(57)【要約】【課題】小型化し得る電力変換器を提供する。【解決手段】スイッチング素子（１１）と整流素子（１２）とを有する半導体素子（１０）と、半導体素子（１０）を冷却する冷却部材（３７）と、半導体素子（１０）と冷却部材（３７）との間に介在して、両者の結合と相互の熱伝達を行う実装部材（２８、３６、３２）と、を備え、実装部材は、熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材（３３、３４）を内包し、充填部材（３３、３４）のうち熱伝導率が相対的に高い充填部材（３４）はスイッチング素子（１１）と冷却部材（３７）の間に配置し、熱伝導率が相対的に低い充填部材（３３）は整流素子（１２）と冷却部材（３７）との間に配置する。【選択図】図４
2012005194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と整流素子とを有する半導体素子と、
前記半導体素子を冷却する冷却部材と、
前記半導体素子と前記冷却部材との間に介在して、両者の結合と相互の熱伝達を行う実装部材と、
を備え、
前記実装部材は、熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材を内包し、充填部材のうち熱伝導率が相対的に高い充填部材は前記スイッチング素子と前記冷却部材の間に配置し、熱伝導率が相対的に低い充填部材は前記整流素子と前記冷却部材との間に配置することを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
前記実装部材には、前記スイッチング素子と前記整流素子を水平方向に実装する基板を含み、
この基板に下方から接触すると共に、前記少なくとも２つの充填部材の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する材質からなる熱拡散部材を備え、
この熱拡散部材の内部に、前記スイッチング素子及び整流素子の下部をカバーすると共に、前記整流素子に対しては相対的に近寄り、前記スイッチング素子に対しては相対的に離れる形状の密閉空間を形成し、前記少なくとも２つの充填部材をこの密閉空間に内包させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記整流素子が前記スイッチング素子よりも車両前方にくるように前記基板を配置すると共に、前記少なくとも２つの充填部材は流動し得る物質であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記少なくとも２つの充填部材の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する材質からなる柱を前記密閉空間内に垂直方向に貫通させて設けると共に、この柱の位置が前記基板の上から見て前記基板上で隣り合う２つの同じ素子の間にまたは隣り合う２つの異なる素子の間にくるようにすることを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記基板の上から見たとき、前記密閉空間の形状は、前記スイッチング素子及び前記整流素子の下部をカバーする形状であることを特徴とする請求項４に記載の電力変換器。
【請求項６】
前記基板上に前記スイッチング素子と前記整流素子とを隣合わせでそれぞれ一列に整列させて実装する場合に、
隣り合う一つのスイッチング素子と一つの整流素子との組み合わせに分割し、各組み合わせごとに前記密閉空間を設けることを特徴とする請求項３から５までのいずれか一つに記載の電力変換器。
【請求項７】
前記基板上に前記スイッチング素子と前記整流素子とを隣合わせでそれぞれ一列に整列させて実装する場合に、
前記基板を上から見たとき、同じ素子が並ぶ方向の中央部での前記密閉空間水平方向の幅を、同じ素子が並ぶ方向の両端部での前記密閉空間の水平方向の幅よりも相対的に狭くすることを特徴とする請求項２から５までのいずれか一つに記載の電力変換器。
【請求項８】
前記密閉空間の下面は、前記整流素子の側から前記スイッチング素子の側に傾く斜面であり、
この斜面の途中に前記少なくとも２つの充填部材のうち熱伝導率が相対的に高い充填部材の流動を阻止する遮蔽物を設けると共に、この遮蔽物をバイパスして流れる孔を前記斜面に貫通して設けることを特徴とする請求項３から５までのいずれか一つに記載の電力変換器。
【請求項９】
前記基板と前記熱拡散部材と前記冷却部材の全体を、車両後方の側が車両前方の側よりも低くなるように設けることを特徴とする請求項２から８までのいずれか一つに記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記少なくとも２つの充填部材は水と空気であることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記密閉空間は、前記整流素子と前記スイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見たとき、上底が整流素子に近寄り、下底がスイッチング素子より離れる平行四辺形となるように形成することを特徴とする請求項３から１０までのいずれか一つに記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電力変換器、例えば電気自動車駆動用モータを駆動するための電力変換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子よりも整流素子を高温に保つために、冷却器から整流素子までの熱抵抗を冷却器からスイッチング素子への熱抵抗よりも大きくしているものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６-３０３３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
