JP2011177004A - 半導体パワーモジュール及びそれが搭載される電力変換装置並びに半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、損失を低減できる半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】上記の課題を解決するために、半導体パワーモジュールは１１０は、コンデンサモジュール２００に接続される直流端子１１１ａ，１１１ｂを備えると共に、冷却用の水路形成体１０１と組み合わせて使用する半導体パワーモジュール１１０であって、直流端子１１１ａ，１１１ｂは水路形成体１０１よりもコンデンサモジュール２００側に突出していることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）などの電力用半導体素子が搭載された半導体パワーモジュール及びそれが搭載される電力変換装置並びに半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法に関する。

風力発電機などに搭載されている電力変換装置に用いられる半導体パワーモジュールは、発熱量が大きいため効率よく冷却する必要があるが、その冷却手段として液体冷却が有効である。この液体冷却は、通常、半導体パワーモジュールに、例えば、熱伝導グリースなどを介して放熱フィンが接着され、その放熱フィンが冷却水の流路の中に浸されることで冷却するものである。ところが、熱伝導グリースは、金属に比べ熱抵抗が高いという欠点を有している。

これに対して、より高い冷却能力を確保するために、熱伝導グリースを介することなく冷却部に熱を伝達し冷却する直接冷却方式の半導体パワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

その直接冷却方式の半導体パワーモジュールによれば、ヒートシンクの上面に絶縁層を介して電力用半導体素子が直接搭載され、かつ、ヒートシンクの下面に放熱フィンが設けられる。このとき、水路形成体の上面の開口部がヒートシンクの下面によって覆い塞がれている構造であるので、ヒートシンクの下面は、冷却水に直接に接触することになり、ヒートシンクの冷却効果が向上する。

特開２００７−２９５７６５号公報 特開２００９−４４８９１号公報 特開２００８−２０６２４３号公報 特開２００９−２１９２７０号公報

特許文献１や特許文献２は、車両搭載の回転電機に接続することを想定しており、半導体モジュールのヒートシンクによって覆い塞がれている水路形成体の出入口パイプを除く床面積と同等の床面積で、かつ水路形成体と別の平面にコンデンサモジュールが設けられており、電力変換装置の床面積を最小にしている。

しかし、水路形成体と別の平面にコンデンサモジュールが設けられているため、半導体モジュールの直流端子とコンデンサモジュールの直流端子を繋げる導体板の配線長が、水路形成体の平面とコンデンサモジュールの平面の高さの差だけ長くなってしまう。導体板の配線距離が長くなると、長さに比例して抵抗値も大きくなり、損失が大きくなる。

係る場合には、更に例えば直流回路の平滑コンデンサとＩＧＢＴとの間では、電流抵抗となる配線インダクタンスが大きくなるため、スイッチング時の電流の変化に伴って電圧の跳ね上がりが発生し、ＩＧＢＴの電圧定格を超える場合には、ＩＧＢＴの破壊を引き起こしてしまうといった可能性も示唆される。

特許文献３は、半導体モジュールのヒートシンクが横から覆い塞がれている水路形成体と略同一平面上にコンデンサモジュールを配置する構造である。特許文献１や特許文献２と比較し、コンデンサとＩＧＢＴとの間の配線距離を短くしインダクタンスを低減することは可能であるが、横から半導体モジュールを取り付ける構造であるため、組立性が悪いことが問題である。

特許文献４は、２つのヒートシンクで電力用半導体素子を挟み込む両面直接冷却方式の半導体モジュールのフランジ部を用いて、水路形成体の上面の開口部を覆い塞いでおり、水路形成体と略同一平面上にコンデンサモジュールを配置する構造である。特許文献１や特許文献２と比較し、コンデンサとＩＧＢＴとの間の配線距離を短くしインダクタンスを低減することは可能であるが、半導体モジュールの水路形成体に対する位置決め精度が高くない場合には、ヒートシンクと水路形成体との間の隙間公差が大きくなってしまうため、冷却性能のバラツキが大きくなることが問題である。

本発明は、上記で例示した技術的な問題と関連して、主として目的とするところは、損失を低減できる半導体パワーモジュールを提供すること、及び半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法を提供することにある。

本発明の半導体パワーモジュールは、上記目的を達成するために、コンデンサモジュールに接続される直流端子を備えると共に、冷却用の水路形成体と組み合わせて使用する半導体パワーモジュールであって、前記直流端子は前記水路形成体よりも前記コンデンサモジュール側に突出していることを特徴とする。

更に、本発明の半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法は、複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と、前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクと、前記電力用半導体素子へ直流電流を供給する直流端子と、前記電力用半導体素子から交流電流を取り出す交流端子とを含んでなる半導体パワーモジュールの前記ヒートシンクが搭載される部位に開口部が設けられ、機械加工用チャックと入口パイプと出口パイプと前記半導体パワーモジュールを締結するためのボルト穴を持つ半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法であって、
前記水路形成は、鋳造により一体成型された後、前記入口パイプと出口パイプ及び前記半導体パワーモジュールを締結するためのボルト穴が機械加工され、１゜以上の抜き勾配を持つ壁面を有することを特徴とする。

