(57)【要約】【課題】温度センサを設置しなくても冷却能力の制御が可能な冷却装置を提供する。【解決手段】駆動時間の増加に伴い発熱量が増加する半導体デバイスを冷却するための冷却装置１であって、内部に冷媒が充填された流路と、流路に配置された２つの電極１２、１３と、２つの電極１２、１３に電圧を印加することにより流路の中で冷媒を移動させ、冷媒と半導体デバイスとの熱交換によって半導体デバイスを冷却する制御部３０、４０と、を備え、制御部３０、４０は、半導体デバイスの駆動時間の増加に伴い、冷媒の流量を増加させる。【選択図】図３
2017163028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動時間の増加に伴い発熱量が増加する半導体デバイス（２）を冷却するための冷却装置（１）であって、
内部に冷媒が充填された流路（１１）と、
前記流路に配置された２つの電極（１２、１３）と、
前記２つの電極に電圧を印加することにより前記流路の中で前記冷媒を移動させ、前記冷媒と前記半導体デバイスとの熱交換によって前記半導体デバイスを冷却する制御部（３０、４０、１１０）と、を備え、
前記制御部は、前記半導体デバイスの駆動時間の増加に伴い、前記冷媒の流量を増加させる冷却装置。
【請求項２】
前記流路を複数備え、
前記制御部は、前記半導体デバイスの駆動時間の増加に伴い、前記２つの電極に電圧を印加する前記流路の数を増加させる請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記半導体デバイスの駆動時間が所定の時間よりも長くなったとき、前記２つの電極に電圧を印加する前記流路の数を増加させる請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記所定の時間を第１の時間とし、
前記第１の時間よりも長い所定の時間を第２の時間とし、
前記制御部は、前記半導体デバイスの駆動時間が前記第２の時間よりも長くなったとき、前記半導体デバイスの駆動時間が前記第２の時間よりも短いときに比べて、前記２つの電極に電圧を印加する前記流路の数を増加させる請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記半導体デバイスを流れる電流の大きさが所定の基準値よりも大きいとき、所定の数の前記流路について、前記２つの電極に電圧を印加する請求項２ないし４のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記半導体デバイスの駆動時間の増加に伴い、前記２つの電極に印加する電圧を増加させる請求項１に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記半導体デバイスを流れる電流の大きさが所定の基準値よりも大きいとき、前記２つの電極に印加する電圧を所定の値とする請求項６に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記半導体デバイスと共有する電源（３）により駆動される請求項１ないし７のいずれか１つに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスを冷却する冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、ＩＣ（集積回路）、パワーモジュール等の半導体デバイスの小型化、高機能化、素子の高集積化が進み、半導体デバイスにおける単位体積あたりの発熱量が増加している。また、半導体デバイスが高温になると、電源損失の増加や動作不良が発生するおそれがある。
【０００３】
そのため、半導体デバイスを冷却し、動作不良の発生等を抑制する方法が提案されている。例えば、半導体デバイスにフィンを取り付けて、半導体デバイスの熱を外部へ逃がす方法が提案されている。
【０００４】
また、例えば特許文献１では、半導体集積回路に密着する基体に流路が形成されており、この流路を導電性流体が流れることにより半導体集積回路が冷却される電力供給システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２３００９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の電力供給システムでは、冷却能力を制御するために温度センサを設置しているため、体格が大きくなる。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、温度センサを設置しなくても冷却能力の制御が可能な冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、駆動時間の増加に伴い発熱量が増加する半導体デバイス（２）を冷却するための冷却装置（１）であって、内部に冷媒が充填された流路（１１）と、流路に配置された２つの電極（１２、１３）と、２つの電極に電圧を印加することにより流路の中で冷媒を移動させ、冷媒と半導体デバイスとの熱交換によって半導体デバイスを冷却する制御部（３０、４０、１１０）と、を備え、制御部は、半導体デバイスの駆動時間の増加に伴い、冷媒の流量を増加させる。
