(57)【要約】【課題】簡素な構造で高い冷却効率を得ることが可能な半導体素子の冷却構造を提供する。【解決手段】半導体素子の冷却構造は、複数の半導体素子１Ａ〜１Ｄと、内部に冷媒流路２０Ａ，２０Ｂを有し、複数の半導体素子１に電気的に接続された電極構造２とを含む。電極構造２は、両面に各々半導体素子１が搭載された交流電極２Ａと、交流電極２Ａおよび該交流電極２Ａの両面に各々搭載された半導体素子１Ａ〜１Ｄを挟持する複数の直流電極２Ｂとを含み、交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂは、それぞれ内部に冷媒流路２０Ａ，２０Ｂを有する。【選択図】図２
2008311496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体素子と、
内部に冷媒流路を有し、複数の前記半導体素子に電気的に接続された電極部とを含む、半導体素子の冷却構造。
【請求項２】
前記電極部は、両面に各々前記半導体素子が搭載された第１電極と、前記第１電極および該第１電極の両面に各々搭載された前記半導体素子を挟持する複数の第２電極とを含み、
前記第１電極および前記第２電極は、それぞれ内部に前記冷媒流路を有する、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項３】
前記第１と第２電極を含む複数の前記電極部を積層した構造を有する、請求項２に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項４】
前記第１と第２電極は主表面を有し、
前記第１と第２電極を含む複数の前記電極部を前記主表面の方向に並べた構造を有する、請求項２に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項５】
前記冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出し、前記冷媒流路を流れる冷媒の流れを前記半導体素子に向ける突出部をさらに備えた、請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項６】
前記突出部は、前記半導体素子の近傍であって前記半導体素子の前記冷媒の流れ方向における中心よりも上流側に位置するように設けられる、請求項５に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項７】
前記半導体素子は、車両を駆動する回転電機を制御する制御装置に含まれる、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体素子の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の冷却構造に関し、特に、冷媒流路を有する電極上に搭載される半導体素子の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子などの発熱体を冷却するための冷却装置が従来から知られている。たとえば、特開２００５−５７１３０号公報（特許文献１）には、半導体素子を一対の平板状の電極板で挟持し、その電極板内に冷媒流路を形成した構造を有する半導体冷却ユニットが記載されている。
【０００３】
また、特開２００４−１５８４８９号公報（特許文献２）には、複数の半導体素子を積層した半導体素子積層体と、複数の整流素子を積層した整流素子積層体とが、それぞれ複数配置されるとともに、積層方向に加圧保持される圧接型半導体装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−５７１３０号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、１つの半導体素子に対して複数の冷媒流路を割り当てているため、半導体素子の冷却構造が大型化する。この結果、当該半導体素子を含む半導体モジュールの小型化が阻害される。また、特許文献２における冷却通路は、外部接続端子内に形成されたものではないため、冷却機構が大型化し、半導体装置の小型化が阻害される。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡素な構造で高い冷却効率を得ることが可能な半導体素子の冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体素子の冷却構造は、複数の半導体素子と、内部に冷媒流路を有し、複数の半導体素子に電気的に接続された電極部とを含む。
【０００７】
上記構成によれば、簡素な構造により半導体素子の冷却効率を向上させることができる。
【０００８】
上記半導体素子の冷却構造において、好ましくは、電極部は、両面に各々半導体素子が搭載された第１電極と、第１電極および該第１電極の両面に各々搭載された半導体素子を挟持する複数の第２電極とを含み、第１電極および第２電極は、それぞれ内部に冷媒流路を有する。
【０００９】
半導体素子の両側に冷媒流路を形成することができるので、半導体素子の冷却効率をさらに向上させることができる。
【００１０】
１つの局面では、上記半導体素子の冷却構造は、第１と第２電極を含む複数の電極部を積層した構造を有する。また、他の局面では、上記半導体素子の冷却構造において、第１と第２電極は主表面を有し、半導体素子の冷却構造は、第１と第２電極を含む複数の電極部を主表面の方向に並べた構造を有する。
【００１１】
上記半導体素子の冷却構造は、好ましくは、冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出し、冷媒流路を流れる冷媒の流れを半導体素子に向ける突出部をさらに備える。
【００１２】
上記構成によれば、冷媒の流れを半導体素子に向ける突出部が設けられることで、冷媒による熱伝達効率が向上し、半導体素子の冷却効率がさらに向上する。
【００１３】
上記半導体素子の冷却構造において、突出部は、半導体素子の近傍であって半導体素子の冷媒の流れ方向における中心よりも上流側に位置するように設けられる。
【００１４】
１つの例として、上記半導体素子の冷却構造において、半導体素子は、車両を駆動する回転電機を制御する制御装置に含まれる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡素な構造で高い冷却効率を得ることが可能な半導体素子の冷却構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００１７】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００１８】
