(57)【要約】【課題】パワーモジュールの配置において拡張性があり、複数のパワーモジュールを使用する電力変換装置用半導体装置を提供する。【解決手段】電力変換装置用半導体装置は、対向する両面に冷却面を有し、冷却面に隣接する垂直方向のひとつの側面に電気端子を有する複数の両面冷却パワーモジュール５００と、上下に配置された複数の半導体モジュールを両端から挟む受熱ブロック５０１と、この受熱ブロックに設けられ前記半導体モジュールに対して上方の位置に水平方向に設けられた複数の放熱フィン５０３を有するヒートパイプ５０２とを含んでなる第１および第２の冷却器５１０と、両面冷却パワーモジュール５００と受熱ブロック５０１とを圧接させる圧接手段とを備え、電気端子の面側から前記放熱フィンに対し送風される。【選択図】図５
2015115523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する両面に冷却面を有し、前記冷却面に隣接する垂直方向のひとつの側面に電気端子を有する複数の半導体モジュールと、
上下に配置された複数の半導体モジュールを両端から挟む受熱ブロックと、この受熱ブロックに設けられ前記半導体モジュールに対して上方の位置に水平方向に設けられた複数の放熱フィンを有するヒートパイプとを含んでなる第１および第２の冷却器と、
前記半導体モジュールと前記受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備え、
前記電気端子の面側から前記放熱フィンに対し送風される
ことを特徴とする電力変換装置用半導体装置。
【請求項２】
前記冷却面は、前記半導体モジュールの前記電気端子に対し電気的に絶縁されており、
前記冷却面は、熱伝導剤が塗布されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用半導体装置。
【請求項３】
前記第１および第２の冷却器の放熱フィンの間には空隙を設け、同じ高さに配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用半導体装置。
【請求項４】
前記第１および第２の冷却器の放熱フィンの高さが異なり、互いの放熱フィン間の空隙に入れ子になるように配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用半導体装置。
【請求項５】
前記第１および第２の冷却器のヒートパイプに、同じ放熱フィンが設置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用半導体装置。
【請求項６】
前記第１および第２の冷却器の放熱フィンの間は、波状の剛性緩和部を設けて結合されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用半導体装置。
【請求項７】
前記請求項１から請求項６のいずれか１項の電力変換装置用半導体装置を複数個並べて配置する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
前記電力変換装置は、筐体内部の前記電気端子の面側から前記放熱フィンに対し送風する送風機を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
対向する両面に冷却面を有し、前記冷却面に隣接する垂直方向のひとつの側面に電気端子を有する複数の半導体モジュールと、
上下に配置された複数の半導体モジュールを両端から挟む受熱ブロックと、この受熱ブロックに設けられ前記半導体モジュールに対して上方の位置に水平方向に設けられた複数の放熱フィンを有するヒートパイプとを含んでなる第１および第２の冷却器と、
前記半導体モジュールと前記受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備える電力変換装置用半導体装置を複数含んで構成されており、
前記複数の電力変換装置用半導体装置の各電気端子の面は、同一面に配置され、前記同一面側から放熱フィンに対し送風機から送風される