車両駆動用モータを制御する電力変換器においては、走行状態によってスイッチング素子の発熱と整流素子の発熱との間には偏りが生じるため、上記特許文献１の技術では整流素子の最大発熱量において、高い熱抵抗を介して冷却しても動作保障温度内に収めるために冷却器が大型化するという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力変換器は、スイッチング素子と整流素子とを有する半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却部材と、半導体素子と冷却部材との間に介在して、両者の結合と相互の熱伝達を行う実装部材と、を備えている。実装部材は、熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材を内包し、充填部材のうち熱伝導率が相対的に高い充填部材はスイッチング素子と冷却部材の間に配置し、熱伝導率が相対的に低い充填部材は整流素子と冷却部材との間に配置している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スイッチング素子から冷却部材までの熱抵抗が、整流素子から冷却部材までの熱抵抗よりも低くなるため、整流素子を過冷却せずにスイッチング素子を冷却できる。これによって、冷却部材を小型化することが可能となり、電力変換器を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態のモータ駆動用３相インバータの回路図である。
【図２】パワーモジュールの素子配置を示す概略平面図である。
【図３】第１実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図４】第１実施形態の冷却装置の概略図である。
【図５】冷却装置と車両との位置関係を示す概略図である。
【図６】車両の各状態毎の液体と気体の存在位置を示す冷却装置の概略縦断面図である。
【図７】第２実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図８】第２実施形態の冷却装置の概略図である。
【図９】第３実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図１０】第３実施形態の冷却装置の概略図である。
【図１１】第４実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図１２】第４実施形態の冷却装置の概略図である。
【図１３】第５実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図１４】第５実施形態の冷却装置の概略図である。
【図１５】第６実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図１６】第６実施形態の冷却装置の概略図である。
【図１７】第７実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図１８】第７実施形態の冷却装置の概略図である。
【図１９】第８実施形態の冷却装置の概略斜視図である。
【図２０】第８実施形態の冷却装置と車両との位置関係を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき詳細に説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係るパワーモジュール１０（半導体素子）を備えたモータ駆動用３相インバータ１４の回路図である。図１に示すように、１つのパワーモジュール１０は、複数（この例では４個）のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄを有しており、各整流素子１２は、各スイッチング素子１１と逆並列に接続されている。このパワーモジュール１０は、交流モータ１３を駆動するための３相インバータ１４の１相分である。直流電源１５の電力は、平滑用のコンデンサ１６と３個のパワーモジュール１０により、交流モータ１３を駆動する３相交流電力に変換される。
【００１１】
詳細には、インバータには、交流モータ１３とインバータ１４を接続する外部バスバー（出力側）２１、直流電源１５とインバータ１４を接続する外部バスバー（Ｐ側）２２及び外部バスバー（Ｎ側）２３を備えている。１つのパワーモジュール１０には、外部バスバー（出力側）２１と接続する出力電極２４、外部バスバー（Ｐ側）２２と接続するＰ型電極２５及び外部バスバー（Ｎ側）２３と接続するＮ型電極２６を備えている。
【００１２】
図２は１つのパワーモジュール１０の素子配置を示す概略平面図である。図１には３つのパワーモジュール１０が示されているが、３つとも同じ構成である。左右に間隔をおいて縦方向にほぼ等間隔で並ぶ４つのスイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄは、Ｐ側電極２５、Ｎ側電極２６、出力電極２４とボンディングワイヤ２７で電気的にそれぞれ接続され、平板状の基板２８の上に実装されている。
【００１３】
なお、図１の回路図においては１つのパワーモジュール１０について、スイッチング素子が２つ、整流素子が２つであるのに対して、図２の素子の実装状態を表す概略平面図においては１つのパワーモジュール１０について、スイッチング素子が４つ、整流素子が４つ用いられている。これは、２つのスイッチング素子、２つの整流素子がそれぞれ並列で用いられることを表している。
【００１４】
