(57)【要約】【課題】パワー半導体素子の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子の動作時の損失を低減する。【解決手段】半導体装置１０ａは、ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子３と、熱電素子３の一端に熱的に接続されているパワー半導体素子１と、熱電素子３のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子と、
前記熱電素子の一端に熱的に接続されているパワー半導体素子と、
前記熱電素子のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記熱電素子の他端と前記パワー半導体素子の各々が同一の冷却器に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記熱電素子と前記パワー半導体素子が前記冷却器の同一冷却面上に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記熱電素子と前記パワー半導体素子との距離が前記パワー半導体素子と前記冷却器との距離より長いことを特徴とする請求項３の半導体装置。
【請求項５】
パワー半導体素子の一方の表面に電気的に接続された電極を介して、パワー半導体素子は前記熱電素子の一端に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記電極は前記パワー半導体素子の内部を通る主電流を通電することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記パワー半導体素子から前記冷却器までの熱伝導経路に配置されたヒートスプレッダ又は電気的絶縁シートの少なくとも一方を更に備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記パワー半導体素子の損失を推定し、推定した前記損失が基準値よりも大きくなった場合に前記ゼーベック効果から前記ペルチェ効果に切り替えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記パワー半導体素子の損失を推定し、推定した前記損失が大きいほど、前記ペルチェ効果の能力を大きくすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記ゼーベック効果により回収した電力を蓄積するバッテリを更に備え、
前記制御部は、前記ペルチェ効果を使用する時に、前記バッテリに蓄積された電力を前記熱電素子の一端と他端の間に印可する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、パワー半導体素子とパワー半導体素子の一方の電極面に金属板を介して設置されたペルチェモジュールと、パワー半導体素子の前記電極面とは別の電極面に回路基板を介して設置されたペルチェモジュールとを具備するパワー半導体モジュールが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０１４５４７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、特許文献１のペルチェモジュールは、熱電素子のペルチェ効果を使用している。よって、故障などによりペルチェ効果が使えない時、或いはペルチェ効果を使わない時、ペルチェモジュールは、パワー半導体素子から冷却器までの抜熱経路上に熱抵抗部材として存在するため、パワー半導体素子の抜熱性能を阻害してしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、パワー半導体素子の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子の動作時の損失を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係わる半導体装置は、ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子と、熱電素子に熱的に接続されているパワー半導体素子と、熱電素子のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、パワー半導体素子の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子の動作時の損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態に係わる半導体装置１０ａの構成を示す断面図である。
【図２】図２は、制御部４による切り替え制御の動作領域の一例を示すグラフである。
【図３】図３は、第２実施形態に係わる半導体装置１０ｂの構成を示す断面図である。
【図４】図４は、第３実施形態に係わる半導体装置１０ｃの構成を示す断面図である。
