(57)【要約】【課題】小型化、冷却効率の向上が可能な半導体電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、半導体電力変換装置は、第１導電体６１と、第２導電体６３と、ＳｉＣを含み板状に形成され、一方の電極が第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が第２導電体の第２接合面に接合された第１半導体素子と、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接合された第２半導体素子５１ａと、第１、第２導電体の第１、第２底面がシート状絶縁体６６を介して載置された平坦な受熱面６７ａと受熱面に対向する平坦な放熱面６７ｂとを有する放熱用金属板６７と、放熱用金属板の放熱面に接合された冷却ブロック８２を有する冷却器８０と、を備えている。冷却ブロックは、放熱面に面接した平坦な接合面８２ａと、接合面に開口する矩形状の開口を有し、放熱面に接して冷媒を流す冷媒流路を形成した矩形状の凹所８６と、凹所の周囲を囲んで設けられたシール材９２と、を有している。【選択図】図４
2015053775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１接合面および第１接合面と直交する第１底面を有する直方体形状の第１導電体と、
前記第１接合面と平行に対向する第２接合面および第２接合面と直交し前記第１底面と同一平面に位置する第２底面を有する直方体形状の第２導電体と、
ＳｉＣを含み板状に形成された第１半導体素子であって、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接合され、前記第１および第２接合面と平行に配置された第１半導体素子と、
板状に形成された第２半導体素子であって、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接合され、前記第１および第２接合面と平行に配置された第２半導体素子と、
前記第１および第２導電体の第１および第２底面がシート状絶縁体を介して載置された平坦な受熱面、およびこの受熱面に対向する平坦な放熱面を有する放熱用金属板と、
前記放熱用金属板の放熱面に接合された冷却ブロックを有する冷却器と、を備え、
前記冷却ブロックは、前記放熱用金属板の放熱面に面接した平坦な接合面と、前記第１および第２導電体に対向する位置で前記接合面に開口し、前記放熱面に接して冷媒を流す冷媒流路を形成した矩形状の凹所と、前記凹所の周囲を囲んで前記接合面に設けられ前記用熱用金属板に密着するシール材と、を有することを特徴とする半導体電力変換装置。
【請求項２】
前記シート状絶縁体の幅は、前記第１および第２導電体の前記第１および第２接合面と直交する方向の幅よりも大きく、かつ、前記凹所により形成された冷媒流路の幅以下に形成されている請求項１に記載の半導体電力変換装置。
【請求項３】
前記放熱用金属板の厚さをｔ、前記第１および第２接合面と直交する方向に沿った前記第１、第２導電体の合計の幅をＷ２とした場合、前記凹所の開口の幅は、Ｗ２＋２ｔに形成され、前記第１および第２導電体は、前記開口の幅の範囲内に設置されている請求項１又は２に記載の半導体電力変換装置。
【請求項４】
前記冷却ブロックは、前記凹所の周囲を囲んで前記接合面に設けられた環状の係合溝を有し、前記シール材は、前記係合溝に装着された環状のＯリングあるいはガスケットを有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
【請求項５】
前記第１導電体と第２導電体との間に配置され、前記第１導電体の第１接合面に平行に対向する第３接合面および前記第２導電体の第２接合面と平行に対向する他の第３接合面、および、前記第３接合面と直交し前記第１底面と同一平面に位置する第３底面を有する第３導電体と、
ＳｉＣを含み板状に形成された第３半導体素子であって、一方の電極が前記第３導電体の第３接合面に接合され、他方の電極が前記第２導体の第２接合面に接合され、前記第２および第３接合面と平行に配置された第３半導体素子と、
板状に形成された第４半導体素子であって、一方の電極が前記第３導電体の第３接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接合され、前記第２および第３接合面と平行に配置された第４半導体素子と、を更に備え、
前記第１半導体素子は、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第３導電体の第３接合面に接合され、
前記第２半導体素子は、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第３導電体の第３接合面に接合され、
