(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部が配設されており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
かつ、上記封止部は、上記貫通冷媒流路に面する側面に凹凸部を設けてなり、
該凹凸部の凸部は、上記積層方向に直交する方向、かつ、上記貫通冷媒流路内に突出して形成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、上記凹凸部は、上記貫通冷媒流路の流路方向に直交する断面形状が凹凸状であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、上記凹凸部は、複数のフィンによって形成されており、該フィンは、上記貫通冷媒流路の流路方向に平行に配置されてい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、半導体素子を内蔵すると共に該半導体素子を冷却するための冷媒流路を内部に設けた半導体モジュールを、複数個積層して構成してなる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置として、図１５に示すごとく、半導体素子９２１を内蔵すると共に該半導体素子９２１を冷却するための冷媒流路９４を内部に設けた半導体モジュール９２を、複数個積層して構成してなる電力変換装置９がある（特許文献１）。
【０００３】
この電力変換装置９における半導体モジュール９２は、半導体素子９２１と、該半導体素子９２１と熱的に接続された放熱板９２２と、該放熱板９２２の放熱面９２５を露出させた状態で半導体素子９２１及び放熱板９２２を封止する樹脂からなる封止部９２３と、該封止部９２３の周囲に形成された樹脂からなる壁部９２４とを有する。そして、壁部９２４と封止部９２３との間に冷媒流路９４を有する。
すなわち、半導体モジュール９２は、半導体素子９２１を放熱板９２２と共に樹脂モールドするとともに、その内部に冷媒流路９４となる空間を形成している。
【０００４】
電力変換装置９は、複数の半導体モジュール９２を放熱面９２５の法線方向に積層し、連結して構成されている。これにより、隣り合う半導体モジュール９２における放熱板９２２の放熱面９２５同士の間にも冷媒流路９４が形成される。
そして、冷媒流路９４に冷却媒体Ｗを流通させることにより、半導体素子９２１の冷却を行うことができる。
【０００５】
かかる電力変換装置９は、上記のように複数の半導体モジュール９２を積層することによって、冷媒流路９４を備えた状態で構成されるため、別途冷却器を設ける必要がなく、簡素化、小型化、かつ組立容易化を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、電力変換装置９が扱う被制御電力の大電流化、高電圧化等の要請に伴い、半導体素子の発熱量が大きくなり、その冷却性能を向上させる必要が生じる場合がある。
かかる場合において、上記電力変換装置９の構成では、冷却性能の向上が困難となる場合もある。
具体的には、上記電力変換装置９においては、半導体素子９２１の熱は、主に放熱板９２２の放熱面９２５を介して冷却媒体Ｗに放熱されるが、樹脂からなる封止部９２３は熱伝導率が低いため、封止部９２３に覆われた部分からは、半導体素子９２１が冷却され難い。
それゆえ、放熱板９２２を介した半導体素子９２１の冷却のみでは充分な冷却性能が得られない場合、半導体素子９２１の温度上昇を招いてしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、封止部を介した伝熱をも利用して半導体素子の冷却性能を向上させることができる電力変換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部が配設されており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
かつ、上記封止部は、上記貫通冷媒流路に面する側面に凹凸部を設けてなり、
該凹凸部の凸部は、上記積層方向に直交する方向、かつ、上記貫通冷媒流路内に突出して形成されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。
【発明の効果】
【００１０】
上記電力変換装置において、上記封止部は、上記貫通冷媒流路に面する側面に凹凸部を設けてなる。そのため、上記貫通冷媒流路を流れる冷却媒体と上記封止部との間の接触面積を大きくすることができる。それゆえ、上記封止部を介した冷却媒体と半導体素子との間の熱交換効率を向上させることができる。
【００１１】
その結果、半導体素子は、上記沿面冷媒流路を流れる冷却媒体による放熱板を介した熱交換のみならず、貫通冷媒流路を流れる冷却媒体による封止部を介した熱交換によっても冷却することができる。すなわち、放熱板を介した伝熱に加え、封止部を介した伝熱をも利用して、冷却媒体によって半導体素子を冷却することができる。
したがって、上記電力変換装置によれば、半導体素子の冷却性能の向上を図ることができる。
【００１２】
以上のごとく、本発明によれば、封止部を介した伝熱をも利用して半導体素子の冷却性能を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１における、電力変換装置の斜視展開図。