【図５】図５は、第４実施形態及び第５実施形態に係わる半導体装置１０を含むシステム全体の構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、第４実施形態に係わる制御部４による切り替え制御の動作領域を示すグラフである。
【図７】図７は、第５実施形態に係わる制御部４による切り替え制御の動作領域を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１０】
（第１実施形態）
［半導体装置１０ａの構成］
図１を参照して、第１実施形態に係わる半導体装置１０ａの構成を説明する。半導体装置１０ａは、ペルチェ効果及びゼーベック効果を有する熱電素子３と、熱電素子３の一端に熱的に接続されているパワー半導体素子１と、熱電素子３のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替え制御する制御部４とを備える。
【００１１】
熱電素子３は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果、及びゼーベック効果と逆に、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するペルチェ効果を使用可能な素子である。熱電素子３は、ゼーベック効果及びペルチェ効果のみならず、その他の熱電効果を有していても構わない。熱電素子３の内部の構造は、特に問わず、既知の構造を採用可能である。例えば、２種類の異種な金属または半導体の両端を接続したものが含まれる。「熱電素子３の一端」とは、２種類の異種な金属または半導体の両端の一方の端部を示し、「熱電素子３の他端」とは、２種類の異種な金属または半導体の両端の他方の端部を示す。
【００１２】
また、ゼーベック効果を使用可能なゼーベック素子及びペルチェ効果を使用可能なペルチェ素子を個別に用意して、ゼーベック素子とペルチェ素子とを並列に接続したモジュールとして熱電素子３を構成してもよい。
【００１３】
パワー半導体素子１（電力用半導体素子）は、アナログ半導体に属する電力制御用の半導体素子あり、パワーデバイスとも呼ばれる。主に、整流ダイオード、パワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(ＩＧＢＴ)、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ））、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ(ＧＴＯ)、トライアックなどが含まれる。パワー半導体素子１には、半導体素子単体のみならず、これらの複数の素子を１つのパッケージに収めたパワーモジュールや、これらの素子に、制御回路、駆動回路、保護回路を追加してモジュール化したインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）も含まれる。パワー半導体素子１は、通電又は駆動によって損失が発生する発熱部材である。パワー半導体素子１は、インバータやコンバータ等の電力変換装置を構成する回路素子として利用される。
【００１４】
パワー半導体素子１の一方の表面（「上面」と呼ぶ）には、少なくとも２つの電極（５、６）が電気的に接続されている。電極（５、６）は互いに電気的に絶縁されている。電極（５、６）の各々は、パワー半導体素子１の内部を流れる主電流が流れる主電極である。例えば、電極５を流れる電流がパワー半導体素子１に流入し、パワー半導体素子１の内部を流れた後に、電極６から流出する。パワー半導体素子１がダイオード或いはトランジスタであれば、電極（５、６）は、主に、アノード電極、カソード電極、ソース電極、ドレイン電極、エミッター電極、コレクター電極が含まれる。
【００１５】
電極５は、「熱電素子３の一端」の一例としての熱電素子３の上面に、直接、熱的に接している。電極５は、パワー半導体素子１の上面にも、直接、熱的に接している。よって、パワー半導体素子１の一方の表面（上面）に電気的に接続された電極５を介して、パワー半導体素子１は熱電素子３の一端（上面）に熱的に接続されている。ここでは、電極５が熱電素子３の上面に、直接、接している場合を示すが、電極５が熱電素子３の上面に、間接的に接していてもよい。例えば、電極５と熱電素子３の上面との間に熱伝導性を有する絶縁部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）が介在しても構わない。電極５に高電圧が印可されても、熱電素子３を高電圧から保護することができる。なお、電極５のみならず、電極６も同様に、熱電素子３の一端（上面）に熱的に接続されていてもよい。熱電素子３の上面とパワー半導体素子１との間の熱抵抗が低減される。パワー半導体素子１に発生する熱は、電極５を介して、熱電素子３の上面に伝達される。
【００１６】
制御部４は、熱電素子３のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替える。具体的には、ペルチェ効果による熱輸送機能と、ゼーベック効果による発電機能とを切り替える。よって、例えば故障によってペルチェ効果を使えない時又は意図的に使わない時であっても、熱電素子３のゼーベック効果を使用することができる。これにより、パワー半導体素子１の損失により発生する熱エネルギーを回収することができる。