本発明によれば、損失を低減できる半導体パワーモジュールを提供すること、及び半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法を提供することが可能になる。

本発明の実施形態１に係る電力変換装置の回路ブロック構成を示した図。 本発明の実施形態１に係る電力変換装置のコンデンサモジュールとインバータモジュールを示す外観斜視図。 本発明の実施形態１に係る単相分インバータモジュールを示す外観斜視図。 本発明の実施形態１に係る単相分インバータモジュールを示す分解斜視図。 本発明の実施形態１に係る水路形成体および冷媒の進行方向の例を示す斜視図。 図５の水路形成体のＡ−Ａ′断面図。 本発明の実施形態１に係る半導体パワーモジュールを示す外観斜視図。 図７の半導体パワーモジュールのＢ−Ｂ′断面図。 図３の単相分インバータモジュールのＣ−Ｃ′断面図。 ピンフィンヒートシンクを用いた場合におけるクリアランスと熱抵抗および圧損の関係を示すグラフ。 本発明の実施形態２に係るフィンなしヒートシンクを実装した場合の単相分インバータモジュールのＣ−Ｃ′断面図。 本発明の実施形態３に係るフィンなしヒートシンクを実装し、かつ流速増加用部材を設けた場合の単相分インバータモジュールのＣ−Ｃ′断面図。 本発明の実施形態４に係る２つ以上の半導体モジュールを搭載した水路形成体および３分岐３合流する冷媒の進行方向の例を示す斜視図。 図１３の水路形成体および冷媒の進行方向の例を模式的に示した平面図。 本発明の実施形態５に係る２つ以上の半導体モジュールを搭載した水路形成体および２分岐２合流する冷媒の進行方向の例を模式的に示した平面図。 本発明の実施形態６に係る２つ以上の半導体モジュールを搭載した水路形成体および分岐合流しない冷媒の進行方向の例を模式的に示した平面図。 本発明の実施形態７に係る６つの半導体モジュールを搭載した水路形成体および６分岐６合流する冷媒の進行方向の例を模式的に示した平面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。図１に示すように、電力変換装置１０００は、ブレード（回転羽根）５００と変圧器６００とに接続され、風の力によって回転するブレード５００と、ブレード５００によって得た回転力から交流電流を発生させる発電機４００と、発電機４００から供給される交流電流を直流に変換するコンバータモジュール３００と、前記コンバータモジュール３００から供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサモジュール２００と、直流電流から所定の周波数の交流電流を生成するためのインバータモジュール１００を含んで構成される。電力変換装置から得た交流電流は、前記変圧器６００により所定の電圧に変換され、外部電力系統７００へ供給される。

コンバータモジュール３００やインバータモジュール１００において、上下アーム直列回路１のそれぞれは、ＩＧＢＴ２ａとダイオード２ｂとの並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路１の上下端は、それぞれ、コンデンサモジュール２００の正極および負極に接続される。そして、その上側（正極側）に配置されたＩＧＢＴ２ａとダイオード２ｂとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる上アームとして動作し、下側（負極側）に配置されたＩＧＢＴ２ａとダイオード２ｂとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる下アームとして動作する。

インバータモジュール１００は、このような上下アーム直列回路１が３組設けられた、いわゆる、３相ブリッジ回路によって構成される。そして、それぞれの上下アーム直列回路１の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分からは、３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗが出力され、その出力された３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗは、変圧器６００へ供給される。

また、コンバータモジュール３００は、３つの上下アーム直列回路１からなるインバータ回路を構成し、コンバータモジュール３００を駆動制御するコンバータモジュール用ドライバ回路８００と、コンバータモジュール用ドライバ回路８００へ制御信号を供給するコンバータモジュール用制御回路９００と、を含んで構成されている。同様に、インバータモジュール１００も、３つの上下アーム直列回路１からなるインバータ回路を構成し、各相のＩＧＢＴ２ａにゲート信号を供給し、インバータモジュール３００を駆動制御するインバータモジュール用ドライバ回路８１０と、インバータモジュール用ドライバ回路８１０へ制御信号を供給するインバータモジュール用制御回路９１０と、を含んで構成されている。ここで、両ドライバ回路８００，８１０から出力されるゲート信号は、各相のＩＧＢＴ２ａに供給され、交流電流ｕ，ｖ，ｗの振幅や位相などを制御する。

各制御回路９００，９１０は、各ＩＧＢＴ２ａのスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。ちなみに、各アームのＩＧＢＴ２ａのエミッタ電極は、各ドライバ回路８００，８１０に接続され、各ドライバ回路８００，８１０は、それぞれのＩＧＢＴ２ａごとにエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知されたＩＧＢＴ２ａについては、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。さらに、各制御回路９００，９１０には、上下アーム直列回路１に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度，過電圧などの異常を検知する。そして、過温度，過電圧などの異常を検知した場合には、全てのＩＧＢＴ２ａスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１を過電流，過電圧，過温度などの異常から保護する。

