(57)【要約】  【課題】  自動車に搭載された炭化ケイ素半導体素子を有する電子機器を最適温度で動作させることを課題としている。  【解決手段】燃料電池４および−１００℃以下の燃料を貯留する燃料タンク（液体水素タンク）３が搭載された自動車において、燃料タンク３から燃料電池４に燃料が供給されると共に、炭化ケイ素半導体素子Ｓを用いた電子機器（インバータ）１の外周に設けられた冷媒通路８と燃料タンク３とを連通する循環通路９が設けられ、循環通路９に燃料を冷媒として循環させて電子機器１が冷却されている。  【選択図】  図１
2005044631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池および−１００℃以下の燃料を貯留する燃料タンクが搭載された自動車において、上記燃料タンクから上記燃料電池に上記燃料が供給されると共に、炭化ケイ素半導体素子を用いた電子機器の外周に設けられた冷媒通路と前記燃料タンクとを連通する循環通路が設けられ、該循環通路に上記燃料を冷媒として循環させて前記電子機器が冷却されていることを特徴とする炭化ケイ素半導体素子の冷却システム。
【請求項２】
上記電子機器の炭化ケイ素半導体素子を−２００℃〜−１００℃に上記冷媒で冷却し、該炭化ケイ素半導体素子を−２００℃〜−１００℃の温度領域で動作させる請求項１に記載の炭化ケイ素半導体素子の冷却システム。
【請求項３】
前記炭化ケイ素半導体素子は、４Ｈ−ＳｉＣ型の炭化ケイ素に窒素イオンが１０13〜１０17／ｃｍ3ドーピングされたｎ型半導体からなる半導体基板を備えている請求項１または請求項２に記載の炭化ケイ素半導体素子の冷却システム。
【請求項４】
前記冷媒として兼用される燃料は、液体水素あるいは液体メタンを用いている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の炭化ケイ素半導体素子の冷却システム。
【請求項５】
上記電子機器は上記自動車のモータのインバータとしている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の炭化ケイ素半導体素子の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化ケイ素半導体素子の冷却システムに関し、特に、炭化ケイ素半導体素子を用いた自動車の電子機器を最適温度で動作させるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々の制御装置に使用される半導体素子として、従来のシリコン基板からなる半導体素子に代えて、炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる炭化ケイ素半導体素子が多く使用されている。
【０００３】
炭化ケイ素は、従来のシリコンに比べ、バンドギャップが大きくまた比電解強度が大きいことから耐高電圧、大電流を制御する電力用の半導体装置の特性を改善できるため、近年、種々の電力制御装置に使用されている。
【０００４】
例えば、特開平８−３０８１４０号（特許文献１）では、車両発電機の出力装置内の直交電力変換手段や界磁電流制御装置のスイッチング素子として、単結晶炭化ケイ素を素材とするＭＯＳＦＥＴからなる炭化ケイ素半導体素子を使用して、電力損失及び発熱の低減、及び耐圧性向上を実現させる技術が開示されている。
【０００５】
上記特許文献１においては、出力制御装置を冷却する手段として、冷却ファンからの冷却風や放熱フィンを通じた空気流を用い、半導体スイッチング素子の発熱によって装置が過熱することを防止している。
【０００６】
上記特許文献１に記載されている炭化ケイ素半導体素子は、従来のシリコン（Ｓｉ）を使用した半導体よりも高温下で動作が可能であることは知見されているが、炭化ケイ素半導体素子の最適な動作温度については知られていなかった。  
【０００７】
