(57)【要約】【課題】  冷却水路の形成が容易で、十分な冷却効果が得られるパワー半導体の冷却構造、およびこれを用いた車両走行用モータのインバータ装置を提供する。【解決手段】  このパワー半導体の冷却構造では、冷却水が給排水される冷却用水槽穴２を有するベース１上に、複数の直接冷却用フィン４ａを有するパワー半導体３を、その直接冷却用フィン４ａが冷却用水槽穴２に挿入されるように固定する。ベース１内に給水路７および排水路８を、ベース１のパワー半導体３の取付け面に平行として、冷却用水槽穴２を挟む両側にそれぞれ並べて設け、給水路７から冷却用水槽穴２を経て排水路８に至る冷却水路を構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水が給排水される冷却用水槽穴を有するベース上に、複数の直接冷却用フィンを有するパワー半導体を、その直接冷却用フィンが前記冷却用水槽穴に挿入されるように固定したパワー半導体の冷却構造であって、
前記ベース内に給水路および排水路を、前記ベースのパワー半導体の取付け面に平行として、前記冷却用水槽穴を挟む両側にそれぞれ並べて設け、前記給水路から前記冷却用水槽穴を経て前記排水路に至る冷却水路を構成したことを特徴とするパワー半導体の冷却構造。
【請求項２】
請求項１において、前記給水路の一部および前記排水路の一部と、前記冷却用水槽穴の一部とが連通する連通部が、冷却用水槽穴の下部の給水路側および排水路側に面する隅部において、給水路および排水路の長さ方向に延びるスリット状に形成されたパワー半導体の冷却構造。
【請求項３】
請求項２において、前記連通部の断面積を、前記給水路および排水路の断面積よりも小さくしたパワー半導体の冷却構造。
【請求項４】
請求項２または請求項３において、前記連通部の面積を、前記パワー半導体の有する冷却フィンのフィン間スリット総面積よりも大きくしたパワー半導体の冷却構造。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記給水路および排水路は、それぞれ前記ベースの一端面から他端面まで貫通して設けられた２本の貫通孔であり、いずれか一方の貫通孔を給水路に、他方の貫通孔を排水路に選択可能であるパワー半導体の冷却構造。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記パワー半導体が、複数の半導体素子が１パッケージになって１台のモータの駆動が可能なモジュールであり、前記ベースに、前記給水路と排水路の間でこれらの水路の長さ方向に並んで複数の冷却用水槽穴が設けられ、各冷却用水槽穴に前記給水路および排水路が連通し、複数個のパワー半導体がそれぞれ前記各冷却用水槽穴に前記直接冷却用フィンを挿入して設置されるパワー半導体の冷却構造。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のパワー半導体の冷却構造を備えたことを特徴とする車両走行用モータのインバータ装置。
【請求項８】
請求項７において、前記車両走行用モータが、インホイールモータであるインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動車両のモータ駆動等に用いられるパワー半導体の冷却構造、およびこれを用いた車両走行用モータのインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動車両等の走行用システムでは、モータ駆動用の回路素子として大電流用のパワー半導体を用いている。その冷却には冷却水による水冷構造を用いるのがほとんどである（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３６２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、最近のパワー半導体（特に複数の半導体が１パッケージになったモジュール）は小型化が進んでおり、直接冷却タイプのものでは取付けベースへの冷却水路の形成が非常に困難になっている。
