JP6845089B2

JP6845089B2 - 半導体装置の冷却装置

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Publication number: JP6845089B2
Application number: JP2017106412A
Authority: JP
Inventors: 元奥塚
Original assignee: Marelli Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: JP2018206790A

Description

本発明は、半導体装置の冷却装置に関するものである。

特許文献１には、冷却器の片面側にパワーモジュールを配置し、冷却器の内部を流通する冷却水によって三相のパワーモジュールを順に冷却する冷却装置が開示されている。

特開２０１６−０３９２０２号公報

しかしながら、パワーモジュールは動作時の発熱量が大きいため、パワーモジュールを冷却して安定的に動作させるためには、更に冷却を促進する必要がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、半導体装置の冷却を促進可能な冷却装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、半導体装置の冷却装置は、前記半導体装置が載置されるベースプレートと、前記ベースプレートとの間に冷却媒体が流れる冷却流路を形成する冷却器本体と、を備え、前記ベースプレートは、前記冷却流路の底面との間にクリアランスを設けた状態で前記冷却流路内に突出する内部ヒートシンクを有し、前記冷却器本体は、前記冷却流路の外面に前記冷却流路内の冷却媒体の流れに沿って形成される外部ヒートシンクを有する。

上記態様では、冷却流路における内部ヒートシンクと冷却器本体の底面との間の部分では、内部ヒートシンクが設けられている部分と比較して流水抵抗が小さいので、冷却媒体の流速が速い。そのため、外部ヒートシンクは、流速の速い冷却媒体から放熱する。したがって、外部ヒートシンクを設けることで、冷却装置内で冷却媒体が放熱するため、半導体装置の冷却を冷却媒体を介して促進することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却装置が適用される車両について説明する側面図である。図２は、半導体装置の冷却装置の平面図であり、カバーを取り外した状態を示す図である。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。図５は、図３におけるＶ−Ｖ断面図である。図６は、図３におけるＶＩ−ＶＩ断面図である。図７は、半導体装置の冷却装置の斜め下方からの斜視図であり、外部ヒートシンクの近傍を拡大して示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る半導体装置の冷却装置（以下、単に「冷却装置」と称する。）５０について説明する。

まず、図１を参照して、冷却装置５０が適用される車両１について説明する。

車両１は、電動自動車，ハイブリッド自動車，又はプラグインハイブリッド自動車である。ここでは、車両１が電動自動車である場合について説明する。車両１は、電力変換装置１０と、負荷としてのモータジェネレータ２と、蓄電装置としてのバッテリ３と、充電用の外部コネクタ５と、サブラジエータ６と、を備える。電力変換装置１０，モータジェネレータ２，及びサブラジエータ６は、車両１のモータルーム（ハイブリッド自動車及びプラグインハイブリッド自動車ではエンジンルーム）９に収容される。

電力変換装置１０は、バッテリ３の直流電力をモータジェネレータ２の駆動に適した交流電力に変換する。電力変換装置１０は、モータジェネレータ２からの回生電力をバッテリ３の充電に適した直流電力に変換する。

モータジェネレータ２は、例えば永久磁石同期電動機で構成される。モータジェネレータ２は、電力変換装置１０から供給される交流電力によって駆動される。モータジェネレータ２は、車両１を走行させるときに車両１の駆動輪４を回転駆動する。モータジェネレータ２は、車両１が減速するときには発電機として機能し、回生電力を発生する。

バッテリ３は、例えばリチウムイオン二次電池で構成される。バッテリ３は、電力変換装置１０に直流電力を供給し、電力変換装置１０から供給される直流電力により充電される。バッテリ３の電圧は、例えば２４０Ｖ〜４００Ｖの間で変動し、それよりも高い電圧が外部コネクタ５から入力されることで充電される。

次に、図１から図３を参照して、電力変換装置１０の全体構成について説明する。

電力変換装置１０は、ケース１１と、カバー１２と、半導体装置としてのパワーモジュール１３と、バスバーモジュール１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、充電装置１６と、を備える。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と充電装置１６とが、他の電力変換機器に該当する。

ケース１１は、底部１１ａを有し底部１１ａと対向する面が開口する箱型に形成される。カバー１２は、ケース１１の開口を閉塞する。ケース１１の底部１１ａには、バスバーモジュール１４の負荷端子としてのモータ端子１４ｂが挿通する貫通孔１１ｂが形成される。