炭化ケイ素の特性から考えられることは、炭化ケイ素を半導体素子の基板材料として使用した場合、温度が高すぎる場合には、キャリアとしての電子の散乱が小さくなるため電気抵抗が増加する。一方、温度が低すぎると、電子の散乱は小さくなるものの、電子や正孔の励起が小さくなり全体としてはやはり電気抵抗が増加することになる。
従って、炭化ケイ素半導体素子を最も有効に動作させようとすれば、上記温度の中間の温度条件下で動作させる必要があるが、この温度は室温以下であると考えられる。よって、上記特許文献１のように、冷却ファンからの冷却風や放熱フィンを通じた空気流によって冷却する場合には、室温以下にまで冷却することは不可能であった。
【０００８】
【特許文献１】特開平８−３０８１４０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、自動車に用いられる炭化ケイ素半導体素子を最適温度に冷却することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池および−１００℃以下の燃料を貯留する燃料タンクが搭載された自動車において、上記燃料タンクから上記燃料電池に上記燃料が供給されると共に、炭化ケイ素半導体素子を用いた電子機器の外周に設けられた冷媒通路と前記燃料タンクとを連通する循環通路が設けられ、該循環通路に上記燃料を冷媒として循環させて前記電子機器が冷却されていることを特徴とする炭化ケイ素半導体素子の冷却システムを提供している。
【００１１】
上記構成とすると、−１００℃以下の燃料を用いる燃料電池車において、燃料を冷媒として兼用し、自動車に搭載された電子機器に使用されている炭化ケイ素半導体素子を冷却し、最適動作温度において動作させることができる。
【００１２】
また、上記電子機器の炭化ケイ素半導体素子を−２００℃〜−１００℃に上記冷媒で冷却し、該炭化ケイ素半導体素子を−２００℃〜−１００℃の温度領域で動作させることが好ましい。
【００１３】
上記した炭化ケイ素半導体素子を最も電気抵抗の少ない状態で動作させることができる温度領域が−２００℃〜−１００℃の範囲であることは、後述する本発明者の鋭意研究および実験の繰り返しにより知見したものである。
上記有効温度領域を−２００℃〜−１００℃の範囲としているのは、−２００℃よりも低温に炭化ケイ素半導体素子を冷却した場合には、キャリアとしての励起された電子や正孔の数が少なくなり、電気抵抗は急増することが判明した。一方、−１００℃よりも高温の場合には、電子の散乱が大きくなりやはり電気抵抗は増加することが判明した。
上記結果より、−２００℃〜−１００℃に炭化ケイ素半導体素子を冷却して動作させることによって、電気抵抗値が小さい状態で有効に動作させることができる。
尚、この冷却温度は、好ましくは−１１０℃〜−１７０℃であり、特に−１４８±５℃程度が電気抵抗値を低下させる点から好ましい。
【００１４】
また、前記炭化ケイ素半導体素子は、４Ｈ−ＳｉＣ型の炭化ケイ素に窒素イオンが１０13〜１０17／ｃｍ3ドーピングされたｎ型半導体からなる半導体基板を備えていることが好ましい。
前記ｎ型半導体からなる半導体基板を備えた炭化ケイ素半導体素子では、特に前記−２００℃〜−１００℃の温度範囲での半導体特性の向上が顕著となることも判明した。
【００１５】
前記冷媒として兼用される燃料は、液体水素あるいは液体メタンを用いている。
液体水素、液体メタンは、近年クリーンエネルギーとして燃料電池車、水素エンジン車、その他の内燃機関用の燃料への応用が進められているため、例えば、本発明を燃料電池車や水素エンジン車に適用した場合に、車両用燃料を冷媒として兼用することができる。
また、液体メタン温度は−１６１．５℃、液体窒素温度は−１９５．８℃、液体アルゴンは−１８５．９℃、液体酸素は−１８２．９７℃であるため、いずれも冷媒の温度制御を行う必要がなく、炭化ケイ素半導体素子を最適動作温度−２００℃〜−１００℃の範囲内に冷却することができる。
なお、液体水素温度は−２５２．８℃であるため温度制御して用いることが好ましい。
【００１６】
上記電子機器は上記自動車のモータのインバータとしている。