【０００５】
この発明の目的は、冷却水路の形成が容易で、十分な冷却効果が得られるパワー半導体の冷却構造、およびこれを用いた車両走行用モータのインバータ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のパワー半導体の冷却構造は、冷却水が給排水される冷却用水槽穴を有するベース上に、複数の直接冷却用フィンを有するパワー半導体を、その直接冷却用フィンが前記冷却用水槽穴に挿入されるように固定したパワー半導体の冷却構造であって、前記ベース内に給水路および排水路を、前記ベースのパワー半導体の取付け面に平行として、前記冷却用水槽穴を挟む両側にそれぞれ並べて設け、前記給水路から前記冷却用水槽穴を経て前記排水路に至る冷却水路を構成したことを特徴とする。前記パワー半導体は、単独の半導体素子からなるものであっても、複数の半導体素子が１パッケージとなったモジュールであっても良い。
【０００７】
この構成によると、ベース内に給水路および排水路を、ベースにおけるパワー半導体の取付け面に平行として、冷却用水槽穴を挟む両側にそれぞれ並べて設け、給水路から冷却用水槽穴を経て排水路に至る冷却水路を構成したので、冷却水路の形成が容易で、必要な冷却水を流すことのできる冷却水路が形成でき、十分な冷却効果を得ることができる。
【０００８】
この発明において、前記給水路の一部および前記排水路の一部と、前記冷却用水槽穴の一部とが連通する連通部が、冷却用水槽穴の下部の給水路側および排水路側に面する隅部において、給水路および排水路の延長方向に延びるスリット状に形成されていても良い。  このように冷却用水槽穴の隅部にスリット状に連通部を形成した場合、限られたベース内の大きさで、給水路および排水路を、より容易に形成することができる。また、スリットの長さ方向の広範囲から冷却用水槽穴への冷却水の流入，流出が行われて、給水路から冷却用水槽穴内の直接冷却用フィン周辺を経て排水路へ排出される冷却水の流れが良好に行われ、冷却効果をより一層向上させることができる。
【０００９】
この場合に、前記連通部の断面積を、前記給水路および排水路の断面積よりも小さくするのが望ましい。このようにスリット状の連通部の断面積を小さくすることで、連通部のスリット長さ方向の全体から均等化されて冷却水が流入，流出することになって、スリット長さ方向の一部で短絡的に流れて冷却用水槽穴内で冷却水の滞留部分が生じることが緩和され、冷却効果を上げることができる。
【００１０】
また、前記連通部の面積を、前記パワー半導体の有する複数の直接冷却用フィンのフィン間スリット総面積よりも大きくしても良い。この場合には、冷却用水槽穴に供給される冷却水が、直接冷却用フィンの全面に十分行き渡ることになり、この点でも  冷却効果を上げることができる。
【００１１】
この発明において、前記給水路および排水路は、それぞれ前記ベースの一端面から他端面まで貫通して設けられた２本の貫通孔であり、いずれか一方の貫通孔を給水路に、他方の貫通孔を排水路に選択可能としても良い。貫通孔であると、給水路および排水路の形成がより一層容易に行え、また給水路と排水路を任意に選択できる構成が採りやすい。
【００１２】
この発明において、前記パワー半導体が、複数の半導体素子が１パッケージになって１台のモータの駆動が可能なモジュールであり、前記ベースに、前記給水路と排水路の間でこれらの水路の長さ方向に並んで複数の冷却用水槽穴が設けられ、各冷却用水槽穴に前記給水路および排水路が連通し、複数個のパワー半導体がそれぞれ前記各冷却用水槽穴に前記直接冷却用フィンを挿入して設置されるようにしても良い。
このように、給水路と排水路の間に、これらの水路の長さ方向に並んで複数の冷却用水槽穴を設けたため、前記パワー半導体が複数の半導体素子からなるモジュールであって、小型化された発熱量の大きいものであっても、必要な冷却が行える。そのため、車両１台の全てのモータを駆動するパワー半導体を一つのベース上に設置しても、十分な冷却を行うことができ、パワー回路部のコンパクト化が図れる。
【００１３】
