JP2014207317A

JP2014207317A - 半導体モジュールユニット

Info

Publication number: JP2014207317A
Application number: JP2013083883A
Authority: JP
Inventors: 賢史山中; Masashi Yamanaka; 佳子山添; Yoshiko Yamazoe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-10-30

Abstract

【課題】より簡易な構成で、半導体モジュールと共に半導体モジュールユニットに内蔵される電子基板やコンデンサを冷却する。【解決手段】ＩＧＢＴ素子を有する半導体モジュール２２ａ〜２２ｈとモジュール冷却器２４ａ〜２４ｉとが交互に積層されてなる積層体２６を備える半導体モジュールユニット２０において、電子基板２８とコンデンサ３０と冷却パイプ２７とが筐体４０の開口板状部４３に取り付けた。これにより、冷却パイプ２７により筐体４０の開口板状部４３を介して電子基板２８とコンデンサ３０とを冷却することができ、より簡易な構成で電子基板２８とコンデンサ３０とを冷却することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュールユニットに関し、詳しくは、半導体素子が内蔵された複数の半導体モジュールと冷媒が流通し半導体モジュールと熱交換可能な複数の第１冷却器とを有し複数の半導体モジュールと複数の第１冷却器とが交互に積層された積層体と、半導体モジュールと接続された電子部品が搭載された電子基板と、半導体モジュールと接続されたコンデンサと、が筐体に内蔵されてなる半導体モジュールユニットに関する。

従来、この種の半導体モジュールユニットとしては、複数の半導体モジュールと複数の半導体モジュールを冷却するための冷媒が流れる複数の冷却管とが積層された積層体と、半導体モジュールへの入力電圧を昇圧するための昇圧回路の一部を構成するリアクトルと、リアクトルを載置する載置部とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このユニットでは、冷却管を流れる冷媒を載置部内部に流通させることにより、簡易な構成で効率よくリアクトルを冷却することができるとしている。

特開２０１２−２２２９４３号公報

一般に、複数の半導体モジュールと冷媒が内部を流れる複数の冷却器とが積層された積層体と共に、半導体モジュールに接続される電子部品が搭載された電子基板とコンデンサとを筐体に内蔵した半導体モジュールユニットでは、電子基板やコンデンサをどのようにして冷却するかが重要な課題の一つとされている。電子基板やコンデンサを冷却する手法として、積層体の冷却器からの冷媒を電子基板やコンデンサに供給して電子基板やコンデンサを冷却する方法も考えられる。しかしながら、この手法では、冷却器からの冷媒を電子基板やコンデンサに供給するための流路を配策する必要があり、構成が複雑になるため、筐体内の限られたスペースで適用することは困難である。

本発明の半導体モジュールユニットは、より簡易な構成で、半導体モジュールと共に半導体モジュールユニットに内蔵される電子基板やコンデンサを冷却することを主目的とする。

本発明の半導体モジュールユニットは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の半導体モジュールユニットは、
半導体素子が内蔵された複数の半導体モジュールと冷媒が流通し前記半導体モジュールと熱交換可能な複数の第１冷却器とを有し前記複数の半導体モジュールと前記複数の第１冷却器とが交互に積層されてなる積層体と、前記半導体モジュールと接続された電子部品が搭載された電子基板と、前記半導体モジュールと接続されたコンデンサと、が筐体に内蔵されてなる半導体モジュールユニットであって、
冷媒が内部を流通する第２冷却器
を備え、
前記電子基板と前記コンデンサと前記第２冷却器とは、前記筐体に取り付けられてなることを要旨とする。

この本発明の半導体モジュールユニットでは、冷媒が内部を流通する第２冷却器を備え、電子基板とコンデンサと第２冷却器とは、筐体に取り付けられている。こうした構成により、第２冷却器により筐体を介して電子基板とコンデンサとを冷却することができ、より簡易な構成で半導体モジュールと共に内蔵される電子基板とコンデンサとを冷却することができる。

こうした本発明の半導体モジュールユニットにおいて、前記第２冷却器は、略Ｕ字形状に形成され、前記積層体と前記電子基板との間に配置されてなるものとすることもできる。こうすれば、積層体の半導体モジュールと電子基板との接続を第２冷却器で妨げられることを抑制することができる。