【図２】実施例１における、図１のＡ−Ａ線矢視断面相当の電力変換装置の断面図。
【図３】実施例１における、半導体モジュールの斜視図。
【図４】実施例１における、半導体モジュールの正面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図６】実施例１における、電力変換装置の回路図。
【図７】実施例２における、半導体モジュールの正面図。
【図８】図７のＣ−Ｃ線矢視断面図。
【図９】実施例３における、電力変換装置の断面図。
【図１０】実施例３における、半導体モジュールの正面図。
【図１１】図１０のＤ−Ｄ線矢視断面図。
【図１２】実施例４における、電力変換装置の断面図。
【図１３】実施例４における、半導体モジュールの正面図。
【図１４】図１３のＥ−Ｅ線矢視断面図。
【図１５】背景技術における、電力変換装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明において、上記複数の半導体モジュールの積層方向は、上記放熱面の法線方向と略平行であればよく、隣り合う半導体モジュールの上記半導体素子間に、上記放熱面に沿った上記沿面冷媒流路が形成される状態であればよい。
また、上記半導体モジュールにおける上記放熱板は、上記半導体素子を両側から挟持する状態で配設されていることが好ましいが、上記半導体素子の一方の面側のみに配設されていてもよい。
【００１５】
また、上記封止部と上記壁部とは、樹脂によって成形されていることが好ましい。この場合には、上記封止部、上記壁部、及びこれらの間に形成される上記貫通冷媒流路を容易に形成することができ、電力変換装置の構成の簡素化、小型化、低コスト化を実現することができる。そして、この場合、上記封止部の熱伝導率が低くなりやすいため、冷却媒体による半導体素子の冷却を効率的に行い難くなるが、本発明を適用して伝熱面積を大きくすることにより、半導体素子を冷却しやすくすることができる。その結果、上記半導体素子の温度上昇を防ぎつつ、電力変換装置の簡素化、小型化、低コスト化を、効率的に行うことができる。
【００１６】
また、上記凹凸部は、上記貫通冷媒流路の流路方向に直交する断面形状が凹凸状であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記凹凸部における、凸部と凸部との間、或いは凹部を、冷却媒体が通過しやすいため、上記凹凸部を設けたことによる冷却媒体の圧力損失の上昇を抑制することができる。その結果、封止部を介した半導体素子の冷却を一層効率的に行うことができる。
【００１７】
また、上記凹凸部は、複数のフィンによって形成されており、該フィンは、上記貫通冷媒流路の流路方向に平行に配置されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記フィンに沿って冷却媒体を流通させることができるため、上記凹凸部を設けたことによる冷却媒体の圧力損失の上昇をより抑制することができる。その結果、封止部を介した半導体素子の冷却をより一層効率的に行うことができる。
【実施例】
【００１８】
（実施例１）
本発明の実施例に係る電力変換装置につき、図１〜図６を用いて説明する。
図１、図２に示すごとく、半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２を複数個積層して構成してなる。
【００１９】
半導体モジュール２は、図２〜図５に示すごとく、半導体素子２１と、放熱板２２と、封止部２３と、壁部２４と、貫通冷媒流路４１とを有する。
放熱板２２は、半導体素子２１と熱的に接続されている。封止部２３は、放熱板２２の放熱面２２１を露出させた状態で半導体素子２１及び放熱板２２を封止している。壁部２４は、放熱面２２１の法線方向に直交する方向における封止部２３の周囲に形成されると共に放熱面２２１よりも法線方向に突出している。貫通冷媒流路４１は、壁部２４と封止部２３との間に形成されている。
【００２０】
図１、図２に示すごとく、複数の半導体モジュール２は、放熱面２２１の法線方向に積層されている。
積層方向の両端に配される半導体モジュール２１には、壁部２４における積層方向の外側の開口部を覆う蓋部３が配設されている。
隣り合う半導体モジュール２の間及び蓋部３と半導体モジュール２との間であって壁部２４の内側には、貫通冷媒流路４１に連通すると共に放熱面２２１に沿った沿面冷媒流路４２が形成されている。
【００２１】
一対の蓋部３のうちの一方には、冷却媒体Ｗを貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２に導入、排出する、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２が配設されている。
そして、図３〜図５に示すごとく、封止部２３は、貫通冷媒流路４１に面する側面に凹凸部２６を設けてなる。
凹凸部２６は、貫通冷媒流路４１の流路方向に直交する断面形状が凹凸状であり、鋸歯状である。また、凹凸部２６は、複数のフィン２６１によって形成されている。すなわち、鋸歯の一つ一つの歯に相当する部分を一つのフィン２６１と捉えることができる。そして、このフィン２６１は、貫通冷媒流路４１の流路方向に平行に配置されている。
【００２２】