さて、上記の交流モータ１３（回転機）及びインバータ１４（電力変換器）を電気自動車駆動用に用いる場合には、乗員の空間を確保するためにも、交流モータ１３やインバータ１４を小型化することが強く求められる。高効率化や高出力密度化のために、最近では図２に示したパワーモジュール１０のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄや整流素子１２ａ〜１２ｄとして、高温で動作可能なＳｉＣのスイッチング素子や整流素子を用いるようになった。
【００１５】
ＳｉＣを用いたスイッチング素子１１ａ〜１１ｄや整流素子１２ａ〜１２ｄを適切な温度で扱うためには冷却方法が重要である。例えば、Ｓｉ系スイッチング素子とＳｉＣ系整流素子を同一の冷媒で冷却する場合に小型化するためにはＳｉＣ系整流素子の冷却を抑制しＳｉ系スイッチング素子を積極的に冷却する構造にしなければならない。また、素子の素材に拘わらず、スイッチング素子と整流素子の発熱は車両駆動状態に依存して偏りが生じる。車両の加速時にはスイッチング素子の発熱が、車両の減速時、エネルギー回生時には整流素子（ダイオード）の発熱が大きな割合を占める。
【００１６】
従来、このスイッチング素子と整流素子との間の発熱の偏りに対して一定の冷却を行う場合には、整流素子、スイッチング素子の発熱量が最大値となった状態でも冷却できるような冷却器を必要とするため冷却器が大型化するという問題があった。また、各々の素子の温度変化が増大し、インバータ（電力変換器）の信頼性を低下させるという問題があった。
【００１７】
本発明では車両の加減速時の重力Ｇを用いて、熱拡散部材３２の内部に形成した密閉空間３５内の流動体を移動させることにより、発熱量の多い素子から冷却器３７までの熱抵抗を相対的に低減し、発熱量の少ない素子から冷却器３７までの熱抵抗を相対的に増大させ、動作保障範囲内に各素子を冷却する小型の冷却器３７を提供するとともに、各素子の温度変化幅を低減することにより、インバータ（電力変換器）の信頼性を向上させるものである。以下、パワーモジュール１０の冷却方法について詳述する。３つのパワーモジュール１０の冷却方法は同じであるので、１つのパワーモジュール１０で代表させて述べる。
【００１８】
図３、図４はパワーモジュール１０の冷却装置（以下単に「冷却装置」ともいう。）３１の概略図である。このうち、図３は冷却装置３１の概略斜視図、図４（ａ）は整流素子とスイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見た冷却装置３１の概略縦断面図、図４（ｂ）は基板２８の上から冷却装置３１を見た概略透視図である。なお、図４（ａ）に示す縦断面は整流素子１２ａとスイッチング素子１１ａとが隣合っている部分で代表させている。
【００１９】
ここでは、２つの異なる素子（スイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄ）の冷却を対象とするので、Ｐ側電極２５、Ｎ側電極２６、出力電極２４、ボンディングワイヤ２７は省略して図３、図４に示していない。なお、図６〜図２０で後述する他の実施形態においても、Ｐ側電極２５、Ｎ側電極２６、出力電極２４、ボンディングワイヤ２７は省略して示さないこととする。
【００２０】
冷却装置３１は、パワーモジュール１０を冷却する冷却器３７（冷却部材）と、パワーモジュール１０と冷却器３７との間に介在して、両者の結合と相互の熱伝達を行う実装部材とを備えている。実装部材は、熱拡散部材３２、絶縁部材３６を含んでいる。実装部材には基板２８も含まれる。
【００２１】
整流素子及びスイッチング素子を実装している基板２８の下には、厚みのある熱伝導率の高い金属製（例えば銅製）の熱拡散部材３２が接続（結合）され、熱拡散部材３２の下には薄い絶縁部材３６を介して冷却器３７が接続（結合）される。冷却器３７の外枠は熱伝導率の高い銅などの金属製で、内部を冷媒が循環する。
【００２２】
素子で発生する熱は、基本的に熱拡散部材３２を垂直に伝導して冷却器３７に到達し、ここで熱交換が行われる。熱拡散部材３２には、内部に熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材を内包した密閉空間３５を備えている。熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材としては、気体（例えば空気）３３及び液体（例えば水）３４を用いている。熱伝導率が相対的に高い充填部材が液体３４、熱伝導率が相対的に低い充填部材が気体３３である。なお、熱拡散部材３２のうち密閉空間３５を除いた残りの固体部分の熱伝導率は、気体３３及び液体３４よりも高くなっている。
【００２３】
密閉空間３５は、整流素子１２ａとスイッチング素子１１ａとが並ぶ方向での縦断面で見たとき、図４（ａ）に示したように平行四辺形となるように形成する。同縦断面でみたとき、密閉空間３５の天井３５ａは整流素子１２ａの真下でかつ整流素子１２ａの近傍に位置して、これに対して密閉空間３５の底３５ｂはスイッチング素子１１ａの真下でかつスイッチング素子１１ａから最も離れたところに位置して配置されている。そして、天井３５ａと底３５ｂの各左端を下方の斜面３５ｃが、天井３５ａと底３５ｂの各右端を上方の斜面３５ｄがつないている。
【００２４】
基板２８の上から見たとき、密閉空間３５の形状は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄの下部をすべてカバーする形状である。すなわち、密閉空間３５の一方の（図４（ｂ）で上方の）縦壁３５ｅは、第１整流素子１２ａ、第１スイッチング素子１１ａの上端に位置して、また密閉空間３５の他方の（図４（ｂ）で下方の）縦壁３５ｆは、第４整流素子１２ｄ、第４スイッチング素子１１ｄの下端に位置して設けられている。密閉空間３５の左端３５ｇは整流素子１２ａ〜１２ｄの左端に、密閉空間３５の右端３５ｈはスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの右端にそろっている。