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置などに用いる空冷型両面冷却半導体装置および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、電流の通流や阻止を行う半導体素子を用いた回路で構成され、これら半導体素子のスイッチング動作を制御することにより、電流や電圧の交直変換や周波数変換などの機能を実現する。電力変換装置の半導体素子では、通電時とオンとオフのスイッチング時に損失が発生する。この損失による発熱で半導体素子の温度が動作限界点を超えた場合、半導体素子は電流遮断が出来なくなり、電力変換装置は所望の動作が出来なくなる。このため、電力変換装置において、半導体素子を冷却する機器が必要となる。
【０００３】
半導体素子は、半導体素子の種類、外形、電気特性などにいくつかの種類があり、各々の特性に応じて冷却器は設計される。例えば、特許文献１では、半導体装置と冷却器の小型化を実現するために、２つの冷却面と電気端子部と、ピン状の突起による冷却器を設けた半導体素子が挙げられている。特許文献２では、特許文献１と同様に、２つの冷却面に高熱伝導体と空冷フィンからなる冷却器を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−７３９６４号公報
【特許文献２】特開２０００−０６０１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、半導体素子を冷却するために冷却水を用いているが、水路、ポンプ、放熱器を別途備える必要がある。また、半導体素子を内部に収納したパワーモジュールは、内部の発熱を冷却するための２つの面があり、各面には多数のフィンを設けた放熱部を有しており、構造が複雑になる問題がある。
【０００６】
特許文献２では、半導体素子を冷却するために、放熱器を素子近傍に配置するなどして冷却性能を高める試みがなされているが、構造が複雑化し、パワーモジュールを多数必要とする電力変換装置に適用した場合に、装置が大型化してしまう問題がある。
【０００７】
本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、パワーモジュールの配置において拡張性があり、複数のパワーモジュールを使用する電力変換装置を小型化できる電力変換装置用半導体装置および電力変換装置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】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明の電力変換装置用半導体装置は、対向する両面に冷却面を有し、冷却面に隣接する垂直方向のひとつの側面に電気端子（例えば、Ｐ端子７０４Ｐ、Ｎ端子７０４Ｎ、ＡＣ端子７０４ＡＣ、ゲート端子７０１）を有する複数の半導体モジュール（例えば、両面冷却パワーモジュール５００）と、上下に配置された複数の半導体モジュールを両端から挟む受熱ブロック（例えば、受熱ブロック５０１）と、この受熱ブロックに設けられ半導体モジュールに対して上方の位置に水平方向に設けられた複数の放熱フィン（例えば、放熱フィン５０３）を有するヒートパイプ（例えば、ヒートパイプ５０２）とを含んでなる第１および第２の冷却器（例えば、第１の冷却器５１０Ａと第２の冷却器５１０Ｂ）と、半導体モジュールと受熱ブロックとを圧接させる圧接手段（例えば、ボルト５０４とナット５０５）とを備え、電気端子の面側から放熱フィンに対し送風されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、パワーモジュールの配置において拡張性があり、複数のパワーモジュールを使用する電力変換装置を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。
【図２】電力変換装置のコンバータを示す回路図である。
【図３】電力変換装置のインバータを示す回路図である。
【図４】電力変換装置のチョッパを示す回路図である。
【図５】複数の両面冷却パワーモジュールを配置した空冷型両面冷却パワーユニットを示す斜視図である。
【図６】空冷型両面冷却パワーユニット内の両面冷却パワーモジュールの配置構成を示す分解図である。
【図７】両面冷却パワーモジュールを示す説明図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は回路図である。
【図８】空冷型両面冷却パワーユニットの熱輸送経路を示す説明図である。
【図９】単位変換器ユニットを示す斜視図である。
【図１０】単位変換器ユニットの配置構成を示す分解図である。
【図１１】単位変換器ユニットを示す回路図である。
【図１２】複数の単位変換器ユニットを配置した電力変換装置を示す外観図である。