本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、図６に示すごとく、直流電源（バッテリー１０１）と交流負荷（三相交流の回転電機１０２）との間の電力変換を行うよう構成されている。
半導体モジュール２は、図２に示すごとく、２個の半導体素子２１を備えている。具体的には、半導体モジュール２に内蔵された半導体素子２１の一方は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなるスイッチング素子であり、他方は、スイッチング素子に逆並列接続されたＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードである（図６参照）。
【００２３】
各半導体モジュール２は、図２に示すごとく、半導体素子２１を両側から挟持するように配設された一対の金属製の放熱板２２を有する。そして、これらの放熱板２２は、はんだ２２２を介して半導体素子２１に電気的、熱的に接続されている。２個の半導体素子２１と一対の放熱板２２とは、各放熱板２２の放熱面２２１を露出させながら、樹脂製の封止部２３によって一体化されて封止されている。封止部２３は、図４に示すごとく、放熱面２２１の全周に形成されている。凹凸部２３は、この封止部２３の側面に形成されており、凹凸部２３を構成する複数のフィン２６１は、封止部２３の一部として一体成形されている。
また、放熱面２２１の法線方向に直交する方向の全周にわたって封止部２３を囲むように、樹脂製の壁部２４が形成されている。
【００２４】
図３〜図５に示すごとく、封止部２３及び壁部２４からは、放熱面２２１の法線方向に直交する方向に、一対の主電極端子２５１が突出し、その反対方向に、複数の制御端子２５２が突出している。主電極端子２５１には、被制御電流用のバスバー（図示略）が接続され、制御端子２５２は、スイッチング素子（半導体素子２１）を制御等するための制御回路（図示略）に接続される。
【００２５】
また、放熱面２２１の法線方向に直交する方向であって、主電極端子２５１及び制御端子２５２の突出方向（以下、「高さ方向」という。）に直交する方向（以下、「横方向」という。）における、封止部２３と壁部２４との間に、一対の貫通冷媒流路４１が形成されている。
また、壁部２４は、一対の放熱面２２１よりも、放熱面２２１の法線方向に突出している。
【００２６】
また、封止部２３の側面には、凹凸部２６が、貫通冷媒流路４１に面して形成されている。凹凸部２６は、封止部２３の高さ方向の全体にわたって形成されている。また、凹凸部２６は、放熱面２２１の法線方向（冷却媒体Ｗの流路方向）における封止部２３の全体にわたって形成されている。
【００２７】
図１、図２に示すごとく、電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２を、放熱面２２１の法線方向に積層することにより、構成されている。図１、図２においては、半導体モジュール２を３個積層した図を示しているが、実際の電力変換装置１は、より多数の半導体モジュール２を積層してなり、その積層数は特に限定されるものではない。
【００２８】
複数の半導体モジュール２は、壁部２４において互いに連結されている。そして、電力変換装置１における積層方向の両端に、樹脂製の蓋部３が、半導体モジュール２の壁部２４の開口部を塞ぐように取り付けてある。隣り合う半導体モジュール２の壁部２４の間や、半導体モジュール２の壁部２４と蓋部３との間には、水密性を確保するためのシール部材を介在させることができる。
【００２９】
一対の蓋部３のうちの一方には、貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２へ冷却媒体Ｗを導入するための冷媒導入管５１と、冷却媒体Ｗを排出するための冷媒排出管５２とが取り付けてある。これらの冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２は、樹脂からなる。
なお、蓋部３、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２は、金属製、或いはセラミック製等、他の材質とすることもできる。
【００３０】
このように、複数の半導体モジュール２と一対の蓋部３とを積層して連結することにより、図２に示すごとく、内部に貫通冷媒流路４１と沿面冷媒流路４２とが連続した冷媒流路４が、壁部２４と蓋部３とによって囲まれた内側の空間に形成される。この状態において、各半導体モジュール２に設けられた一対の貫通冷媒流路４１は、それぞれ一直線上に配列した状態で連結される。沿面冷媒流路４２は、隣り合う半導体モジュール２の放熱面２２１同士の間、及び半導体モジュール２と蓋部３との間に、貫通冷媒流路４１に直交するように、かつこれらに連結するように形成される。
【００３１】
これにより、冷媒導入管５１から冷媒流路４に導入された冷却媒体Ｗは、貫通冷媒流路４１を適宜通過しながら、各半導体モジュール２における一対の放熱面２２１に接触する沿面冷媒流路４２を通過する。ここで、半導体素子２１と熱交換した冷却媒体Ｗは、他方の貫通冷媒流路４１を適宜通過して、冷媒排出管５２から排出される。
なお、冷却媒体Ｗとしては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。
【００３２】
