(57)【要約】【課題】  接触面における公差を吸収し、寸法公差を小さくすることができる半導体モジュールおよびそれを備えた半導体装置を提供する。【解決手段】  連設される半導体モジュール１１０，１２０，…の各々は、パワー半導体素子１６１と、その両面に設けられる主電極１６２，１６３と、さらにその両側に設けられる絶縁材１６４，１６５と、信号電極１６６と、樹脂モールド１１７と、内部に冷却水が流されてパワー半導体素子１６１を両側から冷却する冷却器１１３，１１４とを含む。冷却器１１３，１１４の外壁は、半導体モジュール１１０，１２０，…が連設される方向に伸縮可能なベローズ構造からなる。【選択図】        図４
2005159024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の両側に設けられる第１および第２の冷却器とを備え、
前記第１および／または第２の冷却器は、当該第１の冷却器、前記半導体素子、および当該第２の冷却器が連設される方向に伸縮する、半導体モジュール。
【請求項２】
前記伸縮する第１および／または第２の冷却器は、ベローズ構造を有する、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
第１の方向に連設される複数の半導体モジュールを備え、
前記複数の半導体モジュールの各々は、
半導体素子と、
前記半導体素子の両側に設けられる第１および第２の冷却器とを含み、
前記第１および／または第２の冷却器は、当該第１の冷却器、前記半導体素子、および当該第２の冷却器が連設される第２の方向に伸縮し、
前記第２の方向は、前記第１の方向と同じである、半導体装置。
【請求項４】
連設される複数の半導体モジュールと、
隣接する前記半導体モジュールの間に設けられ、前記複数の半導体モジュールが連設される方向に伸縮する少なくとも１つの接続部材とを備える半導体装置。
【請求項５】
前記複数の半導体モジュールの各々は、
半導体素子と、
前記半導体素子の両面に設けられ、前記半導体素子との接触面と対向する面から突出する冷却フィンを各々が有する第１および第２の冷却板とを含み、
前記第１および第２の冷却板の各々は、隣接する前記接続部材に前記冷却フィンが嵌合され、
前記少なくとも１つの接続部材の各々は、内部に冷媒が通流される、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記連設された複数の半導体モジュールに沿って付設され、前記複数の半導体モジュールが連設される方向に前記複数の半導体モジュールを拘束するガイド部をさらに備える、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
冷媒を通流する冷媒路と、
前記冷媒路に対して直列に配設される第１および第２の半導体モジュール群と、
前記冷媒路ならびに前記第１および第２の半導体モジュール群に冷媒を循環させる循環装置と、
前記循環装置を制御する制御装置とを備え、
前記第１および第２の半導体モジュール群の各々は、前記冷媒路に対して並設される複数の半導体モジュールを含み、
前記制御装置は、前記第１および第２の半導体モジュール群における発熱量の大小を判別し、発熱量の大きい方の半導体モジュール群が前記冷媒路において上流となるように前記循環装置の動作を制御し、
前記循環装置は、前記制御装置から受ける動作指令に基づいて前記冷媒の循環方向を切替える、半導体装置。
【請求項８】
前記第１および第２の半導体モジュール群の各々に含まれる複数の半導体モジュールの各々は、
半導体素子と、
前記半導体素子の両側に設けられる第１および第２の冷却器とからなり、
前記第１および第２の半導体モジュール群の各々における複数の半導体モジュールは、第１の方向に連設され、
前記第１および／または第２の冷却器は、当該第１の冷却器、前記半導体素子、および当該第２の冷却器が連設される第２の方向に伸縮し、
前記第２の方向は、前記第１の方向と同じである、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記循環装置は、
前記冷媒を循環させるポンプと、
前記冷媒を冷却するラジエータと、
前記冷媒の循環方向を切替える切替弁とを含む、請求項７または請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
冷媒を通流する冷媒路と、
前記冷媒路に対して直列に配設され、第１および第２の電気負荷に対応して設けられる第１および第２のインバータと、
前記冷媒路ならびに前記第１および第２のインバータに冷媒を循環させる循環装置と、
前記循環装置を制御する制御装置とを備え、
前記第１および第２のインバータの各々は、前記冷媒路に対して並設される複数の半導体モジュールを含み、
前記制御装置は、前記第１および第２の電気負荷の動作条件に基づいて前記第１および第２のインバータにおける発熱量の大小を判別し、発熱量の大きい方のインバータが前記冷媒路において上流となるように前記循環装置の動作を制御し、
前記循環装置は、前記制御装置から受ける動作指令に基づいて前記冷媒の循環方向を切替える、負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体モジュール、半導体装置および負荷駆動装置に関し、特に、半導体素子の両面に冷却器を備える両面冷却型の半導体モジュール、そのような半導体モジュールが複数連設される半導体装置、ならびにそのような半導体モジュールを複数含む半導体装置および負荷駆動装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、ハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）および電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きく注目されており、ハイブリッド自動車は、既に実用化されている。
【０００３】
ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。すなわち、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換された交流電圧によりモータを回転させることによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。
【０００４】