【図１３】電力変換装置内の単位変換器ユニットの冷却方法を示す説明図である。
【図１４】第１および第２の冷却器の放熱フィンが入れ子状態に配置されている場合を示す斜視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は拡大図である。
【図１５】第１および第２の冷却器のヒートパイプに、同じ放熱フィンが設置されている場合を示す斜視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は拡大図である。
【図１６】第１および第２の冷却器の放熱フィンの間が、波状の剛性緩和部を設けて結合されている場合の斜視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態の電力変換装置１００（図１、図１２、図１３参照）は、複数の単位変換器ユニット９１０（図９、図１２参照）から構成されている。単位変換器ユニット９１０は、複数の両面冷却パワーモジュール５００（半導体モジュール、図７参照）を実装した空冷型両面冷却パワーユニット５２０（電力変換装置用半導体装置、図５参照）を含んで構成される。以下、電力変換装置１００の各構成品について説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。図１に示すように、電力変換装置１００には、電力系統の受電点１０７から変圧器１０５を介して、適当な電圧に調整された交流電力が供給される。供給される交流電力は、コンバータ１０２に入力され、直流電力に変換される。直流電力はインバータ１０３に入力され、交流電力に変換される。この交流電力は三相の交流負荷１０８にて消費される。
【００１３】
一方、電力系統の不具合等でコンバータ１０２に電力が供給されない場合、これを上位制御回路１０９が感知し、チョッパ１０４が動作する。蓄電池１０６からチョッパ１０４に入力される直流電力はチョッパ１０４で適当な電力に調整され、インバータ１０３に入力される。インバータ１０３に入力された直流電力は交流電力へと変換され、三相の交流負荷１０８にて消費される。
【００１４】
以上の動作は上位制御回路１０９で所望の動作を判定し、コンバータへの指令信号１１０Ｃ、インバータへの指令信号１１０Ｉ、チョッパへの指令信号１１０Ｘにより調整される。コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４はその動作に際して、熱が発生し温度が上昇する。この温度上昇を抑制するために、冷却ファン１０１（送風機）により発生させる冷却風１１１を送り込み冷却する。以上で構成された電気システムのうち、冷却ファン１０１、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４、上位制御回路１０９等が実施形態における電力変換装置１００に収容される。
【００１５】
図２は、電力変換装置のコンバータを示す回路図である。図３は、電力変換装置のインバータを示す回路図である。図４は、電力変換装置のチョッパを示す回路図である。図２〜図４を参照してコンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４の回路について説明する。
【００１６】
図２に示すコンバータ１０２は、複数の半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｒ，２０３Ｓ，２０３Ｔ）で構成され、レグ２０３は、複数のスイッチング素子２０４（例えば、２０４ＲＨ，２０４ＲＬ）とダイオード素子２０５（例えば、２０５ＲＨ，２０５ＲＬ）で構成される。以後、個々の要素全体を示す場合は総称として、レグ２０３、スイッチング素子２０４、ダイオード素子２０５を用いる。
【００１７】
レグ２０３の両端はコンデンサ２０１に接続されている。レグ２０３Ｒの上側アームは、スイッチング素子２０４ＲＨと、還流用のダイオード素子２０５ＲＨとで構成される。また、レグ２０３Ｒの下側アームは、スイッチング素子２０４ＲＬと、還流用のダイオード素子２０５ＲＬとで構成される。同様に、レグ２０３Ｓの上側アームは、スイッチング素子２０４ＳＨと、還流用のダイオード素子２０５ＳＨとで構成される。また、レグ２０３Ｓの下側アームは、スイッチング素子２０４ＳＬと、還流用のダイオード素子２０５ＳＬとで構成される。また、レグ２０３Ｔの上側アームは、スイッチング素子２０４ＴＨと、還流用のダイオード素子２０５ＴＨとで構成される。また、レグ２０３Ｔの下側アームは、スイッチング素子２０４ＴＬと、還流用のダイオード素子２０５ＴＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＲＨ，２０４ＲＬ，２０４ＳＨ，２０４ＳＬ，２０４ＴＨ，２０４ＴＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるコンバータゲート制御部２０２で制御される。