自動車には、限られたスペースに多くの電装品が搭載されているため、小型で軽量である半導体スイッチング素子が、車両用モータのインバータ等の電力変換装置、制御用トランジスタ等の制御装置において多用されている。この半導体スイッチング素子の基板を炭化ケイ素半導体基板から形成した場合には、前記−２００℃〜−１００℃に冷却して動作させると、半導体特性の向上による制御機能等の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、燃料電池車において燃料を冷媒として兼用することで、自動車に搭載された電子機器に使用されている炭化ケイ素半導体素子を冷却し、最適動作温度において動作させることができ、高い半導体特性を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図１および図２を参照して説明する。
図１は本実施形態の炭化ケイ素半導体素子の冷却システムを示す概略図である。
本実施形態では、燃料電池４を電源としている電気自動車において、燃料電池４とモータの間に介設され、直流電力を交流電力に変換する三相電圧型ＰＷＭＡインバータ１（以下、インバータ１と略称する）の半導体スイッチング素子Ｓに炭化ケイ素半導体素子を使用している。
【００１９】
インバータ１の炭化ケイ素半導体素子は、４Ｈ−ＳｉＣ型の炭化ケイ素に窒素イオンがドナー不純物として１０13〜１０17／ｃｍ3ドーピングされたｎ型半導体を半導体基板として用いている。
【００２０】
燃料電池４には、液体水素タンク３内の液体水素を、水素ガスの状態で供給するガス供給管７が設けられている。
上記インバータ１の外周をジャケット１１で囲み冷媒通路８を設け、該冷媒通路８に前記液体水素タンク３内の液体水素を液体冷媒の状態で供給する冷媒供給管５を接続すると共に該冷媒通路８を循環した冷媒を液体水素タンク３へ返送する冷媒返送管６を接続している。
上記冷媒供給管５、冷媒通路８および液体返送管６によって、液体水素を燃料とは別に冷媒として循環させる循環経路９を構成している。
【００２１】
さらに、インバータ１には、炭化ケイ素半導体素子の動作温度を−１４８±５℃に保つように調節する温度調節ユニット２を設けている。この温度調節ユニット２は、図２に示すように、インバータ１内に設置した温度センサー１２からの検出信号で閾値以下になると、インバータ１を囲む上記ジャケット１１の外周にさらに設けた外側ジャケット１５内の熱媒通路１６に、配管１３を通して常温の空気または水を供給している。
【００２２】
上記構成からなる燃料電池車内の冷却システム１０は、冷媒として燃料用の水素を液体水素タンク３から液体のまま冷媒供給管５を介してインバータ１の外周の冷媒通路８に供給している。
この時、液体水素温度は−２５２．８℃であるため、液体水素のみでインバータ１内を冷却すると、インバータ１内は炭化ケイ素半導体素子の最適動作温度である−１４８±５℃よりも低温になる可能性がある。
インバータ１内の温度が上記温度よりも低温になると温度センサー１２からの検出信号が温度調節ユニット２に送信され、室温の空気または水を配管１３を通して熱媒通路１６に供給し、インバータ１内の温度が−１４８±５℃の範囲になるように調節している。
【００２３】
上記のように、冷媒と熱媒によりインバータ１内の温度を−１４８±５℃の範囲に調整しているため、炭化ケイ素を半導体素子としている半導体スイッチング素子は−１４８±５℃の雰囲気温度下で動作させることとなる。よって、半導体スイッチング素子の電気抵抗値が最も低くなり、半導体としての特性を発揮できる。
【００２４】
また、インバータ１の外周の冷媒通路８に冷媒として供給された液体水素は、冷媒返送管６を通って再び液体水素タンク３内へ返送され、液体水素は液体水素タンク３とインバータ１の間を循環通路９を介して循環される。
上記液体水素タンク３内の液体水素は、燃料電池用燃料として燃料電池４へ供給される場合には、ガス化されてガス供給管７を通じて水素燃料として供給される。
【００２５】