ケース１１の底部１１ａには、パワーモジュール１３，ＤＣ／ＤＣコンバータ１５，及び充電装置１６を冷却する冷却装置５０が設けられる。冷却装置５０については、図３から図６を参照して、後で詳細に説明する。

パワーモジュール１３は、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）のスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ（図３参照）を有し、三相交流電流を出力する。パワーモジュール１３は、ＩＧＢＴ１３ｕ〜１３ｗのＯＮ／ＯＦＦをスイッチング制御することにより、バッテリ３の直流電力とモータジェネレータ２の交流電力とを相互に変換する。

バスバーモジュール１４は、パワーモジュール１３に接続されるパワーモジュール端子１４ａと、モータジェネレータ２に接続されるモータ端子１４ｂと、バスバーモジュール１４の電流を検出する電流センサ１４ｃと、を有する。バスバーモジュール１４は、パワーモジュール１３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに直接接続され、モータジェネレータ２に三相の交流電力を出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、車両駆動時（パワーモジュール１３の作動時）や停止時に、バッテリ３から供給される直流電力の電圧を変換して、他の機器へと供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、バッテリ３の直流電力（例えば４００Ｖ）を１２Ｖの直流電力に降圧する。降圧された直流電力は、車両に設けられるコントローラや、照明，ファン等の電源として供給される。

充電装置１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を挟んでパワーモジュール１３と対向して設けられる。充電装置１６は、車両１に設けられる充電用の外部コネクタ５（図１参照）から供給される外部電源（例えば交流１００Ｖや２００Ｖ）を直流電力（例えば５００Ｖ）に変換する。充電装置１６により変換された直流電力は、バッテリ３に供給される。

次に、主に図２から図７を参照して、冷却装置５０について説明する。

冷却装置５０は、パワーモジュール１３のＩＧＢＴ１３ｕ〜１３ｗを順に冷却する第１の冷却部５１と、第１の冷却部５１の下流側にて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５や充電装置１６等の他の電力変換機器を冷却する第２の冷却部５２と、第１の冷却部５１と第２の冷却部５２を接続する接続部５３と、を有する。

第１の冷却部５１と第２の冷却部５２とには、冷却媒体としての冷却水が流通する。具体的には、第１の冷却部５１を流通した冷却水は、接続部５３に導かれる。接続部５３に導かれた冷却水は、進行方向を変換されて第２の冷却部５２に導かれる。

冷却装置５０は、第１の冷却部５１に冷却水を供給する供給通路５４と、第２の冷却部５２から冷却水を排出する排出通路５５と、を有する。供給通路５４と排出通路５５とは、車両１に設けられるサブラジエータ６に連結される。冷却水は、ウォーターポンプ（図示省略）によって、冷却装置５０とサブラジエータ６とを循環するように流れる。冷却装置５０を流通して温度が上昇した冷却水は、サブラジエータ６にて外気と熱交換することで冷却される。

冷却装置５０は、第１の冷却部５１と第２の冷却部５２と接続部５３とを有する冷却器本体５８を備える。第１の冷却部５１は、パワーモジュール１３が載置されるベースプレート５６と、ベースプレート５６との間に冷却水が流れる冷却流路５７を形成する冷却器本体５８と、によって形成される。第２の冷却部５２及び接続部５３は、冷却器本体５８の内部に形成される。冷却流路５７には、供給通路５４から供給される冷却水が導かれる。そのため、冷却流路５７には、最も温度が低い状態の冷却水が供給される。

ベースプレート５６は、冷却流路５７の上面を閉塞して冷却流路５７を画成する。ベースプレート５６は、シール部材としてのＯリング５９を介して冷却器本体５８に取り付けられる。ベースプレート５６の上面には、パワーモジュール１３が取り付けられる。ベースプレート５６は、パワーモジュール１３の熱を伝導して冷却流路５７内の冷却水に放出する。ベースプレート５６は、冷却器本体５８の冷却流路５７内に突出する内部ヒートシンクとしての水冷ヒートシンク５６ａを有する。

水冷ヒートシンク５６ａは、冷却流路５７内に突出する複数のピンである。水冷ヒートシンク５６ａは、ピン形状ではなく冷却水の流れに沿って形成されるフィン形状であっもよい。