【０００９】
これによれば、制御部は、半導体デバイスの駆動時間に基づいて冷媒の流量を変化させ、冷却装置の冷却能力を制御するので、温度センサを設置しなくても冷却能力の制御が可能である。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態にかかる冷却装置の斜視図である。
【図２】冷却装置に形成された流路の斜視図である。
【図３】半導体デバイスと冷却装置の回路図である。
【図４】冷却装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】ゲート電圧と、ドレイン−ソース間の電圧および電流と、損失との関係を示すタイミングチャートである。
【図６】冷媒の流量と熱輸送量との関係を示すグラフである。
【図７】冷却装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】半導体デバイスと冷却装置の回路図である。
【図９】半導体デバイスと冷却装置の回路図である。
【図１０】２つの電極間の電界とポンプの駆動力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１に示す本実施形態の冷却装置１は、半導体デバイス２を冷却するための冷却装置であり、半導体デバイス２に接するように配置されている。
【００１４】
具体的には、冷却装置１は、後述する流路１１等が形成される基材として矩形板状の基板１０を備えており、半導体デバイス２は矩形板状の基板２０を備えている。そして、基板２０の表面には、スイッチング素子等の半導体素子が形成されており、基板２０の裏面は基板１０の表面と接している。
【００１５】
なお、本実施形態では、１枚のＳｉ基板から基板１０の一部と基板２０とが形成されている。このような冷却装置１および半導体デバイス２の製造においては、Ｓｉ基板の表面に半導体素子を形成することにより半導体デバイス２が形成される。その後、Ｓｉ基板を裏面側からエッチングすることにより、後述する流路１１を構成するトレンチが形成される。そして、このトレンチの内部に後述する電極１２、１３を形成し、Ｓｉ基板の裏面に別のＳｉ基板を積層してトレンチを覆うことにより、基板１０が形成される。
【００１６】
図１、図２に示すように、基板１０には、流路１１が形成されている。流路１１は、基板１０の表面に平行な一方向（図１、図２中紙面左右方向）に基板１０を貫通する孔によって構成されており、内部に冷媒が充填されている。本実施形態では、流路１１は、図１、図２中紙面上下方向の幅が１μｍのマイクロ流路とされている。
【００１７】
図２に示すように、流路１１には、２つの電極が配置されている。これら２つの電極は、一方が陽極、他方が陰極として機能する。２つの電極のうち、陽極として機能する方を電極１２、陰極として機能する方を電極１３とする。
【００１８】
図２に示すように、流路１１には２つの電極１２が配置されている。２つの電極１２はそれぞれ薄膜状とされており、互いに対向するように、流路１１の内壁面のうち基板１０の厚み方向に平行な面に配置されている。電極１３は、電極１２と、後述する流出口１５との間に配置されている。電極１３は、棒状とされており、基板１０の厚み方向が電極１３の長手方向となるように配置されている。
【００１９】
上述したように、流路１１は、図２中紙面左右方向に基板１０を貫通しており、流路１１の両端部には、開口部が形成されている。流路１１の両端部に形成された２つの開口部をそれぞれ流入口１４、流出口１５とする。
【００２０】
このような構成の電極１２および電極１３により、流路１１にＥＣＦ（電界共役流体）ポンプ構造が形成されている。そして、流路１１内の冷媒は、このポンプ構造を構成する電極１２および電極１３に電圧が印加されることによって、流入口１４から流出口１５へ移動する。
【００２１】
流出口１５には、基板１０の外部を通る図示しない配管が接続されており、冷媒は流出口１５からこの配管へ流出する。この配管の途中には、放熱のためのファンが設置されており、半導体デバイス２との熱交換により高温となった冷媒は、このファンにより冷却される。この配管は、流出口１５とは反対側の端部において流入口１４と接続されており、冷媒は、ファンにより冷却され、低温となった後、流入口１４から流路１１に流入する。
【００２２】
