冷却する冷却器８とを備えている。パワー半導体素子２は、例えばインバータ回路を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子やダイオード等である。
【００１３】
図２は、３相インバータを示す電気回路図である。図２に示すように、インバータの回路は、三相インバータブリッジによって構成されている。すなわち、このインバータの回路は、直列に接続された２つのＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２からなる組（ブリッジ）が３組並列に接続されて成り、ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のコレクタが正電圧側の直流電源ラインＰと接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ１２のエミッタが負電圧側の直流電源ラインＮと接続されている。ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｑ１２のコレクタとの接続点は、モータ（図示せず）の電源入力端子と接続されている。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２と並列に、ダイオードＤ１１，Ｄ１２が逆方向接続されている。
【００１４】
図１に示すように、パワー半導体素子２の表面側に位置するエミッタ２ａはボンディングワイヤ６によってバスバー４に電気的に接続されており、その裏面側に位置するコレクタ２ｂが半田層５によって絶縁基板３に固定されている。絶縁基板３は、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板であり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる上部金属層３ａと、絶縁体である窒化アルミニウム層３ｂと、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる下部金属層３ｃとを積層した構造を有している。上部金属層３ａは、半田層５を介してパワー半導体素子２のコレクタ２ｂに電気的に接続されている。下部金属層３ｃは、ロウ付けで冷却器８と接合されている。
【００１５】
冷却器８は、略平板状に形成された冷却天板９を有している。冷却天板９の上面９ａには、絶縁基板３とバスバー４とがそれぞれ搭載されている。冷却器８は、熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの材料により構成されている。冷却器８の内部には、冷媒が充填されており、その冷媒は矢印方向に沿って流れている。
【００１６】
バスバー４は、パワー半導体素子２への給電のための導電部１０と、導電部１０を支持する基台１１とを備えている。基台１１は、バスバー４のハウジングを構成しており、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂材料から形成されている。導電部１０は、電気伝導性の高いアルミニウムや銅等の材料により形成され、基台１１と共にインサート成型されている。なお、導電部１０は、ボンディングワイヤ６，７を介してパワー半導体素子２のエミッタ２ａとコレクタ２ｂとそれぞれ電気的に接続されている。
【００１７】
基台１１の内部には、冷媒を流通させる冷媒流路１３が設けられている。具体的には、バスバー４の冷却天板９には、その上面９ａから立設した複数の突起部１２が設けられている。突起部１２は、冷却天板９と一体的に形成され、内部に冷媒を流通させるために中空状に加工されている。これらの突起部１２は、基台１１の内部に入り込み、導電部１０の直下位置まで延在している。なお、突起部１２は、導電部１０におけるボンディングワイヤ６，７との接合箇所の直下位置まで延びるのが好適である。このようにすれば、接合箇所を直接冷却することができる。
【００１８】
突起部１２の上端は、導電部１０と接触せず、導電部１０から所定の絶縁距離をもって離れている。突起部１２の内部が中空状であるため、冷媒が流れる冷媒流路１３が形成される。各冷媒流路１３には、冷媒が流入し、導電部１０の熱を吸収する。なお、冷媒はジェット噴流を形成することが好ましい。
【００１９】
このように構成されたパワー半導体ユニット１では、パワー半導体素子２が発生する熱量が、半田層５と絶縁基板３とを経由して冷却器８に伝わる。冷却器８は、その伝熱を吸収してパワー半導体素子２及び絶縁基板３を冷却する。また、パワー半導体素子２が発生する熱量の一部が、ボンディングワイヤ６，７を経由してバスバー４に伝わり、バスバー４が発生する熱量と共に、冷媒流路１３を流れる冷媒によって効率良く吸収される。これによって、パワー半導体素子２及びバスバー４は効率良く冷却される。なお、バスバー４の断面積は、溶断電流によって決まるため発熱温度が上昇するほど大きくなる。
【００２０】