なお、以上に示した電力変換装置１０００において、ＩＧＢＴ２ａおよびダイオード２ｂからなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。また、インバータモジュール１００は、２つの上下アーム直列回路１を含んで構成され、２相の交流電流を出力するものとしてもよい。同様に、コンバータモジュール３００は、２つの上下アーム直列回路１を含んで構成され、２相の交流電流を入力するものとしてもよい。さらに、電力変換装置１０００は、図１の回路構成に加え、電池に充電する機能が入った装置であってもよい。また図１の回路構成に加え、風車の回転数から発電機の回転数に変換する増速機を設けても良い。

図２は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置のコンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００の外観斜視図の例を示した図である。図２に示すように、コンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００は正極導体板２０３ａと負極導体板２０３ｂによって電気的に接続される。コンデンサモジュール２００には、コンデンサセル２０１が複数搭載されており、各コンデンサセル２０１を挟み込むように正極導体板２０２ａと負極導体板２０２ｂが配置され、それぞれの導体板は前記正極導体板２０３ａと負極導体板２０３ｂに接続されている。インバータモジュール１００は、主に半導体パワーモジュール１１０と半導体パワーモジュールによって開口部を塞ぐ水路形成体１０１からなる。水路形成体には入口パイプ１０１ａと出口パイプ１０１ｂが一体成型されており、入口パイプ１０１ａから冷媒を供給し、出口パイプ１０１ｂから取り出す。図２の例は、図１の上下アームの直列回路１に相当する箇所に、１相あたり２in１タイプの半導体パワーモジュール１１０を２台設けている。この結果、３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗを出力するために、２in１タイプの半導体パワーモジュール１を６つ用意しており、２つのパワーモジュールを繋げるように交流電流供給用導体板１２０を設けている。

３相を構成する水路形成体１０１と半導体モジュール１１０の構造は全て同じであるため、１相分の水路形成体に２つの半導体パワーモジュール１１０が搭載された図（図３〜図１０）を用いて詳細構造を説明する。

図３は本発明の実施形態１に係る単相分インバータモジュール１００の外観斜視図の例を示した図であり、図４は図３の分解図の例を示した図である。インバータモジュール１００は、水路形成体１０１の上面に位置する開口部１０１ｃを塞ぐように、Ｏリングを代表とするシール材１３０を介して、半導体パワーモジュール固定用ボルト穴１０３にボルトを通すことによって半導体パワーモジュール１１０を設けることで構成される。上面から、Ｏリング１３０と半導体パワーモジュール１１０を取り付けることにより、組み付け時にＯリング１３０がＯリング用溝１０２から外れることがないため、組立性が向上する。

水路形成体１０１は鋳造（ダイキャスト含む）により一体成型され、Ｏリング用溝１０２や半導体パワーモジュール固定用ボルト穴１０３や入口パイプ１０１ａや出口パイプ１０１ｂは鋳造後に機械加工される。機械加工用チャック１０５は機械加工時に水路形成体を加工機に固定する際使用され、Ｏリング用溝１０２の外側に機械加工用チャックを設けることにより、シールの信頼性を維持していることを特徴とする。また、水路形成体を一体成型することにより、シールの信頼性が向上し、小型化低コスト化にも繋がる。

なお、シールにはＯリングを用いず液状シールや金属パッキンを用いても良い。

図３に示すように、半導体パワーモジュール１１０は、半導体パワーモジュール本体と直流端子及び交流端子から構成されており、半導体パワーモジュール本体の片側の辺に正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂが設けられ、反対側の辺に交流端子１１１ｃが設けられている。これらの端子直下には、図８に示すように、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ or ダイオード）２が存在しないため、ヒートシンク４を設ける必要がなく、半導体パワーモジュール本体の下側（水路形成体１０１と組み合わせる側）に配置すれば冷却効果を達成できる。故に、半導体パワーモジュール１１０の直流端子や交流端子直下に水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６を配置することにより、流路１０６のスペース効率を上げ、半導体パワーモジュール１１０が搭載される水路形成体１０１の出入口パイプ１０１ｂを除く床面積（Ｘ_channel×Ｙ_channel）を、半導体パワーモジュール１１０の床面積（Ｘ_module×Ｙ_module）と同等もしくはそれ以下にできる。また、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂはコンデンサモジュール２００に接続されている。そして、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂは水路形成体１０１よりもコンデンサモジュール２００側に突出しており、コンデンサモジュールと接触するための配線長を短くしている。