本実施形態の冷却装置１は流路１１を複数備えており、複数の流路１１それぞれに、電極１２および電極１３が配置されている。そして、半導体デバイス２の状態に応じて、複数の流路１１それぞれに配置された電極１２、１３に電圧が印加される。具体的には、半導体デバイス２の基板２０に形成された半導体素子の駆動時間に基づいて、２つの電極に電圧が印加される流路１１の数が変化する。
【００２３】
上述したように、基板２０にはスイッチング素子が形成されている。ここでは、基板２０に三相交流インバータ回路が形成されており、このスイッチング素子がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御され、スイッチング素子に接続されたモータ等の負荷に電力が供給される場合について図３を用いて説明する。なお、図３では、基板２０に形成された三相交流インバータ回路のうち、一相を構成する回路のみ図示している。
【００２４】
図３に示すように、基板２０には、スイッチ２１、２２、ダイオード２３、２４が形成されている。スイッチ２１、２２は、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極を備えるＭＯＳＦＥＴで構成されており、スイッチ２１のソース電極はスイッチ２２のドレイン電極に接続されている。ダイオード２３のカソード電極、アノード電極は、それぞれ、スイッチ２１のドレイン電極、ソース電極に接続されている。また、ダイオード２４のカソード電極、アノード電極は、それぞれ、スイッチ２２のドレイン電極、ソース電極に接続されている。
【００２５】
半導体デバイス２の外部には、電源３、ＰＷＭ制御回路４、駆動回路５、６、負荷７、電流センサ８が配置されている。スイッチ２１のドレイン電極は、電源３の正極に接続されており、スイッチ２２のソース電極は、グランドに接続されている。
【００２６】
ＰＷＭ制御回路４は、入力端子と出力端子とをそれぞれ２つ備えている。ＰＷＭ制御回路４が備える２つの出力端子の一方は、駆動回路５を介してスイッチ２１のゲート電極に接続されており、他方は、駆動回路６を介してスイッチ２２のゲート電極に接続されている。駆動回路５、６は、ＰＷＭ制御回路４から入力された信号に応じてスイッチ２１、２２のゲート電圧を変化させ、スイッチ２１、２２のオン、オフを切り替える回路である。
【００２７】
スイッチ２１のソース電極とスイッチ２２のドレイン電極との接続点には、電流センサ８を介して負荷７の一端が接続されており、負荷７の他端はグランドに接続されている。電流センサ８は、負荷７に流れる電流の大きさを検出するセンサであり、負荷７に流れる電流が大きいほど、電流センサ８の出力電圧が大きくなる。
【００２８】
ＰＷＭ制御回路４が備える２つの入力端子の一方には、負荷７に供給される電圧が入力され、他方には、電流センサ８の出力電圧が入力される。ＰＷＭ制御回路４は、２つの入力端子に入力された信号に基づいて出力信号を変化させ、スイッチ２１、２２のオン、オフを切り替えて、負荷７に流れる電流を制御する。
【００２９】
ＰＷＭ制御回路４の出力信号と、電流センサ８の出力信号は、冷却装置１にも入力される。具体的には、図３に示すように、冷却装置１は、基板１０に加え、制御部３０、４０、駆動回路５０、６０、スイッチ７０、８０、電流検出回路９０、保持回路１００を備えており、ＰＷＭ制御回路４から駆動回路５、６への出力信号は、それぞれ、制御部３０、４０にも入力される。そして、電流センサ８の出力信号は、電流検出回路９０にも入力される。
【００３０】
制御部３０は、駆動回路５０を介してスイッチ７０にゲート電圧を印加し、これにより２つの電極１２、１３に電圧を印加して流路１１の中で冷媒を移動させ、冷媒と半導体デバイス２との熱交換によって半導体デバイス２を冷却するものである。同様に、制御部４０は、駆動回路６０を介してスイッチ８０にゲート電圧を印加し、これにより２つの電極１２、１３に電圧を印加して、半導体デバイス２を冷却する。また、制御部３０、４０は、半導体デバイス２の駆動時間の増加に伴い、冷媒の流量を増加させる。
【００３１】
図３に示すように、制御部３０は、ＡＮＤ回路３１と、遅延回路３２と、ＯＲ回路３３とを備えている。ＡＮＤ回路３１が備える２つの入力端子は、ＰＷＭ制御回路４が備える２つの出力端子のうち、駆動回路５に接続された方に接続されている。ただし、ＡＮＤ回路３１が備える２つの入力端子の一方は、遅延回路３２を介してＰＷＭ制御回路４に接続されている。遅延回路３２の出力は、入力に対して時間τだけ遅れる。
【００３２】
ＡＮＤ回路３１の出力端子は、ＯＲ回路３３が備える２つの入力端子の一方に接続されている。ＯＲ回路３３が備える２つの入力端子の他方には、保持回路１００の後述するＯＲ回路１０１の出力端子が接続されている。ＯＲ回路３３の出力端子は駆動回路５０の入力端子に接続されている。
【００３３】
