CN103253124A

CN103253124A - 半导体装置以及其冷却系统

Info

Publication number: CN103253124A
Application number: CN2012103918336A
Authority: CN
Inventors: 宫本升; 爱甲光德
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: DE102012223136A1; JP2013168614A; DE102012223136B4; US9283850B2; CN103253124B; JP5773907B2; US20130215571A1

Abstract

本发明的目的在于，提供一种能够在以电力为动力源的电力驱动体中抑制能行驶距离的减少并且获得需要的热源的半导体装置以及其冷却系统。本发明的半导体装置，能在冷却系统中利用，该冷却系统具备：作为设定部的ECU（7），该设定部设定用于冷却半导体装置（1）的制冷剂的目标温度；以及作为检测部的传感器（24），该检测部检测制冷剂的温度作为制冷剂温度，其中，半导体装置（1）的发热损失可变，该半导体装置（1）具备控制半导体装置（1）中的发热损失以使目标温度与制冷剂温度一致的发热控制部（22）。

Description

半导体装置以及其冷却系统

技术领域

本发明涉及半导体装置以及冷却半导体装置的冷却系统，特别涉及使电力驱动体工作的半导体装置以及其冷却系统。

背景技术

在近年来实用化的车辆等中，电子控制发动机的驱动，用于控制的半导体装置等的电子电路的比重日益增加。此外，不依赖于发动机的驱动而是将电力作为动力源的电动车辆（Electric Vehicle）也正在被实用化（参照专利文献1），但是，在其控制中也使用半导体装置等的电子电路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-166341号公报。

发明要解决的课题

在以往的发动机驱动的车辆中，使用发动机作为空调等（车辆设备）的热源。另一方面，在电动车辆等中，其发动机通常不存在。因此，为了在电动车辆中实现空调等的调温功能，需要另外配备电加热器等热源。

可是，在另外配备例如电加热器的情况下，由于电加热器的电力损耗大，所以使用电加热器会导致电力消耗增大。其结果是，在电动车辆中，由于该电力消耗的增大导致能用作动力源的电力减少，所以存在能行驶的距离减少的问题。此外，装载电加热器单元导致车辆整体的重量增加，由此也存在能行驶的距离减少的问题。

在混合动力车辆（Hybrid Vehicle）等的也具备发动机的电动车辆中，与以往的发动机驱动的车辆同样地，能够将发动机作为热源来利用，但是为了加热催化剂或加热促动器单元（Actuator Unit），需要以车辆驱动以外的目的驱动发动机，存在成为燃料消耗率劣化的原因的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于，提供一种能够在以电力为动力源的电力驱动体中抑制能行驶距离的减少并且获得需要的热源的半导体装置以及其冷却系统。

用于解决课题的手段

本发明提供一种能在冷却系统中利用的半导体装置，该冷却系统具备：设定部，设定用于冷却半导体装置的制冷剂的目标温度；以及检测部，检测所述制冷剂的温度作为制冷剂温度，所述半导体装置的特征在于，所述半导体装置的发热损失可变，所述半导体装置具备：发热控制部，控制所述半导体装置中的所述发热损失，以使所述目标温度与所述制冷剂温度一致。

本发明的冷却系统的特征在于，具备：半导体装置，装载于由电力进行驱动的电力驱动体，并且，使所述电力驱动体工作；冷却器，利用制冷剂冷却所述半导体装置；设定部，设定所述制冷剂的目标温度；检测部，检测所述制冷剂的温度作为制冷剂温度；以及热交换器，使用所述制冷剂，进行与所述电力驱动体中的热交换对象的热交换，所述半导体装置的发热损失可变，所述冷却系统还具备：发热控制部，控制所述半导体装置中的所述发热损失，以使所述目标温度与所述制冷剂温度一致。

发明效果

根据本发明的半导体装置，通过具备控制上述半导体装置中的上述发热损失以使上述目标温度与上述制冷剂温度一致的发热控制部，从而能够控制发热损失来改变制冷剂温度，因此能够获得实现目标温度的热源。

根据本发明的冷却系统，通过具备：使用上述制冷剂来进行与上述电力驱动体中的热交换对象的热交换的热交换器、以及控制上述半导体装置中的上述发热损失以使上述目标温度与上述制冷剂温度一致的发热控制部，从而能够在电力驱动体中抑制能行驶距离的减少并且获得热交换所需要的热源。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的半导体装置以及其冷却系统的结构的概念图。