【００２５】
なお、以下では４つの整流素子について上から第１整流素子１２ａ、第２整流素子１２ｂ、第３整流素子１２ｃ、第４整流素子１２ｄとして区別することがある。また、４つのスイッチング素子について上から第１スイッチング素子１１ａ、第２スイッチング素子１１ｂ、第３スイッチング素子１１ｃ、第４スイッチング素子１１ｄとして区別することがある。
【００２６】
冷却装置３１は、図５にも示したように車両４１が平地に静止している状態で地上に対して平行となるように配置する。かつスイッチング素子１１ａが整流素子１２ａよりも車両後方となるように、つまり密閉空間３５内の天井３５ａが車両前方に、密閉空間３５内の底３５ｂが車両後方にくるように車両４１に配置している。
【００２７】
密閉空間３５内の気体３３と液体３４の割合は、液体３４の割合の方を大きくし、液体３４がスイッチング素子１１ａの下に多く存在するようにする。このため、液面３４ａは整流素子１２ａの真下まで延びている。
【００２８】
なお、密閉空間３５の縦断面形状は平行四辺形に限定されるものでない。密閉空間３５の縦断面形状としては長方形でも楕円でもかまわない。ここでは、液体３４が底３５ｂに貯まっている状態から天井３５ａへと流動し、あるいはこの逆に液体３４が天井３５ａに貯まっている状態から底３５ｂへと流動することが容易に行われる形状として平行四辺形としている。
【００２９】
なお、実施形態では、熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材として、気体３３及び液体３４を用いているが、熱伝導率の異なる２つの液体を用いてもかまわない。
【００３０】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は車両の各状態毎に液体３４及び気体３３がどのような挙動を示すかを説明するための冷却装置３１の概略縦断面図である。まず、図６（ａ）は車両の停止状態または車両が一定速度で走行している状態のときのもので、図４（ａ）と同じである。
【００３１】
図６（ｂ）は車両の加速状態または上り坂を走行中のときのもので、車両後方へと向かう重力Ｇにより、液面３４ａが斜めとなり、そのぶん気体３３の縦方向の幅が拡大している。この状態では、整流素子１２ａから冷却器３７までの熱抵抗が、図６（ａ）の場合より増加する。以上は、整流素子１２ａに着目した場合であるが、スイッチング素子１１ａに着目すれば、次のようになる。すなわち、図６（ｂ）の状態では、スイッチング素子１１ａから冷却器３７までの熱抵抗が、図６（ａ）の場合より減少する。
【００３２】
一方、  図６（ｃ）は車両の減速状態または下り坂を走行中のときのものである。車両前方へと向かう重力Ｇにより、液体３４が気体３３を押しのけて前方の空間を占領するため、液体３４と気体３３の位置が、図６（ａ）に示す状態とは逆転している。この状態では、整流素子１２ａから冷却器３７までの熱抵抗が、図６（ａ）の場合より減少する。スイッチング素子１１ａに着目すれば、図６（ｃ）の状態では、スイッチング素子１１ａから冷却器３７までの熱抵抗が、図６（ａ）の場合より増大する。
【００３３】
整流素子１２ａの発熱量は車両の加速時または上り坂走行時に相対的に少なく、車両減速時または下り坂定速走行時に相対的に増大するため、整流素子１２ａの発熱量が相対的に少ないときに、図６（ｂ）に示したように液体３４がスイッチング素子の側に移動した状態になることで、整流素子１２ａから冷却器３７までの熱抵抗が大きくなる。これによって、整流素子１２ａを冷却し過ぎないようにすることができる。一方、整流素子１２ａの発熱量が相対的に多いときに、図６（ｃ）に示したように液体３４が整流素子の側に移動した状態になることで、整流素子１２ａから冷却器３７までの熱抵抗が小さくなる。これによって、整流素子１２ａを十分に冷却することができる。このように、整流素子１２ａの発熱状態に合わせて、密閉空間３５内の液体３４を整流素子１２ａから離したり近づけたりすることが可能となったことから、整流素子１２ａを動作保証温度以下で高温に保つために必要となる冷却器３７を小型化することができる。
【００３４】
一方、スイッチング素子１１ａの発熱量は車両の加速時または上り坂走行時に相対的に多く、車両減速時または下り坂定速走行時に相対的に減少するため、スイッチング素子１１ａの発熱量が相対的に少ないときに、図６（ｃ）に示したように液体３４が整流素子１２ａの側に移動した状態になることで、スイッチング素子１１ａから冷却器３７までの熱抵抗が大きくなる。これによって、スイッチング素子１１ａを冷却し過ぎないようにすることができる。一方、スイッチング素子１１ａの発熱量が相対的多いときに、図６（ｂ）に示したように液体３４がスイッチング素子１１ａの側に移動した状態になることで、スイッチング素子１１ａから冷却器３７までの熱抵抗が小さくなる。これによって、スイッチング素子１１ａを十分に冷却することができる。このように、スイッチング素子１１ａに関しても、スイッチング素子１１ａを動作保証温度以下で高温に保つために必要となる冷却器３７を小型化することができることとなっている。
【００３５】
整流素子１２ａもスイッチング素子１１ａも温度変化が何度も加えられると寿命が短くなるため、温度変化を低減することが本発明の狙いである。また、一部の素子では高温になるほど効率が向上するため、「動作保証温度以下で高温に保つ」という記述をしている。
【００３６】
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。
【００３７】