また、本発明の半導体モジュールユニットにおいて、前記第１冷却器の冷媒の供給口である第１供給口および冷媒の排出口である第１排出口と、前記第２冷却器の冷媒の供給口である第２供給口および冷媒の排出口である第２排出口と、が前記筐体の同一の面に取り付けられてなるものとすることもできる。こうすれば、冷媒を供給したり排出したりするために筐体の外で配策する冷媒流路の流路長をより短くすることができる。

さらに、本発明の半導体モジュールユニットにおいて、前記第２冷却器は、前記筐体の内側に設けられた載置部に載置されており、前記コンデンサは、前記載置部の前記第２冷却器が載置された面の裏面の前記第２冷却器に整合する位置に取り付けられてなるものとすることもできる。こうすれば、第２冷却器とコンデンサとの距離をより近づけることができから冷却性能の向上を図ることができる。

そして、本発明の半導体モジュールユニットにおいて、前記半導体モジュールユニットの前記第１冷却器と前記第２冷却器とには、同一の装置から冷媒が供給されてなるものとすることもできる。こうすれば、同一の冷媒供給装置から供給された冷媒で半導体モジュールと電子基板とコンデンサとを冷却することができる。

実施例の半導体モジュールユニット２０の構成の概略を示す分解斜視図である。半導体モジュールユニット２０の組立断面図である。半導体モジュールユニット２０の図２のＡＡ線における断面図である。冷却水供給装置６０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本実施例の半導体モジュールユニット２０の構成の概略を示す分解斜視図であり、図２は、半導体モジュールユニット２０の組立断面図であり、図３は、半導体モジュールユニット２０の図２のＡＡ線における断面図である。なお、図１では、後述するバスバー５２ａ〜５２ｃは図示していない。半導体モジュールユニット２０は、昇圧コンバータやインバータを内蔵するパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）として構成されており、昇圧コンバータやインバータなど電力を変換するための回路を構成するＩＧＢＴ素子を有する半導体モジュール２２ａ〜２２ｈと冷却水が内部を流通し半導体モジュール２２ａ〜２２ｈと熱交換可能なモジュール冷却器２４ａ〜２４ｉとが交互に積層されてなる積層体２６と、アルミニウムにより略Ｕ字形状に形成され冷却水が内部を流通する冷却パイプ２７と、ガラス入りエポキシ樹脂により形成され半導体モジュール２２ａ〜２２ｈのＩＧＢＴ素子を制御するための制御回路を有する電子部品が搭載された電子基板２８と、半導体モジュール２２ａ〜２２ｈから出力される電圧を平滑するコンデンサ３０と、電流を検出する電流センサ３２と、が筐体４０に内蔵されて構成されている。

積層体２６のモジュール冷却器２４ａ〜２４ｉは、アルミニウムにより形成されており、半導体モジュール２２ａ〜２２ｈと積層されたときに図面における上方から見て略Ｕ字形状の流路５４を構成するよう形成されている。

筐体４０は、アルミニウムにより形成されており、ダイカストにより製造され側面となる側面部材４２と、上面となる上面部材４４と、底面となる底面部材４６とから構成されている。側面部材４２の内側には、開口を有する板状の開口板状部４３が一体形成されている。

開口板状部４３の上面部材４４側の面４３ａには、電子基板２８がボス５０ａ〜５０ｄにより取り付けられると共に冷却パイプ２７がはんだにより取り付けられている。開口板状部４３の下方には積層体２６が配置されている。電子基板２８の電子部品と積層体２６の半導体モジュール２２ａ〜２２ｈとは、開口板状部４３の開口を通る制御端子ＣＴ１〜ＣＴ４により接続されている。冷却パイプ２７が、略Ｕ字形状に形成され、積層体２６と電子基板２８との間に配置されているから、冷却パイプ２７に妨げられることなく、制御端子ＣＴ１〜ＣＴ４を用いて電子基板２８の電子部品と積層体２６の半導体モジュール２２ａ〜２２ｈとを接続することができる。

開口板状部４３の面４３ａの裏面４３ｂの冷却パイプ２７と整合する位置には、ボス４８ａ，４８ｂによりコンデンサ３０が取り付けられている。コンデンサ３０は、下方でバスバー５２ａ〜５２ｃにより電流センサ３２や半導体モジュール２２ａ〜２２ｈの図示しない出力端子と接続された電極端子ＥＴ１〜ＥＴ３と接続されている。このように、開口板状部４３の上面部材４４側の裏面４３ｂにコンデンサ３０を取り付けることにより、コンデンサ３０と半導体モジュール２２ａ〜２２ｈとを比較的近くに配置することができる。これにより、バスバー５２ａ〜５２ｃや電極端子ＥＴ１〜ＥＴ３をより短くすることができるから、インダクタンスの低減を図ることができる。