本実施形態に係るパワー半導体ユニット１では、基台１１の内部に冷媒を流通させる冷媒流路１３が設けられているので、冷媒を利用しバスバー４の熱を吸収してバスバー４を直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット１全体の温度上昇を抑制することができる。このため、バスバー４の薄型化が可能となり、パワー半導体ユニット１の小型化を図ることができる。また、冷媒がジェット噴流を形成するので、バスバー４の熱を効率良く吸収することができる。
【００２１】
また、このように冷媒を利用してバスバー４を直接冷却しユニット全体の温度上昇を抑制することで、素子高温化に対応することが可能となる。すなわち、例えばパワー半導体素子２をＳｉ素子（ジャンクション温度１５０℃）からＳｉＣ素子（ジャンクション温度２５０℃）に切り替えた場合、ボンディングワイヤ６，７を経由してバスバー４に伝熱される熱量によってバスバー４の温度上昇が高くなるが、冷媒を利用してその伝熱を効率良く吸収してバスバー４を冷却することができるため、パワー半導体ユニット１全体の温度上昇を防止することが可能となる。
【００２２】
また、従来ではハウジング樹脂（例えばＰＰＳの場合）の耐熱温度が２００℃を超えた場合、その下に配置された冷却器を利用して冷却が必要であるが、本実施形態に係るパワー半導体ユニット１では、ハウジングを構成した基台１１の下に配置されている冷却器８のみならず、バスバー４の内部を流れる冷媒を利用してバスバー４の内部から熱を吸収することができるので、基台１１を効率良く冷却し、ハウジング樹脂の信頼性の低下を防止することが可能となる。
【００２３】
更に、ボンディングワイヤ６及び７を含む配線の接合寿命は、パワー半導体素子２のパワーサイクルに起因している。本実施形態に係るパワー半導体ユニット１では、冷媒を利用しバスバー４の熱を吸収してバスバー４を直接冷却するので、配線とバスバー４の温度上昇を抑制することができ、接合寿命を延ばすことが可能となる。また、バスバー４の温度上昇を抑制することで、基台１１の樹脂界面の剥離の発生を防止することができる。その結果、パワー半導体ユニット１の信頼性を高めることができる。
【００２４】
以下、図３及び図４を参照してバスバーの変形例を説明する。
【００２５】
図３に示す変形例では、冷媒を流通させるための冷媒流路１５が、突起部１２によって形成されておらず、基台１１の内部に直接形成されている。具体的には、バスバー１４がそれぞれ平板状に形成された導電部１０と基台１１とを有する。導電部１０及び基台１１は、冷却天板９の上面９ａに搭載されている。そして、冷却天板９と基台１１には、複数の溝（冷媒流路）１５が所定の間隔をもって配置されている。
【００２６】
これらの溝１５は、断面円形状に形成され、冷却天板９及び基台１１の厚さ方向に沿って延在している。これらの溝１５は、冷却天板９を貫通し、更に基台１１の内部に入り込み、基台１１を貫通せずに基台１１の上面１１ａよりも下方の位置まで延びている。そして、これらの溝１５には、冷媒が流入し、バスバー４の熱を吸収してバスバー４を冷却する。なお、冷媒はジェット噴流を形成することが好ましい。
【００２７】
図４に示す変形例では、冷媒を流通させるための冷媒流路１７が、突起部１２によって形成されておらず、基台１１の内部に直接形成されている。具体的には、バスバー１６がそれぞれ平板状に形成された導電部１０と基台１１とを有する。導電部１０及び基台１１は、冷却天板９の上面９ａに搭載されている。そして、冷却天板９、基台１１及び導電部１０には、複数の溝（冷媒流路）１７が所定の間隔をもって配置されている。
【００２８】
これらの溝１７は、断面円形状に形成され、冷却天板９及び基台１１の厚さ方向に沿って延在している。これらの溝１７は、冷却天板９及び基台１１を貫通し、更に導電部１０の内部に入り込み、導電部１０を貫通せずに導電部１０の上面１０ａよりも下方の位置まで延びている。そして、これらの溝１７には、冷媒が流入し、バスバー４の熱を吸収してバスバー４を冷却する。なお、冷媒はジェット噴流を形成することが好ましい。
【００２９】
本発明に係るパワー半導体ユニットは、上記の実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明にパワー半導体ユニットは、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係るパワー半導体ユニットを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。例えば、上記の実施形態において、配線の接合方法として、ワイヤーボンドを用いたが、テープボンドやダイレクトリードボンドを用いてもよい。また、冷媒を流通させる冷媒流路として、溝のほか、穴などの流路を設けてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１…パワー半導体ユニット、２…パワー半導体素子、４，１４，１６…バスバー、１０…導電部、１１…基台、１３…冷媒流路、１５，１７…溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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