このように、本実施形態では、燃料として燃料電池車に搭載されている水素の一部を、インバータのスイッチング素子冷却用の冷媒として循環通路９によってインバータ１と液体水素タンク３の間を循環させているため、インバータ１の炭化ケイ素半導体素子を冷却するため、別途冷媒を必要とせず−１４８±５℃で炭化ケイ素半導体素子を動作させることができる。
【００２６】
上記実施形態では、水素を燃料とする燃料電池車に本発明を適用する場合について説明したが、水素以外の燃料を使用する場合、例えば、メタン燃料を燃料とする燃料電池車の場合でも上記実施形態と同様に本発明の冷却システムを適用できる。
この場合には、冷媒として液体メタンを使用するが、液体メタン温度は−１６１．５℃であるため、炭化ケイ素半導体素子の最適動作温度−２００℃〜−１００℃の範囲内であり、温度調整が容易になる、又は温度調節を行わなくてもよいという利点がある。
【００２７】
また、冷媒としてはその他の液体または気体を使用してもよく、例えば、液体窒素、液体アルゴン、液体酸素を冷媒として用いることができる。
これらの冷媒の液体温度は、液体窒素温度は−１９５．８℃、液体アルゴンは−１８５．９℃、液体酸素は−１８２．９７℃であるため、いずれも炭化ケイ素半導体素子を最適動作温度−２００℃〜−１００℃の範囲内であり、単独で、もしくは室温の空気または水と組み合わせて温度調節することによって、炭化ケイ素半導体素子を有効動作温度に冷却することができる。
尚、これらの液体窒素、液体アルゴン、液体酸素は、通常車両には搭載されていないため、燃料と別に冷媒として搭載する必要がある。
【００２８】
また、上記実施形態では、炭化ケイ素半導体素子を燃料電池車の車両モータのインバータとして使用したが、炭化ケイ素半導体素子の用途はこれに限定されるものではない。例えば、同じ車両に搭載される電力制御装置であっても、水素エンジン車に搭載される制御用トランジスタ、その他の各種電力装置に使用する炭化ケイ素半導体素子を冷却するシステムとしても本発明は適応できる。
【００２９】
以下、半導体スイッチング素子Ｓに用いられる炭化ケイ素半導体素子に関する抵抗率と温度との相関関係を表す実験例を図３および図４に示す。
実験装置は、図３に示すように、冷媒通路２１の上面に炭化ケイ素２２を載置すると共に、炭化ケイ素半導体素子２２に熱電対２３を当接させており、外部を断熱チャンバー２０で覆うことにより内部を真空にしている。
【００３０】
炭化ケイ素半導体素子２２は、４Ｈ−ＳｉＣ型の炭化ケイ素に窒素イオンが１０13〜１０17／ｃｍ3ドーピングされたｎ型半導体からなる半導体基板を用いている。その炭化ケイ素半導体素子２２にＤＣ１Ｖを印加して電流を計測し温度と抵抗率の関係を調べている。図４に示す実験結果によると、０℃から−２００にかけて抵抗率が１０-1以下と低くなっていると共に、約１４８℃近傍で最も抵抗率が低減できることが分かる。つまり、極低温の冷媒を使用して炭化ケイ素半導体素子を冷却することを考慮すると、−１００℃〜−２００℃の範囲に雰囲気温度を設定することで、炭化ケイ素半導体素子を有効に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の炭化ケイ素半導体素子の冷却システムを示す概略図である。
【図２】図１の要部断面図である。
【図３】炭化ケイ素半導体素子の抵抗率と温度の関係を調べる実験装置の概略図である。
【図４】炭化ケイ素半導体素子の抵抗率と温度の関係を示す図面である。
【符号の説明】
【００３２】
１      インバータ（電子機器）
２      温度調節ユニット
３      液体水素タンク（燃料タンク）
４      燃料電池
５      冷媒供給管
６      冷媒返送管
７      ガス供給管
８      冷媒通路
９      循環経路
１０    燃料電池車内の冷却システム
１２    温度センサー
１６    熱媒通路
Ｓ      半導体スイッチング素子
【図１】
2005044631.tif 000003
【図２】
2005044631.tif 000004
【図３】
2005044631.tif 000005
【図４】
2005044631.tif 000006