この発明の車両走行用モータのインバータ装置は、この発明の上記いずれかの構成のパワー半導体の冷却構造を備えたことを特徴とする。ここで言う「インバータ装置」は、直流電力を交流電力に変換するインバータのみからなるものであっても、またこれにインバータ制御回路が付属したものであっても良い。
この構成によると、インバータ装置におけるパワー半導体の冷却構造の形成が容易で、十分な冷却効果を得ることができる。
【００１４】
前記車両走行用モータが、インホイールモータであっても良い。インホイールモータである場合、車両に複数の車両走行用モータが備えられるが、これら複数のモータをそれぞれ駆動する半導体素子のモジュールからなるパワー半導体を、共通のベース上に設置して簡単構成で十分な冷却を図ることもできる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明のパワー半導体の冷却構造は、冷却水が給排水される冷却用水槽穴を有するベース上に、複数の直接冷却用フィンを有するパワー半導体を、その直接冷却用フィンが前記冷却用水槽穴に挿入されるように固定したパワー半導体の冷却構造であって、前記ベース内に給水路および排水路を、前記ベースのパワー半導体の取付け面に平行として、前記冷却用水槽穴を挟む両側にそれぞれ並べて設け、前記給水路から前記冷却用水槽穴を経て前記排水路に至る冷却水路を構成したため、冷却水路の形成が容易で、十分な冷却効果を得ることができる。
この発明の車両走行用モータのインバータ装置は、この発明のパワー半導体の冷却構造を備えるため、簡単な構成で十分な冷却効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態であるパワー半導体の冷却構造において、２つのパワー半導体のうちの１つを取り付けた状態を示す平面図である。
【図２】図１におけるII−II矢視断面図である。
【図３】同パワー半導体の冷却構造において、２つのパワー半導体を取付けた状態  を示す平面図である。
【図４】同パワー半導体の冷却構造において、２つのパワー半導体を取付けた状態  を示す正面図である。
【図５】同パワー半導体の冷却構造において、２つのパワー半導体を取付けた状態  を示す側面図である。
【図６】同パワー半導体の冷却構造において、２つのパワー半導体を取外した状態  を示す平面図である。
【図７】同パワー半導体の冷却構造が適用された２モータ用インバータ装置のケースを示す斜視図である。
【図８】同パワー半導体のフィン間スリットを説明を示した下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明の一実施形態を図１ないし図７と共に説明する。この実施形態のパワー半導体の冷却構造は、２つのモータを駆動するシステムのインバータ装置に適用されるものであって、冷却水が給排水される２つの冷却用水槽穴２を上面に有するベース１上に、複数の直接冷却用フィン４ａ（図２）を有する２つのパワー半導体３を、その直接冷却用フィン４ａが前記各冷却用水槽穴２に挿入されるようにそれぞれ固定して構成される。
【００１８】
パワー半導体３は、板状のヒートシンク４の上面に半導体素子５を載置してなり、ヒートシンク４の下面には複数の直接冷却用フィン４ａが並べて一体形成されている。各パワー半導体３の半導体素子５は、図では１個として示しているが、複数の半導体素子が１パッケージとなって１台のモータを駆動可能に接続されたモジュールであっても良い。例えば、前記モータが３層の同期モータや誘導モータである場合、パワー半導体３は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等からなるスイッチング素子である半導体素子５を６個用いた三相出力インバータとなるモジュールとされる。
【００１９】