駆動回路５０の出力端子は、スイッチ７０に接続されている。スイッチ７０は、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極を備えるＭＯＳＦＥＴで構成されており、駆動回路５０は、スイッチ７０のゲート電極に接続されている。駆動回路５０は、制御部３０のＯＲ回路３３から入力された信号に応じてスイッチ７０のゲート電圧を変化させ、スイッチ７０のオン、オフを切り替える。
【００３４】
スイッチ７０のドレイン電極は、電源３の正極に接続されており、本実施形態の冷却装置１は、半導体デバイス２と共有する電源３により駆動される。また、スイッチ７０のソース電極は、後述するポンプ１８の電極１２に接続されている。
【００３５】
図３に示すように、制御部４０は、ＡＮＤ回路４１と、遅延回路４２と、ＯＲ回路４３とを備えている。ＡＮＤ回路４１が備える２つの入力端子は、ＰＷＭ制御回路４が備える２つの出力端子のうち、駆動回路６に接続された方に接続されている。ただし、ＡＮＤ回路４１が備える２つの入力端子の一方は、遅延回路４２を介してＰＷＭ制御回路４に接続されている。本実施形態では、遅延回路４２における遅延時間は、遅延回路３２における遅延時間と等しくされている。
【００３６】
ＡＮＤ回路４１の出力端子は、ＯＲ回路４３が備える２つの入力端子の一方に接続されている。ＯＲ回路４３が備える２つの入力端子の他方には、保持回路１００の後述するＯＲ回路１０１の出力端子が接続されている。ＯＲ回路４３の出力端子は駆動回路６０の入力端子に接続されている。
【００３７】
駆動回路６０の出力端子は、スイッチ８０に接続されている。スイッチ８０は、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極を備えるＭＯＳＦＥＴで構成されており、駆動回路６０は、スイッチ８０のゲート電極に接続されている。駆動回路６０は、制御部４０のＯＲ回路４３から入力された信号に応じてスイッチ８０のゲート電圧を変化させ、スイッチ８０のオン、オフを切り替える。スイッチ８０のドレイン電極は、電源３の正極に接続されている。また、スイッチ８０のソース電極は、後述するポンプ１９の電極１２に接続されている。
【００３８】
本実施形態では、複数の流路１１には、形成された位置、および、電極１２、１３で構成されるポンプの駆動方法によって分けられた４種類の流路１１が含まれている。４種類の流路１１に形成された電極１２、１３で構成されるポンプ構造を、それぞれ、ポンプ１６、１７、１８、１９とする。
【００３９】
ポンプ１６、１８は、スイッチ２１およびダイオード２３に対応する位置の流路１１に形成されている。ポンプ１６は、半導体デバイス２やＰＷＭ制御回路４の動作にかかわらず、冷却装置１の駆動中には常に駆動される。ポンプ１８は、半導体デバイス２を流れる電流の大きさ、および、ＰＷＭ制御回路４の出力により、オン、オフが切り替えられる。
【００４０】
ポンプ１７、１９は、スイッチ２２およびダイオード２４に対応する位置の流路１１に形成されている。ポンプ１７は、半導体デバイス２やＰＷＭ制御回路４の動作にかかわらず、冷却装置１の駆動中には常に駆動される。ポンプ１９は、半導体デバイス２を流れる電流の大きさ、および、ＰＷＭ制御回路４の出力により、オン、オフが切り替えられる。
【００４１】
ポンプ１６、１７を構成する電極１２は、電源３の正極に接続されており、電極１３は、グランドに接続されている。ポンプ１８、１９を構成する電極１２は、それぞれ、スイッチ７０、８０のソース電極に接続されており、電極１３は、グランドに接続されている。
【００４２】
電流検出回路９０は、２つの比較器（コンパレータ）９１と、電源９２とを備えている。図３に示すように、比較器９１が備える２つの入力端子の一方は、電流センサ８の出力端子に接続されており、他方は、電源９２の正極に接続されている。比較器９１は、電流センサ８からの入力電圧が電源９２からの入力電圧よりも大きいとき、ハイレベルの信号を出力する。
【００４３】
保持回路１００は、ＯＲ回路１０１、抵抗器１０２、コンデンサ１０３を備えている。ＯＲ回路１０１が備える２つの入力端子の一方には、一方の比較器９１の出力端子が接続されており、他方には、他方の比較器９１の出力端子と、抵抗器１０２の一端が接続されている。抵抗器１０２の他端は、コンデンサ１０３が備える２つの電極の一方に接続されており、コンデンサ１０３が備える２つの電極の他方は、グランドに接続されている。ＯＲ回路１０１の出力端子は、ＯＲ回路３３、４３の入力端子に接続されている。
【００４４】
冷却装置１および半導体デバイス２の動作について説明する。ＰＷＭ制御回路４は、ユーザの操作等によって要求される出力、負荷７の両端電圧、電流センサ８の出力電圧に基づいて、図４に示すような、ハイレベルとローレベルとが交互に繰り返されるパルス信号を駆動回路５、６に出力する。
【００４５】