ハイブリッド自動車や電気自動車、あるいは電車などの車両システムにおいては、インバータやコンバータなどの電子部品において多数のパワー半導体素子が用いられる。そして、レイアウト面積や効率的な冷却性などの観点から、一般に、複数のパワー半導体素子は、冷却器と交互に連設され、上記の電子部品が構成される（以下では、このような構成を「半導体スタック」と称する。）。
【０００５】
特開平９−２６０５８５号公報では、冷却性能の高い両面冷却型のパワー半導体素子が冷却体と交互に複数個直列に連設された半導体スタックの構成が開示されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、上記のような車両システムにおいて、モータはますます高出力化してきており、将来的にもさらなるモータの高出力化が予想される。そして、モータの高出力化に伴なってパワー半導体素子における発熱量も増大してきており、インバータなどの電子部品に対する冷却機能の向上が求められている。
【０００７】
特開２００１−１３３１７４号公報では、車両システムなど限られたスペースのシステムにおいて、限られた容積のなかで冷却性能を高めた冷却体の構成が開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−２６０５８５号公報
【特許文献２】特開２００１−１３３１７４号公報
【特許文献３】特開２００１−３５９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体スタックにおいては、複数のパワー半導体素子が１つの冷却器に接触し、さらにそのような構成が連続するため、各接触面における位置公差が互いに干渉しあう。しかしながら、従来構造の半導体スタックにおいては、半導体スタックをその両側から挟み込んだときに、そのような公差を半導体スタック内で吸収することが困難であった。
【０００９】
そして、互いに干渉しあう複数の公差が重畳されると、半導体スタックが組付けられた際の組付公差も大きくなり、従来構造の半導体スタックにおいては、半導体スタックに沿って付設されるバスバーや制御基盤との接続において非常に大きな位置公差を確保しなければならなかった。
【００１０】
また、従来構造の半導体スタックにおいては、パワー半導体素子と冷却器とが別体であったため、それらの組付けに多くの工数がかかり、製造コストの増加を招いていた。
【００１１】
さらに、このような半導体スタックにおいては、パワー半導体素子を効率的に冷却し、上記のような公差の干渉をできる限り小さく抑える必要がある。ここで、上述した車両システムにおける多数のパワー半導体素子は、車両システムを構成する複数の電子部品に基づいて複数のパワー半導体素子群に区分化され、冷却系統によって冷却される。
【００１２】
そして、これら複数の電子部品の動作状態に応じて、上述した複数のパワー半導体素子群の発熱状態も異なるところ、上述した特開２００１−１３３１７４号公報で開示された冷却体は、半導体装置全体として冷却性能を高めることができるものとして有用であるが、システムを構成する複数のパワー半導体素子群を効率的に冷却するという観点からの考慮はなされていない。
【００１３】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、接触面における公差を吸収し、寸法公差を小さくすることができる半導体モジュールを提供することである。
【００１４】
また、この発明の別の目的は、接触面における公差を吸収し、寸法公差を小さくすることができる半導体モジュールを備えた半導体装置を提供することである。
【００１５】
また、この発明の別の目的は、半導体スタックを構成する際の組付性の向上を図った半導体装置を提供することである。
【００１６】
また、この発明の別の目的は、多数のパワー半導体素子を効率的に冷却することができる半導体装置を提供することである。
【００１７】
また、この発明の別の目的は、多数のパワー半導体素子を効率的に冷却することができる負荷駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明によれば、半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子の両側に設けられる第１および第２の冷却器とを備え、第１および／または第２の冷却器は、当該第１の冷却器、半導体素子、および当該第２の冷却器が連設される方向に伸縮する。
【００１９】
好ましくは、伸縮する第１および／または第２の冷却器は、ベローズ構造を有する。
【００２０】
また、この発明によれば、半導体装置は、第１の方向に連設される複数の半導体モジュールを備え、複数の半導体モジュールの各々は、半導体素子と、半導体素子の両側に設けられる第１および第２の冷却器とを含み、第１および／または第２の冷却器は、当該第１の冷却器、半導体素子、および当該第２の冷却器が連設される第２の方向に伸縮し、第２の方向は、第１の方向と同じである。
【００２１】
また、この発明によれば、半導体装置は、連設される複数の半導体モジュールと、隣接する半導体モジュールの間に設けられ、複数の半導体モジュールが連設される方向に伸縮する少なくとも１つの接続部材とを備える。
【００２２】
好ましくは、複数の半導体モジュールの各々は、半導体素子と、半導体素子の両面に設けられ、半導体素子との接触面と対向する面から突出する冷却フィンを各々が有する第１および第２の冷却板とを含み、第１および第２の冷却板の各々は、隣接する接続部材に冷却フィンが嵌合され、少なくとも１つの接続部材の各々は、内部に冷媒が通流される。
【００２３】
好ましくは、半導体装置は、連設された複数の半導体モジュールに沿って付設され、複数の半導体モジュールが連設される方向に複数の半導体モジュールを拘束するガイド部をさらに備える。
【００２４】
また、この発明によれば、半導体装置は、冷媒を通流する冷媒路と、冷媒路に対して直列に配設される第１および第２の半導体モジュール群と、冷媒路ならびに第１および第２の半導体モジュール群に冷媒を循環させる循環装置と、循環装置を制御する制御装置とを備え、第１および第２の半導体モジュール群の各々は、冷媒路に対して並設される複数の半導体モジュールを含み、制御装置は、第１および第２の半導体モジュール群における発熱量の大小を判別し、発熱量の大きい方の半導体モジュール群が冷媒路において上流となるように循環装置の動作を制御し、循環装置は、制御装置から受ける動作指令に基づいて冷媒の循環方向を切替える。
【００２５】
好ましくは、第１および第２の半導体モジュール群の各々に含まれる複数の半導体モジュールの各々は、半導体素子と、半導体素子の両側に設けられる第１および第２の冷却器とからなり、第１および第２の半導体モジュール群の各々における複数の半導体モジュールは、第１の方向に連設され、第１および／または第２の冷却器は、当該第１の冷却器、半導体素子、および当該第２の冷却器が連設される第２の方向に伸縮し、第２の方向は、第１の方向と同じである。