上記の２つのモータを駆動するシステムとは、例えば電動車両の走行システムであり、２つのモータは車両走行用である。前記冷却用水槽穴２は、１台のインバータ装置で駆動できるモータ数と同数だけ、あるいは１台の車両に搭載した走行用のモータのモータ数と同数だけ設けられている。モータは、インホイールモータであっても、またオンボード型のモータであっても良い。なお、図７は、この実施形態のパワー半導体の冷却構造を適用した２モータ用インバータ装置のケース１０Ａを示している。このケース１０Ａは、前記ベース１上に２つのパワー半導体３を設置してなるインバータを２個収容し、かつこれら２個のインバータを制御する弱電回路のインバータ制御回（図示せず）を収容可能なものである。車両が２輪駆動である場合、この２モータ用インバータ装置１０が、車両１台につき１つ設置されることになる。
【００２０】
図１において、前記ベース１は矩形の平板状とされている。ベース１は、金属製あっても、耐熱性を有する樹脂製であっても良い。このベース１内には、その上面であるパワー半導体３の取付け面１ａおよび冷却用水槽穴２に並行に、給水路７と排水路８が設けられている。すなわち、ベース１の取付け面１ａに平行で、冷却用水槽穴２を挟む両側にそれぞれ並べて、給水路７と排水路８が設けられている。この給水路７から冷却用水槽穴２を経て排水路８に至る冷却水路６が構成される。給水路７および排水路８は、板状のベース１の板厚の中心付近の深さ位置に配置されている。
【００２１】
２つの冷却用水槽穴２は、図６に示すように矩形の平面形状とされ、それらの両側辺がそれぞれ同じ直線上に揃うように１列に並べられ、ベース１におけるパワー半導体３の取付け面１ａ側に開口するように形成される。具体的には、これら給水路７および排水路８は、ベース１内をその一端面から他端面まで貫通する直線状で断面円形の貫通孔として形成されている。これにより、給水路７と排水路８の間に、モータと同数の冷却用水槽穴２が設けられた構造となる。ここでは、図１における左側の貫通孔を給水路７とし、右側の貫通孔を排水路８としているが、２つの貫通孔はいずれを給水路７、いずれを排水路８に選択しても良いようにされている。これら貫通孔からなる給水路７および排水路８の両端には、配管接続用の雌ねじ部１１が設けられている。各給水路７および排水路８のいずれか一端の雌ねじ部１１には、給水用または排水用の配管がコネクタ（いずれも図示せず）を介して接続され、他端には止め栓（図示せず）をねじ込んで封止される。
【００２２】
前記給水路７の一部と前記冷却用水槽穴２の一部とは、互いに重なって連通する連通部９Ａとされ、また前記排水路８の一部と前記冷却用水槽穴２の一部も、互いに重なって連通する連通部９Ｂとされる。これらの連通部９Ａ，９Ｂは、冷却用水槽穴２の下面と給水路７側および排水路８側に面する側面との間の隅部において、給水路７および排水路８の長さ方向に延びる細長形状のスリット状に形成されている。
【００２３】
これら連通部９Ａ，９Ｂの断面積、つまりスリットの開口面積は、給水路７および排水路８の円形断面の断面積よりも小さく設定されている。このように連通部９Ａ，９Ｂの断面積を小さくすることにより、給水路７から冷却用水槽穴２を経て排水路８へと流れる冷却水が、スリットの長さ方向の広範囲に渡って冷却用水槽穴２への冷却水の流入，流出が均等に行われる。また、連通部９Ａ，９Ｂの断面積は、パワー半導体３の複数の直接冷却用フィン４ａのフィン間スリット総面積よりも大きく設定されている。
【００２４】
上記「フィン間スリット総面積」は、次の面積を言う。パワー半導体３の直接冷却用フィン４ａは、図１では説明の簡明のために本数を少なく図示したが、実際には図８にパワー半導体３の下面図を示すように、直接冷却用フィン４ａはピン状（図８の例では四角柱状）とされて左右に複数個、前後にも複数個並ぶように千鳥状配置で一定間隔で規則正しく配列されている。これら直接冷却用フィン４ａを、同図に矢印で示す方向から見て（連通部９Ａ，９Ｂから見て）、最前列の個々の隣合う直接冷却用フィン４ａ間の隙間δの面積（＝（隙間幅）×（フィン長さ））の総和を言う。つまり、（個々の隙間δの面積）×（隙間数）＋（左右端の直接冷却用フィン４ａと冷却用水槽穴２の内壁面２ａとの間の隙間の面積）である。なお、直接冷却用フィン４ａの配列体は、左右に長い列と短い列とが交互に配置されているが、長い列の両端の直接冷却用フィン４ａは冷却用水槽穴２の内壁面２ａに接して隙間零となっている。また、各直接冷却用フィン４ａの先端面は冷却用水槽穴２の底壁面に接している。上記の説明は、最前列の直接冷却用フィン４ａで規定したが、上記「フィン間スリット総面積」は、冷却用水槽穴２内の矢印で示す流れ方向の流路の断面が最も狭くなる部分の流路断面積としてもよい。