【００１８】
なお、本実施形態のスイッチング素子は、電流のオン・オフを切り替え可能な素子なら使用することが可能である。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）がある。
【００１９】
図３に示すインバータ１０３は、複数の半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｕ，２０３Ｖ，２０３Ｗ）で構成され、レグ２０３の両端はコンデンサ３０１に接続されている。レグ２０３Ｕの上側アームは、スイッチング素子２０４ＵＨと、還流用のダイオード素子２０５ＵＨとで構成される。また、レグ２０３Ｕの下側アームは、スイッチング素子２０４ＵＬと、還流用のダイオード素子２０５ＵＬとで構成される。同様に、レグ２０３Ｖの上側アームは、スイッチング素子２０４ＶＨと、還流用のダイオード素子２０５ＶＨとで構成される。また、レグ２０３Ｖの下側アームは、スイッチング素子２０４ＶＬと、還流用のダイオード素子２０５ＶＬとで構成される。また、レグ２０３Ｗの上側アームは、スイッチング素子２０４ＷＨと、還流用のダイオード素子２０５ＷＨとで構成される。また、レグ２０３Ｗの下側アームは、スイッチング素子２０４ＷＬと、還流用のダイオード素子２０５ＷＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＵＨ，２０４ＵＬ，２０４ＶＨ，２０４ＶＬ，２０４ＷＨ，２０４ＷＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるインバータゲート制御部３０２で制御される。
【００２０】
図４に示すチョッパ１０４は、半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｘ）で構成され、レグ２０３の両端はコンデンサ４０１に接続されている。レグ２０３Ｘの上側アームは、スイッチング素子２０４ＸＨと、還流用のダイオード素子２０５ＸＨとで構成される。また、レグ２０３Ｘの下側アームは、スイッチング素子２０４ＸＬと、還流用のダイオード素子２０５ＸＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＸＨ，２０４ＸＬの連系点は、リアクトル４０３を介して蓄電池１０６（図１参照）に接続されている。スイッチング素子２０４ＸＨ，２０４ＸＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるチョッパゲート制御部４０２で制御される。
【００２１】
制御動作の例として、チョッパゲート制御部４０２の一例について説明する。
チョッパ１０４に与えられるスイッチング信号は、昇圧降圧切換回路（図示せず）を通して与えられる。これらの選択は、コンバータ１０２、インバータ１０３の間の直流電圧値とコンバータ１０２（整流機能）の出力電圧値の大小関係に依存する。そして、チョッパ１０４の出力がコンバータ１０２の出力電圧より大きい時、スイッチング素子２０４ＸＬにＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）信号を送信し、逆の場合は、スイッチング素子２０４ＸＨにＰＷＭ信号を送信する。
【００２２】
蓄電池１０６の電力を放電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＬをＰＷＭ信号に従いスイッチングする。スイッチング素子がオンしたときリアクトル４０３にエネルギーを蓄積する。一方、オフしたとき、蓄電池１０６の電圧とリアクトル４０３のエネルギーにより蓄電池１０６の電圧より高い電圧をコンデンサ４０１に、スイッチング素子２０４ＸＨに接続されているダイオード素子２０５ＸＨを介して充電する。
【００２３】