【００１７】
第１実施形態に係わる半導体装置１０ａにおいて、「熱電素子３の他端」の一例としての熱電素子３の下面とパワー半導体素子１の他方の表面（「下面」と呼ぶ）の各々が同一の冷却器２に熱的に接続されている。よって、パワー半導体素子１及び熱電素子３の各上面の間は電極５を介して熱的に接続され、パワー半導体素子１及び熱電素子３の各下面の間は同一の冷却器２に熱的に接続されている。これにより、パワー半導体素子１（発熱部品）で発生した熱の冷却器２までの抜熱経路として、熱電素子３を経由する「上面側経路」と、熱電素子３を経由しない「下面側経路」とを並列させることができる。特許文献１のパワー半導体モジュールと比較して、新たに下面側経路が設けられたことにより、熱電素子３のペルチェ効果が使えない時、或いはペルチェ効果を使わない時、熱電素子３が熱抵抗部材としてパワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱経路を阻害することが無くなる。
【００１８】
なお、図１には、パワー半導体素子１及び熱電素子３の各下面が、冷却器２に、直接、接続されている例を示す。しかし、これに限らず、パワー半導体素子１の下面と冷却器２の間、及び熱電素子３の下面と冷却器２の間の少なくとも一方に、熱伝導性を有する絶縁部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）が介在しても構わない。
【００１９】
熱電素子３とパワー半導体素子１が冷却器２の同一冷却面上に熱的に接続されている。これにより、熱電素子３とパワー半導体素子１が異なる冷却面に接続される場合と比較して、半導体装置１０ａの実装容積が減少する。また、電極５の長さも短くなるため、熱電素子３の上面とパワー半導体素子１の上面との間の熱抵抗も低減される。
【００２０】
冷却器２は、パワー半導体素子１で発生した熱を半導体装置１０ａの外部へ放出する機械部品（ヒートシンク、放熱器、ラジエータを含む）であり、既知の冷却方式、既知の機械構造、既知の材質を用いて実現可能である。
【００２１】
なお、図１では、熱電素子３の下面とパワー半導体素子１の下面の各々が同一の冷却器２に直接、接している場合を示す。パワー半導体素子１が、全ての電極がパワー半導体素子１の上面に形成された横型構造を有する場合に有効な実施例である。しかし、後述するように、パワー半導体素子１の下面と冷却器２とが、熱伝導性を有する部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）を介して間接的に熱的に接してもいても構わない。これにより、一部の電極がパワー半導体素子１の下面にも形成される縦型構造を有するパワー半導体素子１に対しても、実施形態を適用することができる。
【００２２】
実施形態に係わる半導体装置１０ａは、ゼーベック効果により回収した熱エネルギー（電力）を蓄積するバッテリ１６を更に備える。制御部４は、バッテリ１６に蓄積した電力を用いて、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用することができる。
【００２３】
[半導体装置１０ａの動作]
パワー半導体素子１で発生する熱の一部は、下面側経路により冷却器２に伝わる。一方、残りの一部は、上面側経路により熱電素子３の上面に伝達する。熱電素子３の下面は冷却器２に接続されている。よって、パワー半導体素子１で発生する熱によって、熱電素子３の上面と下面の間に温度差が生じる。制御部４は、ゼーベック効果を使用している時、前記した温度差によって発生する起電力を回収する。具体的な回収動作は、特に問わない。例えば、ソーラーパネルを用いた太陽光発電で一般的に使用されている制御装置であって、出力を最大化できる最適な電流×電圧の値（最大電力点あるいは最適動作点）を自動で求めることができる最大電力点追従制御装置（ＭＰＰＴ）を利用すればよい。
【００２４】
制御部４は、回収した電力（熱エネルギー）をバッテリ１６に蓄積する。
【００２５】
一方、制御部４は、ペルチェ効果を使用している時、熱電素子３の上面と下面の間に電力を印可して、熱電素子３内の熱を上面側から下面側へ輸送する。換言すれば、制御部４は、熱電素子３に電力を供給することにより、熱電素子３の上面を冷却し、熱電素子３の下面を加熱する。これにより、上面側経路により熱電素子３の上面に到達するパワー半導体素子１の熱を効率よく熱電素子３の下面まで伝達することができる。つまり、上面側経路の熱抵抗が低減され、パワー半導体素子１の抜熱性能が向上する。
【００２６】
なお、制御部４は、バッテリ１６に蓄積した電力を用いて、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用することができる。つまり、バッテリ１６に蓄積した電力を用いて、熱電素子３の上面と下面の間に電力を印可してもよい。パワー半導体素子１の熱抵抗を低減する際の回収エネルギー（電力）の有効利用が可能となる。
【００２７】
[切り替え制御]