图2是表示本发明的实施方式的半导体装置以及冷却器的结构概念的图。

图3是说明本发明的实施方式的冷却系统的工作的流程图。

图4是表示本发明的实施方式的半导体装置的结构的图。

图5是表示本发明的实施方式的半导体装置的结构的图。

具体实施方式

<实施方式>

<结构>

图1是表示本发明的实施方式的半导体装置以及冷却半导体装置的冷却系统的结构的概念图。在本实施方式中，主要针对装载于电动车辆的半导体装置以及其冷却系统进行说明，但是电动车辆是电力驱动体的一个例子，不仅限于该用途。

如图1所示，冷却系统具备：自身的损耗（发热损失）可变的半导体装置1、使用制冷剂（例如冷却水）冷却半导体装置1的冷却器2、流过在冷却器2中使用的制冷剂的流路20、设置于流路20的水泵（water pump）9和散热器（Radiator）3、在流路20中利用流路旁路开关（bypass switch）8切换制冷剂的流入与非流入的制冷剂旁路流路5、以及在与半导体装置1之间经由通信系统6收发规定的信号的ECU（Electronic Control Unit：电子控制单元）7。

此外，冷却器2、以及包含制冷剂旁路流路5的流路20作为与热交换对象（未图示）进行热交换的热交换器4而发挥作用。

在本实施方式中，在半导体装置1产生的热传递至流路20中的制冷剂，进而在热交换器4中，该热从制冷剂传递至热交换对象（未图示）。这样做，能够向热交换对象传递半导体装置1的热，在热交换对象中实现期望的温度。

接着，针对各结构要素进行说明。

半导体装置1是使所装载的电动车辆驱动、工作的装置，例如是变换器（inverter）装置等。半导体装置1接触地配置在冷却器2的面上。

冷却器2与半导体装置1接触地配置，对随着电动车辆的驱动而发热的半导体装置1进行冷却。将制冷剂（冷却水）经由流路20供给至冷却器2。

热交换器4对由半导体装置1加热后的制冷剂的热进行散热，实现与热交换对象的热交换。

ECU7是能够分别对车辆的驱动、车辆设备的工作、进而冷却系统的工作进行电子控制的微型计算机等。

在该控制中包含：变换器冷却用的冷却水的水温控制、在车辆具备发动机的情况下的发动机的冷却水的水温控制、促动器的驱动油温的控制、空调的工作控制、制冷剂流速的控制等。

图2是更详细地示出了半导体装置1以及冷却器2的结构概念的图。如图2所示，半导体装置1具备：驱动电动车辆的驱动部23、以及控制驱动部23的发热损失的发热控制部22。在驱动部23中包含半导体元件等，在发热控制部22中包含使电流、电压等变化的元件、以及对它们给予指示信号的器件。

发热控制部22从在冷却器2中检测制冷剂的温度（制冷剂温度）的传感器24（检测部）接收表示制冷剂温度的信号。再有，传感器24的配置不限于图示那样的冷却器2上的位置，例如可以配置在流路20的规定位置。

此外，发热控制部22从作为设定部的ECU7接收表示目标温度的信号。这里，目标温度是在与热交换对象（车辆内环境等）的热交换中对作为热源的制冷剂要求的适当的设定温度。目标温度是基于对热交换对象而言适当的温度、即欲使热交换对象达到的温度来决定的。

例如，当前的车辆内环境是10℃，在与制冷剂的热交换中欲使车辆内环境的温度上升至15℃的情况下，制冷剂的目标温度例如设定为15℃。再有，考虑到热交换的效率或速度，也能够设定为高于15℃的温度。

发热控制部22一边反馈目标温度与制冷剂温度的差异，一边控制驱动部23的驱动以使目标温度与制冷剂温度一致。对于具体的控制内容，将在后面叙述。

<工作>

接着，参照图3对本实施方式的半导体装置以及其冷却系统的工作进行说明。

ECU7从车辆内的各种传感器、例如车辆内环境的温度传感器、发动机冷却水的水温传感器、促动器的驱动油温传感器等接收信号输出，或者，接收来自空调等车辆设备的请求信号，判断是否需要热源（步骤S1）。例如，对以各种传感器检测的温度预先设定理想值，在各种传感器中检测出从该理想值偏离了规定值以上的温度的情况下，能够判断为需要热源。此外，也能够根据存在来自空调等车辆设备的请求信号来判断为需要热源。

在ECU7判断为需要热源的情况下（“是”），在作为变换器等的半导体装置1的电路中，进行使半导体的损耗（发热损失）变更的控制（步骤S2）。具体而言，ECU7向半导体装置1通知冷却器2中的制冷剂的目标温度，半导体装置1变更半导体的损耗（发热损失），例如提高半导体装置1的发热程度，以使达到该目标温度。半导体装置1产生的热传递至冷却器2中的制冷剂。再有，在ECU7判断为不需要热源的情况下（“否”），返回到步骤S1。