【００２６】
好ましくは、循環装置は、冷媒を循環させるポンプと、冷媒を冷却するラジエータと、冷媒の循環方向を切替える切替弁とを含む。
【００２７】
また、この発明によれば、負荷駆動装置は、冷媒を通流する冷媒路と、冷媒路に対して直列に配設され、第１および第２の電気負荷に対応して設けられる第１および第２のインバータと、冷媒路ならびに第１および第２のインバータに冷媒を循環させる循環装置と、循環装置を制御する制御装置とを備え、第１および第２のインバータの各々は、冷媒路に対して並設される複数の半導体モジュールを含み、制御装置は、第１および第２の電気負荷の動作条件に基づいて第１および第２のインバータにおける発熱量の大小を判別し、発熱量の大きい方のインバータが冷媒路において上流となるように循環装置の動作を制御し、循環装置は、制御装置から受ける動作指令に基づいて冷媒の循環方向を切替える。
【発明の効果】
【００２８】
この発明による半導体モジュールにおいては、伸縮する第１および／または第２の冷却器によって、半導体モジュール内における接触面の位置公差が吸収される。
【００２９】
したがって、この発明によれば、半導体モジュールの寸法公差を小さくすることができる。
【００３０】
また、この発明による半導体装置においては、連設される複数の半導体モジュールによって半導体装置が構成され、その複数の半導体モジュールの各々において、伸縮する第１および／または第２の冷却器によって、その半導体モジュール内における接触面の位置公差が吸収される。
【００３１】
したがって、この発明によれば、半導体装置の組付けが容易になり、さらに、半導体装置の組付公差を小さくすることができる。
【００３２】
また、この発明による半導体装置においては、隣接する半導体モジュール間に設けられ、かつ、伸縮可能な接続部材によって、その隣接する半導体モジュール内における接触面の位置公差が吸収される。
【００３３】
したがって、この発明によれば、半導体装置の組付公差を小さくすることができる。
【００３４】
また、この発明による半導体装置においては、半導体モジュールの冷却板に設けられた冷却フィンが嵌合され、かつ、内部に冷媒が通流される接続部材は、伸縮可能であり、この接続部材によって、隣接する半導体モジュール内における接触面の位置公差が吸収される。
【００３５】
したがって、この発明によれば、半導体装置の組付公差を小さくすることができる。
【００３６】
また、この発明による半導体装置においては、連設された複数の半導体モジュールに付設されるガイド部によって、各半導体モジュールの搭載位置が拘束される。
【００３７】
したがって、この発明によれば、複数の半導体モジュールに付設される制御基盤およびバスバーとの接続における位置公差を小さくすることができる。
【００３８】
また、この発明による半導体装置においては、発熱量が大きい方の半導体モジュール群が冷媒系統において上流となるように冷媒の循環方向が切替わり、熱的に厳しい方の半導体モジュール群が優先して冷却される。
【００３９】
したがって、この発明によれば、第１および第２の半導体モジュール群を効率的に冷却することができる。
【００４０】
また、この発明による半導体装置においては、制御装置からの動作指令に基づいて冷媒の循環方向を切替える切替弁によって、発熱量が大きい方の半導体モジュール群が冷媒系統において上流となるように冷媒の循環方向が切替えられる。
【００４１】
したがって、この発明によれば、第１および第２の半導体モジュール群を効率的に冷却することができる。
【００４２】
また、この発明による負荷駆動装置においては、第１および第２の電気負荷の動作条件に基づいて、第１および第２のインバータのうち熱的に厳しいインバータが制御装置によって判断される。そして、そのインバータを構成するパワー半導体素子が冷媒系統において上流となるように冷媒の循環方向が循環装置によって切替えられる。
【００４３】
したがって、この発明によれば、第１および第２のインバータを効率的に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００４５】
［実施の形態１］
図１は、この発明による負荷駆動装置が搭載された車両の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。
【００４６】
図１を参照して、ハイブリッド自動車１０は、バッテリ１２と、パワーコントロールユニット（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ、以下「ＰＣＵ」と称する。）１４と、動力出力装置１６と、ディファレンシャルギア（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｇｅａｒ、以下「ＤＧ」と称する。）１８と、前輪２０Ｌ，２０Ｒと、後輪２２Ｌ，２２Ｒと、フロントシート２４Ｌ，２４Ｒと、リアシート２６とを備える。
【００４７】
バッテリ１２は、たとえば、リアシート２６の後方に配設される。ＰＣＵ１４は、たとえば、フロントシート２４Ｌ，２４Ｒの下部に位置するフロア下領域に配設される。動力出力装置１６は、たとえば、ダッシュボード２８の前方のエンジンルームに配設される。そして、ＰＣＵ１４は、バッテリ１２および動力出力装置１６と電気的に接続される。動力出力装置１６は、ＤＧ１８と連結される。
【００４８】
直流電源であるバッテリ１２は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなり、直流電圧をＰＣＵ１４へ供給するとともに、ＰＣＵ１４からの直流電圧によって充電される。
【００４９】
ＰＣＵ１４は、バッテリ１２から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置１６に含まれるモータジェネレータ（図示せず）を駆動制御する。また、ＰＣＵ１４は、動力出力装置１６に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１２を充電する。
【００５０】
動力出力装置１６は、図示されないエンジンおよび／またはモータジェネレータによる動力をＤＧ１８へ出力する。また、動力出力装置１６は、前輪２０Ｌ，２０Ｒの回転力によって発電し、その発電された電力をＰＣＵ１４に供給する。
【００５１】