蓄電池１０６に電力を充電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＨをＰＷＭ信号に従いスイッチングし、スイッチング素子２０４ＸＨがオンしたときリアクトル４０３を介して、コンデンサ４０１の電力を蓄電池１０６に充電する。スイッチング素子２０４ＸＨがオフしているとき、スイッチング素子２０４ＸＬに接続されているダイオード素子２０５ＸＬを介してリアクトル４０３に蓄積したエネルギーを循環させる。これらの動作により、蓄電池１０６の電力を充放電させることができる。
【００２４】
なお、一般的な電力変換装置では、コンデンサは一括して配置する場合もあるが、本実施形態では、後記する単位変換器ユニット９１０（図９参照）の構成を規格化する観点からコンデンサ２０１，３０１，４０１を分割している。具体的には、コンデンサ２０１，３０１は、レグ２０３ごとに更に分割される。
【００２５】
図２〜図４に示すレグ２０３のスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５による電流の通電と阻止を行うことで、コンバータ１０２では交流から直流変換を、インバータ１０３では直流から交流変換を行っている。通電時にはスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５に内蔵する抵抗により損失が発生する。また、通電状態から阻止状態に切り替える際にも損失が発生する。このため、電力変換装置１００の作動には発熱が伴う。
【００２６】
（空冷型両面冷却パワーユニット）
次に、本実施形態の空冷型両面冷却パワーユニット５２０における冷却構造について図５から図８を用いて説明する。
図５は、複数の両面冷却パワーモジュールを配置した空冷型両面冷却パワーユニットを示す斜視図である。図６は、空冷型両面冷却パワーユニット内の両面冷却パワーモジュールの配置構成を示す分解図である。
【００２７】
空冷型両面冷却パワーユニット５２０は、基本的に冷却器５１０（第１の冷却器５１０Ａ，第２の冷却器５１０Ｂ）と、複数の両面冷却パワーモジュール５００を含んで構成さされる。冷却器５１０は、受熱ブロック５０１、ヒートパイプ５０２、放熱フィン５０３で構成される。第１の冷却器５１０Ａは、受熱ブロック５０１Ａ、ヒートパイプ５０２Ａ、放熱フィン５０３Ａで構成される。第２の冷却器５１０Ｂは、受熱ブロック５０１Ｂ、ヒートパイプ５０２Ｂ、放熱フィン５０３Ｂで構成される。空冷型両面冷却パワーユニット５２０は、両面冷却パワーモジュール５００の実装において、複数のパワーモジュールを配置できる拡張性があり、スリムで簡素な構造であることが特徴となっている。
【００２８】
空冷型両面冷却パワーユニット５２０を組み立てる際、発熱源である半導体素子を内蔵する２つ以上の両面冷却パワーモジュール５００を受熱ブロック５０１で挟み込む。挟み込んだ後、両面冷却パワーモジュール５００と受熱ブロック５０１とを圧接させる圧接手段であるボルト５０４とナット５０５を用いて固定する。受熱ブロック５０１の内部には一本以上のヒートパイプ５０２の片端が接続される。ヒートパイプ５０２のもう一方の端部は上方に延び、受熱ブロック５０１から出された部分で、複数の放熱フィン５０３と接続される。
【００２９】
両面冷却パワーモジュール５００と受熱ブロック５０１Ａ，５０１Ｂとの間には、熱伝導性が高く、やわらかい熱伝導グリス５０６（熱伝導剤）を塗布し、各々の表面粗さ、寸法公差に起因する熱接触不良を軽減してもよい。
【００３０】
図７は、両面冷却パワーモジュールを示す説明図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は回路図である。図７（ｂ）に示すように、両面冷却パワーモジュール５００にはスイッチング素子２０４ＭＨ，２０４ＭＬとダイオード素子２０５ＭＨ，２０５ＭＬとが含まれる。各々の半導体素子間は、レグ２０３（例えば、図２参照）を構成するように接続される。
【００３１】
図７（ａ）に示すように、Ｐ端子７０４Ｐ（直流正極端子）、Ｎ端子７０４Ｎ（直流負極端子）、ＡＣ端子７０４ＡＣ（交流端子）、スイッチング素子のオンとオフとを制御するゲート端子７０１とは、絶縁体７０３を用いて、各々電気的に絶縁されながら、その上部に外部と接続可能なように引き出される。前述の半導体素子が動作する際、これらの電気端子を経由して外部と電気的な導通を得る一方で、同時に生じる発熱を絶縁体７０３に接する冷却面７０２を経由して排熱する。すなわち、ゲート端子７０１と冷却面７０２は電気的に絶縁されており、熱輸送経路と電気経路は独立している。
【００３２】