なお、図４において、Ｉは負荷７に流れる電流を示し、Ｖ１はＰＷＭ制御回路４から駆動回路５へ送られる信号を示し、Ｖ２はポンプ１８の電極１２と電極１３との間に印加される電圧を示し、Ｖ３はＯＲ回路１０１の出力を示す。また、ＧＨｉ−１、ＧＨｉ−２は、それぞれ、ポンプ１６、１８が形成された流路１１における冷媒の流量を示し、ＧＨｉは、ＧＨｉ−１とＧＨｉ−２との和を示す。
【００４６】
ＰＷＭ制御回路４から駆動回路５への信号Ｖ１がハイレベルのとき、駆動回路５は、スイッチ２１にハイレベルのゲート電圧を印加して、スイッチ２１をオン状態にする。信号Ｖ１がローレベルのとき、駆動回路５は、スイッチ２１にローレベルのゲート電圧を印加して、スイッチ２１をオフ状態にする。同様に、駆動回路６は、ＰＷＭ制御回路４からの信号に応じて、スイッチ２２のオン、オフを切り替える。
【００４７】
このような駆動回路５、６、および、スイッチ２１、２２の動作と、ダイオード２３、２４の整流作用とによって、負荷７に流れる電流が制御される。
【００４８】
このような動作において、図５に示すように、スイッチのゲート電圧がローレベルになってから、ハイレベルになり、再びローレベルになるまでを１サイクルとすると、１サイクルにおける損失には、ターンオン損失、ターンオフ損失、導通損失が含まれる。
【００４９】
なお、図５において、Ｖｇはスイッチ２２のゲート電圧を示し、Ｖｏｕｔ、Ｉｏｕｔはそれぞれスイッチ２２のドレイン−ソース間の電圧、電流を示す。また、図５の電圧Ｖｏｕｔ、電流Ｉｏｕｔのグラフにおいて、実線は電圧Ｖｏｕｔを示し、一点鎖線は電流Ｉｏｕｔを示す。また、ｔｒ、ｔｆはそれぞれスイッチ２２のターンオン時間、ターンオフ時間であり、ｔｏｎはスイッチ２２のオン時間、つまり、ゲート電圧Ｖｇがハイレベルになり、時間ｔｒが経過してから、ゲート電圧Ｖｇがローレベルになるまでの時間である。
【００５０】
スイッチ２２のオン時間ｔｏｎが変化しても、ターンオン損失、ターンオフ損失はほとんど変化せず、ほぼ一定の値となる。具体的には、ターンオン損失、ターンオフ損失は、それぞれＶｏｕｔ＿ｔｒ×Ｉｏｕｔ＿ｔｒ×ｔｒ、Ｖｏｕｔ＿ｔｆ×Ｉｏｕｔ＿ｔｆ×ｔｆとなる。なお、Ｖｏｕｔ＿ｔｒ、Ｉｏｕｔ＿ｔｒは、それぞれ、ゲート電圧Ｖｇがハイレベルになった後の過渡時におけるスイッチ２２のドレイン−ソース間の電圧、電流である。また、Ｖｏｕｔ＿ｔｆ、Ｉｏｕｔ＿ｔｆは、それぞれ、ゲート電圧Ｖｇがローレベルになった後の過渡時におけるスイッチ２２のドレイン−ソース間の電圧、電流である。
【００５１】
一方、導通損失はオン時間ｔｏｎに依存し、オン時間ｔｏｎが長いほど導通損失が大きくなる。具体的には、オン状態でのスイッチ２２のドレイン−ソース間の抵抗をＲｏｎとすると、導通損失は、Ｒｏｎ×Ｉｏｕｔ２×ｔｏｎとなる。また、損失が大きいほど発熱量が大きくなる。つまり、半導体デバイス２は、駆動時間であるオン時間の増加に伴い発熱量が増加する。具体的には、スイッチ２１のオン時間が長いほど、スイッチ２１における発熱量が大きくなる。また、スイッチ２２のオン時間が長いほど、スイッチ２２における発熱量が大きくなる。
【００５２】
そこで、本実施形態では、スイッチ２１、２２のオン時間に基づいて流路１１の熱輸送能力を制御する。具体的には、冷却装置１の駆動中、ポンプ１６、１７は常に駆動され、流路１１に充填された冷媒を移動させて、冷媒と半導体デバイス２との熱交換により、半導体デバイス２を冷却する。そして、スイッチ２１のオン時間が所定の時間よりも長くなったとき、つまり、スイッチ２１の発熱量がある程度大きいときには、ポンプ１８も駆動される。また、スイッチ２２のオン時間が所定の時間よりも長くなったとき、つまり、スイッチ２２の発熱量がある程度大きいときには、ポンプ１９も駆動される。
【００５３】
ＰＷＭ制御回路４から駆動回路５への出力信号は、ＡＮＤ回路３１および遅延回路３２に入力され、遅延回路３２の出力信号は、ＡＮＤ回路３１に入力される。したがって、ＰＷＭ制御回路４の出力信号および遅延回路３２の出力信号が共にハイレベルのとき、ＡＮＤ回路３１はハイレベルの信号を出力する。また、ＰＷＭ制御回路４の出力信号および遅延回路３２の出力信号の少なくともいずれか一方がローレベルのとき、ＡＮＤ回路３１はローレベルの信号を出力する。
【００５４】
遅延回路３２の出力は、入力に対して時間τだけ遅れる。したがって、ＰＷＭ制御回路４の出力信号が時間τよりも長い時間ハイレベルに維持されたとき、ＡＮＤ回路３１の出力がハイレベルとなる。
【００５５】
例えば、図４に示すように、ＰＷＭ制御回路４の出力信号がハイレベルに維持される時間が時間τよりも短い場合、遅延回路３２の出力信号がハイレベルになる前にＰＷＭ制御回路４の出力信号がローレベルになる。したがって、このときの信号によってはＡＮＤ回路３１の出力信号はハイレベルにならず、ＯＲ回路３３には、ＡＮＤ回路３１からローレベルの信号が入力される。そして、スイッチ７０にはローレベルのゲート電圧が印加されるので、スイッチ７０はオフ状態となり、ポンプ１８は駆動されない。