ＤＧ１８は、動力出力装置１６から受ける動力を前輪２０Ｌ，２０Ｒに伝達するとともに、前輪２０Ｌ，２０Ｒの回転力を動力出力装置１６に伝達する。
【００５２】
なお、ＰＣＵ１４は、バッテリ１２から供給される直流電力によってモータジェネレータを駆動する「負荷駆動装置」を構成する。
【００５３】
図２は、図１に示されるＰＣＵ１４の主要部の構成を示す回路図である。
【００５４】
図２を参照して、ＰＣＵ１４は、インバータ５０，５２と、コンデンサＣと、制御装置５４と、電源ラインＬ１と、接地ラインＬ２とを含む。インバータ５０は、パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１６とを含み、インバータ５２は、パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６と、ダイオードＤ２１〜Ｄ２６とを含む。
【００５５】
モータジェネレータＭ１は、３相交流同期発電機であって、図示されないエンジンからの動力を交流電力に変換し、その交流電力をインバータ５０へ出力する。モータジェネレータＭ２は、３相交流同期電動機であって、インバータ５２から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、モータジェネレータＭ２は、ハイブリッド自動車１０の減速時には発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により交流電力を発電し、その交流電力をインバータ５２へ出力する。
【００５６】
インバータ５０は、Ｕ相アーム７２、Ｖ相アーム７４およびＷ相アーム７６からなる。Ｕ相アーム７２、Ｖ相アーム７４およびＷ相アーム７６は、電源ラインＬ１と接地ラインＬ２との間に並列に接続される。Ｕ相アーム７２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１１，Ｑ１２からなり、Ｖ相アーム７４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１３，Ｑ１４からなり、Ｗ相アーム７６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ１５，Ｑ１６からなる。また、各パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６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Ｄ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続されている。
【００５７】
各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、モータジェネレータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭ１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、パワートランジスタＱ１１，Ｑ１２の接続点にＵ相コイルの他端が接続され、パワートランジスタＱ１３，Ｑ１４の接続点にＶ相コイルの他端が接続され、パワートランジスタＱ１５，Ｑ１６の接続点にＷ相コイルの他端が接続されている。
【００５８】
インバータ５２は、Ｕ相アーム８２、Ｖ相アーム８４およびＷ相アーム８６からなる。Ｕ相アーム８２、Ｖ相アーム８４およびＷ相アーム８６も、電源ラインＬ１と接地ラインＬ２との間に並列に接続される。Ｕ相アーム８２は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２１，Ｑ２２からなり、Ｖ相アーム８４は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２３，Ｑ２４からなり、Ｗ相アーム８６は、直列に接続されたパワートランジスタＱ２５，Ｑ２６からなる。また、各パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６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Ｄ２１〜Ｄ２６がそれぞれ接続されている。
【００５９】
そして、インバータ５２においても、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、モータジェネレータＭ２の各相コイルの各相端に接続されている。
【００６０】
コンデンサＣは、電源ラインＬ１と接地ラインＬ２との間に接続され、電圧変動に起因するインバータ５０，５２に対しての影響を低減する。
【００６１】
制御装置５４は、インバータ５２におけるパワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６のスイッチング動作を制御し、バッテリ１２から供給される電力に基づいてモータトルク指令に応じたトルクをモータジェネレータＭ２に発生させるため、インバータ５２を制御する。また、制御装置５４は、インバータ５０におけるパワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６のスイッチング動作を制御し、モータジェネレータＭ１によって発生された交流電力を直流電力に変換してバッテリ１２を充電するため、インバータ５０を制御する。
【００６２】
このＰＣＵ１４においては、インバータ５２は、バッテリ１２から電源ラインＬ１および接地ラインＬ２を介して直流電力を受け、その受けた直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータＭ２へ出力する。インバータ５０は、モータジェネレータＭ１によって発電された交流電力を直流電力に変換し、電源ラインＬ１および接地ラインＬ２を介してバッテリ１２を充電する。また、インバータ５２は、モータジェネレータＭ２によって発電された交流電力を直流電力に変換し、電源ラインＬ１および接地ラインＬ２を介してバッテリ１２を充電することもできる。
【００６３】
このように、ＰＣＵ１４は、バッテリ１２からの直流電力に基づいてモータジェネレータＭ２を駆動するとともに、モータジェネレータＭ１，Ｍ２によって発電された電力をバッテリ１２へ供給する。
【００６４】
図３は、この発明の実施の形態１による負荷駆動装置においてインバータを構成する半導体スタックの構造の一部を示す平面図である。なお、後述するように、この半導体スタックの上部および下部には、それぞれ制御基盤およびバスバーが付設されているが、図３においては、半導体スタックを図示する関係上、上部に位置する制御基盤については図示していない。