本実施形態によれば、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄとを有するパワーモジュール１０（半導体素子）と、パワーモジュール１０を冷却する冷却器３７（冷却部材）と、パワーモジュール１０と冷却器３７との間に介在して、両者の結合と相互の熱伝達を行う実装部材（２８、３２、３６）と、を備え、実装部材は、気体３３及び液体３４（熱伝導率の異なる少なくとも２つの充填部材）を内包し、液体３４（充填部材のうち熱伝導率が相対的に高い充填部材）はスイッチング素子１１と冷却器３７の間に配置し、気体３３（熱伝導率が相対的に低い充填部材）は整流素子１２と冷却器３７との間に配置している。これによって、スイッチング素子１１ａから冷却器３７までの熱抵抗が、整流素子１２ａから冷却器３７までの熱抵抗よりも低くなるため、整流素子１２ａを過冷却せずにスイッチング素子１１ａを冷却できる。これによって、冷却器３７を小型化することが可能となり、インバータ１４（電力変換器）を小型化できる。
【００３８】
本実施形態によれば、実装部材には、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄを水平方向に実装する基板２８を含み、この基板２８に下方から接触すると共に、気体３３及び液体３４（少なくとも２つの充填部材）の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する材質（銅などの金属）からなる熱拡散部材３２を備え、この熱拡散部材３２の内部に、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄの下部をカバーすると共に、整流素子１２ａ〜１２ｄに対しては相対的に近寄り、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄに対しては相対的に離れる形状の密閉空間３５を形成し、気体３３及び液体３４をこの密閉空間３５に内包させているので、定常時（車両の停止状態または車両が一定速度で走行している状態のとき）に整流素子１２ａ〜１２ｄから冷却器３７への熱抵抗を相対的に大きく、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄから冷却器３７への熱抵抗を相対的に小さくすることが可能となり、整流素子１２ａ〜１２ｄの過冷却を防ぐことができる。
【００３９】
本実施形態によれば、整流素子１２ａ〜１２ｄがスイッチング素子１１ａ〜１１ｄよりも車両前方にくるように基板２８を配置すると共に、気体３３及び液体３４は流動し得る物質であるので、整流素子１２ａ〜１２ｄの発熱量が最大になる車両の減速時に気体３３及び液体３４が密閉空間３５内を流動し、液体３４が整流素子１２ａ〜１２ｄの下部に、気体３３がスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下部にくるので（図６（ｃ）参照）、整流素子１２ａ〜１２ｄから冷却器３７までの熱抵抗が定常時より減少する。これによって冷却器３７を小型化できる。
【００４０】
本実施形態によれば、密閉空間３５に内包させる少なくとも２つの充填部材の一方は気体３３、つまり空気であるので、液体３４の体積膨張による密閉空間の内圧を低減できる。
【００４１】
本実施形態によれば、密閉空間３５は、整流素子１２ａとスイッチング素子１１ａとが並ぶ方向での縦断面でみたとき、上底（天井３５ａ）が整流素子１２ａに近寄り、下底（底３５ｂ）がスイッチング素子１１ａより離れる平行四辺形となるように形成するので、気体３３及び液体３４（少なくとも２つの充填部材）が流動するのに最適な形状を与えることができる。
【００４２】
（第２実施形態）
図７、図８は第２実施形態の冷却装置３１の概略図で、第１実施形態の図３、図４と置き換わるものである。このうち図７は冷却装置３１の概略斜視図、図８（ａ）は整流素子とスイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見た冷却装置３１の概略縦断面図、図８（ｂ）は基板２８の上から冷却装置３１を見た概略透視図である。図７、図８において図３、図４と同一部分には同一番号を付している。
【００４３】
図８（ｂ）に示したように、第２実施形態は、基板２８の上から冷却装置３１を見たとき、隣り合う２つの同じスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの間にまたは隣り合う２つの同じ整流素子１２ａ〜１２ｄの間に、熱拡散部材３２と同じ素材（熱伝導率の高い銅などの金属）の柱であって密閉空間３５を垂直方向に貫く柱５１を複数設けたものである。これによって、隣り合う２つのスイッチング素子同士の熱干渉または隣り合う２つの整流素子同士の熱干渉を低減すると共に、熱拡散部材３２の変形を抑制することができる。
【００４４】
以下、詳述する。熱拡散部材３２の材質は例えば熱伝導率の高い銅などの金属であるので、液体（例えば水）３４及び気体３３（例えば空気）よりも熱伝導率は高い。素子（整流素子またはスイッチング素子）からの熱がどの方向に伝わるのかを考えると、柱５１がない場合、素子から冷却器３７への熱抵抗（素子に対して垂直方向の熱抵抗）が大きいため、素子に対して水平方向に熱が伝わり易くなる。つまり、隣の同じ素子に熱の影響を与えやすい状況になる。一方、隣り合う２つの同じ素子の間に柱５１を設けると、熱は気体３３の中や液体３４の中を水平方向に伝わるよりもこの固体の柱５１を伝って垂直方向に熱が伝わり易くなる。つまり、隣り合う２つの同じ素子の間で密閉空間３５を垂直方向に貫く金属製の柱５１を設けることで、素子から冷却器３７までの熱抵抗が下がるのであり、水平方向への熱の伝わりを抑制することができる。
【００４５】