【００５６】
ＰＷＭ制御回路４の出力信号がハイレベルに維持される時間が時間τよりも長い場合、遅延回路３２の出力信号がハイレベルになった後もＰＷＭ制御回路４の出力信号がハイレベルに維持される。したがって、この場合、ＰＷＭ制御回路４の出力信号がハイレベルになり、時間τが経過してから、ＰＷＭ制御回路４の出力信号がローレベルになるまでの間、ＡＮＤ回路３１の出力信号はハイレベルとなる。そして、ＯＲ回路３３にハイレベルの信号が入力され、ＯＲ回路３３の出力信号がハイレベルとなり、駆動回路５０がスイッチ７０をオン状態にする。
【００５７】
このように、ＰＷＭ制御回路４の出力信号がハイレベルに維持される時間が時間τよりも長い場合には、スイッチ７０がオン状態になる。そして、図４に示すように、ポンプ１６に加え、ポンプ１８が駆動されて流量ＧＨｉ−２が増加し、これにより、流量ＧＨｉが増加する。
【００５８】
同様に、ＰＷＭ制御回路４から駆動回路６への出力信号は、ＡＮＤ回路４１および遅延回路４２に入力される。そして、ＰＷＭ制御回路４の出力信号がハイレベルに維持される時間が時間τよりも長い場合に、スイッチ８０がオン状態になる。これにより、ポンプ１７に加え、ポンプ１９が駆動される。
【００５９】
流路１１内の冷媒の流量と流路１１の熱輸送量には相関関係がある。具体的には、熱輸送量をＱ、流路内上昇温度をΔＴ、半導体デバイス２のジャンクションと流路１１との間の熱抵抗をθ１、熱伝達率をｈ、通水断面をＡｅｆｆ、冷媒の密度、熱容量、流量をそれぞれρ、Ｃｐ、Ｇとすると、Ｑ＝ΔＴ／（θ１＋θ２＋θ３）、θ２＝１／（ｈ・Ａｅｆｆ）、θ３＝１／（ρ・Ｃｐ・Ｇ）となる。
【００６０】
これにより、流量Ｇと熱輸送量Ｑとの関係は図６に示すようになり、流量Ｇの増加に伴って熱輸送量Ｑが増加する。
【００６１】
したがって、上記のように、ポンプ１６に加え、ポンプ１８を駆動して、スイッチ２１に対応する位置の流路１１における冷媒の流量を増加させることにより、スイッチ２１に対する冷却装置１の冷却能力が増強される。また、ポンプ１７に加え、ポンプ１９を駆動して、スイッチ２２に対応する位置の流路１１における冷媒の流量を増加させることにより、スイッチ２２に対する冷却装置１の冷却能力が増強される。
【００６２】
このように、制御部３０は、半導体デバイス２の駆動時間が増加し、時間τよりも長くなった場合には、２つの電極１２、１３に電圧を印加する流路１１の数、つまり、駆動するポンプの数を増加させ、冷却装置１の冷却能力を増強する。
【００６３】
また、制御部３０は、半導体デバイス２を流れる電流の大きさが所定の基準値よりも大きいとき、半導体デバイス２の駆動時間にかかわらず、所定の数の流路１１について、２つの電極１２、１３に電圧を印加し、ポンプを駆動する。
【００６４】
具体的には、電流センサ８からの出力電圧が電源９２から比較器９１に入力される電圧よりも大きくなると、図７に示すように、比較器９１はハイレベルの信号を出力し、ＯＲ回路１０１がハイレベルの信号を出力する。また、図７に示すように、一方の比較器９１の出力がローレベルになった後も、他方の比較器９１からＯＲ回路１０１へ入力される信号は、抵抗器１０２およびコンデンサ１０３で構成される回路により一定時間ハイレベルに維持され、ＯＲ回路１０１からハイレベルの信号が一定時間出力される。
【００６５】
なお、図７は、図４の破線で囲まれた期間のタイミングチャートである。また、図７において、ＶＡはＯＲ回路１０１が備える２つの入力端子の一方への入力信号を示し、ＶＢはＯＲ回路１０１が備える２つの入力端子のうち、抵抗器１０２に接続された他方への入力信号を示す。また、ＶＣはＯＲ回路１０１の出力信号を示し、ＶＤはＰＷＭ制御回路４からＡＮＤ回路３１への信号を示し、ＶＥはＡＮＤ回路３１の出力信号を示し、ＶＦはＯＲ回路３３の出力信号を示す。
【００６６】
そして、ＡＮＤ回路３１、４１の出力信号がハイレベルか否かにかかわらず、ＯＲ回路３３、４３からハイレベルの信号が出力される。これにより、駆動回路５０、６０からスイッチ７０、８０にハイレベルのゲート電圧が印加され、ポンプ１６、１７に加えてポンプ１８、１９が駆動される。すなわち、スイッチ２１、２２に対応するすべてのポンプが駆動され、流路１１の熱輸送量が最大熱輸送量に切り替わり、スイッチ２１、２２に対する冷却能力が最大となる。
【００６７】
このように、冷却装置１は、半導体デバイス２に流れる電流の大きさが所定の基準値よりも大きいとき、半導体デバイス２の駆動時間にかかわらず、駆動するポンプの数を増加させ、電流が小さくなった後も一定時間所定の数のポンプを駆動する。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態では、制御部３０、４０は、半導体デバイス２の駆動時間に基づいて流路１１の熱輸送能力を制御する。そのため、半導体デバイス２の発熱量の推定のために温度センサ等を配置する必要がない。また、これにより、冷却装置１の小型化が可能となる。