前記第１、第２、第３導電体の第１、第２、第３底面が前記シート状絶縁体を介して前記放熱用金属板の受熱面に固定されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモータを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モータだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。一般に、これら自動車は、直流を交流に変換してモータに供給する半導体電力変換装置として、インバータ装置を備えている。例えば、３相のインバータ装置の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つの電力半導体素子を有している。このような車載用の半導体電力変換装置は、小型化、低コスト化、冷却効率の向上が必須であり、この目的を達成するためには、半導体電力変換装置の主要部品である電力半導体素子の小型化、抵コスト化、冷却効率の向上が重要となる。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された半導体電力変換装置によれば、電力半導体素子は、それぞれ導電性金属で形成された第１導体、第２導体、第３導体と、これらの導体に接合された接合面を有する放熱用金属板と、を備えている。第１導体には、１相の上アームを構成する半導体素子（チップ）であるＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)及びダイオードの正極側が接合されている。第２導体には、１相の下アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードの負極側が接合されている。そして、第３導体は、第１導体と第２導体の間に配設され、上アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードの負極側、および下アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードの正極側に接合されている。第１導体および第２導体は、正極電極および負極電極として機能し、第３導体は、交流出力電極として機能する。
【０００４】
そして、第１、第２、第３導体は、半導体素子との接合面が、放熱用金属板と導体との間の接合面と非平行になるように、冷却器に配置されている。更に、放熱用金属板の裏面には、熱伝導グリースが塗布され、放熱用金属板は、熱伝導グリースを介して冷却器の受熱板にネジ止め等により固定される。このような構成により、冷却効率および製造性を高めた電力半導体素子および半導体電力変換装置が提供される。
【０００５】
また、近年、電力用変換装置は、小型、低コスト化の市場要求に伴い、電力用変換装置を構成する電力用半導体素子も大容量化、高速化、小型化が加速している。電力用半導体素子は、その外形が小型化になる一方で容量が増大することから、単位面積あたりの熱量である熱流束が増大する傾向にある。一方、電力用半導体素子は、その特性上、半導体チップの許容温度を高くすることが困難であり、そのため或る温度内に保つ必要がある。そのため、熱流束の増大に応じて、冷却効率に優れた半導体素子用冷却器への要求が強くなっている。特に、電気自動車やハイブリッド自動車用の電力変換器用冷却器は、純水又は不凍液の冷媒が流路上に設けられた冷却用フィンを流れることにより、接合された電力変換器を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６８３０２号公報
【特許文献２】特開２００７−２１４２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように構成された半導体電力変換装置では、電力用半導体素子と冷却器との間に熱伝導グリースが塗布されているため、その熱伝導グリースの厚み分の熱抵抗があり冷却効率向上の障害となっている。また、冷却器内部には、冷却器の熱抵抗を下げる、すなわち冷却効率を上げるために、拡大伝熱面であるフィンが配置されている。そのフィンの高さ分、冷却器が大型化し、更にそのフィンを形成するための材料費、製造コスト等もかかり、半導体電力変換装置の小型化、低コスト化の障害となっている。
【０００８】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、一層の小型化、冷却効率の向上が可能な半導体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】
【０００９】