その結果、コンデンサモジュール２００を半導体パワーモジュール１１０に面位置で隣接して配置することが可能となるため、コンデンサモジュール２００と半導体パワーモジュール１１０を繋ぐ導体板２０３の長さを短くすることができ、電流抵抗となる配線インダクタンスを低減することができる。故に、装置としての損失を低減できると共に、更にスイッチング時の電流の変化に伴う電圧の跳ね上がりを抑制し、ＩＧＢＴの破壊を防止することができる。

図５は本発明の実施形態１に係る水路形成体１０１および冷媒の進行方向の例を示した図である。冷媒は、入口パイプ１０１ａから入口パイプ内冷媒進行方向１５０ａに従い水路形成体１０１に流入し、１つ目の半導体パワーモジュール１１０のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに従い進行し、水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６を水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向１５０ｄに従い進行方向を変え、１つ目のヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに対向する方向に、２つ目の半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｅに従い進行し、出口パイプ１０１ｂから出口パイプ内冷媒進行方向１５０ｂに従い水路形成体１０１から流出する。

図６は図５の水路形成体のＡ−Ａ′断面を示す図である。水路形成体は鋳造で一体成型されるため、１゜以上の抜き勾配１０８ａを持ち、また抜き勾配が存在する部位の壁面厚さ１０８ｂは３mm以上であることを特徴とする。半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃの開口部水路断面積１０７ｄが、入口／出口パイプ水路断面積１０７ａやノズル最小部水路断面積１０７ｂやモジュール間水路断面積１０７ｃよりも小さくすることによって、冷却すべき箇所（ヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ）のみ冷媒の流速を上げ冷却性能を向上させ、冷却に寄与しない箇所（入口パイプ１０１ａや出口パイプ１０１ｂや水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６）の冷媒の流速を下げ圧力損失を低減させる。故に、水路形成体底面には冷媒を輸送する必要が無くなるため、軽量化を目的として空間１０４を設けることができる。

また、前記水路形成体の材料は一般にアルミ合金であり、ヒートシンク４は銅であるため、電界腐食抑制のために、水路形成体とヒートシンクには表面処理を施し腐食を抑制する。また含浸処理を施すことにより、鋳物の巣や焼結部品の隙間に樹脂を注入し、硬化させ、その不要な穴を塞ぐことができるため信頼性は向上する。

図７は本発明の実施形態１に係る半導体パワーモジュール１１０の外観斜視図の例を示した図であり、図８は図７の半導体パワーモジュールのＢ−Ｂ′断面を示す図である。半導体パワーモジュールの片方の辺には、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂを設け、直流端子が配置される面とは反対の面に交流端子１１１ｃを設け、強電系の端子（直流や交流の端子１１１）が設けられている面とは別の面に弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２を設けることにより、強電系から弱電系を離すことができるため、各信号（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）のノイズを抑制することができる。

強電系の端子（直流や交流の端子１１１）から電力用半導体素子２へ電流を供給するために、電力用半導体素子２の上方に積層平板１１３を設ける。積層平板１１３は、上から順に負極導体板１１３ａ，絶縁材１１３ｂ，正極導体板１１３ｃ，絶縁材１１３ｄ，交流導体板１１３ｅがレイヤー状に積層されて構成されている。負極導体板１１３ａと正極導体板１１３ｃは、絶縁材１１３ｂを介して並行して配置され、且つ逆向きの同一電流が流れる。その結果、負極導体板１１３ａと正極導体板１１３ｃの間の空間では互いの電流によって発生する磁界が打ち消し合うことになり、結果として電流経路のインダクタンスが低下することとなる。なお、絶縁材１１３ｂ（１１３ｄ）は、各導体板（負極導体板１１３ａ，正極導体板１１３ｃ，交流導体板１１３ｅ）を電気的に絶縁する目的で設けられ、絶縁紙を導体板に接着する方法や、導体板にラミネートコーティングする方法によって実装される。

また積層平板を上面から見た形状は、略台形型をしており、絶縁基板上の金属パターンと接続されている各端子に向かって低インダクタンスで電流が流れる形状であることを特徴とする。

図８にのみ図示しているが、半導体パワーモジュール内側には電力用半導体素子２などの内部部品への埃付着防止，固定，絶縁性の確保などを目的としてゲルが封止されている。このゲルは積層平板１１３の最上部導体板（本実施例では負極導体板１１３ａ）の底面以上入れることにより、他の導体板との絶縁性を確保できる。

正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂの間の沿面距離は１０mm以上とし、間に絶縁材を必要としない。一方、正極導体板１１３ｃと負極直流板１１３ａは互いに隣接するため、絶縁性を確保するために間に絶縁材が必要となり、かつ少なくともどちらか片方の導体板はゲルの中に入っている必要がある。よって、正極直流端子１１１ａを正極導体板１１３ｃに繋げる部位１１７ａや、負極直流端子１１１ｂを負極導体板１１３ａに繋げる部位１１７ｂでは、絶縁性を確保するために、ゲル面の高さ１１４は正極導体板と負極導体板の沿面距離が短くなる部位の高さ１１５よりも大きくする必要がある。