水冷ヒートシンク５６ａは、冷却器本体５８における冷却流路５７の底面５７ａとの間にクリアランスを設けた状態で冷却流路５７内に突出する。そのため、冷却流路５７内では、水冷ヒートシンク５６ａが設けられている部分（パワーモジュール１３に近い領域）の冷却水と比較して、水冷ヒートシンク５６ａが形成されていない部分（底面５７ａに沿った領域）の冷却水の方が流速が速い。

このように、冷却装置５０では、冷却流路５７における水冷ヒートシンク５６ａと冷却器本体５８の底面５７ａとの間の部分では、水冷ヒートシンク５６ａが設けられている部分と比較して流水抵抗が小さいので、冷却水の流速が速い。そのため、空冷ヒートシンク５８ａは、流速の速い冷却水から放熱する。したがって、空冷ヒートシンク５８ａを設けることで、冷却装置５０内で冷却水が放熱するため、パワーモジュール１３の冷却を冷却水を介して促進することができる。

このように、冷却装置５０では、第１の冷却部５１を通過した冷却水は、温度が上昇した状態のまま第２の冷却部５２に導かれるのではなく、空冷ヒートシンク５８ａにて放熱した分だけ温度が低くなった状態で第２の冷却部５２に導かれる。よって、冷却装置５０では、サブラジエータ６における外気との熱交換で冷却水を冷却するだけではなく、冷却装置５０内でも、空冷ヒートシンク５８ａを介して冷却水を冷却できる。

冷却器本体５８は、ケース１１の底部１１ａ内に一体に形成される。冷却流路５７内を流通する冷却水は、ＩＧＢＴ１３ｕ〜１３ｗを順に冷却する。冷却器本体５８は、冷却流路５７の外面に冷却流路５７内の冷却水の流れに沿って形成される外部ヒートシンクとしての空冷ヒートシンク５８ａを有する。

空冷ヒートシンク５８ａは、外気との間で熱交換を行うフィンである。空冷ヒートシンク５８ａは、フィン形状ではなくピン形状であってもよい。空冷ヒートシンク５８ａは、平行に複数（５個）設けられる。空冷ヒートシンク５８ａは、車両１の進行方向（前後方向）に沿って形成される（図１参照）。

空冷ヒートシンク５８ａは、冷却水が流れる方向に沿って冷却流路５７の下流に向かうほど高くなるように形成される。具体的には、空冷ヒートシンク５８ａは、ＩＧＢＴ１３ｕを冷却する位置よりも、ＩＧＢＴ１３ｖを冷却する位置の方が高く、ＩＧＢＴ１３ｖを冷却する位置よりも、ＩＧＢＴ１３ｗを冷却する位置の方が更に高く形成される。また、空冷ヒートシンク５８ａは、第１の冷却部５１から接続部５３にわたって形成される。

空冷ヒートシンク５８ａは、冷却器本体５８と一体にアルミニウム合金等の金属で成形される。これに代えて、空冷ヒートシンク５８ａを冷却器本体５８とは別体に形成して、冷却器本体５８に取り付けてもよい。この場合、例えば、空冷ヒートシンク５８ａを冷却器本体５８と比較して熱伝導率の高い金属によって形成することもできる。

図３に示すように、供給通路５４から供給された冷却水は、冷却器本体５８の内部を冷却流路５７に向かって上昇するように導かれる。冷却水は、冷却流路５７内で水冷ヒートシンク５６ａを通過した後、接続部５３に向かって下降するように導かれる。そのため、図３から図７に示すように、冷却器本体５８は、冷却流路５７が形成される部分に、底面から凹んで形成される凹部５８ｂを有する。空冷ヒートシンク５８ａは、この凹部５８ｂ内に収容されるように形成される。そのため、空冷ヒートシンク５８ａは、ケース１１の底面から突出することがない。

次に、冷却装置５０の作用について説明する。

車両１の走行時等には、ＩＧＢＴ１３ｕ〜１３ｗがスイッチング制御によってＯＮ／ＯＦＦされることで、パワーモジュール１３が発熱する。冷却装置５０では、供給通路５４から供給された冷却水が、第１の冷却部５１に導かれて冷却流路５７内を流通する。これにより、パワーモジュール１３が冷却される。

このとき、冷却水は、ＩＧＢＴ１３ｕ〜１３ｗを順に冷却するので、徐々に温度が上昇する。空冷ヒートシンク５８ａは、冷却水の温度が高くなるほど放熱面積が大きく形成される。よって、冷却水を効率的に冷却することができると共に、ＩＧＢＴ１３ｕ〜１３ｗの均一な冷却を図ることができる。したがって、パワーモジュール１３を冷却して安定的に動作させることができる。