【００６５】
図３を参照して、この半導体スタックは、連設された半導体モジュール１１０，１２０，…と、終端部１３０と、ガイド１４０，１５０とを含む。半導体モジュール１１０は、ダイオードＤ１１と、パワートランジスタＱ１１と、冷却器１１３，１１４と、流水パイプ１１５，１１６と、樹脂モールド１１７とからなる。半導体モジュール１２０は、半導体モジュール１１０の構成において、ダイオードＤ１１およびパワートランジスタＱ１１に代えてダイオードＤ１２およびパワートランジスタＱ１２からなり、半導体モジュール１２０のその他の構成は、半導体モジュール１１０の構成と同じである。
【００６６】
パワー半導体素子であるダイオードＤ１１，Ｄ１２およびパワートランジスタＱ１１，Ｑ１２の各々は、半導体素子１６１と、主電極１６２，１６３と、絶縁材１６４，１６５と、図示されない信号電極とからなり、主電極１６２，１６３によって半導体素子１６１が挟み込まれ、さらにそれらが絶縁材１６４，１６５によって挟み込まれている。
【００６７】
冷却器１１３，１１４は、たとえば熱伝導度の高いアルミなどによって構成される。冷却器１１３，１１４は、内部に冷却水が流され、冷却器１１３，１１４によって挟み込まれたパワー半導体素子を冷却する。冷却器１１３，１１４は、後述するように、内部に冷却フィンを有し、外壁は、半導体モジュール１１０，１２０，…が連設される方向に伸縮可能なベローズ構造からなる。
【００６８】
流水パイプ１１５，１１６は、終端部１３０に設けられた流入口１３１から流入されて流出口１３２から流出される冷却水をすべての半導体モジュールに行き渡らせるための流水路であって、半導体モジュール１１０，１２０，…が連設される方向に伸縮可能なベローズ構造からなる。
【００６９】
樹脂モールド１１７は、冷却器１１３，１１４の間にパワー半導体素子および流水パイプ１１５，１１６を封入する封止材であって、パワー半導体素子およびその両面に設けられる冷却器１１３，１１４は、半導体スタックの組付前に予め樹脂モールド１１７によって一体化され、半導体モジュール１１０，１２０，…が形成される。
【００７０】
終端部１３０は、半導体モジュール１１０，１２０，…が連設された方向の両側から半導体モジュール１１０，１２０，…を挟み込むための部材であって、半導体スタックの図示されない他端にも設けられる。また、終端部１３０には、半導体モジュール１１０，１２０，…に供給する冷却水の流入口１３１および流出口１３２が設けられている。
【００７１】
ガイド１４０，１５０は、連設される半導体モジュール１１０，１２０，…に沿ってそれぞれ両側に付設され、半導体モジュール１１０，１２０，…を側面から拘束する。
【００７２】
この半導体スタックにおいては、図２に示したインバータ５０，５２の各相アームにおける各アームを構成するパワー半導体素子、すなわちパワートランジスタおよびそれに対応するダイオードが冷却器１１３，１１４によって両面から挟み込まれ、樹脂モールド１１７によって冷却器１１３，１１４の間にパワー半導体素子が封止される。これによって、パワー半導体素子および両面の冷却器１１３，１１４が一体となった両面冷却型の半導体モジュール１１０，１２０，…が構成される。
【００７３】
そして、この半導体モジュール１１０，１２０，…は、パワー半導体素子との接触面に対向する面において、隣接する半導体モジュールと接続される。
【００７４】
ここで、上述のように、半導体モジュール１１０，１２０，…の各々においては、冷却器１１３，１１４および流水パイプ１１５，１１６が伸縮可能な構造となっているので、各半導体モジュール内における各接触面の位置公差、すなわち、パワー半導体素子および主電極の接触面、主電極および絶縁材の接触面、絶縁材および冷却器の接続面における位置公差を冷却器１１３，１１４の伸縮によって吸収することができる。
【００７５】
さらに、連設された半導体モジュール１１０，１２０，…の両側面にはガイド１４０，１５０が付設され、その内面側に設けられる凸部に隣接する冷却器１１３，１１４が嵌合されているので、この半導体スタックにおける半導体モジュール１１０，１２０，…の搭載位置公差を抑えることができる。
【００７６】
図４は、図３に示される半導体スタックにおける断面ＩＶ−ＩＶの構造を示す断面図である。
【００７７】
図４を参照して、冷却器１１３，１１４は、内部に冷却フィンを有し、流入口１３１から流入された冷却水が内部に流されることによって、冷却器１１３，１１４に挟み込まれたパワー半導体素子を冷却する。そして、冷却器１１３，１１４は、半導体モジュール１１０，１２０，…が連設される方向に伸縮可能なベローズ構造を有する。
【００７８】
半導体モジュール１１０，１２０，…の上部には、制御基盤１７１が付設され、半導体モジュール１１０，１２０，…の各々は、信号電極１６６によって制御基盤１７１のコンタクト部１７５と接続される。一方、半導体モジュール１１０，１２０，…の下部には、バスバー１７２，１７３が付設され、半導体モジュール１１０，１２０，…の各々は、主電極１６２，１６３によってそれぞれバスバー１７２，１７３と接続される。バスバー１７２，１７３の下部には、さらにコンデンサＣが付設される。
【００７９】
このように、この半導体スタックにおいては、各半導体モジュール１１０，１２０，…において、主電極１６２，１６３と絶縁材１６４，１６５との接触面や、絶縁材１６４，１６５と冷却器１１３，１１４との接触面における位置公差が、ベローズ構造からなる冷却器１１３，１１４の伸縮によって吸収される。したがって、各半導体モジュール１１０，１２０，…が組付けられた際の組付公差や、各半導体モジュール１１０，１２０，…と制御基盤１７１およびバスバー１７２，１７３との接続における位置公差を小さくすることができる。
【００８０】
図５は、図２に示されるインバータの冷却構造を概念的に示すブロック図である。
【００８１】
図５を参照して、図２に示したＰＣＵ１４は、インバータ５０，５２と、制御装置５４と、循環装置５６と、冷却体２３１〜２３７とを含む。循環装置５６は、ウォーターポンプ２４０と、ラジエータ２５０と、切替弁２６１〜２６４と、冷媒路２７１〜２７９とからなる。
【００８２】
インバータ５０においては、図２に示したＵ相アーム７２の上アームおよび下アーム、Ｖ相アーム７４の上アームおよび下アーム、およびＷ相アーム７６の上アームおよび下アームをそれぞれ構成する半導体モジュール１１０，１２０，…が直列に連設され、１つの半導体スタックが構成される。また、インバータ５２においても、インバータ５０と同様に、各アームをそれぞれ構成する半導体モジュールが直列に連設され、もう１つの半導体スタックが構成される。そして、インバータ５０，５２は、冷媒系統において直列に配設され、インバータ５０，５２の各々における各半導体モジュールは、冷媒系統において並設される。