本実施形態の両面冷却パワーモジュール５００は、対向する両面に冷却面７０２を有し、冷却面７０２に隣接する垂直方向のひとつの側面にパワーモジュールの電気端子であるＰ端子７０４Ｐ、Ｎ端子７０４Ｎ、ＡＣ端子７０４ＡＣ、ゲート端子７０１を有することが特徴である。
【００３３】
図８は、空冷型両面冷却パワーユニットの熱輸送経路を示す説明図である。図８は、図５の一断面図を示す。上下に実装された複数の両面冷却パワーモジュール５００において、内蔵される複数の半導体素子８０２で生じる熱は、受熱ブロック５０１を介してヒートパイプ５０２に伝わり、垂直方向に速やかに熱８０１が輸送される。この熱８０１は上部で放熱フィン５０３へと伝わり、放熱フィン５０３の間に流れる冷却風８０３によって排出される。
【００３４】
（単位変換器ユニット）
本発明の実施形態に係る電力変換装置１００における単位変換器ユニット９１０について図９〜図１１を参照して説明する。図９は、単位変換器ユニットを示す斜視図である。図１０は、単位変換器ユニットの配置構成を示す分解図である。図１１は、単位変換器ユニットを示す回路図である。
【００３５】
図９に示す単位変換器ユニット９１０は、前述の空冷型両面冷却パワーユニット５２０の電気端子のＰ端子７０４Ｐ、Ｎ端子７０４Ｎ、ＡＣ端子７０４ＡＣ（図７参照）をＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９０５のＰ層、Ｎ層、ＡＣ層のそれぞれに接続する。さらに、電気端子のゲート端子７０１をゲートドライバ基板９０４に接続する。また、複数のコンデンサ９０１の正極端子９０２Ｐと負極端子９０２ＮをＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９０５のＰ層とＮ層にそれぞれ接続する。さらに、正極フューズ９０３Ｐと負極フューズ９０３ＮをＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９０５のＰ層とＮ層にそれぞれ接続する。
【００３６】
図１０は、図９の分解図である。Ｐ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９０５は、Ｐバスバ９０５Ｐ、Ｎバスバ９０５Ｎ、ＡＣバスバ９０５ＡＣで構成されており、各バスバ間は絶縁層（図示せず）で絶縁されている。単位変換器ユニット９１０において、さらに説明すると、両面冷却パワーモジュールのＰ端子７０４Ｐ、Ｎ端子７０４Ｎ、ＡＣ端子７０４ＡＣは、Ｐバスバ９０５Ｐ、Ｎバスバ９０５Ｎ、ＡＣバスバ９０５ＡＣにそれぞれ接続される。両面冷却パワーモジュール５００のゲート端子７０１は、ゲートドライバ基板９０４に接続される。また、コンデンサ９０１のＰ端子をＰバスバ９０５Ｐに、Ｎ端子をＮバスバ９０５Ｎに接続する。以上の構成を電気回路図で示すと図１１のようになる。
【００３７】
本実施形態では、図９に示すように、電気端子の面側から放熱フィン５０３に対し冷却風８０３を送風する。これにより、電力変換装置１００に単位変換器ユニット９１０を横並びに密に実装しても、各単位変換器ユニット９１０間の冷却効果を低減させることがない利点を有する。なお、本実施形態では、電気端子の面側から送風しているがこれに限定されるものではなく、例えば、電気端子の対向面から放熱フィン５０３に対し送風してもよい。
【００３８】
（電力変換装置）
図１２は、複数の単位変換器ユニットを配置した電力変換装置を示す外観図である。図１３は、電力変換装置内の単位変換器ユニットの冷却方法を示す説明図である。
【００３９】
電力変換装置１００内にコンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４を横並びに配置している。コンバータ１０２は、図２に示した３つのレグ２０３Ｒ，２０３Ｓ，２０３Ｔに対応する単位変換器ユニット９１０で構成されている。インバータ１０３は、図３に示した３つのレグ２０３Ｕ，２０３Ｖ，２０３Ｗに対応する単位変換器ユニット９１０で構成されている。チョッパ１０４は、図４では１つのレグ２０３Ｘで示したが、電力容量を考慮して２つのレグ２０３Ｘに対応する単位変換器ユニット９１０で構成されている。
【００４０】
コンバータ１０２は３つの単位変換器ユニット９１０をＰ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ１００３をそれぞれの正極端子１００１と負極端子１００２とを接続することで構成する。インバータ１０３もコンバータ１０２と同様に構成する。チョッパ１０４は２つの単位変換器ユニット９１０を並列に接続することで構成する。