実施形態によれば、半導体電力変換装置は、第１接合面および第１接合面と直交する第１底面を有する直方体形状の第１導電体と、前記第１接合面と平行に対向する第２接合面および第２接合面と直交し前記第１底面と同一平面に位置する第２底面を有する直方体形状の第２導電体と、ＳｉＣを含み板状に形成された第１半導体素子であって、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接合され、前記第１および第２接合面と平行に配置された第１半導体素子と、板状に形成された第２半導体素子であって、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接合され、前記第１および第２接合面と平行に配置された第２半導体素子と、前記第１および第２導電体の第１および第２底面がシート状絶縁体を介して載置された平坦な受熱面、およびこの受熱面に対向する平坦な放熱面を有する放熱用金属板と、前記放熱用金属板の放熱面に接合された冷却ブロックを有する冷却器と、を備えている。前記冷却ブロックは、前記放熱用金属板の放熱面に面接した平坦な接合面と、前記第１および第２導電体に対向する位置で前記接合面に開口し、前記放熱面に接して冷媒を流す冷媒流路を形成した矩形状の凹所と、前記凹所の周囲を囲んで前記接合面に設けられ前記用熱用金属板に密着するシール材と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る半導体電力変換装置の等価回路を示す図。
【図２】図２は、前記半導体電力変換装置の１相分の半導体モジュールの平面図。
【図３】図３は、前記半導体モジュールの分解斜視図。
【図４】図４は、図２の線Ａ−Ａに沿った前記半導体モジュールの横断面図。
【図５】図５は、図２の線Ｂ−Ｂに沿った前記半導体モジュールの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置ついて詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１２】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る半導体電力変換装置の等価回路図である。図１に示すように、半導体電力変換装置１０は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相インバータとして構成され、負荷対象として、モータ１２に電力を供給するように構成されている。
【００１３】
半導体電力変換装置１０は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つの電力半導体モジュール１６、１８、２０と、直流電源、例えば、バッテリ２２から電力半導体モジュールに供給される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ２４と、３相出力用接続導体２６を介してモータ１２へ流れる電流を検出する電流検出器２８ａ、２８ｂ、２８ｃと、電流検出器により検出された電流情報や平滑コンデンサ２４に印加される電圧等に基づき、電力半導体モジュール１６、１８、２０を制御する制御ユニット３５と、制御ユニット３５の制御信号に基づき、後述する電力半導体モジュールの半導体素子（ＩＧＢＴ）のゲートを駆動するための駆動回路を有した駆動基板３４と、を備えている。駆動基板３４には、半導体素子を駆動する駆動用ＩＣ３６が半導体素子に対して１対１の対応で設けられている。即ち、この回路では、駆動用ＩＣ３６が６個設けられている。また、各電力半導体モジュール１６、１８、２０には、これらを冷却する後述の冷却器が設けられている。
【００１４】
以下、電力半導体モジュール１６、１８、２０について詳細に説明する。電力半導体モジュール１６、１８、２０は、それぞれ同一の構成を有していることから、１つの電力半導体モジュール１６を代表して説明する。  
図２は、電力半導体モジュール１６の平面図、図３は、電力半導体モジュール１６を示す分解斜視図、図４は、図２の線Ａ−Ａに沿った電力半導体モジュールの断面図、図５は、図２の線Ｂ−Ｂに沿った電力半導体モジュールの断面図である。
【００１５】
図１ないし図４に示すように、本実施形態において、各電力半導体モジュールは、ＩＧＢＴ素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子を並列接続した２回路を１つのパッケージとする、いわゆる、２ｉｎ１構造の半導体モジュールとして構成されている。また、各電力半導体モジュールは、いわゆる両面放熱型および垂直実装型（バーティカル・チップ・マウント（ＶＣＭ））の半導体モジュールとして構成されている。
【００１６】