【００６９】
また、すべてのポンプが常に駆動される場合、過剰な冷却能力によりシステムの消費電力が増大する。これに対し本実施形態では、半導体デバイス２の駆動時間に応じて駆動されるポンプの数が変化するので、消費電力の増大を抑制し、冷却装置１の冷却効率を向上させることができる。
【００７０】
また、本実施形態では、冷却装置１と半導体デバイス２とが電源３を共用している。そのため、半導体デバイス２の電源とは別の電源で冷却装置１を駆動する場合に比べて、冷却装置１および半導体デバイス２を含むシステムを小型化することができる。
【００７１】
また、本実施形態では、流路１１内の電極１２、１３によりポンプ構造が構成されており、このポンプ構造によって流路１１および図示しない配管を冷媒が流れる。したがって、この配管の途中にポンプを設置する必要がなく、冷却装置１をさらに小型化することができる。
【００７２】
また、温度センサによって検出した半導体デバイス２の表面の温度に基づいてポンプを駆動する場合、半導体デバイス２の温度変化に対する冷却の応答性が悪い。そのため、短絡発熱など数秒間の高発熱が生じた場合、異常発熱で半導体デバイスが破壊される可能性がある。
【００７３】
これに対し本実施形態では、電流センサ８が半導体デバイス２を流れる電流を検出し、この電流が所定の基準値よりも大きいときには、半導体デバイス２の駆動時間にかかわらず、所定の数のポンプが駆動され、この電流の大きさが所定の基準値以下となった後も、一定時間、所定の数のポンプが駆動される。これにより、大電流により高発熱が生じたときに、高応答かつ十分に半導体デバイス２を冷却することができる。例えば、車のタイヤスリップ時にモータ・インバータ等に過大な電流負荷がかかり、短絡発熱が発生する可能性がある場合に、所定の時間、例えば約５秒間、流路１１の熱輸送量を最大熱輸送量に切り替え、半導体デバイス２が高温になることを抑制することができる。
【００７４】
また、基板１０と基板２０とを別々の基板で構成する場合、基板１０と基板２０との間に配置される絶縁グリス等によって、半導体デバイス２のジャンクションと流路１１との間の熱抵抗が大きくなり、発熱の原因となる。これに対し本実施形態では、基板１０の一部と基板２０とが１枚の基板から形成されているので、半導体デバイス２のジャンクションと流路１１との間の熱抵抗を小さくして、冷却効率をさらに向上させることができる。
【００７５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して冷却能力の制御方法を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００７６】
図８に示すように、本実施形態では、制御部３０、４０がそれぞれ複数配置されている。具体的には、ｎを２以上の整数として、１番目の制御部３０である制御部３０−１から、ｎ番目の制御部３０である制御部３０−ｎまでのｎ個の制御部３０が配置されている。そして、１番目の制御部４０である制御部４０−１から、ｎ番目の制御部４０である制御部４０−ｎまでのｎ個の制御部４０が配置されている。また、これに対応して、駆動回路５０、６０、スイッチ７０、８０、ポンプ１８、１９がそれぞれ複数設置されている。
【００７７】
また、複数の遅延回路３２は、互いに遅延時間が異なるように形成されている。具体的には、ｉを１以上ｎ以下の整数とし、ｉ番目の制御部３０、４０の遅延回路３２、４２における遅延時間をτｉとすると、ｉが大きいほどτｉが大きくなるように複数の遅延回路３２、４２が形成されている。なお、ｊを１以上ｎ−１以下の整数とし、ｋをｊ＋１以上ｎ以下の整数とすると、τｊ、τｋは、それぞれ、第１の時間、第２の時間に相当する。
【００７８】
このような構成では、スイッチ２１のオン時間がτ１よりも短い場合にはポンプ１８は駆動されず、オン時間がτ１よりも長くτ２よりも短い場合には、ポンプ１６と制御部３０−１に対応するポンプ１８とが駆動される。そして、オン時間の増加に伴い駆動されるポンプ１８の数が増加し、オン時間がτｎよりも長くなった場合、ポンプ１６とすべてのポンプ１８とが駆動される。同様に、スイッチ２２のオン時間の増加に伴い、駆動されるポンプ１９の数が増加する。
【００７９】
本実施形態では、このように、駆動されるポンプ１８、１９の数を多段階に変化させることで、電極１２、１３への電圧の印加による電力消費を低減し、冷却効率をさらに向上させることができる。