【００８３】
冷却体２３１〜２３７の各々は、隣接する４つの冷却器１１３，１１４を一体的に表わしたものである。すなわち、インバータ５０，５２の列方向に対応する冷却器は、流水パイプによって接続されており、冷却体２３１〜２３７の各々は、インバータ５０において隣接する２つの冷却器１１３，１１４と、その２つの冷却器１１３，１１４に対応するインバータ５２の隣接する冷却器１１３，１１４とからなる４つの冷却器によって構成される。
【００８４】
ウォーターポンプ２４０は、冷却体２３１〜２３７に不凍液などの冷却水を循環させるためのポンプである。ラジエータ２５０は、インバータ５０，５２を循環してきた冷却水を冷却する。
【００８５】
切替弁２６１〜２６４は、インバータ５０，５２に循環させる冷却水の循環方向を切替えるために設けられ、制御装置５４から受ける動作指令に応じて動作する。具体的には、切替弁２６１は、冷媒路２７１を入力ポートとし、制御装置５４から受ける動作指令に応じて冷媒路２７２および冷媒路２７８のいずれかを出力ポートとする。また、切替弁２６２は、制御装置５４から受ける動作指令に応じて、冷媒路２７２および冷媒路２７３をそれぞれ入力および出力ポートとするか、冷媒路２７３および冷媒路２７９をそれぞれ入力および出力ポートとする。また、切替弁２６３は、制御装置５４から受ける動作指令に応じて、冷媒路２７６および冷媒路２７５をそれぞれ入力および出力ポートとするか、冷媒路２７８および冷媒路２７６をそれぞれ入力および出力ポートとする。また、切替弁２６４は、制御装置５４から受ける動作指令に応じて冷媒路２７５および冷媒路２７９のいずれかを入力ポートとし、冷媒路２７４を出力ポートとする。
【００８６】
制御装置５４は、図２において説明したように、インバータ５０，５２の動作を制御するほか、インバータ５０，５２における発熱量の大小を判断し、その判断結果に応じて冷却水の循環方向を切替えるための動作指令を切替弁２６１〜２６４へ出力する。
【００８７】
図６は、図５に示された制御装置５４による冷却水の循環方向の切替方法を示すフローチャートである。
【００８８】
図６を参照して、所定の周期ごとに、制御装置５４は、モータジェネレータＭ１の動作条件に応じた動作点の損失値ＬＳ１を予め内部に有するモータジェネレータＭ１の損失マップから読出す（ステップＳ１）。続いて、制御装置５４は、モータジェネレータＭ２の動作条件に応じた動作点の損失値ＬＳ２を予め内部に有するモータジェネレータＭ２の損失マップから読出す（ステップＳ２）。
【００８９】
モータジェネレータＭ１，Ｍ２の損失値ＬＳ１，ＬＳ２が損失マップから読出されると、制御装置５４は、損失値ＬＳ１，ＬＳ２を比較する（ステップＳ３）。そして、損失値ＬＳ１の方が損失値ＬＳ２よりも大きいとき、制御装置５４は、モータジェネレータＭ１に対応するインバータ５０の方がモータジェネレータＭ２に対応するインバータ５２よりも発熱量が大きいものと判断する。
【００９０】
そうすると、制御装置５４は、冷媒路２７１，２７２をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６１へ出力し（ステップＳ４）、冷媒路２７２，２７３をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６２へ出力する（ステップＳ５）。また、制御装置５４は、冷媒路２７６，２７５をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６３へ出力し（ステップＳ６）、冷媒路２７５，２７４をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６４へ出力する（ステップＳ７）。これによって、発熱量の大きいインバータ５０が冷媒系統において上流になるように冷却水が循環する（図５に示される実線方向に冷却水が循環する。）。
【００９１】
一方、ステップＳ３において、損失値ＬＳ１が損失値ＬＳ２以下であるとき、制御装置５４は、モータジェネレータＭ２に対応するインバータ５２の方がモータジェネレータＭ１に対応するインバータ５０よりも発熱量が大きいものと判断する。
【００９２】
そうすると、制御装置５４は、冷媒路２７１，２７８をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６１へ出力し（ステップＳ８）、冷媒路２７３，２７９をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６２へ出力する（ステップＳ９）。また、制御装置５４は、冷媒路２７８，２７６をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６３へ出力し（ステップＳ１０）、冷媒路２７９，２７４をそれぞれ入力ポートおよび出力ポートとする動作指令を切替弁２６４へ出力する（ステップＳ１１）。これによって、発熱量の大きいインバータ５２が冷媒系統において上流になるように冷却水が循環する（図５に示される点線方向に冷却水が循環する。）。
【００９３】
なお、上記においては、伸縮機能を有する冷却器としてベローズ構造からなる冷却器を代表的に例示して説明したが、この発明の適用範囲は、ベローズ構造からなる場合に限定されるものではなく、その他の伸縮構造によって冷却器を構成してもよい。
【００９４】
また、上記においては、各半導体モジュール１１０，１２０，…を構成する冷却器１１３，１１４のいずれもが伸縮機能を有するものとして説明したが、パワー半導体素子の両面に設けられる冷却器のいずれかが伸縮機能を有するものであってもよい。このような構成であっても、伸縮機能を有するいずれかの冷却器の伸縮によって、接触面における位置公差を吸収することができる。
【００９５】
また、上記においては、インバータ５０，５２の発熱量の大小をモータジェネレータＭ１，Ｍ２の損失値の大小に基づいて判断するものとしたが、インバータ５０，５２の近傍に温度センサを設置し、この温度センサによる検出値に基づいてインバータ５０，５２の発熱量の大小を判定するようにしてもよい。
【００９６】
以上のように、この実施の形態１によれば、伸縮する冷却器１１３，１１４によって各半導体モジュール１１０，１２０，…内における接触面の位置公差を吸収するようにしたので、各半導体モジュール１１０，１２０，…の寸法公差を小さくすることができる。
【００９７】