一方、正極直流端子１１１ａを正極導体板１１３ｃに繋げる部位１１７ａの最小くびれ部分の板幅１１８は、耐振動や低インダクタンスのために少なくとも５mm以上にすべきである。そこで、最小くびれ部分を半円状に曲率がついた導体板１１６とすることで、半導体モジュール全体の高さを高くすることなくゲル面の高さ１１４を正極導体板と負極導体板の沿面距離が短くなる部位の高さ１１５よりも大きくすることが可能となり絶縁性を確保でき、かつ正極直流端子１１１ａと積層平板１１３との距離を短くすることが可能となるため、その結果、図４に示すモジュール長さＸ_moduleを短くすることができ、半導体パワーモジュール１１０の小型化が可能となる。なお、本実施例ではゲルを用いているが、ゲルの代わりにトランスファーモールドを用いても良い。

図９は、図３の単相分インバータモジュールのＣ−Ｃ′断面を示す図である。半導体パワーモジュール１１０を水路形成体１０１に挿入することでインバータモジュール１００が構成されている。半導体モジュール１１０を水路形成体１０１に搭載する際、前記半導体モジュール１１０のヒートシンク４が水路形成体にぶつかった場合、Ｏリング１３０が十分に圧縮されず、シール性を確保できなくなるため、ヒートシンク４と水路形成体１０１との間には一定の距離１０９ａを確保することが必要となる。一方、図９に示すヒートシンク４のフィン先端と水路形成体１０１との間の距離１０９ａは、冷却性能（熱抵抗や圧力損失）に影響を与えるため、製造公差や取り付け公差を含め、ヒートシンク４のフィン先端と水路形成体１０１との間の距離１０９ａの管理は重要である。

図１０は、ヒートシンク４のフィン先端と水路形成体１０１との間の距離（クリアランスと表記）と熱抵抗や圧力損失（圧損と表記）の関係を示すグラフである。グラフは、横軸にクリアランス、縦軸にクリアランスがある場合の性能とクリアランスがゼロのときの性能の比を表わす。

図１０からクリアランスを大きくすることにより、熱抵抗は大きくなり圧損は小さくなることがわかる。またクリアランスが２.０mm以内であれば、熱抵抗の増加量は、圧損の低減量に比べ大きくないことがわかる。故に、ヒートシンク４のフィン先端と水路形成体１０１との間の距離（クリアランス）１０９ａは０.１mm以上２.０mm以内に製造公差や取り付け公差を指定することで、ヒートシンク４が水路形成体１０１にぶつからず、かつ冷却性能を維持できる。

本実施例では、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂは水路形成体１０１よりもコンデンサモジュール２００側に突出させ、コンデンサモジュールと接触するための配線長を短くすることにより、インダクタンスを低減し、損失について低減させている。

上記実施例はインバータモジュール１００を例に示したが、コンバータモジュール３００に置き換えても良い。また、ヒートシンクフィン４ｂはピンフィンをして図示したが、平板フィンやコルゲートフィンであっても良い。また上記実施例の電力変換装置１０００は、風力発電用として好適であるばかりでなく、自動車やトラックなどの電力変換装置，電車や船舶や航空機などの電力変換装置，工場設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置，家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられる家庭用電力変換装置に対しても適用することができる。

（実施形態２）
図１１は、フィンなしヒートシンクを実装した場合の単相分インバータモジュールのＣ−Ｃ′断面を示す図である。第１の実施例と比較し、ヒートシンクフィン４ｂをなくした分、伝熱面積が小さくなり冷却性能は劣るが、冷却対象である電力用半導体素子が必要量冷却されているのであれば、ヒートシンク４の形状を単純化できるため、低コスト化が見込める。この場合、ヒートシンクベース４ａと水路形成体１０１との間の距離１０９ｂは、ゴミ詰まり防止やキャビテーション腐食防止を考慮し、０.５mm以上であることが好ましい。例えば、流路幅が３０mmであり、流量が１.０Ｌ／minの場合、ヒートシンクベース４ａと水路形成体１０１との間の距離１０９ｂが０.５mmであれば、平均流速は約１.１ｍ／ｓとなり、一般に知られる許容流速（１.５ｍ／ｓ）よりも小さくとなるため、キャビテーション腐食が発生する心配はない（〔参考文献〕“Anti corrosion duide for copper pipes used in building pipe lines” (建築配管用銅管腐食対策指針), Jpn. Copp. Develop. Assoc.. p.15 (1987)）。

（実施形態３）
図１２は、フィンなしヒートシンクを実装し、かつ流速増加用部材を設けた場合の単相分インバータモジュールのＣ−Ｃ′断面を示す図である。本実施例（第３の変形例）は、実施形態の第２の変形例に追加して流速増加用部材５を設けることにより、レイノルズ数が２０００以上となる乱流の状態で熱伝達が可能となり、冷却性能を向上させることができる。