スイッチング素子がスイッチングしたり整流素子が整流している瞬間瞬間で見ると、４つの同じ素子のうち一部の素子が休み一部の素子が働いている状態になるが、熱の伝わりの時間スケールで考えると、働く・休むのサイクルは無視でき、平均的に隣り合う２つの同じ素子のうちどちらの素子も発熱していると考えられる。また、２つの同じスイッチング素子、２つの同じ整流素子を並列で使用する場合には、並列使用される２つの同じ素子双方の熱が干渉し、並列使用される２つの同じ素子の間の部分が高温になる。従って、並列使用される２つの同じ素子の間に柱５１（図８（ｂ）で上から第１列目の柱と第３列目の柱）を介在させることによって、並列使用される２つの同じ素子双方の熱干渉で高温となることを抑制できる。
【００４６】
また、密閉空間３５に柱５１を貫通させて設けるので、熱拡散部材３２の強度が増し、これによって熱拡散部材３２の変形を抑制することができる。
【００４７】
第２実施形態では、柱５１は円柱状であるが、この形状に限定されるものでない。
【００４８】
第２実施形態によれば、気体３３及び液体３４（少なくとも２つの充填部材）の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する材質（金属）からなる柱５１を密閉空間３５内に垂直方向に貫通させて設けると共に、この柱５１の位置が基板２８の上から見て基板２８上で隣り合う整流素子と整流素子の間または隣り合うスイチング素子とスイッチング素子の間（２つの同じ素子の間）にくるようにするので、整流素子から発生する熱が隣の整流素子へと水平方向に伝導したりスイッチング素子から発生する熱が隣のスイッチング素子へと水平方向に伝導したりするよりも、柱５１を垂直方向に冷却器３７へと伝導するので、隣り合う２つの整流素子の間のまたは隣り合う２つのスイッチング素子の間の熱干渉を抑制できる。
【００４９】
第２実施形態によれば、基板２８の上から見たとき、密閉空間３５の形状は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄの下部をすべてカバーする形状であるので、整流素子１２ａ〜１２ｄやスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの素子密集部の熱を柱５１を通して抜熱することが可能となり、素子間の温度バラツキが抑制できる。また、柱５１によって熱拡散部材３２の変形を抑制できる。
【００５０】
（第３実施形態）
図９、図１０は第３実施形態の冷却装置３１の概略図で、第１実施形態の図３、図４と置き換わるものである。このうち図９は冷却装置３１の概略斜視図、図１０（ａ）は整流素子とスイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見た冷却装置３１の概略縦断面図、図１０（ｂ）は基板２８の上から冷却装置３１を見た概略透視図である。図９、図１０において図３、図４と同一部分には同一番号を付している。なお、図１０（ａ）に示す縦断面は、図４（ａ）と相違して第２整流素子１２ｂと第２スイッチング素子１１ｂとが隣合っている部分で示している。
【００５１】
図１０（ｂ）に示したように、第３実施形態は、冷却装置３１を基板２８の上から見たとき、隣り合う異なる素子（整流素子とスイッチング素子）の間に、熱拡散部材３２と同じ素材の柱であって密閉空間３５を垂直方向に貫く柱５２を設けたものである。これによって、隣り合う異なる素子（スイッチング素子と整流素子）の間の熱干渉を低減すると共に、熱拡散部材３２の変形を抑制することができる。
【００５２】
第３実施形態では、第２実施形態のように複数の柱を設けるのではなく、第２整流素子１２ｂ及び第２スイッチング素子１１ｂから第３整流素子１２ｃ及び第３スイッチング素子１１ｃまでを連続的に仕切る１つの中央柱５２としている。
【００５３】
なお、図１０（ｂ）に示したように、第１スイッチング素子１１ａと第１整流素子１２ａとの間、第４スイッチング素子１１ｄと第４整流素子１１ｄとの間には中央柱５２は延設されていない。これは、他の素子に挟まれていない４隅にある素子（１１ａ、１１ｄ、１２ａ、１２ｄ）は、他の素子に挾まれている素子よりも熱干渉を受けにくいので、中央柱５２を延設するまでもないためである。
【００５４】
第３実施形態によれば、気体３３及び液体３４（少なくとも２つの充填部材）の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する材質（銅などの金属）からなる中央柱５２を密閉空間３５内に垂直方向に貫通させて設けると共に、この中央柱５２の位置が基板２８の上から見て基板２８上で隣り合う２つの異なる素子（整流素子１２ｂ、１２ｃとスイッチング素子１１ｂ、１１ｃ）の間にくるようにするので、整流素子１２ｂ、１２ｃから発生する熱が隣のスイッチング素子１１ｂ、１１ｃへとまたはスイッチング素子１１ｂ、１１ｃから発生する熱が隣の整流素子１２ｂ、１２ｃへと水平方向に伝導するよりも中央柱５２を垂直方向に冷却器３７へと伝導するので、隣り合う２つの異なる素子間の熱干渉を抑制できる。
【００５５】
（第４実施形態）
図１１、図１２は第４実施形態の冷却装置３１の概略図で、第１実施形態の図３、図４と置き換わるものである。このうち図１１は冷却装置３１の概略斜視図、図１２（ａ）は整流素子とスイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見た冷却装置３１の概略縦断面図、図１２（ｂ）は基板２８の上から冷却装置３１を見た概略透視図である。図１１、図１２において図３、図４と同一部分には同一番号を付している。
【００５６】
第１実施形態では、冷却装置３１を上から見たとき、図４（ｂ）のように密閉空間３５の横幅（左端３５ｇから右端３５ｈまでの幅）は上から下まで同じであった。これに対して、第４実施形態は、図１２（ｂ）に示したように、冷却装置３１を上から見たとき、
同じ素子が並ぶ方向の中央部での密閉空間３５の水平方向の幅Ｗｃを、同じ素子が並ぶ方向の両端部での密閉空間３５の水平方向の幅Ｗｅよりも相対的に狭くしたものである。すなわち、第４実施形態では、４つの同じ素子のうち、中央にある２つの素子の下面を被覆する割合を、両端にある２つの素子の下面を被覆する割合よりも相対的に小さくしている。