側面部材４２の面４２ａには、積層体２６の流路５４の冷却水の供給口５４ａおよび排出口５４ｂと、冷却パイプ２７の冷却水の供給口２７ａと排出口２７ｂとが取り付けられている。ここで、積層体２６の流路５４の供給口５４ａと冷却パイプ２７の供給口２７ａとに冷却水を供給する冷却水供給装置６０について説明する。

図４は、冷却水供給装置６０の一例を示す構成図である。冷却水供給装置６０は、積層体２６の流路５４と連通し冷却水が循環する循環流路６２と、循環流路６２から分岐して半導体モジュールユニット２０の冷却パイプ２７と連通する分岐流路６４と、冷却水を貯留するリザーブタンク６６と、リザーブタンク６６の冷却水を圧送する電動のウォータポンプ６８と、図示しないファンによる送風でウォータポンプ６８から圧送された冷却水を冷却するラジエータ７０とを備える。冷却水供給装置６０では、積層体２６の流路５４の供給口５４ａと冷却パイプ２７の供給口２７ａに冷却水を供給すると共に、積層体２６の流路５４の排出口ら排出された冷却水と冷却パイプ２７の排出口２７ｂから排出された冷却水をリザーブタンク６６に回収する。実施例の半導体モジュールユニット２０では、積層体２６の流路５４の供給口５４ａ，排出口５４ｂ，冷却パイプ２７の供給口２７ａ，排出口２７ｂが筐体４０の面４２ａに取り付けられているから、こうした冷却水供給装置６０により冷却水を半導体モジュールユニット２０に供給したり排出したりする際に、半導体モジュールユニット２０の外側で配策する冷却水の流路の流路長を短くすることができる。

こうして冷却水が供給される半導体モジュールユニット２０では、冷却水が流通する冷却パイプ２７により開口板状部４３を介して電子基板２８とコンデンサ３０とを冷却している。これにより、積層体２６のモジュール冷却器２４ａ〜２４ｉから流路を配策して電子基板２８とコンデンサ３０とを冷却するものと比べると、より簡易な構成で電子基板２８とコンデンサ３０とを冷却することができる。また、コンデンサ３０が開口板状部４３の裏面４３ｂの冷却パイプ２７と整合する位置に取り付けられているから、冷却パイプ２７とコンデンサ３０との距離をより短くすることができ、より適正に冷却パイプ２７でコンデンサ３０を冷却することができる。

以上説明した実施例の半導体モジュールユニット２０によれば、電子基板２８とコンデンサ３０と冷却パイプ２７とが筐体４０の開口板状部４３に取り付けられているから、冷却パイプ２７により筐体４０の開口板状部４３を介して電子基板２８とコンデンサ３０とを冷却することができ、より簡易な構成で電子基板２８とコンデンサ３０とを冷却することができる。

また、冷却パイプ２７が略Ｕ字形状に形成されると共に電子基板２８と積層体２６との間に配置されているから、冷却パイプ２７に妨げられることなく、積層体２６の半導体モジュール２２ａ〜２２ｈと電子基板２８に搭載された電子部品とを接続することができる。

さらに、積層体２６の流路５４の供給口５４ａ，排出口５４ｂ，冷却パイプ２７の供給口２７ａ，排出口２７ｂが筐体４０の面４２ａに取り付けられているから、半導体モジュールユニット２０に冷却水を供給したり排出したりするために筐体４０の外で配策する冷却水の流路の流路長を短くすることができる。

そして、コンデンサ３０は、開口板状部４３の裏面４３ｂの冷却パイプ２７と整合する位置に取り付けられているから、より適正にコンデンサ３０を冷却することができる。

実施例の半導体モジュールユニット２０では、冷却パイプ２７が略Ｕ字形状に形成されているものとしたが、冷却パイプ２７は、開口板状部４３に取り付け可能な形状に形成されていればよく、例えば、略Ｉ字形状や略Ｌ字形状などに形成されていてもよい。

実施例の半導体モジュールユニット２０では、冷却パイプ２７が開口板状部４３の面４ａに取り付けられているものとしたが、開口板状部４３の裏面４３ｂに取り付けられるものとしてもよい。