制御部４は、パワー半導体素子１の損失に応じて、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。具体的には、制御部４は、パワー半導体素子１の損失を推定し、推定した損失が基準値よりも大きくなった場合にゼーベック効果からペルチェ効果に切り替える。
【００２８】
パワー半導体素子１の損失は、例えば、パワー半導体素子１から出力される電力［Ｗ］（以後、「電力［Ｗ］」と略す。）、パワー半導体素子１を流れる電流［Ａ］（以後、「電流［Ａ］」と略す。）、パワー半導体素子１に印可される電圧［Ｖ］（以後、「電圧［Ｖ］」と略す。）、パワー半導体素子１の温度[Ｔ]、或いは、パワー半導体素子１の上面と下面との温度差から推定することができる。制御部４は、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、電力［Ｗ］、温度［Ｔ］、温度差［ΔＴ］が大きいほど、パワー半導体素子１の大きな損失を推定する。
【００２９】
半導体装置１０ａは、電流［Ａ］を測定する電流計、電圧［Ｖ］を測定する電圧計を備える。制御部４は、測定された電流［Ａ］及び電圧［Ｖ］から電力［Ｗ］を算出する。半導体装置１０ａは、パワー半導体素子１の上面及び下面の温度［Ｔ］を測定する温度センサを備える。制御部４は、測定された上面及び下面の温度から前記した温度差［ΔＴ］を算出する。
【００３０】
制御部４は、図２に示す動作領域にしたがって、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。図２に示す動作領域は、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、及び電圧［Ｖ］のいずれか１つと、温度［Ｔ］又は温度差［ΔＴ］のいずれか一方とによって定義される領域である。電力［Ｗ］、電流［Ａ］及び電圧［Ｖ］のいずれか１つと、温度［Ｔ］、或いは温度差［ΔＴ］とが図２に示す発電機能（ゼーベック効果）の領域に位置する場合、パワー半導体素子１の損失が基準値以下であると判断して、制御部４は、ゼーベック効果による発電機能を使用する。
【００３１】
一方、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、及び電圧［Ｖ］のいずれか１つと、温度[Ｔ]又は温度差［ΔＴ］とが図２に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域に位置する場合、パワー半導体素子１の損失が基準値よりも大きいと判断して、制御部４は、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用する。
【００３２】
また、図２に示す電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、及び温度差［ΔＴ］の代わりに、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、及び温度差［ΔＴ］の単位時間当たりの変化量（時間微分値）を適用しても構わない。これらの時間微分値が基準値よりも大きい場合、パワー半導体素子１で発生する損失及び熱が多くなることが予測される。よって、制御部４は、予め、ゼーベック効果からペルチェ効果に切り替えてもよい。更に、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、又は温度差［ΔＴ］の時間積分値を用いても構わない。
【００３３】
更に、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくする。つまり、制御部４は、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、又は温度差［ΔＴ］、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、熱電素子３の上面と下面の間に印可する電力を大きくする。図２に示すペルチェ効果の領域において、電力［Ｗ］、電流［Ａ］、電圧［Ｖ］、温度[Ｔ]、及び温度差［ΔＴ］、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくする。
【００３４】
[第１実施形態の作用効果]
熱電素子３のペルチェ効果及びゼーベック効果を切り替えることにより、ペルチェ効果を使えない、或いはペルチェ効果を使わない時であっても、パワー半導体素子１の損失により発生する熱エネルギーを熱電素子３のゼーベック効果で回収することができる。この回収エネルギーを利用すれば、半導体装置１０ａの熱抵抗を低減することができる。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。パワー半導体素子１の温度の上昇が抑えられるので、パワー半導体素子１の熱破壊を抑制できる。
【００３５】
熱電素子３の下面とパワー半導体素子１の各々が同一の冷却器２に熱的に接続されている。パワー半導体素子１（発熱部品）で発生した熱の冷却器２までの抜熱経路として、熱電素子３を経由する経路と、熱電素子３を経由しない経路とを並列させることができる。これにより、熱電素子３のペルチェ効果が使えない時、或いはペルチェ効果を使わない時、熱電素子３が熱抵抗部材としてパワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱経路を阻害することがない。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。