（実施形態４）
図１３は２つ以上の半導体モジュールを搭載した水路形成体および３分岐３合流する冷媒の進行方向の例を示した図であり、図１４は、図１３の水路形成体および冷媒の進行方向の例を模式的に示した上面図である。

冷媒は、入口パイプ１０１ａから入口パイプ内冷媒進行方向１５０ａに従い水路形成体１０１に流入し、入口パイプ１０１ａから繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５１に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ３つ（ｕ，ｖ，ｗそれぞれの相）に分岐し、半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃへ向かって下から上へ流れ出し、ヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに従い進行し、水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６を水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向１５０ｄに従い進行方向を変え、１つ目のヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに対向する方向に、２つ目の半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｅに従い進行し、出口パイプへ繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５２に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ３流路（ｕ，ｖ，ｗそれぞれの相）から合流し、出口パイプ１０１ｂから出口パイプ内冷媒進行方向１５０ｂに従い水路形成体１０１から流出する。本構造は３相交流を得るために、６つの半導体モジュール１１０（各相２つ×３相＝６つ）全てを１つの水路形成体１０１で冷却するため、入口パイプ１０１ａと出口パイプ１０１ｂに取り付けられる図示しないカプラの数を減らすことが可能となり、シールの信頼性を向上させ、カプラの数を２つだけにすることによる低コスト化も実現する。また、３相（ｕ，ｖ，ｗ）それぞれを同じ条件で均一に冷却できるメリットもある。なお、冷媒が各モジュールを通過して熱量を得ることにより、冷媒の液温が入口パイプ１０１ａから出口パイプ１０１ｂに向かって上昇するが、その液温上昇の影響を相殺するように対向する方向に冷媒が流れているため、水路形成体は熱伝導率の高い金属で成形することが好適である。

（実施形態５）
図１５は２つ以上の半導体モジュールを搭載した水路形成体および２分岐２合流する冷媒の進行方向の例を模式的に示した上面図である。冷媒は、入口パイプ１０１ａから入口パイプ内冷媒進行方向１５０ａに従い水路形成体１０１に流入し、入口パイプから繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５１に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ２つに分岐し、半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃへ向かって下から上へ流れ出し、ヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに従い進行し、水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６を水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向１５０ｄに従い進行方向を変え、１つ目のヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに対向する方向に、２つ目の半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｅに従い進行し、さらに水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６を水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向１５０ｄに従い進行方向を変え、２つ目のヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｅに対向する方向に、３つ目の半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｆに従い進行し、出口パイプへ繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５２に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ２流路から合流し、出口パイプ１０１ｂから出口パイプ内冷媒進行方向１５０ｂに従い水路形成体１０１から流出する。本構造は実施形態の第４の変形例と比較し、分岐数を少なくしたため、流量を各流路に均等に分配することが容易となり、かつ半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている部位での流速を上げることができるため熱抵抗を低減させることができる。

（実施形態６）
図１６は２つ以上の半導体モジュールを搭載した水路形成体および分岐合流しない冷媒の進行方向の例を模式的に示した上面図である。冷媒は、入口パイプ１０１ａから入口パイプ内冷媒進行方向１５０ａに従い水路形成体１０１に流入し、入口パイプから繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５１に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ、入口パイプ１０１ａや出口パイプ１０１ｂが設けられている面から一番離れた場所に位置する半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃへ向かって下から上へ流れ出し、ヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに従い進行し、水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６を水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向１５０ｄに従い進行方向を変え、１つ目のヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに対向する方向に、２つ目の半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｅに従い進行し、さらに水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６を水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向１５０ｄに従い進行方向を変え、２つ目のヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｅに対向する方向に、３つ目の半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｆに従い進行し、この繰り返しにより、４つ目・５つ目・６つ目の半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内を隣り合うヒートシンク内冷媒進行方向１５０に対向する方向に冷媒を流し、最終的に出口パイプへ繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５２に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ、出口パイプ１０１ｂから出口パイプ内冷媒進行方向１５０ｂに従い水路形成体１０１から流出する。本構造は実施形態の第４や第５の変形例と比較し、分岐合流せず全ての半導体パワーモジュールを一筆書き流路で繋げることを特徴とする。分岐合流させないことにより、流量均一分配の心配をしなくてすみ、分岐合流させる他の実施例と比べ半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている部位での流速を最大することができるため熱抵抗を低減させることができる。