実施例の半導体モジュールユニット２０では、積層体２６の流路５４の供給口５４ａ，排出口５４ｂ，冷却パイプ２７の供給口２７ａ，排出口２７ｂが筐体４０の同一の面４２ａに取り付けるものとしたが、積層体２６の流路５４の供給口５４ａ，排出口５４ｂ，冷却パイプ２７の供給口２７ａ，排出口２７ｂがそれぞれ筐体４０の異なる面に取り付けられているものとしてもよい。

実施例の半導体モジュールユニット２０では、コンデンサ３０を開口板状部４３の裏面４３ｂの冷却パイプ２７と整合する位置に取り付けるものとしたが、取り付け位置は冷却パイプ２７と整合する位置に限定されるものではなく、開口板状部４３の裏面４３ｂであればよい。

実施例の半導体モジュールユニット２０では、積層体２６を開口板状部４３の下方に配置するものとしたが、積層体２６を開口板状部４３の上方に配置するものとしてもよい。

実施例の半導体モジュールユニット２０では、電子基板２８とコンデンサ３０と冷却パイプ２７とが開口板状部４３に取り付けられているものとしたが、電子基板２８とコンデンサ３０と冷却パイプ２７とは、筐体４０に取り付けられて冷却パイプ２７により筐体４０を介して電子基板２８とコンデンサ３０とが冷却されればよく、例えば、側面部材４２などに取り付けられているものとしてもよい。

実施例の半導体モジュールユニット２０では、冷却パイプ２７，筐体４０がアルミニウムにより形成されているものとしたが、比較的熱伝導性が良好なものであれば、他の材料により形成するものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、半導体モジュール２２ａ〜２２ｈが「半導体モジュール」に相当し、モジュール冷却器２４ａ〜２４ｉが「第１冷却器」に相当し、電子基板２８が「電子基板」に相当し、コンデンサ３０が「コンデンサ」に相当し、冷却パイプ２７が「第２冷却器」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、半導体モジュールユニットの製造産業などに利用可能である。

２０半導体モジュールユニット、２２ａ〜２２ｈ半導体モジュール、２４ａ〜２４ｉモジュール冷却器、２６積層体、２７冷却パイプ、２８電子基板、３０コンデンサ、３２電流センサ、４０筐体、４２側面部材、４４上面部材、４６底面部材、４３開口板状部、４３ａ面、４３ｂ裏面、５４流路、２７ａ，５４ａ供給口、２７ｂ，５４ｂ排出口、６０冷却水供給装置、６２循環流路、６４分岐流路、６６リザーブタンク、６８ウォータポンプ、７０ラジエータ、ＣＴ１〜ＣＴ４制御端子、ＥＴ１〜ＥＴ３電極端子。

Claims

半導体素子が内蔵された複数の半導体モジュールと冷媒が流通し前記半導体モジュールと熱交換可能な複数の第１冷却器とを有し前記複数の半導体モジュールと前記複数の第１冷却器とが交互に積層されてなる積層体と、前記半導体モジュールと接続された電子部品が搭載された電子基板と、前記半導体モジュールと接続されたコンデンサと、が筐体に内蔵されてなる半導体モジュールユニットであって、
冷媒が内部を流通する第２冷却器
を備え、
前記電子基板と前記コンデンサと前記第２冷却器とは、前記筐体に取り付けられてなる
半導体モジュールユニット。
請求項１記載の半導体モジュールユニットであって、
前記第２冷却器は、略Ｕ字形状に形成され、前記積層体と前記電子基板との間に配置されてなる
半導体モジュールユニット。
請求項１または２記載の半導体モジュールユニットであって、
前記第１冷却器の冷媒の供給口である第１供給口および冷媒の排出口である第１排出口と、前記第２冷却器の冷媒の供給口である第２供給口および冷媒の排出口である第２排出口と、が前記筐体の同一の面に取り付けられてなる
半導体モジュールユニット。
請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載の半導体モジュールユニットであって、
前記第２冷却器は、前記筐体の内側に設けられ載置部に載置されており、
前記コンデンサは、前記載置部の前記第２冷却器が載置された面の裏面の前記第２冷却器に整合する位置に取り付けられてなる
半導体モジュールユニット。
請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載の半導体モジュールユニットであって、
前記半導体モジュールユニットの前記第１冷却器と前記第２冷却器とには、同一の装置から冷媒が供給されてなる
半導体モジュールユニット。