【００３６】
熱電素子３とパワー半導体素子１が冷却器２の同一冷却面上に接続されている。これにより、熱電素子３とパワー半導体素子１が異なる冷却面に接続される場合と比較して、半導体装置１０ａの実装容積が減少する。また、電極５の長さも短くなるため、熱電素子３の一端とパワー半導体素子１との間の熱抵抗が低減される。
【００３７】
パワー半導体素子１の上面に電気的に接続された電極５を介して、パワー半導体素子１は熱電素子３の上面に熱的に接続されている。パワー半導体素子１に接続される電極５を有効利用して、パワー半導体素子１と熱電素子３の上面とを熱的にも接続できる。よって、半導体装置１０ａの実装容積が減少し、熱電素子の一端とパワー半導体素子との間の熱抵抗が低減される。
【００３８】
電極５はパワー半導体素子１の内部を通る主電流を通電する主電極である。主電流を通電するための断面積の大きい電極５を用いてパワー半導体素子１と熱電素子３の上面とを熱的にも接続できる。よって、熱電素子３の上面とパワー半導体素子１との間の熱抵抗が低減される。
【００３９】
制御部４は、パワー半導体素子１の損失を推定し、推定した損失が基準値よりも大きくなった場合にゼーベック効果からペルチェ効果に切り替える。損失が大きくなれば、発熱も多くなるため、ペルチェ効果を使うことで抜熱性能を高める。一方、損失が小さければ、発熱も少ないため、ゼーベック効果を使用して、パワー半導体素子１の損失により発生する熱エネルギーを電力として回収することができる。この回収エネルギー（電力）を利用すれば、半導体装置１０ａの熱抵抗を低減することができる。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。パワー半導体素子１の適切な温度管理が実現される。
【００４０】
制御部４は、パワー半導体素子１の損失を推定し、推定した損失が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくすることを特徴とする。損失の大きさに応じてペルチェ効果の能力を適切に制御可能となる。よって、パワー半導体素子１の抜熱性能を向上させ、パワー半導体素子１の動作時の損失を低減することができる。パワー半導体素子１の適切な温度管理が実現される。
【００４１】
半導体装置１０ａは、ゼーベック効果により回収した電力を蓄積するバッテリ１６を更に備える。制御部４は、ペルチェ効果を使用する時に、バッテリ１６に蓄積された電力を熱電素子３の一端（上面）と他端（下面）の間に印可する。これにより、パワー半導体素子１の熱抵抗を低減する際に、回収エネルギー（電力）の有効利用が可能となる。パワー半導体素子１の温度を、熱輸送機能にかかる消費電力を抑えながら一定に保つことが可能である。
【００４２】
（第２実施形態）
図３を参照して、第２実施形態に係わる半導体装置１０ｂの構成を説明する。パワー半導体素子１の上面に２つの電極（５，７）が電気的に接続され、パワー半導体素子１の下面に１つの電極６が電気的に接続されている。電極（５、６）の各々は、第１実施形態と同様にして、パワー半導体素子１の内部を流れる主電流が流れる主電極である。一方、電極７は、電極（５、６）の間の導通状態（電流量、電圧値、抵抗値及び出力電力を含む）を制御する制御電極である。具体的には、パワー半導体素子１が電界効果トランジスタである場合、電極５はソース電極に相当し、電極６はドレイン電極に相当し、電極７はゲート電極に相当する。
【００４３】
電極６は、電気的絶縁シート８を介して、冷却器２に対して間接的に熱的に接続されている。つまり、電極６と冷却器２の間に電気的絶縁シート８が介在している。電極５に高電圧が印可されても、冷却器２を高電圧から保護することができる。一方、熱電素子３の下面は、図１と同様に、冷却器２に対して、直接、熱的に接続されている。勿論、電気的絶縁シート８は、熱電素子３の下面と冷却器２の間に介在しても構わない。
【００４４】
第１実施形態では、パワー半導体素子１が全ての電極が上面に形成されている横型構造を有する場合に有効な実施例を示した。これに対して、第２の実施の形態は、主電極（５、６）の各々がパワー半導体素子１の上面および下面に形成された縦型構造を有するパワー半導体素子１に有効な実施例である。
【００４５】
電極６は、熱伝導の良い銅材等を使用することによりヒートスプレッダとして機能させることができるので、パワー半導体素子１の抜熱性能が向上する。
【００４６】
なお、パワー半導体素子１と熱電素子３の最短距離Ｌ２は、電極６の熱伝導経路方向の厚みＬ１より長いことが望ましい。これにより、パワー半導体素子１で発生した熱を熱電素子３に対し熱干渉することなく冷却器２に伝えることができるので、熱電素子３が有する発電機能（ゼーベック効果）および熱輸送機能（ペルチェ効果）の能力を高効率で発揮させることができる。
【００４７】