本例の電力変換装置１は、図６に示す電力変換回路を構成しており、直流電源（バッテリー１０１）の電圧を昇圧するコンバータ１１と、昇圧した直流電力を交流電力に変換して交流負荷（回転電機１０２）へ出力するインバータ１２とを有する。インバータ１２及びコンバータ１１は、上記の機能と反対の機能、すなわち、交流電力を直流電力へ変換する機能、及び直流電力を降圧する機能をもそれぞれ備えている。
【００３３】
コンバータ１１は、複数の半導体モジュール２、リアクトル１１１、及びフィルタコンデンサ１１２によって構成されている。インバータ１２は、複数の半導体モジュール２、スナバコンデンサ１２１を備えている。さらにコンバータ１１とインバータ１２との間には、平滑コンデンサ１３１、放電抵抗１３２が配線されている。
【００３４】
次に、本例の作用効果につき説明する。
電力変換装置１において、封止部２３は、貫通冷媒流路４１に面する側面に凹凸部２６を設けてなる。そのため、貫通冷媒流路４１を流れる冷却媒体Ｗと封止部２３との間の接触面積を大きくすることができる。それゆえ、封止部２３を介した冷却媒体Ｗと半導体素子２１との間の熱交換効率を向上させることができる。
【００３５】
その結果、半導体素子２１は、沿面冷媒流路４２を流れる冷却媒体Ｗによる放熱板２２を介した熱交換のみならず、貫通冷媒流路４１を流れる冷却媒体Ｗによる封止部２３を介した熱交換によっても冷却することができる。すなわち、放熱板２２を介した伝熱に加え、封止部２３を介した伝熱をも利用して、冷却媒体Ｗによって半導体素子２１を冷却することができる。
したがって、上記電力変換装置１によれば、半導体素子２１の冷却性能の向上を図ることができる。
【００３６】
また、凹凸部２６は、貫通冷媒流路４１の流路方向に直交する断面形状が凹凸状である。特に、凹凸部２６を構成する複数のフィン２６１のそれぞれが、貫通冷媒流路４１の流路方向に平行に配置されている。これにより、フィン２６１に沿って冷却媒体Ｗを流通させることができるため、凹凸部２６を設けたことによる冷却媒体Ｗの圧力損失の上昇をより抑制することができる。その結果、封止部２３を介した半導体素子２１の冷却をより一層効率的に行うことができる。
【００３７】
以上のごとく、本例によれば、封止部を介した伝熱をも利用して半導体素子の冷却性能を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。
【００３８】
（実施例２）
本例は、図７、図８に示すごとく、凹凸部２６を、複数の平板状のフィン２６１によって構成した例である。
すなわち、本例の電力変換装置１における半導体モジュール２は、封止部２３から横方向に複数の平板状のフィン２６１を突出させてなる。複数のフィン２６１は互いに平行にかつ略等間隔に配設されている。
【００３９】
また、フィン２６１は、貫通冷媒流路４１における冷却媒体Ｗの流路方向に平行に形成されている。また、複数のフィン２６１は、封止部２３の一部として一体成形されている。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を奏する。
【００４０】
（実施例３）
本例は、図９〜図１１に示すごとく、凹凸部２６を、主電極端子２５１及び制御端子２５２の突出方向（高さ方向）から見た形状において鋸歯状となるような形状とした例である。
すなわち、凹凸部２６を構成する複数のフィン２６１のそれぞれは、高さ方向に平行に配設されており、これらが封止部２３の側面において、積層方向（冷却媒体Ｗの流路方向）に複数個、連続的に形成されている。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を奏する。
【００４１】
（実施例４）
本例は、図１２〜図１４に示すごとく、凹凸部２６を、多数のピン状のフィン２６１によって構成した例である。
すなわち、本例の電力変換装置１における半導体モジュール２は、封止部２３から横方向に多数のピン状のフィン２６１を突出させてなる。複数のフィン２６１は互いに平行にかつ略等間隔に配設されている。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を奏する。
【００４２】
本発明は、上記実施例以外にも種々の態様をとることができる。
すなわち、上記半導体モジュール２における封止部２３に上記凹凸部２６が形成されていればよく、その形状は上記実施例に示したものに限らず、種々の形状を採用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  電力変換装置
２  半導体モジュール
２１  半導体素子
２２  放熱板
２２１  放熱面
２３  封止部
２４  壁部
２６  凹凸部
３  蓋部
４  冷媒流路
４１  貫通冷媒流路
４２  沿面冷媒流路
５１  冷媒導入管
５２  冷媒排出管
【図１】
0005676154.tif 000002
【図２】
0005676154.tif 000003
【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】
0005676154.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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