詳細に述べると、電力半導体モジュール１６は、インバータ回路におけるＵ相の上側アームを構成する第１半導体素子、ここでは、第１スイッチング素子であるＩＧＢＴ４１ａおよび第２半導体素子としてのダイオード（ＦＷＤ（Free Wheeling Diode））５１ａ、インバータ回路におけるＵ相の下側アームを構成する第３半導体素子、ここでは、第２スイッチング素子として機能するＩＧＢＴ４１ｂ、および第４半導体素子としてのダイオード（ＦＷＤ）５１ｂ、第１導電体６１、第２導電体６２、第３導電体６３、シート状絶縁体としての絶縁樹脂シート６６、ベースとして機能する放熱用金属板６７、およびこれらを覆うカバー７０、を備えている。
【００１７】
ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂ、およびダイオード５１ａ、５１ｂは、例えば、サイズがほぼ１０ｍｍ角程度の板状の半導体チップであり、それぞれ両面に電極を有している。ダイオード５１ａ、５１ｂの各々は、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの各々に逆並列接続されている。ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの各々には、ゲート端子等の複数の入出力端子７６ａ、７６ｂが接続されている。
【００１８】
第１、第２、第３導電体６１、６２、６３は、それぞれ導電性金属、例えば、銅、アルミニウムにより、軸方向両端部を有する細長い棒状、例えば、角柱形状に形成されている。第１導電体６１、第２導電体６２、および第３導電体６３は、同一の長さを有し、また、ほぼ同一の径に形成されている。
【００１９】
第１導電体６１の一側面は第１接合面６１ａを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第１底面６１ｂを形成している。第１導電体６１の第１接合面６１ａは、上側アームを構成するＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａの正極側（それぞれコレクタ、カソード）に熱衝撃板３０を介して電気的かつ機械的に接合されている。第１導電体６１は、第１および第２半導体素子に共通の直流正極導体を構成している。第１接合面６１ａ上において、ＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａは、第１導電体６１の長手方向（中心軸線方向）に沿って並んで配置されている。
【００２０】
第２導電体６２の一側面は第２接合面６２ａを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第２底面６２ｂを形成している。第２導電体６２の第２接合面６２ａは、下側アームを構成するＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの負極側（それぞれエミッタ、アノード）の電極に熱衝撃板３１を介して接合されている。これにより、第２導電体６２は、ＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第２導電体６２は、第３および第４半導体素子に共通の直流負極導体を構成している。第２接合面６２ａ上において、ＩＧＢＴ４１ｂ、ダイオード５１ｂは、第２導電体６２の長手方向（中心軸線方向）に沿って並んで配置されている。
【００２１】
第２導電体６２は、第１導電体６１と互いに平行に並んで、かつ、隙間を置いて配置されている。そして、第１導電体６１の第１接合面６１ａと第２導電体６２の第２接合面６２ａとは、互いに平行に、かつ、隙間を置いて向かい合っている。第１導電体６１の第１底面６１ｂと第２導電体６２の第２底面６２ｂとは、同一平面上に並んで位置している。
【００２２】
第３導電体６３は、第１導電体６１と第２導電体６２との間に隙間を置いて、かつ、第１および第２導電体と平行に配置されている。第３導電体６３は、その軸方向一端部が、第１および第２導電体６１、６２の軸方向一端部と整列して配置されている。第３導電体６３は、その軸方向他端部が、第１および第２導電体６１、６２の軸方向他端部と整列して配置されている。第３導電体６３は、その長手方向に沿った中心軸線を有し、第１、第２、第３導電体６１、６２、６３は、中心軸線に対して左右対称に配設されている。
【００２３】
第３導電体６３の対向する２つの側面は２つの第３接合面６３ａを形成し、これらの第１接合面６３ａは、第１導電体６１の第１接合面６１ａおよび第２導電体６２の第２接合面６２ａとそれぞれ平行に対向している。また、第３導電体６３の上記２つの第３接合面６３ａと直交する他の側面は、第３底面６３ｂを形成している。第３底面６３ｂは、第１および第２導電体６１、６２の第１底面６１ｂ、第２底面６２ｂと同一平面に位置している。
【００２４】