【００５７】
熱拡散部材３２のうち密閉空間３５は、気体３３及び液体３４を内包させた空間であるため、密閉空間３５を介した冷却器３７との間の熱抵抗は、密閉空間３５を除いた残りの固体部分を介した冷却器３７との間の熱抵抗よりもともと高くなっている。冷却装置３１を上から見たとき、同じ素子が並ぶ方向の中央部での密閉空間３５の水平方向の幅Ｗｃを、同じ素子が並ぶ方向の両端部での密閉空間３５の水平方向の幅Ｗｅより狭くしたことは、素子が並ぶ方向の中央部にある第２、第３の素子（１２ｂ、１２ｃ、１１ｂ、１１ｃ）と冷却器３７との間の熱抵抗を、同じ素子が並ぶ方向の両端部にある第１、第４の素子（１２ａ、１２ｄ、１１ａ、１１ｄ）と冷却器３７との間の熱抵抗より相対的に小さくすることを意味する。
【００５８】
第４実施形態の意図は、一列に整列している４つの同じ素子の間での温度バラツキを抑制することにある。図１２（ｂ）に示したように、４つの同じ素子が一列に整列するとき、密閉空間３５の水平方向の幅が同じであるとき、その列のほぼ中心部が最も高温となる傾向にある。つまり、４つの同じ素子を一列に並べることによって相対的に高温となる部位（第２、第３の素子１２ｂ、１２ｃ、１１ｂ、１１ｃ）と相対的に低温となる部位（第１、第４の素子１２ａ、１２ｄ、１１ａ、１１ｄ）とが生じる。この場合に、相対的に高温となる部位の温度を相対的に低温となる部位の温度と同じにするには、相対的に高温となる部位と冷却器３７の間の熱抵抗を、相対的に低温となる部位と冷却器３７の間の熱抵抗より相対的に小さくしてやればよい。言い換えると、相対的に高温となる部位には密閉空間３５を相対的に少なくして熱が冷却器３７に伝わり易くし、相対的に高温となる部位には密閉空間３５を相対的に多くして熱が冷却器３７に伝わりにくくすることで、一列に並んだ４つの同じ素子の温度をほぼ同じ温度に保たせることができる。
【００５９】
なお、図１２（ｂ）に示したように、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの列と、整流素子１２ａ〜１２ｄの列とで、密閉空間３５の水平方向の幅を狭くする部位の形状が、若干相違している（図１２（ｂ）で左右対称になっていない）。これは、一般的にスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの列のほうが整流素子１２ａ〜１２ｄの列より温度バラツキが大きいため、整流素子１２ａ〜１２ｄの列よりもスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの列ほうが熱抵抗が小さくなるようにする必要があるためである。
【００６０】
このように、第４実施形態によれば、基板２８上にスイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄとを隣合わせでそれぞれ一列に整列させて実装する場合に、基板２８を上から見たとき、同じ素子が並ぶ方向の中央部での密閉空間３５の水平方向の幅Ｗｃを、同じ素子が並ぶ方向の両端部での密閉空間３５の水平方向の幅Ｗｅよりも相対的に狭くするので、同じ素子が並ぶ方向の中央部で積極的に抜熱することが可能となり、同じ素子を複数整列させていても、同じ素子の間の温度バラツキを低減することができる。
【００６１】
（第５実施形態）
図１３、図１４は第５実施形態の冷却装置３１の概略図で、第１実施形態の図３、図４と置き換わるものである。このうち図１３は冷却装置３１の概略斜視図、図１４（ａ）は整流素子とスイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見た冷却装置３１の概略縦断面図、図１４（ｂ）は基板２８の上から冷却装置３１を見た概略透視図である。図１３、図１４において図３、図４と同一部分には同一番号を付している。
【００６２】
図１４（ａ）に示したように、第５実施形態は、密閉空間３５の斜面３５ｃの途中に液体３４の流動を阻止する遮蔽物としての壁５５を設けると共に、この壁５５をバイパスして流れる孔５６を斜面３５ｃに貫通して設けたものである。
【００６３】
密閉空間３５内に気体３３及び液体３４が内包されており、気体３３より重い液体３４は、車両の動きに応じ、車両減速時または下り坂走行時には、液体３４は斜面３５ｃを遡って天井３５ａの方へ流れようとする。このとき、壁５５を越えて天井３５ａまで流れようとする液体と、壁５５で流れを堰き止められる液体とに分かれる。壁５５で流れを堰き止められた液体の一部は、孔５６を通って壁５５より上の斜面３５ｃへと流れ出て、さらに天井３５ａに向かって流れようとする。
【００６４】
また、車両減速直後の加速時または下り坂走行直後の上り坂走行時には、液体３４は斜面３５ｃを下って底３５ｂの方へ流れようとする。このとき、壁５５を越えて底３５ｂまで流れようとする液体と、壁５５で流れを堰き止められる液体とに分かれる。壁５５で流れを堰き止められた液体の一部は、孔５６を通って壁５５より下の斜面３５ｃへと流れ出て、さらに底３５ｂに向かって流れようとする。
【００６５】
つまり、液体３４の流れを堰き止めるように壁５５を設ける一方で、堰き止められた液体の一部の流れを許容する孔５６を設けることによって、車両減速時または下り坂走行時に液体３４が天井３５ａに向かって流れる速度が、もしくは車両減速直後の加速時または下り坂走行直後の上り坂走行時に液体３４が底３５ｂに向かって流れる速度がそれぞれ制限されることとなる。
【００６６】