そして、この実施の形態１によれば、ガイド部１４０，１５０によって各半導体モジュール１１０，１２０，…の搭載位置を拘束するようにしたので、半導体スタックの組付公差を小さくすることができ、半導体スタックに付設される制御基盤１７１およびバスバー１７２，１７３との接続における位置公差を小さくすることができる。
【００９８】
また、この実施の形態１によれば、パワー半導体素子および冷却器１１３，１１４を半導体モジュールとして一体的に形成するようにしたので、半導体スタックの組付性が向上する。
【００９９】
また、この実施の形態１によれば、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の動作条件に基づいてインバータ５０，５２のうち熱的に厳しい方のインバータを制御装置５４によって判断し、冷却系統においてそのインバータが上流になるように冷媒の循環方向を循環装置５６によって切替えるようにしたので、インバータ５０，５２を効率的に冷却することができる。
【０１００】
［実施の形態２］
図７は、この発明の実施の形態２による負荷駆動装置においてインバータを構成する半導体スタックの構造の一部を示す平面図である。なお、この半導体スタックの上部および下部には、制御基盤およびバスバーが付設されているが、図７においては、半導体スタックを図示する関係上、上部に位置する制御基盤については図示していない。
【０１０１】
図７を参照して、この半導体スタックは、図３に示した実施の形態１における半導体スタックの構成において、半導体モジュール１１０，１２０，…に代えて半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…を含み、各半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…の間に接続部材１２５をさらに含む。半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…の各々は、半導体モジュール１１０，１２０，…の構成において、冷却器１１３，１１４に代えて冷却器１１３Ａ，１１４Ａからなる。この実施の形態２における半導体スタックのその他の構成は、実施の形態１における半導体スタックの構成と同じである。
【０１０２】
冷却器１１３Ａ，１１４Ａは、たとえば熱伝導度の高いアルミなどによって構成される。冷却器１１３Ａ，１１４Ａは、後述するように、内部に冷却フィンを有し、内部に冷却水が流されることによって冷却器１１３Ａ，１１４Ａに挟み込まれたパワー半導体素子を冷却する。
【０１０３】
ここで、この実施の形態２における冷却器１１３Ａ，１１４Ａは、実施の形態１における冷却器１１３，１１４と異なり、外壁がベローズによって構成されていない。
【０１０４】
一方、接続部材１２５は、半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…が連設される方向に伸縮可能なベローズ構造からなる。
【０１０５】
したがって、この実施の形態２における半導体スタックにおいては、各半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…自体は、それらが連設される方向に伸縮する構造を有していないが、半導体モジュールを接続する接続部材１２５が伸縮機能を有するため、各半導体モジュール内の位置公差を接続部材１２５に伸縮によって吸収することができる。
【０１０６】
図８は、図７に示される半導体スタックにおける断面ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの構造を示す断面図である。
【０１０７】
図８を参照して、冷却器１１３Ａ，１１４Ａは、内部に冷却フィンを有し、流入口１３１から流入された冷却水が内部に流されることによって、冷却器１１３Ａ，１１４Ａに挟み込まれたパワー半導体素子を冷却する。ここで、上述したように、冷却器１１３Ａ，１１４Ａ自体は、半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…が連設される方向に伸縮可能な構造を有していない。
【０１０８】
図９は、図８に示されるＡ部の拡大図である。
【０１０９】
図９を参照して、接続部材１２５は、半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…が連設される方向に伸縮可能なベローズ構造を有する。したがって、この半導体スタックにおいても、各半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…において、主電極１６２，１６３と絶縁材１６４，１６５との接触面や、絶縁材１６４，１６５と冷却器１１３，１１４との接触面における位置公差が接続部材１２５の伸縮によって吸収される。したがって、各半導体モジュール１１０，１２０，…が組付けられた際の組付公差や、各半導体モジュール１１０，１２０，…と制御基盤１７１およびバスバー１７２，１７３との接続における位置公差を小さくすることができる。
【０１１０】
なお、上記においては、接続部材１２５は、半導体モジュール１１０Ａ，１２０Ａ，…が連設される方向に伸縮可能なベローズ構造を有するものとして説明したが、接続部材１２５の構造は、ベローズ構造に限定されるものではなく、伸縮機能を有するその他の構造体であってもよい。たとえば、接続部材１２５は、ゴムブッシュやＯリングなどであってもよい。
【０１１１】
以上のように、この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
［実施の形態３］
実施の形態１，２においては、パワー半導体素子と冷却器とが一体成形されて各半導体モジュールが構成されるものとしたが、実施の形態３では、パワー半導体素子と冷却フィンを有するベース板とが一体成形されて各半導体モジュールが構成され、内部に冷却水が通流する冷却体に各半導体モジュールが嵌合される。
【０１１３】
図１０は、この発明の実施の形態３による負荷駆動装置においてインバータを構成する各半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【０１１４】
図１０を参照して、この半導体モジュール１１０Ｂは、実施の形態１において示された半導体モジュール１１０，１２０，…の構成において、冷却器１１３，１１４を含まず、ベース板１８１，１８２を含む。
【０１１５】
ベース板１８１は、絶縁材１６４に密接され、絶縁材１６４との接触面と対向する側に突出した冷却フィンを有する。ベース板１８２は、絶縁材１６５に密接され、絶縁材１６５との接触面と対向する側に突出した冷却フィンを有する。