第３導電体６３の一方の接合面６３ａは、上側アームを構成するＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａの負極側（それぞれエミッタ、アノード）の電極に熱衝撃板３２を介して接合されている。これにより、第３導電体６３は、ＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第３導電体６３の他方の第３接合面６３ａは、下側アームを構成するＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの正極側（それぞれコレクタ、カソード）の電極に熱衝撃板３３を介して接合されている。これにより、第３導電体６３は、ＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの正極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第３導電体６３は、交流電極導体（電極導体）を構成している。
【００２５】
ＩＧＢＴ４１ａは、ＩＧＢＴ４１ｂに対して、第３導電体６３の中心軸線に沿った方向にずれた位置に配設され、ＩＧＢＴ４１ｂと向い合うことなく、ダイオード５１ｂと向い合って配置されている。同様に、ＩＧＢＴ４１ｂは、ダイオード５１ａと向い合って配置されている。
【００２６】
なお、上述した各導電体の接合面と、ＩＧＢＴおよびダイオードとの接合は、ハンダあるいは導電性接着剤により行うことができ、また、熱衝撃板を介して接合してもよい。第１、第２、第３導電体６１、６２、６３の材質は、冷却の観点からすると銅が望ましいが、アルミニウム等の他金属や、Ａｌ−ＳｉＣ等の金属複合材料としても良い。
【００２７】
図２ないし図５に示すように、放熱用金属板６７は、矩形状に形成され、その上面は平坦な受熱面６７ａを形成し、これに対向する下面（底面）は、平坦な放熱面６７ｂを形成している。放熱用金属板６７は、第１ないし第３導電体６１、６２、６３全体よりも充分に大きな面積を有している。また、放熱用金属板６７の４つの角部、各長辺側側縁の中央部に、それぞれねじを挿通するための透孔７２が形成されている。
【００２８】
放熱用金属板６７の受熱面６７ａは、絶縁樹脂シート６６を介して第１導電体６１、第２導電体６２、第３導電体６３の第１、第２、第３底面６１ｂ、６２ｂ、６３ｂに接着され、これらの導電体を支持している。放熱部材として機能する放熱用金属板６７は、例えば、銅、アルミニウム等の伝熱性の高い金属により形成され、ＩＧＢＴ、ダイオード、および第１ないし第３導電体から熱を受け外部および後述の冷却器に放熱する。
【００２９】
絶縁樹脂シート６６は、第１ないし第３導電体に対して十分に剛性の低い材料、例えば、接着性を有するエポキシ樹脂に窒化ホウ素等のセラミックフィラーを充填したもので形成されている。図４に示すように、絶縁樹脂シート６６の幅Ｗ３は、第１、第２、第３導電体６１、６２、６３の合計の幅、つまり、第１、第２、第３接合面と直交する方向の幅Ｗ２よりも僅かに大きく、かつ、後述する冷却器の冷媒流路の幅Ｗ１以下に形成されている。また、図５に示すように、絶縁樹脂シート６６の長さは、第１、第２、第３導電体６１、６２、６３の長さよりも僅かに大きく、上記冷媒流路の長さ以下に形成されている。
【００３０】
第１、第２、第３導電体６１、６２、６３に接合された放熱用金属板６７の上面、つまり、受熱面６７ａは、第１導電体６１の第１接合面６１ａ、第２導電体６２の第２接合面６２ａ、および第３導電体６３の第３接合面６３ａに対して交差する方向、例えば、直交する方向に延びている。即ち、ＩＧＢＴおよびダイオードの各半導体素子は、正極側及び負極側の面が放熱用金属板６７の受熱面６７ａに対して非平行となるように配置されている。  
図２および図３に示すように、第１導電体６１の軸方向一端には正極出力端子７４が接続され、第１導電体から一方向に延出している。第２導電体６２の軸方向一端には負極出力端子７５が接続され、第２導電体の一端から正極出力端子７４と同一の方向に延出している。第３導電体６３の軸方向他端、つまり、正極出力端子７４と反対側に位置した他端には、交流出力端子７７が接続され、第３導電体の他端から正極出力端子７４と反対の方向に延出している。
【００３１】
図２、図４および図５に示すように、第１ないし第３導電体６１、６２、６３、および第１ないし第４半導体素子は、合成樹脂等によって形成されたカバー７０により覆われている。カバー７０は、複数、例えば、６つの固定ねじ７８により、放熱用金属板６７とともに後述の冷却ブロックに固定されている。正極出力端子７４、負極出力端子７５、および交流出力端子７７のそれぞれの端部は、カバーの外面に露出して設けられている。また、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの入出力端子７６ａ、７６ｂは、カバー７０を貫通して、上方へ突出している。