（実施形態７）
図１７は６つの半導体モジュールを搭載した水路形成体および６分岐６合流する冷媒の進行方向の例を模式的に示した上面図である。冷媒は、入口パイプ１０１ａから入口パイプ内冷媒進行方向１５０ａに従い水路形成体１０１に流入し、入口パイプから繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５１に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ全てのモジュール（６つ）に分岐し、半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃへ向かって下から上へ流れ出し、ヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに従い進行し、出口パイプへ繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向１５２に従い半導体パワーモジュールの下層を流れ６流路から合流し、出口パイプ１０１ｂから出口パイプ内冷媒進行方向１５０ｂに従い水路形成体１０１から流出する。本実施例は、モジュールの数と分岐合流する流路の数が同じであることを特徴とし、特にモジュールの数が多い場合には、液温上昇の影響をモジュールごとに、ばらつかせない様にすることができるため好適である。さらに、水路形成体の開口部間を繋ぐ流路１０６は冷媒の進行方向を変えずに繋げることができ、実施形態６に比べ半導体パワーモジュール１００のヒートシンク４が挿入されている部位での流速を小さくすることができるため圧力損失を低減させることができる。

なお実施形態４〜７は、半導体パワーモジュール１００の数が６つであることを前提に説明したが、半導体パワーモジュール１００の数が２つ以上であれば同じ考え方で流路を設計することが可能である。

１ 上下アーム直列回路
２ 電力用半導体素子
２ａ ＩＧＢＴ
２ｂ ダイオード
３ 絶縁基板
４ ヒートシンク
４ａ ヒートシンクベース
４ｂ ヒートシンクフィン
５ 流速増加用部材
１００ インバータモジュール
１０１ 水路形成体
１０１ａ 入口パイプ
１０１ｂ 出口パイプ
１０１ｃ 水路開口部
１０２ Ｏリング用溝
１０３ 半導体パワーモジュール固定用ボルト穴
１０４ 水路形成体底面空間
１０５ 機械加工用チャック
１０６ 水路形成体の開口部間を繋ぐ流路
１０７ａ 入口／出口パイプ水路断面積
１０７ｂ ノズル最小部水路断面積
１０７ｃ モジュール間水路断面積
１０７ｄ 開口部水路断面積
１０８ａ 水路形成体抜き勾配
１０８ｂ 抜き勾配が存在する部位の壁面厚さ
１０９ ヒートシンクと水路形成体との間の距離
１０９ａ ヒートシンクフィン先端と水路形成体との間の距離（クリアランス）
１０９ｂ ヒートシンクベースと水路形成体との間の距離
１１０ 半導体パワーモジュール
１１１ａ 正極直流端子
１１１ｂ 負極直流端子
１１１ｃ 交流端子
１１２ 弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極
１１３ 積層平板
１１３ａ，２０２ｂ，２０３ｂ 負極導体板
１１３ｂ，１１３ｄ 絶縁材
１１３ｃ，２０２ａ，２０３ａ 正極導体板
１１３ｅ 交流導体板
１１４ ゲル面の高さ
１１５ 正極導体板と負極導体板の沿面距離が短くなる部位の高さ
１１６ 半円状に曲率がついた導体板
１１７ａ 正極直流端子を正極導体板に繋げる部位
１１７ｂ 負極直流端子を負極導体板に繋げる部位
１１８ 正極直流端子を正極導体板に繋げる部位の最小くびれ部分の板幅
１２０ 交流電流供給用導体板
１３０ Ｏリング
１５０ａ 入口パイプ内冷媒進行方向（流入方向）
１５０ｂ 出口パイプ内冷媒進行方向（吐出方向）
１５０ｃ，１５０ｅ，１５０ｆ，１５０ｇ，１５０ｈ，１５０ｉ ヒートシンク内冷媒進行方向
１５０ｄ 水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向
１５１ 入口パイプから繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向
１５２ 出口パイプへ繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向
２００ コンデンサモジュール
２０１ コンデンサセル
３００ コンバータモジュール
４００ 発電機
５００ ブレード（回転羽根）
６００ 変圧器
７００ 外部電力系統
８００ コンバータモジュール用ドライバ回路
８１０ インバータモジュール用ドライバ回路
９００ コンバータモジュール用制御回路
９１０ インバータモジュール用制御回路
１０００ 電力変換装置

Claims (21)