第５実施形態によれば、密閉空間３５の下面は、整流素子１２ａの側からスイッチング素子１１ａの側に傾く斜面３５ｃであり、この斜面３５ｃの途中に液体３４（少なくとも２つの充填部材のうち熱伝導率が相対的に高い充填部材）の流動を阻止する壁５５（遮蔽物）を設けると共に、この壁５５をバイパスして流れる孔５６を斜面３５ｃに貫通して設けるので、液体３４が密閉空間３５内を整流素子１２ａの側へあるいはその後にスイッチング素子１１ａの側へと流動する速度を制限することが可能となり、急な加減速でも整流素子１２ａを過冷却せずにスイッチング素子１１ａを冷却できる。
【００６７】
（第６実施形態）
図１５、図１６は第６実施形態の冷却装置３１の概略図で、第１実施形態の図３、図４と置き換わるものである。このうち図１５は冷却装置３１の概略斜視図、図１６（ａ）は整流素子とスイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見た冷却装置３１の概略縦断面図、図１６（ｂ）は基板２８の上から冷却装置３１を見た概略透視図である。図１５、図１６において図３、図４と同一部分には同一番号を付している。
【００６８】
図１５、図１６に示したように、第６実施形態は、４つの整流素子１２ａ〜１２ｄ及び４つのスイッチング素子１１ａ〜１１ｄを、隣り合う２つの異なる素子（つまり１つの整流素子とこれに隣接する１つのスイッチング素子）の４つの組に分け、各組毎に密閉空間 ６１〜６４を設けたものである。
【００６９】
第６実施形態によれば、基板２８上にスイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄとを隣合わせでそれぞれ一列に整列させて実装する場合に、隣り合う一つのスイッチング素子と一つの整流素子との組み合わせ（つまり１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃ、１１ｄと１２ｄの各組み合わせ）に分割し、各組み合わせごとに密閉空間６１〜６４を設けるので、１つの密閉空間が４つのスイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び４つの整流素子１２ａ〜１２ｄの下部をすべてカバーする場合より個々の密閉空間６１〜６４が小さくなり、１つの組み合わせを構成する各々の素子に対して偏りなく気体３３及び液体３４を流動させることが可能となり、高精度に熱抵抗を可変にできる。
【００７０】
（第７実施形態）
図１７、図１８は第７実施形態の冷却装置３１の概略図で、第１実施形態の図３、図４と置き換わるものである。このうち図１７は冷却装置３１の概略斜視図、図１８（ａ）は整流素子とスイッチング素子とが並ぶ方向での縦断面で見た冷却装置３１の概略縦断面図、図１８（ｂ）は基板２８の上から冷却装置３１を見た概略透視図である。図１７、図１８において図３、図４と同一部分には同一番号を付している。
【００７１】
図１８（ｂ）に示したように、第７実施形態は、気体３３及び液体３４（少なくとも２つの充填部材）の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する材質（銅などの金属）からなる２種類の柱５１、５８を密閉空間３５内に垂直方向に貫通させて設けると共に、一方の柱５１の位置が基板２８の上から見て基板２８上で隣り合う２つの同じ素子の間に、他方の柱５８の位置が隣り合う２つの異なる素子の間にくるようにしたものである。
【００７２】
第７実施形態は、図７、図８に示した第２実施形態と図９、図１０に示した第３実施形態とを組み合わせたものに相当する。
【００７３】
（第８実施形態）
図１９は第８実施形態の冷却装置３１の概略斜視図、図２０は第８実施形態の冷却装置３１と車両との位置関係を示す概略図である。図１９において第１実施形態の図３と同一部分には、また図２０において第１実施形態の図５と同一部分には同一番号を付している。
【００７４】
第８実施形態は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄが配置されている車両後方側を整流素子１２ａ〜１２ｄが配されている車両前方側よりも低くなるように冷却装置３１を傾けて設けたものである。
【００７５】
第８実施形態によれば、基板２８と熱拡散部材３２と冷却器３７の全体を、車両後方の側が車両前方の側よりも低くなるように設けるので、単純な密閉空間構造で整流素子１２ａ〜１２ｄを過冷却せずにスイッチング素子を冷却できるため低コスト化できる。
【符号の説明】
【００７６】
１０  パワーモジュール（半導体素子）
１１、１１ａ〜１１ｄ  スイッチング素子
１２、１２ａ〜１２ｄ  整流素子
２８  基板
３１  冷却装置
３２  熱拡散部材
３３  気体（熱伝導率が相対的に低い充填部材）
３４  液体（熱伝導率が相対的に高い充填部材）
３５  密閉空間
３７  冷却器（冷却部材）
【図１】
2012005194.tif 000003
【図２】
2012005194.tif 000004
【図３】
2012005194.tif 000005
【図４】
2012005194.tif 000006
【図５】
2012005194.tif 000007
【図６】
2012005194.tif 000008
【図７】
2012005194.tif 000009
【図８】
2012005194.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2012005194.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2012005194.tif 000015
【図１４】
2012005194.tif 000016
【図１５】
2012005194.tif 000017
【図１６】
2012005194.tif 000018
【図１７】
2012005194.tif 000019
【図１８】
2012005194.tif 000020
【図１９】
2012005194.tif 000021
【図２０】
2012005194.tif 000022