(57)【要約】【課題】比較的低コストで且つ大型化することなく複数の半導体素子の劣化速度を略均一にすることのできるパワーモジュール用冷却装置を提供する。【解決手段】複数の半導体素子Ｓ１〜Ｓｎを含むパワーモジュール２０に接し、冷却通路１２を介して流通する冷媒によって各半導体素子を冷却するパワーモジュール用冷却装置であって、冷却通路を流通する冷媒の流通方向を切り換える切換手段１０と、所定の条件に基いて切換手段を作動させて冷媒の流通方向を切り換えるように制御する制御手段１１とを備える。【選択図】図１
2015119019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子（Ｓ１〜Ｓｎ）を含むパワーモジュール（２０）に接し、冷却通路（１２）を介して流通する冷媒によって前記各半導体素子を冷却するパワーモジュール用冷却装置であって、
前記冷却通路を流通する前記冷媒の流通方向を切り換える切換手段（１０）と、
所定の条件に基いて前記切換手段を作動させて前記冷媒の流通方向を切り換えるように制御する制御手段（１１）と
を備えることを特徴とするパワーモジュール用冷却装置。
【請求項２】
前記所定の条件は、前記パワーモジュールの動作時間であり、
前記制御手段は、前記パワーモジュールの動作時間が所定時間に達する毎に、前記切換手段を作動させるように制御することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項３】
前記制御手段は、乱数を生成する乱数生成手段（１３）をさらに備え、
前記制御手段は、前記パワーモジュールの動作時間が所定時間に達する毎に、前記乱数生成手段で生成された乱数に基いて前記切換手段を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて前記切換手段の作動を制御することを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項４】
前記パワーモジュールは車両用であって、車両のイグニッションスイッチ（４０）に連動して動作され、
前記所定の条件は、前記車両のイグニッションスイッチのオン・オフであり、
前記制御手段は、前記車両のイグニッションスイッチがオンされる毎に、前記切換手段を作動させるように制御することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用冷却装置。
【請求項５】
前記制御手段は、乱数を生成する乱数生成手段（１３）をさらに備え、
前記制御手段は、前記車両のイグニッションスイッチがオンされる毎に、前記乱数生成手段で生成された乱数に基いて前記切換手段を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて前記切換手段の作動を制御することを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体素子を含むパワーモジュールの冷却装置に係り、例えば車両に搭載するに好適なパワーモジュール用冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載される複数の半導体素子を含むパワーモジュールを冷却するためのパワーモジュール用冷却装置が用いられている。
【０００３】
このようなパワーモジュール用冷却装置の冷却方式としては、空冷式と液冷式があるが、パワーモジュールを介して電力が供給されるハイブリッド車等に搭載されるモータの高出力化等に伴い、より効率的に冷却できる冷却水等の冷媒を用いた液冷式が主流となっている。
【０００４】
このような液冷式のパワーモジュール用冷却装置に関する技術は種々提案されている（特許文献１、特許文献２等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９５７６５号公報
【特許文献２】特開２００８−４１８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示される冷却装置では、冷媒としての冷却水が冷却通路を一方方向のみに流通するようになっている。
【０００７】
そのため、冷却水が冷却通路を流通する途中で、パワー素子（半導体素子）からの熱を受けて、冷却通路の出口付近で温度が上昇してしまう。これにより、冷却通路の出口付近に配置される半導体素子の温度が、入り口付近に配置される半導体素子の温度より高く（例えば１０℃程度高く）なってしまい、半導体素子の劣化速度が均一でなくなるという問題があった。
【０００８】
一方、特許文献２に開示される冷却装置では、パワーモジュールの冷却を均一に行なうために、半導体チップを裏面から冷却する第１流路と、表面から冷却する第２流路を備え、互いに反対方向に冷媒を流すようにしている。
【０００９】
しかしながら、２系統の冷却手段を要するためコストが嵩むという難点があった。また、冷却装置自体が大型化してしまうという問題もあった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的低コストで且つ大型化することなく複数の半導体素子の劣化速度を略均一にすることのできるパワーモジュール用冷却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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係るパワーモジュール用冷却装置の第１の態様は、複数の半導体素子を含むパワーモジュールに接し、冷却通路を介して流通する冷媒によって前記各半導体素子を冷却するパワーモジュール用冷却装置であって、前記冷却通路を流通する前記冷媒の流通方向を切り換える切換手段と、所定の条件に基いて前記切換手段を作動させて前記冷媒の流通方向を切り換えるように制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るパワーモジュール用冷却装置の第２の態様は、第１の態様に係るパワーモジュール用冷却装置において、前記所定の条件は、前記パワーモジュールの動作時間であり、前記制御手段は、前記パワーモジュールの動作時間が所定時間に達する毎に、前記切換手段を作動させるように制御することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るパワーモジュール用冷却装置の第３の態様は、第２の態様に係るパワーモジュール用冷却装置において、前記制御手段は、乱数を生成する乱数生成手段をさらに備え、前記制御手段は、前記パワーモジュールの動作時間が所定時間に達する毎に、前記乱数生成手段で生成された乱数に基いて前記切換手段を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて前記切換手段の作動を制御することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るパワーモジュール用冷却装置の第４の態様は、第１の態様に係るパワーモジュール用冷却装置において、前記パワーモジュールは車両用であって、車両のイグニッションスイッチに連動して動作され、前記所定の条件は、前記車両のイグニッションスイッチのオン・オフであり、前記制御手段は、前記車両のイグニッションスイッチがオンされる毎に、前記切換手段を作動させるように制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るパワーモジュール用冷却装置の第５の態様は、第４の態様に係るパワーモジュール用冷却装置において、前記制御手段は、乱数を生成する乱数生成手段をさらに備え、前記制御手段は、前記車両のイグニッションスイッチがオンされる毎に、前記乱数生成手段で生成された乱数に基いて前記切換手段を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて前記切換手段の作動を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００１７】
すなわち、第１の態様に係るパワーモジュール用冷却装置では、所定の条件に基いて切換手段を作動させて冷媒の流通方向を切り換えるようにしているので、冷却通路の出口付近に配置される半導体素子の温度と、入り口付近に配置される半導体素子の温度とを略均一にすることができ、半導体素子の劣化速度の偏りを抑制することができる。また、冷却通路は一つで足りるため比較的低コストで且つ大型化することなく複数の半導体素子の劣化速度を略均一にすることができる。
【００１８】
第２の態様に係るパワーモジュール用冷却装置では、パワーモジュールの動作時間が所定時間に達する毎に、切換手段を作動させるように制御するので、比較的簡易な制御で各半導体素子の温度を略均一にすることができ、半導体素子の劣化速度の偏りを抑制することができる。
【００１９】
第３の態様に係るパワーモジュール用冷却装置では、パワーモジュールの動作時間が所定時間に達する毎に、乱数生成手段で生成された乱数に基いて切換手段を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて切換手段の作動を制御するので、比較的簡易な制御で各半導体素子の温度をより均一にすることができ、半導体素子の劣化速度の偏りを一層抑制することができる。
【００２０】
第４の態様に係るパワーモジュール用冷却装置では、車両のイグニッションスイッチがオンされる毎に、切換手段を作動させるように制御するので、比較的簡易な制御で各半導体素子の温度を略均一にすることができ、半導体素子の劣化速度の偏りを抑制することができる。
【００２１】
第５の態様に係るパワーモジュール用冷却装置では、車両のイグニッションスイッチがオンされる毎に、乱数生成手段で生成された乱数に基いて切換手段を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて切換手段の作動を制御するので、比較的簡易な制御で各半導体素子の温度をより均一にすることができ、半導体素子の劣化速度の偏りを一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１および第２の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図２】実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の概略構成を示す構成図である。
【図３】実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の具体的な構成例を示す説明図である。
【図４】第３および第４の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の機能構成を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。
【００２４】
［実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の構成］
図１を参照して、第１および第２の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａ、１Ｂの機能構成について説明する。