【００３２】
図２ないし図５に示すように、上記のように構成された半導体モジュール１６の放熱用金属板６７は、冷却器８０に直接取付けられ、半導体モジュール１６と冷却器とが一体化している。詳細には、冷却器８０は、例えば、アルミニウムにより形成された偏平な直方体形状の冷却ブロック８２を有している。この冷却ブロック８２は、平坦な矩形状の接合面８２ａを有し、この接合面８２ａは、放熱用金属板６７よりも大きな面積に形成されている。接合面８２ａの４つの角部、および各長辺側側縁部の中央に、それぞれねじ孔８３が形成されている。放熱用金属板６７は、その放熱面６７ｂが冷却ブロック８２の接合面８２ａに面接した状態で冷却ブロック８２上に載置され、更に、６本の固定ねじ７８を放熱用金属板６７の透孔７２を通して冷却ブロック８２のねじ孔８３にねじ込むことにより、冷却ブロック８２に固定されている。
【００３３】
冷却ブロック８２は、接合面８２ａに開口し、冷媒流路８４を形成した矩形状の凹所８６を有している。凹所８６の深さ、すなわち、冷媒流路８４の高さは、例えば、５ｍｍに形成されている。凹所８６は、半導体モジュール１６の第１、第２、第３導電体に対向する矩形状の開口８６ａを有し、冷媒流路８４内の冷媒９５は、放熱用金属板６７の放熱面６７ｂに直接、接して流れる。冷却ブロック８２の長手方向の一端に流入管８８ａが取付けられ、冷媒流路８４に連通している。冷却ブロック８２の長手方向の他端に流出管８８ｂが取付けられ、冷媒流路８４に連通している。図５に示すように、流出管８８ｂは、配管を通して、凝縮器８９およびポンプ９１に接続され、更に、ポンプ９１は、配管を通して流入管８８ａに接続されている。冷却ブロック８２の冷媒流路８４および配管は冷媒９５で満たされる。そして、ポンプ９１により冷媒を循環させることにより、冷媒９５は、流入管８８ａ、冷却ブロック８２内の冷媒流路８４、流出管８８ｂを通って流れ、更に、凝縮器８９で冷却された後、再びポンプ９１に戻る。冷媒９５は、冷媒流路８４内において、放熱用金属板６７の放熱面６７ｂに直接、接触して流れる。
【００３４】
図４に示すように、第１ないし第３導電体６１、６２、６３の第１ないし第３接合面６１ａ、６１ｂ、６１ｃと直交する方向に沿った冷媒流路８４の幅Ｗ１は、絶縁樹脂シート６６の幅Ｗ３と同一か、それ以上の幅に形成されている。また、放熱用金属板の厚さをｔ、第１ないし第３接合面６１ａ、６２ａ、６３ａと直交する方向に沿った第１ないし第３導電体の合計の幅をＷ２とした場合、冷媒流路８４の幅Ｗ１は、Ｗ２＋２ｔに形成され、第１ないし第３導電体６１、６２、６３は、凹所８６の開口８６ａの幅の範囲内、つまり、冷媒流路８４の幅Ｗ１の範囲内、に設置されている。
【００３５】
図２ないし図５に示すように、冷却ブロック８２は、凹所８６の開口８６ａ、すなわち、冷媒流路８４、の周囲を囲んで接合面８２ａに形成された環状の係合溝９０を有し、この係合溝９０に、シール材として、例えば、環状のガスケットあるいはＯリング９２が装着されている。このガスケットあるいはＯリング９２は、放熱用金属板６７の放熱面６７ｂに密着し、冷媒流路８４の周囲をシールし、冷媒の漏洩を防止している。なお、固定ねじ７８による放熱用金属板６７の各ねじ止め位置は、シール材の外側（外周側）に位置している。シール材は、ガスケット、Ｏリングに限らず、接着剤等を用いてもよい。
【００３６】
上記の構成により、Ｕ相用の電力半導体モジュール１６が得られる。Ｖ相用の電力半導体モジュール１８およびＷ相用の電力半導体モジュール２０は、上述したＵ相用の電力半導体モジュール１６と同様に構成されている。
【００３７】
以上のように構成された半導体電力変換装置１０によれば、各半導体モジュールにおいて、放熱用金属板６７の温度が冷媒９５の沸点以上となるため、放熱用金属板６７の放熱面６７ｂに接する冷媒９５の液層部分が飽和温度に達し、放熱面６７ｂで気泡９３が発生し沸騰が生じた状態となる。飽和温度とは、液体を加熱していくと次第に温度が上昇し、やがて液温がそれ以上に上昇しない温度を示している。液体を更に加熱すると、液体内部で液体の気化が発生する。この状態が沸点であり、飽和温度は沸騰点と呼ばれる。
【００３８】
冷媒流路８４に流入する冷媒９５は、飽和温度より低い温度となっており、冷媒流路８４に供給され、放熱用金属板６７近傍の液層部分のみ気泡が発生して沸騰が発生し、放熱用金属板６７からある程度離れた個所では、冷媒９５は飽和温度より低い温度となっており沸騰は発生しない。放熱用金属板６７の放熱面６７ｂより発生した気泡９３は、流動する冷媒９５により冷却器８０外に流出され、外部に設けられた凝縮器８９により凝縮され、ポンプ９１により冷媒流路８４に供給される。
【００３９】