半导体装置1接收对冷却器2中的制冷剂的温度（制冷剂温度）进行测定的传感器24（参照图2）的输出信号，把握从ECU7通知的目标温度与传感器24的输出信号所表示的实际制冷剂温度的差。而且，调整（反馈调整）电路中的半导体的损耗（发热损失）程度，以使减少该差。

图4是表示变更半导体的损耗的具体的半导体电路（例如，驱动部23的电路或其一部分）的例子的图。

该电路具备：可变电源10；其一端连接于可变电源10并且互相串联连接的多个半导体元件21；其一端被多个半导体元件21夹着连接的可变电阻11；以及进而连接于可变电阻11的另一端的半导体开关12。

在进行使半导体损耗增加的控制的情况下，发热控制部22（参照图2）进行使可变电阻11的电阻值增加的控制和使可变电源10的电压值减少的控制的至少一个。通过像这样进行控制，从而能够产生栅极电阻的增加或栅极电压的减少，实现由半导体开关12的开关速度（接通/关断速度）的降低所带来的开关损耗的增加。此外，能够实现由导通电压的上升引起的稳态损耗的增加。

再有，在进行使半导体损耗减少的控制的情况下，只要进行使可变电阻11的电阻值减少的控制和使可变电源10的电压值增加的控制的至少一个即可。

图5是表示变更半导体的损耗的具体的半导体电路的另一个例子的图。

该电路具备：可变电流源114；其一端连接于可变电流源114并且互相串联连接的多个半导体元件21；以及其一端被多个半导体元件21夹着连接的半导体开关112。

在进行使半导体损耗增加的控制的情况下，发热控制部22（参照图2）进行使可变电流源114的电流值减少的控制。通过像这样进行控制，从而能够产生栅极电流的减少，实现由半导体开关12的开关速度（接通/关断速度）的降低引起的开关损耗的增加。

再有，在进行使半导体损耗减少的控制的情况下，只要进行使可变电流源114的电流值增加的控制即可。

在步骤S2之后，利用ECU7的控制，切换流路旁路开关8，使制冷剂流入到制冷剂旁路流路5中（步骤S3）。如果这样做，那么能够在例如形成于制冷剂旁路流路5中的、与热交换对象的接触部（未图示）实现以制冷剂与热交换对象能传热的方式的接触来进行热交换。进而，在不进行热交换的情况下，不切换地使用流路旁路开关8即可，因此能够提高制冷剂的冷却效率。

再有，也可以是不进行切换流路旁路开关8的操作而进行在热交换器4中的其它位置的热交换的情况。例如，也可以是在冷却器2中进行热交换的情况。

此外，通过将包含制冷剂旁路流路5的流路20的整体或一部分做成绝热构造，从而能够抑制在进行热交换之前从热源（被赋予了热的制冷剂）释放热，提高作为热源的性能，并且能够向热交换对象有效地传递热。

进而，利用ECU7的作为流速控制部的功能，对决定制冷剂的流速的水泵9的转速进行变更（步骤S4）。例如，降低流速以使制冷剂温度上升。

像这样，在本实施方式所示的冷却系统中，使制冷剂流入到制冷剂旁路流路5中，利用热交换器4进行与热交换对象的热交换（步骤S5）。

作为热交换对象，例如有车辆内的空气（环境）、发动机的冷却水、促动器的驱动油（控制油）、发动机催化剂等（均未图示）。热交换器4与这些热交换对象经由制冷剂直接地、或者以能传热的方式接触来进行热的交换。对制冷剂的目标温度设定这些热交换对象所希望的温度。

像这样，通过进行变换器等的预先配备在车辆中的车辆设备（半导体装置1）的损耗变更控制，从而能够确保热交换所需要的热源。因此，也不需要追加新的器件等，能够谋求车辆的轻量化以及燃料消耗率的提高。

此外，在限定于电动车辆的再生工作时进行上述控制工作的情况下，不使用在电池（未图示）中积蓄的电力就能够确保热源。因此，能够进一步削减消耗电力。

再有，通过使装载于半导体装置1的半导体器件为使用了碳化硅（SiC）等的能够进行高温工作的器件、或者对其它结构要素采用能进行高温工作的结构材料，从而即使在使半导体装置1的温度上升得更高的状态下也能够工作，并且能够提高制冷剂温度上升的响应性。此外，能够缩短上述控制工作的工作时间，并且能够抑制电力消耗。