【００２５】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａは、複数の半導体素子Ｓ１〜Ｓｎ（但し、ｎは２以上の整数）を含むパワーモジュール２０に接し、冷却通路１２を介して流通する冷媒（例えば、冷却水等）によって各半導体素子Ｓ１〜Ｓｎを冷却するパワーモジュール用冷却装置であって、冷却通路１２を流通する冷媒の流通方向を切り換える切換手段（例えば、四方弁およびソレノイド等のアクチュエータなどで構成される）１０と、所定の条件としてのパワーモジュール２０の動作時間に基いて切換手段１０を作動させて冷媒の流通方向を切り換えるように制御するマイクロコンピュータ等で構成される制御手段１１とを備える。
【００２６】
また、制御手段１１は、パワーモジュール２０の動作時間を計測するタイマ３０を備えている。
【００２７】
また、切換手段１０には、冷却通路１２に流通される冷媒の循環および冷却を行うモータ３１、ラジエータ３２およびポンプ３３が接続されている。
【００２８】
ここで、図２を参照して、実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の概略構成について説明する。
【００２９】
図２に示す構成例では、半導体素子の搭載面２２と搭載面２２に対向する閉塞面２３によって冷媒を流通させる冷却通路１２が形成されている。
【００３０】
搭載面２２には、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝達率の比較的高い金属で構成される半導体搭載部材２１を介してＩＧＢＴ(Insulated-Gate Bipolar Transistors)等の半導体素子Ｓ１〜Ｓ３が搭載面２２の長手方向に沿って搭載される。なお、図２では、半導体素子の個数を３個としたが、これに限定されず、２個あるいは４個以上（即ち、ｎ個）搭載するようにしてもよい。
【００３１】
なお、搭載面２２および閉塞面２３も例えば銅やアルミニウムなどの熱伝達率の比較的高い金属で構成するとよい。
【００３２】
そして、第１の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａでは、制御手段１１は、タイマ３０で計測するパワーモジュール２０の動作時間が所定時間に達する毎に、切換手段１０を作動させるように制御する。
【００３３】
これにより、冷却通路１２を流通する冷媒の流通方向が、例えば図２（ａ）に示すＤ１方向と、図２（ｂ）に示すＤ２方向とに交互に切り換えられる。
【００３４】
よって、冷却通路１２の出口付近に配置される半導体素子の温度と、入り口付近に配置される半導体素子の温度とを略均一にすることができ、半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの劣化速度の偏りを抑制することができる。
【００３５】
特に、冷却通路１２は一つで足りるため比較的低コストで且つ大型化することなく複数の半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの劣化速度を略均一にすることができる。
【００３６】
次に、同じ図１を参照して、第２の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｂについて説明する。
【００３７】
第１の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａと異なる点は、制御手段１１が、乱数を生成する乱数生成手段１３をさらに備える点である。
【００３８】
第２の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｂでは、制御手段１１は、タイマ３０で計測されるパワーモジュール２０の動作時間が所定時間に達する毎に、乱数生成手段１３で生成された乱数に基いて切換手段１０を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて切換手段１０の作動を制御するようになっている。
【００３９】
これにより、比較的簡易な制御で各半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの温度をより均一にすることができ、半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの劣化速度の偏りを一層抑制することができる。
【００４０】
［実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の構成例］
図３を参照して、第１および第２の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａ、１Ｂの構成例について説明する。
【００４１】
図３に示す構成例では、例えば三相交流モータ３１を搭載するハイブリッド車や電気自動車にパワーモジュール用冷却装置１Ａ（１Ｂ）を適用した場合を示す。
【００４２】
この構成例において、パワーモジュール２０は、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電力制御に対応させたＩＧＢＴ等の半導体素子Ｓ１〜Ｓ３で構成されるインバータである。
【００４３】
図３では図示を省略するが、インバータを構成するパワーモジュール２０には、図２に示すような構成の冷却通路１２等が設けられている。
【００４４】
図３に示す構成例において、切換手段１０は、ソレノイド等のアクチュエータで駆動される四方弁で構成されている。なお、切換手段１０としての四方弁は、図３に示す１０ａと１０ｂの２態様に切り換え可能となっている。
【００４５】
四方弁のアクチュエータは、マイクロコンピュータ等で構成される制御手段１１に接続され、制御手段１１の制御により前記１０ａと１０ｂの２態様に切り換えられる。
【００４６】
切換手段１０としての四方弁には、冷媒としての冷却水を循環させる流路５０ａ、５０ｂ等を介して、冷却水の循環および冷却を行うモータ３１、ラジエータ３２およびポンプ３３が接続されている。