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。なお、図１に示されるＰＣＵ１００は、「車両を駆動する回転電機の制御装置」である。
【００１９】
図１を参照して、ＰＣＵ１００は、コンバータ１１０と、インバータ１２０，１３０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含んで構成される。コンバータ１１０は、バッテリＢとインバータ１２０，１３０との間に接続され、インバータ１２０，１３０は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と接続される。
【００２０】
コンバータ１１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は直列に接続され、制御装置１４０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリＢの正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。
【００２１】
このコンバータ１１０は、リアクトルＬを用いてバッテリＢから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ１１０は、インバータ１２０，１３０から受ける直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。
【００２２】
インバータ１２０，１３０は、それぞれ、Ｕ相アーム１２１Ｕ，１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗを含む。Ｕ相アーム１２１Ｕ、Ｖ相アーム１２１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１３１ＶおよびＷ相アーム１３１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。
【００２３】
Ｕ相アーム１２１Ｕは、直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含む。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのパワートランジスタＱ５〜Ｑ１４を含む。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ１４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。
【００２４】
インバータ１２０，１３０の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。そして、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成
される。
【００２５】
コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。
【００２６】
インバータ１２０，１３０は、制御装置１４０からの駆動信号に基づいて、コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する。
【００２７】
制御装置１４０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相電流値、およびインバータ１２０，１３０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ１２０，１３０へ出力する。
【００２８】
また、制御装置１４０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１２０，１３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１１０へ出力する。
【００２９】
さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。
【００３０】
ＰＣＵ１００の動作時において、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０を構成するパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４およびダイオードＤ１〜Ｄ１４は発熱する。したがって、これらの半導体素子の冷却を促進するための冷却構造を設ける必要がある。
【００３１】
図２は、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図であり、図３は、図２におけるIII−III断面図である。図２，図３を参照して、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造は、複数の半導体素子１（１Ａ〜１Ｄ）と、電極構造２とを含んで構成される。
【００３２】
半導体素子１は、たとえば図１におけるパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４およびダイオードＤ３〜Ｄ１４である。図２の例では、半導体素子１として、複数の半導体素子１Ａ〜１Ｄが示される。電極構造２は、交流電極２Ａと直流電極２Ｂとを含んで構成される。半導体素子１（１Ａ〜１Ｄ）は、交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂに挟持される。交流電極２Ａ内および直流電極２Ｂ内には、それぞれ、冷媒流路２０Ａ，２０Ｂが形成されている。半導体素子１の冷却用の冷媒は、矢印ＤＲ１方向から電極構造２内に流入し、冷媒流路２０Ａ，２０Ｂ内を、それぞれ矢印ＤＲ２０Ａ，２０Ｂ方向に流れ、矢印ＤＲ２方向に流出する。このように、冷媒流路２０Ａ，２０Ｂ内に冷媒が流されることにより、半導体素子１Ａ〜１Ｄの冷却が行なわれる。なお、冷媒流路２０Ａ，２０Ｂの壁面には、たとえば酸化膜および窒化膜などを形成することによる絶縁処理が施されている。
【００３３】
交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂは、たとえば銅などの熱伝達率の比較的高い金属により構成される。交流電極２Ａと直流電極２Ｂとの間には絶縁体３が介装され、交流電極２Ａと直流電極２Ｂとの間の電気的絶縁が確保されている。
【００３４】
交流電極２Ａは、２つの板状部材を組合わせることにより構成される。２つの板状部材は、他方の板状部材に向かって突出し、互いに噛み合うように設けられた突出部をそれぞれ有している。この突出部を互いに嵌合させるように２つの板状部材を組合わせることにより、チャネル型の冷媒流路２０Ａを内部に有する交流電極２Ａを形成することができる。冷媒流路２０Ｂを内部に有する直流電極２Ｂについても、交流電極２Ａと同様に形成することができる。