【００４１】
以上のような構成を備えるコンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４において、１レグにつき単位変換器ユニット９０７を複数個並列に接続することもできる。このため電力変換装置の定格出力容量を大きくすることができる。
【００４２】
図１３に示す電力変換装置内の単位変換器ユニット９１０の冷却方法において、図９と同様に、電気端子の面側から放熱フィン５０３に対し冷却風８０３を送風している。これにより、電力変換装置１００に単位変換器ユニット９１０を横並びに密に実装しても、各単位変換器ユニット９１０間の冷却効果を低減させることがない利点を有する。また、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４の発熱量が異なる場合、冷却風８０３Ａ，８０３Ｂ，８０３Ｃの風速などを変更してもよい。
【００４３】
（放熱フィン構造）
次に放熱フィン構造について、図１４〜図１６を参照して説明する。
図１４は、第１および第２の冷却器の放熱フィンが入れ子状態に配置されている場合を示す斜視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は拡大図である。図１４の放熱フィン５０３は、第１の冷却器５１０Ａの放熱フィン１４０１Ａと、第２の冷却器５１０Ｂの放熱フィン１４０１Ｂとの高さが異なり、互いの放熱フィン間の空隙に入れ子になるように配置されている。この点が図５の放熱フィン５０３と異なる。これにより、放熱フィン１４０１Ａおよび放熱フィン１４０１Ｂのそれぞれの放熱面積を増加できる利点がある。
【００４４】
図１５は、第１および第２の冷却器のヒートパイプに、同じ放熱フィンが設置されている場合を示す斜視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は拡大図である。図１５の放熱フィン１５０１は、図５の放熱フィン５０３と異なり、第１の冷却器５１０Ａと第２の冷却器５１０Ｂの放熱フィンを、同じ放熱フィンで構成されていることである。これにより、第１の冷却器５１０Ａ側と第２の冷却器５１０Ｂ側での発熱量が異なっていた場合においても、同一の放熱フィン１５０１により、均一化できる利点がある。
【００４５】
図１６は、第１および第２の冷却器の放熱フィンの間が、波状の剛性緩和部を設けて結合されている場合の斜視図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は拡大図である。図１６の放熱フィン１６０１は、第１の冷却器５１０Ａと第２の冷却器５１０Ｂとの放熱フィンの間は、波状の剛性緩和部１６０２を設けて結合されている。この点が図５の放熱フィン５０３と異なる。これにより、第１の冷却器５１０Ａと第２の冷却器５１０Ｂとで構成される空冷型両面冷却パワーユニット５２０の機械的強度を増すことができる利点がある。
【００４６】
本実施形態の電力変換器用半導体装置（例えば、空冷型両面冷却パワーユニット５２０
）は、電気端子と電気端子と電気的に絶縁された第１の冷却面（例えば、冷却面７０２)と第１の冷却面と対向する第２の冷却面（例えば、冷却面７０２)を備える両面冷却半導体モジュール（例えば、両面冷却パワーモジュール５００）と、複数の両面冷却半導体モジュールの第１の冷却面とが接する第１の受熱ブロック（例えば、受熱ブロック５０１Ａ）と、第１の受熱ブロックとその内部で一方の端部が熱的に接続された一つ以上の第１のヒートパイプ（例えば、ヒートパイプ５０２Ａ）と、第１のヒートパイプのもう一方の端部で熱的に接続された１つ以上の第１の放熱フィン（例えば、放熱フィン５０３Ａ）と、複数の両面冷却半導体モジュールの第２の冷却面とが接する第２の受熱ブロック（例えば、受熱ブロック５０１Ｂ）と、第２の受熱ブロックとその内部で一方の端部が熱的に接続された一つ以上の第２のヒートパイプ（例えば、ヒートパイプ５０２Ｂ）と、第２のヒートパイプのもう一方の端部で熱的に接続された１つ以上の第２の放熱フィン（例えば、放熱フィン５０３Ｂ）と、第１の受熱ブロックと第二受熱ブロックとを固定する固定具（例えば、ボルト５０４とナット５０５）とを備えている。
【００４７】