<变形例>

在本实施方式中，假定热交换对象的温度低于热源的温度的情况，但是不限于这样的情况，即使是热交换对象的温度高于热源的温度的情况，也能够适用。

关于图3所示的流程图的步骤S2~4，也可以是执行任一个的情况。此外，执行的顺序也不限于按照流程图的顺序的情况。

在本实施方式中，假定制冷剂是液体（冷却水）的情况进行了说明，但也可以是空气、CO₂制冷剂、氟利昂制冷剂的气体制冷剂或固体制冷剂等，能够在同样的控制以及装置结构下实施。

再有，在采用气体制冷剂的情况下，也可以是如下结构：将车辆内空气取入到热交换器4中，作为交换，将与半导体装置1进行了热交换的热交换器4中的气体制冷剂释放到车辆内。如果在车辆设备中的空气调节装置（空调）内设置热交换器4，那么能够在空气调节装置（空调）内进行热交换。

<效果>

根据本发明的实施方式，在发热损失可变的半导体装置中，具备控制半导体装置1中的损耗（发热损失）以使目标温度与制冷剂温度一致的发热控制部22。

根据这样的半导体装置，能够通过发热控制部22控制损耗（发热损失）来改变制冷剂温度，因此能够获得实现目标温度的热源。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，具备使用制冷剂与作为电力驱动体的电动车辆中的热交换对象进行热交换的热交换器4。半导体装置1的发热损失可变，该半导体装置1具备控制半导体装置1中的发热损失以使目标温度与制冷剂温度一致的发热控制部22。

根据这样的冷却系统，能够将利用半导体装置1的发热进行温度控制的制冷剂用作热源进行热交换。因此，在将电力作为动力源的电动车辆等中，不需要为了热交换而另外产生热，能够抑制用于此的电力消耗导致的能行驶距离的减少。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，制冷剂为液体，热交换器4通过使制冷剂与电动车辆内的环境以能传热的方式接触，从而进行热交换。

根据这样的冷却系统，能够在冷却器2中进行作为液体的制冷剂与半导体装置1的热交换，并将该制冷剂引导至例如设置于制冷剂旁路流路5的接触部（未图示），在该接触部中，实现车辆内的环境与该制冷剂的热交换。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，热交换器4将制冷剂引导至制冷剂旁路流路5中，进行与热交换对象的热交换。

根据这样的冷却系统，进行制冷剂与热交换对象（例如车辆内的环境）的热交换的位置的自由度提高，并且便利性提高。此外，在不进行热交换的情况下，能够以对流路旁路开关8进行操作使制冷剂不流入到制冷剂旁路流路5中的方式进行控制，因此能够提高制冷剂的冷却效率。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，流路20为绝热性。

根据这样的冷却系统，即使在经由流路20引导制冷剂的情况下，也不会将热释放到热交换对象以外而是能够引导至热交换对象，因此能够将制冷剂的温度维持为半导体装置1中控制的温度。因此，能够提高作为热源的性能，并能够向热交换对象有效地传递热。此外，能够抑制对热交换对象以外的对象无意地传递热，便利性提高。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，热交换对象为电动车辆内的环境，将目标温度设定为电动车辆内的环境的温度。

根据这样的冷却系统，能够控制半导体装置1的发热损失，使电动车辆内的环境成为期望的温度。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，热交换器4配备在装载于电动车辆的空气调节装置（空调）内。

根据这样的冷却系统，在空气调节装置（空调）内，能够进行与电动车辆内的环境的热交换，并且能够使电动车辆内的环境成为期望的温度。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，电力驱动体为装载发动机的电动车辆（混合动力车辆），热交换对象为发动机的冷却水，将目标温度设定为冷却水的温度。

根据这样的冷却系统，能够控制半导体装置1的发热损失，使发动机的冷却水成为期望的温度。因此，能够将冷却水维持为能适当地冷却发动机的温度。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，电力驱动体为装载发动机的电动车辆（混合动力车辆），热交换对象为发动机催化剂，将目标温度设定为发动机催化剂的温度。

根据这样的冷却系统，能够控制半导体装置1的发热损失，使发动机催化剂成为期望的温度。因此，能够使催化剂的温度上升到能适当地发挥还原能力的温度，并且能够适当地维持净化能力。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，电力驱动体为其驱动被油压控制的电动车辆，热交换对象为用于油压控制的控制油，将目标温度设定为控制油的温度。