上述した構成により、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂで発生した熱損失は、第１、第２、第３導電体６１、６２、６３、絶縁樹脂シート６６を介して放熱用金属板６７に熱伝導し、この放熱用金属板６７から冷媒９５に沸騰熱伝達し放熱される。これにより、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂは両面冷却されている。
【００４０】
上述したように、放熱用金属板６７の放熱面６７ｂでは、熱エネルギーが極めて大きい冷媒９５が気化する時の遷熱移動を伴う沸騰が発生するため、放熱用金属板６７から冷媒９５に熱損失を伝達する係数である熱伝達率が非常に大きくなり、その値は４５００Ｗ／ｍ２Ｋ以上となる。
【００４１】
これに対して、従来の冷却器では、ポンプの能力から来る流速の制約により熱伝達率は１５００Ｗ／ｍ２Ｋ程度である。また、フィンによる放熱部の面積拡大率も外形およびフィン効率などの制約より３倍程度であり、放熱部と冷媒の熱伝達率もおおよそ４５００Ｗ／ｍ２Ｋ程度である。
【００４２】
以上のことから、本実施形態では、放熱用金属板６７の放熱面は、平滑面であるにも拘らず、すなわち、フィンを備えていないにも拘わらず、熱伝達率が従来と同等以上となり、フィンのような構造が無い分、冷却器を小型化・低コスト化することができる。
【００４３】
例えば、冷媒９５を純水とした場合、大気圧化において、冷媒９５の冷媒流路８４への流入温度は１００℃以下であるが、放熱用金属板６７近傍の液層部分は水の飽和温度である１００℃となる。ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの熱損失にもよるが、放熱用金属板６７が１２０〜１３０℃程度となる場合、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの動作温度が１５０〜１７５℃以上など高くなる。そのため、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの材質は高温度差可能なＳｉＣなどが望ましい。
【００４４】
上述した構成により、半導体モジュールの放熱用金属板６７は、直接、冷媒９５により冷却されるため、従来の熱伝導グリースが不要となり、熱伝導グリースが無い分、熱抵抗が低減し、冷却器の冷却効率が向上する。更に、フィンが無い分だけ、冷却器８０の厚さを薄くし、半導体モジュール全体の小型化、薄型化を図ることができる。
【００４５】
ＩＧＢＴは、その両電極が両側の導電体に接合され両面冷却される。そのため、半導体モジュールは、従来の電力変換装置と同等の冷却能力を有し、かつ、熱伝導グリースが無い分、熱抵抗が低減し、冷却効率が向上する。電力半導体装置内部のＩＧＢＴおよびダイオードチップの熱抵抗がさらに低減し、ＩＧＢＴおよびダイオードチップの温度上昇が低くなり冷却効率が向上する。さらに、冷却器が小型化し、半導体電力変換装置の冷却効率向上、小型化、低コスト化が図れる。
【００４６】
以上のことから、本実施形態によれば、一層の小型化、冷却効率の向上が可能な電力半導体電力変換装置を提供することが可能となる。
【００４７】
この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。  
例えば、電力半導体装置の構成部材の寸法、形状、材質等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。半導体モジュールの設置数、設置数の比、並びに、流路幅の比は、実施形態に限定されることなく、必要に応じて変更可能である。
【００４８】
前述した実施形態では、いわゆる２ｉｎ１の半導体モジュールを用いているが、これに限定されることなく、第１導電体および第２導電体と、これらの導電体間に挟まれた第１および第２半導体素子と、を有する、いわゆる１ｉｎ１の半導体モジュールとしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０…半導体電力変換装置、１２…モータ、１２…第１インバータ、
１６、１８、２０…半導体モジュール、４１ａ、４１ｂ…ＩＧＢＴ、
５１ａ、５１ｂ…ＦＷＤ素子、６１…第１導電体、６２…第２導電体、
６３…第３導電体、  ６１ａ…第１接合面、６２ａ…第２接合面、
６３ａ…第３接合面、６１ｂ…第１底面、６２ｂ…第２底面、６３ｂ…第３底面、
６７…放熱用金属板、６７ａ…受熱面、６７ｂ…放熱面、８０…冷却器、
８２…冷却ブロック、８２ａ…接合面、８４…冷媒流路、８６…凹所、
【図１】
2015053775.tif 000003
【図２】
2015053775.tif 000004
【図３】
2015053775.tif 000005
【図４】
2015053775.tif 000006
【図５】
2015053775.tif 000007