半導体装置１０ｂは、パワー半導体素子１から冷却器２までの熱伝導経路に配置されたヒートスプレッダ又は電気的絶縁シートの少なくとも一方を更に備える。これにより、パワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱性能を向上させることができる。
【００４８】
第２実施形態のその他の構成は第１実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第２実施形態によれば、上記した第１実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られる。
【００４９】
（第３実施形態）
図４を参照して、第３実施形態に係わる半導体装置１０ｃの構成を説明する。第２実施形態と同様にして、パワー半導体素子１の上面に２つの電極（５，７）が電気的に接続され、パワー半導体素子１の下面に１つの電極６が電気的に接続されている。電極６と冷却器２の間に電気的絶縁シート８が介在している。
【００５０】
図３の半導体装置１０ｂに比べて、電極６及び電気的絶縁シート８が、熱電素子３と冷却器２との間に介在している点が相違する。熱電素子３の下面は、電極６及び電気的絶縁シート８を介して、間接的に熱的に接続されている。
【００５１】
電極６は、熱伝導の良い銅材等を使用することにより、ヒートスプレッダとして機能させることができる。よって、例えば、図１の冷却器２として電極６を使用することもできる。よって、図１に示す実施例に、縦型構造を有するパワー半導体素子１を適用することが可能となる。
【００５２】
また、熱電素子３の下面と電極６の間に、熱伝導性を有する絶縁部材（ヒートスプレッダ或いは電気的絶縁シート）が介在しても構わない。
【００５３】
なお、パワー半導体素子１と熱電素子３の最短距離Ｌ４は、電極６の熱伝導経路方向の厚みＬ３の２倍の長さより長いことが望ましい。これにより、４５度近似による熱拡散を推定した場合であっても、パワー半導体素子１と熱電素子３との熱干渉を抑制できる。よって、パワー半導体素子１で発生した熱を熱電素子３に対し熱干渉することなく冷却器２に伝えることができるので、熱電素子３が有する発電機能（ゼーベック効果）および熱輸送機能（ペルチェ効果）の能力を高効率で発揮させることができる。
【００５４】
半導体装置１０ｃは、パワー半導体素子１から冷却器２までの熱伝導経路に配置されたヒートスプレッダ又は電気的絶縁シート８の少なくとも一方を更に備える。これにより、パワー半導体素子１から冷却器２までの抜熱性能を向上させることができる。
【００５５】
第３実施形態のその他の構成は第１実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第３実施形態によれば、上記した第１実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られる。
【００５６】
（第４実施形態）
第４実施形態では、第１実施形態〜第３実施形態で示した半導体装置（１０ａ〜１０ｃ）と、半導体装置１０に接続される電源システム９及び負荷システム１１とを含むシステム全体に適用される実施例を説明する。半導体装置１０として、第１実施形態〜第３実施形態で示した半導体装置（１０ａ〜１０ｃ）を適用することが可能である。電源システム９は、半導体装置１０を介して、負荷システム１１に電力を供給する。例えば、電源システム９は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＶ、ＰＨＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）等の車両に搭載された車両を駆動するためのバッテリである。負荷システム１１は、電源システム９から供給される電力を消費する。例えば、負荷システム１１は、上記した車両に搭載された車両を駆動するためのモータである。この場合、半導体装置１０は、電源システム９から供給される直流電圧を交流電圧に変換するインバータであって、負荷システム１１には変換された交流電圧が印可されて、負荷システム１１（モータ）は回転駆動する。
【００５７】
図５のシステムは、上記以外にも、例えば、商業用交流電源（電源システム９）の交流電力を、コンバータ（半導体装置１０）で直流電力に変換して、車両に搭載されたバッテリ（負荷システム１１）に蓄電するシステムであってもよい。このように、半導体装置１０は、電力を供給する電源とこれを消費する電気的負荷との間で機能する電気部品について適用可能である。
【００５８】
第１実施形態では、半導体装置１０ａが、電流［Ａ］を測定する電流計、電圧［Ｖ］を測定する電圧計、パワー半導体素子１の温度［Ｔ］を測定する温度センサを備え、これらの測定値からパワー半導体素子１の損失を推定した。そして、図２を参照して、パワー半導体素子１の損失に応じて、切り替え制御を実施した。
【００５９】
第４実施形態では、電源システム９から出力される電圧（以後、「出力電圧」と呼ぶ）及び電源システム９から出力される電流（以後、「出力電流」と呼ぶ）からパワー半導体素子１の損失を推定する。制御部４は、出力電圧又は出力電流が大きいほど、パワー半導体素子１の大きな損失を推定する。
【００６０】