【００３５】
次に、図４，図５を用いて、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を含む３相インバータモジュール（インバータ１２０，１３０）の例について説明する。
【００３６】
図４の例では、直流電極２ＢＵおよび交流電極２ＡＵを含む電極構造と、直流電極２ＢＶおよび交流電極２ＡＶを含む電極構造と、直流電極２ＢＷおよび交流電極２ＡＷを含む電極構造とを積層したモジュール構造が形成されている。ここで、半導体素子１の冷却用の冷媒は、矢印ＤＲ１方向から電極構造内に流入して各電極内を流れ、矢印ＤＲ２方向に流出する。
【００３７】
図５の例では、直流電極２ＢＵおよび交流電極２ＡＵを含む電極構造と、直流電極２ＢＶおよび交流電極２ＡＶを含む電極構造と、直流電極２ＢＷおよび交流電極２ＡＷを含む電極構造とを各電極の主表面方向に並べたモジュール構造が形成されている。ここで、半導体素子１の冷却用の冷媒は、矢印ＤＲ１方向から電極構造内に流入して各電極内を流れ、矢印ＤＲ２方向に流出する。
【００３８】
図４，図５に示されるいずれの例によっても、図１のＰＣＵ１００に含まれる３相インバータモジュールを形成することが可能である。なお、図４，図５に示されるモジュール内に形成される隙間部には、たとえば樹脂モールドや樹脂ジェル注入が施される。
【００３９】
次に、図６を用いて、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の変形例について説明する。
【００４０】
図６を参照して、本変形例に係る冷却構造においては、それぞれ１本の扁平管により交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂを形成している。ここで、交流電極２Ａにはディンプル２００Ａが形成されており、直流電極２Ｂにはディンプル２００Ｂが形成されている。
【００４１】
ＰＣＵ１００の動作時における半導体素子１の発熱により、交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂを構成する扁平管に生じる応力が増大する場合があるが、上記のように、扁平管にディンプル２００Ａ，２００Ｂを設けることにより、この応力増大を緩和することができる。
【００４２】
また、直流電極２Ｂに設けられたディンプル２００Ｂは、冷媒流路２０Ｂ内を流れる冷媒の流れを半導体素子１Ａ〜１Ｄに向けるように（より具体的には、半導体素子１の近傍であって半導体素子１の冷媒の流れ方向における中心よりも上流側に位置するように）形成されている。すなわち、ディンプル２００Ｂは、冷媒流路２０Ｂの壁面から該冷媒流路２０Ｂの内方に向かって突出し、冷媒流路２０Ｂを流れる冷媒の流れを半導体素子１に向ける「突出部」を構成する。
【００４３】
冷媒が沸騰する沸騰冷却時には、半導体素子１の搭載部の直上または直下に位置する冷媒流路２０Ｂの壁面には、気泡膜が形成される場合がある。この気泡膜は、半導体素子１の冷却効率を低下させる要因となり得るが、上記のように、冷媒流路２０Ｂ内の冷媒の流れを半導体素子１に向かわせることにより、上述した気泡膜を破壊することができるので、半導体素子１の冷却効率をさらに向上させることができる。
【００４４】
本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造によれば、交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂ内に冷媒流路２０Ａ，２０Ｂを形成することにより、半導体素子１に近接した位置に冷媒を流すことができるので、半導体素子１の冷却効率を向上させることができる。ここで、交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂは、複数の半導体素子１に接続されているので、上記の構造を採用するに際し、装置が複雑化、大型化することを抑制することができる。また、直流電極２Ｂを対向させることで、相互インダクタンス効果により、寄生インダクタンスを低減することができる。
【００４５】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る半導体素子の冷却構造は、複数の半導体素子１（１Ａ〜１Ｄ）と、内部に冷媒流路２０Ａ，２０Ｂを有し、複数の半導体素子１に電気的に接続された「電極部」としての電極構造２とを含む。電極構造２は、両面に各々半導体素子１が搭載された「第１電極」としての交流電極２Ａと、交流電極２Ａおよび該交流電極２Ａの両面に各々搭載された複数の半導体素子１Ａ〜１Ｄを挟持する複数の「第２電極」としての直流電極２Ｂとを含み、交流電極２Ａおよび直流電極２Ｂは、それぞれ内部に冷媒流路２０Ａ，２０Ｂを有する。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造を示す断面図である。
【図３】図２におけるIII−III断面図である。
【図４】図２に示される半導体素子の冷却構造を含む３相インバータモジュールを示す斜視図である。
【図５】図２に示される半導体素子の冷却構造を含む３相インバータモジュールの変形例を示す斜視図である。
【図６】本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却構造の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１，１Ａ〜１Ｄ  半導体素子、２  電極構造、２Ａ，２ＡＵ，２ＡＶ，２ＡＷ  交流電極、２Ｂ，２ＢＵ，２ＢＶ，２ＢＷ  直流電極、３  絶縁体、２０Ａ，２０Ｂ  冷媒流路、１００  ＰＣＵ、１１０  コンバータ、１２０，１３０  インバータ、１２１Ｕ，１３１Ｕ  Ｕ相アーム、１２１Ｖ，１３１Ｖ  Ｖ相アーム、１２１Ｗ，１３１Ｗ  Ｗ相アーム、１４０  制御装置、２００Ａ，２００Ｂ  ディンプル、Ｂ  バッテリ、Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４  ダイオード、Ｌ  リアクトル、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３  電源ライン、Ｑ１〜Ｑ１４  パワートランジスタ。
【図１】
2008311496.tif 000003
【図２】
2008311496.tif 000004
【図３】
2008311496.tif 000005
【図４】
2008311496.tif 000006
【図５】
2008311496.tif 000007
【図６】
2008311496.tif 000008