根据这样的冷却系统，能够控制半导体装置1的发热损失，使控制油成为期望的温度。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，发热控制部22在电动车辆的再生工作中进行半导体装置1中的发热损失的控制。

根据这样的冷却系统，不使用在电动车辆的电池等中积蓄的电力就能获得热源，能够削减消耗电力。

此外，根据本发明的实施方式，在冷却系统中，还具备作为控制制冷剂的流速以使目标温度与测定温度一致的流速控制部的ECU7。

根据这样的冷却系统，通过控制制冷剂的流速，从而能够控制制冷剂的温度。例如，通过降低流速，从而能够使制冷剂的温度上升。

再有，本发明在其发明的范围内，能够进行本实施方式中的任意结构要素的变形或省略。

附图标记的说明：

1 半导体装置、2 冷却器、3 散热器、4 热交换器、5 制冷剂旁路流路、6 通信系统、7 ECU、8 流路旁路开关、9 水泵、10 可变电源、11 可变电阻、12，112 半导体开关、20 流路、21 半导体元件、22 发热控制部、23 驱动部、24 传感器、114 可变电流源。

Claims

1.一种半导体装置，能在冷却系统中利用，所述冷却系统具备：设定部（7），设定用于冷却半导体装置（1）的制冷剂的目标温度；以及检测部（24），检测所述制冷剂的温度作为制冷剂温度，所述半导体装置（1）的特征在于，

所述半导体装置（1）的发热损失可变，

所述半导体装置（1）具备：发热控制部（22），控制所述半导体装置（1）中的所述发热损失，以使所述目标温度与所述制冷剂温度一致。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述发热控制部（22）变更半导体的接通/关断速度，由此变更所述半导体装置（1）中的所述发热损失。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，通过对调整所述半导体的栅极电流的电阻值进行控制，从而变更所述接通/关断速度。

4.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，通过对调整所述半导体的栅极电流的恒定电流电路的电流值进行控制，从而变更所述接通/关断速度。

5.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，通过控制所述半导体的栅极电压值，从而变更所述接通/关断速度。

6.根据权利要求1~5的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置（1）的半导体以高耐热性的母材制成。

7.根据权利要求1~5的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述半导体装置（1）的结构材料以高耐热性的母材制成。

8.一种冷却系统，其特征在于，具备：

半导体装置（1），装载于由电力进行驱动的电力驱动体，并且，使所述电力驱动体工作；

冷却器（2），利用制冷剂冷却所述半导体装置（1）；

设定部（7），设定所述制冷剂的目标温度；

检测部（24），检测所述制冷剂的温度作为制冷剂温度；以及

热交换器（4），使用所述制冷剂，进行与所述电力驱动体中的热交换对象的热交换，

所述半导体装置（1）的发热损失可变，

所述冷却系统还具备：发热控制部（22），控制所述半导体装置（1）中的所述发热损失，以使所述目标温度与所述制冷剂温度一致。

9.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于，所述发热控制部（22）配备于所述半导体装置（1）。

10.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，

所述制冷剂为气体，

所述热交换器（4）取入作为所述电力驱动体内的环境的所述气体，并释放作为所述制冷剂的所述气体，由此进行热交换。

11.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，

所述制冷剂为液体，

所述热交换器（4）使所述制冷剂与所述电力驱动体内的环境热接触，由此进行热交换。

12.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，所述热交换器（4）将所述制冷剂引导至流路（5），进行与所述热交换对象的热交换。

13.根据权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述流路（20）为绝热性。

14.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，

所述热交换对象为所述电力驱动体内的环境，

将所述目标温度设定为所述电力驱动体内的所述环境的温度。

15.根据权利要求14所述的冷却系统，其特征在于，所述热交换器（4）配备在装载于所述电力驱动体的空气调节装置内。

16.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，

所述电力驱动体为装载发动机的电动车辆，

所述热交换对象为所述发动机的冷却水，

将所述目标温度设定为所述冷却水的温度。

17.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，

所述电力驱动体为装载发动机的电动车辆，

所述热交换对象为所述发动机催化剂，

将所述目标温度设定为所述发动机催化剂的温度。

18.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，

所述电力驱动体为其驱动被油压控制的电动车辆，

所述热交换对象为用于所述油压控制的控制油，

将所述目标温度设定为所述控制油的温度。

19.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，所述发热控制部（22）在所述电力驱动体的再生工作中进行所述半导体装置（1）中的所述发热损失的控制。

20.根据权利要求8或9所述的冷却系统，其特征在于，还具备：流速控制部（7），控制所述制冷剂的流速，以使所述目标温度与所述测定温度一致。