これにより、両面冷却パワーモジュール５００の配置において拡張性があり、複数の両面冷却パワーモジュール５００を使用する空冷型両面冷却パワーユニット５２０を小型化できる効果がある。図５に示す空冷型両面冷却パワーユニット５２０は、２つの両面冷却パワーモジュール５００の実装について説明したがこれに限定されるわけではない。例えば、図５においては、図面の上下方向に２つの両面冷却パワーモジュール５００を配置しているが、３つ以上を配置してもよい。
【００４８】
以上の実施形態についてまとめると、電力変換器用半導体装置は、対向する平坦な冷却面とこれらの冷却面とその内部で電気的に絶縁された電気端子部を持つ２つ以上の両面冷却半導体モジュールと、両面冷却半導体モジュールを両面から挟み込む冷却器５１０（放熱器）とを備えている。冷却器５１０は平坦面を有する受熱ブロック５０１と呼ぶ部材と、ヒートパイプ５０２および放熱フィン５０３とを備える。電力変換器用半導体装置は、両面冷却半導体モジュールの実装に拡張性があり、スリムで簡素な構造であることが特徴となっている。
【００４９】
両面冷却半導体モジュールの冷却面と、受熱ブロック５０１の平坦面とを接することで、両面冷却半導体モジュール内の半導体素子８０２で発生する熱量を受熱ブロック５０１へ伝える。受熱ブロック５０１内部において、受熱ブロック５０１の平坦面と平行方向にヒートパイプ５０２を直線状に延在させる。ヒートパイプ５０２の片端は受熱ブロック５０１に埋め込まれ、もう一方は受熱ブロック５０１より外に伸ばす。受熱ブロック５０１から延在するヒートパイプ５０２と放熱フィン５０３とが接続される。この放熱フィン５０３の間に冷却風８０３を流すことにより、放熱フィン５０３と冷却風８０３との間で熱交換が行われる。その結果、両面冷却半導体モジュール内の半導体素子８０２は冷却される。
【００５０】
このように構成された冷却構造によれば、半導体素子８０２の発熱をヒートパイプ５０２を経由して速やかに拡散し、放熱フィン５０３に伝えることができるため、放熱フィン効率を向上することができる。また、冷却器５１０と両面冷却半導体モジュールとの接続において、受熱ブロック５０１を介するため、例えば、故障した両面冷却半導体モジュールを容易に交換することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００    電力変換装置
１０１    冷却ファン（送風機）
１０２    コンバータ
１０３    インバータ
１０４    チョッパ
１０５    変圧器
１０６    蓄電池
１０７    受電点
１０８    交流負荷
１０９    上位制御回路
１１０Ｉ    インバータへの指令信号
１１０Ｃ    コンバータへの指令信号
１１０Ｘ    チョッパへの指令信号
１１１    冷却風
２０１，３０１，４０１，９０１    コンデンサ
２０２    コンバータゲート制御部
２０３    レグ
２０４    スイッチング素子
２０５    ダイオード素子
３０２    インバータゲート制御部
４０２    チョッパゲート制御部
４０３    リアクトル
５００    両面冷却パワーモジュール（半導体モジュール）
５０１    受熱ブロック
５０２    ヒートパイプ
５０３    放熱フィン
５０４    ボルト（圧接手段）
５０５    ナット（圧接手段）
５０６    熱伝導グリス（熱伝導剤）
５１０    冷却器
５２０    空冷型両面冷却パワーユニット（電力変換装置用半導体装置）
７０１    ゲート端子（電気端子）
７０２    冷却面
７０４Ｐ    Ｐ端子（電気端子）
７０４Ｎ    Ｎ端子（電気端子）
７０４ＡＣ    ＡＣ端子（電気端子）
８０２    半導体素子
８０３    冷却風
９０２Ｐ    正極端子
９０２Ｎ    負極端子
９０３Ｐ    正極フューズ
９０３Ｎ    負極フューズ
９０４    ゲートドライバ基板
９０５    Ｐ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ
９１０    単位変換器ユニット
１００１    正極
１００２    負極
１００３    Ｐ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ
１６０２    剛性緩和部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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