1. コンデンサモジュールに接続される直流端子を備えると共に、冷却用の水路形成体と組み合わせて使用する半導体パワーモジュールであって、
   前記直流端子は前記水路形成体よりも前記コンデンサモジュール側に突出していることを特徴とする半導体パワーモジュール。
2. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールと、前記水路形成体とを備えるインバータモジュールまたはコンバータモジュール。
3. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールであって、
   更に前記水路形成体内の冷媒と接触することで該複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクと、交流端子を備えており、
   前記直流端子及び前記交流端子は半導体パワーモジュール本体から突出し、
   前記ヒートシンクは前記半導体パワーモジュール本体のうち、前記半導体パワーモジュールが前記水路形成体と組み合わせる側に配置されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
4. 請求項３に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記直流端子は前記半導体モジュールの外周の１辺に設けられ、
   前記交流端子は前記直流端子はと反対側の辺に設けられ、
   更に前記直流端子と前記交流端子の間に設けられる積層平板と、前記直流端子と前記交流端子が設けられる辺とは別の辺に設けられる弱電系の電極とを備えていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
5. 請求項３または請求項４に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記ヒートシンクと前記水路形成体との間には隙間が存在することを特徴とする半導体パワーモジュール。
6. 請求項４に記載の半導体パワーモジュールにおいて
   前記直流端子と前記積層平板との接触位置には、曲率を有する導体板が設けられていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
7. 請求項５に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記ヒートシンクの水路形成体側には放熱フィンが設けられ、該放熱フィン先端と水路形成体との間の隙間が０.１mm以上２.０mm以内であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
8. 請求項５に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記ヒートシンクのベース面と水路形成体との間の隙間が０.５mm以上であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
9. 請求項５に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記ヒートシンクと水路形成体との間に流速増加用部材が設けられていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の半導体パワーモジュールと、前記直流端子で前記半導体パワーモジュールと接続される前記コンデンサモジュールとを備えた電力変換装置であって、
    前記ヒートシンクは放熱フィンが形成されるベースを備えており、
    前記電力変換装置は筐体壁に前記水路形成体を設けており、
    前記半導体パワーモジュールは、複数の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板を備えていると共に、該絶縁基板と前記ヒートシンクとは、前記ヒートシンクの前記ベースの前記放熱フィンが形成された面とは反対側の面に接合され、
    かつ、前記放熱フィンが前記水路形成体の開口部に水没するように、前記筐体壁に取り付けられており、
    前記コンデンサモジュールは前記半導体パワーモジュールと略同一平面上に配置されていると共に、前記コンデンサモジュールは、前記半導体パワーモジュールに隣接して配置されていることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置であって、
    前記水路形成体は入口パイプと出口パイプを備えており、
    前記水路形成体のうち前記入口パイプと前記出口パイプを除く部分の床面積が、前記半導体パワーモジュールの床面積と同等もしくはそれ以下であることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１１に記載の電力変換装置であって、
    前記入口パイプと前記出口パイプは前記水路形成体の片側の面に設けられていると共に、複数の半導体パワーモジュールが搭載される部位に複数の開口部が設けられ、該複数の開口部の各開口部には半導体パワーモジュールが搭載されると共に、
    前記入口パイプから各前記半導体パワーモジュールへ冷媒を供給する流路と、各半導体パワーモジュールから出口パイプへ冷媒を排出する流路とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項１３に記載の電力変換装置であって、
    前記入口パイプから各半導体パワーモジュールへ冷媒を供給する流路と前記各半導体パワーモジュールから出口パイプへ冷媒を排出する流路が、前記半導体パワーモジュールが搭載される開口部の下層に位置することを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項１３に記載の電力変換装置であって、
    前記入口パイプから各半導体パワーモジュールへ冷媒を供給する複数の流路と前記各半導体パワーモジュールから出口パイプへ冷媒を排出する複数の流路が、前記半導体パワーモジュールが搭載される開口部の下層で分岐合流することを特徴とする電力変換装置。
15. 請求項１４に記載の電力変換装置であって、
    前記入口パイプまたは前記出口パイプが設けられている面から最も離れた場所に位置する半導体パワーモジュールから前記入口パイプや前記出口パイプが設けられている面に向かって、複数の半導体パワーモジュールを搭載される全ての開口部を繋ぐように流路が構成されていることを特徴とする電力変換装置。
16. 請求項１０ないし請求項１５のいずれか一つに記載の電力変換装置において、
    前記直流端子及び前記交流端子直下には、前記水路形成体の開口部間を繋ぐ流路が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
17. 請求項１０ないし請求項１６のいずれか一つに記載の電力変換装置において、
    前記水路形成体と前記ヒートシンクには表面処理が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
18. 複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と、前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクと、前記電力用半導体素子へ直流電流を供給する直流端子と、前記電力用半導体素子から交流電流を取り出す交流端子とを含んでなる半導体パワーモジュールの前記ヒートシンクが搭載される部位に開口部が設けられ、機械加工用チャックと入口パイプと出口パイプと前記半導体パワーモジュールを締結するためのボルト穴を持つ半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法であって、
    前記水路形成は、鋳造により一体成型された後、前記入口パイプと出口パイプ及び前記半導体パワーモジュールを締結するためのボルト穴が機械加工され、１゜以上の抜き勾配を持つ壁面を有することを特徴とする半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法。
19. 請求項１８に記載の半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法において、
    前記ヒートシンクは、搭載される部位に開口部の流路断面積が他の流路断面積よりも小さいことを特徴とする半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法。
20. 請求項１８に記載の半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法において、
    前記水路形成体のヒートシンクが搭載される開口部の位置の底面に空間が設けられていることを特徴とする半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法。
21. 請求項１８に記載の半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法において、
    前記水路形成体を鋳造した後、鋳物の巣及び焼結部品の隙間に樹脂を注入し硬化させて不要な穴を塞ぎ、その後、前記水路形成体に表面処理を施したことを特徴とする半導体パワーモジュール搭載用水路形成体の製造方法。

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