また、空冷ヒートシンク５８ａは、車両１の進行方向に沿って形成される。よって、車両１の走行時にモータルーム９内に入り込む走行風によって冷却流路５７内の冷却水を冷却することができる。

第１の冷却部５１にてパワーモジュール１３を冷却した冷却水は、接続部５３を通じて第２の冷却部５２に導かれる。第２の冷却部５２を流通する冷却水は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５や充電装置１６等の他の電力変換機器を冷却する。

このとき、空冷ヒートシンク５８ａは、第１の冷却部５１から接続部５３にわたって形成される。これにより、冷却流路５７にて温度が上昇した冷却水は、第２の冷却部５２に導かれる前に、接続部５３から空冷ヒートシンク５８ａを介して放熱することで冷却される。よって、第１の冷却部５１にて冷却水の温度が上昇しても、第２の冷却部５２には、冷却されて温度が低くなった冷却水が供給される。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５や充電装置１６等の他の電力変換機器も効率的に冷却することができる。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

冷却装置５０では、冷却流路５７における水冷ヒートシンク５６ａと冷却器本体５８の底面５７ａとの間の部分では、水冷ヒートシンク５６ａが設けられている部分と比較して流水抵抗が小さいので、冷却水の流速が速い。そのため、空冷ヒートシンク５８ａは、流速の速い冷却水から放熱する。したがって、空冷ヒートシンク５８ａを設けることで、冷却装置５０内で冷却水が放熱するため、パワーモジュール１３の冷却を冷却水を介して促進することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１車両
１０電力変換装置
１１ケース
１３パワーモジュール（半導体装置）
１３ｕ〜１３ｗＩＧＢＴ（スイッチング素子）
１５ＤＣ／ＤＣコンバータ（他の電力変換機器）
１６充電装置（他の電力変換機器）
５０冷却装置
５１第１の冷却部
５２第２の冷却部
５３接続部
５６ベースプレート
５６ａ水冷ヒートシンク（内部ヒートシンク）
５７冷却流路
５７ａ底面
５８冷却器本体
５８ａ空冷ヒートシンク（外部ヒートシンク）
５８ｂ凹部

Claims

半導体装置の冷却装置であって、
前記半導体装置が載置されるベースプレートと、
前記ベースプレートとの間に冷却媒体が流れる冷却流路を形成する冷却器本体と、を備え、
前記ベースプレートは、前記冷却流路の底面との間にクリアランスを設けた状態で前記冷却流路内に突出する内部ヒートシンクを有し、
前記冷却器本体は、前記冷却流路の外面に前記冷却流路内の冷却媒体の流れに沿って形成される外部ヒートシンクを有する、
ことを特徴とする半導体装置の冷却装置。
請求項１に記載の半導体装置の冷却装置であって、
前記半導体装置は、三相のスイッチング素子を有し三相交流電流を出力するパワーモジュールであり、
前記冷却流路内を流通する冷却媒体は、前記三相のスイッチング素子を順に冷却し、
前記外部ヒートシンクは、冷却媒体が流れる方向に沿って前記冷却流路の下流に向かうほど高くなるように形成される、
ことを特徴とする半導体装置の冷却装置。
請求項２に記載の半導体装置の冷却装置であって、
前記冷却流路は、供給された冷却水が前記冷却器本体の内部を上昇して導かれるように形成され、
前記冷却器本体は、前記冷却流路が形成される部分に底面から凹んで形成される凹部を有し、
前記外部ヒートシンクは、前記凹部内に収容されるように形成される、
ことを特徴とする半導体装置の冷却装置。
請求項２又は３に記載の半導体装置の冷却装置であって、
前記冷却器本体は、
前記冷却流路内を流通する冷却媒体によって前記三相のスイッチング素子を順に冷却する第１の冷却部と、
前記第１の冷却部の下流側にて、他の電力変換装置を冷却する第２の冷却部と、
前記第１の冷却部と前記第２の冷却部を接続する接続部と、を有し、
前記外部ヒートシンクは、前記第１の冷却部から前記接続部にわたって形成される、
ことを特徴とする半導体装置の冷却装置。
請求項１から４のいずれか一つに記載の半導体装置の冷却装置であって、
前記外部ヒートシンクは、車両の進行方向に沿って形成され外気との間で熱交換を行うフィンである、
ことを特徴とする半導体装置の冷却装置。