【００２５】
この実施形態のパワー半導体の冷却構造によると、ベース１内に給水路７および排水路８を、ベース１におけるパワー半導体３の取付け面１ａに平行として、冷却用水槽穴２を挟む両側にそれぞれ並べて設けたため、冷却水路の形成が容易で、必要な冷却水の流すことのできる冷却水路が形成でき、十分な冷却効果を得ることができる。
また、給水路７および排水路８と冷却用水槽穴２との連通部９Ａ，９Ｂが、冷却用水槽穴２の下面の隅部にスリット状に形成されていいるため、限られたベース１の板厚内で給水路７および排水路８をより容易に形成することができる。また、連通部９Ａ，９Ｂから冷却用水槽穴２への冷却水の流入，流出が広範囲で行われて、直接冷却用フィン４ａ周辺を経て排水路から排出される冷却水の流れが良好に行われ、冷却効果がより一層向上する。
この場合に、連通部９Ａ，９Ｂの断面積を、給水路７および排水路８の断面積よりも小さくしたため、連通部９Ａ，９Ｂのスリット長さ方向の全体から冷却水が均等に流入，流出することになる。そのため、スリット長さ方向の一部で短絡的に流れて冷却用水槽穴２内で冷却水の滞留部分が生じることが緩和され、冷却効果を上げることができる。
【００２６】
また、前記連通部９Ａ，９Ｂの面積を、前記パワー半導体３の有する直接冷却用フィン４ａのフィン間スリット総面積よりも大きくしたため、上記のように冷却用水槽穴２に供給される冷却水が、直接冷却用フィン４ａの全面に十分行き渡ることになり、この点でも冷却効果を上げることができる。
【００２７】
前記給水路７および排水路８は、それぞれベース１の一端面から他端面まで貫通して設けられた直線状の貫通孔であるため、これら給水路７および排水路８の形成がより一層容易に行える。
【００２８】
この実施形態では、パワー半導体３が、複数の半導体素子５が１パッケージになって１台のモータの駆動が可能なモジュールであり、ベース１に、前記給水路７と排水路８の間でこれらの水路の長さ方向に並んで複数の冷却用水槽穴２が設けられている。これら各冷却用水槽穴２に複数個のパワー半導体３がそれぞれ冷却用フィン４ａを挿入して設置される。このように、給水路７と排水路８の間に、水路長さ方向に並んで複数の冷却用水槽穴２を設けたため、パワー半導体３が複数の半導体素子からなるモジュールであって、小型化された発熱量の大きいものであっても、必要な冷却が行える。そのため、車両１台の全てのモータを駆動するパワー半導体３を一つのベース１上に設置しても、十分な冷却を行うことができ、パワー回路部のコンパクト化が図れる。
【００２９】
また、このインバータ装置１０は、上記構成のパワー半導体の冷却構造を備えるため、そのパワー半導体３の冷却構造の形成が容易で、十分な冷却効果を得ることができる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、ベース１上に２個のパワー半導体３を設置するようにしたが、ベース１に冷却用水槽穴２を１つとし、または３つ以上設け、１個、または３個以上のパワー半導体３を設置する構成としても良い。
【符号の説明】
【００３１】
１…ベース
１ａ…取付け面
２…冷却用水槽穴
３…パワー半導体
４ａ…直接冷却用フィン
６…冷却水路
７…給水路
８…排水路
９Ａ，９Ｂ…連通部
１０…インバータ装置
１０Ａ…ケース
【図１】
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【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】
2013131666.tif 000009
【図８】
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