【００８０】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して冷却能力の制御方法を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００８１】
図９に示すように、本実施形態の冷却装置１は、制御部１１０、駆動回路１２０、１３０を備えている。なお、図９では、ポンプ１６、１７の図示を省略している。制御部１１０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどにメモリの記憶されたプログラムに従って、所定の処理を実行する。
【００８２】
制御部１１０は、４つの入力端子と２つの出力端子とを備えている。制御部１１０が備える４つの入力端子は、それぞれ、電源３の正極、電流センサ８の出力端子、ＰＷＭ制御回路４の駆動回路５０、６０に接続された出力端子に接続されている。また、制御部１１０が備える２つの出力端子は、それぞれ、駆動回路１２０、１３０に接続されている。
【００８３】
駆動回路１２０は、制御部１１０から入力された信号に応じてポンプ１８の電極１２、１３に電圧を印加し、ポンプ１８が形成された流路１１の流量を変化させる回路である。また、駆動回路１３０は、制御部１１０から入力された信号に応じてポンプ１９の電極１２、１３に電圧を印加し、ポンプ１９が形成された流路１１の流量を変化させる回路である。
【００８４】
制御部１１０は、ＰＷＭ制御回路４からの入力に基づいて半導体デバイス２のスイッチ２１、２２の駆動時間を検出する。そして、制御部１１０は、スイッチ２１の駆動時間の増加に伴い、駆動回路１２０を介してポンプ１８の２つの電極１２、１３に印加する電圧を増加させる。また、制御部１１０は、スイッチ２２の駆動時間の増加に伴い、駆動回路１３０を介してポンプ１９の２つの電極１２、１３に印加する電圧を増加させる。
【００８５】
図１０に示すように、電極１２と電極１３との間の電界の増加に伴い、ポンプの駆動力が増加する。したがって、上記のように、電極１２、１３に印加する電圧を増加させることにより、流路１１内の冷媒の流量が増加し、冷却装置１の冷却能力が増強される。
【００８６】
また、制御部１１０は、半導体デバイス２を流れる電流の大きさが所定の基準値よりも大きいとき、半導体デバイス２を十分に冷却できるように、２つの電極１２、１３に印加する電圧を一定時間所定の値とする。
【００８７】
このように電極１２、１３への印加電圧を制御して冷媒の流量を変化させる本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００８８】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００８９】
例えば、冷却装置１が流路１１を１つのみ備えていてもよい。また、冷却装置１がポンプ１６、１７を備えていなくてもよい。また、冷却装置１が保持回路１００を備えず、比較器９１の出力信号がＯＲ回路３３、４３に入力されてもよい。また、冷却装置１が電流検出回路９０および保持回路１００を備えていなくてもよい。
【００９０】
また、冷却装置１と半導体デバイス２とを別々の基板に形成し、冷却装置１の裏面と半導体デバイス２の表面とが接するように、冷却装置１および半導体デバイス２を配置してもよい。
【００９１】
また、上記第１実施形態では、電極１２を薄膜状とし、電極１３を棒状としたが、電極１２、１３を他の形状としてもよい。また、上記第１実施形態では、流路１１にＥＣＦポンプ構造を形成したが、流路１１にＥＨＤ（電気流体力学）ポンプ構造を形成してもよい。
【００９２】
また、第１〜第３実施形態とは異なる構成の半導体デバイスについて本発明を適用してもよい。また、スイッチング素子以外の半導体素子の駆動時間に基づいて流路１１の熱輸送能力を制御してもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１      冷却装置
２      半導体デバイス
１１    流路
１２    電極
１３    電極
３０    制御部
４０    制御部
１１０  制御部
【図１】
2017163028.tif 000003
【図２】
2017163028.tif 000004
【図３】
2017163028.tif 000005
【図４】
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【図５】
2017163028.tif 000007
【図６】
2017163028.tif 000008
【図７】
2017163028.tif 000009
【図８】
2017163028.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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