【０１１６】
そして、ベース板１８１，１８２は、通水路用パイプ１８３，１８４にそれぞれ嵌合され、通水路用パイプ１８３，１８４は、後述する冷却体に嵌合される。
【０１１７】
図１１は、図１０に示される半導体モジュール１１０Ｂが嵌合される冷却体の構成を示す斜視図である。
【０１１８】
図１１を参照して、冷却体１９１は、対向する２面の各々に半導体モジュール取付部１９２，１９３と、流水パイプ取付部１９４，１９５とを有する。冷却体１９１は、半導体モジュール１１０Ｂが嵌合される方向に伸縮可能なベローズ構造を有し、内部は冷却水の通水路となっている。
【０１１９】
再び図１０および図１１を参照して、半導体モジュール取付部１９２，１９３には、通水路用パイプ１８３，１８４に嵌合された半導体モジュール１１０Ｂが両面から嵌合される。すなわち、この冷却体１９１には、計４つの半導体モジュール１１０Ｂが通水路用パイプを介して嵌合される。そして、並設される２つの半導体モジュール１１０Ｂと冷却体１９１とが交互に連設されて半導体スタックが構成される。
【０１２０】
流水パイプ取付部１９４，１９５には、ベローズ構造を有する図示されない流水パイプの一端が嵌合され、その流水パイプの他端は、半導体モジュール１１０Ｂを介して隣接する冷却体１９１の流水パイプ取付部に嵌合される。
【０１２１】
そして、流水パイプ取付部１９４または１９５に嵌合された流水パイプから供給される冷却水が冷却体１９１の内部に流され、この冷却体１９１に嵌合された各半導体モジュール１１０Ｂが冷却される。
【０１２２】
そして、この実施の形態３における半導体スタックにおいては、半導体モジュール１１０Ｂ自体は、半導体モジュール１１０Ｂおよび冷却体１９１が連設される方向に伸縮する構造を有していないが、半導体モジュール１１０Ｂが嵌合される冷却体１９１が伸縮機能を有するため、各半導体モジュール１１０Ｂ内の位置公差を冷却体１９１の伸縮によって吸収することができる。
【０１２３】
以上のように、この実施の形態３によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１２４】
なお、上記の各実施の形態においては、この発明による負荷駆動装置が搭載される車両としてハイブリッド自動車の場合を代表的に例示して説明したが、この発明の適用範囲は、ハイブリッド自動車に限られるものではなく、電気自動車や電車など他の車両システムのほか、その他の電力システムにおいてもこの発明を適用することができる。
【０１２５】
また、上記においては、半導体スタックの構成を有するインバータを代表的に例示して説明したが、この発明の適用範囲は、インバータに限定されるものではなく、半導体素子および冷却器が交互に連設された半導体スタックの構成を有する様々な半導体装置にこの発明を適用することができる。
【０１２６】
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、上記した実施の形態の説明ではなくて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】
【０１２７】
【図１】この発明による負荷駆動装置が搭載された車両の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１による負荷駆動装置においてインバータを構成する半導体スタックの構造の一部を示す平面図である。
【図４】図３に示される半導体スタックにおける断面ＩＶ−ＩＶの構造を示す断面図である。
【図５】図２に示されるインバータの冷却構造を概念的に示すブロック図である。
【図６】図５に示された制御装置による冷却水の循環方向の切替方法を示すフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２による負荷駆動装置においてインバータを構成する半導体スタックの構造の一部を示す平面図である。
【図８】図７に示される半導体スタックにおける断面ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの構造を示す断面図である。
【図９】図８に示されるＡ部の拡大図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による負荷駆動装置においてインバータを構成する半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図１１】図１０に示される半導体モジュールが嵌合される冷却体の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０  ハイブリッド自動車、１２  バッテリ、１４  パワーコントロールユニット、１６  動力出力装置、１８  ディファレンシャルギア、２０Ｌ，２０Ｒ  前輪、２２Ｌ，２２Ｒ  後輪、２４Ｌ，２４Ｒ  フロントシート、２６  リアシート、５０，５２  インバータ、５４  制御装置、５６  循環装置、１１０，１２０，１１０Ａ，１２０Ａ，１１０Ｂ  半導体モジュール、１１３，１１４，１１３Ａ，１１４Ａ  冷却器、１１５，１１６  流水パイプ、１１７  樹脂モールド、１２５  接続部材、１３０  終端部、１３１  流入口、１３２  流出口、１４０，１５０  ガイド、１６１  半導体素子、１６２，１６３  主電極、１６４，１６５  絶縁材、１６６  信号電極、１７１  制御基盤、１７２，１７３  バスバー、１７５  コンタクト部、１８１，１８２  ベース板、１８３，１８４  通水路用パイプ、１９１，２３１〜２３７  冷却体、１９２，１９３  半導体モジュール取付部、１９４，１９５  流水パイプ取付部、２４０  ウォーターポンプ、２５０  ラジエータ、２６１〜２６４  切替弁、２７１〜２７９  冷媒路、Ｍ１，Ｍ２  モータジェネレータ、Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６  パワートランジスタ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６  ダイオード、Ｃ  コンデンサ、Ｌ１  電源ライン、Ｌ２  接地ライン、７２，８２  Ｕ相アーム、７４，８４  Ｖ相アーム、７６，８６  Ｗ相アーム。
【図１】
2005159024.tif 000003
【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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