【００４７】
そして、第１の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａを適用した場合には、制御手段１１は、制御手段１１が備えるタイマ３０で計測するパワーモジュール（インバータ）２０の動作時間が所定時間に達する毎に、切換手段１０としての四方弁を作動させるように制御する。
【００４８】
これにより、四方弁は、図３に示す１０ａと１０ｂの２態様に交互に切り換えられ、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、冷却通路１２を流通する冷媒の流通方向が、Ｄ１方向と、Ｄ２方向とに交互に切り換えられる。
【００４９】
よって、冷却通路１２の出口付近に配置される半導体素子の温度と、入り口付近に配置される半導体素子の温度とを略均一にすることができ、ＩＧＢＴ等の半導体素子Ｓ１〜Ｓ３の劣化速度の偏りを抑制することができる。
【００５０】
また、第２の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｂを適用した場合には、制御手段１１は、タイマ３０で計測されるパワーモジュール２０の動作時間が所定時間に達する毎に、乱数生成手段１３で生成された乱数に基いて切換手段１０を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて切換手段１０としての四方弁の作動を制御する。
【００５１】
これにより、比較的簡易な制御でＩＧＢＴ等の半導体素子Ｓ１〜Ｓ３の温度をより均一にすることができ、半導体素子Ｓ１〜Ｓ３の劣化速度の偏りを一層抑制することができる。
【００５２】
［他の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置の機能構成］
次に、図４を参照して、第３および第４の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｃ，１Ｄの機能構成について説明する。
【００５３】
なお、第１の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａ等と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。
【００５４】
まず、第３の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｃが、第１の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａと異なる点は、パワーモジュール用冷却装置１Ｃにおけるパワーモジュール２０は車両用であって、マイクロコンピュータ等で構成される制御手段１１は、車両の電源をオン・オフさせるイグニッションスイッチ４０に接続されている点である。
【００５５】
そして、切換手段１０を作動させる所定の条件は、車両のイグニッションスイッチ４０のオン・オフであり、制御手段１１は、車両のイグニッションスイッチ４０がオンされる毎に、切換手段１０を作動させるように制御するようになっている。
【００５６】
これにより、車両のイグニッションスイッチ４０がオンされる毎に、切換手段１０を作動させるように制御するので、比較的簡易な制御で各半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの温度を略均一にすることができ、半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの劣化速度の偏りを抑制することができる。
【００５７】
次に、第４の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｄが、第３の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｃと異なる点は、制御手段１１が、乱数を生成する乱数生成手段１３をさらに備える点である。
【００５８】
そして、第４の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｄでは、制御手段１１は、車両のイグニッションスイッチ４０がオンされる毎に、乱数生成手段１３で生成された乱数に基いて切換手段１０を作動させるか否かを決定し、その決定結果に応じて切換手段１０の作動を制御するようになっている。
【００５９】
これにより、比較的簡易な制御で各半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの温度をより均一にすることができ、半導体素子Ｓ１〜Ｓｎの劣化速度の偏りを一層抑制することができる。
【００６０】
なお、第３および第４の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ｃ，１Ｄは、第１および第２の実施の形態に係るパワーモジュール用冷却装置１Ａ、１Ｂと同様に、図３に示すような車両用のインバータを構成するパワーモジュール２０の冷却に適用することができる。
【００６１】
以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１Ａ〜１Ｃ…パワーモジュール用冷却装置
１０…切換手段
１１…制御手段
１２…冷却通路
１３…乱数生成手段
２０…パワーモジュール
２１…半導体搭載部材
２２…搭載面
２３…閉塞面
３０…タイマ
３１…モータ
３２…ラジエータ
３３…ポンプ
４０…イグニッションスイッチ
５０ａ、５０ｂ…流路
Ｓ１〜Ｓｎ…半導体素子
【図１】
2015119019.tif 000003
【図２】
2015119019.tif 000004
【図３】
2015119019.tif 000005
【図４】
2015119019.tif 000006