電源システム９は、出力電圧を測定する電圧計１２と、出力電流を測定する電流計１３とを備える。制御部４は、図６に示す動作領域にしたがって、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。図６に示す動作領域は、出力電流と出力電圧とによって定義される領域である。
【００６１】
出力電流と出力電圧とが図６に示す発電機能（ゼーベック効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値以下であると判断して、ゼーベック効果による発電機能を使用する。一方、出力電流と出力電圧とが図６に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値よりも大きいと判断して、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用する。
【００６２】
また、図６に示す出力電流及び出力電圧の代わりに、出力電流及び出力電圧の単位時間当たりの変化量（時間微分値）を適用しても構わない。これらの時間微分値が基準値よりも大きい場合、パワー半導体素子１で発生する損失及び熱が多くなることが予測される。よって、制御部４は、予め、ゼーベック効果からペルチェ効果に切り替えてもよい。更に、出力電流及び出力電圧の時間積分値を用いても構わない。
【００６３】
更に、制御部４は、図６に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域において、出力電流又は出力電圧、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくしてもよい。
【００６４】
第４実施形態のその他の構成は第１実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第４実施形態によれば、上記した第１〜第３実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られることは言うまでもない。
【００６５】
（第５実施形態）
第４実施形態では、電源システム９から得られる情報に基づいてパワー半導体素子１の損失を推定し、切り返し制御を実行した。これに対して、第５実施形態では、負荷システム１１から得られる情報に基づいてパワー半導体素子１の損失を推定し、切り返し制御を実行する一例を説明する。第５実施形態は、負荷システム１１がモータである場合に適用できる実施例である。
【００６６】
モータ（負荷システム１１）が出力するトルク[Ｎｍ]及びモータの回転数[ｒｐｍ]からからパワー半導体素子１の損失を推定する。制御部４は、トルク又は回転数が大きいほど、パワー半導体素子１の大きな損失を推定する。
【００６７】
モータ（負荷システム１１）は、トルクを演算するトルク演算回路１４と、回転数を計数する回線数センサ１５とを備える。制御部４は、図７に示す動作領域にしたがって、ペルチェ効果及びゼーベック効果の切り替え制御を実行する。図７に示す動作領域は、モータのトルクと回転数とによって定義される領域である。
【００６８】
モータのトルクと回転数とが図７に示す発電機能（ゼーベック効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値以下であると判断して、ゼーベック効果による発電機能を使用する。一方、モータのトルクと回転数とが図６に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域に位置する場合、制御部４は、パワー半導体素子１の損失が基準値よりも大きいと判断して、ペルチェ効果による熱輸送機能を使用する。
【００６９】
また、図７に示すモータのトルク及び回転数の代わりに、モータのトルク及び回転数の単位時間当たりの変化量（時間微分値）を適用しても構わない。これらの時間微分値が基準値よりも大きい場合、パワー半導体素子１で発生する損失及び熱が多くなることが予測される。よって、制御部４は、予め、ゼーベック効果からペルチェ効果に切り替えてもよい。更に、モータのトルク及び回転数の時間積分値を用いても構わない。
【００７０】
更に、制御部４は、図７に示す熱輸送機能（ペルチェ効果）の領域において、モータのトルク又は回転数、或いはこれらの時間微分値又は時間積分値が大きいほど、ペルチェ効果の能力を大きくしてもよい。
【００７１】
第５実施形態のその他の構成は第４実施形態と同じであり、説明を省略する。また、第５実施形態によれば、上記した第１〜第３実施形態の作用効果と同じ作用効果が得られることは言うまでもない。
【００７２】
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【符号の説明】
【００７３】
３  熱電素子
１  パワー半導体素子
４  制御部
２  冷却器
５  電極
８  電気的絶縁シート
１６  バッテリ
【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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